晶圓的鍵合方法和化學機械平坦化方法
【專利摘要】一種晶圓的鍵合方法和化學機械研磨方法。其中，所述晶圓的鍵合方法包括：提供器件晶圓和承載晶圓；在所述器件晶圓正面形成第一材料層；采用第一化學機械研磨方法平坦化所述第一材料層，所述第一化學機械研磨方法包括第一搖擺研磨步驟和第一固定研磨步驟，所述第一固定研磨步驟將研磨頭中定位環(huán)的至少一部分懸空在研磨墊正上方以外，所述定位環(huán)懸空部分到所述研磨墊邊緣的最大距離大于等于所述定位環(huán)的圓環(huán)寬度；在所述第一化學機械研磨方法后，將所述器件晶圓和承載晶圓鍵合在一起。所述晶圓的鍵合方法提高晶圓的鍵合性能和鍵合良率。
【專利說明】
晶圓的鍵合方法和化學機械平坦化方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及半導體制造領域，尤其涉及一種晶圓的鍵合方法和化學機械平坦化方 法。
【背景技術】
[0002] 請參考圖1，在芯片的晶圓級封裝（wafer level package，WLP)過程中，制作 有芯片的器件晶圓（device wafer) 100通常需要與承載晶圓（carrier wafer) 200鍵合 (bonding)在一起，然后進行后續(xù)的晶圓減薄和晶圓級封裝等工藝。特別是在三維芯片 (3DIC)結構，承載晶圓200被更加普遍的運用在三維芯片的晶圓級封裝工藝中。
[0003] 然而，請參考圖2,在器件晶圓200的后段制程（BE0L)中，通常需要在層間介質(zhì)層 210上形成銅互連線。形成銅互連線時，需要沉積例如約為7000A~16000A的銅材料層 220,然后進行去邊（Edge bead remove，EBR)。去邊之后，銅材料層220會導致器件晶圓正 面邊緣約3毫米寬的區(qū)域低于器件晶圓正面其它區(qū)域，即圖2中所示，寬度W所在的邊緣區(qū) 域的正面由于去邊工藝而沒有銅材料層220,從而使器件晶圓200正面邊緣出現(xiàn)臺階。
[0004] 為了消除上述器件晶圓正面邊緣的臺階，現(xiàn)有方法通常在器件晶圓與承載晶圓鍵 合前進行以下工藝：沉積第一材料層，對第一材料層進行第一化學機械研磨；沉積第二材 料層，對第二材料層進行第二化學機械研磨；沉積第三材料層，對第三材料層進行第三化學 機械研磨。通過三次的材料層形成和對應三次的化學機械研磨工藝，降低臺階的高度，即減 小器件晶圓正面邊緣區(qū)域與其它區(qū)域的高度差。
[0005] 然而，請參考圖3,現(xiàn)有晶圓的鍵合方法無法很好地消除器件晶圓200正面邊緣區(qū) 域與其它區(qū)域的高度差，導致器件晶圓200與承載晶圓100鍵合后（通常器件晶圓200通 過制作在正面的氧化層230與承載晶圓100鍵合），它們的鍵合面邊緣出現(xiàn)縫隙（void) 12。 縫隙12的存在降低器件晶圓200與承載晶圓100的鍵合良率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明解決的問題是提供一種晶圓的鍵合方法和化學機械研磨方法，所述晶圓的 鍵合方法防止器件晶圓和承載晶圓的鍵合面邊緣出現(xiàn)縫隙，提高晶圓鍵合可靠性，從而提 高晶圓的晶圓級封裝良率，所述化學機械研磨方法提高平坦化后研磨材料層的平坦度。
[0007] 為解決上述問題，本發(fā)明提供一種晶圓的鍵合方法，包括：
[0008] 提供器件晶圓和承載晶圓；
[0009] 在所述器件晶圓正面形成第一材料層；
[0010] 采用第一化學機械研磨方法平坦化所述第一材料層，所述第一化學機械研磨方法 包括第一搖擺研磨步驟和第一固定研磨步驟，所述第一固定研磨步驟將研磨頭中定位環(huán)的 至少一部分懸空在研磨墊正上方以外，所述定位環(huán)懸空部分到所述研磨墊邊緣的最大距離 大于等于所述定位環(huán)的圓環(huán)寬度；
[0011] 在所述第一化學機械研磨方法后，將所述器件晶圓和承載晶圓鍵合在一起。
[0012] 可選的，所述第一固定研磨步驟同時將所述器件晶圓的至少一部分懸空在所述研 磨墊正上方以外，所述器件晶圓懸空部分的最大徑向?qū)挾葹?0毫米。
[0013] 可選的，所述第一化學機械研磨方法還包括第二搖擺研磨步驟和第二固定研磨步 驟的至少其中一個步驟。
[0014] 可選的，所述鍵合方法還包括：
[0015] 在所述第一化學機械研磨方法后，在所述器件晶圓正面形成第二材料層；
[0016] 采用第二化學機械研磨方法平坦化所述第二材料層，所述第二化學機械研磨方法 包括所述第一搖擺研磨步驟和第一固定研磨步驟。
[0017] 可選的，所述第一搖擺研磨步驟的搖擺頻率為5來回/分鐘~10來回/分鐘，每 個來回的單程距離為1. 5英寸~2. 3英寸，所述第一搖擺研磨步驟的研磨壓強為100克/ 平方厘米~400克/平方厘米。
