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
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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