CN108723389A - 形成导电粉末的方法 - Google Patents

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Abstract

形成导电粉末的方法，包含通过还原反应来使用等离子还原导电粉末前驱物气体。还原导电粉末前驱物气体来形成导电粉末。方法进一步包含基于粒度过滤导电粉末。方法进一步包含在流体中分散具有低于阀值的粒度的导电粉末的一部分。

Description

形成导电粉末的方法
技术领域
本揭示中所述实施例内容是有关于一种形成导电粉末的方法。
背景技术
在半导体技术中，在基板上形成互连(interconnect)以电连接半导体装置的各活动部件。互连形成为导线以及导电通孔，导线大体上平行于基板的顶表面延伸，导电通孔电连接不同金属层上的导线。金属层为导线组，导线组的该些导线距离基板的顶表面相同距离。最接近于基板的导线组通常称为金属层-0(metal 0)(metal layer zero；M0)。
通过在介电质材料中建立开口及使用导电材料充填彼等开口而形成导线。平坦化制程用以在充填开口之后移除多余导电材料。随着半导体装置的临界尺寸不断缩小，充填开口变成更大的挑战。
发明内容
本揭示内容的一实施方式是关于一种形成一导电粉末的方法。方法包含步骤：通过一还原反应来使用一等离子(plasma)还原一导电粉末前驱物气体以形成导电粉末；基于粒度(particle size)过滤导电粉末；以及在一流体中分散导电粉末的一部分，导电粉末的部分具有一粒度，导电粉末的部分的粒度低于一阀值。
附图说明
当结合附图阅读时，自以下详细描述很好地理解本揭示的态样。应当注意，根据工业中标准实务，各特征未按比例绘制。事实上，为论述清楚，各特征的大小可任意地增加或缩小。
图1为根据一些实施例的形成导电粉末的方法的流程图；
图2为根据一些实施例的形成导电粉末的装置的示意图；
图3为根据一些实施例的形成半导体装置的方法的流程图；
图4A、图4B、图4C及图4D为根据一些实施例的在各个制造阶段的半导体装置的横截面图；以及
图5为控制器的示意图，此控制器用于根据一些实施例控制形成导电粉末的装置。
具体实施方式
以下揭示案提供许多不同实施例或例子，为实现提供标的物的不同的特征。下文描述了部分、数值、操作、材料、配置等的特定实例以简化本揭示。当然，此等仅仅为实例且不意指限制。可设想其他部件、数值、操作、材料、配置等。举例而言，在随后描述中在第二特征上方或在第二特征上第一特征的形成可包含第一及第二特征形成为直接接触的实施例，以及亦可包含额外特征可形成在第一及第二特征之间，使得第一及第二特征可不直接接触的实施例。另外，本揭示在各实例中可重复元件符号及/或字母。此重复为出于简易及清楚的目的，且本身不指示所论述各实施例及/或结构之间的关系。
另外，空间相对术语，诸如“之下”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”及类似者，在此为便于描述可用于描述诸图中所图示一个元件或特征与另一元件(或多个元件)或特征(或多个特征)的关系。除图形中描绘的方向外，空间相对术语意图是包含装置在使用或操作中的不同的方向。设备可为不同朝向(旋转90度或在其他的方向)及可因此同样地解释在此使用的空间相对的描述词。
随着技术节点减少，有效地充填开口或导线及通孔变得更加困难。在有些情况下，诸如溅镀或电镀的方法在导线或通孔中产生了空隙。另外，在有些情况下，类似电镀的方法在导线或通孔中增加了碳含量。空隙及增大的碳含量降低了导线及导电通孔按期望执行功能的可靠性。使用导电粉末充填开口有助于减少导线或通孔中的碳含量。然而，粒度(particle size)比开口的尺寸大很多的导电粉末降低了有效充填开口的可靠性。通过形成具有小粒度的导电粉末及使用此导电粉末充填半导体装置中的导线或通孔的开口，增大半导体装置的可靠性及生产良率。
图1为根据一些实施例的形成导电粉末的方法100的流程图。方法100能够形成具有平均粒径(particle diameter)的导电粉末，此平均粒径自约1纳米(nm)至约5微米(μm)的范围内变化。在有些情况下，形成具有大于5μm的平均粒度的导电粉末的其他方法，不能够可靠地在进阶技术节点充填介电质层中的开口。随着粒度增大，当使用导电粉末充填导线的开口时，空隙形成的风险亦随之增大。空隙增大导线内的电阻。增大的电阻降低了信号传输的精度及增大半导体装置的功耗。随着半导体装置的临界尺寸减小，更小的粒度有助于更可靠地充填互连的开口以减少导线中空隙的出现。
在操作102中，预热导电粉末前驱物气体。此导电粉末前驱物气体经预热至一温度，此温度低于此导电粉末前驱物气体的分解温度。在一些实施例中，将导电粉末前驱物气体加热至一温度，此温度自约100℃至约600℃的范围内变化。如若预热的导电粉末前驱物气体的温度过低，则用于形成导电粉末的反应时间增大及导电粉末生产的良率降低。在有些情况下，如若预热的导电粉末前驱物气体的温度过高，则预热的导电粉末前驱物气体的分解风险增加及导电粉末生产的良率降低。
导电粉末前驱物气体的材料取决于通过方法100所形成的导电粉末的材料。在一些实施例中，通过方法100所形成的导电粉末包含铝、钴、铜、金、镁、镍、银、钛、锌、上述各者的合金或其他适宜导电材料。在一些实施例中，导电粉末前驱物气体包含导电材料有机化合物。此导电材料有机化合物包含通过方法100形成的导电粉末的材料，其接合至至少一个甲基。例如，在通过方法100而形成的导电粉末为铝的一些实施例中，导电粉末前驱物气体包含Al2(CH3)6。在一些实施例中，导电粉末前驱物气体包含导电材料卤化物。此导电材料卤化物包含至少一种卤素材料，其接合至待由方法100形成的导电粉末的材料。例如，在待由方法100而形成的导电粉末为铝的一些实施例中，导电粉末前驱物气体包含AlCl3。在一些实施例中，导电粉末前驱物气体包含一个以上化合物，包含相同的导电粉末材料，例如Al2(CH3)6及AlCl3两者都属于此导电粉末前驱物气体的部分。在一些实施例中，导电粉末前驱物气体包含用于形成具有不同材料的导电粉末的化合物，例如Al2(CH3)6及CuCl2两者都属于此导电粉末前驱物气体的部分。
在一些实施例中，在导电粉末前驱物气体进入反应腔室之前对其进行预热。在一些实施例中，在导电粉末前驱物气体与反应腔室内的其他材料互相作用之前，在此反应腔室的部分中加热此导电粉末前驱物气体。在一些实施例中，通过使用喷射制程雾化液体来形成导电粉末前驱物气体。在一些实施例中，通过加热液体来汽化液体，而形成导电粉末前驱物气体。
在操作104中，预热的导电粉末气体穿过等离子加热区域。等离子加热区域包含具有氢气等离子及惰性气体等离子的混合物的等离子。在一些实施例中，用于形成惰性气体等离子的惰性气体包含氮气、氩气、氦气或另一适宜惰性气体。在等离子与预热的导电粉末前驱物气体互相作用之前点燃等离子。等离子与预热的导电粉末气体反应以自导电粉末移除有机材料或卤化物材料。等离子混合物内的氢气等离子有助于通过还原导电粉末材料，即通过还原反应来阻止导电粉末材料的氧化。
在一些实施例中，氢气及惰性气体通过单独的输入口进入反应腔室。在一些实施例中，氢气及惰性气体通过相同的输入口进入反应腔室。在一些实施例中，在预热的导电粉末前驱物气体反应期间，反应腔室中的压力自约10毫托(mTorr)至约20托的范围内变化。反应腔室中的压力有助于决定反应腔室内的反应材料的数量以协助控制反应速率。在反应腔室中施加的射频(radiofrequency；RF)功率取决于反应腔室的体积。随着反应腔室的体积增大，施加在反应腔室中的RF功率亦随之增大。在一些实施例中，施加在反应腔室中的RF功率自约10瓦(W)至约300千瓦(kW)的范围内变化。此RF功率有助于点燃等离子混合物的等离子。反应腔室的温度自约100℃至约600℃的范围内变化。反应腔室的温度低于导电粉末前驱物气体的分解温度。在一些实施例中，反应腔室温度等于预热的导电粉末前驱物气体的温度。在一些实施例中，反应腔室温度大于预热的导电粉末前驱物气体的温度。
等离子与预热的导电粉末前驱物气体之间的反应形成导电粉末。在一些实施例中，使用等离子与预热的导电粉末前驱物气体之间的反应产生颗粒分布，其中约95％的颗粒具有等于或小于5nm的直径，及约5％的颗粒具有大于5nm的直径。
在操作106中，对反应腔室执行超音波振动。超音波振动有助于阻止导电粉末或副产物黏附及堆积在反应腔室的壁上。反应腔室的壁涂覆有石墨烯以减小反应腔室的壁与导电粉末及副产物之间的摩擦以有助于减少在反应腔室壁上的堆积。石墨烯涂层及超音波振动的组合有助于延长反应腔室的使用周期以提高方法100的生产率。
在一些实施例中，通过振动产生器而产生超音波振动。在一些实施例中，振动产生器包含在反应腔室的外表面上的感测器(transducer)。在一些实施例中，振动产生器包含流过通道或旋转腔室内轴承的气流。在一些实施例中，操作106与操作104同时执行。
在操作108中，收集导电粉末。由于等离子反应，充入导电粉末。在一些实施例中，使用静电收集器(electro-static collector；ESC)收集导电粉末以将导电粉末引进至少一个收集单元中。在一些实施例中，彼此平行地配置多个收集单元。在一些实施例中，ESC用以有助于将导电粉末基于粒度区分进不同的收集单元中。随着粒度减小，ESC能够移动导电粉末更大的距离以将导电粉末区分进不同收集单元中。在一些实施例中，使用真空泵浦收集导电粉末以将导电粉末吸引进收集腔室中。
在操作110中，过滤导电粉末。基于粒度过滤导电粉末。在一些实施例中，如上所述，收集制程有助于过滤导电粉末。在一些实施例中，收集制程及过滤制程同时执行。在一些实施例中，在收集制程之后执行区分过滤制程。
在一些实施例中，使用离心制程过滤导电粉末。导电粉末分散在溶剂中以形成混合物。溶剂为无氧以减小导电粉末氧化的风险。在一些实施例中，溶剂包含甲烷、丙酮、异丙醇或另一适宜的溶剂材料。混合物置于离心机中以基于重量区分导电粉末的颗粒。因为导电粉末颗粒的组合物在颗粒中间大体上均匀，所以由离心制程所提供的基于重量的区分(weight-based separation)是基于粒度的区分(size-based separation)。
在一些实施例中，过滤技术的组合用以区分导电粉末的颗粒。例如，在一些实施例中，ESC过滤制程及离心制程两者皆被使用。在一些实施例中，过滤制程被重复。例如，在一些实施例中，离心制程至少重复两次以提供导电粉末颗粒的更精确的过滤。
在操作112中，导电粉末分散在流体中。在一些实施例中，操作112结合至操作110且流体为溶剂。在一些实施例中，操作112与操作110按顺序执行。在一些实施例中，流体不同于溶剂。在一些实施例中，流体为与溶剂相同的材料。流体具有低金属氧化速率。在一些实施例中，流体包含甲烷、丙酮、异丙醇、丙酮、乙酸乙酯或另一适宜的流体。在一些实施例中，流体中含乳化剂。在一些实施例中，省去乳化剂。流体用以悬浮导电粉末以协助向半导体装置应用导电粉末。在一些实施例中，不同的流体用于不同粒度的导电粉末颗粒。例如，在一些实施例中，在操作110之后最小尺寸的颗粒分散在第一流体中而较大尺寸的颗粒分散在不同于第一流体的第二流体中。
流体以足够低的流动速率被引进堆积导电粉末的储存器中以阻止导电粉末颗粒的散射。随着导电粉末粒度减小，流体的流动速率亦随之减小。
在可选的操作114中，具有大于阀值的直径的导电粉末颗粒经由方法100再循环。在一些实施例中，阀值为5μm。在一些实施例中，具有大于阀值的直径的颗粒通过蒸发溶剂而自溶剂移除。在一些实施例中，操作114被省去且具有大于阀值的直径的颗粒被引导至一制程中，此制程具有更高粒度容差，诸如较大技术节点的制程。
在一些实施例中，方法100的操作顺序被改变。例如，在一些实施例中，操作112在操作110之前发生。在一些实施例中，同时执行方法100的至少两个操作。例如，在一些实施例中，操作106与操作104同时执行。在一些实施例中，方法100的至少一个操作被省去。例如，在一些实施例中，如上所述省去操作114。
图2为根据一些实施例的形成导电粉末的装置200的示意图。装置200包含反应腔室210。导电粉末前驱物气体输入220、惰性气体输入230及氢气输入240连接至反应腔室210的单独端口。RF功率单元245经配置以点燃惰性气体及氢气的等离子以与导电粉末前驱物气体互相作用。振动单元250附接至反应腔室210的外表面。冷却段260位于反应腔室210的输出以冷却在反应腔室中形成的导电粉末。收集器270经配置以收集在穿过冷却段260之后脱离反应腔室210的导电粉末。粉末收集单元280经配置以自收集器270接收导电粉末并有助于基于粒径区分导电粉末。阀门275处于收集器270与粉末收集单元280之间以选择性地容许导电粉末自收集器270传输至粉末收集单元280。溶剂供应线290经配置以供应溶剂以将导电粉末分散在粉末收集单元280中。泵浦295经配置以有助于自粉末收集单元280移除导电粉末。阀门285处于粉末收集单元280与溶剂供应线290及泵浦295的每个之间，以选择性地容许溶剂进入粉末收集单元280及选择性地容许导电粉末自粉末收集单元280移除。控制器297经配置以控制装置200的部件以产生导电粉末。
反应腔室210经配置以接收来自导电粉末前驱物气体输入220的导电粉末前驱物气体、来自惰性气体输入230的惰性气体、及来自氢气输入240的氢气。在一些实施例中，反应腔室210包含用于在导电粉末前驱物气体与氢气或惰性气体互相作用之前预热此导电粉末前驱物气体的区域。在一些实施例中，反应腔室210包含预热的导电粉末前驱物气体。RF功率单元245经配置以点燃氢气及惰性气体以形成等离子。反应腔室210经配置以引导预热的导电粉末前驱物气体与等离子互相作用。等离子执行与预热的导电粉末前驱物气体的还原反应以形成导电粉末。在一些实施例中，在被预热的导电粉末前驱物气体的反应期间，反应腔室210中的压力自约10毫托(mTorr)至约20托的范围内变化。反应腔室210中的压力有助于决定反应腔室内的反应材料的数量以协助控制反应速率。反应腔室210的侧壁涂覆有石墨烯以减少反应的导电粉末及副产物在此侧壁上的黏着。振动单元250亦有助于减少导电粉末及副产物在反应腔室210的侧壁上的黏着。
导电粉末前驱物气体输入220经配置以将导电粉末前驱物气体自供应源传递至反应腔室210。在一些实施例中，待使用装置200形成的导电粉末包含铝、钴、铜、金、镁、镍、银、钛、锌、上述各者的合金或其他适宜导电材料。在一些实施例中，导电粉末前驱物气体包含导电材料有机化合物。在一些实施例中，导电粉末前驱物气体包含导电材料卤化物。在一些实施例中，加热器连接至导电粉末前驱物气体输入220以预热导电粉末前驱物气体。在一些实施例中，加热器包含换热器、电热器或另一适宜的加热器。此导电粉末前驱物气体经预热至一温度，此温度低于此导电粉末前驱物气体的分解温度。在一些实施例中，将导电粉末前驱物气体加热至一温度，此温度自约100℃至约600℃的范围内变化。导电粉末前驱物气体输入220连接至反应腔室210中的一端口，此端口与惰性气体输入230及氢气输入240分离。在一些实施例中，导电粉末前驱物气体输入220连接至反应腔室210中的一端口，此端口与惰性气体输入230或氢气输入240的至少一个相同。
惰性气体输入230经配置以将来自惰性气体源的惰性气体提供至反应腔室210。在一些实施例中，用于形成惰性气体等离子的惰性气体包含氮气、氩气、氦气或另一适宜惰性气体。惰性气体输入230连接至反应腔室210中的一端口，此端口与导电粉末前驱物气体输入220及氢气输入240分离。在一些实施例中，惰性气体输入230与导电粉末前驱物气体输入220或氢气输入240的至少一个共享反应腔室210的一端口。
氢气输入240经配置以将来自氢气源的氢气提供至反应腔室210。氢气输入240连接至的反应腔室210中的一端口，此端口与导电粉末前驱物气体输入220及惰性气体输入230分离。在一些实施例中，氢气输入240与导电粉末前驱物气体输入220或惰性气体输入230的至少一个共享反应腔室210的一端口。
RF功率单元245经配置以点燃氢气及惰性气体以形成等离子。在反应腔室中施加的RF功率取决于反应腔室的体积。随着反应腔室的容积增大，施加在反应腔室中的RF功率亦随之增大。在一些实施例中，RF功率单元向反应腔室210施加自约10W至约300kW的功率。
振动单元250经配置以向反应腔室210提供振动。在一些实施例中，振动单元250向反应腔室210提供超音波振动。反应腔室210的振动有助于减少黏结至反应腔室210的侧壁的导电粉末或反应副产物的数量。在一些实施例中，振动单元250包含在反应腔室210的外表面上的感测器。在一些实施例中，振动单元250包含流过通道或旋转腔室内的轴承的气流。
冷却段260经配置以冷却通过反应腔室210中的反应而形成的导电粉末。在一些实施例中，冷却段260将导电粉末暴露于来自周围环境的空气。在一些实施例中，冷却段260包含换热器(heat exchanger)。在一些实施例中，冷却段260包含循环装置，此循环装置经配置以循环冷却剂，例如，空气，穿过脱离反应腔室210的导电粉末。
收集器270经配置以接收来自冷却段260的冷却导电粉末。收集器270经配置以将导电粉末灌进粉末收集单元280。在一些实施例中，收集器270包含经配置以基于粒度过滤导电粉末的过滤器。在一些实施例中，收集器270经配置以接收净化溶液以自导电粉末移除反应副产物。
阀门275经配置以选择性地容许导电粉末自收集器270进入粉末收集单元280。在一些实施例中，阀门275包含多个阀门。在一些实施例中，多个阀门的每个阀门对应于粉末收集单元280的单个粉末收集单元。在一些实施例中，多个阀门的每个阀门对应于粉末收集单元280的粉末收集单元组。在一些实施例中，阀门275经控制以容许导电粉末通过以回应收集器270中的过滤制程。在一些实施例中，阀门275经控制以基于粉末收集单元280的状态，例如接收溶剂的粉末收集单元280或被充满的粉末收集单元280，来容许导电粉末通过。
粉末收集单元280经配置以接收导电粉末及有助于基于粒度区分导电粉末。在一些实施例中，粉末收集单元280的每个粉末收集单元经配置以接收具有特定粒度范围的导电粉末颗粒。例如，在一些实施例中，第一组粉末收集单元经配置以接收具有低于阀值的直径的导电粉末颗粒，第二组粉末收集单元经配置以接收具有等于或大于阀值的直径的导电粉末颗粒。在一些实施例中，粉末收集单元280包含ESC以将导电粉末引导进粉末收集单元中。在一些实施例中，粉末收集单元280包含真空泵浦以将导电粉末吸引进粉末导电单元中。在一些实施例中，粉末收集单元280包含至少一个过滤器。在一些实施例中，粉末收集单元280包含经配置以帮助将导电粉末分散进溶剂中的搅动装置。
阀门285经配置以容许来自溶剂入口290的溶剂进入粉末收集单元280。阀门285亦经配置以选择性地容许导电粉末自粉末收集单元280进入连接至泵浦295的输出。在一些实施例中，阀门285包含多个阀门。在一些实施例中，第一阀门连接至溶剂入口290及第二阀门连接至泵浦295。在一些实施例中，阀门285经控制以容许导电粉末通过以回应充分分散在溶剂中的导电粉末。在一些实施例中，阀门285经控制以基于阀门275的状态，例如，被关闭的阀门275，来容许溶剂通过。
溶剂入口290经配置以经由阀门285将来自溶剂源的溶剂提供至粉末收集单元280。溶剂用以分散在粉末收集单元280中所收集的导电粉末。在一些实施例中，溶剂包含甲烷、丙酮、异丙醇、丙酮、乙酸乙酯或另一适宜的流体。在一些实施例中，溶剂包含一个以上材料。在一些实施例中，溶剂入口290包含多个入口，例如，溶剂的每个材料的一者。
泵浦295经配置以经由阀门285移除来自粉末收集单元280的导电粉末。泵浦295能够自溶剂入口290移除分散在溶剂中的导电粉末。在一些实施例中，泵浦295能够在非分散状态中移除导电粉末。在一些实施例中，泵浦295包含真空泵浦。在一些实施例中，泵浦295包含正排量泵浦。在一些实施例中，泵浦295经配置以在分散状态或非分散状态中将导电粉末传送至储存器，供以后使用。
控制器297经配置以控制装置200的部件。控制器297帮助装置200有效地操作以产生导电粉末。控制器297经配置以控制阀门275及阀门285的启闭状态。在一些实施例中，控制器297能够独立地控制在阀门275及/或阀门285内的个别阀门。控制器297经配置以控制RF功率单元245以在导电粉末形成期间维持反应腔室210内的等离子。控制器297经配置以控制泵浦295以调整导电粉末自粉末收集单元280的移除。在一些实施例中，控制器297亦经配置以控制导电粉末前驱物气体输入220、惰性气体输入230、氢气输入240或溶剂入口290的至少一个的流动速率。在一些实施例中，通过控制在各输入及/或入口内的阀门而控制流动速率。在一些实施例中，通过控制在各输入及/或入口中的压力而控制流动速率。在一些实施例中，控制器297控制振动单元250以当产生导电粉末时开始反应腔室210的振动，及当反应腔室未使用时停止反应腔室的振动。在一些实施例中，控制器297控制反应腔室210内的温度或压力。在一些实施例中，控制器297控制连接至导电粉末前驱物气体输入220的加热器以控制导电粉末前驱物气体的预热温度。
在一些实施例中，装置200用以实现方法100。在一些实施例中，装置200用于以不同于方法100的方式产生导电粉末。
图3为根据一些实施例的形成半导体装置的方法300的流程图。在操作302中，开口形成在半导体装置中。在一些实施例中，开口是使用蚀刻制程，例如，湿式蚀刻或干式蚀刻而形成。在一些实施例中，开口是使用激光钻孔制程或另一适宜制程而形成。开口穿过介电质材料延伸并暴露导电元件或半导体装置的部件的接触区域。在一些实施例中，介电质材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或另一适宜的介电质材料。介电质材料的熔融温度大于导电粉末的熔融温度，此导电粉末用以充填在介电质材料中的开口。
在操作304中，开口是使用催化剂层作内衬。在一些实施例中，催化剂层包含钴、镍、钛或另一适宜的催化剂材料。在一些实施例中，催化剂层是使用化学气相沉积(chemical vapor deposition；CVD)、物理气相沉积(physical vapor deposition；PVD)、原子层沉积(atomic layer deposition；ALD)、电镀或另一适宜形成制程而形成。
在操作306中，石墨烯层形成在催化剂层上。在一些实施例中，石墨烯是使用CVD、PVD或另一适宜的形成方法形成。在一些实施例中，石墨烯的厚度自约5nm至约100nm的范围内变化。
在操作308中，开口的剩余部分充满分散在流体中的导电粉末。在一些实施例中，导电粉末通过振动悬浮在流体中。含有悬浮的导电粉末的流体蔓延，例如，通过在晶圆上旋涂流体以充填在开口中。在一些实施例中，导电粉末分散在溶剂中。开口的剩余部分通过在半导体装置上方流动含有分散的导电粉末的流体来充填。流体将流入开口并将导电粉末传送进开口中。在一些实施例中，导电粉末颗粒的平均尺寸小于10nm。在一些实施例中，导电粉末颗粒的平均尺寸自约1nm至约5μm的范围内变化。在有些情况下，随着粒度增大，充填开口变得更加困难。在有些情况下，随着粒度减小，导电粉末颗粒不能充填开口的风险增大。
在操作310中，蒸发流体。蒸发流体以自开口移除流体并仅在石墨烯层上方保留导电粉末。在一些实施例中，使用加热来蒸发流体。在一些实施例中，通过减小在半导体装置上方的压力来蒸发流体。
在操作312中，熔融导电粉末。熔融导电粉末有助于在开口的导电材料形成均匀分布，以助于确保电连接至被开口所暴露的元件。在一些实施例中，使用退火制程熔融导电粉末。在一些实施例中，退火制程为激光退火制程。在一些实施例中，激光为连续波(continuous wave；CW)激光。激光在半导体装置的表面上方扫描及熔融暴露于激光的照射的导电粉末。在一些实施例中，激光通过使用光学元件改变激光相对于半导体装置的方向，而在半导体装置的表面上方扫描。在一些实施例中，激光保持固定不动且半导体装置相对于激光移动，例如使用步进电达。在一些实施例中，激光及半导体装置两者顺序地或者同时地移动。在一些实施例中，激光以二维扫描法在半导体装置上方扫描。在一些实施例中，激光以一维扫描法在半导体装置上方扫描。
在一些实施例中，激光跨半导体装置表面扫描的速率自约10cm/min至约30cm/min的范围内变化。在有些情况下，随着激光扫描速率增加，导电粉末不完全熔融的风险增大。在有些情况下，随着激光扫描速率减小，半导体装置中的其他部件损坏的风险增大。在一些实施例中，激光在扫描方向上接触半导体装置的宽度自约0.3cm至约0.5cm的范围内变化。在有些情况下，随着激光宽度增加，激光控制的精确性降低。在有些情况下，随着激光宽度减小，半导体装置的生产时间增加。在一些实施例中，激光在垂直于扫描方向的方向上接触半导体装置的宽度自约4cm至约6cm的范围内变化。在有些情况下，随着激光宽度增加，激光控制的精确性降低。在有些情况下，随着激光宽度减小，半导体装置的生产时间增加。
在操作314中，平坦化半导体装置。平坦化半导体装置将熔融导电粉末的一部分移出开口外。同时，开口外的石墨烯层及催化剂层的部分通过平坦化半导体装置来移除。在一些实施例中，化学机械研磨(chemical mechanical polishing；CMP)制程用以平坦化半导体装置。在一些实施例中，研磨制程、蚀刻制程或另一适宜制程用以平坦化半导体装置。
方法300能够充填具有小于其他制程大小的开口。例如，方法300能够充填10nm技术节点及更低的开口，因为导电粉末粒度小且导电粉末分散在流体中，其有助于将导电粉末移进开口中。相比于其他方法，使用方法300形成的导电材料的碳含量亦降低。例如，通过电镀铜(electro copper plating；ECP)形成的导线具有大于百万分之(parts permillion；ppm)50的碳含量。相反，在有些情况下，通过方法300形成的导线具有小于50ppm的碳含量。碳将增大高于纯铜电阻的导线电阻。增大的电阻增加操作半导体装置而产生的热量、减慢信号传输及降低信号传输的精确性。减少导线中的碳含量有助于形成半导体装置，其将按设计进行操作，且相较于导线中具有较高碳含量的半导体装置，其可产生更少热量。
在一些实施例中，同时执行方法300中的至少两个操作。例如，在一些实施例中，操作310与操作312同时地执行。在一些实施例中，方法300的至少一个操作被忽略。例如，在一些实施例中，如上所述忽略操作314。
图4A为根据一些实施例的在开口中形成石墨烯层之后的半导体装置400的横截面图。在一些实施例中，半导体装置400为在方法300的操作306(图3)之后的半导体装置。半导体装置400包含基板402。多个隔离特征404在基板402中。多个晶体管410在基板402上。每个晶体管410包含处于基板402中的沟道区420，沟道区420处于源极区422a与漏极区422b之间。栅极接触412自一个晶体管410的栅极延伸并电连接至栅极。源极接触424a自源极区422a延伸并电连接至源极。漏极接触424b自漏极区422b延伸并电连接至漏极。层间介电质(inter-layer dielectric；ILD)430在基板402上方。栅极接触412、源极接触424a及漏极接触424b延伸穿过ILD430。介电质层440形成在ILD430上方，介电质层440例如金属间介电质(inter-metal dielectric；IMD)层。多个开口450在介电质层440中。催化剂层442作为介电质层440的内衬，包含开口450的侧壁及底表面。石墨烯层444在催化剂层442上方。
熟悉本领域技术者将认识到，在一些实施例中，一个栅极接触亦可形成用于超过一个晶体管410。另外，在一些实施例中，一个源极/漏极接触亦可形成用于超过一个晶体管410。为清晰起见，半导体装置400的配置忽略一些特征，诸如额外的栅极接触及源极/漏极接触。
开口450直接形成在金属层中，金属层位于一层的上方，此层含有多个接触，例如，栅极接触412、源极接触424a及漏极接触424b。在一些实施例中，形成在介电质层440中的金属层称作金属层-1(metal layer 1)或M1。在一些实施例中，开口450在ILD430中形成并暴露晶体管的栅极或源极/漏极区。在一些实施例中，形成在ILD430中的金属层称作金属层-0(metal layer 0)或M0。在一些实施例中，开口450在比M1更远离基板402的金属层中。
图4B为根据一些实施例的在形成之后使用导电粉末充填开口的半导体装置400'的横截面图。在一些实施例中，半导体装置400'为在方法300的操作308(图3)之后的结构。半导体装置400'类似于半导体装置400且相同的元件符号指示相同的元件。相比于半导体装置400，半导体装置400'包含开口450中的导电粉末460。在一些实施例中，导电粉末460分散在流体中。在一些实施例中，导电粉末460处于非分散状态。在一些实施例中，导电粉末包含铝、钴、铜、金、镁、镍、银、钛、锌、上述各者的合金或其他适宜材料。
图4C为根据一些实施例在形成熔融导电粉末之后的400”的横截面图。在一些实施例中，半导体装置400”为在方法300的操作312(图3)之后的结构。半导体装置400”类似于半导体装置400'且相同的元件符号指示相同的元件。相比于半导体装置400'，半导体装置400”包含开口450中的导电材料470。导电材料470包含与导电粉末460相同的材料。相比于导电粉末460，导电材料470包含较少界面。例如通过激光退火制程熔融导电粉末460而形成导电材料470。
图4D为根据一些实施例的在平坦化制程之后的半导体装置400*的横截面图。在一些实施例中，半导体装置400*为在方法300的操作314(图3)之后的结构。半导体装置400*类似于半导体装置400”且相同的元件符号指示相同的元件。相比于半导体装置400”，半导体装置400*包含暴露的介电质层440的顶表面。平坦化制程，例如CMP，用以将催化剂层442、石墨烯层444及导电材料470移出开口450外。平坦化制程产生大体上与导电材料470的顶表面共面的介电质层440的顶表面。
导电材料470的碳含量小于50ppm。相比于其他装置，导电材料470的低碳含量有助于维持导电材料470的低电阻。
图5为根据一些实施例的控制器500的示意图，此控制器500用于控制形成导电粉末的装置。控制器500包含硬件处理器502及非暂态计算机可读储存媒体504，非暂态计算机可读储存媒体504编码有，即储存计算机程序码506，即可执行指令集编码。计算机可读储存媒体504亦编码有指令507以与用于生产导电粉末的制造机器连接。处理器502经由总线508电耦接至计算机可读储存媒体504。处理器502亦通过总线508电耦接至I/O接口510。网络接口512亦经由总线508电连接至处理器502。网络接口512连接至网络514，使得处理器502及计算机可读储存媒体504能够经由网络514连接至外部元件。处理器502经配置以执行编码在计算机可读储存媒体504中的计算机程序码，以使控制器500能够用于执行如方法100所述的操作的部分或全部。
在一些实施例中，处理器502为中央处理器(central processing unit；CPU)、多处理器、分散式处理系统、特殊应用集成电路(application specific integratedcircuit；ASIC)及/或适宜的处理单元。
在一些实施例中，计算机可读储存媒体504为电子的、磁性的、光学的、电磁、红外线及/或半导体系统(或设备或装置)。例如，计算机可读储存媒体504包含半导体或固态记忆体、磁带、可移动计算机磁盘、随机存取记忆体(random access memory；RAM)、只读记忆体(read-only memory；ROM)、刚性磁盘及/或光盘。在使用光盘的一些实施例中，计算机可读储存媒体504包含只读记忆光盘(compact disk-read only memory；CD-ROM)、可重复录写光盘(CD-R/W)及/或数字视频盘(digital video disc；DVD)。
在一些实施例中，储存媒体504储存计算机程序码506，计算机程序码506经配置用以使控制器500执行方法100。在一些实施例中，储存媒体504亦储存用以执行方法100的信息以及在执行方法100期间产生的信息，诸如溶剂流动速率参数516、用于监控导电粉末前驱物气体流动速率的前驱物流动速率参数518、惰性气体流动速率参数520、氢气流动速率参数522及/或用以执行方法100的操作的可执行指令集。
在一些实施例中，储存媒体504储存指令507，指令507用于与制造机器连接互动。指令507使得处理器502能够产生出制造机器可读的制造指令，来在制造期间有效地实施方法100。
控制器500包含I/O(input/output；I/O)接口510。I/O接口510耦接至外部电路。在一些实施例中，I/O接口510包含用于将信息及命令传至处理器502的键盘、键区、鼠标、轨迹球、触控板及/或游标方向键。
控制器500亦包含耦接至处理器502的网络接口512。网络接口512允许控制器500与网络连接514沟通，一或多个其他计算机系统连接至此网络连接514。网络接口512包含无线网络接口或有线网络接口，无线网络接口诸如BLUETOOTH、WIFI、WIMAX、GPRS或WCDMA，有线网络接口诸如ETHERNET、USB或IEEE-1394。在一些实施例中，方法100在两个或两个以上控制器500中实施，及诸如记忆体类型、记忆体阵列布局、I/O电压、I/O接脚地址及电荷泵浦的信息经由网络514在不同的控制器500之间互换。
上文描述包含一些实施例，以形成足够小粒度的导电粉末以充填10nm技术节点及更小的开口。导电粉末能够有效地充填半导体装置中的导线或通孔的开口以增大半导体装置的可靠性及产品良率。
此描述的一个态样是关于形成导电粉末的方法。此方法包含通过还原反应来使用等离子还原导电粉末前驱物气体。还原导电粉末前驱物气体来形成导电粉末。此方法还包含基于粒度过滤导电粉末。此方法还包含在流体中分散具有低于阀值的粒度的导电粉末的一部分。
在一些实施例中，此方法还包含在还原导电粉末前驱物气体之前预热导电粉末前驱物气体。
在一些实施例中，此方法还包含与在一反应腔室中还原导电粉末前驱物气体同时地对反应腔室执行一超音波振动。
在一些实施例中，过滤导电粉末包含执行一静电收集(ESC)制程或一离心制程的至少一个。
在一些实施例中，在流体中分散导电粉末包含在一无氧流体中分散导电粉末。
在一些实施例中，在流体中分散导电粉末包含在一溶剂中分散导电粉末。溶剂包括甲烷、丙酮或异丙醇。
在一些实施例中，还原导电粉末前驱物气体包含还原导电粉末前驱物气体，导电粉末前驱物气体包含一导电材料有机化合物。
在一些实施例中，还原导电粉末前驱物气体包含还原导电粉末前驱物气体，包导电粉末前驱物气体含一导电材料卤化物。
在一些实施例中，还原导电粉末前驱物气体包含在自约10毫托(mTorr)至约20Torr的范围内的一压力下、在自约10瓦(W)至约300千瓦(kW)的范围内的一射频(RF)功率、及在自约100℃至约600℃的范围内一温度下，于一反应腔室中还原导电粉末前驱物气体。
此描述的另一态样是关于用于一种形成导电粉末的装置。此装置包含经配置以接收导电粉末前驱物气体、惰性气体及氢气的反应腔室。此装置进一步包含经配置以使用惰性气体及氢气点燃等离子的射频(RF)功率单元。此等离子用于通过还原反应来还原导电粉末前驱物气体以形成导电粉末。此装置进一步包含经配置以基于粒度区分导电粉末的粉末收集单元。此装置进一步包含经配置以向粉末收集单元提供溶剂的溶剂入口，以用于在溶剂中分散导电粉末。
在一些实施例中，此装置还包含一振动单元。振动单元经配置以在导电粉末前驱物气体的还原期间振动反应腔室。
在一些实施例中，此装置还包含一阀门。阀门经配置以调整溶剂自溶剂入口至粉末收集单元的一流动。
在一些实施例中，此装置还包含一泵浦。泵浦用于自粉末收集单元移除在溶剂中分散的导电粉末。
此描述的又一态样是关于形成半导体装置的方法。此方法包含在介电质材料中形成至少一个开口。此方法还包含在至少一个开口中沉积一石墨烯层。此方法还包含使用分散在流体中的导电粉末充填至少一个开口。此方法还包含熔融导电粉末。
在一些实施例中，熔融导电粉末包含使用一激光退火制程熔融导电粉末。
在一些实施例中，激光退火制程包含在半导体装置的一表面上方扫描一激光。
在一些实施例中，此方法还包含平坦化半导体装置。
在一些实施例中，此方法还包含蒸发流体。
在一些实施例中，蒸发流体包含在熔融导电粉末之前蒸发流体。
在一些实施例中，此方法还包含使用一催化剂层作该至少一个开口的内衬。石墨烯层沉积在催化剂层上。
上文概述若干实施例的特征，使得熟悉他项技术者可更好地理解本揭示的态样。熟悉此项技术者应了解，可轻易使用本揭示作为设计或修改其他制程及结构的基础，以便实施本文所介绍的实施例的相同目的及/或实现相同优势。熟悉此项技术者亦应认识到，此类等效结构并未脱离本揭示的精神及范畴，且可在不脱离本揭示的精神及范畴的情况下产生本文的各种变化、替代及更改。

Claims (1)

1.一种形成一导电粉末的方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：
通过一还原反应来使用一等离子还原一导电粉末前驱物气体以形成该导电粉末；
基于粒度过滤该导电粉末；以及
在一流体中分散该导电粉末的一部分，该导电粉末的该部分具有一粒度，该导电粉末的该部分的该粒度低于一阀值。
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