CN105990129B - 半导体器件及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种半导体器件及其形成方法，其中形成方法包括：提供衬底；在衬底上形成阻挡层；去除部分阻挡层，在阻挡层内形成露出衬底的第一开口；在第一开口内填充牺牲层材料；去除剩余阻挡层，形成牺牲层；去除牺牲层露出的部分衬底，在衬底内形成第二开口；在第二开口底部以及牺牲层上表面形成金属层；去除所述牺牲层。本发明在形成牺牲层之前，在所述衬底上形成阻挡层，在阻挡层内形成第一开口，在所述第一开口内填充牺牲层材料，以形成牺牲层，使位于边缘的牺牲层具有足够的厚度，避免了由于形成第二开口时所述牺牲层的损耗而露出所述衬底，减少了去除牺牲层后牺牲层边缘的膜层残余，提高了器件制造的良品率，降低了器件制造的成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种半导体器件及其形成方法。
背景技术
在半导体器件制造过程中，需要采用微结构制造技术在衬底上形成各种膜层图形。最常用的形成膜层图形的方法之一为刻蚀(Etch)。除刻蚀以外，剥离工艺(Lift-offProcess)是另一种形成膜层图形的微结构制造技术，它能够形成从纳米量级到厘米量级的各种微结构。
剥离工艺是一种采用牺牲材料(如光刻胶)在衬底的表面形成目标材料结构的方法。它避免了干法、湿法刻蚀中的衬底损伤和离子污染的问题，且工艺简单，非常适合于金属图形化。
具体的，参考图1至图3，示出了现有技术一种剥离工艺各步骤的示意图。
如图1所示，提供衬底10，所述衬底10上形成有隔离层11和键合金属层12，所述隔离层11覆盖所述衬底10上表面，所述键合金属层12覆盖部分所述隔离层11。在所述衬底10上形成牺牲层13，所述牺牲层13覆盖表面不需要覆盖金属膜的所述隔离层11以及键合金属层12。之后以所述牺牲层13为掩模，对衬底10进行刻蚀，在衬底10内形成开口14。
如图2所示，形成金属层15，所述金属层15覆盖所述牺牲层13表面和所述开口14的底部，在所述开口14底部的所述金属层与所述衬底10相接触。
如图3所示，去除所述牺牲层13，露出所述键合金属层12和所述隔离层11。具体的，将衬底浸泡于剥离液中，所述剥离液为不与金属层发生反应的溶液，随着牺牲层13的去除，位于所述牺牲层13上的金属层15也被一并去除，仅保留所述开口14底部的金属层15。
然而，采用所述现有技术形成的半导体器件容易出现牺牲层13和所述牺牲层上的金属层15残留的问题。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种半导体器件及其形成方法，减少牺牲层残留以及牺牲层上的金属层残留的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种半导体器件形成方法，包括如下步骤：
提供衬底；
在所述衬底上形成阻挡层；
去除部分阻挡层，在所述阻挡层内形成露出衬底的第一开口；
在所述第一开口内填充牺牲层材料；
去除剩余阻挡层，形成牺牲层；
去除牺牲层露出的部分衬底，在所述衬底内形成第二开口；
在所述第二开口底部以及所述牺牲层上表面形成金属层；
去除所述牺牲层。
可选的，提供衬底的步骤之后，在所述衬底上形成阻挡层的步骤之前，所述形成方法还包括：在所述衬底上形成隔离层，所述隔离层覆盖所述衬底；在所述隔离层上形成键合金属层，所述键合金属层部分覆盖所述隔离层；在所述阻挡层内形成第一开口的步骤中，所述第一开口还露出所述键合金属层。
可选的，所述阻挡层材料为氧化硅。
可选的，在所述衬底上形成阻挡层的步骤包括：采用化学气相沉积的工艺在所述衬底上形成阻挡层。
可选的，所述阻挡层的厚度大于3μm。
