晶圆键合方法以及晶圆键合结构与流程

本发明涉及半导体领域，具体涉及一种晶圆键合方法以及晶圆键合结构。

背景技术：

接触式图像传感器(Contact Image Sensor，CIS)是目前市场上常见的半导体传感器，广泛应用于手机、平板电脑、指纹识别等领域。采用3D IC技术制作接触式图像传感器已经成为本领域研究的热点。采用3D IC技术制作接触式图像传感器，通常在一片晶圆中形成数据处理电路，在另一片晶圆中形成接触式图像传感器的像素，然后将两片晶圆键合在一起。这种制作方式的优势在于芯片不仅像素尺寸更小，而且数据处理更快。目前的晶圆键合技术中，键合之后，两片晶圆的键合界面之间是有间隙的，即两片晶圆的键合面不能直接贴合在一起。

请参考图1，是现有技术一种接触式图像传感器制作方法的示意图。其中第一晶圆10上形成有多个第一金属端11，第二晶圆20上形成有多个第二金属端21。多个第一金属端11和多个第二金属端21一一对应地键合在一起，使得第一晶圆10和第二晶圆20之间相互键合形成接触式图像传感器。但是由于在第一晶圆10上，多个第一金属端11凸出量的均一性较差，在第二晶圆20上，多个第二金属端21的凸出量均一性较差，如图1中虚线圈出所示，当多个第一金属端11和多个第二金属端21一一对应地键合在一起时，凸出量较小的第一金属端11和第二金属端21可能接触不良甚至短接，影响接触式图像传感器的性能。

参考图2，为了避免接触不良，在晶圆键合之前，本领域技术人员通常会增大第一晶圆10和第二晶圆20上氧化层的去除量，使第一金属端11和第二金属端21的凸出量更大，但是如图2所示，这样可能导致相邻的两个第一金属端11或第二金属端21在压力下相互靠近以致短接。

因此，如何能使第一晶圆和第二晶圆的金属端更好地电接触，以提高晶圆的键合质量是亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明解决的问题是提供一种晶圆键合方法以及晶圆键合结构，使第一晶圆和第二晶圆的金属端更好地电接触，提高晶圆的键合质量。

为解决上述问题，本发明提供一种晶圆键合方法，包括：

提供第一晶圆和第二晶圆，所述第一晶圆和第二晶圆均包括衬底；

在所述第一晶圆和第二晶圆的衬底上均形成第一介质层，在所述第一介质层中形成凹槽；

在所述第一介质层上覆盖金属材料层，所述金属材料层填充满所述凹槽；

对所述金属材料层和第一介质层进行第一研磨，露出所述第一介质层表面，所述凹槽中的金属材料层为金属垫；

在所述第一介质层表面形成第二介质层，对所述第二介质层、第一介质层和金属垫进行第二研磨，露出所述凹槽中的金属垫表面，在所述第二研磨的步骤中，对所述金属垫的去除速率与对所述第一、第二介质层的去除速率之比相当；

将所述第一晶圆和第二晶圆的金属垫相对设置并相互对准，对所述第一晶圆和第二晶圆进行晶圆键合工艺，形成晶圆键合结构。

可选的，所述第一研磨为化学机械研磨，所述第一研磨的步骤包括：对所述金属材料层的去除速率与对所述第一介质层的去除速率之比在10:1以上。

可选的，所述第一研磨的步骤包括：对金属材料层的去除速率为4000～8000埃/分钟。

可选的，所述第二研磨为化学机械研磨，所述第二研磨的步骤包括：对金属垫的去除速率为1000～2000埃/分钟。

可选的，所述第二介质层的厚度在1000到10000埃的范围内。

可选的，在所述第二研磨的步骤之后，对所述第一介质层进行回刻，使所述金属垫凸出于所述第一介质层表面。

可选的，在所述第一研磨的步骤中进行研磨程度检测以确定所述第一研磨的研磨量，所述研磨程度检测为终点检测。

可选的，在所述第二研磨的步骤中进行研磨程度检测以确定所述第二研磨的研磨量，所述研磨程度检测为定时检测。

可选的，在所述第一介质层上覆盖金属材料层的步骤包括：

采用铜电镀工艺，在所述第一介质层上覆盖铜材料层，所述铜材料层作为所述金属材料层。

可选的，在所述第一介质层上覆盖金属材料层的步骤包括：使所述金属材料层在所述第一介质层表面的厚度为所述凹槽深度的1到10倍。

可选的，在提供第一晶圆和第二晶圆之后，在所述第一晶圆和第二晶圆的衬底上形成第一介质层之前，在所述第一晶圆上形成数据处理电路，所述第二晶圆上形成像素阵列。

本发明还提供一种晶圆键合结构，采用本发明提供的任意一种晶圆键合方法形成。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：在本发明提供的晶圆键合方法中，在第一晶圆和第二晶圆的第一介质层上覆盖金属材料层，所述金属材料层填充满所述凹槽；对所述金属材料层和第一介质层进行第一研磨，露出所述第一介质层表面之后，在所述第一介质层表面形成第二介质层，对所述第二介质层、第一介质层和金属垫进行第二研磨，露出所述凹槽中的金属垫表面，在所述第二研磨的步骤中，对所述金属材料层的去除速率与对所述第一、第二介质层的去除速率相当，也就是说，在第二研磨的过程中，所述金属垫和第一、第二介质层的去除速率相当，不容易产生金属垫相对第一介质层去除量过大的现象，因此，在第二研磨之后，所述第一介质层和金属垫的厚度较为齐平，第一晶圆和第二晶圆上不同位置处的金属垫厚度较为均匀。在对第一晶圆和第二晶圆进行键合工艺之后，提高晶圆键合结构中金属垫之间的电连接的质量。

附图说明

图1和图2是现有技术一种晶圆键合工艺过程的示意图；

图3至图10是本发明晶圆键合方法一实施例的示意图。

具体实施方式

现有技术晶圆键合方法中，在第一晶圆的金属端和第二晶圆的金属端对应地键合在一起时，凸出量较小的金属端之间可能接触不良，也可能造成短接，影响晶圆键合结构的质量。

为了解决上述技术问题，本发明提出一种晶圆键合方法，包括：

提供第一晶圆和第二晶圆，所述第一晶圆和第二晶圆均包括衬底；

在所述第一晶圆和第二晶圆的衬底上形成第一介质层，在所述第一介质层中形成凹槽；

在所述第一介质层上覆盖金属材料层，所述金属材料层填充满所述凹槽；

对所述金属材料层和第一介质层进行第一研磨，露出所述第一介质层表面；

在所述第一介质层表面形成第二介质层，对所述第二介质层、第一介质层和金属材料层进行第二研磨，露出所述凹槽中的金属材料层表面，露出所述凹槽中的金属材料层为金属垫，在所述第二研磨的步骤中，对所述金属材料层的去除速率与对所述第二介质层的去除速率相当；

将所述第一晶圆和第二晶圆的金属垫相对设置并相互对准，对所述第一晶圆和第二晶圆进行晶圆键合工艺，形成晶圆键合结构。

本发明在所述第二研磨的步骤中，对所述金属材料层的去除速率与对所述第二介质层的去除速率相当，也就是说，第二研磨对所述金属材料层和所述第二介质层的去除选择比接近，使得在第二研磨之后，所述第二介质层和金属垫的厚度较为齐平，第一晶圆和第二晶圆上不同位置处的金属垫厚度较为均匀。在对第一晶圆和第二晶圆进行键合工艺之后，提高晶圆键合结构中金属垫之间的电连接的质量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

参考图3至图10，示出了本发明晶圆键合方法一实施例的示意图。本实施例晶圆键合方法包括：

提供第一晶圆和第二晶圆，所述第一晶圆包括第一衬底100，所述第二晶圆包括第二衬底200。在本实施例中，所述第一衬底100和第二衬底200为单晶硅衬底，在其他实施例中，所述衬底还可以为多晶硅衬底、非晶硅衬底、锗硅衬底或绝缘体上硅衬底等其它半导体衬底，对此本发明不做任何限制。

需要说明的是，在本实施例中，在提供第一晶圆和第二晶圆之后，在所述第一晶圆上形成数据处理电路(未示出)，所述第二晶圆上形成像素阵列(未示出)。这样所述第一晶圆和第二晶圆形成的晶圆键合结构用于形成接触式图像传感器。但是本发明对是否在所述第一晶圆上形成数据处理电路，所述第二晶圆上形成像素阵列不做限制，所述第一晶圆和第二晶圆键和形成的晶圆键合结构还可以用于其他半导体器件，如处理器、运动传感器、压力传感器等。

