專利名稱:金屬-氧化物-半導(dǎo)體后部工藝的制作方法
本發(fā)明涉及在半導(dǎo)體本體上形成合金導(dǎo)電層的改進(jìn)方法及對(duì)導(dǎo)電層進(jìn)行氣密鈍化的改進(jìn)方法。
在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)過(guò)程中，通常要利用一個(gè)導(dǎo)電層將集成電路的兩個(gè)部分連接起來(lái)。一般來(lái)說(shuō)，這一過(guò)程由下面幾個(gè)步驟組成首先，通過(guò)接觸窗口(即在半導(dǎo)體器件絕緣層上開(kāi)的孔)淀積一層鋁硅合金的金屬層。然后，利用生產(chǎn)集成電路的標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)此金屬層進(jìn)行光刻，以形成所要求的電路圖形。最后，把這個(gè)光刻好了的電路加熱或合金，以改善金屬與半導(dǎo)體襯底的接觸電阻。
一個(gè)與刻導(dǎo)電層相聯(lián)系的問(wèn)題是導(dǎo)電層鉆蝕問(wèn)題。這是由于從導(dǎo)電層反射回來(lái)的光線引起的。以前的工藝曾試圖解決這個(gè)問(wèn)題，其中包括使用聚酰亞胺層作為抗反光層。這種工藝的缺點(diǎn)是接觸窗口窄小以及后續(xù)加工過(guò)程十分復(fù)雜。
第二個(gè)問(wèn)題是與合金化相聯(lián)系的。在合金時(shí)，金屬層表面形成小丘而金屬層內(nèi)部形成空隙。表面的不平整使以后的掩模光刻變得困難，金屬層內(nèi)部的空隙給導(dǎo)電特性帶來(lái)不良影響。
一個(gè)試圖解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是在金屬層上使用鈦鎢氮(Ti W N)膜來(lái)防止小丘的產(chǎn)生。參見(jiàn)“減少鋁薄層上的小丘”《Semiconductor International》，April，1982。另一個(gè)方法是淀積一層二氧化硅玻璃。參見(jiàn)“真空淀積鋁層上的小丘”，《The Journal of Vaccum Science and Technology》，Vol.9，No.1。但是，使用這個(gè)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(gòu)造-一個(gè)新的潛在的失效機(jī)理”一文中指出，對(duì)鋁進(jìn)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(gòu)造。于是由金屬表面再構(gòu)造引起的電流密度增大和短路問(wèn)題，可以由覆蓋玻璃層或鋁和其它元素的合金層來(lái)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(dǎo)電層經(jīng)過(guò)合金和光刻之后，通常要用氣密鈍化的方法進(jìn)行封裝。塑料封裝要求用等離子體淀積的氮硅進(jìn)行氣密鈍化。在以前的工藝中使用一個(gè)壓縮層(給下面導(dǎo)電層提供張應(yīng)力的薄層)來(lái)保證表面的氣密性。由此帶來(lái)的問(wèn)題是導(dǎo)電層中形成空隙和斷裂。在半導(dǎo)體器件鈍化后的冷卻過(guò)程中，導(dǎo)電層的收縮比鈍化層快。在導(dǎo)電層遇冷收縮過(guò)程中，鈍化層被束縛在導(dǎo)電層上。這就使導(dǎo)電層要承受很大的應(yīng)力。此應(yīng)力足夠大時(shí)會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電層斷裂和金屬顆粒向?qū)щ妼颖砻孢w移。于是導(dǎo)電層中的電流密度就要超過(guò)設(shè)計(jì)極限。對(duì)于某些器件，典型的電流密度上限值是5×104安培/平方厘米。然而，由于導(dǎo)電層截面積減小，受損傷的導(dǎo)電層中電流密度可能增加十倍，高達(dá)5×105安培/平方厘米。這會(huì)導(dǎo)致器件工作性能不穩(wěn)定或失效。
本發(fā)明旨在減少半導(dǎo)體器件導(dǎo)電層中的缺陷。
在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)過(guò)程中，本發(fā)明可以減少在光刻、合金、鈍化這三步工序中形成的導(dǎo)電層缺陷。用旋涂法在鋁硅金屬層上淀積一層有顏色的低溫玻璃層。此淀積應(yīng)在光刻之前，並且應(yīng)在溫度超過(guò)200℃的工藝之前進(jìn)行。然后再把整個(gè)器件加熱到足夠高的溫度，使鋁硅金屬層和半導(dǎo)體襯底燒結(jié)在一起。這層玻璃體可以防止在合金后的導(dǎo)電層表面形成小丘和空隙。應(yīng)用在導(dǎo)電層上形成一個(gè)復(fù)合玻璃層的方法可以避免在隨后的氣密鈍化過(guò)程中導(dǎo)電層的斷裂。復(fù)合玻璃層具有這樣的性質(zhì)下面的玻璃層具有張應(yīng)力而上面一層具有壓應(yīng)力。適當(dāng)選擇這兩個(gè)玻璃層的厚度，可以使整個(gè)復(fù)合玻璃層具有凈張應(yīng)力。這一復(fù)合玻璃層使導(dǎo)電層在鈍化過(guò)程中不出現(xiàn)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(dǎo)體器件剖面圖，用以描述以前的工藝。
圖2是燒結(jié)工藝完成后，對(duì)圖1表層的局部放大圖。
圖3描述在圖1所示半導(dǎo)體上，利用旋涂法淀積玻璃層后的情形。
圖4是用以前工藝進(jìn)行鈍化后，導(dǎo)電層中形成缺陷的放大圖。
圖5是應(yīng)用以前工藝在半導(dǎo)體上形成的壓縮薄層的實(shí)例。此層導(dǎo)致下面半導(dǎo)體受到張力作用。
圖6表示在半導(dǎo)體表面形成的張力薄層及影響。此張力層使下面的半導(dǎo)體受到壓應(yīng)力作用。
圖7是在半導(dǎo)體表面淀積了一層復(fù)合玻璃后的剖面圖。
圖8表示圖7中的復(fù)合玻璃層經(jīng)過(guò)進(jìn)一步加工后的情形。
圖9是在半導(dǎo)體表面形成了張力層后的剖面圖。
圖10表示在圖9所示半導(dǎo)體上形成壓縮層后的情形。
圖11表示具有用旋涂玻璃法形成的抗反光層的半導(dǎo)體片剖面圖。
本文敘述的發(fā)明可以防止半導(dǎo)體在光刻金屬層、合金、鈍化過(guò)程中形成缺陷。下面將作具體說(shuō)明(例如厚度等)，以便人們對(duì)本發(fā)明有充分的了解。然而，對(duì)于熟悉工藝的人來(lái)說(shuō)，即使沒(méi)有這些詳細(xì)說(shuō)明，也可以把本發(fā)明付諸實(shí)踐，這一點(diǎn)是顯然的。另一方面，對(duì)于眾所周知的工藝，這里不作詳盡的敘述，以免掩蓋本發(fā)明的要點(diǎn)。
圖1和圖2描述應(yīng)用以前工藝在半導(dǎo)體本體上形成合金導(dǎo)電層的情形。這塊半導(dǎo)體包括單晶硅襯底(21)，絕緣層(23)，摻雜區(qū)(22)。在摻雜區(qū)的上面開(kāi)了一個(gè)接觸窗口，使摻雜區(qū)可以和導(dǎo)電層相接觸。在以前的工藝中，鋁或鋁硅合金層被做在絕緣層(23)和摻雜區(qū)(22)的上面。然后加足夠高的溫度進(jìn)行燒結(jié)，以改善導(dǎo)電層與硅襯底的歐姆接觸。
以前工藝帶來(lái)的問(wèn)題是由于在高溫處理過(guò)程中導(dǎo)電層上受到應(yīng)力作用造成的。導(dǎo)電層表面在合金過(guò)程中產(chǎn)生如圖2所示的小丘(29)和空隙(30)，因而合金后表面惡化。這些小丘(29)使以后的掩膜光刻發(fā)生困難;空隙(30)使金屬導(dǎo)電性受到不利影響。
在本發(fā)明中，頭幾部工藝過(guò)程與以前工藝類似，即在半導(dǎo)體表面(21a)通過(guò)與本體相通的接觸窗口形成鋁和鋁硅合金層(24a)，參見(jiàn)圖3(21a中的字母a表示圖3與圖1的對(duì)應(yīng)部分)。在導(dǎo)電層形成之后、光刻或任何高溫處理之前，在鋁層(24a)上形成低溫旋涂玻璃層(27)，參見(jiàn)圖3。這層玻璃層是有顏色的，所以在后面的光刻過(guò)程中可以用作抗反光層?，F(xiàn)在市場(chǎng)上有多種牌號(hào)和組分的低溫旋涂玻璃源供應(yīng)。各種類型的旋涂玻璃膜，包括摻硅的和未摻硅的，對(duì)于防止金屬層上的小丘和空隙都是很有效的。有一點(diǎn)非常重要，這就是旋涂玻璃必須在光刻或溫度高于200℃的任何加溫工藝前進(jìn)行，以防止在合金后的導(dǎo)電層表面形成小丘。在這一玻璃層(27)形成之后，整個(gè)片子可以被加熱到足夠高的溫度對(duì)鋁硅合金進(jìn)行燒結(jié)，參見(jiàn)圖3。在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，旋涂玻璃層(27)的厚度大約是800-1500埃。實(shí)驗(yàn)證明，此玻璃層愈厚，對(duì)防止小丘的形成愈有效。
為什么旋涂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(guò)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(méi)有防止小丘的生成。這是因?yàn)檫@些層是在合金或者溫度超過(guò)200℃的工藝之后制備的。這與低溫旋涂玻璃體的情形完全不同。
應(yīng)用旋涂玻璃體來(lái)得到上述結(jié)果比應(yīng)用以前的二氧化硅生長(zhǎng)工藝機(jī)理(如等離子淀積、化學(xué)氣相淀積)有許多優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用旋涂玻璃體不僅能防止導(dǎo)電層上小丘的形成，而且可以防止導(dǎo)電層在以后的高溫工藝中發(fā)生斷裂。應(yīng)用本實(shí)施例，摻砷、鈦、磷、硼的旋涂玻璃體或未摻雜的旋涂玻璃體都是非常有效的。
導(dǎo)電層的光刻過(guò)程中，旋涂玻璃體起抗反光膜的作用。這能防止光刻圖形缺陷(例如鉆蝕)的產(chǎn)生。鉆蝕是由于從導(dǎo)電層上反射回來(lái)的光照到鄰近的光刻膠上所引起的。在旋涂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涂玻璃體提高百分之二十。在一個(gè)實(shí)施例中，旋涂玻璃體中加入了百分之一的普通11＃黃顏料(按重量計(jì)算)。這不僅防止了光刻缺陷(如缺口)，而且允許在這層旋涂玻璃層上開(kāi)出較大的接觸孔，同時(shí)也便于再加工。旋涂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，聚酰亞胺抗反光層的刻蝕與光刻膠的刻蝕相近，這就導(dǎo)致只能開(kāi)出較小的接觸孔。
圖11示出應(yīng)用旋涂玻璃體作為抗反光層的情形。在襯底(21)上形成導(dǎo)電層(61)。然后在此導(dǎo)電層上形成一層有色的旋涂玻璃體(64)。在此玻璃體上再涂一層光刻膠。旋涂玻璃體(64)起到一層抗反光膜的作用，防止射到導(dǎo)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(lái)不希望曝光的光刻膠曝光，從而導(dǎo)致鄰近光刻圖形鉆蝕。這層旋涂玻璃體的厚度為800-5000埃。對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光之后，可用通常的方法進(jìn)行顯影。把不需要的光刻膠顯影以后，旋涂玻璃體暴露的部分可用各向異性的等離子刻蝕法或反應(yīng)離子刻蝕法刻掉。于是光刻膠的圖形就被復(fù)制到了旋涂玻璃層上。下一步是用各向異性的等離子刻蝕法或反應(yīng)離子刻蝕法將暴露出來(lái)的金屬(鋁硅合金)刻蝕掉。金屬層刻蝕之后，光刻膠可以用通常的方法去掉，但是旋涂玻璃層卻被保留在剩下金屬層的表面。這樣一來(lái)就可以防止金屬表面在以后的高溫工藝中產(chǎn)生小丘和斷裂。
旋涂玻璃體抗反光層要比聚酰亞胺抗反光層優(yōu)越，這主要表現(xiàn)在光刻膠的最后處理只是一個(gè)剝離問(wèn)題。應(yīng)用市場(chǎng)上供應(yīng)的剝蝕劑(例如RT2)就可以做到這一點(diǎn)。由于光刻膠相對(duì)于旋涂玻璃體的刻蝕(或剝蝕)選擇性高，所以在去除光刻膠以及后來(lái)的再涂膠過(guò)程中，旋涂玻璃體可以依然蓋在金屬膜上。但是，如果應(yīng)用聚酰亞胺抗反光膜，在去除光刻膠的過(guò)程中，聚酰亞胺也被一同去掉。
