電極接觸結構及其製造方法

2023-09-22 01:32:55

專利名稱：電極接觸結構及其製造方法
技術領域：
本發明涉及電極接觸結構，特別是金電極和鋁布線的接觸結構，此外還涉及其製造方法。
背景技術：
用於作為發光元件或受光元件的光元件的化合物半導體用的歐姆電極的材料，ρ 型用多用AuGe、AuIn、AuSi、AuSn ；η型用多用AuZn、AuMo、Auln、AuBe等，以Au為主體的合 金。而布線材料，多用電阻率低，容易進行引線鍵合的Al。但是，在以Au為主體的合金和Al的組合中，在SiO2絕緣膜上開設的兩金屬進行歐 姆接觸的接觸孔中，由Au原子和Al原子的互相擴散成生金鋁金屬間化合物。已知金鋁金屬 間化合物分準穩定組成的合金Au4A1、Au5A12、Au2Al、AuAl、AuAl2這五種類型。其中，Au5Al2 與單獨的Au、Al的體積相比，擁有3 4倍的體積比。也就是說，因為Au5Al2會通過化合物 化而膨脹3 4倍，在接觸孔處積蓄應力，導致鋁布線及絕緣膜的剝落，產生斷路，對電極接 觸結構的可靠性造成不良影響。這樣的金屬間化合物Au5Al2容易在接觸孔的周邊部分，即 與SiO2絕緣膜相接的部分生成。一旦生成金屬間化合物Au5Al2，特別是排列了光元件的陣列結構的情況下，接觸孔 的數量多，尤其在集成了使用PNPN結構的3端發光晶閘管的自掃描型發光元件陣列等驅動 電路的陣列(例如，參照專利第2683781號公報)中，因為需要發光元件數量的3 10倍 數量的接觸孔，在可靠性方面就成了大問題。

發明內容
本發明的目的是，解決這樣的問題，提供可靠性高的電極接觸結構。本發明另外的目的是，提供這樣的電極接觸結構的製造方法。本發明的除此以外的目的是，提供擁有這樣的電極接觸結構的自掃描型發光元件 陣列。本發明的第1形態是，由金電極、和在該金電極的絕緣膜上開設的接觸孔、以及通 過該接觸孔與金電極進行歐姆接觸的鋁布線所構成的電極接觸結構。本發明的特徵是上 述金電極上的上述鋁布線的厚度最大的部分和厚度最小的部分的差，與上述絕緣膜的厚度 大致相等，或比上述絕緣膜的厚度小。此外，依照本發明，上述金電極的膜厚度為0.1 0. 2 μ m，或者上述金電極的周邊部分和上述絕緣膜的重合寬度小於等於1 μ m,或者上述接 觸孔的大小至少大於等於16 μ m2。另外，本發明的電極接觸結構可以由Au4Al合金制電極、在上述電極上的絕緣膜上 開設的接觸孔、以及通過上述接觸孔與上述電極進行歐姆接觸的鋁布線構成。
此外，依照本發明，上述金電極可以由金系合金膜、在該金系合金膜上形成的阻擋金屬膜、以及在該阻擋金屬膜上形成的金膜這樣的層結構構成。本發明的第2形態是，由金電極、在該金電極的絕緣膜上開設的接觸孔、以及通過該接觸孔與金電極進行歐姆接觸的鋁布線所構成的電極接觸結構的製造方法。該方法包 括，在襯底上形成金電極的工序、設置絕緣膜並在上述金電極上開設接觸孔的工序、在上述 金電極上濺射成膜鋁時，利用濺射的能量將上述金電極全部Au4Al化的工序。另外，本發明的電極接觸結構的製造方法包括，在襯底上形成由Au4Al合金構成的電極的工序、設置絕緣膜並在上述金電極上開設接觸孔的工序、在上述電極上濺射成膜鋁 的工序。本發明的第3形態是，使用了 PNPN結構的3端發光晶閘管的自掃描型發光元件陣列。該自掃描型發光元件陣列的3端發光晶閘管的電極接觸結構，是本發明的電極接觸結 構。依照本發明，因為抑制了 Au5Al2的生成，能夠得到可靠性高的電極接觸結構。這樣的電極接觸結構適用於使用了 PNPN結構的3端發光晶閘管的自掃描型發光元件陣列。


