具有改良金屬布線的半導體器件的製作方法
2023-04-26 19:23:51
專利名稱：具有改良金屬布線的半導體器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有金屬布線的半導體器件。
背景技術：
作為製造半導體器件的常規方法，存在圖1和2所示的方法。
在該製造方法中，首先如圖1所示，在半導體襯底201上的層間介質膜(層間絕緣膜)202中形成開口202a。Ti(鈦)膜204、TiN(氮化鈦)膜206和W(鎢)膜被嵌入在開口202a中。然後，進行回蝕(etch-back)工藝或CMP(化學機械拋光)工藝，從而在開口202a中保留這些膜並形成W(鎢)栓塞208。
接著，形成Ti膜210和TiN膜212作為阻擋金屬，以便覆蓋層間介質膜202、Ti膜204、TiN膜206和W栓塞208的全部。然後，依次在TiN膜212上形成Al(鋁)布線214、Ti膜216和TiN膜218。接著，如圖2所示，進行幹法刻蝕工藝，由此部分地去除這些膜並形成Al布線214。這樣，由於阻擋金屬具有Ti膜210和TiN膜212的層疊結構，可以改善在TiN膜212的表面上形成的布線層的遷移電阻特性，還可以改善布線層的粘合性。
可是，在上述工藝中，當形成Al布線時，在與W栓塞208接觸的Ti膜210中可能會引入由側蝕造成的損傷部分222。該損傷部分222導致W栓塞208和Ti膜210之間的接觸電阻增加，從而降低了它們之間的電氣連接性。
日本未決公開專利申請JP-P2004-39879A公開了一種解決該問題的技術。其中，W栓塞被形成在層間介質膜中，使得W栓塞的上表面高於該層間介質膜的表面。然後，依次形成作為阻擋金屬的Ti膜和TiN膜，使其覆蓋層間介質膜和W栓塞。然後，通過CMP工藝只去除W栓塞上的阻擋金屬(TiN膜/Ti膜)。
日本未決公開專利申請JP-P2004-14763A公開了一種半導體器件，其中在W栓塞的表面和層間介質膜的表面上形成單層TiN膜。
可是，我們現在已經發現上述申請中公開的常規技術在以下幾點還有改善的空間。
首先，JP-P2004-39879A中的方法需要以極好的控制性來形成優質的W栓塞，還需要只去除W栓塞上的阻擋金屬。為此，很難得到高的重複性和極好的控制性。另外，仍然存在當形成Al布線時與W栓塞接觸的Ti膜的側面在刻蝕工藝中被刻蝕的情況。因而，W栓塞和Ti膜之間的接觸電阻增加，這降低了電氣連接性。而且，需要用於去除W栓塞上形成的阻擋金屬等的工藝，這增加了製造工藝的數量和製造成本。
其次，JP-P2004-14763A中公開的半導體器件中，在TiN膜的表面上形成的布線層的膜形成特性被降低，這會降低產量。特別是在布線層為Al布線層的情況下，膜形成特性的降低是很嚴重的。
這樣，在具有W膜的半導體器件中，希望半導體器件可以使用簡單的方法來防止阻擋金屬膜的側蝕，並改善W膜和阻擋金屬膜間的電氣連接性。此外，還希望半導體器件能改善布線層的膜形成特性。
發明內容
為了實現本發明的一個方面，提供一種半導體器件，包括半導體襯底；形成在半導體襯底上的並且具有開口的層間絕緣膜；嵌入在開口中的鎢膜；形成在鎢膜上的並且不包括Ti膜的第一阻擋金屬膜；形成在第一阻擋金屬膜上的並且是含Ti的膜的第二阻擋金屬膜；以及形成在第二阻擋金屬膜上的金屬布線膜。
