專利名稱：半導(dǎo)體器件和制造方法以及電鍍液的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明基于日本專利申請(qǐng)No.2002-127702，其內(nèi)容在此通過引用結(jié)合進(jìn)來。
然而，隨著設(shè)備變得更加緊湊，在使用銅互連中，電遷移已經(jīng)很顯著。通常通過電鍍形成作為銅互連的銅膜，電鍍提供作為多個(gè)多晶銅顆位的聚合體的銅膜。當(dāng)將電壓加在具有這種結(jié)構(gòu)的銅互連中時(shí)，經(jīng)銅晶界發(fā)生導(dǎo)致電遷移的質(zhì)量轉(zhuǎn)移(mass transfer)。在較窄的互連中，銅晶粒大小越小，從而由于經(jīng)這種晶界的質(zhì)量轉(zhuǎn)移的遷移問題變得更顯著。
為解決這種電遷移問題(在下文中，稱為“EM”)，已經(jīng)有幾種將銀增加到銅互連中的嘗試。
日本公開專利申請(qǐng)公開號(hào)2000-349085已經(jīng)公開了用含銀的銅合金制成的互連，并描述了銀含量在至少0.1wt％到低于其最大固溶體限度的范圍內(nèi)的互連，如果超過最大固溶體限度，金屬可形成具有Cu的化合物，導(dǎo)致互連斷開或裂開。
日本公開專利申請(qǐng)公開號(hào)1999-204524已經(jīng)公開了用含銀的銅合金制成的互連，并描述了互連中的銀含量最好是1wt％或更低，說明了形成用含銀0.1wt％的銅合金制成的互連的例子。
為最小化電遷移，已經(jīng)做出了使用含銀的銅互連的一些其他嘗試，所有這些研究考慮到目的已經(jīng)得出結(jié)論，在銅膜中銀含量在其固溶體限度內(nèi)，因此至多1wt％。還沒有開發(fā)出用于通過銀含量高于上限來形成含銀和銅的合金的方法，因此有關(guān)這種合金膜的物理特性以及當(dāng)應(yīng)用到半導(dǎo)體器件中時(shí)有關(guān)器件性能的影響信息還很少。
同時(shí)，銅互連中應(yīng)力遷移已經(jīng)變成顯著的問題。圖2表示由用波紋(damascene)方法形成的銅多層互連的示意性截面圖，其中將上互連121b與下互連121a連接，上互連121b由接線塞子和在其上形成的互連組成。在圖2(a)中，在上互連121b側(cè)上形成空洞(void)122。即，在上互連121b的通孔區(qū)中形成空洞。在圖2(b)中，在下互連121a的上表面上形成空洞122。這種空洞122可由于例如在半導(dǎo)體處理期間累積熱在銅互連中生成的內(nèi)部應(yīng)力引起。在圖2(a)中，由于上互連121b中的銅“上拉”，通過通孔中銅的向上遷移而形成空洞122。在圖2(b)中，銅可在下互連121a中水平遷移，導(dǎo)致形成空洞122。
我們的研究已經(jīng)證明在約150℃時(shí)這種空洞形成現(xiàn)象顯著發(fā)生，150℃是用于半導(dǎo)體器件的實(shí)際工藝溫度(例如，在焊接過程和光刻膠焙燒過程中)。因此生成的空洞可導(dǎo)致接線塞子和互連間的連接故障，降低半導(dǎo)體器件的成品率以及長(zhǎng)期使用后半導(dǎo)體器件中的不穩(wěn)定性。
為防止生成這種應(yīng)力遷移，除調(diào)查過程外，必須研究除過程調(diào)查外的用于金屬區(qū)如互連的材料本身。
另外，最近對(duì)器件操作的更高級(jí)的需要要求開發(fā)顯示出比銅互連更高速度可操作性的用于互連的材料。
本發(fā)明的另一目的是提供用于始終如一地制造這種半導(dǎo)體器件的方法。
本發(fā)明提供包括在半導(dǎo)體襯底上的金屬區(qū)的半導(dǎo)體器件，其中銀含量高于金屬區(qū)中組分金屬的總含量的1wt％。
本發(fā)明也提供包括半導(dǎo)體襯底上的金屬區(qū)的半導(dǎo)體器件，其中金屬區(qū)包括銅和銀；且銀含量與金屬區(qū)中組分金屬的總量相比大于銀比銅的固溶體限度。
在上述半導(dǎo)體器件中的金屬區(qū)中具有比常規(guī)的由銅-銀合金制成的互連結(jié)構(gòu)中更多的銀，因此，在例如制造半導(dǎo)體期間，當(dāng)遭到累積熱時(shí)，能有效地防止應(yīng)力遷移。
該發(fā)明也提供包括在半導(dǎo)體襯底上的金屬區(qū)的半導(dǎo)體器件，其中在金屬區(qū)的溫度-應(yīng)力曲線中最大的磁滯誤差為150Mpa或更小。
當(dāng)半導(dǎo)體器件遇到累積熱時(shí)，金屬區(qū)的溫度-應(yīng)力曲線在加熱和冷卻過程中通常顯示出不同的圖形。將用于該差異的標(biāo)志定義為“最大磁滯誤差”。最大磁滯誤差是表示加熱和冷卻過程的曲線間的最大間隔寬度。例如，在圖8中，加熱過程a和冷卻過程b間的最大寬度是最大磁滯誤差。在半導(dǎo)體器件中，當(dāng)在制造半導(dǎo)體的過程期間遇到累積熱時(shí)，減小不可逆的損失，從而有效地防止應(yīng)力遷移。
