一种半导体器件及其制造方法与流程

1.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及其制造方法。


背景技术：

2.为了满足集成电路组件的高速处理化、多功能化、集成化、小型化以及低价化等多方面的需求，集成电路封装技术也需朝着轻微化、高密度化发展。对于高密度的集成电路封装而言，缩短配线的长度有助于提高信号的传递速度，因此凸块(bump)的应用已成为高密度封装的主流。
3.在采用凸块的半导体工艺中，形成互连结构之后，形成与互连结构中的顶层金属层电连接的金属焊垫，半导体器件通过顶层金属层与金属焊垫电连接；之后执行凸块制程，形成与金属焊垫电连接的金属凸块。形成金属凸块之后，在刻蚀制程中需要形成保护金属凸块的图案化的光刻胶，但在对光刻胶进行图案化工艺时，经常出现在窗口区域产生光刻胶残留的问题。


技术实现要素：

4.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。
5.针对目前存在的问题，本发明实施例一方面提供一种半导体器件的制造方法，包括：
6.提供基底，所述基底上形成有介质层，所述介质层中形成有金属焊垫，所述金属焊垫上形成有金属凸块，所述金属焊垫的边缘部分暴露在所述介质层和所述金属凸块外部；
7.形成抗反射层，所述抗反射层至少覆盖所述金属焊垫的边缘部分；
8.涂布光刻胶层，对所述光刻胶层进行曝光和显影，以得到覆盖所述金属凸块和所述金属焊垫的图案化的光刻胶层；
9.以所述图案化的光刻胶层为掩膜对所述介质层进行刻蚀；
10.去除所述图案化的光刻胶层和所述抗反射层。
11.在一个实施例中，所述光刻胶层包括负性光刻胶层。
12.在一个实施例中，所述对所述光刻胶层进行曝光和显影，包括：
13.对所述金属焊垫所在区域进行曝光，使曝光区域的所述负性光刻胶层改性；
14.使用显影液溶解未曝光区域的所述负性光刻胶层，以得到所述图案化的光刻胶层。
15.在一个实施例中，所述抗反射层包括碳层。
16.在一个实施例中，形成所述抗反射层的工艺为沉积工艺，所述抗反射层覆盖所述金属凸块、所述金属焊垫和所述介质层。
17.在一个实施例中，所述刻蚀包括第一刻蚀步骤和第二刻蚀步骤，所述第一刻蚀步
骤去除未被所述图案化的光刻胶层覆盖的所述抗反射层，所述第二刻蚀步骤去除未被所述图案化的光刻胶层覆盖的所述介质层。
18.在一个实施例中，所述去除所述图案化的光刻胶层和所述抗反射层，包括：采用湿法去胶工艺去除所述图案化的光刻胶层，采用灰化工艺去除被所述光刻胶层覆盖的所述抗反射层。
19.在一个实施例中，所述金属焊垫包括铝焊垫。
20.在一个实施例中，所述金属凸块包括金凸块。
21.本发明实施例另一方面提供一种半导体器件，所述半导体器件采用如上所述的方法制成。
22.根据本发明所提供的半导体器件的制造方法，在执行光刻工艺前在金属焊垫上形成抗反射层，能够避免曝光过程中金属焊垫在非曝光区域反射光线，进而避免出现光刻胶残留。
附图说明
23.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。
24.附图中：
25.图1a-图1c示出了现有的形成覆盖金属凸块的光刻胶层的示意图；
26.图2示出了本发明一个具体实施方式的半导体器件的制造方法的示意性流程图；
27.图3a至图3h示出了根据本发明一实施例的半导体器件的制造方法依次实施各步骤所获得半导体器件的剖面示意图；
28.图4为本发明实施例的半导体器件的制造方法的效果图。
具体实施方式
29.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。
