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)明涉及一種具有互連半導(dǎo)體器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
常規(guī)半導(dǎo)體器件使用互連，該互連是通過在絕緣間隔層中形成互連形成凹槽、并通過用諸如銅(Cu)層的金屬層填充互連形成凹槽來構(gòu)造的(例如，參見日本未決專利公開No.2001-176965)。
圖11是常規(guī)的半導(dǎo)體器件的示例性構(gòu)造的截面結(jié)構(gòu)視圖。
如圖11中所示，半導(dǎo)體器件具有形成在半導(dǎo)體襯底100上的半導(dǎo)體元件，諸如晶體管、電阻器、電容器等，所有這些都未示出，并且在其上形成用于終止蝕刻的停止絕緣層102，在其間放置絕緣層。
在停止絕緣層102上，依此順序形成具有比硅氧化物層的介電常數(shù)小的介電常數(shù)的低k層104、和用作硬掩模層106的硅氧化物層，其中低k層104和硬掩模層106共同形成絕緣間隔層108，絕緣間隔層108中形成互連并用作使其中形成互連形成凹槽的絕緣層。
在絕緣間隔層108中形成的互連形成凹槽的底部和側(cè)壁上，形成用作阻擋金屬層122的鉭(Ta)層，并且用Cu層124填充互連形成凹槽。阻擋金屬層122和Cu層124共同形成互連126。圖11示出了兩互連126的截面。
在絕緣層108上，以此順序形成金屬擴(kuò)散阻擋層110和硅氧化物層(SiO2層)112。金屬擴(kuò)散阻擋層110和硅氧化物層112共同形成絕緣間隔層114，在絕緣間隔層114中形成通孔，使其中形成通孔栓塞。
在形成于絕緣間隔層114中的通孔的底部和側(cè)壁上形成阻擋金屬層128，并在通孔中填充Cu層130。阻擋金屬層128和Cu層130共同形成通孔栓塞132。圖11示出了兩個通孔栓塞132的截面。通孔栓塞132中的每一個連接兩個互連126中的每一個。
下面簡要介紹制造上述常規(guī)半導(dǎo)體器件的方法。
在半導(dǎo)體襯底100上形成半導(dǎo)體元件(未示出)，隨后以此順序形成作為絕緣底層的停止絕緣層102和絕緣間隔層108。利用光刻和蝕刻工藝，在絕緣間隔層108中形成預(yù)定圖案的互連形成凹槽。然后形成阻擋金屬層122和籽晶層，并利用電鍍法在互連形成凹槽中填充Cu層124。隨后退火Cu以便結(jié)晶。此后，為了除去Cu的不必要部分，通過CMP(化學(xué)機(jī)械拋光)拋光Cu層124和阻擋金屬層122，直到露出硬掩模層106的上表面，以由此形成互連126。接著，形成絕緣間隔層114。然后，類似于形成互連126的方法，在絕緣間隔層114中形成通孔，在通孔中形成阻擋金屬層128，并在通孔中填充Cu層130，以由此形成通孔栓塞132。
在將來所希望的半導(dǎo)體器件的微型化和互連之間的距離隨之變窄方面的加速趨勢的情況下，由于施加有電場的互連之間的漏電流，甚至半導(dǎo)體器件的上述常規(guī)構(gòu)造可以導(dǎo)致TDDB(時間相關(guān)電介質(zhì)擊穿)故障。下面將說明原因。
在具有如圖11中所示連接的互連和通孔栓塞的構(gòu)造中，形成在互連126上的金屬擴(kuò)散阻擋層110具有最大的介電常數(shù)，使得電場變得更可能集中到互連的上部。此外，對于形成在絕緣間隔層108中的互連形成凹槽具有如圖11中所示的向上變寬的截面幾何形狀的情況來說，互連之間的距離在互連的上部處變得最短。在具有短于前面距離的距離的這種結(jié)構(gòu)中，當(dāng)施加電壓時，電場將更可能集中到互連的上部，并將引起TDDB故障。
