專利名稱：半導體器件的制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體器件的制造方法。
背景技術：
隨著半導體器件，例如半導體集成電路，越來越精細，由于布線阻抗和線間電容產生的信號傳播延遲成為嚴重的問題。因此，降低布線阻抗和線間電容越來越重要。
為了減小布線阻抗，已經提出使用較低電阻系數的銅布線。為了減小線間電容，已經提出使用具有較低介電常數的層間絕緣膜。通常，在層間絕緣膜中用銅填充溝槽形成的鑲嵌布線用作銅布線。至少含有碳和氫的低介電常數絕緣膜通常用作層間絕緣膜。此外，通常在銅布線和層間絕緣膜上通過等離子體CVD形成停止層絕緣膜。停止層絕緣膜的作用是防止在銅布線中的銅擴散到上層。當蝕刻在上面形成的層間絕緣膜時，停止層絕緣膜還作為蝕刻停止層。
當使用如上所述的銅布線時，存在銅布線的表面在空氣中氧化的問題。當在銅布線的表面形成銅氧化層時，降低了停止層絕緣膜與銅布線之間的附著力，對半導體器件的特性或可靠性產生不利影響。為了防止這種情況，在形成停止層絕緣膜之前，必須還原在銅布線的表面上形成的銅氧化物。通過等離子體處理進行還原。由于停止層絕緣膜是通過用加熱襯底的等離子體CVD形成的，所以等離子體還原處理也可以在用加熱襯底形成停止層絕緣膜的處理室中進行。
但是，當在加熱狀態(tài)下進行等離子體還原處理時，在低介電常數絕緣膜(層間絕緣膜)中含有的有機成分在等離子體氣氛中被活性氫分解，并作為氣體，例如，CH4，釋放出。因此，OH基引入低介電常數絕緣膜的表面，從而形成具有高潮濕吸收性的所謂的損害層。結果，出現(xiàn)了以下問題例如，損害層增加了布線之間的泄漏電流。
US2001/0003064A1提出了一種方法，在低于在銅布線層上形成CVD絕緣膜的膜形成溫度的溫度下進行去掉銅布線表面上的銅氧化層的等離子體處理，以防止由于銅布線表面上的遷移引起的銅的凝聚。但是，根據該申請，當進行等離子體處理時，只是簡單地將襯底從加熱支撐臺上升起。由于該原因，不能充分降低在等離子體處理中的襯底溫度。因此，難以防止上述損害層的形成，或防止由于損害層的形成引起的半導體器件的特性或可靠性的降低。
如上所述，從抑制由于布線電阻和線間電容引起的信號傳播延遲的觀點提出了使用銅布線和低介電常數絕緣膜。但是，常規(guī)技術存在著在用于去掉在銅布線的表面上的銅氧化層的等離子體還原工藝中在低介電常數絕緣膜的表面上形成損害層，以及由于損害層引起布線之間的泄漏電流增加，導致半導體器件的特性和可靠性顯著下降的問題。

發(fā)明內容
根據本發(fā)明的一個方案，提供一種半導體器件的制造方法，包括制備具有含碳和氫的第一絕緣膜和銅布線的工件；以及通過對冷卻的工件使用等離子體還原在銅布線表面上形成的氧化物。


圖1示出了根據本發(fā)明的實施例制造半導體器件的裝置結構的示意圖。
圖2到4示出了根據本發(fā)明的實施例制造半導體器件的步驟的示意剖面圖。
圖5示出了根據本發(fā)明的實施例制造半導體器件的方法的流程圖。
具體實施例方式
下面參考附圖介紹本發(fā)明的實施例。
圖1示出了用在實施例中的裝置(制造半導體器件的裝置)結構的示意圖。裝置包括預處理單元(第一處理單元)10、膜形成單元(第二處理單元)20和傳送單元30。
預處理單元10通過等離子體的方式對銅布線的表面進行還原處理，去掉在銅布線表面上形成的銅氧化層。預處理單元10包括處理室11、氣體引入口12、排氣口13、氣體擴散盤14(也作為上電極)、支撐臺15(也作為下電極)、冷卻機構16和高頻電源17。
氣體引入口12連接到氣體擴散盤14。通過氣體引入口12引入的氣體通過氣體擴散盤14補充到處理室11中。在支撐臺15中提供冷卻機構16，冷卻液通過冷卻機構16循環(huán)。冷卻機構16冷卻支撐臺15，并且冷卻作為工件放在支撐臺15上的襯底(半導體晶片)100。高頻電源17為氣體擴散盤(上電極)14提供高頻功率。高頻功率在處理室11中產生等離子體，從而去掉在襯底100上提供的銅布線表面上的銅氧化層。
膜形成單元20用來在經過預處理單元10的等離子體還原處理的襯底100上形成停止層絕緣膜(稍后介紹)。膜形成單元20包括處理室21、氣體引入口22、排氣口23、氣體擴散盤24(也作為上電極)、支撐臺25(也作為下電極)、加熱機構26和高頻電源27。
氣體引入口22連接到氣體擴散盤24。通過氣體引入口22引入的氣體通過氣體擴散盤24補充到處理室21中。在支撐臺25中提供加熱機構(電阻加熱機構)26。加熱機構26加熱支撐臺25，并且加熱放在支撐臺25上的襯底(半導體晶片)100。高頻電源27為氣體擴散盤(上電極)24提供高頻功率。高頻功率在處理室21中產生等離子體，從而在襯底100上形成停止層絕緣膜。
傳送單元30放在預處理單元10和膜形成單元20之間。襯底100通過在傳送室31中提供的傳送機構32從預處理單元10傳送到膜形成單元20。在傳送室31中的空氣通過排氣口33排出，從而襯底100可以從預處理單元10傳送到膜形成單元20，而不會暴露在空氣中?？梢源蜷_和關閉的閥門41作為處理室11與傳送室31之間的間隔，可以打開和關閉的閥門42作為處理室21與傳送室31之間的間隔。
下面將介紹使用在圖1所示的上述裝置制造半導體器件的方法。圖2到4示出了根據本發(fā)明的實施例的制造方法的示意剖面圖。圖5示出了制造方法的流程圖。
首先，如圖2所示，制備作為工件的襯底100(S1)。襯底100包括半導體襯底101、作為層間絕緣膜的低介電常數絕緣膜(第一絕緣膜)102、阻擋金屬膜103和銅布線104。實際上，在半導體襯底101上形成半導體元件，例如，MIS晶體管。可以在半導體襯底101與低介電常數絕緣膜102之間形成另一個絕緣膜、布線等。如圖2所示，低介電常數絕緣膜102和銅布線104的表面是完全暴露的。由于在空氣中銅容易氧化，所以在銅布線104的表面上形成銅氧化層104a。
含有至少碳和氫的絕緣膜用作低介電常數絕緣膜102。在本實施例中，含有硅、氧、碳和氫的絕緣膜(下文中稱作SiCO:H膜)用作低介電常數絕緣膜102。例如，使用有機硅烷氣體(烷基硅烷氣體)和O2氣體作為源氣體，通過等離子體CVD方式形成的有機絕緣膜可以用作低介電常數絕緣膜102。通過將甲基引入正常的氧化硅膜(SiO2膜)形成該低介電常數絕緣膜。膜的相對介電常數為大約2.2到3.0，明顯小于正常SiO2膜(大約3.9)。鑲嵌布線用作銅布線104。通過用銅填充在低介電常數絕緣膜102中形成的溝槽形成鑲嵌布線。
然后，如圖3所示，通過等離子體還原工藝去掉在銅布線104的表面上形成的銅氧化層104a。下面詳細介紹該步驟。
首先，襯底100傳送到預處理單元10的處理室11中，并放在支撐臺15上(S2)。用在支撐臺15中提供的冷卻機構16冷卻放在支撐臺15上的襯底100(S3)。在本實施例中，冷卻溫度設為-50℃?？梢栽诜胖靡r底100之前或之后，預先用冷卻機構16冷卻支撐臺15。為了減少制造時間，最好在放置襯底100之前冷卻支撐臺15。
在處理室11抽真空后，NH3氣體和N2氣體通過氣體引入口12引入處理室11。NH3氣體和N2氣體的流速分別為500sccm和5000sccm。在處理室11的壓力調節(jié)為5Torr。高頻電源17以13.56MHz為處理室11提供200W的高頻功率，并且用等離子體進行20秒的還原處理。該處理還原在銅布線104的表面上形成的銅氧化層104a(S4)。更具體的，用由NH3等離子體產生的活性氫進行還原處理，氧化銅(CuO)還原為Cu。
