專利名稱：半導(dǎo)體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體裝置，特別涉及具有銅大馬士革(damascene)布線的半導(dǎo)體裝置。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體集成電路裝置采用集成度提高、而且半導(dǎo)體元件和布線細(xì)微化的多層布線。如果想要保證經(jīng)細(xì)微化后的布線的快速動(dòng)作，則期望降低布線的電阻。因此，開始采用電阻更低的銅來代替鋁作為布線材料。在形成銅布線的情況下，形成銅層、使用光刻來形成細(xì)微圖案是有限度的。
為了形成細(xì)微化的銅布線，采用大馬士革工藝。在絕緣層上形成布線用槽和/或通孔，利用銅布線層嵌入槽和/或通孔，通過化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)等去除絕緣層上多余的銅布線層。大馬士革工藝有單大馬士革工藝和雙大馬士革工藝。
在單大馬士革工藝中，形成下層絕緣層，進(jìn)行開口形成通孔，利用銅布線層嵌入該通孔，通過CMP去除不需要的部分。然后，形成上層絕緣層，進(jìn)行開口形成布線用槽，利用銅布線層嵌入該布線用槽，通過CMP去除不需要的部分。在雙大馬士革工藝中，形成絕緣層，進(jìn)行開口形成具有布線用槽和通孔的凹部，利用銅布線層進(jìn)行嵌入，通過CMP去除不需要的部分。
銅具有擴(kuò)散到絕緣層中、使絕緣層的絕緣特性劣化的性質(zhì)。因此，在利用大馬士革工藝形成銅布線時(shí)，首先形成具有防止銅擴(kuò)散功能的阻擋金屬層，在其上面形成銅層。作為阻擋金屬，使用氮化鈦TiN、氮化鉭TaN等氮化物或鉭Ta等。
在進(jìn)行了CMP的銅布線中，銅層露出表面。為了防止銅從該銅層向上層的絕緣層擴(kuò)散，利用絕緣性防止銅擴(kuò)散層覆蓋形成有銅布線的表面。防止銅擴(kuò)散層還具有在刻蝕上層絕緣層時(shí)作為刻蝕阻止層的作用。絕緣性防止銅擴(kuò)散層通常利用氮化硅SiN或碳化硅SiC等形成。
還提出了下述方法(專利文獻(xiàn)1)在形成具有下部阻擋金屬層的銅布之后，刻蝕銅布線表面并進(jìn)行下挖，形成上部阻擋金屬層，通過CMP去除不需要的部分。該情況時(shí)，形成利用阻擋金屬層覆蓋整個(gè)周圍的銅布線。另外，還提出了在上部阻擋金屬層上形成凹部，并在其中嵌入有鋁層的結(jié)構(gòu)(專利文獻(xiàn)2)。
為了保證布線的快速性，期望降低布線周圍的絕緣層的實(shí)效介電常數(shù)。兼用作刻蝕阻止膜的防止銅擴(kuò)散膜利用SiN或SiC形成，但為了降低布線的雜散電容，優(yōu)選利用具有盡可能低的介電常數(shù)的材料形成其他絕緣層。具有比氧化硅低的介電常數(shù)的絕緣材料分別具有特有的性質(zhì)。期望形成考慮了各材料的特性的多層布線結(jié)構(gòu)。
專利文獻(xiàn)1 特開平6-275612號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 特開2001-110809號(hào)公報(bào)發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于，提供一種壽命長(zhǎng)的具有銅布線的半導(dǎo)體裝置。
本發(fā)明的另一目的在于，提供一種可以抑制銅布線內(nèi)的空隙(void)生長(zhǎng)的半導(dǎo)體裝置。
根據(jù)本發(fā)明的第一觀點(diǎn)，提供一種半導(dǎo)體裝置，其具有半導(dǎo)體基板；形成于所述半導(dǎo)體基板上方的絕緣層；第1大馬士革布線，其被嵌入所述絕緣層中，包括限定底面和側(cè)面并在內(nèi)側(cè)限定第1中空部的阻擋金屬層、配置在該第1中空部?jī)?nèi)并在內(nèi)側(cè)劃分第2中空部的連續(xù)的銅布線層、配置在該第2中空部?jī)?nèi)并與所述阻擋金屬層分離的輔助阻擋金屬層；以及配置在所述第1大馬士革布線和絕緣層上的絕緣性防止銅擴(kuò)散膜。
