專利名稱：半導(dǎo)體器件中的布線結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種布線結(jié)構(gòu)和一種包括這種布線結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，更具體地講，涉及一種雙鑲嵌布線結(jié)構(gòu)和一種包括這種雙鑲嵌布線結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件。
近來，隨著半導(dǎo)體器件的尺寸的減小和半導(dǎo)體器件操作速度提高，需要有一種構(gòu)成布線的、并且具有比鋁和鋁合金更低的電阻率和更高的電流密度的材料。作為一種滿足這些要求的材料，銅(Cu)引起了廣泛的注意。
當(dāng)把銅布線制成圖形結(jié)構(gòu)時，如果用與鋁布線相同的方式蝕刻銅布線，那么銅將受到蝕刻氣體和潮氣的有害影響，這是由于在銅布線內(nèi)部發(fā)生腐蝕造成的。因此，與鋁布線不同，不適合用光致抗蝕劑掩模和蝕刻氣體形成銅布線圖形。
作為一種形成銅布線圖形而不會發(fā)生腐蝕的方法，已知有一種鑲嵌法。鑲嵌法是一種在一個基層上形成銅布線的方法，包括在基層上形成凹槽、用銅填充凹槽、和研磨銅以除去不需要的部分銅等步驟。
當(dāng)在多布線層結(jié)構(gòu)中使上布線層與下布線層相互電連接時，形成貫穿夾在上和下布線層之間的中間層絕緣膜的通路孔，然后通過用金屬之類的導(dǎo)電體填充通路孔形成通路導(dǎo)體。通過這樣形成的通路導(dǎo)體，使上和下布線層相互電連接。
在這種方法中，如果在分離的步驟中形成上布線層和通路導(dǎo)體，那么會增加制造多層布線結(jié)構(gòu)所需的時間。因此，普遍采用了一種雙鑲嵌法，以便縮短上述的制造時間。在這里，雙鑲嵌法是一種包括在一個單一的共同步驟中用金屬填充在中間絕緣層中形成的通路孔和在上布線層中形成的凹槽，和研磨金屬以便使金屬僅保留在通路孔和凹槽中從而形成通路導(dǎo)體的步驟的方法。
在雙鑲嵌法中，通路導(dǎo)體一般是由銅構(gòu)成的，這與鑲嵌法類似。
已知銅電鍍膜具有許多10nm左右尺寸的空隙。這些空隙通過遷移聚集，集合到顆粒邊界，并且發(fā)展成更大的空隙。
電鍍銅具有比濺射形成的膜中的銅更大的顆粒。結(jié)果，在電鍍銅中可以形成具有較多結(jié)晶體的顆粒。這種具有較多結(jié)晶體的顆粒更可能形成在具有較大寬度的布線層中。這是由于布線層的側(cè)壁使結(jié)晶體降解。結(jié)果，具有小寬度的布線層通常具有少于具有較大寬度的布線層的結(jié)晶體。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，結(jié)晶體中的這種差別給出了以下造成空隙的因素。
(a)空隙在具有較大寬度的布線層中比在具有較小寬度的布線層中更有可能擴(kuò)散，因為具有較大寬度的布線層中的結(jié)晶體多于具有較小寬度的布線層中的結(jié)晶體。
(b)由于具有較大寬度的布線層中的結(jié)晶體多于具有較小寬度的布線層中的結(jié)晶體，因而具有較大寬度的布線層的自由能小于具有較小寬度的布線層的自由能。
(c)由于具有較大寬度的布線層中的結(jié)晶體多于具有較小寬度的布線層中的結(jié)晶體，因而，就表面能量而言，具有較小寬度的布線層中的顆粒的熱穩(wěn)定性小于具有較大寬度的布線層中的顆粒。
由于上述三個因素，發(fā)生了一種依賴于退火和尺寸，體積從具有小寬度的布線層向具有大寬度的布線層移動的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象被稱為聚集(agglomeration)。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，為了解決聚集限制能量梯度是有效的。因此，本發(fā)明人提出了一種解決由于將布線層連接到薄布線或小的通路接觸件時，依賴于布線層的面積或體積發(fā)生聚集的問題的方法。
如果在高溫下退火，銅傾向于聚集。例如，如果在高溫下給一個薄銅膜退火，薄銅膜將聚集成一個小的圓片。較薄的銅膜更有可能發(fā)生聚集現(xiàn)象。發(fā)生聚集的薄銅膜不能再用作構(gòu)成銅布線的材料。這是由于，如果銅膜發(fā)生聚集，那么銅膜必然包含空隙，結(jié)果將具有斷線之類的布線缺陷。
以下說明在根據(jù)慣用雙鑲嵌法制造的銅布線中觀察到的布線缺陷的例子。


圖1A是顯示由銅構(gòu)成的多層布線結(jié)構(gòu)的第一例子的橫截面圖。
首先，在一個下絕緣層104的表面上形成凹槽。然后在凹槽中形成下銅布線層105。
下銅布線層105是如下形成的，例如首先，通過濺射在凹槽的內(nèi)壁上沉積一個阻擋金屬層。然后，通過電鍍用銅填充凹槽。接下來，通過化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)除去沉積在下絕緣層104上的銅。因而，下銅布線層105僅形成在凹槽中。
在形成下銅布線層105之后，在下絕緣層104和下銅布線層105上形成作為中間絕緣層的一個氮化硅(SiN)層106，一個二氧化硅(SiO2)層107，一個氮化硅(SiN)層116，和一個二氧化硅(SiO2)層117。
然后，在中間絕緣層形成一個通路孔108。用抗蝕劑填充如此形成的通路孔108。此后，在選定的區(qū)域除去氮化硅(SiN)層116和二氧化硅(SiO2)層117，從而形成了要在其中形成上布線層的第二凹槽。
