专利名称：焊垫结构的形成方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种焊垫结构的形成方法
背景技术：
随着对超大规模集成电路高集成度和高性能的需求逐渐增加，半导体技
术向着65nm甚至更小特征尺寸的技术节点发展，而芯片的运算速度明显受到 金属导线所造成的电阻电容延迟(Resistance Capacitance Delay Time, RC Delay Time)的影响。因此在目前的半导体制造技术中，采用具有更低电阻率的铜 金属互连，来代替传统的铝金属互连，以改善RC延迟的现象。
由于铜具有低电阻率的特性，以铜为互连线的器件可承受更密集的电路 排列，降低生产成本，更可提升芯片的运算速度。此外，铜还具有优良的抗 电迁移能力，使器件的寿命更长及稳定性更佳等优点。但是，相对于铝金属 互连而言，铜较更易扩散和被氧化的特点往往引起器件可靠性的问题。
在形成铝焊垫的工艺中，最后一层金属互连层的铜容易扩散进入其上面 的铝焊垫层，而导致铝焊垫失效，所以通常在铜互连层和铝焊垫层之间，必 须形成防止铜扩散的阻档层，例如TaN 、 TaSiN、 Ta等材料。例如公开号为 CN101136356A专利申请文件的实施例中公开了 一种铜互连的半导体器件的 铝焊垫结构的制造方法提供带有介质隔离层和铜布线层的半导体衬底，所 述铜布线层镶嵌于介质隔离层中；然后在所述的铜布线层和介质隔离层表面 形成氮化钽扩散阻挡层；接着在扩散阻挡层上形成钝化层，在所述的钝化层 上刻蚀出开口并填充金属铝，形成铝焊垫。
现有铜制程技术形成铝焊垫的工艺具体参见图1A至图1C所示。首先提 供一半导体衬底ioo,所述衬底上具有介质层110以及镶嵌在介质层中的最后 一层铜互连层105,在所述的铜互连层105上依次形成刻蚀停止层120和钝化 层130,如图1A所示，在所述的钝化层130上旋涂光刻胶140,形成用于填 充铝焊垫的开口 135的图案并在4屯化层130中刻蚀出开口 135，为防止过度刻 蚀破坏下层的铜互连层105,刻蚀终止于刻蚀停止层120内；然后如图1B所 示，在衬底温度不低于250。C下，釆用氧气等离子体去除光刻胶，接着化学湿法清洗去残留物；如图1C所示，将剩余的刻蚀停止层120完全刻蚀并露出铜 互连层105，再次化学湿法清洗去残留物，沉积氮化钽阻挡层140后，在开口 135内填充金属铝，形成铝焊垫145。
然而在实际生产过程中，阻挡层对金属互连层表面的不能良好的覆盖， 导致金属互连层的金属向上层扩散，引起焊垫失效，例如，铜互连层中的铜 穿过阻挡层向铝焊垫层扩散，而使铝焊垫失效。
产生上述问题的原因可能在于经过化学机械研磨的铜互连层105表面 不可避免的会残留有微小的尖刺101，刻蚀出开口 135后，这些铜尖刺不能被 剩余的刻蚀停止层覆盖而露出表面，接下来采用干法去除光刻胶140时，露 出的铜尖刺101被氧化成氧化铜并向铜互连层105内延伸，在化学湿法清洗 的过程中，氧化铜溶解于洗液，于是形成了凹凸不平的表面，使后续沉积的 阻挡层150不能对铜互连层105表面良好的覆盖，导致下层的铜穿过阻挡层 150扩散进入上层的铝焊垫145，从而使铝焊垫失效。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种焊垫结构的形成方法，能够保证阻挡层对 金属互连层覆盖良好，从而有效防止金属互连层的金属向焊垫层的扩散，提 高器件的可靠性。
为解决上述问题，本发明提供了一种焊垫结构的形成方法，包括
提供具有半导体器件的基底，所述基底至少包括金属互连层、所述金属 互连层之上的刻蚀停止层，以及刻蚀停止层之上的钝化层；
