專(zhuān)利名稱(chēng)：半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件及其制造方法，特別涉及一種具有包含銅層的多層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體集成電路(LSI)的制作技術(shù)的發(fā)展，分立半導(dǎo)體器件越來(lái)越小型化。并且，提高密度、增加層數(shù)和減小LSI中的布線的層面厚度的發(fā)展被加速，從而作用到布線上的應(yīng)力和在布線中流過(guò)的電流密度分別被穩(wěn)定地增加。因此，如果高密度電流被施加到布線上，則容易出現(xiàn)稱(chēng)為電遷移(EM)的布線斷開(kāi)現(xiàn)象。這被認(rèn)為是由于高密度電子流的碰撞而導(dǎo)致金屬原子被移動(dòng)/擴(kuò)散，造成電遷移的驅(qū)動(dòng)力。由于電遷移所造成的退化現(xiàn)象隨著器件的小型化而變得更加顯著，必須開(kāi)發(fā)出可以提供具有更高密度的電流的更高可靠性的布線材料和布線結(jié)構(gòu)。
在半導(dǎo)體器件中，銅布線被用作為不容易出現(xiàn)電遷移的布線，而不使用鋁布線。
作為形成銅布線的方法，具有把銅埋在形成于層間絕緣膜中的溝槽內(nèi)的步驟的鑲嵌方法被投入實(shí)際使用。并且，用于在溝槽下形成通孔以同時(shí)形成通孔和布線的雙層嵌鑲方法是已知的。主流方法是在這種溝槽和通孔中埋入銅之前，通過(guò)濺射方法形成阻擋層和銅種子層作為銅的底層。阻擋層被用于防止銅的擴(kuò)散，并且作為一部分布線或插塞。并且，銅種子層被形成以促進(jìn)銅膜的生長(zhǎng)。
同時(shí)，在生產(chǎn)0.1微米規(guī)格的器件中，考慮在該布線下方形成的通孔的直徑被減小到大約0.15微米，并且假設(shè)縱橫比大于5。
在精細(xì)通孔和布線由銅所形成的情況中，如果嘗試通過(guò)濺射方法在通孔和溝槽形成阻擋層和銅種子層，則導(dǎo)致如下問(wèn)題。
首先，通過(guò)濺射方法不能夠獲得良好的覆蓋率。因此，如果種子層被形成精細(xì)通孔中，例如具有比通孔的側(cè)壁所需的厚度厚得多的膜厚的阻擋層必須形成在圍繞該通孔的絕緣膜上。結(jié)果，如果通過(guò)雙重鑲嵌形成該布線，則在溝槽的截面區(qū)域中的阻擋層的比率變大。由于被用作為阻擋層的材料通常具有高電阻，因此如果在該布線中的阻擋層的比率增加，則整個(gè)布線的電阻增加，從而使用具有低電阻的銅布線的優(yōu)點(diǎn)消失。并且，如果形成在通孔底部的阻擋層變厚，則在該通孔中的接觸電阻增加。
第二，濺射方法在覆蓋率上具有局限性。因此，產(chǎn)生凸起，使得銅種子層被形成為輕微地堵塞該精細(xì)通孔的開(kāi)口，在通孔的側(cè)壁上造成覆蓋不足，并且產(chǎn)生銅種子層的累積。因此，難以通過(guò)后期的電鍍良好地把銅埋在通孔中。
相應(yīng)地，為了響應(yīng)將來(lái)的進(jìn)一步小型化，必須通過(guò)具有良好覆蓋率的CVD方法形成薄阻擋層和銅種子層。
但是，如果通過(guò)采用四(二乙基氨基)鈦(Ti{N(C2H5)}4TDEAT)用CVD方法形成由氮化鈦(TiN)所制成的阻擋層，則難以把電阻率減小到小于500μΩ·cm。
并且，如果阻擋層僅僅由TDEAT所形成，則通孔的覆蓋率良好，但是形成包含看雜質(zhì)的多孔阻擋層。相反，如果在形成這種阻擋層中添加少量的NH3，則薄膜質(zhì)量提高，并且可以形成包含少量碳雜質(zhì)的低電阻薄膜。但是不能夠獲得良好的覆蓋率。
在現(xiàn)有的條件中，在通孔底部可以獲得的在覆蓋率大于35％的條件下形成的阻擋層的薄膜電阻大約為500μΩ·cm。為了充分地減小通孔鏈(via chain)或整個(gè)布線的電阻，需要具有大于50％的底部覆蓋率以及小于300μΩ·cm的阻擋膜。
并且，如果通過(guò)當(dāng)前的CVD技術(shù)形成TiN阻擋層和銅種子層，則這些層面之間的粘合性不足。因此，這些層面不能夠承受在形成多層布線結(jié)構(gòu)中所施加的熱應(yīng)力，或者通過(guò)對(duì)不必要的銅種子層和阻擋層等等進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)所施加的機(jī)械應(yīng)力，因此銅種子層容易從阻擋層上剝離。結(jié)果，不能夠投入實(shí)際使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種半導(dǎo)體器件，其中包含一個(gè)布線，其包含阻擋層的布線電阻或接觸電阻小于現(xiàn)有技術(shù)中的電阻，并且具有該阻擋層和銅層或者含銅的材料層，它們都具有良好的相互附著性，以及半導(dǎo)體器件的制造方法。
