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。具體地說，本發(fā)明涉及包括含銅的金屬布線的半導(dǎo)體器件及其制造方法。
發(fā)明的
背景技術(shù)：
近些年，為滿足半導(dǎo)體器件高速運行的需求，低電阻材料(如銅)被用作布線材料。
作為形成銅布線結(jié)構(gòu)的大馬士革工藝，單大馬士革方法和雙大馬士革方法已為人們所知。在單大馬士革方法中，只用大馬士革工藝形成布線。在雙大馬士革方法中，除了形成連接孔以外，還用銅形成嵌入的布線槽，以形成連接插頭和布線。傳統(tǒng)地，在單大馬士革方法中，連接插頭由難熔的金屬(如鎢)形成。但是，在雙大馬士革方法中，連接插頭除了由布線形成以外，還由含銅金屬形成。因此，可以實現(xiàn)布線結(jié)構(gòu)的低電阻，從而有可能有助于半導(dǎo)體器件的高速運行。


圖1A至1E為由雙大馬士革方法形成連接插頭和布線的方法所形成的布線結(jié)構(gòu)的截面圖。圖1A為展示已經(jīng)形成第一含銅金屬布線220a的狀態(tài)的截面圖。首先，介紹達(dá)到圖1A所示狀態(tài)的步驟。首先，在其上形成諸如晶體管等器件的半導(dǎo)體基底210上形成第一氮化硅膜212和第一氧化硅膜214。接著，通過干蝕刻在第一氮化硅膜212和第一氧化硅膜214上形成布線槽。阻擋金屬膜216a和銅膜218a依次填入該布線槽。隨后，通過CMP方法平整基底表面。這樣，就形成了第一含銅金屬布線220a。然后，形成第二氮化硅膜222和第二氧化硅膜224。這樣，就達(dá)到了圖1A所示狀態(tài)。
接著，如圖1B所示，通過光刻法和蝕刻方法在第二氧化硅膜224內(nèi)為連接插頭和布線槽228形成了連接孔226。隨后，改變蝕刻氣體并開始對第二氮化硅膜222進(jìn)行蝕刻。然后，如圖1C所示，在具有連接孔226和布線槽228的第二氧化硅膜224的整個表面上形成阻擋金屬膜230。
接著，如圖1D所示，銅膜232在阻擋金屬膜230上形成并填入連接孔226和布線槽228。
然后，如圖1E所示，用CMP方法對基底表面進(jìn)行平整，并且除布線槽228部分以外的銅膜232和阻擋金屬膜230被去除。這樣，就形成了連接插頭234和第二含銅金屬布線220b。
通過重復(fù)上述的一系列步驟，就形成了包括復(fù)合布線結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件。
然而，如上所述，當(dāng)用雙大馬士革方法形成銅布線和銅連接插頭時，半導(dǎo)體器件的產(chǎn)品得率非常低，以致于不能穩(wěn)定生產(chǎn)半導(dǎo)體器件。
而且，為了長期穩(wěn)定使用半導(dǎo)體器件，仍有需要改進(jìn)的問題。因此，需要做進(jìn)一步的改進(jìn)來提高半導(dǎo)體器件的可靠性。銅和含銅金屬容易引起遷移，因此，人們猜測遷移是發(fā)生這種問題的原因之一。但是，真正的原因并不清楚。
發(fā)明概述因此，本發(fā)明的目的就是要提高具有含銅金屬布線結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的產(chǎn)品得率。
本發(fā)明的另一目的就是要延長具有含銅金屬布線結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的使用壽命。
本發(fā)明還有一個目的就是要提高半導(dǎo)體器件的可靠性。
在本發(fā)明的一個方面中，通過以下步驟實現(xiàn)了制造半導(dǎo)體器件的方法在基底上面或基底上方形成由含銅金屬膜組成的第一布線；在半導(dǎo)體基底的整個表面上形成第一夾層絕緣膜來覆蓋第一布線；選擇性地去除第一夾層絕緣膜以形成到達(dá)第一布線的連接孔；形成阻擋金屬膜來覆蓋連接孔的內(nèi)表面并隨后形成填入連接孔的含銅金屬膜；去除在連接孔外部形成的含銅金屬膜；在半導(dǎo)體基底的整個表面上形成第二夾層絕緣膜來覆蓋在連接孔內(nèi)形成的含銅金屬膜；選擇性地去除第二夾層絕緣膜來形成布線槽，使得在連接孔內(nèi)形成的含銅金屬膜在底部露出；形成阻擋金屬膜來覆蓋布線槽的內(nèi)部并隨后形成填充布線槽的含銅金屬膜；去除布線槽外部的含銅金屬膜以形成第二布線。
此處，半導(dǎo)體器件的制造方法還可以包括在形成第一夾層絕緣膜的步驟之前，把第一布線的部分表面改為無定形層。而且，半導(dǎo)體器件的制造方法還可以包括在形成第一夾層絕緣膜的步驟之前，使第一布線的表面層硅化。
而且，半導(dǎo)體器件的制造方法還可以進(jìn)一步包括在形成第一布線的步驟之后、形成連接插頭的步驟之前，清潔第一布線的表面部分。
另外，第一布線的含銅金屬膜可以由鍍層方法形成。
而且，絕緣膜可以包括梯型的硅氧烷氫化物。
而且，半導(dǎo)體器件的制造方法還可以包括在形成絕緣膜的步驟之前，在第一布線上形成由SiC，SiCN，SiN或SiOC構(gòu)成的防擴(kuò)散膜。形成連接孔的步驟可以包括選擇性地去除第一夾層絕緣膜和防擴(kuò)散膜來形成連接孔。
另外，形成第一布線的步驟可以通過以下步驟實現(xiàn)用鍍層方法形成第一含銅金屬膜；通過濺射方法在半導(dǎo)體基底表面上形成第二含銅金屬膜來覆蓋第一含銅金屬膜；以及對第一含銅金屬膜和第二含銅金屬膜進(jìn)行熱處理。
在本發(fā)明的另一方面，半導(dǎo)體器件的制造方法可以通過以下步驟實現(xiàn)在半導(dǎo)體基底上形成絕緣膜，并隨后在絕緣膜內(nèi)形成由含銅金屬膜組成的第一布線；將第一布線的表面部分改為無定形層；以及形成與第一布線相連的連接插頭和與第一布線上的連接插頭相連的第二布線，連接插頭和第二布線由含銅金屬膜組成。
在本發(fā)明的另一方面，半導(dǎo)體的制造方法可以通過以下步驟實現(xiàn)在半導(dǎo)體基底上形成絕緣膜，并隨后在該絕緣膜內(nèi)形成由含銅金屬膜組成的第一布線；使第一布線的表面部分硅化；以及形成與第一布線相連的連接插頭和與第一布線上的該連接插頭相連的第二布線，連接插頭和第二布線由含銅金屬膜組成。
此處，使第一布線的表面層硅化的步驟可以包括這樣的步驟將第一布線的表面部分暴露在處于非等離子體狀態(tài)的含硅氣體中。
在這種情況下，半導(dǎo)體器件的制造方法還可以包括在形成第一布線的步驟之后、形成連接插頭的步驟之前，清潔第一布線的表面部分。
而且，清潔第一布線的表面部分的步驟可以包括這樣的步驟用含有羧酸或羧酸鹽的液體沖洗第一布線的表面部分。
而且，羧酸可以含有選自至少下列酸中的一種草酸、檸檬酸、蘋果酸、馬來酸、琥珀酸、酒石酸或丙二酸。
而且，清潔第一布線的表面部分的步驟可以包括這樣的步驟用含苯并三唑或苯并三唑衍生物的防腐蝕試劑處理第一布線的表面部分。
而且，清潔第一布線的表面部分的步驟可以包括這樣的步驟對第一布線進(jìn)行等離子體處理。
而且，清潔第一布線的表面部分的步驟可以包括這樣的步驟在還原氣氛中對第一布線進(jìn)行等離子體處理。
而且，第一布線的含銅金屬膜可以用鍍層方法形成。
而且，絕緣膜包括梯型硅氧烷氫化物。在這種情況下，梯型硅氧烷氫化物可以含有L-Ox。
而且，形成絕緣膜可以包括這樣的步驟在200到400攝氏度的氣氛溫度下燒結(jié)絕緣膜。
而且，半導(dǎo)體器件的制造方法可以還包括在形成絕緣膜的步驟之前，在第一布線上形成由SiC，SiCN，SiN或SiOC構(gòu)成的防擴(kuò)散膜。形成連接孔的步驟可能包括這樣的步驟選擇性地去除第一夾層絕緣膜和防擴(kuò)散膜來形成連接孔。在這種情況下，防擴(kuò)散膜可以是SiCN膜。
另外，形成第一布線的步驟可以包括這樣的步驟通過鍍層方法形成第一含銅金屬膜；通過濺射方法在半導(dǎo)體基底表面上形成第二含銅金屬膜來覆蓋第一含銅金屬膜；以及對第一含銅金屬膜和第二含銅金屬膜進(jìn)行熱處理。
在本發(fā)明的另一方面中，半導(dǎo)體器件的制造方法可以通過以下步驟實現(xiàn)在半導(dǎo)體基底上形成含銅金屬膜，以便在含銅金屬膜的表面上具有基本一致的平面取向；以及形成含有不同元素的膜，該膜含有與含銅金屬膜的表面上的銅不同種類的元素。
而且，在本發(fā)明的另一方面，半導(dǎo)體器件的制造方法可以通過以下步驟實現(xiàn)通過鍍層方法在半導(dǎo)體基底上形成平均晶粒尺寸等于或大于1微米的含銅金屬膜；以及形成含有不同種元素的膜層，該含不同種元素的膜層含有不同于含銅金屬膜表面上的銅的其他元素。
在上述兩個方面中，形成含銅金屬膜的步驟可以包括以下步驟在半導(dǎo)體基底上形成第一含銅金屬膜；通過濺射方法在半導(dǎo)體基底上形成第二含銅金屬膜來覆蓋第一含銅金屬膜；以及對第一含銅金屬膜和第二含銅金屬膜進(jìn)行熱處理。
而且，半導(dǎo)體器件的制造方法還可以包括在半導(dǎo)體基底上形成絕緣膜；以及在絕緣膜中形成凹部。形成第一金屬膜的步驟可以通過形成第一含銅金屬膜以填充凹部的一部分得以實現(xiàn)；形成第二含銅金屬膜的步驟可以通過形成第二含銅金屬膜來填入凹部的剩余部分得以實現(xiàn)。形成含銅金屬膜的步驟可以通過去除凹部外的第一含銅金屬膜和第二含銅金屬膜得以實現(xiàn)。
而且，凹部可以是布線槽，并且含銅金屬膜形成布線。
另外，可以通過將偏壓施加給半導(dǎo)體基底的偏壓濺射方法形成第二含銅金屬膜。
另外，形成第二含銅金屬膜可以通過這樣的步驟實現(xiàn)形成第二含銅金屬膜，使得第二含銅金屬膜在平整部分的厚度大于第一含銅金屬膜中平整部分的厚度。
而且，不同種元素可以是硅，而形成含不同種元素的膜層的步驟可以通過使含銅金屬膜的表面部分硅化得以實現(xiàn)。
而且，形成含不同種元素的膜層的步驟可以這樣實現(xiàn)在含銅金屬膜的表面上形成銅和不同種元素的合金。
而且，形成含不同種元素的膜層的步驟可以這樣實現(xiàn)將含銅金屬膜的表面部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形層。
而且，形成含銅金屬膜的步驟可以這樣實現(xiàn)形成含銅金屬膜，使得含銅金屬膜的表面的平面取向為(200)。
在本發(fā)明的另一方面中，半導(dǎo)體器件包括半導(dǎo)體基底；位于半導(dǎo)體基底上的絕緣膜中、由含銅金屬膜形成的第一布線；由含銅金屬膜形成的、與第一布線相連的連接插頭；以及由含銅金屬膜形成的、與該連接插頭相連的第二布線。第一布線的表面部分為無定形層。
在本發(fā)明的另一方面中，半導(dǎo)體器件包括半導(dǎo)體基底；位于半導(dǎo)體基底上的絕緣膜中、由含銅金屬膜形成的第一布線；由含銅金屬膜形成的、與第一布線相連的連接插頭；以及由含銅金屬膜形成的、與該連接插頭相連的第二布線。第一布線的表面部分為硅化物層。
在本發(fā)明的另一方面中，半導(dǎo)體器件包括半導(dǎo)體基底；位于半導(dǎo)體基底上的絕緣膜中、由含銅金屬膜形成的第一布線；在第一布線上形成的夾層絕緣膜；由含銅金屬膜形成的、與第一布線相連的連接插頭；以及由阻擋金屬膜和含銅金屬膜依次層迭形成的、與連接插頭相連的第二布線。
此處，第一布線的表面部分可以是無定形層。
而且，第一布線的表面部分可以是硅化物層。
而且，絕緣膜可以含有梯型硅氧烷氫化物。在這種情況下，梯型硅氧烷氫化物可以含有L-Ox。
而且，當(dāng)形成絕緣膜時，在200至400攝氏度的溫度范圍內(nèi)燒結(jié)絕緣膜。
而且，第一布線的含銅金屬膜可以通過鍍層方法形成。
而且，第一布線的含銅金屬膜的表面的平面取向可以是基本一致的。
在本發(fā)明的另一方面中，半導(dǎo)體器件包括半導(dǎo)體基底；在半導(dǎo)體基底上形成的含銅金屬膜，該金屬膜的表面的平面取向基本一致；以及含有不同種元素的導(dǎo)電膜，該膜層由不同于含銅金屬膜表面上的銅的元素形成。
在本發(fā)明的另一方面中，半導(dǎo)體器件包括半導(dǎo)體基底；在半導(dǎo)體基底上形成的含銅金屬膜，該金屬膜的平均晶粒尺寸為等于或大于1微米；以及含有不同種元素的導(dǎo)電膜，該膜層由不同于含銅金屬膜表面上的銅的元素形成。
在本發(fā)明的另一方面中，半導(dǎo)體器件包括半導(dǎo)體基底；在半導(dǎo)體基底上形成的含銅金屬膜；以及在含銅金屬膜的表面上形成的含有不同種元素的導(dǎo)電膜，該膜層含有不同于銅的元素。含銅金屬膜的平均晶粒尺寸大于含銅金屬膜的平均膜層厚度。
此處，不同種元素可以是硅，并且含有不同種元素的膜層可以是硅化物層。
而且，含有不同種元素的膜層可以由不同種元素與銅的合金形成。
而且，含有不同種元素的膜層可以是無定形層。
而且，含銅金屬膜的表面的平面取向可以是(200)。
而且，含銅金屬膜可以作為布線、插頭或焊盤。
在本發(fā)明的另一方面中，由含銅金屬膜形成的金屬布線包括含有不同種元素的膜層，該膜層在含銅鍍膜的表面上形成，并含有不同于銅的元素。含銅鍍膜中的平均晶粒尺寸等于或大于1微米。
在本發(fā)明的另一方面中，由含銅鍍膜形成的金屬布線包括含有不同種元素的導(dǎo)電膜，該導(dǎo)電膜在含銅鍍膜的表面上形成，并含有不同于銅的元素。含銅鍍膜由單晶形成。
在這種情況下，金屬布線的寬度等于或大于1微米。
附圖簡介圖1A至1E為由雙大馬士革方法形成的連接插頭和布線的截面圖；圖2為依據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件，其中含銅金屬布線被層疊起來；圖3為本發(fā)明的第一實施例中布線結(jié)構(gòu)的截面圖；圖4A至4N為一種布線結(jié)構(gòu)的截面圖，這種布線結(jié)構(gòu)是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例形成的布線結(jié)構(gòu)的方法形成的；圖5為本發(fā)明的第三實施例中的布線結(jié)構(gòu)的截面圖；
圖6A至6F為一種布線結(jié)構(gòu)的截面圖，這種布線結(jié)構(gòu)是根據(jù)本發(fā)明的第五實施例形成布線結(jié)構(gòu)的方法形成的；圖7A為用于評估各實施方案的2層布線結(jié)構(gòu)的示意圖；圖7B圖示說明了圖7A中所示的2層布線結(jié)構(gòu)中的電流通路；圖8為表1所示的產(chǎn)品得率的圖表；圖9圖示說明了由雙大馬士革方法制造的半導(dǎo)體器件中的連接插頭和銅布線之間的空腔的產(chǎn)生；圖10圖示說明了產(chǎn)生凹部的原因之一；圖11為當(dāng)銅連接插頭和銅布線由單大馬士革方法形成、并在150攝氏度下放置了500小時后的布線結(jié)構(gòu)的透射電鏡(TEM)照片。
圖12為晶粒邊界的平面示意圖；圖13A至13D為一種布線結(jié)構(gòu)的截面圖，該布線結(jié)構(gòu)是根據(jù)本發(fā)明的第七實施例形成的布線結(jié)構(gòu)的方法形成的；圖14A至14D為一種布線結(jié)構(gòu)的截面圖，該布線結(jié)構(gòu)是根據(jù)本發(fā)明的第八實施例形成的布線結(jié)構(gòu)的方法形成的；圖15A至15D為一種布線結(jié)構(gòu)的截面圖，該布線結(jié)構(gòu)是根據(jù)本發(fā)明的第九實施例形成的布線結(jié)構(gòu)的方法形成的；圖16A至16D為一種布線結(jié)構(gòu)的截面圖，該布線結(jié)構(gòu)是根據(jù)本發(fā)明的第十實施例形成布線結(jié)構(gòu)的方法形成的；圖17為X-射線衍射方法的分析結(jié)果圖；圖18示出了傳統(tǒng)硅化物的形成過程；圖19為具有梯型硅氧烷氫化物結(jié)構(gòu)的L-OX的結(jié)構(gòu)圖；圖20為L-Ox的紅外(IR)光譜圖；圖21為HSQ的分子骨架圖；圖22為SiH4的照射過程時間與膜層厚度變化的關(guān)系圖；圖23為SiH4的照射過程時間與折射率變化的關(guān)系圖；圖24為SiH4的照射過程時間與介電常數(shù)變化的關(guān)系圖；圖25A示出了在L-Ox和HSQ情況下濕法蝕刻率的差異；圖25B示出了波形轉(zhuǎn)換器上的測試點；圖26A為各實施例中形成的布線結(jié)構(gòu)中的漏電流的測量結(jié)果圖；圖26B為泄露測量圖案的示意圖；圖27A和27B分別示出了形成SiCN膜層和SiN膜層時輸送氣體的順序以及射頻電源的應(yīng)用情況；圖28圖示說明了燒結(jié)條件與L-Ox的折射系數(shù)和密度的關(guān)系；以及圖29為L-Ox的物理數(shù)據(jù)圖。
優(yōu)選實施例在下文中，將結(jié)合附圖對本發(fā)明的半導(dǎo)體器件進(jìn)行說明。
本發(fā)明的發(fā)明人研究了具有用雙大馬士革方法形成的含銅金屬布線的半導(dǎo)體器件的產(chǎn)品得率低的原因。結(jié)果，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在連接插頭下方、在連接插頭和含銅金屬布線之間產(chǎn)生了空腔，如圖9所示?？梢哉J(rèn)為有以下兩個原因?qū)е铝丝涨坏漠a(chǎn)生。
第一個原因是，如圖的左側(cè)所示，連接插頭234內(nèi)的銅被第二含銅金屬布線220b吸起來，從而在第二氮化硅膜222和第二氧化硅膜224中產(chǎn)生了空腔。
第二個原因是，如圖的右側(cè)所示，在連接插頭234的下部周圍的第一含銅金屬布線220a中產(chǎn)生了空腔。在第一含銅金屬布線220a內(nèi)的空腔很容易在布線中產(chǎn)生，尤其當(dāng)連接插頭的寬度大約為1至12微米時。而且，還發(fā)現(xiàn)了這樣的事實在大約150攝氏度會顯著發(fā)生產(chǎn)生這種空腔的現(xiàn)象，而150攝氏度是半導(dǎo)體器件制造工藝(如粘結(jié)工藝和烘焙光刻膠的工藝)中的實際應(yīng)用溫度。空腔引起了連接插頭和布線之間的連接缺陷；降低了半導(dǎo)體器件的產(chǎn)品得率并造成半導(dǎo)體器件因長期使用的不穩(wěn)定運行。
圖10示出了空腔產(chǎn)生的原因之一。圖10示出了當(dāng)銅膜被加熱時施加給銅的應(yīng)力。圖10的水平軸代表溫度，垂直軸代表應(yīng)力。如圖10所示，當(dāng)銅膜被從室溫開始加熱到150攝氏度時，施加給銅膜的應(yīng)力從剛性模式變?yōu)榫o縮模式。發(fā)明人推想當(dāng)這種應(yīng)力模式的變化發(fā)生時，應(yīng)力遷移是在連接插頭和布線中的含銅金屬內(nèi)引起而產(chǎn)生空腔的。特別地，發(fā)明人推測在連接插頭和布線之間的界面處這種應(yīng)力的遷移得到加強，從而產(chǎn)生空腔。
因此，發(fā)明人使本發(fā)明建立在上述假設(shè)之上，以限制在連接插頭和布線之間的界面內(nèi)的應(yīng)力遷移。
在本發(fā)明中，在第二布線的含銅金屬膜和連接插頭之間形成了阻擋金屬膜。因此，有可能防止含銅金屬膜因為應(yīng)力遷移而從連接插頭處被吸入第二布線內(nèi)。因為這樣，有可能防止連接插頭和布線之間的連接缺陷。例如，含銅金屬膜可以是含有30％或更多銅的金屬。而且，含銅金屬還可以含有金、銀、鉑等等。含銅金屬可以含有鉻和鉬。
圖11為在布線結(jié)構(gòu)由這樣的單大馬士革方法形成之后，并且半導(dǎo)體器件在150攝氏度的環(huán)境下放置了500小時后的半導(dǎo)體器件的透射型電子顯微鏡(TEM)的照片。如圖所示，當(dāng)連接插頭和第二布線由單大馬士革方法形成時，連接插頭內(nèi)的銅膜中的空腔消失了。而且，還發(fā)現(xiàn)與由雙大馬士革方法形成的半導(dǎo)體器件相比，連接插頭下部周圍的第一布線內(nèi)的空腔變小了，但沒有完全消除。
圖12為圖11中所示空腔的平面示意圖。如圖所示，當(dāng)連接插頭在第一布線表面內(nèi)的顆?；蚓ЯＶg的邊界(301a)附近內(nèi)形成時，空腔302在連接插頭下部的周圍產(chǎn)生。但是，當(dāng)連接插頭在非邊界部分(301b)形成時，在連接插頭的下部周圍很難產(chǎn)生空腔。而且，即使當(dāng)連接插頭在邊界附近內(nèi)形成時，空腔并非直接在連接插頭的下方產(chǎn)生，而是在邊界內(nèi)產(chǎn)生。特別地，還發(fā)現(xiàn)在多個晶粒的邊界紛繁交疊的區(qū)域內(nèi)很容易產(chǎn)生空腔。根據(jù)這些結(jié)果，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)空腔產(chǎn)生的原因之一就是在第一布線內(nèi)的邊界部分中很容易發(fā)生應(yīng)力遷移，尤其當(dāng)邊界存在于連接插頭的交界的附近時。
在本發(fā)明中，在第一布線的表面部分上可以設(shè)置有無定形層。在無定形層中，在電子束的折射中會出現(xiàn)暈樣式(halo pattern)。當(dāng)在第一布線的表面部分上形成無定形層時，可以減少來自第一布線的應(yīng)力遷移。因此，有可能防止第一布線和連接插頭之間產(chǎn)生的空腔。
而且，可以在第一布線的表面部分上提供硅化物層。當(dāng)硅化物層位于第一布線的表面部分上時，可以減少來自第一布線的應(yīng)力遷移。因此，有可能防止在第一布線和連接插頭之間的產(chǎn)生的空腔。
在本發(fā)明中，如圖12所示，在晶粒的邊界容易產(chǎn)生空腔302。當(dāng)含銅金屬膜是由鍍層方法形成時，空腔產(chǎn)生現(xiàn)象尤其顯著。當(dāng)?shù)谝徊季€的含銅金屬膜由鍍層方法形成時，在晶粒之間產(chǎn)生邊界。因此，變得更容易產(chǎn)生空腔。而且，在由鍍層方法形成的含銅金屬膜中，銅表面內(nèi)的平面取向?qū)τ诿總€晶粒而言都是不同的，如(111)和(511)，并且露出了具有不同平面取向的含銅金屬膜表面。這就造成了空腔。在本發(fā)明的制造方法中，即使當(dāng)?shù)谝徊季€的含銅金屬膜是由鍍層方法形成的時候，也有可能防止在第一布線和連接插頭之間、以及在連接插頭和第二布線之間產(chǎn)生空腔。從而可以穩(wěn)定地制造半導(dǎo)體器件。
而且，連接插頭的含銅金屬膜和/或第二布線的含銅金屬膜都可以由鍍層方法形成。當(dāng)連接插頭的含銅金屬膜是由鍍層方法形成時，很容易在晶粒之間產(chǎn)生邊界。因此，半導(dǎo)體器件易于承受應(yīng)力遷移。在本發(fā)明的制造方法中，可以防止在第一布線和連接插頭之間的空腔的產(chǎn)生。
在本發(fā)明中，可以在第一布線上提供硅化物層。當(dāng)?shù)谝徊季€的含銅金屬膜上存在氧化物膜時，在形成氧化物膜的區(qū)域中很難形成硅化物層。結(jié)果，當(dāng)在第一布線的表面上粘附有氧化物膜的條件下進(jìn)行形成硅化物層的工藝時，硅化物層的厚度會不均勻。特別地，當(dāng)?shù)谝徊季€由鍍層方法形成時，含銅金屬膜的表面內(nèi)的平面取向是不同的。在這種情況下，因為表面氧化的難易程度對于每個平面取向而言是不同的，因此，在表面上形成的氧化物膜的厚度并不均勻。結(jié)果，金屬硅化物層不能具有均勻的厚度。
為了減少來自第一布線的應(yīng)力遷移，硅化物層的厚度最好較厚。但是，為了減少第一布線和連接插頭之間的接觸電阻，硅化物層的厚度最好較薄。因此，控制硅化物層的厚度達(dá)到合適的厚度以同時滿足上述條件是很重要的，以便提高具有含銅金屬布線的半導(dǎo)體器件的產(chǎn)品得率。當(dāng)在含銅金屬膜上已經(jīng)形成了厚度不均勻的氧化物膜時，就很難控制硅化物層的厚度。因此，從含銅金屬膜表面去除氧化物膜的工藝是很重要的。因此，在本發(fā)明中，采用了清洗第一布線的表面部分的工藝。通過這種方法，可以防止含銅金屬膜表面的氧化，并且可以去除已經(jīng)形成的氧化物膜，如CuOx膜。這樣，含銅金屬膜表面可以被均勻地硅化。而且，半導(dǎo)體器件的性能得以改善。
在本發(fā)明的清洗步驟中，可以用含有羧酸或羧酸鹽的液體沖洗第一布線的表面部分。羧酸可以含有至少下列酸中的一種草酸、檸檬酸、蘋果酸、馬來酸、琥珀酸、酒石酸或丙二酸。在這些酸中，草酸是優(yōu)選的。因為螯合反應(yīng)，草酸可以有效地去除CuOx膜。這樣，含銅金屬膜表面可以被均勻地硅化。
而且，在本發(fā)明中，可以用含苯并三唑或苯并三唑衍生物的防腐蝕試劑處理第一布線的表面部分?？梢栽诘谝徊季€內(nèi)的含銅金屬膜進(jìn)行完CMP處理之后，立即用抗腐蝕劑進(jìn)行處理。這樣，可以保護(hù)含銅金屬膜表面防止其氧化，并且含銅金屬膜可以被均勻地硅化。而且，可以沖洗含銅金屬膜表面，隨后用抗腐蝕劑進(jìn)行處理。這樣，可以去除氧化物膜，如CuOx膜，并且，可以防止在第一布線的含銅金屬膜中形成新的氧化物膜。
清洗過程可以這樣實現(xiàn)在還原氣氛中對第一布線進(jìn)行等離子體處理。通過在這樣的還原氣氛中進(jìn)行等離子體處理，抗腐蝕劑可以被揮發(fā)掉。而且，可以去除在含銅金屬膜表面形成的氧化物膜(如CuOx膜)。從而，含銅金屬膜表面可以被均勻地硅化。另外，通過這種處理，抗腐蝕劑可以從含銅金屬膜的表面揮發(fā)掉?？梢栽趯Φ谝徊季€的表面部分進(jìn)行硅化處理的步驟之后進(jìn)行這種處理。通過進(jìn)行氨等離子體處理，即使在硅化步驟中半導(dǎo)體器件的絕緣膜上沉積了硅，硅也被氮化，從而防止了布線之間的短路。
例如，在日本專利No.2,809,196、日本公開專利申請(JP-A-HEISEI9-255687)以及日本公開專利申請(JP-P2000-150517A)中，介紹了銅布線表面的硅化方法。在這些傳統(tǒng)示例中描述的技術(shù)是這樣的在銅布線的表面部分上形成硅化物層以防止銅布線的氧化。但是，隨著近年來對半導(dǎo)體器件的高運行速度的要求的出現(xiàn)，銅布線的微型化正在被改進(jìn)。為此，當(dāng)在銅布線上形成硅化物層時，接觸電阻增加，這成為現(xiàn)在被關(guān)注的新問題。如果不能適當(dāng)?shù)乜刂乒杌飳拥暮穸?，相對于銅布線的整個膜層厚度的硅化物層的厚度增加。因此，在具有銅布線和連接插頭層疊的復(fù)合布線結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件中，進(jìn)行了不同的處理，而不是去抑制硅化物層的形成。
另一方面，在美國專利USP 6,181,013和美國專利USP 6,211,084中，介紹了控制硅化物層厚度的方法。例如，在美國專利USP 6,181,013中，產(chǎn)生SiH4等離子體，試圖在防氧化膜如SiN形成之前控制銅表面上的硅化物層的形成。但是，在這種情況下，如圖18所示，在除了銅表面的區(qū)域內(nèi)形成了多晶硅膜。因此，有在布線之間形成短路的風(fēng)險。關(guān)于這一點，將在下文中介紹。
而且，在美國專利USP 6,181,013中，在銅膜經(jīng)過CMP處理、留下一層非常薄的薄膜之后，用硅烷照射法形成了Cu5Si硅化物層。接著，再進(jìn)行一次CMP處理，在銅布線表面上選擇性地形成Cu5Si保護(hù)層。當(dāng)進(jìn)行這種處理時，當(dāng)進(jìn)行第二次CMP處理時，在銅膜表面內(nèi)引起了凹陷或凹進(jìn)，導(dǎo)致該層電阻的漂移。
而且，例如，在日本專利No.2,809,196中，介紹了一個示例，其中通過濺射方法或CVD方法形成了銅布線。但是，當(dāng)用濺射方法和CVD法形成含銅金屬膜時，幾乎不產(chǎn)生上述提到的晶粒邊界。因此，由于邊界存在而導(dǎo)致的應(yīng)力遷移問題根本沒有被意識到。
在本發(fā)明中，根據(jù)與上述傳統(tǒng)示例不同的觀點，要求硅化物層的形成減少具有由含銅金屬膜構(gòu)成的連接插頭和布線的半導(dǎo)體器件中的應(yīng)力遷移。特別地，當(dāng)由鍍層方法形成含銅金屬布線時，形成合適厚度的硅化物層很重要，因為晶粒邊界的產(chǎn)生是不可避免的。
在本發(fā)明中，可以通過對第一布線的表面部分進(jìn)行清洗，而從第一布線的含銅金屬膜表面上去除氧化物膜。而且，特別地，通過用抗腐蝕劑處理可以防止再次形成氧化物膜。因此，有可能適當(dāng)控制含銅金屬布線中硅化物層的厚度。這樣，在具有復(fù)合布線結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件中，有可能抑制接觸電阻的影響，從而減少應(yīng)力遷移，使器件的可靠性得到增強。
在本發(fā)明中，形成了具有基本一致的平面取向的含銅金屬布線膜。平面取向的基本一致意味著作為X-射線分析方法的結(jié)果，含銅金屬中70％或以上的晶粒具有相同的平面取向。通過使含銅金屬膜表面內(nèi)的平面取向基本一致，有可能在表面上均勻地形成含有不同種元素的膜層，并有可能適當(dāng)控制含不同種元素的膜層的厚度。這樣，在含銅金屬膜的電阻增加被抑制的同時，用含不同種元素的膜層保護(hù)了含銅金屬膜。而且，有可能提高含銅金屬膜的應(yīng)力遷移的耐久性。此處，不同種元素可以是下列元素中的一種或幾種Si、Ag、W、Mg、Be、Zn、Pd、Cd、Au、Hg、Pt、Zr、Ti和Sn。當(dāng)Si被用作不同種元素時，含銅金屬膜表面可以被硅化，并能提高含銅金屬膜的應(yīng)力遷移的耐久性。而且，含不同種元素的膜層可以由銅和不同種元素的合金形成。在這種情況下，有可能提高強度。而且，有可能保護(hù)含銅金屬膜的表面、并減少含銅金屬膜的應(yīng)力遷移。當(dāng)Be、Mg、Zn、Pd、Ag、Cd、Au或Hg被用作不同種元素時，含銅金屬膜的電阻增加能夠被抑制，而且，當(dāng)Zr或Ti被用做不同種元素時，有可能改善含銅金屬膜和絕緣膜以及阻擋金屬膜的配合度。而且，當(dāng)Mg被用作不同種元素時，有可能防止含銅金屬膜表面被腐蝕。
當(dāng)含銅金屬膜中的晶粒的平均尺寸等于或大于1微米時，可以減少含銅金屬膜表面中的晶粒的邊界。此處，晶粒尺寸是這樣計算的取每個晶粒的長軸和短軸的長度的平均值。平均晶粒尺寸是晶粒尺寸的平均值。這樣，有可能提高含銅金屬膜的應(yīng)力遷移耐久性。而且，當(dāng)在含銅金屬膜表面上形成不同種元素的膜層時，盡管要在晶粒的邊界部分內(nèi)均勻地形成含不同種元素的膜層較難，但通過減少邊界數(shù)量，有可能適當(dāng)控制含不同種元素的膜層的厚度。
通過給半導(dǎo)體基底施加RF(高頻)偏壓或DC(直流)偏壓，可以進(jìn)行偏壓濺射。這時，施加給半導(dǎo)體基底的離子照射能(等離子體電位+自偏壓)是高偏壓，如80電子伏特或更高，最好是200電子伏特或更高。通過用這種偏壓濺射方法形成第二含銅金屬膜，經(jīng)過隨后的熱處理，含銅金屬膜的平面取向能基本均勻一致。而且，有可能使這些含銅金屬膜的平均晶粒尺寸等于或大于1微米。
在本發(fā)明中，形成含不同種元素的膜層的步驟可以包括在含銅金屬膜的表面上形成銅和不同種元素的合金的步驟。應(yīng)該注意“合金”在這兒特指通過將兩種或多種金屬元素熔融并使之固化而獲得的，并且除金屬元素之外，還可以含有非金屬或準(zhǔn)金屬元素。而且，作為合金的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，有固溶體、金屬間化合物、以及兩者的混合物。即，其中元素的加入量超過了固溶極限的物質(zhì)也被稱為“合金”。
在等于或大于1微米厚的相對較厚的布線中，因為與布線寬度相比，晶粒尺寸小；并且許多晶粒的邊界存在于銅膜表面，因此，在傳統(tǒng)示例中很容易引起應(yīng)力遷移。在本發(fā)明中，可以使晶粒尺寸更大。因此，可以減少含銅金屬膜表面的晶粒邊界的數(shù)量。從而有可能提高布線中應(yīng)力遷移的耐久性。
本發(fā)明中的阻擋金屬膜含有難熔金屬，如Ti、W和Ta。例如，作為優(yōu)選的阻擋金屬膜，以由Ti、TiN、W、WN、Ta和TaN等材料形成的膜層作為舉例說明。特別地，最好使用鉭系的阻擋金屬，其中的TaN膜和Ta膜交疊。阻擋金屬膜可以由不同的方法形成，如濺射方法、CVD法等。
本發(fā)明中的非晶態(tài)金屬為Cu的硅化物。Cu的硅化物是通過使含銅金屬膜表面硅化形成的。硅化是通過將含銅金屬膜表面暴露在含硅的氣體中而實現(xiàn)的。例如，作為含硅的氣體，使用了由惰性氣體(如氮氣)稀釋甲硅烷、乙硅烷、丙硅烷或丁硅烷所得到的氣體。這樣，通過用惰性氣體稀釋含硅的氣體，可以降低硅化速率，使得硅化物層厚度能夠被控制在適宜的厚度。優(yōu)選地，硅化物層的平均膜厚可以等于或大于5納米(nm)。這樣，可以減小對第一布線的應(yīng)力遷移。而且，優(yōu)選地，硅化物層的平均膜厚的上限可以等于或小于30納米。這樣，可以減少對第一布線的應(yīng)力遷移。而且不受連接插頭和第一布線之間的接觸電阻的影響，即可以以高的產(chǎn)品得率制造高性能的半導(dǎo)體器件。而且，可以通過離子注入進(jìn)行硅化。此外，通過注入Si離子，可以使第一布線表面中的邊界不連續(xù)。
