專利名稱：包括阻擋金屬和涂布膜的半導體器件及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種具有其中襯底上方的互連層涂布有保護膜的結構 的半導體器件和用于制造該半導體器件的方法。
背景技術：
已存在公知的一種半導體器件，其具有提供在襯底的主表面上方 的互連層和被提供用于保護互連層的保護膜，所述襯底的主表面側部 分具有絕緣特性。
圖l是粗略地示出普通半導體器件的構造的剖視圖。圖l中示出的
半導體器件包括在其頂面上提供有絕緣膜12的襯底11和通過絕緣膜12 這一中間層提供在襯底11上方的最頂層的互連層13。互連層13包括依 次堆疊的底層的阻擋金屬13-1、互連金屬13-2和阻擋金屬13-3。互連層 13涂覆有保護膜14。該保護膜14形成在半導體器件的最頂層。就保護 膜而言，為了保護內部元件不受使用環境損害，使用具有極好的防潮 性的保護膜。所述絕緣膜包括例如氧化硅膜和諸如氧氮化硅膜等的 CVD膜。存在保護膜是分層結構的情形。在圖1中，示出了保護膜14由 設置在下層的氧化硅(Si02)膜(14-1)和氧氮化硅(SiON)膜(14-2) 形成的情形。
如果通過使用CVD法等來形成保護膜，那么存在在保護膜的表面 上形成由互連層的厚度所引起的凹陷和突出的情況。如果在保護膜的 表面上存在凹陷和突出，那么當在處理的后端步驟中形成凸塊時，可 能會出現例如凸塊高度不同等問題。
因此，已存在公知的一種使用SOG (Spin on Glass,旋涂玻璃)膜作為互連層的保護膜的技術。通過使用涂布法形成保護膜能夠使保護 膜的表面基本平坦。在使用涂布法的情形下，在用SiN膜、PSG
(phosphorus silicate glass,磷硅玻璃)膜等涂布互連層之后形成SOG 膜，以保護SOG膜的互連層側在涂布期間免受濕氣等的損害。
專利文件l公開了一種使用SOG膜的半導體器件。圖2是專利文件1 中公開的半導體器件的剖視圖。如圖2所示，專利文件l中公開的半導 體器件設置有硅襯底101、形成在硅襯底101的頂部上的層間介質層 102、提供在層間介質層102的頂部上的鋁互連103、涂布鋁互連的 CVD-PSG膜104、提供在CVD-PSG膜104的頂部上的第一等離子體滲氮 硅膜(plasma nitriding silicon film) 105、提供以填充高度差的SOG膜 106和提供在SOG膜106的頂部上的第二等離子體滲氮硅膜107。
此外，如圖3所示，專利文件2公開了一種鈍化結構，其中形成在 襯底lll的頂部上的互連層112涂布有SiN層113，并在SiN層113的頂部 上依次提供有旋涂玻璃材料114和氧氮化硅膜115。日本專利特許公開申請No. Hei 05(1993)-055199 [專利文件2]日本專利特許公開申請No.