接下來，在第二凹槽和通路孔108保持暴露時，在一個共同的步驟中形成通路導(dǎo)體109和上布線層110。例如，通過濺射在第二凹槽和通路孔108的內(nèi)壁上沉積阻擋金屬層，然后，通過電鍍在阻擋金屬層上形成銅層。研磨除去沉積在二氧化物硅(SiO2)層117上的銅。
因此，形成了一個由通路導(dǎo)體109和上布線層110構(gòu)成的雙鑲嵌布線。
接下來，在上布線110上形成一個由氮化硅(SiN)層111和二氧化硅(SiO2)層112構(gòu)成的上絕緣層。
如上所述，在雙鑲嵌多層布線結(jié)構(gòu)中，使下布線層105和上布線層110相互電連接的通路導(dǎo)體109是由構(gòu)成上布線層110材料相同材料構(gòu)成的。例如，在圖1A中所示的第一例中，通路導(dǎo)體109和上布線層110都是由銅構(gòu)成的。
上述雙鑲嵌多層布線結(jié)構(gòu)伴隨著上述銅遷移造成的空隙的問題。圖1B，1C和1D中示出了空隙的例子。
圖1B示出了在幾乎是通路孔108的中央觀察到空隙120B的例子。在幾乎是通路孔108的中央觀察到的空隙120B使下布線層105和上布線層110相互電絕緣。
圖1C示出了在通路孔108的底部觀察到空隙120C的例子。與圖1B所示的空隙120B類似，在通路孔108的底部觀察到的空隙120C使下布線層105和上布線層110相互電絕緣。
圖2是用電子顯微鏡拍攝的在通路孔底部產(chǎn)生的空隙的照片。
圖1D示出了在通路導(dǎo)體109與下布線層105之間的邊界上，在下布線層105一側(cè)觀察到空隙120D的例子。盡管，與圖1B和1C所示的空隙120B和120C不同，空隙120D沒有產(chǎn)生在通路孔108的內(nèi)部，但是，與圖1B和1C中所示的空隙120B和120C一樣，空隙120D使下布線層105和上布線層110相互電絕緣。
圖1A至1C示出了在三維結(jié)構(gòu)的多層布線結(jié)構(gòu)中觀察到的空隙的例子?？障恫粌H產(chǎn)生在三維多層布線結(jié)構(gòu)中，而且也產(chǎn)生在二維平面結(jié)構(gòu)中。
圖3是顯示一種銅布線結(jié)構(gòu)的例子的平面圖。
如圖3中所示，具有第一布線寬度W1的第一布線層121與具有比第一布線寬度W1大的第二布線寬度W2的第二布線層122相互電連接。第一布線層121和第二布線層122形成在一個共同的層中，并且具有彼此相同的厚度。第一布線層121和第二布線層122是由銅構(gòu)成的。
在圖3所示的銅布線結(jié)構(gòu)中，如果第二布線層122的體積顯著大于第一布線層121的體積(由于第一布線層121和第二布線層122具有相同的厚度，因此可以用“面積”來代替“體積”)，在第一布線層121內(nèi)，銅發(fā)生聚集。結(jié)果，產(chǎn)生了從第一布線層121指向第二布線層122的拉應(yīng)力，因而第一布線層121被吸收到第一布線層122中。
結(jié)果是，在第一布線層121的一端產(chǎn)生空隙124。
如上所述，在都是通過雙鑲嵌法制造的三維多層布線結(jié)構(gòu)和二維平面布線結(jié)構(gòu)中，由于構(gòu)成一個布線層的銅的遷移產(chǎn)生了空隙，從而產(chǎn)生的空隙造成布線層之間的電絕緣。
因此，至今已經(jīng)提出了許多布線結(jié)構(gòu)來避免銅遷移造成的空隙。
作為這樣的布線結(jié)構(gòu)的一個例子，圖4A和4B示出了日本未審查專利公開No.2001-298084(A)中建議的一種鑲嵌布線結(jié)構(gòu)。
圖4A是上述公開中建議的鑲嵌布線結(jié)構(gòu)的上平面圖，圖4B是沿圖4A中的4B-4B線的剖面圖。
所示的鑲嵌布線結(jié)構(gòu)是由一個下布線層130，一個形成在下布線層130上的中間層絕緣膜131，和一個形成在中間層絕緣膜131上的上布線層132(用間斷線示出)構(gòu)成的。
中間層絕緣膜131在其表面上形成有凹槽131a，并且在凹槽131a的底部進(jìn)一步形成了到達(dá)下布線層130的通路孔133。通路孔133具有小于凹槽131a的寬度的直徑。
在通路孔133的周圍形成了四個從凹槽131a底部向上突出的突起134。突起134是由構(gòu)成中間層絕緣膜131的材料的相同材料構(gòu)成的。
上述公開中宣稱，圖4A和4B中所示的鑲嵌布線結(jié)構(gòu)可以避免由應(yīng)力遷移造成的諸如通常在上述銅布線中產(chǎn)生的空隙之類的缺陷，即使布線具有大的寬度，也就是說，大的體積。
但是，圖4A和4B中所示的鑲嵌布線結(jié)構(gòu)伴隨的問題是，必須進(jìn)行復(fù)雜的光刻和蝕刻步驟，以形成突起134，導(dǎo)致了制造產(chǎn)量的降低。
此外，由于在圖4A和4B所示的鑲嵌布線結(jié)構(gòu)中，突起134延伸到上布線層132中，因而將很難估計上布線層132的電阻率，和分析發(fā)生在上布線層132中的電流密度。
在這里，銅布線結(jié)構(gòu)不僅包括三維多層布線結(jié)構(gòu)，而且包括二維平面布線結(jié)構(gòu)。例如，這種銅布線結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于半導(dǎo)體器件。
