半导体器件的制造方法 【技术领域】
本发明涉及半导体制造技术，特别涉及一种半导体器件的制造方法。
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 DelayTime)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，铜金属互连层形成后会残余有较大的内应力。往往会在后端工艺的一定温度下因释放内应力而形成尖刺或突起(hillock)，而引起半导体器件可靠性的问题。
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焊垫层的制造方法：提供带有介质隔离层和铜金属互连层的半导体衬底，所述铜金属互连层镶嵌于介质隔离层中；接着进行化学机械抛光(Chemical Mechanical Polish，CMP)将铜金属互连层平坦化，然后在所述的铜金属互连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，形成焊垫层。
实际生产过程中，采用上述工艺制作的焊垫层最终会形成许多腐蚀缺陷，这些腐蚀缺陷产生的原因可能是：金属互连层中金属在后续工艺中被加热，容易释放残余内应力而在表面形成突起，所述突起在清洗等过程中被洗液氧化侵蚀后形成腐蚀缺陷，例如在铜金属互连的工艺中由于铜的易扩散性，所述腐蚀缺陷更加严重。最终在后续的封装过程中，所述腐蚀缺陷将严重影响焊垫层与引线的连接可靠性，导致电路失效。
【发明内容】
本发明解决的问题是提供一种半导体器件的制造方法，能够避免形成由金属互连层的突起而引起的焊垫层腐蚀缺陷。
为解决上述问题，本发明提供一种半导体器件的制造方法，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底上至少具有金属间介质层、金属间介质层中的双镶嵌开口、覆盖于所述金属间介质层上的阻挡层和阻挡层上的金属层，所述金属层填充于双镶嵌开口中；
平坦化所述半导体衬底的表面以形成金属互连层，所述平坦化至少包括：去除所述双镶嵌开口外的多余金属；去除所述双镶嵌开口外的阻挡层；
在平坦化之后的半导体衬底上形成刻蚀停止层、刻蚀停止层之上的钝化层、以及嵌在所述钝化层中的焊垫层，所述焊垫层位于所述金属互连层之上；
所述去除所述双镶嵌开口外的阻挡层之前还包括：将所述半导体衬底置于形成所述刻蚀停止层的设备中进行加热处理，所述加热处理的温度大于或等于后续任一工艺的温度。
所述加热处理的时间为10秒至100秒。
在所述加热处理之后还包括：在同一设备中对所述半导体衬底进行等离子处理。
所述等离子处理过程中用于产生等离子体的气体为氨气。
所述平坦化半导体衬底的表面还包括：在去除所述双镶嵌开口外的多余金属之后，进行过度平坦化以去除所述多余金属之下的部分阻挡层。
所述平坦化半导体衬底的表面采用化学机械抛光工艺。
所述金属层的材料为铜或铜合金。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
所述半导体器件的制造方法相对于现有技术，在平坦化金属层表面的最后一阶段(即缓冲平坦化)之前增添加热处理，该加热处理在用于平坦化后形成刻蚀停止层的设备中进行，而采用地加热温度不低于后续工艺任一温度，这样可以提前释放金属层中的残余的内应力，促使金属层中的金属向上隆起而形成突起，接着在平坦化最后一阶段(即缓冲平坦化)中将突起去除，从而能够避免这些突起在后续工艺中被氧化侵蚀而形成焊垫层的腐蚀缺陷，提高器件的可靠性。
同时，所述加热处理不需要在原来的工艺中增加新的处理设备，只需利用形成刻蚀停止层的设备进行10秒至100秒短时间的加热，将内应力释放形成的突起通过平坦化去除，然后回到所述设备中形成刻蚀停止层，因此没有增加累赘的步骤，能够方便快捷的实现，有利于产能的提高。
另外，在所述加热处理后还可以包括等离子处理，采用氨气的等离子体对半导体衬底的表面进行轰击，位于表面的金属层受到等离子体的作用后，将进一步释放残余的内应力，促使金属向上形成突起，接着进行最后的缓冲平坦化将所述突起消除。
由于受到整个半导体制造过程中诸多因素的限制，加热处理的温度一般均是设定的，不能任意的升高，上述等离子处理实际是利用等离子体的能量对金属层施加作用，使金属层的残余内应力更加充分的释放，确保后续工艺中不会再形成突起，获得更为优选的效果。
【附图说明】
通过附图所示，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1至图6为本发明实施例之一中所述半导体器件的制造方法的示意图。
【具体实施方式】
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，但是本发明还可以采用其他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例的限制。
其次，本发明结合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示例，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。
