專利名稱：半導(dǎo)體器件的制備方法及用該方法形成的多層布線結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制備半導(dǎo)體器件的方法和用該方法形成的多層布線結(jié)構(gòu)。更具體地，本發(fā)明涉及進(jìn)行腐蝕的同時(shí)監(jiān)測腐蝕終點(diǎn)的制備半導(dǎo)體器件的方法和用該方法形成的半導(dǎo)體器件的多層布線結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在形成布線結(jié)構(gòu)的常規(guī)方法中，通常形成穿過第一層間絕緣膜的通孔。通孔用鎢膜填充。隨后在第一層間絕緣膜上連續(xù)形成用如氮化鈦(TiN)/鈦(Ti)等材料構(gòu)成的阻擋金屬膜、由如鋁等金屬材料構(gòu)成的金屬布線膜、由如氮化鈦(TiN)等材料構(gòu)成的抗反射膜。然后用曝光和顯影形成光刻膠圖形。
用光刻膠圖形作掩模，以氯系列氣體作等離子氣體，用干法腐蝕形成布線層圖形。然后用CVD方法在襯底上淀積第二層間絕緣膜。用化學(xué)機(jī)械拋光方法(CMP法)平面化第二層間絕緣膜。
根據(jù)上述常規(guī)方法，存在以下問題，必須干法腐蝕由不純材料形成的金屬布線膜，層間絕緣膜形成在窄間距的金屬布線膜圖形上。結(jié)果，在常規(guī)方法中，由于布線圖形的精細(xì)結(jié)構(gòu)使技術(shù)難度增加。
還有，在有這樣精細(xì)布線圖形的多層布線結(jié)構(gòu)中，下層布線膜、鎢制塞、和上層布線膜的垂直連接部分經(jīng)常出現(xiàn)斷線。當(dāng)用鋁作布線膜材料時(shí)，布線金屬有相對低的電遷移承受能力，即金屬原子容易在電子流中移動。因此由于在鋁布線金屬層和有高電遷移承受力的鎢構(gòu)成的金屬塞之間的連接邊界產(chǎn)生空隙，所以經(jīng)常出現(xiàn)斷線。
另外，在這樣的布線層圖形的精細(xì)工藝中，由于下層布線膜、鎢塞、和上層布線膜在連接部分的錯位增加了斷線的幾率。
還有，由于窄間距增加了布線層圖形間的電容，由此增加了布線層中的信號傳輸?shù)难舆t。因此布線性能成了決定LSI性能的一個(gè)重要因素。由此迫切需要降低層間絕緣膜的介電常數(shù)。
為了克服LSI中形成布線層的這些問題，提出了這樣一種方法，在不用干法腐蝕金屬布線膜的情況下用布線金屬完全填充布線層槽、和從布線層槽的底部到下層布線膜的通孔。
圖1A到1H為第一常規(guī)實(shí)例的半導(dǎo)體器件的剖面圖，展示了由C.W.Kaanta在“雙重鑲嵌一種ULSI布線技術(shù)”(1991年VMIC會議，6月11-12，144-151頁)中公開的布線方法，其中在層間絕緣膜中形成掩埋布線圖形。
如圖1A所示，在該公開方法中，作為層間絕緣膜62的氧化硅膜62首先直接形成在下層布線膜61上。在層間絕緣膜62上形成第一光刻膠膜63，然后曝光顯影以形成垂直接觸孔圖形64。
接著如圖1B所示，在第一光刻膠膜63上形成第二光刻膠膜，曝光顯影以形成有開口圖形66的第二光刻膠圖形65，用于布線層槽和垂直接觸孔。
然后如圖1C所示，用氟氣體作為腐蝕氣體，以第一和第二光刻膠圖形63和65作為掩模，用干法腐蝕形成穿過層間絕緣膜62的垂直接觸孔67作為通孔。此時(shí)，控制腐蝕時(shí)間，以便在垂直接觸孔67的底部到達(dá)層間絕緣膜62的中部時(shí)停止腐蝕。
再后如圖1D所示，腐蝕氣體改為氧氣后，形成在第二光刻膠膜65中的布線層槽圖形66傳遞到第一光刻膠膜63。在腐蝕結(jié)束時(shí)去除第二光刻膠膜65。
然后如圖1E所示，腐蝕氣體2改為氟氣體，用第一光刻膠膜63作為掩模，形成穿過層間絕緣膜62的垂直接觸孔67。由此，布線層槽66傳遞到層間絕緣膜62上。此時(shí)，控制腐蝕時(shí)間，使先前已經(jīng)形成在層間絕緣膜62中的垂直接觸孔67(通孔)的底部到達(dá)下層布線膜61。
然后如圖1F所示，用O2等離子氣體去除層間絕緣膜62上的第一光刻膠膜63。
然后如圖1G所示，用CVD方法形成由如鋁等金屬材料構(gòu)成的金屬膜69。此時(shí)，用金屬材料填充穿過層間絕緣膜62的垂直接觸孔67和布線層槽68。
最后如圖1H所示，用化學(xué)機(jī)械拋光方法選擇地去除層間絕緣膜62上的金屬膜，從而完成多層布線結(jié)構(gòu)，其中布線層槽和垂直接觸孔中填有金屬材料。
在該方法中，優(yōu)點(diǎn)是不需要精細(xì)形成金屬布線膜的步驟、和在精細(xì)形成的金屬布線膜上形成層間絕緣膜的步驟。另外，該方法的優(yōu)點(diǎn)還在于，由于在布線層槽和垂直接觸孔中填充相同的材料，所以布線層槽和垂直接觸孔之間沒有連接界面。
這種情況下，可通過改變深腐蝕時(shí)間控制布線層槽和垂直接觸孔的深度。由于層間絕緣膜由無機(jī)材料構(gòu)成，而腐蝕掩模(光刻膠)由有機(jī)材料構(gòu)成，所以必須交替使用至少兩種腐蝕氣體如氟系列氣體和氧氣。
日本特許公開(JP-A-平2-235359)提出了為了降低布線圖形之間的電容使用有機(jī)膜形成多層布線結(jié)構(gòu)的第二常規(guī)方法。在該方法中，如上所述，用等離子體CVD形成的氧化硅膜用作層間絕緣膜。氧化硅膜的相對介電常數(shù)(ε)約為3.9到4.5。通過在氧化硅膜中加氟(F)可將相對介電常數(shù)ε降低到3.1。但是由于很難將相對介電常數(shù)降低到3.0以下，所以使用有機(jī)材料如聚酰亞胺等作為層間絕緣膜。
圖2A到2F為形成多層布線結(jié)構(gòu)的第二常規(guī)方法中的多層布線結(jié)構(gòu)的剖面圖，所述結(jié)構(gòu)中使用聚酰亞胺膜和氧化硅膜。
首先如圖2A所示，作為無機(jī)層間絕緣膜73的氧化硅膜形成在第一Al布線層72上。然后用旋涂法在層間絕緣膜73上形成聚酰亞胺膜74。
接著如圖2B所示，在聚酰亞胺膜74上形成第一光刻膠膜75，并在第一光刻膠膜75上形成垂直接觸孔76。
然后如圖2C所示，用O2氣作為反應(yīng)氣體，用干法腐蝕在聚酰亞胺膜74中形成垂直接觸孔77。此時(shí)，控制O2等離子體的腐蝕時(shí)間，使聚酰亞胺膜74上的第一光刻膠膜75同時(shí)灰化并去除。這種情況下，當(dāng)顯現(xiàn)聚酰亞胺膜74下面的無機(jī)層間絕緣膜73時(shí)，由于使用O2等離子體，所以腐蝕停止。
然后，如圖2D所示，腐蝕氣體改為CF4氣體，形成穿過無機(jī)層間絕緣膜73的垂直接觸孔77(通孔)。
然后如圖2E所示，淀積Al膜以填充垂直接觸孔77。然后在Al膜上淀積第二光刻膠膜79，用Cl2作為腐蝕氣體，通過干法腐蝕構(gòu)圖以形成第二光刻膠膜78的圖形。以第二光刻膠膜78作為掩模，在腐蝕過程中形成Al布線圖形。
最后，用O2等離子氣體的腐蝕方法去除第二光刻膠膜78。
在上述兩個(gè)常規(guī)實(shí)例中，沒有詳細(xì)說明于法腐蝕的細(xì)節(jié)。由于腐蝕深度由腐蝕時(shí)間來控制，從工藝穩(wěn)定性來看，還有很多問題。
通常，根據(jù)干法腐蝕產(chǎn)生的氣體所發(fā)射出的光譜的強(qiáng)度變化來判斷腐蝕終點(diǎn)。日本特許公開(JP-A-平3-12927)公開了種已知的最典型方法，此處作為第三常規(guī)方法。
在該常規(guī)方法中，當(dāng)如氯系列氣體等腐蝕氣體與要腐蝕的TiN反應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生反應(yīng)氣體。在410nm到420nm范圍內(nèi)監(jiān)測反應(yīng)產(chǎn)生氣體所發(fā)射出的光的光譜強(qiáng)度，當(dāng)腐蝕結(jié)束時(shí)發(fā)光量減少，探測出光譜強(qiáng)度的變化。
在日本特許公開(JP-A-平3-12927)公開的常規(guī)實(shí)例中，直接探測腐蝕氣體與要腐蝕膜的氣體之間的反應(yīng)所產(chǎn)生的反應(yīng)氣體的發(fā)光。另一方面，已知另外一種方法，將對腐蝕沒有直接貢獻(xiàn)的另外一種氣體加到腐蝕氣體中。通過添加氣體與反應(yīng)生成氣體之間相互作用，監(jiān)測添加氣體所發(fā)光的光譜強(qiáng)度，以此探測腐蝕終點(diǎn)。日本特許公開(JP-A-平4-287919)公開了這樣的方法，此處作為第四常規(guī)實(shí)例。
在文獻(xiàn)(JP-A-平4-287919)中，構(gòu)圖如光刻膠膜等有機(jī)膜。在這樣的已知方法中，用含氮?dú)獾腛2等離子體作為腐蝕氣體。O2氣體與有機(jī)膜反應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)生氣體為一氧化碳。不探測一氧化碳所發(fā)光的光譜強(qiáng)度，但在有一氧化碳存在時(shí)氮?dú)馑l(fā)光的強(qiáng)度降低，根據(jù)此現(xiàn)象探測腐蝕終點(diǎn)。這樣，已知有將另外氣體加進(jìn)腐蝕氣體來探測腐蝕終點(diǎn)的方法。
日本特許公開(JP-A-平6-232090)公開了第五常規(guī)實(shí)例，其中，作為穿過氧化物膜形成接觸孔的腐蝕面積很小。此時(shí)，腐蝕氣體與腐蝕部分之間的反應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)生氣體的量較少，所以很難探測到反應(yīng)產(chǎn)生氣體所發(fā)光的光譜強(qiáng)度的降低。
圖3A和3B是另一常規(guī)實(shí)例，其中，用包括兩種光刻膠膜的多層光刻膠膜來形成穿過氧化硅膜的接觸孔。
首先，如圖3A所示，在硅襯底81上形成氧化硅膜82，在氧化硅膜82上形成多層光刻膠膜。多層光刻膠膜包括最下層光刻膠膜(第一光刻膠膜)83、SOG膜(第二光刻膠膜)84、最上層光刻膠膜(第三光刻膠膜)85。預(yù)先測量氧化硅膜的腐蝕速率與最上層光刻膠膜85的腐蝕速率的比值。然后，在形成多層光刻膠膜時(shí)調(diào)整最上層光刻膠膜85的膜厚度，以便腐蝕并去除最上層光刻膠膜85，當(dāng)氧化硅膜的腐蝕停止時(shí)顯現(xiàn)SOG膜84。形成穿過該多層光刻膠膜的開口86。
然后如圖3B所示，用如CF4的等離子體開始干法腐蝕。此時(shí)，同時(shí)腐蝕多層光刻膠膜中的最上層光刻膠膜85，并腐蝕從多層光刻膠膜的開口86暴露出來的那部分氧化硅膜82。這種情況下，有機(jī)材料構(gòu)成的最上層光刻膠膜85的反應(yīng)所產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)生氣體包括的O2很少，因此氧氣所發(fā)光(437nm)的光譜強(qiáng)度很弱。在完全腐蝕最上層膜85的同時(shí)，完全腐蝕開口86下的氧化硅膜82。
隨后開始腐蝕作為第二光刻膠膜的SOG膜84。當(dāng)開始腐蝕主要由氧和硅構(gòu)成的SOG膜84時(shí)，等離子氣體中氧所發(fā)光的光譜強(qiáng)度變強(qiáng)。光強(qiáng)度增加的時(shí)刻即為腐蝕終點(diǎn)。
即在該常規(guī)實(shí)例中，有不同發(fā)光光譜強(qiáng)度的兩種光刻膠膜形成在作為要腐蝕的材料的氧化硅膜82上。當(dāng)腐蝕光刻膠膜時(shí)，利用光譜強(qiáng)度的差別來探測腐蝕終點(diǎn)，以形成圖形87。
為了平面化絕緣膜的表面，用膜來探測腐蝕終點(diǎn)的該方法可用于深腐蝕法。
日本特許公開(JP-A-平2-310921)公開了第六常規(guī)實(shí)例，其中，如圖4A到4C所示，當(dāng)用來平面化的犧牲膜以深腐蝕膜表面時(shí)，探測深腐蝕終點(diǎn)。
首先如圖4A所示，用作探測腐蝕終點(diǎn)的氮化硅膜92形成在場氧化膜91上。在該例中，場氧化膜91為要腐蝕的物質(zhì)。場氧化膜91的表面不平。
然后如圖4B所示，在腐蝕終點(diǎn)探測膜92上形成SOG層93(氧化硅膜)，以形成平坦的表面。將該襯底放入RIE系統(tǒng)，用CHF3作為腐蝕氣體進(jìn)行深腐蝕。
在腐蝕的初始階段，如圖4C所示，由于CHF3腐蝕氣體與作為犧牲膜的SOG膜93反應(yīng)，產(chǎn)生CO和CO2作為腐蝕反應(yīng)產(chǎn)物。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，顯現(xiàn)出作為腐蝕終點(diǎn)探測膜的氮化硅膜。此時(shí)，CHF3與SOG膜93反應(yīng)所產(chǎn)生的CO的量減少。
通過設(shè)于RIE設(shè)備上的光譜儀，監(jiān)測對應(yīng)于CO所發(fā)光的波長的光譜強(qiáng)度的變化，從而探測腐蝕終點(diǎn)探測膜92的暴露，并探測深腐蝕終點(diǎn)。
在該方法中，在要平面化的場氧化膜上形成腐蝕終點(diǎn)探測膜。
另外，日本特許公開(JP-A-平3-122295)公開了第七常規(guī)實(shí)例，其中，在干法腐蝕裝置中，探測所發(fā)光的光譜強(qiáng)度從平穩(wěn)狀態(tài)到衰減狀態(tài)的變化來確定腐蝕終點(diǎn)，將比平穩(wěn)狀態(tài)強(qiáng)度低預(yù)定程度的強(qiáng)度作為偏移強(qiáng)度。但是在該常規(guī)實(shí)例中，沒有說明如何進(jìn)行干法腐蝕。
上述常規(guī)實(shí)例有下面問題。
在第一常規(guī)實(shí)例中，在布線層槽和垂直接觸孔中同時(shí)形成金屬膜。其優(yōu)點(diǎn)在于不需要形成精細(xì)金屬布線層的圖形所需的干法腐蝕步驟、和在精細(xì)布線層圖形上形成層間絕緣膜的步驟。
還有，在第一常規(guī)實(shí)例中，用干法腐蝕將第一光刻膠膜的垂直接觸孔圖形、和第二光刻膠膜的布線層槽圖形傳遞到層間絕緣膜上。為此，由于用氧化硅膜作為層間絕緣膜，所以腐蝕氣體的變換次數(shù)更多。而且由于根據(jù)腐蝕時(shí)間控制腐蝕量，所以沒有探測腐蝕終點(diǎn)的功能。
更具體地，在第一常規(guī)實(shí)例中，首先用氯系列氣體將第一光刻膠膜的垂直接觸孔圖形傳遞到層間絕緣膜上。接著用O2等離子氣體將第二光刻膠膜的布線層槽的圖形傳遞到第一光刻膠膜上。而且，用Cl系列氣體代替O2等離子氣體將布線層槽的圖形傳遞到層間絕緣膜上。此時(shí)，用已經(jīng)傳遞到第一光刻膠膜上的布線層槽的圖形作為掩模。最后再用O2等離子氣體去除第一光刻膠膜。這樣需要按下面順序變換腐蝕氣體Cl系列氣體→O2系列氣體→Cl系列氣體→O2系列氣體。
還有，在常規(guī)方法中，存在以下問題，在其上已經(jīng)形成垂直接觸孔圖形的第一光刻膠膜上形成第二光刻膠膜之前，除非在高溫下將第一光刻膠膜烘烤很長時(shí)間，否則由于部分溶解垂直接觸孔圖形變形。
而且，在常規(guī)方法中，需要在第一光刻膠膜的垂直接觸孔圖形上的第二光刻膠膜中形成布線層槽圖形。由此，布線層槽圖形的寬度比垂直接觸孔的直徑大。因此，存在以下問題，即必須在設(shè)計(jì)階段這樣設(shè)計(jì)圖形，使布線層槽的寬度至少大于垂直接觸孔的直徑。另外，至少在設(shè)計(jì)階段必須將間距設(shè)計(jì)得寬一些。
通常，下層布線膜與其上的上層布線膜垂直成晶格狀或柵格狀。換句話說，如果下層布線膜圖形在垂直方向有預(yù)定間隔，則上層布線膜圖形在水平方向有預(yù)定間隔。在下層布線膜與上層布線膜之間插入層間絕緣膜，使之與下層布線圖形三維分離。上層布線膜圖形與下層布線膜圖形交叉。
在通常情況下，在層間絕緣膜上形成由鋁等金屬構(gòu)成的金屬布線膜，在曝光和顯影步驟中將所需的光刻膠膜形成在金屬布線膜上。由于光刻膠膜用曝光形成在金屬布線膜上，所以允許忽略下層布線膜的反射。在常規(guī)布線步驟中，通常在金屬布線膜上形成由如氮化鈦等防反射材料構(gòu)成的防反射膜之后，曝光金屬布線膜。
另一方面，在第一常規(guī)實(shí)例中，在層間絕緣膜上形成光刻膠圖形的曝光步驟中，由于在形成布線層槽和垂直接觸孔(通孔)之后形成金屬布線膜，所以需要考慮下層布線膜的反射。但是，在第一常規(guī)實(shí)例中，在曝光過程中可以不考慮下層布線膜的反射。