圖1A，圖1B，圖IC是用於實驗的三種電極接觸結構的剖面圖。圖2A及圖2B是改變重合寬度的情況下的實驗結果示意圖。圖3A及圖3B是改變金電極厚度的情況下的實驗結果示意圖。圖4A及圖4B是改變接觸孔面積的情況下的實驗結果示意圖。圖5A及圖5B是改變重合寬度的情況下的實驗結果示意圖。圖6A及圖6B是改變金電極厚度的情況下的實驗結果示意圖。圖7A及圖7B是改變接觸孔面積的情況下的實驗結果示意圖。圖8A及圖8B是改變重合寬度的情況下接觸電阻的變化示意圖。圖9A及圖9B是改變金電極厚度的情況下接觸電阻的變化示意圖。圖10A，圖10B，圖IOC是將金電極做成層結構的例子的示意圖。圖11是自掃描型發光元件陣列的等效電路圖。
具體實施例方式在金鋁金屬間化合物中，Au4Al的體積比約為1，化合物化幾乎不發生體積變化。因 此，在本發明中，優選生成體積變化小的金鋁金屬間化合物Au4Al,同時抑制體積變化(體積 膨脹)大的金鋁金屬間化合物Au5Al2W生成。生成Au4Al,就是在金電極上，在濺射生成鋁膜的時候，利用濺射的能量，將界面 Au4Al化。在此，只要適當選擇金電極的膜厚，就能夠將已經形成鋁膜的下面的金電極全 部Au4Al化。一旦生成Au4Al後，從Au4Al到鋁膜的金原子移動就幾乎不發生，也就不生成 Au5A12。因此，在接觸孔內不會發生體積膨脹，能夠確保電極接觸結構的可靠性。但是，如果 金電極的膜厚很大，就會殘留金屬狀態的金。另外，在以往的電極接觸結構中，因為金電極的邊緣在接觸孔外側，由此在接觸孔 外側的電極周邊部分，不生成Au4Al,會殘留金屬狀態的金。因此，可以認為這部分的金原子，通過鋁圖案形成後的處理(例如形成保護膜等)的熱過程，擴散到鋁這一側，生成Au5Al2 等伴有體積膨脹的金屬間化合物。因此，有必要設計儘量不殘留金屬狀態的金的電極接觸結構。為此，考慮以下情 況(1)將金電極的膜厚變薄；
(2)縮小絕緣膜所覆蓋的金電極周邊部分的面積；(3)擴大接觸孔的面積；(4)電極本身用Au4Al製作。(1)的方法中，金電極的膜厚薄，所以可以通過鋁的濺射將金電極全部Au4Al化。或 者，即使殘留了金屬狀態的金，擴散到鋁布線一側的金原子數目很少，所以很難生成Au5A12。(2)的方法中，可以減少在電極周邊部分殘留的金屬狀態的金的量，所以很難生成 Au5Al2。(3)的方法中，通過擴大接觸孔的面積，提高接觸孔內相對於金原子的鋁的體積比 例，結果，就能夠減少體積變化。(4)的方法中，從最初就用Au4Al製作金電極本身，所以很難生成Au5A12。為了確認本發明的思路，進行了以下實驗。製作樣本如下，在GaAs半導體襯底上形成金電極、SiO2絕緣膜以後，在電極上開 設接觸孔，形成鋁布線。金電極形成膜厚為150nm，面積分別為4μπιΧ4μπι、6μπιΧ6μπι、 8μπιΧ8μπι的三種規格。SiO2絕緣膜的厚度為150nm，鋁布線厚度為1.2μπι。鋁濺射時的輸入功率約為 400kW/m2。接觸孔的大小為4μπιΧ4μπι。將以上製作的三種接觸孔通過收斂性離子束蝕刻(FIB)進行切割，用電子顯微鏡 (SEM)觀察其剖面。三種接觸孔的剖面圖的模式圖，分別用圖1Α，圖1Β，圖IC表示。