半导体结构以及晶圆减薄的方法与流程

1.本公开实施例涉及半导体技术领域，特别涉及一种半导体结构以及晶圆减薄的方法。


背景技术：

2.随着集成电路不断向高密度、轻薄方向发展，为满足这一发展需求，通常需要对晶圆(wafer)进行减薄，以减小晶圆的厚度。
3.目前的晶圆减薄技术包括：磨削(grinding)工艺、化学机械研磨(cmp，chemical mechanical polishing)工艺以及湿法刻蚀(wet etch)工艺等。然而，通过上述的晶圆减薄技术能够实现减薄晶圆的厚度却难以精准控制晶圆减薄的厚度。
4.因此，如何能够精准的控制晶圆减薄的厚度成为本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.本公开实施例提供一种半导体结构以及晶圆减薄的方法，至少能够实现精准控制晶圆减薄厚度。
6.根据本公开一些实施例，本公开实施例一方面提供一种半导体结构，包括：硅衬底，所述硅衬底包括相对的正面和背面，且所述硅衬底的所述背面具有改性层。
7.在一些实施例中，所述改性层内掺杂有碳离子或氢离子，其中，所述改性层内掺杂有碳离子，所述碳离子的浓度范围为1
×
10
19
atom/cm3～1
×
10
21
atom/cm3；或者，所述改性层内掺杂有氢离子，所述氢离子的浓度范围为1
×
10
19
atom/cm3～1
×
10
21
atom/cm3。
8.在一些实施例中，所述改性层的厚度为10nm～100nm。
9.根据本公开一些实施例，本公开实施例另一方面还提供一种晶圆减薄的方法，包括：提供晶圆，所述晶圆具有相对的正面和背面；对所述晶圆进行离子注入工艺，以在所述晶圆内形成改性层；自所述背面向所述正面方向减薄所述晶圆至所述改性层。
10.在一些实施例中，所述对所述晶圆进行离子注入工艺，包括：自所述晶圆的正面向所述背面进行所述离子注入工艺；在形成所述改性层之后，还包括：在所述晶圆的正面形成有源器件和/或无源器件。
11.在一些实施例中，所述对所述晶圆进行离子注入工艺之前，还包括：在所述晶圆的正面形成有源器件和/或无源器件；所述对所述晶圆进行离子注入工艺，包括：自所述背面向所述正面进行所述离子注入工艺。
12.在一些实施例中，在自所述背面向所述正面方向减薄所述晶圆至所述改性层之前，还包括：提供基板；将所述晶圆的正面键合至所述基板上。
13.在一些实施例中，减薄所述晶圆采用的减薄工艺对所述晶圆的所述背面的去除速率大于对所述改性层的去除速率。
14.在一些实施例中，所述改性层的硬度大于所述晶圆在所述改性层与所述背面之间
的硬度。
15.在一些实施例中，所述离子注入工艺采用的离子包括碳离子。
16.在一些实施例中，在对所述晶圆进行离子注入工艺之前，还包括:自所述背面向所述正面方向减薄所述晶圆，其中，减薄后所述晶圆的厚度范围为20um～30um。
17.在一些实施例中，所述离子注入工艺的工艺参数包括：注入能量范围为2000kev～20000kev，注入剂量范围为1
×
10
14
atom/cm3～1
×
10
16
atom/cm3。
18.在一些实施例中，所述离子注入工艺中，形成的所述改性层包括朝向所述背面的气泡层。
19.在一些实施例中，所述离子注入工艺采用的离子包括氢离子。
20.在一些实施例中，所述离子注入工艺的工艺参数包括：注入能量范围为2000kev～20000kev，注入剂量为1
×
10
14
atom/cm3～1
×
10
16
atom/cm3。
21.在一些实施例中，所述改性层的厚度范围为10nm～100nm，减薄后所述晶圆厚度为1um～10um。
22.在一些实施例中，所述改性层中掺杂有氢离子，所述氢离子的浓度范围为1
×
10
19
atom/cm3～1
×
10
21
