專利名稱：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，特別涉及一種用于避免來自具有銅多級(jí)互連層的半導(dǎo)體器件中的較低級(jí)銅互連層的反射的方法。
近幾年來，人們不斷嘗試在大規(guī)模集成電路器件中實(shí)現(xiàn)更高的速度和更高的集成度，在此產(chǎn)生不但要在晶體管中而且還要在該互連層中實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步小型化和更密集的空間分布的需要。
作為金屬互連材料，到目前為止主要采用鋁，但是這已知會(huì)導(dǎo)致電遷移(EM)的問題；即，由于互連層的電流密度增加以及由整個(gè)器件所產(chǎn)生的熱量而造成的溫度升高使得在互連層中的一些金屬原子發(fā)生運(yùn)動(dòng)，這在一些部位產(chǎn)生空缺，這些原子從該空缺移走并且因此會(huì)產(chǎn)生互連層的斷開。另外，在金屬原子積累的一些部分形成稱為小丘的顆粒，并且對(duì)位于該互連層上的絕緣層產(chǎn)生應(yīng)力，這可能會(huì)造成裂縫。
為了解決該問題，人們已經(jīng)提出可以采用在鋁中摻有非常少量的硅或銅的合金，但是如果要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)小型化和更密集的空間分布的話，即使這樣還不夠，因此人們考慮使用仍然具有更高的可靠性的銅互連層。
在金屬材料中，銅具有僅次于銀的第二最小電阻率(銀的電阻率為1.7-1.8μΩ-cm，而AlCu的電阻率為3.1μΩ-cm)，并且具有優(yōu)良的EM阻抗。從而，在實(shí)現(xiàn)更密集的空間分布的過程中，非常需要利用這些銅的特性的新技術(shù)。
例如，銅被用作為互連材料的技術(shù)公開于IEDM’97，pp.769-772中名為“利用銅金屬化的高性能1.8V 0.2μm的CMOS技術(shù)”的文章，以及在IEDM’97，pp.769-772中名為“在低于0.25μm的CMOS超大規(guī)模集成電路技術(shù)中的完全銅布線”的文章。
銅是相對(duì)較難以通過蝕刻形成圖案的金屬。特別是在應(yīng)用于低于0.25μm量級(jí)的半導(dǎo)體器件中，銅必須通過鑲嵌金屬化技術(shù)(在下文中簡(jiǎn)稱為“鑲嵌技術(shù)”)形成。
例如，這是按照?qǐng)D7中所示執(zhí)行的。首先，在第一層間絕緣膜71上形成第一互連槽72(圖7(a))，然后通過電鍍方法、CVD(化學(xué)汽相淀積)方法等等在其上淀積阻擋金屬層73和銅74(圖7(b))。接著，通過化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)方法進(jìn)行拋光直到第一層間絕緣膜71的表面暴露出來，并且通過銅表面的平面化，以鑲嵌形式完成第一級(jí)互連層75(圖7(c))。為了在其上形成另一個(gè)銅互連層，在生長(zhǎng)第二層間絕緣膜76之后，通過光刻方法形成與第一級(jí)互連層75相接觸的第二互連槽78以及通孔77(圖7(d))，然后按照類似方式用銅通過鑲嵌形成第二級(jí)互連層79(圖7(e))。順便提一下，在上文所述的后一實(shí)例中，其中提到當(dāng)形成測(cè)試芯片時(shí)形成作為倒裝片模塊的頂層銅互連層。
銅是相對(duì)較易被氧化的金屬。當(dāng)另一個(gè)銅互連層如上文所述置于較低層的銅互連層之上時(shí)，例如，如果采用氧化硅作為層間絕緣膜，則在形成氧化硅膜中(這通常是通過在氧化環(huán)境中利用硅烷進(jìn)行的)，下層銅也受到氧化。結(jié)果，在被氧化的銅表面上同時(shí)形成氧化硅膜，這可能發(fā)生薄膜的脫落，這導(dǎo)致不一定形成規(guī)定的層間絕緣膜的問題。對(duì)于上述實(shí)例，沒有提到具體采用什么金屬，但是這給出一個(gè)在形成氧化膜之后形成阻蝕層(氮化硅或類似材料通常被用作為該阻蝕層)的實(shí)例。