在所述钝化层上形成图案化的光刻胶层，以所述光刻胶层为掩膜在所述 钝化层中刻蚀开口 ，所述刻蚀终止于刻蚀停止层内；
干法去除所述光刻力交层；
采用含氟无氧等离子体去除剩余的刻蚀停止层，以露出所述的金属互连
层；
对露出的金属互连层表面进行还原处理；
在位于露出的金属互连层上的所述开口中形成阻挡层和所述阻挡层上的焊垫层。
可选的，所述刻蚀开口和所述去除光刻胶层在同一腔室中原位进行。
可选的，所述去除光刻胶层和所述去除剩余的刻蚀停止层在同 一腔室中 原位进行。
可选的，所述去除剩余的刻蚀停止层和所述对露出的金属互连层表面进 行还原处理在同 一腔室中原位进行。
优选的，所述刻蚀开口、所述去除光刻胶层、所述去除剩余的刻蚀停止 层、以及所述对露出的金属互连层表面进行还原处理都在同 一腔室中原位进 行。
优选的，所述去除光刻胶层采用等离子体去胶法，控制所述基底的温度
低于50°C。
可选的，所述含氟无氧等离子体包括CF4、 C4F8、 CHF3中的一种或至少 两种气体组合产生的等离子体。
优选的，所述还原处理采用氢等离子轰击金属互连层表面的方法。
优选的，产生所述氢等离子体的气体包括氢气、氨气中的一种。
所述还原处理采用还原性气体对金属互连层表面进行还原的方法。
可选的，还包括去除剩余的刻蚀停止层之前对所述剩余的刻蚀停止层表 面进行还原处理。
与现有技术相比，本发明具有以下优点
首先，去除光刻胶层后没有进行湿法清洗，而直接去除剩余的刻蚀停止 层，能够防止去胶时产生的金属氧化物溶解于清洗液之中，而且采用含氟无 氧等离子体刻蚀剩余的刻蚀停止层，能够清除去胶产生的金属氧化物并且防
止金属互连层被进一步氧化；其次，去除剩余的刻蚀停止层后，对露出的金 属互连层进行还原处理使表面的自然氧化物被还原。上述工艺的综合效果使 后续工艺沉积的阻挡层与金属互连层形成良好的覆盖和接触，从而能够有效 避免金属互连层的金属向焊垫层的扩散，提高器件的可靠性。另外，本发明所述的焊垫结构的形成方法中，刻蚀开口、去除光刻胶层、 去除剩余刻蚀停止层、对露出的金属互连层表面还原处理这四个工艺步骤可 以在一个腔室里原位进行，不仅能够避免晶片在不同设备间转换时引起的氧 化沾污，而且有利于提高生产效率。
通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及 其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同 的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的 主旨。
图1A至图1C是现有铜制程技术中的一种形成铝焊垫的工艺示意图； 图2为本发明实施例中所述焊垫结构的形成方法的流程图； 图3A至图3F是本发明实施例一中焊塾结构的形成方法的示意图； 图4A至图4C是本发明实施例二中焊垫结构的形成方法的示意图。
具体实施例方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图 对本发明的具体实施方式
做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发 明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不 违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施 的限制。
其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便 于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意 图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包 含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