還有，當(dāng)對頂層布線膜使用這種掩埋布線膜時(shí)，需提供與半導(dǎo)體芯片的外部單元進(jìn)行連接的焊盤區(qū)域。在半導(dǎo)體芯片的封裝中，用鋁或金絲鍵合到焊盤、或在焊盤上提供焊料凸點(diǎn)。如果選銅作為掩埋到布線層槽中的金屬，則連接焊盤由銅構(gòu)成。此時(shí)，由于在銅焊盤的表面形成銅的氧化物膜，這樣的方法不可靠。
為了防止這些問題，需要在焊盤的表面形成不是銅的如鋁等金屬構(gòu)成的金屬膜。
在第二常規(guī)實(shí)例中，用包括低介電常數(shù)的聚酰亞胺構(gòu)成的有機(jī)膜、和氧化硅膜的層疊絕緣膜作為層間絕緣膜。此時(shí)，只將形成于第一光刻膠膜中的垂直接觸孔圖形傳遞到層疊絕緣膜上。同時(shí)腐蝕光刻膠膜與聚酰亞胺膜，并同時(shí)控制腐蝕時(shí)間。但沒有關(guān)于腐蝕終點(diǎn)探測的說明。因此，當(dāng)?shù)谝还饪棠z完全腐蝕后，聚酰亞胺膜可能會過腐蝕。而且，腐蝕速率可能會改變。這種情況下，通過控制腐蝕時(shí)間形成的圖形存在可靠性的問題。
在第一和第二常規(guī)實(shí)例中，根據(jù)腐蝕時(shí)間控制腐蝕深度。在第三常規(guī)實(shí)例中，當(dāng)用Cl系列氣體作為腐蝕氣體，并用光刻膠圖形作為掩模，完全腐蝕TiN膜時(shí)，監(jiān)測TiN腐蝕膜與腐蝕氣體的反應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)生氣體所發(fā)射光的光譜強(qiáng)度。結(jié)果，當(dāng)完成腐蝕膜的腐蝕時(shí)，所發(fā)光的光譜強(qiáng)度降低。監(jiān)測光譜強(qiáng)度的變化以探測腐蝕終點(diǎn)。
用低介電常數(shù)的有機(jī)絕緣膜作為層間絕緣膜，在其中形成布線層槽，這種情況下，監(jiān)測氧氣等離子體與有機(jī)絕緣膜反應(yīng)所產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)生物質(zhì)(如CO)所所發(fā)光的光譜強(qiáng)度。但是，由于在布線層槽的底部有有機(jī)層間絕緣膜，探測不到所發(fā)光的光譜強(qiáng)度的變化。因此，在用光刻膠膜作為掩模，于有機(jī)絕緣膜中形成布線層槽的情況下，不希望使用監(jiān)測腐蝕膜與腐蝕氣體反應(yīng)所產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)生物質(zhì)所發(fā)光的光譜強(qiáng)度的降低的方法。即，在布線層槽形成于有低介電常數(shù)的有機(jī)膜中的情況下，不使用腐蝕膜的腐蝕完成探測光譜強(qiáng)度降低變化的方法。
如上所述，即使在第四常規(guī)實(shí)例中，利用添加氣體與反應(yīng)產(chǎn)生氣體的相互反應(yīng)，布線層槽的底部仍殘留有機(jī)層間絕緣膜。因此觀察不到所發(fā)光的光譜強(qiáng)度的任何變化。
在第五常規(guī)實(shí)例中，在腐蝕膜上形成有不同發(fā)光光譜強(qiáng)度特性的多層光刻膠膜，可以容易地探測腐蝕終點(diǎn)。在該方法中，監(jiān)測通過腐蝕氣體與多層光刻膠膜的反應(yīng)、從多層光刻膠膜所發(fā)光的光譜強(qiáng)度的變化。因此，即使在由于有機(jī)層間絕緣膜殘留在布線層槽的底部，而使所所發(fā)光的光譜強(qiáng)度沒有變化的情況下，也可以探測腐蝕終點(diǎn)。但是在該常規(guī)實(shí)例中，仍有以下問題，即，由于必須在有機(jī)層間絕緣膜上形成多層光刻膠膜，使得成本增加。
和第五常規(guī)實(shí)例一樣，在第六常規(guī)實(shí)例中，問題在于增加了步驟數(shù)，這是因?yàn)橐趫鲅趸ど闲纬商綔y腐蝕終點(diǎn)的膜。

發(fā)明內(nèi)容
因此為了解決上述問題，完成了本發(fā)明。因此，本發(fā)明的目的是提供腐蝕的同時(shí)監(jiān)測腐蝕終點(diǎn)的制備半導(dǎo)體器件的方法、和用該方法形成的多層布線結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種制備半導(dǎo)體器件的方法、和用該方法形成的多層布線結(jié)構(gòu)，該方法中，低介電常數(shù)的有機(jī)絕緣膜可以作為層間絕緣膜，布線層槽和垂直接觸孔(通孔)可以形成在有機(jī)絕緣膜上。
本發(fā)明的還一目的是提供一種制備半導(dǎo)體器件的方法、和用該方法形成的多層布線結(jié)構(gòu)，該方法中可以在不形成層疊光刻膠膜的情況下探測腐蝕終點(diǎn)。
本發(fā)明的還一目的是提供一種制備半導(dǎo)體器件的方法、和用該方法形成的多層布線結(jié)構(gòu)，該方法中，當(dāng)于LSI的最外層膜中形成的布線層槽里面掩埋銅膜時(shí)，在芯片焊盤表面選擇地形成抗氧化金屬膜。
本發(fā)明的還一目的是提供一種制備半導(dǎo)體器件的方法，其中，在曝光時(shí)，利用通孔塞的局部反射，以自對準(zhǔn)的方式，形成的布線層槽的寬度較寬，由此提供通孔和布線層槽之間的連接裕度，增加垂直接觸布線連接的可靠性。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供了一種制備半導(dǎo)體器件的方法，包括下面步驟在第二絕緣膜上形成第一絕緣膜；在所說第一絕緣膜上形成第一光刻膠膜，使在所說第一光刻膠膜中有第一開口部分，通過所說第一開口部分暴露部分所說第一絕緣膜；使用能腐蝕所說第一光刻膠膜和所說第一絕緣膜的腐蝕氣體，同時(shí)干法腐蝕所說第一光刻膠膜和所說第一絕緣膜。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明還提供了一種形成鍵合焊盤的方法，包括下列步驟在上層絕緣膜中形成鍵合焊盤槽；在所述上層絕緣膜上形成第一金屬層；在所述第一金屬層上形成防氧化的第二金屬層；從所述上層絕緣膜上的表面上去除所述第一和第二金屬層，使得鍵合焊盤留在所述鍵合焊盤槽中，其中在鍵合焊盤中，所述第二金屬層形成在所述第一金屬層上。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明還提供了一種具有多層布線結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，其中，一塊鍵合焊盤嵌入在所述的多層布線結(jié)構(gòu)中，并且所述鍵合焊盤包括第一金屬層；在所述第一金屬層上面形成的防氧化的第二金屬層。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明還提供了一種形成布線線路的方法，包括下列步驟在低布線線路的防反射膜上形成第一絕緣膜；通過把金屬嵌入到形成于所述第一絕緣膜上的孔中形成金屬塞；形成第二絕緣膜；形成光刻層；利用所述金屬塞表面的反射來局部擴(kuò)展布線線槽的抗蝕圖形的寬度，使其寬于暴露部分；使用所述布線線槽抗蝕圖形作為掩模，在所述第二絕緣膜中形成所述布線線槽；在所述第二絕緣膜上沉積一金屬層來填充所述布線線槽；以及從所述第二絕緣膜上去除所述金屬層，使得所述金屬層留在所述布線線槽中。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明還提供了一種具有布線結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，包括形成在下層布線線路的防反射膜上的第一絕緣膜；在所述第一絕緣膜上的第二絕緣膜；在所述第一絕緣膜中形成的金屬塞；以及在所述第二絕緣膜的布線線槽中形成的金屬層；其中，所述金屬層具有與在所述金屬層從所述第一金屬塞之上通過的一區(qū)域中的第一個(gè)所述金屬塞的直徑相同的寬度，此寬度比所述第一金屬塞的所述直徑寬20％或更少、并且所述金屬層具有寬度或者長度，且該寬度比在所述第二金屬塞之上的、對應(yīng)于所述金屬層的末端的一區(qū)域中的第二個(gè)所述金屬塞的所述直徑長或者寬20％或更少。


圖1A到1H是第一常規(guī)實(shí)例的制備工藝中的布線結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖2A到2F是第二常規(guī)實(shí)例的制備工藝中的布線結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖3A和3B是第三常規(guī)實(shí)例的制備工藝中的布線結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖4A到4C是第四常規(guī)實(shí)例的制備工藝中的多層布線結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖5A到5D是本發(fā)明第一實(shí)施例的制備方法中腐蝕時(shí)的半導(dǎo)體器件的剖面圖；圖6A和6B是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的變形的制備方法中腐蝕時(shí)的半導(dǎo)體器件的剖面圖；圖7A到7M是本發(fā)明第一實(shí)施例制備方法的具體實(shí)例中的多層布線結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖8A到8C是本發(fā)明第二實(shí)施例制備方法的具體實(shí)例中的多層布線結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖9A到9F是本發(fā)明第三實(shí)施例制備方法的具體實(shí)例中的多層布線結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖10是本發(fā)明第四實(shí)施例制備方法中的半導(dǎo)體器件的平面圖；圖11A和11B是本發(fā)明第四實(shí)施例制備方法的具體實(shí)例中的多層布線結(jié)構(gòu)分別沿A-A線和B-B線的剖面圖；圖12A和12B是本發(fā)明第四實(shí)施例制備方法的具體實(shí)例中的多層布線結(jié)構(gòu)分別沿A-A線和B-B線的剖面圖；圖13A和13B是本發(fā)明第四實(shí)施例制備方法的具體實(shí)例中的多層布線結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖14是腐蝕速率與O2在腐蝕氣體中的組分比之間的關(guān)系的曲線圖；圖15是用于本發(fā)明的腐蝕室的示意圖；圖16是Si所發(fā)光(442nm)的光譜強(qiáng)度與腐蝕時(shí)間的關(guān)系的測量結(jié)果的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的半導(dǎo)體器件。
首先說明根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的有多層布線結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件。
在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，同時(shí)深腐蝕光刻膠膜與腐蝕膜，將光刻膠圖形傳遞到要腐蝕的膜上。此時(shí)，監(jiān)測腐蝕膜與腐蝕氣體中至少一種組分的反應(yīng)所產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)生氣體所發(fā)光的光譜強(qiáng)度。全部去除腐蝕膜上的光刻膠膜，以使所發(fā)光的光譜強(qiáng)度突然增加的時(shí)刻來判斷深腐蝕的終點(diǎn)。調(diào)整或控制光刻膠膜與腐蝕膜的腐蝕速率的比、以及光刻膠膜的厚度，使得可能在腐蝕膜中形成有所需深度的開口圖形。即，光刻膠膜與腐蝕膜的膜厚度之比與光刻膠膜與腐蝕膜的腐蝕速率之比成反比。由此，當(dāng)結(jié)束光刻膠膜的腐蝕時(shí)，可以形成穿過腐蝕膜的孔。
為了將上述方法用于制備有有機(jī)絕緣膜的半導(dǎo)體器件的方法中，預(yù)先將無機(jī)物質(zhì)加入要腐蝕的有機(jī)絕緣膜中。通過曝光在有機(jī)絕緣膜上形成光刻膠圖形。同時(shí)腐蝕光刻膠圖形和有機(jī)絕緣膜，以去除光刻膠膜。結(jié)果，顯現(xiàn)出有機(jī)絕緣膜的整個(gè)表面，使之有與光刻膠圖形相同的圖形。
因此，監(jiān)測腐蝕氣體與加入有機(jī)絕緣膜中的無機(jī)物質(zhì)的反應(yīng)所產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)生氣體物質(zhì)所發(fā)光的光譜強(qiáng)度，根據(jù)光譜強(qiáng)度的變化確定腐蝕終點(diǎn)。
以該方式，根據(jù)第一實(shí)施例的制備方法，不需要在有機(jī)絕緣膜上形成探測腐蝕終點(diǎn)的膜。因此可以縮短處理時(shí)間。
另外，如果調(diào)整光刻膠膜的厚度，可以以較好的重復(fù)性來形成有所需深度的布線層槽，形成的布線層槽的底部在有機(jī)絕緣膜中。
還有，同時(shí)腐蝕有機(jī)絕緣膜與光刻膠膜，以在有機(jī)絕緣膜上形成與光刻膠膜相同的圖形。因此，希望用一種能同時(shí)腐蝕有機(jī)絕緣膜與光刻膠膜的氣體。所以不需要變換腐蝕氣體，大大減少了半導(dǎo)體器件制備方法的步驟。
而且，在形成通孔后，該通孔底部在層間絕緣膜的中部，用腐蝕形成穿過通孔的布線層槽。然后，在布線層槽形成于層間絕緣膜中的同時(shí)，挖深通孔使其底部到達(dá)下層布線膜。為此，不需在層間絕緣膜上形成任何包括要形成通孔圖形的第一光刻膠膜、與要形成布線層槽圖形的第二光刻膠膜的層疊光刻膠膜。
下面參照圖5A到5D詳細(xì)說明本發(fā)明的第一實(shí)施例的多層布線結(jié)構(gòu)。這里將說明一個(gè)實(shí)例，其中，光刻膠膜2的腐蝕速率與要腐蝕的膜1的腐蝕速率相同。
首先如圖5A所示，將光刻膠膜2加到腐蝕膜2上。在這種情況下，調(diào)整所加光刻膠膜2的膜厚度4，使光刻膠膜2的厚度4等于要在腐蝕膜1中形成的開口的所需深度。隨后，在曝光和顯影步驟中，于光刻膠膜2上形成開口圖形3。
接著如圖5B所示，在等離子體室中進(jìn)行干法腐蝕，采用能同時(shí)腐蝕腐蝕膜1和光刻膠膜2的腐蝕氣體。
圖15是本發(fā)明的等離子體腐蝕室5的框圖。半導(dǎo)體器件106置于臺面104上。通過電源102用電極105和臺面104產(chǎn)生等離子體。將腐蝕氣體108引入等離子體腐蝕室5中、并從排出口109排出。監(jiān)視器107監(jiān)測反應(yīng)產(chǎn)生物質(zhì)所發(fā)光的光譜強(qiáng)度。控制器101接收監(jiān)視器107的監(jiān)測結(jié)果、并控制電源102，當(dāng)探測到所發(fā)光的光譜強(qiáng)度變化時(shí)停止腐蝕。
在等離子氣體中含有大量的光刻膠膜2與腐蝕氣體反應(yīng)產(chǎn)生的第一反應(yīng)產(chǎn)生氣體物質(zhì)，因?yàn)楦g膜1幾乎被光刻膠膜2覆蓋。
接著如圖5C所示，當(dāng)腐蝕繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，等離子氣體中含有大量的腐蝕膜1與腐蝕氣體反應(yīng)產(chǎn)生的第二反應(yīng)產(chǎn)生氣體物質(zhì)。此時(shí)，完全去除光刻膠膜2，使要腐蝕膜1的表面全部顯現(xiàn)。監(jiān)測第二反應(yīng)產(chǎn)生氣體物質(zhì)7所發(fā)光的光譜強(qiáng)度。
