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)明涉及半導(dǎo)體器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
在硅基板上對(duì)場效應(yīng)晶體管等元件進(jìn)行集成的LSI，正在通過微細(xì) 化，實(shí)現(xiàn)高速化和低耗電化。LSI的微細(xì)化是以微縮規(guī)則為基礎(chǔ)發(fā)展的， 所以布線也要實(shí)現(xiàn)高密度化、多層化、薄層化。因此對(duì)布線施加的應(yīng)力 和流過布線的電流密度增加，由電遷移引起的布線斷裂已構(gòu)成問題。以往作為LSI的布線材料采用鋁(Al),為了提高其電遷移耐性， 通常在鋁中添加銅、硅等雜質(zhì)或者用氮化鈦(TiN)、鈦(Ti)等高熔點(diǎn)金屬夾住鋁布線層的上下實(shí)現(xiàn)疊層化。但是因?yàn)橐来嬗阡X電阻率的信號(hào)傳輸延遲以及容許電流密度的問題，作為替代布線材料，已發(fā)展為使用銅作為導(dǎo)電材料形成布線。銅難以通過干蝕刻進(jìn)行精細(xì)加工，不能使用在形成鋁布線中所采用 的加工方法。因此采用在層間絕緣膜上形成布線用槽和布線間的連接 孔，向該槽和連接孔中填充銅，再通過CMP法除去不必要的銅，形成 嵌入布線的夕'7、>> (Damascene)法(例如參照專利文獻(xiàn)1 )。使用銅作為布線材料時(shí)，與A1相比，熔點(diǎn)高，自擴(kuò)散能也大，所 以可以設(shè)想采用通過高熔點(diǎn)金屬夾住上下的疊層結(jié)構(gòu)時(shí)，電遷移耐性能 優(yōu)異。但是在嵌入布線結(jié)構(gòu)中，由于受阻擋層與銅層界面擴(kuò)散的影響， 其可靠性難以得到提高。形成銅夕'7 -〉 >布線時(shí)，必需以優(yōu)異的再現(xiàn)性對(duì)大縱橫比的通路孔 和槽內(nèi)進(jìn)行填充，形成阻擋層和銅層的疊層薄膜之后，主要采用通過電 鍍法形成銅膜的方法。但是通過電鍍法形成的銅膜，在常溫下保存時(shí)， 會(huì)伴隨產(chǎn)生結(jié)晶尺寸或雜質(zhì)濃度變化的自淬火現(xiàn)象，因此，在CMP工 序中會(huì)引起拋光速度變化。因此，必需通過熱處理對(duì)膜改性。但是在該 熱處理時(shí)，銅的結(jié)晶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，有時(shí)阻擋層和銅層的附著性變差。 如果這些層的附著性變差，則在阻擋層和銅層的界面附近，銅原子容易 移動(dòng)，使電遷移耐性能降低。
專利文獻(xiàn)1:特開平11-297696號(hào)公報(bào)。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是考慮到這些情況進(jìn)行研究的，提供具有高電遷移耐性銅布 線的半導(dǎo)體器件。本發(fā)明的半導(dǎo)體器件是具有布線層的半導(dǎo)體器件，該布線層是通過 在基板上形成的絕緣膜上形成槽或孔，在得到的基板上形成阻擋層，在 阻擋層上形成銅晶種層，利用該銅晶種層，通過電鍍法形成銅鍍敷層， 再除去表面的銅鍍敷層和銅晶種層形成的，銅晶種層含有具備結(jié)晶粒徑 不同的小晶粒層和大晶粒層的多層，小晶粒層與阻擋層接觸。本發(fā)明的特征在于小晶粒層與阻擋層接觸。通過本發(fā)明可以得到電 遷移耐性高的銅布線層，可以認(rèn)為這是由于以下作用而造成的。小晶粒層的粒徑小于大晶粒層，結(jié)晶粒子之間的間隙小，所以小晶 粒層在熱處理等過程中不容易聚集。因此在熱處理的過程中，小晶粒層 不容易引起體積變化和結(jié)晶結(jié)構(gòu)的變化。因此，阻擋層和小晶粒層的界 面狀態(tài)不容易受熱處理的影響，二者之間保持高附著性的狀態(tài)。另外， 從其它觀點(diǎn)考慮，小晶粒層的粒徑小，與阻擋層的接觸面積大，所以二 者的附著性大。因此在阻擋層和銅層的界面附近銅原子不容易移動(dòng)，可以得到電遷 移耐性高的銅布線層。