本發(fā)明進(jìn)一步提供包括在半導(dǎo)體襯底上的金屬區(qū)的半導(dǎo)體器件，其中金屬區(qū)中的組分金屬的再結(jié)晶溫度200℃或更高。再結(jié)晶溫度是由于原子擴(kuò)散而發(fā)生晶體顆粒變換或顆粒增長(zhǎng)的溫度。由于再結(jié)晶可在金屬區(qū)中產(chǎn)生空洞或畸變，對(duì)提供可靠的金屬區(qū)來說，較高的再結(jié)晶溫度是重要的條件。上述半導(dǎo)體器件具有高于200℃的再結(jié)晶溫度，因此當(dāng)遇到累積熱時(shí)可最小化不可逆損失，從而有效地防止應(yīng)力遷移?？赏ㄟ^(例如)測(cè)量磁滯曲線來確定再結(jié)晶溫度。圖9表示用于確定再結(jié)晶溫度方法。在加熱過程期間的彎曲點(diǎn)，即溫度上升開始后線性線和水平線間的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)于再結(jié)晶溫度。在該圖中，再結(jié)晶溫度為220℃。
在根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中，金屬區(qū)可由具有互連塞子或焊點(diǎn)的形狀的含銀的金屬制成。
本發(fā)明也提供用于制造半導(dǎo)體器件的方法，包括步驟在半導(dǎo)體襯底上形成金屬區(qū)；將金屬區(qū)的表面與含銀的液體接觸；以及加熱金屬區(qū)。
根據(jù)用于制造半導(dǎo)體器件的該方法，將金屬區(qū)的表面與含銀的液體接觸導(dǎo)致銀沉淀，然后進(jìn)行加熱以允許銀擴(kuò)散到金屬區(qū)中。因此，可適當(dāng)?shù)匦纬珊y的金屬區(qū)。根據(jù)該發(fā)明，可通過便利的工藝始終如一地形成用銅—銀合金制成的金屬區(qū)。由于電鍍液本身不必含有銀，可更自由地選擇電鍍液。
本發(fā)明也提供用于制造半導(dǎo)體器件的方法，包括步驟將半導(dǎo)體襯底或在其上形成的薄膜與含銀的電解液接觸以沉淀銀；在沉淀的銀上形成金屬區(qū)；以及加熱金屬區(qū)。
根據(jù)用于制造半導(dǎo)體器件的方法，在將含銀的電解液接觸后沉淀的銀擴(kuò)散到在其上形成的金屬區(qū)中。因此，可適當(dāng)?shù)匦纬珊y的金屬區(qū)。根據(jù)本發(fā)明，可通過便利的工藝始終如一地形成銅-銀合金制成的金屬區(qū)。此外，可使金屬區(qū)中的金屬成分為同族的(homogeneous)。
本發(fā)明還提供用于制造半導(dǎo)體器件的方法，包括步驟將半導(dǎo)體襯底的形成設(shè)備的表面與含銀的電鍍液接觸；以及在半導(dǎo)體襯底上形成含銀的金屬區(qū)。含銀的電鍍液可與形成設(shè)備的表面的全部或部分接觸。具體來說，電鍍液與半導(dǎo)體襯底表面、金屬膜、絕緣膜或半導(dǎo)體膜或包含這些的任意組合的表面接觸。
在使用無銀的電鍍液形成電鍍膜后，可使與含銀的電鍍液接觸導(dǎo)電。該方法可包括(例如)步驟形成銅膜以便它部分填充在半導(dǎo)體襯底上的絕緣膜中形成的凹面；然后將銅膜的表面與含銀的電鍍液接觸以便在銅膜上形成含銀的薄膜；然后拋光襯底的整個(gè)表面以便只在凹面中留下銅膜和含銀膜。另外，該方法可包括步驟形成含銀膜；在含銀膜上形成銅膜；以及如上所述拋光襯鍍表面組成。
根據(jù)用于制造半導(dǎo)體器件的該方法，可通過便利的工藝始終如一地形成用銅-銀合金制成的金屬區(qū)?？稍诮饘賲^(qū)中提供同族金屬成分。
在用于制造根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的方法中，金屬區(qū)中包含銅。此外，在用于制造根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中，加熱后，銀含量可大于金屬區(qū)中組分金屬的總量的1wt％。因此，可始終如一地形成對(duì)應(yīng)力遷移的高抵抗力的金屬區(qū)。
當(dāng)在本發(fā)明中的金屬區(qū)由銅-銀合金制成時(shí)，可另外增加其他組分。例如，諸如Zr、In、Al、Ti和Sn的組分可可增加的量合計(jì)達(dá)金屬的總量的1wt％。增加Zr和/或IN以提高金屬區(qū)和絕緣膜間和/或金屬區(qū)與阻擋金屬膜間的粘合性?？蓪l、Ti和Sn擴(kuò)散到起反應(yīng)的銅-銀合金膜的表面中，以粘合構(gòu)成夾層絕緣膜的材料原子，產(chǎn)生提高的粘合性。
雖然描述過本發(fā)明的一些方面，可對(duì)這些做出改變。例如，當(dāng)本發(fā)明應(yīng)用到由波紋方法形成的互連結(jié)構(gòu)時(shí)，本發(fā)明的效果變得更突出。將描述這些方面。
具體來說，本發(fā)明中的金屬區(qū)可通過單一或兩個(gè)波紋方法來形成。
單波紋方法包括步驟(a)在半導(dǎo)體襯底上形成作為金屬膜的第一互連；(b)在半導(dǎo)體襯底的整個(gè)上表面上形成第一夾層絕緣膜，以便覆蓋第一互連；(c)有選擇地去除第一夾層絕緣膜以形成到達(dá)第一互連的上表面的連接孔；(d)形成包上連接孔的內(nèi)表面的阻擋金屬膜，然后形成填充連接孔的金屬膜；(e)去除在連接孔外形成的金屬膜；(f)在半導(dǎo)體襯底的整個(gè)表面上形成第二夾層絕緣膜，以便它覆蓋在連接孔中形成的金屬膜；(g)有選擇地去除第二夾層絕緣膜以形成互連凹槽，在互連凹槽底部露出在連接孔中形成的金屬膜；(h)形成覆蓋(coat)互連凹槽的內(nèi)表面的阻擋金屬膜，然后形成填充互連凹槽的金屬膜；以及(i)去除在互連凹槽外形成的金屬膜以形成第二互連。
在該方法中，第一和第二互連以及整個(gè)連接孔或者它的一部分可是將根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件或方法應(yīng)用到其的“金屬區(qū)”?？蛇m當(dāng)?shù)厥÷陨鲜?a)至(i)的一些步驟。
雙波紋方法包括步驟(a)在半導(dǎo)體襯底上形成作為金屬膜的第一互連；(b)在半導(dǎo)體襯底的整個(gè)表面上形成第一夾層膜，以便它覆蓋第一互連；(c)有選擇地去除第一夾層絕緣膜以形成到達(dá)第一互連的上表面的連接孔，并形成連接到連接孔的上表面的互連凹槽；(d)形成覆蓋連接孔和互連凹槽的表面的阻擋金屬膜，并且形成金屬膜以便它填充連接孔和互連凹槽；以及(e)去除在互連凹槽外形成的金屬膜。
在該方法中，第一和第二互連以及整個(gè)連接孔或者它的一部分可是將根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件或方法應(yīng)用到其的“金屬區(qū)”?？蛇m當(dāng)?shù)厥÷陨鲜?a)至(e)的一些步驟。
由上述波紋方法形成的互連結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體襯底、在半導(dǎo)體襯底上形成的第一互連、連接到第一互連的接線塞子以及連接到接線塞子的第二互連。
在該半導(dǎo)體器件中，第一和第二互連以及整個(gè)連接孔或者它的一部分可是可將本發(fā)明應(yīng)用到其的“金屬區(qū)”。
圖2表示示例說明由于應(yīng)力遷移形成空洞的互連結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖3至6是示例說明用于制造如

圖1(a)中所示的互連結(jié)構(gòu)的方法的過程圖。
圖7是表示磁滯曲線的例子的圖。
圖8是表示磁滯曲線的例子的圖。
圖9表示用于確定再結(jié)晶溫度方法。
圖10是示例說明確定通孔鏈電阻(chain resistance)的原理的圖。
圖11至15是示例說明用于磁滯曲線的確定的示例結(jié)果的圖。
圖16是用于Ag-Cu兩個(gè)組分共晶化合物的狀態(tài)圖。
圖17表示銀含量和互連電阻間的關(guān)系。
在這些圖中，符號(hào)具有下述意義22a是第一互連，22b是第二互連，28是接線塞子；101是絕緣膜；102是阻擋金屬膜；103是銅-銀合金膜；104是夾層絕緣膜；105是互連凹槽；106、106a和106b是阻擋金屬膜；107是晶粒金屬膜；108是含銀膜；110是鍍銅膜；111是銅-銀合金膜；111a是夾層接線塞子；111b是銅-銀合金膜；114是鍍銅-銀合金膜；117是鍍銅膜；121a是下互連；121b是上互連；122是空洞。
在此使用的術(shù)語“合金”是指通過熔化和凝結(jié)兩種或多種金屬元素獲得的產(chǎn)品，并且，除了含有金屬元素之外；它還包括非金屬或半金屬元素。根據(jù)組分元素的混合類型，合金可具有固溶體或金屬間化合物或及其混合物的狀態(tài)。因此，在此使用的術(shù)語“合金”也包括包含到其固溶體限制或更高的組分的這種產(chǎn)品。
在銅-銀合金膜103和銅-銀合金膜111中，銀含量與整個(gè)合金膜相比最好是1wt％或更高，更優(yōu)選的是2wt％或更高，以便更始終如一地防止應(yīng)力遷移。銀含量與整個(gè)合金膜之比為3wt％或更高可有效地降低最大磁滯誤差，導(dǎo)致更穩(wěn)定地防止應(yīng)力遷移。具體來說，當(dāng)本發(fā)明應(yīng)用到用于形成具有不同互連寬度的金屬互連的方法中時(shí)，如上所述的銀含量可允許是要始終如一地引入到每個(gè)互連中的預(yù)定銀總量，導(dǎo)致有效地防止應(yīng)力遷移。相對(duì)整個(gè)合金膜的銀含量沒有具體的上限，但根據(jù)穩(wěn)定形成銅-銀合金膜，最好是99wt％或更低，更優(yōu)選的是80wt％或更低，進(jìn)一步優(yōu)選的是50wt％或更低?？紤]到電阻減少，銀含量與整個(gè)合金膜相比最好為90wt％或更高，更優(yōu)選的是95wt％或更高，進(jìn)一步優(yōu)選98wt％或更高。
