專利名稱:具有應(yīng)力減少夾層的多層金屬化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本申請(qǐng)涉及用于半導(dǎo)體器件的厚布線層、具體地涉及減少厚布線層引起的應(yīng)力。
背景技術(shù):
在功率半導(dǎo)體應(yīng)用中用作最后金屬層的厚Cu膜(例如5至50 μ m厚)由于在Cu與半導(dǎo)體襯底(比如Si晶片)之間的熱膨脹失配而施加強(qiáng)張應(yīng)力。張力在室溫以上以及下至-50°C或者_(dá)70°C成問題從而造成嚴(yán)重晶片彎曲(bow)。彎曲的晶片引起光刻步進(jìn)機(jī)系統(tǒng)的未對(duì)焦問題,因此限制附加光刻工藝的使用。此外,晶片彎曲在晶片打薄之后增加。彎曲晶片的進(jìn)一步加工證實(shí)很困難。常規(guī)Cu最后金屬層的厚度通常在12μπι以下以使上文描述的晶片彎曲問題最小化??梢悦黠@冷卻晶片(例如<=-70°C )以減少晶片彎曲。然而需要更厚Cu層(例如>20 μ m)以支持高級(jí)器件技術(shù)。此外,當(dāng)隨后在>130°C的溫度冷卻晶片時(shí)喪失晶片低溫冷卻的效果,因?yàn)樵芯瑥澢谶@些溫度復(fù)原。這樣的提升溫度在光刻抗蝕劑的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)烘焙步驟期間已經(jīng)出現(xiàn)。
發(fā)明內(nèi)容
這里描述的實(shí)施例涉及形成包括一個(gè)或者多個(gè)夾層的后金屬化,所述夾層減少或者消除金屬化對(duì)下層半導(dǎo)體襯底施加的張應(yīng)力并且增加熱力學(xué)穩(wěn)定性。夾層可以包括施加如下應(yīng)力的任何傳導(dǎo)或者半傳導(dǎo)材料,該應(yīng)力至少部分抵消金屬化在室溫及以上對(duì)下層半導(dǎo)體襯底施加的應(yīng)力。例如,Cu和Al 二者在室溫及以上對(duì)Si晶片施加張(膨脹)應(yīng)力,并且夾層施加抵消這一張應(yīng)力的壓應(yīng)力。根據(jù)一種用于半導(dǎo)體器件的布線結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例,該布線結(jié)構(gòu)包括多層金屬化,具有至少5 μ m的總厚度;以及夾層,設(shè)置于多層金屬化中,其中夾層的第一側(cè)鄰接多層金屬化的一層并且夾層的第二相反側(cè)鄰接多層金屬化的不同層。夾層包括W、WTi、Ta、TaN、TiW、TiN、金屬硅化物、WSi、MoSi、TiSi和TaSi中的至少一種。根據(jù)一種用于半導(dǎo)體器件的布線結(jié)構(gòu)的另一實(shí)施例,該布線結(jié)構(gòu)包括多層金屬化,具有至少5μπι的總厚度;以及夾層,設(shè)置于多層金屬化中,其中夾層的第一側(cè)鄰接多層金屬化的第一部分并且夾層的第二相反側(cè)鄰接多層金屬化的不同部分。夾層施加應(yīng)力,該應(yīng)力在室溫及以上至少部分抵消多層金屬化施加的應(yīng)力。根據(jù)一種制造用于半導(dǎo)體器件的布線結(jié)構(gòu)的方法的一個(gè)實(shí)施例,該方法包括在設(shè)置于半導(dǎo)體襯底上的半導(dǎo)體器件區(qū)域之上形成多層金屬化。多層金屬化具有至少5 μ m的總厚度。該方法還包括在多層金屬化中設(shè)置夾層,其中夾層的第一側(cè)鄰接多層金屬化的一層并且夾層的第二相反側(cè)鄰接多層金屬化的不同層。夾層包括W、WTi、Ta、TaN、Tiff, TiN、金屬硅化物、WSi、MoSi、TiSi和TaSi中的至少一種。根據(jù)一種制造用于半導(dǎo)體器件的布線結(jié)構(gòu)的方法的另一實(shí)施例,該方法包括在設(shè)置于半導(dǎo)體襯底上的半導(dǎo)體器件區(qū)域之上形成多層金屬化。多層金屬化具有至少5 μ m的總厚度。該方法還包括在多層金屬化中設(shè)置夾層,其中夾層的第一側(cè)鄰接多層金屬化的第一部分并且夾層的第二相反側(cè)鄰接多層金屬化的不同部分。夾層施加應(yīng)力,該應(yīng)力在室溫及以上至少部分抵消多層金屬化對(duì)襯底施加的應(yīng)力。本領(lǐng)域技術(shù)人員將在閱讀下文具體描述時(shí)和在查看附圖時(shí)認(rèn)識(shí)附加特征和優(yōu)點(diǎn)。
