專利名稱：半導體器件的制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及包括含銅金屬布線的半導體器件的制造方法，特別涉及可以防止銅擴散到層間絕緣膜或類似物內(nèi)的半導體器件的制造方法。
背景技術：
通常，鋁基合金用做形成在半導體晶片上的高密度集成電路的細微布線材料。然而，為了增強半導體器件的操作速度，需要使用比鋁基合金的電阻率低的材料作為布線材料，銅、銀等優(yōu)選用做這種低電阻率材料。特別是期望銅作為下一代材料，是由于它具有1.8μΩcm的低電阻率，因此有利地提高了半導體器件的操作速度，并且它的電遷移電阻比鋁基合金高約一個數(shù)量級。
使用銅形成布線時，通常使用所謂的金屬鑲嵌(Damascene)工藝，是由于難以進行銅的干蝕刻。工藝包括首先在例如氧化硅形成的層間絕緣膜中形成槽，用布線材料(銅)填充槽，以及通過化學機械拋光(下文稱做CMP)除去過量的布線材料，由此形成布線。此外，現(xiàn)已知雙金屬鑲嵌工藝包括以下步驟形成接觸孔(過孔)和布線槽(溝槽)，然后用布線材料整個填充這些槽，以及通過CMP除去過量的材料。
同時，銅布線通常用在多層結(jié)構(gòu)形式中。此時，為了防止銅擴散到層間絕緣膜內(nèi)，在形成布線之前，形成由氮化硅、碳化硅或類似物組成的阻擋膜。
然而，由于緊接CMP之后銅布線表面上不存在阻擋膜，因此在形成上層布線之前形成起銅擴散防止層作用的阻擋膜。此時，由于甚至在約150℃的低溫下銅容易在含氧氣氛中氧化，因此通常使用氮化硅膜(SiN)、碳化硅膜(SiC)或類似物作為阻擋層。
這里應該指出氮化硅膜(SiN)和碳化硅膜(SiC)的相對介電常數(shù)高于氧化硅(SiO2)的，導致了包含銅布線的半導體器件的有效介電常數(shù)將變高的問題，半導體的RC延遲(由電阻和電容造成的布線延遲)變高，構(gòu)成阻擋膜的SiN或SiC與銅之間的界面處的電遷移電阻將變?nèi)酢?br> 鑒于以上問題，US專利No.5695810(USE OF COBALT TUNGSTENPHOSPHITE AS A BARRIER MATERIAL FOR COPPER METALLIZATION)現(xiàn)已提出CMP之后在銅布線表面上形成CoWP膜作為防止銅擴散、提高RC延遲以及電遷移電阻優(yōu)異的材料。此外，CoWP具有通過無電鍍將它的膜僅選擇性地形成在銅布線上的特性。
使用CoWP作為阻擋膜的常規(guī)半導體器件顯示在圖21中。半導體器件包括含銅金屬布線，在其上形成有由CoWP組成的阻擋膜，并具有銅擴散阻擋功能。半導體器件具有以下構(gòu)成其中在初始提供有如晶體管的器件(未示出)的襯底101上，作為含銅金屬化布線(下文稱做Cu布線)的下層布線102a和102b用于填充提供在絕緣層103a中的槽。絕緣層103a例如由SiOC形成，例如TaN形成的阻擋金屬膜104a形成在下層布線102a，102b和絕緣層103a之間，此外，例如由SiC形成的蝕刻終止層105形成在襯底101和絕緣層103a之間，用于防止Cu從下層布線102a，102b擴散到襯底101內(nèi)。此外，絕緣膜103b提供在下層布線102a，102b以及絕緣層103a上，用于防止銅擴散的SiN膜提供在兩者之間。絕緣膜103b例如由SiO2形成。
此外，絕緣膜103c形成在絕緣膜103b上，用于防止銅擴散的SiN膜提供在兩者之間，作為含銅金屬布線的上層布線106a和106b形成在提供于絕緣層103b和絕緣層103c中的槽內(nèi)，例如由TaN組成的阻擋膜104b提供在兩者之間。由CoWP組成并具有防止銅擴散功能的阻擋膜108形成在上層布線106a和106b上，即沒有被阻擋金屬膜104b覆蓋的表面上，即圖21中上層布線106a和106b的上表面上，用鈀(Pd)替換層107提供在兩者之間。
要制造以上提到的半導體器件，具有CoWP的無電鍍施加在銅布線上，以形成阻擋層。現(xiàn)在，簡要介紹通過無電鍍在銅布線上形成CoWP膜的方法和原理。為了通過無電鍍方法在銅布線上選擇性地形成CoWP膜，需要開始無電鍍的催化劑層。銅的催化活性低，因此不能作為淀積CoWP的足夠催化劑。因此通常，一種方法就是通過置換電鍍在銅表面上初始地形成鈀(Pd)的催化金屬層或類似物。
置換電鍍利用了不同金屬之間的電離傾向差異。由于Cu電化學地較賤金屬(baser)于Pd，當Cu浸沒在例如PdCl2的HCl溶液中時，隨著Cu的溶解釋放出的電子被轉(zhuǎn)移到Pd的離子上，Pd為溶液中的貴金屬，導致在為較賤金屬的Cu表面上形成Pd膜。由于Pd置換沒有發(fā)生在必須不是金屬的絕緣膜的表面上，因此催化活性層僅形成在Cu上。隨后，無電鍍反應僅開始于Cu布線上，Pd層作為催化劑層，導致形成由CoWP形成的阻擋金屬層。
