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金属层结构的制造方法以及 半导体器件及其制造方法

阅读：124发布：2024-02-10

专利汇可以提供金属层结构的制造方法以及半导体器件及其制造方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种金属层结构的制造方法以及半导体器件及其制造方法，所述金属层结构的制造方法包括：提供一晶圆；形成金属膜层于所述晶圆上，所述金属膜层的温度高于所述金属膜层的材质的固溶温度；对所述金属膜层进行冷却处理；以及，检测所述金属膜层中的杂质缺陷是否超出规格，若所述金属膜层中的杂质缺陷超出规格，则对所述金属膜层进行去杂质处理，以使得所述金属膜层中的杂质缺陷未超出规格；若所述金属膜层中的杂质缺陷未超出规格，则对所述金属膜层进行刻蚀，以形成所述金属层结构。本发明的技术方案使得金属层结构中的杂质缺陷控制在规格以内，进而避免影响金属层结构的性能。，下面是金属层结构的制造方法以及半导体器件及其制造方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种金属层结构的制造方法，其特征在于，包括：
提供一晶圆；
形成金属膜层于所述晶圆上，所述金属膜层的温度高于所述金属膜层的材质的固溶温度；
对所述金属膜层进行冷却处理；以及，
检测所述金属膜层中的杂质缺陷是否超出规格，若所述金属膜层中的杂质缺陷超出规格，则对所述金属膜层进行去杂质处理，以使得所述金属膜层中的杂质缺陷未超出规格；若所述金属膜层中的杂质缺陷未超出规格，则对所述金属膜层进行刻蚀，以形成金属层结构。
2.如权利要求1所述的金属层结构的制造方法，其特征在于，所述金属层结构包括金属互连结构、电阻的极板或电容的极板。
3.如权利要求1所述的金属层结构的制造方法，其特征在于，所述金属膜层的材质包括铝、铜、钨、镍、金、银和钛中的一种或至少两种组成的合金。
4.如权利要求1所述的金属层结构的制造方法，其特征在于，采用溅射镀形成所述金属膜层于所述晶圆上，所述金属膜层的材质包括铝和铜组成的合金，所述金属膜层的温度不小于300℃。
5.如权利要求1所述的金属层结构的制造方法，其特征在于，若所述金属膜层中的杂质缺陷超出规格，则对所述金属膜层进行去杂质处理的步骤包括：直接对所述金属膜层进行退火处理；或者，重新形成所述金属膜层于所述晶圆上，并对重新形成的所述金属膜层进行退火处理。
6.如权利要求5所述的金属层结构的制造方法，其特征在于，所述退火处理的步骤包括：先将所述金属膜层在不小于所述金属膜层的材质的固溶温度的温度下维持一定时间，再将所述金属膜层迅速冷却到室温。
7.如权利要求6所述的金属层结构的制造方法，其特征在于，所述将所述金属膜层迅速冷却到室温包括采用两阶段冷却的方法进行冷却。
8.如权利要求1至7中任一项所述的金属层结构的制造方法，其特征在于，形成所述金属膜层于所述晶圆上之前，先形成扩散阻挡层于所述晶圆上。
9.一种半导体器件的制造方法，其特征在于，包括：采用权利要求1至8中任一项所述的金属层结构的制造方法，形成金属层结构于一晶圆上。
10.一种半导体器件，其特征在于，包括：采用权利要求1至8中任一项所述的金属层结构的制造方法制造而成，形成金属层结构于一晶圆上。

说明书全文

金属层结构的制造方法以及半导体器件及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种金属层结构的制造方法以及半导体器件及其制造方法。

