CN110223996A - 晶圆组件及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种晶圆组件及其形成方法。所述晶圆组件包括器件晶圆，所述器件晶圆具有第一器件面；承载层，位于所述第一器件面上，其中，所述承载层包括以SP3键结合的碳原子。本申请所述的晶圆组件以及晶圆组件的形成方法，使所述承载层承载并支撑所述器件晶圆，避免了现有技术中键合承载晶圆和器件晶圆时在键合面产生空洞以及键合鼓泡的缺陷，提升了半导体器件的良率。
Description
技术领域
本申请涉及半导体制造领域，具体来说，涉及一种晶圆组件及其形成方法。
背景技术
晶圆键合是在一定条件下使两片晶圆直接贴合，通过范德华力、分子力甚至原子力使晶圆键合成为一体的技术。如图1所示，所述器件晶圆10表面具有第一键合层11，所述承载晶圆20表面具有第二键合层20，所述器件晶圆10和所述承载晶圆20通过所述第一键合层11和第二键合层20键合在一起。
在背照式互补金属氧化物半导体图像传感器(Backside illuminated CMOSImage Sensor)中，光从器件晶圆的背面入射到感光二极管上，从而将光能转化为电能。为了减小器件晶圆材料对光的散射和折射作用，所述器件晶圆的厚度较小，因此需要使用承载晶圆(Carry Wafer)和器件晶圆(Device Wafer)的正面进行键合(Bonding)，从而防止器件晶圆断裂。
但是所述键合方法会在承载晶圆和器件晶圆的键合面产生空洞(Void)和键合鼓泡(Bonding Bubble)，造成良率损失(Yield loss)甚至晶圆报废(Wafer Scrap)。
因此需要一种新的器件结构来取代承载晶圆，以有效提高器件良率。
发明内容
本申请技术方案要解决的技术问题是：针对现有承载晶圆和器件晶圆的进行键合时键合面产生的缺陷，提供一种晶圆组件，在所述器件晶圆的键合面直接形成承载层，以替代现有技术中需要承载晶圆与器件晶圆键合的方法。
本申请的一方面提供一种晶圆组件的形成方法，包括：提供器件晶圆，所述器件晶圆具有第一器件面；在所述第一器件面上形成承载层，其中，所述承载层包括以SP3键结合的碳原子。
在本申请的一些实施例中，所述承载层中还包括以SP2键结合的碳原子。
在本申请的一些实施例中，所述承载层厚度大于20000埃。
在本申请的一些实施例中，采用沉积工艺形成所述承载层。
在本申请的一些实施例中，采用离子束沉积或者溅射沉积或者阴极电弧沉积或者脉冲激光沉积或者等离子体辅助化学气相沉积法形成所述承载层。
在本申请的一些实施例中，所述方法还包括在所述器件晶圆的第一器件面与所述承载层之间形成介质层的工艺步骤。
在本申请的一些实施例中，在所述器件晶圆的第一器件面与所述承载层之间形成介质层的工艺步骤包括：在所述器件晶圆的的第一器件面表面形成第一介质层；减薄所述第一介质层以获取平整的第一介质层表面；在所述第一介质层表面形成第二介质层。
在本申请的一些实施例中，所述第一介质层材料为正硅酸乙酯二氧化硅，所述第二介质层材料为正硅酸乙酯二氧化硅。
本申请的另一方面提供一种晶圆组件，包括：器件晶圆，所述器件晶圆具有第一器件面；承载层，位于所述第一器件面上，其中，所述承载层包括以SP3键结合的碳原子。
在本申请的一些实施例中，所述承载层中还包括以SP2键结合的碳原子。
在本申请的一些实施例中，所述承载层厚度大于20000埃。
在本申请的一些实施例中，所述晶圆组件还包括介质层，所述介质层位于所述器件晶圆的第一器件面与所述承载层之间。
在本申请的一些实施例中，所述介质层包括：第一介质层，位于所述器件晶圆的第一器件面表面，所述第一介质层表面平整；第二介质层，位于所述第一介质层表面。
在本申请的一些实施例中，所述第一介质层为正硅酸乙酯二氧化硅，所述第二介质层为正硅酸乙酯二氧化硅。
采用本申请实施例所述的晶圆组件以及晶圆组件的形成方法，在器件晶圆的第一器件面上形成承载层，所述承载层包括以SP3键结合的碳原子，所述SP3键结合的碳原子具有类似金刚石的硬度，使所述承载层承载并支撑所述器件晶圆，避免了现有技术中键合承载晶圆和器件晶圆时在键合面产生空洞以及键合鼓泡的缺陷，提升了半导体器件的良率。
本申请中另外的特征将部分地在下面的描述中阐述。通过该阐述，使以下附图和实施例叙述的内容对本领域普通技术人员来说变得显而易见。本申请中的发明点可以通过实践或使用下面讨论的详细示例中阐述的方法、手段及其组合来得到充分阐释。
附图说明
以下附图详细描述了本申请中披露的示例性实施例。其中相同的附图标记在附图的若干视图中表示类似的结构。本领域的一般技术人员将理解这些实施例是非限制性的、示例性的实施例，附图仅用于说明和描述的目的，并不旨在限制本公开的范围，其他方式的实施例也可能同样的完成本申请中的发明意图。应当理解，附图未按比例绘制。其中：
图1是现有技术中中器件晶圆和承载晶圆键合的结构示意图。
图2至图4是本申请实施例中晶圆组件的形成方法各步骤的截面结构示意图。
具体实施方式
以下描述提供了本申请的特定应用场景和要求，目的是使本领域技术人员能够制造和使用本申请中的内容。对于本领域技术人员来说，对所公开的实施例的各种局部修改是显而易见的，并且在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以将这里定义的一般原理应用于其他实施例和应用。因此，本公开不限于所示的实施例，而是与权利要求一致的最宽范围。
本申请实施例提供一种晶圆组件的形成方法，包括：提供器件晶圆，所述器件晶圆具有第一器件面；在所述第一器件面上形成承载层，其中，所述承载层包括以SP3键结合的碳原子。下面结合实施例和附图对本发明技术方案进行详细说明。
参考附图2所示，提供器件晶圆100，在本实施例中，所述器件晶圆100包括衬底110，所述衬底110为硅衬底，在其他实施例中，所述衬底还可以为锗硅衬底或绝缘体上硅衬底或者是生长有外延层的硅衬底等。在本申请实施例中，所述衬底110内可以包括一个以上光电转换区，所述一个以上光电转换区1内分别形成有感光元件，用于进行光电转换。为了附图简洁，所述光电转换去以及感光元件未示出。
所述器件晶圆100还包括金属布线层120，所述的金属布线层120内形成所述感光元件的互连线121，用于将所述感光元件电连接至其他器件，所述的金属布线层120内还可能形成有一个以上的半导体器件，例如复位晶体管等，为了描述方便，本申请实施例的附图未示出，对此本发明不做任何限制。
所述器件晶圆100还包括器件介质层130，所述的器件介质层130用做钝化层，保护所述器件晶圆100不受环境中水汽或者其他物质的污染，所述器件介质层130的材料例如为氮化硅，也可以是包含氮化硅和氧化硅的复合层。
本申请实施例中，为了描述的方面，将所述器件晶圆100的光入射面，也即后续形成滤色层以及微透镜的一面，定义为所述器件晶圆的第二器件面，参考附图2所示，所述器件晶圆的第二器件面102为所述衬底110远离所述金属布线层的一面，与第二器件面102相对的另一面，定义为所述器件晶圆100的第一器件面101。
本申请的实施例中，可以直接在所述器件晶圆100的第一器件面101表面形成所述承载层，也可以先在所述器件晶圆100的第一器件面101表面形成介质层140，后在所述介质层140表面形成所述承载层。
本申请后续实施例参考附图3以及附图4，以先在所述器件晶圆100的第一器件面101表面形成介质层140，后在所述介质层140表面形成所述承载层为例进行详细描述。
所述介质层140例如为采用一步化学气相沉积工艺形成的正硅酸乙酯二氧化硅(TEOS)，也可以是采用一步以上的化学气相沉积工艺形成的正硅酸乙酯二氧化硅。也就是说，所述介质层140可以仅包括所述第一介质层141，也可以包括所述第一介质层141和第二介质层142。
下面实施例介绍采用包括所述第一介质层141和第二介质层142的所述介质层140的形成工艺。
参考附图3所示，在所述器件晶圆100的第一器件面101表面形成厚度在20000埃至30000埃之间的第一介质层141；所述第一介质层141材料例如为正硅酸乙酯二氧化硅。由于所述第一介质层141的厚度较大，形成所述第一介质层141的工艺例如为等离子体沉积工艺。在本申请的实施例中，所述第一器件面101表面可以为平整表面，也可以为具有凹部或者凸部的表面。若所述第一器件面101表面存在凹部或者凸部，则沉积的第一介质层141表面也存在一定的凹部或者凸部。
之后，减薄所述第一介质层141以获取平整的第一介质层表面；减薄所述第一介质层141的工艺例如为化学机械抛光工艺，减薄至所述第一介质层141具有平整的表面即可。在本申请的一些实施例中，将所述第一介质层141的厚度减薄至12000埃至15000埃。
随后，在所述第一介质层141表面形成第二介质层142。所述第二介质层142材料例如为正硅酸乙酯二氧化硅。所述第二介质层厚度为500埃至800埃。在减薄所述第一介质层141以获取平整的第一介质层表面的工艺中，化学机械抛光会对所述第一介质层141的表面造成一定的划伤，因此，形成所述第二介质层142的工艺例如化学气相沉积工艺，其中，沉积所述第二介质层142的速率可以小于所述第一介质层141的沉积速率。这是因为所述第二介质层142的厚度远小于所述第一介质层141的沉积厚度，采用较低的沉积速率，一方面可形成晶格结构更致密的第二介质层142，另一方面也可以修复所述第一介质层141表面的划伤。
所述的第一介质层141以及第二介质层142作为器件晶圆100的第一器件面101与后续形成的承载层150之间的过渡层，可以缓解所述器件晶圆100的第一器件面101与所述承载层之间的应力差导致的界面缺陷，也就是说，所述的第一介质层141以及第二介质层142用于缓冲所述承载层150施加给所述器件晶圆100的应力。
参考附图4所示，在所述第一器件面101上形成所述承载层150。也就是说，所述承载层150可直接形成于所述第一器件面101上，或者，所述承载层150与所述第一器件面101之间还包括形成于所述第一器件面表面的介质层140。
在本申请的一些实施例中，采用沉积工艺形成所述承载层150，所述的沉积工艺包括物理气相沉积或者化学气相沉积。更进一步，所述的沉积工艺包括离子束沉积或者溅射沉积或者阴极电弧沉积或者脉冲激光沉积或者等离子体辅助化学气相沉积法等。
本申请实施例中，采用化学气相沉积或者物理气相沉积工艺形成所述承载层150时，沉积反应的反应前驱体包括甲烷，乙炔，丙烯中的一种或者多种。
在本申请的一些实施例中，所述承载层150材料为类金刚石(Diamond likeCarbon，DLC)，所述承载层150包括以sp3键结合的碳原子，还可以包括以sp2键结合的碳原子。其中，以sp3键结合的碳原子为金刚石中碳原子的原子结合形态，以sp2键结合的碳原子为石墨中碳原子的原子结合形态，因此，所述承载层150的材料性能介于金刚石和石墨之间。通过调整以sp3键结合的碳原子以及以sp2键结合的碳原子的原子百分比，即可调整所述的承载层150的硬度。
在本申请的一些实施例中，所述承载层的厚度以其能够承载所述器件晶圆100即可。在本申请的一些实施例中，所述承载层150的厚度大于20000埃。在本申请的一些实施例中，所述的承载层150的应力为8GPa～14Gpa。
在本申请实施例所述的晶圆组件的形成方法中，在所述器件晶圆的第一器件面上形成承载层，其中，所述承载层包括以SP3键结合的碳原子，所述以SP3键结合的碳原子为金刚石中碳原子的结合形态，因此，所述承载层材料具有较高的机械强度以及化学惰性，因此，可以替代现有技术中的承载晶圆，避免了现有技术中键合承载晶圆和器件晶圆时在键合面产生空洞以及键合鼓泡的缺陷，提升了半导体器件的良率。
更进一步，所述的承载层中还包括SP2键结合的碳原子，所述的承载层材料为类金刚石材料(DLC：Diamond like Carbon)，所述类金刚石材料可采用化学气相沉积或者物理气相沉积工艺形成在所述承载晶圆的第一器件面，同样避免了键合承载晶圆和器件晶圆时在键合面产生空洞以及键合鼓泡的缺陷，提升了半导体器件的良率。
考虑所述承载层以及现有技术中承载晶圆的硬度和弹性模量，所述承载层可以替代现有技术中的承载晶圆。其中，弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。弹性模量E是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力。它是反映材料抵抗弹性变形能力的指标，相当于普通弹簧中的刚度。
以所述承载晶圆为硅晶圆为例，CVD金刚石膜的硬度为50-100GPa，CVD金刚石膜的弹性模量为910-1250GPa；石墨的硬度约为所述CVD金刚石膜的硬度的十分之一，石墨的弹性模量为9.8-13.7Gpa；而单晶硅的弹性模量在压入载荷小于2400μN的范围内随载荷变化而波动变化；而在压入载荷大于2400μN后保持相对的稳定性，约为214GPa，单晶硅的表面硬度在压入载荷小于1000μN的范围内随载荷变化而线性增大，而后突然降低并保持相对的稳定值13.5GPa至15GPa。因此，通过调整所述的承载层中以SP3键结合的碳原子和以SP2键结合的碳原子，使所述承载层替代所述承载晶圆。在厚度上以较小的厚度承载所述器件晶圆，并且在材料的应力方面也实现对所述承载晶圆的替代。
本申请的另一方面还提供一种晶圆组件，参考附图4所示，包括：器件晶圆100，所述器件晶圆100具有第一器件面101；承载层150，位于所述第一器件面101上，其中，所述承载层150包括以SP3键结合的碳原子。在本申请的一些实施例中，所述承载层150中还包括以SP2键结合的碳原子。
在本申请的一些实施例中，所述承载层150的厚度大于20000埃。
在本申请的一些实施例中，所述晶圆组件还包括介质层140，所述介质层位于所述器件晶圆100的第一器件面101与所述承载层150之间。
在本申请的一些实施例中，所述介质层140包括：第一介质层141，位于所述器件晶圆100的第一器件面101表面，所述第一介质层141表面平整；第二介质层142，位于所述第一介质层141表面。
在本申请的一些实施例中，所述第一介质层为厚度在12000埃至15000埃之间的正硅酸乙酯二氧化硅，所述第二介质层为厚度在500埃至800埃之间的正硅酸乙酯二氧化硅。
采用本申请实施例所述的晶圆组件以及晶圆组件的形成方法，在器件晶圆的第一器件面上形成承载层，所述承载层包括以SP3键结合的碳原子，所述SP3键结合的碳原子具有类金刚石硬度，使所述承载层承载并支撑所述器件晶圆，避免了现有技术中键合承载晶圆和器件晶圆时在键合面产生空洞以及键合鼓泡的缺陷，提升了半导体器件的良率。
综上所述，在阅读本详细公开内容之后，本领域技术人员可以明白，前述详细公开内容可以仅以示例的方式呈现，并且可以不是限制性的。尽管这里没有明确说明，本领域技术人员可以理解本申请意图囊括对实施例的各种合理改变，改进和修改。这些改变，改进和修改旨在由本公开提出，并且在本公开的示例性实施例的精神和范围内。
应当理解，本实施例使用的术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任意或全部组合。应当理解，当一个元件被称作“连接”或“耦接”至另一个元件时，其可以直接地连接或耦接至另一个元件，或者也可以存在中间元件。
类似地，应当理解，当诸如层、区域或衬底之类的元件被称作在另一个元件“上”时，其可以直接在另一个元件上，或者也可以存在中间元件。与之相反，术语“直接地”表示没有中间元件。还应当理解，术语“包含”、“包含着”、“包括”和/或“包括着”，在此使用时，指明存在所记载的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但并不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
还应当理解，尽管术语第一、第二、第三等可以在此用于描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语所限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。因此，在没有脱离本发明的教导的情况下，在一些实施例中的第一元件在其他实施例中可以被称为第二元件。相同的参考标号或相同的参考标志符在整个说明书中表示相同的元件。
此外，通过参考作为理想化的示例性图示的截面图示和/或平面图示来描述示例性实施例。因此，由于例如制造技术和/或容差导致的与图示的形状的不同是可预见的。因此，不应当将示例性实施例解释为限于在此所示出的区域的形状，而是应当包括由例如制造所导致的形状中的偏差。例如，被示出为矩形的蚀刻区域通常会具有圆形的或弯曲的特征。因此，在图中示出的区域实质上是示意性的，其形状不是为了示出器件的区域的实际形状也不是为了限制示例性实施例的范围。
Claims (14)
1.一种晶圆组件的形成方法，包括：
提供器件晶圆，所述器件晶圆具有第一器件面；
在所述第一器件面上形成承载层，其中，所述承载层包括以SP3键结合的碳原子。
2.如权利要求1所述的晶圆组件的形成方法，其特征在于，所述承载层中还包括以SP2键结合的碳原子。
3.如权利要求1所述的晶圆组件的形成方法，其特征在于，所述承载层厚度大于20000埃。
4.如权利要求1所述的晶圆组件的形成方法，其特征在于，采用沉积工艺形成所述承载层。
5.如权利要求4所述的晶圆组件的形成方法，其特征在于，采用离子束沉积或者溅射沉积或者阴极电弧沉积或者脉冲激光沉积或者等离子体辅助化学气相沉积法形成所述承载层。
6.如权利要求1所述的晶圆组件的形成方法，其特征在于，所述方法还包括在所述第一器件面与所述承载层之间形成介质层的工艺步骤。
7.如权利要求6所述的晶圆组件的形成方法，其特征在于，在所述第一器件面与所述承载层之间形成介质层的工艺步骤包括：
在所述第一器件面的表面形成第一介质层；
减薄所述第一介质层以获取平整的第一介质层表面；
在所述第一介质层表面形成第二介质层。
8.如权利要求7所述的晶圆组件的形成方法，其特征在于，所述第一介质层材料为正硅酸乙酯二氧化硅，所述第二介质层材料为正硅酸乙酯二氧化硅。
9.一种晶圆组件，包括：
器件晶圆，所述器件晶圆具有第一器件面；
承载层，位于所述第一器件面上，其中，所述承载层包括以SP3键结合的碳原子。
10.如权利要求9所述的晶圆组件，其特征在于，所述承载层中还包括以SP2键结合的碳原子。
11.如权利要求9所述的晶圆组件，其特征在于，所述承载层厚度大于20000埃。
12.如权利要求9所述的晶圆组件，其特征在于，所述晶圆组件还包括介质层，所述介质层位于所述器件晶圆与所述承载层之间。
13.如权利要求9所述的晶圆组件，其特征在于，所述介质层包括：
第一介质层，位于所第一器件面表面，所述第一介质层表面平整；
第二介质层，位于所述第一介质层表面。
14.如权利要求13所述的晶圆组件，其特征在于，所述第一介质层材料为正硅酸乙酯二氧化硅，所述第二介质层材料为正硅酸乙酯二氧化硅。
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