阅读说明：本技术 一种铜再布线层的制造方法、硅光器件及芯片 (Manufacturing method of copper rewiring layer, silicon optical device and chip ) 是由 杨妍 于 2020-10-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种铜再布线层的制造方法、硅光器件及芯片,涉及硅光器件制造技术领域,用于解决硅光器件或芯片中的铝再布线层的电导率低、集肤效应大,高频特性不足的问题。铜再布线层的制造方法包括：提供一基底；在基底的表面形成再布线图形,再布线图形包括布线区和第一隔离区；在布线区形成铜再布线层；形成与铜再布线层接触的微凸块或凸块下金属。铜再布线层由上述铜再布线层的制造方法制造。本发明提供的铜再布线层的制造方法用于硅光器件和芯片制造。(The invention discloses a manufacturing method of a copper rewiring layer, a silicon optical device and a chip, relates to the technical field of manufacturing of silicon optical devices, and aims to solve the problems of low conductivity, large skin effect and insufficient high-frequency characteristics of an aluminum rewiring layer in the silicon optical device or the chip. The method for manufacturing the copper rewiring layer comprises the following steps: providing a substrate; forming a rewiring pattern on the surface of the substrate, wherein the rewiring pattern comprises a wiring area and a first isolation area; forming a copper rewiring layer in the wiring area; forming a micro bump or under bump metallization in contact with the copper rewiring layer. The copper rewiring layer is manufactured by the method for manufacturing the copper rewiring layer. The manufacturing method of the copper rewiring layer is used for manufacturing the silicon optical device and the chip.)

一种铜再布线层的制造方法、硅光器件及芯片

技术领域

本发明涉及硅光器件制造技术领域，尤其涉及一种铜再布线层的制造方法、硅光器件及芯片。

背景技术

硅基光电子器件(简称硅光器件)，其核心内容就是研究如何将光子器件“小型化”、“硅片化”并与纳米电子器件相集成。即利用硅或与硅兼容的其他材料，应用硅工艺，在同一硅衬底上同时制作若干微纳量级，以光子和/或电子为载体的信息功能器件，形成一个完整的具有综合功能的新型大规模集成芯片。

硅光器件的制备工艺一般都是依靠在现有的CMOS工艺以及设备的支持下进行改进或开发，部分工艺还需要重新开发。

其中，硅光器件制备工艺中，一般涉及到再布线层工艺(简称RDL)，在传统的CMOS工艺中，RDL中通常采用铝金属，因此现有硅光器件的RDL工艺也是采用铝金属。采用铝金属做RDL存在电导率低、集肤效应大，高频特性不足的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铜再布线层的制造方法、硅光器件及芯片，用于解决硅光器件或芯片中的铝再布线层存在的电导率低、集肤效应大，高频特性不足的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种铜再布线层的制造方法，其特征在于，包括：

提供一基底；

在基底的表面形成再布线图形，再布线图形包括布线区和第一隔离区；

在布线区形成铜再布线层；

形成与铜再布线层接触的微凸块或凸块下金属。

与现有技术相比，本发明提供的铜再布线层的制造方法，可以在硅光器件中形成铜再布线层，该铜再布线层较于传统的铝再布线层具有电导率和更小的集肤效应，因此铜再布线层的高频特性更好。而具有上述铜再布线层的硅光器件具有更高的电学性能。

本发明还提供一种硅光器件。该硅光器件包括铜再布线层，该铜再布线层由上述铜再布线层的制造方法制造。

与现有技术相比，本发明提供的硅光器件的有益效果与上述技术方案所述铜再布线层的制造方法的有益效果相同，此处不做赘述。

本发明实施例还提供一种硅光芯片。该硅光芯片包括上述硅光器件。

与现有技术相比，本发明提供的硅光芯片的有益效果与上述技术方案所述硅光器件的有益效果相同，此处不做赘述。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种铜再布线层的制造方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种铜再布线层的制造方法的过程图；