銀含量最好高于銀與銅比的固溶體限度。因此，即使當(dāng)改變生產(chǎn)過程時(shí)，可更始終如一地防止應(yīng)力遷移。盡管還不是完整了解原因，當(dāng)銅-銀合金遇到累積熱時(shí)，高于銀對(duì)銅的固溶體限度的銀含量將始終如一地降低磁滯的影響。這將用例子來描述。
將參考圖16來描述銀-銅的固溶體限度。如圖16所示，Ag-Cu兩個(gè)組分和共晶化合物具有39.9wt％的共晶點(diǎn)Y(轉(zhuǎn)換成與銀與銅比wt％)、共晶溫度779℃，以及Ag比Cu的4.9wt％的最大固溶體限度(ZAg與Cu之比的固溶體限度最大的點(diǎn))。在圖16中，在溫度曲線X上繪出固溶體限度，固溶體限度在點(diǎn)Z為最大(最大固溶體限度)。在半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)中，最大工藝溫度為約400℃，在該溫度，固溶體限度為約1wt％(轉(zhuǎn)換成Ag與Cu比wt％)。在本發(fā)明中，金屬區(qū)中相對(duì)組分金屬的總量的銀含量最好超過銀比銅的固溶體限度。該固溶體限度最好是在溫度范圍(例如)0℃至400℃內(nèi)的固溶體限度的最大值。
將示出將本發(fā)明應(yīng)用到用波紋方法形成的互連結(jié)構(gòu)中的實(shí)施例。圖1(b)表示本發(fā)明應(yīng)用于由單波紋方法形成的銅多層互連結(jié)構(gòu)的例子。如圖1(a)所示的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于可通過同時(shí)形成夾層接線塞子和互連來減少生產(chǎn)步驟的數(shù)量。然而，由于夾層連接塞子和互連形成為集成部分，應(yīng)力遷移的影響將變得顯著，導(dǎo)致在如圖2(a)所示的模式中形成空洞的較大趨勢(shì)。另一方面，在圖1(b)中，盡管增加了生產(chǎn)步驟的數(shù)量，將銅-銀合金膜分成兩個(gè)部分，即，經(jīng)中間阻擋金屬膜106b的夾層接線塞子和互連，可更減少應(yīng)力遷移。在圖(1)b中，在絕緣膜101中形成由阻擋金屬膜102和的銅-銀合金膜103組成的下互連。在絕緣膜上，形成夾層絕緣膜104，其中形成由作為銅-銀合金的夾層接線塞子111a以及阻擋金屬膜106a構(gòu)成的通孔塞子，且形成由銅-銀合金膜111b和阻擋金屬膜106b構(gòu)成的上互連。在銅-銀合金膜103、夾層接線塞子111a以及銅-銀合金膜111b中，銀含量與整個(gè)合金膜相比最好為1wt％或更多，更優(yōu)選的是2wt％或更高，以便更始終如一地防止應(yīng)力遷移。銀含量與整個(gè)合金膜之比為3wt％或更高可有鏟地降低最大磁滯誤差，導(dǎo)致更穩(wěn)定地防止應(yīng)力遷移。具體來說，當(dāng)本發(fā)明應(yīng)用于形成具有不同的互連寬度的金屬互連的方法時(shí)，上述銀含量可允許是要始終如一地引入到每個(gè)互連中的預(yù)定銀總量，導(dǎo)致有效防止應(yīng)力遷移。這對(duì)銀含量與整個(gè)合金膜相比來說并不沒有具體的上限，但根據(jù)穩(wěn)定形成銅-銀合多膜時(shí)，其最好為99wt％或更低，更優(yōu)選的是80wt％或更低以及進(jìn)一步優(yōu)化為50wt％或更低。銀含量最好超過銀對(duì)銅的固溶體限度。因此，即使當(dāng)改變生產(chǎn)過程時(shí)，可更始終如一地防止應(yīng)力遷移。
在圖1(a)和(b)的互連結(jié)構(gòu)中，可用從聚硅氧烷，如HSQ(氫硅倍半環(huán)氧乙烷)、MSQ(甲基硅倍半環(huán)氧乙烷)、MHSQ(甲基氫硅倍半環(huán)氧乙烷)；芳香烴有機(jī)材料如多芳基醚(PAE)、二乙烯基硅氧烷-2-苯環(huán)丁烯(BCB)以及Silk、以及具有低電介質(zhì)常數(shù)的材料，如SOG(玻璃上自旋)、FOX(易流動(dòng)的氧化物)、聚對(duì)二甲苯基、Saitop以及苯環(huán)丁選擇的材料來制造夾層絕緣膜104。HSQ可具有各種結(jié)構(gòu)的任何一種，諸如所謂的梯形和籠型。具有低電介常數(shù)的這種絕緣膜可用來最小化諸如串?dāng)_的問題，在設(shè)備中產(chǎn)生提高的可靠性。
絕緣膜101或夾層絕緣膜104最好用具有基本上等于擴(kuò)大到用于互連的組分金屬的熱系數(shù)的材料制成。因此，可有效地最小化接線塞子和互連中的應(yīng)力遷移。根據(jù)這些條件，例如，當(dāng)使用銅/含銀金屬膜作為金屬互連時(shí)，夾層絕緣膜最好用HSQ(氫硅倍半環(huán)氧乙烷)制成。
