專利名稱：半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)方法，并且特別涉及一種具有高應(yīng)力遷移(SM)阻力的半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上，主要采用鋁作為硅半導(dǎo)體襯底上形成的LSI電路的布線材料。另一方面，近年來，隨著半導(dǎo)體集成電路集成度的增加和處理速度的提高，作為布線材料，銅正得到越來越多的注意，因為與鋁比較，銅具有較低的電阻和較高的電遷移(EM)阻力。此外，已經(jīng)采用電解電鍍法作為形成銅膜的方法，因為這種方法能夠利用銅膜容易和充分地填滿溝或孔。
圖6A至圖6D是說明半導(dǎo)體器件常規(guī)生產(chǎn)方法的截面圖。特別地，這些圖說明形成銅線的常規(guī)方法的各個步驟。
首先，如圖6A所示，在一個其上形成一個半導(dǎo)體元件(未示出)的半導(dǎo)體襯底1上，形成第一絕緣膜2，它包括埋置在其中的第一銅線3。然后，在第一絕緣膜2上形成第二絕緣膜4。其后，在第二絕緣膜4中，形成孔5，以便到達第一銅線3，并且形成線溝6，與孔5連通。
其次，如圖6B所示，通過在包括孔5和線溝6的底和壁的第二絕緣膜4的整個表面上進行濺射，順次地形成一個具有約30nm厚度的鉭(Ta)勢壘膜7，和一個具有約150nm厚度的銅(Cu)籽晶層8。
其次，如圖6C所示，用電解電鍍法淀積銅膜9，以便完全填滿孔5和線溝6。其后，為了使銅膜9穩(wěn)定，在200℃下將銅膜9退火約60分鐘。結(jié)果，使籽晶層8和銅膜9成為一體(以下，將籽晶層8和銅膜9成為一體而形成的合成膜簡稱為“銅膜9”)。
其次，用化學(xué)機械拋光(CMP)法除去銅膜9和勢壘膜7伸到線溝6之外的部分。結(jié)果，如圖6D所示，在勢壘膜7上的孔5和線溝6中，形成第二銅線9A。
在圖6A至圖6D說明的常規(guī)銅線形成方法中，由于應(yīng)力遷移(SM)而出現(xiàn)一些問題。
本發(fā)明人研究了這些問題并發(fā)現(xiàn)了它們的原因。特別是，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在形成銅線以后的步驟中，例如在銅線上淀積氮化硅膜或?qū)娱g電介質(zhì)的步驟中，或在燒結(jié)工藝步驟中，晶片被加熱，使得銅膜再結(jié)晶，從而在銅膜中形成空洞。例如，在圖6D步驟形成第二銅線9A之后，在第二銅線9A上順次地形成氮化硅膜10和第三絕緣膜(層間電介質(zhì))11的情況下，因為上述機制，所以在第二銅線9A中形成空洞12。結(jié)果，降低了半導(dǎo)體器件的產(chǎn)品成品率。此外，即使在半導(dǎo)體器件作為最終產(chǎn)品出廠之后，也會由于半導(dǎo)體器件工作期間產(chǎn)生的熱而在銅線中形成空洞，從而降低半導(dǎo)體器件的可靠性。為了避免在鍍銅以后的步驟中以及在半導(dǎo)體器件工作期間形成空洞，一種可能方法是在電鍍銅膜之后立即使銅膜充分退火。然而，在圖6C的步驟中用電解電鍍法將孔5和線溝6用銅膜9填滿之后，在300℃下將銅膜9退火約60分鐘的情況下，出現(xiàn)圖8所示的問題。也就是說，因為退火溫度過高，在銅膜9設(shè)置在孔5和線溝6內(nèi)的部分中，形成空洞13。
如上所述，常規(guī)方法包含一種權(quán)衡關(guān)系。也就是說，如果在鍍銅之后立即進行退火的溫度過高，則在退火步驟中形成空洞。另一方面，如果退火溫度低，則在后續(xù)步驟或在半導(dǎo)體器件工作期間形成空洞。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述情況，本發(fā)明的目的是通過避免由于應(yīng)力遷移而出現(xiàn)缺陷，來改善布線可靠性，并提高半導(dǎo)體器件的產(chǎn)品成品率。
為了實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的第一種生產(chǎn)半導(dǎo)體器件的方法包括以下步驟在一個具有晶體結(jié)構(gòu)的勢壘膜上非外延生長第一導(dǎo)電膜；在第一導(dǎo)電膜上形成第二導(dǎo)電膜；以及加熱第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜，使第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜成為一體而形成第三導(dǎo)電膜。
