本發(fā)明涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，具體涉及一種晶圓鍵合方法以及晶圓鍵合結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

接觸式圖像傳感器(Contact Image Sensor，CIS)是目前市場上常見的半導(dǎo)體傳感器，廣泛應(yīng)用于手機、平板電腦、指紋識別等領(lǐng)域。采用3D IC技術(shù)制作接觸式圖像傳感器已經(jīng)成為本領(lǐng)域研究的熱點。采用3D IC技術(shù)制作接觸式圖像傳感器，通常在一片晶圓中形成數(shù)據(jù)處理電路，在另一片晶圓中形成接觸式圖像傳感器的像素，然后將兩片晶圓鍵合在一起。這種制作方式的優(yōu)勢在于芯片不僅像素尺寸更小，而且數(shù)據(jù)處理更快。目前的晶圓鍵合技術(shù)中，鍵合之后，兩片晶圓的鍵合界面之間是有間隙的，即兩片晶圓的鍵合面不能直接貼合在一起。

請參考圖1，是現(xiàn)有技術(shù)一種接觸式圖像傳感器制作方法的示意圖。其中第一晶圓10上形成有多個第一金屬端11，第二晶圓20上形成有多個第二金屬端21。多個第一金屬端11和多個第二金屬端21一一對應(yīng)地鍵合在一起，使得第一晶圓10和第二晶圓20之間相互鍵合形成接觸式圖像傳感器。但是由于在第一晶圓10上，多個第一金屬端11凸出量的均一性較差，在第二晶圓20上，多個第二金屬端21的凸出量均一性較差，如圖1中虛線圈出所示，當多個第一金屬端11和多個第二金屬端21一一對應(yīng)地鍵合在一起時，凸出量較小的第一金屬端11和第二金屬端21可能接觸不良甚至短接，影響接觸式圖像傳感器的性能。

參考圖2，為了避免接觸不良，在晶圓鍵合之前，本領(lǐng)域技術(shù)人員通常會增大第一晶圓10和第二晶圓20上氧化層的去除量，使第一金屬端11和第二金屬端21的凸出量更大，但是如圖2所示，這樣可能導(dǎo)致相鄰的兩個第一金屬端11或第二金屬端21在壓力下相互靠近以致短接。

因此，如何能使第一晶圓和第二晶圓的金屬端更好地電接觸，以提高晶圓的鍵合質(zhì)量是亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的問題是提供一種晶圓鍵合方法以及晶圓鍵合結(jié)構(gòu)，使第一晶圓和第二晶圓的金屬端更好地電接觸，提高晶圓的鍵合質(zhì)量。

為解決上述問題，本發(fā)明提供一種晶圓鍵合方法，包括：

提供第一晶圓和第二晶圓，所述第一晶圓和第二晶圓均包括襯底；

在所述第一晶圓和第二晶圓的襯底上均形成第一介質(zhì)層，在所述第一介質(zhì)層中形成凹槽；

在所述第一介質(zhì)層上覆蓋金屬材料層，所述金屬材料層填充滿所述凹槽；

對所述金屬材料層和第一介質(zhì)層進行第一研磨，露出所述第一介質(zhì)層表面，所述凹槽中的金屬材料層為金屬墊；

在所述第一介質(zhì)層表面形成第二介質(zhì)層，對所述第二介質(zhì)層、第一介質(zhì)層和金屬墊進行第二研磨，露出所述凹槽中的金屬墊表面，在所述第二研磨的步驟中，對所述金屬墊的去除速率與對所述第一、第二介質(zhì)層的去除速率之比相當；

將所述第一晶圓和第二晶圓的金屬墊相對設(shè)置并相互對準，對所述第一晶圓和第二晶圓進行晶圓鍵合工藝，形成晶圓鍵合結(jié)構(gòu)。

可選的，所述第一研磨為化學機械研磨，所述第一研磨的步驟包括：對所述金屬材料層的去除速率與對所述第一介質(zhì)層的去除速率之比在10:1以上。

可選的，所述第一研磨的步驟包括：對金屬材料層的去除速率為4000～8000埃/分鐘。

可選的，所述第二研磨為化學機械研磨，所述第二研磨的步驟包括：對金屬墊的去除速率為1000～2000埃/分鐘。

可選的，所述第二介質(zhì)層的厚度在1000到10000埃的范圍內(nèi)。

可選的，在所述第二研磨的步驟之后，對所述第一介質(zhì)層進行回刻，使所述金屬墊凸出于所述第一介質(zhì)層表面。

可選的，在所述第一研磨的步驟中進行研磨程度檢測以確定所述第一研磨的研磨量，所述研磨程度檢測為終點檢測。

可選的，在所述第二研磨的步驟中進行研磨程度檢測以確定所述第二研磨的研磨量，所述研磨程度檢測為定時檢測。

可選的，在所述第一介質(zhì)層上覆蓋金屬材料層的步驟包括：

采用銅電鍍工藝，在所述第一介質(zhì)層上覆蓋銅材料層，所述銅材料層作為所述金屬材料層。

可選的，在所述第一介質(zhì)層上覆蓋金屬材料層的步驟包括：使所述金屬材料層在所述第一介質(zhì)層表面的厚度為所述凹槽深度的1到10倍。

可選的，在提供第一晶圓和第二晶圓之后，在所述第一晶圓和第二晶圓的襯底上形成第一介質(zhì)層之前，在所述第一晶圓上形成數(shù)據(jù)處理電路，所述第二晶圓上形成像素陣列。

本發(fā)明還提供一種晶圓鍵合結(jié)構(gòu)，采用本發(fā)明提供的任意一種晶圓鍵合方法形成。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點：在本發(fā)明提供的晶圓鍵合方法中，在第一晶圓和第二晶圓的第一介質(zhì)層上覆蓋金屬材料層，所述金屬材料層填充滿所述凹槽；對所述金屬材料層和第一介質(zhì)層進行第一研磨，露出所述第一介質(zhì)層表面之后，在所述第一介質(zhì)層表面形成第二介質(zhì)層，對所述第二介質(zhì)層、第一介質(zhì)層和金屬墊進行第二研磨，露出所述凹槽中的金屬墊表面，在所述第二研磨的步驟中，對所述金屬材料層的去除速率與對所述第一、第二介質(zhì)層的去除速率相當，也就是說，在第二研磨的過程中，所述金屬墊和第一、第二介質(zhì)層的去除速率相當，不容易產(chǎn)生金屬墊相對第一介質(zhì)層去除量過大的現(xiàn)象，因此，在第二研磨之后，所述第一介質(zhì)層和金屬墊的厚度較為齊平，第一晶圓和第二晶圓上不同位置處的金屬墊厚度較為均勻。在對第一晶圓和第二晶圓進行鍵合工藝之后，提高晶圓鍵合結(jié)構(gòu)中金屬墊之間的電連接的質(zhì)量。

附圖說明

圖1和圖2是現(xiàn)有技術(shù)一種晶圓鍵合工藝過程的示意圖；

圖3至圖10是本發(fā)明晶圓鍵合方法一實施例的示意圖。

具體實施方式

現(xiàn)有技術(shù)晶圓鍵合方法中，在第一晶圓的金屬端和第二晶圓的金屬端對應(yīng)地鍵合在一起時，凸出量較小的金屬端之間可能接觸不良，也可能造成短接，影響晶圓鍵合結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種晶圓鍵合方法，包括：

提供第一晶圓和第二晶圓，所述第一晶圓和第二晶圓均包括襯底；

在所述第一晶圓和第二晶圓的襯底上形成第一介質(zhì)層，在所述第一介質(zhì)層中形成凹槽；

在所述第一介質(zhì)層上覆蓋金屬材料層，所述金屬材料層填充滿所述凹槽；

對所述金屬材料層和第一介質(zhì)層進行第一研磨，露出所述第一介質(zhì)層表面；

在所述第一介質(zhì)層表面形成第二介質(zhì)層，對所述第二介質(zhì)層、第一介質(zhì)層和金屬材料層進行第二研磨，露出所述凹槽中的金屬材料層表面，露出所述凹槽中的金屬材料層為金屬墊，在所述第二研磨的步驟中，對所述金屬材料層的去除速率與對所述第二介質(zhì)層的去除速率相當；

將所述第一晶圓和第二晶圓的金屬墊相對設(shè)置并相互對準，對所述第一晶圓和第二晶圓進行晶圓鍵合工藝，形成晶圓鍵合結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明在所述第二研磨的步驟中，對所述金屬材料層的去除速率與對所述第二介質(zhì)層的去除速率相當，也就是說，第二研磨對所述金屬材料層和所述第二介質(zhì)層的去除選擇比接近，使得在第二研磨之后，所述第二介質(zhì)層和金屬墊的厚度較為齊平，第一晶圓和第二晶圓上不同位置處的金屬墊厚度較為均勻。在對第一晶圓和第二晶圓進行鍵合工藝之后，提高晶圓鍵合結(jié)構(gòu)中金屬墊之間的電連接的質(zhì)量。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例做詳細的說明。

參考圖3至圖10，示出了本發(fā)明晶圓鍵合方法一實施例的示意圖。本實施例晶圓鍵合方法包括：

提供第一晶圓和第二晶圓，所述第一晶圓包括第一襯底100，所述第二晶圓包括第二襯底200。在本實施例中，所述第一襯底100和第二襯底200為單晶硅襯底，在其他實施例中，所述襯底還可以為多晶硅襯底、非晶硅襯底、鍺硅襯底或絕緣體上硅襯底等其它半導(dǎo)體襯底，對此本發(fā)明不做任何限制。

需要說明的是，在本實施例中，在提供第一晶圓和第二晶圓之后，在所述第一晶圓上形成數(shù)據(jù)處理電路(未示出)，所述第二晶圓上形成像素陣列(未示出)。這樣所述第一晶圓和第二晶圓形成的晶圓鍵合結(jié)構(gòu)用于形成接觸式圖像傳感器。但是本發(fā)明對是否在所述第一晶圓上形成數(shù)據(jù)處理電路，所述第二晶圓上形成像素陣列不做限制，所述第一晶圓和第二晶圓鍵和形成的晶圓鍵合結(jié)構(gòu)還可以用于其他半導(dǎo)體器件，如處理器、運動傳感器、壓力傳感器等。

在所述第一晶圓上形成數(shù)據(jù)處理電路，所述第二晶圓上形成像素陣列之后，在所述第一襯底100和第二襯底200上分別形成第一介質(zhì)層，在所述第一介質(zhì)層中形成凹槽。需要說明的是，在所述第一晶圓上形成數(shù)據(jù)處理電路，所述第二晶圓上形成像素陣列之后，對所述第一晶圓和第二晶圓進行的工藝步驟基本相同，因此，在圖4至圖9中，僅示出了對第一晶圓的工藝步驟。

參考圖4，在所述第一襯底100上形成第一介質(zhì)層101，在所述第一介質(zhì)層101中形成凹槽102。

在本實施例中，所述第一介質(zhì)層101的材料為氧化硅，形成方法為化學氣相沉積，但是本發(fā)明對第一介質(zhì)層101的材料和形成方法不做限制。

在所述第一介質(zhì)層101中形成凹槽102的數(shù)量為多個，所述凹槽102用于形成金屬墊。

在本實施例中，所述凹槽102的深度在1000到10000埃的范圍內(nèi)。

參考圖5，在所述第一介質(zhì)層101上覆蓋金屬材料層103，所述金屬材料層103填充滿所述凹槽。

具體地，在本實施例中，采用銅電鍍工藝，在所述第一介質(zhì)層101上覆蓋銅材料層，所述銅材料層作為金屬材料層103。但是本發(fā)明對覆蓋金屬材料層103的方法不做限制，在其他實施例中，還可以采用物理氣相沉積法覆蓋所述金屬材料層103，本發(fā)明對金屬材料層103的具體材料也不做限制，在其他實施例中，所述金屬材料層103還可以為鋁或者合金材料。

如果所述金屬材料層103在所述第一介質(zhì)層101表面的厚度H1過大，則后續(xù)對所述金屬材料層103進行化學機械研磨的速度過慢，如果所述金屬材料層103在所述第一介質(zhì)層101表面的厚度H1過小，則后續(xù)對所述金屬材料層103進行的化學機械研磨不容易控制。在本實施例中，在所述第一介質(zhì)層101上覆蓋金屬材料層103的步驟包括：使所述金屬材料層103在所述第一介質(zhì)層101表面的厚度H1為所述凹槽102深度的1到10倍。具體地，可以使所述金屬材料層103在所述第一介質(zhì)層101表面的厚度H1在3000到100000埃的范圍內(nèi)。

結(jié)合參考圖6，對所述金屬材料層103和第一介質(zhì)層101進行第一研磨，露出所述第一介質(zhì)層101表面。

具體地，在本實施例中，所述第一研磨為化學機械研磨。在所述第一研磨的步驟中，對所述金屬材料層103的去除速率與對所述第一介質(zhì)層101的去除速率之比在10:1以上。其中，對金屬材料層103的去除速率為4000～8000埃/分鐘。這樣的好處在于，對所述金屬材料層103的去除速率與對所述第一介質(zhì)層101的去除速率之比較高，能夠快速地去除金屬材料層103，并且所述第一介質(zhì)層101可以作為第一研磨的停止層。

在所述第一研磨之后，所述第一介質(zhì)層101表面的金屬材料層103被去除，在所述凹槽102中形成金屬墊104，用于進行晶圓鍵合工藝。

由于第一研磨對所述金屬材料層103的去除速率與對所述第一介質(zhì)層101的去除速率之比較高，在第一研磨之后，部分所述凹槽102中的金屬墊104表面可能低于所述第一介質(zhì)層101表面，使得第一晶圓上的金屬墊104厚度不均勻。

在所述第一研磨的步驟進行研磨程度檢測，以確定所述第一研磨的研磨 量。所述研磨程度檢測的方式為終點檢測(EPD,End-point Detector)。具體地，可選用光學終點檢測對所述第一介質(zhì)層101和金屬材料層103表面進行檢測，光學終點檢測是對利用膜層上反射的光譜連續(xù)地測量所述第一研磨中所述第一介質(zhì)層101和金屬材料層103厚度H1的變化，當所述金屬材料層103被去除，露出所述第一介質(zhì)層101時，所述第一介質(zhì)層101反射的光譜與所述金屬材料層反射的光譜不同，從而提示第一研磨停止。由于所述第一研磨的步驟中，所述金屬材料層103的去除速率與對所述第一介質(zhì)層101的去除速率之比較高，當所述第一介質(zhì)層101的表面露出時，第一介質(zhì)層101反射回的光譜第一介質(zhì)層101反射回的光譜變化大，當?shù)谝唤橘|(zhì)層101消耗完時，采用終點檢測方式能夠較為迅速地反應(yīng)，從而及時地停止第一研磨，使所述第一介質(zhì)層101不容易被所述第一研磨損傷。

參考圖7，在所述第一介質(zhì)層101和金屬墊104表面形成第二介質(zhì)層105。

在本實施例中，所述第二介質(zhì)層105的材料為氧化硅，形成方法為化學氣相沉積，但是本發(fā)明對第二介質(zhì)層105的材料和形成方法不做限制。

所述第二介質(zhì)層105用于為后續(xù)的第二研磨過程提供研磨材料，如果所述第二介質(zhì)層105的厚度過大，則第二研磨的速度過慢，如果所述第二介質(zhì)層105的厚度過小，則第二研磨的過程難以控制，容易損傷金屬墊104，在本實施例中，所述第二介質(zhì)層105的厚度在1000埃到10000埃的范圍內(nèi)

參考圖8，對所述第二介質(zhì)層105、第一介質(zhì)層101和金屬墊104進行第二研磨，露出所述金屬墊104表面，在所述第二研磨的步驟中，對所述金屬墊104的去除速率與對所述第一介質(zhì)層101、第二介質(zhì)層105的去除速率相當，也就是說，在第二研磨的過程中，所述金屬墊104和第一、第二介質(zhì)層的去除速率相當，可選的，所述金屬墊104和第一、第二介質(zhì)層的去除速率之比在1:1.5到1.5:1的范圍內(nèi)。第二研磨的過程可以看成對同一種材料進行化學機械研磨，不容易產(chǎn)生金屬墊104相對第一介質(zhì)層101去除量過大的現(xiàn)象。因此，在第二研磨之后，第一晶圓上不同位置處的金屬墊104表面基本都和第一介質(zhì)層101的表面齊平，使得在第二研磨之后，第一晶圓上不同位置處的金屬墊104厚度較為均勻。

需要說明的是，由于第二研磨需要保證對所述金屬墊104和所述第一介質(zhì)層101、第二介質(zhì)層105的去除速率接近，因此本發(fā)明中所述第一介質(zhì)層101、第二介質(zhì)層105可以選用同種材料，或者選用在同一種研磨液的作用下，去除速率相當?shù)牟牧稀?/p>

在本實施例中，所述第二研磨為化學機械研磨。如果對金屬墊104的去除速率過大，則容易造成金屬墊104去除過量，造成第一晶圓上的金屬墊104厚度不均勻，如果對金屬墊104的去除速率過小，則第二研磨過程耗費時間過長。在本實施例中，第二研磨的研磨液對金屬墊104的去除速率為1000～2000埃/分鐘。但是本發(fā)明對第二研磨對金屬墊104的去除速率不做限制。

在所述第二研磨的步驟中進行研磨程度檢測，以確定所述第二研磨的研磨量。所述研磨程度檢測的方式為定時檢測。具體地，可以在所述第二研磨的過程中，設(shè)置一個至多個提醒時間節(jié)點，在每個提醒時間節(jié)點，通過光學或電流的方式測量所述第二介質(zhì)層105的厚度。由于第二研磨對所述金屬墊104和所述第二介質(zhì)層105的去除選擇比接近，采用終點檢測的方式可能導(dǎo)致第二研磨的研磨量過多，因此本實施例采用定時檢測的檢測方式，能夠確保金屬墊104受第二研磨的損傷較小。

參考圖9，對所述第一介質(zhì)層101進行回刻，使所述金屬墊104凸出于所述第一介質(zhì)層101表面。這樣的好處在于，在后續(xù)的晶圓鍵合工藝中，提高所述第一晶圓和第二晶圓的電連接質(zhì)量。

需要說明的是，在晶圓鍵合之前，對第二晶圓的工藝步驟和第一晶圓大致相同，也可以參考圖4到圖9，本發(fā)明在此不再贅述。第二晶圓中不同位置處的金屬墊厚度也較為均勻。

參考圖10，第二晶圓的第二襯底200上也相應(yīng)形成了第一介質(zhì)層101和金屬墊104，將所述第一晶圓和第二晶圓的金屬墊104相對設(shè)置并相互對準，對所述第一晶圓和第二晶圓進行晶圓鍵合工藝，形成晶圓鍵合結(jié)構(gòu)。

由于第一晶圓和第二晶圓上不同位置處的金屬墊104厚度較為均勻。在對第一晶圓和第二晶圓進行鍵合工藝之后，晶圓鍵合結(jié)構(gòu)中金屬墊104之間 的電連接的質(zhì)量較高。

在本實施例中，所述晶圓鍵合結(jié)構(gòu)中包含數(shù)據(jù)處理電路和像素陣列，所述晶圓鍵合結(jié)構(gòu)可以用于形成接觸式圖像傳感器。因此所述晶圓鍵合結(jié)構(gòu)形成的接觸式圖像傳感器具有較高的質(zhì)量。

本發(fā)明還提供一種晶圓鍵合結(jié)構(gòu)，其采用本發(fā)明提供的晶圓鍵合方法形成，晶圓鍵合結(jié)構(gòu)中金屬墊之間的電連接的質(zhì)量較高。所述晶圓鍵合結(jié)構(gòu)中可以包含數(shù)據(jù)處理電路和像素陣列，用于形成接觸式圖像傳感器。因此所述晶圓鍵合結(jié)構(gòu)形成的接觸式圖像傳感器具有較高的質(zhì)量。

雖然本發(fā)明披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護范圍應(yīng)當以權(quán)利要求所限定的范圍為準。