在本發(fā)明的一個方面，提供了一種布線結(jié)構(gòu)，包括(a)具有第一布線寬度的第一布線，和(b)形成在形成第一布線的相同層中的、并且具有比第一布線寬度大的第二布線寬度的第二布線，第二布線電連接到第一布線，其中第一和第二布線都是由銅或主要含銅的合金構(gòu)成的，第一和第二布線具有彼此相同的厚度，并且第二布線的面積與第一布線的面積之比是N∶1，其中N等于或大于2,000，和等于或小于200,000,000(2,000≤N≤200,000,000)。
如下面將詳細(xì)說明的，如果第一和第二布線具有彼此相同的厚度，那么通過設(shè)定面積比N等于或大于2,000和等于或小于200,000,000(2,000≤N≤200,000,000)，可以避免第一布線中的銅遷移，從而避免了第一布線中的空隙的產(chǎn)生。
根據(jù)上述布線結(jié)構(gòu)，不需要形成諸如上述日本未審查專利公開No.2001-298084(A)中建議鑲嵌布線結(jié)構(gòu)的突起134之類的圖形。因此，可以通過簡化的制造步驟避免薄布線層中的銅遷移。
以下將說明上述本發(fā)明獲得的優(yōu)點。
本發(fā)明使得能夠不僅在三維多層銅布線結(jié)構(gòu)中，而且在二維平面銅布線結(jié)構(gòu)中，避免第一布線中銅遷移造成的空隙產(chǎn)生，因而進(jìn)一步避免了布線層之間的電絕緣。因此，使用了根據(jù)本發(fā)明的布線結(jié)構(gòu)的器件，例如，半導(dǎo)體器件，可以具有提高的可靠性。
圖10顯示試驗結(jié)果的曲線圖；圖11A是顯示試驗結(jié)果的曲線圖；圖11B是顯示試驗結(jié)果的曲線圖；圖12A是上和下布線層的上視圖；圖12B是一個通路接觸件的橫截面圖，帶有一個描繪為與通路接觸件的橫截面內(nèi)切的圓；圖12C是通路接觸件的另一個橫截面圖，帶有一個描繪為與通路接觸件的橫截面內(nèi)切的圓；圖13A是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的布線結(jié)構(gòu)的平面圖；圖13B是沿圖13A中的12B-12B的剖面圖；圖14是顯示通路導(dǎo)體的寬度與無缺陷率之間的關(guān)系的曲線圖；圖15A至15D是一種布線結(jié)構(gòu)的橫截面圖，示出了制造該布線結(jié)構(gòu)的方法的各個步驟；和圖16是表示通路導(dǎo)體的尺寸與無缺陷率之間的關(guān)系的曲線圖。
例如，布線結(jié)構(gòu)10可以用于半導(dǎo)體器件作為平面布線圖形的一部分。
布線結(jié)構(gòu)10是由第一布線層11，和一個電和物理連接到第一布線層11的第二布線層12構(gòu)成的。第一和第二布線層11和12是在共同的步驟中形成的，并且都是由銅(Cu)構(gòu)成的。
如圖5和6中所示，第一布線層11具有長度L1，寬度W1和高度H1，第二布線層12具有長度L2，寬度W2和高度H2。第二布線層12寬度W2大于第一布線層11的寬度W1(W2＞W(wǎng)1)。
第一布線層11的體積V1和第二布線層12的體積V2如下計算V1＝L1×W1×H1V2＝L2×W2×H2如果體積V2顯著大于體積V1(V2＞＞V1)，那么構(gòu)成第一布線層11的銅聚集，因而具有體積V1的第一布線層11被吸收到具有體積V2的第二布線層12中，結(jié)果在第一布線層11的一端產(chǎn)生空隙。
考慮到這種問題，發(fā)明人進(jìn)行了試驗，以便發(fā)現(xiàn)第一布線層11的銅不會被聚集，也就是說，第一布線層11不會被吸收到第二布線層12中的體積V1與V2之間的臨界比率。
根據(jù)試驗的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)通過將比率N設(shè)定為等于或大于2,000，但是等于或小于200,000,000(2,000≤N≤200,000,000)，可以避免第一布線層11中銅的遷移，因此避免了第一布線層11吸收到第二布線層12中，其中比率N定義為V2/V1。
還發(fā)現(xiàn)，比率N的上述2,000至200,000,000范圍中的最佳比率N的范圍是2,000至2,000,000。
如圖7中所示，如果將第一布線層11的高度H1和第二布線層12的高度H2設(shè)置為等于高度H(H1＝H2＝H)，那么定義為V2/V1的體積比率N等價于第一和第二布線層11和12的面積之間的面積比率。也就是說，比率N可以定義為L2·W2/L1·W1。
因此，如果高度H1和H2等于高度H(H1＝H2＝H)，那么要確定第一布線層11的長度L1和寬度W1，和第二布線層12的長度L2和寬度W2，以便使比率N如下定義2,000≤N＝L2·W2/L1·W1≤200,000,000。
以下說明確定比率N的范圍的試驗，及其結(jié)果。
圖8是試驗中使用的布線結(jié)構(gòu)的平面圖，圖9是沿圖8中IX-IX線的剖面圖。
如圖9中所示，試驗布線結(jié)構(gòu)是由多個排列成一行的下布線層15，和每個排列在相鄰下布線層15之間的、并且每個通過通路孔16與相鄰的下布線層15相互電連接的多個上布線層17構(gòu)成的。
每個下布線層15被設(shè)計為具有與圖5和7中所示的布線結(jié)構(gòu)10相同的結(jié)構(gòu)。更具體地講，每個下布線層15是由第一布線層15a，和一個電和物理連接到第一布線層15a的第二布線層15b構(gòu)成的。第一和第二布線層15a和15b形成在一個共同的層中，并且都是由銅(Cu)構(gòu)成的。
