CN100468718C

CN100468718C - 半导体器件及其制造方法

Info

Publication number: CN100468718C
Application number: CNB2006100263267A
Authority: CN
Inventors: 张弓; 陈玉文; 卑多慧; 孙智江
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2006-04-30
Filing date: 2006-04-30
Publication date: 2009-03-11
Anticipated expiration: 2026-04-30
Also published as: CN101064295A

Abstract

本发明提供一种半导体器件及其制造方法。该半导体器件具有一个顶层的金属层以及一个通过中间介质层通孔电连接至顶层金属层的下层金属层。本发明的制造方法为先在具有金属图案的衬底上覆盖刻蚀停止层，其厚度为100～300埃，在刻蚀停止层上覆盖厚度约为刻蚀停止层2倍的阻挡层，在阻挡层上覆盖中间介质层并通过光刻刻蚀出沉积顶层金属所需的沟槽和通孔，其中阻挡层的存在避免了刻蚀停止层与中间介质层剥离现象的发生。

Description

半导体器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种半导体器件及其制造方法。

背景技术

半导体技术发展要求越来越高集成度的同时，对线宽及工艺的要求也越来越苛刻。在向小线宽技术节点迈进的同时，IC业界选用铜和低K材料作为减小0.13um及其以下技术节点的互连电阻电容(RC)延迟的关键解决方法，相对于铝金属工艺中蚀刻去除铝的过程，铜具有易扩散、难刻蚀等特点，业界引入了双镶嵌工艺(Dual Damascene)，其特点就是先在带有器件的衬底上形成中间介质层并刻蚀出沟槽和通孔，然后淀积铜进入刻蚀好的图形中，并应用平坦化方法除去多余的铜。

通常情况下在半导体器件后段顶层金属制作中，其工艺步骤一般为在形成带有金属图形的衬底上，淀积刻蚀停止层，中间介质层，铜扩散阻止层，铜淀积层，然后化学机械研磨。因此，相应的开发与双镶嵌工艺兼容的介质材料如刻蚀停止层，中间介质层材料就成为迫切需要。铜和低K材料的工艺整合是具有挑战性的。

相对于介电常数比较大的SIN(K～7.8)和SION(K～7)，现有技术中一般采用介电常数小的SIC(K～5)作为刻蚀停止层，采用化学气相淀积方法淀积氟硅玻璃(FSG)作为中间介质层并在工艺中用高浓度的氟来减小其介电常数。但是高浓度的氟常常是不稳定的，会向两边的介质层或金属层扩散从而破坏其交界面的粘附性。专利申请号为99110641的中国专利公开了一种通过在FSG上表面形成防止氟物质穿过其中的氧氮化硅的方法来解决FSG扩散至上层金属表面腐蚀金属并破坏FSG与金属的交界面粘附的问题，但是，高浓度氟对下层刻蚀停止层的破坏导致FSG与刻蚀停止层的粘附性变差并在顶层金属沉积后产生剥离的问题成为工艺人员关注的问题。

图1为现有技术中刻蚀停止层上直接覆盖中间介质层的示意图。如图1所示，在有金属图案110的衬底100上覆盖有刻蚀停止层120和中间介质层130，沟槽150和通孔140形成于中间介质层130上并在沟槽150和通孔140中填有金属，例如铜。图2为现有技术中刻蚀停止层和其上层的中间介质层剥离的示意图。如图2所示，在铜制程中，非导电介质材料和其金属层与其它辅助介电层的粘附不免会有问题，由于中间介质层130和刻蚀停止层120粘附性不好产生剥离现象发生，剥离现象可发生在该器件生产过程中或器件生产完成后在对钝化层与外引线(packaging wire bonding)粘附强度可靠性测试的时候。在生产过程中产生剥离，会导致后层金属层翘起，影响其电连接并最终导致器件电性失败；如果在生产过程中没有剥离，也会由于其粘附性能差而导致器件的寿命变短。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种半导体器件及其制造方法，以解决顶层金属中间介质层与其下层刻蚀停止层粘附性差并产生剥离的问题。

为达到上述目的，本发明提供一种半导体器件，包括:

衬底；在衬底上形成的介质层和形成于所述介质层中的金属图案层；

在所述介质层和金属图案层上形成的刻蚀停止层；

在所述刻蚀停止层上形成的阻挡层；

在所述阻挡层上形成的中间介质层；所述中间介质层上具有沟槽和通孔，在所述沟槽和通孔中依次填充有金属阻挡层，金属种子层和互连金属层。

所述的刻蚀停止层的厚度为100埃～300埃。

所述的阻挡层的厚度为200埃～600埃。

所述的刻蚀停止层至少为氧化硅、碳化硅(SiC)、氮化硅(SiN)、碳氮氧化合物(SiOC)、掺氮碳化硅中的一种或其组合。

所述的阻挡层至少为氧化硅、碳化硅(SiC)、氮化硅(SiN)、碳氮氧化合物(SiOC)、掺氮碳化硅中的一种或其组合。

所述的中间介质层至少为氟硅玻璃(FSG)、磷硅玻璃(PSG)、硼硅玻璃(BSG)、硼磷硅玻璃(BPSG)、氧化硅、氮化硅(SiN)、碳化硅(SiC)中的一种或其组合。

所述的中间介质层上的沟槽的深度小于通孔的深度。

所述的金属阻挡层为钛(Ti)、钨(W)、钽(Ta)、钼(Mo)、钴(Co)、铂(Pt)、钛钨(TiW)、氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)中的一种或其组合。

所述的金属种子层为铜、铝、钨、金或银。

所述的互连金属层包括铜或铝。

所述的通孔位于金属图案上方相对应的位置。

所述的通孔中的互连金属层通过所述的金属种子层和金属阻挡层与所述的衬底上的所述的金属图案电连接。

相应地，本发明提供了一种半导体器件的制造方法，包括:

提供一半导体衬底，在衬底上形成介质层和金属图案层；

在所述介质层和金属图案层上形成刻蚀停止层；

在所述刻蚀停止层上形成一个阻挡层；

在所述阻挡层上形成中间介质层；

刻蚀所述中间介质层、阻挡层和刻蚀停止层形成通孔以露出所述金属图案，并在所述中间介质层形成沟槽；

在所述沟槽和通孔中依次填充金属种子层、金属阻挡层和互连金属层。

所述刻蚀停止层和阻挡层的形成方法包括物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)。

所述化学气相沉积包括常压化学气相沉积(APCVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)、离子体增强化学气相沉积(PE CVD)、高密度等离子体化学气相沉积(HDPCVD)。

所述刻蚀停止层的厚度为100埃～300埃。

所述阻挡层的厚度为200埃～600埃。

所述中间介质层的形成方法包括物理气相沉积，化学气相沉积。

所述金属阻挡层利用物理气相沉积或电镀方法形成。

与现有技术相比，本发明具有以下优点:本发明通过在刻蚀停止层和中间介质层之间插入阻挡层，阻止了中间介质层中的氟向刻蚀停止层与中间介质层的扩散，从而减少了由于自由的氟扩散带来了对两层交界面的腐蚀和破坏，有助于增加上下两层在交界面的粘附；

另外，由于沉积过程中离子轰击对化学键的破坏和重组，会在沉积的介质膜中产生很高的应力，高的膜应力会导致开裂和分层，阻挡层SiN由于离子轰击破坏Si-N键，因而会有高的压应力，因而有助于平衡中间介质层材料氟硅玻璃(FSG)的张应力，从而减小了由于应力对于层与层之间的粘附的影响，增加了其粘附力。