然而，以上提到的方法具有以下問題當通過Pd置換電鍍催化活性層形成在Cu表面上時，通過蝕刻損壞了Cu布線。特別是，沿Cu晶粒在Cu中局部地形成了孔，在蝕刻進行得很快的位置處，Cu布線會被損傷到使線斷裂的程度。由此，在Cu布線被嚴重地損壞的位置處，Cu布線的電阻增加例如多達30％。此外，通過形成CoWP膜，難以填充在Cu晶粒之間產(chǎn)生的孔。由此，即使形成CoWP之后，空隙留在Cu布線之中，從空隙開始，電遷移電阻將快速地變壞。
考慮到現(xiàn)有技術中以上提到的情況設計了本發(fā)明。因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種半導體器件的制造方法，用于實現(xiàn)適合于提高其操作速度并且質(zhì)量和可靠性都高的半導體器件。
發(fā)明的公開為了得到以上目的，根據(jù)本發(fā)明，提供一種半導體器件的制造方法，半導體器件包括具有防止銅擴散功能并形成在金屬布線上的阻擋膜，該方法包括以下步驟使用含添加的催化劑金屬的電鍍液進行電鍍由此形成含催化劑金屬的金屬布線；以及使用在金屬布線的表面上暴露的催化劑金屬作為催化劑進行無電鍍，由此在金屬布線上形成具有防止銅擴散功能的阻擋膜。
通常，為了通過無電鍍法在含銅金屬布線上形成阻擋膜，需要使用為高效催化金屬的Pd或類似物使金屬布線層的表面經(jīng)受催化活性處理。具體地，例如需要使含銅金屬布線的表面經(jīng)受Pd置換電鍍，由此用Pd代替銅形成催化活性層，此后在催化活性層中使用Pd進行無電鍍作為催化劑的核。
然而在根據(jù)本發(fā)明半導體器件的制造方法中，形成含銅金屬布線時，催化劑金屬初始地含在金屬布線中，以及使用在金屬布線的表面上露出的催化劑金屬進行無電鍍(electroless plating)，含在金屬布線中的催化劑金屬作為催化劑核，由此在金屬布線上形成了具有防止銅擴散功能的阻擋膜。
更具體地，在根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的制造方法中，將催化劑金屬初始地添加到電鍍液用于電鍍，以便通過電鍍形成含銅金屬布線。催化劑金屬起催化劑作用使無電鍍反應開始形成阻擋膜。然后使用添加了含有催化劑金屬的電鍍液進行電鍍，由此可以形成含催化劑金屬的金屬布線。也就是，可能形成催化劑金屬分布在金屬布線內(nèi)以及金屬布線表面上的金屬布線。
然后，根據(jù)需要進行除去不需要的部分并平面化處理，通過使用在金屬布線的表面上露出的催化劑金屬作為催化劑的無電鍍形成阻擋膜，以催化劑金屬作為催化劑開始無電鍍反應時，由于自動的催化反應無電鍍反應繼續(xù)，由此阻擋膜形成在金屬布線上。
這里，催化劑金屬僅暴露在金屬布線的表面上，并且僅在存在催化劑金屬的位置處進行無電鍍。因此，阻擋膜可以選擇性地僅形成在金屬布線上。
在以上介紹的方法中，使用含初始添加的催化劑金屬的電鍍液通過電鍍形成金屬布線，由此在無電鍍中作為催化劑的催化劑金屬分布在金屬布線內(nèi)以及金屬布線的表面。這使其可以得到與常規(guī)制造方法中進行催化活性處理時相同的效果。
因此，在本發(fā)明中，常規(guī)的制造方法中必須的催化活性處理步驟已不必要，通過簡化的制造步驟可以有效地形成阻擋膜，可以低成本地制造高質(zhì)量的半導體器件，其中可以可靠地防止銅原子擴散到層間絕緣膜內(nèi)。
此外，在根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的制造方法中，由于如上所述沒有進行催化劑活性步驟，因此金屬布線自身沒有被蝕刻。具體地，金屬布線沒有產(chǎn)生由蝕刻造成在金屬布線中的孔，并且沒有由蝕刻造成的損傷，例如產(chǎn)生線斷裂。因此，可以制造高質(zhì)量的半導體器件，同時避免了由蝕刻金屬布線引起的半導體器件制造的問題，例如布線電阻升高和電遷移電阻變壞。
此外，在根據(jù)本發(fā)明制造半導體器件的方法中，沒有進行催化劑活性步驟，因此避免了在常規(guī)的制造方法中層間絕緣膜上有吸附的或剩余的催化劑金屬。由此，阻擋膜沒有形成在層間絕緣膜上，因此可以增強形成阻擋膜時的膜形成的選擇性，并且制造了高質(zhì)量的半導體器件。
附圖簡介

圖1示出了通過采用本發(fā)明制造的半導體器件的結(jié)構(gòu)的一個例子的垂直剖面圖。
圖2是為說明根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的制造方法的垂直剖面圖。
圖3是為說明根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的制造方法的垂直剖面圖。
圖4是為說明根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的制造方法的垂直剖面圖。
圖5是為說明根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的制造方法的垂直剖面圖。
圖6是為說明根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的制造方法的垂直剖面圖。
圖7是為說明根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的制造方法的垂直剖面圖。
圖8是為說明根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的制造方法的垂直剖面圖。
圖9是為說明根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的制造方法的垂直剖面圖。
圖10是為說明根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的制造方法的垂直剖面圖。
圖11示出了通過采用本發(fā)明已形成了下層布線狀況的垂直剖面圖。
圖12示出了在本發(fā)明應用于雙金屬鑲嵌工藝時半導體器件的制造方法的垂直剖面圖。
圖13示出了在本發(fā)明應用于雙金屬鑲嵌工藝時半導體器件的制造方法的垂直剖面圖。
圖14示出了在本發(fā)明應用于雙金屬鑲嵌工藝時半導體器件的制造方法的垂直剖面圖。
圖15示出了在本發(fā)明應用于雙金屬鑲嵌工藝時半導體器件的制造方法的垂直剖面圖。
圖16示出了在本發(fā)明應用于雙金屬鑲嵌工藝時半導體器件的制造方法的垂直剖面圖。
圖17示出了在本發(fā)明應用于雙金屬鑲嵌工藝時半導體器件的制造方法的垂直剖面圖。
圖18示出了在本發(fā)明應用于雙金屬鑲嵌工藝時半導體器件的制造方法的垂直剖面圖。
圖19示出了在本發(fā)明應用于雙金屬鑲嵌工藝時半導體器件的制造方法的垂直剖面圖。
圖20示出了在本發(fā)明應用于雙金屬鑲嵌工藝時半導體器件的制造方法的垂直剖面圖。
圖21示出了根據(jù)有關技術的半導體器件的結(jié)構(gòu)的一個例子的垂直剖面圖。
實施本發(fā)明的最佳方式現(xiàn)在參考附圖詳細地介紹根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的制造方法。本發(fā)明不限于以下說明，可以在本發(fā)明的要點范圍內(nèi)進行多種修改。首先，介紹本發(fā)明應用于單層布線時的情況。在下面的附圖中，為方便描述，縮小比例可能與實際的不同。
圖1示出了通過采用本發(fā)明制造的半導體器件的基本部分的剖面圖。半導體器件包括含銅金屬布線，在其上形成具有防止銅擴散功能的阻擋膜。半導體器件具有以下結(jié)構(gòu)其中在初始提供有如晶體管的器件(未示出)的襯底1上，含銅金屬布線(下文稱做Cu布線)2填充在提供于層間絕緣膜3中的槽內(nèi)。
層間絕緣膜3例如由SiOC、SiO2、SiLK、FLARE添加氟的氧化硅膜(FSG)或其它低介電常數(shù)絕緣膜組成。在Cu填充步驟通過電鍍在Cu布線2和層間絕緣膜3之間形成具有防止銅擴散功能的阻擋金屬膜4以及形成Cu膜時成為導電層的Cu籽晶層5。阻擋金屬膜4例如由TaN、Ta、Ti、TiN、W、WXN或它們的疊層膜組成。
此外，在襯底1和層間絕緣膜3之間形成蝕刻終止層6，蝕刻終止層6例如由SiN、SiC或類似物組成。
此外，在半導體器件中，具有防止銅擴散功能的阻擋膜7形成在Cu布線2上，即在阻擋金屬膜4沒有覆蓋的Cu布線2的表面上，即圖1中的上表面上。這里，阻擋膜7由形成在Cu布線上的亞磷酸鈷鎢(CoWP)膜構(gòu)成。在半導體器件中，采用亞磷酸鈷鎢(CoWP)構(gòu)成的阻擋膜7，由亞磷酸鈷鎢(CoWP)構(gòu)成的阻擋膜7充分地起防止銅擴散膜的作用，由此可靠地防止銅擴散到層間絕緣膜內(nèi)。
此外，在半導體器件中，采用亞磷酸鈷鎢(CoWP)構(gòu)成的阻擋膜7，可以避免由于防止銅擴散膜自身的高介電常數(shù)造成的在防止銅擴散膜和銅之間界面處電遷移電阻變?nèi)醯膯栴}以及RC延遲變大的問題，當SiN或類似物用做阻擋膜7的材料，即防止銅擴散膜時會發(fā)生這些問題。即，使用亞磷酸鈷鎢(CoWP)作為阻擋膜7，實現(xiàn)了防止銅擴散性質(zhì)優(yōu)異并且具有優(yōu)良的電遷移電阻并且抑制了RC延遲的半導體器件。