图2为本发明所述的焊垫结构的形成方法的流程图，包括以下步骤
步骤11,提供具有半导体器件的基底，所述基底包括有源区、有源区上 的多层金属互连层和最后一层金属互连层之上的钝化层，所述钝化层与最后一层金属互连层之间还具有刻蚀停止层，用于确定刻蚀终点，同时防止过度
刻蚀对下层金属的损伤；在铜制程中，所述金属层的材料为铜。
步骤12，在所述钝化层上旋涂光刻胶层，曝光、显影后形成刻蚀图案， 采用等离子干法刻蚀在所述钝化层中刻蚀开口 ，所述刻蚀终止于刻蚀停止层 内，即刻蚀除去一部分刻蚀停止层后就停止，剩余的刻蚀停止层保护下层的 金属；所述开口位于金属互连层上方对应的位置，待除去剩余的刻蚀停止层 后在开口内填充金属以形成焊垫层。
步骤13,采用等离子体干法去胶去除所述光刻胶层，然后不进行湿法清 洗而直接进入下一步去除刻蚀停止层，防止去胶过程中形成的氧化物被清洗 液溶解，在铜制程中，所述氧化物为氧化铜。
步骤14,釆用含氟无氧等离子体去除剩余的刻蚀停止层，以露出金属互 连层，产生等离子体的气体中没有氧气，以防止刻蚀过程中金属互连层被氧 化。
步骤15,对露出的金属互连层表面进行还原处理，去除自然氧化物，以 形成良好的表面，使其能被以后形成的阻挡层良好覆盖。
步骤16,对还原处理后的晶片进行湿法清洗，然后在所述金属互连层上 形成阻挡层，接着在覆盖有阻挡层的开口内填充金属，图案化后形成焊垫层； 所述焊垫层的材料为铝、铝铜合金或铝硅合金。
下面结合具体的实施例详述本发明所述焊垫结构的形成方法。
实施例一
图3A至图3F是实施例一中焊垫结构的形成方法的示意图。本实施例中， 金属互连层的材料为铜，焊垫层的材料为铝。
参照图3A所示，提供一具有半导体器件的基底200,所述基底200包括 有源区、有源区上的多层金属互连层；在所述基底200上形成最后一层金属 互连层205和介质隔离层210,所述金属互连层205镶嵌于介质隔离层210之 中；金属互连层205的材料为铜，其形成方法包括但不限于物理气相沉积法和化学气相沉积法；介质隔离层210的材料包括但不限于未掺杂的二氧化硅
(USG)、磷硅玻璃(PSG)、硼硅玻璃(BSG)、硼磷硅玻璃(BPSG)、氟硅 玻璃(FSG)或具有低介电常数材料中的一种或其组合，所述具有低介电常数 材料包括但不限于黑钻石(Black Diamond, BD )或coral ,(美国Novellus 公司产品)，其形成方法包括但不限于HDPCVD、 PECVD或SACVD。
在所述金属互连层205和介质隔离层210之上形成刻蚀停止层220，用于 确定刻蚀终点，同时防止过度刻蚀对下层金属的损伤；所述刻蚀停止层220 包括但不限于氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、掺氮碳化硅中的一种，其形成方 法为化学气相沉积法，依照器件特性及尺寸设计沉积厚度为100埃至500埃。
在所述刻蚀停止层220之上形成钝化层230，用于保护下层的半导体器件 免于潮气和杂质的污染，还用于隔离绝缘焊垫，以防止金属连线短路；钝化 层可以为单层或者至少两层，其材料包括但不限于氧化硅、氮氧化硅、氮化 硅，采用化学气相沉积法形成；
本实施例中的钝化层230由两层组成，包括位于刻蚀停止层220之上的 氧化硅层和位于氧化硅层之上的氮化硅层，通过调整两层的厚度和工艺而达 到释放应力的效果，其中，氧化硅层的厚度约为4000埃，氮化硅层的厚度约 为6000埃。
