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)明涉及一種半導(dǎo)體器件及其制造方法，更具體地，涉及一種具有由 銅或銅合金構(gòu)成的插塞與布線的半導(dǎo)體器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
銅(Cu)被用作半導(dǎo)體集成電路裝置的布線材料。與傳統(tǒng)使用的鋁(Al) 相比，銅易于擴(kuò)散到絕緣膜中，并且容易導(dǎo)致短路。此外，銅膜與絕緣膜的 粘附力(adhesion)不足，并且在化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)工藝的過程中容易 剝落。而且，Cu比Al更易于氧化。此外，由于銅氧化膜不能抑制氧化分子 的擴(kuò)散，氧化容易擴(kuò)展。
為了防止銅擴(kuò)散并增強(qiáng)與絕緣膜的緊密粘附力，人們采用一種這樣的結(jié) 構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中在銅布線與絕緣膜之間插入由Ti、 TiN、 Ta、 TaN、 W、 WN 等制成的阻擋金屬層。該阻擋金屬層的材料具有高于銅的電阻率。當(dāng)在通孔 (特別是小直徑的通孔)的內(nèi)壁上形成阻擋金屬層時，該阻擋金屬層在截平 面(plancross section)中所占的比率變高了，并且電阻增加了。如果阻擋金 屬層被制得很薄以抑制電阻的增加，則難以保持足夠的阻擋性能。
曰本特公平7-60852號公報以及日本特開平11-54458公報中公開了形成 解決上述問題的銅布線的方法。按照特公平7-60852中所公開的方法，在形 成于層間絕緣膜中的布線溝槽內(nèi)嵌入銅合金。執(zhí)行熱處理以使該銅合金中的合金元素與該絕緣膜中的氧反應(yīng)以形成金屬氧化膜。該金屬氧化膜具有防止
銅擴(kuò)散和提高粘附力的功能。Al或Cr被用作該合金元素。
按照特開平11-54458中所公開的方法，在布線溝槽中形成薄銅合金層， 然后在該布線溝槽中嵌入純銅。執(zhí)行熱處理以使該銅合金中的合金元素與絕 緣膜中的氧反應(yīng)以形成金屬氧化膜。該金屬氧化膜具有防止銅擴(kuò)散和提高粘 附力的功能。Mg、 Al、 B、 Ta、 Te、 Ti等被用作該合金元素。

發(fā)明內(nèi)容
從以良好的再現(xiàn)性形成具有足夠的防擴(kuò)散功能的膜的角度來看，上述傳 統(tǒng)方法的某些方面有待改進(jìn)。本發(fā)明的一個目的是提供一種能夠提高防擴(kuò)散 功能的半導(dǎo)體器件及其制造方法。
按照本發(fā)明的第一方案，提供一種半導(dǎo)體器件的制造方法，其包括如下 步驟(a)在形成于半導(dǎo)體襯底上的含氧絕緣體的表面上形成銅合金膜， 該銅合金膜包含除銅之外的至少兩種金屬元素；以及(b)在該銅合金膜上 形成由純銅或銅合金制成的金屬膜；并進(jìn)一步包括如下步驟(c)在步驟 (a)或(b)之后，在通過該絕緣體中的氧與該銅合金膜中的金屬元素之間 的反應(yīng)而在該絕緣體的表面上形成金屬氧化膜的條件下，執(zhí)行熱處理；其中 步驟(a)形成由包含至少三種元素的銅合金制成的該銅合金膜，所述至少 三種元素包括除銅之外的至少兩種金屬元素。
按照本發(fā)明的第二方案，提供一種半導(dǎo)體器件的制造方法，其包括如下 步驟(a)在形成于半導(dǎo)體襯底上的含氧絕緣體的表面上形成阻擋金屬層， 該阻擋金屬層由難熔金屬、含難熔金屬元素的合金或難熔金屬元素的氮化物 制成；(b)在該阻擋金屬層上形成銅合金膜；以及(c)于在該阻擋金屬層 的部分表面區(qū)域上，該銅合金膜中的銅以及合金元素與該絕緣體中的氧相互 擴(kuò)散的條件下，執(zhí)行熱處理，以形成金屬氧化膜。
按照本發(fā)明的第三方案，提供一種半導(dǎo)體器件，其包括絕緣膜，其形 成于半導(dǎo)體襯底上并由含氧絕緣體制成；凹槽，其形成于該絕緣膜中；導(dǎo)電
元件，其嵌入該凹槽中并由銅或銅合金制成；以及金屬氧化膜，其設(shè)置于該 絕緣膜與該導(dǎo)電元件之間的界面處，包含銅以及除銅之外的至少兩種金屬元 素，其中接觸該金屬氧化膜的該導(dǎo)電元件的部分區(qū)域由銅和該金屬氧化膜的 所述至少兩種金屬元素的合金制成。按照本發(fā)明的第四方案，提供一種半導(dǎo)體器件，其包括絕緣膜，其形 成于半導(dǎo)體襯底上并由含氧絕緣體制成；凹槽，其形成于該絕緣膜中；阻擋
金屬層，其覆蓋該凹槽的內(nèi)表面，并由難熔金屬、含難熔金屬元素的合金或
難熔金屬元素的氮化物制成；以及銅合金膜，其形成于該阻擋金屬層上，其
中通過該銅合金膜中的金屬元素與該絕緣膜中的氧的相互擴(kuò)散以及反應(yīng)在 該絕緣體的部分表面區(qū)域中形成金屬氧化物。
按照本發(fā)明的第五方案，提供一種半導(dǎo)體器件的制造方法，其包括如下
步驟(a)在形成于半導(dǎo)體襯底上并由含氧絕緣體制成的通孔層絕緣膜(via layer insulating film)中形成通孔；(b)在該通孔層絕緣膜上形成第一銅合 金膜，該第一銅合金膜填充該通孔；(c)去除該第一銅合金膜的不必要部 分，并在該通孔中保留由銅合金制成的導(dǎo)電插塞(conductive plug) ; (d) 在該通孔層絕緣膜上形成由含氧絕緣體制成的布線層絕緣膜；(e)在該布 線層絕緣膜中形成布線溝槽；(f)在該布線層絕緣膜中形成填充該布線溝槽 的第二銅合金膜；以及(g)去除該第二銅合金膜的不必要部分，并在該布 線溝槽中保留由銅合金制成的布線；并進(jìn)一步包括如下步驟(h)在步驟 (b)之后，執(zhí)行第一熱處理，以通過該導(dǎo)電插塞的組成元素(constituent element)與該通孔層絕緣膜中的氧之間的反應(yīng)在該通孔層絕緣膜與該導(dǎo)電插 塞之間的界面處形成通孔金屬氧化膜；以及(0在步驟(f)之后，執(zhí)行第 二熱處理，以通過該布線的組成元素與該布線層絕緣膜中的氧的反應(yīng)在該布 線層絕緣膜與該布線之間的界面處形成布線金屬氧化膜。