在圖1中所示的互連結(jié)構(gòu)中，阻擋金屬膜102和106可包含高熔化金屬如Ti、W和Ta。用于阻擋金屬膜的優(yōu)選金屬的例子包括Ti、TiN、w、WN、Ta以及TaN。特別是，最好使用順序地層壓Ta和TaN的鉭屏蔽金屬?？赏ㄟ^適當(dāng)?shù)姆椒ㄈ鐬R射或CVD來形成阻擋金屬膜?？筛鶕?jù)一些條件如材料類型和互連結(jié)構(gòu)來適當(dāng)?shù)卮_定阻擋金屬膜的厚度，例如約1至30nm。
盡管在圖1中未示出，可在絕緣膜101和夾層絕緣膜104間適當(dāng)設(shè)置擴(kuò)散勢(shì)壘區(qū)。擴(kuò)散勢(shì)壘區(qū)可防止互連或塞子的組分金屬擴(kuò)散到絕緣膜中。此外，當(dāng)在用于形成互連結(jié)構(gòu)的過程中形成夾層連接孔時(shí)，它可起侵蝕制動(dòng)器的作用。用于擴(kuò)散勢(shì)壘區(qū)的金屬的例子包括SiC、SiCN、SiN、SiOF和SiON。
然后將描述金屬區(qū)諸如本發(fā)中的互連的組分材料。圖7表示當(dāng)互連遇到由加熱和冷卻過程組成的累積熱時(shí)，內(nèi)部應(yīng)力的變化。水平軸是溫度，而垂直軸是銅互連中的內(nèi)部應(yīng)力。如圖中所示，在加熱過程(a)和冷卻過程(b)之間發(fā)生磁滯。
當(dāng)溫度從室溫升高時(shí)，內(nèi)部應(yīng)力從可伸長(zhǎng)模式改變成壓縮模式。然后，當(dāng)溫度超過用于銅的再結(jié)晶溫度T1時(shí)，發(fā)生塑性變形以及內(nèi)部應(yīng)力保持在相對(duì)恒定的值(a)上。然后，當(dāng)溫度下降時(shí)，互連中的內(nèi)部應(yīng)力從壓縮模式改變成可伸長(zhǎng)模式，然后，用相對(duì)恒定的拉應(yīng)力(b)進(jìn)行冷卻過程。
如圖中所示，加熱和冷卻過程間的磁滯導(dǎo)致銅互連中的組分金屬的遷移。即，較大的磁滯導(dǎo)致較大的遷移或變形，這可由于導(dǎo)致不可靠設(shè)備的空洞而導(dǎo)致斷開。
在本發(fā)明中，選擇可降低這種磁滯的互連材料以提供可靠的互連結(jié)構(gòu)。圖8示意地表示當(dāng)使用不同互連材料時(shí)的溫度-應(yīng)力曲線。在該圖中，水平軸是溫度，而垂直軸是互連中的內(nèi)部應(yīng)力。圖8(a)表示銅互連的常見性能，而圖8(b)表示當(dāng)根據(jù)本發(fā)明形成銅-銀合金膜時(shí)銅-銀互連的性能。
在本文中，如圖8所示，將過程(a)和(b)間的最大寬度定義為最大磁滯誤差。在本發(fā)明中定義的互連材料可用來顯著地降低最大磁滯誤差。最大磁滯誤差最好是150Mpa或更低，更優(yōu)化的為100Mpa或更低。因此，能始終如一地防止應(yīng)力遷移。此外，當(dāng)最大磁滯誤差為80Mpa時(shí)，即使在用約0.1μm的大小形成細(xì)微互連期間，也可有效地防止應(yīng)力遷移。
在圖7中，再結(jié)晶溫度T1的增加給出了如圖8(b)所示的曲線。它表示在諸如互連的金屬區(qū)中再結(jié)晶溫度T1的增加有效地用于降低最大磁滯誤差。在加熱過程期間，在溫度高于再結(jié)晶溫度T1的區(qū)域中出現(xiàn)應(yīng)力值的平穩(wěn)狀態(tài)，因此可增加再結(jié)晶溫度T1以降低導(dǎo)致降低的最大磁滯誤差的平穩(wěn)狀態(tài)。即，可降低工藝溫度最大值(圖7或8中的磁滯曲線中的最右點(diǎn))以及再結(jié)晶溫度T1之差以降低最大磁滯誤差，金屬區(qū)如互連的再結(jié)晶溫度最好是200℃或更高，更優(yōu)選的是300℃或更高。因此，可始終如一地防止應(yīng)力遷移。由于用于半導(dǎo)體器件的工藝溫度通常是400℃或更低，再結(jié)晶溫度可為350℃或更高以更始終如一地防止過程期間的應(yīng)力遷移。
將參考附圖更具體地描述本發(fā)明的一些實(shí)施例。
首先，在硅襯底(未示出)上形成絕緣膜101，然后在絕緣膜上形成由阻擋金屬膜102和銅-銀合金103組成的下互連。在這里，下互連可通過如下所述的過程來形成。
在絕緣膜101上形成夾層絕緣膜104后，通過多步干刻蝕方法形成具有T形截面的互連凹槽105。圖3(a)示出了步驟未的狀態(tài)。
然后，在整個(gè)襯鍍表面上形成阻擋金屬膜106(圖3(b))。阻擋金屬膜106的組分材料或包含高熔化金屬如鈦、鎢和鉭，例如，鈦、氮化鈦、鎢、氮化鎢、鉭以及氮化鉭。它可是層壓兩個(gè)或多層的多層膜。
阻擋金屬膜106可通過適當(dāng)?shù)姆椒ㄈ鐬R射和CVD形成。
然后，在阻擋金屬膜106上形成晶粒金屬膜107(圖3(c))。晶粒金屬膜107起用于上表面中電鍍?cè)鲩L(zhǎng)的晶粒的作用，且可由銅或銅-銀合金制成。晶粒金屬膜107可通常由濺射形成。
在這種情況下，襯底表面與含銀的電鍍液接觸以便在晶粒金屬膜107上形成含銀膜108(圖4(a))。由于銀具有比銅更低的沉淀電位，因此如上所述形成銀膜。含銀電解液的最優(yōu)例子是硫酸銀的水溶液。在這里，水硫酸銀溶液的濃度可是按重量計(jì)算兩者包括在內(nèi)30wt％的50ppm。特別希望使電解液飽和或超飽和。因此，可最小化銅的溶解以防止金屬區(qū)變形。這種與含銀電解液的接觸將銀沉淀在晶粒金屬膜107上以形成含銀膜108。具體來說，由于作為晶粒金屬膜107的組分，銀具有比銅更代的電離傾向，因此在晶粒金屬膜107的表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，導(dǎo)致銀沉淀以形成含銀膜108。
然后，通過電鍍將鍍銅膜110形成在襯底表面上(圖4(b))。電鍍液可是，但不局限于硫酸銅的水溶液。
然后，在200℃至450℃的范圍內(nèi)的溫度使產(chǎn)品退火。退火可增加構(gòu)成鍍銅膜110的銅顆粒的電阻的穩(wěn)定降低。同時(shí)，銀從含銀膜108擴(kuò)散到鍍銅膜110中以便在互連凹槽中形成由銅-銀合金制成的膜。
最后，通過CMP(化學(xué)機(jī)械拋光)去除在互連凹槽外形成的鍍銅膜110以形成由銅-銀合金(圖4(c))形成的互連結(jié)構(gòu)。
根據(jù)上述過程，可使用常規(guī)方法來始終如一地形成由銅-銀合金制成的互連結(jié)構(gòu)。另外，由于電鍍液本身不必包含銀，可更自由地選擇電鍍液。例如，將具有良好填充屬性的電鍍液用在窄凹槽或孔中以始終如一地形成具有較小寬度的含銀互連來實(shí)施上述過程。
在實(shí)施例1中實(shí)施圖3(a)至(c)的步驟后，通過電鍍?cè)诰Я＝饘倌?07上形成鉛-銀合金電鍍膜114(圖5(a))。使用的電鍍液最好包含銅或銀以便銀比銅的比例按重量計(jì)算為0.1％至80％。
該電鍍液最好不含氯化物離子。如果氯化物離子存在于電鍍液中，從電鍍液中顯著地沉淀銀，具體來說，在將銀加入薄膜中前，發(fā)生沉淀。因此，不能始終如一地形成合金膜。
這種電鍍液的例子如下。(i)焦磷酸鹽電鍍液可將銀離子增加到普通銅焦磷酸鹽電鍍液中以準(zhǔn)備含有銅和銀的焦磷酸鹽電鍍液。使用例如氮化銀溶液、硫酸銀溶液增加銀。該電鍍液的具體成分是例如，銅0.01至5mol/L；銀0.01至5mol/L；焦磷酸及其鹽0.01至5mol/L水。(ii)乙二胺電鍍液可將銀離子增加到普通銅乙二胺電鍍液中以準(zhǔn)備包含銅和銀的乙二胺電鍍液?？墒褂美绲y電解液、硫酸銀電解液來增加銀，該電鍍液的具體成分如下，銅0.01至5mol/L；銀0.01至5mol/L；乙二胺0.01至5mol/L水。
這些電鍍液的每一種可包含一個(gè)或多種適合的添加劑。例如，它可包含諸如聚乙二醇、聚丙二醇、季銨鹽以及明膠的表面活性劑。這些添加劑可均衡銅晶體大小并獲得具有統(tǒng)一厚度的電鍍膜。通?？砂粗亓坑?jì)算為增加的表面活性劑的量與電鍍液總量之比為，但不局限于1比1000ppm。
最好，電鍍液基本上無氯化物。具體來產(chǎn)，最好氯濃度為0.01mg/L或更少。因此，可有效地防止由于與氯反應(yīng)的銀的沉淀，以便可始終如一地形成用銅-銀合金制成的金屬膜。
可適當(dāng)?shù)拇_定地電鍍條件，它們可是例如如下所示。
電流密度0.1至100A/dm2；溶液溫度10至80℃。
在電鍍期間應(yīng)用的電流可是直流電或脈沖電流。
在如上所述形成銅-銀合金電鍍膜114后，由CMP拋光襯底表面以形成由阻擋金屬膜106和銅-銀合金膜111組成的上互連。
根據(jù)該實(shí)施例，適宜的方法可用來始終如一地形成由銅-銀合金制成的互連結(jié)構(gòu)。可使互連結(jié)構(gòu)中的金屬成分均勻。
在實(shí)施例1中實(shí)施圖3(a)至(c)步驟后，通過電鍍?cè)诰ЯＤ?07上形成鍍銅膜114(圖6(a))。在這里，使用的電鍍液可是普通的鍍銅液，但最好是無氯化物的電鍍液。例如，它可最好是已經(jīng)去除氯化物離子的普通硫酸銅電鍍液、焦磷酸銅電鍍液或乙二胺銅電鍍液。它可防止在隨后的步驟中，鍍銅膜117中銀與氯化物離子反應(yīng)以便始終如一地獲得同銅-銀合金制成的金屬膜。
然后，通過電鍍?cè)阱冦~膜117上形成鍍銅-銀合金膜114(圖6(b)。在這里，最好使用無氯化物離子的電鍍液。具體來說，如實(shí)施例2中所述的焦磷酸鹽電鍍液和乙二胺電鍍液。
然后，以200℃至450℃的范圍內(nèi)的溫度使產(chǎn)品退火。通過退火，將銀從鍍銅-銀合金膜114擴(kuò)散到鍍銅膜117以便在互連凹槽中形成由具有相對(duì)均勻的成分的銅-銀合金制成的薄膜。此外，可增加構(gòu)成這些薄膜的金屬顆粒的大小，導(dǎo)致穩(wěn)定降低電阻。
然后，通過CMP使整個(gè)襯鍍表面變平以形成由阻擋金屬膜106和銅-銀合金膜111構(gòu)成的互連結(jié)構(gòu)(圖6(c))。
