半導體器件中的金屬線路及其形成方法

2023-04-28 12:21:46 2

專利名稱：半導體器件中的金屬線路及其形成方法
技術領域：
本發明涉及半導體器件，特別涉及一種高壓半導體器件中的金屬線路(metal line)及其形成方法。
背景技術：
隨著半導體器件的集成密度變得更高、半導體器件變得更小，應用多層線路結構 來製造半導體器件。隨著多層線路結構的應用，形成通孔和金屬線路成為製造半導體器件 中的重要因素。 圖1示出了現有技術高壓半導體器件中的金屬線路層的截面。如圖1所示，金屬 線路層設有在半導體襯底110上形成的下金屬線路115。暴露一部分下金屬線路115的層 間絕緣膜120、在如此暴露的下金屬線路115上形成的阻擋層125、以及在阻擋層125上形 成的上金屬線路130。 在引線接合(未示出)到上金屬線路130上時，在金屬線路層下方的半導體襯底 110的有源區域形成的器件處可能發生物理損壞。通常，用作下金屬線路的AlCu的厚度薄 至4000A，在引線接合時產生的衝擊直接傳導到半導體襯底110的有源區域形成的器件， 從而發生損壞。

發明內容
因此，本發明致力於半導體器件中的金屬線路及其形成方法。 本發明的一目的是提供一種半導體器件中的金屬線路及其形成方法，其能在製作 BOAC(有源電路上的接合，Bonding On Active Circuit)時，防止高壓器件受到物理損壞， 最小化金屬線路電阻(metal line resistance)，並改善封裝(package)和金屬線路的可靠 性。 本發明的其它優點、目的和特徵將在以下的描述中部分提出，且本領域普通技術 人員在研究了以下的敘述後，這些優點、目的和特徵將變得顯而易見，或可從本發明的實施 中得到。由書面說明書、權利要求書和附圖特別指出的結構可以實現並得到本發明的目的 和其他優點。 為了達到這些目的和其他優點，並根據本發明的目標，如在此實施和廣泛描述 的，提供一種在半導體器件中形成金屬線路的方法，包括以下步驟在半導體襯底上形 成緩衝下金屬線路，用於吸收外部衝擊；形成覆蓋所述緩衝下金屬線路的前金屬電介質 (pre-metal-dielectric)，所述前金屬電介質中形成有通孔以暴露所述緩衝下金屬線路的 一部分；在其中形成有通孔的所述前金屬電介質的表面上形成籽晶層；形成聚醯亞胺，所述聚醯亞胺暴露所述通孔和所述通孔附近的所述前金屬電介質上形成的籽晶層；使用如此 暴露的籽晶層來生長上金屬線路；對上面形成有所述上金屬線路的所述半導體襯底進行熱 處理；通過幹蝕刻去除所述聚醯亞胺；以及將接合部接合到所述上金屬線路上。
根據本發明的另一方案，半導體裝置中的金屬線路包括在半導體襯底上形成的 用於吸收外部衝擊的緩衝下金屬線路；覆蓋所述緩衝下金屬線路的前金屬電介質，所述前 金屬電介質中形成有通孔以暴露所述緩衝下金屬線路的一部分；在所述通孔中和所述通孔 附近的所述前金屬電介質的表面上形成的籽晶層；以及接合到所述上金屬線路上的接合 部。所述緩衝下金屬線路的厚度為lym 2ym。 上金屬線路包括在銅籽晶層上形成的厚度為10 m 20 m的銅層，以及在銅層 上形成的金屬層，所述金屬層上堆疊有Ni、Pd和Au中的至少一種。金屬線路還包括金屬阻 擋層，該金屬阻擋層上堆疊有Ta、 TaN、 TiW和TiN中的至少一種，用於防止金屬在前金屬電 介質與籽晶層之間擴散。 需要理解的是，本發明的前述一般性描述和如下詳細描述是示例性和解釋性的， 旨在對要求保護的本發明提供進一步的解釋。