30.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。
31.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。
32.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。
33.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。
34.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。
35.参见图1a-图1c，在半导体封装工艺中，需要提供基底100，在基底100表面形成有介质层101，在介质层101中形成有金属焊垫102，在金属焊垫102上方形成有金属凸块103。当对介质层101进行刻蚀时，需要形成覆盖金属焊垫102和金属凸块103的光刻胶层104。
36.基于上述结构，由于正胶流动性较差，若使用正性光刻胶，旋涂光刻胶后会存在气泡，因此通常采用流动性好的负性光刻胶，可以平整地覆盖住金属凸块103。但负性光刻胶是使曝光后的区域难溶于显影液，即需要对金属凸块103所在区域的光刻胶进行曝光。曝光过程中，金属凸块下方的金属焊垫102容易发生反射，导致反射光照射在非曝光区域的光刻胶上，使非曝光区域的部分光刻胶发生改性，进而在非曝光区域产生光刻胶残留。
37.针对上述问题，本发明实施例提出了一种半导体器件的制造方法。图2示出根据本发明一实施例的半导体器件的制造方法的步骤流程图；图3a～图3h示出了根据本发明一实施例的半导体器件的制造方法依次实施各步骤所获得半导体器件的剖面示意图。下面结合图2以及图3a～图3h对根据本发明一实施例的半导体器件的制造方法进行详细说明。
38.首先参照图2描述本发明实施例的半导体器件的制造方法，如图2所示，半导体器件的制造方法200包括如下步骤：
39.在步骤s201，提供基底，所述基底上形成有介质层，所述介质层中形成有金属焊垫，所述金属焊垫上形成有金属凸块，所述金属焊垫的边缘部分暴露在所述介质层和所述金属凸块外部；
40.在步骤s202，形成抗反射层，所述抗反射层至少覆盖所述金属焊垫的边缘部分；
41.在步骤s203，涂布光刻胶层，对所述光刻胶层进行曝光和显影，以得到覆盖所述金属凸块和所述金属焊垫的图案化的光刻胶层；
42.在步骤s204，以所述图案化的光刻胶层为掩膜对所述介质层进行刻蚀；
43.在步骤s205，去除所述图案化的光刻胶层和所述抗反射层。
44.根据本发明实施例的半导体器件的制造方法200，在执行光刻工艺前在金属焊垫上形成抗反射层，能够避免曝光过程中金属焊垫在非曝光区域反射光线，进而避免出现光刻胶残留。
45.下面结合图3a～图3h对根据本发明一实施例半导体器件的制造方法的实施过程进行示例性描述。
46.示例性地，首先如图3a所示，提供基底300，基底300上形成有介质层301，介质层301中形成有金属焊垫302，金属焊垫302上形成有金属凸块303，金属焊垫302的边缘部分暴露在介质层301和金属凸块303外部。
47.其中，基底300可以包括半导体衬底、有源器件和互连结构。其中，半导体衬底包括但不限于以下材料中的至少一种：硅(si)、锗(ge)、锗硅(sige)、碳硅(sic)、碳锗硅(sigec)、砷化铟(inas)、砷化镓(gaas)、磷化铟(inp)或者其它iii/v化合物半导体，或者为介质体上硅(soi)、介质体上层叠硅(ssoi)、介质体上层叠锗化硅(s-sigeoi)、介质体上锗化硅(sigeoi)以及介质体上锗(geoi)，或者还可以为双面抛光硅片(double side polished wafers，dsp)，氧化铝等的陶瓷基板、石英或玻璃基板等。
