CN105990222B - 半导体器件制作方法、半导体器件及电子装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体器件的制作方法，其包括：提供晶圆，所述晶圆中具有用于形硅通孔的沟槽；形成覆盖所述沟槽侧壁、底部以及所述晶圆的铝金属层；在所述铝金属层上形成保护层；在所述保护层上涂覆光刻胶层；对所述光刻胶层进行曝光显影，以形成预设图形；以所述光刻胶层为掩膜去除暴露的保护层部分，以露出待去除的铝金属层；去除所述光刻胶层；以所述保护层作为掩膜层进行湿法刻蚀，去除所述待去除的铝金属层。本发明的半导体器件的制作方法，不会过多增加工艺的复杂性以及工艺的成本，而且可避免发生铝断裂问题，大大提高了良品率，相对降低了制作成本。

Description

半导体器件制作方法、半导体器件及电子装置

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种半导体器件制作方法、半导体器件及电子装置。

背景技术

在消费电子领域，多功能设备越来越受到消费者的喜爱，相比于功能简单的设备，多功能设备制作过程将更加复杂，比如需要在电路版上集成多个不同功能的芯片，因而出现了3D集成电路(integrated circuit，IC)技术，3D集成电路(integrated circuit，IC)被定义为一种系统级集成结构，将多个芯片在垂直平面方向堆叠，从而节省空间。

3D叠层封装在缩短互联长度、减小形状因数、提高电性能等方面有着很大优势。晶圆级封装(Wafer-Level Package，WLP)应用于3D封装采用倒装凸点和RDL(重布线层)技术，可以实现圆片级互联，提高互联密度。硅通孔(TSV)技术应用于WLP-3D封装是实现垂直互联的关键，采用TSV技术的3D集成方法能提高器件的集成度、数据交换速度和信号速度、减小互联长度、降低功耗以及提高输入/输出端密度等方面的性能，同时还可以在一个封装中实现存储器、专用IC、处理区等多功能集成封装。

迄今为止，TSV的发展主要集中在了中通孔(via-middle)方式和后通孔(via-last)这两种方式上，这两种方式都是在有源芯片上制作形成TSV。在中通孔方案中，它是在金半接触/晶体管形成以后，但是在后端工序(BEOL)之前，在晶圆上刻蚀制作出TSV。在后通孔方案中，它是在后端工艺(BEOL)之后，再在减薄晶圆的背面刻蚀制作出TSV。

在采用后通孔的晶圆级封装工艺中，通过晶圆测试发现良率(yield)不稳定，最低只有15％左右的良率，通过分析发现大部分是失败点具有断裂(open)问题，通过切片结果分析原因是TSV侧壁上的铝流失(AL loss)导致了断裂(open)问题，如图1所示，其为经过晶圆测试后有断裂的器件的SEM照片，从图中可以看出，通孔(via)内部距顶部大概30％深度处侧壁上基本没有铝(AL)存在，导致了断裂的产生。

因此，有必要提出一种新的制作方法，以解决上述存在的问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了克服目前存在的问题，本发明一方面提供一种半导体器件的制作方法，其包括：提供晶圆，所述晶圆中具有用于形硅通孔的沟槽；形成覆盖所述沟槽侧壁、底部以及所述晶圆的铝金属层；在所述铝金属层上形成保护层；在所述保护层上涂覆光刻胶层；对所述光刻胶层进行曝光显影，以形成预设图形；以所述光刻胶层为掩膜去除暴露的保护层部分，以露出待去除的铝金属层；去除所述光刻胶层；以所述保护层作为掩膜层进行湿法刻蚀，去除所述待去除的铝金属层。。

优选地，所述保护层为低温氧化层。

优选地，所述低温氧化层为耐腐蚀低温氧化薄膜。

优选地，所述低温氧化层厚度为

优选地，在形成所述光刻胶层时对所述晶圆进行加热。

优选地，在所述湿法刻蚀之后还包括：去除剩余的保护层。

本发明提出的半导体器件的制作方法，在铝层表面添加一层低温氧化层作为保护层，一方面，引入保护层可避免在湿法刻蚀过程中通孔内的铝受到化学剂腐蚀而导致铝断裂的问题，另一方面，有了低温氧化层做保护层后，光刻胶层只需作为图形层即可，并且不需要对光刻胶厚度、涂覆方法和显影过程改变，避免过多的副作用产生。此外，在显影之后即可采用干法刻蚀将光刻胶层去掉，同时可将除图形化区之外的低温氧化膜层也一起去掉，而不需添加额外步骤，即并不会过多增加工艺的复杂性以及工艺的成本。