上述目的可以通過(guò)提供一種半導(dǎo)體器件而實(shí)現(xiàn)，該半導(dǎo)體器件包括在半導(dǎo)體基片上形成的絕緣膜；在該絕緣膜中形成的溝槽和通孔；在至少一個(gè)溝槽和通孔中形成并且由導(dǎo)電材料所制成以防止銅擴(kuò)散的第一底層；在第一底層上的至少溝槽和通孔之一中形成并且由銅或銅合金所制成的主導(dǎo)電層；以及通過(guò)CVD方法在主導(dǎo)電層和第一底層之間形成并且形成在第一底層上的第二底層，其具有在第二底層和主導(dǎo)電層之間的界面上固溶在主導(dǎo)電層中的金屬元素。
并且，本發(fā)明的上述目的還可以通過(guò)提供一種半導(dǎo)體器件制造方法而實(shí)現(xiàn)，其中包括如下步驟在半導(dǎo)體基片上形成絕緣膜；在絕緣膜中形成溝槽和通孔；通過(guò)CVD方法在該溝槽或通孔中以及絕緣膜上形成第一底層，其由導(dǎo)電材料所制成以防止銅的擴(kuò)散；通過(guò)CVD方法在第一底層上形成第二底層，其具有固溶在銅層中的金屬元素；在第二底層上形成主導(dǎo)電層，其由銅或銅合金所制成；以及從絕緣膜的上表面上除去第一底層、第二底層以及主導(dǎo)電層，以把其保留在溝槽和通孔中。
根據(jù)本發(fā)明，在此提供這樣一種結(jié)構(gòu)，使得第一底層(阻擋層)由例如氮化鈦、氮化鉭或氮化鎢或者包含這些成份作為主要成分等等的銅擴(kuò)散防止材料所制成，第二底層具有一種金屬，當(dāng)這種金屬與銅形成合金時(shí)，其電阻率比銅的電阻率高0至5％，并且通過(guò)CVD方法來(lái)形成，以及由銅或含銅作為主要成分的材料所制成的上部層面順序地形成于在半導(dǎo)體基片上的絕緣膜中形成的溝槽或通孔中。
由此，與直接在第一底層上形成上部層面的情況相比，第一和第二底層的總電阻率可以被降低。另外，在第一底層和銅層之間的粘合性比現(xiàn)有技術(shù)增強(qiáng)。結(jié)果，可以通過(guò)第一底層和上部層面在絕緣膜中構(gòu)造不被剝離并且具有低電阻的良好布線或通孔。
在這種情況中，銅層表示由銅和銅合金之一所制成的層面。并且，第二底層由鋯、鈣、鋅或銀或者它們的合金，或者包含鋯和氮的材料所制成。包含鋯和氮的材料是包含氮化鋯的材料。


圖1(a)為示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的截面視圖；圖1(b)為示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的銅布線的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2為用于形成根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的底層和銅種子層的CVD裝置的結(jié)構(gòu)。
圖3(a)為示出形成圖1中所示的布線的底層狀態(tài)的截面視圖；圖3(b)為示出銅種子層形成在該底層上的狀態(tài)的截面視圖；圖3(c)為示出銅層形成在該銅種子層上的狀態(tài)的截面視圖；圖4為示出構(gòu)成形成在根據(jù)第一實(shí)施例的該半導(dǎo)體器件中的含銅布線的底層的ZrN膜的厚度與底層的電阻率之間的關(guān)系的示意圖；以及圖5(a)為示出形成具有現(xiàn)有技術(shù)中的結(jié)構(gòu)的布線的底層的狀態(tài)的截面視圖；圖5(b)為示出銅種子層形成在具有現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)的布線的底層上的狀態(tài)的截面視圖；圖5(c)為示出銅層形成在于具有現(xiàn)有技術(shù)中的結(jié)構(gòu)的布線的底層上形成的銅種子層的狀態(tài)的截面視圖；圖6(a)，(b)為示出形成根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的布線和通孔的步驟的截面視圖(#1)；圖7(a)，(b)為示出形成根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的布線和通孔的步驟的截面視圖(#2)；