附圖的要素未必相對(duì)于彼此按比例。相似標(biāo)號(hào)表示對(duì)應(yīng)類似部分。各種所示實(shí)施例的特征除非它們相互排斥否則可以被組合。在附圖中描繪并且在下文的描述中詳述實(shí)施例。圖I圖示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體襯底的示意側(cè)視圖,該半導(dǎo)體襯底具有有源器件區(qū)域和設(shè)置于有源器件區(qū)域之上的多層布線結(jié)構(gòu)。圖2圖示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的多層布線結(jié)構(gòu)的示意側(cè)視圖。圖3圖示了根據(jù)另一實(shí)施例的多層布線結(jié)構(gòu)的示意側(cè)視圖。圖4圖示了根據(jù)又一實(shí)施例的多層布線結(jié)構(gòu)的示意側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式圖I圖示了在形成半導(dǎo)體襯底100上的有源器件區(qū)域110和設(shè)置于器件區(qū)域110之上的一個(gè)或者多個(gè)布線層之后的襯底100的一個(gè)實(shí)施例。襯底100可以是由Si、S0I(絕緣體上硅)、3丨(、6&48、6&隊(duì)66、11^等制成的任何類型的半導(dǎo)體襯底(比如晶片)。器件區(qū)域110可以包括任何類型的有源器件(例如晶體管、二極管等)和/或無源器件(例如電容器、電阻器、電感器等)。器件區(qū)域110可以使用公知工藝來形成于體襯底100中(例如井結(jié)構(gòu)中)或者襯底100上生長的外延層112中。與有源器件區(qū)域110的互連由設(shè)置于有源器件區(qū)域110上方的布線層形成。例如,最下布線層120形成于有源器件區(qū)域110上方并且被例如由電介質(zhì)制成的絕緣層122從器件區(qū)域110分離。也可以如虛線所示的那樣提供并且由相應(yīng)絕緣層124相互分離一個(gè)或者多個(gè)附加中間布線層(未示出)。(一個(gè)或多個(gè))下布線層122可以由Cu或者Al制成。最上布線結(jié)構(gòu)130包括沒有電介質(zhì)層并且具有至少5μπι (例如至少12 μ m,例如至少20 μ m)的總厚度的多層金屬化132。最上布線結(jié)構(gòu)130也包括設(shè)置于多層金屬化132中的夾層134,其中夾層134的第一側(cè)136鄰接多層金屬化132的第一部分或者層140并且夾層134的第二相反側(cè)138鄰接多層金屬化132的不同部分或者層142。夾層134施加如下應(yīng)力,該應(yīng)力至少部分抵消多層金屬化132在室溫及以上對(duì)下層半導(dǎo)體襯底100施加的應(yīng)力。例如,多層金屬化132可以由Cu或者Al制成。Cu和Al 二者在室溫及以上對(duì)Si晶片施加張(膨脹)應(yīng)力,并且夾層134施加抵消這一張應(yīng)力的壓應(yīng)力。這樣,通過在多層金屬化132中包括一個(gè)或者多個(gè)夾層134來至少減少或者甚至消除多層金屬化132施加的張應(yīng)力。這實(shí)現(xiàn)使用原本由于襯底彎曲所引起的未聚焦問題而將難以使用的后續(xù)光刻工藝。通過適當(dāng)選擇夾層134的數(shù)量、組成和厚度,如果希望則可以甚至使最上布線結(jié)構(gòu)130對(duì)半導(dǎo)體襯底100施加的凈應(yīng)力為壓縮而不是張拉。對(duì)于Si晶片(襯底)和Cu多層金屬化132,夾層134優(yōu)選地包括WTi。作為代替,可以將至少部分傳導(dǎo)并且施加壓應(yīng)力的其它壓縮材料用于夾層134,例如比如W、WTi、Ta、TaN、TiW和TiN或者其它適當(dāng)化合物金屬或者金屬硅化物(比如 WSi、MoSi、TiSi 和 TaSi )。最上布線結(jié)構(gòu)130也可以包括多層金屬化132設(shè)置于其上的下層144。下層144被多層金屬化132的部分或者(一個(gè)或多個(gè))層140從夾層134間隔開。在一個(gè)實(shí)施例中,下層144有與夾層134相同的組成。圖2更具體地圖示了最上布線結(jié)構(gòu)130。根據(jù)這一實(shí)施例,單個(gè)夾層134設(shè)置于多層金屬化132中。根據(jù)這一實(shí)施例,單個(gè)夾層134如果由WTi制成則具有在20nm與500nm之間的厚度(Ttt),下層144具有至少200nm的厚度(1^),并且多層金屬化132至少為5μπι厚。例如,WTi夾層134可以約為150nm厚并且下層144可以約為300nm厚并且也由WTi制成。多層金屬化132的介于夾層134的底側(cè)136與下層144之間的部分或者層140可以至少為^111厚,例如約2.511111厚(1'。1)。多層金屬化132的設(shè)置于夾層134的頂側(cè)138上的部分或者層142可以具有與下層140相同的厚度(Te2),例如約2.5 μ m??梢允褂梦锢砥喑练e(PVD)工藝或者電鍍工藝來形成多層金屬化132。就PVD而言,工具和真空用來沉積多層金屬化132并且在金屬化132內(nèi)形成夾層134。PVD工具可·以具有在一個(gè)室中的不同靶或者每個(gè)靶一個(gè)室(即所謂聚類工具)。電鍍由于夾層形成而是更困難的工藝選項(xiàng),但是仍然是PVD的可行替代。圖3圖示了最上布線結(jié)構(gòu)130的另一實(shí)施例。根據(jù)這一實(shí)施例,三個(gè)夾層134設(shè)置于多層金屬化132中。這樣,多層金屬化132具有四個(gè)不同Cu層200、202、204、206,其中相鄰層由夾層134之一分離。在一個(gè)實(shí)施例中,每個(gè)夾層134包括WTi并且約為50nm厚(TIU_3),并且下層144約為30nm厚(IYl)并且也由WTi制成。多層金屬化132的每層200、202、204、206約為I. 25 μ m厚(Teul_4)。然而夾層134中的一個(gè)或者多個(gè)夾層可以具有不同厚度。多層金屬化132的一層或者多層200、202、204、206類似地可以具有不同厚度。在每種情況下,選擇夾層134的厚度和金屬化層200、202、204、206的厚度以提供所需應(yīng)力補(bǔ)償效果,例如減少對(duì)下層半導(dǎo)體襯底(在圖3中未示出)的過度張應(yīng)力或者甚至對(duì)襯底施加凈壓應(yīng)力??梢匀缟衔拿枋龅哪菢邮褂肞VD或者電鍍工藝來形成多層金屬化132。圖4圖示了最上布線結(jié)構(gòu)130的又一實(shí)施例。圖4中所示的實(shí)施例與圖3中所示的實(shí)施例類似,但是夾層134更厚。根據(jù)這一實(shí)施例,每個(gè)夾層134包括WTi并且約為150nm厚(TIU_3),并且下層144約為300nm厚(1^)并且也由WTi制成。多層金屬化132的每層 200、202、204、206 約為 I. 25 nm 厚(TCia_4)。如金屬化層 200、202、204、206 中的一個(gè)或者多個(gè)金屬化層可以的那樣,夾層134中的一個(gè)或者多個(gè)可以具有不同厚度。一般而言,一個(gè)或者多個(gè)應(yīng)力抵消夾層134可以設(shè)置于布線結(jié)構(gòu)130的多層金屬化132中。例如,相同或者不同厚度的一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)或者更多夾層134可以設(shè)置于多層金屬化132中。夾層134施加壓應(yīng)力。對(duì)于Cu金屬化132,夾層134適當(dāng)?shù)卣掣降紺u。優(yōu)選地,(一個(gè)或多個(gè))夾層134僅在界面附近與Cu反應(yīng)。濺射的WTi滿足這樣的要求。