一种金属电极结构的实现方法与流程

1.本发明涉及半导体器件制造中的湿法腐蚀工艺领域，特别涉及一种金属电极结构的实现方法。


背景技术：

2.在半导体器件上，出于多种目的，常使用金属化工艺来在芯片上淀积导电金属薄膜。考虑金属材料是否合格主要有几点要求：导电性、粘附性、淀积难度、平坦化、可靠性、抗腐蚀性和应力，在这些方面，钛和铝都具有良好表现。钛金属因其功函数大、接触电阻小、粘附性好等特点，在肖特基接触、欧姆接触、阻挡层金属、金属互联、接触金属以及合金组分等方面被广泛使用。铝金属因其低电阻率、低成本以及工艺兼容性，是目前半导体制造业中最主要的材料之一，在金属互联、电极加厚、焊接金属、表面钝化以及欧姆接触等方面被广泛使用。钛铝双层金属，作为肖特基二极管的势垒金属、势垒金属的加厚金属，以及mosfet欧姆金属的加厚金属，都是常见的金属电极结构。因此，对钛铝金属进行图形化处理，是一道半导体制程中有广泛需求的关键技术。
3.湿法腐蚀是半导体器件制程中广泛使用的一种工艺，在漂去金属或介质、去除残留物以及大尺寸图形腐蚀应用方面起着重要的作用。与干法刻蚀相比，湿法腐蚀对于下层材料可以具有极高的选择比，对器件不会带来等离子体损伤，使用的基础条件也相对简单。而单片式湿法喷雾腐蚀，是一种改良的、具有更高精度的湿法腐蚀方法，相对于传统的浸泡腐蚀有几个优点，主要是工艺均匀性和精确度的显著提高。单片作业模式，设备对溶液比例、温度以及机械运转的精确控制，腐蚀后及时喷水冲洗，使腐蚀的均匀性、可控性得到保障；来自腐蚀液、槽体的污染程度也明显降低。此外，喷雾腐蚀系统通常是封闭的，提高了人员操作的安全性。
4.在既定的工艺过程中需要对钛
‑
铝金属叠层进行逐层图形化，并最终形成底层钛金属边缘超出顶层铝金属边缘至少0.1um的结构。上述工艺过程要求有良好的均与性、可控性与洁净度，片内、片间均匀性＜5％；能够实现20um以上宽度线条的腐蚀；金属边缘整齐、无钻蚀；层间不存在因底层金属过侧蚀带来的缝隙，进而引入器件可靠性隐患。
5.常规湿法腐蚀使用槽式浸泡的方式，随着工艺条件的变化、溶剂的挥发，溶液的寿命往往难以控制，工艺条件无法固化，有可能极度依赖人力调控，或容易出现腐蚀不净、过腐蚀等问题，导致产品损失；槽式设备的洁净度无法保障，一些难以清洁的沾污容易在槽体或管路内长期积累，在腐蚀过程中附着到圆片表面，造成工艺异常；另一方面，由于槽内不同位置溶液交换的差异，片内、片间、批次间均匀性难以满足5％的要求，一些细线条内的腐蚀甚至可能无法实现，对于稳定性要求高或线条精度要求高的工艺，槽式腐蚀方式难以满足；而干法刻蚀又会引入腔体沾污、衬底损伤以及等离子体损伤等问题，对器件带来不可逆的损害。因此，寻找一种较高精度、控制性好的钛铝金属腐蚀工艺有重要意义。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种金属电极结构的实现方法，该方法能够在连续腐蚀两层金属的同时，保证较好的湿法腐蚀均匀性、可控性与洁净度，呈现较好的金属侧壁形貌，形成具有较高可靠性的器件结构。
7.为达上述目的，本发明提供了一种金属电极结构的实现方法，包括以下的步骤：
8.步骤1：在所述金属电极表面涂覆光刻胶，并光刻形成掩膜；
9.步骤2：将光刻后的圆片传入单片式喷雾腐蚀系统，封闭腔体；
10.步骤3：使用铝腐蚀液喷雾腐蚀铝金属；
11.步骤4：使用去离子水将残留在圆片表面的铝腐蚀液冲洗干净；
12.步骤5：使用稀释氢氟酸喷雾腐蚀钛金属；
13.步骤6：使用去离子水将残留在圆片表面的稀释氢氟酸冲洗干净；
14.步骤7：使用铝腐蚀液喷雾腐蚀铝金属；
15.步骤8：使用去离子水将残留在圆片表面的铝腐蚀液冲洗干净；
16.步骤9：将圆片甩干脱水；
17.步骤10：打开腔体，将腐蚀后的圆片传出；
18.步骤11：使用有机溶液去除圆片表面的光刻胶。
19.进一步地，所述金属电极由钛金属和铝金属组成。
20.进一步地，所述钛金属在底层，厚度为50
‑
500nm，所述铝金属在顶层，厚度为1
‑
10um。
21.进一步地，最终得到的电极结构，为底层钛金属边缘超出顶层铝金属边缘至少0.1um。
22.进一步地，所述光刻胶为正胶。
23.进一步地，所述铝腐蚀液为磷酸、硝酸、醋酸和去离子水的混合溶液，其中各组分的摩尔比为，磷酸：硝酸：醋酸：水＝1
‑
60：1
‑
40：1
‑
30：1
‑
80。
24.所述稀释氢氟酸为氢氟酸与去离子水的混合溶液，其中各组分的摩尔比为，氢氟酸：水＝1
‑
30：170。
25.进一步地，步骤3中喷液时间为10
‑
500秒，步骤5中喷液时间为10
‑
500秒，步骤7中喷液时间为1
‑
300秒。
26.进一步地，所述铝腐蚀液温度控制在40
‑
90℃，所述稀释氢氟酸温度控制在10
‑
50℃。
27.进一步地，圆片转速在0～2500r/min。
28.进一步地，溶液、去离子水以及氮气的喷嘴是可设置位置以及动作。
29.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
30.(1)均匀性好。溶液喷嘴在腐蚀过程中的位置运动，配合圆片在不同粘稠度溶液下的不同转速，可以将腐蚀的各项均匀性控制在5％以内；