在本發(fā)明中，有多種清洗第一布線表面的方法。例如，用抗腐蝕劑對含銅金屬膜表面進(jìn)行防腐處理；在還原氣氛中進(jìn)行等離子體處理；或者采用列舉的沖洗液體沖洗含銅金屬膜表面的方法。
例如，苯并三唑(BTA)和苯并三唑衍生物可以用作本發(fā)明中的抗腐蝕劑。在這種情況下，抗腐蝕劑通常是苯并三唑(BTA)或苯并三唑衍生物的濃度等于或小于3％的溶液。而且，通過在溶液中加入分子中不含金屬原子、并且含有1個或幾個氮原子的可溶性化合物，則BTA或它的衍生物的濃度可以大于3％。例如，作為可溶性化合物，可以有氫氧化銨、氫氧化四甲銨、胺的化合物以及氨基化合物等等。通過用BTA或它的衍生物作為抗腐蝕劑，經(jīng)過CMP處理的含銅金屬膜表面可以被保護(hù)得很好?？梢苑乐购~金屬膜表面被氧化。
而且，分子中具有含氮原子的六疊環(huán)(six-fold-ring)的雜環(huán)化合物也可以被用作抗腐蝕劑。這樣的雜環(huán)化合物由于復(fù)環(huán)中氮原子的螯合反應(yīng)而顯示出良好的防腐性能，并具有良好的生物降解性能。
而且，含有下列原子團(tuán)的5疊環(huán)或六疊環(huán)的雜環(huán)化合物可以被用作抗腐蝕劑-C(OH)＝N-或-CONH-下列物質(zhì)被列出作為雜環(huán)化合物的具體實例嘌呤及其衍生物，如嘌呤、6-氨基嘌呤、2-氨基-6-氧嘌呤、6-呋喃甲氨基、2，6-(1H，3H)-嘌呤二酮、2-氨基-6-羥基-8-巰基嘌呤、別嘌呤醇、尿酸、呋喃甲基腺嘌呤、玉米素、鳥嘌呤、黃嘌呤、次黃嘌呤、腺嘌呤、茶堿、咖啡因、以及可可堿；氮鳥嘌呤及其衍生物，如8-氮鳥嘌呤、蝶啶和蝶呤以及它們的衍生物，如蝶啶、蝶呤、2-氨基-4，6-二羥基蝶啶、2-氨基-4，7-二羥基蝶啶、以及2-氨基-4，6，7-三羥基蝶啶；氰尿酸和異氰尿酸以及它們的衍生物，如三羧基甲基氰尿酸、三羧基乙基氰尿酸、三羧基甲基異氰尿酸；乙內(nèi)酰脲和尿囊素以及它們的衍生物，如乙內(nèi)酰脲、二甲基乙內(nèi)酰脲、以及尿囊素(5-酰脲乙內(nèi)酰脲)；巴比妥酸及其衍生物；煙酸及其衍生物，如異煙酸、檸嗪酸。它們可以單獨使用，也可兩種或多種一起使用。在上文中，優(yōu)選使用嘌呤及其衍生物；氰尿酸和異氰尿酸以及它們的衍生物和煙酸及其衍生物。因為它們對金屬(如銅)的防腐效果優(yōu)良并具有良好的生物降解性能。
在上文中，特別地，嘌呤及其衍生物絕不會對半導(dǎo)體基底以及其上所形成的各種膜層造成損害，并對金屬(如銅)有優(yōu)良的防腐效果。因此，優(yōu)選使用它。特別地，由下面的通式(1)所示的化合物，即尿酸，在自然界中分布很廣并具有高度的安全性。而且，尿酸具有優(yōu)良的生物降解性能、極優(yōu)良的防腐性能；優(yōu)選被采用。化1
(A1、A2、A3分別獨立地代表氫原子、羥基、和具有1至5個碳的烷基、或氨基)。
在上式中，A2和A3中至少有一個是羥基。在這種情況下，化合物具有在復(fù)環(huán)中與氨基化合物結(jié)合的結(jié)構(gòu)、具有良好的防腐性能和生物降解性能。
在本發(fā)明中，在等離子體處理中可以使用諸如氮氣、氬氣或氦氣等的氣體。例如，在還原氣氛中可以用氨等離子體處理作為等離子體工藝。通過在還原氣氛中進(jìn)行等離子體處理，布線的含銅金屬膜上的氧化物能夠被還原。而且，當(dāng)用BTA作為抗腐蝕劑時，很難去除BTA，但通過在硅化過程處理之前立即進(jìn)行等離子體處理，通過蒸發(fā)作用可以去除BTA。
在本發(fā)明中的沖洗液體可以含有羧酸或羧酸鹽。羧酸可以含有草酸、檸檬酸、蘋果酸、馬來酸、琥珀酸、酒石酸或丙二酸。
可以用不同類型的低介電常數(shù)的材料作為布線的絕緣膜和上、下布線之間的夾層絕緣膜。優(yōu)選地，絕緣膜是含有梯型氧化物(如梯形硅氧烷氫化物)的膜層。例如，可以采用梯型硅氧烷氫化物膜，或梯形硅氧烷氫化物膜和SiO2膜的迭層膜。梯形硅氧烷氫化物是具有梯型分子結(jié)構(gòu)的聚合體。從防止布線延遲的角度來看，介電常數(shù)優(yōu)選為2.9或更低，并且希望獲得低的膜密度。例如，希望膜密度為1.50g/cm3到1.58g/cm3之間，波長為633納米時的折射率為1.38到1.40之間。L-Ox就是一個作為這種膜層材料的具體例子。
圖19為具有梯型硅氧烷氫化物結(jié)構(gòu)的L-Ox(商標(biāo))的結(jié)構(gòu)。在圖19中，n為等于或大于1的正數(shù)。圖19為具有這種結(jié)構(gòu)的L-Ox的物理數(shù)據(jù)。
FT-IR的觀察結(jié)果證實了L-Ox具有圖19所示的結(jié)構(gòu)。在約830cm-1處出現(xiàn)了Si-H鍵合的峰值，這是圖20的特征。該峰的陡度表明L-Ox具有2維結(jié)構(gòu)。而且，在更高波數(shù)側(cè)的靠近870cm-1處出現(xiàn)了另一個具有非常小的峰的Si-H鍵合。該事實可以說明測試的目標(biāo)材料具有2-維結(jié)構(gòu)。
L-Ox的物理性能隨燒結(jié)條件變化。將結(jié)合圖28對該事實進(jìn)行說明。
在惰性氣體(如氮)氣氛中、在200至400攝氏度的溫度范圍內(nèi)燒結(jié)時，L-Ox具有下列性能。
在圖28中，R.I.示出了在波長為633納米時的折射率。折射率是一個直接影響介電常數(shù)的參數(shù)，并且它的值在1.38到1.40之間變化。當(dāng)燒結(jié)溫度低于200攝氏度或高于400攝氏度時，折射率的值會超過1.40。
而且，在200至400攝氏度的溫度范圍內(nèi)燒結(jié)的L-Ox的密度為1.50至1.58g/cm3。當(dāng)燒結(jié)溫度超過400攝氏度時，密度會超過1.60g/cm3，當(dāng)燒結(jié)溫度低于200攝氏度時，將無法測量密度。
而且，當(dāng)燒結(jié)溫度低于200攝氏度時，在FTIR譜中約3650cm-1處測量到一個假設(shè)為Si-OH的鍵合。當(dāng)燒結(jié)溫度超過400攝氏度時，密度的增加變得顯著。
根據(jù)上文，當(dāng)形成含L-Ox的絕緣膜時，可以發(fā)現(xiàn)通過在200至400攝氏度的溫度范圍內(nèi)的燒結(jié)處理，能夠穩(wěn)定獲得具有低介電常數(shù)特性的L-Ox。
圖21為具有氫硅倍半氧烷(Hydrogen Silsesquioxane)結(jié)構(gòu)和3維結(jié)構(gòu)的氫硅倍半氧烷(HSQ)的分子構(gòu)架，它的結(jié)構(gòu)已為人所知(半導(dǎo)體技術(shù)展望，1998，pp-431-435)。
在制造過程中，兩種結(jié)構(gòu)的材料的膜的穩(wěn)定性不同，L-Ox的膜的穩(wěn)定性顯著地優(yōu)秀?？梢哉J(rèn)為這是因為與HSQ相比，L-Ox中Si-H的數(shù)量減少了。而且，還可以認(rèn)為絕緣膜中氫原子的鍵合狀態(tài)不同也是造成L-Ox的膜的穩(wěn)定性優(yōu)秀的原因之一。即，在HSQ中，在固體結(jié)構(gòu)的角落里氫原子被鍵合，而在L-Ox中，氫原子則與梯型結(jié)構(gòu)的側(cè)面鍵合。因此，可以認(rèn)為氫原子的附近的密度更低，并且HSQ中的氫鍵變成比L-Ox具有更豐富的結(jié)構(gòu)。將結(jié)合實施例對HSQ和L-Ox之間的膜的穩(wěn)定性的差異進(jìn)行說明。
在下文的介紹中，應(yīng)注意，圖21所示的梯型硅氧烷氫化物是作為L-Ox被適當(dāng)?shù)孛枋龅摹?br> 在本發(fā)明中，可以用不同的膜層作為防擴(kuò)散膜。但是，希望使用的膜層為，例如SiC、SiCN、SiOC或SiON。通過使用這種低介電常數(shù)的材料，可以減少布線之間的電容。
而且，當(dāng)用SiCN作為防擴(kuò)散膜時，其優(yōu)點在于當(dāng)進(jìn)行布線的硅化處理時，制造的可靠性得以提高。當(dāng)進(jìn)行硅化處理時，用SiCN作為防擴(kuò)散膜和用SiN作為防擴(kuò)散膜時所形成的硅化物層是不同的。圖27A和27B為用氣體和RF電源順序處理的實例。當(dāng)用SiN時，流動氣體為SiH4、NH3或N2。另一方面，當(dāng)用SiCN時，流動氣體為三甲硅烷(在下文中，寫作3MS)、SiH4、NH3或N2。首先，在SiN膜形成過程中，在沒有用RF電源的情況下N2流動，布線表面的防氧化膜(即，BTA)被加熱器加熱而被脫附。接著，引入SiH4以便在Cu表面上形成硅化物層。接著，NH3被引入以形成SiN膜。但是，在這種情況下，為了在施加RF電源之前穩(wěn)定地產(chǎn)生等離子體，有必要同時引入SiH4和NH3，并使氣體穩(wěn)定。此時，SiH4在Cu布線表面上溶解，硅化物層變得過厚，以致于布線層電阻的漂移變大。另一方面，當(dāng)用SiCN時，與SiN相似，在不用RF電源的情況下，N2首先流動，布線表面的防氧化膜(即，BTA)被加熱器加熱而脫附。接著，引入SiH4以便在Cu表面上形成硅化物層。然后，停止SiH4而引入3MS和NH3，接著開始使氣體穩(wěn)定的步驟。在這種情況下，由于3MS沒有在Cu表面上溶解，不會形成不必要的硅化物層，與用SiN的情況不同，并有可能抑制布線層電阻的漂移。
接下來，將介紹依據(jù)本發(fā)明的第一實施例的具有含銅布線結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件。
圖2為依據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的實例的截面圖。形成在硅基底100上具有柵極102和擴(kuò)散層104的MOS晶體管。形成絕緣膜106以覆蓋MOS晶體管。在絕緣膜106內(nèi)形成與擴(kuò)散層104相連的銅連接插頭108，并且第一銅布線22a、連接插頭28和第二銅布線22b依次在表面部分上形成。在含銅布線層的表面部分上形成具有相同或相似結(jié)構(gòu)的銅布線層，并且鈍化膜114作為最上面的膜層。應(yīng)注意第一銅布線22a與硅基底100上的器件電連接。而且，下文中將要介紹的一套第一銅布線22a、連接插頭28和第二銅布線22b可以存在于圖2所示的半導(dǎo)體器件中的任何一層中。
作為示例，將參照圖2中的虛線部分116所包圍的布線結(jié)構(gòu)對本發(fā)明的實施例進(jìn)行說明。實施例1圖3為本發(fā)明的第一實施例中的布線結(jié)構(gòu)的截面圖。其中由第一SiCN膜12、L-Ox膜和SiO2膜依次層疊的第一迭層14a；以及其中由第二SiCN膜16、氧化硅膜18、第三SiCN膜20、以及L-Ox膜和SiO2膜層疊的第二迭層14b在硅基底(未示出)上的絕緣膜106上層疊。第一銅布線22a和第二銅布線22b分別在第一迭層14a和第二迭層14b內(nèi)形成。
第一銅布線22a由鉭系阻擋金屬膜24a和銅膜26a形成。在硅氧膜18中，形成的連接插頭與第一銅布線22a的表面連接。連接插頭28由鉭系阻擋金屬膜30和銅膜32形成。在第二疊層14b中，第二銅布線22b由鉭系阻擋金屬膜24b和銅膜26b形成。還有，分別在第一銅布線22a的表面形成第一銅硅化物層34a，在第二銅布線22b的表面形成第二銅硅化物層34b。
下文中，將參照圖4A到圖4N對在圖3中示出的第一實施例的布線結(jié)構(gòu)1的制造方法進(jìn)行說明。
圖4A示出了在第一SiCN膜12和第一迭層14a中形成了布線槽的結(jié)構(gòu)。在形成第一SiCN膜12和第一迭層14a之后，通過一步步蝕刻第一SiCN膜12和第一迭層14a形成了該結(jié)構(gòu)，并接著將電阻膜(未示出)制成預(yù)定的圖案。
接下來，通過濺射方法和反應(yīng)濺射法(圖4B)在基底表面上形成其中沉積了Ta和TaN的鉭系阻擋金屬膜24a(Ta的膜厚大約為20納米，TaN的膜厚大約為10納米)。
接著，如圖4C所示，在鉭系阻擋金屬膜24a上形成銅膜26a。銅膜26a是通過鍍層方法、如下所示形成的首先，通過濺射沉積銅的種子銅膜以生長銅鍍膜。接著，基底被浸入液體溫度大約為25攝氏度的硫酸銅溶液中，這樣，通過電解電鍍方法形成了銅膜26a(平整部分的膜厚大約為600納米)。
隨后，在350攝氏度下，對所得到的基底進(jìn)行約30分鐘的退火處理。通過在如此高的溫度下的退火處理，銅膜26a中的晶粒的顆粒直徑與退火處理前相比變大。這樣，銅膜26a表面內(nèi)露出的許多晶粒邊界交疊的部分相對減少。因此，很難產(chǎn)生空腔。而且，經(jīng)過這樣的退火處理之后，第一銅布線22a的電阻值比退火處理前的電阻值有所降低。例如，退火處理可以在200至500攝氏度的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。
然后，通過化學(xué)機械拋光(CMP)法，在布線槽外形成的不必要的銅膜26a以及鉭系阻擋金屬膜24a被去除。銅膜26a等被留在布線槽內(nèi)。這樣，就形成了第一銅布線22a(圖4D)。
在完成對銅膜26a的CMP處理之后，立即進(jìn)行抗腐蝕處理，在該處理中，利用作為抗腐蝕劑的BTA對銅膜26a的表面進(jìn)行處理。此處，使用的是0.05％的BTA溶液。這樣，在CMP處理之后，當(dāng)樣品被轉(zhuǎn)到下一個處理步驟時，銅膜26a的表面已經(jīng)被BTA所保護(hù)。因此，可以防止銅膜26a被氧化。
接下來，如圖4E所示，在第一布線22a的銅膜26a的表面上形成第一硅化銅層34a。將在下文中對形成第一硅化銅層34a的方法進(jìn)行說明。
在用氨等離子體處理(在350攝氏度下處理30秒)通過蒸發(fā)作用去除BTA之后，在350攝氏度、3托的壓力下，SiH4流動約60秒(SiH4的流動速率為5000sccm，而N2的流動速率為50sccm)。這樣，銅膜26a的表面被硅化。形成了約10納米厚的第一硅化銅層34a。經(jīng)熒光X-射線分析，證實了CuSix的存在。
接著，形成了第二SiCN膜16(膜厚約70納米)和氧化硅膜18(膜厚約350納米)(圖4F)。
然后，用光刻法蝕刻氧化硅膜18直至露出第二SiCN膜16。接著，更換蝕刻氣體，第二SiCN膜16被蝕刻，直至露出第一硅化銅層34a的表面。這樣，如圖4G所示，就形成了連接孔40。
接下來，為了填充連接孔40的內(nèi)部，依次形成鉭系阻擋金屬膜30和銅膜32(平整部分的膜厚約為650納米)(圖4H)。用與第一銅布線22a的銅膜26a相似的鍍層方法形成銅膜32。接著，用CMP進(jìn)行平整處理，并形成連接插頭28(圖4I)。
接著，在連接插頭28的表面部分上形成第三SiCN膜20(膜厚約70納米)和第二迭層14b(膜厚約為300納米)(圖4J)。然后，通過干蝕刻形成布線槽42(圖4K)。接著，依次形成鉭系阻擋金屬膜24a和銅膜26b(平整部分的膜厚約為600納米)，以填充布線槽42(圖4L)。用與第一銅布線22a的銅膜26a相似的鍍層方法形成銅膜26b。隨后，用CMP處理進(jìn)行平整處理，并形成第二銅布線22b(圖4M)。接著，用BTA對銅膜26b進(jìn)行抗腐蝕處理。在用氨等離子體處理通過蒸發(fā)作用去除BTA之后，進(jìn)行硅化處理，并形成了第二硅化銅層34b(圖4N)。
如上所述，形成了如圖3所示的布線結(jié)構(gòu)。通過重復(fù)上述步驟，有可能制造如圖2所示的、具有3層或更多層復(fù)合布線結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件。實施例2第二實施例與第一實施例的區(qū)別在于在對銅膜26a和銅膜26b的表面進(jìn)行硅化處理之前，通過在約350攝氏度的溫度下進(jìn)行加熱處理使BTA蒸發(fā)并去除，而不是通過進(jìn)行氨等離子體處理來去除BTA。通過加熱處理，形成了如圖3所示的布線結(jié)構(gòu)。應(yīng)該注意BTA蒸發(fā)并去除的溫度可以介于150至450攝氏度之間。通過對形成的布線結(jié)構(gòu)的熒光X-射線分析，證實了CuSix的存在。
如第一實施例一樣，通過進(jìn)行氨等離子體處理使BTA蒸發(fā)并去除，可以在去除BTA的同時進(jìn)行硅化處理。因此，有可能控制硅化處理以控制例如硅化銅的膜厚。而且，通過進(jìn)行和第二實施例相同的加熱處理，以便使BTA蒸發(fā)并被去除，可以防止氣體(如氨)對銅膜26a或銅膜26b的表面中的晶粒邊界的腐蝕。因此，可以形成良好的布線結(jié)構(gòu)。實施例3圖5為第三實施例中的布線結(jié)構(gòu)圖。第三實施例與第一實施例的區(qū)別在于沒有形成第一硅化銅層34a和第二硅化銅層34b，以及沒有進(jìn)行BTA抗腐蝕處理。通過用相同的標(biāo)號標(biāo)明圖5與圖3中相同的部分，且這些部分的說明將被省略。
在第三實施例中，進(jìn)行和第一實施例相同的處理步驟，直至對第一銅布線22a的銅膜26a的進(jìn)行CMP步驟。接著，不必對銅膜26a的表面進(jìn)行硅化處理，就形成第二SiCN膜16和氧化硅膜18。在形成第二SiCN膜16之前，通過氨等離子體處理對第一銅布線22a的銅膜26a進(jìn)行表面處理。在形成氧化硅膜18之后的步驟與第一實施例相同。由上述步驟形成圖5所示的布線結(jié)構(gòu)。實施例4第四實施例與第三實施例的區(qū)別在于在對銅膜26a或銅膜26b的表面進(jìn)行CMP處理之后立即進(jìn)行BTA抗腐蝕處理。接著，在形成第二SiCN膜16之前，用氨等離子體處理對第一銅布線22a的銅膜26a進(jìn)行表面處理。通過這種工藝，形成了與圖5所示的布線結(jié)構(gòu)相似的布線結(jié)構(gòu)。這樣，在經(jīng)過CMP處理之后，通過BTA抗腐蝕處理，銅膜26a和26b的表面可以立即得到保護(hù)。因此，通過對銅膜表面上的抗腐蝕處理，包含這種銅布線的半導(dǎo)體器件的可靠性得以提高。實施例5圖6A至圖6F為第五實施例中的布線結(jié)構(gòu)制造過程的截面圖。第五實施例與第一實施例的區(qū)別之處在于由雙大馬士革方法形成了連接插頭28和第二銅布線22b。用相同的標(biāo)號標(biāo)明圖6A至圖6F中與圖3中相同的部分，并且這些部分的說明也被略去。
首先，與參照圖4A至圖4N說明的第一實施例一樣，形成了第一銅布線22a。然后，在銅膜26a的表面上形成了第一硅化銅層34a(圖6A)。
接下來，形成第二SiCN膜16和氧化硅膜50(圖6B)。
接著，如圖6C所示，通過用光刻法進(jìn)行逐步地蝕刻，在氧化硅膜50中形成了用于連接插頭28和布線槽54的連接孔52。接著，改變蝕刻氣體并對第二SiCN膜16進(jìn)行蝕刻。然后，如圖6D所示，在包括連接孔52和布線槽54的氧化硅膜50的整個表面上形成鉭系阻擋金屬膜56。鉭系阻擋金屬膜56由Ta膜和TaN膜組成。
接著，如圖6E所示，在鉭系阻擋金屬膜56上形成銅膜58，以填充連接孔52和布線槽54。接著，進(jìn)行CMP平整化處理以去除除了布線槽54之外的部分的銅膜58和鉭系阻擋金屬膜56。通過這種處理，形成了連接插頭28和第二銅布線22b。然后，進(jìn)行BTA抗腐蝕處理。在用氨等離子體處理使BTA蒸發(fā)并被去除之后，進(jìn)行硅化處理。這樣，就形成了第二硅化銅層34b(圖6F)。由上述步驟形成了第五實施例中的布線結(jié)構(gòu)。對形成的布線結(jié)構(gòu)的熒光X-射線分析證實了CuSix的存在。而且，還通過X-射線衍射證實了第一、第二和第五實施例的布線結(jié)構(gòu)中存在無定形區(qū)。實施例6通過第一至第五實施例中所述方法形成了如圖7所示的2層布線結(jié)構(gòu)，以分別考察產(chǎn)品得率。2層布線結(jié)構(gòu)被稱為通路鏈。提供了10，000條平行的第一銅布線22a，并且提供了與第一銅布線平行正交的10,000條第二銅布線22b。這些布線由20,000個連接插頭28連接。在該圖中，省略了半導(dǎo)體基底、夾層絕緣膜等。當(dāng)在這些通路鏈的兩端之間施加預(yù)定的電壓時，電流按圖7B中的箭頭所示的方向流動。這樣，測量了10,000條第一銅布線22a、10,000條第二銅布線22b和20,000個連接插頭28的電阻。與第一至第五實施例相對應(yīng)的2層布線結(jié)構(gòu)分別被稱為布線結(jié)構(gòu)1至5。由熒光X-射線分析證實了布線結(jié)構(gòu)1、2和5中存在CuSix。
而且，還形成了對比樣品，其中形成了第一銅布線22a的銅膜26a，并且還進(jìn)行了BTA抗腐蝕處理和氨等離子體處理，并且隨后由雙大馬士革方法形成了連接插頭28和第二銅布線22b，而沒有對銅膜26a的表面進(jìn)行硅化處理(布線結(jié)構(gòu)6)。
形成之后，布線結(jié)構(gòu)1至6在150攝氏度下放置了500小時。接著，進(jìn)行通路鏈的產(chǎn)品得率的檢驗。而且，準(zhǔn)備了一個樣品作為參照，其中，在產(chǎn)生等離子體的同時流動SiH4氣體以形成硅化物層(布線結(jié)構(gòu)7)。在2層布線結(jié)構(gòu)(參考布線結(jié)構(gòu)1和參考布線結(jié)構(gòu)2)中測量了通路鏈的產(chǎn)品得率，形成的這兩種參考布線結(jié)構(gòu)與布線結(jié)構(gòu)1和布線結(jié)構(gòu)5相似，并且在室溫下放置了500小時。下表1列出了假設(shè)參考布線結(jié)構(gòu)1和2的產(chǎn)品得率為100％，并且布線結(jié)構(gòu)6的產(chǎn)品得率為0％時的每種布線結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品得率(％)。
表1

WS布線結(jié)構(gòu)RWS參考布線結(jié)構(gòu)NH3p1NH3等離子體圖8為表1所示產(chǎn)品得率的數(shù)據(jù)的圖表。如圖8所示，用于在室溫下放置的參考布線結(jié)構(gòu)1和參考布線結(jié)構(gòu)2的單大馬士革法和雙大馬士革法之間并沒有表現(xiàn)出差別。而且，進(jìn)行了BTA抗腐蝕處理和硅化處理、并且由單大馬士革法形成的布線結(jié)構(gòu)1和布線結(jié)構(gòu)2的產(chǎn)品得率大約為100％。
用與布線結(jié)構(gòu)1相似的單大馬士革法形成的、沒有進(jìn)行過硅化處理的布線結(jié)構(gòu)4的產(chǎn)品得率為40％。該值比布線結(jié)構(gòu)1的產(chǎn)品得率的一半還低?？梢哉J(rèn)為其原因為第一銅布線22a的銅膜26a被第一硅化銅層34a所保護(hù)，并且來自作為上層的第二銅布線22b和連接插頭28的應(yīng)力被緩解，這樣，可以防止第一銅布線22a中空腔的產(chǎn)生。
由雙大馬士革法形成的、經(jīng)過硅化處理的布線結(jié)構(gòu)5的產(chǎn)品得率為90％。與布線結(jié)構(gòu)6的產(chǎn)品得率(為0％)相比，該產(chǎn)品得率有顯著提高。盡管布線結(jié)構(gòu)6是由雙大馬士革法形成的，但它沒有經(jīng)過硅化處理?？梢赃@樣認(rèn)為產(chǎn)品得率的提高是因為第一銅布線22a的銅膜26a被第一硅化銅層34a所保護(hù)，并且來自作為上層的第二銅布線22b和連接插頭28的應(yīng)力被緩解，這樣，可以防止在第一銅布線22a中空腔的產(chǎn)生。
而且，與用雙大馬士革法形成的布線結(jié)構(gòu)5相比，用單大馬士革法形成的布線結(jié)構(gòu)1的產(chǎn)品得率有所提高。在布線結(jié)構(gòu)5中，由雙大馬士革法形成的第二銅布線22b會發(fā)生銅被吸入連接插頭28的現(xiàn)象。因此，在連接插頭28和第一銅布線22a之間產(chǎn)生了空腔。但是，在用單大馬士革法形成的布線結(jié)構(gòu)1中，可以防止這樣的空腔的產(chǎn)生。
而且，既沒有經(jīng)過BTA抗腐蝕處理、又沒經(jīng)過硅化處理的布線結(jié)構(gòu)3的產(chǎn)品得率為15％。與經(jīng)過BTA抗腐蝕處理、由雙大馬士革法形成的布線結(jié)構(gòu)6的產(chǎn)品得率相比，該值有所提高。根據(jù)上文可以了解用單大馬士革法形成銅布線可以提高產(chǎn)品得率。
而且，至于沒有經(jīng)過硅化處理的布線結(jié)構(gòu)，用雙大馬士革法形成的布線結(jié)構(gòu)6與用單大馬士革法形成的布線結(jié)構(gòu)4相比，它的產(chǎn)品得率在布線結(jié)構(gòu)5和布線結(jié)構(gòu)1以及其它布線結(jié)構(gòu)之間的產(chǎn)品得率之間的差被減少?？梢哉J(rèn)為其原因是第一銅布線22a和連接插頭28發(fā)生了由第二銅布線22b把銅吸起來的現(xiàn)象，這樣，當(dāng)?shù)谝汇~布線22a的銅膜26a的表面沒有第一硅化銅層34a保護(hù)時，在第一銅布線22a和連接插頭28之間產(chǎn)生了空腔。
而且，在每個布線結(jié)構(gòu)中的布線之間測量了漏電流。結(jié)果如圖26A和26B所示。在布線結(jié)構(gòu)1至6中幾乎沒有出現(xiàn)漏電流。但是，在產(chǎn)生了等離子體并形成了硅化物層的布線結(jié)構(gòu)7中的漏電流很大。可以認(rèn)為其原因是在布線絕緣膜上形成了多晶硅層并且銅原子擴(kuò)散進(jìn)入絕緣膜。
根據(jù)上述結(jié)果，發(fā)現(xiàn)通過用第一硅化銅層34a保護(hù)第一銅布線22a的銅膜26a，可以顯著提高產(chǎn)品得率。而且，還發(fā)現(xiàn)即使用單大馬士革法在位于第一銅布線22a上的連接插頭28上和連接插頭28的表面外圍部分上形成第二銅布線22b，仍能顯著提高產(chǎn)品得率。而且，還發(fā)現(xiàn)通過把用第一硅化銅層34a保護(hù)銅膜26a和用單大馬士革法形成連接插頭28以及第二銅布線22b結(jié)合起來，還可以進(jìn)一步提高產(chǎn)品得率。而且，還發(fā)現(xiàn)為了防止布線之間的漏電，形成硅化物層時最好不產(chǎn)生等離子體。
應(yīng)該注意通路鏈的產(chǎn)品得率的檢驗是按照形成布線結(jié)構(gòu)(該布線結(jié)構(gòu)是經(jīng)過和第一、第二以及第五實施例相似的步驟形成的)的方式進(jìn)行的，并且增加了一個步驟即在對第一銅布線22a的銅膜26a進(jìn)行了CMP處理之后，在BTA抗腐蝕處理之前，用草酸沖洗銅膜26a的表面。結(jié)果與上述結(jié)果相同或比上述結(jié)果更好?？梢哉J(rèn)為其原因為草酸的螯合反應(yīng)有效地從銅膜26a的表面去除了氧化銅(CuOx)膜。實施例7第七實施例與第一或第二實施例的區(qū)別在于形成第一銅布線22a和第二銅布線22b的方法不同。如同在第一實施例中參照圖4A至4N說明的一樣，在布線槽內(nèi)形成鉭系阻擋金屬膜24a。
下文中，將參照圖13A至13D對第七實施例中第一銅布線22a的制造方法進(jìn)行說明。首先，通過濺射方法在鉭系阻擋金屬膜24a上形成種子銅膜60(約為100納米)。接著，為了填充布線槽的一部分，通過電解電鍍方法在種子銅膜60上形成鍍層銅膜62(平整部分的膜厚約為150納米)(圖13A)。此時，鍍層銅膜62具有(111)的取向。而且，假定種子銅膜60和鍍層銅膜62的總厚度為t1。
接著，在潔凈腔室內(nèi)，于室溫下用Ar/H2等離子體對鍍層銅膜62的表面中的氧化銅進(jìn)行濺射和還原。通過給硅基底施加直流偏壓(未將基底暴露在環(huán)境氣氛中)，通過偏壓濺射方法，于Cu濺射腔室內(nèi)在鍍層銅膜62上形成了偏壓濺射銅膜64(平整部分的膜厚約為900納米)(圖13B)。當(dāng)氬離子照射到濺射生長表面時形成偏壓濺射銅膜64。此時，施加給硅基底的離子照射能量(等離子體電位+自偏壓)是高偏壓，如80電子伏特或更高，最好為200電子伏特或更高。為了防止在膜的生長過程中因等離子體照射而溫度升高，基底溫度被設(shè)定為-5攝氏度。而且，形成的偏壓濺射銅膜64的膜厚為t2，比上述的t1更厚。此時，證實偏壓濺射銅膜64的取向為(111)。
接下來，在惰性氣體氣氛中于400攝氏度下熱處 30分鐘。通過熱處理步驟，偏壓濺射銅膜64、鍍層銅膜62和種子銅膜60的晶體取向變?yōu)?200)。此時，形成的銅膜66具有大晶粒的平均晶粒尺寸，為幾百微米(圖13C)。圖17為按上述方法形成的銅膜66的X-射線分析結(jié)果。如圖所示，銅膜66表面內(nèi)93％(190468/204419)或更多的晶粒的平面取向為(200)。而且，當(dāng)用光學(xué)顯微鏡確認(rèn)銅膜66的表面內(nèi)的晶粒尺寸時，絕大部分的晶粒超過了100至200微米或更大，一些晶粒甚至超過了500微米。
接著，通過化學(xué)機械拋光(CMP)法，不必要的銅膜66以及在布線槽外形成的鉭系阻擋金屬膜24a被去除，使得只有銅膜66等被留在了布線槽內(nèi)。這樣，就形成了第一銅布線22a(圖13D)。一些樣品的一部分在這個步驟中被檢驗。能夠證實第一銅布線22a的銅膜66的70％是由單晶形成的。在這情況下，第一銅布線22a的布線寬度為10微米，布線長度為100微米，膜厚為300納米。
接著，用BTA對銅膜66進(jìn)行與第二實施例相似的表面處理，在350攝氏度下用熱處理將BTA蒸發(fā)去除后，形成第一硅化銅層34a。接著，與第一和第二實施例相似地形成了連接插頭28。與本實施例上文中所述的第一銅布線22a相似，形成了第二銅布線22b。
如上所述，在鍍層銅膜62上形成了偏壓濺射銅膜64，然后進(jìn)行熱處理。這樣，可以控制銅晶體的平面取向。通過這種方法，可以保持銅膜66的表面均勻，并且可以在銅膜66上均勻地形成硅化銅層。因此，可以適當(dāng)控制硅化銅層的膜厚，并且在抑制第一銅布線22a和第二銅布線22b的電阻上升速率的同時，可以保護(hù)這些布線。
而且，由于通過上述熱處理步驟可以使銅的晶粒尺寸較大，可以充分地減少銅膜66表面內(nèi)的晶粒邊界。這樣，可以提高布線結(jié)構(gòu)應(yīng)力遷移的耐久性。而且，在第七實施例中，在銅膜66的表面中形成了硅化銅層。因此，可以抑制銅晶體的位移，并且可以改善布線結(jié)構(gòu)的應(yīng)力遷移耐久性。而且，由于可以使銅布線的銅膜的晶粒尺寸較大，可以減少布線電阻。而且，由于在該實施例中在銅膜66的表面內(nèi)幾乎不會產(chǎn)生晶粒邊界，基于這一點，可以均勻地形成硅化銅。用外觀檢測裝置(KLA-Tencor)可以證實在該實施例中，在布線表面內(nèi)均勻地形成了硅化銅層。實施例8第八實施例與第七實施例的區(qū)別在于當(dāng)形成第一銅布線22a和第二銅布線22b時，是用等離子體CVD方法形成了CVD銅膜68，而不是用種子銅膜60和鍍層銅膜62。
將參照圖14A至14D對第八實施例進(jìn)行說明。在形成鉭系阻擋金屬膜24a時，用等離子體CVD方法形成了CVD銅膜68(平整部分的膜厚約為200納米)(圖14A)。此時，CVD銅膜68的晶體取向為(111)。
接著，與第七實施例相似，在潔凈腔室內(nèi)，于室溫下用Ar/H2等離子體 CVD銅膜68表面中的氧化銅進(jìn)行濺射和還原。通過在Cu濺射腔室內(nèi)，給硅基底施加直流偏壓(未將基底暴露在氣氛中)，通過偏壓濺射方法，于Cu濺射腔室內(nèi)在CVD銅膜68上形成了偏壓濺射銅膜64(平整部分的膜厚約為900納米)(圖14B)。偏壓濺射的條件與第七實施例相似。而且，在該實施例中，與第七實施例相似，偏壓濺射銅膜64是這樣形成的使偏壓濺射銅膜64的膜厚t4比CVD銅膜68的膜厚t3更厚。
接下來，在惰性氣體氣氛中于400攝氏度下熱處理30分鐘。通過熱處理步驟，偏壓濺射銅膜64和CVD銅膜68的晶體取向變?yōu)?200)。此時，形成了具有大晶粒的銅膜66，其平均晶粒尺寸為幾百微米(圖14C)。
接著，通過化學(xué)機械拋光(CMP)法，不必要的銅膜66以及在布線槽外形成的鉭系阻擋金屬膜24a被去除，使得只有銅膜66等被留在了布線槽內(nèi)。這樣，就形成了第一銅布線22a(圖14D)。
接著，與第七實施例相似地，形成了第一硅化銅層34a和連接插頭28。與本實施例上文中所述的第一銅布線22a相似地，形成了第二銅布線22b。實施例9第九實施例與第七實施例的區(qū)別在于形成連接插頭28的方法不同。在形成第一銅布線22a之后，如在第七實施例中介紹的，在第二SiCN膜16和氧化硅膜18中形成連接孔40，如在第一實施例中參照圖4A至4L所介紹的一樣。接著，在連接孔40內(nèi)形成鉭系阻擋金屬膜30(圖15A)。
接著，用濺射方法在鉭系阻擋金屬膜30上形成種子銅膜70。接著，用電解電鍍方法在種子銅膜70上形成鍍層銅膜72(圖15B)。然后，給基底施加一個偏壓，并在鍍層銅膜72上用偏壓濺射方法形成偏壓濺射銅膜74(圖15C)。在這種情況下，當(dāng)氬離子照射到濺射生長表面時，形成偏壓濺射銅膜74。偏壓濺射的條件與第七實施例相似。而且，偏壓濺射銅膜74是這樣形成的使偏壓濺射銅膜74的膜厚t6比種子銅膜70和鍍層銅膜72的總膜厚t5更厚。
接著，在惰性氣氛中進(jìn)行熱處理，通過熱處理步驟，偏壓濺射銅膜74、鍍層銅膜72和種子銅膜70的晶體取向變?yōu)?200)。與此同時，形成了具有大晶粒的銅膜76，其平均晶粒尺寸為幾百微米(圖15D)。
接著，如第一實施例中參照圖4A至4N所介紹的一樣，進(jìn)行CMP平整處理，并且形成了連接插頭28。接著，與第七實施例相似地形成了第二銅布線22b。
在第九實施例中，可以使連接插頭28的銅膜表面內(nèi)晶體的平面取向為(200)?？梢允广~的晶粒尺寸較大。因此，可以提高連接插頭28應(yīng)力遷移的耐久性。而且，由于可以使銅布線的銅膜和插頭的晶粒尺寸較大，可以降低布線電阻。實施例10第十實施例與第五實施例的區(qū)別在于形成第一銅布線22a和第二銅布線22b的方法不同。與第五實施例中參照圖6A至6F所介紹的一樣，形成了連接孔52和布線槽54。在包括連接孔52和布線槽54的氧化硅膜50的整個表面上形成鉭系阻擋金屬膜56。在第十實施例中應(yīng)該注意第一銅布線22a和下文中將要介紹的第二銅布線22b的形成方法相同。
下文中，將參照圖16A至16D對第十實施例中的第二銅布線22b的制造方法進(jìn)行說明。首先，用濺射方法在鉭系阻擋金屬膜56上形成種子銅膜80(約為100納米)(圖16A)。接著，用電解電鍍方法在種子銅膜80上形成鍍層銅膜82(平整部分的膜厚約為200納米)(圖16B)。此時，鍍層銅膜82的取向為(111)。假定種子銅膜80和鍍層銅膜82的總膜厚為t7。
接著，在洗燙(laundering)腔室內(nèi)，于室溫下用Ar/H2等離子體對鍍層銅膜82表面中的氧化銅進(jìn)行濺射和還原。在Cu濺射腔室內(nèi)給基底施加直流偏壓(未將基底暴露在氣氛中)，通過偏壓濺射方法，在鍍層銅膜82上形成了偏壓濺射銅膜84(平整部分的膜厚約為900納米)(圖16C)。當(dāng)氬離子照射到濺射生長表面時形成偏壓濺射銅膜84。此時，施加給硅基底的離子照射能量(等離子體電位+自偏壓)是高偏壓，如80電子伏特或更高，優(yōu)選的為200電子伏特或更高。為了防止基底溫度因等離子體照射而升高，基底溫度被設(shè)定為-5攝氏度。而且，偏壓濺射銅膜84是這樣形成的它的膜厚為t8，比上述的t7更厚。
接下來，在惰性氣體氣氛中于400攝氏度下熱處理30分鐘。通過熱處理步驟，偏壓濺射銅膜84、鍍層銅膜82和種子銅膜80的晶體取向變?yōu)?200)。此時，形成的銅膜86具有大晶粒，其平均晶粒尺寸為數(shù)百微米(圖16D)。
接著，如第五實施例中參照圖6A至6F所做的說明一樣，進(jìn)行CMP平整處理，并形成第二銅布線22b。
接著，用BTA對銅膜86進(jìn)行與第五實施例相似的表面處理，在約350攝氏度下用熱處理將BTA蒸發(fā)去除后，形成第二硅化銅層34b。
通過在上述的鍍層銅膜82上形成偏壓濺射銅膜84以及進(jìn)行熱處理步驟，可以控制銅晶體的平面取向。這樣，可以保持銅膜86表面的均勻性。因此，可以在銅膜86上均勻地形成硅化銅層。而且，可以適當(dāng)控制硅化銅層的膜厚，并且在抑制第一銅布線22a和第二銅布線22b的電阻上升速率的同時，可以保護(hù)這些布線。
而且，通過上述熱處理步驟可以使銅的晶粒尺寸較大。因此，可以充分地減少銅膜86表面內(nèi)的晶粒邊界。這樣，可以改善布線結(jié)構(gòu)的應(yīng)力遷移的耐久性。而且，由于在第十實施例中，在銅膜86的表面中形成了硅化銅層。因此，可以抑制銅晶體的位移。而且可以改善布線結(jié)構(gòu)的應(yīng)力遷移的耐久性。還有，由于可以使銅布線的銅膜和插頭的晶粒尺寸變大，可以減少布線電阻。而且，由于在該實施例中，在銅膜86的表面內(nèi)幾乎不會產(chǎn)生晶粒邊界，基于這一點，可以均勻地形成硅化銅層。實施例11用第二、第四和第七實施例中所述的方法形成了如圖7A所示的2層布線結(jié)構(gòu)，并且，與第六實施例相似地測量了通路鏈電阻的產(chǎn)品得率。此處，提供了1,000,000條平行的第一銅布線22a，并且，提供了與第一銅布線平行正交的1,000,000條第二銅布線22b。這些布線之間連接著2,000,000個連接插頭28。與第二、第四和第七實施例相對應(yīng)的2層布線結(jié)構(gòu)分別被稱為布線結(jié)構(gòu)a2、a4和a7。由熒光X-射線分析證實了布線結(jié)構(gòu)a2和a7中存在CuSix。
布線結(jié)構(gòu)a2、a4和a7在150攝氏度下放置了500小時。和每個布線結(jié)構(gòu)一起，通路鏈的初始電阻值被設(shè)定為100％，并且樣品的電阻值是被作為相對值計算的。表格列出了當(dāng)準(zhǔn)備了多個樣品進(jìn)行評估時的電阻值范圍。電阻越高，表明應(yīng)力遷移耐久性越高。
表2

WS布線結(jié)構(gòu)如表2所示，鍍層方法和偏壓濺射方法中形成的銅膜經(jīng)過熱處理。銅膜表面的晶體的平面取向變?yōu)?200)，并且晶粒長大。然后，進(jìn)行了硅化處理的布線結(jié)構(gòu)a7的產(chǎn)品得率為93-100％。該產(chǎn)品得率比布線結(jié)構(gòu)a2的產(chǎn)品得率60-78％更高一些，在該布線結(jié)構(gòu)a2中，在用鍍層方法形成銅膜之后進(jìn)行了硅化處理。而且，布線結(jié)構(gòu)a7和布線結(jié)構(gòu)a2的產(chǎn)品得率比布線結(jié)構(gòu)a4的產(chǎn)品得率有顯著提高，在該布線結(jié)構(gòu)a4中，用鍍層方法形成了銅膜，而沒有進(jìn)行硅化處理。這樣，根據(jù)第十一實施例的結(jié)果，可以證實通過使由銅形成的布線表面硅化可以有效抑制應(yīng)力遷移。而且，還可以證實通過使銅膜表面內(nèi)的平面取向均勻一致、以及使銅膜的晶粒變大，可以進(jìn)一步抑制應(yīng)力遷移，從而減少銅膜表面中的晶粒數(shù)量。實施例12第十二實施例與第七至第十實施例的區(qū)別在于在圖2所示的第一銅布線22a和第二銅布線22b的表面上形成了鎢頂層，而不是硅化銅層34a或34b。
在與第七實施例相似地形成了銅膜66之后，用CMP工藝將布線槽外的不必要的銅膜66和鉭系阻擋金屬膜24a去除。只在布線槽內(nèi)留有銅膜66等。這樣，就形成了第一銅布線22a。接著，在W-CVD腔室中用WF6和H2反應(yīng)約60秒，從而在第一銅布線22a的銅膜66表面上形成了鎢頂層。
接著，不用形成第二SiCN膜16，直接在第一銅布線22a上形成氧化硅膜18。接著，與第七實施例相似地形成連接插頭28，并且和上述的第一銅布線22a相似地形成第二銅布線22b。
在這樣得到的布線結(jié)構(gòu)中，銅布線表面上的銅膜被鎢頂層所保護(hù)。因此，即使沒有形成防擴(kuò)散膜(如圖2所示的第二SiCN膜16)或防擴(kuò)散膜較薄，仍有可能防止銅膜表面的氧化以及銅擴(kuò)散進(jìn)入到夾層絕緣膜。這樣，可以降低半導(dǎo)體器件的電容，從而可以制造滿足高速運行需求的半導(dǎo)體器件。而且，可以減少布線之間的串?dāng)_。
另外，在第十二實施例中形成的布線結(jié)構(gòu)中，在銅膜66表面上形成了大晶粒、平面取向均勻一致的鎢頂層。因此，與只用普通鍍層方法形成的銅膜表面上形成的膜相比，可以使膜的厚度均勻，并且，可以降低布線電阻。
應(yīng)該注意每個實施例中所描述的不同步驟可以適當(dāng)?shù)亟M合。實施例13用L-Ox和HSQ形成了兩種布線結(jié)構(gòu)，并用SiH4照射進(jìn)行硅化處理。在這種情況下，證實了膜層的耐久性顯著改變。下文中，將介紹試驗數(shù)據(jù)。
在等離子體CVD裝置的腔室內(nèi)進(jìn)行SiH4照射，條件為處理溫度為350攝氏度；處理壓力約為4托，SiH4的流速為50sccm，N2的流速為2500sccm。在約200攝氏度下用熱鍍涂覆并烘焙HSQ和L-Ox，然后，在氮氣氛中于350攝氏度下在擴(kuò)散爐內(nèi)燒結(jié)30分鐘。這樣，使用的是具有300納米膜厚的空白晶片。用分光橢球偏光儀(spectroellipsometer)測量了膜厚和折射率，用水銀探針裝置測量了電容。根據(jù)測得的值計算出介電常數(shù)。
圖22、23和圖24分別示出了SiH4照射時間和膜厚收縮率變化之間的關(guān)系、SiH4照射時間和折射率變化之間的關(guān)系、以及SiH4照射時間和介電常數(shù)變化之間的關(guān)系的實驗結(jié)果。
如圖22所示，在L-Ox中，膜厚收縮率保持在初始值的99％，幾乎沒變化，并且不隨SiH4照射時間(從0到120秒)而改變。在HSQ中，膜厚隨SiH4照射時間延長而減小，并且在120秒內(nèi)減少到初始值的約80％。
而且，如圖23所示，對于HSQ而言，633納米波長的折射率從開始時的1.39變到120秒時的1.42，而對于L-Ox而言，在從0到120秒的照射時間內(nèi)，折射率保持在1.39。
而且，如圖24所示，對于HSQ而言，在SiH4的整個照射過程中，介電常數(shù)從開始時的2.9變?yōu)?20秒時的3.4，而對于L-Ox而言，介電常數(shù)保持在初始值2.9。
根據(jù)上述結(jié)果，可見從膜厚或折射率或介電常數(shù)來看，L-Ox對SiH4的照射的耐久性比HSQ更強?？梢哉J(rèn)為這種對SiH4照射過程的承受力的區(qū)別取決于上述氫鍵合的活性。
當(dāng)進(jìn)行SiH4照射過程時，L-Ox比HSQ更適合作為夾層絕緣膜的材料。
應(yīng)該注意對于藥液承受力，L-Ox和HSQ表現(xiàn)出差異。特別地，將氟化銨的蝕刻速率與稀釋后的HF的蝕刻速率相比，與HSQ相比，L-Ox的蝕刻速率更大。圖25A為實驗結(jié)果的示意圖。將晶片在蝕刻液體氟化銨和稀釋后的HF中浸泡預(yù)定的時間，測量在晶片的位置①至⑤(如圖25B所示)處的蝕刻量。圖25A示出了結(jié)果，表中的每個值的單位為埃。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，通過保護(hù)含銅金屬膜的表面部分，有可能提高包括含銅金屬布線的半導(dǎo)體器件的產(chǎn)品得率。而且，通過分別地形成含銅金屬布線和布線下的連接插頭，有可能提高包括含銅金屬布線的半導(dǎo)體器件的產(chǎn)品得率。進(jìn)而，通過將這二者結(jié)合起來，有可能提高包括含銅金屬布線的半導(dǎo)體器件的產(chǎn)品得率。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件以及該半導(dǎo)體器件的制造方法，可以增強半導(dǎo)體器件的可靠性。
此外，因為可以減少含銅金屬膜表面內(nèi)的晶粒邊界，可以在含銅金屬膜表面上均勻地形成保護(hù)膜。因此，可以在控制保護(hù)膜厚度和抑制含銅金屬膜的電阻增加率的同時，提高應(yīng)力遷移耐久性。而且，因為可以使含銅金屬膜的晶粒尺寸變大，可以降低含銅金屬膜的電阻，并且有可能改善遷移的耐久性。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括半導(dǎo)體基底；在所述半導(dǎo)體基底上形成的第一絕緣膜內(nèi)、包括含銅金屬膜的第一布線；在所述第一絕緣膜上的第二絕緣膜內(nèi)形成、并與所述第一布線相連的、包括含銅金屬膜的連接插頭；以及在所述第二絕緣膜上的第三絕緣膜內(nèi)形成、并與所述連接插頭相連的、包括含銅金屬膜的第二布線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中所述第一布線包括在所述第一布線的表面部分內(nèi)的無定形層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中所述第一布線包括在所述第一布線的表面部分內(nèi)的硅化物層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中所述第一布線包括在所述第一布線的表面部分內(nèi)的、含由銅和與銅不同的元素形成的合金組成的元素膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任何一個所述的半導(dǎo)體器件，其中所述第一絕緣膜包含梯型硅氧烷氫化物。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體器件，其中所述梯型硅氧烷氫化包含L-Ox。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任何一個所述的半導(dǎo)體器件，其中所述第一布線的所述含銅金屬膜的表面的平面取向基本均勻一致。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體器件，其中所述含銅金屬膜表面的平面取向為(200)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任何一個所述的半導(dǎo)體器件，其中所述第一和第二含銅金屬膜中的每一個的功能是作為布線、插頭或焊盤。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任何一個所述的半導(dǎo)體器件，其中所述第一布線的所述含銅金屬膜是由含銅鍍膜形成的。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體器件，其中所述含銅鍍膜中所含晶粒的平均尺寸等于或大于1微米。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體器件，其中所述含銅鍍膜由單晶顆粒組成。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任何一個所述的半導(dǎo)體器件，其中所述第一和第二布線中每一個的寬度等于或大于1微米。
14.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括以下步驟(a)在半導(dǎo)體基底上或基底上方、在第一絕緣膜內(nèi)形成由含銅金屬膜組成的第一布線；(b)在所述第一絕緣膜和所述第一布線上形成第二絕緣膜；(c)在所述第二絕緣膜內(nèi)形成、由含銅金屬膜構(gòu)成的接觸插頭，以便與所述第一布線接觸；(d)在所述第二絕緣膜上形成第三絕緣膜；以及(e)在所述第三絕緣膜內(nèi)形成由含銅金屬膜構(gòu)成的第二布線，以便與所述接觸插頭接觸。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的半導(dǎo)體器件制造方法，其中所述形成第二絕緣膜的步驟(b)、和所述形成第三絕緣膜的(步驟d)是同時進(jìn)行的，并且隨后的所述形成接觸插頭的步驟(c)、以及所述形成第二布線的步驟(e)也是同時進(jìn)行的。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的半導(dǎo)體器件制造方法，其中所述(a)步驟還包括以下步驟在所述形成所述第二絕緣膜的步驟(b)之前，將所述第一布線的表面部分改變?yōu)闊o定形層。
17.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的半導(dǎo)體器件制造方法，其中所述(a)步驟還包括以下步驟在所述形成所述第二絕緣膜的步驟(b)之前，使所述第一布線的表面部分硅化。
18.根據(jù)權(quán)利要求14至17中任何一個所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述第一布線的所述含銅金屬膜是由鍍層方法形成的。
19.根據(jù)權(quán)利要求14至17中任何一個所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述第一至第三絕緣膜中的每一個都由梯型硅氧烷氫化物形成。
20.根據(jù)權(quán)利要求14至17中任何一個所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述形成步驟(b)還包括以下步驟在所述第一布線上形成由SiC、SiCN或SiOC構(gòu)成的防擴(kuò)散膜。
21.根據(jù)權(quán)利要求14至17中任何一個所述的半導(dǎo)體器件制造方法，其中所述形成所述第一布線的步驟(a)還包括以下步驟用鍍層方法形成第一含銅金屬膜；在所述第一含銅金屬膜上通過濺射方法形成第二含銅金屬膜；對所述第一含銅金屬膜和所述第二含銅金屬膜進(jìn)行熱處理。
22.根據(jù)權(quán)利要求17中所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述的使所述第一布線的表面部分硅化的步驟包括以下步驟將所述第一布線的所述表面部分暴露在非等離子體狀態(tài)的含硅氣體中。
23.根據(jù)權(quán)利要求14至27中任何一個所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，還包括以下步驟(f)在所述形成所述第一布線的步驟(a)之后，清潔所述第一布線的表面部分。
24.根據(jù)權(quán)利要求23中所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述清潔所述表面部分的步驟(f)包括以下步驟用含羧酸或羧酸鹽的液體沖洗所述第一布線的所述表面部分。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述的羧酸含有至少下列一組酸中的一種草酸、檸檬酸、蘋果酸、馬來酸、琥珀酸、酒石酸或丙二酸。
26.據(jù)權(quán)利要求23所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述清潔所述第一布線表面部分的步驟(f)包括以下步驟用含苯并三唑或苯并三唑衍生物的抗腐蝕蝕試劑處理所述第一布線的表面部分。
27.根據(jù)權(quán)利要求23所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述清潔所述第一布線表面部分的步驟(f)包括以下步驟對所述第一布線進(jìn)行等離子體處理。
28.根據(jù)權(quán)利要求23所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述清潔所述第一布線表面部分的步驟(f)包括以下步驟在還原氣氛中對第一布線進(jìn)行等離子體處理。
29.根據(jù)權(quán)利要求14至17中任何一個所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述的第一布線的所述含銅金屬膜是用鍍層方法形成的。
30.據(jù)權(quán)利要求19所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述梯型硅氧烷氫化物包含L-Ox。
31.根據(jù)權(quán)利要求19所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述第一至第三絕緣膜中的每一個都是在200到400攝氏度的氣氛溫度下燒結(jié)形成的。
32.據(jù)權(quán)利要求19所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述形成第一布線的步驟(a)包括以下步驟用鍍層方法在所述半導(dǎo)體基底上面或上方形成所述含銅金屬膜，它的平均晶粒尺寸等于或大于1微米。
33.根據(jù)權(quán)利要求21所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述第二含銅金屬膜是通過將偏壓施加給所述半導(dǎo)體基底的偏壓濺射方法形成的。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中形成所述第二含銅金屬膜的步驟包括以下步驟這樣形成所述第二含銅金屬膜使得所述第二含銅金屬膜在平整部分的膜厚比所述第一含銅金屬膜在平整部分的膜厚更厚。
全文摘要
一種半導(dǎo)體器件及其制造方法。在制造該半導(dǎo)體的方法中，在半導(dǎo)體基底(100)的上面或上方形成由含銅金屬膜組成的第一布線(22a，34b)。在半導(dǎo)體基底的整個表面上形成第一夾層絕緣膜(18，16)，以覆蓋第一布線。選擇性地去除第一夾層絕緣膜，以形成到達(dá)第一布線的連接孔。形成阻擋金屬膜(30)，以覆蓋連接孔的內(nèi)表面，并且隨后形成含銅金屬膜(32)以填充連接孔。將連接孔外形成的含銅金屬膜去除。在半導(dǎo)體基底的整個表面上形成第二夾層絕緣膜(20，14b)，以覆蓋在連接孔內(nèi)形成的含銅金屬膜。選擇性地去除第二夾層絕緣膜，以形成布線槽，使得在連接孔內(nèi)形成的含銅金屬膜在底部露出。形成阻擋金屬膜來覆蓋布線槽的內(nèi)部，并且，隨后形成含銅金屬膜以填充布線槽。接著，在布線槽外的含銅金屬膜被去除，以形成第二布線(34b和22b)。
文檔編號H01L21/321GK1444276SQ0214812
公開日2003年9月24日 申請日期2002年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月13日
發(fā)明者弘長伸夫, 竹脅利至, 國島浩之, 山本悅章 申請人:日本電氣株式會社