一种金属层槽型结构的加工方法、芯片和相关设备与流程

1.本发明涉及半导体加工领域，具体涉及一种金属层槽型结构的加工方法、芯片和相关设备。


背景技术：

2.半导体器件一般要和外部电路连接，金半接触是必不可少的，根据接触势垒不同，可分为有整流作用的肖特基接触、非整流特性的欧姆接触。
3.用于制备器件的半导体外延层，如硅、碳化硅等，如果与金属接触的界面区域没有经过重掺杂并且没有经过高温退火等工艺，则通过金属化工艺在半导体外延层表面淀积制备的金属-半导体接触都是肖特基接触，可以简单地理解为与pn结相似的金属与半导体的交界面，其具有非线性阻抗特性(整流特性)。肖特基接触在金属材料和半导体材料相接触的时候，界面处半导体的能带弯曲，形成肖特基势垒，势垒会导致接触区域存在大量的界面电荷，通常肖特基接触工艺用于制备具有整流作用的二极管。
4.与肖特基金半接触相对应的是欧姆接触，如上所述，半导体与金属接触时，多会形成势垒层，但当半导体掺杂浓度很高时，电子可借隧道效应穿过势垒，从而形成低阻值的欧姆接触。欧姆接触对半导体器件非常重要，形成良好的欧姆接触有利于电流的输入和输出，对不同半导体材料常选择不同配方的合金作欧姆接触材料。从电学上讲，理想情况下欧姆接触的接触电阻与半导体样品或器件的电阻相比应当很小，当有电流流过时，欧姆接触上的电压降应当远小于样品或器件本身的压降，这种接触不影响器件的电流—电压特性。因此欧姆接触用于制备器件的范围更大，如mosfet、igbt、gto、gct、二极管等的金属-半导体电极，或作为器件内部不同层级之间的电路连接等。
5.金半接触是制备半导体器件必不可少的结构，而该结构中的金属层制备工艺是芯片制备过程中一项必不可少的核心环节，尤其是对于槽型结构的金属化淀积工艺，更是一项精度需要严格把控的复杂工序，因为其金属层的厚度、均匀性以及两侧区域的对称性都会直接决定金半接触的质量，进而影响器件整体导通性能，如导通电阻、开启电压等电性参数。但现有槽型结构金属层经剥离工序后其边缘与蚀刻介质层上表面平齐甚至局部高出蚀刻介质层上表面，这无疑严重降低了金半接触的良率。


技术实现要素：

6.本发明的目的是控制槽型结构金属层边缘的剥离位置以调高金半接触的加工质量。
7.本发明的目的是采取下述技术方案来实现的：
8.一种金属层槽型结构的加工方法，其包括：利用掩膜层上的开口结构在介质层上刻蚀加工槽型结构；横向漂蚀拓宽所述槽型结构的两侧以在所述槽型结构的侧边与所述开口结构的侧边之间形成落差；在所述掩膜层和槽型结构表面淀积金属层并在所述落差的位置形成用于控制金属剥离位置的楔形空隙；利用金属剥离工艺去除掩膜层及其表层金属，
直至剥离清除所述楔形空隙及其上部的金属层，从而制成用于制备金半接触的槽型结构。
9.优选的，所述落差为0.1-0.3μm。
10.优选的，所述金属层的厚度为10-200nm。
11.优选的，所述介质层包括氧化硅、氮化硅、磷硅玻璃或硼磷硅玻璃。
12.优选的，所述槽型结构的刻蚀角度为85
±5°
。
13.优选的，于120℃以下的环境下淀积所述金属层。
14.优选的，所述横向漂蚀包括：用介质层腐蚀液蚀刻具有掩膜层的槽型结构。
15.基于同一发明构思本发明还提供了一种半导体芯片，所述芯片包括一或多个采用所述的一种金属层槽型结构的加工方法制作而成的金半接触。
16.基于同一发明构思本发明还提供了一种生产设备，所述设备包括：一个或多个处理器；所述处理器，用于存储一个或多个程序；所述理器执行所述一个或多个程序时，实现所述的一种金属层槽型结构的加工方法。
17.基于同一发明构思本发明还提供了一种计算机可读存储设备，其上存有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现所述一种金属层槽型结构的加工方法。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