以上半導體器件可以如下制造。首先，如圖2所示，通過CVD(化學汽相淀積)工藝如SiC和SiN的材料淀積在襯底1上，形成了蝕刻終止層6。具體地，例如，使用甲硅烷(SiH4)、NH3以及N2的混合氣體作為源氣進行CVD工藝，形成膜厚度50nm的SiN膜。
接下來，如圖3所示，隨著蝕刻終止層6不斷地形成，使用例如四乙氧(基)硅烷(TEOS)和O2的混合氣體作為源材料氣體通過CVD工藝，由SiO2構(gòu)成的層間絕緣膜3形成在蝕刻終止層6的整個表面上。在相同室中在形成蝕刻終止層6的前一步驟可以繼續(xù)進行形成層間絕緣膜3。此外，層間絕緣膜3的材料不限于SiO2，可以是如SiOC等的公知氧化物或者可以是如低介電常數(shù)材料的有機材料。
隨后，如圖4所示，通過光刻和干蝕刻在層間絕緣膜3中構(gòu)圖用于形成布線的槽8。例如，可以在下面的蝕刻條件下進行蝕刻層間絕緣膜3。
<用于層間絕緣膜3的蝕刻條件>
使用的氣體CHF3/CF4/Ar＝30/60/800sccm壓力200Pa襯底溫度25℃接下來，如圖5所示，通過PVD(物理汽相淀積)工藝形成例如TaN構(gòu)成的阻擋金屬膜4，用于防止Cu擴散到層間絕緣膜3內(nèi)。阻擋金屬膜4的材料不限于TaN；對Cu阻擋性質(zhì)優(yōu)異的材料例如Ta、Ti、TiN、W、WN或它們的疊層膜及類似物可以用做阻擋金屬膜4的材料。
隨后，如圖6所示，通過PVD工藝在阻擋金屬膜4上形成Cu籽晶層5。在隨后的Cu填充步驟中通過電鍍形成Cu膜時Cu籽晶層5成為導電層。不必通過PVD工藝實行形成阻擋金屬膜4和Cu籽晶層5，而是通過CVD工藝進行。
膜厚度取決于設計規(guī)則。然而，優(yōu)選阻擋金屬膜4的膜厚度不超過50nm，Cu籽晶層5的膜厚度不超過200nm。因此，例如由TaN構(gòu)成的阻擋金屬膜4可以形成20nm的膜厚度，膜厚度150nm的Cu籽晶層5可以形成在阻擋金屬膜4上。下面給出了在這種情況下用于阻擋金屬膜4的一組PVD膜形成條件的一個例子。
<用于阻擋金屬膜4的PVD膜形成條件>
DC功率1kW工藝氣體Ar＝50sccmAC晶片偏置功率350W此外，下面給出了用于Cu籽晶層5的一組PVD膜形成條件的一個例子。
<用于Cu籽晶層5的PVD膜形成條件>
DC功率12kW壓力0.2Pa膜形成溫度100℃接下來，如圖7所示，通過Cu電鍍形成Cu膜9，以用Cu9填充槽8。此時，作為催化劑金屬10a的Pd初始地添加到Cu電鍍液用于Cu電鍍。催化劑金屬10a是以后將介紹的形成阻擋層7時開始無電鍍反應的催化劑。然后，以用Cu9填充槽8的方式，使用含添加的如Pd的催化劑金屬10a的Cu電鍍液通過Cu電鍍形成Cu膜9，由此可以形成含催化劑金屬10a的Cu布線2。具體地，可以形成Cu布線2以使催化劑金屬10a隨機地分布在Cu布線2內(nèi)以及Cu布線2的表面。
在制造半導體器件的常規(guī)方法中，為了在Cu布線2上形成阻擋膜7，必須使用Pd或類似物的高效的催化金屬使Cu布線2的表面經(jīng)受催化活性處理。具體地，例如需要通過Pd置換電鍍用Pd置換Cu布線2的表面，由此在Cu布線2的表面上形成催化活性層，然后使用Pd的催化活性層作為催化劑的核進行無電鍍。
另一方面，在根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的制造方法中，如上所述，通過進行Cu電鍍同時使用初始添加其上的含催化劑金屬10a的Cu電鍍液形成含催化劑金屬10a的Cu布線2。即，作為催化劑用于開始無電鍍反應的催化劑金屬10a可以分布在Cu布線2內(nèi)以及Cu布線2的表面。
這可以得到與在常規(guī)制造方法中應用催化活化處理時相同的效果，使得對常規(guī)的制造方法所必須的催化活性處理已不必要。因此，在根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的制造方法中，通過簡化制造步驟，可以有效地形成阻擋膜7，并低成本地制造可靠地防止銅原子擴散到層間絕緣膜內(nèi)的高質(zhì)量的半導體器件。
