專利名稱：半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種半導(dǎo)體器件及其制造方法，更確切地說是一種包括一布線層的半導(dǎo)體器件及其制造方法。
在集成度較低的常規(guī)半導(dǎo)體器件中，金屬臺(tái)階覆蓋不是嚴(yán)重問題。但隨集成度的提高，半導(dǎo)體器件中接觸孔的孔徑顯著變小，尺寸低達(dá)半微米，同時(shí)半導(dǎo)體片子表面上的摻雜區(qū)也大大變淺。由于難以填充1μm或更小的接觸孔以及由于形成空隙而使金屬布線層的可靠性降低，這就需要改善常規(guī)的鋁布線方法。近來，由于半導(dǎo)體器件的布線方法是決定半導(dǎo)體器件的速度、成品率和可靠性的重要因素而使其在半導(dǎo)體制造中最為重要。
為解決諸如由濺射鋁的臺(tái)階覆蓋不良及接觸孔高寬比大所引起的空隙形成之類的問題，提出了一種用熔融鋁來填充接觸孔的方法。例如，日本專利公開第61-132848號(hào)(YukiyasuSugano等人)、第63-99546號(hào)(ShinpeiIijima等人)和第62-109341號(hào)(MisahiroShimizu等人)公開了一種熔融法。根據(jù)上文，接觸孔由下列幾個(gè)步驟填充在半導(dǎo)體片子上沉積Al或Al合金并將Al加熱到其熔點(diǎn)以上的溫度，然后回流液態(tài)Al。
根據(jù)上述方法，半導(dǎo)體片子須水平放置以便流動(dòng)的熔融Al能適當(dāng)?shù)靥畛浣佑|孔。液態(tài)金屬層傾向于低的表面張力狀態(tài)，因而當(dāng)此層凝固時(shí)就可能收縮或彎曲，從而使其下面的半導(dǎo)體材料暴露出來。此外，熱處理溫度無法精確控制，從而難以重復(fù)所需要的結(jié)果。而且，接觸孔旁邊留下的金屬層變得粗糙，使后續(xù)的光刻工藝變難。
美國專利4，970，176(Tracy等人)公開了改善不良臺(tái)階覆蓋的一種金屬布線方法。根據(jù)上述專利，在低于約200℃的低溫下在半導(dǎo)體片子上沉積一個(gè)厚度預(yù)先設(shè)定的金屬厚層。然后當(dāng)溫度升到大約400-500℃時(shí)在半導(dǎo)體片子上沉積一個(gè)比較薄的金屬層。如此沉積的金屬層借助于晶粒生長(zhǎng)、再結(jié)晶和體擴(kuò)散可改善之后沉積上去的金屬層的臺(tái)階覆蓋。
然而，即使在上法中，直徑為1μm或更小的接觸孔還是不能被Al合金完全地填充。
HisakoOno等人指出當(dāng)半導(dǎo)體片子溫度高于500℃時(shí)，Al-Si的流動(dòng)性突然增大。一種使用500-550℃溫度下沉積Al-Si來填充接觸孔的方法也已公開(1990VMIC會(huì)議，6月11-12日，第76-82頁)。
YodaDakashi等人提出了一種利用500-550℃溫度下沉積一種金屬來填充接觸孔的方法(歐洲專利申請(qǐng)第90104814.0號(hào)，相當(dāng)于日本專利公開第02-239665號(hào))。根據(jù)YodaDakashi的方法，用一種金屬可以完全地填充接觸孔。但極有可能Al-Si膜對(duì)電子遷移的阻力大而抗應(yīng)力遷移很弱。此外，Al膜中的Si在Al-Si晶粒間界上結(jié)晶。這樣就必須將接觸孔區(qū)域以外的Al-Si膜完全除去，并在沉積一個(gè)Al-Si-Cu膜之后才形成布線。
此外，C.S.Park等人(包括本發(fā)明人)公開了一種方法，它包含下列步驟在100℃或更低的低溫下沉積Al合金，并在大約550℃(即低于熔點(diǎn))溫度下熱處理3分鐘，然后完成接觸孔的填充(見1991年6月11-12日VMIC會(huì)議文集第326-328頁)。此法包括在1992年8月24日的美國專利申請(qǐng)07/897，294號(hào)中(作為1990年9月19日的美國專利申請(qǐng)07/585，218號(hào)題為“一種在半導(dǎo)體器件中形成金屬層的方法”的部分繼續(xù)申請(qǐng))。低溫下沉積的Al在550℃熱處理時(shí)不熔化，而是遷移進(jìn)入接觸孔，從而完全地填充接觸孔。
根據(jù)C.S.Park的方法，借助于在100℃或更低溫度下沉積大約500A厚的Al之后進(jìn)行熱處理的方法，可以完全地填充高寬比約為1.0的0.8μm接觸孔。此法不要求YodaDakashi法中的腐蝕工藝。由于這些優(yōu)點(diǎn)，C.S.Park填充接觸孔的方法在有關(guān)領(lǐng)域內(nèi)引起了很大興趣。
在半導(dǎo)體早期階段，純Al被用來形成金屬布線層。但由于Al從Si襯底中吸收Si原子并在燒結(jié)工序中溫度升高時(shí)產(chǎn)生結(jié)尖峰，故Al-1%Si，亦即用Si過飽和的Al，被廣泛地用作金屬布線層材料。
但是，當(dāng)用Al-1%Si來形成半導(dǎo)體器件的布線時(shí)，Al膜中的Si在大約450℃或更高溫度的熱處理過程中結(jié)晶出來，因而形成Si沉淀。Si晶粒是由接觸孔中的外延生長(zhǎng)形成的。結(jié)果，Si沉淀使引線電阻或接觸電阻增加。
已知可在布線層及Si片或隔離層之間形成一個(gè)擴(kuò)散勢(shì)壘層，用以防止由金屬布線層和Si片之間的上述反應(yīng)引起的Al尖峰、Si沉淀和Si顆粒的形成。例如，Yokoyama等人的美國專利4897709號(hào)描述了一種在接觸孔的壁形成一個(gè)氮化鈦膜作為擴(kuò)散勢(shì)壘層的方法。此外，日本專利公開第61-183942號(hào)描述了一種形成勢(shì)壘層的方法，它包含下列步驟沉積一種金屬，如Mo、W、Ti或Ta等，以形成一個(gè)難熔金屬層，在難熔金屬層上形成一個(gè)氮化鈦層，再熱處理這個(gè)由難熔金屬層和氮化鈦層組成的雙重層以使在難熔金屬層和半導(dǎo)體襯底之間界面上由界面反應(yīng)形成由熱穩(wěn)定化合物組成的難熔金屬的硅化物層。勢(shì)壘特性因而得到改善。這一擴(kuò)散勢(shì)壘層的熱處理通過氮?dú)夥障碌耐嘶饋磉M(jìn)行。若擴(kuò)散勢(shì)壘層不經(jīng)歷退火過程，則在Al濺射之后的燒結(jié)工序中或在高于450℃的溫度下濺射Al或Al合金的過程中，將出現(xiàn)結(jié)峰，這是不希望的。
此外，Hagita Masafumi提出了一種方法，其中對(duì)TiN作為勢(shì)壘層進(jìn)行熱處理，然后，向該勢(shì)壘層離子注入O2或Si以改善勢(shì)壘金屬層和Al引線之間的沾潤(rùn)度并改善布線的質(zhì)量和成品率(日本專利公開第2-26052號(hào))。
近來，人們知道了一種擴(kuò)散勢(shì)壘層形成時(shí)改善勢(shì)壘特性的方法。此法包括步驟形成一個(gè)TiN層然后熱處理，再形成一個(gè)TiN層。
除了上述借助于改善擴(kuò)散勢(shì)壘層特性來防止出現(xiàn)Al尖峰或Si沉淀結(jié)晶的方法外，還提出了一種借助于形成一個(gè)具有各種組分的復(fù)合物層用作Al布線層以防止Al尖峰或Si沉淀的方法。