在第一方案和第三方案的方法及器件中，含銅以及兩種金屬元素的金屬 氧化膜具有防擴(kuò)散功能。在第二和第四方案的方法及器件中，由于在阻擋性 能不足的阻擋金屬層的區(qū)域中形成金屬氧化物，因此可以獲得足夠的阻擋性 能。在第五方案，由于通過濺射、CVD、電鍍等分別形成了導(dǎo)電插塞與布線， 所以可以拓寬材料組合的選擇范圍。


圖IA至圖IF為示出按照第一實施例的半導(dǎo)體器件的制造方法的中間制 造工藝過程中的半導(dǎo)體器件的截面圖，圖1G為第一實施例的半導(dǎo)體器件的 截面圖。圖2A至圖2C為示出按照第二實施例的半導(dǎo)體器件的制造方法的中間制造工藝過程中的半導(dǎo)體器件的截面圖。
圖3A至圖3C為示出按照第三實施例的半導(dǎo)體器件的制造方法的中間制造工藝過程中的半導(dǎo)體器件的截面圖，圖3D為第三實施例的半導(dǎo)體器件的截面圖。
圖4A至圖4C為示出按照第四實施例的半導(dǎo)體器件的制造方法的中間制造工藝過程中的半導(dǎo)體器件的截面圖，圖4D為第四實施例的半導(dǎo)體器件的截面圖。
圖5A為示出通過使用布線鍍液所形成的Cu膜的SIMS分析結(jié)果的坐標(biāo)圖，圖5B為示出通過使用通孔鍍液所形成的Cu膜的SIMS分析結(jié)果的坐標(biāo)圖。
圖6為示出通過使用布線鍍液和通孔鍍液所形成的Cu膜的雜質(zhì)濃度的坐標(biāo)圖。
圖7為示出評價樣本的當(dāng)前路徑的可靠性評價結(jié)果的坐標(biāo)圖。圖8A至圖8F為示出按照第五實施例的半導(dǎo)體器件的制造方法的中間制造工藝過程中的半導(dǎo)體器件的截面圖。
具體實施例方式
在說明本發(fā)明的實施例之前，將首先說明對當(dāng)在含氧絕緣膜上形成多種銅合金的導(dǎo)電膜時所發(fā)生的相互擴(kuò)散現(xiàn)象的研究。本發(fā)明人研究了當(dāng)在二氧化硅等的含氧絕緣膜上形成銅合金的導(dǎo)電膜時，在該含氧絕緣膜與該導(dǎo)電膜的界面處所形成的金屬氧化膜的特性。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)銅合金的合金元素可分類為以下三組。
第一組包括Al、 Mg、 Mn以及Cr。當(dāng)在二氧化硅膜上形成包含這些金屬作為合金元素的銅合金并執(zhí)行熱處理時，膜厚變化小，可形成薄金屬氧化膜。通過控制熱處理溫度，可以以良好的再現(xiàn)性控制該金屬氧化膜的厚度。與由包含其它組中的金屬作為合金元素的銅合金制成的金屬氧化膜相比，該金屬氧化膜具有更高的防氧擴(kuò)散功能(oxygen diffusion preventive function)。因此，第一組對于防止銅的氧化很有效。但是，與包含其它組中的金屬作為合金元素的銅合金相比，第一組提供的防銅擴(kuò)散功能是不足的。第二組包括Ti、 Ta以及Zr。與通過使用包含其它組中的金屬作為合金元素的銅合金相比，通過使用含這些金屬作為合金元素的銅合金，可以形成具有更高防銅擴(kuò)散功能的金屬氧化膜。但是，防氧擴(kuò)散功能低于使用含第一組中的金屬的銅合金。在使用難熔金屬作為合金元素的情況下，這種特性可以認(rèn)為是普遍存在的。如果使用Ti和Ta作為合金元素，則難以通過熱處理降低銅合金的電阻。
第三組包括Sn、 In、 Zn、 Ni以及Co。如果使用包含這些金屬的銅合金，則不能形成具有足夠高的防銅擴(kuò)散功能的金屬氧化膜。但是，所形成的金屬氧化膜的電阻率(約lX104Q*cm)低于使用包含其它組中的金屬的銅合金的金屬氧化膜的電阻率。CuSn、 CuZn、 CuNi以及CuCo具有可通過鍍覆法(platingmethod)形成的特性。當(dāng)采用鍍覆法時，可很容易地在具有大深寬比的溝槽與通孔的內(nèi)表面上形成厚度均勻的膜。
包含第一至第三組的金屬的銅合金的抗電遷移性和抗應(yīng)力遷移性優(yōu)于純銅。包含第二組中的金屬的銅合金的抗應(yīng)力遷移性最優(yōu)異，而包含第一組中的金屬的銅合金優(yōu)于包含第三組中的金屬的銅合金。
參照圖1A至圖1G，將說明按照第一實施例的半導(dǎo)體器件的制造方法。
如圖1A所示，在由硅制成的半導(dǎo)體襯底1的表面層中形成淺溝槽隔離(STI)結(jié)構(gòu)的元件隔離絕緣膜2以限定有源區(qū)。在有源區(qū)中形成MOS晶體管3。該MOS晶體管3由源極區(qū)3S、漏極區(qū)3D、柵極絕緣膜31以及柵電極3G構(gòu)成。
在該半導(dǎo)體襯底1上形成厚度為300nm的由二氧化硅制成的層間絕緣膜10以及厚度為50nm的由SiOC制成的保護(hù)膜11，來覆蓋該MOS晶體管3。通過該保護(hù)膜11和層間絕緣膜IO形成通孔，在該通孔的底部暴露該漏極區(qū)3D的部分表面。在該通孔中嵌入由鎢(W)制成的導(dǎo)電插塞13。在該導(dǎo)電插塞13與該通孔的內(nèi)表面之間形成由厚度為25nm的TiN制成的阻擋金屬層12。
可以通過公知的光亥U、蝕亥U、化學(xué)氣相沉積(CVD)、化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)等形成該結(jié)構(gòu)。
在該保護(hù)膜11上形成由多孔硅制成的層間絕緣膜15。舉例來說，可利用納米聚類硅石(NCS)通過涂層法形成該層間絕緣膜15，該納米聚類硅石為低介電常數(shù)的材料，并且可從催化劑與化學(xué)工業(yè)有限公司(Catalysts &Chemicals Industries Co. Ltd.)獲得。除多孔硅之外，也可以使用有機(jī)聚合物絕緣材料，例如陶氏化學(xué)公司(The Dow Chemical Company)制造的SiLK。這些材料包含作為組成元素的氧。在該層間絕緣膜15中形成布線溝槽15a。該布線溝槽15a到達(dá)該層間絕緣膜15的底面。該導(dǎo)電插塞13的上表面暴露于該布線溝槽15a的底部上。
形成覆蓋該布線溝槽15a的內(nèi)表面以及該層間絕緣膜15的上表面的銅合金的第一膜16。在該第一膜16上，形成由不同于該第一膜16的銅合金制成的第二膜17。將在后文說明該第一膜16與該第二膜17的具體材料及成膜方法。舉例來說，該第一膜16與該第二膜17的厚度均為5nm。通過電解鍍覆法在該第二膜17上形成由純銅(Cu)或銅合金制成的金屬膜18。將有機(jī)磺酸作為添加劑之一添加至鍍液中。將該金屬膜18的厚度設(shè)定為足以使該金屬膜18完全填充該布線溝槽15a的內(nèi)部。該金屬膜18的銅合金可以為CuZn、 CuSn、 CuNi、 CuCo、 CuMn或CuSnZn。當(dāng)該金屬膜18由銅合金制成時，與該金屬膜由純銅制成的情況相比，可以提高該金屬膜18的抗應(yīng)力遷移性。
在形成該金屬膜18之后，在氫與氮的體積比為5: 95的還原氣氛中在30(TC下執(zhí)行熱處理約30分鐘。
圖1B為該熱處理之后的截面圖。在圖1B及隨后的圖中，未示出襯底l與MOS晶體管3。該第一膜16與第二膜17中的合金元素相互擴(kuò)散以形成膜21，該膜21由包含除銅之外的兩種合金元素的三元素銅合金制成。銅合金中的金屬元素與該層間絕緣膜15以及保護(hù)膜11中的氧元素反應(yīng)，以在該銅合金膜21與層間絕緣膜15之間的界面處以及在該銅合金膜21與保護(hù)膜11之間的界面處形成金屬氧化膜20。在該銅合金膜21與導(dǎo)電插塞13之間的界面處不形成金屬氧化膜。
如圖1C所示，通過CMP去除在高于該層間絕緣膜15的上表面的位置(level)處沉積的該金屬氧化膜20、銅合金膜21以及金屬膜18。在該CMP工藝中，可以使用氮化硅或碳化硅制成的膜作為研磨停止膜。因此，在該布線溝槽15a中保留導(dǎo)電元件(布線)25，該導(dǎo)電元件由該銅合金膜21與金屬膜18構(gòu)成。在該布線25與層間絕緣膜15之間的界面處以及在該布線25與保護(hù)膜11之間的界面處保留該金屬氧化膜20。
如圖ID所示，通過CVD形成SiOC的覆蓋膜30。在該覆蓋膜30上形成通孔層絕緣膜31。該通孔層絕緣膜31由與下面的層間絕緣膜15相同的材料及方法形成。
如圖IE所示，穿過該通孔層絕緣膜31與覆蓋膜30形成通孔32。將導(dǎo)電插塞33嵌入該通孔32中?？梢酝ㄟ^與圖1A至圖1C所示的形成該布線25的相同方法來形成該導(dǎo)電插塞33。因而，在該導(dǎo)電插塞33與通孔層絕緣膜31之間的界面處以及在該導(dǎo)電插塞33與覆蓋膜30之間的界面處形成通孔金屬氧化膜34。該導(dǎo)電插塞33由覆蓋該通孔32的內(nèi)表面的銅合金膜33b以及填充該通孔32中的剩余空間的插塞主體33a構(gòu)成。該銅合金膜33b接觸該通孔金屬氧化膜34并由構(gòu)成該通孔金屬氧化膜34的銅和兩種金屬元素的合金制成。
該導(dǎo)電插塞33直接連接至下面的布線25，而不涉及該通孔金屬氧化膜34。
如圖1F所示，在該通孔層絕緣膜31上形成覆蓋膜40以及布線層絕緣膜41。該覆蓋膜40以及布線層絕緣膜41分別由與下面的覆蓋膜30和通孔層絕緣膜31相同的材料來制成。在該布線層絕緣膜41和覆蓋膜40中形成布線溝槽42，暴露該導(dǎo)電插塞33的上表面。
通過類似于圖1A至圖1C所示的形成該布線25的方法將布線43嵌入該布線溝槽42中。在該布線43與布線層絕緣膜41之間的界面處、該布線43與覆蓋膜40之間的界面處、以及該布線43與通孔層絕緣膜31之間的界面處形成布線金屬氧化膜44。該布線43由覆蓋該布線溝槽42內(nèi)表面的銅合金膜43b以及填充該布線溝槽42中的剩余空間的布線主體43a構(gòu)成。該銅合金膜43b接觸該布線金屬氧化膜44并包含作為銅合金元素來構(gòu)成該布線金屬氧化膜44的除銅之外的兩種金屬元素。
該布線43直接接觸下面的導(dǎo)電插塞33 ，而不涉及該布線金屬氧化膜44。
如圖1G所示，在該布線層絕緣膜41上形成覆蓋膜50以及層間絕緣膜51。該覆蓋膜50以及層間絕緣膜51分別由與下面的覆蓋膜40和布線層絕緣膜41相同的材料的制成。通過公知的雙鑲嵌法(dual damascene method)在該覆蓋膜50以及層間絕緣膜51的雙層結(jié)構(gòu)中形成布線54。以下將簡述形成該布線54的方法。
首先，在該覆蓋膜50以及層間絕緣膜51的雙層結(jié)構(gòu)中形成布線溝槽52和通孔53。該布線溝槽52在深度方向到達(dá)該層間絕緣膜51的中間位置。該通孔53暴露下面的布線43的部分上表面。通過類似于圖1A至圖1C所示的形成該布線25的方法將布線54嵌入該布線溝槽52以及通孔53中。在該布線54與層間絕緣膜51之間的界面處以及該布線54與覆蓋膜50之間的界面處形成金屬氧化膜55。該布線54由覆蓋該布線溝槽52和通孔53的內(nèi)表面的銅合金膜54b以及填充該布線溝槽52和通孔53中的剩余空間的布線主體54a構(gòu)成。該銅合金膜54b接觸該金屬氧化膜55并包含作為銅合金元素來構(gòu)成該金屬氧化膜55的除銅之外的兩種金屬元素。
接著，將說明通過圖1B所示的工藝形成的金屬氧化膜20的效果。圖1G所示的通孔金屬氧化膜34、布線金屬氧化膜44以及金屬氧化膜55提供與以下所述效果相同的效果。
在第一實施例中，圖1A所示的第一膜16和第二膜17由彼此不同的銅合金制成。因此，金屬氧化膜20包含除銅之外的至少兩種金屬元素。相比包含一種金屬元素的金屬氧化膜的情況，其可以改進(jìn)防擴(kuò)散功能。例如，作為該第一膜16和第二膜17的銅合金的合金元素，至少可以使用從A1、 Mg、Mn、 Cr、 Ti、 Ta、 Zr、 Sn、 In、 Zn、 Ni和Co構(gòu)成的組中選出的一種元素。通過利用該第一膜16和第二膜17的銅合金的合金元素的優(yōu)選組合，可獲得進(jìn)一步改進(jìn)的效果。下面將對這些優(yōu)選組合進(jìn)行說明。
首先考慮圖1A所示的第一膜16和第二膜17的其中之一由包含從Al、Mg、 Mn和Cr構(gòu)成的組中選出的一種金屬的銅合金制成，而另一膜由包含從Ti、 Ta和Zr構(gòu)成的組中選出的一種金屬的銅合金構(gòu)成的情況。該第一膜16和第二膜17均可通過濺射或化學(xué)氣相沉積形成。在這種情況下，金屬氧化膜20既包含從A1、 Mg、 Mn和Cr構(gòu)成的組中選出的元素，又包含從Ti、Ta和Zr構(gòu)成的組中選出的元素。由于其包含A1、 Mg、 Mn或Cr，該金屬氧化膜20表現(xiàn)出對氧的高阻擋性能，并且由于其包含Ti、 Ta或Zr，所以該金屬氧化膜20表現(xiàn)出對銅的高阻擋性能。
