一种半导体芯片的制造方法与流程

本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种半导体芯片的制造方法。

背景技术：

随着4g/5g应用的普及，消费者对电子产品功能多样化需求大大提高。mems器件作为一种复杂性的元件，用来实现更多功能，在消费类电子应用中起着重要作用。滤波器作为一种选频元件，用来抑制噪声、选择或限定rf/微波信号的频段范围，在许多rf/微波应用中起着重要的作用。

传统的mems/滤波器体积大、制造成本高，并且不容易与单片集成电路集成，目前实现高性能、小尺寸、低成本的制造工艺，将进一步契合消费者的需求。

技术实现要素：

本发明解决的问题是提供一种半导体芯片的制造方法，在提高芯片性能的同时，减小芯片尺寸、降低制造成本。

为解决上述问题，本发明提供一种半导体芯片的制造方法，包括步骤：

提供晶圆，所述晶圆上形成有膜层，所述膜层包括芯片尺寸的第一区域，和第二区域，所述第一区域用于形成第一功能层，所述第二区域用于形成第二功能层；

提供第一精细金属掩模版，将所述第一精细金属掩模版与所述膜层临时键合，所述第一精细掩膜版具有第一开口和第一遮挡部，所述第一开口定义所述第一功能层的区域，所述第一遮挡部定义第二功能层的区域；

以所述第一精细金属掩模版为掩模，刻蚀所述膜层，形成第一功能层和第二功能层，所述第一功能层的厚度小于所述第二功能层的厚度；

将所述第一精细金属掩模版与所述功能层解键合。

可选的，膜层包括体声波谐振器的上电极材料层、下电极材料层或压电材料层的一种或组合。

可选的，芯片尺寸范围包括半导体芯片尺寸的0.8至1.2倍。

可选的，芯片尺寸的范围大于或等于50μm。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明通过临时键合精细金属掩模版作为掩模，刻蚀晶圆上膜层，形成厚度不同的功能层，刻蚀完毕进行解键合工艺。由于避免了通常的光刻胶掩模、剥离光刻胶，而引发功能层损伤，临时键合精细金属掩模版做掩模，功能层损伤小，提高器件性能。该精细金属掩模版解键合后可继续用于其他晶圆膜层的掩膜，重复利用，大大降低的制程成本。

通过临时键合精细金属掩模版作为掩模，对体声波谐振器的上电极材料层、下电极材料层或压电材料层做刻蚀，该功能层损伤小，提高体声波谐振器性能；在一片晶圆上得到不同厚度的上电极、下电极或压电层，厚度改变实现频率改变，级联若干个不同频率的体声波谐振器就可设计出满足无线通信要求的射频滤波器，级联方式简单，射频滤波器制造尺寸小。

附图说明

图1是本发明半导体芯片的制造方法流程图；

图2至图6是本发明半导体芯片的制造方法一实施例中各步骤对应的结构示意图；

图3a是本发明半导体芯片的制造方法一实施例中夹扣方式的结构示意图；

图7是本发明半导体芯片的制造方法一实施例解键合后结构示意图；

图8是本发明半导体芯片的制造方法一实施例解键合后结构示意图；

图9是本发明半导体芯片的制造方法一实施例解键合后结构示意图。

附图标记如下：

100-晶圆，101-衬底，102-下电极，103-膜层，104-第一精细金属掩模版，111-载台，112-夹扣机构，113-压头，105-上电极，106-第一凹槽，107-第二凹槽，200-晶圆，201-衬底，202-下电极，203-压电层，205-上电极材料层，206-凹槽，300-mems晶圆，302-膜层，306、307-空腔

具体实施方式

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。附图，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、或“连接到”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，第一、第二等描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，这些元件、部件、区域、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、区域、层或部分与另一个元件、部件、区域、层或部分。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细步骤和结构，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。

为实现半导体芯片高性能、小尺寸、低成本的制造工艺，现结合半导体芯片结构及制造方法，寻找改善方案。

半导体芯片的性能很大程度上取决于重要功能层的优劣，重要功能层的微小损伤会造成功能的不稳定，功能层易受制程影响，又必须经过较多制程。我们发现光刻是半导体芯片制造过程不可避免的重要工序，目前常用的光刻方法包括涂覆光刻胶，曝光显影，及光刻胶的去除。一般剥离液去除光刻胶的同时，会对临近的功能层造成不同程度的刻蚀，损伤功能层。

