晶圆键合方法以及背照式图像传感器的形成方法

摘要

本发明提供了一种晶圆键合方法以及背照式图像传感器的形成方法，所述晶圆键合方法包括：提供一晶圆键合结构，晶圆键合结构包括器件晶圆和承载晶圆，器件晶圆包括第一衬底和位于第一衬底上的第一键合层，所述承载晶圆包括第二衬底和位于第二衬底上的第二键合层，所述第一键合层与所述第二键合层之间键合；对晶圆键合结构进行气泡检查并判断气泡是否合格；若不合格，对晶圆键合结构进行解键合处理以获得分离的器件晶圆和承载晶圆，再对解键合处理后的器件晶圆进行氢退火工艺处理，以去除第一键合层中的水分子，然后对器件晶圆和承载晶圆进行重新键合。在返工流程中，通过氢退火工艺降低了器件晶圆第一键合层中的水分子，降低了重新键合后的气泡。

权利要求

1.一种晶圆键合方法，其特征在于，包括：

提供一晶圆键合结构，所述晶圆键合结构包括器件晶圆和承载晶圆，所述器件晶圆包括第一衬底和位于所述第一衬底上的第一键合层，对所述第一键合层进行退火工艺处理，以使得所述第一键合层内的水分被去除，采用化学机械研磨工艺去含水量较高的表层的部分第一键合层，所述承载晶圆包括第二衬底和位于所述第二衬底上的第二键合层，所述第一键合层与所述第二键合层之间键合；

对所述晶圆键合结构进行气泡检查并判断气泡是否合格；若不合格，对所述晶圆键合结构进行解键合处理以获得分离的器件晶圆和承载晶圆，对解键合处理后的器件晶圆进行氢退火工艺处理以去除所述第一键合层中的水分子，再对所述器件晶圆和所述承载晶圆进行重新键合；其中，所述氢退火工艺的氢气的气体流量为1slm 15slm。

~

2.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述氢退火工艺的工艺温度为100℃ 500℃。

~

3.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述氢退火工艺的工艺时间为

30min 60min。

~

4.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，在对所述晶圆键合结构进行解键合处理之后、对所述器件晶圆和所述承载晶圆进行重新键合之前，对所述器件晶圆和承载晶圆的粗糙度和弯曲度进行检查。

5.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，在对所述器件晶圆和所述承载晶圆进行重新键合后，对所述晶圆键合结构进行气泡检查。

6.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述第一键合层和第二键合层均为氧化层。

7.如权利要求6所述的晶圆键合方法，其特征在于，采用PECVD工艺形成所述第一键合层。

8.如权利要求6所述的晶圆键合方法，其特征在于，采用热氧化工艺形成所述第二键合层。

9.一种背照式图像传感器的形成方法，其特征在于，包括：采用如权利要求1 8中任一~项所述的晶圆键合方法进行键合。

说明书

晶圆键合方法以及背照式图像传感器的形成方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种晶圆键合方法以及背照式图像传感器的形成方法。

背景技术

[0002] 按照接受光线的位置不同，CMOS图像传感器可分为前照式图像传感器和背照式图像传感器。与前照式图像传感器相比，背照式图像传感器最大的优化之处是改变了元件内部的结构，即将感光层的元件入射光路调转方向，让光线能从背面直射进去，避免了在前照式图像传感器中，光线会受到微透镜和光电二极管之间的结构和厚度影响，提高了光线接收的效能。

[0003] 在背照式图像传感器中制作过程中，需要将内部形成图形的器件晶圆的正面与载体晶圆进行键合，如检测出气泡超过规格，需对晶圆键合结构进行返工，但重新键合的晶圆键合结构会产生键合力不足问题。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种晶圆键合方法，以解决晶圆键合结构进行返工后，重新键合的晶圆键合结构键合力不足的问题。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供一种晶圆键合方法，包括：

[0006] 提供一晶圆键合结构，所述晶圆键合结构包括器件晶圆和承载晶圆，所述器件晶圆包括第一衬底和位于所述第一衬底上的第一键合层，所述承载晶圆包括第二衬底和位于所述第二衬底上的第二键合层，所述第一键合层与所述第二键合层之间键合；