近來，互連層的小型化已經取得了進展。隨著互連之間的間隔變 小，涂布互連層時的一致性將變得重要。圖4是用于示出互連間隔窄的 互連層涂布有一致性差的膜時的狀態的示意圖。在圖4中，膜構造與圖 l中示出的構造相同，因此省略對它的描述。如圖4所示，如果使用一 致性差的膜，那么在膜的互連之間可能出現具有封閉的上部的間隔(空 隙)15。可能存在其中殘留在間隔15中的空氣將引起爆炸的情況，例 如，處理的后端步驟中在真空中進行處理的情況，因而膜本身被破壞。 互連間隔越窄，互連的厚度就越大，將越易于產生間隔15。由于互連 的小型化取得了進一步的進展，所以為了提高可靠性需要進一步增加 互連的厚度。然而，由于難以增加互連的厚度，所以在涂布保護膜時會擔心產生間隔15。專利文件1中采用的PSG膜沒有良好的一致性。因此，如參考圖4所述，認為使用PSG膜將妨礙互連的小型化。此外，如果互連層涂布有SiN層，如同專利文件2的的情況一樣， 那么，因為SiN層的膜應力大，所以由于SM (stress migration in storage at constant-temprature，恒溫下儲存的應力遷移)等會使互連層退化。 圖5示出了一種半導體器件，其中在形成于襯底121頂部上的絕緣膜 122的頂部上形成互連層123，并在互連層123的頂部上依次形成SiN 膜124、 SOG膜125和SiN膜126。互連層123包括金屬互連123-2和 分別形成在金屬互連123-2的底部和頂部上的阻擋金屬123-1、 123-3。 如果采用這種結構，那么這將會導致在互連層123中形成退化部分127。此外，由于半導體器件需要更高的工作速度，所以近來保護膜同 樣需要低介電常數特性。因為SiN膜的介電常數高，所以如果SiN膜 構成互連間隔的主要部分則難以滿足所需的介電常數特性。在這種情況下，本發明人將注意力集中在用作涂布互連層的膜的 氧化硅膜上。該氧化硅膜有極好的一致性，并且它的膜應力小。于是， 本發明人研究了在用氧化硅膜涂布互連層之后使用涂布法的表面平坦 化。然而，發現根據使用的氧化硅膜的類型而發生了下面的問題。如果氧化硅膜與互連層直接接觸，并在高壓下的高溫和高濕的環 境中使用，那么可能存在互連層受到電解蝕刻的情況。具體地，在互 連層具有分層結構并且互連上存在阻擋金屬的情況下，阻擋金屬易通過氧化硅膜這一介質受到電解蝕刻。就阻擋金屬而言， 一般使用含有 Ti的膜(例如，TiN膜)。在使用TiN膜作為阻擋金屬的情況下，TiN 膜會轉化成白色的TiC^或Ti(OH)4)膜。由于這種反應伴隨有將導致保 護膜損壞的體積膨脹，所以成為削弱半導體器件的長期可靠性的原因。 如果通過使用涂布法在氧化硅膜的頂部上進一步形成平坦化膜，則這 將進一步促進由氧化硅膜引起的互連層的電解蝕刻。在為了解決所述這種問題而驗證了保護膜的最優結構之后，本發明人等最后在本發明 的研究上取得了成功。發明內容根據本發明的示例性方面的半導體器件包括提供在襯底上方的 互連層、提供在襯底上方且提供在互連層上用以覆蓋互連層的第一絕 緣膜、提供在第一絕緣膜上的第二絕緣膜以及提供在第二絕緣膜上的 具有絕緣特性的涂布膜。第一絕緣膜是氧化硅膜且第二絕緣膜是氧氮 化硅膜或氮化硅膜。根據本發明的示例性方面的用于制造半導體器件的方法，該方法 包括在襯底上方形成互連層，在襯底上方形成第一絕緣膜并在互連 層上形成第一絕緣膜以覆蓋互連層，在第一絕緣膜上形成第二絕緣膜， 和通過涂布法在第二絕緣膜上形成涂布膜。第一絕緣膜是氧化硅膜且 第二絕緣膜是氧氮化硅膜或者氮化硅膜。