專利名稱：金屬膜內(nèi)晶粒生長控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及在底物上構(gòu)成薄膜沉積的方法，更具體地說，涉及一種在金屬薄膜已沉積于底物上后控制其晶粒結(jié)構(gòu)生長的方法。
在最大規(guī)模集成電路器件生產(chǎn)中應(yīng)用各種各樣的薄膜。這些薄膜可以是熱生長或沉積于底物上的。薄膜可以是金屬的、半導(dǎo)體的，或絕緣體的。
在底物上沉積膜的方法有好幾種。其方法之一是可在真空室中進(jìn)行，被稱為物理蒸氣沉積或真空濺鍍膜(濺射)法。另一種方法是可在池槽中進(jìn)行的，被稱為電鍍法。
現(xiàn)已知，經(jīng)濺射沉積的銅膜具有在室溫下隨時間變化的沉積態(tài)特征微結(jié)構(gòu)。這種現(xiàn)象，帕坦J.W(Patten)當(dāng)然在“厚偏壓濺射銅沉積物的室溫再結(jié)晶”一文中已證明過，見“應(yīng)用物理學(xué)雜志”，第42卷，第11期，4371-77頁，(1971,10月)。
該研究指出，對于電鍍銅，這種電鍍態(tài)銅有一種微細(xì)晶粒的微結(jié)構(gòu)，其平均晶粒尺寸小于100nm。在電鍍態(tài)膜中的這種微結(jié)構(gòu)的證明也由反向-散射吉庫奇衍射法(BKD)(Back-scattered KikuchiDiffraction)所肯定。這種電鍍態(tài)銅儲存于室溫下8至10小時期間內(nèi)，未見微細(xì)晶粒微結(jié)構(gòu)變化，此期間稱為誘導(dǎo)期，而在誘導(dǎo)期后的后10-20小時內(nèi)，觀察到有晶粒長大，接著此微結(jié)構(gòu)達(dá)到一種表觀穩(wěn)定的狀態(tài)，具有一種平衡的結(jié)構(gòu)。
要想利用銅的微細(xì)晶粒微結(jié)構(gòu)，在電鍍銅后20小時之內(nèi)必須完成某些關(guān)鍵處理步驟。這種要求難于適應(yīng)例如沉積態(tài)底物在框架上可能擱置過周末的生產(chǎn)環(huán)境。
也已知的是，通過在高溫下加熱銅的方法，銅微結(jié)構(gòu)中晶粒的生長可在幾分鐘之內(nèi)完成。加熱金屬改變其微結(jié)構(gòu)是一種已被確定的冶金方法。但是，據(jù)認(rèn)為，對于像銅塊這樣的金屬要得到其微結(jié)構(gòu)的適宜變化，需將其加熱至比較高的溫度，至少350℃。這一點(diǎn)在“金屬手冊”(第九版，美國金屬協(xié)會，金屬園地，俄亥俄，1981)第四卷，719-728頁已經(jīng)證實(shí)。
幾家半導(dǎo)體廠商正在用銅布線替代目前鋁線互接的金屬化，因為銅具有最好的導(dǎo)電性和電子遷移性能。有可能使用幾種沉積技術(shù)，其中一種是電鍍。電鍍的優(yōu)點(diǎn)是極好的溝槽充填性和能生產(chǎn)殘余應(yīng)力幾乎為零的銅膜。
電鍍銅連結(jié)可用于配電及信號傳輸二者的多芯片組件。對于更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，可要求多層布線。在此領(lǐng)域這些布線層(wiring levels)的制作是眾所周知的。電鍍銅的晶粒結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵。如果電鍍銅具有微細(xì)晶粒的微結(jié)構(gòu)，刻蝕會得到光滑表面。但是，如果電鍍銅是大晶粒的微結(jié)構(gòu)，刻蝕會形成粗糙表面。粗糙表面有害，因為這樣的表面會防礙精確測量沉積在布線上聚酰胺層的厚度。
常規(guī)用于在底物上沉積金屬薄膜的方法缺陷在于，在薄膜沉積在底物上之后，仍然需要有一種能夠控制金屬薄膜的晶粒結(jié)構(gòu)生長的方法。
