TW201250968A - Semiconductor device apply to copper plating process - Google Patents

Description

201250968 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種半導體裝置，特別是指一種適用 於銅製程的半導體裝置。 【先前技術】 在目前以高電子遷移率電晶體等電元件為主的積體電 路製造領域中，由於金（Au )與鋁（A1 )的導電性佳，因 此金與鋁通常作為電連接積體電路中各電元件而為各電元 件中的電極結構的主要部份。其中，金雖然導電性與導熱 性佳，但產量相對鋁等其他金屬的產量顯得非常稀有因此 價格尚，只有降低使用金的比例才可有效地降低所製造出 的積體電路的成本；而銘雖然便宜，但是電阻值及導熱性 不夠優良，在積體電路自微米尺寸趨向奈米尺寸而日漸需 要輕、薄、短、小的時代中，若未來在小尺寸的產品上繼 續使用鋁，必會造成產品過熱或是耗電量過高而使產品提 早老化或是電池蓄航力不足。因此，發展較金或鋁更適合 作為連接積體電路中各電元件的電極結構材料一直是本領 域的研究目的。 近年來，研究人員與業界發現銅的導電性高、導熱性 佳且價格不貴，在成本及電特性的皆需兼顧的考量下銅 適合作為電極結構的主成分，因此，在高電子遷移率電晶 體為主要電元件的積體電路領域中，導入銅製程是繼: 展的目標。 ' 參閱圖卜目前嘗試發展銅製程的以氮化鎵作為主要半 201250968 導體材料的半導體裝置，例如於高電子遷移率電晶體，包 括一基材111、一本體11、一閘極結構12，及二電極結構 13 〇 3玄本體11形成於該基材ill上，且包括一以氛^化錄為 主要成分的第一膜層112,及一形成於該第一膜層112上並 以氮化鋁鎵為主要成分的第二膜層113。 該閘極結構12形成於該本體11的第二膜層113遠離該 第一膜層112的表面，並包括一與該第二膜層113連結導電 材121。該導電材121通常是金屬構成而可導電。 該等電極結構13與該閘極結構12間隔地設置於該第 二膜層113的表面，並包括一歐姆接觸層131，及一導線層 132，該歐姆接觸層131是以鈦、鋁、鎳為主的合金構成， 忒導線層132的主成分是銅，用以和例如導線等銲黏而與 外部電路形成電連接。 以電性結構而言，通道（channel)是本體u中的第二 膜層113的頂部，其中—個電極結構13是沒極（心如）， ，、中另4固電極結構13是源極（s〇urce)，而該間極結構12 是閘極（gate )。 电俗經m守緣勿、别給予閘極及 沒極電壓’問極對本體U及沒極對源極形成電壓差，此時 電机可自汲極經通道往源極流動，供半導體裝置正常作動 〇 結構 然而，由於銅的活性大，因此， 13在製作，及/或經外部電路供 該半導體裝置的電極 電而作動時，導線層

S 5 201250968 132的銅原子會很容易通過歐姆接觸層131且擴散進入該本 體11的第一膜層112甚或是第二膜層113中，造成半導體 裝置電特性失常及可靠度不佳，因此，繼續研究、改善以 銅製程為主的高電子遷移率的半導體裝置並提高其可靠度 ’是本領域研發人員的目標。 【發明内容】 因此，本發明之目的，即在提供一種適用於銅製程並 具有高可靠度的半導體裝置。 於是，本發明適用於銅製程的半導體裝置，包含一本 體、及至少一電極結構。 該本體以氮化鎵系半導體為主要材料所構成，該電極 結構與外部電路電連接並包括一形成於該本體上並與該本 體形成歐姆接觸的歐姆接觸層、一形成於該歐姆接觸層上 的抑制層，及-形成於該抑制層上且以銅為主成分的導線 層，該歐姆接觸層選自鈦、，呂、錄，及至少包含此等元素 其中之一所成的合金為材料所構成，該抑制層以選自鈦、 鎢、氮化鈦、氮化鎢’及其中之一組合為主成分構成的材 料所構成。。本發明之功效：透過配合以氮化鎵系半導體 為主要材料構成的本體#電極結構的歐姆接觸層與抑制詹 間相互搭配’阻擋電極結構的導線層中的銅在製程或是作 動中擴散進入本體，以維持該半導體裝置的可靠度。 【實施方式】 有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效，在 以下配合參考圖式之-個較佳實施例的詳細說明中，將可 201250968 清楚的呈現。 在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說 明内容中，類似的元件是以相同的編號來表示。 參閱圖2,本發明適用於銅製程的半導體裝置的較佳實 施例包含一基材211、一本體21、一閘極結構22，及二電 極結構23。 該本體21設置於該基材211上，並包括一形成於該基 材211上且以氮化鎵（GaN)為主成分的第一膜層212，及 一自该第一膜層212212的頂面繼續往上延伸的第二膜層 213，该第二膜層213的主成分是氮化鋁鎵（AiGaN”構成 该本體21的氮化鎵及氮化鋁鎵都是半導體材料，所以該本 體21具備半導體性質。 遠閘極結構22形成於該本體21的第二膜層213頂面 ，由於該較佳實施例是高電子遷移率電晶體，該閘極結構 22以包括一以導電材料構成並與該本體21的第二膜層 頂面連接的導電材221作說明。需說明的是，該閘極結構 22也可視電晶體的種類微調型態例如包括一以絕緣材料 構成的介電材（圖未示），及—以導電材料構成的導電材 221，且該導電材221藉由該介電材而與該本體21間隔。 該等電極結構23同樣地形成於該本體21的第二膜層 213的頂面，且彼此間隔並分別與該閘極結構22具有預定 間距地相鄰，若以如圖2的剖視示意圖為例，排列順序是 「其中之一電極結構23—閘極結構22—其中之另一電極結 構23」。每一電極結構23包括一連結於該第二膜層213頂

