堆叠背照式图像传感器的制备方法与流程

本发明涉及半导体制造，特别是涉及一种堆叠背照式图像传感器的制备方法。

背景技术：

1、随着电子器件向智能化、集成化、小型轻薄方向的发展，多功能模块的需求越来越大，该模块由不同功能的芯片经先进的封装技术集合而成，能够提高空间利用率。而在图像传感器的发展过程中，背照式图像传感器(bsi cis)因具有更优的量子效率和角响应度而逐渐占取前照式图像传感器(fsi cis)的市场份额。背照式图像传感器的关键技术为晶圆级键合(如融合键合)，而为了节省芯片面积，堆叠式图像传感器应运而生。堆叠式图像传感器的像素(pixel)区与逻辑(logic)区在不同晶圆上完成(也即是堆叠式图像传感器包括像素晶圆和逻辑晶圆)，且在像素晶圆和逻辑晶圆经过融合键合、减薄等bsi工艺后，通过硅穿孔(tsv)结构实现像素区与逻辑区的连接，最后再引出到焊垫(pad)(所形成的结构如图1所示)。然而，在形成tsv结构时需要深沟槽刻蚀，且后续在填充过程中会对镀铜填充工艺提出一定的挑战。而且，为避免tsv结构对像素区性能产生影响，设计上存在tsv结构到像素区的最小距离限制，也即是晶圆上存在keep-out zone(koz)，而koz的存在使得芯片的面积增大。

2、而且，传统的铜互连beol工艺中，经过化学机械研磨(cmp)后，焊垫易凹陷于介质层的表面(如图2所示)，若直接采用混合融合(hb)进行融合，会出现气泡与空洞缺陷，从而影响芯片间电性的连接。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种堆叠背照式图像传感器的制备方法，用于解决现有的芯片面积较大且键合后易产生气泡与空洞缺陷的问题。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种堆叠背照式图像传感器的制备方法，所述方法包括：

3、提供像素晶圆及逻辑晶圆，且所述像素晶圆包括第一衬底及形成于所述第一衬底表面的第一介质层，所述逻辑晶圆包括第二衬底及形成于所述第二衬底表面的第二介质层；

4、于所述第一介质层内形成第一铜焊垫且所述第一铜焊垫的表面高于所述第一介质层的表面，及于所述第二介质层内形成第二铜焊垫且所述第二铜焊垫的表面高于所述第二介质层的表面；

5、利用混合键合工艺将所述像素晶圆键合于所述逻辑晶圆上，此时，所述第一铜焊垫与所述第二铜焊垫一一对应；

6、利用热处理工艺对键合后的所述像素晶圆及所述逻辑晶圆进行热处理。

7、可选地，所述第一铜焊垫的表面比所述第一介质层的表面高0～100nm；所述第二铜焊垫的表面比所述第二介质层的表面高0～100nm。

8、可选地，于所述第一介质层内形成所述第一铜焊垫，及于所述第二介质层内形成所述第二铜焊垫的方法包括：

9、刻蚀所述第一介质层以形成第一焊垫槽，及刻蚀所述第二介质层以形成第二焊垫槽；

10、于所述第一焊垫槽及所述第二焊垫槽内填满金属铜，且所述金属铜延伸至所述第一介质层及所述第二介质层的表面；

11、利用化学机械研磨工艺对所述金属铜进行化学机械研磨以形成所述第一铜焊垫及所述第二铜焊垫。

12、可选地，利用电镀工艺于所述第一焊垫槽及所述第二焊垫槽内填满所述金属铜。

13、可选地，在进行混合键合工艺之前，所述方法包括：对形成有所述第一铜焊垫的所述像素晶圆及形成有所述第二铜焊垫的所述逻辑晶圆进行退火工艺。

14、可选地，所述退火工艺的工艺条件包括：温度大于200℃。

15、可选地，利用热处理工艺对键合后的所述像素晶圆及所述逻辑晶圆进行热处理的工艺条件包括：温度为300～500℃，时间为30～180min。

16、可选地，所述第一介质层内形成有第一金属互连层，及所述第二介质层内形成有第二金属互连层，且所述第一铜焊垫与所述第一金属互连层互连，所述第二铜焊垫与所述第二金属互连层互连。

17、可选地，所述像素晶圆内形成有光电二极管。

18、如上所述，本发明的堆叠背照式图像传感器的制备方法，通过采用混合键合的方式提高芯片堆叠度，减小芯片面积；相比于tsv技术中对深沟槽刻蚀、电镀等工艺的严格要求，混合键合实现后段(beol)工艺的晶圆之间的直接融合，实现铜焊垫之间的电性连接及介质层之间的氢氧键连接，从而提高器件可靠性，改善气泡及空洞缺陷。

技术特征：

1.一种堆叠背照式图像传感器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的堆叠背照式图像传感器的制备方法，其特征在于，所述第一铜焊垫的表面比所述第一介质层的表面高0～100nm；所述第二铜焊垫的表面比所述第二介质层的表面高0～100nm。

3.根据权利要求2所述的堆叠背照式图像传感器的制备方法，其特征在于，于所述第一介质层内形成所述第一铜焊垫，及于所述第二介质层内形成所述第二铜焊垫的方法包括：

4.根据权利要求3所述的堆叠背照式图像传感器的制备方法，其特征在于，利用电镀工艺于所述第一焊垫槽及所述第二焊垫槽内填满所述金属铜。

5.根据权利要求1所述的堆叠背照式图像传感器的制备方法，其特征在于，在进行混合键合工艺之前，所述方法包括：对形成有所述第一铜焊垫的所述像素晶圆及形成有所述第二铜焊垫的所述逻辑晶圆进行退火工艺。

6.根据权利要求5所述的堆叠背照式图像传感器的制备方法，其特征在于，所述退火工艺的工艺条件包括：温度大于200℃。

7.根据权利要求1所述的堆叠背照式图像传感器的制备方法，其特征在于，利用热处理工艺对键合后的所述像素晶圆及所述逻辑晶圆进行热处理的工艺条件包括：温度为300～500℃，时间为30～180min。

8.根据权利要求1～7任一项所述的堆叠背照式图像传感器的制备方法，其特征在于，所述第一介质层内形成有第一金属互连层，及所述第二介质层内形成有第二金属互连层，且所述第一铜焊垫与所述第一金属互连层互连，所述第二铜焊垫与所述第二金属互连层互连。

9.根据权利要求8所述的堆叠背照式图像传感器的制备方法，其特征在于，所述像素晶圆内形成有光电二极管。

技术总结
本发明提供一种堆叠背照式图像传感器的制备方法，方法包括：提供像素晶圆及逻辑晶圆，且像素晶圆包括第一衬底及形成于第一衬底表面的第一介质层，逻辑晶圆包括第二衬底及形成于第二衬底表面的第二介质层；于第一介质层内形成第一铜焊垫且第一铜焊垫的表面高于第一介质层的表面，及于第二介质层内形成第二铜焊垫且第二铜焊垫的表面高于第二介质层的表面；利用混合键合工艺将像素晶圆键合于所述逻辑晶圆上，此时，第一铜焊垫与第二铜焊垫一一对应；利用热处理工艺对键合后的像素晶圆及逻辑晶圆进行热处理。通过本发明解决了现有的芯片面积较大且键合后易产生气泡与空洞缺陷的问题。

技术研发人员：蔡亚果,张武志,曹亚民
受保护的技术使用者：上海华力集成电路制造有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14