專利名稱：具有多層銅線路層的半導(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，尤其涉及一種具有多個銅線線路層的半導(dǎo)體器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
大規(guī)模集成電路的集成度和運行速度變得越來越高，隨著集成度的提高，半導(dǎo)體元件，比如構(gòu)成集成電路的晶體管也制作得更加小型化。小型化的半導(dǎo)體元件提高了運行速度。電路延遲時間影響大規(guī)模集成電路的運行速度，而電路延遲時間決定于線路的電阻和寄生電容。因此，希望減小線路的電阻和寄生電容。
通過采用電阻比Al小的Cu作為主要線路材料，可以使線路的電阻降低。在實踐中很難找到比Cu具有更低電阻的線路材料。
隨著半導(dǎo)體元件被制作得日益精細(xì)，在半導(dǎo)體芯片上制造的半導(dǎo)體元件的數(shù)目增加了。為了將許多的半導(dǎo)體元件相互連接起來，線路的數(shù)目也增加了。隨著電源線和信號線數(shù)目的增加，線路層的數(shù)目也增加了。線路密度的增加又提高了布線電容。
為了縮短電路延遲時間，需要降低布線電容。用于常規(guī)的Cu線路層的層間絕緣膜的材料是二氧化硅，F(xiàn)SG(F-doped silicate glass，F(xiàn)攙雜硅酸鹽玻璃)或其它類似的材料。希望有由具有較低的比介電系數(shù)的材料構(gòu)成的層間絕緣膜來降低布線電容。
為了降低布線電容，已提出采用具有低比介電系數(shù)的有機絕緣材料來作為層間絕緣膜的材料。作為有機材料的一個例子，SiLK(商標(biāo)Dow Chemical)的比介電系數(shù)為2.65，與比介電系數(shù)為4.2的SiO2相比，布線電容可以降低40％。
當(dāng)以液體狀態(tài)涂覆有機絕緣材料后，必須對其例如在400攝氏度的溫度下進(jìn)行熱處理。有機絕緣材料通常都有較大的熱膨脹系數(shù)。SiO2的熱膨脹系數(shù)約為0.6ppm，而SiLK的熱膨脹系數(shù)約為69ppm。在為形成絕緣膜而進(jìn)行熱處理后，在室溫下產(chǎn)生很大的張應(yīng)力。
圖2顯示了一種含有由有機絕緣材料構(gòu)成的層間絕緣膜的大規(guī)模集成電路的結(jié)構(gòu)的一個例子。在硅襯底10的表面層中，形成一個元件分隔凹槽，絕緣材料比如二氧化硅嵌入其中形成一個淺凹槽絕緣體(STI)11。在由STI確定的有源區(qū)(active region)的表面上，形成金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的柵極G。用這種方式，一個晶體管就形成了。還向硅襯底注入必要的離子，并進(jìn)行其它必要的處理。
在半導(dǎo)體襯底10的表面上，形成一個由硅氧化物系列比如磷硅酸鹽玻璃(PSG)組成的絕緣層18。并且形成了接觸孔，在其中填充導(dǎo)體材料，形成導(dǎo)體栓19。當(dāng)絕緣膜表面被平面化后，層疊一個SiC層20、一個SiLK層22和一個SiC層23，形成第一層間絕緣膜。
例如SiC層20大約50nm厚，SiLK層22大約450nm厚，SiC層23大約50nm厚。在這個層間絕緣膜里，形成布線槽和用于連接其下層線路層的通孔，并且埋入以銅為主要成分的第一線路層29。
在第一層間絕緣膜的表面被平面化后，形成與上述類似的一個SiC層30、一個SiLK層32和一個SiC層33，形成第二層間絕緣膜。在第二層間絕緣膜中，形成布線槽和接觸孔，并埋入以銅為主要成分的第二線路層39。相似的，通過層疊一個SiC層40、一個SiLK層42和一個SiC層43形成第三層間絕緣膜，并埋入一個第三個線路層49。通過層疊一個SiC層50、一個SiLK層52和一個SiC層53形成第四層間絕緣膜，并埋入一個第四線路層50。在第四層線路的表面上形成一個SiC層60作為銅擴散防止層。
以這樣的結(jié)構(gòu)，在層間絕緣膜的下部各層，即防止銅擴散的SiC層20、30、40、50和其上覆蓋的有機絕緣樹脂層22、32、42、52之間很可能發(fā)生剝離或者說分離。假如線路層的數(shù)目增加，發(fā)生分離的可能性就越大。
在作為硬掩模(hard mask)的SiC層和其下的有機絕緣層之間不會發(fā)生分離。這可能是因為有機絕緣樹脂層的表面質(zhì)量高，因為當(dāng)用等離子化學(xué)汽相淀積形成SiC層時，該表面暴露于等離子體中。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個目的是提供一種含有銅線路層和有機絕緣樹脂層、較少分離的半導(dǎo)體器件及其制造方法。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種具有多層線路結(jié)構(gòu)和高可靠度，并且能高速運行的半導(dǎo)體器件。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面內(nèi)容，提供一種半導(dǎo)體器件，包括一個形成有多個半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體襯底；一個在上述半導(dǎo)體襯底上形成并且具有一個第一布線槽的第一層間絕緣膜；嵌入該第一布線槽的第一銅線線路；具有第二布線槽的第二層間絕緣膜，第二層間絕緣膜包括一個在第一銅線線路和第一個層間絕緣膜上形成的銅擴散防止層，一個在防止銅擴散層上形成的氧化膜，一個在氧化膜上形成的有機絕緣樹脂層；及嵌入第二布線槽中的第二銅線線路。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括下列步驟(A)在一個形成有多個半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體襯底上形成第一層間絕緣膜；(B)穿過第一層間絕緣膜形成第一布線槽；(C)在第一布線槽中嵌入第一銅線；(D)在第一層間絕緣膜上形成第二層間絕緣膜，第二層間絕緣膜覆蓋在第一個銅線上，從下面開始包含一個銅擴散防止層、第一氧化膜和一個有機絕緣樹脂層；(E)穿過第二層間絕緣膜形成第二布線槽；(F)在第二布線槽中嵌入第二銅線。
氧化膜的功能是作為銅擴散防止層和有機絕緣樹脂層之間的粘附層。由于氧化層的存在，就不易發(fā)生分離。由于氧化層具有較高的比介電系數(shù)，如果太厚就會增加布線電容。氧化層的厚度最好在5到20nm。
如上所述，即使用有機絕緣樹脂層作為層間絕緣膜，也可能抑制分離。
附圖的簡要說明

圖1A到1K是用于說明根據(jù)本發(fā)明的一個實施例來制造一個半導(dǎo)體器件的過程的示意剖面圖。
圖2是現(xiàn)有技術(shù)的一個半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)的示意剖面圖。
最佳實施方案本發(fā)明的實施例將參照附圖進(jìn)行描述。
如圖1A所示，一個元件分離凹槽在硅襯底10的表面層中形成，絕緣材料比如二氧化硅被嵌入其中形成一個淺凹槽絕緣體(STI)11。必要時，在STI形成之前或之后，在硅低層10的表面層中注入離子，形成理想的阱區(qū)。
一個絕緣柵極G在硅襯底10的表面形成。它由一個柵極氧化膜14，一個多晶硅柵極15和一個硅化物電極16層迭而成。由二氧化硅或類似材料構(gòu)成的側(cè)壁隔離物(spacer)17在絕緣柵極G的側(cè)壁上形成。在側(cè)壁隔離物17形成之前和之后，將需要的離子在柵極G的兩側(cè)注入到硅襯底中，從而形成有延伸的源區(qū)和漏區(qū)。通過形成n和p溝道晶體管而形成一個CMOS晶體管。
在晶體管結(jié)構(gòu)形成后，一個磷硅酸鹽玻璃(PSG)層18通過化學(xué)汽相淀積(CVD)在硅襯底的表面形成，其表面被進(jìn)行平面化處理。穿過PSG層形成接觸孔，由TIN阻擋層和CVD W層組成的導(dǎo)體塞(conductive plug)填充到接觸孔內(nèi)。PSG層18表面上的不必要的導(dǎo)體層通過化學(xué)機械拋光(CMP，chemical mechanical polishing)或其他類似的方法清除掉。
半導(dǎo)體元件和互連電極可以通過任何一種已知的制造方法制得。比如，元件分離區(qū)域可以通過硅的局部氧化(LOCOS，local oxidationof silicon)而不是STI形成。可以為晶體管形成穴區(qū)(pocket region)。也可以采用其他的氧化膜或其他類似的東西來取代PSG。阻擋金屬層可以是一個Ti層、一個TiN層、一個TaN層和其他類似的材料組成的迭層結(jié)構(gòu)。導(dǎo)體塞可用硅或類似的材料制成。
在導(dǎo)體塞19形成之后，一個厚約30nm的SiC層20在PSG層18的表面上形成，覆蓋導(dǎo)體塞19。SiC層20是用等離子體化學(xué)汽相淀積在下述條件下形成的以500sccm的Si(CH3)4和2,500sccm的CO2氣流為氣源，在1.8乇的壓力和400攝氏度的襯底溫度的條件下。
當(dāng)SiC層20形成后，形成大約20nm厚的SiO2層作為粘附層。
比如SiO2層21是用等離子化學(xué)汽相淀積法，以32sccm的SiH4、480sccm的N2O和4,500sccm的N2氣流為氣源，在320W的射頻能、4.5乇的壓力和襯底溫度400攝氏度的條件下形成的。氧化膜可以通過其他方法比如濺鍍形成。通過在SiC層和有機絕緣樹脂層之間插入氧化膜，可以改善粘附。
SiC層的表面是不親水的，氧化膜的表面是親水的。親水性和粘附的改善可歸因于在氧化物表面形成的OH鍵。SiC層20和SiO2層21起半導(dǎo)體元件的保護(hù)層的作用，并起蝕刻停止層等作用。
在SiO2層形成之后，在SiO2層表面形成一個有機絕緣樹脂層22。例如，有機絕緣樹脂層22由Dow化學(xué)公司(Dow Chemical Company)生產(chǎn)的SiLK(注冊商標(biāo))組成，厚度為大約450nm。有機絕緣樹脂層通過涂覆有機絕緣樹脂液體而形成，例如用旋轉(zhuǎn)涂法，然后在320攝氏度下烘烤90秒種，蒸發(fā)掉溶劑，穩(wěn)定樹脂。然后在400攝氏度下，在氮氣氛圍中進(jìn)行30分鐘的硬化處理。硬化處理將碳的三重鍵(triple coupling)變?yōu)楸江h(huán)結(jié)構(gòu)，使得樹脂在化學(xué)上穩(wěn)定下來。
除了SiLK外，其他的材料比如Honeywell電子材料公司(Honeywell Electronic Materials Company)生產(chǎn)的FLARE(注冊商標(biāo))也可以用于有機絕緣樹脂層。FLARE有機絕緣樹脂層是通過旋涂之后熱處理而形成的，與SiLK層相似。
在有機絕緣樹脂層22上，通過化學(xué)汽相淀積形成雙硬掩模層。該雙硬掩模層是由約50nm厚的SiC層23和約100nm厚的SiO2層24構(gòu)成。SiC層23的生長條件與SiC層20的相同，而SiO2層24的生長條件與SiO2層21相比，有較快的沉積速度。比如，SiO2層24是以130sccm的SiH4、636sccm的N2O和2000sccm的N2氣流為氣源，在455W的射頻能，5乇的壓力和襯底溫度400攝氏度的條件下形成的。
如圖1B所示，在SiO2層24上涂覆一個光致抗蝕層PR1，其曝光、沖洗后形成一個光致抗蝕劑圖案PR1。光致抗蝕劑圖案PR1具有與線路圖案相對應(yīng)的開口。用光致抗蝕劑模式PR1作為掩模，對SiO2層24進(jìn)行蝕刻。比如，使用CF4/O2/Ar作為蝕刻氣體對厚度為大約100nm的SiO2層24進(jìn)行干蝕刻。之后，去除光致抗蝕劑圖案。
圖1C是顯示蝕刻后的襯底結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。如圖所示，對SiO2層24進(jìn)行了選擇性的蝕刻，形成了凹槽開口25，其確定了線路圖案的平面形狀。
如圖1D所示，在SiO2層24的圖案形成后，新的光致抗蝕劑層涂覆在襯底的整個表面上，其曝光、沖洗后形成一個光致抗蝕劑圖案PR2。光致抗蝕劑圖案PR2具有與接觸孔相對應(yīng)的開口。利用光致抗蝕劑圖案PR2作為掩模，對SiC層23和有機絕緣樹脂層22進(jìn)行蝕刻。
首先，使用比如CH2F2/O2/N2作為蝕刻氣體對SiC層23進(jìn)行干蝕刻。如果掩膜未對準(zhǔn)，SiO2層24暴露在開口中，則SiO2層24和SiC層23都被蝕刻。
接下來，使用比如NH3/Ar/N2作為蝕刻氣體對有機絕緣樹脂層22進(jìn)行干蝕刻。在蝕刻有機絕緣樹脂層22的過程中，光致抗蝕劑圖案PR2也被蝕刻。在光致抗蝕劑圖案PR2被蝕刻后，將圖案化的SiC層23作為掩膜。
圖1E是顯示蝕刻后的襯底結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。如圖所示，接觸孔26X抵達(dá)下面的SiO2層21的表面。相對于無機絕緣層比如SiC層和氧化膜，有機絕緣樹脂可以以很高的選擇比進(jìn)行蝕刻。
如圖1F所示，通過應(yīng)用SiO2層24作為掩模，對厚度為大約50nm的SiC層23進(jìn)行蝕刻。SiC層23的蝕刻條件與前述例如蝕刻該層23的條件相同。SiC層23被蝕刻成布線槽的形狀。此時，暴露在接觸孔底部的掩模SiO2層24和SiO2層21被輕微蝕刻。
接下來，用SiO2層24和SiC層23作為掩模，將有機絕緣樹脂層蝕刻到例如大約200nm的深度。有機絕緣樹脂層22的蝕刻條件與前述例如蝕刻該層22的蝕刻條件相同。
此后，使用有機絕緣樹脂層22作為掩模，暴露在接觸孔底部的SiO2層21和SiC層20被蝕刻。此時，SiO2層24的上表面被部分蝕刻。
圖1G是顯示蝕刻后的襯底結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。如圖所示，布線槽形成的深度達(dá)有機絕緣樹脂層22中200nm，而接觸孔在更深的地方形成，使導(dǎo)體塞19的表面暴露出來。其中布線槽，用一個阻擋金屬層和一個銅層將該布線槽埋起來，形成雙鑲嵌銅線路(dual damascenecopper wiring)。
如圖1H所示，一個Ta層作為阻擋金屬層通過濺鍍被淀積在整個襯底表面，厚度為大約25nm。在Ta層之上，淀積一層厚為大約100nm的Cu層。Ta層的功能是作為阻擋金屬層，而其上的銅層的則作為鍍Cu的籽晶層。當(dāng)籽晶層形成后，通過電解電鍍的方式鍍銅而形成線路層29X。
如圖1I所示，在層間絕緣膜上的不必要的導(dǎo)電層通過化學(xué)機械拋光(CMP)的方式清除。鑒于SiC層對于CMP具有高選擇比，因此，使用SiC層23作為停止層進(jìn)行CMP。CMP清除了SiO2層24。經(jīng)CMP后的襯底表面露出銅線路層29和SiC層23。
如圖1J所示，在SiC層23之上，通過等離子體化學(xué)汽相淀積，沉積一層厚度為大約50nm的銅擴散防止層30，蓋住銅線路層29。例如在以下條件下進(jìn)行等離子體化學(xué)汽相淀積以500sccm的Si(CH3)4和2,500sccm的CO2為氣源，1.8乇的壓力，襯底溫度400攝氏度。
接下來，通過等離子體化學(xué)汽相淀積，在SiC層30上沉積一層厚度為大約20nm的SiO2層31作為粘附層。SiO2層31改善了銅擴散防止層30的表面狀況，加強了粘附。在銅擴散防止層30的不親水的表面上形成的SiO2層處于更好的狀態(tài)，并形成親水性表面。在該親水性表面上，有機絕緣樹脂層可以涂覆得更好，粘附得更好。
作為粘附層的二氧化硅層可以不是純二氧化硅層，可用有添加物的二氧化硅層作為粘附層。二氧化硅粘附層不具有防止銅擴散的功能，并且具有約4.2或更大的比介電系數(shù)。因此，最好形成較薄的二氧化硅粘附層，只要其能起到粘附層的作用就行。最好在形成厚度為5nm到200nm的二氧化硅層作為粘附層。
對二氧化硅層31進(jìn)行等離子體氣學(xué)汽相淀積時采用較慢的沉積速度。比如，二氧化硅層31在以下條件下形成以32sccm的SiH4和480sccm的N2O氣流為氣源，以4,500sccm的N2氣流為載氣體，320W的射頻能，4.5乇的壓力，襯底溫度400攝氏度。
在二氧化硅層31沉積之后，形成一個有機絕緣樹脂層32。沉積一個SiC層33和一個SiO2層34作為硬掩模層。以此方式，形成第二個層間絕緣膜。由于有機絕緣樹脂層的存在，最好在500攝氏度或以下的溫度下形成氧化膜和SiC層。上述的等離子體CVD等就滿足這個條件。
圖1J顯示的結(jié)構(gòu)中的有機絕緣樹脂層還沒有形成如圖1A所示的線路層。采用與圖1B至圖1I所示相似的程序來形成第二線路層。通過反復(fù)采用上述的步驟，形成具有所需數(shù)目的線路層的結(jié)構(gòu)。
圖1K顯示具有4個線路層的結(jié)構(gòu)。
第二層間絕緣膜由一個SiC層30、一個SiO2層31、一個有機絕緣樹脂層32、一個SiC層33和一個SiO2層(未顯示)層疊而成。形成布線槽并嵌入第二線路層39。以CMP清除多余的線路層，并清除氧化膜34。以此方式，形成第二線路層。
第三層間絕緣膜由一個SiC層40、一個SiO2層41、一個有機絕緣樹脂層42、一個SiC層43和一個SiO2層(未顯示)層疊而成。形成布線槽并嵌入第三線路層49。進(jìn)行CMP，露出SiC層43的表面。相似的，第四層間絕緣膜由一個SiC層50、一個SiO2層51、一個有機絕緣樹脂層52、一個SiC層53和一個SiO2層(未顯示)層疊而成。用銅線路層59形成第四線路層。假如第四線路層是最高層，則在其表面再形成一個SiC層作為銅擴散防止層60。
如上所述，利用低比介電系數(shù)材料比如SiLK的有機絕緣樹脂層形成一種多層線路結(jié)構(gòu)。在有機絕緣樹脂層和其下層的銅擴散防止層之間加入氧化膜作為粘附層。氧化膜用作防止分離或剝離的層。
對該發(fā)明進(jìn)行了擦刮測試(scratch test)。當(dāng)沒有插入氧化膜時，測試結(jié)果為13.07gF。而在有機絕緣樹脂層和其下層的SiC層之間插入一個SiO2層時，測試結(jié)果為14.12gF?？梢愿纳普掣剑种茖娱g絕緣膜的分離。
盡管在實施例中以SiC作為銅擴散防止層，也可以以SiN層或SiCN作為銅擴散防止層。
上面結(jié)合最佳實施方案中對本發(fā)明進(jìn)行了描述。本發(fā)明不限于上述實施例。顯而易見，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對其進(jìn)行各種改變，改善，組合和其他類似修改。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括一個形成有多個半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體襯底；在該半導(dǎo)體襯底上形成的第一層間絕緣膜，其具有第一布線槽；嵌入該第一布線槽中的第一銅線路；有第二布線槽的第二層間絕緣膜，該第二層間絕緣膜包括一個在上述第一銅線路和所述第一層間絕緣膜上形成的銅擴散防止層，在所述銅擴散防止層上形成一個氧化膜，在該氧化膜上形成一個有機絕緣樹脂層；嵌入所述第二布線槽中的第二銅線線路。
2.權(quán)利要求1中的半導(dǎo)體器件，其中所述銅擴散防止層是一個第一SiC層，所述有機絕緣樹脂層的比介電系數(shù)為3或更小。
3.權(quán)利要求1中的半導(dǎo)體器件，其中所述氧化膜的厚度為5nm到20nm。
4.權(quán)利要求1中的半導(dǎo)體器件，其中所述第二層間絕緣膜進(jìn)一步包括一個在所述有機絕緣樹脂層上形成的一個硬掩模層。
5.權(quán)利要求4中的半導(dǎo)體器件，其中所述硬掩模層為一個第二SiC層。
6.半導(dǎo)體器件的制造方法，包括以下步驟(A)在形成有多個半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體襯底上形成一個第一層間絕緣膜；(B)穿過上述第一層間絕緣膜形成第一布線槽；(C)在所述第一布線槽中嵌入第一銅線路；(D)在上述第一層間絕緣膜上形成第二層間絕緣膜，該第二層間絕緣膜蓋住上述第一銅線路，按照自下而上的順序包括一個銅擴散防止層、一個第一氧化膜和一個有機絕緣樹脂層；(E)穿過上述第二層間絕緣膜上形成一個第二布線槽；(F)在上述第二布線槽中嵌入第二銅線路。
7.權(quán)利要求6中的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述銅擴散防止層是一個第一SiC層，所述有機絕緣樹脂層的比介電系數(shù)為3或更小。
8.權(quán)利要求6中的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述第二層間絕緣膜進(jìn)一步包括一個在所述有機絕緣樹脂層上形成的一個硬掩模層。
9.權(quán)利要求8中的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述硬掩模層包括一個第二SiC層和在該第二SiC層上形成的一個第二氧化膜。
10.權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體器件制造方法，其中上述步驟(F)包括一個沉積第二銅線路層的步驟，和對上述第二層間絕緣膜和所述第二氧化膜上的多余第二銅線路層進(jìn)行拋光和清除的步驟。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有多層銅線路層的半導(dǎo)體器件及其制造方法。該半導(dǎo)體器件包括一個形成有多個半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體襯底；在該半導(dǎo)體襯底上形成的第一層間絕緣膜，其具有第一布線槽；嵌入該第一布線槽中的第一銅線路；有第二布線槽的第二層間絕緣膜，該第二層間絕緣膜包括一個在上述第一銅線路和所述第一層間絕緣膜上形成的銅擴散防止層，在所述銅擴散防止層上形成一個氧化膜，在該氧化膜上形成一個有機絕緣樹脂層；嵌入所述第二布線槽中的第二銅線線路。這樣，本發(fā)明提供了多層銅線路和有機絕緣樹脂層不易分離的半導(dǎo)體器件，并提供了其制造方法。
文檔編號H01L23/522GK1467838SQ03106338
公開日2004年1月14日 申請日期2003年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月10日
發(fā)明者大塚敏志, 福山俊一, 一, 大 敏志 申請人:富士通株式會社