键合标记的制备方法、晶圆键合方法、键合标记及半导体器件与流程

本发明属于半导体领域，尤其涉及一种键合标记的制备方法、晶圆键合方法、键合标记以及半导体器件。

背景技术：

随着半导体技术的快速发展，互补金属氧化物半导体(complementarymetaloxidesemiconductor，简称cmos)以及微机电系统(microelectromechanicalsystems，简称mems)器件在各种传感器类产品的市场上成为最主流的技术，并且随着技术的不断进步，这类产品将会向更小尺寸，更高电学性能和更低损耗的方向发展。

cmos图像传感器是摄像设备的核心部件，通过将光信号转换成电信号实现图像拍摄功能。由于其具有低功耗和高信噪比的优点，因此在各种领域内得到了广泛应用。

以背照式互补金属氧化物半导体图像传感器(backsideilluminationcmosimagesensors，简称cisbsi)为例，在现有的制造工艺中，首先形成器件晶圆，在所述器件晶圆内形成像素器件、逻辑器件以及金属互连结构，其次对承载晶圆与所述器件晶圆进行键合，然后减薄器件晶圆的背部，最后在所述的器件晶圆的背面形成互补金属氧化物半导体图像传感器(cmosimagesensors，简称cis)的后续工艺。

现有技术的cisbsi工艺中涉及到的晶圆键合为cis器件圆晶和承载圆晶进行熔融键合，通过熔融键合达到圆晶翻面，光线可从cis器件圆晶的衬底处入射进行光电反应。在熔融键合之后通过红外光学量测的方法识别上下两片晶圆特殊的套刻对准标记(overlayermark,简称ovlmark)，然后进行对准度测试。在承载晶圆上需要利用干法蚀刻工艺，刻蚀出100nm深的沟槽作为键合标记(即上部晶圆上用于键合对准和对准度测试的对准标记)。但是所述键合标记在晶圆表面的轮廓会出现干扰，造成红外光学识别失败。另一方面，增加沟槽蚀刻深度，虽可以提高标记表面清晰度，但同时会增加出现键合空隙的风险，影响键合的质量。

因此，需要改善键合标记的制备方法，提高键合标记的边界清晰度，改善表面的识别，并降低沟槽带来的键合空隙的风险。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种键合标记的制备方法，以改善键合标记表面的识别，并解决沟槽带来的键合空隙的风险问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种键合标记的制备方法，包括：

步骤s1：在承载晶圆上通过刻蚀形成沟槽；

步骤s2：在沟槽中填充金属；

步骤s3：除去承载晶圆表面的金属，以保留所述沟槽中填充的金属，从而在所述承载晶圆上形成键合标记。

可选的，在所述的键合标记的制备方法中，所述步骤s1中所述沟槽的深度为80nm～120nm。

可选的，在所述的键合标记的制备方法中，所述步骤s1中所述刻蚀为干法刻蚀。

可选的，在所述的键合标记的制备方法中，所述步骤s2中填充所述金属至填满所述沟槽。

为实现上述目的以及其它相关目的，本发明还提供了一种晶圆键合方法，包括：

采用上述所述的键合标记的制备方法，在一承载晶圆上形成键合标记；

形成界面键合层覆盖于所述承载晶圆和键合标记的表面上；

提供一器件晶圆，根据所述键合标记将所述器件晶圆和所述承载晶圆对准，并将所述器件晶圆键合到所述界面键合层上。

可选的，在所述的晶圆键合方法中，通过熔融键合工艺将所述器件晶圆键合到所述界面键合层上。

可选的，在所述的晶圆键合方法中，所述承载晶圆和所述器件晶圆均为硅片，所述界面键合层为二氧化硅。

可选的，在所述的晶圆键合方法中，在将所述器件晶圆键合到所述界面键合层上之后，还包括：对所述器件晶圆背向所述承载晶圆的表面进行减薄。

为实现上述目的以及其它相关目的，本发明还提供了一种基于上述所述的键合标记的制备方法制备得到的键合标记。

为实现上述目的以及其它相关目的，本发明还提供了一种基于上述所述的晶圆键合方法制备得到的半导体器件。

综上所述，本发明提供了一种键合标记的制备方法，包括：步骤s1：在承载晶圆上通过刻蚀形成沟槽；步骤s2：在沟槽中填充金属；步骤s3：除去承载晶圆表面的金属，以保留所述沟槽中填充的金属，从而在所述承载晶圆上形成键合标记。本发明通过蚀刻形成沟槽后，在沟槽中填充金属的方法改善标记表面的识别，并解决沟槽带来的键合空隙的风险问题，提高键合质量。

