[发明专利]一种晶圆级异质结构的平坦化工艺方法

说明书

本发明提供一种晶圆级异质结构的平坦化工艺方法，实现基片表面为异种材质，非单一材质，特别是由金属材质和胶类材质的组成的表面结构的减薄抛光。减薄抛光的主要步骤有机械减薄、机械抛光、化学机械抛光。本发明解决了由于异质结构的硬度、密度不同，造成在平坦化过程中异质结构的切削速率不同，导致晶圆基片表面异质结构的高度差较大问题。采用本发明工艺方法，平坦化后的晶圆基片表面整体平整度可控制在(3～10)μm以内，其表面异质结构间高度差在1μm以内，表面金属材质区域的粗糙度小于1nm。

技术领域

本发明涉及一种晶圆级异质结构结构的平坦化工艺方法，特别是半导体晶圆基片表面由多层堆叠的金属材料和光刻胶类材料组成的器件结构表面的减薄抛光的工艺。

背景技术

随着半导体工艺的飞速发展，电子器件尺寸逐渐缩小，结构越加复杂。多层堆叠的结构器件的设计应用越来越广泛。晶圆基片堆叠层数增加时，基片表面起伏将更加显著。表面起伏的主要负面影响是在光刻时对线宽尺寸失去控制，后续工艺难以在表面厚度不均匀的光刻胶上制作图形，直接影响器件的使用性能。

半导体晶圆的平坦化工艺，是对晶圆基片表面同质或异质结构进行研磨、抛光处理，去掉一定厚度材料，确保晶圆基片表面不同材质结构高度一致，使得表面成为一个平面。

常规机械减薄抛光方式，在标准的晶片减薄机上进行，通过采用研磨盘与基片对磨的方式实现，磨料为微米级的氧化铝与专用分散溶剂的混合物。研磨的去除速率较快，根据不同结构层设定不同的研磨时间。针对表面结构为单一材质的基片，其减薄均匀性、粗糙度、平整性较好。但就表面结构为两种或两种以上的异种材质的基片，尤其是金属材质与胶类材质，两种材质由于其硬度的差异性，导致胶类材质的切削速率快于金属材质的切削速率，造成基片表面的金属结构高于胶类结构，使其整体的平整度较差，减薄均匀性较差。

化学机械抛光是将晶圆由旋转的抛光头夹持，并将其以一定压力压在旋转的抛光垫上，由磨粒和化学溶液组成的抛光液在晶圆和抛光垫之间流动，晶圆表面在化学和机械的共同作用下实现平坦化。针对异种材质的基片，尤其是金属材质与胶类材质，由于化学溶液抛光对金属材质的影响大于胶类材质物质，其主要切削表面金属材质，进而缩减金属材质与胶类材质结构的高度差。但化学机械片抛光，由于受其化学影响，导致其切削速率较慢，针对表面结构高度差别较大的晶圆基片，需消耗大量工时。此外，过长时间的减薄抛光，基片表面应力较大，影响基片的稳定性。故针对去除量大于20μm的基片表面，单一使用化学机械抛光工艺进行，不可行。

专利CN104128879A提出硬质材料减薄抛光的工艺方法，其特征是利用合成铜盘研磨盘和研磨液；硬质材料的待减薄抛光面与合成铜盘研磨盘充分接触，对硬质材料进行家中；合成铜盘研磨盘转动对硬质材料进行减薄抛光；合成铜盘研磨盘转动时，同时滴加研磨液。针对该方法，其表面材质为单一硬质材料，不能覆盖表面为同材料的基片，表面由两种不同材质(金属材料和胶类材料)的基片不能进行该工艺加工；此外，其单一硬质材料的减薄抛光工艺指标过低，对硬质材料进行减薄、抛光，使产品的表面平整度可以有效控制在5μm以内，产品去除速率达2-3.5μm/min，产品表面粗糙度0.2μm。对于后续进行微加工工艺，如光刻、键合等，其平整度5μm，将极大影响光刻涂胶的均匀性，光刻图形线条精度，以及键合致密性等。

专利CN1255741A提出表面平坦化的方法，其特征是在进行化学机械研磨法平坦化半导体晶片的表面之前，在绝缘层上方涂敷一层旋涂式玻璃，并进行热烘烤步骤，使半导体晶片表面较为平坦，再以化学机械研磨法研磨半导体晶片表面。针对该方法，其主要是解决化学机械抛光过程中基片表面上的疏松元件区相比密集元件区切削速率快，造成表面化学机械抛光后不平整。通过在基片上表面涂敷一层旋涂式玻璃，对基片表面进行补偿找平操作。经过烘烤基片，使其固化，进行化学机械抛光中，缓解基片表面疏松元件区和密集元件区切削速率不同造成的高度差。针对表面均匀分布的结构，采用该方法不适用，此外基片表面涂敷一层旋涂式玻璃，且进行高温烘烤，针对晶圆基片器件的使用性能，所承受的温度，不能完全适用。在文章中也未说明采用该方法后，其表面不同元件区高度差数值。

发明内容