此外，在根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的制造方法中，形成阻擋層7時沒有蝕刻Cu布線2，是由于沒有進行催化活化步驟。此外，在根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的制造方法中，不存在催化活化步驟可確保Cu布線2沒有產(chǎn)生蝕刻造成的Cu布線2中的孔并且沒有由蝕刻造成的損傷，例如產(chǎn)生線斷裂。因此，避免了由蝕刻Cu布線2造成的布線電阻升高、電遷移電阻變差等。因此，可以制造不會發(fā)生由蝕刻Cu布線2造成的半導體器件故障的高質(zhì)量半導體器件。
而且，在根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的制造方法中，沒有進行催化活化步驟，因此，避免了如在常規(guī)的制造方法中可見的在層間絕緣膜3上有吸附的或剩余的催化劑金屬。由此，避免了阻擋膜形成在層間絕緣膜3上，因此可以增強在形成以后介紹的阻擋膜7時的膜形成的選擇性。這是由于無電鍍工藝僅在存在催化劑金屬10的位置處進行，在根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的制造方法中，催化劑金屬10a僅選擇性地設置在Cu布線2上。
此外，由于基于硫酸銅的電鍍液通常用做Cu電鍍，其中例如Pd用做催化劑金屬，添加以上提到的催化劑金屬的方法優(yōu)選包括將硫酸鈀添加到Cu電鍍液。然而當硫酸鈀僅添加到Cu電鍍液中時，通過Cu電鍍液中的水解產(chǎn)生Pd的氫氧化物，氫氧化物在Cu電鍍液中遷移，導致了電鍍液變色并致使電鍍變得不穩(wěn)定。
鑒于以上問題，在本發(fā)明中，優(yōu)選將絡合物形式的催化劑金屬添加到Cu電鍍液中。具體地，例如添加Pd作為催化劑金屬時，在添加到Cu電鍍液之前，Pd優(yōu)選與檸檬酸或類似物絡合。采用添加到Cu電鍍液如此絡合的Pd，避免了在Cu電鍍液中由水解造成產(chǎn)生Pd的氫氧化物，由此不存在在Cu電鍍中氫氧化物遷移的可能性。因此，可以防止由Pd的氫氧化物造成的鍍液變色和電鍍不穩(wěn)定，可以獲得穩(wěn)定的高質(zhì)量的Cu電鍍。
此外，添加到Cu電鍍液的催化劑金屬不限于Pd；金(Au)、鉑(Pt)、銀(Ag)、銠(Rh)、鈷(Co)、鎳(Ni)等可以用做催化劑金屬。同樣將這些金屬的任何一個作為催化劑金屬添加到Cu電鍍液時，在將它添加到Cu電鍍液之前，優(yōu)選用合適的絡合劑絡合金屬，合適的絡合劑例如檸檬酸、酒石酸以及丁二酸，以形成金屬鹽。
此外，根據(jù)要形成的阻擋膜7的材料，開始以后介紹的無電鍍需要的在Cu布線2的表面上存在的催化劑金屬的量或者每單位面積上該催化劑金屬的分布密度不同。因此，沒有特別地限制添加到Cu電鍍液的催化劑金屬10a的量，可以根據(jù)要形成的阻擋膜7的材料適當?shù)卦O置。
下面給出含有添加其上的絡合的Pd的Cu電鍍液組成的一個例子以及一組Cu電鍍條件的一個例子。
<Cu電鍍液的組合物>
硫酸銅200g/l到250g/l硫酸鈀10mg/l到1g/l檸檬酸銨20mg/l到4g/l(同樣也可以使用檸檬酸鈉或類似物)硫酸10g/l到50g/l氯離子20mg/l到80mg/l如光亮劑的添加劑適量<Cu電鍍條件>
電鍍2.83A電鍍時間4分鐘30秒(1μm)鍍液溫度25℃到30℃陰極電流密度1mA/cm2到5mA/cm2此外，盡管已描述以上如在硫酸銅鍍槽中進行了Cu電鍍，也可以使用氟硼酸銅鍍槽、焦磷酸銅、氰化銅或類似物進行Cu電鍍。
接下來，如圖8所示，除去Cu9的剩余部分、阻擋金屬膜4以及Cu籽晶層5，僅在槽8中留下Cu9，由此形成Cu布線2。由此，含在Cu布線2中的Pd暴露在Cu布線2的表面。也就是，在隨后的步驟中通過無電鍍形成阻擋膜7時起催化劑作用的催化劑金屬10a暴露在Cu布線2的表面。
這里，通常除去Cu9的剩余部分采用的技術為通過CMP的拋光。在該步驟中，需要在層間絕緣膜3的表面完成拋光以僅在槽8中留下布線材料，此外，優(yōu)選控制拋光以便布線材料沒有留在層間絕緣膜3上。在通過CMP拋光的步驟中，必須拋掉Cu9、阻擋金屬4以及Cu籽晶層5的多種材料，因此需要根據(jù)要拋光的材料控制拋光液(漿料)、拋光條件等。為此，在一些情況中需要多個拋光步驟。下面給出了用于剩余Cu的一組CMP條件的一個例子。
<用于Cu的CMP條件>
拋光壓力100g/cm2旋轉(zhuǎn)速度30rpm旋轉(zhuǎn)墊無紡織物和閉孔發(fā)泡料的疊層漿料添加H2O2(含氧化鋁的漿料)流速100cc/min溫度25到30℃接下來，阻擋膜7形成在Cu布線2上。此時，如果需要，通過CMP進行拋光步驟之后進行預處理除去形成在Cu布線2上的自然氧化膜，此后通過無電鍍工藝阻擋膜7形成在Cu布線2上，如圖8所示。采用無電鍍工藝，阻擋膜7可以選擇性地僅形成在Cu布線2上，由此可以省略蝕刻阻擋膜7的步驟。下面給出了預處理工藝的一個具體例子。
