CN103295917A - 一种铝焊垫的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的铝焊垫的制造方法，包括：在含有金属互连线的半导体衬底上依次沉积刻蚀阻挡层和钝化保护层；经光刻和刻蚀，在钝化保护层和刻蚀阻挡层中形成沟槽，暴露出半导体衬底上的互连金属；在沟槽内部和沟槽外的钝化保护层的表面沉积铝金属，形成含有凹陷和凸起的铝层，铝层的底部与互连金属相接触；采用脉冲激光轰击法刻蚀铝层，修正铝层的形貌；在铝层上沉积金属铝，形成平整的铝层；经光刻和刻蚀，形成铝焊垫。本发明可以消除凸起，减小凹陷的深度，使铝焊垫更加致密，达到对铝焊垫的修正目的，形成平整的铝焊垫层，避免刻蚀反应副产物的残留，减小对铝焊垫的腐蚀几率，提高铝焊垫的质量和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种铝焊垫的制造方法。
背景技术
在半导体集成电路工业中，高性能的集成电路芯片需要缺陷少和可靠性高的电性连接。互连工艺中的铝焊垫层是半导体集成芯片的最外层互连，直接与外界环境接触，并且是芯片与外围电路连接的桥梁，具有十分重要的作用。由于直接与外界环境接触，因此如果铝焊垫的质量较差，就很容易导致工艺器件产生缺陷和失效，比如封装过程中，很大一部分失效来自于脱焊或接触电阻过大。由于铝焊垫的材料是金属铝，化学性质活泼，容易受到水气和卤素元素的侵蚀而产生电化学侵蚀，从而产生大量缺陷而影响互连的质量和可靠性。
请参阅图1-5，图1是现有的铝焊垫的制造方法的工艺流程图，现有的铝焊垫的制造方法，图2-5是现有的铝焊垫的制造方法的各制备步骤所对应的截面结构示意图，包括：
步骤S01：请参阅图2，在含有金属互连线12的半导体衬底11上依次沉积刻蚀阻挡层13和钝化保护层14；
步骤S02：请参阅图3，经光刻和刻蚀，在钝化保护层14和刻蚀阻挡层13中形成沟槽，暴露出半导体衬底11上的互连金属12；
步骤S03：请参阅图4，在沟槽内部和沟槽外的钝化保护层14的表面沉积铝金属，形成铝层15，该铝层15中含有凹陷1b和凸起1a，铝层15的底部与互连金属12相接触；
步骤S04：请参阅图5，经光刻和刻蚀，形成铝焊垫16。
上述方法中，铝的填充工艺采用物理气相沉积法，由于物理气相沉积法的填充能力有限，造成在台阶起伏处产生凹陷或凸起形貌，例如凹陷1b和凸起1a。而这种形貌在后续的光刻和刻蚀工艺中容易产生光阻残留、聚合物残留、卤素元素残留等，如图5所示，去除光刻胶后，由于凹陷1b和凸起1a的存在，使光刻胶不能去除干净，在凹陷1b中残留有光刻胶17。而残留物随着时间的推移，吸收空气中的水汽，会进一步侵蚀铝焊垫，最终造成铝焊垫的电阻升高，接触不良，乃至焊垫脱落而断路。严重影响芯片的缺陷状况和可靠性。
《半导体技术》（2009年34卷10期）中“利用俄歇电子能谱仪研究Al焊垫表面的F腐蚀”的文献中表明，铝焊垫表面的氟元素残留是造成铝严重腐蚀的原因。在铝焊垫刻蚀过程中的气体正是包含氟，氯等卤族元素，这将会造成铝焊垫形貌上的凹陷和凸起。同时，形貌上的凹陷和凸起也会造成聚合物、酸液等物质的残留，这必然会进一步加剧对铝焊垫的腐蚀和伤害。
因此，如果要避免铝焊垫层被腐蚀，就应避免聚合物或反应副产物的残留在铝焊垫上，那就要求提高铝的填充能力，确保铝焊垫表面平滑，避免凹陷等容易形成残留的形貌产生。
目前批量生产中，主要利用提高沉积温度来提高铝的填隙能力。但是，为了控制热过程对掺杂施主或受主元素的扩散，不影响硅晶圆上已经形成的器件性能，互连工艺通常要求制程温度要低于400摄氏度。并且，当温度越高时，铝层处于较高能量的活跃状态，很容易产生晶须状的缺陷，这种缺陷对后续的工艺影响较大，也是一种致命的缺陷，所以，通过提高温度来增强填隙能力的效果受到限制。
因此，寻找提高铝焊垫区域的形貌平整度、减少刻蚀反应副产物的残留、提高铝焊垫性能和可靠性的方法是急需的。
发明内容
为了克服上述问题，本发明旨在改进铝焊垫的制造工艺，提高铝焊垫的表面平整度，从而达到减少刻蚀反应副产物残留和提高铝焊垫质量和可靠性的目的。
本发明提供一种铝焊垫的制造方法，包括：
步骤S01：在含有金属互连线的半导体衬底上依次沉积刻蚀阻挡层和钝化保护层；
步骤S02：经光刻和刻蚀，在所述钝化保护层和所述刻蚀阻挡层中形成沟槽，暴露出所述半导体衬底上的互连金属；
步骤S03：在所述沟槽内部和所述沟槽外的所述钝化保护层的表面沉积铝金属，形成含有凹陷和凸起的铝层，所述铝层的底部与所述互连金属相接触；
步骤S04：采用脉冲激光轰击法，修正所述铝层的形貌；
步骤S05：在所述铝层上沉积金属铝，形成平整的铝层；
步骤S06：经光刻和刻蚀，形成铝焊垫。
优选地，所述脉冲激光轰击法采用激光波长为10-3000nm，所采用的频率为1Hz-1GHz，所采用的单次脉冲激光能量范围为20-800mj。
优选地，所述脉冲激光轰击法采用的激光器为准分子激光器，所述准分子激光器的波长为193nm或248nm。
优选地，所述脉冲激光轰击法采用的激光器为高次谐波ND:YAG激光器，所述高次谐波ND:YAG激光器的波长为266nm或355nm。
优选地，所述步骤S05，包括一个循环过程：在所述铝层上沉积所述金属铝、采用脉冲激光轰击所述铝层和再次在所述铝层上沉积所述金属铝，以及多次重复所述的循环过程，直至形成所述平整的铝层。
优选地，所述步骤S05中，包括对所述铝层的厚度进行调整，在形成的所述平整的铝层上再一次或多次沉积所述金属铝，使所述铝层达到所需厚度。
优选地，采用脉冲激光轰击法的束流源采用氦、氖激发的脉冲激光。
优选地，采用脉冲激光轰击法的束流源采用固态激发的脉冲激光。
优选地，采用物理气相沉积法来沉积所述金属铝。
优选地，所述钝化保护层为单层钝化保护层或双层钝化保护层。
优选地，所述钝化保护层为单层钝化保护层。
本发明的铝焊垫的制造方法，通过采用脉冲激光轰击的方式对、铝层中的凹凸位置进行轰击，然后再次沉积铝层，或反复重复这两个过程，由于脉冲激光可以局部轰击，所以可以对准凹凸位置，并且脉冲激光能够产生毫秒级的短时局域高温，从而有利于轰击到的金属铝进行流动和重新分布，脉冲激光提供的高能量撞击铝层的凹陷和凸起位置，使该位置的铝原子脱离而重新分布，从而消除凸起，减小凹陷的深度，达到对铝层的修正目的，形成平整的铝焊垫层，而且在脉冲激光轰击后通过再次沉积铝层，能够调整铝层的厚度，形成所需厚度的平整的铝焊垫，并且由于多次沉积铝层，使得形成的铝焊垫更加致密，避免刻蚀反应副产物的残留，减小对铝焊垫的腐蚀几率，提高铝焊垫的质量和可靠性。
附图说明
图1是现有的铝焊垫的制造方法的工艺流程图
图2-5是现有的铝焊垫的制造方法的各制备步骤所对应的截面结构示意图
图6是本发明的一个较佳实施例的铝焊垫的制造方法的工艺流程图
图7-12是本发明的上述较佳实施例的铝焊垫的制造方法的各制备步骤所对应的截面结构示意图
具体实施方式
体现本发明特征与优点的实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的示例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当做说明之用，而非用以限制本发明。
以下结合附图6-12，通过具体实施例对本发明的铝焊垫的制造方法作进一步详细说明，其中，图7-12是本发明的一个较佳实施例的铝焊垫的制造方法的各制备步骤所对应的截面结构示意图
需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、明晰地达到辅助说明本发明实施例的目的。
请参阅图6，图6是本发明的一个较佳实施例的铝焊垫的制造方法的工艺流程图，本发明的本实施例的铝焊垫的制造方法，包括：