可选的，去除部分阻挡层，在所述阻挡层内形成露出所述衬底的第一开口的步骤包括：采用干法刻蚀去除部分阻挡层，在所述阻挡层内部形成露出所述衬底的第一开口。
可选的，所述牺牲层的材料为光刻胶。
可选的，在所述第一开口内填充牺牲层材料的步骤后，去除剩余阻挡层，形成牺牲层的步骤前，所述形成方法还包括：去除所述阻挡层上的牺牲层。
可选的，所述去除所述阻挡层上的牺牲层的步骤包括：采用回刻工艺去除所述阻挡层上的牺牲层。
可选的，去除剩余阻挡层，形成牺牲层的步骤包括：采用氢氟酸湿法刻蚀去除剩余阻挡层。
可选的，去除部分衬底，在所述衬底内形成第二开口的步骤包括：采用各向异性干法刻蚀形成所述第二开口；
形成所述第二开口的步骤之后，剩余的牺牲层厚度大于3μm。
可选的，在所述第二开口底部以及所述牺牲层上表面形成金属层的步骤包括：采用电子束生长的方法形成所述金属层。
可选的，所述金属层材料为钛。
可选的，所述去除所述牺牲层的步骤包括：采用湿法工艺去除所述牺牲层。
可选的，所述牺牲层为光刻胶；在去除所述牺牲层所采用的湿法工艺中，刻蚀溶液为硫酸和双氧水的混合溶液。
相应的，本发明还提供一种由所述形成方法所形成的半导体器件。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明在形成牺牲层之前，在所述衬底上形成阻挡层，在阻挡层内形成第一开口，在所述第一开口内填充牺牲层材料，以形成牺牲层。由于所述牺牲层形成于第一开口内，因此所述牺牲层外轮廓与所述衬底上表面的夹角与形成第一开口后，剩余阻挡层侧壁与所述衬底上表面的夹角互补，通过控制剩余阻挡层侧壁与所述衬底上表明的夹角，控制所述牺牲层外轮廓与所述衬底上表面的夹角，实现使位于边缘的牺牲层具有足够的厚度，避免了由于形成第二开口时所述牺牲层的损耗而露出所述衬底，避免了后续形成的金属层与所述衬底直接接触，有利于剥离工艺完全去除牺牲层以及牺牲层上的金属层，减少了牺牲层边缘的膜层残余，提高了器件制造的良品率，降低了器件制造的成本。
附图说明
图1至图3是现有技术一种剥离工艺各步骤的示意图；
图4和图5是现有技术中牺牲层以及金属层残留的示意图；
图6至图12是本发明所提供的半导体器件形成方法一实施例中各个步骤的结构示意图。
具体实施方式
由背景技术可知，现有剥离工艺技术中，容易出现牺牲层和金属层残留的问题，结合剥离工艺的步骤，分析残留问题的原因：
如图4所示，在晶片某些位置(主要是晶片边缘的位置)，由于牺牲层23形成工艺的限制，形成的牺牲层23的侧边轮廓(Profile)与所述隔离层21表面的倾角α较小，因此位于隔离层21边缘的牺牲层23厚度较薄。而在后续形成衬底20内开口24的过程中，需要损耗部分的牺牲层23。当倾角α太小时(一般为小于75°时)，由于牺牲层23在形成开口24过程中的损耗，开口24形成以后，会露出靠近开口24的部分隔离层21。之后再在牺牲层23上形成金属层25时，在靠近开口24处所述金属层25容易直接与所述隔离层21接触。与所述牺牲层23相比，所述金属层25与所述隔离层21的粘附性更高，因此在剥离工艺去除所述牺牲层23的过程中，剥离工艺无法完全去除位于隔离层21边缘的金属层25，从而在隔离层21边缘位置形成膜层残余30(如图5所示)，从而影响所形成半导体的性能。
为解决所述技术问题，本发明提供一种半导体器件的形成方法，包括如下步骤：
提供衬底；在所述衬底上形成阻挡层；去除部分阻挡层，在所述阻挡层内形成露出衬底的第一开口；在所述第一开口内填充牺牲层材料；去除剩余阻挡层，形成牺牲层；去除牺牲层露出的部分衬底，在所述衬底内形成第二开口；在所述第二开口底部以及所述牺牲层上表面形成金属层；去除所述牺牲层。
