專利名稱：具有銅金屬布線的半導(dǎo)體器件及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明實施例涉及一種形成半導(dǎo)體器件的銅金屬布線的方法， 更具體地，涉及一種通過4吏用乂又重4裏嵌(dual damascene )工藝形成 半導(dǎo)體器件的銅金屬布線的方法。
背景技術(shù)：
通常，在制造半導(dǎo)體器件時，金屬布線用于元件或布線之間的 電連接。近些年來，隨著對半導(dǎo)體器件具有更高的集成度和更高的 性能的需要，具有比鋁(Al)更優(yōu)異的電特性(諸如導(dǎo)電性)的銅 (Cu)被用作形成金屬布線的材料。
通過蝕刻工藝不容易4吏銅金屬布線圖案化，所以通過鑲嵌工藝 使銅金屬布線圖案化，替代了通常用于形成鋁金屬布線的減成圖案 法(subtractive patterning method )。 在多層布線結(jié)構(gòu)(multi-line structure)中，已經(jīng)廣泛應(yīng)用了同時形成連4姿上層/下層布線和上層 金屬布線的通孔(via)的雙重鑲嵌工藝。
在雙重鑲嵌工藝中，首先沉積并形成金屬間(intermetal)介電 層。通過實施光刻并隨后進行兩次蝕刻過程在金屬間介電層中形成 由溝道和通孔組成的雙重鑲嵌結(jié)構(gòu)。在溝道和通孔中間隙填充(填 縫，gap-fill)銅膜，從而形成拋光的表面。因此，該銅膜通過通孔 連接上層/下層布線并在溝道中形成上層金屬布線。
圖la到圖li是順序示出形成半導(dǎo)體器件的銅金屬布線的傳統(tǒng) 方法的過禾呈截面圖。
首先參照圖la,在其中形成有下層布線112的4十底110的整個 上表面上薄薄地沉積并形成覆蓋層(capping layer ) 120。覆蓋層120 防止下層布線112的金屬原子向外擴散(out-diffusion )進隨后在上 側(cè)形成于覆蓋層120上方的金屬間介電層130中。
可以通過形成溝道、用銅薄膜間隙填充該溝道以及拋光所形成 的表面在襯底110中形成限定下層布線區(qū)域的下層布線112。
覆蓋層120可以由氮化珪(SiN, Si3N4)或其他具有硬質(zhì)薄膜 (hard film)質(zhì)量特性的材料形成。
才妻下來參照圖lb,在覆蓋層120的整個表面上沉積并形成金屬 間介電層130。相應(yīng)的金屬介電層130在上層布線和下層布線之間 起到了絕緣的作用，且可以由具有低介電常數(shù)(低K)的材料諸如 氧化石圭(Si02 )月莫，摻雜的氧化石圭月莫或氟化石圭^皮璃(fluorinated silica glass (FSG))膜形成。
才秦下來參照圖lc,通過例如典型的光刻工藝，在金屬間介電層 130上形成具有位于對應(yīng)特定下層布線112位置處的第一透孔 (through-hole ) 140a的第一光刻月交圖案140。光刻工藝可以包括一系列的過程，諸如光刻月交涂覆、曝光和顯影。
接下來參照圖ld，通過使用第一光刻膠圖案140作為掩膜進行 蝕刻，除去由第一光刻膠圖案140的第一透孔140a暴露的金屬間 介電層130和覆蓋層120的多個部分。結(jié)果，可以垂直形成通孔132 以暴露下層布線112的表面。
然后通過例如灰化過程等去除第一光刻力交圖案140。
參照圖le，通過例如光刻工藝在金屬間介電層130上形成第二 光刻膠圖案150，該光刻膠圖案150具有限定上層布線區(qū)域的第二 組透孔150a。每一個透孔150a可以具有大于通孔132的寬度。
參照圖lf,除去暴露對應(yīng)于第二光刻月交圖案150的第二組透孔 150a的金屬間介電層130的上部達到特定的預(yù)定深度。通過利用第 二光刻力交圖案150作為掩膜進行蝕刻除去暴露的部分，從而形成溝 道134。
當形成通孔132和溝道134時，可以z使用諸如具有各向異性特 性的反應(yīng)性離子蝕刻(RIE)的干蝕刻工藝。
在一定的條件下，可以用第二光刻膠膜間隙填充通孔132的內(nèi) 部。然而，在這樣的條件下，仍然可以在通孑L 132上方形成溝道134。 如圖中所示，不4叉可在通孔132上形成溝道134，而且也可在其中 沒有形成通孔132的部分形成溝道134。
在形成溝道134后，通過例如灰化過程等除去第二光刻力交圖案
150。
從而，形成在上側(cè)上具有溝道134并在下側(cè)上具有通孔132的 雙重鑲嵌結(jié)構(gòu)。
盡管如上所述的通孔蝕刻工藝同時除去了金屬間介電層130和 部分覆蓋層120 二者暴露的部分(參見圖ld)， ^旦也可以由^又在金 屬間介電層130中形成通孔132所替代，^f吏覆蓋層120暫時是完整 的。然后，在形成溝道134后(參見圖lf)，可以通過間隔蝕刻 (separate etching )工藝除去對應(yīng)于通孑L 132的覆蓋層120的部分。
參照圖lg,在包括通孑L 132和溝道134內(nèi)壁的整個表面上薄薄 地沉積并形成阻擋金屬月莫160。當隨后形成銅金屬布線月莫170時， 阻擋金屬膜160起到了防止銅原子擴散的作用，且該阻擋金屬膜160 可以由諸如鉭(Ta)或氮化鉭(TaN)制成。
參照圖lh，通過例如電化學(xué)鍍(ECP)工藝在涂覆了阻擋金屬 膜的通孔132和溝道134中充分地間隙填充銅金屬布線膜170,以 使銅金屬布線膜170連接至下層布線112。在其他期望的物理特性 中，ECP法具有優(yōu)異的間隙填充特性。
參照圖li，通過化學(xué)機械拋光(CMP)工藝除去在金屬間介電 層130上過度》真充的銅金屬布線力莫170和阻擋金屬力莫160, 乂人而完 成銅金屬布線。
然后可以爿夸銅金屬布線"莫170的表面4勉光，并可以在銅金屬布 線膜170的整個表面上沉積并形成覆蓋層(未示出)。
乂人而，在通孔132中通過銅金屬布線膜170連4妄上層布線和下 層布線，且在溝道134中由銅金屬布線膜170形成上層布線。
然而，傳統(tǒng)的銅金屬布線的形成方法存在很多問題。
例如，如圖2中掃描電子顯孩"竟(SEM)照片中所示，與下層 布線112接觸的通孔132可以相對于下層布線112產(chǎn)生位移(例如， 移動到一側(cè))。例如，在光刻過程中，這樣的位移可能是由于掩膜 才交準(alignment)失敗。溝道134也可以相對于通孔132和/或下層 布線112發(fā)生位移。因此，會導(dǎo)致其中4吏相鄰的上層布線互相連4妄 的架橋現(xiàn)象(bridge phenomenon ) 'B'。
在其他不期望的結(jié)果中，如果發(fā)生這種架橋現(xiàn)象'B，，在隨后 的使用中就會產(chǎn)生導(dǎo)致突然功率損耗的電源短路(power short )。從 而，具有傳統(tǒng)形成的金屬布線的半導(dǎo)體器件的可靠性會顯著下降。

發(fā)明內(nèi)容
通常，本發(fā)明的示例性實施方式涉及一種形成半導(dǎo)體器件的銅 金屬布線的方法，該方法是首先形成上層布線溝道，然后形成至下 層布線的通孔(與首先形成通孔的傳統(tǒng)方法相反)，以及在溝道內(nèi) 部側(cè)壁上形成隔離層(spacer )。結(jié)果，在其^也的情況下，可以防止 上層布線中的架橋現(xiàn)象。
一種根據(jù)實施方式形成半導(dǎo)體器件的銅金屬布線的方法可以 包括下列步驟在其中形成有下層布線的襯底上方的堆疊結(jié)構(gòu)中形 成覆蓋層和金屬間介電層；通過采用第 一光刻膠圖案的蝕刻在金屬 間介電層上形成限定上層金屬布線區(qū)域的溝道；在這些溝道的內(nèi)部 側(cè)壁上形成隔離層；形成第二光刻月交圖案，其用于覆蓋第二溝道而 暴露第一溝道，并實施蝕刻以除去由隔離層暴露的金屬間介電層， /人而在暴露的第一溝道下方形成通孔；除去隔離層；在溝道和通孔 的內(nèi)壁上形成阻擋金屬月莫；以及在溝道和通3L中間隙i真充銅金屬布 線膜并拋光該半導(dǎo)體器件的表面。
提供總述以引入進一步在下文的詳細描述中進一步描述的簡 化形式中的概念選才奪。該總述不是為了確定所述主題的關(guān)4建特征或 本質(zhì)特性，也不是為了輔助確定所述主題的范圍。
本發(fā)明的其他特征將在以下描述中被闡述，而 一部分將從該描 述中是顯而易見的，或者可以乂人本文所教導(dǎo)的實踐中獲知。通過所 附權(quán)利要求中特別指出的設(shè)備及其組合，可以了解和獲知本發(fā)明的 優(yōu)點。本發(fā)明的特征將乂人下述i兌明書和所附4又利要求中變得更顯而 易見，或可以乂人下文中闡述的本發(fā)明的實踐中獲知。


本發(fā)明示例性實施方式的各個方面乂人結(jié)合附圖全合出的下述示
例性實施例的說明中將變得顯而易見，其中
圖la到圖li是順序地示出才艮據(jù)傳統(tǒng)技術(shù)形成半導(dǎo)體器件的銅 金屬布線的方法的過^t的截面圖2是示出當根據(jù)傳統(tǒng)技術(shù)形成半導(dǎo)體器件的銅金屬布線時相 鄰的上層布線互相連接的架橋現(xiàn)象的掃描SEM照片；以及
圖3a到圖31是順序地示出根據(jù)本發(fā)明實施方式形成半導(dǎo)體器 件的銅金屬布線的方法的過程的截面圖。
具體實施例方式
在實施方式的以下詳細i兌明中，參照了為了以舉例i兌明的方式 示出本發(fā)明特定實施方式的附圖。在全部附圖中相同的標號表示相 同或相似的部件。足夠詳細的描述了這些實施方式以使本領(lǐng)域技術(shù) 人員能夠?qū)嵤┰摪l(fā)明。在不脫離本發(fā)明的范圍的前提下，可以使用 其他的實施方式，且結(jié)構(gòu)、邏輯以及電氣上可以作各種變化。此外，應(yīng)該理解盡管本發(fā)明的各種實施方式彼此不同，但并不相互排斥。 例如，在一種實施方式中特定的特征、結(jié)構(gòu)或特性可以包括在其他 實施方式中。因此，下述詳細描述不應(yīng)^f故限制性的理解，本發(fā)明的
范圍來限定。
使用鑲嵌工藝可以使銅金屬布線圖案化。在多層布線結(jié)構(gòu)中， 可以采用雙重《裏嵌工藝以同時形成連4妄上層布線和下層布線的通 孔以及上層布線。
雙重鑲嵌工藝是指通過實施兩次光刻過程并用銅(Cu)間隙填 充通孔和溝道來在金屬間介電層中形成由通孔和溝道組成的雙重 鑲嵌結(jié)構(gòu)的工藝。乂人而，銅膜通過該通孔連4姿上層布線和下層布線 并在溝道中形成上層布線。
圖3a到圖31是順序地示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施方式形成半 導(dǎo)體器件的銅金屬布線的方法的過程的截面圖。
首先參照圖3a，可以在形成有下層布線212的襯底210的整個 上表面上薄薄地沉積并形成覆蓋層22(K覆蓋層220起到了防止下 層布線212的金屬原子向外擴散至隨后在上側(cè)形成的金屬間介電層 230中的4乍用。
通過形成溝道，用銅膜間隙填充溝道并拋光所得到的表面，可 以在襯底210中形成限定下層布線區(qū)域的下層布線212。
覆蓋層220可以由氮化珪(SiN， Si3N4 )或其他具有硬質(zhì)薄膜 質(zhì)量特性的材料形成。
如圖3b中所示，可以在覆蓋層220整個表面上沉積并形成金 屬間介電層230。相應(yīng)的金屬間介電層230在上層布線和下層布線 之間起到絕緣的作用，且可以由諸如氧化硅(Si02)膜、摻雜的氧 化硅膜或氟化硅玻璃(FSG)膜的具有低介電常數(shù)(低K)的材料 形成。
如圖3c所示，通過光刻過程可以在金屬間介電層230上形成 第一光刻膠圖案240，該光刻膠圖案240具有第一組透孔240a以限 定上層布線區(qū)域。該光刻過程可以包括一系列的過程，諸如涂覆光 刻膠、曝光和顯影。
才妄下來參照圖3d，可以通過除去金屬間介電層230上側(cè)的暴露 部分達到特定的予貞定;罙度以形成溝道232,該暴露的部分只寸應(yīng)于第 一光刻膠圖案240的第一組透孔240a?？梢酝ㄟ^使用第一光刻膠圖 案240作為掩膜進4于蝕刻來除去該暴露部分。
可以4吏用諸如具有各向異性特性的RIE的干蝕刻工藝來進4亍 蝕刻。如圖中所示，溝道232不^f又可在與隨后形成的上層布線到下 層布線的通孔234的^f立置一致的^立置處形成，而且也可在上層布線 和下層布線之間不需要連接的一個或多個其他的無通孔(non-via) 位置處形成。
然后可以通過例如灰化工藝等來除去第一光刻月交圖案240。
如圖3e所示，然后可在包纟舌形成的溝道232的整個所得表面 上形成達到一特定厚度的用于形成隔離層的隔離膜250。隔離膜250 可以與覆蓋層220相同或相似的方式由氮化物膜形成。
如圖3f所示，可以在隔離膜250上實施毯式蝕刻(全面蝕刻， blanket etch)工藝，以<更均勻地完全除去隔離膜250。結(jié)果，僅在
溝道232的內(nèi)部側(cè)壁上形成保留特定厚度的隔離層250，?？梢詫嵤?趁式蝕刻過禾呈以1更完全除去堆積在溝道232的底部表面上的隔離月莫 250, 乂人而形成隔離層250，。
如圖3g所示，可以通過光刻過禾呈形成第二光刻月交圖案260。第 二光刻月交圖案260具有第二透孔260a，其用于暴露對應(yīng)于將形成于 溝道232的底部表面上的通孔234的溝道232而覆蓋與通孑L 234不 ，寸應(yīng)的溝道232。
第二光刻月交圖案260的第二透孔260a可以形成以i"更其邊桑彖位 于溝道232中隔離層250，上方。優(yōu)選地，考慮到盡可能多地處理邊 界(margin )，可4吏第二透孑L 260a的邊纟彖(edge )位于隔離層250， 的寬度的基本上中間的位置。
接下來參照圖3h,可以通過4吏用溝道232中的隔離層250，蝕刻 除去暴露的金屬間介電層230來垂直地形成通孔234,該隔離層250， 通過作為掩膜的第二光刻膠圖案260的第二透孔260a暴露。實施 蝕刻直到覆蓋層220的表面暴露。
可以4吏用諸如具有各向異性特性的反應(yīng)性離子蝕刻(RIE)的 干蝕刻工藝進一于蝕刻。
可以通過例如灰^i工藝或等來除去第二光刻力交圖案260。
如圖3i所示，可以同時完全地去除隔離層250，和對應(yīng)于通孔 234的覆蓋層220的區(qū)域。因為隔離層250，和覆蓋層220可以由相
同的氮化物膜形成，所以通過使用磷酸(H3P04)溶液作為蝕刻劑的濕
蝕刻可以同時的除去隔離層250，和覆蓋層220的區(qū)域，其中作為蝕 刻劑的磷酸溶液可以很容易選擇性地除去氮化物膜。
從而，可以完全去除覆蓋層220的通孔(234)區(qū)域，以便通 過完全地穿過通孔234暴露下層布線212的表面。
乂人而可以形成一種包4舌在上側(cè)上的溝道232和下側(cè)上的通孔 234的雙重4裏嵌結(jié)構(gòu)。
參照圖3j ，可以在包括通孔234和溝道232的內(nèi)壁的整個表面 上薄薄地沉積并形成阻擋金屬膜270。在隨后形成銅金屬布線膜280 時，阻擋金屬膜270起到了防止銅原子擴散的作用，且該阻擋金屬 膜270可以由，例如，鉭(Ta)或氮化鉭(TaN)制成。
參照圖3k，可通過例如電化學(xué)鍍(ECP)工藝在涂覆阻擋金屬 膜的通孔234和溝道232的過程中充分地間隙填充該銅金屬布線膜 280,以使銅金屬布線膜280連接至下層布線212。
在其他期望的物理性質(zhì)中，電化學(xué)鍍(ECP)法具有優(yōu)異的間 隙填充特性。然而，使用除ECP法以外的方法也可以形成銅金屬布 線膜280。
此外，在間隙填充銅金屬布線膜280之前，可以首先在阻擋金 屬膜270上(通過使用例如沉積或ECP法)形成薄銅種晶層(thin copper seed layer )(未示出)以更平滑地形成銅金屬布線膜280。
此夕卜，在形成銅金屬布線膜280后，可以實施退火熱處理以減 小銅金屬布線膜280中的應(yīng)力，同時提高銅金屬布線膜280的密度。
參照圖31，可以通過化學(xué)機械拋光(CMP)工藝除去過度填充 在金屬間介電層230上的銅金屬布線膜280和阻擋金屬膜270,從 而完成銅金屬布線。
然后可以爿奪銅金屬布線膜280的表面拋光，并可在銅金屬布線 膜280的整個表面上沉積并形成覆蓋層(未示出)。
/人而，上層布線和下層布線通過通孔234中的銅金屬布線月莫 280連接，并且在溝道232中由銅金屬布線膜280形成上層布線。
總之，在現(xiàn)有技術(shù)中，形成銅金屬布線的過程是通過首先形成 通孔，然后形成相應(yīng)的溝道來實施的。然而，在本發(fā)明的實施方式 中，以相反的順序?qū)嵤┰撨^程，即，在形成通孔之前形成溝道。此 外，在溝道232的內(nèi)部側(cè)壁上形成隔離層250，，利用相應(yīng)的隔離層 250，來形成通孑L 234以實3見與才目應(yīng)的溝道232基本只于〉焦。
如上所述，首先形成溝道232并利用了隔離層250，。從而，在 其他情況下，可以防止發(fā)生由于位移使在溝道232中形成的相鄰的 上層布線互相連4妄的架橋現(xiàn)象。因此，通過應(yīng)用上述的方法和才支術(shù)， 可以沖是高半導(dǎo)體器件的產(chǎn)量，可以實施穩(wěn)定的工藝，并可以改善半 導(dǎo)體器件的可靠性。
盡管本文中描述了多種優(yōu)選的實施方式，但是應(yīng)該理解，在不 脫離本發(fā)明所附權(quán)利要求所限定的精神和范圍的前提下，本領(lǐng)域技 術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種其他變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種形成半導(dǎo)體器件的銅金屬布線的方法，所述方法包括下以步驟在其中形成有下層布線的襯底上方的堆疊結(jié)構(gòu)中形成覆蓋層和金屬間介電層；通過使用第一光刻膠圖案的蝕刻在所述金屬間介電層上形成限定上層金屬布線區(qū)域的溝道；在所述溝道的內(nèi)部側(cè)壁上形成隔離層；形成用于暴露所述溝道的第一溝道而覆蓋所述溝道的第二溝道的第二光刻膠圖案，并實施蝕刻以除去由所述隔離層暴露的所述金屬間介電層，從而在所暴露的第一溝道下方形成通孔；除去所述隔離層；在所述溝道和所述通孔的內(nèi)壁上形成阻擋金屬膜；以及在所述溝道和所述通孔內(nèi)間隙填充銅金屬布線膜并將所述半導(dǎo)體器件的表面拋光。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述第二光刻膠圖案 中形成透孔以暴露所述溝道的所述第 一 溝道，所述第 一 溝道 的邊緣位于形成于所述溝道的所述第 一 溝道的內(nèi)部側(cè)壁上的 隔離層寬度的基本上中間位置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述隔離層和所述覆蓋層 由相同或相似的材料形成，以便可以使用相同的蝕刻劑除去所 述隔離層和所述覆蓋層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述隔離層和所述覆蓋層 由氮化物膜形成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述隔離層和所述覆蓋層 是通過采用-粦酸溶液的濕蝕刻法同時除去的。
6. —種半導(dǎo)體器件，包括形成于襯底上的下層布線；形成于所述4于底和所述下層布線上的覆蓋層；形成于所述覆蓋層上的金屬間介電層，所述金屬間介電 層具有多個溝道和在所述溝道中的一個下方形成的通孔；至少形成于所述溝道和所述通孔內(nèi)壁上的阻擋金屬月莫；以及充分地間隙填充進所述覆蓋了阻擋金屬膜的溝道和通孔 中的銅金屬布線膜，其中，所述通孔與所述溝道基本上對準，所述通孔是通 過在所述通孔形成過程中，在所述溝道的內(nèi)壁上形成的臨時隔 離膜在所述溝道下方形成的。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的器件，其中，所述阻擋金屬膜由鉭Ta 或氮^b4STaN形成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的器件，其中所述銅布線膜是使用ECP 法形成的。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的器件，其中，在所述銅布線膜被間隙填 充到所述覆蓋了阻擋金屬D莫的溝道中之前，通過〗吏用沉積法或 ECP法在所述阻擋金屬膜上形成銅種晶層。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的器件，其中，在形成所述銅布線膜后， 實施退火熱處理以減小所述銅金屬布線膜中的應(yīng)力，并增加所 述銅金屬布線膜的密度。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有銅金屬布線的半導(dǎo)體器件及其形成方法。本發(fā)明描述了一種具有銅布線的半導(dǎo)體器件以及形成所述器件以防止相鄰上層布線之間的發(fā)生架橋現(xiàn)象方法。該方法可以包括以下步驟在形成其中形成有下層布線的襯底上方的堆疊結(jié)構(gòu)中形成覆蓋層和金屬間介電層，在金屬間介電層上形成限定上層金屬布線區(qū)域的溝道，在溝道內(nèi)壁上形成隔離層。然后在使用光刻工藝暴露的第一溝道和用于校準的隔離層下方可以形成通孔。在除去隔離層后，在溝道和通孔內(nèi)壁上可以形成阻擋金屬膜，在溝道和通孔中間隙填充銅金屬布線膜，并將半導(dǎo)體器件的表面拋光。通過本發(fā)明的方法可以提高半導(dǎo)體器件的產(chǎn)量，可以實施穩(wěn)定的工藝，并可以改善半導(dǎo)體器件的可靠性。
文檔編號H01L21/768GK101355051SQ20081013502
公開日2009年1月28日 申請日期2008年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月25日
發(fā)明者樸正浩 申請人:東部高科股份有限公司