CN101592876B - 凸点下金属层和连接垫层的形成方法 - Google Patents

凸点下金属层和连接垫层的形成方法 Download PDF

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Abstract

一种凸点下金属层的形成方法，包括如下步骤：提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有金属层、绝缘介质层及位于绝缘介质层中的凹槽，金属层位于绝缘介质层之上以及凹槽内；在金属层之上形成硬掩膜层；在硬掩膜层之上形成光刻胶层，定义出凸点下金属层形状；以光刻胶层为掩膜刻蚀硬掩膜层；去除光刻胶层；以硬掩膜层为掩膜刻蚀金属层；去除硬掩膜层。类似地，本发明还提供了一种形成连接垫层的方法。与现有技术相比，本发明重新安排了灰化和刻蚀凸点下金属层的工艺步序，使绝缘介质层在去除光刻胶的过程中有了金属层的保护，解决了绝缘介质层中聚酰亚胺大量损失的问题，有助于提高产品的良率。

Description

凸点下金属层和连接垫层的形成方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及凸点下金属层和连接垫层的形成方法。
背景技术
在制造半导体器件的过程中，金属层常被用作半导体器件的电极和互连线。通常绝缘介质层位于金属层的下方，而绝缘介质层主要用于相邻金属层之间的电隔离。
现有技术公开了一种蚀刻以Al为基体材料最终形成凸点下金属层的方法，提供了一种可以在保持高的刻蚀速率和高刻蚀选择比的同时可以抑制布线层的侧壁刻蚀或图形形状不合格的半导体装置的制造方法。
在专利号为98124176的中国专利中还可以发现更多与上述技术方案相关的信息。
在上述形成凸点下金属层的方法中并未给出如何去除光刻胶层的方法，但是根据半导体常规工艺，通常采用如下步骤进行去除：
如图1A所示，在半导体衬底100上形成有绝缘介质层101和金属层102。在刻蚀金属层102之前，需先在金属层102之上形成光刻胶层103。如图1B所示，对光刻胶层103进行曝光，将掩模板上的凸点下金属层图形转移至光刻胶层103上。接着如图1C所示，以光刻胶层103为掩膜，刻蚀金属层102。最后如图1D所示，用灰化法去除光刻胶层103形成凸点下金属层。
所述绝缘介质层101为聚合物，例如在制造存储器件时，常会使用聚酰亚胺(polyimide)作为绝缘介质层的材料。在上述方案中，在灰化去除光刻胶的过程中，由于绝缘介质层101暴露在外，而绝缘介质层101又有与光刻胶层103同样的刻蚀速率，这直接导致了在金属层102下方有大量的聚酰亚胺损失，严重时甚至形成空洞。由于金属层102本身很薄，如果下方的绝缘介质层101被掏空则会影响金属层结构的稳定性，严重时会造成金属层剥落。
图2给出采用现有技术形成凸点下金属层的电子扫描显微镜(SEM)结果，可以看出凸点下金属层下方的区域20内出现空洞，这主要由于大量的聚酰亚胺在灰化工艺中被去除所致。
此外，在现有技术中连接垫层的形成方法包括去除光刻胶层这一工艺步骤，在去除光刻胶的过程中也会造成金属层下方的绝缘介质层中大量聚酰亚胺的损失。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种凸点下金属层和一种连接垫层的形成方法，防止灰化过程中绝缘介质层的大量损失甚至金属层剥落。
为解决上述问题，本发明提供了一种凸点下金属层的形成方法，包括如下步骤：提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有金属层、绝缘介质层及位于绝缘介质层中的凹槽，金属层位于绝缘介质层之上以及凹槽内；在金属层之上形成硬掩膜层；在硬掩膜层之上形成光刻胶层，定义出凸点下金属层形状；以光刻胶层为掩膜刻蚀硬掩膜层；去除光刻胶层；以硬掩膜层为掩膜刻蚀金属层；去除硬掩膜层。
所述硬掩膜层与金属层具有不同刻蚀比。硬掩膜层为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的一种或者它们的组合，其厚度为500埃至1000埃。
