TW517366B - Method of preventing bridging between polycrystalline micro-scale features - Google Patents

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更小型化之要求，在電子 行或不實用的。 業中稱爲”設計收縮"，是不可 因此，一般期望提供— 徵間之橋接，而無需較大二或預防广田至屬鍍敷層特 w間隔心万法。 本务明係提供一種予首防式石， 間之橋接可能性，及特別是^顯著地降低相鄰多晶材料 間之電短路之方法。本電…鄰金屬鍵敷層 屬鍍敷層。本發明之主要方：_㈣方法所形成之金 面係爲測定晶粒生長較可能获 以發生之機制，意即金屬曰、丄 长敉了此猎 忒 曰权〈生長已藉由構圖而被拆解 成/、有少於六個晶粒邊界，此 此馬取具熱力學安足性之狀態 右文束縛，如在導電層介於一 則過度晶粒生長最可能^ 層H兄’ 心 么生在具有少於六個邊界之晶粒中 比#要A q向（—70)。W已測定出，當與薄金屬線條 ?父時，此類型之晶粒生長係得利於較寬廣金屬鍍 欲’譬如金屬墊片（於本文中使 4 曰 又甲使用時，後者係包括相對較貧 廣〈金屬線條）。藉由抑制或阻斷來自較易於受到此種生長 :金屬鍍敷層特徵之側向晶粒生長，則在此等特徵間金屬 軏接 < 發生率係被顯著地降低或甚至消除。 本發明方法-般而言係需要在基材上形成金屬層，然後 使其構圖，而產生至少兩個金屬結構。此等金屬結構之第 一個具有構圖邊緣’其係與第二個金屬結構之構圖邊緣間 ，分開’因此個與第二個金屬結構係彼此電絕緣。但 是’正如上文所解釋者，某些熱處理可能會導致側向晶粒 本紙張尺度適用中國國豕標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱 Μ--------^---------Awl (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 517366 A7

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517366 五 、發明說明（ 4 屬結構構圖邊緣之向内晶粒生長，與朝向相鄰第二個金屬 結構之向外晶粒生長相反。本發明所意欲涵蓋之各研究途 =之作用，係爲降低或消除緊密相鄰金屬鍍敷層i徵二= 金屬橋接，即使在已發生側向晶粒生長之情況中亦然。< 本發明之其他目的與優點，將自下文詳述而更爲明' m簡述 圖1與2表示先前技藝之金屬墊片與線條，其中金屬橋 係由於來自金屬墊片之側向生長而發生。 n要 义圖3至6係説明金屬鍍敷層處理步驟，其中圖5爲根據先 則技藝發生金屬橋接之代表圖，&圖6係説明根據本發明 利用虛設金屬線條預防金屬橋接。 Λ 圖7至10表示根據本發明抑制金屬墊片與金屬線條間之金 屬橋接之替代方法與具體實施例。 一 較佳具體實施例之詳述 圖3表示圖i中所示金屬鍵敷層1〇之平面圖，其中頂部搪 政層Μ被省略’以顯現出其下方之多晶導電層12。正如此 項技蟄中所已知者，材料(譬如鈥 '氮化鈇及兩者之 (擴散障壁層Μ，係用以降低導電層12與來自周圍 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 構足金屬之固態擴散速率。金屬 〇 鴒鍍敷層10足厚度可以改變 ，，、中約0.25微米及較低之厚度，係爲某些應用之亚型値 。正如將明瞭的，從實現本發明利益之觀點看來，:屬贫 敷層厚度是特別重要之參數。雖然船合金 層12使用’且欽與氮化欽係爲障壁層Η之較佳材料I; 預見可使用其他材料以形成金屬鍍敷層1〇。此外，擴散層 -7- ^纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公爱） 517366 A7

