CN111403273B - 晶圆减薄工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种晶圆减薄工艺方法，包括步骤：步骤一、采用化学机械研磨工艺对晶圆的第一表面的硅材料进行研磨并实现第一次减薄；步骤二、采用TMAH药液对晶圆的第一表面的硅材料进行湿法刻蚀实现第二次减薄以将晶圆的厚度减薄到目标厚度；第二次减薄中，将湿法刻蚀工艺分成二步以上的湿法刻蚀子步骤；各湿法刻蚀子步骤之前还包括一步氢氟酸的预处理子步骤；在各湿法刻蚀子步骤之间以及对应的预处理子步骤之前，还包括一次表面改性处理子步骤以晶圆的第一表面的产生厚度均匀的氧化层。本发明能在保证减少晶圆的厚度波动从而实现对晶圆的厚度进行精确控制的条件下消除分步TMAH药液的湿法刻蚀工艺所带来的平台状刻蚀阻挡缺陷。

Description

晶圆减薄工艺方法
技术领域
本发明涉及一种半导体集成电路制造方法，特别涉及一种晶圆减薄工艺方法。
背景技术
背照式(BSI)图像传感器(CIS)的减薄工艺最后一步需要采用分子式为C4H13NO的四甲基氢氧化铵(TMAH)药液将晶圆(wafer)即硅(Si)晶圆的硅层通常为外延(EPI)Si刻蚀至目标厚度，根据不同产品目标厚度通常为2μm～7μm，每片晶圆的平均厚度值允许波动范围小于0.06μm，面内厚度范围(range)不超过0.18um，工艺要求非常苛刻。
为减小因前层Si的化学机械研磨(CMP)工艺研磨之后Si厚度不一的影响，TMAH刻蚀已采用先进过程控制(AdvacedProcessControl，APC)对工艺进行控制。但因TMAH药液对EPISi的刻蚀速率会受到温度及氧浓度的影响，即使严格控制药液罐(tank)内药液温度，各个作业腔内实际到达wafer表面的药液温度依然不可控。另外，即便药液更换周期已小于6小时，初期和末端的刻蚀速率差异导致实际晶圆的平均厚度值仍然波动较大。
为使实际晶圆的平均厚度值保持稳定，可以采用双步TMAH刻蚀，每一步均通过APC对工艺进行控制，有效降低单步Si刻蚀量，减小因TMAH刻蚀速率波动造成的厚度波动。
但在双步TMAH刻蚀之后，发现平台状刻蚀阻挡缺陷(block_etch)缺陷。如图1所示，是现有晶圆减薄工艺方法形成的减薄后的晶圆的表面缺陷分布图；可以看出，减薄后的晶圆101上形成有超出规范范围(spec)的表面缺陷102，表面缺陷102超spec会影响产品良率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种晶圆减薄工艺方法，能在保证减少晶圆的厚度波动从而实现对晶圆的厚度进行精确控制的条件下消除分步TMAH药液的湿法刻蚀工艺所带来的平台状刻蚀阻挡缺陷。
为解决上述技术问题，本发明提供的晶圆减薄工艺方法包括如下步骤：
步骤一、采用化学机械研磨(CMP)工艺对所述晶圆的第一表面的硅材料进行研磨并实现第一次减薄。
步骤二、采用TMAH药液对所述晶圆的第一表面的硅材料进行湿法刻蚀实现第二次减薄。
所述第二减薄将所述晶圆的厚度减薄到目标厚度；所述第二次减薄中，将所述湿法刻蚀工艺分成二步以上的湿法刻蚀子步骤。
各所述湿法刻蚀子步骤之前还包括一步预处理子步骤，所述预处理子步骤采用氢氟酸去除所述晶圆表面的氧化层。
各所述湿法刻蚀子步骤会使所述晶圆的第一表面的粗糙度增加并使所述晶圆的第一表面产生的氧化层厚度不均匀。