第二布線層15b具有3.0微米的長度L2，和3.0微米的寬度W2。
另一方面，第一布線層15a的長度L1在0.14微米、0.27微米、0.55微米和1.12微米之間變動。此外，對于上述四個長度L1中的每一個，第一布線層15a的寬度W1在0.14微米、0.20微米和0.28微米之間變動。也就是說，形成了第一布線層15a具有相互不同的長度L1和寬度W1的十二種布線結(jié)構(gòu)。
接下來，測量十二種布線結(jié)構(gòu)中的每一種的無缺陷率。
圖10是顯示十二種布線結(jié)構(gòu)中每一種的無缺陷率的曲線圖。
如圖10中所示，當(dāng)把寬度W設(shè)定為等于0.14微米、0.20微米或0.28微米時，長度L1越大，無缺陷率越高。
如果將容許無缺陷率設(shè)定為等于或大于80％，那么查看圖10可以知道，當(dāng)把寬度W1設(shè)定為等于0.14微米時，長度L1必須等于或大于0.40微米。
從圖10還可以看到，當(dāng)把寬度W1設(shè)定為等于0.20微米時，長度L1需要等于或大于0.20微米，并且當(dāng)把寬度W1設(shè)定為等于0.28微米時，長度L1需要等于或大于0.19微米。
在試驗中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，第一布線層15a可以具有等于或小于98納米的寬度W1。
盡管在上述試驗中將寬度W1設(shè)定為等于0.14微米、0.20微米、0.28微米或98納米，在試驗中也發(fā)現(xiàn)寬度具有±0.04微米的公差。因此，當(dāng)寬度W1等于0.14±0.04微米、0.20±0.04微米、0.28±0.04微米或98納米±0.04微米時，長度L1也必須在上述優(yōu)選范圍內(nèi)。
還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)诙季€層15b的寬度W2等于或大于1.12微米，并且第一布線層15a的長度L1等于或小于0.56微米時，第一布線層15a的寬度W1優(yōu)選等于或大于0.28微米。
對于包括具有0.14微米的長度L1的第一布線層15a的布線結(jié)構(gòu)、包括退火前的第一布線層15a的布線結(jié)構(gòu)、和包括已經(jīng)在150攝氏度退火的第一布線層15a的布線結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了有關(guān)無缺陷率的測量。如圖10中所示，在包括已經(jīng)在150攝氏度退火的第一布線層15a的布線結(jié)構(gòu)中的無缺陷率稍微降低。
考慮到上述試驗結(jié)果，定義為V2/V1的體積比率N優(yōu)選是在包括上、下限在內(nèi)的2,000至200,000,000的范圍內(nèi)，更好是在包括上、下限在內(nèi)的2,000至2,000,000的范圍內(nèi)。
如上所述，由于構(gòu)成第一布線層11或15a的銅的遷移，在第一布線層11或15a中產(chǎn)生空隙。銅根據(jù)多個參數(shù)聚集。這些參數(shù)之一是第一布線層的加熱溫度，和第一布線層的厚度。
因此，發(fā)明人進(jìn)行了試驗，以發(fā)現(xiàn)銅不聚集的溫度和厚度。
在試驗中，將第一布線層15a和第二布線層15b在室溫(RT)、50攝氏度、100攝氏度、150攝氏度、200攝氏度、300攝氏度、和400攝氏度下加熱，并且測量每個溫度下的銅分子之間的距離。
圖11A和11B是顯示試驗結(jié)果的曲線圖。圖11A示出了對具有相對較大的面積的第二布線層15b進(jìn)行的試驗的結(jié)果，圖11B示出了對具有相對較小的面積的第一布線層15a進(jìn)行的試驗的結(jié)果。在圖11A和11B中，坐標(biāo)軸指示銅分子的存在率，橫坐標(biāo)指示以埃為單位表示的銅分子與一個參考點之間的距離。
在圖11A和11B中，一個峰值指示銅分子在峰值存在，并且峰值的高度指示銅分子的存在率。如圖11A和11B中所示，在2.2埃左右、4.1埃左右、和4.8埃左右的距離發(fā)現(xiàn)峰值。因此，銅分子在這些距離存在。
在溫度等于或小于100攝氏度清楚地觀察到峰值。相反，在150攝氏度或更高的溫度觀察不到清楚的峰值。這表明如果在等于或大于150攝氏度的溫度退火，銅分子將顯著地?zé)嵴袷帲~分子將大大地獲得活動能力，導(dǎo)致銅分子不傾向于聚集，也就是說，不可能產(chǎn)生空隙。
因此，應(yīng)當(dāng)理解，為了防止在第一布線層15a中產(chǎn)生空隙，那么優(yōu)選在等于或大于150攝氏度的溫度給第一布線層15a退火。
還發(fā)現(xiàn)第一和第二布線層15a和15b的厚度T的優(yōu)選范圍是150納米至650納米(150nm≤T≤650nm)。
在上述試驗中，第一布線層15a是由銅構(gòu)成的。第一布線層15a不僅可以由銅構(gòu)成，而且也可以由主要含銅的銅合金構(gòu)成。
例如，第一布線層15a可以由諸如Cu-Al，Cu-Sn，Cu-Ag，Cu-Cr，Cu-Ti，Cu-Co或Cu-Mg之類的銅合金構(gòu)成。銅與其它金屬的混合比率是根據(jù)諸如第一布線層15a的退火溫度、第一和第二布線層15a和15b每個的寬度、長度和厚度之類的參數(shù)確定的。
如上所述，為了防止第一布線層15a中產(chǎn)生空隙，第一布線層15a優(yōu)選在等于或大于150攝氏度的溫度下退火。這僅是當(dāng)?shù)谝徊季€層15a僅由銅構(gòu)成的情況。
