TWI291705B - Aluminum-silicon alloy layer and wire fabricating method thereof - Google Patents
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Description
1291705 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（） 發明領域： / 一種含鋁矽系列合金層及其導線的製造方法，適用 於半導體製程中形成多重金屬內連線。 發明背景： 當半導體元件比如積體電路的積集度增加，使得晶片 的表面無法提供足夠的面積來製作所需的內連線時，爲了 配合金氧半導體（metal oxide semiconductor，MOS)電晶 體縮小後所增加的內連線需求，兩層以上的金屬層設計， 便逐漸的成爲許多積體電路所必需採用的方式。多重金屬 內連線(Multilevel Interconnects)的製作，是在金氧半(metal oxide semiconductor;MOS)電晶體的主體已完成之後才開始 的，它的目的是在獨立導通的金屬層之間，建立一些連接 系統，使得這些金屬內連線，可以傳輸訊息，達成彼此相 連串的目的，以成爲一個積體電路的完整迴路(Circuits)。 金屬鋁是積體電路發展至今，非常重要的一種導電性 材料，因其可降低RC時間延遲(Time Delay)，並提升元件 的開關(Switching)頻率；但是也有些缺點，例如因爲矽對鋁 有一定的固態溶解度(Solid Solubility)，使得矽與鋁的接觸 接面(Junction)，易產生所謂的尖峰現象(Spiking)，而且鋁 的抗電移能力（Electromigration Resistance)並不好；所謂的 2
本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公爱) A7 B7 1291705 i、發明説明（） 尖峰現象，是因爲矽在約400°C左右對鋁有一定的固態溶解 度，因此沉積在矽表面上的鋁，當製程達到約400°C以上的 溫度時，矽將藉著擴散效應而進入鋁，且鋁也會回塡矽因 擴散所遺留下來的空隙，而在鋁與矽接觸(Contact)的部分， 形成一些”尖峰”，如果有些尖峰的長度太長，則容易造成 短路而使元件失敗。 另外所謂的電移能力，習知以濺鍍法所沉積的鋁，經 適當的退火(Anneal)之後，通常都是以多晶(Poly-Crystalline) 的形式存在，當鋁線處於傳導電流的狀態時，因爲電場的 影響，鋁原子將會延著晶粒界面(Grain Boundary)而移動， 這種現象稱之爲電移，假如電移太過劇烈，將導致該金屬 鋁線的斷路，影響元件的可靠性，因此在使用時，我們通 常都在裡面加入適當的矽與銅，形成所謂的鋁矽系列 (Al-Cu-Si)合金，以防止這兩種問題的發生。一般在鋁矽系 列合金中，矽的含量控制在約1%左右，而銅的含量在〇·5% 至4%之間。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 請參照第1圖’第1圖係繪示習知常用的鋁矽系列合 金金屬導線的製程。在已完成元件製程的晶圓i〇〇上’沉 積一層鈦（Ti)、矽化鈦（Tisix)或矽化鎢(WSix)層102，主 要的目的是降低金屬與金氧半導體接面間的片電阻（Sheet Re si stance)和導線的電阻。接者再丨几積一^氣化欽（TiN)或駄 鎢(TiW)合金之金屬層104作爲阻障層（Barrier Layer)或 3 中 i iiii(CNS)A4 規格(靡297公愛) 12917〇5 A7 B7 五、發明説明（) 黏著層（Adhesion Layer)以防止鋁金屬與矽產生介面矽 化物及增進鋁金屬的附著力。沉積一層鋁矽系列合金層 作爲形成導線的主要材料。沉積一層氮化鈦作爲抗反射 層108(Anti-reflection Layer)。最後，以一微影蝕刻製程定 義出金屬導線(未繪示於圖上）。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 沉積鋁矽系列合金的方法是採用濺鍍法，接著一個攝 氏450至500度的再熱流(Reflow)熱處理來增加鋁金屬的階 梯覆蓋能力（Step Coverage)。請參照第2圖，第2圖係繪示 矽材質於鋁矽系列合金中析出的情形。矽在鋁金屬中的溶 解度會隨溫度的變化而改變，溫度越高，融解度越好。高 溫沉積或熱處理之後的退火過程中，鋁金屬對矽的溶解度 會隨溫度的下降而下降，請參照第6圖，第6圖摘自 M.Hansen and A. Anderko, Constitution of Binary Alloys 5 McGmw-Hill，New York，1958 ”半導體元件物理與製作技 術”施敏原著，張俊彥譯著”第451頁圖25，係繪示矽材質 對鋁材質在不同溫度下的固溶曲線圖。在第6圖左上角的 放大圖中，可以看出矽材質對鋁金屬材質的固相溶解度在 攝氏577度時爲百分之1·5 ’當溫度降到攝氏500度時，則 降到百分之1左右，而溫度降到攝氏44〇度以下，溶解度 則大幅下滑。所以，若緩慢降溫時’矽在鋁中的固相溶解 度降會依此固溶曲線而行，當冷卻到室溫時，鋁金屬中所 含過飽和的矽會從含鋁矽系列合金之固溶體中成核 (Nucleation)成長(Growth)而成爲砂晶200析出。由於銘金 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
訂· 本紙張尺度顧中S S家標準(CNS)A4規格(21GX 297公爱） 1291705 A7
五、發明説明（） 時間供其成核成長，因而無法析出。 、另外，本發明亦提供另一含鋁矽系列合金導線的製造 方法，先如習知沉積一層鈦、矽化鈦或矽化鎢來降低片電 阻’接者再沉積一層氮化鈦或鈦鎢合金作爲阻障層和黏著 層。以一約攝氏300度至攝氏500度的高溫濺鍍沉積一銘 矽系列合金作爲形成導線的主要材料。降溫進行氮化鈦的 沉積，但下降的溫度不超過攝氏50度，亦即在攝氏25〇度 至攝氏450度的條件下進行氮化鈦的沉積。最後，迅速將 晶圓的溫度降到攝氏20度左右或是更低的溫度，降溫所需 的時間在1秒到10秒之間。同樣的，快速的降溫使過飽和 的矽無適當的溫度和時間供其成核成長，因而無法析出。 式簡單說明： (請先閲讀背面之注意事項再填、寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第1圖係繪=習知常用的鋁矽系列合金金屬導線的製程； 第2圖係繪示係材質於鋁矽系列合金中析出的情形；， 第3圖係繪示蝕刻具有矽晶析出的鋁矽系列合金； 第4圖及第5圖係繪示根據本發明所揭露的製程所形成的 金屬導線；以及 第6圖係繪示矽材質對鋁材質在不同溫度下的固溶曲線圖。 圖號對照說明： 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X 297公釐) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1291705 Λ7 B7 五、發明説明（） 100、400 :晶圓 102、104 :金屬層 106、406 :鋁矽系列合金層 108、408 :抗反射層 200 :矽晶 202 :鋁金屬晶界 204、410 :金屬導線 402、404 :導體層 發明詳細說明： 鑑於上述發明背景所述關於鋁矽系列合金導線製程 所造成之問題，本發明的目的在提供一含鋁矽系列合金導 線的製造方法，主要是改善高溫沉積或熱處理之後的退火 過程，使矽不再析出。 爲了讓本發明所提供之鋁矽系列合金導線的製造方 法更加清楚起見，茲提供一較佳實施例說明如下。 實施例1 請參照第4圖及第5圖’第4圖及第5圖係繪示根據 本發明所揭露的製程所形成的金屬導線。在—已完成％件 製程的晶圓4〇〇上先沉積-鈦、砂化金太或砂化錫材質^導 8
• I I I I 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210χ 297公釐) A7 B7 缓濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1291705 五、發明説明（） 體層402。導體層402的目的係用來降低導線與源/汲/閘 極或是金屬插塞(均未繪示於圖上）間的片電阻。^妾著在^ 體層402之上再沉積一層氮化鈦或鈦鎢合金的導體層 4〇4，導體層404可作爲阻障層或黏著層。再以—約^氏 3〇〇度至攝氏500度的高溫濺鍍沉積一鋁矽系列合金層 4〇6於導體層4〇4之上作爲形成導線的主要材料，^成銘 矽系列合金層406的材質可以爲鋁矽銅合金。 / " 迅速將晶圓400的溫度降到攝氏〇度至攝氏度左 右’較佳的溫度範圍爲攝氏15度至攝氏25度，降溫所需 的時間在1秒到10秒之間，較佳的時間範圍爲5秒至^ 秒。在銘砂系列合金層406之上沉積一層氮化欽作爲抗反 射層408，氮化鈦的沉積約在攝氏15度至攝氏25度間進 行。請參照第5圖，最後，以一微影蝕刻製程定義出金屬 導線410，完成鋁矽系列合金金屬導線的製程。據此，降 溫速率從每秒攝氏27.5度至每秒攝氏500度。較佳的降溫 速率從每秒攝氏27.5度至每秒攝氏485度。更佳的降溫速 率從每秒攝氏27·5度至每秒攝氏97度。 實施例2 請繼I買參照弟4圖，弟4圖係繪不根據本發明所揭露 的製程所形成的金屬導線。在一已完成元件製程的晶圓 400上先沉積一鈦、矽化鈦或矽化鎢材質的導體層4〇2。 