CN102832223B - 晶圆减薄方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种晶圆减薄方法，利用选择腐蚀液对所述器件晶圆的晶边氧化层执行刻蚀工艺，其中，所述选择腐蚀液对氧化层的刻蚀速率大于对器件晶圆的刻蚀速率，由此，弥补了分别利用SPINETCH-D和HNA对所述器件晶圆背面和器件晶圆的晶边氧化层执行两道刻蚀工艺中，器件晶圆和器件晶圆的晶边氧化层表面的高度差。同时，由于利用的是化学工艺，从而避免了物理工艺（即剪切工艺）所产生的器件晶圆的利用率低及器件晶圆的质量及可靠性低的问题，提高了最终所形成的图像传感器的质量。

Description

晶圆减薄方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造工艺技术领域，特别涉及一种背照式传感器制造过程中的晶圆减薄方法。

背景技术

图像传感器是在光电技术基础上发展起来的，所谓图像传感器，就是能够感受光学图像信息并将其转换成可用输出信号的传感器。图像传感器可以提高人眼的视觉范围，使人们看到肉眼无法看到的微观世界和宏观世界，看到人们暂时无法到达处发生的事情，看到超出肉眼视觉范围的各种物理、化学变化过程，生命、生理、病变的发生发展过程，等等。可见图像传感器在人们的文化、体育、生产、生活和科学研究中起到非常重要的作用。可以说，现代人类活动已经无法离开图像传感器了。

按照接收光线的位置的不同，图像传感器可以分为传统正照式（图像）传感器及背照式（图像）传感器，其中，背照式传感器与传统正照式传感器相比，最大的优化之处就是将元件内部的结构改变了，即将感光层的元件调转方向，让光能从背面直射进去，避免了在传统正照式传感器结构中，光线会受到微透镜和光电二极管之间的电路和晶体管的影响。此外，把与感光无关的走线与光电二极管分开到图像传感器（芯片）的两边或下面，这样不仅可以增加光电元件曝光面积（开口率增加），而且减少光线经过布线层时的损失，从而显著提高光的效能，大大改善低光照条件下的感光效果。

对于背照式传感器而言，为了使得入射到其背面的光线能够有效地到达感光元件，在背照式传感器的制造过程中，对于晶圆（即承载功能元件的基材）进行薄型化处理是一项必要的工艺步骤，且薄型化处理的好坏将直接影响最终所形成的背照式传感器的可靠性。

请参考图1a~1e，其为现有的晶圆减薄方法中的器件剖面示意图。具体的，

如图1a所示，提供器件晶圆10，对器件晶圆10执行第一道剪切工艺；

如图1b所示，在经过剪切工艺的器件晶圆10表面形成氧化层11，在此，在所述器件晶圆10的正面和晶边形成氧化层11；

如图1c所示，对器件晶圆10的氧化层执行化学机械研磨（CMP）工艺，将器件晶圆10与承载晶圆12贴合，其中部分氧化层11位于所述器件晶圆10和承载晶圆12之间，然后对器件晶圆10的背面进行研磨（Grinding），实现机械减薄；

如图1d所示，分别利用SPINETCH-D（即磷酸、硝酸、硫酸和氢氟酸的混合液）和HNA（即氢氟酸、硝酸和乙酸的混合液）对所述器件晶圆10和器件晶圆10的晶边氧化层11执行两道刻蚀工艺，从而减薄器件晶圆10，在此，由于SPINETCH-D和HNA对于器件晶圆10和氧化层11的刻蚀速率差别非常大，由此，经过刻蚀工艺后将造成器件晶圆10和（器件晶圆10的晶边）氧化层11表面具有高度差，该高度差的存在将导致后续工艺的可靠性变差；

为此，请继续参考图1e，对器件晶圆10执行第二道剪切工艺13，以去除导致高度差的器件晶圆10的晶边氧化层11，与此同时，为了保证对这部分氧化层11的有效去除，不可避免地会去除部分器件晶圆10。

在此，通过第二道剪切工艺13虽然能够消除器件晶圆10和氧化层11表面的高度差问题，但是，其带来了如下几个缺陷：

1.由于去除了部分器件晶圆10，即浪费了对这一部分的器件晶圆10的利用，从而减小了对于器件晶圆10的利用率，增加了生产成本；

2.剪切工艺将产生大量的表面颗粒以及应力，由此，将降低器件晶圆10的质量及可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种晶圆减薄方法，以解决现有技术中消除器件晶圆和氧化层表面的高度差的过程中，减小了对于器件晶圆的利用率并降低了器件晶圆的质量及可靠性的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种晶圆减薄方法，包括：

提供器件晶圆，并对所述器件晶圆执行晶边剪切工艺；

在器件晶圆正面和晶边形成氧化层；

将器件晶圆与承载晶圆贴合，其中器件晶圆的正面氧化层位于所述器件晶圆和承载晶圆之间；

分别利用SPINETCH-D和HNA对器件晶圆背面和器件晶圆的晶边氧化层执行两道刻蚀工艺；

利用选择腐蚀液对所述器件晶圆的晶边氧化层执行刻蚀工艺，其中，所述选择腐蚀液对氧化层的刻蚀速率大于对器件晶圆的刻蚀速率。

可选的，在所述的晶圆减薄方法中，在器件晶圆正面和晶边形成氧化层之后，将器件晶圆与承载晶圆贴合之前，还包括：

对器件晶圆氧化层执行CMP工艺。

可选的，在所述的晶圆减薄方法中，在将器件晶圆与承载晶圆贴合之后，分别利用SPINETCH-D和HNA对器件晶圆背面和器件晶圆的晶边氧化层执行两道刻蚀工艺之前，还包括：

对器件晶圆背面执行研磨工艺。

可选的，在所述的晶圆减薄方法中，所述选择腐蚀液为氢氟酸溶液。

可选的，在所述的晶圆减薄方法中，所述氢氟酸溶液为质量百分比浓度为49%的氢氟酸溶液。

可选的，在所述的晶圆减薄方法中，利用选择腐蚀液对所述器件晶圆的晶边氧化层执行刻蚀工艺的工艺温度为45℃。

可选的，在所述的晶圆减薄方法中，利用选择腐蚀液对所述器件晶圆的晶边氧化层执行刻蚀工艺的工艺时间为20秒~60秒。

可选的，在所述的晶圆减薄方法中，利用选择腐蚀液对所述器件晶圆的晶边氧化层执行刻蚀工艺中，去除的氧化层的厚度为1.5um~2um。

可选的，在所述的晶圆减薄方法中，分别利用SPINETCH-D和HNA对器件晶圆背面和器件晶圆的晶边氧化层执行两道刻蚀工艺中，去除的器件晶圆的厚度为15um~30um。

可选的，在所述的晶圆减薄方法中，分别利用SPINETCH-D和HNA对器件晶圆背面和器件晶圆的晶边氧化层执行两道刻蚀工艺的总的工艺时间为1.5分钟~7.5分钟。

可选的，在所述的晶圆减薄方法中，所述选择腐蚀液为BOE溶液。

可选的，在所述的晶圆减薄方法中，利用选择腐蚀液对多片器件晶圆的晶边氧化层同时执行刻蚀工艺。

可选的，在所述的晶圆减薄方法中，在利用选择腐蚀液对所述器件晶圆的晶边氧化层执行刻蚀工艺之后，还利用NH₄OH和H₂O₂混合液对器件晶圆进行清洗。

在本发明提供的晶圆减薄方法中，利用选择腐蚀液对所述器件晶圆的晶边氧化层执行刻蚀工艺，其中，所述选择腐蚀液对氧化层的刻蚀速率大于对器件晶圆的刻蚀速率，由此，弥补了分别利用SPINETCH-D和HNA对所述器件晶圆背面和器件晶圆的晶边氧化层执行两道刻蚀工艺中，器件晶圆和器件晶圆的晶边氧化层表面的高度差。同时，由于利用的是化学工艺，从而避免了物理工艺（即剪切工艺）所产生的器件晶圆的利用率低及器件晶圆的质量及可靠性低的问题，提高了最终所形成的图像传感器的质量。

附图说明

图1a~1e是现有的晶圆减薄方法中的器件剖面示意图；

图2是本发明实施例的晶圆减薄方法的流程示意图；

图3a~3e是本发明实施例的晶圆减薄方法中的器件剖面示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的晶圆减薄方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于，利用化学工艺弥补分别利用SPINETCH-D和HNA对所述器件晶圆背面和器件晶圆的晶边氧化层执行两道刻蚀工艺中，器件晶圆和器件晶圆的晶边氧化层表面的高度差，从而避免现有技术中利用物理工艺（即剪切工艺）所产生的器件晶圆的利用率低及器件晶圆的质量及可靠性低的问题，提高了最终所形成的图像传感器的质量。

优选的，本发明选择了半导体工艺中经常用到的刻蚀（腐蚀）工艺，由此，既可不增加（或者说基本不增加）工艺成本，又能够避免附加工艺步骤对于器件晶圆的伤害（由于刻蚀工艺是半导体工艺中经常用到的工艺，其工艺已经非常成熟，因此能够很好地控制对于该工艺的使用）。

同时，需说明的是，现有工艺中通常用一道剪切工艺（对于整个晶圆的减薄过程而言，是第二道剪切工艺）将位于器件晶圆晶边（即侧表面位置）的氧化层去除，从而消除了器件晶圆（背面）表面与（器件晶圆的晶边）氧化层表面具有高度差的问题。而在本发明提供的晶圆减薄方法中，利用了一道化学工艺，其从根本上采取了与现有技术不同的手段（方式），从而从根本上避免了现有技术中消除器件晶圆和氧化层表面的高度差的过程中，减小了对于器件晶圆的利用率并降低了器件晶圆的质量及可靠性的问题。

此外，在本发明的用语中，“器件晶圆”指形成有器件的晶圆或者指用于形成器件的晶圆，即其是一种晶圆，其上已形成器件；而“承载晶圆”指用以承载器件晶圆的晶圆，特别的，承载器件晶圆以使器件晶圆进行减薄工艺。

具体的，请参考图2，其为本发明实施例的晶圆减薄方法的流程示意图。如图2所示，所述晶圆减薄方法包括如下步骤：

S20：提供器件晶圆，并对所述器件晶圆执行晶边剪切工艺；

S21：在器件晶圆正面和晶边形成氧化层；

S22：将器件晶圆与承载晶圆贴合，其中器件晶圆的正面氧化层位于所述器件晶圆和承载晶圆之间；

S23：分别利用SPINETCH-D和HNA对器件晶圆背面和器件晶圆的晶边氧化层执行两道刻蚀工艺；

S24：利用选择腐蚀液对所述器件晶圆的晶边氧化层执行刻蚀工艺，其中，所述选择腐蚀液对氧化层的刻蚀速率大于对器件晶圆的刻蚀速率。

为了进一步说明本实施例的晶圆减薄方法，接下去，将结合晶圆减薄工艺过程中所形成的器件剖面图予以说明。具体的，请参考图3a~3e，其为本发明实施例的晶圆减薄方法中的器件剖面示意图。

如图3a-1所示，提供器件晶圆30，所述器件晶圆30为硅材料晶圆；如图3a-2所示，对所述器件晶圆30执行晶边剪切工艺（即对器件晶圆30的晶边/晶圆边缘执行剪切工艺）。

接着，如图3b所示，在经过剪切工艺的器件晶圆30表面形成氧化层31（具体的，在所述器件晶圆30的正面和晶边形成氧化层31，即形成器件晶圆30的正面氧化层31和器件晶圆30的晶边氧化层31），优选的，所述氧化层31可以为氧化硅层，其可通过化学气相沉积（CVD）工艺形成。具体的，可以将经过晶边剪切工艺的器件晶圆30置入化学气相沉积工艺腔室，其中，所述器件晶圆30的正面朝上，由此，通过化学气相沉积工艺后将在器件晶圆30的表面形成一氧化层31，该氧化层31覆盖所述器件晶圆30的正面及晶边。通过所述氧化层31可以保护所述器件晶圆30上已形成有的器件，防止后续工艺对于已形成的器件的伤害，从而提高产品质量。优选的，所述氧化层31的厚度为1.5um~2um。然后，对所述器件晶圆30的氧化层31进行CMP（化学机械研磨）工艺，使其平坦化。

在对所述器件晶圆30表面氧化层（即包括器件晶圆30的正面氧化层及晶边氧化层）执行CMP工艺后，将所述器件晶圆30与承载晶圆32贴合，其中，部分氧化层31位于所述器件晶圆30和承载晶圆32之间（具体的，所述器件晶圆30的正面氧化层31位于所述器件晶圆30和承载晶圆32之间），即所述器件晶圆30通过所述氧化层31与所述承载晶圆32粘合，由此，所述氧化层31可保护所述器件晶圆30上所形成有的器件，防止粘合工艺对器件晶圆30上的器件造成伤害。在此，所述承载晶圆32上也形成有氧化层，即氧化层33，在贴合时，所述氧化层33位于器件晶圆30和承载晶圆32之间。