發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，如果第一布線層15a是由銅合金構(gòu)成的，那么第一布線層15a需要在高于150攝氏度的溫度退火。
更具體地講，如果第一和第二布線層15a和15b是由主要含銅的銅合金構(gòu)成的，那么第一和第二布線層15a和15b可以在高于由銅構(gòu)成的第一和第二布線層15a和15b退火溫度的溫度下退火。
發(fā)明人進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了在圖9中所示的布線結(jié)構(gòu)中的通路接觸件16的尺寸與上布線層17和下布線層15的最佳寬度之間的關(guān)系。
更具體地講，優(yōu)選將上和下布線層17和15的寬度設(shè)定為等于通路接觸件16的內(nèi)切圓的最大直徑，其中圓具有與通路接觸件16的中心相同的中心。
圖12A是上和下布線層17和15的上視圖，圖12B是通路接觸件16的橫截面圖，圖12C是通路接觸件16的另一個橫截面圖。
參考圖12B，當(dāng)通路接觸件16具有方形的橫截面時，以這樣一種方式繪出圓16A，使得圓16A具有與通路接觸件16的中心相同的中心，并且圓16A與通路接觸件16內(nèi)切。假設(shè)這樣繪出的圓16A具有直徑D，那么要定義上和下布線層17和15的寬度W，使其等于或小于直徑D，如圖12A中所示。
如圖12C中所示，如果通路接觸件16具有矩形橫截面，那么要這樣繪出圓16A，使得圓16A與矩形通路接觸件16的長邊內(nèi)切。然后確定圓16A的直徑D。
根據(jù)發(fā)明人進(jìn)行的試驗，直徑D優(yōu)選等于3微米。[第二實施例]圖13A和13B示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的布線結(jié)構(gòu)20。圖13A是布線結(jié)構(gòu)20的平面圖，圖13B是沿圖13A中的12B-12B線的剖面圖。
布線結(jié)構(gòu)20可以用于，例如，半導(dǎo)體器件中的多層布線結(jié)構(gòu)。
根據(jù)第二實施例的布線結(jié)構(gòu)20是由第一下布線層21a，第二下布線層21b，布置在第一和第二下布線層21a和21b上方并且橫跨它們的上布線層22，將第一下布線層21a和上布線層22相互電連接的第一通路導(dǎo)體23a，和將第二下布線層21b和上布線層22相互電連接的第二通路導(dǎo)體23b構(gòu)成的。
第一和第二下布線層21a和21b，上布線層22，和第一和第二通路導(dǎo)體23a和23b都是由銅構(gòu)成的。
第一和第二下布線層21a和21b具有與圖4和7中所示的根據(jù)第一實施例的布線結(jié)構(gòu)10的結(jié)構(gòu)相同的結(jié)構(gòu)。
上布線層22具有矩形的縱向和橫向截面。也就是說，上布線層22是一個立方形，并且具有體積V2。
第一和第二通路導(dǎo)體23a和23b具有幾乎是方形的橫向截面。即，第一和第二通路導(dǎo)體23a和23b每個都是立方形，并且具有體積V1。
如前面所述，如果體積V2顯著大于體積V1(V2＞＞V1)，那么構(gòu)成第一和第二通路導(dǎo)體23a和23b的銅將聚集，因而將每個具有體積V1的第一和第二通路導(dǎo)體23a和23b吸收到具有體積V2的上布線層22中，導(dǎo)致在第一和第二通路導(dǎo)體23a和23b中產(chǎn)生空隙。
考慮到這個問題，發(fā)明人進(jìn)行了試驗，以便發(fā)現(xiàn)構(gòu)成第一和第二通路導(dǎo)體23a和23b的銅不聚集，即，第一和第二通路導(dǎo)體23a和23b不被吸收到上布線層22中的體積V1和V2之間的臨界比率。
在上述第一實施例中，體積比率N是在二維平面布線結(jié)構(gòu)中確定的。相反，在第二實施例中，體積比率N是在三維多層布線結(jié)構(gòu)中確定的。
在二維平面布線結(jié)構(gòu)中，構(gòu)成一個布線層的銅在兩個方向上聚集，也就是說，在X和Y方向上聚集。相反，在三維多層布線結(jié)構(gòu)中，構(gòu)成一個布線層的銅在三個方向上，即，X，Y和Z方向上聚集。因此，三維多層布線結(jié)構(gòu)中的銅遷移的機(jī)理和臨界體積比率N與二維平面布線結(jié)構(gòu)中稍有不同。
根據(jù)試驗的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)通過將體積比率N設(shè)定為等于或大于3，但是等于或小于200,000,000(3≤N≤200,000,000)可以避免第一和第二通路導(dǎo)體23a和23b中銅的遷移，因而避免了第一和第二通路導(dǎo)體23a和23b吸收到上布線層22中，其中體積比率N定義為V2/V1。
還發(fā)現(xiàn)體積比率N中，在上述的3至200,000,000的范圍中，最佳體積比率N的范圍是2,000至2,000,000。
此外，發(fā)明人考慮如果將第一和第二通路導(dǎo)體23a和23b設(shè)計為具有方形橫截面，那么它們將具有方形橫截面的最佳側(cè)邊長度。因此，發(fā)明人進(jìn)行了試驗，以便發(fā)現(xiàn)這樣的方形橫截面?zhèn)冗叺淖罴验L度。