9 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(2Κ)>< 297公釐) 1291705 A7 B7 五、發明説明（ 導體層402的目的係用來降低導線與源/汲/閘極或是金屬 插塞(均未繪示於圖上）間的片電阻。接著在導體層402之 上再沉積一層氮化鈦或鈦鎢合金的導體層404，導體層 404可作爲阻障層或黏著層。再以一約攝氏3〇〇度至攝氏 500度的高溫濺鍍沉積一鋁矽系列合金層406於導體層 404之上作爲形成導線的主要材料，形成鋁矽系列合金層 406的材質可以爲鋁矽銅合金。降溫但下降的溫度不超過攝 氏50度，亦即反應室的溫度維持在攝氏250度至攝氏45〇 度。 在溫度爲攝氏250度至攝氏450度的條件下進行氮化 鈦材質的抗反射層408的沉積，在鋁矽系列合金層406形 成抗反射層408。最後，迅速將晶圓的溫度降到攝氏〇度至 攝氏25度，較佳的溫度範圍爲攝氏15度至攝氏25度，降 溫所需的時間在1秒到10秒之間，較佳的時間範圍爲5秒 至10秒。請參照第5圖，最後，以—微影蝕刻製程定義出 金屬導線410,完成鋁矽系列合金金屬導線的製程。其中， 降溫速率與實施例1中揭露者相同。 Μ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 由兩個較佳實施例中可以了解本發明的特徵。本發明 的特徵在於形成鋁矽系列合金層之後，採用一快速降溫的 步驟。利用一快速降溫的程序使室溫下的銘金屬仍能對石夕 保持局溫時的溶解度’此介穩態的銘合金將不會發生砂析 出的情形。此降溫的步驟可在銘砂系列合金層形成之後立 10 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210><297公釐) 1291705 A7 B7 五、發明説明（） 刻進行’也可以在形成抗反射層之後進行。若要在形成抗 反射層之後進行快速降溫，則形成抗反射層時的溫度不能 低於形成鋁矽系列合金層的溫度太多，此一溫度的差距最 好不要超過攝氏50度。 如熟悉此技術之人員所瞭解的，以上所述僅爲本發明 之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範 圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改 變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。 (請先閲讀背面之注意事項再場寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210x297公釐）
Claims (1)
1291705 i D8 六、申請專利範圍 申請專利範圍I 1. 一種含鋁矽系列合金導線的製造方法，形成一金屬導 線於一晶圓之上，該方法至少包含： 形成一第一導體層； 形成一阻障層於該第一導體層之上； 形成一鋁矽系列合金層於該阻障層之上； 以每秒攝氏27.5度至每秒攝氏500度的降溫速率快速 降溫至攝氏〇度至攝氏25度之間； 形成圖案化一光阻層於該鋁矽系列合金層之上；以及 以該光阻層爲罩幕，蝕刻曝露出之該鋁矽系列合金 層、該阻障層以及該第一導體層。 2. 如申請專利範圍第1項所述之含鋁矽系列合金導線的製 造方法，其中形成該第一導體層的材料可以爲鈦、矽化 鈦或砍化鎢。 3. 如申請專利範圍第2項所述之含鋁矽系列合金導線的 製造方法，其中該鋁矽系列合金層與該阻障層之間，更可 包含一黏著層。 4. 如申請專利範圍第1項所述之含鋁矽系列合金導線的 製造方法，其中形成該鋁矽系列合金層之後，更包括形成 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） ----— I !訂 I I 1 II I I - 丨 (請先«讀背面之注意事項再填$頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -n n n n te n n n n n n n n * B8 C8 D8 1291705 六、申請專利範圍 一第三導體層，該第三導體層的材料可以爲氮化鈦。 5. 如申請專利範圍第4項所述之含鋁矽系列合金導線的 製造方法，其中該第三導體層爲一抗反射層。 6. 如申請專利範圍第1項所述之含鋁矽系列合金導線的 製造方法，其中快速降溫較佳的溫度範圍爲攝氏15度至攝 氏25度。 7. 如申請專利範圍第1項所述之含鋁矽系列合金導線的 製造方法，其中快速降溫所需的時間爲1秒至10秒。 8. 如申請專利範圍第7項所述之含鋁矽系列合金導線的 製造方法，其中快速降溫所需的時間較佳的時間範圍爲5 秒至10秒。 9. 一種含鋁矽系列合金導線的製造方法，形成一金屬導線 於一基底之上，該方法至少包含： 形成一第一導體層於該基底之上.