專利名稱：配線結(jié)構(gòu)及配線結(jié)構(gòu)的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及配線結(jié)構(gòu)及配線結(jié)構(gòu)的制造方法。本發(fā)明特別涉及銅(Cu)系的配線結(jié)構(gòu)及配線結(jié)構(gòu)的制造方法。

背景技術(shù)：
在液晶顯示裝置等的顯示裝置中，使用了很多的電子器件。另外，作為構(gòu)成電子器件的半導(dǎo)體，主要使用硅(Si)。在這里，對于Si的接合電極，在包含加熱工藝的電子器件的制造工序中，要求有抑制向構(gòu)成接合電極的電極材料的Si中擴(kuò)散的功能。
以往，作為用于顯示裝置的電極、配線層、或端子電極的配線材料，已知使用添加了以下元素的銅合金，所述元素是具有比銅(Cu)的氧化物生成自由能小的氧化物生成自由能的同時(shí)，與Cu的自身擴(kuò)散系相比在Cu中的擴(kuò)散系數(shù)大的元素(以下，在“背景技術(shù)”欄、及“發(fā)明要解決的課題”欄中稱為“添加元素”)(例如，專利文獻(xiàn)1參照)。
根據(jù)專利文獻(xiàn)1中記載的配線材料，銅合金中的添加元素移動(dòng)至表面形成了SiO2膜的基板和銅合金的界面并進(jìn)行氧化，由此形成由添加元素的氧化物構(gòu)成的氧化物層，因此通過該氧化物層(相當(dāng)于抑制銅向由硅構(gòu)成的基板中的擴(kuò)散的阻擋層)可抑制銅向由硅構(gòu)成的基板中的擴(kuò)散。
專利文獻(xiàn)1日本特開2007-72428號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的課題 但是，專利文獻(xiàn)1中記載的配線材料，作為抑制元素向硅基板的擴(kuò)散的阻擋層，使用Cu及添加于Cu中的添加元素的氧化物，要求通過由具有絕緣性的氧化物構(gòu)成的阻擋層來確保硅基板和設(shè)置于阻擋層的硅基板的相反側(cè)的配線之間的導(dǎo)通。此時(shí)，為了在硅基板和阻擋層之間確保電流的導(dǎo)通，需要形成非常薄的膜厚的阻擋層，通過隧道電流確保導(dǎo)通。另外，阻擋層為了發(fā)揮作為阻擋層的功能，阻擋層需要一定程度的厚度。
因此，在專利文獻(xiàn)1中記載的配線材料，應(yīng)兼顧作為阻擋層的功能和確保硅基板和配線層之間的導(dǎo)通的雙方，要求控制阻擋層的精密的膜厚。進(jìn)而，在添加元素的氧化工藝中，有時(shí)在添加元素內(nèi)的粒界形成氧化物相。此時(shí)，在電子器件的制造工序中包含蝕刻工序時(shí)，有時(shí)產(chǎn)生因氧化物相溶出而引起的針孔。
因此，本發(fā)明的目的在于，提供可獲得對于硅的歐姆接合的同時(shí)，抑制元素向硅中的擴(kuò)散的配線結(jié)構(gòu)及配線結(jié)構(gòu)的制造方法。
解決課題的手段 為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明提供以下配線結(jié)構(gòu)，其具有硅層、和設(shè)置于硅層上的由添加了鎳(Ni)的銅合金構(gòu)成的襯底層、和設(shè)置于襯底層上的銅層，使Ni在包含硅層和襯底層之間的界面在內(nèi)的區(qū)域富集，由此形成具有導(dǎo)電性的擴(kuò)散阻擋層。
另外，就上述配線結(jié)構(gòu)而言，擴(kuò)散阻擋層，在加熱硅層和襯底層時(shí)，可以由構(gòu)成硅層的硅(Si)和襯底層的銅(Cu)和移動(dòng)至界面的Ni形成。另外，擴(kuò)散阻擋層，可歐姆接觸于硅層。進(jìn)而，襯底層具有形成發(fā)揮擴(kuò)散阻擋性的擴(kuò)散阻擋層的Ni濃度并設(shè)置于硅層上。接著，銅層可由3N以上純度的無氧銅形成。
另外，本發(fā)明為了達(dá)成上述目的，提供一種配線結(jié)構(gòu)的制造方法，其具有在無氧氣氛下，在硅層上形成由添加了鎳(Ni)的銅合金構(gòu)成的襯底層的襯底層形成工序；和在襯底層上形成銅層的銅層形成工序；和對硅層和襯底層實(shí)施熱處理，使Ni富集在硅層和襯底層之間的界面，由此形成具有導(dǎo)電性的擴(kuò)散阻擋層的擴(kuò)散阻擋層形成工序。