在所述第一晶圆上形成数据处理电路，所述第二晶圆上形成像素阵列之后，在所述第一衬底100和第二衬底200上分别形成第一介质层，在所述第一介质层中形成凹槽。需要说明的是，在所述第一晶圆上形成数据处理电路，所述第二晶圆上形成像素阵列之后，对所述第一晶圆和第二晶圆进行的工艺步骤基本相同，因此，在图4至图9中，仅示出了对第一晶圆的工艺步骤。

参考图4，在所述第一衬底100上形成第一介质层101，在所述第一介质层101中形成凹槽102。

在本实施例中，所述第一介质层101的材料为氧化硅，形成方法为化学气相沉积，但是本发明对第一介质层101的材料和形成方法不做限制。

在所述第一介质层101中形成凹槽102的数量为多个，所述凹槽102用于形成金属垫。

在本实施例中，所述凹槽102的深度在1000到10000埃的范围内。

参考图5，在所述第一介质层101上覆盖金属材料层103，所述金属材料层103填充满所述凹槽。

具体地，在本实施例中，采用铜电镀工艺，在所述第一介质层101上覆盖铜材料层，所述铜材料层作为金属材料层103。但是本发明对覆盖金属材料层103的方法不做限制，在其他实施例中，还可以采用物理气相沉积法覆盖所述金属材料层103，本发明对金属材料层103的具体材料也不做限制，在其他实施例中，所述金属材料层103还可以为铝或者合金材料。

如果所述金属材料层103在所述第一介质层101表面的厚度H1过大，则后续对所述金属材料层103进行化学机械研磨的速度过慢，如果所述金属材料层103在所述第一介质层101表面的厚度H1过小，则后续对所述金属材料层103进行的化学机械研磨不容易控制。在本实施例中，在所述第一介质层101上覆盖金属材料层103的步骤包括：使所述金属材料层103在所述第一介质层101表面的厚度H1为所述凹槽102深度的1到10倍。具体地，可以使所述金属材料层103在所述第一介质层101表面的厚度H1在3000到100000埃的范围内。

结合参考图6，对所述金属材料层103和第一介质层101进行第一研磨，露出所述第一介质层101表面。

具体地，在本实施例中，所述第一研磨为化学机械研磨。在所述第一研磨的步骤中，对所述金属材料层103的去除速率与对所述第一介质层101的去除速率之比在10:1以上。其中，对金属材料层103的去除速率为4000～8000埃/分钟。这样的好处在于，对所述金属材料层103的去除速率与对所述第一介质层101的去除速率之比较高，能够快速地去除金属材料层103，并且所述第一介质层101可以作为第一研磨的停止层。

在所述第一研磨之后，所述第一介质层101表面的金属材料层103被去除，在所述凹槽102中形成金属垫104，用于进行晶圆键合工艺。

由于第一研磨对所述金属材料层103的去除速率与对所述第一介质层101的去除速率之比较高，在第一研磨之后，部分所述凹槽102中的金属垫104表面可能低于所述第一介质层101表面，使得第一晶圆上的金属垫104厚度不均匀。

在所述第一研磨的步骤进行研磨程度检测，以确定所述第一研磨的研磨 量。所述研磨程度检测的方式为终点检测(EPD,End-point Detector)。具体地，可选用光学终点检测对所述第一介质层101和金属材料层103表面进行检测，光学终点检测是对利用膜层上反射的光谱连续地测量所述第一研磨中所述第一介质层101和金属材料层103厚度H1的变化，当所述金属材料层103被去除，露出所述第一介质层101时，所述第一介质层101反射的光谱与所述金属材料层反射的光谱不同，从而提示第一研磨停止。由于所述第一研磨的步骤中，所述金属材料层103的去除速率与对所述第一介质层101的去除速率之比较高，当所述第一介质层101的表面露出时，第一介质层101反射回的光谱第一介质层101反射回的光谱变化大，当第一介质层101消耗完时，采用终点检测方式能够较为迅速地反应，从而及时地停止第一研磨，使所述第一介质层101不容易被所述第一研磨损伤。