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五、發明說明（5 ) 之可以省各，並可將其他金屬層包封在擴散層14之間。 一正如前文參考圖2所解釋者，已發現側向晶粒生長會隨著 藉由先W技蟄金屬鍍敷方法所形成之多晶金屬鍍敷層而發 生，其中係將金屬鍍敷層1〇構圖，以形成微細金屬線條^ 及相對較大金屬結構，於本文中稱爲塾片16。導電層η之 晶粒邊界係呈現於圖3至6中，以幫助説明在造成從圖2之 金屬墊片16朝向金屬線條18之側向晶粒生長（意即，在導電 層12平面上之一次元晶粒生長）上，經測定爲活性之機制。 圖3表不Al-Cu合金導電層12在沉積後之典型晶粒結構。从 Cu導電層12 <晶粒結構與組織，係依許多因素而定，包括 沉積條件及所使用基材與障壁材料之類型。在一項實例中 、，若藉由電鍍、_、蒸發、化學或物理蒸氣沉積等進行 ’几和d Al-Cu導电層12之平均晶粒大小，可在約〇 〇〇5至約 2微米之譜。 於圖4中，顯示金屬鍍敷層1〇已藉由已知方法譬如石印術 與金屬反應性離子蝕刻（RIE)構圖，藉此方法已使金屬墊片 16與兩個金屬線條18被壕溝22描營在金屬鍍敷層⑴中:樣 溝22係個別描緣金屬整片16與最接近金屬線條狀對立邊 緣24與26。在此等邊緣24與26間之間隔，係被顯示爲大約 等於或小於導電層12中之平均晶粒大小（例如物微米）。 在金屬墊片16與金屬線條18之邊緣24與26處之晶粒，係被 顯示爲，壕溝22截切。爲了下文討論之目的，在圖*中挑 選出沿著塾片16邊緣24之兩個晶粒28。圖5表示已被加熱 ，譬如回火之金屬鍍敷層10之作用，於此段期間内已發生、 -8- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 x 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝--------訂---------. 517366 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明（6 晶粒28之側向晶粒生長，其中此等晶粒％之一係與相鄰線 條18之邊緣26形成金屬橋20。 根據本發明，金屬橋20爲在熱循環期間，於AK：u導電層 12中之應力狀態之結果。由於船導電層12具有較高熱： 脹係數，故其係在物理上被障壁層14束縛。由於構圖方法 之結果，故沿著金屬墊片16構圖邊緣24之晶粒，係留下而 具有大於或少於六個之晶粒邊界。於圖4中顯示之晶粒28 ，具有少於六個晶粒邊界。根據本發明，具有少於六個晶 粒邊界I晶粒，由於導電層12被擴散障壁層Μ束縛，故易 於側向（二次元）晶粒生長。可使用譬如Mum.v〇;Neumann 之模型，以預測在此種條件下之晶粒生長。基於二次元晶 粒生長模型，當金屬墊片16被充分加熱，例如對八1_以導= ，12達到2GG°C至3GG°C之溫度時，具有六個晶粒邊界之晶粒 最不可能進行晶粒生長，具有超過六個晶粒邊界之晶粒可 能會收縮，而具有小於六個晶粒邊界之晶粒（例如，圖々與 5中之晶粒28)可能會生長。重要的是，晶粒生長不可能在 較狹事線條18中起始，如圖5中所示。雖然不希望被任何 特疋理論所束縛，但提出兩種解釋。根據第一個，對於在 較細線條18中之晶粒生長，顯著驅動力並不存在，因爲在 線條18中，於相鄰晶粒之間，藉由金屬腿所製成之相對較 直晶粒邊界，會產生此處所稱之”竹子，，晶粒結構。第二個 提出之解釋是二次元晶粒生長模式並不適用，且晶粒生長 必然是體積計量的，其係遵照晶粒生長之高度對面積規則 l限制。