CN101419923B - 引线焊垫的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种引线焊垫的制造方法，包括：提供半导体结构，在所述半导体结构上具有第一介质层，在所述第一介质层中具有金属互连线；在所述金属互连线和第一介质层上具有第二介质层，在所述第二介质层中具有底部露出所述金属互连线的开口；用还原性气体的等离子体对所述开口底部的金属互连线进行表面处理，以去除所述金属互连线表面的氧化物；完成所述表面处理后，在所述开口中和第二介质层上形成金属层；图形化所述金属层，形成引线焊垫。本发明在去除铜互连线表面氧化铜的工艺中不会引起氧化铜或铜残渣的缺陷。

Description

引线焊垫的制造方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种引线焊垫的制造方法。
背景技术
半导体集成电路的制造工艺中，完成后段的铜互连线制造后，常采用金属铝作为引线焊垫的材料，以提高外引线和焊垫之间的粘附性。
在专利号为5785236的美国专利中，公开了一种铝引线焊垫的制造方法。图1至图4为与所述的美国专利公开的铝引线焊垫的制造工艺相应结构的剖面示意图。
如图1所示，在集成电路结构10上具有中间介质层14，在所述中间介质层14中形成有铜互连线12。
如图2所示，在所述中间介质层14和铜互连线12上形成绝缘层26。
如图3所示，图形化所述绝缘层26，在所述绝缘层26中形成开口28，所述开口28的底部露出所述铜互连线12的表面。
如图4所示，在所述开口28中和绝缘层26上沉积铝金属层(未示出)，并图形化所述铝金属层，形成铝引线焊垫20’。
为提高铝引线焊垫与铜互连线之间的粘附特性，并阻止铝引线焊垫20’与铜互连线12之间相互扩散，常在铝引线焊垫20’和铜互连线12之间形成钽层或氮化钽层。
专利号为US6350667 B1的美国专利公开了一种提高引线焊垫粘附性的工艺。在其公开的工艺中，在铜互连线和铝引线焊垫之间形成包含有氮化钽层和铝层的堆叠层，以提高引线焊垫和铜互连层之间的粘附性。
由于铜互连线暴露在空气中，表面会被氧化而在表面形成氧化铜；无论在铜互连线上直接形成铝引线焊垫，还是在铜互连线上先形成粘附层，再形成铝引线焊垫，都需要首先对铜互连线表面的氧化铜进行处理，以去除铜互连线表面的氧化铜。
现有的一种去除氧化铜的工艺中，采用氩气等离子体对铜互连线进行表面处理，通过等离子体的轰击去除铜互连线表面的氧化铜。
然而，该方法在去除氧化铜的同时，被氩气等离子体轰击出的氧化铜和铜残渣会附着在如图4所示的开口28的侧壁，形成缺陷，进一步的，附着在开口28侧壁的铜会向绝缘层26中扩散，引起绝缘层26绝缘性能下降，影响形成的器件的稳定性。
发明内容
本发明提供一种引线焊垫的制造方法，本发明在去除金属互连线表面氧化物的工艺中不会引起金属氧化物或金属残渣的缺陷。
本发明提供的一种引线焊垫的制造方法，包括：
提供半导体结构，在所述半导体结构上具有第一介质层，在所述第一介质层中具有金属互连线；在所述金属互连线和第一介质层上具有第二介质层，在所述第二介质层中具有底部露出所述金属互连线的开口；
用还原性气体的等离子体对所述开口底部的金属互连线进行表面处理，以去除所述金属互连线表面的氧化物；
完成所述表面处理后，在所述开口中和第二介质层上形成金属层；
图形化所述金属层，形成引线焊垫。
可选的，对所述开口底部的金属互连线进行表面处理的步骤如下：
将所述半导体结构置于腔室中；
向所述腔室中通入还原性气体，在激励源的激励下电离所述还原性气体，产生等离子体；
在所述等离子体和半导体结构之间施加偏压，等离子体中的反应离子在偏压作用下向所述半导体结构的表面运动，与所述金属互连线表面的氧化物发生还原反应。
可选的，所述激励源为射频源或微波源。
可选的，所述还原性气体为H2、NH3、CO中的一种。
可选的，所述还原性气体为氢气，在所述氢气中还掺有氦气。
可选的，在形成所述金属层之前，先在所述开口中和第二介质层上形成金属阻挡层。
可选的，所述金属阻挡层为钛、氮化钛、钽、氮化钽、钽与氮化钽堆叠层中的一种。
可选的，所述金属层为铝、铝铜合金、铝硅组合物、铝铜硅组合物中的一种。
可选的，所述第一介质层为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、氟硅玻璃、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃、硼硅玻璃、黑钻石中的一种；
所述第二介质层为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、氟硅玻璃、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃、硼硅玻璃、黑钻石中的一种。
可选的，进一步包括：
在所述引线焊垫和第二介质层上形成钝化层；
在所述钝化层层中形成第二开口，所述第二开口的底部露出所述引线焊垫。
本发明还提供一种引线焊垫的制造方法，包括：
提供半导体结构，在所述半导体结构上具有第一介质层，在所述第一介质层中具有金属互连线；
用还原性气体的等离子体对所述金属互连线进行表面处理，以去除所述金属互连线表面的氧化物；
在所述金属互连线上形成铝金属层；
在所述铝金属层和第一介质层上形成第二介质层；
在所述第二介质层中形成开口，所述开口的底部露出所述铝金属层；
在所述开口中和第二介质层上形成金属层；
图形化所述金属层，形成引线焊垫。
可选的，所述还原性气体为H2、NH3、CO中的一种。
可选的，所述还原性气体为氢气，在所述氢气中还掺有氦气。
可选的，进一步包括：在形成所述金属层之前，先在所述开口中和第二介质层上形成金属阻挡层。
可选的，所述金属层为铝、铝铜合金、铝硅组合物、铝铜硅组合物中的一种。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
通过还原性气体的等离子体对金属互连线进行表面预处理，可去除金属互连线表面的氧化物，增强金属互连线与后续的其它金属层之间的粘附性，提高形成的器件的稳定性；通过还原性气体等离子体去除金属互连线表面的氧化物的过程主要是还原反应，采用还原性气体等离子体还原氧化物，并生成可去除的副产物，因而不会产生金属或金属氧化物残渣的缺陷，也不会引起第二介质层介电常数发生变化，可提高形成的器件的电学稳定性；
通过还原性气体的等离子体对金属互连线进行表面处理，也可以减少对金属互连线表面的损伤，有助于在去除氧化物后，金属互连线的表面较为光滑，提高金属互连线的导电性能；
此外，还原性气体等离子体表面处理也可以去除所述第二介质层或第一介质层表面的污染物，增强后续的介质层在第二介质层或第一介质层表面的粘附性。
附图说明
图1至图4为与现有的一种铝引线焊垫的制造工艺相应的结构的剖面示意图；
图5为本发明的引线焊垫的制造方法第一实施例的流程图；
图6为具有金属互连线的半导体结构的剖面示意图；
图7为用等离子体对所述开口底部的金属互连线进行表面处理的示意图；
图8为在所述开口中和第二介质层上形成金属层后的结构的剖面示意图；
图9为形成引线焊垫后的结构的剖面示意图；
图10为在引线焊垫和第二介质层上形成具有第二开口的钝化层后的结构的剖面示意图；
图11至图14为与本发明的引线焊垫的制造方法的第二实施例的各步骤相关的结构的剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
图5为本发明的引线焊垫的制造方法第一实施例的流程图；图6至图10为与本发明的引线焊垫的制造方法第一实施例的各步骤相应的结构的剖面示意图。
步骤S100，提供半导体结构。