根據(jù)本發(fā)明的第二觀點(diǎn)，提供一種半導(dǎo)體集成電路裝置，其具有形成有多個(gè)半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體基板；形成于所述半導(dǎo)體基板上方的疊層絕緣層；多層布線，其包括被嵌入所述疊層絕緣層中的多個(gè)下層布線層和多個(gè)上層布線層，各布線層具有用于進(jìn)行層內(nèi)連接的布線圖案和用于進(jìn)行層間連接的通孔，上層布線層的至少一層構(gòu)成為包括第1大馬士革布線，第1大馬士革布線被嵌入所述疊層絕緣層中，包括劃分底面和側(cè)面并在內(nèi)側(cè)劃分第1中空部的阻擋金屬層、配置在該第1中空部?jī)?nèi)并在內(nèi)側(cè)劃分第2中空部的連續(xù)的銅布線層、配置在該第2中空部?jī)?nèi)并與所述阻擋金屬層分離的輔助阻擋金屬層，所述疊層絕緣層包括配置在各布線層上的絕緣性防止銅擴(kuò)散層。


圖1A～1E是表示本發(fā)明實(shí)施例涉及的半導(dǎo)體裝置的制造方法的剖面圖。
圖2A～2D是表示本發(fā)明的其他實(shí)施例涉及的半導(dǎo)體裝置的制造方法的剖面圖。
圖3A～3C是表示多層布線的疊層絕緣層的示例的剖面圖。
圖4A～4C是表示本發(fā)明的實(shí)施例涉及的貫穿導(dǎo)電體和下側(cè)布線層的接觸部的剖面圖。
圖5A、5B是本發(fā)明的其他實(shí)施例涉及的半導(dǎo)體裝置的剖面圖。
圖6A～6C是表示利用CMP條件能夠產(chǎn)生的狀態(tài)的剖面圖。
圖7是表示具有多層布線的半導(dǎo)體裝置的一例的剖面圖。
圖8是表示具有多層布線的半導(dǎo)體裝置的另一例的剖面圖。
圖9A、9B是表示本發(fā)明者所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的草圖和剖面圖。
具體實(shí)施例方式
在鋁布線中，利用電流使鋁原子遷移的電遷移技術(shù)已經(jīng)公知。銅被認(rèn)為比鋁更難以產(chǎn)生電遷移。但是，在銅布線中也會(huì)產(chǎn)生電遷移。
首先，說明本發(fā)明者進(jìn)行的預(yù)備實(shí)驗(yàn)。本發(fā)明者制成具有雙大馬士革布線的試樣，進(jìn)行加速試驗(yàn)，觀察由于電遷移而引起的空隙的產(chǎn)生。
圖9A表示實(shí)驗(yàn)中使用的試樣的透射型電子顯微鏡(TEM)照片的草圖。下層布線利用阻擋金屬層B1和銅布線層W1來形成，接觸其端部的上層布線層利用阻擋金屬層B2和銅布線層W2來形成。在各布線的上面形成絕緣性防止銅擴(kuò)散層。電流在該布線中流動(dòng)的方向是從上層布線朝向下層布線供給電子的方向。在下層銅布線層W1，在與上層布線的接觸部產(chǎn)生較小的空隙M1，在布線中間產(chǎn)生較大的空隙M2。
圖9B是概略表示圖9A的下層布線層的結(jié)構(gòu)的剖面圖。下層布線形成于層間絕緣膜IL內(nèi)。在下層銅布線層W1的表面上配置有利用SiN形成的絕緣性防止銅擴(kuò)散層DB。空隙M1、M2與下層銅布線層W1和絕緣性防止銅擴(kuò)散層DB的界面接觸而形成。
可知空隙是從銅布線層和絕緣性防止銅擴(kuò)散層的界面產(chǎn)生的。在阻擋金屬層和形成于其上的銅布線層的界面上沒有產(chǎn)生空隙。
根據(jù)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，阻擋金屬層和銅布線層形成良好的界面，絕緣性防止銅擴(kuò)散層和銅布線層不能形成良好的界面，密接性差，該界面的銅原子容易移動(dòng)，容易產(chǎn)生界面擴(kuò)散。當(dāng)銅原子在與絕緣性防止銅擴(kuò)散層的界面上開始界面擴(kuò)散時(shí)，與空閑部位鄰接的銅原子進(jìn)行體積移動(dòng)，當(dāng)體積移動(dòng)的銅原子不足時(shí)，空隙產(chǎn)生并生長(zhǎng)。
另外，空隙M1產(chǎn)生于和上層布線層的阻擋金屬層B2接觸的下層銅布線層W1內(nèi)，但是沒有在通過阻擋金屬層B2鄰接的上層銅布線層W2中生長(zhǎng)。這暗示著當(dāng)在銅布線層產(chǎn)生空隙時(shí)，雖然空隙在連續(xù)的銅布線層內(nèi)生長(zhǎng)，但空隙不會(huì)穿過阻擋金屬層生長(zhǎng)。
利用該現(xiàn)象應(yīng)該可以抑制空隙的生長(zhǎng)。即，當(dāng)在銅布線層內(nèi)設(shè)置阻擋金屬層時(shí)，利用阻擋金屬層可以使空隙停止生長(zhǎng)。
下面，參照

本發(fā)明的實(shí)施例。
圖1A～圖1E概略表示本發(fā)明第1實(shí)施例涉及的半導(dǎo)體裝置的制造方法。
如圖1A所示，在含有半導(dǎo)體元件的基底10上形成絕緣性防止銅擴(kuò)散層11、層間絕緣層12的疊層。防止銅擴(kuò)散層11例如是厚50nm的SiN膜，層間絕緣層12例如是厚500nm的氧化硅層。在氧化硅層12上形成光刻膠圖案PR，光刻膠圖案PR形成有具有布線用槽的形狀的開口。
