半導體器件及其制造方法

專利名稱：半導體器件及其制造方法
發明的背景1、發明的領域本發明涉及半導體器件及其制造方法，特別涉及至少在一部分層間絕緣膜中采用絕緣膜的半導體器件及其制造方法，該絕緣膜的介電常數低于氮化硅的介電常數并含有能檢測刻蝕結束點的雜質。
2、相關技術隨著半導體器件的最小化和高度集成，已經開始進行內部互連的尺度縮小和實現多層內部互連。為此，對于層間絕緣膜的平面化技術和微型制造如干刻蝕的需求日益增長。因此，為滿足這些需求，已經研制了掩埋互連技術。
在掩埋互連技術中，在層間絕緣膜中形成用于互連圖形的溝槽，溝槽的內部用互連材料掩埋，然后去掉溝槽內部以外的互連材料，只在溝槽內部留下互連材料。這樣，就形成了將其掩埋在層間絕緣膜中的形狀的互連部分。因而，與傳統多層金屬化技術相比，層間絕緣膜的優點是允許銅(Cu)互連，這在通過傳統RIE(反應離子刻蝕)的處理中是很困難的。Cu互連具有低電阻和高可靠性，因此作為下一代互連材料是很具有吸引力的。
這種掩埋互連技術中，通常在層間絕緣膜中淀積刻蝕停止膜。在選擇率主要對于這種刻蝕停止膜的條件下進行刻蝕，由此在層間絕緣膜中形成用于掩埋互連的溝槽和連接孔。作為刻蝕停止膜，例如在SiO2基層間絕緣膜的情況下采用氮化硅膜。
然而，氮化硅膜具有約7的相對介電常數，顯著大于約為4的SiO2系的相對介電常數，這增加了整個層間絕緣膜的相對介電常數。因而，都知道將產生導致信號延遲或功耗增加的缺陷。
因而，例如日本未審定專利公報No.平10(1998)-150105已經建議了一種方法，為了減少層間絕緣膜的電容，采用有機低介電常數膜作為刻蝕停止膜，該有機低介電常數膜具有低于氮化硅膜的相對介電常數的相對介電常數并含有氟。
根據該方法，如圖3A中所示，采用甲硅烷和氧氣作為源氣，通過CVD在半導體襯底11上淀積由氧化硅構成的下層絕緣膜12。例如通過旋涂在其上淀積相對介電常數比氮化硅低的有機低介電常數膜13。在其上淀積與下層絕緣膜12相同的由氧化硅膜構成的絕緣膜14以及與有機低介電常數膜13相同的有機低介電常數膜15。
然后，在有機低介電常數膜15上淀積光刻膠膜(未示出)。通過光刻工藝構圖該光刻膠膜，以便在用于形成掩埋互連的溝槽的區域上形成開口。該光刻膠膜用作掩模以刻蝕有機低介電常數膜15，如圖3B中所示。之后，刻蝕絕緣膜14，以便在有機低介電常數膜15和絕緣膜14中形成用于掩埋互連的溝槽16。
之后，如圖3C中所示，通過鑲嵌(damascene)在溝槽16內部形成互連層17。
接著，如圖3D中所示，在有機低介電常數膜15和互連層17的整個表面上淀積與下層絕緣膜12和絕緣膜14相同的由氧化硅膜構成的絕緣膜18。
在絕緣膜18上淀積光刻膠膜(未示出)。通過光刻工藝構圖該光刻膠膜，以便在用于形成到達互連層17的連接孔的區域上形成開口。如圖3E中所示，該光刻膠膜用作掩模以刻蝕絕緣膜18，并且在絕緣膜18中形成到達互連層17的連接孔19。
此外，如圖3F中所示，在連接孔19中掩埋例如由鎢構成的栓塞20。
之后，在絕緣膜18中在連接到栓塞20的圖形中形成上互連。
然而，如上所述，當含有相對大量氟的有機低介電常數膜用作用于降低層間電容的刻蝕停止膜時，產生的問題是在溝槽和連接孔的底部產生大量反應產物，同時刻蝕層間絕緣膜，并且反應產物增加了互連中的電阻。
發明的概述鑒于上述問題做出本發明。其目的是提供半導體器件及其制造方法，該半導體器件能夠減小層間電容，通過高度精確地控制結束點檢測而不通過利用高選擇率的刻蝕停止膜來終止刻蝕，并在幾乎沒有反應產物的情況下進行刻蝕，該半導體器件具有低電阻的互連。
根據本發明，提供的半導體器件包括
下層互連層；形成有到達下層互連層的連接孔的層間絕緣膜；和被掩埋在連接孔中的上互連層，其中層間絕緣膜包括含有用于檢測第一刻蝕結束點的雜質的絕緣膜、第一絕緣膜、含有用于檢測第二刻蝕結束點的雜質的絕緣膜、和第二絕緣膜，這四層膜按照這個順序疊加。
