在半導體片表面具有金屬導線跡的半導體器件的製造方法

2023-09-18 08:56:40

專利名稱：在半導體片表面具有金屬導線跡的半導體器件的製造方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體器件的製造方法，該器件的半導體片具有由半導體區與其周圍的氧化區構成的表面，在此表面上有用金屬層形成的導線跡(conductortrack)，然後在該表面的半導體部份上澱積一層氧化矽絕緣層。
能夠這樣來製備導線跡使它既在半導體區上方又在氧化區上方伸展，並與半導體區連接，所以，例如，導線跡就與位於半導體區內的場效應電晶體的源區或漏區相連接。然後導線可以進一步通過澱積復蓋在導線上的氧化矽絕緣層上的聯接窗口而與金屬層相連接，該金屬層製備於氧化矽絕緣層之上。該導線也可進一步地連接到也製備於半導體的表面上的多晶矽的導線跡上。於是這兩種導線跡可以用一層氧化矽的絕緣層復蓋。因此，例如，一個製備於半導體區內的場效應電晶體的漏區或源區可以連接到另一個製備於半導體片上的場效應管的柵極上。然而，導線跡也可以這樣布置，以使它僅在氧化區上方或僅在半導體區上方延伸。在這些情況下，可以用它來形成不同的內部連線。
歐洲專利申請No.190070在開始一段公開了一種與上述類似的一種方法。在該專利中用鈦、釩、鉻、鋯、鈮、鉬、鉿、鉭或鎢層形成導線跡。氧化矽絕緣層可以用已知的澱積氧化矽的各種方法澱積在半導體片表面的導線跡上。
實際上，已經發現，利用現有的方法可能會引起一些問題。例如，被氧化矽復蓋的導線跡會具有比根據其性質所預料的金屬線跡大得多的電阻。在某些情況，人們也已發現，導線跡甚至被完全斷開。如果採用獲得優良階梯復蓋的澱積工藝來製備氧化矽層的話，這個問題尤其明顯。然而，在製造具有電路元件的半導體器件(例如具有亞微米尺度的場效應管)時，這種澱積工藝是非常必要的。
因為本發明的目的特別是改進開頭一段所提及的方法，從而，能夠藉助於一種澱積工藝將氧化矽層澱積在半導體片表面的金屬導線跡上，既能獲得優良的階梯復蓋，而導線跡又不會產生不良的電學性能。
為此目的，本發明的方法其特徵在於在導線跡表面上製備氧化矽層之前，先在導線跡上製備一層防氧化材料的頂層。
本發明基於對以下事實的認識即在採用能獲得優良階梯復蓋性的澱積工藝澱積氧化矽的過程中，鈦、釩、鉻、鋯、鈮、鉬、鉿、鉭或鎢的導線跡很容易被氧化。在這種工藝中，半導體片被加熱到650℃以上，同時含矽的混合氣體通過半導體片，實際上該混合氣體總是含有氧化性組分，例如在含有二氯甲矽烷的混合氣體中，要麼含有含氧的雜質，要麼含有氧的化合物，在這種條件下該金屬容易被氧化。當溫度低於450℃時，這類情況實際上不會發生。但是在此溫度時也不能澱積具有優良階梯復蓋性的氧化矽層。由於所說的氧化作用，導線跡的電阻會變得很高，甚至完全斷開，從而被破壞。
依據本發明提供的措施，在氧化矽絕緣層沉積過程中，導線跡的此種氧化作用可以被阻止。
可以利用氮化矽或氧化矽來製造防氧化的頂層。然而，由於上述原因此種防氧化頂層應在低溫下沉積，比如，通過等離電體澱積工藝而製備。但是這種澱積層的階梯復蓋性差。
本發明的一種優化實施例其特徵在於導線跡上有一層非晶矽的防氧化頂層。這種非晶矽層可利用濺射澱積工藝很容易在較低的溫度下澱積而成並具有良好的階梯復蓋，或者利用另一種澱積工藝，在此工藝中非晶矽由含甲矽烷的蒸汽澱積而成。在後一種工藝中，金屬表面對甲矽烷的分解反應起催化作用，所以這種反應可以在低於450℃的溫度下發生。事實上，是在上述金屬不被氧化的條件下實施這些工藝的。進一步還發現，在氧化矽在導線跡上澱積的過程中，非晶矽本身基本上沒有氧化。還發現，此頂層非常緻密以致於實際上觀察不到下面金屬的氧化。
根據本發明，最好在導線跡上製備厚度至少為3毫微米的非晶矽頂層。已發現，具有該最小厚度的非晶矽層充分地保護了下面金屬不被氧化。
