CN105712289A - 半导体结构的形成方法 - Google Patents

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Abstract

一种半导体结构的形成方法，包括：提供基底；在所述基底表面牺牲层；在所述牺牲层内形成凹槽，暴露出部分基底的表面；形成填充满所述凹槽并覆盖牺牲层表面的金属层；去除位于牺牲层表面的金属层，形成金属焊垫；去除牺牲层，暴露出基底的表面。所述方法可以避免在形成金属焊垫的过程中，对基底表面造成损伤。

Description

半导体结构的形成方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种半导体结构的形成方法。
背景技术
微机电系统(micro-electron-mechanicalsystem，MEMS)作为起源于上世纪90年代的跨学科的先进制造技术，广泛应用于改善人们生活质量、提高人们生活水平和增强国力。微机电系统是利用半导体集成电路的微细加工技术，将传感器、制动器、控制电路等集成在微小芯片上的技术，也被称为微纳米技术。目前，在通信、汽车、光学、生物等领域获得了广泛的应用。
许多MEMS器件需要在真空环境下工作，以减少空气阻力，因此引入了键合工艺，在MEMS器件上形成盖板，将MEMS器件置于盖板与衬底形成的密闭空腔内。对MEMS器件进行封装通常采用金属键合工艺，例如Al-Ge-Al工艺，需要在晶圆上形成金属焊垫。
而现有技术在晶圆上形成金属焊垫的过程中，通常是采用溅射工艺在晶圆表面形成金属层之后，对金属层进行图形化，以在键合位置处形成金属焊垫。
现有形成金属焊垫的过程，往往会对晶圆造成损伤，从而影响在晶圆上形成的MEMS器件性能，降低MEMS器件器的灵敏度。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种半导体结构的形成方法，提高MEMS传感器的性能。
为解决上述问题，本发明提供一种半导体结构的形成方法，包括：提供基底；在所述基底表面牺牲层；在所述牺牲层内形成凹槽，暴露出部分基底的表面；形成填充满所述凹槽并覆盖牺牲层表面的金属层；去除位于牺牲层表面的金属层，形成金属焊垫；去除牺牲层，暴露出基底的表面。
可选的，所述牺牲层的材料为绝缘介质材料。
可选的，所述牺牲层的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或碳氧化硅。
可选的，采用湿法刻蚀或干法刻蚀工艺去除所述牺牲层。
可选的，所述牺牲层的厚度小于金属层最大厚度的1/3。
可选的，所述牺牲层的厚度为
可选的，所述金属层的材料为Al、Au或AlCu合金。
可选的，形成金属焊垫的方法包括：在所述金属层表面形成掩膜层，所述掩膜层位置与凹槽位置对应；以所述掩膜层为掩膜，刻蚀所述金属层，去除位于牺牲层表面的金属层。
可选的，所述掩膜层的侧壁边缘与凹槽的侧壁边缘对齐。
可选的，所述掩膜层的侧壁边缘与凹槽的侧壁边缘之间的距离小于0.5μm。
可选的，所述掩膜层的材料为氮氧化硅。
可选的，形成所述掩膜层的方法包括：在所述金属层表面形成掩膜材料层之后，在所述掩膜材料层表面形成光刻胶层，对所述光刻胶层进行图形化，形成图形化光刻胶层；以所述图形化光刻胶层为掩膜刻蚀所述掩膜材料层形成掩膜层。
可选的，采用干法刻蚀工艺刻蚀所述掩膜材料层形成掩膜层，所述干法刻蚀工艺采用的气体包括Cl2、Ar和CHF3，其中，Cl2的流量为10sccm～50sccm，Ar的流量为20sccm～100sccm，CHF3的流量为10sccm～50sccm，压强为10mTorr～30mTorr，功率为20W～1500W。
可选的，在所述牺牲层内形成凹槽的方法包括：在所述牺牲层表面形成光刻胶层，对所述光刻胶层进行曝光显影，形成图形化光刻胶层；以所述图形化光刻胶层为掩膜，对所述牺牲层进行刻蚀，形成凹槽。
可选的，采用干法刻蚀工艺对所述牺牲层进行刻蚀，所述干法刻蚀工艺采用的气体包括：CF4、CHF3、O2和Ar，其中CF4的流量为10sccm～50sccm，CHF3的流量为20sccm～100sccm，O2的流量为5sccm～25sccm，Ar的流量为200sccm～500sccm，功率为250W～700W，压强为100mTorr～300mTorr。