在形成牺牲层之前，在所述衬底上形成阻挡层，在阻挡层内形成第一开口，在所述第一开口内填充牺牲层材料，以形成牺牲层。由于所述牺牲层形成于第一开口内，因此所述牺牲层外轮廓与所述衬底上表面的夹角与形成第一开口后，剩余阻挡层侧壁与所述衬底上表面的夹角互补，通过控制剩余阻挡层侧壁与所述衬底上表明的夹角，控制所述牺牲层外轮廓与所述衬底上表面的夹角，实现使位于边缘的牺牲层具有足够的厚度，避免了由于形成第二开口时所述牺牲层的损耗而露出所述衬底，避免了后续形成的金属层与所述衬底直接接触，有利于剥离工艺完全去除牺牲层以及牺牲层上的金属层，减少了牺牲层边缘的膜层残余。
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。
图6至图12是本发明所提供的半导体器件形成方法一实施例中各个步骤的结构示意图。
参考图6，提供衬底101，在所述半导体衬底101上形成阻挡层110。
所述衬底101是后续工艺的工作平台。所述衬底101的材料选自单晶硅、多晶硅或者非晶硅；所述衬底101也可以选自硅、锗、砷化镓或硅锗化合物；所述衬底101还可以选自具有外延层或外延层上硅结构；所述衬底101还可以是其他半导体材料，本发明对此不做任何限制。本实施例中所述衬底101材料为硅。
需要说明的是，本实施例中，所述半导体器件后续用于与另一个半导体器件进行金属键合。因此，提供衬底101的步骤之后，在所述衬底101上形成阻挡层110的步骤之前，所述形成方法还包括：在所述衬底101上形成隔离层102，所述隔离层102覆盖所述衬底101；在所述隔离层102上形成键合金属层103，所述键合金属层103覆盖部分所述隔离层102。
所述隔离层102用于实现键合金属层103与所述衬底101之间的隔离，防止键合金属层103的原子扩散到所述半导体衬底101内污染衬底，此外所述隔离层102还在形成键合金属层的过程中作为刻蚀停止层。本实施例中，所述隔离层102的材料为氧化硅，可以通过对所述衬底101进行氧化工艺获得，或者通过化学气相沉积、物理气相沉积、原子层沉积或者炉管等方式形成。
所述键合金属层103用作共晶键合工艺中的金属中间层，与另一个半导体器件表面的金属配合，使晶圆结合起来。本实施例中，后续晶圆键合采用锗铝金属键合，另一半导体器件表面的金属为铝。因此，本实施例中，所述键合金属层103材料为锗金属。
需要说明的是，所述键合金属层103部分覆盖所述隔离层102。形成所述键合金属层103的步骤包括：在所述隔离层102上形成键合金属材料层，刻蚀所述键合金属材料层形成图形化的所述键合金属层103。需要说明的是，在刻蚀所述键合金属材料层的过程中，所述隔离层102起到刻蚀停止的作用。
所述阻挡层110用于后续与所述衬底101一起围成第一开口。本实施例中，所述阻挡层110材料为氧化硅。具体的，可以采用化学气相沉积的方式形成所述阻挡层110。
需要说明的是，所述阻挡层110的厚度与后续形成的所述第一开口的深度相关，进而与填充所述第一开口而形成的牺牲层的厚度相关，所述第一开口的深度不低于后续需要形成的所述牺牲层的厚度。本实施例中，所述阻挡层110的厚度为大于3μm。
参考图7，去除部分阻挡层110，在剩余的所述阻挡层110内形成第一开口120。
具体的，采用干法刻蚀的工艺去除部分阻挡层110，剩余的部分阻挡层110在所述衬底上围成第一开口120。
需要说明的是，第一开口120的深度H与所述阻挡层110的厚度相关：如果所述第一开口120的深度H过小，则第一开口120侧壁的高度过低，会使后续在所述第一开口120内填充的牺牲层的厚度过薄，过薄的牺牲层难以在形成所述衬底内开口的过程中起到保护衬底101，也难以在剥离工艺中隔离所形成的金属层与衬底101；如果第一开口120的深度H过大，那么所述第一开口120的侧壁高度过高，则容易造成材料的浪费或者增加工艺难度。本实施例中，所述第一开口120的深度H大于3μm，所述第一开口120的侧壁高度大于3μm。
