CN106298462A - 实现再布线金属层光刻的方法 - Google Patents

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Abstract

一种实现再布线金属层光刻的方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底内形成有贯穿其部分厚度的孔，所述半导体衬底和孔的内壁表面覆盖有金属层；在所述半导体衬底表面旋涂光刻胶；对旋涂的所述光刻胶进行处理使其填充满所述孔；当光刻胶填充满所述孔之后，对其进行软烘、曝光、显影和硬烘，形成图形化的光刻胶层；以所述图形化的光刻胶层为掩膜，刻蚀金属层形成再布线金属层。消除了旋涂光刻胶时孔内形成的气泡，提高了形成的图形化的光刻胶层的质量，后续形成的再布线金属层的良率高，半导体产品的良率高。

Description

实现再布线金属层光刻的方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种实现再布线金属层光刻的方法。
背景技术
半导体器件的形成过程中，通常利用光刻工艺将掩模板上的掩膜图形转移到半导体器件表面的光刻胶层中，再将掩膜图形通过刻蚀工艺由光刻胶层转移到半导体器件中。其中，现有技术的再布线(RDL)工艺过程包括：
请参考图1，提供硅片100，所述硅片100内形成有贯穿其部分厚度的硅孔101，所述硅片100和硅孔101表面覆盖有金属层102；
请参考图2，在所述硅片100表面旋涂光刻胶103；之后，对旋涂的光刻胶103进行曝光、显影、烘烤等步骤，形成图形化的光刻胶层；以所述图形化的光刻胶层为掩膜刻蚀其底部的金属层102，形成再布线金属层。
然而，随着工艺节点的进一步增加，现有技术形成的再布线金属层的良率较低。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种实现再布线金属层光刻的方法，形成的再布线金属层的良率高，半导体产品的良率高。
为解决上述问题，本发明提供一种实现再布线金属层光刻的方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底内形成有贯穿其部分厚度的孔，所述半导体衬底和孔表面覆盖有金属层；在所述半导体衬底表面旋涂光刻胶；对旋涂的所述光刻胶进行处理使其填充满所述孔；当光刻胶填充满所述孔之后，形成图形化的光刻胶层；以所述图形化的光刻胶层为掩膜，刻蚀金属层形成再布线金属层。
可选地，所述对旋涂的所述光刻胶进行处理的步骤包括：采用化学试剂充分溶解旋涂的光刻胶，其中，所述光刻胶的溶质在所述化学试剂中的溶解度大于等于光刻胶的溶质在光刻胶溶剂中的溶解度，光刻胶溶解于上述化学试剂后，其黏性小于等于200厘泊；旋转涂有光刻胶，并滴有所述化学试剂的半导体衬底，使充分溶解于化学试剂的光刻胶进一步填充满所述孔，并甩出多余的化学试剂。
可选地，所述化学试剂为丙酮和异丙醇的混合溶液。
可选地，所述丙酮的质量分数为60％-90％，所述异丙醇的质量分数为10％-40％。
可选地，所述化学试剂包含质量分数为85％的丙酮溶液和质量分数为15％的异丙醇溶液，且两者的体积比为3:1。
可选地，采用化学试剂充分溶解旋涂的光刻胶的步骤包括：将质量分数为85％的丙酮和质量分数为15％的异丙醇混合均匀；在旋涂的光刻胶表面滴上述混合溶液，静置15秒-30秒使该混合溶液充分溶解旋涂的光刻胶。
可选地，还包括：在所述半导体衬底表面旋涂光刻胶之前，对上述具有孔和金属层的半导体衬底进行等离子体处理。
可选地，所述等离子体处理采用的气体为氩气。
可选地，形成图形化的光刻胶层的步骤包括：软烘、曝光、显影和硬烘。
可选地，所述软烘的温度为100摄氏度-120摄氏度，烘烤的时间为60秒-300秒。