根據本發明，W膜(W栓塞)與由不包括Ti膜的膜構成的第一阻擋金屬膜接觸。因而，在形成金屬布線膜的刻蝕工藝中，在第一阻擋金屬膜110中決不會產生由側蝕造成的損傷部分。從而，穩定了W膜(W栓塞)和第一阻擋金屬膜之間的電氣連接性，這改善了產品的產量。
結合附圖，本發明的上述和其它目的、優點和特點從以下描述更加明顯，其中圖1和2是用圖解方法示出了製造半導體器件的常規方法的剖面圖；圖3和4是用圖解方法示出了製造根據本發明的半導體器件的方法的剖面圖；以及圖5是用圖解方法示出了根據本發明的另一半導體器件的剖面圖。
具體實施例方式
現在參考說明性的實施例在此描述本發明。本領域技術人員將認識到通過本發明的講解能實現多種可選實施例，並且本發明不局限於為了說明的目的而示出的實施例。
將在下面參考附圖描述根據本發明的半導體器件的實施例。這裡，在所有附圖中，相似的組件採用相似的標號，並且適當地省略它們描述。
如圖4所示，本實施例中的半導體器件包括半導體襯底101、層間介質膜(層間絕緣膜)102、W膜(W栓塞108)、第一阻擋金屬膜110、第二阻擋金屬膜111、和金屬布線膜116。層間介質膜102形成於半導體襯底101上，並且具有開口102a。W膜(W栓塞108)被嵌入在開口102a中。第一阻擋金屬膜110形成在W栓塞108的表面上。第二阻擋金屬膜111形成在第一阻擋金屬膜膜110的表面上。金屬布線膜116形成在第二阻擋金屬膜111的表面上。Ti膜104和TiN膜106層疊在開口102a的內壁和W栓塞108的外表面之間。順便提及，在半導體襯底101的表面上可以形成下層布線(未示出)和/或電氣元件(未示出)。
第一阻擋金屬膜110形成在與W栓塞108接觸的一側。第一阻擋金屬膜110是不包括Ti膜的膜。優選地，第一阻擋金屬膜是含金屬的膜，其不包括Ti膜。過渡金屬更優選地作為含金屬的膜中的金屬。金屬氮化物膜可以用作第一阻擋金屬膜。例如，可列舉TiN膜、WN膜、TaN膜等。第一阻擋金屬膜110的膜厚度在大約100nm和10nm之間的範圍內。通過使用其中第一阻擋金屬膜110由TiN膜製成的例子來說明本實施例。
第二阻擋金屬膜111由含Ti的材料構成，例如可以是從諸如Ti膜、TiN膜、TiW膜等中選擇的單層或多層。第二阻擋金屬膜111的厚度在大約150nm和10nm之間。通過使用Ti膜112和TiN膜114依次層疊而成的第二阻擋金屬膜111的層疊膜來解釋該實施例。
而且，金屬布線膜116由Al膜或W膜組成。在該實施例中，其形成在TiN膜114的表面上。
接著，下面參考圖3和4，對該實施例中的半導體器件的製造方法進行描述。
首先，在半導體襯底101上形成層間介質膜102。接著，通過使用普通光刻技術，在層間介質膜102的預定位置上形成開口102a。然後，依次層疊Ti膜104和TiN膜106，以便覆蓋該開口102a的內壁和層間介質膜102的上表面。此外，形成W膜，使其嵌入到TiN膜106的內壁中。這些膜通過使用普通濺射方法或CVD方法來形成。
接著，通過使用諸如回蝕方法或CMP方法等，去除開口102a外面的Ti膜104、TiN膜106和W膜。那麼，這些膜只保留在開口102a內部，並且形成了W栓塞108。
然後，使用普通濺射方法或CVD方法來依次層疊第一阻擋金屬膜110，以及作為第二阻擋金屬膜111的Ti膜112和TiN膜114，使其覆蓋層間介質膜102、Ti膜104、TiN膜106和W栓塞108的全部。