根據(jù)該實(shí)施例，可使用適宜的方法來始終如一地形成用銅-銀合金制成的互連結(jié)構(gòu)?？墒够ミB結(jié)構(gòu)內(nèi)的金屬成分均勻。具體來說，由于使用兩種電鍍液，可使用具有良好填充屬性的電鍍液來填充窄的凹面，然后含銀的電鍍液可用來在具有窄的寬度的互連凹槽中始終如一地形成銅-銀合金膜，從而適合地形成可靠的互連結(jié)構(gòu)。幾個(gè)例子例子1通過波紋方法形成圖17中的金屬互連。所有這些互連具有0.1至0.5μm(寬)×0.3μm(厚)×49mm(長(zhǎng))的尺寸，以及在互連金屬中銀含量為0，1.5和2.0wt％。使用無氯化物離子的電鍍液通過電鍍形成互連。對(duì)由此形成的互連，確定互連電阻以及獲得如圖17所示的結(jié)果。該圖表示在銀含量與互連中的組分金屬的總量相比為1.5wt％或更高時(shí)在互連結(jié)構(gòu)中抑制電阻增加。在銅-銀合金中，原子％和wt％間的關(guān)系是例如，0.9原子％的銀含量對(duì)應(yīng)于1.5wt％。例子2在該例子中，形成圖10中示出的兩層互連結(jié)構(gòu)以便測(cè)試產(chǎn)品率。該雙層互連結(jié)構(gòu)稱為通孔鏈，其中平行地形成第一互連22a以及形成與它們垂直的第二互連22b?；ミB的寬度應(yīng)當(dāng)是如5微米的寬度以有效地測(cè)試應(yīng)力遷移可靠性。這些互連經(jīng)20,000接線塞子28彼此連接。在該圖中，省略了半導(dǎo)體襯底和夾層絕緣膜。可將指定的電壓應(yīng)用到通孔鏈端以測(cè)量通過10,000第一互連22a、10,000第二互連22b以及20,000接線塞子28的電阻。將電阻稱為鏈電阻，它是確定通孔連接的質(zhì)量的有效標(biāo)志。當(dāng)將互連結(jié)構(gòu)放在指定的熱環(huán)境下時(shí)，可確定鏈電阻中的變化以便適當(dāng)?shù)毓浪闼膽?yīng)力遷移電阻。
表1
在準(zhǔn)備好樣品后，將它們放在150℃達(dá)500小時(shí)，然后進(jìn)行成品率測(cè)試。作為參考，對(duì)如上所述準(zhǔn)備的雙層互連結(jié)構(gòu)確定通孔鏈，將其放在室溫下達(dá)500小時(shí)(b0)。
表1表示當(dāng)用于參考樣品b0的電阻為100％時(shí)，用于樣品b1至b3的相對(duì)電阻。在該表中，將電阻描述成來自通過估算多個(gè)準(zhǔn)備的樣品獲得的結(jié)果的范圍。較高值表示較高的應(yīng)力遷移電阻。
從該圖中的結(jié)果可知，通過使用由銀-銅合金制成的互連結(jié)構(gòu)，特別是銀含量與互連中的組分金屬的總量相比超過1wt％的互連結(jié)構(gòu)，可有效地防止應(yīng)力遷移。例子3為估算用于圖1和2中的樣品的材料屬性，確定磁滯屬性以及再結(jié)晶溫度。
樣品準(zhǔn)備如下。通過等離子CVD，在硅襯底上沉淀500nm的氧化硅膜，然后，在氧化硅膜上沉淀50nm的Ta膜。然后，通過濺射，在上表面上沉淀100至200nm的鍍銅晶粒膜。然后，使用指定的電鍍液，在鍍銅晶粒膜上沉淀600至700nm的銅或銅-銀合金膜。銅或銅-銀合金膜的成分如表2所示，其中電鍍液1包含氯化物離子而電鍍液2沒有。
因此，將準(zhǔn)備好的樣品暴露于25℃至400℃的熱循環(huán)下。在該累積熱中，在加熱過程中加熱速率為10℃/min而在冷卻循環(huán)中冷卻速率約為10℃/min。重復(fù)熱循環(huán)兩次并在第二循環(huán)期間估算磁滯屬性，因?yàn)楦鶕?jù)第一熱循環(huán)期間，由薄膜構(gòu)成的顆粒增長(zhǎng)的事實(shí)，為精確地確定磁滯屬性，認(rèn)為在第二熱循環(huán)期間估算磁滯屬性是很適合的，而且在實(shí)際工作條件下或過程期間加熱的情況下估算穩(wěn)定性是很重要的。也在第二熱循環(huán)期間確定再結(jié)晶溫度。
通過計(jì)算從測(cè)量的襯底的彎曲度的電鍍膜中內(nèi)部應(yīng)力來估算磁滯屬性。通過確定襯底表面上的照射的激光束的反射角來計(jì)算襯底彎曲度。從由此獲得的磁滯屬性確定最大磁滯誤差和再結(jié)晶溫度(第二熱循環(huán)期間的溫度-應(yīng)力曲線)。結(jié)果如表2所示。用于一些樣品的磁滯曲線如圖11至15所示，其中樣品C1、C2、C4、C5或C6分別對(duì)應(yīng)于圖11、14、12、13和15。
表2
從上述結(jié)果可以理解到，當(dāng)銀含量與互連中組分金屬的總量相比超過1wt％時(shí)，再結(jié)晶溫度增加并且顯著地降低最大磁滯誤差。由于磁滯屬性的這種改善，可獲得例子2中的b3的良好屬性。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可提供具有諸如應(yīng)力遷移電阻的良好屬性的可靠的半導(dǎo)體器件，因?yàn)橹T如互連結(jié)構(gòu)的金屬區(qū)由(i)含有特定的量的銀的金屬、(ii)其用于金屬區(qū)的溫度-應(yīng)力曲線中的最大磁滯誤差在特定范圍內(nèi)的金屬，或(iii)其再結(jié)晶溫度在特定范圍內(nèi)的金屬制成。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，其包括半導(dǎo)體襯底上的金屬區(qū)，其中，銀含量與金屬區(qū)中的組分金屬的總量之比超過1wt％。