； 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 形成一黏著層於該第一導體層之上； 形成一鋁矽系列合金層於該黏著層之上； 形成一第三導體層於該鋁矽系列合金層之上； 以每秒攝氏27.5度至每秒攝氏500度的降溫速率快速 13 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1291705_I_ _ 六、申請專利範圍 降溫至攝氏0度至攝氏25度之間； 形成圖案化一光阻層於該第三導體層之上；以及 以該光阻層爲罩幕，蝕刻曝露出之該第三導體層、該 鋁矽系列合金層、該黏著層和該第一導體層。 10·如申請專利範圍第9項所述之含鋁矽系列合金導線的 製造方法，其中形成該第三導體層之前，更包括將該基 底降溫，下降的溫度小於攝氏50度。 11.如申請專利範圍第9項所述之含鋁矽系列合金導線的 製造方法，其中形成該第一導體層的材料可以爲鈦、矽 化鈦或矽化鎢。 12·如申請專利範圍第9項所述之含鋁矽系列合金導線的 製造方法，其中形成該黏著層的材料可以爲氮化鈦或鈦 鶴合金。 13·如申請專利範圍第9項所述之含鋁矽系列合金導線的 製造方法，其中形成該第三導體層的材料可以爲氮化鈦。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (請先铟讀背面之注意事項再填頁) 線· 14.如申請專利範圍第9項所述之含鋁矽系列合金導線的 製造方法，其中該第三導體層爲一抗反射層。 如申請專利範圍第9項所述之含鋁矽系列合金導線的 14 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐）
六 、申請專利範圍 B8 CS D8 製造方法，其中快速降溫較佳的溫度範圍爲攝氏15度至攝 氏25度。 16·如申請專利範圍第9項所述之含鋁矽系列合金導線的 製造方法，其中快速降溫所需的時間爲1秒至10秒。 17·如申請專利範圍第16項所述之含鋁矽系列合金導線 的製造方法，其中快速降溫所需的時間較佳的時間範圍爲 5秒至1〇秒。 18· —種鋁矽系列合金材質層的製造方法，該鋁矽系列合 金材質靥係形成於一基底之上，該方法至少包括： 於攝氏300度至攝氏500度濺鍍沉積該鋁矽系列合金 材質層；以及 於1秒至10秒內將該基底的溫度降至攝氏〇度至攝 氏25度。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Γ 1 19·如申請專利範圍第18項所述之鋁矽系列合金材質層 的製造方法，其中降溫較佳的溫度範圍爲攝氏15度至攝氏 25度。 20.如申請專利範圍第18項所述之鋁砂系列合金材質層 的製造方法，其中降溫所需的時間較佳的時間範圍爲5秒 15 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A«B8C8D8 1291705 六、申請專利範圍 至10秒。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 * 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）
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| TW (1) | TWI291705B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7960835B2 (en) | 2009-05-04 | 2011-06-14 | Macronix International Co., Ltd. | Fabrication of metal film stacks having improved bottom critical dimension |
-
2002
- 2002-01-15 TW TW91100526A patent/TWI291705B/zh not_active IP Right Cessation
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|---|---|---|---|---|
| US7960835B2 (en) | 2009-05-04 | 2011-06-14 | Macronix International Co., Ltd. | Fabrication of metal film stacks having improved bottom critical dimension |
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