CN104934293B - 一种金属层图形化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属层图形化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：提供一上表面设有图形化硬掩膜层的投影晶圆，刻蚀所述投影晶圆，直到形成穿过所述投影晶圆上下表面的通孔为止，并且使得所述投影晶圆表面没有形成通孔的区域不被刻蚀；提供一器件晶圆，将含有所述图形通孔的投影晶圆的下表面键合于所述器件晶圆的上表面，形成一键合结构；在所述键合结构的上表面沉积一金属层；将所述投影晶圆与所述器件晶圆剥离，形成上表面具有图形化金属层的器件晶圆。本发明的金属层图形化方法使得在晶圆表面形成图形化金属层的过程中省略光刻胶的剥离过程，同时金属层图形化可以在高温下进行，步骤简单且极大的节约了生产成本。

Description

一种金属层图形化方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造和微电子机械系统加工领域，特别是涉及一种晶圆表面金属层图形化的方法。

背景技术

金属剥离工艺是为电子机械系统和集成电路加工工艺中重要的工艺步骤。例如在晶圆表面形成金的图形化金属层，一般的常规工艺是用光刻胶做掩模，用化学剂腐蚀；基本的工艺流程为：（1）如图1a所示，在一器件晶圆10的表面形成图形化光掩模11；（2）然后如图1b所示，在所述器件晶圆10及其表面的图形化光掩模11上同步沉积金属层12,；（3）如图1c所示，采用常规的光刻胶的剥离技术，将所述光掩模图形11与所述器件晶圆10剥离，同时也带走了沉积在所述光掩模图形上表面的金属，留下了图形化金属层13。

在现有技术中，使用剥离法在衬底上形成金属图案在III-V族化合物半导体器件制作工艺中应用在此工艺制程中的典型金属一般都是贵重金属如金(Au)、铂(Pt)、钛(Ti)、镍(Ni)、铬(Cr)、钽(Ta)及其复合物，难以用普通包括湿法或干法的蚀刻方法进行蚀刻；由于金属的表面具有很强的反射，在其表面进行光刻形成精细图案存在诸多困难；由于蚀刻这些金属需要用到很强的化学品，对其底下的衬底如砷化镓、磷化铟和硅等具有侵袭的作用，从而会劣化其制成的微电子器件的性能；同时蚀刻工艺还存在蚀刻选择比的问题。

现有技术的工艺过程中，光刻胶的厚度通常大于5微米，而且在金属的沉积过程中，要保持温度小于110℃的低温环境。而光刻胶通常较为昂贵，保持低温也及其耗电，因此极大地增加了制程的成本。因此有必要提出一种金属层图形化的方法来解决上述诸多问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种金属层图形化方法，用于解决现有技术中由于形成图形化金属层的腐蚀液对衬底有腐蚀、所述光刻胶厚度限制的问题以及刻蚀过程中保持低温从而导致成本上升的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种金属层图形化方法，该方法包括以下步骤：（1）提供一上表面设有图形化硬掩膜层的投影晶圆，刻蚀所述图形化硬掩膜层与投影晶圆，直到形成穿过所述投影晶圆上下表面的通孔为止，并且使得所述投影晶圆表面未形成通孔的区域不被刻蚀；