附图说明

图1为现有技术中刻蚀停止层上直接覆盖中间介质层的示意图；

图2为现有技术中刻蚀停止层和其上层的中间介质层剥离的示意图；

图3为本发明半导体器件的结构剖面图；

图4为本发明半导体器件制造方法的工艺流程图；

图5至图10为说明本发明半导体器件制造方法的剖面图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图3为本发明半导体器件的结构剖面图。如图3所示，本发明的半导体器件包括一个衬底100和形成于所述衬底100上介质层105中的金属图案层110，金属图案层110通过在介质层105上旋涂光致抗蚀剂(Photoresist)曝光显影并刻蚀而形成。在所述介质层105和金属图案层110上形成有刻蚀停止层120，厚度为100埃～300埃，其材料可以是氧化硅，碳化硅(SiC)，氮化硅(SiN)，碳氮氧化合物(SiOC)，掺氮碳化硅中的一个或其组合。刻蚀停止层的作用是为了防止在刻蚀本层材料时不会破坏其下层图形。刻蚀停止层120作为其上层的材料刻蚀的终点停止层，能够保护其下层的金属图案110不会被刻蚀而形成缺陷。本发明的半导体器件在刻蚀停止层120上覆盖有厚度为200埃～600埃阻挡层125，选用的材料可以是氧化硅、碳化硅(SiC)，氮化硅(SiN)，碳氮氧化合物(SiOC)，掺氮碳化硅中的一个或其组合。在阻挡层125上沉积有低介电常数材料的中间介质层130，与互连金属如铜匹配减小其寄生电容和互联金属电阻造成的电阻电容(RC)延迟，可选的材料包括氟硅玻璃(FSG)，磷硅玻璃(PSG)，硼硅玻璃(BSG)，硼磷硅玻璃(BPSG)。

中间介质层130上有通过涂布光致抗蚀剂，曝光显影把掩模板的图形转移到中间介质层130上而形成的通孔140和沟槽150，沟槽150的深度小于通孔140的深度，两者是否连接取决于器件决定的电连接的需要。在通孔140和沟槽150中依次覆盖有金属阻挡层160，金属种子层170，互连金属层180，金属阻挡层包括钛(Ti)，钨(W)，钽(Ta)，钼(Mo)，钴(Co)，铂(Pt)，钛钨(TiW)，氮化钛(TiN)，氮化钽(TaN)中的一种或其组合，金属种子层包括铜、铝、钨、金、或银，互连金属层包括铜或铝。通孔140底部与衬底100上的金属图案110相连。

沉积的阻挡层125可以增加中间介质层130和刻蚀停止层120的粘附性，例如，阻挡层125材料为SiN，中间介质层130材料对于顶层金属一般选用氟硅玻璃(FSG)，FSG中的氟具有很强的扩散效应，由于为了减小介质层材料介电常数从而减小其寄生电容与互连金属电阻的电阻电容(RC)延迟，在沉积FSG是往往选用高浓度的氟，高浓度的氟是不稳定的，其会向上下层扩散，氟对交界面的腐蚀会减小其粘附性，会造成层与层的剥离，SiN是很好的氟的阻挡层，N的含量越高，氟的扩散越少发生，引入阻挡层材料可以有效阻挡其扩散，减小其对表面的腐蚀，增加了粘附性能。

另外，沉积的低介电常数材料FSG会有张应力，介质膜中的高的应力会导致分层，沉积阻挡层材料SiN采用等离子体增强化学气相沉积，沉积过程中高速离子对SiN中离子键的破坏会使沉积的SiN膜有很高的压应力(Compressive stress)，有助于平衡FSG中的张应力对其下层膜的影响从而减小应力带来的分层现象。

图4为本发明半导体器件制造方法的工艺流程图。如图4所示，本发明的半导体器件的制造方法。首先，在具有金属图案110的衬底100上覆盖刻蚀停止层120(S210)；然后，在刻蚀停止层120上通过气相沉积淀积阻挡层125(S220)；接着，在阻挡层125上覆盖中间介质层130(S230)；通过光刻、刻蚀在中间介质层130上形成通孔140和沟槽150，并打开通孔140底部的阻挡层125和刻蚀停止层120，使通孔140底部露出衬底100上的金属图案110(S240)；最后，在通孔140和沟槽150中覆盖金属阻挡层160(S250)；在金属阻挡层160上覆盖金属种子层170(S260)；在金属种子层170上填充互连金属层180(S270)。

