專利名稱：半導體器件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體器件及其制造方法。
背景技術：
近年來，隨著半導體器件的小型化和增加運行速度的發(fā)展，在半導體器件中廣泛采用多層結(jié)構(gòu)的布線結(jié)構(gòu)代替過去采用的單層結(jié)構(gòu)的布線結(jié)構(gòu)。然而，小型化、高運行速度和在半導體器件中多層布線結(jié)構(gòu)的采用引起相鄰布線層之間的電容和布線電阻的增加，從而帶來信號傳輸延遲的問題。用相鄰布線層之間的電容(C)和布線電阻(R)的乘積，即時間常數(shù)CR表示信號傳輸延遲。
過去已經(jīng)采取了各種措施試圖避免信號傳輸延遲。例如，已經(jīng)研究使用低電阻的銅布線代替鋁布線來降低布線電阻。然而，很難通過傳統(tǒng)的干蝕刻過程很好地制作銅膜。既然如此，在形成銅布線的情況下通常采用下述鑲嵌過程(damascene process)。具體地說，在形成于半導體襯底上的層間絕緣膜中首先形成與布線等寬的溝槽，接著在包括溝槽的層間絕緣膜上形成銅膜。然后通過化學機械拋光(CMP)過程從層間絕緣膜的表面除去多余的銅膜以形成掩埋銅布線。
另一方面，作為降低相鄰布線層之間的電容的措施，已經(jīng)研究使用例如相對介電常數(shù)不高于2.5的低介電常數(shù)的多孔膜作為層間絕緣膜代替通過CVD方法形成的硅氧化物膜。
當在上述多孔膜中形成掩埋的銅布線時，預先在形成于多孔膜中的溝槽的內(nèi)表面上形成薄導電阻擋層以阻止用作布線材料的銅的擴散，接著在被導電阻擋層覆蓋的溝槽內(nèi)掩埋銅布線。例如，日本專利公開(Kokai)號2002-110789教導了形成包圍在阻擋層中的掩埋銅布線的過程包括這樣的步驟在諸如氫倍半硅氧烷膜的多孔膜(具有低介電常數(shù)的絕緣膜)中形成布線溝槽，通過例如濺射方法的已知方法在布線溝槽內(nèi)形成諸如Ta層或TaN層的導電阻擋層，在包括在其中形成有阻擋層的布線溝槽的多孔膜上形成銅膜，并通過CMP方法除去位于布線溝槽外部的銅膜和阻擋層的不需要的部分以形成包圍在阻擋層中的掩埋銅布線。
然而，如果在通過濺射方法形成導電阻擋層的情況下增加了布線溝槽的縱橫比，即布線溝槽的深度與布線溝槽的開口部分的寬度之比，布線溝槽的開口部分被阻擋材料封閉，從而很難在布線溝槽的內(nèi)表面上形成具有理想厚度的導電阻擋層。此外，很難在布線溝槽的內(nèi)表面上以足夠高的接合強度形成導電阻擋層。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種半導體器件，包括多孔膜，形成于半導體襯底上，所述多孔膜具有從溝槽和孔中選擇的至少一個掩埋凹槽；導電阻擋層，形成于掩埋凹槽的內(nèi)表面上；導電部分，掩埋于掩埋凹槽中，在多孔膜和導電部分之間間隔有導電阻擋層；以及混合層，形成于多孔膜和導電阻擋層之間并含有多孔膜的成分和導電阻擋層的成分。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種制造半導體器件的方法，包括在從在形成于半導體襯底上的多孔膜中形成的溝槽和孔中選擇的至少一個掩埋凹槽的內(nèi)表面上通過熱CVD方法形成成分組成基本相同的至少兩個導電阻擋層；以及在其中形成有導電阻擋層的掩埋凹槽中掩埋導電部分；其中設定用于形成第一導電阻擋層的熱CVD過程的壓力低于用于形成包括第二導電阻擋層的其它導電阻擋層的熱CVD過程的壓力。
此外，根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種制造半導體器件的方法，包括在從在形成于半導體襯底上的多孔膜中形成的溝槽和孔中選擇的至少一個掩埋凹槽的內(nèi)表面上通過等離子體CVD過程形成第一導電阻擋層；在其中形成有第一導電阻擋層的掩埋凹槽的內(nèi)表面上通過熱CVD過程或原子層沉積形成至少一個第二導電阻擋層；以及在其中形成有第二導電阻擋層的掩埋凹槽中掩埋導電部分。


圖1的截面圖示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的半導體器件的結(jié)構(gòu)；圖2A到2F的截面圖共同示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的半導體器件的制造過程；圖3A和3B的截面圖共同示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例在通過在決定供應速率的條件下的熱CVD方法形成導電阻擋層的步驟中在布線溝槽附近的多孔膜的狀態(tài)；圖4示出了在本發(fā)明的實例1中布線溝槽附近的多孔膜的EDX深度分布；圖5示出了在本發(fā)明的實例1中獲得的半導體芯片中施加到第二布線層的電壓和相鄰布線層之間的漏電流之間的關系；圖6示出了在對比實例1中獲得的半導體芯片中施加到第二布線層的電壓和相鄰層布線之間的漏電流之間的關系。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參考附圖詳細說明本發(fā)明的一些實施例。
(第一實施例)圖1的截面圖示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的具有多層布線結(jié)構(gòu)的半導體器件的結(jié)構(gòu)。
