本發(fā)明屬于半導體，涉及一種鍵合方法。

背景技術：

1、在半導體技術領域，直接鍵合工藝作為實現(xiàn)硅圓片間高強度、高可靠性連接的關鍵技術，對于提升微電子與光電子器件的整體性能與穩(wěn)定性具有不可替代的作用。該工藝通過精密的機械對準與熱壓貼合技術，將兩個或多個硅圓片在無中間層的情況下直接鍵合連接，廣泛應用于對精度要求極高的集成電路、高精度傳感器、以及微電機系統(tǒng)(mems)等領域。

2、現(xiàn)有技術中，硅圓片間的直接鍵合工藝主要包括預鍵合和退火兩個關鍵步驟。在預鍵合階段，硅圓片表面需保持足夠的光潔度且無有機物污染，以便于硅圓片間的精確對準和緊密貼合。隨后的退火過程通常在超過800℃的高溫環(huán)境下進行，其目的是促進硅圓片表面的羥基(-oh)發(fā)生聚合反應，從而形成穩(wěn)定的共價鍵(si-o-si)結構。這一聚合反應可以通過以下反應式表示：

3、si-oh+ho-si→si-o-si+h2o

4、這一反應有助于增強硅圓片間的結合力，并為硅圓片間的直接鍵合提供必要的化學穩(wěn)定性和機械強度。而對于反應過程中產(chǎn)生的水分子，其在高溫條件下會進一步與硅圓片反應，生成二氧化硅和氫氣。具體的反應式如下：

5、si+2h2o→sio2+2h2

6、在退火過程產(chǎn)生的水汽和氫氣會在鍵合界面上形成空洞或微間隙，從而對鍵合質量產(chǎn)生嚴重影響。因此，通常需要在超過800℃的高溫環(huán)境下進行退火以促進水分子的快速逃逸與擴散。在這種高溫環(huán)境下，鍵合界面的空洞和間隙處的水分子能夠擴散進入四周的二氧化硅中，從而產(chǎn)生局部真空。這種局部真空促使硅圓片發(fā)生塑性變形，從而會消除界面上的空洞，提升鍵合質量。同時，高溫還會降低二氧化硅的粘度，使其發(fā)生粘滯流動，這種粘滯流動有助于填補和消除微間隙，進一步提高鍵合的均勻性和可靠性。

7、然而，如果退火溫度降低，可能不足以激活硅圓片表面羥基(-oh)之間的化學反應，這不僅會減緩共價鍵的形成速率，減弱硅圓片間的化學結合力，導致鍵合界面不穩(wěn)定。同時，也會限制水分子在鍵合界面的逃逸與擴散能力，極易在硅圓片間形成難以消除的空洞。而這些空洞會削弱鍵合的機械強度，并且可能成為電學性能劣化的潛在源頭，嚴重損害器件的可靠性和使用壽命。

8、此外，高溫退火雖然能夠加強硅圓片間的結合強度，但對于包含cmos等溫度敏感元器件的硅圓片而言，高溫條件可能引發(fā)器件內部微觀結構的熱應力變化，導致電學性能如閾值電壓的漂移及漏電流的增加，降低器件結構的可靠性，從而進一步限制了硅硅直接鍵合工藝在更廣泛半導體器件制造中的應用潛力。

9、因此，如何提供一種新的鍵合方法，以克服低溫退火條件下硅圓片間鍵合界面結合力不足、穩(wěn)定性差和空洞形成的技術問題，以及高溫退火條件下會對溫度敏感元器件造成熱應力損害的技術問題，提高硅硅直接鍵合質量及可靠性成為本領域技術人員亟待解決的一個重要技術問題。

10、應該注意，上面對技術背景的介紹只是為了方便對本技術的技術方案進行清楚、完整的說明，并方便本領域技術人員的理解而闡述的。不能僅僅因為這些方案在本技術的背景技術部分進行了闡述而認為上述技術方案為本領域技術人員所公知。

技術實現(xiàn)思路

1、鑒于以上所述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種鍵合方法，用于解決現(xiàn)有技術硅硅直接鍵合過程中遇到的低溫退火條件下硅圓片間鍵合界面結合力不足、穩(wěn)定性差和空洞形成的技術問題，以及高溫退火條件下會對溫度敏感元器件造成熱應力損害的技術問題。

2、為實現(xiàn)上述目的及其他相關目的，本發(fā)明提供一種鍵合方法，包括以下步驟：

3、提供第一硅襯底，所述第一硅襯底包括中心區(qū)域和位于所述中心區(qū)域外圍的邊緣區(qū)域，所述邊緣區(qū)域與所述中心區(qū)域的連接處形成臺階，且所述邊緣區(qū)域所在平面低于所述中心區(qū)域所在平面；

