专利名称：半导体器件金属化工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件，特别涉及使半导体器件中的小丘大大减少的半导体器件的金属化工艺。
常规的半导体器件金属化工艺淀积金属是在低温和淀积速率很慢的条件下进行的。例如，以使用D.C磁控管的常规溅射技术淀积铝合金，在约250℃时，淀积速率为每秒20
。由于在这些常规方法中采用如此低的温度，使得后序工艺步骤-例如等离子氧化(约300℃)和聚酰亚胺退火(高达450℃)-的工艺温度高于金属淀积温度。后序工艺步骤的较高温度在整个金属化中产生应力，其结果是形成了严重的小丘。本领域普通技术人员将能够识别出，这种小丘是由应力引起的金属凸起物。这种小丘的危害在于它在金属层之间引起严重的短路。
在半导体器件中，金属常被淀积到层间电介质材料上。虽然层间电介质材料可以由多种材料构成，但是，已经发现聚酰亚胺具有许多奇特的性质和特点，例如，底层结构的平坦性，使得它特别适合于作层间介质材料。然而，由于过热会引起聚酰亚胺起皱，在它上面淀积金属是极其困难的。常规金属淀积技术的另一缺点是电迁移性能差。因为电流在半导体器件中的金属中流过时会使金属块(Patchesofmetal)移位，这可能在很大程度上影响金属线的连续性，使半导体器件的有效寿命缩短。因此，一种具有较少小丘、较高电迁移特性并且能与由聚酰亚胺制成的层间介质材料相兼容的半导体器件的金属化工艺是极其有用的。
本发明的一个目的是提供一种半导体器件的金属化工艺，其中，金属层中的小丘可大大减小。
本发明的另一个目的是提供一种使半导体器件电迁移性能显著改善的金属化工艺。
作为本发明的一个附加目的是为半导体器件提供一种能够成功地利用聚酰亚胺材料作极热金属的层间介电材料的金属化工艺。
本发明还有一个目的是为半导体器件提供一种金属化工艺，其中，晶片的温度是可以控制的。
本发明的进一步目的是为半导体器件提供一种金属化工艺，其中，在金属淀积时的晶片温度高于后序工艺步骤中晶片的温度。
本发明的再一目的是为半导体器件提供一种金属化工艺，其中，通过控制淀积金属的最大晶粒线度来控制晶片的温度。
本发明的上述和其它目的以及优点是通过提供一种半导体器体金属化工艺来实现的，在这种金属化工艺中，金属淀积时的晶片温度等于或高于后序工艺步骤中晶片的温度。由于金属不再经受比其淀积时的温度更高的温度，因此在后序工艺步骤中整个金属只产生很小的应力，进而使得小丘大大减少或被消除。所以，晶片温度的控制，是通过对淀积金属的晶粒最大线度的测量和控制来实现的。另外，通过淀积比较大的金属的晶粒，可以改善电迁移性能。这是因为沿电流流动方向的晶粒间界大量减少的缘故。这种情况仅在金属原子位移最小的情况下考虑。
图1为包括金属层在内的半导体器件的部分放大截面图;
图2为部分带有在其上进行淀积的晶片的金属淀积装置的简化示意图;
图3为采用本发明方法所获得的半导体器件金属化的放大截面图;
图4为图3所示半导体金属化中单一晶粒的放大截面图。
图1为部分半导体器件的放大截面图，晶片10包括第一表面12和第二表面14。在晶片10上形成第一介电材料层16。虽然第一介电材料层通常采用氧化物、氮化物或其组合物等材料，但实际上梢杂尚矶嘀纸榈绮牧瞎钩伞Ｒ坏┬纬闪说谝唤榈绮牧喜 6，就可以形成图形，并通过刻蚀形成窗口36。应该了解的是，在这点上可能生成和淀积上硅化物和阻挡层金属，但这并不一定是必需，还要取决于器件的类型。
然后，将第一金属层18淀积到第一介电层16之上。电之后，在第一金属层18上淀积第一层间介电材料40。在这个实施例中，第一层间介电材料40由聚酰亚胺材料构成，不过本领域普通技术人员应知道还可以采用许多其它的层间介电材料。一般地说，聚酰亚胺属于较难在其上淀积热金属的材料之一，这是因为在这种材料接触高温金属时有起皱的趋势。然而，在本发明的金属化工艺中采用聚酰亚胺制成的第一层间介电材料40获得了例外的好结果，这是因为工艺过程是在真空条件下进行的，并且在金属淀积之前，已经预热和制备了聚酰亚胺第一层间介电材料40。本发明的金属化工艺既没有改变聚酰亚胺的物理特性，又没有改变聚酰亚胺的化学特性，所以不会出现起皱现象。
