CN109786240A - 一种金属层的形成方法、半导体器件及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种金属层的形成方法、半导体器件及其形成方法，金属层的形成方法包括：将一衬底置于一反应腔室内；利用磁控溅射工艺在衬底上形成第一子金属层；利用磁控溅射工艺在第一子金属层上形成第二子金属层，并向反应腔室内通入加热气流，第一子金属层和第二子金属层共同构成金属层，第一子金属层和第二子金属层的材料均包括掺杂铜的铝。本发明在衬底上形成金属层时，先通过冷磁控溅射工艺形成第一子金属层，再通过热磁控溅射工艺形成第二子金属层，所得到的金属层中晶粒的尺寸较小且大小均匀，晶界较小，金属层表面平坦度较高，以减少了突起状缺陷的数量，改善突起状缺陷引起的外观不良，从而提高了半导体器件的良率。

Description

一种金属层的形成方法、半导体器件及其形成方法
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造领域，特别涉及一种金属层的形成方法、半导体器件及其形成方法。
背景技术
磁控溅射是广泛应用于半导体器件制造工艺中的一种物理气相沉积(PhysicalVapor Deposition，PVD)工艺。磁控溅射工艺通过在靶阴极表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率。磁控溅射的工作原理是：利用电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar正离子和新的电子。其中，新电子飞向基片，Ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。
现有技术通常采用上述磁控溅射工艺对半导体器件上的金属层进行淀积形成，同时，为了加快金属层的形成速度，通常在高温环境下进行该溅射工艺(即，热磁控溅射工艺)。而热磁控溅射工艺后在金属层的上方经常会出现突起状缺陷，在对所述金属层进行刻蚀以形成沟槽时，在沟槽底部也会出现突起状缺陷，造成外观不良，该外观不良严重时会造成半导体器件的报废，从而影响了半导体器件的良率。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种金属层的形成方法，以减少突起状缺陷。
本发明的另一目的在于提供一种半导体器件及其形成方法，以改善半导体器件中突起状缺陷引起的外观不良，进而降低该外观不良对半导体器件良率的影响。
为解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种金属层的形成方法，包括以下步骤：
将一衬底置于一反应腔室内；
利用磁控溅射工艺在所述衬底上形成第一子金属层；
利用磁控溅射工艺在所述第一子金属层上形成第二子金属层，并向所述反应腔室内通入加热气流，所述第一子金属层和第二子金属层共同构成金属层；
其中，所述第一子金属层和第二子金属层的材料均包括掺杂有铜的铝。
可选的，在形成第二子金属层时，向所述反应腔室内通入的加热气流的温度在250℃～450℃之间。
进一步的，在形成所述第一子金属层时，向所述反应腔室内通入加热气流，所述加热气流的温度小于250℃；或者，在形成第一子金属层时，未向所述反应腔室内通入加热气流。
进一步的，所述第一子金属层的厚度与所述第二子金属层的厚度比在 1:9～6:4之间。
进一步的，所述第一子金属层的厚度与所述第二子金属层的厚度之和大于等于2μm。
可选的，所述第一子金属层和第二子金属层中铜的重量与铝的重量比均小于等于2:98。
另一方面，本发明提供一种半导体器件的形成方法，包括以下步骤：
将一衬底置于一反应腔室内，所述衬底上形成有氧化层；
利用磁控溅射工艺在所述氧化层上形成第一子金属层；
利用磁控溅射工艺在所述第一子金属层上形成第二子金属层，并向所述反应腔室内通入加热气流，所述第一子金属层和第二子金属层共同构成金属层，其中，所述第一子金属层和第二子金属层均包括掺杂有铜的铝；以及
在所述第二子金属层上形成钝化层，再形成沟槽，所述沟槽贯穿所述钝化层、第二子金属层和第一子金属层，并停止在所述氧化层上。
可选的，在形成第二子金属层时，向所述反应腔室内通入的加热气流的温度在250℃～450℃之间。
进一步的，在形成第一子金属层时，向所述反应腔室内通入加热气流，所述加热气流的温度小于250℃；或者，在形成第一子金属层时，未向所述反应腔室内通入加热气流。
