專利名稱：半導(dǎo)體器件銅電極的圖形化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件加工領(lǐng)域，特別涉及一種半導(dǎo)體器件銅電極的圖形化方法。
背景技術(shù)：
Cu由于具有低的電阻率和高的抗電遷移能力可作為Al的替代材料。采用Cu作為半導(dǎo)體分立器件的電接觸，由于Cu較高的熱導(dǎo)率及與Cu熱沉一致的熱膨脹系數(shù)，有助于降低電接觸系統(tǒng)的熱阻以及提高器件的可靠性。大馬士革工藝是一種集成電路制造中的銅圖形化工藝(Steinbrüchel，C.Patterning of copper for multilevel metallizationReactive ion etching andchemical-mechanical polishing.Applied Surface Science，91(1995)139-146.)，但由于在化學(xué)機械拋光(CMP)處理時，由于Cu膜過拋而出現(xiàn)凹坑。同時，CMP拋光液中存在的粒子會嵌入Cu膜中使其電阻率增大。公開專利號US6,010,603利用高能和高密度離子的物理轟擊達到對Cu膜刻蝕的目的，但這需要額外產(chǎn)生高能和高密度離子的設(shè)備，同時還要采取措施保持襯底溫度。公開專利號US5,736,002采用將待去除的Cu先形成氯化物或氧化物，再將Cu的氯化物或氧化物去除的方法。公開專利號JP59100300則采用電化學(xué)腐蝕方法實現(xiàn)銅膜的圖形化。但上述兩種方法在同樣需要額外設(shè)備的同時也增加了工藝復(fù)雜程度。公開專利號CN1614076采用已經(jīng)圖形化的不銹鋼薄片作為模版，在經(jīng)片狀磁鐵將其緊密吸附在硅片的上方，最后通過直流磁控濺射的方法，在硅片上一次性得到圖形化的電極。但該模版的最小現(xiàn)寬為0.2mm，主要用于鐵電薄膜器件的電極圖形化工藝中，對于線寬很小的半導(dǎo)體器件不適用。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種簡單易行的具有適用范圍廣、無需特殊工藝和特殊設(shè)備、制作成本低廉、生產(chǎn)效率高的優(yōu)點，易于推廣使用的半導(dǎo)體器件銅電極的圖形化方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的在半導(dǎo)體基底上生長擴散阻擋層，并在擴散阻擋層上生長Cu膜或Cu合金膜；將所得半導(dǎo)體基片在保護性氣氛中退火處理，然后降至室溫。在Cu膜或Cu合金膜上旋涂光刻膠，經(jīng)光刻工序處理后，將附有圖形的待蝕腐半導(dǎo)體基片浸入腐蝕液中腐蝕；然后，將取出的半導(dǎo)體基片用去離子水沖洗干凈，放入剝離液中去膠，然后依次經(jīng)三氯乙烯和甲醇處理。
本發(fā)明還有這樣技術(shù)特征1、所述的擴散阻擋層是在半導(dǎo)體基片上利用PVD、CVD或ALD的方法生長的一薄層擴散阻擋層，該薄層的厚度在10～300nm；2、所述的擴散阻擋層是Ti、Ta、Zr、W、Mo難溶金屬及其二元和三元氮化物；
3、所述的Cu膜或Cu合金膜是將生長擴散阻擋層后的半導(dǎo)體基片利用CVD、PVD或電鍍的方法生長的Cu膜或Cu合金膜，膜厚在200～2000nm；4、所述的Cu合金膜是Cu與在其中固溶度不高且可以在晶界析出的元素如Sn、Mg、Al、Cr、Zr等所形成的合金膜；5、將生長Cu膜或Cu合金膜后的半導(dǎo)體基片在400-500℃的保護性氣氛中退火40-60分鐘，然后降至室溫；6、所述的半導(dǎo)體基底為制作半導(dǎo)體器件時金屬化之前的半導(dǎo)體芯片；7、所述的保護性氣氛為N2氣氛、Ar氣氛或者N2/H2(9∶1)混合氣氛。
8、待腐蝕的半導(dǎo)體基片在腐蝕液中上、下移動的同時作自轉(zhuǎn)運動。