在上述等離子體處理期間，低介電常數絕緣膜102的表面也暴露在等離子體氣氛中。但是，由于襯底100被冷卻了，所以可以抑制在等離子體氣氛中的活性氫與在低介電常數絕緣膜102中的有機成分之間的反應。結果，能夠防止在等離子體氣氛中低介電常數絕緣膜102中的有機成分被分解并被活性氫去掉的問題。因此，可以抑制在低介電常數絕緣膜102的表面上形成損害層。
上述等離子體處理的襯底100通過傳送機構32傳送到傳送室31。然后通過傳送機構32從傳送室31傳送到處理室21(S5)。因為在傳送過程期間襯底100不再暴露在空氣中，所以不會在銅布線104的表面上形成新的銅氧化層。
隨后，如圖4所示，在低介電常數絕緣膜102和銅布線104的表面上形成停止層絕緣膜(第二絕緣膜)105。停止層絕緣膜105起防止銅布線104中的銅擴散到上層中的作用。當蝕刻在上面形成的層間絕緣膜時，還作為蝕刻停止層。下面詳細介紹形成停止層絕緣膜的步驟。
傳送到處理室21中的襯底100放在支撐臺25上。用在支撐臺25中的加熱機構26加熱放在支撐臺25上的襯底100(S6)。在本實施例中，加熱溫度設為350℃?？梢栽诜胖靡r底100之前或之后，預先用加熱機構26加熱支撐臺25。為了減少制造時間，最好在放置襯底100之前加熱支撐臺25。也可以在傳送室31中提供加熱機構，在傳送到處理室21之前可以加熱襯底100。
在處理室21抽真空后，有機硅烷氣體(烷基硅烷氣體)和NH3氣體通過氣體引入口22引入處理室21。有機硅烷氣體和NH3氣體的流速分別為200sccm和400sccm。在處理室21的壓力調節(jié)為5Torr。高頻電源27以13.56MHz為處理室21提供400W的高頻功率，并且用等離子體(等離子體CVD處理)進行40秒的膜形成處理。該膜形成處理在低介電常數絕緣膜102和銅布線104的表面上形成含硅、碳、氮和氫的50nm厚的膜(下文中稱作SiCN:H膜)，作為停止層絕緣膜105(S7)。
對通過上述方法得到的樣品進行相鄰銅布線之間的漏電流特性的測量。銅布線寬度和相鄰銅布線之間的距離(間隔寬度)都是100nm。當1MV/cm的電場加在銅布線之間時，漏電流為9.1×10-11A/cm2。
作為比較例子，通過在350℃的處理室中進行等離子體還原處理，隨后在350℃的同一個處理室中形成停止層絕緣膜產生樣品。在這種情況下，漏電流為2.5×10-8A/cm2，明顯大于上述實施例中的值。在室溫下進行等離子體還原處理的情況下，漏電流高達5.5×10-9A/cm2。通常在器件的特性和可靠性方面，最好漏電流為大約1.0×10-10A/cm2或更低。因此，如果在室溫下進行等離子體還原處理，則不能得到滿意的特性。為了得到滿意的特性，考慮襯底冷卻到0℃或更低。
如上所述，根據本實施例，當通過等離子體還原在銅布線表面上形成的銅氧化物時，冷卻襯底。由此，降低了低介電常數絕緣膜的表面相對于等離子體的反應性，并且可以抑制在低介電常數絕緣膜的表面上形成損害層。結果，可以顯著減小相鄰銅布線之間的漏電流。因此，可以得到具有出色特性和高可靠性的半導體器件。
此外，在上述實施例中，在不同的處理室中進行還原處理和膜形成處理。由于用冷卻的襯底進行還原處理，并且用加熱的襯底進行膜形成處理，所以如果在同一個處理室中進行還原處理和膜形成處理，則必須在同一個支撐臺中提供冷卻機構和加熱機構，導致復雜的裝置結構。此外，由于要花費大量的時間冷卻加熱的支撐臺或加熱冷卻的支撐臺，所以將增加制造時間。根據本發(fā)明的實施例，可以避免該問題，因為在不同的處理室中進行還原處理和膜形成處理。
