專利名稱：半導體器件金屬化工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體器件，特別涉及使半導體器件中的小丘大大減少的半導體器件的金屬化工藝。
常規(guī)的半導體器件金屬化工藝淀積金屬是在低溫和淀積速率很慢的條件下進行的。例如，以使用D.C磁控管的常規(guī)濺射技術淀積鋁合金，在約250℃時，淀積速率為每秒20
。由于在這些常規(guī)方法中采用如此低的溫度，使得后序工藝步驟-例如等離子氧化(約300℃)和聚酰亞胺退火(高達450℃)-的工藝溫度高于金屬淀積溫度。后序工藝步驟的較高溫度在整個金屬化中產(chǎn)生應力，其結果是形成了嚴重的小丘。本領域普通技術人員將能夠識別出，這種小丘是由應力引起的金屬凸起物。這種小丘的危害在于它在金屬層之間引起嚴重的短路。
在半導體器件中，金屬常被淀積到層間電介質(zhì)材料上。雖然層間電介質(zhì)材料可以由多種材料構成，但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)聚酰亞胺具有許多奇特的性質(zhì)和特點，例如，底層結構的平坦性，使得它特別適合于作層間介質(zhì)材料。然而，由于過熱會引起聚酰亞胺起皺，在它上面淀積金屬是極其困難的。常規(guī)金屬淀積技術的另一缺點是電遷移性能差。因為電流在半導體器件中的金屬中流過時會使金屬塊(Patchesofmetal)移位，這可能在很大程度上影響金屬線的連續(xù)性，使半導體器件的有效壽命縮短。因此，一種具有較少小丘、較高電遷移特性并且能與由聚酰亞胺制成的層間介質(zhì)材料相兼容的半導體器件的金屬化工藝是極其有用的。
本發(fā)明的一個目的是提供一種半導體器件的金屬化工藝，其中，金屬層中的小丘可大大減小。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種使半導體器件電遷移性能顯著改善的金屬化工藝。
作為本發(fā)明的一個附加目的是為半導體器件提供一種能夠成功地利用聚酰亞胺材料作極熱金屬的層間介電材料的金屬化工藝。
本發(fā)明還有一個目的是為半導體器件提供一種金屬化工藝，其中，晶片的溫度是可以控制的。
本發(fā)明的進一步目的是為半導體器件提供一種金屬化工藝，其中，在金屬淀積時的晶片溫度高于后序工藝步驟中晶片的溫度。
本發(fā)明的再一目的是為半導體器件提供一種金屬化工藝，其中，通過控制淀積金屬的最大晶粒線度來控制晶片的溫度。
本發(fā)明的上述和其它目的以及優(yōu)點是通過提供一種半導體器體金屬化工藝來實現(xiàn)的，在這種金屬化工藝中，金屬淀積時的晶片溫度等于或高于后序工藝步驟中晶片的溫度。由于金屬不再經(jīng)受比其淀積時的溫度更高的溫度，因此在后序工藝步驟中整個金屬只產(chǎn)生很小的應力，進而使得小丘大大減少或被消除。所以，晶片溫度的控制，是通過對淀積金屬的晶粒最大線度的測量和控制來實現(xiàn)的。另外，通過淀積比較大的金屬的晶粒，可以改善電遷移性能。這是因為沿電流流動方向的晶粒間界大量減少的緣故。這種情況僅在金屬原子位移最小的情況下考慮。


圖1為包括金屬層在內(nèi)的半導體器件的部分放大截面圖;
圖2為部分帶有在其上進行淀積的晶片的金屬淀積裝置的簡化示意圖;
圖3為采用本發(fā)明方法所獲得的半導體器件金屬化的放大截面圖;
圖4為圖3所示半導體金屬化中單一晶粒的放大截面圖。
圖1為部分半導體器件的放大截面圖，晶片10包括第一表面12和第二表面14。在晶片10上形成第一介電材料層16。雖然第一介電材料層通常采用氧化物、氮化物或其組合物等材料，但實際上梢雜尚磯嘀紙櫚綺牧瞎鉤傘Ｒ壞┬緯閃說諞喚櫚綺牧喜 6，就可以形成圖形，并通過刻蝕形成窗口36。應該了解的是，在這點上可能生成和淀積上硅化物和阻擋層金屬，但這并不一定是必需，還要取決于器件的類型。
