背面减薄前，为什么要先键合？
1 / 3
键合提供支撑
三幅图保持固定空间朝向：下方是键合侧，正面器件和互连在附近；上方是接下来要减薄和钝化的硅背面。观察方向始终不变。
背照式（BSI）图像传感器需要将硅衬底减薄至微米级，使入射光绕过正面多层金属互连直接进入光电二极管。本课沿晶圆键合、背面硅减薄与化学机械抛光（CMP1），以及高 k 氧化铝（Al₂O₃）背面钝化三步，解析刚性机械支撑移交、亚表面损伤消除与负固定电荷场效应钝化的物理逻辑。
CIS/ISP Wafer TC Bond 将已完成正面器件与互连的传感器晶圆与对向逻辑（ISP）晶圆对准贴合，为后续背面极端减薄和三维集成提供刚性机械支撑。注意正面器件和互连位于靠近下方键合界面的一侧。
- 物理化学机制
- 在铜—介质混合键合（Hybrid Bonding）界面中，介质区与铜焊盘承担不同连接职责：平坦化活化的氧化物介质建立全片机械贴合与密封隔离，而对向铜焊盘受表面初始凹陷（Recess）度与内部空位演化约束，在退火互扩散后建立垂直电连续。
- 工艺窗口与承接
- 减薄至数微米的硅膜自身无法独立承受研磨剪切应力，必须先借键合晶圆建立机械支撑；但堆叠贴合成功不能自动认证每个铜焊盘均已导通，机械连接、铜电连续与介质无空洞隔离必须分别通过结构与电学测试确认。
2 / 3
从背面去除硅
在底部键合晶圆支撑下，从上方背面去除大体积硅衬底（经机械研磨与 CIS Backside Si CMP1），大幅降低剩余硅厚度并消除研磨亚表面损伤。正面互连的位置没有翻转，仍靠近下方键合侧。
- 物理化学机制
- 粗机械研磨会留下严重的亚表面微裂纹、加工硬化区与总厚度偏差（TTV）；随后的背面硅 CMP1 在碱性抛光液中迅速氧化并水合暴露的硅表面，生成机械强度显著降低的钝化软化反应层，再由纳米二氧化硅磨粒在抛光垫接触剪切下高速剥离受损硅层。
- 工艺窗口与承接
- 减薄消除了厚硅衬底对短波光子的寄生吸收并缩短光程，为后续高精度 CMP2 目标厚度调整准备平滑低损伤表面；但若碱性抛光液偏离窗口导致副产物析出团聚划伤，或暴露表面残留高密度悬挂键，会直接恶化像素暗电流。
3 / 3
处理减薄后的表面
在减薄并清洁调理后的硅背面上，HKD/AR1 AlO deposition 沉积氧化铝（Al₂O₃）薄膜，同时承担背面缺陷电学钝化与底层减反射（AR1）光学叠层功能。图中标明了加工位置；最终的电学和光学性能还需要测试确认。
- 物理化学机制
- Al₂O₃ 层依靠“化学钝化 + 场效应钝化”双重机制抑制暗电流：初始 ALD 循环形成的超薄界面氧化物饱和硅背面悬挂键，降低 Shockley-Read-Hall（SRH）界面陷阱密度；同时 Al₂O₃ 在硅界面附近天然携带负固定电荷，在背面感应出空穴积累层以排斥光生电子靠近缺陷表面。
- 工艺窗口与承接
- 该 Al₂O₃ 层同时作为后续 TaO 等高折射率减反射膜系（AR Stack）的第一层光学匹配界面；若后续热处理中界面捕获的氢或水分释气积聚引发薄膜起泡（Blistering）与分层，将同时破坏暗电流抑制与透光率。
本节要点
背照式（BSI）图像传感器通过颠倒光路与金属互连的空间次序，消除正面BEOL金属布线对入射光子的遮挡：但若在无刚性支撑状态下将晶圆减薄至数微米，硅片会因内应力翘曲乃至碎裂，且后续已无法承受正面高温热预算。因此本Flow在第290步先将完成正面互连的CIS晶圆翻转，与ISP晶圆面对面热压/混合键合；再在第295步从CIS背面实施硅CMP，去除机械粗磨残留的亚表面微裂纹并将光电二极管推向受光表面；最后在第307步低温沉积富含负固定电荷的Al₂O₃层，在背面诱导电洞积累层以实现场效应暗电流钝化与光学增透。
查看工艺变化对照表
| 工艺维度 | 核心物理与选择性机制 | 窗口失配风险与验证边界 |
|---|---|---|
| 晶圆键合（第290步） | 表面等离子体活化亲水硅烷醇基缩合为Si–O–Si共价键，配合热压原子互扩散锁定面对面三维堆叠。 | 界面颗粒导致的键合空洞（Bond Void）会在后续背面减薄时引发硅膜鼓泡剥离；键合良率需由超声扫描（C-SAM）确认。 |
| 背面硅CMP（第295步） | 碱性抛光液羟基攻击削弱Si–Si键并配合纳米磨料温和剪切，消除背面机械粗磨遗留的亚表面微裂纹。 | 总厚度偏差（TTV）失控会导致跨晶圆吸收光程与光谱响应漂移；正面器件和互连的物理身份在此过程中保持不变。 |
| 背面Al₂O₃钝化（第307步） | 高密度负固定电荷在背面硅表层感应空穴积累层，排斥界面态热生电子，同时充当折射率渐变减反射首层。 | 负固定电荷密度退化会引起背面暗电流与白点激增；单一薄膜示意不能直接证明量子效率（QE）或暗电流达标。 |
图示范围
本图采用固定观察视角，以简化色带表示正面互连层与键合界面，未展开微凸点/混合键合焊盘细节。省略了第291–294步键合退火、背面粗磨与湿法应力释放，以及第296–306步二次精抛与背面界面预处理；图中不包含C-SAM或光电实测结果。