CN111762754B - 测量共晶键合对准偏差的测试结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量共晶键合对准偏差的测试结构，包括形成于第一硅晶圆的第一表面上的多个顶层硅条形以及形成于第二硅晶圆的第一表面上的第二键合材料块，在各顶层硅条形表面形成有第一键合材料层；各顶层硅条形作为共晶键合的对准偏差的刻度；第二键合材料块和第一测试衬垫连接；各顶层硅条形顶部的第一键合材料层都和对应的第二测试衬垫连接；进行对准偏差测量时，对第一和各第二测试衬垫的导通关系进行测量，导通时表示第二键合材料块和对应位置的顶层硅条形顶部的第一键合材料层键合，从而确定共晶键合的对准偏差。本发明能有效监控键合机台的对准精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体集成电路，特别是涉及一种测量共晶键合对准偏差的测试结构。
背景技术
如图1所示，是现有硅基MEMS运动传感器的示意图，包括了3片键合在一起的硅晶圆，即第三硅晶圆101、第一硅晶圆102和第二硅晶圆103。
其中，硅基MEMS运动传感器形成于第一硅晶圆102上，第三硅晶圆101作为第一硅晶圆102的封盖层，第一硅晶圆103上形成CMOS集成电路，通过CMOS集成电路对硅基MEMS运动传感器进行控制。
第三硅晶圆101上形成有空腔1。
硅基MEMS运动传感器的组成包括固定电极和可动电极，固定电极和可动电极之间间隔由沟槽3。其中空腔1在位置上和可动电极相对应并为可动电极的移动提供空间。通过固定电极和可动电极的相对位置的变化，能够实现运动状态的检查，如实现压力传感器，加速度传感器等，这在智能设备如智能手机、汽车和医疗等方面都有很好的应用。
第二硅晶圆103形成有CMOS集成电路，CMOS集成电路的顶部形成有层间膜5，各层层间膜5之间具有金属层，并通过顶层金属层(TM)6实现电极的引出。
第三硅晶圆101和第一硅晶圆102之间通过氧化层如二氧化硅层2键合在一起。
第二硅晶圆103和第一硅晶圆102之间通过共晶键合(EutecticBonding)。令，第三硅晶圆101是和第一硅晶圆102的第二面键合，则第二硅晶圆103会和第一硅晶圆102的第一面键合，第一面和第二面为第一硅晶圆102的正反两面。
通常，共晶键合中，第一键合材料层4为形成于第一硅晶圆102的固定电极的第二面上的锗(Ge)层4，第二键合材料层7为形成于顶层金属层6和层间膜5表面的金属层组成；第二键合材料层7对应的金属层为多层金属层的叠加层如Ti、TiN和Al的叠加层，或第二键合材料层7的金属层由单层金属Al组成，最后实现Al和Ge的共晶键合。第一键合材料层4和第二键合材料层7之间进行共晶键合后，第二硅晶圆103和第一硅晶圆102会接合在一起，且实现电连接。
上述和CMOS集成电路Al-Ge共晶键合连接的硅基MEMS运动传感器也称硅基CMOS-MEMS运动传感器如硅基CMOS-MEMS加速度传感器，CMOS和MEMS的微观图形对准精度极为重要，会直接影响器件性能。现有技术中，对准图形只有键合机器的搜索标记(searchmark)，分别为Alsearchmark和Gesearchmark，但是没有对Al searchmark和Gesearchmark的套准(overlay)进行量测的标记即套准标记，无法准确判断对准偏差，不能有效监控键合机台的对准精度。
如图2A所示，是现有Gesearchmark的示意图，Gesearchmark201中包括虚线框201a和201b对应的两个区域的图形；
如图2B所示，是现有Alsearchmark的示意图，Alsearchmark202中包括了虚线框202a和202b对应的两个区域的图形；
如图2C所示，是图2A和图2B的套准示意图，套准图203中，虚线框203a对应的区域为虚线框201a和202a套准形成的图形，虚线框201a中为开口但是虚线框202a中不开口的区域中会填充Al，虚线框202a中为开口但是虚线框201a中不开口的区域中会填充Ge，但是虚线框201a和202a还具有开口重叠区，重叠区形成标记203d所示的开口；虚线框203b对应于虚线框201b处的套准图形，可以看出，虚线框201b的开口中都填充有Al；虚线框203c对应于虚线框202b处的套准图形，可以看出，虚线框202b的开口中都填充有Ge.