把光刻膠圖案PR作為刻蝕掩模，刻蝕氧化硅層12。氮化硅層11作為刻蝕阻止層發(fā)揮作用。然后，通過灰化(ashing)等去除光刻膠圖案PR。即使在氮化硅層11下面存在銅布線等容易氧化的要素，氮化硅層11也能夠防止其氧化。
圖1B表示刻蝕氧化硅層12、去除光刻膠圖案PR后的狀態(tài)。氮化硅層11露出于開口內(nèi)。在該狀態(tài)下，把氧化硅層12作為刻蝕掩模，進(jìn)行露出于開口內(nèi)的氮化硅層11的刻蝕。例如，通過使用了CF系列氣體等的等離子來刻蝕氮化硅層11。
圖1C表示氮化硅層11的刻蝕結(jié)束后的狀態(tài)。貫穿氧化硅層12、氮化硅層11形成布線用槽。在基底10內(nèi)形成有導(dǎo)電性插頭等的情況下，在貫穿氧化硅層12、氮化硅層11而形成的開口內(nèi)露出它們的連接用區(qū)域。
如圖1D所示，在形成有布線用槽的絕緣層上形成阻擋金屬層13、銅布線層14。例如，濺射厚50nm的Ta層，形成阻擋金屬層13，在通過濺射形成屏蔽用銅層后，通過電鍍形成銅層，形成厚約250nm的銅布線層14。在利用厚50nm的氮化硅層11和厚500nm的氧化硅層12的疊層形成的深550nm的槽內(nèi)，形成厚50nm的阻擋金屬層13和厚250nm的銅布線層14，槽深度的一半以上被回填。槽的剩余深度為250nm。
由于電鍍?cè)讵M小的開口部?jī)?yōu)先生長(zhǎng)，所以利用銅層14嵌入寬度窄的槽內(nèi)部。在寬度較寬的布線層中，厚250nm的銅層14的表面被配置在厚500nm的氧化硅層12的表面下方250nm處。
在銅布線層14上還形成阻擋金屬層15，使銅布線層16生長(zhǎng)。例如，通過濺射形成厚50nm的Ta層15，然后通過電鍍形成厚800nm的銅層16。因?yàn)椴劬哂?50nm的深度，所以在銅布線層16的表面也形成深約550nm的凹部。
在圖1D所示狀態(tài)下，進(jìn)行CMP，完全去除淀積在氧化硅層14上的銅層和阻擋金屬層。在進(jìn)行CMP時(shí)，與研磨面接觸的上面接受機(jī)械研磨和化學(xué)研磨兩種研磨。不與研磨面接觸的凹部?jī)?nèi)僅接受化學(xué)研磨。這樣，由于凹部?jī)?nèi)的研磨速度緩慢，所以在進(jìn)行CMP的過程中，銅層16的表面凹凸消失，呈現(xiàn)平坦的表面。
如圖1E所示，完全去除氧化硅層12上的金屬層，使銅層16的表面與氧化硅層12的表面大致為同一平面，結(jié)束CMP。當(dāng)在氧化硅層12的表面開始露出的時(shí)刻結(jié)束CMP的情況下，輔助銅布線層的厚度為200nm。如果進(jìn)行過度研磨，則輔助銅布線層的厚度減薄。
在已變平坦的表面上鍍膜形成例如氮化硅等的絕緣性防止銅擴(kuò)散層17，再在其上形成氧化硅層等的絕緣層18、氮化硅層等的保護(hù)層19。另外，在還形成上層布線層的情況下，省略保護(hù)層19的生長(zhǎng)。
右側(cè)的寬度較寬的布線從下面起利用阻擋金屬層13、銅布線層14、輔助阻擋金屬層15、輔助銅布線層16的疊層形成。在除布線的周邊部以外的布線上面的主要部，絕緣性防止銅擴(kuò)散層17接觸輔助銅布線層16，不接觸銅布線層14。絕緣性防止銅擴(kuò)散層17僅在布線上面的周邊部的有限面積內(nèi)接觸銅布線層14。
即使在輔助銅布線層16內(nèi)由于銅原子的電遷移產(chǎn)生空隙，該空隙也能夠被輔助阻擋金屬層15所封閉。
銅布線層14在周邊的有限面積內(nèi)接觸絕緣性防止銅擴(kuò)散層17，但由于是利用阻擋金屬層13、15夾持上下主要部的結(jié)構(gòu)，所以不易產(chǎn)生空隙。能夠抑制空隙的產(chǎn)生而造成的不良的發(fā)生，能夠增大寬度較寬的布線的電流密度。
圖9C是表示所期待的功能的概略剖面圖。在層間絕緣膜IL內(nèi)形成利用阻擋金屬層B1、銅布線層W1、輔助阻擋金屬層B1x、輔助銅布線層W1x構(gòu)成的布線圖案。在布線圖案的一端連接著利用阻擋金屬層B2、銅布線層W2構(gòu)成的上層布線的通孔。在布線圖案的上面上形成防止銅擴(kuò)散層DB。
在防止銅擴(kuò)散層DB和輔助銅布線層W1x的界面上產(chǎn)生銅原子的界面擴(kuò)散，隨之產(chǎn)生銅原子的體積移動(dòng)，產(chǎn)生空隙M。雖然空隙M生長(zhǎng)，但在輔助阻擋金屬層B1x停止生長(zhǎng)?？障对谂渲糜谙虏康你~布線層W1中的生長(zhǎng)被抑制。