關于以上描述的這種構造，由于涂布膜的作用，第二絕緣膜防止 了互連層的電解蝕刻。而且，第一絕緣膜和第二絕緣膜具有極好的一 致性，且膜厚度小，從而能夠防止在膜的互連之間產生具有封閉的上 部的間隔(間隙)。此外，用作第一絕緣膜的氧化硅膜的膜應力小， 并且由于SM等而能夠防止互連層退化。而且，涂布膜具有極好的嵌入 特性而不會導致在互連之間產生間隔，并且其還具有極好的表面平坦 度。本發明提供了一種在通過涂布法形成平坦化膜時能夠防止互連層 的電解蝕刻的半導體器件和用于制造該半導體器件的方法。


結合附圖，從某些示例性實施例的下列描述中，本發明的以上和 其它示例性方面、優點和特征將更加明顯，其中圖1是示出了普通半導體器件的構造的剖視圖； 圖2是示出了專利文件1中公開的半導體器件的結構的剖視圖； 圖3是示出了專利文件2中公開的半導體器件的結構的剖視圖； 圖4是用于示出產生于互連層之間的間隔的示意圖； 圖5是用于示出由于應力遷移而使互連層產生退化的示意圖； 圖6是粗略地示出了根據本發明示例性實施例的半導體器件的構 造的剖視圖；圖7是示出了用于制造根據本發明實施例的半導體器件的方法的 流程圖；圖8A至8D是分別示出了用于制造根據本發明示例性實施例的半 導體器件的方法的每個處理步驟的剖視圖；和圖9A和9B是示出了互連層的電解蝕刻的示意圖。
具體實施方式
圖6是粗略地示出了根據本發明示例性實施例的半導體器件的構 造的剖視圖。該半導體器件設置有硅襯底1、絕緣膜2、互連層3、第一絕緣膜 4、第二絕緣膜5、涂布膜6和第三絕緣膜7。絕緣膜2提供在硅襯底1的主表面的頂部上。絕緣膜2例如是氧 化硅膜。所希望的電路由諸如晶體管等的半導體元件、接點、通孔等 (未示出)形成，以將其分別設置在硅襯底1和絕緣膜2上。互連層3 形成在絕緣膜2的頂部上。不同于互連層3的單層或多層互連層(未 示出)可形成在絕緣膜2中，在這種情況下，互連層3對應于多級互 連層中最上層的互連層。在互連層3為多級互連層中最上層的互連層 的情況下，互連層3通過提供在絕緣膜2中的預定通孔直接在其下與 互連層接觸。為了防止互連層3的組元(constituent element)擴散，互連層3采用分層結構的形式，該分層結構包括互連金屬3-2以及分別形成在互連金屬3-2的底部和頂部的阻擋金屬3-1、 3-3。就阻擋金屬3-1、 3-3 而言，使用含有Ti的層。對于該發明的本實施例，假定互連3-2是Al 層，且阻擋金屬3-l、 3-3每個均是TiN層。此外，假定相互鄰近的互 連層3包括具有不小于1.4的縱橫比的互連間隙。這里，所述互連間隙 指的是水平方向上相互鄰近的互連層3之間的間隔，并用b/a表示該間 隙的縱橫比，其中互連間隔為"a"，互連層3的高度為"b"。第一絕緣膜4以覆蓋互連層3的方式提供在互連層3的頂部上， 并提供在形成于硅襯底1頂部上的絕緣膜2的上方。就第一絕緣膜4 而言，使用氧化硅膜。此外，假定第一絕緣膜4的厚度為50nm。第一 絕緣膜4的厚度可以為10nm，且在其中相互鄰近的互連層3包括具有 不小于1.4的縱橫比的互連間隙的情況下，從一致性和膜應力的觀點來 看，第一絕緣膜4的厚度優選不超過50nm。以覆蓋第一絕緣膜4的方式提供第二絕緣膜5。提供第二絕緣膜5 以防止第一絕緣膜4被隨后描述的平坦化膜6極化，從而侵蝕互連層3。 就第二絕緣膜5而言，使用氧氮化硅膜或氮化硅膜。從一致性的觀點 來看，更優選使用氮化硅膜。對于該發明的本實施例，假定使用氮化 硅膜。此外，假定第二絕緣膜5的厚度為100nm。