半導體器件及形成其阻擋金屬層的方法
2023-04-28 12:26:11 2
專利名稱：半導體器件及形成其阻擋金屬層的方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體器件以及用於形成該半導體器件的阻擋金屬層 的方法。
背景技術：
在半導體器件的製造過程中，器件之間或互連件之間可以採用金屬線進 行電連接。金屬線可以由例如鋁(Al)或鎢(W)材料構成，但是由於這些 材料具有低熔點和高電阻率，因此在超高集成半導體器件中很難持續使用這 些材料。由於需要獲得超高集成的半導體器件，對於具有低電阻率且具有較 高可靠度的電遷移特性和應力遷移特性的金屬的需求不斷增加。由於銅可以 滿足上述條件，因此銅被視為最合適的材料。然而，銅線存在的問題是很難 被蝕刻且對銅線的腐蝕會擴散，因此實現銅線的適配性難度相當大。
為了解決上述問題且實現適配性，可以採用單鑲嵌工藝或尤其採用雙鑲 嵌工藝。根據鑲嵌工藝，在絕緣層中通過光照和蝕刻工藝可以形成溝槽。然 後可以採用例如鎢(W)、鋁(Al)或銅(Cu)的導電材料填充該溝槽。然 後通過回蝕刻或CMP (化學機械拋光)，移除導電材料中除了互連件所必需 的部分之外的部分，從而形成具有溝槽形狀的互連件。在雙鑲嵌工藝中，可 以在多層金屬線中形成通孔，該通孔用於連接上層金屬線和下層金屬線，並 且可以移除由金屬線產生的臺階部分，從而使得後續工藝更加容易。
近來，採用電鍍(EP)的銅互連工藝已經達到可以商業化的階段。與通 過反應離子蝕刻法形成互連的鋁互連工藝不同，在銅互連工藝中，通過雙鑲 嵌工藝形成圖案，隨後沉積阻擋金屬，然後通過電鍍銅形成互連件。然而，不能在阻擋金屬上直接進行銅電鍍。因此，應該在較薄地沉積銅作為籽晶層 後，再實施電鍍。上述電鍍工藝的典型方法是，通過作為物理氣相沉積(PVD)
的濺射工藝順序沉積TaNx和Cu籽晶層，再進行電鍍銅。
下文將參考隨附的示例性附圖描述用於形成半導體器件的銅互連件的 方法。
如示例性圖1A所示，在第一層間絕緣膜100上和/或上方順序地沉積蝕 刻停止層104和第二層間絕緣膜106，而該第一層間絕緣膜100中形成有下 部銅線102。第一層間絕緣膜100和第二層間絕緣膜106可以由具有低介電 常數k的材料形成，典型的這種材料可以是氧化矽膜。典型地，蝕刻停止層 104可以由氮化矽膜(SiN)形成。然後通過預設工藝可以選擇性地移除蝕刻 停止層104和第二層間絕緣膜106以暴露下部銅線102，從而形成具有雙鑲 嵌結構的接觸孔108，且該雙鑲嵌結構包括通孔108a和溝槽108b。
如示例性圖1B所示，然後，通過濺射工藝可以在包括接觸孔108的整 個表面上和/或上方形成具有預定厚度的阻擋金屬層110。該阻擋金屬層110 可以由TiSiN形成。然後可以在該阻擋金屬層IIO上實施蝕刻工藝和清洗工 藝(washingprocess)，直到在通孔108a的側壁上形成阻擋金屬層110為止。
如示例性圖1C所示，通過濺射工藝在接觸孔108中並且在阻擋金屬層 110上和/或上方形成銅籽晶層112。然後，可以通過電鍍銅籽晶層112形成 上部銅線。然而，用於形成銅互連件的上述方法所存在的問題是，由於通過 濺射工藝形成阻擋金屬層和銅層，因此濺射靶的成本高昂且需要較長的工藝 時間。
發明內容
本發明的實施例涉及一種半導體器件以及用於形成該半導體器件的阻 擋金屬層的方法，該實施例可以通過在含有金屬材料的銅混合物上實施熱處 理工藝，從而減少形成阻擋金屬層和銅籽晶層的工藝時間。
本發明的實施例涉及一種形成阻擋金屬層的方法，該方法可以包括以下
步驟中的至少一個步驟在半導體襯底上和/或上方通過選擇性地蝕刻絕緣膜 形成具有鑲嵌結構的接觸孔；然後，在該接觸孔的表面上和/或上方採用含有 金屬材料的銅混合物形成自生膜；然後，在該自生膜上通過熱處理工藝使得該金屬材料和該絕緣膜之間發生反應，以形成金屬膜和銅籽晶層。
本發明的實施例涉及一種形成阻擋金屬層的方法，該方法可以包括以下 步驟中的至少一個步驟提供第一絕緣膜，且在該第一絕緣膜中形成有下部 導電層；然後，在該第一絕緣膜上形成第二絕緣膜；然後，通過選擇性地蝕 刻該第二絕緣膜形成具有鑲嵌結構的接觸孔，以暴露該下部導電層；然後， 在該接觸孔的側壁上形成第一金屬混合物膜，其中該第一金屬混合物膜包括 銅以及第二金屬材料；然後，在該第一金屬混合物膜上通過實施熱處理工藝 導致該第二金屬材料和該第二絕緣膜之間發生反應，以形成阻擋金屬層和銅 籽晶層。
本發明的實施例涉及一種方法，該方法可以包括以下步驟中的至少一個 步驟在半導體襯底上方提供下部導體；然後，在該下部導體上方順序形成 氮化物膜和氧化物膜，將該氮化物膜作為蝕刻停止膜；然後，通過選擇性地 蝕刻該氮化物膜和該氧化物膜形成接觸孔，以暴露該下部導體；然後，在該 接觸孔的側壁上和該下部導體上形成金屬混合物膜，其中該金屬混合物膜包 括第一金屬以及第二金屬；然後，選擇性地蝕刻該金屬混合物膜以暴露該下 部導體；然後，在該金屬混合物膜上實施熱處理工藝以在該接觸孔的側壁上 同時形成阻擋金屬層和第一金屬籽晶層。
根據本發明的實施例，銅混合物包括從由Zr、 Hf、 Mn、 Zn以及Al組 成的金屬組中選擇的任何一種金屬。自生膜的厚度範圍可以介於100 200A 之間。在溫度範圍介於150 30(TC之間的條件下可以進行10 30分鐘的熱 處理工藝。
本發明的實施例涉及一種半導體器件，該半導體器件可以包括以下元件 中的至少一個元件下部銅線；在該下部銅線上形成的絕緣層；在該絕緣層
中形成的具有鑲嵌結構的接觸孔，該接觸孔用以暴露一部分該下部銅線；在 該接觸孔的側壁上形成的阻擋金屬層。根據本發明的實施例，通過熱處理工 藝使得金屬材料和包含在該絕緣膜中的材料之間發生反應，以形成該阻擋金 屬層。
示例性圖1A至圖1C為製造半導體器件的銅互連件的工藝示意圖；示例性圖2A至圖2D為根據本發明實施例的形成半導體器件的阻擋金 屬層的工藝示意圖。
具體實施例方式
在下文中，將參考隨附附圖詳細描述本發明的優選實施例。在接下來的 描述中，如果公知的功能和結構在不必要的細節上使本發明變得模糊，那麼 將不再詳細描述該公知的功能和結構。
根據本發明的實施例，先採用含有金屬材料的銅混合物在具有鑲嵌結構 的接觸孔的表面上和/或上方形成自生膜，之後，再通過熱處理工藝形成銅籽 晶層和阻擋金屬層。
如示例性圖2A所示，在第一層間絕緣膜200上和/或上方順序沉積蝕刻 停止膜204和第二層間絕緣膜206，且在該第一層間絕緣膜200中形成有下 部銅線202。第一層間絕緣膜200和第二層間絕緣膜206由具有低介電常數 k的材料例如氧化矽形成。蝕刻停止膜204由氮化矽SiN形成。通過預設工 藝選擇性地移除蝕刻停止層204和第二層間絕緣膜206以暴露下部銅線202， 從而形成具有雙鑲嵌結構的接觸孔208，且該雙鑲嵌結構具有通孔208a和溝 槽208b。
如示例性圖2B所示，然後可以通過沉積工藝在接觸孔208的表面上和/ 或上方形成自生膜210，且該自生膜210由含有第二金屬材料的第一金屬混 合物(例如銅混合物)形成。包含於自生膜210中的第二金屬材料是容易通 過熱處理工藝與包含於第二層間絕緣膜206中的氧化物進行反應的材料。這 種金屬材料可包括Zr、 Hf、 Mn、 Mg、 An以及Al中的任何一種。沉積工藝 的一個實例可以包括濺射工藝。通過濺射工藝形成的自生膜210的厚度範圍 可介於100 200A之間。然後，可以通過實施蝕刻工藝和清洗工藝移除在接 觸孔208底表面上和/或上方形成的一部分自生膜210，從而暴露下部銅線202 的最上面。
如示例性圖2C所示，然後通過在自生膜210上實施熱處理工藝可以形 成金屬膜212和銅籽晶層214。更具體而言，通過在自生膜210上實施熱處 理工藝，包含於自生膜210中的第二金屬材料與自生膜210相分離或者從自 生膜210擴散，這是由於第二金屬材料與包含於第二層間絕緣膜206中的氧化物之間具有化學親和力，因此導致第二金屬材料與該氧化物反應以形成阻
擋金屬層212。因為包含於自生膜210中的第二金屬材料與自生膜210相分 離，因此僅有銅分量(component)保留在自生膜210中，從而形成銅籽晶層 214。在溫度範圍介於150 30(TC之間的條件下可以進行10 30分鐘的這種 熱處理工藝。
如示例性圖2D所示，然後通過銅籽晶層214可以形成銅層，以便完全 掩埋接觸孔208。然後，使用在第二層間絕緣膜206上和/或上方形成的阻擋 金屬層212作為蝕刻停止層，可以通過化學機械拋光(CMP)移除在第二層 間絕緣膜206上和/或上方形成的阻擋金屬層212和銅層，以形成上部銅線 216。
因此，本發明實施例在不需任何濺射工藝的條件下，通過先形成由包括 第二金屬材料的銅混合物構成的自生膜，然後在該自生膜上實施熱處理工 藝，可以形成阻擋金屬層和銅籽晶層。此外，通過使用包括第二金屬材料的 銅混合物，在具有鑲嵌結構的接觸孔的表面上和/或上方形成自生膜後，再通 過實施熱處理工藝以形成阻擋金屬層和銅籽晶層，可以減少濺射工藝，因此 可以縮短工藝時間。儘管實施例描述的是雙鑲嵌結構，但是可以將本發明實 施例等效應用於任何需要形成阻擋金屬層的鑲嵌結構。
儘管上文中已描述了本發明的實施例，但應該理解的是本領域普通技術 人員可以設計出的許多其它的修改及實施例均落入本發明公開的原理的精 神和範圍內。更具體而言，可對於在公開內容、附圖以及隨附的權利要求的 範圍內的組成部分和/或主要組合排列做出變換和改變。除可以採用這些組成 部分和/或組合排列的變換和改變之外，其替代應用對於本領域普通技術人員 而言也是顯而易見的。
權利要求
1. 一種用於形成阻擋金屬層的方法，包括以下步驟提供第一絕緣膜，且在該第一絕緣膜中形成有下部導電層；然後，在該第一絕緣膜上形成第二絕緣膜；然後，通過選擇性地蝕刻該第二絕緣膜形成具有鑲嵌結構的接觸孔，以暴露該下部導電層；然後，在該接觸孔的側壁上形成第一金屬混合物膜，其中該第一金屬混合物膜包括銅以及第二金屬材料；以及然後，通過在該第一金屬混合物膜上實施熱處理工藝而導致該第二金屬材料與該第二絕緣膜之間發生反應，以形成阻擋金屬層和銅籽晶層。
2. 如權利要求1所述的方法，其中通過濺射方法形成該第一金屬混合物膜。
3. 如權利要求2所述的方法，其中該第二金屬材料包括從由Zr、 Hf、 Mn、 Zn以及Al組成的金屬組中選擇的任何一種。
4. 如權利要求2所述的方法，其中該第一金屬混合物膜的厚度範圍介於100A 200A之間。
5. 如權利要求1所述的方法，其中該第二金屬材料包括從由Zr、 Hf、 Mn、 Zn以及Al組成的金屬組中選擇的任何一種。
6. 如權利要求5所述的方法，其中該第一金屬混合物膜的厚度範圍介於100A 200A之間。
7. 如權利要求1所述的方法，其中所述熱處理工藝是在溫度範圍介於 15(TC 30(TC之間的條件下進行10 30分鐘。
8. —種半導體器件，包括 下部銅線；絕緣層，形成在該下部銅線上；接觸孔，形成在該絕緣層中且具有鑲嵌結構，該接觸孔用以暴露一部分 該下部銅線；阻擋金屬層，形成在該接觸孔的側壁上，其中通過熱處理工藝使得金屬 材料與包含在該絕緣膜中的材料之間發生反應，以形成該阻擋金屬層。
9. 如權利要求8所述的半導體器件，進一步包括上部銅線，形成在該絕緣層中，並且電連接至該下部銅線。
10. 如權利要求8所述的半導體器件，其中該金屬材料是從由Zr、 Hf、 Mn、 Zn以及Al組成的組中選擇的一種。
11. 一種方法，包括以下步驟在半導體襯底的上方提供下部導體；然後，在該下部導體的上方順序形成氮化物膜和氧化物膜，將該氮化膜 作為蝕刻停止膜；然後，通過選擇性地蝕刻該氮化物和該氧化物膜形成接觸孔，以暴露該 下部導體；然後，在該接觸孔的側壁上以及在該下部導體上形成金屬混合物膜，其中該金屬混合物膜包括第一金屬和第二金屬；然後，選擇性地蝕刻該金屬混合物膜以暴露該下部導體；以及然後，通過在該金屬混合物膜上實施熱處理工藝，以在該接觸孔的側壁上同時形成阻擋金屬層和第一金屬籽晶層。
12. 如權利要求ll所述的方法，其中該氧化物膜包括氧化矽，該氮化物 膜包括氮化矽。
13. 如權利要求11所述的方法，其中該接觸孔具有雙鑲嵌結構，且該雙 鑲嵌結構包括通孔和溝槽。
14. 如權利要求ll所述的方法，其中該第一金屬包括銅。
15. 如權利要求14所述的方法，其中該第二金屬是從由Zr、 Hf、 Mn、 Zn以及Al組成的組中選擇的一種。
16. 如權利要求ll所述的方法，其中該第二金屬是從由Zr、 Hf、 Mn、 Zn以及Al組成的組中選擇的一種。
17. 如權利要求11所述的方法，其中該第二金屬包括容易與該氧化物膜 反應的金屬。
18. 如權利要求11所述的方法，其中該熱處理工藝導致該第二金屬從該 金屬混合物膜擴散，以與該氧化物膜反應，從而形成阻擋金屬層，剩下的該 第一金屬的分量形成該第一金屬籽晶層。
19. 如權利要求ll所述的方法，進一步包括在同時形成該阻擋金屬層 和該第一金屬籽晶層後，使用該第一金屬籽晶層在該阻擋金屬層上形成上部導體，其中該上部導體電連接至該下部導體。
20.如權利要求11所述的方法，其中該下部導體、該第一金屬以及該上 部導體均由銅構成。
全文摘要
本發明提供一種用於形成阻擋金屬層的方法及包括該阻擋金屬層的半導體器件，該方法包括在接觸孔的側壁上形成金屬混合物膜，該金屬混合物膜由第一金屬和第二金屬構成；然後，選擇性地蝕刻該金屬混合物膜；然後，通過在該金屬混合物膜上實施熱處理工藝，以在該接觸孔的側壁上同時形成阻擋金屬層和第一金屬籽晶層。因此，通過實施熱處理工藝在該第二金屬材料與下面的絕緣膜之間發生反應，以形成阻擋金屬層和銅籽晶層，從而能夠減少濺射工藝，因此可以縮短工藝時間。
文檔編號H01L21/70GK101414576SQ20081016942
公開日2009年4月22日 申請日期2008年10月16日 優先權日2007年10月16日
發明者樸慶敏 申請人:東部高科股份有限公司