按照第一種生產(chǎn)半導(dǎo)體器件的方法，第一導(dǎo)電膜是在一個具有晶體結(jié)構(gòu)的勢壘膜上非外延生長的，因此在第一導(dǎo)電膜和其上形成的第二導(dǎo)電膜兩者中，晶粒尺寸小且能態(tài)高。因此，第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜各自容易以小激活能，即在低溫下，結(jié)晶，所以不會形成空洞。此外，由于第一導(dǎo)電膜的晶粒尺寸小，所以在與下面的勢壘膜的晶體結(jié)構(gòu)建立晶格匹配的同時，進行第一導(dǎo)電膜的結(jié)晶。因此，改善了勢壘膜與第一導(dǎo)電膜之間的附著，并且因此能使第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜結(jié)晶，以形成第三導(dǎo)電膜但不形成空洞。即使在后續(xù)步驟或在半導(dǎo)體器件工作期間對第三導(dǎo)電膜加熱，也會因為第三導(dǎo)電膜已經(jīng)充分結(jié)晶而抑制第三導(dǎo)電膜的再結(jié)晶。結(jié)果，避免在第三導(dǎo)電膜中形成空洞。也就是說，當將這樣形成的第三導(dǎo)電膜用作布線時，避免由于應(yīng)力遷移而出現(xiàn)缺陷，從而改善布線可靠性，并提高半導(dǎo)體器件的產(chǎn)品成品率。
按照本發(fā)明的第二種生產(chǎn)半導(dǎo)體器件的方法包括以下步驟在一個具有晶體結(jié)構(gòu)的勢壘膜上淀積第一導(dǎo)電膜；在第一導(dǎo)電膜上形成第二導(dǎo)電膜；以及加熱第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜，使第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜成為一體而形成第三導(dǎo)電膜，其中第一導(dǎo)電膜的厚度設(shè)置為等于或小于第一導(dǎo)電膜與第二導(dǎo)電膜總厚度的1/4。
按照第二種生產(chǎn)半導(dǎo)體器件的方法，在具有晶體結(jié)構(gòu)的勢壘膜上形成的第一導(dǎo)電膜(例如籽晶層)的厚度是第一導(dǎo)電膜和其上形成的第二導(dǎo)電膜(例如電鍍膜)總厚度的1/4。采用這樣結(jié)構(gòu)，在第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜上進行加熱處理時，在不使用可能引起空洞形成的高溫的情況下，第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜充分結(jié)晶以形成第三導(dǎo)電膜。此外，即使在后續(xù)步驟或在半導(dǎo)體器件工作期間對第三導(dǎo)電膜加熱，也會因為第三導(dǎo)電膜已經(jīng)充分結(jié)晶而抑制第三導(dǎo)電膜的再結(jié)晶。結(jié)果，避免在第三導(dǎo)電膜中形成空洞。也就是說，當將這樣形成的第三導(dǎo)電膜用作布線時，避免由于應(yīng)力遷移而出現(xiàn)缺陷，從而改善布線可靠性，并提高半導(dǎo)體器件的產(chǎn)品成品率。
按照本發(fā)明的第三種生產(chǎn)半導(dǎo)體器件的方法包括以下步驟在一個具有晶體結(jié)構(gòu)的勢壘膜上淀積第一導(dǎo)電膜；在第一導(dǎo)電膜上形成第二導(dǎo)電膜；以及加熱第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜，使第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜成為一體而形成第三導(dǎo)電膜，其中第一導(dǎo)電膜的厚度設(shè)置為等于或小于120nm。
按照第三種生產(chǎn)半導(dǎo)體器件的方法，在具有晶體結(jié)構(gòu)的勢壘膜上形成的第一導(dǎo)電膜(例如籽晶層)的厚度等于或小于120nm。因此，在第一導(dǎo)電膜和其上形成的第二導(dǎo)電膜(例如電鍍膜)上進行加熱處理時，在不使用可能形成空洞的高溫的情況下，第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜充分結(jié)晶，以形成第三導(dǎo)電膜。此外，即使在后續(xù)步驟或在半導(dǎo)體器件工作期間對第三導(dǎo)電膜加熱，也會因為第三導(dǎo)電膜已經(jīng)充分結(jié)晶而抑制第三導(dǎo)電膜的再結(jié)晶。結(jié)果，避免在第三導(dǎo)電膜中形成空洞。也就是說，當將這樣形成的第三導(dǎo)電膜用作布線時，避免由于應(yīng)力遷移而出現(xiàn)缺陷，從而改善布線可靠性，并提高半導(dǎo)體器件的產(chǎn)品成品率。
在第一種至第三種生產(chǎn)方法的每一種方法中，第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜各自優(yōu)選地由銅或主要含銅的金屬形成。
采用這樣的材料，能夠形成具有高電遷移(EM)阻力的低電阻銅布線。
在第一種至第三種生產(chǎn)方法的每一種方法中，第三導(dǎo)電膜的電阻率優(yōu)選地等于或小于1.9μΩ·cm。
在第一種至第三種生產(chǎn)方法的每一種方法中，在第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜成為一體之前，包括第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜的分層膜的電阻率優(yōu)選地等于或大于2.2μΩ·cm。
在第一種至第三種生產(chǎn)方法的每一種方法中，優(yōu)選地在等于或低于第一導(dǎo)電膜的熔點的絕對溫度的1/3的溫度下，進行生長(淀積)第一導(dǎo)電膜的步驟。
在第一種至第三種生產(chǎn)方法的每一種方法中，優(yōu)選地在等于或低于第三導(dǎo)電膜的熔點的絕對溫度的1/2的溫度下，進行加熱第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜的步驟。
在第一種至第三種生產(chǎn)方法的每一種方法中，勢壘膜可以是鉭膜或鉭合金膜。在這種情況下，當鉭膜或鉭合金膜的晶體結(jié)構(gòu)是β結(jié)構(gòu)時，獲得以下效果。特別地，當?shù)谝粚?dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜由銅或主要含銅的合金形成時，因為β結(jié)構(gòu)的鉭的晶體結(jié)構(gòu)和銅的晶體結(jié)構(gòu)類似，所以容易在勢壘膜上形成第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜。
在第一種至第三種生產(chǎn)方法的每一種方法中，生長(淀積)第一導(dǎo)電膜的步驟可以包括用物理汽相淀積法或化學(xué)汽相淀積法形成第一導(dǎo)電膜的步驟。
在第一種至第三種生產(chǎn)方法的每一種方法中，形成第二導(dǎo)電膜的步驟可以包括用化學(xué)汽相淀積法或電鍍法形成第二導(dǎo)電膜的步驟。
在第一種至第三種生產(chǎn)方法的每一種方法中，優(yōu)選地在等于或低于200℃的溫度下，進行加熱第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜的步驟。
采用這樣的布置，因為對第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜進行低溫退火，所以第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜各自充分結(jié)晶而不形成空洞。
在第一種至第三種生產(chǎn)方法的每一種方法中，優(yōu)選地在絕緣膜中設(shè)置的一個凹入部分的壁上形成勢壘膜；生長(淀積)第一導(dǎo)電膜的步驟優(yōu)選地包括在凹入部分中的勢壘膜上形成第一導(dǎo)電膜以便凹入部分被填充到其中間深度的步驟；形成第二導(dǎo)電膜的步驟優(yōu)選地包括在凹入部分中的第一導(dǎo)電膜上形成第二導(dǎo)電膜以便凹入部分被完全填滿的步驟；并且在加熱第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜使第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜成為一體而形成第三導(dǎo)電膜的步驟之后，該方法還優(yōu)選地包括除去第三導(dǎo)電膜伸到凹入部分之外的部分從而形成凹入部分中的布線的步驟。
采用這樣的布置，能夠確實形成高度可靠的埋置布線。
如上所述，按照本發(fā)明，在具有結(jié)晶性的勢壘膜上淀積一個薄籽晶層，從而即使在低溫下對導(dǎo)電膜進行加熱處理，也使籽晶層上形成的導(dǎo)電膜充分結(jié)晶，從而不會形成空洞。此外，即使在后續(xù)步驟或在半導(dǎo)體器件工作期間對導(dǎo)電膜加熱，也會因為導(dǎo)電膜已經(jīng)充分結(jié)晶而抑制導(dǎo)電膜的再結(jié)晶。結(jié)果，避免在導(dǎo)電膜中形成空洞。也就是說，當將這樣形成的第三導(dǎo)電膜用作布線時，避免由于應(yīng)力遷移而出現(xiàn)缺陷，從而改善布線可靠性，并提高半導(dǎo)體器件的產(chǎn)品成品率。


圖1表示在籽晶Cu層的厚度為50nm、100nm和150nm的各種情況下，在退火之前電鍍Cu膜的薄層電阻值和在退火之后電鍍Cu膜的薄層電阻值。
圖2表示對于具有不同厚度的各種籽晶Cu層，在電鍍Cu膜退火前和退火后之間電鍍Cu膜的薄層電阻值的變化。
圖3表示對于籽晶Cu層的厚度為150nm和100nm的各自情況下，對由電鍍Cu膜制成的通路布線進行的SM阻力測試(通路電阻的高溫存儲測試(250℃))的結(jié)果。
圖4A至圖4C是說明按照本發(fā)明實施方式的半導(dǎo)體器件生產(chǎn)方法各步驟的截面圖。
圖5A至圖5C是說明按照本發(fā)明實施方式的半導(dǎo)體器件生產(chǎn)方法各步驟的截面圖。
圖6A至圖6D是說明半導(dǎo)體器件的常規(guī)生產(chǎn)方法各步驟的截面圖。
圖7說明半導(dǎo)體器件的常規(guī)生產(chǎn)方法的問題。
圖8說明半導(dǎo)體器件的常規(guī)生產(chǎn)方法的問題。
具體實施例方式
(本發(fā)明的基本原理)本發(fā)明的特征在于在一個具有晶體結(jié)構(gòu)的勢壘膜上非外延生長一個薄的第一導(dǎo)電膜(例如籽晶層)，其后，在第一導(dǎo)電膜上淀積第二導(dǎo)電膜(例如電鍍膜)。
