基于BSI工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀装置及方法

基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀装置及方法
技术领域
1.本发明涉及半导体加工制造领域，具体提供一种基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀装置及方法。


背景技术：

2.在cmos图像传感器制造工艺中，bsi工艺与传统fsi工艺相比，器件在接收到光之后，不再受到内部金属电路的干扰，光直接与光电二极管接触，使器件对光的吸收度增加，量子效率(qe)也得到了提高。因此，bsi工艺在半导体行业中成为了非常受欢迎的工艺技术，但bsi工艺同样也存在着一定的挑战，如工艺成本较高和工艺流程复杂等。
3.基于bsi工艺制备cmos图像传感器中必不可少的两个工艺步骤就是：键合工艺与开pad工艺。为了提高器件的光电性能，往往会使用inp材质和gaas材质晶圆作为感光晶圆，由于受到材料自身的物理性质影响，特殊材质晶圆无法做成目前主流的8英寸或12英寸大小，例如目前我国inp晶圆的主要应用尺寸为2英寸，在将其作为感光晶圆与8寸si晶圆键合之后，要对inp晶圆背部除pixel区域外其它位置的inp层以及外延层进行腐蚀去除，再通过光刻工艺将pad上的氧化层去除，达到pad打开的效果，从而实现后期器件封装的wire bonding工艺。而在去除pad上inp层及外延层的过程中，由于inp晶圆尺寸较小，没有与之相匹配的反应容器，只能使用大尺寸全自动腐蚀设备，但由于inp晶圆尺寸较小、材质易碎且外延层数较多，若过多的使用大尺寸全自动腐蚀设备，可能出现inp晶圆在机械手来回传送键合晶圆过程中发生碎片及读出电路被腐蚀破坏的情况。同时，这个过程中会用到hcl和h3po4等具有挥发性的强酸作为腐蚀液，实验人员不可避免的会吸入腐蚀液挥发出来的气体，对身体造成不同程度的伤害。因此，在保证实验人员安全的同时，完成晶圆背部腐蚀工艺实验是非常重要的。