[0018] 可選的，所述第一固定研磨步驟時定位環(huán)的轉(zhuǎn)速為75轉(zhuǎn)/分鐘~130轉(zhuǎn)/分鐘。
[0019] 可選的，所述第一固定研磨步驟的研磨壓強為100克/平方厘米~400克/平方 厘米，所述第一固定研磨步驟的研磨速率為2000埃/分鐘~4000埃/分鐘。
[0020] 可選的，所述第一材料層的材料為氧化硅。
[0021] 為解決上述問題，本發(fā)明還提供了一種化學機械研磨方法，包括：
[0022] 在晶圓表面形成研磨材料層；
[0023] 采用第一搖擺研磨步驟對所述研磨材料層進行平坦化；
[0024] 采用第一固定研磨步驟對所述研磨材料層進行平坦化，所述第一固定研磨步驟將 研磨頭中定位環(huán)的至少一部分懸空在研磨墊正上方以外，所述懸空部分到所述研磨墊邊緣 的最大距離大于等于所述定位環(huán)的寬度。
[0025] 可選的，在所述第一搖擺研磨步驟和第一固定研磨步驟之后，還包括搖擺研磨步 驟和第二固定研磨步驟的至少其中一個步驟。
[0026] 可選的，所述第一搖擺研磨步驟的搖擺頻率為5來回/分鐘~10來回/分鐘，每 個來回的單程距離為1. 5英寸~2. 3英寸，所述第一搖擺研磨步驟的研磨壓強為100克/ 平方厘米~400克/平方厘米。
[0027] 可選的，所述第一固定研磨步驟時定位環(huán)的轉(zhuǎn)速為75轉(zhuǎn)/分鐘~130轉(zhuǎn)/分鐘， 所述第一固定研磨步驟的研磨壓強為1〇〇克/平方厘米~400克/平方厘米，所述第一固 定研磨步驟的研磨速率為2000埃/分鐘~4000埃/分鐘。
[0028] 可選的，所述研磨材料層的材料為銅、鋁、鎢、硅、氮化硅或氧化硅。
[0029] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的技術方案具有以下優(yōu)點：
[0030] 本發(fā)明的技術方案中，采用包括第一搖擺研磨步驟和第一固定研磨步驟的第一化 學機械研磨方法對第一材料層進行平坦化，從而獲得表面齊平均一的剩余第一材料層。然 后，利用平坦化后剩余的第一材料層將器件晶圓和承載晶圓鍵合在一起。由于第一材料層 經(jīng)過上述第一化學機械研磨方法之后，在各個位置的表面均齊平均一，因此，器件晶圓和承 載晶圓鍵合在一起后，兩個晶圓之間不會存在空隙，從而提高了晶圓的鍵合性能，提高了晶 圓的鍵合良率。
[0031] 進一步，所述第一固定研磨步驟的研磨壓強可以為100克/平方厘米~400克/ 平方厘米。所述第一固定研磨步驟的研磨壓強控制目的同樣是防止壓破器件晶圓，同時又 保持較為理想的研磨速率。因此，研磨壓強通常控制在400克/平方厘米以下，以防止研磨 過程壓破器件晶圓，同時，研磨壓強控制在100克/平方厘米以上，以保持較為理想的研磨 速率。
【附圖說明】
[0032] 圖1器件晶圓和承載晶圓鍵合的不意圖；
[0033] 圖2是器件晶圓表面形成銅互連層的示意圖；
[0034] 圖3是器件晶圓形成銅互連層后與承載晶圓鍵合的示意圖；
[0035] 圖4是研磨頭吸附器件晶圓的示意圖；
[0036] 圖5是研磨過程中研磨墊與器件晶圓的示意圖；
[0037] 圖6是本發(fā)明實施例所提供的器件晶圓和承載晶圓的示意圖；
[0038] 圖7是在圖6所示器件晶圓正面形成金屬互連層和金屬間介質(zhì)層示意圖；
[0039] 圖8是在圖7所示結構上形成第一材料層的示意圖；
[0040] 圖9是對圖8中形成有第一材料層的器件晶圓進行第一搖擺研磨步驟的示意圖；
[0041] 圖10是圖9對應第一搖擺研磨步驟的搖擺距離-時間曲線圖；
[0042] 圖11是對圖8中形成有第一材料層的器件晶圓進行第一固定研磨步驟的示意 圖；
[0043] 圖12是圖11對應第一固定研磨步驟中，器件晶圓邊緣到研磨墊邊緣的距離-時 間曲線圖；
[0044] 圖13是本實施例使第一材料層位于器件晶圓正面邊緣臺階消除的原理示意圖；
[0045] 圖14是現(xiàn)有晶圓的鍵合方法進行化學機械研磨后，器件晶圓表面上材料層各位 置上的剩余厚度；
[0046] 圖15是現(xiàn)有晶圓的鍵合方法在進行化學機械研磨過程中，材料層的去除速率；
[0047] 圖16是本實施例所提供的晶圓的鍵合方法進行化學機械研磨后，器件晶圓表面 上材料層各位置上的剩余厚度；
[0048] 圖17是本實施例所提供的晶圓的鍵合方法在進行化學機械研磨過程中，材料層 的去除速率；
[0049] 圖18是本實施例在所述第一化學機械研磨方法后，將器件晶圓和承載晶圓鍵合 在一起的示意圖；
[0050] 圖19是本發(fā)明另一實施例所提供的晶圓的鍵合方法中，對形成有第一材料層的 器件晶圓進行第一固定研磨步驟的示意圖；
[0051] 圖20是圖19對應第一固定研磨步驟中，器件晶圓邊緣到研磨墊邊緣的距離-時 間曲線圖。
【具體實施方式】
