本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种在mems结构中制造金属引脚垫的方法。
背景技术：
mems(微机电系统)是在半导体制造技术基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、liga、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。金属因其良好的导电性成为mems器件制造中，普遍采用的电气互连材料，最常见的用于层间金属互连线和引脚垫pad，常用的材料如铝，铜，金等。
与层间金属互联线相配套使用的介质材料，常称之为层间介质，材料多选用氧化硅，氮化硅，磷硅玻璃，硼硅玻璃，有机聚合物(例如聚酰亚胺)。与引脚垫pad相配套使用的介质材料，常称之为钝化层，材料多选用氧化硅，氮化硅，磷硅玻璃，硼硅玻璃，三氧化二铝，有机聚合物(例如聚酰亚胺)。层间介质与钝化层是单层或多层组合。在器件的制备工艺上，通过重复步骤：制备介质，制备通孔，金属填充通孔，形成金属线，介质保护金属线，机械平坦化，来完成整个器件的层间金属互联。
在制作金属引脚垫pad时，常常需要深入连接到衬底上的有源区，以实现最直接的电接触，产生电场，实现特定的机械功能。采用现有工艺制作金属引脚垫pad经常会发生金属线被腐蚀的现象，降低了器件的良率和可靠性。
技术实现要素：
本发明提供了一种在mems结构中制造金属引脚垫的方法，包括以下步骤：
s1，提供半导体基体结构，所述半导体基体结构包括有源区层，在所述半导体结构上生长层间介质层；s2，在所述层间介质层上生长钝化层；s3，在所述钝化层上表面刻蚀通孔；s4，在所述刻蚀有通孔的半导体基体结构上沉积保护层；s5，在所述保护层上生长金属引脚垫；s6，湿法刻蚀去除未被金属引脚垫填充和覆盖的保护层，直至露出钝化层的上表面。
在本发明的一个实施例中，所述层间介质层为五层薄膜结构，其制备方法包括以下步骤：
s11，利用pecvd法在有源区层上生长teos二氧化硅；s12，在所述teos二氧化硅上生长制备氮氧化硅；s13，在所述氮氧化硅上生长制备teos二氧化硅；s14，在所述teos二氧化硅上生长制备氮氧化硅；s15，在所述氮氧化硅上生长氮化硅。
步骤s11所述的在有源区层上生长teos二氧化硅的方法包括以下步骤：s111，在有源区层上生长一层较为致密的初始二氧化硅薄膜层；s112，在所述初始二氧化硅薄膜层之上生长主体teos二氧化硅薄膜层；s113，在主体teos二氧化硅薄膜层生长结束后，再生长一层致密的尾端二氧化硅薄膜层。
本发明实施例提供的在mems结构中制造金属引脚垫的方法，通过合理的设计层间介质层和钝化层的生长工艺，能够有效防止介质层和钝化层的破裂(包括微破裂或微损伤)。由此来避免器件经历多次湿法刻蚀时刻蚀溶液对金属线的腐蚀，大大提高器件的良率和可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一个实施例提供的一种在mems结构中制造金属引脚垫的方法示意图；
图2为本发明的一个实施例提供的生长层间介质层后的示意图；
图3为本发明的一个实施例提供的生长钝化层后的示意图；
图4为本发明的一个实施例提供的刻蚀通孔后的示意图；
图5为本发明的一个实施例提供的沉积保护层后的示意图；
图6为本发明的一个实施例提供的生长金属引脚垫后的示意图；
图7为本发明的一个实施例提供的湿法刻蚀保护层后的示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“耦合”、“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
在mems制造工艺中，由于金属制作的引脚垫pad经常要深入接触到有源区，因此金属引脚垫pad的制备工艺对mems器件性能的影响巨大，如图1所示，在本发明的一个实施例中提供了一种金属引脚垫pad的制备方法，包括：
步骤s1，提供半导体基体结构100，所述半导体基体结构包括有源区层200，在所述半导体结构上生长层间介质层300，如图2所示。在本发明的一个实施例中，所述半导体基体结构的材料为为硅。在本发明的一个实施例中，所述层间介质层的生长方法为：先采用pecvd(等离子增强化学气相沉积法)法生长一定厚度的teos二氧化硅，再采用pecvd生长一定厚度的氮化硅，优选的，所述teos二氧化硅的厚度为100-1400纳米，所述氮化硅的厚度为100-500纳米。
在本发明的一个实施例中，在形成氮化硅后还包括步骤：对有源区的上方的层间介质层进行干法等离子体刻蚀，刻蚀掉有源区上方较厚的层间介质层，到仅保留有源区上方仅有一层刻蚀停止层，之后再进行步骤s2。
步骤s2，在所述层间介质层300上生长钝化层400，如图3所示。在本发明的一个实施例中，所述钝化层的制备方法为：先采用pecvd法生长一定厚度的teos二氧化硅，再采用pecvd生长一定厚度的氮化硅。优选的，所述teos二氧化硅的厚度为200-2000纳米，所述氮化硅的厚度为200-1000纳米。
步骤s3，在所述钝化层400上表面刻蚀通孔500，如图2所示，所述通孔穿透钝化层和层间介质层。在本发明的一个实施例中，所述刻蚀工艺为干法刻蚀。优选的，在进行干法刻蚀之后，还包括一步退火操作，来修复干法刻蚀造成的器件表面的损伤。
步骤s4，在刻蚀有通孔500的半导体基体结构上沉积保护层，如图5所示。在本发明的一个实施例中，所述保护层为多层结构，优选的，所述多层结构的保护层从下至上依次包括：第一层粘附层，所述粘附层的材料是钛ti；第二层阻挡层(barrierlayer)，所述阻挡层的材料是氮化钛(tin)，所述阻挡层用于阻挡金属的扩散，在金属引脚pad的材料为金的实施例中，所述阻挡层的材料为钨化钛(tiw)；第三层是种子层(seedlayer)，所述种子层用于生长金；第四层是掩模层(masklayer)，所述掩模层的材料是钨化钛(tiw))，所述掩模层用于通过化学镀的方式生长金。优选的，上述四层保护层均通过pvd射频溅射方法生成。
步骤s5，在保护层600上生长金属引脚垫700，如图6所示。在本发明的一个实施例中，所述金属为金，所述生长方式为化学镀。
在本发明的一个实施例中，在通孔中的保护层上生长引脚垫的同时，还在介质层的沟道中生长有金属线，在每一步生长完成后，进行一步干法刻蚀，在层间介质层上刻蚀除沟道，在完成干法刻蚀后，等待下一个层间介质层的生长，来完成金属线的隔离和绝缘覆盖，优选的，在干法刻蚀后还会有一个退火步骤来修复等离子干法刻蚀对器件表面造成的损伤。
在本发明的一个实施例中，当保护层为依次包括粘附层、阻挡层、种子层和掩模层的多层结构时，在生长金属引脚垫pad前还需要对钨化钛掩模层进行湿法开口刻蚀，露出其下方的种子层。所述湿法开口刻蚀的工艺为，用双氧水对钨化钛掩模层进行湿法刻蚀，来为深孔及深孔开口附近区域的金的种子层进行掩模开口。
在进行上述湿法刻蚀步骤时，如果此时层间介质层有破裂，所述破裂包括微破裂或微损伤，则湿法刻蚀工艺所使用的双氧水就会渗入裂缝，腐蚀金属线，造成金属线的锯齿状损伤，严重的情况下，甚至导致金属线因被腐蚀而断裂，导致金属互连发生断路失效。
步骤s6，湿法刻蚀去除未被金属引脚垫700填充和覆盖的保护层600，直至露出钝化层400的上表面，如图7所示。，在本发明的一个实施例中，当保护层为依次包括粘附层、阻挡层、种子层和掩模层的多层结构时，所述湿法刻蚀的具体工艺是：1.在化学镀金属工艺前，用双氧水对钨化钛掩模层进行湿法刻蚀；2.在化学镀金属工艺后，用双氧水对钨化钛掩模层进行湿法去除；3.用碘化钾溶液对种子层进行湿法去除；4.用双氧水对钨化钛阻挡层和钛粘附层进行湿法去除。
在进行上述湿法去除步骤时，如果此时钝化层有破裂，则会造成的双氧水溶液多次渗入裂缝，腐蚀金属线，造成铝铜金属线的锯齿状损伤，严重的情况下，甚至导致金属线因被腐蚀而断裂，导致金属互连发生断路失效。
为了防止因层间介质层破裂而导致的金属互联失效的情况的发生，优选的，所述层间介质层20为五层薄膜结构，并采用如下s11-s15工艺来制备介质层：
步骤s11，采用pecvd法在有源区层上生长teos二氧化硅。在本发明的一个实施例中，所述teos二氧化硅的厚度可以减半，优选的，为50至700纳米。在本发明的一个实施例中，采用如下s111-s113工艺使用pecvd法生长制备teos二氧化硅薄膜：
步骤s111，可先使用高频的单一射频功率源(singlerfpower)来生长一层较为致密的初始二氧化硅薄膜，所述初始二氧化硅薄膜与半导体基底或者金属线接触，优选的，所述高频射频功率源的频率为13.56兆赫兹。这层较为致密的teos二氧化硅薄膜，抵抗破裂的能力较强，但沉积速率较慢。
步骤s112，在该初始二氧化硅薄膜层之上原位(insitu)生长主体的teos二氧化硅薄膜。所述主体teos二氧化硅薄膜也通过pecvd法生长制备，在制备主体teos二氧化硅薄膜时，使用的是双射频功率源(dualrfpower)，在高频的功率源施加在化学反应的腔室的同时，还另外施加一个低频的射频功率源。在双射频功率施加下，teos二氧化硅薄膜的沉积速率能够大大加快，甚至能够增加十倍以上。优选的，所述高频射频功率源的频率为13.56兆赫兹，所述低频射频功率源的频率为100千赫兹。随着沉积速率的增加，所生成的二氧化硅薄膜变得较为疏松，薄膜内的缺陷和微小空隙也会增多，因而，比较容易在后续的加工过程中发生破裂，所以引入第三步s113。
步骤s113，在主体teos二氧化硅薄膜生长结束后，再进行原位的使用高频的单一射频功率源来生长一层较为致密的尾端二氧化硅薄膜。采用本发明实施例所述的制备teos二氧化硅的方法，制备出的teos二氧化硅薄膜为三明治结构。
步骤s12，在所述teos二氧化硅上生长制备氮氧化硅。在本发明的一个实施例中，所述生长方法为pecvd，所述氮氧化硅的厚度为10至30纳米,优选的采用pecvd法生长制备氮氧化硅使用高频的单一射频功率源来生长，以增加其成膜的致密性并减少微小空隙等缺陷，以达到更好的阻挡二氧化硅层破裂的目的。对于插入到teos二氧化硅和氮化硅之间的氮氧化硅，由于直接接触的下方的薄膜是高频的单一射频功率源来生长的尾端二氧化硅薄膜，所以，也应该使用高频的单一射频功率源来生长，以更好的实现teos二氧化硅和氮化硅薄膜的过渡和缓冲。
步骤s13，在所述氮氧化硅上生长制备一层teos二氧化硅。在本发明的一个实施例中，所述生长方法为pecvd，所述teos二氧化硅的厚度为50至700纳米厚。所述制备teos二氧化硅的工艺方法与步骤s11相同。
步骤s14，在所述teos二氧化硅上生长制备一层氮氧化硅。在本发明的一个实施例中，所述生长方法为pecvd，所述氮氧化硅的厚度为10至30纳米。所述制备氮氧化硅的工艺方法与步骤s12相同。
步骤s15，在所述氮氧化硅上生长一层氮化硅。在本发明的一个实施例中，所述生长方法为pecvd，所述氮化硅的厚度为50至700纳米厚。由于氮化硅薄膜的内应力较大，且对工艺参数的物理设定比较敏感，因此需要调节氮化硅薄膜内应力，在制作工艺中可根据实际情况灵活决定使用单一射频功率源，或者双射频功率源，优选的，通过两者的交替使用来生长优选的内应力范围内的氮化硅薄膜。
采用上述s11-s15所述工艺制备的层间介质层，使用了两层较薄的氮氧化硅作为插入层，其中第一层作为teos二氧化硅薄膜的破裂阻挡层，或破裂终止层，第二层用来充当teos二氧化硅薄膜与质地更坚硬致密的氮化硅薄膜之间的过渡层或缓冲层。
优选的，本发明之所以选择插入氮氧化硅作为二氧化硅的破裂阻挡层，或破裂终止层，而不是使用氮化硅。主要的原因是，对于上下的二氧化硅层，相比较于插入的是氮化硅薄膜的情形，氮氧化硅薄膜具备更好的粘附性和更少的缺陷态密度，这对于作为破裂终止或阻挡层的较薄的插入层是极其重要的。同时，等离子体增强化学气相沉积pecvd法制备的氮氧化硅薄膜，相比于采用同样方法制备的氮化硅薄膜，具备更好的成膜均匀性，而更好的成膜均匀性，在作为破裂终止或阻挡层的较薄的插入层时，是一个很大的优点。另外，对于氮氧化硅薄膜充当二氧化硅层和氮化硅层薄膜之间的过渡层时，相比于原来在氧化硅层上面直接生长致密且坚硬的氮化硅薄膜，必然存在较大缺陷态密度的情形，氮氧化硅薄膜，其薄膜本体的致密性和坚硬度恰好在二氧化硅和氮化硅之间，恰好能同时对其上层的氮化硅薄膜和下层的二氧化硅都有更好的粘附性和更少的缺陷态密度。这对于充当破裂阻挡层，或破裂终止层是极其重要的。
在本发明的另一个实施例中，所述层间介质层为三层薄膜结构，采用如下工艺制备：第一步，将前述实施例步骤s11中在半导体硅基底上利用pecvd法生长的teos二氧化硅的步骤替换为，通过热氧化法生长二氧化硅；第二步，在所述热氧化法生长的二氧化硅薄膜上直接采用pecvd法生长制备氮氧化硅层，所述氮氧化硅的厚度为10至30纳米；第三步，采用pecvd法生长氮化硅，所述氮化硅的厚度为50至700纳米。
采用本实施例所述工艺只需要三步即可完成层间介质的生长。这种制备方法使用了一层较薄的氮氧化硅作为插入层，用来充当热氧化法生长的二氧化硅薄膜与质地更坚硬致密的氮化硅薄膜之间的过渡层或缓冲层。
为了继续防止因钝化层破裂而导致的金属互联失效的情况的发生，优选的，所述钝化层30为五层薄膜结构，并采用如下s21-s25工艺来制备钝化层：
一个实施例中，所述teos二氧化硅的厚度为100至1000纳米。优选的，采用如下s211-s213工艺使用pecvd法生长制备teos二氧化硅薄膜：
步骤s211，可先使用高频的单一射频功率源(singlerfpower)来生长一层较为致密的初始二氧化硅薄膜，所述初始二氧化硅薄膜与层间介质层接触，优选的，所述高频射频功率源的频率为13.56兆赫兹。这层较为致密的teos二氧化硅薄膜，抵抗破裂的能力较强，但沉积速率较慢。
步骤s212，在该初始二氧化硅薄膜层之上原位(insitu)生长主体的teos二氧化硅薄膜。所述主体teos二氧化硅薄膜也通过pecvd法生长制备，在制备主体teos二氧化硅薄膜时，使用的是双射频功率源(dualrfpower)，在高频的功率源施加在化学反应的腔室的同时，还另外施加另一个低频的射频功率源。在双射频功率施加下，teos二氧化硅薄膜的沉积速率能够大大加快，甚至能够增加十倍以上。优选的，所述高频射频功率源的频率为13.56兆赫兹，所述低频射频功率源的频率为100千赫兹。随着沉积速率的增加，所生成的二氧化硅薄膜变得较为疏松，薄膜内的缺陷和微小空隙也会增多，因而，比较容易在后续的加工过程中发生破裂，所以引入第三步s213。
步骤s213，在主体teos二氧化硅薄膜生长结束后，再进行原位的使用高频的单一射频功率源来生长一层较为致密的尾端二氧化硅薄膜。采用本发明实施例所述的制备teos二氧化硅的方法，制备除的teos二氧化硅薄膜为三明治结构。
步骤s22，在teos二氧化硅上生长制备氮氧化硅层。在本发明的一个实施例中，所述生长方法为pecvd，所述氮氧化硅层厚度为10至60纳米。优选的采用pecvd法生长制备氮氧化硅使用高频的单一射频功率源来生长，以增加其成膜的致密性并减少微小空隙等缺陷，以达到更好的阻挡二氧化硅层破裂的目的。
步骤s23，在氮氧化硅层上生长制备teos二氧化硅层。在本发明的一个实施例中，所述生长方法为pecvd，所述teos二氧化硅的厚度为100至1000纳米厚。所述制备teos二氧化硅的工艺方法与步骤s21相同。
步骤s24，在teos二氧化硅层上生长制备氮氧化硅层，在本发明的一个实施例中，所述生长方法为pecvd，所述氮氧化硅的厚度为10至60纳米。所述制备氮氧化硅的工艺方法与步骤s22相同
步骤s25，在氮氧化硅层上生长氮化硅sin层。在本发明的一个实施例中，所述生长方法为pecvd，所述氮化硅的厚度为200至1000纳米厚。由于氮化硅薄膜的内应力较大，且对工艺参数的物理设定比较敏感，因此需要调节氮化硅薄膜内应力，在制作工艺中可根据实际情况灵活决定使用单一射频功率源，或者双射频功率源，优选的，通过两者的交替使用来生长优选的内应力范围内的氮化硅薄膜。
这种制备方法使用了两层较薄的氮氧化硅作为插入层，一层用来充当teos二氧化硅薄膜的破裂阻挡层，或破裂终止层，另一层用来充当teos二氧化硅薄膜与质地更坚硬致密的氮化硅薄膜之间的过渡层或缓冲层。
上述制备层间介质层和钝化层的优选工艺，可以同时使用，也可根据实际需求择一使用，均可防止因层间介质层或钝化层破裂而导致的金属互联失效。
对于层间介质层和金属互联，钝化层和引脚垫的制备工艺，尤其需要注意介质与金属间的应力集中，对pecvd法生长的绝缘薄膜，包括所有的介质层和钝化层，要进行应力设计和优化。应使得在关键的考察点，例如在对化学镀金的多层功能薄层进行湿法刻蚀之前，相关的介质膜系中集中的内应力得到释放。
因此优选的在本发明的一个实施例中，在钝化层介质制备结束，干法刻蚀打开引脚垫的深孔后，还包括一步退火工艺。优选的，所述退火工艺的温度不应过高，本发明的实施例中选择在300至400摄氏度之间，退火时间也不应过长，本发明的实施例中选择不超过20分钟。
除了优选薄膜的制备工艺，和优选适当温度下的退火工艺之外，在本发明的实施例中，还增加了衡量优化结果的步骤，具体为在关键的步骤点上，对包含器件的整个硅晶圆wafer的上表面的弯曲程度(bow值)，即整个硅晶圆的翘曲度(warpage)，使用薄膜厚度测量机台，进行测量和监测。
通过对薄膜制备工艺的优选和附加使用释放内应力集中的退火工艺，并监测关键的步骤点上的整个硅晶圆的翘曲度(warpage)等有效的工艺整合，能够有效防止介质层和钝化层的破裂(包括微破裂或微损伤)。由此来避免器件经历多次湿法刻蚀时刻蚀溶液对金属线的腐蚀，并大大提高器件的良率和可靠性。
本发明的技术方案，首先解决了介质薄膜(包括介质层和钝化层)发生破裂后，经多次湿法刻蚀时刻蚀溶液渗入裂缝，对金属线的腐蚀造成的良率降低的技术难题，可以产生很大的经济效益。本发明方案，除了对微机电系统mems器件的制造工艺有很大的价值，对半导体器件和集成电路的制造也有很大的价值。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。