CN215069994U - 半导体材料的键合结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种半导体材料的键合结构，包括彼此键合的两片半导体材料，其中至少一片半导体材料具有半导体介质和绝缘介质的混合表面；键合界面既包括半导体介质与半导体介质的接触区域，又包括半导体介质与绝缘介质的接触区域和/或绝缘介质与绝缘介质的接触区域。半导体介质与半导体介质的接触区域用于电荷转移，避免电荷累积造成的电弧效应、产品失效、机台污染等问题；半导体介质与绝缘介质的接触区域和/或绝缘介质与绝缘介质的接触区域用于在较低温度下实现较强的键合强度，减少键合缺陷，保证器件性能，提高产品可靠性。

Description

半导体材料的键合结构

技术领域

本实用新型涉及一种半导体材料的键合结构。

背景技术

为满足电子产品进一步小型化、多功能化的需求，集成电路制造技术随之高速发展，制造过程中越来越多地利用到半导体材料之间的键合工艺。

图1-图3示出现有的半导体材料（以硅晶圆为例）之间的三种主要键合方式。

如图1所示，第一晶圆110与第二晶圆120分别进行平坦化处理之后，直接彼此键合，形成硅与硅接触的键合界面；

如图2所示，先在第二晶圆120表面沉积形成氧化硅、氮化硅或碳氮化硅等绝缘介质薄膜130，再与第一晶圆110彼此键合（优选的，可于键合步骤前对待键合表面进行预处理），形成硅与绝缘介质接触的键合界面；

如图3所示，分别在第一晶圆110、第二晶圆120表面形成绝缘介质薄膜140、130，然后彼此键合（优选的，可于键合步骤前对待键合表面进行预处理），形成绝缘介质与绝缘介质接触的键合界面。

其中，图1所示键合方式的缺点是键合强度较弱，对键合后热处理温度要求较高（>950℃），影响器件性能，并且容易产生气泡、空洞等键合缺陷。图2、图3所示的键合方式可以在较低温度（<400℃）就可以达到较强的键合强度(>2J/m²)，并且由于硅化物等绝缘介质对气体的吸收作用，减少了气泡、空洞等键合缺陷，但是由于键合界面的绝缘介质隔离作用，后续工艺过程中产生的电荷无法转移消除，会累积在衬底表面，可能会造成电弧效应，或者带来一些缺陷导致产品失效、机台污染等问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种半导体材料的键合结构，既能避免电荷累积造成的电弧效应、产品失效、机台污染等问题；又能在较低温度下实现较强的键合强度，减少键合缺陷，保证器件性能，提高产品可靠性。

基于以上考虑，本实用新型提供一种半导体材料的键合结构，包括彼此键合的两片半导体材料，其中至少一片半导体材料具有半导体介质和绝缘介质的混合表面；键合界面既包括半导体介质与半导体介质的接触区域，又包括半导体介质与绝缘介质的接触区域和/或绝缘介质与绝缘介质的接触区域。

优选的，所述半导体介质包括硅、锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟中的任意一种或组合。

优选的，所述半导体介质包括单晶半导体或多晶半导体中的任意一种或组合。

优选的，所述硅材质的半导体介质包括纯硅或掺杂硅中的任意一种或组合。

优选的，所述绝缘介质包括氧化硅、氮化硅、碳氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅中的任意一种或组合。

优选的，所述绝缘介质的厚度大于3nm。

本实用新型的半导体材料的键合结构，包括彼此键合的两片半导体材料，其中至少一片半导体材料具有半导体介质和绝缘介质的混合表面；键合界面既包括半导体介质与半导体介质的接触区域，又包括半导体介质与绝缘介质的接触区域和/或绝缘介质与绝缘介质的接触区域。半导体介质与半导体介质的接触区域用于电荷转移，避免电荷累积造成的电弧效应、产品失效、机台污染等问题；半导体介质与绝缘介质的接触区域和/或绝缘介质与绝缘介质的接触区域用于在较低温度下实现较强的键合强度，减少键合缺陷，保证器件性能，提高产品可靠性。

附图说明

通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1-图3为现有技术的半导体材料的键合结构的形成方法的示意图；

