降低鋁銅合金偏析物析出的方法
2023-07-28 15:36:36 1
專利名稱：降低鋁銅合金偏析物析出的方法
技術領域：
本發明涉及一種改善半導體工藝鋁銅合金導線成品率的方法，特別涉及一種用來降低鋁銅合金層析出e相鋁銅化合物，以提高鋁銅合金導線成品率的方法。
技術背景在半導體工藝中，需要通過金屬線將晶片內數百萬顆甚至數十億顆電晶體相互連接，這 像迷宮般的複雜網絡就是晶片的導線結構。隨著集成電路技術的發展，為持續提升ic的積集成度，增加組件運作的速度與功能，依照摩爾定律(Moore' s Law)的預測，約以18個月便 可在相同晶片內增加一倍電晶體數量。鋁在集成電路中是最廣泛應用的一種金屬，其具有電阻係數低、能夠自行在表面形成一 緻密的氧化層、鋁與二氧化矽基底的附著性良好、沉積和蝕刻技術成熟等優點，因此使用於 半導體工藝的時間近三十年，至今仍有大部分的工藝使用鋁來做為金屬聯接的材料。但是， 隨著積集度的增加，鋁導線結構隨之微縮時，在電致遷移(Electromigration)等材料特性 上的限制，鋁導線線寬並不能像電晶柵極的通道長度一般的進行縮短，導致新的工藝技術相 應而生，較為常見的金屬連接線工藝材質改採以沉積鋁-銅(Al-Cu)合金，以鋁為主要成分， 銅約佔0.5~2%，以用來防止電致遷移。但是，鋁-銅合金的工藝溫度於接近300'C時，這樣的溫度將導致過飽和的銅含量以e相 之鋁銅化合物析出於晶界上與鋁基底內，使得後續在進行該鋁-銅合金金屬層的圖案化蝕刻工 藝時，成品率大幅度下降。因此本發明針對上述問題提出一種降低鋁銅合金偏析物析出的方法，來改善上述缺點。 發明內容本發明的主要目的在於，提供一種降低鋁銅合金偏析物析出的方法，其利用一額外的退 火工藝來使析出於鋁銅合金晶界的0相鋁銅合金能夠獲得足夠擴散動能重新擴散進入晶片 中，而降低對鋁銅合金金屬層進行導線圖案化蝕刻時，0相銅所引起的工藝失效。本發明的另一目的在於，提供一種降低鋁銅合金偏析物析出的方法，其能夠有效的提高 使用鋁銅合金導線的成品率，並進而降低工藝成本。 為達上述目的，本發明採用發下技術方案一種降低鋁銅合金偏析物析出的方法，其中該鋁銅合金金屬層作為半導體組件的金屬導 線層，該方法將已沉積有鋁銅化合物層的一晶片置入一通有氮氣或氦氣的工藝工具內進行一退火處理，以使偏析於晶界上的e相鋁銅化合物再次擴散進入鋁基底內。本發明利用退火處理使原偏析於鋁銅合金晶界的0相鋁銅合金，以獲得足夠的擴散能量，而使銅離子重新擴散進入晶格基底內，進而大幅度的降低現有技術中因晶界上e相鋁銅合金 所造成的成品率偏低的情況。以下結合附圖及實施例進一步說明本發明。
圖i系鋁銅合金的相圖。圖2至圖4為本發明晶相結構示意圖，用來說明實施本發明工藝步驟時晶相的結構改變。標號說明 io基底12銅原子14 e相鋁銅合金16晶界具體實施方式
一種降低9相鋁銅合金偏析物析出的方法，其利用一退火處理對作為導線的鋁銅合金金 屬層進行再次熱處理，而使因為溫度降低至固溶溫度以下而偏析於晶格位置的鋁銅合金獲得 足夠的熱能進行再次擴散。當以鋁銅合金化合物金屬層為導線時，其工藝步驟系利用化學汽相沉積(CVD)、物理氣 相沉積(PVD)或者改良式物理氣相沉積法先沉積鋁銅合金化合物金屬層於一晶片上，此時晶 片上可以是已經完成必要組件如柵極、隔離結構等的製作。然而，不管是利用化學氣象沉積、 物理氣相沉積或者改良式物理氣相沉積法，因為在40(TC以上的工藝步驟，會導致矽擴散進入 鋁，鋁也會回填矽因擴散所遺留下來的空隙，因此工藝溫度往往維持在300t:下，但是這樣的 工藝溫度將使沉積於晶片上的鋁銅合金並無急速冷卻至室溫達到過飽和固溶，而是轉而析出e相的鋁銅合金化合物於晶界上，請參閱圖i所示，其為鋁銅合金的相圖，由相圖可輕易的
發現到這樣處理的溫度，使得銅佔0.5 2%的鋁-銅合金金屬導線層由原本固溶的鋁銅合金因 降溫工藝處理溫度300°C，超過於固線(solvus line)的銅含量，偏析於晶界或者基底內， 並成長，如此將造成後續進行鋁銅合金導線層圖案化蝕刻時，因9相的鋁銅合金化合物無法 於一蝕刻劑移除，而產生成品率不佳的情況。因此，本發明對以完成沉積銅鋁合金金屬層的晶片，置於爐管內，通入氮氣或者氦氣於 40(TC溫度環境下進行退火，其結晶結構的轉變，請參閱圖2至圖4。首先，銅鋁合金金屬層 沉積後的鋁銅合金晶相圖如圖2所示此時銅離子12固溶於鋁基底10中，但因為接續工藝溫 度屬於略低於30(TC的環境，因此e相的鋁銅合金化合物14逐漸偏析於晶界16上，如圖3所 示，接續進行一退火(annealing)工藝，將晶片至入一單一晶片工藝工具(例如爐管)中， 並通入氮氣或者氦氣於40(TC溫度環境下進行退火，使偏析於晶界的e相鋁銅合金14，獲得 足夠的動能擴散進入晶格基底10內，其0相的鋁銅合金14將隨著擴散進入晶格內的銅12原 子數量增加，而逐漸縮小，形成如圖4所示的晶相，隨後在進行鋁銅合金圖案化工藝，此時因為e相的鋁銅合金相已經相對降低，能夠有效的避免因e相的鋁銅合金相所造成的蝕刻工藝失效。綜上所述，本發明提供的降低鋁銅合金偏析物析出的方法，利用退火處理使原偏析於鋁銅合金晶界的e相鋁銅合金，以獲得足夠的擴散能量，而使銅離子重新擴散進入晶格基底內， 進而大幅度的降低現有技術中因晶界上e相鋁銅合金所造成的成品率偏低的情況。以上所述的僅為本發明一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施的範圍，因此凡依 照本發明申請專利範圍所述的形狀、構造、特徵及精神所作的等同變化與修飾，均應涵蓋在 本發明的專利保護範圍內。
權利要求
1、一種降低鋁銅合金偏析物析出的方法，其特徵在於該鋁銅化合物系作為半導體組件的金屬導線層，該方法系將已沉積鋁銅化合物的一晶片置入一通有氮氣或氦氣的工藝工具內進行一退火處理，以使偏析於晶界上的θ相鋁銅化合物再次擴散進入鋁基底內。
2、 如權利要求1所述的降低鋁銅合金偏析物析出的方法，其特徵在於該晶片上有多個柵極、 隔離結構組件。
3、 如權利要求l所述的降低鋁銅合金偏析物析出的方法，其特徵在於該銅鋁化合物沉積於 該半導體基底上的方法可以為化學汽相沉積、物理氣相沉積或者改良式物理氣相沉積法。
4、 如權利要求l所述的降低鋁銅合金偏析物析出的方法，其特徵在於該退火處理溫度為 400 °C 。
5、 如權利要求1所述的降低鋁銅合金偏析物析出的方法，其特徵在於該工藝工具為一爐管。
全文摘要
本發明提供一種降低鋁銅合金偏析物析出的方法，其利用一退火工藝以使偏析於鋁銅合金晶界上的θ相鋁銅合金，克服位能能障，自晶界擴散進入鋁基底內，而有效的降低後續對鋁銅合金層進行圖案導線工藝時，因θ相鋁銅合金所造成的工藝成品率偏低。
文檔編號H01L21/02GK101159236SQ200610116930
公開日2008年4月9日 申請日期2006年10月8日 優先權日2006年10月8日
發明者楊織森 申請人:上海宏力半導體製造有限公司