半导体器件及其制造方法与流程

本发明涉及集成电路制造领域，特别涉及一种半导体器件及其制造方法。

背景技术：

晶圆键合(bonding)技术是一种新型的晶圆加工工艺，该工艺将至少两片晶圆垂直堆叠实现了器件集成密度的提升和单位面积能耗的降低。晶圆键合技术具备广阔的应用前景，目前已被广泛运用于包含cmos图像传感器(cis)、微机电系统(mems)封装在内的特种半导体制造工艺中。

在晶圆键合工艺中，晶圆用于键合的表面的平整度超规及杂质缺陷等因素直接影响键合质量。例如，晶圆键合对晶圆表面的平整度有很高的要求，生产过程中通常采用化学机械研磨(cmp)工艺对晶圆表面做平坦化处理；但是，化学机械研磨工艺因原理特性，不可避免的会对晶圆表面产生划伤缺陷，划伤缺陷造成的不平整会传递到键合界面，较浅的划伤缺陷可以通过后续的湿法清洗处理平整，而对一些较深的划伤缺陷尚无有效的处理方法，从而导致了良率的下降。另外，晶圆表面存在的杂质颗粒、反应残留物或凹陷等缺陷会导致键合后的键合界面产生气泡和空洞等缺陷。上述问题会致使后续成品测试失效或晶圆报废；针对此类缺陷，目前普遍采用的方法为湿法清洗，即在晶圆键合之前采用化学溶液清洗晶圆表面，以去除此类缺陷。湿法清洗的方法可有效清洁大部分的晶圆表面上的缺陷，但是，仍然存在一定数量的晶圆的表面上的缺陷无法被湿法清洗去除，从而导致了产品良率的下降。

因此，需要提出一种新的在晶圆键合之前对晶圆表面上的缺陷进行改善的方法，以提升产品良率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种半导体器件及其制造方法，使得至少两片晶圆键合形成的晶圆键合结构的键合界面上的缺陷得到改善，进而使得产品良率得到提高。

为实现上述目的，本发明提供了一种半导体器件的制造方法，包括：

s1，提供至少两片用于键合的晶圆；

s2，形成表面氧化层于所述晶圆上；

s3，对所述表面氧化层的表面进行平坦化，并在所述表面氧化层的表面上形成键合界面层，所述键合界面层的致密性高于所述表面氧化层；

s4，湿法清洗所述键合界面层的表面，以去除所述键合界面层的表面上的缺陷；

s5，检测所述键合界面层的表面上的缺陷是否在规格以内，若所述键合界面层的表面上的缺陷未在规格以内，则去除所述键合界面层或者去除所述键合界面层和部分厚度的所述表面氧化层，以暴露出所述表面氧化层；

s6，循环执行步骤s3至步骤s5，直至形成的新的键合界面层的表面上的缺陷在规格以内；

s7，将至少两片所述晶圆的表面上的缺陷在规格以内的键合界面层进行键合，以形成晶圆键合结构。

可选的，在步骤s1中提供的至少两片所述晶圆包括承载晶圆和器件晶圆，所述承载晶圆和所述器件晶圆上分别具有相应的功能结构，所述表面氧化层将所述功能结构掩埋在内。

可选的，在步骤s2中，采用气相沉积工艺或者热氧化工艺形成所述表面氧化层；在步骤s3中，采用气相沉积工艺形成所述键合界面层，且平坦化之后的所述表面氧化层的厚度大于所述键合界面层的厚度。

可选的，在步骤s3中，平坦化之后的所述表面氧化层的厚度为在步骤s3中形成的所述键合界面层的厚度为

可选的，在步骤s5中所述规格要求所述键合界面层的表面平整度小于

可选的，在步骤s5中，通过化学机械平坦化工艺去除厚度为的所述表面氧化层，且形成的所述新的键合界面层的厚度为

可选的，湿法清洗所述键合界面层的表面的步骤包括：采用sc1溶液或采用sc2溶液或依次采用sc1溶液和sc2溶液清洗所述键合界面层的表面，其中，所述sc1溶液为nh4oh、h2o2与h2o的混合液，所述sc2溶液为hcl、h2o2与h2o的混合液。

