專利名稱：半導(dǎo)體裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具備由銅等構(gòu)成的金屬布線和低介電常數(shù)的層間絕緣膜的半導(dǎo)體裝置及其制造方法。
背景技術(shù)：
近年來，布線圖案隨著半導(dǎo)體集成電路的高集成化而高密度化，在布線之間產(chǎn)生的寄生電容越來越大。由于布線之間的寄生電容一增大就產(chǎn)生信號(hào)的延遲，因此在需要進(jìn)行高速動(dòng)作的半導(dǎo)體集成電路中布線之間的寄生電容的低減正成為重要的課題。現(xiàn)在，采取降低布線之間及層間的絕緣膜的相對(duì)介電常數(shù)的方法，以降低布線之間的寄生電容。
以往，對(duì)布線之間的絕緣膜大多使用了氧化硅(SiO2)膜(相對(duì)介電常數(shù)為3.9～4.2)。并且，在一部分半導(dǎo)體集成電路中，正在使用含氟(F)的SiO2膜(相對(duì)介電常數(shù)為3.5～3.8)作為與以往的SiO2膜相比可降低相對(duì)介電常數(shù)的布線間的絕緣膜。而且，現(xiàn)在，為了更進(jìn)一步地降低布線之間的電寄生電容，提出了使用相對(duì)介電常數(shù)小于等于3的由含碳氧化硅(SiOC)膜構(gòu)成的低介電常數(shù)膜作為布線之間的絕緣膜的半導(dǎo)體裝置。
圖8為示出了以往的將SiOC膜用作布線之間的絕緣膜的半導(dǎo)體裝置中的布線結(jié)構(gòu)。在由硅構(gòu)成的襯底(圖中沒有示出)上形成的由SiO2膜構(gòu)成的第1絕緣膜1中，形成有由阻擋金屬2a和導(dǎo)電膜2b構(gòu)成的第1金屬布線2，其中，所述阻擋金屬2a由氮化鉭(TaN)構(gòu)成，所述導(dǎo)電膜2b由銅(Cu)構(gòu)成。在第1絕緣膜1上形成有覆蓋第1金屬布線2的由含碳及氮的氧化硅(SiOCN)構(gòu)成，作為金屬擴(kuò)散防止膜作用的第2絕緣膜3。在第2絕緣膜3上形成有低介電常數(shù)的由SiOC構(gòu)成的第3絕緣膜4。而且，在第3絕緣膜4上形成有由SiO2構(gòu)成的第4絕緣膜5。這里，在第3絕緣膜4及第4絕緣膜5中形成有由阻擋金屬6a和導(dǎo)電膜6b構(gòu)成的第2金屬布線6，其中，所述阻擋金屬6a由氮化鉭(TaN)構(gòu)成，所述導(dǎo)電膜6b由銅(Cu)構(gòu)成。并且，在第2絕緣膜3及第3絕緣膜4中形成有連接第1金屬布線2和第2金屬布線6的金屬引線柱塞(via)7。
其次，對(duì)以往的將含碳Si氧化膜作為布線之間的絕緣膜的半導(dǎo)體裝置的制造方法加以說明。圖9以工序順序示出了以往的半導(dǎo)體裝置的制造方法的各工序中的剖面狀態(tài)。
首先，如圖9(a)所示，在襯底(圖中沒有示出)上形成的由SiO2構(gòu)成的第1絕緣膜1中，利用光刻法形成金屬布線溝圖案。然后，利用干刻法選擇性地將絕緣膜蝕刻，形成布線溝。接著，在沉積埋入布線溝的由氮化鉭(TaN)構(gòu)成的阻擋金屬2a及由銅(Cu)構(gòu)成的導(dǎo)電膜2b之后，利用化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)法除去多余的銅(Cu)，形成第1金屬布線2。
其次，如圖9(b)所示，在第1絕緣膜1上沉積50nm的覆蓋第1金屬布線2的由SiOCN構(gòu)成的第2絕緣膜3。接著，在第2絕緣膜3上沉積500nm的由SiOC構(gòu)成的低介電常數(shù)的第3絕緣膜4，而且利用等離子體CVD法沉積50nm的由SiO2構(gòu)成的第4絕緣膜5。
其次，如圖9(c)所示，利用光刻在第4絕緣膜5上形成孔(hole)圖案之后，利用干刻法選擇性地將第2絕緣膜3、第3絕緣膜4及第4絕緣膜5蝕刻，形成使第1金屬布線2露出的通孔(through hole)7a。
其次，如圖9(d)所示，在第4絕緣膜5上形成掩模之后，利用干刻法選擇性地將第3絕緣膜4及第4絕緣膜5蝕刻，形成所希望的布線溝。接著，在布線溝及通孔7a的壁面及底面沉積阻擋金屬6a及導(dǎo)電膜6b之后，利用CMP法除去多余的銅，形成第2金屬布線6及引線柱塞7。
如上所述，在由SiOC構(gòu)成的第3絕緣膜4上形成有由SiO2構(gòu)成的第4絕緣膜5。這是為了防止由于由SiOC構(gòu)成的第3絕緣膜4的機(jī)械強(qiáng)度較弱，因此在CMP工序中受到物理性破壞的現(xiàn)象。并且，由于若在第3絕緣膜4上直接形成抗蝕圖案的話，則因?qū)⒖刮g圖案除去的退火處理而使低介電常數(shù)膜變質(zhì)，相反產(chǎn)生介電常數(shù)增大的問題之故。
但是，產(chǎn)生下述新問題由于SiOC膜與SiO2膜的粘附性較弱，因此因半導(dǎo)體裝置的制造工序中所施加的機(jī)械應(yīng)力(例如，CMP處理中)而使SiOC膜與SiO2膜在界面中脫離。
針對(duì)SiOC膜與SiO2膜在界面中脫離的問題，改變SiOC膜表面的性質(zhì)，提高與SiO2的界面的粘附性的方法眾所周知(例如，參照專利文獻(xiàn)1)。
