CN112687566A - 测量键合晶圆面内键合强度的方法及气泡核的形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及测量键合晶圆面内键合强度的方法，涉及半导体集成电路制造技术，包括：提供第一晶圆，在所述第一晶圆上形成一气泡核形成层；形成光刻胶层，并进行曝光显影工艺，将需要形成气泡核的区域用光刻胶保护起来，其它区域显开；进行刻蚀工艺，以将未被光刻胶保护的区域的气泡核形成层刻蚀掉，保留被光刻胶保护的区域的气泡核形成层，并去除光刻胶，而形成气泡核；将第二晶圆与所述第一晶圆进行键合工艺，则在气泡核处形成键合气泡；以及测量并计算得到键合气泡半径和气泡核高度，并根据键合气泡半径、晶圆的杨氏模量、晶圆厚度及气泡核高度计算得到键合强度，以可灵活的测量键合晶圆面内的任意处的键合强度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造技术，尤其涉及一种测量键合晶圆面内键合强度的方法。
背景技术
在半导体技术领域，堆栈式CMOS图像传感器(Ultra-Thin Stacked CMOS ImageSensor,UTS CIS)由逻辑晶圆(Logic wafer)与像素晶圆(Pixel wafer)分开制造后，经过键合工艺(Bonding)键合而成。其中，逻辑晶圆与像素晶圆分开制造的过程称为正照式结构(FSI,Frond-side Illumination)制程,逻辑晶圆与像素晶圆键合后制造的过程称为背照式结构(BSI，Backside illumination)制程。
晶圆键合工艺中，键合强度(Bond strength)是其中最关键的一项工艺参数。一般通过Crack Opening方法测量键合强度，即在两片晶圆的键合界面插入刀片，通过测算裂缝宽度而得到键合强度值。具体的，可参阅图1，图1为现有技术的测量键合强度的示意图，如图1所示，通过在逻辑晶圆110与像素晶圆120之间插入刀片130，测量获得刀片的厚度(h)，也即裂缝分离厚度；分裂深度(L)，也即裂缝分离长度；t1和t2为晶圆厚度，则得到键合强度γ为：
其中，E是弹性模量，Si(100)E＝1.66x1012dyn/cm2。
然，无疑，该方法只能测量晶圆边缘区域的键合强度，并不能测量键合晶圆面内的键合强度。
发明内容
本发明提供一种测量键合晶圆面内键合强度的方法，包括：S1：提供第一晶圆，在所述第一晶圆上形成一气泡核形成层；S2：形成光刻胶层，并进行曝光显影工艺，将需要形成气泡核的区域用光刻胶保护起来，其它区域显开；S3：进行刻蚀工艺，以将未被光刻胶保护的区域的气泡核形成层刻蚀掉，保留被光刻胶保护的区域的气泡核形成层，并去除光刻胶，而形成气泡核；S4：将第二晶圆与所述第一晶圆进行键合工艺，则在气泡核处形成键合气泡；以及S5：测量并计算得到键合气泡半径和气泡核高度，并根据键合气泡半径R、晶圆的杨氏模量E、晶圆厚度TW及气泡核高度H计算得到键合强度。
更进一步的，键和强度的计算式为：
其中，R为键合气泡半径，E是晶圆的杨氏模量，TW是晶圆厚度，γ是晶圆键合强度，h是气泡核高度H的一半。
更进一步的，采用红外探测技术测量得到键合气泡半径R。
更进一步的，利用红外入射光与反射光干涉形成的牛顿环，计算得到气泡核高度H＝Nλ/2，其中N为牛顿环环数，λ为入射光波长。
更进一步的，所述第一晶圆为逻辑晶圆，所述第二晶圆为像素晶圆。
更进一步的，所述第一晶圆为像素晶圆，所述第二晶圆为逻辑晶圆。
更进一步的，采用沉积方式形成所述气泡核形成层。
更进一步的，所述气泡核形成层的材质为氧化硅或氮化硅。
更进一步的，所述气泡核形成层的高度为0.8um至10um之间。
本发明还提供一种用于测量键合晶圆面内键合强度的气泡核的形成方法，包括：S1：提供第一晶圆，在所述第一晶圆上形成一气泡核形成层；S1：形成光刻胶层，并进行曝光显影工艺，将需要形成气泡核的区域用光刻胶保护起来，其它区域显开；S3：进行刻蚀工艺，以将未被光刻胶保护的区域的气泡核形成层刻蚀掉，保留被光刻胶保护的区域的气泡核形成层，并去除光刻胶，而形成气泡核；以及S4：将第二晶圆与所述第一晶圆进行键合工艺，则在气泡核处形成键合气泡。
附图说明
图1为现有技术的测量键合强度的示意图。
图2为键合气泡示意图。
图3为键合气泡等效示意图。
图4a至图4f为本发明一实施例的键合气泡及气泡核的形成过程之一的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同的元件。应当明白，当元件或层被称为“在…上”、“与…相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在…上”、“与…直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。
空间关系术语例如“在…下”、“在…下面”、“下面的”、“在…之下”、“在…之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在…下面”和“在…下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
