晶圆结构及其形成方法和喷淋装置与流程

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种晶圆结构及其形成方法和喷淋装置。

背景技术：

随着集成电路制造技术的不断发展，人们对集成电路的集成度和性能的要求变得越来越高。为了提高集成度，降低成本，元器件的关键尺寸不断变小，集成电路内部的电路密度越来越大，这种发展使得晶圆表面无法提供足够的面积来制作所需要的互连线。为了满足关键尺寸缩小后的互连线所需，目前不同金属层或者金属层与衬底的导通是通过互连结构实现的。

由于形成互连结构的金属材料难于附着在半导体材料上，因此在形成互连结构之前，需要在半导体材料上形成连接层(Glue Layer)，以增强所形成的金属互连结构与半导体材料的连接强度。

但是现有技术中所形成的连接层，在晶圆外围容易出现剥落、起泡等缺陷，影响所形成半导体器件的性能。

技术实现要素：

本发明解决的问题是提供一种晶圆结构及其形成方法和喷淋装置，以减少晶圆边缘的缺陷，提高良品率。

为解决上述问题，本发明提供一种晶圆结构的形成方法，包括：

提供晶圆，所述晶圆分为中心区域和外围区域；

在所述晶圆的中心区域表面形成层间介电层；

在所述晶圆的外围区域表面形成缓冲层；

形成覆盖所述缓冲层和所述层间介电层的连接层。

可选的，所述层间介电层的材料为氧化硅，所述在所述晶圆的外围区域表面形成缓冲层的步骤包括：所述缓冲层的材料为氧化硅。

可选的，所述在所述晶圆的外围区域表面形成缓冲层的步骤包括：形成厚度在2～5纳米范围内的所述缓冲层。

可选的，所述在所述晶圆的外围区域表面形成缓冲层的步骤包括：通过向所述晶圆的外围区喷淋氧化剂形成缓冲层。

可选的，所述通过向所述晶圆的外围区喷淋氧化剂形成缓冲层的步骤包括：所述氧化剂为臭氧水。

可选的，所述通过向所述晶圆的外围区喷淋氧化剂形成缓冲层的步骤包括：所述氧化剂中臭氧的浓度为0.5～1g/L，流速为600～1200ml/min，喷淋时间为3～5分钟。

可选的，所述形成覆盖所述缓冲层和所述层间介电层的连接层的步骤包括：所述连接层的材料为氮化钛或钛。

相应的，本发明还提供一种晶圆结构，包括：

晶圆，所述晶圆分为中心区域和外围区域；

位于所述晶圆中心区域表面的层间介电层；

位于所述晶圆外围区域表面的缓冲层；

覆盖所述缓冲层和所述层间介电层的连接层。

可选的，所述层间介电层材料为氧化硅，所述缓冲层材料为氧化硅。

可选的，所述缓冲层的厚度在2～5纳米范围内。

可选的，所述连接层的材料为氮化钛或钛。

本发明还提供一种喷淋装置，用于在所述晶圆的外围区域表面形成缓冲层，包括：

用于放置晶圆的卡盘；

位于卡盘上方的喷嘴，用于向所述卡盘上的晶圆喷淋液体，以在晶圆的外围区域表面形成缓冲层；

与所述喷嘴相连的混合泵，用于向所述喷嘴输出喷淋液体。

可选的，所述晶圆为圆形，所述卡盘为围绕晶圆轴线旋转的可动卡盘。

可选的，所述卡盘的旋转速度在60rpm/min到300rpm/min范围内。

可选的，所述喷嘴喷淋的液体为臭氧水；所述混合泵包括第一输入端和第二输入端，所述第一输入端用于输入臭氧，所述第二输入端用于输入去离子水；所述混合泵还包括混合部，用于混合臭氧和去离子水形成臭氧水。

可选的，所述喷淋装置还包括：喷嘴支架，用于固定所述喷嘴的位置；与所述喷嘴支架相连的马达，用于控制所述喷嘴与所述卡盘的相对位置。

可选的，所述马达为步进式马达。

可选的，所述喷淋装置还包括包围所述卡盘的围挡，用于在所述喷嘴喷淋液体时防止液体飞溅。

可选的，所述围挡为可升降结构，用于在所述喷嘴喷淋液体时位于第一位置，以包围所述卡盘；还用于在所述喷嘴未喷淋液体时位于第二位置，以露出所述卡盘；所述第一位置高于所述第二位置。