步骤S01：请参阅图7，在含有金属互连线62的半导体衬底61上依次沉积刻蚀阻挡层63和钝化保护层64。具体的，刻蚀阻挡层63和钝化保护层64的沉积可以但不限于采用化学气相沉积法；钝化保护层和铝焊垫层是半导体芯片制造的最后步骤，实际生产中，钝化保护层可以是单一层的，也可以是双层的，根据实际的需要而有不同选择，本发明的本实施例中，采用单一层的钝化保护层64；钝化保护层64的材料可以是氧化硅或氮化硅或二者的复合薄膜，因为氧化硅或氮化硅或其复合形成的薄膜的结构致密，机械性能良好，能够隔绝外界环境对半导体衬底61或芯片的影响，同时也能避免半导体衬底61或芯片产生机械损伤。
步骤S02：经光刻和刻蚀，在钝化保护层64和刻蚀阻挡层63中形成沟槽，暴露出半导体衬底61上的互连金属62；沟槽的位置是位于半导体衬底61中的互连金属62之上，这样，能够将互连金属62暴漏出来，有利于后续填充的金属铝与互连金属62相接触，形成电学连接。
步骤S03：在沟槽内部和沟槽外的钝化保护层63的表面沉积铝金属，形成含有凹陷6b和凸起6a的铝层65，铝层65的底部与互连金属62相接触；本发明的本实施例中，铝金属的沉积可以采用物理气相沉积法，在沉积金属铝之前，可以先沉积阻挡层，这里阻挡层的材料通常为钛、氮化钛、钽、氮化钽等，用于提高铝层65与下层互连金属62的结合力以及保护铝层65中的铝往钝化保护层63中扩散；然后再沉积金属铝，生长铝的温度不大于400℃；凹陷6b和凸起6a的形成是由于物理气相沉积的特性，金属铝在沟槽边缘的台阶处生长的特别快，容易产生凸起6a，这些凸起6a阻碍金属铝沉积到沟槽底部，从而影响沟槽底部金属铝的生长速度，结果导致在台阶处形成凹陷6b和凸起6a。这些凹陷6b和凸起6a不仅在后续的刻蚀工艺中容易导致聚合物、卤素等残留而侵蚀铝层，还会使铝层65的横截面积减少，在沉积过程中使填充情况进一步恶化，因此，需要对铝层65进行修正，消除凹陷6b和凸起6a。
步骤S04：采用脉冲激光轰击法刻蚀铝层65，修正铝层65的形貌；为了消除凹陷6b和凸起6a位置，由于脉冲激光可以局部轰击，所以可以对准凹陷6b和凸起6a位置，并且脉冲激光能够产生毫秒级的短时局域高温，从而有利于轰击到的金属铝进行流动和重新分布，脉冲激光提供的高能量撞击铝层65的凹陷6b和凸起6a位置，使该位置的铝原子脱离而重新分布，从而消除凸起6a，减小凹陷6b的深度，达到对铝层65的修正目的，形成平整的铝层。
脉冲激光轰击的束流源可以采用氦气、氖气等的脉冲激光，也可以采用固体激发的脉冲激光；采用脉冲激光轰击过程中，刻蚀的深度、脉冲激光束的能量、类型、占空比、频率等可根据实际需求进行调节，从而控制不同的溅射和分布能力，本实施例中，由于波长越短，越易于实现加工工艺，可以采用193nm或248nm的准分子激光器，也可以采用266nm或355nm的高次谐波掺有钕离子的钇铝石榴石（ND:YAD）激光器，激光波长的范围可以为10-3000nm；脉冲激光的频率范围可以为1Hz-1GHz,由于较高的频率可以提升脉冲激光的溅射速度，频率大小可以根据实际需要选择较大的频率；单次脉冲激光能量范围为20-800mj,可以根据实际需要的填充的难度和金属铝的生长速度来设定；并且脉冲激光刻蚀过程要保持在真空环境，由于脉冲激光刻蚀前后都是金属铝，所以脉冲激光轰击法来刻蚀铝层65，只是对铝层65形貌的修正，不会产生界面问题或杂质，可以避免界面问题对电阻和可靠性的影响；该脉冲激光轰击过程，可以在特定的反应腔内进行。
步骤S05：在铝层65上沉积金属铝，形成平整的铝层66；具体的，本发明的本实施例中的该步骤中，包括一个循环过程：沉积金属铝、采用脉冲激光轰击铝层65和再沉积金属铝，以及多次重复该循环过程，直至形成平整的铝层66，需要说明的是，步骤S04和步骤S05中，沉积金属铝的合计次数不小于2次，采用脉冲激光轰击法刻蚀铝层65的合计次数不小于1次；平整的铝层66形成后，还可以对铝层66的厚度进行调整，使铝层66达到所需的厚度，例如可以在形成的平整的铝层66上再进行一次或多次沉积金属铝，使铝层66达到所需厚度。并且，由于多次的沉积金属铝，可以使铝层66更加致密，进一步提高所制备出的铝焊垫层的抗蚀能力。