[0052] 正如【背景技術】所述，現(xiàn)有方法中器件晶圓正面邊緣區(qū)域與其它區(qū)域的臺階無法得 到較好地消除，導致器件晶圓后續(xù)與承載晶圓鍵合后，它們的鍵合面邊緣出現(xiàn)縫隙。
[0053] 經(jīng)發(fā)明人分析，現(xiàn)有晶圓的鍵合方法中，鍵合面邊緣出現(xiàn)縫隙的原因如下：
[0054] 請參考圖4,在金屬互連層等結構形成之后，器件晶圓200正面不可避免的會出現(xiàn) 臺階。為了盡量消除臺階，現(xiàn)有方法通常在先在器件晶圓200正面形成氧化層230(請參考 圖3)，然后對氧化層230進行化學機械研磨。化學機械研磨時，通常采用定位環(huán)300將器件 晶圓200背面吸住，并將器件晶圓200正面向下壓在研磨墊（未示出）上方，然后研磨墊的 定位環(huán)300均進行旋轉(zhuǎn)，其中定位環(huán)300的旋轉(zhuǎn)帶動器件晶圓200旋轉(zhuǎn)。
[0055] 在化學機械研磨時，器件晶圓200朝下的正面可以分為三個區(qū)域，分別為圖4所示 的第一區(qū)域Z1、第二區(qū)域Z2和第三區(qū)域Z3。其中，第一區(qū)域Z1為以器件晶圓200正面圓 心為圓心的圓形區(qū)域，第二區(qū)域Z2為以器件晶圓200正面圓心為圓心且包圍第一區(qū)域Z1 的圓環(huán)區(qū)域，第三區(qū)域Z3為以器件晶圓200正面圓心為圓心且包圍第一區(qū)域Z1和第二區(qū) 域Z2的圓環(huán)區(qū)域。
[0056] 定位環(huán)300正對器件晶圓200背面的表面300A具有氣孔（未示出），所述氣孔用 于通入氣體或抽氣（吸真空），從而產(chǎn)生氣體壓強，氣體壓強作用在晶圓與氣孔之間的隔膜 (membrane)，再通過隔膜將壓力作用在晶圓上，從而使器件晶圓200向下壓在所述研磨墊 上，以保證器件晶圓200正面接受相應的研磨操作。
[0057] 然而，請結合參考圖4和圖5,定位環(huán)300圍繞在器件晶圓200周邊的地方具有一 加壓環(huán)301。加壓環(huán)301也是用于對晶圓下方的研磨墊400施加壓力。然而，加壓環(huán)301與 器件晶圓200之間不可避免的存在一定的間隙，并且加壓環(huán)301下壓研磨墊400時，研磨墊 400正對第三區(qū)域Z3的部分會有微小的起伏，如圖5所示。
[0058] 上述情況導致第三區(qū)域Z3對應的器件晶圓200正面受到的研磨作用不可控，進而 導致無法較好地消除第三區(qū)域Z3相應正面的臺階，因此在將化學機械研磨后的器件晶圓 200與承載晶圓100鍵合后，兩者的鍵合面之間存在空隙，導致鍵合質(zhì)量下降，降低晶圓級 封裝良率。
[0059] 為此，本發(fā)明提供了一種新的晶圓的鍵合方法，所述方法采用包括第一搖擺研磨 步驟和第一固定研磨步驟的第一化學機械研磨方法對第一材料層進行平坦化，從而獲得表 面齊平均一的剩余第一材料層。然后，利用平坦化后剩余的第一材料層將器件晶圓和承載 晶圓鍵合在一起。由于第一材料層經(jīng)過上述第一化學機械研磨方法之后，在各個位置的表 面均齊平均一，因此，器件晶圓和承載晶圓鍵合在一起后，兩個晶圓之間不會存在空隙，從 而提高了晶圓的鍵合性能，提高了晶圓的鍵合良率。
[0060] 為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更為明顯易懂，下面結合附圖對本發(fā)明 的具體實施例做詳細的說明。
[0061] 本發(fā)明實施例提供一種晶圓的鍵合方法，請結合參考圖6至圖18。
[0062] 請參考圖6,提供器件晶圓500和承載晶圓600。
[0063] 本實施例中，器件晶圓500為制作有各類半導體結構的晶圓，即器件晶圓500制作 有特定用途的集成電路。例如器件晶圓500可以具有多個晶粒（die)，每個晶粒在器件晶圓 500晶圓級封裝之后都可以切割成為一個芯片。
[0064] 本實施例中，器件晶圓500的邊緣通常會因為半導體結構的制作而出現(xiàn)臺階（如 圖6中所示），并且所述臺階會在后續(xù)晶圓級封裝工藝的某些步驟中進一步加劇。
[0065] 本實施例中，承載晶圓600可以為娃晶圓，也可以是其它材料的晶圓。
[0066] 本實施例中，器件晶圓500的直徑選擇為8英寸，約200毫米。承載晶圓600的直 徑與器件晶圓500的直徑相等。
[0067] 請參考圖7,在器件晶圓500正面形成金屬互連層510和金屬間介質(zhì)層520。
[0068] 本實施例中，金屬互連層510的材料可以為銅，此時形成的可以為銅互連線，而金 屬間介質(zhì)層520位于各銅互連線之間。在其它實施例中，也可以在器件晶圓500正面采用 其它材料形成相應的金屬互連層510和金屬間介質(zhì)層520。金屬互連層510和金屬間介質(zhì) 層520通常會使上述臺階進一步加劇，特別是金屬互連層510形成時，通常需要進行去邊工 藝，造成臺階的高度差進一步增大。