<預處理>
(1)脫脂處理通過堿性脫脂或酸性脫脂提高表面的潤濕性。
(2)酸處理用2到3％的鹽酸或類似物進行中和，同時除去表面被氧化的Cu。
(3)用純水清洗在以上預處理中，在(1)脫脂處理和(2)酸處理中處理方法的例子包括使用旋轉(zhuǎn)涂覆器的旋轉(zhuǎn)處理、攪拌處理(攪拌液體)以及浸泡處理。
接下來，通過無電鍍在Cu布線2的表面上形成例如CoWP膜作為阻擋膜7。要形成CoWP膜，如圖9所示，通過使用在Cu布線2的表面上露出為催化劑金屬10a的Pd作為催化劑開始CoWP無電鍍反應。然后在自動催化反應下繼續(xù)無電鍍反應，由此，可以在Cu布線2上形成CoWP膜，如圖10所示。
這里，如上所述，為催化劑金屬10a的Pd僅在Cu布線2的表面上露出，無電鍍僅在存在Pd的位置處進行。因此，阻擋膜7可以選擇性地僅形成在Cu布線2上。
此外，在本發(fā)明中阻擋膜7不限于CoWP膜；同樣可以使用鈷合金或鎳合金通過無電鍍工藝形成阻擋膜7。鈷合金的實例包括CoP、CoB、CoW、CoMo、CoWB、CoMoP以及CoMoB。鎳合金的例子包括NiWP、NiWB、NiMoP、以及NiMoB?？墒褂貌牧系钠渌影ê蠧o和Ni的合金以及含有W和Mo的合金。添加鎢或鉬到鈷或鎳中增加了防止銅擴散的效果。此外，在無電鍍中輔助地添加的磷或硼使鈷或鎳的形成膜具有精細的晶體結(jié)構(gòu)，由此有助于防止銅擴散的效果。
在下面給出了以上提到的無電鍍中使用的無電鍍液的組合物的一個例子以及一組無電鍍條件的一個例子。
(CoP時)<無電鍍液的組合物>
氯化鈷10到100g/l(硫酸鈷或類似物)甘氨酸2到50g/l(檸檬酸、酒石酸、丁二酸、蘋果酸、丙二酸、蟻酸的銨鹽或類似物或它們的混合物或類似物)次磷酸銨2到200g/l(福爾馬林、水合乙醛酸(glyoxylic)、聯(lián)氨、硼烷銨(ammonium boron hydride)、二甲胺硼烷(DMAB)或類似物)、氫氧化銨(羥化四甲基銨(TMAH)或類似物pH調(diào)節(jié)劑)<無電鍍條件>
鍍液溫度50到95℃鍍液的pH7到12當使用福爾馬林、水合乙醛酸、聯(lián)氨或類似物代替以上無電鍍液組合物中的次磷酸銨時，所得阻擋膜不含有磷(P)。此外，當使用二甲胺硼烷(DMAB)或類似物代替硼烷銨時，所得膜含有硼(B)已代替磷(P)。這同樣適用于下面的無電鍍液組合物。
(當為CoWP、CoMoP、NiWP以及NiMoP)<無電鍍液的組合物>
氯化鈷或氯化鎳10到100g/l(硫酸鈷、硫酸鎳或類似物)甘氨酸2到50g/l(檸檬酸、酒石酸、丁二酸、蘋果酸、丙二酸、蟻酸的銨鹽或類似物或它們的混合物或類似物)次磷酸銨2到200g/l(福爾馬林、水合乙醛酸、聯(lián)氨、硼烷銨、二甲胺硼烷(DMAB)或類似物)、氫氧化銨(羥化四甲基銨(TMAH)或類似物pH調(diào)節(jié)劑)<無電鍍條件>
鍍液溫度50到95℃鍍液的pH8到12在以上無電鍍中，例如在預處理中，通過使用旋轉(zhuǎn)涂覆器的旋涂處理、攪拌處理、浸泡處理或類似處理可以形成膜。
通過以上工序，可以制造高質(zhì)量的半導體器件，如圖1所示，具有優(yōu)良的電遷移電阻以及防止銅擴散功能并且抑制了其中RC延遲。
如上所述，在根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的制造方法中，形成Cu布線2時，催化劑金屬10a初始地含在金屬布線中。具體地，通過電鍍填充槽形成Cu布線2時，將催化劑金屬10a添加到電鍍液中，使用電鍍液通過電鍍形成填充槽的Cu布線2。然后，由于催化劑金屬10a含在Cu布線2中，因此存在于Cu布線2表面的催化劑金屬10a用做催化劑的核，即作為起動無電鍍反應的催化劑，在該條件下，進行無電鍍由此在Cu布線2上形成具有防止銅擴散功能的阻擋膜7。
采用這種方法形成的Cu布線2，作為起動無電鍍反應的催化劑的催化劑金屬10a分散在Cu布線2內(nèi)以及Cu布線2的表面，由此形成Cu布線2提供了與在常規(guī)的制造方法中催化活性處理進行時相同的效果，對常規(guī)的制造方法必須的催化活性處理步驟已不必要。結(jié)果，在按照本發(fā)明制造的半導體器件的方法中，通過簡化的制造步驟可以有效地形成阻擋膜7，可以制造高質(zhì)量的半導體器件，其中可以可靠地防止銅原子擴散到層間絕緣膜內(nèi)。
