[发明专利]半导体器件及其制造方法

说明书

本发明涉及到一种半导体器件及其制造方法，更确切地说是一种包括一布线层的半导体器件及其制造方法。

在集成度较低的常规半导体器件中，金属台阶覆盖不是严重问题。但随集成度的提高，半导体器件中接触孔的孔径显著变小，尺寸低达半微米，同时半导体片子表面上的掺杂区也大大变浅。由于难以填充1μm或更小的接触孔以及由于形成空隙而使金属布线层的可靠性降低，这就需要改善常规的铝布线方法。近来，由于半导体器件的布线方法是决定半导体器件的速度、成品率和可靠性的重要因素而使其在半导体制造中最为重要。

为解决诸如由溅射铝的台阶覆盖不良及接触孔高宽比大所引起的空隙形成之类的问题，提出了一种用熔融铝来填充接触孔的方法。例如，日本专利公开第61-132848号(Yukiyasu Sugano等人)、第63-99546号(Shinpei Iijima等人)和第62-109341号(Misahi-ro Shimizu等人)公开了一种熔融法。根据上文，接触孔由下列几个步骤填充：在半导体片子上沉积Al或Al合金并将Al加热到其熔点以上的温度，然后回流液态Al。

根据上述方法，半导体片子须水平放置以便流动的熔融Al能适当地填充接触孔。液态金属层倾向于低的表面张力状态，因而当此层凝固时就可能收缩或弯曲，从而使其下面的半导体材料暴露出来。此外，热处理温度无法精确控制，从而难以重复所需要的结果。而且，接触孔旁边留下的金属层变得粗糙，使后续的光刻工艺变难。

美国专利4,970,176(Tracy等人)公开了改善不良台阶覆盖的一种金属布线方法。根据上述专利，在低于约200℃的低温下在半导体片子上沉积一个厚度预先设定的金属厚层。然后当温度升到大约400-500℃时在半导体片子上沉积一个比较薄的金属层。如此沉积的金属层借助于晶粒生长、再结晶和体扩散可改善之后沉积上去的金属层的台阶覆盖。

然而，即使在上法中，直径为1μm或更小的接触孔还是不能被Al合金完全地填充。

Hisako Ono等人指出：当半导体片子温度高于500℃时，Al-Si的流动性突然增大。一种使用500-550℃温度下沉积Al-Si来填充接触孔的方法也已公开(1990 VMIC会议，6月11-12日，第76-82页)。

Yoda Dakashi等人提出了一种利用500-550℃温度下沉积一种金属来填充接触孔的方法(欧洲专利申请第90104814.0号，相当于日本专利公开第02-239665号)。根据Yoda Dakashi的方法，用一种金属可以完全地填充接触孔。但极有可能Al-Si膜对电子迁移的阻力大而抗应力迁移很弱。此外，Al膜中的Si在Al-Si晶粒间界上结晶。这样就必须将接触孔区域以外的Al-Si膜完全除去，并在沉积一个Al-Si-Cu膜之后才形成布线。

此外，C.S.Park等人(包括本发明人)公开了一种方法，它包含下列步骤：在100℃或更低的低温下沉积Al合金，并在大约550℃(即低于熔点)温度下热处理3分钟，然后完成接触孔的填充(见1991年6月11-12日VMIC会议文集第326-328页)。此法包括在1992年8月24日的美国专利申请07/897,294号中(作为1990年9月19日的美国专利申请07/585,218号题为“一种在半导体器件中形成金属层的方法”的部分继续申请)。低温下沉积的Al在550℃热处理时不熔化，而是迁移进入接触孔，从而完全地填充接触孔。

根据C.S.Park的方法，借助于在100℃或更低温度下沉积大约500厚的Al之后进行热处理的方法，可以完全地填充高宽比约为1.0的0.8μm接触孔。此法不要求Yoda Dakashi法中的腐蚀工艺。由于这些优点，C.S.Park填充接触孔的方法在有关领域内引起了很大兴趣。

在半导体早期阶段，纯Al被用来形成金属布线层。但由于Al从Si衬底中吸收Si原子并在烧结工序中温度升高时产生结尖峰，故Al-1％Si，亦即用Si过饱和的Al，被广泛地用作金属布线层材料。

但是，当用Al-1％Si来形成半导体器件的布线时，Al膜中的Si在大约450℃或更高温度的热处理过程中结晶出来，因而形成Si沉淀。Si晶粒是由接触孔中的外延生长形成的。结果，Si沉淀使引线电阻或接触电阻增加。