第二絕緣膜5的厚 度可以為10nm，并且在其中相互鄰近的互連層3包括具有不小于1.4 的縱橫比的互連間隙的情況下，從一致性和膜應力的觀點來看，第二 絕緣膜4的厚度優選為不超過lOOrnn。提供涂布膜6以便填充由于形成在第二絕緣膜5的表面上的凹陷 和突出而產生的各個間隙，從而使表面有效平坦。即是說，涂布膜6 是平坦化膜6。該涂布膜6通過涂布法形成。對于該發明的本示例性實 施例，假定涂布膜6使用HSQ (氫倍半硅氧烷)膜。由于HSQ膜具有 低介電常數，并能增加半導體器件的工作速度，所以優選使用HSQ膜。 此外，該HSQ膜具有極好的流動性，并能充分嵌入具有不小于1.4的縱橫比的互連間隙中，由此HSQ膜甚至能嵌入具有不大于例如1.8的 縱橫比的互連間隙中。另外，由于HSQ膜能使表面有效平坦，而且從 實現第二絕緣膜5表面上的凹陷和突出的平坦化的觀點來看，優選使 用HSQ膜，所述凹陷和突出是由互連層3所引起的。提供第三絕緣膜7以保護互連層3免受外部濕氣等的損害，并且， 例如，氧氮化硅膜適合用于第三絕緣膜7。第三絕緣膜7可以是氮化硅 膜。根據本發明的絕緣膜層8包括第一絕緣膜4、第二絕緣膜5、涂布 膜6和第三絕緣膜7，絕緣膜層8最適合用作半導體器件最頂層的保護 膜，并形成在作為最頂層中的互連層的互連層3的上方，然而，本發 明不限于此，并且絕緣膜層8可以用作層間介質層。在使用絕緣膜層8 作為層間介質層的情況下，在第三絕緣膜7的上層中進一步形成另一 互連層。圖7是根據本實施例的、示出了用于制造半導體器件的示例性方 法的流程圖。圖8A至8D是分別示出用于制造半導體器件的方法的每 個處理步驟的剖視圖。步驟S10:形成互連層如圖8A所示，準備硅襯底l,并且通過絕緣膜2這一中間層在硅 襯底1的上方形成互連層3。步驟S20:形成第一絕緣膜如圖8B所示，隨后以覆蓋互連層3的方式形成第一絕緣膜4。更 具體地，通過等離子體CVD法來淀積用作第一絕緣膜4的氧化硅膜。 第一絕緣膜4形成為50nm級的厚度。步驟S30:形成第二絕緣膜如圖8C所示，隨后以覆蓋第一絕緣膜4的方式形成第二絕緣膜5。 更具體地，通過等離子體CVD法來淀積用作第二絕緣膜5的氧氮化硅 膜。第二絕緣膜5形成為lOOnm級的厚度。由于與相互鄰近的互連層3之間的間隔相比，第一絕緣膜和第二 絕緣膜的厚度十分小，所以用第一絕緣膜和第二絕緣膜將填充不了相 互鄰近的互連層3之間的間隙。步驟40:形成HSQ膜如圖8D所示，將用于形成涂布膜的包含涂布膜的組分的溶液涂覆 到第二絕緣膜5的頂部上。在涂覆溶液之后，通過在N2氣氛下熱處理、 UV照射處理等移除所涂覆的溶液的溶劑。通過這種操作，形成涂布膜 6。然后，填充第二絕緣膜5的表面上的、由于互連層3的存在而產生 的高度差，從而使襯底的表面變得平坦。對于該發明的本實施例，HSQ 膜用作涂布膜6。步驟S50:形成第三絕緣膜此外，在涂布膜6的頂部上形成第三絕緣膜7，因此能得到圖6 所示的半導體器件。更具體地，使用等離子體CVD法會致使氧氮化硅 膜生長到200至300nm級的厚度。該氧氮化硅膜具有高防潮性，并有 效保護互連層3免受濕氣的損害。通過根據步驟S10到S50的處理來制造根據本實施例的半導體器件。隨后，將描述本實施例。首先，參考圖9A和圖9B描述互連層3 受電解蝕刻的機理。圖9A是半導體器件的剖視圖，其示出了一種構造， 其中，形成在硅襯底201頂部上的絕緣膜202的頂部上的互連層203 直接用氧化硅膜204覆蓋，并且在氧化硅膜204的頂部上直接形成作 為平坦化膜的HSQ膜205，示出該圖的目的在于與本實施例比較。互連層203包括互連金屬203-2和分別形成在互連金屬203-2底部和頂部 上的阻擋金屬203-1、 203-3。此外，在HSQ膜205的頂部上形成氧氮 化硅膜206。