[0007] 对所述晶圆键合结构进行气泡检查并判断气泡是否合格；若不合格，对所述晶圆键合结构进行解键合处理以获得分离的器件晶圆和承载晶圆，对解键合处理后的器件晶圆进行氢退火工艺处理以去除所述第一键合层中的水分子，再对所述器件晶圆和所述承载晶圆进行重新键合。

[0008] 可选的，所述氢退火工艺的工艺温度为100℃ 500℃。~

[0009] 可选的，所述氢退火工艺的氢气的气体流量为1slm 15slm。~

[0010] 可选的，所述氢退火工艺的工艺时间为30min 60min。~

[0011] 可选的，在对所述晶圆键合结构进行解键合处理之后、对所述器件晶圆和所述承载晶圆进行重新键合之前，对所述器件晶圆和承载晶圆的粗糙度和弯曲度进行检查。

[0012] 可选的，在对所述器件晶圆和所述承载晶圆进行重新键合后，对所述晶圆键合结构进行气泡检查。

[0013] 可选的，所述第一键合层和第二键合层均为氧化层。

[0014] 可选的，采用PECVD工艺形成所述第一键合层。

[0015] 可选的，采用热氧化工艺形成所述第二键合层。

[0016] 基于同一发明构思，本发明还提供一种背照式图像传感器的形成方法，包括上述任一项所述的晶圆键合方法进行键合。

[0017] 在本发明提供的晶圆键合方法中，检查晶圆键合结构的气泡是否合格，若不合格，进行重新键合前，通过对器件晶圆进行氢退火工艺处理，降低了器件晶圆中第一键合层中的水分子，由于在对所述器件晶圆和所述承载晶圆进行加热时，两片晶圆之间会产生水汽，而在对两片晶圆直接全面贴合并进行加压键合时，水汽无法及时排出，当两片晶圆的温度降低后，在两片晶圆之间留下气泡缺陷；因此，在返工流程中，通过氢退火工艺降低了器件晶圆第一键合层中的水分子，降低了重新键合后的气泡，提高了重新键合的晶圆键合结构的键合力；在进行解键合时，器件晶圆的第一键合层的表面态可能会有损伤，产生悬挂键，氢退火工艺中的氢（H）离子能够与器件晶圆的第一键合层的表面悬挂键结合，修复器件晶圆的第一键合层的表面态，提高了重新键合的晶圆键合结构的键合力，从而能够解决晶圆键合结构进行返工后，重新键合的晶圆键合结构键合力不足的问题。

附图说明

[0018] 图1是本发明实施例的晶圆键合方法流程图。

[0019] 图2本发明实施例的器件晶圆上形成第一键合层的结构示意图。

[0020] 图3本发明实施例的承载晶圆上形成第二键合层的结构示意图。

[0021] 图4本发明实施例的器件晶圆进行等离子活化工艺的结构示意图。

[0022] 图5本发明实施例的等离子活化工艺悬挂键形成的结构示意图。

[0023] 图6本发明实施例的DIW表面亲水化的结构示意图。

[0024] 图7本发明实施例的承载晶圆与器件晶圆键合后的结构示意图。

[0025] 图8本发明实施例的承载晶圆与器件晶圆键合后的化学键示意图。

[0026] 图9本发明实施例的晶圆键合结构解键合后的结构示意图。

[0027] 图10本发明实施例的晶圆键合结构重新键合后的结构示意图。

[0028] 图中，

[0029] 10‑器件晶圆；11‑第一衬底；12‑第一键合层；20‑承载晶圆；21‑第二衬底；22‑第二键合层。

具体实施方式

[0030] 以下结合附图和具体实施例对本发明提出的晶圆键合方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

[0031] 发明人研究发现，背照式图像传感器中制作过程中，会将内部形成图形的器件晶圆的正面与承载晶圆进行键合晶圆，如检测出气泡超过规格，需对键合晶圆进行返工，但重新键合的晶圆键合结构会产生键合力不足问题。

