专利名称:金属-氧化物-半导体后部工艺的制作方法
本发明涉及在半导体本体上形成合金导电层的改进方法及对导电层进行气密钝化的改进方法。
在半导体器件生产过程中，通常要利用一个导电层将集成电路的两个部分连接起来。一般来说，这一过程由下面几个步骤组成首先，通过接触窗口(即在半导体器件绝缘层上开的孔)淀积一层铝硅合金的金属层。然后，利用生产集成电路的标准方法对此金属层进行光刻，以形成所要求的电路图形。最后，把这个光刻好了的电路加热或合金，以改善金属与半导体衬底的接触电阻。
一个与刻导电层相联系的问题是导电层钻蚀问题。这是由于从导电层反射回来的光线引起的。以前的工艺曾试图解决这个问题，其中包括使用聚酰亚胺层作为抗反光层。这种工艺的缺点是接触窗口窄小以及后续加工过程十分复杂。
第二个问题是与合金化相联系的。在合金时，金属层表面形成小丘而金属层内部形成空隙。表面的不平整使以后的掩模光刻变得困难，金属层内部的空隙给导电特性带来不良影响。
一个试图解决这个问题的办法是在金属层上使用钛钨氮(Ti W N)膜来防止小丘的产生。参见“减少铝薄层上的小丘”《Semiconductor International》，April，1982。另一个方法是淀积一层二氧化硅玻璃。参见“真空淀积铝层上的小丘”，《The Journal of Vaccum Science and Technology》，Vol.9，No.1。但是，使用这个方法很难保证金属层及其上面玻璃层的完整性。在E.philofshy等人所写的“铝金属化表面的再构造-一个新的潜在的失效机理”一文中指出，对铝进行玻璃化或者在铝中加入一些添加剂可以防止低温下金属表面的再构造。于是由金属表面再构造引起的电流密度增大和短路问题，可以由覆盖玻璃层或铝和其它元素的合金层来减小或避免。但是，上述工艺在防止小丘和空隙形成上並不能令人满意。
导电层经过合金和光刻之后，通常要用气密钝化的方法进行封装。塑料封装要求用等离子体淀积的氮硅进行气密钝化。在以前的工艺中使用一个压缩层(给下面导电层提供张应力的薄层)来保证表面的气密性。由此带来的问题是导电层中形成空隙和断裂。在半导体器件钝化后的冷却过程中，导电层的收缩比钝化层快。在导电层遇冷收缩过程中，钝化层被束缚在导电层上。这就使导电层要承受很大的应力。此应力足够大时会导致导电层断裂和金属颗粒向导电层表面迁移。于是导电层中的电流密度就要超过设计极限。对于某些器件，典型的电流密度上限值是5×104安培/平方厘米。然而，由于导电层截面积减小，受损伤的导电层中电流密度可能增加十倍，高达5×105安培/平方厘米。这会导致器件工作性能不稳定或失效。
本发明旨在减少半导体器件导电层中的缺陷。
在半导体器件生产过程中，本发明可以减少在光刻、合金、钝化这三步工序中形成的导电层缺陷。用旋涂法在铝硅金属层上淀积一层有颜色的低温玻璃层。此淀积应在光刻之前，並且应在温度超过200℃的工艺之前进行。然后再把整个器件加热到足够高的温度，使铝硅金属层和半导体衬底烧结在一起。这层玻璃体可以防止在合金后的导电层表面形成小丘和空隙。应用在导电层上形成一个复合玻璃层的方法可以避免在随后的气密钝化过程中导电层的断裂。复合玻璃层具有这样的性质下面的玻璃层具有张应力而上面一层具有压应力。适当选择这两个玻璃层的厚度，可以使整个复合玻璃层具有净张应力。这一复合玻璃层使导电层在钝化过程中不出现断裂及金属颗粒迁移。
图1是使用以前工艺在表面加工了两层膜的半导体器件剖面图，用以描述以前的工艺。
图2是烧结工艺完成后，对图1表层的局部放大图。
图3描述在图1所示半导体上，利用旋涂法淀积玻璃层后的情形。
图4是用以前工艺进行钝化后，导电层中形成缺陷的放大图。