圖8(a)，(b)為示出形成根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的布線和通孔的步驟的截面視圖(#3)；圖9(a)，(b)，(c)為示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中形成構(gòu)成該通孔的底層的方法中的差別而導(dǎo)致底層形狀的不同的截面視圖；圖10為示出在構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的通孔中的底層的形狀的截面視圖；圖11為示出由于把不同金屬添加到用作為根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中的布線或插塞的銅層中而導(dǎo)致該銅層的電阻增加的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面參照

本發(fā)明的實(shí)施例。
(第一實(shí)施例)圖1(a)為示出本發(fā)明第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的截面示圖。
在圖1(a)中，一個(gè)元件隔離絕緣層2形成在p型硅(半導(dǎo)體)基片1上，以包圍活性元件區(qū)。MOS晶體管3形成在該活性元件區(qū)。MOS晶體管3包含隔著柵絕緣膜3a形成在硅基片1上的柵極3b，以及在柵極3b的兩側(cè)上形成于半導(dǎo)體基片1中并且具有LDD結(jié)構(gòu)的第一和第二n型雜質(zhì)擴(kuò)散層3c或3d。
在這種情況中，在圖1中，標(biāo)號(hào)3e表示在柵極3b的側(cè)表面上形成的絕緣側(cè)壁。
覆蓋MOS晶體管3并且由SiO2所制成的第一層間絕緣膜形成在硅基片1上。接觸孔4a形成在第一n型雜質(zhì)擴(kuò)散層3c上的第一層間絕緣膜4中。具有由氮化鈦層和鎢層所構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)的接觸插塞5形成在接觸孔4a中。
由SiO2所制成的第二層間絕緣膜6形成在第一層間絕緣膜4中。通過(guò)光刻方法在第二層間絕緣膜6中形成通過(guò)接觸插塞5上方的溝槽8。溝槽8具有寬度為150至300nm深度為500nm的布線形狀。
由氮化鈦所制成的第一底層9和由氮化鋯(ZrN)所制成的第二底層10順序地形成在內(nèi)部外圍表面和溝槽8的底表面上。第一底層9作為阻擋層，以防止下文所述的銅的擴(kuò)散。
通過(guò)CVD方法，在50至100Pa的薄膜形成壓力和350至450℃的生長(zhǎng)溫度下采用四(二乙基氨基)鈦(IV)(Ti{N(C2H5)}4TDEAT)生長(zhǎng)氮化鈦，使其具有10nm或更小的厚度。
并且，也可以通過(guò)CVD方法，在50至100Pa的薄膜形成壓力和350至450℃的生長(zhǎng)溫度下采用四(二乙基氨基)鋯(IV)(Zr{N(C2H5)}4TDEAZ)生長(zhǎng)氮化鋯，使其具有5nm或更小的厚度。在第二底層10中，鋯的原子數(shù)比率超過(guò)30原子％。
構(gòu)成第一底層9的氮化鈦被形成為微晶態(tài)或無(wú)定型態(tài)。并且，構(gòu)成第二底層10的氮化鋯(ZrN)具有10nm或更小的平均顆粒直徑，并且被形成為微晶態(tài)或無(wú)定型態(tài)。
在這種情況中，在一些情況下，碳被包含在構(gòu)成第一底層9的氮化鈦層中。并且，在一些情況下，碳被包含在構(gòu)成第二底層10的氮化鋯層中。
例如50nm厚的銅種子層11形成在第二底層10上。然后，銅層12形成在銅種子層11上，以具有可以完全埋住溝槽8的厚度。通過(guò)CVD方法例如采用三甲基乙烯甲硅烷六氟乙酰丙酮化銅I(trimethylvinylsilyl-hexafluoroacetylacetonate copper)(Cu(hfac)tmvs)、三甲基乙烯硅烷(tmvs)、以及六氟乙酰丙酮二水合物(Hhfac 2H2O)作為來(lái)源氣體，在0.1至0.5kPa的氣壓以及150至250℃的薄膜形成溫度下形成銅種子層11。
并且，通過(guò)電鍍方法形成銅層12。在這種情況中，有時(shí)銅層12由含銅作為主要成份的銅合金所制成。
形成在該溝槽8中的銅層12、銅種子層11以及第一和第二底層9、10被用作為布線13，并且第一和第二底層9、10構(gòu)成布線的下層。并且，銅種子層11和銅層12構(gòu)成布線13的主導(dǎo)電層。在這種情況中，分別通過(guò)CVD方法除去銅層12、銅種子層11和形成在第二層間絕緣膜6的上表面上的第一和第二底層9、10。
