TWI618272B - 用於金屬導電性強化的磁場導引式晶體方向系統 - Google Patents

用於金屬導電性強化的磁場導引式晶體方向系統 Download PDF

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Abstract

一種磁場導引式晶體方向系統以及操作一磁場導引式晶體方向系統的一種方法包括：一工作平台；一加熱元件，該加熱元件在該工作平台之上，該加熱元件用於選擇性地加熱在一晶圓基板上的一基底層，該基底層具有晶粒，其中該晶圓基板係該工作平台上的一晶圓的一部分；以及一磁組件，該磁組件相對於該加熱元件而固定，該磁組件用於使用10特斯拉或更大的一磁場來對準該基底層的該等晶粒，以形成一互連，該互連具有該互連中的晶粒的一晶體方向係匹配於該基底層的該等晶粒的該晶體方向。

Description

用於金屬導電性強化的磁場導引式晶體方向系統 【相關申請案之交互參照】
本申請案主張美國先行專利申請案序號第61/867,557號的利益，其申請於2013年8月19日，且其技術內容在此以引用之方式併入。
本發明係大體上關於晶體方向系統，且更具體地，係關於用於控制金屬晶體的方向之系統。
半導體晶片變得越來越複雜，主要係受驅動於較小的晶片尺寸需要增加的處理電力，來用於精小或可攜式電子裝置，例如手機、智慧型手機、個人媒體系統、超可攜式電腦。
隨著半導體晶片的每個元件的尺寸減小，電信號的速度會實際上開始減慢，因為熟知的RC延遲(RC Delay)現象。R代表電阻值，且C代表電容值。隨著尺寸減小，RC Delay開始很快速地變大，因為增加的電阻值(來自金屬膜)與增 加的電容值(來自較小的尺寸)。驅使金屬電阻值增加的一個主要因素係較小的金屬晶粒尺寸，金屬晶粒尺寸係被為了減小尺寸所需的較窄溝槽所限制住。較小的晶粒具有較大的晶界相對大小，這導致信號傳送期間電子的散射。RC Delay係由晶界散射所導致。金屬凝固成晶體或晶粒，且每一晶粒之間的就是晶界。隨著晶片內的互連變更小，需要相交的晶界的數量也增加，增加了RC Delay。
已知若給定晶種，可促使金屬晶粒生長在特定方向中。另外，甚至部分對準的金屬晶粒可減少晶界散射。但是，在奈米等級的晶圓上有數百萬個電晶體在數百萬個電晶體上，將晶種向下觸碰於需要生長金屬互連的每一表面係不可行的。
因此，仍需要一種方法來減少會引致RC Delay的晶界散射。有鑑於朝向越來越小的技術節點之趨勢，更關鍵的是找出這些問題的解決方案。有鑑於不斷增加的商業競爭壓力，以及消費者增加的期待與市場中重要產品區分的減小機會，關鍵的是找出這些問題的解決方案。另外，減少成本、改良效率與性能以及滿足競爭壓力的需求對於找出這些問題的解決方案之關鍵需要則添加甚至更高的緊迫性。
長久以來一直在找尋這些問題的解決方案，但是先前的研發並未教示或建議任何解決方案，且因此，這些問題的解決方案長久以來對於本領域中熟習技藝者來說一直是個謎團。
本發明提供操作磁場導引式晶體方向系統的一種方法，該方法包含：提供一晶圓，該晶圓包括一晶圓基板；沉積一基底層於該晶圓基板上，該基底層具有晶粒；使用10特斯拉(Tesla)或更大的一磁場來對準該基底層的該等晶粒的該晶體方向；以及形成一互連於該基底層上，該互連中的該等晶粒的該晶體方向係匹配於該基底層的該等晶粒的該晶體方向。
本發明提供一種磁場導引式晶體方向系統，該磁場導引式晶體方向系統包括：一工作平台；一加熱元件，該加熱元件在該工作平台之上，該加熱元件用於選擇性地加熱在一晶圓基板上的一基底層，該基底層具有晶粒，其中該晶圓基板係該工作平台上的一晶圓的一部分；以及一磁組件，該磁組件相對於該加熱元件而固定，該磁組件用於使用10特斯拉或更大的一磁場來對準該基底層的該等晶粒，以形成一互連，該互連具有該互連中的晶粒的一晶體方向係匹配於該基底層的該等晶粒的該晶體方向。
除了上述的那些步驟或元件之外或取代上述的那些步驟或元件，本發明的某些實施例具有其他步驟或元件。在閱讀了下面的詳細說明同時參考所附圖式之後，該等步驟或元件對於本領域中熟習技藝者來說將變得顯而易見的。
100‧‧‧磁場導引式晶體方向系統
102‧‧‧磁組件
104‧‧‧晶圓
106‧‧‧工作平台
108‧‧‧加熱元件
200‧‧‧磁場導引式晶體方向系統
202‧‧‧磁組件
204‧‧‧晶圓
206‧‧‧工作平台
208‧‧‧加熱元件
300‧‧‧磁場導引式晶體方向系統
302‧‧‧磁組件
304‧‧‧晶圓
306‧‧‧工作平台
308‧‧‧加熱元件
310‧‧‧積體電路晶粒
400‧‧‧磁場導引式晶體方向系統
402‧‧‧磁組件
404‧‧‧晶圓
406‧‧‧工作平台
408‧‧‧加熱元件
512‧‧‧溝槽
514‧‧‧晶圓基板
516‧‧‧基底層
718‧‧‧互連
1000‧‧‧磁場導引式晶體方向系統
1020‧‧‧工作表面
1022‧‧‧磁組件
1024‧‧‧波束源
1026‧‧‧光學系統
1028‧‧‧基板支座
1030、1032‧‧‧磁極
1034‧‧‧延伸範圍
1036‧‧‧線圈
1038‧‧‧開孔
1040‧‧‧平台
1042‧‧‧波導
1044‧‧‧波導支座
1046‧‧‧腔室壁部
1100‧‧‧方法
1102‧‧‧方塊
1104‧‧‧方塊
1106‧‧‧方塊
1108‧‧‧方塊
第1圖為本發明的第一實施例中的磁場導引式晶體方向系統的立方視圖。
第2圖為本發明的第二實施例中的磁場導引式晶體 方向系統的立方視圖。
第3圖為本發明的第三實施例中的磁場導引式晶體方向系統的立方視圖。
第4圖為本發明的第四實施例中的磁場導引式晶體方向系統的橫剖面視圖。
第5圖為在基底層沉積階段的操作中的晶圓的詳細橫剖面視圖。
第6圖為在基底層對準階段的操作中的第5圖的結構。
第7圖為在第二沉積階段的操作中之第6圖的結構。
第8圖為互連的部分的對準晶粒的範例。
第9圖為互連的部分的對準晶粒的另一範例。
第10圖為本發明的第五實施例中的磁場導引式晶體方向系統。
第11圖為本發明的進一步實施例中的磁場導引式晶體方向系統的操作的方法之流程圖。
下面的實施例係敘述得足夠詳細，以促成本領域中熟習技藝者製造與使用本發明。可瞭解到，根據本揭示案，會設想到其他實施例，且可做出系統、處理、或機械方面的改變而不偏離本發明的範圍。
在下文中，給出多個特定細節來提供本發明的徹底瞭解。但是，將是明顯的，本發明不需這些特定細節也可實施。為了避免模糊本發明，某些熟知的電路、系統配置、與 處理步驟並未詳細揭示。
繪示系統實施例的圖式係半概略式的並且未依尺寸，且具體地，某些尺寸係為了清楚呈現並且在繪製的圖式中誇大顯示。相似的，雖然圖式中的視角為了容易說明大體上繪示為相似的方向，圖式中的此描繪大多數是隨意的。大體上，本發明可操作於任何方向中。
其中多個實施例係揭示與敘述為具有共同的某些特徵，為了清楚與容易例示、敘述與理解，彼此相似與相像的特徵通常將用相似的元件符號來敘述。該等實施例係標號為第一實施例、第二實施例等，這是為了敘述的便利性，並且不打算有任何其他涵義或提供本發明的限制。
為了說明的目的，用語「水平的」在此使用時係界定為平行於晶圓的表面或平面之平面，不論其方向。用語「垂直的」指的是垂直於剛才界定的水平之方向。用語例如「之上」、「之下」、「底部」、「頂部」、「側部」(如同「側壁」)、「較高」、「較低」、「上」、「之上」、與「之下」係相對於水平平面而界定，如同圖式所示。用語「在..上」指的是元件之間有直接接觸。用語「直接在..上」指的是一個元件與另一個元件之間有直接接觸而沒有插入的元件。
用語「較佳的金屬方向」在此使用時係界定為金屬互連圖案的主要方向。在具有多個互連位準的裝置中，每一互連位準具有用於金屬晶粒的較佳方向或對準，該方向或對準係匹配於互連圖案的主要方向。
用語「主動側」指的是晶粒、模組、封裝、或電子 結構具有主動電路製造於其上的一側，或者具有元件來連接至晶粒、模組、封裝、或電子結構內的主動電路之一側。
用語「處理」在此使用時係包括沉積材料或光阻、圖案化、曝光、顯影、蝕刻、清洗、及/或移除材料或光阻，如同用於形成所述結構所需做的。
現在參見第1圖，其中繪示本發明的第一實施例中的磁場導引式晶體方向系統100的立方視圖。此視圖繪示磁組件102、晶圓104、工作平台106、與加熱元件108，這些元件都在容納腔室(未圖示)內。容納腔室係防空氣的並且可充填有任何需要的氣體組合，例如氮、氫、氧、氬、氦、其他貴重氣體、或其組合，或者容納腔室可處於真空或接近真空之下。為了清楚起見，僅繪示一部分的磁組件102。晶圓104的直徑可為至少200mm，且晶圓104定位於磁組件102的中心，磁組件102在此範例中為圍繞晶圓的「桶狀」磁鐵。桶狀磁鐵係圓形磁鐵，具有孔在中心中，且桶狀磁鐵係以切除的視圖來繪示，使得其他元件可以輕易看見。晶圓104與磁組件102係相對於彼此而固定在工作平台106上，這有時也稱為鷹架結構。
加熱元件108可以產生波束來加熱特定的目標區域，波束可具有任何橫剖面形狀，例如圓形、橢圓形、矩形或方形形狀、或多邊形。加熱元件108可操作於各種方式。例如，加熱元件108可為雷射發射器、用於物理氣相沉積的氬氣束發射器、電子束、或氣體團簇離子束(GCIB,gas cluster ion beam)。也例如，加熱元件108可為微波發射器、感應加 熱器、閃光/電弧燈、長波長閃光燈、或傳導式耦接。雖然其他種波束或加熱技術也可能(取決於使用什麼加熱元件108)，雷射束係較佳的，因為雷射束不受磁場影響。在此範例中，雷射束由從加熱元件108延伸至晶圓104的實線來表示。可瞭解到，該實線也可表示其他電磁發射(離子束、電子束、微波等)的路徑。