首先，描述在一個具有晶體結(jié)構(gòu)的勢壘層上非外延生長一個籽晶層。如果在一個具有一定晶體結(jié)構(gòu)的勢壘膜上非外延生長籽晶層，換句話說，如果在低于外延生長溫度的溫度下淀積籽晶層，使得籽晶層處于不完全晶體狀態(tài)，而不具有外延生長的堅硬晶體結(jié)構(gòu)，則勢壘膜上的籽晶層在被淀積的時候不具有充分的結(jié)晶性。也就是說，淀積籽晶層，使其具有相對非晶膜狀態(tài)。其后，在籽晶層上淀積電鍍膜。然后，進行退火步驟，以使籽晶層和電鍍膜成為一體，并且由籽晶層和電鍍膜成為一體而形成的導(dǎo)電膜完全結(jié)晶。這里，用小的激活能，即在低溫下，就使籽晶層和電鍍膜各自容易結(jié)晶。這是因為在籽晶層和其上形成的電鍍膜兩者中，晶粒尺寸小，因此能態(tài)高。
此外，因為勢壘膜在退火之前已經(jīng)具有晶體結(jié)構(gòu)，所以在上述退火步驟中，使勢壘膜上形成的籽晶層結(jié)晶，以便與勢壘膜晶體結(jié)構(gòu)具有晶格匹配，并且使籽晶層上形成的電鍍膜結(jié)晶，以便與籽晶層晶體結(jié)構(gòu)具有晶格匹配。也就是說，通過進行結(jié)晶以便與相鄰晶格建立匹配，能用較小結(jié)晶能量形成穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。因此，勢壘膜與籽晶層之間的附著得以改善，并且因此能使籽晶層和電鍍膜結(jié)晶而不形成空洞。應(yīng)該注意，理想的是用一種能與籽晶層和電鍍膜容易地建立晶格匹配的結(jié)晶材料制成勢壘膜。
現(xiàn)在，描述在一個具有晶體結(jié)構(gòu)的勢壘膜上淀積薄籽晶膜所獲得的效果。特別地，本發(fā)明人檢查了籽晶Cu層的厚度與由于退火而引起的電鍍Cu膜的電阻減小之間的關(guān)系，以便闡明應(yīng)力遷移現(xiàn)象。本發(fā)明人的檢查結(jié)果描述如下。
圖1表示在籽晶Cu層的厚度為50nm、100nm和150nm的各種情況下，在退火之前測量的電鍍Cu膜(準確地說，包括勢壘膜、籽晶Cu層和電鍍Cu膜的分層膜)的薄層電阻值，和在退火之后測量的Cu膜(準確地說，包括勢壘膜及使籽晶Cu層和電鍍Cu膜成為一體而形成的Cu膜在內(nèi)的分層膜)的薄層電阻值。應(yīng)該注意，電鍍Cu膜的厚度是如此確定的，以便籽晶Cu層和電鍍Cu膜的總厚度總是700nm。
如圖1所示，當籽晶Cu層的厚度是50nm時，在退火之前電鍍Cu膜的薄層電阻值是0.0330mΩ/mm2，而在退火之后Cu膜的薄層電阻值是0.0266mΩ/mm2。根據(jù)測得的薄層電阻值計算Cu膜的電阻率。在退火之前電鍍Cu膜的電阻率結(jié)果是2.31μΩ·cm的高值，而在退火之后Cu膜的電阻率結(jié)果是1.86μΩ·cm的低值。可見與退火之前Cu膜的電阻率值比較，退火之后Cu膜的電阻率值更接近于Cu單晶膜的電阻率值，即1.7μΩ·cm。
當籽晶Cu層的厚度是100nm時，在退火之前電鍍Cu膜的薄層電阻值是0.0321mΩ/mm2，而在退火之后Cu膜的薄層電阻值是0.0265mΩ/mm2。根據(jù)測得的薄層電阻值計算Cu膜的電阻率。在退火之前電鍍Cu膜的電阻率結(jié)果是2.25μΩ·cm的高值，而在退火之后Cu膜的電阻率結(jié)果是1.86μΩ·cm.的低值。同樣在這種情況下，可見與退火之前Cu膜的電阻率值比較，退火之后Cu膜的電阻率值更接近于Cu單晶膜的電阻率值，即1.7μΩ·cm。
然而，當籽晶Cu層的厚度是150nm時，在退火之前電鍍Cu膜的薄層電阻值是0.0321mΩ/mm2，而在退火之后Cu膜的薄層電阻值是0.0277mΩ/mm2。根據(jù)測得的薄層電阻值計算Cu膜的電阻率。在退火之前電鍍Cu膜的電阻率結(jié)果是2.18μΩ·cm，與籽晶Cu層的厚度是50nm或100nm的情況比較，這個電阻率比較低。在退火之后Cu膜的電阻率結(jié)果是1.93μΩ·cm，與籽晶Cu層的厚度是50nm或100nm的情況比較，這個電阻率比較高。由此可見，對于具有150nm厚度的籽晶Cu層，退火之后Cu膜的電阻率值與Cu單晶膜電阻率值1.7μΩ·cm之間的差比較大。
由此可見，在某種程度上籽晶Cu層的厚度小，退火之后Cu膜的電阻值大為減小，即退火之后Cu膜的結(jié)晶繼續(xù)進行，以便和單晶Cu的晶體狀態(tài)具有類似的晶體狀態(tài)。另一方面，當籽晶Cu層的厚度大時，退火之后Cu膜的電阻率沒有足夠減小，并且相對于退火之前電鍍Cu膜的電阻率變化不大。也就是說，發(fā)現(xiàn)在退火之后Cu膜的結(jié)晶不完全。
在此，當膜的電阻率高時，意味著膜的晶粒尺寸小，并且電子在晶粒邊界擴散。也就是說，具有較小晶粒尺寸的膜具有較高能態(tài)。因此，僅用一些(即不大)量的激活能，就使相鄰晶粒容易地結(jié)合，并且因此使晶粒尺寸增加，使得得到的晶體結(jié)構(gòu)和單晶體的晶體結(jié)構(gòu)類似。
如上所述，由于退火之前的晶粒尺寸變小，即由于退火之前的電阻率變高，所以能在較低退火溫度下使晶粒尺寸增加。結(jié)果，有可能形成一層具有低電阻率值的膜，這個低電阻率值接近單晶體的電阻率值。特別地，退火之前Cu電鍍膜的電阻率等于或大于2.2μΩ·cm，并且等于或小于2.7μΩ·cm是理想的。退火之后Cu膜的電阻率等于或大于1.7μΩ·cm，并且等于或小于1.9μΩ·cm是理想的。