19.本发明公开了一种金属层槽型结构的加工方法，其包括：利用掩膜层上的开口结构在介质层上刻蚀加工槽型结构；横向漂蚀拓宽所述槽型结构的两侧以在所述槽型结构的侧边与所述开口结构的侧边之间形成落差；在所述掩膜层和槽型结构表面淀积金属层并在所述落差的位置形成用于控制金属剥离位置的楔形空隙；利用金属剥离工艺去除掩膜层及其表层金属，直至所述楔形空隙及其上部的金属层被剥离清除从而制成用于制备金半接触的槽型结构。本发明通过在槽型结构两侧加工出所述落差，使得沉淀的金属层在落差处形成楔形空隙，从而在金属层剥离工序中将金属层边缘控制在所述楔形空隙底部的下方位置，避免了金属层边缘高于蚀刻介质层上表面而降低金半接触良率的问题。
附图说明
20.图1为本发明一种金属层槽型结构的加工方法的流程图；
21.图2为掩膜层结构示意图；
22.图3为介质层槽型结构的结构示意图；
23.图4为倒梯形槽和落差的结构示意图；
24.图5为楔形空隙的结构示意图；
25.图6为槽型金属层的结构示意图；
26.图7为图5的sem观测图；
27.图8为图6的sem观测图；
28.图9为图7的局部观量图；
29.其中：1-晶圆外延层、2-介质层、3-掩膜层、4-金属层、5-楔形空隙、31-图形、21-槽型结构、22-倒梯形槽、23-落差、41-槽型金属层。
具体实施方式
30.实施例1
31.为寻求更高质量更高精度的金属层质量，以便制备良好的金属-半导体合金接触层的边缘高度，提高金半接触性能，同时简化工艺流程，避免光刻、刻蚀工艺等造成的工艺偏差，本发明公开了一种槽型结构制备高质量金半接触的金属剥离工艺流程和方法。本发明是采用下述技术方案实现的：
32.如图1所示，本发明提供的金属层槽型结构的加工方法包括：
33.利用掩膜层上的开口结构在介质层上刻蚀加工槽型结构；
34.横向漂蚀拓宽所述槽型结构的两侧以在所述槽型结构的侧边与所述开口结构的侧边之间形成落差；
35.在所述掩膜层和槽型结构表面淀积金属层并在所述落差的位置形成用于控制金属剥离位置的楔形空隙；
36.利用金属剥离工艺去除掩膜层及其表层金属，直至所述楔形空隙及其上部的金属层被剥离清除从而制成用于制备金半接触的槽型结构。
37.所述金属层槽型结构的加工方法包括：
38.如图2所示，在带有介质层2的晶圆外延层1表面进行增粘处理；涂敷一层厚度均匀的光刻胶薄膜；依次进行前烘、曝光、显影、清洗、甩干等工序，将光刻版设计图形转移至晶圆表面的光刻胶掩膜层，所述掩膜具有用于蚀刻加工的图形31。
39.如图3所示，以光刻胶掩膜层3做保护，经过刻蚀工艺将图形31进一步转移至晶圆外延层1表面的介质层2上，在晶圆外延层1表面形成槽型结构21。
40.如图4所示，通过适当的湿法腐蚀，对槽型结构21进行横向漂蚀以形成用于控制金属剥离边缘的落差23；此时槽型结构21变为倒梯形槽22。
41.如图5和图7(sem观测图)所示，进行金属沉淀加工后，金属层4在所述落差23处形成楔形空隙5。
42.如图6和图8(sem观测图)所示，超声清洗剥离所述楔形空隙5底部上方区域的金属层4和光刻胶掩膜层3，形成用于制备金半接触的槽型金属层41。
43.本发明有效解决了半导体器件金半接触结构中金属膜边缘的精度控制，减少了工艺流程，保证了金半接触结构的金属质量。该方法可以严格控制金属层的厚度误差小于5％，厚度均匀性小于5％。
44.所述介质层2，即在晶圆外延层1表面通过沉积或氧化等工艺方式覆盖一层厚度均匀的钝化介质层，通常包括氧化硅、氮化硅、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃等。
45.所述光刻胶涂敷在带有介质层2的晶圆外延层1表面，其包括如下步骤：
46.1)晶圆外延层1表面增粘预处理；
47.2)在预处理后的晶圆外延层1表面涂敷光刻胶；
48.3)对涂胶所得晶圆依次进行前烘、曝光、显影、清洗、甩干。
49.所述晶圆表面增粘处理包括在高温气态增粘剂环境箱中粘附一层极薄的增粘剂汽化膜，然后冷却至常温，使得增粘剂以粘稠状形态紧紧粘附在晶圆介质层2表面。
50.在所述晶圆通过旋转涂覆一层厚度均匀的光刻胶薄膜。
51.所述前烘为高温环境下烘烤适当的时间，使得粘稠状的光刻胶薄膜中的部分液态溶剂挥发后变成固态。
52.所述曝光过程为通过带有光刻版设计图形的光刻机对晶圆表面的光刻胶薄膜进
行适当时间的曝光。
53.所述显影包括依次进行光刻胶表面水洗，去除因为固化过程产生的表面张力，使得显影液可快速布满晶圆表面任何区域，显影液浸泡光刻胶膜去除曝光区域的光刻胶。
54.所述清洗、甩干包括晶圆表面洒水浸泡，清洗掉残留在晶圆上的显影液及溶解的光刻胶残渣，然后在高温(100℃)环境中高速旋转甩干挥发掉浸润在光刻胶掩膜层3表层的水分。
55.所述光刻胶掩膜层3做保护，经过刻蚀工艺将图形进一步转移至晶圆表面的介质层2上，在晶圆表面形成槽型结构；
56.所述光刻胶掩膜层3做保护，对表面介质层2进行刻蚀，直至底部外延层彻底暴露出来。经过刻蚀工艺将图形进一步转移至晶圆表面的介质层2上，在晶圆表面形成槽型结构，槽型结构的刻蚀角度要大于80
°
；
57.所述横向漂蚀，包括采用介质层腐蚀液(该腐蚀液对光刻胶和晶圆外延层腐蚀性不强)，对带有光刻胶的介质层2的槽型结构进行腐蚀，使得介质层2的槽型结构两侧宽度增宽0.1-0.3μm；
58.所述淀积金属层，包括在完成上述横向漂蚀过程后，在晶圆表面通过金属化工艺在低于120℃的环境下淀积一层金属层，金属层的厚度可根据要求来定；
59.所述超声清洗剥离工艺，包括将带有金属层的晶圆放入对金属层下层的光刻胶有溶解作用的正交玻璃液，同时施加超声振动，待晶圆上槽型结构以外的金属及下层光刻胶全部从晶圆介质层2上溶解剥离以后取出，使用去离子水洗，去除残留在晶圆介质层表面的光刻胶及金属残渣。
60.本发明提供的技术方案具有如下优异效果：
61.本发明对于晶圆表面槽型结构淀积厚度范围为10-200nm的金薄膜可提供完整的工艺流程，主要用于制备高界面质量的金半接触，为后续欧姆接触或肖特基接触退火提供厚度均匀、精度可控的金属层。通过该工艺流程，保证了槽型结构侧壁金属层的可剥离特性，控制金属层边缘高度，消除因剥离不彻底而产生的凸起残留，进而保证了槽型结构金属层的对称性，同时只通过一次光刻即可实现光刻胶膜、介质层、金属层等三层不同薄膜的图形转移，简化了工艺流程，提高了工艺质量，极大地节约了成本。该流程可有效实现了金属图形工艺精度的控制，其中最主要的表征参数为金半接触设计图形通过光刻、刻蚀、金属剥离转移至槽型结构金属层的精度小于0.05μm，cdloss精度控制在0.05μm内。该方法有效的改善了槽型结构金半接触中金属层形貌和图形尺寸的偏差，得到了稳定的与工艺要求相匹配的最优条件，大大提高了金半接触工艺的图形转移质量，同时也在一定程度上简化了工艺复杂度，降低了工艺成本。
62.实施例2
63.如图1所示，本发明提供了一种金属层槽型结构，所述方法包括：
64.利用掩膜层3上的开口结构在介质层2上刻蚀加工槽型结构；
65.横向漂蚀拓宽所述槽型结构的两侧以在所述槽型结构的侧边与所述开口结构的侧边之间形成落差；
66.在所述掩膜层和槽型结构表面淀积金属层并在所述落差的位置形成用于控制金属剥离位置的楔形空隙；
67.利用金属剥离工艺去除掩膜层及其表层金属，保留所述楔形空隙下方区域的金属层以在槽型结构底部形成金半接触。
68.所述方法主要会用到晶圆清洗甩干设备、pecvd设备、hmds烘箱、az-6130光刻胶、fhd5显影液、全自动涂胶显影机、清洗烘干机、步进式光刻机、干法刻蚀设备、sio2介质层溶解液(hf酸)、金属溅射或蒸发设备、超声清洗机、光刻胶剥离液、光学显微镜、sem(扫描电子显微镜)等完成。
69.(1)采用pecvd设备在晶圆外延层1(以sic晶圆为例)表面通过沉积或氧化等工艺方式覆盖一层厚度均匀的钝化介质层，以氧化硅为例，厚度1.2
±
0.05μm，不均匀性要求小于5％。
70.(2)使用hmds烘箱在100℃气氛中在上述(1)制备的sio2介质层表面粘附一层10-20nm的增粘剂。
71.(3)使用全自动涂胶显影机旋转涂覆一层均匀的2.8
±
