專利名稱：半導(dǎo)體器件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件的制造方法，特別涉及使用低介電常數(shù)絕緣膜制備具有互連層的半導(dǎo)體器件的方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體器件的尺寸縮小和速度增加，互連結(jié)構(gòu)已由單級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)展為多級(jí)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)已開發(fā)和制備出具有五層或更多層金屬互連結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件。隨著不斷小型化，產(chǎn)生了互連之間的所謂的寄生電容和互連電阻引起的信號(hào)傳輸延遲問題。近來，由多級(jí)互連結(jié)構(gòu)造成的信號(hào)傳輸延遲大大降低了半導(dǎo)體器件的速度，現(xiàn)已采用了多種措施。
一般來說，互連之間的寄生電容和互連電阻造成信號(hào)傳輸延遲。為了降低互連電阻，現(xiàn)已研究由常規(guī)的鋁互連改變成低電阻的銅互連。使用銅需要埋置的互連結(jié)構(gòu)，是由于現(xiàn)有的技術(shù)很難通過類似于常規(guī)方法的干蝕刻將銅加工成互連形狀。為了降低互連之間的電容，代替使用常規(guī)的硅氧化物(SiO2)通過CVD的絕緣膜，現(xiàn)已研究了采用通過CVD的SiOF膜、通過旋轉(zhuǎn)涂覆的所謂SOG(具有SiCO成分的旋涂玻璃)、或者有機(jī)樹脂(聚合物)膜形成低介電常數(shù)絕緣膜。
SiOF膜的相對介電常數(shù)通常降低到約3.4(常規(guī)的SiO2膜為3.9)。然而，就膜的穩(wěn)定性而言，進(jìn)一步降低相對介電常數(shù)實(shí)際上很難。相反，如SOG膜或有機(jī)樹脂膜的低介電常數(shù)膜的相對介電常數(shù)可以降低到約2.0，由此目前對應(yīng)用這些膜的研究很熱門。近些年來，通過CVD的SiCO膜變得很普及。
對于形成埋置互連的代表性方法，在預(yù)先形成有埋置互連的底層上形成互連層的步驟為(1)形成蝕刻終止膜，(2)形成層間介質(zhì)膜，(3)形成帽蓋膜，(4)形成用于過孔的掩模，(5)形成過孔，(6)除去掩模，(7)形成用于互連溝槽的掩模，(8)形成互連溝槽，(9)除去掩模，(10)在蝕刻終止膜中形成開口，(11)形成阻擋金屬和籽晶Cu膜，(12)形成鍍覆Cu膜，以及(13)通過CMP拋光和平面化以及形成埋置的Cu互連。一般來說，層間介質(zhì)膜為低介電常數(shù)膜，帽蓋膜為常規(guī)的SiO2膜。
目前，疊置LSI的多級(jí)互連，并通過重復(fù)以上工藝同樣疊置了使用低介電常數(shù)膜的互連層。
對于使用低介電常數(shù)膜的層間介質(zhì)膜，如上所述使用通過旋轉(zhuǎn)涂覆或CVD的SiCO膜。現(xiàn)已知低介電常數(shù)膜在以下步驟中會(huì)受損傷膜淀積步驟(3)、干蝕刻步驟(5)、(8)和(10)、以及使用等離子體灰化和用化學(xué)試劑的掩模除去步驟(6)和(9)，特別是步驟(3)、(6)和(9)。對于SiCO膜，在這些步驟期間，膜中的有機(jī)成分(C成分)會(huì)受影響，在膜中形成了Si-OH基作為水吸附部位，以增加膜的收濕性。如果在絕緣膜中吸收了水，那么在隨后的步驟中，特別是熱處理之中，它氧化了金屬互連，并降低了互連的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方案，提供一種半導(dǎo)體器件的制造方法，包括形成至少一個(gè)互連層，具有低介電常數(shù)絕緣膜(1)和埋置在低介電常數(shù)絕緣膜(1)中的互連(2)；形成在互連層中延伸的溝槽或孔(12)；對具有溝槽或孔(12)的互連層進(jìn)行熱處理；以及在溝槽或孔(12)中埋置材料(13)。