如圖所示，在其中形成有有源元件(未示出)的半導體襯底(半導體晶片)1上形成包括多個構(gòu)成掩埋凹槽的布線溝槽2的第一層間絕緣膜3。在形成于第一層間絕緣膜3中的布線溝槽2中掩埋第一層布線4，在第一層布線4和布線溝槽2的表面之間間隔有導電阻擋層5。順便提一句，有可能通過過孔填充(未示出)把某些第一層布線4與在半導體襯底1中形成的有源元件電連接。
第一層間絕緣膜3有可能由如硅氧化物膜、硼磷硅玻璃膜(BPSG膜)、磷硅玻璃膜(PSG膜)、SiOF膜、有機旋涂玻璃或聚酰亞胺膜的無孔膜形成。
第一層布線4和過孔填充由例如銅、鋁、鎢、或含有這些金屬的合金形成。
導電阻擋層5由例如TiSiN、TaN、WN、WSiN或TaAlN形成。導電阻擋層5是單層結(jié)構(gòu)或是疊層結(jié)構(gòu)都是可接受的。
在其中掩埋有第一層布線4的第一層間絕緣膜3上形成擴散阻止膜6以阻止構(gòu)成第一層布線4的金屬的擴散。在擴散阻止膜6上形成包括多孔膜7和絕緣保護膜8的疊層結(jié)構(gòu)，以使多孔膜直接與擴散阻止膜6接觸。應該注意，包括多孔膜7和絕緣保護膜8的疊層結(jié)構(gòu)構(gòu)成第二層間絕緣膜9。在第二層間絕緣膜9中將過孔10形成為開口的，過孔10是穿過擴散阻止膜6延伸到第一層布線4的掩埋凹槽。在第二層間絕緣膜9的過孔10所在的那部分和第二層間絕緣膜9的其它部分中形成構(gòu)成掩埋凹槽的布線溝槽11。在布線溝槽11中掩埋第二層布線12，在第二層布線12和布線溝槽11的內(nèi)表面之間間隔有導電阻擋層13。順便提一句，可以通過借助于在過孔10中掩埋導電材料形成的過孔填充14把例如圖中的左側(cè)布線12的某些第二層布線12的底部與第一層布線4電連接。此外，在多孔膜7和導電阻擋層13之間的界面處形成混合層15?；旌蠈?5含有多孔膜7的成分和導電阻擋層13的成分。應該注意，混合層15包括由多孔膜7構(gòu)成的層以及導電阻擋層13的成分，該導電阻擋層13的成分存在于該層的開放的孔中。
上述擴散阻止膜6由例如SiN、SiC或SiCN形成。
上述多孔膜7包括開放的孔并具有例如不大于2.5的相對介電常數(shù)的低介電常數(shù)。滿足特定需求的多孔膜7由例如多孔甲基倍半硅氧烷膜(多孔MSQ膜)、多孔聚亞芳基醚膜(多孔PAE膜)或多孔氫倍半硅氧烷膜(多孔HSQ膜)形成。特定的多孔膜由例如涂覆方法形成。
上述絕緣保護膜8由例如有機倍半硅氧烷膜或無機倍半硅氧烷膜形成。
布線溝槽11具有1.5或更大，例如1.5到2的縱橫比(D/W)，即深度(D)與寬度(W)的比。
第二層布線12和過孔填充14由例如銅、鋁、鎢、或含有這些金屬的合金形成。
導電阻擋層13由例如TiSiN、TaN、WN、WSiN或TaAlN形成。導電阻擋層13是單層結(jié)構(gòu)或是疊層結(jié)構(gòu)都是可接受的。
如上所述，混合層15含有多孔膜7的成分和導電阻擋層13的成分。阻擋層13的成分的濃度理想地在導電阻擋層13一側(cè)高并隨距導電阻擋層13的距離的增加而逐漸降低。此外，在導電阻擋層13一側(cè)的多孔膜7的開放的孔理想地基本被導電阻擋層13的成分封閉。
混合層15的厚度理想地不大于30nm，更理想地落入2nm到20nm的范圍。如果混合層15的厚度超過30nm，有可能在形成于包括多孔膜7的第二層間絕緣膜9中的相鄰第二層布線12之間產(chǎn)生漏電流。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的第一實施例，在形成于第二層間絕緣膜9中的布線溝槽11和過孔10的內(nèi)表面上形成導電阻擋層13。此外，在與導電阻擋層13接觸的布線溝槽11中形成第二層布線12。在與導電阻擋層13接觸的過孔10中形成過孔填充14。此外，在包括于第二層間絕緣膜9中的多孔膜7和導電阻擋層13之間的界面處形成含有多孔膜7的成分和導電阻擋層13的成分的混合層15。特定的結(jié)構(gòu)允許改善導電阻擋層13與布線溝槽11和過孔10的內(nèi)表面之間的接合強度。
特別地是，在這樣的情況下可以進一步改善導電阻擋層13與布線溝槽11和過孔10的內(nèi)表面之間的接合強度其中構(gòu)造混合層15以設置導電阻擋層13的成分的濃度在阻擋層13一側(cè)高并隨距阻擋層13的距離的增加而逐漸降低，并至少在導電阻擋層13一側(cè)多孔膜7的開放的孔基本被導電阻擋層13的成分封閉。結(jié)果，有可能提供具有高可靠性的掩埋布線結(jié)構(gòu)的半導體器件。
此外，在混合層15的厚度不大于30nm的情況下，有可能阻止在形成于包括多孔膜7的第二層間絕緣膜9中的相鄰第二層布線12之間的漏電流。
更具體地說，如上所述，混合層15可以有效地改善導電阻擋層13與布線溝槽11和過孔10的內(nèi)表面之間的接合強度。也應該注意，混合層15含有導電阻擋層13的成分。因此，如果增加混合層15的厚度，特別是在多孔膜7的平面方向的厚度，電流趨向于通過混合層15從形成于包括多孔膜7的第二層間絕緣膜9中的第二層布線12漏向相鄰的第二層布線12。
