CN103311201B - 半导体结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种半导体结构，包括多层内层金属层、处于最外层的顶层金属层以及介于多层内层金属层之间和介于内层金属层和顶层金属层之间的层间介质，所述顶层金属层包括由内向外依次层叠于层间介质上的粘附层和铝铜合金层，且所述粘附层的厚度为60～80纳米，所述铝铜合金层的厚度为4～4.4微米。还公开一种制造上述半导体结构的方法。上述半导体结构可以减少封装线与顶层金属剥离的情况。

Description

半导体结构及其制造方法
【技术领域】
本发明涉及半导体技术，尤其是涉及一种半导体结构及其制造方法。
【背景技术】
在一部分传统的双扩散金属氧化物半导体场效应管(Double-diffusedMOSFET)产品中，其顶层金属层通常都采用TI(钛)、TiN(氮化钛)、AlCu(铝铜合金)三层结构，厚度分别为40纳米、40纳米、4微米。此外，对这种顶层金属层进行封装时，由于设备陈旧等原因，只能采用硬度相对较高的3μm铜线封装。
然而上述DMOS产品在封装后的拉力测试中，经常出现铜线与顶层金属剥离的问题。
【发明内容】
基于此，有必要提供一种能够减少封装线与顶层金属层剥离的半导体结构。
此外，还有必要提供一种能够减少封装线与顶层金属层剥离的半导体结构的制造方法。
一种半导体结构，包括多层内层金属层、处于最外层的顶层金属层以及介于多层内层金属层之间和介于内层金属层与顶层金属层之间的层间介质，所述顶层金属层包括由内向外依次层叠于层间介质上的粘附层和铝铜合金层，且所述粘附层的厚度为60～80纳米，所述铝铜合金层的厚度为4～4.4微米。
优选地，所述粘附层包括厚度为40纳米的钛层和厚度为40纳米的氮化钛层，所述铝铜合金层的厚度为4.4微米。
优选地，所述氮化钛层层叠于所述钛层之上。
优选地，所述粘附层包括厚度为60纳米的氮化钛层，所述铝铜合金层的厚度为4微米。
优选地，所述粘附层包括厚度为60纳米的氮化钛层，所述铝铜合金层的厚度为4.4微米。
一种半导体结构的制造方法，包括：形成功能层；在功能层上依次间隔地形成多层内部金属层、顶层金属层和层间介质，所述层间介质介于多层内层金属层之间和介于内层金属层与顶层金属层之间；所述形成顶层金属层的步骤包括：在层间介质上形成厚度为60～80纳米的粘附层；在所述粘附层上形成厚度为4～4.4微米的铝铜合金层。
优选地，所述在层间介质上形成厚度为60～80纳米的粘附层的步骤具体为：在层间介质上形成厚度为40纳米的钛层；在所述钛层上形成厚度为40纳米的氮化钛层；所述在粘附层上形成厚度为4～4.4微米的铝铜合金层的步骤具体为：在所述氮化钛层上形成厚度为4.4微米的铝铜合金层。
优选地，所述在层间介质上形成厚度为60～80纳米的粘附层的步骤具体为：在层间介质上形成厚度为60纳米的氮化钛层；所述在粘附层上形成厚度为4～4.4微米的铝铜合金层的步骤具体为：在所述氮化钛层上形成厚度为4微米的铝铜合金层。
优选地，所述在层间介质上形成厚度为60～80纳米的粘附层的步骤具体为：在层间介质上形成厚度为60纳米的氮化钛层；所述在粘附层上形成厚度为4～4.4微米的铝铜合金层的步骤具体为：在所述氮化钛层上形成厚度为4.4微米的铝铜合金层。
上述半导体结构相比于传统的半导体结构，具有较厚的顶层金属层，在焊接封装线时，不容易穿透整个金属层导致封装线与半导体结构的粘附性下降，从而具有较强的抗拉性，可以减少封装线与顶层金属剥离的情况。
【附图说明】
图1为一实施例的半导体结构的层状结构示意图；
图2(a)为源极焊垫处发生剥离的微观结构图；
图2(b)为栅极焊垫处发生剥离的微观结构图；
图3(a)为轻度剥离的微观图；
图3(b)为严重剥离的微观图；
图4(a)为容易发生剥离的封装线与半导体结构连接的微观图；
图4(b)为不容易发生剥离的封装线与半导体结构连接的微观图；
图5为一实施例的顶层金属层的层状结构示意图。
【具体实施方式】
如图1所示，为一种普遍结构的半导体结构。该半导体结构包括底层的功能层101和层叠于功能层101上的多个金属层和层间介质，具体包括多个内层的金属层102、顶层金属层104以及介于多层内层金属层102之间和介于内层金属层102与顶层金属层104之间的层间介质103。
功能层101包括氧化层、形成阱的半导体层、形成栅极、源极、漏极的各种材料层等，该部分为常规技术，在此不赘述。功能层101的栅极、源极、漏极通过金属层102和金属层间的连线105引出直至到达顶层金属层104，并在金属层104上焊接封装线201作为外部连线，封装线201为3微米铜线。
在使用3微米铜线封装后，对传统的半导体结构进行拉力测试时，3微米铜线容易与顶层的金属层剥离，剥离既可能发生在源极焊垫(source-pad)处(如图2(a)所示)，也可能发生在栅极焊垫(gate-pad)处(如图2(b)所示)。既有比较轻微的剥离，金属表层丢失(如图3(a)所示)，也有比较严重的剥离，例如整个金属层丢失，露出内部的层间介质(如图3(b)所示)。
此外，通过多项检测发现，3微米铜线从顶层金属层剥离后，大部分会露出内部的层间介质，也即是铝铜合金层和粘附层均被穿透。
通过分析打线后的微观结构图(如图4(a)和图4(b)所示)，图4(a)所示结构不容易通过拉力测试，图4(b)所示结构则相对较好。因此可以得出一个结论：3微米铜线打线后直接穿透顶层金属层与层间介质接触，会导致粘附性变差，因此容易从顶层金属层剥离，不能通过拉力测试。
为解决这个问题，可考虑将顶层金属层104的厚度加厚。
如图5所示，顶层金属层104具体包括依次层叠在层间介质103上的粘附层141和铝铜合金层142。粘附层141用于将铝铜合金层142与层间介质103粘合并且可通过层间金属连线105保持与内层金属层102的导电连接。其中粘附层141的厚度为60～80纳米，铝铜合金层142的厚度为4～4.4微米。
在一个实施例中，所述粘附层141包括厚度为40纳米的钛层和厚度为40纳米的氮化钛层，铝铜合金层142的厚度为4.4微米。通过推拉焊接(bonding)球试验，对比传统的Ti/TiN400/400AAlCu40KA和本实施例的Ti/TiN400/400AAlCu44KA得到表1所示数据。其中，Ti/TiN400/400AAlCu40KA表示粘附层包括厚度为40纳米的钛层和厚度为40纳米的氮化钛层，且铜铝合金层厚度为4微米；Ti/TiN400/400AAlCu44KA表示粘附层包括厚度为40纳米的钛层和厚度为40纳米的氮化钛层，且铜铝合金层厚度为4.4微米。实验中，焊接球脱落而封装线不剥离则认为合格，焊接球脱落并且封装线剥离则认为不合格。只要存在不合格的测试片即认为该种晶圆不合格。
表1
在另一个实施例中，所述粘附层141包括厚度为60纳米的氮化钛层，铝铜合金层142的厚度为4微米。通过推拉焊接(bonding)球试验，对比传统的Ti/TiN400/400AAlCu40KA和本实施例的Ti/TiN0/600AAlCu40KA得到表2所示数据。其中，Ti/TiN400/400AAlCu40KA表示粘附层包括厚度为40纳米的钛层和厚度为40纳米的氮化钛层，且铜铝合金层厚度为4微米；Ti/TiN0/600AAlCu40KA表示粘附层包括厚度为60纳米的氮化钛层，且铜铝合金层厚度为4微米。实验中，焊接球脱落而封装线不剥离则认为合格，焊接球脱落并且封装线剥离则认为不合格。只要存在不合格的测试片即认为该种晶圆不合格。
表2
在又一个实施例中，所述粘附层141包括厚度为60纳米的氮化钛层，铝铜合金层142的厚度为4.4微米。通过推拉焊接(bonding)球试验，对比传统的Ti/TiN400/400AAlCu40KA和本实施例的Ti/TiN0/600AAlCu44KA得到表3所示数据。其中，Ti/TiN400/400AAlCu40KA表示粘附层包括厚度为40纳米的钛层和厚度为40纳米的氮化钛层，且铜铝合金层厚度为4微米；Ti/TiN0/600AAlCu44KA表示粘附层包括厚度为60纳米的氮化钛层，且铜铝合金层厚度为4.4微米。实验中，焊接球脱落而封装线不剥离则认为合格，焊接球脱落并且封装线剥离则认为不合格。只要存在不合格的测试片即认为该种晶圆不合格。
表3
由此可见上述实施例中的晶圆在封装线的抗拉性上均优于传统的晶圆，能够较好地减少封装线与晶圆顶层金属剥离的情况。
结合图1，提供一种半导体结构的制造方法，包括如下步骤：
S101：形成功能层。功能层101包括氧化层、形成阱的半导体层、形成栅极、源极、漏极的各种材料层等，该部分为常规技术，在此不赘述。功能层101的栅极、源极、漏极通过金属层102和金属层间的连线105引出直至到达顶层金属层104，并在金属层104上焊接封装线201作为外部连线，封装线201为3微米铜线。
S102：在功能层上依次间隔地形成多层内部金属层、顶层金属层和层间介质。所述层间介质介于多层内层金属层之间和介于内层金属层与顶层金属层之间。该半导体结构包括底层的功能层101和层叠于功能层101上的多个金属层和层间介质，具体包括多个内层的金属层102、顶层金属层104以及介于多层内层金属层102之间和介于内层金属层102与顶层金属层104之间的层间介质103。
步骤S102中形成顶层金属层104的步骤包括：
S121：在层间介质上形成厚度为60～80纳米的粘附层。
S122：在所述粘附层上形成厚度为4～4.4微米的铝铜合金层。
在一个实施例中，步骤S121具体为：在层间介质上形成厚度为40纳米的钛层；在所述钛层上形成厚度为40纳米的氮化钛层。步骤S122具体为：在所述氮化钛层上形成厚度为4.4微米的铝铜合金层。
在另一个实施例中，步骤S121具体为：在层间介质上形成厚度为60纳米的氮化钛层。步骤S122具体为：在所述氮化钛层上形成厚度为4微米的铝铜合金层。
在又一个实施例中，步骤S121具体为：在层间介质上形成厚度为60纳米的氮化钛层；步骤S122具体为：在所述氮化钛层上形成厚度为4.4微米的铝铜合金层。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种半导体结构，包括多层内层金属层、处于最外层的顶层金属层以及介于多层内层金属层之间和介于内层金属层与顶层金属层之间的层间介质，其特征在于，所述顶层金属层包括由内向外依次层叠于层间介质上的粘附层和铝铜合金层，所述粘附层包括层叠的厚度为40纳米的钛层和厚度为40纳米的氮化钛层，所述铝铜合金层的厚度为4.4微米；所述粘附层中，所述氮化钛层层叠于所述钛层之上。
2.一种半导体结构，包括多层内层金属层、处于最外层的顶层金属层以及介于多层内层金属层之间和介于内层金属层与顶层金属层之间的层间介质，其特征在于，所述顶层金属层包括由内向外依次层叠于层间介质上的粘附层和铝铜合金层，所述粘附层包括厚度为60纳米的氮化钛层，所述铝铜合金层的厚度为4微米。
3.一种半导体结构，包括多层内层金属层、处于最外层的顶层金属层以及介于多层内层金属层之间和介于内层金属层与顶层金属层之间的层间介质，其特征在于，所述顶层金属层包括由内向外依次层叠于层间介质上的粘附层和铝铜合金层，所述粘附层包括厚度为60纳米的氮化钛层，所述铝铜合金层的厚度为4.4微米。
4.一种半导体结构的制造方法，包括：
形成功能层；
在功能层上依次间隔地形成多层内部金属层、顶层金属层和层间介质，所述层间介质介于多层内层金属层之间和介于内层金属层与顶层金属层之间；
所述形成顶层金属层的步骤包括：
在层间介质上形成厚度为40纳米的钛层；在所述钛层上形成厚度为40纳米的氮化钛层；在所述氮化钛层上形成厚度为4.4微米的铝铜合金层。
5.一种半导体结构的制造方法，包括：
形成功能层；
在功能层上依次间隔地形成多层内部金属层、顶层金属层和层间介质，所述层间介质介于多层内层金属层之间和介于内层金属层与顶层金属层之间；
所述形成顶层金属层的步骤包括：在层间介质上形成厚度为60纳米的氮化钛层；在所述氮化钛层上形成厚度为4微米的铝铜合金层。
6.一种半导体结构的制造方法，包括：
形成功能层；
在功能层上依次间隔地形成多层内部金属层、顶层金属层和层间介质，所述层间介质介于多层内层金属层之间和介于内层金属层与顶层金属层之间；
所述形成顶层金属层的步骤包括：在层间介质上形成厚度为60纳米的氮化钛层；在所述氮化钛层上形成厚度为4.4微米的铝铜合金层。
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