图4为本实用新型的半导体材料的键合结构的形成方法的流程图；

图5为根据本实用新型实施例一的半导体材料的键合结构的形成方法的示意图；

图6为根据本实用新型实施例二的半导体材料的键合结构的形成方法的示意图；

图7为根据本实用新型实施例三的半导体材料的键合结构的形成方法的示意图；

图8为图7中区域A的局部俯视示意图；

图9为根据本实用新型实施例四的半导体材料的键合结构的形成方法的示意图；

图10为根据本实用新型实施例五的半导体材料的键合结构的形成方法的示意图；

图11为根据本实用新型实施例六的半导体材料的键合结构的形成方法的示意图；

图12为图11中区域B的局部俯视示意图；

图13为根据本实用新型实施例七的半导体材料的键合结构的形成方法的示意图；

图14为根据本实用新型实施例八的半导体材料的键合结构的形成方法的示意图。

在图中，贯穿不同的示图，相同或类似的附图标记表示相同或相似的装置（模块）或步骤。

具体实施方式

为解决上述现有技术中的问题，本实用新型提供一种半导体材料的键合结构，包括彼此键合的两片半导体材料，其中至少一片半导体材料具有半导体介质和绝缘介质的混合表面；键合界面既包括半导体介质与半导体介质的接触区域，又包括半导体介质与绝缘介质的接触区域和/或绝缘介质与绝缘介质的接触区域。半导体介质与半导体介质的接触区域用于电荷转移，避免电荷累积造成的电弧效应、产品失效、机台污染等问题；半导体介质与绝缘介质的接触区域和/或绝缘介质与绝缘介质的接触区域用于在较低温度下实现较强的键合强度，减少键合缺陷，保证器件性能，提高产品可靠性。

在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本实用新型一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本实用新型的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本实用新型的所有实施例。可以理解，在不偏离本实用新型的范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并非限制性的，且本实用新型的范围由所附的权利要求所限定。

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细阐述。

图4示出本实用新型的半导体材料的键合结构的形成方法，包括：首先，提供两片半导体材料；然后，于其中至少一片半导体材料表面形成半导体介质和绝缘介质的混合表面，具体的，可以通过刻蚀所述半导体材料的半导体介质以形成凹槽，于所述凹槽中填充绝缘介质，通过表面平坦化处理以形成所述混合表面，也可以于所述半导体材料上沉积绝缘介质，刻蚀所述绝缘介质以形成凹槽，凹槽停止在半导体材料上，于所述凹槽中填充半导体介质，通过表面平坦化处理以形成所述混合表面；最后，将所述两片半导体材料彼此键合，使得键合界面既包括半导体介质与半导体介质的接触区域，又包括半导体介质与绝缘介质的接触区域和/或绝缘介质与绝缘介质的接触区域。

于是，半导体介质与半导体介质的接触区域用于电荷转移，避免电荷累积造成的电弧效应、产品失效、机台污染等问题；半导体介质与绝缘介质的接触区域和/或绝缘介质与绝缘介质的接触区域用于在较低温度下（优选的，键合步骤及后处理的温度小于450°C）实现较强的键合强度，减少键合缺陷，保证器件性能，提高产品可靠性。

图5示出根据本实用新型实施例一的半导体材料的键合结构的形成方法的示意图。

提供两片由半导体介质构成的半导体材料210、220（例如两片硅晶圆），于其中一片半导体材料220表面形成半导体介质220和绝缘介质230的混合表面。具体的，可以依次在所述半导体材料220上沉积硬掩模层、光刻胶层，通过光刻、刻蚀的方式，在所述半导体材料220的半导体介质220中形成凹槽，于所述凹槽中填充绝缘介质230，再通过湿法刻蚀、干法刻蚀、化学机械研磨等工艺方法或其组合进行键合前表面平坦化处理，停止在混合表面。

将所述两片半导体材料210、220彼此键合，使得键合界面既包括半导体介质210与半导体介质220的接触区域，可用于电荷转移，避免电荷累积造成的电弧效应、产品失效、机台污染等问题，又包括半导体介质210与绝缘介质230的接触区域，可用于在较低温度下（优选的，键合步骤及后处理的温度小于450°C）实现较强的键合强度，减少键合缺陷，保证器件性能，提高产品可靠性。

本领域技术人员可以理解，所述半导体介质210、220可以包括硅、锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟中的任意一种或组合，也可以包括单晶半导体或多晶半导体中的任意一种或组合。以硅材质的半导体介质为例，可以包括纯硅或掺杂硅中的任意一种或组合。

优选的，所述绝缘介质230可以包括氧化硅、氮化硅、碳氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅中的任意一种或组合，所述绝缘介质230的厚度大于3nm，以保证足够的键合强度，较少的键合缺陷。