還可以預(yù)測到絕緣層之間的界面易于作為銅擴(kuò)散的路徑，并且由此擴(kuò)散的銅可以引起互連之間的漏電流，該漏電流流經(jīng)硬掩模層106和金屬擴(kuò)散阻擋層110之間的界面，以及硬掩模106和低k層104之間的界面。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供有一種半導(dǎo)體器件，其包括絕緣間隔層；以及填充在形成在絕緣間隔層中的凹槽內(nèi)的互連，該互連包括主要由銅構(gòu)成的銅層，以及形成在銅層上的金屬層，銅層具有比凹槽的深度小的厚度，金屬層是具有比銅層的熱膨脹系數(shù)小的熱膨脹系數(shù)的金屬層。
在本發(fā)明中，形成在銅層上的金屬層成功地抑制了銅層的伸展和收縮，并且還阻止了銅擴(kuò)散。因為銅層具有比絕緣間隔層的厚度小的厚度，所以銅層的上表面和絕緣間隔層的上表面存在不同的高度水平，這樣成功地阻止了在半導(dǎo)體器件工作期間銅通過絕緣間隔層的上表面從銅層表面擴(kuò)散。與常規(guī)技術(shù)相比，這有助于降低漏電流。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中，互連的厚度可以比凹槽的深度大。在本發(fā)明中，銅層的厚度比形成在絕緣間隔層中的凹槽的深度小，并且互連的厚度比該深度大，使得絕緣間隔層的上表面與金屬層相交。絕緣間隔層的上表面不再與銅層相交，這樣成功地降低了通過絕緣間隔層的上表面的互連之間的漏電流。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中，絕緣間隔層可以進(jìn)一步包括以此順序?qū)盈B的低介電常數(shù)層和絕緣層，低介電常數(shù)層具有比硅氧化物層的介電常數(shù)小的介電常數(shù)，絕緣層具有比低介電常數(shù)層的機(jī)械強度大的機(jī)械強度；以及銅層的厚度可以比低介電常數(shù)層的厚度小。
在本發(fā)明中，銅層的厚度比絕緣間隔層的低介電常數(shù)層的厚度小，使得具有機(jī)械強度的絕緣層和低介電常數(shù)層之間的邊界與金屬層相交。兩種這些層的邊界不再與銅層相交，這樣成功地降低了通過具有機(jī)械強度的絕緣層和低介電常數(shù)層之間的界面的互連之間的漏電流。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中，絕緣間隔層可以是具有比硅氧化物層的介電常數(shù)小的介電常數(shù)的單層。在本發(fā)明中，如果構(gòu)造絕緣層為低介電常數(shù)層的單層，那么使其中形成互連的絕緣間隔層將不具有與互連相交的絕緣層的界面，并且這使得能夠阻止通過界面銅擴(kuò)散和起因于擴(kuò)散的漏電流。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中，金屬層可以具有4.4×10-6/K至16×10-6/K的熱膨脹系數(shù)。在本發(fā)明中，調(diào)整為4.4×10-6/K至16×10-6/K的熱膨脹系數(shù)使得能夠確?；ミB之間擊穿電壓的理想水平。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中，金屬層可以包括鎢、鉬、錸、鉭、鎳和鈷中至少任一種。
根據(jù)本發(fā)明，還提供有一種制造具有互連的半導(dǎo)體器件的方法，互連由主要由銅組成的銅層構(gòu)成并形成在半導(dǎo)體襯底上，該方法包括在半導(dǎo)體襯底上形成允許在其中形成互連的絕緣間隔層；
在絕緣間隔層中形成凹槽；用銅層填充凹槽；從上表面除去銅層到預(yù)定深度；以及在凹槽內(nèi)的銅層上淀積金屬層，以由此形成所述互連，該金屬層是具有比銅層的熱膨脹系數(shù)小的熱膨脹系數(shù)的金屬層。
在本發(fā)明中，金屬層能阻止阻擋金屬層在制造工藝期間由于銅層的伸展和收縮引起的裂縫，并由此能阻止銅離子通過裂縫漂移進(jìn)入絕緣層。
在本發(fā)明中，銅層的上表面和絕緣間隔層的上表面存在不同的高度水平，當(dāng)在半導(dǎo)體器件工作下在互連之間施加電壓時，這樣成功地阻止Cu離子通過絕緣間隔層的上表面從Cu層的上表面擴(kuò)散。這樣由此能夠降低互連之間的漏電流，并改善了TDDB特性。