然后，將第一金屬層18淀積到第一介電層16之上。電之后，在第一金屬層18上淀積第一層間介電材料40。在這個實施例中，第一層間介電材料40由聚酰亞胺材料構成，不過本領域普通技術人員應知道還可以采用許多其它的層間介電材料。一般地說，聚酰亞胺屬于較難在其上淀積熱金屬的材料之一，這是因為在這種材料接觸高溫金屬時有起皺的趨勢。然而，在本發(fā)明的金屬化工藝中采用聚酰亞胺制成的第一層間介電材料40獲得了例外的好結果，這是因為工藝過程是在真空條件下進行的，并且在金屬淀積之前，已經(jīng)預熱和制備了聚酰亞胺第一層間介電材料40。本發(fā)明的金屬化工藝既沒有改變聚酰亞胺的物理特性，又沒有改變聚酰亞胺的化學特性，所以不會出現(xiàn)起皺現(xiàn)象。
在形成第一層間介電材料40之后，刻蝕出窗口42，再在第一層間介電材料40之上淀積第二金屬層44，應該了解的是應用相同的技術可以形成多層層間介質(zhì)材料和多層金屬層。淀積金屬層的工藝將在下文中敘述。
圖2為一部分金屬淀積裝置20的簡化示意圖。裝置20為一磁控管濺射裝置，然而，應該了解的是，許多種類型的濺射裝置均可在本發(fā)明中采用，裝置20包括一個真空濺射室34，濺射過程即在其中實施，在室34中放置一晶片加熱器22，并且如圖所示將晶片10置于其上。應該注意的是，將晶片10放置到晶片加熱器22上時，要使第二表面14被晶片加熱器22加熱。由于金屬層18和44(見圖1)被淀積在許多層之上，例如被淀積到位于晶片10第一表面12之上的層間介質(zhì)材料16上，因此這種類型在本技術領域中被稱作背加熱。背加熱具備很大優(yōu)越性，這是因為它使得晶片10能夠吸收熱量，這與正面加熱恰恰相反，如果采用正面加熱，在金屬層18和44淀積的過程中，金屬層將會把熱量從晶片10上反射出去。
金屬淀積裝置20包括一個對準晶片10的靶26，靶26為一陰極，它由待濺射的金屬構成。在這個實施例中，靶26由含有1.5%銅的鋁合金構成。然而，靶26也可由純鋁、或具有0.5～10.0%銅的鋁或本領域熟知的許多其它金屬中的任一種構成。將氣流注入濺射室34，在本實施例中采用氬氣，而本領域普通技術人員應知道還可以采用許多種其它氣體。氣流在電場中電離并加速，氣體離子與靶26碰撞，使金屬原子從靶26上飛出，這些原子在等離子體的氣氛中傳輸，淀積到位于晶片10第一表面12上的材料層之上，本領域普通技術人員將會認識到，必須對濺射室34增壓到某一程度，以使得足以產(chǎn)生等離子體并發(fā)生濺射。
晶片10除被晶片加熱器22加熱外，還被淀積在其上的金屬加熱，晶片的溫度可由如下方程表述
TW＝K1TH+K2Rt其中，TW為晶片的溫度，K1為與晶片加熱器工藝相關的常數(shù)，TH為加熱器22的溫度，K2為與等離子條件相關的常數(shù)，R為金屬的淀積速率，t為淀積時間。只要R是常數(shù)，這個方程式對本發(fā)明來說是正確的。
在淀積鋁、鋁合金和其它各種金屬時，晶片的溫度與所淀積的金屬的最大晶粒線度相關。隨著晶片溫度的增加，所淀積的金屬的最大晶粒線度成正比地增加。所以，通過測量并控制淀積金屬的最大晶粒線度，可使晶片的溫度保持相對恒定。這就是說，通過保持最大晶粒線度為常數(shù)，也能使得晶片溫度保持不變。現(xiàn)代技術允許在金屬淀積的同時測量所淀積金屬的最大晶粒線度。用于這種測量的儀器有具有克諾馬斯基相位對比(PhaseContrastKnomarski的蔡斯(Zeiss)顯微鏡和以NBS標準標定的在1000倍時每百小刻度為1微米的線目鏡。
圖3示出部分高度放大了的金屬層18的截面圖，圖4是高度放大了的金屬層18中的金屬晶粒28。金屬層18中包含許多金屬晶粒28，每一個金屬晶粒28為一金屬單晶粒。在淀積時，金屬晶粒28結合在一起形成金屬層18。金屬晶粒28的最大晶粒線度是通過測量金屬晶粒28中最寬部分的寬度取得的，這個線度由30表示。測量最大晶粒線度比計算平均晶粒線度所采用的方法要容易得多。
在金屬淀積之后的工藝步驟中，當晶片的溫度高于淀積金屬所用的溫度時，金屬層18上ǔ３魷中∏?。高温灾q黿鶚舨 8上產(chǎn)生應力而導致凸出物(小丘)的出現(xiàn)。所以，如果后序工藝步驟中的晶片溫度等于或低于金屬淀積步驟中晶片的溫度，則小丘將被消除或大量減少。由于可以通過測量和控制淀積金屬時金屬晶粒28的最大線度和通過控制晶片加熱器22的溫度來控制晶片的溫度，所以，金屬的淀積可以在已知的較高溫度下進行。這使得有可能在后序工藝步驟中采用較低的溫度。因為金屬淀積溫度比較高，所以金屬晶粒28的最大晶粒線度也就比較大。