[0069] 請參考圖8,在器件晶圓500正面形成第一材料層530。第一材料層530覆蓋金屬 互連層510和金屬間介質(zhì)層520。
[0070] 本實施例中，第一材料層530的材料可以為氧化硅?？梢圆捎没瘜W氣相沉積法 (CVD)形成第一材料層530。CVD生長的第一材料層530雖然已經(jīng)有一定的平坦程度，但是 離第一材料層530作為鍵合層還有較大差距，因此需要進行充分的平坦化。特別是器件晶 圓500邊緣臺階的存在，現(xiàn)有方法通常需要多次利用形成步驟和化學機械研磨步驟來形成 比較好的表面形貌。
[0071 ] 本實施例中，第一材料層530在晶圓的鍵合過程中，可以作為鍵合層。當承載晶圓 600的其中一個表面也制作有氧化硅材料層時，后續(xù)就可以利用第一研磨層與制作在承載 晶圓600上的氧化娃材料層鍵合在一起，實現(xiàn)兩個晶圓的鍵合，其原理是兩個氧化娃材料 層的界面之間形成新的硅氧化學鍵，從而達到足夠的鍵合強度。為了使兩個晶圓的鍵合強 度更好，可以在鍵合之前，對第一材料層530的表面和承載晶圓600上的氧化硅材料層表面 進行活化。
[0072] 承載晶圓600上的氧化硅材料層可以采用相應的生長方法形成，并且在氧化硅材 料層形成后，也可以采用研磨方法進行平坦化。需要說明的是，在其它實施例中，承載晶圓 表面也可以不做任何氧化硅的生長和研磨，只用其表面自然形成的自然氧化硅層，也可以 與器件晶圓表面氧化硅進行鍵合。
[0073] 需要說明的是，第一材料層530剛形成在器件晶圓500正面時，由于上述臺階的存 在，其表面并不能夠達到如圖8中所示的平坦狀態(tài)，而是會在器件晶圓500正面的邊緣存在 臺階，此時臺階通常呈斜坡狀，類似于圖7中金屬間介質(zhì)層520的邊緣。因此，本實施例通 過后續(xù)的化學機械研磨方法平坦化第一材料層530,從而使第一材料層530達到如圖8所示 的平坦表面。
[0074] 請結合參考圖9至圖12,采用第一化學機械研磨方法平坦化圖8所示第一材料層 530,從而使第一材料層530達到如圖8所示的平坦表面。
[0075] 請結合參考圖9至圖10,所述第一化學機械研磨方法包括第一搖擺研磨步驟。
[0076] 請參考圖9,圖9示出的是研磨墊800和研磨頭的俯視圖，圖9省略了研磨頭的其 它部分，而僅示出了研磨頭中的定位環(huán)700。定位環(huán)700的俯視形狀為圓環(huán)形。定位環(huán)700 用將器件晶圓500限定在研磨頭的底部（可結合參考圖4)，器件晶圓500在研磨頭的吸附 下，正面朝下。研磨時，研磨頭將器件晶圓500的正面向下壓貼在研磨墊800上，此時定位 環(huán)700也壓貼在研磨墊800上。并且，器件晶圓500在研磨頭的帶動下，除了進行自身旋轉(zhuǎn) 之外，還同時在研磨墊800圓心與器件晶圓500圓心的連線（所述連線可參考圖9中經(jīng)過 點01和點03的虛線）上來回移動，移動位置介質(zhì)點02和點03之間，形成一種搖擺研磨的 過程，此過程即所述第一搖擺研磨步驟。
[0077] 由以上可知，所述第一搖擺研磨步驟是指：在研磨過程中，除了研磨頭和研磨墊 800自身發(fā)生旋轉(zhuǎn)以外，研磨頭同時帶動器件晶圓500在一維軸向上來回移動。
[0078] 需要說明的是，本實施例中，器件晶圓500搖擺移動的軸向落在研磨墊800圓心與 器件晶圓500圓心的連線上。
[0079] 請繼續(xù)參考圖9,本實施例中，點02為第一搖擺研磨步驟時，器件晶圓500圓心到 達的其中一個端點，點03為第一搖擺研磨步驟時，器件晶圓500圓心到達的另一個端點，點 02和點03之間的距離D為2. 25英寸（可結合參考圖10)。
[0080] 需要說明的是，在本發(fā)明的其它實施例中，所述每個來回的單程距離D (單程距離 D也可稱為搖擺距離，如圖10所示）也可以為1.5英寸~2. 3英寸。
[0081] 請參考圖10,圖10為器件晶圓500圓心的搖擺距離-時間曲線圖，其橫坐標為器 件晶圓500圓心的移動位置，以點02所在位置為橫坐標原點，點03為2. 25英寸位置的點， 縱坐標為時間。結合橫坐標和縱坐標可知，所述第一搖擺研磨步驟的搖擺頻率為20秒鐘兩 個來回（更多時間的對應曲線未示出），即6來回/分鐘，即器件晶圓500圓心經(jīng)過2. 25英 寸的所需時間為5秒。
[0082] 需要說明的是，在本發(fā)明的其它實施例中，所述第一搖擺研磨步驟的搖擺頻率也 可以為5來回/分鐘~10來回/分鐘，也就是說，在上述軸向上，研磨頭從其中一個端點出 發(fā)，到達另一個端點，再從另一個端點返回原端點作為一個來回，在一分鐘內(nèi)，研磨頭移動 五個來回至10個來回。設置上述搖擺頻率以保證器件晶圓500表面剩余第一材料層530 的平整性。
[0083] 本實施例中，所述第一搖擺研磨步驟的研磨壓強為100克/平方厘米~400克/ 平方厘米。防止壓破器件晶圓500,又保持研磨速率。
[0084] 本實施例中，所述第一搖擺研磨步驟可以將第一材料層530的初始厚度平坦化至 第一目標厚度。其中，所述第一目標厚度可以為初始厚度的二分之一左右，然后采用后續(xù)的 固定研磨步驟進行研磨。并且控制經(jīng)過第一化學機械研磨方法平坦化之后，第一材料層530 的最終剩余厚度為初始厚度的三分之一左右。
[0085] 請結合參考圖11和圖12,所述第一化學機械研磨方法還包括第一固定研磨步驟。
[0086] 第一固定研磨步驟指研磨頭的中心位置不動，從而使器件晶圓500的圓心在研磨 墊800上的位置不變，但是研磨頭仍然保持旋轉(zhuǎn)，從而使器件晶圓500繞其圓心旋轉(zhuǎn)，此時 器件晶圓500仍然進行研磨。但與搖擺研磨過程不同的是，第一固定研磨步驟時，器件晶圓 500圓心的位置保持不變。并且，將研磨頭中定位環(huán)700的至少一部分懸空在研磨墊800正 上方以外，所述定位環(huán)700懸空部分到所述研磨墊800邊緣的最大距離大于或者等于所述 定位環(huán)700的圓環(huán)寬度，如圖11中，寬度W1的大小至少為定位環(huán)700的圓環(huán)寬度（圓環(huán)寬 度指圓環(huán)的外徑與內(nèi)徑之差）。當寬度W1大于或者等于定位環(huán)700圓環(huán)寬度時，至少有一 部分的定位環(huán)700沒有壓貼在研磨墊800上，因此，至少有部分研磨墊800的邊緣不會發(fā)生 起伏，即此部分研磨墊800處于松弛狀態(tài)，對應的，當器件晶圓500轉(zhuǎn)到此部分研磨墊800 上時，研磨墊800對器件晶圓500邊緣的研磨作用較小，或者基本沒有研磨作用。所以，在 第一固定研磨步驟過程中，器件晶圓500邊緣保留下來的第一材料層530的厚度較大，而第 一材料層530其它部分被去除的厚度較大，從而彌補原來第一材料層530邊緣存在臺階的 情況。
[0087] 請參考圖12,圖12為器件晶圓500邊緣到研磨墊邊緣的距離-時間曲線圖，其橫 坐標為器件晶圓500圓心的固定位置，其原點為0,而所述曲線為垂直于橫坐標的直線?？?知，器件晶圓500在所述第一固定研磨步驟過程中，器件晶圓500邊緣與研磨墊邊緣在同一 豎直線上，并且保持不變。
[0088] 本實施例中，定位環(huán)700部分懸空，從而使得定位環(huán)700對研磨墊800的壓力減 少，造成對不同位置器件晶圓500邊緣的支撐力不同，進而影響到器件晶圓500邊緣的研磨 速率（具體為減小器件晶圓500邊緣的研磨速率），從而提高平坦化后第一材料層530的平 坦度。
[0089] 本實施例中，器件晶圓500可以完全不懸空，而僅定位環(huán)700部分懸空。定位環(huán) 700圍繞在器件晶圓500周邊，它與器件晶圓500之間有很小的間隙，通常僅為1_左右。 可以使得懸空部分恰好落在此間隙，從而即保證定位環(huán)700懸空部分的寬度大于或者等于 其圓環(huán)寬度，又同時保證器件晶圓500不懸空。定位環(huán)700的圓環(huán)寬度通常為1英寸左右， 因此，懸空部分在器件晶圓500圓心的徑向上，寬度范圍通?？刂圃?英寸左右。
[0090] 本實施例中，所述第一固定研磨步驟時定位環(huán)700的轉(zhuǎn)速為75轉(zhuǎn)/分鐘~130轉(zhuǎn) /分鐘。所述定位環(huán)700的轉(zhuǎn)速亦即研磨頭的轉(zhuǎn)速，在此轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，可以防止晶圓甩出去， 又保持研磨速率。
[0091] 本實施例中，所述第一固定研磨步驟的研磨壓強可以為100克/平方厘米~400 克/平方厘米。所述第一固定研磨步驟的研磨壓強控制目的同樣是防止壓破器件晶圓500， 同時又保持較為理想的研磨速率。因此，研磨壓強通?？刂圃?00克/平方厘米以下，以防 止研磨過程壓破器件晶圓500,同時，研磨壓強控制在100克/平方厘米以上，以保持較為理 想的研磨速率。
[0092] 本實施例中，所述第一固定研磨步驟的研磨速率可以為2000埃/分鐘~4000埃 /分鐘。而所述第一固定研磨步驟的研磨時間范圍可以根據(jù)研磨速率而確定。