在各所述湿法刻蚀子步骤之间，还包括一次表面改性处理子步骤，所述表面改性处理子步骤放置在对应的所述预处理子步骤之前；所述表面改性处理子步骤用于对所述晶圆的第一表面产生氧化作用并使所述晶圆的第一表面的产生的氧化层厚度均匀，从而在所述预处理子步骤后防止所述晶圆的第一表面产生局部氧化层残留，并防止在对应的后一步的所述湿法刻蚀子步骤中产生由局部氧化层残留的刻蚀阻挡作用而形成的平台状刻蚀阻挡缺陷。
进一步的改进是，所述晶圆的第一表面为背面，在所述晶圆的第二表面上形成有半导体器件。
进一步的改进是，所述半导体器件为背照式图像传感器。
进一步的改进是，所述目标厚度为2μm～7μm。
进一步的改进是，所述第二次减薄后，各所述晶圆的厚度的平均值的允许波动范围小于0.06μm。
进一步的改进是，所述第二次减薄后，所述晶圆的面内厚度的波动范围不超过0.18μm。
进一步的改进是，步骤二中，各所述湿法刻蚀子步骤都采用APC控制。
进一步的改进是，各所述湿法刻蚀子步骤的工艺条件不相同。
进一步的改进是，所述表面改性处理子步骤包括：
对所述晶圆的第一表面的硅进行氧化处理。
采用SPM和SC1清洗液对所述晶圆进行清洗。
进一步的改进是，所述氧化处理采用灰化处理工艺。
进一步的改进是，步骤二中共包括2步所述湿法刻蚀子步骤和1步所述表面改性处理子步骤。
进一步的改进是，步骤一中，进行所述化学机械研磨工艺之前，还包括将所述晶圆的第二表面键合在第二晶圆上的步骤。
进一步的改进是，各所述湿法刻蚀子步骤的TMAH药液存储在药液罐中并通过所述药液罐控制所述TMAH药液的温度。
进一步的改进是，所述药液罐中的TMAH药液的更换周期小于6小时。
进一步的改进是，在步骤二完成后，还包括在减薄后的所述晶圆的第一表面形成微镜头的步骤。
本发明在采用CMP完成晶圆的第一次减薄后，通过TMAH药液的湿法刻蚀对晶圆进行第二次减薄，通过将湿法刻蚀工艺分成二步以上的湿法刻蚀子步骤，利用湿法刻蚀子步骤单步刻蚀时间短的特点，消除了较长时间湿法刻蚀时由于温度和氧浓度的波动对厚度产生较大波动的不利影响，从而能减少晶圆的厚度波动并从而实现对晶圆的厚度进行精确控制。
本发明还在二次湿法刻蚀子步骤之间增加了一层表面改性处理子步骤，表面改性处理子步骤能对晶圆的第一表面产生氧化作用并使晶圆的第一表面的产生的氧化层厚度均匀，消除了湿法刻蚀子步骤在晶圆的第一表面的产生的氧化层厚度不均匀的缺陷，这样能在后续的预处理子步骤将晶圆的第一表面的氧化层完全去除，从而能防止晶圆的第一表面产生局部氧化层残留，并防止在对应的后一步的湿法刻蚀子步骤中产生由局部氧化层残留的刻蚀阻挡作用而形成的平台状刻蚀阻挡缺陷，最后能提高产品的良率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是现有晶圆减薄工艺方法形成的减薄后的晶圆的表面缺陷分布图；
图2是图1的表面缺陷中的平台状刻蚀阻挡缺陷对应的照片；
图3是本发明实施例晶圆减薄工艺方法的流程图；
图4是本发明实施例晶圆减薄工艺方法形成的减薄后的晶圆的表面缺陷分布图。
具体实施方式
如图3所示，是本发明实施例晶圆减薄工艺方法的流程图；本发明实施例晶圆减薄工艺方法包括如下步骤：
步骤一、采用化学机械研磨工艺对所述晶圆的第一表面的硅材料进行研磨并实现第一次减薄。