所述绝缘介质层为聚酰亚胺(polyimide)、苯并环丁烯(BCB)、六甲基二硅胺烷(HMDS)中的一种或者它们的组合。
所述金属层为铝、钨、铜中的一种或者它们的合金。
本发明还提供了一种连接垫层的形成方法，包括如下步骤：提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有绝缘介质层及位于绝缘介质层中的通孔；在绝缘介质层之上和通孔内形成金属层；在金属层之上形成硬掩膜层；在硬掩膜层之上形成光刻胶层，定义出连接垫层形状；以光刻胶层为掩膜刻蚀硬掩膜层；去除光刻胶层；以硬掩膜层为掩膜刻蚀金属层；去除硬掩膜层。
所述硬掩膜层与金属层具有不同刻蚀比。硬掩膜层为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的一种或者它们的组合，其厚度为500埃至1000埃。
所述绝缘介质层为聚酰亚胺(polyimide)、苯并环丁烯(BCB)、六甲基二硅胺烷(HMDS)中的一种或者它们的组合。
所述金属层为铝、钨、铜中的一种或者它们的合金。
与现有技术相比，上述所公开的技术方案具有以下优点：
上述所公开的凸点下金属层和连接垫层的形成方法中，在金属层上形成硬掩膜层，再在硬掩膜层上形成光刻胶层，并以光刻胶层为掩膜刻蚀硬掩膜层，接着再灰化去除光刻胶层。在灰化过程中，由于绝缘介质层上方具有硬掩膜层的保护，故而解决了灰化过程中绝缘介质层大量损失的问题。再以硬掩膜层为掩膜刻蚀金属层，最后去除硬掩膜层。去除硬掩膜层不会对绝缘介质层造成影响。
附图说明
图1A至图1D是现有技术形成凸点下金属层的结构示意图；
图2是采用现有技术形成凸点下金属层的电子扫描显微镜结果；
图3是本发明形成凸点下金属层的方法的一种实施方式流程示意图；
图4A至图4H是本发明的一个实施例的形成凸点下金属层的结构示意图；
图5是本发明形成连接垫层的方法的一种实施方式流程示意图；
图6A至图6H是本发明的一个实施例的形成连接垫层的结构示意图；
图7是采用本发明技术形成凸点下金属层的电子扫描显微镜结果。
具体实施方式
本发明提供了一种凸点下金属层的形成方法和一种形成连接垫层的方法中，先形成硬掩膜层，再在硬掩膜层上形成光刻胶层。接着，以光刻胶层为掩膜刻蚀硬掩膜层，再灰化去除光刻胶层。在灰化过程中，由于绝缘介质层上方具有硬掩膜层的保护，故而解决了灰化过程中绝缘介质层大量损失的问题。然后，再以硬掩膜层为掩膜刻蚀金属层。最后去除硬掩膜层。其中，去除硬掩膜层不会对绝缘介质层造成影响。
为使本发明的方法、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
图3给出本发明形成凸点下金属层的方法的一种实施方式流程示意图。如图3所示，执行步骤S1，提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有金属层、绝缘介质层及位于绝缘介质层中的凹槽，金属层位于绝缘介质层之上以及凹槽内；执行步骤S2，在金属层之上形成硬掩膜层；执行步骤S3，在硬掩膜层之上形成光刻胶层，定义出凸点下金属层形状；执行步骤S4，以光刻胶层为掩膜刻蚀硬掩膜层；执行步骤S5，去除光刻胶层；执行步骤S6，以硬掩膜层为掩膜刻蚀金属层；执行步骤S7，去除硬掩膜层。
图4A至图4H给出本发明的一个实施例的形成凸点下金属层的结构示意图。
参考图4A，提供半导体衬底200。所述半导体衬底200上形成有绝缘介质层201以及位于绝缘介质层201中的凹槽40。
所述半导体衬底200中形成有半导体器件层和互连层，此处为简化图示，未示出。形成所述凹槽40的目的是暴露出半导体衬底200中的导电层，实现金属层之间的互连。凹槽40的尺寸根据实际需要确定。
所述绝缘介质层201主要用于相邻金属层之间的电隔离。它是由聚合物组成，可以为聚酰亚胺(polyimide)、苯并环丁烯(BCB)、六甲基二硅胺烷(HMDS)中的一种或者它们的组合。由于聚酰亚胺有较低的介电常数、高温稳定性(高达450℃)、平整性以及低成本的特性，所以聚酰亚胺在实际工艺中被广泛使用。作为本实施例的一个优化的实施方式，所述绝缘介质层201为聚酰亚胺(polyimide)。
参考图4B，在绝缘介质层201上及凹槽40内形成金属层202。
所述金属层202可以为铝、钨、铜中的一种或者它们的合金。作为本发明的一个实施例，所述金属层202为铝。
所述金属层202的厚度范围为5000埃至15000埃。形成所述金属层202可以采用化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)。
参考图4C，在金属层202之上形成硬掩膜层203。作为本发明的一个实施例，所述硬掩膜层203采用低压化学气态沉积法形成。
所述硬掩膜层203与金属层可以具有不同刻蚀比，可为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其组合构成，优选二氧化硅。
所述硬掩膜层的厚度范围为500埃至1000埃，优选800埃。
参考图4D，在已经形成的硬掩膜层203之上形成光刻胶层204。在光刻胶层204上定义出凸点下金属层的形状。
参考图4E，以光刻胶层204为掩膜，刻蚀硬掩膜层203，去除没有被光刻胶层遮蔽的硬掩膜层203。
参考图4F，去除光刻胶层204，暴露出硬掩膜层203。
本发明在灰化光刻胶层204的过程中，绝缘介质层201有了金属层202的保护，因而不会如现有技术中一样刻蚀大量的绝缘介质层，引起金属层的剥落。
参考图4G，以硬掩膜层203为掩膜，刻蚀去除硬掩膜层203之外的金属层202。经过刻蚀这个步骤后，原本定义在光刻胶层204上的图形完全转移到了金属层202。
作为本发明的一个具体实施例，采用氯气、氯化硼的等离子体去除金属层202。所述产生氯气、氯化硼等离子体的产生功率为200W至500W，加速功率为200W至500W，刻蚀选择比大于等于10。
参考图4H，去除硬掩膜层203，暴露出凸点下金属层202。其中，去除所述硬掩膜层203可以采用干法或湿法刻蚀。凸点下金属层是图形化后的金属层202。
作为本发明的一个实施例，湿法刻蚀硬掩膜层203，所用蚀刻液为HF/(NH4)2SO4/H2O的混合液体，刻蚀的时间为30秒至60秒。在该去除硬掩膜层203的步骤中，所述蚀刻液不会腐蚀绝缘介质层201。
至此，形成本发明的凸点下金属层202。在后续的工艺步骤中将会在凸点下金属层202内形成凸点，而所述形成凸点的工艺为本领域人员公知技术，在此就不加详述了。
本发明还提供了一种连接垫层的形成方法。图5给出本发明的一个实施例的形成连接垫层的方法流程示意图。如图5所示，执行步骤A1提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有绝缘介质层及位于绝缘介质层中的通孔；执行步骤A2在绝缘介质层之上和通孔内形成金属层；执行步骤A3在金属层之上形成硬掩膜层；执行步骤A4在硬掩膜层之上形成光刻胶层，定义出连接垫层形状；执行步骤A5以光刻胶层为掩膜刻蚀硬掩膜层；执行步骤A6去除光刻胶层；执行步骤A7以硬掩膜层为掩膜刻蚀金属层；执行步骤A8去除硬掩膜层。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细的说明。图6A至图6H给出本发明的一个实施例的形成连接垫层的结构示意图。
参考图6A，提供半导体衬底300。所述半导体衬底300上形成有绝缘介质层302以及位于绝缘介质层302中的通孔50。所述半导体衬底300中形成有半导体导电层301。所述通孔50的尺寸根据实际需要确定。
所述绝缘介质层302主要用于相邻金属层之间的电隔离。它是由聚合物组成，可以为聚酰亚胺(polyimide)、苯并环丁烯(BCB)、六甲基二硅胺烷(HMDS)中的一种或者它们的组合，其中优选的是聚酰亚胺(polyimide)。
参考图6B，在绝缘介质层302上和通孔内形成金属层303。
所述金属层303可以为铝、钨、铜中的一种或者它们的合金。形成所述金属层303可以采用化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)。作为本发明的一个实施例，所述金属层303为铝。
参考图6C，在金属层303之上形成硬掩膜层304。
所述硬掩膜层304与金属层具有不同刻蚀比。所述硬掩膜层304可以为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其组合构成。
参考图6D，在已经形成的硬掩膜层304之上形成光刻胶层305。在光刻胶层305上定义出连接垫层的形状。
参考图6E，以光刻胶层305为掩膜，刻蚀硬掩膜层304，去除没有被光刻胶层遮蔽的硬掩膜层304。
参考图6F，去除光刻胶层305，暴露硬掩膜层304。
参考图6G，以硬掩膜层304为掩膜，刻蚀硬掩膜层304之外的金属层303。
参考图6H，去除硬掩膜层304，暴露出连接垫层303。作为本发明的一个实施例，去除所述硬掩膜层304可以采用干法或湿法刻蚀。
图7中给出使用本技术方案后形成凸点下金属层的显微照片。图中凸点下金属层的切面70十分平整，没有出现图2中金属层下方被掏空的现象，由此证明了本发明在实际中确实能解决聚酰亚胺大量损失的问题。
综上，本发明提供了一种凸点下金属层的形成方法和一种形成连接垫层的方法。与现有技术相比，本发明重新安排了灰化和刻蚀凸点下金属层的工艺步序，使绝缘介质层在去除光刻胶的过程中有了金属层的保护，解决了绝缘介质层中聚酰亚胺大量损失的问题，有助于提高产品的良率。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权力要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种凸点下金属层的形成方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有金属层、绝缘介质层及位于绝缘介质层中的凹槽，金属层位于绝缘介质层之上以及凹槽内；
在金属层之上形成硬掩膜层，所述硬掩膜层与所述金属层具有不同刻蚀选择比；
在硬掩膜层之上形成光刻胶层，定义出凸点下金属层形状；
以光刻胶层为掩膜刻蚀硬掩膜层；
去除光刻胶层；
以硬掩膜层为掩膜刻蚀金属层；
去除硬掩膜层。
2.根据权利要求1所述凸点下金属层的形成方法，其特征在于：所述硬掩膜层为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的一种或者它们的组合。
3.根据权利要求2所述的凸点下金属层的形成方法，其特征在于：所述硬掩膜层的厚度为500埃至1000埃。
4.根据权利要求1所述凸点下金属层的形成方法，其特征在于：所述绝缘介质层为聚酰亚胺、苯并环丁烯、六甲基二硅胺烷中的一种或者它们的组合。
5.根据权利要求1所述凸点下金属层的形成方法，其特征在于：所述金属层为铝、钨、铜中的一种或者它们的合金。
6.一种连接垫层的形成方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有绝缘介质层及位于绝缘介质层中的通孔；
在绝缘介质层之上和通孔内形成金属层；
在金属层之上形成硬掩膜层，所述硬掩膜层与所述金属层具有不同刻蚀选择比；
在硬掩膜层之上形成光刻胶层，定义出连接垫层形状；
以光刻胶层为掩膜刻蚀硬掩膜层；
去除光刻胶层；
以硬掩膜层为掩膜刻蚀金属层；
去除硬掩膜层。
7.根据权利要求6所述连接垫层的形成方法，其特征在于：所述硬掩膜层为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的一种或者它们的组合。
8.根据权利要求7所述的连接垫层的形成方法，其特征在于：所述硬掩膜层的厚度为500埃至1000埃。
9.根据权利要求6所述连接垫层的形成方法，其特征在于：所述绝缘介质层为聚酰亚胺、苯并环丁烯、六甲基二硅胺烷中的一种或者它们的组合。
10.根据权利要求6所述连接垫层的形成方法，其特征在于：所述金属层为铝、钨、铜中的一种或者它们的合金。
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