可选的，所述喷淋装置还包括位于所述卡盘下方的回收单元，用于回收所述喷嘴喷淋的液体。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明通过在晶圆外围区域形成缓冲层，以减小连接层与晶圆之间的晶格失配，减小所形成连接层与晶圆之间的应力，减小外围区域形成连接层出现气泡或剥落等缺陷的可能，改善所形成半导体器件的性能，提高器件制造良品率。

可选的，在本发明可选方案中，采用与层间介电层一样的材料形成所述缓冲层，能够减小在外围区域形成所述缓冲层对中心区域内半导体器件的影响，避免中心区域内半导体器件受影响，以提高器件制造良品率。

可选的，在本发明可选方案中，可以采用喷淋氧化剂的方式在晶圆外围区域形成所述缓冲层，能够较好的控制所述氧化剂与所述晶圆的接触范围，以控制所述缓冲层覆盖的位置，减小所述缓冲层形成对晶圆内半导体器件的影响，而且工艺简单，成本较低。

附图说明

图1至图4是现有技术中一种连接层形成方法各个步骤的结构示意图；

图5是现有技术中另一种连接层形成方法的结构示意图；

图6至图9是本发明晶圆结构的形成方法一实施例各个步骤的结构示意图；

图10是本发明晶圆结构一实施例的结构示意图；

图11是本发明晶圆结构的喷淋装置一实施例的结构示意图。

具体实施方式

由背景技术可知，现有技术中所形成的连接层，存在晶圆外围区域边缘容易出现缺陷的问题。现结合连接层形成过程分析对缺陷问题的原因：

参考图1至图4，示出了现有技术中一种连接层的形成方法。此处，以形成互连结构的连接层为例进行说明。

如图1和图2所示，(其中图2是图1中a处的放大图)提供晶圆10，所述晶圆10分为中心区域cen和外围区域per，所述晶圆10表面依次覆盖有层间介电层11和掩膜层12。

在对层间介电层11进行刻蚀形成互连结构的工艺中，由于形成在晶圆10外围区per的掩膜层12会出现侧壁塌陷的现象，因此为了获得更好的光刻效果，所述掩膜层12仅覆盖所述晶圆10的中芯区域cen。

因此刻蚀工艺处理后，图形化的层间介电层11a也仅覆盖所述晶圆10的中心区域cen(如图3所示)。

如图4所示，形成连接层15，所述连接层覆盖所述中心区域cen图形化的层间介电层11a以及外围区per暴露的晶圆10。

由于外围区域per的连接层15直接形成在晶圆10上，而连接层15与晶圆10的晶格失配较大，因此外围区域per的连接层15和晶圆10表面存在较大的应力，所以形成在外围区域per的连接层15容易出现气泡或剥落等缺陷(peeling defect)，影响所形成半导体器件的良品率。

现有技术中可以通过减少刻蚀前对所述晶圆10的清洗，使所述晶圆10表面残留部分自然氧化层，以自然氧化层为缓冲层实现所述连接层15和晶圆10的相连。但是这种方式中，由于所述晶圆10未经过彻底清洗，因此所述晶圆10中心区域cen的残留物会影响所形成半导体器件的性能，降低制造良品率。

参考图5，示出了现有技术中另一种连接层的形成方法的结构示意图，现有技术中也可以通过在所述外围区域per刻蚀形成台阶，从而使图形化的层间介质层11a覆盖所述台阶，所连接层15形成于所述层架介质层11a表面。所述层间介质层11a作为缓冲层，减小连接层15与晶圆10之间的应力，减少缺陷的产生。形成台阶的做法影响了所述晶圆10的厚度，因此会影响到互连结构刻蚀中光刻曝光，出现散焦现象，也会影响所形成半导体器件的性能。

为解决所述技术问题，本发明提供一种晶圆结构的形成方法，包括：

提供晶圆，所述晶圆分为中心区域和外围区域；在所述晶圆的中心区域表面形成层间介电层；在所述晶圆的外围区域表面形成缓冲层；形成覆盖所述缓冲层和所述层间介电层的连接层。

本发明通过在晶圆外围区域形成缓冲层，以减小连接层与晶圆之间的晶格失配，减小所形成连接层与晶圆之间的应力，减小外围区域形成连接层出现气泡或剥落等缺陷的可能，改善所形成半导体器件的性能，提高器件制造良品率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

结合参考图6至图9，示出了本发明晶圆结构的形成方法一实施例各个步骤的结构示意图。

需要说明的是，本实施例以形成互连结构的连接层为例进行说明，不应依次限制本发明。

参考图6和图7，其中图7是图6中圈A中的放大图，提供晶圆100，所述晶圆100分为中心区域CEN和外围区域PER。之后，在所述中心区域CEN表面形成层间介质层110。