可选的，所述表面氧化层的材质包括sio2和/或teos，所述键合界面层的材质包括teos、sio2、si3n4、si和gaas中的至少一种。

本发明还提供了一种半导体器件，采用本发明提供的所述半导体器件的制造方法制造，所述半导体器件包括：至少两片晶圆键合形成的晶圆键合结构，且两片所述晶圆之间通过键合界面层键合在一起，所述键合界面层为经过检测后确定为合格的膜层。

可选的，所述晶圆键合结构包括承载晶圆和器件晶圆，所述承载晶圆和所述器件晶圆上分别具有功能结构和将所述功能结构掩埋在内的表面氧化层，所述承载晶圆上的所述表面氧化层位于所述承载晶圆和所述键合界面层之间，所述器件晶圆上的所述表面氧化层位于所述器件晶圆和所述键合界面层之间。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

1、本发明的半导体器件的制造方法，通过对用于键合的晶圆上的表面氧化层进行平坦化，并在所述表面氧化层的表面上形成键合界面层，所述键合界面层的致密性高于所述表面氧化层；湿法清洗所述键合界面层的表面，以去除所述键合界面层的表面上的缺陷；检测所述键合界面层的表面上的缺陷是否在规格以内，若所述键合界面层的表面上的缺陷未在规格以内，则去除所述键合界面层或者去除所述键合界面层和部分厚度的所述表面氧化层，以暴露出所述表面氧化层；循环执行上述步骤，直至形成的新的键合界面层的表面上的缺陷在规格以内，使得所述晶圆的用于键合的表面上的缺陷得到改善，进而使得至少两片所述晶圆键合形成的晶圆键合结构的键合界面上的缺陷得到改善，从而使得产品良率得到提高。

2、本发明的半导体器件，由于采用本发明提供的所述半导体器件的制造方法制造，使得至少两片晶圆键合形成的晶圆键合结构的键合界面上的缺陷得到改善，进而使得产品良率得到提高。

附图说明

图1是本发明一实施例的半导体器件的制造方法的流程图；

图2a～2d是本发明一实施例的器件晶圆上的缺陷在规格以内的键合界面层的形成过程的示意图；

图3a～3d是本发明一实施例的承载晶圆上的缺陷在规格以内的键合界面层的形成过程的示意图；

图4是本发明一实施例的器件晶圆和承载晶圆键合形成的晶圆键合结构的示意图。

其中，附图1～4的附图标记说明如下：

10-器件晶圆；11-表面氧化层；12-键合界面层；13-新的键合界面层；20-承载晶圆；21-表面氧化层；22-键合界面层；23-新的键合界面层。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图1～4对本发明提出的半导体器件及其制造方法作进一步详细说明。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。

本发明一实施例提供一种半导体器件的制造方法，参阅图1，图1是本发明一实施例的半导体器件的制造方法的流程图，所述半导体器件的制造方法包括：

步骤s1，提供至少两片用于键合的晶圆；

步骤s2，形成表面氧化层于所述晶圆上；

步骤s3，对所述表面氧化层的表面进行平坦化，并在所述表面氧化层的表面上形成键合界面层，所述键合界面层的致密性高于所述表面氧化层；

步骤s4，湿法清洗所述键合界面层的表面，以去除所述键合界面层的表面上的缺陷；

步骤s5，检测所述键合界面层的表面上的缺陷是否在规格以内，若所述键合界面层的表面上的缺陷未在规格以内，则去除所述键合界面层或者去除所述键合界面层和部分厚度的所述表面氧化层，以暴露出所述表面氧化层；

步骤s6，循环执行步骤s3至步骤s5，直至形成的新的键合界面层的表面上的缺陷在规格以内；

步骤s7，将至少两片所述晶圆的表面上的缺陷在规格以内的键合界面层进行键合，以形成晶圆键合结构。

下面参阅图2a～4更为详细的介绍本实施例提供的半导体器件的制造方法，图2a～2d是本发明一实施例的器件晶圆上的缺陷在规格以内的键合界面层的形成过程的示意图；图3a～3d是本发明一实施例的承载晶圆上的缺陷在规格以内的键合界面层的形成过程的示意图；图4是本发明一实施例的器件晶圆和承载晶圆键合形成的晶圆键合结构的示意图；图2a～4也是器件的纵向截面示意图。

按照步骤s1，提供至少两片用于键合的晶圆。至少两片所述晶圆包括承载晶圆和器件晶圆，所述承载晶圆和所述器件晶圆上分别具有相应的功能结构，所述器件晶圆上的功能结构比所述承载晶圆上的功能结构更加复杂以及性能要求更高。所述功能结构可以仅形成于所述承载晶圆和所述器件晶圆的用于键合的表面上，也可以同时形成于所述承载晶圆和所述器件晶圆的用于键合的表面上以及非用于键合的表面上。所述功能结构可以包括栅极结构、金属互连结构、导电接触插栓等。

按照步骤s2，形成表面氧化层于所述晶圆上。由于所述功能结构的存在，使得所述承载晶圆和所述器件晶圆的表面凹凸不平，不利于后续的键合工艺，因此，至少在所述承载晶圆和所述器件晶圆的用于键合的表面上形成所述表面氧化层，所述表面氧化层将所述功能结构掩埋在内，以使得所述承载晶圆和所述器件晶圆的用于键合的表面平坦，进而利于后续的键合工艺。如图2a所示，形成所述表面氧化层11于所述器件晶圆10上；如图3a所示，形成所述表面氧化层21于所述承载晶圆20上。同时，所述表面氧化层也能够对所述承载晶圆和所述器件晶圆的用于键合的表面以及内部结构进行保护；并且，所述表面氧化层也能够辅助后续形成的键合界面层的键合，进而提高键合的性能。

可以采用气相沉积工艺或者热氧化工艺形成所述表面氧化层。采用气相沉积工艺形成的所述表面氧化层的厚度较厚，采用热氧化工艺形成的所述表面氧化层的厚度较薄，且采用气相沉积工艺形成的所述表面氧化层的表面的缺陷会比采用热氧化工艺形成的所述表面氧化层的表面的缺陷多。所述表面氧化层的厚度可以为(例如为等)，需要说明的是，所述表面氧化层的厚度不限于上述的范围，可以根据器件性能的需要形成合适厚度的所述表面氧化层。所述表面氧化层的材质可以包括sio2或正硅酸乙酯(teos)，或者同时包括sio2和正硅酸乙酯，需要说明的是，所述表面氧化层的材质不仅限于上述的材质，例如也可以为氮氧硅等。

按照步骤s3，对所述表面氧化层的表面进行平坦化，并在所述表面氧化层的表面上形成键合界面层，所述键合界面层的致密性高于所述表面氧化层。如图2b所示，形成所述键合界面层12于平坦化之后的所述表面氧化层11上；如图3b所示，形成所述键合界面层22于平坦化之后的所述表面氧化层21上。可以采用化学机械研磨工艺对所述表面氧化层的表面进行平坦化处理，以去除在步骤s2中形成所述表面氧化层的工艺过程中在所述表面氧化层的表面产生的颗粒、杂质、凹陷等缺陷。平坦化之后的所述表面氧化层的厚度可以为(例如为等)，需要说明的是，平坦化之后的所述表面氧化层的厚度不仅限于上述的范围，可以根据器件性能的需要形成合适得厚度。

可以采用气相沉积工艺形成所述键合界面层，且平坦化之后的所述表面氧化层的厚度大于所述键合界面层的厚度。所述键合界面层的厚度可以为(例如为等)，需要说明的是，所述键合界面层的厚度不仅限于上述的范围，可以根据键合工艺的需求形成合适厚度的所述键合界面层。

所述键合界面层的致密性高于所述表面氧化层，以利于所述承载晶圆和所述器件晶圆之间的键合。所述键合界面层的材质可以包括teos、sio2、si3n4、si和gaas中的至少一种，需要说明的是，所述键合界面层的材质不仅限于上述的材质。

按照步骤s4，湿法清洗所述键合界面层的表面，以去除所述键合界面层的表面上的缺陷。湿法清洗所述键合界面层的表面的步骤可以包括：采用sc1溶液或采用sc2溶液或依次采用sc1溶液和sc2溶液清洗所述键合界面层的表面，其中，所述sc1溶液为nh4oh、h2o2与h2o的混合液，所述sc2溶液为hcl、h2o2与h2o的混合液。所述sc1溶液的温度可以为30℃～80℃，所述sc1溶液中的nh4oh、h2o2与h2o的体积比可以为1:2:100～1:2:40(例如为1:2:80、1:2:50等)；所述sc2溶液的温度可以为65℃～85℃，所述sc2溶液中的hcl、h2o2与h2o的体积比可以为1:2:100～1:2:40(例如为1:2:80、1:2:50等)。其中，所述sc1溶液主要用于清洗去除所述键合界面层的表面上产生的颗粒和化学反应残留的有机物等缺陷，所述sc2溶液主要用于清洗去除所述键合界面层的表面上的碱性离子和金属颗粒。

湿法清洗能够将所述键合界面层的表面上的大部分的缺陷去除，尽可能地使得所述键合界面层的表面上的缺陷在规格以内。但是，在实际生产过程中，仍然存在各种因素导致的所述键合界面层的表面上的缺陷超出规格的情况。例如从设备上掉落杂质颗粒到所述键合界面层中，湿法清洗无法将所述键合界面层中的杂质颗粒去除；或者，在对所述表面氧化层进行平坦化处理的过程中，会在所述表面氧化层的表面产生一些较浅和较深的划伤缺陷，而由于所述键合界面层的厚度较薄，较深的划伤缺陷会导致所述键合界面层的不平整，这个不平整即使经过湿法清洗也无法解决。因此，所述键合界面层的表面上的超出规格的缺陷会导致后续晶圆键合之后在键合界面上产生空洞和气泡等缺陷，进而导致产品良率的下降，从而需要对所述键合界面层继续进行后续的处理。

按照步骤s5，检测所述键合界面层的表面上的缺陷是否在规格以内，若所述键合界面层的表面上的缺陷未在规格以内，则去除所述键合界面层或者去除所述键合界面层和部分厚度的所述表面氧化层，以暴露出所述表面氧化层。通过对所述键合界面层的表面上的缺陷进行检测，确认是否继续对所述键合界面层进行缺陷处理。所述规格可以要求所述键合界面层的表面平整度(即最厚处的厚度减去最薄处的厚度)小于需要说明的是，所述键合界面层的表面平整度的规格要求不仅限于上述的范围，可以根据晶圆键合工艺的需求定义合适的表面平整度。对于所述键合界面层的表面上的杂质颗粒、化学反应的副产物等缺陷，可以定义合适的尺寸规格和数量规格，以满足晶圆键合工艺的需求。

若所述键合界面层的表面上的缺陷未在规格以内，可以根据所述键合界面层上的缺陷种类和缺陷尺寸等因素，选择仅去除所述键合界面层或者同时去除所述键合界面层和部分厚度的所述表面氧化层，例如，当缺陷的尺寸覆盖所述键合界面层的整个厚度方向甚至已经延伸到所述表面氧化层中，则需要同时去除所述键合界面层和部分厚度的所述表面氧化层。如图2c所示，所述器件晶圆10上的所述键合界面层12以及部分厚度的所述表面氧化层11已被去除；如图3c所示，所述承载晶圆20上的所述键合界面层22以及部分厚度的所述表面氧化层21已被去除。另外，由于所述键合界面层的厚度较薄，因此，一般不会存在仅去除部分厚度的所述键合界面层的情况。可以通过化学机械平坦化工艺去除所述键合界面层以及厚度为(例如为等)的所述表面氧化层，需要说明的是，去除的所述表面氧化层的厚度不仅限于上述的范围，可以根据位于所述表面氧化层中的缺陷情况进行调整。