如圖9A所示，如果將半導體器件放置在高溫高濕氣氛中，那么 HSQ膜205中將發生H20—HT+OH-反應，從而產生H+。 HSQ膜205 中的H+將滲入氧化硅膜。
如圖9B所示，已滲入氧化硅膜204的H+將分離"-O-Si-O-"鍵， 從而產生羥基(-OH)和Si+。結果，在氧化硅膜204中發生極化。如 果在這種狀態下將高壓施加到互連層203，那么這將致使羥基被互連層 203吸引。被吸引的羥基用作互連層203的氧化劑，并在其中進行侵蝕 反應。假定使用TiN作為互連層203的阻擋金屬203-3， TiN被氧化， 因此將會產生例如Ti(OH)x或TiOx等氧化物。由于產生Ti(OH》和TiOx 的反應是一種膨脹反應，所以在產生氧化物時會損壞上層(即，氧化 硅膜204等)中的鈍化膜，從而損害該半導體器件的長期可靠性。
相反，對于本實施例，在即是氧化硅膜的第一絕緣膜4與即是平 坦化膜的涂布膜6之間設置防潮性極好的氧氮化硅膜作為第二絕緣膜 5，如圖6所示，從而能防止將氧化劑(H+)從涂布膜6滲入到第一絕 緣膜4。因此，在第一絕緣膜4中不發生極化，從而抑制互連層3的侵 蝕反應。
此外，由于使用膜應力小的氧化硅膜作為覆蓋互連層3的第一絕 緣膜4，所以由于SM而能夠防止互連層3退化。
而且，由于使用薄膜(第一絕緣膜50nm，第二絕緣膜100nm) 分別作為第一絕緣膜和第二絕緣膜，所以能夠增強互連層3的可覆蓋 特性。通過這種操作，能夠防止互連之間產生間隙。即是說，能夠防 止保護膜的損壞，所述保護膜的損壞是由于在后端處理步驟中進行的真空處理等過程中間隔中存在的空氣引起爆炸而導致的。
此外，使用HSQ膜作為即是平坦化膜的涂布膜6將能夠使互連層
3中的互連之間的電容減小，從互連延遲的觀點看，這是有利的。
然而，在本申請下的本發明不限于以上描述的示例性實施例。
通過示例的方式示出了使用HSQ作為涂布膜；然而，本發明不限
于此。對于涂布膜，如果其是通過涂布法形成的涂布膜，則可使用
MHSQ (甲基氫倍半硅氧烷)或MSQ (甲基倍半硅氧烷)。如果通過 涂布法形成MHSQ或MSQ，則能夠將MHSQ膜或MSQ膜嵌入具有不 大于1.8的縱橫比的互連間隙中，并且該膜將具有極好的表面均勻性。 此外，由于使用MHSQ或MSQ，所以能夠獲得比在使用HSQ的情況 下更低的介電常數。另外，盡管沒有獲得低介電常數的效果，但對于 涂布膜也可使用具有極好的表面均勻性和嵌入特性的SOG。
此外，通過示例的方式示出了單層TiN膜作為阻擋金屬，然而， 可以使用由下層中的Ti和TiN依次堆疊組成的膜代替。此外，對于互 連金屬，如果其為含有Al作為主要組分的金屬，則可含有Si或Cu。
此外，注意的是，即使后面在執行期間會有修改，申請人的目的 也在于包含所有權利要求要素的等價物。
權利要求
1. 一種半導體器件，包括 互連層，提供在襯底上；第一絕緣膜，提供在所述襯底上且提供在所述互連層上以覆蓋該 互連層，所述第一絕緣膜包括氧化硅膜；第二絕緣膜，提供在所述第一絕緣膜上，所述第二絕緣膜包括氧 氮化硅膜或氮化硅膜；和絕緣的涂布膜，提供在所述第二絕緣膜上。
2. 根據權利要求l所述的半導體器件，其中，所述互連層包括 互連金屬；和阻擋金屬層，設置在所述互連金屬與所述第一絕緣膜之間。
3. 根據權利要求2所述的半導體器件，其中所述阻擋金屬層包括 含有鈦的膜。
