CN106328662A - 半导体结构、半导体器件及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种半导体结构、半导体器件及其形成方法，包括：形成功能晶圆，功能晶圆包括功能层以及位于功能层表面的电路层，功能晶圆分为中心区域以及位于中心区域周围的外围区域；对功能晶圆进行第一修边；形成覆盖电路层表面和侧壁的保护层；提供操作晶圆，并使操作晶圆与功能晶圆通过保护层键合，功能晶圆未与操作晶圆键合的面为背面；通过减薄工艺对功能晶圆的背面进行减薄。本发明在功能晶圆经第一修边处理去除外围区部分厚度的功能晶圆，露出中心区域电路层的侧壁后，设置覆盖电路层表面和侧壁的保护层，以保护电路层，防止电路层侧壁暴露在外，减少了电路层侧壁在后续工艺过程中被腐蚀的问题，改善了所形成器件的性能，提高了制造器件的良品率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种半导体结构、半导体器件及其形成方法。
背景技术
图像传感器依据其采用的原理可以分为电荷耦合装置(Charge-CoupledDevice,CCD)以及互补型金属氧化物半导体装置(Complementary Metal OxideSemiconductor,CMOS)。其中CMOS图像传感器是采用传统的CMOS电路工艺制作，因此可以将图像传感器与其所需要的外围电路加以整合，从而使得CMOS图像传感器具有更广泛的应用前景。
传统CMOS图像传感器中，感光元件是位于电路元件的后方，因此光线需要经过电路层才能达到感光层，中途光线会受到电路元件的影响。背照式CMOS图像传感器则是通过将感光元件的感光面调转方向，使得光线从器件背面直射进去，让光线首先进入感光层，避免了光线在电路层的吸收和反射，增大感光量，进而显著的提高了光的效能，大大改善了低光照条件下CMOS图像传感器的感光效果。因此背照式CMOS图像传感器具有更高的灵敏度和信噪比。如今越来越多的CMOS图像传感器是背照式CMOS图像传感器。
参考图1，示出了现有技术中一种半导体结构的结构示意图。
需要说明的是，此处以背照式CMOS图像传感器的结构为例进行说明。
功能晶圆20位于操作晶圆10上，其中功能晶圆20包括形成有半导体元件的功能层23以及位于功能层表面的电路层22。
所述半导体结构还包括操作晶圆10以及键合层21，所述功能晶圆20与所述操作晶圆10通过键合层21键合相连，所述功能晶圆20未与所述操作晶圆10键合的面为背面。
在形成背照式CMOS图像传感器的后续工艺中需要对所述功能晶圆20进行减薄处理。
但是，采用现有技术形成的半导体结构存在电路层22容易被腐蚀的问题。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种半导体结构、半导体器件及其形成方法，减少电路层被腐蚀的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种半导体结构的形成方法，包括：
形成功能晶圆，所述功能晶圆包括形成有半导体元件的功能层以及位于所述功能层表面的电路层，所述功能晶圆分为中心区域以及位于中心区域周围的外围区域；
对所述功能晶圆进行第一修边以去除外围区域部分厚度的所述功能晶圆，被去除的所述功能晶圆包括外围区域的电路层以及外围区域部分厚度的功能层；
形成覆盖所述电路层表面和侧壁的保护层；
提供操作晶圆，并使所述操作晶圆与功能晶圆通过保护层键合，所述功能晶圆未与所述操作晶圆键合的面为背面；
通过减薄工艺对所述功能晶圆的背面进行减薄。
可选的，形成功能晶圆的步骤包括：所述功能层内的半导体元件为CMOS图像传感器。
可选的，对所述功能晶圆进行第一修边的步骤包括：外围区域被去除的功能晶圆的厚度在90微米到110微米范围内。
可选的，形成覆盖所述电路层表面和侧壁的保护层的步骤包括：所述保护层的材料包括正硅酸乙酯。
可选的，形成覆盖所述电路层表面和侧壁的保护层的步骤包括：所述保护层的厚度在到范围内。
可选的，形成覆盖所述电路层表面和侧壁的保护层的步骤包括：采用化学气相沉积的工艺形成覆盖所述电路层表面和侧壁的保护层。
可选的，通过减薄工艺对所述功能晶圆的背面进行减薄的步骤包括：采用研磨工艺对所述功能晶圆的背面进行减薄。
可选的，通过减薄工艺对所述功能晶圆进行减薄的步骤包括：所述减薄工艺包括至少一次湿法刻蚀以使所述功能晶圆的表面平坦化。
可选的，采用湿法刻蚀使所述功能晶圆的表面平坦化的步骤包括：所述功能晶圆的功能层包含有外延层，所述湿法刻蚀在所述外延层处停止。
可选的，对经研磨后的所述功能晶圆进行湿法刻蚀的步骤包括：所述湿法刻蚀的刻蚀溶液包括硝酸、氢氟酸或者四甲基氢氧化铵。
本发明还提供一种半导体器件的形成方法，包括：
提供本发明所提供的半导体结构；
沿垂直于所述功能晶圆侧壁的方向对所述功能晶圆进行第二修边。
可选的，沿垂直于所述功能晶圆侧壁的方向对功能晶圆进行第二修边的步骤包括：使经两次修边处理的功能晶圆的尺寸比未经修边处理的功能晶圆的尺寸小2毫米到3毫米。
相应的，本发明还提供一种半导体结构，包括：
功能晶圆，所述功能晶圆包括形成有半导体元件的功能层以及位于所述功能层表面的电路层；
与所述功能晶圆键合的操作晶圆；
位于所述功能晶圆和所述操作晶圆之间的保护层，所述功能晶圆和所述操作晶圆通过所述保护层实现键合，所述保护层还覆盖于所述电路层的侧壁。
可选的，所述保护层材料包括正硅酸乙酯。
可选的，所述保护层厚度在到范围内。
可选的，所述功能层内的半导体元件为CMOS图像传感器。
本发明还提供一种半导体器件，包括：
功能晶圆，所述功能晶圆包括形成有半导体元件的功能层以及位于所述功能层表面的电路层；
与所述功能晶圆键合的操作晶圆；
位于所述功能晶圆和所述操作晶圆之间且不覆盖所述电路层侧壁的保护层，所述功能晶圆和所述操作晶圆通过所述保护层实现键合。
可选的，所述保护层材料包括正硅酸乙酯。
可选的，所述保护层厚度在到范围内。
可选的，所述功能层内的半导体元件为CMOS图像传感器。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明在功能晶圆经第一修边处理去除外围区部分厚度的所述功能晶圆，露出中心区域电路层的侧壁后，设置覆盖所述电路层表面和侧壁的保护层，以保护所述电路层，防止电路层侧壁暴露在外，减少了电路层侧壁在后续工艺过程中被腐蚀的问题，改善了所形成器件的性能，提高了制造器件的良品率。
附图说明
图1是现有技术中一种半导体结构的结构示意图；
图2至图8是本发明半导体结构的形成方法一实施例的各个步骤的结构示意图；
图9是本发明半导体器件的形成方法一实施例的步骤结构示意图；
图10和图11是本发明半导体结构的结构示意图；
图12和图13是本发明半导体器件的结构示意图。
具体实施方式
由背景技术可知，现有技术中形成的半导体结构容易产生电路层被腐蚀的问题，现结合现有技术中形成所述半导体结构的过程分析电路层被腐蚀问题的原因：
需要说明的是，此处以形成背照式CMOS图像传感器的过程为例进行说明。
为了提高传感器的透光能力，现有技术中背照式CMOS图像传感器在操作晶圆10和功能晶圆20完成键合后，需要使用研磨(Grind)、湿法刻蚀等方法减薄功能晶圆20的厚度。研磨的过程容易造成功能晶圆20边缘出现碎片(Wafer Edge Chipping)。
因此，目前的方法是在进行研磨工艺之前，先采用修边工艺(TrimmingProcess)去除功能晶圆20的边缘区域，以减少晶圆碎片的出现，一般来说需要去除宽度d为2.5mm的边缘区域。
但是，修边工艺会容易使功能晶圆20中电路层22的侧壁暴露在外，电路层22中的导电材料在后续工艺中容易受到腐蚀，从而影响所形成器件的性能，降低器件的良品率。
为解决所述技术问题，本发明提供一种半导体结构的形成方法，包括：
形成功能晶圆，所述功能晶圆包括形成有半导体元件的功能层以及位于所述功能层表面的电路层，所述功能晶圆分为中心区域以及位于中心区域周围的外围区域；对所述功能晶圆进行第一修边以去除外围区域部分厚度的所述功能晶圆，被去除的所述功能晶圆包括外围区域的电路层以及外围区域部分厚度的功能层；形成覆盖所述电路层表面和侧壁的保护层；提供操作晶圆，并使所述操作晶圆与功能晶圆通过保护层键合，所述功能晶圆未与所述操作晶圆键合的面为背面；通过减薄工艺对所述功能晶圆的背面进行减薄。
本发明在功能晶圆经第一修边处理去除外围区部分厚度的所述功能晶圆，露出中心区域电路层的侧壁后，设置覆盖所述电路层表面和侧壁的保护层，以保护所述电路层，防止电路层侧壁暴露在外，减少了电路层侧壁在后续工艺过程中被腐蚀的问题，改善了所形成器件的性能，提高了制造器件的良品率。
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2至图9，示出了本发明半导体结构的形成方法一实施例中各个步骤的结构示意图。
需要说明的是，本实施例中，以形成背照式CMOS图像传感器为例进行说明，不应以此限制本发明。
参考图2，形成功能晶圆100。
所述功能晶圆100为需要减薄的晶圆，包括：形成有半导体元件111的功能层110以及位于所述功能层110表面的电路层120。
所述功能层110用于实现所述半导体结构具体功能。具体的，本实施例中，所述半导体结构用于形成背照式CMOS图像传感器，所述功能层110中形成的半导体元件111为CMOS图像传感器。
所述电路层120用于形成电路，因此，所述电路层120中包含有形成所述电路的导电材料。本实施例中，所述电路层120中形成有所述CMOS图像传感器的外围电路。
本实施例中，所述功能层110包括形成有半导体元件111的功能面113以及未形成有半导体元件111的衬底面。由于本实施例中，所述半导体结构用于形成背照式CMOS图像传感器，因此所述电路层120形成于所述功能面113的表面。
