CN101189715A - 形成具有减低的电与应力迁移及/或电阻率的互连结构的方法 - Google Patents

Abstract

通过改进金属线(112)的纯度和/或结晶结构，可增进金属线的整体效能，尤其是极度缩小的铜基半导体器件(100)。金属线的结晶结构的改变可通过产生局部局限加热区域，其为沿着金属线(112)长度方向扫描的热处理，及/或包括在真空环境中的加热步骤以及接着在减压环境中的加热步骤的热处理而进行。

Description

形成具有减低的电与应力迁移及/或电阻率的互连结构的方法

技术领域

本发明大体上关于如先进集成电路的微结构的形成，且尤其是关于如集成电路的金属化层中金属线的导电结构的形成。

背景技术

制造如集成电路之现代微器件时，有持续驱动力以稳定地缩小微器件组件之特征尺寸，从而增强这些结构的功能。例如，在现今集成电路，最小特征尺寸(如场效应晶体管之信道长度)已达到深次微米(deep sub-micron)范围，藉此在速度及/或耗能方面增加这些电路的效能。由于个别电路组件的尺寸系随着每一新电路世代而缩小，以藉此增进例如晶体管组件的切换速度，因此用于连接个别电路组件之互联机之可使用容积(available floor space)亦随之降低。因此，必须降低这些互联机的尺寸以抵销可使用容积的降低及每单位芯片区域增加的电路组件数。互联机所减少的截面积，可能会合并有极度缩小的晶体管组件之静电消耗的增加，可能需要多个堆栈金属化层以符合在金属线中可接受电流密度之观点之需求。

然而，先进集成电路，包括具有关键尺寸(critical dimension)为0.13微米或甚至更小之晶体管组件，可能需要在个别互联机中显著增加的电流密度，尽管因为每单位面积显著数目的晶体管组件而提供相对大量的金属化层数目。然而，在提高的电流密度操作互联机，可能承担多种和应力引发(stress-induced)线劣化相关之问题，其可最终导致集成电路提早故障(premature failure)。在此方面之一显著现象为电流引发在金属线中之材料移动，亦称为“电迁移(electromigration)”，其可导致孔隙(voids)在其中形成及小丘(hillocks)在金属线旁形成，因此造成器件效能和可靠度降低或完全故障。例如，嵌入二氧化硅及/或氮化硅之铝线经常做为金属化层的金属，其中如上所解释，先进集成电路具有0.13微米或更小的关键尺寸，可能需要显著降低的金属线截面积以及因此提高电流密度，其可能造成因为显著电迁移效应使得铝较不倾向于形成金属化层。

因此，铝逐渐由铜所取代，铜相对于铝，呈现显著较低电阻值及在高电流密度时对电迁移呈现较强抗性。因为铜在二氧化硅及多种低k介电材料中容易扩散的特性，引入铜至微结构及集成电路制造系造成多种严重问题。为了提供必要附着度及避免铜原子之非期望的扩散至敏感器件区域，因此通常需要提供阻挡层在铜和铜线所嵌入之介电材料之间。虽然氮化硅为可有效避免铜原子扩散的介电材料，选择氮化硅为层间介电材料为较不想要的选择，因为氮化硅呈现略高的介电常数(permittivity)，因此增加邻近铜线的寄生电容(parasitic capacitances)。因此，亦可提供铜所需之机械稳定性之薄导电阻挡层系形成以分开主体(bulk)铜及围绕之介电材料，且薄氮化硅或碳化硅或碳氮化硅通常仅以覆盖层(capping layer)形式用于铜基金属化层中。目前，钽、钛、钨及其与氮及硅之化合物等为用于导电阻挡层之较佳候选者，其中阻挡层可包括二层或更多层不同材料之子层，以达到扩散抑制(diffusionsuppressing)及黏着度性质方面的要求。

铜与铝可显著分别的另一特性为铜无法立即以化学及物理气相沉积技术大量沉积。此外，铜无法以各向异性干蚀刻(anisotropic dry etch)工艺有效率地图案化，因此需要通常称为金属镶嵌(damascene)或镶嵌(inlaid)技术的工艺方式。在金属镶嵌工艺，首先形成介电层接着图案化为包括接着将填满铜之沟槽(trenches)与通孔(vias)，其中，如前所述，在填满铜之前，导电阻挡层形成在沟槽与通孔之侧壁。沉积主体铜材料至沟槽和通孔通常以湿式化学沉积工艺达到，例如电镀或无电电镀，藉此需要确实填满深宽比(aspect ratio)等于及大于5且直径约0.1微米或更小之通孔与具有约0.1微米或更小至几微米之宽度范围之沟槽。虽然铜之电化学沉积工艺在电子电路板制造领域已完整建立，大致上不含孔隙(void-free)的高深宽比通孔填充为非常复杂及具挑战性的任务，其中最终获得之铜金属线之特性显著地和工艺参数、材料及所需结构几何形状相关。由于互连结构的几何形状由设计需求决定，对于给定的微结构而言，不能作重大的改变，其在于估计及控制关于制造金属化层及制造铜微结构材料(如导电及非导电的阻挡层)之制造工艺及其交互作用、对互连结构的特性影响，以确保高产率及所需产品可靠度同时达到是非常重要的。