可选的，采用干法刻蚀工艺刻蚀所述金属层，所述干法刻蚀工艺采用的气体包括：BCl2、Cl2和CHF3，其中，BCl2的流量为50sccm～100sccm，Cl2的流量为50sccm～100sccm，CHF3的流量为5sccm～20sccm，压强为5mTorr～30mTorr，功率为100W～800W。
可选的，去除所述牺牲层的同时，去除所述掩膜层，暴露出金属焊垫的表面。
可选的，形成所述金属焊垫之后，进行湿法清洗处理。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明的实施例中，在基底表面先形成牺牲层之后，对牺牲层进行图形化，在牺牲层内形成凹槽，暴露出表面待形成金属焊垫的部分基底表面；然后续所述凹槽内和牺牲层表面形成金属层，并去除牺牲层表面的金属层，形成位于基底表面的金属焊垫。所述牺牲层作为基底表面的保护层，在形成金属层以及对金属层进行图形化的过程中，能够对基底表面进行保护，避免基底表面受到损伤，从而能够提高后续在基底上形成的MEMS器件的性能。
进一步，所述牺牲层的厚度小于金属层最大厚度的1/3，可以避免由于牺牲层的厚度过大，在后续去除牺牲层的过程中，刻蚀时间过长，对金属焊垫造成损伤。
附图说明
图1至图10是本发明的实施例的半导体结构的形成过程的结构示意图。
具体实施方式
如背景技术中所述，在晶圆表面形成金属焊垫的过程中会对晶圆表面造成损伤，影响MEMS器件的性能。
研究发现，在形成金属焊垫的过程中，首先会在晶圆表面形成金属层，所述金属层通常采用溅射工艺形成，所述溅射过程中，金属原子在沉积过程中，由于具有一定的能量，容易对晶圆表面造成损伤；而在晶圆表面形成金属层之后，所述金属层材料还容易与晶圆材料发生反应，形成金属硅化物，导致金属层与晶圆之间的刻蚀选择比发生变化，在后续对金属层进行图形化形成金属焊垫的过程中，对金属层的刻蚀过程不易控制，容易对晶圆造成损伤；并且，在对金属层进行刻蚀的过程中，还容易产生不易挥发的聚合物，粘附在晶圆表面。上述均会对在晶圆上形成的MEMS器件的性能造成不良影响。
本实施例中，在形成金属层之前，现在基底表面形成牺牲层之后，对牺牲层进行图形化，形成凹槽，所述凹槽暴露出基底表面待形成金属焊垫的位置，剩余牺牲层在后续形成金属焊垫的过程中能够保护基底的表面，使其不受影响，从而提高后续在基底表面形成的MEMS器件的性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
请参考图1，提供基底100。
所述基底100为半导体衬底，所述基底100的材料包括硅、锗、锗化硅、砷化镓等半导体材料，所述基底100可以是体材料也可以是复合结构如绝缘体上硅。本领域的技术人员可以根据基底100上形成的半导体器件选择所述基底100的类型，因此所述基底100的类型不应限制本发明的保护范围。
请参考图2，在所述基底100表面形成牺牲层200。
所述牺牲层200的材料为绝缘介质材料，与基底100材料不同，便于后续刻蚀或去除牺牲层200的时候对基底100表面不会造成损伤。
具体的，所述牺牲层200的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或碳氧化硅。本实施例中，所述牺牲层200的材料为氧化硅。可以采用化学气相沉积工艺或原子层沉积工艺形成所述牺牲层200。
所述牺牲层200在后续工艺中可以保护基底100的表面不受损伤，所述牺牲层200的厚度为使得所述牺牲层200可以对基底100起到足够的保护作用。
请参考图3，图形化所述牺牲层200，在所述牺牲层200内形成凹槽201，所述凹槽201暴露出部分基底100的表面。
本实施例中，图形化所述牺牲层200的方法包括：在所述牺牲层200表面形成光刻胶层，对所述光刻胶层进行曝光显影，形成图形化光刻胶层；以所述图形化光刻胶层为掩膜，对所述牺牲层200进行刻蚀，至基底100表面，形成暴露出基底100表面的凹槽201。
所述凹槽201的位置和尺寸即后续形成的金属焊垫的位置和尺寸。所述凹槽201暴露出基底100的表面，便于在所述基底100表面形成金属焊垫。
本实施例中，采用干法刻蚀工艺对所述牺牲层进行刻蚀，所述干法刻蚀工艺采用的气体包括：CF4、CHF3、O2和Ar，其中CF4的流量为10sccm～50sccm，CHF3的流量为20sccm～100sccm，O2的流量为5sccm～25sccm，Ar的流量为200sccm～500sccm，功率为250W～700W，压强为100mTorr～300mTorr。
由于所述牺牲层200的材料与基底100的材料不同，在所述干法刻蚀工艺中，所述牺牲层200与基底100的材料之间具有较高的刻蚀选择比，所以，所述干法刻蚀工艺不会对凹槽201的基底100表面造成损伤，进而可以确保后续在所述凹槽201底部的基底100表面形成的金属焊垫与基底100表面之间具有质量较高的界面。
形成所述凹槽201之后，采用灰化工艺或湿法刻蚀工艺去除所述图形化光刻胶层，暴露出基底100其他区域表面的牺牲层200表面。
请参考图4，形成填充满所述凹槽201(请参考图3)并覆盖牺牲层200表面的金属层300。
所述金属层300用于形成金属焊垫，所述金属层300的材料为Al、Au或AlCu合金等用于金属键合的金属。本实施例中，所述金属层的材料为Al。
可以采用溅射工艺形成所述金属层300，具体的，在溅射过程中，溅射靶材为纯Al，Ar作为溅射气体，沉积室压强为8E-3Pa～10E-3Pa，Ar流量为1.5E-2L/min～3E-2L/min，溅射功率为200W～300W。可以通过溅射时间调整形成的金属层300的厚度。
本实施例中，所述金属层300的最大厚度大于牺牲层200的三倍，即所述牺牲层200的厚度小于金属层300最大厚度的1/3，所述金属层300的最大厚度处位于基底100表面的部分金属层300处。所述牺牲层200的厚度小于金属层300最大厚度的1/3，可以避免由于牺牲层200的厚度过大，在后续去除牺牲层200的过程中，刻蚀时间过长，对金属焊垫造成损伤。
在溅射过程中，除了凹槽201底部暴露的部分基底100表面之外，基底100的其他区域表面均被牺牲层200覆盖，除凹槽201内的金属层300以外，其余金属层300不与基底100的其他区域的表面直接接触，从而溅射过程中，溅射的金属原子不会对基底100表面造成物理损伤。
并且，金属层300与基底100之间通过牺牲层200隔离，金属层300的材料不会与基底100材料之间发生反应而形成金属硅化物层，从而在后续对金属层300进行刻蚀形成金属焊垫的过程中，不会由于刻蚀率发生变化而导致刻蚀过程较难控制的问题。
同时在后续对金属层进行刻蚀过程中，保留凹槽201位置处的部分金属层作为金属焊垫，去除其他位置处的金属层，从而在刻蚀金属层300过程中，所述牺牲层200也可以对基底100表面形成保护，避免刻蚀过程对基底100表面造成损伤。
在形成所述金属层300之后，还可以对所述金属层300表面进行平坦化处理，使所述金属层300表面平坦，有利于后续在所述金属层300表面形成掩膜层。
请参考图5，在所述金属层300表面形成掩膜材料层400。
所述掩膜材料层400的材料可以是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或无定形碳等掩膜材料。本实施例中，所述掩膜材料层400的材料为氮氧化硅。所述掩膜材料层400用于形成后续刻蚀金属层300的掩膜层。
可以采用化学气相沉积工艺形成所述掩膜材料层400，所述掩膜材料层的厚度可以是
请参考图6，在所述掩膜材料层400表面形成光刻胶层，对所述光刻胶层进行图形化，形成图形化光刻胶层500。
所述图形化光刻胶层300的位置与凹槽201(请参考图3)的位置对应，使得后续以所述图形化光刻胶层500为掩膜形成的掩膜层的位置也与凹槽201的位置对应。
具体的，本实施例中，所述图形化光刻胶层500的边缘与凹槽201的侧壁对齐，使得后续形成的掩膜层的边缘也与凹槽201的侧壁对齐。
在本发明的其他实施例中，所述图形化光刻胶层500a的边缘与凹槽201的侧壁之间也可以不完全对齐(请参考图7)，两者之间的间距小于0.5μm，这样后续形成的掩膜层边缘与凹槽201的侧壁之间也不完全对齐。
请参考图8，以所述图形化光刻胶层500为掩膜刻蚀所述掩膜材料层400(请参考图7)形成掩膜层401。
本实施例中，采用干法刻蚀工艺刻蚀所述掩膜材料层400至金属层300，将图形化光刻胶层500的图形转移到掩膜材料层400上，形成掩膜层401。
本实施例中，所述干法刻蚀工艺采用的气体包括Cl2、Ar和CHF3，其中，Cl2的流量为10sccm～50sccm，Ar的流量为20sccm～100sccm，CHF3的流量为10sccm～50sccm，压强为10mTorr～30mTorr，功率为20W～1500W。
形成所述掩膜层401的位置与凹槽201(请参考图3)位置对应，本实施例中，所述掩膜层401的侧壁边缘与凹槽201的侧壁边缘对齐。
在本发明的其他实施例中，根据图形化光刻胶层500的位置，所述掩膜层的侧壁边缘与凹槽201的侧壁边缘之间的距离小于0.5μm。
将所述图形化光刻胶层500的图形转移至掩膜层401，所述掩膜层401的硬度较大，在后续刻蚀金属层300的过程中，不易受到损伤发生形变，从而可以确保刻蚀形成的金属焊垫的图形与掩膜层401的图形一致。
请参考图9，以所述掩膜层401为掩膜，刻蚀所述金属层300(请参考图7)，去除位于牺牲层200表面的金属层300，形成金属焊垫301。
本实施例中，采用干法刻蚀工艺刻蚀所述金属层300，所述干法刻蚀工艺采用的气体包括：BCl2、Cl2和CHF3，其中，BCl2的流量为50sccm～100sccm，Cl2的流量为50sccm～100sccm，CHF3的流量为5sccm～20sccm，压强为5mTorr～30mTorr，功率为100W～800W。
所述干法刻蚀以牺牲层200作为停止层。刻蚀形成所述金属焊垫301之后，去除所述图形化光刻胶层500(请参考图8)。在本发明的其他实施例中，也可以先去除所述图形化光刻胶层500之后，再以所述掩膜层401为掩膜，刻蚀所述金属层300。
在刻蚀金属层300的过程中，所述刻蚀气体容易与金属材料发生反应形成不易挥发的聚合物。除了与基底100表面直接接触的金属焊垫301，基底100的其他表面具有牺牲层200保护，所以，所述聚合物只能残留在牺牲层200的表面，在后续去除牺牲层200的过程，所述聚合物也同时被去除。
在本发明的其他实施例中，在对所述金属层300进行图形化，形成金属焊垫301之后，还可以进行湿法清洗处理，以去除刻蚀过程中产生的聚合物。所述湿法清洗采用的溶液可以是氯化氢和过氧化氢的混合水溶液，或者氨水与双氧水的混合水溶液。
请参考图10，去除牺牲层200(请参考图9)，暴露出基底100的表面。
可以采用湿法刻蚀或干法刻蚀工艺去除所述牺牲层200。本实施例中，在去除所述牺牲层200的同时，去除位于金属焊垫301表面的掩膜层401(请参考图9)，暴露出所述金属焊垫301的表面，便于后续进行键合。
本实施例中，采用干法刻蚀工艺去除所述牺牲层200和掩膜层401，为了确保将所述牺牲层200和掩膜层401完全去除，本实施例中，在去除所述牺牲层200之后，对基底100进行过刻蚀，使暴露的基底100的表面低于被金属焊垫301覆盖的部分基底100的表面。在本发明的其他实施例中，也可以不对所述基底100进行过刻蚀。
在本发明的其他实施例中，也刻蚀采用湿法刻蚀工艺去除所述牺牲层200和掩膜层401，所述湿法刻蚀工艺可以选择对所述牺牲层200和掩膜层301同时具有较高刻蚀率的刻蚀溶液，同时对牺牲层200和掩膜层301进行刻蚀；也可以分别选择对牺牲层200和掩膜层301具有较高刻蚀率的刻蚀溶液，分别对牺牲层200和掩膜层301进行刻蚀。采用湿法刻蚀工艺去除牺牲层200和掩膜层301，可以减少对基底100表面的损伤，使基底100的表面平坦。
形成所述金属焊垫之后，可以在所述金属焊垫之间的基底内形成MEMS器件，与现有技术相比，所述基底表面在形成金属焊垫的过程中没有收到损伤，从而可以提高形成的MEMS器件的性能。
本发明的实施例中，在基底表面先形成牺牲层之后，对牺牲层进行图形化，在牺牲层内形成凹槽，暴露出待形成金属焊垫的部分基底表面，后续在所述凹槽内和牺牲层表面形成金属层，对金属层进行图形化形成位于基底表面的金属焊垫。所述牺牲层作为基底表面的保护层，在形成金属层以及对金属层进行图形化的过程中，能够对基底表面进行保护，避免基底表面受到损伤，从而能够提高在基底上形成的MEMS器件的性能。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (18)

1.一种半导体结构的形成方法，其特征在于，包括：
提供基底；
在所述基底表面牺牲层；
在所述牺牲层内形成凹槽，暴露出部分基底的表面；
形成填充满所述凹槽并覆盖牺牲层表面的金属层；
去除位于牺牲层表面的金属层，形成金属焊垫；
去除牺牲层，暴露出基底的表面。
2.根据权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述牺牲层的材料为绝缘介质材料。
3.根据权利要求2所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述牺牲层的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或碳氧化硅。
4.根据权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，采用湿法刻蚀或干法刻蚀工艺去除所述牺牲层。
5.根据权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述牺牲层的厚度小于金属层最大厚度的1/3。
6.根据权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述牺牲层的厚度为
7.根据权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述金属层的材料为Al、Au或AlCu合金。
8.根据权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，形成金属焊垫的方法包括：在所述金属层表面形成掩膜层，所述掩膜层位置与凹槽位置对应；以所述掩膜层为掩膜，刻蚀所述金属层，去除位于牺牲层表面的金属层。
9.根据权利要求8所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述掩膜层的侧壁边缘与凹槽的侧壁边缘对齐。
10.根据权利要求8所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述掩膜层的侧壁边缘与凹槽的侧壁边缘之间的距离小于0.5μm。
11.根据权利要求8所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述掩膜层的材料为氮氧化硅。
12.根据权利要求8所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，形成所述掩膜层的方法包括：在所述金属层表面形成掩膜材料层之后，在所述掩膜材料层表面形成光刻胶层，对所述光刻胶层进行图形化，形成图形化光刻胶层；以所述图形化光刻胶层为掩膜刻蚀所述掩膜材料层形成掩膜层。
13.根据权利要求12所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，采用干法刻蚀工艺刻蚀所述掩膜材料层形成掩膜层，所述干法刻蚀工艺采用的气体包括Cl2、Ar和CHF3，其中，Cl2的流量为10sccm～50sccm，Ar的流量为20sccm～100sccm，CHF3的流量为10sccm～50sccm，压强为10mTorr～30mTorr，功率为20W～1500W。
14.根据权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，在所述牺牲层内形成凹槽的方法包括：在所述牺牲层表面形成光刻胶层，对所述光刻胶层进行曝光显影，形成图形化光刻胶层；以所述图形化光刻胶层为掩膜，对所述牺牲层进行刻蚀，形成凹槽。
15.根据权利要求14所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，采用干法刻蚀工艺对所述牺牲层进行刻蚀，所述干法刻蚀工艺采用的气体包括：CF4、CHF3、O2和Ar，其中CF4的流量为10sccm～50sccm，CHF3的流量为20sccm～100sccm，O2的流量为5sccm～25sccm，Ar的流量为200sccm～500sccm，功率为250W～700W，压强为100mTorr～300mTorr。
16.根据权利要求8所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，采用干法刻蚀工艺刻蚀所述金属层，所述干法刻蚀工艺采用的气体包括：BCl2、Cl2和CHF3，其中，BCl2的流量为50sccm～100sccm，Cl2的流量为50sccm～100sccm，CHF3的流量为5sccm～20sccm，压强为5mTorr～30mTorr，功率为100W～800W。
17.根据权利要求8所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，去除所述牺牲层的同时，去除所述掩膜层，暴露出金属焊垫的表面。
18.根据权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，形成金属焊垫之后，进行湿法清洗处理。
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