同時(shí)，為了不使第一底層9暴露在空氣中，最好在同樣的位置執(zhí)行第二底層10的生長(zhǎng)和第一底層9的生長(zhǎng)，直到至少第二底層10的生長(zhǎng)完成時(shí)為止。
例如，如圖2中所示，采用具有兩個(gè)CVD腔31、32連接到氣壓被降低的傳輸腔30的結(jié)構(gòu)的設(shè)備。然后，硅基片1被通過(guò)負(fù)載鎖定腔33和傳輸腔30傳送到第一CVD腔31，然后在第一CVD腔31中，在溝槽8中以及在第二層間絕緣膜6上形成第一和第二底層9、10。然后，硅基片1被從第一CVD腔31通過(guò)傳輸腔30傳送到第二CVD腔32，然后在第二CVD腔32中生長(zhǎng)銅種子層11。接著，通過(guò)傳輸腔30和負(fù)載鎖定腔33，把硅基片1取出到外部，由機(jī)械手35執(zhí)行半導(dǎo)體基片(晶片)1的傳送。
在傳送腔30中的氣壓被降低，但是該氣壓高于第一和第二CVD腔31、32中的氣壓。因此，如果在第一CVD腔31中生長(zhǎng)第一和第二底層9、10，則可以防止這些底層9、10之間的雜質(zhì)滲透，因此可以防止第一和第二底層之間的粘合性減小，并且可以防止整個(gè)底層的電阻增加。
為了防止銅的擴(kuò)散，這種布線13被氮化硅膜7所覆蓋，然后氮化硅膜7被第三層間絕緣膜14所覆蓋。
通過(guò)CVD方法使用硅烷(SiH4)和一氧化氮(N2O)在300至450℃的薄膜形成溫度下形成第三層間絕緣膜14。如圖1(b)所示，通過(guò)加熱以形成第三層間絕緣膜14或加熱以形成銅種子層11，把包含銅鋯合金的中間層10a形成在構(gòu)成第二底層10的銅層12和氮化鋯層之間。由于鋯對(duì)銅的溶解度為0.02％，因此中間層10a的電阻率基本上與銅相等，并且中間層10a非常薄。
同時(shí)，為了檢驗(yàn)上述部件13的特性，形成圖3(a)至圖3(c)中所示的各種樣本，然后執(zhí)行實(shí)驗(yàn)。這些樣本是圖3(a)中所示的樣本，其中分別利用CVD方法，由氮化鈦所制成并且具有10nm的膜厚的第一底層9以及由氮化鋯所制成并且具有2.5至10.0nm的膜厚的第二底層10順序地形成在SiO2膜15上，通過(guò)電鍍方法，圖3(b)中所示的其中銅種子層11具有50nm的厚度的樣本生長(zhǎng)在第二底層10上，并且圖3(c)中所示的具有大約500nm的厚度的銅膜12的樣本生長(zhǎng)在銅種子層11上。在這種情況中，第二底層10可以被形成為一個(gè)島狀。
當(dāng)通過(guò)在2.5至10.0nm的范圍內(nèi)改變第二底層10的膜厚并且把圖3(a)中所示的第一底層9的膜厚保持在10nm測(cè)量整個(gè)底層的電阻，得到圖4中所示的結(jié)果。
根據(jù)圖4，應(yīng)當(dāng)知道，由于圖3(a)至圖3(c)中的第二底層10的膜厚，整個(gè)底層的電阻率被減小為小于250μΩ·cm。由于底層9、10作為布線13，因此它們的電阻率必須被減小為小于200μΩ·cm。因此，如果作為第一底層9的氮化鈦膜被設(shè)置為10nm，則作為第二底層10的氮化鋯膜必須被設(shè)置為5nm或更小。也就是說(shuō)，最好氮化鋯膜的膜厚應(yīng)當(dāng)被設(shè)置為小于氮化鈦膜的膜厚的50％。
在這種情況中，構(gòu)成第一底層9的氮化鈦的電阻率為500至600μΩ·cm，并且構(gòu)成第二底層10的氮化鋯的電阻率為13.6μΩ·cm。因此，在理論上，整個(gè)底層的電阻率隨著第二底層10的膜厚減小而增加。但是根據(jù)由本申請(qǐng)的發(fā)明人所做的實(shí)驗(yàn)，如圖4中所示，整個(gè)底層的電阻率隨著第二底層10的膜厚減小而減小。
并且，在圖3(b)中，當(dāng)通過(guò)把第二底層10的膜厚設(shè)置為5nm測(cè)量銅種子層11和第一和第二底層9、10的整個(gè)電阻率時(shí)，得到2.3μΩ·cm。
另外，在圖3(c)中，當(dāng)檢測(cè)銅膜12和銅種子層11相對(duì)于第一和第二底層9、10的粘合狀態(tài)時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些層面之間的粘合力較強(qiáng)。換句話(huà)說(shuō)，由ZrN所制成的第二底層10作為粘合層以提高由TiN所制成的第一底層9和覆蓋銅層11、12之間的粘合性。
在這種情況中，該測(cè)試表明層面之間的粘合性的優(yōu)劣取決于當(dāng)把貼在銅膜上的膠帶強(qiáng)制剝離時(shí)，包含銅種子層的銅膜是否從底層上剝離。當(dāng)銅膜不從底層上剝離時(shí)判斷該粘合性良好，而當(dāng)銅膜從底層上剝離時(shí)判斷該粘合性較差。