然後，如圖3所示，在TiN膜114的表面上依次形成金屬布線膜116、Ti膜118和TiN膜120。
接著，使用普通幹法刻蝕方法來選擇性地去除TiN膜120、Ti膜118、金屬布線膜116、第二阻擋金屬膜111(TiN膜114和Ti膜112)和第一阻擋金屬膜110，從而形成金屬布線(金屬布線層)121。這樣，形成圖4所示的半導體器件。
該實施例的效果將在下面進行描述。
該實施例中的半導體器件具有阻擋金屬膜，該阻擋金屬膜由以下構成不包括Ti膜的第一阻擋金屬膜110；和第二阻擋金屬膜111，其是在第一阻擋金屬膜110上形成的含Ti的膜。因而，可以穩定W膜(W栓塞108)和阻擋金屬膜之間電氣連接性，並且可以進一步改善布線層的膜形成特性。
在JP-P2004-39879A的半導體器件中，在層間介質膜的表面上形成的阻擋金屬層通常形成為TiN膜/Ti膜的雙層結構。在該常規半導體器件中，在用於形成布線的幹法刻蝕工藝中，存在與W膜接觸的Ti膜的側面被刻蝕的情況。在該情況中，W栓塞和Ti膜之間的接觸電阻增大，這降低了電氣連接性。
此外，在JP-P2004-14763A的半導體器件中，在W栓塞表面上形成的單層TiN膜的表面上形成布線層。在該常規半導體器件中，布線層的膜形成特性降低，這減小了產量。
相反，在本實施例中，W膜(W栓塞108)與由不包括Ti膜的膜構成的第一阻擋金屬膜110接觸。因此，在形成金屬布線膜116時的刻蝕工藝中，在第一阻擋金屬膜110中決不會形成由側蝕導致的損傷部分。從而，穩定了W膜(W栓塞108)和第一阻擋金屬膜110之間的電氣連接性，這改善了產品的產量。
此外，該實施例中的阻擋金屬膜具有層疊結構不包括Ti膜的第一阻擋金屬膜110；和第二阻擋金屬膜111，其是含Ti的膜。因此，消除W膜(W栓塞108)和層間介質膜102的影響是可能的。此外，使用作為含Ti的膜的第二阻擋金屬膜111可以改善布線層的膜形成特性。因而，半導體器件產品的產量得到改善。
而且，該實施例中的第一阻擋金屬膜110可以由金屬氮化物膜構成，並且可以進一步由TiN膜構成。
因此，在用於形成布線的幹法刻蝕工藝時，抑制了第一阻擋金屬膜110被側蝕。因而，尤其抑制了W栓塞108和第一阻擋金屬膜110之間的電氣連接性的降低。
該實施例中的第二阻擋金屬膜111可以具有Ti膜112和TiN膜114依次層疊的層疊膜。
因此，布線層的膜形成特性能夠被進一步改善，這進一步提高了產品的產量。當金屬布線膜116使用Al布線或W布線時，能夠更優選地得到這種效果。
此外，在該實施例中，金屬布線膜116可以使用Al布線。該情況尤其改善了Al布線的膜形成特性。
常規半導體器件的阻擋金屬層具有雙層結構，其中Ti膜210和TiN膜212通常依次層疊。在Al布線214形成在該阻擋金屬層上的情況中，存在Al布線214的膜形成特性降低的情況。在JP-P2004-14763A的半導體器件中這種趨勢尤其嚴重。
可以列舉Al布線214的膜形成特性的降低，具體地是由Al取向(orientation)性的下降造成的遷移電阻特性的降低。影響該遷移電阻特性的Al取向性受作為基底的TiN膜212的表面狀態(surfacesituation)的影響。此外，該TiN膜212的表面狀態進一步受作為其基底的Ti膜210、層間介質膜202和W栓塞208的影響。因而，在阻擋金屬層由單層TiN膜構成的JP-P2004-14763A的半導體器件中，遷移電阻特性尤其降低。