技术实现要素：

4.本发明为解决上述问题，提供了一种基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀装置和方法，防止了实验人员在进行不同尺寸键合晶圆背部腐蚀实验时，造成实验人员受到强酸强碱的伤害，在保证感光晶圆不会发生碎片的同时，也尽可能地保护了逻辑电路区不会受到腐蚀液的侵蚀。
5.本发明提供的基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀装置，包括：抽气口、反应腔、注液口、排液口和固定吸盘；
6.反应腔的形状为底部开口的圆柱，在开口截面上固定有聚四氟乙烯材质的胶圈；
7.抽气口设置在反应腔上部，抽气口用于连接真空泵，保证反应腔的内部气压稳定；
8.反应腔的侧面设置有注液口，通过注液口将腐蚀液注入反应腔内；
9.反应腔的侧面底部位置设置有排液口，通过排液口将腐蚀液从反应腔中排出；
10.固定吸盘采用聚四氟乙烯材料，其固定在反应腔的底部开口处。
11.优选的，注液口的水平位置高于排液口的水平位置。
12.优选的，注液口和排液口的外部分别连接有聚四氟乙烯材质的软管。
13.一种基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀方法，利用基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀装置对键合晶圆进行腐蚀，键合晶圆包括感光晶圆和基底晶圆，包括以下步骤：
14.s1、在感光晶圆背部pixel区沉积氧化层；
15.s2、将键合晶圆放置在托盘中，将基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀装置放置在键合晶圆的待腐蚀区；
16.s3、打开基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀装置的抽气口，保证反应腔的内部气压低于外界气压，将圆背部腐蚀装置吸附在待腐蚀区；
17.s4、在托盘中注入去离子水，去离子水的水位高于键合晶圆的厚度；
18.s5、通过注液口将腐蚀液注入反应腔；
19.s6、通过排液口将腐蚀液由反应腔排出；
20.s7、控制反应腔的内部气压不低于外界气压，取下基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀装置，去离子水稀释残留的腐蚀液。
21.优选的，在s1之前，使用grinding设备将感光晶圆的背部进行减薄。
22.优选的，通过光刻工艺及cvd工艺在感光晶圆背部pixel区沉积氧化层。
23.优选的，还包括：s8、将键合晶圆进行超声清洗并吹干。
24.与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
25.在bsi工艺中，利用本发明对键合晶圆进行背部腐蚀，既保证了逻辑电路区不会受到腐蚀液的严重侵蚀，又保证了实验人员在工作期间不会直接与腐蚀液接触，不会吸入腐蚀液挥发出的气体，从而提高了实验人员自身的安全性。
附图说明
26.图1是根据本发明实施例提供的基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀装置的正视图；
27.图2是根据本发明实施例提供的反应腔与固定吸盘的连接示意图；
28.图3是根据本发明实施例提供的反应腔底部的结构示意图；
29.图4是根据本发明实施例提供的键合晶圆的结构示意图；
30.图5是根据本发明实施例提供的基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀装置与键合晶圆的固定示意图。
31.其中的附图标记包括：
32.反应腔1、抽气口2、注液口3、排液口4、固定吸盘5、软管6、胶圈7、键合晶圆8、inp晶圆81、pixel区811、待腐蚀区812、si晶圆82、pad位置821、逻辑电路822、键合层83。
具体实施方式
33.在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
34.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施
例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
35.图1示出了根据本发明实施例提供的基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀装置的正视结构。
36.图2示出了根据本发明实施例提供的反应腔与固定吸盘的连接结构。
37.图3示出了根据本发明实施例提供的反应腔底部的结构。
38.如图1、图2和图3所示，本发明提供的基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀装置，包括：反应腔1、抽气口2、注液口3、排液口4、固定吸盘5、软管6和胶圈7，其中：
39.反应腔1的形状为底部开口的圆柱，反应腔1为聚四氟乙烯材质，反应腔1具有较好的耐腐蚀性，是晶圆背部腐蚀的化学反应场所。反应腔1的上部开有抽气口2，抽气口2用于连接真空泵，通过真空泵即可控制反应腔1的内部气压，真空泵通过现有的控制系统即可保证反应腔1内气压稳定。反应腔1的侧面中间位置开有一个注液口3，注液口3的外部连接有一段聚四氟乙烯材质的软管6，在需要注入腐蚀液时，通过注液口3即可将腐蚀液注入反应腔1，常用的腐蚀液有较高浓度的hcl和h3po4等，均属于挥发性强酸。在无需注入腐蚀液时，该软管为锁紧状态，避免影响反应腔1的内部气压。反应腔1的侧面底部位置开有一个排液口4，排液口4的外部也连接有一段聚四氟乙烯材质的软管6。非排液期间，该软管为锁紧状态。当反应腔1内腐蚀液完成腐蚀后，将该软管打开，通过排液口4即可将腐蚀液由反应腔1内排出。反应腔1的底部开口边缘进行了钝化处理，同时在开口截面上固定有聚四氟乙烯柔性材质的胶圈7，避免低压状态吸附晶圆时，对晶圆造成损伤，并且柔性材料也更好的加强了反应腔1的密闭性。此外，在反应腔1的底部开口外围还设置有固定吸盘5，固定吸盘5采用聚四氟乙烯柔性材料，在抽气口2抽气时，固定吸盘5会随着反应腔1的气压减少而与键合晶圆紧密贴合。
40.图4示出了根据本发明实施例提供的键合晶圆的结构。
41.图5示出了根据本发明实施例提供的基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀装置与键合晶圆的固定情况。
42.如图4和图5所示，本发明实施例提供的基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀方法是针对开pad环节，利用上述的基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀装置对键合晶圆8进行腐蚀，具体步骤如下：
43.s1、bsi工艺中，需要将感光晶圆和基底晶圆进行键合，感光晶圆采用inp晶圆81，inp晶圆81由于材料特殊，目前我国还不能实现8英寸或12英寸的制备，通常为2英寸的小尺寸晶圆；基底晶圆采用si晶圆82，si晶圆82为12英寸，键合形成如图4所示的inp晶圆81-键合层83-si晶圆82的夹层结构。键合后，需要使用grinding设备将inp晶圆81的背部进行减薄，inp晶圆81的背部是指如图4中inp晶圆81的上表面。