31.(2)可控性强。钛与氢氟酸的反应极为剧烈，使用低浓度氢氟酸，配合较长的腐蚀时间以及前述均匀性，可以将腐蚀结果的波动控制在最小。此外，喷雾腐蚀系统对溶液比例、温度以及机械运转的精确控制，腐蚀后及时喷水冲洗，同样提高了腐蚀工艺的可控性；可以将铝金属边缘位置，片内、片间的波动在
±
2um以内，钛金属边缘位置波动在
±
1um以
内；
32.(3)洁净度高。槽式腐蚀容易积累沾污，并反粘到圆片表面，造成管芯损失。单片喷雾腐蚀的模式，保证溶液单次使用，损耗量可控，极大减少了沾污；
33.(4)无可靠性隐患。腐蚀底层钛金属后，由于侧蚀的存在，钛的边缘会缩进铝金属边缘以内并形成缝隙，若有溶液或沾污进入缝隙，将带来无法检测的重大可靠性隐患。最后加一步铝腐蚀，将钛金属露出来至少0.1um，可以消除缝隙结构与可靠性隐患；
34.(5)金属形貌好。铝金属粗糙且厚度较大，较长的腐蚀过程极易出现边缘不整齐的形貌，带来良率损失，使用较高的腐蚀温度控制较快的腐蚀速率，配合喷液流量与转速的控制，避免了腐蚀过程光刻胶形变或均匀性和浸润性等因素带来金属边缘形貌差。
附图说明
35.图1为本发明一实施例所提供的金属电极结构实现方法的流程示意图。
36.图2为本发明一实施例最终得到的金属电极结构示意图。
具体实施方式
37.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚易懂，下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行完整、清楚地描述，显然，所描述的实例不是本发明所有的实施例，仅是一部分的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的技术人员在没有作出创造性的劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
38.图1为本发明一实施例所提供的钛铝双层金属电极单片湿法腐蚀方法的流程示意图，如图1所示，本发明提出的一种钛铝双层金属电极单片湿法腐蚀方法，包括以下步骤：
39.在步骤101中，衬底表面已通过金属化蒸发工艺做好钛铝双层金属：钛位于底层，厚度为180nm；铝位于顶层，厚度为5um。在铝表面涂覆az1500光刻胶，正胶光刻后，得到宽度为50um、间距为20um的正方形阵列胶块，露出待腐蚀区域的铝金属；
40.在步骤102中，将圆片传入单片式喷雾腐蚀系统，待腐蚀面朝上，关闭腔门；
41.在步骤103中，预喷淋铝腐蚀液，时间为15秒；
42.在步骤104中，将加热到75℃的铝腐蚀液以290ml/min的流量喷淋腐蚀铝金属，腐蚀时间为300秒，圆片转速为200r/min；
43.在步骤105中，使用流量为700ml/min的去离子水冲洗80秒，将圆片表面的铝腐蚀液冲洗干净，圆片转速为100r/min；
44.在步骤106中，预喷淋稀释氢氟酸，时间为15秒；
45.在步骤107中，使用温度为22℃的稀释氢氟酸以520ml/min的流量喷淋腐蚀钛金属，腐蚀时间为150秒，圆片转速为150r/min，形成衬底201表面的钛结构，如图2中202；
46.在步骤108中，使用流量为700ml/min的去离子水冲洗40秒，将圆片表面的稀释氢氟酸冲洗干净，圆片转速为150r/min；
47.在步骤109中，使用加热到60℃的铝腐蚀液以200ml/min的流量喷淋腐蚀铝金属，腐蚀时间为60秒，圆片转速为150r/min，，形成钛表面的铝结构，如图2中203；
48.在步骤110中，再次使用流量为700ml/min的去离子水冲洗80秒，将圆片表面的铝腐蚀液冲洗干净，圆片转速为100r/min；
49.在步骤111中，将圆片以2000r/min的转速高速旋转甩干，甩干时间为120秒；
50.在步骤112中，使用加热到80℃的热氮气，经过异丙醇后，以1l/min的流量喷在400r/min低速旋转的圆片表面，将圆片脱水；
51.在步骤113中，打开腔体，将经过腐蚀、脱水的圆片传出单片式腐蚀系统；
52.在步骤114中，使用加热到60℃的dmf溶液浸泡圆片20分钟，将圆片表面光刻胶去除。
53.上述步骤中，所述铝腐蚀液为磷酸、硝酸、醋酸和去离子水的混合溶液，其中各组分的摩尔比为，磷酸：硝酸：醋酸：水＝1
‑
60：1
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40：1
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30：1
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80；所述稀释氢氟酸为氢氟酸与去离子水的混合溶液，其中各组分的摩尔比为，氢氟酸：水＝1
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30：170；喷淋铝腐蚀液的喷嘴、喷淋稀释氢氟酸的喷嘴、喷淋去离子水的喷嘴以及喷热氮气的喷嘴，运动轨迹为从圆片边缘到圆片径向3/4位置之间往返，运动速度为4cm/秒，步骤103和步骤106预喷淋中，喷嘴远离圆片，溶液不会碰到圆片表面金属。
54.以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明的原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。