[圖l]是表示用本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體器件制造工序的截面圖。 [圖2]是表示用本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體器件制造工序的截面圖。 [圖3]是表示用本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體器件制造工序的截面圖。 [圖4]是表示用本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體器件制造工序的截面圖。 [圖5]是表示用本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體器件制造工序的截面圖。 [圖6]是表示用本發(fā)明實(shí)施例得到的阻擋層界面處銅層截面的TEM 照片(倍率100萬倍)。[圖7]是表示本發(fā)明實(shí)施例和以往例的布線可靠性實(shí)驗(yàn)結(jié)果的曲線圖。 符號(hào)說明1:半導(dǎo)體基板；3:元件分離區(qū)域；5:層間絕緣膜；7:下層嵌入 布線；9、 13: SiN膜；11、 15: FSG膜；17: SiON膜；21:連^姿孔； 23:上層布線槽；25:阻擋層；27:銅晶種層；27a:第1銅層；27b: 第2銅層；29:銅鍍敷層具體實(shí)施方式
1.第1實(shí)施方案本發(fā)明第1實(shí)施方案的半導(dǎo)體器件，其是具有布線層的半導(dǎo)體器 件，該布線層是通過在基板上形成的絕緣膜上形成槽或孔，在得到的基 板上形成阻擋層，在阻擋層上形成銅晶種層，利用該銅晶種層，通過電 鍍法形成銅鍍敷層，再除去表面的銅鍍敷層和銅晶種層形成的，銅晶種 層含有具備結(jié)晶粒徑不同的小晶粒層和大晶粒層的多層，小晶粒層與阻 擋層接觸。1-1.基板、絕緣膜作為基板，可以使用制造半導(dǎo)體器件所用的各種基板，例如使用Si 或GaAs基板等。對(duì)基板上的絕緣膜材料和形成方法，沒有特別限定。絕緣膜，例如 可以利用為形成層間絕緣膜所通常采用的BPSG或FSG等形成。對(duì)于層 間絕緣膜的形成方法，沒有特別限定，既可以采用CVD法，還可以采 用涂布法。對(duì)絕緣膜的槽或孔的形成方法，沒有特別限定，例如可以利 用光刻法以及蝕刻技術(shù)形成。對(duì)槽和孔的形狀沒有特別限定。既可以形 成槽和孔中的4壬意一種，也可以形成槽和孔兩種。1-2.阻擋層阻擋層至少要在槽或孔內(nèi)的絕緣膜上形成，通常在形成有絕緣膜基 板的整個(gè)面上形成。阻擋層具有防止構(gòu)成銅晶種層等的銅原子向基板中 擴(kuò)散而引起基板污染的功能。為了使阻擋層能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的功能，對(duì)其 材料和形成方法沒有限定。阻擋層例如可以用氮化鉭或鉭等高熔點(diǎn)金屬 形成。具體例如由氮化鉭或鉭的單層或氮化鉭和鉭的疊層結(jié)構(gòu)形成例如 阻擋層。單層或疊層結(jié)構(gòu)的阻擋層各層，可以通過如濺射法形成。1-3.銅晶種層銅晶種層通常是多結(jié)晶的，并且含有結(jié)晶粒徑不同的小晶粒層和大
晶粒層的多層。銅晶種層可以是2層，也可以是3層以上。所謂"小晶 粒層"，意味著其平均粒徑小于大晶粒層的層，所謂"大晶粒層"意味 著其平均粒徑大于小晶粒層的層。所謂"粒徑，，表示晶粒的外切圓直徑， 所謂"平均結(jié)晶粒徑"表示在規(guī)定范圍內(nèi)所含晶粒粒徑的平均值。對(duì)于 "小晶粒層""大晶粒層"中所含結(jié)晶的粒徑?jīng)]有特別限定，例如分別 為0.2 lnm左右，0.1 10nm左右。另外，"多層"的用語不僅包括相 鄰2層之間的界面明顯的情況，還包括結(jié)晶粒徑逐漸變化，界面不明顯 的情況。因此，例如在銅晶種層的下面(距阻擋層近的側(cè)面)附近的結(jié) 晶粒晶非常小，并且在向銅晶種層上面的方向上結(jié)晶粒徑逐漸增大時(shí)也 屬于本發(fā)明范圍。小晶粒層的厚度，優(yōu)選為0.2 lnm，更優(yōu)選為0.2-0.6nm，這是因?yàn)槿绻谠摲秶鷷r(shí)，可以有效發(fā)揮小晶粒層的效果。小晶粒層和大晶粒層可以通過化學(xué)氣相沉積法(CVD法)(例如有 機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法(MOCVD))或?yàn)R射法等形成。