圖1示出了在根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的制備方法中形成多級(jí)互連結(jié)構(gòu)的一個(gè)步驟的部分剖面圖；圖2示出了在根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的制備方法中形成多級(jí)互連結(jié)構(gòu)的另一個(gè)步驟的部分剖面圖；圖3示出了在根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的制備方法中形成多級(jí)互連結(jié)構(gòu)的另一個(gè)步驟的部分剖面圖；圖4示出了在根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的制備方法中形成多級(jí)互連結(jié)構(gòu)的另一個(gè)步驟的部分剖面圖；圖5示出了在根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的制備方法中形成多級(jí)互連結(jié)構(gòu)的另一個(gè)步驟的部分剖面圖；圖6示出了在根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的制備方法中形成多級(jí)互連結(jié)構(gòu)的另一個(gè)步驟的部分剖面圖；圖7示出了在根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的制備方法中形成多級(jí)互連結(jié)構(gòu)的另一個(gè)步驟的部分剖面圖；圖8示出了在根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的制備方法中形成多級(jí)互連結(jié)構(gòu)的另一個(gè)步驟的部分剖面圖；圖9示出了在根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的制備方法中形成多級(jí)互連結(jié)構(gòu)的另一個(gè)步驟的部分剖面圖；圖10示出了在根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的制備方法中形成多級(jí)互連結(jié)構(gòu)的另一個(gè)步驟的部分剖面圖；圖11示出了在根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的制備方法中形成多級(jí)互連結(jié)構(gòu)的另一個(gè)步驟的部分剖面圖；圖12示出了在多級(jí)互連結(jié)構(gòu)形成步驟中的損傷層的剖面圖；圖13示出了在根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的制備方法中形成互連故障防止結(jié)構(gòu)的一個(gè)步驟的部分剖面圖；圖14示出了在根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的制備方法中形成互連故障防止結(jié)構(gòu)的另一個(gè)步驟的部分剖面圖；以及圖15示出了在根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的制備方法中形成互連故障防止結(jié)構(gòu)的另一個(gè)步驟的部分剖面圖。
具體實(shí)施例方式
下面參考附圖介紹實(shí)施例。
圖1到11示出了在根據(jù)實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的制備方法中形成多級(jí)互連結(jié)構(gòu)的各步驟的部分剖面圖。下面參考圖1到11介紹多級(jí)互連結(jié)構(gòu)的形成步驟。
如圖1所示，半導(dǎo)體元件(未示出)等形成在半導(dǎo)體襯底(Si襯底)S上，低介電常數(shù)絕緣膜1(例如，SiCO:H膜)通過等離子體CVD淀積在半導(dǎo)體襯底S上。通過公知的鑲嵌工藝，銅互連2(阻擋金屬和銅互連)埋置在低介電常數(shù)絕緣膜1中。如圖2所示，通過等離子體CVD，在低介電常數(shù)絕緣膜1上淀積50nm的SiCN:H膜3作為蝕刻終止膜。此時(shí)，采用有機(jī)硅烷(烷基硅烷)和NH3作為源氣。如圖3所示，通過等離子體CVD在SiCN:H膜3上淀積350nm的SiCO:H膜4。SiCO:H膜為所謂的低介電常數(shù)絕緣膜，它的相對介電常數(shù)由常規(guī)膜的約3.9降低到約2.9。此時(shí)，有機(jī)硅烷(烷基硅烷)和O2用作源氣。
如圖4所示，通過等離子體CVD在SiCO:H膜4上淀積100nm的SiO2膜5作為帽蓋膜。此時(shí)，有機(jī)硅烷(烷氧基硅烷)和O2用作源氣。之后，如圖5所示，通過光刻構(gòu)圖抗蝕劑掩模6并用作蝕刻掩模，通過RIE(反應(yīng)離子蝕刻)處理SiO2膜5和SiCO:H膜4，由此形成了過孔7。
如圖6所示，用排放的(discharged)O2氣體除去抗蝕劑掩模6。施加用于形成互連溝槽的抗蝕劑掩模8，如圖7所示，并通過光刻構(gòu)圖，如圖8所示。如圖9所示，使用抗蝕劑掩模8作為掩模通過RIE形成互連溝槽9。
此后，如圖10所示，用排放的O2氣體除去抗蝕劑掩模8，通過RIE處理過孔7底部的SiCN:H膜3，完成了用于埋置互連的溝槽。實(shí)際上，通過濺射形成阻擋金屬層和Cu籽晶層，通過電鍍Cu埋置在互連溝槽9和過孔7中，通過CMP(化學(xué)機(jī)械拋光)除去SiO2膜5上的Cu，以形成銅互連10(阻擋金屬和銅互連)。通過重復(fù)該工藝，形成了多級(jí)互連結(jié)構(gòu)，如圖11所示。
這些步驟與常規(guī)的步驟相同。在通過這些步驟形成的多級(jí)互連結(jié)構(gòu)中，在隨后的步驟特別是熱處理的影響下，半導(dǎo)體器件的性能變差，或者隨著時(shí)間的推移，互連最終斷裂。認(rèn)為是通過以上提到的三個(gè)步驟，在絕緣膜1和作為低介電常數(shù)絕緣膜的SiCO:H膜4的界面上、互連溝槽9的側(cè)面和底面上、以及過孔7的側(cè)面上形成了損傷層11造成了所述故障，如圖12所示(1)通過等離子體CVD淀積5到100nm的SiO2膜的步驟(圖4)，(2)用排放的O2氣體除去抗蝕劑掩模6(圖6)的步驟，以及(3)用排放的O2氣體除去抗蝕劑掩模8(圖10)的步驟，通過在步驟(1)到(3)中排放氧來氧化低介電常數(shù)絕緣膜的表面。由于低介電常數(shù)絕緣膜含有甲基，發(fā)生了下面的反應(yīng)
其中≡Si-CH3是含在SiCO膜中的甲基。
由于形成的≡Si-OH基作為所謂的水吸附位置吸收水(H2O)，特別是在金屬互連附近的那部分低介電常數(shù)絕緣膜形成吸水損傷層。特別是在隨后的高溫?zé)崽幚聿襟E中，金屬互連被水氧化并存在斷裂。現(xiàn)已常規(guī)地嘗試通過改進(jìn)形成工藝抑制形成吸水損傷層，但是沒有解決該問題。
當(dāng)通過以上步驟形成圖11所示的多級(jí)互連結(jié)構(gòu)時(shí)，類似于常規(guī)的結(jié)構(gòu)，圖12所示的損傷層11形成在金屬互連附近的低介電常數(shù)絕緣膜上。在該狀態(tài)中，由于含在損傷層11中的水造成了互連失效。本實(shí)施例通過下面的步驟防止了互連失效。
圖13到15示出了根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造方法中形成互連故障防止結(jié)構(gòu)各步驟的部分剖視圖。在圖13到15中，與圖1到11中相同的參考數(shù)字表示相同的部分?，F(xiàn)在參考圖13到15介紹形成互連故障防止結(jié)構(gòu)的各步驟。
如圖13所示，形成使用低介電常數(shù)絕緣膜具有預(yù)定數(shù)量層的多級(jí)結(jié)構(gòu)，形成作為終止膜的SiCN:H膜3作為最頂層。如圖14所示，形成溝槽結(jié)構(gòu)或孔結(jié)構(gòu)12以延伸穿過各互連層。通過在最頂部的SiCN:H膜3上構(gòu)圖掩模(未示出)并使用掩模通過干蝕刻形成溝槽或孔形成溝槽結(jié)構(gòu)或孔結(jié)構(gòu)12。形成之后，通過O2灰化除去掩模?？梢栽诎雽?dǎo)體器件中的任意位置形成溝槽結(jié)構(gòu)或孔結(jié)構(gòu)12，只要溝槽結(jié)構(gòu)或孔結(jié)構(gòu)12延伸穿過互連層，并具有不影響互連的形狀。例如，也可以沿單個(gè)半導(dǎo)體器件的邊緣環(huán)形地形成溝槽結(jié)構(gòu)或孔結(jié)構(gòu)12。
之后，使用退火裝置在常壓下氮?dú)夥罩性?50℃下熱處理(退火)多級(jí)互連結(jié)構(gòu)20分鐘。借助延伸穿過互連層的溝槽結(jié)構(gòu)或孔結(jié)構(gòu)12，該熱處理有效地吸收了含在下層的膜1和膜4中的水。熱處理不限于250℃，但是也可以在100℃(包含)到400℃(包含)的范圍內(nèi)進(jìn)行。在100℃或更高，水會(huì)蒸發(fā)，400℃或更低的溫度不會(huì)使互連層劣化。