图5至图10为说明本发明半导体器件制造方法的剖面图。下面结合图5至图10详细描述实现该方法的工艺步骤。如图5所示，本发明在衬底100首先形成一个介质层105和通过光刻、刻蚀并沉积金属，例如铜，形成的金属图案110。

接着，如图6所示，在衬底100和金属图案110上沉积一刻蚀停止层120，沉积的方法可以是等离子体增强化学气相沉积。优选的，沉积的厚度为100埃至300埃，沉积的材料可以是掺氮碳化硅，硅的氧化物，碳化硅(SiC)，氮化硅(SiN)，碳氮氧化合物(SiOC)中的一个或其组合。该刻蚀停止层120作为保护下层金属图案110在上层刻蚀时不受损伤的阻挡材料并可以作为下层金属的扩散阻挡层，以阻挡下层金属图案中的金属如铜不会扩散至上层中。如本领域的技术人员所知铜作为后段的互连金属具有很强的扩散效应，因而刻蚀停止层也有作为阻挡下层金属扩散的作用。本发明的半导体器件制造方法在刻蚀停止层120上不是直接积淀上层介质层来完成对非导电介电层的沉积，而是在沉积刻蚀停止层120后，在刻蚀停止层120上通过物理气相淀积(PVD)或化学气相淀积沉积一层阻挡层125，该阻挡层125的厚度为200埃～600埃，该阻挡层的材料可以是高密度和高应力的氮化硅(SiN)或其他有机材料、无机材料、金属，或者至少包括硅的氧化物、碳化硅(SiC)，碳氮氧化合物(SiOC)中的一个或其组合。在完成阻挡层125的沉积后，在其上沉积中间介质层130，由于中间介质层需选用介电常数小的材料，本实施例中优选的使用化学气相沉积的方法淀积氟硅玻璃(FSG)，其中，通常氟的浓度高，其介电常数会小，本实施例中使其介电常数约为3.7。其它可选的材料包括氟硅玻璃(FSG)，磷硅玻璃(PSG)，硼硅玻璃(BSG)或硼磷硅玻璃(BPSG)。沉积的阻挡层125可阻止中间介质层130中氟的扩散并减小FSG的张应力影响，增加了刻蚀停止层120和中间介质层130的粘附性能，减小了两层之间分层、剥离等缺陷。

完成在带有金属图案的衬底上沉积刻蚀停止层120、阻挡层125和中间介质层130后，如图7所示，在中间介质层上涂布光致抗蚀剂135通过曝光显影形成图案136，定义连接孔，露出下层的中间介质层130，图案136的位置与衬底100上金属图案110的位置相对应。然后，如图8所示，刻蚀该中间介质层130，在刻蚀过程中光致抗蚀剂作为刻蚀的阻挡层保护其下层的中间介质层130的被光致抗蚀剂覆盖位置，中间介质层130连接孔位置由于露出所以会被刻蚀，通过干法或湿法刻蚀，在中间介质层130上形成通孔140。刻蚀在露出中间介质层130下层阻挡层125时停止，可以看出，阻挡层125也作为中间介质层130的刻蚀停止层。通过灰化(Ashing)和清洗(strip)去除光致抗蚀剂135，就形成了在中间介质层130上的通孔140。如图9所示，用和上述相同的方法在中间介质层130上形成沟槽150，沟槽150的深度小于通孔140的深度，也即沟槽150的底部不会露出中间介质层130下层的阻挡层125，沟槽150是否跟通孔140相连取决于沟槽150和通孔140沉积的金属的电连接需要。然后继续刻蚀并清洗除去通孔140下面阻挡层130和刻蚀停止层125，使衬底上的金属图案110可以通过通孔140露出。

