具有铜金属布线的半导体器件及其形成方法

摘要

本发明涉及具有铜金属布线的半导体器件及其形成方法。本发明描述了一种具有铜布线的半导体器件以及形成所述器件以防止相邻上层布线之间的发生架桥现象方法。该方法可以包括以下步骤：在形成其中形成有下层布线的衬底上方的堆叠结构中形成覆盖层和金属间介电层，在金属间介电层上形成限定上层金属布线区域的沟道，在沟道内壁上形成隔离层。然后在使用光刻工艺暴露的第一沟道和用于校准的隔离层下方可以形成通孔。在除去隔离层后，在沟道和通孔内壁上可以形成阻挡金属膜，在沟道和通孔中间隙填充铜金属布线膜，并将半导体器件的表面抛光。通过本发明的方法可以提高半导体器件的产量，可以实施稳定的工艺，并可以改善半导体器件的可靠性。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2007年7月25日提交的韩国专利申请第 10-2007-0074564号的优先权，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明实施例涉及一种形成半导体器件的铜金属布线的方法， 更具体地，涉及一种通过使用双重镶嵌(dual damascene)工艺形成 半导体器件的铜金属布线的方法。

背景技术

通常，在制造半导体器件时，金属布线用于元件或布线之间的 电连接。近些年来，随着对半导体器件具有更高的集成度和更高的 性能的需要，具有比铝(Al)更优异的电特性(诸如导电性)的铜 (Cu)被用作形成金属布线的材料。

通过蚀刻工艺不容易使铜金属布线图案化，所以通过镶嵌工艺 使铜金属布线图案化，替代了通常用于形成铝金属布线的减成图案 法(subtractive patterning method)。在多层布线结构(multi-line structure)中，已经广泛应用了同时形成连接上层/下层布线和上层 金属布线的通孔(via)的双重镶嵌工艺。

在双重镶嵌工艺中，首先沉积并形成金属间(intermetal)介电 层。通过实施光刻并随后进行两次蚀刻过程在金属间介电层中形成 由沟道和通孔组成的双重镶嵌结构。在沟道和通孔中间隙填充(填 缝，gap-fill)铜膜，从而形成抛光的表面。因此，该铜膜通过通孔 连接上层/下层布线并在沟道中形成上层金属布线。

图1a到图1i是顺序示出形成半导体器件的铜金属布线的传统 方法的过程截面图。

首先参照图1a，在其中形成有下层布线112的衬底110的整个 上表面上薄薄地沉积并形成覆盖层(capping layer)120。覆盖层120 防止下层布线112的金属原子向外扩散(out-diffusion)进随后在上 侧形成于覆盖层120上方的金属间介电层130中。

可以通过形成沟道、用铜薄膜间隙填充该沟道以及抛光所形成 的表面在衬底110中形成限定下层布线区域的下层布线112。

覆盖层120可以由氮化硅(SiN，Si₃N₄)或其他具有硬质薄膜 (hard film)质量特性的材料形成。

接下来参照图1b，在覆盖层120的整个表面上沉积并形成金属 间介电层130。相应的金属介电层130在上层布线和下层布线之间 起到了绝缘的作用，且可以由具有低介电常数(低K)的材料诸如 氧化硅(SiO₂)膜，掺杂的氧化硅膜或氟化硅玻璃(fluorinated silica glass(FSG))膜形成。

接下来参照图1c，通过例如典型的光刻工艺，在金属间介电层 130上形成具有位于对应特定下层布线112位置处的第一透孔 (through-hole)140a的第一光刻胶图案140。

光刻工艺可以包括一系列的过程，诸如光刻胶涂覆、曝光和显 影。

接下来参照图1d，通过使用第一光刻胶图案140作为掩膜进行 蚀刻，除去由第一光刻胶图案140的第一透孔140a暴露的金属间 介电层130和覆盖层120的多个部分。结果，可以垂直形成通孔132 以暴露下层布线112的表面。

然后通过例如灰化过程等去除第一光刻胶图案140。

参照图1e，通过例如光刻工艺在金属间介电层130上形成第二 光刻胶图案150，该光刻胶图案150具有限定上层布线区域的第二 组透孔150a。每一个透孔150a可以具有大于通孔132的宽度。

参照图1f，除去暴露对应于第二光刻胶图案150的第二组透孔 150a的金属间介电层130的上部达到特定的预定深度。通过利用第 二光刻胶图案150作为掩膜进行蚀刻除去暴露的部分，从而形成沟 道134。

