專利名稱：制作半導(dǎo)體器件中金屬薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制作半導(dǎo)體器件中金屬薄膜的方法，更準(zhǔn)確地說是應(yīng)用共濺射系統(tǒng)中的共濺射方法淀積鉑(Pt)和鈦(Ti)或鉑和鉭(Ta)而制作金屬薄膜的方法，從而提高與襯底的結(jié)合力和電極特性；上述金屬薄膜可用作微熱元(micro-heater)、引線腳(pad)和擴(kuò)散阻擋層材料。
在集成電路中金屬薄膜的制作工藝有下述三種重要功能(1)元件的連接；(2)元件間的互相連接；(3)集成塊與外部電路之間的相互連接。在集成電路中，薄膜金屬制作工藝對(duì)器件生產(chǎn)能力和可靠性有最為重要的影響。
在薄膜的制作過程中，金屬的處理不準(zhǔn)影響元件或材料的性質(zhì)，制成的金屬薄膜不能從襯底上脫落剝離。
舉例來說，眾所周知，金(Au)不與二氧化硅膜(SiO2)或氮化硅膜(Si3N4)結(jié)合；而鈦(Ti)與二氧化硅膜或氮化硅膜具有良好的結(jié)合強(qiáng)度。
該金屬必須易于制作掩模和蝕刻而不影響其他材料。
另外，要求金屬高溫穩(wěn)定，金屬必須適于與金或鋁連接，或釬焊。
再者，要求該金屬的導(dǎo)電性好，接觸電阻低。則所用金屬應(yīng)滿足下述條件(1)不易氧化，具有熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性；(2)不易腐蝕；(3)所用金屬非常適于該金屬處理工藝，能在淀積過程中均勻形成薄膜。
盡管鋁的導(dǎo)電性不良，抗蝕性差，但具有許多其他優(yōu)異性能且易于制作加工，所以，制作工藝中廣泛采用金屬鋁。
但是，在鋁膜淀積后還要在高溫下進(jìn)行后續(xù)處理，或器件要使用在高溫環(huán)境的情況下，則不宜采用鋁金屬處理工藝。
鉑/鈦或鉑/鉭雙層復(fù)合金屬材料常用作鐵電介質(zhì)電容的電極材料；此外，金(Au)/鉻(Cr)/鎳(Ni)、金/鈦、鎳鐵合金等用作電極或微熱元的材料。
在鐵電介質(zhì)電容電極材料中，在襯底和鉑極之間淀積鈦或鉭，因而鈦或鉭用作電極的粘結(jié)層和擴(kuò)散阻擋層。


圖1表示硅晶片上淀積了鉑/鈦和鉑/鉭的橫截面結(jié)構(gòu)。參閱圖1a和1b，在退火環(huán)境中，金屬薄膜內(nèi)發(fā)生交互擴(kuò)散，就會(huì)改變前期濺射淀積的金屬薄膜的狀態(tài)。
亦即，在硅晶片濺射淀積鉑/鈦膜后，在真空和氧氣氛下對(duì)器件進(jìn)行退火，其剖面結(jié)構(gòu)如圖1a所示；在硅晶片上濺射淀積鉑/鉭膜后，在真空和氧氣氛下對(duì)器件進(jìn)行退火，其剖面結(jié)構(gòu)如圖1b所示。
圖2a和2b表示鉑/鈦膜的俄歇電子能譜技術(shù)深度分析曲線。
圖2a表示在500℃的氧氣氛中加熱30分鐘的深度分析曲線。圖2b表示在800℃氧氣氛中加熱30分鐘的深度分析曲線。參閱圖2a和2b可看出，因高溫?zé)崽幚戆l(fā)生嚴(yán)重交互擴(kuò)散。
另外，其他實(shí)施例中還有在半導(dǎo)體器件中淀積引腳和微熱元的工藝。圖3a-3h表示其工藝流程。