背景技术

[0002] 在晶圆的制造过程中，正在生产中的镀铝机台可能会遇到各种异常而导致停机。对于镀铝机台腔室中的晶圆，一般都会在尽快完成补镀后再往下流片，但不可避免的，有些镀铝中的晶圆无法在较短的时间内完成补镀。研究发现，当镀铝中的晶圆在停机的镀铝机台中停留超过20min以上仍未进行补镀时，会导致后续刻蚀工艺之后形成的铝膜结构上产生严重的杂质残留，即残留的杂质的尺寸和/或数量超出规格，如图1a所示，晶圆上镀的铝膜结构上产生大量的超规格的杂质缺陷D1，进而影响最终形成的铝膜结构的性能。

[0003] 因此，如何对异常的镀铝机台中生产的铝膜结构上产生的超规格的杂质问题进行改善，以避免影响铝膜结构的性能是目前亟需解决的问题。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种金属层结构的制造方法以及半导体器件及其制造方法，使得金属层结构中的杂质缺陷控制在规格以内，进而避免影响金属层结构的性能。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供了一种金属层结构的制造方法，

[0006] 提供一晶圆；

[0007] 形成金属膜层于所述晶圆上，所述金属膜层的温度高于所述金属膜层的材质的固溶温度；

[0008] 对所述金属膜层进行冷却处理；以及，

[0009] 检测所述金属膜层中的杂质缺陷是否超出规格，若所述金属膜层中的杂质缺陷超出规格，则对所述金属膜层进行去杂质处理，以使得所述金属膜层中的杂质缺陷未超出规格；若所述金属膜层中的杂质缺陷未超出规格，则对所述金属膜层进行刻蚀，以形成金属层结构。

[0010] 可选的，所述金属层结构包括金属互连结构、电阻的极板或电容的极板。

[0011] 可选的，所述金属膜层的材质包括铝、铜、钨、镍、金、银和钛中的一种或至少两种组成的合金。

[0012] 可选的，采用溅射镀形成所述金属膜层于所述晶圆上，所述金属膜层的材质包括铝和铜组成的合金，所述金属膜层的温度不小于300℃。

[0013] 可选的，若所述金属膜层中的杂质缺陷超出规格，则对所述金属膜层进行去杂质处理的步骤包括：直接对所述金属膜层进行退火处理；或者，重新形成所述金属膜层于所述晶圆上，并对重新形成的所述金属膜层进行退火处理。

[0014] 可选的，所述退火处理的步骤包括：先将所述金属膜层在不小于所述金属膜层的材质的固溶温度的温度下维持一定时间，再将所述金属膜层迅速冷却到室温。

[0015] 可选的，所述将所述金属膜层迅速冷却到室温包括采用两阶段冷却的方法进行冷却。

[0016] 可选的，形成所述金属膜层于所述晶圆上之前，先形成扩散阻挡层于所述晶圆上。

[0017] 本发明还提供了一种半导体器件的制造方法，包括：采用本发明提供的所述金属层结构的制造方法，形成金属层结构于一晶圆上。

[0018] 本发明还提供了一种半导体器件，包括：采用本发明提供的所述金属层结构的制造方法制造而成，形成金属层结构于一晶圆上。

[0019] 与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

[0020] 1、本发明的金属层结构的制造方法，通过在晶圆上形成温度高于金属膜层的材质的固溶温度的金属膜层，以及对金属膜层进行冷却处理，并检测所述金属膜层中的杂质缺陷是否超出规格，对杂质缺陷超出规格的所述金属膜层进行去杂质处理，使得所述金属膜层中的杂质缺陷控制在规格以内；进一步地，对杂质缺陷在规格内的所述金属膜层进行刻蚀，以形成所述金属层结构，使得金属层结构中的杂质缺陷也控制在规格以内，避免对金属层结构的性能产生影响。

[0021] 2、本发明的半导体器件的制造方法，由于采用本发明提供的所述金属层结构的制造方法于一晶圆上形成所述金属层结构，使得所述金属层结构具有均匀的结构或表面，进而使得所述半导体器件的性能得到提高。

