CN108609577B - 一种mems器件的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种MEMS器件的制作方法，所述方法包括:提供MEMS晶圆，所述MEMS晶圆的正面形成有图案化的过滤层；在所述MEMS晶圆中形成开口，所述开口贯穿所述MEMS晶圆的背面；在所述图案化的过滤层上形成胶带；自所述MEMS晶圆的背面减薄所述MEMS晶圆，使所述MEMS晶圆减薄到目标厚度；剥离所述胶带。根据本发明提供的MEMS器件的制作方法，首先在MEMS晶圆中形成贯穿所述MEMS晶圆的背面的开口，然后采用胶带对所述MEMS晶圆正面进行保持，自所述MEMS晶圆的背面减薄所述MEMS晶圆，使所述MEMS晶圆减薄到目标厚度，从而避免了需要临时键合的工艺，从而实现低成本、高良率制作超薄MEMS器件。

Description

一种MEMS器件的制作方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种MEMS器件的制作方法。
背景技术
在电子消费领域，多功能设备越来越受到消费者的喜爱，相比于功能简单的设备，多功能设备制作过程将更加复杂，比如需要在电路版上集成多个不同功能的芯片，因而出现了3D集成电路(integrated circuit，IC)技术。其中，微电子机械***(Micro-electromechanical System，MEMS)在体积、功耗、重量以及价格方面具有十分明显的优势，至今已经开发出多种不同的传感器，例如压力传感器、加速度传感器、惯性传感器以及其他的传感器。
随着计算机、通讯、汽车电子、航空航天工业和其它消费类产品的发展，对MEMS封装提出了更高的要求，即更小、更薄、更轻。为满足这些产品的小型化需求，半导体工业需要将器件晶圆减薄至100μm以下，将薄晶圆之间以硅通孔(Through Silicon Via，TSV)垂直互连实现高密度3D叠层封装，以突破摩尔定律。由于超薄晶圆具有柔性、易碎性、容易翘曲和起伏等特点，目前，超薄晶圆加工多采用临时键合工艺。晶圆的临时键合工艺通常先将器件晶圆用中间材料键合到较厚的载体上，对晶圆进行背面加工，包括减薄、TSV加工和金属化。完成背部加工步骤后，再输入外界能量(光、电、热及外力)使粘结层失效，之后将器件晶圆从载体上分离开来，继续加工直至封装。
但是由于临时键合工艺成本高昂，工艺复杂，且制程中易发生晶圆边缘破损等不良，影响产品良率。因此，有必要提出一种MEMS器件的制作方法，以解决上述问题，降低MEMS器件的生产成本，并提高产品良率。
发明内容
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。
针对现有技术的不足，本发明提供一种半导体器件的制作方法，包括：
提供MEMS晶圆，所述MEMS晶圆的正面形成有图案化的过滤层；
在所述MEMS晶圆中形成开口，所述开口贯穿所述MEMS晶圆的背面；
在所述图案化的过滤层上形成胶带；
自所述MEMS晶圆的背面减薄所述MEMS晶圆，使所述MEMS晶圆减薄到目标厚度；
剥离所述胶带。
进一步，形成所述开口的方法包括深反应离子刻蚀。
进一步，所述背面减薄的方法包括对所述MEMS晶圆的中心区域进行研磨，以使所述MEMS晶圆的中心区域减薄，并在所述MEMS晶圆的边缘区域形成突出的支撑环。
进一步，所述目标厚度为小于或等于100微米。
进一步，在所述MEMS晶圆中形成开口之前还包括对所述MEMS晶圆执行另一背面减薄的步骤，使所述MEMS晶圆减薄到另一目标厚度。
进一步，所述另一目标厚度为400微米-500微米。
进一步，剥离所述胶带之后还包括去除所述支撑环的步骤。
进一步，在所述MEMS晶圆和过滤层之间还形成有刻蚀停止层。
进一步，所述刻蚀停止层包括氧化物层。
进一步，在剥离所述胶带之后还包括去除所述开口露出的所述刻蚀停止层的步骤。
进一步，去除所述刻蚀停止层的方法包括使用缓冲氧化物刻蚀剂刻蚀所述蚀刻停止层。
进一步，所述过滤层包括氮化硅层。
进一步，所述图案化的过滤层包括滤孔。