当形成通孔132和沟道134时，可以使用诸如具有各向异性特 性的反应性离子蚀刻(RIE)的干蚀刻工艺。

在一定的条件下，可以用第二光刻胶膜间隙填充通孔132的内 部。然而，在这样的条件下，仍然可以在通孔132上方形成沟道134。 如图中所示，不仅可在通孔132上形成沟道134，而且也可在其中 没有形成通孔132的部分形成沟道134。

在形成沟道134后，通过例如灰化过程等除去第二光刻胶图案 150。

从而，形成在上侧上具有沟道134并在下侧上具有通孔132的 双重镶嵌结构。

尽管如上所述的通孔蚀刻工艺同时除去了金属间介电层130和 部分覆盖层120二者暴露的部分(参见图1d)，但也可以由仅在金 属间介电层130中形成通孔132所替代，使覆盖层120暂时是完整 的。然后，在形成沟道134后(参见图1f)，可以通过间隔蚀刻 (separate etching)工艺除去对应于通孔132的覆盖层120的部分。

参照图1g，在包括通孔132和沟道134内壁的整个表面上薄薄 地沉积并形成阻挡金属膜160。当随后形成铜金属布线膜170时， 阻挡金属膜160起到了防止铜原子扩散的作用，且该阻挡金属膜160 可以由诸如钽(Ta)或氮化钽(TaN)制成。

参照图1h，通过例如电化学镀(ECP)工艺在涂覆了阻挡金属 膜的通孔132和沟道134中充分地间隙填充铜金属布线膜170，以 使铜金属布线膜170连接至下层布线112。在其他期望的物理特性 中，ECP法具有优异的间隙填充特性。

参照图1i，通过化学机械抛光(CMP)工艺除去在金属间介电 层130上过度填充的铜金属布线膜170和阻挡金属膜160，从而完 成铜金属布线。

然后可以将铜金属布线膜170的表面抛光，并可以在铜金属布 线膜170的整个表面上沉积并形成覆盖层(未示出)。

从而，在通孔132中通过铜金属布线膜170连接上层布线和下 层布线，且在沟道134中由铜金属布线膜170形成上层布线。

然而，传统的铜金属布线的形成方法存在很多问题。

例如，如图2中扫描电子显微镜(SEM)照片中所示，与下层 布线112接触的通孔132可以相对于下层布线112产生位移(例如， 移动到一侧)。例如，在光刻过程中，这样的位移可能是由于掩膜 校准(alignment)失败。沟道134也可以相对于通孔132和/或下层 布线112发生位移。因此，会导致其中使相邻的上层布线互相连接 的架桥现象(bridge phenomenon)‘B’。

在其他不期望的结果中，如果发生这种架桥现象‘B’，在随后 的使用中就会产生导致突然功率损耗的电源短路(power short)。从 而，具有传统形成的金属布线的半导体器件的可靠性会显著下降。

发明内容

通常，本发明的示例性实施方式涉及一种形成半导体器件的铜 金属布线的方法，该方法是首先形成上层布线沟道，然后形成至下 层布线的通孔(与首先形成通孔的传统方法相反)，以及在沟道内 部侧壁上形成隔离层(spacer)。结果，在其他的情况下，可以防止 上层布线中的架桥现象。

一种根据实施方式形成半导体器件的铜金属布线的方法可以 包括下列步骤：在其中形成有下层布线的衬底上方的堆叠结构中形 成覆盖层和金属间介电层；通过采用第一光刻胶图案的蚀刻在金属 间介电层上形成限定上层金属布线区域的沟道；在这些沟道的内部 侧壁上形成隔离层；形成第二光刻胶图案，其用于覆盖第二沟道而 暴露第一沟道，并实施蚀刻以除去由隔离层暴露的金属间介电层， 从而在暴露的第一沟道下方形成通孔；除去隔离层；在沟道和通孔 的内壁上形成阻挡金属膜；以及在沟道和通孔中间隙填充铜金属布 线膜并抛光该半导体器件的表面。

提供总述以引入进一步在下文的详细描述中进一步描述的简 化形式中的概念选择。该总述不是为了确定所述主题的关键特征或 本质特性，也不是为了辅助确定所述主题的范围。

本发明的其他特征将在以下描述中被阐述，而一部分将从该描 述中是显而易见的，或者可以从本文所教导的实践中获知。通过所 附权利要求中特别指出的设备及其组合，可以了解和获知本发明的 优点。本发明的特征将从下述说明书和所附权利要求中变得更显而 易见，或可以从下文中阐述的本发明的实践中获知。