接着，如图3c所示，对所述器件晶圆30执行研磨（Grinding）工艺，具体的，对所述器件晶圆30的背面执行研磨（Grinding）工艺，即所述器件晶圆30的一表面上形成有氧化层31，在此，对形成有氧化层31的表面相对的另一表面执行研磨（Grinding）工艺，所述研磨（Grinding）工艺停止在器件晶圆30还剩20um~40um的厚度位置。通过该研磨（Grinding）工艺能够迅速减薄所述器件晶圆30。

接着，如图3d所示，分别利用SPINETCH-D（即磷酸、硝酸、硫酸和氢氟酸的混合液）和HNA（即氢氟酸、硝酸和乙酸的混合液）对所述器件晶圆30和氧化层31执行两道刻蚀工艺（具体的，对所述器件晶圆30的背面和器件晶圆30的晶边氧化层31执行两道刻蚀工艺），从而减薄器件晶圆30。即，在此，执行两道刻蚀工艺，分别为：利用SPINETCH-D对所述器件晶圆30和氧化层31执行刻蚀工艺；以及利用HNA对所述器件晶圆30和氧化层31执行刻蚀工艺。通过该两道刻蚀工艺能够满足器件晶圆30减薄工艺要求，即达到需要减薄的尺寸，同时，使得器件晶圆30表面平整度等较高。

通常的，通过该两道刻蚀工艺所去除的器件晶圆30的厚度为15um~30um。优选的，该两道刻蚀工艺对氧化层31（通常为氧化硅）的蚀刻率为对器件晶圆30（硅）的蚀刻率的1/80~1/100；其中，对于器件晶圆30（硅）的蚀刻率在每分钟4um~10um之间；该两道刻蚀工艺总的刻蚀时间为1.5分钟~7.5分钟，例如根据不同的厚度减薄需求可以为3分钟、4分钟、5.5分钟等。在此过程中，也能一定程度上去除一些氧化层31，通常所去除的氧化层31的厚度为0.15um~0.38um。

接着，如图3e所示，利用选择腐蚀液对所述器件晶圆30的晶边氧化层31执行刻蚀工艺，其中，所述选择腐蚀液对氧化层31的刻蚀速率远大于对器件晶圆30的刻蚀速率。具体的，将所述器件晶圆30的晶边氧化层31（及器件晶圆30）浸入装有选择腐蚀液的容器中，以进行选择腐蚀工艺。在此过程中，会对器件晶圆30产生一定的腐蚀作用，但由于选择腐蚀液的特性，主要是对器件晶圆30的晶边氧化层31进行腐蚀。

在本实施例中，利用氢氟酸溶液对所述器件晶圆的晶边氧化层31执行刻蚀工艺。在本发明的其他实施例中，也可以利用其他腐蚀液对所述器件晶圆的晶边氧化层31执行刻蚀工艺，例如BOE溶液。在此步刻蚀工艺中，可同时去除部分氧化层33，即去除承载晶圆32上所形成的部分氧化层33。

优选的，利用质量百分比浓度为49%的氢氟酸溶液执行该刻蚀工艺，由于百分比浓度为49%的氢氟酸溶液在工业中易于得到和使用并且刻蚀率高，由此，便可降低工艺成本。进一步的，利用质量百分比浓度为49%的氢氟酸溶液执行刻蚀工艺的工艺温度为45℃，工艺时间为20秒~60秒。由于45℃的工艺温度是百分比浓度为49%的氢氟酸溶液在半导体工艺中经常用到的一个工艺温度，由此，可避免工艺温度的频繁调节，简化制造工艺。质量百分比浓度为49%的氢氟酸溶液在45℃的工艺温度下，对于氧化层31（氧化硅）的蚀刻率约为2um~5um，因此，优选的，该步刻蚀工艺的工艺时间为20秒~60秒。

当然，在本发明的其他实施例中，也可以用其他浓度的氢氟酸溶液，例如质量百分比浓度为30%、35%、40%、45%、50%、55%或者60%的氢氟酸溶液；同时，也可以在其他工艺温度下执行刻蚀工艺，例如工艺温度为35℃、40℃、50℃、55℃或者60℃等。

通过上述利用氢氟酸对器件晶圆的晶边氧化层31执行刻蚀工艺，能够将暴露出的氧化层31去除（即将器件晶圆30晶边处的氧化层31去除），由此，便能够消除器件晶圆30与氧化层31表面具有高度差的问题。由于器件晶圆30的晶边氧化层31已被去除，显然的，也就不会存在器件晶圆30（背面）与晶边氧化层存在表面高度差的问题了。