另外，當(dāng)通過光刻對(duì)該層間絕緣膜進(jìn)行構(gòu)圖時(shí)，如上文所述，光刻膠由于來自下層互連層的反射而曝光過度，這會(huì)造成不能形成規(guī)定圖案的問題。上述氮化硅膜通常被用作為不具有防反射效果的阻蝕層。隨著互連圖案小型化的繼續(xù)該問題會(huì)變得更加尖銳，并且需要一種適當(dāng)?shù)慕鉀Q措施。
為了避免來自普通金屬互連層的反射，采用SiON膜是一種公知的方法。在此，SiON膜的形成通常是在300至400℃左右的基片溫度中把氧化氮?dú)怏w或者氮?dú)夂脱鯕獾幕旌衔锾砑拥焦柰闅庵卸M(jìn)行的。但是，如果這在銅互連層之上在這樣的條件下進(jìn)行SiON膜的形成，則在形成上述SiO2膜的情況下銅表面被氧化，從而產(chǎn)生不能夠形成規(guī)定的防反射涂層(ARC)的問題。
本發(fā)明提供一種可以克服上述問題的半導(dǎo)體器件。
就上述問題而言，本發(fā)明涉及一種形成多級(jí)結(jié)構(gòu)的銅互連層的半導(dǎo)體器件；其中位于銅互連層之間的至少一個(gè)層間膜具有層狀結(jié)構(gòu)，其中按照次序從下層銅互連層的一側(cè)疊放含有氟的無定形碳膜(在下文中簡(jiǎn)稱為a-CF膜)和SiO2膜。
另外，本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件，其銅互連層形成多級(jí)結(jié)構(gòu)；其中至少一個(gè)置于該銅互連層之間的層間膜具有層狀結(jié)構(gòu)，其中按照次序從下層銅互連層的一側(cè)疊放氮化硅和氮氧化硅；一個(gè)層狀結(jié)構(gòu)，其中按照次序疊放氮化硅和碳化硅；或者氮化硅層的單層結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明中，當(dāng)用于通過鑲嵌技術(shù)形成銅互連層的槽或通孔被形成在另一個(gè)銅互連層上時(shí)，在該下層銅互連層上的膜的形成在無氧條件下執(zhí)行，并且即使當(dāng)用氧執(zhí)行膜的形成時(shí)，該銅表面保持不被氧化，另外這樣形成的膜具有防反射效果，使得可以易于實(shí)現(xiàn)互連圖案的小型化。


圖1(a)至圖1(d)為示出本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的制造方法的步驟的一系列示意截面圖。
圖2為示出本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的多級(jí)互連結(jié)構(gòu)的示意截面圖。
圖3為示出在銅表面上的氧化銅的厚度與基片溫度之間的關(guān)系的曲線圖。
圖4為示出當(dāng)a-CF膜形成在銅膜的表面上并且(b)在400℃和(c)在450℃的溫度下在該膜上形成SiO2膜時(shí)，銅膜表面的成分分布的一組SIMS(二次離子質(zhì)譜分析)圖。圖4(a)表示在退火以前的狀態(tài)。
圖5為示出在銅表面上形成(a)a-CF膜、(b)SiN膜、以及(c)不形成其它膜的幾種情況下，反射率與波長(zhǎng)之間的關(guān)系的一組曲線圖。
圖6為示出本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的多級(jí)互連結(jié)構(gòu)的示意截面圖。
圖7(a)至圖7(e)為示出常規(guī)多級(jí)互連結(jié)構(gòu)的制造方法的步驟的示意截面圖。
在本發(fā)明中，一層具有防氧化的保護(hù)效果的膜在無氧條件下形成，然后形成防反射涂層(ARC)，或者在無氧條件下形成ARC。在效果上，形成ARC，而銅互連層表面被防止氧化，使得不被剝落，從而可以進(jìn)一步使互連圖案小型化。