4. 根據權利要求l所述的半導體器件，進一步包括 被形成作為相互鄰近的互連層之間的間隔的互連間隙，其中，若設所述相互鄰近的互連層之間的間隔為a且所述互連層的 高度為b，則所述互連間隙具有如由b/a所表示的、不小于1.4的縱橫比。
5. 根據權利要求4所述的半導體器件，其中所述第一絕緣膜具有 在10到50nm范圍內的厚度。
6. 根據權利要求4所述的半導體器件，其中所述第二絕緣膜具有 在10到lOOnm范圍內的厚度。
7. 根據權利要求l所述的半導體器件，其中所述絕緣的涂布膜包 括HSQ (氫倍半硅氧垸)膜。
8. 根據權利要求l所述的半導體器件，進一步包括-提供在所述涂布膜上的第三絕緣膜。
9. 根據權利要求8所述的半導體器件，其中所述第三絕緣膜包括 氧氮化硅膜或氮化硅膜。
10. 根據權利要求4所述的半導體器件，其中具有不大于1.8的縱橫比的互連間隙是用所述涂布膜有效填充的。
11. 一種制造半導體器件的方法，包括 在襯底上方形成互連層；在所述襯底上且在所述互連層上形成第一絕緣膜以覆蓋所述互連 層，所述第一絕緣膜包括氧化硅膜；在所述第一絕緣膜上形成第二絕緣膜，所述第二絕緣膜包括氧氮 化硅膜或氮化硅膜；和在所述第二絕緣膜上形成涂布膜。
12. 根據權利要求11所述的方法，其中，所述互連層的形成包括 形成互連金屬；和形成阻擋金屬層。
13. 根據權利要求12所述的方法，其中所述阻擋金屬層包括含有 鈦的膜。
14. 根據權利要求ll所述的方法，其中，在所述互連層的形成過 程中，互連間隙被形成作為相互鄰近的互連層之間的間隔，從而若設 所述相互鄰近的互連層之間的間隔為a且所述互連層的高度為b，則所 述互連間隙具有如由b/a所表示的、不小于1.4的縱橫比。
15. 根據權利要求14所述的方法，其中所述第一絕緣膜具有在10到50mn范圍內的厚度。
16. 根據權利要求14所述的方法，其中所述第二絕緣膜具有在10 到100nm范圍內的厚度。
17. 根據權利要求ll所述的方法，其中所述涂布膜是HSQ (氫倍 半硅氧烷)膜。
18. 根據權利要求ll所述的方法，進一步包括-在所述涂布膜上形成第三絕緣膜。
19. 根據權利要求18所述的方法，其中所述第三絕緣膜包括氧氮 化硅膜或氮化硅膜。
20. 根據權利要求14所述的方法，其中，在通過涂布法形成所述 涂布膜的過程中，形成所述涂布膜以便有效填充具有不大于1.8的縱橫 比的互連間隙。
21. —種半導體器件，包括多個互連層，形成在襯底上，所述互連層被布置為相互之間具有 間隔，所述多個互連層中的一互連層包括金屬布線層和提供給所述金 屬布線層的阻擋金屬，所述阻擋金屬具有與羥基起反應的可能性；第一絕緣膜，形成在所述襯底、所述互連層的側面和頂面上以形 成提供在各個鄰近的互連層之間的第一凹面，所述第一絕緣膜具有通 過與H+有關的反應而產生所述羥基的可能性；第二絕緣膜，形成在所述第一絕緣膜上以形成提供在各個鄰近的 互連層之間的第二凹面，從而防止所述H+進入所述第一絕緣膜；和涂布膜，形成在所述第二絕緣膜上以填充所述第二凹面，所述涂 布膜具有通過與H20有關的反應而產生H+的可能性。
全文摘要
一種半導體器件包括提供在襯底上的互連層；提供在襯底上且提供在互連層上以覆蓋該互連層的第一絕緣膜，所述第一絕緣膜包括氧化硅膜；提供在第一絕緣膜上的第二絕緣膜，所述第二絕緣膜包括氧氮化硅膜或氮化硅膜；和提供在第二絕緣膜上的絕緣的涂布膜。
文檔編號H01L23/00GK101312163SQ20081010914
公開日2008年11月26日 申請日期2008年5月23日 優先權日2007年5月23日
發明者寺本知惠理 申請人:恩益禧電子股份有限公司