另外，就上述配線結(jié)構(gòu)的制造方法而言，銅合金可由銅(Cu)和添加在Cu中的5at％以上的Ni和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。另外，在擴(kuò)散阻擋層形成工序中，對硅層和襯底層可在真空中實(shí)施200℃～300℃的熱處理。
發(fā)明的效果 通過本發(fā)明的配線結(jié)構(gòu)及配線結(jié)構(gòu)的制造方法，可提供可獲得對于硅的歐姆接合的同時(shí)，抑制元素向硅中的擴(kuò)散的配線結(jié)構(gòu)及配線結(jié)構(gòu)的制造方法。



圖1(a)及(b)是表示本發(fā)明的實(shí)施方式的配線結(jié)構(gòu)的縱截面的圖。
圖2是表示本發(fā)明的實(shí)施方式的配線結(jié)構(gòu)的制造工序的流程的圖。
圖3是表示作為實(shí)施例的擴(kuò)散阻擋性評價(jià)用樣品的層疊結(jié)構(gòu)體的縱截面概要的圖。
圖4是表示作為實(shí)施例的電阻率評價(jià)用樣品的層疊結(jié)構(gòu)體的測定系統(tǒng)的圖。
圖5是表示由于施加于電阻率評價(jià)用樣品的熱處理溫度不同而引起的電阻率變化的圖。
圖6是表示實(shí)施例的電阻率的評價(jià)用樣品的熱處理后的XPS分析結(jié)果的圖。
圖7是表示比較例的電阻率的評價(jià)用樣品的熱處理后的XPS分析結(jié)果的圖。
圖8是表示評價(jià)用樣品的歐姆接合性及銅層電阻率的測定系統(tǒng)的圖。
圖9是表示實(shí)施例4的評價(jià)用樣品的歐姆接合性的評價(jià)結(jié)果的圖。
符號(hào)說明 1、1a 配線結(jié)構(gòu) 2、2a 層疊結(jié)構(gòu)體 3、3a 測定系統(tǒng) 10、12 硅層 20 襯底層 22 銅合金層 25、26 擴(kuò)散阻擋層 30 銅層 32 純銅層 40 玻璃基板 50 直流電源 52 探針 55 電壓計(jì) 57 數(shù)字萬用表
具體實(shí)施例方式 [實(shí)施的方式] 圖1(a)及(b)表示本發(fā)明的實(shí)施方式的配線結(jié)構(gòu)的縱截面。
具體地說，圖1(a)表示作為實(shí)施方式的配線結(jié)構(gòu)的一例，沒有實(shí)施熱處理的狀態(tài)的配線結(jié)構(gòu)1，圖1(b)表示對于配線結(jié)構(gòu)1實(shí)施了熱處理后的配線結(jié)構(gòu)1a。
首先，參照圖1(a)，作為配線結(jié)構(gòu)體的配線結(jié)構(gòu)1，具有硅層10、和在硅層10的一個(gè)面上形成的襯底層20、和在襯底層20的與硅層10連接的面的相反側(cè)的面上形成的銅(Cu)層20。另外，在本實(shí)施方式中，硅層10包含曲硅構(gòu)成的薄膜及由硅構(gòu)成的基板的雙方。接著，硅層10是由單晶硅、多晶硅、或非晶硅的任一個(gè)形成的半導(dǎo)體層。另外，配線結(jié)構(gòu)1，也可在搭載電子部件的基板(例如，玻璃基板等)上設(shè)置。
襯底層20由Cu和鎳(Ni)和不可避免的雜質(zhì)形成。即，襯底層20由添加了Ni的銅合金(Cu-Ni系合金)形成。Ni為可抑制Cu向硅中的擴(kuò)散的同時(shí)、可通過與Si及Cu進(jìn)行反應(yīng)形成具有導(dǎo)電性的阻擋層的添加元素。另外，銅層30，由純度為3N以上的無氧銅形成。銅層30可適用于電子器件的配線層。
接著，參照圖1(b)。對于配線結(jié)構(gòu)1在排除氧的狀態(tài)下在規(guī)定的溫度下施加熱處理時(shí)，包含硅層10和襯底層20的界面的區(qū)域形成擴(kuò)散阻擋層25，制造配線結(jié)構(gòu)1a。就擴(kuò)散阻擋層25而言，由襯底層20含有的Ni擴(kuò)散至該界面，在包含該界面的區(qū)域中進(jìn)行富集，從而由構(gòu)成硅層10的Si、和構(gòu)成襯底層20的Cu、和在該界面中富集的Ni形成。擴(kuò)散阻擋層25不是氧化物，具有導(dǎo)電性。另外，擴(kuò)散阻擋層25歐姆接觸于硅層10及襯底層20。進(jìn)而，擴(kuò)散阻擋層25，抑制構(gòu)成銅層30的Cu向硅層10的擴(kuò)散，及構(gòu)成硅層10的Si向銅層30的擴(kuò)散。
擴(kuò)散阻擋層25，在具有配線結(jié)構(gòu)1的電子器件的制造工序的熱處理工序中，通過利用施加于該電子器件的熱來形成。即，例如，通過配線結(jié)構(gòu)1形成電連接設(shè)置于基板上的電子部件間的配線后，利用對于形成了配線結(jié)構(gòu)1的基板所完成的熱處理時(shí)的熱，在硅層10和襯底層20的界面形成擴(kuò)散阻擋層25。作為一例，在形成液晶顯示器用的TFT配線的TFT配線工序中，包含由200℃至300℃的溫度的熱處理工序。利用該TFT配線工序中包含的熱處理工序中的熱，在由Cu-Ni系合金構(gòu)成的襯底層20和硅層10的界面，形成抑制Cu向硅層10的擴(kuò)散的擴(kuò)散阻擋層25。
另外，施加于配線結(jié)構(gòu)1的熱處理的溫度，例如，在200℃左右時(shí)，在形成襯底層20的Cu-Ni系合金中，例如，添加Ni濃度為5at％以上量的Ni。由此，形成具有抑制Cu向硅層10的擴(kuò)散及Si向銅層30的擴(kuò)散的具有擴(kuò)散阻擋性的擴(kuò)散阻擋層25。另外，通過使Cu-Ni系合金中的Ni濃度高于5at％可容易形成擴(kuò)散阻擋層25，提高擴(kuò)散阻擋性。另外，通過提高Ni濃度，即使在施加于配線結(jié)構(gòu)1的熱處理的溫度高于200℃時(shí)，也可形成發(fā)揮擴(kuò)散阻擋性的擴(kuò)散阻擋層25 (配線結(jié)構(gòu)1及配線結(jié)構(gòu)1a的制造方法) 圖2表示本發(fā)明的實(shí)施方式的配線結(jié)構(gòu)的制造工序的流程的一例。
首先，在玻璃基板等基板上形成硅層10(硅層準(zhǔn)備工序步驟10。以下，將步驟作為“S”。)。接著，在硅層10上形成由Ni-Cu系合金構(gòu)成的襯底層20(襯底層形成工序S20)。接著在襯底層20上形成由純銅構(gòu)成的銅層30(銅層形成工序S30)。由此，形成本實(shí)施方式的配線結(jié)構(gòu)1。在這里，硅層10、襯底層20及銅層30分別在無氧氣氛下形成。硅層10、襯底層20及銅層30分別例如通過濺射法來形成。
另外，襯底層20，可通過使用了芯片靶(chip on target)或Cu合金靶的濺射法來形成。另外，使用了芯片靶的濺射法，是在作為主材料的Cu靶材料的表面，在粘貼了含有添加的元素(在本實(shí)施方式中為Ni)的金屬芯片的狀態(tài)下實(shí)施濺射的方法。即，所謂芯片靶，是在由主材料構(gòu)成的靶材(在本實(shí)施方式中為Cu靶材)表面的規(guī)定位置，以規(guī)定量粘貼了含有期望元素的金屬芯片的濺射靶。通過調(diào)整粘貼于由主材料構(gòu)成的靶的金屬芯片的芯片尺寸、芯片相對于由主材料構(gòu)成的靶的位置及粘貼的芯片的片數(shù)，可控制主材料和金屬芯片的元素之比(即，被成膜的材料的組成)。
接著，通過對于配線結(jié)構(gòu)1的至少硅層10和襯底層20實(shí)施熱處理，在硅層10和襯底層20的界面形成作為形成的界面反應(yīng)層的擴(kuò)散阻擋層25(擴(kuò)散阻擋形成工序S40)。由此，制造具有由銅層30/襯底層20/擴(kuò)散阻擋層25/硅層10構(gòu)成的層疊結(jié)構(gòu)的配線結(jié)構(gòu)1a。熱處理，作為一例，可在200℃～400℃的范圍內(nèi)實(shí)施。另外，在擴(kuò)散阻擋層25中含有的Ni的濃度，可根據(jù)對于配線結(jié)構(gòu)1實(shí)施的熱處理的溫度上升來增加。這是因?yàn)椋捎跓崽幚?，襯底層20中所含Ni擴(kuò)散至襯底層20和硅層10的界面，在該界面形成由Cu、Ni及Si構(gòu)成的擴(kuò)散阻擋層25時(shí)，隨著熱處理溫度的上升，擴(kuò)散于該界面Ni的量增加。
另外，熱處理在排除了氧的氣氛下實(shí)施。例如，熱處理在排除了氧的減壓狀態(tài)下(例如，1Pa左右壓力的真空中)實(shí)施。通過該熱處理，襯底層20中含有的Ni擴(kuò)散至襯底層20和硅層10的界面并在包含該界面的區(qū)域進(jìn)行富集。接著，在包含該界面的區(qū)域中，構(gòu)成硅層10的Si、和襯底層20中含有的Cu、和進(jìn)行了富集的Ni進(jìn)行反應(yīng)而形成擴(kuò)散阻擋層25。
(實(shí)施方式的效果) 通過本實(shí)施方式的配線結(jié)構(gòu)1，對于配線結(jié)構(gòu)1施加熱時(shí)，在硅層10和襯底層20的界面形成擴(kuò)散阻擋層25，從而制造配線結(jié)構(gòu)1a。由此，本實(shí)施方式的配線結(jié)構(gòu)1，不需要具有由Mo等的高融點(diǎn)金屬材料構(gòu)成的擴(kuò)散阻擋層。另外，如同在硅層10和襯底層20之間形成由氧化物構(gòu)成的絕緣性阻擋層的以往方法，確保通過隧道電流的導(dǎo)通的同時(shí)，不需要形成具有發(fā)揮擴(kuò)散阻擋性的膜厚的阻擋層的精密工藝控制，因此可有助于制造工藝的簡易化、低成本化。
另外，在本實(shí)施方式中，襯底層20的Cu及Ni和硅層10的Si進(jìn)行反應(yīng)具有導(dǎo)電性的同時(shí)，形成歐姆接觸于在硅層10及襯底層20的擴(kuò)散阻擋層25時(shí)，氧不參與。因此，在硅層10和襯底層20的界面生成氧化物，在硅層10和襯底層20之間不形成絕緣層。由此，在本實(shí)施方式中，可在擴(kuò)散阻擋層25直接傳送電流來使硅層10與襯底層20導(dǎo)通。
另外，通過本實(shí)施方式的配線結(jié)構(gòu)1及配線結(jié)構(gòu)1a，在擴(kuò)散阻擋層25之上隔著襯底層20可形成由3N以上純度的純銅構(gòu)成的銅層30，因此例如，在用于具有大型的液晶面板的TFT陣列基板等電子部件、硅太陽能電池等使用了硅的硅器件的配線形成中使用本實(shí)施方式的配線結(jié)構(gòu)1及配線結(jié)構(gòu)1a，也可形成低電阻、且可靠性高的銅配線。
進(jìn)而，通過本實(shí)施方式的配線結(jié)構(gòu)1a，比擴(kuò)散阻擋層25的厚度厚來形成銅層30的厚度，因此可降低由于形成擴(kuò)散阻擋層25對于配線結(jié)構(gòu)1a的配線電阻的影響。另外，配線結(jié)構(gòu)1a為與銅層30/襯底層20大致同種的金屬層疊結(jié)構(gòu)(即，擴(kuò)散阻擋層25由Si、Cu、Ni形成，因此由與銅層30的Cu和襯底層20的Cu-Ni系合金和構(gòu)成擴(kuò)散阻擋層25的材料同種的金屬材料構(gòu)成，通過銅層30和襯底層20和擴(kuò)散阻擋層25構(gòu)成層疊結(jié)構(gòu))，因此電極的蝕刻加工，與Cu/Mo層疊結(jié)構(gòu)相比容易進(jìn)行。由此，可降低制造成本。
實(shí)施例 在實(shí)施例中，首先，制造擴(kuò)散阻擋層25的擴(kuò)散阻擋性評價(jià)用的樣品(層疊結(jié)構(gòu)體2)。
(擴(kuò)散阻擋性的評價(jià)樣品) 圖3表示作為實(shí)施例的擴(kuò)散阻擋性評價(jià)用樣品的疊結(jié)構(gòu)體的縱截面的概要。
在實(shí)施例中，制造具有玻璃基板40、和在玻璃基板40上形成的硅層12、和在硅層12上形成的銅合金層22的層疊結(jié)構(gòu)體2。層疊結(jié)構(gòu)體2的形成方法為，使具有3mm見方的開口的金屬掩模接觸玻璃基板40，通過濺射法形成硅層12及銅合金層22。作為襯底層的銅合金層22，使用芯片靶來形成。
實(shí)施例的銅合金層22，通過在作為主材料的Cu靶材的表面，粘貼Ni芯片進(jìn)行濺射，從而形成于在硅層12上。濺射裝置，使用高頻率(Radio FrequencyRF)磁控管濺射裝置。接著，硅層12及銅合金層22的形成的任一個(gè)，濺射條件為純氬氣(Ar)的等離子體、1Pa的室內(nèi)壓力、300W的功率下實(shí)施。另外，作為比較例，也制作將作為襯底層的銅合金層22改變?yōu)镃u-Mg系合金的層疊結(jié)構(gòu)體。表1表示實(shí)施例及比較例的層疊結(jié)構(gòu)體的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和濺射條件。
[表1]
注1實(shí)施例的評價(jià)樣品的添加濃度為5、10。
注2M為添加元素。
注3數(shù)值為目標(biāo)值。
通過濺射工藝，形成添加元素大致均勻固溶的銅合金層22。在實(shí)施例中，對于as depo.(成膜狀態(tài))膜通過能量分散型熒光X射線分析裝置(energydispersive X-ray spectrometerEDX)分析最上部的銅合金層22的組成。接著，在通過EDX測定來測定的峰中，將Cu和添加元素M(M為Ni或Mg)的合計(jì)為100at％，計(jì)算as depo.膜中的添加元素濃度(M/(Cu+M)at％)。其結(jié)果，作為實(shí)施例的評價(jià)樣品的as depo.膜的銅合金層22的添加元素濃度，為5.2at％Ni(實(shí)施例1)及10.5at％Ni(實(shí)施例2)。另一方面，在比較例的評價(jià)樣品中，為3.3at％Ni(比較例1)、3.4at％Mg(比較例2)、5.4at％Mg(比較例3)，10.2at％Mg(比較例4)。
(銅合金層22的電阻率的測定) 圖4表示作為實(shí)施例的電阻率的評價(jià)用樣品的層疊結(jié)構(gòu)體的測定系統(tǒng)。
如圖4所示，使探針52接觸作為層疊結(jié)構(gòu)體2(電阻率的評價(jià)用樣品)最上層的銅合金層22表面的四角。接著，2根的探針52連接直流電流源50的同時(shí)，剩下的2根探針52，通過連接電壓計(jì)55，構(gòu)成測定系統(tǒng)3。
該層疊結(jié)構(gòu)體2的銅合金層22，為as depo膜，由上面觀察為3mm見方的尺寸。接著，使用van der Pauw法測定銅合金層22的電阻率。測定電阻率后，在真空中，于200℃、250℃、300℃的各溫度，對層疊結(jié)構(gòu)體2施加30分鐘的熱處理。接著，使用van der Pauw法再次測定熱處理后的銅合金層22的電阻率。
進(jìn)而，準(zhǔn)備通過與層疊結(jié)構(gòu)體2(電阻率的評價(jià)用樣品)同樣的工序制造的其他層疊結(jié)構(gòu)體2。接著，對于準(zhǔn)備的層疊結(jié)構(gòu)體2，在真空中，于200℃、250℃、300℃的各溫度，實(shí)施30分鐘的熱處理。接著，通過X射線光電子分光法(X-ray photoelectron spectroscopyXPS)實(shí)施銅合金層22/硅層12/玻璃基板40的深度方向的元素分布分析。
(銅合金層22的電阻率的評價(jià)) 圖5表示由于施加于電阻率的評價(jià)用樣品的熱處理溫度不同而產(chǎn)生的電阻率的變化。
具體地說，圖5是相對于施加于電阻率的評價(jià)用樣品的熱處理溫度，將銅合金層22的電阻率(以as depo.的銅合金層22的電阻率進(jìn)行規(guī)格化的值)作圖來表示。實(shí)施例1的評價(jià)用樣品的銅合金層22，由Cu-5.2at％Ni構(gòu)成。另外，實(shí)施例2的評價(jià)用樣品的銅合金層22，由Cu-10.5at％Ni構(gòu)成。比較例1的評價(jià)用樣品的銅合金層，由Cu-3.3at％Ni構(gòu)成。另外，比較例2的評價(jià)用樣品的銅合金層，由Cu-3.4at％Mg構(gòu)成。另外，比較例3的評價(jià)用樣品的銅合金層，由Cu-5.4at％Mg構(gòu)成。進(jìn)而，比較例4的評價(jià)用樣品的銅合金層，由Cu-10.2at％Mg構(gòu)成。
實(shí)施例的評價(jià)樣品，即，添加了5.2at％、10.5at％的Ni的實(shí)施例1及實(shí)施例2的評價(jià)用樣品中，添加10.5at％時(shí)(實(shí)施例2)，電阻率在300℃之前有若干減少。另外，添加5.2at％的Ni時(shí)(實(shí)施例1)，在250℃之前顯示大致平緩的電阻率，300℃下的電阻率與250℃的電阻率相比上升。另一方面，比較例的評價(jià)樣品，即，添加了3.3at％Ni的評價(jià)樣品(比較例1的評價(jià)用樣品)及添加了Mg的評價(jià)樣品(比較例2～4的評價(jià)用樣品)，全部的樣品由200℃開始電阻率上升。
電阻率相對于熱處理溫度的變化平緩的區(qū)域，即使對于銅合金層22和硅層12的層疊結(jié)構(gòu)實(shí)施熱處理，顯示Si向銅合金層22中的擴(kuò)散較少。另外考慮，相對于熱處理溫度電阻率上升的區(qū)域，顯示Si向銅合金層22中的擴(kuò)散在進(jìn)行。另外，實(shí)施例的評價(jià)用樣品中，在200℃之前的熱處理溫度下電阻率有若干減少。推測這是由于as depo.的層疊結(jié)構(gòu)為缺陷比較多的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，通過熱處理使得缺陷被修復(fù)而減少的原因。以上，通過圖5顯示出在銅合金層22中添加的Ni量優(yōu)選為5at％以上。
圖6表示在實(shí)施例的電阻率評價(jià)用樣品的熱處理后XPS分析的結(jié)果。
具體地說，圖6表示在300℃的熱處理后電阻率的變化平緩的Cu-10.5at％Ni(實(shí)施例2的評價(jià)用樣品)的XPS分析結(jié)果。圖6的橫軸方向?yàn)闉R射測定對象的表面的時(shí)間，對應(yīng)于膜厚方向。即，在圖6中對應(yīng)于由左側(cè)開始的銅合金層22、硅層12、玻璃基板40。另外，縱軸對應(yīng)于元素濃度。參照實(shí)施例2的Cu-10.5at％Ni的評價(jià)用樣品的元素分布圖時(shí)，觀察到尖銳分離的Si的峰，考慮是由于銅合金層22的Cu向硅層12的擴(kuò)散產(chǎn)生的侵食較少。另外，觀察在硅層12和銅合金層22的界面Ni進(jìn)行富集的狀態(tài)。即，考慮在該Ni富集的區(qū)域中形成擴(kuò)散阻擋層。
圖7表示比較例的電阻率評價(jià)用樣品的熱處理后的XP S分析的結(jié)果。
具體地說，圖7表示由200℃開始電阻率上升的Cu-3.4at％Mg(比較例2的評價(jià)用樣品)的XPS分析結(jié)果。參照比較例2的評價(jià)用樣品的XP S分析的元素曲線圖時(shí)，觀察到Si的峰為梯形狀的同時(shí)，比Cu的曲線圖低，Cu分布于Si的分布位置，顯示出發(fā)生了Si和Cu的相互擴(kuò)散。另外，對于實(shí)施例的其他的評價(jià)用樣品也同樣，觀察到顯示電阻率平緩的樣品尖銳分離的Si的峰，另一方面電阻率上升的比較例的其他評價(jià)用樣品的Si的曲線，觀察為梯形狀中平緩的形狀。至少，相對于具有含有Ni的合金層的評價(jià)用樣品，在具有含有Mg的合金層的評價(jià)用樣品中，明確顯示出完全沒有形成阻擋層。
另外，XPS分析，是利用等離子體濺射評價(jià)用樣品表面并切削，定量分析露出的表面的原子的方法。在評價(jià)用樣品的切削表面觀察凹凸，曲線圖橫軸的深度的位置的分析值包含該位置前后的狀況。因此，在曲線圖中，通過實(shí)際的元素的分布，觀察到外觀上元素?cái)U(kuò)散看到的“裙”。
(擴(kuò)散阻擋層25的歐姆接合性及銅層30的電阻率評價(jià)) 接著，制成擴(kuò)散阻擋層25的對于硅層12的歐姆接合性及純銅層32的電阻率的評價(jià)用樣品(層疊結(jié)構(gòu)體2a)。層疊結(jié)構(gòu)體2a，與實(shí)施例1及2和比較例1～4的層疊結(jié)構(gòu)體2相比，除了在銅合金層22上形成由無氧銅(OxygenFree CopperOFC)構(gòu)成的純銅層32以外具有相同的構(gòu)成。因此，省略結(jié)構(gòu)的詳細(xì)說明。
圖8表示評價(jià)用樣品的歐姆接合性及銅層的電阻率的測定系統(tǒng)。
首先，制成具有玻璃基板40、和在玻璃基板40上形成的硅層12、和在硅層12上間隔形成的同時(shí)，由上面觀察為3mm見方的多層的銅合金層22、和多個(gè)銅合金層22的各個(gè)上設(shè)置的純銅層32的層疊結(jié)構(gòu)體2a。實(shí)施例3的評價(jià)用樣品，與實(shí)施例1的評價(jià)用樣品對應(yīng)。另外，實(shí)施例4的評價(jià)用樣品，與實(shí)施例2的評價(jià)用樣品對應(yīng)。同樣地進(jìn)行操作，比較例5～8的評價(jià)用樣品分別與比較例1～4的評價(jià)用樣品對應(yīng)。另外，純銅層32是由3N的無氧銅構(gòu)成的層。
實(shí)施例3及4的銅合金層22，在作為主材料Cu靶材的表面粘貼Ni芯片進(jìn)行濺射，從而形成在硅層12上。濺射裝置使用高頻率(RF)磁控管濺射裝置。接著，硅層12、銅合金層22及純銅層32的形成的任一個(gè)，濺射條件為在純氬氣(Ar)的等離子體、1Pa的室內(nèi)壓力、300W的功率下實(shí)施。另外，作為比較例5制成具有與實(shí)施例3及4的Ni組成不同的銅合金層的層疊結(jié)構(gòu)體，作為比較例6～8制成將作為襯底層的銅合金層變成Cu-Mg系合金的層疊結(jié)構(gòu)體。表2表示實(shí)施例及比較例的層疊結(jié)構(gòu)體的結(jié)構(gòu)的詳細(xì)情況和濺射條件。
[表2]
注1實(shí)施例的評價(jià)樣品的添加濃度為5、10。
注2M為添加元素。
注3數(shù)值為目標(biāo)值。
接著，將評價(jià)由Cu-Ni合金構(gòu)成的銅合金層22/硅層12間的歐姆接合性作為目的，如圖8所示使探針52接觸2個(gè)純銅層32的表面(以下，將由銅合金層22和純銅層32構(gòu)成的部分稱為“電極墊”)來測定。探針52分別連接數(shù)字萬用表。
圖9表示實(shí)施例4的評價(jià)用樣品的歐姆接合性的評價(jià)結(jié)果。
實(shí)施例4的評價(jià)用樣品(銅合金層22Cu-10.5at％Ni、300℃熱處理)中，電流-電壓特性為大致的直線。因此，在實(shí)施例4的評價(jià)用樣品中，顯示在擴(kuò)散阻擋層26與硅層12之間獲得歐姆接合。另外，其他評價(jià)用樣品(實(shí)施例3及比較例5～8的評價(jià)用樣品)的任一個(gè)，熱處理溫度即使為200℃、250℃及300℃的任一溫度，電流-電壓特性也顯示出大致的直線并獲得歐姆接合性。
另外，與圖4中說明的方法同樣進(jìn)行操作，使四根探針52接觸1個(gè)電極墊來測定純銅層32/銅合金層22的電阻率。另外，電阻率根據(jù)純銅層32的膜厚計(jì)算。將其結(jié)果與擴(kuò)散阻擋性、歐姆接合性同時(shí)示于表3。
[表3]
注1)實(shí)施例3及4、和比較例5～8。
注2)“-”表示沒有評階。
就擴(kuò)散阻擋性有無的評價(jià)而言，沒有觀測到由熱處理引起的電阻率的上升，通過XPS分析觀測到尖銳分離的Si的峰時(shí)，作為具有擴(kuò)散阻擋性(○)。另外，符合觀測到由熱處理引起的電阻率的上升、或通過XPS分析沒有觀測到尖銳分離的Si的峰時(shí)的任一方或雙方時(shí)，作為無擴(kuò)散阻擋性(×)。
就歐姆接合性的有無的評價(jià)而言，電流-電壓特性為大致的直線沒有顯示出拐點(diǎn)時(shí)，具有歐姆接合性(○)，顯示出拐點(diǎn)時(shí)，無歐姆接合性(×)。
其結(jié)果，比較例5～8的調(diào)查用樣品沒有獲得擴(kuò)散阻擋性。由于沒有擴(kuò)散阻擋性，在比較例5～8的評價(jià)用樣品中，硅層12的作為半導(dǎo)體的特性劣化。另外，在比較例6～8的調(diào)查用樣品中，由Cu向硅層12的擴(kuò)散，在硅層12產(chǎn)生了不能忽視的泄漏電流。因此，對于比較例6～8的調(diào)查用樣品的純銅層32的電阻率沒有測定。
另一方面，實(shí)施例3及4中，通過在銅合金層22添加5.2at％以上的Ni，對于200℃的加熱處理發(fā)揮擴(kuò)散阻擋性的同時(shí)，顯示得到可維持純銅層32的低電阻率的層疊結(jié)構(gòu)。即，實(shí)施例3及4中，通過抑制Cu由銅合金層22向硅層12的擴(kuò)散，可抑制硅層12的作為半導(dǎo)體的特性劣化的同時(shí)，可抑制泄漏電流。
