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CN110459555A - 背照式图像传感器晶圆边缘无硅膜缺陷的工艺制程方法 - Google Patents

背照式图像传感器晶圆边缘无硅膜缺陷的工艺制程方法 Download PDF

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CN110459555A CN201910809140.6A CN201910809140A CN110459555A CN 110459555 A CN110459555 A CN 110459555A CN 201910809140 A CN201910809140 A CN 201910809140A CN 110459555 A CN110459555 A CN 110459555A
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李彦庆
陈艳明
马志超
方小磊
张凯
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Abstract

本发明公开了一种背照式图像传感器晶圆边缘无硅膜缺陷的工艺制程方法，属于半导体制造领域，该方法通过将一片带有图像传感器的晶圆A和另一片承载晶圆B在常温常压下键合；键合后，使用机械磨边工艺去除两片晶圆边缘键合力弱的硅膜；键合后晶圆A机械减薄到规定厚度15μm‑40μm，显微镜宏观检查，背照式图像传感器边缘无硅膜破损问题发生。本发明在不增加工艺制造成本的同时，实现背照式图像传感器晶圆在机械研磨减薄对硅膜零损伤的可能性。

Description

背照式图像传感器晶圆边缘无硅膜缺陷的工艺制程方法
技术领域
本发明属于半导体制造领域，具体涉及一种背照式图像传感器晶圆边缘无硅膜缺陷的工艺制程方法。
背景技术
现有背照式图像传感器的工艺制造流程是：1、带图像传感器器件的晶圆A生长3000A-5000A的氧化层，将该氧化层通过化学机械抛光(CMP)工艺进行平坦化加工，晶圆A表面氧化层去除量1000A-3000A，去除边缘5mm后测量晶圆A内部平坦度差异保证小于0.5μm；2、背照式图像传感器晶圆键合工艺，是将带图像传感器器件和键合光刻标记的晶圆A和带有键合光刻标记的晶圆B键合，两片晶圆键合面都是正面(晶圆A正面边缘键合之前需要进行磨边工艺，一般宽度2mm-3mm,深度50μm-100μm)；3、将最终制作为背照式图像传感器的晶圆A，通过机械减薄工艺将其背面减薄至范围15μm-40μm。
其中，步骤1中由于化学机械抛光机台对晶圆边缘平坦化加工能力不高，导致晶圆A边缘平坦度较差，导致边缘的键合力小于晶圆内部键合力，步骤2在晶圆A进行机械减薄时，由于机械磨轮的作用力较大，边缘处的晶圆会直接产生暗纹或者边缘硅破损的情况，这种硅膜破损的缺陷会导致后续封装时，在晶圆切割时，金刚石刀片会将边缘有暗纹或已经破损的硅膜造成更大的损伤，切割时直接导致硅膜残渣迸溅到晶圆表面，造成颗粒物污染，封装切割晶圆时，刀片遇到颗粒物会损坏掉晶圆A内部的器件，直接造成废品。
发明内容
本发明的目的是提出了一种背照式图像传感器晶圆边缘无硅膜缺陷的工艺制程方法，该方法通过将一片带有图像传感器的晶圆A和另一片承载晶圆B在常温常压下键合；键合后，使用机械磨边工艺去除晶圆边缘键合力弱的硅膜；晶圆A机械减薄到规定厚度，显微镜宏观检查，背照式图像传感器边缘无硅膜破损问题发生。
本发明为上述目的采用的技术方案是：背照式图像传感器晶圆边缘无硅膜缺陷的工艺制程方法，其特征在于，包括如下步骤，且以下步骤按顺序进行：
步骤一、提供待键合的晶圆A和晶圆B：晶圆A和晶圆B尺寸相同，晶圆A作为器件晶圆，内部具有背照式图像传感器，表面附着有二氧化硅膜，晶圆A的正面作为键合面，于晶圆A的键合面上设置有第一光刻标记；晶圆B作为承载晶圆，其表面附着有氧化层，晶圆B的正面作为键合面，于晶圆B的键合面上设置有第二光刻标记；
步骤二、将晶圆A经过两道RCA清洗工艺清洗，去除表面颗粒，使得晶圆A表面颗粒度大于0.2μm的小于20颗；
其中，第一道RCA清洗工艺，清洗时温度为80℃，清洗液使用过氧化氢H2O2、水H2O和氨水NH4OH的混合液，配比为过氧化氢H2O2：水H2O：氨水NH4OH＝1：4：50；第二道RCA清洗工艺，清洗时温度为35℃，清洗液使用氯化氢HCL、过氧化氢H2O2和水H2O的混合液，配比氯化氢HCL：过氧化氢H2O2：水H2O＝1：2：6；
步骤三、第一光刻标记与第二光刻标记对准，将晶圆A和晶圆B在常温常压条件下键合，键合后第一光刻标记和第二光刻标记偏移度小于50μm，键合后的晶圆在充有氮气的烘箱中进行退火，退火温度300℃-400℃，退火时间1h-2h；
步骤四、对键合后的晶圆A进行磨边处理，晶圆A边缘磨掉宽为2.5mm-3mm，深度725μm-745μm的硅，保证晶圆A表面大于0.2μm的颗粒少于20颗；
步骤五、磨边后，对键合后晶圆A背面进行机械减薄，研磨至厚度为15μm-50μm，显微镜检查，键合后晶圆A边缘平滑无破损。
