半导体装置及其制造方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种半导体装置及其制造方法。

背景技术：

在麦克风工艺中，利用Cr(铬)层和Au(金)层作为导线的接合焊盘(wire bond pad)。图1A是示意性地示出利用Cr层和Au层作为导电的接合焊盘的结构横截面图。例如图1A所示的结构包括了氮化硅层(作为麦克风中的一层膜)101、在氮化硅层101上的Cr层102和在Cr层102上的Au层103。但是后续执行的一些包含热过程的工艺操作(例如光刻、蚀刻和灰化工艺等都含有大量的热)很容易使得Cr扩散到Au层表面，从而形成氧化铬(CrO_x)，这将导致导线连接的剪切力变弱，甚至导致粘结(bond)失效。

当前，可以通过控制后续工艺的峰值温度来降低Cr扩散活性，从而确保Cr不会扩散到Au层表面。但是，在后续工艺中，如果灰化器的温度不足够高，DRIE(Deep Reactive Ion Etching，深反应离子刻蚀)蚀刻的聚合物就不能被去除干净，这将会导致在BOE(Buffer Oxide Etching，缓冲氧化物蚀刻)工艺中的检测问题。

技术实现要素：

本发明的发明人发现上述现有技术中存在问题，并因此针对所述问题中的至少一个问题提出了一种新的技术方案。

根据本发明的第一方面，提供了一种半导体装置的制造方法，包括：提供衬底结构；在所述衬底结构上形成第一金属层；在所述第一金属层上形成第二金属层；在第一温度下在所述第二金属层上形成第一氧化物层；以及在第二温度下执行包含热过程的工艺操作；其中，所述第一温度小于所述第二温度。

在一个实施例中，所述第一氧化物层包括硅的氧化物层；所述第一温度的范围为170℃至210℃。

在一个实施例中，所述第一氧化物层的厚度范围为至

在一个实施例中，所述第一金属层的材料包括铬；所述第二金属层的材料包括金。

在一个实施例中，所述第一金属层和所述第二金属层一起用作接合焊盘。

在一个实施例中，所述方法还包括：去除所述第一氧化物层；以及在所述第二金属层上形成金属连线。

在一个实施例中，所述衬底结构包括：衬底、在所述衬底上的牺牲材料层以及在所述衬底上覆盖所述牺牲材料层的覆盖层，其中，所述第一金属层形成在所述覆盖层上。

在一个实施例中，所述执行包含热过程的工艺操作的步骤包括：在所述衬底的背面形成图案化的掩模层；以所述掩模层作为掩模，对所述衬底执行蚀刻，以形成露出所述牺牲材料层的通孔；以及去除所述掩模层。

在一个实施例中，去除所述第一氧化物层的步骤包括：利用BOE蚀刻工艺通过所述通孔去除所述牺牲材料层，并且所述BOE蚀刻工艺还去除了所述第一氧化物层。

在一个实施例中，在形成图案化的掩模层之前，所述方法还包括：在所述衬底的背面对所述衬底执行减薄处理。

本发明的制造方法可以降低由于热过程导致的扩散到第二金属层表面的第一金属的浓度，从而可以减少在第二金属层表面由于氧化形成的第一金属的氧化物。

进一步地，在去除第一氧化物层后，有利于实施金属连线的连接。

根据本发明的第二方面，提供了一种半导体装置，包括：衬底结构；在所述衬底结构上的第一金属层；在所述第一金属层上的第二金属层；以及在所述第二金属层上的第一氧化物层。

在一个实施例中，所述第一氧化物层包括在170℃至210℃的温度范围内形成的硅的氧化物层。

在一个实施例中，所述第一氧化物层的厚度范围为至

在一个实施例中，所述第一金属层的材料包括铬；所述第二金属层的材料包括金。

在一个实施例中，所述第一金属层和所述第二金属层一起用作接合焊盘。

在一个实施例中，所述衬底结构包括：衬底、在所述衬底上的牺牲材料层以及在所述衬底上覆盖所述牺牲材料层的覆盖层，其中，所述第一金属层形成在所述覆盖层上。

本发明的半导体装置可以在后续执行的包含热过程的工艺操作中，减少扩散到第二金属层表面的第一金属的浓度，因此可以减少在第二金属层表面由于氧化形成的第一金属的氧化物。

进一步地，在去除第一氧化物层后，有利于实施金属连线的连接。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本发明的实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理。

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本发明，其中：

图1A是示意性地示出利用Cr层和Au层作为导电的接合焊盘的结构横截面图。

图1B是示出检测到的在由Cr层和Au层组成的接合焊盘的样品中在Au层表面的Cr浓度的数据表。

图2是示意性地示出根据本发明一个实施例的半导体装置的制造方法的流程图。

图3A是示意性地示出根据本发明一个实施例的半导体装置的制造过程中一个阶段的结构的横截面图。

图3B是示意性地示出根据本发明一个实施例的半导体装置的制造过程中一个阶段的结构的横截面图。

图3C是示意性地示出根据本发明一个实施例的半导体装置的制造过程中一个阶段的结构的横截面图。

图3D是示意性地示出根据本发明一个实施例的半导体装置的制造过程中一个阶段的结构的横截面图。

图3E是示意性地示出根据本发明一个实施例的半导体装置的制造过程中一个阶段的结构的横截面图。

图3F是示意性地示出根据本发明一个实施例的半导体装置的制造过程中一个阶段的结构的横截面图。

图3G是示意性地示出根据本发明一个实施例的半导体装置的制造过程中一个阶段的结构的横截面图。

图3H是示意性地示出根据本发明一个实施例的半导体装置的制造过程中一个阶段的结构的横截面图。

图3I是示意性地示出根据本发明一个实施例的半导体装置的制造过程中一个阶段的结构的横截面图。

图3J是示意性地示出根据本发明一个实施例的半导体装置的制造过程中一个阶段的结构的横截面图。

图4是示出检测到的不同样品中扩散到Au层表面的Cr浓度的数据图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明的发明人发现可以利用TXRF(Total Reflection X-ray Fluorescence，全反射X射线荧光)分析方法来检测样品中扩散到Au层表面的Cr浓度。图1B是示出检测到的在由Cr层和Au层组成的接合焊盘的样品中在Au层表面的Cr浓度的数据表。图1B示出在不同热过程条件(例如不同的受热温度和受热时间)下的Cr浓度。例如，在270℃的受热温度、180秒的受热时间的条件下，Au层表面的Cr浓度是170×10¹⁰atoms/cm²。又例如，在180℃的受热温度、1200秒的受热时间的条件下，Au层表面的Cr浓度是124.2×10¹⁰atoms/cm²。这些条件下的Cr浓度是比较高的，在Au层表面形成氧化铬后，不利于实施金属连线的连接。

在另一些实施例中，本发明的实施例也可以利用Auger(俄歇)电子能谱、SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometer，二次离子质谱仪)、TEM(Transmission Electron Microscope，透射电子显微镜)EDX(Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy，能量色散X射线光谱仪)绘图等方法来检测样品中扩散到Au层表面的Cr浓度。

图2是示意性地示出根据本发明一个实施例的半导体装置的制造方法的流程图。

在步骤S202，提供衬底结构。需要说明的是，这里的衬底结构可以是一些需要在其上形成接合焊盘的半导体结构，例如可以是在形成麦克风的过程中的一些结构等，当然也可以是其他结构，本发明的范围并不仅限于麦克风的结构。

在步骤S204，在衬底结构上形成第一金属层。例如该第一金属层的材料可以包括铬。该第一金属层的厚度可以为几百埃，例如

在步骤S206，在第一金属层上形成第二金属层。例如该第二金属层的材料可以包括金。该第二金属层的厚度可以为几千埃，例如例如，第一金属层和第二金属层可以一起用作接合焊盘。

在步骤S208，在第一温度下在第二金属层上形成第一氧化物层。在一个实施例中，该第一氧化物层的材料可以是LTO(Low Temperature Oxide，低温氧化物)。例如，该第一氧化物层可以包括硅的氧化物层(例如基于TEOS(正硅酸乙酯)的氧化物或者基于SiH₄(硅烷)的氧化物等)。例如，第一温度的范围可以为170℃至210℃。比如，该第一温度可以为180℃、190℃或200℃等。在一个实施例中，该第一氧化物层的厚度范围可以为至例如，该第一氧化物层的厚度可以为或等。

在步骤S210，在第二温度下执行包含热过程的工艺操作；其中，

第一温度小于第二温度。

在上述实施例中，在第一温度下在第二金属层上形成第一氧化物层，该第一温度小于后续执行的包含热过程的工艺操作的第二温度，该第一氧化物可以填充到第二金属层的晶粒间界中，这样可以降低由于后续的热过程导致的扩散到第二金属层表面的第一金属的浓度，从而可以减少在第二金属层表面由于氧化形成的第一金属的氧化物。

例如，在金层表面形成第一氧化物层(例如LTO)，该第一氧化物可以填充到金层的晶粒间界中，这样可以降低扩散到金层表面的铬浓度，从而可以减少在金层表面形成的氧化铬，进而在去除第一氧化物层后，有利于实施金属连线的连接。

在一些实施例中，所述制造方法还可以包括：去除第一氧化物层。可选地，在去除第一氧化物层之后，所述制造方法还可以包括：在第二金属层上形成金属连线。由于在前面的制造过程中，在第二金属层上形成了第一氧化物层，减少了在第二金属层表面由于氧化形成的第一金属的氧化物，因此在去除第一氧化物层后，有利于在接合焊盘的第二金属层上形成金属连线。

图3A至图3J是示意性地示出根据本发明一个实施例的半导体装置的制造过程中若干阶段的结构的横截面图。图3A至图3J示意性地示出了在形成麦克风的过程中形成接合焊盘的过程，因此下面以形成麦克风的接合焊盘为例，描述本发明一个实施例的半导体装置的制造过程。

首先，如图3A所示，提供衬底结构，该衬底结构可以包括：衬底(例如硅衬底)301、在该衬底301上的牺牲材料层(例如硅的氧化物)302以及在该衬底301上覆盖该牺牲材料层302的覆盖层(例如氮化硅)303。

需要说明的是，为了避免遮蔽本发明的构思，本发明的附图没有示出本领域所公知的一些细节，例如图3A中没有示出形成麦克风的其他膜层结构(例如电极板层或振动膜等)，但是本领域技术人员根据这里的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案，以下附图类似。

接下来，如图3B所示，例如通过沉积工艺在衬底结构上形成第一金属层311。该第一金属层311形成在覆盖层303上。例如该第一金属层311为Cr层。

接下来，如图3C所示，例如通过沉积工艺在第一金属层311上形成第二金属层312。例如该第二金属层312为Au层。

接下来，如图3D所示，例如通过沉积工艺在第一温度下在第二金属层312上形成第一氧化物层321。在一个实施例中，该第一氧化物层321的材料可以是LTO。例如，该第一氧化物层321可以包括硅的氧化物层。例如，第一温度的范围可以为170℃至210℃。该第一温度例如可以为180℃、190℃或200℃等。在一个实施例中，该第一氧化物层的厚度范围可以为至例如，该第一氧化物层的厚度可以为或等。

可选地，接下来，如图3E所示，例如通过研磨工艺在衬底301的背面对衬底301执行减薄处理。例如在减薄处理之前，该衬底301的厚度为H₀(如图3D所示)；在减薄处理之后，该衬底301的厚度为H₁(如图3E所示)，其中H₁小于H₀。例如，该减薄处理可以使得衬底的厚度由减小到

需要说明的是，这里衬底的背面指的是衬底的与第一金属层所在衬底的一面相反的另一面。

接下来，执行包含热过程的工艺操作。下面结合图3F至图3H描述一个实施例的执行包含热过程的工艺操作的过程。

例如，该执行包含热过程的工艺操作的步骤可以包括：如图3F所示，在衬底301的背面形成图案化的掩模层(例如光刻胶)325。接下来，该执行包含热过程的工艺操作的步骤还可以包括：如图3G所示，以掩模层325作为掩模，对衬底301执行蚀刻，以形成露出牺牲材料层的通孔330。如图3G所示，该通孔可以有多个。接下来，该执行包含热过程的工艺操作的步骤还可以包括：如图3H所示，例如通过灰化工艺去除掩模层325。

在上述执行包含热过程的工艺操作过程中，形成掩模层、蚀刻衬底以及去除掩模层都可能造成高温环境，导致第一金属(例如Cr)

可能向第二金属层(例如Au层)的表面扩散，但是由于在第二金属层上形成了第一氧化物层(例如LTO)，该第一氧化物层可以填充第二金属的晶粒间界，因此可以降低扩散到第二金属层表面的第一金属的浓度，从而可以减少可能在第二金属层表面形成的第一金属的氧化物。

接下来，如图3I所示，利用BOE蚀刻工艺通过通孔330去除牺牲材料层302(从而可以形成空腔，如图3I所示)，并且该BOE蚀刻工艺还去除了第一氧化物层321。在该步骤中，在去除牺牲材料层的同时，去除了第一氧化物层。在一些实施例中，第一氧化物层为LTO，由于LTO是低温沉积的氧化物，比较疏松，因此在该BOE工艺过程中比较容易移除。

接下来，如图3J所示，在第二金属层312上形成金属连线340。该金属连线可以用作导线。例如该金属连线的材料可以包括诸如铝、铜或钨等的金属。

至此，提供了根据本发明一个实施例的半导体装置的制造方法。在上述制造过程中，形成了在麦克风结构上的用于连接金属连线的接合焊盘。上述制造方法可以降低由于热过程导致的扩散到第二金属层表面的第一金属的浓度，例如降低了扩散到金层表面的铬浓度，进而减少了不利于金属连线连接的金属氧化物(例如氧化铬)，从而有利于实施金属连线的连接。

图4是示出检测到的不同样品中扩散到Au层表面的Cr浓度的数据图。图4中示出了两组不同条件下的数据。需要说明的是，“LTO+”表示在Au层表面形成了LTO层。

例如，如图4所示，在Au层上没有形成LTO层的情况下，在270℃的受热温度和180秒的受热时间的条件下，Au层表面的Cr浓度为170.4×10¹⁰atoms/cm²；而在Au层上形成LTO层的情况下，在270℃的受热温度和180秒的受热时间的条件下，Au层表面的Cr浓度为52.6×10¹⁰atoms/cm²。又例如，如图4所示，在Au层上没有形成LTO层的情况下，在180℃的受热温度和1200秒的受热时间的条件下，Au层表面的Cr浓度为124.2×10¹⁰atoms/cm²；而在Au层上形成LTO层的情况下，在180℃的受热温度和1200秒的受热时间的条件下，Au层表面的Cr浓度为58.5×10¹⁰atoms/cm²。可见，在Au层表面形成LTO层，可以显著降低Au表面的Cr浓度。

本发明还提供了一种半导体装置。该半导体装置可以包括衬底结构。例如，如图3D所示，该衬底结构可以包括：衬底301、在该衬底301上的牺牲材料层302以及在该衬底301上覆盖该牺牲材料层302的覆盖层303。

如图3D所示，该半导体装置还可以包括在衬底结构上的第一金属层311。例如，该第一金属层311形成在覆盖层303上。例如该第一金属层311的材料可以包括铬等。

如图3D所示，该半导体装置还可以包括在该第一金属层311上的第二金属层312。例如该第二金属层312的材料可以包括金等。在一个实施例中，第一金属层311和第二金属层312可以一起用作接合焊盘，用来连接金属连线。

如图3D所示，该半导体装置还可以包括在该第二金属层312上的第一氧化物层321。该第一氧化物层321可以为LTO层。例如，该第一氧化物层可以包括在170℃至210℃的温度范围内(例如在180℃、190℃或200℃的温度条件下)形成的硅的氧化物层。在一个实施例中，该第一氧化物层的厚度范围可以为至例如，该第一氧化物层的厚度可以为或等。

本发明上述实施例的半导体装置可以在后续执行的包含热过程的工艺操作中，减少扩散到第二金属层表面的第一金属的浓度，例如减少了扩散到Au层表面的Cr浓度，因此可以减少形成第一金属的氧化物(例如氧化铬)，从而在去除第一氧化物层后，可以有利于在第二金属层上实施金属连线的连接。

至此，已经详细描述了本发明。为了避免遮蔽本发明的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。

虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。