0.1um厚度的az-6130型号光刻胶薄膜，并在120℃烘箱中坚膜，使得光刻胶变硬。
72.(4)使用步进扫描式i线光刻机加载设计的光刻版后，对步骤(3)制备的光刻胶薄膜进行曝光适当的时间。
73.(5)使用全自动涂胶显影机对完成步骤(4)的晶圆表面进行去离子水洗浸润，之后喷洒fhd5显影液至晶圆光刻胶表面所有区域，旋转浸润确保曝光区域的光刻胶彻底溶解后甩去显影液，如图2所示，在光刻胶制成的掩膜层3上形成图案31，用于制备光刻介质层2上的胶槽型结构21(参见图3)。
74.(6)使用清洗烘干机对晶圆外延层1上的光刻胶掩膜层3进行去离子水洗，以清洗掉显影液及溶解的光刻胶残渣，然后高速旋转烘干光刻胶掩膜层3，使得光刻胶表面充分硬化。
75.(7)以上述光刻工艺形成的光刻胶掩膜层3做保护，使用等离子干法刻蚀设备对步骤(1)制备的sio2介质层2进行刻蚀至晶圆外延层1外延层暴露出来，进一步将光刻胶掩膜层3上的图形31转移至sio2介质层2，在介质层2上形成槽型结构21，如图3，刻蚀角度要求85
±5°
。
76.(8)使用适当配比的hf酸溶解液对完成步骤(7)的sio2介质层槽型结构21进行横向漂蚀，使得槽型结构21变形为倒梯形槽22，同时侧壁上部蚀刻拓宽0.1-0.3μm形成落差23，如图4所示；
77.(9)如图5所示和图7(sem观测图)所示，使用金属溅射或者蒸发设备在完成步骤(8)的晶圆表面上淀积一层金属层4(以100nm金属ni为例)，要求淀积过程环境温度要低于120℃的环境，该步骤完成后，金属层4覆盖在光刻胶掩膜层3及倒梯形槽22上部，在所述落差23位置形成用于控制金属剥离位置的楔形空隙5。
78.(10)在超声清洗机中，使用光刻胶剥离液，在超声环境对完成步骤(9)的晶圆外延层1进行超声溶解光刻胶，直至楔形空隙5及其上部带有金属层4的光刻胶掩膜层3被从sio2介质层2上剥离。
79.(11)使用去离子水对完成步骤(10)的晶圆外延层1进行清洗，去除残留的光刻胶剥离液及光刻胶、金属沾污等残渣，保留了sio2槽型结构底部及两侧部分金属层，如图6和图8(sem观测图)所示，形成“u”型的金属层槽型结构41，在槽型结构底部与sic外延层表面
形成了用于制备金半接触的金属层。
80.(12)如图9所示，为了测试方法的工艺能力，对完成步骤(9)的晶圆裂片后进行sem断面观测，测得金属槽底部的金属ni层厚度为97.69nm，与标准100nm相比误差小于3nm。并且槽底部金属层厚度的不均匀性小于5％。
81.上述结果表明，本工艺只需要一次光刻制备介质层槽型结构，进而简化了工艺流程和节省成本，提高了金半接触的半导体表面与金属层的对接精度，同时可将金属层厚度误差控制在5％以内，厚度不均匀性小于5％，并且在介质层槽型结构两侧带有部分金属ni，也为后续金属加厚工艺制备金属电极起到良好的保护作用。
82.实施例3
83.如图1所示，本发明公开一种金属层槽型结构的加工方法，其包括：
84.利用掩膜层上的开口结构在介质层上刻蚀加工槽型结构；
85.横向漂蚀拓宽所述槽型结构的两侧以在所述槽型结构的侧边与所述开口结构的侧边之间形成落差；
86.在所述掩膜层和槽型结构表面淀积金属层并在所述落差的位置形成用于控制金属剥离位置的楔形空隙；
87.利用金属剥离工艺去除掩膜层及其表层金属，直至所述楔形空隙及其上部的金属层被剥离清除从而制成用于制备金半接触的槽型结构。
88.所述方法包括如下步骤：
89.(1)pecvd薄膜工艺：沉积均匀厚度的介质层；
90.(2)光刻工艺：包括表面增粘、涂胶、坚膜、曝光、显影、水洗甩干等工序在光刻胶掩膜层3形成图形31，如图2；
91.(3)等离子干法刻蚀工艺：包括光刻胶掩膜层3保护、对介质层2进行干法刻蚀，使得光刻胶掩膜层3图案31转移至氧化硅介质层2，形成介质层2上的槽型结构21，如图3所示；
92.(4)横向漂蚀工艺：通过横向漂蚀来拓宽介质层槽型结构21的两侧上部以形成落差23，如图4所示；
93.(5)金属淀积工艺：蒸发或溅射加工形成金属层4，在所述落差23的位置形成楔形空隙5，如图5所示和图7(sem观测图)所示；
94.(6)金属剥离工艺：超声环境中，剥离所述楔形空隙5及其上方的带有金属层4的光刻胶掩膜层3，获得用于制备金半接触的“u”型金属层槽型结构41，如图6和图8(sem观测图)所示；
95.(7)清洗工艺：包括去除光刻胶、金属颗粒等残渣。
96.所述清洗硅片包括用去离子水洗后再用dhf清洗液漂洗后甩干。
97.所述晶圆上通过pecvd工艺淀积厚度均匀的薄膜介质层。
98.所述晶圆的光刻工艺包括hmds增粘处理、涂覆均匀厚度的光刻胶、步进式光刻机对晶圆进行曝光、显影、清洗、甩干，使得光刻版掩膜图形转移到光刻胶薄膜上。
99.所述等离子干法刻蚀工艺，包括介质层至晶圆外延层1表面暴露出来，并且需要保证制备的槽型结构底部两侧角的角度为85
±5°
。
100.所述横向漂蚀工艺，包括使用介质层溶解液对介质层槽型结构两侧进行横向腐蚀，拓宽范围要求为0.1-0.3μm，并且两侧拓宽的偏差小于1％，该介质层溶解液要求对光刻
胶及晶圆外延层1不具有腐蚀性。
101.所述金属淀积工艺包括在温度低于120℃环境中进行金属蒸发或者溅射制备均匀厚度的金属层层，金属层厚度误差小于5％，均匀性小于5％。
102.所述金属剥离工艺，包括在超声环境下使用光刻胶剥离液溶解掉上部带有金属覆盖层的光刻胶掩膜层，要求该光刻胶玻璃液对金属层、介质层、晶圆外延层1不具有腐蚀性。
103.所述清洗工艺包括使用去离子水等清洗掉表面的光刻胶、金属颗粒等残渣，使得晶圆表面的残渣沾污数量小于等于5个。
104.所述整个工艺流程中采用的干法刻蚀工艺制备的槽型结构角度要求为85
±5°
，以及介质层横向漂蚀工艺方法及槽型结构两侧拓宽范围要求0.1-0.3μm，根据工艺需要，可以设置为0.1μm、0.2μm或者0.3μm，以防止介质层槽型结构两侧壁顶部覆盖金属层而影响金属剥离。
105.所述方法中采用光刻胶剥离工艺制备的金属层在介质层槽型结构两侧壁带有部分金属，为之后金属加厚制备电极结构起到保护作用。
106.实施例4
107.基于同一种发明构思，本发明还提供了一种半导体芯片，所述芯片包括一或多个采用如实施例1-3任一所述的一种金属层槽型结构的加工方法制作而成的金半接触。
108.实施例5
109.基于同一种发明构思，本发明还提供了一种生产设备，该计算机设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor、dsp)、专用集成电路(application specificintegrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmable gatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行计算机存储介质内一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能，以实现上述实施例1-3任一所述的一种金属层槽型结构的加工方法的步骤。
110.实施例6
111.基于同一种发明构思，本发明还提供了一种存储设备，具体为计算机可读存储介质(memory)，所述计算机可读存储介质是计算机设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括计算机设备中的内置存储介质，当然也可以包括计算机设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速ram存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例1-3任一所述的一种金属层槽型结构的加工方法的步骤。
112.以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则
之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。