在此情況下，有可能通過把混合層15的厚度限制在不大于30nm的水平，即把混合層15的厚度限制到這樣的水平來抑制或阻止在形成于第二層間絕緣膜9中的相鄰第二層布線12之間的漏電流在該水平上，混合層15不執(zhí)行在形成于包括多孔膜7的第二層間絕緣膜9中的相鄰第二層布線12之間的漏電流的通道的功能。
特別地是，通過把混合層15的厚度限制在不大于30nm的水平并通過控制混合層15中含有的導電阻擋層13的成分的濃度分布以使上述濃度在導電阻擋層13一側(cè)高并隨距導電阻擋層13的距離的增加而逐漸降低，可以更有效地阻止相鄰第二層布線12之間的漏電流。
如上所述，在本發(fā)明的第一實施例中，有可能在包括具有低介電常數(shù)的多孔膜7的第二層間絕緣膜9中形成具有高接合強度的第二層布線12，并阻止相鄰第二層布線12之間的漏電流，從而有可能提供可靠性高、性能穩(wěn)定的半導體器件。
(第二實施例)現(xiàn)在將參考圖2A到2F說明作為本發(fā)明的第二實施例的上述根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的半導體器件的制造方法。
(第一步驟)第一步，在其中預先形成有有源元件(未示出)的半導體襯底(半導體晶片)1上形成第一層間絕緣膜3。然后，在第一層間絕緣膜3上形成例如抗蝕劑圖形的圖形，接著把抗蝕劑圖形用作掩膜通過反應離子蝕刻(RIE)有選擇地除去第一層間絕緣膜3以形成延伸到半導體襯底1的表面的過孔(未示出)。形成過孔后，使用另一掩膜圖形通過RIE在第一層間絕緣膜3的規(guī)定的過孔所在的那個部分和第一層間絕緣膜3的其它部分中形成布線溝槽2。此外，在包括過孔和布線溝槽2的第一層間絕緣膜3上通過例如濺射方法形成導電阻擋層5，接著在導電阻擋層5上形成布線材料膜。
下一步，通過化學機械拋光(CMP)處理除去位于不包括過孔和布線溝槽2的第一層間絕緣膜3上的多余的布線材料膜和導電阻擋層5，以在第一層間絕緣膜3中形成包圍在導電阻擋層5中的第一層布線4和包圍在導電阻擋層5中并通過過孔填充(未示出)與在半導體襯底1中形成的有源元件電連接的第一層布線(未示出)。CMP處理包括用于除去例如位于第一層間絕緣膜3上的多余的布線材料膜的第一CMP處理，以及用于除去位于第一層間絕緣膜3上的多余的導電阻擋層5的第二CMP處理。
可以使用與如前結(jié)合本發(fā)明的第一實施例所述的材料和方法相同的材料和方法形成第一層間絕緣膜3和導電阻擋層5。
有可能使用例如銅、鋁、鎢、或含有這些金屬的合金作為布線材料。
可以通過利用例如濺射方法在整個表面形成種子層來形成布線材料膜，接著采用把種子層用作公共電極的電鍍法。
(第二步驟)如圖2B所示，在其中掩埋有第一層布線4的第一層間絕緣膜3上形成擴散阻止膜6。然后，通過例如涂覆方法在擴散阻止膜6上形成多孔膜7，接著在多孔膜7上形成絕緣保護膜8以形成包括多孔膜7和絕緣保護膜8的第二層間絕緣膜9。
可以使用與如前結(jié)合本發(fā)明的第一實施例所述的材料相同的材料形成擴散阻止膜6、多孔膜7和絕緣保護膜8。
可以通過例如CVD方法形成擴散阻止膜6和絕緣保護膜8中的每一個。
在此后說明的用于除去由抗蝕劑圖形形成的掩膜的干蝕刻過程和此后說明的用于除去多余的布線材料的化學機械拋光(CMP)處理中，絕緣保護膜8起保護位于絕緣保護膜8下面的多孔膜7的作用。
(第三步驟)如圖2C所示，在包括多孔膜7和絕緣保護膜8的疊層結(jié)構(gòu)的第二層間絕緣膜9上形成諸如抗蝕劑圖形的圖形，接著把抗蝕劑圖形用作掩膜通過RIE有選擇地除去第二層間絕緣膜9以形成過孔10，過孔10是延伸到擴散阻止膜6的掩埋凹槽。然后，使用另一掩膜圖形通過RIE在第二層間絕緣膜9的過孔10所在的那部分和第二層間絕緣膜9的其它部分中形成布線溝槽11，接著通過RIE除去擴散阻止膜6的暴露部分。
(第四步驟)通過使用規(guī)定的原料氣體的熱CVD方法在包括過孔10和布線溝槽11的第二層間絕緣膜9上形成至少兩個導電阻擋層，例如兩個導電阻擋層。在此步驟中，在比形成第二導電阻擋層的熱CVD過程的壓力低的壓力下執(zhí)行形成第一導電阻擋層的熱CVD過程。換句話說，在決定供應速率的條件下形成第一導電阻擋層。如圖3A所示，在特定條件下的熱CVD過程中，原料氣體21從例如布線溝槽11滲入形成于多孔膜7中的開放的孔22。應該注意，在此步驟中在決定供應速率的條件下形成膜。因此，如圖3B所示，在從膜形成開始的很短時間內(nèi)在暴露于布線溝槽11內(nèi)表面的開放的孔22的那部分中分解原料氣體21以引起阻擋材料23的聚集，結(jié)果暴露于布線溝槽11內(nèi)表面的開放的孔22的開口被阻擋材料23封閉。結(jié)果阻止原料氣體21滲入開放的孔22的深處，即滲入到距布線溝槽11相當遠的位置。結(jié)果，從布線溝槽11向形成于多孔膜7中的開放的孔22的內(nèi)部區(qū)域，例如向在與多孔膜7的表面平行的方向上的內(nèi)部區(qū)域聚集阻擋材料23的區(qū)域被限制為從布線溝槽11的內(nèi)表面測量不大于例如30nm的厚度。結(jié)果，如圖2D所示，在布線溝槽11和過孔10的內(nèi)表面附近的多孔膜7上形成了含有多孔膜7的成分和導電阻擋層的成分并具有受控厚度的混合層15。由于如圖3A和3B所示的導電阻擋層的聚集效應，形成混合層15以使阻擋層的成分的濃度在布線溝槽11和過孔10的內(nèi)表面附近高并隨距布線溝槽11和過孔10的內(nèi)表面的距離的增加而逐漸降低，并使位于上述內(nèi)表面上的多孔膜7的開放的孔基本被導電阻擋層的成分封閉。然后，在高壓下的熱CVD過程，即在滿足該步驟的覆蓋范圍的決定反應速率的條件下的熱CVD過程，在半導體襯底1沒有被暴露于空氣的情況下執(zhí)行，從而在包括具有形成于其內(nèi)表面附近的混合層15的布線溝槽11和過孔10的第二層間絕緣膜9上形成導電阻擋層13，如圖2D所示。
根據(jù)形成的導電阻擋層的類型，在熱CVD過程中可以使用各種原料氣體。例如，在形成由TiSiN構(gòu)成的導電阻擋層的情況下，使用含有如下的混合氣體從四(二甲胺)鈦(TDMAT)、四(二乙胺)鈦(TDEAT)和TiCl4中選擇的至少一種鈦化合物氣體，從SiH4和Si2H6中選擇的至少一種硅化合物氣體，以及從NH3和N2中選擇的至少一種含氮氣體。在形成由TaN構(gòu)成的導電阻擋層的情況下，使用含有如下的混合氣體從五(二甲胺)鉭(PDMAT)和叔丁基亞胺三(二乙酰胺)鉭(TBTDET)中選擇的鉭化合物氣體，以及從NH3和N2中選擇的至少一種含氮氣體。在形成由WN構(gòu)成的導電阻擋層的情況下，使用含有如下的混合氣體諸如WF6氣體的鎢化合物氣體，以及從NH3和N2中選擇的至少一種含氮氣體。在形成由WSiN構(gòu)成的導電阻擋層的情況下，使用含有如下的混合氣體諸如WF6氣體的鎢化合物氣體，從SiH4氣體和Si2H6氣體中選擇的至少一種硅化合物氣體，以及從NH3氣體和N2氣體中選擇的至少一種含氮氣體。在形成由TaAlN構(gòu)成的導電阻擋層的情況下，使用含有如下的混合氣體從PDMAT氣體和TBTDET氣體中選擇的鉭化合物氣體，從三甲基鋁(TMA)氣體和二甲基鋁氫化物氣體中選擇的至少一種鋁化合物氣體，以及從NH3氣體和N2氣體中選擇的至少一種含氮氣體。此外，在熱CVD過程中，與上述的原料氣體一起使用諸如Ar氣、He氣或N2氣的載氣也是可接受的。
理想地在300到370℃的溫度和0.4到0.8Torr的壓力下執(zhí)行形成第一導電阻擋層的熱CVD過程。此外，理想地在300到370℃的溫度和不低于1.0Torr的壓力下執(zhí)行形成包括第二導電阻擋層的其它導電阻擋層的熱CVD過程。如果在小于0.4Torr的壓力下執(zhí)行形成第一導電阻擋層的熱CVD過程，降低了阻擋層的形成速率從而降低了半導體器件的生產(chǎn)率。另一方面，如果在超過0.8Torr的壓力下執(zhí)行形成第一導電阻擋層的CVD過程，很難在決定供應速率的條件下形成阻擋層，導致很難限制導電阻擋層的成分滲入多孔膜和導電阻擋層之間的界面附近的區(qū)域。此外，如果在小于1.0Torr的壓力下執(zhí)行形成例如第二導電阻擋層的熱CVD過程，很難在具有高縱橫比的掩埋凹槽的內(nèi)表面上形成滿足該步驟的覆蓋范圍的導電阻擋層。
(第五步驟)如圖2E所示，在形成于包括布線溝槽11和過孔10的第二層間絕緣膜9上的導電阻擋層13上形成布線材料膜16。
下一步，通過CMP處理除去位于不包括布線溝槽11和過孔10的第二層間絕緣膜9上的多余的布線材料膜16和導電阻擋層13，以在第二層間絕緣膜9中形成包圍在導電阻擋層13中的第二層布線12和包圍在導電阻擋層13中并通過過孔填充14與第一層布線4連接的第二層布線12，從而制造如圖2F所示的半導體器件。
有可能使用例如銅、鋁、鎢、或含有這些金屬的合金作為上述布線材料。
可以通過利用例如濺射方法在整個表面形成種子層來形成布線材料膜，接著采用把種子層用作公共電極的電鍍法。
CMP處理包括用于除去例如位于第二層間絕緣膜9上的多余的布線材料膜的第一CMP處理和用于除去位于第二層間絕緣膜9上的多余的導電阻擋層13的第二CMP處理。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的第二實施例，在第二層間絕緣膜9中形成了構(gòu)成掩埋凹槽的過孔10和布線溝槽11。當通過熱CVD過程在過孔10和布線溝槽11的內(nèi)表面上形成成分基本相同的至少兩個導電阻擋層時，在比行成包括第二導電阻擋層的其它導電阻擋層的熱CVD過程的壓力低的壓力下執(zhí)行形成第一導電阻擋層的熱CVD過程。換句話說，建立了決定供應速率的條件。結(jié)果，如圖2D所示，有可能在布線溝槽11和過孔10的內(nèi)表面附近的多孔膜7上形成含有多孔膜7的成分和導電阻擋層的成分并具有受控厚度的混合層15。然后，在高壓下的熱CVD過程，即在滿足該步驟的覆蓋范圍的決定反應速率的條件下的熱CVD過程被執(zhí)行。結(jié)果，有可能在包括布線溝槽11和過孔10的內(nèi)表面的第二層間絕緣膜9上形成具有高接合強度的導電阻擋層13，在第二層間絕緣膜9和導電阻擋層13之間間隔有混合層15。
特別地是，理想地在300到370℃的溫度和0.4到0.8Torr的壓力下執(zhí)行形成第一導電阻擋層的熱CVD過程，并理想地在300到370℃的溫度和不低于1.0Torr的壓力下執(zhí)行形成包括第二導電阻擋層的其它導電阻擋層的熱CVD過程。在此情況下，有可能在布線溝槽11和過孔10的內(nèi)表面附近的多孔膜7上形成厚度被控制到不高于例如30nm水平的混合層15。也有可能在包括布線溝槽11和過孔10的內(nèi)表面的第二層間絕緣膜9上形成具有高接合強度且厚度相對均勻的導電阻擋層13，在第二層間絕緣膜9和導電阻擋層13之間間隔有混合層15。
在形成導電阻擋層13后，在包括布線溝槽11和過孔10的第二層間絕緣膜9上形成布線材料膜16，接著通過CMP處理除去第二層間絕緣膜9上的多余的布線材料膜16和多余的導電阻擋層13。結(jié)果，有可能在布線溝槽11和過孔10中形成每個都包圍在具有高接合強度的導電阻擋層13中的第二層布線12和過孔填充14。
也應該注意，因為可以在布線溝槽11和過孔10的內(nèi)表面附近的多孔膜7上形成具有可控厚度的混合層15，有可能通過在包括多孔膜7的第二層間絕緣膜9中形成第二層布線12來阻止相鄰第二層布線12之間的漏電流，如前結(jié)合本發(fā)明的第一實施例所述。
如上所述，在本發(fā)明的第二實施例中，可以在包括具有低介電常數(shù)的多孔膜7的第二層間絕緣膜9中以高接合強度形成第二層布線12。此外，可以阻止相鄰第二層布線12之間的漏電流。結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的制造方法使得有可能制造可靠性高、性能穩(wěn)定的半導體器件。
(第三實施例)本發(fā)明的第三實施例涉及上述根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的半導體器件的制造過程(第四步驟)。具體地說，在本發(fā)明的第三實施例中，在形成第一導電阻擋層時用使用規(guī)定的原料氣體的等離子體CVD過程代替在低壓下的熱CVD過程，接著采用熱CVD過程在第一導電阻擋層上形成額外的導電阻擋層以形成疊層結(jié)構(gòu)的導電阻擋層。
在第三實施例中采用的等離子體CVD過程中使用與用于如前結(jié)合本發(fā)明的第二實施例所述的熱CVD過程的原料氣體類似的原料氣體。此外，在等離子體CVD過程中與原料氣體一起使用諸如Ar氣、He氣或N2氣的載氣。
當通過使用例如配有安裝有平行板電極的真空容器的等離子體CVD裝置執(zhí)行等離子體CVD過程時，真空容器內(nèi)的真空度理想地設定為1mTorr到15mTorr。
理想地在300到370℃的溫度和不低于1.0Torr的壓力下執(zhí)行熱CVD過程。雖然根據(jù)不同的膜形成方法在多個導電阻擋層之間產(chǎn)生成分的細微差別是可接受的，但理想地，如上述本發(fā)明的第二實施例那樣，通過等離子體CVD過程和熱CVD過程形成的多個導電阻擋層具有基本相同的成分。
如上所述，在本發(fā)明的第三實施例中，在決定供應速率的條件下通過等離子體CVD過程形成第一導電阻擋層，結(jié)果如上述第二實施例那樣，有可能在布線溝槽11和過孔10的內(nèi)表面附近的多孔膜7上形成含有多孔膜7的成分和導電阻擋層的成分并具有受控厚度的混合層15。也應該注意，根據(jù)混合層15中含有的導電阻擋層的成分的分布構(gòu)造混合層15以使在布線溝槽11和過孔10的內(nèi)表面附近的濃度高且該濃度隨距上述內(nèi)表面的距離的增加而逐漸降低，并使位于上述內(nèi)表面的多孔膜7的開放的孔基本被導電阻擋層的成分封閉。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的第三實施例，有可能如上述第二實施例那樣在包括布線溝槽11和過孔10的內(nèi)表面的第二層間絕緣膜9上以高接合強度形成混合層15。此外，有可能在包括多孔膜7的第二層間絕緣膜9中形成多個第二層布線12以便可阻止相鄰第二層布線12之間的漏電流。
結(jié)果，有可能制造具有在包括具有低介電常數(shù)的多孔膜7的第二層間絕緣膜9中掩埋的第二層布線12的、可靠性高的、呈現(xiàn)出穩(wěn)定性能的半導體器件。
順便提一句，在上述本發(fā)明的第一到第三實施例的每一個中，半導體器件包括在其中形成有掩埋布線的兩個絕緣膜?？蛇x擇地，半導體器件也可能包括多層布線結(jié)構(gòu)，其中在三個或多個絕緣膜中形成有掩埋布線。
此外，在上述第一到第三實施例的每一個中，包括多孔膜和絕緣保護膜的疊層結(jié)構(gòu)的絕緣膜被用作在其中形成有掩埋布線的第二絕緣膜。然而，本發(fā)明并不局限于特定的結(jié)構(gòu)。例如，有可能使用特定疊層結(jié)構(gòu)的絕緣膜作為第一絕緣膜或包括第二絕緣膜的其它絕緣膜。也可以使用具有特定疊層結(jié)構(gòu)的絕緣膜作為在其中形成有掩埋布線的單層絕緣膜。然而，也有可能形成多個絕緣膜，每個具有在其中形成掩埋布線的特定疊層結(jié)構(gòu)。
此外，在上述本發(fā)明的第二和第三實施例的每一個中，在決定供應速率的條件下的膜形成過程之后，在形成導電阻擋層時采用熱CVD過程作為膜形成過程。然而，也有可能采用原子層沉積(ALD)過程代替上述熱CVD過程。
現(xiàn)在將參考圖2A到2F說明本發(fā)明的一些實例。
(實例1)第一步，如圖2A所示，在其中形成有有源元件(未示出)的半導體襯底(半導體晶片)1上形成由硅氧化物膜構(gòu)成的300nm厚的第一層間絕緣膜3。然后，在第一層間絕緣膜3上形成抗蝕劑圖形，接著把抗蝕劑圖形用作掩膜通過反應離子蝕刻(RIE)有選擇地除去第一層間絕緣膜3以形成延伸到半導體襯底1的表面的過孔(未示出)。形成過孔后，使用另一掩膜圖形通過RIE方法在第一層間絕緣膜3的規(guī)定的過孔所在的那個部分和第一層間絕緣膜3的其它部分中形成布線溝槽2。然后，在包括過孔和布線溝槽2的第一層間絕緣膜3上通過CVD方法形成由TiSiN構(gòu)成的5nm厚的導電阻擋層5。在形成導電阻擋層5后，通過濺射方法形成100nm厚的銅種子層(未示出)。此外，采用把銅種子層作為公共電極的銅電鍍處理以在包括過孔和布線溝槽2的銅種子層上形成銅膜。