图3A-图3B为本发明实施例提供的一种铜再布线层的制造方法的过程图；

图4A-图4B为本发明实施例提供的一种铜再布线层的制造方法的过程图；

图5A-图5F为本发明实施例提供的一种铜再布线层的制造方法的过程图；

图6A-图6E为本发明实施例提供的一种铜再布线层的制造方法的过程图。

附图标记：

1-基底，101-氧化层，102-衬底，

2-第一光刻胶层，201-布线区，3-铜材料层，

4-介质层，401-开口，5-第二光刻胶层，

501-开口图形，6-第三光刻胶层，7-凸块下金属；

8-微凸块。

具体实施方式

为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在本发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。例如，第一阈值和第二阈值仅仅是为了区分不同的阈值，并不对其先后顺序进行限定。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。

需要说明的是，本发明中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

本发明中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，a和b的结合，a和c的结合，b和c的结合，或a、b和c的结合，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

在制造硅基光电子器件(简称硅光器件)的过程中，通常包括封装工艺。封装工艺一般涉及再布线层的制造工艺。再布线层(Redistribution Layer，缩写为RDL)是将原来设计的集成电路的线路接点位置，通过晶圆级金属布线制程和凸块制程改变其接点位置，使集成电路能适用于不同的封装形式。硅光器件技术领域作为半导体器件的一种开发时间较短、开发难度较大的新的器件领域，在其制造工艺的开发过程，多是参考CMOS(互补金属氧化物半导体，Complementary Metal Oxide Semiconductor的缩写)制造工艺，在CMOS制造工艺的基础上进行开发。

传统的CMOS制造工艺中，RDL均采用铝金属。一方面由于铝金属做RDL的工艺比较简单。但是随着硅光器件的开发，其工艺尺寸也开始越来越小，器件的性能要求也越来越高。铝金属做RDL存在电导率低、集肤效应大，高频特性不足的问题。由于铝金属形成的RDL的电学性能的局限性，难以满足硅光器件的工作性能。因此，当前利用铜作为RDL的材料是一种技术发展趋势。

但是，采用铜作为RDL的材料时，原有参考CMOS建立的硅光器件产线、设备以及工艺并不能继续使用。现需要一种新的再布线层的制造方法，以实现铜金属在硅光器件的再布线层的应用。

针对以上技术问题，本发明实施例提供一种铜再布线层的制造方法。图1示例出本发明实施例提供的一种铜再布线层的制造方法的流程图。如图1所示，铜再布线层的制造方法，包括：

图2示例出本发明实施例提供的一种铜再布线层的制造方法的过程图。参见图2，提供一基底1。上述基底1可以为体硅衬底或绝缘体上硅衬底等常用的衬底102，以及形成在衬底102表面的氧化层101。例如，可以采用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，缩写为CVD)、分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，缩写为MBE)等现有任意一种沉积工艺在衬底102的表面形成氧化层101。上述氧化层101并不一定指代含有氧元素的化合物。可以任一种通过氧化还原反应制得的化合物或者与衬底102的硅元素进行氧化还原反应形成的化合物。上述氧化层101的材料可以是氮化硅或氧化硅等。

上述基底1还可以是经前端工艺已经在衬底102上形成有源器件和无源器件的基底1。例如，上述有源器件可以是硅光有源器件，上述无源器件可以是硅光无源器件。上述硅光有源器件可以包括但不限于调制器和探测器。上述硅光无源器件可以包括但不限于硅或氮化硅波导、光栅、阵列波导光栅、微环谐振器、多模干涉器、热光器件等。具有有源器件和无源器件的基底1的表面，还具有覆盖上述有源器件和无源器件的氧化层101。

图3A至图3B示例出本发明实施例提供的一种铜再布线层的制造方法的过程图。参见图3A至图3B，在基底1的表面形成再布线图形，再布线图形包括布线区201和第一隔离区。上述基底1包括半导体衬底102，以及形成在半导体衬底102上的氧化层101。上述在基底1的表面形成再布线图形，可以包括：

此时氧化层101可以是氧化硅，在氧化层101上依次形成阻挡层和铜种子层。阻挡层的材料为钽、钛、氮化钽、氮化钛中的至少一种。为了防止铜金属在上述氧化层101中发生扩散，破坏硅光器件的层间结构，通过阻挡层实现对铜金属的阻挡，以及实现铜金属与氧化层101的电连接。铜种子层为后续铜材料层3的形成提供基础。形成阻挡层的工艺可以是物理气相沉积也可以是化学气相沉积。形成铜种子层的工艺可以是物理气相沉积。在形成上述阻挡层或铜种子层后，采用惰性气体的等离子体进行表面清洗，如采用氩气。