附图说明

本发明示例性实施方式的各个方面从结合附图给出的下述示 例性实施例的说明中将变得显而易见，其中：

图1a到图1i是顺序地示出根据传统技术形成半导体器件的铜 金属布线的方法的过程的截面图；

图2是示出当根据传统技术形成半导体器件的铜金属布线时相 邻的上层布线互相连接的架桥现象的扫描SEM照片；以及

图3a到图31是顺序地示出根据本发明实施方式形成半导体器 件的铜金属布线的方法的过程的截面图。

具体实施方式

在实施方式的以下详细说明中，参照了为了以举例说明的方式 示出本发明特定实施方式的附图。在全部附图中相同的标号表示相 同或相似的部件。足够详细的描述了这些实施方式以使本领域技术 人员能够实施该发明。在不脱离本发明的范围的前提下，可以使用 其他的实施方式，且结构、逻辑以及电气上可以作各种变化。此外， 应该理解尽管本发明的各种实施方式彼此不同，但并不相互排斥。 例如，在一种实施方式中特定的特征、结构或特性可以包括在其他 实施方式中。因此，下述详细描述不应做限制性的理解，本发明的 范围仅由所附权利要求连同这样的权利要求赋予的等同物的全部 范围来限定。

使用镶嵌工艺可以使铜金属布线图案化。在多层布线结构中， 可以采用双重镶嵌工艺以同时形成连接上层布线和下层布线的通 孔以及上层布线。

双重镶嵌工艺是指通过实施两次光刻过程并用铜(Cu)间隙填 充通孔和沟道来在金属间介电层中形成由通孔和沟道组成的双重 镶嵌结构的工艺。从而，铜膜通过该通孔连接上层布线和下层布线 并在沟道中形成上层布线。

图3a到图31是顺序地示出根据本发明示例性实施方式形成半 导体器件的铜金属布线的方法的过程的截面图。

首先参照图3a，可以在形成有下层布线212的衬底210的整个 上表面上薄薄地沉积并形成覆盖层220。覆盖层220起到了防止下 层布线212的金属原子向外扩散至随后在上侧形成的金属间介电层 230中的作用。

通过形成沟道，用铜膜间隙填充沟道并抛光所得到的表面，可 以在衬底210中形成限定下层布线区域的下层布线212。

覆盖层220可以由氮化硅(SiN，Si₃N₄)或其他具有硬质薄膜 质量特性的材料形成。

如图3b中所示，可以在覆盖层220整个表面上沉积并形成金 属间介电层230。相应的金属间介电层230在上层布线和下层布线 之间起到绝缘的作用，且可以由诸如氧化硅(SiO₂)膜、掺杂的氧 化硅膜或氟化硅玻璃(FSG)膜的具有低介电常数(低K)的材料 形成。

如图3c所示，通过光刻过程可以在金属间介电层230上形成 第一光刻胶图案240，该光刻胶图案240具有第一组透孔240a以限 定上层布线区域。该光刻过程可以包括一系列的过程，诸如涂覆光 刻胶、曝光和显影。

接下来参照图3d，可以通过除去金属间介电层230上侧的暴露 部分达到特定的预定深度以形成沟道232，该暴露的部分对应于第 一光刻胶图案240的第一组透孔240a。可以通过使用第一光刻胶图 案240作为掩膜进行蚀刻来除去该暴露部分。

可以使用诸如具有各向异性特性的RIE的干蚀刻工艺来进行 蚀刻。如图中所示，沟道232不仅可在与随后形成的上层布线到下 层布线的通孔234的位置一致的位置处形成，而且也可在上层布线 和下层布线之间不需要连接的一个或多个其他的无通孔(non-via) 位置处形成。

然后可以通过例如灰化工艺等来除去第一光刻胶图案240。

如图3e所示，然后可在包括形成的沟道232的整个所得表面 上形成达到一特定厚度的用于形成隔离层的隔离膜250。隔离膜250 可以与覆盖层220相同或相似的方式由氮化物膜形成。

如图3f所示，可以在隔离膜250上实施毯式蚀刻(全面蚀刻， blanket etch)工艺，以便均匀地完全除去隔离膜250。结果，仅在 沟道232的内部侧壁上形成保留特定厚度的隔离层250’。可以实施 毯式蚀刻过程以便完全除去堆积在沟道232的底部表面上的隔离膜 250，从而形成隔离层250’。