無論原因爲何，對於導電層12之晶粒28，在構圖 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------訂-------I I . -9- 517366 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（7 ) 邊緣24處，有更顯著之力，且由於障壁層14存在，故此等 晶粒28係遵照^一次元晶粒生長板式。應力與晶粒28晶粒邊 界不安定性之組合，會導致稍後在回火或另一個高溫漂移 期間之晶粒生長。關於圖5中晶粒28所描繪之晶粒生長， 已在實際硬體中見及，其中若在金屬墊片與其相鄰金屬線 條間之距離低於或等於金屬墊片晶粒之平均晶粒大小，則 會造成金屬短路。 本發明所提供解決此問題之第一個辦法，係示於圖6中， 其中另一個壕溝30已在金屬墊片16中形成，描繪出"虛設,， 金屬線條32，其並未電連接至任何電路元件。金屬塾片16 具有構圖邊緣34，面向虛設線條32之相鄰邊緣36。虛設線 條32與壕溝30之寬度，係被顯示爲低於或等於導電層12之 平均晶粒大小。圖6表示金屬鍍敷層1〇回火後之導電層12 外觀，於此段期間内，金屬墊片16之兩個晶粒38係以側向 生長，而與虛設線條32接觸。根據上文提供之解釋，晶粒 38係被顯示爲已經生長，因其係爲不安定的，此係由於在 回火之别具有少於7T個晶粒邊界所致。晶粒％中之較大者 係接觸到虛設線條32，但無不利作用，因爲虛設線條义並 未連接至任何電路元件。另一方面，另一個壕溝3〇已在晶 f 28之較大者中造成·在圖5中，其原先不安定且易於進行 晶粒生長-由於虛設線條32之邊緣36產生第六個晶粒邊界， 故其被安定化。結果，較大晶粒28在熱處理期間尚未生長 ，因此，於圖5中所示之金屬橋2〇未曾發生在圖6中。 圖7至10係説明根據本發明之陳述内容，用於預防或至少 家鮮（CNS)A4 規格 x 297公釐） ------------裝--------訂---------AWI (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 517366 A7 五、 發明說明（8 抑制金屬橋接之其他具體實施例。在圖7中，一列孔洞40 已被姓刻或以其他方式形成，接近金屬墊片16之構圖邊緣 24。孔洞40係經定尺寸及定位，因此圍繞孔洞4〇之晶粒不 會被擠壓進入金屬墊片16與其相鄰金屬線條18間之壕溝22 中’反而疋將生長進入孔洞4〇中。爲了有效，在相鄰孔洞 40之間’及在孔洞4〇與金屬墊片16邊緣24間之距離，必須 大約等於或小於導電層12之平均晶粒大小。孔洞4〇之形狀 並不重要，因此可與圖中所示者不同。 在圖8與9中’除了圖7中所示之孔洞4〇列以外，已提供 一列方形齒狀物42。於圖8中，各孔洞40係直接在齒狀物 42内側’而在圖9中，各孔洞4〇係直接在齒狀物42間之間 隙44之一内側。於各此等具體實施例中，各孔洞4〇、齒狀 物42及間隙44之大小，及各孔洞4〇與其最接近邊緣24或間 隙44之距離，係爲大約等於或小於導電層ι2之平均晶粒大 小。根據本發明，在各齒狀物42内之導電層12，由於齒狀 物42之大小/寬度之結果，因爲各齒狀物42之竹狀晶粒結 構，故並未以側向方式擠壓或生長進入線條18中，其原因 如上文參考圖6之金屬與虛設線條18與32所討論者。再者 ，可能發生在間隙44内之任何側向晶粒生長，由於在各間 隙44處，壕溝22之較大寬度，故不會造成金屬橋。 最後，圖10顯示金屬墊片16之構圖邊緣24係被蚀刻或以 其他方式形成，而具有階梯狀剖面，其中在邊緣24相反端 之金屬墊片16之角落46，係比邊緣24之其餘内部區域佔， 更接近相鄰金屬線條18。類似圖8與9之齒狀物犯，此方形 」---1--------裝--------訂---------AWI (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 -11 - 517366