参见图3A，在铜种子层上形成第一光刻胶层2。上述光刻胶采用正性光刻胶，如可以采用365nm曝光的常规光刻胶。基于铜金属难以采用刻蚀的方式去除，并不能通过负性刻蚀形成铜再布线层。传统的铝再布线层形成工艺并不能适用。

参见图3B，图案化第一光刻胶层2，形成再布线图形。对第一光刻胶层2进行曝光以及显影，形成上述再布线图形。该再布线图形的区域被显影的区域形成上述布线区201，第一光刻胶层2除布线区201以外的区域形成上述第一隔离区。

图4A至图4B示例出本发明实施例提供的一种铜再布线层的制造方法的过程图。参见图4A至图4B，在布线区201形成铜再布线层。上述在布线区201形成铜再布线层，可以包括：

参见图4A，在布线区201形成铜材料层3。上述铜材料层3可以采用电镀的形成方式。

去除第一光刻胶层2。在去除第一光刻胶层2后，可以采用乙酸进行表面清洗。

参见图4B，去除铜种子层与第一隔离区相对应的部分，以在布线区201形成铜再布线层。第一隔离区上对应的铜种子层以及阻挡层在实现铜材料层3的电镀后，需要进行去除，布线区201对应的铜材料层3及其下方的铜种子层与阻挡层才能形成上述铜再布线层。上述去除铜种子层以及阻挡层可以采用湿法刻蚀的方式。

图5A至图5B示例出本发明实施例提供的一种铜再布线层的制造方法的过程图。参见图5A至5B，在铜再布线层上形成开口401，开口401具有多个开口401。上述在铜再布线层上形成开口401，可以包括：

参见图5A，形成覆盖铜再布线层的介质层4，此时介质层4可以是第一介质层。上述第一介质层的材料可以为聚苯并噁唑或聚酰亚胺等正性光刻胶。而聚苯并噁唑是一种正性光刻胶，可以采用365nm光进行曝光。

参见图5B，光刻、显影第一介质层，以形成多个开口401，多个开口401至少与铜再布线层的表面接触。开口401的数量以及位置对应后续需要布置的微凸块8或凸块下金属7的数量与位置。

参见图5C，固化具有多个开口401的第一介质层。固化处理第一介质层的工艺参数包括固化温度和固化时间，当第一介质层采用聚苯并噁唑时，固化温度可以为200℃，固化时间可以大于或等于1小时。第一介质层起到保护铜再布线层的作用，只将需要连接微凸块8或者凸块下金属7的部分暴露出来。其中聚苯并噁唑的机械性能和耐热性能是目前较好的有机纤维。可以提高硅光器件的整体性能。

其中上述在铜再布线层上形成开口401，可以由任一种可以固化的正性光刻胶的实现，并不局限于上述提及的聚苯并噁唑或聚酰亚胺。

图5C至图5F示例出本发明实施例提供的一种铜再布线层的制造方法的过程图。参见图5C至图5F，当采用的材质层不是光刻胶时，上述在铜再布线层上形成开口401，还可以是包括：

参见图5C，形成覆盖铜再布线层的介质层4，此时介质层4可以是第二介质层。上述第二介质层可以是氧化硅或氮化硅等非光刻胶的氧化层。如上述氧化硅可以采用等离子化学气相沉积形成。在此并不限制成形方式。

参见图5C，形成覆盖第二介质层4的第二光刻胶层5。当采用非光刻胶形成上述介质层4时，为了形成填充铜材料层3的开口401。通过刻蚀进行第二介质层的开口401形成。

参见图5D光刻、显影第二光刻胶层5，以形成光刻胶图形，上述光刻胶图形包括用于对介质层进行刻蚀的开口图形501。上述光刻胶为正性光刻胶，可采用365nm曝光的光刻胶或其他正性光刻胶。

参见图5E，在光刻胶图形的掩蔽下，刻蚀第二介质层，以形成多个开口401，多个开口401至少与铜再布线层的表面接触。当第二介质层为氮化硅时，可以利用干法刻蚀形成上述开口401，上述干法刻蚀的反应气体可以是由硫化氟与氧气构成。当第二介质层为氧化硅时，可以利用干法刻蚀形成上述开口401，上述干法刻蚀的反应气体由氧气与碳氟化合物构成。也可以采用湿法刻蚀上述开口401，上述湿法刻蚀的反应溶液可以由氢氟酸构成。上述第二介质层上形成开口401的方式，并不局限于上述成型方式，凡是能形成上述开口401即可。

参见图5F，去除光刻胶图形。去除上述第二光刻胶层5，完成去除后可采用乙酸进行清洗。

图6A至图6E示例出本发明实施例提供的一种铜再布线层的制造方法的过程图。参见图6A至图6E，形成与铜再布线层接触的微凸块8或凸块下金属7。上述形成微凸块8或凸块下金属7包括：

依次形成阻挡层和铜种子层，阻挡层和铜种子层覆盖开口401层的表面以及开口层所具有的多个开口401的侧壁和底壁。上述阻挡层和铜种子层采用物理气相沉积形成。阻挡层的材料可以为钽、钛、氮化钽、氮化钛中的至少一种。

参见图6A，形成第三光刻胶层6，第三光刻胶层6覆盖铜种子层。上述微凸块8或凸块下金属7相对于基底1的高度高于介质层4(介质层4对应上述第一介质层或第二介质层)。因此需要通过第三光刻胶层6提供介质层4中开口401的对应空间。

参见图6B，图案化第三光刻胶层6，以形成微凸块8图形或凸块下金属7图形，微凸块8图形或凸块下金属7图形包括开口区和第二隔离区。上述第三光刻胶层6采用正性光刻胶形成。

参见图6C，形成微凸块8材料层或凸块下金属7，微凸块8材料层或凸块下金属7材料层填充开口区。开口区可以包括开口401和位于开口401上方的扩口。扩口由第三光刻胶层6显影后形成。扩口的直径可以大于开口401的直径。第三光刻胶层6的厚度可以大于微凸块8或凸块下金属7位于扩口内的厚度。上述微凸块8的材料可以为铜、镍和银锡合金，凸块下金属7的材料可以为铜、镍和金。上述微凸块8与凸块下金属7可以采用电镀的方式形成。微凸块8或凸块下金属7的形状，可以通过开口区的扩口与开口401形尺寸控制。微凸块8或凸块下金属7的厚度，可以是通过控制第三光刻胶层6的厚度来控制。

参见图6D与图6E，去除第三光刻胶层6、铜种子层与第二隔离区相对应的部分，以形成微凸块8或凸块下金属7。在完成微凸块8或凸块下金属7的成形后，开口区以外的阻挡层以及铜种子层需要去除。上述去除铜种子层以及阻挡层可以采用湿法刻蚀的方式。而微凸块8与凸块下金属7处理采用的材料可以不同外。两者相对于基底1的厚度也是不一样的，具体在形成第三光刻胶层6时，控制第三光刻胶层6的厚度来控制微凸块8与凸块下金属7的成型厚度。上述微凸块8在形成图6E所示的圆柱形结构后，通过加热等当时形成球状，具体形成方式与图示在此不做赘述。

通过上述铜再布线层的制造方法，可以在硅光器件领域中形成铜再布线层，从而提高具有上述铜再布线层的硅光器件的性能。该铜再布线层的铜比铝具有更高的电导率和更小的集肤效应，因此高频特性更好。

本发明实施例还提供一种硅光器件。该硅光器件包括上述铜再布线层，铜再布线层本发明提供的上述铜再布线层的制造方法制造。

与现有技术相比，本发明提供的硅光器件的有益效果与上述技术方案所述铜再布线层的制造方法的有益效果相同，此处不做赘述。

本发明实施例还提供一种硅光芯片。该硅光芯片包括上述硅光器件。

与现有技术相比，本发明提供的硅光芯片的有益效果与上述技术方案所述硅光器件的有益效果相同，此处不做赘述。

本发明实施例还提供一种半导体器件。该半导体器件包括上述铜再布线层，铜再布线层本发明提供的上述铜再布线层的制造方法制造。上述半导体器件可以是CMOS器件。

与现有技术相比，本发明提供的半导体器件的有益效果与上述技术方案所述铜再布线层的制造方法的有益效果相同，此处不做赘述。

尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。