首先，在拋光硅基片1(如圖3a)之后，在硅基片1上滲硼(圖3b)在硅基片1兩面上用低壓化學(xué)氣相淀積裝置(LPCVD)淀積厚約500-2500的氮化硅(Si3N4)薄膜2(如圖3c所示)；然后在已淀積氮化硅薄膜2的基片上淀積鉑/鈦或鉑/鉭，從而制成溫度傳感元3a和下電極或微熱元3b(如圖3d)；再用濺射工藝在整個(gè)襯底表面淀積氮化硅薄膜4(如圖3e)，對(duì)溫度傳感元3a和下電極或微熱元3b接觸孔上覆蓋絕緣膜，用反應(yīng)離子蝕刻(RIE)方法進(jìn)行干法蝕刻，以用于線連接(圖3f)；濺射沉積鉑/鈦或鉑/鉭而制成上電極5(如圖3g)；再用諸如鉑/鈦或鉑/鉭等上電極材料濺射沉積制成溫度傳感元的引腳6a和下電極或微熱元的引腳6b(如圖3h)。最后再進(jìn)行退火處理。
圖4表示在鉭用作粘結(jié)膜時(shí)引腳處金屬薄膜的俄歇電子能譜深度分析曲線，從圖4可看出，鉭全都氧化了。
因此，下電極及隨后淀積的引腳間的接觸電阻增加，因而可能造成觸接脫開。
即使在氮?dú)夥栈蛘婵諣顟B(tài)下進(jìn)行回火，在淀積鉑/鈦或鉑/鉭之后進(jìn)行高溫處理的情況下，氧從元件內(nèi)部或外部進(jìn)行擴(kuò)散，或在金屬間產(chǎn)生交互擴(kuò)散，這樣便改變了前期淀積金屬膜的本質(zhì)特性。
如上所述，把普通鉑/鈦或鉑/鉭金屬薄膜用作鐵電介電薄膜的下電極，因?yàn)殡姌O的熱處理或在下電極上淀積介電薄膜時(shí)的高溫及氣氛中，在該金屬薄膜內(nèi)就會(huì)發(fā)生交互擴(kuò)散，從而導(dǎo)致其電極性能不同于射頻濺射淀積金屬薄膜時(shí)的初始狀態(tài)；進(jìn)而鐵電介質(zhì)薄膜的介電特性變差。
另外，鉑/鈦、鉑/鉭、金/鈦等雙層金屬薄膜用作微熱元和引腳材料時(shí)，由于作為引腳金屬材料的鈦和鉭發(fā)生擴(kuò)散，可能會(huì)改變金屬薄膜的特性。再者，由于引腳處的粘結(jié)膜氧化可能會(huì)產(chǎn)生觸接不良問題。
為了解決傳統(tǒng)工藝存在的上述問題，本發(fā)明目的在于提出一種淀積金屬電極的工藝方法，其中制作的金屬電極在材料和結(jié)構(gòu)上交互擴(kuò)散較小，從而成為在高溫加熱下防止擴(kuò)散的擴(kuò)散阻擋層，且不對(duì)諸如鐵電薄膜的鐵電特性產(chǎn)生壞的影響。
本發(fā)明還有下述目的在用濺射方法淀積的金屬在高溫下用作微熱元和電極膜時(shí)，要能防止金屬薄膜的性質(zhì)隨時(shí)間推移而改變及解決元件引腳的接觸不良問題。
為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明提出制作半導(dǎo)體器件金屬薄膜的方法，其步驟如下將貴重金屬材料和金屬共濺射在基片上，從而形成一層混合金屬粘結(jié)薄膜，上述金屬與襯底之間具有良好的粘結(jié)性能；然后，在混合金屬粘結(jié)膜上再濺射淀積上述貴重金屬，以形成金屬薄膜。
圖1a和1b表示在用傳統(tǒng)方法濺射淀積金屬薄膜后，對(duì)元件在真空和氧氣氛下進(jìn)行熱處理的結(jié)構(gòu)剖面圖；圖2a是俄歇電子能譜深度分析曲線，其中，以傳統(tǒng)方法制作的鉑/鈦電極進(jìn)行500℃的熱處理；圖2b是俄歇電子能譜深度分析曲線，其中，以傳統(tǒng)方法制作的鉑/鈦電極進(jìn)行800℃的熱處理；圖3a-3h是在半導(dǎo)體器件上用傳統(tǒng)方法淀積微熱元、極板和引腳的示意工藝過程的截面圖4是表示采用傳統(tǒng)方法、具有鉑/鈦結(jié)構(gòu)的引腳/下電極處的俄歇電子能譜深度分析曲線；圖5是本發(fā)明的共濺射系統(tǒng)組成簡(jiǎn)圖；圖6a和6b表示根據(jù)本發(fā)明方法制作的金屬薄膜的結(jié)構(gòu)剖面；圖7a-7k是顯示采用本發(fā)明的共濺射方法制作氣體敏感元件的截面圖；圖8是鉑/鉭粘接膜的俄歇電子能譜深度分析曲線圖，該粘接膜是采用本發(fā)明的共濺射工藝制作的。
