專利名稱：用于SiGe RF－BiCMOS技術(shù)的集成SiCr金屬薄膜電阻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及半導(dǎo)體器件。更具體地，本發(fā)明涉及用于SiGeRF-BiCMOS(射頻雙極型互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)技術(shù)的集成SiCr金屬薄膜電阻器的形成。
背景技術(shù)：
無線通信的出現(xiàn)以及毫米波方式的相應(yīng)高頻使用的開始成長，不但對于增強(qiáng)性能而且對于同時(shí)減小封裝和模塊尺寸已經(jīng)帶來了新的需求。這些需求要求針對高頻應(yīng)用的高集成封裝和模塊。
諸如薄膜電阻器之類的集成無源元件的使用顯著地減小了高頻時(shí)的表面安裝寄生效應(yīng)，增加了封裝密度，并且改善了可制造性。這驅(qū)動(dòng)了對于無線應(yīng)用的系統(tǒng)級集成所需的無源元件的RF和模擬性能中的改進(jìn)的需要。
與注入的硅或多晶硅電阻器相比，未來技術(shù)要求具有高精度電阻率、低TCR(電阻溫度系數(shù))、高線性、低噪聲、以及改進(jìn)匹配的集成RF薄膜電阻器。然而，通常用于產(chǎn)生集成金屬薄膜電阻器的材料，例如TaN、NiCr和TaSi具有顯著的缺點(diǎn)它們的薄膜電阻值局限于小于150-200ohms/square。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種用于SiGe RF BiCMOS技術(shù)的集成SiCr金屬薄膜電阻器。集成SiCr薄膜電阻器的使用增加了封裝密度，并且減小了由表面安裝結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的高頻處的寄生效應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明，SiCr薄膜電阻器的薄膜電阻可以通過選擇性地控制SiCr沉積條件，以小于2％的均勻度在約400-2500ohms/square的較寬范圍內(nèi)變化。此外，根據(jù)本發(fā)明形成的SiCr薄膜電阻器分別具有小于約100ppm/℃和-0.9ppm/℃2的線性TCR系數(shù)和二次TCR系數(shù)。
本發(fā)明的第一方面涉及一種用于形成SiCr金屬薄膜電阻器的方法，包括在電介質(zhì)襯底的平面化表面上沉積SiCr膜；對SiCr膜進(jìn)行退火；在SiCr膜上涂光致抗蝕劑；使用單獨(dú)的掩模使光致抗蝕劑形成圖案以限定SiCr薄膜電阻器；以及對SiCr膜進(jìn)行刻蝕以形成SiCr金屬薄膜電阻器；其中選擇性地控制針對SiCr膜的沉積和退火條件以提供大于約400ohms/square的薄膜電阻。
本發(fā)明的第二方面涉及一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括具有大于約400ohms/square的薄膜電阻的SiCr金屬薄膜電阻器。
本發(fā)明的第三方面涉及一種用于形成SiCr金屬薄膜電阻器的方法，包括在電介質(zhì)襯底的平面化表面上沉積SiCr膜；對SiCr膜進(jìn)行退火；在SiCr膜上涂光致抗蝕劑；使用單獨(dú)的掩模使光致抗蝕劑形成圖案以限定SiCr薄膜電阻器；以及對SiCr膜進(jìn)行刻蝕以形成SiCr金屬薄膜電阻器；其中選擇性地控制針對SiCr膜的沉積和退火條件以提供大于約400-2500ohms/square的薄膜電阻、分別小于約100ppm/℃和-0.9ppm/℃2的電子溫度系數(shù)(TCR)的線性和二次系數(shù)、以及在約3588-13000μΩ-cm范圍內(nèi)的電阻率。


根據(jù)以下結(jié)合附圖對本發(fā)明各個(gè)方面的詳細(xì)描述，本發(fā)明的這些和其他特征將更加易于理解，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例生產(chǎn)的SiCr薄膜電阻器的SEM(掃描電子顯微鏡)剖面圖。
圖2至圖8示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于形成SiCr薄膜電阻器的工藝。
圖9和圖10示出了在不同退火條件下SiCr膜的薄膜電阻。
圖11示出了SiCr薄膜沉積時(shí)氬氣流的影響。
圖12示出了SiCr薄膜電阻作為沉積RF功率的函數(shù)。
圖13示出了SiCr薄膜電阻作為厚度倒數(shù)的函數(shù)。
圖14示出了根據(jù)本發(fā)明制作的各種SiCr薄膜電阻器的測量電阻。
圖15示出了TCR的TC1和TC2系數(shù)作為退火的函數(shù)。
圖16示出了SiCr和多晶硅電阻器的歸一化TCR作為溫度的函數(shù)。
圖17示出了SiCr和多晶硅電阻器的歸一化電阻作為偏壓的函數(shù)。
應(yīng)該注意的是，附圖僅是示意性的代表，并非傾向于描繪本發(fā)明的特定參數(shù)。附圖僅傾向于描繪本發(fā)明的典型方面，因此不應(yīng)該將其理解為限制本發(fā)明的范圍。
具體實(shí)施例方式
參考圖1，示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例生產(chǎn)的SiCr金屬薄膜電阻器10的SEM(掃描電子顯微鏡)剖面圖。例如，在包括二氧化硅(SiO2)的高密度平面化電介質(zhì)襯底12上形成SiCr薄膜電阻器10。SiCr薄膜電阻器10經(jīng)由通孔16與上部金屬級14直接相連。
參考圖2至圖8，示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于形成SiCr薄膜電阻器10的方法。
在圖2中，示出了包括通過通孔16互連的多個(gè)金屬層14(例如，M2、M3)的高密度電介質(zhì)襯底12。使用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)形成金屬層14和通孔16。例如，可以使用高密度等離子體(HDP)化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝形成電介質(zhì)襯底12。例如，還可以使用包括等離子體增強(qiáng)正硅酸乙酯(PETEOS)和選擇性區(qū)域化學(xué)氣相沉積(SACVD)的其他合適技術(shù)。
在沉積SiCr膜之前對電介質(zhì)襯底12進(jìn)行平面化(圖3)。例如，可以使用公知的CMP(化學(xué)機(jī)械拋光)技術(shù)來提供平面化。隨后，在電介質(zhì)襯底12的平面化表面20上沉積SiCr膜18。因?yàn)樵陔娊橘|(zhì)襯底12的平面化表面20上沉積SiCr，改進(jìn)了隨后步驟中的SiCr RIE(反應(yīng)離子刻蝕)工藝窗口。
使用氬氣/氧氣氣體中的SiCr靶21(如虛線所示)的PVD(物理氣相沉積)在電介質(zhì)襯底12的平面化表面20上沉積SiCr膜18。為了獲得高電阻率和低TCR，在靶21中使用高Si含量的Cr，例如72wt％的Si和28wt％的Cr。SiCr膜18的沉積速率可以取決于沉積期間使用的RF功率、氣流和腔室壓力而變化。SiCr膜18的厚度可以變化以達(dá)到SiCr膜18所需的薄膜電阻值。然后，在380-500℃的范圍內(nèi)執(zhí)行沉積后退火。
接下來，如圖4所示，使用單獨(dú)的掩模步驟以限定SiCr薄膜電阻器。這提供了優(yōu)于典型地用于制造集成金屬薄膜電阻器的其他材料的優(yōu)點(diǎn)，所述其他材料包括TaN、NiCr和TaSi，這些材料需要多于一個(gè)的掩模級。將光致抗蝕劑層22涂到SiCr膜18上，并且使用單獨(dú)掩模23(如虛線所示)使其形成圖案。例如，可以使用旋涂或其他合適的技術(shù)來涂敷光致抗蝕劑22。所得到的結(jié)構(gòu)如圖4所示。
然后，使用Cl2/BCl3/SF6的混合化學(xué)物質(zhì)來執(zhí)行SiCr薄膜18的等離子體干法刻蝕，以形成SiCr薄膜電阻器10。還可以使用例如包括CF4/CHF3的其他合適的刻蝕劑化學(xué)物質(zhì)。在剝離光致抗蝕劑22之后所得到的結(jié)構(gòu)如圖5所示。根據(jù)本發(fā)明，可以通過選擇性地控制SiCr沉積條件，SiCr薄膜電阻器10的薄膜電阻以小于2％的均勻度在約400-2500ohms/square的較寬范圍內(nèi)變化。此外，根據(jù)本發(fā)明形成的SiCr薄膜電阻器10分別具有小于約100ppm/℃和-0.9ppm/℃2的線性TCR系數(shù)和二次TCR系數(shù)。
如圖6所示，然后在電介質(zhì)襯底12的平面化表面20和SiCr薄膜電阻器10上沉積附加的電介質(zhì)層24(例如，使用HDP-CVD工藝)。然后，使用公知技術(shù)對電介質(zhì)層24進(jìn)行平面化，并且使其形成圖案。隨后，如圖7和圖8所示，按照公知方式形成金屬插頭16，以便將SiCr薄膜電阻器10與隨后形成的頂部金屬互連14相連。
示例執(zhí)行SiCr沉積的DOE(實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì))。DOE的目的是為了理解針對SiCr沉積和退火的工藝條件，以便建立可制造的工藝。根據(jù)需要，改變SiCr膜的厚度以達(dá)到所需的薄膜電阻。DOD包括諸如RF功率、氣流、沉積壓力及隨后的各種退火溫度之類的各種SiCr沉積工藝參數(shù)。表1列出了SiCr沉積DOE的工藝窗口，以及每一個(gè)工藝參數(shù)如何影響SiCr膜的沉積。發(fā)現(xiàn)需要低功率、低壓力和適當(dāng)?shù)腁r/O比以維持穩(wěn)定的SiCr沉積工藝。
表1

圖9和圖10示出了SiCr膜的薄膜電阻(Rs)數(shù)據(jù)沉積時(shí)和以不同的溫度進(jìn)行退火之后。針對這兩個(gè)工藝，Rs隨退火溫度而變化。該改變表示通過熱退火推進(jìn)了SiCr的結(jié)晶化。該結(jié)果證明了沉積時(shí)的SiCr膜是復(fù)合的無定形/結(jié)晶。熱退火溫度改變了電阻，并因此適用于集成無源結(jié)構(gòu)中。針對未采用束暈發(fā)生器(Halo Generator)沉積的SiCr膜，電阻率在5000-13000μΩ-cm的范圍內(nèi)變化。
發(fā)現(xiàn)需要低功率、低壓力和適當(dāng)?shù)腁r/O流量比以維持穩(wěn)定的SiCr沉積工藝窗口。盡管用于氧氣流速率的工藝窗口較窄，氧氣含量仍是實(shí)現(xiàn)具有較低TCR值的穩(wěn)定SiCr沉積的重要參數(shù)。高氧氣含量將導(dǎo)致轉(zhuǎn)換SiCr膜所需的較高退火溫度，這使得電阻率轉(zhuǎn)化更困難。在較高氧氣流量或大于10％的較高氧氣比例時(shí)，SiCr沉積是不穩(wěn)定的。應(yīng)該注意的是，Rs隨著如圖10所示的熱退火增加，而隨著如圖9所示的Rs值減少。這兩者之間的差別由低RF功率SiCr沉積工藝中束暈發(fā)生器的使用而產(chǎn)生。針對兩種SiCr沉積工藝，在退火后，改進(jìn)了晶片內(nèi)均勻度。對于束暈發(fā)生器，極大地改進(jìn)了晶片-晶片的SiCr厚度變化，并且將晶片內(nèi)均勻度從4-5％減小到2％(1 sigma)。確定了束暈發(fā)生器的使用以四種方式影響SiCr膜(1)改進(jìn)SiCr膜均勻度；(2)改進(jìn)TCR；(3)使沉積工藝穩(wěn)定；以及(4)改變電阻率。
圖11總結(jié)了在維持其他SiCr沉積參數(shù)不變(SiCr膜在420℃退火60分鐘)的同時(shí)，氬氣流對SiCr薄膜沉積的影響。如圖所示，SiCr膜的Rs和厚度隨氬氣流線性地變化。Rs和厚度之間的相關(guān)性作為氬氣流的函數(shù)表示氬氣流不會影響SiCr膜的組成。
圖12示出了Rs作為沉積RF功率的函數(shù)。當(dāng)RF功率增加時(shí)，SiCr膜的Rs在1000-2000ohms/square的范圍內(nèi)降低。因此，RF功率影響SiCr膜的Rs。該相關(guān)性允許在不改變SiCr靶的組成(即，通過改變沉積RF功率)的情況下，制造較寬范圍的SiCr薄膜電阻器。
為了確定RF沉積功率對SiCr膜性質(zhì)影響，改變沉積時(shí)間以改變SiCr膜厚度。如圖13所示，針對不同RF沉積功率(使用來自束暈發(fā)生器沉積的數(shù)據(jù))，Rs作為厚度倒數(shù)的函數(shù)變化。SiCr膜的外推電阻率介于約3588-13000μΩ-cm的范圍之間。低RF功率SiCr沉積示出了比高RF功率沉積更高的電阻率。所述數(shù)據(jù)表示RF功率影響SiCr膜的組成(例如，電阻率)。
圖14示出了根據(jù)本發(fā)明制作的各種SiCr薄膜電阻器的測量電阻(在1.7×4μm2至9.8×400μm2的范圍內(nèi))。SiCr薄膜電阻器在高達(dá)100k歐姆的較寬范圍內(nèi)，作為寬度和長度的函數(shù)，表現(xiàn)出較好的線性電阻變化。與注入硅或多晶硅電阻器相比，SiCr薄膜電阻器還表現(xiàn)出較低的TCR值、較高的電阻率和改進(jìn)的匹配。根據(jù)本發(fā)明制作的SiCr薄膜電阻器的電學(xué)特性描述了比20ppm/V更好的電壓線性度以及比100ppm/℃更小的TCR。
如現(xiàn)有技術(shù)所公知的，將TCR定義為 TCR給出了關(guān)于額定電阻可以隨溫度變化多少的信息。圖15示出了TC1和TC2系數(shù)作為退火溫度的函數(shù)。如可以從圖15看出的，隨著退火溫度的增加，TC1線性地增加，而TC2在所述范圍中減小。當(dāng)將退火溫度從400℃增加到450℃時(shí)，TC1從400℃時(shí)的103ppm/℃改變到450℃時(shí)的126ppm/℃，TC2從-0.99改變到-1.04ppm/℃2。因此，退火溫度越低，TCR值越好。在約400℃處達(dá)到最佳的TCR。Rs也作為退火溫度的函數(shù)而增加。相信對SiCr膜的電學(xué)特性有貢獻(xiàn)的因素包括膜氧化和組分。退火處理使膜氧化，并且改變了無定形和結(jié)晶的組成。400℃的退火處理將SiCr電阻增加小于4％。SiCr膜相對于溫度變化的穩(wěn)定性是無線應(yīng)用所需的。
圖16作為溫度(-50℃至150℃)的函數(shù)，將歸一化SiCr TCR與多晶硅電阻器進(jìn)行比較。利用根據(jù)本發(fā)明、在優(yōu)化PVD沉積條件下制作的SiCr薄膜電阻器，SiCr膜數(shù)據(jù)選自于9.8×400μm的SiCr薄膜電阻器。如圖16所示，退火溫度是用于控制TCR和使SiCr薄膜電阻器穩(wěn)定的重要因素。SiCr薄膜電阻器具有正的線性系數(shù)TC1，而多晶硅電阻器具有負(fù)的系數(shù)TC1。
圖17示出了SiCr和多晶硅電阻器的歸一化電阻作為偏壓的函數(shù)。偏置電壓在-10至10V的范圍內(nèi)變化，其中SiCr數(shù)據(jù)也選自于9.8×400μm的SiCr薄膜電阻器。在表2中總結(jié)了電學(xué)特性，清楚地示出了根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的SiCr薄膜電阻器表現(xiàn)出比多晶硅電阻器改進(jìn)得多的電學(xué)特性。
表2

總之，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)本發(fā)明可以用于生產(chǎn)具有以下特征的SiCr薄膜電阻器1)400-2500ohms/square的較寬Rs范圍以及3588-13000μΩ-cm的較高電阻率范圍。
2)較低的TCR值，＜100ppm/℃的TC1和-0.9ppm/℃2的TC2。
3)可以通過控制沉積/退火條件，獲得/調(diào)節(jié)所需的電阻率和TCR。
為了說明和描述的目的，示出了本發(fā)明各個(gè)方面的前述描述。并不傾向于窮舉或限制本發(fā)明公開的精確形式，而且明顯地，許多修改和變化是可能的。傾向于將對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見的此種修改和變化包括在由所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于形成SiCr金屬薄膜電阻器(10)的方法，包括在電介質(zhì)襯底(12)的平面化表面上沉積SiCr膜(18)；對SiCr膜進(jìn)行退火；在SiCr膜上涂光致抗蝕劑(22)；使用單獨(dú)的掩模(23)使光致抗蝕劑形成圖案以限定SiCr薄膜電阻器；以及對SiCr膜進(jìn)行刻蝕以形成SiCr金屬薄膜電阻器(10)；其中，選擇性地控制針對SiCr膜的沉積和退火條件，以提供大于約400ohms/square的薄膜電阻。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在SiCr金屬薄膜電阻器上沉積附加的電介質(zhì)層(24)；對附加的電介質(zhì)層的表面進(jìn)行平面化；以及形成從SiCr金屬薄膜電阻器到附加電介質(zhì)層表面的導(dǎo)電通孔(16)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括選擇性地控制針對SiCr膜的沉積和退火條件，以提供約400-2500ohms/square范圍內(nèi)的薄膜電阻。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括選擇性地控制針對SiCr膜的沉積和退火條件，以提供分別小于約100ppm/℃和-0.9ppm/℃2的線性和二次系數(shù)的電阻溫度系數(shù)TCR。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括選擇性地控制針對SiCr膜的沉積和退火條件，以提供約3588至13000μΩ-cm范圍內(nèi)的電阻率。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，沉積條件包括沉積期間的沉積功率、腔壓力和氣流。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，退火條件包括退火溫度。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括選擇性地控制沉積條件以改變SiCr膜的厚度。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，使用氬氣/氧氣氣體中的SiCr靶(21)在電介質(zhì)襯底的平面化表面上沉積SiCr膜，其中SiCr靶包括約72wt％的Si和28wt％的Cr。
10.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括具有大于約400ohms/square的薄膜電阻的SiCr金屬薄膜電阻器(10)。
11.如權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，SiCr金屬薄膜電阻器具有分別小于約100ppm/℃和-0.9ppm/℃2的線性和二次系數(shù)的電阻溫度系數(shù)TCR。
12.如權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，SiCr金屬薄膜電阻器具有約400-2500ohms/square范圍內(nèi)的薄膜電阻。
13.如權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，SiCr金屬薄膜電阻器具有約3588至13000μΩ-cm范圍內(nèi)的電阻率。
14.一種用于形成SiCr金屬薄膜電阻器(10)的方法，包括在電介質(zhì)襯底(12)的平面化表面上沉積SiCr膜(18)；對SiCr膜進(jìn)行退火；在SiCr膜上涂光致抗蝕劑(22)；使用單獨(dú)的掩模(23)使光致抗蝕劑形成圖案以限定SiCr薄膜電阻器；以及對SiCr膜進(jìn)行刻蝕以形成SiCr金屬薄膜電阻器(10)；其中，選擇性地控制針對SiCr膜的沉積和退火條件以提供大于約400-2500ohms/square的薄膜電阻、分別小于約100ppm/℃和-0.9ppm/℃2的電子溫度系數(shù)TCR的線性和二次系數(shù)、以及在約3588-13000μΩ-cm范圍內(nèi)的電阻率。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，沉積條件包括沉積期間的沉積功率、腔壓力和氣流。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，退火條件包括退火溫度。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括選擇性地控制沉積條件以改變SiCr膜的厚度。
18.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，使用氬氣/氧氣氣體中的SiCr靶(21)在電介質(zhì)襯底的平面化表面上沉積SiCr膜，其中SiCr靶包括約72wt％的Si和28wt％的Cr。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種用于SiGe RF BiCMOS技術(shù)的集成SiCr金屬薄膜電阻器(10)。集成SiCr薄膜電阻器(10)的使用增加了封裝密度，并且減小了由表面安裝結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的高頻處的寄生效應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明，通過選擇性地控制SiCr沉積條件，SiCr薄膜電阻器的薄膜電阻(Rs)可以以小于2％的均勻度在約400－2500ohms/square的較寬范圍內(nèi)變化。此外，根據(jù)本發(fā)明形成的SiCr薄膜電阻器分別具有小于約100ppm/℃和－0.9ppm/℃
文檔編號H01L21/02GK101027752SQ200580032708
公開日2007年8月29日 申請日期2005年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月28日
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