专利名称：制作半导体器件中金属薄膜的方法
技术领域：
本发明涉及制作半导体器件中金属薄膜的方法，更准确地说是应用共溅射系统中的共溅射方法淀积铂(Pt)和钛(Ti)或铂和钽(Ta)而制作金属薄膜的方法，从而提高与衬底的结合力和电极特性；上述金属薄膜可用作微热元(micro-heater)、引线脚(pad)和扩散阻挡层材料。
在集成电路中金属薄膜的制作工艺有下述三种重要功能(1)元件的连接；(2)元件间的互相连接；(3)集成块与外部电路之间的相互连接。在集成电路中，薄膜金属制作工艺对器件生产能力和可靠性有最为重要的影响。
在薄膜的制作过程中，金属的处理不准影响元件或材料的性质，制成的金属薄膜不能从衬底上脱落剥离。
举例来说，众所周知，金(Au)不与二氧化硅膜(SiO2)或氮化硅膜(Si3N4)结合；而钛(Ti)与二氧化硅膜或氮化硅膜具有良好的结合强度。
该金属必须易于制作掩模和蚀刻而不影响其他材料。
另外，要求金属高温稳定，金属必须适于与金或铝连接，或钎焊。
再者，要求该金属的导电性好，接触电阻低。则所用金属应满足下述条件(1)不易氧化，具有热稳定性和化学稳定性；(2)不易腐蚀；(3)所用金属非常适于该金属处理工艺，能在淀积过程中均匀形成薄膜。
尽管铝的导电性不良，抗蚀性差，但具有许多其他优异性能且易于制作加工，所以，制作工艺中广泛采用金属铝。
但是，在铝膜淀积后还要在高温下进行后续处理，或器件要使用在高温环境的情况下，则不宜采用铝金属处理工艺。
铂/钛或铂/钽双层复合金属材料常用作铁电介质电容的电极材料；此外，金(Au)/铬(Cr)/镍(Ni)、金/钛、镍铁合金等用作电极或微热元的材料。
在铁电介质电容电极材料中，在衬底和铂极之间淀积钛或钽，因而钛或钽用作电极的粘结层和扩散阻挡层。
图1表示硅晶片上淀积了铂/钛和铂/钽的横截面结构。参阅图1a和1b，在退火环境中，金属薄膜内发生交互扩散，就会改变前期溅射淀积的金属薄膜的状态。
亦即，在硅晶片溅射淀积铂/钛膜后，在真空和氧气氛下对器件进行退火，其剖面结构如图1a所示；在硅晶片上溅射淀积铂/钽膜后，在真空和氧气氛下对器件进行退火，其剖面结构如图1b所示。
图2a和2b表示铂/钛膜的俄歇电子能谱技术深度分析曲线。
图2a表示在500℃的氧气氛中加热30分钟的深度分析曲线。图2b表示在800℃氧气氛中加热30分钟的深度分析曲线。参阅图2a和2b可看出，因高温热处理发生严重交互扩散。
另外，其他实施例中还有在半导体器件中淀积引脚和微热元的工艺。图3a-3h表示其工艺流程。
首先，在抛光硅基片1(如图3a)之后，在硅基片1上渗硼(图3b)在硅基片1两面上用低压化学气相淀积装置(LPCVD)淀积厚约500-2500的氮化硅(Si3N4)薄膜2(如图3c所示)；然后在已淀积氮化硅薄膜2的基片上淀积铂/钛或铂/钽，从而制成温度传感元3a和下电极或微热元3b(如图3d)；再用溅射工艺在整个衬底表面淀积氮化硅薄膜4(如图3e)，对温度传感元3a和下电极或微热元3b接触孔上覆盖绝缘膜，用反应离子蚀刻(RIE)方法进行干法蚀刻，以用于线连接(图3f)；溅射沉积铂/钛或铂/钽而制成上电极5(如图3g)；再用诸如铂/钛或铂/钽等上电极材料溅射沉积制成温度传感元的引脚6a和下电极或微热元的引脚6b(如图3h)。最后再进行退火处理。