下一步，通過化學機械拋光(CMP)處理除去位于不包括過孔和布線溝槽2的第一層間絕緣膜3上的多余的銅膜和多余的導電阻擋層5，以在第一層間絕緣膜3中形成包圍在導電阻擋層5中的第一層布線4和包圍在導電阻擋層5中并通過過孔填充(未示出)與形成于半導體襯底1中的有源元件連接的另一第一層布線(未示出)。CMP處理包括為除去位于第一層間絕緣膜3上的多余的銅膜而采用的對銅的CMP處理，以及為除去位于第一層間絕緣膜3上的多余的導電阻擋層5而采用的對阻擋層的CMP處理。
下一步，如圖2B所示，在其中掩埋有第一層布線4的第一層間絕緣膜3上通過CVD過程形成由SiC構(gòu)成的100nm厚的擴散阻止膜6。然后，通過涂覆方法在擴散阻止膜6上形成400nm厚的多孔PAE膜(多孔膜)7，接著在多孔PAE膜7上形成由有機硅氧烷化合物構(gòu)成的200nm厚的絕緣保護膜8以形成包括多孔PAE膜7和絕緣保護膜8的、總厚度為600nm的疊層結(jié)構(gòu)的第二層間絕緣膜9。
下一步，如圖2C所示，在具有包括多孔PAE膜7和絕緣保護膜8的疊層結(jié)構(gòu)的第二層間絕緣膜9上形成抗蝕劑圖形，接著把抗蝕劑圖形用作掩膜通過RIE有選擇地除去第二層間絕緣膜9以形成延伸到擴散阻止膜6的過孔10。然后，使用另一掩膜圖形通過RIE在第二層間絕緣膜9的規(guī)定的過孔10所在的那個部分和第二層間絕緣膜9的其它部分中形成彼此間隔150nm的布線溝槽11，每個布線溝槽11具有150nm的寬度和300nm的深度。此外，通過RIE除去擴散阻止膜6的暴露于過孔的底部的那部分。這些布線溝槽11中的每一個的縱橫比(D/W)，即深度(D)與寬度(W)的比為2。
下一步，把半導體襯底1置于真空容器(未示出)中，在真空容器的外部安裝有加熱器。在此條件下，把用作原料氣體的TDMAT/SiH4/N2混合氣體的各氣體和用作載氣的氬氣引入真空容器并釋放真空容器內(nèi)的氣體以把原料氣體的分壓設定為0.5Torr，并把膜形成溫度設定為330℃。換句話說，在決定供應速率的條件下執(zhí)行熱CVD過程。結(jié)果，在包括過孔10和布線溝槽11的第二層間絕緣膜9上形成基本由TiSiN構(gòu)成且厚度，即在絕緣保護膜8上的厚度為5nm的第一導電阻擋層。在CVD過程后，在多孔膜7的平面方向上從布線溝槽11開始，對例如布線溝槽11附近的多孔膜7進行EDX深度分布分析。圖4的圖示出了結(jié)果。如圖4明顯示出，只在距布線溝槽11的內(nèi)表面不大于30nm的距離內(nèi)發(fā)現(xiàn)了滲入多孔膜7的鈦(Ti)。此外，發(fā)現(xiàn)暴露于布線溝槽11的多孔膜7的孔被TiSiN封閉。換句話說，在布線溝槽11附近的多孔膜7上形成的混合層15由Ti、Si、N、C和O形成。然后，在形成第一導電阻擋層后，把真空容器內(nèi)的原料氣體的分壓設定為1.0Torr，并把膜形成溫度設定為330℃。換句話說，在決定反應速率的條件下執(zhí)行熱CVD過程。在此情況下，在包括過孔10和布線溝槽11的內(nèi)表面的第二層間絕緣膜9上形成基本由TiSiN構(gòu)成的厚度(即在絕緣保護膜8上測量的厚度)為5nm的第二導電阻擋層。通過此過程，如圖2D所示，在包括布線溝槽11和過孔10的第二層間絕緣膜9上形成基本由TiSiN構(gòu)成的、5到10nm厚的導電阻擋層13，布線溝槽11和過孔10的每一個都具有形成于內(nèi)表面附近的、厚度不大于30nm的混合層15。
下一步，在熱CVD過程后，在半導體襯底1沒有被暴露于空氣的情況下，在位于包括布線溝槽11和過孔10的第二層間絕緣膜9上的導電阻擋層13上通過濺射過程形成100nm厚的銅種子層(未示出)。此外，如圖2E所示，采用把銅種子層用作公共電極的銅電鍍處理以在包括過孔10和布線溝槽11的銅種子層上形成銅膜16。
在形成銅膜16后，通過CMP處理除去位于不包括過孔10和布線溝槽11的第二層間絕緣膜9上的多余的銅膜16和多余的導電阻擋層13，以在第二層間絕緣膜9中形成包圍在導電阻擋層13中的第二層布線12和包圍在導電阻擋層13中并通過過孔填充14與第一層布線4電連接的另一第二層布線12，由此在半導體晶片上制造了多個每個具有如圖2F所示的多層布線結(jié)構(gòu)的半導體器件(半導體芯片)。CMP處理包括為除去位于第二層間絕緣膜9上的多余的銅膜而采用的對銅的CMP處理，以及為除去位于第二層間絕緣膜9上的多余的導電阻擋層13而采用的對阻擋層的CMP處理。
(對比實例1)通過除了以下方面都類似于實例1的方法在半導體晶片上制造多個半導體器件(半導體芯片)只通過在原料氣體的分壓被設定為1.0Torr且膜形成溫度被設定為330℃的熱CVD過程，即只通過在決定反應速率的條件下的熱CVD過程，在包括在其中形成有過孔和布線溝槽的多孔膜的第二層間絕緣膜上形成導電阻擋層。
對于為實例1和對比實例1的每一個獲得的20個半導體芯片，在逐漸增加施加到第二層布線的電壓的同時測量布線層之間的漏電流。圖5和6分別示出了實例1和對比實例1的結(jié)果。
如圖5明顯示出，對于實例1的所有20個半導體芯片，隨電壓的增加漏電流緩慢增加，這說明了有可能抑制或阻止相鄰第二層布線之間的漏電流。
另一方面，圖6示出了當給第二層布線施加小電壓時在對比實例1的幾乎所有的20個半導體芯片中產(chǎn)生了大漏電流。特定的漏電流是由下述原因產(chǎn)生的。
具體地說，在對比實例1中，只通過在原料氣體的分壓被設定為1.0Torr且膜形成溫度被設定為330℃的熱CVD過程，即只通過在決定反應速率的條件下的熱CVD過程，在包括在其中形成有過孔和布線溝槽的多孔膜的第二層間絕緣膜上形成導電阻擋層。在決定反應速率的條件下的熱CVD過程中，在膜形成操作開始后的很短時間內(nèi)，暴露于布線溝槽的內(nèi)表面的孔的開口沒有被通過原料氣體的沉積形成的阻擋材料封閉。因此，熱CVD過程所使用的原料氣體從布線溝槽的內(nèi)表面在形成于多孔膜中的開放的孔的厚度方向和多孔膜的平面方向上滲入多孔膜的深處，以被熱分解為阻擋材料。結(jié)果，如此形成的阻擋材料保留在多孔膜的內(nèi)部。這樣形成的阻擋材料的殘留深度，特別是在多孔膜的平面方向上的殘留深度遠遠超過30nm。結(jié)果，如果在包括特定的多孔膜的第二層間絕緣膜中形成第二層布線，在施加到第二層布線的小電壓下的相鄰布線之間產(chǎn)生了漏電流，因為在位于相鄰第二層布線之間的多孔膜的那部分中保留有阻擋材料。
(實例2)通過除了以下方面類似于實例1的方法在半導體晶片上制造多個半導體器件(半導體芯片)通過下述方法在包括在其中形成有過孔和布線溝槽的多孔膜的第二層間絕緣膜上形成導電阻擋層。
具體地說，把半導體襯底1置于在真空容器中安裝的平行板電極的其中之一上，即置于接地的下電極上。把用作原料氣體的TDMAT/SiH4/N2氣體的各氣體和用作載氣的氬氣通入真空容器。在釋放真空容器內(nèi)的氣體以把真空容器內(nèi)的壓力設定為5Torr后，從13.56MHz的高頻電源把輸出為1kW的電功率施加到上電極以在平行板電極之間產(chǎn)生等離子體。通過上述在特定的決定供應速率的條件下的等離子體CVD過程，在包括過孔和布線溝槽的第二層間絕緣膜上形成基本由TiSiN構(gòu)成的厚度為5nm的第一導電阻擋層。在此情況下，使少量的鈦(Ti)滲入多孔膜，滲入距離不大于30nm，且暴露于布線溝槽的多孔膜的孔被通過原料氣體的沉積形成的TiSiN封閉。然后，在半導體晶片不被暴露于空氣的情況下，把半導體晶片安裝在真空容器(未示出)中，在真空容器的外部安裝有加熱器。然后，把用作原料氣體的TDMAT/SiH4/N2氣體的各氣體和用作載氣的氬氣引入真空容器，并釋放真空容器內(nèi)的氣體以把原料氣體的分壓設定為1.0Torr。此外，把真空容器內(nèi)的膜形成溫度設定為330℃。換句話說，在決定反應速率的條件下執(zhí)行熱CVD過程以在包括過孔和布線溝槽的第二層間絕緣膜上形成基本由TiSiN構(gòu)成的5nm厚的第二導電阻擋層。通過此過程，如圖2D所示，在包括布線溝槽11和過孔10的第二層間絕緣膜9上形成基本由TiSiN構(gòu)成的5到10nm厚的導電阻擋層13，布線溝槽11和過孔10的每一個具有形成于內(nèi)表面附近的混合層15，該混合層15的厚度不大于30nm。
對于在實例2獲得的20個半導體芯片，如實例1那樣，在逐漸增加施加到第二層布線的電壓的同時測量相鄰布線之間的漏電流。如上述圖5所示，對于所有的20個半導體芯片，發(fā)現(xiàn)隨電壓的增加漏電流只緩慢增加，這說明有可能抑制或阻止相鄰第二層布線之間的漏電流。
對本領域技術人員來說，額外的優(yōu)點和修改將是顯而易見的。因此，本發(fā)明在其更寬的方面并不限于這里示出和說明的具體細節(jié)和代表性實施例。因此，只要不脫離所附權(quán)利要求書和其等同替換限定的總發(fā)明構(gòu)思的精神或范圍，可以進行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種半導體器件，包括多孔膜，形成于半導體襯底上，所述多孔膜具有從溝槽和孔中選擇的至少一個掩埋凹槽；導電阻擋層，形成于掩埋凹槽的內(nèi)表面上；導電部分，掩埋于掩埋凹槽中，在多孔膜和導電部分之間間隔有導電阻擋層；以及混合層，形成于多孔膜和導電阻擋層之間并含有多孔膜的成分和導電阻擋層的成分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的半導體器件，其中所述混合層包括由多孔膜構(gòu)成的層以及與導電阻擋層相同的成分，該與導電阻擋層相同的成分存在于由多孔膜構(gòu)成的層的開放的孔中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的半導體器件，其中所述掩埋凹槽的深度D與寬度W的縱橫比D/W為1.5或更大。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的半導體器件，其中所述導電阻擋層由從TiSiN、TaN、WN、WSiN和TaAlN中選擇的至少一種制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的半導體器件，其中在所述混合層中含有的導電阻擋層的成分的濃度在導電阻擋層一側(cè)高并隨距導電阻擋層的距離的增加而逐漸降低，并且在導電阻擋層一側(cè)的多孔膜的開放的孔基本被與導電阻擋層相同的成分封閉。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的半導體器件，其中所述混合層的厚度不大于30nm。
7.一種制造半導體器件的方法，包括在從在形成于半導體襯底上的多孔膜中形成的溝槽和孔中選擇的至少一個掩埋凹槽的內(nèi)表面上通過熱CVD方法形成成分組成基本相同的至少兩個導電阻擋層；以及在其中形成有導電阻擋層的掩埋凹槽中掩埋導電部分；其中設定用于形成第一導電阻擋層的熱CVD過程的壓力低于用于形成包括第二導電阻擋層的其它導電阻擋層的熱CVD過程的壓力。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的制造半導體器件的方法，其中所述掩埋凹槽的深度D與寬度W的縱橫比D/W為1.5或更大。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的制造半導體器件的方法，其中在300到370℃的溫度和0.4到0.8Torr的壓力下執(zhí)行用于形成第一導電阻擋層的熱CVD過程，并在300到370℃的溫度和不低于1.0Torr的壓力下執(zhí)行用于形成包括第二導電阻擋層的其它導電阻擋層的熱CVD過程。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的制造半導體器件的方法，其中執(zhí)行用于形成第一導電阻擋層的熱CVD過程以使位于從所述掩埋凹槽的內(nèi)表面延伸到不大于30nm距離的區(qū)域內(nèi)的多孔膜的開放的孔基本被與導電阻擋層相同的成分封閉。
11.根據(jù)權(quán)利要求7的制造半導體器件的方法，其中用于形成基本由TiSiN構(gòu)成的導電阻擋層的每個熱CVD過程使用含有如下的混合氣體從四(二甲胺)鈦、四(二乙胺)鈦和TiCl4中選擇的至少一種鈦化合物氣體，從SiH4和Si2H6中選擇的至少一種硅化合物氣體，以及從NH3和N2中選擇的至少一種含氮氣體。
12.根據(jù)權(quán)利要求7的制造半導體器件的方法，其中通過在形成于包括掩埋凹槽的多孔膜上的導電阻擋層上形成導電膜在掩埋凹槽中掩埋導電部分，然后對導電膜施加化學機械拋光處理。
13.根據(jù)權(quán)利要求7的制造半導體器件的方法，進一步包括在多孔膜上形成絕緣保護膜，在包括多孔膜和絕緣保護膜的疊層膜中形成掩埋凹槽。
14.一種制造半導體器件的方法，包括在從在形成于半導體襯底上的多孔膜中形成的溝槽和孔中選擇的至少一個掩埋凹槽的內(nèi)表面上通過等離子體CVD過程形成第一導電阻擋層；在其中形成有第一導電阻擋層的掩埋凹槽的內(nèi)表面上通過熱CVD過程或原子層沉積形成至少一個第二導電阻擋層；以及在其中形成有第二導電阻擋層的掩埋凹槽中掩埋導電部分。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的制造半導體器件的方法，其中所述掩埋凹槽的深度D與寬度W的縱橫比D/W為1.5或更大。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的制造半導體器件的方法，其中在300到370℃的溫度和不低于1.0Torr的壓力下執(zhí)行用于形成第二導電阻擋層的熱CVD過程。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的制造半導體器件的方法，其中執(zhí)行用于形成第一導電阻擋層的等離子體CVD過程以使位于從所述掩埋凹槽的內(nèi)表面延伸到不大于30nm距離的區(qū)域內(nèi)的多孔膜的開放的孔基本被與導電阻擋層相同的成分封閉。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的制造半導體器件的方法，其中用于形成基本由TiSiN構(gòu)成的導電阻擋層的等離子體CVD過程和熱CVD過程使用分別含有如下的混合氣體從四(二甲胺)鈦、四(二乙胺)鈦和TiCl4中選擇的至少一種鈦化合物氣體，從SiH4和Si2H6中選擇的至少一種硅化合物氣體，以及從NH3和N2中選擇的至少一種含氮氣體。
19.根據(jù)權(quán)利要求14的制造半導體器件的方法，其中通過在形成于包括掩埋凹槽的多孔膜上的第一和第二導電阻擋層上形成導電膜在掩埋凹槽中掩埋導電部分，然后對導電膜施加化學機械拋光處理。
20.根據(jù)權(quán)利要求14的制造半導體器件的方法，進一步包括在多孔膜上形成絕緣保護膜，在包括多孔膜和絕緣保護膜的疊層膜中形成掩埋凹槽。
全文摘要
公開了一種半導體器件，包括多孔膜，形成于半導體襯底上，所述多孔膜具有從溝槽和孔中選擇的至少一個掩埋凹槽；導電阻擋層，形成于掩埋凹槽的內(nèi)表面上；導電部分，掩埋于掩埋凹槽中，在多孔膜和導電部分之間間隔有導電阻擋層；以及混合層，形成于多孔膜和導電阻擋層之間并含有多孔膜的成分和導電阻擋層的成分。
文檔編號H01L23/52GK1574337SQ20041004805
公開日2005年2月2日 申請日期2004年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月10日
發(fā)明者依田孝, 尾本誠一, 金子尚史, 江澤弘和 申請人:株式會社東芝