本發明包含的附圖提供對本發明的進一步理解。附圖被併入本申請，組成本申請
的一部分，圖示了本發明的實施例，並與說明書一起用於解釋本發明的原理。在附圖中 圖1示出了現有技術高壓半導體器件中的金屬線路層的截面。 圖2A_圖2L示出了根據本發明的優選實施例製造半導體器件中的金屬線路的方
法的步驟的各個截面。
具體實施例方式
現在將詳細參照本發明的具體實施例，其實例在附圖中示出。只要可能，在所有附 圖中將使用相同的附圖標記來表示相同或相似的部件。 圖2A_圖2L示出了根據本發明的優選實施例製造半導體器件中的金屬線路的方 法的步驟的各個截面。 參見圖2A，在半導體襯底210上形成緩衝下金屬線路215，用於吸收外部衝擊。半 導體襯底210可劃分為器件隔離區域和有源區域，其中下金屬線路215形成在有源區域。緩 衝下金屬線路215可由鋁、銅或鋁和銅的合金製成。 與通常形成的大約4000 A的厚度不同，圖2A示出的緩衝下金屬線路215可形成 liim 2iim的厚度以吸收外部衝擊。 雖然圖2A未示出，但可在緩衝下金屬線路215的下方形成與厚度為5000 A 6000 A的緩衝下金屬線路215連接的第一金屬線路(未示出)。 參見圖2B，在上面形成有緩衝下金屬線路215的半導體襯底210上形成絕緣膜 220，以覆蓋緩衝下金屬線路215。絕緣膜220可以是氧化膜。 由於緩衝下金屬線路215形成得較厚，因而為了圖案化在線路之間提供適當空間 的緩衝下金屬線路215，在形成絕緣膜220之後可以省略平化(flattening)，例如CMP(化 學機械拋光)。
參見圖2C，在絕緣膜220的表面上形成氮化膜225。此後，氮化膜225和絕緣膜 220被稱為前金屬電介質。 參見圖2D，氮化層225和絕緣層220經受選擇性蝕刻以形成至少一個通孔230和
/或235，所述通孔230和/或235暴露了緩衝下金屬線路215的一部分。 例如，氮化層225經受光刻以形成光致抗蝕劑圖案(未示出)，且通過使用光致抗
蝕劑圖案作為蝕刻掩模連續蝕刻氮化膜225和絕緣膜220，從而形成至少一個通孔230和/
或235，所述通孔230和/或235暴露了緩衝下金屬線路215的一部分。 參見圖2E，在其中形成有至少一個通孔230和/或235的前金屬電介質220/225上
形成籽晶層240。該籽晶層240也形成在通孔230和/或235之中。例如，可通過銅CVD (化
學氣相沉積)形成銅籽晶層240。可沉積一金屬阻擋層以防止金屬擴散，其中Ta、TaN、TiW
和TiN中的至少一種堆疊在該金屬阻擋層上。下面，如圖2F所示，在上面形成有籽晶層240
的半導體襯底210上塗布聚醯亞胺245以填充通孔230和/或235。此時形成的聚醯亞胺
的厚度可大於lOym。 參考圖2G，聚醯亞胺245被選擇性地蝕刻，以暴露籽晶層225相對於緩衝下金屬線 路215的一部分。以這種方式被蝕刻的聚醯亞胺245-1可暴露通孔230和/或235以及所 述通孔230和/或235附近的籽晶層240。 例如，聚醯亞胺245經受光刻以形成光致抗蝕劑圖案(未示出)。光致抗蝕劑圖 案暴露了通孔230和/或235以及所述通孔230和/或235附近的籽晶層240的聚醯亞胺 245。然後，使用光致抗蝕劑圖案作為蝕刻掩模來蝕刻聚醯亞胺245，直到暴露籽晶層240。
