专利名称：一种用于半导体组件的内联机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于半导体组件的内联机构，其可消除或减小由所谓诱导应力的迁移所产生的问题，用以改善半导体组件和其制造方法的可靠度。特别是涉及一种改进的内联机构，其通常是由薄且长的铝导线所制成，当半导体组件在遭受到急遽的上升或下降的温度改变，因而产生诱导应力的迁移时，此改进的内联机构可消除或减小与原子、空缺、或缺陷的质传有关的产品优良率的问题。将本发明的内联机构用于超大规模集成(ULSI)半导体组件的制造上是非常有利的。
藉由超大规模集成(ULSI)电路的制造、垂直堆栈、或金属导线电路或金属层的整合以形成多重内联机构，已成为增加电路效能以及增加电路的功能复杂性的有效方法。相邻金属层的间的电性连接，是藉由相互连接层(interconnect layer)和一或多个介层窗孔洞而达成，其中相互连接层是提供给每一金属层(层内连接)，介层窗孔洞则藉由穿透三明治介电层而连接到两个相邻的相互连接层(层间连接)。
通常相互连接层包括多个非常细且长的以铝为基础的导线或内联机构(interconnect)。由于铝内联机构和硅基底的间的热膨胀是数相差甚大，当芯片受到快速温度改变的冲击时，即温度向上升或向下降，常会发生所谓诱导应力的迁移。在相当大的张应力下，铝原子被拉离内联机构，因而产生空洞，并导致线电阻的增加，或者更坏的情况是甚至造成内联机构全部断离。另一方面，当压缩应力出现时，可能会形成鼓起，进而造成内联机构上方的介电层或保护层断裂和导致短路的发生。
美国专利NO 5,439,731公开一种半导体组件的制造方法。在此专利案中，提出与在半导体组件制造中的快速温度冲击速率相关的问题，并提出一种减慢温度冲击速度的方法。因此，该专利提出当膜层藉由溅镀法在形成有孔洞的半导体基底上沉积铝或铝合金时，形成此膜层的初步阶段是将半导体基底维持加热在180度或更低的条件。在此初步阶段的后，此膜层是采分段方式形成，经由至少两阶段来逐步改变半导体基底的加热温度，以将半导体基底维持加热在温度约为460度或更高的条件。
美国专利NO 5,252,382公开一种可消除或降低内联机构内的应力迁移的内联机构。此内联机构包括(a)一第一介电层；(b)一金属内联机构形成于第一介电层上，且在其间形成第一界面；以及(c)一第二介电层形成于金属内联机构上，且在其间形成第二界面。’该发明主要的要素是将第一和第二界面图案化，使其有良好黏着力的区域和大体上没有黏着力的区域。
美国专利NO 5,439,731是由NO 5,252,382专利相同的发明人所发明，其揭示另一种金属内联机构，其包括(a)一绝缘基底；(b)多个间隔的第一导电金属部份形成于基底上，每一第一导电金属部份具有一对垂直边，且由相邻的第一导电金属部份的间的多个相对应的间隙所分离；(c)一抗热金属预备(back-up)层顺应性地形成于第一导电金属部份和间隙上，其中抗热金属预备层包括与第一导电金属部份的每一垂直边相邻的多个垂直部份，以及形成于抗热金属预备层和相邻的垂直部份间的间隙上的多个凹槽；以及(d)多个第二导电金属部份形成在凹槽内，且与垂直部份接触。
NO 5,439,731专利更提供多个第一和第二导电金属部份和多个抗热金属预备层的垂直部份以形成金属内联机构，在将电阻最小化的同时，藉由限制孔洞的空缺和小凸起的原子使第一和第二导电金属部份的每一部份的长度可达到具有最小应力迁移和电致迁移伤害，且抗热金属预备层的每一垂直部份的宽度足以阻止相邻的第一和第二导电金属部份间的原子传递。