需要说明的是，本发明对所述功能层110内形成的半导体元件以及所述电路层120内形成的电路类型不做限定，所述功能层110内还可以形成其他半导体元件，如处理器、传感器等；所述电路层120内也可以形成其他电路，如数据处理电路、读出电路等。
此外，参考图3，示出了图2中所述功能晶圆100沿OL2方向的俯视图。
所述功能晶圆100分为中心区域C以及位于所述中心区域C周围的外围区域E。
中心区域C内所述功能层110中的部分半导体元件111在后续工艺中保留，以形成半导体结构。具体的，本实施例中，后续工艺中所述中心区域内保留的半导体元件111用于形成背照式CMOS图像传感器。
所述外围区域E的功能晶圆100在后续工艺中需去除，以减小在对所述功能晶圆100进行减薄处理中，所述功能晶圆100内部形成的应力，从而降低在功能晶圆100内中心区域C边缘处形成碎片的可能，提高所形成半导体结构的良品率。
具体的，本实施例中，所述功能晶圆100沿垂直所述正面的截面为圆形，所以为尽量减少由于去除外围区域E而损失的半导体元件数量，提高所述半导体结构的良品率，相应的，所述外围区域E的形状为圆环形
需要说明的是，如果去除的外围区域E的尺寸太小，无法起到减小减薄工艺中功能晶圆100内应力的作用；如果去除的外围区域E的尺寸太大，随之去除的半导体元件111的数量也增多，从而影响所形成半导体结构的良品率。本实施例中，所述外围区域E的尺寸DE为1000微米到1500微米范围内。
参考图4，对所述功能晶圆100进行第一修边，以去除外围区域E部分厚度的所述功能晶圆100，被去除的所述功能晶100包括外围区域E的电路层120以及外围区域E部分厚度的功能层110。
去除外围区域E部分厚度的所述功能晶圆100，能够减小后续减薄过程中，所述功能晶圆100内的应力，降低所述功能晶圆100边缘出现碎片的可能。
本实施例中，利用修边工艺去除外围区域E部分厚度的所述功能晶圆100，被去除的所述功能晶圆100包括外围区域E的电路层120以及外围区域E部分厚度的功能层110。
需要说明的是，如果去除的外围区域E的功能晶圆100的厚度过薄，难以减小减薄过程中所述功能晶圆100内的应力，使所述功能晶圆100边缘出现碎片的可能降低；如果去除外围区域E的功能晶圆100的厚度过厚，会影响所述减薄工艺中所述功能晶圆100的设置稳定性，因此，去除的外围区域E的功能晶圆100的厚度H在90微米到100微米范围内。
经过第一修边处理后，位于外围区E的电路层120被去除，因此所述中心区域C中电路层120的侧壁露出，电路层120中用于形成电路的导电材料也被暴露在外。具体的，本实施例中，所述电路层120内形成有所述背照式CMOS图像传感器的外围电路，所述电路层120内包含有用于形成外围电路的导电材料，经第一修边处理后，用于形成外围电路的导电材料在所述电路层120的侧壁上露出。
参考图5，形成覆盖所述电路层120表面和侧壁的保护层130。
所述保护层130能够覆盖在所述电路层120侧壁露出的导电材料，保护所述导电材料免受后续半导体工艺的影响，减少所述导电材料在后续半导体工艺中受到腐蚀，从而提高了所形成半导体结构的性能，提高形成所述半导体结构的良品率。
具体的，所述保护层130的材料包括正硅酸乙酯(Tetra Ethyl Ortho Silicate,TEOS)。正硅酸乙酯((C2H5O)4Si)材料的保护层130覆盖在所述电路层120的侧壁，能够有效的避免所述电路层120中导电材料的暴露，从而在后续半导体工艺中保护所述导电材料。具体的，可以采用化学气相沉积的方式形成所述保护层130。
需要说明的是，采用正硅酸乙酯作为所述保护层130材料的做法仅为一示例，本发明对所述保护层130的材料不做限制。本实施例中，后续的半导体工艺包括湿法刻蚀，湿法刻蚀中所采用的刻蚀液体包括硝酸、氢氟酸或者四甲基氢氧化铵等腐蚀性成分。因此本实施例中，能够耐受所述刻蚀液体腐蚀的材料均可用于形成所述保护层130。
还需要说明的是，由于正硅酸乙酯在酸碱存在的溶液中会加速水解作用，因此，如果所述保护层130的厚度过小，难以在后续半导体工艺中起到保护作用；如果所述保护层130的厚度过大，则容易造成材料的浪费或者工艺难度的增加。可选的，所述保护层的厚度在到范围内。
参考图6，提供操作晶圆200，并使所述操作晶圆200与功能晶圆100通过保护层130键合，所述功能晶圆100未与所述操作晶圆200键合的面为背面102。
所述功能晶圆100形成有电路层120的面为正面，与所述正面相对的面为背面102。所述背面102为用于减薄的减薄面。后续通过去除所述功能晶圆100背面102的部分材料以实现对所述功能晶圆100的减薄。
需要说明的是，本实施例中，所述电路层120形成于所述功能层110功能面113表面，因此，所述功能晶圆100的背面102也就是所述功能层110的衬底面。后续去除所述功能晶圆100背面102部分材料实现所述功能晶圆100的减薄的做法也就是去除所述功能层110衬底面的部分材料，通过所述功能层110的减薄实现对所述功能晶圆100的减薄。
本实施例中，所述功能晶圆100用于形成背照式CMOS图像传感器，所述背照式CMOS图像传感器在使用过程中需要使光从所述功能层110的衬底面入射，也就是说从所述功能晶圆100的背面102方向入射。为了提高光的透过率，后续需对所述功能晶圆100进行减薄处理。由于材料的脆性，经减薄处理后，所述功能晶圆100会变得极其易碎。因此，所述操作晶圆200用于在后续半导体工艺中对所述功能晶圆100提高机械支持，以减小所述功能晶圆100在减薄过程中碎裂的几率。
所述操作晶圆200包括一用于与功能晶圆100相接触的工作面，是所述工作面与所述保护层130键合，以实现所述操作晶圆200与所述功能晶圆100的键合。也就是说，使所述保护层130的表面与所述操作晶圆200的工作面相对键合，以实现所述功能晶圆100与所述操作晶圆200的键合连接。
具体的，本实施例中，通过退火的方式使所述操作晶圆200与所述保护层130对应键合。具体的，在将所述保护层130与所述操作晶圆200贴合后，经退火处理，所述保护层130材料表面的悬挂键与所述操作晶圆200表面的原子成键实现键合。
之后，结合参考图7和图8，通过减薄工艺对所述功能晶圆100的背面102进行减薄。
结合参考图7，将所述功能晶圆100与所述操作晶圆200通过保护层130键合后，将所述功能晶圆100的背面102露出，去除所述背面102的部分材料，以减薄所述功能晶圆100的厚度。
本实施例中，采用研磨工艺(Grind)去除所述功能晶圆100背面102的部分材料，以减薄(Thinning)所述功能晶圆100的厚度。采用研磨工艺对所述功能晶圆100进行减薄处理的好处在于研磨工艺具有较快的处理效率。
由于所述功能晶圆100经过修边工艺处理，去除了外围区域E部分厚度的所述功能晶圆100。也就是说，功能晶圆100在外围区域E的厚度小于在中心区域C处的厚度，因此在采用研磨工艺对所述功能晶圆100进行减薄处理时，所述功能晶圆100内的应力较小，在所述功能晶圆100边缘处出现碎片的几率较小。
需要说明的是，虽然研磨工艺能够在较短的时间内实现所述功能晶圆100的减薄，但是研磨工艺所处理的表面会比较粗糙。也就是说，本实施例中，在研磨工艺之后，所述功能晶圆100功能层110背面102的起伏会比较大，比较粗糙，会对所形成器件的性能造成影响。因此，通过减薄工艺对所述功能晶圆100进行减薄的步骤包括：所述减薄工艺包括至少一次湿法刻蚀以使所述功能晶圆100的表面平坦化。
具体的，对经研磨处理的功能晶圆100的背面102进行湿法刻蚀，湿法刻蚀过程中所采用的刻蚀溶液可以为硝酸、氢氟酸或者四甲基氢氧化铵(TetraMethyl Ammonium Hydroxide，TMAH)等。虽然在对所述背面102进行湿法刻蚀时，刻蚀溶液具有腐蚀性，但是所述电路层120的表面与所述操作晶圆200键合，侧壁由所述保护层130保护，所以所述电路层120不会受到湿法刻蚀的影响，从而保证了后续形成的半导体结构的性能，提高了制造器件的良品率。
本实施例中，为了更好的控制对所述背面102进行平坦化的湿法刻蚀的进行，所述功能晶圆100的功能层110中包含有外延层112，所述外延层112在湿法刻蚀过程中起刻蚀停止的作用。也就是说，所述湿法刻蚀在所述外延层112处停止。但是采用外延层112控制所述湿法刻蚀对所述背面102平坦化的处理的做法仅为一示例，本发明对如何控制所述湿法刻蚀的具体方法不做任何限制。
需要说明的是，采用湿法刻蚀对所述功能晶圆100的背面102进行平坦化处理的过程中，也会去除一部分所述背面102的材料，所述功能晶圆100的厚度也会随之减薄。本实施例中，所述半导体结构后续用于形成背照式CMOS图像传感器，因此根据工艺要求，减薄处理使所述功能晶圆100中功能层110的厚度减薄至3微米到4微米范围内。但是本实施例中，最终所述功能层100的厚度仅为一示例，所述功能晶圆100最终的厚度与所述功能晶圆100后续的用途相关，本发明对所述功能晶圆100减薄至何种厚度不作任何限制。
还需要说明的是，为了提高对所述背面102平坦化处理的效率，在对所述背面102进行研磨处理的步骤之后，对经研磨的所述背面102进行湿法刻蚀的步骤之前，本实施例中，所述形成方法还包括：采用化学机械研磨的方式对研磨后的所述背面102进行处理，以获得相对较平整的所述背面102，以缩短后续湿法刻蚀的处理时间。此外，由于保护层130的材料为正硅酸乙酯，正硅酸乙酯在酸碱溶液中的水解速度较快，因此较短的刻蚀时间也可以避免所述保护层130在所述湿法刻蚀中被消耗殆尽，有利于提高所述保护层130的保护效果，避免所述电路层120在湿法刻蚀过程中受损。
进一步，本发明还提供一种半导体器件的形成方法，包括：
提供本发明所提供的半导体结构；沿垂直于所述功能晶圆侧壁的方向对所述功能晶圆进行第二修边。
需要说明的是，本实施例中，以形成背照式CMOS图像传感器为例进行说明，不应以此限制本发明。
参考图8，提供本发明所提供的半导体结构。
所述半导体结构的形成方法如前述实施例所述，本发明在此不再赘述。
结合参考图9，虽然在形成所述半导体器件的过程中通过第一修边处理，去除外围区部分厚度的功能晶圆100能够减小研磨处理中所述功能晶圆100内的应力，降低在功能晶圆100边缘处出现碎片的可能，并不可以完全避免在所述功能晶圆100边缘处出现碎片。所述功能晶圆100的边缘处仍旧会有少量碎片出现。因此为了保证所形成半导体器件的性能，提高所制造器件的良品率，需要对所述半导体结构进行第二修边处理，以完全去除在边缘处出现的碎片。
具体的，沿垂直于所述功能晶圆100侧壁的方向对所述功能晶圆100进行第二修边处理，去除所述功能晶圆100侧壁的部分材料，露出所述功能层110和所述电路层120的侧壁。
需要说明的是，对所述半导体结构的第二修边处理需去除所述功能晶圆100侧壁的部分材料，也就是说位于覆盖于所述功能晶圆100侧壁的保护层130也一并被去除，所述功能层110和所述电路层120的侧壁随之露出。
由于本实施例中，所述功能晶圆100后续用于形成背照式CMOS图像传感器，经两次修边处理后，所述功能晶圆100的尺寸比未经修边处理的功能晶圆的尺寸小2毫米到3毫米(由于所述功能晶圆100的截面为圆形，因此此处的尺寸为沿所述功能晶圆100径向的尺寸)，以完全去除减薄处理中出现在所述功能晶圆100边缘处的碎片，以保证所形成器件的性能，提高器件制造的良品率。
相应的，本发明还提供一种半导体结构，包括：
功能晶圆，所述功能晶圆包括形成有半导体元件的功能层以及位于所述功能层表面的电路层；与所述功能晶圆键合的操作晶圆；位于所述功能晶圆和所述操作晶圆之间的保护层，所述功能晶圆和所述操作晶圆通过所述保护层实现键合，所述保护层还覆盖于所述电路层的侧壁。
参考图10和图11，示出了本发明半导体结构一实施例的结构示意图。
需要说明的是，本实施例中，以背照式CMOS图像传感器为例进行说明，不应以此限制本发明。
所述半导体结构包括：
功能晶圆1100，所述功能晶圆1100包括形成有半导体元件1111的功能层1110以及位于所述功能层表面的电路层1120。
所述功能层1110内包含有半导体元件1111以实现所述半导体结构的功能。具体的，本实施例中，所述半导体结构用于形成背照式CMOS图像传感器，所述功能层1110中形成的半导体元件1111为CMOS图像传感器。
所述电路层1120用于形成电路，因此，所述电路层1120中包含有形成所述电路的导电材料。本实施例中，所述电路层1120中形成有所述CMOS图像传感器的外围电路。
本实施例中，所述功能层1110包括形成有半导体元件1111的功能面1113以及未形成有半导体元件1111的衬底面。由于本实施例中，所述半导体结构用于形成背照式CMOS图像传感器，因此所述电路层1120位于所述功能面1113的表面。
需要说明的是，本发明对所述功能层1110内的半导体元件1111以及所述电路层1120中包含的电路类型不做限定，所述功能层1110内还可以形成其他半导体元件，如处理器、传感器等；所述电路层1120内也可以形成其他电路，如数据处理电路、读出电路等。
此外，本实施例中，所述功能晶圆1100需经过减薄处理。所述减薄处理包括至少一次湿法刻蚀，以获得较平坦的表面。减薄处理中的湿法刻蚀采用腐蚀性酸、碱溶液使功能晶圆1100的背面1102平坦化。为了更好的控制对所述背面1102进行平坦化的湿法刻蚀的进行，所述功能晶圆1100的功能层1110中还包含有外延层1112，所述外延层1112在湿法刻蚀过程中起刻蚀停止的作用。也就是说，所述湿法刻蚀在所述外延层1112处停止。但是采用外延层1112控制所述湿法刻蚀对所述背面1102平坦化的处理的做法仅为一示例，本发明对如何控制所述湿法刻蚀的具体方法不做任何限制。
还需要说明的是，本实施例中，所述半导体结构用于形成背照式CMOS图像传感器。因此根据工艺要求，所述功能晶圆1100中功能层1110的厚度为3微米到4微米范围内。但是本实施例中，所述功能层1100的厚度仅为一示例，所述功能晶圆1100的厚度与所述功能晶圆1100的用途相关，本发明对所述功能晶圆1100的厚度不作任何限制。
所述半导体结构还包括：与所述功能晶圆1100键合的操作晶圆1200。
所述功能晶圆1100形成有电路层1120的面为正面，与所述正面相对的面为背面1102。所述功能晶圆1100经过减薄处理，所述背面1102为用于减薄的减薄面，通过去除所述背面1102的部分材料实现对所述功能晶圆1100的减薄。
需要说明的是，本实施例中，所述电路层1120位于所述功能层1110功能面1113的表面，因此，所述功能晶圆1100的背面1102也就是所述功能层1110的衬底面。去除所述功能晶圆1100背面1102部分材料实现所述功能晶圆1100的减薄的做法也就是去除所述功能层1110衬底面的部分材料，通过所述功能层1110的减薄实现对所述功能晶圆1100的减薄。
所述功能晶圆1100需经过减薄处理。由于材料的脆性，经减薄处理后，所述功能晶圆1100会变得极其易碎。因此，所述操作晶圆1200用于在后续半导体工艺中对所述功能晶圆1100提高机械支持，以减小所述功能晶圆1100在减薄过程中碎裂的几率。
结合参考图11，示出了图10中沿OL10方向的俯视图。
对所述功能晶圆1100的减薄处理过程中，需要去除所述功能晶圆1100侧壁上的部分材料，以减小减薄处理过程中所述功能晶圆1100中的应力，降低在所述功能晶圆1100边缘处出现碎片的可能。本实施例中，所述功能晶圆1100沿平行所述正面的截面为圆形，因此为尽量减少由于去除侧壁上材料而损失的半导体元件1111数量，提高所形成半导体器件的良品率，所述功能晶圆1100侧壁上被去除的部分，沿平行所述正面的截面为圆环形。
需要说明的是，如果去除的所述功能晶圆1100的宽度d10过小，无法起到减小减薄工艺中功能晶圆1100内应力的作用；如果去除的所述功能晶圆1100的宽度d10过大，随之去除的半导体元件1111的数量增多，不利于提高制造半导体器件的良品率。本实施例中，去除的所述功能晶圆1100的宽度d10在1000微米到1500微米范围内。也就是说，操作晶圆1200比功能晶圆1100的半径小1000微米到1500微米。
此外，所述半导体结构还包括：位于所述功能晶圆1100和所述操作晶圆1200之间的保护层1130，所述功能晶圆1100和所述操作晶圆1200通过所述保护层1130实现键合，所述保护层1130还覆盖于所述电路层1120的侧壁。
所述保护层1130能够覆盖在所述电路层1120表面，用于实现所述操作晶圆1200与所述功能晶圆1100的键合。
具体的，所述操作晶圆1200包括一用于与功能晶圆1100相接接触的工作面，所述工作面与所述保护层1130键合，以实现所述操作晶圆1200与所述功能晶圆1100的键合。也就是说，所述保护层1130的表面与所述操作晶圆1200的工作面相对接触键合，实现所述功能晶圆1100与所述操作晶圆1200键合连接。
此外，所述保护层1130还覆盖所述电路层1120的侧壁。
所述保护层1130能够覆盖所述电路层1120侧壁露出的导电材料，保护所述导电材料免受后续半导体工艺的影响，减少所述导电材料在后续半导体工艺中受到腐蚀，从而提高了所形成半导体结构的性能，提高形成所述半导体结构的良品率。
具体的，所述保护层1130的材料包括正硅酸乙酯(Tetra Ethyl OrthoSilicate,TEOS)。正硅酸乙酯((C2H5O)4Si)材料的保护层1130覆盖在所述电路层1120的侧壁，能够有效的避免所述电路层1120中导电材料的暴露，从而在后续半导体工艺中保护所述导电材料。
需要说明的是，采用正硅酸乙酯作为所述保护层1130材料的做法仅为一示例，本发明对所述保护层1130的材料不做限制。本实施例中，湿法刻蚀中所采用的刻蚀液体包括硝酸、氢氟酸或者四甲基氢氧化铵等腐蚀性成分。因此本实施例中，能够耐受所述刻蚀液体腐蚀的材料均可用于形成所述保护层1130。
还需要说明的是，由于正硅酸乙酯在酸碱存在的溶液中会加速水解作用，因此，如果所述保护层1130的厚度过小，难以在后续半导体工艺中起到保护作用；如果所述保护层1130的厚度过大，则容易造成材料的浪费或者工艺难度的增加。可选的，所述保护层的厚度在到范围内。
此外，本发明还相应提供一种半导体器件，包括：
功能晶圆，所述功能晶圆包括形成有半导体元件的功能层以及位于所述功能层表面的电路层；与所述功能晶圆键合的操作晶圆；位于所述功能晶圆和所述操作晶圆之间且不覆盖所述电路层侧壁的保护层，所述功能晶圆和所述操作晶圆通过所述保护层实现键合。
参考图12和图13，示出了本发明半导体器件一实施例的结构示意图。
需要说明的是，本实施例中，以背照式CMOS图像传感器为例进行说明，不应以此限制本发明。
参考图12，所述半导体器件包括：
功能晶圆2100，所述功能晶圆2100包括形成有半导体元件2111的功能层2110以及位于所述功能层2110表面的电路层2120。
所述功能层2110内形成有半导体元件2111。具体的，本实施例中，所述半导体器件用于形成背照式CMOS图像传感器，所述功能层2110中形成的半导体元件2111为CMOS图像传感器。
所述电路层2120用于形成电路，因此，所述电路层2120中包含有形成所述电路的导电材料。本实施例中，所述电路层2120中形成有所述CMOS图像传感器的外围电路。
本实施例中，所述功能层2110包括形成有半导体元件2111的功能面2113以及未形成有半导体元件2111的衬底面。由于本实施例中，所述半导体结构用于形成背照式CMOS图像传感器，因此所述电路层2120形成于所述功能面2113的表面。
需要说明的是，本发明对所述功能层2110内形成的半导体元件以及所述电路层2120内形成的电路类型不做限定，所述功能层2110内还可以形成其他半导体元件，如处理器、传感器等；所述电路层2120内也可以形成其他电路，如数据处理电路、读出电路等。
此外，本实施例中，所述功能晶圆1100需经过减薄处理。所述减薄处理包括至少一次湿法刻蚀，以获得较平坦的表面。所述减薄处理包括至少一次湿法刻蚀，以获得较平坦的表面。减薄处理中的湿法刻蚀采用腐蚀性酸、碱溶液使功能晶圆2100的背面2102平坦化。为了更好的控制对所述背面2102进行平坦化的湿法刻蚀的进行，所述功能晶圆2100的功能层2110中还包含有外延层2112，所述外延层2112在湿法刻蚀过程中起刻蚀停止的作用。也就是说，所述湿法刻蚀在所述外延层2112处停止。但是采用外延层2112控制所述湿法刻蚀对所述背面2102平坦化的处理的做法仅为一示例，本发明对如何控制所述湿法刻蚀的具体方法不做任何限制。
还需要说明的是，本实施例中，所述半导体结构用于形成背照式CMOS图像传感器。因此根据工艺要求，所述功能晶圆2100中功能层2110的厚度为3微米到4微米范围内。但是本实施例中，所述功能层2100的厚度仅为一示例，所述功能晶圆2100的厚度与所述功能晶圆2100的用途相关，本发明对所述功能晶圆2100的厚度不作任何限制。
所述半导体结构还包括：与所述功能晶圆2100键合的操作晶圆2200。
所述功能晶圆2100形成有电路层2120的面为正面，与所述正面相对的面为背面2102。所述功能晶圆2100经过减薄处理，所述背面2102为用于减薄的减薄面，通过去除所述背面2102的部分材料实现对所述功能晶圆2100的减薄。
需要说明的是，本实施例中，所述电路层2120形成于所述功能层2110功能面2113表面，因此，所述功能晶圆2100的背面2102也就是所述功能层2110的衬底面。后续去除所述功能晶圆2100背面2102部分材料实现所述功能晶圆2100的减薄的做法也就是去除所述功能层2110衬底面的部分材料，通过所述功能层2110的减薄实现对所述功能晶圆2100的减薄。
此外，本实施例中，所述功能晶圆1100需经过减薄处理。所述减薄处理包括至少一次湿法刻蚀，以获得较平坦的表面。由于材料的脆性，经减薄处理后，所述功能晶圆2100会变得极其易碎。因此，所述操作晶圆2200用于在后续半导体工艺中对所述功能晶圆2100提高机械支持，以减小所述功能晶圆2100在减薄过程中碎裂的几率。
结合参考图13，示出了图12中沿OL12方向的俯视图。
对所述功能晶圆2100的减薄处理过程中，需要去除所述功能晶圆2100侧壁上的部分材料，去除减薄所述功能晶圆2100过程中在所述功能晶圆2100边缘产生的碎片。本实施例中，所述功能晶圆2100沿平行于所述正面的截面为圆形，因此为尽量减少由于去除侧壁上材料而损失的半导体元件1111数量，提高所形成半导体器件的良品率，所述功能晶圆2100侧壁上被去除的部分，沿平行所述正面的截面为圆环形。
需要说明的是，如果去除的所述功能晶圆2100的宽度d12过小，无法起到减小减薄工艺中功能晶圆2100内应力的作用；如果去除的所述功能晶圆2100的宽度d12过大，随之去除的半导体元件1111的数量增多，不利于提高制造半导体器件的良品率。本实施例中，所述功能晶圆2100用于形成背照式CMOS图像传感器，根据工艺需要，去除的所述功能晶圆2100的宽度d12在2毫米到3毫米范围内。也就是说，所述功能晶圆2100的半径比所述操作晶圆2200半径的小2毫米到3毫米，以保证所形成器件的性能，提高器件制造良品率。
此外，所述半导体器件还包括：位于所述功能晶圆2100和所述操作晶圆2200之间且不覆盖所述电路层2120侧壁的保护层2130，所述功能晶圆2100和所述操作晶圆2200通过所述保护层2130实现键合。
所述保护层1130能够覆盖在所述电路层1120表面，用于实现所述操作晶圆1200与所述功能晶圆1100的键合。
具体的，所述操作晶圆1200包括一用于与功能晶圆1100相接接触的工作面，所述工作面与所述保护层1130键合，以实现所述操作晶圆1200与所述功能晶圆1100的键合。也就是说，所述保护层1130的表面与所述操作晶圆1200的工作面相对接触键合，实现所述功能晶圆1100与所述操作晶圆1200键合连接。
所述保护层2130不覆盖所述电路层2120的侧壁，因此所述电路层2120被露出。
所述保护层2130用于在减薄工艺中的湿法刻蚀中对所述电路层2120起保护作用，因此，所述保护层1130的材料包括正硅酸乙酯(Tetra Ethyl OrthoSilicate,TEOS)。正硅酸乙酯((C2H5O)4Si)材料的保护层2130能够有效防止所述电路层2120受到半导体工艺的影响，提高器件良品率。
需要说明的是，采用正硅酸乙酯作为所述保护层1130材料的做法仅为一示例，本发明对所述保护层2130的材料不做限制。本实施例中，湿法刻蚀中所采用的刻蚀液体包括硝酸、氢氟酸或者四甲基氢氧化铵等腐蚀性成分。因此本实施例中，能够耐受所述刻蚀液体腐蚀的材料均可用于形成所述保护层2130。
还需要说明的是，由于正硅酸乙酯在酸碱存在的溶液中会加速水解作用，因此，如果所述保护层2130的厚度过小，难以在后续半导体工艺中起到保护作用；如果所述保护层2130的厚度过大，则容易造成材料的浪费或者工艺难度的增加。可选的，所述保护层的厚度在到范围内。
综上本发明在功能晶圆经第一修边处理去除外围区部分厚度的所述功能晶圆，露出中心区域电路层的侧壁后，设置覆盖所述电路层表面和侧壁的保护层，以保护所述电路层，防止电路层侧壁暴露在外，减少了电路层侧壁在后续工艺过程中被腐蚀的问题，改善了所形成器件的性能，提高了制造器件的良品率。
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。
Claims (20)
1.一种半导体结构的形成方法，其特征在于，包括：
形成功能晶圆，所述功能晶圆包括形成有半导体元件的功能层以及位于所述功能层表面的电路层，所述功能晶圆分为中心区域以及位于中心区域周围的外围区域；
对所述功能晶圆进行第一修边以去除外围区域部分厚度的所述功能晶圆，被去除的所述功能晶圆包括外围区域的电路层以及外围区域部分厚度的功能层；
形成覆盖所述电路层表面和侧壁的保护层；
提供操作晶圆，并使所述操作晶圆与功能晶圆通过保护层键合，所述功能晶圆未与所述操作晶圆键合的面为背面；
通过减薄工艺对所述功能晶圆的背面进行减薄。
2.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，形成功能晶圆的步骤包括：所述功能层内的半导体元件为CMOS图像传感器。
3.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，对所述功能晶圆进行第一修边的步骤包括：外围区域被去除的功能晶圆的厚度在90微米到110微米范围内。
4.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，形成覆盖所述电路层表面和侧壁的保护层的步骤包括：所述保护层的材料包括正硅酸乙酯。
5.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，形成覆盖所述电路层表面和侧壁的保护层的步骤包括：所述保护层的厚度在到范围内。
6.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，形成覆盖所述电路层表面和侧壁的保护层的步骤包括：采用化学气相沉积的工艺形成覆盖所述电路层表面和侧壁的保护层。
7.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，
通过减薄工艺对所述功能晶圆的背面进行减薄的步骤包括：采用研磨工艺对所述功能晶圆的背面进行减薄。
8.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，通过减薄工艺对所述功能晶圆进行减薄的步骤包括：所述减薄工艺包括至少一次湿法刻蚀以使所述功能晶圆的表面平坦化。
9.如权利要求8所述的形成方法，其特征在于，采用湿法刻蚀使所述功能晶圆的表面平坦化的步骤包括：所述功能晶圆的功能层包含有外延层，所述湿法刻蚀在所述外延层处停止。
10.如权利要求8所述的形成方法，其特征在于，对经研磨后的所述功能晶圆进行湿法刻蚀的步骤包括：所述湿法刻蚀的刻蚀溶液包括硝酸、氢氟酸或者四甲基氢氧化铵。
11.一种半导体器件的形成方法，其特征在于，包括：
提供如权利要求1至权利要求10中任一项权利要求所述的半导体结构；
沿垂直于所述功能晶圆侧壁的方向对所述功能晶圆进行第二修边。
12.如权利要求11所述的形成方法，其特征在于，沿垂直于所述功能晶圆侧壁的方向对功能晶圆进行第二修边的步骤包括：使经两次修边处理的功能晶圆的尺寸比未经修边处理的功能晶圆的尺寸小2毫米到3毫米。
13.一种半导体结构，其特征在于，包括：
功能晶圆，所述功能晶圆包括形成有半导体元件的功能层以及位于所述功能层表面的电路层；
与所述功能晶圆键合的操作晶圆；
位于所述功能晶圆和所述操作晶圆之间的保护层，所述功能晶圆和所述操作晶圆通过所述保护层实现键合，所述保护层还覆盖于所述电路层的侧壁。
14.如权利要求13所述的半导体结构，其特征在于，所述保护层材料包括正硅酸乙酯。
15.如权利要求13所述的半导体结构，其特征在于，所述保护层厚度在到范围内。
16.如权利要求13所述的半导体器件，其特征在于，所述功能层内的半导体元件为CMOS图像传感器。
17.一种半导体器件，其特征在于，包括：
功能晶圆，所述功能晶圆包括形成有半导体元件的功能层以及位于所述功能层表面的电路层；
与所述功能晶圆键合的操作晶圆；
位于所述功能晶圆和所述操作晶圆之间且不覆盖所述电路层侧壁的保护层，所述功能晶圆和所述操作晶圆通过所述保护层实现键合。
18.如权利要求17所述的半导体器件，其特征在于，所述保护层材料包括正硅酸乙酯。
19.如权利要求17所述的半导体器件，其特征在于，所述保护层厚度在到范围内。
20.如权利要求17所述的半导体器件，其特征在于，所述功能层内的半导体元件为CMOS图像传感器。
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