S 7 201250968 面的歐姆接觸層231、一形成於該歐姆接觸層231遠離該第 二膜層213的表面抑制層232，及一形成於該抑制層232中 遠離該第二膜層213的表面的導線層233。 該歐姆接觸層231選自鈦、鋁、鎳，及至少包含此等 元素其中之一所成的合金為材料。在該較佳實施例中，該 歐姆接觸層231的材料是先將鈦、鋁，及鎳以濺鍍或是蒸 鍍的方式自鄰近而遠離依序沉積在該第二膜層213的表面 ，再經高溫退火後所形成設置於該本體21的氮化鋁鎵表面 的合金。當該歐姆接觸層231的厚度太薄時，電流於該歐 姆接觸層231本身無法順利地流動，則電阻值會偏高，當 該歐姆接觸層231太厚時，由於現實狀況的金屬無法成為 理想導體的狀態，仍無法達到低的電阻值，因此較佳地， °玄&姆接觸層的厚度是165nm〜330nm。該歐姆接觸層231 的作用在於形成低阻值的電流傳導路徑。 該抑制層232選自鈦、氮化鈦、鎢、氮化鎢，及其中 之一組合為材料所構成，在該較佳實施例中，是以鈦作為 該抑制層232 ’並可使用濺渡、蒸鍍，或化學氣相沉積的方 式將該抑制層232形成於該歐姆接觸層231表面。 該導線層233連結於該抑制層232的表面，可與外界 電連接而可接受外界所提供的電能，且為達到導電性佳及 確實與外界電連接的功用。該導線層233以銅為主成分。 較佳地’該導線層233的厚度為50nm〜150nm，而可配合該 本體21、該歐姆接觸層231，及該抑制層232而具備較佳 的電傳輸效率。 201250968 以電性結構而言，該本體21、該閘極結構22，及此二 電極結構23可構成半導體裝置中具有高電子遷移率的電晶 體，該本體21中的第二膜層213的頂部是通道（channd) ’其中的一個電極結構23作為汲極（drain )，其中的另一 個电極結構23作為源極（source)，而該閘極結構22是閘 極（gate ) ° 當分別給予該閘極結構22及其中之一電極結構23預 定電壓，即在電性來說，是形成閘極對本體21及汲極對源 極預定電壓差，此時，對應於閘極結構22下之本體21的 第二膜層213中的通道供電流自沒極經通道往源極流動， 則半導體裝置正常作動而處於開啟的狀態；#間極對本體 21或汲極對源極不具有電壓差時，元件處於關閉的狀態。 由於該等電極結構23是因應以氮化鎵系化合物為主要 材料的本體，再與該歐姆接觸層231、該抑㈣加以 及該以銅為主成分的導線層233對應地配合形成，再利用 該抑制層232阻擋該導線層233中鋼原子的擴散，進而可 限制導線># 233的銅原子在凡件處於作動狀態或關閉狀態 時，都不會擴散進人該本體21，*可維持該本體21的半導 體特性，則半導體裝置在作動時可準確計算半導體裝置的 電性元件的電流值、所需的功率 1而扪刀+、等效電阻值，及電導值 等電晶體所需考量的數據，且益认—仏^ 爆且無淪在作動或非作動狀態都 由於銅原子不會擴散流竄至令太辦^ 鼠主这本體21而使半導體裝置具備 高可靠度。 實施例，在配合以下 上述本發明半導體裝置的該較佳 201250968 具體例的說明後，當可更加清楚明白。 <具體例> 首先’先在-基材3η上設置__以氮化録為材料構成的 第-膜層212,再於該第-膜層212頂面設置_以氮化紹録 為材料構成的第二膜層213 ;再來，於該第二膜層213頂面 形成該閘極結構22;繼續，以濺鍍的方式在該第二膜層 213頂面依序沉積鈦20nm、鋁25nm，及鎳i2〇nm ;接著， 在高溫爐管對該鈦、i呂，及鎳進行_〇c高溫退火形成合金 ，而構成厚度為165nm的歐姆接觸層231 ;再來於該歐 姆接觸層231頂面㈣制方式形成1鈦為主要構成材 料·抑制層232;最後，在該抑制層232頂面以濺鑛的方式 形成該導線層233，以構成兩間隔的電極結構23而作為電 晶體的沒極及源極，製得該具體例。 <比較例> 先在一基材311上設置一以氮化鎵為材料構成的第一膜 層212再於該第-膜層212頂面設置—以氮化銘鎵為材料 構成的第二膜層213;再來’於該第二膜層213頂面形成該 閘極結構22;再來，於該第二膜層213頂面以與該具體例 相同的沉積方式依序形成該歐姆接觸層及以銅構成的導電 層，以構成兩間隔的電極結構23以作為電晶體的没極及源 極，製得該比較例。 <可靠度測試> -般以氮化鎵系化合物作為半導體的高電子遷移率電 晶體在作動狀態時元件的溫度至多升高至3⑼t。 10 201250968 為模擬s件作動時的溫度，甚Μ較元件作動時更為 f可的環境’因此，先將該具體例及比較例置放於高溫爐 官中’供該具體例及比較例在相同的環境中以高於一般元 件作動㈣5m；的8m：進行烘烤預定時間ig分鐘。 之後，再以傳輸線量測方式（Transmissi〇n _ 職ent，簡稱丁LM)量測該具體例及該比較例的歐姆 接觸特性，以判斷半導體裝置的可靠度。

先分別在其卜電極結構23電連接直流電源供應器的 正極，再將電源供應器的負極與其中另_電極結構Μ電連 接；當該電源供應器該對該具體例施予預定電壓時，此呈 體例的兩電極結構23即兩電阻，而兩電極結構。間的第 -膜層2丨3為-電阻，錄於兩電極結構23所形成的電阻 間，則所構成料效電路為“其中_電極結構23形成的等 效電阻—兩電極結構23間的第二膜層213形成的等效電阻 -其中另-電極結構23形成的等效電阻”，共有三電 聯，且兩電極結構23相同，所以若可得到該第二膜層⑴ 的電阻，即可計算出電極結構23的等效電卜 B 完成電源供應11的連接後，再_兩電極結構23間的 第二膜層213的長度改變時，三電阻的總電阻值的變化， :可計算出第二膜g 213的電阻率與截面積間的比例 精由電阻定義：電阻率與截面積間的比例固定時， 與物體的長度成正比（R=p(I/A))，而扣除第二膜層⑴ 的等效電崎，可計算㈣減構23的等效電阻。 膜層2U未摻有銅原子，則可將第二膜層213的等效電2 201250968 視為般P且抗，電阻率與截面積間的比例固定；若銅原子 擴散進入第—膜層213 ’電阻率與截面積間的比例不穩定而 會在第二膜層213的長度增加時，電阻率往上快速增加。 參閱圖3，在改變第二膜層213的長度時，所測得的電 P值的散佈圖大致呈現斜直線，即該具體例的電阻值與長 度成正比，而電極結構23的接觸電阻固定是7χ10-5Ω cm 2 ’表不該具體例具有良好的可靠度；而該比較例的電阻率 不穩定，表示銅原子已擴散進入以氮化鋁鎵構成的第二膜 層 213。 值得一提的是，該較佳實施例是以包含一個電晶體做 說明。當然，若本發明半導體裝置具有多數電極結構幻， 及/或閘極結構22，則可形成多數個電晶體；若本發明半導 體裝置具有一個或多數電極結構23，也可成為其他種類的 電晶體，或其他等效成為如電容、電阻等的電元件。 綜上所述，本發明半導體裝置是因應氮化鎵構成的第 一膜層212與氮化鋁鎵構成的第二膜層213共同形成的本 體21，並在適用於銅製程而存在有電極結構幻的導線層 233的限制下，用電極結構23的歐姆接觸層231、抑制層 232的組成成分、厚度、彼此連接處的原子結構等等的交互 設計機制，同時配合本體21和歐姆接觸層231連接處的晶 體結構的相互影響，而可在以銅作為導線層233的主要台 成以降低製作成本及具備高導電性的同時， 钱 入該本體21的第-、二膜層211、212導致半導體裝^ 性失常的問題，進而使半導體裝置具備好的可靠度確賓 12 cv ^ 201250968 達成本發明之目的。

惟以上所述者，彳當A I 僅為本發明之較佳實施例而已，告不 月以此限定本發明會# 个“實施之laiS，即大凡依本❹ 範圍及發明說明内容作 句寻利 屬本發明專利涵蓋之範圍内。 仍 【圖式簡單說明】 圖1是一剖視示意圖，說明習知一半導體裝置. 圖2是-剖視示意圖，說明本發明適用於鋼製 導體I置的一較佳實施例；及 、半 圖3是一半導體裝置的傳輸線量測圖。

S 13 201250968 【主要元件符號說明】 21…… …·本體 221… …導電材 211… …·基材 23…… …·電極結構 212… …·第 膜層 231… …歐姆接觸層 213… •…第二膜層 232… •…抑制層 22…… •…閘極結構 233 ·… •…導線層

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Claims (1)

1. 201250968 七、申請專利範圍： 1. 一種適用於銅製程的半導體裝置，包含： -本體’以氮化鎵系半導體為主要材料所構成；及 至少一電極結構，與外部電路電連接並包括一形成 於该本體上並與該本體形成歐姆接觸的歐姆接觸層、一 形成於該歐姆接觸層上的抑制層，及一形成於該抑制層 上且以銅為主成分的導線層，該歐姆接觸層選自欽、紹 、鎮，及至少包含此等元素其中之一所成的合金為材料 所構成，該抑制層以選自鈦、鶴、氮化鈦、氮化鶴，及 其中之一組合為主成分構成的材料所構成。 2.依據中請專利範圍第丨項所述之適用於銅製程的半導體 裝置’包含二電極結構，及一閘極結構，該閘極結構包 括一形成於該本體上的導電材。 3_依據中請專利範圍第2項所述之適用於銅製程的半導體 裝置，其中，該歐姆接觸層的厚度是165nm〜33〇nm，該 抑制詹的厚度是10nm〜3〇nm，該導線層由銅所構成， 且厚度是50nm~150nm。 4·依據申請專利範圍第3項所述之適用於鋼製程的半導體 裝置，其中，該本體包括一以氮化鎵為主成分的第一膜 曰及以氮化銘鎵為主成分形成於該第一膜層上的第 二膜層，該第二膜層與該電極結構的歐姆接觸層連接並 相歐姆接觸。 15