[发明专利]提高集成电路中互连金属化性能的方法和组合物

说明书

本发明涉及半导体器件的制造。具体地，本发明涉及提高集成电路中互连金属化性能的技术。

在半导体集成电路(IC)的制造中，公知的金属化技术用于互连IC芯片不同层上的器件。通常，互连金属或金属线的性能(“金属化性能”)包括金属化工艺中的提供适当的电导率、易于腐蚀互连材料、减小电迁移以及降低资金投入和开发工作。

由此，在任何IC的设计中，重点考虑的通常是审查由于金属线的载流要求发生预期电迁移的程度。这通常很必要是由于设计者要知道在具有特定宽度的给定金属线中是否发生了太多的电迁移，是否形成了严重影响可靠性的孔隙。因此，当例如在功率和接地总线中流过高级别电流时，设计者通常需要增加金属线的宽度。在有些情况中，设计者不得已使特定的金属线非常宽，只是防止产生过多孔隙的可能性。然而，展宽的金属线增加了成本，是由于这要求半导体芯片比实现IC设计功能所需要的大。

电迁移通常认为是平均电流流过导体的结果。流动的电子将它们的动量由散射过程传递到金属原子。所述动量进而使金属原子在电子流方向中运动(即，质量传递)。因此，动量传递的量以及所得金属流随电流密度的增加而增加。所述材料流通常不均匀，张应力的区域在随时间材料净损耗的位置产生，压应力在随时间材料净增加的位置产生。张应力和压应力区域的产生导致产生了应力梯度。这些应力梯度也产生金属流，是由于应力驱使原子从高浓度区域(即，压应力)流动到低浓度(即，张应力)的区域。关于电迁移和电迁移的退化作用更详细的内容，可参考S.Skala和S.Bothra的文章，题目为“Effect of W-Plug Via Arrangement on ElectromigrationLifetime of Wide Lines Interconnects(W插座通孔装置对字线连接的电迁移寿命的影响)”，Proceedings of InterconnectTechnology Conference，San Francisco，CA，June(1998)。

电迁移空隙通常大多形成在互连线开始处。认为发生这种现象是由于当很可能发生在线末端的电迁移和应力的总合为零时，电迁移退化很可能停止。电迁移流动当线较短(例如，到它的终止端距离短)时它趋于停止，当线较长(例如，到它的终止端距离长)时它趋于继续的早期观察首先由I.A.Blech报道。根据金属线的长度定义电迁移的特性已广泛称做“Blech效应”。即，当特定宽度的金属线至少与给定的Blech长度一样短时，不会形成电迁移孔隙。关于Blech效应和Blech长度更详细的内容，可参考C.K.Hu，K.P.Rodbell，T.D.Sullivan，K.Y.Lee和D.P.Bouldin的文章，题目为“Electromigration and Stress-Induced Voiding in Fine Al andAl-alloy Thin-Film Lines(精细铝和铝合金薄膜线中的电适够和应力引入的成洞)”，IBM Journal of Research and Development，Vol.39，No.4，July1995，pp.465-497。

虽然Blech长度已广泛公知，但该概念通常不适用于许多互连金属线和电源总线，是由于这些线通常需要比Blech长度长，以满足功能规格。由此，设计者继续设计比需要宽的某些金属线以防止形成孔隙，产生开路或完全的功能失效。

Al-Cu合金为IC制造的多级金属化中金属线使用的一种类型的组合物。然而，如果在合金中使用太多的Cu，那么合金的电导率会降低，并且很难腐蚀该合金。在极端的情况下，虽然可以用双金属镶嵌工艺淀积纯铜，但需要大量的资金投入和开发工作为此方式提供纯Cu金属化。在减少这种资金和开发投入之前，已尝试使用Al基合金改善金属化性能。

Al-Cu合金遵循标准的溶解度曲线，其中对于低Cu重量百分比发生Al和Cu的固溶体。由此，在所述低Cu重量百分比处，Cu主要出现在Al的晶粒内，由此晶粒主要由Al组成。对于较高Cu重量百分比，合金组合物偏移到溶解度曲线的右部。在此过量的Cu以Al-Cu沉淀物的形式隔开晶粒间界。