圖14是顯示試驗結(jié)果的曲線圖。在圖14中，橫坐標(biāo)指示方形橫截面?zhèn)冗叺拈L度，坐標(biāo)軸指示布線結(jié)構(gòu)的無缺陷率。
如圖14中所示，如果方形橫截面的側(cè)邊的長度等于或小于3微米，那么無缺陷率幾乎保持在100％。相反，如果方形橫截面的側(cè)邊的長度大于3微米，那么無缺陷率降低。例如，如果方形橫截面?zhèn)冗叺拈L度等于20微米，那么無缺陷率降低到大約28％。
如在上述說明中清楚地看到的，為了將無缺陷率保持在100％，第一和第二通路導(dǎo)體23a和23b的方形側(cè)邊的長度必須等于或小于3微米。
當(dāng)?shù)谝缓偷诙穼?dǎo)體23a和23b的方形橫截面?zhèn)冗叺拈L度等于4微米時，無缺陷率大約是80％。因此，為了使無缺陷率保持在80％，第一和第二通路導(dǎo)體23a和23b的方形側(cè)邊的長度必須等于或小于4微米。
當(dāng)在通過單通路導(dǎo)體23a和23b將上布線層22電連接到第一和第二下布線層21a和21b的情況下，體積比率N等于或大于3.5但等于或小于2,000,000(3.5≤N≤2,000,000)時，優(yōu)選是用兩個或更多的通路接觸件將上布線層22電連接到第一下布線層21a或第二下布線層21b。
如圖14中所示，發(fā)現(xiàn)可以通過形成兩個或更多的通路接觸件提高產(chǎn)率。在圖14中，將每個通路接觸件設(shè)計為具有0.14微米的直徑。
當(dāng)發(fā)生作為一種物理現(xiàn)象的聚集時，金屬原子運動使表面能降到最低。在聚集中，如果具有比討論中的較小體積的面積低的能量的較大體積的面積變大，那么較小體積的面積將具有較小的穩(wěn)定性。因此，為了抑制聚集，最好有應(yīng)付物理無限大體積的對策。在這種意義上，優(yōu)選是形成至少兩個通路接觸件。
可以試驗地確定通路孔的上限數(shù)量。
盡管在上述的例子中，將第一和第二通路導(dǎo)體23a和23b設(shè)計為方形橫截面，但是第一和第二通路導(dǎo)體23a和23b可以設(shè)計為具有圓形橫截面。
當(dāng)把第一和第二通路導(dǎo)體23a和23b設(shè)計為具有圓形橫截面時，發(fā)明人進(jìn)行的試驗結(jié)果指出，圓形橫截面的直徑優(yōu)選等于或小于0.28微米，更好是等于或小于0.20微米，再好是等于或小于0.14微米，最好是等于或小于98納米。
上述第一和第二通路導(dǎo)體23a和23b的直徑可以有±0.04微米的公差。更具體地講，當(dāng)把第一和第二通路導(dǎo)體23a和23b設(shè)計為具有圓形橫截面時，第一是第二通路導(dǎo)體23a和23b的直徑優(yōu)選是0.28±0.04微米，更好是0.20±0.04微米，再好是0.14±0.04微米，最好是98納米±0.04微米。
如下面將說明的，優(yōu)選的體積比率N依賴于第一和第二通路導(dǎo)體23a和23b的直徑而改變。
以下參考圖15A至15D，說明使用了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的布線結(jié)構(gòu)20的布線結(jié)構(gòu)的一個例子。
首先，如圖15A中所示，在上面已經(jīng)形成了晶體管(未示出)和接觸件(未示出)的硅基片31上形成電絕緣膜32。
然后，在電絕緣膜32上形成大約50納米厚度的SiN4膜33。接下來，在SiN4膜33上形成由二氧化硅膜構(gòu)成的大約400納米厚平坦絕緣膜34。
接下來，通過光刻和蝕刻在平坦絕緣膜34上形成一個反圖形(inversely-patterned)的抗蝕劑掩模35。
然后，如圖15B中所示，通過抗蝕劑掩模35蝕刻二氧化化硅膜34，從而形成凹槽34a。
在除去抗蝕劑掩模35之后，如圖15C中所示，在二氧化硅膜34和SiN4膜33的暴露出部分上形成一個大約20納米厚的TaN膜之類的折射含氮金屬膜35A。
接下來，在折射金屬膜35A上沉積0.1微米左右厚度的銅36。
然后，用濺射在銅36上形成一個100納米厚度的銅膜37。
然后，用電鍍在銅膜37上形成一個800納米厚度的銅膜38。
然后，通過化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)深蝕刻銅膜38和37，銅36和折射金屬膜35。從而得到如圖15D中所示的布線結(jié)構(gòu)。
發(fā)明人估計了隨第一或第二通路導(dǎo)體23a或23b的體積變化的圖13A和13B中所示布線結(jié)構(gòu)20中的優(yōu)選體積比率N，并且進(jìn)行了試驗以驗證估計。
在圖16中示出了試驗的結(jié)果。圖16是顯示在把第一或第二通路導(dǎo)體23a或23b設(shè)計為具有圓形橫截面的情況下，圖13A和13B中所示布線結(jié)構(gòu)20中體積比率N與無缺陷率之間的關(guān)系的曲線圖。
在試驗中，形成了四個具有圓形橫截面的第一通路導(dǎo)體23a。它們具有0.14微米、0.20微米、0.28微米和0.40微米的直徑。在逐漸改變體積比率N的同時，測量四個第一通路導(dǎo)體23a中每一個的無缺陷率。
如圖16中所示，對于具有較小直徑的第一通路導(dǎo)體23a，熱應(yīng)力增大，并且無缺陷率降低。
在具有0.14微米直徑的第一通路導(dǎo)體23a中，當(dāng)體積比率N等于或小于三(3)時，無缺陷率保持100％，但是，如果體積比率N超過三(3)，那么無缺陷率降低。