图5是应用以前工艺在半导体上形成的压缩薄层的实例。此层导致下面半导体受到张力作用。
图6表示在半导体表面形成的张力薄层及影响。此张力层使下面的半导体受到压应力作用。
图7是在半导体表面淀积了一层复合玻璃后的剖面图。
图8表示图7中的复合玻璃层经过进一步加工后的情形。
图9是在半导体表面形成了张力层后的剖面图。
图10表示在图9所示半导体上形成压缩层后的情形。
图11表示具有用旋涂玻璃法形成的抗反光层的半导体片剖面图。
本文叙述的发明可以防止半导体在光刻金属层、合金、钝化过程中形成缺陷。下面将作具体说明(例如厚度等)，以便人们对本发明有充分的了解。然而，对于熟悉工艺的人来说，即使没有这些详细说明，也可以把本发明付诸实践，这一点是显然的。另一方面，对于众所周知的工艺，这里不作详尽的叙述，以免掩盖本发明的要点。
图1和图2描述应用以前工艺在半导体本体上形成合金导电层的情形。这块半导体包括单晶硅衬底(21)，绝缘层(23)，掺杂区(22)。在掺杂区的上面开了一个接触窗口，使掺杂区可以和导电层相接触。在以前的工艺中，铝或铝硅合金层被做在绝缘层(23)和掺杂区(22)的上面。然后加足够高的温度进行烧结，以改善导电层与硅衬底的欧姆接触。
以前工艺带来的问题是由于在高温处理过程中导电层上受到应力作用造成的。导电层表面在合金过程中产生如图2所示的小丘(29)和空隙(30)，因而合金后表面恶化。这些小丘(29)使以后的掩膜光刻发生困难;空隙(30)使金属导电性受到不利影响。
在本发明中，头几部工艺过程与以前工艺类似，即在半导体表面(21a)通过与本体相通的接触窗口形成铝和铝硅合金层(24a)，参见图3(21a中的字母a表示图3与图1的对应部分)。在导电层形成之后、光刻或任何高温处理之前，在铝层(24a)上形成低温旋涂玻璃层(27)，参见图3。这层玻璃层是有颜色的，所以在后面的光刻过程中可以用作抗反光层。现在市场上有多种牌号和组分的低温旋涂玻璃源供应。各种类型的旋涂玻璃膜，包括掺硅的和未掺硅的，对于防止金属层上的小丘和空隙都是很有效的。有一点非常重要，这就是旋涂玻璃必须在光刻或温度高于200℃的任何加温工艺前进行，以防止在合金后的导电层表面形成小丘。在这一玻璃层(27)形成之后，整个片子可以被加热到足够高的温度对铝硅合金进行烧结，参见图3。在本发明的最佳实施例中，旋涂玻璃层(27)的厚度大约是800-1500埃。实验证明，此玻璃层愈厚，对防止小丘的形成愈有效。
为什么旋涂玻璃层能防止小丘的形成？详尽的原因尚不十分清楚。但是可以肯定，合金过程中，金属层上受力可以防止小丘的形成。在以前的工艺中，金属膜也受到其它各层的作用力，但並没有防止小丘的生成。这是因为这些层是在合金或者温度超过200℃的工艺之后制备的。这与低温旋涂玻璃体的情形完全不同。
应用旋涂玻璃体来得到上述结果比应用以前的二氧化硅生长工艺机理(如等离子淀积、化学气相淀积)有许多优点。应用旋涂玻璃体不仅能防止导电层上小丘的形成，而且可以防止导电层在以后的高温工艺中发生断裂。应用本实施例，掺砷、钛、磷、硼的旋涂玻璃体或未掺杂的旋涂玻璃体都是非常有效的。
导电层的光刻过程中，旋涂玻璃体起抗反光膜的作用。这能防止光刻图形缺陷(例如钻蚀)的产生。钻蚀是由于从导电层上反射回来的光照到邻近的光刻胶上所引起的。在旋涂玻璃体中加入一种或几种颜料，其抗反光能力可以比不加颜料的旋涂玻璃体提高百分之二十。在一个实施例中，旋涂玻璃体中加入了百分之一的普通11＃黄颜料(按重量计算)。这不仅防止了光刻缺陷(如缺口)，而且允许在这层旋涂玻璃层上开出较大的接触孔，同时也便于再加工。旋涂玻璃层的刻蚀选择性与光刻胶的刻蚀选择性是不相同的。而在以前工艺中，聚酰亚胺抗反光层的刻蚀与光刻胶的刻蚀相近，这就导致只能开出较小的接触孔。