4、形成吸氣劑層于所述邊緣區(qū)域，所述吸氣劑層覆蓋所述臺階的表面及側壁，且所述吸氣劑層的頂面與所述中心區(qū)域的所述第一硅襯底的頂面處于同一水平面；

5、形成多個間隔設置的凹腔于所述中心區(qū)域的空白區(qū)，所述凹腔自所述第一硅襯底的頂面開口并向下延伸預設深度；

6、提供第二硅襯底，將所述第二硅襯底與所述第一硅襯底具有所述吸氣劑層的一面直接鍵合；

7、對鍵合后的所述第一硅襯底及所述第二硅襯底進行退火處理。

8、可選地，所述吸氣劑層的形成包括以下步驟：

9、形成吸氣劑薄膜層于所述第一硅襯底上，所述吸氣劑薄膜層覆蓋所述中心區(qū)域及所述邊緣區(qū)域；

10、平坦化所述吸氣劑薄膜層以顯露位于所述中心區(qū)域的所述第一硅襯底的表面，所述吸氣劑薄膜層位于所述邊緣區(qū)域的部分作為所述吸氣劑層。

11、可選地，所述吸氣劑薄膜層的厚度大于所述臺階的高度。

12、可選地，平坦化所述吸氣劑薄膜層之前，還包括對所述吸氣劑薄膜層進行熱處理的步驟。

13、可選地，所述熱處理的溫度范圍是300℃～400℃，所述熱處理的時間范圍是2小時～4小時。

14、可選地，所述凹腔的形成包括以下步驟：

15、形成光刻膠層于所述第一硅襯底上；

16、圖形化所述光刻膠層以形成顯露所述第一硅襯底表面的開口，所述開口位于所述中心區(qū)域的空白區(qū)；

17、基于所述開口刻蝕所述第一硅襯底，以形成所述凹腔。

18、可選地，將所述第二硅襯底與所述第一硅襯底具有所述吸氣劑層的一面直接鍵合之前，還包括對所述第一硅襯底的表面及所述第二硅襯底的表面進行活化處理的步驟。

19、可選地，所述活化處理包括等離子體活化處理、濕法活化處理中的任意一種。

20、可選地，所述吸氣劑層包括teos層、金屬鎳層及tizrv合金層中的任意一種。

21、可選地，所述退火處理的溫度不超過400℃。

22、如上所述，本發(fā)明提供了一種鍵合方法，該方法包括以下步驟：提供第一硅襯底，所述第一硅襯底包括中心區(qū)域和位于所述中心區(qū)域外圍的邊緣區(qū)域，所述邊緣區(qū)域與所述中心區(qū)域的連接處形成臺階，且所述邊緣區(qū)域所在平面低于所述中心區(qū)域所在平面；形成吸氣劑層于所述邊緣區(qū)域，所述吸氣劑層覆蓋所述臺階的表面及側壁，且所述吸氣劑層的頂面與所述中心區(qū)域的所述第一硅襯底的頂面處于同一水平面；形成多個間隔設置的凹腔于所述中心區(qū)域的空白區(qū)，所述凹腔自所述第一硅襯底的頂面開口并向下延伸預設深度；提供第二硅襯底，將所述第二硅襯底與所述第一硅襯底具有所述吸氣劑層的一面直接鍵合；對鍵合后的所述第一硅襯底及所述第二硅襯底進行退火處理。本發(fā)明的鍵合方法通過對待鍵合的第一硅襯底和第二硅襯底進行活化處理，使得二者能夠在較低退火溫度條件下實現(xiàn)高質量的鍵合，并保持較強的結合力。同時，通過在第一硅襯底中心區(qū)域形成的多個凹腔以及在邊緣區(qū)域形成的吸氣劑層，確保了低溫退火過程中產(chǎn)生的水汽等氣體，在任意方向的逃逸和擴散都能被迅速且有效地吸收，從而有效避免了氣體在鍵合界面處的積聚，有效防止了空洞的形成，提高了直接鍵合的可靠性和穩(wěn)定性。此外，本發(fā)明的鍵合方法通過在低溫條件下實現(xiàn)鍵合，有效避免了高溫退火對半導體器件造成熱損傷或缺陷。這種低溫鍵合技術在微機電系統(tǒng)器件、絕緣體上硅器件以及壓電和聲光器件等精密制造領域有著廣闊的應用價值和市場前景。