專利文獻(xiàn)1特開2004-253790號(hào)公報(bào)但是，SiOC膜的脫離不僅發(fā)生在與SiO2膜的界面中，還發(fā)生在與金屬擴(kuò)散防止膜的界面中。由于SiOC膜和金屬擴(kuò)散防止膜的界面中的脫離在晶片切割時(shí)和封裝后發(fā)生的情況較多，因此成為更大的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是解決上述以往問題的發(fā)明，目的在于在具有被低介電常數(shù)膜覆蓋的金屬布線的半導(dǎo)體裝置中，能夠提高防止來自金屬布線的擴(kuò)散的金屬擴(kuò)散防止膜和低介電常數(shù)膜的界面中的粘附性，實(shí)現(xiàn)低介電常數(shù)膜和金屬擴(kuò)散防止膜難以脫離且可靠性高的半導(dǎo)體裝置及其制造方法。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置由金屬擴(kuò)散防止膜的最上層與下層相比，氧原子百分率的值較高的膜構(gòu)成。
具體地說，本發(fā)明所涉及的半導(dǎo)體裝置的特征在于，以如下半導(dǎo)體裝置為對(duì)象，包括第1絕緣膜，形成在襯底上的具有第1溝部；第2絕緣膜，形成在第1絕緣膜上；第3絕緣膜，形成在第2絕緣膜上的相對(duì)介電常數(shù)小于等于3；以及第1布線，形成在第1溝部。第2絕緣膜由含硅、氧、碳及氮的化合物構(gòu)成，且第2絕緣膜上面的氧對(duì)于硅的組成比，與第2絕緣膜底面的氧對(duì)于硅的組成比相比，高5％或5％以上。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置，由于第2絕緣膜上面的氧對(duì)于硅的組成比，與第2絕緣膜底面的氧對(duì)于硅的組成比相比，高5％或5％以上，因此第2絕緣膜和第3絕緣膜之間的粘附性較高，能夠?qū)崿F(xiàn)在制造半導(dǎo)體裝置時(shí)及實(shí)際使用時(shí)第2絕緣膜和第3絕緣膜不會(huì)發(fā)生脫離，可靠性較高的半導(dǎo)體裝置。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置中，還包括第4絕緣膜，形成在第1絕緣膜和第2絕緣膜之間，由含硅、氧、碳及氮的化合物構(gòu)成。第2絕緣膜由氧原子百分率的值高于氮原子百分率的值的化合物構(gòu)成。第4絕緣膜由氧原子百分率的值低于氮原子百分率的值的化合物構(gòu)成。通過采取這種理想的結(jié)構(gòu)，能夠在保持金屬擴(kuò)散的防止功能的同時(shí)，確實(shí)地提高第2絕緣膜和第3絕緣膜之間的粘附性。并且，能夠防止在形成布線溝時(shí)產(chǎn)生不良的現(xiàn)象。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置中，最好第3絕緣膜由含碳氧化硅(SiOC)構(gòu)成。
本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置最好還包括第2布線，由填充設(shè)置在第3絕緣膜中的第2溝部的導(dǎo)電性材料構(gòu)成。此時(shí)，最好還包括柱塞，至少貫穿第2絕緣膜及第3絕緣膜形成且將第1布線和第2布線電連接。通過采用這種結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)沒有布線延遲且不發(fā)生第2絕緣膜和第3絕緣膜的脫離，可靠性較高的半導(dǎo)體裝置。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置中，最好還包括在第3絕緣膜上保護(hù)第3絕緣膜的第5絕緣膜。通過采用這種結(jié)構(gòu)，能夠防止第3絕緣膜受到物理破壞的現(xiàn)象，同時(shí)，確實(shí)地防止第3絕緣膜的介電常數(shù)上升的現(xiàn)象。
本發(fā)明所涉及的半導(dǎo)體裝置的制造方法的特征在于，包括工序(a)，通過在襯底上形成第1絕緣膜后，在該第1絕緣膜中形成第1溝部，向該第1溝部填充導(dǎo)電性材料，來形成第1布線；工序(b)，在第1絕緣膜上形成覆蓋第1布線，由含硅、氧、碳及氮的化合物構(gòu)成的第2絕緣膜；工序(c)，在第2絕緣膜上面，形成與該第2絕緣膜的底面相比，氧對(duì)于硅的組成比高5％或5％以上的表面層；以及工序(d)，在第2絕緣膜上形成相對(duì)介電常數(shù)小于等于3的第3絕緣膜。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法，由于包括在第2絕緣膜上面，形成氧對(duì)于硅的組成比，與第2絕緣膜底面的氧對(duì)于硅的組成比相比，高5％或5％以上的表面層的工序，因此提高了第2絕緣膜和第3絕緣膜之間的粘附性，能夠防止第2絕緣膜和第3絕緣膜脫離的現(xiàn)象，能夠制造可靠性較高的半導(dǎo)體裝置。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法中，最好第3絕緣膜由含碳氧化硅(SiOC)構(gòu)成。