專利名稱：制造半導(dǎo)體器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件，尤其涉及制造半導(dǎo)體器件的方法。本發(fā)明具有 廣泛的適用范圍，尤其適用于使用鑲嵌工藝形成金屬線。
背景技術(shù)：
一般而言，為了實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體器件的高速度和高集成度，需要進(jìn)一步縮小 金屬線的寬度。為此，需要一種器件應(yīng)用技術(shù)。例如，使用具有低介電常數(shù) (低k值)的薄膜代替二氧化硅(Si02)用作絕緣層，而使用銅(Cu)代替 鋁(Al)用作線?？梢詫雽?dǎo)體制造工藝劃分為襯底工藝(FEOL:線前端) 和線工藝(BEOL:線后端)，其中所述襯底工藝用于在硅襯底上和/或上方 形成晶體管。線工藝是這樣一種技術(shù)，即在硅上和/或上方提供用于供電和信 號(hào)傳送的路徑，以在半導(dǎo)體集成電路中通過將單獨(dú)的晶體管連接在一起來形 成電路。當(dāng)應(yīng)用超顯微多層線工藝而緊密設(shè)置的金屬線之間的電容和超顯微 金屬線的電阻被增加時(shí)，電阻-電容(RC)延遲效應(yīng)對(duì)降低半導(dǎo)體器件的運(yùn) 行速度而言具有相當(dāng)大的影響。
目前普遍使用的各種絕緣層的介電常數(shù)(k值)的范圍在3.5 5.4之間。 而且，將介電常數(shù)等于或小于2.7的絕緣層稱作低k值絕緣層。具體而言， 在90 nm以下路標(biāo)(roadmap)中需要的是k值等于或小于3的絕緣層。只 有在65 nm以下當(dāng)絕緣層所具有的k值等于或小于2.0時(shí)，才能運(yùn)行半導(dǎo)體 器件而避免發(fā)生RC延遲。因此，需要形成k值等于或小于3.9的絕緣層。 即使形成了具有超低k值的絕緣層，在例如化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)等后繼工 藝(post process)中尚須確保其機(jī)械強(qiáng)度(mechanical strength)。在一種制造半導(dǎo)體器件的方法中，沉積絕緣層，通過圖案化形成通孔和
溝槽，用阻擋層和諸如銅(Cu)等金屬填充所述通孔和溝槽，然后進(jìn)行CMP。 由于k值大約介于2.8 3.0之間的絕緣層幾乎沒有氣孔(pore)，因此在進(jìn) 行CMP時(shí)，能夠避免對(duì)機(jī)械強(qiáng)度所帶來的問題。而且，如果在絕緣層中通 過退火形成孔隙，以將k值降低到3.0或以下，則由于CMP所施加的壓力會(huì) 使孔隙變得易損壞，從而降低了絕緣層的機(jī)械強(qiáng)度。因此，半導(dǎo)體器件將產(chǎn) 生各種問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例涉及半導(dǎo)體器件和制造半導(dǎo)體器件的方法，在該方法中 應(yīng)用鑲嵌工藝來形成金屬線，其中所述鑲嵌工藝通過在絕緣層中形成多個(gè)氣 孔而使該絕緣層的機(jī)械強(qiáng)度最大化。
本發(fā)明的實(shí)施例涉及制造半導(dǎo)體器件的方法，通過所述方法，在例如 CMP工藝的后繼工藝中，能夠在不減弱絕緣層的機(jī)械強(qiáng)度的條件下，形成具 有超低k值的絕緣層。
本發(fā)明的實(shí)施例涉及制造半導(dǎo)體器件的方法，所述方法包括以下步驟至
少之一:在半導(dǎo)體襯底上和/或上方形成絕緣夾層，然后通過圖案化絕緣夾層， 形成通孔和溝槽，然后在絕緣夾層上和/或上方形成金屬層，包括由該金屬層 填充通孔和溝槽，然后平坦化金屬層，直到暴露出絕緣夾層的上表面，然后 通過對(duì)平坦化結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱處理，在絕緣夾層內(nèi)形成氣孔。
本發(fā)明的實(shí)施例涉及制造半導(dǎo)體器件的方法，所述方法包括以下步驟至 少之一:在半導(dǎo)體襯底上和/或上方形成絕緣夾層，然后通過圖案化絕緣夾層， 形成至少一個(gè)通孔和一溝槽，然后在絕緣夾層上和/或上方形成金屬層，包括 由該金屬層填充至少一個(gè)通孔和一溝槽，然后平坦化金屬層，直到暴露出絕 緣夾層的上表面，然后通過對(duì)平坦化結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱處理，在絕緣夾層內(nèi)形成多 個(gè)氣孔。
本發(fā)明的實(shí)施例涉及制造半導(dǎo)體器件的方法，所述方法包括以下步驟至 少之一在半導(dǎo)體襯底上方形成絕緣夾層；然后在絕緣夾層中形成鑲嵌結(jié)構(gòu)； 然后在絕緣夾層上方形成金屬層，并由該金屬層填充鑲嵌結(jié)構(gòu)；然后通過平 坦化金屬層，以暴露出絕緣夾層的上表面，從而形成金屬線；然后在形成金屬線之后，進(jìn)行熱處理，以在絕緣夾層中形成多個(gè)氣孔。
因此，在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制造半導(dǎo)體器件的方法中，在進(jìn)行這種需
要指定機(jī)械強(qiáng)度的工藝(例如CMP)之后，進(jìn)行熱處理(例如退火)，以在 絕緣層中形成氣孔，從而使絕緣層的機(jī)械強(qiáng)度最大化。因此，通過降低銅(Cu) 線的電阻，有利于獲得高集成度。此外，省略了單獨(dú)用于形成銅(Cu)的退 火工藝，從而使半導(dǎo)體器件的整體性能和可靠性達(dá)到最優(yōu)。
通過本發(fā)明公開的制造半導(dǎo)體器件的方法，可以最大化絕緣層的機(jī)械強(qiáng) 度，從而形成具有低介電常數(shù)的絕緣層。


示例性圖1示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制造半導(dǎo)體器件的方法流程圖。 示例性圖2A至圖21示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制造半導(dǎo)體器件的方法。 示例性圖3示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制造半導(dǎo)體器件的方法流程圖。 示例性圖4A至圖4G示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制造半導(dǎo)體器件的方法。
具體實(shí)施例方式
下文將詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例，其示例由附圖示出?？赡艿脑?，在全 部附圖中由相同的附圖標(biāo)記來表示相同或相似的部件。
如示例性圖1和圖2A至圖21中所示，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制造半導(dǎo)體 器件的方法具有雙鑲嵌線結(jié)構(gòu)。
如示例性圖2A中所示，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制造半導(dǎo)體器件的方法可 包括在半導(dǎo)體襯底上和/或上方形成下絕緣層40。
如示例性圖1和圖2B中所示，然后在下絕緣層40中形成下金屬線44， 如步驟SIO。下金屬線44可以由銅(Cu)形成。優(yōu)選地，可以在下金屬線 44和下絕緣層40之間形成阻擋層42，所述阻擋層42用于防止銅(Cu)擴(kuò) 散到下絕緣層40中。
如示例性圖2C所示，在完成步驟S10之后，在包括下金屬線44和阻擋 層42的絕緣層40上和/或上方形成蝕刻停止層46，如步驟S12。蝕刻停止層 46可以由氮化物層形成。下金屬線44和阻擋層42的結(jié)構(gòu)僅僅是示例性的， 并不用于限制各實(shí)施例。如示例性圖2D中所示，在完成步驟S12之后，在蝕刻停止層46上和/ 或上方形成絕緣層和絕緣夾層(金屬間的介電層)48之一，如步驟S14。如 果不提供蝕刻停止層46，則在下金屬線44、下絕緣層40和阻擋層42被暴 露出的表面上和/或上方形成絕緣夾層48，如步驟S14。絕緣夾層48可以通 過玻璃上的旋轉(zhuǎn)涂覆(SOG)等涂覆方式來形成為聚合物的一種?？商鎿Q地， 絕緣夾層48也可以通過化學(xué)氣相沉積(CVD)形成。
如示例性圖2E中所示，在完成步驟S14之后，通過例如光刻等工藝來 圖案化絕緣夾層48，形成通孔50和溝槽52，如步驟S16。具體而言，通過 光刻而進(jìn)行絕緣夾層48的第一次蝕刻工藝圖案化，首先形成通孔50。用于 形成通孔50的蝕刻工藝被進(jìn)行到直到暴露出蝕刻停止層46為止。在形成通 孔50之后，通過諸如光刻等第二次蝕刻工藝在通孔50上和/或上方形成溝槽 52。在形成溝槽52的過程中，對(duì)部分蝕刻停止層46進(jìn)行蝕刻，以暴露出位 于通孔50下方的金屬線44。
如示例性圖2F中所示，在完成步驟S16之后，在被暴露出的下金屬線 44的上表面上和/或上方沉積第二阻擋層54，并使該第二阻擋層54直抵蝕刻 停止層46A并直抵絕緣夾層48A被暴露出的表面，如步驟S18。第二阻擋層 54用于防止隨后形成的金屬層56的銅(Cu)擴(kuò)散到絕緣夾層48A中?？商?換地，不同于示例性圖2F，第二阻擋層54也可以只形成在通孔50和溝槽 52的內(nèi)側(cè)壁上和/或上方，而不形成在絕緣夾層48A的上表面上和/或上方。
如示例性圖2G所示，在完成步驟S18之后，在包括阻擋層54的絕緣夾 層48A上和/或上方形成金屬層56，并用由該金屬層56填充通孔50和溝槽 52，如步驟S20。金屬層56可以由銅(Cu)形成?？梢允褂梦锢須庀喑练e (PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)和電化學(xué)鍍覆(ECP)之一來形成金屬層 56。如果通過ECP形成金屬層56，則通過PVD或CVD在阻擋層54上和/ 或上方沉積籽晶銅(Cu)層，然后將生成的結(jié)構(gòu)浸入電解液中以形成金屬層 56作為銅(Cu)層，從而可以由銅(Cu)來填充通孔50和溝槽52。此外， 所形成的金屬層56也可以作為銅(Cu)塊來覆蓋絕緣夾層48A的上表面， 該絕緣夾層48A包括阻擋層54以及經(jīng)間隙填充(gap-filling)后的通孔50 和溝槽52。
如示例性圖2H中所示，在完成步驟S20之后，經(jīng)由CMP來平坦化金屬層56，直到暴露出絕緣夾層48A的上表面，如步驟S22。經(jīng)平坦化的金屬層 56A成為上部金屬線。
如示例性圖21中所示，在完成步驟S22之后，通過在作為結(jié)果而生成的 平坦化后結(jié)構(gòu)上和/或上方進(jìn)行例如退火等熱處理工藝，在絕緣夾層48A中 形成多個(gè)氣孔58，如步驟S24。通過步驟S24的退火工藝除去絕緣夾層48A 中的有機(jī)物質(zhì)，形成氣孔58。這樣，具有氣孔58的絕緣夾層48A就降低了 其介電常數(shù)。此外，在完成以銅(Cu)填充通孔50和溝槽52的間隙之后， 采用步驟S24中的熱處理方法作為常規(guī)的退火工藝。這樣，就形成了多孔的 絕緣層48B。
如示例性圖3和圖4A至圖4G中所示，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制造半導(dǎo) 體器件的方法具有單鑲嵌線結(jié)構(gòu)。
如示例性圖4A和圖4B中所示，在半導(dǎo)體襯底80上和/或上方形成蝕刻 停止層82。所形成的蝕刻停止層82可以是氮化物層。
如示例性圖4C所示，然后在蝕刻停止層82上形成絕緣層84，如步驟 S60。蝕刻停止層82和絕緣層84分別對(duì)應(yīng)于示例性圖2D中示出的蝕刻停止 層46和絕緣夾層48，各對(duì)應(yīng)層分別由相同的材料形成并具有相同的作用。
如示例性圖4D所示，在完成步驟S60之后，通過光刻來圖案化絕緣層 84，以形成用于暴露出半導(dǎo)體襯底80的通孔和溝槽86之一，如步驟S62。 用于形成通孔或溝槽86的工藝可以與示例性圖2E中所示的用于形成通孔50 的工藝相同。
如示例性圖4E所示，在完成步驟S62之后，在絕緣層84A上和/或上方 形成金屬層90，并且由該金屬層90填充通孔或溝槽86，如步驟S64。可以 通過與示例性圖2G中所示的形成金屬層56的相同方法來形成金屬層90。 在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，可以形成阻擋層88，以防止隨后形成的金屬層 90的銅(Cu)擴(kuò)散到絕緣層84A中。該阻擋層88可以形成在通孔或溝槽86 的內(nèi)側(cè)壁上和/或上方，或者也可以形成在絕緣層84A的上表面以及通孔或 溝槽86的內(nèi)側(cè)壁上。
如示例性圖4F所示，在完成步驟S64之后，應(yīng)用CMP來平坦化金屬層 90，直到暴露出絕緣層84A的上表面，如步驟S66。
如圖4G所示，在完成步驟S66之后，通過對(duì)生成的平坦化結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱處理或退火，在絕緣層84A中形成多個(gè)氣孔92，如步驟S68。這樣，通過熱 處理除去包含在絕緣夾層84B中的有機(jī)物質(zhì)，以形成氣孔92，從而形成多 孔的絕緣層84B。當(dāng)通過步驟S68中的熱處理除去包含在絕緣夾層84A中的 有機(jī)物質(zhì)時(shí)，形成氣孔92。因此，具有氣孔92的絕緣夾層84B進(jìn)一步減小 了其介電常數(shù)。此外，在用銅(Cu)對(duì)通孔或溝槽86進(jìn)行間隙填充之后，
采用步驟S68的熱處理工藝作為常規(guī)的退火工藝。