金屬層具有比銅層的熱膨脹系數(shù)小的熱膨脹系數(shù)，使得金屬層在制造工藝期間顯示出銅層示出小的伸展性和收縮性。這樣成功地阻止了由于銅層的伸張和收縮引起的阻擋金屬層裂縫，并成功地阻止了銅離子通過裂縫漂移進(jìn)入絕緣層。


通過結(jié)合附圖的下列描述，本發(fā)明的上述和其它目的、優(yōu)點和特征將更加清楚，其中圖1是示出了本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的示例性結(jié)構(gòu)的截面結(jié)構(gòu)視圖；圖2是示出了熱膨脹系數(shù)和擊穿電壓之間的關(guān)系的圖；圖3是示出在第一實施例的結(jié)構(gòu)中互連之間的漏電流的圖；圖4A至4C是示出了制造本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的方法的截面結(jié)構(gòu)視圖；圖5A至5C是示出了制造本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的方法的截面結(jié)構(gòu)視圖；圖6是示出了第二實施例的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)的截面結(jié)構(gòu)視圖；圖7是示出了在第二實施例的結(jié)構(gòu)中互連之間的漏電流的圖；圖8是示出了第三實施例的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)的截面結(jié)構(gòu)視圖；圖9是示出了在第三實施例的結(jié)構(gòu)中互連之間的漏電流的圖；圖10是示出了第二實施例、第三實施例和常規(guī)例的實驗結(jié)果的圖；以及圖11是示出了常規(guī)半導(dǎo)體器件的示例性結(jié)構(gòu)的截面結(jié)構(gòu)視圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在，將在此處參考示例性實施例來說明本發(fā)明。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到，利用本發(fā)明的講解可以實現(xiàn)許多可替換實施例，并且本發(fā)明不局限于用于解釋目的所說明的實施例。
本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的特征在于，形成在絕緣間隔層中的互連包括以此順序?qū)盈B的銅層和具有比銅的熱膨脹系數(shù)小的熱膨脹系數(shù)的金屬層。
第一實施例下列段落將說明第一實施例的半導(dǎo)體器件。
圖1是示出了本實施例的半導(dǎo)體器件的示例性結(jié)構(gòu)的截面結(jié)構(gòu)視圖。要指出，覆蓋半導(dǎo)體襯底直到正好在停止絕緣層102下面的層的結(jié)構(gòu)與常規(guī)結(jié)構(gòu)相同，并省略說明。
類似于常規(guī)結(jié)構(gòu)中所示出的，半導(dǎo)體器件具有位于停止絕緣層102上、由低k層104和硬掩模層106構(gòu)成的絕緣間隔層108。在本實施例中，阻擋金屬層122形成在互連形成凹槽的底部和側(cè)壁上，該互連形成凹槽形成在絕緣間隔層108中，并以此順序在凹槽中層疊Cu層124和低膨脹金屬層140(作為金屬層)，低膨脹金屬層140是具有比Cu的熱膨脹系數(shù)小的熱膨脹系數(shù)的金屬層。這樣使Cu層124的上表面和絕緣間隔層108的上表面的高度水平產(chǎn)生差別。在Cu層124上形成低膨脹金屬層140成功地阻止了從Cu層的上表面的Cu擴(kuò)散。
在本實施例中，圖1中所示的低膨脹金屬層140的厚度h設(shè)定為大于硬掩模層106的厚度。這樣的目的是為了阻止互連之間的電流變得更可能通過硬掩模層106和低k層104之間的界面在互連160的Cu層124的上表面上流動。為了防止互連的電阻變得過大，低膨脹金屬層140的厚度調(diào)整到形成在互連形成凹槽中的互連160的總厚度的1/3或更小。
下面段落將介紹用于低膨脹金屬層140的材料的熱膨脹系數(shù)。圖1中所示的半導(dǎo)體器件的樣品，利用用于低膨脹金屬層140的具有各種熱膨脹系數(shù)的金屬來制造，并通過在各樣品的互連之間施加電壓進(jìn)行擊穿電壓的測量，擊穿電壓是與TDDB電阻密切相關(guān)的參數(shù)。
圖2是示出了熱膨脹系數(shù)和擊穿電壓之間的關(guān)系的圖?？v坐標(biāo)是用于擊穿電壓的標(biāo)度，而橫坐標(biāo)是用于熱膨脹系數(shù)的標(biāo)度?？v坐標(biāo)的單位以電壓來表示，而標(biāo)度用任意間距(a.u.任意單位)來表示。熱膨脹系數(shù)的值是在500K的絕對溫度下所得到的值。
如圖2中所示，擊穿電壓隨熱膨脹系數(shù)從大約4×10-6/K增加而增加，并在8×10-6/K至16×10-6/K的熱膨脹系數(shù)處達(dá)到最大值。構(gòu)成低膨脹金屬層140并能夠使擊穿電壓最大化的材料是具有與用于阻擋金屬層的Ta基合金的熱膨脹系數(shù)相似的熱膨脹系數(shù)的金屬。
從10×10-6/K至20×10-6/K的熱膨脹系數(shù)的進(jìn)一步變化導(dǎo)致?lián)舸╇妷航档?。?0×10-6/K至16×10-6/K的熱膨脹系數(shù)的范圍內(nèi)，擊穿電壓逐漸降低。然而，在16×10-6/K至20×10-6/K的熱膨脹系數(shù)的范圍內(nèi)，擊穿電壓急劇降低。
如圖2中所示，低膨脹金屬層140的熱膨脹系數(shù)優(yōu)選為16×10-6/K或更低。這是因為在制造工藝期間，等于或大于Cu的熱膨脹系數(shù)(熱膨脹系數(shù)＝18×10-6/K)、并形成在Cu層124上的金屬層的熱膨脹系數(shù)導(dǎo)致形成在Cu層124上的金屬層的熱膨脹，由此在阻擋金屬層122中產(chǎn)生裂縫，并且Cu離子易于通過裂縫漂移進(jìn)入絕緣層。
低膨脹金屬層140的熱膨脹系數(shù)優(yōu)選為4.4×10-6/K或以上。這是因為已證實，當(dāng)?shù)团蛎浗饘賹?40由鎢(熱膨脹系數(shù)＝4.4×10-6/K)構(gòu)成時，其顯示出對TDDB故障的良好抑制效果。
從圖2中所示的圖中發(fā)現(xiàn)，在從4.4×10-6/K至16×10-6/K范圍內(nèi)調(diào)整低膨脹金屬層140的熱膨脹系數(shù)成功確保了互連之間的擊穿電壓的理想水平，其中特別優(yōu)選從8×10-6/K至16×10-6/K范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)。
除上述鎢以外，構(gòu)成低膨脹金屬層140的材料的例子包括鉬(熱膨脹系數(shù)＝5×10-6/K)、錸(熱膨脹系數(shù)＝6.6×10-6/K)、鉭(熱膨脹系數(shù)＝8×10-6/K)、鎳(熱膨脹系數(shù)＝15×10-6/K)和鈷(熱膨脹系數(shù)＝16×10-6/K)。低膨脹金屬層140還可以是含有上面中所列出的至少一種金屬的合金層。合金層能以CoWP層(熱膨脹系數(shù)＝10×10-6/K至13×10-6/K)來舉例。低膨脹金屬層具有比Cu的熱膨脹系數(shù)小的熱膨脹系數(shù)，而因此不易于在制造工藝期間如Cu那樣伸展或收縮，并能由此抑制Cu層124的伸展或收縮。
應(yīng)該理解的是類似于常規(guī)例子中那樣來構(gòu)造本實施例中互連160上的通孔栓塞132和絕緣間隔層114，但也允許用Cu層和低膨脹金屬層的疊層結(jié)構(gòu)來構(gòu)造通孔栓塞132，類似于互連160的結(jié)構(gòu)。
下面段落將介紹關(guān)于本實施例的半導(dǎo)體器件的實驗結(jié)果。
