金屬-氧化物-半導體後部工藝的製作方法

2023-08-06 08:48:11

專利名稱:金屬-氧化物-半導體後部工藝的製作方法
本發明涉及在半導體本體上形成合金導電層的改進方法及對導電層進行氣密鈍化的改進方法。
在半導體器件生產過程中，通常要利用一個導電層將集成電路的兩個部分連接起來。一般來說，這一過程由下面幾個步驟組成首先，通過接觸窗口(即在半導體器件絕緣層上開的孔)澱積一層鋁矽合金的金屬層。然後，利用生產集成電路的標準方法對此金屬層進行光刻，以形成所要求的電路圖形。最後，把這個光刻好了的電路加熱或合金，以改善金屬與半導體襯底的接觸電阻。
一個與刻導電層相聯繫的問題是導電層鑽蝕問題。這是由於從導電層反射回來的光線引起的。以前的工藝曾試圖解決這個問題，其中包括使用聚醯亞胺層作為抗反光層。這種工藝的缺點是接觸窗口窄小以及後續加工過程十分複雜。
第二個問題是與合金化相聯繫的。在合金時，金屬層表面形成小丘而金屬層內部形成空隙。表面的不平整使以後的掩模光刻變得困難，金屬層內部的空隙給導電特性帶來不良影響。
一個試圖解決這個問題的辦法是在金屬層上使用鈦鎢氮(Ti W N)膜來防止小丘的產生。參見「減少鋁薄層上的小丘」《Semiconductor International》，April，1982。另一個方法是澱積一層二氧化矽玻璃。參見「真空澱積鋁層上的小丘」，《The Journal of Vaccum Science and Technology》，Vol.9，No.1。但是，使用這個方法很難保證金屬層及其上面玻璃層的完整性。在E.philofshy等人所寫的「鋁金屬化表面的再構造-一個新的潛在的失效機理」一文中指出，對鋁進行玻璃化或者在鋁中加入一些添加劑可以防止低溫下金屬表面的再構造。於是由金屬表面再構造引起的電流密度增大和短路問題，可以由覆蓋玻璃層或鋁和其它元素的合金層來減小或避免。但是，上述工藝在防止小丘和空隙形成上並不能令人滿意。
導電層經過合金和光刻之後，通常要用氣密鈍化的方法進行封裝。塑料封裝要求用等離子體澱積的氮矽進行氣密鈍化。在以前的工藝中使用一個壓縮層(給下面導電層提供張應力的薄層)來保證表面的氣密性。由此帶來的問題是導電層中形成空隙和斷裂。在半導體器件鈍化後的冷卻過程中，導電層的收縮比鈍化層快。在導電層遇冷收縮過程中，鈍化層被束縛在導電層上。這就使導電層要承受很大的應力。此應力足夠大時會導致導電層斷裂和金屬顆粒嚮導電層表面遷移。於是導電層中的電流密度就要超過設計極限。對於某些器件，典型的電流密度上限值是5×104安培/平方釐米。然而，由於導電層截面積減小，受損傷的導電層中電流密度可能增加十倍，高達5×105安培/平方釐米。這會導致器件工作性能不穩定或失效。
本發明旨在減少半導體器件導電層中的缺陷。
在半導體器件生產過程中，本發明可以減少在光刻、合金、鈍化這三步工序中形成的導電層缺陷。用旋塗法在鋁矽金屬層上澱積一層有顏色的低溫玻璃層。此澱積應在光刻之前，並且應在溫度超過200℃的工藝之前進行。然後再把整個器件加熱到足夠高的溫度，使鋁矽金屬層和半導體襯底燒結在一起。這層玻璃體可以防止在合金後的導電層表面形成小丘和空隙。應用在導電層上形成一個複合玻璃層的方法可以避免在隨後的氣密鈍化過程中導電層的斷裂。複合玻璃層具有這樣的性質下面的玻璃層具有張應力而上面一層具有壓應力。適當選擇這兩個玻璃層的厚度，可以使整個複合玻璃層具有淨張應力。這一複合玻璃層使導電層在鈍化過程中不出現斷裂及金屬顆粒遷移。
圖1是使用以前工藝在表面加工了兩層膜的半導體器件剖面圖，用以描述以前的工藝。
圖2是燒結工藝完成後，對圖1表層的局部放大圖。
圖3描述在圖1所示半導體上，利用旋塗法澱積玻璃層後的情形。
圖4是用以前工藝進行鈍化後，導電層中形成缺陷的放大圖。
圖5是應用以前工藝在半導體上形成的壓縮薄層的實例。此層導致下面半導體受到張力作用。
圖6表示在半導體表面形成的張力薄層及影響。此張力層使下面的半導體受到壓應力作用。
圖7是在半導體表面澱積了一層複合玻璃後的剖面圖。
圖8表示圖7中的複合玻璃層經過進一步加工後的情形。
圖9是在半導體表面形成了張力層後的剖面圖。
圖10表示在圖9所示半導體上形成壓縮層後的情形。
圖11表示具有用旋塗玻璃法形成的抗反光層的半導體片剖面圖。
本文敘述的發明可以防止半導體在光刻金屬層、合金、鈍化過程中形成缺陷。下面將作具體說明(例如厚度等)，以便人們對本發明有充分的了解。然而，對於熟悉工藝的人來說，即使沒有這些詳細說明，也可以把本發明付諸實踐，這一點是顯然的。另一方面，對於眾所周知的工藝，這裡不作詳盡的敘述，以免掩蓋本發明的要點。
圖1和圖2描述應用以前工藝在半導體本體上形成合金導電層的情形。這塊半導體包括單晶矽襯底(21)，絕緣層(23)，摻雜區(22)。在摻雜區的上面開了一個接觸窗口，使摻雜區可以和導電層相接觸。在以前的工藝中，鋁或鋁矽合金層被做在絕緣層(23)和摻雜區(22)的上面。然後加足夠高的溫度進行燒結，以改善導電層與矽襯底的歐姆接觸。
以前工藝帶來的問題是由於在高溫處理過程中導電層上受到應力作用造成的。導電層表面在合金過程中產生如圖2所示的小丘(29)和空隙(30)，因而合金後表面惡化。這些小丘(29)使以後的掩膜光刻發生困難;空隙(30)使金屬導電性受到不利影響。
在本發明中，頭幾部工藝過程與以前工藝類似，即在半導體表面(21a)通過與本體相通的接觸窗口形成鋁和鋁矽合金層(24a)，參見圖3(21a中的字母a表示圖3與圖1的對應部分)。在導電層形成之後、光刻或任何高溫處理之前，在鋁層(24a)上形成低溫旋塗玻璃層(27)，參見圖3。這層玻璃層是有顏色的，所以在後面的光刻過程中可以用作抗反光層。現在市場上有多種牌號和組分的低溫旋塗玻璃源供應。各種類型的旋塗玻璃膜，包括摻矽的和未摻矽的，對於防止金屬層上的小丘和空隙都是很有效的。有一點非常重要，這就是旋塗玻璃必須在光刻或溫度高於200℃的任何加溫工藝前進行，以防止在合金後的導電層表面形成小丘。在這一玻璃層(27)形成之後，整個片子可以被加熱到足夠高的溫度對鋁矽合金進行燒結，參見圖3。在本發明的最佳實施例中，旋塗玻璃層(27)的厚度大約是800-1500埃。實驗證明，此玻璃層愈厚，對防止小丘的形成愈有效。
為什麼旋塗玻璃層能防止小丘的形成？詳盡的原因尚不十分清楚。但是可以肯定，合金過程中，金屬層上受力可以防止小丘的形成。在以前的工藝中，金屬膜也受到其它各層的作用力，但並沒有防止小丘的生成。這是因為這些層是在合金或者溫度超過200℃的工藝之後製備的。這與低溫旋塗玻璃體的情形完全不同。
應用旋塗玻璃體來得到上述結果比應用以前的二氧化矽生長工藝機理(如等離子澱積、化學氣相澱積)有許多優點。應用旋塗玻璃體不僅能防止導電層上小丘的形成，而且可以防止導電層在以後的高溫工藝中發生斷裂。應用本實施例，摻砷、鈦、磷、硼的旋塗玻璃體或未摻雜的旋塗玻璃體都是非常有效的。
導電層的光刻過程中，旋塗玻璃體起抗反光膜的作用。這能防止光刻圖形缺陷(例如鑽蝕)的產生。鑽蝕是由於從導電層上反射回來的光照到鄰近的光刻膠上所引起的。在旋塗玻璃體中加入一種或幾種顏料，其抗反光能力可以比不加顏料的旋塗玻璃體提高百分之二十。在一個實施例中，旋塗玻璃體中加入了百分之一的普通11＃黃顏料(按重量計算)。這不僅防止了光刻缺陷(如缺口)，而且允許在這層旋塗玻璃層上開出較大的接觸孔，同時也便於再加工。旋塗玻璃層的刻蝕選擇性與光刻膠的刻蝕選擇性是不相同的。而在以前工藝中，聚醯亞胺抗反光層的刻蝕與光刻膠的刻蝕相近，這就導致只能開出較小的接觸孔。