[0093] 請參考圖13,圖13是所述第一固定研磨步驟能夠使第一材料層530位于器件晶圓 500正面邊緣臺階消除原理示意圖，具體原理如圖13所示：當研磨頭中定位環(huán)700的至少 一部分懸空在研磨墊800正上方以外，并且所述定位環(huán)700懸空部分到所述研磨墊800邊 緣的最大距離大于或者等于所述定位環(huán)700的圓環(huán)寬度時，至少有一部分器件晶圓500的 外側中，定位環(huán)700(邊緣）沒有壓貼在研磨墊800上，例如圖13中示出的切面中，定位環(huán) 700 (邊緣）位于研磨墊800的右側（此時定位環(huán)700未示出），因此，器件晶圓500邊緣與 研磨墊800邊緣基本在同一豎直位置，此時，研磨墊800 (邊緣）由于沒有定位環(huán)700的壓 貝占，不會發(fā)生起伏，由于沒有壓力作用，當器件晶圓500邊緣旋轉(zhuǎn)至此位置時，受到的研磨 作用減小或者基本不受研磨作用，因此，在整個第一固定研磨步驟過程中，器件晶圓500的 邊緣比其它部分受到的研磨作用少，而原本器件晶圓500邊緣上的第一材料層530厚度較 低，因此，研磨后，最終第一材料層530各位置的厚度能夠達到一致，消除了原本存在于邊 緣的臺階，從而使第一材料層530上表面齊平均一。
[0094] 本實施例中，器件晶圓500既經(jīng)歷搖擺研磨，又經(jīng)歷固定研磨。其中，搖擺研磨對 整片器件晶圓500的平整性較有幫助，如果器件晶圓500不進行搖擺研磨，則整片器件晶圓 500的平整性不好，即使器件晶圓500的邊緣平坦水平較高，也不利于后續(xù)的鍵合。而固定 研磨消除器件晶圓500邊緣的臺階，從而防止鍵合晶圓的邊緣出現(xiàn)空隙，提高鍵合性能。
[0095] 請參考圖14,示出了現(xiàn)有晶圓的鍵合方法進行化學機械研磨后，器件晶圓表面上 材料層各位置上的剩余厚度。從中可以看到，雖然現(xiàn)有方法中，材料層位于器件晶圓表面上 較為邊緣位置的剩余厚度已經(jīng)較大，但是，此剩余厚度并不足以完全消除器件晶圓邊緣的 臺階。
[0096] 請參考圖15,示出了現(xiàn)有晶圓的鍵合方法在進行化學機械研磨過程中，材料層的 去除速率。正是由于圖15所示的材料層的去除速率曲線，才導致出現(xiàn)圖14中材料層各位 置上的剩余厚度曲線。由圖15可以進一步看到現(xiàn)有方法無法很好地平坦化材料層的原因： 雖然材料層邊緣位置的研磨去除速率較小，但是，其原因主要是因為邊緣位置本身存在的 臺階造成的，對于整個研磨方法而言，材料層邊緣位置的研磨去除速率仍然太大，盡量臺階 的高度差會略有縮小，但是仍然無法較好地消除臺階。
[0097] 請參考圖16,示出了本實施例所提供的晶圓的鍵合方法進行化學機械研磨后，器 件晶圓500表面上材料層各位置上的剩余厚度。從中可以看到，第一材料層530位于器件 晶圓500表面上較為邊緣位置的剩余厚度足夠大，能夠達到完全消除器件晶圓500邊緣臺 階的效果。
[0098] 請參考圖17，示出了本實施例所提供的晶圓的鍵合方法在進行化學機械研磨過程 中，材料層的去除速率。由圖17可以進一步看到本實施例所提供的方法能夠很好地平坦化 材料層的原因：第一材料層530邊緣位置的研磨去除速率逐漸減小，最外緣部分甚至接近 于零，因此，邊緣位置本身存在的臺階被逐漸消除，直至整個臺階的高度差被消除，從而形 成齊平均一的表面。
[0099] 需要說明的是，在本發(fā)明的其它實施例中，所述第一搖擺研磨步驟和第一固定研 磨步驟的順序可以調(diào)換，即也可以先進行所述第一固定研磨步驟，再進行第一搖擺研磨步 驟。
[0100] 需要說明的是，在本發(fā)明的其它實施例中，所述晶圓的鍵合方法還可以包括第二 搖擺研磨步驟和第二固定研磨步驟的至少其中一個步驟，其中，所述第二搖擺研磨步驟可 以與所述第一搖擺研磨步驟基本相同，所述第二固定研磨步驟可以與所述第一固定研磨步 驟基本相同。從而進一步使剩余第一材料層的表面更加平坦。
[0101] 需要說明的是，在本發(fā)明的其它實施例中，所述第一化學機械研磨方法還可以包 括：在所述第一化學機械研磨方法后，在器件晶圓正面形成第二材料層。采用第二化學機械 研磨方法平坦化所述第二材料層，所述第二化學機械研磨方法包括所述第一搖擺研磨步驟 和第一固定研磨步驟。由于剩余第一材料層表面已經(jīng)足夠平坦，因此，形成在剩余第一材料 層表面上的第二材料層平面更加平坦。此時，利用剩余的第一材料層和第二材料層共同作 為后續(xù)的鍵合層，以與相應的承載進彳丁鍵合，從而進一步提尚鍵合性能，提尚鍵合良率。
[0102] 需要說明的是，在本發(fā)明的其它實施例中，所述晶圓的鍵合方法還可以包括：在所 述第一化學機械研磨方法后，在器件晶圓正面形成第二材料層。采用第二化學機械研磨方 法平坦化所述第二材料層，所述第二化學機械研磨方法包括所述第一搖擺研磨步驟和第一 固定研磨步驟。在所述第二化學機械研磨方法后，在器件晶圓正面形成第三材料層。采用 第三化學機械研磨方法平坦化所述第三材料層，所述第三化學機械研磨方法也可以包括所 述第一搖擺研磨步驟和第一固定研磨步驟。在這種采用第一化學機械研磨方法、第二化學 機械研磨方法和第三化學機械研磨方法的實施例中，對應的第一材料層、第二材料層和第 三材料層的厚度可以調(diào)整。例如第一材料層的厚度范圍可以為7000A~20000A,m二材料 層的厚度范圍可以為4000A~10000A，第三材料層的厚度范圍可以為4000A~10000A。 最后，利用剩余的第一材料層、第二材料層和第三材料層共同作為鍵合層，將器件晶圓和承 載晶圓鍵合在一起。