44.键合晶圆8的背部为inp晶圆81，inp晶圆81中间位置的pixel区811无需进行腐蚀，为保护该区域避免被腐蚀液腐蚀，通过光刻工艺及cvd工艺在pixel区811的上表面沉积一层氧化层。在inp晶圆81上，pixel区811的外围即为待腐蚀区812，待腐蚀区812底部即为pad位置821，腐蚀液需要将待腐蚀区812进行腐蚀，实现开pad工艺。在si晶圆82的表面为逻辑电路822，在腐蚀过程中，需要保证逻辑电路822不被腐蚀。
45.s2、将键合晶圆8放置在玻璃托盘中，将基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐
蚀装置放置在键合晶圆8的待腐蚀区812上，将反应腔1底部开口对准待腐蚀区812。
46.s3、打开基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀装置的抽气口2，通过其连接的真空泵抽出反应腔1内的空气，保证反应腔1的内部气压低于外界气压，固定吸盘5有效吸附在待腐蚀区812，此压力强度需要根据键合晶圆8的重量来调整，不需要太强的压强，只需要保证基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀装置可以将键合晶圆8提起即可，说明此时基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀装置被钝化且嵌有抗酸碱软质的胶圈7的底部已经与待腐蚀区812接触紧密，防止了腐蚀液从反应腔1中漏出腐蚀逻辑电路822。
47.s4、在玻璃托盘中注入去离子水，去离子水的水位高于键合晶圆8的厚度。
48.s5、通过注液口3将腐蚀液注入反应腔1中，根据反应时间来控制腐蚀厚度。
49.s6、在腐蚀过程结束后，通过排液口4将腐蚀液由反应腔1排出；若inp晶圆81为多层结构，有多层材料需要腐蚀，则更换腐蚀液重复s4和s5。
50.s7、当腐蚀过程结束且腐蚀液基本被排出后，通过真空泵升高反应腔1的内部气压，控制反应腔1的内部气压不低于外界气压，取下基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀装置，基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀装置抬起过程中，外部的去离子水会迅速稀释残留在inp晶圆81上的腐蚀液，防止残留的腐蚀液腐蚀逻辑电路822。
51.s8、将键合晶圆从稀释去离子水中取出，进行超声清洗并吹干，即完成了键合晶圆的背部腐蚀。
52.在本实施例中，键合晶圆8可以是fusion bonding形式，也可以是hybrid bonding形式。键合在一起的两片晶圆尺寸可以是2英寸、3英寸、4英寸、6英寸、8英寸和12英寸等不同尺寸间的组合。被腐蚀的感光晶圆可以是单层结构，也可以是多层结构。
53.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
54.以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀装置，其特征在于，包括：抽气口、反应腔、注液口、排液口和固定吸盘；所述反应腔的形状为底部开口的圆柱，在开口截面上固定有聚四氟乙烯材质的胶圈；所述抽气口设置在所述反应腔上部，所述抽气口用于连接真空泵，保证所述反应腔的内部气压稳定；所述反应腔的侧面设置有所述注液口，通过所述注液口将腐蚀液注入所述反应腔内；所述反应腔的侧面底部位置设置有所述排液口，通过所述排液口将腐蚀液从所述反应腔中排出；所述固定吸盘采用聚四氟乙烯材料，其固定在所述反应腔的底部开口处。2.如权利要求1所述的基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀装置，其特征在于，所述注液口的水平位置高于所述排液口的水平位置。3.如权利要求1所述的基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀装置，其特征在于，所述注液口和所述排液口的外部分别连接有聚四氟乙烯材质的软管。4.一种基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀方法，其特征在于，利用如权利要求1所述的基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀装置对键合晶圆进行腐蚀，键合晶圆包括感光晶圆和基底晶圆，包括以下步骤：s1、在感光晶圆背部pixel区沉积氧化层；s2、将键合晶圆放置在托盘中，将基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀装置放置在键合晶圆的待腐蚀区；s3、打开基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀装置的抽气口，保证反应腔的内部气压低于外界气压，将圆背部腐蚀装置吸附在待腐蚀区；s4、在托盘中注入去离子水，去离子水的水位高于键合晶圆的厚度；s5、通过注液口将腐蚀液注入反应腔；s6、通过排液口将腐蚀液由反应腔排出；s7、控制反应腔的内部气压不低于外界气压，取下基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀装置，去离子水稀释残留的腐蚀液。5.如权利要求4所述的基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀方法，其特征在于，在s1之前，使用grinding设备将感光晶圆的背部进行减薄。6.如权利要求4所述的基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀方法，其特征在于，通过光刻工艺及cvd工艺在感光晶圆背部pixel区沉积氧化层。7.如权利要求4所述的基于bsi工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀方法，其特征在于，还包括：s8、将键合晶圆进行超声清洗并吹干。

技术总结
本发明提供一种基于BSI工艺不同尺寸晶圆键合后背部腐蚀装置及方法，该装置主要包括抽气口、反应腔、注液口、排液口和固定吸盘，通过抽气口降低反应腔内部的气压，将固定吸盘吸附在键合晶圆的待腐蚀区，通过注液口将腐蚀液注入反应腔进行腐蚀，再通过排液口将腐蚀液由反应腔排出，再升高反应腔的内部气压，将装置与键合晶圆分离，清洗并吹干即完成晶圆的背部腐蚀。在BSI工艺中，利用本发明对键合晶圆进行背部腐蚀，既保证了逻辑电路区不会受到腐蚀液的严重侵蚀，又保证了实验人员在工作期间不会直接与腐蚀液接触，不会吸入腐蚀液挥发出的气体，从而提高了实验人员自身的安全性。从而提高了实验人员自身的安全性。从而提高了实验人员自身的安全性。


技术研发人员：成明 赵东旭 王云鹏 王飞 范翊 姜洋
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：2023.05.12
技术公布日：2023/8/13