專利名稱：半導(dǎo)體器件的互連結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件的互連結(jié)構(gòu)及其制造方法，更具體地說，本發(fā)明涉及的是由鋁作為主要成分的多層互連結(jié)構(gòu)及其制造方法，這種多層互連結(jié)構(gòu)可以抑制電遷移(EM)的發(fā)生和增長。
隨著半導(dǎo)體器件高集成度的發(fā)展，其中有多個互連層彼此互連的多層互連結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜了。
下面將參考附

圖1A至1F說明制造常規(guī)的多層互連結(jié)構(gòu)的方法例。
如圖1A所示，在覆蓋在硅襯底(未示出)上的內(nèi)涂層介質(zhì)膜12上淀積一底部互連層14。而由等離子氧化物構(gòu)成的層間介質(zhì)膜16則在底部互連層14上形成并被整平。
底部互連層14包括，例如，構(gòu)成互連主體的Al-Cu合金膜14a，在其上形成的厚度為25nm的Ti層14b，以及作為光刻工藝中抗反射膜而形成的厚度為50nm的第一TiN層14c。形成Ti層是用于防止在淀積第一TiN層的過程中形成AlN。
如圖1B所示，用光刻和腐蝕工藝在層間介質(zhì)膜16中形成到達(dá)底部互連層14的通孔18。
然后，如圖1C所示，在包括連接孔18側(cè)壁在內(nèi)的整個晶片的表面上，形成作為阻擋金屬層的第二TiN層20，然后再在第二TiN層20上形成鎢(W)層22。
然后，如圖1D所示，用等離子腐蝕方法深腐蝕鎢層22，直到露出第TiN層20，從而形成鎢栓塞24。
然后，如圖1E所示，在340℃的溫度條件下，通過濺射在第二TiN層20上淀積厚度為40nm的第三TiN層26作為阻擋金屬層，然后在第三TiN層26上淀積Al-Cu合金層28。在Al-Cu合金層28冷卻50秒后，依次通過濺射在Al-Cu合金層28上淀積厚度為25nm的Ti層30和厚度為50nm的TiN層32，以形成頂部互連層34。
TiN層26的作用是，即使由于EM而在栓塞24上的Al-Cu合金層28中形成空穴，也可防止在Al-Cu合金層28與鎢層22之間接觸電阻過分增加。
通過光刻和干腐蝕處理對TiN層32、Ti層30、Al-Cu合金層28、第三TiN層26和第二TiN層20進(jìn)行構(gòu)圖，提供具有預(yù)定互連圖形的頂部互連34。
在上述的常規(guī)互連結(jié)構(gòu)中，隨著其小型化，由于在操作過程中增加互連電阻的Al-Cu合金層的EM，互連的壽命大大地縮短，最后有可能產(chǎn)生斷裂之類的互連缺陷。
因?yàn)殡娏魅菀准性谒ㄈ戏降幕ミB上，容易發(fā)生由于EM造成的鋁遷移，從而形成空穴。
考慮到上述問題，本發(fā)明的一個目的是，提供一種半導(dǎo)體器件的多層互連結(jié)構(gòu)及其制造方法，這種多層互連結(jié)構(gòu)可以抑制鋁的EM的發(fā)生和增長。
根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供一種半導(dǎo)體器件的互連結(jié)構(gòu)，包括一硅襯底；一形成于覆蓋在硅襯底上的介質(zhì)層中的底部互連層；一主要成分為鋁的頂部互連層，其通過形成于所述介質(zhì)層中的通栓塞(via plug)與底部互連層相連；以及一設(shè)置于所述通栓塞與頂部互連之間的<111>晶向的第一阻擋層。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供一種制造半導(dǎo)體互連結(jié)構(gòu)的方法，包括如下步驟形成位于介質(zhì)層下、硅襯底上的底部互連層；在該介質(zhì)層中形成通孔，以露出所述底部互連層；淀積覆蓋所述介質(zhì)層和在通孔內(nèi)壁上的第一阻擋金屬層；在所述第一阻擋金屬層上淀積金屬層，以填充所述通孔；腐蝕金屬層和第一阻擋金屬層，直到露出所述介質(zhì)膜，從而形成金屬層和所述阻擋金屬層的通栓塞；在所述介質(zhì)膜和所述通栓塞上淀積第二阻擋金屬層；以及在所述第二阻擋金屬層上淀積主要成分為鋁的互連層。
根據(jù)本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)及其制造方法，所增加的頂部互連的<111>晶向的鋁抑制了鋁的EM的發(fā)生和增長。因此，基本上沒有產(chǎn)生由于EM導(dǎo)致的互連缺陷，從而提供了可靠的互連結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將從下面的說明中更加明顯。
圖1A-1F是順序展示常規(guī)半導(dǎo)體器件制造方法的一系列步驟的縱向剖視圖；圖2是平均故障發(fā)生周期和鋁的<111>晶向之間以及平均故障發(fā)生周期和鋁粒子的平均粒徑之間的關(guān)系的曲線圖；圖3是關(guān)于阻擋金屬層的復(fù)合物和鋁的<111>晶向之間關(guān)系的曲線圖；圖4是展示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的具有層疊結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的縱向剖視圖；圖5A-5F是順序展示本發(fā)明第二實(shí)施例的一系列制造步驟的縱向剖視圖。
作為對常規(guī)互連結(jié)構(gòu)中鋁的EM增長原因的調(diào)查結(jié)果，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)因?yàn)橄鄬τ诰哂谢ミB結(jié)構(gòu)的硅襯底的Al-Cu合金層中鋁的<111>晶向，而使EM增長極低。
如圖2曲線圖中的線L1所示，平均故障時間(MTTF)與鋁的<111>晶向密切相關(guān)，其中在縱坐標(biāo)上描繪了MTTF，而在橫坐標(biāo)上則描繪了鋁的<111>晶向的函數(shù){(S/σ)log[Al(111)/Al(200)]}。如圖所示，隨著鋁的<111>取向度的增加，MTTF也增加了。上述圖中的關(guān)系通過在80℃、電流密度為1×105A/cm2時，采用Al-0.5％Cu合金的互連而得到。
具有Al-Cu合金的多層互連結(jié)構(gòu)中的故障主要是由鋁的EM的增長造成的。隨著鋁晶體的粒徑增加，延遲了鋁的EM的增長。這樣，估計(jì)可以通過<111>晶向的鋁的增加(增加了鋁晶體的粒徑)而有效地抑制鋁的EM的增長。
如圖2曲線圖中的線(L2)所示，MTTF隨著鋁晶體粒徑的增加而增加。
本發(fā)明者還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，如圖3A和3B所示的在置于Al-Cu互連與通孔栓塞之間的阻擋金屬層復(fù)合物與Al-Cu互連中鋁的<111>晶向之間的關(guān)系。在圖中，圖3A和3B顯示了XRD分析的結(jié)構(gòu)，其是通過在橫軸上描繪2θ、在縱坐標(biāo)上描繪X射線的衍射強(qiáng)度而得到的。從X射線的衍射強(qiáng)度出現(xiàn)峰值的2θ的值可以確定某種材料的某個平面方向，并且該平面方向的取向程度可以從X射線的衍射強(qiáng)度峰值來確定。
可以從圖3A和3B看出，當(dāng)阻擋金屬層只包括TiN層時，TiN層和鋁的<111>取向度是低的，而當(dāng)阻擋金屬層包括了Ti層和TiN層時，TiN層和鋁的<111>取向度大大地增加了。
在本發(fā)明中，只要頂部互連由金屬或主要成分為鋁的合金構(gòu)成，則互連結(jié)構(gòu)的層數(shù)不受限制。例如，在三層互連結(jié)構(gòu)的情況下，第二層互連層被選擇作為底部互連層，而第三層互連層被選擇作為頂部互連層。
本發(fā)明中的第一阻擋金屬層優(yōu)選為包括Ti層和形成于其上的TiN層的層疊膜。通栓塞優(yōu)選包括第二阻擋金屬層和鎢層。頂部互連層優(yōu)選由Al-Cu合金構(gòu)成。
在第一阻擋層下部所包含的Ti層和TiN層的厚度分別是20nm或更大以及25nm或更大。在上述層的厚度低于規(guī)定值時，將減小抑制鋁的EM發(fā)生和增長的作用。
介質(zhì)膜的頂層優(yōu)選由等離子體氧化物構(gòu)成，其具有優(yōu)良的CMP研磨能力和防止襯底被金屬污染的效果。
現(xiàn)在，將參考附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明。
在圖4中所示的根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件中，覆蓋在半導(dǎo)體襯底(未示出)上的互連結(jié)構(gòu)40包括一內(nèi)涂層(undercoat)介質(zhì)膜42，形成在其上的底部互連44，在底部互連44周圍形成的層間介質(zhì)膜46，一穿透層間介質(zhì)膜46的通栓塞48，以及通過通栓塞48與底部互連44連接的頂部互連50。
然后根據(jù)分別指定的圖形，對底部互連44與頂部互連50進(jìn)行構(gòu)圖。
底部互連44包括第一Al-Cu合金層44a，其構(gòu)成了互連體，厚度為25nm的第一Ti層44b，用于防止在淀積TiN層的過程中形成AlN，以及厚度為50nm的第一TiN層44c，其作為在對互連層構(gòu)圖的光刻處理中的抗反射膜。
層間介質(zhì)膜46包括底層BPSG膜46a和通過等離子CVD方法形成在BPSG膜上的CVD氧化物，例如，SiOF膜46b。
SiOF膜46b具有優(yōu)良的CMP研磨性能，用于形成通栓塞48，并通過在CMP研磨采用的研磨劑中吸收(gettering)一種金屬例如磷(P)，來有效地防止襯底被金屬污染。
通栓塞48利用通栓塞形成材料填充連接孔、并部分地穿透層間介質(zhì)膜46以露出底部互連44而獲得，它包括一作為阻擋金屬層在含有底部表面的連接孔側(cè)壁上形成的第二TiN層48a，以及通過填充連接孔而形成的鎢層48b。
頂部互連50包括淀積在通栓塞48上的第一層疊阻擋金屬層52，其具有厚度為20nm的第二Ti層52a和在第二Ti層52a上的第三TiN層52b，一第二Al-Cu合金層(頂部互連層)50a，其構(gòu)成了頂部互連50的互連主體，一第三Ti層50b，用于防止在第二Al-Cu合金層50a上淀積第四TiN層的過程中形成AlN，以及為在對互連層構(gòu)圖的光刻處理中的抗反射膜的第四TiN層50c。
第二Al-Cu合金層50a中含有例如占0.5％重量的銅，余下的量為鋁。
第二Al-Cu合金層50a的厚度、第三Ti層50b的厚度、和第四TiN層50c的厚度分別是450nm、25nm和50nm。
因?yàn)樵诘谝粚?shí)施例的互連結(jié)構(gòu)40中的頂部互連50的第一層疊阻擋金屬層52包括第二Ti層52a和第三TiN層52b，其具有較高的<111>取向度，在頂部互連50的第二Al-Cu合金層50a的鋁的<111>取向度非常高，以顯著地抑制鋁的EM發(fā)生和增長?；旧蠜]有由于EM造成的互連缺陷，從而提供了高可靠性的互連結(jié)構(gòu)。
在制造出具有與圖4所示的本發(fā)明第一實(shí)施例的互連結(jié)構(gòu)類似結(jié)構(gòu)的互連樣品之后，進(jìn)行了樣品的壽命測試。根據(jù)測試結(jié)果可以看到，與圖1A至1F所示的常規(guī)互連結(jié)構(gòu)相比，平均故障發(fā)生周期延長到大約2.5倍。
接下來，將參考圖5A至5F描述作為本發(fā)明第二實(shí)施例的制造圖4所示第一實(shí)施例的互連結(jié)構(gòu)的例子。圖5A至5F順序展示了各制造步驟。
如圖5A所示，首先，在覆蓋硅襯底(未示出)的內(nèi)涂層介質(zhì)膜42上形成底部互連44。
通過濺射方法依次淀積構(gòu)成了互連主體的第一Al-Cu合金層44a、厚度為25nm的第一Ti層44b、以及厚度為50nm的第一TiN層44c。
在底部互連44上依次形成BPSG膜46a和SiOF膜46b，以設(shè)置層間介質(zhì)膜46。通過等離子CVD方法形成SiOF膜46b并將其整平。SiOF膜46b具有優(yōu)良的CMP研磨性能，用于形成通栓塞48，并捕捉一種金屬，從而有效地防止襯底被金屬污染。
如圖5B所示，通過光刻腐蝕處理，形成部分地穿透包括BPSG膜46a和SiOF膜46b的層間介質(zhì)膜46，并到達(dá)底部互連44的連接孔47。
然后，如圖5C所示，在包括連接孔47側(cè)壁的襯底的整個表面上形成第二TiN層48a，作為第二阻擋金屬層。在第二TiN層48a上形成鎢層48b。
接著，如圖5D所示，用CMP研磨去除鎢層48b和第二TiN層48a，直到露出SiOF膜46b為止，以形成通栓塞48。
當(dāng)在通過CMP研磨整平而具有較高的平整度的SiOF膜46b上形成阻擋金屬層時，具有較高的<111>取向度。
然后，如圖5E所示，通過濺射方法，在通栓塞48和SiOF膜46b上淀積包括厚度為20nm的第二Ti層52a和厚度為40nm的第三TiN層52b疊層的阻擋金屬層52。
在不用背后加熱并且氬氣以35sccm的流量流過的條件下，通過濺射方法淀積第二Ti層52a，在形成第二Ti層52a之后，在不用背后加熱并且氬氣以57sccm的流量、氮?dú)庖?5sccm的流量流過的條件下，用濺射方法連續(xù)淀積第三TiN層52b。在本發(fā)明中的“連續(xù)淀積”意指在與前一淀積所采用的相同濺射設(shè)備中進(jìn)行后一淀積，或者在晶片在無氧化氣氛下從一個濺射設(shè)備轉(zhuǎn)送到另一個濺射設(shè)備時，不進(jìn)行任何其它處理而進(jìn)行后一淀積。
在形成了第三TiN層52b之后，在氬氣以35sccm的流量流過、并且溫度為340℃的條件下，在第三TiN層52b上連續(xù)淀積構(gòu)成頂部互連50的互連主體的第二Al-Cu合金層50a，該合金層的厚度為450nm。第二Al-Cu合金層50a由例如占0.5％重量的銅、余量為鋁來構(gòu)成。
在淀積第二Al-Cu合金層50a之后，使晶片在冷卻室中冷卻60秒，直到冷卻室中的溫度降至200℃為止。
在第二Al-Cu合金層50a上，通過濺射方法淀積包括厚度為25nm的第三Ti層50b(用于防止在淀積第四TiN層50c的過程中形成AlN)以及厚度為50nm的第四TiN層50c(在對互連層構(gòu)圖的光刻處理中作為抗反射膜)的層疊阻擋金屬層。
在不用背后加熱、并且氬氣以35sccm的流量流過的條件下形成第三Ti層50b，在不用背后加熱，并且氬氣以57sccm的流量、氮?dú)庖?5sccm的流量流過的條件下，通過濺射方法來淀積第四TiN層50c。
然后，如圖5F所示，通過光刻干腐蝕處理，構(gòu)圖第四TiN層50c、第三Ti層50b、第二Al-Cu合金層50a、第三TiN層52b、第二Ti層52a，以形成具有所需要的互連圖形的頂部互連50。
因?yàn)樯鲜龅膶?shí)施例只是作為例子來說明的。本發(fā)明并不僅限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域人員可以在不脫離本發(fā)明范圍的情況下從中作出各種改型或變化。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件的互連結(jié)構(gòu)，包括硅襯底；形成于覆蓋在硅襯底上的介質(zhì)層中的底部互連層；主要成分為鋁的頂部互連層，其通過形成于所述介質(zhì)層中的通栓塞與底部互連層相連；以及設(shè)置于所述通栓塞與頂部互連之間的<111>晶向的第一阻擋金屬層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中所述第一阻擋金屬層是含有Ti層和淀積于所述Ti層之上的TiN層的層疊膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中所述通栓塞包括第二阻擋金屬層和鎢層，而頂部互連層由Al-Cu合金層構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的互連結(jié)構(gòu)，其中所述第一阻擋金屬層的所述Ti層和TiN層厚度分別為不小于20nm和不小于25nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中所述介質(zhì)層的頂層由等離子氧化物構(gòu)成。
6.一種制造半導(dǎo)體互連結(jié)構(gòu)的方法，包括如下步驟形成位于介質(zhì)層下、硅襯底上的底部互連層；在該介質(zhì)層中形成通孔，以露出所述底部互連層；淀積覆蓋所述介質(zhì)層和在通孔內(nèi)壁上的第一阻擋金屬層；在所述第一阻擋金屬層上淀積金屬層，以填充所述通孔；腐蝕所述金屬層和第一阻擋金屬層，直到露出所述介質(zhì)膜，從而形成所述金屬層的通栓塞和阻擋金屬層；在所述介質(zhì)膜和所述通栓塞上淀積第二阻擋金屬層；和在所述第二阻擋金屬層上淀積主要成分為鋁的頂部互連層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中通過濺射依次淀積Ti層和TiN層以形成第二阻擋金屬層。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中在所述通栓塞形成步驟中，采用CMP研磨來去除所述金屬層和第一阻擋金屬層。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中在淀積Ti層之后，通過濺射連續(xù)淀積TiN層。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中在淀積TiN層之后，通過濺射連續(xù)淀積互連層。
11.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，還包括在一完成互連層淀積步驟之后，將互連層冷卻一段規(guī)定的時間，然后在所述互連層上淀積Ti層和TiN層。
12.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中所述互連層由Al-Cu合金層構(gòu)成。
13.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中所述互連層是<111>晶向。
全文摘要
一種半導(dǎo)體器件的互連結(jié)構(gòu),包括:在覆蓋硅襯底的介質(zhì)層中形成的底部互連層;主要成分為鋁的頂部互連層,其通過形成于所述介質(zhì)層中的通栓塞與底部互連層相連;以及具有較高的<111>取向度的第一阻擋金屬層。第一阻擋金屬層較高的<111>取向度抑制了電遷移的發(fā)生和增長,從而提供了可靠的互連結(jié)構(gòu)。
文檔編號H01L21/285GK1258099SQ9912660
公開日2000年6月28日 申請日期1999年12月21日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月21日
發(fā)明者安田誠 申請人:日本電氣株式會社