图6示出根据本实用新型实施例二的半导体材料的键合结构的形成方法的示意图。

提供两片由半导体介质构成的半导体材料210、220（例如两片硅晶圆），于其中一片半导体材料220表面形成半导体介质250和绝缘介质230的混合表面。具体的，可以依次在所述半导体材料220上沉积绝缘介质层230、光刻胶层，通过光刻、刻蚀的方式在所述绝缘介质层230中形成凹槽（所述刻蚀穿过绝缘介质层230停止在半导体材料220中，以确保后续填充的半导体介质250直接接触半导体材料220，形成导电通路），于所述凹槽中填充半导体介质250，再通过湿法刻蚀、干法刻蚀、化学机械研磨等工艺方法或其组合进行键合前表面平坦化处理，停止在混合表面。

将所述两片半导体材料210、220彼此键合，使得键合界面既包括半导体介质210与半导体介质250的接触区域，可用于电荷转移，避免电荷累积造成的电弧效应、产品失效、机台污染等问题，又包括半导体介质210与绝缘介质230的接触区域，可用于在较低温度下（优选的，键合步骤及后处理的温度小于450°C）实现较强的键合强度，减少键合缺陷，保证器件性能，提高产品可靠性。

本领域技术人员可以理解，所述半导体介质210、220、250可以包括硅、锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟中的任意一种或组合，也可以包括单晶半导体或多晶半导体中的任意一种或组合。以硅材质的半导体介质为例，可以包括纯硅或掺杂硅中的任意一种或组合。

优选的，所述绝缘介质230可以包括氧化硅、氮化硅、碳氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅中的任意一种或组合，所述绝缘介质230的厚度大于3nm，以保证足够的键合强度，较少的键合缺陷。

图7、图8示出根据本实用新型实施例三的半导体材料的键合结构的形成方法的示意图。

提供两片由半导体介质构成的半导体材料210、220（例如两片硅晶圆），通过实施例一的方式于半导体材料210表面形成半导体介质210和绝缘介质240的混合表面，于半导体材料220表面形成半导体介质220和绝缘介质230的混合表面。

参照图8的局部俯视图，以半导体介质210与半导体介质220相对，绝缘介质240与绝缘介质230相对的方式，将所述两片半导体材料210、220彼此键合，形成对称型混合键合界面，该键合界面既包括半导体介质210与半导体介质220的接触区域，可用于电荷转移，避免电荷累积造成的电弧效应、产品失效、机台污染等问题，又包括绝缘介质240与绝缘介质230的接触区域，可用于在较低温度下（优选的，键合步骤及后处理的温度小于450°C）实现较强的键合强度，减少键合缺陷，保证器件性能，提高产品可靠性。

本领域技术人员可以理解，所述半导体介质210、220可以包括硅、锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟中的任意一种或组合，也可以包括单晶半导体或多晶半导体中的任意一种或组合。以硅材质的半导体介质为例，可以包括纯硅或掺杂硅中的任意一种或组合。

优选的，所述绝缘介质230、240可以包括氧化硅、氮化硅、碳氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅中的任意一种或组合，所述绝缘介质230、240的厚度大于3nm，以保证足够的键合强度，较少的键合缺陷。

图9示出根据本实用新型实施例四的半导体材料的键合结构的形成方法的示意图。

提供两片由半导体介质构成的半导体材料210、220（例如两片硅晶圆），通过实施例二的方式于半导体材料210表面形成半导体介质260和绝缘介质240的混合表面，于半导体材料220表面形成半导体介质250和绝缘介质230的混合表面。

同样的，以半导体介质260与半导体介质250相对，绝缘介质240与绝缘介质230相对的方式，将所述两片半导体材料210、220彼此键合，形成对称型混合键合界面，该键合界面既包括半导体介质260与半导体介质250的接触区域，可用于电荷转移，避免电荷累积造成的电弧效应、产品失效、机台污染等问题，又包括绝缘介质240与绝缘介质230的接触区域，可用于在较低温度下（优选的，键合步骤及后处理的温度小于450°C）实现较强的键合强度，减少键合缺陷，保证器件性能，提高产品可靠性。

本领域技术人员可以理解，所述半导体介质210、220、250、260可以包括硅、锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟中的任意一种或组合，也可以包括单晶半导体或多晶半导体中的任意一种或组合。以硅材质的半导体介质为例，可以包括纯硅或掺杂硅中的任意一种或组合。

优选的，所述绝缘介质230、240可以包括氧化硅、氮化硅、碳氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅中的任意一种或组合，所述绝缘介质230、240的厚度大于3nm，以保证足够的键合强度，较少的键合缺陷。