如图2D所示，是图2C的图形区域203a对应的照片，照片中可以看出开口图形203d，开口图形203d具有一定的偏移。但是，在所述第二硅晶圆103和所述第一硅晶圆102共晶键合后，无法对开口图形203d的偏移进行测量，这是因为键合后，开口图形203d为所述第二硅晶圆103和所述第一硅晶圆102组成的整体结构的内部，而不是表面。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种测量共晶键合对准偏差的测试结构，能有效监控键合机台的对准精度。
为解决上述技术问题，本发明提供的测量共晶键合对准偏差的测试结构，第一硅晶圆和第二硅晶圆之间通过形成于所述第一硅晶圆的第一表面上的第一键合材料层以及所述第二硅晶圆的第一表面上的第二键合材料层实现共晶键合。
测试结构包括形成于所述第一硅晶圆的第一表面上的多个顶层硅条形以及形成于所述第二硅晶圆的第一表面上的第二键合材料块，在各所述顶层硅条形表面形成有第一键合材料层。
各所述顶层硅条形作为所述共晶键合的对准偏差的刻度，所述共晶键合出现对准偏差时，所述第二键合材料块和对应位置的所述顶层硅条形顶部的第一键合材料层键合。
所述第二键合材料块和第一测试衬垫连接；各所述顶层硅条形顶部的第一键合材料层都和对应的第二测试衬垫连接。
进行所述共晶键合的对准偏差测量时，对所述第一测试衬垫和各所述第二测试衬垫的导通关系进行测量，所述第一测试衬垫和对应的所述第二测试衬垫导通时表示所述第二键合材料块和对应位置的所述顶层硅条形顶部的第一键合材料层键合，从而确定所述共晶键合的对准偏差。
进一步的改进是，各所述顶层硅条形呈平行排列结构。
进一步的改进是，各所述顶层硅条形为等间距平行排列。
进一步的改进是，所述第一硅晶圆和所述第二硅晶圆之间共晶键合时，所述第二键合材料块和一根以上的所述顶层硅条形共晶键合。
进一步的改进是，在所述第一硅晶圆上形成有硅基MEMS运动传感器。
进一步的改进是，所述硅基MEMS运动传感器的组成部分包括固定电极和可动电极，固定电极和可动电极之间间隔有沟槽。
进一步的改进是，在所述第一硅晶圆的第二面和第三硅晶圆键合。
所述第三硅晶圆作为第一硅晶圆的封盖层。
进一步的改进是，在所述第三硅晶圆上形成有空腔，所述空腔在位置上和可动电极相对应并为可动电极的移动提供空间。
进一步的改进是，所述第一硅晶圆和第三硅晶圆之间通过二氧化硅键合。
进一步的改进是，各所述顶层硅条形和由所述第一硅晶圆组成的底层硅之间隔离有埋氧化层。
进一步的改进是，所述第二硅晶圆上形成有CMOS集成电路，所述CMOS集成电路用于硅基MEMS运动传感器进行控制。
进一步的改进是，在所述第一硅晶圆的第一表面上形成有由第一键合材料层图形化形成的第一搜索标记。
在所述第二硅晶圆的第一表面上形成有由第二键合材料层图形化形成的第二搜索标记。
进一步的改进是，所述第一硅晶圆和所述第二硅晶圆共晶键合后，所述第一搜索标记和所述第二搜索标记之间会互相套准。
进一步的改进是，所述硅基MEMS运动传感器的类型包括压力传感器，加速度传感器。
进一步的改进是，第一键合材料包括锗；第二键合材料包括铝。
本发明在共晶键合的第一硅晶圆上设置多个位置确定顶层硅条形并作为对准偏差的刻度，以及在第二硅晶圆上设置第二键合材料块，共晶键合的对准偏差大小不同时，第二键合材料块会和不同位置的顶层硅条形表面的第一键合材料层键合，第二键合材料块以及顶层硅条形表面的第一键合材料层还分别和第一测试衬垫和第二测试衬垫连接，和第二键合材料块共晶键合的第一键合材料层对应的第二测试衬垫会和第一测试衬垫导通，故通过对顶层硅条形对应的第二测试衬垫和第一测试衬垫之间的导通关系进行测试，就能确定和第二键合材料块相键合的顶层硅条形，而顶层硅条形的位置是预先确定的，故能得到对准偏差，所以本发明能有效监控键合机台的对准精度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是现有硅基MEMS运动传感器的示意图；
图2A是现有Gesearchmark的示意图；