在圖1中所示的結(jié)構(gòu)中的兩個互連之間施加電壓，并測量當(dāng)增加在其之間所施加的電壓時互連之間流動的電流的變化。還可以對常規(guī)的結(jié)構(gòu)作出相似的測量來用于比較。
圖3是示出了實驗結(jié)果的圖。縱坐標(biāo)是用于互連之間的漏電流的標(biāo)度，而橫坐標(biāo)是用于在互連之間所施加的電壓的標(biāo)度。橫坐標(biāo)的單位以電壓來表示，而標(biāo)度用任意間距(a.u.)來表示。對于本實施例的結(jié)構(gòu)所得到的結(jié)果用空白三角形標(biāo)記來標(biāo)出，而對于常規(guī)結(jié)構(gòu)所得到的那些結(jié)果用空白圓形標(biāo)記來標(biāo)出。
如從圖3中顯而易見的，在常規(guī)例中測得漏電流為10-10A時的電壓導(dǎo)致在本實施例中僅為10-12A或以下那樣小的漏電流，其不高于檢測極限。還發(fā)現(xiàn)，在常規(guī)例中引起10-10A至10-5A的漏電流的電壓的范圍內(nèi)，本實施例顯示出小于常規(guī)例兩個數(shù)量級以下的漏電流。因此，從圖3中所示的圖中了解到，本實施例的半導(dǎo)體器件成功減少了互連之間的漏電流，低于常規(guī)例大約兩個數(shù)量級。這由此導(dǎo)致TDDB特性的改善。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)優(yōu)選應(yīng)用于形成在絕緣間隔層中的互連之間的距離縮小到窄得足以引起互連之間漏電流的問題的小于0.2μm的情況中。
因為本實施例中Cu層124的上表面和絕緣間隔層108的上表面存在上文中所述的不同高度水平，所以甚至在半導(dǎo)體器件的工作期間在互連之間施加電壓的情況下，也能夠阻止Cu離子通過絕緣間隔層的上表面從Cu層的上表面擴(kuò)散，并與常規(guī)例相比能夠降低互連之間的漏電流。這樣成功抑制了TDDB故障。換句話說，改善了互連的TDDB特性。
低膨脹金屬層140具有比Cu的熱膨脹系數(shù)小的熱膨脹系數(shù)，使得在制造工藝期間低膨脹金屬層140顯示出比銅層小的伸展或收縮，并能夠抑制可能對絕緣間隔層114的下表面造成的損壞。
用于低膨脹金屬層140的具有比Cu的電阻率大的電阻率的材料、諸如鈷或鎢的利用，還能夠緩和在互連之間的上部處的電場的集中，這是由于互連的上部的大電阻率。
下面段落將介紹制造如此構(gòu)造的半導(dǎo)體器件的方法。
圖4A至4C和圖5A至5C是示出了制造本實施例的半導(dǎo)體器件的方法的截面結(jié)構(gòu)視圖。要指出，從半導(dǎo)體襯底到正好在停止絕緣層102下面的層的制造工藝與常規(guī)方法中的制造工藝相同，并省略說明。
在30至70nm厚的停止絕緣層102上，形成絕緣間隔層108，絕緣間隔層108包括200至300nm厚的低k層104和10至50nm厚的硬掩模層106。接著，根據(jù)光刻工藝，抗蝕劑層150形成在絕緣間隔層108上，并隨后受到曝光和顯影，以由此在其上形成用于形成互連形成凹槽的圖案。然后通過抗蝕劑層150蝕刻絕緣間隔層108，選擇性地露出其上表面的部分，由此形成互連形成凹槽155(圖4A)。
然后，除去抗蝕劑層150，并在互連形成凹槽155的側(cè)壁和底部上以及在硬掩模106上以此順序形成阻擋金屬層122和籽晶層(未示出)，然后通過電鍍形成Cu層124，以便填充互連形成凹槽155(圖4B)。此后，進(jìn)行Cu結(jié)晶退火。
如圖4C中所示，通過CMP拋光Cu層124和阻擋金屬層122，直到暴露出硬掩模層106的上表面。此處在低k層104上形成具有比低k層104的機(jī)械強度大的機(jī)械強度的硬掩模層106，使得硬掩模層106能夠降低可能引入低k層104的CMP引發(fā)的損壞。