atom/cm3；或者，所述改性层中掺杂有碳离子，所述碳离子的浓度范围为1
×
10
19
atom/cm3～1
×
10
21
atom/cm3。
23.在一些实施例中，减薄所述晶圆采用的减薄工艺包括化学机械研磨工艺，且所述化学机械研磨工艺对所述晶圆的研磨速率与对所述改性层的研磨速率的比值大于或等于3:1。
24.在一些实施例中，所述化学机械研磨工艺的工艺参数包括：研磨液为含sio2颗粒的研磨液，其中，所述sio2颗粒浓度范围为1％～10％。
25.在一些实施例中，减薄所述晶圆采用的减薄工艺包括湿法刻蚀工艺，且所述湿法刻蚀工艺对所述晶圆的刻蚀速率与对所述改性层的刻蚀速率的比值大于或等于4：1。
26.本公开实施例提供的技术方案至少具有以下优点：
27.在硅衬底设置有改性层，改性层作为终端层以指示出硅衬底需要减薄到的位置，如此，能够实现对硅衬底减薄的精度要求。
附图说明
28.一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制；为了更清楚地说明本公开实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1至图3为一种晶圆减薄的方法各步骤对应的结构示意图；
30.图4为本公开一实施例提供的半导体结构的结构示意图；
31.图5至图11为本公开另一实施例提供的一种晶圆减薄的方法各步骤对应的结构示意图。
具体实施方式
32.由背景技术可知，目前存在无法精准控制晶圆减薄的厚度的问题。
33.图1至图3为一种晶圆减薄的方法各步骤对应的结构示意图。参考图1，提供晶圆100，晶圆100具有相对的正面101和背面102；对晶圆100的背面102执行磨削工艺11，以减薄晶圆100；参考图2，对晶圆100的背面102执行化学机械研磨工艺12进一步减薄晶圆100；参考图3，利用湿法刻蚀工艺13减薄晶圆100，即，对晶圆100背面102执行湿法刻蚀工艺13减薄晶圆100至所需厚度。
34.分析发现，采用上述的磨削工艺11、化学机械研磨工艺12以及湿法刻蚀工艺13减薄晶圆100，这三步工艺的停止位置均难以被精确控制，这就导致无法精细控制晶圆100减薄的厚度，即减薄后的晶圆100厚度可能不在所要求的误差范围之内，难以满足对于晶圆100的减薄精度要求。进一步分析发现，导致这三步工艺的停止位置均难以被精确控制的原因包括：以化学机械研磨工艺12为例，化学机械研磨工艺12所需去除的晶圆100的材料与需停止的晶圆100处的材料相同，这就导致化学机械研磨工艺12对晶圆100的不同厚度区域的去除速率基本相同，也就是说，化学机械研磨工艺12对在需停止的晶圆100处的去除速率也较大，导致减薄停止位置难以被精确控制。
35.由上述分析可知，若减薄工艺对需减薄的晶圆100的去除速率大于减薄停止位置的晶圆100的去除速率，或者减薄停止位置的晶圆100的材料与需减薄的晶圆100的材料不同，则可以实现精确控制减薄停止位置的目的，从而保证减薄后的晶圆100的厚度在预期范围内，提高减薄后的晶圆100的厚度精确度。
36.本公开实施提供一种半导体结构，通过在硅衬底的背面设置有改性层，改性层作为硅衬底减薄的终端层，如此，能够实现对硅衬底减薄的精度要求。
37.下面将结合附图对本公开的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本公开各实施例中，为了使读者更好地理解本公开而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本公开所要求保护的技术方案。
38.图4为本公开一实施例提供的半导体结构的结构示意图。
39.参考图4，本公开实施例提供的半导体结构，包括：硅衬底，硅衬底包括相对的正面201和背面202，且硅衬底的背面202具有改性层203。其中，改性层203可以作为研磨终端层，在对硅衬底进行减薄工艺时，自硅衬底的背面202朝向硅衬底的正面201方向减薄硅衬底至改性层203从而保证了硅衬底厚度减薄的精度要求。
40.在一些实施例中，硅衬底可以为晶圆200。
41.在一些实施例中，改性层203内掺杂有碳离子或氢离子，相应的，改性层203富含碳离子或氢离子，碳离子或氢离子的掺杂致使改性层203的性能发生改变，从而保证改性层203可以在减薄工艺中作为研磨终端层，以使减薄工艺会停止于改性层从而控制硅衬底厚度减薄的精度。
42.其中，改性层203掺杂有碳离子时，碳离子的浓度范围为1
×
10
19
atom/cm3～1
×
10
21
atom/cm3；或者，改性层203内掺杂有氢离子时，氢离子的浓度范围为1
×
10
19
atom/cm3～1
×
10
21
atom/cm3。
43.在一些实施例中，改性层203的厚度为10nm～100nm，例如，改性层203的厚度可以
为10nm、50nm或者100nm。
44.在一些实施例中，半导体结构的厚度可以为1um～10um，例如，半导体结构的厚度可以为1um、5um或者10um。
45.本公开另一实施例还提供了一种晶圆减薄的方法，该晶圆减薄的方法提供了前述实施例提供的半导体结构的形成方法。以下将结合附图对本公开实施例提供的晶圆减薄的方法进行详细说明，需要说明的是，与前述实施例相同或者相应的部分，可参考前述实施例的具体说明，以下将不做详细赘述。图5至图11为本公开另一实施例提供的一种晶圆减薄的方法各步骤对应的结构示意图。
46.参考图5，提供晶圆200，晶圆200具有相对的正面201和背面202。
47.晶圆200可以为硅、锗或硅锗，晶圆200也可以是绝缘体上的硅(soi，silicon-on-insulator)、绝缘体上的锗(goi，germanium-on-insulator)以及绝缘体上的硅锗材料(sgoi，sige-on-insulator)等。
48.在一些实施例中，晶圆200可以为硅晶圆。
49.在一些实施例中，对晶圆200进行离子注入工艺，以在晶圆200内形成改性层。
50.在一些实施例中，对晶圆200进行离子注入工艺，包括：参考图6，自晶圆200的正面201向背面202进行离子注入工艺21。参考图7，在形成改性层203之后，还包括：在晶圆200的正面201形成有源器件和/或无源器件。
51.其中，晶圆200的正面201为待形成器件的表面，器件可以为有源器件和/或无源器件。在进行离子注入工艺21之前，晶圆200可以为裸晶圆，相应的，晶圆200可以称为衬底205(substrate)。在进行离子注入工艺21之后，进行器件制造工艺，以形成有源器件和/或无源器件，有源器件可以为晶体管、mos管(mosfet，metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,场效应管)，无源器件可以为电容、电阻以及电感。具体地，在晶圆200的正面201形成功能膜层206，且功能膜层206内还可以形成有多层金属导线204以及电连接相邻层金属导线204的导电插塞。在一些实施例中，功能膜层206可以为叠层结构，包括绝缘材料；金属导线204可以为铜导线。如此，功能膜层206形成于自正面201注入离子之后从而离子注入工艺21不会影响功能膜层206中器件的电学性能。
52.相较于从背面202向正面201方向进行离子注入工艺21的方案而言，在晶圆200的正面201形成有源器件和/或无源器件之前，自晶圆200的正面201向背面202进行离子注入工艺21，所需的注入深度相对较浅，使得离子注入工艺21的工艺难度更低。通过对晶圆200进行离子注入工艺21，以使后续步骤晶圆200的减薄工艺时，所形成的改性层203作为研磨终端层的存在，为精准控制晶圆200减薄的厚度提供基础。
53.在一些实施例中，离子注入工艺21采用的离子包括碳离子，相应的，改性层203富含碳离子。注入的碳离子可以改变改性层203的硬度，改性层203的硬度大于晶圆200在改性层203与背面202之间的硬度，如此，在进行后续步骤晶圆200的减薄工艺时，由于硬度的不同，减薄晶圆200采用的减薄工艺对晶圆200的背面202的去除速率大于对改性层203的去除速率，由于去除速率的变化可以被机台监测到从而可以实现精准控制减薄晶圆200的厚度。
54.具体地说，采用碳离子进行离子注入工艺21时，离子注入工艺21的工艺参数包括：注入能量范围为2000kev～20000kev，例如，注入能量可以为：2000kev、8000kev或者16000kev，注入剂量范围为1
×
10
14
atom/cm3～1
×
10
16
atom/cm3(原子/立方厘米，每立方厘
米中所含原子的个数)，注入剂量可以为：1
×
10
14
atom/cm3、1
×
10
15
atom/cm3或者1
×
10
16
atom/cm3，如此设置，一方面保证了注入改性层203的碳离子浓度足以改变改性层203的硬度，另一方面可以控制碳离子注入晶圆200的深度，即改性层203在晶圆200中的位置。
55.在一些实施例中，改性层203中掺杂有碳离子，碳离子的浓度范围为1
×
10
19
atom/cm3～1
×
10
21
atom/cm3，例如，碳离子的浓度可以为1
×
10
19
atom/cm3、1
×
10
10
atom/cm3或者1
×
10
21
atom/cm3。
56.在一些实施例中，离子注入工艺21采用的离子包括氢离子，相应的，改性层203富含氢离子。其中，形成的改性层203包括朝向背面202的气泡层，即注入的氢离子在改性层203朝向背面202的面形成了气泡层，由于气泡层的材料与晶圆200的材料不同，气泡层的机台能够监测到这一不同从而气泡层可指示后续步骤晶圆200减薄停止的位置，以精准控制减薄晶圆200的厚度。
57.具体地说，采用氢离子进行离子注入工艺21时，离子注入工艺21的工艺参数包括：注入能量范围为2000kev～20000kev，例如，注入能量可以为2000kev、8000kev或者16000kev，注入剂量范围为1
×
10
14
atom/cm3～1
×
10
16
atom/cm3，注入剂量可以为1
×
10
14
atom/cm3、1
×
10
15
atom/cm3或者1
×
10
16
atom/cm3，如此设置，既保证注入改性层203的氢离子足以实现在改性层203朝向背面202的面可以形成完整的一层气泡层，又可以控制氢离子注入改性层203的深度，即改性层203在晶圆200中的位置。
58.在一些实施例中，改性层203中掺杂有氢离子，氢离子的浓度范围为1
×
10
19
atom/cm3～1
×
10
21
atom/cm3，例如，氢离子的浓度可以为1
×
10
19
atom/cm3、1
×
10
10
atom/cm3或者1
×
10
21
atom/cm3。
59.在进行离子注入工艺21时，通过反转注入可以控制离子注入的深度和剂量，实现精准控制改性层203的厚度及注入晶圆200的深度。在一些实施例中，改性层203的厚度范围为10nm～100nm，例如，改性层203的厚度可以为：10nm、50nm或者100nm，如此，改性层203既不会过于厚也不会过薄，过厚的改性层203增加了工艺成本和工艺时间，过薄的改性层203会导致后续减薄工艺时，减薄掉过薄的改性层203后继续减薄掉一部分晶圆200的厚度，从而导致减薄后的晶圆200厚度与所需晶圆200厚度误差过大，无法实现精准控制减薄晶圆200的厚度。