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法中，最好工序(c)為將第2絕緣膜的上面暴露在氦的單體氣體或含氦的混合氣體的等離子體中的工序。通過采用這樣的結(jié)構(gòu)，能夠在第2絕緣膜的上面確實(shí)地形成與第2絕緣膜底面的氧對(duì)于硅的組成比相比，高5％或5％以上的表面層。此時(shí)，最好等離子體為含氧及二氧化碳的至少一方的混合氣體的等離子體。通過采用這樣的結(jié)構(gòu)，能夠確實(shí)地提高第2絕緣膜上面的氧的組成比。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法中，其特征在于，最好工序(c)為在第2絕緣膜的上面沉積氧對(duì)于硅的組成比與該第2絕緣膜的底面相比，高5％或5％以上的表面層的工序。即使是這樣的結(jié)構(gòu)，也能夠確實(shí)地形成表面層。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法中，最好工序(c)為使用與在工序(b)中形成第2絕緣膜時(shí)所用的室(chamber)一樣的室，在不將第2絕緣膜暴露在大氣中的情況下連續(xù)處理的工序。通過采用這樣的結(jié)構(gòu)，能夠不對(duì)第2絕緣膜帶來破壞，改變第2絕緣膜的表面性質(zhì)。
本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法，在工序(b)之前，最好還包括工序(e)，在第1絕緣膜上形成由含硅、氧、碳及氮的化合物構(gòu)成的第4絕緣膜。第2絕緣膜由氧原子百分率的值高于氮原子百分率的值的化合物構(gòu)成。第4絕緣膜由氧原子百分率的值低于氮原子百分率的值的化合物構(gòu)成。通過采用這樣的結(jié)構(gòu)，能夠防止布線溝形成不良的現(xiàn)象。此時(shí)，最好工序(e)和工序(b)在同一真空室內(nèi)連續(xù)進(jìn)行。
本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法，在工序(d)之后，最好還包括工序(f)，通過在第3絕緣膜形成第2溝部，向該第2溝部填充導(dǎo)電性材料，來形成第2布線。并且，此時(shí)，最好工序(f)包括通過在第3絕緣膜的第2溝部的形成區(qū)域中所含的位置上形成使第1布線露出的引線孔，向引線孔填充導(dǎo)電性材料來形成使第1布線和第2布線電連接的柱塞的工序。通過采用這樣的結(jié)構(gòu)，能夠在低介電常數(shù)的第3絕緣膜中確實(shí)地形成金屬布線。
(發(fā)明的效果)本發(fā)明在具有被低介電常數(shù)膜覆蓋的金屬布線的半導(dǎo)體裝置中，能夠提高防止來自金屬布線的擴(kuò)散的金屬擴(kuò)散防止膜和低介電常數(shù)膜的界面中的粘附性，實(shí)現(xiàn)低介電常數(shù)膜和金屬擴(kuò)散防止膜難以脫離且可靠性高的半導(dǎo)體裝置及其制造方法。
附圖的簡單說明

圖1為示出了本發(fā)明的一實(shí)施例所涉及的半導(dǎo)體裝置的布線部分的剖面圖。
圖2為以工序順序示出了本發(fā)明的一實(shí)施例所涉及的半導(dǎo)體裝置的制造方法的剖面圖。
圖3為示出了本發(fā)明的一實(shí)施例所涉及的半導(dǎo)體裝置的制造方法中的等離子體照射時(shí)間和膜表面的氧組成比的關(guān)系的坐標(biāo)圖。
圖4為示出了本發(fā)明的一實(shí)施例所涉及的半導(dǎo)體裝置的制造方法中的等離子體照射時(shí)間和粘附強(qiáng)度比例的關(guān)系的坐標(biāo)圖。
圖5為示出了本發(fā)明的一實(shí)施例的其它例子所涉及的半導(dǎo)體裝置的制造方法中的等離子體照射時(shí)間和膜表面的氧組成比的關(guān)系的坐標(biāo)圖。
圖6為示出了本發(fā)明的一變形例所涉及的半導(dǎo)體裝置的布線部分的剖面圖。
圖7為以工序順序示出了本發(fā)明的一變形例所涉及的半導(dǎo)體裝置的制造方法的剖面圖。
圖8為示出了以往例所涉及的半導(dǎo)體裝置的布線部分的剖面圖。
圖9為以工序順序示出了以往例所涉及的半導(dǎo)體裝置的制造方法的剖面圖。
(符號(hào)的說明)21-第1絕緣膜；22-第1金屬布線；22a-阻擋金屬；22b-導(dǎo)電膜；23A-第2絕緣膜；23B-第3絕緣膜；23a-表面層；24-第4絕緣膜；25-第5絕緣膜；26-第2金屬布線；26a-阻擋金屬；26b-導(dǎo)電膜；31-第1絕緣膜；32-第1金屬布線；32a-阻擋金屬；32b-導(dǎo)電膜；33-第2絕緣膜；33a-表面層；34-第3絕緣膜；35-第4絕緣膜；36-第2金屬布線；36a-阻擋金屬；36b-導(dǎo)電膜。
具體實(shí)施例方式
(一實(shí)施例)參照附圖對(duì)本發(fā)明的一實(shí)施例所涉及的半導(dǎo)體裝置加以說明。圖1示出了本實(shí)施例所涉及的半導(dǎo)體裝置的布線部分的剖面結(jié)構(gòu)。如圖1所示，在由硅構(gòu)成的襯底(圖中沒有示出)上形成的由氧化硅(SiO2)膜構(gòu)成的第1絕緣膜21中，形成有由阻擋金屬22a和導(dǎo)電膜22b構(gòu)成的第1金屬布線22，其中，所述阻擋金屬22a由氮化鉭(TaN)構(gòu)成，所述導(dǎo)電膜22b由銅(Cu)構(gòu)成。在第1絕緣膜21上依次形成有覆蓋第1金屬布線22的由含碳及氮的氧化硅(SiOCN)構(gòu)成，作為金屬擴(kuò)散防止膜作用的第2絕緣膜23A及第3絕緣膜23B。