應用下述參數(shù)可以淀積一個三層金屬化結構。在晶片10的第一表面12上形成第一介電材料層16之后，再在其上淀積第一金屬層，將晶片加熱器22調(diào)到475℃，晶片預熱之后，將含銅為1.5%的鋁合金以每秒185
的高速率淀積41秒鐘。測量出的最大晶粒線度為10到14微米，最終的第一金屬層厚度為7500
，在形成第一層間介電材料40之后，將加熱器22調(diào)到410℃，淀積第二金屬層。以每秒185
的速率淀積鋁合金，時間為97秒，測量出的最大晶粒線度仍為10到14微米，得到的第二金屬層厚度為18000
。形成第二層間介電材料之后，把加熱器22設置到350℃，將晶片加熱，在第二金屬層上淀積第三金屬層。鋁合金以每秒180
的速率淀積146秒，最大晶粒線度保持在10到14微米。得到的第三層厚度為27000
。
雖然上述實例十分具體，但應了解的是，本發(fā)明也適用于如下參數(shù)。晶片溫度可在350到650℃的范圍，所淀積金屬的最大晶粒線度為5.0到40.0微米之間，淀積速率可以是每秒150～400
。
應該了解的是，晶片的溫度在三層金屬淀積過程中始終保持相對恒定。雖然晶片加熱器21的溫度是變化的，但是可以通過增加后序金屬淀積過程的時間來提高晶片的溫度。換句話說，淀積時間越長，由金屬淀積動力所產(chǎn)生的晶片溫度就越高。最大晶粒線度保持穩(wěn)定，所以確保晶片溫度保持穩(wěn)定。應了解的是，雖然要求晶片溫度在全部金屬淀積過程中保持穩(wěn)定，但是，后序金屬淀積步驟中的溫度不一定要同第一次金屬淀積步驟中的溫度一樣高。然而，所有的金屬淀積步驟中晶片的溫度必須要高于后序工藝步驟中的溫度。應該進一步了解的是，如果要達到每一層金屬都無小丘，就一定要使第二和第三金屬淀積步驟中的晶片溫度不高于第一金屬淀積步驟中的晶片溫度。
權利要求
1.一種半導體器件的金屬化工藝，包括下述步驟提供一晶片；在所說的晶片上形成第一介電材料層；加熱所述晶片；該工藝的特征在于在所說的第一介電材料層上淀積至少一層金屬層，在所說的金屬淀積過程中，所說的晶片的溫度等于或高于晶片在后序工藝步驟中的溫度。
2.按照權利要求1所述的金屬化工藝，其中，晶片的溫度通過測量和控制所淀積金屬的最大晶粒線度來控制。
3.按照權利要求1所述的金屬化工藝，其中，淀積步驟包括鋁金屬的淀積。
4.按照權利要求3所述的金屬化工藝，其中，鋁中包含0.5%至10.0%的銅。
5.按照權利要求3所述的金屬化工藝，其中，金屬淀積步驟中，晶片的溫度范圍為350℃至650℃。
6.按照權利要求5所述的金屬化工藝，其中，所淀積的金屬的最大晶粒線度為5.0微米至40.0微米。
7.按照權利要求6所述的金屬化工藝，其中，金屬淀積的速率范圍為每秒150
至每秒400
。
8.一種半導體器件的金屬化工藝，包括下述步驟提供一晶片;在所述晶片的第一表面上形成第一介電材料層;加熱所述晶片，所述加熱是施加到所述晶片的第二表面上的，所述工藝的特征在于下述步驟在所述第一介電材料層上淀積第一金屬層，淀積所述第一金屬層時的溫度等于或高于晶片在后序工藝步驟中的溫度，通過測量和控制所說的第一金屬層中最大晶粒線度來控制所述晶片溫度;在所述第一金屬層上形成一層間介電材料;在所述層間介電材料上淀積至少一層附加金屬層，在淀積至少一層附加金屬層時所述晶片的溫度等于或低于淀積第一金屬層時的所述晶片的溫度，但等于或高于后序工藝步驟中所述晶片的溫度，通過測量和控制至少一層附加金屬層中最大晶粒線度來控制所述晶片的溫度。
9.按照權利要求8所述的金屬化工藝，其中，淀積步驟包括淀積鋁合金。
10.按照權利要求9所述的金屬化工藝，其中，鋁含0.5%至10.0%的銅。
全文摘要
這是一種半導體器件金屬化工藝，其中金屬淀積步驟是在比后序工藝步驟高的溫度中進行的。晶片溫度與最大晶粒線度的相關性對許多用作半導體金屬化的金屬(例如鋁)都很普遍，因此，通過測量和控制金屬淀積步驟中所淀積的金屬的最大晶粒線度，使控制和調(diào)節(jié)晶片溫度成為可能。
文檔編號H01L21/768GK1037549SQ89102989
公開日1989年11月29日 申請日期1989年4月28日 優(yōu)先權日1988年5月2日
發(fā)明者波利特·安東尼, 佩則司·艾琳·M 申請人:莫托羅拉公司