熱處理之后，如圖15所示，使用常壓CVD裝置形成SiO2薄膜，以在溝槽結(jié)構(gòu)或孔結(jié)構(gòu)12中埋置SiO2膜13。填充之后，再次通過CMP平面化最頂層的表面。該工藝有效地除去了含在損傷層中的水。
通過進(jìn)行為可靠性技術(shù)領(lǐng)域中一種方法的加速試驗(yàn)可以驗(yàn)證降低以上方法制備的半導(dǎo)體器件的故障發(fā)生率的效果。在225℃常壓氮?dú)夥罩屑訜嵊沙Ｒ?guī)方法制備的半導(dǎo)體器件和由根據(jù)本實(shí)施例的方法制備的半導(dǎo)體器件，使用互連電阻升高的程度作為標(biāo)準(zhǔn)測量互連的斷裂故障發(fā)生頻率。由根據(jù)本實(shí)施例的方法制備的半導(dǎo)體器件顯示出即使500小時(shí)之后僅0.1％的故障率，而由常規(guī)的方法制備的半導(dǎo)體器件顯示出了52％的故障率。該結(jié)果證明本發(fā)明的方法比常規(guī)的方法有效得多。
應(yīng)該注意本實(shí)施例采用了以下結(jié)構(gòu)在每層中銅互連埋置在具有低介電常數(shù)絕緣膜和SiO2膜的雙層結(jié)構(gòu)的層間介質(zhì)膜中，但是本發(fā)明不限于該結(jié)構(gòu)。通過使用單層或三層或更多層的層間介質(zhì)膜也可以得到相同的效果。
本實(shí)施例使用了SiCN:H膜作為蝕刻終止膜，但是本發(fā)明不限于該膜。通過抑制了Cu擴(kuò)散的絕緣膜(例如，SiC:H膜、SiCO:H膜、SiN膜或SiN:H膜)也可以得到相同的效果。
本實(shí)施例采用了SiCO:H膜作為低介電常數(shù)絕緣膜，但是本發(fā)明不限于該膜。通過具有的相對介電常數(shù)低于SiO2膜的相對介電常數(shù)3.9的低介電常數(shù)絕緣膜也可以得到相同的效果。和熱處理一樣，本實(shí)施例在250℃下進(jìn)行退火20分鐘，但是本發(fā)明不限于該溫度和時(shí)間。在100℃或更高的溫度可以得到相同的效果。
本實(shí)施例通過常壓CVD形成了SiO2膜作為埋置結(jié)構(gòu)以埋置SiO2，但是本發(fā)明不限于該方法。通過如等離子體CVD、低壓CVD、汽相淀積或涂覆的其它膜形成方法也可以獲得相同的效果。氣氛氣體不限于氮?dú)?，可以在其它的惰性氣體氣氛(例如，稀釋氣體)或真空氣氛中進(jìn)行退火。
本實(shí)施例使用了SiO2絕緣體作為埋置在溝槽或孔中的材料，但是本發(fā)明不限于此。通過埋置通過濺射、CVD、鍍覆等如鎢或銅的金屬、埋置如硅的半導(dǎo)體、或者埋置SiOC膜也可以得到相同的效果。
如上所述，根據(jù)本實(shí)施例，使用低介電常數(shù)絕緣膜和埋置的銅互連，在互連結(jié)構(gòu)中形成單層的互連層或兩層或多層的多級(jí)互連層。形成溝槽或孔以延伸穿過各互連層，對所得結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱處理以從形成在互連層中的損傷層中吸收水，由此除去了含在互連層的低介電常數(shù)絕緣膜中的水，以減少互連故障。而且，通過用埋置材料填充延伸穿過互連層的溝槽或孔，特別是當(dāng)形成兩層或多層層間介質(zhì)膜時(shí)，增強(qiáng)了具有不同成分的層間介質(zhì)膜之間界面處的粘結(jié)性。這對于在隨后的步驟中，特別是切割或類似步驟中防止界面處剝離非常有效。
本發(fā)明的實(shí)施例可以提供減少互連故障的半導(dǎo)體器件以及制造該半導(dǎo)體器件的方法。
額外的優(yōu)點(diǎn)和修改對于本領(lǐng)域中的技術(shù)人員來說是很容易的。因此，廣義的本發(fā)明不限于這里示出和介紹的具體細(xì)節(jié)和代表性實(shí)施例。因此，可以不脫離附帶的權(quán)利要求書及其等效物限定的總的本發(fā)明的概念的精神或范圍進(jìn)行多種修改。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件的制造方法，特征在于包括形成至少一個(gè)互連層，具有低介電常數(shù)絕緣膜(1)和埋置在低介電常數(shù)絕緣膜(1)中的互連(2)；形成在互連層中延伸的溝槽或孔(12)；對具有溝槽或孔(12)的互連層進(jìn)行熱處理；以及在溝槽或孔(12)中埋置材料(13)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，特征在于互連層具有至少兩個(gè)不同成分的絕緣膜(1，3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，特征在于低介電常數(shù)絕緣膜(1)含有至少Si和O。