进一步，本发明还提供了一种晶圆键合方法，包括：采用上述所述的键合标记的制备方法，在一承载晶圆上形成键合标记；然后形成界面键合层覆盖于所述承载晶圆和键合标记的表面上；最后，提供一器件晶圆，根据所述键合标记将所述器件晶圆和所述承载晶圆对准，并将所述器件晶圆键合到所述界面键合层上。

再进一步，本发明还提供了一种基于上述所述的键合标记的制备方法制备得到的键合标记和基于上述所述的晶圆键合方法制备得到的半导体器件。所述键合标记具有清晰的分界线，易于识别，降低识别的失败率，减少晶圆报废率，提高产能。

附图说明

图1a-1c为晶圆键合对准的过程图；

图2是一种承载晶圆结构示意图；

图3是图2中的承载晶圆形成键合标记的结构示意图；

图4是图3中形成的键合标记的识别示意图；

图5是本发明一实施例中承载晶圆结构示意图；

图6是本发明一实施例中步骤s1后形成的结构示意图；

图7是本发明一实施例中步骤s2后形成的结构示意图；

图8是本发明一实施例中形成的键合标记的结构示意图。

其中，图1～4中：

10-垫氧化层，20-硅基底，30-沟槽，40-键合标记边界，50-上部晶圆，60-下部晶圆，70-套刻对准标记；

图5-8中：

01-垫氧化层，02-衬底，03-沟槽，04-金属，05-界面键合层。

具体实施方式

图1a-1c为晶圆键合对准的过程，首先使用上目标器定位下部晶圆60(即器件晶圆)标记的位置，数字图像化并保存位置；然后使用下目标器调整上部晶圆50(即承载晶圆)的位置，并数字图像化；最后恢复下部晶圆60的位置并与上部晶圆50接触，形成套刻对准标记70。

晶圆键合的工艺流程如图2和3所示，首先在承载晶圆(即上部晶圆)上利用干法蚀刻工艺，刻蚀出100nm深度的沟槽作为键合标记(即上部晶圆上用于键合对准和对准度测试的对准标记)。所述承载晶圆优选为硅片，可以包括硅基底20以及位于其上的垫氧化层10，即利用干法刻蚀在垫氧化层10以及硅基底20上刻蚀出深度为100nm的沟槽30，并以深度为100nm的沟槽30作为晶圆键合标记。由于沟槽的深度为100nm，会使得圆晶表面的轮廓出现干扰，造成沟槽30的边界不清晰，即造成键合标记边界40不清晰(参阅图4)，因此，容易造成红外光学识别失败，增加晶圆报废率，降低产能。研究发现，可以通过增加沟槽蚀刻深度的方法来提高标记表面清晰度，但是随着沟槽深度的增加，会增加出现键合空隙的风险，影响键合的质量。

本发明提供了一种键合标记的制备方法，以改善键合标记表面的识别，并解决沟槽带来的键合空隙的风险问题。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的键合标记的制备方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，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。

参阅图5～7，所述的键合标记(bondingmark)的制备方法包括：

步骤s1：在承载晶圆上通过刻蚀形成沟槽03；

步骤s2：在所述沟槽03中填充金属04；

步骤s3：除去承载晶圆表面的金属，以保留所述沟槽03中填充的金属，从而在所述承载晶圆上形成键合标记。

在步骤s1中，在承载晶圆上通过刻蚀形成沟槽03。其中所述承载晶圆的结构如图5所示。所述的承载晶圆(carrierwafer)优选为硅片，其结构可以包括衬底02以及位于其上的垫氧化层(padoxide)01。

参阅图6，在所述承载晶圆上通过刻蚀形成沟槽03。所述刻蚀可以为干法刻蚀，也可以为湿法刻蚀，优选为干法刻蚀。所述的沟槽03的深度优选为80nm～200nm，进一步优选为100nm，与现有工艺的深度相一致。因为沟槽03的刻蚀深度太浅会造成沟槽03边缘不清晰，影响后续的红外光学识别，而沟槽03的刻蚀深度增加，虽可以提高键合标记的表面清晰度，但同时会增加出现键合空隙的风险，影响键合的质量，因此沟槽03的刻度深度优选为80nm～200nm。此时，所述承载晶圆的垫氧化层01被刻穿，同时所述硅衬底02也被刻蚀部分深度，最终形成所述沟槽03。

参阅图7，在步骤s2中，在所述沟槽03中填充金属04。所述金属04的材料可以为钨、金或者铜金属，但是并不局限于以上材料。所述金属04可以通过物理气相沉积法(physicalvapordeposition，简称pvd)或者电镀的方法填满所述沟槽03。