上述的参考资料描述一些在半导体组件的尺寸愈来愈小的趋势下，与诱导应力迁移相关的问题的例子。公知的大部份的改善方法中，其金属内联机构均需相当复杂的额外步骤，且其范围均非常小。
另一个关于铝原子的诱导应力的迁移的问题是介层窗失效。目前已知有两种造成介层窗失效的原因，一种是由于诱导应力的迁移，在铝原子的内联机构内的孔洞进入可能用以做为介层窗的孔洞，而导致电路失效。此种电路失效已由Matsukawa等人揭示在标题为“A NewModel for Via Failure Mechanism of Stress-Induced MigrationVoiding of Al-Plug of Via on Al-Fill Process in MultilevelInterconnect Processes”，June 10-12，1997 VMIC Conference，1997 ISMIC-107/97/0479(c)。
另一种介层窗失效的原因是由本发明的发明人所提出。此种介层窗失效发生于仅在进行包括非常长且非常细的内联机构的非常小尺寸的半导体组件的制程时，其中由于其细小的尺寸，使介层窗开口未能被钨插塞完全填满。再者，本发明的发明人提出当内联机构足够长且足够细时，与内联机构的宽度成反比的三向应力将变得非常强，以致使相当量的铝原子或缺陷将被推入介层窗开口中，而导致介层窗在其开口末端产生突起物(protrude)。使得在后续将金属层图案化时，会导致严重的问题。目前没有任何公知技术方法可用以解决此问题，甚或没有指出此问题。
本发明的目的是在于发展一种具有较好的可靠度的内联机构。它可消除或减小由诱导应力迁移所引起的问题，本发明可以改善半导体组件的可靠度及其制造方法。
一种用于半导体组件的内联机构，包括a)一细且长的铝导线连接到一第一金属结构，该铝导线亦连接到至少一介层窗结构，其中该介层窗结构是形成于一上层介电层中，且该介层窗结构由一第一抗热金属所制成，其中该铝导线和该第一金属结构是埋入该上层介电层中；以及b)至少一抗热插塞的一端点连接至该铝导线，且该抗热插塞埋入一底层介电层中，使该抗热插塞的另一端为绝缘，该底层介电层位于该上层介电层的下，该抗热插塞是由一第二抗热金属所制成，使该内联机构遭受到一快速温度改变时，由诱导应力的迁移所产生的移动的铝原子可以被该抗热插塞吸收。
本发明所揭示的新式内联机构解决了最近发现的问题，此问题是为当半导体组件受到急遽上升或下降的温度改变冲击时，比如在WCVD、PECVD、介层窗出气等期间，由于诱导应力迁移的铝原子或缺陷，使得非常细且非常长的铝内联机构可能导致底层铝自介层窗开口的末端产生突起物，而导致下一步骤的金属层图案化失败。因此，将本发明的内联机构应用在超大规模集成(ULSI)半导体组件的制造上，会有极大的优点。
如上所述，本发明的发明人提出当内联机构足够长且足够细时，与内联机构的宽度成反比的三向应力可能变得非常强，而使得相当量的铝原子或缺陷被推入介层窗开口，造成介层窗开口末端产生突起物。发明人所提供的SEM图证实了介层窗的鼓起，其可能在后续金属层图案化时引起严重的问题。
在本发明中，提供多个间隔的抗热插塞，它是连接到内联机构，但与底层金属层绝缘。由于在快速温度冲击制程期间的诱导应力迁移，此抗热插塞会吸收沿着内联机构传递且在缺乏此抗热插塞而可能流入介层窗开口的原子、空缺、或缺陷。
此抗热插塞是由抗热金属所制成，其可以是钛、钨或其合金。此抗热插塞较佳的是钨插塞。再者，做为应力抑制器的抗热插塞会略大于铝导线的直径。典型的铝导线的宽度约小于0.6微米，抗热插塞的直径较佳的是大于0.6微米。抗热插塞的间隔较佳的是约10微米。然而，抗热插塞的最佳化间隔是依据内联机构的尺寸、所使用的铝合金型态、热制程的型态、以及金属层的布局和密度而定。
为让本发明的上述目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下
图1是表示由于诱导应力迁移而使铝原子趋入介层窗；图2是表示铝原子由做为储存槽或应力抑制器的抗热插塞所吸收，因而消除或减小由于诱导应力迁移而流入介层窗的铝原子的数量；图3表示根据本发明的一较佳实施例的内联机构、抗热插塞、介层窗、以及上层金属层的间的平面布局图。
符号说明1内联机构2介层窗结构3底层介电层4上层介电层10内联机构11钨插塞12上层金属层
13上层金属层本发明揭示一种用于半导体组件的新的且具有较好可靠度的内联机构。此改进的内联机构，藉由沿着铝导线增加多个间隔排列的抗热插塞，以消除或至少减少由诱导应力的迁移所产生的问题。此抗热插塞视为一原子储存槽，或者就功能性而言，视为一应力抑制器，用以避免铝原子流入介层窗开口而使介层窗产生鼓起。如上所述，本发明的发明人发现，当半导体组件遭受到快速上升或下降的温度变化冲击时，例如在WCVD、PECVD、介层窗出气等过程时，如果内联机构足够长且足够细，则与内联机构的宽度成反比的三向应力会变成非常大，以致于相当量的铝原子或缺陷会被推进介层窗开口，并导致介层窗的开口末端突起物(protrude)。
在本发明中，提供了多个间隔的抗热插塞，其是连接到内联机构，但与底层金属层绝缘。抗热插塞是设计用来吸收移动的铝原子、空缺或缺陷，由于在快速温度变化冲击制程期间的诱导应力的迁移，使沿着铝内联机构导线传输，且在缺乏此抗热插塞的情况下可能会使其流入介层窗开口中。
抗热插塞是由抗热金属所制成，其中抗热金属可以是钛、钨或其合金。抗热插塞较佳的是钨插塞。做为应力抑制器的抗热插塞的直径略大于铝导线的宽度。典型的铝导线的宽度约小于0.6微米，抗热插塞的直径较佳的是大于0.6微米。抗热插塞是以小于一允许的最大间隔排列，此间隔较佳的是约10微米。亦即，抗热插塞的最佳间隔是依据内联机构的尺寸、所使用的铝合金的型态、热制程的型态、以及金属层的布局和密度而定。
本发明将以下面的例子做较具体的说明。然而以下的例子，包括本发明的较佳实施例，是为了做解说的用，并非用来限定本发明的保护范围。
图1是绘示在由于快速温度改变而产生“诱导应力的迁移”的情况下的内联机构1，其包括铝导线。由于诱导应力的迁移，铝原子会趋入介层窗结构2中，如箭头所示。内联机构1形成于底层介电层3上，且被上层介电层4所覆盖。
图2是绘示一种根据本发明一较佳实施例的改进的内联机构10，图中亦包括钨插塞11。图2显示铝原子由做为储存槽或应力抑制器的钨插塞11所吸收，用以消除或减少由诱导应力的迁移而可能已流入介层窗结构2的铝原子的数量，如图中的箭头所示。
图3是绘示一种根据本发明一较佳实施例的内联机构10、钨插塞11、介层窗结构2、上层金属层12和以介层窗结构2连接至上层金属层13的底部金属的平面布局图。铝导线内联机构10的宽度约为0.6微米，钨插塞11的直径约为0.75微米。钨插塞11的间隔约为10微米。钨插塞11的间隔和直径可以依据铝导线内联机构10的宽度、铝合金的型态、热制程的型态、以及金属层的布局和密度而被最佳化。其中，介层窗结构2是由一如钨的抗热金属制成，其包括至少一介层窗开口，此介层窗开口是指未被抗热金属所填满的空间。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限制本发明，任何熟习此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定者为准。
权利要求
1.一种用于半导体组件的内联机构，包括a)一细且长的铝导线连接到一第一金属结构，该铝导线亦连接到至少一介层窗结构，其中该介层窗结构是形成于一上层介电层中，且该介层窗结构由一第一抗热金属所制成，其中该铝导线和该第一金属结构是埋入该上层介电层中；以及b)至少一抗热插塞的一端点连接至该铝导线，且该抗热插塞埋入一底层介电层中，使该抗热插塞的另一端为绝缘，该底层介电层位于该上层介电层的下，该抗热插塞是由一第二抗热金属所制成，使该内联机构遭受到一快速温度改变时，由诱导应力的迁移所产生的移动的铝原子可以被该抗热插塞吸收。
2.如权利要求1所述的内联机构，其中该第一和第二抗热金属为钨。
3.如权利要求1所述的内联机构，包括多个抗热插塞。
4.如权利要求1所述的内联机构，包括多个抗热插塞以小于一允许的最大间隔排列。
5.如权利要求1所述的内联机构，包括多个抗热插塞以小于一允许的最大间隔排列，其中该允许的最大间隔约为10微米。
6.如权利要求1所述的内联机构，其中该抗热插塞的直径大于该铝导线的宽度。
7.如权利要求1所述的内联机构，其中该铝导线的宽度约小于0.6微米。
8.如权利要求1所述的内联机构，其中该第二抗热金属是选自由钨、钛和其合金所组成的族群。
9.如权利要求1所述的内联机构，其中该介层窗结构包括至少一介层窗开口，该介层窗开口是为未被该第一抗热金属所填满的空间。
10.一种可避免介层窗在诱导应力迁移下而鼓起的内联机构的半导体组件，该半导体组件包括a)一细且长的铝导线连接到一第一金属结构，该铝导线亦连接到至少一介层窗结构，其中该介层窗结构是形成于一上层介电层中，且该介层窗结构由一第一抗热金属所制成，其中该铝导线和该第一金属结构是埋入该上层介电层中；以及b)至少一抗热插塞的一端点连接至该铝导线，且该抗热插塞埋入一底层介电层中，使该抗热插塞的另一端为绝缘，该底层介电层位于该上层介电层的下，该抗热插塞是由一第二抗热金属所制成，使该内联机构遭受到一快速温度改变时，由诱导应力的迁移所产生的移动的铝原子可以被该抗热插塞吸收。
11.如权利要求10所述的半导体组件，其中该第一和第二抗热金属为钨。
12.如权利要求10所述的半导体组件，包括多个抗热插塞。
13.如权利要求10所述的半导体组件，包括多个抗热插塞以小于一允许的最大间隔排列。
14.如权利要求10所述的半导体组件，包括多个抗热插塞以小于一允许的最大间隔排列，其中该允许的最大间隔约为10微米。
15.如权利要求10所述的半导体组件，其中该抗热插塞的直径大于该铝导线的宽度。
16.如权利要求10所述的半导体组件，其中该铝导线的宽度约小于0.6微米。
17.如权利要求10所述的半导体组件，其中该第二抗热金属是选自由钨、钛和其合金所组成的族群。
18.如权利要求10所述的半导体组件，其中该介层窗结构包括至少一介层窗开口，该介层窗开口是为未被该第一抗热金属所填满的空间。
全文摘要
一种用于半导体组件的内联机构,包括:(a)一细且长的铝导线连接到一第一金属结构;以及(b)多个间隔的钨插塞,一端连接到铝导线,且钨插塞埋入在一底层介电层中,使钨插塞的另一端绝缘。当内联机构遭受到快速温度改变时,由诱导应力的迁移所产生的移动的铝原子可以被钨插塞吸收,以避免发生介层窗鼓起问题,而使第一金属结构上方的第二金属结构受到严重伤害。
文档编号H01L23/52GK1377081SQ0111017
公开日2002年10月30日 申请日期2001年3月28日 优先权日2001年3月28日
发明者林啟发 申请人:华邦电子股份有限公司