TWI744203B

TWI744203B - 鍵合兩半導體結構的方法

Info

Publication number: TWI744203B
Application number: TW110108272A
Authority: TW
Inventors: 李昆儒; 蔡傅守; 施宇隆; 林永溢; 林佶民; 莊晴陽; 呂泱儒; 劉昕融
Original assignee: 聯華電子股份有限公司
Priority date: 2021-03-09
Filing date: 2021-03-09
Publication date: 2021-10-21
Also published as: TW202236382A

Abstract

本發明提供一種鍵合兩半導體結構的方法，提供一基底，該基底上形成有一圖案，且該基底上定義有一周邊區，在該圖案上形成一第一鍵合層，該第一鍵合層覆蓋該基底以及該圖案，並位於部分該周邊區內，在該第一鍵合層上形成一第二鍵合層，該第二鍵合層直接接觸部分該基底，對該第二鍵合層進行一紫外線固化步驟，以及進行一平坦化步驟，以移除部分該固化後的第二鍵合層以及部分該第一鍵合層。

Description

鍵合兩半導體結構的方法

本發明係有關於半導體製程，尤其是關於一種利用分區紫外線固化的方式，改善半導體晶圓鍵合品質的方法。

在半導體製程領域中，不同晶圓或是不同的裸晶(die)上可包含有不同的電路元件。為了節省產品空間，常將不同晶圓或是不同的裸晶相互鍵合，以達到立體堆疊結構，並且減小產品的面積提高產品的元件密度。

在不同的晶圓或裸晶彼此鍵合時，位於邊界的部分經常可能發生問題。舉例來說，在兩個裸晶彼此鍵合時，可能由於用於鍵合的材料層(例如氧化矽層)未能完整地覆蓋整個裸晶的邊界區，導致兩裸晶之間的邊界區產生一空隙，如此一來後續的製程中，該空隙處的結構較為脆弱，容易導致成品的損壞。

為了避免以上問題，本發明提供一種鍵合兩半導體結構的方法，提供一基底，該基底上形成有一圖案，且該基底上定義有一周邊區，在該圖案上形成一第一鍵合層，該第一鍵合層覆蓋該基底以及該圖案，並位於部分該周邊區內，在該第一鍵合層上形成一第二鍵合層，該第二鍵合層直接接觸部分該基底，對該第二鍵合層進行一紫外線固化步驟，以及進行一平坦化步驟，以移除部分該固化後的第二鍵合層以及部分該第一鍵合層。

在一些實施例中，若晶圓或裸晶上的圖案(例如元件圖案)無法覆蓋完整的晶圓或是裸晶時，在鍵合層(例如氧化矽)沉積於圖案後，將會在晶圓或是裸晶留下部分未被沉積鍵合層的區域，該區域在兩片晶圓或裸晶彼此鍵合之後，會產生空隙並且影響元件的效能。本發明的其中一特徵在於，在第一鍵合層上再覆蓋另一層第二鍵合層以及一金屬遮罩層，其中金屬遮罩層曝露靠近邊緣區域的第二鍵合層，接著再進行紫外線固化步驟，使得靠近邊緣區域的第二鍵合層硬化的程度較為明顯，因此後續在進行平坦化步驟時，較硬的第二鍵合層足以承受邊緣處較大的應力，因此第二鍵合層可以填滿邊緣區域。在兩晶圓被彼此鍵合後，並不容易在周邊區產生空隙，提高元件的品質。

10:基底

12:元件區

14:周邊區

16:元件圖案

18:未填滿區域

20:第一鍵合層

22:第二鍵合層

22A:鬆散鍵合層

22B:密集鍵合層

24:金屬遮罩層

30:基底

E:邊緣區

P1:紫外線固化步驟

第1圖到第3圖繪示根據本發明一實施例的鍵合兩晶圓的剖面結構流程示意圖。

第4圖到第9圖繪示根據本發明另一實施例的鍵合兩晶圓的剖面結構流程示意圖。

為使熟習本發明所屬技術領域之一般技藝者能更進一步了解本發明，下文特列舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，詳細說明本發明的構成內容及所欲達成之功效。

為了方便說明，本發明之各圖式僅為示意以更容易了解本發明，其詳細的比例可依照設計的需求進行調整。在文中所描述對於圖形中相對元件之上下關係，在本領域之人皆應能理解其係指物件之相對位置而言，因此皆可以翻轉而呈現相同之構件，此皆應同屬本說明書所揭露之範圍，在此容先敘明。

請參考第1圖到第3圖，第1圖到第3圖繪示根據本發明一實施例的鍵合兩晶圓的剖面結構流程示意圖。如第1圖所示，首先，提供一基底10，基底10上包含有元件區12以及周邊區14，其中元件區12上包含有至少一元件圖案16，元件圖案16例如為各種電子元件圖案，如導電線路、電晶體、開關、電容、電阻等。而元件圖案16形成於基底10上的元件區12內，卻未形成於周邊區14內。

此處所述的基底10例如為常見的半導體基底，如矽基底、矽鍺基底、碳化矽基底、絕緣覆矽基底(silicon-on-insulator,SOI)，或由其他半導體材料製成的基底。在實務上，此處所述的基底10可能是一整片晶圓(wafer)或是經過切割的裸晶(die)，均屬於本發明的涵蓋範圍內。

另外值得注意的是，在一些實施例中，元件圖案16靠近周邊區14的地方可能會產生類似斜角的剖面結構，其產生的原因可能包含因為元件圖案靠近周邊區的部分，所具有的元件較少或是排列較為鬆散，因此導致該區域的應力支撐比起其他區域略低。不過本發明不限定元件圖案16必須要包含有斜角，不論元件圖案16的剖面是否包含有斜角均屬於本發明的涵蓋範圍內。

如第2圖所示，為了讓基底10與另一片基底(圖未示)進行鍵合，在基底10上沉積一第一鍵合層20，其中可以用物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積 (CVD)或原子層沉積(ALD)等方式形成第一鍵合層20，第一鍵合層20的材質例如為氧化矽，但不限於此。其中第一鍵合層20覆蓋住元件區12的元件圖案16以及部份的周邊區14。接著，可能會經過一次平坦化步驟，例如為化學機械研磨(CMP)以移除多餘的第一鍵合層20。值得注意的是，在一些情況中，第一鍵合層20可能因為在沉積過程中並未沉積足夠的厚度在周邊區14內，或是因為第一鍵合層20在平坦化步驟過程中，在周邊區14內的第一鍵合層20被移除的速率較快(因為靠近邊界受到的應力可能更大)等原因，導致平坦化步驟後，第一鍵合層20並未完整地覆蓋周邊區14，導致周邊區14的部分基底10被曝露，在此可以定義出一未填滿區域18(如第2圖所示)。或是在一些實施例中，雖然第一鍵合層20完整地覆蓋周邊區14而沒有基底10被曝露，但位於周邊區14的第一鍵合層20的頂面較低(比位於元件圖案16上的第一鍵合層20頂面更低)，也可能會產生未填滿區域18。以上若存在有未填滿區域的情況，都可能會影響到後續鍵合步驟。

如第3圖所示，當將基底10與另一片基底30透過接觸第一鍵合層20彼此鍵合在一起時，由於上述所留下的未填滿區域18存在，因此在基底10與基底30之間會留下空隙(也就是未填滿區域18)。後續步驟中，該空隙會成為結構上的薄弱點，造成元件容易從此處斷裂或是分離，且若經歷一些浸泡的製程，溶劑也可能會從該空隙滲入到兩基底之間，不利於產品的品質。

為了避免上述情況的發生，本發明提出另一種改良的鍵合兩晶圓的方法。請參考第4圖到第9圖，第4圖到第9圖繪示根據本發明另一實施例的鍵合兩晶圓的剖面結構流程示意圖。首先，第4圖接續第1圖的結構，也就是說與上述實施例相同，提供一基底10，基底10上包含有元件區12以及周邊區14，其中元件區12上包含有至少一元件圖案16，元件圖案16上包含有第一鍵合層20。元件圖案16例如為各種電子元件圖案，如導電線路、電晶體、開關、電容、電阻等，元件圖案16形成於基底10上的元件區12內，卻未形成於周邊區14內。第一鍵合層20可以用物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)或原子層沉積(ALD)等方式形成，第一鍵合層20的材質例如為氧化矽，但不限於此。

接著，仍參考第4圖，在第一鍵合層20上方，再額外形成一第二鍵合層22。部分的第二鍵合層22直接接觸基底10，尤其是接觸周邊區14內的基底10。第二鍵合層22可以用物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)或原子層沉積(ALD)、可流動化學氣相沉積(FCVD)等方式形成，第二鍵合層22的材質例如為氧化矽，但不限於此。也就是說，本實施例的第一鍵合層20以及第二鍵合層22可以包含有相同的材質，並且可以由相同或類似的製程所形成。在一些實施例中，也可以同時形成第一鍵合層20和第二鍵合層22，也就是說藉由一次的沉積步驟，即同時形成第一鍵合層20和第二鍵合層22，也屬於本發明的涵蓋範圍內。以下實施例仍以分次形成第一鍵合層20以及第二鍵合層22為例說明。另外較佳而言，在本實施例中，形成第一鍵合層20之後並未進行平坦化步驟，然後就形成第二鍵合層22。

如第5圖所示，在第二鍵合層22上方，形成一金屬遮罩層24。本實施例中金屬遮罩層24例如以濺鍍(sputter)的方式形成，厚度大約為100至200埃，材質例如為鋁(Al)，但也可能包含有其他材質，較佳而言包含有金屬材質。將金屬遮罩層24的厚度控制在上述範圍的目的在於，申請人發現由於後續的步驟中會進行一紫外線固化步驟，當金屬遮罩層24的厚度在一定範圍內時(例如上述100~200埃)，可以允許部分的紫外線穿透過金屬遮罩層24，但不會完全讓紫外線穿透過，也不會完全遮擋紫外線。因此可利用於後續步驟中將鍵合層分成不同區域進行固化。

此外值得注意的是，由於金屬遮罩層24例如以濺鍍的方式所形成，在形成的過程中，最靠近邊緣的區域(例如第5圖中的邊緣區E)會受到濺鍍製程中所使用的覆蓋環(cover ring)所遮擋，因此在邊緣區E並不會形成金屬遮罩層24，其中邊緣區E的寬度大約在0.8~1微米(也就是覆蓋環的寬度)。因此，有部分的第二鍵合層22(位於邊緣區E內的第二鍵合層22)並未被金屬遮罩層24所覆蓋，而被曝露出來。

本實施例中，周邊區14的寬度較佳大於未填滿區域18的寬度，而未填滿區域18的寬度又較佳大於邊緣區E的寬度。

如第6圖所示，進行一紫外線固化步驟P1，其中紫外線固化步驟P1的波長例如在100奈米~300奈米之間，紫外線固化步驟P1會將第二鍵合層22以及部份的第一鍵合層20進行固化，以利於後續的平坦化步驟。換句話說，由於目前的第一鍵合層20和第二鍵合層22以例如FCVD等方式形成，因此材質較軟，無法直接進行例如化學機械研磨(CMP)等平坦化製程，此時需要先對鍵合層進行固化後，才能進行後續的平坦化製程。

值得注意的是，由於上述已經形成金屬遮罩層24在第二鍵合層22上，當紫外線固化步驟P1進行時，第二鍵合層22被金屬遮罩層24所曝露的區域會承受完整的紫外線照射，另一方面，第二鍵合層22被金屬遮罩層24所覆蓋的區域則會承受部分的紫外線照射(有一部分的紫外線沒有穿透金屬遮罩層24)。因此，在紫外線固化步驟P1完成後，邊緣區E內的第二鍵合層22被固化的程度較為明顯，形成密度較高且較硬的密集鍵合層22B，相反地，邊緣區E以外的第二鍵合層22被固化的程度較不明顯，形成密度較低且較軟的鬆散鍵合層22A。值得注意的是此處所述的鬆散鍵合層22A與密集鍵合層22B仍屬於第二鍵合層22，但是分別標示不同的標號，以區分兩者具有不同的硬度與密度。

請參考第7圖與第8圖，先如第7圖所示，以例如平坦化步驟或是濕蝕刻等方式，移除金屬遮罩層24。其中，以化學機械研磨(CMP)為例，可以選擇金屬(例如鋁)有明顯蝕刻效率，但對介電層(例如氧化矽)沒有明顯蝕刻效率的研磨液進行研磨，以有效地移除金屬遮罩層24，而不會過度傷害到下方的第二鍵合層22。本實施例中，研磨液對於鋁的移除速率與對於氧化矽的移除速率的比例(也就是所謂的選擇比)較佳高於50，但不限於此。

接下來，如第8圖所示，以另外一平坦化步驟，移除部分的第二鍵合層22(包含鬆散鍵合層22A與密集鍵合層22B)以及第一鍵合層20。值得注意的是，在第8圖所示的平坦化步驟過程中，即使密集鍵合層22B位於邊緣區域並且承受較多的應力，但由於密集鍵合層22B的密度與硬度較鬆散鍵合層22A的密度與硬度更高，因此移除鬆散鍵合層22A的速率大於移除密集鍵合層22B的速率，密集鍵合層22B不容易被快速地移除而產生類似凹陷的結構，也就是說，密集鍵合層22B較容易完整地填滿周邊區14。此外，在第8圖所示的平坦化步驟完成後，鬆散鍵合層22A被完全移除，在周邊區14內僅留有部分的第一鍵合層20以及部分密集鍵合層22B。

最後，如第9圖所示，將另外一個基底30接觸基底10上的第一鍵合層20與第二鍵合層22，以鍵合基底10與基底30。

本實施例中，藉由形成金屬遮罩層24以及對第二鍵合層22進行分區域的固化步驟，因此讓密集鍵合層22B較容易完整地填滿周邊區14，而不容易出現類似上述第一實施例(第3圖)所示的結構薄弱點。因此也有助於提高半導體元件的品質。

綜上所述，在一些實施例中，若晶圓或裸晶上的圖案(例如元件圖案)無法覆蓋完整的晶圓或是裸晶時，在鍵合層(例如氧化矽)沉積於圖案後，將會在晶圓或是裸晶留下部分未被沉積鍵合層的區域，該區域在兩片晶圓或裸晶彼此鍵合之後，會產生空隙並且影響元件的效能。本發明的其中一特徵在於，在第一鍵合層上再覆蓋另一層第二鍵合層以及一金屬遮罩層，其中金屬遮罩層曝露靠近邊緣區域的第二鍵合層，接著再進行紫外線固化步驟，使得靠近邊緣區域的第二鍵合層硬化的程度較為明顯，因此後續在進行平坦化步驟時，較硬的第二鍵合層足以承受邊緣處較大的應力，因此第二鍵合層可以填滿邊緣區域。在兩晶圓被彼此鍵合後，並不容易在周邊區產生空隙，提高元件的品質。以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。