具体的，所述晶圆100中心区域CEN内形成有半导体器件，为实现所述半导体器件内以及所述外半导体器件与外部的电连接，覆盖所述中心区域CEN的层间介电层110内需形成互连结构。具体的，所述晶圆100为圆形，所述外围区域PER为分布在所述中心区域CEN的圆环形，从而降低工艺的难度，提高工艺良品率。

本实施例中，形成互连结构的刻蚀过程中，容易在外围区域出现光刻胶、掩膜层侧壁塌陷的现象。因此在进行互连结构刻蚀的过程中，掩模层仅覆盖所述晶圆100的中心区域CEN。由此，经图形化后，所形成的层间介质层110也仅仅覆盖所述晶圆100的中心区域CEN。也就是说，在对所述层间介质层110图形化后，所述晶圆100外围区域PER是暴露的。

需要说明的是，为了获得清洁的表面，以提高后续半导体工艺的质量，本实施例中，在提供晶圆100的步骤之前，所述形成方法还包括对所述晶圆100进行清洗，以去除所述晶圆100表面的自然氧化层，提高所形成半导体器件的良品率。

参考图8，在所述晶圆100的外围区域PER表面形成缓冲层120。

所述缓冲层120位于后续形成的连接层和晶圆100之间，逐步减小所述连接层和外围区域PER的晶圆100之间的晶格失配，减小连接层与外围区域PER的晶圆100之间的应力，从而降低在外围区域PER所形成的连接层出现缺陷的可能，提高所形成半导体器件的性能，提高半导体器件制造的良品率。

本实施例中，所述层间介电层110的材料为氧化硅，形成所述缓冲层120的材料也为氧化硅。采用与层间介电层110一样的材料形成所述缓冲层120的好处在于，能够减小在外围区域形成所述缓冲层120对中心区域CEN内半导体器件的影响，避免中心区域CEN内半导体器件受影响。

需要说明的是，如果所述缓冲层120厚度过小，难以实现所述连接层和所述晶圆100之间的缓冲作用；如果所述缓冲层120厚度过大，则会造成材料浪费或者增加工艺难度。可选的，本实施例中，所述缓冲层120的厚度在2～5纳米范围内。

具体的，可以采用向所述晶圆100外围区域PER喷淋氧化剂160形成所 述缓冲层120。由于所述晶圆100经过清洗处理，因此晶圆100的外围区域PER表面的自然氧化层被去除，以露出晶圆100，所以当氧化剂160与晶圆100接触时，晶圆100表面形成氧化物的缓冲层120。此外采用喷淋方式形成所述缓冲层120的好处在于能够较好的控制所述氧化剂160与所述晶圆100的接触范围，而且工艺简单，成本较低。

本实施例中，向所述晶圆100外围区域PER喷淋的氧化剂160为臭氧水，即臭氧(O₃)的水溶液。当臭氧水与外围区域PER暴露的晶圆100表面接触时，发生化学反应：3Si+2O₃→3SiO₂，从而在外围区域PER表面形成氧化物的缓冲层120。具体的，可以采用混合泵实现臭氧和水的混合，以提高臭氧在水中的溶解量。

具体的，所述通过向所述晶圆100的外围区喷淋氧化剂160形成缓冲层120的步骤包括：所述氧化剂160中臭氧的浓度0.5～1g/L，流速为600～1200ml/min，喷淋时间为3～5分钟，以形成2～5nm厚度范围内的缓冲层120。

参考图9，形成覆盖所述缓冲层120和所述层间介电层110的连接层150。

本实施例中，在形成互连结构的工艺过程中，需要沉积金属以形成互连结构，为提高所述互连结构与晶圆100的连接强度，同时也为了避免形成互连结构的金属原子扩散到晶圆100、层间介质层110内，在形成互连结构之前需要在所述晶圆100上覆盖连接层150。

所述连接层150的材料为氮化钛或钛，以有效的增强互连结构与晶圆100之间的连接强度并且阻挡金属原子扩散，此外还能够作为防反射涂层以避免反射，从而提高工艺中光刻的分辨率。

具体的，可以通过化学气相沉积、物理气相沉积、原子层沉积等方式在所述晶圆100表面形成连接层150。

相应的，本发明还提供一种晶圆结构，包括：

晶圆，所述晶圆分为中心区域和外围区域；位于所述晶圆中心区域表面的层间介电层；位于所述晶圆外围区域表面的缓冲层；覆盖所述缓冲层和所述层间介电层的连接层。

具体的，参考图10，示出了本发明晶圆结构一实施例的结构示意图。

所述晶圆结构包括晶圆200，所述晶圆200分为中心区域CEN和外围区域PER；以及位于所述晶圆200中心区域CEN表面的层间介电层210。

本实施例中，所述晶圆200中心区域CEN内形成有半导体器件，为实现所述半导体器件内以及所述半导体器件与外部的电连接，覆盖所述中心区域CEN的层间介电层210内需形成互连结构。具体的，所述晶圆200为圆形，所述外围区域PER为分布在所述中心区域CEN的圆环形，因此以降低工艺的难度，提高工艺良品率。