在圖1A～1E所示的實(shí)施例中，在寬度較窄的布線層中不配置輔助阻擋金屬層15，僅在寬度較寬的布線層上形成輔助阻擋金屬層15，在其上面形成輔助銅布線層16。如果寬度較窄的布線產(chǎn)生空隙，將產(chǎn)生不良特性。通過調(diào)整制造條件，即使在寬度較窄的布線中也可以配置輔助阻擋金屬層。
圖2A～2D表示本發(fā)明的第2實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置的制造方法。進(jìn)行和圖1A～1C相同的步驟，在絕緣性防止銅擴(kuò)散層11、層間絕緣層12上形成布線用槽。
如圖2A所示，在鍍膜形成有布線用槽的半導(dǎo)體基板表面上形成阻擋金屬層13后，利用化學(xué)氣相淀積(CVD)形成銅布線層14。由于CVD進(jìn)行各向同性生長(zhǎng)，所以在阻擋金屬層13表面上形成厚度均勻的銅布線層14。不僅在寬度較寬的布線槽內(nèi)，在寬度較窄的布線槽內(nèi)也選擇銅布線層14的厚度，以便留出中空部。
在銅布線層14的上面形成輔助阻擋金屬層15，再形成輔助銅布線層16。然后進(jìn)行CMP，完全去除氧化硅層12上面的金屬層。
如圖2B所示，不僅在寬度較寬的布線槽內(nèi)，在寬度較窄的布線槽內(nèi)也形成嵌入有輔助阻擋金屬層15、輔助銅布線層16的布線。根據(jù)第2實(shí)施例，銅布線層14的厚度被設(shè)定得薄且均勻，即使在寬度較窄的布線槽內(nèi)也形成輔助阻擋金屬層15、輔助銅布線層16。不論寬度較窄的布線或?qū)挾容^寬的布線，都可以減少由于空隙引起的布線斷線。下面，說明在上層形成雙大馬士革布線的步驟。
在進(jìn)行CMP處理后的表面上生長(zhǎng)氮化硅層等的絕緣性防止銅擴(kuò)散層21、氧化硅等的絕緣層22、氮化硅等的刻蝕阻止層23、氧化硅等的絕緣層24。這些絕緣疊層合在一起構(gòu)成一層布線層的層間絕緣膜。氮化硅層23、氧化硅層24是布線圖案用絕緣層。
如圖2C所示，在絕緣層23、24形成布線圖案用槽，在絕緣層22、21形成通孔，形成雙大馬士革用凹部。作為形成雙大馬士革用凹部的方法，可以使用先形成通孔然后形成布線圖案用槽的公知方法，或先形成布線圖案用槽，然后形成通孔的公知方法中的任意一種方法。
如圖2D所示，為了填嵌雙大馬士革用凹部，形成阻擋金屬層25、銅布線層26、輔助阻擋金屬層27、輔助銅布線層28，進(jìn)行CMP去除絕緣疊層表面上的金屬層，完成雙大馬士革布線。
由于通孔的直徑通常設(shè)計(jì)得較窄，所以通孔內(nèi)用阻擋金屬層25和銅布線層26、或僅用阻擋金屬層25進(jìn)行嵌入。由于穿孔導(dǎo)電體不接觸絕緣性防止銅擴(kuò)散層，所以即使輔助阻擋金屬層25不包含于穿孔導(dǎo)電體中，實(shí)質(zhì)上也不會(huì)產(chǎn)生不利影響。輔助阻擋金屬層27、輔助銅布線層28僅形成于布線圖案內(nèi)。
根據(jù)圖1E、2D的結(jié)構(gòu)，在布線的主要部，雖然絕緣性防止銅擴(kuò)散層17、21與輔助銅布線層16接觸，但與布線層13卻因隔著輔助阻擋金屬層而分離，不接觸。在與絕緣性防止銅擴(kuò)散層17、21的界面上，即使在輔助銅布線層16內(nèi)產(chǎn)生界面擴(kuò)散，產(chǎn)生空隙，該空隙也僅存在于輔助銅布線層16內(nèi)，其生長(zhǎng)被輔助阻擋金屬層15阻止，可以防止擴(kuò)散到布線層13。
輔助銅布線層是允許空隙產(chǎn)生、生長(zhǎng)的區(qū)域。從輔助銅布線層隔著輔助阻擋金屬層而分離的銅布線層，與防止銅擴(kuò)散層的接觸僅限于周邊部，是抑制了空隙產(chǎn)生的區(qū)域。
輔助銅布線層相對(duì)銅布線層的體積比越小，抑制了空隙產(chǎn)生的銅布線的截面積越大。從該觀點(diǎn)考慮，優(yōu)選輔助阻擋金屬層、輔助銅布線層形成得比較淺，例如為布線槽深度的1/2以下的深度。如第1實(shí)施例那樣，如果僅以寬度較寬的布線為對(duì)象來形成輔助阻擋金屬層、輔助銅布線層，則容易限制其厚度。
在上述實(shí)施例中，作為絕緣性防止銅擴(kuò)散層和刻蝕阻止層使用了SiN，作為絕緣層使用了氧化硅。也可以使用其他各種絕緣層。
圖3A、3B、3C表示使用了各種材料的絕緣疊層結(jié)構(gòu)的示例。
在圖3A中，在SiLK(ダウケミカル公司商標(biāo))等的有機(jī)絕緣層31上重疊SiC的硬掩模層32，形成下層布線的層間絕緣層。將利用阻擋金屬層B1、銅布線層W1、輔助阻擋金屬B1x、輔助銅布線層W1x形成的銅布線圖案嵌入該層間絕緣層內(nèi)。銅布線圖案可以是實(shí)施例1、2中的任意一種。