通過把Cu層124浸入到酸性清洗/蝕刻溶液中的濕法蝕刻，進(jìn)一步除去Cu層124到距離其表面的預(yù)定深度(圖5A)。在該工藝中，通過濕法蝕刻使Cu層124的層厚度的減少量h被調(diào)整為圖4A中所示的互連形成凹槽155的深度的1/3或更小、并大于硬掩模層106的厚度。設(shè)定大于硬掩模層106的厚度的層厚度的減少量h使互連形成凹槽155中Cu層124的厚度小于低k層104的厚度。
然后，如圖5B中所示，通過浸入在化學(xué)電鍍?nèi)芤褐?，在互連形成凹槽中的Cu層124上淀積鎢作為低膨脹金屬層140，由此完成互連160。此處還允許采用選擇性CVD(化學(xué)氣相淀積)工藝來形成低膨脹金屬層140。
此后，形成絕緣間隔層114，絕緣間隔層114包括硅氧化物層112和30至70nm厚的金屬擴(kuò)散阻擋層110，通過類似于常規(guī)工藝中的光刻工藝和蝕刻工藝形成通孔，并在通孔中形成通孔栓塞132，通孔栓塞132包括阻擋金屬層128和Cu層130(圖5C)。
在本實施例的制造方法中，低膨脹金屬層140成功地阻止了在制造工藝期間Cu層124伸展和收縮，并從而防止了在阻擋金屬層122中產(chǎn)生裂縫，并因此阻止Cu離子通過裂縫漂移進(jìn)入絕緣層。
本實施例已說明了單金屬鑲嵌工藝，在單金屬鑲嵌工藝中分別形成了通孔栓塞132和形成在通孔栓塞132上的互連(未示出)，但還可以采用雙金屬鑲嵌工藝。
第二實施例本實施例涉及形成低膨脹金屬層到硬掩模層的上表面之上的高度水平的情況。
將說明本實施例的半導(dǎo)體器件。
圖6是示出了本實施例的半導(dǎo)體器件的示例性結(jié)構(gòu)的截面結(jié)構(gòu)視圖。要指出，將用相同的參考標(biāo)記給出與第一實施例中的那些結(jié)構(gòu)相同的任何結(jié)構(gòu)，為此省略說明。
構(gòu)造本實施例的半導(dǎo)體器件中的互連162，以便在Cu層124上形成低膨脹金屬層142(作為金屬層)直到比硬掩模層106的上表面高的高度水平。低膨脹金屬層142局部阻擋了絕緣間隔層108和絕緣間隔層114之間的邊界?？紤]防止互連的電阻變得太大，優(yōu)選調(diào)整低膨脹金屬層142的厚度到互連162的總厚度的1/3或更小。此處要指出，與第一實施例中所示的相似，絕緣間隔層108具有含以此順序?qū)盈B的低k層104和硬掩模層106的結(jié)構(gòu)。
本實施例的制造半導(dǎo)體器件的方法，除形成低膨脹金屬層142比第一實施例中的低膨脹金屬層厚以外，與第一實施例中所示的相同，所以此處將不詳細(xì)說明。
在本實施例中，低膨脹金屬層142的上表面和硬掩模層106的上表面在不同高度水平，并且低膨脹金屬層142局部阻擋了絕緣間隔層108和絕緣間隔層114之間的邊界，這樣成功地降低了通過在互連之間的兩個這些絕緣間隔層之間的界面的漏電流，并改善了互連的TDDB特性。
下面段落將說明關(guān)于本實施例的半導(dǎo)體器件的實驗結(jié)果。
與在第一實施例中所描述的相同，在圖6所示的結(jié)構(gòu)中的兩個互連之間施加電壓，并測量互連之間的電流變化。
圖7是示出了實驗結(jié)果的圖。縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)等同于圖3中的縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)。本實施例的結(jié)果用填充的三角形標(biāo)記來標(biāo)出，并且對應(yīng)于常規(guī)例的那些結(jié)果用空白圓形標(biāo)記來標(biāo)出。
如圖7中顯而易見的，在常規(guī)例中直到漏電流測量為10-10A的電壓導(dǎo)致在本實施例中僅為10-12A或以下那樣小的漏電流。還發(fā)現(xiàn)，在常規(guī)例中引起10-10A至10-5A的漏電流的電壓的范圍內(nèi)，本實施例顯示出低于常規(guī)例兩個數(shù)量級那樣小的漏電流。因此，從圖7中所示的圖中了解到，本實施例的半導(dǎo)體器件成功減少了互連之間的漏電流，低于常規(guī)例大約兩個數(shù)量級。這由此導(dǎo)致TDDB特性的改善。