需要说明的是，为了避免光刻胶、掩膜层在所述晶圆200外围区域PER塌陷现象的出现，以获得更好的刻蚀效果，所述层间介电层210仅覆盖所述晶圆200的中心区域CEN，也就是说，外围区域PER的晶圆200是暴露的。此外为了获得清洁的表面，提高后续半导体工艺的质量，所述晶圆200经清洁处理，以去除所述晶圆200表面的自然氧化层。

所述晶圆结构还包括：位于所述晶圆200外围区域PER表面的缓冲层220。

所述缓冲层220位于后续形成的连接层和晶圆200之间，逐步减小所述连接层和外围区域PER的晶圆200之间的晶格失配，减小连接层与外围区域PER的晶圆200之间的应力，从而降低在外围区域PER所形成的连接层出现缺陷的可能，提高所形成半导体器件的性能，提高半导体器件制造的良品率。

本实施例中，所述层间介电层210的材料为氧化硅，形成所述缓冲层220的材料也为氧化硅。采用与层间介电层210一样的材料形成所述缓冲层220的好处在于，能够减小在外围区域PER形成所述缓冲层220对中心区域CEN内半导体器件的影响，避免中心区域CEN内半导体器件受损。

需要说明的是，如果所述缓冲层220厚度过小，难以实现所述连接层和所述晶圆100之间的缓冲作用；如果所述缓冲层220厚度过大，则会造成材料浪费或者增加工艺难度。可选的，本实施例中，所述缓冲层220的厚度在2～5纳米范围内。

所述晶圆结构200还包括覆盖所述缓冲层220和所述层间介电层210的连接层250。

本实施例中，在形成接触孔的工艺过程中，需要沉积金属以形成互连结构，为提高所述互连结构与晶圆200的连接强度，同时也为了避免形成互连结构的金属原子扩散到晶圆200、层间介质层210内，在形成互连结构之前需要在所述晶圆200上覆盖连接层250。

所述连接层250的材料为氮化钛或钛，以有效的增强互连结构与晶圆200之间的连接强度并且阻挡金属原子扩散，此外还能够作为防反射涂层以避免反射，从而提高工艺中光刻的分辨率。

进一步，本发明还提供一种晶圆结构的喷淋装置，包括：

用于放置晶圆的卡盘；位于卡盘上方的喷嘴，用于向所述卡盘上的晶圆喷淋液体，以在晶圆的外围区域表面形成缓冲层；与所述喷嘴相连的混合泵，用于向所述喷嘴输出喷淋液体。

具体的，参考图11，示出了本发明晶圆结构喷淋装置一实施例的结构示意图。需要说明的是，所述喷淋装置用于在所述晶圆的外围区域表面形成缓冲层。

所述喷淋装置包括：用于放置晶圆的卡盘310，以及位于所述卡盘310上方的喷嘴320，用于向所述卡盘310上的晶圆喷淋液体，以在晶圆的外围区域表面形成缓冲层。

具体的，本实施例中，所述卡盘310呈水平放置，待处理的晶圆置于所述卡盘310的上表面上。此外所述卡盘310上还包括有卡件，以固定放置于卡盘310表面的晶圆。

所述喷嘴320设置于所述卡盘310设置晶圆一面的上方，所述喷嘴320喷出的液体下落至所述卡盘310表面的晶圆表面。

需要说明的是，本实施例中，所述喷淋装置用于在所述晶圆外围区域形成缓冲层。因此本实施例中，所述喷嘴设置于靠近所述卡盘310外围位置，且所述喷嘴320朝向远离晶圆中心的方向，以使所述喷嘴喷出的液体下落至卡盘310表面晶圆的外围位置。

此外，为了便于处理晶圆，也为了减小所述喷淋装置的体积，本实施例 中，所述卡盘310为可以围绕放置于所述卡盘310表面晶圆轴线旋转的可动卡盘310。具体的，本实施例中，所述卡盘310设置于一转动轴301上，所述转动轴301能够使所述卡盘310围绕垂直表面的轴线旋转。此外，卡盘310的旋转还能够使下落至晶圆表面的液体在离心力的作用下流向晶圆外围区域，实现对晶圆外围区域的处理。