小晶粒層和大 晶粒層可以用相同方法形成，也可以用不同方法形成。作為用不同方法 形成時(shí)的例子，可以列舉如用濺射法形成小晶粒層，用CVD法形成大 晶粒層的情況和與之相反的情況。當(dāng)用濺射法形成小晶粒層和大晶粒層兩種層時(shí)，例如使形成第l層 時(shí)施加的能量(高頻功率等)小于形成第2層時(shí)所施加的能量時(shí)，就可 以使第l層形成小晶粒層，第2層形成大晶粒層?？梢哉J(rèn)為這一作用是 由于用低能量進(jìn)行濺射時(shí)，到達(dá)基板的晶粒所具有的能量低，不容易引 起晶粒聚集的原因所致。另外，其它方案，如銅晶種層由包括低能量濺 射和高能量濺射的多種濺射形成，并且在開始濺射時(shí)進(jìn)行低能量濺射。 所謂"低能量濺射"是在濺射時(shí)施加的能量低于高能量濺射的濺射。所 謂"高能量濺射"則正好相反。如果按照該方法，可以與阻擋層接觸形 成小晶粒層。從低能量濺射向高能量濺射的變化，可以使施加的能量不 連續(xù)變化，也可以逐漸變化施加的能量。這里的"銅"，除了純銅之外，還包括含銅合金。1-4.銅鍍敷層銅鍍敷層可以利用上述銅晶種層通過已知的電鍍法形成。 1-5.表面的銅鍍敷層和銅晶種層的除去銅鍍敷層和銅晶種層通常是在整個(gè)基板面上形成的，因此要除去槽 和孔以外的部分(表面的銅鍍敷層以及銅晶種層)形成布線層。本說明
書中"布線層"的用語表示含有布線和連接電極之中至少一方的層。在 絕緣膜上形成槽時(shí)，布線層包括布線。在絕緣膜上形成孔時(shí)，布線層包 括連接電極。在絕緣膜上形成槽和孔時(shí)，布線層包括布線和連接電極。另外，該工序中優(yōu)選除去表面的阻擋層。除去不必要的銅層以及表 面阻擋層，可以通過如化學(xué)機(jī)械拋光法進(jìn)行。2.第2實(shí)施方案本發(fā)明第2實(shí)施方案的半導(dǎo)體器件在基板上順序具有絕緣膜、阻擋 層、銅晶種層、銅鍍敷層，銅晶種層含有具備結(jié)晶粒徑不同的小晶粒層 和大晶粒層的多層，小晶粒層與阻擋層接觸。有關(guān)第l實(shí)施方案的說明，只要不違備該宗旨，也適用于第2實(shí)施 方案。該實(shí)施方案具有在熱處理時(shí)不容易引起電遷移的銅層。如本實(shí)施 方案所示，本發(fā)明還可用于形成布線層以外的其它情況。實(shí)施例1以下參照?qǐng)D1-5,對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說明。圖1-5是表示本 實(shí)施例半導(dǎo)體器件制造工序的截面圖。附圖和以下敘述中所示的形狀、 膜厚、溫度、材料或方法等僅為示例，本發(fā)明范圍并不受附圖以及以下 敘述內(nèi)容的限定。1. 絕緣膜形成工序如圖1所示在形成有元件分離區(qū)域3和半導(dǎo)體元件(圖中沒有示 出)的硅等半導(dǎo)體基板1上形成層間絕緣膜5,在該層間絕緣膜5上層 部的一部分上形成嵌入下層布線7。進(jìn)一步通過CVD法在層間絕緣膜5 上沉積厚度為50nm的SiN膜9，然后分別用CVD法依次沉積400nm的 FSG膜ll、 50nm的SiN膜13、 400nm的FSG膜15、 65nm的SiON膜 17。 SiN膜9可以防止構(gòu)成下層布線7的金屬原子向FSG膜11擴(kuò)散， SiN膜13起到作為加工,T 、> ^槽時(shí)的千蝕刻的阻止膜作用。2. 連接孔以及布線槽的形成工序接著如圖2所示，使用已知光刻技術(shù)和干蝕刻技術(shù)在疊層的FSG膜 11、 SiN膜13、 FSG膜15、 SiON膜17上形成布線間連接孔21。接著 對(duì)于形成有連接孔21的層間絕緣疊層膜，也通過已知的光刻技術(shù)和干 蝕刻技術(shù)形成上層布線槽23,然后用已知千蝕刻技術(shù)除去連接孔21底 部的SiN膜9，形成上層嵌入布線用槽和連接孔。