本发明实施例提供的半导体器件的制造方法，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底上至少具有金属间介质层、金属间介质层中的双镶嵌开口、覆盖于所述金属间介质层上的阻挡层和阻挡层上的金属层，所述金属层填充于双镶嵌开口中；
平坦化所述半导体衬底的表面以形成金属互连层，所述平坦化至少包括：去除所述双镶嵌开口外的多余金属；去除所述双镶嵌开口外的阻挡层；
在平坦化之后的半导体衬底上形成刻蚀停止层、刻蚀停止层之上的钝化层、以及嵌在所述钝化层中的焊垫层，所述焊垫层位于所述金属互连层之上；
所述去除所述双镶嵌开口外的阻挡层之前还包括：将所述半导体衬底置于形成所述刻蚀停止层的设备中进行加热处理，所述加热处理的温度大于或等于后续任一工艺的温度。
可选的，所述加热处理的时间为10秒至100秒。
优选的，在所述加热处理之后还可以包括：在同一设备中对所述半导体衬底进行等离子处理。
优选的，所述等离子处理过程中用于产生等离子体的气体为氨气。
可选的，所述平坦化半导体衬底的表面还可以包括：在去除所述双镶嵌开口外的多余金属之后，进行过度平坦化以去除所述多余金属之下的部分阻挡层。
所述平坦化半导体衬底的表面可以采用化学机械抛光工艺。
所述金属层的材料为铜或铜合金。
下面给出本发明所述半导体器件的制造方法的一个具体实施例。
图1至图6为本发明实施例之一中所述半导体器件的制造方法的示意图。
如图1所示，提供一半导体衬底100，半导体衬底100上具有金属间介质层(Interlayer dielectric)105和金属间介质层105中的双镶嵌开口110。
所述金属间介质层105用以将金属互连层隔离绝缘，通常采用较低介电常数的材料，包括但不限于碳掺杂氧化硅、有机硅酸盐玻璃(Organosilicateglass，OSG)、氟硅玻璃(Fluorosilicate glass，FSG)、磷硅玻璃(Phosphosilicateglass，PSG)中的一种或至少两种组合。
所述金属间介质层105采用化学气相沉积法或其他未来开发的沉积技术制造，优选的是等离子辅助化学气相沉积法(PECVD)或高密度等离子辅助化学气相沉积法(HDP-CVD)，依照器件特性及尺寸设计沉积厚度为500埃至3000埃。
所述双镶嵌开口110实际上是在金属间介质层105中刻蚀的沟槽(Trench)和通孔(Via)，用来填充金属以形成金属互连层和层间的接触塞。双镶嵌开口110下面的相应位置具有下层的金属互连层(图中未示出)。
如图2所示，在所述金属间介质层105上形成阻挡层120，该阻挡层120将双镶嵌开口110的底部和侧壁均覆盖，用来防止后续工艺填充在双镶嵌开口110里金属向金属间介质层105扩散。
阻挡层120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公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50埃至200埃。
在制作金属互连层之前通常还可以在所述阻挡层120上形成很薄的金属籽晶层(图中未标示)，其厚度只有几十埃，其材料与形成金属互连层的金属材料相同，用来作为后续工艺填充金属的晶体生长的晶核层，可以采用溅射法制备。
如图3所示，在覆盖有阻挡层120的双镶嵌开口110中填充金属层130，其材料为铜或铜合金，可以采用蒸发、溅射、CVD或电镀等沉积工艺。当采用电镀沉积工艺时，半导体衬底表面的阻挡层和金属籽晶层也充当电极的作用。由于此时半导体衬底100表面具有各种的半导体结构，填充金属层130后表面呈现凹凸不平的形貌，需要进行平坦化。
然后原位进行加热，从而将金属层130中的内应力释放。
接着，平坦化所述半导体衬底100以形成金属互连层131，该金属互连层131为最后一层金属互连层。所述平坦化采用化学机械抛光工艺。
发明人发现，在传统制造工艺中，平坦化的过程对半导体衬底施加复杂的机械、化学作用，会导致金属层中的内应力恢复，而金属互连层的后续工艺会伴随引起金属层的内应力重新释放，同时使金属铜或铜合金发生扩散，由于双镶嵌开口的底部和侧壁均有阻挡层，金属只能够向上扩散从而形成突起，这些突起将直接导致覆盖在金属互连层之上的焊垫层形成腐蚀缺陷。
基于此，本实施例在平坦化过程中利用形成刻蚀停止层的设备进行加热处理，以释放金属层中的残余的内应力，促使金属层中的金属向上扩散形成突起，而后在平坦化最后一阶段将突起去除。所述平坦化采用化学机械抛光工艺，具体说明如下：
平坦化所述半导体衬底100以形成金属互连层131包括：
步骤A，初步平坦化。
如图4所示，采用较大的材料去除率(Material Removal Rate，MRR)去除所述双镶嵌开口外的多余金属，从而将金属层130表面的凹凸不平的结构初步平坦化。
所谓多余金属是指双镶嵌开口110外的位于阻挡层120上的金属(见图3)，平坦化的目的即是将这部分金属去除而仅留下双镶嵌开口内的金属作为金属互连层。