因此，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把第一通路導(dǎo)體23a設(shè)計為具有0.14微米直徑的圓形橫截面時，體積比率N優(yōu)選等于或小于三(3)。
在具有0.20微米直徑的第一通路導(dǎo)體23a中，當(dāng)體積比率N等于或小于九(9)時，無缺陷率保持100％，但是，如果體積比率N超過九(9)，無缺陷率降低。
因此，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把第一通路導(dǎo)體23a設(shè)計為具有0.20微米直徑的圓形橫截面時，體積比率N優(yōu)選等于或小于九(9)。
在具有0.28微米直徑的第一通路導(dǎo)體23a中，當(dāng)體積比率N等于或小于十五(15)時，無缺陷率保持100％，但是，如果體積比率N超過十五(15)，無線缺陷率降低。
因此，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把第一通路導(dǎo)體23a設(shè)計為具有0.28微米直徑的圓形橫截面時，體積比率N優(yōu)選等于或小于十五(15)。
關(guān)于具有0.40微米直徑的第一通路導(dǎo)體23a，在試驗中測量的體積比率N的范圍內(nèi)，無缺陷率不依賴于體積比率N，保持在100％。
因此，我們考慮到，當(dāng)把第一通路導(dǎo)體23a設(shè)計為具有0.40微米直徑的圓形橫截面時，可以沒有任何限制地將體積比率N設(shè)定為等于任何比率。
即使在第一通路導(dǎo)體23a的直徑，即，0.14微米、0.20微米、0.28微米和0.40微米具有±0.04微米的誤差，也得到了上述相同的結(jié)果。因此，當(dāng)把第一通路導(dǎo)體23a設(shè)計為具有0.14±0.04微米、0.20±0.04微米、0.28±0.04微米或0.40±0.04微米的直徑時，體積比率N分別可以是等于或小于3，9和15，和等于任何比率。
應(yīng)當(dāng)指出，上面說明的三維結(jié)構(gòu)的比率可以應(yīng)用到二維結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種布線結(jié)構(gòu)，包括(a)具有第一布線寬度的第一布線；和(b)形成在形成所述第一布線的層的同一層中、并且具有大于所述第一布線寬度的第二布線寬度的第二布線，所述第二布線電連接到所述第一布線，其中所述第一和第二布線都是由銅或主要含銅的合金構(gòu)成的，其特征在于所述第一和第二布線具有彼此相同的厚度，和所述第二布線的面積與所述第一布線的面積的比率是N∶1，其中N等于或大于2,000和等于或小于200,000,000(2,000≤N≤200,000,000)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的布線結(jié)構(gòu)，其中所述比率N等于或大于2,000和等于或小于2,000,000(2,000≤N≤2,000,000)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的布線結(jié)構(gòu)，其中所述第一和第二布線中的每一個具有等于或大于150nm和等于或小于650nm的厚度。
4.一種包括上布線層，和通過通路接觸件電連接到所述上布線層的下布線層的布線結(jié)構(gòu)，其中所述上布線層、所述下布線層和所述通路接觸件都是由銅或主要含銅的合金構(gòu)成的，和所述上或下布線層的體積與所述通路接觸件的體積的比率是N∶1，其中N等于或大于3和等于或小于200,000,000(3≤N≤200,000,000)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的布線結(jié)構(gòu)，其中所述比率N等于或大于2,000和等于或小于2,000,000(2,000≤N≤2,000,000)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的布線結(jié)構(gòu)，其中如果所述比率N等于或大于3.5和等于或小于2,000,000(3.5≤N≤2,000,000)，那么通過至少兩個通路接觸件將所述上布線層電連接到所述下布線層。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的布線結(jié)構(gòu)，其中如果所述通路接觸件具有0.14±0.04微米直徑的圓形橫截面，那么所述比率N等于或小于三(3)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的布線結(jié)構(gòu)，其中如果所述通路接觸件具有0.20±0.04微米直徑的圓形橫截面，那么所述比率N等于或小于九(9)。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的布線結(jié)構(gòu)，其中如果所述通路接觸件具有0.28±0.04微米直徑的圓形橫截面，那么所述比率N等于或小于十五(15)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任何一項所述的布線結(jié)構(gòu)，其中所述第一布線寬度等于或小于0.28微米，0.20微米，0.14微米或98納米。