[0032] 基于此，本发明提出一种新的晶圆键合方法，检查晶圆键合结构的气泡是否合格，若不合格，进行重新键合前，对器件晶圆进行氢退火工艺处理，降低器件晶圆中第一键合层中的水分子。这是因为，在对器件晶圆和承载晶圆进行加热时两片晶圆之间会产生水汽，而在对两片晶圆直接全面贴合并进行加压键合时水汽无法及时排出，当两片晶圆的温度降低后，在两片晶圆之间留下气泡缺陷。因此，在返工流程中，通过氢退火工艺降低了器件晶圆第一键合层中的水分子，降低了重新键合后的气泡，提高了重新键合的晶圆键合结构的键合力；在进行解键合时，器件晶圆的第一键合层的表面态可能会有损伤，产生悬挂键，氢退火工艺中的H离子能够和器件晶圆的第一键合层的表面悬挂键结合，修复器件晶圆的第一键合层的表面态，提高了重新键合的晶圆键合结构的键合力，从而能够解决晶圆键合结构进行返工后重新键合的晶圆键合结构键合力不足的问题。

[0033] 具体的，请参考图1，其为本发明实施例的晶圆键合方法流程图；如图1所示，本发明提供一种晶圆键合方法，包括：

[0034] 步骤S10，提供一晶圆键合结构，所述晶圆键合结构包括器件晶圆和承载晶圆，所述器件晶圆包括第一衬底和位于所述第一衬底上的第一键合层，所述承载晶圆包括第二衬底和位于所述第二衬底上的第二键合层，所述第一键合层与所述第二键合层之间键合；

[0035] 步骤S20，对所述晶圆键合结构进行气泡检查并判断气泡是否合格；

[0036] 步骤S30，若不合格，对所述晶圆键合结构进行解键合处理以获得分离的器件晶圆和承载晶圆；

[0037] 步骤S40，对解键合处理后的器件晶圆进行氢退火工艺处理，以去除所述第一键合层中的水分子；

[0038] 步骤S50，对所述器件晶圆和所述承载晶圆进行重新键合。

[0039] 以下结合附图2～附图10对本发明实施例提供的晶圆键合方法进行详细描述。

[0040] 请参考图2和图8，在步骤S10中，提供一晶圆键合结构，所述晶圆键合结构包括器件晶圆10和承载晶圆20。所述器件晶圆10包括第一衬底11和位于所述第一衬底上的第一键合层12。所述承载晶圆20包括第二衬底21和位于所述第二衬底21上的第二键合层22，所述第一键合层12与所述第二键合层22之间键合。

[0041] 具体地，形成晶圆键合结构的过程包括以下步骤：

[0042] 步骤S11，请参考图2，在第一衬底11上形成第一键合层12，可采用化学气相沉积（CVD）工艺例如是PECVD工艺形成第一键合层12。所述第一键合层12例如是氧化层，采用氧化层作为键合层，可以提高键合力。在本实施例中，采用低功率PETEOS工艺沉积第一键合层12，PETEOS工艺是PECVD中一种用作金属间的介质层工艺，所述PETEOS工艺的材料源包括TEOS和O2，材料源以气体形式进入真空工艺腔体内，在特定真空压力和射频（Radio Frequency，RF）加功率的情况下，反应气体（TEOS和O2）从辉光放电（等离子场）中获得激活能，激活并增强化学反应，从而实现化学气相沉积。所述PETEOS工艺的功率例如是300W~
400W，第一键合层12的厚度例如是16000埃 20000埃。
~

[0043] 步骤S12，对所述第一键合层12进行退火工艺处理，以使得所述第一键合层12内的水分被去除。所述退火工艺的气体例如是N2。所述退火工艺的工艺气体例如氢气，所述退火工艺的工艺温度例如是350℃ 450℃。~

[0044] 步骤S13，去除部分厚度的第一键合层12。由于所述第一键合层12采用PECVD工艺沉积形成，所述第一键合层12质地疏松，内部含水量较多，在对所述器件晶圆10和所述承载晶圆20进行加热时两片晶圆之间会产生水汽，而在对两片晶圆直接全面贴合并进行加压键合时水汽无法及时排出，当两片晶圆的温度降低后，在两片晶圆之间留下气泡缺陷，因此，需要除去含水量较高的表层的那部分第一键合层12。在本实施例中，采用化学机械研磨工艺去除部分所述第一键合层12，去除的部分所述第一键合层12的厚度例如是5000埃 7000~埃，所述第一键合层12剩余的厚度例如是11000埃 13000埃。
~