图4表示在钽用作粘结膜时引脚处金属薄膜的俄歇电子能谱深度分析曲线，从图4可看出，钽全都氧化了。
因此，下电极及随后淀积的引脚间的接触电阻增加，因而可能造成触接脱开。
即使在氮气氛或真空状态下进行回火，在淀积铂/钛或铂/钽之后进行高温处理的情况下，氧从元件内部或外部进行扩散，或在金属间产生交互扩散，这样便改变了前期淀积金属膜的本质特性。
如上所述，把普通铂/钛或铂/钽金属薄膜用作铁电介电薄膜的下电极，因为电极的热处理或在下电极上淀积介电薄膜时的高温及气氛中，在该金属薄膜内就会发生交互扩散，从而导致其电极性能不同于射频溅射淀积金属薄膜时的初始状态；进而铁电介质薄膜的介电特性变差。
另外，铂/钛、铂/钽、金/钛等双层金属薄膜用作微热元和引脚材料时，由于作为引脚金属材料的钛和钽发生扩散，可能会改变金属薄膜的特性。再者，由于引脚处的粘结膜氧化可能会产生触接不良问题。
为了解决传统工艺存在的上述问题，本发明目的在于提出一种淀积金属电极的工艺方法，其中制作的金属电极在材料和结构上交互扩散较小，从而成为在高温加热下防止扩散的扩散阻挡层，且不对诸如铁电薄膜的铁电特性产生坏的影响。
本发明还有下述目的在用溅射方法淀积的金属在高温下用作微热元和电极膜时，要能防止金属薄膜的性质随时间推移而改变及解决元件引脚的接触不良问题。
为实现上述目标，本发明提出制作半导体器件金属薄膜的方法，其步骤如下将贵重金属材料和金属共溅射在基片上，从而形成一层混合金属粘结薄膜，上述金属与衬底之间具有良好的粘结性能；然后，在混合金属粘结膜上再溅射淀积上述贵重金属，以形成金属薄膜。
图1a和1b表示在用传统方法溅射淀积金属薄膜后，对元件在真空和氧气氛下进行热处理的结构剖面图；图2a是俄歇电子能谱深度分析曲线，其中，以传统方法制作的铂/钛电极进行500℃的热处理；图2b是俄歇电子能谱深度分析曲线，其中，以传统方法制作的铂/钛电极进行800℃的热处理；图3a-3h是在半导体器件上用传统方法淀积微热元、极板和引脚的示意工艺过程的截面图4是表示采用传统方法、具有铂/钛结构的引脚/下电极处的俄歇电子能谱深度分析曲线；图5是本发明的共溅射系统组成简图；图6a和6b表示根据本发明方法制作的金属薄膜的结构剖面；图7a-7k是显示采用本发明的共溅射方法制作气体敏感元件的截面图；图8是铂/钽粘接膜的俄歇电子能谱深度分析曲线图，该粘接膜是采用本发明的共溅射工艺制作的。
在此参照附图详细说明本发明的优选实施例。
在本发明中，用共溅射系统中采用的溅射淀积方法在硅基底上同时淀积两种金属，如图5所示，故此，铂/钛或铂/钽相互混合堆积。
在根据本发明的一种金属薄膜利记博彩app中，在金属薄膜用作介质电容下电极的情况下，下电极可按图6a和6b的顺序淀积。参阅图6a，首先，依照在硅基底上共溅射淀积铂/钛或铂/钽的方法，在淀积中吹氧量为几到几十个标准立方厘米/分钟，从而促进钛和钽氧化(TiO2、TaOx)。
若不通氧气完成溅射淀积，则要随后在氧气氛中对器件进行400-600℃温度的退火而使钽氧化；但在通氧溅射淀积时生成的钛或钽氧化膜比退火形成的氧化膜稳定。
图6b表示在衬底上淀积扩散阻挡层，该图表示，在把氩(Ar)和(N2)混合气体吹向钛靶时，采用反应溅射方法溅射淀积制作氮化钛(TiN)薄膜。
当退火温度低于600℃时，氮化钛薄膜起扩散阻挡层作用，即便单独采用，其性能仍很优异；但是，当退火温度高于650℃时，硅可从硅衬底扩散穿过氮化钛薄膜。
