[发明专利]半导体器件制造方法

说明书

本发明介绍一种半导体器件制造方法，具体介绍一种包括一层布线层的半导体器件以及构成布线层的方法。本发明是对本发明人于1992年1月31日申请的、美国专利申请号为07/828，458的待决中请案中所涉及的发明主题进行的改进，该申请所披露的内容包括在本申请中作为参考。

金属化工艺被认为是半导体器件制造技术中最重要的问题，随着技术日益向超大规模集成化方向发展，该问题决定着半导体器件的产量，性能(如运行速度)和可靠性。金属的台阶覆盖范围在密度不太高的现有技术的半导体器件方机并不是个严重问题，这是由于器件具有几何形状较大的固有特性，例如，接触孔的高宽比(深度与宽度之比)较低，以及台阶较浅。然而，随着半导体器件中集成密度的日益增大，接触孔变得更小，而在半导体基片(衬底)表面形成的掺杂质区也变得更薄。对于目前的这些密度较高的半导体器件，由于最后所得到的更高高宽比的接触孔和更大的台阶，为了达到使半导体器件具有高速性，高产量和良好的可靠性的标准设计目标，改进传统的镀铝工艺已变得十分必要。特别地，在制造更高集成度的半导体器件过程中，使用传统的铝金属化工艺会产生以下问题：因接触孔的高宽比引起的铝互连的失效，溅镀的铝的台阶覆盖也很差，可靠性降低，硅沉淀造成接触电阻增大，由于铝钉(AlSpiking)形成导致浅结电性能的降低。

为了解决传统的铝金属化工艺所带来的一系列问题，人们提出了各种各样的新工艺方法。例如，为防止上述铝互连失效所引起的半导体可靠性的降低，有人提出以下的工艺方法。

下列专利出版物中披露了熔化方法：日本公开公报62-132348号(Yukiyosu Sugano等申请)，日本公开公报63-99546号(Shinpei Iijima)，日本公开公报62-109341号(MasahiroShimizut等申请)，日本公开公报62-211915号(Hidekazu Okabayashi等申请)，日本公开公报1-246831号(SeiichiIwamatsu申请)，日本公开公报59-171374(Masaki Satou申请)，以及第87306084,3号欧洲专利申请(Ryoichi Mukai等申请)。

根据上述方法，可以利用铝或铝合金的熔化和回流填满接触孔。简要言之，就是在回流工序中，将铝或铝合金的金属层加热至熔化温度以上，再让熔化了金属流进接触孔并填满。这种回流工序必然带来以下缺陷和不利，首先，为了使流动的熔融材料妥当地填满接触孔，必须把半导体晶片水平放置。其次，流进接触孔的液态金属层会受到一个较小的表面张力，因此在凝固的时候就容易萎缩或变形，从而导致底层的半导体材料外露。再次，热处理温度不能精确控制，所以给定的结果很难再现。此外，尽管这些方法可以用金属层的熔融金属来填满一个接触孔，但金属层的剩余区域(接触孔的外部区域)会变得非常粗糙，从而影响以后的光刻工序。因此，为光滑或平整金属层的这些粗糙区域，还需要进行第二次金属化工艺。

作为对熔化铝或铝合金以填满接触孔的一个替换方法，并且为了改进金属台阶覆盖，第4970176号美国专利(克莱伦斯·丁·特拉西等申请)中披露了一种多步骤的金属化工艺。根据上述专利，预置的第一厚度金属层在冷温(Cold Tem)下被沉积在一片半导体晶片上。随后，温度逐渐达到大约400℃至500℃，在淀积余下的相对较薄的第二厚度的金属层时，这个温度可以使金属层较溶。金属层软熔的发生贯穿着晶粒长大、再结晶和体扩散(bulk diffusion)。

根据特拉西等人的方法，一个具有大高宽比的接触孔(通路孔)的台阶覆盖可以改进。然而，用铝或铝合金填满一个高宽比大于1，直径小于1微米的接触孔是不可能的。

在这同时，奥诺等人披露，当半导体基片的温度在500℃以上时，铝-硅的流动性会突然增大(见Proc，1990 VMICConference，June 11和12，PP，76-82)。根据这篇论文，Al-1％Si膜的应力在500℃附近会急剧变化，这种膜在500℃时迅速产生应力松驰。此外，为了圆满填充接触孔，必须把半导体基片的温度维持在500℃至550℃之间。这一机理与特拉西等人的专利(4970176)中所述的金属层软溶(reflow)完全不同。