[0045] 具体实施时，所述器件晶圆10的第一键合层12可以通过步骤S11 步骤S13的一次~形成，或者，所述器件晶圆10的第一键合层12也可以是通过多次循环步骤S11 步骤S13形~
成，也就是说，先形成一定厚度的第一键合层12，进行退火工艺，再去除所述第一键合层12表层含水较高的部分，然后再次形成一定厚度的第一键合层12，进行退火工艺，再去除所述第一键合层12表层含水较高的部分，这样可以获得含水量较低的第一键合层12，以减少键合时气泡的产生。

[0046] 步骤S14，请参考图3，在第二衬底21上形成第二键合层22。所述第二键合层22例如是氧化层，在本实施例中，采用热氧化工艺形成第二键合层22，所述第二键合层22的厚度例如是180埃 220埃。接着，可在所述第二键合层22上形成图形化的光刻胶（图中未示出），以~图形化的光刻胶为掩膜，干法刻蚀所述第二键合层22，以在所述第二键合层22上形成对准标记（图中未示出）。

[0047] 步骤S15，请参考图4，对所述器件晶圆10的第一键合层12和承载晶圆20的第二键合层22分别进行等离子活化工艺，所述等离子活化工艺的功率例如是大于0且小于200W。请参考图5，其是器件晶圆的等离子活化工艺的结构示意图，经过等离子活化工艺，所述第一键合层12表面的悬挂键形成。同理，进行等离子活化工艺，所述第二键合层22表面也形成了悬挂键。

[0048] 步骤S16，对所述器件晶圆10和所述承载晶圆20进行去离子水清洗（Deionized water rinsing）。去离子水清洗工艺中的水流量例如是100ml/min‑1000 ml/min。如图6所示，经过去离子水清洗，所述第一键合层11的表面亲水化，所述第一键合层11的表面的悬挂键被修复。

[0049] 步骤S17，请参考图7，将所述器件晶圆10和所述承载晶圆20放在键合机台内，先将所述器件晶圆10与所述承载晶圆20的对准标记对齐，再对所述承载晶圆20施加压力，将所述器件晶圆10和所述承载晶圆20进行键合，从而形成晶圆键合结构。较佳的，对所述承载晶圆20施加压力，而不是对所述器件晶圆10施加压力，可防止损伤器件晶圆20。对所述承载晶圆20施加的压力例如是大于0且小于3000mN。晶圆键合结构的化学键键合如图8所示，所述第一键合层12的化学键和所述第二键合层22的化学键结合在一起。在背照式图像传感器中制作过程中，需要将器件晶圆的第一衬底减薄，由于减薄时，器件晶圆需要支撑物，因此，需要将器件晶圆10和承载晶圆20键合，在器件晶圆10进行衬底减薄时，所述承载晶圆20用于支撑所述器件晶圆10。

[0050] 在步骤S20中，进行晶圆键合结构中的气泡检查，判断气泡是否合格。在本实施例中，所述气泡检查的合格标准为：气泡尺寸小于2mm且气泡的数量小于1000颗，或者，气泡尺寸大于2mm且气泡的数量为0颗。若气泡检查合格，则执行步骤S21，对所述器件晶圆的第一衬底11进行减薄工艺。若气泡检查不合格，则执行步骤S30。

[0051] 请参考图9，在步骤S30中，若气泡尺寸或者数量不合格，对所述晶圆键合结构进行解键合处理，获得分离的器件晶圆10和承载晶圆。在本实施例中，将晶圆键合结构放在解键合机台内进行解键合，所述键合机台和解键合机台可以为同一机台。