图11示出应用旋涂玻璃体作为抗反光层的情形。在衬底(21)上形成导电层(61)。然后在此导电层上形成一层有色的旋涂玻璃体(64)。在此玻璃体上再涂一层光刻胶。旋涂玻璃体(64)起到一层抗反光膜的作用，防止射到导电层上的入射光(65)形成具有一定角度的反射光(66)。此反射光可以使本来不希望曝光的光刻胶曝光，从而导致邻近光刻图形钻蚀。这层旋涂玻璃体的厚度为800-5000埃。对光刻胶进行曝光之后，可用通常的方法进行显影。把不需要的光刻胶显影以后，旋涂玻璃体暴露的部分可用各向异性的等离子刻蚀法或反应离子刻蚀法刻掉。于是光刻胶的图形就被复制到了旋涂玻璃层上。下一步是用各向异性的等离子刻蚀法或反应离子刻蚀法将暴露出来的金属(铝硅合金)刻蚀掉。金属层刻蚀之后，光刻胶可以用通常的方法去掉，但是旋涂玻璃层却被保留在剩下金属层的表面。这样一来就可以防止金属表面在以后的高温工艺中产生小丘和断裂。
旋涂玻璃体抗反光层要比聚酰亚胺抗反光层优越，这主要表现在光刻胶的最后处理只是一个剥离问题。应用市场上供应的剥蚀剂(例如RT2)就可以做到这一点。由于光刻胶相对于旋涂玻璃体的刻蚀(或剥蚀)选择性高，所以在去除光刻胶以及后来的再涂胶过程中，旋涂玻璃体可以依然盖在金属膜上。但是，如果应用聚酰亚胺抗反光膜，在去除光刻胶的过程中，聚酰亚胺也被一同去掉。
多数集成电路在封装之前需要进行气密钝化。应用以前的工艺，通常要在导电层上形成一个“压缩层”(例如压缩氮化玻璃层或其它较厚的绝缘层)。图5给出压缩层的一个示例。当薄层(52)受到压缩力作用时，在两层材料界面上形成的应力使衬底(51)表面受到一个拉伸力，如箭头所示。压缩层通常用于封装，因为这可以防止断裂，提高压焊质量。但是释放到下面半导体衬底表面的张应力助长断裂生成，特别是当下面为金属导电层时更易断裂。
铝硅导电层中的张力形成断裂(47)和空隙(48)，见图4。空隙(48)是在铝从导电层迁移过程中形成的。导电层的传导电流面积减小导致电流密度超过设计器件时的极限值。对某些器件来说，典型的电流密度值为5×104安培/平方厘米。但是在有缺陷的导电层中，电流密度可以高达5×105安培/平方厘米，这将导致器件失效。
应用本发明，首先在包括导电层在内的半导体表面形成一个相对于导电层具有张力的薄层，参见描述半导体(42)的图7(这里不包括前面讨论过的任何旋涂玻璃层)。然后，通过绝缘层开一个孔，使导电层(41)可以和掺杂区(46)相接触。相对于硅衬底来说，玻璃层(44)具有张力，参见图6。此张力层使衬底(41)受到压力作用，这就可以防止产生缺陷。
在本工艺中，薄层(44)由派肋氏玻璃(pyrox)构成，当然还可以用其它材料。这层薄膜的典型厚度为2微米。薄层(44)形成以后，在薄层(44)上再形成一个玻璃层(45)，见图8。此玻璃层是压缩性的，于是可以得到高质量的气密性密钝化。在本实施例中，薄层(45)由氮氧化合物构成，其厚度约为1微米。薄层(44)的张力大于薄层(45)的压缩力，所以整个薄层呈现净张力特性，这就可以防止金属层(41)产生断裂和空隙。氮氧化合物薄层在派肋氏玻璃(pyrox)表面形成，这就大大改善了压缩层的粘附性。
在另一个实施例中(见图9、图10)，使用了单一的复合层。此复合层的下部具有张力特性而上部具有压力特性。在图8中，半导体表面透过绝缘层(52)开出一个接触孔，与掺杂区(51)相通。这样，导电层(53)就可与掺杂区(51)相接触。氮氧化合物薄层(54a)的第一部分示于图8。这一薄层又被继续加工，以形成上面部分(54b)，见图10。这一部分提供气密钝化所需的压缩层。
