CN109987573A - 半导体结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种半导体结构及其制造方法，该半导体结构包括：半导体衬底；牺牲层，位于半导体衬底上；功能层，位于牺牲层上；焊盘，位于功能层上；保护层，覆盖功能层，保护层包括开口，焊盘经由开口暴露；以及至少一个通孔，贯穿保护层与功能层，至少部分牺牲层经由至少一个通孔暴露。该半导体结构通过将焊盘形成在功能层上，经由保护层的开口暴露，因此在经由通孔去除部分牺牲层后，不需要去除保护层，可以直接在暴露的焊盘上进行后续引线工艺，达到了简化制造工艺步骤的目的、提高了生产效率、减少了制造成本。

Description

半导体结构及其制造方法
技术领域
本公开涉及半导体器件制造领域，更具体地，涉及一种半导体结构及其制造方法。
背景技术
随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技术的发展，利用MEMS技术制造的加速度传感器、陀螺仪、角速度传感器等精度较高的器件已经广泛地应用到了汽车领域和消费电子的领域中。其中，例如加速度计和角速度计等惯性传感器均具有可动结构，微机电系统常需要通过“释放”工艺来去除牺牲层，制作可动结构。
常见的释放工艺分为干法和湿法两种。干法工艺成本高，效率低，但刻蚀效果可控性好，常被用于制作复杂的MEMS结构。湿法工艺效率高，成本低，但波动性大，且常需要在湿法释放后再通过相应去除湿法释放中保护不希望释放部分的保护层。
图1示出了现有技术中的MEMS结构示意图。在“释放”工艺前，一般会使用光致抗蚀剂作为保护层130保护住不希望释放的部分，让湿法工艺的溶液从释放孔121钻入功能层120下方，侧向和纵向各向同性地钻蚀，达到去除牺牲层110、释放功能层120的效果。在“释放”工艺后，一般需要通过去胶的工艺将保护层130移除，以露出焊盘140和半导体衬底101上的划片道。
然而，在采用湿法刻蚀工艺时，其中的溶液常存在基于表面力的毛细效应钻蚀现象，由于保护层130与台阶侧面之间存在间隙，常出现湿法溶剂沿着图1中虚框处所示缝隙钻入刻蚀牺牲层110，导致保护区域也被释放的问题，甚至可能导致焊盘140下方被掏空，在后续引线时焊盘140碎裂，最后产品失效。
此外，在释放结构后，后续的去胶步骤增加了生产的复杂度，降低了生产和效率和良率。如果使用湿法去胶，很难一次性去除干净，因为释放后的结构很脆弱，在微观世界中，表面力(如摩擦力)远远大于体力(如重力)，因此液体的冲击极易造成释放后的结构碎裂失效。如果使用干法去胶，一般通过等离子方式，其副作用会造成已释放的功能层120被轰击，从而影响功能层120的可靠性。同时如果干法工艺的温度过高(例如超过300摄氏度)，会造成焊盘140材料变性或形成不希望出现的合金，从而影响后续焊盘140的引线步骤。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种半导体结构及其制造方法，无需去除保护层，从而解决了上述问题。
根据本发明的一方面，提供了一种半导体结构，包括：半导体衬底；牺牲层，位于所述半导体衬底上；功能层，位于所述牺牲层上；焊盘，位于所述功能层上；保护层，覆盖所述功能层，所述保护层包括开口，所述焊盘经由所述开口暴露；以及至少一个通孔，贯穿所述保护层与所述功能层，至少部分所述牺牲层经由所述至少一个通孔暴露。
优选地，所述功能层与所述牺牲层构成台阶，所述保护层贴合所述台阶的侧壁。
优选地，所述功能层与所述牺牲层的侧壁平齐，所述保护层经所述功能层的表面、所述功能层的侧壁、所述牺牲层的侧壁延伸至所述半导体衬底的表面。
优选地，所述功能层经所述牺牲层的表面、所述牺牲层的侧壁延伸至所述半导体衬底的表面。
优选地，所述台阶的高度不大于20μm。
优选地，所述半导体结构具有划片道，与所述台阶相邻，其中，至少部分所述半导体衬底经所述划片道暴露。
优选地，所述保护层的材料包括致密性材料。
优选地，所述保护层的材料包括SiNx。
优选地，所述保护层的厚度小于1um。
优选地，所述牺牲层的材料包括氧化硅、磷硅玻璃以及硼磷硅玻璃中的一种或多种。
根据本发明的另一方面，提供了一种半导体结构的制造方法，包括：在半导体衬底上形成牺牲层；在所述牺牲层上形成功能层；覆盖所述功能层形成保护层，所述保护层包括开口；在所述功能层上形成焊盘，所述焊盘经由所述开口暴露；贯穿所述保护层与所述功能层形成至少一个通孔；以及经由所述至少一个通孔去除部分所述牺牲层。
优选地，形成所述保护层之前，还包括去除所述半导体衬底上方的部分所述功能层与所述牺牲层形成台阶，其中，所述保护层贴合所述台阶的侧壁。
优选地，所述功能层与所述牺牲层的侧壁平齐，其中，所述保护层经所述功能层的表面、所述功能层的侧壁、所述牺牲层的侧壁延伸至所述半导体衬底的表面。
优选地，形成所述台阶的步骤包括延伸所述功能层，以使所述功能层经所述牺牲层的表面、所述牺牲层的侧壁延伸至所述半导体衬底的表面。
优选地，所述制造方法还包括形成与所述台阶相邻的划片道，形成所述划片道的步骤包括：采用光刻、刻蚀工艺图案化所述保护层形成所述划片道以暴露至少部分所述半导体衬底，其中，所述台阶的高度不大于20μm。
优选地，形成所述开口的步骤包括：采用光刻、刻蚀工艺图案化所述保护层以形成所述开口，其中，所述开口与所述划片道采用同一步光刻、刻蚀工艺形成。
优选地，形成所述保护层后，形成所述通孔的步骤包括采用光刻、刻蚀工艺图案化所述保护层与所述功能层形成所述通孔。
优选地，所述保护层的材料包括致密性材料。
优选地，所述保护层的材料包括SiNx。
优选地，所述保护层的厚度小于1um。
优选地，所述牺牲层的材料包括氧化硅、磷硅玻璃以及硼磷硅玻璃中的一种或多种。
根据本发明的半导体结构及其制造方法，通过将焊盘形成在功能层上，经由保护层的开口暴露，因此在经由通孔去除部分牺牲层后，不需要再去除保护层，可以直接在暴露的焊盘上进行后续引线工艺，达到了简化制造工艺步骤的目的、提高了生产效率、减少了制造成本。
进一步地，与现有技术相比，本发明实施例将保护层的材料替换成致密的氮化物(SiNx)材料，由于SiNx材料覆盖特性良好，因此可以减小保护层的厚度，从而减小了半导体结构的体积。
进一步地，由于SiNx材料覆盖特性良好，可以完全贴合覆盖台阶的侧壁，避免了毛细效应钻蚀导致半导体结构出现不可控的非理想效果。
进一步地，通过将致密保护层覆盖在功能层上，加强了半导体结构的强度，增强了半导体结构可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单介绍，显而易见地，下面的描述中的附图仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制。
图1示出了现有技术中的MEMS结构示意图。
图2示出了本发明第一实施例的半导体结构示意图。
图3至图8示出了本发明第一实施例的半导体结构的制造方法中一部分阶段的截面示意图。
图9至图12示出了本发明第二实施例的半导体结构的制造方法中一部分阶段的截面示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体器件。
应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。
如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“直接在……上面”或“在……上面并与之邻接”的表述方式。
在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
图2示出了本发明实施例的半导体结构示意图。
如图2所示，本发明实施例的半导体结构包括：半导体衬底201、牺牲层210、功能层220、保护层230、焊盘240、至少一个通孔202以及划片道，其中，保护层包括开口203。
牺牲层210位于半导体衬底201上，牺牲层210的材料包括但不限于氧化硅、磷硅玻璃以及硼磷硅玻璃中的一种或多种。
功能层220位于牺牲层上210，功能层220与牺牲层210构成台阶(虚框处)，台阶的高度不大于20μm，其中，划片道与台阶相邻，部分半导体衬底201经划片道暴露。在本实施例中，功能层220与牺牲层210的侧壁平齐，功能层220可以包括多层。
保护层230覆盖功能层220并贴合台阶的侧壁。在本实施例中，保护层230经功能层220的表面、功能层220的侧壁、牺牲层210的侧壁延伸至半导体衬底201的表面，其中，保护层230的材料包括致密性材料，优选为SiNx，保护层230的厚度小于1um。
焊盘240位于功能层230上，与功能层230电连接，并经由开口203暴露。
至少一个通孔202贯穿保护层230与功能层220，至少部分牺牲层210经由至少一个通孔202暴露。
图3至图8示出了本发明实施例的半导体结构的制造方法中一部分阶段的截面示意图。下面将结合图3至图8对本发明实施例的半导体结构的制造方法进行详细描述。
在半导体衬底201上形成牺牲层210，如图3所示。
在该步骤中，例如采用热氧化、溅射或化学气相沉积工艺在半导体衬底201上形成牺牲层210，其中，牺牲层210的材料包括氧化硅、磷硅玻璃以及硼磷硅玻璃中的一种或多种。
进一步地，在牺牲层210上形成功能层220，如图4所示。
进一步地，去除半导体衬底201上方的部分功能层220与牺牲层210形成台阶，如图5所示。
在该步骤中，例如先在功能层220上涂布光致抗蚀剂，采用光刻工艺图案化光致抗蚀剂以形成抗蚀剂掩模，之后采用刻蚀工艺，经由抗蚀剂掩模去除部分功能层220与牺牲层210，控制刻蚀时间，使刻蚀在到达半导体衬底201时停止，从而形成台阶(虚框处)，在本实施例中，功能层220与牺牲层210的侧壁平齐，最后采用溶剂溶解或灰化的方法去除抗蚀剂掩模。
进一步地，覆盖功能层220，并且贴合台阶的侧壁形成保护层230，如图6所示。
在该步骤中，例如化学气相沉积工艺成保护层230，使得保护层230经功能层220的表面、功能层220的侧壁、牺牲层210的侧壁延伸至半导体衬底201的表面，其中，保护层230的材料包括致密性材料，优选为SiNx，保护层230的厚度小于1um，化学气相沉积工艺可采用常压化学气相淀积工艺、低压化学气相淀积工艺中的一种或多种，化学气相沉积工艺的工艺温度包括800摄氏度。
进一步地，贯穿保护层230与功能层220形成至少一个通孔202，如图7所示。
在该步骤中，例如先在保护层230上形成掩膜层，采用光刻的方法图案化掩膜层以形成刻蚀通道，从而将部分保护层230暴露，之后采用刻蚀工艺图案化保护层230与功能层220，经由刻蚀通道刻蚀保护层230与功能层220形成至少一个通孔202，控制刻蚀时间，使刻蚀在到达牺牲层210时停止，最后采用溶剂溶解或灰化的方法去除抗蚀剂掩模。在本实施例中，由于保护层230的材料包括致密性材料，附着性能很好，因此需要在形成保护层230后再制作通孔202。
进一步地，贯穿保护层230形成开口203，如图7所示。
在该步骤中，例如先在保护层230上涂布光致抗蚀剂，采用光刻的方法图案化光致抗蚀剂以形成刻蚀通道，从而将部分保护层230暴露，之后采用刻蚀工艺图案化保护层230，经由刻蚀通道刻蚀保护层230形成开口203，控制刻蚀时间，使刻蚀在到达功能层220时停止，最后采用溶剂溶解或灰化的方法去除抗蚀剂掩模。
在一些优选的实施例中，可通调整光刻机显影尺寸，使得与开口203对应的刻蚀通道的尺寸略大于开口203(覆盖光刻对准误差)。
进一步地，形成与台阶相邻的划片道，如图7所示。
在该步骤中，例如先在保护层230上涂布光致抗蚀剂，采用光刻的方法图案化光致抗蚀剂以形成刻蚀通道，从而将部分保护层230暴露，之后采用刻蚀工艺图案化保护层230，经由刻蚀通道刻蚀保护层230形成划片道以暴露部分半导体衬底201，控制刻蚀时间，使刻蚀在到达半导体衬底201时停止，最后采用溶剂溶解或灰化的方法去除抗蚀剂掩模。在后续步骤中，可通过激光直接照射暴露的半导体衬底201表面进行切割。
在本实施例中，为了使光刻机的景深可以正常对划片道上方的光致抗蚀剂进行显影，因此台阶的高度不大于20μm。
在一些优选的实施例中，开口203与划片道采用同一步光刻、刻蚀工艺形成。
进一步地，在功能层220上形成焊盘240，焊盘240经由开口203暴露，如图8所示。
进一步地，经由至少一个通孔202去除部分牺牲层210。
在该步骤中，采用湿法腐蚀工艺去除部分牺牲层210，由于焊盘240直接暴露在湿法腐蚀工艺的液体中，可能会受到腐蚀，需要对湿法工艺的液体进行配比深度、释放时间和反应温度的考核。极端情况时会限制焊盘240之间的电气连接特性和相对距离，因此在一些优选的实施例中，每个连接点(Net)至多设置一个焊盘240，焊盘240之间最小距离需要大于等于50um。
图9至图12示出了本发明第二实施例的半导体结构的制造方法中一部分阶段的截面示意图。
与第一实施例相比，第二实施例的不同之处在于，形成台阶的步骤包括延伸功能层220，以使功能层220经牺牲层210的表面、牺牲层210的侧壁延伸至半导体衬底201的表面，如图9所示。与第一实施例相比，本实施例的台阶的高度减小。
进一步地，覆盖功能层220形成保护层230，如图10所示。该步骤的工艺与第一实施例相似，此处不再赘述。
进一步地，贯穿保护层230与功能层220形成至少一个通孔202、贯穿保护层230形成开口203，如图11所示。该步骤的工艺与第一实施例相似，此处不再赘述。
进一步地，形成与台阶相邻的划片道，如图11所示。
在该步骤中，例如先在保护层230上涂布光致抗蚀剂，采用光刻的方法图案化光致抗蚀剂以形成刻蚀通道，从而将部分保护层230暴露，之后采用刻蚀工艺图案化保护层230与功能层220，经由刻蚀通道刻蚀保护层230与功能层220形成划片道以暴露部分半导体衬底201，控制刻蚀时间，使刻蚀在到达半导体衬底201时停止，最后采用溶剂溶解或灰化的方法去除抗蚀剂掩模。在后续步骤中，可通过激光直接照射暴露的半导体衬底201表面进行切割。
在本实施例中，为了使光刻机的景深可以正常对划片道上方的光致抗蚀剂进行显影，因此台阶的高度不大于20μm。
进一步地，在功能层220上形成焊盘240，焊盘240经由开口203暴露，如图12所示。
进一步地，经由至少一个通孔202去除部分牺牲层210。该步骤的工艺与第一实施例相似，此处不再赘述。
根据本发明的半导体结构及其制造方法，通过将焊盘形成在功能层上，经由保护层的开口暴露，因此在经由通孔去除部分牺牲层后，不需要再去除保护层，可以直接在暴露的焊盘上进行后续引线工艺，达到了简化制造工艺步骤的目的、提高了生产效率、减少了制造成本。
进一步地，与现有技术相比，本发明实施例将保护层的材料替换成致密的氮化物(SiNx)材料，由于SiNx材料覆盖特性良好，因此可以减小保护层的厚度，从而减小了半导体结构的体积。
进一步地，由于SiNx材料覆盖特性良好，可以完全贴合覆盖台阶的侧壁，避免了毛细效应钻蚀导致半导体结构出现不可控的非理想效果。
进一步地，通过将致密保护层覆盖在功能层上，加强了半导体结构的强度，增强了半导体结构可靠性。
在以上的描述中，对于各层的构图、蚀刻等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。

Claims (21)

1.一种半导体结构，其特征在于，包括：
半导体衬底；