多數(shù)集成電路在封裝之前需要進(jìn)行氣密鈍化。應(yīng)用以前的工藝，通常要在導(dǎo)電層上形成一個(gè)“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(gè)示例。當(dāng)薄層(52)受到壓縮力作用時(shí)，在兩層材料界面上形成的應(yīng)力使襯底(51)表面受到一個(gè)拉伸力，如箭頭所示。壓縮層通常用于封裝，因?yàn)檫@可以防止斷裂，提高壓焊質(zhì)量。但是釋放到下面半導(dǎo)體襯底表面的張應(yīng)力助長(zhǎng)斷裂生成，特別是當(dāng)下面為金屬導(dǎo)電層時(shí)更易斷裂。
鋁硅導(dǎo)電層中的張力形成斷裂(47)和空隙(48)，見(jiàn)圖4?？障?48)是在鋁從導(dǎo)電層遷移過(guò)程中形成的。導(dǎo)電層的傳導(dǎo)電流面積減小導(dǎo)致電流密度超過(guò)設(shè)計(jì)器件時(shí)的極限值。對(duì)某些器件來(lái)說(shuō)，典型的電流密度值為5×104安培/平方厘米。但是在有缺陷的導(dǎo)電層中，電流密度可以高達(dá)5×105安培/平方厘米，這將導(dǎo)致器件失效。
應(yīng)用本發(fā)明，首先在包括導(dǎo)電層在內(nèi)的半導(dǎo)體表面形成一個(gè)相對(duì)于導(dǎo)電層具有張力的薄層，參見(jiàn)描述半導(dǎo)體(42)的圖7(這里不包括前面討論過(guò)的任何旋涂玻璃層)。然后，通過(guò)絕緣層開(kāi)一個(gè)孔，使導(dǎo)電層(41)可以和摻雜區(qū)(46)相接觸。相對(duì)于硅襯底來(lái)說(shuō)，玻璃層(44)具有張力，參見(jiàn)圖6。此張力層使襯底(41)受到壓力作用，這就可以防止產(chǎn)生缺陷。
在本工藝中，薄層(44)由派肋氏玻璃(pyrox)構(gòu)成，當(dāng)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)形成以后，在薄層(44)上再形成一個(gè)玻璃層(45)，見(jiàn)圖8。此玻璃層是壓縮性的，于是可以得到高質(zhì)量的氣密性密鈍化。在本實(shí)施例中，薄層(45)由氮氧化合物構(gòu)成，其厚度約為1微米。薄層(44)的張力大于薄層(45)的壓縮力，所以整個(gè)薄層呈現(xiàn)凈張力特性，這就可以防止金屬層(41)產(chǎn)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(gè)實(shí)施例中(見(jiàn)圖9、圖10)，使用了單一的復(fù)合層。此復(fù)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(dǎo)體表面透過(guò)絕緣層(52)開(kāi)出一個(gè)接觸孔，與摻雜區(qū)(51)相通。這樣，導(dǎo)電層(53)就可與摻雜區(qū)(51)相接觸。氮氧化合物薄層(54a)的第一部分示于圖8。這一薄層又被繼續(xù)加工，以形成上面部分(54b)，見(jiàn)圖10。這一部分提供氣密鈍化所需的壓縮層。
本實(shí)施例中的復(fù)合層(54)由氮氧化合物構(gòu)成，並且在恒溫條件下連續(xù)不間斷地生長(zhǎng)。通過(guò)改變N2O的流量及系統(tǒng)壓強(qiáng)可以改變氮氧化合物的結(jié)構(gòu)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，在此之后N2O的流量及壓強(qiáng)都減小，並且僅用三十五分鐘即可形成復(fù)合層的上面部分(壓縮層)。