在形成第一层间介电材料40之后，刻蚀出窗口42，再在第一层间介电材料40之上淀积第二金属层44，应该了解的是应用相同的技术可以形成多层层间介质材料和多层金属层。淀积金属层的工艺将在下文中叙述。
图2为一部分金属淀积装置20的简化示意图。装置20为一磁控管溅射装置，然而，应该了解的是，许多种类型的溅射装置均可在本发明中采用，装置20包括一个真空溅射室34，溅射过程即在其中实施，在室34中放置一晶片加热器22，并且如图所示将晶片10置于其上。应该注意的是，将晶片10放置到晶片加热器22上时，要使第二表面14被晶片加热器22加热。由于金属层18和44(见图1)被淀积在许多层之上，例如被淀积到位于晶片10第一表面12之上的层间介质材料16上，因此这种类型在本技术领域中被称作背加热。背加热具备很大优越性，这是因为它使得晶片10能够吸收热量，这与正面加热恰恰相反，如果采用正面加热，在金属层18和44淀积的过程中，金属层将会把热量从晶片10上反射出去。
金属淀积装置20包括一个对准晶片10的靶26，靶26为一阴极，它由待溅射的金属构成。在这个实施例中，靶26由含有1.5%铜的铝合金构成。然而，靶26也可由纯铝、或具有0.5～10.0%铜的铝或本领域熟知的许多其它金属中的任一种构成。将气流注入溅射室34，在本实施例中采用氩气，而本领域普通技术人员应知道还可以采用许多种其它气体。气流在电场中电离并加速，气体离子与靶26碰撞，使金属原子从靶26上飞出，这些原子在等离子体的气氛中传输，淀积到位于晶片10第一表面12上的材料层之上，本领域普通技术人员将会认识到，必须对溅射室34增压到某一程度，以使得足以产生等离子体并发生溅射。
晶片10除被晶片加热器22加热外，还被淀积在其上的金属加热，晶片的温度可由如下方程表述
TW＝K1TH+K2Rt其中，TW为晶片的温度，K1为与晶片加热器工艺相关的常数，TH为加热器22的温度，K2为与等离子条件相关的常数，R为金属的淀积速率，t为淀积时间。只要R是常数，这个方程式对本发明来说是正确的。
在淀积铝、铝合金和其它各种金属时，晶片的温度与所淀积的金属的最大晶粒线度相关。随着晶片温度的增加，所淀积的金属的最大晶粒线度成正比地增加。所以，通过测量并控制淀积金属的最大晶粒线度，可使晶片的温度保持相对恒定。这就是说，通过保持最大晶粒线度为常数，也能使得晶片温度保持不变。现代技术允许在金属淀积的同时测量所淀积金属的最大晶粒线度。用于这种测量的仪器有具有克诺马斯基相位对比(PhaseContrastKnomarski的蔡斯(Zeiss)显微镜和以NBS标准标定的在1000倍时每百小刻度为1微米的线目镜。
图3示出部分高度放大了的金属层18的截面图，图4是高度放大了的金属层18中的金属晶粒28。金属层18中包含许多金属晶粒28，每一个金属晶粒28为一金属单晶粒。在淀积时，金属晶粒28结合在一起形成金属层18。金属晶粒28的最大晶粒线度是通过测量金属晶粒28中最宽部分的宽度取得的，这个线度由30表示。测量最大晶粒线度比计算平均晶粒线度所采用的方法要容易得多。
在金属淀积之后的工艺步骤中，当晶片的温度高于淀积金属所用的温度时，金属层18上ǔ３鱿中∏稹８呶略谡鼋鹗舨 8上产生应力而导致凸出物(小丘)的出现。所以，如果后序工艺步骤中的晶片温度等于或低于金属淀积步骤中晶片的温度，则小丘将被消除或大量减少。由于可以通过测量和控制淀积金属时金属晶粒28的最大线度和通过控制晶片加热器22的温度来控制晶片的温度，所以，金属的淀积可以在已知的较高温度下进行。这使得有可能在后序工艺步骤中采用较低的温度。因为金属淀积温度比较高，所以金属晶粒28的最大晶粒线度也就比较大。
应用下述参数可以淀积一个三层金属化结构。在晶片10的第一表面12上形成第一介电材料层16之后，再在其上淀积第一金属层，将晶片加热器22调到475℃，晶片预热之后，将含铜为1.5%的铝合金以每秒185
的高速率淀积41秒钟。测量出的最大晶粒线度为10到14微米，最终的第一金属层厚度为7500
，在形成第一层间介电材料40之后，将加热器22调到410℃，淀积第二金属层。以每秒185
的速率淀积铝合金，时间为97秒，测量出的最大晶粒线度仍为10到14微米，得到的第二金属层厚度为18000
。形成第二层间介电材料之后，把加热器22设置到350℃，将晶片加热，在第二金属层上淀积第三金属层。铝合金以每秒180
的速率淀积146秒，最大晶粒线度保持在10到14微米。得到的第三层厚度为27000
。
虽然上述实例十分具体，但应了解的是，本发明也适用于如下参数。晶片温度可在350到650℃的范围，所淀积金属的最大晶粒线度为5.0到40.0微米之间，淀积速率可以是每秒150～400
。
应该了解的是，晶片的温度在三层金属淀积过程中始终保持相对恒定。虽然晶片加热器21的温度是变化的，但是可以通过增加后序金属淀积过程的时间来提高晶片的温度。换句话说，淀积时间越长，由金属淀积动力所产生的晶片温度就越高。最大晶粒线度保持稳定，所以确保晶片温度保持稳定。应了解的是，虽然要求晶片温度在全部金属淀积过程中保持稳定，但是，后序金属淀积步骤中的温度不一定要同第一次金属淀积步骤中的温度一样高。然而，所有的金属淀积步骤中晶片的温度必须要高于后序工艺步骤中的温度。应该进一步了解的是，如果要达到每一层金属都无小丘，就一定要使第二和第三金属淀积步骤中的晶片温度不高于第一金属淀积步骤中的晶片温度。
权利要求
1.一种半导体器件的金属化工艺，包括下述步骤提供一晶片；在所说的晶片上形成第一介电材料层；加热所述晶片；该工艺的特征在于在所说的第一介电材料层上淀积至少一层金属层，在所说的金属淀积过程中，所说的晶片的温度等于或高于晶片在后序工艺步骤中的温度。
2.按照权利要求1所述的金属化工艺，其中，晶片的温度通过测量和控制所淀积金属的最大晶粒线度来控制。
3.按照权利要求1所述的金属化工艺，其中，淀积步骤包括铝金属的淀积。
4.按照权利要求3所述的金属化工艺，其中，铝中包含0.5%至10.0%的铜。
5.按照权利要求3所述的金属化工艺，其中，金属淀积步骤中，晶片的温度范围为350℃至650℃。
6.按照权利要求5所述的金属化工艺，其中，所淀积的金属的最大晶粒线度为5.0微米至40.0微米。
7.按照权利要求6所述的金属化工艺，其中，金属淀积的速率范围为每秒150
至每秒400
。
8.一种半导体器件的金属化工艺，包括下述步骤提供一晶片;在所述晶片的第一表面上形成第一介电材料层;加热所述晶片，所述加热是施加到所述晶片的第二表面上的，所述工艺的特征在于下述步骤在所述第一介电材料层上淀积第一金属层，淀积所述第一金属层时的温度等于或高于晶片在后序工艺步骤中的温度，通过测量和控制所说的第一金属层中最大晶粒线度来控制所述晶片温度;在所述第一金属层上形成一层间介电材料;在所述层间介电材料上淀积至少一层附加金属层，在淀积至少一层附加金属层时所述晶片的温度等于或低于淀积第一金属层时的所述晶片的温度，但等于或高于后序工艺步骤中所述晶片的温度，通过测量和控制至少一层附加金属层中最大晶粒线度来控制所述晶片的温度。
9.按照权利要求8所述的金属化工艺，其中，淀积步骤包括淀积铝合金。
10.按照权利要求9所述的金属化工艺，其中，铝含0.5%至10.0%的铜。
全文摘要
这是一种半导体器件金属化工艺，其中金属淀积步骤是在比后序工艺步骤高的温度中进行的。晶片温度与最大晶粒线度的相关性对许多用作半导体金属化的金属(例如铝)都很普遍，因此，通过测量和控制金属淀积步骤中所淀积的金属的最大晶粒线度，使控制和调节晶片温度成为可能。
文档编号H01L21/768GK1037549SQ89102989
公开日1989年11月29日 申请日期1989年4月28日 优先权日1988年5月2日
发明者波利特·安东尼, 佩则司·艾琳·M 申请人:莫托罗拉公司