本發(fā)明首先在半導(dǎo)體基片上生長擴散阻擋層，然后在生長Cu膜或Cu合金膜，利用光刻膠通過光刻工序形成圖形，將帶有圖形的半導(dǎo)體基片放入腐蝕液中形成需要的電極圖形。其中，擴散阻擋層可以是Ti、Ta、Zr、W、Mo等難熔金屬及其二元或三元氮化物，Cu合金膜可以是Cu與在其中固溶度不高且可以在晶界析出的元素如Sn、Mg、Al、Cr、Zr等所形成的合金膜，Cu合金膜(加入固溶度很小的合金元素)經(jīng)退火處理后使合金元素在界面析出，既可以提高Cu膜的抗電遷徙能力，又使其電阻率不會明顯增加。同時，也滿足Cu互連圖形化對于Cu膜力學(xué)性能高的要求。所述的腐蝕液根據(jù)Cu膜、Cu合金膜及其下面的擴散阻擋層的性質(zhì)選取，腐蝕液的溫度選擇由腐蝕液對Cu膜及其下面的擴散阻擋層腐蝕速率而設(shè)計。采用本發(fā)明所提供的方法操作簡單、成本低廉，無需特殊工藝和特殊設(shè)備、生產(chǎn)效率高、適用于制造半導(dǎo)體器件常用的金屬電極特別是Cu電極或Cu合金電極，易于推廣使用。


圖1-圖4是本發(fā)明實施例的操作示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例和附圖詳細說明本發(fā)明的內(nèi)容實施例1(1)按常規(guī)清洗工藝清洗處理待腐硅基片1，用氮氣吹干后放入超高真空磁控濺射設(shè)備的反應(yīng)室內(nèi)；(2)結(jié)合圖1，在硅基片1上利用直流磁控濺射的方法生長一薄層ZrN擴散阻擋層2，該薄層的厚度控制在200±10nm；(3)結(jié)合圖2，將步驟2所得半導(dǎo)體基片利用直流磁控濺射的方法原位生長Cu膜3，膜厚控制在2000±50nm；(4)將步驟3所得半導(dǎo)體基片在400℃，N2/H2(體積比為9∶1)混合氣氛中退火60min，然后緩慢降至室溫；(5)結(jié)合圖2，將步驟4所得半導(dǎo)體基片旋涂BN308型光刻膠4，然后放在熱板上約40秒；經(jīng)過曝光、顯影和定影后再在135℃條件下利用掩模板5堅膜30分鐘，得到與電極圖形一致的光刻膠圖形；(6)結(jié)合圖3，將步驟5所得半導(dǎo)體基片浸入腐蝕液(10HNO3∶1H2O)中，使用一個可以控制溫度的加熱槽，溫度一般為45±1℃，通過溫度控制器控制溫度，半導(dǎo)體基片在腐蝕液中上、下移動的同時作自轉(zhuǎn)運動，腐蝕約10分鐘后取出，用大量去離子水沖洗干凈；(7)將步驟6所得半導(dǎo)體基片浸入濃H2SO4中，使用一個可以控制溫度的加熱槽，溫度一般為45±1℃，通過溫度控制器控制溫度，半導(dǎo)體基片在腐蝕液中上、下移動的同時作自轉(zhuǎn)運動，腐蝕約5分鐘后取出，用大量去離子水沖洗干凈；(8)結(jié)合圖4，將步驟7所得半導(dǎo)體基片浸入剝離液中去膠，剝離液的溫度控制在100±5℃，需換液3次。取出后依次經(jīng)過三氯乙烯(75±5℃換液2次；室溫下?lián)Q液2次)和甲醇處理(室溫下?lián)Q液2次)。
實施例2(1)按常規(guī)清洗工藝清洗處理待腐硅基片1，用氮氣吹干后放入超高真空磁控濺射設(shè)備的反應(yīng)室內(nèi)；(2)結(jié)合圖1，在硅基片1上利用直流磁控濺射的方法生長一薄層Mo擴散阻擋層2，該薄層的厚度控制在300±20nm；(3)結(jié)合圖2，將步驟2所得半導(dǎo)體基片利用直流磁控濺射的方法原位生長Cu與Zr合金膜3，膜厚控制在1000±30nm；(4)將步驟3所得半導(dǎo)體基片在500℃，N2/H2(體積比為9∶1)混合氣氛中退火40分鐘，然后緩慢降至室溫；(5)結(jié)合圖2，將步驟4所得半導(dǎo)體基片旋涂BN308型光刻膠4，然后放在熱板上40秒；經(jīng)過曝光、顯影和定影后再在135℃條件下利用掩模板5堅膜30分鐘，得到與電極圖形一致的光刻膠圖形；(6)結(jié)合圖3，將步驟5所得半導(dǎo)體基片浸入腐蝕液(10HNO3∶1H2O)中，使用一個可以控制溫度的加熱槽，溫度為45℃，通過溫度控制器控制溫度，半導(dǎo)體基片在腐蝕液中上、下移動的同時作自轉(zhuǎn)運動，腐蝕10分鐘后取出，用大量去離子水沖洗干凈；(7)將步驟6所得半導(dǎo)體基片浸入濃H2SO4中，使用一個可以控制溫度的加熱槽，溫度為45℃，通過溫度控制器控制溫度，半導(dǎo)體基片在腐蝕液中上、下移動的同時作自轉(zhuǎn)運動，腐蝕5分鐘后取出，用大量去離子水沖洗干凈；(8)結(jié)合圖4，將步驟7所得半導(dǎo)體基片浸入剝離液中去膠，剝離液的溫度控制在100℃，需換液3次。取出后依次經(jīng)過三氯乙烯(75±5℃換液2次；室溫下?lián)Q液2次)和甲醇處理(室溫下?lián)Q液2次)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件銅電極的圖形化方法，其特征在于在半導(dǎo)體基底上生長擴散阻擋層，并在擴散阻擋層上生長Cu膜或Cu合金膜；將所得半導(dǎo)體基片在保護性氣氛中退火處理，然后降至室溫。在Cu膜或Cu合金膜上旋涂光刻膠，經(jīng)光刻工序處理后，將附有圖形的待蝕腐半導(dǎo)體基片浸入腐蝕液中腐蝕；然后，將取出的半導(dǎo)體基片用去離子水沖洗干凈，放入剝離液中去膠，然后依次經(jīng)三氯乙烯和甲醇處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件銅電極的圖形化方法，其特征在于所述的擴散阻擋層是在半導(dǎo)體基片上利用PVD、CVD或ALD的方法生長的一薄層擴散阻擋層，該薄層的厚度在10～300nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件銅電極的圖形化方法，其特征在于所述的擴散阻擋層是Ti、Ta、Zr、W、Mo難溶金屬及其二元和三元氮化物。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體器件銅電極的圖形化方法，其特征在于所述的Cu膜或Cu合金膜是將生長擴散阻擋層后的半導(dǎo)體基片利用CVD、PVD或電鍍的方法生長的Cu膜或Cu合金膜，膜厚在200～2000nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體器件銅電極的圖形化方法，其特征在于所述的Cu合金膜是Cu與在其中固溶度不高且可以在晶界析出的元素如Sn、Mg、Al、Cr、Zr等所形成的合金膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體器件銅電極的圖形化方法，其特征在于將生長Cu膜或Cu合金膜后的半導(dǎo)體基片在400-500℃的保護性氣氛中退火40-60分鐘，然后降至室溫。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體器件銅電極的圖形化方法，其特征在于所述的半導(dǎo)體基底為制作半導(dǎo)體器件時金屬化之前的半導(dǎo)體芯片。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體器件銅電極的圖形化方法，其特征在于所述的保護性氣氛為N2氣氛、Ar氣氛或者N2/H2(9∶1)混合氣氛。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體器件銅電極的圖形化方法，其特征在于待腐蝕的半導(dǎo)體基片在腐蝕液中上、下移動的同時作自轉(zhuǎn)運動。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體器件銅電極的圖形化方法，本發(fā)明是在半導(dǎo)體基底上生長擴散阻擋層，并在擴散阻擋層上生長Cu膜或Cu合金膜。將所得半導(dǎo)體基片在保護性氣氛中退火處理，然后緩慢降至室溫。在銅膜上旋涂光刻膠，經(jīng)光刻工序處理后，將附有圖形的待腐蝕半導(dǎo)體基片浸入控制在一定溫度范圍內(nèi)的腐蝕液中腐蝕。然后，將取出的半導(dǎo)體基片用去離子水沖洗干凈，放入剝離液中去膠，然后依次經(jīng)三氯乙烯和甲醇處理。采用本發(fā)明所提供的方法操作簡單、成本低廉，無需特殊工藝和特殊設(shè)備、生產(chǎn)效率高、適用于制造半導(dǎo)體器件常用的金屬電極特別是Cu電極或Cu合金電極，易于推廣使用。
文檔編號H01L21/768GK1945799SQ200610150978
公開日2007年4月11日 申請日期2006年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月1日
發(fā)明者王穎, 曹菲, 趙春暉 申請人:哈爾濱工程大學(xué)