TWI357128B - Method of fabricating semiconductor interconnectio - Google Patents
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1357128 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明關於一種半導體裝置’尤其是關於一種製造於 半導體裝置中之互連的方法,而半導體裝置係諸如Si半 導體裝置,例如以超大型積體電路(ULSI)爲代表。 【先前技術】 諸如大型積體電路(LSI)之半導體裝置的設計法則愈 趨嚴謹,以滿足針對LSI之較大塡充密度及較高信號傳輸 速度之需求。舉例而言,互連的節距、寬度及互連間的間 距,以及用於連接互連的層間接觸窗(通孔)之尺寸係經縮 減。 針對塡充密度較大的半導體裝置,已針對多層互連結 構進行硏究。且互連溝槽(溝渠)之深度對溝槽之寬度的比 値(互連溝槽深度/互連溝槽寬度),或是用於連接互連之層 間接觸窗的深度對窗的直徑之比値(接觸窗深度/接觸窗寬 度)係經增加。 此外,互連之電阻隨著互連電路的小型化及塡充密度 增加而增加’其造成信號傳輸的延遲。因此,已提出銅 (Cu)爲底互連的形成’其中使用以cu爲基底的互連材料( 以下稱爲Cu爲底互連材料)作爲互連材料,與習知之以銘 (A1)爲基底的互連材料相較(以下稱爲A1爲底互連材料), 其可具有較低的電姐。 金屬鑲嵌(damascene)互連技術係已知之用於形成具 1357128 有多層結構的Cu爲底互連之方法(例如,於日本專利公開 (JP-A)號2001-7050中所揭露者)。於金屬鑲嵌技術中,舉 例而言’於半導體基版上所設之層間絕緣膜中形成互連溝 槽或層間接觸窗(以下統稱凹入部)。接著施加諸如純Cu 或Cu合金的Cu爲底互連材料至凹入部的表面,其係經 加熱及擠壓以流體化Cu爲底互連材料。將Cu爲底材料 埋入凹部中,藉此形成Cu爲底互連。藉由化學機械硏磨 (CMP)移除過多的Cu爲底互連材料。 於使用Cu爲底互連材料時,當令層間絕緣膜直接與 Cu爲底互連接觸時,Cu可能擴散進入至絕緣膜中,其劣 化絕緣膜的絕緣特性。爲了預防Cu擴散進入層間絕緣膜 中,有必要於絕緣膜與Cu爲底互連之間設置障壁層。即 使爲將Cu爲底互連埋入至凹入部中而以約500至7001的 高溫加熱時’障壁層需展現障壁特性。爲此緣故,使用諸 如TaN膜或TiN膜之金屬氮化物膜形成障壁層。然而, 與金屬膜之電阻率相較,此種障壁層具高電阻率,其不利 地增加了互連的電阻率。此外,難以均勻地形成使互連之 電阻率降低的薄障壁層。另外,如上述者,近年來互連溝 槽的寬度或接觸窗的直徑顯著地縮小。互連溝槽的深度/ 寬度之比値或接觸窗的深度/直徑之比値顯著地增加。此 使得障壁層更難以形成。 因此,本發明著重於濺鍍法中之蒸氣淬.滅,以於Cu 爲底互連與層間絕緣膜之間均勻地形成極薄障壁層,且本 發明提出使用非平衡固溶體現象所形成的富含鈦(Ti)層作 1357128 爲極薄障壁膜(參見 “Self-Formation of Barrier Material by Cu Alloy Interconnections” Proceedings of 10th Workshop on Stress Induced Phenomena in Metallization, p2 8 -29 (2 0 04))。於上述文獻所揭露的此技術中,係於互連溝槽 中或是於接觸窗的表面上形成含有Ti的Cu合金(相關於 Cu,Ti之溶解極限爲小),以及接著加熱及擠壓合金以將 其非離爲兩個相,即Cu及Ti。接著,Ti係異常地擴散至 Cu爲底互連與層間絕緣膜之間或是擴散至Cu爲底互連的 表面以形成富含Ti層。特別是於Cu爲底互連與層間絕緣 膜之間所形成的富含Ti層係作爲障壁層,而用於預防Cu 擴散進入絕緣膜中。當以諸如Si02爲底材料之氧化物爲 底材料製成絕緣膜時,擴散的Ti形成TiOx。隨著TiOx層 的厚度增大至特定程度,Ti與氧之間的反應停止。此可 預防富含Ti層變得過厚,因此減少Cu爲底互連之電阻率 的增加。 然而,相較於純Cu,Cu-Ti合金之流動性(以下稱回 焊特性)不佳,因此難以被埋入至凹入部的每一個角落中 。近年來,如前述者,互連溝槽的寬度或接觸窗的直徑顯 著地縮小,及互連或接觸窗之深度顯著地增大。此使得將 Cu-Ti合金埋入凹入部更力口困難。 容 內 明 發 本發明係鑒於前述情況而完成,因此本發明之一目的 在於提供一種製造半導體互連的方法,其可形成作爲障壁 1357128 層的富含Ti層’及其可將作爲互連材料的純Cu材料埋A 至絕緣膜所設的凹入部之每一個角落中,即便凹入部之最 小寬度窄且凹入部又深。 發明人致力於硏究一種可於絕緣膜中沿著所設之凹入 部形狀而形成障壁層的方法,且此方法可將互連材料埋入 至凹入部的每一個角落中,即便凹入部之最小寬度窄且凹 入部又深。因此,發明人發現使用含有Ti的Cu合金作爲 障壁層形成材料會於每一凹入部的表面上形成非常薄的 Cu-Ti合金膜’使得障壁層可由下述加熱製程所形成,即 便凹入部之最小寬度窄且凹入部又深。此外,使用純Cu 作爲互連材料可將純Cu埋入至凹入部的每一個角落中, 即便凹入部之最小寬度窄且凹入部又深。 根據本發明之一面向的一種製造半導體互連的方法可 解決以上提及之問題,其包括步驟:於半導體基板上的絕 緣膜中形成一或多個溝槽,凹入部的最小寬度爲0.15 μιη 或以下,且溝槽深度對其最小寬度的比値(深度/最小寬度) 爲1或以上,及於絕緣膜的溝槽中沿著溝槽的形狀形成厚 度爲10至50 nm之含有0.5至10原子% Ti的Cu合金薄膜。 此方法亦包括步驟:於附著有Cu合金薄膜的溝槽中形成 純Cu薄膜,及於350 °C或更高之溫度下退火處理具有膜的 基板,以使Ti沉澱於絕緣膜與Cu合金薄膜之間。舉例而 言,可藉由濺鍍法沉積Cu合金薄膜。當以濺鍍法沉積純 Cu薄膜時,較佳可將純Cu薄膜擠壓至附著有Cu合金薄 膜的溝槽之中。例如於50 MPa或以上實施擠壓。 1357128 根據此面向’使用含Ti的cu合金作爲障壁層形成材 料’且所形成的Cu-Ti合金膜極薄以便被埋入凹入部中。 因此’可沿著凹入部形成含有Ti的合金薄膜,使得即便 當凹入部之最小寬度窄且凹入部又深時,可形成富含Ti 層。因爲使用純Cu作爲互連材料,即便凹入部之最小寬 度窄且凹入部又深,可輕易地將互連材料埋入至絕膜膜中 所設的凹入部中。 【實施方式】 利用第1圖將描述根據本發明之一種製造半導體互連 的方法之大綱。爲形成本發明之半導體互連,於半導體基 板1上的絕緣膜2中形成凹入部3 (見第1A圖),並接著於絕 緣膜2之凹入部3中沿著凹入部的形狀,例如藉由濺鍍法, 形成含有Ti的Cu合金薄膜4(見第1B圖)。隨後,於附著 有Cu合金薄膜4的凹入部中,例如藉由電鍍法,形成純 φ Cu薄膜5 (見第1C圖),並接著加熱而可形成半導體互連( 見第1D圖)。於本發明中,Cu合金薄膜4中所含有的Ti係 於加熱以形成富含Ti層6時,擴散至及濃縮於Cu合金薄 膜4與絕緣膜2之間。作爲障壁層的富含Ti層6係用於預防 Cu擴散進入絕緣膜2中。 以上提及之富含Ti層6係由包括Ti與組成絕緣膜2的 元素之化合物所形成。因此,當絕緣膜2爲氧化物基絕緣 膜時(例如Si02基絕緣膜),富含Ti層6主要由TiOx所組 成。 -9- 1357128 對於形成半導體互連中所製成之富含Ti層6的厚度並 無特殊限制,但其較佳爲1 nm或以上以確保障壁特性, 更佳爲2 nm或以上,且又更佳爲3 nm或以上。當富含Ti 層6的厚度過厚時,Cu爲底互連的電阻率變高。爲此緣故 ’富含Ti層6的厚度較佳可爲17 nm或以下,更佳爲16 nm或以下,又更佳爲1 5 nm或以下。 爲於加熱時以此方式形成富含Ti層6,沿著絕緣膜中 每一個凹入部的形狀所形成之作爲障壁層形成材料的Cu 合金薄膜4必須含有0.5至10原子%的Ti。若Ti含量低於 0.5原子%’濃縮於絕緣膜2與Cu合金薄膜4之間的Ti量將 不足,造成過薄的富含Ti層6,其無法確保障壁特性。另 外,當Ti濃縮量不足時,所形成之富含Ti層6爲不連續 者,因此導致障壁特性減低。因此,於Cu-Ti合金中所含 有的T i爲0 · 5原子%或以上’更佳爲1原子%或以上。相對 的,即便Ti含量過多,於絕緣膜2與Cu合金薄膜4之間所 形成之富含Ti層6的厚度係受到一定程度的限制。於此情 況中,過多的Ti並不會參與富含Ti層6之形成,而是形 成Cu合金薄膜4中的固溶體,或於cu合金薄膜4中形成 沉積物。此類型固溶體Ti或Ti沉積物可增進Cll爲底互 連的電阻率。因此’ Ti含量爲1〇原子%或以下,較佳爲9 原子%或以下,更佳爲8原子%或以下。雖然於c u金屬合 金薄膜4中所含有的一部分Ti亦可能擴散至Cu合金薄膜4 與純C u薄膜5之間’以上提及之T i含量範圍不會增進c u 爲底互連的電阻率。 -10- 1357128 爲沿著凹入部的形狀形成Cu合金薄膜,有必要將上 述Cu合金薄膜4的厚度設定爲10至5〇 nm。此因細化 (thinning)形成作爲障壁層形成材料的cu合金薄膜4致能 沿著凹入部的形狀來形成Cu合金薄膜4,而不會形成Cu 合金薄膜橋而覆蓋凹入部的開口,即便於絕緣膜中所設的 凹入部之最小寬度窄且凹入部又深。若Cu合金薄膜的厚 度低於10 nm,加熱無法使富含Ti層6具有充分的厚度, 其導致障壁特性減低。因此’ Cu合金薄膜4的厚度爲10 nm或以上’較佳爲1 5 nm或以上,更佳爲20 nm或以上。 當Cu合金薄膜4的厚度超過50 nm時,係沿著絕緣膜2的 凹入部形狀形成一定程度的Cu合金薄膜4,而Cu合金薄 膜4過多的部分造成橋而覆蓋凹入部的開口而形成凹入部 中的空隙,其劣化Cu爲底互連的表現性。因此,Cu合金 薄膜4的厚度爲50 nm或以下,較佳爲45 nm或以下,更佳 爲40 nm或以下》 於此使用之“上述Cu合金薄膜4的厚度”一詞意謂膜4 的最小厚度’當藉由觀察膜4之一區段而測量沿著凹入部 的內部(凹入部的側壁或下表面)所形成之Cu合金薄膜4的 厚度時,暴露絕緣膜2之凹入部的形狀。Cu合金薄膜4係 易於形成於凹入部的下表面,但難以形成於凹入部的側壁 。於凹入部之側壁上傾向形成薄的Cu合金薄膜4。例如藉 由將於以下實例段落所描述的方法,可測量Cu合金薄膜4 的厚度。 對於沿著絕緣膜2之凹入部的形狀而形成Cu合金薄膜 -11 - 1357128 4的方法並無特殊限制,但可例如採用濺鍍法而實施。使 用濺鍍法可沿著凹入部的形狀形成極薄的Cu合金薄膜4。 濺鍍法可爲例如長時間緩慢(long slow)的濺鍍法。 爲了藉由濺鍍法而形成含有Ti的Cu合金薄膜4,可 使用含有Ti的Cu合金靶材,或使用包括具有Ti晶片附 接於IG材一側的純Cu記材之IG材上晶片(chip-on-target) 作爲濺鍍靶材,且此濺鍍法可於惰性氣體環境下實施。 用於濺鍍的惰性氣體可包括,例如氦、氖、氬、氪、 氙、氡及其他。較佳可使用氬及氙。特別是,氬爲相對經 濟者,且因此可合適的使用。對於其他濺鍍條件(例如極 限壓力、濺鍍氣體壓力、放電功率密度、基板溫度、電極 之間的距離及其他)並沒有特殊限制,但可於常用範圍內 進行調整。 於沿著絕緣膜2之凹入部的形狀形成含有Ti的Cu合 金薄膜4之後,形成純Cu薄膜5作爲附著有Cu合金薄膜4 的凹入部中之互連材料。使用純Cu薄膜5作爲互連材料可 將純Cu埋入至附著有Cu合金薄膜4的凹入部的每一個角 落,即便凹入部之最小寬度狹窄且凹入部又深。 於附著有Cu合金薄膜4之凹入部中所設的純Cu薄膜 5的厚度可依據凹入部的深度而改變。純Cu薄膜5的最大 厚度爲例如2 μπι。當純Cu薄膜5的厚度變得極大時,純 Cu薄膜的強度將爲高,並因此即使藉由下述之擠壓凹入 部,純C u將難以被埋入至凹入部之中。 對於用於形成以上提及之純Cu薄膜5的方法並無特殊 -12- 1357128 限制,但可爲例如電鏟、化學氣相沉積(CVD)、(電弧)離 子鍍覆、濺鍍及其他。特別是,藉由自凹入部底側逐漸地 將純Cu薄膜5埋入至凹入部中,可使用電鍍而以純Cu薄 膜5塡充凹入部。此可將純Cu埋入至凹入部的每一個角落 中,即便凹入部之最小寬度狹窄且凹入部又深。 另一方面,當藉由濺鍍法而形成純Cu薄膜5時,可將 純Cu薄膜5擠壓至附著有Cu合金薄膜4的凹入部中。當 僅使用濺鏟法而欲於附著有Cu合金薄膜4的凹入部中形成 純Cu薄膜5時,純Cu薄膜5可形成橋以覆蓋凹入部的開 口,因而造成Cu爲底互連中的空隙。然而,因純Cu之 回焊性佳,擠壓純Cu薄膜5使得純Cu薄膜5被擠壓並插 入至具有Cu合金薄膜4形成於其上的凹入部中。 當藉由濺鍍法形成純Cu薄膜5時,可使用由以上提及 之惰性氣體與H2氣體所組成的混合氣體作爲濺鍍氣體, 以增進純Cu薄膜5的回焊性。 對於擠壓純Cu薄膜5的條件並無特殊限制,但例如於 5 0 MPa或以上的壓力中,較佳於1〇〇 MPa或以上的壓力 中,更佳於150 MPa或以上的壓力中。雖然壓力較佳係盡 可能的高’但超過200 MPa的壓力則過高且爲不實用者, 因此最高壓力係約200 MPa,較佳爲150 MPa或以下。 純Cu薄膜5係形成於附著有Cu合金薄膜4的凹入部 中,並接著於350 °C或更高之溫度下被加熱。當加熱溫度 低於3 5 0 °C畤’ T i不會充分地擴散至c u合金薄膜4與絕緣 膜2之間’造成Cu爲底互連的高電阻率。加熱溫度較佳係 -13- 1357128 盡可能的高,較佳爲400°C或以上,更佳爲450°C或以上, 又更佳爲5 00°C或以上。最高加熱溫度係約70(TC。用於於 超過700 °C下加熱的裝置係不實用者,且當加熱溫度過高 時’ Cu爲底互連的電阻率傾向變得更大。此可能造成半 導體基板變形。最高加熱溫度較佳爲650°C,更佳爲600°C 。對於加熱之氣體環境並無特殊限制,但較佳可爲例如以 上提及之惰性氣體環境。 如以上提及者,於本發明中,將純Cu埋入至絕緣膜2 之凹入部中作爲互連材料》凹入部的最小寬度爲 0.15 μιη 或以下,且凹入部的深度對其最小寬度之比値(以下稱深 度/最小寬度)爲1或以上。此係因爲,當互連溝槽的最小 寬度或層間接觸窗的最小寬度(直徑)超過0.15 μιη時,或 當深度淺且深度/最小寬度之比値低於1時,則不需均勻地 形成薄障壁層以致減少Cu爲底互連的電阻率。因此,可 應用本發明於將純Cu埋入至最小寬度爲0.15 μιη或以下 且深度/最小寬度之比値爲1或以上之凹入部(互連溝槽及/ 或層間接觸窗)中作爲互連材料的情況中。 對於絕緣膜2的材料並無特殊限制,但可包括例如氧 化矽、氮化矽、BSG(硼-矽酸鹽玻璃)、PSG(磷-矽酸鹽玻 璃)、BPSG(硼-磷-矽酸鹽玻璃)、TEOS(SiOF)及其他。 實例 參照下述非用以限制本發明範圍的實例將更進一步說 明本發明。在不偏離前後所提及之本發明範圍下,且於本 -14- 1357128 發明的技術範圍內,可對此等實例進行任何適當 試驗性實例1 藉由直流磁控職鍍法,在每一個樣本的砂晶 所形成的絕緣膜(TEOS膜:SiOF膜)上,形成 nm的純Cu薄膜或含有表1中所示Ti量的Cu合 接著藉由直流磁控濺鍍法於先前所形成的膜上, 爲700 nm的純Cu薄膜。 係於Simadzu公司製造之HSM-5 52濺鍍裝置 純Cu靶材或靶材上晶片實施濺鍍法。所使用的 片爲包括三至六個5平方毫米Ti晶片結合至作爲 位置之基座的純Cu|G材上(1〇〇 ιηπιφ)者。藉由i 片的數量及結合位置而調整Cu合金薄膜的組成f: 濺鍍條件係如下所示:極限壓力爲1 3 3 X 1 0·< 下(lxl (Γ6托或以下)' 以Ar作爲濺鍍氣體、濺鍍 爲267 乂10_3?&(2><10_3托)、放電功率密度爲3.2 流電)、基板溫度設定爲室溫(20 °C )以及電極之 爲 5 5 m m。 使用 Simadzu公司所製造的ICP發射光 ICP-8 00 0而藉由感應耦合電漿(ICP)發射光譜分 地評鑑以濺鍍法所形成之Cu合金薄膜的組分(Ti 於此膜形成步驟之後,加熱並擠壓樣本。於 壓製程中,於Ar氣體環境下以1 50 MPa的壓力 個樣本、以每分鐘增加20°C溫度的速率將樣本自 的修飾。 圓表面上 厚度爲5 0 金薄膜。 形成厚度 中,使用 靶材上晶 圍繞侵蝕 ί夂變Ti晶 & ° ;P a或以 氣體壓力 W/cm2(直 間的距離 譜分析儀 析儀定量 及 Cu)。 加熱及擠 擠壓每一 室溫加熱 -15- 1357128 至500 °C,於500°C下保持120分鐘,並接著以每分鐘減少 20 °C溫度的速率將樣本冷卻至室溫。 藉由穿透式電子顯微鏡(TEM)以五萬倍放大率觀察於 加熱及擠壓製程後被賦予可見性之具有膜層合狀態的樣本 區段。由觀察結果顯示,Ti氧化物層係形成於絕緣膜與 Cu合金薄膜之間作爲富含Ti層。由熱力學的觀點來看, 此Ti氧化物膜被認爲是Ti02層。僅測量每一個樣本的Ti 氧化物層的厚度,且測量的結果係顯示於下示表1之中。 沿著長度爲2000 nm的縱向方向觀察每一個樣本的Ti 氧化物層,並決定Ti氧化物層是否有中斷部分(缺陷), 藉此評估Ti氧化物層之完整性。評估標準係如下示者。 即當Ti氧化物層無中斷時,決定此情況爲可接受者(〇) :及當部分Ti氧化物層中斷時,決定此情況爲不可接受 者(X)。此評估結果係顯示於下示的表1之中。 沿著200 nm長的介面觀察每一個樣本之介於絕緣膜 與純Cu薄膜(或Cu合金薄膜)之間的部分(介面),並決定 Cu是否擴散至絕緣膜之中。藉由TEM觀察介於絕緣膜與 Cu互連之間的部分(介面)以決定Cu擴散,並藉由EDS分 析Cu存在或不存在。評估標準係如下示者。即當Cu未 擴散至絕緣膜之中時,決定Ti氧化物層之障壁特性爲良 好(可接受者:〇),及當Cu擴散至絕緣膜之中時,決定 Ti氧化物層之障壁特性爲不好(不可接受者:X)。此評估 的結果亦顯示於下示的表1之中。 表1清楚地顯示,藉由濺鑛法所形成之Cu合金薄膜中 -16- 1357128 的含Ti量越大,則藉加熱及擠壓製程所形成的Ti氧化物 層越厚。特別是,針對含有0.5原子百分比或以上之Ti的 Cu合金薄膜,Ti氧化物層的厚度爲約1 nm或以上。所瞭 解的是Ti氧化物層係作爲用於預防Cu擴散至絕緣膜中的 障壁層。
[表1] 號碼 Ti含量 (原子%) Ti氧化物層的厚度 (nm) Ti氧化物層的完成性 障壁特性 1 0 _ _ X 2 0.2 0.4 X X 3 0.5 1.1 〇 〇 4 1.0 2.4 〇 〇 5 2.0 2.9 〇 〇 6 3.0 5.8 〇 〇 7 5.0 10.4 〇 〇 8 7.0 12.5 〇 〇 9 10.0 18.6 〇 〇 10 15.0 25.9 〇 〇 試驗性實例2 藉由直流磁控濺鍍法,在每一個樣本的矽晶圓表面上 所形成的絕緣膜(TEOS膜:SiOF膜)上,形成厚度爲50 nm的純Cu薄膜或含有表2中所示Ti量的Cu合金薄膜。 接著藉由電鍍法於先前所形成的膜上,形成厚度爲700 nm 的純Cu薄膜。 以相同於試驗性實例1之條件實施濺鍍法。電鍍法係 -17- 1357128 . 藉由以5 mA/em2電流密度之恆定直流電解法’使用 Tanaka Kikinzoku Kogyo Κ·Κ.所製造的電鍍浴 “Microfab Cu-100: basic solution (品名)”(其爲主要由硫酸銅或硫酸 所組成的水性溶液,並添加氯離子、鍍覆促進劑、調平劑 及亮光劑至其中)而實施。 藉由與試驗性實例1相同的方法定量地評鑑以濺銨法 所形成之Cu合金薄膜的組分(Ti及Cu)。 於此膜形成步驟之後,加熱樣本。於加熱製程中,於 Ar氣體環境下以每分鐘增加20 °C溫度的速率將每一個樣 本自室溫加熱至5 00 °C,於5 00 °C下保持120分鐘,並接著 以每分鐘減少20 °C溫度的速率將樣本冷卻至室溫。 藉由與上述試驗性實例1相同的方法觀察於加熱及擠 壓製程後被賦予可見性之具有膜層合狀態的樣本區段。由 觀察結果顯示,Ti氧化物層係形成於絕緣膜與Cu合金薄 膜之間作爲富含Ti層。由熱力學的觀點來看,Ti氧化物 層被認爲是Ti02層。僅測量每一個樣本的Ti氧化物層的 厚度,且測量的結果係顯示於下示表2之中。 以與上述試驗性實例1相同的方法觀察富含Ti層,並 決定Ti氧化物層是否有中斷部分(缺陷),藉此評估Ti氧 化物層之完整性。此評估結果係顯示於下示的表2之中。 以與試驗性實例1相同的方法觀察每一個樣本之介於 絕緣膜與純Cu薄膜(或Cu合金薄膜)之間的部分(介面), 並決定C u是否擴散至絕緣膜之中。此評估結果係顯示於 下示的表2之中。 -18- 1357128 表2清楚地顯示,僅加熱而能形成富含Ti層,且藉由 濺鍍法所形成之Cu合金薄膜中的含Ti量越大,則藉加熱 製程所形成的Ti氧化物層越厚。特別是,針對含有0.5原 子百分比或以上之Ti的Cu合金薄膜,富含Ti層的厚度 爲約1 nm或以上。所瞭解的是富含Ti層係作爲用於預防 Cu擴散至絕緣膜中的障壁層。
[表2] 號碼 Ti含量 (原子%) Ti氧化物層的厚度 (nm) Ti氧化物層的完成性 障壁特性 11 0 - . X 12 0.2 0.3 X X 13 0.5 1.0 〇 〇 14 1.0 2.1 〇 〇 15 2.0 2.9 〇 〇 16 3.0 4.8 〇 〇 17 5.0 8.6 〇 〇 18 7.0 10.9 〇 〇 19 10.0 14.3 〇 〇 20 15.0 19.2 〇 〇 試驗性實例3 藉由直流磁控濺鍍法,在每一個樣本的矽晶圓表面上 所形成的絕緣膜(TEOS膜:SiOF膜)上,形成厚度爲50 nm的含有7.0原子%之Ti的Cu合金薄膜。接著藉由直流 磁控濺鍍法於先前所形成的膜上,形成厚度爲700 nm的 純Cu薄膜。以與上述試驗性實例1相同的條件實施濺鍍。 -19- 1357128 於此膜形成步驟之後’加熱並擠壓樣本。於加熱及擠 壓製程中’於Ar氣體環境下以150 MPa的壓力擠壓每一 個樣本、以每分鐘增加20 °C溫度的速率將樣本自室溫加熱 至下示表3中所示的溫度’於此溫度保持12〇分鐘,並接著 以每分鐘減少20 °C溫度的速率將樣本冷卻至室溫。於下示 表3中所示的樣本號碼21爲於先前膜形成步驟後未接受加 熱及擠壓製程的實例。 以與上述試驗性實例1相同的方法觀察於加熱及擠壓 製程後被賦予可見性之具有膜層合狀態的樣本區段。由觀 察結果顯不’於受到加熱及擠壓製程的樣本中,Ti氧化 物層係形成於絕緣膜與Cu合金薄膜之間作爲富含Ti層。 由熱力學的觀點來看,Ti氧化物層被認爲是Ti02層。測 量每一個樣本的Ti氧化物層的厚度,且測量的結果係顯 示於下示表3之中。 以與上述試驗性實例1相同的方法觀察富含Ti層,並 決定富含Ti層是否有中斷部分(缺陷),藉此評估Ti氧化 物層之完整性。此評估結果係顯示於下示的表3之中。 以與試驗性實例1相同的方法觀察每一個樣本之介於 絕緣膜與純Cu薄膜(或Cu合金薄膜)之間的部分(介面), 並決定Cu是否擴散至絕緣膜之中。此評估結果係顯示於 下示的表3之中。表3清楚地顯示’加熱及擠壓製程形成富 含Ti層。特別是,所瞭解的是藉設定加熱溫度至3 50°C或 以上,富含Ti層的厚度可急遽增加’且富含Ti層係作爲 用於預防Cu擴散至絕緣膜中的障壁層。 -20- 1357128 [表3] 號碼 處理溫度 CC) Ti氧化物層的厚度 (腦) Ti氧化物層的完成性 障壁特性 21 未處理(20°c ) • - X 22 200 0.2 X X 23 300 0.9 X X 24 350 3.8 〇 〇 25 400 5.4 〇 〇 26 500 12.5 〇 〇 27 600 14.3 〇 〇 28 700 15.1 〇 〇
試驗性實例4 所使用的評估元件(TEG)具有於矽晶圓表面上所形成 之絕緣膜(TEOS膜:SiOF膜)上所設的互連條紋圖案(條紋 圖案),圖案之寬度爲0.1 3 μιη(1 30 nm)、深度爲〇·3μιη (300 nm),及長度爲2.0 mm。藉由直流磁控濺鍍法,在每 —個TEG的表面上形成厚度爲50 nm的含有7.0原子%之 Ti的Cu合金薄膜。接著藉由直流磁控濺鍍法於先前所形 成的膜上,形成厚度爲700 nm的純Cu薄膜,同時覆蓋一 部分的互連圖案。以與上述試驗性實例1相同的條件實施 濺鑛。 於此膜形成步驟之後,加熱並擠壓樣本。於加熱及擠 壓製程中’於Ar氣體環境下以150 MPa的壓力擠壓每一 個樣本、以每分鐘增加20。(:溫度的速率將樣本自室溫加熱 至下示表4中所示的溫度,於此溫度保持12〇分鐘,並接著 以每分鐘減少2 0 t溫度的速率將樣本冷卻至室溫。於下示 -21 - 1357128 表4中所示的樣本號碼31爲於先前之膜形成步驟後未接受 加熱及濟壓製程的實例。 於加熱及擠壓操作後的TEG係藉由聚焦離子束裝置 (FIB裝置)進行製程,以曝光互連區段。藉由FIB裝置的 SIM影像觀察每一個樣本的互連區段,並核對純cu於互 連圖案之中的埋入狀態(埋入特性)。 藉由分析互連圖案之區段的SIM影像而評估埋入特 性’及藉由下示式(I)計算埋入率。觀察三個互連圖案, 並計算每一個互連圖案的埋入率。平均所有個別的埋入率 以產生如下示表4中所示之用於每一個樣本的平均埋入率 埋入率(%) = [(互連圖案中埋入純Cu的部分面積/互連圖案 的部分面積)]xl〇〇......................(1) • 表4清楚地顯示,當於3 5 0 °C或以上實施加熱及擠壓製 程時,藉由濺鍍所形成的純Cu薄膜可以近乎完全地埋入 至互連圖案中。 -22- 1357128 表4] 號碼 處理溫度 ΓΟ 埋入率(%) 31 未處理(20°c) 0 32 200 0 33 300 8.4 34 350 87.2 35 400 98.3 36 500 100.0 37 600 100.0 38 700 100.0
試驗性實例5 所使用的評估元件(TEG)具有於矽晶圓表面上所形成 之絕緣膜(TEOS膜:SiOF膜)上所設的互連圖案(條紋圖案 ),圖案之寬度爲 0.13 μηα(130 nm)、深度爲 0.3μιη(300 nm)
,及長度爲2.0 mm。藉由直流磁控濺鍍法,在每一個TEG 的表面上形成厚度爲50 nm的含有7.0原子%之Ti的Cu合 金薄膜。接著藉由電鍍於先前所形成的膜上,形成厚度爲 700 nm的純Cu薄膜,同時覆蓋互連圖案的一部分。以與 上述試驗性實例1相同的條件實施濺鍍。以與上述試驗性 實例2相同的條件實施電鍍。 於此膜形成步驟之後,加熱樣本。於加熱製程中,以 每分鐘增加2CTC溫度的速率將每一個樣本自室溫加熱至下 示表5中所示的溫度,於此溫度保持120分鐘,並接著以每 分鐘減少2(TC溫度的速率將樣本冷卻至室溫。於下示表5 中所示的樣本號碼41爲於先前之膜形成步驟後未接受加熱 -23- 1357128 及擠壓製程的實例。 以與試驗性實例4相同之方法核對於加熱及擠壓製程 後之樣本TEG上的互連溝槽之純Cu埋入狀態(埋入特性) 。每一個樣本的埋入率係顯示於下示表5中。 表5清楚地顯示,藉由電鍍所形成的純Cu薄膜可未接 受加熱製程而埋入至互連圖案中。
[表5] 或碼 處理溫度 埋入率 (°C) (%) 41 未處理(20〇C ) 100.0 42 200 100.0 43 300 100.0 44 350 100.0 45 400 100.0 46 500 100.0 47 600 100.0 48 700 100.0 試驗性實例6 於下示測試樣品A及B中,藉由光微影法與濕蝕刻 而圖案化所形成的Cu薄膜,以形成用於測量電阻率的圖 案。藉由四探針法測量長度爲10 mm之圖案的互連電阻。 首先,於室溫下測量互連電阻(電阻率)。接著令樣品接受 熱處理,以使樣品於Ar氣體環境中之正常壓力下,於預 定溫度(200。。' 3 00 °C ' 3 5 0 〇C、400。。、500。。、6 00 °C、 7〇〇°c )中各維持兩個小時,並於每一個溫度測量互連電阻 -24- 1357128 (電阻率)。 [測試樣品A] 藉由直流磁控濺鍍法,在矽晶圓表面上所形成的絕緣 膜(TEOS膜:SiOF膜)上,形成厚度爲50 nm的含有7.0原 子%之Ti的Cu合金薄膜。接著藉由直流磁控濺鍍法於先 前所形成的膜上,形成厚度爲700 nm的純Cu薄膜。以與 上述試驗性實例1相同的條件實施濺鍍。 [測試樣品B] 藉由直流磁控濺鍍法,在矽晶圓表面上所形成的絕緣 膜(TE0S膜:Si OF膜)上,形成厚度爲50 nm的含有7.0原 子%之Ti的Cu合金薄膜。接著藉由電鍍法於先前所形成 的膜上,形成厚度爲700 nm的純Cu薄膜。以與上述試驗 性實例1相同旳條件實施濺鍍。以與上述試驗性實例2相同 的條件實施電鍍。 第2圖顯示上述測試樣品A及B之加熱溫度與電阻率 之間的關係。於第2圖中,以白色圓圈表示測試樣品a的 結果,以黑色圓圈表示測試樣品B的結果。 第2圖清楚地顯示,於加熱之前的電阻爲高,但於加 熱後的電阻降低。當於5 0 0 °C加熱時,兩測試樣品各展現 最小電阻。此時電阻率爲1 . 9 1 # Ωαη,其爲足夠低而能用 於LSI互連的互連電阻。 熟此技藝者應瞭解的是,視設計需求與其他因素而定 -25- 1357128
,本發明可進行各種調 要彼等係在申請專利範 【圖式簡單說明】 第1 A~1D圖爲說明4 法之槪要圖式;以及 第2圖爲顯示於試驗 間的關係之圖式。 I、組合、次組合及替代方式’只 i或其均等者的範圍和內涵內。 艮據本發明之製造半導體互連的方 胃例6中之加熱溫度與電阻率之 【主要元件符號說明】 1 :半導體基板 2 :絕緣膜 3 :凹入部 4 : Cu合金薄膜 5 :純Cu薄膜 6 :富含Ti層 -26-
Claims (1)
1357128 十、申請專利範圍 ι·_種製造半導體互連的方法,該方法包含以下步驟 於半導體基板上的絕緣膜中形成一或多個溝槽,凹入 部之最小寬度爲0.15 μπι或以下,且該溝槽之深度對其最 小寬度的比値(深度/最小寬度)爲1或以上; 於該絕緣膜的該溝槽中,沿著該溝槽的形狀,形成厚 度爲10至50 nm之含有0.5至10原子%鈦(丁〇的銅(Cu)合金 薄膜; 於附著有該Cu合金薄膜之該溝槽中形成純Cu薄膜 :以及 於350 °C或以上,退火處理具有該等膜之該基板,以 使Ti沉澱於該絕緣膜及該Cu合金薄膜之間。 2.根據申請專利範圍第1項之方法,其中該Cu合金薄 膜係藉濺鍍法而沉積。 3 .根據申請專利範圍第1項之方法,其中該純Cu薄膜 係藉濺鍍法而沉積,並接著被擠壓入附著有該Cu合金薄 膜之該溝槽中。 4.根據申請專利範圍第3項之方法,其中於50 MPa 或以上,實施該擠壓。 -27-
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