图10示出根据本实用新型实施例五的半导体材料的键合结构的形成方法的示意图。

提供两片由半导体介质构成的半导体材料210、220（例如两片硅晶圆），通过实施例一的方式于半导体材料210表面形成半导体介质210和绝缘介质240的混合表面，通过实施例二的方式于半导体材料220表面形成半导体介质250和绝缘介质230的混合表面。

同样的，以半导体介质210与半导体介质250相对，绝缘介质240与绝缘介质230相对的方式，将所述两片半导体材料210、220彼此键合，形成对称型混合键合界面，该键合界面既包括半导体介质210与半导体介质250的接触区域，可用于电荷转移，避免电荷累积造成的电弧效应、产品失效、机台污染等问题，又包括绝缘介质240与绝缘介质230的接触区域，可用于在较低温度下（优选的，键合步骤及后处理的温度小于450°C）实现较强的键合强度，减少键合缺陷，保证器件性能，提高产品可靠性。

本领域技术人员可以理解，所述半导体介质210、220、250可以包括硅、锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟中的任意一种或组合，也可以包括单晶半导体或多晶半导体中的任意一种或组合。以硅材质的半导体介质为例，可以包括纯硅或掺杂硅中的任意一种或组合。

优选的，所述绝缘介质230、240可以包括氧化硅、氮化硅、碳氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅中的任意一种或组合，所述绝缘介质230、240的厚度大于3nm，以保证足够的键合强度，较少的键合缺陷。

图11、图12示出根据本实用新型实施例六的半导体材料的键合结构的形成方法的示意图。

提供两片由半导体介质构成的半导体材料210、220（例如两片硅晶圆），通过实施例一的方式于半导体材料210表面形成半导体介质210和绝缘介质240的混合表面，于半导体材料220表面形成半导体介质220和绝缘介质230的混合表面。

参照图12的局部俯视图，以半导体介质210与绝缘介质230相对，半导体介质220与绝缘介质240相对的方式，将所述两片半导体材料210、220彼此键合，形成互补型混合键合界面，该键合界面既包括半导体介质210与半导体介质220的接触区域，可用于电荷转移，避免电荷累积造成的电弧效应、产品失效、机台污染等问题，又包括半导体介质210与绝缘介质230以及半导体介质220与绝缘介质240的接触区域，可用于在较低温度下（优选的，键合步骤及后处理的温度小于450°C）实现较强的键合强度，减少键合缺陷，保证器件性能，提高产品可靠性。

本领域技术人员可以理解，所述半导体介质210、220可以包括硅、锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟中的任意一种或组合，也可以包括单晶半导体或多晶半导体中的任意一种或组合。以硅材质的半导体介质为例，可以包括纯硅或掺杂硅中的任意一种或组合。

优选的，所述绝缘介质230、240可以包括氧化硅、氮化硅、碳氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅中的任意一种或组合，所述绝缘介质230、240的厚度大于3nm，以保证足够的键合强度，较少的键合缺陷。

图13示出根据本实用新型实施例七的半导体材料的键合结构的形成方法的示意图。

提供两片由半导体介质构成的半导体材料210、220（例如两片硅晶圆），通过实施例二的方式于半导体材料210表面形成半导体介质260和绝缘介质240的混合表面，于半导体材料220表面形成半导体介质250和绝缘介质230的混合表面。

同样的，以半导体介质260与绝缘介质230相对，半导体介质250与绝缘介质240相对的方式，将所述两片半导体材料210、220彼此键合，形成互补型混合键合界面，该键合界面既包括半导体介质260与半导体介质250的接触区域，可用于电荷转移，避免电荷累积造成的电弧效应、产品失效、机台污染等问题，又包括半导体介质260与绝缘介质230以及半导体介质250与绝缘介质240的接触区域，可用于在较低温度下（优选的，键合步骤及后处理的温度小于450°C）实现较强的键合强度，减少键合缺陷，保证器件性能，提高产品可靠性。

本领域技术人员可以理解，所述半导体介质210、220、250、260可以包括硅、锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟中的任意一种或组合，也可以包括单晶半导体或多晶半导体中的任意一种或组合。以硅材质的半导体介质为例，可以包括纯硅或掺杂硅中的任意一种或组合。

优选的，所述绝缘介质230、240可以包括氧化硅、氮化硅、碳氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅中的任意一种或组合，所述绝缘介质230、240的厚度大于3nm，以保证足够的键合强度，较少的键合缺陷。