例如,Cu不會(huì)從多層金屬化132融合(alloy)到由WTi制成的夾層134中,并且W類似地不會(huì)從WTi夾層134融合到多層金屬化132中。WTi也施加壓應(yīng)力并且良好地粘附到Cu。電傳導(dǎo)并且施加壓應(yīng)力的其它材料(比如W、Ta、TaN、Tiff和TiN)或者其它適當(dāng)化合物金屬或者金屬硅化物(比如WSi、MoSi、TiSi和TaSi)而不是WTi可以用于夾層134。(一個(gè)或多個(gè))夾層134的厚度對(duì)于WTi而言優(yōu)選地在50到500nm的范圍中。針對(duì)多層金屬化132的厚度沒有理論限制而僅有實(shí)際限制。這樣,多層金屬化132對(duì)于高功率應(yīng)用而言可以相對(duì)厚(例如>5 μ m,例如>12 μ m,例如>20 μ m)。如這里描述的具有多層金屬化132和一個(gè)或者多個(gè)夾層134的布線結(jié)構(gòu)130產(chǎn)生具有若干Cu/Al和應(yīng)力抵消層的序列的多級(jí)結(jié)構(gòu)。多層金屬化132的最后金屬層142、206包含用于Cu金屬化的Cu和用于Al金屬化的Al并且可以用于互連(比如接線鍵合)。可以在形成多層金屬化132和(一個(gè)或多個(gè))夾層134之后退火半導(dǎo)體襯底100。例如執(zhí)行退火工藝以穩(wěn)定多層金屬化132中的Cu并且退火工藝可以達(dá)到或者超過400°C。當(dāng)在多層金屬化132內(nèi)嵌入這里描述的(一個(gè)或多個(gè))夾層134時(shí),如與在退火之前相比,在退火之后對(duì)襯底100施加更少張應(yīng)力 或者甚至施加壓應(yīng)力。在退火工藝之后,減少或者甚至逆轉(zhuǎn)晶片彎曲。最終晶片彎曲可以例如是張拉(凹入)、無彎曲或者壓縮(凸起)。通過將厚的多層金屬化132分成若干由應(yīng)力抵消夾層134分離的更薄層140、142、200、202、204、206,在提升溫度的彈性增加并且與更高熱力學(xué)穩(wěn)定性相關(guān)。也針對(duì)厚的鋁金屬化給出類似性質(zhì)。比如“之下”、“以下”、“下”、“之上”、“上”等的空間相對(duì)術(shù)語用于易于描述以說明
一個(gè)元件相對(duì)于第二元件的定位。這些術(shù)語旨在于除了與圖中描繪的定向不同的定向之外還涵蓋器件的不同定向。另外比如“第一”、“第二”等的術(shù)語也用來描述各種元件、區(qū)域、分段等并且也并非旨在于限制。相似術(shù)語在說明書全文中指代相似要素。如這里所用,術(shù)語“具有”、“包含”、“包括”等是指示存在記載的要素或者特征但是并未排除附加要素或者特征的開放式術(shù)語。除非上下文另有明示,冠詞“一個(gè)/一種”和“該/所述”旨在于包括復(fù)數(shù)以及單數(shù)。將理解除非另有明示,這里描述的各種實(shí)施例的特征可以相互組合。雖然這里已經(jīng)圖示和描述具體實(shí)施例,但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解多種替選和/或等效實(shí)施方式可以替換示出和描述的具體實(shí)施例而未脫離本發(fā)明的范圍。本申請(qǐng)旨在于覆蓋這里討論的具體實(shí)施例的任何適配或者變化。因此旨在于本發(fā)明僅由權(quán)利要求及其等效含義限制。
權(quán)利要求
1.一種用于半導(dǎo)體器件的布線結(jié)構(gòu),所述布線結(jié)構(gòu)包括 多層金屬化,具有至少5 μ m的總厚度;以及 夾層,設(shè)置于所述多層金屬化中,其中所述夾層的第一側(cè)鄰接所述多層金屬化的一層并且所述夾層的第二相反側(cè)鄰接所述多層金屬化的不同層,所述夾層包括W、WTi、Ta、TaN、TiW、TiN、金屬硅化物、WSi、MoSi、TiSi和TaSi中的至少一種。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的布線結(jié)構(gòu),還包括所述多層金屬化設(shè)置于其上的下層,所述下層被所述多層金屬化的部分從所述夾層間隔開。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的布線結(jié)構(gòu),還包括設(shè)置于所述多層金屬化中的至少一個(gè)附加夾層,使得每個(gè)夾層被所述多層金屬化的層從其它夾層間隔開,每個(gè)附加夾層包括W、WTi、 和TaSi中的至少一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的布線結(jié)構(gòu),其中所述夾層中的至少兩個(gè)夾層具有不同厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的布線結(jié)構(gòu),其中所述多層金屬化具有在所述夾層中的相鄰?qiáng)A層之間的至少I μ m的厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的布線結(jié)構(gòu),其中所述夾層至少為20nm厚并且包括WTi。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的布線結(jié)構(gòu),其中所述夾層在20nm與500nm厚之間并且包括WTi。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的布線結(jié)構(gòu),其中所述多層金屬化包括Cu。
9.一種用于半導(dǎo)體器件的布線結(jié)構(gòu),所述布線結(jié)構(gòu)包括 多層金屬化,具有至少5 μ m的總厚度;以及 夾層,設(shè)置于所述多層金屬化中,其中所述夾層的第一側(cè)鄰接所述多層金屬化的第一部分并且所述夾層的第二相反側(cè)鄰接所述多層金屬化的不同部分,所述夾層施加應(yīng)力,所述應(yīng)力至少部分抵消所述多層金屬化在室溫及以上施加的應(yīng)力。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的布線結(jié)構(gòu),其中所述夾層至少為20nm厚。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的布線結(jié)構(gòu),其中所述夾層包括WTi。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的布線結(jié)構(gòu),其中所述夾層在20nm與500nm厚之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的布線結(jié)構(gòu),其中所述夾層包括WTi。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的布線結(jié)構(gòu),還包括設(shè)置于所述多層金屬化中的至少一個(gè)附加夾層,使得每個(gè)夾層被所述多層金屬化的層從其它夾層間隔開,每個(gè)附加夾層施加應(yīng)力,所述應(yīng)力至少部分抵消所述多層金屬化在室溫及以上施加的應(yīng)力。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的布線結(jié)構(gòu),其中所述多層金屬化具有在所述夾層中的相鄰?qiáng)A層之間的至少I μ m的厚度。
16.一種制造用于半導(dǎo)體器件的布線結(jié)構(gòu)的方法,所述方法包括 在設(shè)置于半導(dǎo)體襯底上的半導(dǎo)體器件區(qū)域之上形成多層金屬化,所述多層金屬化具有至少5 μ m的總厚度;并且 在所述多層金屬化中設(shè)置夾層,其中所述夾層的第一側(cè)鄰接所述多層金屬化的一層并且所述夾層的第二相反側(cè)鄰接所述多層金屬化的不同層,所述夾層包括W、WTi、Ta、TaN、TiW、TiN、金屬硅化物、WSi、MoSi、TiSi和TaSi中的至少一種。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法,其中所述多層金屬化包括Cu并且使用物理汽相沉積工藝來形成。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法,其中所述多層金屬化包括Cu并且使用電鍍工藝來形成。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法,還包括在形成所述夾層和所述多層金屬化之后退火所述半導(dǎo)體襯底,其中在所述退火之后比在所述退火之前對(duì)所述襯底施加更少張應(yīng)力。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法,包括在所述多層金屬化中設(shè)置所述夾層而Cu未從所述多層金屬化融合到所述夾層中并且W未從所述夾層融合到所述多層金屬化中。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法,還包括在所述多層金屬化設(shè)置于其上的所述半導(dǎo)體器件區(qū)域之上形成下層,所述下層具有與所述夾層相同的組成。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法,還包括在所述多層金屬化中設(shè)置至少一個(gè)附加夾層,使得每個(gè)夾層被所述多層金屬化的層從其它夾層間隔開,每個(gè)附加夾層包括W、WTi、Ta、TaN、TiW、TiN、金屬硅化物、WSi、MoSi、TiSi和TaSi中的至少一種。
23.一種制造用于半導(dǎo)體器件的布線結(jié)構(gòu)的方法,所述方法包括 在設(shè)置于半導(dǎo)體襯底上的半導(dǎo)體器件區(qū)域之上形成多層金屬化,所述多層金屬化具有至少5 μ m的總厚度;并且 在所述多層金屬化中設(shè)置夾層,其中所述夾層的第一側(cè)鄰接所述多層金屬化的第一部分并且所述夾層的第二相反側(cè)鄰接所述多層金屬化的不同部分,所述夾層施加應(yīng)力,所述應(yīng)力至少部分抵消所述多層金屬化在室溫及以上對(duì)所述襯底施加的應(yīng)力。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法,還包括在形成所述夾層和所述多層金屬化之后退火所述半導(dǎo)體襯底,其中在所述退火之后比在所述退火之前對(duì)所述襯底施加更少張應(yīng)力。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法,包括在所述多層金屬化中設(shè)置所述夾層而Cu未從所述多層金屬化融合到所述夾層中并且W未從所述夾層融合到所述多層金屬化中。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法,還包括在所述多層金屬化設(shè)置于其上的所述半導(dǎo)體器件區(qū)域之上形成下層。
27.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法,還包括在所述多層金屬化中設(shè)置至少一個(gè)附加夾層,使得每個(gè)夾層被所述多層金屬化的層從其它夾層間隔開,每個(gè)附加夾層施加應(yīng)力,所述應(yīng)力至少部分抵消所述多層金屬化在室溫及以上施加的應(yīng)力。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有應(yīng)力減少夾層的多層金屬化。一種用于半導(dǎo)體器件的布線結(jié)構(gòu)包括多層金屬化,具有至少5μm的總厚度;以及夾層,設(shè)置于多層金屬化中,其中夾層的第一側(cè)鄰接多層金屬化的一層并且夾層的第二相反側(cè)鄰接多層金屬化的不同層。夾層包括W、WTi、Ta、TaN、TiW和TiN或者其它適當(dāng)化合物金屬或者金屬硅化物(比如WSi、MoSi、TiSi和TaSi)中的至少一種。
文檔編號(hào)H01L23/485GK102903688SQ20121026305
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月27日
發(fā)明者J.費(fèi)爾斯特, M.施內(nèi)甘斯 申請(qǐng)人:英飛凌科技股份有限公司