為了把本實(shí)施例中的布線與現(xiàn)有技術(shù)的布線相比較，圖5(a)至5(c)中所示的樣本被形成為具有常規(guī)結(jié)構(gòu)的銅布線。圖5(a)示出由氮化鈦所制成并且具有15nm的膜厚的底層(阻擋層)101形成在SiO2膜100上的樣本，圖5(b)示出50nm厚的銅種子層102形成在底層101上的樣本，以及圖5(c)示出大約500nm厚的銅層103形成在銅種子層102上的樣本。
在圖5(a)中的底層101的電阻率為大約600μΩ·cm，并且為具有本實(shí)施例中的圖3(a)中所示的結(jié)構(gòu)的底層9、10的電阻率的2.5倍或更多。
并且，當(dāng)測(cè)量銅種子層102和底層101的整體電阻率時(shí)，得到2.8μΩ·cm。另外，在圖5(c)中，當(dāng)檢測(cè)銅層103和銅種子層102相對(duì)于底層101的粘合狀態(tài)時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些層面之間的粘合力較弱。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)銅種子層102和氮化鈦底層101之間的界面處于電阻率增加并且層面之間的粘合性降低的狀態(tài)。
(第二實(shí)施例)圖6至圖8為示出形成本發(fā)明第二實(shí)施例的多層銅布線結(jié)構(gòu)的步驟的截面視圖。在這種情況中，在圖6至圖8中，與圖1(a)所示相同的標(biāo)號(hào)表示相同的元件。
首先，如圖1中所示，形成在硅基片1上的MOS晶體管3被第一和第二層間絕緣膜4、6所覆蓋，然后第一布線13形成在第二層間絕緣膜6上，然后氮化硅膜7和第三層間絕緣膜14形成在第一布線13上。
在這種狀態(tài)中，如圖6(a)中所示，通過(guò)光刻方法把通孔14a形成在與第一布線13相重疊的第三層間絕緣膜14和氮化硅膜7的區(qū)域中。然后，采用光刻方法把通過(guò)通孔14a上方的溝槽14b形成在第三層間絕緣膜14的上部中。通孔14a被形成為具有到達(dá)第一布線13的深度。通過(guò)控制第三層間絕緣膜14的蝕刻條件，溝槽14b被形成為比通孔14a更淺。并且，可以在通孔14a之前形成溝槽14b。
然后，硅基片1被置于CVD設(shè)備的腔體內(nèi)。然后，如圖6(b)中所示，由TiN或TiN組合物所制成的第一底層16形成在通孔14a和溝槽14b的各個(gè)內(nèi)部外圍表面和底表面上以及在第三層間絕緣膜14的上表面上，以具有5至10nm的厚度。通過(guò)CVD方法使用TDEAT在與第一實(shí)施例相同的情況下生長(zhǎng)TiN或TiN組合物。在這種情況中，通過(guò)PVD方法或CVD方法把氮化鉭(TaN)層、氮化鎢(WN)層形成為第一底層16。
然后，如圖7(a)中所示，由ZrN或ZrN組合物所制成的第二底層17被形成在相同的CVD腔中，以具有1至5nm的厚度。通過(guò)CVD方法使用TDEAZ在與第一實(shí)施例相同的情況下生長(zhǎng)ZrN或ZrN組合物。在此時(shí)，少量NH3以及材料氣體可以被提供到生長(zhǎng)環(huán)境中(腔體內(nèi))。在這種情況中，例如氣體流率、氣壓、溫度等等這樣的生長(zhǎng)條件被控制為使得在第二底層17中的Zr的原子數(shù)比率超過(guò)30原子％。并且，構(gòu)成第二底層17的ZrN具有10nm或更小的平均顆粒直徑，并且第三底層17被形成為微晶態(tài)或無(wú)定型態(tài)。
然后，如圖7(b)中所示，通過(guò)CVD方法采用包含Cu(hfac)tmvs的材料氣體，在與第一實(shí)施例相同的條件下，把30至100nm厚的銅種子層18形成在第二底層17上。
然后，如圖8(a)中所示，通過(guò)電鍍把第二銅層19形成在銅種子層18上，以良好地埋住通孔14a和第二溝槽14b。
然后，如圖8(b)中所示，形成在第三層間絕緣膜14的上表面上的第二銅層19、銅種子層18以及第一和第二底層16、17被通過(guò)CMP方法而除去。結(jié)果，被遺留在通孔14a中的第二銅層19、銅種子層18以及第一和第二底層16、17被用作為導(dǎo)電通孔20，并且被遺留在第二溝槽14b中的第二銅層19、銅種子層18以及第一和第二底層16、17被用作為第二布線21。在這種情況中，第一和第二底層16、17作為通孔20和布線21的底層。并且，銅種子層18和第二銅層19作為通孔20和布線21的主導(dǎo)電層。