化学机械抛光工艺的机理为：表面材料与抛光使用的磨料发生化学反应生成一层相对容易去除的表面层，而后该表面层通过磨料与抛光垫间的相对摩擦被磨去。因此，化学机械抛光是一个化学和机械作用相结合的过程。
所述材料去除率是表征研磨效果的重要参数，它与研磨剂中的磨料组成和形态、研磨垫的性质、以及抛光速率有关。
步骤B，利用形成刻蚀停止层的设备对经过初步平坦化的半导体衬底表面进行加热处理。
形成金属互连层之后还要在其上面形成刻蚀停止层，因此在初步平坦化之后先将半导体衬底从平坦化设备中去除而置于形成刻蚀停止层的设备中进行加热处理，所述加热处理的时间为10秒至100秒，例如20秒，既可以充分释放金属层130中的残余内应力，又可以避免加热时间过长降低生产效率。
加热温度大于或等于后续任一工艺的温度。例如，后续工艺需在400℃沉积刻蚀停止层，则加热温度大于或等于400℃，如果后续工艺还有更高的温度T，则加热温度应不低于所述温度T。
步骤C，缓冲平坦化。
将加热处理后的半导体衬底重新放入平坦化设备中，如图5所示，采用相对于初步平坦化较小的MRR去除所述双镶嵌开口外的阻挡层120(见图4)。为提高表面平坦化程度、减少缺陷，还可以继续向下抛光，去除少部分的金属间介质层105。
半导体衬底100的表面平坦化之后，双镶嵌开口110中即形成金属互连层131，该金属互连层为最后一层金属互连层，其上面将形成焊垫层。
然后如图6所示，在所述金属互连层131和金属间介质层105之上形成刻蚀停止层140，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140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，其形成方法为现有技术以及未来可能开发的各种化学气相沉积法，依照器件特性及尺寸设计沉积厚度为100埃至500埃。所述形成刻蚀停止层的设备可以为现有技术以及未来可能开发的各种化学气相沉积设备。
在所述刻蚀停止层140之上形成钝化层145，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层，以防止金属连线短路。
钝化层145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；
接着，在所述钝化层145中刻蚀出开口146，使金属互连层131的表面露出，在所述开口146中填充金属后最终形成焊垫层150。所述焊垫层150采用物理气相沉积法沉积，其材料为铝或铝铜合金，厚度为9000埃至10000埃。
可见，上述半导体器件的制造方法相对于现有技术，在平坦化金属层表面的最后一阶段(即缓冲平坦化)之前增添加热处理，该加热处理在用于平坦化后形成刻蚀停止层的设备中进行，而采用的加热温度不低于后续工艺任一温度，这样可以提前释放金属层中的残余的内应力，促使金属层中的金属向上隆起而形成突起，接着在平坦化最后一阶段(即缓冲平坦化)中将突起去除，从而能够避免这些突起在后续工艺中被氧化侵蚀而形成焊垫层的腐蚀缺陷，提高器件的可靠性。
同时，所述加热处理不需要在原来的工艺中增加新的处理设备，只需利用形成刻蚀停止层的设备进行10秒至100秒短时间的加热，将内应力释放形成的突起通过平坦化去除，然后回到所述设备中形成刻蚀停止层，因此没有增加累赘的步骤，能够方便快捷的实现，有利于产能的提高。
除此以外，在本发明的另一实施例中，在所述加热处理后还可以包括等离子处理，具体方法与前述实施例基本相同，主要区别在于：加热处理结束之后，在同一设备中进行等离子处理，用于产生等离子体的气体可以为氨气，也即采用氨气的等离子体对半导体衬底的表面进行轰击，位于表面的金属层受到等离子体的作用后，将进一步释放残余的内应力，促使金属向上形成突起，接着进行最后的缓冲平坦化将所述突起消除。
由于受到整个半导体制造过程中诸多因素的限制，加热处理的温度一般均是设定的，不能任意的升高，上述等离子处理实际是利用等离子体的能量对金属层施加作用，使金属层的残余内应力更加充分的释放，确保后续工艺中不会再形成突起，获得更为优选的效果。
以上实施例中，平坦化半导体衬底的表面还可以包括：在初步平坦化之后，进行过度平坦化以去除多余的金属之下的部分阻挡层，而后再进行加热处理，释放金属层中残余的内应力，促使金属向上形成突起，然后再进行缓冲平坦化，在去除剩余的阻挡层的同时去除所述突起。
事实上，无论平坦化工艺包括多少次平坦化阶段，只要在最后一次平坦化阶段之前进行加热处理均可实现本发明的效果，也属于本发明的保护范围。
此外，需要说明的是，所述半导体器件的制造方法在平坦化最后一层金属互连层时采用加热处理消除残余的内应力，实际上，在整个金属化的工艺中每一层金属互连层均可使用上述加热处理，以消除残余的内应力，避免后续工艺产生突起，也能够提高半导体器件的可靠性。
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。
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，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。