圖2表示對于具有不同厚度的各種籽晶Cu層，在150℃的相對低溫下將電鍍Cu膜退火120分鐘，在退火前與退火后之間電鍍Cu膜的薄層電阻值的變化。應(yīng)該注意，電鍍Cu膜的厚度是這樣確定的，以便籽晶Cu層和電鍍Cu膜的總厚度總是700nm。在圖2中，水平軸表示籽晶Cu層的厚度，而垂直軸表示電鍍Cu膜的電阻的降低率(＝(1-Rafter/Rbefore)×100[％])。誤差棒表示電阻的降低率的最大值和最小值。這里，Rbefore是退火之前電鍍Cu膜的薄層電阻值，而Rafter是退火之后Cu膜的薄層電阻值。圖2所示的電阻降低率是在晶片表面上225個位置處測得的電阻降低率的平均值。如圖2所示結(jié)果可見，隨著籽晶Cu層厚度的增加，電阻降低率減小。當籽晶Cu層的厚度等于或小于120nm時，電阻降低率幾乎不受籽晶Cu層厚度的影響，并且穩(wěn)定在比較高的水平上。
由以上結(jié)果可以看出，當籽晶Cu層(第一導(dǎo)電膜)的厚度減小時，退火之后的Cu膜(第三導(dǎo)電膜)的薄層電阻減小率增加，并且退火之后的Cu膜的電阻率減小?？紤]到電阻率與晶粒邊界的密度相關(guān)，退火之后的Cu膜(第三導(dǎo)電膜)的晶粒尺寸隨籽晶Cu層(第一導(dǎo)電膜)的厚度減小而增加。應(yīng)該注意，在籽晶Cu層的厚度為120nm或更小范圍之內(nèi)時，退火之后Cu膜的薄層電阻減小率一般恒定。另一方面，當籽晶Cu層的厚度為150nm時，退火之后Cu膜的薄層電阻減小率小，并且退火之后Cu膜的電阻率比較高。這意味著退火之后Cu膜的晶體生長不充分。在這種情況下，由于在電鍍以后的加熱處理期間產(chǎn)生的熱，或在半導(dǎo)體器件工作期間產(chǎn)生的熱，估計Cu膜的晶體生長繼續(xù)進行，并且因此，Cu膜的體積收縮。結(jié)果，在退火之后的Cu膜中形成空洞。
圖3表示對于籽晶Cu層的厚度為150nm和100nm的各自情況下，對由電鍍Cu膜制成的通路布線進行SM阻力測試(通路電阻的高溫存儲測試(250℃))的結(jié)果。應(yīng)該注意，電鍍Cu膜的厚度是這樣確定的，以便籽晶Cu層和電鍍Cu膜的總厚度總是500nm。此外，在圖3中，對于籽晶Cu層的厚度為150nm和100nm的各自情況下，SM阻力測試的結(jié)果用分別對兩個晶片各自獲得的失效率(任意單位a.u.)來表示。
特別地，如圖3所示，當籽晶Cu層的厚度為150nm，即約為電鍍Cu膜和籽晶Cu層總厚度的1/3時，失效率高達約0.8a.u.。另一方面，當籽晶Cu層的厚度為100nm，即約為電鍍Cu膜和籽晶Cu層總厚度的1/5時，失效率低至約為0.1a.u.。也就是說，可見失效率隨籽晶Cu層的厚度減小而大為減小。
應(yīng)該注意，上述通過減小籽晶層厚度而獲得的效果，是在與勢壘膜、第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜的材料類型無關(guān)、與各導(dǎo)電膜的形成方法無關(guān)的情況下實現(xiàn)的。上述理由如下所述。
按照本發(fā)明，在一個具有結(jié)晶性的勢壘膜上淀積一層薄籽晶層(第一導(dǎo)電膜)，從而使第一導(dǎo)電膜上形成的第二導(dǎo)電膜(例如電鍍膜)的結(jié)晶性減小。換句話說，在籽晶層上形成第二導(dǎo)電膜，使其更加具有非晶狀態(tài)。另一方面，由于籽晶層本身具有某些結(jié)晶性，所以籽晶層本身的結(jié)晶性(取向)隨籽晶層厚度的增加而增加。結(jié)果，在籽晶層上形成的電鍍膜的結(jié)晶性(取向)也增加，并且因此，在退火步驟中，難以進行導(dǎo)電膜的結(jié)晶而同時與相鄰膜建立晶格匹配。因此，由于能通過減小籽晶層的厚度來降低籽晶層上形成的導(dǎo)電膜的結(jié)晶性(取向)，所以在形成導(dǎo)電膜之后通過進行加熱處理(優(yōu)選地，低溫加熱處理)，能使導(dǎo)電膜的晶體結(jié)構(gòu)設(shè)定在最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。結(jié)果，在后續(xù)步驟或在半導(dǎo)體器件工作期間，即使對導(dǎo)電膜例如電鍍膜加熱，也不會出現(xiàn)晶體的異常生長。因此，能抑制空洞的形成。
如上所述，本發(fā)明的目的是消除在用電鍍或類似工藝形成導(dǎo)電膜之后立即進行高溫處理，并且抑制空洞的形成。為此，按照本發(fā)明，在一層具有結(jié)晶性的勢壘膜上淀積一層薄籽晶層。采用這種特點，即使在形成導(dǎo)電膜之后立即在低溫下進行加熱處理，也能使導(dǎo)電膜充分結(jié)晶。
特別地，將在具有結(jié)晶性的勢壘膜上形成的籽晶Cu層的厚度設(shè)置為等于或小于電鍍Cu膜和籽晶Cu層總厚度的1/4，或設(shè)置為等于或小于120nm。結(jié)果，在電鍍之后立即進行200℃或更低的低溫退火，使電鍍Cu膜充分結(jié)晶。采用這樣布置，抑制了使電鍍Cu膜和籽晶Cu層成為一體而形成的Cu膜的再結(jié)晶(Cu原子的遷移)，即抑制了Cu膜體積的變化(收縮)。因此，抑制空洞的形成。