（2）提供一器件晶圆，将含有所述通孔的投影晶圆的下表面键合于所述器件晶圆的上表面，形成一键合结构；

（3）在所述键合结构的上表面沉积一金属层；

（4）将所述投影晶圆与所述器件晶圆剥离，形成上表面具有图形化金属层的器件晶圆。

作为本发明的金属层图形化方法的一种优选方案，所述步骤（1）中所述图形化硬掩膜层与所述投影晶圆的刻蚀速率比为100：1至120：1。

作为本发明的金属层图形化方法的一种优选方案，所述步骤（1）中刻蚀所述投影晶圆的方法为干法刻蚀。

作为本发明的金属层图形化方法的一种优选方案，所述干法刻蚀的方式为深反应离子刻蚀。

作为本发明的金属层图形化方法的一种优选方案，所述步骤（1）中图形化硬掩膜层的形成步骤为：

a、提供一上表面沉积有硬掩膜层的投影晶圆；

b、在所述硬掩膜层表面旋涂光阻层并依次经曝光、显影之后形成图形化光掩膜；

c、刻蚀所述图形化光掩膜与所述硬掩膜层，直到暴露出部分所述投影晶圆上表面为止，并形成所述图形化硬掩膜层。

作为本发明的金属层图形化方法的一种优选方案，所述步骤a中的硬掩膜层的材料包括氮化硅或氮氧化硅。

作为本发明的金属层图形化方法的一种优选方案，所述步骤a中沉积硬掩膜层的方法包括低压化学气相沉积、常压化学气相沉积或等离子体增强型淀积。

作为本发明的金属层图形化方法的一种优选方案，所述步骤c中所述图形化光掩模与所述硬掩膜层的刻蚀速率比为：1：1至2：1。

作为本发明的金属层图形化方法的一种优选方案，所述步骤c中刻蚀所述硬掩膜层的方法为干法刻蚀。

作为本发明的金属层图形化方法的一种优选方案，所述步骤（3）中沉积所述金属层的方法包括溅射或电化学反应。

作为本发明的金属层图形化方法的一种优选方案，所述步骤（4）中的剥离方法包括机械剥离或激光剥离。

如上所述，本发明的金属层图形化方法，具有以下有益效果：本发明的金属层图形化方法通过利用具有图形化的投影晶圆与器件晶圆键合的方式，使得在晶圆表面形成图形化金属 层的过程中省略光刻胶的剥离过程，同时金属层图形化可以在高温下进行，步骤简单且极大的节约了生产成本。

附图说明

图1a至图1c显示为现有技术中的晶圆表面金属层的图形化方法流程示意图。

图2显示为本发明的金属层图形化方法的流程示意图。

图2a显示为本发明的具有硬掩膜层的投影晶圆的剖面示意图。

图2b显示为本发明的上表面依次沉积有硬掩膜层和光掩模层的投影晶圆的剖面示意图。

图2c显示为本发明的硬掩膜层上表面沉积有图形化光掩模的投影晶圆的剖面示意图。

图2d显示为本发明的投影晶圆上表面具有图形化硬掩膜层的剖面示意图。

图2e显示为本发明的穿过所述投影晶圆上下表面的通孔的剖面示意图。

图2f显示为本发明的具有通孔的投影晶圆与所述器件晶圆键合形成键合结构的剖面示意图。

图2g显示为本发明的键合结构表面沉积有金属层的剖面示意图。

图2h显示为本发明的器件晶圆与投影晶圆剥离后形成上表面具有图形化金属层的器件晶圆。

元件标号说明

10、26 器件晶圆

11、23 图形化光掩模

12、27 金属层

13、28 图形化金属层

20 投影晶圆

21 硬掩膜层

22 光阻层

24 图形化硬掩膜层

25 通孔

S1～S4 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露 的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图2以及2a至图2h。其中，图2显示为本发明的金属层图形化方法的流程示意图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

如图2a所示，图2a显示为本发明的具有硬掩膜层的投影晶圆的剖面示意图。在所述投影晶圆20的上表面沉积一硬掩膜层21，所述硬掩膜层21的材料一般包括氮化硅或氮氧化硅。本实施例中，所述硬掩膜层21的材料为氮化硅。沉积所述氮化硅或氮氧化硅的方法一般包括低压化学气相沉积、常压化学气相沉积或等离子体增强型淀积等。作为本发明的一种优选方案，本实施例采用等离子体增强型淀积的方法将氮化硅沉积在所述投影晶圆的表面，所谓的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)是基于通常叫做等离子体的电离气体的使用的过程。等离子体是电离很大比例的原子或分子的任何气体。等离子体是与普通气体截然不同的物质的状态，并且其具有独特的特性。术语“电离的”指的是一个或多个自由电子的存在，它们不被束缚至原子或分子。自由电荷使得等离子体导电，从而，其对电场、磁场和电磁场产生强烈的反应。通过加热和电离气体，从原子中剥去电子，由此使得正负电荷能够更自由地移动，可形成不同类型的等离子体。等离子体的特性允许一人执行处理，以将薄膜从气态到固态而沉积在某基板上。通常在两个电极之间的射频、交流电频率或直流电放电下，执行等离子体沉积。等离子体通常比任何与其接触的物体更带正电，否则，大通量的电子将从等离子体流至物体。所有暴露于等离子体的表面均接收到高能离子轰击。本实施例中，沉积所述硬掩膜层的厚度为1微米至2微米。

如图2b和2c所示，图2b显示为本发明的上表面依次沉积有硬掩膜层21和光阻层22的投影晶圆的剖面示意图。图2c显示为本实施例的所述硬掩膜层21上表面沉积有图形化光掩模23的投影晶圆的剖面示意图。在所述硬掩膜层21表面旋涂光阻层22并依次经曝光、显影之后形成图形化光掩膜23；该步骤中，旋涂光阻层并形成图形化光掩模的目的是为了形成下一步中的图形化硬掩膜层。所述旋涂的光阻的厚度为4微米至5微米。所述图形化光掩模与即将形成的图形化硬掩膜层的图形一致。接着刻蚀如图2c中所述图形化光掩膜23与所述硬掩膜层21，直到暴露出部分所述投影晶圆上表面为止，并形成如图2d所示的图形化硬掩膜 层24。刻蚀所述图形化光掩模23的同时，所述硬掩膜层21也同步被刻蚀。本发明中，由于所述图形化光掩模与所述硬掩膜层一同被刻蚀，当所述图形化光掩模的厚度还没来得及被完全刻蚀或刚好被完全刻蚀时（即在所述硬掩膜层上表面没有留下所述图形化的光掩模），未被所述光掩膜覆盖的硬掩膜区域已经被刻蚀至裸露出所述投影晶圆的上表面，因此，本实施例中所述图形化光掩模与所述硬掩膜层的刻蚀速率比为：1：1至2：1。本发明中，所述硬掩膜被刻蚀时采用的刻蚀方法为干法刻蚀。本实施例中，所述干法刻蚀的方法为溅射刻蚀。所谓的溅射刻蚀是通过高能惰性气体离子的物理轰击作用刻蚀。

接着实施步骤S1：提供以上步骤得到的上表面设有图形化硬掩膜层24的投影晶圆20，刻蚀所述图形化硬掩膜层24与投影晶圆20，直到形成如图2e所示的穿过所述投影晶圆20上下表面的通孔25为止，（图2e显示为本发明的穿过所述投影晶圆上下表面的通孔的剖面示意图）；图2d显示为本发明的投影晶圆上表面具有图形化硬掩膜层的剖面示意图。该步骤中，刻蚀如图2d所示的所述图形化硬掩膜层24与所述投影晶圆20时为同步刻蚀，因此刻蚀完成后，所述投影晶圆20表面没有形成通孔的区域不被刻蚀。本发明中，所述刻蚀方法为干法刻蚀，如干法刻蚀中的溅射刻蚀、化学性刻蚀、物理化学性刻蚀、反应离子刻蚀或深反应离子刻蚀等；本实施例中，所述干法刻蚀的方法为深反应离子刻蚀法。相对于一般的反应离子刻蚀法，深反应离子刻蚀主要应用于微机电系统（MEMS）的器件制程中，通常用于对硅等材料的深通孔刻蚀，例如，在体硅刻蚀技术中，深硅通孔的深度达到几百微米，其深宽度比大于10，因此通常采用深反应离子刻蚀方法（DRIE）来刻蚀。本实施例中所述投影晶圆20正是需要刻蚀穿过其上下表面并形成通孔。因而本实施例采用深反应离子刻蚀方法能够达到较理想的刻蚀效果。同时，由于所述图形化硬掩膜层与所述投影晶圆为同步刻蚀，因此，本实施例中，所述图形化硬掩膜层与所述投影晶圆的刻蚀速率比为100：1至120：1时，才能保证当所述投影晶圆形成穿过其上下表面的通孔时，覆盖在所述投影晶圆上表面的图形化硬掩膜层有所剩余或者刚好被刻蚀完，而处于所述图形化硬掩膜层以下的所述投影晶圆的区域不会被刻蚀。

接着实施步骤S2：提供一器件晶圆26，将含有所述通孔的投影晶圆20的下表面键合于所述器件晶圆26的上表面，形成一键合结构；如图2f所示，图2f显示为本发明的具有通孔的投影晶圆与所述器件晶圆键合形成键合结构的剖面示意图。该步骤中，所述键合的方法包括热熔键合或硅-硅直接键合，本实施例中，晶圆与晶圆之间的键合方式采用热熔键合。所述键合结构上表面可能存在如图2f所示的刻蚀后剩余的图形化硬掩膜层24，也可能在步骤S1中形成所述通孔25的过程中将所述图形化硬掩膜层24全部刻蚀，即在形成的所述键合结构上表面没有剩余图形化硬掩膜层。而在所述图形化硬掩膜层与所述投影晶圆的刻蚀速率比达 到100：1至120：1的情况下，无论所述图形化硬掩膜层有无剩余，被覆盖在所述图形化硬掩膜层下的投影晶圆表面都不被刻蚀。

接着实施步骤S3：在所述键合结构的上表面沉积一金属层27；本实施例的该步骤形成的金属层如图2g所示，图2g显示为本发明的键合结构表面沉积有金属层的剖面示意图。在形成所述键合结构后，如果所述键合结构表面还剩余有所述图形化硬掩膜层24，由于是同步沉积，因此所述金属层是沉积在所述剩余的图形化硬掩膜层表面，同时也沉积在通过所述通孔25裸露出来的器件晶圆的表面上；如果所述键合结构的上表面没有剩余的图形化的硬掩膜层24，则所述金属层被沉积在投影晶圆20的上表面以及通过所述通孔裸露出的器件晶圆26的表面的区域。该步骤中，沉积所述金属层的方法可以是溅射沉积，也可以是电化学反应。所谓电化学反应也称为电镀，即通过电解化合物的方法在所述电镀物的表面形成一层金属膜。

接着实施步骤S4：将如图2g中的所述投影晶圆26与所述器件晶圆20剥离，形成上表面具有图形化金属层28的器件晶圆。将如图2g中所示的投影晶圆20与所述器件晶圆26彼此分离，所述的分离的方法为半导体工艺中的剥离技术，本发明中，所述的剥离方法包括机械剥离或激光剥离。所谓的机械剥离利用常规工艺中划片机切割的方法将所述两个晶圆进行剥离。在进行所述激光剥离工序时，通常将被照射物晶圆吸附保持在工作台上面，利用激光划片机或激光切割机将所述两个晶圆分离后形成如图2h所示的上表面具有图形化金属层28的器件晶圆。图2h显示为本发明的器件晶圆与投影晶圆剥离后形成上表面具有图形化金属层的器件晶圆。

综上所述，本发明提供一种金属层图形化方法，通过利用具有图形化的投影晶圆与器件晶圆键合的方式，使得在器件晶圆表面形成图形化金属层的过程中省略光刻胶的剥离过程，同时金属层图形化可以在高温下进行，步骤简单且极大的节约了生产成本。本发明用于解决现有技术中由于形成图形化金属层的腐蚀液对衬底有腐蚀、所述光刻胶厚度的限制的问题以及刻蚀过程中保持低温从而导致成本上升的问题。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种金属层图形化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)提供一上表面设有图形化硬掩膜层的投影晶圆，刻蚀所述图形化硬掩膜层与投影晶圆，直到形成穿过所述投影晶圆上下表面的通孔为止，并且使得所述投影晶圆表面未形成通孔的区域不被刻蚀；

(2)提供一器件晶圆，将含有所述通孔的投影晶圆的下表面键合于所述器件晶圆的上表面，形成一键合结构；

(3)在所述键合结构的上表面沉积一金属层；

(4)将所述投影晶圆与所述器件晶圆剥离，形成上表面具有图形化金属层的器件晶圆。

2.根据权利要求1所述的金属层图形化方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述图形化硬掩膜层与所述投影晶圆的刻蚀速率比为100：1至120：1。

3.根据权利要求1所述的金属层图形化方法，其特征在于：所述步骤(1)中刻蚀所述投影晶圆的方法为干法刻蚀。

4.根据权利要求3所述的金属层图形化方法，其特征在于：所述干法刻蚀的方式为深反应离子刻蚀。

5.根据权利要求1所述的金属层图形化方法，其特征在于：所述步骤(1)中图形化硬掩膜层的形成步骤为：

a、提供一上表面沉积有硬掩膜层的投影晶圆；

b、在所述硬掩膜层表面旋涂光阻层并依次经曝光、显影之后形成图形化光掩膜；

c、刻蚀所述图形化光掩膜与所述硬掩膜层，直到暴露出部分所述投影晶圆上表面为止，并形成所述图形化硬掩膜层。

6.根据权利要求5所述的金属层图形化方法，其特征在于：所述步骤a中的硬掩膜层的材料包括氮化硅或氮氧化硅。

7.根据权利要求5所述的金属层图形化方法，其特征在于：所述步骤a中沉积硬掩膜层的方法包括低压化学气相沉积、常压化学气相沉积或等离子体增强型淀积。

8.根据权利要求5所述的金属层图形化方法，其特征在于：所述步骤c中所述图形化光掩模与所述硬掩膜层的刻蚀速率比为：1：1至2：1。

9.根据权利要求5所述的金属层图形化方法，其特征在于：所述步骤c中刻蚀所述硬掩膜层的方法为干法刻蚀。

10.根据权利要求1所述的金属层图形化方法，其特征在于：所述步骤(3)中沉积所述金属层的方法包括溅射或电化学反应。

11.根据权利要求1所述的金属层图形化方法，其特征在于：所述步骤(4)中的剥离方法包括机械剥离或激光剥离。