为解决上述问题，在共溅射淀积的铂/钛、铂/钽厚约1000的金属薄膜之上，再以2-5W/cm2的功率密度淀积厚为100-1000的氮化钛薄膜；这样，扩散阻挡层的高温性能可得以改善。
图7a-7k是气体敏感元件制作过程，其中采用本发明的共溅射方法淀积微热元、引脚等，先抛光P型硅衬底10，如图7a所示，其次在硅衬底10中渗硼，如图7b所示；再次，在硅衬底10的两面用低压化学气相沉积装置淀积厚约500-2500的氮化硅(Si3N4)薄膜20，如图7c所示；在硅衬底的氮化硅薄膜20上制作微热元30，如图7d所示，更确切地说，用共溅射方法淀积铂/钛或铂/钽制成厚约200-1500的粘结膜，然后在该粘结膜上淀积厚为500-1μm的铂膜而制成微热元30。
在上述微热元30中的铂层之下淀积铂/钛或铂/钽混合金属薄膜，旨在提高粘结强度和形成扩散阻挡层，该混合金属膜的最优厚度是500另外，铂是耐高温材料，故其发热特性和电阻随温度变化的特性优异。因此铂同时用作微热元30、温度传感元60a和电极60b。
当共溅射淀积粘结膜时，吹氧流量为1-5标准立方厘米/分钟。这是因为要使粘结膜内的钛或钽氧化从而使经高温处理后的粘结膜的性能稳定。
按上述方法制成微热元30之后，再用反应溅射方法淀积氮化硅膜，该膜绝缘性好且兼具优良的导热性，易于将微热元30产生的热传给随后制成的敏感膜，该氮化硅膜就成为中间绝缘层40，如图7e所示；在用光刻工艺在其上按图型布上光刻胶后，用反应离子蚀刻工艺对氮化硅薄膜40进行有选择性的干法蚀刻，从而制成把要焊线处暴露出来引脚孔，如图7f所示。
用铬掩膜在前述制成结构的整个表面再组排分布光刻胶，再淀积铂/钛或铂/钽等粘结金属材料，其厚度为200-1500，把铂积淀为厚为3000-1μm的电极，然后，如图7g和7h所示，用剥离工艺分别制成微热元引脚50a、温度传感元60a和电极60b。
随后，如图7i所示，用溅射方法淀积厚为3000-5000铂膜，这就制成微热元引脚70a和温度传感元引脚70b；在电极60b上分别淀积ZnO/Al2O3敏感膜80a和SnO2/Pd敏感膜80b。
这次，敏感膜的最优厚度为500-2000完成上述正面的加工过程之后，用反应离子蚀刻工艺在硅衬底10的背面制作蚀刻窗口，如图7j所示。然后用KOH溶液进行各向异性蚀刻，一直腐蚀到在硅衬底正面表面制成的氮化硅薄膜时蚀刻才终止，形成如图7K所示的结构。
在将按上述方法制作的微热元30、温度传感元60a和极板60b的引脚焊线后，就对元件的加热特性和电特性予以测量，测量表明，元件在250-450℃的加热器工作温度范围中表现出稳定的加热特性和恒定的导电性。
温度传感元在300℃时其电阻值约为700Ω。
根据上述结果可知，虽然在上述实施例中铂/钛或铂/钽受到氧化，而铂层几乎不氧化，故可在铂层中实现良好导电，从而制成的器件粘结或电接触都不错。
图8表示对用共溅射方法淀积的金属薄膜中粘结膜进行的俄歇电子能谱技术分析曲线，从图中可以看出，金属薄膜的成份沿厚度方向分布是均匀的。
根据本发明的优选实施例，所述贵金属是从下组中选用的Pt、Au、Ag、Pd、Rh；而与基片粘接性良好的金属取自下组Ti、Ta、Ni、Cr和Mo。
再者，根据本发明的实施例，衬底材料取自下组Si、SiO2和Si3N4及MgO。
如上所述，用共溅射淀积方法制作电极、微热元和引脚的方法可广泛用于半导体器件的金属薄膜制作。
对于传统方法，由于淀积过程或热处理过程中，钛和钽接触装置内的气氛而氧化，则造成开路问题，即上下电极间不导电；相反，在本发明中，铂与上述钛和钽金属一起共溅射淀积，故形成电流通路而解决开路问题；进而，Ti和Ta氧化而稳定金属薄膜的特性，故该薄膜起扩散阻挡作用，从而防止衬底的硅和薄膜中的Ti和Ta向上层扩散，同时还保持与硅衬底的粘结强度。
因此，本发明可用于制作需高温加热处理的铁电介质电容的下电极以及半导体应用器件中的微热元和引脚。
权利要求
1.一种制作半导体器件金属薄膜的方法，包括步骤在衬底上共溅射贵重金属材料和金属，而制成混合金属粘结膜，上述金属对上述衬底具有优良的粘结性能；在上述混合粘结膜之上再溅射淀积上述贵重金属材料而制成金属薄膜。
2.如权利要求1所述的半导体器件金属薄膜利记博彩app，其特征在于，上述贵重金属材料是指Pt、Au、Ag、Pd和Rh中的任一种。
3.如权利要求1所述的半导体器件金属薄膜利记博彩app，其特征在于，与所述衬底具有良好粘结性能的所述金属系指Ti、Ta、Ni、Cr和Mo中的任一种。
4.如权利要求1所述的半导体器件金属薄膜利记博彩app，其特征在于，上述衬底是指Si、SiO2、Si3N4和MgO中的任一种。
5.如权利要求1所述的半导体器件金属薄膜利记博彩app，其特征在于，在所述制作上述混合金属粘结膜的步骤中，淀积时吹入流量为几到几十个标准立方厘米/分钟的氧，从而进行溅射淀积。
6.如权利要求1所述的半导体器件金属薄膜利记博彩app，其特征在于，在上述制作所述混合金属粘结膜步骤之后，还包括在所述混合金属层上淀积扩散阻挡层的步骤。
7.如权利要求6所述的半导体器件金属薄膜利记博彩app，其特征在于，通过淀积TiN而制成上述扩散阻挡层。
8.如权利要求6所述的半导体器件金属薄膜利记博彩app，其特征在于，上述扩散阻挡层厚度为100-1000
9.如权利要求6所述的半导体器件金属薄膜利记博彩app，其特征在于，通过吹Ar和N2的混合气体及采用反应溅射方法溅射淀积上述的扩散阻挡层。
10.制作气体敏感元件的方法，包括下述步骤在淀积有氮化硅薄膜的硅衬底上共溅射淀积贵重金属材料和金属，而制成混合金属粘结膜，上述金属与上述衬底间有良好的粘结性；在上述混合金属粘结膜上溅射淀积上述贵重金属材料，从而制成微热元。
11.如权利要求10所述的气体敏感元件利记博彩app，其特征在于，上述混合金属粘结膜制作的厚度为200-1500
12.如权利要求10所述的气体敏感元件利记博彩app，其特征在于，上述微热元制作的厚度为500-1μm。
13.如权利要求10所述的气体敏感元件利记博彩app，其特征在于，在所述制作上述微热元的步骤之后，还包括进行热处理的步骤。
全文摘要
一种半导体器件金属薄膜利记博彩app，包括下述步骤；在衬底上共溅射淀积贵重金属材料和金属而制成混合金属粘结膜，所述金属与所述衬底具有优良的粘结性能；在上述混合金属粘结膜上再溅射淀积所述贵金属材料而制成金属薄膜。
文档编号H01L21/02GK1118110SQ95107079
公开日1996年3月6日 申请日期1995年6月22日 优先权日1994年6月22日
发明者申雨, 权哲汉, 洪炯基, 李圭晶, 朴炫洙, 尹童, 金成泰 申请人:Lg电子株式会社