参照图3B所示，在所述钝化层230上旋涂光刻胶层240,经过曝光显影 形成图案，然后以图案化的光刻胶层240为掩膜在钝化层230中采用等离子 体法刻蚀出开口 235;所述开口 235终止于刻蚀停止层220内，也就是说，除 去一部分刻蚀停止层后即停止刻蚀，剩余的刻蚀停止层保护下层的金属不被 等离子体损伤；开口 235位于金属互连层205上方对应的位置，待除去剩余 的刻蚀停止层后在开口 235内填充金属以形成焊垫层。
本实施例中在等离子刻蚀i殳备内进行刻蚀工艺。刻蚀钝化层230中的氮 化硅层采用的含氟气体的等离子体，所述含氟气体包括但不限于CF4、 CHF3， 同时刻蚀气体中还混合有氧气和氩气，用于稀释含氟气体的浓度并提高对下 层氧化硅的选择比，作为示例，气体流量分别为，CF4: 120sccm， CHF3: 15sccm，氧气30sccm，氩气600sccm，刻蚀时间65s;刻蚀钝化层230中的氧化硅 层也采用含氟气体的等离子体，所述含氟气体包括但不限于C4F8,同时也混 合有氧气和氩气，作为示例，气体流量分别为，C4F8: 10sccm，氧气10sccm， 氩气600sccm,刻蚀时间90s。
参照图3C所示，刻蚀开口 235之后釆用等离子去除光刻胶层240，产生 等离子的气体包括但不限于氧气、NO、 N20中的一种，半导体基底的温度被 控制在5(TC以下，相对于现有技术在去胶时的基底温度通常高于250°C，本 实施例中所述的低温去胶方法能够在一定程度上避免对露出刻蚀停止层表面 的铜尖刺的氧化；作为示例，氧气的流量为800sccm,等离子体的激励源功 率为800w。
优选的，刻蚀开口 235后在同一腔室中原位去除光刻胶层240,减少晶片 转移过程中的氧化和杂质污染。
参照图3D所示，采用含氟无氧的等离子刻蚀去除剩余的刻蚀停止层，以 露出金属互连层205的表面，所述含氟无氧等离子体包括CF4、 C4F8、 CHF3 中的一种或至少两种气体组合产生的等离子体，同时还混合有氩气作为稀释 气体，刻蚀气体中不包括氧气和其它的含氧气体，例如臭氧、 一氧化碳、二 氧化碳，可以防止下层的金属表面的铜尖刺被氧化；作为示例，气体的流量 为，CF4: 100sccm，氩气200sccm，刻蚀时间60s。
上述过程中在去除光刻胶层240后不进行湿法清洗，而是直接刻蚀剩余 的刻蚀停止层，避免去胶过程中生成的氧化铜溶解于清洗液，使金属层表面 不平整，而导致后续沉积的阻挡层对金属互连层表面的覆盖性较差；优选的， 去除光刻胶层240后，在同一腔室中原位刻蚀剩余的刻蚀停止层。
然后，对露出的金属互连层205表面采用氢等离子体进行轰击，铜互连 层表面的氧化铜与氢等离子体反应，而,皮还原为铜。产生氢等离子体的气体 包括但不限于氢气、氨气，优选的气体为离化率较高的氢气，作为示例，等 离子体激励源的激发功率为500w,氢气的流量为1000sccm,等离子体处理的 时间为60s。另外，等离子体进行轰击还起到去除金属互连层205表面和开口235侧壁上的残留聚合物的作用。
优选的，去除剩余的刻蚀停止层后在同 一腔室中原位进行等离子体还原 处理。
更优选的，上述刻蚀开口 235、去除光刻胶层240、去除剩余刻蚀停止层
原位进行，不仅能够避免晶片在不同设备间转换时引起的氧化沾污，而且有 利于提高生产效率。
参照图3E所示，湿法清洗去除残留物以后，在金属互连层205上形成阻 挡层250,所述的阻挡层250至少将露出的金属互连层205和开口 235的侧壁 覆盖，用于阻挡金属互连层的铜向上层扩散。该阻挡层250可以为单层或至 少两层，其材料包括但不限于Ta、 TaN、 TaSiN、 WN中的一种或至少两种的 组合，采用物理气相沉积法、化学气相沉积法、脉冲激光沉积法或者^^知的 其他薄膜沉积技术，依照器件特性及尺寸设计沉积厚度为约100埃。