例如，日本專利公開第2-159065(MichiichiMasmoto)公開了一種防止在布線層形成時(shí)的燒結(jié)工序中出現(xiàn)Si沉淀的方法。此法包含下列步驟首先形成一個(gè)Al-Si膜，其上形成一純Al層，用以防止燒結(jié)過程中出現(xiàn)Si沉淀。還有，李相忍(本發(fā)明人)等人1992年1月31日申請(qǐng)、現(xiàn)正在美國專利局待審的美國專利申請(qǐng)第07/828，458號(hào)和1992年7月8日申請(qǐng)、現(xiàn)正在美國專利局待審的專利申請(qǐng)第07/910，894號(hào)公開了一種形成復(fù)合物層以防止按C.S.Park方法在低溫下沉積Al并在低于熔點(diǎn)的高溫下熱處理來填充接觸孔時(shí)產(chǎn)生的Si沉淀發(fā)生結(jié)晶。按照美國專利申請(qǐng)第07/828，458號(hào)所述的方法，布線層預(yù)定厚度的大約三分之一于低溫下用純Al沉積，以形成第一金屬層。再在大約550℃下熱處理第一金屬層以填充接觸孔。然后在約350℃沉積一層含Si組分的Al合金以形成第二金屬層。這樣，借助于形成復(fù)合層，不含Si的第一金屬層在后續(xù)的燒結(jié)工序中從第二金屬層吸收Si，從而防止Si沉淀的結(jié)晶。按照上述美國專利申請(qǐng)第07/910，894號(hào)的方法，首先沉積含Si的Al合金，再沉積純Al或Al合金，從而形成復(fù)合層。再將此層熱處理以填充接觸孔。然后再沉積一不含Si的Al合金以達(dá)到預(yù)定的厚度，再圖形化從而完成布線層。
一般來說，為了在形成擴(kuò)散勢(shì)壘層之后再形成金屬層，由于要把晶片轉(zhuǎn)移到濺射設(shè)備中去形成金屬層，所以晶片要被暴露于大氣。
此時(shí)，在晶粒間界處或擴(kuò)散勢(shì)壘層的表面部分將發(fā)生氧化，而使Al原子在被氧化了的擴(kuò)散勢(shì)壘層中的遷移率下降。若在室溫下沉積厚度為6000
的Al-1%Si-0.5%Cu合金，則形成的晶粒小，約0.2μm。
同時(shí)，未暴露于大氣中的擴(kuò)散勢(shì)壘層上則形成大到約1μm的大晶粒。在高溫?zé)崽幚砉ば蚧蛟诟邷叵聻R射沉積Al膜時(shí)，Al同擴(kuò)散勢(shì)壘層反應(yīng)，使Al膜表面很粗糙并降低其表面反射率，使后續(xù)的光刻工序難以進(jìn)行。
TiN層或TiW(或TiW(N))層通常被用作擴(kuò)散勢(shì)壘層。這種層有微結(jié)構(gòu)缺陷或晶粒間界，在形成擴(kuò)散勢(shì)壘層過程中不能防止Si或Al的擴(kuò)散。已提出一種根據(jù)“氧填塞”方法來阻塞晶粒間界中的擴(kuò)散通道的方法。當(dāng)擴(kuò)散勢(shì)壘層經(jīng)歷N2氣氛退火或暴露于大氣時(shí)，少量的氧混入勢(shì)壘層，從而增大擴(kuò)散勢(shì)壘的作用。這稱為“填塞效應(yīng)”。
一般，當(dāng)TiN被沉積并暴露于大氣時(shí)，由于大氣中的氧而發(fā)生填塞效應(yīng)。Hagita專利的方法也用氧來飽和擴(kuò)散勢(shì)壘層的表面，從而改善勢(shì)壘金屬的特性。
然而，當(dāng)Ti或TiN被沉積以形成勢(shì)壘層然后暴露于大氣時(shí)，當(dāng)在引入氧的情況下沉積TiN時(shí)，或者當(dāng)勢(shì)壘層在引入了氧的N2氣氛中退火時(shí)，接觸電阻可能增加。
TiN膜的勢(shì)壘特性可根據(jù)諸如其暴露于大氣的時(shí)間、沉積時(shí)引入的氧量、退火時(shí)引入的氧量以及退火溫度之類的條件來改變。勢(shì)壘金屬最好是在N2氣氛中于大約450℃溫度下退火30到60分鐘。


圖1示出當(dāng)擴(kuò)散勢(shì)壘層形成后真空被破壞時(shí)形成于擴(kuò)散勢(shì)壘層表面上的氧化層的剖面圖。圖2示出了形成于擴(kuò)散勢(shì)壘層表面上的氧化層在形成及N2退火后的剖面圖，其擴(kuò)散勢(shì)壘特性有改善。
圖3示出了用形成第一擴(kuò)散勢(shì)壘層再對(duì)其進(jìn)行離子注入或?qū)⑵湓贜2中退火后在其上形成第二擴(kuò)散勢(shì)壘層的方法獲得的擴(kuò)散勢(shì)壘層的剖面圖。參照?qǐng)D3，作為一個(gè)中間層，在第一擴(kuò)散勢(shì)壘層和第二擴(kuò)散勢(shì)壘層之間存在一個(gè)由離子注入造成的非晶層或由N2退火造成的氧化層。
擴(kuò)散勢(shì)壘層形成之后，當(dāng)按照C.S.Park方法或高溫濺射方法形成Al布線層時(shí)，擴(kuò)散勢(shì)壘層被暴露于大氣。因此，在擴(kuò)散勢(shì)壘層表面及擴(kuò)散勢(shì)壘層晶粒間界上存在氧化物，從而使擴(kuò)散勢(shì)壘層同Al之間的沾潤(rùn)度變壞。引起沉積早期形成的晶粒尺寸變小，而且由于沉積的Al分布不良、填充接觸孔時(shí)形成空隙或熱處理時(shí)Al層分布不良，使布線層的可靠性下降。
圖4、5、6示出了當(dāng)Al沉積在半導(dǎo)體擴(kuò)散勢(shì)壘層上以形成金屬層然后熱處理以填充接觸孔時(shí)，可能產(chǎn)生的不良布線層。
圖4-6中參考號(hào)1表示半導(dǎo)體襯底，2表示摻雜區(qū)，3表示隔離層(BPSG膜)，4表示擴(kuò)散勢(shì)壘層，6表示Al合金金屬層。圖4示出了由于擴(kuò)散勢(shì)壘層同Al之間潤(rùn)濕不良而在高溫濺射或Al沉積時(shí)產(chǎn)生的Al層斷裂7。圖5示出了當(dāng)沉積Al金屬然后在真空中熱處理時(shí)或按照高溫濺射方法填充接觸孔時(shí)，接觸孔中存在的空隙8。圖6示出了當(dāng)高溫濺射Al或沉積Al后真空熱處理Al層時(shí)產(chǎn)生的Al合金層的不良分布9。
Hiroshi Nishimura等人提出直徑為0.5μm、高寬比為1.6的通孔可借助于Al濺射之前沉積Ti然后在大約500℃高溫下濺射Al的方法來填充(“使用Al合金高溫濺射方法的亞微米可靠填充”，第170-176頁，1991VMIC會(huì)議)。此法中，接觸孔的填充是由Al與Ti之間的反應(yīng)引起的。但當(dāng)形成Al3Ti時(shí)，Si的固溶度在后續(xù)工序燒結(jié)溫度450℃時(shí)增加到約15%重量比。因此，若Al3Ti在接觸孔中形成，由于Al3Ti與Si反應(yīng)而引起Al層同襯底反應(yīng)，產(chǎn)生Al尖峰的可能性就增加。而且，由于Al與Ti反應(yīng)，Al表面變得很粗糙，當(dāng)沉積工藝之后按照C.S.Park方法進(jìn)行真空熱處理時(shí)，或當(dāng)高溫濺射Al時(shí)，就會(huì)降低反射率并在后續(xù)的光刻工藝中引起困難。
當(dāng)沉積不含Si組分的金屬以防止Si沉淀結(jié)晶時(shí)，若存在不良的擴(kuò)散勢(shì)壘層，由于Al與襯底之間的反應(yīng)而出現(xiàn)Al尖峰。圖7是常規(guī)工藝產(chǎn)生的Al尖峰剖面圖。圖7中參考號(hào)1表示半導(dǎo)體襯底，2表示摻雜區(qū)，3表示隔離膜(BPSG膜)，4表示擴(kuò)散勢(shì)壘層，6表示Al合金金屬層，10表示Al尖峰。
在擴(kuò)散勢(shì)壘層表面上以及擴(kuò)散勢(shì)壘層晶粒間界中希望形成氧化物以改善接觸孔中擴(kuò)散勢(shì)壘層的特性。但這一氧化物可能降低擴(kuò)散勢(shì)壘層同Al的沾潤(rùn)度以致可能在接觸孔中形成空隙，熱處理過程中可能形成分布不良的金屬層，從而使半導(dǎo)體器件布線層的可靠性降低。
此外，當(dāng)用上述美國專利申請(qǐng)第07/828，458號(hào)或07/910，894號(hào)公開的方法形成復(fù)合層時(shí)，Al沉積工藝復(fù)雜化了。結(jié)果產(chǎn)量下降或形成擴(kuò)散勢(shì)壘層的條件變復(fù)雜。因此工藝裕度小，這是不希望的。
DipankarPramanik和VivekJain公布了他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，他們?cè)诟鞣N層上于170℃溫度下沉積了Al-1%Cu合金(見“下層對(duì)濺射Al晶粒結(jié)構(gòu)的影響及其與亞微米通路中臺(tái)階覆蓋的關(guān)系”，1990VMIC會(huì)議，6月12-13，第332-334頁)。Dipankar等人認(rèn)為沉積過程中產(chǎn)生的Al的晶粒尺寸隨下層的種類而變化，而從形成最大晶粒的TiW膜可獲得最佳的臺(tái)階覆蓋。Al的這種覆蓋與沉積時(shí)形成的Al晶粒的尺寸緊密相關(guān)。亦即，沉積時(shí)形成的Al晶粒越大，Al層接觸孔或通過孔的臺(tái)階覆蓋越好。此外，Al晶粒與下層間的沾潤(rùn)度越好時(shí)，沉積得到的Al晶粒越大。
本發(fā)明的目的是提供一種半導(dǎo)體器件，其擴(kuò)散勢(shì)壘層的特性及Al與擴(kuò)散勢(shì)壘層之間的沾潤(rùn)度獲得了改善，以增大沉積形成的Al晶粒的遷移率從而改善了布線層接觸孔的臺(tái)階覆蓋，使更易于填充接觸孔。
本發(fā)明的另一目的是提供一種形成可靠的布線層的方法，這種布線層的Al原子遷移率由于改善了擴(kuò)散勢(shì)壘層的特性而被增大，從而改善了接觸孔的臺(tái)階覆蓋并可完全地填充接觸孔。
為完成本發(fā)明的上述目的，提供了一種半導(dǎo)體器件，它包含一個(gè)半導(dǎo)體襯底;以及一個(gè)形成在半導(dǎo)體襯底上并在其表面部分有一甲硅烷基化層的擴(kuò)散勢(shì)壘層。擴(kuò)散勢(shì)壘層包含一個(gè)難熔金屬為鈦、鋯、鉭或鉬，或上述難熔金屬的化合物。擴(kuò)散勢(shì)壘層最好是由一個(gè)包含難熔金屬的第一擴(kuò)散勢(shì)壘層和一個(gè)包含難熔金屬化合物的第二擴(kuò)散勢(shì)壘層組成的復(fù)合膜。
此外，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在甲硅烷基化物(silylation)層上可形成一個(gè)由難熔金屬化合物組成的第二擴(kuò)散勢(shì)壘層。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種半導(dǎo)體器件，它包含一個(gè)半導(dǎo)體襯底;一個(gè)形成在半導(dǎo)體襯底上的、具有凹部的隔離層;一個(gè)形成在隔離層上并包括一個(gè)甲硅烷基化層的擴(kuò)散勢(shì)壘層;以及一個(gè)完全填充凹部的第一金屬層。甲硅烷基化層可在擴(kuò)散勢(shì)壘層表面上或擴(kuò)散勢(shì)壘層中間區(qū)域上形成。
凹部是使半導(dǎo)體襯底的摻雜區(qū)暴露的接觸孔，是使形成在半導(dǎo)體襯底上的下導(dǎo)電層暴露的通路，或者是形成在將要進(jìn)行布線層圖形化的隔離層上的溝槽。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種制造半導(dǎo)體器件的方法，它包含下列步驟在半導(dǎo)體襯底上形成一個(gè)擴(kuò)散勢(shì)壘層;以及在擴(kuò)散勢(shì)壘層上形成一個(gè)甲硅烷基化層。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，甲硅烷基化層可用等離子處理來形成，其中使用硅烷。硅烷的例子包括SiH4和Si2H6。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，甲硅烷基化層可使用硅烷用反應(yīng)濺射方法來形成。
擴(kuò)散勢(shì)壘層形成之后，保持真空接著形成甲硅烷基化層。
甲硅烷基化層形成之后，保持真空接著沉積金屬，從而在甲硅烷基化層上形成第一金屬層。第一金屬層可用低溫沉積Al或Al合金的方法，或用高溫濺射方法來形成。
如果需要，在第一金屬層形成之后，在低于其熔點(diǎn)的高溫下對(duì)第一金屬層進(jìn)行熱處理，從而用第一金屬層材料填充凹部。此外，熱處理之后，可在填充凹部的第一金屬層上形成一個(gè)第二金屬層，第二金屬層最好是在低于其熔點(diǎn)的高溫下進(jìn)行熱處理從而使第二金屬層的表面展平。
當(dāng)使用本發(fā)明的擴(kuò)散勢(shì)壘層來沉積金屬層時(shí)，金屬層的臺(tái)階覆蓋得到改善。而且，當(dāng)此金屬層在0.8Tm到Tm(Tm為此金屬的熔點(diǎn))的高溫下進(jìn)行熱處理時(shí)，可容易地獲得能夠更令人滿意地填充接觸孔的金屬層。
金屬層形成之后，保持真空接著在0.8Tm到Tm的溫度下(Tm為第一金屬層金屬的熔點(diǎn))進(jìn)行熱處理。由于在0.8Tm或更低的溫度下金屬(Al合金)層的晶粒不能充分地遷移，故難以完全填充凹部。而在高于Tm的溫度下，金屬(Al合金)由于熔化而起球，這是不希望的。
最好是采用交替地沉積含Si與不含Si的金屬層的方法形成一個(gè)復(fù)合層來用作金屬層。在熱處理或燒結(jié)工序中，不含Si的金屬層從含Si的金屬層中吸收Si，從而防止Si沉淀或Si粒的形成。
第一金屬層熱處理之后，最好在不破壞真空的情況下，在處理第一金屬層的同一濺射設(shè)備中直接沉積第二金屬層。此時(shí)，第二金屬層的沉積溫度低，約為350℃。在第二金屬層形成之后，最好對(duì)其進(jìn)行熱處理以展平其表面。這一平面化工序可使后續(xù)的光刻工序更易進(jìn)行。
借助于將額外的硅烷簡(jiǎn)單地引入常規(guī)氬等離子濺射設(shè)備中，可以容易地制造本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的布線層。
用本發(fā)明的方法形成的擴(kuò)散勢(shì)壘層在沉積的Al之間具有良好的沾潤(rùn)度。因此，當(dāng)Al或Al合金用濺射方法沉積時(shí)，臺(tái)階覆蓋極佳，從而防止在諸如接觸孔或通孔之類的開口的側(cè)壁上出現(xiàn)斷開。而且，當(dāng)在低于其熔點(diǎn)的高溫下熱處理沉積的金屬層以便用沉積金屬層材料填充開口時(shí)，回流特性得到了改善，從而增大了對(duì)開口的填充作用。開口可以更完全地被填充。