五、發明說明（ 二T2係大約等於或小於導電層12之平均晶粒大 盘全屬。執片16Γ6不易進行側向晶粒生長，且金屬線條18 之内邵區域48間之較大距離，基本上 2除由相向晶粒生長朝向金屬線條18所造成 邯區域48與金屬線條18之間形成之任何可能性。同 明已以較佳具體實施例爲觀點 :易見的*，其他形式可由熟諳此藝者採用。例如，雖： 、二此微電路用之金屬鍍敷層加以描述，但本發明之陳 U内奋可適用於其中需要基本上任 ， … 、介電性或半導電性）之微細嚴密:’日土式(例如導電性 。因此，本發明之範圍係僅欲受限/夕阳結構（其他應用 ;下述申請專利範圍。 -----------AWI ^--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

Claims (1)

1. 第〇9〇1〇55丨1號申請專利案 中文申請專利範圍修正本(91年7月） 一種在一微電路中預防橋接的方法，其包括以下步驟： 於基材上形成多層結構，其包括一個多晶層與至少 一個束縛層；及 使孩多層結構構圖，以形成第一個結構與第二個結 構，此第二個結構於寬度上係比第一個結構狹窄，第一 個結構具有構圖邊緣，其係與第二個結構之構圖邊緣間 隔分開； 其中該構圖步驟係產生一種用以預防第二個結構之 構圖邊緣與晶粒接觸之設置，該晶粒已以側向方式，從 多晶層沿著第一個結構之構圖邊緣，朝向第二個結構生 長，該設置係選自包括以下之至少一種： 使孩多層結構構圖，以在第一個結構與第二個結 構之間形成虛設結構，並與其間隔分開； 在接近第一個結構之構圖邊緣，構圖形成孔洞； 形成第一個結構之構圖邊緣，以具有齒狀物，凸 出朝向第二個結構，且比嵩狀物之間構圖邊緣之其餘部 份，更接近第二個結構；及 形成第一個結構之構圖邊緣，以成為階梯狀，因 此第-個結構具有角落區域在構B邊緣之相反端，其係 比角落之間構圖邊緣之其餘部份，更接㈣二個結構。 根據申請專利範圍第Η之方法，其中預防設置包括虛 设結構，此虚設結構係與第一個結構及第二個結構間隔 分開一段低於或等於多晶層平均晶粒大小之距離。 根據申請專利範圍第2項之方法，其進—步包括使第一 D8 申請專利範圍 個結構回火之步驟，因此晶粒係以側向方式從第一個結 構之多晶層生長，並接觸該虛設結構。 4·根據申請專利範圍第！項之方法，其中預防設置包括孔 洞，此等孔洞係沿著構圖邊緣，以橫列排列，並與構圖 邊緣及與彼此間隔分開一段低於或等於多晶層平均晶粒 大小之距離。 5· j據申請專利範圍第4項之方法，其中第一個結構係與 第二個結構間隔分開一段低於或等於多晶層平均晶粒大 小之距離。 6. 根據申請專利範圍第4項之方法，其進一步包括使第一 個結構回火之步驟，因此晶粒係以側向方式從第一個結 構之多晶層，朝向第二個結構生長，但不接觸第二個結 構。 7. 根據申請專利範圍第丨項之方法’其中預防設置包括齒 狀物，此齒狀物係沿著構圖邊緣，以橫列排列，且各齒 狀物之大小係低於或等於多晶層之平均晶粒大小。 8. 根據申請專利範圍第7項之方法，其中^二物係與第二 個結構間隔分開一段低於或等於多晶層平均晶粒大小之 距離。 9·根據申請專利範圍第7項之方法，其進一步包括使第一 個結構回火之步驟’因此晶粒係以側向方式從第一個結 構之^日曰層，朝向第一個結構生長，但不接觸第二個結 構。 10.根據申請專利範圍第1項之方法，其中預防設置包括第 -2 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格（210 X 297公釐） 66

   梯狀構圖邊緣，各角落區域之大小係低於 弋寺万；多曰印層又平均晶粒大小。 請專利範圍第10項之方法，其中構圖邊緣之角落 均個結構間隔分開—段低於或等於多晶層平 3日日粒大小之距離。 12. 根據申請專利範圍第㈣之方法，其進一步包 — 之步驟：因此晶粒係以側向方式從第-個結 構。夕阳θ，朝向第二個結構生長，但不接觸第二個結 13. :據申請專利範圍第丨項之方法，其中多層結構為微電 屬鍍敷層’第一個與第二個結構係彼此為電絕 ，..，且此方法係預防第一個與第二個結構間之電短路。 1據申請專利範圍第13項之方法，其中多晶層為導電 曰’而束縛層為擴散障壁層。 15. 根2申請專利範圍第14項之方法，其進一步包括將第— 個結構加熱之步驟，以造成其導電層之側向晶粒生長， 朝向第二個結構。 16. 根據申請專利範圍第14項之方法，其中導電層為鋁-鋼 組合物。 17·根據申請專利範圍第14項之方法，其中擴散障壁層係由 —或多種選自包括鈦與氮化鈦之材料所形成。 18·根據申請專利範圍第13項之方法，其中多層結構係被形 成具有達到0.25微米之厚度。 根據_凊專利範圍第13項之方法，其進一步包括使第一 517366 A8 B8 C8 D8

   本紙張尺度_ t _冢標準(CNS) A4規格 517366 申請專利範圍 22·根據申請專利範圍第21項之多層結構，其中預防設置包 括虛設結構，此虛設結構係與第一個結構及第二個結構 間隔分開一段低於或等於多晶層平均晶粒大小之距離。 23·根據申請專利範圍第22項之多層結構，其進一步包括以 侧向方式從第一個結構生長並接觸虛設結構之晶粒。 24·根據申請專利範圍第21項之多層結構，其中預防設置包 括孔洞，此等孔洞係沿著構圖邊緣，以橫列排列，並與 構圖邊緣及與彼此間隔分開一段低於或等於多晶層平均 晶粒大小之距離。 25·根據_請專利範圍第24項之多層結構，其中第一個結構 係與第二個結構間隔分開一段低於或等於多晶層平均晶 粒大小之距離。 26. 根據申請專利範圍第24項之多層結構，其進一步包括以 2向方式從第一個結構朝向第二個結構生長，但不接觸 第二個結構之晶粒。 27. 根據申請專利範圍第21項之多層結構，其中預防設置包 括齒狀物，此齒狀物係沿著構圖邊緣，以橫列排列，且 各齒狀物之大小係為大約等於多晶層之平均晶粒大小。 烈·根據申請專利範圍第27項之多層結構，其中齒狀物係與 弟二個結構間隔分開一段低於或等於多晶層平均晶粒大 小之距離。 29.根據申請專利範圍第27項之多層結構，其進一步包括以 側向方式從第一個結構朝向第二個結構生長，但=接觸 第二個結構之晶粒。 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格（210X 297公釐） 裝 訂 517366 、申請專利範園 ::::青專利範圍第21项之多層結構’其中預防設置包 個結構之階梯狀構圖邊緣，各角落區域 低於或等於多晶層之平均晶粒大小。 w大小係 31:據：請專利範圍第3。，之多層結構， 2區域係與第二個結構間隔分開-段低於或=多， 層平均晶粒大小之距離。 飞寺万，多阳 32.根據申請專利範圍第 側向方m μ “ 夕ι、、。構#進-步包括以 . 弟一個結構朝向第二個結構生長，伸不接趣 罘二個結構之晶粒。 仁不接觸 33·=Γ青專利範圍第21项之多層結構，其中多層結構 電嗜：路：ΐ屬鍵敷層’第一個與第二個結構係彼此為 短路表且預防設置係預防第一個與第二個結構間之電 ，據申請專利範圍第33項之多層結構，其中多 I層，而束縛層為擴散障H 日曰為導 35=Γ=·圍第34項之多層結構，其進-步包括以 :式❼—個結構之導電層朝向第二個結構生長之 3=據中請專利範圍第㈣之多層結#， 銘-鋼組合物。 等私層為 37·根據申請專利範圍第％ •二個項之多層結構，其中第-個與第 U Μ構具有達到0.25微米之厚度。 /297公釐） 本紙狀錢;鮮 517366 A8 B8 C8 ______________ D8 六、申請專利範圍 39.根據申請專利範圍第33項之多層結構，其進一步包括以 倒向方式從第一個結構之多晶層朝向第二個結構生長， 但不接觸第二個結構之晶粒。 40·根據申請專利範圍第33項之多層結構，其中第一個結構 係與第二個結構間隔分開一段低於或等於多晶層平均晶 粒大小之距離。 41· 一種微電路之金屬鍍敷層，此金屬鍍敷層包括： 第一個結構與第二個結構於基材上，第一個與第二 個結構各包括一個導電性多晶層及至少一個束縛層，第 一個結構具有構圖邊緣，其係與第二個結構之構圖邊緣 間隔分開，第一個與第二個結構之多晶層之特徵為具有 實質上等於平均晶粒大小之晶粒；及 用以預防第二個結構之構圖邊緣與晶粒接觸之設 置，該晶粒已以側向方式從第一個結構之構圖邊緣朝向 第二個結構生長，該設置係選自包括以下之至少一種： 在第一個結構與第二個結構間之虛設結構，並與 其間隔分開，該虛設結構包括一個導電性多晶層及至少 一個束縛層，該虛設結構之多晶層之特徵為，晶粒具有 之平均晶粒大小’係實質上等於第一個與第二個結構之 多晶層之平均晶粒大小，該虛設結構具有兩個構圖邊 緣，其係與第一個及第二個結構之構圖邊緣，間隔分開 一段低於或等於第一個、第二個及虛設結構之平均晶粒 大小之距離； 接近第一個結構構圖邊緣之孔洞，此等孔洞係與 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格（210 X 297公釐） ^1/366

   1皮此，與第一個結構之構圖邊緣，間隔分開一段低於或 寺於第一個與第二個結構之多晶層平均晶粒大小之距離； /口著第個結構構圖邊緣之齒狀物，此齒狀物係 凸t朝向第二個結構，且比齒狀物間之構圖邊緣之其餘 ，^ ’更接近第二個結構，各齒狀物之大小係大約等於 =日曰層之平均晶粒大小，各齒狀物係與第二個結構間隔 刀開^又低於或等於多晶層平均晶粒大小之距離；及 沿著第一個結構構圖邊緣之階梯，因此第一個結 構具有角落區域在構圖邊緣之相反端，其係比角落區域 間之構圖邊緣之其餘部份，更接近第二個結構，各角落 區域之大小係低於或等於多晶層之平均晶粒大小，且各 角落區域係與第二個結構間隔分開一段低於或等於多晶 層平均晶粒大小之距離。 -8 -

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