擴散阻擋層及其製造方法
2023-06-15 07:07:11 2
專利名稱：擴散阻擋層及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種擴散阻擋層及其製造方法，尤其涉及一種用於如用於含有鋁敷金屬層的噴墨列印頭的微電子流體噴射器件。
背景技術：
在含有電晶體器件的半導體晶片中，金屬層起到將器件的不同部件相互電性互連的作用。這樣的金屬層一般包括接觸和軌跡，其中接觸將金屬層連接至電晶體器件和其他的金屬層。由於鋁相對低廉且容易操作，其始終是形成金屬互連層的優選材料。
不幸的是，如果在器件製造期間，器件處於超過400℃的溫度下，在由矽製成的半導體晶片中形成的器件的鋁互連層經常產生問題。例如，當在矽表面上澱積鋁時，在其界面處，兩種材料傾向於混合至某個程度。在鋁中矽的溶解度隨著敷金屬溫度的增加而增加，且在大約500℃處接近大約1重量百分比，如圖1中的鋁矽相位圖所示。在大約500℃處，為滿足其溶解度的需要，矽容易擴散到鋁中。自襯底的矽流失在襯底中留下了凹陷。同樣地，在隨後的澱積或退火工藝中，鋁向矽襯底中反向移動。由於鋁在矽中的溶解數量很小，移動的鋁填充矽消耗的區域或凹陷，且形成鋁絲。鋁移動到矽中的狀態公知為「尖峰(spiking)」。當移動的鋁經由矽器件中的活性區域強化(spike)時，尖峰可產生器件中的短路。鋁強化(spike)可短路反偏壓結且引起器件短路或過多的漏電流。
為了降低或防止鋁結尖峰問題，應該反過來最小化矽向鋁中的擴散。擴散阻擋層一般用於降低矽和鋁向彼此間的移動。然而，由於經常需要多個步驟以圖案化和蝕刻擴散阻擋層，所以提供擴散阻擋層顯著地增長了微電子器件的製造成本。由於擴散阻擋層經常是高度導電的，所以必須在澱積電阻層(resistive layer)之前蝕刻擴散阻擋層，以防止如澱積在半導體襯底上的電阻器的其它器件之間的短路。因此需要改進的技術和工藝，以降低在半導體晶片製造工藝期間由鋁和矽之間的擴散引起的尖峰，而不增加製造這樣的晶片需要的工藝步驟的數量。
發明內容
關於上述的和其他目的及優點，本發明提供了一種半導體器件，其包含在半導體襯底上的至少一個電晶體和鄰接於至少一個電晶體的加熱電阻器區域中的至少一個加熱電阻器。該器件包括含有用於與至少一個電晶體金屬接觸的接觸孔的矽襯底。阻擋層鄰接於接觸開口並提供擴散阻擋層/加熱電阻器層(heater resistor layer)。阻擋層選自由TaN、Ta/TaAl、TaN/TaAl、TiWN、TaAlN、TiN、Ta(Nx，Oy)、WSi(Nx，Oy)、TaSi、TaSiN、WSiN和TaSi(Nx，Oy)構成的組。導電層鄰接於阻擋層的至少一部分，用於提供電源和至少一個加熱電阻器和至少一個電晶體之間的連接。半導體器件在加熱電阻器區域中沒有圖案化且蝕刻的阻擋層。
在本發明的另一方面，提供一種用於降低在工藝處理步驟期間工藝溫度為超出大約400℃下的半導體器件中的尖峰，且在矽半導體襯底上含有至少一個電晶體和在鄰接於電晶體的加熱電阻器區域中的至少一個加熱電阻器。該方法包括提供鄰接於至少一個電晶體的用於與至少一個電晶體金屬接觸的接觸開口的步驟。在接觸開口和加熱電阻器區域中澱積擴散阻擋層/電阻層。阻擋層/電阻層選自由TaN、Ta/TaAl、TaN/TaAl、TiWN、TaAlN、TiN、Ta(Nx，Oy)、WSi(Nx，Oy)、TaSi、TaSiN、WSiN和TaSi(Nx，Oy)構成的組。在阻擋層/電阻層上澱積導電層以提供電源和至少一個加熱電阻器和所述至少一個電晶體之間的連接。根據該方法，避免了在澱積電阻層之前圖案化和蝕刻在加熱電阻器區域中的阻擋層的步驟。
本發明的優點在於，提供一種半導體器件，如含有一個或多個具有改善的防止結尖峰的電晶體和加熱電阻器的列印頭加熱器晶片，而不需要單獨的擴散阻擋層和電阻層。例如，由於其太過導電，如TiW的傳統擴散阻擋層不可用作電阻層。因此，如通過蝕刻步驟，優選從噴墨加熱器晶片的加熱電阻器區域移除TiW層。在移除TiW層之後，在晶片的表面上澱積單獨的加熱電阻器層，其後是導電材料。由於擴散阻擋層或複合的擴散阻擋層選自或包括電阻層，因此，根據本發明，省略了在澱積加熱電阻器層之前在加熱電阻器區域中蝕刻擴散阻擋層的單獨步驟。本發明尤其用於含有至少一個電晶體和且鄰接於加熱電阻器的半導體器件，其中該器件在用於製造半導體器件的處理步驟期間超過大約400℃範圍內的溫度。
考慮到結合附圖，通過參考優選實施例的詳細說明，本發明進一步的優點將變得顯而易見，其中貫穿以下幾個附圖，相同的參考符號表示相同或相似的部件圖1是在攝氏溫度的重量百分比中矽濃度的矽/鋁狀態圖；圖2是根據本發明，含有阻擋層、至少一個電晶體和至少一個加熱電阻器的半導體器件的非按比例截面圖；圖3是根據本發明的一個實施例，含有阻擋層、至少一個電晶體和至少一個加熱電阻器的半導體器件的非按比例截面圖；圖4A-4F是示出用於製造含有常規擴散阻擋層的半導體器件的步驟的非按比例截面圖；和圖5A-5C是示出用於製造含有根據本發明的擴散阻擋層的半導體器件的步驟的非按比例截面圖。
具體實施例方式
參考圖2和3，本發明提供一種具有至少一個電晶體14和鄰接於至少一個電晶體14的至少一個加熱電阻器18的半導體器件10、12。例如器件10的每個半導體器件優選包括優選為矽的襯底22。可在襯底22和用於器件10的器件層(device layer)之間提供外延矽層24。半導體器件10的區域26是N-型深摻雜阱。區域28和30是用於如電晶體14的電晶體器件的N-型摻雜和P-型摻雜的源區和漏區。區域29是用於電晶體14的輕摻雜漏區。選擇性地在每個接觸孔34中提供矽化物層32。
在圖2中，提供包括複合的阻擋層/電阻層38/40的阻擋層36。在圖3中，阻擋層42為單層材料。以下提供阻擋層36和42的細節。在電阻層40(圖2)或42(圖3)上澱積導電層44且蝕刻以在接觸孔34中提供金屬互連，並向加熱電阻器18提供功率和接地。接下來蝕刻阻擋層/電阻層38/40以在器件10上提供獨立的加熱電阻器。在備選方案中，可在澱積和蝕刻導電層44之前或蝕刻導電層44的同時蝕刻阻擋層/電阻層38/40，以提供獨立的加熱電阻器。然而，如不通過蝕刻從提供加熱電阻器18的加熱電阻器區域除去阻擋層/電阻層38/40。在半導體器件10、12中的其他層是如熱生長氧化層46、未摻雜矽氧化層48、摻雜矽氧化層50和磷摻雜旋塗玻璃層52的常規層。如以下將更詳細描述的，不需要分別澱積和光蝕刻的擴散阻擋層。
參考圖4A-4F，描述了包括分別澱積和光蝕刻的擴散阻擋層的工藝。該工藝的第一步驟中，在含有電晶體器件14的矽基半導體襯底54上蝕刻接觸孔34，以使用導電金屬提供用於電晶體器件14的源區和漏區的互連(圖4A)。一直到擴散阻擋層的圖4A-4F中層的材料與以上關於圖2描述的相同。可選地，在接觸孔34中澱積薄金屬層並在高溫下燒結以在接觸區域34中形成金屬矽化物層32，其中高溫優選在從大約600℃至大約700℃的範圍內。薄金屬層可選自鈦或鉑(圖4B)。形成矽化物層32之後，如通過使用化學蝕刻劑從接觸孔34移除任何未反應的金屬。
在襯底54整個表面上方澱積如鎢化鈦(TiW)合金的常規擴散阻擋層材料56，如圖4C中所示。用於澱積擴散阻擋層材料56的常規方法是磁控管濺射法。光致抗蝕劑材料58也澱積在襯底54的整個表面上方，且圖案化並顯影以提供圖4C中示出的光掩模結構。在從襯底54的區域60和62中的部分圖案化和蝕刻阻擋層材料56之後，移除光致抗蝕劑材料58，如圖4D中所示。區域60和/或62提供鄰接於電晶體14的、用於加熱電阻器18的位置。
接下來在襯底54的表面上方澱積電阻材料，以提供電阻層64(圖4E)。優選通過常規磁控管濺射技術澱積電阻材料。在澱積電阻層64之後，在襯底的表面上方澱積且蝕刻導電層66，以提供至電阻區域60中的至少一個加熱電阻器18的連接，如圖4F中所示。最後，蝕刻電阻層64以提供獨立的加熱電阻器18。如上所述，可在澱積和蝕刻導電層66之前或蝕刻導電層66同時蝕刻電阻層64，以提供獨立的加熱電阻器18。
參考圖5A-5C，現在將描述本發明的優點。如上參考圖4A和4B所述，提供含有至少一個電晶體器件14的半導體襯底68。電晶體器件14優選為CMOS電晶體器件。如前所述，在襯底68中形成接觸孔34，且在接觸孔34中選擇性澱積薄金屬層並燒結以提供矽化物層32。如前所述，如通過使用化學蝕刻劑，從接觸孔34剝離或移除所有未反應的金屬。用於形成可選的矽化物層32的優選材料選自鈦和鉑。
接下來，優選通過磁控管濺射法或反應濺射法在襯底68的最上層52上澱積擴散阻擋層70(圖5B)。可通過選自由TaN、TiWN、TaAlN、TiN、Ta(Nx，Oy)、WSi(Nx，Oy)、TaSi、TaSiN、WSiN和TaSi(Nx，Oy)構成的組的單層提供擴散阻擋層70。如果鉭(Ta)用作擴散阻擋層70，那麼在阻擋層70上方澱積優選由TaAl製成的電阻層40(圖2)，以提供複合阻擋層/電阻層36(圖2)。緊接著優選通過磁控管濺射法澱積複合阻擋層/電阻層Ta/TaAl。阻擋層70或複合阻擋層36優選具有從大約800至大約1200埃範圍內的厚度。可在該步驟中蝕刻阻擋層70或複合阻擋層36以提供獨立的加熱電阻器18，或可在蝕刻澱積在阻擋層70或複合阻擋層36上的導電層44期間或之後蝕刻。
最後，在阻擋層70或複合阻擋電阻層36上通過磁控管濺射法澱積導電層44(圖5C)。導電層44的厚度優選從大約4000至大約6000埃的範圍內。然後光蝕刻導電層44以通過暴露導體74和76之間的電阻層70或40(圖2)來提供到一個或多個加熱電阻器18的連接。可在澱積導電層44之前、或蝕刻導電層44期間或之後蝕刻阻擋層70或複合層36，以提供獨立的加熱電阻器18。優選地，在澱積或蝕刻導電層44之後蝕刻阻擋層70或複合層36，以提供獨立的加熱電阻器。
因此，本發明省略了在半導體晶片10或12上澱積電阻層64(圖4E)和導電層44(圖4F)之前澱積光致抗蝕劑層、顯影光致抗蝕劑層和蝕刻阻擋層的步驟。在加熱器晶片製造工藝期間省略至少一個掩模和蝕刻步驟，顯著地降低了製造成本、固定設備需求和用於製造這樣的含有毗鄰的電晶體和加熱電阻器的晶片的周期。
根據本發明製造的含有至少一個電晶體14和至少一個電阻器18的半導體器件10、12可用在廣泛的應用中。這樣的器件10、12的首選應用優選為噴墨列印頭中的加熱晶片。
對於本領域技術人員來講，從上述描述和附圖可預期並顯而易見的是在本發明的實施例中可製作改變和變化。因此，清楚的確定前面的描述和附圖只是優選實施例的說明，並不作限制，且本發明真正的精神和範圍將通過參考附加的權利要求得以確定。
權利要求
1.一種半導體器件，在半導體襯底上含有至少一個電晶體和在鄰接於所述至少一個電晶體的加熱電阻器區域內的至少一個加熱電阻器，該器件包括矽襯底，含有用於與所述至少一個電晶體金屬接觸的接觸孔；阻擋層，在所述接觸孔和加熱電阻器區域中，提供擴散阻擋層/加熱電阻器層，該阻擋層選自由TaN、Ta/TaAl、TaN/TaAl、TiWN、TaAlN、TiN、Ta(Nx，Oy)、WSi(Nx，Oy)、TaSi、TaSiN、WSiN和TaSi(Nx，Oy)構成的組；和導電層，鄰接於所述阻擋層的至少一部分，用於提供電源和所述至少一個加熱電阻器和至少一個電晶體之間的連接，其中半導體器件在加熱電阻器區域中沒有圖案化且蝕刻的阻擋層。
2.權利要求1所述的半導體器件，其中阻擋層包括TaN。
3.權利要求2所述的半導體器件，其中導電層包括鋁。
4.權利要求1所述的半導體器件，其中阻擋層包括Ta和TaAl的複合層。
5.權利要求4所述的半導體器件，其中導電層包括鋁。
6.權利要求1所述的半導體器件，還包括在矽襯底和阻擋層之間的接觸孔中的矽化物層。
7.一種用於降低半導體器件中尖峰的方法，該器件在處理步驟期間工藝溫度超過大約400℃，且在矽半導體襯底上含有至少一個電晶體和在鄰接於該電晶體的加熱電阻器區域中的至少一個加熱電阻器，該方法包括步驟提供用於與所述至少一個電晶體金屬接觸的鄰接於所述至少一個電晶體的接觸孔；在所述接觸孔和加熱電阻器區域中澱積擴散阻擋層/電阻層，該阻擋層/電阻層包括選自由TaN、Ta/TaAl、TaN/TaAl、TiWN、TaAlN、TiN、Ta(Nx，Oy)、WSi(Nx，Oy)、TaSi、TaSiN、WSiN和TaSi(Nx，Oy)構成的組的層；和在所述阻擋層/電阻層上澱積導電層，以提供電源和所述至少一個加熱電阻器和至少一個電晶體之間的連接，其中避免了在澱積電阻層之前在加熱電阻器區域中圖案化和蝕刻阻擋層的步驟。
8.權利要求7所述的方法，其中阻擋層/電阻層包括TaN。
9.權利要求8所述的方法，其中導電層包括鋁。
10.權利要求7所述的方法，其中阻擋層/電阻層包括Ta和TaAl的複合層。
11.權利要求10所述的方法，其中導電層包括鋁。
12.權利要求7所述的方法還包括在接觸孔中澱積難熔金屬並燒結半導體器件，以在澱積所述擴散阻擋層/電阻層之前在接觸孔中提供矽化物層。
13.一種噴墨列印頭加熱器晶片，通過權利要求7的方法製得。
14.一種列印頭加熱器晶片，含有在矽半導體襯底上的至少一個電晶體和在鄰接於所述至少一個電晶體的加熱電阻器區域中的至少一個加熱電阻器，該器件包括用於與所述至少一個電晶體金屬接觸的接觸孔；在所述接觸孔和加熱電阻器區域中的阻擋層，用於提供擴散阻擋層/加熱電阻器層，該阻擋層選自由TaN、Ta/TaAl、TaN/TaAl、TiWN、TaAlN、TiN、Ta(Nx，Oy)、WSi(Nx，Oy)、TaSi、TaSiN、WSiN和TaSi(Nx，Oy)構成的組；和導電層，鄰接於所述阻擋層的至少一部分，用於提供電源和所述至少一個加熱電阻器和至少一個電晶體之間的連接，其中避免了在澱積電阻層之前圖案化和蝕刻在加熱電阻器區域中的阻擋層的步驟。
15.權利要求14所述的列印頭加熱器晶片，其中阻擋層包括TaN。
16.權利要求15所述的列印頭加熱器晶片，其中導電層包括鋁。
17.權利要求14所述的列印頭加熱器晶片，其中阻擋層包括Ta和TaAl的複合層。
18.權利要求17所述的列印頭加熱器晶片，其中導電層包括鋁。
全文摘要
一種半導體器件，在半導體襯底(22)上含有至少一個電晶體(14)和在與至少一個電晶體鄰接的加熱電阻器區域中的至少一個加熱電阻器(18)。該器件包括含有用於與至少一個電晶體金屬接觸(34)的接觸孔的矽襯底(22)。阻擋層(42)在接觸孔和加熱電阻器區域中，且提供擴散阻擋層/加熱電阻器層。阻擋層選自由TaN、Ta/TaAl、TaN/TaAl、TiWN、TaAlN、TiN、Ta(N
文檔編號H01L23/48GK1739193SQ200380109033
公開日2006年2月22日 申請日期2003年12月24日 優先權日2002年12月27日
發明者拜倫·V·貝爾, 關怡敏 申請人:萊克斯馬克國際公司