48.有源器件是形成在半导体衬底上的功能器件，具体可以包括晶体管、电容器、电阻器、二极管、光电二极管、熔断器等，并通过对应的半导体工艺形成在半导体衬底表面。
49.互连结构形成在衬底和有源器件上，用于电连接有源器件。互连结构可以包括形成在层间介质层中的导电部件(例如，铜、铝、钨等材料的导电线和通孔)，用于电连接各个有源器件，进而在基底300内形成功能电路。
50.基底300上还形成有介质层301，介质层301也可以称为钝化层。钝化层用于保护基底300，并暴露出金属焊垫302，以及在金属焊垫302之间形成隔离。其中，钝化层可以由氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等非有机材料形成，也可以由聚酰亚胺等有机材料形成。
51.金属焊垫302与基底300中的互连结构电连接。金属焊垫302可以为铝、铜、银、金、镍、钨等金属材料或者多个金属材料的合金材料，并且，金属焊垫302可以为一种材料的单层结构或者多个层形成的叠层结构。在一个具体的实施例中，金属焊垫302可以为铝焊垫(al pad)。
52.金属焊垫302上方形成有金属凸块303。金属凸块303可以包括金、银、钛、钨、铜及其合金材料。在一个具体的实施例中，金属凸块为金凸块(au bump)。
53.示例性地，金属凸块303和金属焊垫302之间还形成有缓冲金属层，用于提供金属凸块303和金属焊垫302之间良好的附着力和低接触电阻特性，以及阻挡金属凸块303和金属焊垫302之间的扩散反应。
54.之后，参见图3b，形成抗反射层304，抗反射层304至少覆盖金属焊垫302的暴露在外的边缘部分。在一个实施例中，可以采用沉积工艺形成抗反射层304，参见图3b，沉积的抗反射层304覆盖金属凸块303、金属焊垫302和介质层301。
55.抗反射层可以采用任意具有较低反射率的材料，在一个较佳的实施例中，抗反射层304为碳层，其一方面具有较低的反射率，能够很好地实现抗反射效果，另一方面易于去除，不会影响常规的工艺流程。除了能够在曝光工艺中防止金属焊垫302发生反射以外，还能够防止显影液和去胶液对金属焊垫302产生腐蚀。
56.形成抗反射层304之后，如图3c所示，涂布光刻胶层305。光刻胶层305的主要成分
为树脂和感光剂。感光剂具有感光特性，树脂具备粘合剂特性。对于正性光刻胶来说，树脂在未曝光前是相对不可溶的，经曝光后发生化学反应，从不可溶性变为可溶性。感光剂在曝光前作为溶解抑制剂，用于降低树脂的溶解速度，在曝光后则作为溶解增强剂提高了光刻胶在显影液中的溶解能力。反之，对于负性光刻胶来说，经历过曝光处理的光刻胶层的材料性质发生变化，变为难溶于显影液的材料，而非曝光区域的光刻胶层易溶于显影液。涂布光刻胶的方法包括旋涂法，在旋涂过程中，离心力的作用使溶剂不断挥发，从而形成均匀涂布的光刻胶层305。
57.之后，如图3d和图3e所示，对光刻胶层305进行曝光和显影，以得到覆盖金属凸块303和金属焊垫302的图案化的光刻胶层305。图案化的光刻胶层305至少覆盖金属凸块303和金属焊垫302，以保证金属凸块303和金属焊垫302不被刻蚀；图案化的光刻胶层305还覆盖介质层301的部分非刻蚀区域，而暴露介质层301的刻蚀区域。可以理解的是，本发明实施例中的光刻胶层305形成在抗反射层304上，光刻胶层305覆盖某一区域代表光刻胶层305形成在该区域上方，以对该区域产生刻蚀阻挡作用。
58.由于本发明实施例的光刻胶层305需要覆盖凸起的金属凸块303，考虑到正性光刻胶流动性较差，而负性光刻胶流动性较好，为了避免旋涂光刻胶后产生气泡，因此可以采用流动性好的负性光刻胶，以平整地覆盖住金属凸块303。
59.对于负性光刻胶层来说，在曝光过程中，被曝光区域的光刻胶在紫外光作用下发生改性，难溶于显影液，而未被曝光的区域保持原有的结构，易溶于显影液，因此，负性光刻胶层的曝光区域至少覆盖金属焊垫所在的区域，曝光过程使曝光区域的负性光刻胶层改性，使得该区域在后续的显影过程中不会溶解，而未曝光区域的负性光刻胶层在显影液中溶解。在曝光过程中，紫外光照射在金属凸块303和金属焊垫302上，由于金属凸块303和金属焊垫302上均形成有抗反射层304，因而不会对光线产生反射，从而避免对非曝光区的光刻胶层305产生改性。在显影过程中，非曝光区域的光刻胶层305因而能够被完整地去除，而不会产生光刻胶残留。
60.之后，以图案化的光刻胶层304为掩膜执行刻蚀，以在介质层301中形成凹槽。由于上一步骤中形成的光刻胶层不会在待刻蚀区域形成光刻胶残留，因此不会影响待刻蚀区域的刻蚀效果。
61.在一个实施例中，刻蚀包括第一刻蚀步骤和第二刻蚀步骤，第一刻蚀步骤去除未被图案化的光刻胶层覆盖的抗反射层，第二刻蚀步骤去除未被图案化的光刻胶层覆盖的介质层。由于抗反射层与介质层的性质不同，分两步进行刻蚀有利于提高刻蚀效率。
62.参照图3f，首先，以图案化的光刻胶层305为掩膜，对抗反射层304进行干法刻蚀，从而去除未被光刻胶层304覆盖的抗反射层304，暴露其下方的介质层302；之后，参见图3g，继续以图案化的光刻胶层304为掩膜对介质层302进行刻蚀，以在介质层302中形成凹槽。
63.示例性地，干法蚀刻工艺包括但不限于反应离子蚀刻(rie)、离子束蚀刻、等离子体蚀刻或者激光烧蚀。第一刻蚀和第二刻蚀均可以使用单一的刻蚀方法，或者使用多个的刻蚀方法的组合。
64.完成对介质层302的刻蚀之后，参见图3h，去除图案化的光刻胶层305和剩余的抗反射层304。其中，图案化的光刻胶层305和抗反射层304可以分两次去除，例如，可以通过的湿法去胶工艺去除图案化的光刻胶层305，采用灰化工艺去除抗反射层304。由于光刻胶层
305的厚度较厚，采用湿法去胶工艺去除光刻胶层305能够避免灰化工艺可能出现的污染机台的问题。灰化工艺的工艺气体可以包括氧气，例如，灰化工艺可以包括将氧气作为工艺气体的反应离子束刻蚀工艺，当抗反射层304为碳层时，采用氧气作为灰化工艺的工艺气体能够快速、彻底地去除抗反射层304。
65.至此，完成了根据本发明一实施例的半导体器件的制造方法实施的工艺步骤，可以理解的是，本实施例半导体器件制造方法不仅包括上述步骤，在上述步骤之前、之中或之后还可包括其他需要的步骤，例如对基底300进行背面刻蚀等，其都包括在本实施例的制造方法的范围内。
66.根据本发明所提供的半导体器件的制造方法，在执行光刻工艺前在金属焊垫上形成抗反射层，能够避免曝光过程中金属焊垫在非曝光区域反射光线，进而避免出现光刻胶残留。参见图4，图4中上图示出了采用现有制造方法形成的半导体器件，其中可以看出较为明显的光刻胶残留；下图为采用本发明实施例的制造方法形成的半导体器件，光刻胶残留现象得到了显著的改善。
67.如图3h所示，本发明实施例还提供一种半导体器件，所述半导体器件通过如上所述的半导体器件的制造方法200制造而成，该半导体器件具体包括基体300、形成在基体300上的介质层301、形成在介质层301中的金属焊垫302以及形成在金属焊垫302上的金属凸块303；介质层301中形成有凹槽。由于本发明实施例的半导体器件采用上述方法制造而成，因此在刻蚀凹槽的过程中不会出现光刻胶残留现象，从而提高了刻蚀效果，改善了半导体器件的性能。
68.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。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。