在步骤s3中，除去承载晶圆表面的金属04，以保留所述沟槽03中填充的金属04，从而在所述承载晶圆上形成键合标记(未图示)。由于金属04需要填满所述沟槽03，在填充的过程中承载晶圆表面(即垫氧化层01的上表面)也会被覆盖所述金属04，承载晶圆表面覆盖的金属04会影响后续界面键合层05的形成，从而影响晶圆键合的质量，因此需要除去承载晶圆表面的金属，即除去垫氧化层01的上表面覆盖的金属。所述垫氧化层01的上表面覆盖的金属除去的方法可以为化学机械研磨方法(chemicalmechanicalpolishing，简称cmp)或者刻蚀的方法等，具体的方法类型可以根据所述金属04的材料种类进行调整。例如，当所述金属04为钨时，可以采用化学机械研磨方法除去所述承载晶圆表面的金属钨；当所述金属04为其他金属时，也可使用无图案刻蚀的方法除去所述承载晶圆表面的金属04。

除去所述承载晶圆表面的金属后，所述衬底02与所述沟槽03内的金属04构成键合标记。在承载晶圆表面，所述衬底02与所述沟槽03内的金属04与其周围的垫氧化层01有清晰的分界线，易于识别。因此，所述键合标记可以通过在所述沟槽03中填充金属，以与周围的承载晶圆表面之间有清晰的分界线，从而改善了键合标记的识别结果，且因键合标记的上表面与其周围的承载晶圆的上表面齐平或者基本齐平，所以可以解决以未填充任何材料的沟槽03作为键合标记时带来的键合空隙(bondingvoid)的风险。

本实施例还提供了一种晶圆键合方法，包括：

首先，采用上述所述的键合标记的制备方法，在一承载晶圆上形成键合标记；

接着，形成界面键合层05覆盖于所述承载晶圆和键合标记的表面上；

然后，提供一器件晶圆，根据所述键合标记将所述器件晶圆和所述承载晶圆对准，并将所述器件晶圆键合到所述界面键合层05上。

参阅图8，首先，采用上述所述的键合标记的制备方法，在一承载晶圆上形成键合标记，即采用步骤s1：在承载晶圆上通过刻蚀形成沟槽03；步骤s2：在所述沟槽03中填充金属层04；步骤s3：除去承载晶圆表面的金属04，以保留所述沟槽中填充的金属04，从而在所述承载晶圆上形成键合标记。

然后，在所述承载晶圆表面沉积界面键合层05，作为与器件晶圆键合的界面。在除去所述承载晶圆表面的金属04，并保留所述沟槽03中的所述金属04后，在承载晶圆的表面沉积界面键合层05后，界面键合层05会覆盖在所述垫氧化层01的上表面和键合标记的上表面上。所述界面键合层05作为与器件晶圆键合的界面，其材料可以为二氧化硅或者氮化硅等，只要满足所述界面键合层05致密、稳定、不易受到破坏、能够对所述键合标记起到保护作用即可。

接着，提供器件晶圆，所述器件晶圆优选为硅片，然后可以借助红外光学量测装置监测键合标记的位置，以实现器件晶圆和承载晶圆的对准，之后，通过合适的晶圆键合工艺来将器件晶圆键合到界面键合层05上。其中，所述晶圆键合工艺可以为熔融键合工艺，即在器件晶圆和承载晶圆对准后，通过熔融键合工艺将所述器件晶圆键合到所述界面键合层05上。在将所述器件晶圆键合到所述界面键合层05上之后，还可以对所述器件晶圆背向所述承载晶圆的表面进行减薄，并进行后续工艺，例如塑封、硅穿孔、引线焊接等。

本发明还提供了一种键合标记，所述键合标记采用上述所述的键合标记的制备方法制备得到的。相比于现有技术中的键合标记，本发明的键合标记在制备的过程中增加了通过物理气相沉积法(pvd)或者电镀的方法在所述沟槽03中填充所述金属04，并采用化学机械研磨方法(chemicalmechanicalpolishing，简称cmp)或者blanketetch方法除去所述承载晶圆表面的金属，所述键合标记由衬底02与所述沟槽03内的金属构成，所述键合标记表面分界线清晰，易于识别，因此可以有效的降低红外光学识别失败的概率，使生产线更顺畅，能够减少晶圆报废率，提高了产能。

本发明还提供了一种基于上述所述的晶圆键合方法制备得到的半导体器件。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。