在上述實施例中，通過等離子體CVD形成的CVD絕緣膜用作低介電常數絕緣膜。但是，聚甲基硅氧烷(MSX)、聚甲基倍半硅氧烷(MXQ)等的涂覆膜也可以用作低介電常數絕緣膜。或者，高分子膜也可以用作低介電常數絕緣膜。通常，含有碳和氫的膜用作低介電常數絕緣膜。更具體的，可以使用含有具有C-H鍵的有機成分的絕緣膜。在介電常數方面，相對介電常數為3.0或更小的絕緣膜可以用作低介電常數絕緣膜。
此外，在上述實施例中，含有硅、碳、氮和氫的膜(SiCN:H膜)用作停止層絕緣膜。但是，停止層絕緣膜可以含有至少硅、碳和氫。更具體的，可以是含有硅、碳和氫的膜(SiC:H膜)或含有硅、碳、氧和氫的膜(SiCO:H膜)。
此外，在上述實施例中，在等離子體還原處理中使用NH3氣體和N2氣體的混合物。但是，在處理中可以使用含有NH3氣體和H2氣體中的至少一種的氣體。例如，可以使用只含有NH3或H2的氣體、H2氣體和N2氣體的混合物、H2氣體和He氣體的混合物等。更一般的，在等離子體還原處理中可以使用至少含有包含氫的還原氣體的氣體。
對于本領域的技術人員，容易想到其它優(yōu)點和修改。因此，本發(fā)明在其廣度方面并不限于在這里顯示和介紹的具體細節(jié)和典型實施例。因此，不脫離由附帶的權利要求書及其等價物限定的一般發(fā)明概念的精神和范圍可以作出各種修改。
權利要求
1.一種半導體器件的制造方法，特征在于包括制備具有含碳和氫的第一絕緣膜和銅布線的工件；以及通過對冷卻的工件使用等離子體，還原在銅布線表面上形成的氧化物。
2.根據權利要求1的方法，特征在于還包括在還原氧化物之后，在第一絕緣膜和銅布線上形成第二絕緣膜。
3.根據權利要求2的方法，特征在于用加熱的工件形成第二絕緣膜。
4.根據權利要求3的方法，特征在于在第一處理單元中還原氧化物，在不同于第一處理單元的第二處理單元中形成第二絕緣膜。
5.根據權利要求4的方法，特征在于還包括在還原氧化物之后，將工件從第一處理單元傳送到第二處理單元，而不將工件暴露在空氣中。
6.根據權利要求5的方法，特征在于通過位于第一處理單元與第二處理單元之間的傳送單元將工件從第一處理單元傳送到第二處理單元。
7.根據權利要求4的方法，特征在于在還原氧化物中，通過在第一處理單元中提供的支撐工件的第一支撐部分冷卻工件。
8.根據權利要求7的方法，特征在于在支撐工件之前預先冷卻第一支撐部分。
9.根據權利要求4的方法，特征在于在形成第二絕緣膜中，通過在第二處理單元中提供的支撐工件的第二支撐部分加熱工件。
10.根據權利要求9的方法，特征在于在支撐工件之前預先加熱第二支撐部分。
11.根據權利要求1的方法，特征在于在第一絕緣膜中形成的溝槽中提供銅布線。
12.根據權利要求1的方法，特征在于第一絕緣膜中還包含硅和氧。
13.根據權利要求1的方法，特征在于第一絕緣膜的相對介電常數至多為3.0。
14.根據權利要求1的方法，特征在于第一絕緣膜由含有有機成分的絕緣膜形成。
15.根據權利要求3的方法，特征在于第二絕緣膜含有硅、碳和氫。
16.根據權利要求15的方法，特征在于第二絕緣膜還含有氮和氧中的至少一種。
17.根據權利要求3的方法，特征在于通過使用等離子體形成第二絕緣膜。
18.根據權利要求3的方法，特征在于通過等離子體CVD形成第二絕緣膜。
19.根據權利要求1的方法，特征在于用含有NH3氣體和H2氣體中的至少一種的氣體通過使用等離子體還原氧化物。
20.根據權利要求1的方法，特征在于用冷卻到0℃或更低的工件通過使用等離子體還原氧化物。
全文摘要
公開了一種制造半導體器件的方法，包括制備具有含碳和氫的第一絕緣膜(102)和銅布線(104)的工件，以及通過對冷卻的工件使用等離子體還原在銅布線表面上形成的氧化物(104a)。
文檔編號H01L21/312GK1612317SQ20041008699
公開日2005年5月4日 申請日期2004年10月27日 優(yōu)先權日2003年10月27日
發(fā)明者宮島秀史 申請人:株式會社東芝