根據(jù)本發(fā)明的方法形成的布線層，其甲硅烷基化層是在氧化膜上形成的，同時(shí)在勢(shì)壘層上保留著氧化層。這樣可保持填塞效應(yīng)，而且如在常規(guī)工藝中一樣，可避免尖峰現(xiàn)象。
下面將結(jié)合附圖詳細(xì)地描述最佳實(shí)施例，將使本發(fā)明的上述目的和其它優(yōu)點(diǎn)變得更為明顯。這些附圖中圖1是形成擴(kuò)散勢(shì)壘層之后真空被破壞時(shí)形成在擴(kuò)散勢(shì)壘層表面上的氧化層狀態(tài)的剖面圖;
圖2是形成擴(kuò)散勢(shì)壘層之后，擴(kuò)散勢(shì)壘特性經(jīng)N2退火加以增強(qiáng)了的、形成在擴(kuò)散勢(shì)壘層表面上的氧化層狀態(tài)的剖面圖;
圖3是借助形成第一擴(kuò)散勢(shì)壘層再對(duì)其進(jìn)行離子注入或N2退火后，然后在第一擴(kuò)散勢(shì)壘層上形成第二擴(kuò)散勢(shì)壘層的方法得到的擴(kuò)散勢(shì)壘層的剖面圖;
圖4-6示出了在常規(guī)擴(kuò)散勢(shì)壘層上形成Al構(gòu)成金屬層再經(jīng)熱處理以填充接觸孔時(shí)可能產(chǎn)生的不良布線層;
圖7是常規(guī)工藝中產(chǎn)生的Al尖峰的剖面圖;
圖8-10是本發(fā)明半導(dǎo)體器件布線層實(shí)施例的剖面圖;
圖11-13是根據(jù)本發(fā)明形成半導(dǎo)體器件布線層的方法實(shí)施例的示意圖;
圖14-16是根據(jù)本發(fā)明的方法填充開口的實(shí)施例的示意圖;
圖17和18示出了根據(jù)本發(fā)明的方法形成半導(dǎo)體器件布線層的另一個(gè)實(shí)施例;以及圖19-21是根據(jù)本發(fā)明的方法形成半導(dǎo)體器件布線層的另一個(gè)實(shí)施例的示意圖。
下面將參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明。
圖8-10是本發(fā)明的半導(dǎo)體器件布線層實(shí)施例的剖面圖。
圖8是本發(fā)明的布線層一個(gè)實(shí)施例的剖面圖。
圖8中參考號(hào)11表示一個(gè)半導(dǎo)體襯底，13表示包含Ti的第一擴(kuò)散勢(shì)壘層，15表示包含TiN的第二擴(kuò)散勢(shì)壘層，17表示第二擴(kuò)散勢(shì)壘層15表面上的一個(gè)氧化層，19表示用對(duì)氧化層表面部分進(jìn)行甲硅烷基化的方法得到的甲硅烷基化層，21表示Al布線層。
示于圖8的布線層如下法形成。
首先用Ti作靶采用濺射方法在半導(dǎo)體襯底上形成第一擴(kuò)散勢(shì)壘層13。再根據(jù)N2反應(yīng)濺射方法，用Ti作靶在氬氣氛下沉積形成含TiN的第二擴(kuò)散勢(shì)壘層15。然后，為阻塞Al和Si的擴(kuò)散通道，在450℃到500℃溫度下，于N2氣氛中退火30到60分鐘。此時(shí)由于氧填塞效應(yīng)，在第二擴(kuò)散勢(shì)壘層表面上形成由TiO2或TiON組成的氧化層17。由于氧化層17的存在，使Al與擴(kuò)散勢(shì)壘層之間的沾潤(rùn)度變壞。
然后，在已形成氧化層17的擴(kuò)散勢(shì)壘層上進(jìn)行甲硅烷基化工序來形成甲硅烷基化層19。此工序可利用硅烷借助使擴(kuò)散勢(shì)壘層暴露于SiH4或Si2H6等離子體或暴露于Si＊或SiH＊離子團(tuán)的方法來進(jìn)行。此時(shí)硅烷的分壓為0.5-15毫乇，功率為1-10KW，襯底溫度為室溫到200℃。甲硅烷基化設(shè)備的真空度在形成甲硅烷基化層時(shí)應(yīng)保持在5×10-7乇或更低。硅烷在輝光放電或?yàn)R射過程中產(chǎn)生Si＊、H＊、SiH＊2之類的反應(yīng)離子圖。在濺射過程中，借助發(fā)射二次電子，氫保護(hù)半導(dǎo)體襯底不受損傷，從而改善半導(dǎo)體器件的電學(xué)特性和可靠性。在甲硅烷基化工序進(jìn)行時(shí)，最好加入0-5毫乇的氫。當(dāng)加入氫時(shí)，由于TiO2或TiON氧化層被氫離子團(tuán)還原，甲硅烷基化層的厚度有所改變。
這樣，借助于形成甲硅烷基化層19，擴(kuò)散勢(shì)壘層同Al之間的沾潤(rùn)度被增大。結(jié)果不僅濺射Al的臺(tái)階覆蓋被增強(qiáng)，而且Al和Si的擴(kuò)散通道也被阻塞，從而防止了尖峰的出現(xiàn)。
甲硅烷基化層19形成之后，保持真空，用相繼沉積Al或Al合金的方法來形成用于構(gòu)成布線層的金屬層21。
圖9是在本發(fā)明的布線層之下形成擴(kuò)散勢(shì)壘層的另一個(gè)實(shí)施例的剖面圖。
圖9中參考號(hào)11、13和15表示與圖8中相同的組成部分，23表示用硅烷反應(yīng)濺射方法形成的甲硅烷基化層。
示于圖9的擴(kuò)散勢(shì)壘層按如下方法形成。首先用與圖8相同的方法在半導(dǎo)體襯底上形成第一擴(kuò)散勢(shì)壘層13。再在2-7毫乇氬和1.5-5毫乇氮?dú)夥罩?此時(shí)氮與總壓力的分壓比應(yīng)保持為40%)，用Ti作靶，借助于在200℃的襯底溫度下以每分鐘300到500
的沉積速率沉積TiN的方法，形成厚度為500-1000
的第二擴(kuò)散勢(shì)壘層15。然后加入分壓為0.5-5毫乇的SiH4，用反應(yīng)濺射方法進(jìn)行沉積。結(jié)果形成含有TiNxSiy(TiN-TiSi)的甲硅烷基化層23，其厚度控制在100-500
，最好是200
。
第二擴(kuò)散勢(shì)壘層15形成之后，片子11可在保持真空的情況下轉(zhuǎn)移到另一反應(yīng)室。之后就可用反應(yīng)濺射法來形成甲硅烷基化層23。
然后，在保持真空的情況下，用相繼沉積Al或Al合金的方法來形成用于構(gòu)成布線層的金屬層(未繪出)。
若在形成金屬層之前真空被破壞，例如當(dāng)清洗以除去顆粒時(shí)，用于構(gòu)成布線層的金屬層(未繪出)應(yīng)該在形成甲硅烷基化層23并如圖8所示進(jìn)行甲硅烷基化之后保持真空用相繼沉積Al或Al合金的方法來形成。
圖10是在本發(fā)明的布線層之下形成擴(kuò)散勢(shì)壘層的又一實(shí)施例的剖面圖。
圖10中參考號(hào)11、13、15和23表示與圖9中相同的組成部分，25是形成于甲硅烷基化層23上由TiN組成的第三擴(kuò)散勢(shì)壘層。
圖10所示的擴(kuò)散勢(shì)壘層按下述工序形成。
用與圖8相同的方法在半導(dǎo)體襯底11上形成第一擴(kuò)散勢(shì)壘層13。再在2-7毫乇Ar和1.5-5毫乇N2中(此時(shí)N2與總壓力的壓力比應(yīng)保持為40%)，用Ti作靶，借助于在200℃的襯底溫度下以每分鐘300-500
的沉積速率沉積TiN的方法，形成厚度為500
的第二擴(kuò)散勢(shì)壘層。然后加入分壓為0.5-5毫乇的SiH4，用反應(yīng)濺射方法進(jìn)行沉積。結(jié)果形成含有TiNxSiy(TiN-TiSi)的甲硅烷基化層23，其厚度控制在100-500
，最好是200
。停供SiH4之后，用沉積TiN的方法形成一個(gè)厚度為500