再一方面，本发明提供一种半导体器件，由上述的形成方法制备而成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明所提供的一种金属层的形成方法、半导体器件及其形成方法，所述金属层的形成方法中，在衬底上形成金属层时，先通过冷磁控溅射工艺形成第一子金属层，再通过热磁控溅射工艺形成第二子金属层，所得到的金属层中晶粒的尺寸较小且大小均匀，晶界较小，金属层表面平坦度较高，以减少所形成的半导体器件中在金属层上方或刻蚀贯穿金属层的沟槽中产生的突起状缺陷的数量，从而改善突起状缺陷引起的半导体器件的外观不良，进而降低该外观不良对半导体器件良率的影响。
附图说明
图1为一种形成有突起状缺陷的半导体器件的结构示意图；
图2为本发明一实施例的一种金属层的形成方法的流程示意图；
图3为本发明一实施例的半导体器件的结构示意图；
图4为本发明一实施例的一种半导体器件的形成方法的流程示意图。
附图标记说明：
图1中：
a-突起状缺陷；
10-衬底；20-金属层；30-钝化层；40-沟槽；
图3中：
100-衬底；
200-氧化层；
310-第一过渡金属层；320-第二过渡金属层；
400-金属层；410-第一子金属层；420-第二子金属层；
500-钝化层；
600-沟槽。
具体实施方式
图1为一种形成有突起状缺陷的半导体器件的结构示意图。如图1所示，位于衬底10上的金属层20(例如是包括夹杂有金属铜的铝层)的形成过程中，采用的热磁控溅射工艺的环境温度为250℃～450℃。发明人研究发现，在所述衬底10上溅射形成所述铝层时，由于高温环境，所述铝层中的晶粒的尺寸较大，且不规则的分布着，同时所述铝层的表面平坦度较低，特别是在所述铝层的厚度较厚(例如是厚度大于等于2μm)时，该铝层中不规则晶粒的不断叠加后，其表面平坦度更低，而所述铝层在形成后由于其本身特性使得其无法进行平坦化处理，同时，由于高温环境，相邻的较大晶粒之间的晶界(即，相邻晶格之间的缝隙)也较大，因此，在所述铝层上形成的钝化层30由于其在各位置上的厚度相同，使得其形成之后位于晶界处的钝化层高度较低，从而使得铝层的表面突起更加明显进而生成突起状缺陷a，引起外观不良；夹杂在铝层中的铜金属较多的聚集在晶界中，铜与衬底10的刻蚀选择比较铝与衬底10的刻蚀选择比大，因此，在形成沟槽40时，在铜聚集的晶界处的刻蚀速度明显慢于晶粒处的刻蚀速度，使得晶界下方的所述沟槽40的槽底出现不同高度的突起状缺陷a，其中部分可以通过肉眼辨识，从而造成半导体器件的外观不良，进而造成半导体器件的报废，降低了半导体器件的良率。
基于上述研究，本发明提供一种金属层的形成方法、半导体器件及其形成方法，所述金属层的形成方法中，在衬底上形成金属层时，先通过冷磁控溅射工艺形成第一子金属层，再通过热磁控溅射工艺形成第二子金属层，所得到的金属层中晶粒的尺寸较小且大小均匀，晶界较小，金属层表面平坦度较高，以减少所形成的半导体器件中在金属层上方或刻蚀贯穿金属层的沟槽中产生的突起状缺陷的数量，从而改善突起状缺陷引起的半导体器件的外观不良，进而降低该外观不良对半导体器件良率的影响。
下面将结合流程图和示意图对本发明的一种金属层的形成方法、半导体器件及其形成方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
图2为本实施例的一种金属层的形成方法的流程示意图。如图2所示，本实施例提供了一种金属层的形成方法，所述方法包括：
步骤S11：将一衬底置于一反应腔室内；
步骤S12：利用磁控溅射工艺在衬底上形成第一子金属层；
步骤S13：利用磁控溅射工艺在所述第一子金属层上形成第二子金属层，并向所述反应腔室内通入加热气流，所述第一子金属层和第二子金属层共同构成金属层，其中，所述第一子金属层和第二子金属层的材料均包括掺杂有铜的铝。
图3为本实施例的形成有金属层的晶圆的结构示意图。如图3所示，首先执行步骤S11，将一衬底100置于一反应腔室内，所述衬底100例如是硅衬底。
接着执行步骤S12，利用磁控溅射工艺在所述衬底100上形成第一子金属层 410。所述第一子金属层的材料包括掺杂有铜的铝，且所述第一子金属层410中铜的重量与铝的重量比小于等于2:98。在形成所述第一子金属层时，向所述反应腔室内通入加热气流，所述加热气流的温度例如是小于250℃，具体例如是1℃、 10℃、30℃、50℃、100℃、150℃、200℃、225℃等；或者，在形成第一子金属层时，未向所述反应腔室内通入加热气流。较佳实施方案中，在形成第一子金属层时，未向所述反应腔室内通入加热气流。因此，形成第一子金属层410 的工艺也可以称之为冷溅射。通过冷溅射得到的第一子金属层410中晶粒的尺寸较小且大小均匀，晶界也较小，使得第一子金属层410的表面平坦度较高。在较佳实施方案中，由于冷溅射的温度较低，若采用该方法继续形成后续第二子金属层420，会在第二子金属层420表面产生其他的缺陷，例如是铝棒缺陷。