第三實施例本實施例涉及在第二實施例中所示在絕緣間隔層上形成的硬掩模層被省略的情況。
下面段落將說明本實施例的半導(dǎo)體器件。
圖8是示出了本實施例的半導(dǎo)體器件的示例性結(jié)構(gòu)的截面結(jié)構(gòu)視圖。要指出，將用相同的參考標(biāo)記給出與第二實施例中的那些結(jié)構(gòu)相同的任何結(jié)構(gòu)，為此省略詳細(xì)說明。
由低k層構(gòu)造本實施例的絕緣間隔層109。在低k層上形成絕緣間隔層114而沒有放在硬掩模下。與第二實施例中所描述的相似，在互連形成凹槽中形成阻擋金屬層122、Cu層124和低膨脹金屬層142，由此形成互連162。形成低膨脹金屬層142，以便具有比絕緣間隔層109的上表面高的其上表面的高度水平。考慮到防止互連的電阻變得太大，優(yōu)選調(diào)整低膨脹金屬層142的厚度到互連160的總厚度的1/3或更小。
本實施例的制造半導(dǎo)體器件的方法，除形成低膨脹金屬層142比第一實施例中的低膨脹金屬層厚、并且取代形成硬掩模層而形成低k層到大的厚度以外，與第一實施例中所述的相同，所以將不給出為此的說明。
本實施例不僅成功地取得了與第二實施例中相同的效果，還由于沒有絕緣間隔層中的硬掩模層，而成功地降低了通過在硬掩模層和低k層之間的界面的互連之間的漏電流，并因此成功地進(jìn)一步改善了TDDB特性。
下面段落將說明本實施例的實驗結(jié)果。
與在第一實施例中所描述的相同，在圖8所示的結(jié)構(gòu)中的兩個互連之間施加電壓，并測量互連之間的電流的變化。
圖9是實驗結(jié)果的示圖?？v坐標(biāo)和橫坐標(biāo)等同于圖3中的縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)。本實施例的結(jié)果用填充的圓形標(biāo)記來標(biāo)出，并且對應(yīng)于常規(guī)例的那些結(jié)果用空白圓形標(biāo)記來標(biāo)出。
如圖9中顯而易見的，在引起常規(guī)例中10-10A的漏電流的電壓處，本實施例顯示出比常規(guī)例小大約1.5數(shù)量級以下的漏電流。在引起常規(guī)例中10-9A的漏電流的電壓處，本實施例顯示出比常規(guī)例小大約2.5數(shù)量級以下的漏電流。還在引起常規(guī)例中10-6A的漏電流的電壓處，本實施例顯示出比常規(guī)例小大約4數(shù)量級以下的漏電流。
如從上文中所知道的，常規(guī)例和本實施例之間的漏電流之間的差異隨電壓增加而增長得更大。從圖9中所示的圖中了解到，本實施例的半導(dǎo)體器件成功減少了互連之間的漏電流，低于常規(guī)例大約1.5至4數(shù)量級。這由此導(dǎo)致TDDB特性的改善。
圖10是比較地示出第二實施例、第三實施例和常規(guī)例中漏電流的圖?？v坐標(biāo)和橫坐標(biāo)等同于圖3中的縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)。第二實施例的結(jié)果用填充的三角形標(biāo)記來標(biāo)出，對應(yīng)第三實施例的那些結(jié)果用填充的圓形標(biāo)記來標(biāo)出，并且對應(yīng)于常規(guī)例的那些結(jié)果用空白圓形標(biāo)記來標(biāo)出。
如圖10中所觀察到的，在引起常規(guī)例中10-7A的漏電流的電壓處，第二實施例顯示出比常規(guī)例小大約2.5數(shù)量級以下的漏電流，以及第三實施例顯示出比第二實施例還小大約1個數(shù)量級以下的漏電流。從圖10所示的圖中明顯看出，與第二實施例相比，第三實施例能進(jìn)一步減少漏電流。因此證實，在絕緣間隔層中沒有硬掩模層成功地降低了互連之間的漏電流，并進(jìn)一步改善了TDDB特性。
還允許在第一實施例中不使用硬掩模層106。并且這種結(jié)構(gòu)成功地降低了易于通過在硬掩模層106和低k層104之間的界面在互連之間流動的漏電流，并成功地改善了TDDB特性。
而且，第一實施例和第二實施例，硬掩模層106不局限于硅氧化物層，而可以為SiC層。
此外，第一實施例、第二實施例和第三實施例，它們?nèi)繉u層124來說主要由Cu構(gòu)成就足夠了，并不限于純Cu，而可以含有其他元素。
還允許使用低k層取代硅氧化物層112作為絕緣間隔層114。
很明顯本發(fā)明不局限于上述實施例，在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下可以修改和改變。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括絕緣間隔層；以及填充在形成在絕緣間隔層中的凹槽內(nèi)的互連，該互連包括主要由銅構(gòu)成的銅層，以及形成在所述銅層上的金屬層，銅層具有比所述凹槽的深度小的厚度，金屬層是具有比所述銅層的熱膨脹系數(shù)小的熱膨脹系數(shù)的金屬層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述互連的厚度比所述凹槽的深度大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的半導(dǎo)體器件，其中所述絕緣間隔層進(jìn)一步包括以此順序?qū)盈B的低介電常數(shù)層和絕緣層，低介電常數(shù)層具有比硅氧化物層的介電常數(shù)小的介電常數(shù)，絕緣層具有比所述低介電常數(shù)層的機(jī)械強度大的機(jī)械強度；所述銅層的厚度比所述低介電常數(shù)層的厚度小。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的半導(dǎo)體器件，其中所述絕緣間隔層是具有比硅氧化物層的介電常數(shù)小的介電常數(shù)的單層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4的任何一個的半導(dǎo)體器件，其中所述金屬層具有4.4×10-6/K至16×10-6/K的熱膨脹系數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的半導(dǎo)體器件，其中所述金屬層包括鎢、鉬、錸、鉭、鎳和鈷中至少任一種。
7.一種制造具有互連的半導(dǎo)體器件的方法，該互連由主要由銅組成的銅層構(gòu)成并形成在半導(dǎo)體襯底上，該方法包括在所述半導(dǎo)體襯底上形成允許在其中形成所述互連的絕緣間隔層；在所述絕緣間隔層中形成凹槽；用所述銅層填充所述凹槽；從上表面除去所述銅層到預(yù)定深度；以及在所述凹槽內(nèi)的所述銅層上淀積金屬層，以由此形成所述互連，該金屬層是具有比所述銅層的熱膨脹系數(shù)小的熱膨脹系數(shù)的金屬層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有互連的半導(dǎo)體器件，降低了互連之間的漏電流并改善了TDDB特性，其包括絕緣間隔層(108)和填充在形成在絕緣間隔層中的凹槽內(nèi)的互連(160)，互連(160)包括銅層(124)和形成在銅層上的低膨脹金屬層(140)，銅層(124)主要由銅構(gòu)成并具有比凹槽的深度小的厚度，低膨脹金屬層(140)是具有比銅層的熱膨脹系數(shù)小的熱膨脹系數(shù)的金屬層。
文檔編號H01L21/44GK1667812SQ20051005281
公開日2005年9月14日 申請日期2005年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月27日
發(fā)明者黑川哲也, 有田幸司 申請人:恩益禧電子股份有限公司