3. 阻擋層的形成工序接著如圖3所示在含有上層布線槽23和孔21內(nèi)面的基板表面，沉 積含有TaN的阻擋層25。阻擋層25可以通過如使用Ta把的反應(yīng)性離 子化濺射法，在Ar氣體流量為56sccm、 N2氣體流量為36sccm、壓力為 4mTorr、等離子發(fā)生用的高頻功率為2500W、基板溫度為IO(TC的條件 下，以25 35nm的月莢厚形成。4. 銅晶種層的形成工序接著如圖4所示，在阻擋層25上形成銅晶種層27。銅晶種層27通 過兩步工序形成。首先通過使用銅靶的自離子化濺射法，在Ar氣體流 量為48sccm、壓力為6mTorr、等離子發(fā)生用的高頻功率為1000W、基 板溫度為2(TC的條件下，進(jìn)行約2秒鐘的銅層形成。這樣形成約0.4nm 的第l銅層27a。接著在相同真空下，在Ar氣體流量為48sccm、壓力 為6mTorr、等離子發(fā)生用的高頻功率為2400W、 AC Bias 50W的條件 下，以100- 150nm的膜厚形成第2銅層27b。把通過在上述條件下形成得到銅層的TEM照片(倍率100萬倍) 出示在圖6中。觀察圖6可知，第2銅層27b中可觀察到晶粒邊界31， 晶粒的粒徑為數(shù)nm級(jí)。另一方面在第l銅層27a中觀察不到晶粒邊界。 在第1銅層27a中雖然觀察不到晶粒邊界，但是通過其它途徑進(jìn)行XRD 測定的結(jié)果可以確認(rèn)第l銅層27a是結(jié)晶相。因此，可以了解到第l銅 層27a含有粒徑非常小的晶粒(可以認(rèn)為大致為數(shù)nm級(jí))。這樣第1 銅層27a的粒徑小于第2銅層27b,可以認(rèn)為這是由于形成第1銅層27a 時(shí)投入的高頻功率低，所以銅離子不聚集，結(jié)晶不怎么生長的原因所 致。5. 銅鍍敷層的形成工序接著如圖5所示，以在上述工序中形成的銅晶種層27作為電極， 通過電鍍法向孔21和槽23中填充銅，形成銅鍍敷層29。然后在壓力 100Torr、 H2的氣氛中，在150。C下進(jìn)行15分鐘的熱處理，該熱處理是 為了達(dá)到在下面CMP工序中穩(wěn)定的目的。本實(shí)施例中在阻擋層25上具 備結(jié)晶粒徑小的第l銅層27a,第1銅層27a在熱處理時(shí)不容易聚集， 所以在熱處理之后仍然可以確保阻擋層25與第1銅層27a的附著性。6. CMP工序然后使用CMP法除去表面的銅鍍敷層29、銅晶種層27和阻擋層
25,即含有銅嵌入布線以及連接電極的布線層形成工序結(jié)束。進(jìn)一步按照所需要的金屬布線層數(shù)重復(fù)上面的工序，可以形成用連 接電極進(jìn)行電連接的銅嵌入疊層布線。在上述實(shí)施例中對(duì)作為阻擋層使用TaN的情況進(jìn)行了說明，還可以 使用其它高熔點(diǎn)金屬(例如Ta、 TaSiN、 Ti、 TiN、 TiSiN、 W、 WN、 WSiN、 Ru、 RuO等)。另外在上述實(shí)施例中以用濺射法形成第1銅層 27a為例進(jìn)行了說明，可以認(rèn)為通過有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法 (MOCVD)等CVD法，在與阻擋層的界面形成粒徑小的第l銅層27a 時(shí)，同樣也可以提高電遷移耐性。技術(shù)制造的半導(dǎo)體器件^在用溫度約23(TC和電流密度0.81mA生成約 lMA/cn^電流密度的條件下，進(jìn)行電遷移耐性實(shí)驗(yàn)。把結(jié)果出示在圖7中。使用從各試樣收集的數(shù)據(jù)，通過Log-Log標(biāo)度描繪曲線。X軸表示 產(chǎn)生故障之前施加應(yīng)力的時(shí)間，Y軸表示累積故障比率。在X軸上向右 移動(dòng)表示電遷移耐性提高。以往條件的數(shù)據(jù)用圓圏繪圖，沿曲線A變 化，本發(fā)明的結(jié)果用三角形繪圖，沿曲線B變化。如果觀察圖7，則表明曲線B向曲線A的右側(cè)移動(dòng)，達(dá)到故障的時(shí) 間延長。在累積故障比率的所有范圍內(nèi)，都可以確認(rèn)該提高。這表明作 為本實(shí)施例工藝的結(jié)果電遷移耐性提高。本申請(qǐng)主張對(duì)日本申請(qǐng)No.2005-58007 (申請(qǐng)日期2005年3月2曰)的優(yōu)先4又，本申請(qǐng)中可以參照并沿用該日本申請(qǐng)的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.半導(dǎo)體器件，其是具有布線層的半導(dǎo)體器件，該布線層是通過在基板上形成的絕緣膜上形成槽或孔，在得到的基板上形成阻擋層，在阻擋層上形成銅晶種層，利用該銅晶種層，通過電鍍法形成銅鍍敷層，再除去表面的銅鍍敷層和銅晶種層形成的，其中，銅晶種層含有具備結(jié)晶粒徑不同的小晶粒層和大晶粒層的多層，小晶粒層與阻擋層接觸。
2. 半導(dǎo)體器件，其特征是在基板上順序具有絕緣膜、阻擋層、銅 晶種層、銅鍍敷層，并且銅晶種層含有結(jié)晶粒徑不同的小晶粒層和大晶 粒層的多層，其中小晶粒層與阻擋層接觸。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的器件，其中，小晶粒層的厚度為0.2 ~ lrnn。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的器件，其中，小晶粒層和大晶粒層 是通過化學(xué)氣相沉積法或?yàn)R射法形成的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的器件，其中，小晶粒層和大晶粒層 是通過濺射法形成的，形成小晶粒層時(shí)施加的能量低于形成大晶粒層時(shí) 施加的能量。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中，除去表面的銅鍍敷層和銅 晶種層是通過化學(xué)機(jī)械拋光法進(jìn)行的。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的器件，其中，阻擋層含有高熔點(diǎn)金屬。
8. 半導(dǎo)體器件的制造方法，其是具備形成布線層工序的半導(dǎo)體器 件的制造方法，該布線層是通過在基板上形成的絕緣膜上形成槽或孔， 在得到的基板上形成阻擋層，在阻擋層上形成銅晶種層，利用該銅晶種 層，通過電鍍法形成銅鍍敷層，再除去表面的銅鍍敷層和銅晶種層形成 的，其中，銅晶種層含有具備結(jié)晶粒徑不同的小晶粒層和大晶粒層的多 層，小晶粒層與阻擋層接觸。
9. 半導(dǎo)體器件的制造方法，其是具備形成布線層工序的半導(dǎo)體器 件的制造方法，該布線層是通過在基板上形成的絕緣膜上形成槽或孔， 在得到的基板上形成阻擋層，在阻擋層上形成銅晶種層，利用該銅晶種 層，通過電鍍法形成銅鍍敷層，再除去表面的銅鍍敷層和銅晶種層形成 的，其中，銅晶種層是通過包括低能量濺射和高能量濺射的多次濺射形 成的，開始賊射時(shí)，進(jìn)行低能量濺射。
10. 半導(dǎo)體器件的制造方法，其是在基板上順序具有絕緣膜、阻擋層、銅晶種層、銅鍍敷層，其中，銅晶種層是通過包括低能量濺射和高 能量濺射的多次濺射形成的，開始濺射時(shí)，進(jìn)行行低能量濺射。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的制造方法，其中，小晶粒層的厚度為0.2 ~lnm。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的制造方法，其中，銅晶種層是通過化學(xué) 氣相沉積法或?yàn)R射法形成的。
13. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的制造方法，其中，小晶粒層和大晶粒層 是通過濺射法形成的，形成小晶粒層時(shí)施加的能量低于形成大晶粒層時(shí) 施加的能量。
14. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的制造方法，其中，除去表面的銅鍍敷層和銅晶種層是通過化學(xué)機(jī)械拋光法進(jìn)行的。
15. 根據(jù)權(quán)利要求8-10任意一項(xiàng)中所述的制造方法，其中，阻擋 層含有高熔點(diǎn)金屬。
全文摘要
提供具有高電遷移耐性銅布線的半導(dǎo)體器件。本發(fā)明的半導(dǎo)體器件是具有布線層的半導(dǎo)體器件，該布線層是通過在基板上形成的絕緣膜上形成槽或孔，在得到的基板上形成阻擋層，在阻擋層上形成銅晶種層，利用該銅晶種層，通過電鍍法形成銅鍍敷層，再除去表面的銅鍍敷層和銅晶種層形成的，銅晶種層含有具備結(jié)晶粒徑不同的小晶粒層和大晶粒層的多層，小晶粒層與阻擋層接觸。
文檔編號(hào)H01L21/285GK101133480SQ20068000660
公開日2008年2月27日 申請(qǐng)日期2006年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月2日
發(fā)明者木下多賀雄 申請(qǐng)人:夏普株式會(huì)社