此外，在根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的制造方法中，如上所述沒有進行催化活性步驟，由此形成阻擋膜7時沒有蝕刻Cu布線2。因此，避免了由蝕刻Cu布線2造成的引起制造半導體器件的問題諸如布線電阻升高、電遷移電阻變差等，并且可以制造高質(zhì)量的半導體器件。
此外，由于在根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的制造方法中沒有進行催化活性步驟，因此避免了在常規(guī)的制造方法中層間絕緣膜3上有吸附的或剩余的催化劑金屬。由此，防止了阻擋膜7形成在層間絕緣膜上，從而可以增強形成阻擋膜7時的膜形成的選擇性，并且制造了高質(zhì)量的半導體器件。
順便提及，以上的半導體器件的制造方法適用于基于金屬鑲嵌工藝的槽布線技術以及基于雙金屬鑲嵌工藝的槽布線技術，現(xiàn)在介紹基于所謂的雙金屬鑲嵌工藝的具體制造方法，其中本發(fā)明應用于具有多層布線的半導體器件。
首先，按以上介紹的單層布線的相同方式，形成第一布線，即圖11所示的下層布線。接下來根據(jù)下面的工序形成第二布線，即上層布線。在下面的說明中，與以上介紹的相同部件用以上使用的相同符號表示，并省略了其詳細的說明。
要形成上層布線，首先進行氫氟酸(HF)溶液處理，以便除去在層間絕緣膜3上剩余的銅原子。
接下來，如圖12所示，通過CVD工藝依次形成由對應于過孔深度的SiOC以及SiN膜11組成用于防止銅擴散的層間絕緣膜10b。
隨后，如圖13所示，通過光刻然后干蝕刻處理SiN膜11，在直接位于下層布線2并對應于過孔的位置處形成開口12的圖形。
然后，如圖14所示，通過CVD工藝在包括開口12的SiN膜11上構(gòu)成SiOC，按量對應于上層布線的深度，形成層間絕緣膜13。
隨后，將抗蝕劑施加到層間絕緣膜13，通過光刻技術形成抗蝕劑掩模(圖中省略了)。此后，使用抗蝕劑掩模蝕刻處理層間絕緣膜13。進一步進行蝕刻，由此處理成圖15所示的層間絕緣膜10b。該蝕刻停止在阻擋膜7上。
之后，通過光刻技術抗蝕劑圖形(圖中省略了)再次形成在除對應于布線形狀的部分之外的部分上。然后，使用抗蝕劑掩模進行蝕刻。當除去抗蝕劑時，如圖16所示，與阻擋膜7相通并具有層間絕緣膜10b作為側(cè)壁的過孔15形成在層間絕緣膜10b中，具有作為側(cè)壁的層間絕緣膜13和SiN膜11的上層布線槽14形成在層間絕緣膜13中。下文中，布線槽14和過孔15將總的稱做溝槽16。
隨后，如圖17所示，通過PVD工藝形成例如由防止銅擴散到層間絕緣膜10b以及層間絕緣膜13內(nèi)的TaN組成的阻擋金屬膜17，之后通過PVD形成Cu籽晶膜18。阻擋金屬膜17的材料不限于TaN；可以使用如Ta、TiN以及WN阻止Cu阻擋性質(zhì)優(yōu)良的材料。在隨后的Cu填充步驟中通過電鍍形成Cu膜時，Cu籽晶層18作為導電層。形成阻擋金屬膜17和Cu籽晶層18的方法不限于PVD工藝；它們可以通過CVD工藝形成。膜厚度取決于設計規(guī)則，但是優(yōu)選阻擋膜17的膜厚度不多于50nm，Cu籽晶層18的膜厚度不超過200nm。
接下來，如圖18所示，進行Cu電鍍用Cu19填充溝槽16。此時，按上面介紹的相同方式，Pd作為催化劑材料20初始地添加到用于Cu電鍍的Cu鍍液。在以后介紹的形成阻擋膜22時催化劑金屬20作為催化劑起動了無電鍍反應。根據(jù)溝槽16的深度，Cu19的膜厚度不同，但是優(yōu)選不超過標準2μm。
隨后，如圖19所示，除去銅19的多余部分、阻擋金屬膜17以及Cu籽晶層18，僅在溝槽16中留下Cu19，形成為上層布線的Cu布線21。由此，含在Cu布線21中的Pd暴露在Cu布線21的表面。即在隨后的步驟中形成阻擋膜22時起催化劑作用的催化劑金屬20在Cu布線21的表面露出。
為了除去多余的Cu19，通?？梢允褂猛ㄟ^CMP的拋光。在該步驟中，需要在層間絕緣膜13的表面完成拋光，以僅在溝槽16中留下Cu19作為布線材料，此外，優(yōu)選控制拋光以便布線材料沒有留在層間絕緣膜13上。在CMP的拋光步驟中，必須拋掉Cu19、阻擋金屬膜17以及Cu籽晶層18的多種材料，以便根據(jù)要拋光的材料控制拋光液(漿料)、拋光條件等。因此，有時需要多個拋光步驟。
此后，阻擋膜22形成在Cu布線21上。此時，根據(jù)需要進行通過CMP的拋光步驟之后除去形成在Cu布線21上的自然氧化膜的預處理，此后，通過無電鍍工藝阻擋膜22形成在Cu布線21上。采用無電鍍工藝，阻擋膜22可以僅有選擇性地形成在Cu布線21上，由此可以省略蝕刻阻擋膜22的步驟。下面給出預處理工藝的具體例子。
<預處理>
(1)脫脂處理通過堿性脫脂或酸性脫脂提高表面的潤濕性。