圖11示出應用旋塗玻璃體作為抗反光層的情形。在襯底(21)上形成導電層(61)。然後在此導電層上形成一層有色的旋塗玻璃體(64)。在此玻璃體上再塗一層光刻膠。旋塗玻璃體(64)起到一層抗反光膜的作用，防止射到導電層上的入射光(65)形成具有一定角度的反射光(66)。此反射光可以使本來不希望曝光的光刻膠曝光，從而導致鄰近光刻圖形鑽蝕。這層旋塗玻璃體的厚度為800-5000埃。對光刻膠進行曝光之後，可用通常的方法進行顯影。把不需要的光刻膠顯影以後，旋塗玻璃體暴露的部分可用各向異性的等離子刻蝕法或反應離子刻蝕法刻掉。於是光刻膠的圖形就被複製到了旋塗玻璃層上。下一步是用各向異性的等離子刻蝕法或反應離子刻蝕法將暴露出來的金屬(鋁矽合金)刻蝕掉。金屬層刻蝕之後，光刻膠可以用通常的方法去掉，但是旋塗玻璃層卻被保留在剩下金屬層的表面。這樣一來就可以防止金屬表面在以後的高溫工藝中產生小丘和斷裂。
旋塗玻璃體抗反光層要比聚醯亞胺抗反光層優越，這主要表現在光刻膠的最後處理只是一個剝離問題。應用市場上供應的剝蝕劑(例如RT2)就可以做到這一點。由於光刻膠相對於旋塗玻璃體的刻蝕(或剝蝕)選擇性高，所以在去除光刻膠以及後來的再塗膠過程中，旋塗玻璃體可以依然蓋在金屬膜上。但是，如果應用聚醯亞胺抗反光膜，在去除光刻膠的過程中，聚醯亞胺也被一同去掉。
多數集成電路在封裝之前需要進行氣密鈍化。應用以前的工藝，通常要在導電層上形成一個「壓縮層」(例如壓縮氮化玻璃層或其它較厚的絕緣層)。圖5給出壓縮層的一個示例。當薄層(52)受到壓縮力作用時，在兩層材料界面上形成的應力使襯底(51)表面受到一個拉伸力，如箭頭所示。壓縮層通常用於封裝，因為這可以防止斷裂，提高壓焊質量。但是釋放到下面半導體襯底表面的張應力助長斷裂生成，特別是當下面為金屬導電層時更易斷裂。
鋁矽導電層中的張力形成斷裂(47)和空隙(48)，見圖4。空隙(48)是在鋁從導電層遷移過程中形成的。導電層的傳導電流面積減小導致電流密度超過設計器件時的極限值。對某些器件來說，典型的電流密度值為5×104安培/平方釐米。但是在有缺陷的導電層中，電流密度可以高達5×105安培/平方釐米，這將導致器件失效。
應用本發明，首先在包括導電層在內的半導體表面形成一個相對於導電層具有張力的薄層，參見描述半導體(42)的圖7(這裡不包括前面討論過的任何旋塗玻璃層)。然後，通過絕緣層開一個孔，使導電層(41)可以和摻雜區(46)相接觸。相對於矽襯底來說，玻璃層(44)具有張力，參見圖6。此張力層使襯底(41)受到壓力作用，這就可以防止產生缺陷。
在本工藝中，薄層(44)由派肋氏玻璃(pyrox)構成，當然還可以用其它材料。這層薄膜的典型厚度為2微米。薄層(44)形成以後，在薄層(44)上再形成一個玻璃層(45)，見圖8。此玻璃層是壓縮性的，於是可以得到高質量的氣密性密鈍化。在本實施例中，薄層(45)由氮氧化合物構成，其厚度約為1微米。薄層(44)的張力大於薄層(45)的壓縮力，所以整個薄層呈現淨張力特性，這就可以防止金屬層(41)產生斷裂和空隙。氮氧化合物薄層在派肋氏玻璃(pyrox)表面形成，這就大大改善了壓縮層的粘附性。
在另一個實施例中(見圖9、圖10)，使用了單一的複合層。此複合層的下部具有張力特性而上部具有壓力特性。在圖8中，半導體表面透過絕緣層(52)開出一個接觸孔，與摻雜區(51)相通。這樣，導電層(53)就可與摻雜區(51)相接觸。氮氧化合物薄層(54a)的第一部分示於圖8。這一薄層又被繼續加工，以形成上面部分(54b)，見圖10。這一部分提供氣密鈍化所需的壓縮層。
本實施例中的複合層(54)由氮氧化合物構成，並且在恆溫條件下連續不間斷地生長。通過改變N2O的流量及系統壓強可以改變氮氧化合物的結構特性。下面的表格給出形成張力層和壓縮層的具體示例。值得注意的是，形成張力層需要七十分鐘，在此之後N2O的流量及壓強都減小，並且僅用三十五分鐘即可形成複合層的上面部分(壓縮層)。
張力層 壓縮層溫度(℃) 365 365SiH4(立方釐米/分) 146 146NH3(立方釐米/分) 1000 1000N2O(立方釐米/分) 600 350射頻(瓦) 145 145壓強(毫米汞柱) 2.5 1.5時間(分) 70 35使複合層兩層的折射率均小於或等於1.7，這樣可以提高複合層對紫外光的透光度。這使可改寫可編程只讀存貯器(EPPROM)的紫外線擦除過程可以正常進行。
在上述兩個實施例中，鈍化層的淨應力呈張應力特性。當半導體襯底冷卻時，可以避免前面談到的金屬層斷裂。
綜上所述，一個改進後的工藝過程已敘述完畢，此工藝可以防止金屬層斷裂及小丘的產生，還可以提供一個性能優良的鈍化層。
補正 85104650文件名稱 頁 行 補正前 補正後說明書 4倒8 ……合金進行燒結，合金24a進行燒結，4 倒6 是800-1500埃。是800-5000埃。
權利要求
書 1 倒10 ……為壓縮力層。……為壓縮力層，倒7 ……張力層上的壓縮層。……張力層上的壓縮層，
權利要求
1.在半導體襯底上形成具有光刻圖形、合金導電層的工藝由下列步驟組成a.在矽片上澱積金屬導電層；b.在該導電層上利用低溫旋塗法形成一層帶色的玻璃膜；c.任何光刻該導電層或溫度超過200℃的工藝都要在上述的低溫旋塗玻璃之後進行；於是，該導電層上的小丘和空隙可以避免，並且在光刻過程中，該旋塗玻璃層可以起抗反光膜的作用。
2.權利要求
1定義的工藝中的導電層為鋁層。
3.權利要求
1定義的工藝中的旋塗玻璃層厚度約為800-5000埃。
4.導電層的氣密鈍化包括在該導電層上形成複合層，此複合層的下半層為張力層而上半層為壓縮力層。於是金屬的斷裂可以減少。
5.權利要求
4中定義的複合層包括氮氧化合物張力層以及在此張力層上的壓縮層。該複合層是在矽烷、氨、氧化二氮氣氛中，首先使溫度和能量恆定，然後減小壓強及氧化二氮的流量的方法得到的。
6.權利要求
4定義的工藝中，該張力層由厚度為2微米的氮氧化合物組成;該壓縮層由厚度為1微米的氮氧化合物組成的。
7.導電層的氣密鈍化包括以下步驟a.在該導電層上形成一個張力層;b.在該張力層上形成一個壓縮層，此壓縮層在該導電層上形成張力層之後形成;於是該導電層的斷裂現象可以減少。
8.權利要求
7中所定義的張力層由派肋氏玻璃(Pyrox)構成，其厚度約為2微米。
9.權利要求
7中定義的壓縮層由厚度為1微米的氮氧化合物構成。
10.權利要求
7中定義的張力層由厚度為1-2微米的氮氧化合物構成。
11.權利要求
7中定義的各層可以透過紫外光，於是可以利用紫外線對可擦除可編程只讀存貯器(EEPROM)進行擦除。
12.權利要求
7中定義的各層的折射率均小於或等於1.7。
專利摘要
本發明可以減少導電層在光刻、合金及鈍化過程中形成的缺陷。在光刻以及溫度高於200℃的工藝之前，利用低溫旋塗的方法在導電層上形成一個有色的玻璃層。通過在導電層上形成一個複合層的方法完成氣密鈍化。此複合層由兩部分組成下層為張力層，上層為壓縮層，整個鈍化層呈現淨張力特性。
文檔編號H01L21/316GK85104650SQ85104650
公開日1986年6月10日 申請日期1985年6月15日
發明者利奧波杜, 羅伯特, 肯尼思, 吉克, 戴維 申請人:英特爾公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan