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)體器件和制造該器件的方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體器件中互連之間間隔寬度的不斷減小已經(jīng)引起了導(dǎo)致半導(dǎo)體器件可靠性退化的各種問題。這種問題之一是與時間相關(guān)的電介質(zhì)擊穿(下文中示為TDDB)?；ミB之間的TDDB抵抗力隨互連之間間隔的變窄而退化。換言之，互連之間的間隔越窄，在互連的形成中所采用的抗蝕劑對蝕刻工藝的抵抗力就變得越低。這使形成工藝更加困難，導(dǎo)致互連的線條邊緣粗糙度(LER)增大，其經(jīng)常引起TDDB。
可以通過氨等離子體工藝增強TDDB抵抗力，即，用氨等離子體輻照具有暴露在其表面上的互連的半導(dǎo)體襯底。然而，在該工藝中，當(dāng)半導(dǎo)體器件包括銅互連時，容易發(fā)生由空隙引起的應(yīng)力(下文示為SIV)。SIV是導(dǎo)致半導(dǎo)體器件可靠性退化的另一因素。
為了應(yīng)付這種問題，日本特開專利公開第H10-189604號、第H11-204523號和第2004-193544號提出在硅烷氣體中曝露半導(dǎo)體襯底的硅烷工藝之后，在具有暴露于其表面上的銅互連的半導(dǎo)體襯底上進行氨等離子體工藝。以下文獻中公開了在硅烷工藝之前和之后都進行以上處理的方法2003 Advanced Metallization ConferenceProceeding，USA，Materials Research Society、2003年10月21日，第321-328頁的Laurent G.Gosset等人的“Integration and characterizationof a self-aligned barrier to Cu diffusion based on copper silicide”；和2004 International Interconnect Technology Conferenceproceedings，USA，IEEE、2004年6月，L.G.Gosset等人的“Integrationand performance of an alternative approach using copper silicide as aself-aligned barrier for 45nm technology node Cu interconnects”。此外，USP 6,599,827提出僅在硅烷工藝之前進行氨等離子體工藝。

發(fā)明內(nèi)容
在硅烷工藝之后進行氨等離子體工藝提供了一種有效防止TDDB和SIV的半導(dǎo)體器件。另一方面，硅烷通過氨等離子體工藝期間的反應(yīng)以硅沉積物的方式保留在半導(dǎo)體襯底的表面上，從而增加了互連之間的漏電流。該漏電流還導(dǎo)致半導(dǎo)體器件可靠性的退化。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括將具有基本由含銅金屬構(gòu)成的導(dǎo)電層的半導(dǎo)體襯底放置在真空室中(準(zhǔn)備步驟)，該導(dǎo)電層暴露在所述半導(dǎo)體襯底的表面上；將基本由含硅化合物構(gòu)成的第一氣體引入真空室中，以將半導(dǎo)體襯底暴露在第一氣體環(huán)境中(硅處理步驟)；在引入第一氣體之后，將真空室中的壓力減小到第二壓力，該第二壓力低于開始引入第一氣體時設(shè)置的真空室中的第一壓力(減壓步驟)；以及在真空室中的壓力減小之后，將基本由含氮化合物構(gòu)成的第二氣體引入到真空室中，以便用第二氣體的等離子體輻照半導(dǎo)體襯底(氮等離子體步驟)。
由此安排的制造方法包括硅處理步驟和氮等離子體步驟之間的減壓步驟。在減壓步驟中，將真空室中的壓力減小到低于開始硅處理步驟時所設(shè)置的壓力的水平。這足以減少在減壓步驟之后的氮等離子體步驟期間產(chǎn)生的、會保留在提供有導(dǎo)電層的半導(dǎo)體襯底上的硅沉積物的量。因此，這種制造方法提供了一種有效限制互連之間出現(xiàn)漏電流的半導(dǎo)體器件。并且，由于該方法包括硅處理步驟和其后進行的氮等離子體步驟，由此所制造的半導(dǎo)體器件獲得了優(yōu)異的TDDB抵抗力和SIV抵抗力。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種半導(dǎo)體器件，包括半導(dǎo)體襯底；提供在半導(dǎo)體襯底上的絕緣層；基本由含銅金屬構(gòu)成的導(dǎo)電層，填充在提供在絕緣層中的凹進部分中；包含銅和硅的合金層，其形成在導(dǎo)電層的表面層中；以及通過氮化該絕緣層，在絕緣層的表面層中以均勻厚度形成的氮化物層。
由于在絕緣層的表面層中形成氮化物層，因此，由此配置的半導(dǎo)體器件獲得了高TDDB抵抗力。并且，由于在導(dǎo)電層的表面層中存在包含銅和硅的合金層，因此半導(dǎo)體器件還具有優(yōu)異的SIV抵抗力。而且，由于氮化物層以均勻厚度形成，因此半導(dǎo)體器件有效地限制了互連之間的漏電流。
因此，本發(fā)明提供了高可靠的半導(dǎo)體器件及其制造方法。


本發(fā)明的上述及其他目的、優(yōu)點和特征將通過以下結(jié)合附圖的描述而更加明顯，其中圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的半導(dǎo)體器件的截面示意圖；圖2是用于說明圖1的半導(dǎo)體器件制造方法的截面示意圖；圖3是用于說明圖1的半導(dǎo)體器件制造方法的截面示意圖；圖4是用于說明圖1的半導(dǎo)體器件制造方法的時序圖；圖5是示出圖1的半導(dǎo)體器件的變型的截面示意圖；圖6是用于說明第一實施例比較例的時序圖；圖7是用于說明第一實施例比較例的截面示意圖；圖8是示出根據(jù)本發(fā)明第二實施例的半導(dǎo)體器件的截面示意圖；圖9是用于說明圖8的半導(dǎo)體器件制造方法的截面示意圖；圖10是用于說明圖8的半導(dǎo)體器件制造方法的時序圖；圖11是用于說明第二實施例的比較例的時序圖；
圖12是用于說明第二實施例比較例的截面示意圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在將在此參考示例性實施例描述本發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，使用本發(fā)明的教導(dǎo)可以完成許多可替換實施例，并且本發(fā)明不限于用于說明目的而示出的各實施例。
下面，將參考附圖詳細描述根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件及其制造方法的示例性實施例。在圖中，相同部件給出相同參考數(shù)字，并且在適當(dāng)處省略其描述。
(第一實施例)圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的半導(dǎo)體器件的截面示意圖。半導(dǎo)體器件1包括半導(dǎo)體襯底10、絕緣層20、導(dǎo)電層30、合金層32和氮化物層40。在半導(dǎo)體襯底10上，提供諸如晶體管(未示出)的電路芯片。
在半導(dǎo)體襯底10上，提供絕緣層20。絕緣層20包括依次層疊在半導(dǎo)體襯底10上的絕緣層22、24、26、28。在這些當(dāng)中，絕緣層24、28分別作為蝕刻停止層和對CMP的保護層。特別地，在本實施例中，絕緣層22、26由多孔膜構(gòu)成。
絕緣層20包括凹進部分20a。凹進部分20a穿過絕緣層28、26、24以便到達絕緣層22。用由含銅金屬構(gòu)成的導(dǎo)電層30填充凹進部分20a。導(dǎo)電層30可以由銅或包含銅的合金構(gòu)成。后面的示例包括銅-鋁合金。導(dǎo)電層30用作半導(dǎo)體器件1中的互連。
在導(dǎo)電層的表面層中，提供合金層32。合金層32包括銅和硅。在絕緣層28的表面層(絕緣層20的表面層)中，提供氮化物層40。通過氮化絕緣層28形成氮化物層40。同樣地，在絕緣層28的表面層中不均勻地分布氮，由此構(gòu)成氮化物層40。氮化物層40在絕緣層28的表面層中以均勻的厚度形成。
參考圖2至4，將描述制造半導(dǎo)體器件1的制造方法，作為根據(jù)本發(fā)明制造方法的第一實施例。圖4是用于說明根據(jù)本實施例的半導(dǎo)體器件制造方法的時序圖。在圖4中，分別表示為“第一氣體”和“第二氣體”的線表示將第一和第二氣體引入真空室的時序，隨后將對其進行描述。表示為“功率”的線表示施加功率以產(chǎn)生等離子體的時序，且“壓力”線表示真空室內(nèi)部的壓力大小。
以準(zhǔn)備好的具有暴露于一側(cè)表面上的導(dǎo)電層30的半導(dǎo)體襯底10(圖2)并將其放置在未在圖中示出的真空室中為開始(準(zhǔn)備步驟)?？梢酝ㄟ^在絕緣層20中形成凹進部分20a的蝕刻工藝、和用銅層填充凹進部分20a從而構(gòu)成導(dǎo)電層30的大馬士革工藝來獲得圖2所示的結(jié)構(gòu)。
然后將主要由含硅化合物構(gòu)成的處理氣體(第一氣體)引入真空室中，由此將室中的半導(dǎo)體襯底10暴露于第一氣體環(huán)境(硅處理步驟)。第一氣體的例子包括甲硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)和二氯甲硅烷(SiH2Cl2)。在本階段，可以將真空室內(nèi)的壓力設(shè)置在5.2×102至6.5×102Pa(4至5乇)范圍內(nèi)。在一預(yù)定的持續(xù)時間保持這種條件，以便在導(dǎo)電層30的表面層中形成合金層32(圖3)。
一旦停止第一氣體的供應(yīng)，就對真空室減壓(減壓步驟)。在減壓步驟中，將真空室中的壓力減小到低于開始硅處理步驟時真空室內(nèi)的壓力(P1第一壓力)的壓力(P2第二壓力)(圖4)。在本階段，優(yōu)選設(shè)置壓力P2不超過0.13Pa(1毫乇)。在此，例如，壓力P1可以為大約13Pa(0.1乇)。特別地，在本實施例中，進行減壓直到真空室達到飽和壓力為止。將室中的壓力P2保持一個預(yù)定的持續(xù)時間，例如10秒。
然后將主要由含氮化合物構(gòu)成的氣體(第二氣體)引入真空室中。優(yōu)選地，采用氨氣(NH3)或氮氣(N2)作為第二氣體。在本階段，可以將真空室內(nèi)的壓力設(shè)置在5.2×102至6.5×102Pa(4至5乇)范圍內(nèi)。并且，在第二氣體的存在下對真空室施加電功率，以便產(chǎn)生第二氣體的等離子體。然后用由此產(chǎn)生的等離子體輻照半導(dǎo)體襯底10(氮等離子體步驟)。這種預(yù)定持續(xù)時間的輻照引起絕緣層28的表面層中氮化物層40的形成，從而完成圖1所示的半導(dǎo)體器件1的制造。
在此，在氮等離子體步驟后可以跟隨擴散阻擋層形成的步驟，其包括形成擴散阻擋層50(參見圖5)以便覆蓋其上露出導(dǎo)電層30的半導(dǎo)體襯底10的表面。擴散阻擋層的優(yōu)選材料包括SiC、SiCN和SiOC。
前述實施例提供以下優(yōu)點。根據(jù)本實施例的制造方法在硅處理步驟和氮等離子體步驟之間包括了減壓步驟。在減壓步驟中，真空室中的壓力減小到低于開始硅處理步驟時設(shè)置的壓力P1的壓力P2。這足以降低減壓步驟之后氮等離子體步驟期間引起的會保留在絕緣層20表面上的硅沉積物的量。因此，這種制造方法提供了有效限制互連之間出現(xiàn)漏電流的半導(dǎo)體器件1。
并且，由于該方法包括硅處理步驟和其后進行的氮等離子體步驟，由此所制造的半導(dǎo)體器件1獲得了優(yōu)異的TDDB抵抗力和SIV抵抗力。更詳細地，硅處理步驟期間形成的合金層32用于增強半導(dǎo)體器件1的SIV抵抗力，而氮等離子體步驟期間形成的氮化物層40用于提高半導(dǎo)體器件1的TDDB抵抗力。與上述不同，如果跳過硅處理僅進行氮等離子體工藝，則半導(dǎo)體器件1變得更傾向于引起SIV?？赡艿脑蛟谟贑u和N的結(jié)合引起某種結(jié)構(gòu)上的弱點。另一方面，如在根據(jù)本實施例的制造方法中所進行的，在氮等離子體工藝之前的硅處理步驟中，在導(dǎo)電層30的表面層中形成合金層32，有效地抑制了這種弱點的出現(xiàn)。
而且，根據(jù)本實施例的制造方法，允許氮化絕緣層20的表面層，該絕緣層20具有保留在絕緣層20表面上的減少量的硅沉積物，其有助于氮化物層40以均勻厚度的形成。從有效防止半導(dǎo)體器件1產(chǎn)生TDDB的觀點來看，氮化物層40的厚度均勻是優(yōu)選因素。因此，前述實施例提供了一種準(zhǔn)許具有高可靠性的半導(dǎo)體器件1的制造方法。
與本實施例不同，在硅處理步驟和氮等離子體步驟之間不進行減壓步驟的情況下，互連之間的漏電流增加。更詳細地，如果如圖6的時序圖所示，在硅處理步驟之后真空室內(nèi)的壓力不減小到P2，則完成硅處理步驟之后，第一氣體保留在室中，并且這種殘留氣體在氮等離子體工藝期間在絕緣層20上起反應(yīng)。這導(dǎo)致硅沉積物90(Si-Si化合物)的增加，如圖7所示，其保留在絕緣層20上。硅沉積物90引起互連之間漏電流的增加。此外，絕緣層20表面上殘留的硅淀積物90干擾了用氮等離子體充分輻照的相關(guān)區(qū)域，由此使氮化物層40的厚度均勻性劣化。另一方面，前述實施例包括將真空室內(nèi)的壓力降低到P2水平的減壓步驟，因此有效地抑制了互連之間漏電流的增加，并形成了具有高均勻厚度的氮化物層40。
特別是，當(dāng)通過減壓步驟將壓力P2設(shè)置到不高于0.13Pa時，硅沉積物的量可以減少到基本為零。這進一步增強了互連之間漏電流的降低效應(yīng)。此外，在這種情況下，由于氮化物層40可以形成均勻厚度，因此半導(dǎo)體器件1獲得了非常高的TDDB抵抗力。
當(dāng)提供擴散阻擋層50(參見圖5)時，防止金屬從絕緣層20的表面擴散，并因此進一步提高了半導(dǎo)體器件1的可靠性。特別是當(dāng)擴散阻擋層50由諸如SiC、SiCN或SiOC的低-k材料構(gòu)成時，半導(dǎo)體器件1獲得了更好的特性。
在本實施例中，絕緣層22、26由多孔膜構(gòu)成。采用諸如多孔膜的低-k膜可以抑制導(dǎo)電層30之間的寄生電容。在此，當(dāng)絕緣層22、26由低-k膜構(gòu)成時，電場集中在導(dǎo)電層30和絕緣層20之間的界面中，這使TDDB更可能發(fā)生。因此，在這種情況下，采用具有高TDDB抵抗力的半導(dǎo)體器件1效果尤其有益。然而，應(yīng)當(dāng)注意到，采用多孔膜用于絕緣層22、26并不絕對需要。
(第二實施例)圖8是示出根據(jù)本發(fā)明第二實施例的半導(dǎo)體器件的截面示意圖。半導(dǎo)體器件2包括半導(dǎo)體襯底10、絕緣層20、導(dǎo)電層30、合金層34和氮化物層40。在這些構(gòu)成中，半導(dǎo)體襯底10、絕緣層20、導(dǎo)電層30和氮化物層40與圖1所示的那些構(gòu)成類似。在本實施例中，在導(dǎo)電層30的表面層中提供由CuSiN構(gòu)成的合金層34。
參考圖9和10，將描述半導(dǎo)體器件2的制造方法，作為本發(fā)明的第二實施例。圖10是用于說明根據(jù)本實施例的制造方法的時序圖。在圖10中，各項表示與圖4中的那些相同的內(nèi)容。
以準(zhǔn)備好的具有暴露于一側(cè)表面上的導(dǎo)電層30的半導(dǎo)體襯底10(圖2)并將其放置在未在圖中示出的真空室中為開始(準(zhǔn)備步驟)。然后將主要由含氮化合物構(gòu)成的處理氣體(第二氣體)引入真空室中，隨后施加預(yù)定量的電功率，由此產(chǎn)生第二氣體的等離子體，通過其輻照半導(dǎo)體襯底10(預(yù)先步驟)。
此后，將主要由含硅化合物構(gòu)成的處理氣體(第一氣體)引入真空室中，由此將室中的半導(dǎo)體襯底10曝露于第一氣體環(huán)境(硅處理步驟)。以預(yù)定的持續(xù)時間保持這種狀態(tài)，以便在導(dǎo)電層30的表面層中形成硅化銅(CuXSi)35(圖9)。
一旦停止第一氣體的供應(yīng)，就將真空室減壓到壓力P2(減壓步驟)。然后將第二氣體引入真空室，并用第二氣體的等離子體輻照半導(dǎo)體襯底10(氮等離子體步驟)。將這種輻照繼續(xù)預(yù)定的持續(xù)時間，從而在導(dǎo)電層30的表面層中形成合金層34，以及在絕緣層28的表面層中形成氮化物層40，由此完成圖8所示的半導(dǎo)體器件2的制造。
前述實施例提供了以下優(yōu)點。根據(jù)本實施例的制造方法，在硅處理步驟和氮等離子體步驟之間也包括減壓步驟。減壓步驟有助于降低減壓步驟之后、在氮等離子體步驟期間引起的、會保留在絕緣層20表面上的硅沉積物的量。因此，這種制造方法提供了有效限制互連之間出現(xiàn)漏電流的半導(dǎo)體器件2。并且，由于該方法包括硅處理步驟和其后進行的氮等離子體步驟，由此所制造的半導(dǎo)體器件2獲得了優(yōu)異的TDDB抵抗力和SIV抵抗力。而且，根據(jù)本實施例的制造方法允許氮化絕緣層20的表面層，該絕緣層20具有在絕緣層20表面上保留的減少量的硅沉積物，其有助于氮化物層40以均勻的厚度形成。因此，前述實施例也提供了準(zhǔn)許具有高可靠性的半導(dǎo)體器件2的制造方法。
如果與本實施例不同，如圖11中所示的時序圖，在硅處理步驟和氮等離子體步驟之間不進行減壓步驟，則在氮等離子體工藝期間硅沉積物90保留在絕緣層20上(圖12)。這導(dǎo)致互連之間的漏電流增加，并導(dǎo)致氮化物層40厚度均勻性劣化。另一方面，前述實施例可以有效地抑制互連之間漏電流的增加，并形成具有高均勻厚度的氮化物層40。
本實施例還包括預(yù)先步驟。當(dāng)進行大馬士革工藝以形成導(dǎo)電層30時，一旦執(zhí)行CMP工藝后，會在導(dǎo)電層30的表面層中產(chǎn)生氧化銅(CuO)。進行預(yù)先步驟可以對該氧化銅進行去氧化處理。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件及其制造方法不限于前述各實施例，而是可以以各種方式修改。例如，當(dāng)以互連作為各實施例中導(dǎo)電層30的例子時，導(dǎo)電層30可以是通孔栓。
很明顯，本發(fā)明不限于上述實施例，并且可以在不脫離本發(fā)明保護范圍和精神的情況下作出任何修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括將具有基本由含銅金屬構(gòu)成的導(dǎo)電層的半導(dǎo)體襯底放置在真空室中，該導(dǎo)電層暴露在所述半導(dǎo)體襯底的表面上；將基本由含硅化合物構(gòu)成的第一氣體引入所述真空室中，以便將所述半導(dǎo)體襯底暴露在所述第一氣體的環(huán)境中；在所述引入所述第一氣體的步驟之后，將所述真空室中的壓力減小到第二壓力，該第二壓力低于開始所述第一氣體的所述引入時設(shè)置的所述真空室中的第一壓力；以及在所述減小所述真空室中壓力的步驟之后，將基本由含氮化合物構(gòu)成的第二氣體引入所述真空室中，以便用所述第二氣體的等離子體輻照所述半導(dǎo)體襯底。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述第二壓力不高于0.13Pa。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述第二氣體是氨氣或氮氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括在所述引入所述第二氣體的步驟之后，形成基本由SiC、SiCN或SiOC構(gòu)成的擴散阻擋層，以覆蓋所述所述半導(dǎo)體襯底的所述表面。
5.一種半導(dǎo)體器件，包括半導(dǎo)體襯底；提供在所述半導(dǎo)體襯底上的絕緣層；基本由含銅金屬構(gòu)成的導(dǎo)電層，填充在提供在所述絕緣層中的凹進部分中；包含銅和硅的合金層，其形成在所述導(dǎo)電層的表面層中；以及通過氮化所述絕緣層，在所述絕緣層的表面層中以均勻厚度形成的氮化物層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的半導(dǎo)體器件，其中所述絕緣層是多孔膜。
全文摘要
將包括含硅化合物的第一氣體引入到真空室中，以便將放置在該室中的半導(dǎo)體襯底暴露于第一氣體環(huán)境中(硅處理步驟)。然后將真空室內(nèi)的壓力減小到低于開始硅處理步驟時的壓力的水平(減壓步驟)。此后，將包括含氮化合物的第二氣體引入到真空室中，并用第二氣體的等離子體輻照半導(dǎo)體襯底(氮等離子體步驟)。
文檔編號H01L23/52GK1832130SQ20061000947
公開日2006年9月13日 申請日期2006年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月24日
發(fā)明者宇佐美達矢, 大音光市, 竹脅利至 申請人:恩益禧電子股份有限公司