进一步，所述胶带包括UV胶带或热敏胶带。
根据本发明提供的MEMS器件的制作方法，首先在MEMS晶圆中形成贯穿所述MEMS晶圆的背面的开口，然后采用胶带对所述MEMS晶圆正面进行保持，自所述MEMS晶圆的背面减薄所述MEMS晶圆，使所述MEMS晶圆减薄到目标厚度，从而避免了需要临时键合的工艺，从而实现低成本、高良率制作超薄MEMS器件。
根据本发明提供的MEMS器件的制作方法，采用UV胶带或热敏胶带固定所述MEMS晶圆，在后续剥离时由于粘性低不会对晶圆正面的图案造成损伤；所述刻蚀停止层包括氧化物层，使用缓冲氧化物刻蚀剂刻蚀所述开口露出的所述蚀刻停止层，可以成批次进行，进而提高产出。
附图说明
通过结合附图对本发明实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。
附图中：
图1A-1E是根据现有技术依次实施的步骤所分别获得的器件的示意性剖面图。
图2A-2G是根据本发明示例性实施例的方法依次实施的步骤所分别获得的器件的示意性剖面图。
图3是根据本发明示例性实施例的一种半导体器件的制造方法的示意性流程图。
具体实施方式
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。
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。
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。
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。
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。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，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。
随着计算机、通讯、汽车电子、航空航天工业和其它消费类产品的发展，对MEMS封装提出了更高的要求，即更小、更薄、更轻。为满足这些产品的小型化需求，半导体工业需要将器件晶圆减薄至100μm以下，将薄晶圆之间以硅通孔(Through Silicon Via，TSV)垂直互连实现高密度3D叠层封装，以突破摩尔定律。由于超薄晶圆具有柔性、易碎性、容易翘曲和起伏等特点，目前，超薄晶圆加工多采用临时键合工艺。如图1A-1E所示是现有技术中采用临时键合工艺加工超薄晶圆的方法。首先，如图1A所示，提供MEMS晶圆100，在所述MEMS晶圆100的正面由下至上形成依次形成有氧化物层101和图案化的过滤层102；接着，如图1B所示，将所述MEMS晶圆100用中间材料键合到较厚的载体103(如玻璃基板)上，并进行背面研磨以减薄所述MEMS晶圆100；接着如图1C所示，蚀刻所述MEMS晶圆100的背面，停止于所述氧化物层101，以在所述MEMS晶圆中形成开口；接着如图1D所示，采用等离子体刻蚀蚀刻去除所述开口露出的所述氧化物层101；然后如图1E所示，将MEMS晶圆100从载体103上分离开来，继续加工直至封装。
但是由于在临时键合工艺中，MEMS晶圆100与载体103的键合与分离制程成本高昂；MEMS晶圆100键合到载体103后进行背面研磨的过程中，易发生边缘破损不良；MEMS晶圆100与载体103分离后，还包括湿法清洗步骤，易造成溶剂残留；采用等离子体刻蚀蚀刻去除所述开口露出的所述氧化物层101时没有蚀刻停止层且只能采用单片晶圆蚀刻工艺。因此，有必要提出一种MEMS器件的制作方法，以解决上述问题，降低MEMS器件的生产成本，提高产品良率。
针对现有技术的不足，本发明提供一种半导体器件的制作方法，包括：
步骤S301：提供MEMS晶圆，所述MEMS晶圆的正面形成有图案化的过滤层；
步骤S302：在所述MEMS晶圆中形成开口，所述开口贯穿所述MEMS晶圆的背面；
步骤S303：在所述图案化的过滤层上形成胶带；