可选地，所述曝光时的能量为180毫焦-300毫焦。
可选地，所述显影方式为动态显影，采用的显影试剂为质量分数为2％-3％的四甲基氢氧化铵。
可选地，所述光刻胶层的厚度大于等于5微米。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
由于旋涂光刻胶之后，在对其进行软烘、曝光、显影和硬烘之前，对旋涂的所述光刻胶进行处理使其填充满半导体衬底内的孔，以消除气泡，防止后续烘烤(软烘或硬烘)时由于温度升高，气泡膨胀导致光刻胶被冲破，形成的图形化的光刻胶层的质量受损，提高后续形成的再布线金属层的良率，半导体产品的良率也随之提高。
进一步的，采用丙酮和异丙醇的混合溶液作为化学试剂充分溶解旋涂的光刻胶，由于光刻胶的溶质在其混合溶液中的溶解度大于等于光刻胶的溶质在光刻胶溶剂中的溶解度，可有效稀释光刻胶，降低其黏性，有助于光刻胶填充满孔，消除气泡，提高后续图形化的光刻胶层的质量。
附图说明
图1-图2是现有技术再布线金属层光刻过程的剖面结构示意图；
图3是本发明一实施例的再布线金属层光刻过程的剖面结构示意图；
图4-图9是本发明又一实施例的再布线金属层光刻过程的剖面结构示意图。
具体实施方式
正如背景技术所述，随着工艺节点的进一步增加，现有技术形成的再布线金属层的良率较低。
经过进一步研究发现，再布线金属层的良率低主要是由于用于转移再布线图形的光刻胶层引起的。具体地，请结合参考图2和图3，随着工艺节点的进一步增加，硅片100内形成的硅孔101的尺寸越来越小，在硅片100表面旋涂光刻胶103时，若旋涂的光刻胶较薄，则难以作为后续刻蚀形成再布线金属层的掩膜；若旋涂的光刻胶较厚，由于其黏性较高，难以完全填充进硅孔101，光刻胶沉积在硅孔101的顶端，而难以进入硅孔101底部，因而存在气泡(未标示)。该气泡内的气体在后续烘烤时受热膨胀，易冲破光刻胶103。显然，后续刻蚀工艺时被冲破部位的光刻胶103难以起到保护底部的金属层102的作用，因而导致金属层102无需刻蚀的部位也被刻蚀，造成了再布线金属层的良率低，进而影响半导体产品的良率。
进一步的，发明人提供了一种实现再布线金属层光刻的方法，采用一种稀释剂将光刻胶充分溶解，使其能填充满硅孔，之后再对光刻胶予以烘烤。
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4，提供半导体衬底200，所述半导体衬底200内形成有贯穿其部分厚度的孔201，所述半导体衬底200和孔201的内壁表面覆盖有金属层202。
所述半导体衬底200的材料包括硅、锗、锗化硅、砷化镓等半导体材料，所述半导体衬底200可以是体硅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半导体衬底200上形成的半导体器件选择所述半导体衬底200的类型，因此所述半导体衬底200的类型不应限制本发明的保护范围。本实施例中，所述半导体衬底200的材料为单晶硅。
需要说明的是，所述半导体衬底200内可形成有有源器件，在此不再赘述。
所述孔201用于后续作为导电孔，电连接半导体衬底200内的有源器件和后续形成的再布线金属层，其深宽比通常大于3:1。所述孔201的形成工艺为刻蚀工艺。本发明的实施例中，所述孔201的深度(垂直于半导体衬底200表面方向的尺寸)为120微米，宽度(平行于半导体衬底200表面方向的尺寸)为20微米，其深宽比为6:1，后续旋涂的光刻胶难以将其填充满。
所述金属层202用于后续刻蚀形成再布线金属层。所述金属层202的形成工艺为沉积工艺，例如物理气相沉积工艺、原子层沉积工艺等。所述金属层202的材料为铝、铜等。所述金属层202的厚度大于2微米，其均匀覆盖半导体衬底200和孔201表面。本发明的实施例中，所述金属层202为厚3微米的铜。
请参考图5，在所述半导体衬底表面旋涂光刻胶之前，对上述具有孔201和金属层202(如图4所示)的半导体衬底200进行等离子体处理205。
对上述具有孔201和金属层202的半导体衬底进行等离子体处理，经等离子体处理后得到金属层202a，与等离子处理前相比，金属层202a的表面粗糙度增加，利于后续旋涂工艺的进行。所述等离子体处理采用的气体为氩气。
需要说明的是，在本发明的其他实施例中，也可以不对上述具有孔201和金属层202的半导体衬底200进行等离子体处理，而直接进行后续的旋涂工艺，在此不再赘述。
请参考图6，等离子体处理205(如图5所示)后，在所述半导体衬底200表面旋涂光刻胶207。
在所述半导体衬底200表面旋涂光刻胶207，以在后续形成图形化的光刻胶层。所述光刻胶207是一种对光敏感的光致抗蚀剂，受紫外光曝光后，在显影液中的溶解度会发生变化，用于转移掩膜板(未图示)上的图形至金属层202a，还可以在后续刻蚀工艺中保护其底部无需刻蚀的金属层202a不受损坏。为在后续刻蚀工艺中有效保护其底部无需刻蚀的金属层202a不受损坏，所述光刻胶207的厚度不能太薄，较佳地，所述光刻胶207的厚度大于等于5微米。所述光刻胶207可以是正胶，也可以是负胶。
本发明的实施例中，所述光刻胶207为正胶，其厚度为5微米。上述厚度的光刻胶在实际工艺中旋涂的步骤具体包括：第一步，以1000转/分2的旋转加速度旋转涂有光刻胶207的半导体衬底200，当其旋转速度由0增加到300转/分后，维持该旋转速度3秒；然后以-1000转/分2的旋转加速度旋转半导体衬底200，直至半导体衬底200的旋转速度由300转/分降为0，然后停留15秒；以1000转/分2的旋转加速度旋转涂有光刻胶207的半导体衬底200，当其旋转速度由0增加到300转/分后，维持该旋转速度10秒；之后再以1000转/分2的旋转加速度旋转涂有光刻胶207的半导体衬底200，使其旋转速度进一步由300转/分增加到800转/分，维持30秒。在旋转过程中，加速、减速时的惯性有助于使光刻胶旋涂的更加均匀。
需要说明的是，在本发明的其他实施例中，旋涂光刻胶的加速度、旋转速度还可以根据实际需要进行调整，光刻胶也可以分多次旋涂步骤进行，只要能达到均匀的效果即可，旋涂光刻胶的加速度、旋转时间、维持时间、光刻胶的厚度等不应限制本发明。
需要说明的是，如前文所述，由于旋涂的光刻胶207的黏性较高，其难以完全填充进孔201，光刻胶沉积在孔201的顶端，而难以进入孔201底部，因而存在气泡(未标示)。该气泡内的气体在后续烘烤时受热膨胀，易冲破光刻胶，难以起到保护底部的金属层202a的作用，因而导致金属层202a无需刻蚀的部位也被刻蚀，造成了后续形成的再布线金属层的良率低，进而影响半导体产品的良率。
请参考图7，对所述旋涂的光刻胶207进行处理使其填充满所述孔201。
发明人发现，为避免上述气泡影响后续形成的再布线金属层的良率，需要在此对旋涂的光刻胶207进行处理，使其填充满所述孔201。经研究发现，此处光刻胶207难以填充满孔201，主要是由于光刻胶207的高黏性(大于1000厘泊(cpi))。进一步，发明人发现一种化学试剂，光刻胶的溶质在其中的溶解度大于等于光刻胶的溶质在光刻胶溶剂中的溶解度，光刻胶207可充分溶解于该化学试剂中，且溶于该化学试剂后，其黏性降低，可下降到原来黏性的1/5以下，即黏性小于等于200厘泊，黏性降低后的光刻胶207可进一步填充满孔201。并且，该化学试剂的化学性质与光刻胶溶剂的化学性质类似，也不会影响后续光刻胶的曝光、显影步骤，不会影响转移的图形的精确度。
