专利名称：在三元混合物中包含铜的pvd靶和形成含铜pvd靶的方法
技术领域：
本发明涉及含有铜和至少两种其它元素的混合物的物理气相沉积靶。本发明还涉及包含铜和两种或更多种元素的混合物的薄膜和互连件以及形成含铜物理气相沉积靶的方法。
背景技术：
经常采用物理气相沉积(PVD)(例如溅射)来形成横跨基底表面的材料薄膜。可以在例如半导体制造过程中采用PVD来形成最终用于集成电路结构和装置中的层。
典型的PVD操作采用由所需的沉积材料形成的靶。将靶提供在适当设备的腔室中。将基底装在腔室中与上述靶相隔的位置上，将靶的材料从靶上溅射或者移除下来并沉积在基底上。
在特定应用中，靶包含铜材料，铜可用来形成横跨基底表面的导电薄膜。含铜导电薄膜的示范应用是双镶嵌工艺，其中含铜导电薄膜用来形成电互连件。在双镶嵌工艺中，提供具有沟槽、通道和/或其它从上表面上延伸的开口的基底。在一些用途中，将含铜薄膜在所述开口内和开口间的基底区域上溅射沉积。然后通过例如化学机械抛光将开口间区域的铜除去。可以将含铜薄膜溅射沉积至足以完全充满所述开口的厚度。然而，铜材料的溅射沉积一般用来形成含铜材料的“种子层”，其中“种子层”用来指一种薄膜，可以在其上采用溅射沉积之外的方法使铜的其余厚度增长。提供铜的另外厚度的示范性方法可以是例如电化学沉积。因而，含铜互连件一般会包含两个部分。第一部分是相当于溅射沉积种子层的薄膜，第二部分(一般是互连件的主要部分或主体)是在种子层上通过非溅射沉积技术形成的层。
采用PVD靶向基底溅射金属时会遇到各种困难。在特定的溅射应用中，靶会经受强功率和热。如果所述靶不具备足以应对其经受的高功率的强度，这样的强功率和热会造成靶翘曲变形。
如果薄膜成分不合适，经由物理气相沉积工艺沉积的薄膜还会有各种与之相关的问题。例如，含金属的薄膜会由于应力诱导迁移、电迁移和/或腐蚀而缩短寿命。另外，所述薄膜会具有其它不希望的性能，如向基底衬底材料的附着较差。
希望研发能够解决一或多个上述问题的靶组成并研发制备这样的靶组成的方法。
发明概述本发明的一个方面包含含有铜和至少两种其它元素的物理气相沉积靶，所述至少两种其它元素的总量为至少100ppm-低于约10原子％。本发明还包含含有铜和至少两种添加元素的混合物的薄膜和互连件，其中所述至少两种添加元素的总量为至少100ppm-低于约10原子％。
本发明的一个方面包含铜靶的形成。形成包含铜和两种或更多种选自Ag、Al、As、Au、B、Be、Ca、Cd、Co、Cr、Fe、Ga、Ge、Hf、Hg、In、Ir、Li、Mg、Mn、Nb、Ni、Pb、Pd、Pt、Sb、Sc、Si、Sn、Ta、Te、Ti、V、W、Zn和Zr的元素的混合物，使所述至少两种元素的总量为至少100ppm-低于约10原子％。熔融铸造该混合物，接下来冷却形成坯锭。加工所述坯锭形成靶，其中所述加工包含等径转角挤型和热机械加工中的一种或两种。
附图简述参考以下附图，下面描述了本发明的优选实施方案。
图1是示范靶/背板结构的横截面简图。
图2是具有沿图2中的线1-1延伸的图1截面的图1结构的顶视图。
图3是本发明特定工艺步骤中基底的横截面简图。
图4显示了纯铜、二元合金和本发明示范材料耐腐蚀性能的对比研究结果。
图5是本发明工艺方法的预备性步骤中的基底横截面简图。
图6是在图5工艺步骤之后的加工步骤中的图5晶片片段的视图。
图7是在图5工艺步骤之后另一种加工步骤中的图5基底的横截面简图。
图8显示了纯铜、二元铜合金和本发明形成的示范三元铜材料的颗粒尺寸对比的情况。
图9显示了热处理对纯铜、示范二元合金和本发明形成的示范三元铜材料的最终抗张强度影响的对比情况。
对优选实施方案的详细描述由于与铝相比铜电阻更低、改进的抗电迁移性能和更低的成本，基于铜技术的互连件代替了基于铝技术的。在与铝相似的方法中，可以通过加入少量其它元素来改进多项铜的性能。具体而言，与纯铜相比，采用合金可以降低电迁移、应力迁移、腐蚀和其它不希望的作用。这样做是有利的采用三元或更高级次的含铜导电材料来解决各种下述问题，包括例如与附着有关的问题、应力迁移、电迁移、抗氧化性等，同时在含铜导电材料中仍保持低的总电阻。
为了阐述本说明书，铜和两种其它元素的混合物称作三元含铜混合物。铜和两种以上其它元素的混合物，相对于三元混合物而言，称作具有更高级次的含铜混合物。本发明的混合物可以是包括化合物、合金、复合物和散置材料的多种形式中的任何一种。本发明中所用的混合物一般为合金形式，在以下的论述中，将所述混合物称作合金。然而，应当理解，所述混合物可以具有真合金以外的形式，因此以下论述中称作合金的示范材料在本发明的某些方面中可以是真合金形式以外的形式。
与二元合金相比，采用本发明的三元或更高级次合金的一个益处在于，三元和更高级次合金能提供解决具体问题的更多灵活性。例如，当向铜添加特定元素时，可根本上降低电迁移，而其它元素可以根本上降低腐蚀。因此，当形成二元合金时，该合金一般适合用来降低电迁移或适合用来降低腐蚀，但很少二者兼顾。然而，采用三元或更高级次合金使电迁移和腐蚀都得到解决，因而能够为特定应用或用途而定制或设计合金。这种组合效果还可以使其它不希望的方面得到解决。
已经发现，铜和其它元素的三元或更高级次混合物的应用可以用来同时解决多个问题。换言之，已经显示，对于合金元素的特定混合物而言，互相独立的元素提供的益处可以组合起来提供出累加效果。在一些例子中，观测到三元合金的多个益处或改善的性能，其中合金元素组合所提供的总改善效果超过了在各个二元合金中观测到的单独性能改善效果。例如，加入总原子数量为“X”的第一和第二元素的组合可以提供相对于纯铜的性能改善(如防腐性能)，其超过了在含有相同原子数量“X”的第一元素或第二元素的二元合金中独立观测到的性能改善效果。这一改善效果还会伴随着其它性能的改进。在更高级次的合金中会出现相似的效果。
采用三元或更高级次合金的另一个好处是，可以通过形成强度更高的靶将一种或多种合金的改善性能组合起来使靶的寿命更长。已经发现，在一些方面中，相对于含有三元或更高级次合金中存在的任何元素的二元合金，三元或更高级次的合金可以有利地提高靶的强度。因此，更高强度的靶能够更好地承受高功率。因此，采用三元或更高级次的合金可以藉溅射靶解决问题和/或可以藉由溅射靶形成的薄膜来解决问题。
采用三元或更高级次的铜合金在沉积中有时会呈现出困难，这是由于在沉积薄膜或材料中获得成分的一致性会随着混合物变得更复杂而更加困难。由于各个元素独特的性能，混合物中的元素必须精心选择以实现连续溅射沉积所需的化学平衡以及同质组成的产生。
参考图1和2，概括地描述可根据本发明方法(以下述及)形成的示范靶结构。靶结构10包括经由夹层16向背板12接合的靶14。靶14包含三元或更高级次的铜合金、复合物或混合物。背板12包含任何适当的材料，包括但不限于，例如，低纯度铜。夹层16构成在靶14和背板12之间直接形成的扩散接合，或可以包含所提供的一种或多种不同的材料以改进靶14和背板12之间的附着作用。夹层16的示范性材料包括例如银、铜、镍、锡和铟中的一种或多种。