的第三擴(kuò)散勢(shì)壘層。
然后在保持真空的情況下，用相繼沉積Al或Al合金的方法來形成用于構(gòu)成布線層的金屬層。
用此方法可形成層由含甲硅烷基化層23及TiN層組成的擴(kuò)散勢(shì)壘層薄層。
以下參照實(shí)施例來詳細(xì)解釋利用擴(kuò)散勢(shì)壘層填充接觸孔的方法。
實(shí)施例1圖11-14是根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體布線層形成方法的實(shí)施例的示意圖。
圖11示出了形成擴(kuò)散勢(shì)壘層35的步驟。詳言之，在形成了摻雜區(qū)32的半導(dǎo)體襯底31上形成一個(gè)隔離層33。厚度約為0.8-1.6μm的隔離層33是用硼磷硅化物玻璃(BPSG)形成的。再在隔離層33中形成使半導(dǎo)體襯底31的摻雜區(qū)32的部分表面暴露出來的接觸孔34。接觸孔的直徑隨離襯底的距離減小而變小，反之則變大。上部的最大直徑約為0.5-1.0μm，而向著襯底的最小直徑約為0.3-0.7μm。然后在整個(gè)隔離層33及接觸孔34的內(nèi)側(cè)壁以及半導(dǎo)體襯底31的暴露表面上，形成擴(kuò)散勢(shì)壘層35。擴(kuò)散勢(shì)壘層如圖8所示用下法形成。首先在Ar氣氛中用濺射方法沉積厚度為100-300
的鈦以形成第一擴(kuò)散勢(shì)壘層。再在7毫乇Ar和40%相對(duì)分壓的N2氣氛中，用濺射方法沉積一層厚度約為300-1000
的TiN的以形成一個(gè)第二擴(kuò)散勢(shì)壘層。此時(shí)，沉積Ti或TiN時(shí)襯底的溫度保持在200℃。然后在N2氣氛中，于450-500℃溫度下，將擴(kuò)散勢(shì)壘層35退火30到60分鐘。此時(shí)引入少量的氧，如圖8所示，諸如TiO2、TiO或Ti2O3之類的氧化層(未繪出)就在擴(kuò)散勢(shì)壘層表面上形成。
圖12示出了擴(kuò)散勢(shì)壘層35的甲硅烷基化工藝。甲硅烷基化工藝是在如上述圖8所述那樣得到的擴(kuò)散勢(shì)壘層35上進(jìn)行的。于是如圖8所示，在形成了氧化層的表面上就形成一個(gè)甲硅烷基化層36。
圖13示出了形成第一金屬層37的步驟。在形成甲硅烷基化層36并保持真空將襯底31轉(zhuǎn)移到另一反應(yīng)室之后，在真空、低溫下借助于在甲硅烷基化層36上沉積一個(gè)第一金屬的方法來形成第一金屬層37。用Al-0.4%Si-0.5%Cu作靶，第一金屬層37可形成為單層。用Al-Si(Al-1%Si合金)或含Si的Al合金為Al-0.5%Cu-1%Si合金，或純Al或不含Si的Al合金如Al-Cu合金(Al-0.5%Cu合金)或Al-Ti合金作為靶，則第一金屬層可形成為復(fù)合層。第一金屬層最好形成為由含Si的金屬層與不含Si的金屬層組成的復(fù)合層。第一金屬是在200℃或更低的低溫下，在低于4毫乇(最好是2毫乇)的Ar氣氛中，用濺射方法以每秒100-150
的沉積速率(最好是120
/秒)沉積的。此時(shí)功率為5-7.2KW。
第一金屬層37的最佳厚度是4000-6000
。由于擴(kuò)散勢(shì)壘層同沉積的Al之間的沾潤(rùn)度增加，這樣得到的第一金屬層37的Al晶粒大。因此，由于布線層臺(tái)階覆蓋增加，半導(dǎo)體器件的布線可靠性就得到了加強(qiáng)。第一金屬層經(jīng)圖形化并用作半導(dǎo)體器件的布線層。如果需要，在第一金屬層37形成之后，第一金屬層需進(jìn)行熱處理并填充接觸孔34。在沉積第二金屬層(未示出)之后，可以形成半導(dǎo)體器件的布線層(未示出)。
實(shí)施例2圖14-16是根據(jù)本發(fā)明方法填充開口方法實(shí)施例的示意圖。此處相同的參考號(hào)表示與第一實(shí)施例中相同的組成部分。
圖14示出了用第一金屬層37的金屬填充接觸孔34的步驟。詳言之，除了厚度為500-3000
的第一金屬層37是在相當(dāng)于第一實(shí)施例中圖13步驟中形成的之外，第一金屬層37形成的方法與第一實(shí)施例相同。再在保持真空的情況下將半導(dǎo)體襯底轉(zhuǎn)移到另一反應(yīng)室(未示出)，并使用Ar氣傳導(dǎo)方法在500-550℃的加熱器溫度下將第一金屬層37退火1到5分鐘。然后，Al原子或Al合金遷移進(jìn)入接觸孔34。Al原子的遷移使表面自由能和面積減小，從而用第一金屬層的金屬將接觸孔34填充。這一熱處理可根據(jù)條件改變，這些條件包括第一金屬形成后暴露于環(huán)境(或大氣)中的時(shí)間、沉積第一金屬層時(shí)導(dǎo)入的氧化劑量和導(dǎo)入沉積裝置中的氧化劑(包括濕氣)量等。例如，引入的氧化劑越少、暴露時(shí)間越短溫度就越低，且真空度越高，就可降低熱處理溫度。這一熱處理可在惰性氣體(如N2或Ar)或還原性氣體(如H2)中進(jìn)行。除了Ar氣傳導(dǎo)方法，其它諸如快速熱退火(RTA)或瞬變加熱之類的方法也可使用。這些方法可單獨(dú)使用，也可與另一種方法聯(lián)合使用。圖14中參考號(hào)37a是完全地填充了接觸孔的第一金屬層。
圖15示出了在熱處理過的第一金屬層37a上形成第二金屬層38的步驟。詳言之，保持真空，在350℃或更低的溫度下，用濺射方法沉積金屬以形成具有預(yù)定厚度的布線層，并從而形成厚度為3000-5500A的第二金屬層。當(dāng)?shù)谝唤饘賹雍琒i時(shí)，不含Si的金屬如Al-Cu合金(Al-0.5%Cu合金)或Al-Ti合金用作第二金屬層38的金屬。當(dāng)下層不含Si時(shí)，可使用含Si的金屬，如Al-Si合金(Al-1%Si合金)或Al-Cu-Si合金(Al-0.5%Cu-1%Si合金)。
第二金屬層38的形成可與第一金屬層的熱處理同時(shí)進(jìn)行。例如，在與圖13相應(yīng)的步驟中厚度為500-3000
的第一金屬層形成之后，保持真空并保持襯底在加熱器的溫度500-550℃來沉積第二金屬層。然后，在第一金屬層被退火以填充接觸孔的過程中，第二金屬層就形成了。
圖16示出了用熱處理第二金屬層38的方法來展平布線層表面的步驟。參考號(hào)38a表示熱處理過的第二金屬層。布線層表面平面化的步驟與不破壞真空時(shí)第一金屬層的情況相同。第二金屬層的原子借助這一步驟遷移進(jìn)入接觸孔34，使接觸孔填充得更完全，從而產(chǎn)生一個(gè)展平了的布線層。因此，后續(xù)的光刻工藝可更容易進(jìn)行。然后，用濺射方法借助于在熱處理過的第二金屬層38a上沉積厚度為200-500A的氮化鈦來形成一個(gè)抗反射層(未示出)以改善后續(xù)的光刻工藝。抗反射層形成之后，利用常規(guī)光刻工藝在抗反射層上形成預(yù)定的光刻膠圖形(未示出)以形成半導(dǎo)體器件的布線圖。然后，抗反射膜、展平的第二金屬層38a、第一金屬層37a和帶有甲硅烷基化層36的擴(kuò)散勢(shì)壘層35被相繼腐蝕，從而完成本發(fā)明的布線層。
實(shí)施例3此處除了擴(kuò)散勢(shì)壘層如實(shí)施例1的圖9所示而形成之外，擴(kuò)散勢(shì)壘層是用與實(shí)施例1的圖11相同的方法來形成的。
詳言之，在已形成摻雜區(qū)的半導(dǎo)體片子上，用BPSG形成厚度0.8-0.5μm的隔離層。再在其上部形成帶有臺(tái)階部分的接觸孔(例如0.7μm×.07μm)，于是暴露出半導(dǎo)體襯底的摻雜區(qū)。
接觸孔形成之后，用與圖8相同的方法在接觸孔的內(nèi)側(cè)壁、隔離層上以及半導(dǎo)體襯底的暴露表面上形成含Ti的第一擴(kuò)散勢(shì)壘層。再用Ti作靶在圖9所述條件下，用反應(yīng)濺射方法在第一擴(kuò)散勢(shì)壘層上沉積TiN，從而形成厚度為500-1000
的第二擴(kuò)散勢(shì)壘層。然后加入0.5-5毫乇的SiH4，再用反應(yīng)濺射方法進(jìn)行沉積。結(jié)果形成由TiNxSiy(TiN-TiSi)組成的甲硅烷基化層，厚度控制為100-500
，最好是200
。
在第二擴(kuò)散勢(shì)壘層已形成并保持真空將片子轉(zhuǎn)移到另一反應(yīng)室之后，可用反應(yīng)濺射方法來形成甲硅烷基化層。
這樣，當(dāng)擴(kuò)散勢(shì)壘層上形成甲硅烷基化層時(shí)，硅和金屬原子的擴(kuò)散通道就被阻塞了。
然后用與第一實(shí)施例的圖13相同的方法在不破壞真空的情況下，在擴(kuò)散勢(shì)壘層上相繼沉積Al或Al合金，從而形成用于構(gòu)成布線層的第一金屬層。
當(dāng)金屬層形成之前需要破壞真空時(shí)，在甲硅烷基化層形成之后在不破壞真空的情況下繼續(xù)沉積Al或Al合金并重新進(jìn)行甲硅烷基化處理，從而形成用于構(gòu)成布線層的金屬層。當(dāng)形成金屬層時(shí)，增強(qiáng)金屬層與擴(kuò)散勢(shì)壘層之間的沾潤(rùn)度，從而形成Al晶粒大的金屬層并防止空隙產(chǎn)生。此外，臺(tái)階覆蓋得到改善，因而半導(dǎo)體器件布線層的可靠性得到提高。
再用與實(shí)施例2所述相同的方法，在不破壞真空的情況下，保持半導(dǎo)體片子在0.8Tm到Tm的溫度下，接觸孔就被第一金屬層完全地填充。如果需要，在填充接觸孔的第一金屬層上，用與第二實(shí)施例相同的方法額外地形成一個(gè)第一金屬層之后，可再進(jìn)行熱處理。
在形成抗反射膜之后，用與第二實(shí)施例相同的方法，通過形成金屬布線層的光刻工序，可獲得本發(fā)明的布線層。
實(shí)施例4除了如圖10所示那樣形成擴(kuò)散勢(shì)壘層之外，也可用與實(shí)施例1的圖11相同的方法來形成擴(kuò)散勢(shì)壘層。
詳細(xì)地說，在已形成摻雜區(qū)的半導(dǎo)體襯底上，用BPSG形成厚度為0.8-1.5μm的隔離層。再在其上部形成有臺(tái)階部分的接觸孔(例如0.7μm×0.7μm)，從而將半導(dǎo)體襯底的摻雜區(qū)暴露出來。
在形成接觸孔之后，用與圖8相同的方法，在接觸孔的內(nèi)表面、隔離層上以及半導(dǎo)體襯底的暴露表面上，形成含Ti的第一擴(kuò)散勢(shì)壘層。再用Ti作靶，在圖10所述條件下用反應(yīng)濺射方法在第一擴(kuò)散勢(shì)壘層上沉積TiN，從而形成厚度為500-1000
的第二擴(kuò)散勢(shì)壘層。然后加入0.5-5毫乇的SiH4，再用反應(yīng)濺射方法進(jìn)行沉積，結(jié)果形成由TiNxSiy(TiN-TiSi)組成的甲硅烷基化層，厚度控制為100-500
，最好是200
。然后用停供SiH4和重新沉積TiN的方法業(yè)形成一個(gè)厚度為500
的第三擴(kuò)散勢(shì)壘層。
接著在不破壞真空的情況下，相繼沉積Al或Al合金來形成用于構(gòu)成布線層的金屬層。
為此可以形成多層由甲硅烷基化層和TiN組成的擴(kuò)散勢(shì)壘層薄層。
當(dāng)甲硅烷基化層如此形成在擴(kuò)散勢(shì)壘層上時(shí)，由于Si和金屬原子的擴(kuò)散通道被阻塞，而且在各擴(kuò)散勢(shì)壘層之間形成作為中間層的甲硅烷基化層，故無須對(duì)擴(kuò)散勢(shì)壘層進(jìn)行熱處理或另外的N2退火工藝就可以防止Al布線工序中可能產(chǎn)生的尖峰現(xiàn)象。
然后在不破壞真空的情況下，用與實(shí)施例1的圖13所述相同的方法在擴(kuò)散勢(shì)壘層上相繼沉積Al或Al合金，從而形成用于構(gòu)成布線層的第一金屬層。
此外，當(dāng)金屬層形成之前需要破壞真空時(shí)，在甲硅烷基化層形成之后，Al或Al合金應(yīng)在不破壞真空的情況下相繼地沉積并重新進(jìn)行甲硅烷基化處理以形成用于構(gòu)成布線層的金屬層。當(dāng)金屬層形成時(shí)，金屬層同擴(kuò)散勢(shì)壘層之間的沾潤(rùn)度被增強(qiáng)從而形成Al晶粒大的金屬層并防止如實(shí)施例1、2、3所示的空隙的產(chǎn)生。此外，臺(tái)階覆蓋得到改善，因而半導(dǎo)體器件布線層的可靠性得到提高。
接著用與實(shí)施例2相同的方法，在不破壞真空的情況下保持半導(dǎo)體晶片在0.8Tm-Tm的溫度下，將接觸孔完全填充。如果需要，在填充接觸孔的第一金屬層上用與實(shí)施例2相同的方法額外地形成第二金屬層之后，可再進(jìn)行熱處理。
在形成抗反射膜之后，用與實(shí)施例2相同的方法，通過形成金屬布線層的光刻工藝，可獲得本發(fā)明的布線層。
實(shí)施例5圖17和18示出了根據(jù)本發(fā)明方法形成布線的另一實(shí)施例。
圖17示出了形成通孔69和擴(kuò)散勢(shì)壘層的步驟。詳言之，用BPSG在已形成摻雜區(qū)62的半導(dǎo)體襯底上形成一個(gè)厚度為0.8-1.5μm的第一隔離層63。再在第一隔離層63中形成用于電連接下布線層66和半導(dǎo)體襯底61的摻雜區(qū)62的接觸孔64(例如0.7μm×.07μm)。半導(dǎo)體襯底61的摻雜區(qū)62就暴露出來，再用實(shí)施例1到4和圖8、9、10所示的方法來形成擴(kuò)散勢(shì)壘層65，并形成下布線層66和抗反射膜67。然后在下布線層66上形成含SiO2的第二隔離層68，并在第二隔離層68中形成尺寸小于1.0μm×1.0μm的通孔69。
通孔69形成之后，用與實(shí)施例1相同的方法在隔離膜68上、通孔69的內(nèi)表面上以及暴露的下布線層上形成擴(kuò)散勢(shì)壘層70。再對(duì)擴(kuò)散勢(shì)壘層表面進(jìn)行甲硅烷基化處理以形成甲硅烷基化層71。當(dāng)未形成擴(kuò)散勢(shì)壘層或使用常規(guī)擴(kuò)散勢(shì)壘層時(shí)，含SiO2的隔離膜或氧化層表面如圖2所示形成在常規(guī)擴(kuò)散勢(shì)壘層的表面區(qū)上。因此，當(dāng)濺射形成金屬層時(shí)，隔離層同金屬層之間的沾潤(rùn)度變得很差。結(jié)果通孔的金屬層臺(tái)階覆蓋不良，特別是是通孔的側(cè)壁上更差。本發(fā)明含有孔的隔離層上形成擴(kuò)散勢(shì)壘層并形成甲硅烷基化層之后，由于沉積時(shí)擴(kuò)散勢(shì)壘層與濺射的金屬之間沾潤(rùn)度好，在后續(xù)的金屬工序中可獲得側(cè)壁上不斷開、分布很好的上金屬層。
圖18示出了形成上金屬層72的步驟。詳言之，用濺射法在甲硅烷基化工序之后不破壞真空的情況下，沉積Al-Si-Cu合金(Al-1%Si-0.5%Cu合金)或者Al-Cu或Al-Si合金到約8000
厚來形成上金屬層72。此時(shí)，上金屬層的沉積速率為150
/秒或更慢，溫度為200℃或更低，使用的方法與實(shí)施例1相同。當(dāng)上金屬層72形成時(shí)，由于上金屬層72同隔離層68之間的沾潤(rùn)度被增強(qiáng)，上金屬層72的金屬原子遷移到通孔69之內(nèi)，從而形成Al晶粒大的金屬層。結(jié)果上金屬層72的臺(tái)階覆蓋被增大，通孔69的可靠性得到改善。
然后用與實(shí)施例2相同的方法對(duì)上金屬層進(jìn)行熱處理，從而使上述金屬層材料填充通孔69。
當(dāng)上金屬層薄薄地形成并被熱處理以填充通孔69時(shí)，在填充通孔69的上金屬層上可形成另一第二金屬層。此第二金屬層用與實(shí)施例2相似的方法進(jìn)行熱處理以使表面平面化。然后在形成抗反射膜之后，可用形成上金屬層的光刻工序獲得本發(fā)明的布線層。
實(shí)施例6圖19-21是根據(jù)本發(fā)明方法形成半導(dǎo)體器件布線層的另一實(shí)施例的示意圖。
圖19示出形成溝槽90及擴(kuò)散勢(shì)壘層83的步驟。詳言之，用BPSG在半導(dǎo)體襯底81上形成一個(gè)厚度為1.5μm的隔離層82。再用常規(guī)光刻工藝在將要形成布線層的半導(dǎo)體器件區(qū)域中形成深度為0.3-0.7μm的溝槽。
然后在溝槽90的內(nèi)表面上和隔離層82上形成擴(kuò)散勢(shì)壘層83，之后用與實(shí)施例1相同的方法，對(duì)上述擴(kuò)散勢(shì)壘層表面進(jìn)行甲硅烷基化處理，從而形成甲硅烷基化層84。在未形成擴(kuò)散勢(shì)壘層時(shí)，如圖2所示，隔離膜表面包含SiO2，或者在常規(guī)擴(kuò)散勢(shì)壘層表面上形成一個(gè)氧化層。
于是當(dāng)金屬層用濺射方法形成時(shí)，由于金屬層同隔離層之間的沾潤(rùn)度差，形成的金屬層的晶粒尺寸變小。
本發(fā)明在含有通孔的隔離膜上形成擴(kuò)散勢(shì)壘層并對(duì)其進(jìn)行甲硅烷基化處理后，由于擴(kuò)散勢(shì)壘層同濺射的金屬之間的沾潤(rùn)度好，所形成的金屬層的晶粒尺寸變大。
圖20示出了形成金屬層85的步驟。
具體地說，用濺射方法在甲硅烷基化工序之后保持真空不破壞的情況下，利用沉積Al-Si-Cu合金(Al-1%Si-0.5%Cu合金)或者Al-Cu或Al-Si合金的辦法來形成厚度約為8000A的金屬層85。此時(shí)金屬層85的沉積速率為150A/秒或更慢，溫度為200℃或更低，使用的方法與實(shí)施例1相同。當(dāng)金屬層85形成時(shí)，金屬層85與隔離層82之間的沾潤(rùn)度被增強(qiáng)，于是形成Al晶粒大的金屬層。其結(jié)果是溝槽90的臺(tái)階覆蓋性良好。
再用與實(shí)施例2相同的方法，為使金屬層85的表面平面化，對(duì)金屬層85進(jìn)行熱處理，金屬層材料就將溝槽90填充。
然后，在抗反射層形成之后，通過形成金屬布線層的光刻工藝或化學(xué)-機(jī)械拋光工藝可獲得本發(fā)明的布線層。用本發(fā)明方法所形成的布線層具有良好的電子遷移率并且是抗應(yīng)力的。因此，比之濺射和圖形化的常規(guī)布線層，用本發(fā)明方法形成的布線層的可靠性得到顯著的提高。
利用簡(jiǎn)單地將硅烷引入常規(guī)Ar等離子濺射設(shè)備的方法，可以容易地制造本發(fā)明的半導(dǎo)體器件布線層。因此，簡(jiǎn)單地改變一下設(shè)備就可制造本發(fā)明的布線層。
此外，由于在擴(kuò)散勢(shì)壘層形成時(shí)只要加入硅烷就可容易地形成本發(fā)明的布線層，故產(chǎn)量也得到了提高。同時(shí)，反應(yīng)室轉(zhuǎn)移次數(shù)減少，使成品率也得到提高。
用本發(fā)明方法得到的擴(kuò)散勢(shì)壘層在沉積的Al之間具有良好的沾潤(rùn)度。因此，當(dāng)用濺射方法沉積Al或Al合金時(shí)，臺(tái)階覆蓋極好。同時(shí)，開口部(接觸孔或通孔)側(cè)壁不出現(xiàn)斷開，而且在沉積之后用低于熔點(diǎn)的高溫?zé)崽幚矸椒ㄊ菇饘賹犹畛溟_口部時(shí)，回流特性得到了改善。結(jié)果開口部的填充增加，可更完全地被填充。
由于形成了甲硅烷基化層同時(shí)又保留了勢(shì)壘層上的氧化層，即保持了填塞效應(yīng)，故用本發(fā)明形成的布線層能夠像常規(guī)工藝一樣抑制尖峰現(xiàn)象。
此外，當(dāng)甲硅烷基化層形成在居間的擴(kuò)散勢(shì)壘層處時(shí)，甲硅烷基化層阻塞金屬原子或Si原子的擴(kuò)散通道。因此可保持?jǐn)U散勢(shì)壘層的特性，使無須對(duì)擴(kuò)散勢(shì)壘層進(jìn)行額外的熱處理或N2退火就可進(jìn)行沉積。
根據(jù)常規(guī)工藝，Al沉積或掩埋工藝之后的燒結(jié)步驟是至關(guān)重要的。這一燒結(jié)步驟是在含H2的N2氣氛中進(jìn)行的。但對(duì)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件布線層或包含用本發(fā)明方法形成的布線層的半導(dǎo)體器件來說，當(dāng)用硅烷進(jìn)行等離子工藝時(shí)，產(chǎn)生氫離子團(tuán)或氫氣并進(jìn)入金屬層及襯底的下部。由于金屬層形成之后還有鈍化工序，故燒結(jié)工序是不必要的，后續(xù)工序已足夠。
因此，比之常規(guī)工藝，本發(fā)明的半導(dǎo)體器件布線層的成品率和可靠性都得到的改善。產(chǎn)量也得到了提高，從而使半導(dǎo)體器件的制造成本低。
雖然參照具體的實(shí)施例已具體地指出和描述了本發(fā)明，但對(duì)本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員來說，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，不偏離所附權(quán)利要求所述的本發(fā)明的構(gòu)思與范圍的各種形式上和細(xì)節(jié)上的改變都落入本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，它包括一個(gè)半導(dǎo)體襯底；以及一個(gè)形成去上述半導(dǎo)體襯底上并在其表面部分有一個(gè)甲硅烷基化層的擴(kuò)散勢(shì)壘層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述的擴(kuò)散勢(shì)壘層由至少從包含難熔金屬或難熔金屬化合物所構(gòu)成的一組材料中選出的一種構(gòu)成的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述的難熔金屬是鈦、鋯、鉭和鉬中選出的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述的擴(kuò)散勢(shì)壘層是由一個(gè)包含難熔金屬的第一擴(kuò)散勢(shì)壘層和一個(gè)包含難熔金屬化合物的第二擴(kuò)散勢(shì)壘層組成的一個(gè)復(fù)合層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，還包含一個(gè)由形成在上述甲硅烷基化層上難熔金屬化合物構(gòu)成的第三擴(kuò)散勢(shì)壘層。
6.一種半導(dǎo)體器件，它包括一個(gè)半導(dǎo)體襯底;一個(gè)形成在上述半導(dǎo)體襯底上、帶有凹部的隔離層;一個(gè)形成在上述隔離層上并包括一個(gè)甲硅烷基化層的擴(kuò)散勢(shì)壘層;以及一個(gè)完全地填充上述凹部的第一金屬層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述凹部是一個(gè)暴露上述半導(dǎo)體襯底的一個(gè)摻雜區(qū)的接觸孔或者是一個(gè)暴露上述半導(dǎo)體器件的下導(dǎo)電層的通孔。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體器件，在上述第一金屬層上還包含一帶有一個(gè)平面化表面的第二金屬層。
9.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，它包含下列步驟在一個(gè)半導(dǎo)體襯底上形成一個(gè)擴(kuò)散勢(shì)壘層;以及在上述擴(kuò)散勢(shì)壘層上形成一個(gè)甲硅烷基化層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中，所述的甲硅烷基化層形成步驟是用使用硅烷的等離子處理進(jìn)行的。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中，用SiH4或Si2H6作為上述硅烷。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中，所述甲硅烷基化層形成步驟是用使用硅烷的反應(yīng)濺射方法進(jìn)行的。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中，所述甲硅烷基化層形成步驟是在形成上述擴(kuò)散勢(shì)壘層之后不破壞真空的情況下接著進(jìn)行的。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中，所述擴(kuò)散勢(shì)壘層形成步驟是通過沉積一種難熔金屬形成一個(gè)第一擴(kuò)散勢(shì)壘層和沉積一種難熔金屬化合物形成一個(gè)第二擴(kuò)散勢(shì)壘層，從而形成一個(gè)復(fù)合層的方法進(jìn)行的。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，還包含以下步驟在上述擴(kuò)散勢(shì)壘層上形成一個(gè)甲硅烷基化層之后，用沉積一種難熔金屬化合物的方法形成一個(gè)第三擴(kuò)散勢(shì)壘層。
16.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，它包含下列步驟在半導(dǎo)體襯底上形成包含一難熔金屬的第一擴(kuò)散勢(shì)壘層;在上述第一擴(kuò)散勢(shì)壘層上形成一個(gè)包含一難熔金屬化合物的第二擴(kuò)散勢(shì)壘層;在上述第二擴(kuò)散勢(shì)壘層上形成一個(gè)甲硅烷基化層;以及在不破壞真空的情況下，在上述甲硅烷基化層上形成一個(gè)包含一難熔金屬化合物的第三擴(kuò)散勢(shì)壘層。
17.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，它包含下列步驟在一個(gè)半導(dǎo)體襯底上形成一個(gè)隔離層;在上述隔離層中形成一個(gè)凹部;在上述隔離層上形成一個(gè)擴(kuò)散勢(shì)壘層;在上述擴(kuò)散勢(shì)壘層上形成一個(gè)甲硅烷基化層;以及在上述甲硅烷基化層上形成一個(gè)第一金屬層。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中，所述凹部是一個(gè)暴露出形成在上述半導(dǎo)體襯底的表面內(nèi)的摻雜區(qū)的接觸孔。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中，所述第一金屬層形成步驟是用低溫下沉積Al或Al合金的方法進(jìn)行的。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，還包含下述步驟在低于熔點(diǎn)的高溫下對(duì)第一金屬進(jìn)行熱處理以使用上述第一金屬層的材料填充上述凹部。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，還包括下述步驟上述熱處理步驟之后，在上述填充上述凹部的第一金屬層上形成一個(gè)第二金屬層。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，還包含下述步驟在低于第二金屬熔點(diǎn)的高溫下，對(duì)上述第二金屬層進(jìn)行熱處理以便展平上述第二金屬層的表面。
23.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，它包含下列步驟在一個(gè)半導(dǎo)體襯底上形成一個(gè)隔離層;在上述隔離層中形成一個(gè)凹部;在上述隔離層上形成一個(gè)擴(kuò)散勢(shì)壘層;在上述擴(kuò)散勢(shì)壘層上形成一個(gè)甲硅烷基化層;在上述甲硅烷基化層上形成一個(gè)第一金屬層;在低于第一金屬熔點(diǎn)的高溫下，對(duì)上述第一金屬層進(jìn)行熱處理以使用上述第一金屬填充上述凹部;在填充上述凹部的上述第一金屬層上形成一個(gè)第二金屬層;以及在低于第二金屬熔點(diǎn)的高溫下，對(duì)上述第二金屬進(jìn)行熱處理以便使上述第二金屬層的表面平面化。
全文摘要
一種半導(dǎo)體器件及其制造方法，此器件帶有一形成在半導(dǎo)體晶片上的擴(kuò)散勢(shì)壘層，其上還用硅烷等離子工藝或反應(yīng)濺射方法形成了一甲硅烷基化層。在甲硅烷基化層上形成金屬層時(shí)，擴(kuò)散勢(shì)壘層與金屬間的沾潤(rùn)度增強(qiáng)并形成大的晶粒，從而提高了金屬層對(duì)接觸孔或通孔的覆蓋。此外，在甲硅烷基化層上形成金屬層后進(jìn)行熱處理時(shí)，金屬層的回流特性變好，從而易于填充接觸孔或通孔。用此法可獲得高可靠性的布線層并可免去后續(xù)的燒結(jié)工序。
文檔編號(hào)H01L23/532GK1090091SQ93120818
公開日1994年7月27日 申請(qǐng)日期1993年12月10日 優(yōu)先權(quán)日1992年12月10日
發(fā)明者李相忍 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社