參見圖2H，在被如此蝕刻的聚醯亞胺245-1中如此暴露的籽晶層240上形成上金 屬線路250。例如，可通過銅電鍍在銅籽晶層240的上面形成銅層250。該銅層250可以形 成為厚度大於10ym。 然後，在形成於如此被蝕刻的聚醯亞胺245-1中的銅層250上形成界面 (interface)金屬層262。界面層262可以是Ni、 Pd和Au中的至少之一的堆疊(stack)。 例如，可在銅層250上形成Ni層255，且可在Ni層255上形成Pd和Au的任何一層260。
參見圖21，在300 40(TC下用N2氣體進行燒結(sintering)。因為聚醯亞胺的 熱特性優於光致抗蝕劑，因而可以在300 40(TC下容易地進行燒結。也就是說，在300 40(TC下進行燒結能改善聚醯亞胺245-2的物理穩定性和熱穩定性。 參見圖2J，在通過燒結而改善物理穩定性和熱穩定性的聚醯亞胺245-2上形成帶 層(taping layer) 265，用於背面研磨(back grinding)。然後，執行背面研磨，以研磨粘有 帶層265的半導體襯底210的背面。在背面研磨之後，去除帶層265。
由於燒結改善了聚醯亞胺245-2的物理穩定性，因而不用額外塗布光致抗蝕劑， 帶層265可直接形成在聚醯亞胺245-2上。 參見圖2K，聚醯亞胺245-2和籽晶層240的一部分通過幹蝕刻和溼蝕刻被去除。 例如，聚醯亞胺245-2被利用02等離子體的幹蝕刻去除，且在去除了聚醯亞胺245-2之後 暴露的籽晶層240被利用鹽酸HC1或硫酸的溼蝕刻去除。 通過利用幹蝕刻去除聚醯亞胺和通過利用溼蝕刻去除如此暴露的籽晶層，而不是 使用溼蝕刻去除聚醯亞胺245-2和籽晶層240，可以減少由溼蝕刻引起的上金屬線路250-1 的側壁的損失。
參見圖2L，將接合部270接合在具有堆疊的鎳層255和一個Pd和Au層260的界 面金屬層之上。在此實例中，由接合部270的接合引起的物理衝擊可傳導到銅層250和緩 衝下金屬線路215。 參見圖2A，在根據本發明的優選實施例用於形成高壓半導體器件中的金屬線路的
方法中，下金屬線路215和上金屬線路是雙重厚度的金屬線路。例如，緩衝下金屬線路215
的厚度可為1 y m 2 ii m，上金屬線路250的厚度可為10 y m 20 y m。 最後，因為由接合部270的接合引起的物理衝擊被緩衝下金屬線路215吸收並衰
減，故可以保護緩衝下金屬線路215下方的半導體襯底處的電路。也就是說，在接合時產生
並傳導到在緩衝下金屬線路215下方的半導體襯底210處形成的電路的物理衝擊可被減
少。此外，較厚的緩衝下金屬線路215減少了導通電阻(turning on resistance)。 如以上所述，本發明半導體器件中的金屬線路及其形成方法有如下優點。 在製造高壓半導體器件中形成雙重厚度金屬線路(其中下金屬線路和上金屬線
路均形成得較厚)可以減少引線接合時傳導到在半導體襯底處形成的電路上的物理應力
以及導通電阻。 對本領域的技術人員來說，在不脫離本發明的構思和範圍的情況下，對本發明做 出各種更改與變化是顯而易見的。這樣，只要落在所附的權利要求書及其等效範圍內，本發 明就覆蓋了對其進行的各種更改與變化。
權利要求