本发明实施例方法中，所述晶圆的第一表面为背面，在所述晶圆的第二表面上形成有半导体器件。
所述半导体器件为背照式图像传感器。
进行所述化学机械研磨工艺之前，还包括将所述晶圆的第二表面键合在第二晶圆上的步骤。
步骤二、采用TMAH药液对所述晶圆的第一表面的硅材料进行湿法刻蚀实现第二次减薄。
所述第二减薄将所述晶圆的厚度减薄到目标厚度。较佳为，所述目标厚度为2μm～7μm。所述第二次减薄后，各所述晶圆的厚度的平均值的允许波动范围小于0.06μm。所述第二次减薄后，所述晶圆的面内厚度的波动范围不超过0.18μm。
所述第二次减薄中，将所述湿法刻蚀工艺分成二步以上的湿法刻蚀子步骤。所述湿法刻蚀子步骤的循环步数能根据实际工艺进行调整，通常，将湿法刻蚀子步骤设置为2步即可。
本发明实施例中，各所述湿法刻蚀子步骤都采用APC控制。
各所述湿法刻蚀子步骤的工艺条件不相同。
各所述湿法刻蚀子步骤之前还包括一步预处理子步骤，所述预处理子步骤采用氢氟酸去除所述晶圆表面的氧化层；
各所述湿法刻蚀子步骤会使所述晶圆的第一表面的粗糙度增加并使所述晶圆的第一表面产生的氧化层厚度不均匀；
在各所述湿法刻蚀子步骤之间，还包括一次表面改性处理子步骤，所述表面改性处理子步骤放置在对应的所述预处理子步骤之前；所述表面改性处理子步骤用于对所述晶圆的第一表面产生氧化作用并使所述晶圆的第一表面的产生的氧化层厚度均匀，从而在所述预处理子步骤后防止所述晶圆的第一表面产生局部氧化层残留，并防止在对应的后一步的所述湿法刻蚀子步骤中产生由局部氧化层残留的刻蚀阻挡作用而形成的平台状刻蚀阻挡缺陷。
所述表面改性处理子步骤包括：
对所述晶圆的第一表面的硅进行氧化处理。较佳为，所述氧化处理采用灰化处理工艺。
采用SPM和SC1清洗液对所述晶圆进行清洗。
各所述湿法刻蚀子步骤的TMAH药液存储在药液罐中并通过所述药液罐控制所述TMAH药液的温度。所述药液罐中的TMAH药液的更换周期小于6小时。
在步骤二完成后，还包括在减薄后的所述晶圆的第一表面形成微镜头的步骤。
本发明实施例在采用CMP完成晶圆的第一次减薄后，通过TMAH药液的湿法刻蚀对晶圆进行第二次减薄，通过将湿法刻蚀工艺分成二步以上的湿法刻蚀子步骤，利用湿法刻蚀子步骤单步刻蚀时间短的特点，消除了较长时间湿法刻蚀时由于温度和氧浓度的波动对厚度产生较大波动的不利影响，从而能减少晶圆的厚度波动并从而实现对晶圆的厚度进行精确控制。
本发明实施例还在二次湿法刻蚀子步骤之间增加了一层表面改性处理子步骤，表面改性处理子步骤能对晶圆的第一表面产生氧化作用并使晶圆的第一表面的产生的氧化层厚度均匀，消除了湿法刻蚀子步骤在晶圆的第一表面的产生的氧化层厚度不均匀的缺陷，这样能在后续的预处理子步骤将晶圆的第一表面的氧化层完全去除，从而能防止晶圆的第一表面产生局部氧化层残留，并防止在对应的后一步的湿法刻蚀子步骤中产生由局部氧化层残留的刻蚀阻挡作用而形成的平台状刻蚀阻挡缺陷，最后能提高产品的良率。
如图4所示，是本发明实施例晶圆减薄工艺方法形成的减薄后的晶圆的表面缺陷分布图，图4中的晶圆1是经过两步湿法刻蚀子步骤和一步位置二者之间的表面改善处理子步骤后得到的减薄后晶圆，晶圆1上出现的表面缺陷2明显减少且减少到SPEC内，且表面缺陷2中不包括平台状刻蚀阻挡缺陷。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种晶圆减薄工艺方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、采用化学机械研磨工艺对所述晶圆的第一表面的硅材料进行研磨并实现第一次减薄；