图6为具有金属互连线的半导体结构的剖面示意图。
如图6所示，提供半导体结构30，在所述半导体结构30上形成有第一介质层32，在所述第一介质层32中形成有金属互连线34；
在所述金属互连线34和第一介质层32上形成有第二介质层36，在所述第二介质层36中形成有开口38。
所述半导体结构30中包括半导体衬底(未示出)和位于该半导体衬底上的半导体器件(未示出)，也包括连接所述半导体器件的金属互连结构(未示出)。
所述半导体衬底的材质可以是单晶硅、多晶硅、非晶硅中的一种，也可以是硅锗化合物，还可以具有绝缘层上硅(Silicon On Insulator，SOI)结构或硅上外延层结构。
所述半导体器件可以是金属氧化物半导体晶体管(MOS)或互补型金属氧化物半导体晶体管(CMOS)，该金属氧化物半导体晶体管具有栅极、源极和漏极。所述半导体器件也可以是动态随机存储器(DRAM)、静态随机存储器(SRAM)、闪存(Flash)、电荷耦合器件(CCD)等。所述半导体器件还可以是逻辑器件。
所述第一介质层32的材质可以是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氧硅化合物、氟硅玻璃、磷硅玻璃、硼硅玻璃、硼磷硅玻璃、黑钻石(BlackDiamond，BD)中的一种。
形成所述第一介质层32的方法为物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积中的一种。
所述金属互连线34可以是铜(所述金属互连线34并不限于铜，也可以为其它金属材料)，在所述第一介质层32中形成金属互连线34的方法为镶嵌工艺或双镶嵌工艺(图6示出的为镶嵌工艺对应的镶嵌结构)。
在所述第一介质层32中形成金属互连线34的步骤如下：
首先，通过光刻和刻蚀在所述第一介质层32中形成沟槽；
接着，在所述的沟槽中和第一介质层32上形成铜金属层，形成铜层的方法可以是电镀；
然后，通过化学机械研磨去除所述第一介质层32上的铜，并保留所述沟槽中的铜，即形成金属互连线34。
此外，在铜材质的金属互连线34和第一介质层32之间形成有阻挡层(图未示)，该阻挡层的材质可以是钽、氮化钽、钽和氮化钽堆叠层中的一种。
所述第二介质层36的材质可以是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氧硅化合物、氟硅玻璃、磷硅玻璃、硼硅玻璃、硼磷硅玻璃、黑钻石(BlackDiamond，BD)中的一种。
形成所述第二介质层36的方法为物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积中的一种。
通过光刻和刻蚀工艺在所述第二介质层36中形成开口38，所述开口38的底部露出所述金属互连线34的表面。
步骤S110，用还原性气体的等离子体对所述开口底部的金属互连线进行表面处理，以去除所述金属互连线表面的氧化物。
图7为用等离子体对所述开口底部的金属互连线进行表面处理的示意图。
由于所述金属互连线34暴露在空气中，会与空气中的氧气发生氧化反应，在表面生成氧化物，例如氧化铜；
在进行后续的工艺之前，需要先用还原性气体的等离子体对所述金属互连线34进行表面处理，如图7所示，以将该金属互连线34表面的氧化铜去除；其步骤如下：
将具有所述金属互连线34的半导体结构30置于反应腔室中；
向所述反应腔室中通入还原性气体，在激励源的激励下电离所述还原性气体，产生等离子体；所述激励源可以为微波源或射频源；
在所述等离子体和半导体结构30之间施加偏压，功率为1至100W，使等离子体中的反应离子在偏压作用下向所述半导体结构30的表面运动，与所述金属互连线34表面的氧化物发生还原反应。
所述还原性气体的等离子体与所述金属互连线34表面的氧化铜发生还原反应，将所述氧化物还原为铜。
所述还原性气体为H2、NH3、CO中的一种。
在其中的一个实施例中，所述激励源为射频源，所述射频源的功率为400至1000W；所述还原性气体为掺有氦气的氢气，其中，氢气的体积百分比为5％，氦气的体积百分比为95％，该混合气体的流量为10至250sccm；等离子体预处理的时间为10至100s。
通过还原性气体的等离子体对所述金属互连线34进行表面预处理，可去除金属互连线34表面的氧化物，增强金属互连线34与后续的铝金属层或金属阻挡层之间的粘附性，可提高形成的器件的稳定性；
相对于Ar等离子体通过溅射去除氧化物的工艺，还原性气体等离子体去除金属互连线34表面的氧化物的过程主要是还原反应，采用还原性气体还原氧化物，并生成水、二氧化碳等对器件无污染、可去除的副产物，因而不会在所述开口38的侧壁形成铜或氧化铜残渣的缺陷，也不会引起第二介质层36的介电常数发生变化，因而可提高形成的器件的电学稳定性；
此外，通过还原性气体的等离子体对所述金属互连线34进行表面处理，也可以减少对所述金属互连线34表面的损伤，有助于在去除氧化物后，所述金属互连线34的表面较为光滑，提高金属互连线34的导电性能；而采用Ar等离子体溅射往往使金属互连线34的表面比较粗糙。
此外，还原性气体等离子体表面处理也可以去除所述第二介质层36表面的污染物，增强后续的介质层(例如钝化层)在第二介质层36表面的粘附性。
步骤S120，在所述开口中和第二介质层上形成金属层。
图8为在所述开口中和第二介质层上形成金属层后的结构的剖面示意图。
如图8所示，在所述开口38中和第二介质层36上形成金属层42。
形成所述金属层42的方法为物理气相沉积、化学气相沉积、电镀中的一种，所述金属层42用于形成引线焊垫。
所述金属层42为铝、铝铜合金、铝硅组合物、铝铜硅组合物中的一种，在铝材质的金属层42中掺入硅和/或铜可以减小电致迁移现象。
此外，在形成金属层42之前，可先在所述开口38中和第二介质层36上形成金属阻挡层40，所述金属阻挡层40可以是钛、氮化钛、钛和氮化钛、钽、氮化钽、钽和氮化钽堆叠层中的一种。
形成所述金属阻挡层40的方法可以是物理气相沉积、化学气相沉积、电镀中的一种；所述金属阻挡层40一方面用作金属层42和第二介质层36之间的隔离阻挡层，阻止金属层42中的铝向第二介质层36中扩散；另一方面增强金属层42与第二介质层36、金属互连线34之间的粘附性，进而增强器件的稳定性。
由于已经通过还原性气体的等离子体对所述金属互连线34进行了表面处理，去除了金属互连线34表面的氧化物，因而可增强金属互连线34与金属阻挡层40的粘附性。
步骤S130，图形化所述金属层，形成引线焊垫。
图9为形成引线焊垫后的结构的剖面示意图。
在所述金属层42上旋涂光刻胶层(未示出)，图形化所述光刻胶层，形成引线焊垫的光刻胶图案44。
接着，以所述光刻胶图案44作为刻蚀阻挡层，刻蚀未被所述光刻胶图案44覆盖的金属层42和金属阻挡层40，形成如图9所示的引线焊垫42a。所述引线焊垫42a位于所述金属互连线34上方，并于该金属互连线34电连接。
然后，去除所述光刻胶图案44。
图10为在引线焊垫和第二介质层上形成具有第二开口的钝化层后的结构的剖面示意图。
如图10所述，在所述引线焊垫42a和第二介质层36上形成钝化层46。所述钝化层46为氮化硅，用于保护半导体器件免受外部的污染和划伤。
接着，在所述钝化层46上旋涂光刻胶层(图未示)，并图形化所述光刻胶层，形成第二开口图案，刻蚀所述第二开口图案底部的钝化层46，在所述钝化层46中形成第二开口48，所述第二开口48的底部露出所述引线焊垫42a的表面。然后，去除光刻胶的第二开口图案。
图11至图14为与本发明的引线焊垫的制造方法的第二实施例的各步骤相关的结构的剖面示意图。在本发明的引线焊垫的制造方法的第二实施例中，提供具有第一介质层和金属互连线的半导体结构，接着，用还原性气体对所述金属互连线进行表面处理；然后在该金属互连线表面形成铝金属层；再接着，在该铝金属层上形成引线焊垫。
