CN203707087U - 一种用于监测气相沉积机台容忍度的器件结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于监测气相沉积机台容忍度的器件结构，所述器件结构为晶圆上多组电容器，每组电容器至少包括：金属互连层；金属层间介质层；位于金属层间介质层中的连接孔，覆盖连接孔侧壁及其底部的导电材料层；覆盖金属层间介质层表面和连接孔中导电材料层表面的第一金属层；所述金属互连层、导电材料层及导电材料层表面的第一金属层一起作为电容器下极板电极层；该器件结构还包括覆盖电容器下极板电极层表面的极板间绝缘介质层及覆盖极板间绝缘介质层表面的第二金属层，第二金属层为上极板电极层。通过设置每组电容器连接孔的宽度监控电弧放电从而监测气相沉积机台的容忍度，针对同种不同机台有效改进其容忍度用以提高电路制造的良品率。

Description

一种用于监测气相沉积机台容忍度的器件结构

技术领域

本实用新型涉及半导体制造领域，特别是涉及一种用于监测气相沉积机台容忍度的器件结构。 

背景技术

在半导体制程工艺中，物理气相沉积(PVD)技术在薄膜制备领域里被广泛应用，PVD是指在真空条件下，用物理的方法使材料沉积在被镀工件上的薄膜制备技术。物理气相沉积技术主要分为三类，真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜和真空离子镀膜。其中，溅射镀膜广泛应用于金属薄膜制程的工艺。 

溅射镀膜的基本原理是在充氩气的真空条件下，使氩气进行辉光放电，氩原子电离成氩离子，并且电场力的作用下，加速轰击用镀料制作的阴极靶材，靶材粒子被溅射出来从而沉积在晶圆表面。 

实际生产中，同一种PVD机台的不同个体其自身属性不可能100％相同，这与制造机台时的工艺差别、机台自身的老化程度以及机台参数的老化等因素有关。因此，在同样的工艺条件下，所用同种类或同品牌的不同机台生产的晶圆，会产生不同的制造上的工艺差别，也就是机台对晶圆的制程工艺存在不同的容忍度。 

例如，在高集成化、高密度化的集成电路多层互连结构中，对互连层之间的金属-绝缘体-金属(MIM)电容器来说，其形成是由多个互连金属层互相堆叠，并且层间绝缘层置于期间，然后在层间绝缘层中形成连接孔，并用导电材料钨等填充连接孔，以形成互连多层金属层的互连金属导线。如果这些电容器存在于晶圆上的光刻标记，如精细对准标记(SPM标记)、叠对精准测量标记(OVL mark)或套刻测量标记等，此类光刻标记的连接孔宽度远大于正常通孔宽度，因此在向连接孔中沉积金属的过程中，即在采用物理气相沉积法(PVD)溅射镀膜形成所述电容器上极板金属层(如金属铝或铜)的时候无法将光刻标记的连接孔完全填满，不完全填充满的连接孔使得金属间绝缘介质层和所形成的电容器上极板金属层接触的拐点处(尖角处)极其容易产生尖端放电现象，导致晶圆上产生电弧缺陷，极大地影响了集成电路生产的良率。由于同类不同的PVD机台自身容忍度的不同，对于连接孔宽度相同并且其他工艺条件相同的电容器来说，使用同类不同的PVD机台沉积金属的过程中，有些电容产生放电现象， 有些则不会产生放电现象。因此，由机台本身容忍度不同导致在溅镀金属的过程中很难严格管控电容器的放电现象，以及很难把握晶圆在此过程中会不会产生电弧缺陷。极大的影响了集成电路产品制造的良率。所以，对于有机台本身的不可控因素引起的电弧缺陷目前没有较好的方法克服。 

再例如，在相同工艺条件下，用同种不同的机台对相同晶圆上的集成电路金属互连层进行溅射镀膜，由于每个靶材被反复使用多次，靶材不断被消耗，靶材的老化以及未能及时更换新的靶材从而造成晶圆产生电弧缺陷导致晶圆报废。 

通常情况下，除了机台自身不可控因素外，只能通过计算靶材的寿命来更换新的靶材。但事实上，靶材的有效使用时间具有很大的不确定性，并不一定是在靶材寿命结束时才会出现电弧放电导致缺陷的现象，而是随着靶材寿命的临近，在其寿命未结束时已经会产生电弧缺陷。这种情况下很难有效控制晶圆生产的良率，从而对半导体制造业造成了极大的损失。 

鉴于此，有必要提供一种新的监测图样来监测PVD机台容忍度的难题，从而提高晶圆生产的良率。 

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种用于监测气相沉积机台容忍度的器件结构，用于解决现有技术中由于物理气相沉积机台自身容忍度不同使得晶圆产生电弧缺陷从而导致集成电路良品率下降的问题。 

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种用于监测气相沉积机台容忍度的器件结构，所述器件结构为监测晶圆上多组不同的电容器，每组电容器的结构至少包括： 

金属互连层； 

位于金属互连层上表面的金属层间介质层； 

位于金属层间介质层中与所述金属互连层接触的连接孔； 

覆盖于连接孔侧壁以及连接孔底部的导电材料层； 

覆盖所述导电材料层表面的第一金属层； 

所述金属互连层、导电材料层以及覆盖于所述导电材料层表面的第一金属层一起作为所述电容器下极板电极层； 

该器件结构还包括覆盖于所述电容器下极板电极层上表面的极板间绝缘介质层； 

以及覆盖于所述极板间绝缘介质层上表面的第二金属层，所述第二金属层作为电容器上极板电极层； 

每组电容器除覆盖于连接孔侧壁以及连接孔底部的导电材料层以外其它层同层之间相互连接，彼此共用金属层间介质层且连接孔的宽度不同。 

作为本实用新型的用于监测气相沉积机台容忍度的器件结构的一种优选方案，所述电容器为四组，每组电容器的连接孔宽度分别为：小于0.8微米、0.8微米～1.15微米、1.15微米～1.2微米、大于1.2微米。 

作为本实用新型的用于监测气相沉积机台容忍度的器件结构的一种优选方案，所述电容器为六组，每组电容器的连接孔宽度分别为：小于0.8微米、0.8微米～0.9微米、0.9微米～1.0微米、1.0微米～1.1微米、1.1微米～1.2微米、大于1.2微米。 

作为本实用新型的用于监测气相沉积机台容忍度的器件结构的一种优选方案，所述第一、第二金属层以及金属互连层的材料包括铝或铜。 

作为本实用新型的用于监测气相沉积机台容忍度的器件结构的一种优选方案，所述金属层间介质层、极板间绝缘介质层的材料包括二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅。 

作为本实用新型的用于监测气相沉积机台容忍度的器件结构的一种优选方案，所述极板间绝缘介质层的材料包括二氧化硅。 

作为本实用新型的用于监测气相沉积机台容忍度的器件结构的一种优选方案，所述导电材料层的材料为金属钨。 

作为本实用新型的用于监测气相沉积机台容忍度的器件结构的一种优选方案，所述金属钨的厚度为

作为本实用新型的用于监测气相沉积机台容忍度的器件结构的一种优选方案，所述第一、第二金属层、金属互连层、金属层间介质层、极板间绝缘介质层以及金属钨的各向厚度均匀。 

作为本实用新型的用于监测气相沉积机台容忍度的器件结构的一种优选方案，所述电容器用于监测晶圆的叠对精准测量标记、条宽测量标记、套刻测量标记或精细对准标记。 

如上所述，本实用新型的用于监测气相沉积机台容忍度的器件结构，设置多组连接孔宽度不同的MIM电容器，多组MIM电容作为晶圆可识别的光刻标记分布在监测晶圆上。具有以下有益效果：在金属溅镀工艺过程中，先对监测晶圆进行溅镀，来有效地选择容忍度好的PVD机台对后续生产性晶圆进行溅镀。防止生产性晶圆在溅镀过程中产生电弧缺陷，提高集成电路生产的良率。 

附图说明

图1为本实用新型的SPM标记的沟槽示意图。 

图2为本实用新型的用于监测气相沉积机台容忍度的器件结构的四组电容器剖面结构示意图。 

图3为本实用新型的用于监测气相沉积机台容忍度的器件结构的六组电容器剖面结构示意图。 

元件标号说明 

01    金属互连层 

02    金属层间介质层 

03    连接孔 

04    导电材料层 

05    第一金属层 

07    第二金属层 

06    极板间绝缘介质层 

08    尖角 

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。 

实施例一 

请参阅图1至图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。 

本实用新型提供一种用于监测气相沉积机台容忍度的器件结构，该器件结构为位于监测晶圆上的多组彼此连接的电容器。该器件结构用于晶圆上的光刻标记。参照图2，其中用虚线隔开的A、B、C、D四个部分分别表示相互连接着的四组不同的电容器。构成每组电容器的结构除如图所示的连接孔03宽度不同之外，其余结构完全相同，包括实施这四组电容器结构的工艺条件，所以本实施例中除了结构尖角08以外，其余元件标号都是针对其中一组电容(B组电容器)进行的元件标号说明。 

由于在半导体工艺中，器件之间的连接采用多个互连金属层互相堆叠。图2中的金属互连层01作为半导体工艺后端器件之间的某一互连金属层。该互连金属层的材料为铜或铝。本实施例中，该金属层的材料为铝； 

本实施例中，位于金属互连层01上表面的金属层间介质层02的材料为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅。作为一种良好的绝缘材料对每层互连金属进行隔离； 

然后在金属层间介质层02中形成与金属互连层接触的连接孔03，连接孔的宽度如图2所示，d₁、d₂、d₃、d₄分别表示连接孔的不同宽度，本实施例中宽度的取值范围分别为：小于0.8微米、0.8微米～1.15微米、1.15微米～1.2微米以及大于1.2微米； 

如图2所示，采用化学气相沉积法(CVD)在连接孔03侧壁以及连接孔03底部形成一定厚度的导电材料层04，本实施例中，导电材料层04的材料为金属钨，金属钨的厚度为

然后形成覆盖于金属层间介质层02上表面以及覆盖于连接孔03中导电材料层04表面的金属层05，金属层05的材料可以是铝或铜。本实施例中，金属层05的材料为铝； 

金属互连层01、金属钨以及第一金属层05作为金属相互接触并连接在一起形成电容器下极板电极层； 

采用化学气相沉积法(CVD)在电容器下极板电极层上表面即第一金属层05上表面形成极板间绝缘介质层06，极板间绝缘介质层的材料可以为二氧化硅或等离子体强化氧化物。本实施例中，极板间绝缘介质层06的材料为二氧化硅； 

进一步地，采用物理气相沉积法(PVD)在极板间绝缘介质层06上表面形成第二金属层07作电容器为上极板电极层，第二金属层07的材料包括铜或铝，本实施例中第二金属层07的材料为铝； 

如图2所示，金属互连层01、金属钨以及第一金属层05一起形成电容器下极板电极层，而下极板电极层、极板间绝缘介质层06以及上极板电极层(第二金属层07)共同形成整个电容器。 

由于在形成金属互连层01、导电材料层04、第一金属层05、第二金属层07以及极板间绝缘介质层06过程中是采用物理气相沉积法或化学气相沉积法，所以所述金属互连层01、导电材料层04、第一金属层05、第二金属层07以及极板间绝缘介质层06的各方向厚度均相同。如图2所示，以第二金属层07为例，其中的d_x、d_y、d_z分别表示第二金属层07在连接孔侧壁的厚度、在金属层间介质层02上表面的厚度以及在连接孔底部的厚度。d_x、d_y、d_z表示的数值相等。与第二金属层07类似，金属互连层01、第一金属层05以及极板间绝缘介质层06各自在三个方向上的厚度也相同。导电材料层04在连接孔侧壁和连接孔底部方向上的 厚度相同。 

本实施例中，实验证明，对于金属钨厚度为而言，因为金属层或介质层沉积在各方向的厚度相同，当连接孔宽度小于0.8微米且在最后一步采用溅镀法形成电容器上极板金属层07时，金属铝可以完全填充满连接孔，形成如图2所示的A组电容器。对A组电容器而言，不存在最后未填满的连接孔，因此在机台正常运行的情况下，金属的溅镀过程中不会产生电弧放电现象，因此也形不成晶圆的电弧缺陷； 

对B组、C组和D组电容器而言，金属钨的厚度为由于其连接孔的宽度分别为0.8微米～1.15微米、1.15微米～1.2微米、大于1.2微米并且金属层或介质层沉积在各方向的厚度相同，因此在金属溅镀过程中金属铝都未能填充满连接孔，如图2所示的3种未填充满连接孔的电容器剖面结构示意图。 

对比B组电容器和C组电容器，其连接孔的宽度都在0.8微米～1.2微米范围之内，针对本实施例，连接孔宽度在此范围内的电容器，在其形成电容器上极板金属07的溅镀过程中极其容易会产生尖端放电现象，从而导致晶圆的电弧缺陷以及受损。产生电弧放电的结构为如图2所示的尖角08部位，尖角08部位是由极板间绝缘介质层06和金属层07接触的拐点处形成。而对于连接孔宽度在0.8微米～1.2微米范围内相同宽度的连接孔来说，若采用同种类的不同的PVD机台实现金属层07的溅镀，有些机台会导致电弧缺陷，有些机台则不会导致电弧缺陷，也就是同种类不同机台的容忍度不同导致不能准确预测电弧放电现象的产生。所以本实施例中，B组和C组电容器采用连接孔宽度的小范围变动来监测电弧放电现象则更为准确。 

对于D组电容器而言，其连接孔的宽度大于1.2微米，实验证明在机台正常运行的情况下，金属溅镀形成金属层07时不会形成尖端放电。 

由于A组和D组电容器在机台正常运行情况下均不会产生电弧放电现象，而B组和C组都有可能会产生电弧放电现象。所以A组和D组电容器作为对比图样存在来监测机台有无明显大的故障，而B组和C组电容器作为监测电弧放电现象的图样存在。A、B、C、D四组电容器除金属钨以外其它层同层之间相互连接，彼此共用金属层间介质层，并且可识别地存在于监测晶圆的光刻标记上，整体作为监测PVD机台容忍度的器件结构。 

A、B、C、D四组电容器均用于晶圆上的光刻标记。通常的光刻标记制作在半导体材料表面，对晶圆进行光刻时首先寻找光刻标记的位置，然后利用光刻标记的坐标来完成器件每层的定位。因此要求晶圆上光刻标记能够被光刻系统清晰地识别。以制作SPM标记为例，在制作SPM标记时，首先在半导体材料表面的介质层中刻蚀形成沟槽图形，如图1所示为SPM标记沟槽的俯视图，然后在沟槽中填充金属钨，之后再依次沉积第一金属层、极板间绝缘介质 层和第二金属层。形成如图2所示的电容器。除SPM标记以外，也可以制作十字形标记或字母形标记作为精细对准标记(SPM标记)、叠对精准测量标记(OVL mark)或套刻测量标记用来监测气相沉积机台的容忍度。本实施例之所以选择此类光刻标记来监测机台的容忍度，是因为这些光刻标记上电容器的连接孔宽度都远大于晶圆上其他位置器件的电容器连接孔的宽度，其他位置器件的电容器都没有产生电弧放电的可能性。因此也不能作为监测电弧放电的器件结构。 

连接孔的宽度范围设置为0.8微米～1.2微米是基于金属钨的厚度为所做的选择。具体在实际应用中，可以根据金属钨的厚度对连接孔宽度做调整，也可以增加更多的几组不同连接孔宽度的电容器，来更加精确的监测PVD机台产生电弧缺陷的容忍度。 

实施例二 

参照图3，表示的是连接孔宽度为小于0.8微米、0.8微米～0.9微米、0.9微米～1.0微米、1.0微米～1.1微米、1.1微米～1.2微米以及大于1.2微米的六组A-F不同的彼此连接的电容器。其中D₁-D₆表示每组电容器的连接孔宽度。这六组电容器连接孔宽度是基于实施例一中的四组不同的电容器的连接孔宽度而设置的。本实施例与实施例一中除连接孔宽度范围设置不同以外的其他实施方式均相同。之所以将连接孔的宽度在0.8微米～1.2微米之间进行细分，是为了使连接孔宽度处于极其容易产生电弧缺陷范围内的电容器更容易更准确的辨认机台的容忍度。本发明不限于除实施例一和实施例二所划分的连接孔宽度范围，其他能监测机台容忍度的宽度范围划分均落在本发明保护的范围内。 

综上所述，本实用新型用于监测气相沉积机台容忍度的器件结构，在生产过程中，先对监测晶圆进行溅镀，来有效地选择容忍度好的PVD机台再对后续生产性晶圆进行溅镀。防止生产性晶圆溅镀过程中产生电弧缺陷导致报废，提高集成电路生产的良率。所以，本实用新型有效克服了现有技术中由于PVD机台本身容忍度不同和机台靶材的老化以及未能及时更换新的靶材从而造成晶圆产生电弧缺陷导致晶圆报废的种种缺点而具高度产业利用价值。 

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。 

Claims (7)

1.一种用于监测气相沉积机台容忍度的器件结构，其特征在于，所述器件结构为晶圆上多组不同的电容器，每组电容器的结构至少包括： 

金属互连层； 

位于金属互连层上表面的金属层间介质层； 

位于金属层间介质层中与所述金属互连层接触的连接孔； 

覆盖于连接孔侧壁以及连接孔底部的导电材料层； 

覆盖所述导电材料层表面的第一金属层； 

所述金属互连层、导电材料层以及覆盖于所述导电材料层表面的第一金属层一起作为所述电容器下极板电极层； 

该器件结构还包括覆盖于所述电容器下极板电极层上表面的极板间绝缘介质层以及覆盖于所述极板间绝缘介质层上表面的第二金属层，所述第二金属层作为电容器上极板电极层； 

每组电容器除覆盖于连接孔侧壁以及连接孔底部的导电材料层以外其它层同层之间相互连接，彼此共用金属层间介质层且连接孔的宽度不同。 

2.根据权利要求1所述的用于监测气相沉积机台容忍度的器件结构，其特征在于：所述电容器为四组，每组电容器的连接孔宽度分别为：小于0.8微米、0.8微米～1.15微米、1.15微米～1.2微米、大于1.2微米。 

3.根据权利要求1所述的用于监测气相沉积机台容忍度的器件结构，其特征在于：所述电容器为六组，每组电容器的连接孔宽度分别为：小于0.8微米、0.8微米～0.9微米、0.9微米～1.0微米、1.0微米～1.1微米、1.1微米～1.2微米、大于1.2微米。 

4.根据权利要求1所述的用于监测气相沉积机台容忍度的器件结构，其特征在于：所述第一、第二金属层以及金属互连层的材料包括铝或铜。 

5.根据权利要求1所述的用于监测气相沉积机台容忍度的器件结构，其特征在于：所述导电材料层的材料为金属钨。 

6.根据权利要求4所述的用于监测气相沉积机台容忍度的器件结构，其特征在于：所述金属钨的厚度为

7.根据权利要求4所述的用于监测气相沉积机台容忍度的器件结构，其特征在于：所述第一、第二金属层、金属互连层、金属层间介质层、极板间绝缘介质层以及金属钨的各向厚度均匀。