張力層 壓縮層溫度(℃) 365 365SiH4(立方厘米/分) 146 146NH3(立方厘米/分) 1000 1000N2O(立方厘米/分) 600 350射頻(瓦) 145 145壓強(qiáng)(毫米汞柱) 2.5 1.5時(shí)間(分) 70 35使復(fù)合層兩層的折射率均小于或等于1.7，這樣可以提高復(fù)合層對(duì)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(guò)程可以正常進(jìn)行。
在上述兩個(gè)實(shí)施例中，鈍化層的凈應(yīng)力呈張應(yīng)力特性。當(dāng)半導(dǎo)體襯底冷卻時(shí)，可以避免前面談到的金屬層斷裂。
綜上所述，一個(gè)改進(jìn)后的工藝過(guò)程已敘述完畢，此工藝可以防止金屬層斷裂及小丘的產(chǎn)生，還可以提供一個(gè)性能優(yōu)良的鈍化層。
補(bǔ)正 85104650文件名稱 頁(yè) 行 補(bǔ)正前 補(bǔ)正后說(shuō)明書 4倒8 ……合金進(jìn)行燒結(jié)，合金24a進(jìn)行燒結(jié)，4 倒6 是800-1500埃。是800-5000埃。
權(quán)利要求
書 1 倒10 ……為壓縮力層?！瓰閴嚎s力層，倒7 ……張力層上的壓縮層?！瓘埩由系膲嚎s層，
權(quán)利要求
1.在半導(dǎo)體襯底上形成具有光刻圖形、合金導(dǎo)電層的工藝由下列步驟組成a.在硅片上淀積金屬導(dǎo)電層；b.在該導(dǎo)電層上利用低溫旋涂法形成一層帶色的玻璃膜；c.任何光刻該導(dǎo)電層或溫度超過(guò)200℃的工藝都要在上述的低溫旋涂玻璃之后進(jìn)行；于是，該導(dǎo)電層上的小丘和空隙可以避免，並且在光刻過(guò)程中，該旋涂玻璃層可以起抗反光膜的作用。
2.權(quán)利要求
1定義的工藝中的導(dǎo)電層為鋁層。
3.權(quán)利要求
1定義的工藝中的旋涂玻璃層厚度約為800-5000埃。
4.導(dǎo)電層的氣密鈍化包括在該導(dǎo)電層上形成復(fù)合層，此復(fù)合層的下半層為張力層而上半層為壓縮力層。于是金屬的斷裂可以減少。
5.權(quán)利要求
4中定義的復(fù)合層包括氮氧化合物張力層以及在此張力層上的壓縮層。該復(fù)合層是在硅烷、氨、氧化二氮?dú)夥罩校紫仁箿囟群湍芰亢愣?，然后減小壓強(qiáng)及氧化二氮的流量的方法得到的。
6.權(quán)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(dǎo)電層的氣密鈍化包括以下步驟a.在該導(dǎo)電層上形成一個(gè)張力層;b.在該張力層上形成一個(gè)壓縮層，此壓縮層在該導(dǎo)電層上形成張力層之后形成;于是該導(dǎo)電層的斷裂現(xiàn)象可以減少。
8.權(quán)利要求
7中所定義的張力層由派肋氏玻璃(Pyrox)構(gòu)成，其厚度約為2微米。
9.權(quán)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(gòu)成。
10.權(quán)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(gòu)成。
11.權(quán)利要求
7中定義的各層可以透過(guò)紫外光，于是可以利用紫外線對(duì)可擦除可編程只讀存貯器(EEPROM)進(jìn)行擦除。
12.權(quán)利要求
7中定義的各層的折射率均小于或等于1.7。
專利摘要
本發(fā)明可以減少導(dǎo)電層在光刻、合金及鈍化過(guò)程中形成的缺陷。在光刻以及溫度高于200℃的工藝之前，利用低溫旋涂的方法在導(dǎo)電層上形成一個(gè)有色的玻璃層。通過(guò)在導(dǎo)電層上形成一個(gè)復(fù)合層的方法完成氣密鈍化。此復(fù)合層由兩部分組成下層為張力層，上層為壓縮層，整個(gè)鈍化層呈現(xiàn)凈張力特性。
文檔編號(hào)H01L21/316GK85104650SQ85104650
公開(kāi)日1986年6月10日 申請(qǐng)日期1985年6月15日
發(fā)明者利奧波杜, 羅伯特, 肯尼思, 吉克, 戴維 申請(qǐng)人:英特爾公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan