專利名稱：半導(dǎo)體電路后段工藝系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，以及特別在于降低半導(dǎo)體后段工藝技術(shù)中，過孔的金屬熔化突出的制造失敗上。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體晶圓的制造必須歷經(jīng)一工藝流程。該流程包括諸如蝕刻和光刻等所有不同的半導(dǎo)體晶圓工藝步驟。在傳統(tǒng)的制造流程上會包括300-400步驟，其中每一步驟都會影響該半導(dǎo)體晶圓上單芯片的最終電路結(jié)構(gòu)的形成。在傳統(tǒng)的制造流程上會區(qū)分為兩類主要的次工藝。第一種主要的次工藝可稱為前段工藝(front end of line, FEOL),以及第二種主要的次工藝可稱為后段工藝(back end of line, BEOL) 傳統(tǒng)的前端工藝由晶圓的激光標記開始，和接下來淺溝槽隔離的形成、形成P阱和N阱的離子注入、多晶硅的蝕刻，以及諸如晶體管結(jié)構(gòu)的漏極和源極等多種區(qū)域的離子注入。后段工藝可包括金屬線路的形成，以及在晶圓上不同層的金屬線路間過孔接點(via contacts)的形成。而通常有兩層或更多金屬層包括金屬互相線路。過孔作用在兩層金屬層之間。后段工藝是前段工藝各層上的裝置與芯片上其他電路和芯片外裝置的連結(jié)。各金屬層傳統(tǒng)上由物理氣相沉積工藝所形成。典型的物理氣相沉積工藝包括下列金屬的沉積。一般來說，這些金屬導(dǎo)線層包括，鋁(Al)或鋁銅(AlCu)，以及鈦(Ti)與氮化鈦(TiN)。舉例來說，首先在沉積鈦層與氮化鈦之后接著沉積鋁層，然后再沉積鈦層與一層氮化鈦層。其次，過孔會被在較低金屬層圖案化，之后會在該較低的金屬層上方形成其他金屬層。依照慣例，過孔的形成，首先在圖案化的過孔內(nèi)形成金屬粘著層，然后在該金屬粘著層內(nèi)形成鎢插塞(tungsten plug)。該金屬粘著層通常包括在圖案化的過孔內(nèi)的鈦金屬層，以及由該鈦層組成的氮化鈦層。該鈦層通常形成于第一沉積室(CH1)，而該氮化鈦層通常形成于第二沉積室(CH2)。該鈦粘著層可使用物理氣相沉積法形成，或更具體地是使用離子化金屬等離子體物理氣相沉積(Ionized Metal Plasma IMP PVD)。該氮化鈦粘著層可使用有機金屬化學氣相沉積法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)形成?？衫斫獾氖窃摻饘僬持鴮拥男纬杀仨氃诟邷叵逻M行，因此會使該晶圓承受高溫。舉例來說，在常見工藝中，第一沉積室(CHl)的溫度可高達攝氏200° C，而在第二沉積室(CH2)溫度更可高達攝氏450° C。不幸地，在金屬層中的鋁會在溫度約600° C時熔化。而此種連續(xù)的加熱工藝會實質(zhì)上造成該晶圓溫度超過鋁的熔點，并造成鋁突出到該過孔。這樣的情況會增加該過孔電阻和導(dǎo)致裝置功能產(chǎn)生問題甚至是故障。解決此問題方法之一是通過削薄粘著層中的鈦層厚度以降低鈦層沉積的熱循環(huán)次數(shù)；然而，此方法并不理想，因為要借著降低鈦層厚度，以降低熱循環(huán)次數(shù)，也會降低可靠度。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種在半導(dǎo)體后段工藝中形成半導(dǎo)體晶圓的過孔的方法，包括圖案化過孔，用以形成所述過孔；在所述圖案化的過孔內(nèi)形成第一金屬粘著層的一部分，所述第一金屬粘著層的一部分的厚度為所述第一金屬粘著層的厚度的一半；冷卻所述晶圓；在所述圖案化的過孔內(nèi)形成所述第一金屬粘著層的剩余部分，所述第一金屬粘著層的剩余部分的厚度為所述第一金屬粘著層的厚度的一半；以及在所述圖案化的過孔內(nèi)的所述第一金屬粘著層上形成第二金屬粘著層。 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種在半導(dǎo)體后段工藝中形成半導(dǎo)體晶圓過孔的方法，包括形成第一金屬層；圖案化過孔，用以形成所述過孔；形成第一金屬粘著層的一部分，其位于所述圖案化的過孔內(nèi)，所述第一金屬粘著層的一部分的厚度為所述第一金屬粘著層的厚度的一半；冷卻所述晶圓；形成所述第一金屬粘著層的剩余部分，其位于所述圖案化的過孔內(nèi)，所述第一金屬粘著層的一部分的厚度為所述第一金屬粘著層的厚度的一半；以及形成第二金屬粘著層，其位于所述圖案化的過孔內(nèi)的所述第一金屬粘著層內(nèi)部；形成金屬插塞，其位于所述圖案化的過孔內(nèi)的所述第一以及第二金屬粘著層內(nèi)部。過孔粘著層后段工藝，包括形成金屬粘著層(例如鈦層)的第一部分，其位于圖案化過孔內(nèi)，以及從沉積室移出該晶圓，以及將該晶圓移入冷卻室進行冷卻步驟。然后，該晶圓會被移回沉積室以進行金屬粘著層的剩余部分的形成。然后，該晶圓會被移至另一沉積室以進行第二金屬粘著層(例如氮化鈦層)的形成，其位于該圖案化的過孔內(nèi)。此工藝可參考芯片負載-去負載-負載(LUL)工藝。通過使用LUL工藝可使晶圓的熱處理達最小化，并降低過孔界面的鋁突出現(xiàn)象。本發(fā)明上述或其他特征、觀點和具體實施例，將在具體實施方式
中詳盡描述。
為了更全面了解本發(fā)明以及其優(yōu)點，這里將具體實施方式
與相對應(yīng)的
如下圖I是說明示范的包括半導(dǎo)體晶圓上的單芯片的半導(dǎo)體電路的圖示包括；圖2是更詳細說明圖I電路內(nèi)部分連接過孔的圖示；圖3是透射電子顯微鏡圖像(TEM)，其說明常見的過孔形成工藝中的鋁突出現(xiàn)象；以及圖4是流程圖，其說明本發(fā)明在過孔形成過程中沉積金屬粘著層的實施方法。
具體實施例方式圖I是用以說明半導(dǎo)體電路100的實施例的圖示，其中該半導(dǎo)體電路100包括半導(dǎo)體晶圓上的單芯片。在圖I的實施例中，半導(dǎo)體電路100是存儲電路，其包括主要存儲部分120以及周邊部分122。主要存儲部分120包括形成存儲電路100的結(jié)構(gòu)，至于周邊部分122則包括內(nèi)連線(interconnects)和控制電路系統(tǒng)(control circuitry)。其中控制電路系統(tǒng)是主要存儲部分120和控制電路的聯(lián)系裝置，而內(nèi)連線是控制和存取主要存儲部分120之用。可理解的是關(guān)于本發(fā)明所描述的系統(tǒng)和方法的存儲電路(例如電路100)，其發(fā)明內(nèi)涵不僅限于存儲電路。更確切的說，在此所描述的系統(tǒng)和方法可應(yīng)用于任何后段工藝，不論其相關(guān)電路類型的差異。此外，在圖I的實施例說明中有兩個金屬層108和110，而本發(fā)明所描述的系統(tǒng)和方法可延伸至具有更少或更多金屬層的電路，而本實施例僅針對兩層金屬層的系統(tǒng)加以說明。電路100包括使用各種公知的半導(dǎo)體工藝技術(shù)構(gòu)建的數(shù)個層。例如，電路100包括使用前段工藝技術(shù)制造的元件層124，以及使用后段工藝技術(shù)制造的內(nèi)線路層126。元件層124可包括數(shù)個次層。這些次層可包括阱102，其可包括硅阱和許多經(jīng)離子注入的區(qū)域，例如漏極和源極。該半導(dǎo)體阱和離子注入?yún)^(qū)域可采用公知的半導(dǎo) 體技術(shù)形成。然后，在阱102的上形成一層字/位線層104。字/位線層104可包括各種內(nèi)連線，例如使用公知的半導(dǎo)體技術(shù)形成的字線和位線。然后儲存層106可形成在字/位線層104上方。內(nèi)連線層126可包括數(shù)個金屬層，如實施例說明的第一金屬層108和第二金屬層110。第一金屬層108和第二金屬層110可包括金屬接點(例如金屬接點128和130)和內(nèi)連線過孔(例如過孔112，114和116)，以連結(jié)所示的金屬接點130和128。