[0052] 优选方案中，在对所述晶圆键合结构进行解键合处理之后，需要对所述器件晶圆和承载晶圆的粗糙度和弯曲度进行检查。所述器件晶圆和承载晶圆的弯曲度的合格标准为30μm‑100μm，所述器件晶圆和承载晶圆的粗糙度的合格标准为0.3nm‑1.0nm。若所述器件晶圆和承载晶圆的粗糙度和弯曲度符合合格标准，则进行氢退火处理，若不符合合格标准，则进一步处理，以使得所述器件晶圆和承载晶圆的粗糙度和弯曲度符合合格标准。

[0053] 在步骤S40中，对解键合处理后的器件晶圆进行氢退火工艺处理，以去除所述第一键合层12中的水分子。在本实施例中，所述氢退火工艺的工艺温度例如是100℃ 500℃。所~述氢退火工艺的氢气的气体流量例如是1slm 15slm。所述氢退火工艺的工艺时间例如是~
30min 60min。在对所述器件晶圆10和所述承载晶圆20进行加热时，两片晶圆之间会产生水~
汽，而在对两片晶圆直接全面贴合并进行加压键合时，水汽无法及时排出，当两片晶圆的温度降低后，在两片晶圆之间留下气泡缺陷；并且，所述第一键合层12是采用PECVD工艺形成的，所述第一键合层12的质地疏松，内部含水量较高，特别是所述第一键合层12的顶部含水量较高，因此，在返工流程中，通过氢退火工艺降低了器件晶圆的第一键合层12中的水分子，降低了重新键合后的气泡，提高了重新键合的晶圆键合结构的键合力；在进行解键合时，器件晶圆的第一键合层的表面态可能会有损伤，产生悬挂键，氢退火工艺中的H离子能够和器件晶圆的第一键合层的表面悬挂键结合，修复器件晶圆的第一键合层的表面态，提高了重新键合的晶圆键合结构的键合力，降低了晶圆重新键合后的产品报废率。

[0054] 优选方案中，在进行晶圆重新键合之前，还对所述器件晶圆和承载晶圆的粗糙度和弯曲度进行检查。所述器件晶圆和承载晶圆的弯曲度的合格标准为30μm‑100μm，所述器件晶圆和承载晶圆的粗糙度的合格标准为0.3nm‑1.0nm。所述器件晶圆10和所述承载晶圆20的弯曲度和粗糙度符合合格标准再进行重新键合工艺。

[0055] 请参考图10，在步骤S50中，对所述器件晶圆10和所述承载晶圆20进行重新键合。在键合机台内，通过对所述承载晶圆进行施加压力，将所述器件晶圆10和所述承载晶圆20进行键合。可以理解，将所述承载晶圆20布置在所述器件晶圆10上方并对所述承载晶圆施加压力，有利于保护器件晶圆10不受损坏。

[0056] 较佳的，在对所述器件晶圆和所述承载晶圆进行重新键合后，再对所述晶圆键合结构进行气泡检查。

[0057] 本实施例还提供一种背照式图像传感器的形成方法，包括：采用上述所述的晶圆键合方法进行键合。晶圆键合以及气泡检查合格后，对器件晶圆进行衬底减薄。综上可见，在本发明实施例提供的晶圆键合方法中，提供一晶圆键合结构，检查晶圆键合结构的气泡是否合格，若不合格，进行重新键合前，通过对器件晶圆进行氢退火工艺处理，降低了器件晶圆中第一键合层中的水分子，由于在对所述器件晶圆和所述承载晶圆进行加热时，两片晶圆之间会产生水汽，而在对两片晶圆直接全面贴合并进行加压键合时，水汽无法及时排出，当两片晶圆的温度降低后，在两片晶圆之间留下气泡缺陷；因此，在返工流程中，通过氢退火工艺降低了器件晶圆第一键合层中的水分子，降低了重新键合后的气泡，提高了重新键合的晶圆键合结构的键合力；在进行解键合时，器件晶圆的第一键合层的表面态可能会有损伤，产生悬挂键，氢退火工艺中的H离子能够和器件晶圆的第一键合层的表面悬挂键结合，修复器件晶圆的第一键合层的表面态，提高了重新键合的晶圆键合结构的键合力，从而能够解决晶圆键合结构进行返工后，重新键合的晶圆键合结构键合力不足的问题，降低了晶圆重新键合后的产品报废率。

[0058] 上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。