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任何一項所述的布線結(jié)構(gòu)，其中所述第一布線寬度在0.28±0.04微米，0.20±0.04微米，0.14±0.04微米或98納米±0.04微米的范圍中。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的布線結(jié)構(gòu)，其中如果所述第二布線寬度等于或大于1.12微米并且所述第一布線具有等于或小于0.56微米的長度，所述第一布線寬度則等于或大于0.28微米。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的布線結(jié)構(gòu)，其中所述第一布線寬度等于0.14微米，并且所述第一布線具有等于或大于0.40微米左右的長度。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的布線結(jié)構(gòu)，其中所述第一布線寬度等于0.20微米，并且所述第一布線具有等于或大于0.20微米左右的長度。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的布線結(jié)構(gòu)，其中所述第一布線寬度等于0.28微米，并且所述第一布線具有等于或大于0.19微米左右的長度。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的布線結(jié)構(gòu)，其中如果所述第一和第二布線是由銅構(gòu)成的，那么在150攝氏度或更高的溫度給所述第一和第二布線退火。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的布線結(jié)構(gòu)，其中如果所述第一和第二布線是由主要含銅的合金構(gòu)成的，那么在比如果所述第一和第二布線是由銅構(gòu)成時所述第一和第二布線退火的溫度高的溫度給所述第一和第二布線退火。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的布線結(jié)構(gòu)，其中所述布線結(jié)構(gòu)具有一種雙鑲嵌結(jié)構(gòu)。
19.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任何一項所述的布線結(jié)構(gòu)，其中在等于或高于150攝氏度的溫度給所述上和下布線層退火。
20.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任何一項所述的布線結(jié)構(gòu)，其中如果所述上和下布線層是由主要含銅的合金構(gòu)成的，那么在比如果所述上和下布線層是由銅構(gòu)成時所述上或下布線層退火溫度高的溫度給所述上和下布線層退火。
21.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任何一項所述的布線結(jié)構(gòu)，其中所述通路接觸件具有方形橫截面，其側(cè)邊具有等于或小于3微米的長度。
22.一種包括上布線層，和通過通路接觸件電連接到所述上布線層的下布線層的布線結(jié)構(gòu)，其中所述上布線層、所述下布線層和所述通路接觸件都是由銅或主要含銅的合金構(gòu)成的，和所述上布線層和下布線層中的每一個的布線寬度是由與所述通路接觸件內(nèi)切的圓的最大直徑定義的，所述圓具有與所述通路接觸件的中心相同的中心。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的布線結(jié)構(gòu)，其中所述最大直徑等于3微米。
24.一種包括根據(jù)權(quán)利要求1至9，12至19，22和23中的任何一個所述的布線結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件。
25.一種包括根據(jù)權(quán)利要求10中所述的布線結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件。
26.一種包括根據(jù)權(quán)利要求11中所述的布線結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件。
全文摘要
一種半導(dǎo)體器件中的布線結(jié)構(gòu)，包括具有第一布線寬度(W1)的第一布線(11)，和形成在形成第一布線的層的同一層中、并且具有大于第一布線寬度(W1)的第二布線寬度(W2)的第二布線(12)的布線結(jié)構(gòu)。第二布線(12)電連接到第一布線(11)。第一和第二布線(11，12)都是由銅或主要含銅的合金構(gòu)成的。第一和第二布線(11，12)具有彼此相同的厚度。第二布線(12)的面積與第一布線(11)的面積的比率是N∶1，其中N等于或大于2,000和等于或小于200,000,000(2,000≤N≤200,000,000)。
文檔編號H01L23/532GK1450636SQ0310667
公開日2003年10月22日 申請日期2003年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月27日
發(fā)明者松原義久, 岡田紀(jì)雄 申請人:日本電氣株式會社