在銅布線圖案上層疊SiC的防止銅擴(kuò)散層兼刻蝕阻止層33、有機(jī)絕緣層34、SiC的硬掩模層35，形成上層布線的層間絕緣膜。貫穿這些層間絕緣膜并且具有通孔部和布線部的雙大馬士革上層布線，利用阻擋金屬層B2、銅布線層W2、輔助阻擋金屬層B2x、輔助銅布線層W2x形成。
在上層布線上形成SiC的防止銅擴(kuò)散層52、SiO2等的絕緣層53、SiN等的保護(hù)層54。
在圖3B中，利用氧化硅層36、有機(jī)絕緣層37、氧化硅層38形成下層布線用的層間絕緣膜。將與上述相同的下層銅布線嵌入該疊層絕緣層內(nèi)。
上層布線用的層間絕緣膜利用SiN等的防止銅擴(kuò)散層39、氧化硅層40、有機(jī)絕緣層41、氧化硅層42構(gòu)成。在該疊層絕緣層內(nèi)嵌入與上述相同的雙大馬士革上層布線。
該層間絕緣膜結(jié)構(gòu)使用有機(jī)絕緣膜降低實(shí)質(zhì)的介電常數(shù)，并且利用氧化硅層夾持有機(jī)絕緣膜，由此來提高工藝上的安全性。上層布線之上的絕緣膜具有與圖3A相同的結(jié)構(gòu)。有機(jī)絕緣膜和氧化硅膜具有不同的刻蝕特性。利用該特性差異可以更容易地控制刻蝕。
在圖3C中，氟化氧化硅(SiOF或FSG)層46構(gòu)成下層布線的層間絕緣膜。在該絕緣層內(nèi)嵌入與上述相同的下層銅布線。SiN等的絕緣性防止銅擴(kuò)散層47和氟化氧化硅層48構(gòu)成上層布線的層間絕緣膜。在該疊層絕緣層內(nèi)嵌入與上述相同的雙大馬士革上層布線。
另外，作為阻擋金屬層可以使用Ta、TiN、TaN等。其中，在使用了氟化氧化硅的圖3C的結(jié)構(gòu)中，作為配置在氟化氧化硅層上的阻擋金屬層B1和B2，優(yōu)選使用除Ta以外的TiN、TaN。
圖4A、4B、4C是以圖3B所示結(jié)構(gòu)為例來表示下層布線與上層布線的連接部的形狀。與圖3B相同的符號(hào)表示相同部分。
在圖4A中，上層布線的通孔部B2、W2在從下層布線的阻擋金屬層B1起到銅布線層W1、輔助阻擋金屬層B1x、輔助銅布線層W1x的區(qū)域形成觸點(diǎn)。該結(jié)構(gòu)和圖3B所示的相同。上層布線的通孔部不僅與銅布線層W1，還與輔助銅布線層W1x接觸。
在圖4B中，僅在下層布線的阻擋金屬層B1、銅布線層W1和輔助阻擋金屬層B1x的上面，上層布線的通孔部形成接觸。上層布線的通孔部B2、W2雖然與銅布線層W1接觸，但不與輔助銅布線層W1x接觸。
在圖4C中，僅在下層布線的阻擋金屬層B1、銅布線層W1的上面，上層布線的通孔部B2、W2形成接觸。上層布線的通孔部B2、W2不橫穿銅布線層W1，在與輔助阻擋金屬層B1x之間存在銅布線層W1和防止銅擴(kuò)散層39接觸的區(qū)域。
這樣可以根據(jù)條件、需要來選擇觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)。
圖5A表示利用不同工藝形成通孔部和布線圖案部的單大馬士革結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)示例。在基底絕緣層60上形成SiN等的刻蝕阻止層61、氧化硅層62，構(gòu)成下層布線的層間絕緣膜。在該層間絕緣膜中嵌入利用阻擋金屬層63、銅布線層64、輔助阻擋金屬層65、輔助銅布線層66形成的下層布線圖案。
在下層布線層上層疊刻蝕阻止層67、氧化硅層68，并填嵌上層布線的通孔部。通孔部?jī)H利用阻擋金屬層69、銅布線層70構(gòu)成。在通孔部上利用刻蝕阻止層11、氧化硅層12形成布線圖案用絕緣層，在布線圖案用絕緣層中嵌入利用阻擋金屬層13、銅布線層14、輔助阻擋金屬層15、輔助銅布線層16形成的布線圖案。
SiN等的刻蝕阻止層17覆蓋該布線圖案的上面，再形成氧化硅層18，并且接觸利用上層布線的阻擋金屬層71、銅布線層72形成的通孔部。
在單大馬士革結(jié)構(gòu)中，通孔部的銅布線層70被布線圖案的阻擋金屬層13覆蓋，不與防止銅擴(kuò)散層(刻蝕阻止層)11、17接觸。與防止銅擴(kuò)散層17接觸的布線圖案的銅布線層14和通孔部的銅布線層70是隔著阻擋金屬層13而分離的結(jié)構(gòu)。因此，很少需要在通孔部設(shè)置輔助阻擋金屬層。
圖5B表示布線圖案的結(jié)構(gòu)的變形例。在基底絕緣層40上，例如利用有機(jī)絕緣層41和氧化硅層42形成層間絕緣膜。在該層間絕緣膜中嵌入利用阻擋金屬層B、銅布線層W、輔助阻擋金屬層Bx形成的布線圖案。在其上形成絕緣性防止銅擴(kuò)散層。輔助阻擋金屬層與阻擋金屬層分離。