为了避免这种缺陷的产生，接着执行步骤S13，利用磁控溅射工艺在所述第一子金属层410上形成第二子金属层420，并向所述反应腔室内通入加热气流，所述第一子金属层410和第二子金属层420共同构成金属层400。所述第二子金属层的材料包括掺杂有铜的铝，且所述第二子金属层420中铜的重量与铝的重量比小于等于2:98。通常，所述第一子金属层中铜的重量与铝的重量比与所述第二子金属中铜的重量与铝的重量比是相同，当然，所述第一子金属层410中铜的重量与铝的重量比与所述第二子金属层420中铜的重量与铝的重量比也可以不相同。在利用磁控溅射工艺形成第二子金属层420时，向所述反应腔室内通入加热气流，且所述加热气流的温度例如是在250℃～450℃之间，具体例如是250℃、270℃、300℃、320℃、340℃、420℃、450℃等，因此，形成第二子金属层420的工艺也可以称之为热溅射。同时可知，形成第一子金属层410时的环境温度低于形成第二子金属层420时的环境温度。在热溅射时，所述第二子金属层420沿着晶粒的尺寸较小且大小均匀，晶界也较小的第一子金属层410 生长，可以得到尺寸相对较小的晶粒、相对较小的晶界，以及表面平坦度相对较高的第二子金属层420。本实施例通过不同环境温度的两次磁控溅射工艺所得到的第一子金属层410和第二子金属层420来替代现有技术中通过一次热磁控溅射工艺得到的金属层，有效降低了晶粒的尺寸和晶界的大小，提高了金属层 400的表面平坦度，从而减少了突起状缺陷的产生，进而改善了突起状缺陷造成的外观不良，降低该外观不良对产品良率的影响。所述第一子金属层410的厚度与所述第二子金属层420的厚度比为1:9～6:4。在本实施例中，所述第一子金属层410的厚度与所述第二子金属层420的厚度之和至少大于等于2μm。在其他实施例中，所述第一子金属层与所述第二子金属层的厚度之和也可以小于 2μm。
图4为本实施例的一种半导体器件的形成方法的流程示意图。如图4所示，本实施例还提供了一种半导体器件的形成方法，所述方法包括：
步骤S21：将一衬底置于一反应腔室内，所述衬底上形成有氧化层；
步骤S22：利用磁控溅射工艺在所述氧化层上形成第一子金属层；
步骤S23：利用磁控溅射工艺在所述第一子金属层上形成第二子金属层，并向所述反应腔室内通入加热气流，所述第一子金属层和第二子金属层共同构成金属层，其中，所述第一子金属层和第二子金属层均包括掺杂有铜的铝；以及
步骤S24：在所述第二子金属层上形成钝化层，再形成沟槽，所述沟槽贯穿所述钝化层、第二子金属层和第一子金属层，并停止在所述氧化层上。
请继续参阅图3，首先执行步骤S21，将一衬底100置于一反应腔室内，所述衬底100上形成有氧化层200，所述衬底100例如是硅衬底。
由于所述氧化层200与后续所形成的第一子金属层410之间的粘附力较差，接着在所述氧化层200上形成第一过渡金属层310，所述第一过渡金属层310例如钛层或氮化钛层。
接着执行步骤S22，利用磁控溅射工艺在所述氧化层200上形成第一子金属层410。所述第一子金属层的材料包括掺杂有铜的铝，且所述第一子金属层410 中铜的重量与铝的重量比小于等于2:98。在形成所述第一子金属层时，向所述反应腔室内通入加热气流，且所述加热气流的温度例如是小于250℃，具体例如是1℃、10℃、30℃、50℃、100℃、150℃、200℃、225℃等；或者，在形成第一子金属层时，未向所述反应腔室内通入加热气流。较佳实施方案中，在形成第一子金属层时，未向所述反应腔室内通入加热气流。因此，形成第一子金属层410的工艺也可以称之为冷溅射。通过冷溅射得到的第一子金属层410中晶粒的尺寸较小且大小均匀，晶界也较小，使得第一子金属层410的表面平坦度较高。
接着执行步骤S23，利用磁控溅射工艺在所述第一子金属层410上形成第二子金属层420，并向所述反应腔室内通入加热气流，所述加热气流的温度在250℃～450℃之间，所述第一子金属层410和第二子金属层420共同构成金属层400。所述第二子金属层的材料包括掺杂有铜的铝，且所述第二子金属层420中铜的重量与铝的重量比小于等于2:98。
接着执行步骤S24，在所述第二子金属层420上形成钝化层500，再形成沟槽600，所述沟槽600贯穿所述钝化层500、第二子金属层420和第一子金属层 410，并停止在所述氧化层200上。所述钝化层500例如是氮氧化硅层。经过步骤22形成的第一子金属层410和步骤23形成的第二子金属层420中，由于突起状缺陷较少甚至没有，使得所述钝化层500的表面以及所述沟槽600中存在少量突起状缺陷甚至没有突起状缺陷，从而改善突起状缺陷造成的半导体器件的外观不良，以及该外观不良严重时会造成半导体器件的报废，进而降低了半导体器件的良率。