按照步骤s6，循环执行步骤s3至步骤s5，直至形成的新的键合界面层的表面上的缺陷在规格以内。如图2d所示，在所述器件晶圆10上，部分厚度的所述表面氧化层11上形成了所述新的键合界面层13；如图3d所示，在所述承载晶圆20上，部分厚度的所述表面氧化层21上形成了所述新的键合界面层23。形成的新的键合界面层的厚度可以为(例如为等)，需要说明的是，所述新的键合界面层的厚度不仅限于上述的范围，可以根据键合工艺的需求进行调整。

通过循环执行步骤s3至步骤s5，使得所述键合界面层的表面上的缺陷超出规格的情况得到改善，进而使得后续晶圆键合之后在键合界面上产生的空洞和气泡等缺陷得到改善，从而使得产品良率得到提高。

按照步骤s7，将至少两片所述晶圆的表面上的缺陷在规格以内的键合界面层进行键合，以形成晶圆键合结构。若在上述步骤s5中，检测所述键合界面层的表面上的缺陷在规格以内，则直接将所述器件晶圆上的键合界面层与所述承载晶圆上的键合界面层进行键合；若在上述步骤s5中，检测所述键合界面层的表面上的缺陷未在规格以内，则在经过步骤s6之后，如图4所示，将所述器件晶圆10上的新的键合界面层13与所述承载晶圆20上的新的键合界面层23进行键合，以形成晶圆键合结构。

另外，由于所述器件晶圆上的功能结构比所述承载晶圆上的功能结构更加复杂以及性能要求更高，因此，可以对所述器件晶圆和所述承载晶圆均执行上述的步骤s1至步骤s6，以使得形成的晶圆键合结构的键合界面上的缺陷得到明显改善，进而使得产品良率得到明显提高；也可以仅对所述器件晶圆执行上述的步骤s1至步骤s6，而对于所述承载晶圆，可以仅采用热氧化工艺形成表面氧化层于所述承载晶圆上，由于热氧化工艺形成的表面氧化层的厚度较薄且超规的表面缺陷少，使得热氧化工艺形成的表面氧化层可以作为所述承载晶圆上的键合界面层，直接与所述器件晶圆上的表面上的缺陷在规格以内的键合界面层进行键合，也能够使得形成的晶圆键合结构的键合界面上的缺陷得到改善，进而使得产品良率得到提高。

另外，上述的半导体器件的制造方法中的各个步骤不仅限于上述的形成顺序，各个步骤的先后顺序可适应性的进行调整。

综上所述，本发明提供的半导体器件的制造方法，包括：s1，提供至少两片用于键合的晶圆；s2，形成表面氧化层于所述晶圆上；s3，对所述表面氧化层的表面进行平坦化，并在所述表面氧化层的表面上形成键合界面层，所述键合界面层的致密性高于所述表面氧化层；s4，湿法清洗所述键合界面层的表面，以去除所述键合界面层的表面上的缺陷；s5，检测所述键合界面层的表面上的缺陷是否在规格以内，若所述键合界面层的表面上的缺陷未在规格以内，则去除所述键合界面层或者去除所述键合界面层和部分厚度的所述表面氧化层，以暴露出所述表面氧化层；s6，循环执行步骤s3至步骤s5，直至形成的新的键合界面层的表面上的缺陷在规格以内；s7，将至少两片所述晶圆的表面上的缺陷在规格以内的键合界面层进行键合，以形成晶圆键合结构。本发明的半导体器件的制造方法使得晶圆的用于键合的表面上的缺陷得到改善，进而使得至少两片所述晶圆键合形成的晶圆键合结构的键合界面上的缺陷得到改善，从而使得产品良率得到提高。

本发明一实施例提供一种半导体器件，采用本发明提供的所述半导体器件的制造方法制造，所述半导体器件包括：至少两片晶圆键合形成的晶圆键合结构，且两片所述晶圆之间通过键合界面层键合在一起，所述键合界面层为经过检测后确定为合格的膜层。