所述对旋涂的所述光刻胶207进行处理的步骤包括：采用前述化学试剂充分溶解旋涂的光刻胶207；旋转涂有光刻胶，并滴有所述化学试剂的半导体衬底，使充分溶解于化学试剂的光刻胶207进一步填充所述孔201，并将其填充满，同时甩出多余的化学试剂。其中，光刻胶207的溶质在所述化学试剂中的溶解度大，此处充分溶解后，相当于对光刻胶207进一步稀释，从而降低了光刻胶207的黏性；而后续进行旋转的动作，则是有助于黏性降低后的光刻胶207流动，以填充入孔201中。
本发明的实施例中，所述化学试剂为丙酮和异丙醇的混合溶液。其中，所述丙酮的质量分数为85％，所述异丙醇的质量分数为15％，两者的体积比为3:1。在对旋涂的所述光刻胶207进行处理时，包括：将质量分数为85％的丙酮和质量分数为15％的异丙醇混合均匀；在旋涂的光刻胶207表面滴上述混合溶液，静置15秒-30秒，使该混合溶液充分溶解旋涂的光刻胶207；待光刻胶207的溶质充分溶解后，旋转上述静置后的半导体衬底，使充分溶解于混合溶液的光刻胶207填充满孔201，并甩出多余的混合溶液和光刻胶207。
需要说明的是，本发明的一个实例中，旋转上述静置后的半导体衬底，使充分溶解于混合溶液的光刻胶207填充满孔201，并甩出多余的混合溶液和光刻胶207的工艺步骤包括：步骤一、以1000转/分2的旋转加速度旋转涂上述半导体衬底200(即表面滴有丙酮和异丙醇的混合溶液，并静置15秒-30秒后的半导体衬底200)，当其旋转速度由0增加到1000转/分后，维持该旋转速度3秒；步骤二、以-1000转/分2的旋转加速度旋转所述半导体衬底200，使其速度由1000转/分降低至0，维持15秒；步骤三、以1000转/分2的旋转加速度旋转上述半导体衬底200，使其速度由0增加至60转/分，维持1秒；步骤四、以-1000转/分2的旋转加速度旋转上述半导体衬底200，使其速度由60转/分降低至0，维持5秒；之后反复执行步骤三和四多次，例如3次。为使溶解于上述混合溶液的光刻胶207填充满孔201，最后一次旋转半导体衬底200，当速度降低至0后，可以静置更长的时间，例如45秒。
需要说明的是，在本发明的其他实施例中，所述丙酮的质量分数为60％-90％，所述异丙醇的质量分数为10％-40％。只要能够使光刻胶207溶于两者的混合溶液，降低其黏性即可。
需要说明的是，上述步骤后，光刻胶207填充满孔201，消除了气泡，使得后续形成的图形化的光刻胶层的质量得以保证。
请参考图8，当光刻胶207(如图7所示)填充满所述孔201之后，形成图形化的光刻胶层207a。
所述形成图形化的光刻胶层的步骤包括：软烘、曝光、显影和硬烘。其中，所述软烘用于光刻胶207内的溶剂挥发，增加光刻胶207与金属层202a间的粘附性、光吸收以及抗腐蚀能力，缓和旋涂光刻胶207过程中其内产生的应力等，通常所述软烘的温度为100摄氏度-120摄氏度，烘烤时间为60秒-300秒。本发明的实施例中，所述软烘的温度为115摄氏度，烘烤时间为240秒。
所述曝光、显影用于将掩膜板300上的图形301转移至光刻胶207中，形成图形化的光刻胶层207a。本发明的实施例中，所述曝光时的能量为180毫焦-300毫焦，所述显影方式为动态显影，采用的显影试剂为质量分数为2％-3％的四甲基氢氧化铵(TMAH)。
需要说明的是，由于本发明实施例中消除了气泡，形成图形化的光刻胶层207a的过程中，无论是软烘还是硬烘，光刻胶都不会发生破裂，因而可以形成完整的将掩模板300上的图形301转移至光刻胶层207a中，光刻胶层207a的质量较好，在后续步骤中既可以有效将上述图形301转移至底层的金属层202a上形成再布线金属层，又可以有效保护无需刻蚀的那部分金属层202a。
请参考图9，以所述图形化的光刻胶层207a为掩膜，刻蚀金属层202a(如图8所示)形成再布线金属层210。
所述再布线金属层210用于后续传递信号。所述刻蚀金属层202a形成再布线金属层210的工艺在此不再赘述。