参照图3F所示，在覆盖有阻挡层250的开口 235内填充金属铝，图案化 形成铝焊垫层245，采用物理气相沉积法沉积铝焊垫层，厚度为9000埃至 10000埃。
以上实施例中采用氢等离子体轰击的方法对露出的金属互连层进行还原 处理，事实上，所述还原处理釆用还原性气体对金属互连层表面进行还原的 方法，具体如以下实施例详述。
实施例二
图4A至图4C是实施例二中焊垫结构的形成方法的示意图。本实施例中， 金属互连层的材料为铜，焊垫层的材料为铝。
参照图4A所示，提供一具有半导体器件的基底300,所述基底300包括 有源区、有源区上的多层金属互连层；在所述基底300上形成最后一层金属 互连层305和介质隔离层310，所述金属互连层305镶嵌于介质隔离层310之 中；在所述金属互连层305和介质隔离层310之上形成刻蚀停止层320,用于确定刻蚀终点，同时防止过度刻蚀对下层金属的损伤；在所述刻蚀停止层320 之上形成钝化层330，用于保护下层的半导体器件免于潮气和杂质的污染，还 用于隔离绝缘焊垫，以防止金属连线短路；上述金属互连层305、介质隔离层 310、刻蚀停止层320、钝化层330的材料、形成方法、厚度等与实施例一相 似，在此不再赘述。
在所述钝化层330上旋涂光刻胶层340，经过曝光显影形成图案，然后在 钝化层330中采用等离子体刻蚀出开口 335;所述开口 335终止于刻蚀停止层 320内。
参照图4B所示，刻蚀开口 335之后采用等离子去除光刻胶层340,产生 等离子的气体包括但不限于氧气、NO、 N20，半导体基底的温度被控制在50 。C以下；然后采用含氟无氧等离子体刻蚀去除剩余的刻蚀停止层，露出下层 的金属互连层305。
而后直接对露出的金属互连层305表面进行还原处理，本实施例中釆用 还原性气体对金属互连层表面进行还原的方法，所述还原性气体包括但不限 于氢气、 一氧化碳，在一定温度下，还原性气体能够将金属互连层305表面 的氧化铜还原为铜，使金属互连层305被后续沉积的阻挡层良好的覆盖。作 为示例，还原性气体为一氧化石友，流量800sccm,基底温度为300。C，还原时 间90s。
参照图4C所示，湿法清洗去除残留物以后，在金属互连层305上形成阻 挡层350,所述的阻挡层350至少将露出的金属互连层305和开口 335的侧壁 覆盖，用于阻挡金属互连层的铜向上层扩散。而后在覆盖有阻挡层350的开 口 335内填充金属铝，图案化形成铝焊垫层345。上述阻挡层350、铝焊垫层 345的材料、形成方法、厚度等与实施例一相似，在此不再赘述。
同实施例一类似，本实例中刻蚀开口 335、去除光刻月交层340、去除剩余 刻蚀停止层320、对露出的铜互连层305表面还原处理这四个工艺步骤也可以 在一个腔室里原位进行。在本发明的另 一 实施例中，所述焊垫结构的形成方法还包括去除剩余的 刻蚀停止层之前对其表面进行还原处理，用于等离子去胶过程中，露出刻蚀 停止层表面的铜尖刺可能被氧化，所述的还原处理能够将铜尖刺的氧化物进
行还原；还原处理的方法与实施例一、实施例二相同，即氢等离子体轰击金
属互连层表面或者还原性气氛下对金属互连层表面进行还原。 ■
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上 的限制。实施例中所述的还原处理的方法仅给出了氢等离子体轰击金属互连 层表面或者还原性气氛下的对金属互连层表面进行还原两种，其他能够使金 属互连层表面的氧化铜被还原，而提高阻挡层对金属互连层覆盖能力的还原 处理方法也在本发明保护的范围之内。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何 熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上 述揭示的方法和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，