[0022] 3、本发明的半导体器件，由于采用本发明提供的所述金属层结构的制造方法制造而成，形成金属层结构于一晶圆上，使得所述金属层结构具有均匀的结构或表面，进而使得所述半导体器件的性能得到提高。附图说明

[0023] 图1a是铝膜结构上残留的杂质的分布情况示意图；

[0024] 图1b是铝膜结构上残留的杂质的扫描电子显微镜图；

[0025] 图2本发明一实施例的金属层结构的制造方法的流程图；

[0026] 图3是改善后的金属层结构上的杂质缺陷的分布情况示意图。

具体实施方式

[0027] 经研究发现，铝膜结构上产生杂质残留的原因为：在溅射镀铝的工艺过程中，采用的铝靶材中含有0.5％的铜，在溅射到晶圆表面的靶材的等离子体的作用下，晶圆表面的温度会升高到300℃以上，此温度为铝/铜的固溶温度，此温度下形成的铝膜结构具有很好的均匀性；而当生产中的镀铝机台异常而停止镀铝时，位于镀铝机台腔室中的晶圆的表面温度会在20min左右的时间内缓慢下降到300℃以下，导致晶圆表面已经镀的铝膜结构上出现铜聚集而形成大量超规格的Al2Cu杂质，进而导致经过补镀和刻蚀工艺之后形成的铝膜结构上仍会有大量聚集的Al2Cu杂质残留，如图1b所示，残留的聚集的Al2Cu杂质缺陷D2在铝膜结构上呈现凸起状态，使得铝膜结构的表面不均匀，进而影响铝膜结构的性能。因此，本发明提出了一种金属层结构的制造方法以及半导体器件的制造方法，能够使得金属层结构中的杂质缺陷得到改善，进而避免影响金属层结构的性能。

[0028] 为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图2～3对本发明提出的金属层结构的制造方法以及半导体器件及其制造方法作进一步详细说明。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。

[0029] 本发明一实施例提供一种金属层结构的制造方法，参阅图2，图2是本发明一实施例的金属层结构的制造方法的流程图，所述金属层结构的制造方法包括：

[0030] 步骤S1，提供一晶圆；

[0031] 步骤S2，形成金属膜层于所述晶圆上，所述金属膜层的温度高于所述金属膜层的材质的固溶温度；

[0032] 步骤S3，对所述金属膜层进行冷却处理；

[0033] 步骤S4，检测所述金属膜层中的杂质缺陷是否超出规格，若所述金属膜层中的杂质缺陷超出规格，则对所述金属膜层进行去杂质处理，以使得所述金属膜层中的杂质缺陷未超出规格；若所述金属膜层中的杂质缺陷未超出规格，则对所述金属膜层进行刻蚀，以形成金属层结构。

[0034] 下面更为详细的介绍本实施例提供的金属层结构的制造方法：

[0035] 按照步骤S1，提供一晶圆。其中，所述晶圆可以包括衬底以及形成于所述衬底上的膜层结构。所述衬底可以为本领域技术人员熟知的任意合适的底材，例如可以是以下所提到的材料中的至少一种：硅(Si)、锗(Ge)、锗硅(SiGe)、碳硅(SiC)、碳锗硅(SiGeC)、砷化铟(InAs)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)或者其它III/V化合物半导体，还包括这些半导体构成的多层结构等，或者为绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)，或者还可以为双面抛光硅片(Double Side Polished Wafers，DSP)，也可为氧化铝等的陶瓷基底、石英或玻璃基底等。所述晶圆上形成的膜层结构例如是栅极结构或介质层等，所述栅极结构可以是多晶硅栅极或金属栅极。需要说明的是，本发明对晶圆的结构不作限定，可以依据要形成的器件选择合适的晶圆。