下面详细描述本实施例提供的半导体器件：

所述晶圆键合结构包括承载晶圆和器件晶圆，所述承载晶圆和所述器件晶圆上可以分别具有功能结构和将所述功能结构掩埋在内的表面氧化层，所述承载晶圆上的所述表面氧化层位于所述承载晶圆和所述键合界面层之间，所述器件晶圆上的所述表面氧化层位于所述器件晶圆和所述键合界面层之间。所述功能结构可以仅形成于所述承载晶圆和所述器件晶圆的用于键合的表面上，也可以同时形成于所述承载晶圆和所述器件晶圆的用于键合的表面上以及非用于键合的表面上。所述功能结构可以包括栅极结构、金属互连结构、导电接触插栓等。

由于所述功能结构的存在，使得所述承载晶圆和所述器件晶圆的表面凹凸不平，不利于晶圆的键合工艺，因此，至少在所述承载晶圆和所述器件晶圆的用于键合的表面上形成有所述表面氧化层，所述表面氧化层将所述功能结构掩埋在内，以使得所述承载晶圆和所述器件晶圆的用于键合的表面平坦，进而利于晶圆的键合工艺。同时，所述表面氧化层也能够对所述承载晶圆和所述器件晶圆的用于键合的表面以及内部结构进行保护；并且，所述表面氧化层也能够辅助所述键合界面层的键合，进而提高键合的性能。

所述承载晶圆上的功能结构比所述器件晶圆上的功能结构的复杂程度低且性能要求也低，因此，所述承载晶圆上可以不用形成所述表面氧化层而仅形成所述键合界面层，所述键合界面层即可将所述承载晶圆上的功能结构掩埋在内，并对所述承载晶圆上的功能结构进行保护。

所述表面氧化层的厚度(即上述步骤s3中的平坦化之后的表面氧化层的厚度)可以为(例如为等)，需要说明的是，所述表面氧化层的厚度不仅限于上述的范围，可以根据器件性能的需要形成合适得厚度。所述表面氧化层的材质可以包括sio2或正硅酸乙酯(teos)，或者同时包括sio2和正硅酸乙酯，需要说明的是，所述表面氧化层的材质不仅限于上述的材质，例如也可以为氮氧硅等。

所述键合界面层的致密性高于所述表面氧化层的致密性，以利于所述承载晶圆和所述器件晶圆之间的键合。所述表面氧化层的厚度大于所述键合界面层的厚度，所述键合界面层的厚度(即上述步骤s6中的新的键合界面层的厚度)可以为(例如为等)，需要说明的是，所述键合界面层的厚度不仅限于上述的范围，可以根据键合工艺的需求形成合适厚度的所述键合界面层。所述键合界面层的材质可以包括teos、sio2、si3n4、si和gaas中的至少一种，需要说明的是，所述键合界面层的材质不仅限于上述的材质。

所述键合界面层为经过检测后确定为合格的膜层，对于所述键合界面层的表面平整度(即最厚处的厚度减去最薄处的厚度)，其规格可以定义为小于需要说明的是，所述键合界面层的表面平整度的规格要求不仅限于上述的范围，可以根据晶圆键合工艺的需求定义合适的表面平整度；对于所述键合界面层的表面上的杂质颗粒、化学反应的副产物等缺陷，可以定义合适的尺寸规格和数量规格，以满足晶圆键合工艺的需求。

由于采用了上述步骤s1至步骤s7形成所述晶圆键合结构，使得所述键合界面层的表面上的缺陷超出规格的情况得到改善，进而使得晶圆键合结构的键合界面上的空洞和气泡等缺陷得到改善，从而使得产品良率得到提高。

综上所述，本发明提供的半导体器件，采用本发明提供的所述半导体器件的制造方法制造，所述半导体器件包括：至少两片晶圆键合形成的晶圆键合结构，且两片所述晶圆之间通过键合界面层键合在一起，所述键合界面层为经过检测后确定为合格的膜层。本发明的半导体器件使得晶圆键合结构的键合界面上的缺陷得到改善，进而使得产品良率得到提高。

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。