[0103] 請參考圖18,在所述第一化學機械研磨方法后，將器件晶圓500和承載晶圓600鍵 合在一起。
[0104] 本實施例中，承載晶圓600表面也可以具有氧化硅材料層，然后將器件晶圓500正 面上的剩余第一材料層530與所述氧化硅材料層鍵合，從而實現(xiàn)器件晶圓500和承載晶圓 600的鍵合。
[0105] 本實施例所提供的晶圓的鍵合方法中，采用包括第一搖擺研磨步驟和第一固定研 磨步驟的第一化學機械研磨方法對第一材料層530進行平坦化，從而獲得表面齊平均一的 剩余第一材料層530。然后，利用平坦化后剩余的第一材料層530將器件晶圓500和承載晶 圓600鍵合在一起。由于第一材料層530經(jīng)過上述第一化學機械研磨方法之后，在各個位 置的表面均齊平均一，因此，器件晶圓500和承載晶圓600鍵合在一起后，兩個晶圓之間不 會存在空隙，從而提高了晶圓的鍵合性能，提高了晶圓的鍵合良率。
[0106] 本實施例中，僅形成第一材料層530,節(jié)省了工藝步驟。但是，正如前面所述，也可 以在采用第一化學機械研磨方法平坦化第一材料層530后，在第一材料層530表面形成第 二材料層，然后采用第二化學機械研磨方法平坦化第二材料層。并且還可以進一步重復上 述過程，本發(fā)明對此不作限定。
[0107] 本發(fā)明另一實施例提供了另一種晶圓的鍵合方法，所述方法包括提供器件晶圓 910和承載晶圓（未示出），在器件晶圓910正面形成第一材料層（未示出）。所述各結構 和過程可參考前述實施例相應內(nèi)容。
[0108] 本實施例采用第一化學機械研磨方法平坦化所述第一材料層，所述第一化學機械 研磨方法包括第一搖擺研磨步驟和第一固定研磨步驟。
[0109] 請參考圖19,所述第一固定研磨步驟將研磨頭中定位環(huán)920的至少一部分懸空在 研磨墊930正上方以外，所述定位環(huán)920懸空部分到所述研磨墊930邊緣的最大距離大于 或者等于所述定位環(huán)920的圓環(huán)寬度。即圖19中，寬度W2大于或者等于定位環(huán)920的圓 環(huán)寬度。
[0110] 與前述實施你不同的是，本實施例不僅將定位環(huán)920的至少一部分懸空在研磨墊 930正上方以外，還同時將器件晶圓910的至少一部分懸空在所述研磨墊930正上方以外。 即圖19中，懸空在研磨墊930正上方以外的部分既包括定位環(huán)920的一部分，也包括器件 晶圓910的一部分。
[0111] 但是，器件晶圓910懸空部分最多不超過10毫米的寬度，此寬度指器件晶圓910 徑向上的寬度。也就是說，器件晶圓910懸空部分的最大徑向?qū)挾葹?0毫米。即圖19中， 寬度W3的值小于或者等于10毫米。
[0112] 請參考圖20,圖20為器件晶圓910邊緣到研磨墊邊緣的距離-時間曲線圖，其橫 坐標為器件晶圓910圓心的固定位置，其原點為0,而所述曲線為垂直于橫坐標的直線，且 此直線的橫坐標為-10毫米?？芍?，器件晶圓910在所述第一固定研磨步驟過程中，器件晶 圓910邊緣懸空部分與研磨墊邊緣的最大徑向距離（此處徑向為通過器件晶圓910圓心的 半徑方向）為10毫米，并且保持不變。
[0113] 在所述第一固定研磨步驟時，當器件晶圓910有部分邊緣直接懸空，則在固定旋 轉(zhuǎn)研磨過程中，器件晶圓910的邊緣在旋轉(zhuǎn)一周均會有部分時間完全不受研磨作用，因此， 器件晶圓910邊緣的第一材料層在經(jīng)歷第一化學機械研磨方法后表面齊平均一。在所述第 一化學機械研磨方法后，將器件晶圓910和承載晶圓鍵合在一起。鍵合在一起的器件晶圓 910和承載晶圓鍵具有良好的晶圓級封裝良率。
[0114] 更多本實施例的步驟、性質(zhì)和變動可參考前述實施例相應內(nèi)容。
[0115] 本發(fā)明實施例還提供了一種化學機械研磨方法，包括：在晶圓表面形成研磨材料 層，采用第一搖擺研磨步驟對所述研磨材料層進行平坦化，采用第一固定研磨步驟對所述 研磨材料層進行平坦化，所述第一固定研磨步驟將研磨頭中定位環(huán)的至少一部分懸空在研 磨墊正上方以外，所述懸空部分到所述研磨墊邊緣的最大距離大于等于所述定位環(huán)的寬 度。
[0116] 其中，在所述第一搖擺研磨步驟和第一固定研磨步驟之后，還包括搖擺研磨步驟 和第二固定研磨步驟的至少其中一個步驟。
[0117] 其中，所述第一搖擺研磨步驟的搖擺頻率可以為5來回/分鐘~10來回/分鐘， 每個來回的單程距離可以為1. 5英寸~2. 3英寸，所述第一搖擺研磨步驟的研磨壓強可以 為100克/平方厘米~400克/平方厘米。