第2絕緣膜23A為由膜中的氧原子(O)的原子百分率的值低于氮原子(N)的原子百分率的值的SiOCN構(gòu)成的膜，第3絕緣膜23B為由膜中的氧原子(O)的原子百分率的值高于氮原子(N)的原子百分率的值的SiOCN構(gòu)成的膜。在本實(shí)施例中，利用X射線光電子分光分析(XPS)法求得的各原子的原子百分率的值，在第2絕緣膜23A中為Si＝41、O＝1、C＝36、N＝22，在第3絕緣膜23B中為Si＝38，O＝25，C＝36，N＝1。
并且，在第3絕緣膜23B的上面形成有用氧(O)原子百分率的值除以硅(Si)原子百分率的值的值即氧(O)對(duì)于硅(Si)的組成比，比第3絕緣膜23B的內(nèi)部(25/38＝0.66)高5％或5％以上的表面層23a。
在第3絕緣膜23B上依次形成有相對(duì)介電常數(shù)小于等于3的由含碳氧化硅(SiOC)構(gòu)成的第4絕緣膜24、和由SiO2構(gòu)成的第5絕緣膜25。另外，為了提高第4絕緣膜24和第5絕緣膜25之間的粘附性，也可以在第4絕緣膜24和第5絕緣膜25的界面設(shè)置膜厚極薄，氧(O)的存在比例較高的SiOC層。
在設(shè)置在第4絕緣膜24和第5絕緣膜25中的溝部，形成有由阻擋金屬26a和導(dǎo)電膜26b構(gòu)成的第2金屬布線26，所述阻擋金屬26a由氮化鉭(TaN)構(gòu)成，所述導(dǎo)電膜26b由銅(Cu)構(gòu)成，第1金屬布線22和第2金屬布線26通過貫穿第2絕緣膜23A、第3絕緣膜23B及第4絕緣膜24的引線柱塞27電連接。
其次，對(duì)本實(shí)施例所涉及的半導(dǎo)體裝置的制造方法加以說明。圖2以工序順序示出了本實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置的布線部分的各制造工序中的剖面狀態(tài)。
首先，如圖2(a)所示，在襯底(圖中沒有示出)上形成由SiO2構(gòu)成的第1絕緣膜21后，在第1絕緣膜21上涂敷抗蝕劑，利用光刻法形成布線溝圖案。其次，以該圖案為掩模通過干刻形成布線溝后，利用退火將抗蝕劑除去，在第1絕緣膜21中形成布線溝。接著，利用濺射法在布線溝中形成由TaN構(gòu)成的阻擋金屬22a，利用電鍍法埋入由銅(Cu)構(gòu)成的導(dǎo)電膜22b。然后，利用化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)法除去從布線溝露出的多余的阻擋金屬22a及導(dǎo)電膜22b，形成由阻擋金屬22a和導(dǎo)電膜22b構(gòu)成的第1金屬布線22。
其次，如圖2(b)所示，利用化學(xué)汽相沉積法(CVD)在第1絕緣膜21上依次形成覆蓋第1金屬布線22的由SiOCN構(gòu)成的第2絕緣膜23A及第3絕緣膜23B。首先最初，在使用了至少含N的氣體的等離子體環(huán)境中形成N原子百分率的值高于O原子百分率的值的第2絕緣膜23A。接著，在使用了至少含O的氣體的等離子體環(huán)境中形成O原子百分率的值高于N原子百分率的值的第3絕緣膜23B。并且，將第3絕緣膜23B的表面暴露在使用了氦(He)的單體氣體的等離子體環(huán)境中。這樣一來，第3絕緣膜23B的表面性質(zhì)被改變，形成O對(duì)于Si的組成比高于第3絕緣膜23B的內(nèi)部的表面層23a。
在本實(shí)施例中，疊層有N原子百分率的值高于O原子百分率的值的第2絕緣膜23A、和O原子百分率的值高于N原子百分率的值的第3絕緣膜23B。當(dāng)將含Si-O-CH3結(jié)合及Si-CH3結(jié)合的C含有Si氧化膜用于形成在第2絕緣膜下的第1絕緣膜時(shí)，若第1絕緣膜因等離子體而受到損傷的話，則C含有Si氧化膜中的Si-O-CH3結(jié)合及Si-CH3結(jié)合被破壞，形成OH-及CH3-等堿。由于這樣的堿在光刻工序中通過通孔向抗蝕劑中擴(kuò)散，因此抗蝕劑中的堿濃度上升。這樣一來，會(huì)成為在利用丙烯系化學(xué)放大型抗蝕劑形成溝圖案時(shí)產(chǎn)生顯像不良，使第1金屬布線和第2金屬布線不能正常連接的問題的原因。如本實(shí)施例所示，通過在第2絕緣膜23A上疊層O比N的濃度較高的第3絕緣膜23B，由于能夠防止堿的擴(kuò)散，因此能夠防止布線溝圖案的形成不良。
在改變第3絕緣膜23B的表面性質(zhì)，形成表面層23a后，利用CVD法在第3絕緣膜23B上形成相對(duì)介電常數(shù)小于等于3的由SiOC構(gòu)成的第4絕緣膜24。接著，利用同樣的CVD法在第4絕緣膜24上形成由Si氧化膜構(gòu)成的第5絕緣膜25。另外，通過將第4絕緣膜24的表面暴露在例如使用了含O的氣體的等離子體環(huán)境中后，沉積第5絕緣膜25，能夠提高第4絕緣膜24和第5絕緣膜25之間的粘附性。
其次，如圖2(c)所示，對(duì)第5絕緣膜25的表面涂敷抗蝕劑，利用光刻法形成引線孔圖案。然后，以該圖案作為掩模進(jìn)行干刻及退火，形成貫穿第2絕緣膜23A、第3絕緣膜23B、第4絕緣膜24及第5絕緣膜25的引線孔27a。
其次，如圖2(d)所示，再次對(duì)第5絕緣膜25的表面涂敷抗蝕劑，利用光刻法形成布線溝圖案。然后，以該圖案作為掩模進(jìn)行干刻及退火，在第4絕緣膜24及第5絕緣膜25中形成布線溝。其次，利用濺射法在布線溝中形成由TaN構(gòu)成的阻擋金屬26a后，利用電鍍法形成由Cu構(gòu)成的導(dǎo)電膜26b。接著，利用化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)法除去從布線溝露出的多余的阻擋金屬26a及導(dǎo)電膜26b，形成由阻擋金屬26a及導(dǎo)電膜26b構(gòu)成的第2金屬布線26及引線柱塞27。
以下，對(duì)第3絕緣膜23B的表面層23a中的O對(duì)于Si的組成比對(duì)第3絕緣膜23B和第4絕緣膜24的粘附性所造成的影響加以說明。
圖1所示的結(jié)構(gòu)中的第3絕緣膜23B和第4絕緣膜24的界面的具體形成步驟如下。首先，利用CVD法依次沉積N原子百分率的值高于O原子百分率的值的第2絕緣膜23A、和O原子百分率的值高于N原子百分率的值的第3絕緣膜23B。接著，通過用1500sccm的流量向沉積第2絕緣膜23A及第3絕緣膜23B時(shí)所用的室一樣的真空室內(nèi)提供氦(He)氣體，使室內(nèi)的壓力為500Pa，溫度為350℃，施加300W的RF功率，來將第3絕緣膜23B暴露在等離子體中。這樣一來，第3絕緣膜23B的表面性質(zhì)被改變，在第3絕緣膜23B上形成O對(duì)于Si的組成比與第3絕緣膜23B的內(nèi)部相比高5％或5％以上的表面層23a。
圖3示出了等離子體照射時(shí)間和表面層23a中的O組成比的關(guān)系。這里，O組成比使用以下述方法求出的值。在對(duì)第3絕緣膜23B照射所規(guī)定的時(shí)間的等離子體后，利用XPS法測(cè)定在第3絕緣膜23B的表層形成的表面層23a的Si、O、C及N的原子百分率的值。通過用所得到的O原子百分率的值除以Si原子百分率的值求出了O對(duì)于Si的組成比。另外，在圖3中橫軸示出了等離子體照射時(shí)間，縱軸示出了用表面層23a中的O組成比除以第3絕緣膜23B的內(nèi)部中的O組成比所得到的值。
如圖3所示，隨著等離子體照射時(shí)間變長，第3絕緣膜23B的表面性質(zhì)被改變，表面層23a中的O組成比變高。
圖4示出了等離子體照射時(shí)間、與第3絕緣膜23B和第4絕緣膜24的界面中的粘附強(qiáng)度的關(guān)系。在圖4中橫軸示出了等離子體照射時(shí)間，縱軸示出了粘附強(qiáng)度比例。這里，將利用mELT法(modified Edge Lift offtest)所測(cè)定得到的結(jié)果用為粘附強(qiáng)度比例。如圖4所示，在照射數(shù)秒等離子體后，粘附強(qiáng)度急劇上升。并且，在最初照射10秒等離子體后，即使再照射20秒、30秒等離子體，粘附強(qiáng)度比例也保持為1.55左右，沒有大的變化。
對(duì)圖3及圖4所示的結(jié)果加以總結(jié)的話，得知在第3絕緣膜23B的表面性質(zhì)改變后的表面層23a中的O組成比變高后，與第4絕緣膜24的粘附性上升。并且，當(dāng)照射了10秒左右的時(shí)間的等離子體而使粘附強(qiáng)度比例成為固定不變時(shí)，表面層23a對(duì)于第3絕緣膜23B內(nèi)部的O組成比的增加率為1.05左右。因此，得知若第3絕緣膜23B中的O組成比增加5％或5％以上的話，則表面性質(zhì)被改變的表面層23a能夠發(fā)揮與第4絕緣膜24的充分粘附性。
其次，為了證實(shí)該效果，對(duì)實(shí)際的膜中的脫離的發(fā)生進(jìn)行了調(diào)查。表1示出了等離子體照射時(shí)間和膜的脫離的關(guān)系。另外，此時(shí)脫離的有無，是在圖2(d)所示的研磨不要的阻擋金屬26a、和導(dǎo)電膜26b，形成第2金屬布線26的CMP工序不久之后觀察的。
表1


如表1所示，雖然在等離子體照射時(shí)間為0時(shí)，發(fā)生了脫離現(xiàn)象，但在進(jìn)行了3秒或3秒以上的照射時(shí)沒有發(fā)生膜的脫離，能夠證實(shí)使用本發(fā)明，由于能夠提高第3絕緣膜23B和第4絕緣膜24之間的粘附性，防止半導(dǎo)體裝置的制造工序中的不良發(fā)生，因此能夠?qū)崿F(xiàn)可靠性較高的半導(dǎo)體裝置。
另外，在本實(shí)施例中，雖然為了改變第3絕緣膜23B的表面，形成O組成比高的表面層23a，在氦(He)單體氣體的等離子體環(huán)境中進(jìn)行了處理，但是使用將其暴露在含O2和CO2等O的氣體與氦(He)混合的混合氣體的等離子體環(huán)境中的方法，也能夠獲得同樣的效果。
以下，對(duì)表面層23a的O對(duì)于Si的組成比的標(biāo)準(zhǔn)加以說明。如上所述，表面層23a中的O組成比與第3絕緣膜23B的內(nèi)部的O組成比相比高5％或5％以上。此時(shí)，將第3絕緣膜23B與第2絕緣膜23A接觸的底面中的O對(duì)于Si的組成比用為第3絕緣膜23B的內(nèi)部的O對(duì)于Si的組成比。
并且，在難以測(cè)定底面的組成比時(shí)，也可以是第3絕緣膜23B中的各原子存在比例的深度方向的分布成為固定不變的區(qū)域中的O對(duì)于Si的組成比。例如，當(dāng)利用CVD法沉積厚度為60nm的第3絕緣膜23B后，再進(jìn)行等離子體照射時(shí)，與等離子體照射時(shí)間相對(duì)應(yīng)，從第3絕緣膜23B上面開始的10nm～50nm左右的區(qū)域性質(zhì)被改變，成為表面層23a。因此，在比此深的區(qū)域中O對(duì)于Si的組成比固定不變，可以使此區(qū)域中的O對(duì)于Si的組成比為第3絕緣膜23B的內(nèi)部的組成比。
在本實(shí)施例中，構(gòu)成為在沉積了N原子百分率的值高于O原子百分率的值的第2絕緣膜23A、和O原子百分率的值高于N原子百分率的值的第3絕緣膜23B后，第3絕緣膜23B的表面性質(zhì)改變，形成表面層23a。也可以對(duì)第2絕緣膜23A使用幾乎不含O的SiCN膜，對(duì)第3絕緣膜23B使用幾乎不含N的SiOC膜。
并且，也可以代替將第3絕緣膜23B的表面暴露在等離子體中，通過在形成第3絕緣膜23B后，再利用CVD法在第3絕緣膜23B上沉積O對(duì)于Si的組成比與第3絕緣膜23B相比高5％或5％以上的薄膜來形成表面層23a。
并且，雖然將SiO2用在了第1絕緣膜21中，將SiOC用在了第4絕緣膜24中，但是哪一個(gè)都可作為層間絕緣膜發(fā)揮作用，也可以都用SiOC形成第1絕緣膜21及第4絕緣膜24。并且，也可以用多孔膜等其它低介電常數(shù)膜。
其次，對(duì)將第3絕緣膜23B成膜后，不將第3絕緣膜23B暴露在大氣中而是接著在同一真空室內(nèi)進(jìn)行表面層23a的形成的效果加以說明。
圖5示出了當(dāng)將第3絕緣膜23B成膜的襯底從真空室取出，放在常溫、常壓的環(huán)境中，然后再放回到真空室內(nèi)進(jìn)行等離子體照射時(shí)的等離子體照射時(shí)間和O對(duì)于Si的組成比的關(guān)系。另外，等離子體照射條件及O組成比的測(cè)定方法，與圖3所示的連續(xù)地進(jìn)行了等離子體照射時(shí)一樣。在圖5中橫軸示出了等離子體照射時(shí)間，縱軸示出了用表面層23a中的O組成比除以第3絕緣膜23B內(nèi)部的O組成比的值。
如圖5所示，等離子體照射時(shí)間越長，O組成比越是上升。但是，可知若與圖3進(jìn)行比較的話，則O對(duì)于Si的組成比的上升較慢。也就是說，將第3絕緣膜大氣開放時(shí)，與沒有大氣開放時(shí)相比，必須在氦(He)等離子體環(huán)境中長時(shí)間進(jìn)行等離子體處理。能夠認(rèn)為這是由于在將第3絕緣膜23B成膜后，從真空室取出，進(jìn)行大氣開放后，大氣中的水分和氣體附著在第3絕緣膜23B的表面，因此在再次導(dǎo)入真空室內(nèi)，進(jìn)行等離子體處理時(shí)的初期階段中，要進(jìn)行吸附的水分和氣體的除去，因而提高第3絕緣膜表面的O組成比所需的時(shí)間變長。
由于將絕緣膜長時(shí)間暴露在等離子體環(huán)境中會(huì)成為等離子體破壞增加和相對(duì)介電常數(shù)上升等膜變質(zhì)的原因，不受歡迎，因此最好在形成第3絕緣膜23B后，在不使室大氣開放的情況下連續(xù)地進(jìn)行表面層23a的形成。
(一變形例)參照附圖對(duì)本發(fā)明的一變形例所涉及的半導(dǎo)體裝置加以說明。圖6示出了本變形例所涉及的半導(dǎo)體裝置的布線部分的剖面結(jié)構(gòu)。如圖6所示，在由硅構(gòu)成的襯底(圖中沒有示出)上形成的由氧化硅(SiO2)構(gòu)成的第1絕緣膜31中，形成有由阻擋金屬32a和導(dǎo)電膜32b構(gòu)成的第1金屬布線32，其中，所述阻擋金屬32a由氮化鉭(TaN)構(gòu)成，所述導(dǎo)電膜32b由銅(Cu)構(gòu)成。在第1絕緣膜31上形成有覆蓋第1金屬布線32的由含碳及氮的氧化硅(SiOCN)構(gòu)成，作為金屬擴(kuò)散防止膜作用的第2絕緣膜33。
在第2絕緣膜33的上面形成有用氧(O)原子百分率的值除以硅(Si)原子百分率的值的值即氧(O)對(duì)于硅(Si)的組成比，與第2絕緣膜33的內(nèi)部相比高5％或5％以上的表面層33a。
在第2絕緣膜33上依次形成有相對(duì)介電常數(shù)小于等于3的由含碳氧化硅(SiOC)構(gòu)成的第3絕緣膜34、和由SiO2構(gòu)成的第4絕緣膜35。另外，為了提高第3絕緣膜34和第4絕緣膜35之間的粘附性，也可以在第3絕緣膜34和第4絕緣膜35的界面設(shè)置極薄的氧(O)存在比例較高的SiOC層。