圖5為示出銅互連層的反射率與波長(zhǎng)的關(guān)系的一組曲線圖，在一例子中，SiN膜(厚度為500nm)形成在銅互連層上作為阻蝕層，并且在作為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的例子中，a-CF膜(厚度為500nm)形成在銅互連層上。從圖中可以清楚看出，在用于光刻工藝中的i-線(360nm)和氪氟激光(248nm)的波長(zhǎng)處的反射率比較表明，銅表面的反射率與其上形成有SiN膜的樣本的反射率接近于40％，而根據(jù)本發(fā)明具有a-CF膜的樣本的反射率對(duì)于i-線為5％或更小，對(duì)于氪氟激光為10％或更小。盡管在本例中a-CF膜形成厚度為500nm，但是該反射率不取決于該膜厚，并且該膜具有與其膜厚無關(guān)的防反射效果。
在空氣中加熱，當(dāng)基片溫度超過150℃，銅表面通常瞬間被氧化(圖3中的曲線A)。與此相反，在銅表面上形成a-CF膜(厚度為100nm)抑制該氧化過程(圖3中的曲線B)。但是必須注意，a-CF膜本身允許氧通過并且氧化下層的銅，如圖中所示。但是，當(dāng)在所述a-CF膜上形成SiO2膜時(shí)，在SiO2膜形成開始時(shí)，一些氧可能通過該膜并氧化銅表面，但是一但形成SiO2膜，該SiO2膜阻止氧的滲透，從而停止進(jìn)一步的氧化，使得銅和a-CF膜緊緊地相互附著而沒有障礙。
對(duì)于a-CF膜的膜厚沒有具體的限制。但是，由于太薄的膜具有讓氧通過并氧化下層的銅的趨勢(shì)，因此該膜優(yōu)選至少具有50nm的厚度，最好具有100nm或更厚的厚度。其最大值可以根據(jù)設(shè)計(jì)而適當(dāng)設(shè)定。
另外，在SiN膜作為防止氧滲透的保護(hù)層而形成并且在其上形成有SiON膜或SiC膜的情況下，SiN膜形成具有類似于作為通常阻蝕層的厚度即可，即，至少為50nm，最好為100nm左右。并且，對(duì)于形成在SiN膜上的SiON膜或SiC膜，所需膜厚同樣為至少50nm并且最好為100nm左右。另外，在SiC膜的情況，由于在膜形成過程中不使用氧，因此該膜可以直接形成在銅互連層上，以同樣作為ARC。
第一實(shí)施例首先，參照附圖描述作為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的形成多級(jí)銅互連層的方法。
在基片1上形成SiO2膜2之后，形成厚度為500nm左右的a-CF膜3。在其上，通過CVD方法進(jìn)一步形成200nm厚的SiO2膜4(圖1(a))。在按該方法形成的SiO2膜4上，施加一層光刻膠5，然后通過光刻方法構(gòu)圖。接著，在a-CF膜3和SiO2膜4上通過蝕刻形成要用于通過鑲嵌技術(shù)形成銅互連層的槽(寬度為0.15μm，深度為0.2μm)(圖1(b))。在形成有槽6的基片的整個(gè)表面上，通過濺射方法或類似方法形成厚度為150nm的TiN膜7作為阻擋膜，通過CVD方法或類似方法在其上形成銅膜8(圖1(c))。通過CMP(化學(xué)機(jī)械拋光)方法對(duì)銅膜8和TiN膜7進(jìn)行拋光，直到SiO2膜2暴露出來，從而完成銅互連層9(圖1(d))。
另外，在按這種方式形成的銅互連層9上，按照如上文所述的相同方式，在a-CF膜3和SiO2膜4上通過蝕刻形成用于通過鑲嵌技術(shù)形成另一個(gè)銅互連層的另一個(gè)槽和/或另一個(gè)通孔，類似地形成阻擋膜和銅膜，然后對(duì)該表面進(jìn)行平面化。重復(fù)這些步驟，則可完成多級(jí)互連層。
圖4示出通過對(duì)該樣本進(jìn)行SIMS(二次離子質(zhì)譜測(cè)定法)的表面分析的結(jié)果，其中該樣本形成有a-CF膜，并且然后分別在400℃和450℃的退火溫度下形成SiO2膜。在這種情況下，各個(gè)樣本的SiO2膜在測(cè)量之前被除去。如圖中所示，與退火之前相比，確認(rèn)該銅表面在任何一個(gè)溫度下退火之后幾乎不被氧化。
在本實(shí)例中，如上述圖5中所示，由于a-CF膜3具有特別強(qiáng)的防反射效果，該光刻膠不會(huì)在光刻的時(shí)候破裂，從而可以成功地形成微小的圖案。
同時(shí)，在如上文所述完成多級(jí)互連層之后，適合地對(duì)作為頂級(jí)層覆蓋層10(可能具有與所述層間絕緣膜相同的成份)進(jìn)行蝕刻，從而形成接合區(qū)部分12和熔絲部分11。在此，如圖2所示，通過至少用除了銅之外一種合適的互連材料(在本例中為鋁)形成熔絲部分11，并且最好形成這兩個(gè)部分，可以獲得如下優(yōu)點(diǎn)。即，當(dāng)施加可能對(duì)元件產(chǎn)生反作用的過量電流時(shí)，所述熔絲部分被熔斷，從而該電路得到保護(hù)。另外，如果接合區(qū)部分也是由除了銅之外的材料所形成，則可以采用廉價(jià)的金絲接合13。如果成本允許的話，該接合區(qū)部分可以由銅形成，在這種情況下，作為常規(guī)實(shí)例，可以形成引線凸起以進(jìn)行倒裝片接合。不用說，可以用除了銅之外的其它金屬形成的接合區(qū)部分進(jìn)行倒裝片接合。另外，盡管在圖中所示的銅互連層9具有四層結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)知道這不是對(duì)本發(fā)明的限制。
第二實(shí)施例參照?qǐng)D6，下面描述本發(fā)明的第二實(shí)施例。圖6為示出本實(shí)施例的銅多級(jí)互連層的示意截面圖。
在象SiO2膜61這樣形成在一基片上的絕緣膜中，形成要通過鑲嵌技術(shù)形成銅互連層的槽，然后如第一實(shí)施例那樣形成一阻擋膜。通過CMP方法類似地對(duì)該表面進(jìn)行平面化，從而完成第一級(jí)互連層62。接著，利用硅烷氣和氨氣通過CVD方法在該第一級(jí)互連層62上生長(zhǎng)一層厚度為150nm的SiN膜63，在該膜上進(jìn)一步利用硅烷氣和氧化氮生長(zhǎng)一層厚度為150nm的SiON膜。接著，在形成象SiO2膜65或類似的膜這樣的絕緣膜之后，通過光刻方法形成要通過鑲嵌技術(shù)形成第二級(jí)互連層66的另一個(gè)槽和/或另一個(gè)通孔。在其上，成功地形成規(guī)定的槽，而不從下層互連層接收反射或使得該光刻膠破裂。在此之后，按照如上文所述的相同方法形成阻擋膜和銅的鑲嵌，并且從而形成第二級(jí)互連層66。進(jìn)一步按照相同的方法重復(fù)這些步驟，可以完成鑲嵌形式的多級(jí)互連層。另外，盡管在圖6中所示的互連層僅有三層，但是應(yīng)當(dāng)知道該互連結(jié)構(gòu)可以具有任何規(guī)定的級(jí)數(shù)。另外，如上文所述，通過至少用除了銅之外的其他合適材料形成頂層的熔絲部分，可以按上文所述完成具有優(yōu)良特性的半導(dǎo)體器件。
另外，當(dāng)使用SiC膜取代SiN膜時(shí)，可以獲得類似的效果。另外，即使表面即使沒有形成SiON膜，SiC膜本身可以獲得足夠的防反射效果。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，其銅互連層形成多級(jí)結(jié)構(gòu)；其特征在于至少一個(gè)位于銅互連層之間的層間膜具有層狀結(jié)構(gòu)，其中按照次序從下層銅互連層一側(cè)疊放一含氟的無定形碳膜與一SiO2膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述由含氟的無定形碳膜和SiO2膜所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)疊放在形成于半導(dǎo)體基片上的氧化膜上，并且通過鑲嵌技術(shù)在所述層狀結(jié)構(gòu)中形成一銅互連層，從而完成第一級(jí)互連層。
3.一種半導(dǎo)體器件，其銅互連層形成多級(jí)結(jié)構(gòu)；其特征在于至少一個(gè)位于銅互連層之間的層間膜具有層狀結(jié)構(gòu)，其中按照次序從下層銅互連層一側(cè)疊放氮化硅和氮氧化硅。