一種形成半導體器件中的金屬線路的方法，包括以下步驟在半導體襯底上形成緩衝下金屬線路，用於吸收外部衝擊；形成覆蓋所述緩衝下金屬線路的前金屬電介質，所述前金屬電介質中形成有通孔以暴露所述緩衝下金屬線路的一部分；在其中形成有所述通孔的所述前金屬電介質的表面上形成籽晶層；形成聚醯亞胺，所述聚醯亞胺暴露所述通孔和所述通孔附近的所述前金屬電介質上形成的籽晶層；使用如此暴露的籽晶層來生長上金屬線路；對上面形成有所述上金屬線路的半導體襯底進行熱處理；通過幹蝕刻去除所述聚醯亞胺；以及將一接合部接合到所述上金屬線路上。
2. 如權利要求1所述的方法，其中形成緩衝下金屬線路的步驟包括形成厚度為1 P m 2 P m的緩衝下金屬線路的步驟。
3. 如權利要求1所述的方法，其中對上面形成有所述上金屬線路的半導體襯底進行熱 處理的步驟包括利用氮氣在300°C 40(TC下對上面形成有所述上金屬線路的半導體襯底 進行熱處理的步驟。
4. 如權利要求1所述的方法，其中形成前金屬電介質的步驟包括以下步驟 在上面形成有所述下金屬線路的半導體襯底上形成氧化膜和氮化膜以接連覆蓋所述下金屬線路；對所述氮化膜進行光刻以形成光致抗蝕劑圖案；以及使用所述光致抗蝕劑圖案作為蝕刻掩模接連蝕刻所述氮化膜和所述氧化膜，從而形成 暴露所述下金屬線路的一部分的通孔。
5. 如權利要求1所述的方法，其中形成籽晶層的步驟包括形成銅籽晶層的步驟。
6. 如權利要求6所述的方法，其中使用如此暴露的籽晶層來生長上金屬線路的步驟包 括如下步驟通過銅電鍍在所述銅籽晶層上形成厚度為10i!m 20iim的銅層；以及 在所述銅層上形成金屬層，所述金屬層上堆疊有Ni 、 Pd和Au中的至少之一 。
7. 如權利要求1所述的方法，還包括通過幹蝕刻去除所述聚醯亞胺和通過溼蝕刻去除 如此暴露的籽晶層的步驟。
8. —種半導體器件中的金屬線路，包括在半導體襯底上形成的用於吸收外部衝擊的緩衝下金屬線路；覆蓋所述緩衝下金屬線路的前金屬電介質，所述前金屬電介質中形成有通孔以暴露所 述緩衝下金屬線路的一部分；在所述通孔中和所述通孔附近的所述前金屬電介質的表面上形成的籽晶層；以及 接合到所述上金屬線路上的接合部。
9. 如權利要求8所述的金屬線路，其中所述緩衝下金屬線路的厚度為1 y m 2 ii m。
10. 如權利要求8所述的金屬線路，其中所述上金屬線路包括 在銅籽晶層上形成的厚度為10 ii m 20 ii m的銅層；以及 在所述銅層上形成的金屬層，所述金屬層上堆疊有Ni 、 Pd和Au中的至少之一 。
全文摘要
本發明提供一種半導體器件中的金屬線路及其形成方法。所述方法包括以下步驟在半導體襯底上形成緩衝下金屬線路，用於吸收外部衝擊；形成覆蓋緩衝下金屬線路的前金屬電介質，所述前金屬電介質中形成有通孔以暴露所述緩衝下金屬線路的一部分；在其中形成有所述通孔的前金屬電介質的表面上形成籽晶層；形成聚醯亞胺，聚醯亞胺暴露所述通孔和所述通孔附近的前金屬電介質上形成的籽晶層；使用如此暴露的籽晶層來生長上金屬線路；對上面形成有所述上金屬線路的半導體襯底進行熱處理；通過幹蝕刻去除聚醯亞胺；將一接合部接合到所述上金屬線路上。
文檔編號H01L21/768GK101740489SQ20091022201
公開日2010年6月16日 申請日期2009年11月13日 優先權日2008年11月13日
發明者金珉碩 申請人:東部高科股份有限公司