需要说明的是，如果所述卡盘310旋转的速度过快，喷淋在卡盘310表面晶圆上的液体无法与晶圆表面充分反应；如果所述卡盘310旋转的速度过慢，则处理晶圆的速度过慢，本实施例中，所述卡盘310的旋转速度在60rpm/min到300rpm/min范围内。

所述喷淋装置还包括与所述喷嘴320相连的混合泵330，用于向所述喷嘴320输出喷淋液体。

具体的，所述混合泵330输出端与所述喷嘴320相连，向所述喷嘴320输出液体。此外所述混合泵330还可以用于向喷嘴320喷出的液体加压，使液体更均匀的从所述喷嘴320喷出。

本实施例中，所述喷淋装置用于在晶圆外围区域形成氧化物的缓冲层。因此所述喷嘴320喷淋的液体为氧化剂。具体的，所述喷嘴320喷淋的液体为臭氧水，即臭氧的水溶液。因此，所述混合泵330还包括用于输入臭氧气体的第一输入端331以及用于输入去离子水的第二输入端332，所述混合泵330还包括混合部，与所述第一输入端331和第二输入的332相连，用于混合所述第一输入端331输入的臭氧和第二输入端332输入的去离子水以形成臭氧水。采用混合泵330混合臭氧气体和去离子水以形成臭氧水的好处在于，能够提高臭氧水中臭氧的含量，提高臭氧水的氧化能力，提高所述喷淋装置处理晶圆的效率。

需要说明的是，本实施例中，所述喷淋装置还包括：喷嘴支架340和与所述喷嘴支架340相连的马达350。

所述喷嘴支架340用于固定所述喷嘴320的位置。具体的，本实施例中，所述喷嘴支架340为可伸缩支架。具体的，所述喷嘴支架340通过伸长、缩短控制所述喷嘴320与设置在卡盘310表面晶圆中心的位置，从而改变晶圆 上受到液体喷淋区域的位置。

所述马达350用于控制所述喷嘴支架340的伸长和缩短，从而控制晶圆上受到液体喷淋区域的位置。具体的，本实施例中，所述马达350为步进式马达，以获得对所述喷嘴支架340伸长和缩短的控制能力。

还需要说明的是，本实施例中，所述喷淋装置还包括包围所述卡盘310的围挡360，用于在所述喷嘴320喷淋液体时防止液体飞溅。

具体的，所述围挡360为未设置底面的空心圆柱壳体。在喷头320喷淋液体时，所述围挡360围绕在所述卡盘310周围，以阻挡液体飞溅，避免液体污染其他设备和环境。

本实施例中，所述围挡360为可升降结构。具体的，所述围挡360能够沿所述卡盘310转动轴方向做升降运动。也就是说，在所述喷嘴320喷淋液体时，所述围挡360位于第一位置以包围所述卡盘310，避免液体飞溅；在所述喷嘴320未喷淋液体时，所述围挡360位于第二位置，以露出所述卡盘310，以便于更换卡盘310上的待处理晶圆，所述第一位置高于所述第二位置。

进一步，为了避免污染环境，提高原料利用率，本实施例中，所述喷淋装置还包括位于卡盘310下方的回收单元370用于回收所述喷嘴320喷淋的液体。

本实施例中，所述回收单元370包括回收箱371，用于收集、承装所述喷嘴320喷淋的液体。平行卡盘310设置晶圆的截面内，所述回收箱371的截面积大于所述围挡360的截面积，以使飞溅至所述围挡360上的液体均能够被所述回收箱371收集。

此外，所述回收单元370还包括位于回收箱370底部的排出道372，用于将所述回收箱372收集的液体排出，以便后续进一步处理。

综上，本发明通过在晶圆外围区域形成缓冲层，以减小连接层与晶圆之间的晶格失配，减小所形成连接层与晶圆之间的应力，减小外围区域形成连接层出现气泡或剥落等缺陷的可能，改善所形成半导体器件的性能，提高器件制造良品率。而且，在本发明可选方案中，采用与层间介电层一样的材料形成所述缓冲层，能够减小在外围区域形成所述缓冲层对中心区域内半导体 器件的影响，避免中心区域内半导体器件受影响，以提高器件制造良品率。进一步，在本发明可选方案中，可以采用喷淋氧化剂的方式在晶圆外围区域形成所述缓冲层，能够较好的控制所述氧化剂与所述晶圆的接触范围，以控制所述缓冲层覆盖的位置，减小所述缓冲层形成对晶圆内半导体器件的影响，而且工艺简单，成本较低。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。