相反地，根據該實施例，W栓塞108和第二阻擋金屬膜111之間存在第一阻擋金屬膜110。因而，能夠消除W膜(W栓塞108)和層間介質膜102對Al布線的影響，從而使得Al取向性出色，這因此改善了金屬布線膜116的膜形成特性。因此，改善了金屬布線膜116的遷移電阻特性，並且得到了穩定的電氣特性，從而提高了產品的產量。
此外，在該實施例中，金屬布線膜116可以被用作W布線。在這種情況下，尤其改善了W布線的膜形成特性，諸如W布線和第二阻擋金屬膜111之間的粘合性的改善。
如上所述，參考附圖描述了本發明的實施例。可是，這只是本發明的示範，還可以採用除了上述的構造之外的各種構造。
例如，在第一阻擋金屬膜110和第二阻擋金屬膜111之間可以有如圖5所示的多個不同的阻擋金屬膜122。
根據本發明，提供一種半導體器件，其中可以使用簡單的方法來穩定W膜和阻擋金屬膜之間的電氣連接性，並進一步改善布線層的膜形成特性。
顯然，本發明不局限於上述實施例，只要不背離本發明的範圍和精神，可以對其修改和變化。
權利要求
1.一種半導體器件，包括半導體襯底；層間絕緣膜，其形成在所述半導體襯底上，並且具有開口；鎢膜，其嵌入在所述開口中；第一阻擋金屬膜，其形成在所述鎢膜上，並且不包括Ti膜；第二阻擋金屬膜，其形成在所述第一阻擋金屬膜上，並且是含Ti的膜；以及金屬布線膜，其形成在所述第二阻擋金屬膜上。
2.根據權利要求1的半導體器件，其中所述第一阻擋金屬膜包括金屬氮化物膜。
3.根據權利要求2的半導體器件，其中所述第一阻擋金屬膜包括氮化鈦膜。
4.根據權利要求1至3中的任何一個的半導體器件，其中所述第二阻擋金屬膜包括下述層疊膜，在該層疊膜中依次形成有鈦膜和氮化鈦膜。
5.根據權利要求1的半導體器件，其中所述金屬布線包括鋁布線。
6.根據權利要求1的半導體器件，其中所述金屬布線包括鎢布線。
7.根據權利要求1的半導體器件，還包括第三層阻擋金屬膜，其形成在所述第一阻擋金屬膜和所述第二阻擋金屬膜之間。
8.一種製造半導體器件的方法，包括(a)在半導體襯底上形成具有開口的層間絕緣膜；(b)在所述開口中嵌入鎢膜；(c)在所述鎢膜和所述層間絕緣膜上形成不包括Ti膜的第一阻擋金屬膜；(d)在所述第一阻擋金屬膜上形成第二阻擋金屬膜，該第二阻擋金屬膜是含鈦的膜；以及(e)在所述第二阻擋金屬膜上形成金屬布線膜；以及(f)對所述金屬布線膜、所述第二阻擋金屬膜以及所述第一阻擋金屬膜進行刻蝕，以形成金屬布線。
9.根據權利要求8的製造半導體器件的方法，其中所述第一阻擋金屬膜包括氮化鈦膜。
10.根據權利要求8到9的製造半導體器件的方法，其中所述第二阻擋金屬膜是下述層疊膜，在該層疊膜中依次形成有鈦膜和氮化鈦膜。
全文摘要
一種半導體器件，包括半導體襯底、層間絕緣膜、鎢膜、第一阻擋金屬膜、第二阻擋金屬膜以及金屬布線膜。層間絕緣膜形成在半導體襯底上，並且具有開口。鎢膜被嵌入在開口中。第一阻擋金屬膜形成在鎢膜上，並且不包括Ti膜。第二阻擋金屬膜形成在第一阻擋金屬膜上，並且是含Ti的膜。金屬布線膜形成在第二阻擋金屬膜上。
文檔編號H01L21/768GK1945824SQ20061014211
公開日2007年4月11日 申請日期2006年10月8日 優先權日2005年10月7日
發明者齊藤和美 申請人:恩益禧電子股份有限公司