在該結(jié)構(gòu)中，在輔助阻擋金屬層Bx上不配置輔助銅布線層。由于在銅布線層W的主要部上形成輔助阻擋金屬層Bx，所以銅布線層W和絕緣性防止銅擴(kuò)散層的接觸受到限制，空隙的產(chǎn)生被抑制。優(yōu)選將輔助阻擋金屬層Bx的厚度選擇成進(jìn)行CMP時(shí)不會(huì)消失的厚度。
圖6A、6B、6C表示在寬度較寬的布線產(chǎn)生表面凹陷(dishing)和腐蝕(erosion)時(shí)的結(jié)構(gòu)變化。
在圖6A中，將和第1、第2實(shí)施例中的任意一方相同的利用阻擋金屬層B、銅布線層W、輔助阻擋金屬層Bx、輔助銅布線層Wx形成的布線圖案嵌入利用氧化硅層40、有機(jī)絕緣層41、氧化硅層42形成的絕緣疊層結(jié)構(gòu)中。在形成布線圖案時(shí)進(jìn)行的CMP中，如果產(chǎn)生表面凹陷和腐蝕，則布線圖案上面形成朝向中央部并逐漸被下拉的形狀。
圖6B表示表面凹陷和腐蝕比較強(qiáng)烈的情況。布線層的上面在中央部到達(dá)輔助阻擋金屬層Bx。即使在該狀態(tài)下，由于銅布線層W的主要部與絕緣性防止銅擴(kuò)散層不接觸，所以空隙的產(chǎn)生被抑制。也可以考慮第1、第2實(shí)施例任意一方和圖5B的實(shí)施例的組合。
圖6C表示表面凹陷和腐蝕更加強(qiáng)烈的情況。輔助阻擋金屬層Bx和輔助銅布線層Wx的中央部由于表面凹陷和腐蝕而消失，露出銅布線層W。絕緣性防止銅擴(kuò)散層與銅布線層W的露出部接觸。
在該狀態(tài)下，在殘留有輔助阻擋金屬層Bx的區(qū)域，由于防止了銅布線層W和絕緣性防止銅擴(kuò)散層的接觸，所以空隙的產(chǎn)生被抑制。
圖7表示具有多層布線結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體集成電路裝置的結(jié)構(gòu)示例。在硅基板101形成淺槽隔離(STI)的元件分離區(qū)域102。由于在由元件分離區(qū)域102所包圍的有源區(qū)域內(nèi)形成MOS晶體管，所以形成p型阱103、n型阱104。
在p型阱區(qū)域103上形成柵極絕緣膜105、多晶硅柵電極106、側(cè)壁間隔物107，在柵電極106的兩側(cè)形成有延長(zhǎng)的n型源極/漏極區(qū)域108。在n型阱區(qū)域104形成p型源極/漏極區(qū)域109。
在半導(dǎo)體基板上覆蓋柵電極形成氮化硅層111，在氮化硅層111上形成磷硅玻璃(PSG，攙雜磷的氧化硅)層112。貫穿PSG層112、氮化硅層111，形成利用TiN的阻擋金屬層B11和鎢層V1形成的穿孔導(dǎo)電體。
在PSG層112上層疊有機(jī)絕緣層113、氧化硅層114。在該疊層中嵌入利用阻擋金屬層B1、銅布線層W1、輔助阻擋金屬層B1x、輔助銅布線層W1x形成的布線圖案。這樣形成第1布線層WL1。
在第1布線層WL1上形成氮化硅層121、氧化硅層122、有機(jī)絕緣層123、氧化硅層124的疊層，形成第2布線層WL2用的層間絕緣膜。在第2布線用層間絕緣膜中嵌入有利用阻擋金屬層B2、銅布線層W2、輔助阻擋金屬層B2x、輔助銅布線層W2x形成的第2布線層WL2。
第3布線層WL3、第4布線層WL4用的層間絕緣膜和相對(duì)于第2布線WL2的層間絕緣膜相同，利用氮化硅層131、141、氧化硅層132、142、有機(jī)絕緣層133、143、氧化硅層134、144的疊層形成。
第3布線層WL3、第4布線層WL4的大馬士革布線的結(jié)構(gòu)與第2布線層相同。利用阻擋金屬層Bn、銅布線層Wn、輔助阻擋金屬層Bnx、輔助銅布線層Wnx形成布線圖案。
第5布線層WL5～第7布線層WL7具有與第2布線層WL2～第4布線層WL4不同的結(jié)構(gòu)。第5布線層WL5的層間絕緣膜利用氮化硅層151、氧化硅層152、氮化硅層153、氧化硅層154的疊層形成。布線圖案的結(jié)構(gòu)和第2～第4布線WL4相同。
相對(duì)第6布線層、第7布線層的層間絕緣膜，和第5布線層WL5相同，也利用氮化硅層161、171、氧化硅層162、172、氮化硅層163、173、氧化硅層164、174形成。布線圖案的結(jié)構(gòu)也和第5布線WL5相同。
上層布線的布線之間間距變大，布線密度變緩。因此，降低了布線間的雜散電容，所以使用低介電常數(shù)絕緣層的必要性降低。所以，在第5～第7布線層中，不使用有機(jī)絕緣層，提高了層間絕緣層的可靠性。