如图11所示，提供半导体结构60，在所述半导体结构60上具有第一介质层62，在所述第一介质层62中具有金属互连线64。
在所述半导体结构60中具有半导体器件。所述第一介质层62为低介电常数材料，例如氟硅玻璃、黑钻石等。所述金属互连线64为铜。
接着，用还原性气体的等离子体对所述金属互连线64进行表面处理，如图12所示，以去除所述金属互连线64表面的氧化物。
由于所述金属互连线64暴露在空气中，会与氧气发生氧化反应，在表面生成氧化铜。需要用还原性气体的等离子体对所述金属互连线64进行表面处理，以将该金属互连线64表面的氧化铜去除；其步骤如下：
将具有所述金属互连线64的半导体结构60置于反应腔室中；
向所述反应腔室中通入还原性气体，在激励源的激励下电离所述还原性气体，产生等离子体；所述激励源可以为微波源或射频源；
在所述等离子体和半导体结构60之间施加偏压，功率为1至100W，使等离子体中的反应离子在偏压作用下向所述半导体结构60的表面运动，与所述金属互连线64表面的氧化物发生还原反应。
所述还原性气体的等离子体与所述金属互连线64表面的氧化铜发生还原反应，将所述氧化物还原为铜。
所述还原性气体为H2、NH3、CO中的一种。
在其中的一个实施例中，所述激励源为射频源，所述射频源的功率为400至1000W；所述还原性气体为掺有氦气的氢气，其中，氢气的体积百分比为5％，氦气的体积百分比为95％，该混合气体的流量为10至250sccm；等离子体预处理的时间为10至100s。
通过还原性气体的等离子体对所述金属互连线64进行表面预处理，可去除金属互连线64表面的氧化物，增强金属互连线64与后续的铝金属层之间的粘附性，可提高形成的器件的稳定性；
此外，还原性气体等离子体去除金属互连线64表面的氧化物的过程主要是还原反应，采用还原性气体还原氧化物，并生成水、二氧化碳等对器件无污染、可去除的副产物，不会在所述第一介质层62的表面形成铜或氧化铜残渣的缺陷，也不会引起第一介质层62的介电常数发生变化，因而可提高形成的器件的电学稳定性；
此外，还原性气体等离子体表面处理也可以去除所述第一介质层62表面的污染物，增强后续的介质层在第一介质层62表面的粘附性。
接着，如图13所示，在所述金属互连线64表面形成铝金属层65，该铝金属层65的厚度约为50至100A。通过还原性气体的等离子体对所述金属互连线64进行表面处理，去除所述金属互连线64表面的氧化铜，有助于铝金属层65与所述金属互连线64之间的扩散，形成铝铜合金材质的粘附层，有助于增强后续的金属阻挡层与金属互连线64之间的粘附力。
然后，如图14所示，在所述铝金属层64和第一介质层62上形成第二介质层66，并在所述第二介质层66中形成开口68，所述开口68的底部露出所述铝金属层65；
在所述开口68中和第二介质层66上沉积金属阻挡层和金属层，所述金属阻挡层为钛、氮化钛、钛和氮化钛、钽、氮化钽、钽和氮化钽堆叠层中的一种；所述金属层铝、铝铜合金、铝硅组合物、铝铜硅组合物中的一种；然后，图形化所述金属层和金属阻挡层形成引线焊垫72a。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (15)

1.一种引线焊垫的制造方法，其特征在于，包括：
提供半导体结构，在所述半导体结构上具有第一介质层，在所述第一介质层中具有金属互连线；在所述金属互连线和第一介质层上具有第二介质层，在所述第二介质层中具有底部露出所述金属互连线的开口；
用还原性气体的等离子体对所述开口底部的金属互连线进行表面处理，以去除所述金属互连线表面的氧化物；其中，所述还原性气体的等离子体去除金属互连线表面的氧化物的过程主要是还原反应，采用还原性气体还原氧化物，并生成无污染、可去除的副产物，以避免在所述开口的侧壁形成金属或金属氧化物残渣的缺陷，也避免引起第二介质层的介电常数发生变化；