步骤S304：自所述MEMS晶圆的背面减薄所述MEMS晶圆，使所述MEMS晶圆减薄到目标厚度；
步骤S305：剥离所述胶带。
其中，形成所述开口的方法包括深反应离子刻蚀；所述背面减薄的方法包括对所述MEMS晶圆的中心区域进行研磨，以使所述MEMS晶圆的中心区域减薄，并在所述MEMS晶圆的边缘区域形成突出的支撑环；所述目标厚度为小于或等于100微米；在所述MEMS晶圆中形成开口之前还包括对所述MEMS晶圆执行另一背面减薄的步骤，使所述MEMS晶圆减薄到另一目标厚度；所述另一目标厚度为400微米-500微米；剥离所述胶带之后还包括去除所述支撑环的步骤；在所述MEMS晶圆和过滤层之间还形成有刻蚀停止层；所述刻蚀停止层包括氧化物层；在剥离所述胶带之后还包括去除所述开口露出的所述刻蚀停止层的步骤；去除所述刻蚀停止层的方法包括使用缓冲氧化物刻蚀剂刻蚀所述蚀刻停止层；所述过滤层包括氮化硅层；所述图案化的过滤层包括滤孔；所述胶带包括UV胶带或热敏胶带。
根据本发明提供的MEMS器件的制作方法，首先在MEMS晶圆中形成贯穿所述MEMS晶圆的背面的开口，然后采用胶带对所述MEMS晶圆正面进行保持，自所述MEMS晶圆的背面减薄所述MEMS晶圆，使所述MEMS晶圆减薄到目标厚度，从而避免了需要临时键合的工艺，从而实现低成本、高良率制作超薄MEMS器件。
根据本发明提供的MEMS器件的制作方法，采用UV胶带或热敏胶带固定所述MEMS晶圆，在后续剥离时由于粘性低不会对晶圆正面的图案造成损伤；所述刻蚀停止层包括氧化物层，使用缓冲氧化物刻蚀剂刻蚀所述开口露出的所述蚀刻停止层，可以成批次进行，进而提高产出。
下面参考图2A-图2G和图3，其中图2A-图2G是根据本发明示例性实施例的方法依次实施的步骤所分别获得的器件的示意性剖面图，图3其中示出了本发明示例性实施例的一种半导体器件的制作方法的示意性流程图。
下面，对本发明的半导体器件的制作方法的具体实施方式做详细的说明。
首先，执行步骤S301，参照图2A，提供MEMS晶圆200，所述MEMS晶圆的正面形成有图案化的过滤层202。在所述MEMS晶圆200和所述过滤层202之间还形成有刻蚀停止层201。所述图案化的过滤层202包括多个滤孔。
示例性地，提供MEMS晶圆200，在本发明中所述MEMS晶圆200可以选用硅、多晶硅或者SiGe等半导体材料，并不局限于某一种。过滤层202可采用二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、磷硅酸玻璃、硼磷硅酸玻璃等常用材料中的一种或多种，采用诸如热氧化法、沉积法等本领域常用方法形成，并通过光刻工艺图案化所述过滤层，以在所述过滤层中形成多个滤孔。作为一个实例，所述过滤层202包括氮化硅层。
示例性地，在所述MEMS晶圆200和所述过滤层202之间还形成有刻蚀停止层201，所述刻蚀停止层201包括氧化物层，如二氧化硅等。所述刻蚀停止层201的沉积方法可以选用化学气相沉积(CVD)法、物理气相沉积(PVD)法或原子层沉积(ALD)法中的一种。
接着，参照图2B，在所述MEMS晶圆中形成开口之前还包括对所述MEMS晶圆执行另一背面减薄的步骤，使所述MEMS晶圆减薄到另一目标厚度。示例性地，所述另一目标厚度为400mm-500mm。在本实施例中，提供的MEMS晶圆的厚度为700mm-800mm，对MEMS晶圆200进行背面减薄，以去除一定厚度的背面材料，达到减薄晶圆的目的。具体地，所述另一背面减薄的方法可以选用本领域常用的方法，例如化学机械研磨(CMP)，直至所述MEMS晶圆厚度达到另一目标厚度400mm-500mm为止。具有上述较厚厚度的MEMS晶圆可以使用已有的常规光刻工艺进行构图，从而实现与现有工艺的兼容。
接着，执行步骤S302，参照图2C，在所述MEMS晶圆中形成开口，所述开口贯穿所述MEMS晶圆200的背面。形成所述开口的方法包括深反应离子刻蚀。