(實施方式)以下，就所用布線材料為Cu的例子，描述按照本發(fā)明的實施方式的半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)方法，采用這個例子，本發(fā)明的效果是最顯著的。
圖4A至圖4C和圖5A至圖5C是說明按照本發(fā)明實施方式的半導(dǎo)體器件生產(chǎn)方法各步驟的截面圖。
首先，如圖4A所示，在一個其上形成一個半導(dǎo)體元件(未示出)的半導(dǎo)體襯底101上，形成第一絕緣膜102，它包括埋置其中的由銅制成的第一布線103。應(yīng)該注意，雖然沒有示出，但是在第一布線103與第一絕緣膜102之間形成一個鉭勢壘膜。然后，在第一絕緣膜102上形成第二絕緣膜104。其后，在第二絕緣膜104中，形成孔105，以便到達第一銅線103，并且形成線溝106，與孔105連通。
其次，如圖4B所示，通過在包括孔105和線溝106的底和壁的第二絕緣膜104的整個表面上進行濺射，淀積一個具有晶體結(jié)構(gòu)的勢壘膜107，例如具有約30nm厚度的鉭(Ta)膜。然后，通過在勢壘膜107上濺射，非外延式生長一層籽晶層108，例如具有約100nm厚度的銅(Cu)膜。
其次，如圖4C所示，例如通過電解電鍍法，淀積一個導(dǎo)電膜109，例如具有約600nm厚度的銅膜，以便完全填滿孔105和線溝106。其后，為了使籽晶層108和銅膜109穩(wěn)定，在等于或高于100℃且等于或低于200℃的溫度，例如在150℃將籽晶層108和銅膜109退火約120分鐘。結(jié)果，如圖5A所示，使籽晶層108和銅膜109成為一體(其后，將籽晶層108和導(dǎo)電膜109成為一體而形成的合成導(dǎo)電膜簡稱為“導(dǎo)電膜109”)。
其次，例如使用CMP法，將導(dǎo)電膜109和勢壘膜107伸到線溝106之外的部分除去。結(jié)果，如圖5B所示，在孔105和線溝106中的勢壘膜107上形成第二銅線109A。
其次，如圖5C所示，在第二絕緣膜104和第二布線109A的上表面上順次地形成氮化硅膜110和第三絕緣膜111。
按照本發(fā)明，在具有結(jié)晶性的勢壘膜107上非外延生長籽晶層108。因此，在籽晶層108和其上形成的導(dǎo)電膜109兩者中，能態(tài)隨晶粒尺寸減小而變高。因此，僅用不會引起空洞形成的小激活能，即在低溫下，就能使籽晶層108和導(dǎo)電膜109容易地結(jié)晶。此外，由于籽晶層108的晶粒尺寸小，所以在與置于其下的勢壘膜107的晶體結(jié)構(gòu)建立晶格匹配的同時，籽晶層108的結(jié)晶繼續(xù)進行。因此，改善了勢壘膜107與籽晶層108之間的附著，并且因此使籽晶層108和導(dǎo)電膜109兩者結(jié)晶而不形成空洞。
特別地，在勢壘膜107上形成的籽晶層108的厚度(例如100nm)等于或小于籽晶層108和其上形成的導(dǎo)電膜109總厚度(例如700nm)的1/4，或等于或小于120nm。因此，為了使導(dǎo)電膜109穩(wěn)定，即使在低溫下(特別地，在等于或高于100℃且等于或低于200℃的溫度)進行加熱處理，也能使導(dǎo)電膜109充分結(jié)晶。換句話說，在導(dǎo)電膜109形成之后立即進行加熱處理，而不使用可能會形成空洞的高溫，能使導(dǎo)電膜109充分結(jié)晶。此外，即使在后續(xù)步驟(例如，在淀積氮化硅膜110或第三絕緣膜111的步驟)或在半導(dǎo)體器件工作期間，對構(gòu)成布線的導(dǎo)電膜109(與籽晶層108成為一體)加熱時，因為導(dǎo)電膜109已經(jīng)充分結(jié)晶，所以能抑制導(dǎo)電膜109的再結(jié)晶。因此，避免在導(dǎo)電膜109中形成空洞。也就是說，因為避免了由于應(yīng)力遷移而出現(xiàn)缺陷，所以改善了布線可靠性，并提高了半導(dǎo)體器件的產(chǎn)品成品率。
此外，按照本實施方式，在用電解電鍍法形成導(dǎo)電膜109之后立即在150℃低溫下進行加熱處理，自然不會由于加熱處理而在導(dǎo)電膜109中形成空洞。此外，在退火步驟之后進行CMP步驟，以便除去導(dǎo)電膜109和勢壘膜107伸到線溝106之外的部分，因而避免在勢壘膜107與導(dǎo)電膜108之間界面處膜的剝離。這是因為，平面化是利用CMP在籽晶層108和電鍍膜(退火前的導(dǎo)電膜109)以這樣的次序結(jié)晶并同時與勢壘膜107的結(jié)晶性建立晶格匹配從而使這些膜成為一體之后進行的。
應(yīng)該注意，在考慮確實實現(xiàn)本發(fā)明的上述效果時，在退火之前，優(yōu)選地使籽晶層108的厚度與籽晶層108和導(dǎo)電膜109總厚度的比等于或高于1/30，且等于或低于1/4，或者籽晶層108的厚度等于或大于20nm，且等于或小于120nm。