根據本發明，以非常適用的手段製備具有頂層的導線跡的一種方法，其特徵在於導線跡以具有頂層的形式來製備，其中先將防氧化材料製備於表面上的金屬層上，然後將並列的兩層蝕刻成與導線跡相同的圖形。金屬層和防氧化層都可以利用濺射工藝澱積得到。這兩層都可以在一次工藝步驟中在同一設備中得到。
更進一步，最好首先將防氧化層蝕刻成圖形，隨後把防氧化材料層的圖形蓋住，同時進行蝕刻，在下面的金屬層中就得到相同的圖形。這樣頂層形成厚度例如為5毫微米的很薄的掩模。結果，底下的金屬層可以被通過掩模開口的液態蝕刻劑很好地浸溼。結果，例如能夠形成相當窄的導線跡，導線跡的間距可小於1微米。舉例來講，與非晶矽的頂層相比，這些金屬層可以在過氧化氫溶液中非常有選擇性地被蝕刻掉。
最好是更進一步地用添加鈦和氮的鎢層形成導線跡。由於鎢和鈦的混合物中添加了氮，在氧化矽層澱積過程中，金屬層的側向氧化大大減弱。與添加氮的導線跡相比，沒有加氮的導線跡其未被頂層復蓋的側邊的氧化要激烈的多。結果，導線跡具有不規則的邊緣，添加氮則可以避免這一點。
利用實例，參考附圖，下面將對本發明作更完整的描述。圖中

圖1至8表示了用本發明的方法所獲得的半導體器件的幾個連續的製造步驟。開始的材料是半導體片1，它具有表面2，表面2與P型矽構成的半導體區3以及圍繞著3的氧化區4鄰接。氧化區4可以用通常的方法將矽局部氧化獲得。它也可以用氧化矽填充半導體片中刻出的溝槽來製備。如本例所示，表面2可以位於半導體區3和氧化區4以上的同一平面上，然而，它也可以位於比半導體區3高一點的氧化區4之上。在所說的第一種情況下，有時使用「埋區氧化」這個詞。
在附圖中，只表示了單個的半導體區3被氧化區4所包圍。然而，實際上一塊半導體片可包含極大量的這類半導體區。例如，每一個半導體區都可以包含一個電路元件，比如一個場效應管。在此處所給的例子中，將場效應管位於半導體區3中。
在通常情況下，在表面2上用一柵氧化層5將多晶矽與半導體區3相絕緣而製成柵極6。圖中還示出了一個多晶矽導線跡7，它置於氧化區4上面。例如，這個導線跡7構成了位於鄰近的半導體區中的場效應管的柵極。在柵極6和導線跡7形成之後，用通常的方法注入BF2離子形成半導體區8和9。離子的注入能量約為55Kev，劑量約為2.1015離子/釐米2。用柵極6和氧化區4作為一個注入掩模。半導體區8和9現在可作為場效應管的源區和漏區。在半導體區8和9形成後，在整塊半導體片上沉積氧化矽層，在柵極6和導線跡7的邊緣形成絕緣層10，然後對此氧化矽層進行各向異性的蝕刻處理，掌握蝕刻的時間只讓邊緣的絕緣層10保留下來。
為了使具有低電阻率的半導體區8和9能被連接，最好使8和9帶有金屬矽化物的頂層12。用能與矽形成矽化物的金屬層11復蓋整個半導體表面來實現這一點，此例中用約40毫微米厚的鈦作復蓋層，然後，基片1在氮化氣氛中加熱至650℃保持10秒鐘。在金屬層11與矽接觸的區域內形成矽化鈦，而在金屬層11位於氧化矽上的區域內則形成氮化鈦。隨後，用氨和過氧化氫的水溶液中除去所形成的氮化鈦。然後將基片1在850℃的氮氣中再加熱10秒鐘。這樣就製成了帶有穩定的矽化鈦頂層12的半導體區8和9、柵極6和多晶矽的導線跡7，矽化鈦12的方塊電阻約2.5到3.5歐姆。柵極6和導線跡7的邊界絕緣層10以及氧化區4上沒有矽化鈦。
在矽化鈦的頂層12形成後，在半導體片的表面2上製備金屬導線17和18，在半導體區3和氧化區4內形成的半導體區8和9與導線17及18鄰接，本例中已經在3和4上製備了柵極6和多晶矽導線7。製備一絕緣氧化矽層19將表面2上的導線17、18復蓋。在圖17和18中，示出了兩個金屬導線17和18。導線跡17在半導體區8和氧化區4以及多晶導體7的上方延伸，並將半導體區8和導體7連接起來。導線跡18在半導體9和氧化區4上延伸並通過在氧化矽層19內的窗口20及在窗口20內形成的金屬插頭21連接到製備在氧化矽層19上的更遠的導線22。