然后，氮化硅膜、層間絕緣膜等等(未示出)被形成在第二布線21上。通過(guò)施加在用CVD方法形成這種絕緣膜時(shí)的生長(zhǎng)溫度，把鋯和銅的合金形成在第二底層和銅層19之間。
(第三實(shí)施例)如第二實(shí)施例中所示，當(dāng)形成在層間絕緣膜14中的通孔14a的直徑和深度分別被設(shè)置為0.15至0.25微米以及0.8至1.2微米，并且其縱橫比被設(shè)置大約為5，下面將比較在本實(shí)施例和現(xiàn)有技術(shù)之間在通孔14a中的底層的覆蓋率。
首先，如圖9(a)中所示，通過(guò)濺射方法在通孔14a及其外圍生長(zhǎng)TiN層110作為底層。在此時(shí)，確認(rèn)這種TiN層110在通孔14a的上部凸起，而在通孔14a的下側(cè)壁14c處的覆蓋率為10％或更少，這是不良的。該覆蓋率的百分比是形成在通孔40a的內(nèi)部外圍表面上的膜厚與通孔14a的直徑的比率。
并且，如圖9(b)中所示，通過(guò)CVD方法僅僅采用TDEAT，在通孔14a中及其外圍生長(zhǎng)TiN層111作為底層。在此時(shí)，該TiN層111不在通孔14a的上部凸起，而在通孔14a的下側(cè)壁14c的覆蓋率大約為50％或更小。但是TiN層111的電阻率變?yōu)楦哌_(dá)500μΩ·cm或更多。
另外，通過(guò)CVD方法采用添加有NH3作為來(lái)源氣體的TDEAT，在通孔14a中及其外圍生長(zhǎng)TiN層112作為底層。在此時(shí)，電阻率被減小到大約200μΩ·cm。但是，如圖9(c)中所示，在通孔14a側(cè)壁上的覆蓋率變差，因此沒(méi)有顯現(xiàn)出通過(guò)采用CVD方法所獲得的優(yōu)點(diǎn)。這是因?yàn)門(mén)DEAT和NH3在進(jìn)入通孔14a的底部之前相互發(fā)生反應(yīng)。
相反，根據(jù)本實(shí)施例，通過(guò)采用TDEAT的CVD方法在通孔14a及其外圍中生長(zhǎng)TiN層(第一底層16)，然后通過(guò)采用TDEAZ的CVD方法生長(zhǎng)ZrN層(第二底層17)。在此時(shí)，如圖10中所示，該TiN層不在通孔14a的上部凸起，并且在通孔14a的下側(cè)壁的覆蓋率大約為50％。另外，整個(gè)底層16、17的電阻率被減小為200μΩ·cm，因此通孔20與第一布線13之間的接觸電阻被減小。
(其它實(shí)施例)在上述實(shí)施例中，氮化鋯層形成在通孔和溝槽中，作為形成第一底層上的第二底層，作為防止銅擴(kuò)散的阻擋層。但是可以由其它材料所形成。
最好，第二底層的材料應(yīng)當(dāng)具有三種特性，使得該材料與銅一起適當(dāng)?shù)厝刍?，該薄膜電阻相?duì)較低，并且可以通過(guò)CVD方法生長(zhǎng)這種材料。
首先，如果第二底層的構(gòu)成材料對(duì)于銅具有適當(dāng)?shù)娜芙舛?，則可以提高底層和銅層之間的粘合性。第二，如果薄膜電阻較低，則可以抑制布線電阻和接觸電阻的增加，因此可以實(shí)際使用通過(guò)形成銅的布線電阻或插塞接觸電阻所獲得的優(yōu)點(diǎn)。第三，如果這種材料可以通過(guò)CVD方法來(lái)生長(zhǎng)，則可以提高在通孔中的覆蓋率。
作為滿(mǎn)足上述三種特性的金屬材料，除了鋯之外還有鈣(Cd)、鋅(Zn)或者銀(Ag)。這些材料的物理特性值在表1中給出。
每種材料的電阻率和對(duì)銅的溶解度元素原子量電阻率對(duì)銅的溶解度(μΩ·cm)(wt％)Zr 91.22440.00 0.02Cd 112.411 6.83 4.0Zn 65.3905.92 40.0Ag 107.868 1.59 ＞50.0在表1中，Zn和Ag對(duì)于銅具有相對(duì)較大的溶解度。但是，如果當(dāng)這些材料中的任何一種材料被用作為底層時(shí)，該材料與銅形成合金，這種材料不會(huì)大大地增加銅層的電阻。因此，這種材料可以被用作為第二底層。
銅層的電阻率與當(dāng)Zn，Zr，Cd，Ag，Si，Co或Fe被作為添加劑添加到形成在底層上的銅層中的添加劑濃度之間的關(guān)系如圖11中所示。根據(jù)圖11，由于Si，Co或Fe添加到銅層中導(dǎo)致銅層的電阻增加，這種添加是不可取的。相反，即使Zn，Zr，Cd或Ag被添加到銅層中，銅層的阻值具有小的改變。如果以10wt％的比例把Ag添加到銅層中，該銅層的電阻率大約為2.20μΩ·cm，而如果以10wt％的比例把Zn添加到銅層中，則該銅層的電阻率大約為2.10μΩ·cm。并且，如果以作為溶解度的4wt％的比例把Cd添加到銅層中，該銅層的電阻率大約為1.98μΩ·cm。另外，如果以作為溶解度的0.02wt％的比例把Zr添加到銅層中，該銅層的電阻率幾乎不改變大約為1.69μΩ·cm。