為滿足這樣或那樣的要求，和從其目的出發(fā)，本發(fā)明提供一種在底物上沉積具有不同微結(jié)構(gòu)的金屬薄膜的方法。這種方法能夠控制微結(jié)構(gòu)中晶粒的生長，并且在一組實(shí)施方案中包括下述步驟(a)、將金屬薄膜沉積在底物上，形成一種具有微細(xì)晶粒微結(jié)構(gòu)的薄膜，(b)、在溫度70-100℃范圍加熱此金屬薄膜至少5分鐘，以使此微細(xì)晶粒的微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為一種穩(wěn)定的大晶粒微結(jié)構(gòu)。
在另一組實(shí)施方案中，在沉積步驟(a)之后，于溫度不超過-20℃下冷凍此金屬薄膜，其中使該微細(xì)晶粒的微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而在整個冷凍期中無晶粒長大。
當(dāng)然，前面的一般描述和下述的詳細(xì)說明都是示范性的，而非對本發(fā)明的限制。
結(jié)合附圖閱讀下述說明，會對本發(fā)明理解更為充分。附圖包括下述圖形

圖1為具有微細(xì)晶粒微結(jié)構(gòu)的電鍍銅膜的X射線衍射掃描；圖2為具有大晶粒微結(jié)構(gòu)的電鍍銅膜的X射線衍射掃描；以及圖3為一從電鍍槽池中取出的電鍍銅膜的表面電阻與時間的關(guān)系圖。
電鍍銅膜從電鍍槽池中一取出即具有特征的微結(jié)構(gòu)。這種微結(jié)構(gòu)此后稱之為“A型”微結(jié)構(gòu)。A型微結(jié)構(gòu)屬于微細(xì)晶粒的，其平均晶粒粒度在100nm以下。此微細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)在電鍍膜態(tài)下的證明已用反向散射吉庫奇衍射法(BKD)加以確定。
在8-10小時內(nèi)未觀察到結(jié)構(gòu)有何變化，此時間被稱為誘導(dǎo)期。在誘導(dǎo)期后的10-20小時內(nèi)已觀察到晶粒長大，然后微結(jié)構(gòu)達(dá)到一種表觀平衡結(jié)構(gòu)，或達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。這種新的微結(jié)構(gòu)此后稱之為“B型”微結(jié)構(gòu)。B型微結(jié)構(gòu)晶粒大，其平均晶粒粒度在1000nm以上。
如果讓A型銅在室溫(約25℃)下保持至少24小時的時間，它就會轉(zhuǎn)化為B型銅。B型銅可以于室溫下存放更長的時間(30天以上)，而不會有微結(jié)構(gòu)的變化。
A型和B型微結(jié)構(gòu)電鍍銅膜的X射線衍射掃描圖分別示于圖1及圖2中。圖1為電鍍銅膜從電鍍槽中取出后30分鐘所進(jìn)行的掃描。圖2為從電鍍槽中取出后約45小時所進(jìn)行的掃描。在整個試驗期間中銅膜保持于室溫之下。
如圖所示，A型微結(jié)構(gòu)以大而聚集的衍射區(qū)為特征，在X射線衍射圖上形成非常寬的峰。B型微結(jié)構(gòu)在X射線衍射圖上形成的是比A型微結(jié)構(gòu)更窄的峰。B.D.庫里特(Cullity)關(guān)于“X射線衍射原理”一書第281-323頁(第二版，愛迪生-威士勒書社，瑞丁，麻薩諸塞州，1978)是一份用于表征如銅等多晶材料的X射線衍射技術(shù)的很好參考資料。
將銅放置于溫度在-20℃或更低的控溫環(huán)境下，可以使銅由A型變換為B型的引發(fā)過程延遲一段較長的時間(至少92小時)。此外，將銅在低溫(高于60℃，但不超過100℃)下進(jìn)行加熱，在幾分鐘之內(nèi)就可使銅完成從A型至B型的轉(zhuǎn)化。
電鍍銅膜從A型至B型的快速轉(zhuǎn)化是未曾預(yù)料到的。如前所述，它原被認(rèn)為是，要獲得其微結(jié)構(gòu)的適宜變化，對諸如塊銅的金屬必須加熱至少至350℃。
本發(fā)明人采用原位高溫X射線衍射法，測定了A型銅轉(zhuǎn)化為B型的速率。下表列出了預(yù)先已在各種溫度25-60℃下經(jīng)過加熱的電鍍銅在室溫下完成這種變換的時間。
表1銅由A型至B型的變換