在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，在步驟S24或S68中，為防止絕緣層結(jié)構(gòu)的 化學(xué)性改變，所述熱處理工藝以如下方式進(jìn)行使用氮?dú)?N2)和氫氣(H2) 之一，在大約30(TC 45(TC的溫度下，處理時(shí)間大約為30 60分鐘。優(yōu)選 地，為了通過熱處理在絕緣層中形成氣孔，絕緣夾層可具有甲基功能團(tuán)
(methyl functional group) (CxHy)。這是因?yàn)榧谆δ軋F(tuán)在進(jìn)行熱處理(除 氣)的高溫條件下會(huì)蒸發(fā)。由于甲基功能團(tuán)通常在大約350'C 45(rC的溫度 中被除去，因此，每一個(gè)氣孔都會(huì)形成于由甲基功能團(tuán)所占據(jù)的空缺
(vacancy)處。為了使得絕緣層的k值等于或小于3.0，所述氣孔至少應(yīng)占 據(jù)絕緣層體積的30%。以此為目標(biāo)，可以最佳地進(jìn)行熱處理工藝。
假設(shè)在半導(dǎo)體器件制造方法中，用于降低絕緣層的介電常數(shù)的退火是在 平坦化工藝之前進(jìn)行的。然而，在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體襯底制造方法 中，則是在完成平坦化工藝之后才進(jìn)行退火工藝。因此，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例 的半導(dǎo)體器件制造方法，平坦化是在沒有氣孔的情況下進(jìn)行的，從而可以使 機(jī)械強(qiáng)度最大化。
假設(shè)在半導(dǎo)體器件制造方法中，作為用于在絕緣層中形成氣孔的退火之 外的退火處理，對(duì)Cu所做的退火處理應(yīng)該在沉積Cu金屬層之后進(jìn)行。然而， 在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，在平坦化步驟S22或S66完成之后所進(jìn)行的步驟 S24和S68的退火工藝也被作為對(duì)Cu的退火處理。因此，不需要對(duì)Cu進(jìn)行 單獨(dú)的退火。
盡管這里對(duì)實(shí)施例進(jìn)行了描述，但可以理解的是本領(lǐng)域技術(shù)人員完全可 以推導(dǎo)出許多其它變化和實(shí)施例，并落入本公開內(nèi)容的原理的精神和范圍之 內(nèi)。尤其是，可以在該公開、附圖和所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)對(duì)組件和/或附件 組合設(shè)置中的設(shè)置進(jìn)行多種變化和改進(jìn)。除組件和/或設(shè)置的變化和改進(jìn)之 外，其他可選擇的應(yīng)用對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言也是顯而易見的。
權(quán)利要求
1、一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括以下步驟在半導(dǎo)體襯底上方形成絕緣夾層；然后通過圖案化所述絕緣夾層，形成通孔和溝槽；然后在所述絕緣夾層上方形成金屬層，并由所述金屬層填充所述通孔和所述溝槽；然后通過平坦化所述金屬層直到暴露出所述絕緣夾層的上表面，形成金屬線；然后在形成所述金屬線之后，通過進(jìn)行熱處理，在所述絕緣夾層中形成氣孔。
2、 如權(quán)利要求1所述的方法，在形成所述通孔和所述溝槽之后且在形 成所述金屬層之前，還包括以下步驟在所述絕緣夾層的表面上方以及在所 述通孔和所述溝槽的側(cè)壁上方形成阻擋層。
3、 如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述金屬層形成在所述阻擋層上方 并與所述阻擋層接觸。
4、 如權(quán)利要求1所述的方法，在形成所述通孔和所述溝槽之后且在形 成所述金屬層之前，還包括以下步驟在所述通孔和所述溝槽的側(cè)壁上方形 成阻擋層。
5、 如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述金屬層形成在所述絕緣層的上 表面上方并與所述絕緣層的上表面接觸。
6、 如權(quán)利要求1所述的方法，其中形成所述金屬層的步驟包括在所 述絕緣夾層上方形成銅層，并且由所述銅層填充所述通孔和所述溝槽。
7、 如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述銅層是通過物理氣相沉積、化 學(xué)氣相沉積和電化學(xué)鍍覆之一而形成的。
8、 如權(quán)利要求1所述的方法，在形成所述絕緣夾層之前，還包括以下 步驟在所述半導(dǎo)體襯底上方形成下絕緣夾層；然后在所述下絕緣層中形成下金屬線，其中所述絕緣夾層形成在所述下金屬 線和所述下絕緣層上方，并且所述下金屬層對(duì)應(yīng)于所述金屬線。
9、 如權(quán)利要求8所述的方法，在形成所述下金屬線之后且在形成所述 絕緣夾層之前，還包括以下步驟在所述下金屬線和所述下絕緣層上方形成蝕刻停止層，其中所述絕緣夾層形成在所述蝕刻停止層上。
10、 如權(quán)利要求9所述的方法，其中形成所述通孔和所述溝槽的步驟包括通過蝕刻所述絕緣夾層直到暴露出所述蝕刻停止層，形成所述通孔；然后通過蝕刻所述絕緣夾層和所暴露出的蝕刻停止層，在所述通孔上方形成 所述溝槽，從而暴露出所述下金屬線。
11、 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述熱處理在大約30(TC至450°C 之間的溫度下進(jìn)行。
12、 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述熱處理使用氮?dú)夂蜌錃庵粊?進(jìn)行。
13、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述絕緣夾層被形成為具有甲基功 能團(tuán)。
14、 一種方法，包括以下步驟 在半導(dǎo)體襯底上方形成絕緣夾層；然后 在所述絕緣夾層中形成鑲嵌結(jié)構(gòu)；然后在所述絕緣夾層上方形成金屬層，并由所述金屬層填充所述鑲嵌結(jié)構(gòu)；然后通過平坦化所述金屬層直到暴露出所述絕緣夾層的上表面，形成金屬 線；然后在形成所述金屬線之后，通過進(jìn)行熱處理，在所述絕緣夾層中形成多個(gè) 氣孔。
15、 如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述鑲嵌結(jié)構(gòu)包括單鑲嵌結(jié)構(gòu)和 雙鑲嵌結(jié)構(gòu)之一。
16、 如權(quán)利要求14所述的方法，在形成所述鑲嵌結(jié)構(gòu)之后且在形成所 述金屬層之前，還包括以下步驟在所述絕緣夾層的表面上方且在所述鑲嵌 結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上方形成阻擋層，其中所述金屬層形成在所述阻擋層上方并與所 述阻擋層接觸。
17、 如權(quán)利要求14所述的方法，在形成所述鑲嵌結(jié)構(gòu)之后且在形成所 述金屬層之前，還包括以下步驟在所述鑲嵌結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上方形成阻擋層，其中所述金屬層形成在所述絕緣層的上表面上方并與所述絕緣層的上表面 接觸。
18、 如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述熱處理在大約30(TC 45(TC 之間的溫度下進(jìn)行。
19、 如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述熱處理使用氮?dú)夂蜌錃庵?進(jìn)行。
20、 如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述絕緣夾層被形成為具有甲基 功能團(tuán)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括以下步驟在半導(dǎo)體襯底上和/或上方形成絕緣夾層，然后通過圖案化該絕緣夾層而形成鑲嵌結(jié)構(gòu)，然后在絕緣夾層上和/或上方形成金屬層，并通過金屬層填充鑲嵌結(jié)構(gòu)，然后通過平坦化金屬層直到暴露出絕緣夾層的上表面，形成金屬線，然后通過對(duì)平坦化結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱處理，在絕緣夾層中形成氣孔。通過本發(fā)明公開的制造半導(dǎo)體器件的方法，可以使絕緣層的機(jī)械強(qiáng)度最大化，從而形成具有低介電常數(shù)的絕緣層。
文檔編號(hào)H01L21/70GK101431048SQ20081017442
公開日2009年5月13日 申請(qǐng)日期2008年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月5日
發(fā)明者申宗勛 申請(qǐng)人:東部高科股份有限公司