圖中，10表示GaAs 襯底，12表示金電極，14表示SiO2絕緣膜，16表示接觸孔，18表示鋁布線，20表示生成的金 鋁金屬間化合物Au5Al2。在SEM照片上，雖然無法區分金和金鋁金屬間化合物的分界線，但 是金鋁金屬間化合物和鋁的分界可以明顯區分。首先，看圖IA的接觸孔16的面積(4μπιΧ4μπι)與金電極12的面積(4μπιΧ4μπι) 相同的情況下的電極接觸結構的剖面時，金電極12的厚度幾乎與鋁濺射前一樣，為 150 μ m0但是，經組成分析確認不是純淨的金，而是與鋁的金屬間化合物，由組成比例確認 為 Au4Al ο由此可知，若金電極的膜厚薄到150nm，則在鋁膜濺射時，利用濺射的能量，能夠幾 乎將金電極全部Au4Al化。測量SiO2絕緣膜14的厚度A，金電極上的鋁布線18的厚度最大的部分和厚度最 小的部分的差B，結果分別為150nm，160nm。由於測量誤差為10%，所以高度A，B幾乎為相 等的值。再者，鋁布線的厚度最大的部分、厚度最小的部分的值，是分別在不同的2點以上 測定得出的平均值。其次，看圖IB的接觸孔16的面積(4 μ mX4 μ m)小於金電極12的面積 (6ymX6ym)的情況下的電極接觸結構的剖面時，SiO2絕緣膜14下的金電極12的端部形成了空洞22，從接觸孔16的周邊部分開始，形成了 Au5Al2的金屬間化合物20。在此，空洞 22可以認為是柯肯多爾擴散空穴，因為鋁中的金原子的擴散比金中的鋁原子的擴散快，所 以形成空洞。測量SiO2絕緣膜14的厚度A，金電極上12的鋁布線18的厚度最大的部分和厚度 最小的部分的差B，結果分別為150nm，140nm。另外，在接觸孔16中，存在著以鋁為主要成分的部分(圖IB的β部分)以及含 有金鋁金屬間化合物和鋁的部分(圖IB的α部分)。其次，看圖IC的接觸孔16的面積(4 μ mX4 μ m)相比金電極12的面積 (SymXSym)更大時的電極接觸結構的剖面時，得知Au5Al2金屬間化合物20的體積進一 步增加了。測量SiO2絕緣膜的厚度A，金電極12上的鋁布線18的厚度最大的部分和厚度最 小的部分的差B，結果分別為150nm，-400nm(比鋁布線的厚度最大的部分增加了 400nm的
高度)。由以上的結果得知，SiO2絕緣膜所覆蓋的金電極的周邊部分面積越小，Au5Al2的生 成越少。另外，得知金電極的面積與接觸孔的面積相同的情況下，將金電極的膜厚變小就不 會生成Au5Al2。在不發生體積膨脹的情況下，如圖1A、圖IB所示，高度A、B的值幾乎相等。這種 A、B的值幾乎相等的情況下，就變成了可靠性高的電極。並且，即使生成Au5Al2,只要B為正 值，就很難發生不良。進而改變電極接觸結構的構成要素的尺寸，進行了實驗。以下，對實驗結果進行說 明。圖2A的圖表表示在金電極膜厚=150nm的情況下各種電極接觸結構的剖面中的 金電極以及金鋁金屬間化合物的剖面積與金電極面積之間的關係。圖2B表示電極接觸結 構的剖面。金電極的面積為gXg，接觸孔的面積為hXh(h = 4μπι)。在圖2Α的圖表中， 橫軸表示金電極的寬度g(金電極的面積)，縱軸表示金電極以及金鋁金屬間化合物的剖面 積。〇表示金電極剖面積(設計值)， 表示金鋁金屬間化合物Au5Al2的剖面積(包括空 穴面積)。