需要说明的是，如前文所述，由于形成的图形化的光刻胶层207a的质量较好，不存在被气泡冲破的地方，因而以所述图形化的光刻胶层207a为掩膜形成的再布线金属层210的良率较好，后续形成的半导体产品的良率高。
上述步骤完成后，本发明实施例的实现再布线金属层光刻的方法完成。由于旋涂光刻胶之后，在对其进行软烘、曝光、显影和硬烘之前，对旋涂的所述光刻胶进行处理使其填充满半导体衬底内的孔，以消除气泡，防止后续烘烤(软烘或硬烘)时由于温度升高，气泡膨胀导致光刻胶被冲破，形成的图形化的光刻胶层的质量受损，提高后续形成的再布线金属层的良率，半导体产品的良率也随之提高。
进一步的，采用丙酮和异丙醇的混合溶液作为化学试剂充分溶解旋涂的光刻胶，由于光刻胶在其混合溶液中的溶解度大于等于光刻胶在光刻胶溶剂中的溶解度，可有效稀释光刻胶，降低其黏性，有助于光刻胶填充满孔，消除气泡，提高后续图形化的光刻胶层的质量。
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 (13)

1.一种实现再布线金属层光刻的方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底内形成有贯穿其部分厚度的孔，所述半导体衬底和孔的内壁表面覆盖有金属层；
在所述半导体衬底表面旋涂光刻胶；
对旋涂的所述光刻胶进行处理使其填充满所述孔；
当光刻胶填充满所述孔之后，形成图形化的光刻胶层；
以所述图形化的光刻胶层为掩膜，刻蚀金属层形成再布线金属层。
2.如权利要求1所述的实现再布线金属层光刻的方法，其特征在于，所述对旋涂的所述光刻胶进行处理的步骤包括：采用化学试剂充分溶解旋涂的光刻胶，其中，所述光刻胶的溶质在所述化学试剂中的溶解度大于等于光刻胶的溶质在光刻胶溶剂中的溶解度，光刻胶溶解于上述化学试剂后，其黏性小于等于200厘泊；旋转涂有光刻胶、并滴有所述化学试剂的半导体衬底，使充分溶解于化学试剂的光刻胶进一步填充满所述孔，并甩出多余的化学试剂。
3.如权利要求2所述的实现再布线金属层光刻的方法，其特征在于，所述化学试剂为丙酮和异丙醇的混合溶液。
4.如权利要求3所述的实现再布线金属层光刻的方法，其特征在于，所述丙酮的质量分数为60％-90％，所述异丙醇的质量分数为10％-40％。
5.如权利要求3所述的实现再布线金属层光刻的方法，其特征在于，所述化学试剂包含质量分数为85％的丙酮溶液和质量分数为15％的异丙醇溶液，且两者的体积比为3:1。
6.如权利要求3所述的实现再布线金属层光刻的方法，其特征在于，采用化学试剂充分溶解旋涂的光刻胶的步骤包括：将质量分数为85％的丙酮和质量分数为15％的异丙醇混合均匀；在旋涂的光刻胶表面滴上述混合溶液，静置15秒-30秒，使该混合溶液充分溶解旋涂的光刻胶。
7.如权利要求1所述的实现再布线金属层光刻的方法，其特征在于，还包括：在所述半导体衬底表面旋涂光刻胶之前，对上述具有孔和金属层的半导体衬底进行等离子体处理。
8.如权利要求7所述的实现再布线金属层光刻的方法，其特征在于，所述等离子体处理采用的气体为氩气。
9.如权利要求1所述的实现再布线金属层光刻的方法，其特征在于，形成图形化的光刻胶层的步骤包括：软烘、曝光、显影和硬烘。
10.如权利要求9所述的实现再布线金属层光刻的方法，其特征在于，所述软烘的温度为100摄氏度-120摄氏度，烘烤的时间为60秒-300秒。
11.如权利要求9所述的实现再布线金属层光刻的方法，其特征在于，所述曝光时的能量为180毫焦-300毫焦。
12.如权利要求9所述的实现再布线金属层光刻的方法，其特征在于，所述显影方式为动态显影，采用的显影试剂为质量分数为2％-3％的四甲基氢氧化铵。
13.如权利要求1所述的实现再布线金属层光刻的方法，其特征在于，所述光刻胶层的厚度大于等于5微米。
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