靶14包含三元和更高级次的含铜混合物，其具有根据本发明的各种适当组成。在特定的方面中，该含铜材料包含铜以及Ag、Al、As、Au、B、Be、Ca、Cd、Co、Cr、Fe、Ga、Ge、Hf、Hg、In、Ir、Li、Mg、Mn、Nb、Ni、Pb、Pd、Pt、Sb、Sc、Si、Sn、Ta、Te、Ti、V、W、Zn和Zr元素中的两种或更多种。典型地，靶14主要由特定的三元或更高级次含铜混合物组成，在特定用途中，由铜和所选的两种或更多种元素一起组成。除所述两种或更多种选自上列的元素之外，靶14含有至少约90原子％的铜至低于或等于约99.99原子％的铜。优选在靶中存在的所述两种或更多种元素的总量为约100ppm-低于约10原子％。更优选该靶中存在的所述两种或更多种元素的总量为至少约1000ppm-低于约2原子％。
本发明的三元铜材料包含铜、选自所列元素的第一元素和选自所列元素的第二元素，主要或由完全由它们组成。第一和第二元素的相对量不限于特定值，可以为例如约100ppm-约10原子％。在特定的实例中，第一元素和第二元素的量按原子计可以彼此相等。例如，本发明包含的靶含有铜和0.5原子％的第二种元素。相似地，本发明的靶包含铜和0.3原子％的第一元素和0.3原子％的第二元素。
含有相等量的第一和第二种添加元素的三元铜合金示范材料包括Cu/0.5at％ Sn/0.5at％Al；Cu/0.5at％ Sn/0.5at％ In；Cu/0.5at％Sn/0.5at％ Zn；Cu/0.3at％ Ag/0.3at％ Al；和Cu/0.3at％ Ag/0.3at％Ti；其中at％为原子百分数。
当本发明的铜材料为更高级次的铜合金时，各种非铜元素的相对量不限于任何特定值。在特定的情况下，两种或更多种非铜元素可以按原子计以相等量存在。或者，各种非铜元素的量与每个其它非铜元素不同。
上列元素中的特定元素对三元或更高级次含铜合金可能会特别有利。例如，由于银快速扩散、低电阻和高原子量，可以用来银来改善抗电迁移性能。虽然钛会提高材料的电阻，但可以采用钛来改进耐腐蚀性能。也可以采用铝来改进耐腐蚀性能并且在电阻方面的劣化比钛逊之。应当注意，可以调节各种元素的具体量以提供或将靶和/或得到的薄膜或材料的所需性能最大化。
采用三元或更高级次铜合金可以定制或设计由本发明含有示范铜合金的靶形成的薄膜。参考图3描述了本发明的示范性薄膜用途。
显示了可以例如为半导体结构的结构20，其包含基底22。基底22可以为例如微晶硅晶片。尽管显示的基底22具有均匀的组成，也应当认为，该基底可以包含多个层和集成电路装置(未显示)。独立的或与其它结构相结合的基底22称作半导体基底。为有助于随后权利要求的阐述，术语“半导体的基底”和“半导体基底”定义为任何包含半导体材料的结构，所述材料包括但不限于，主体半导体材料如半导体晶片(单独的或以包含在其上的其它材料的组件的形式)和半导体材料层(单独的或者以包含其它材料的组件的形式)。术语“基底”指任何支承结构，包括但不限于上述半导体基底。
可以在基底22上，通过例如物理气相沉积法，由包含任何上述三元或更高级次铜合金材料的靶来形成薄膜24。采用本发明包含的靶的物理气相沉积可以采用常规PVD法或还在研发的方法。沉积薄膜24可以包含任何上述三元和更高级次材料，并优选经沉积而包含组成与溅射靶相同的三元或更高级次铜材料。在特定情况下，薄膜24可以基本由靶的成分组成，在特定情况下由靶成分组成。
如上所述，本发明的三元和更高级次材料可以赋予薄膜24希望的性能，在特定情况下，可以赋予其希望性能的组合，这些性能相对于包含铜和薄膜24材料中存在的加入元素之一的二元合金而言得到了改进。例如，相对于二元合金而言，薄膜24具有改进的耐电迁移性能，降低的电阻和/或改进的耐腐蚀性能。图4显示了本发明示范性三元材料耐腐蚀性能的研究结果。结果表明具有特定元素组合的本发明三元铜混合物能够将耐腐蚀性能提高到只具两者中任一种元素的二元铜合金中获得的耐腐蚀性能的水平之上。
采用三元或更高级次铜合金使薄膜24的定制成为可能，赋予了特定用途所需的性能。另外，特定的元素组合能够提供出整个薄膜24内改善的组成一致性。而且，可以选择合金元素以改善层24向衬底材料的附着作用。可以调节添加元素的比例以最大化特定性能的改善作用或实现薄膜24中综合性能改进的所需平衡。
层24不限于特定厚度并可以具有例如约0.1微米-约2.0微米的厚度。可以采用从本发明的靶溅射沉积在光滑并且基本平坦的基底表面上形成层24，如图3所示。或者，在具有各种拓扑特性的表面上形成层24。
本发明的靶和组成特别有用的示范用途是形成互连件。参考图5-7描述了根据本发明形成的各种互连件。先参考图5，显示了具有在基底22的上表面上沉积的材料26的结构20。材料层26不限于特定种类的材料，可以是例如绝缘材料。提供了由上表面经材料26延伸的开口28，在特定情况下提供的开口使基底22的表面在开口的基部暴露。这样的暴露表面可以是例如基底22中的节点位置。
参考图6，可以在开口内提供互连件材料30。互连件30的形成包括例如从本发明的靶充分溅射，以充满开口28。在特定情况下，互连件30的形成包含从本发明的靶上沉积材料以覆盖某些或全部绝缘材料26。覆盖层26的部分沉积材料随后通过例如化学机械抛光或其它常规或还在研发的去除方法除去。互连件30包含任何上述三元材料或更高级次材料，在特定情况下，可以基本或完全由与溅射靶提供的成分相同的成分组成。
参考图7，其显示了图6所示方案的替换工艺。如图7所示，可以通过在开口内提供初始薄膜或“种子层”32并随后用附加材料34填充开口内部来充满通路或开口28(图5)以形成互连件30a。在这样的实施方案中，种子层32衬里于通路或开口，随后从绝缘层26上将材料34分离下来。种子层32优选包含任何上述三元或更高级次材料并优选采用物理气相沉积来沉积。互连件填充材料34包含纯铜、任何上述三元或更高级次铜合金或者包括非铜材料的替换导电材料。在特定情况下，材料32和34可以相同。沉积材料34以部分(未显示)或完全填充通路，所图7所示。可以通过物理气相沉积来沉积互连件材料34，或者可以通过替换方式如，例如电化学沉积来提供。
如图7所示，用来形成结构20的方法在特定情况下包含提供材料32和34中的一或两种以覆盖绝缘层26上表面的部分或全部。可以通过例如化学机械抛光或其它常规技术从材料26上除去覆盖材料和/或将其平面化。
除采用PVD工艺形成上述层之外，应当理解可以采用替换技术沉积本发明的三元和更高级次材料，包括但不限于原子层沉积、化学气相沉积和电化学沉积。
将三元或更高级次的铜合金用于互连件用途可以通过例如同时降低互连件中的应力诱导迁移、电迁移和腐蚀来影响互连件性能。相对于纯铜或二元合金提供的附着作用而言，这些合金还可以改善向其它衬底材料的附着作用。如图7所示，在将本发明的三元或更高级次铜合金材料用作种子层如层32的时候，这样可以提供向替换衬底材料(未显示)如隔离层改善的附着作用，还可以有利地影响性能如聚集、应力迁移、本体铜扩散、颗粒尺寸、耐氧化性和耐电迁移性能。选择诸如上述那些合金元素的合金元素的适当组合，以便经由向随后在溅射沉积层(如材料34)上形成的主体铜材料中的扩散来影响互连件性能。
除改善包含从本发明靶溅射沉积的材料的层和互连件的性能以外，相对于二元合金或纯铜靶而言，上述三元或更高级次合金可以改进靶本身的性能。所述改进性能包括例如靶材料内颗粒生长的延迟，这接下来会导致更佳的薄膜或从靶沉积的其它层的均匀性。图8中显示了对纯铜、含有各种量的Ti或Ag的二元铜合金和本发明含有Ti和Ag的三元铜合金，作为温度函数的颗粒尺寸所做的对比。
由于本发明的靶中所获得的材料成分和得到的小颗粒尺寸，三元和更高级次的合金还可以提供提高的靶强度。图9中显示了对纯铜、含Zn或Cr的二元铜合金和含Ti和Ag的本发明三元铜合金的最终抗张强度进行的对比。靶强度的提高能够使三元或更高级次合金的靶承受更高的溅射功率并能提供更长的靶寿命。
采用包括以下所述的方法，可以形成本发明的靶使之包含含铜材料的三元或更高级次混合物。起初，熔融浇铸铜和其它所需元素。可以采用例如各组分在坩锅中的熔化实现该熔融。可以以单质形式从一种或多种母合金或其组合的形式提供各组分以获得各种元素的所需含量。随后将熔融材料冷却形成铜和其它元素的硬化的均匀(即均质)混合物。一般在真空或其它惰性环境下进行浇铸。
然后将浇铸形成的坯锭经过适当加工以诱导出所需性能并成形为所需的靶形状。所述加工包括例如热机械加工，随后采用按具体合金成分所制定的适当热处理。另外或者替换地，该加工包含等径转角挤型(ECAE)以降低颗粒尺寸和/或影响所需的结晶取向。靶的最终形状可以是这样的，使靶构造为与背板接合以形成图1和2中所示的靶组件。作为替换地，可以使靶经构型设计以用作单块靶，其中术语“单块”指通过与背板接合而使用的靶。
权利要求
1.一种物理气相沉积靶，包含大于或等于90原子％的铜；第一添加元素；和第二添加元素，所述第一和第二添加元素分别选自Ag、Al、As、Au、B、Be、Ca、Cd、Co、Cr、Fe、Ga、Ge、Hf、Hg、In、Ir、Li、Mg、Mn、Nb、Ni、Pb、Pd、Pt、Sb、Sc、Si、Sn、Ta、Te、Ti、V、W、Zn和Zr。
2.权利要求1的物理气相沉积靶，其中在靶中存在的所述第一和第二添加元素的总量为至少100ppm-低于约10原子％。
3.权利要求1的物理气相沉积靶，其中所述靶基本由铜和第一和第二添加元素组成。
4.权利要求1的物理气相沉积靶，其中所述第一和第二添加元素在靶中分别存在0.5原子％。
5.权利要求1的物理气相沉积靶，其中所述第一和第二添加元素在靶中分别存在0.3原子％。
6.权利要求1的物理气相沉积靶，其中所述第一和第二添加元素在靶中以彼此相等的原子百分数存在。
7.权利要求6的物理气相沉积靶，其中所述第一添加元素是Sn或Ag。
8.权利要求7的物理气相沉积靶，其中所述第二添加元素是Al、Zn、In或Ti。
9.权利要求1的物理气相沉积靶，还包含第三添加元素，其选自Ag、Al、As、Au、B、Be、Ca、Cd、Co、Cr、Fe、Ga、Ge、Hf、Hg、In、Ir、Li、Mg、Mn、Nb、Ni、Pb、Pd、Pt、Sb、Sc、Si、Sn、Ta、Te、Ti、V、W、Zn和Zr。
10.权利要求9的物理气相沉积靶，其中所述靶基本由铜和第一、第二和第三添加元素组成。
11.一种物理气相沉积靶，包含铜；和至少两种选自Ag、Al、As、Au、B、Be、Ca、Cd、Co、Cr、Fe、Ga、Ge、Hf、Hg、In、Ir、Li、Mg、Mn、Nb、Ni、Pb、Pd、Pt、Sb、Sc、Si、Sn、Ta、Te、Ti、V、W、Zn和Zr的元素，所述至少两种元素在靶中的存在总量为至少100ppm-低于约1原子％。
12.权利要求11的物理气相沉积靶，其中所述至少两种元素的总量为约1000ppm-低于约2原子％。
13.权利要求11的物理气相沉积靶，其中所述至少两种元素包括Sn、Al、In、Ti、Ag和Zn中的一种或多种。
14.权利要求11的物理气相沉积靶，其中所述靶包含铜和两种其它元素的三元混合物。
15.权利要求14的物理气相沉积靶，其中所述靶基本由所述三元混合物组成。
16.权利要求14的物理气相沉积靶，其中所述三元混合物是三元合金。
17.一种互连件，包含铜和选自Ag、Al、As、Au、B、Be、Ca、Cd、Co、Cr、Fe、Ga、Ge、Hf、Hg、In、Ir、Li、Mg、Mn、Nb、Ni、Pb、Pd、Pt、Sb、Sc、Si、Sn、Ta、Te、Ti、V、W、Zn和Zr的两种或更多种元素的混合物，所述至少两种元素在该互连件中存在的总量为至少100ppm-低于约10原子％。
18.权利要求17的互连件，其中所述两种或更多种元素包括第一元素和第二元素，该第一和第二元素在混合物内以彼此相等的原子数量存在。
19.权利要求18的互连件，其中所述第一和第二元素在混合物中分别以0.5原子％存在。
20.权利要求18的互连件，其中所述第一和第二元素在混合物中分别以0.3原子％存在。
21一种薄膜，包含铜和选自Ag、Al、As、Au、B、Be、Ca、Cd、Co、Cr、Fe、Ga、Ge、Hf、Hg、In、Ir、Li、Mg、Mn、Nb、Ni、Pb、Pd、Pt、Sb、Sc、Si、Sn、Ta、Te、Ti、V、W、Zn和Zr的两种或更多种元素的混合物，所述至少两种元素在该薄膜中存在的总量为至少100ppm-低于约10原子％。
22.权利要求21的薄膜，其中所述混合物是三元混合物。
23.权利要求21的薄膜，其中所述混合物包含选自Sn和Ag的第一元素和选自In、Zn、Ti和Al的第二元素。
24.权利要求23的薄膜，其中所述第一和第二元素在混合物中以彼此相等的原子百分数存在。
25.一种形成铜靶的方法，包括形成包含铜和选自Ag、Al、As、Au、B、Be、Ca、Cd、Co、Cr、Fe、Ga、Ge、Hf、Hg、In、Ir、Li、Mg、Mn、Nb、Ni、Pb、Pd、Pt、Sb、Sc、Si、Sn、Ta、Te、Ti、V、W、Zn和Zr的两种或更多种元素的混合物，所述至少两种元素在混合物中存在的总量为至少100ppm-低于约10原子％；熔融浇铸该混合物，随后冷却形成坯锭；和加工该坯锭形成靶，所述加工包括等径转角挤型和热机械加工中的一种或多种。
26.权利要求25的方法，其中所述混合物是三元混合物。
27.权利要求25的方法，其中所述混合物基本由铜和所述至少两种元素组成。
28.权利要求25的方法，其中所述两种或更多种元素包括第一元素和第二元素，该第一和第二元素在混合物中以彼此相等的原子数量存在。
29.权利要求25的方法，其中所述混合物在靶中以合金形式存在。
30.权利要求25的方法，其中所述靶是单块的。
31.权利要求25的方法，其中形成靶包括将靶与背板接合。
全文摘要
本发明包括一种物理气相沉积靶，其含有铜和至少两种选自Ag、Al、As、Au、B、Be、Ca、Cd、Co、Cr、Fe、Ga、Ge、Hf、Hg、In、Ir、Li、Mg、Mn、Nb、Ni、Pb、Pd、Pt、Sb、Sc、Si、Sn、Ta、Te、Ti、V、W、Zn和Zr的其它元素，所述至少两种其它元素的总量为100ppm－10原子％。本发明还包括含有铜和至少两种添加元素的混合物的薄膜和互连件。本发明还包括含铜靶的形成。形成铜和两种或更多种元素的混合物。熔融浇铸该混合物，随后冷却形成坯锭，采用等径转角挤型和热机械加工中的一或二种方法对坯锭进行加工形成靶。
文档编号C23C14/32GK1839213SQ200480023992
公开日2006年9月27日 申请日期2004年8月20日 优先权日2003年8月21日
发明者B·J·丹尼尔斯, C·J·豪斯曼, C·L·哈奇森, 李逸亨, 易骛文, S·D·斯特罗特尔斯, M·R·平特, M·E·托马斯, A·S·巴哈纳浦 申请人:霍尼韦尔国际公司