如图3g所示，可以通过光刻过程形成第二光刻胶图案260。第 二光刻胶图案260具有第二透孔260a，其用于暴露对应于将形成于 沟道232的底部表面上的通孔234的沟道232而覆盖与通孔234不 对应的沟道232。

第二光刻胶图案260的第二透孔260a可以形成以便其边缘位 于沟道232中隔离层250’上方。优选地，考虑到尽可能多地处理边 界(margin)，可使第二透孔260a的边缘(edge)位于隔离层250’ 的宽度的基本上中间的位置。

接下来参照图3h，可以通过使用沟道232中的隔离层250’蚀刻 除去暴露的金属间介电层230来垂直地形成通孔234，该隔离层250’ 通过作为掩膜的第二光刻胶图案260的第二透孔260a暴露。实施 蚀刻直到覆盖层220的表面暴露。

可以使用诸如具有各向异性特性的反应性离子蚀刻(RIE)的 干蚀刻工艺进行蚀刻。

可以通过例如灰化工艺或等来除去第二光刻胶图案260。

如图3i所示，可以同时完全地去除隔离层250’和对应于通孔 234的覆盖层220的区域。因为隔离层250’和覆盖层220可以由相 同的氮化物膜形成，所以通过使用磷酸(H₃PO₄)溶液作为蚀刻剂的湿 蚀刻可以同时的除去隔离层250’和覆盖层220的区域，其中作为蚀 刻剂的磷酸溶液可以很容易选择性地除去氮化物膜。

从而，可以完全去除覆盖层220的通孔(234)区域，以便通 过完全地穿过通孔234暴露下层布线212的表面。

从而可以形成一种包括在上侧上的沟道232和下侧上的通孔 234的双重镶嵌结构。

参照图3j，可以在包括通孔234和沟道232的内壁的整个表面 上薄薄地沉积并形成阻挡金属膜270。在随后形成铜金属布线膜280 时，阻挡金属膜270起到了防止铜原子扩散的作用，且该阻挡金属 膜270可以由，例如，钽(Ta)或氮化钽(TaN)制成。

参照图3k，可通过例如电化学镀(ECP)工艺在涂覆阻挡金属 膜的通孔234和沟道232的过程中充分地间隙填充该铜金属布线膜 280，以使铜金属布线膜280连接至下层布线212。

在其他期望的物理性质中，电化学镀(ECP)法具有优异的间 隙填充特性。然而，使用除ECP法以外的方法也可以形成铜金属布 线膜280。

此外，在间隙填充铜金属布线膜280之前，可以首先在阻挡金 属膜270上(通过使用例如沉积或ECP法)形成薄铜种晶层(thin copper seed layer)(未示出)以更平滑地形成铜金属布线膜280。

此外，在形成铜金属布线膜280后，可以实施退火热处理以减 小铜金属布线膜280中的应力，同时提高铜金属布线膜280的密度。

参照图31，可以通过化学机械抛光(CMP)工艺除去过度填充 在金属间介电层230上的铜金属布线膜280和阻挡金属膜270，从 而完成铜金属布线。

然后可以将铜金属布线膜280的表面抛光，并可在铜金属布线 膜280的整个表面上沉积并形成覆盖层(未示出)。

从而，上层布线和下层布线通过通孔234中的铜金属布线膜 280连接，并且在沟道232中由铜金属布线膜280形成上层布线。

总之，在现有技术中，形成铜金属布线的过程是通过首先形成 通孔，然后形成相应的沟道来实施的。然而，在本发明的实施方式 中，以相反的顺序实施该过程，即，在形成通孔之前形成沟道。此 外，在沟道232的内部侧壁上形成隔离层250’，利用相应的隔离层 250’来形成通孔234以实现与相应的沟道232基本对准。

如上所述，首先形成沟道232并利用了隔离层250’。从而，在 其他情况下，可以防止发生由于位移使在沟道232中形成的相邻的 上层布线互相连接的架桥现象。因此，通过应用上述的方法和技术， 可以提高半导体器件的产量，可以实施稳定的工艺，并可以改善半 导体器件的可靠性。

尽管本文中描述了多种优选的实施方式，但是应该理解，在不 脱离本发明所附权利要求所限定的精神和范围的前提下，本领域技 术人员可以对本发明进行各种其他变化和修改。