結(jié)果，最好構(gòu)成第二底層的金屬相對(duì)于銅的固溶范圍應(yīng)當(dāng)為0.01至10.0wt％。
構(gòu)成第二底層的Zn、Cd或Ag可以通過(guò)采用表2中所示的原料通過(guò)CVD方法來(lái)形成。在這種情況中，被淀積為第二底層的金屬與表2中的幾到幾十wt％的比例的材料一同可以通過(guò)采用氨氣(NH3)或聯(lián)氨(N2H4)而氮化。
每種金屬的CVD膜形成材料被淀積的金屬 CVD材料Cd(CH3)2二甲基鈣CdCdCl2氯化鈣CdBr2溴化鈣ZnZn(CH3)2二甲基鋅Zn(C2H5)2二乙基鋅AgAgCl氯化銀并且，在上述實(shí)施例中，當(dāng)通過(guò)CVD方法把ZrN形成為第二底層時(shí)，采用TDEAZ。在這種情況中，氯化鋯(ZrCl4)可以被用于取代TDEAZ。如果采用ZrCl4，則與采用TDEAZ的情況相比，可以減少例如碳、氫等等這樣的雜質(zhì)量。并且，如果通過(guò)采用ZrCl4形成ZrN層，則以幾或幾十wt％的比例把氨或聯(lián)氨添加到ZrCl4中。在這種情況中，如果Zr層被形成為第二底層，則氨或聯(lián)氨不被用作為添加劑氣體。
但是，通過(guò)使用ZrCl4所形成的第二底層的電阻比由TDEAZ材料所獲得的第二底層的電阻增加。并且，如果通過(guò)使用有機(jī)材料來(lái)生長(zhǎng)用于防止銅擴(kuò)散的第一底層，則從防止采用相同的CVD腔而導(dǎo)致碳的混合的觀點(diǎn)來(lái)看，這不是優(yōu)選的。
并且，在上述每個(gè)實(shí)施例中，包含例如氟、硼或磷這樣的雜質(zhì)的SiO2層可以被用作為構(gòu)成層間絕緣膜的材料。
如上文所述，根據(jù)本發(fā)明，由例如氮化鈦、氮化鉭或氮化物或者包含它們作為主要成份的材料等等這樣的銅防擴(kuò)散導(dǎo)電材料所制成的第一底層；形成在第一底層上并且由包含鋯、鈣、鋅或銀或者鋯、鈣、鋅或銀的合金、或者鋯和氮所制成的第二底層；以及形成在第二底層上并且由銅或銅合金所制成的主導(dǎo)電層被埋在絕緣膜中作為布線或插塞(通孔)。因此，第一和第二底層的電阻率比布線或插塞僅僅由第一底層所構(gòu)成的情況降低。另外，這些底層和銅層或者銅合金層之間的粘合性可以比現(xiàn)有技術(shù)的情況增加。因此，可以通過(guò)底層和銅層或者底層和銅合金層構(gòu)成良好的布線或通孔。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，其中包括在半導(dǎo)體基片上形成的絕緣膜；在該絕緣膜中形成的溝槽和通孔；在至少一個(gè)溝槽和通孔中形成并且由導(dǎo)電材料所制成以防止銅擴(kuò)散的第一底層；在第一底層上的至少溝槽和通孔之一中形成并且由銅或銅合金所制成的主導(dǎo)電層；以及通過(guò)CVD方法在主導(dǎo)電層和第一底層之間形成并且形成在第一底層上的第二底層，其具有在第二底層和主導(dǎo)電層之間的界面上固溶在主導(dǎo)電層中的金屬元素。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中一個(gè)底層相對(duì)于由銅所制成的主導(dǎo)電層的固溶性在0.01至10.1wt％的范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中第二底層由鋯、鈣、鋅或銀、或者鋯、鈣、鋅或銀的合金、或者包含鋯和氮的材料所制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體器件，其中包含鋯和氮的材料是無(wú)定形或微晶態(tài)的氮化鋯。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的半導(dǎo)體器件，其中包含鋯和氮的材料的平均顆粒直徑為10nm或更少。