如果包含從A1、 Mg、 Mn和Cr構(gòu)成的組中選出的一種元素的膜相對較厚，可相對地改進(jìn)對氧的阻擋性能。相反，如果包含從Ti、 Ta和Zr構(gòu)成的組中選出的一種元素的膜相對較厚，可相對地改進(jìn)對銅的阻擋性能。
在布線25與下面的導(dǎo)電插塞13之間的界面處不包含傳統(tǒng)的阻擋金屬層，并且該布線與下面的導(dǎo)電插塞互相直接接觸，從而可以抑制接觸電阻的增加。
使用TiN等的傳統(tǒng)的阻擋金屬膜要求厚度至少為約10nm，以獲得足夠的防擴(kuò)散效果。在上述第一實施例中，圖1A所示的該第一膜16和第二膜17的總厚度約為10nm，而該金屬氧化膜20的厚度小于該厚度。該銅合金膜21的電阻率低于傳統(tǒng)的阻擋金屬層。因此，其能夠抑制布線和導(dǎo)電插塞的電阻增加。特別地，與布線相比，在導(dǎo)電插塞33的截平面中，阻擋金屬膜所占面積與總面積的比例較大。通過使用該通孔金屬氧化膜34替代傳統(tǒng)的阻擋金屬膜，可以期待顯著的效果。
接下來考慮第一膜16由包含從A1、 Mg、 Mn、 Cr、 Ti、 Ta和Zr構(gòu)成的組中選出的一種元素的合金制成，而第二膜17由包含從CuSn、 CuZn、 CuNi、CuCo和CuSnZn構(gòu)成的組中選出的銅合金制成的情況。在這種情況下，該第一膜16可通過濺射或化學(xué)氣相沉積形成，而該第二膜17可通過鍍覆法形成。當(dāng)采用鍍覆法時，即使在具有大深寬比的凹槽的內(nèi)表面上也可以以良好的再現(xiàn)性形成厚度均勻的膜。因此，即使該第一膜16的厚度不均勻，也可以通過形成該第二膜17來防止由不規(guī)則膜厚所造成的防擴(kuò)散效果以及緊密粘附力的降低。在這種情況下，優(yōu)選形成厚度大于第一膜16的第二膜17。例如，第一膜16的厚度設(shè)定為4nm，而第二膜17的厚度設(shè)定為6nm。
如果銅合金的第一膜16和第二膜17的合金元素的濃度太高，電阻率會變高。為了抑制電阻率的上升，優(yōu)選將除銅之外的合金元素的濃度設(shè)定為5.0原子％ (atom%)或更低。如果合金元素的濃度太低，金屬氧化膜的防擴(kuò)散功能就會降低。為了獲得足夠的防擴(kuò)散功能，優(yōu)選將除銅之外的合金元素的濃度設(shè)定為0.01原子％或更高。
在上述實施例中，在還原氣氛中于約30(TC下執(zhí)行從圖1A所示的狀態(tài)至圖1B所示的狀態(tài)的熱處理工藝約30分鐘。該還原氣氛并不是必需的，因為在圖1C所示的后面的工藝中通過CMP去除該熱處理過程中的暴露表面。例如，可在惰性氣體氣氛或在大氣中執(zhí)行該熱處理。將該熱處理溫度設(shè)定為形成金屬氧化膜20的溫度。如果該熱處理溫度太低，花費的時間就很長，反之如果該熱處理溫度太高，將對已形成的半導(dǎo)體元件產(chǎn)生不利影響。因此，
優(yōu)選將該熱處理溫度設(shè)定為大于等于IOO"C到小于等于400'C。優(yōu)選地，熱 處理時間取決于該熱處理溫度。將該熱處理時間設(shè)定為用于形成具有足夠阻 擋性能的金屬氧化膜20的必要且足夠的時間。
可在形成第二膜17之后且在形成金屬膜18之前執(zhí)行用于形成金屬氧化 膜20的熱處理。在這種情況下，該熱處理氣氛優(yōu)選為真空氣氛、還原氣氛 或惰性氣體氣氛，以防止暴露表面被氧化。
接下來，將參照圖2A至2C說明按照第二實施例的半導(dǎo)體器件制造方法。
圖2A所示的保護(hù)膜11以及下面各層的結(jié)構(gòu)與圖1A所示的第一實施例 相同。在第二實施例中，形成單一的第三膜60，而不是兩層膜，即不是由圖 1A所示的工藝所形成的第一實施例的第一膜16和第二膜17。層間絕緣膜 15和金屬膜18的結(jié)構(gòu)與第一實施例的相同。
該第三膜60由包含除銅之外的兩種合金元素的三元素銅合金制成，并 可以通過濺射或化學(xué)氣相沉積來形成。該合金元素與第一實施例的第一膜16 和第二膜17的銅合金的合金元素相同。該第三膜60的厚度幾乎等于第一實 施例的第一膜16和第二膜17的總厚度。
如圖2B所示，執(zhí)行熱處理以在層間絕緣膜15與第三膜60之間的界面 處以及保護(hù)膜11與第三膜60的界面處形成金屬氧化膜20。
該熱處理條件與形成圖1B所示的第一實施例的金屬氧化膜20的熱處理 條件相同。
如圖2C所示，通過CMP去除在高于該層間絕緣膜15的上表面的位置 處沉積的該金屬膜18、第三膜60以及金屬氧化膜20。
該第三膜60優(yōu)選包含從Al、 Mg、 Mn、 Cr、 Ti、 Ta、 Zr、 Sn、 In、 Zn、 Ni和Co構(gòu)成的組中選出的至少兩種元素作為除銅之外的合金元素。在第二 實施例中，該第三膜60包含圖1A所示的第一實施例的第一膜16和第二膜 17中所包含的合金元素，從而該金屬氧化膜20具有與圖1C所示的第一實 施例的金屬氧化膜20相同的成分。因而，可獲得與第一實施例相同的效果。
如果該合金元素包含從Al、 Mg、 Mn和Cr構(gòu)成的組中選出的至少一種 元素并且包含從Ti、 Ta和Zr構(gòu)成的組中選出的至少一種元素，就可獲得對 于銅以及氧而言足夠的防擴(kuò)散效果。如同第一實施例的第一膜16和第二膜17，第三膜60的合金元素的濃度 優(yōu)選為0.01 5.0原子％。如果在A1、 Mg、 Mn和Cr構(gòu)成的組中的金屬濃度 相對增加，可相對地增強(qiáng)防氧擴(kuò)散功能。不同的是，如果在Ti、 Ta和Zr構(gòu)
成的組中的金屬濃度相對增加，則可相對地增強(qiáng)防銅擴(kuò)散功能。
接下來，將說明第二實施例的改進(jìn)。在第二實施例中，圖2A所示的第 三膜60由三元素銅合金制成。在該改進(jìn)的實施例中，第三膜60由兩元素銅 合金制成。此外，盡管第二實施例的金屬膜18由純銅或銅合金制成，但該 改進(jìn)實施例中的金屬膜由不同于該第三膜60的銅合金的一種銅合金制成。 該第三膜60的厚度設(shè)定為約5nm。
在沉積該金屬膜18之后，執(zhí)行熱處理。利用該熱處理，構(gòu)成該第三膜 60的金屬元素以及構(gòu)成該金屬膜18的金屬元素與包含在該層間絕緣膜15以 及該保護(hù)膜11中的氧發(fā)生反應(yīng)，從而形成金屬氧化膜20。其后，如同第二 實施例一樣，執(zhí)行CMP以僅保留布線溝槽中的布線。
在使用該修改實施例的制造方法的情況下，圖2C所示的金屬膜18由銅 合金制成。盡管該第三膜60在其形成后的瞬時由兩元素銅合金制成，但通 過隨后的熱處理利用該金屬膜18中的合金元素的擴(kuò)散，該第三膜60變?yōu)橛?三元素銅合金制成。該金屬氧化膜20包含銅和構(gòu)成該金屬膜18的除銅之外 的合金元素，以及其它金屬元素，即其形成后除銅之外的合金元素立即構(gòu)成 該第三膜60。
該第三膜60和金屬膜18的除銅以外的合金元素可從Al、 Mg、 Mn、 Cr、 Ti、 Ta、 Zr、 Sn、 In、 Zn、 Ni和Co構(gòu)成的組中選擇。如果該第三膜60和金 屬膜18的其中之一包含從A1、 Mg、 Mn和Cr構(gòu)成的組中選出的至少一種金 屬，而另一膜包含從Ti、 Ta和Zr構(gòu)成的組中選出的至少一種金屬，就可獲 得對于銅以及氧而言足夠的防擴(kuò)散效果。
接著，將參照圖3A至圖3D說明按照第三實施例的半導(dǎo)體器件制造方法。
圖3A所示的保護(hù)膜11以及下面各層的結(jié)構(gòu)與圖1A所示的第一實施例 相同。在該保護(hù)膜11上形成層間絕緣膜15，并在該層間絕緣膜15中形成布 線溝槽15a。該層間絕緣膜15由與圖1A所示的第一實施例的層間絕緣膜15 相同的材料制成。形成覆蓋該布線溝槽15a的內(nèi)表面以及該層間絕緣膜15的上表面的阻擋金屬層70，該阻擋金屬層由難熔金屬、含難熔金屬的合金、
或難熔金屬的氮化物制成。難熔金屬可以為Ta、 Ti、 W等。舉例來說，可通 討鵬射^/Ck登與站W(wǎng)知求^r知該阻趙傘屋巨7n
舉例來說，通過濺射或化學(xué)氣相沉積在該阻擋金屬層70上形成由銅合 金制成的第四膜71。該第四膜71優(yōu)選包含從A1、 Mg、 Mn、 Cr、 Ti、 Ta、 Zr、 Sn、 In、 Zn、 Ni和Co構(gòu)成的組中選出的至少一種元素作為合金元素。 如同圖2A所示的第二實施例的第三膜60 —樣，該第四膜可由包含除銅之外 的至少兩種合金元素的三元素銅合金制成。在該第四膜71上形成金屬膜18。 該金屬膜18由銅合金或純銅制成，該銅合金或純銅能夠如圖1A所示的第一 實施例的金屬膜18—樣鍍覆形成。在形成該金屬膜18之后，執(zhí)行熱處理。
圖3B為該熱處理之后的截面圖。優(yōu)選地，電阻率高于銅合金的該阻擋 金屬層70盡可能地薄，以降低電阻。隨著該阻擋金屬層70變薄，由于不規(guī) 則的膜厚可能會形成防擴(kuò)散功能不足的區(qū)域。在該防擴(kuò)散功能不足的區(qū)域 中，該第四膜71中的銅以及合金元素與該層間絕緣膜15中的氧相互擴(kuò)散， 從而形成金屬氧化區(qū)72。該金屬氧化區(qū)72具有防銅和氧擴(kuò)散的功能。
如圖3C所示，通過CMP去除在高于該層間絕緣膜15的上表面的位置 處沉積的該阻擋金屬層70、第四膜71以及金屬膜18。保留在布線溝槽15a 中的該阻擋金屬層70、第四膜71以及金屬膜18構(gòu)成布線25。
如圖3D所示，通過雙鑲嵌法在層間絕緣膜15和布線25上順序地形成 導(dǎo)電插塞33、布線43以及布線54。這些絕緣膜中的覆蓋膜30、通孔層絕緣 膜31、覆蓋膜40、布線層絕緣膜41、覆蓋膜50、層間絕緣膜51以及通孔 和布線溝槽的結(jié)構(gòu)及制造方法與圖1G所示的第一實施例相同。導(dǎo)電插塞33 以及布線43和布線54的制造方法與下面的布線25的制造方法相同。在各 布線層中，在阻擋金屬層較薄且防擴(kuò)散功能不足的區(qū)域內(nèi)形成金屬氧化區(qū)。
在第三實施例中，由于以自對準(zhǔn)方式形成金屬氧化區(qū)72，即使在阻擋金 屬層70中形成防擴(kuò)散功能不足的區(qū)域，也可以保持足夠的防擴(kuò)散功能。如 果不設(shè)置第四膜，則要求阻擋金屬層70的厚度至少約為10nm，以獲得足夠 的防擴(kuò)散功能。不同的是，在第三實施例中，阻擋金屬層可制得更薄。例如， 即使阻擋金屬層70的厚度設(shè)定為5nm或更薄，也可以保持足夠的防擴(kuò)散功 能。由于阻擋金屬層變薄了，所以可以降低導(dǎo)電插塞和布線的電阻。如同圖1A所示的第一實施例的第一膜16和第二膜17—樣，第四膜71 中的合金元素的濃度優(yōu)選設(shè)定為0.01 5原子％。
接下來，將參照圖4A至圖4D說明按照第四實施例的平導(dǎo)體器件制造 方法。在第四實施例中，省略了圖3A所示的第三實施例的形成第四膜71的 工藝。
如圖4A所示，在阻擋金屬層70上直接形成金屬膜18。該金屬膜18由 能夠通過濺射或鍍覆形成的銅合金(例如CuSn、 CuZn、 CuNi、 CuCo、 CuMn 以及CuSnZn)制成。在形成該金屬膜18之后，執(zhí)行熱處理。該熱處理條件 與由圖1B所示的工藝所形成的第一實施例的金屬氧化膜20的熱處理條件相 同。
如圖4B所示，以自對準(zhǔn)方式在阻擋金屬層70的防擴(kuò)散功能不足的區(qū)域 內(nèi)形成金屬氧化區(qū)72。在第三實施例中，圖3B所示的第四膜71中的合金 元素與層間絕緣膜15中的氧進(jìn)行反應(yīng)，從而形成金屬氧化區(qū)72。在第四實 施例中，金屬膜18中的合金元素與層間絕緣膜15中的氧進(jìn)行反應(yīng)。因此， 在第四實施例中，金屬膜18不是由純銅而是由銅合金制成的。
如圖4C所示，通過CMP去除在高于該層間絕緣膜15的上表面的位置 處沉積的該阻擋金屬層70以及金屬膜18。由此在布線溝槽15a中形成由金 屬膜18與阻擋金屬層70制成的布線25。
如圖4D所示，通過雙鑲嵌法在層間絕緣膜15和布線25上順序地形成 導(dǎo)電插塞33、布線43以及布線54。這些絕緣膜中的覆蓋膜30、通孔層絕緣 膜31、覆蓋膜40、布線層絕緣膜41、覆蓋膜50、層間絕緣膜51以及通孔 和布線溝槽的結(jié)構(gòu)及制造方法與圖1G所示的第一實施例相同。導(dǎo)電插塞33 以及布線43和布線54的制造方法與下面的布線25相同。在各布線層中， 在阻擋金屬層較薄并且防擴(kuò)散功能不足的區(qū)域內(nèi)形成金屬氧化區(qū)。
同樣，在第四實施例中，由于阻擋金屬層可以制得很薄，所以可以降低 導(dǎo)電插塞和布線的電阻。
在第四實施例中，由于不必形成圖3A所示的第三實施例的第四膜71，
因此可以將成膜工藝的數(shù)目減少一個。但是，在第四實施例中，存在不能由 純銅形成金屬膜18的限制。如果降低其電阻率很重要的話，就采用第三實 施例的布線層結(jié)構(gòu)，以形成由純銅制成的布線層。如果布線電阻率不重要的話，例如如果該布線可制得較厚，從減少工藝數(shù)目的角度來看，采用第四實 施例的結(jié)構(gòu)是有益的。
下面將參照圖5至圖7說明通過鍍覆法形成導(dǎo)電插塞和布線的優(yōu)選條件。
作為用于形成圖1E所示的第一實施例的嵌入通孔32中的導(dǎo)電插塞的鍍 液，舉例來說，使用美國羅門哈斯公司(Rohm&Hass Company)(其前身 為希普勵公司(Shipley Company L丄.C))生產(chǎn)的鍍液。該鍍液包含5-10ml/l 的用于增加成膜速度的促進(jìn)劑，l-5ml/l的用于降低成膜速度的抑制劑，以及 l-3ml/l的用于使膜表面平滑的平整劑(leveler)。作為用于形成圖IF所示 的嵌入布線溝槽42中的布線的鍍液，舉例來說，使用樂思化學(xué)有限公司 (Enthonelnc)生產(chǎn)的鍍液。該鍍液包含5-10ml/l的促進(jìn)劑，l-5ml/l的抑制 劑，以及l(fā)-3ml/l的平整劑。
促進(jìn)劑主要是硫化合物，其促進(jìn)生長面上的成核。平整劑為胺化合物， 并包含氮、碳、氯等。由于平整劑具有偶極子，它移動至其上積聚電場的區(qū) 域，并弱化該區(qū)域中的電場。
圖5A和圖5B為示出通過上述鍍液所形成的導(dǎo)電插塞及布線的Cu膜的 雜質(zhì)濃度的二次離子質(zhì)譜法(SIMS)測量結(jié)果的坐標(biāo)圖。橫坐標(biāo)代表從分析 開始起的經(jīng)過時間，其單位為"分鐘"，左縱坐標(biāo)代表雜質(zhì)濃度，其單位為 "原子/立方厘米(atoms/cm3)"。右縱坐標(biāo)代表所檢測的二次離子的數(shù)目， 其單位為"離子/秒(ions/s)"。橫坐標(biāo)對應(yīng)于Cu膜在深度方向的位置。符 號Cu、 N、 C、 O、 S以及CI所指示的折線分別代表銅、氮、碳、氧、硫以 及氯的雜質(zhì)濃度。
圖6示出了在Cu膜深度方向的平均的雜質(zhì)元素濃度。左邊的五個條形 圖代表用于布線的Cu膜的雜質(zhì)濃度，右邊的五個條形圖代表用于導(dǎo)電插塞 的Cu膜的雜質(zhì)濃度?？梢钥吹接糜诓季€的Cu膜的雜質(zhì)濃度高于用于導(dǎo)電插 塞的Cu膜的雜質(zhì)濃度。布線Cu膜的碳、氧、氮、硫以及氯的總雜質(zhì)濃度約 為1X10"原子/立方厘米，而導(dǎo)電插塞Cu膜的總雜質(zhì)濃度約為1X10"原子 /立方厘米。這兩個雜質(zhì)濃度間相差兩個數(shù)量級。這可認(rèn)為是，用以形成導(dǎo)電 插塞的鍍液中的總雜質(zhì)原子濃度低于用以形成布線的鍍液中的總雜質(zhì)原子 濃度。圖7示出了評價樣本的可靠性評價試驗的結(jié)果，其中各評價樣本具有多 個串聯(lián)連接的導(dǎo)電插塞及布線。橫坐標(biāo)代表從預(yù)定電流流經(jīng)各評價樣本起的 經(jīng)過時間，其單位為"小時"，而縱坐標(biāo)代表失效發(fā)生的累積概率。制備兩 組樣本評價樣本組W，通過使用布線鍍液形成該組樣本的導(dǎo)電插塞及布線; 和評價樣本組V,通過使用通孔鍍液形成該組樣本的導(dǎo)電插塞，并且通過使
nd^n3^5't&ii5ui^/j乂升嚇卩s^。 pij， t干午-且v 口、j寸ps:m3丞口、j求/jm外、度1te卞布統(tǒng)。對 于組W和組V各評價20個樣本。圖7中，直線W和直線V分別指示組W 和組V的評價樣本的測量結(jié)果。
在供電300小時后，在組W的14個樣本中發(fā)生電連續(xù)性失效(electrical continuity failure),而在組V的3個樣本中發(fā)生電連續(xù)性失效。該電連續(xù)性 失效是由電遷移導(dǎo)致的。在11(TC的溫度下，組W的樣本的最大允許電流密 度約為1.6X10S安培/平方厘米(A/cm2)，而組V的樣本的最大允許電流密 度約為1.5X10S安培/平方厘米。
由該評價結(jié)果可見，通過將導(dǎo)電插塞的Cu的雜質(zhì)濃度設(shè)定為低于布線 的Cu的雜質(zhì)濃度，可提高抗電遷移性和最大允許電流密度。該抗電遷移性 的提高可歸因于由于將導(dǎo)電插塞的雜質(zhì)濃度設(shè)定得較低而難以在該導(dǎo)電插 塞中形成空穴(voids)。
可認(rèn)為，如果布線的Cu與導(dǎo)電插塞一樣具有高純度，也可以獲得與組 V相同程度的抗電遷移性。但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)如果使布線具有高純度，那么該 布線的抗應(yīng)力遷移性降低。這可歸因于由于高純度而使該布線中的空穴在經(jīng) 過累積熱后可能會擴(kuò)散。
在上述實施例中，將導(dǎo)電插塞的Cu的雜質(zhì)濃度設(shè)定得相對較低，而將 布線的Cu的雜質(zhì)濃度設(shè)定得相對較高。由于導(dǎo)電插塞的體積小于布線的體 積，所以導(dǎo)電插塞受抗應(yīng)力遷移性降低的影響較小。因此，如圖7所示，當(dāng) 保持高抗電遷移性時可保證足夠的抗應(yīng)力遷移性。
布線的體積大于導(dǎo)電插塞的體積，并且布線與層間絕緣膜的接觸面積寬 于導(dǎo)電插塞與層間絕緣膜的接觸面積。因此可認(rèn)為，在布線中可能會發(fā)生應(yīng) 力遷移。為了提高布線的抗應(yīng)力遷移性，優(yōu)選布線的雜質(zhì)濃度增加為大于導(dǎo) 電插塞。通過使用CuSn合金或CuSnZn合金而不使用純銅，可以提高抗應(yīng) 力遷移性和抗電遷移性。為了獲得降低導(dǎo)電插塞的雜質(zhì)濃度的足夠效果，優(yōu)選地，導(dǎo)電插塞的碳、 氧、氮、硫以及氯的總雜質(zhì)原子濃度為布線的總雜質(zhì)原子濃度的十分之一或
更小。優(yōu)選地，導(dǎo)電插塞的總雜質(zhì)原子濃度低于lX10。cm'3，而布線的總雜 質(zhì)原子濃度高于1 X 1019cm—3。
該評價是對純銅的布線和導(dǎo)電插塞做出的。在布線和導(dǎo)電插塞由包含作 為主要成分的銅的銅合金制成的情況下，也可以預(yù)期到相同的效果。
在上述實施例中，將用于形成導(dǎo)電插塞的鍍液的雜質(zhì)原子濃度設(shè)定為低 于用于形成布線的鍍液的雜質(zhì)原子濃度，由此設(shè)定導(dǎo)電插塞的雜質(zhì)濃度低于 布線的雜質(zhì)濃度?？烧J(rèn)為，通過改變流入相同鍍液的電流振幅可以調(diào)節(jié)鍍銅 的雜質(zhì)濃度。
接下來，將參照圖8A至圖8F說明按照第五實施例的半導(dǎo)體器件制造方法。
圖8A所示的具有層間絕緣膜15和布線25以及下面各層的層結(jié)構(gòu)與中 間制造工藝中的圖1C所示的第一實施例的半導(dǎo)體器件的層結(jié)構(gòu)相同。通過 與圖1D所示的第一實施例相同的方法，在層間絕緣膜15上沉積覆蓋膜30 和通孔層絕緣膜31。穿過該覆蓋膜和該通孔層絕緣膜形成通孔32。在該通 孔32的底部上暴露布線25的部分上表面。
在該通孔層絕緣膜31上沉積銅合金膜80。將該銅合金膜80沉積至足以 完全填充通孔32的厚度。該銅合金膜80由從CuAl、 CuMg、 CuMn、 CuCr、 CuTi、 CuTa、 CuZr、 CuSn、 Culn、 CuZn、 CuNi以及CuCo構(gòu)成的組中選出 的一種銅合金制成，并利用銅合金靶通過濺射形成。
如圖8B所示，通過CMP去除在高于該通孔層絕緣膜31的上表面的位 置處沉積的銅合金膜80。在該通孔32中保留銅合金制成的導(dǎo)電插塞80a。
如圖8C所示，在還原氣氛中執(zhí)行40(TC的熱處理，以在該導(dǎo)電插塞80a 與通孔層絕緣膜31之間的界面處以及該導(dǎo)電插塞80a與覆蓋膜30之間的界 面處形成通孔金屬氧化膜80b。當(dāng)該導(dǎo)電插塞80a中的合金元素與該通孔層 絕緣膜31以及覆蓋膜30中的氧發(fā)生反應(yīng)時，形成該通孔金屬氧化膜80b。
如圖8D所示，在該通孔層絕緣膜31上沉積覆蓋膜40以及布線層絕緣 膜41。通過與形成圖1F所示的第一實施例的覆蓋膜40以及布線層絕緣膜 41相同的方法來形成這兩層。形成到達(dá)該通孔層絕緣膜31的上表面的布線溝槽42。在該布線溝槽42的底部上暴露導(dǎo)電插塞80a的上表面。在該布線 層絕緣膜41上沉積銅合金膜83。將該銅合金膜83沉積至足以完全填充布線 溝槽42的厚度。該銅合金膜83由從CuAl、 CuMg、 CuMn、 CuCr、 CuTi、 CuTa、 CuZr、 CuSn、 Culn、 CuZn、 CuNi以及CuCo構(gòu)成的組中選出的一種 銅合金制成，并包含從C、 S、 N、 O以及C1構(gòu)成的組中選出的至少一種雜 質(zhì)元素?？衫煤s質(zhì)的銅合金靶通過濺射形成該合金膜。
如圖8E所示，通過CMP去除在高于該布線層絕緣膜41的上表面的位 置處沉積的銅合金膜83。在該布線溝槽42中保留銅合金制成的布線83a。
如圖8F所示，在還原氣氛中執(zhí)行400'C的熱處理，以在該布線83a與布 線層絕緣膜41之間的界面處、該布線83a與覆蓋膜40之間的界面處、以及 該布線83a與通孔層絕緣膜31之間的界面處形成布線金屬氧化膜83b。
在第五實施例中，通孔金屬氧化膜80b和布線金屬氧化膜83b具有防擴(kuò) 散功能。由于布線83a包含雜質(zhì)，因此可提高抗應(yīng)力遷移性。由于導(dǎo)電插塞 80a不含雜質(zhì)，因此可防止電阻增加。
在第五實施例中，由于通過濺射形成導(dǎo)電插塞80a和布線83a，與通過 鍍覆形成導(dǎo)電插塞和布線的情況相比，可以更高精確度地控制雜質(zhì)的種類和 濃度。
在第五實施例中，盡管未在導(dǎo)電插塞80a中摻雜，但如果必要可摻雜所 需的雜質(zhì)。在這種情況下，對導(dǎo)電插塞80a而言主要的要求是低電阻，而對 布線83a而言主要的要求是高抗應(yīng)力遷移性。因此，優(yōu)選將導(dǎo)電插塞80a的 雜質(zhì)濃度設(shè)定為低于布線83a的雜質(zhì)濃度。
以上已結(jié)合優(yōu)選實施例說明了本發(fā)明。但本發(fā)明并不僅限于上述實施 例。對于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，很明顯可做出其它多種修改、改進(jìn)、 組合等。
權(quán)利要求
1. 一種半導(dǎo)體器件的制造方法，包括如下步驟(a)在形成于半導(dǎo)體襯底上的含氧絕緣體的表面上形成阻擋金屬層，該阻擋金屬層由難熔金屬、含難熔金屬元素的合金或難熔金屬元素的氮化物制成；(b)在該阻擋金屬層上形成銅合金膜；以及(c)于在該阻擋金屬層的部分表面區(qū)域上，該銅合金膜中的銅以及合金元素與該絕緣體中的氧相互擴(kuò)散的條件下，執(zhí)行熱處理，以形成金屬氧化膜。
2. 按照權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中該銅合金膜包 含從A1、 Mg、 Mn、 Cr、 Ti、 Ta、 Zr、 Sn、 In、 Zn、 Ni和Co構(gòu)成的組中選 出的至少一種元素。
3. 按照權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中在該絕緣體中 形成凹槽，在步驟(a)和(b)中，形成與該凹槽的內(nèi)表面相符合的該阻擋 金屬層以及該銅合金膜，并在步驟(b)之后設(shè)有在該凹槽中形成填充空間 的金屬膜的步驟，該金屬膜由不同于該銅合金膜的銅合金的銅合金制成。
4. 按照權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中通過鍍覆法形 成該金屬膜，用于形成該金屬膜的鍍液包含從碳、氧、氮、硫以及氯構(gòu)成的 組中選出的至少一種原子，并且在該金屬膜中包含從該鍍液中的碳、氧、氮、 硫以及氯構(gòu)成的該組中選出的至少一種原子作為雜質(zhì)。
5. 按照權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中該凹槽為布線 溝槽，并且在該金屬膜中的碳原子、氧原子、氮原子、硫原子以及氯原子的 總原子濃度變?yōu)閘Xl(Tcn^或更高的條件下，執(zhí)行鍍覆法。
6. 按照權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中在該絕緣體中 形成凹槽，在步驟(b)中，通過鍍覆法形成填充該凹槽中的空間的該銅合 金膜，用于形成該金屬膜的鍍液包含從碳、氧、氮、硫以及氯構(gòu)成的組中選 出的至少一種原子，并且在該金屬膜中包含從該鍍液中的碳、氧、氮、硫以 及氯構(gòu)成的該組中選出的至少一種原子作為雜質(zhì)。
7. 按照權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中該凹槽為布線溝槽，并且在該金屬膜中的碳原子、氧原子、氮原子、硫原子以及氯原子的總原子濃度變?yōu)?Xl(Tcn^或更高的條件下，執(zhí)行鍍覆法。
8. —種半導(dǎo)體器件，包括絕緣膜，其形成于半導(dǎo)體襯底上并由含氧絕緣體制成； 凹槽，其形成于該絕緣膜中；阻擋金屬層，其覆蓋該凹槽的內(nèi)表面，并由難熔金屬、含難熔金屬元素 的合金或難熔金屬元素的氮化物制成；以及 銅合金膜，其形成于該阻擋金屬層上，其中通過該銅合金膜中的金屬元素與該絕緣膜中的氧之間的相互擴(kuò)散 以及反應(yīng)在該絕緣體的部分表面區(qū)域中形成金屬氧化物。
9. 一種半導(dǎo)體器件的制造方法，包括如下步驟(a) 在形成于半導(dǎo)體襯底上并由含氧絕緣體制成的通孔層絕緣膜中形 成通孔；(b) 在該通孔層絕緣膜上形成第一銅合金膜，該第一銅合金膜填充該通孔；(c) 去除該第一銅合金膜的不必要部分，并在該通孔中保留由銅合金 制成的導(dǎo)電插塞；(d) 在該通孔層絕緣膜上形成由含氧絕緣體制成的布線層絕緣膜；(e) 在該布線層絕緣膜中形成布線溝槽；(f) 在該布線層絕緣膜中形成填充該布線溝槽的第二銅合金膜；以及(g) 去除該第二銅合金膜的不必要部分，并且在該布線溝槽中保留由 銅合金制成的布線；并進(jìn)一步包括如下步驟-(h) 在步驟(b)之后，執(zhí)行第一熱處理，以通過該導(dǎo)電插塞的組成元 素與該通孔層絕緣膜中的氧之間的反應(yīng)在該通孔層絕緣膜與該導(dǎo)電插塞之 間的界面處形成通孔金屬氧化膜；以及(0在步驟(f)之后，執(zhí)行第二熱處理，以通過該布線的組成元素與 該布線層絕緣膜中的氧之間的反應(yīng)在該布線層絕緣膜與該布線之間的界面 處形成布線金屬氧化膜。
10. 按照權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中該第一銅合 金膜和該第二銅合金膜分別由從CuAl、 CuMg、 CuMn、 CuCr、 CuTi、 CuTa、CuZr、 CuSn、 Culn、 CuZn、 CuNi和CuCo構(gòu)成的組中選出的一種銅合金制 成。
11. 一種半導(dǎo)體器件，包括第一絕緣膜，其形成于半導(dǎo)體襯底上并由含氧絕緣材料制成； 通孔，其形成為穿過該第一絕緣膜； 導(dǎo)電插塞，其嵌入該通孔并由銅或銅合金制成； 第二絕緣膜，其形成于該第一絕緣膜上；布線溝槽，其形成為穿過該第二絕緣膜并暴露該導(dǎo)電插塞的上表面； 布線，其嵌入該布線溝槽中并由銅或銅合金制成，該布線的碳原子、氧原子、氮原子、硫原子以及氯原子的總原子濃度高于該導(dǎo)電插塞的總原子濃度；以及金屬氧化膜，其形成于該第一絕緣膜與該導(dǎo)電插塞之間的界面處，并由 該導(dǎo)電插塞的組成元素中的任一種制成。
12. —種半導(dǎo)體器件的制造方法，包括如下步驟(a) 在形成于半導(dǎo)體襯底上的含氧絕緣體的表面上形成銅合金膜，該 銅合金膜包含銅以及至少一種金屬元素；(b) 在該銅合金膜上形成金屬膜，該金屬膜由與該銅合金膜的種類不 同的一種銅合金制成；以及(c) 在通過該絕緣體的氧、該銅合金膜的金屬元素以及該金屬膜的金 屬元素之間的反應(yīng)而在該絕緣體的表面上形成金屬氧化膜的條件下，執(zhí)行熱 處理。
13. —種半導(dǎo)體器件，包括-絕緣膜，其形成于襯底上并由含氧絕緣體制成； 凹槽，其形成于該絕緣膜中；導(dǎo)電元件，其嵌入該凹槽中并由銅合金制成；以及 金屬氧化膜，其設(shè)置于該絕緣膜與該導(dǎo)電元件之間的界面處，并包含銅、 該導(dǎo)電元件中除銅之外的合金元素、以及另一種金屬元素。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有銅或銅合金制成的插塞與布線的改進(jìn)的防銅擴(kuò)散功能的半導(dǎo)體器件及其制造方法，其中該方法包括下述步驟(a)在形成于半導(dǎo)體襯底上的含氧絕緣體的表面上形成阻擋金屬層，該阻擋金屬層由難熔金屬、含難熔金屬元素的合金或難熔金屬元素的氮化物制成；(b)在該阻擋金屬層上形成銅合金膜；以及(c)于在該阻擋金屬層的部分表面區(qū)域上，該銅合金膜中的銅以及合金元素與該絕緣體中的氧相互擴(kuò)散的條件下，執(zhí)行熱處理，以形成金屬氧化膜。利用本發(fā)明，可以改進(jìn)半導(dǎo)體器件的防擴(kuò)散功能。
文檔編號H01L21/768GK101504932SQ20091012852
公開日2009年8月12日 申請日期2005年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月13日
發(fā)明者北田秀樹, 小澤清, 小浦由美子 申請人:富士通微電子株式會社