如图10所示，在形成的沟槽150和通孔140中填入金属，如铜，由于铜离子的扩散效应，如果不对其进行相应的处理，填入到通孔140和沟槽150中的铜就会扩散至其相邻的介质层如中间介质层130，就会改变介质层的绝缘效果并引入其他的寄生效应，影响器件的性能。因而有必要对其进行适当的处理，通常会先淀积扩散阻挡层(Diffusion Barrier)，在所述的通孔140和沟槽150种通过合适的方法如物理气相沉积或化学气相沉积淀积一层金属阻挡层160，其材料可以是氮化钛(TiN)，钛(Ti)，钨(W)，钽(Ta)，钼(Mo)，钴(Co)，铂(Pt)，钛钨(TiW)，氮化钽(TiN)中的一种或其组合。加入金属阻挡层160可以很好的阻止金属铜对介质层的扩散，并可增强金属铜和其介质层的粘附性。在金属阻挡层160上积淀金属种子层(Metal seed)170和互连金属层180，其淀积可以是物理气相沉积、化学气相沉积或电镀。淀积的金属层的厚度至少填满整个通孔140和沟槽150。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims

1、一种半导体器件，其特征在于包括:

在所述介质层和金属图案层上形成的刻蚀停止层；

在所述刻蚀停止层上形成的厚度为200埃～600埃的阻挡层；

2、如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于:所述的刻蚀停止层的厚度为100埃～300埃。

3、如权利要求2所述的半导体器件，其特征在于:所述的刻蚀停止层至少为氧化硅、碳化硅(SiC)、氮化硅(SiN)、碳氮氧化合物(SiOC)、掺氮碳化硅中的一种或其组合。

4、如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于:所述的阻挡层至少为氧化硅、碳化硅(SiC)、氮化硅(SiN)、碳氮氧化合物(SiOC)、掺氮碳化硅中的一种或其组合。

5、如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于:所述的中间介质层至少为氟硅玻璃(FSG)、磷硅玻璃(PSG)、硼硅玻璃(BSG)、硼磷硅玻璃(BPSG)、氧化硅、氮化硅(SiN)、碳化硅(SiC)中的一种或其组合。

6、如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于:所述的中间介质层上的沟槽的深度小于通孔的深度。

7、如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于:所述的金属阻挡层为钛(Ti)、钨(W)、钽(Ta)、钼(Mo)、钴(Co)、铂(Pt)、钛钨(TiW)、氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)中的一种或其组合。

8、如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于:所述的金属种子层为铜、铝、钨、金或银。

9、如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于:所述的互连金属层包括铜或铝。

10、如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于:所述的通孔位于金属图案上方相对应的位置。

11、如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于:所述的通孔中的互连金属层通过所述的金属种子层和金属阻挡层与所述的衬底上的所述的金属图案电连接。

12、一种半导体器件的制造方法，其特征在于包括:

提供一半导体衬底，在衬底上形成介质层和金属图案层；

在所述介质层和金属图案层上形成刻蚀停止层；

在所述刻蚀停止层上形成一个阻挡层，所述阻挡层的厚度为200埃～600埃；

在所述阻挡层上形成中间介质层；

13、如权利要求12所述的半导体器件的制造方法，其特征在于:所述刻蚀停止层和阻挡层的形成方法包括物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)。

14、如权利要求12所述的半导体器件的制造方法，其特征在于:所述化学气相沉积包括常压化学气相沉积(APCVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)、离子体增强化学气相沉积(PE CVD)、高密度等离子体化学气相沉积(HDPCVD)。

15、如权利要求12所述的半导体器件的制造方法，其特征在于:所述刻蚀停止层的厚度为100埃～300埃。

16、如权利要求12所述的半导体器件的制造方法，其特征在于:所述中间介质层的形成方法包括物理气相沉积，化学气相沉积。

17、如权利要求12所述的半导体器件的制造方法，其特征在于:所述金属阻挡层利用物理气相沉积或电镀方法形成。