最上層的第8布線層WL8具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。利用氮化硅層181、氧化硅層182形成下部絕緣層，利用阻擋金屬層B81、鎢層V8形成通孔部。
在通孔部上，利用TiN層B82、鋁層W8、TiN層B83形成兼用作焊盤的布線層。另外，也可以使用Cu代替鋁。覆蓋最上層的布線形成氧化硅層183、氮化硅層190。
在圖7的結(jié)構(gòu)中，在第1布線層WL1～第7布線層WL7的布線圖案中全部嵌入輔助阻擋金屬層，抑制空隙的產(chǎn)生。層間絕緣膜的結(jié)構(gòu)在下部布線層和除最上層以外的上部布線層中結(jié)構(gòu)不同。
圖8表示具有多層布線結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體集成電路裝置的其他結(jié)構(gòu)示例。形成于半導(dǎo)體基板內(nèi)的MOS晶體管結(jié)構(gòu)和源極/漏極的引出導(dǎo)電性插頭的結(jié)構(gòu)與圖7相同。
在PSG層112上形成SiC層116、有機(jī)絕緣層117、SiC層118的疊層，利用阻擋金屬層B1、銅布線層W1形成第1布線層WL1。沒有使用輔助阻擋金屬層。
第2布線層WL2～第4布線層WL4具有和第1布線層WL1相同的結(jié)構(gòu)。以第4布線層WL4為例進(jìn)行說明，層間絕緣膜利用SiC層141、有機(jī)絕緣層142、SiC層143形成。雙大馬士革布線利用阻擋金屬層B4和銅層W4形成，沒有配置輔助阻擋金屬層。
第5布線層WL5～第8布線層WL8分別具有相同的結(jié)構(gòu)。以第5布線層WL5為例進(jìn)行說明，層間絕緣膜利用SiC層151、氧化碳化硅(SiOC)層152、SiC層153、氧化碳化硅層154形成。雙大馬士革布線利用阻擋金屬層B和銅布線層W形成，沒有配置輔助阻擋金屬層。
第9布線層WL9中，將利用阻擋金屬層B9、銅布線層W9、輔助阻擋金屬層B9x、輔助銅布線層W9x形成的雙大馬士革布線嵌入利用SiC層191、氧化硅層192、SiC層193、氧化硅層194形成的層間絕緣膜。
第10布線WL10具有和第9布線WL9相同的結(jié)構(gòu)。將利用阻擋金屬層B10、銅布線層W10、輔助阻擋金屬層B10x、輔助銅布線層W10x形成的雙大馬士革布線嵌入利用SiC層201、氧化硅層202、SiC層203、氧化硅層204形成的層間絕緣膜。
最上布線層WL11具有和圖7的最上層布線相同的結(jié)構(gòu)。層疊SiC層211、氧化硅層212，在其中嵌入利用TiN的阻擋金屬層B11和W的布線層W11形成的穿孔導(dǎo)電體。在穿孔導(dǎo)電體上形成TiN層B111、利用鋁或含銅的鋁合金形成的主布線層W12、利用TiN的上部阻擋金屬層B112形成的兼用作引線接合焊盤的最上布線層。覆蓋該布線層形成氧化硅層213、氮化硅層220。
在圖8的結(jié)構(gòu)中，層間絕緣層的疊層結(jié)構(gòu)從下層朝向上層分三階段變化，實(shí)質(zhì)介電常數(shù)越到下層越低。下層布線為高密度，為了降低布線的附帶電容，優(yōu)選降低層間絕緣層的介電常數(shù)。
在下層布線層、中層布線層不配置輔助阻擋金屬層、輔助銅布線層，僅在上層的兩層布線層WL9、WL10配置輔助阻擋金屬層、輔助銅布線層。上層布線層在電源布線中所占比例高，需要供給大電流。在這種布線中，如果采用使用了輔助阻擋金屬層、輔助銅布線層的布線結(jié)構(gòu)，則可以有效抑制空隙的產(chǎn)生，對(duì)延長(zhǎng)布線壽命有效。
以上，根據(jù)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說明，但本發(fā)明不限于此。例如，顯然本行業(yè)人員可以進(jìn)行各種組合、變更、變形。
