專利名稱：銅互連的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高度可靠的、同時容易制造的采用銅或銅合金的互連。
對于鋁基互連，為了提高互連的可靠性，做了很大的努力以便形成滿意的大晶粒尺寸的膜和高度<111>取向的膜。使用同時呈現(xiàn)為<111>結(jié)構(gòu)的高性能的大晶粒尺寸的膜本質(zhì)上具有等同于減少原子的高遷移速度的晶界的效果。
一般情況下，與穿過具有小∑-值的晶格或重合晶界的原子的遷移速度相比，穿過分離相鄰晶粒的不規(guī)則晶界或處于弱取向關(guān)系的晶界(具有大∑-值的晶界，∑-值定義為位于所謂重合晶界處的重合晶格的密度的倒數(shù))的原子的遷移速度明顯高，其中所述相鄰晶粒之間存在大取向差(取向錯誤)并且不存在任何特殊取向關(guān)系。
相應(yīng)地，對于寬互連，例如用于電源線的互連(一般稱為具有比平均粒徑大的寬度的互連或具有多粒(polygranular)晶界結(jié)構(gòu)的互連)，其中穿過晶界的遷移是顯著的，減少原子的高遷移速度的這種晶界被認(rèn)為是用于提高耐遷移性的標(biāo)準(zhǔn)策略之一。
當(dāng)線寬變得小于平均粒徑時，互連的晶界結(jié)構(gòu)采用近竹節(jié)晶界結(jié)構(gòu)，其中多粒晶界部分和竹節(jié)晶界部分相混合，而在寬度更窄的互連中，采用幾乎不包含任何多粒晶界部分的竹節(jié)晶界結(jié)構(gòu)。在帶有近竹節(jié)晶界結(jié)構(gòu)的互連中，耐遷移性基本上由穿過多粒晶界部分中的晶界的遷移速度確定。
對此，在竹節(jié)晶界互連中，由于在互連長度方向不存在從一端延伸到另一端的連續(xù)晶界，因此原子的遠(yuǎn)程遷移基本上取決于穿過互連金屬和絕緣膜之間的界面和/或多層互連金屬層之間的界面的遷移。
此外，關(guān)于從互連內(nèi)部向界面的近程遷移，認(rèn)為其大部分穿過竹節(jié)晶界，在這種情況下，具有小∑-值的重合晶界的增加，換言之，<111>取向的增強被認(rèn)為對實現(xiàn)增強耐遷移性是個有效的手段，盡管對于多?；ミB不是那么有效。
耐遷移性不僅取決于上述遷移速度，而且取決于產(chǎn)生空位的容易程度和實際位置。空位易于在晶界與互連表面(包括側(cè)向和底部表面)的交叉處形成。由于易于在不規(guī)則晶界或具有大∑-值的重合晶界與表面交叉的地方形成空位，因此<111>取向的增強和這種晶界的最終減少也被認(rèn)為對實現(xiàn)提高耐遷移性是個有效的手段。
同樣，對于銅互連，已經(jīng)報導(dǎo)了為了提高耐遷移性而采用大晶粒尺寸的膜(日本專利申請公開No.315327/1993)和形成同時表現(xiàn)為<111>取向的高性能的大晶粒尺寸的膜的方法(日本專利申請公開No.125954/1989)。另外，已經(jīng)報導(dǎo)了使用<111>取向的百分比為90％或更高的銅膜提高Cu互連的耐酸性(日本專利申請公開No.275617/1994)，或增強其耐遷移性(日本專利申請公開No.27656/1986)。
然而，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在銅互連的情況下，在一個方向具有強優(yōu)先性的取向的大晶粒尺寸的膜的形成沒有在鋁互連的情況下的形成來得容易，并且產(chǎn)生這樣的問題，即必須額外引入特殊制造步驟或必須把制造步驟的條件限制到很窄范圍。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供包括銅或銅合金層的互連，其中至少50％的銅或銅合金晶粒形成孿晶。
由此本發(fā)明能提供高度可靠的、同時以低成本制造的銅或銅合金互連。
換言之，實際上，粒徑很大。在具有大于平均粒徑的線寬的多粒晶界結(jié)構(gòu)互連中，當(dāng)晶粒變大時，存在于互連長度方向上的晶界的數(shù)量在減少，并且遷移速度在降低，因而更顯著地增強了耐電遷移性。
此外，在具有等于或小于平均粒徑的線寬的近竹節(jié)或竹節(jié)晶界互連中，隨著近程遷移的減少，提高了耐遷移性，盡管在多粒晶界互連中不是這樣。
另外，形成孿晶導(dǎo)致整個膜的晶界能量降低。即，高能晶界消失，并且出現(xiàn)低能晶界和孿晶間界。換言之，孿晶間界以外的晶界的能量在降低。
低晶界能量的晶界基本上是具有低∑-值的晶界，并且穿過這種晶界的原子的電遷移速度被認(rèn)為比穿過高晶界能量的晶界的原子的電遷移速度低。簡言之，希望形成孿晶不僅通過使晶粒尺寸大些來減少不規(guī)則晶界，而且降低除了孿晶間界之外的晶界的電遷移速度。
此外，即使在晶界與表面的交接處，經(jīng)常是產(chǎn)生空位的位置，如果晶界能量低，很難產(chǎn)生空位，并且希望耐遷移性提高。這種效果不僅給多粒晶界互連帶來有利結(jié)果，而且對于具有比平均粒徑小的線寬的近竹節(jié)晶界或竹節(jié)晶界互連也帶來有利結(jié)果。
此外，本發(fā)明人認(rèn)識到，經(jīng)常制造通過重復(fù)序列A/B/A……所述的結(jié)構(gòu)(對應(yīng)

圖1中的晶粒1和2。在這種情況下，晶粒1和2的取向分別是<111>和<511>取向，但是也可觀察到其它取向的組合)，其中A/B是具有兩個取向(稱為A和B)的孿晶。實際上，這種結(jié)構(gòu)可用于極大晶粒。另外，如果由于其低晶界形成能量而使銅發(fā)生這種情況，可以很容易形成其中大部分晶粒處于孿晶關(guān)系和它們的取向優(yōu)選采取兩個方向的這種膜，并且膜的形成變得比高度<111>取向結(jié)構(gòu)的常規(guī)形成更容易。
下面介紹根據(jù)本發(fā)明的包括銅或銅合金層的互連的制造方法。
首先，利用電鍍法、化學(xué)汽相淀積法(CVD)、濺射法等方法生長銅或銅合金膜(以下稱為銅基膜)。然后對得到的銅基膜進行熱處理，以便使至少50％的銅或銅合金的晶粒形成孿晶。
熱處理例如在以下步驟中進行。首先，將其上形成銅基膜的襯底設(shè)置在加熱爐中，并且用不與銅基膜反應(yīng)的氣體(惰性氣體)如氮、氦或氬填充加熱爐內(nèi)部。之后，通過升高加熱爐的溫度，將襯底溫度設(shè)定在80-120℃范圍內(nèi)。這里，下列的步驟都是在惰性氣體的環(huán)境中進行的。
接著，在控制加熱速度的同時，升高襯底溫度。為使所得到的晶界結(jié)構(gòu)具有預(yù)定的效果，即，使銅或銅基膜的至少50％的晶粒形成孿晶的效果，將加熱速率設(shè)定為優(yōu)選不小于1℃/min，并且更優(yōu)選不小于5℃/min。此外，還優(yōu)選設(shè)定為不大于50℃/min，更優(yōu)選設(shè)定為不大于30℃/min。
當(dāng)襯底溫度達到目標(biāo)溫度之后，利用溫度調(diào)整，使襯底溫度保持在距離目標(biāo)溫度±5℃的范圍內(nèi)。為使所得到的晶界結(jié)構(gòu)具有預(yù)定的效果，即，使銅或銅基膜的至少50％的晶粒形成孿晶的效果，目標(biāo)溫度設(shè)定為優(yōu)選不低于180℃，更優(yōu)選不低于200℃。另外，還優(yōu)選設(shè)定為不高于500℃，更優(yōu)選不高于400℃。而且，處于目標(biāo)溫度的保持時間根據(jù)銅基膜的面積設(shè)定。但通常不短于5分鐘，并且不長于10小時。
完成在目標(biāo)溫度的處理之后，降低襯底溫度，同時控制冷卻速率。為使所得到的晶界結(jié)構(gòu)具有預(yù)定的效果，即，使銅或銅基膜的至少50％的晶粒形成孿晶的效果，冷卻速度的絕對值設(shè)定為優(yōu)選不小于1℃/min，更優(yōu)選不小于5℃/min。此外，優(yōu)選設(shè)定為不大于50℃/min，更優(yōu)選不大于30℃/min。
利用將互連加工成型的方法如化學(xué)機械拋光(CMP)法、濕刻蝕法或干刻蝕法，將用上述方式獲得的銅基膜制成互連。
雖然這里示出了其中在熱處理之后進行將互連加工成型的例子，但是可以在借助將互連加工成型方式成形互連之后進行熱處理。當(dāng)采用后種方法時，使熱處理中在目標(biāo)溫度的保持時間最佳化，這取決于線寬，這里，如果線寬較寬，則將保持時間設(shè)定為長些。
在上述制造方法中，雖然在銅互連的情況下，同時在一個方向具有強優(yōu)選性的取向的大晶粒尺寸的膜的形成沒有鋁互連的形成來得容易，但是不需要另外引入特殊制造步驟或?qū)⒅圃觳襟E條件限制到較窄范圍。
此外，通過上述制造方法，銅基膜中的孿晶形成相干孿晶間界。穿過這種相干孿晶間界的原子的電遷移速度基本上與穿過晶格的原子的電遷移速度一樣小，因此從可靠性方面考慮，可以基本上忽略這種孿晶間界的存在，形成孿晶的兩個晶粒實際上可看作是一個大晶粒，這樣，實際上使晶粒直徑變大。由于減少了晶界數(shù)量，晶粒尺寸的增加降低了遷移速度。此外，通過形成孿晶，晶界能量在降低。晶界能量的降低減少了晶界部分中的空位形成的概率。這些效果使耐電遷移性增強。
下面參考實例詳細(xì)介紹本發(fā)明。實例1作為實例1，介紹通過向銅籽晶層/鉭/氧化硅/硅襯底的結(jié)構(gòu)上施加電鍍制造的<511>取向銅膜(膜1)的結(jié)果，其中銅籽晶層/鉭/氧化硅/硅襯底的結(jié)構(gòu)利用了阻擋鉭膜和通過準(zhǔn)直濺射形成的銅籽晶層。
圖1表示通過用于膜的電子后向-散射衍射(以下縮寫為EBSD)法的測量中獲得的晶粒圖的一部分，其中所述膜是通過鍍覆銅膜然后利用210℃的目標(biāo)溫度、在氮氣體中對其進行熱處理30分鐘制造的。
這里，在襯底溫度升高到100℃之后，以10℃/min的速率進一步升高到210℃。然后溫度保持在210℃達30分鐘，之后以15℃/min的速率降低溫度。
在EBSD測量中，測量各個晶粒的的取向。利用這些測量結(jié)果，可計算給定晶粒之間的取向錯誤。在由V.Randle所著的“MicrotextureDetermination and Its Application(顯微組織確定及其應(yīng)用)”The InstituteofMaterials(材料研究院)，倫敦1992中有這個技術(shù)的詳細(xì)介紹。
圖1中的所有晶粒當(dāng)中的孿晶關(guān)系的檢測表明大得足以覆蓋圖1中所示的兩個或多個測量點(在本例中為0.04μm2或更大)的50個晶粒中46個(92％)是孿晶關(guān)系。
在圖1中，分隔具有彼此孿晶關(guān)系的相鄰晶界的晶界由白線示出，分隔沒有孿晶關(guān)系的晶界的晶界由黑線示出。清楚可見，大部分晶粒具有由白線所示的孿晶間界。
從這個晶粒圖看出，比較在<100>、<110>、<111>或<511>方向取向的晶粒表面的面積，其結(jié)果表明在該膜中的各自占據(jù)面積是<100>取向晶粒為0％，<110>取向晶粒為2％，<111>取向晶粒為20％，<511>取向晶粒為56％，并且其它取向的(包括未測量區(qū)域)為22％或以下，<511>取向晶粒是主要的。實例2作為實例2，介紹其中向長射程濺射籽晶上施加電鍍的用于<111>取向膜(膜2)的結(jié)果。在樣品保持在環(huán)境溫度下2000小時之后進行測量得到這些結(jié)果，如圖2中所示的孿晶間界所示，幾乎所有大晶粒都與這個樣品中的孿晶有關(guān)。
然而，該膜中各自占據(jù)面積為<111>取向晶粒為30％，<511>取向晶粒為23％，<110>取向晶粒為8％，<100>取向晶粒為7％，其它取向晶粒為32％，表示這種膜與上述鍍覆銅膜1具有不同的取向。