然而，即使籽晶層的厚度等于或小于籽晶層和其上形成的導(dǎo)電膜總厚度的1/4，在與籽晶層的厚度相比導(dǎo)電膜的厚度過大的情況下，也會出現(xiàn)下列問題。也就是說，在這種情況下，薄籽晶層的非晶形態(tài)不會延伸到厚導(dǎo)電膜，并且因此難以使導(dǎo)電膜均勻地結(jié)晶。換句話說，即使在籽晶層具有比較高的非晶形態(tài)時，導(dǎo)電膜也形成為一個具有不完全和不同類結(jié)晶性的膜。結(jié)果，為了充分實現(xiàn)籽晶層和導(dǎo)電膜的均勻結(jié)晶化，與一般退火處理比較，需要在形成導(dǎo)電膜之后以較高溫度進行退火。然而，這樣會在導(dǎo)電膜中形成空洞。
因此，在本實施方式中，優(yōu)選地使籽晶層108的厚度與籽晶層108和導(dǎo)電膜109總厚度的比等于或小于1/4，并且使在籽晶層108上形成的導(dǎo)電膜109的厚度在預(yù)定范圍內(nèi)，以便能通過低溫退火(特別是，在等于或高于100℃且等于或低于200℃的溫度下進行加熱處理)使導(dǎo)電膜109的整體均勻地結(jié)晶。
此外，在本實施方式中，優(yōu)選地在等于或高于籽晶層108熔點的絕對溫度的1/10，且等于或低于籽晶層108熔點的絕對溫度的1/3的溫度，進行淀積籽晶層108的步驟。采用這種設(shè)置，在膜形成期間抑制了晶體生長，并且因此能淀積籽晶層108使其處于更加非晶狀態(tài)。淀積籽晶層108以使其為非晶狀態(tài)的方法例如包括物理汽相淀積法、化學(xué)汽相淀積法、無電電鍍法(electroless plating method)等。特別地，當使用化學(xué)汽相淀積法時，與其他方法比較，即使在高溫下也能形成非晶狀籽晶層。特別地，當用化學(xué)汽相淀積(CVD)法淀積導(dǎo)電膜時，各種雜質(zhì)的原子陷入導(dǎo)電膜，從而抑制導(dǎo)電膜的晶體生長。因此，即使在比較高的溫度下，也限制導(dǎo)電膜的結(jié)晶過程，所以，即使在高于導(dǎo)電膜熔點的絕對溫度的1/4的溫度下，也能形成非晶狀導(dǎo)電膜。
此外，在本實施方式中，加熱籽晶層108和導(dǎo)電膜109以使這些層108和109成為一體的步驟，優(yōu)選地是在等于或高于籽晶層108和導(dǎo)電膜109一體化而形成的導(dǎo)電膜109(即退火后獲得的導(dǎo)電膜109)的熔點的絕對溫度1/5、且等于或低于這個絕對溫度的1/2的溫度下進行的。采用這種設(shè)置，即使在比較低的溫度下，也有可能更改導(dǎo)電膜109使其具有堅硬晶體結(jié)構(gòu)，因為在緊接淀積籽晶層108和導(dǎo)電膜109的步驟之后導(dǎo)電膜109已經(jīng)在某種程度上結(jié)晶。此外，在已經(jīng)具有一定晶體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電膜109中，在低溫下比較慢地進行結(jié)晶，從而能在和相鄰膜良好附著的情況下，完成使籽晶層108和導(dǎo)電膜109成為一體而形成的膜的結(jié)晶，而不會使導(dǎo)電膜109與其相鄰層之間一旦建立的晶格匹配劣化。
此外，在本實施方式中，籽晶層108和導(dǎo)電膜109的材料不限于任何特定材料。然而，籽晶層108和導(dǎo)電膜109優(yōu)選地各自由銅或主要含銅的金屬制成。采用這樣的材料，能形成具有高電遷移(EM)阻力的低電阻銅布線。
此外，在本實施方式中，勢壘膜107的材料不限于任何特定材料。勢壘膜107例如可以是鉭膜、鉭合金膜或其他類似膜。在勢壘膜107的至少一個表面部分由β結(jié)構(gòu)的鉭膜或β結(jié)構(gòu)的鉭合金膜形成的情況下，能獲得以下效果。在籽晶層108和導(dǎo)電膜109各自由銅或主要含銅的合金制成的情況下，能在勢壘膜107上容易地形成籽晶層108和導(dǎo)電膜109，因為β結(jié)構(gòu)的鉭的晶體結(jié)構(gòu)以及β結(jié)構(gòu)的鉭合金的晶體結(jié)構(gòu)與銅的晶體結(jié)構(gòu)類似。
此外，在本實施方式中，用于形成籽晶層108的方法不限于任何特定方法。例如，籽晶層108可以用物理汽相淀積法或化學(xué)汽相淀積法形成。
此外，在本實施方式中，用于形成導(dǎo)電膜109的方法不限于任何特定方法。例如，可以用化學(xué)汽相淀積法或電鍍法形成導(dǎo)電膜109。在以導(dǎo)電膜109填滿孔或溝的情況下，優(yōu)選地用電解電鍍法形成導(dǎo)電膜109。采用這樣的布置，使孔或溝確實地由導(dǎo)電膜109填滿。
本發(fā)明的應(yīng)用不限于上述實施方式。然而應(yīng)該注意，當將本發(fā)明用于形成如上述實施方式所示的埋置銅線時，本發(fā)明的上述效果是最顯著的。
權(quán)利要求