(2)酸處理用2到3％的鹽酸或類似物進行中和，同時除去表面被氧化的Cu。
(3)用純水清洗在以上介紹的預處理中(1)脫脂處理以及(2)酸處理的處理方法的例子包括使用旋轉(zhuǎn)涂覆器的旋涂處理、攪拌處理(攪拌液體)以及浸泡處理。
接下來，通過無電鍍在Cu布線21的表面上形成例如CoWP膜作為阻擋膜22。要形成CoWP膜，通過使用在Cu布線21的表面上露出為催化劑金屬20的Pd作為催化劑開始CoWP無電鍍反應。然后在自動催化反應下允許繼續(xù)無電鍍反應，由此，可以在Cu布線21上形成CoWP膜作為阻擋膜22，如圖20所示。
這里，如上所述，為催化劑金屬20的Pd僅在Cu布線21的表面上露出，無電鍍僅在存在Pd的位置處繼續(xù)。因此，阻擋膜22可以選擇性地僅形成在Cu布線21上是有可能的。
之后，重復相同或類似的工藝，由此可以制備可靠地防止銅擴散并且可靠性高的Cu多層布線。
雖然在上面介紹了本發(fā)明應用于單層布線和多層布線時的例子，但是本發(fā)明不限于以上說明，可以進行適當?shù)男薷耐瑫r不脫離本發(fā)明的精神。
此外，在多層結(jié)構(gòu)中形成布線時，布線的形成不限于通過雙金屬鑲嵌工藝形成布線，可以采用任何方法或工藝。
工業(yè)實用性根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的制造方法為包括具有防止銅擴散功能并形成在含銅金屬布線上的阻擋膜的半導體器件的制造方法，方法包括以下步驟使用含有添加於此的催化劑金屬的電鍍液進行電鍍，由此形成含催化劑金屬的金屬布線；以及使用在金屬布線的表面露出的催化劑金屬作為催化劑進行無電鍍，由此在金屬布線上形成具有防止銅擴散功能的阻擋膜。
在根據(jù)以上提到的本發(fā)明的半導體器件的制造方法中，使用含添加的催化劑金屬的電鍍液通過電鍍形成金屬布線產(chǎn)生在常規(guī)制造方法中進行催化活性處理時的相同效果。因此在本發(fā)明中，對常規(guī)的制造方法必須的催化活性處理已不必要，通過簡化的制造步驟可以有效地形成阻擋膜，可以低成本地制造高質(zhì)量的半導體器件，其中可以可靠地防止銅原子擴散到層間絕緣膜內(nèi)。
此外，在根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的制造方法中，由于如上所述沒有進行催化劑活性步驟保證金屬布線自身沒有被蝕刻，同時避免了由于蝕刻金屬布線引起的半導體器件故障的問題，例如布線電阻升高和電遷移電阻變壞，因此，可以制造高質(zhì)量的半導體器件。
此外，由于在根據(jù)本發(fā)明制造半導體器件的方法中，沒有進行催化劑活性步驟，因此避免了在常規(guī)的制造方法中層間絕緣膜上有吸附的或剩余的催化劑金屬，因此可以增強形成阻擋膜時的膜形成的選擇性，并且制造了高質(zhì)量的半導體器件。
因此，根據(jù)本發(fā)明，有可能提供一種適當?shù)脑黾恿似洳僮魉俣纫约盀楦哔|(zhì)量、高可靠性的半導體器件。
權利要求
1.一種半導體器件的制造方法，半導體器件包括具有防止銅擴散功能并形成在含銅金屬布線上的阻擋膜，所述方法包括以下步驟使用含添加的催化劑金屬的電鍍液進行電鍍由此形成含所述催化劑金屬的所述金屬布線；以及使用在所述金屬布線的表面上暴露的所述催化劑作為催化劑進行無電鍍，由此在所述金屬布線上形成具有所述防止銅擴散功能的所述阻擋膜。
2.根據(jù)權利要求1的半導體器件的制造方法，其中所述催化劑金屬以絡合物形式添加到所述Cu電鍍液中。
3.根據(jù)權利要求1的半導體器件的制造方法，其中所述催化劑金屬選自由Au、Pt、Pd、Ag、Ni和Co組成組中的一種。
4.根據(jù)權利要求1的半導體器件的制造方法，其中所述阻擋膜由鈷合金或鎳合金組成。
全文摘要
提供了一種半導體器件的制造方法，用于實現(xiàn)適合于提高其操作速度并且質(zhì)量和可靠性都高的半導體器件。半導體器件的制造方法為包括具有防止銅擴散功能并形成在含銅的金屬布線上的阻擋膜(7)的半導體器件的制造方法，該方法包括以下步驟使用含添加的催化劑金屬(10)的電鍍液進行電鍍由此形成含催化劑金屬(10)的金屬布線(2)；以及使用在金屬布線(2)的表面上暴露的催化劑金屬(10)作為催化劑進行無電鍍，由此在金屬布線(2)上形成具有防止銅擴散功能的阻擋膜(7)。
文檔編號H01L21/285GK1565047SQ03801169
公開日2005年1月12日 申請日期2003年6月20日 優(yōu)先權日2002年6月25日
發(fā)明者瀨川雄司, 野上毅, 堀越浩, 駒井尚紀 申請人:索尼株式會社