在第3絕緣膜34及第4絕緣膜35中，形成有由阻擋金屬36a和導(dǎo)電膜36b構(gòu)成的第2金屬布線36，所述阻擋金屬36a由氮化鉭(TaN)構(gòu)成，所述導(dǎo)電膜36b由銅(Cu)構(gòu)成，第1金屬布線32和第2金屬布線36通過貫穿第2絕緣膜33及第3絕緣膜34的引線柱塞37電連接。
其次，對(duì)本實(shí)施例所涉及的半導(dǎo)體裝置的制造方法加以說明。圖7以工序順序示出了本實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置的布線部分的各制造工序中的剖面狀態(tài)。
首先，如圖7(a)所示，在襯底(圖中沒有示出)上形成由SiO2構(gòu)成的第1絕緣膜31后，在第1絕緣膜31上涂敷抗蝕劑，利用光刻法形成布線溝圖案。其次，以該圖案為掩模通過干刻形成布線溝后，利用退火將抗蝕劑除去，在第1絕緣膜31中形成布線溝。接著，利用濺射法在布線溝中形成由TaN構(gòu)成的阻擋金屬32a，利用電鍍法埋入由銅(Cu)構(gòu)成的導(dǎo)電膜32b。然后，利用化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)法除去從布線溝露出的多余的阻擋金屬32a及導(dǎo)電膜32b，形成由阻擋金屬32a和導(dǎo)電膜32b構(gòu)成的第1金屬布線32。
其次，如圖7(b)所示，利用CVD(化學(xué)汽相沉積法)在第1絕緣膜31上形成覆蓋第1金屬布線32的由SiOCN構(gòu)成的第2絕緣膜33。在形成第2絕緣膜33后，將第2絕緣膜33的表面暴露在使用了氦(He)的單體氣體的等離子體環(huán)境中。這樣一來，第2絕緣膜33的表面性質(zhì)被改變，形成O對(duì)于Si的組成比高于第2絕緣膜33的內(nèi)部的表面層33a。
在改變第2絕緣膜33的表面性質(zhì)，形成表面層33a后，利用CVD法在第2絕緣膜33上形成相對(duì)介電常數(shù)小于等于3的由SiOC構(gòu)成的第3絕緣膜34。接著，利用同樣的CVD法在第3絕緣膜34上形成由Si氧化膜構(gòu)成的第4絕緣膜35。另外，通過將第3絕緣膜34的表面暴露在例如使用了含O的氣體的等離子體環(huán)境中后，沉積第4絕緣膜35，能夠提高第3絕緣膜34和第4絕緣膜35之間的粘附性。
其次，如圖7(c)所示，對(duì)第4絕緣膜35的表面涂敷抗蝕劑，利用光刻法形成引線孔圖案。然后，以該圖案作為掩模進(jìn)行干刻及退火，形成貫穿第2絕緣膜33、第3絕緣膜34及第4絕緣膜35的引線孔37a。
其次，如圖7(d)所示，再次對(duì)第4絕緣膜35的表面涂敷抗蝕劑，利用光刻法形成布線溝圖案。然后，以該圖案作為掩模進(jìn)行干刻及退火，在第3絕緣膜34及第4絕緣膜35中形成布線溝。其次，利用濺射法在布線溝中形成由TaN構(gòu)成的阻擋金屬36a后，利用電鍍法形成由Cu構(gòu)成的導(dǎo)電膜36b。接著，利用CMP法除去從布線溝露出的多余的阻擋金屬36a及導(dǎo)電膜36b，形成由阻擋金屬36a和導(dǎo)電膜36b構(gòu)成的第2金屬布線36及引線柱塞37。
(實(shí)用性)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置及其制造方法，由于能夠在具有被低介電常數(shù)膜覆蓋的金屬布線的半導(dǎo)體裝置中，提高防止來自金屬布線的擴(kuò)散的金屬擴(kuò)散防止膜和低介電常數(shù)膜的界面中的粘附性，實(shí)現(xiàn)低介電常數(shù)膜和金屬擴(kuò)散防止膜難以脫離且可靠性高的半導(dǎo)體裝置及其制造方法，因此作為具備了由銅等構(gòu)成的金屬布線和低介電常數(shù)的層間絕緣膜的半導(dǎo)體裝置及其制造方法等有用。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體裝置，其特征在于包括第1絕緣膜，形成在襯底上、具有第1溝部，第2絕緣膜，形成在上述第1絕緣膜上，第3絕緣膜，形成在上述第2絕緣膜上、相對(duì)介電常數(shù)小于等于3，以及第1布線，形成在上述第1溝部；上述第2絕緣膜由含硅、氧、碳及氮的化合物構(gòu)成，且上述第2絕緣膜上面的氧對(duì)于硅的組成比，與上述第2絕緣膜底面的氧對(duì)于硅的組成比相比，高5％或5％以上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于還包括第4絕緣膜，形成在上述第1絕緣膜和上述第2絕緣膜之間，由含硅、氧、碳及氮的化合物構(gòu)成；上述第2絕緣膜由氧原子百分率的值高于氮原子百分率的值的化合物構(gòu)成；上述第4絕緣膜由氧原子百分率的值低于氮原子百分率的值的化合物構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于上述第3絕緣膜由含碳氧化硅即SiOC構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1～3中的任意一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于還包括第2布線，由填充設(shè)置在上述第3絕緣膜中的第2溝部的導(dǎo)電性材料構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于還包括柱塞，至少貫穿上述第2絕緣膜及上述第3絕緣膜形成且將上述第1布線和上述第2布線電連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1～5中的任意一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于還包括第5絕緣膜，在上述第3絕緣膜上保護(hù)上述第3絕緣膜。
7.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于包括工序(a)，通過在襯底上形成第1絕緣膜后，在該第1絕緣膜中形成第1溝部，向該第1溝部填充導(dǎo)電性材料，來形成第1布線；工序(b)，在上述第1絕緣膜上形成覆蓋上述第1布線，由含硅、氧、碳及氮的化合物構(gòu)成的第2絕緣膜；工序(c)，在上述第2絕緣膜上面，形成與該第2絕緣膜的底面相比，氧對(duì)于硅的組成比高5％或5％以上的表面層；以及工序(d)，在上述第2絕緣膜上形成相對(duì)介電常數(shù)為3或3以下的第3絕緣膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于上述第3絕緣膜由含碳氧化硅即SiOC構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于上述工序(c)，為將上述第2絕緣膜的上面暴露在氦的單體氣體或含氦的混合氣體的等離子體中的工序。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于上述等離子體，為含氧及二氧化碳的至少一方的混合氣體的等離子體。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于上述工序(c)，為在上述第2絕緣膜的上面沉積氧對(duì)于硅的組成比與該第2絕緣膜的底面相比，高5％或5％以上的表面層的工序。
12.根據(jù)權(quán)利要求9～11中的任意一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于上述工序(c)，為使用與在上述工序(b)中形成上述第2絕緣膜時(shí)所用的室相同的室，不將上述第2絕緣膜暴露在大氣中而連續(xù)處理的工序。
13.根據(jù)權(quán)利要求7～11中的任意一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于在上述工序(b)之前，還包括工序(e)，在上述第1絕緣膜上形成由含硅、氧、碳及氮的化合物構(gòu)成的第4絕緣膜；上述第2絕緣膜由氧原子百分率的值高于氮原子百分率的值的化合物構(gòu)成；上述第4絕緣膜由氧原子百分率的值低于氮原子百分率的值的化合物構(gòu)成。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于上述工序(e)和上述工序(b)在同一真空室內(nèi)連續(xù)進(jìn)行。
15.根據(jù)權(quán)利要求7～11中的任意一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于在上述工序(d)之后，還包括工序(f)，通過在上述第3絕緣膜的上部形成第2溝部，向該第2溝部填充導(dǎo)電性材料，來形成第2布線。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于上述工序(f)，包括在上述第3絕緣膜的上述第2溝部的形成區(qū)域中所含的位置上形成使上述第1布線露出的引線孔，通過向上述引線孔填充導(dǎo)電性材料來形成使上述第1布線和上述第2布線電連接的柱塞的工序。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體裝置及其制造方法。目的在于在具有被低介電常數(shù)膜覆蓋的金屬布線的半導(dǎo)體裝置中，能夠提高防止來自金屬布線的擴(kuò)散的金屬擴(kuò)散防止膜、和低介電常數(shù)膜之間的界面的粘附性，實(shí)現(xiàn)低介電常數(shù)膜和金屬擴(kuò)散防止膜難以脫離的可靠性較高的半導(dǎo)體裝置。在襯底上依次形成有第1絕緣膜21、第2絕緣膜23A、第3絕緣膜23B、由SiOC構(gòu)成的第4絕緣膜24和第5絕緣膜25。第2絕緣膜23A為與氧相比氮原子百分率的值較高的SiOCN膜，第3絕緣膜23B為與氮相比氧原子百分率的值較高的SiOCN膜。在第3絕緣膜23B的上面，形成有氧對(duì)于硅的組成比與第3絕緣膜23B的底面相比，高5％或5％以上的表面層23a。
文檔編號(hào)H01L21/768GK1819181SQ20061000622
公開日2006年8月16日 申請(qǐng)日期2006年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月4日
發(fā)明者筒江誠, 后藤欣哉 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社, 株式會(huì)社瑞薩科技