为了解决所述技术问题，本发明提供一种半导体芯片的制造方法，如图1所示，包括步骤：

提供晶圆，所述晶圆上形成有膜层，所述膜层包括芯片尺寸的第一区域，和第二区域，所述第一区域用于形成第一功能层，所述第二区域用于形成第二功能层；

提供第一精细金属掩模版，将所述第一精细金属掩模版与所述膜层临时键合，所述第一精细掩膜版具有第一开口和第一遮挡部，所述第一开口定义所述第一功能层的区域，所述第一遮挡部定义第二功能层的区域；

以所述第一精细金属掩模版为掩模，刻蚀所述膜层，形成第一功能层和第二功能层，所述第一功能层的厚度小于所述第二功能层的厚度；

将所述第一精细金属掩模版与所述功能层解键合。

可选的，晶圆包括衬底及形成于衬底上的至少一膜层，膜层如金属层，压电薄膜，屏蔽层，散热层，掺杂层，半导体层等等，该膜层通过区域性刻蚀，可形成有功能作用的功能层。

本发明通过临时键合精细金属掩模版作为掩模，刻蚀晶圆上的膜层，形成厚度不同的功能层，刻蚀完毕进行解键合工艺。由于避免了通常的光刻胶掩模、剥离光刻胶，而引发功能层损伤，临时键合精细金属掩模版做掩模，功能层损伤小，提高器件性能。该精细金属掩模版解键合后可继续用于其他晶圆膜层的掩膜，重复利用，大大降低了制程成本。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更易理解，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

实施例1

图2至图6是本发明半导体芯片的制造方法一实施例中各步骤对应的结构示意图。

结合图2，提供晶圆100，所述晶圆上形成有膜层。

本实施例中，以所述半导体芯片为体声波谐振器为例进行说明。

本实施例中晶圆100包括衬底101，及形成在衬底101上的下电极102、下电极上形成有压电材料层，下电极和压电材料层用以形成体声波谐振器的重要部件，最上层的压电材料层作为膜层103，即本实施例膜层103与衬底101之间还有其他层。

本实施例中，膜层103与衬底101之间，包含了下电极，还可以包括其他层，如钝化层、阻挡层、种子层或粘结层等，这里不做限制。

本实施例中，膜层103包括芯片尺寸的第一区域d1，和第二区域d2，如图1中虚线划分。所述第一区域d1用于形成第一功能层，该第一功能层为芯片尺寸大小。所述第二区域d2用于形成第二功能层。第一区域和第二区域将形成不同厚度的功能层。

本实施例中，芯片尺寸为半导体芯片尺寸的0.8至1.2倍，即最后形成的第一功能层的平面尺寸，约为半导体芯片尺寸的0.8至1.2倍，第一功能层与半导体芯片的大小大体相仿。这样有利于降低刻蚀的相对误差，获得预定尺寸更精确的第一功能层。

在其他实施例中，芯片尺寸的范围大于或等于50μm，如圆形/椭圆的直径/短轴大于或等于50μm，多边形的长度、宽度均大于等于50μm，这样有利于降低刻蚀的相对误差，获得预定尺寸更精确的第一功能层。

结合图3，提供第一精细金属掩膜版fmm(finemetalmask)104，将第一精细金属掩模版与压电材料层临时键合。

本实施例第一精细金属掩膜版104为圆形，具有第一开口和第一遮挡部，形成掩模图案，第一开口的截面形状的图像包括：矩形、菱形、圆形、多边形等规则形状开口，但也可以为不规则形状开口。第一精细金属掩模版具有多个开口的掩模图案，位置较精确，且孔径精度可达数个微米(μm)。本申请实施例对掩模图案的形状及孔径不予以限制。蒸镀角有无或角度均不作限制。

第一精细金属掩膜版104第一遮挡部材质包括invar36(又称殷钢)或sus304，invar36热膨胀系数小，能保证掩模版形变小，sus304不导磁，可减少第一精细金属掩膜版104褶皱产生。第一精细金属掩膜版104第一遮挡部厚度比如在30μm～200μm之间，具体如50μm，80μm，100μm，150μm厚。

第一精细金属掩膜版104第一遮挡部厚度很薄，整体结构强度较弱，容易因外力产生弯曲，导致掩模图案在使用时，难以精确对准预定位置，故在掩模版的边缘一般设置支撑框架，支撑框架的一般厚度及尺寸根据刻蚀机的规格要求制作，本实施例支撑框架形状为环形，半径约大于或等于晶圆100的半径。支撑框架普通厚度为10～50mm，如20mm，30mm，40mm，分布在第一精细金属掩膜版104的一面或者两面，若支撑框架分布在第一精细金属掩膜版104的一面时，可分布在待键合面或其背面，若支撑框架分布在第一精细金属掩膜版104的两面，在键合面的厚度为可0～0.5mm，如0.01mm，0.1mm，0.2mm，0.3mm，材质采用镍铁合金，另外可以掺杂少量铬、碳、锰、硅、钴、磷、硫等元素。支撑框架设于掩模版的边缘，厚度大于掩模版，便于掩模版的拿持对位等。

第一精细金属掩膜版104制作可通过蚀刻工艺，先减薄invar36，光刻胶掩模，再用fecl3，刻蚀invar36，形成所需第一开口。还可以采用电铸工艺，利用光刻胶在电极板上光刻出分立柱，用电铸工艺将invar36填充分立柱之间的空间，去除光刻胶分立柱和电极板，即形成第一精细金属掩膜版104。或采用激光复合材料工艺，利用刻蚀invar形成基材，在基材上覆盖pi材料，再利用激光工艺在pi表面形成精密第一开口，以达到与第一精细金属掩膜版104功能相同的效果。此外还有采用电铸加电铸，或者电铸加蚀刻等混合工艺完成第一精细金属掩膜版104的制作等。

第一精细金属掩膜版104的第一开口定义膜层第一功能层的区域，第一遮挡部定义膜层第二功能层的区域。

结合图3，第一精细金属掩模版与膜层临时键合。

本实施例中，采用夹扣方式临时键合，即使用夹具夹紧第一精细金属掩膜版104和晶圆100，并紧扣固定和晶圆100不相对移动。

本实施例中，采用一种可拆卸键合夹具，如图3a，该键合夹具包括载台111、夹扣机构112、压头113，三者为分立元件，也可以两种或三种为一体。夹扣机构112可控制压头113压紧或松开，实现晶圆100和第一精细金属掩膜版104的键合固定和拆解。

载台111为金属载台、或陶瓷载台，载台111的规格尺寸兼容晶圆100和精细金属掩模版的规格尺寸。本实施例以金属载台为例，载台111厚度0.5～2cm，如1cm，1.5cm，直径略大于晶圆100直径，如直径比晶圆大0.5cm至4cm。

载台111用于承载晶圆100和第一精细金属掩模版104，夹扣机构112用于夹紧晶圆100和第一精细金属掩模版104，具体为夹扣机构112通过连接的压头113，将压紧力施加在第一精细金属掩模版104的边缘，从而夹紧晶圆100和第一精细金属掩模版104，实现第一精细金属掩模版104与膜层103的临时键合。

在其它实施例中，键合夹具还可以增加一个环形压盘，设在第一精细金属掩模版104的边缘，压头通过施压在环形压盘上，来夹紧晶圆100和第一精细金属掩模版104，便于压头施加在第一精细金属掩模版104的应力均匀提高压合性能，从而提高成品的合格率。

第一精细金属掩膜版104与晶圆100临时键合之前，还包括将第一精细金属掩膜版104与晶圆100进行对位。

将金属载台111、晶圆100和第一精细金属掩膜版104夹扣之前，可先通过对位机对位以确保掩模精度。现有evg机台，可以控制晶圆100与第一精细金属掩膜版104的对位键合偏移误差在2μm以内。

由于第一精细金属掩膜版104边缘有相对厚的支撑框架，本实施例中，键合方式为第一精细金属掩膜版104边缘的支撑框架与晶圆100边缘临时键合，晶圆100与第一精细金属掩膜版104之间存在较小的空隙(如图3a所示，之后图中未示出)，为非接触式键合，也避免晶圆100功能面受磨损。后续对晶圆膜层采用局部离子束刻蚀，减小了非接触式键合对刻蚀产生的误差。

其他实施例中，支撑框架设有晶圆卡位，与载台配合固定晶圆，晶圆与第一精细金属掩膜版104之间空隙大小通过卡位的设定可以调节。其他实施例中，第一精细金属掩膜版104的部分第一遮挡部厚度加厚，加厚的部分第一遮挡部接触晶圆，与载台配合固定晶圆。

其他实施例中，临时键合还可以采用键合胶键合。键合胶例如液态或固态的粘结胶、或膜状的粘结膜，或其他用于临时键合的材料。键合胶涂覆或黏贴在第一精细金属掩模版104上，还可以涂覆或黏贴在膜层103上。

结合图4，以第一精细金属掩模版104为掩模，刻蚀膜层103，形成第一功能层和第二功能层，第一功能层的厚度小于第二功能层的厚度。

刻蚀膜层的方法包括干法刻蚀，或离子束刻蚀。干法刻蚀如使用合适的气体与膜层103产生反应，达到去除膜层103的目的。

本实施例，将临时键合后的晶圆100和第一精细金属掩膜版104，一齐放入离子束蚀刻设备进行离子束刻蚀。以第一精细金属掩模版104为掩模，第一开口处暴露膜层第一功能层的区域，第一遮挡部掩盖膜层第二功能层的区域。

离子束刻蚀去除第一开口对应的膜层103，形成膜层第一功能区。第二功能区由第一精细金属掩膜版104第一遮挡部遮挡，未被刻蚀，厚度未发生改变。第一功能层的厚度小于第二功能层的厚度。

离子束刻蚀是一个纯粹的物理刻蚀过程，一般的气体源都是惰性气体，如氩气，就是用惰性离子去轰击样品表面。离子束刻蚀去除膜层，而对第一精细金属掩模版104影响较小。

由离子束刻蚀可选的为局部刻蚀，即离子束仅作用部分膜层103表面刻蚀，通过离子束与晶圆100相对移动，实现待刻蚀区的刻蚀。本实施例离子束直径范围1cm至5cm，其他实施例中，离子束直径可更大或更小。离子束与晶圆100相对移动，可离子束移动，晶圆100保持静止，或晶圆100移动，离子束作用方向不变。离子束局部刻蚀，便于结合晶圆100功能层已知的厚度异差，调整离子束刻蚀强度做补偿，以使各位置的膜层厚度均匀可控。

离子束刻蚀去除未被覆盖的膜层103，形成第一凹槽106，刻蚀深度为第一深度h1，具体为膜层103刻蚀底部到原膜层103表面的高度，第一深度可由离子束流、能量或时间等控制。第一深度小于膜层的厚度，即可以得到有两种厚度的功能层。本实施例，第一深度h1范围为1nm至1μm，如50nm，100nm。其他实施例中，可以深度可以更大。

该两种厚度的功能层，形成了体声波谐振器的两种厚度的压电层，后续在压电层上形成上电极后，压电层夹于上下两层金属电极之间，一交变射频电压施加于上下电极之间，在压电层内形成交变电场，利用压电层的电能与机械能转换，由交变电场激励起声波谐振，，不同的压电层厚度将形成不同的谐振频率。将若干个不同频率的体声波谐振器级联就可设计出满足无线通信要求的射频滤波器。

结合图5，将所述第一精细金属掩模版104与第二功能层解键合。解键合方式根据不同的键合材料设置，可以使用以下方式进行解键合。

通过夹扣方式临时键合的，打开紧压在第一精细金属掩膜版104上的压头，释放第一精细金属掩膜版104进行解键合，操作方便，不损伤晶圆100上的功能层，第一精细金属掩膜版104可重复利用。

通过键合胶键合的，可根据键合胶的特性，选择不同的方式解键合。如热解键合，第一精细金属掩膜版104采用热解键合胶临时键合晶圆100，热解键合胶具有可逆热特性，通过加热到剥离温度，键合胶粘度降低，滑动晶圆100或第一精细金属掩膜版104，将两者分离。或激光解键合，第一精细金属掩膜版104与晶圆100通过特定释放层，和键合胶键合，通过红外激光在键合界面产生高温帮助分离，或紫外激光破坏键合材料化学键，导致分解从而帮助剥离。另外还有机械解键合，采用外力对晶圆100和第一精细金属掩膜版104进行分离，适用于键合材料与晶圆膜层103粘附力低的情况。

本实施例可形成不同厚度的功能层，由于避免了通常的光刻胶掩模、剥离光刻胶，而引发功能层损伤，临时键合第一精细金属掩模版104做掩模，功能层损伤小，提高器件性能。

结合图6，在不同厚度膜层103，即本实施例形成的压电层上铺设上电极105，形成有效的体声波谐振区，可以产生不同的谐振频率，分离各有效的体声波谐振区，通过导电互联线将不同谐振频率的体声波谐振器级联，即可设计出满足无线通信要求的射频滤波器。

结合图7，在其他实施例中，第一精细金属掩模版104与功能层解键合后，还提供第二精细金属掩模版与第二功能层临时键合，第二精细金属掩模版具有第二开口和第二遮挡部，第二开口定义第三功能层的区域d3，第二遮挡部定义第四功能层的区域d4。以第二精细金属掩模版为掩模(图中仅标识虚框内的d3/d4区域)，刻蚀第二功能层，形成第二凹槽107，第二凹槽处的功能层为第三功能层，未被刻蚀的部分为第四功能层，第三功能层的厚度小于第四功能层的厚度。第二精细金属掩模版掩模位置与第一精细金属掩模版不同，刻蚀深度为第二深度h2，第二深度为功能层该次刻蚀底部到原功能层表面的高度，第二深度异于第一深度。将第二精细金属掩模版与功能层解键合。这样在同一晶圆100上形成三种不同厚度的功能层，以便形成三种不同谐振频率，分离各有效的体声波谐振区，通过导电互联线将不同谐振频率的体声波谐振器级联，可设计出满足无线通信要求的射频滤波器。

其他实施例，多种精细金属掩模版重复以上步骤，在同一晶圆100上形成更多不同厚度的功能层，以便产生更多不同的谐振频率，分离各有效的体声波谐振区，通过导电互联线将不同谐振频率的体声波谐振器级联，可设计出满足不同无线通信要求的射频滤波器。

其他实施例，精细金属掩模版与功能层解键合后，分离晶圆100成单片，该单片包括至少两种厚度的功能层。不同厚度功能层产生不同谐振频率，配合各厚度功能层上电极和下电极的分布实现级联，级联方式简单，级联后尺寸缩小，实现小体积滤波器的制作。

实施例2

与实施例1不同的是，本实施例的功能层为体声波谐振器的上电极材料层或下电极材料层，以第一精细金属掩模版掩模刻蚀上电极材料层或下电极材料层，形成不同厚度的上电极，或不同厚度的下电极。

结合图8，以刻蚀上电极材料层205为例，步骤包括，在晶圆200的衬底201上形成下电极202、在下电极上形成压电层203，在压电层上形成上电极材料层205，在一些实施例中，可能会其层之间增加其他层。用第一精细金属掩模版键合到晶圆上电极材料层205上，以第一精细金属掩模版为掩模，刻蚀上电极材料层205，形成凹槽206，凹槽206深度为第一深度，第一深度为几十个纳米，刻蚀完成后，将第一精细金属掩模版与上电极解键合。由上电极、下电极、压电层形成的有效体声波谐振器，通过不同厚度上电极或下电极来调频，获得理想的谐振频率，实现更好的滤波性能。

实施例3

本实施例提供微机电系统mems芯片制作的方法，结合图9，先提供一mems晶圆300，mems晶圆300表面形成有微机电系统结构的膜层302。本实施例如在mems晶圆300膜层302上刻蚀一定形貌的空腔以实现特殊的功能，mems晶圆膜层302空腔各尺寸如几十微米以上。

提供第一精细金属掩模版，将第一精细金属掩模版与膜层临时键合，临时键合的方式，如通过夹扣方式进行临时键合，具体同实施例1所述，这里不再做赘述。第一精细金属掩模版参考实施例1，这里也不再做赘述。

以第一精细金属掩模版为掩模，刻蚀膜层302，形成空腔306，空腔深度为第一深度h1。具体的，将临时键合后的mems晶圆300和第一精细金属掩模版，一齐放入离子束蚀刻设备进行离子束刻蚀。以第一精细金属掩模版为掩模，mems晶圆膜层302需要形成空腔的部分裸露，该裸露部分通过离子束刻蚀一定深度，如第一深度，第一深度如为几十个微米。刻蚀完以后，从设备中取出mems晶圆300和第一精细金属掩模版。

将第一精细金属掩模版与mems晶圆300表面解键合，本实施例打开金属载台上的压头即可解除键合。

微机电系统需要不同深度的空腔，如深度为h2的空腔307，可以采用其他精细金属掩模版重复上述键合刻蚀和解键合步骤，从而形成不同深度空腔，实现特殊的功能。

其他实施例中，可使用第一精细金属掩模版对mems晶圆进行硅表面微加工和硅体微加工(各向异性腐蚀、牺牲层)工艺、晶片键合工艺、制作高深宽比结构的liga工艺等。这里不再一一阐述。

另外，精细金属掩模版也可以用在金属蒸镀上，例如saw产品电极的蒸镀，mems传感器器件，特殊形状金属层的蒸镀等。

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，在不脱离本发明的想法和范围内，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。