J.W.帕坦(Patten)等人指出，在保持室溫之下，真空濺鍍膜銅的電阻會隨時間而變化。因此，可利用電阻作為不同于X射線衍射的另一種對銅變換的監(jiān)測器。圖3是對覆蓋層銅膜的表面電阻變化的示意說明。此圖包括初期相應(yīng)于A型微結(jié)構(gòu)的初期高電阻狀態(tài)。經(jīng)過一段時間后，該電阻下降直至達(dá)到相應(yīng)于B型微結(jié)構(gòu)的最終穩(wěn)定狀態(tài)。達(dá)到最終穩(wěn)定狀態(tài)所需時間，以及在發(fā)生這種變化之前的時間(稱之為“誘導(dǎo)期”)取決于諸如沉積方法、銅膜厚度以及沉積后該銅膜所保持的溫度等因素。
當(dāng)然，在布線時，最好將低電阻的電鍍銅膜用于芯片或芯片載體，因為電阻對銅絲性能是關(guān)鍵的。也可以使電鍍銅具有固定表面電阻，以便得到電鍍態(tài)銅膜的特定電阻。
應(yīng)當(dāng)理解，完成沉積態(tài)銅膜A型至B型的變換的時間可以被大大縮短(見表1所示)，因此，這也可能是降低電鍍態(tài)銅膜的表面電阻的時機(jī)。
這樣就發(fā)現(xiàn)了一種生產(chǎn)銅膜方法，使其表面電阻比原生沉積態(tài)銅膜低并具有均一穩(wěn)定的大晶粒微結(jié)構(gòu)(B型)。一種優(yōu)選的方法包括在鍍銅后立即漂洗底物。漂洗步驟為用其溫度至少70℃但不超過100℃的熱去離子水進(jìn)行漂洗，時間不短于5分鐘。該優(yōu)選方法是基于本發(fā)明人曾已指出的這種晶粒生長屬于純動力學(xué)過程的事實(shí)。
此方法現(xiàn)已用較好的結(jié)果試驗加以證實(shí)。電鍍銅膜厚5微米、直徑100mm的膜片用70℃的去離子水漂洗處理，并表明已達(dá)到了大晶粒平衡狀態(tài)(B型)。
也采取過各種其它方法，諸如(1)電鍍后加熱爐回火，及(2)將其它添加劑電鍍至底物中。電鍍后加熱爐回火已取得成功。但優(yōu)選的方法優(yōu)于加熱爐回火法在于，它易于被集成在電鍍裝配線路中。
因此，該優(yōu)選方法提供了一種可加速A型微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為B型微結(jié)構(gòu)的手段。這種加速是通過在100℃以下的溫度條件下加熱電鍍后的底物方法實(shí)現(xiàn)的。加速的程度取決于所選的溫度。例如，一片電鍍銅膜，置于去離子水槽中，保持70℃至少5分鐘，就會從A型微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為B型微結(jié)構(gòu)。
應(yīng)當(dāng)理解，加熱爐回火也可以是一種加速A型微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為B型微結(jié)構(gòu)的方法。再者，這種加速也可以通過在溫度低于100℃的烘箱中加熱電鍍態(tài)底物的方法實(shí)現(xiàn)。加速的程度取決于所選溫度。例如，一片電鍍銅膜，置于70℃的烘箱中至少5分鐘，就會從A型微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化B型微結(jié)構(gòu)。
此外，因為電鍍金屬的晶粒長大看來是屬于動力學(xué)推動的，因此發(fā)現(xiàn)了一種減慢或抑制晶粒生長的方法。換句話說，發(fā)現(xiàn)了一種減慢或抑制引發(fā)A型電鍍膜轉(zhuǎn)化的方法。這種方法可通過將沉積態(tài)金屬膜保持在低于室溫的溫度下實(shí)現(xiàn)。延遲的程度取決于所選的溫度。例如維持銅金屬在-20℃就可延遲引發(fā)這種轉(zhuǎn)化至少30天的時間。
已發(fā)現(xiàn)上述方法有利于生產(chǎn)底物中電鍍銅連接件或布線制品。如前所述，電鍍銅的晶粒結(jié)構(gòu)在刻蝕過程中是關(guān)鍵的。如果電鍍銅具有微細(xì)晶粒微結(jié)構(gòu)，刻蝕就可得到光滑表面。而如果電鍍銅具有大晶粒的微結(jié)構(gòu)，刻蝕結(jié)果則表面粗糙。粗糙表面有若干弊端。
本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，銅粗糙可能是由于晶粒室溫生長的緣故。這樣的晶粒生長可以造成對表面具有不同晶體平面朝向的大的銅晶粒。這些平面在刻蝕過程中刻蝕速度不同，致使銅粗糙。這種粗糙銅也可構(gòu)成刻蝕凹槽?？涛g凹槽又會導(dǎo)致后來金屬層不理想的金屬界面分布狀況?？涛g槽還可能引起廢渣及碎粒沉下，從而污染金屬與通路的界面等。這樣的界面在熱循環(huán)后可引起斷電，致使生產(chǎn)率下降和產(chǎn)生現(xiàn)場可靠性問題。
現(xiàn)已觀察到，如果刻蝕是在電鍍后立即進(jìn)行，得到的銅會有光滑的表面晶體結(jié)構(gòu)。這樣的表面，可以精確測定其聚酰胺覆蓋層的厚度，并可與連接通路形成良好的金屬粘結(jié)。但是，從對生產(chǎn)有利來看，這種刻蝕還不能立即實(shí)行。延遲24小時可能是必要的最低限度，延遲72小時(一周以上)則可能是常規(guī)生產(chǎn)條件所要求的。
因此，為獲得均勻的性質(zhì)和性能，最好是在后續(xù)處理步驟之前要對銅的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定。可能達(dá)到這種效果的方法是，在電鍍之后立即對底物進(jìn)行冷凍直至生產(chǎn)線已準(zhǔn)備好對晶種層進(jìn)行刻蝕。
曾進(jìn)行過下述試驗。利用對底物銅電鍍法，在直徑100毫米的Si芯片上電鍍上5微米厚的銅膜。在電鍍后立即將此芯片分為四份，一份用于作為對照，放置于室溫下24小時，同時將另外三份置于市售冷凍器中，保持-20℃。再每隔24小時從置于冷凍器中的三個樣品中取出一個。X射線衍射掃描表明，對照樣品具有B型微結(jié)構(gòu)，而這三個經(jīng)冷凍的樣品具有A型微結(jié)構(gòu)。在經(jīng)冷凍的樣品中，未觀察到晶粒長大。從而發(fā)現(xiàn)了一種抑制引發(fā)A型微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的方法，在刻蝕之前將沉積態(tài)金屬膜保持于-20℃以下直至生產(chǎn)或組裝線準(zhǔn)備好進(jìn)行刻蝕為止。
本發(fā)明還提供另一種可得到一種中間微結(jié)構(gòu)的方法，此后稱之為C微結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，C微結(jié)構(gòu)屬于一種其晶粒尺寸大于A型，卻小于B型的微結(jié)構(gòu)。
C型微結(jié)構(gòu)可以通過一種兩步驟的方法獲得。步驟1包括在100℃以下加熱沉積態(tài)金屬膜，同時用與溫度相關(guān)的方法監(jiān)視其微結(jié)構(gòu)的變化，如采用X射線衍射或表面電阻測定的方法。只要一達(dá)到所需微結(jié)構(gòu)，就開始實(shí)行步驟2。步驟2包括立即降低部分變換了的金屬膜的溫度至不高于-20℃。將該膜保持在冷凍器中，直至在裝配線中作好了下一步的準(zhǔn)備，如刻蝕。
盡管這里結(jié)合參考對某些特定的實(shí)施方案進(jìn)行了描述和說明，但并非打算將本發(fā)明限制在所述細(xì)節(jié)上。相反，在本發(fā)明權(quán)利要求的范圍之內(nèi)而又不至偏離本發(fā)明之實(shí)質(zhì)的情況下，在細(xì)節(jié)上可以作出各種各樣改進(jìn)。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并非受到僅為如銅膜的范圍限制。相反，本發(fā)明可以延伸至銅以外的其它金屬。對于各種金膜的室溫晶粒生長也已報告過。本報告提出可以將本發(fā)明推廣至金膜，甚至還可推廣至所有IB金屬。
還應(yīng)當(dāng)理解到的是，可將本發(fā)明推廣至任何金屬膜沉積方法。因此，這種沉積可以是采用槽池的電鍍方法或真空濺鍍鍍膜方法。
權(quán)利要求