將金屬層13澱積在表面2上，然後將它蝕刻成與導線跡17、18相應的圖形，從而在表面2上形成導線跡17、18。根據本發明，在導線跡17、18上復蓋氧化矽層19之前，將防氧化材料頂層16製備在17、18上。
氧化矽的絕緣層19必須用具有非常好的階梯復蓋性的澱積工藝來製備。在此工藝過程中將半導體基片1加熱到650℃以上的溫度，同時將含矽混合氣體比如四乙氧基矽烷Si(OC2H5)4或者二氯甲矽烷SiH2Cl2與氧的混合物通過半導體塊。這樣，由鈦、釩、鉻、鋯、鈮、鉬、鉿、鉭或鎢或合金做成的導線跡17、18在這種條件下很容易氧化。即使在第一個實例子中，最後的氣體混合物也含有足夠多的氧。因為這些金屬導線跡能承受高溫，適合製備於氧化矽層的底下，然而它們會具有相當高的電阻，甚至可能發生電學斷路。在比450℃低得多的溫度下，所說的金屬實際上即使在氧化氣體混合物中也不會氧化，但是在這樣的低溫下，無法製備具有良好階梯復蓋性的氧化矽層。由於有了防氧化層16，能夠做到將具有良好階梯復蓋性的氧化矽層澱積在導線跡上。
根據本發明，最好將非晶矽頂層16作為防氧化頂層置於導線跡17、18上。利用通常的濺射沉積工藝或利用從含有甲矽烷(SiH4)的蒸汽中澱積非晶矽的工藝很容易在450℃以下的溫度澱積出這樣的頂層。在第二種情況下，金屬表面對於甲矽烷SiH4的分解反應起催化作用。因此這種反應可以在低於450℃的溫度下發生。在這些工藝中，所述的金屬不會氧化。已經發現，在利用上述有良好階梯復蓋性的工藝之一使氧化矽澱積的過程中，實際上非晶矽的頂層本身不氧化。人們還發現，這樣的頂層是很緻密的，以致於實際上觀察不到下面金屬的氧化。
非晶矽的防氧化頂層最好至少具有3毫微米的厚度。具有此厚度的頂層充分地保護了下面金屬不被氧化。
用通常的工藝，比如濺射澱積工藝，將鈦、釩、鉻、鋯、鈮、鉬、鉿、鉭或鎢或它們的混合物做成的金屬層13澱積在半導體片1的表面2上來製備帶有防氧化層16的導線跡17和18，然後用一層防氧化層材料14將金屬層13復蓋。隨後將這兩層金屬用常用方法製備的光刻掩模15將其掩蔽蝕刻成與導線跡17相應的圖形。最好防氧化材料層14首先被蝕刻成此圖形。在清除光刻掩模15後，把保留下來的防氧化材料層16作為將下面金屬層13蝕刻為相同圖形時的掩模。這樣就形成了帶有防氧化頂層16的導線跡17。防氧化層14，在本例中是非晶矽層，能在含四氟化碳(CF4)和氧氣的混合氣體所形成的等離子體中相對於層13被有選擇性地蝕刻。金屬層13，本例中是含氮的鈦鎢合金，能在過氧化氫溶液中相對於非晶矽和金屬13下面的金屬矽化物和氧化矽有選擇性地被蝕刻掉。因為層14為厚度在3-50毫微米之間的極薄的掩模，金屬層13的未復蓋部分能很好地被浸溼。這樣，可以得到間距非常小的導線跡(小於1微米)。
舉例來說，含氮的鈦鎢混合物組成的金屬層13，其厚度為100毫微米，其中鈦鎢之比為1∶4，氮的含量為10-30%(原子比)，而非晶矽層14厚度大於3毫微米。澱積這層金屬是通過，例如在溫度為150℃條件下，壓強為毫乇的含氬氣和氮氣的氣氛中，其中含氮體積比最多為25%，將鈦鎢比為1比4的靶濺射。這樣，最多有30%原子比的氮結合入金屬層中。由於層13中添加了氮，在隨後的向整個基片上澱積氧化矽層19的過程中，金屬層的側向氧化大大地減少了。如果不含氮的鈦鎢合金層的側向氧化是300毫微米的話，則厚度相同的含氮合金層的側向氧化只有140毫微米。
在四乙氧基矽烷的氣氛中將基片1加熱到大約700℃，在基片1上製備成氧化矽層19。接著，用通常方法將這層平整化。最後，在氧化矽層19上製備接觸窗20。窗口20完全處於導線跡18之上，這有其他好處，即在蝕刻步驟中，因為導線跡18能作為阻蝕器，所以下面的氧化區4不會被損壞。
以通常的方法用金屬21，例如鎢，填充接觸窗20，先有選擇性地將這種金屬澱積在導線跡18上或用厚的金屬層完全復蓋基片1，然後把它再次蝕刻掉直至氧化矽層，接觸窗保持恰好充滿的狀態。在氧化矽層上，製備另一層金屬22例如鋁，於是它通過接觸窗口20內的金屬21與金屬導線18和帶有半導體區9的金屬矽化物層12電連接。
最好在半導體區8、9和在多晶矽柵極6、多晶矽導線跡7上製備了金屬矽化物頂層12之後再製備金屬層13，以此形成導線17和18。順序也可以不同，例如，金屬層13可以首先在生成金屬矽化物的金屬層11上形成，然後進行矽化處理。那麼，這種處理應該使下金屬層11與底下的矽形成金屬矽化物，而上金屬層13則保持不變。接著，導線跡可以用上金屬層形成，然後，底下那層未轉變為金屬矽化鐧慕鶚舨 1的未復蓋部分被消除。然而，與以上描述的方法相比，此法的缺點是在矽化處理過程中，半導體帶8和9中的矽通過已生成的矽化物擴散，並與未反應的金屬形成矽化物。在該方法中，金屬矽化物還可能在氧化矽上形成，例如，在柵極6的側邊絕緣層10上形成，結果，形成了所不希望的短路。本發明的方法避免了這種金屬矽化物的過度生長。如上所述，金屬矽化物在氮氣氛中很短時間內形成。金屬層11在其下面無矽的區域，轉變為金屬氮化物。此金屬構成良好的矽擴散位壘，所以，大大抑制了上述的金屬矽化物的過度生長。金屬矽化物最好在含氮氣氛中，溫度為600到700℃之間，保溫5-20秒鐘生成。
人們將了解到本發明並不局限於此處描述的實施例，而且在本發明的範圍內可能出現許多進一步的變動。例如，我們描述了在半導體區3內製備場效應管，當然這兒同樣可以製造另一種電路元件，比如製造一個雙極型電晶體。
權利要求
1.一種製造半導體器件的方法，這種半導體器件的半導體片具有由半導體區與其周圍的氧化區構成的表面，在此表面上製備一層金屬層，以這層金屬層形成導線跡，然後在該表面的半導體部分上澱積一層氧化矽絕緣層，該半導體器件的製造方法其特徵在於在導線跡上製備氧化矽層之前，先在導線跡上製備一個防氧化材料的頂層。
2.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於導線跡上的防氧化層為非晶矽頂層。
3.按照權利要求2所述的方法，其特徵在於導線跡的非晶矽頂頂層厚度至少為3毫微米。
4.按照以上任何一條權利要求所述的方法，其特徵在於導線跡的製備是通過先在表面層上的金屬層上澱積一層防氧化材料的頂層，然後將並列的兩層蝕刻成與導線跡相同的圖形。
5.按照權利要求4所述的方法，其特徵在於首先把防氧化材料層蝕刻成所說的圖形，隨後利用對防氧化材料層中圖形實行掩蔽的同時把底下的金屬層蝕刻成相同的圖形。
6.按照權利要求5所述的方法，其特徵在於導線跡以添加氮的鎢鈦混合物層製成。
7.按照權利要求6所述的方法，其特徵在於把10-30%的氮(原子比)添加到含鎢和鈦的混合物中，其中鎢鈦之比為1∶4。
8.按照以上權利要求中的任何一條的方法，其特徵在於在製備生成導線跡的金屬層之前，至少要把金屬矽化物頂層局部地製備在半導體區上。
9.按照權利要求8所述的方法，其特徵在於用熱處理的方法，在含氮氣氛中，加熱到600-700℃之間，保持5-20秒鐘，來製備金屬矽化物頂層。
全文摘要
一種製造半導體器件的方法，該器件的半導體片具有由半導體區和其周圍的氧化區所構成的表面，在表面上製備金屬層，以這層金屬層形成導線跡，然後，把氧化矽絕緣層澱積在表面上的導線跡上。根據本發明，在把氧化矽層製備在導線跡上之前，這種導線跡上製備有防氧化材料的頂層。由於製備了頂層，避免了氧化矽復蓋的導線跡產生高電阻甚至電學斷路的可能。
文檔編號H01L21/336GK1034826SQ8910045
公開日1989年8月16日 申請日期1989年1月26日 優先權日1988年1月29日
發明者羅伯特斯·阿德裡安納斯·瑪麗亞·達爾特斯, 阿歷山大·吉斯伯特斯·馬賽厄斯·揚卡斯 申請人:菲利浦光燈製造公司