还需要说明的是，所述第一开口120的侧壁由剩余的阻挡层110构成，后续在所述第一开口120内填充形成牺牲层，所述牺牲层的侧壁与衬底101上表面的夹角与所述剩余的阻挡层110侧壁与所述衬底101上表面的夹角互补，可以通过控制所述剩余的阻挡层110与所述衬底101上表面的夹角，控制后续所形成牺牲层侧壁与所述衬底101上表面的夹角大小。因此，本实施例中采用干法刻蚀的方法形成所述第一开口120，所述剩余的阻挡层110与所述衬底101上表面的夹角γ不大于90°。
进一步需要说明的是，本实施例中，衬底101上形成有隔离层102和键合金属层103，在阻挡层110中形成的第一开口120露出所述键合金属层103。此外，用于形成所述第一开口120的干法刻蚀在露出所述衬底101的时候停止。因此所述衬底101上，所述第一开口120内，未被键合金属层103覆盖的隔离层102也同时被去除了。
参考图8，在所述第一开口120内填充牺牲层材料130a。
所述牺牲层材料130a后续用于形成所述牺牲层。本实施例中，所述牺牲层材料130a为光刻胶。具体的，通过涂覆以及烘干等工艺在所述第一开口120内填充所述牺牲层材料130a。
需要说明的是，由于所述牺牲层材料130a填充在所述第一开口120内，所述第一开口120由剩余的阻挡层110和衬底101围成，因此所述牺牲层材料130a侧壁与所述衬底101上表面的夹角β与剩余的阻挡层110侧壁与所述衬底101上表面的夹角γ互补，可以通过控制所述剩余的阻挡层110侧壁与所述衬底101上表面的夹角γ的大小，控制所述牺牲层材料130a与所述衬底101上表面夹角β的大小。本实施例中，所述夹角γ不大于90°，因此所述夹角β不小于90°。
结合参考图9，去除剩余的阻挡层110，形成牺牲层130。
需要说明的是，在所述第一开口120内填充牺牲层材料130a的步骤后，去除剩余的阻挡层110，形成牺牲层130的步骤前，所述形成方法还包括：去除剩余的阻挡层110上的牺牲层材料。具体的，本实施例中，采用回刻工艺(Etch Back)去除剩余的阻挡层110顶部的牺牲层130。但是去除剩余的阻挡层110顶部的牺牲层130的具体工艺还可以选择磨削(Grind)或化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing,CMP)的工艺，本发明对此不做限制。
去除剩余的阻挡层110上的牺牲层材料后，采用湿法刻蚀去除所述剩余的阻挡层110，形成牺牲层130。
具体的，由于阻挡层110的材料为氧化硅，本实施例中，采用氢氟酸湿法刻蚀去除剩余的阻挡层110。
所述牺牲层130的作用是在后续剥离工艺中，在不需要覆盖金属层的部分，隔离所衬底101和金属层，使去除牺牲层130的同时，去除所述牺牲层130上的金属层，实现金属层的图形化。
需要说明的是，所述牺牲层130的侧壁轮廓与所述衬底101上表面形成的夹角β与剩余的阻挡层110侧壁与所述衬底101上表面形成的夹角γ互补，可以通过控制形成的剩余的阻挡层110侧壁与所述衬底101的夹角γ来控制所述牺牲层130侧壁轮廓与所述衬底101形成夹角β的大小：当所述夹角γ不大于105°的时候，所述夹角β就不会小于75°，甚至可以通过控制夹角γ小于90°，使夹角β大于90°。具体的，本实施例中，所述夹角β的大小为90°。
所述牺牲层130还用于后续刻蚀衬底101，在衬底101内形成开口的过程中保护衬底其他部分不受刻蚀工艺的影响。
需要说明的是，如果所述牺牲层130的厚度过小，难以在刻蚀衬底101形成开口的过程中起到保护衬底101的作用；如果所述牺牲层130厚度过大，则容易造成材料的浪费或者增加工艺难度。此外，本实施例中，在刻蚀衬底101形成开口的过程中，所述牺牲层130需要损耗部分厚度以实现保护的作用，并且在刻蚀衬底101形成所述开口之后，所述牺牲层130的厚度需要在3μm以上。所以，所述牺牲层130的厚度需要大于3μm。而牺牲层130的具体厚度与所述刻蚀衬底101形成开口的具体工艺以及所形成开口的深浅有关。本实施例中，根据所形成开口的深浅以及形成开口的工艺，所述牺牲层的厚度为8μm。