牺牲层，位于所述半导体衬底上；
功能层，位于所述牺牲层上；
焊盘，位于所述功能层上；
保护层，覆盖所述功能层，所述保护层包括开口，所述焊盘经由所述开口暴露；以及
至少一个通孔，贯穿所述保护层与所述功能层，至少部分所述牺牲层经由所述至少一个通孔暴露。
2.根据权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述功能层与所述牺牲层构成台阶，所述保护层贴合所述台阶的侧壁。
3.根据权利要求2所述的半导体结构，其特征在于，所述功能层与所述牺牲层的侧壁平齐，所述保护层经所述功能层的表面、所述功能层的侧壁、所述牺牲层的侧壁延伸至所述半导体衬底的表面。
4.根据权利要求2所述的半导体结构，其特征在于，所述功能层经所述牺牲层的表面、所述牺牲层的侧壁延伸至所述半导体衬底的表面。
5.根据权利要求2所述的半导体结构，其特征在于，所述台阶的高度不大于20μm。
6.根据权利要求2所述的半导体结构，其特征在于，所述半导体结构具有划片道，与所述台阶相邻，
其中，至少部分所述半导体衬底经所述划片道暴露。
7.根据权利要求1-6任一所述的半导体结构，其特征在于，所述保护层的材料包括致密性材料。
8.根据权利要求7所述的半导体结构，其特征在于，所述保护层的材料包括SiNx。
9.根据权利要求8所述的半导体结构，其特征在于，所述保护层的厚度小于1um。
10.根据权利要求1-6任一所述的半导体结构，其特征在于，所述牺牲层的材料包括氧化硅、磷硅玻璃以及硼磷硅玻璃中的一种或多种。
11.一种半导体结构的制造方法，其特征在于，包括：
在半导体衬底上形成牺牲层；
在所述牺牲层上形成功能层；
覆盖所述功能层形成保护层，所述保护层包括开口；
在所述功能层上形成焊盘，所述焊盘经由所述开口暴露；
贯穿所述保护层与所述功能层形成至少一个通孔；以及
经由所述至少一个通孔去除部分所述牺牲层。
12.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，形成所述保护层之前，还包括去除所述半导体衬底上方的部分所述功能层与所述牺牲层形成台阶，
其中，所述保护层贴合所述台阶的侧壁。
13.根据权利要求12所述的制造方法，其特征在于，所述功能层与所述牺牲层的侧壁平齐，
其中，所述保护层经所述功能层的表面、所述功能层的侧壁、所述牺牲层的侧壁延伸至所述半导体衬底的表面。
14.根据权利要求12所述的制造方法，其特征在于，形成所述台阶的步骤包括延伸所述功能层，以使所述功能层经所述牺牲层的表面、所述牺牲层的侧壁延伸至所述半导体衬底的表面。
15.根据权利要求12所述的制造方法，其特征在于，所述制造方法还包括形成与所述台阶相邻的划片道，形成所述划片道的步骤包括：采用光刻、刻蚀工艺图案化所述保护层形成所述划片道以暴露至少部分所述半导体衬底，
其中，所述台阶的高度不大于20μm。
16.根据权利要求15所述的制造方法，其特征在于，形成所述开口的步骤包括：采用光刻、刻蚀工艺图案化所述保护层以形成所述开口，
其中，所述开口与所述划片道采用同一步光刻、刻蚀工艺形成。
17.根据权利要求16所述的制造方法，其特征在于，形成所述保护层后，形成所述通孔的步骤包括采用光刻、刻蚀工艺图案化所述保护层与所述功能层形成所述通孔。
18.根据权利要求11-17任一所述的制造方法，其特征在于，所述保护层的材料包括致密性材料。
19.根据权利要求18所述的制造方法，其特征在于，所述保护层的材料包括SiNx。
20.根据权利要求19所述的制造方法，其特征在于，所述保护层的厚度小于1um。
21.根据权利要求11-17任一所述的制造方法，其特征在于，所述牺牲层的材料包括氧化硅、磷硅玻璃以及硼磷硅玻璃中的一种或多种。
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