在此參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
在本發(fā)明中，用共濺射系統(tǒng)中采用的濺射淀積方法在硅基底上同時(shí)淀積兩種金屬，如圖5所示，故此，鉑/鈦或鉑/鉭相互混合堆積。
在根據(jù)本發(fā)明的一種金屬薄膜制作方法中，在金屬薄膜用作介質(zhì)電容下電極的情況下，下電極可按圖6a和6b的順序淀積。參閱圖6a，首先，依照在硅基底上共濺射淀積鉑/鈦或鉑/鉭的方法，在淀積中吹氧量為幾到幾十個(gè)標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘，從而促進(jìn)鈦和鉭氧化(TiO2、TaOx)。
若不通氧氣完成濺射淀積，則要隨后在氧氣氛中對(duì)器件進(jìn)行400-600℃溫度的退火而使鉭氧化；但在通氧濺射淀積時(shí)生成的鈦或鉭氧化膜比退火形成的氧化膜穩(wěn)定。
圖6b表示在襯底上淀積擴(kuò)散阻擋層，該圖表示，在把氬(Ar)和(N2)混合氣體吹向鈦靶時(shí)，采用反應(yīng)濺射方法濺射淀積制作氮化鈦(TiN)薄膜。
當(dāng)退火溫度低于600℃時(shí)，氮化鈦薄膜起擴(kuò)散阻擋層作用，即便單獨(dú)采用，其性能仍很優(yōu)異；但是，當(dāng)退火溫度高于650℃時(shí)，硅可從硅襯底擴(kuò)散穿過氮化鈦薄膜。
為解決上述問題，在共濺射淀積的鉑/鈦、鉑/鉭厚約1000的金屬薄膜之上，再以2-5W/cm2的功率密度淀積厚為100-1000的氮化鈦薄膜；這樣，擴(kuò)散阻擋層的高溫性能可得以改善。
圖7a-7k是氣體敏感元件制作過程，其中采用本發(fā)明的共濺射方法淀積微熱元、引腳等，先拋光P型硅襯底10，如圖7a所示，其次在硅襯底10中滲硼，如圖7b所示；再次，在硅襯底10的兩面用低壓化學(xué)氣相沉積裝置淀積厚約500-2500的氮化硅(Si3N4)薄膜20，如圖7c所示；在硅襯底的氮化硅薄膜20上制作微熱元30，如圖7d所示，更確切地說，用共濺射方法淀積鉑/鈦或鉑/鉭制成厚約200-1500的粘結(jié)膜，然后在該粘結(jié)膜上淀積厚為500-1μm的鉑膜而制成微熱元30。
在上述微熱元30中的鉑層之下淀積鉑/鈦或鉑/鉭混合金屬薄膜，旨在提高粘結(jié)強(qiáng)度和形成擴(kuò)散阻擋層，該混合金屬膜的最優(yōu)厚度是500另外，鉑是耐高溫材料，故其發(fā)熱特性和電阻隨溫度變化的特性優(yōu)異。因此鉑同時(shí)用作微熱元30、溫度傳感元60a和電極60b。
當(dāng)共濺射淀積粘結(jié)膜時(shí)，吹氧流量為1-5標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘。這是因?yàn)橐拐辰Y(jié)膜內(nèi)的鈦或鉭氧化從而使經(jīng)高溫處理后的粘結(jié)膜的性能穩(wěn)定。
按上述方法制成微熱元30之后，再用反應(yīng)濺射方法淀積氮化硅膜，該膜絕緣性好且兼具優(yōu)良的導(dǎo)熱性，易于將微熱元30產(chǎn)生的熱傳給隨后制成的敏感膜，該氮化硅膜就成為中間絕緣層40，如圖7e所示；在用光刻工藝在其上按圖型布上光刻膠后，用反應(yīng)離子蝕刻工藝對(duì)氮化硅薄膜40進(jìn)行有選擇性的干法蝕刻，從而制成把要焊線處暴露出來引腳孔，如圖7f所示。
用鉻掩膜在前述制成結(jié)構(gòu)的整個(gè)表面再組排分布光刻膠，再淀積鉑/鈦或鉑/鉭等粘結(jié)金屬材料，其厚度為200-1500，把鉑積淀為厚為3000-1μm的電極，然后，如圖7g和7h所示，用剝離工藝分別制成微熱元引腳50a、溫度傳感元60a和電極60b。
隨后，如圖7i所示，用濺射方法淀積厚為3000-5000鉑膜，這就制成微熱元引腳70a和溫度傳感元引腳70b；在電極60b上分別淀積ZnO/Al2O3敏感膜80a和SnO2/Pd敏感膜80b。
這次，敏感膜的最優(yōu)厚度為500-2000完成上述正面的加工過程之后，用反應(yīng)離子蝕刻工藝在硅襯底10的背面制作蝕刻窗口，如圖7j所示。然后用KOH溶液進(jìn)行各向異性蝕刻，一直腐蝕到在硅襯底正面表面制成的氮化硅薄膜時(shí)蝕刻才終止，形成如圖7K所示的結(jié)構(gòu)。
在將按上述方法制作的微熱元30、溫度傳感元60a和極板60b的引腳焊線后，就對(duì)元件的加熱特性和電特性予以測(cè)量，測(cè)量表明，元件在250-450℃的加熱器工作溫度范圍中表現(xiàn)出穩(wěn)定的加熱特性和恒定的導(dǎo)電性。
溫度傳感元在300℃時(shí)其電阻值約為700Ω。
根據(jù)上述結(jié)果可知，雖然在上述實(shí)施例中鉑/鈦或鉑/鉭受到氧化，而鉑層幾乎不氧化，故可在鉑層中實(shí)現(xiàn)良好導(dǎo)電，從而制成的器件粘結(jié)或電接觸都不錯(cuò)。
圖8表示對(duì)用共濺射方法淀積的金屬薄膜中粘結(jié)膜進(jìn)行的俄歇電子能譜技術(shù)分析曲線，從圖中可以看出，金屬薄膜的成份沿厚度方向分布是均勻的。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述貴金屬是從下組中選用的Pt、Au、Ag、Pd、Rh；而與基片粘接性良好的金屬取自下組Ti、Ta、Ni、Cr和Mo。
再者，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，襯底材料取自下組Si、SiO2和Si3N4及MgO。
如上所述，用共濺射淀積方法制作電極、微熱元和引腳的方法可廣泛用于半導(dǎo)體器件的金屬薄膜制作。
對(duì)于傳統(tǒng)方法，由于淀積過程或熱處理過程中，鈦和鉭接觸裝置內(nèi)的氣氛而氧化，則造成開路問題，即上下電極間不導(dǎo)電；相反，在本發(fā)明中，鉑與上述鈦和鉭金屬一起共濺射淀積，故形成電流通路而解決開路問題；進(jìn)而，Ti和Ta氧化而穩(wěn)定金屬薄膜的特性，故該薄膜起擴(kuò)散阻擋作用，從而防止襯底的硅和薄膜中的Ti和Ta向上層擴(kuò)散，同時(shí)還保持與硅襯底的粘結(jié)強(qiáng)度。
因此，本發(fā)明可用于制作需高溫加熱處理的鐵電介質(zhì)電容的下電極以及半導(dǎo)體應(yīng)用器件中的微熱元和引腳。
權(quán)利要求
1.一種制作半導(dǎo)體器件金屬薄膜的方法，包括步驟在襯底上共濺射貴重金屬材料和金屬，而制成混合金屬粘結(jié)膜，上述金屬對(duì)上述襯底具有優(yōu)良的粘結(jié)性能；在上述混合粘結(jié)膜之上再濺射淀積上述貴重金屬材料而制成金屬薄膜。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件金屬薄膜制作方法，其特征在于，上述貴重金屬材料是指Pt、Au、Ag、Pd和Rh中的任一種。
3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件金屬薄膜制作方法，其特征在于，與所述襯底具有良好粘結(jié)性能的所述金屬系指Ti、Ta、Ni、Cr和Mo中的任一種。
4.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件金屬薄膜制作方法，其特征在于，上述襯底是指Si、SiO2、Si3N4和MgO中的任一種。
5.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件金屬薄膜制作方法，其特征在于，在所述制作上述混合金屬粘結(jié)膜的步驟中，淀積時(shí)吹入流量為幾到幾十個(gè)標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘的氧，從而進(jìn)行濺射淀積。
6.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件金屬薄膜制作方法，其特征在于，在上述制作所述混合金屬粘結(jié)膜步驟之后，還包括在所述混合金屬層上淀積擴(kuò)散阻擋層的步驟。
7.如權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體器件金屬薄膜制作方法，其特征在于，通過淀積TiN而制成上述擴(kuò)散阻擋層。
8.如權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體器件金屬薄膜制作方法，其特征在于，上述擴(kuò)散阻擋層厚度為100-1000
9.如權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體器件金屬薄膜制作方法，其特征在于，通過吹A(chǔ)r和N2的混合氣體及采用反應(yīng)濺射方法濺射淀積上述的擴(kuò)散阻擋層。
10.制作氣體敏感元件的方法，包括下述步驟在淀積有氮化硅薄膜的硅襯底上共濺射淀積貴重金屬材料和金屬，而制成混合金屬粘結(jié)膜，上述金屬與上述襯底間有良好的粘結(jié)性；在上述混合金屬粘結(jié)膜上濺射淀積上述貴重金屬材料，從而制成微熱元。
11.如權(quán)利要求10所述的氣體敏感元件制作方法，其特征在于，上述混合金屬粘結(jié)膜制作的厚度為200-1500
12.如權(quán)利要求10所述的氣體敏感元件制作方法，其特征在于，上述微熱元制作的厚度為500-1μm。
13.如權(quán)利要求10所述的氣體敏感元件制作方法，其特征在于，在所述制作上述微熱元的步驟之后，還包括進(jìn)行熱處理的步驟。
全文摘要
一種半導(dǎo)體器件金屬薄膜制作方法，包括下述步驟；在襯底上共濺射淀積貴重金屬材料和金屬而制成混合金屬粘結(jié)膜，所述金屬與所述襯底具有優(yōu)良的粘結(jié)性能；在上述混合金屬粘結(jié)膜上再濺射淀積所述貴金屬材料而制成金屬薄膜。
文檔編號(hào)H01L21/02GK1118110SQ95107079
公開日1996年3月6日 申請(qǐng)日期1995年6月22日 優(yōu)先權(quán)日1994年6月22日
發(fā)明者申雨, 權(quán)哲漢, 洪炯基, 李圭晶, 樸炫洙, 尹童, 金成泰 申請(qǐng)人:Lg電子株式會(huì)社