雷射束可以以各種波長產生自加熱元件108。雷射束可為脈衝式連續波或半連續波。工作平台106可相對於加熱元件108移動，以允許完全覆蓋晶圓104，且工作平台106可移動於任何需要的方向中(例如，向上與向下)以及任何類型的橫向移動，以相對於雷射束來定位晶圓104，用於準確對準晶圓的特定部分。磁組件102可以產生10T(Tesla)或更大強度的磁場。磁組件102可以產生該磁場作為靜態磁場或作為脈衝式磁場，脈衝式磁場同步於來自加熱元件108的雷射束。磁組件102(作為桶狀磁鐵)可施加磁場同時橫越晶圓104全部。作為範例，取代單一桶狀磁鐵，也可使用兩個相對的超環面磁鐵。相對的超環面磁鐵可沿著其共同軸壓縮磁場強度，同時留下開放空間給雷射或其他波束通過。
已經發現，使用桶狀磁鐵作為磁組件102可簡化磁場導引式晶體方向系統100的使用，改良可靠度與產量。因為磁組件102可以同時覆蓋晶圓104全部，磁組件102可直接固定在工作平台上，而不需要分開安裝在磁場導引式晶體方向系統100內。磁組件102橫向地圍繞晶圓104的固定定位也防止磁組件102擋住來自雷射發射器的雷射束，允許雷 射發射器相對於晶圓104定位在任何需要的角度處。在使用桶狀磁鐵的實例中，電弧燈或閃光燈可同時處理整個晶圓，且桶狀磁鐵可定位成具有相同方向產量的磁場通過晶圓，這也可增加效率與產量。
現在參見第2圖，其中繪示本發明的第二實施例中的磁場導引式晶體方向系統200的立方視圖。此視圖繪示磁組件202、晶圓204、工作平台206、與加熱元件208，這些元件都在容納腔室(未圖示)內。容納腔室係防空氣的並且可充填有任何需要的氣體組合，例如氮、氫、氧、氬、氦、其他貴重氣體、或其組合。為了清楚起見，僅繪示一部分的磁組件202。晶圓204的直徑可為至少200mm，且晶圓204定位於磁組件202之上，磁組件202為安裝在晶圓204之下的磁鐵。晶圓204固定至工作平台206，而磁組件202固定至分離的磁鐵底座。
加熱元件208相對於磁組件202安裝在固定位置中，且加熱元件208可以產生可具有任何橫剖面形狀的波束，例如圓形、橢圓形、矩形或方形形狀、或多邊形。加熱元件208可操作於各種方式。例如，加熱元件208可為雷射發射器、用於物理氣相沉積的氬氣束發射器、電子束、或氣體團簇離子束(GCIB,gas cluster ion beam)。也例如，加熱元件208可為微波發射器、感應加熱器、閃光/電弧燈、長波長閃光燈、或傳導式耦接。雖然其他種波束或加熱技術也可能(取決於使用什麼加熱元件208)，雷射束係較佳的，因為雷射束不受磁場影響。在此範例中，雷射束由從加熱元件208延伸至晶 圓204的實線來表示。可瞭解到，該實線也可表示其他電磁發射(離子束、電子束、微波等)的路徑。
雷射束可以以各種波長產生自加熱元件208。雷射束可為脈衝式連續波或半連續波。工作平台206可相對於加熱元件208與磁組件202移動，以允許完全覆蓋晶圓204，且工作平台206可移動於任何需要的方向中(例如，向上與向下)以及任何類型的橫向移動，以相對於雷射束來定位晶圓204，用於準確對準晶圓204的特定部分。加熱元件208相對於磁組件202而固定，以使雷射束照射於晶圓204上磁組件202以磁場覆蓋的相同點。
磁組件202可以產生10T(Tesla)或更大強度的磁場。磁組件202可以產生該磁場作為靜態磁場或作為脈衝式磁場，脈衝式磁場同步於來自加熱元件208的雷射束。磁組件202可施加磁場均勻地橫越晶圓204的局部部分。在此範例中，磁組件202可相對於工作平台206而固定。磁組件202標示有正負號，這僅是為了易於辨識，且正負號的方向不代表限制。
已經發現，使用加熱元件208產生的雷射束來照射於磁組件202產生的磁場所覆蓋之晶圓204的部分可以允許同時熔化以及在重新凝固特定種類的順磁性或反磁性金屬(例如，銅)時引致較佳的晶體方向，而不用使用晶種。本領域中熟習技藝者可瞭解到，順磁性與反磁性金屬的對準也視為非磁性的。但是，在10T或更大的磁場之下，更弱反磁性的材料在凝固時也將晶體輪廓分明地定向於特定方向中。 也已經發現，當重新凝固冷卻發生時，有利的是執行階梯式溫度降低。例如，可傳送雷射脈衝(或電弧燈閃光)，使得第一脈衝(或脈衝組)熔化金屬，且之後傳送一系列降低強度的脈衝，以設計特定的冷卻分布。
現在參見第3圖，其中繪示本發明的第三實施例中的磁場導引式晶體方向系統300的立方視圖。此視圖繪示磁組件302、晶圓304、工作平台306、與加熱元件308，這些元件都在容納腔室(未圖示)內。容納腔室係防空氣的並且可充填有任何需要的氣體組合，例如氮、氫、氧、氬、氦、其他貴重氣體、或其組合。晶圓304係繪示有從晶圓304切割之前的積體電路晶粒310，但是可瞭解到，晶圓304具有許多積體電路晶粒310橫越晶圓304的表面。積體電路晶粒310的尺寸與位置係僅為了例示的目的而繪示，且可瞭解到，積體電路晶粒310可為不同的尺寸或在不同的方向中。
為了清楚起見，僅繪示一部分的磁組件302。晶圓304的直徑可為至少200mm，且晶圓304定位於磁組件302之上，磁組件302為安裝在晶圓304之下的磁鐵。晶圓304固定至工作平台306，而磁組件302固定至分離的磁鐵底座。
加熱元件308相對於磁組件302安裝在固定位置中，且加熱元件308可以產生可具有任何橫剖面形狀的波束，例如圓形、橢圓形、矩形或方形形狀、或多邊形。加熱元件308可操作於各種方式。例如，加熱元件308可為雷射發射器、用於物理氣相沉積的氬氣束發射器、電子束、或氣體團簇離子束(GCIB,gas cluster ion beam)。也例如，加熱元件308 可為微波發射器、感應加熱器、閃光/電弧燈、長波長閃光燈、或傳導式耦接。雖然其他種波束或加熱技術也可能(取決於使用什麼加熱元件308)，雷射束係較佳的，因為雷射束不受磁場影響。在此範例中，雷射束由從加熱元件308延伸至晶圓304的實線來表示。可瞭解到，該實線也可表示其他電磁發射(離子束、電子束、微波等)的路徑。
雷射束可以以各種波長產生自加熱元件308。雷射束可為脈衝式連續波或半連續波。在此範例中，雷射束可產生有矩形或方形橫剖面，以當每次加熱元件308脈衝時「快速照射」每個積體電路晶粒310。工作平台306可相對於加熱元件308與磁組件302移動，以允許完全覆蓋晶圓304，且工作平台306可移動於任何需要的方向中(例如，向上與向下)以及任何類型的橫向移動，以相對於雷射束來定位晶圓304，用於準確對準晶圓304的特定部分。加熱元件308相對於磁組件302而固定，以使雷射束照射於晶圓304上磁組件302以磁場覆蓋的相同點。
磁組件302可以產生10T(Tesla)或更大強度的磁場。磁組件302可以產生該磁場作為靜態磁場或作為脈衝式磁場，脈衝式磁場同步於來自加熱元件308的雷射束。磁組件302可施加磁場均勻地橫越晶圓304的局部部分。在此範例中，磁組件302可相對於工作平台306而固定。磁組件302標示有正負號，這僅是為了易於辨識，且正負號的方向不代表限制。
已經發現，使用加熱元件308產生的雷射束來照射 於磁組件302產生的磁場所覆蓋之晶圓304的部分可以允許同時熔化以及在重新凝固特定種類的順磁性或反磁性金屬(例如，銅)時引致較佳的晶體方向，而不用使用晶種。在10T或更大的磁場之下，許多更弱反磁性的材料在凝固時將定向於特定方向中。
現在參見第4圖，其中繪示本發明的第四實施例中的磁場導引式晶體方向系統400的橫剖面視圖。此視圖繪示磁組件402、晶圓404、工作平台406、與加熱元件408，這些元件都在容納腔室(未圖示)內。容納腔室係防空氣的並且可充填有任何需要的氣體組合，例如氮、氫、氧、氬、氦、其他貴重氣體、或其組合。為了清楚起見，僅繪示一部分的磁組件402。晶圓404的直徑可為至少200mm，且晶圓404定位於磁組件402的磁極之間，磁組件402在此範例中有磁鐵安裝在晶圓404之上與之下。晶圓404固定至工作平台406，而磁組件402固定至分離的磁鐵底座。磁組件402也可為單一較大的磁鐵，其中磁極係轉彎或彎曲朝向相反的磁極，該等磁極之間有空間。
加熱元件408相對於磁組件402安裝在固定位置中，且加熱元件408可以產生波束來加熱特定的目標區域，波束可具有任何橫剖面形狀，例如圓形、橢圓形、矩形或方形形狀、或多邊形。例如，加熱元件408可定位成以窄的角度產生波束，以允許發射的波束有到晶圓404的自由路徑，而不被晶圓404之上的磁組件402的部分所阻擋住。加熱元件408可操作於各種方式。例如，加熱元件408可為雷射發 射器、用於物理氣相沉積的氬氣束發射器、電子束、或氣體團簇離子束(GCIB,gas cluster ion beam)。也例如，加熱元件408可為微波發射器、感應加熱器、閃光/電弧燈、長波長閃光燈、或傳導式耦接。雖然其他種波束或加熱技術也可能(取決於使用什麼加熱元件408)，雷射束係較佳的，因為雷射束不受磁場影響。在此範例中，雷射束由從加熱元件408延伸至晶圓404的實線來表示。可瞭解到，該實線也可表示其他電磁發射(離子束、電子束、微波等)的路徑。
雷射束可以以各種波長產生自加熱元件408。雷射束可為脈衝式連續波或半連續波。工作平台406可相對於加熱元件408與磁組件402移動，以允許完全覆蓋晶圓404，且工作平台406可移動於任何需要的方向中(例如，向上與向下)以及任何類型的橫向移動，以相對於雷射束來定位晶圓404，用於準確對準晶圓404的特定部分。加熱元件408相對於磁組件402而固定，以使雷射束照射於晶圓404上磁組件402以磁場覆蓋的相同點。雖然其他種波束係可能的(取決於使用什麼加熱元件408)，雷射束係較佳的，因為雷射束不受磁場影響。例如，使用的加熱元件408可為應用材料公司(Applied Materials)的「ASTRATM」系統，「ASTRATM」系統產生矩形或條紋型的掃描雷射束，或者加熱元件408可為「Beethoven」系統，「Beethoven」系統產生矩形的雷射束，該雷射束的尺寸係匹配於積體電路晶粒的尺寸，以用於逐晶粒處理。
磁組件402可以產生10T(Tesla)或更大強度的磁 場。磁組件402可以產生該磁場作為靜態磁場或作為脈衝式磁場，脈衝式磁場同步於來自加熱元件408的雷射束。磁組件402可施加磁場均勻地橫越晶圓404的局部部分。該磁場可相對於晶圓404對準於任何方向，例如平行於表面、垂直於表面、或相對於表面的任何給定角度。作為替代的範例，為了避免有角度的雷射束的問題，磁組件402可使用中空磁鐵，具有開孔從磁鐵的中心軸向下，以供雷射束通過。在此範例中，磁組件402可相對於工作平台406而固定。磁組件402的多個部分標示有正負號，這僅是為了易於辨識，且正負號的方向不代表限制。
已經發現，使用加熱元件408產生的雷射束來照射於磁組件402產生的磁場所覆蓋之晶圓404的部分可以允許同時熔化以及在重新凝固特定種類的順磁性或反磁性金屬(例如，銅)時引致較佳的晶體方向，而不用使用晶種。在10T或更大的磁場之下，更弱反磁性的材料在重新凝固時也將晶體輪廓分明地定向於特定方向中。
現在參見第5圖，其中繪示在基底層沉積階段的操作中的晶圓204的詳細橫剖面視圖。使用來自第2圖的元件之該處理僅為範例，且可瞭解到，該處理可應用至任何實施例。橫剖面視圖係取自晶圓的側部，且未依尺寸。圖式的側部處的波浪線表示僅繪示部分的橫剖面視圖。僅為了視覺上的清楚，將尺寸誇大。
溝槽512(也稱為氧化物溝槽)係繪示在晶圓基板514中，晶圓基板514係出自晶圓204所形成的材料的部分， 例如矽。溝槽512為形成於晶圓204上與晶圓基板514中的互連的部分之前驅物。該互連將稍後變成第3圖的積體電路晶粒310的部分，作為範例來說。使用例如微影術、濕式或乾式蝕刻、或其他圖案化處理的技術，可圖案化晶圓基板514中的溝槽512。在基底層516之前可沉積其他層(未圖示)，例如含有氮化鉭的阻障層。
透過例如物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、原子層沈積(ALD)、或甚至電性化學電鍍(ECP,electro-chemical plating，也熟知為電性銅電鍍)的處理，溝槽512與晶圓基板的其他選定表面可具有基底層516均勻地沉積於其上作為非定向、多晶金屬。較佳的技術為PVD、ALD、或CVD，以用於厚度的細微控制。基底層516可由金屬形成，例如銅、鎢、金、鉑、銀、錳或鈷，以僅數奈米的厚度，例如大約2nm。基底層516也可由石墨烯或其他超導材料形成。
該沉積處理係選擇性地執行於容納腔室(未圖示)內，且在周遭溫度。該沉積處理可在惰性或還原環境中實行，以避免基底層516的氧化。例如，該環境可為氬、氫、氦、其他貴重氣體、或其組合。也例如，該沉積處理可執行於混合氣體中，例如氬中1%-10%部分壓力的氫。
現在參見第6圖，其中繪示在基底層對準階段的操作中的第5圖的結構。在電性電鍍或無電電鍍之前放上基底層516，因為基底層516上所放的金屬的晶體結構的生長將遵循原始的晶體方向(由於熱力學的緣故)。可瞭解到，在正常的沉積狀況之下，基底層516將形成為在基底層516內沒 有任何特定的晶粒或晶體方向。沒有將晶粒定向於較佳的金屬方向時，另外沉積的金屬的任何生長也將缺少任何特定的晶粒或晶體方向，這會導致RC延遲(由於晶界散射的緣故)。
施加適當波長(取決於基底層516的材料)的雷射束(由波浪狀箭頭表示)將導致基底層516熔化並且之後在數奈秒或毫秒內將產生的熱傳送進晶圓基板514中，使得僅有基底層516熔化，且沒有發生對其他元件的損傷。基底層516與晶圓基板514的厚度的大差異確保雷射束的適當施加將熔化基底層516的材料，而不會損傷其他元件。
針對某些範例性處理配置，雷射束的波長應該匹配於基底層516的材料，以用於最大的吸收率。例如，若使用銅來用於基底層，已經發現，若產生的雷射束係為大約550nm至580nm的波長，則2nm層的銅的熔點應該在攝氏400度(400℃)以下且可能低到大約200-250℃。已經發現，在550nm至580nm，表面等離子(plasmon)共振會增加銅的吸收率，導致銅的更有效率加熱以及銅奈米層後續更有效率的熔化。
也例如，一旦開始進行時是在大約400nm以下，較短波長的雷射束在熔化銅方面會更有效。波長的選擇應該由下述來驅動：實際的考量(例如，產生給定波長的強波束的難易度)以及給定目標溫度附近該材料對該波長的吸收率。作為另外的範例，藉由加熱下方的基板而非直接加熱基底層516，基底層516的某些結構可更有效地熔化。基板的此種加熱會傳導性地熔化基底層516，且允許更長的有效再結晶時 間。
已經發現，550nm與580nm之間的波長的雷射可以比較長或較短的波長更有效地熔化銅，直到波長在400nm以下。本領域中熟習技藝者可瞭解到，隨著波長變更短，增加雷射的功率會變得越來越難。使用具有550nm與580nm之間的波長的雷射可以允許較便宜且較可靠的製造。
例如，第2圖的工作平台206可以移動，以確保雷射束不會在晶圓基板514的單一點上停駐太久。當雷射束(不論是脈衝式或連續式發射)通過溝槽512之上時，雷射束可快速且有效率地熔化基底層516。若雷射束是脈衝式的，例如第2圖的磁組件202可同時脈衝式致動，以產生磁場通過雷射束已經熔化基底層516之晶圓基板514的部分。脈衝化磁場可以允許遠遠較強的磁場，高於靜態磁場的10倍位準。磁組件202可產生靜態磁場、脈衝式磁場、或其組合。
足夠高強度(大約10T或更高--脈衝式磁鐵可達到100T且更高)的磁場將使基底層516現在為彈性的晶體結構對準，當雷射束轉移至另一位置時，基底層516現在為彈性的晶體結構將快速重新凝固，且熱會通通傳送到晶圓基板514中。例如，基底層516的晶體結構可對準於<111>方向，其中<111>方向對應於磁組件202產生的磁場的磁力線，舉例來說。
已經發現，10T時，該磁場可使銅的基底層的晶體結構對準於<111>方向，允許稍後的晶體生長會遵循此<111>方向，且協助晶粒排列整齊，減少晶界。磁場使基底層對準 於<111>方向，但是可瞭解到，磁場通過基底層516的角度可調整至可以大大減少RC延遲的任何角度，例如使晶體對準於水平方向中的<100>。在該範例中，磁場可與水平成角度於45°處。
雷射束也可相對於晶圓基板514的表面定位，以布魯斯特角(Brewster angle)入射基底層516，這會增加來自雷射束(例如，偏振的雷射束)的能量的吸收率，允許更有效率且更均勻地加熱基底層516。工作平台206可以移動，使得雷射束也可在數奈秒/毫秒/微秒的範圍中施加至晶圓基板514的任何給定部分，以避免損傷其他元件且最大化產量。取決於基底層516是否在溝槽中，晶圓基板514的厚度可為基底層516的大約700倍，舉例來說。這允許晶圓基板514作用為有效的散熱器(因為大的體積差異)，使得基底層516可快速加熱且也可快速冷卻與重新凝固。
現在參見第7圖，其中繪示在第二沉積階段的操作中之第6圖的結構。在對準第5圖的基底層516中的晶體之後，可沉積相同於基底層516中已經使用的材料，以充填溝槽512且完成互連718的形成。例如，可沉積銅於溝槽512中與晶圓基板514的表面的剩餘選擇部分之上，以透過例如電性電鍍或無電電鍍的處理來完成互連718。無電電鍍係較佳的，因為晶體透過磊晶生長會有較佳的對準。
已經發現，產生雷射束來熔化基底層516並且同時施加10T或更大的磁場至基底層可以允許減少通過互連718的RC延遲，互連718藉由沉積於基底層516上而形成。在熔 化至一個方向之後(例如，<111>方向)，在再結晶期間該磁場將使基底層516的晶體對準，且第二沉積處理中晶體的生長將大體上遵循基底層516的晶體方向，減少形成互連718的材料的晶粒之間的晶界，這導致RC延遲的減少，加速通過互連718的信號的傳送。
也已經發現，為了減少RC延遲，基底層516中晶體的對準不需要完美。在晶體的對準之前，基底層516可能具有大角度晶界，大角度晶界會增加缺陷與因此RC延遲。部分對準基底層516中的晶體(或晶粒)至較佳的金屬方向可以產生一種情況係主要的晶界為小角度晶界，小角度晶界意味著減少的缺陷，導致通過減少的RC延遲之較佳的傳輸。晶粒可具有長度尺寸係大於寬度尺寸，且沿著晶粒的長度對準晶粒於較佳的金屬方向中可以減少缺陷。
已經另外發現，利用大約200-250℃的雷射束來熔化基底層516(為銅)可以增加磁場導引式晶體方向系統200的產量，舉例來說，且也增加產生的互連的可靠度。基底層516的奈米等級的厚度可以允許雷射束在晶圓基板514上的任何給定位置處停駐較短的時間，增加整個系統的產量。另外，因為銅基底層的熔化溫度遠低於周遭材料的熔化溫度，可以排除對晶圓上其他元件的損傷，增加可靠度。這也允許雷射束柵格化橫越第2圖的晶圓204的整個表面，而不用顧忌到會損傷已經存在的其他元件或結構。
替代地，可在第二沉積步驟之後，使用雷射束與磁場。在完全形成的互連中銅厚度的增加將增加熔化溫度，但 是該厚度應仍足夠小來保持熔化溫度在大約400℃，這樣仍然允許互連718的銅對準，而不會損傷周遭的材料或結構。
現在參見第8圖，其中繪示互連718的部分的對準晶粒的範例。第2圖的磁場導引式晶體方向系統200的操作可產生對準的晶粒，減少晶界與晶界缺陷。在此範例中，互連718的材料的晶體方向係大體上在垂直方向中。這對於互連718中電流將運行於垂直方向中的部分係最佳的，舉例來說。晶粒的方向係僅為了例示的目的，且可瞭解到，晶粒可對準於任何方向中，且部分對準也可以是結果。
也可瞭解到，部分對準來獲得小角度晶界對於減少晶界缺陷也是有用的。該範例圖示對準的晶粒的詳細視圖。在此範例視圖中，小角度晶界清楚可見。
現在參見第9圖，其中繪示互連718的部分的對準晶粒的另一範例。第2圖的磁場導引式晶體方向系統200的操作可產生對準的晶粒，減少晶界與晶界缺陷。在此範例中，互連718的材料的晶體方向係大體上在水平方向中。這對於互連718中電流將運行於水平方向中的部分係最佳的，舉例來說。晶粒的方向係僅為了例示的目的，且可瞭解到，晶粒可對準於任何方向中，且部分對準也可以是結果。
也可瞭解到，部分對準來獲得小角度晶界對於減少晶界缺陷也是有用的。該範例圖示對準的晶粒的詳細視圖。在此範例視圖中，小角度晶界清楚可見。
現在參見第10圖，其中繪示本發明的第五實施例中的磁場導引式晶體方向系統1000。繪示的是磁場導引式晶體 方向系統1000的示意視圖，具有工作表面1020、磁組件1022、波束源1024、光學系統1026、與基板支座1028。
基板支座1028固持工作表面1020上的基板(例如，晶圓)於磁組件1022的磁極1030與1032之間的定位。磁極1030與1032係相反極性。磁組件1022的磁極1032係以虛線繪示，以表示磁組件1022的部分如何部分位於基板支座1028內。
晶圓由基板支座1028固持，以使磁組件1022的磁極1030與1032之間的磁場投射通過晶圓的部分。磁鐵含有芯與一或更多個傳導線圈1036。磁組件1022可為永久磁鐵或電磁鐵。磁組件1022可以產生10T或更大的磁場。作為電磁鐵的磁組件1022可以產生50T或更大的脈衝式磁場。磁組件1022可安裝遠離基板支座1028並且通過基板支座1028的開孔1038，以到達基板或晶圓的下側。磁組件1022可具有延伸範圍1034，以允許基板支座1028自由移動同時避免碰撞於磁組件1022。
當基板支座1028固持工作表面1020且基板或晶圓移動於平台1040上時，晶圓上的不同位置可曝露至來自波束源1024的波束。磁組件1022與波導1042相對於彼此固定，使得磁組件1022與波導1042同時覆蓋基板或晶圓的相同部分。
波束源1024產生電磁輻射，包括可見光，且光學系統1026修改形狀、均勻性、整體強度、頻譜分布。例如，光學系統1026可用以聚焦來自波束源1024的波束。波導1042 導引來自波束源1024的波束至基板或晶圓上，且波導1042可具有元件，例如反射鏡、棱鏡、部分反射器、折射透鏡、或光纖。可使用超過一個波導1042。波導1042由波導支座1044支撐，波導支座1044附接於固定的設備，例如容納腔室的腔室壁部1046。
已經發現，使用波束源1024產生雷射束來照射由磁組件1022產生的磁場所覆蓋之晶圓的部分可以允許同時熔化，以及當鐵磁材料以外的特定種類的材料(例如，順磁性或反磁性金屬，例如銅)重新凝固時，引致較佳的晶體方向，而不用使用晶種。在10T或更大的磁場之下，更弱反磁性的材料在凝固時也將晶體輪廓分明地定向於特定方向中。注意到，當重新凝固冷卻發生時，也有利的是執行階梯式溫度降低，所以例如，可傳送雷射脈衝(或電弧燈閃光)，使得第一脈衝(或脈衝組)熔化金屬，且之後傳送一系列降低強度的脈衝，以設計特定的冷卻分布。
現在參見第11圖，其中繪示本發明的進一步實施例中的磁場導引式晶體方向系統的操作的方法1100之流程圖。方法1100包括：在方塊1102中，提供晶圓，該晶圓包括晶圓基板；在方塊1104中，沉積基底層於晶圓基板上，基底層具有晶粒；在方塊1106中，使用10特斯拉(Tesla)或更大的磁場來對準基底層的晶粒的該晶體方向；以及在方塊1108中，形成一互連於基底層上，該互連中的晶粒的晶體方向係匹配於基底層的晶粒的晶體方向。
產生的方法、處理、設備、裝置、產品、及/或系統 係正直的、成本有效的、不複雜的、高度通用的、準確的、敏感的、與有效的，且藉由採用已知的元件就可實施，以用於可以使用的、有效率的、與經濟的製造、應用、與使用。
本發明的另一重要態樣係本發明有益地支援與保持了減少成本、簡化系統、與增加性能的歷史趨勢。
本發明的這些與其他有益的態樣因此將技術狀態提升至至少下一層級。
雖然已經聯結特定最佳模式來敘述本發明，應瞭解到，本領域中熟習技藝者受前述說明的啟發將可輕易得知許多替代、修改、與變化。因此，打算的是，涵蓋落在所包括的申請專利範圍的範圍內的所有此種替代、修改、與變化。本文之前提出與在所附圖式中繪示的所有事項係解釋為例示性而非限制性。
100‧‧‧磁場導引式晶體方向系統
102‧‧‧磁組件
104‧‧‧晶圓
106‧‧‧工作平台
108‧‧‧加熱元件

Claims (15)

  1. 一種操作一磁場導引式晶體方向系統的方法，包括：提供一晶圓，該晶圓包括一晶圓基板；沉積一基底層於該晶圓基板上，該基底層具有晶粒；使用10特斯拉(Tesla)或更大的一磁場來對準該基底層的該等晶粒的該晶體方向；及形成一互連於該基底層上，該互連中的該等晶粒的該晶體方向係匹配於該基底層的該等晶粒的該晶體方向。
  2. 一種操作一磁場導引式晶體方向系統的方法，包括：提供一晶圓，該晶圓包括一晶圓基板，該晶圓基板具有一溝槽；沉積一基底層於該溝槽中與該晶圓基板上，該基底層具有晶粒；利用一加熱元件來熔化該基底層；利用一磁組件來產生10特斯拉或更大的一磁場；使用該磁場來對準該基底層的該等晶粒的該晶體方向，同時該基底層係處於一熔化狀態中，用於形成小角度的晶界；在對準該基底層的該等晶粒的該晶體方向之後，允許該基底層凝固；及形成一互連於該基底層上與該溝槽中，該互連中的該等晶粒的該晶體方向係匹配於該基底層的該等晶粒的該晶體方向。
  3. 如請求項2所述之方法，其中沉積該基底層係包括：沉積反磁性或順磁性的材料。
  4. 如請求項2所述之方法，其中沉積該基底層係包括：沉積反磁性或順磁性的材料，該等反磁性或順磁性的材料係選自銅、金、鎢、鉑、或錳的該群組。
  5. 如請求項2所述之方法，其中利用一加熱元件來熔化該基底層係包括：利用具有550nm與580nm之間的波長之一雷射來熔化該基底層。
  6. 一種磁場導引式晶體方向系統，包括：一工作平台；一加熱元件，該加熱元件在該工作平台之上，該加熱元件用於選擇性地加熱在一晶圓基板上的一基底層，該基底層具有晶粒，其中該晶圓基板係該工作平台上的一晶圓的一部分；及一磁組件，該磁組件相對於該加熱元件而固定，該磁組件用於使用10特斯拉或更大的一磁場來對準該基底層的該等晶粒，以形成一互連，該互連具有該互連中的晶粒的一晶體方向係匹配於該基底層的該等晶粒的該晶體方向。
  7. 如請求項6所述之系統，其中該加熱元件係用於：使用該加熱元件來熔化該基底層。
  8. 如請求項6所述之系統，其中：該磁組件係用於：使用該磁場來對準該基底層的該等晶粒的該晶體方向，同時該基底層係處於一熔化狀態中，用於形成小角度的晶界；及該加熱元件具有一可調整的輸出強度，用於對準該基底層的該等晶粒的該晶體方向。
  9. 如請求項6所述之系統，其中該磁組件係用於產生該磁場。
  10. 如請求項6所述之系統，其中該晶圓基板具有一溝槽。
  11. 如請求項6所述之系統，其中：該加熱元件係用於：使用該加熱元件來熔化該基底層；及該磁組件係用於：產生該磁場，及使用該磁場來對準該基底層的該等晶粒的該晶體方向，同時該基底層係處於一熔化狀態中，用於形成小角度的晶界。
  12. 如請求項11所述之系統，其中該基底層包括反磁性或順磁性的材料。
  13. 如請求項11所述之系統，其中該基底層包括反磁性或順磁性的材料，該等反磁性或順磁性的材料係選自銅、金、鎢、鉑、或錳的該群組。
  14. 如請求項11所述之系統，其中該加熱元件係一雷射，用於利用具有550nm與580nm之間的一波長之該雷射來熔化該基底層。
  15. 如請求項11所述之系統，其中該加熱元件係用於設計一特定冷卻分布，包括：利用來自該加熱元件的一第一脈衝或脈衝組來熔化該基底層；及降低來自該加熱元件的後來的脈衝的強度。
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