步骤二、采用TMAH药液对所述晶圆的第一表面的硅材料进行湿法刻蚀实现第二次减薄；
所述第二次减薄将所述晶圆的厚度减薄到目标厚度；所述第二次减薄中，将所述湿法刻蚀工艺分成二步以上的湿法刻蚀子步骤；
各所述湿法刻蚀子步骤之前还包括一步预处理子步骤，所述预处理子步骤采用氢氟酸去除所述晶圆表面的氧化层；
各所述湿法刻蚀子步骤会使所述晶圆的第一表面的粗糙度增加并使所述晶圆的第一表面产生的氧化层厚度不均匀；
在各所述湿法刻蚀子步骤之间，还包括一次表面改性处理子步骤，所述表面改性处理子步骤放置在对应的所述预处理子步骤之前；所述表面改性处理子步骤用于对所述晶圆的第一表面产生氧化作用并使所述晶圆的第一表面的产生的氧化层厚度均匀，从而在所述预处理子步骤后防止所述晶圆的第一表面产生局部氧化层残留，并防止在对应的后一步的所述湿法刻蚀子步骤中产生由局部氧化层残留的刻蚀阻挡作用而形成的平台状刻蚀阻挡缺陷。
2.如权利要求1所述的晶圆减薄工艺方法，其特征在于：所述晶圆的第一表面为背面，在所述晶圆的第二表面上形成有半导体器件。
3.如权利要求2所述的晶圆减薄工艺方法，其特征在于：所述半导体器件为背照式图像传感器。
4.如权利要求3所述的晶圆减薄工艺方法，其特征在于：所述目标厚度为2μm～7μm。
5.如权利要求4所述的晶圆减薄工艺方法，其特征在于：所述第二次减薄后，各所述晶圆的厚度的平均值的允许波动范围小于0.06μm。
6.如权利要求4所述的晶圆减薄工艺方法，其特征在于：所述第二次减薄后，所述晶圆的面内厚度的波动范围不超过0.18μm。
7.如权利要求1所述的晶圆减薄工艺方法，其特征在于：步骤二中，各所述湿法刻蚀子步骤都采用APC控制。
8.如权利要求7所述的晶圆减薄工艺方法，其特征在于：各所述湿法刻蚀子步骤的工艺条件不相同。
9.如权利要求7所述的晶圆减薄工艺方法，其特征在于：所述表面改性处理子步骤包括：
对所述晶圆的第一表面的硅进行氧化处理；
采用SPM和SC1清洗液对所述晶圆进行清洗。
10.如权利要求9所述的晶圆减薄工艺方法，其特征在于：所述氧化处理采用灰化处理工艺。
11.如权利要求9所述的晶圆减薄工艺方法，其特征在于：步骤二中共包括2步所述湿法刻蚀子步骤和1步所述表面改性处理子步骤。
12.如权利要求3所述的晶圆减薄工艺方法，其特征在于：步骤一中，进行所述化学机械研磨工艺之前，还包括将所述晶圆的第二表面键合在第二晶圆上的步骤。
13.如权利要求8所述的晶圆减薄工艺方法，其特征在于：各所述湿法刻蚀子步骤的TMAH药液存储在药液罐中并通过所述药液罐控制所述TMAH药液的温度。
14.如权利要求13所述的晶圆减薄工艺方法，其特征在于：所述药液罐中的TMAH药液的更换周期小于6小时。
15.如权利要求3所述的晶圆减薄工艺方法，其特征在于：在步骤二完成后，还包括在减薄后的所述晶圆的第一表面形成微镜头的步骤。
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GR01 Patent grant
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