因此，随着先进器件中持续的特征尺寸缩小造成电及应力迁移及铜线导电特性方面的限制越来越严格，为了找寻形成铜基金属线之新材料及工艺策略，已花费大量努力调查铜线劣化作用(degradation)，特别是着眼于极度缩小型器件中之电及应力迁移及过度降低的导电性。虽然在铜线中电及应力迁移的确切机制尚未完全了解，但结果显示显示位于侧壁及接口之中和之上的孔隙、位于通孔底部之大型孔隙及残余物可显著影响电及应力迁移行为。研究经验结果显示电及应力迁移程度可通常和金属之材料组成、金属之结晶结构、与邻近材料(如导电与介电阻挡层)之任何界面条件等有关。

例如，在铝线中，晶粒边界(grain boundaries)提供应力及电流引发材料传输事件之较佳扩散路径。结果，由于线尺寸降低系倾向于产生较小晶粒，可产生非比例地增加的诱发电及应力迁移。虽然晶粒边界可能非必然在铜基金属线中形成较佳扩散路径，增加的晶粒边界数目仍然可能显著地增加铜基线之整体电阻率，因为在晶粒边界增加之电子散射。因此，需要控制金属化层之高复杂度制造工艺(包括金属沉积及后续其回火等)以增加在电及应力迁移及/或导电性方面之金属互连结构之性能。

因此，需要有一种提升技术的存在，该技术甚至在极度缩小的微结构中能够形成呈现降低的应力及电引发材料扩散及/或增加导电性之金属互连结构。

发明内容

接着提出本发明之简化概要，以提供本发明的一些方面的基础了解。此概要并不是本发明的完整概观。其不意欲用于界定本发明的重要或关键组件或描述本发明的范围轮廓。其目的仅为以简化形式提出一些概念，做为后续更详细说明的前言。

大体而言，本发明是关于在半导体器件的金属化层中形成金属线的技术，其中该金属线关于电及应力迁移及/或导电性的特性的改善可通过在形成该金属线期间及/或之后施以热处理以使得该金属线的电性效能提升。根据一些叙述性实施例，该热处理可至少包括在次大气(sub-atmospheric)及/或真空及/或减压及/或钝性环境(ambient)中进行的加热工艺，以促进在前续制造工艺期间已引入至该金属中的污染物的释气(out-gassing)。在其它实施例中，该热处理包括至少一加热工艺，其设计为沿着预先定义方向改变该金属线中所产生的温度，以局部产生沿着该预先定义方向移动的加热区域。

根据本发明的另一叙述性实施例，一种方法包括在半导体器件的金属化层的介电层中形成金属线，其中该金属线沿着长度方向延伸。再者，该方法包括执行热处理以时间序列方式(timely sequential manner)沿着该长度方向改变温度。

根据本发明的又另一叙述性实施例，一种方法包括在介电层中形成金属线，该介电层在包括半导体器件的衬底上形成，以及执行热处理以修改该金属线的结晶结构。此外，该方法包括暴露金属线于真空环境中以促进该金属线中的污染物的释气。

在本发明的一叙述性实施例中，该金属线在暴露于真空环境之后暴露于减压环境。在此方面，真空环境是理解为具有数Torr大小的等级及显著地更低(beyond)的减压的气体环境(atmosphere)，而次大气环境(sub-atmospheric ambient)可包括压力条件其范围为从值低于但靠近制造设备的环境压力至真空压力条件。

附图说明

本发明可通过参考下列描述与所附图式而了解，其中类似组件符号代表类似组件，其中：

图1a示意地显示包括含有多条金属线之金属化层之半导体器件，根据本发明之一叙述性实施例，该等金属线之关于电及应力迁移及/或导电性的特性要被提升；

图1b示意地显示包括多个芯片区域之衬底的平面图，该等芯片区域依次包括图1a所示之半导体器件；

图1c及1d示意地显示热处理，其中根据本发明之叙述性实施例，金属线温度以时间序列方式沿着长度方向改变；

图1e示意地显示沿着长度方向温度随时间改变之加热工艺，根据本发明之叙述性实施例，其可在衬底之基础上进行；

图1f示意地显示图1e之热处理，其中热传导媒介可根据本发明之进一步实施例被使用；

图2a示意地显示包括根据在中间制造阶段期间之金属镶嵌工艺而形成之金属化层之半导体器件，其中该半导体器件接受根据本发明之叙述性实施例之热处理；以及

图2b、2c及2d示意地显示根据本发明之多种叙述性实施例，在进一步先进制造阶段中之半导体器件。

虽本发明容许多种改良及不同形式，其特定实施例已经由例示图式及详细说明方式显示。然而，可了解的是在此之叙述及特定实施例并非用于限制本发明为所揭露之特定形式，相反地，本发明意欲含有所有落在所附权利要求书所定义之本发明精神与范围之改良、均等物及选择物。