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，特征在于低介電常數(shù)絕緣膜(1)還含有至少C和H。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，特征在于互連層具有通過疊置終止膜(3)、低介電常數(shù)絕緣膜(1)以及帽蓋膜(5)得到的結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，特征在于低介電常數(shù)絕緣膜(1)含有至少Si和O。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，特征在于低介電常數(shù)絕緣膜(1)還含有至少C和H。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，特征在于終止膜(3)含有至少Si和N。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，特征在于終止膜(3)還含有至少C和H。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，特征在于帽蓋膜(5)包括SiO2膜。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，特征在于通過形成低介電常數(shù)絕緣膜(1)、在低介電常數(shù)絕緣膜(1)中形成互連溝槽以及在互連溝槽中埋置互連(2)形成了互連層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，特征在于通過在低介電常數(shù)絕緣膜(1)上形成掩模圖形、使用掩模圖形作為掩模干蝕刻低介電常數(shù)絕緣膜(1)以及干蝕刻之后通過灰化除去掩模圖形形成互連溝槽。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，特征在于在不低于100℃和不高于400℃的溫度下進(jìn)行熱處理。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，特征在于在惰性氣體氣氛或真空氣氛中進(jìn)行熱處理。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，特征在于埋置材料(13)包括絕緣體。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，特征在于絕緣體包括SiO2。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，特征在于埋置材料(13)包括金屬。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，特征在于埋置材料(13)包括半導(dǎo)體。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，特征在于溝槽(12)沿半導(dǎo)體器件的邊緣形成。
20.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，特征在于形成溝槽或孔(12)延伸穿過多個(gè)互連層，每層具有低介電常數(shù)絕緣膜(1)和互連(2)。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方案，提供一種半導(dǎo)體器件的制造方法，包括形成至少一個(gè)互連層，具有低介電常數(shù)絕緣膜(1)和埋置在低介電常數(shù)絕緣膜(1)中的互連(2)；形成在互連層中延伸的溝槽或孔(12)；對具有溝槽或孔(12)的互連層進(jìn)行熱處理；以及在溝槽或孔(12)中埋置材料(13)。
文檔編號(hào)H01L21/316GK1612318SQ200410088459
公開日2005年5月4日 申請日期2004年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月31日
發(fā)明者宮島秀史 申請人:株式會(huì)社東芝