参考图10，去除部分衬底101，在所述衬底101内形成第二开口200；
具体的，采用各向异性干法刻蚀在所述衬底101内形成所述第二开口200。需要说明的是，在形成所述第二开口200的过程中，所述牺牲层130起到保护所述衬底101其他部分的作用。
由于本实施例中，采用所述干法刻蚀的工艺形成所述第二开口200。因此在形成第二开口200的过程中，所述牺牲层130需要消耗厚度以实现保护所述衬底101的作用。而在形成所述第二开口200的步骤之后，所述牺牲层130的厚度需要超过3μm。因此，本实施例中，所述牺牲层130的厚度较大，需要超过3μm。但是本发明对形成所述第二开口200的方式不做任何限制，采用其他方法形成第二开口200时，所述牺牲层130不需要消耗厚度以实现保护的作用时，所述牺牲层130的厚度可以更小。
参考图11，在所述第二开口200的底部以及所述牺牲层130上表面形成金属层140。
所述金属层140用于在后续工艺制程中吸附气体分子。具体的，本实施例中，所述金属层140的材料为钛，采用电子束生长的方式在所述第二开口200的底部以及所述牺牲层130上形成。
需要说明的是，本实施例中采用各向异性的电子束生长方式在所述第二开口200底部以及所述牺牲层130上形成金属层140的目的在于，露出所述牺牲层130的侧壁，使所述牺牲层130的侧壁不被所述金属层140覆盖，从而后续可以通过去除牺牲层130的剥离工艺，去除所述牺牲层130上的金属层140，实现金属层140的图形化。
还需要说明的是，采用电子束生长方式形成所述金属层140的做法仅为一示例，本发明的其他实施例中，还可以采用其他各向异性的膜层生长工艺形成所述金属层140，本发明对此不做限定。
在此之后，结合参考图12，去除所述牺牲层130，露出所述衬底101。
具体的，采用湿法刻蚀去除所述牺牲层130，露出所述衬底101。
本实施例中，采用光刻胶形成所述牺牲层130，因此去除所述牺牲层130的湿法刻蚀中所采用的刻蚀溶液为硫酸(H2SO4)和双氧水(H2O2)的混合溶液。
需要说明的是，采用湿法刻蚀去除所述牺牲层130的同时，位于所述牺牲层130上的膜层结构也去除，即形成在所述牺牲层130上的金属层140也同时被去除了。由于所述牺牲层130侧壁轮廓与所述衬底101上表面的夹角β较大(不小于90°)，因此位于所述衬底101边缘的所述牺牲层130的厚度较厚。即使在形成第二开口200的过程中，所述牺牲层130有所损耗，也没有露出所述衬底101的表面，因此在所述牺牲层130上表面形成的金属层140与所述衬底101的上表面没有接触。所以在去除牺牲层130的同时，所述牺牲层130上表面形成的金属层被完全去除，露出所述衬底101的表面。
此外，所述湿法刻蚀是针对所述牺牲层130的刻蚀工艺，因此位于所述第二开口200内的金属层140不容易受到所述湿法刻蚀的影响，从而实现了对金属层140的图形化处理。
相应地，本发明还提供一种半导体器件，本发明提供的半导体器件的形成方法所形成。本发明半导体器件由于具有较少的膜层残留因而具有良好的可靠性。
综上，在形成牺牲层之前，在所述衬底上形成阻挡层，在阻挡层内形成第一开口，在所述第一开口内填充牺牲层材料，以形成牺牲层。由于所述牺牲层形成与第一开口内，因此所述牺牲层外轮廓与所述衬底上表面的夹角与所述第一开口侧壁与所述衬底上表面的夹角互补，通过控制所述第一开口侧壁与所述衬底上表面的夹角控制所述牺牲层外轮廓与所述衬底上表面的夹角，从而使位于边缘的牺牲层具有足够的厚度，避免了由于形成第二开口时所述牺牲层的损耗而露出所述衬底，避免了后续形成的金属层与所述衬底直接接触，有利于剥离工艺完全去除牺牲层以及牺牲层上的金属层，减少了牺牲层边缘的膜层残余。
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 (15)
1.一种半导体器件的形成方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成阻挡层；
去除部分阻挡层，在所述阻挡层内形成露出衬底的第一开口；
在所述第一开口内填充牺牲层材料；
去除剩余阻挡层，形成牺牲层；
去除牺牲层露出的部分衬底，在所述衬底内形成第二开口，以所述牺牲层为掩模，采用各向异性干法刻蚀形成所述第二开口，且形成所述第二开口的步骤之后，剩余的牺牲层厚度大于3μm；
在所述第二开口底部以及所述剩余的牺牲层上表面形成金属层；
去除所述牺牲层。
2.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，提供衬底的步骤之后，在所述衬底上形成阻挡层的步骤之前，所述形成方法还包括：
在所述衬底上形成隔离层，所述隔离层覆盖所述衬底；
在所述隔离层上形成键合金属层，所述键合金属层部分覆盖所述隔离层；
在所述阻挡层内形成第一开口的步骤中，所述第一开口还露出所述键合金属层。
3.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述阻挡层材料为氧化硅。
4.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在所述衬底上形成阻挡层的步骤包括：采用化学气相沉积的工艺在所述衬底上形成阻挡层。
5.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述阻挡层的厚度大于3μm。
6.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，去除部分阻挡层，在所述阻挡层内形成露出所述衬底的第一开口的步骤包括：采用干法刻蚀去除部分阻挡层，在所述阻挡层内部形成露出所述衬底的第一开口。
7.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述牺牲层的材料为光刻胶。
8.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在所述第一开口内填充牺牲层材料的步骤后，去除剩余阻挡层，形成牺牲层的步骤前，所述形成方法还包括：去除所述阻挡层上的牺牲层。
9.如权利要求8所述的形成方法，其特征在于，所述去除所述阻挡层上的牺牲层的步骤包括：采用回刻工艺去除所述阻挡层上的牺牲层。
10.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，去除剩余阻挡层，形成牺牲层的步骤包括：采用氢氟酸湿法刻蚀去除剩余阻挡层。
11.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在所述第二开口底部以及所述牺牲层上表面形成金属层的步骤包括：采用电子束生长的方法形成所述金属层。
12.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述金属层材料为钛。
13.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述去除所述牺牲层的步骤包括：采用湿法工艺去除所述牺牲层。
14.如权利要求13所述的形成方法，其特征在于，所述牺牲层为光刻胶；在去除所述牺牲层所采用的湿法工艺中，刻蚀溶液为硫酸和双氧水的混合溶液。
15.一种由权利要求1～14中任一项所述的形成方法所形成的半导体器件。
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