在此，去除的氧化层31的厚度约为1.5um~2um（更精确的约为1.12um~1.85um），在所需去除的氧化层31的厚度非常薄、且对于氧化层31的蚀刻率远大于对于器件晶圆30的蚀刻率的情况下，能够保证既去除了氧化层31、又不伤害器件晶圆30，从而提高了晶圆减薄工艺的可靠性。

进一步的，在具体的工艺过程中，可以氢氟酸溶液对多片器件晶圆30和氧化层31（即每片器件晶圆30上均形成有氧化层31）同时执行刻蚀工艺，由此，可提高工艺效率，降低制造成本。具体的，将多片器件晶圆30（每片器件晶圆30上均形成有氧化层31）同时置于一氢氟酸溶液槽中即可，通常是50片。

此外，在利用选择腐蚀液对所述器件晶圆的晶边氧化层31执行刻蚀工艺之后，还可利用NH₄OH和H₂O₂混合液对器件晶圆30进行清洗，即使得所述器件晶圆30再经过SC1槽（槽中盛有NH₄OH和H₂O₂混合液）。通过利用NH₄OH和H₂O₂混合液对器件晶圆30进行清洗，可控制和去除氢氟酸刻蚀工艺后所述器件晶圆30表面留有的颗粒，从而进一步提高器件晶圆30的质量。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (13)

1.一种晶圆减薄方法，其特征在于，包括：

提供器件晶圆，并对所述器件晶圆执行晶边剪切工艺；

在器件晶圆正面和晶边形成氧化层；

将器件晶圆与承载晶圆贴合，其中器件晶圆的正面氧化层位于所述器件晶圆和承载晶圆之间；

执行两道刻蚀工艺，减薄所述器件晶圆，所述器件晶圆与所述晶边氧化层表面形成一高度差，其中，所述两道刻蚀工艺包括：利用磷酸、硝酸、硫酸和氢氟酸的混合液对器件晶圆背面和器件晶圆的晶边氧化层执行刻蚀工艺；以及利用氢氟酸、硝酸和乙酸的混合液对器件晶圆背面和器件晶圆的晶边氧化层执行刻蚀工艺；

利用选择腐蚀液对所述器件晶圆的晶边氧化层执行刻蚀工艺，消除所述器件晶圆与所述晶边氧化层表面的高度差，其中，所述选择腐蚀液对氧化层的刻蚀速率大于对器件晶圆的刻蚀速率。

2.如权利要求1所述的晶圆减薄方法，其特征在于，在器件晶圆正面和晶边形成氧化层之后，将器件晶圆与承载晶圆贴合之前，还包括：

对器件晶圆氧化层执行CMP工艺。

3.如权利要求1所述的晶圆减薄方法，其特征在于，在将器件晶圆与承载晶圆贴合之后，执行两道刻蚀工艺之前，还包括：

对器件晶圆背面执行研磨工艺。

4.如权利要求1所述的晶圆减薄方法，其特征在于，所述选择腐蚀液为氢氟酸溶液。

5.如权利要求4所述的晶圆减薄方法，其特征在于，所述氢氟酸溶液为质量百分比浓度为49％的氢氟酸溶液。

6.如权利要求5所述的晶圆减薄方法，其特征在于，利用选择腐蚀液对所述器件晶圆的晶边氧化层执行刻蚀工艺的工艺温度为45℃。

7.如权利要求6所述的晶圆减薄方法，其特征在于，利用选择腐蚀液对所述器件晶圆的晶边氧化层执行刻蚀工艺的工艺时间为20秒～60秒。

8.如权利要求1至7中的任一项所述的晶圆减薄方法，其特征在于，利用选择腐蚀液对所述器件晶圆的晶边氧化层执行刻蚀工艺中，去除的氧化层的厚度为1.5um～2um。

9.如权利要求1至7中的任一项所述的晶圆减薄方法，其特征在于，执行两道刻蚀工艺中，去除的器件晶圆的厚度为15um～30um。

10.如权利要求9所述的晶圆减薄方法，其特征在于，执行两道刻蚀工艺的总的工艺时间为1.5分钟～7.5分钟。

11.如权利要求1所述的晶圆减薄方法，其特征在于，所述选择腐蚀液为BOE溶液。

12.如权利要求1至7中的任一项所述的晶圆减薄方法，其特征在于，利用选择腐蚀液对多片器件晶圆的晶边氧化层同时执行刻蚀工艺。

13.如权利要求1至7中的任一项所述的晶圆减薄方法，其特征在于，在利用选择腐蚀液对所述器件晶圆的晶边氧化层执行刻蚀工艺之后，还利用NH₄OH和H₂O₂混合液对器件晶圆进行清洗。