最后，如圖5D所示，通過所發(fā)光的光譜強(qiáng)度的突然變化來判斷腐蝕終點(diǎn)。由此在腐蝕膜1中形成有所需深度的如槽或孔等開口8。而且，在腐蝕結(jié)束時(shí)，同時(shí)也完全去除了光刻膠膜2。因此在腐蝕完成后，就不再需要去除任何光刻膠膜。
下面參照圖6A和6B說明根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的改型的制備半導(dǎo)體器件的方法。
在本發(fā)明的第一實(shí)施例的改型中，兩次重復(fù)圖5A到5D的步驟，形成第一開口部分和第二開口部分。在該實(shí)例中，在下層膜9上的要腐蝕膜10中形成第一開口部分和第二開口部分。
首先如圖6A所示，將光刻膠膜2加到其上形成有第一開口部分11的膜10上。用曝光和顯影在光刻膠膜2中形成第二開口部分12a和12b的圖形。當(dāng)所用腐蝕氣體使光刻膠膜與膜10有相同腐蝕速率時(shí)，使光刻膠膜2的厚度等于第一開口部分11的底部到下層膜9的距離。
接著，用能同時(shí)腐蝕光刻膠膜2與膜10的腐蝕氣體進(jìn)行干法腐蝕方法。此時(shí)，將形成于光刻膠膜2中的第二開口部分12a形成在膜10的表面，從膜10的表面形成第二開口部分13a。另一方面，在形成于膜10的第一開口部分11上，形成光刻膠膜2的第二開口部分12b。此時(shí)，從膜10的表面形成第二開口部分13b，同時(shí)腐蝕第一開口部分11的底部。如圖6B所示，繼續(xù)進(jìn)行腐蝕，當(dāng)?shù)谝婚_口部分11的底部到達(dá)下層膜9的表面時(shí)，使光刻膠膜2完全從膜10去除。為了探測腐蝕終點(diǎn)，即所發(fā)光的光譜強(qiáng)度突然增加的時(shí)刻，監(jiān)測腐蝕氣體與膜10反應(yīng)所產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)生氣體物質(zhì)所發(fā)光的光譜強(qiáng)度。在腐蝕終點(diǎn)時(shí)刻，完成干法腐蝕。
考慮干法腐蝕方向的不變性，在反應(yīng)產(chǎn)生氣體物質(zhì)所發(fā)光的光譜強(qiáng)度突然增加之后，通常繼續(xù)腐蝕預(yù)定時(shí)間(過腐蝕)。這樣，在上述步驟中，從膜10的表面形成了第二開口部分13a、和從第一開口部分11到達(dá)下層膜9的第二開口部分13b。
下面參照圖7A到7M說明本發(fā)明第一實(shí)施例的多層布線結(jié)構(gòu)的具體實(shí)例。在第一實(shí)施例中，在含如硅等作為要腐蝕材料的無機(jī)物質(zhì)的有機(jī)絕緣膜上，形成布線層槽和通孔。用金屬膜同時(shí)填充布線層槽和通孔，形成布線連接。
首先，如圖7A所示，在硅半導(dǎo)體襯底14上形成MOSFET，用槽式元件隔離區(qū)15分開MOSFET。將硅化鈦膜16形成在MOSFET的擴(kuò)散層18和由側(cè)壁絕緣膜圍繞的多晶硅柵極17上。在MOSFET上形成約50nm厚的熱CVD氧化硅膜(未示出)，另外，用等離子體CVD方法形成硼磷玻璃膜(BPSG膜)19作為吸雜膜。將BPSG層19在800℃用燈加熱退火約10秒鐘之后，用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)方法平化BPSG膜。還有，用等離子體CVD方法在BPSG層19上形成約50nm厚的氧化硅膜(未示出)。
接著如圖7B所示，在BPSG層19中形成接觸孔20。此時(shí)，用附加CO的氟系列腐蝕氣體作為腐蝕氣體，進(jìn)行干法腐蝕方法，通過置于BPSG層19底部的氮化硅膜來停止干法腐蝕。去除淀積在氮化硅上作為腐蝕停止膜的有機(jī)膜，并去除硅化鈦膜16上的熱CVD氧化硅膜，該硅化鈦膜16置于擴(kuò)散區(qū)18和多晶硅柵極17上。
接著如圖7C所示，用準(zhǔn)直濺射方法(collimate sputtering method)形成由Ti/TiN層疊膜構(gòu)成的阻擋金屬膜(未示出)后，用CVD方法形成鎢膜。隨后選擇去除BPSG膜19上的鎢膜，以形成鎢塞。
接著如圖7D所示，用旋涂法形成DVS-BCB膜22作為含硅有機(jī)絕緣膜，DVS-BCB膜可以從Dow Chemical公司購得，其產(chǎn)品名為“cyclotene”。DVS-BCB膜22由苯環(huán)、4元碳環(huán)和硅構(gòu)成，是有低介電常數(shù)的有機(jī)絕緣膜。在DVS-BCB膜22上形成光刻膠膜23。
圖14表示當(dāng)用圖15所示的ECR等離子體腐蝕裝置時(shí)，O2與腐蝕氣體的組分比對光刻膠膜23的腐蝕速率與對DVS-BCB膜22的腐蝕速率的影響。在該例中，控制腐蝕氣體的壓力為2.5mTorr、RF功率為為200W，用CHF3和O2作為腐蝕氣體。O2組分比為10到50％時(shí)，DVS-BCB膜22的腐蝕速率與光刻膠膜23的腐蝕速率相同。
在本發(fā)明中，應(yīng)該注意到當(dāng)O2組分比為10到60％時(shí)，DVS-BCB膜22與光刻膠膜23可以有相同的腐蝕速率。但是如果O2組分比超過20％時(shí)，光刻膠圖形的形狀會形成錐形。因此希望控制O2的組分比等于或小于20％。
為了腐蝕有機(jī)絕緣膜中所含的硅，腐蝕氣體必須含氧氣和氟系列氣體。實(shí)驗(yàn)證明，用CHF3-O2-Ar、CF4-O2、CF4-O2-Ar、SF6-O2、C4F8-O2-Ar、或SF6-O2-Ar作為腐蝕氣體時(shí)，DVS-BCB膜22與光刻膠膜23的腐蝕速率通常相同。因此設(shè)置光刻膠膜23的膜厚度等于DVS-BCB膜22的厚度。例如，設(shè)計(jì)DVS-BCB膜22的厚度為500到800nm，光刻膠膜23的厚度也設(shè)計(jì)為500到800nm。在光刻膠膜23上形成作為第一開口圖形的布線層槽圖形。
然后如圖7E所示，在ECR等離子體室中以相同的速率深腐蝕DVS-BCB膜22和光刻膠膜23。腐蝕條件如下腐蝕氣體的壓力控制為2.5mTorr，80％的CF3和20％的O2的混合氣體用作腐蝕氣體，RF功率控制為200W。減薄光刻膠膜23的厚度，同時(shí)腐蝕布線層槽24圖形下的DVS-BCB膜22。由此在DVS-BCB膜22中形成第一布線層槽25作為第一開口。
此時(shí)，監(jiān)測Si-F等離子氣體所發(fā)光的光譜強(qiáng)度。Si-F是DVS-BCB膜22中的硅與腐蝕氣體中的CHF3反應(yīng)所產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)生物質(zhì)。反應(yīng)產(chǎn)生物質(zhì)不是由腐蝕氣體與光刻膠膜23的反應(yīng)所產(chǎn)生的。即Si-F所所發(fā)光的光譜強(qiáng)度很弱，這是因?yàn)樵诟g初始階段，DVS-BCB膜22的幾乎所有表面部分被光刻膠膜23所覆蓋的緣故。
當(dāng)腐蝕繼續(xù)進(jìn)行以完全去除光刻膠膜23時(shí)，DVS-BCB膜22的表面完全顯現(xiàn)。由此，對應(yīng)Si-F所發(fā)光(436nm)、Si所發(fā)光(442nm)的光譜強(qiáng)度突然增加。確定Si-F發(fā)光的光譜強(qiáng)度的突然增加時(shí)為腐蝕終點(diǎn)，并停止腐蝕。即，設(shè)置光刻膠膜23的厚度等于DVS-BCB膜22的厚度，以相同的速率同時(shí)深腐蝕光刻膠膜23和DVS-BCB膜22。由此布線層槽25穿透DVS-BCB膜22，并在完全腐蝕去除光刻膠膜23時(shí)到達(dá)鎢塞21。
圖16表示Si所發(fā)光(442nm)的光譜強(qiáng)度與腐蝕時(shí)間的關(guān)系。當(dāng)從DVS-BCB膜去除光刻膠、并開始整體腐蝕DVS-BCB膜時(shí)，Si所發(fā)光(442nm)的光譜強(qiáng)度增加。該點(diǎn)示于圖16中，作為變化點(diǎn)A。通過探測變化點(diǎn)A，可以確定腐蝕終點(diǎn)。實(shí)際上，變化點(diǎn)A后一段時(shí)間如10秒到30秒后，此時(shí)才確定為腐蝕終點(diǎn)。