1.一種用于生產(chǎn)半導(dǎo)體器件的方法，包括以下步驟在一個具有晶體結(jié)構(gòu)的勢壘膜上非外延式生長第一導(dǎo)電膜；在第一導(dǎo)電膜上形成第二導(dǎo)電膜；以及加熱第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜，使得第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜成為一體而形成第三導(dǎo)電膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中生長第一導(dǎo)電膜的步驟包括用物理汽相淀積法或化學(xué)汽相淀積法形成第一導(dǎo)電膜的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中形成第一導(dǎo)電膜的步驟包括淀積第一導(dǎo)電膜，以及將第一導(dǎo)電膜的厚度設(shè)置為等于或小于第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜總厚度的1/4。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中形成第一導(dǎo)電膜的步驟包括淀積第一導(dǎo)電膜，以及將第一導(dǎo)電膜的厚度設(shè)置為等于或小于120nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜各自由銅或主要含銅的金屬形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中第三導(dǎo)電膜的電阻率等于或小于1.9μΩ·cm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜成為一體之前，包括第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜的分層膜的電阻率等于或大于2.2μΩ·cm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中生長第一導(dǎo)電膜的步驟是在等于或低于第一導(dǎo)電膜的熔點的絕對溫度的1/3的溫度下進行的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中加熱第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜的步驟是在等于或低于第三導(dǎo)電膜的熔點的絕對溫度的1/2的溫度下進行的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中加熱第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜的步驟是在等于或低于200℃的溫度進行的。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中勢壘膜是鉭膜或鉭合金膜。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中鉭膜或鉭合金膜的晶體結(jié)構(gòu)是β結(jié)構(gòu)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中形成第二導(dǎo)電膜的步驟包括用化學(xué)汽相淀積法或電鍍法形成第二導(dǎo)電膜的步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在一個絕緣膜中設(shè)置的一個凹入部分的壁上形成勢壘膜；形成第一導(dǎo)電膜的步驟包括在凹入部分中的勢壘膜上形成第一導(dǎo)電膜使得凹入部分被填充到其中間深度的步驟；形成第二導(dǎo)電膜的步驟包括在凹入部分中的第一導(dǎo)電膜上形成第二導(dǎo)電膜使得凹入部分被完全填滿的步驟；并且該方法在加熱第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜使得第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜成為一體而形成第三導(dǎo)電膜的步驟之后，還包括將第三導(dǎo)電膜伸到凹入部分之外的部分除去從而在凹入部分中形成布線的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供一種生產(chǎn)半導(dǎo)體器件的方法。在該方法中，在一層具有晶體結(jié)構(gòu)的勢壘膜上形成第一導(dǎo)電薄膜之后，在第一導(dǎo)電膜上形成第二導(dǎo)電膜。其后，加熱第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜使得第一導(dǎo)電膜和第二導(dǎo)電膜成為一體而形成第三導(dǎo)電膜。根據(jù)本發(fā)明的方法，由于避免了由于應(yīng)力遷移而出現(xiàn)缺陷，所以改進了布線可靠性，提高了半導(dǎo)體器件的產(chǎn)品成品率。
文檔編號H01L21/768GK1489188SQ03155900
公開日2004年4月14日 申請日期2003年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月26日
發(fā)明者平尾秀司, 原田剛史, 二井一志, 岸田剛信, 池田敦, 辻和則, 信, 史, 志 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社