一种晶圆键合装置的制作方法

1.本技术涉及半导体技术领域，尤其涉及一种晶圆键合装置。


背景技术：

2.随着大规模集成电路技术的迅猛发展，晶圆键合既可以对微结构提供支撑和保护，又可以实现机械结构之间或机械结构与电路之间的电学连接。它是整个工艺流程中至关重要的核心制程，它由于其灵活性和半导体工艺的兼容性已经引起了广泛的关注。而键合的强度又是键合制程中的关键指标，它决定着后续流程是否能够顺利进行下去，也影响着产品硅片的缺陷和良率。如果键合强度小，在加工过程中键合片很有可能会开裂，导致失效；只有键合强度大，才能保证产品的成品率和质量。因此，提高键合强度具有重要的意义。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本技术为解决现有技术中存在的至少一个技术问题而提供一种晶圆键合装置。
4.为达到上述目的，本技术的技术方案是这样实现的：
5.本技术实施例提供一种晶圆键合装置，包括：
6.等离子腔室，用于对待键合晶圆进行表面活化处理；
7.水汽控制模块，包括设于所述等离子腔室内且用于测量所述等离子腔室内的水汽含量的水汽监测单元，以及与所述等离子腔室连通且用于向所述等离子腔室内通入水汽的水汽调节单元。
8.可选地，所述水汽监测单元包括湿度传感器或露点仪。
9.可选地，所述水汽调节单元包括用于提供水汽的水汽化器，所述水汽化器与所述等离子腔室通过传输管道连接。
10.可选地，所述水汽调节单元还包括用于向所述水汽化器内通入洁净气体的气体供应器，所述水汽化器用于将所述洁净气体与蒸汽混合以产生水汽。
11.可选地，所述洁净气体为氮气。
12.可选地，所述装置还包括用于存储所述待键合晶圆的负载锁定腔室。
13.可选地，所述装置还包括设置在所述负载锁定腔室和所述等离子腔室之间且用于传送所述待键合晶圆的传送单元。
14.可选地，所述负载锁定腔室内的环境为真空环境，所述传送单元所处的环境为真空环境。
15.可选地，还包括用于对经过表面活化处理的所述待键合晶圆进行键合处理的键合腔室，所述键合腔室与所述等离子腔室之间设有传送单元，所述传送单元用于将经过表面活化处理的所述待键合晶圆传送至所述键合腔室。
16.本技术公开了一种晶圆键合装置，包括：等离子腔室，用于对待键合晶圆进行表面活化处理；水汽控制模块，包括设于等离子腔室内且用于测量等离子腔室内的水汽含量的
水汽监测单元，以及与等离子腔室连通且用于向等离子腔室内通入水汽的水汽调节单元。本技术实施例中通过设置水汽监测单元对等离子腔室内的水汽含量进行实时监测，并在等离子腔室内的水汽含量低于预设阈值时通过水汽调节单元向等离子腔室补充水汽，确保等离子腔室内的水汽含量不会过低，保证了待键合晶圆后续键合的稳定性。
附图说明
17.图1为本技术实施例提供的一种晶圆键合装置的结构示意图一；
18.图2为本技术实施例提供的晶圆键合原理示意图；
19.图3为本技术实施例提供的等离子腔室内的水汽含量随时间变化的关系示意图；
20.图4为本技术实施例提供的晶圆键合强度随键合时间变化的关系示意图；
21.图5为本技术实施例提供的一种晶圆键合装置的结构示意图二；
22.图6为本技术实施例提供的一种晶圆键合装置的结构示意图三；
23.图7为本技术实施例提供的一种晶圆键合装置的结构示意图四。
具体实施方式
24.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
25.在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本技术更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本技术可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本技术发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述；即，这里不描述实际实施例的全部特征，不详细描述公知的功能和结构。
26.此外，附图仅为本技术的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
27.晶圆键合工艺经历了从早期的高温晶圆键合工艺到现在普遍研究和推广的低温晶圆键合工艺，主要就是为了克服高温对器件的影响。当前，低温晶圆键合工艺包括亲水性晶圆键合和疏水性晶圆键合，其中，亲水性晶圆键合技术是通过对硅表面进行表面处理，进而通过水分子桥接以及分子间的作用力，将两片或多片硅晶圆贴合在一起。然而，在对硅表面进行表面处理的过程中，由于硅片所处环境的水汽含量会随时间的推移而逐渐降低，会导致后续的晶圆键合过程中的晶圆键合强度受到影响，从而降低了晶圆键合的稳定性。基于此，提出本技术以下各实施例。
28.请参阅图1，图1为本技术实施例提供的一种晶圆键合装置的结构示意图一，所述晶圆键合装置，包括：
29.等离子腔室101，用于对待键合晶圆进行表面活化处理；
30.水汽控制模块102，包括设于等离子腔室101内且用于测量等离子腔室101内的水
汽含量的水汽监测单元103，以及与等离子腔室101连通且用于向等离子腔室101内通入水汽的水汽调节单元104。
31.在本实施例中，通过等离子清洗机对待键合晶圆进行清洗和表面活化处理。具体地，在等离子腔室101内，通过射频电源在一定的压力情况下起辉产生高能量的无序的等离子体，通过等离子体轰击待键合晶圆表面，以达到清洗目的。另外，在完成清洗去污的同时，还可以改善待键合晶圆本身的表面性能，如增强待键合晶圆表面的湿润性能和渗透效果等，使等离子腔室101内的表面活性剂能够有效地吸附在待键合晶圆表面，形成保护层，从而使待键合晶圆表面长时间保持易清洗的状态。
32.在集成电路制造过程中，在进行晶圆键合前，需要对待键合晶圆进行清洗，这是因为在形成待键合晶圆的制程中，会在晶圆表面存留大量颗粒等污染物，这些残留的污染物需要通过清洗工艺将其除去，以防止这些残留的污染物对晶圆键合造成不良影响。
33.这里，待键合晶圆包括存储阵列(array)晶圆和外围电路(cmos)晶圆。存储阵列晶圆为形成有存储阵列的晶圆，存储阵列包括垂直堆叠的多层存储单元。外围电路晶圆为形成有外围电路的晶圆，外围电路包括多个晶体管及其构成的逻辑控制电路，上述晶体管可以为cmos晶体管。
34.等离子腔室101内水汽能够附着于待键合晶圆的表面，示例性地，如图2所示，图2为本技术实施例提供的晶圆键合原理示意图。其中，上下两端为待键合晶圆，待键合晶圆表面si-o-si化学键被等离子体打开，再经过清洗过程使晶圆表面挂上-oh键，在晶圆键合过程中，待键合晶圆相互接近，接触面上si-oh键形成水和硅氧键，达到两片待键合晶圆键合到一起。
35.本实施例中的具体键合原理为：第一阶段，晶圆键合装置内的温度升高，两硅片表面吸附-oh团，并在相互接触区产生氢键，形成氢键的两硅片的硅醇键si-oh之间发生聚合反应，产生水及硅氧键，即si-oh ho-si
→
si-o-si h2o；第二阶段，晶圆键合装置内的温度继续升高，在形成硅氧键si-o时产生的水或等离子腔室内已存在的水汽向sio2中的扩散不明显，而-oh团可以破坏桥接氧原子的一个键使其转变为非桥接氧原子，即：hoh si-o-si＝2-oh 2si-；第三阶段，晶圆键合装置内的温度继续升高，水分子向sio2中扩散变得显著，而且随温度的升高扩散量成指数增大。键合界面的空洞和间隙处的水分子可在高温下扩散进入四周的sio2中，从而产生局部真空，这样硅片会发生塑性变形使空洞消除，由此晶圆完成键合。
36.在一些实施例中，水汽监测单元103实时监测等离子腔室101内的水汽含量，并在等离子腔室101内的水汽含量低于预设阈值时向水汽调节单元104发送反馈指令，水汽调节单元104接收到所述水汽监测单元103发送的反馈指令后向所述等离子腔室101内通入水汽。一旦所述等离子腔室101内的水汽含量达到饱和(不低于预设阈值)，水汽监测单元103则会停止向水汽调节单元104发送反馈指令，从而水汽调节单元104也会停止向等离子腔室101内通入水汽。
37.在另一些实施例中，水汽监测单元103实时监测等离子腔室101内的水汽含量，并在等离子腔室101内的水汽含量低于预设阈值时向水汽调节单元104发送第一反馈指令，水汽调节单元104接收到所述水汽监测单元103发送的第一反馈指令后向所述等离子腔室101内通入水汽；水汽监测单元103还可以在等离子腔室101内的水汽含量高于预设阈值时向水
汽调节单元104发送第二反馈指令，水汽调节单元104接收到所述水汽监测单元103发送的第二反馈指令后停止向所述等离子腔室101内通入水汽。
38.在本实施例中，水汽监测单元103和水汽调节单元104之间可以是通过蓝牙、wifi等无线方式连接，也可以是通过有线方式进行连接。水汽监测单元103可以基于二者之间的连接将反馈指令发送至水汽调节单元104。
39.在本实施例中，水汽监测单元103可以湿度传感器或露点仪。水汽监测单元103可以实时监测等离子腔室101内的水汽含量，并在水汽含量低于预设阈值时，向水汽调节单元104发送反馈指令。
40.具体地，如图3所示，图3为本技术实施例提供的等离子腔室内的水汽含量随时间变化的关系示意图，水汽含量随时间的推移而逐渐较少。其中，a表征初始时刻的等离子腔室内的水汽初始含量，b表征预设阈值，a，b的单位均为ppm，表征单位体积内水汽质量占湿空气总质量的百万分之几，c表征等离子腔室内的水汽含量从初始含量下降到预设阈值所需的天数。这里，预设阈值根据键合晶圆的键合强度确定，即预设阈值为不影响晶圆键合稳定性的最低水汽含量。
41.在一个示例中，如图4所示，图4为本技术实施例提供的晶圆键合强度随键合时间变化的关系示意图。需要说明的是，图4测量的是经图3中测量的等离子腔室进行表面活化处理的待键合晶圆之间的键合强度。结合图3和图4可以得到以下结论：随着时间的推移，等离子腔室101内的水汽含量逐渐降低，由此导致后续的晶圆键合强度随之降低。可以理解的是，待键合晶圆表面的水汽含量越低，相邻两待键合晶圆之间的化学键连接作用越弱，晶圆键合的强度随之降低。这里，晶圆键合强度随键合时间变化的关系可以通过历史数据得出，也可以是通过仪器取样测试得到。
42.通过水汽监测单元103实时监测等离子腔室101内的水汽含量，在水汽含量降低至b ppm时，水汽监测单元103向水汽调节单元104发送反馈指令。
43.在本实施例中，水汽调节单元104与等离子腔室101之间可以通过水汽调节单元104的水汽传输管道连通。
44.在一个示例中，如图5所示，图5为本技术实施例提供的一种晶圆键合装置的结构示意图二。水汽调节单元104可以包括用于提供水汽的水汽化器1041，水汽化器1041与等离子腔室101通过传输管道连接。
45.在本示例中，水汽传输管道上设有电控开关，该电控开关控制水汽传输管道的导通或关闭。当水汽调节单元104收到水汽监测单元103发送的反馈指令后，水汽化器1041开始工作生成水汽，同时，电控开关收到相应指令控制水汽化器1041与等离子腔室101之间导通，水汽进入到等离子腔室101内。当水汽含量达到饱和或者预期含量后，通过水汽监测单元103向水汽调节单元104发送反馈指令，从而使得电控开关控制水汽化器1041与等离子腔室101之间闭合。
46.在另一个示例中，如图6所示，图6为本技术实施例提供的一种晶圆键合装置的结构示意图三。水汽调节单元104还包括用于向水汽化器1041内通入洁净气体的气体供应器1042，水汽化器1041用于将洁净气体与蒸汽混合以产生水汽。
47.在本示例中，水汽化器1041与等离子腔室101之间可以通过电控开关控制导通或关闭。当水汽调节单元104收到水汽监测单元103发送的反馈指令后，气体供应器向水汽化
器1041内通入洁净气体，同时，电控开关收到相应指令控制水汽化器1041与等离子腔室101之间导通，由此，水汽随洁净气体一起进入到等离子腔室101内，等离子腔室101内的水汽含量随之升高。这里，洁净气体可以为氮气。
48.本技术通过设置水汽监测单元对等离子腔室内的水汽含量进行实时监测，并在等离子腔室内的水汽含量低于预设阈值时通过水汽调节单元向等离子腔室补充水汽，确保等离子腔室内的水汽含量不会过低，保证了待键合晶圆后续键合的稳定性。
49.在一个实施例中，如图7所示，图7为本技术实施例提供的一种晶圆键合装置的结构示意图四。晶圆键合装置还包括用于存储待键合晶圆的负载锁定腔室105和设置在负载锁定腔室和等离子腔室之间且用于传送待键合晶圆的传送单元106，负载锁定腔室105可以是一个空间较大的负载锁定平台(load lock stage)，用于存储经化学机械抛光处理后的待键合晶圆。传送单元106可以是机械臂(robotic arm)，用于在各单元之间进行待键合晶圆的传送，如将存储在负载锁定腔室的待键合晶圆转移至等离子腔室，以对待键合晶圆进行清洗和表面活化处理。
50.在一个实施例中，负载锁定腔室内的环境为真空环境，传送单元所处的环境为真空环境。对于等离子腔室，真空环境并非是绝对真空，而是相对低压的环境，如10pa左右的真空度，通过射频电源激发气体，从而产生高能量的粒子和电子，以及其它活性的粒子，由此形成等离子体，通过等离子体轰击待键合晶圆表面，以对待键合晶圆进行清洗。
51.在一个实施例中，晶圆键合装置还包括用于对经过表面活化处理的待键合晶圆进行键合处理的键合腔室(图中未示出)，用于对经过表面活化处理的待键合晶圆进行键合处理。
52.这里，键合单元可以是晶圆键合机。在利用等离子腔室对待键合晶圆进行表面处理，且确认待键合晶圆表面满足平坦，光滑和清洁后，将待键合晶圆传送至相应的键合单元。根据晶圆键合机的类型和键合方式，设置键合环境温度以及在键合过程中所使用的压力和作用力等因素，完成对待键合晶圆的键合处理。良好的键合条件下，直接键合的键合强度可达到10～20mpa，温度越高键合强度越大，气密性和稳定性越好，但是由于键合温度较高，可能对一些电路有损害，因此温度控制也存在一定的限制。键合表面的平整度和洁净度也会直接影响键合质量，接触面越平整，材料接触越充分，气密性和稳定性也就越好。
53.应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本技术的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。应理解，在本技术的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本技术实施例的实施过程构成任何限定。上述本技术实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
54.本技术所提供的几个装置实施例中所揭露的装置，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的装置实施例。
55.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种晶圆键合装置，其特征在于，包括：等离子腔室，用于对待键合晶圆进行表面活化处理；水汽控制模块，包括设于所述等离子腔室内且用于测量所述等离子腔室内的水汽含量的水汽监测单元，以及与所述等离子腔室连通且用于向所述等离子腔室内通入水汽的水汽调节单元。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述水汽监测单元包括湿度传感器或露点仪。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，用于提供水汽的水汽化器，所述水汽化器与所述等离子腔室通过传输管道连接。4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述水汽调节单元还包括用于向所述水汽化器内通入洁净气体的气体供应器，所述水汽化器用于将所述洁净气体与蒸汽混合以产生水汽。5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述洁净气体为氮气。6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括用于存储所述待键合晶圆的负载锁定腔室。7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括设置在所述负载锁定腔室和所述等离子腔室之间且用于传送所述待键合晶圆的传送单元。8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述负载锁定腔室内的环境为真空环境，所述传送单元所处的环境为真空环境。9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括用于对经过表面活化处理的所述待键合晶圆进行键合处理的键合腔室，所述键合腔室与所述等离子腔室之间设有传送单元，所述传送单元用于将经过表面活化处理的所述待键合晶圆传送至所述键合腔室。

技术总结
本申请公开了一种晶圆键合装置，包括：等离子腔室，用于对待键合晶圆进行表面活化处理；水汽控制模块，包括设于等离子腔室内且用于测量等离子腔室内的水汽含量的水汽监测单元，以及与等离子腔室连通且用于向等离子腔室内通入水汽的水汽调节单元。本申请实施例中通过设置水汽监测单元对等离子腔室内的水汽含量进行实时监测，并在等离子腔室内的水汽含量低于预设阈值时通过水汽调节单元向等离子腔室补充水汽，确保等离子腔室内的水汽含量不会过低，保证了待键合晶圆后续键合的稳定性。保证了待键合晶圆后续键合的稳定性。保证了待键合晶圆后续键合的稳定性。


技术研发人员：袁绅豪 赵志远 刘淼 刘武
受保护的技术使用者：长江存储科技有限责任公司
技术研发日：2021.09.28
技术公布日：2022/5/25