步骤S06：经光刻和刻蚀，形成铝焊垫67；具体的，先在半导体衬底61上涂覆一层光刻胶，经曝光显影，在光刻胶中形成铝焊垫层的图案，然后在上述形成的平整的铝层66中刻蚀出铝焊垫67，最后去除光刻胶。此时，由于上述的修正步骤，已消除凹陷6b和凸起6a，形成的铝焊垫67的表面平整，在光刻和刻蚀过程中，刻蚀气体比如碳、氢、卤素等元素，以及光刻胶等聚合物在铝焊垫层67中的残留大大减小，从而减少了铝焊垫67的受侵蚀几率，提高了铝焊垫67的质量和可靠性。
本发明的铝焊垫的制造方法，通过采用脉冲激光轰击的方式对、铝层中的凹凸位置进行轰击，然后再次沉积铝层，或反复重复这两个过程，由于脉冲激光可以局部轰击，所以可以对准凹凸位置，并且脉冲激光能够产生毫秒级的短时局域高温，从而有利于轰击到的金属铝进行流动和重新分布，脉冲激光提供的高能量撞击铝层的凹陷和凸起位置，使该位置的铝原子脱离而重新分布，从而消除凸起，减小凹陷的深度，达到对铝层的修正目的，形成平整的铝焊垫层，而且在脉冲激光轰击后通过再次沉积铝层，能够调整铝层的厚度，形成所需厚度的平整的铝焊垫，并且由于多次沉积铝层，使得形成的铝焊垫更加致密，避免刻蚀反应副产物的残留，减小对铝焊垫的腐蚀几率，提高铝焊垫的质量和可靠性。
以上所述的仅为本发明的实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (11)
1.一种铝焊垫的制造方法，其特征在于，包括：
步骤S01：在含有金属互连线的半导体衬底上依次沉积刻蚀阻挡层和钝化保护层；
步骤S02：经光刻和刻蚀，在所述钝化保护层和所述刻蚀阻挡层中形成沟槽，暴露出所述半导体衬底上的互连金属；
步骤S03：在所述沟槽内部和所述沟槽外的所述钝化保护层的表面沉积铝金属，形成含有凹陷和凸起的铝层，所述铝层的底部与所述互连金属相接触；
步骤S04：采用脉冲激光轰击法刻蚀所述铝层，修正所述铝层的形貌；
步骤S05：在所述铝层上沉积金属铝，形成平整的铝层；
步骤S06：经光刻和刻蚀，形成铝焊垫。
2.根据权利要求1所述的铝焊垫的制造方法，其特征在于，所述步骤S04中，所述脉冲激光轰击法采用激光波长为10-3000nm，所采用的频率为1Hz-1GHz，所采用的单次脉冲激光能量为20-800mj。
3.根据权利要求1所述的铝焊垫的制造方法，其特征在于，所述脉冲激光轰击法采用的激光器为准分子激光器，所述准分子激光器的波长为193nm或248nm。
4.根据权利要求1所述的铝焊垫的制造方法，其特征在于，所述脉冲激光轰击法采用的激光器为高次谐波ND:YAG激光器，所述高次谐波ND:YAG激光器的波长为266nm或355nm。
5.根据权利要求1所述的铝焊垫的制造方法，其特征在于，所述步骤S05，包括一个循环过程：在所述铝层上沉积所述金属铝、采用脉冲激光轰击所述铝层和再次在所述铝层上沉积所述金属铝，以及多次重复所述的循环过程，直至形成所述平整的铝层。
6.根据权利要求1所述的铝焊垫的制造方法，其特征在于，所述步骤S05中，包括对所述铝层的厚度进行调整，在形成的所述平整的铝层上再一次或多次沉积所述金属铝，使所述铝层达到所需厚度。
7.根据权利要求1所述的铝焊垫的制造方法，其特征在于，采用脉冲激光轰击法的束流源采用氦、氖激发的脉冲激光。
8.根据权利要求1所述的铝焊垫的制造方法，其特征在于，采用脉冲激光轰击法的束流源采用固态激发的脉冲激光。
9.根据权利要求1所述的铝焊垫的制造方法，其特征在于，采用物理气相沉积法来沉积所述金属铝。
10.根据权利要求1所述的铝焊垫的制造方法，其特征在于，所述钝化保护层为单层钝化保护层或双层钝化保护层。
11.根据权利要求9所述的铝焊垫的制造方法，其特征在于，所述钝化保护层为单层钝化保护层。
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