此外，在要注入如銅、鉭或鎵離子等離子的銅膜中，證實了雖然<100>取向晶粒增加了，但是在這些膜的任何膜中，至少50％的晶粒形成孿晶。實例3作為實例3，在圖3中示出了用于利用標(biāo)準(zhǔn)波紋(damascene)線形成法制造的波紋裝飾線獲得結(jié)果。在本例中，存在裝飾寬度為5μm的互連的結(jié)果，證實了測量中至少50％的晶粒是孿晶關(guān)系，與無圖形膜的情況一樣。雖然，在波紋裝飾線的情況下，發(fā)現(xiàn)更加不可測量的區(qū)域(由圖3中最小尺寸點標(biāo)示的區(qū)域)，與無圖形膜的測量結(jié)果相比，這大概是由在利用化學(xué)機械拋光(CMP)法形成互連圖形時產(chǎn)生的擦傷等造成的。實例4作為實例4，在圖4中示出用于具有小于平均粒徑的線寬(0.56μm)的互連的結(jié)果。該結(jié)果是在平行于互連長度方向的截面處測量的。在本例中，至少90％的晶粒是孿晶關(guān)系。當(dāng)這個晶界的截面圖表示的互連結(jié)構(gòu)是近竹節(jié)晶界結(jié)構(gòu)時，在它們的互連表面測量的結(jié)果也表示為近竹節(jié)晶界結(jié)構(gòu)。而且，從EBSD測量的數(shù)據(jù)的分析看出，斷定這里存在圖1所示的這種多孿晶結(jié)構(gòu)，此外，竹節(jié)晶界部分中的大量孿晶間界是共格晶界。
這個結(jié)果表明，在本實施例的互連中，空位產(chǎn)生的比率落入互連中間。此外，圖4中的互連的截面圖不是平的而是波浪形的，這是由于在EBSD測量期間因位于互連周圍的帶電絕緣膜而在電子束中產(chǎn)生漂移引起的。
此外，采用在與例1和2相同的條件下并使用集成電路的標(biāo)準(zhǔn)波紋裝飾線形成技術(shù)形成的兩種不同種類的鍍覆銅膜，制造波紋裝飾線，即具有比平均粒徑大的線寬的一個互連(線寬為8μm)和具有比平均粒徑小的線寬的另一個互連(線寬為0.4μm)。在275℃的溫度和2MA/cm2的電流下對制造的互連進行電遷移測試。結(jié)果表明，如表1所示，厚互連和薄互連的壽命分別是參考文獻中使用的鋁互連的約10倍和2.5倍，這樣，兩種膜都可以實現(xiàn)高可靠性。
上述結(jié)果列于表1中。
表1電遷移壽命(T50)

T50達到50％缺陷的時間構(gòu)成實例的互連的至少50％的晶粒形成孿晶。認(rèn)為結(jié)果是對遷移有負(fù)面影響的晶界減少了，因此增強了耐遷移性。
雖然這里介紹了實例，但是使電鍍條件不變，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)電鍍條件、籽晶材料和其制造條件都影響膜的取向和孿晶的取向，而且還認(rèn)識到那些問題不會對孿晶形成有大影響。
這里已經(jīng)利用電鍍波紋裝飾線介紹了實施例，但是應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明不限于電鍍波紋裝飾線，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說很顯然本發(fā)明可以適用于常規(guī)互連，如利用銅膜淀積方法如化學(xué)汽相淀積(CVD)法或濺射法、或借助干刻蝕等方法形成的銅互連。
權(quán)利要求
1.一種包括銅層或銅合金層的互連，其特征在于，銅或銅合金的至少50％的晶粒形成孿晶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的銅互連，其特征在于，互連寬度大于形成銅或銅合金孿晶的晶粒的平均粒徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的銅互連，其特征在于，互連寬度小于形成銅或銅合金孿晶的晶粒的平均粒徑。
全文摘要
本發(fā)明涉及包括銅或銅合金層的互連,其特征在于銅或銅合金的至少50%的晶粒形成孿晶。因此本發(fā)明的銅互連是高度可靠的,并且制造成本低。
文檔編號H01L23/52GK1357157SQ00809197
公開日2002年7月3日 申請日期2000年6月21日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月22日
發(fā)明者岡林秀和, 藤井明子, 上野和良, 齋藤修一 申請人:日本電氣株式會社