由于所述第二子金属层420的粘附力较差，在形成所述第二子金属层420 与形成所述钝化层500之间还包括：在所述第二子金属层420上形成第二过渡金属层320，所述第二过渡金属层320例如钛层或氮化钛层。
需要说明的是，在本实施例中所述衬底上所形成的氧化层和钝化层仅作为示例，实际上，所述衬底上也可以形成有其他层，例如氮化层等，且形成各层的位置也可以不同。
请继续参阅图3，本发明还提供了一种半导体器件，所述半导体器件由上述半导体器件的形成方法制备而成。具体的，所述半导体器件包括衬底100，以及依次形成于所述衬底100上的氧化层200、第一子金属层410、第二子金属层420 和钝化层500，所述第一子金属层410的厚度与所述第二子金属层420的厚度比为1:9～6:4。在所述氧化层200和第一子金属层410之间还包括第一过渡金属层 310，在所述第二子金属层420和钝化层500之间还包括第二过渡金属层320，所述半导体器件上形成有沟槽600，所述沟槽600贯穿所述钝化层500、第二子金属层420和第一子金属层410，并停止在所述氧化层200上。由上可知，由于所述第一子金属层410中晶粒的尺寸较小且大小均匀，晶界也较小，使得所述第一子金属层410的表面平坦度较高，而沿着第一子金属层410生成的第二子金属层420，其中晶粒的尺寸也小且大小也均匀，晶界也较小，同时，所述第二子金属层420的表面平坦度较高，从而减少钝化层表面和沟槽中所产生的突起状缺陷，进而改善突起状缺陷造成的半导体器件的外观不良。
综上所述，本发明提供一种金属层的形成方法、半导体器件及其形成方法，所述金属层的形成方法中，在衬底上形成金属层时，先通过冷磁控溅射工艺形成第一子金属层，再通过热磁控溅射工艺形成第二子金属层，所得到的金属层中晶粒的尺寸较小且大小均匀，晶界较小，金属层表面平坦度较高，以减少所形成的半导体器件中在金属层上方或刻蚀贯穿金属层的沟槽中产生的突起状缺陷的数量，从而改善突起状缺陷引起的半导体器件的外观不良，进而降低该外观不良对半导体器件良率的影响。
此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、的描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种金属层的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
将一衬底置于一反应腔室内；
利用磁控溅射工艺在所述衬底上形成第一子金属层；
利用磁控溅射工艺在所述第一子金属层上形成第二子金属层，并向所述反应腔室内通入加热气流，所述第一子金属层和第二子金属层共同构成金属层；
其中，所述第一子金属层和第二子金属层的材料均包括掺杂有铜的铝。
2.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在形成第二子金属层时，向所述反应腔室内通入的加热气流的温度在250℃～450℃之间。
3.如权利要求2所述的形成方法，其特征在于，在形成所述第一子金属层时，向所述反应腔室内通入加热气流，所述加热气流的温度小于250℃；或者，在形成第一子金属层时，未向所述反应腔室内通入加热气流。
4.如权利要求3所述的形成方法，其特征在于，所述第一子金属层的厚度与所述第二子金属层的厚度比在1:9～6:4之间。
5.如权利要求4所述的形成方法，其特征在于，所述第一子金属层的厚度与所述第二子金属层的厚度之和大于等于2μm。
6.如权利要求5所述的形成方法，其特征在于，所述第一子金属层和第二子金属层中铜的重量与铝的重量比均小于等于2:98。
7.一种半导体器件的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
将一衬底置于一反应腔室内，所述衬底上形成有氧化层；
利用磁控溅射工艺在所述氧化层上形成第一子金属层；
利用磁控溅射工艺在所述第一子金属层上形成第二子金属层，并向所述反应腔室内通入加热气流，所述第一子金属层和第二子金属层共同构成金属层，其中，所述第一子金属层和第二子金属层均包括掺杂有铜的铝；以及
在所述第二子金属层上形成钝化层，再形成沟槽，所述沟槽贯穿所述钝化层、第二子金属层和第一子金属层，并停止在所述氧化层上。
8.如权利要求7所述的形成方法，其特征在于，在形成第二子金属层时，向所述反应腔室内通入的加热气流的温度在250℃～450℃之间。
9.如权利要求8所述的形成方法，其特征在于，在形成第一子金属层时，向所述反应腔室内通入加热气流，所述加热气流的温度小于250℃；或者，在形成第一子金属层时，未向所述反应腔室内通入加热气流。
10.一种半导体器件，其特征在于，由权利要求7-9所述的形成方法制备而成。
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