本实施例中的复合层(54)由氮氧化合物构成，並且在恒温条件下连续不间断地生长。通过改变N2O的流量及系统压强可以改变氮氧化合物的结构特性。下面的表格给出形成张力层和压缩层的具体示例。值得注意的是，形成张力层需要七十分钟，在此之后N2O的流量及压强都减小，並且仅用三十五分钟即可形成复合层的上面部分(压缩层)。
张力层 压缩层温度(℃) 365 365SiH4(立方厘米/分) 146 146NH3(立方厘米/分) 1000 1000N2O(立方厘米/分) 600 350射频(瓦) 145 145压强(毫米汞柱) 2.5 1.5时间(分) 70 35使复合层两层的折射率均小于或等于1.7，这样可以提高复合层对紫外光的透光度。这使可改写可编程只读存贮器(EPPROM)的紫外线擦除过程可以正常进行。
在上述两个实施例中，钝化层的净应力呈张应力特性。当半导体衬底冷却时，可以避免前面谈到的金属层断裂。
综上所述，一个改进后的工艺过程已叙述完毕，此工艺可以防止金属层断裂及小丘的产生，还可以提供一个性能优良的钝化层。
补正 85104650文件名称 页 行 补正前 补正后说明书 4倒8 ……合金进行烧结，合金24a进行烧结，4 倒6 是800-1500埃。是800-5000埃。
权利要求
书 1 倒10 ……为压缩力层。……为压缩力层，倒7 ……张力层上的压缩层。……张力层上的压缩层，
权利要求
1.在半导体衬底上形成具有光刻图形、合金导电层的工艺由下列步骤组成a.在硅片上淀积金属导电层；b.在该导电层上利用低温旋涂法形成一层带色的玻璃膜；c.任何光刻该导电层或温度超过200℃的工艺都要在上述的低温旋涂玻璃之后进行；于是，该导电层上的小丘和空隙可以避免，並且在光刻过程中，该旋涂玻璃层可以起抗反光膜的作用。
2.权利要求
1定义的工艺中的导电层为铝层。
3.权利要求
1定义的工艺中的旋涂玻璃层厚度约为800-5000埃。
4.导电层的气密钝化包括在该导电层上形成复合层，此复合层的下半层为张力层而上半层为压缩力层。于是金属的断裂可以减少。
5.权利要求
4中定义的复合层包括氮氧化合物张力层以及在此张力层上的压缩层。该复合层是在硅烷、氨、氧化二氮气氛中，首先使温度和能量恒定，然后减小压强及氧化二氮的流量的方法得到的。
6.权利要求
4定义的工艺中，该张力层由厚度为2微米的氮氧化合物组成;该压缩层由厚度为1微米的氮氧化合物组成的。
7.导电层的气密钝化包括以下步骤a.在该导电层上形成一个张力层;b.在该张力层上形成一个压缩层，此压缩层在该导电层上形成张力层之后形成;于是该导电层的断裂现象可以减少。
8.权利要求
7中所定义的张力层由派肋氏玻璃(Pyrox)构成，其厚度约为2微米。
9.权利要求
7中定义的压缩层由厚度为1微米的氮氧化合物构成。
10.权利要求
7中定义的张力层由厚度为1-2微米的氮氧化合物构成。
11.权利要求
7中定义的各层可以透过紫外光，于是可以利用紫外线对可擦除可编程只读存贮器(EEPROM)进行擦除。
12.权利要求
7中定义的各层的折射率均小于或等于1.7。
专利摘要
本发明可以减少导电层在光刻、合金及钝化过程中形成的缺陷。在光刻以及温度高于200℃的工艺之前，利用低温旋涂的方法在导电层上形成一个有色的玻璃层。通过在导电层上形成一个复合层的方法完成气密钝化。此复合层由两部分组成下层为张力层，上层为压缩层，整个钝化层呈现净张力特性。
文档编号H01L21/316GK85104650SQ85104650
公开日1986年6月10日 申请日期1985年6月15日
发明者利奥波杜, 罗伯特, 肯尼思, 吉克, 戴维 申请人:英特尔公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan