CN1425196A - 导电互连 - Google Patents

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Abstract

一种物理气相淀积靶，包括铜和银的合金，该合金中银含量为小于1.0at％至0.001at％。在一个实现方式中，物理气相淀积靶包括铜和银的合金，该合金中银含量为50at％至70at％。一种物理气相淀积靶，包括铜和锡的合金，该合金中锡含量为小于1.0at％至0.001at％。在一个实现方式中，一种导电的集成电路金属合金互连包括铜和银的合金，该合金中银含量为小于1.0at％至0.001at％。一种导电的集成电路金属合金互连包括铜和银的合金，该合金中银含量为50at％至70at％。导电的集成电路金属合金互连包括铜和锡的合金，该合金中锡含量为小于1.0at％至0.01at％。其它可用的铜合金包括铜和一种或多种其它元素的合金，在该合金中该一种或多种其它元素的总浓度为小于1.0at％至0.001at％，并选自由Be、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Ti、Zr、Hf、Zn、Cd、B、Ga、In、C、Se、Te、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ni、Pd、Pt、Au、Tl和Pb组成的组。形成一种电镀阳极包括一种或多种上述合金。

Description

导电互连
技术领域
本发明涉及物理气相淀积靶，涉及导电的集成电路金属合金互连，并涉及电镀阳极。
背景技术
铝及其合金是在半导体晶片上制造集成电路的金属互连中采用的普通金属材料。然而，当电路密度增加以及工作速度提高时，铝的电阻预期妨碍它在许多下一代电路中的使用。由于铜在接近100％纯度(即，大于99.999％铜)时具有1.7微欧姆.厘米的低体电阻率，已经建议将铜作为替代铝及其合金的强有力的候选材料。此外，与铝及其合金相比，铜具有大约10倍或更高的电迁移电阻。
与纯铜互连相关的一个问题关系到淀积薄膜中异常晶粒生长或热稳定性。此外，这种异常的和不期望的晶粒生长会降低薄膜的电迁移电阻。低的热稳定性定义为，并且异常晶粒生长特征在于，当暴露于某一温度时铜内部个别晶粒生长的趋势。材料再结晶或开始生长较大的晶粒的温度越高，该材料的热稳定性就越高。
在集成电路制造中可以采用包括化学气相淀积、物理气相淀积和电化学淀积例如电镀的多种技术淀积元素铜及其合金。理想地当淀积时，为实现所需的溅射性能和最终的薄膜结构和特性，包括溅射靶的铜将具有基本均匀的微观结构、细小晶粒大小和优选的晶体取向。
本发明的公开
本发明包括导电的集成电路金属合金互连、物理气相淀积靶和电镀阳极。在一个实现方式中，物理气相淀积靶包括铜和银的合金，该合金中银含量为小于1.0at％至0.001at％。在一个实现方式中，物理气相淀积靶包括铜和银的合金，该合金中银含量为50at％至70at％。在一个实现方式中，物理气相淀积靶包括铜和锡的合金，该合金中锡含量为小于1.0at％至0.001at％。
在一个实现方式中，导电的集成电路金属合金互连包括铜和银的合金，该合金中银含量为小于1.0at％至0.001at％。在一个实现方式中，导电的集成电路金属合金互连包括铜和银的合金，该合金中银含量为50at％至70at％。在一个实现方式中，导电的集成电路金属合金互连包括铜和锡的合金，该合金中锡含量为小于1.0at％至0.001at％。
在一个实现方式中，电镀阳极包括铜和银的合金，该合金中银含量为小于1.0at％至0.001at％。在一个实现方式中，电镀阳极包括铜和银的合金，该合金中银含量为50at％至70at％。在一个实现方式中，电镀阳极包括铜和锡的合金，该合金中锡含量为小于1.0at％至0.001at％。
在其它实现方式中，在物理气相淀积靶、导电的集成电路金属合金互连和电镀阳极中其它可用的铜合金包括铜和一种或多种其它元素的合金，在该合金中该一种或多种其它元素含量的总浓度为小于1.0at％至0.001at％并选自由Be、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Ti、Zr、Hf、Zn、Cd、B、Ga、In、C、Se、Te、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ni、Pd、Pt、Au、Tl和Pb组成的组。电镀阳极被形成为包括一种或多种上述合金。
在其它实现方式中，本发明考虑将金属合金用作集成电路中的导电互连。
附图的简要描述
将参照附图在下面描述本发明的优选实施例。
图1是根据本发明一个方面的物理气相淀积靶系统的概略剖面图。
图2是根据本发明一个方面的含有电镀阳极的电镀系统的概略剖面图。
图3是根据本发明一个方面的包括包含导电的金属合金互连的集成电路的半导体晶片一部分的横截面图。
实施本发明的最好方式和发明的公开
本发明包括新型的物理气相淀积靶，该物理气相淀积靶包括铜和银的合金并包括铜和锡的合金。本发明也考虑由这种金属合金组成的以及是否利用本发明的物理气相淀积靶淀积、通过化学气相淀积还是通过其它方法淀积的导电的集成电路互连。本发明包括包含铜和银的合金，以及包含铜和锡的合金的电镀阳极。本发明还包括包含其它铜合金的物理气相淀积靶、导电的集成电路互连和电镀阳极。本发明还考虑将金属合金用作集成电路中的导电互连，作为实例只可能用作制造物理气相淀积靶或电镀阳极的原材料。
在一个实现方式中，物理气相淀积靶包括铜和银的合金，在该合金中银含量为小于1.0at％至0.001at％，更优选为0.005at％至0.1at％。本发明的一方面还包括包含这种铜和银合金的导电的集成电路金属合金互连。优选地，这种互连将比具有相同晶粒大小的纯度超过99.999％的铜具有高的电迁移电阻。进一步优选地，该合金将比具有相同晶粒大小的纯度超过99.999％的铜具有更高的晶粒大小保持和晶体取向保持的热稳定性。进一步优选地，理想地获得非常接近纯铜的电导率。优选地，当从溅射靶淀积互连时，合金提供非常稳定的溅射靶微观结构和织构。这种合金的热稳定靶可以提供改进的溅射性能和电路中最终的薄膜特性。无论如何并且当由化学气相淀积或其它方法淀积时，该合金在保持非常接近纯铜电导率时提供较高的电迁移电阻。银在呈元素沉淀物形态的微观结构中可以形成均匀细小的沉淀物。
在本发明的另一方面，物理气相淀积靶包括铜和银的合金，在该合金中银含量为50at％至70at％，更优选在55at％和65at％之间，最优选在大约60at％。本发明还考虑包括铜和银的这种合金的、无论通过物理气相淀积、化学气相淀积或其它方法淀积的导电的集成电路金属合金互连。最优选地，在电路中形成的最终的合金比具有相同晶粒大小的纯度超过99.999％的铜具有更高的电迁移电阻。进一步优选，合金互连优选比具有相同晶粒大小的纯度超过99.999％的铜具有更高的晶粒大小保持和晶体取向保持的热稳定性。
银是用于物理气相淀积靶和导电的集成电路金属合金互连的铜中的非常理想的掺杂元素，因为它具有与铜相似的电阻率并与铜基本上不形成固熔体。因此，铜-银合金可在很大程度上被看作银晶粒和铜晶粒的机械混合物。由于这种结构和混合物，铜-银合金比纯铜具有最小的电阻率增加，即使合金中银浓度处于高水平。此外，报道了铜-银合金的最小电阻率接近共晶组成，该组成大约铜为40at％、银为60at％，并且仅比纯铜的电阻率高大约10％。因此，采用含银为60at％或大约60at％的低共熔点铜合金作为合金可以获得显著降低或较低的回流温度。这将导致大约780EC的熔化温度，这显著低于大约1085EC的纯铜熔化温度，并且仅比目前通常在导电的集成电路互连中采用的铝及其合金的熔化温度高约120EC。因此，在用于小通孔和深沟槽填充应用的薄膜淀积之后，低共熔合金的低熔化温度就提供低温度回流的机会。
这种特定的应用可能对薄膜淀积具有深远影响。借助日益缩小的器件特征尺寸和集成电路设计规则，薄膜淀积的瓶颈之一是小通孔和沟槽的完全填充。已经采用压力或温度辅助薄膜淀积来影响铝金属化中小通孔和沟槽填充的困难。然而，高压没有与常规的集成电路工艺很好地相适应，因此还没有被工业生产很好地接受。因此，在大多数应用中主要采用高温工艺。然而对于铜金属化，由于它的高熔化温度，不期望实施温度辅助淀积。然而，银含量在50at％和70at％之间的优选组成的铜-银合金、以及更为优选银含量为约60at％的低共熔点的银铜合金可以在铜合金的使用中提供显著的工艺优点。
在本发明的另一个方面，物理气相淀积靶包括铜和锡的合金，在该合金中锡含量为小于1.0at％至0.001at％，且更优选为0.01at％至0.1at％。本发明的一方面还考虑包括这种合金的导电的集成电路金属合金互连。优选地，这种互连将比具有相同晶粒大小的纯度超过99.999％的铜具有更高的电迁移电阻。此外优选地，这种互连将比具有相同晶粒大小的纯度超过99.999％的铜具有更高的晶粒大小保持和晶体取向保持的热稳定性。进一步优选地，该互连将具有小于1.8微欧姆.厘米的电阻率。锡呈金属互化物沉淀物形式在微观结构中可以形成均匀细小的沉淀物。
采用常规的真空感应熔融和空气熔融方法制备一系列铜合金。采用高纯铜(纯度为99.9998％(5N8))作为参考，并作为用于上述的铜合金的起始材料。将不同浓度的银和锡掺入参考的铜中以获得铜合金。利用辉光放电质谱仪(GDMS)对取自铸态的样品中进行化学分析。利用不同温度下的硬度、晶粒大小和织构(晶粒取向)分析评价热稳定性。利用大样在室温下测量电阻率。
在下面的表中示出了详细的结果，所有的ppm值均为重量百分比。
       材料 电阻率(μΩ.cm)
    纯Cu(5N8)     1.70
    Cu w/16ppm Sn     1.71
    Cu w/530ppm Sn     1.69
    Cu w/135ppm Ag     1.82
    Cu w/145ppm Ag     1.75
    Cu w/385ppm Ag     1.75
      材料 再结晶温度(EC)
    纯Cu(5N8)     150
    Cu w/350ppm Sn     250
    Cu w/530ppm Sn     300
    Cu w/145ppm Ag     350
    Cu w/385ppm Ag     400
    材料      晶粒大小保持温度(EC)   织构保持温度(EC)
  纯Cu(5N8)   350(晶粒大小30μm)     150
  Cu w/530ppm Sn   ＞400(晶粒大小20μm)     300
  Cu w/385ppm Ag   ＞400(晶粒大小20μm)     400
上述从归纳到实践的实现方式显示锡和银-铜合金具有几乎与纯铜相同的电阻率。此外，这种铜合金显示了改进的热稳定性和精细晶粒结构。
在室温下，银和锡两者在铜中具有可以忽略的固溶度。因此，一旦合金凝固几乎所有掺杂的银和锡优选从铜基质中沉淀出来。优选的结果是具有少量银或CuSn3金属间化合物的实际上纯净的铜基质。优选地，在很少量沉淀物中几乎不存在铜晶格畸变，使得电阻率非常接近纯铜。这一趋势导致掺杂元素没有与铜形成固溶体并且掺杂元素含量小于1at％的银或锡。
本发明还考虑在物理气相淀积靶、导电的集成电路互连和电镀阳极中其它铜合金的应用。这些材料包括具有低的室温固溶度和在微观结构中具有均匀分布的细小沉淀物，非常象银和锡的元素。一类元素在微观结构中形成金属间化合物沉淀物。这些元素包括Be、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Ti、Zr、Hf、Zn、Cd、B、Ga、In、C、Se和Te。根据本发明的一个方面，物理气相淀积靶、导电的集成电路互连和电镀阳极由铜和一种或多种其它元素的合金组成，该一种或多种其它元素在该合金中的总浓度为小于1.0at％至0.001at％，并选自由Be、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Ti、Zr、Hf、Zn、Cd、B、Ga、In、C、Se和Te组成的组。期望这种铜合金比具有相同晶粒大小的纯度超过99.999％的铜具有更高的电迁移电阻。此外，期望这种铜合金比具有相同晶粒大小纯度超过99.999％的铜具有更好的对晶粒大小保持和晶体取向保持的热稳定性。
另一类元素在微观结构中形成元素沉淀物。这些元素包括V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ni、Pd、Pt、Au、Tl和Pb。根据本发明的一个方面，物理气相淀积靶、导电的集成电路互连和电镀阳极由铜和一种或多种其它元素的合金组成，该一种或多种其它元素在该合金中的总浓度为小于1.0at％至0.001at％，并选自由V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ni、Pd、Pt、Au、Tl和Pb组成的组。期望这种铜合金比具有相同晶粒大小的纯度超过99.999％的铜具有更高的电迁移电阻。此外，期望这种铜合金比具有相同晶粒大小纯度超过99.999％的铜具有更好的对晶粒大小保持和晶体取向保持的热稳定性。
图1示意性描述了包括溅射组件20和在其上进行溅射淀积的晶片22的溅射系统。溅射组件20包括通过常规或期待得到发展的(yet-to-be developed)方法粘附到托板26的主溅射靶24。溅射组件20还包括容纳中间主靶24和衬底22的RF溅射线圈28。主靶24和RF溅射线圈28之一或两者被制造为包括一种或多种上述合金。
在一个方面，本发明还考虑采用一种或多种上述合金作为电镀阳极。图2示意性描述仅为示例的包括液体槽31的电镀系统30。在槽31中的适合的电镀溶液中相互相对地容纳有其上将被淀积的衬底32和电镀阳极34。衬底32和阳极34通过适合的电源36相互电连接，该电源被配置为以使衬底32用作阴极，并由此使材料从电镀阳极34淀积到衬底32上。
图3说明仅为示例的通常由参考数字10表示的半导体晶片一部分。它包括具有在其中形成导电扩散区14的体半导体衬底12。在衬底12上形成电绝缘层16，并在扩散区14之上穿过该电绝缘层16形成接触开口18。该开口已经用导电填塞材料25填塞，该材料优选包括一种或多种上述的合金。相对于接触开口18当然也可以采用扩散阻挡层或粘附层(未示出)。导电线26在导电填塞材料25之上并与该材料电连接地已经淀积并形成图案。互连线26也优选包括一种或多种上述合金。元件26和25构成优选包括一种或多种这里所述的合金的示例的导电的集成电路金属合金互连。如不同的剖面线所示它们可包括不同的材料，或完全由相同的材料构成。当然可以考虑其它构造。

Claims (59)

1.一种导电的集成电路金属合金互连，包括铜和银的合金，在该合金中银含量为小于1.0at％至0.001at%。
2.权利要求1的互连，其特征在于银在该合金中含量为0.005at％至0.1at％。
3.权利要求1的互连，具有比相同晶粒大小的纯度超过99.999％的铜更高的电迁移电阻。
4.权利要求1的互连，具有比相同晶粒大小的纯度超过99.999％的铜更高的晶粒大小保持和晶体取向保持的热稳定性。
5.一种物理气相淀积靶，包括铜和银的合金，在该合金中银含量为小于1.0at％至0.001at％。
6.权利要求5的物理气相淀积靶，其特征在于银在该合金中含量为0.005at％至0.1at％。
7.权利要求5的物理气相淀积靶，包括RF溅射线圈。
8.一种电镀阳极，包括铜和银的合金，银在该合金中含量为小于1.0at％至0.001at％。
9.权利要求8的电镀阳极，其特征在于银在该合金中含量为0.005at％至0.1at％。
10.一种在集成电路中用作导电互连的金属合金，包括铜和银，银在该合金中含量为小于1.0at％至0.001at％。
11.权利要求10的金属合金，其特征在于银在该合金中含量为0.005at％至0.1at％。
12.一种导电的集成电路金属合金互连，包括铜和银的合金，银在该合金中含量为50at％至70at％。
13.权利要求12的互连，其特征在于银在该合金中含量为55at％至65at％。
14.权利要求12的互连，其特征在于银在该合金中含量为大约60at％。
15.权利要求12的互连，具有比相同晶粒大小的纯度超过99.999％的铜更高的电迁移电阻。
16.权利要求12的互连，具有比相同晶粒大小的纯度超过99.999％的铜更高的晶粒大小保持和晶体取向保持的热稳定性。
17.一种物理气相淀积靶，包括铜和银的合金，银在该合金中含量为50at％至70at％。
18.权利要求17的物理气相淀积靶，其特征在于银在该合金中含量为55at％至65at％。
19.权利要求17的物理气相淀积靶，其特征在于银在该合金中含量为大约60at％。
20.权利要求17的物理气相淀积靶，包括RF溅射线圈。
21.一种电镀阳极，包括铜和银的合金，银在该合金中含量为50at％至70at％。
22.权利要求21的电镀阳极，其特征在于银在该合金中含量为55at％至65at％。
23.权利要求21的电镀阳极，其特征在于银在该合金中含量为大约60at％。
24.一种在集成电路中用作导电互连的金属合金，包括铜和银，银在该合金中含量为50at％至70at％。
25.权利要求24的金属合金，其特征在于银在该合金中含量为55at％至65at％。
26.一种导电的集成电路金属合金互连，包括铜和锡的合金，锡在该合金中含量为小于1.0at％至0.001at％。
27.权利要求26的互连，其特征在于锡在该合金中含量为0.01at％至0.1at％。
28.权利要求26的互连，具有比相同晶粒大小的纯度超过99.999％的铜更高的电迁移电阻。
29.权利要求26的互连，具有比相同晶粒大小的纯度超过99.999％的铜更高的晶粒大小保持和晶体取向保持的热稳定性。
30.权利要求26的互连，具有小于1.8微欧姆.厘米的电阻率。
31.一种物理气相淀积靶，包括铜和锡的合金，锡在该合金中含量为小于1.0at％至0.001at％。
32.权利要求31的物理气相淀积靶，其特征在于锡在该合金中含量为0.01at％至0.1at％。
33.权利要求31的物理气相淀积靶，包括RF溅射线圈。
34.一种电镀阳极，包括铜和锡的合金，锡在该合金中含量为小于1.0at％至0.001at％。
35.权利要求34的电镀阳极，其特征在于锡在该合金中含量为0.01at％至0.1at％。
36.一种在集成电路中用作导电互连的金属合金，包括铜和锡，锡在该合金中含量为小于1.0at％至0.001at％。
37.权利要求36的金属合金，其特征在于锡在该合金中含量为0.01at％至0.1at％。
38.一种导电的集成电路金属合金互连，包括铜和一种或多种其它元素的合金，该一种或多种其它元素在该合金中总浓度为小于1.0at％至0.001at％，并选自由Be、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Ti、Zr、Hf、Zn、Cd、B、Ga、In、C、Se和Te组成的组。
39.权利要求38的互连，其特征在于该一种或多种其它元素在该合金中的总浓度为0.005at％至0.1at％。
40.权利要求38的互连，具有比相同晶粒大小的纯度超过99.999％的铜更高的电迁移电阻。
41.权利要求38的互连，具有比相同晶粒大小的纯度超过99.999％的铜更高的晶粒大小保持和晶体取向保持的热稳定性。
42.一种物理气相淀积靶，包括铜和一种或多种其它元素的合金，该一种或多种其它元素在该合金中的总浓度为小于1.0at％至0.001at％，并选自由Be、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Ti、Zr、Hf、Zn、Cd、B、Ga、In、C、Se和Te组成的组。
43.权利要求42的物理气相淀积靶，其特征在于该一种或多种其它元素在该合金中的总浓度为0.005at％至0.1at％。
44.权利要求42的物理气相淀积靶，包括RF溅射线圈。
45.一种电镀阳极，包括铜和一种或多种其它元素的合金，该一种或多种其它元素在该合金中的总浓度为小于1.0at％至0.001at％，并选自由Be、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Ti、Zr、Hf、"Zn、Cd、B、Ga、In、C、Se和Te组成的组。
46.权利要求45的电镀阳极，其特征在于该一种或多种其它元素在该合金中的总浓度为0.005at％至0.1at％。
47.一种在集成电路中用作导电互连的金属合金，包括铜和一种或多种其它元素，该一种或多种其它元素在该合金中的总浓度为小于1.0at％至0.001at％，并选自由Be、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Ti、Zr、Hf、Zn、Cd、B、Ga、In、C、Se和Te组成的组。
48.权利要求47的金属合金，其特征在于该一种或多种其它元素在该合金中的总浓度为0.005at％至0.1at％。
49.一种导电的集成电路金属合金互连，包括铜和一种或多种其它元素的合金，该一种或多种其它元素在该合金中的总浓度为小于1.0at％至0.001at％，并选自由V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ni、Pd、Pt、Au、Tl和Pb组成的组。
50.权利要求49的互连，其特征在于该一种或多种其它元素在该合金中的总浓度为0.005at％至0.1at％。
51.权利要求49的互连，具有比相同晶粒大小的纯度超过99.999％的铜更高的电迁移电阻。
52.权利要求49的互连，具有比相同晶粒大小的纯度超过99.999％的铜更高的晶粒大小保持和晶体取向保持的热稳定性。
53.一种物理气相淀积靶，包括铜和一种或多种其它元素的合金，该一种或多种其它元素在该合金中的总浓度为小于1.0at％至0.001at％，并选自由V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ni、Pd、Pt、Au、Tl和Pb组成的组。
54.权利要求53的物理气相淀积靶，其特征在于该一种或多种其它元素在该合金中的总浓度为0.005at％至0.1at％。
55.权利要求53的物理气相淀积靶，包括RF溅射线圈。
56.一种电镀阳极，包括铜和一种或多种其它元素的合金，该一种或多种其它元素在该合金中的总浓度为小于1.0at％至0.001at％，并选自由V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ni、Pd、Pt、Au、Tl和Pb组成的组。
57.权利要求56的电镀阳极，其特征在于该一种或多种其它元素在该合金中的总浓度为0.005at％至0.1at％。
58.一种导电的集成电路中金属合金互连，包括铜和一种或多种其它元素的合金，该一种或多种其它元素在该合金中的总浓度为小于1.0at％至0.001at％，并选自由V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ni、Pd、Pt、Au、Tl和Pb组成的组。
59.权利要求58的互连，其特征在于该一种或多种其它元素在该合金中的总浓度为0.005at％至0.1at％。
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