具体实施方式

本发明之例示实施例描述如下。为了清晰目的，在说明书中并无叙述所有实际应用的特征。当然须了解任何此等实际实施例中，必须进行多种实施特定决定以达到发展者的特定目标，例如符合系统相关和商业相关限制，其可随不同应用而不同。再者，须了解该种研发努力可为复杂和耗时的，但仍然可了解为熟习该项技术者例行从本揭露中获得益处。

本发明现在参考所附图式叙述。绘示于图中之多种结构、系统与器件仅作为解释之用，使本发明不受该些熟习该项技术者已熟知的细节所阻碍。然而，所附图式系包括于叙述与解释本发明之叙述性实施例。本文所使用字与词组应以熟习该项技术者所了解之字与词组相符来解释与了解。没有意图使用特别的术语或词组定义，即不同于熟习该项技术者所了解之原始及习惯意义，于本文中中之术语与词组。若欲将术语或词组的意义延伸至具有特别意义，亦即不同于熟习之用语者，该等特别意义将会在说明书中以定义方式直接且明确的提供术语或词组的特别定义来解释。

本发明系关于能在极度缩小之半导体器件之金属化层中形成金属线的技术，其中金属之结晶结构及/或金属的纯度通过热处理方式改变以在对热及应力迁移耐性及/或其固有导电度(inherent conductivity)方面增进金属线的特性。不意欲限制于本发明下列解释，据信降低金属线中晶粒边界数目可显著影响金属线的电性效能，原因在于降低电及应力迁移及/增加固有之导电度。如所熟知者，微结构之金属线中金属的结晶依所使用材料类型、所使用沉积技术、整个沉积工艺中所维持工艺参数、以及金属真正沉积之前与之后的任何工艺而决定。

例如，铜基金属化层现在以如电镀之电化学沉积技术形成，其中晶粒大小及结晶结构显著地和沉积参数和需以铜基金属填充之沟槽与通孔之尺寸有关，因为降低沟槽与通孔之尺寸可造成金属晶粒以缩小之尺寸形成。因此，铜基金属之固有导电度可能降低，因为在增加数目之晶粒边界的电荷载子散射亦增加。

再者，如熟知者，以大致上不具有孔隙方式电化学沉积至极度缩小沟槽及通孔需要复杂的电镀技术，其涉及高度复杂的电解质溶液。因此，多种添加物，例如沉积抑制剂、加速剂、错合剂等，为含于典型电解质溶液中，其可在沉积之金属中维持一定程度的量，藉此亦损及金属线所得之固有导电度。再者，污染物出现在金属及/或存在多数晶粒边界亦可对电及应力迁移行为产生影响，因为晶粒边界及/或污染物可影响金属与相邻材料之任何界面特性，相邻材料例如为铜之任何扩散阻挡层。再者，晶粒边界可直接影响应力引发材料传送，例如铝之情况。结果，通过改变金属之结晶度(crystallinity)及/或降低污染物含量，可改进金属线整体特性。

应了解本发明特别有利于铜基金属化层之使用，因为这些结构通常以使用电化学沉积技术之金属镶嵌工艺制造，因此产生大量小晶粒及含有电解质的污染物。然而，本发明亦可用于由任何其它适当材料形成之金属线，例如铝，因此本发明不应视为受限于铜基金属化层，除非该限制为所附申请专利范围所明白提出者。

参考图1a至1f及图2a至2d，现在更详细说明本发明之进一步叙述性实施例。图1a图标包括衬底101之半导体器件100，其可形成任何微结构特征于其中，例如集成电路之电路组件。衬底101可代表用于形成如半导体器件之微结构之任何适当材料。例如，衬底101可代表以主体硅(bulk silicon)衬底或以绝缘层上覆硅(silicon-on-insulatoe，SOI)衬底形式之硅基(silicon-based)衬底，如在大量主要复杂集成电路，如微处理器、储存芯片、ASIC等，现今都以硅为主衬底制造。然而，应了解的是可使用任何其它适当的半导体材料，例如包括不同组成份(例如硅锗、碳化硅等)的半导体区域、不同结晶方向、不同内部应变(inherent strain)的硅衬底料、或包括任何化合物半导体材料(如、II-IV半导体、III-V半导体等)的衬底。

半导体器件100可于衬底101上形成一层或多层金属化层，其中，在所示之例示实施例中，两层金属化层110和120以层堆栈形成。金属化层110可包括介电层111及形成于介电层111中之金属线112。类似地，金属化层120可包括成于介电层121中之多条金属线122，其中一条或多条金属线122可经由通孔123连接至下层金属化层110。金属线122和112可包括任何适当金属且在一特定实施例中包括铜，其中其它成分可至少局部地提供至金属线122及/或112中以形成金属合金。例如，已发现铜合金的存在可在电及应力迁移耐性观点强化个别金属线之特性。再者，当层120及110代表铜基金属化层时，可提供适当阻挡层以避免铜不适当地扩散至邻近的介电材料层111及121。为了方便起见，在图1a并不显示任何此等阻挡层，且可在后续参考图2a的叙述中详细说明。

层120中之金属线122可定义宽度方向124，其可描绘金属线122的横向尺寸(lateral dimension)。类似地，长度方向125可通过金属线122定义，其实质地垂直于宽度方向124且垂直于图1a的图式平面。应了解的是，在如高度复杂微处理器之先进集成电路中，多层金属化层，例如层110及120，互相向上堆栈，其中在每一金属化层中，个别金属线大致上以平行方式延伸，而在相邻金属化层中之个别金属线亦为平行延伸，但大致上和后续金属化层之长度方向垂直。以此方式，相邻金属化层之金属线间之任何寄生电容为最小化。根据此等配置，金属化层110可具有金属线112以大致上沿着“宽度”方向124的平行方式延伸，以便降低线122和112之间的电容耦合(capacitive coupling)。应了解的是该等配置可在整体效能方面具有优点，且在下述中在对于用以改变结晶结构之热处理方面，针对每一金属化层110、120系个别定义特定长度方向。在其它实施例中，一些或所有金属线112及122可定义其特定宽度方向124及长度方向125，使得对应“方向性”热处理可以个别方式进行。

图1b显示包括多个芯片区域130之衬底101的平面图，各芯片区域可包括半导体器件，如图1a之半导体器件100。再者，芯片区域130系显示为暴露金属化层120，其中金属线122之长度方向125现在为水平指向。然而，图中金属线122的指向仅为描述性，且因此系以长度方向125定义该扫瞄方向。应更进一步了解，芯片区域130之尺寸相对于衬底尺寸，以及尤其是金属线122的尺寸是显著放大者。

半导体器件100可根据完整建立之工艺形成，其可参考图2a及后续之金属镶嵌技术之实施例而描述。在其它实施例中，当金属化层110及120为铝基金属化层时，金属线112和122可在广为认可的沉积技术之基础上沉积铝而形成，例如化学气相沉积、溅镀沉积等。之后，金属化层可由光刻及完整建立之蚀刻技术加以图案化，因而形成金属线112和122以及通孔123。之后，可执行热处理以改变金属线112和122之结晶结构，如下列所述，或根据其它实施例，个别金属线112和122可通过沉积适当介电材料及平坦化所形成之起伏(topography)而嵌入介电层111、121。

无关形成金属线112、122工艺顺序，改变金属线112之结晶结构及/或其污染物之数量之叙述性实施例将在下方详细描述。

图1c绘示设为在金属线122上实施热处理之系统150，以在热处理期间以时间序列方式沿着长度方向125改变温度。为了此目的，系统150可包括热源151，该热源151系设定以加热区域在衬底101之上或之中建立局部局限加热区域(locally restricted heating zone)。在一叙述性实施例中，热源151可包括用于建立辐射束或粒子束之来源以产生局部局限光束点153在衬底101之上或之中，其中光束点153可代表局部局限加热区域之例子。在一特定实施例中，光束152可代表具有如波长、强度等之特定特性之激光束，以在局部局限加热区域153中产生所需的热。热源151可包含形成该光束152以呈现所期待之特性所需之任何设备(未图标)。例如，相关光束光学组件(optics)，如镜子、透镜等，可提供光束152聚焦及导引至衬底101之局部局限区域上。再者，系统150设为以在衬底101与热源151之间建立相对移动(relativemotion)，而使局部局限区域153之扫描移动至少沿着长度方向125。例如，系统150可包括可移动衬底支架154，其可至少沿着长度方向125移动。在其它情况中，衬底支架154亦可在其它方向移动，例如在垂直于长度方向125之横向，且亦可垂直移动，即沿着光束152之方向。

在系统150操作期间，衬底101可适当地定位于衬底支架154上以允许大致上沿着至少一金属线122之长度方向125相对移动。如果金属线122以实质并行线提供，所有金属线122可定义有共同的长度方向125。

图1d绘示具有暴露于热源151的多条金属线122之金属化层120的局部放大图。在所示的例示实施例中，光束152产生局部局限光束点或加热区域153覆盖一条或多条金属线122的一部分。在此状况中，光束点153定义由热源151产生之局部局限加热区域。须注意加热区域153内之强度分布(intensity profile)可不需为均匀者。因此，加热区域强度及因此强度造成之线122中的温度分布，可于加热区域153内局部地改变，其系根据扫描速度、光束点大小及光束之整体强度、吸收特性等。热源151可依比例调整(dimensioned)使得在光束点153之温度，以及因此在局部局限区域之温度超过特定目标温度，该特定目标温度使得金属线122受到光束点153所影响的部分内的结晶结构重组(reconfiguration)。应了解通常热源151释放至局部局限加热区域153内的能量通常可依比例调整，使得区域153在时间间隔内达到目标温度，且其不允许金属线122中显著热传导。结果，邻近加热区域金属线122之加热区域153之部分显著地较冷且可大致上维持其现有结晶结构。因此，通过建立衬底101及热源151之相对移动，加热区域153可沿着长度方向125扫描并因而依序加热线122之部分，藉此使目前加热部分的结晶结构具有类似于之前经过加热而现在冷却至低于目标温度使刚获得的结晶结构“冷冻”之部分之结晶结构。以此方式，金属线122中之晶粒大小可在长度方向125增加，藉此显著降低每单位长度之晶粒边界数。例如，在铜基金属线中，在长度方向125的晶粒大小可达到10微米或甚至更大。

在一些实施例中，局部局限加热区域153在长度方向125的延伸可选择为几个微米或更少以让有效重组变为可能，因为区域尺寸小于所需晶粒尺寸。扫描移动可以大致上连续方式进行，例如根据特定速度持续移动衬底支架154，或在其它实施例中，可建立大致上步进式(stepwise)移动，其中可调整每一步之后之停驻时间(dwell time)及步进尺寸以获得“移动”加热区域153间的所期望之重叠程度。根据局部局限加热区域153的水平延伸，亦即图1d中垂直方向，一或多条金属线122在以上述方式热处理后，可执行横向之相对应移动。在一些实施例中，将围绕金属线122之介电材料之温度“应力”维持在低位准为有利的。在此状况中，沿着长度方向125的扫描操作可重复一次或数次且在加热区域153内产生适当的温度。例如，加热区域之典型有效温度可选择为大约100至400℃。

在一叙述性实施例中，具有由如光束点153代表之扫描局部局限加热区域之热处理可至少部分在次大气环境或真空环境进行，以同步促进金属线122中所含任何污染物之释气。为了此目的，至少部分衬底支架154可置于个别工艺腔体160，其使得建立适当环境及其特别允许次大气环境的建立，以及在其它实例中，真空环境的建立。在这些实施例中，热源151可附加至工艺腔体160，或可以光束152可导引且无非所需耗损之方式耦合至工艺腔体160。在其它状况中，热源151可(至少部分地)置于个别工艺腔体中。在一些实施例中，衬底101可在次大气或真空环境中预热以便进一步在金属线122之整个方向性加热过程中促进释气及/或维持金属线122在升高温度，藉此减轻热源151将暴露于移动加热区域153之金属线122升高至目标温度以上之限制。

在又一实施例中，热处理可包括进一步步骤，其中金属线122暴露于减压气体环境以藉此提供金属线122之大致上不氧化之金属表面。为了此目的，混合气体(forming gas)或氢与钝气之其它混和物，钝气如氩、氙、氪等，可引入工艺腔体160，其中压力范围可自次大气条件至大气或升高压力条件。在减压环境基础之热处理可与方向性区域加热同时执行，或可在区域加热工艺步骤后执行。例如，在一叙述性实施例中，当金属线122接受方向性区域加热时，第一热处理步骤可在真空环境中执行，而在另一实施例中，在区域加热前可实施非方向性加热步骤且真空环境可在后续区域加热期间维持。之后，第二热处理，其可包括非方向性及/或方向性加热步骤，可在减压环境中实施以强化该线122之金属纯度。

图1e绘示基板101之平面图，其中热源151或至少其部分设为让在基板101之延伸“垂直”部分能够进行时间序列或方向式热处理，或使非扫描方向跨过整个衬底101加热之局部局限加热区域153能够产生，该非扫描方向性亦即，图1e中，箭头161所指示垂直方向。至此，热源151可包括适当光束光学组件(未图标)以在垂直方向塑造光束152为纵向(longitudinal)形状。例如，热源151可包括多条光纤(未图标)，该多条光纤垂直排列以在衬底101上提供多条紧密间隔开之激光束。再者，提供多条光纤亦允许使用两种或更多种雷射光源，如果扫描如200毫米或300毫米衬底之大直径衬底所需能量可能不由单一雷射提供。再者，适当聚焦组件，如透镜，可在光纤末端提供以产生所期望之高聚焦激光束。另一方面，个别光学耦合器可用于有效率耦合激光束及将其分离至多条光纤。

图1f为根据进一步叙述性实施例绘示图1e热源151之截面图。在此实施例中，热源151亦可显著地延伸于横向，即图1e之垂直方向或垂直于图1f之图式平面之方向，其中热经过热传导媒介(heat transfermedium)155传导至多条金属线122。热传导媒介155可以热气体形式提供，例如热氮气或其它任何适当实质之钝气。在另一实施例中，热传导媒介155可以适当流体之蒸气形式提供，该流体具有之冷凝温度为等于或高于用以局部加热该金属线122之目标温度。因此，在此实施例中，当提供至该金属线122上时，热传导媒介155可接触或冷凝于金属线122上，藉此以高效率方式局部传导热，因为直接接触金属线122及额外产生之潜在热(latent heat)。为提供热传导媒介155至金属线122上，热源151可包括多个单独的喷嘴156，或可包括一个或多个伸长喷嘴信道(elongated nozzle channels)，该喷嘴信道相对于长度方向125横向地延伸以便形成喷嘴条(nozzle bar)或喷嘴“间隙(gap)”在非扫描方向(图1e中，垂直方向)。例如，可以提供单一横向间隔作为伸长的喷嘴，藉此让多条金属线122可依据伸长喷嘴的横向延伸同步处理。一个或多个喷嘴156可设为以沿着长度方向125高度局部化方式供给热传导媒介155，其中喷嘴开口尺寸可大约为1微米且与金属线的距离保持大约数微米以内。在其它实施例中，热传导媒介155可以液态形式提供，其可在冷却之后固化。例如，熔融聚合物材料可以方向性方式“沉积”以提供局部局限加热区域153。在热处理之后，聚合物材料可以完整建立之蚀刻工艺去除。

在又一实施例中，热源可经由辐射传递热。在此状况中，热源151可包括在非扫描方向延伸的加热组件，但限制在扫描或长度方向125的尺寸。例如加热组件可包括导体，如连接至对应电源之导线，该电源通过使电流流过导线来加热导线。再者，导线可结合至适当聚焦系统，该聚焦系统可导引热辐射至金属线122上，藉此形成沿着非扫描方向延伸之聚焦线。

在操作如图1e与1f之热源151时，以连续或步进移动之扫描操作可执行一次、两次或数次，依据工艺及器件需求而定。藉此，可改变热源151与金属线122的距离以便调整移动之加热区域153的有效温度。再者，有效温度可由控制有效扫描“速度”来改变或额外调整，无论是使用连续或步进式移动。

参考图2a至2d，现在更详细叙述本发明之进一步叙述性实施例。图2a以截面图绘示，半导体器件200包括衬底201，该衬底201具有一层或多层金属化层210、220形成于其上。根据衬底201之特性，采用先前解释且参考衬底101之相同标准。金属化层210、220之至少一者可代表极度缩小之半导体器件之铜基金属化层。因此，金属化层210可包括介电层211，介电层211可以例如低k介电材料等之任何适当材料形成，且金属化层210可包括含有铜及/或其任何合金之金属线212，其中金属线212可由适当阻挡层217而与介电层211及下层衬底201分开。类似地，金属化层220可包括由如低k介电材料等任何适当材料组成之介电层221。介电层221包括多个沟槽226，沟槽226具有在宽度方向224之横向尺寸(lateral dimension)，于精细之器件中，该横向尺寸可为数个微米至100奈米及甚至更小之等级。再者，沟槽226定义长度方向225，长度方向225大致上垂直横向方向224。介电层221与沟槽226之暴露表面系以阻挡层227覆盖，阻挡层227上形成有晶种层(seed layer)228。晶种层228可由铜或促进后续电化学沉积工艺中于沟槽226内沉积金属之任何其它适当材料组成。在一叙述性实施例中，晶种层228由大致上与后续电化学沉积将沉积之材料相同之材料组成。

如图2a所示之器件200可由下列工艺形成。在衬底201中或其上形成任何电路组件之后，金属化层210可根据工艺策略形成，如将以层220之形成解释之。亦即，例如以完整建立之化学气相沉积(CVD)技术及/或旋转涂布技术来沉积适当介电材料，接着以先进光刻及蚀刻技术在介电层221中形成沟槽226。如前所解释，在需要极高操作速度的先进集成电路中，形成于金属化层220中之沟槽226大致上沿着长度方向225互相平行，而例如金属线212亦可互相平行但走向为沿着方向224。在图案化介电层220之后，阻挡层227可通过完整建立之溅镀沉积技术、原子层沉积(ALD)、CVD等形成。之后，晶种层228可由例如溅镀沉积或无电电镀等形成。在一特定实施例中，铜衬底料可沉积作为晶种层228。

之后，器件200可接受以230标示之热处理，其中热处理230以类似于参考图1a至1f叙述之方法执行。换言之，沿着长度方向225扫描时，可以局部局限方式执行热处理230来加热至少该晶种层228，亦即，通过产生如图1c至1f所述之加热区域。因此，通过热处理230之方法，可改变晶种层228之结晶结构以通过提供加强之结晶结构于后续主体金属之电化学沉积而降低晶粒边界之数目。热处理230可在大致上钝性环境或减压环境中执行，以便有效抑制晶种层228的腐蚀及变色(discoloration)。

图2b绘示在进一步制造阶段之半导体器件220。器件200包括填充于沟槽226中之金属229，其中过量的金属在金属化层220上形成大致上封闭的层。金属229可由铜及/或铜合金组成，铜合金包括金、镍、钯等元素。金属229可通过电镀形成，其中根据错合物电解质而定，可获得大致上不含孔隙填充之沟槽226。在沉积工艺中，加速剂、抑制剂、错合剂等形式之污染物可并入金属229中且在操作器件200时会损害金属229之性能。因此，在一叙述性实施例中，如图2b所示之器件200在钝性或次大气或真空环境235中接受热处理以促进含于金属层229之污染物的释气。再者，在一些实施例中，在环境235之热处理可设计为同时预热衬底200至特定温度以加强后续用以改变金属229结晶结构之热处理的效率，亦即，衬底201可加热至低于用于改变结晶结构热处理之目标温度的温度。在一实施例中，在额外或另外的预热工艺之外及在提供额外或另外的次大气或真空环境235之外，器件200可接受热处理以沿着长度方向225产生局部局限加热区域，如图1c至1f所描述。在一些实施例中，方向性热处理可在一些金属填充于线122后进行。在此状况中，填充工艺可中断以由上述之任何适当方式进行方向性热处理。之后，可恢复填充工艺。因此，部分填充于金属线122之金属之结晶度可在填充工艺期间改良且亦可增进污染物的释气。在一些实施例中，该中介(intermediate)方向性热处理可实行多于一次以促进整体效率。因此，方向性热处理可或可不在完成晶种层228之后立刻执行。

结果，金属层229之结晶结构可有效改进以降低晶粒边界数目，如之前所述。当前述执行之热处理230(图2a)与沿着长度方向225扫描之额外热处理结合时，整体效率可显著地增进，因为根据经过方向性热处理之晶种层228之电化学沉积之金属229可能已经提供强化的结晶结构，其可接着甚至更有效地改良。

根据其它叙述性实施例，可省略热处理230及/或在环境235之处理及/或以金属层229为基础沿着长度方向225之热处理，及如图2b所示之衬底200可接受用于去除层229之任何过量金属之工艺。为此目的，可执行电化学去除工艺及/或化学机械抛光(CMP)工艺以去除在层220水平表面之过量金属及阻挡层227。之后，可建立环境235，且污染物可由相对应金属线驱逐出。再者，在此制造阶段，在一实施例中，热处理可以沿着长度方向225之金属线之序列加热局限部分执行，如前述及参考图1c至1f。因此，热处理可在环境235执行以同步促进污染物释气，其中亦可执行预热以使衬底201在整个方向性热处理过程中维持特定升高温度。

在又一实施例中，在填充金属至线222期间或在形成金属线222之后，可执行热处理，其中器件200系暴露于真空环境235达特定时间期间，且接着暴露于具有如上所述之适当气体混合物之减压环境，以进一步增进金属线222之纯度。在一些实施例中，包括在真空环境235中之至少一步骤及在减压环境中之进一步步骤的热处理可结合如前图1a至1f及图2a所述之方向性区域加热，而在其它实施例中，当因为增进金属线纯度之导电性改良被认为足够时，可忽略区域加热。

在其它实施例中，介电层221可包括低k材料，如SiCOH、MSQ、HSQ、SiLK等，其形成后可本身呈现与习知介电质相比降低的机械稳定性，该些习知介电质包括二氧化硅、氟掺杂之二氧化硅、氮化硅等。通过热处理金属线222，至少在金属线222的邻近区域之介电层221亦可被处理。在此方式中，可改良例如硬度之机械特性，因为一些低k材料的硬度可因如雷射光之处理显著增加。在一些实施例中，介电层221的处理可大致上在大致上介电层221之所有暴露表面部分执行，藉此提供改进包括低k介电材料之金属化层堆栈的整体稳定度的可能性。

如之前所解释，参考图1c至1e，用于产生沿着长度方向225扫描之局部加热区域之热源(如源151)可提供辐射光束，其吸收度与因此之热传导效率可根据如波长、粒子能量等光束特性。例如，雷射源之波长可造成金属上之适当高度反射率，因此降低从光束至金属之能量传导。因此，在一些实施例中，在方向性热处理前可形成热传导层(heattransfer layer)，其中选择该热传导层的特性以允许适当高能量累积于该层内，藉此替下层金属提供加强的热传导。

图2c绘示在上述去除层229之过量金属步骤之后及形成热传导层236形成之后的器件200。热传导层236可包括如聚合物材料等之任何适当介电材料，该介电材料具有特性以便吸收光束237的显著部分，光束237系设计用来建立加热区域238，加热区域238系局部局限在长度方向225，亦即垂直于图2c之绘图平面之方向，而在水平方向224，加热区域238可延伸横越多条金属线222。当光束237包括特定波长之激光束时，可设计热传导层236之厚度及消光系数(extinction coefficient)以便吸收高比例的辐射强度。热传导层236可根据完整建立的沉积技术来形成，如PECVD、旋转涂布等。形成之后，可进行基于光束237之热处理以改变金属线222之结晶结构。在其它实施例中，当经由热传导媒介传递热时，如参考图1f所述者，提供热传导层236亦可有利地避免热传导媒介与金属线222的直接接触。结果，可使用多种热传导媒介，如超热水蒸气(super-heated water vapor)，而不会负面影响金属线222。

图2d绘示在去除热传导层236后之器件200，其可通过任何适当且完整建立技术来完成，如等方向性蚀刻、电浆蚀刻等。去除热传导层236期间及之后，可建立代表次大气环境或真空环境之环境235以促进任何污染物释气，该污染物可能已在电化学沉积期间及/或形成及去除热传导层236期间并入者。之后，在一些实施例中，可改变环境235以包括减压气体环境以用于进一步强化金属线222之纯度。

结果，本发明提供能够用于形成增加电性效能特性之金属线之技术，其中提供金属具有提升的纯度及/或改良金属之结晶度。结晶度的改良可根据热处理执行，该热处理包括局部局限区域的加热，其中该局部局限加热区域系沿着金属线的长度方向扫描以降低在此方向之晶粒边界数目。再者，以局部局限加热区域沿着长度方向扫描之热处理可有效地与次大气环境、真空环境及减压环境之热处理结合，以促进在金属线中之任何污染物之释气。在一特定实施例中，可在热处理的第一阶段期间建立真空环境及在热处理的第二最终阶段期间建立减压环境，其中包括至少此两种环境的热处理可以不采用方向性区域加热或可结合方向性区域加热执行。藉此，区域加热可在至少部分地建立有真空环境及/或至少部分地建立有减压环境下执行。结果，可改善在金属线中对电及应力迁移之耐性及其它应力引发材料传递现象，藉此亦可增加包括金属化层之半导体的可靠度。

上面所揭露特定实施例仅为叙述性，对于熟习该项技术者而言以不同但相等的方改良及实施本发明具有本文教示之优点为明显的。例如，前面所提出工艺步骤可以不同顺序进行。再者，并无意图限制本发明为在此所显示的详细构造或设计，除非在下列权利要求书所界定者。因此上述揭示特定实施例可改变或改良且所有此等变化为在本发明之范围与精神内。

Claims (19)

1.一种方法，包括下列步骤：

在半导体器件100的金属化层的介电层111中形成金属线112，该金属线沿着长度方向125延伸；以及

以时间序列方式执行热处理以沿着该长度方向125改变温度。

2.如权利要求1所述的方法，其中，形成该金属线112的步骤包括在该介电层中形成沟槽且以该金属填充该沟槽。

3.如权利要求2所述的方法，其中，至少一部分的该金属以电化学沉积技术填充，使过量金属形成在该金属线上，且其中该热处理在去除该过量金属前执行。

4.如权利要求2所述的方法，其中，填充该金属的步骤包括通过电化学沉积工艺沉积至少一部分的该金属以及去除在该电化学沉积工艺期间所沉积的过量金属，且其中该热处理在去除该过量金属后执行。

5.如权利要求1所述的方法，其中，执行该热处理的步骤包括将辐射及粒子的至少之一的局部局限光束导引至该金属线的第一部分上，并且沿着该长度方向在该局部局限光束与该金属线间产生相对移动，以照射邻近该第一部分的第二部分。

6.如权利要求5所述的方法，其中，该相对移动是大致上连续的移动。

7.如权利要求5所述的方法，其中，该局部局限光束包括激光束。

8.如权利要求5所述的方法，还包括在导引该局部局限光束至该金属线上之前，在该金属线112上形成热传导层236。

9.如权利要求8所述的方法，还包括在该热处理之后去除该热传导层236。

10.如权利要求9所述的方法，其中，在去除该热传导层236之前及之后，使该金属线112暴露于次大气环境及真空环境的其中之一以促进该金属线中的污染物的释气。

11.如权利要求1所述的方法，还包括使该金属线112暴露于次大气环境及真空环境的其中之一，以促进该金属线112中的污染物的释气。

12.如权利要求11所述的方法，其中，当该金属线112暴露于次大气环境及真空环境的该其中之一时，执行该热处理。

13.如权利要求11所述的方法，还包括在暴露于次大气环境及真空环境的其中之一后，暴露该金属线112于减压环境。

14.如权利要求11所述的方法，其中，通过将热传导媒介以局部局限方式导引至该金属线的部分上而执行该热处理。

15.如权利要求14所述的方法，其中，该热传导媒介包括具有和该热处理的目标温度一致的凝结温度的蒸气。

16.一种方法，包括下列步骤：

在介电层111中形成金属线112，该介电层形成在包括半导体器件100的衬底上；

执行热处理以改变该金属线112的结晶结构；以及

暴露该金属线112于真空环境以促进该金属线112中的污染物的释气。

17.如权利要求16所述的方法，还包括在暴露于该真空环境之后，暴露该金属线112于减压环境。

18.如权利要求16所述的方法，其中，该热处理包括设计成以时间序列方式沿着该金属线112的长度方向改变温度的加热工艺。

19.如权利要求16所述的方法，其中，当该金属线暴露于该真空环境及该减压环境的至少之一时，至少部分地执行该热处理。

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