经发明人的长期研究发现，键合气泡的产生往往是由于键合界面的该处存在突起物(bubble core)，突起物存在一定刚性，键合界面被顶起分离而形成空气间隙，表现为通常所说的键合气泡(bonding bubble)，突起物亦为气泡核，可参阅图2所示的键合气泡示意图，其中210为气泡核，220为键合气泡。并经发明人研究发现，当逻辑晶圆与像素晶圆各项参数完全一致，键和强度的计算式为：
其中，R为键合气泡半径，E是晶圆的杨氏模量，TW是晶圆厚度，γ是晶圆键合强度，h是气泡核高度的一半。具体的可参阅图3所示的键合气泡等效示意图，其中230为逻辑晶圆，240为像素晶圆。
如下将揭露键合气泡220及气泡核210的形成方式，具体的，可参阅图4a至图4f所示的本发明一实施例的键合气泡及气泡核的形成过程之一的示意图。具体包括：
S1：如图4a所示，提供第一晶圆410，在所述第一晶圆410上形成一气泡核形成层430；
在本发明一实施例中，所述第一晶圆410可为逻辑晶圆，也可为像素晶圆。
在本发明一实施例中，采用沉积方式形成所述气泡核形成层430。在本发明一实施例中，所述气泡核形成层430的材质为氧化硅或氮化硅等介质。在本发明一实施例中，所述气泡核形成层430的高度为0.8um至10um之间。
S2：如图4b所示，形成光刻胶层440，并如图4c和4d所示进行曝光显影工艺，将需要形成气泡核的区域用光刻胶保护起来，其它区域显开；
S3：如图4e所示，进行刻蚀工艺，以将未被光刻胶保护的区域的气泡核形成层430刻蚀掉，保留被光刻胶保护的区域的气泡核形成层430，并去除光刻胶，而形成气泡核210；
如上所述，可通过光刻刻蚀的方式形成气泡核，如此可在晶圆面内的任何位置根据需求形成气泡核，而后续可测量键合晶圆面内任意处的键合强度。另如上所述可灵活选择气泡核的材质、高度和大小，因此也为后续测量键合晶圆面内的键合强度提供灵活性。
S4：如图4f所示，将第二晶圆440与所述第一晶圆410进行键合工艺，则在气泡核210处形成键合气泡220。
更进一步的，采用红外探测技术，探测气泡核高度及键合气泡半径。具体的，采用可穿透晶圆材质(如Si材料)的光波长在红外波段(λ>1.1um)的光探测气泡核高度及键合气泡半径。具体的，如图4f所示，红外探测可发现键合气泡边界，而得到键合气泡半径R。利用红外入射光与反射光干涉形成的牛顿环，可计算得到气泡核高度H＝Nλ/2，其中N为牛顿环环数。
如此通过键和强度的计算式：
即可计算获得键和强度，且可得到晶圆面内的任何位置的键和强度。
如上所述，通过本发明提供的气泡核形成工艺，可在晶圆面内的任何位置形成气泡核，而可测量键合晶圆面内的任意处的键合强度。另通过本发明提供的气泡核形成工艺，可灵活选择气泡核的材质、高度和大小，因此为测量键合晶圆面内的键合强度提供灵活性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种测量键合晶圆面内键合强度的方法，其特征在于，包括：
S1：提供第一晶圆，在所述第一晶圆上形成一气泡核形成层；
S2：形成光刻胶层，并进行曝光显影工艺，将需要形成气泡核的区域用光刻胶保护起来，其它区域显开；
S3：进行刻蚀工艺，以将未被光刻胶保护的区域的气泡核形成层刻蚀掉，保留被光刻胶保护的区域的气泡核形成层，并去除光刻胶，而形成气泡核；
S4：将第二晶圆与所述第一晶圆进行键合工艺，则在气泡核处形成键合气泡；以及
S5：测量并计算得到键合气泡半径和气泡核高度，并根据键合气泡半径R、晶圆的杨氏模量E、晶圆厚度TW及气泡核高度H计算得到键合强度。
2.根据权利要求1所述的测量键合晶圆面内键合强度的方法，其特征在于，键和强度的计算式为：
其中，R为键合气泡半径，E是晶圆的杨氏模量，TW是晶圆厚度，γ是晶圆键合强度，h是气泡核高度H的一半。
3.根据权利要求1所述的测量键合晶圆面内键合强度的方法，其特征在于，采用红外探测技术测量得到键合气泡半径R。
4.根据权利要求1所述的测量键合晶圆面内键合强度的方法，其特征在于，利用红外入射光与反射光干涉形成的牛顿环，计算得到气泡核高度H＝Nλ/2，其中N为牛顿环环数，λ为入射光波长。
5.根据权利要求1所述的测量键合晶圆面内键合强度的方法，其特征在于，所述第一晶圆为逻辑晶圆，所述第二晶圆为像素晶圆。
6.根据权利要求1所述的测量键合晶圆面内键合强度的方法，其特征在于，所述第一晶圆为像素晶圆，所述第二晶圆为逻辑晶圆。
7.根据权利要求1所述的测量键合晶圆面内键合强度的方法，其特征在于，采用沉积方式形成所述气泡核形成层。
8.根据权利要求1所述的测量键合晶圆面内键合强度的方法，其特征在于，所述气泡核形成层的材质为氧化硅或氮化硅。
9.根据权利要求1所述的测量键合晶圆面内键合强度的方法，其特征在于，所述气泡核形成层的高度为0.8um至10um之间。
10.一种用于测量键合晶圆面内键合强度的气泡核的形成方法，其特征在于，包括：
S1：提供第一晶圆，在所述第一晶圆上形成一气泡核形成层；
S1：形成光刻胶层，并进行曝光显影工艺，将需要形成气泡核的区域用光刻胶保护起来，其它区域显开；
S3：进行刻蚀工艺，以将未被光刻胶保护的区域的气泡核形成层刻蚀掉，保留被光刻胶保护的区域的气泡核形成层，并去除光刻胶，而形成气泡核；以及
S4：将第二晶圆与所述第一晶圆进行键合工艺，则在气泡核处形成键合气泡。
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