[0036] 按照步骤S2，形成金属膜层于所述晶圆上，所述金属膜层的温度高于所述金属膜层的材质的固溶温度。形成所述金属膜层于所述晶圆上的方法可以包括：真空蒸镀、溅射镀或离子镀，真空蒸镀是将待蒸镀的金属材料在真空腔体中加热、蒸发，使蒸发的原子或原子团在温度较低的晶圆上凝结，以形成所述金属膜层；溅射镀是利用带电离子在电磁场的作用下获得足够的能量，轰击固体靶材(即金属材料)表面，从靶材表面被溅射出来等离子体以一定的动能射向晶圆表面，在晶圆上形成所述金属膜层；离子镀是在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质部分离化，在气体离子或被蒸发物质粒子轰击作用的同时，把蒸发物或其反应物沉积在晶圆上，以形成所述金属膜层。

[0037] 而在采用上述几种方法形成所述金属膜层的过程中，都会因为反应过程中的反应腔体内的加热或等离子体轰击等因素使得所述金属膜层以及所述晶圆具有较高的温度，所述较高的温度高于所述金属膜层的材质的固溶温度。所述金属膜层的温度高于所述金属膜层的材质的固溶温度，使得形成的所述金属膜层的结构或者表面更加均匀，根据采用的形成所述金属膜层的方法不同以及形成的所述金属膜层的材质的不同，所述金属膜层表面的温度也会不同。所述金属膜层的材质可以包括铝、铜、钨、镍、金、银和钛等金属中的一种或至少两种组成的合金。例如，当所述金属膜层的材质为铝和铜组成的合金时，可以采用溅射镀的方法形成所述金属膜层于所述晶圆上，其中，溅射镀采用的铝靶材中含有0.5％的铜，当铝和铜的等离子体被溅射到所述晶圆的表面时，所述金属膜层和所述晶圆的表面温度升高到大于300℃，即达到铝和铜组成的合金的固溶温度，使得形成的所述金属膜层的结构或者表面在此温度下保持均匀。

[0038] 另外，形成所述金属膜层于所述晶圆上之前，可以先形成扩散阻挡层于所述晶圆上。所述扩散阻挡层能够阻挡所述金属膜层中的金属原子扩散，尤其当所述金属膜层之后刻蚀形成的金属层结构为金属互连结构时，沿电场反方向运动的电子会与金属原子进行动量交换，导致金属原子产生由原子扩散主导的质量运输，即产生电迁移现象，而电迁移现象会导致金属互连结构因金属原子的扩散移动而形成空洞(void)或者凸起(hillock)等缺陷，对于缺陷严重的区域甚至会出现断路或者短路等问题，因此，所述扩散阻挡层的存在就显得尤为重要。所述扩散阻挡层可以为单层或至少两层，其材质可以包括钽、氮化钽、氮化钛、氮化钨和氮硅钽中的一种或至少两种的组合，可以采用物理气相沉积或化学气相沉积等薄膜沉积技术形成所述扩散阻挡层。

[0039] 按照步骤S3，对所述金属膜层进行冷却处理。根据上述步骤S2的描述，形成的所述金属膜层的温度高于所述金属膜层的材质的固溶温度，因此，在形成所述金属膜层之后需要将所述金属膜层冷却到室温(例如20℃～30℃)，以进行后续的工艺处理。可以采用向冷却腔室中通入氮气等冷却气体的方式将所述金属膜层在小于2min的时间内快速冷却到室温，以使得冷却后的所述金属膜层的结构状态与步骤S2中的温度高于所述金属膜层的材质的固溶温度的所述金属膜层的结构状态尽可能地保持一致，即通过快速冷却，将步骤S2中的结构或表面均匀的所述金属膜层的状态固定下来，使得冷却后的所述金属膜层的结构或表面尽可能地保持均匀，进而使得所述金属膜层中的杂质缺陷尽可能地控制在规格以内，以改善所述金属膜层中产生的杂质缺陷的问题。可以理解的是，此处所指的冷却方式仅为本实施例的一个示例，在实际操作过程中，应当根据实际情况调整通入的冷却气体以及冷却时间，所以不应以此限定本发明。

[0040] 按照步骤S4，检测所述金属膜层中的杂质缺陷是否超出规格，若所述金属膜层中的杂质缺陷超出规格，则对所述金属膜层进行去杂质处理，以使得所述金属膜层中的杂质缺陷未超出规格；若所述金属膜层中的杂质缺陷未超出规格，则对所述金属膜层进行刻蚀，以形成金属层结构。所述金属层结构可以包括金属互连结构、电阻的极板或电容的极板。

[0041] 其中，可能有多种因素会导致所述金属膜层中的杂质缺陷超出规格，例如，在上述步骤S2中，形成所述金属膜层于所述晶圆上的过程中，沉积机台异常停机而导致沉积所述金属膜层的工艺停止，若沉积了部分厚度的所述金属膜层的所述晶圆在机台的沉积腔室中停留超过一定时间(例如超过20min)未继续进行沉积工艺去补镀所述金属膜层时，所述晶圆的表面温度会缓慢下降，即已经形成的部分厚度的所述金属膜层的温度从高于所述金属膜层的材质的固溶温度缓慢下降到室温，这就会导致步骤S2中的所述金属膜层的结构状态在温度缓慢下降的过程中发生变化，形成第二相的杂质，例如当所述金属膜层的材质为铝和铜组成的合金时，在步骤S2中，不小于300℃的温度为铝和铜组成的合金的固溶温度，而当温度缓慢下降到室温的过程中，所述金属膜层中会发生铜聚集而形成Al2Cu杂质缺陷，此杂质缺陷导致所述金属膜层的结构或表面不均匀。或者，在上述步骤S3中，在对所述金属膜层进行冷却处理的过程中，通入的氮气等冷却气体的量不足等因素导致冷却工艺出现异常，使得所述金属膜层的结构状态发生变化，进而导致所述金属膜层中出现第二相的杂质缺陷。而具有大量超规格的杂质缺陷的不均匀的所述金属膜层会影响后续刻蚀工艺之后形成的所述金属层结构的性能，例如，当所述金属层结构为金属互连结构时，在后续的封装工艺中，结构或表面不均匀的金属互连结构中的焊垫与引线之间的连接可靠性会受到影响，进而导致电路失效等问题。

[0042] 在对所述金属膜层中的杂质缺陷进行检测时，若所述金属膜层中的杂质缺陷超出规格，根据造成所述金属膜层中产生超规格的杂质缺陷的原因不同，对所述金属膜层进行去杂质处理的步骤也会不同，其步骤可以包括：当所述金属膜层在沉积腔室中的沉积工艺已经完成，而在冷却腔室中的冷却工艺出现异常而导致所述金属膜层中产生超规格的杂质缺陷时，则可直接对所述金属膜层进行退火处理；当沉积机台异常停机而导致所述金属膜层的沉积工艺没有完成，则可重新形成所述金属膜层于所述晶圆(即原先已沉积的所述金属膜层)上，并对重新形成的所述金属膜层进行退火处理。所述退火处理的步骤包括：先将所述金属膜层在不小于所述金属膜层的材质的固溶温度的温度下维持一定时间，再将所述金属膜层迅速冷却到室温。其中，所述一定时间可以包括但不限于2min～20min(例如为3min、10min、15min等)；将所述金属膜层迅速冷却到室温可以包括但不限于在小于2min的时间内冷却到20℃～30℃(例如为22℃、25℃、28℃等)；可以根据所述金属膜层的材质不同，选择合适的所述一定时间和合适的冷却速度。通过将所述金属膜层在不小于所述金属膜层的材质的固溶温度的温度下维持一定时间，使得所述金属膜层中产生的杂质缺陷的结构状态尽可能多的重新回到均匀的状态，再通过将所述金属膜层快速冷却到室温，使得结构或表面均匀的所述金属膜层的状态固定下来，进而使得冷却后的所述金属膜层的结构或表面尽可能地保持均匀，使得所述金属膜层中的杂质缺陷得到改善，如图3所示，改善后的金属层结构上的杂质缺陷D3的数量相比图1a中所示的杂质缺陷D1大大减少。另外，为了使得所述金属膜层快速冷却到室温，可以采用两阶段冷却的方法进行冷却，例如在第一阶段通入一定量的氮气冷却1min，在第二阶段可以将第一阶段中使用的氮气排出，重新通入氮气再冷却30s，并且通过控制氮气的流速、压力等参数来控制冷却速度，以尽可能多地减少所述金属膜层中的杂质缺陷，第一阶段和第二阶段的冷却时间也可以根据冷却的效果进行调整。另外，若所述金属膜层中的杂质缺陷未超出规格，或者，已经通过去杂质处理将所述金属膜层中的超出规格的杂质缺陷控制在规格以内，则对所述金属膜层进行刻蚀，以形成所述金属层结构。对所述金属膜层进行刻蚀的方法可以包括干法刻蚀或湿法刻蚀。