根據圖表，如果認為「通過接觸孔與濺射鋁相接的金電極的剖面積不變，超出接觸 孔的金電極周邊部分的金原子擴散到鋁中，生成原來金的剖面積的3 4倍的金鋁金屬間 化合物」，則形成圖表中的直線30，就能夠很好地說明實驗結果。另外，圖3A表示金電極面積=接觸孔面積=4 μ mX4 μ m，改變金電極的膜厚d的 情況下，金電極以及金鋁金屬間化合物的剖面積。圖3B表示電極接觸結構的剖面。電極的 厚度用d表示。在圖3A的圖表中，橫軸表示金電極的厚度d，縱軸表示金電極以及金鋁金屬 間化合物的剖面積。〇表示金電極剖面積(設計值)，·表示金鋁金屬間化合物的剖面積。根據圖表，如果認為「原金電極膜厚中，將與鋁的分界面一側大約0.2μπι的部分 變成Au4Al,剩餘部分以金的形式殘留，在其後的熱處理中擴散到鋁這一側，形成Au5Al2,體 積膨脹到3 4倍」，則形成圖中的直線32，能夠很好地說明實驗結果。然後，圖4Α表示金電極的周邊部分與絕緣膜的重合寬度為1 μ m時的金電極的面積與金電極以及金鋁金屬間化合物的剖面積之間的關係。金電極的厚度為150nm。圖4B表示電極接觸結構的剖面形狀。在圖4A的圖表中，橫軸表示金電極的寬度g(金電極的面 積)，縱軸表示金電極以及金鋁金屬間化合物的剖面積。〇表示金電極剖面積(設計值)， 表示金鋁金屬間化合物Au5Al2的剖面積(包括空穴面積)。根據該圖表可知，隨著金電極的面積增大，金鋁金屬間化合物的剖面積也在增大， 但是因為接觸孔的面積也增加，所以金電極越大(即接觸孔越大)膨脹率越小。因此，電極 接觸結構的可靠性也提高了。
對各種設計的電極接觸結構，通過PCT(壓力鍋試驗)，進行加速劣化試驗，檢查故 障率。每種設計的取樣數為2560個，試驗條件為136°C，90% RH, 100小時。試驗結果在圖 5A、圖5B 圖7A、圖7B中表示。圖5A、圖5B和圖2A、圖2B —樣，表示當接觸孔的面積為4 μ mX 4 μ m的情況下，改 變金電極的面積時的故障率。圖6A、圖6B和圖3A、圖3B —樣，表示當接觸孔和金電極的面積相同時，改變金電 極的厚度d時的故障率。圖7A、圖7B和圖4A、圖4B —樣，表示金電極周邊部分和絕緣膜的重合寬度為1 μ m 時，改變金電極的面積時的故障率。由圖5A、圖5B表示的實驗結果得知，金電極周邊部分和絕緣膜的重合寬度為 0.5μπι時，與寬度為0時的故障率相同。即使在寬度為Ιμπι時故障率也很低。另一方面， 圖8Α、圖8Β表示金電極和GaAs襯底之間的接觸電阻。當重合寬度變得比0小時，接觸電阻 不連續地急速增長。因此，重合寬度優選被設計為比0大。由圖6Α、圖6Β表示的實驗結果得知，金電極厚度d小於等於0. 2μπι(200ηπι)時故 障率很低。另一方面，隨著金電極厚度變薄，金電極和GaAs襯底之間的接觸電阻有變高的 傾向。由表示金電極和GaAs襯底間的接觸電阻的圖9Α、圖9Β得知，金電極厚度小於等於 0. 1 μ m時，接觸電阻變為0. 2 μ m時的約2倍，變得比此更薄時，電阻值急劇增長的同時，偏 差也在增加。由圖7A、圖7B表示的實驗結果得知，金電極周邊部分和絕緣膜的重合寬度一定 (Iym)時，若接觸孔的面積為4μπιΧ4μπι=16μπι2，則故障率極低，若為5 X 5 = 25 μ m2時， 故障率為0。然而，當接觸孔的面積小於等於3X3 = 9μπι2時，故障率急劇增長。由以上的結果得知，圖2Α、圖2Β 圖4Α、圖4Β的金鋁金屬間化合物剖面積越是變 大的樣本，故障率越高。