均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
权利要求
1、一种焊垫结构的形成方法，其特征在于，包括提供具有半导体器件的基底，所述基底至少包括金属互连层、所述金属互连层之上的刻蚀停止层，以及刻蚀停止层之上的钝化层；在所述钝化层上形成图案化的光刻胶层，以所述光刻胶层为掩膜在所述钝化层中刻蚀开口，所述刻蚀终止于刻蚀停止层内；干法去除所述光刻胶层；采用含氟无氧等离子体去除剩余的刻蚀停止层，以露出所述的金属互连层；对露出的金属互连层表面进行还原处理；在位于露出的金属互连层上的所述开口中形成阻挡层和所述阻挡层上的焊垫层。
2、 根据权利要求1所述的焊垫结构的形成方法，其特征在于，所述刻蚀 开口和所述去除光刻胶层在同 一腔室中原位进行。
3、 根据权利要求1所述的焊垫结构的形成方法，其特征在于，所述去除 光刻胶层和所述去除剩余的刻蚀停止层在同一腔室中原位进行。
4、 根据权利要求1所述的焊垫结构的形成方法，其特征在于，所述去除 剩余的刻蚀停止层和所述对露出的金属互连层表面进行还原处理在同一腔室 中原位进行。
5、 根据权利要求l所述的焊垫结构的形成方法，其特征在于，所述刻蚀 开口、所述去除光刻胶层、所述去除剩余的刻蚀停止层、以及所述对露出的 金属互连层表面进行还原处理都在同一腔室中原位进行。
6、 根据权利要求1至5任一项所述的焊垫结构的形成方法，其特征在于， 所述去除光刻胶层采用等离子体去胶法，控制所述基底的温度低于50°C。
7、 根据权利要求1至5任一项所述的焊垫结构的形成方法，其特征在于， 所述含氟无氧等离子体包括CF4、 C4F8、 CHF3中的一种或至少两种气体组合 产生的等离子体。
8、 根据权利要求1至5任一项所述的焊垫结构的形成方法，其特征在于， 所述还原处理采用氢等离子轰击金属互连层表面的方法。
9、 根据权利要求8所述的焊垫结构的形成方法，其特征在于，产生所述 氢等离子体的气体包括氢气、氨气中的一种。
10、 根据权利要求1至5任一项所述的焊垫结构的形成方法，其特征在 于，所述还原处理釆用还原性气体对金属互连层表面进行还原的方法。
11、 根据权利要求1至5任一项所述的焊垫结构的形成方法，其特征在 于，还包括去除剩余的刻蚀停止层之前对所述剩余的刻蚀停止层表面进行还 原处理。
全文摘要
本发明公开了一种焊垫结构的形成方法，包括提供具有半导体器件的基底，所述基底至少包括金属互连层、所述金属互连层之上的刻蚀停止层，以及刻蚀停止层之上的钝化层；在所述钝化层上形成图案化的光刻胶层，以所述光刻胶层为掩膜在所述钝化层中刻蚀开口，所述刻蚀终止于刻蚀停止层内；干法去除所述光刻胶层；采用含氟无氧等离子体去除剩余的刻蚀停止层，以露出所述的金属互连层；对露出的金属互连层表面进行还原处理；在位于露出的金属互连层上的所述开口中形成阻挡层和所述阻挡层上的焊垫层。本发明提供的焊垫结构的形成方法能够保证阻挡层对金属互连层覆盖良好，从而有效防止金属互连层的金属向焊垫层的扩散，提高器件的可靠性。
文档编号H01L21/02GK101599445SQ20081011431
公开日2009年12月9日 申请日期2008年6月3日 优先权日2008年6月3日
发明者武 孙, 张世谋, 沈满华, 王新鹏 申请人:中芯国际集成电路制造(北京)有限公司