图2B是现有Alsearchmark的示意图；
图2C是图2A和图2B的套准示意图；
图2D是图2C的图形区域203a对应的照片；
图3A是本发明实施例测量共晶键合对准偏差的测试结构的俯视图；
图3B是沿图3A中的AA线的剖面结构图。
具体实施方式
如图3A所示，是本发明实施例测量共晶键合对准偏差的测试结构的俯视图；如图3B所示，是沿图3A中的AA线的剖面结构图。本发明实施例测量共晶键合对准偏差的测试结构包括：
第一硅晶圆301和第二硅晶圆302之间通过形成于所述第一硅晶圆301的第一表面上的第一键合材料层305以及所述第二硅晶圆302的第一表面上的第二键合材料层实现共晶键合。
测试结构包括形成于所述第一硅晶圆301的第一表面上的多个顶层硅条形303以及形成于所述第二硅晶圆302的第一表面上的第二键合材料块306，在各所述顶层硅条形303表面形成有第一键合材料层305。
本发明实施例中，各所述顶层硅条形303呈平行排列结构。
各所述顶层硅条形303为等间距平行排列。
第一键合材料包括锗；第二键合材料包括铝。
各所述顶层硅条形303和由所述第一硅晶圆301组成的底层硅之间隔离有埋氧化层304。
各所述顶层硅条形303作为所述共晶键合的对准偏差的刻度，所述共晶键合出现对准偏差时，所述第二键合材料块306和对应位置的所述顶层硅条形303顶部的第一键合材料层305键合。
所述第一硅晶圆301和所述第二硅晶圆302之间共晶键合时，所述第二键合材料块306和一根以上的所述顶层硅条形303共晶键合。
所述第二键合材料块306通过连线308和第一测试衬垫连接；各所述顶层硅条形303顶部的第一键合材料层305都通过各自的连线307和对应的第二测试衬垫连接。
进行所述共晶键合的对准偏差测量时，对所述第一测试衬垫和各所述第二测试衬垫的导通关系进行测量，所述第一测试衬垫和对应的所述第二测试衬垫导通时表示所述第二键合材料块306和对应位置的所述顶层硅条形303顶部的第一键合材料层305键合，从而确定所述共晶键合的对准偏差。
本发明实施例中，在所述第一硅晶圆301上形成有硅基MEMS运动传感器。本发明实施例的硅基MEMS运动传感器可以参考图1中所述第一硅晶圆102上的硅基MEMS运动传感器。
所述硅基MEMS运动传感器的组成部分包括固定电极和可动电极，固定电极和可动电极之间间隔有沟槽。
所述硅基MEMS运动传感器的类型包括压力传感器，加速度传感器。
在所述第一硅晶圆301的第二面和第三硅晶圆键合。本发明实施例的第三硅晶圆的结构可以看出图1中的第三硅晶圆101的结构。
所述第三硅晶圆作为第一硅晶圆301的封盖层。
在所述第三硅晶圆上形成有空腔，所述空腔在位置上和可动电极相对应并为可动电极的移动提供空间。
所述第一硅晶圆301和第三硅晶圆之间通过二氧化硅键合。
所述第二硅晶圆302上形成有CMOS集成电路，所述CMOS集成电路用于硅基MEMS运动传感器进行控制。本发明实施例的所述第二硅晶圆302的结构可以看出图1中的所述第二硅晶圆103的结构。
在所述第一硅晶圆301的第一表面上形成有由第一键合材料层305图形化形成的第一搜索标记。所述第一搜索标记可以参考图2A所示的Gesearchmark。
在所述第二硅晶圆302的第一表面上形成有由第二键合材料层图形化形成的第二搜索标记。所述第二搜索标记可以参考图2B所示的Alsearchmark。
所述第一硅晶圆301和所述第二硅晶圆302共晶键合后，所述第一搜索标记和所述第二搜索标记之间会互相套准。本发明实施例的套准图形可以参考图3B所示的套准图形。
本发明实施例在共晶键合的第一硅晶圆301上设置多个位置确定顶层硅条形303并作为对准偏差的刻度，以及在第二硅晶圆302上设置第二键合材料块306，共晶键合的对准偏差大小不同时，第二键合材料块306会和不同位置的顶层硅条形303表面的第一键合材料层305键合，第二键合材料块306以及顶层硅条形303表面的第一键合材料层305还分别和第一测试衬垫和第二测试衬垫连接，和第二键合材料块306共晶键合的第一键合材料层305对应的第二测试衬垫会和第一测试衬垫导通，故通过对顶层硅条形303对应的第二测试衬垫和第一测试衬垫之间的导通关系进行测试，就能确定和第二键合材料块306相键合的顶层硅条形303，而顶层硅条形303的位置是预先确定的，故能得到对准偏差，所以本发明实施例能有效监控键合机台的对准精度。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。
Claims (15)
1.一种测量共晶键合对准偏差的测试结构，其特征在于：第一硅晶圆和第二硅晶圆之间通过形成于所述第一硅晶圆的第一表面上的第一键合材料层以及所述第二硅晶圆的第一表面上的第二键合材料层实现共晶键合；
测试结构包括形成于所述第一硅晶圆的第一表面上的多个顶层硅条形以及形成于所述第二硅晶圆的第一表面上的第二键合材料块，在各所述顶层硅条形表面形成有第一键合材料层；
各所述顶层硅条形作为所述共晶键合的对准偏差的刻度，所述共晶键合出现对准偏差时，所述第二键合材料块和对应位置的所述顶层硅条形顶部的第一键合材料层键合；
所述第二键合材料块和第一测试衬垫连接；各所述顶层硅条形顶部的第一键合材料层都和对应的第二测试衬垫连接；
进行所述共晶键合的对准偏差测量时，对所述第一测试衬垫和各所述第二测试衬垫的导通关系进行测量，所述第一测试衬垫和对应的所述第二测试衬垫导通时表示所述第二键合材料块和对应位置的所述顶层硅条形顶部的第一键合材料层键合，从而确定所述共晶键合的对准偏差。
2.如权利要求1所述的测量共晶键合对准偏差的测试结构，其特征在于：各所述顶层硅条形呈平行排列结构。
3.如权利要求2所述的测量共晶键合对准偏差的测试结构，其特征在于：各所述顶层硅条形为等间距平行排列。
4.如权利要求3所述的测量共晶键合对准偏差的测试结构，其特征在于：所述第一硅晶圆和所述第二硅晶圆之间共晶键合时，所述第二键合材料块和一根以上的所述顶层硅条形共晶键合。
5.如权利要求1所述的测量共晶键合对准偏差的测试结构，其特征在于：在所述第一硅晶圆上形成有硅基MEMS运动传感器。
6.如权利要求5所述的测量共晶键合对准偏差的测试结构，其特征在于：所述硅基MEMS运动传感器的组成部分包括固定电极和可动电极，固定电极和可动电极之间间隔有沟槽。
7.如权利要求6所述的测量共晶键合对准偏差的测试结构，其特征在于：在所述第一硅晶圆的第二面和第三硅晶圆键合；
所述第三硅晶圆作为第一硅晶圆的封盖层。
8.如权利要求7所述的测量共晶键合对准偏差的测试结构，其特征在于：在所述第三硅晶圆上形成有空腔，所述空腔在位置上和可动电极相对应并为可动电极的移动提供空间。
9.如权利要求7所述的测量共晶键合对准偏差的测试结构，其特征在于：所述第一硅晶圆和第三硅晶圆之间通过二氧化硅键合。
10.如权利要求1所述的测量共晶键合对准偏差的测试结构，其特征在于：各所述顶层硅条形和由所述第一硅晶圆组成的底层硅之间隔离有埋氧化层。
11.如权利要求5所述的测量共晶键合对准偏差的测试结构，其特征在于：所述第二硅晶圆上形成有CMOS集成电路，所述CMOS集成电路用于硅基MEMS运动传感器进行控制。
12.如权利要求1所述的测量共晶键合对准偏差的测试结构，其特征在于：在所述第一硅晶圆的第一表面上形成有由第一键合材料层图形化形成的第一搜索标记；
在所述第二硅晶圆的第一表面上形成有由第二键合材料层图形化形成的第二搜索标记。
13.如权利要求12所述的测量共晶键合对准偏差的测试结构，其特征在于：所述第一硅晶圆和所述第二硅晶圆共晶键合后，所述第一搜索标记和所述第二搜索标记之间会互相套准。
14.如权利要求5所述的测量共晶键合对准偏差的测试结构，其特征在于：所述硅基MEMS运动传感器的类型包括压力传感器，加速度传感器。
15.如权利要求1至14中任一权项所述的测量共晶键合对准偏差的测试结构，其特征在于：第一键合材料包括锗；
第二键合材料包括铝。
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