参考图7，在所述第一介质层101和金属垫104表面形成第二介质层105。

在本实施例中，所述第二介质层105的材料为氧化硅，形成方法为化学气相沉积，但是本发明对第二介质层105的材料和形成方法不做限制。

所述第二介质层105用于为后续的第二研磨过程提供研磨材料，如果所述第二介质层105的厚度过大，则第二研磨的速度过慢，如果所述第二介质层105的厚度过小，则第二研磨的过程难以控制，容易损伤金属垫104，在本实施例中，所述第二介质层105的厚度在1000埃到10000埃的范围内

参考图8，对所述第二介质层105、第一介质层101和金属垫104进行第二研磨，露出所述金属垫104表面，在所述第二研磨的步骤中，对所述金属垫104的去除速率与对所述第一介质层101、第二介质层105的去除速率相当，也就是说，在第二研磨的过程中，所述金属垫104和第一、第二介质层的去除速率相当，可选的，所述金属垫104和第一、第二介质层的去除速率之比在1:1.5到1.5:1的范围内。第二研磨的过程可以看成对同一种材料进行化学机械研磨，不容易产生金属垫104相对第一介质层101去除量过大的现象。因此，在第二研磨之后，第一晶圆上不同位置处的金属垫104表面基本都和第一介质层101的表面齐平，使得在第二研磨之后，第一晶圆上不同位置处的金属垫104厚度较为均匀。

需要说明的是，由于第二研磨需要保证对所述金属垫104和所述第一介质层101、第二介质层105的去除速率接近，因此本发明中所述第一介质层101、第二介质层105可以选用同种材料，或者选用在同一种研磨液的作用下，去除速率相当的材料。

在本实施例中，所述第二研磨为化学机械研磨。如果对金属垫104的去除速率过大，则容易造成金属垫104去除过量，造成第一晶圆上的金属垫104厚度不均匀，如果对金属垫104的去除速率过小，则第二研磨过程耗费时间过长。在本实施例中，第二研磨的研磨液对金属垫104的去除速率为1000～2000埃/分钟。但是本发明对第二研磨对金属垫104的去除速率不做限制。

在所述第二研磨的步骤中进行研磨程度检测，以确定所述第二研磨的研磨量。所述研磨程度检测的方式为定时检测。具体地，可以在所述第二研磨的过程中，设置一个至多个提醒时间节点，在每个提醒时间节点，通过光学或电流的方式测量所述第二介质层105的厚度。由于第二研磨对所述金属垫104和所述第二介质层105的去除选择比接近，采用终点检测的方式可能导致第二研磨的研磨量过多，因此本实施例采用定时检测的检测方式，能够确保金属垫104受第二研磨的损伤较小。

参考图9，对所述第一介质层101进行回刻，使所述金属垫104凸出于所述第一介质层101表面。这样的好处在于，在后续的晶圆键合工艺中，提高所述第一晶圆和第二晶圆的电连接质量。

需要说明的是，在晶圆键合之前，对第二晶圆的工艺步骤和第一晶圆大致相同，也可以参考图4到图9，本发明在此不再赘述。第二晶圆中不同位置处的金属垫厚度也较为均匀。

参考图10，第二晶圆的第二衬底200上也相应形成了第一介质层101和金属垫104，将所述第一晶圆和第二晶圆的金属垫104相对设置并相互对准，对所述第一晶圆和第二晶圆进行晶圆键合工艺，形成晶圆键合结构。

由于第一晶圆和第二晶圆上不同位置处的金属垫104厚度较为均匀。在对第一晶圆和第二晶圆进行键合工艺之后，晶圆键合结构中金属垫104之间 的电连接的质量较高。

在本实施例中，所述晶圆键合结构中包含数据处理电路和像素阵列，所述晶圆键合结构可以用于形成接触式图像传感器。因此所述晶圆键合结构形成的接触式图像传感器具有较高的质量。

本发明还提供一种晶圆键合结构，其采用本发明提供的晶圆键合方法形成，晶圆键合结构中金属垫之间的电连接的质量较高。所述晶圆键合结构中可以包含数据处理电路和像素阵列，用于形成接触式图像传感器。因此所述晶圆键合结构形成的接触式图像传感器具有较高的质量。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。