此時(shí)，由于用含氧的等離子體來構(gòu)圖DVS-BCB膜22，氧化膜形成在下層鎢塞21的表面上。為此，在完成DVS-BCB膜22的腐蝕后，希望用僅含CHF3或Ar的腐蝕氣體來去除表面氧化膜?；蛘?，用有機(jī)漂洗液體(剝離液如從TOKYO OHKA KOGYO Co Ltd.購買的“去除劑710”)漂洗約30秒來去除下層膜表面上的氧化膜，該下層膜由如Al、W、Cu、TiN等材料構(gòu)成。通過有機(jī)漂洗液體的漂洗，也漂洗了DVS-BCB膜22的表面。即使部分光刻膠膜殘留在DVS-BCB膜22上，用該表面漂洗也可去除該部分光刻膠。
對于具體實(shí)例，用O2(10％)-CHF3(90％)等離子氣體以相同腐蝕速率深腐蝕光刻膠膜23和DVS-BCB膜22(壓力1到10mTorr，RF功率100到250W，襯底溫度40到60℃)，以形成布線層槽圖形。隨后，用CHF3等離子氣體將下層導(dǎo)電膜表面的氧化膜腐蝕30秒(壓力1到10mTorr，RF功率100到250W，襯底溫度40到60℃)。然后用有機(jī)剝離液“去除劑710”漂洗30秒，用MEK(甲基乙基酮)液體漂洗30秒，用IPA(異丙基乙醇)漂洗60秒，用水沖洗10分鐘來進(jìn)行有機(jī)漂洗。希望使用不溶解有機(jī)絕緣膜的有機(jī)液體作為有機(jī)漂洗液。除DVS-BCB膜材料以，外有機(jī)層間絕緣膜如聚酰亞胺、聚酯、和如“Teflon”等氟化物樹脂等材料可以用作有機(jī)絕緣膜，用于構(gòu)圖，這些材料可以從Dupon購得。
接著如圖7F所示，10nm厚的Ti膜和50nm厚的TiN膜形成為下層MOSFET的阻擋膜26。然后用熱CVD方法形成銅膜27，以填充第一布線層槽。此時(shí)控制生長時(shí)的襯底溫度為70℃到250℃，控制所生長的銅膜的厚度為800nm。在真空中250℃到300℃進(jìn)行退火10分鐘，以增強(qiáng)銅膜27與阻擋膜26之間的匹配。
如圖7G所示，退火后，用化學(xué)進(jìn)行拋光方法(CMP)去除銅膜27和阻擋膜26，其中所用拋光液體中的硅石顆粒擴(kuò)散進(jìn)加有過氧化氫等氧化材料的純水中。結(jié)果形成第一布線層27，其中銅膜填充第一布線層槽。
此時(shí)，銅的CMP條件為控制壓力為0.1kg/cm2以下。第一步，用硬拋光盤如從Rodel-Nita購得的IC1000/SUB400層疊盤將銅膜拋光約500nm。第二步，用軟拋光盤如Rodel-Nita購得的MH35S將剩下的約30nm的銅膜拋光。
拋光后，用電解離子水刷洗去除拋光液體。隨后，在形成上布線層的曝光過程中，形成防止第一布線層的反射的防反射膜28。用等離子體CVD形成50nm厚的氮化硅膜。
接著如圖7H所示，形成1000nm厚的DVS-BCB膜22，然后形成光刻膠膜23，其中通孔29的圖形作為第二開口圖形。在該例中，選擇光刻膠膜23的厚度為500nm。
接著如圖7I所示，在ECR等離子體室中，以相同腐蝕速率深腐蝕DVS-BCB膜22和光刻膠膜23，該室中，控制作為腐蝕氣體的由80％的CHF3和20％的O2構(gòu)成的混合氣體的壓力為2.5mTorr，控制RF的功率為200W。在深腐蝕過程中，監(jiān)測Si-F的光發(fā)射，Si-F為腐蝕氣體與含于有機(jī)絕緣膜中的硅反應(yīng)所產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)生物質(zhì)。
在DVS-BCB膜22中形成深度為500nm的通孔30作為第二開口。此時(shí)，根據(jù)Si-F所發(fā)光的光譜強(qiáng)度的增加來探測完全去除光刻膠膜的時(shí)刻。通孔30的底部在DVS-BCB膜22中。
接著如圖7J所示，形成光刻膠膜23，使有布線層槽圖形來作為第三開口31a和31b。布線層槽31b在通孔上面通過，而布線層槽31a形成在光刻膠膜23中不形成布線層槽31b的區(qū)域。在該例中，光刻膠膜23形成有500nm厚。通孔上的布線層槽31b設(shè)計(jì)得比設(shè)計(jì)時(shí)寬20％，使布線層槽31b精確地在通孔上通過。這是因?yàn)?，如果布線層槽不形成在通孔部分，則在該部分區(qū)域里，光刻膠膜23殘留在通孔30中，使通孔的尺寸實(shí)際變小。
接著如圖7K所示，在ECR等離子體室中以相同腐蝕速率深腐蝕DVS-BCB膜22和光刻膠膜23。在該室中，控制作為腐蝕氣體的由80％的CHF3和20％的O2構(gòu)成的混合氣體的壓力為2.5mTorr，控制RF的功率為200W。在深腐蝕過程中，監(jiān)測Si-F的發(fā)光光譜強(qiáng)度，Si-F為腐蝕氣體與含于有機(jī)絕緣膜中的硅反應(yīng)所產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)生物質(zhì)。
腐蝕光刻膠膜23的布線層槽31a下面的DVS-BCB膜22，以形成第二布線層槽32a。同時(shí)，腐蝕作為第二布線層槽32b的通孔31b的底部，使之到達(dá)防反射(抗反射)膜28。而且，此時(shí)，探測Si-F所發(fā)光的光譜強(qiáng)度增加的時(shí)刻，作為完全去除光刻膠膜23的時(shí)刻，即腐蝕終點(diǎn)。
當(dāng)用80％的CHF3和20％的O2的混合氣體作為腐蝕氣體時(shí)，連續(xù)腐蝕防反射膜28約50nm，使通孔的底部到達(dá)第一布線層27的表面。在腐蝕該防反射膜28時(shí)，腐蝕氣體可以從上述混合氣體改為其他氣體，如Ar-CF4氣。由此，在作為有機(jī)絕緣膜的DVS-BCB膜22中形成其中通孔30從第二布線層槽32b的底部到達(dá)第一布線層27的結(jié)構(gòu)。
最后如圖7M所示，形成Ti-TiN疊層接觸膜(未示出)。然后，用熱CVD方法形成銅膜，同時(shí)填充第二布線層槽32a和32b以及通孔30。隨后在真空中250℃到300℃下進(jìn)行退火約10分鐘。
退火后，用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)方法去除銅膜和接觸膜。結(jié)果，在作為有比氧化硅更低的介電常數(shù)的有機(jī)絕緣膜的DVS-BCB膜中，形成第二布線層的多層布線結(jié)構(gòu)，其中銅膜填充了第二布線層槽32a和32b以及通孔30。
在這樣的實(shí)例中，DVS-BCB膜用于含硅的有機(jī)絕緣膜，作為層間絕緣膜。但是，也可以用含硅的聚酰亞胺膜代替DVS-BCB膜。還有，也可以用丙烯酸系列(acryl-series)或特氟隆系列(Teflon-series)樹脂代替DVS-BCB膜。
在本實(shí)施例中，重要的是，至少一種光刻膠膜所不含的元素含于腐蝕膜中。該元素可以是鍺、鋁、或鎂。還有，很明顯，該腐蝕膜可以由氧化硅膜、多晶硅膜、或硅襯底構(gòu)成，其構(gòu)成材料與光刻膠的元素不同。
下面參照圖8A到8C詳細(xì)說明本發(fā)明第二實(shí)施例的多層布線結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，由第一金屬如銅等構(gòu)成的鍵合焊盤掩埋在上層層間絕緣膜中。在鍵合焊盤表面形成由如Al等第二金屬構(gòu)成的金屬膜，以形成鈍化氧化物膜。結(jié)果，引線焊接方法中的細(xì)金絲或倒裝芯片方法中的焊料凸點(diǎn)的適應(yīng)性可以增強(qiáng)，由此可以改進(jìn)封裝的可靠性。
為了形成這種鍵合焊盤，在上層絕緣膜上形成鍵合焊盤槽。如銅構(gòu)成的第一金屬膜形成在鍵合焊盤槽上。第一金屬膜的厚度比鍵合焊盤槽的深度小。在第一金屬膜上形成如Al構(gòu)成的第二金屬膜，以在第一金屬膜上形成鈍化膜。去除形成在上層絕緣膜膜上的第一和第二金屬膜。由此，以自對準(zhǔn)方式形成由第一金屬構(gòu)成的上表面膜，使抗氧化金屬膜形成在焊盤表面上。為此，不用任何為了在焊盤表面形成防氧化金屬膜的曝光、顯影和腐蝕等步驟，也可以形成有高可靠性的鍵合焊盤。
在集成半導(dǎo)體器件芯片的上布線層上的非連接元件和電源線的布線圖形的區(qū)域，提供從和到半導(dǎo)體芯片外面的輸出輸入信號的鍵合焊盤。通常，鍵合焊盤為50到100μm的方形。但是，當(dāng)上層布線層由銅構(gòu)成時(shí)，鍵合焊盤部分也由銅構(gòu)成，為此，存在以下問題，在封裝半導(dǎo)體芯片時(shí)銅膜的表面被氧化，使焊盤不能通過鍵合引線與半導(dǎo)體芯片外部連接。
為了解決該問題，在實(shí)施例中，如圖8A所示，在層間絕緣膜34中形成到達(dá)下層布線膜和精細(xì)布線層槽32b的通孔30。而且在層間絕緣膜34的表面形成鍵合焊盤槽35。形成第一金屬膜36以填充通孔30和精細(xì)布線層槽32b，其厚度小于鍵合焊盤槽35的深度。當(dāng)精細(xì)布線層槽32b的寬度和通孔30的直徑用W表示、鍵合焊盤槽35的深度用D表示、第一金屬膜36的膜厚度用T表示時(shí)，形成的第一金屬膜36應(yīng)滿足下面條件(W/2)＜T＜D接著如圖8B所示，形成有抗氧化特性的第二金屬膜37。此時(shí)，設(shè)定第一金屬膜36與第二金屬膜37的總厚度大于鍵合焊盤槽35的深度。
最后如圖8C所示，用CMP方法部分地選擇地去除層間絕緣膜34上的第一金屬膜和第二金屬膜，使第一金屬膜掩埋在層間絕緣膜34中，以填充通孔30。而且表面部分的鍵合焊盤槽35用第一金屬膜和第二金屬膜填充。
實(shí)際上，在層間絕緣膜34上形成氮化硅(Si3N4)膜和氧氮化硅(SiON)膜，完成鍵合焊盤38的掩埋。另外，在層間絕緣膜34上形成聚酰亞胺構(gòu)成的鈍化膜(未示出)。
形成在層間絕緣膜34上的第一金屬膜的材料可以是銅或銀，而第二金屬膜的材料可以是鋁、或如金或鉑等抗氧化稀有金屬。最通常情況下，鍵合焊盤槽的深度約為0.8μm，由銅構(gòu)成的第一金屬膜的厚度約為0.6μm，由鋁構(gòu)成的第二金屬膜的厚度約為0.2μm。
鍵合焊盤槽的深度D不需與精細(xì)布線層槽的深度D′相同。鍵合焊盤槽的深度D大于精細(xì)布線層槽的深度D′。鍵合焊盤槽的寬度大于精細(xì)布線層槽的寬度和通孔的寬度。因此，層間絕緣膜34的腐蝕速率在鍵合焊盤槽附近的部分較大，所以在沒有任何特別工藝的情況下，鍵合焊盤槽通常形成得相對較深。此時(shí)，如果鍵合焊盤槽的深度為D′，它大于深度D，第一金屬膜的膜厚度T可以選擇范圍可寬一些。
下面用具體實(shí)例，參照圖9A到9F詳細(xì)說明本發(fā)明第三實(shí)施例的多層布線結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，在有機(jī)絕緣膜中形成布線層槽和到達(dá)下層膜的通孔，用金屬膜填充布線層槽和通孔。在這種方法中，其難點(diǎn)是，當(dāng)將通孔和布線層槽考慮為一個(gè)整體時(shí)，必須形成金屬膜、同時(shí)金屬膜填充有大的高寬比的開口。還一難點(diǎn)是，布線層槽必須在通孔上面準(zhǔn)確地通過。為此，在設(shè)計(jì)時(shí)，必須局部放大通孔上面的布線層槽的寬度。這樣給出一個(gè)位置偏移裕度。因此布線層槽的圖形制備較復(fù)雜，而且因?yàn)樾枰恢闷圃６龋圆季€層槽之間的間距必須寬一些。
在第三實(shí)施例中，首先如圖9A所示，在形成于半導(dǎo)體襯底14上的MOSFET的BPSG膜19中形成鎢膜21。在形成有BPSG膜19的半導(dǎo)體襯底14上的等離子氧化膜46上形成作為下層布線膜47的鋁膜。另外，在下層布線膜47和等離子氧化膜46上形成50nm厚的氮化硅膜構(gòu)成的防反射(抗反射)膜28。
隨后，形成等離子CVD氧化硅膜4作為500到1000nm厚的第一層間絕緣膜后，之后，形成通孔29的圖形的正光刻膠膜23。
接著如圖9B所示，用CHF3氣體作為腐蝕氣體，正光刻膠膜23作為掩模、以干法腐蝕方法形成通孔30，使之到達(dá)下層布線膜47。
接著如圖9B所示，用準(zhǔn)直濺射方法形成10nm厚的Ti膜和50nm的TiN膜之后，用W-CVD方法形成400nm厚的鎢(W)膜。另外，用硅石漿料的鎢CMP方法選擇地去除第一層間絕緣膜40上的鎢，以形成鎢塞(金屬塞)41。
然后，如圖9D所示，形成氧化硅膜42作為600nm厚的第二層間絕緣膜。隨后涂敷與氧化硅膜42有同樣厚度的正光刻膠膜23。然后曝光顯影正光刻膠膜23，并形成布線層槽圖形。此時(shí)，由于鎢塞41的反射，布線層槽的圖形局部形成寬一些。例如，在布線層槽形成在沒有鎢塞41反射的區(qū)域的光刻膠膜中時(shí)，布線層槽的寬度為0.3μm。另一方面，當(dāng)布線層槽形成在有0.3μm直徑的鎢塞41上時(shí)，形成布線層槽的寬度約為0.35μm。
然后如圖9E所示，用90％的CHF3和10％的O2的混合氣體，在ECR等離子體室中以相同腐蝕速率深腐蝕作為第二層間絕緣膜的氧化硅膜42和光刻膠膜23。在該室中，控制腐蝕氣體的壓力為2.5mTorr，控制RF的功率為200W。這種情況下，在深腐蝕過程中，監(jiān)測等離子氣體Si-F的所發(fā)光的光譜強(qiáng)度。Si-F為氧化硅膜42與腐蝕氣體中的CHF3反應(yīng)所產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)生物質(zhì)，而不是腐蝕氣體與光刻膠反應(yīng)所產(chǎn)生的。
即在深腐蝕的初始階段，由于幾乎氧化硅膜42的所有表面在初始階段全被光刻膠膜覆蓋，所以Si-F所發(fā)光的光譜強(qiáng)度很弱。隨著腐蝕的進(jìn)行，完全去除光刻膠，氧化硅膜的表面完全露出，發(fā)光的光譜強(qiáng)度突然增加。確定發(fā)光的光譜強(qiáng)度的突然增加的時(shí)刻為腐蝕終點(diǎn)，此時(shí)停止腐蝕。由此，在第二層間絕緣膜42中形成布線層槽45，使之達(dá)到第一層間絕緣膜40或鎢塞41。鎢塞41上形成的布線層槽的寬度形成得較寬。
最后如圖9F所示，用準(zhǔn)直濺射方法在布線層槽44中形成10nm厚的Ti層，然后用準(zhǔn)直濺射方法形成1μm厚的鋁膜。在襯底溫度控制為380℃到480℃的條件下，用鋁膜填充到0.6μm深、0.3μm寬的布線層槽44中。
然后用添加有硅石漿料的過氧化氫溶液選擇地拋光作為第二層間絕緣膜42的氧化硅膜上的鋁膜。由此在形成于作為第二層間絕緣膜的氧化硅膜中的布線層槽中形成上層布線膜45。
按這種方式，由于上層布線膜45在鎢塞41上的部分較寬一些，所以，可以形成這樣的結(jié)構(gòu)，即其中上層布線膜45連接到鎢塞41的整個(gè)表面上的鎢塞上。
在上述實(shí)例中，氧化硅膜用作層間絕緣膜。但是很顯然，也可以用含硅的有機(jī)絕緣膜。另外，也可以用含有一種光刻膠膜所不含的元素的有機(jī)絕緣膜。另外，在上述實(shí)例中金屬塞由鎢構(gòu)成，但是也可以由鋁、銅、銀、或金等導(dǎo)電材料構(gòu)成。
下面說明根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的多層布線結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的第四實(shí)施例中，將金屬塞掩模在第一層間絕緣膜中之后，在第二層間絕緣膜中形成掩埋于金屬層槽中的金屬布線膜。此時(shí)，每個(gè)布線層槽的布線膜圖形的寬度要比在金屬塞上穿過的布線層槽圖形區(qū)域的金屬塞的直徑寬約20％。另外，布線圖形的寬度和長度比布線圖形端部的金屬塞的直徑寬和長約20％。將金屬塞與掩埋布線膜圖形之間的連接裕度設(shè)計(jì)得較大，以便將多層布線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得具有更高的可靠性。
在第一層間絕緣膜中掩埋金屬塞后，通過在第二層間絕緣膜中的布線層槽中填充第二金屬，形成布線膜圖形。即使在這種情況下，利用金屬塞表面的反射，以與金屬塞的自對準(zhǔn)的方式，也可以使金屬塞上的布線膜圖形的寬度和長度大一些。為此，不必考慮將布線層槽的寬度形成得寬一些。也不必考慮將布線膜圖形之間的間距設(shè)計(jì)得大一些。
在本發(fā)明的第三實(shí)施例中，用第一金屬膜填充通孔形成金屬塞后，形成布線層槽，然后用第二金屬膜填充布線層槽。在曝光時(shí)，利用金屬塞的局部反射，以與金屬塞的自對準(zhǔn)的方式，使金屬塞上的布線層槽的寬度制備得寬一些。參照圖10到13B，下面詳細(xì)說明第四實(shí)施例的多層布線結(jié)構(gòu)。
圖10表示曝光顯影正光刻膠膜23后光刻膠膜23的平面圖。圖11A、12A和13A與11B、12B和13B分別是沿圖10的A-A線和B-B線的多層布線結(jié)構(gòu)的剖面圖。
首先，在下層布線膜39上形成防反射膜28，通過在形成于第一層間絕緣膜40中的第一開口中填充第一金屬膜，在第一層間絕緣膜40中形成金屬塞41a和41b。另外，在第一層間絕緣膜40上形成第二層間絕緣膜42。然后在第二層間絕緣膜42上涂敷正光刻膠膜23。
如圖11A和11B所示，根據(jù)與金屬塞有相同寬度的布線層槽的圖形，曝光正光刻膠膜23，由于金屬塞41a和41b的反射光43曝光了圍繞金屬塞的正光刻膠膜的外圍部分。因此，局部擴(kuò)大了圍繞金屬塞的正光刻膠膜的每個(gè)外圍部分的寬度。
接著，如圖12A和12B所示，按相同的腐蝕速率深腐蝕正光刻膠膜23和第二層間絕緣膜42，以形成到達(dá)金屬塞41a和41b的布線層槽44。
接著，如圖13A和13B所示，用第二金屬膜45填充布線層槽44。由此得到這樣的結(jié)構(gòu)，其中，按與金屬塞自對準(zhǔn)的方式，使金屬塞上的布線膜的寬度制備得寬一些。
另外，金屬塞41a上的布線層槽不僅沿布線方向延伸，而且按自對準(zhǔn)方式沿縱向延伸。由此，形成這樣的多層布線結(jié)構(gòu)，其中布線膜可靠地與金屬塞連接，不需局部擴(kuò)大布線層槽的寬度，也不需加大布線層槽之間的間距尺寸。
如上所述，得到本發(fā)明的下面優(yōu)點(diǎn)。
發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的第一優(yōu)點(diǎn)在于，監(jiān)測腐蝕膜反應(yīng)所產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)生氣體物質(zhì)所發(fā)光的光譜強(qiáng)度，同時(shí)深腐蝕光刻膠膜和腐蝕膜。確定完全去除腐蝕材料上的光刻膠膜時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)生氣本物質(zhì)所發(fā)光的光譜強(qiáng)度的突然增加的時(shí)刻，此時(shí)刻為深腐蝕終點(diǎn)。于是停止腐蝕。結(jié)果，光刻膠膜上的布線層槽圖形可以傳遞到腐蝕膜上。通過調(diào)整所用光刻膠膜的厚度、和光刻膠膜的腐蝕速率與腐蝕膜的腐蝕速率的比，在腐蝕膜中形成有所需深度的布線層槽。
本發(fā)明的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，以相同的腐蝕速率同時(shí)深腐蝕光刻膠膜和有機(jī)絕緣膜，從而將圖形傳遞到腐蝕膜上，通過監(jiān)測腐蝕氣體與一種元素的反應(yīng)所產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)生物質(zhì)所發(fā)光的光譜強(qiáng)度的變化，探測深腐蝕終點(diǎn)，光刻膠膜中不含所說該元素，但有機(jī)絕緣膜中含此元素。為此，不需在有機(jī)絕緣膜上形成任何用來探測腐蝕終點(diǎn)的膜。因此縮短了制備時(shí)間。
還有，如果控制光刻膠膜的厚度，可以以高精度形成布線層槽，使其底部在有機(jī)絕緣膜中，即有預(yù)定的深度。例如，可以這樣形成開口圖形，使布線層槽和通孔形成為一個(gè)整體、并從絕緣層的表面到達(dá)下層布線膜。通過用金屬膜填充布線層槽和通孔，可以容易地形成使用有機(jī)絕緣膜的多層布線結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的第三優(yōu)點(diǎn)在于，可以在由第一金屬(如銅)膜構(gòu)成的鍵合焊盤的表面形成第二金屬(如鋁)膜，以形成鈍化膜。因此，布線鍵合方法中的細(xì)金絲或倒裝芯片方法中的焊料凸點(diǎn)的適應(yīng)性可以得到改進(jìn)，由此增強(qiáng)了封裝的可靠性。
本發(fā)明的第四個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，在第一層間絕緣膜中掩埋金屬塞，然后用金屬膜填充第二層間絕緣膜中的布線層槽，可以用與金屬塞自對準(zhǔn)的方式形成布線層槽。此時(shí)，通過利用金屬塞的反射，使布線層槽的寬度和長度制備得寬一些和長一些。為此，在設(shè)計(jì)布線掩模圖形的時(shí)候，不需增大金屬塞上布線層槽的寬度。在設(shè)計(jì)布線掩模圖形時(shí)，也不需增大布線層槽之間的間距。因此，大大增強(qiáng)了多層布線結(jié)構(gòu)的可靠性。
權(quán)利要求
1.一種形成鍵合焊盤的方法，包括下列步驟在上層絕緣膜中形成鍵合焊盤槽；在所述上層絕緣膜上形成第一金屬層；在所述第一金屬層上形成防氧化的第二金屬層；從所述上層絕緣膜上的表面上去除所述第一和第二金屬層，使得鍵合焊盤留在所述鍵合焊盤槽中，其中在鍵合焊盤中，所述第二金屬層形成在所述第一金屬層上。
2.一種具有多層布線結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，其中，一塊鍵合焊盤嵌入在所述的多層布線結(jié)構(gòu)中，并且所述鍵合焊盤包括第一金屬層；在所述第一金屬層上面形成的防氧化的第二金屬層。
3.一種形成布線線路的方法，包括下列步驟在低布線線路的防反射膜上形成第一絕緣膜；通過把金屬嵌入到形成于所述第一絕緣膜上的孔中形成金屬塞；形成第二絕緣膜；形成光刻層；利用所述金屬塞表面的反射來局部擴(kuò)展布線線槽的抗蝕圖形的寬度，使其寬于暴露部分；使用所述布線線槽抗蝕圖形作為掩模，在所述第二絕緣膜中形成所述布線線槽；在所述第二絕緣膜上沉積一金屬層來填充所述布線線槽；以及從所述第二絕緣膜上去除所述金屬層，使得所述金屬層留在所述布線線槽中。
4.一種具有布線結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，包括形成在下層布線線路的防反射膜上的第一絕緣膜；在所述第一絕緣膜上的第二絕緣膜；在所述第一絕緣膜中形成的金屬塞；以及在所述第二絕緣膜的布線線槽中形成的金屬層；其中，所述金屬層具有與在所述金屬層從所述第一金屬塞之上通過的一區(qū)域中的第一個(gè)所述金屬塞的直徑相同的寬度，此寬度比所述第一金屬塞的所述直徑寬20％或更少、并且所述金屬層具有寬度或者長度，且該寬度比在所述第二金屬塞之上的、對應(yīng)于所述金屬層的末端的一區(qū)域中的第二個(gè)所述金屬塞的所述直徑長或者寬20％或更少。
全文摘要
制備半導(dǎo)體器件的方法，第一膜形成在第二膜上，在第一膜上形成第一光刻膠膜，使在第一光刻膠膜中有第一開口部分。此時(shí)，如果提供防反射膜，用提供在第二膜上的金屬塞的反射，可以使第一開口部分制備得寬一些。通過第一開口部分暴露部分第一膜。隨后，用能腐蝕第一光刻膠膜和第一膜的腐蝕氣體，同時(shí)對二者進(jìn)行干法腐蝕。在該過程中，監(jiān)測第一膜與腐蝕氣體的反應(yīng)所產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物所發(fā)光的光譜強(qiáng)度。根據(jù)所說光譜強(qiáng)度的變化停止干法腐蝕。
文檔編號H01L21/60GK1503330SQ200310120440
公開日2004年6月9日 申請日期1998年3月10日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月19日
發(fā)明者小野寺貴弘, 林喜宏 申請人:日本電氣株式會社