4.一種半導(dǎo)體器件，其銅互連層形成多級(jí)結(jié)構(gòu)；其特征在于至少一個(gè)位于銅互連層之間的層間膜具有層狀結(jié)構(gòu)，其中按照次序從下層銅互連層一側(cè)疊放氮化硅和碳化硅。
5.一種半導(dǎo)體器件，其銅互連層形成多級(jí)結(jié)構(gòu)；其特征在于至少一個(gè)位于銅互連層之間的層間膜包括在下層銅互連層一側(cè)上的碳化硅。
6.一種制造具有多層銅互連層的半導(dǎo)體器件的方法；其中包括如下步驟在一銅互連層上形成一絕緣層；以及在所述絕緣層內(nèi)形成一個(gè)槽以通過鑲嵌技術(shù)形成另一個(gè)銅互連層，和/或在所述絕緣層內(nèi)形成一通孔以便于與一下級(jí)銅互連層相接觸；至少在該下層銅互連層上形成由含氟的無定形碳膜和SiO2膜所構(gòu)成的層狀結(jié)構(gòu)；以及通過用光刻工藝對(duì)所述層狀結(jié)構(gòu)構(gòu)圖形成所述槽和/或所述通孔，從而以鑲嵌形式完成一上級(jí)銅互連層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中還包括如下步驟在形成于半導(dǎo)體基片上的氧化膜上形成由含氟的無定形碳膜和SiO2膜所構(gòu)成的層狀結(jié)構(gòu)；以及在所述層狀結(jié)構(gòu)中以鑲嵌形式形成銅互連層，從而完成第一級(jí)銅互連層。
8.一種制造具有多層銅互連層的半導(dǎo)體器件的方法；其中包括如下步驟在一銅互連層上形成一絕緣層；以及在所述絕緣層內(nèi)形成一個(gè)槽以通過鑲嵌技術(shù)形成另一個(gè)銅互連層，和/或在所述絕緣層內(nèi)形成一通孔以便于與一下級(jí)銅互連層相接觸；至少在該下層銅互連層上形成一層狀結(jié)構(gòu)，其中按照次序從銅互連層一側(cè)疊放氮化硅和氮氧化硅；以及在其上形成一層間絕緣膜，此后通過用光刻工藝對(duì)所述層間絕緣膜和所述層狀結(jié)構(gòu)構(gòu)圖，形成所述槽和/或所述通孔，從而以鑲嵌形式完成一上級(jí)銅互連層。
9.一種制造具有多層銅互連層的半導(dǎo)體器件的方法；其中包括如下步驟在一銅互連層上形成一絕緣層；以及在所述絕緣層內(nèi)形成一個(gè)槽以通過鑲嵌技術(shù)形成另一個(gè)銅互連層，和/或在所述絕緣層內(nèi)形成一通孔以便于與一下級(jí)銅互連層相接觸；至少在該下層銅互連層上形成一層狀結(jié)構(gòu)，其中按照次序從銅互連層一側(cè)疊放氮化硅和碳化硅；以及在其上形成一層間絕緣膜，此后通過用光刻工藝對(duì)所述層間絕緣膜和所述層狀結(jié)構(gòu)構(gòu)圖，形成所述槽和/或所述通孔，從而以鑲嵌形式完成一上級(jí)銅互連層。
10.一種制造具有多層銅互連層的半導(dǎo)體器件的方法；其中包括如下步驟在一銅互連層上形成一絕緣層；以及在所述絕緣層內(nèi)形成一個(gè)槽以通過鑲嵌技術(shù)形成另一個(gè)銅互連層，和/或在所述絕緣層內(nèi)形成一通孔以便于與一下級(jí)銅互連層相接觸；至少在該下層銅互連層上，在該下層銅互連層的一側(cè)形成碳化硅；以及在其上形成一層間絕緣膜，此后通過用光刻工藝對(duì)所述層間絕緣膜和所述碳化硅構(gòu)圖形成所述槽和/或所述通孔，從而以鑲嵌形式完成一上級(jí)銅互連層。
全文摘要
在本發(fā)明中,在此公開一種半導(dǎo)體器件,其銅互連層形成多級(jí)結(jié)構(gòu);其特征在于至少一個(gè)位于銅互連層之間的層間膜具有層狀結(jié)構(gòu),其中按照次序從下層銅互連層一側(cè)疊放一含氟的無定形碳膜與一SiO
文檔編號(hào)H01L23/52GK1256512SQ9912552
公開日2000年6月14日 申請(qǐng)日期1999年12月2日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月4日
發(fā)明者松原義久 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社