完成所述表面处理后，在所述开口中和第二介质层上形成金属层；
图形化所述金属层，形成引线焊垫。
2.如权利要求1所述的引线焊垫的制造方法，其特征在于，对所述开口底部的金属互连线进行表面处理的步骤如下：
将所述半导体结构置于腔室中；
向所述腔室中通入还原性气体，在激励源的激励下电离所述还原性气体，产生等离子体；
在所述等离子体和半导体结构之间施加偏压，等离子体中的反应离子在偏压作用下向所述半导体结构的表面运动，与所述金属互连线表面的氧化物发生还原反应。
3.如权利要求2所述的引线焊垫的制造方法，其特征在于：所述激励源为射频源或微波源。
4.如权利要求1至3任一权利要求所述的引线焊垫的制造方法，其特征在于：所述还原性气体为H2、NH3、CO中的一种。
5.如权利要求1至3任一权利要求所述的引线焊垫的制造方法，其特征在于：所述还原性气体为氢气，在所述氢气中还掺有氦气。
6.如权利要求1所述的引线焊垫的制造方法，其特征在于，进一步包括：在形成所述金属层之前，先在所述开口中和第二介质层上形成金属阻挡层。
7.如权利要求6所述的引线焊垫的制造方法，其特征在于：所述金属阻挡层为钛、氮化钛、钽、氮化钽、钽与氮化钽堆叠层中的一种。
8.如权利要求1所述的引线焊垫的制造方法，其特征在于：所述金属层为铝、铝铜合金、铝硅组合物、铝铜硅组合物中的一种。
9.如权利要求1所述的引线焊垫的制造方法，其特征在于：所述第一介质层为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、氟硅玻璃、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃、硼硅玻璃、黑钻石中的一种；
所述第二介质层为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、氟硅玻璃、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃、硼硅玻璃、黑钻石中的一种。
10.如权利要求1所述的引线焊垫的制造方法，其特征在于，进一步包括：
在所述引线焊垫和第二介质层上形成钝化层；
在所述钝化层层中形成第二开口，所述第二开口的底部露出所述引线焊垫。
11.一种引线焊垫的制造方法，其特征在于，包括：
提供半导体结构，在所述半导体结构上具有第一介质层，在所述第一介质层中具有金属互连线；
用还原性气体的等离子体对所述金属互连线进行表面处理，以去除所述金属互连线表面的氧化物；其中，所述还原性气体的等离子体去除金属互连线表面的氧化物的过程主要是还原反应，采用还原性气体还原氧化物，并生成无污染、可去除的副产物，以避免在所述开口的侧壁形成金属或金属氧化物残渣的缺陷，也避免引起第二介质层的介电常数发生变化；
在所述金属互连线上形成铝金属层；
在所述铝金属层和第一介质层上形成第二介质层；
在所述第二介质层中形成开口，所述开口的底部露出所述铝金属层；
在所述开口中和第二介质层上形成金属层；
图形化所述金属层，形成引线焊垫。
12.如权利要求11所述的引线焊垫的制造方法，其特征在于：所述还原性气体为H2、NH3、CO中的一种。
13.如权利要求11所述的引线焊垫的制造方法，其特征在于：所述还原性气体为氢气，在所述氢气中还掺有氦气。
14.如权利要求11所述的引线焊垫的制造方法，其特征在于，进一步包括：在形成所述金属层之前，先在所述开口中和第二介质层上形成金属阻挡层。
15.如权利要求11所述的引线焊垫的制造方法，其特征在于：所述金属层为铝、铝铜合金、铝硅组合物、铝铜硅组合物中的一种。
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