由以上的實驗，得到了以下結果。(1)金電極周邊部分與絕緣膜的重合寬度優選小於等於1 μ m，更優選小於等於 0. 5ym0而且，重合寬度優選大於0。(2)金電極的膜厚優選在0. Iym 0.2 μπι的範圍內。(3)接觸孔的面積優選大於等於16 μ m2，更優選大於等於25 μ m2。而且，為了減少絕緣膜所覆蓋的金電極周邊部分的影響，金電極以及接觸孔沒必 要做成矩形，做成圓形，橢圓形，長圓形都可以。矩形的情況下，因為從接觸孔的角看到的金 電極和絕緣膜的重合部分的堆積，與角以外的相比更大，所以容易從角開始破損；若選用圓 形的話，接觸孔整個一周的重合部分都很平均，所以可以提高電極接觸結構的可靠性。為了消除重合部分的影響，可以開始就用Au4Al的組成形成金電極。要得到Au4Al膜，可以利用Au4Al的合金的靶通過濺射成膜，也可以通過最初將200nm以下的金電極製成膜的基礎上，濺射50nm以上的鋁，以此得到Au4AL本發明，優選對矽芯上的所有電極接觸結構實行，即使電極接觸結構的一部分不滿足本發明的條件，因為電極接觸結構的故障是偶發故障，此處的可靠性也不會成為瓶頸 障礙，能夠得到與本發明條件相符的與電極接觸結構的比例對應的可靠性。綜合看來，對於 晶片內的所有電極接觸結構，半數以上的電極接觸結構有必要滿足本發明的條件。在以上的實施例中，說明了鋁布線不是鋁合金的例子，但也可以由在鋁中含有少量的Si、Cu、Ni、Cr、Ti、Ta、Sc等的合金形成。另外，為了避免生成金鋁金屬間化合物引起的體積膨脹，只要減少與鋁接觸的金的量就可以了。這能夠通過將金電極變成金系合金膜、阻擋金屬膜、以及金膜的層結構來實 現。在圖10A、圖10B、圖IOC中，顯示了這個實施例。如圖IOA所示，在GaAs襯底10 上，通過真空蒸鍍形成與該襯底進行歐姆接觸的金系合金膜30。然後，連續蒸鍍上阻擋金屬 膜32。在此，作為阻擋金屬，可以選擇不會生成和金以及鋁發生反應而引起體積膨脹、發生 電阻變大等不良現象的金屬間化合物的金屬。通常，選擇Cr、Ni、Pt、Ti等高熔點金屬。此 處使用膜厚IOnm的Cr。然後，將金製成20nm的膜，形成金膜34。金膜的厚度大於等於5nm、小於等於0. 1 μ m時，令人滿意的是不會發生成為不良 的起因的體積膨脹。其後，通過剝離將金繫結合膜、阻擋金屬膜圖案形成為電極的形狀。進而，如圖IOB所示，用等離子CVD形成SiO2絕緣膜14，用反應離子蝕刻(RIE)形 成接觸孔16。用濺射製成厚度為1. 2μπι的鋁膜，用溼法蝕刻形成圖案，如圖IOC所示，形成 鋁布線18。觀察用上述工序得到的電極接觸結構的接觸孔的剖面形狀，看不到金鋁合金引起 的體積膨脹。本發明的電極接觸結構適用於上述使用了 PNPN結構的3端發光元件的自掃描 型發光元件陣列。在圖11中表示了這樣的自掃描型發光元件陣列的一個例子(專利第 2683781號公報中記載的)。圖11所示自掃描型發光元件陣列如下構成，包括開關元件陣列，排列了分別具有用於從外部控制用於開關動作的閾值電壓 或閾值電流的第1控制電極的多個開關元件，各個第1控制電極相互通過第1電部件連接 的同時，電源線通過第2電部件連接在各個開關元件上，且用於進行信息傳送的時鐘布線 連接在各個開關元件上，把用於寫入信息的信號提供給多個開關元件中的一部分；發光元件陣列，排列了分別具有用於從外部控制用於發光動作的閾值電壓或閾值 電流的第2控制電極的多個發光元件，提供用於使發光元件發光的電流的電流供應線被連 接在各個發光元件上；第3電部件，分別連接在開關元件的第1控制電極和發光元件的第2控制電極上，並且，通過控制電流供應線提供的電流的量，由外部寫入開關元件陣列上的各個 上述開關元件的開/關狀態的信息被寫入發光元件陣列，且被寫入發光元件陣列的開/關 狀態的信息只在預期的時間內被保持。在圖11中，S表示開關元件，G表示作為第1控制電極的柵電極，D表示第1電部件的二極體，Vgk表示電源線，Ru、Rl2表示第2電部件的電阻，Cli表示提供時鐘CPl的時鐘線 路，Cl2表示提供時鐘Cp2的時鐘線路。各開關元件的正電極，經過電阻RA1、Ra2交替連接在時鐘布線Cu、Cl2上。另外，L表示發光元件，G'表示作為第2控制電極的正電極，CLk表示提供電流CpR 的電流供應線，D'表示第3電部件。各發光元件的正電極經過電阻Ra3連接在電流供應線CLk上。以上構成的自掃描型發光元件陣列中，由PNPN結構的3端發光晶閘管構成的開關 元件S以及發光元件L的電極，適合使用本發明的電極接觸結構。
權利要求
一種電極接觸結構，包括金電極、在上述金電極上的絕緣膜上開設的接觸孔、以及通過上述接觸孔與金電極進行歐姆接觸的鋁布線，其中上述金電極為金系合金膜、在該金系合金膜上形成的阻擋金屬膜、和在該阻擋金屬膜上形成的金膜的層結構，總膜厚為0.1μm～0.2μm。
2.一種電極接觸結構，包括金電極、在上述金電極上的絕緣膜上開設的接觸孔、以及 通過上述接觸孔與金電極進行歐姆接觸的鋁布線，其中上述金電極為金系合金膜、在該金系合金膜上形成的阻擋金屬膜、和在該阻擋 金屬膜上形成的金膜的層結構，上述金電極的周邊部分與上述絕緣膜的重合寬度小於等於 1 μ m0
3.一種電極接觸結構，包括金電極、在上述金電極上的絕緣膜上開設的接觸孔、以及 通過上述接觸孔與金電極進行歐姆接觸的鋁布線，其中上述金電極為金系合金膜、在該金系合金膜上形成的阻擋金屬膜、和在該阻擋金 屬膜上形成的金膜的層結構，上述接觸孔的大小至少大於等於16 μ m2。
4.如權利要求1、2或3所述的電極接觸結構，其特徵在於上述阻擋金屬膜由Cr、Ni、 Pt、Ti中的任一種形成的高熔點金屬構成。
5.如權利要求1、2或3所述電極接觸結構，其特徵在於上述阻擋金屬膜由Ti形成。
6.如權利要求1 5中任一項所述的電極接觸結構，其特徵在於所述金膜的厚度大 於等於5nm小於等於0. 1 μ m。
7.一種使用了 PNPN結構的3端發光晶閘管的自掃描型發光元件陣列，其特徵在於上 述3端發光晶閘管的電極接觸結構是權利要求1 6中任一項所述的電極接觸結構。
全文摘要
提供可靠性高的電極接觸結構。在由在GaAs襯底上形成的金電極、在該金電極的絕緣膜上開設的接觸孔、以及通過該接觸孔與金電極進行歐姆接觸的鋁布線構成的電極接觸結構中，金電極上的鋁布線的厚度最大的部分與厚度最小的部分的差，與絕緣膜的厚度大致相等或比絕緣膜的厚度小。且，金電極的膜厚為0.1μm～0.2μm。或者，將金電極的周邊部分與上述絕緣膜的重合寬度控制在1μm以下。或者接觸孔的大小至少在16μm2以上。
文檔編號H01L33/08GK101814479SQ201010134380
公開日2010年8月25日 申請日期2005年4月28日 優先權日2004年4月28日
發明者大野誠治, 木下卓 申請人:富士施樂株式會社