图14示出根据本实用新型实施例八的半导体材料的键合结构的形成方法的示意图。

提供两片由半导体介质构成的半导体材料210、220（例如两片硅晶圆），通过实施例一的方式于半导体材料210表面形成半导体介质210和绝缘介质240的混合表面，通过实施例二的方式于半导体材料220表面形成半导体介质250和绝缘介质230的混合表面。

同样的，以半导体介质210与绝缘介质230相对，半导体介质250与绝缘介质240相对的方式，将所述两片半导体材料210、220彼此键合，形成互补型混合键合界面，该键合界面既包括半导体介质210与半导体介质250的接触区域，可用于电荷转移，避免电荷累积造成的电弧效应、产品失效、机台污染等问题，又包括半导体介质210与绝缘介质230以及半导体介质250与绝缘介质240的接触区域，可用于在较低温度下（优选的，键合步骤及后处理的温度小于450°C）实现较强的键合强度，减少键合缺陷，保证器件性能，提高产品可靠性。

本领域技术人员可以理解，所述半导体介质210、220、250可以包括硅、锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟中的任意一种或组合，也可以包括单晶半导体或多晶半导体中的任意一种或组合。以硅材质的半导体介质为例，可以包括纯硅或掺杂硅中的任意一种或组合。

优选的，所述绝缘介质230、240可以包括氧化硅、氮化硅、碳氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅中的任意一种或组合，所述绝缘介质230、240的厚度大于3nm，以保证足够的键合强度，较少的键合缺陷。

此外，本领域技术人员可以理解，在未示出的其他实施例中，还可以通过调整至少一片半导体材料的混合表面中半导体介质、绝缘介质的形状、尺寸、比例，从而形成不同键合界面组合，只要满足键合界面既包括半导体介质与半导体介质的接触区域，又包括半导体介质与绝缘介质的接触区域和/或绝缘介质与绝缘介质的接触区域，即可用于实现本实用新型的目的。

因此，本实用新型提供一种半导体材料的键合结构，包括彼此键合的两片半导体材料，其中至少一片半导体材料具有半导体介质和绝缘介质的混合表面；键合界面既包括半导体介质与半导体介质的接触区域，又包括半导体介质与绝缘介质的接触区域和/或绝缘介质与绝缘介质的接触区域。

优选的，所述半导体介质可以包括硅、锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟中的任意一种或组合，也可以包括单晶半导体或多晶半导体中的任意一种或组合。以硅材质的半导体介质为例，可以包括纯硅或掺杂硅中的任意一种或组合。

优选的，所述绝缘介质可以包括氧化硅、氮化硅、碳氮化硅中的任意一种或组合，所述绝缘介质的厚度大于3nm，以保证足够的键合强度，较少的键合缺陷。

综上所述，本实用新型的半导体材料的键合结构，包括彼此键合的两片半导体材料，其中至少一片半导体材料具有半导体介质和绝缘介质的混合表面；键合界面既包括半导体介质与半导体介质的接触区域，又包括半导体介质与绝缘介质的接触区域和/或绝缘介质与绝缘介质的接触区域。半导体介质与半导体介质的接触区域用于电荷转移，避免电荷累积造成的电弧效应、产品失效、机台污染等问题；半导体介质与绝缘介质的接触区域和/或绝缘介质与绝缘介质的接触区域用于在较低温度下实现较强的键合强度，减少键合缺陷，保证器件性能，提高产品可靠性。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论如何来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。此外，明显的，“包括”一词不排除其他元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。装置权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (6)

1.一种半导体材料的键合结构，其特征在于，

包括彼此键合的两片半导体材料，其中至少一片半导体材料具有半导体介质和绝缘介质的混合表面；

键合界面既包括半导体介质与半导体介质的接触区域，又包括半导体介质与绝缘介质的接触区域和/或绝缘介质与绝缘介质的接触区域。

2.如权利要求1所述的半导体材料的键合结构，其特征在于，所述半导体介质包括硅、锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟中的任意一种或组合。

3.如权利要求2所述的半导体材料的键合结构，其特征在于，所述半导体介质包括单晶半导体或多晶半导体中的任意一种或组合。

4.如权利要求2所述的半导体材料的键合结构，其特征在于，所述半导体介质包括纯硅或掺杂硅中的任意一种或组合。

5.如权利要求1所述的半导体材料的键合结构，其特征在于，所述绝缘介质包括氧化硅、氮化硅、碳氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅中的任意一种或组合。

6.如权利要求1所述的半导体材料的键合结构，其特征在于，所述绝缘介质的厚度大于3nm。

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