综上所述，采用本发明的半导体器件的制作方法，不会过多增加工艺的复杂性以及工艺的成本，而且可避免发生铝断裂问题，大大提高了良品率，相对降低了制作成本。

本发明另一方面提供一种半导体器件，其采用本发明提供的上述制作方法形成。

本发明提出的半导体器件其采用上述方法进行制作，因而具有较高的良品率，相对降低了半导体器件的生产成本。

本发明再一方面提供一种电子装置，其包括本发明提供的上述半导体器件。

本发明提出的电子装置，由于具有上述半导体器件，因而具有类似的优点。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1示出了发生断裂的器件切片的SEM照片；

图2示出了光刻胶出现裂缝的器件的SEM照片；

图3A～图3G示出了本发明的制作方法依次实施步骤所获得器件的剖面示意图；

图4示出了本发明一实施方式提供的电子装置的示意图；

图5示出了根据本发明的制作方法依次实施步骤的工艺流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在…上”、“与…相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在…上”、“与…直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在…下”、“在…下面”、“下面的”、“在…之下”、“在…之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在…下面”和“在…下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构及步骤，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

如前所述，通过切片结果分析原因是TSV侧壁上的铝流失(AL loss)导致了断裂(open)问题，开始是我们认为是PVD沉积Al层过程中PVD的偏压(bias)过大，导致侧壁TSV侧壁上铝在沉积过程中受到过大的溅射作用，使得通孔中特定位置，约通孔30％深度处，通孔由宽收窄处，在PVD过程中铝受到过重的轰击，导致铝流失速度大于其沉积的速度，因此发生如上所述问题。

但是，我们将PVD中的偏压减小后，发现上述问题依然存在，因此我们进一步认为可能是因为用作保护层的光刻胶在TSV孔上方产生裂缝，导致湿法刻蚀过程中化学剂进入通孔，与铝发生化学反应，导致铝流失，但是由于通孔中存在空气，化学剂进到通孔内部后在空气压力的作用下只能下到通孔30％深度处，因此只有此处的铝与化学剂反应，造成上述问题。为验证这个分析，我们对湿法刻蚀后的半导体器件进行观察，发现湿法刻蚀后，用作保护层的光刻胶确实在TSV孔上方产生裂缝，如图2所示。

鉴于上述分析与验证，本发明针对via-last TSV结构的晶圆在湿法刻蚀过程中通孔内部侧壁发生铝流失的问题对工艺进行改进，提出了一种半导体器件的制作方法，如图5所示，该方法包括：步骤S501，提供晶圆，所述晶圆中具有用于形硅通孔的沟槽；步骤S502，形成覆盖所述沟槽侧壁、底部以及所述晶圆的铝金属层；步骤S503，在所述铝金属层上形成保护层；步骤S504，在所述保护层上涂覆光刻胶层；步骤S505，对所述光刻胶层进行曝光显影，以形成预设图形；步骤S506，以所述光刻胶层为掩膜去除暴露的保护层部分，以露出待去除的铝金属层；步骤S507，去除所述光刻胶层；步骤S508，以所述保护层作为掩膜层进行湿法刻蚀，去除所述待去除的铝金属层。

本发明提出的半导体器件的制作方法，在铝层表面添加一层低温氧化层作为保护层，一方面，引入保护层可避免在湿法刻蚀过程中通孔内的铝受到化学剂腐蚀而导致铝断裂的问题，另一方面，有了低温氧化层做保护层后，光刻胶层只需作为图形层即可，并且不需要对光刻胶厚度、涂覆方法和显影过程改变，避免过多的副作用产生。此外，在显影之后即可采用干法刻蚀将光刻胶层去掉，同时可将除图形化区之外的低温氧化膜层也一起去掉，而不需添加额外步骤，即并不会过多增加工艺的复杂性以及工艺的成本。

实施例一

下面结合图3A～图3G对本发明的半导体器件的制作方法做详细描述。

首先，如图3A所示，提供晶圆300，该晶圆上形成有后续用于形成硅通孔的沟槽301，形成覆盖沟槽301侧壁、底部以及晶圆300铝金属层(或金属膜)302。

晶圆300可以是以下所提到的材料中的至少一种：硅、绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)等，在晶圆300上形成半导体器件，例如PMOS和NMOS晶体管。硅通孔301可通过刻蚀形成，其刻蚀过程可采用本领域常用方法。

铝金属层302通过本领域常用方法形成。作为示例，在本实施例中采用物理气相沉积形成覆盖硅通孔301侧壁、底部以及晶圆300铝金属层302。铝金属层302的厚度根据设计要求进行确定。

接着，如图3B所示，在铝层302上形成低温氧化层303。低温氧化层303为耐化学腐蚀层，比如可采用低温氧化硅层，其可以是通过化学气相沉积(CVD)法、物理气相沉积(PVD)法或原子层沉积(ALD)法等形成的。低温氧化层303的厚度在之间，具体厚度可根据后续工艺中光刻胶层的厚度确定，以免影响后续工艺。

作为示例，在本实施例中，低温氧化层303为低温二氧化硅层，其通过化学气相沉积形成，并且在化学气相沉积过程工艺温度保持在200℃以下。

接着，如图3C所示，在低温氧化层303上形成光刻胶层304。光刻胶层304采用本领域常用的方法涂覆在低温氧化层303上，光刻胶层304的厚度根据具体工艺设定和需求确定。

进一步地，如图3C所示，由于沟槽301的存在，光刻胶层304在硅通孔301处向下凹陷，为了避免后续显影中沟槽301内的空气受热膨胀使光刻胶层304产生裂缝，可在涂覆光刻胶层304的过程中适当加热晶圆300，以使沟槽301的空气适度膨胀，这样可降低在后续显影过程中，硅通孔301内空气的膨胀，降低光刻胶层304产生裂缝的可能性。

接着，如图3D所示，对光刻胶层304进行曝光显影，以形成预设图形。曝光显影采用本领域常用方法，比如可采用接近曝光、接触曝光或投影曝光，以及喷流式显影技术来完成光刻胶层304的曝光显影。

进一步地，如图3D所示，由于显影过程中温度升高，沟槽301内的空气膨胀，将沟槽301上方的光刻胶层304顶起，顶部光刻胶层304厚度减小，可能出现裂缝。

接着，如图3E所示，以光刻胶层304为掩膜去除暴露的低温氧化层303，并在去除暴露的低温氧化层303后去除光刻胶层304，以露出非图形化区域P的金属铝层。光刻胶层304和非图形化区域的低温氧化层303可采用干法蚀刻。

接着，如图3F所示，以低温氧化层303作为掩膜层进行湿法刻蚀，去除非图形化区域P的金属铝层。湿法刻蚀为本领用常用技术，在此不再赘述。

最后，如图3G所示，去除剩余的低温氧化层303。

至此，完成了根据本发明实施例的方法实施的工艺步骤

本实施例的半导体器件的制作方法，在Via-last工艺中，在金属铝表面加入厚度为1000-5000A的低温氧化膜膜层作为铝在湿法过程中的保护层，同时在光刻胶涂覆过程中对晶圆进行适当的加热，减少显影过程中由于硅通孔内部的空气发生膨胀而对孔顶部的光刻胶层造成的损伤，避免了在湿法刻蚀过程中，化学剂通过通孔顶部光刻胶层中的裂缝进入通过内部对侧壁的铝造成腐蚀，从而导致的铝断裂问题。采用本实施例的晶圆级封装工艺中形成硅通孔互连的方法，提高了Via-last工艺中晶圆级封装的良品率。

实施例二

本发明还提供一种采用实施例一中所述的方法制作的半导体器件，其采用上述方法进行制作，因而具有较高的良品率，相对降低了半导体器件的生产成本。

实施例三

本发明另外还提供一种电子装置，其包括前述的半导体器件。

由于包括的半导体器件采用晶圆级封装，因而具有该工艺带来的优点，并且由于采用上述方法进行封装，良品率较高，成本相对降低，因此该电子装置同样具有上述优点。

该电子装置，可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、上网本、游戏机、电视机、VCD、DVD、导航仪、照相机、摄像机、录音笔、MP3、MP4、PSP等任何电子产品或设备，也可以是具有上述半导体器件的中间产品，例如：具有该集成电路的手机主板等。在本实施中以PDA为例进行示例，如图4所示。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。

Claims (8)

1.一种半导体器件的制作方法，其特征在于，包括：

提供晶圆，所述晶圆中具有用于形硅通孔的沟槽；

形成覆盖所述沟槽侧壁、底部以及所述晶圆的铝金属层；

在所述铝金属层上形成保护层；

在所述保护层上涂覆光刻胶层；

对所述光刻胶层进行曝光显影，以形成预设图形；

以所述光刻胶层为掩膜去除暴露的部分保护层，以露出待去除的铝金属层；

去除所述光刻胶层；

以所述保护层作为掩膜层进行湿法刻蚀，去除所述待去除的铝金属层。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述保护层为低温氧化层。

3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述低温氧化层为耐腐蚀低温氧化薄膜。

4.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述低温氧化层厚度为

5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，在形成所述光刻胶层时对所述晶圆进行加热。

6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，在所述湿法刻蚀之后还包括：

去除剩余的保护层。

7.一种半导体器件，其特征在于，采用如权利要求1-6之一所述的制作方法形成。

8.一种电子装置，其特征在于，包括如权利要求7所述的半导体器件。