1.一種控制沉積在底物上的薄金屬膜微結(jié)構(gòu)中晶粒長大的方法，該方法包括步驟(a)、在底物上沉積一種金屬膜，形成一層具有微細(xì)晶粒微結(jié)構(gòu)的薄膜，和(b)、在70-100℃的溫度范圍內(nèi)加熱此金屬膜至少5分鐘，其中微細(xì)晶粒微結(jié)構(gòu)被轉(zhuǎn)化為一種穩(wěn)定的大晶粒的微結(jié)構(gòu)。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其中步驟(b)包括將該金屬膜浸于溫度在70-100℃范圍的去離子水溶液中。
3.按照權(quán)利要求2的方法，其中該金屬膜是一種銅或金的金屬膜。
4.按照權(quán)利要求3的方法，其中沉積步驟包括在底物上電鍍該金屬薄膜。
5.按照權(quán)利要求1的方法，其中步驟(b)包括將該金屬膜放置于溫度在70-100℃的烘箱中。
6.按照權(quán)利要求5的方法，其中該金屬膜是一種銅或金的金屬膜。
7.按照權(quán)利要求6的方法，其中沉積步驟包括在底物上電鍍該金屬薄膜。
8.一種控制沉積在底物上薄金屬膜的微結(jié)構(gòu)中晶粒長大的方法，該方法包括步驟(a)、在底物上沉積一種金屬膜，形成一種具有微細(xì)晶粒的微結(jié)構(gòu)的薄膜，和(b)、將此金屬膜儲存于溫度不超過-20℃下，其中使微細(xì)晶粒的微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而在整個存儲期間晶粒不長大。
9.按照權(quán)利要求8的方法，其中其中該金屬膜是一種銅或金的金屬膜。
10.按照權(quán)利要求9的方法，其中沉積步驟包括在底物上電鍍該金屬薄膜。
11.在底物上形成多層布線中，一種控制布線中的晶粒生長的方法包括步驟(a)、在底物上沉積晶種層；(b)、在晶種層上沉積一種金屬，形成具有微細(xì)晶粒微結(jié)構(gòu)的一層膜；(c)、將此金屬膜儲存于溫度不超過-20℃的條件下，并(d)、在儲存步驟之后立即刻蝕該金屬膜，其中使微細(xì)晶粒微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定而晶粒不長大。
12.按照權(quán)利要求11的方法，其中電鍍膜是一種銅或金的金屬膜。
13.按照權(quán)利要求12的方法，其中晶種層是一層厚度小于200nm的銅層。
14.一種控制沉積在底物上薄金屬膜的微結(jié)構(gòu)中晶粒長大的方法，該方法包括步驟(a)、在底物上沉積一層金屬膜，形成具有微細(xì)晶粒的微結(jié)構(gòu)的一層膜，(b)、加熱此金屬膜，同時監(jiān)視微細(xì)晶粒的微結(jié)構(gòu)；(c)、當(dāng)此微細(xì)晶粒的微結(jié)構(gòu)變化為具有第二種類型晶粒的第二微結(jié)構(gòu)時，停止加熱步驟，和(d)、在溫度不超過-20℃的溫度下冷凍此第二微結(jié)構(gòu)，其中此第二微結(jié)構(gòu)在整個冷凍期中是穩(wěn)定的。
全文摘要
一種控制沉積在底物上的薄金屬膜(如銅或金)的微結(jié)構(gòu)中晶粒長大的方法。在一組實(shí)施方案中，該金屬膜是沉積在底物上，形成一種微細(xì)晶粒微結(jié)構(gòu)的一層膜。此膜在溫度70—100℃的范圍內(nèi)被加熱至少5分鐘，其中此微細(xì)晶粒微結(jié)構(gòu)就被轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的大晶粒的微結(jié)構(gòu)。在另一組實(shí)施方案中，在沉積步驟之后，將此電鍍膜儲存于溫度不超過－20℃的條件下，其中在整個儲存期中，此微細(xì)晶粒微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而晶粒未長大。
文檔編號H05K3/22GK1238394SQ9910719
公開日1999年12月15日 申請日期1999年6月9日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月10日
發(fā)明者P·W·德哈文, S·卡杰, C·C·高德史密斯, M·S·勒格雷, J·L·赫特, F·D·佩費(fèi)托 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司