专利名称：制造具低电阻的含金属层之方法
技术领域：
本发明系关于一种制造具低电阻的含金属层之方法，及特别是用于半导体组件的薄铜中间连接。
迄今，在集成半导体电路的制造中，较佳为铝层已在个别布线层沉积及图案化以进行中间连接，在此情况下，原则上，铝层已被沉积至预先决定厚度及接着由习知光微影及相关蚀刻方法图案化。
然而，愈来愈多的替代材料被使用特别是对用于此种形式的金属化层以符合日益增加集成密度。凭借使用铜于此种形式的布线平面，因为与铝相较显著为低的电阻，已可能发展在显著较高速度及较低电力消耗下操作的集成电路。然而，使用此种形式的替代材料之缺点为，特别是当使用铜时，因如沉积及/或蚀刻问题造成的相当差的可管理性。
为消除此种形式的问题，说明于第1a及1b图的该镶嵌技术已被发展。
第1a及1b图显示说明此种形式的形成薄的含金属层之习知镶嵌方法的重要制造步骤的简化区段表示。
根据第1a图，介电层2位于载体基板1上，其表示如在具上方组件层的半导体基板的集成半导体电路，用于稍后形成的互连之沟槽形成于该介电层。在后续步骤中，扩散阻挡层3(内衬)及种晶层4(进行或简化铜层5的生长)皆形成于表面及在介电层2的沟槽中。
之后，根据第1b图，藉由如CMP方法(化学机械光)，留在沟槽上的层序列被移除及进一步扩散阻挡层6被形成做为一般称的盖层。
以此方式，可以不易处理的材料制造甚至相当精细图案化的中间连接。然而，在此情况，特别是具少于0.2微米的特征尺寸，缺点为因在含金属层5内晶粒大小问题所引起电传导性的显著损伤。
第2图显示根据进一步先前技艺不同图案化中间连接的简化平面视图，如在文献参考Q.T.Jiang等，2001 IICT会议年报，227至229页所揭示。根据此文件，在第2图所表示的结构相依再结晶被接点接着接点地建立，具不同晶粒大小5A及5B的含金属层在具结构宽度w1(与具结构宽度w2的粗图案化区域相照)的微细图案化区域形成。在此情况下，因为它们的较小晶粒大小，具宽度w1的微细图案化区域较具较大晶粒大小的粗图案化区域5B具显著较大的电阻，然而，在此情况，缺点为在微细图案化区域，即使在较高退火温度及使用较长退火时间，仍不可能产生与在粗图案化区域相同的大晶粒大小因为最大晶粒大小基本上受限于要被填充结构的几何。
所以，本发明系基于提供一种制造具低电阻的含金属层的方法之目的，其可简易地及成本有效地实现，而且，本发明系基于制造具经改良电子迁移性质的薄的含金属层之目的。
根据本发明，此目的可藉由根据权利要求第1项的方法达到。
特别是凭借形成具第一晶粒大小的含金属起始层于载体物质上及后续制造及以一种方式移动经局部定界热区域于该含金属起始层使得该含金属起始层的再结晶为产生具第二晶粒大小(其相对于该第一晶粒大小被加大)的含金属层的目的而进行，得到具经改良导电度及经改良电子迁移性质的含金属层。较佳为，中间连接在主要方向及/或在基本上垂直于该主要方向的第二方向形成，且热区域的移动基本上在该主要方向及/或第二方向或与该主要及第二方向成45度角进行。以此方式，总是相对于彼此正交排列于半导体电路的中间连接可在其个别传输方向被再结晶，由此产生加大的晶粒大小，及结果减少的传导阻抗及改良的电子迁移性质。特别是当该热区域以一种在45度角进行的方式于该含金属起始层上移动，可对整个半导体模块或半导体晶圆特别简易地、快速地及因而成本有效地进行再结晶。在此情况下，该热区域掠过要被再结晶的含金属层的此种方法亦可被进行数次，由此产生改良的再结晶结果及因而改良的电性质且亦得到改良的电子迁移性质。
该局部定界热区域较佳为藉由以预先决定速度于该含金属起始层上前进的成扇形散开的激光束、热气体、多种加热灯及/或电热线产生，在此种热区域制造的情况下，其亦在如保护气体环境下进行，该含金属起始层的再结晶可特别有效地及快速地进行。在此情况下，该局部定界热区域可以如条带形式或点状形式方式形成。
该含金属起始层具金属合金或具少于5％不纯物比例的掺杂金属，在此情况下，于热处理期间，该不纯物部分或掺杂剂可向外扩散至表面及产生自保护表面层。以此方式，额外保护步骤可避免，特别是在藉由镶嵌技术的互连制造。
特别是当该方法被用于形成半导体电路时，该局部定界热区域的温度位于自150摄氏度至450摄氏度的范围，其结果为一般称的低-k介电体的电性质，特别是，未被负面影响。而且，扩散阻挡层及种晶层的使用使得产生该含金属起始层的改良结晶方法及可靠地防止物质的不欲扩散，此不欲扩散会影响半导体电路的电性质。
本发明进一步有利细节特征在于进一步子权利要求。
本发明参考图标使用示例具体实施例详细叙述于下文。
在图标中第1a及1b图显示说明习知镶嵌方法中重要制造步骤的简化区段视图；第2图显示说明根据先前技艺结构主导再结晶性质的简化平面视图；第3图显示说明根据第一示例具体实施例制造方法的简化平面视图；第4图显示说明根据第二示例具体实施例制造方法的简化平面视图；第5图显示说明根据第三示例具体实施例制造方法的简化平面视图。
本发明使用铜层做为含金属层叙述于下文，其它含金属层及，特别是，Al、Ag、Pt及/或Au亦能够以相同方式使用。进行金属化层的此种形式的替代材料日益获得重要性，特别是在半导体技术，因为它们得到改良的导电度及，结果，增加的时脉速度及亦减少的电力消耗。
然而，在简介中所叙述问题特别是在少于0.1微米的非常小的特征尺寸(相对于它们的厚度或高度)的情况下发生，在电阻的显著增加特别因为在电传导材料的非常小的晶粒大小而发生，而且，此种小的晶粒大小在个别中间连接方向造成增强的、但不欲的，电子迁移。此种形式的新的或替代布线材料的优点以此方式被减少。
根据本发明方法现在显示具低电阻及改良电子迁移性质的可用的薄含金属层如何以简单的方式被制造，即使对少于0.2微米的非常小的特征尺寸。
第3图显示说明根据第一示例具体实施例制造薄的含金属层的基本方法步骤的经图案化含金属层或中间连接5的简化平面视图。
该经图案化含金属层5已由如说明于第1a及1b图的镶嵌技术制造，相同参考符号表示相同或相对应组件或层及重复叙述于下文不再重复。据此，藉由此形式的习知镶嵌技术，扩散阻挡层3、种晶层4及具第一晶粒大小的含金属起始层5A可形成于介电层2或在于其间所形成的沟槽内，说明于第3图的平面视图系得自CMP方法后。
在进行此种非常窄(如少于0.1微米)的双镶嵌Cu中间连接5后，产生局部定界热区域W的扇形散开的激光束沿中间连接或含金属层5的主要方向x缓慢地掠过及加热含金属层5至在自约150摄氏度至450摄氏度的范围内之局部温度。沿该中间连接5所产生的温度前端之移动(如1公分/秒)使得小及随机分布的铜晶粒自第一晶粒大小5A再结晶为加大的第二晶粒大小5C。更特定言之，在此情况下产生趋向在移动方向或在中间连接5的方向加长的晶粒之制造的趋势。
因为沿该中间连接5的Cu晶粒之加长，显著减少的晶粒大小散播(晶粒边界散播)为电流或相对应自由电荷载体而产生。同时，此产生显著减少的电阻，其必然产生更高的导电度及经改良电子迁移性质。在半导体电路，特别是，以此方式可减少电力消耗及增加时脉速度。
在激光扫瞄期间或当该局部定界热区域W掠过具第一晶粒大小的含金属起始层5A时，温度不应超过450摄氏度因为围绕该Cu中间连接5的多种一般称的低-k介电体无法承受此种温度，及而且，较低温度减少一般称的Cu小丘形成的机率，而且，在此种温度范围的情况下，掺杂剂在半导体材料的不欲向外扩散及因而半导体组件的电性质的损伤可被可靠地防止。
此方法较佳为在包括N2、Ar、He的保护气体或真空环境下进行，由此减少或预防如含金属层的氧化。
用于本示例具体实施例的种晶层4包括Cu种晶层，其结果为该含金属铜起始层5A可被特别有效及简单地形成。形成该含金属起始层5A的方法为如习知PVD或CVD方法，但较佳为使用电沉积或电化学沉积方法(ECD)。在此情况下，该种晶层4被用做具第一晶粒大小的含金属起始层5A的生长电极。
做为上述铜的替代方案或是进一步材料，如Al、Ag、Pt或Au于该含金属起始层5A，亦可使用合金或一般称的掺杂金属做为该含金属起始层5A，由此依所需产生改良的电性质或简化的制造。此种形式的掺杂金属如具0.5％Cu的AlCu、具1％Si及0.5％Cu的AlSiCu、CuTi、CuIn、CuSn、CuMg、CuAl、CuZr等，该掺杂剂浓度基本上为少于5％。
特别是当使用此种金属合金或具少于5％不纯物比例的掺杂金属，稍后的保护步骤可被免除，由此产生简化及成本的节省，更精确言之，当使用此种金属合金或掺杂金属做为该含金属起始层5A，在藉由该局部定界热区域W的热处理期间，掺杂剂或不纯物部分向外扩散至表面，由此产生自保护表面层。在此情况下，可省略说明于第1b图及一般包含SiN、SiC、BlOK等的盖层6的沉积。
做为上述激光热源以产生扇形散开激光束的替代方案，该局部定界热区域W亦可藉由热气体如Ar、N2或He制造，其经由以数组排列的相对应形状喷嘴、电热线或多种加热灯而流出。最简单及最成本有效的方法因而依据所进行标准方法实现。
在此情况下，于箭头方向进行的该局部定界热区域W之移动以依据所供应能量的方式被设定使得产生具第一晶粒大小的该含金属起始层5A形成具第二晶粒大小的含金属层5C之最适再结晶，第二晶粒大小相对于该第一晶粒大小加大或加宽。
第4图显示经图案化含金属层5的简化平面视图以说明根据第二示例具体实施例的制造方法，相同参考符号表示相同或相对应在第1及3图所示的组件或层及重复叙述于下文不再重复。
根据第4图，具第一晶粒大小的该含金属起始层5A不为专有地在主要方向x形成，而是亦在基本上与该主要方向x垂直的第二方向y形成，如同它们习知地排列做为在半导体电路的中间连接。
根据未说明的具体实施例，该局部定界热区域W现在可先在该主要方向x及接着在该第二方向y移动，其结果为根据本发明的再结晶以在该含金属层5C形成加大或加长的第二晶粒大小被建立于该相关中间连接区域。
然而，根据第4图，为更快速及更有效地进行此再结晶，亦可能进行与该主要及第二方向x及y成45度角进行扫描方法，该互连区域同时在该主要方向x及亦在该第二方向y再结晶及转化成为该含金属层5C的加长或加大的晶粒大小。据此，该局部定界热区域W的移动不仅在该主要方向x或该第二方向y移动，亦在与之成角度(较佳为45度)的方向移动，由此产生特别是半导体晶圆的特别有效再结晶。而且，亦可能在不同方向做动重复的掠过，其结果为，在某些情况，再结晶品质可被改良或是可达到晶粒大小的更大规模放大。
结果，具少于0.2微米宽度的非常薄的、紧密相邻的中间连接可关于其导电度及电子迁移性质被显著改良。
然而，除了特别是基于镶嵌技术的含金属起始层之改良，亦可能以此方式关于其导电度及电子迁移性质改善替代的图案化或未被图案化的含金属起始层。
第5图显示说明根据此种形式的第三示例具体实施例基本制造步骤的简化平面视图，相同参考符号表示相同或相对应组件或层及重复叙述于下文不再重复。
根据第5图，具第一晶粒大小5A的全面积含金属起始层或金属化5位于载体材料上，其与上述条带形式局部定界热区域W相反，现在以点状的形式或圆形局部定界热区域W处理。根据第5图，此局部定界热区域W以一种方式再次于涡形线上移动以产生该含金属起始层5A的再结晶以进行产生具较第一晶粒大小加长的第二晶粒大小的含金属层5C的目的。以此方式，即使是全面积含金属起始层5可关于其导电度及电子迁移性质被改善，其结果为不仅可形成半导体电路的改良金属化平面及亦形成具对其他应用领域的改良电性质之含金属层。
本发明系基于双镶嵌Cu层做为含金属起始层而叙述于上，但其不限于此及包括相同方式的替代含金属层及替代图案化方法。
以相同方式，本发明不限于包括半导体电路的载体基板，而是可以相同方式形成于任何其它载体材料，具低电阻非常薄的电传导层意欲形成于此载体材料上。
而且，上述热处理亦不需被施用于未被覆盖的含金属起始层，而是一或更多保护层亦可位于要被再结晶的含金属起始层的上或下方。据此，特别是，该盖层6及金属层间介电(未说明)已在热处理前形成。
而且，根据第1a图，上述热处理亦可在Cu-CMP步骤前进行，或是以任何所欲组合，亦即该Cu-CMP步骤前/后或是盖层6及其它金属层间介电后。
参考符号清单1载体物质2介电体3扩散阻挡层4种晶层5、5A、5B、 含金属(起始)层5C6保护层w1、w2 结构宽度w局部定界热区域
权利要求
1.一种制造具低电阻的含金属层之方法，其具下列步骤a)形成具第一晶粒大小的含金属起始层(5A)于载体物质(1、2、3、4)上；及b)制造及以一种方式移动经局部定界热区域(W)于该含金属起始层(5A)，使得该含金属起始层(5A)的再结晶为产生具第二晶粒大小，其相对于该第一晶粒大小被加大，的含金属层(5C)的目的而进行。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，在步骤a)，中间连接(5)在主要方向(x)及/或在基本上垂直于该主要方向的第二方向(y)形成；及在步骤b)，该热区域(W)的移动基本上在该主要方向(x)及/或第二方向(y)或与该主要及第二方向(x、y)成45度角进行。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于步骤b)被重复地进行。
4.根据权利要求1至3其中一项的方法，其特征在于，在步骤b)，该局部定界热区域(W)系藉由成扇形散开的激光束、热气体、多种加热灯及/或电热线产生。
5.根据权利要求1至4其中一项的方法，其特征在于该局部定界热区域(W)系以条带形式或点状形式方式形成。
6.根据权利要求1至5其中一项的方法，其特征在于，在步骤a)，金属合金或具少于5％不纯物比例的掺杂金属系形成做为该含金属起始层(5A)。
7.根据权利要求1至6其中一项的方法，其特征在于该载体材料具扩散阻挡层(3)及/或种晶层(4)。
8.根据权利要求1至7其中一项的方法，其特征在于，在步骤a)，镶嵌方法被执行。
9.根据权利要求1至8其中一项的方法，其特征在于该局部定界热区域(W)具150摄氏度至450摄氏度的温度。
10.根据权利要求1至9其中一项的方法，其特征在于该再结晶在保护气体环境下进行。
全文摘要
本发明系关于一种制造具低电阻的含金属层(5C)之方法，首先具第一晶粒大小的含金属起始层(5A)形成于载体物质(2)上。之后，经局部定界热区域(W)被制造及以一种方式于该含金属起始层(5A)移动使得该含金属起始层(5A)的再结晶为产生具第二晶粒大小(其相对于该第一晶粒大小被加大)的含金属层(5C)的目的而进行。具改良电性质的含金属层以此方式得到。
文档编号H01L21/70GK1647264SQ03808982
公开日2005年7月27日 申请日期2003年4月10日 优先权日2002年4月22日
发明者H·J·巴思, H·图斯 申请人:因芬尼昂技术股份公司