[0118] 其中，所述第一固定研磨步驟時定位環(huán)的轉(zhuǎn)速可以為75轉(zhuǎn)/分鐘~130轉(zhuǎn)/分鐘， 所述第一固定研磨步驟的研磨壓強可以為100克/平方厘米~400克/平方厘米，所述第 一固定研磨步驟的研磨速率可以為2000埃/分鐘~4000埃/分鐘。
[0119] 其中，所述研磨材料層的材料可以為銅、鋁、媽、娃、氮化硅或氧化硅等。
[0120] 本實施例中，上述各參數(shù)和各步驟的選擇原因及對應原理可以參考本說明書前述 實施例相應內(nèi)容。
[0121] 本實施例所提供的化學機械研磨方法通過第一搖擺研磨步驟和第一固定研磨步 驟，使研磨材料層在經(jīng)受平坦化后，得到齊平均一的表面，有利于后續(xù)的各工藝步驟的進 行。
[0122] 雖然本發(fā)明披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領域技術人員，在不脫離本 發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護范圍應當以權利要求所 限定的范圍為準。
【主權項】
1. 一種晶圓的鍵合方法，其特征在于，包括： 提供器件晶圓和承載晶圓； 在所述器件晶圓正面形成第一材料層； 采用第一化學機械研磨方法平坦化所述第一材料層，所述第一化學機械研磨方法包括 第一搖擺研磨步驟和第一固定研磨步驟，所述第一固定研磨步驟將研磨頭中定位環(huán)的至少 一部分懸空在研磨墊正上方以外，所述定位環(huán)懸空部分到所述研磨墊邊緣的最大距離大于 等于所述定位環(huán)的圓環(huán)寬度； 在所述第一化學機械研磨方法后，將所述器件晶圓和承載晶圓鍵合在一起。2. 如權利要求1所述的晶圓的鍵合方法，其特征在于，所述第一固定研磨步驟同時將 所述器件晶圓的至少一部分懸空在所述研磨墊正上方以外，所述器件晶圓懸空部分的最大 徑向?qū)挾葹?0毫米。3. 如權利要求1所述的晶圓的鍵合方法，其特征在于，所述第一化學機械研磨方法還 包括第二搖擺研磨步驟和第二固定研磨步驟的至少其中一個步驟。4. 如權利要求1、2或3所述的晶圓的鍵合方法，其特征在于，所述鍵合方法還包括： 在所述第一化學機械研磨方法后，在所述器件晶圓正面形成第二材料層； 采用第二化學機械研磨方法平坦化所述第二材料層，所述第二化學機械研磨方法包括 所述第一搖擺研磨步驟和第一固定研磨步驟。5. 如權利要求1、2或3所述的晶圓的鍵合方法，其特征在于，所述第一搖擺研磨步驟的 搖擺頻率為5來回/分鐘~10來回/分鐘，每個來回的單程距離為1. 5英寸~2. 3英寸， 所述第一搖擺研磨步驟的研磨壓強為100克/平方厘米~400克/平方厘米。6. 如權利要求1、2或3所述的晶圓的鍵合方法，其特征在于，所述第一固定研磨步驟時 定位環(huán)的轉(zhuǎn)速為75轉(zhuǎn)/分鐘~130轉(zhuǎn)/分鐘。7. 如權利要求1、2或3所述的晶圓的鍵合方法，其特征在于，所述第一固定研磨步驟的 研磨壓強為100克/平方厘米~400克/平方厘米，所述第一固定研磨步驟的研磨速率為 2000埃/分鐘~4000埃/分鐘。8. 如權利要求1、2或3所述的晶圓的鍵合方法，其特征在于，所述第一材料層的材料為 氧化硅。9. 一種化學機械研磨方法，其特征在于，包括： 在晶圓表面形成研磨材料層； 采用第一搖擺研磨步驟對所述研磨材料層進行平坦化； 采用第一固定研磨步驟對所述研磨材料層進行平坦化，所述第一固定研磨步驟將研磨 頭中定位環(huán)的至少一部分懸空在研磨墊正上方以外，所述懸空部分到所述研磨墊邊緣的最 大距離大于等于所述定位環(huán)的寬度。10. 如權利要求9所述的化學機械研磨方法，其特征在于，在所述第一搖擺研磨步驟和 第一固定研磨步驟之后，還包括搖擺研磨步驟和第二固定研磨步驟的至少其中一個步驟。11. 如權利要求9或10所述化學機械研磨方法，其特征在于，所述第一搖擺研磨步驟的 搖擺頻率為5來回/分鐘~10來回/分鐘，每個來回的單程距離為1. 5英寸~2. 3英寸， 所述第一搖擺研磨步驟的研磨壓強為100克/平方厘米~400克/平方厘米。12. 如權利要求9或10所述的化學機械研磨方法，其特征在于，所述第一固定研磨步驟 時定位環(huán)的轉(zhuǎn)速為75轉(zhuǎn)/分鐘~130轉(zhuǎn)/分鐘，所述第一固定研磨步驟的研磨壓強為100 克/平方厘米~400克/平方厘米，所述第一固定研磨步驟的研磨速率為2000埃/分鐘~ 4000埃/分鐘。13.如權利要求9或10所述的化學機械研磨方法，其特征在于，所述研磨材料層的材料 為銅、錯、媽、娃、氮化娃或氧化娃。
【文檔編號】H01L21/60GK105990163SQ201510051560
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年1月30日
【發(fā)明人】王賢超, 張啟迪
【申請人】中芯國際集成電路制造(上海)有限公司