[发明专利]晶圆、堆叠式半导体装置及其制造方法

说明书

技术领域

本公开涉及半导体领域，尤其涉及利用键合形成的堆叠式半导体装置。

背景技术

目前，在一些情况下，特别是在背照式图像传感器的情况下，需要在晶圆级别将两片晶圆面对面键合在一起。而晶圆与晶圆面对面键合在一起，又有如下几种方式：

一、常规背照式图像传感器(normal BSI image sensor)，它是由一片承载晶圆(carrier wafer)和一片器件晶圆(device wafer)键合在一起而形成的，键合界面一般为电介质层与电介质层(例如TEOS与TEOS,TEOS与热氧化物等)；

二、常规堆叠式图像传感器(Stacked image sensor)，它是由一片逻辑晶圆(logic wafer)和一片像素晶圆(pixel wafer)键合在一起而形成的，键合界面一般为电介质层与电介质层(例如TEOS与TEOS,TEOS与氮化硅等)，其中，上下两片晶圆的电路是通过TSV(Through Silicon Via)结构连接起来。通过将信号处理电路转移到逻辑晶圆中，可以增加像素晶圆中的像素区域的总面积；

三、混合键合技术(Hybrid bonding technology)图像传感器，它也是由一片逻辑晶圆和一片像素晶圆键合在一起而形成的，不同之处在于，键合界面不仅有电介质层与电介质层的键合，还有金属与金属的键合(例如Cu与Cu,Au与Au等)。这是堆叠式图像传感器的下一代，上下两片晶圆的电路是通过键合界面的金属与金属键合而连接起来的，从而达到进一步增加像素晶圆中的像素区域的总面积的目的。

但是，在混合键合技术中还存在不少问题，例如，金属与金属的直接键合连接并不容易实现，工艺复杂，可靠性低等等。

因此存在对于新的技术的需求。

发明内容

本公开的一个目的是提供一种新型的堆叠式半导体装置结构及其制造方法。本公开的另一个目的是提供用于该堆叠式半导体装置的新型晶圆结构及其制造方法。

根据本公开的第一方面，提供了一种堆叠式半导体装置，其包括：第一衬底；位于第一衬底上的第一层间绝缘层和镶嵌在第一层间绝缘层中的第一金属连线；位于第一层间绝缘层和第一金属连线上的第一电介质层和一个或更多个金属凸块，所述金属凸块与第一金属连线接触并且嵌在第一电介质层中；位于第一电介质层和金属凸块上的第二电介质层和一个或更多个通孔部件，所述通孔部件形成在第二电介质层中并且与金属凸块接触，第二电介质层与第一电介质层接触；位于第二电介质层和通孔部件上的第二层间绝缘层和镶嵌在第二层间绝缘层中的第二金属连线，第二金属连线与通孔部件接触；以及位于第二层间绝缘层和第二金属连线上的第二衬底，其中第一金属连线与第二金属连线通过至少一个通孔部件和至少一个金属凸块而电连接在一起。

根据本公开的第二方面，提供了一种晶圆，其包括：第一衬底，位于第一衬底上的第一层间绝缘层和镶嵌在第一层间绝缘层中的第一金属连线；以及位于第一层间绝缘层和第一金属连线上的第一电介质层，第一电介质层暴露于外部，并且在第一电介质层中形成有一个或更多个开口部，所述开口部穿通第一电介质层而到达第一金属连线的表面，从而从开口部中暴露出第一金属连线的部分。

根据本公开的第三方面，提供了一种晶圆，其包括：第二衬底；位于第二衬底上的第二层间绝缘层和镶嵌在第二层间绝缘层中的第二金属连线；位于第二层间绝缘层和第二金属连线上的第二电介质层和一个或更多个通孔部件，通孔部件形成在第二电介质层中并且与第二金属连线接触；以及位于第二电介质层和通孔部件上的一个或更多个金属凸块，所述金属凸块与通孔部件接触，其中金属凸块的至少顶面暴露于外部，并且与第二金属连线通过至少一个通孔部件而电连接在一起。

根据本公开的第四方面，提供了一种制造晶圆的方法，其包括：在第一衬底上形成第一层间绝缘层；通过镶嵌工艺在第一层间绝缘层中形成第一金属连线；以及在第一层间绝缘层和第一金属连线上沉积并图案化第一电介质层，从而在第一电介质层中形成一个或更多个开口部，所述开口部穿通第一电介质层而到达第一金属连线的表面，从而从开口部中暴露出第一金属连线的部分，其中第一电介质层暴露于外部。