优选地，所述晶圆A和晶圆B选取直径为200㎜，硅基厚度为725μm，晶向<100>的P型晶圆。
优选地，所述晶圆A和晶圆B选取直径为300㎜，硅基厚度为775μm，晶向<100>的P型晶圆。
进一步，所述步骤一中晶圆A通过加强等离子沉积方式生长厚度为3000A-5000A的二氧化硅膜，生长温度小于500℃，将晶圆A通过CMP机台进行化学机械抛光，去除厚度为1000A-3000A的二氧化硅膜，去除边缘5mm处测量，直径为200㎜、硅基厚度为725μm的晶圆A平坦度小于0.5μm。
进一步，所述步骤一中晶圆A通过加强等离子沉积方式生长厚度为3000A-5000A的二氧化硅膜，生长温度小于500℃，将晶圆A通过CMP机台进行化学机械抛光，去除厚度为1000A-3000A的二氧化硅膜，去除边缘5mm处测量，直径为300㎜、硅基厚度为775μm的晶圆A平坦度达到小于0.2μm。
进一步，所述晶圆B表面的氧化层厚度为100A-300A。
所述的背照式图像传感器晶圆边缘无硅膜缺陷的工艺制程方法，其特征在于：所述步骤四，对键合后的晶圆A进行磨边处理过程，磨边设备使用金刚石刀片#400，刀片转速为20000转/分钟。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：现有背照式图像传感器的加工工艺，为了使晶圆A的具有很好的平整度，往往采用大量实验来调整CMP工艺或购进先进的CMP机台。目前的工艺水平，CMP机台没有办法实现晶圆边缘处的平整度和晶圆内部一致。所以尽管做大量实验或者购置新的CMP机台，机台固有能力达不到，晶圆边缘处平整度依然得不到有效解决。本发明采用先键合后磨边的方式，将边缘处的不平整处硅膜使用金刚石刀磨掉，在机械减薄时避免键合力弱的硅膜处产生暗纹或者硅膜破损的情况。本发明在不增加工艺制造成本的同时，实现背照式图像传感器晶圆在机械研磨减薄对硅膜零损伤的可能性。
具体实施方式
本发明涉及一种背照式图像传感器晶圆使用磨边工艺去除硅膜缺陷的工艺优化方法。为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解。下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，在不脱离权利要求中所阐述的发明机理和范围的情况下，使用者可以对下列参数进行各种改变。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法和过程并没有详细的叙述。
背照式图像传感器晶圆边缘无硅膜缺陷的工艺制程方法，包括如下步骤：
步骤一、准备两片相同尺寸的晶圆，分别为晶圆A和晶圆B，两片晶圆可以是直径为200㎜，硅基厚度为725μm，晶向<100>的P型晶圆，也可以是两片直径为300㎜，硅基厚度为775μm，晶向<100>的P型晶圆，但两片晶圆的硅基厚度和直径均相同；
晶圆A作为器件晶圆，内部具有背照式图像传感器，晶圆A表面生长一层二氧化硅膜，晶圆A的正面作为键合面，于晶圆A的键合面上设置有第一光刻标记；晶圆B作为承载晶圆，其表面附着有厚度为100A-300A的氧化层，晶圆B的正面作为键合面，于晶圆B的键合面上设置有第二光刻标记；
具体晶圆A表面通过加强等离子沉积方式生长厚度为3000A-5000A的二氧化硅膜，生长温度小于500℃，将晶圆A通过CMP机台进行化学机械抛光，去除厚度为1000A-3000A的二氧化硅膜，去除边缘5mm处测量，保证如选择直径200㎜，硅基厚度为725μm的晶圆A，其平坦度小于0.5μm，或者选择直径300㎜，硅基厚度为775μm的晶圆A，其平坦度小于0.2μm；
第一光刻标记和第二光刻标记用来做两片晶圆键合时的对准标记；
步骤二、将晶圆A经过两道RCA清洗工艺清洗，去除表面颗粒，使得晶圆A表面颗粒度大于0.2μm的小于20颗；
其中，第一道RCA清洗工艺，清洗时温度为80℃，清洗液使用过氧化氢H2O2、水H2O和氨水NH4OH的混合液，配比为过氧化氢H2O2：水H2O：氨水NH4OH＝1：4：50；第二道RCA清洗工艺，清洗时温度为35℃，清洗液使用氯化氢HCL、过氧化氢H2O2和水H2O的混合液，配比氯化氢HCL：过氧化氢H2O2：水H2O＝1：2：6；
步骤三、将晶圆A和晶圆B使用常温常压键合设备进行直接键合，利用光刻标记对准键合后偏移度小于50μm，键合后的晶圆在烘箱中进行退火，退火工艺温度300℃-400℃，烘箱内充有氮气，退火工艺时间1h-2h，实现两片晶圆键合后界面形成共价键，键合力1.5J/m2-2J/m2；
步骤四、使用磨边工艺将两片晶圆键合力弱的边缘去除掉，键合后的晶圆A进行磨边工艺，磨边设备使用金刚石刀片#400进行工艺加工，转速为每分钟转速20000转。键合后的晶圆A工艺标准是，边缘磨掉宽为2.5mm-3mm，深度725μm-745μm的硅，粒度大于0.2μm的颗粒少于20颗；
步骤五、磨边工艺后，进行机械减薄工艺。键合后晶圆A背面通过机械磨轮，研磨至厚度15μm-40μm，显微镜宏观检查，键合后晶圆A边缘平滑无破损。

Claims (7)

1.背照式图像传感器晶圆边缘无硅膜缺陷的工艺制程方法，其特征在于，包括如下步骤，且以下步骤按顺序进行：
步骤一、提供待键合的晶圆A和晶圆B：晶圆A和晶圆B尺寸相同，晶圆A作为器件晶圆，内部具有背照式图像传感器，表面附着有二氧化硅膜，晶圆A的正面作为键合面，于晶圆A的键合面上设置有第一光刻标记；晶圆B作为承载晶圆，其表面附着有氧化层，晶圆B的正面作为键合面，于晶圆B的键合面上设置有第二光刻标记；
步骤二、将晶圆A经过两道RCA清洗工艺清洗，去除表面颗粒，使得晶圆A表面颗粒度大于0.2μm的小于20颗；
其中，第一道RCA清洗工艺，清洗时温度为80℃，清洗液使用过氧化氢H2O2、水H2O和氨水NH4OH的混合液，配比为过氧化氢H2O2：水H2O：氨水NH4OH＝1：4：50；第二道RCA清洗工艺，清洗时温度为35℃，清洗液使用氯化氢HCL、过氧化氢H2O2和水H2O的混合液，配比氯化氢HCL：过氧化氢H2O2：水H2O＝1：2：6；
步骤三、第一光刻标记与第二光刻标记对准，将晶圆A和晶圆B在常温常压条件下键合，键合后第一光刻标记和第二光刻标记偏移度小于50μm，键合后的晶圆在充有氮气的烘箱中进行退火，退火温度300℃-400℃，退火时间1h-2h；
步骤四、对键合后的晶圆A进行磨边处理，晶圆A边缘磨掉宽为2.5mm-3mm，深度725μm-745μm的硅，保证晶圆A表面大于0.2μm的颗粒少于20颗；
步骤五、磨边后，对键合后晶圆A背面进行机械减薄，研磨至厚度为15μm-50μm，显微镜检查，键合后晶圆A边缘平滑无破损。
2.根据权利要求1所述的背照式图像传感器晶圆边缘无硅膜缺陷的工艺制程方法，其特征在于：所述晶圆A和晶圆B选取直径为200㎜，硅基厚度为725μm，晶向<100>的P型晶圆。
3.根据权利要求1所述的背照式图像传感器晶圆边缘无硅膜缺陷的工艺制程方法，其特征在于：所述晶圆A和晶圆B选取直径为300㎜，硅基厚度为775μm，晶向<100>的P型晶圆。
4.根据权利要求1或2所述的背照式图像传感器晶圆边缘无硅膜缺陷的工艺制程方法，其特征在于：所述步骤一中晶圆A通过加强等离子沉积方式生长厚度为3000A-5000A的二氧化硅膜，生长温度小于500℃，将晶圆A通过CMP机台进行化学机械抛光，去除厚度为1000A-3000A的二氧化硅膜，去除边缘5mm处测量，直径为200㎜、硅基厚度为725μm的晶圆A平坦度小于0.5μm。
5.根据权利要求1或3所述的背照式图像传感器晶圆边缘无硅膜缺陷的工艺制程方法，其特征在于：所述步骤一中晶圆A通过加强等离子沉积方式生长厚度为3000A-5000A的二氧化硅膜，生长温度小于500℃，将晶圆A通过CMP机台进行化学机械抛光，去除厚度为1000A-3000A的二氧化硅膜，去除边缘5mm处测量，直径为300㎜、硅基厚度为775μm的晶圆A平坦度达到小于0.2μm。
6.根据权利要求1、2或3所述的背照式图像传感器晶圆边缘无硅膜缺陷的工艺制程方法，其特征在于：所述晶圆B表面的氧化层厚度为100A-300A。
7.根据权利要求1所述的背照式图像传感器晶圆边缘无硅膜缺陷的工艺制程方法，其特征在于：所述步骤四，对键合后的晶圆A进行磨边处理过程，磨边设备使用金刚石刀片#400，刀片转速为20000转/分钟。
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