2.一種半導(dǎo)體器件，其包括半導(dǎo)體襯底上的金屬區(qū)，其中，金屬區(qū)包括銅和銀，以及銀含量與金屬區(qū)中組分金屬的總量相比超過銀比銅的固溶體限度。
3.一種半導(dǎo)體器件，其包括半導(dǎo)體襯底上的金屬區(qū)，其中，金屬區(qū)中溫度-應(yīng)力曲線中的最大磁滯誤差為150MPa或更低。
4.一種半導(dǎo)體器件，其包括半導(dǎo)體襯底上的金屬區(qū)，其中，金屬區(qū)的組分金屬的再結(jié)晶溫度為200℃或更高。
5.如權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體器件，其中，金屬區(qū)包括含銀的金屬。
6.如權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體器件，其中，金屬區(qū)包括含銀的金屬。
7.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，金屬區(qū)為互連、塞子或焊接點(diǎn)。
8.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其中，金屬區(qū)為互連、塞子或焊接點(diǎn)。
9.如權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體器件，其中，金屬區(qū)為互連、塞子或焊接點(diǎn)。
10.如權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體器件，其中，金屬區(qū)為互連、塞子或焊接點(diǎn)。
11.一種用于制造半導(dǎo)體器件的方法，其包括步驟在半導(dǎo)體襯底上形成金屬區(qū)；將金屬區(qū)的表面與含銀的液體接觸；以及加熱金屬區(qū)。
12.如權(quán)利要求11所述的用于制造半導(dǎo)體器件的方法，其中，所述金屬區(qū)含銅。
13.如權(quán)利要求11所述的用于制造半導(dǎo)體器件的方法，其中，加熱后，銀含量與金屬區(qū)中組分金屬的總量之比超過1wt％。
14.一種用于制造半導(dǎo)體器件的方法，包括步驟將半導(dǎo)體襯底或其上形成的薄膜與含銀的溶液接觸以便沉淀銀；在沉淀的銀上形成金屬區(qū)；以及加熱金屬區(qū)。
15.如權(quán)利要求14所述的用于制造半導(dǎo)體器件的方法，其中，所述金屬區(qū)含銅。
16.如權(quán)利要求14所述的用于制造半導(dǎo)體器件的方法，其中，加熱后，銀含量與金屬區(qū)中組分金屬的總量之比超過1wt％。
17.一種用于制造半導(dǎo)體器件的方法，包括步驟將半導(dǎo)體襯底的形成設(shè)備的表面與含銀的電鍍液接觸；和在半導(dǎo)體襯底上形成含銀的金屬區(qū)。
18.如權(quán)利要求17所述的用于制造半導(dǎo)體器件的方法，其中，按重量計(jì)算，電鍍液中氯化物離子的濃度為100ppm或更低。
19.如權(quán)利要求17所述的用于制造半導(dǎo)體器件的方法，其中，電鍍液包含0.01至5mol/L的銅、0.01至5mol/L的銀，0.01至5mol/L的乙二胺，和水。
20.如權(quán)利要求17所述的用于制造半導(dǎo)體器件的方法，其中，電鍍液包含0.01至5mol/L的銅、0.01至5mol/L的銀，0.01至5mol/L的焦磷酸或其鹽，和水。
21.如權(quán)利要求17所述的用于制造半導(dǎo)體器件的方法，其中，所述金屬區(qū)包含銅。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提高應(yīng)力－遷移電阻以及包含金屬區(qū)的半導(dǎo)體器件中的可靠性。在絕緣膜101中形成由阻擋金屬膜102和銅－銀合金膜103上組成的下互連，然后在其上形成夾層絕緣膜104。在夾層絕緣膜104中形成由阻擋金屬膜106和銅－銀合多膜111組成的上互連。下和上互連用含有的銀與總量之比超過銀比銅的固溶體限度的銅－銀合金制成。
文檔編號(hào)H01L21/288GK1453834SQ0312248
公開日2003年11月5日 申請(qǐng)日期2003年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月26日
發(fā)明者上野和良 申請(qǐng)人:恩益禧電子股份有限公司