[0043] 另外，上述的金属层结构的制造方法中的各个步骤不仅限于上述的形成顺序，各个步骤的先后顺序可适应性的进行调整。

[0044] 综上所述，本发明提供的金属层结构的制造方法，包括：提供一晶圆；形成金属膜层于所述晶圆上，所述金属膜层的温度高于所述金属膜层的材质的固溶温度；对所述金属膜层进行冷却处理；以及，检测所述金属膜层中的杂质缺陷是否超出规格，若所述金属膜层中的杂质缺陷超出规格，则对所述金属膜层进行去杂质处理，以使得所述金属膜层中的杂质缺陷未超出规格；若所述金属膜层中的杂质缺陷未超出规格，则对所述金属膜层进行刻蚀，以形成所述金属层结构。本发明提供的金属层结构的制造方法使得金属层结构中的杂质缺陷控制在规格以内，进而避免影响金属层结构的性能。

[0045] 本发明一实施例提供一种半导体器件的制造方法，所述半导体器件的制造方法包括：采用本发明提供的所述金属层结构的制造方法，形成金属层结构于一晶圆上。所述晶圆可以包括衬底以及形成于所述衬底上的膜层结构，所述晶圆上形成的膜层结构例如是栅极结构或介质层等。由于采用了本发明提供的所述金属层结构的制造方法形成所述金属层结构，使得所述金属层结构中的杂质缺陷得到改善，即杂质缺陷控制在规格以内，使得所述金属层结构具有均匀的结构或表面，进而使得所述金属层结构的性能得到提高，从而使得所述半导体器件的性能也得到提高。

[0046] 所述金属层结构的材质可以包括铝、铜、钨、镍、金、银和钛等金属中的一种或至少两种组成的合金。所述金属层结构可以包括金属互连结构、电阻的极板或电容的极板。当所述金属层结构为金属互连结构时，在后续的封装工艺中，具有结构或表面均匀的金属互连结构使得其中的焊垫与引线之间的连接可靠性得到提高，进而避免了电路失效等问题，使得半导体器件的可靠性得到提高。

[0047] 本发明一实施例提供一种半导体器件，所述半导体器件包括：采用本发明提供的所述金属层结构的制造方法制造而成，形成金属层结构于一晶圆上。所述晶圆可以包括衬底以及形成于所述衬底上的膜层结构，所述晶圆上形成的膜层结构例如是栅极结构或介质层等。由于采用了本发明提供的所述金属层结构的制造方法制造而成，使得形成的所述金属层结构中的杂质缺陷得到改善，即杂质缺陷控制在规格以内，使得所述金属层结构具有均匀的结构或表面，进而使得所述金属层结构的性能得到提高，从而使得所述半导体器件的性能也得到提高。

[0048] 上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

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