示例性地，首先在所述MEMS晶圆的背面上形成有机分布层(Organicdistribution layer,ODL)，含硅的底部抗反射涂层(Si-BARC)，在所述含硅的底部抗反射涂层(Si-BARC)上沉积图案化了的光刻胶层，所述光刻胶上的图案定义了所要形成开口的图形，然后以所述光刻胶层为掩膜或者以所述有机分布层、底部抗反射涂层、光刻胶层形成的叠层为掩膜蚀刻所述MEMS晶圆的背面。
示例性地，形成所述开口的方法可以选用深反应离子刻蚀(DRIE)。具体地，选用气体六氟化硅(SF6)作为工艺气体，施加射频电源，使得六氟化硅反应进气形成高电离，所述蚀刻步骤中控制工作压力为20mTorr-8Torr，频功率为600W，13.5MHz，直流偏压可以在-500V-1000V内连续控制，保证各向异性蚀刻的需要，采用深反应离子刻蚀可以保持非常高的刻蚀光阻选择比。所述深反应离子刻蚀***可以选择本领常用的设备，并不局限于某一型号。
上述刻蚀步骤停止于所述刻蚀停止层201，以在所述MEMS晶圆中形成开口，所述开口贯穿所述MEMS晶圆200。形成的所述开口与所述过滤层201中的滤孔上下对准，从而实现MEMS器件正反面导通。然后去除所述有机分布层(Organic distribution layer,ODL)，含硅的底部抗反射涂层(Si-BARC)和光刻胶层。
接着，执行步骤S303，参照图2D，在所述图案化的过滤层202上形成胶带203。
示例性地，在图案化的过滤层202上形成胶带203。胶带203用于背部研磨时固定晶圆200和保护晶圆200的正面。可采用本领域常用的UV胶带或者热敏胶带。所述胶带203可以选用本领域常用的胶带，并不局限于某一公司的某一型号的产品。所述胶带在后续剥离时由于粘性低不会对晶圆正面的图案造成损伤。
接着，执行步骤S304，参照图2E，自所述MEMS晶圆200的背面减薄所述MEMS晶圆，使所述MEMS晶圆减薄到目标厚度。
示例性地，所述减薄的方法包括对所述MEMS晶圆的中心区域进行研磨，而在晶圆边缘留3mm-5mm的区域不做研磨，以使所述MEMS晶圆的中心区域减薄，并在所述MEMS晶圆的边缘区域形成突出的支撑环，所述支撑环是指超出所述晶圆背面的部分，它能够使薄晶圆可以在后续的传送、制造和搬运中不发生形变和破裂。上述支撑环可以作为后续使用氧化物缓冲蚀刻剂(BOE)去除刻蚀停止层201时的保持部件，从而避免使用临时键合工艺中的临时载体(如玻璃基板)，从而节约成本。所述目标厚度为小于或等于100微米。
接着，执行步骤S305，参照图2F，剥离所述胶带203。
示例性地，所述胶带203的剥离方法可以采用本领域常用方法，例如通过紫外照射或加热使胶带203的粘附力下降，然后剥离胶带203即可。所述胶带具有低的粘合力，从而易于去除，不会对晶圆正面的图案造成损伤。
接着，参照图2F，在剥离所述胶带203之后还包括去除所述开口露出的所述刻蚀停止层201的步骤。所述刻蚀停止层201包括氧化物层。去除所述刻蚀停止层201的方法包括使用缓冲氧化物刻蚀剂刻蚀所述刻蚀停止层。去除所述刻蚀停止层201之后还包括去除所述支撑环的步骤。
示例性地，采用缓冲蚀刻工艺(Buffered Oxide Etch，BOE)蚀刻所述刻蚀停止层201。其中，所述缓冲蚀刻工艺选用缓冲蚀刻液，缓冲蚀刻液BOE是HF与NH4F依不同比例混合而成。例如6:1BOE蚀刻即表示49％HF水溶液：40％NH4F水溶液＝1：6(体积比)的成分混合而成。其中，HF为主要的蚀刻液，NH4F则作为缓冲剂使用。其中，利用NH4F固定H+的浓度，使之保持一定的蚀刻率。使用上述氧化物缓冲蚀刻剂可以在不提供蚀刻停止层的情况下，实现开口处露出的氧化物的去除，不会出现时刻不足或过蚀刻的现象；并且可以成批次地对数个晶圆同时进行蚀刻工艺，从而提供了产出率。示例性地，可以采用切割的方式去除所述支撑环。
接下来，参照图2G，蚀刻所述刻蚀停止层201之后还可以包括所述MEMS晶圆的固定和切割步骤。
示例性地，在去除上述支撑环之后，需要对所述芯片进行切割，芯片切割的目的乃是要将前制程加工完成的晶圆上一颗颗之芯片(Die)切割分离。将制备完成MEMS晶圆200固定在蓝膜204并置于钢制的圆环205上，该过程称为晶圆粘片(wafer mount)，而后再送至芯片切割机上进行切割。切割完后，一颗颗之芯片井然有序的排列在胶带上，同时由于框架之支撑可避免蓝膜皱折而使芯片互相碰撞，而圆环撑住胶带以便于搬运。
根据本发明提供的MEMS器件的制作方法，首先在MEMS晶圆中形成贯穿所述MEMS晶圆的背面的开口，然后采用胶带对所述MEMS晶圆正面进行保持，自所述MEMS晶圆的背面减薄所述MEMS晶圆，使所述MEMS晶圆减薄到目标厚度，从而避免了需要临时键合的工艺，从而实现低成本、高良率制作超薄MEMS器件。
根据本发明提供的MEMS器件的制作方法，采用UV胶带或热敏胶带固定所述MEMS晶圆，在后续剥离时由于粘性低不会对晶圆正面的图案造成损伤；所述刻蚀停止层包括氧化物层，使用缓冲氧化物刻蚀剂刻蚀所述开口露出的所述蚀刻停止层，可以成批次进行，进而提高产出。
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。

Claims (13)

1.一种MEMS器件的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供MEMS晶圆，所述MEMS晶圆的正面形成有图案化的过滤层；
在所述MEMS晶圆中形成开口，所述开口贯穿所述MEMS晶圆的背面；
在所述MEMS晶圆中形成所述开口之后，在所述图案化的过滤层上形成胶带；
在所述图案化的过滤层上形成所述胶带之后，自所述MEMS晶圆的背面减薄所述MEMS晶圆，使所述MEMS晶圆减薄到目标厚度，所述背面减薄的方法包括对所述MEMS晶圆的中心区域进行研磨，以使所述MEMS晶圆的中心区域减薄，并在所述MEMS晶圆的边缘区域形成突出的支撑环；
在使所述MEMS晶圆减薄到目标厚度之后，剥离所述胶带。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述开口的方法包括深反应离子刻蚀。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标厚度为小于或等于100微米。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述MEMS晶圆中形成开口之前还包括对所述MEMS晶圆执行另一背面减薄的步骤，使所述MEMS晶圆减薄到另一目标厚度。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述另一目标厚度为400微米-500微米。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，剥离所述胶带之后还包括去除所述支撑环的步骤。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述MEMS晶圆和过滤层之间还形成有刻蚀停止层。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述刻蚀停止层包括氧化物层。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在剥离所述胶带之后还包括去除所述开口露出的所述刻蚀停止层的步骤。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，去除所述刻蚀停止层的方法包括使用缓冲氧化物刻蚀剂刻蚀所述刻蚀停止层。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述过滤层包括氮化硅层。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述图案化的过滤层包括滤孔。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述胶带包括UV胶带或热敏胶带。
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