本發(fā)明可以應(yīng)用于具有銅布線和銅布線上的絕緣性防止銅擴(kuò)散層的各種半導(dǎo)體裝置。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體裝置，具有半導(dǎo)體基板；形成于所述半導(dǎo)體基板上方的絕緣層；第1大馬士革布線，其被嵌入所述絕緣層中，包括限定底面和側(cè)面并在內(nèi)側(cè)限定第1中空部的阻擋金屬層、配置在該第1中空部?jī)?nèi)并在內(nèi)側(cè)限定第2中空部的銅布線層、以及配置在該第2中空部?jī)?nèi)并與所述阻擋金屬層分離的輔助阻擋金屬層；以及配置在所述第1大馬士革布線和絕緣層上的絕緣性防止銅擴(kuò)散膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，所述第1大馬士革布線的輔助阻擋金屬層在內(nèi)側(cè)限定第3中空部，所述第1大馬士革布線還包括嵌入所述第3中空部?jī)?nèi)的輔助銅布線層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置，還具有第2大馬士革布線，其被嵌入所述絕緣層中，寬度小于所述第1大馬士革布線，其包括限定底面和側(cè)面并在內(nèi)側(cè)限定第1中空部的阻擋金屬層和嵌入該第1中空部?jī)?nèi)的連續(xù)的銅布線層，所述防止銅擴(kuò)散膜配置在所述第1和第2大馬士革布線和所述絕緣層上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，所述第1大馬士革布線是具有用于與下層布線連接的通孔部和在面內(nèi)延伸的布線圖案部的雙大馬士革布線，所述輔助阻擋金屬層僅配置在所述布線圖案部?jī)?nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置，所述第1大馬士革布線是具有用于與下層布線連接的通孔部和在面內(nèi)延伸的布線圖案部的雙大馬士革布線，所述輔助阻擋金屬層和所述輔助銅布線層僅配置在所述布線圖案部?jī)?nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，所述阻擋金屬層和輔助阻擋金屬層分別使用Ta、TiN、TaN中的任何一種形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置，所述第1大馬士革布線具有在面內(nèi)延伸的布線圖案，所述輔助阻擋金屬層配置在布線圖案的厚度一半處的上方。
8.一種半導(dǎo)體集成電路裝置，具有形成有多個(gè)半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體基板；形成于所述半導(dǎo)體基板上的疊層絕緣層；多層布線，其包括被嵌入所述疊層絕緣層中的多個(gè)下層布線層和多個(gè)上層布線層，各布線層具有用于進(jìn)行層內(nèi)連接的布線圖案和用于進(jìn)行層間連接的通孔，上層布線層的至少一層構(gòu)成為包括第1大馬士革布線，第1大馬士革布線被嵌入所述疊層絕緣層中，第1大馬士革布線包括限定底面和側(cè)面并在內(nèi)側(cè)限定第1中空部的阻擋金屬層、配置在該第1中空部?jī)?nèi)并在內(nèi)側(cè)限定第2中空部的連續(xù)的銅布線層、以及配置在該第2中空部?jī)?nèi)并與所述阻擋金屬層分離的輔助阻擋金屬層，所述疊層絕緣層包括配置在各布線層上的絕緣性防止銅擴(kuò)散膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體集成電路裝置，所述第1大馬士革布線的輔助阻擋金屬層在內(nèi)側(cè)限定第3中空部，所述第1大馬士革布線還包括嵌入所述第3中空部?jī)?nèi)的輔助銅布線層。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體集成電路裝置，所述下層布線層的至少一層僅利用第2大馬士革布線構(gòu)成，所述第2大馬士革布線具有限定底面和側(cè)面并在內(nèi)側(cè)限定第1中空部的阻擋金屬層；和嵌入該第1中空部?jī)?nèi)的連續(xù)的銅布線層。
全文摘要
提供一種可以抑制銅布線中的空隙的生長(zhǎng)的半導(dǎo)體裝置。該半導(dǎo)體裝置具有半導(dǎo)體基板；形成于所述半導(dǎo)體基板上方的絕緣層；第1大馬士革布線，其被嵌入所述絕緣層中，包括限定底面和側(cè)面并在內(nèi)側(cè)限定第1中空部的阻擋金屬層、配置在該第1中空部?jī)?nèi)并在內(nèi)側(cè)限定第2中空部的銅布線層、配置在該第2中空部?jī)?nèi)并與所述阻擋金屬層分離的輔助阻擋金屬層；配置在所述第1大馬士革布線和絕緣層上的絕緣性防止銅擴(kuò)散膜。
文檔編號(hào)H01L21/4763GK1735964SQ0382589
公開日2006年2月15日 申請(qǐng)日期2003年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月28日
發(fā)明者渡邊健一 申請(qǐng)人:富士通株式會(huì)社