60.在另一些实施例中，对晶圆200进行离子注入工艺21之前，还可以包括：参考图8，在晶圆200的正面201形成有源器件和/或无源器件；参考图9，对晶圆200进行离子注入工艺21，包括：自背面202向正面201进行离子注入工艺21。
61.也就是说，在另一些实施例中，可以自背面202向正面201进行离子注入工艺21，如此，能够避免离子注入工艺21中的离子对晶圆200的正面201造成轰击，从而避免对晶圆200的正面201造成损伤，且避免离子注入工艺21中的离子掺杂至改性层203与晶圆200正面201之间的区域内。可以理解的是，既可以在形成有源器件和/或无源器件之后，自背面202向正面201进行离子注入工艺21，也可以在形成有源器件和/或无源器件之前，自背面202向正面201进行离子注入工艺21。
62.在一些实施例中，在对晶圆200进行离子注入工艺21之前，还包括:自背面202向正面201方向减薄晶圆200，其中，减薄后晶圆200的厚度范围可以为20um～30um，例如，减薄后晶圆200的厚度可以为20um、25um或者30um，如此，较薄的晶圆200可以降低离子注入工艺21
的难度，使得离子注入的深度相对较浅，更易控制离子注入的深度和剂量。
63.可以理解的是，在另一些实施例中，在进行离子注入工艺21之前，也可以不对晶圆200进行减薄，直接进行离子注入工艺21。
64.有关离子注入工艺21具体说明可参考前述相应描述，在此不再赘述。
65.在一些实施例中，参考图10，在形成功能膜层206之后，还可以提供基板207，且将晶圆202的正面201键合至基板207上，基板207的设置为后续对晶圆200进行减薄工艺提供支撑，在完成后续步骤减薄工艺之后基板207需去除。可以理解的是，基板207还可以设置有芯片等器件，即基板207为功能层，在完成后续步骤减薄工艺之后基板207无需去除。
66.具体地，晶圆200和基板207键合的方法可以为无中间层的晶圆200键合技术、有中间层的晶圆200键合技术，其中，无中间层的晶圆200键合技术可以为晶圆200和基板207直接键合的技术，有中间层的晶圆200键合技术可以为热压键合(tcb，thermal compression bonder)或者通过黏附层键合的技术。
67.参考图11，自背面202向正面201方向减薄晶圆200至改性层203。
68.在一些实施例中，减薄晶圆200采用的减薄工艺22可以为化学机械研磨工艺。
69.具体地说，化学机械研磨工艺是一种利用化学腐蚀作用和机械去除作用相结合的加工技术，通过晶圆200和研磨头之间的相对运动可以实现晶圆200表面的全局平坦化(planarization)。其中，化学机械研磨工艺对晶圆200的研磨速率与对改性层203的研磨速率的比值大于或等于3:1，能够有效地实现利用化学机械研磨工艺对晶圆200的精确减薄。采用化学机械研磨工艺的工艺参数包括：研磨液为含sio2颗粒的研磨液，其中，sio2颗粒浓度范围为1％～10％，例如，sio2颗粒浓度可以为1％、5％或者10％，如此，含sio2颗粒的研磨液可以保证化学机械研磨工艺对晶圆200的研磨速率与对改性层203的研磨速率的比值大于或等于3：1，且通过cmp r2r(chemical mechanical polishing run-to-run)控制器可以监测到研磨速率的变化。当化学机械研磨工艺除去的均为晶圆200时，即尚未碰到改性层203时，将具有较快的研磨速度；当化学机械研磨工艺研磨至改性层203时，将具有较慢的研磨速度，如此，cmp r2r机制可以监测到这一变化，从而确定化学机械研磨工艺是否已减薄至改性层203，即确定化学机械研磨工艺是否需要结束，是否已满足晶圆200减薄的精度要求。
70.在一些实施例中，减薄晶圆200采用的减薄工艺22可以为湿法刻蚀工艺。
71.具体地说，利用化学刻蚀液与晶圆200的化学反应，湿法刻蚀工艺将晶圆200的部分转化为液体化合物剥离下来而实现晶圆200的减薄。湿法刻蚀工艺对晶圆200的刻蚀速率与对改性层203的刻蚀速率的比值大于或等于4：1，能够有效地实现利用湿法刻蚀工艺对晶圆200的精确减薄。其中，湿法刻蚀工艺采用的刻蚀液包括：h3po4、hno3、h2so4以及hf的混合液或者hf、hno3以及ch3cooh的混合液。湿法刻蚀工艺通过配合r2r控制器可以确定湿法刻蚀工艺是否减薄晶圆200至改性层203，当湿法刻蚀工艺除去的均为晶圆200时，即尚未碰到改性层203时，将具有较快的刻蚀速度，当湿法刻蚀工艺刻蚀至改性层203时，将具有较慢的刻蚀速度，r2r控制器可以监测到这一变化，从而确定湿法刻蚀工艺是否已减薄至改性层203，以确定湿法刻蚀工艺是否需要结束，如此，既可以精准控制晶圆200减薄的厚度，湿法刻蚀工艺还可以去除晶圆200表面的沾污，例如油渍、粉尘等，以及保证晶圆200表面的平坦化和光滑，以免沾污影响晶圆200上的后续步骤晶圆200与基板的键合。
72.还可以理解的是，在进行减薄工艺22之后，仍残留有部分厚度的改性层203，在一些实施例中，离子注入工艺21采用的离子为碳离子，相应的，改性层203富含碳离子，由于碳离子注入不会导致空穴或者电子的产生，从而不会影响后续晶圆200上形成的器件的性能，因而无需去除，节省了工艺时间和成本；在一些实施例中，离子注入工艺21采用的离子为氢离子，相应的，改性层203富含氢离子，由于氢离子注入不会导致空穴或者电子的产生，因而不影响后续晶圆200上形成的器件的性能，且注入的氢离子在改性层203朝向背面202的面形成了气泡层，气泡层十分易于剥落，如此，改性层203可自然剥落，无需去除。
73.在一些实施例中，减薄后晶圆200厚度为1um～10um，例如，减薄后晶圆200的厚度可以为1um、5um或者10um。
74.在一些实施例中，减薄工艺22还可以为磨削工艺，磨削工艺在进行化学机械研磨工艺或湿法刻蚀工艺之前执行。其中，磨削工艺相对于化学机械研磨工艺和湿法刻蚀工艺具有相对较快的研磨速率，先进行磨削工艺可以更快速地将晶圆200减薄至较薄的厚度，再采用化学机械研磨工艺或者湿法刻蚀工艺可以精准地控制减薄晶圆200的厚度，如此，既减少了减薄工艺22的时间，提高了生产效率，又能够达到晶圆200减薄的精度要求。可以理解的是，在另一些实施例中，也可以不进行磨削工艺，直接对晶圆200进行化学机械研磨工艺或者湿法刻蚀工艺。另外，减薄工艺22为磨削工艺以及化学机械研磨工艺时，磨削工艺与化学机械研磨工艺可通过同一机台完成，如此，降低了设备成本并能够达到晶圆200减薄的精度要求。
75.需要说明的是，在另一些实施例中，减薄工艺22可以为先进行磨削工艺后进行湿法刻蚀工艺，或者，先进行化学机械研磨工艺后进行湿法刻蚀工艺，或者，先进行磨削工艺后进行化学机械研磨工艺。
76.本公开实施例提供的一种晶圆200减薄的方法，通过对晶圆200进行离子注入工艺21，以使在晶圆200内形成改性层203，在自晶圆200的背面202向晶圆200的正面201执行减薄工艺22时，改性层203可以作为终端层指示晶圆200需要减薄到的位置，减小通过减薄工艺22后晶圆200的厚度与所需晶圆200的厚度之间的误差，实现对晶圆200减薄的精度要求。
77.本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本公开的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本公开的精神和范围。任何本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围内，均可作各自更动与修改，因此本公开的保护范围应当以权利要求限定的范围为准。