另外，將有效抑制硅到達(dá)純銅層32作為目的，具有數(shù)十納米以上的厚度來形成銅合金層22。作為一例，具有40nm左右的厚度來形成銅合金層22，進(jìn)而優(yōu)選具有50nm以上的厚度來形成。
以上，說明本發(fā)明的實(shí)施方式及實(shí)施例，但上述記載的實(shí)施方式及實(shí)施例不限定權(quán)利要求范圍的發(fā)明。另外應(yīng)留意，實(shí)施方式及實(shí)施例中說明了的特征組合的全部不一定必須是用于解決發(fā)明課題的手段。
權(quán)利要求
1.一種配線結(jié)構(gòu)，其特征在于，其具有硅層、
和設(shè)置于所述硅層上的由添加了鎳(Ni)的銅合金構(gòu)成的襯底層、和設(shè)置于所述襯底層上的銅層，
使所述Ni在包含所述硅層和所述襯底層之間的界面在內(nèi)的區(qū)域富集，由此形成具有導(dǎo)電性的擴(kuò)散阻擋層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的配線結(jié)構(gòu)，其中，所述擴(kuò)散阻擋層，在加熱所述硅層和所述襯底層時(shí)，由構(gòu)成所述硅層的硅(Si)和所述襯底層的銅(Cu)和移動(dòng)至所述界面的所述Ni形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的配線結(jié)構(gòu)，其中，所述擴(kuò)散阻擋層歐姆接觸于所述硅層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的配線結(jié)構(gòu)，其中，所述襯底層具有形成發(fā)揮擴(kuò)散阻擋性的所述擴(kuò)散阻擋層的Ni濃度來被設(shè)置于所述硅層上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的配線結(jié)構(gòu)，其中，所述銅層由3N以上純度的無氧銅構(gòu)成。
6.一種配線結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，其具有在無氧氣氛下，在硅層上形成由添加了鎳(Ni)的銅合金構(gòu)成的襯底層的襯底層形成工序；
和在所述襯底層上形成銅層的銅層形成工序；
和對所述硅層和所述襯底層實(shí)施熱處理，使所述Ni富集在所述硅層和所述襯底層的之間的界面，由此形成具有導(dǎo)電性的擴(kuò)散阻擋層的擴(kuò)散阻擋層形成工序。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的配線結(jié)構(gòu)的制造方法，其中，所述銅合金由銅(Cu)和添加在所述Cu中的5at％以上的Ni和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的配線結(jié)構(gòu)的制造方法，其中，在所述擴(kuò)散阻擋層形成工序中，在真空中對所述硅層和所述襯底層實(shí)施200℃～300℃的所述熱處理。
全文摘要
本發(fā)明提供可獲得對硅的歐姆接合的同時(shí)、抑制元素向硅中的擴(kuò)散的配線結(jié)構(gòu)及配線結(jié)構(gòu)的制造方法。本發(fā)明的配線結(jié)構(gòu)(1a)，其具有硅層(10)、和設(shè)置于硅層(10)上的、由添加了鎳(Ni)的銅合金構(gòu)成的襯底層(20)、和設(shè)置于襯底層(20)上的銅層(30)，使Ni在包含硅層(10)和襯底層(20)之間的界面在內(nèi)的區(qū)域富集，由此形成具有導(dǎo)電性的擴(kuò)散阻擋層(25)。
文檔編號(hào)H01L21/768GK101728358SQ200910141770
公開日2010年6月9日 申請日期2009年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月17日
發(fā)明者辰巳憲之, 外木達(dá)也 申請人:日立電線株式會(huì)社