另外，過孔(例如過孔118，121，123，125)也可包括在連結(jié)金屬接點128和元件層124內(nèi)的各種金屬層。圖2是更詳盡說明內(nèi)連線層126的一部分的圖示。圖2說明在內(nèi)連線層126中金屬層一 108周圍的過孔112的一部分。過孔112被局限在上方金屬接點130和下方金屬接點128之間。如圖2中所示，金屬接點(例如；金屬接點128)可包括多個金屬層。而這些金屬層可包括鈦層206、氮化鈦層210和鋁層208?？衫斫獾氖窃趫D2的實施例中金屬層128包括鈦層206、氮化鈦層210和鋁層208，其他金屬層也可被另外包括進去，或取代圖2所說明的這些金屬層。舉例來說，鋁層208可被鋁銅層取代。此外，過孔112可包括金屬粘著層214和216以及鎢插塞212。誠如上述解釋，金屬粘著層216可包括使用有機金屬化學氣相沉積法生長的氮化鈦層，而金屬粘著層214可包括使用離子化金屬等離子體物理氣相沉積法長成的鈦層。在常見用于形成金屬粘著層214和216的工藝中，在過孔界面會有鋁層208的突出現(xiàn)象，此現(xiàn)象尤以部分連接過孔(Un-landing VIA)較之完全連接(landing VIA)過孔更為嚴重。在圖3中說明。圖3是透射電子顯微鏡影像，用以說明在過孔112的下緣部分304的鋁層突出現(xiàn)象。在圖3透射電子顯微鏡影像中過孔112上緣部分302并未受影響；然而，下緣部分304的鋁層突出會增加通過過孔112連結(jié)的電阻并降低可靠度。在圖3說明的突出現(xiàn)象的發(fā)生起因于影響金屬粘著層214和216的沉積所需要的溫度循環(huán)(例如溫度和時間)，并會實質(zhì)上造成鋁層208的熔化。圖4是說明形成過孔(例如過孔112)的工藝的圖示，關(guān)于其系統(tǒng)和方法的一實施例描述于此。首先，在步驟402，第一金屬層(金屬層)可被形成。該金屬層可實質(zhì)地包括多個金屬層，如圖2所說明的金屬接點128。因此，在步驟402可包括鈦層、氮化鈦層、鋁層、第二鈦層和第二氮化鈦層的形成。舉例來說，這些金屬層可經(jīng)由物理氣相沉積法，或更具體地由離子化金屬等離子體物理氣相沉積法來形成。在步驟404中，過孔(例如過孔112)會被圖案化，以及在步驟406中，該晶圓會被除氣(degassed)。在步驟408中，該晶圓會被移入前清潔室(PC II )，在步驟410中，該晶圓會由前清潔室移出，并移入冷卻室(CH A)。在步驟412中，該晶圓會從冷卻室(CH A)中被移出，并移入第一金屬粘著層沉積室(CH1)，例如鈦層214會在圖案化的過孔內(nèi)形成；然而，只形成該金屬層的一部分。然后，在步驟414中，該晶圓從第一金屬粘著層沉積室(CHl)中被移出，并移回冷卻室或移回至該負載室，該晶圓被再次冷卻。因為鈦會吸收氧氣，所以當晶圓暴露 在大氣中時不會產(chǎn)生天然氧化物的問題。然后，在步驟416中，該晶圓移回至第一金屬粘著層沉積室中(CH1)，且形成該粘著層的剩余部分。此種負載、去負載、負載工藝，可降低整體晶圓的熱效應(yīng)和避免鋁突出現(xiàn)象。該鈦層可采用離子化金屬等離子體物理氣相沉積法形成。舉例來說，對于一層厚度為400埃的鈦層而言，可以先形成厚度為200埃的鈦層，再形成另一厚度為200埃的鈦層。因此，鈦層的厚度可以維持在400埃,而不會過度施壓于(Stressing)該晶圓。每一個在第一金屬粘著層沉積室(CHl)形成該第一金屬粘著層的一部分與剩余部分的步驟會維持在約100° C到300° C，優(yōu)選為200° C約10秒到50秒，優(yōu)選為49秒。然而，可以理解的是，經(jīng)由實施例所提供的條件范圍和溫度需視其不同情況而定。然后，在步驟418中，該晶圓會被移至另一沉積室(CH2或CH3)用于第二金屬粘著層的形成，例如氮化鈦層216。該第二金屬粘著層可采用有機金屬化學氣相沉積法來形成。該沉積室(CH2或CH3)工藝的溫度約300° C到450° C，優(yōu)選為450° C而時間約50秒到200秒，優(yōu)選為100 177秒。在步驟420中，該晶圓會被移出并移入第二冷卻室(CH B)。然后，在步驟422中，鎢插塞可被形成在圖案化的過孔內(nèi)。然后，在步驟424中，鎢插塞會被研磨，例如使用化學機械研磨法(CMP)，以及在步驟426中，該第二金屬層會被形成。該第二金屬層會實質(zhì)地包括多個金屬層，如第二圖說明的金屬接點130。因此，在步驟402中，會包括鈦層、一層氮化鈦層，鋁層，第二鈦層和第二氮化鈦層的形成。而這些金屬層可經(jīng)由物理氣相沉積法，或更具體地由離子化金屬等離子體物理氣相沉積法來形成。因此，通過實施圖4的工藝，可避免鋁層突出現(xiàn)象，而仍然可以維持鈦層厚度，并可增進裝置穩(wěn)定性和降低故障率。參考前述優(yōu)選實施例以及其他詳細說明范例，本發(fā)明內(nèi)容已公開如上，應(yīng)該了解的是，上述范例僅作為例示之用，非用于限制本發(fā)明的范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)可對上述范例進行更改或組合，但其內(nèi)容仍應(yīng)屬于本發(fā)明的范疇，并受到下述權(quán)利要求的限制。
權(quán)利要求
1.一種在半導(dǎo)體后段工藝中形成半導(dǎo)體晶圓的過孔的方法，包括 圖案化過孔，用以形成所述過孔； 在所述圖案化的過孔內(nèi)形成第一金屬粘著層的一部分，所述第一金屬粘著層的一部分的厚度為所述第一金屬粘著層的厚度的一半； 冷卻所述晶圓； 在所述圖案化的過孔內(nèi)形成所述第一金屬粘著層的剩余部分，所述第一金屬粘著層的剩余部分的厚度為所述第一金屬粘著層的厚度的一半；以及 在所述圖案化的過孔內(nèi)的所述第一金屬粘著層上形成第二金屬粘著層。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，在所述形成第一金屬粘著層的一部分的步驟前，還包括清潔所述晶圓的步驟。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，在所述清潔所述晶圓的步驟之后，且在所述形成所述第一金屬粘著層的一部分的步驟之前，還包括冷卻所述晶圓的步驟。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，在所述形成第二金屬粘著層的步驟之后，還包括冷卻所述晶圓的步驟。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述形成第一金屬粘著層的一部分的步驟，包括沉積所述第一金屬粘著層的一部分于所述圖案化的過孔內(nèi)。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中沉積所述第一金屬粘著層的一部分的步驟使用物理氣相沉積法。
7.如權(quán)利要求I所述的方法，其中形成所述第一金屬粘著層的剩余部分的步驟，包括沉積所述第一金屬粘著層的剩余部分于所述圖案化的過孔內(nèi)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中沉積所述第一金屬粘著層的剩余部分的步驟使用物理氣相沉積法。
9.如權(quán)利要求I所述的方法，其中形成所述第二金屬粘著層的步驟，包括沉積所述第二金屬粘著層于所述圖案化的過孔內(nèi)。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中沉積所述第二金屬粘著層的步驟使用有機金屬化學氣相沉積法。
11.如權(quán)利要求I所述的方法，還包括在所述圖案化的過孔內(nèi)所述第一以及第二金屬粘著層內(nèi)部形成金屬插塞的步驟。
12.—種在半導(dǎo)體后段工藝中形成半導(dǎo)體晶圓過孔的方法，包括 形成第一金屬層； 圖案化過孔，用以形成所述過孔； 形成第一金屬粘著層的一部分，其位于所述圖案化的過孔內(nèi)，所述第一金屬粘著層的一部分的厚度為所述第一金屬粘著層的厚度的一半； 冷卻所述晶圓； 形成所述第一金屬粘著層的剩余部分，其位于所述圖案化的過孔內(nèi)，所述第一金屬粘著層的一部分的厚度為所述第一金屬粘著層的厚度的一半；以及 形成第二金屬粘著層，其位于所述圖案化的過孔內(nèi)的所述第一金屬粘著層內(nèi)部； 形成金屬插塞，其位于所述圖案化的過孔內(nèi)的所述第一以及第二金屬粘著層內(nèi)部。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，在所述形成第一金屬粘著層的一部分的步驟前，還包括清潔所述晶圓的步驟。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，在所述清潔所述晶圓的步驟之后，且在所述形成所述第一金屬粘著層的一部分的步驟之前，還包括冷卻所述晶圓的步驟。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，在所述形成第二金屬粘著層的步驟之后，還包括冷卻所述晶圓的步驟。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述形成第一金屬粘著層的第一部分的步驟，包括沉積所述第一金屬粘著層的一部分于所述圖案化的過孔內(nèi)的步驟。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中沉積所述第一金屬粘著層的一部分的步驟使用物理氣相沉積法。
18.如權(quán)利要求12所述的方法，其中形成所述第一金屬粘著層的剩余部分的步驟，包括沉積所述第一金屬粘著層的剩余部分于所述圖案化的過孔內(nèi)。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中沉積所述第一金屬粘著層的剩余部分使用物理氣相沉積法。
20.如權(quán)利要求12所述的方法，其中形成所述第二金屬粘著層的步驟，包括沉積所述第二金屬粘著層于所述圖案化的過孔內(nèi)。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中沉積所述第二金屬粘著層的步驟，使用有機金屬化學氣相沉積法。
22.如權(quán)利要求12所述的方法，其中形成所述第一金屬粘著層的一部分包括加熱所述晶圓至攝氏100 300° C。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中形成所述第一金屬粘著層的一部分包括加熱所述晶圓10 50秒。
24.如權(quán)利要求12所述的方法，其中形成所述第一金屬粘著層的剩余部分包括加熱所述晶圓至攝氏100 300° C。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其中形成所述第一金屬粘著層的剩余部分包括加熱所述晶圓10 50秒。
26.如權(quán)利要求12所述的方法，其中形成所述第二金屬粘著層包括加熱所述晶圓至攝氏 350 450° Co
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其中形成所述第二金屬粘著層包括加熱所述晶圓50 .200 秒。
全文摘要
一種在半導(dǎo)體后段工藝中形成過孔的方法，包括沉積圖案化過孔內(nèi)部的第一金屬粘著層的一部分，接著冷卻步驟。在所述冷卻步驟之后，再形成第一金屬粘著層的剩余部分，并形成所述圖案化過孔內(nèi)部的第二金屬粘著層。形成所述第一金屬粘著層的剩余部分的工藝可參考芯片負載-去負載-負載(load,unload,load LUL)工藝。經(jīng)由使用負載-去負載-負載(LUL)工藝，工藝中芯片溫度可降低，并降低在過孔界面的鋁突出現(xiàn)象。
文檔編號H01L21/768GK102881637SQ20121029805
公開日2013年1月16日 申請日期2007年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月22日
發(fā)明者駱統(tǒng), 黃啟東, 陳光釗, 姜瓊?cè)A 申請人:旺宏電子股份有限公司