6.根據(jù)權(quán)利要求3至5中的任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其中包含鋯和氮的材料包括原子數(shù)比率超過(guò)30原子％的鋯。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其中第二底層具有5nm或更少的厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其中第二底層具有小于第一底層的一半的膜厚。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中的任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其中第一底層由氮化鈦、氮化鉭和氮化鎢之一所制成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中的任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其中第一底層具有10nm或更少的厚度。
11.一種半導(dǎo)體器件制造方法，其中包括如下步驟在半導(dǎo)體基片上形成絕緣膜；在絕緣膜中形成溝槽和通孔；通過(guò)CVD方法在該溝槽或通孔中以及絕緣膜上形成第一底層，其由導(dǎo)電材料所制成以防止銅的擴(kuò)散；通過(guò)CVD方法在第一底層上形成第二底層，其具有固溶在銅層中的金屬元素；在第二底層上形成主導(dǎo)電層，其由銅或銅合金所制成；以及從絕緣膜的上表面上除去第一底層、第二底層以及主導(dǎo)電層，以把其保留在溝槽和通孔中。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體器件制造方法，其中第二底層由鋯、鈣、鋅或銀、或者鋯、鈣、鋅或銀的合金、或者包含鋯和氮的材料所制成。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體器件制造方法，其中第二底層由包含鋯和氮的層面所制成，并且通過(guò)使用四(二乙基氨基)鋯而生長(zhǎng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體器件制造方法，其中第二底層由包含鋯和氮的層面所制成，并且通過(guò)使用氯化鋯和氮組合物氣體而生長(zhǎng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求11至14中的任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件制造方法，其中第二底層具有5nm或更少的厚度。
16.根據(jù)權(quán)利要求11至15中的任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件制造方法，其中第一底層由氮化鈦、氮化鉭和氮化鎢之一所制成。
17.根據(jù)權(quán)利要求11至15中的任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件制造方法，其中第一底層具有10nm或更少的厚度。
18.根據(jù)權(quán)利要求11至17中的任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件制造方法，其中通過(guò)在第二底層的表面上形成銅種子層然后通過(guò)電鍍方法在該銅種子層上形成銅或者包含銅作為主要成分的材料的步驟而形成主導(dǎo)電層。
19.根據(jù)權(quán)利要求11至18中的任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件制造方法，其中第一底層、第二底層和主導(dǎo)電層被從該絕緣膜的上表面上除去，以?xún)H僅保留在溝槽和通孔中。
全文摘要
一種半導(dǎo)體器件，其中包括在半導(dǎo)體基片(1)上形成的絕緣膜(14)；在該絕緣膜(14)中形成的溝槽(14b)和通孔(14a)；在至少一個(gè)溝槽(14b)和通孔(14a)中形成并且由導(dǎo)電材料所制成以防止銅擴(kuò)散的第一底層(16)；在第一底層(16)上的至少溝槽(14b)和通孔(14a)之一中形成并且由銅或銅合金所制成的主導(dǎo)電層(19)；以及通過(guò)CVD方法在主導(dǎo)電層(19)和第一底層(16)之間形成并且形成在第一底層(16)上的第二底層(17)，其具有在第二底層(17)和主導(dǎo)電層(19)之間的界面上固熔在主導(dǎo)電層中的金屬元素。
文檔編號(hào)H01L23/52GK1633708SQ0181799
公開(kāi)日2005年6月29日 申請(qǐng)日期2001年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月2日
發(fā)明者酒井久彌, 清水紀(jì)嘉, 大塚信幸 申請(qǐng)人:富士通株式會(huì)社