另外，根據本發明，提供的制造半導體器件的方法包括以下步驟依次在下層互連層上形成含有用于檢測第一刻蝕結束點的雜質的絕緣膜、第一絕緣膜、含有用于檢測第二刻蝕結束點的雜質的絕緣膜和第二絕緣膜；通過刻蝕形成連接孔，該連接孔從第二絕緣膜的表面到達含有用于檢測第一刻蝕結束點的雜質的絕緣膜；在連接孔的底部形成保護膜；通過刻蝕形成溝槽，該溝槽從第二絕緣膜的表面到達含有用于檢測第二刻蝕結束點的絕緣膜并與連接孔相連；和去掉保護膜，然后，在連接孔和溝槽中掩埋導電材料，由此形成上互連層。
通過下面的詳細說明使本申請的這些和其它目的更明了。然而，應該明白表示本發明的優選實施例的這些詳細說明和具體例子只是以示意性的，因為通過這些詳細說明，在本發明的精神和范圍內的各種改變和修改對于本領域技術人員來說是顯而易見的。
附圖的簡要說明

圖1A-1E是表示本發明的制造半導體器件的工藝的示意剖面圖。
圖2是在刻蝕層間絕緣膜的同時光譜儀的發射光譜。
圖3A-3F是表示現有技術的制造半導體器件的工藝的示意截面圖。
發明的詳細說明本發明的半導體器件主要具有下層互連層、層間絕緣膜和上互連層。
作為下層互連層，被用作半導體器件的互連層的任何一種一般都可接受；指定的是由導電材料構成的那些，如雜質擴散層、電極和形成在半導體襯底上的互連。更具體地說，指定的是金屬，如鋁、銅、金、銀、和鎳，或這些金屬的合金；高熔點金屬，如鉭、鈦和鎢，或這些金屬的合金；以及由硅化物或多晶硅和高熔點金屬的多晶硅硅化物形成的單層或疊層膜。
通過按順序依次至少疊加含有用于檢測第一刻蝕結束點的雜質的絕緣膜、第一絕緣膜、含有用于檢測第二刻蝕結束點的雜質的絕緣膜和第二絕緣膜，構成淀積在下層互連層上的層間絕緣膜。
含有用于檢測第一刻蝕結束點的雜質的絕緣膜和含有用于檢測第二刻蝕結束點的雜質的絕緣膜是用于檢測用于第一絕緣膜和第二絕緣膜的刻蝕結束點的絕緣膜。考慮到作為層間絕緣膜，優選具有低介電常數的膜。此外，不需要具有相對于第一絕緣膜和第二絕緣膜的大的選擇率，這將在后面介紹。用于這些膜的材料可根據檢測刻蝕結束點的方法以及用于第一和第二絕緣膜的材料適當選擇，這將在后面介紹。這里，作為檢測層間絕緣膜的刻蝕結束點的方法，例如在刻蝕期間監視氣體的發光強度的方法。
例如，被含在含有用于檢測第一刻蝕結束點的雜質的絕緣膜和含有用于檢測第二刻蝕結束點的雜質的絕緣膜中的雜質優選是不包含在第一和第二絕緣膜中的元素，這將在后面介紹。例如，指定為磷、砷、硼、和氟。這些雜質的濃度約為1.0-5.0mol％。此外，含有雜質的絕緣膜有具有約為4或以下的介電常數。更具體地說，例如通過CVD法形成的SiO2、SiOF、SiOC或CF基膜，以及通過涂敷形成的SOG、HSQ(hydrogen silsesquioxane氫硅倍半氧烷)、MSQ(methylsilsesquioxane甲基硅倍半氧烷)、PAE(polyarylene ether聚亞芳基醚)、或BCB(benzo cyclobutene苯并環丁烯)基膜。含有用于檢測第一和第二刻蝕結束點的雜質的絕緣膜不必是相同的膜。在這些材料當中，都優選硼硅酸鹽玻璃膜。這些膜的膜厚不特別限定，但是必須具有甚至在過刻蝕后面介紹的第一和第二絕緣膜時不完全被去掉的膜厚。更具體地說，優選約為10-50nm。
通常，當第一和第二絕緣膜是構成層間絕緣膜的材料時，不特別限定它們。例如，指定為與上述膜像的材料。在這些材料當中，優選氧化硅膜。不特別限定這些絕緣膜的膜厚；作為整個層間絕緣膜，它們優選被調整到約500-2000nm。
可接受的是上互連層是這些被用作通常半導體器件的互連層的任何材料。還可以由與以下層互連層為例介紹的那些材料相同的材料形成。另外，上互連層形成為被掩埋在形成在層間絕緣膜的表面中的溝槽中。優選，層間絕緣膜和上互連層的上表面相匹配。此外，通常，到達下層互連層的連接孔形成在用上互連層掩埋的溝槽的內部。上互連層可被掩埋到連接孔中，或者上互連層可以形成為連接到接觸栓，該接觸栓形成在與上互連層分離的連接孔中。而且，接觸栓可以由通常用于連接互連層的導電材料的單層或疊層形成。
除此之外，在本發明的用于制造半導體器件的方法中，首先，按順序在下層互連上淀積含有用于檢測第一刻蝕結束點的雜質的絕緣膜、第一絕緣膜、含有用于檢測第二刻蝕結束點的雜質的絕緣膜和第二絕緣膜。可通過選擇各種公知的方法如濺射、真空淀積、電子束處理、CVD、等離子體CVD、這些絕緣膜旋涂、刮片處理和溶膠處理來淀積這些膜。此外，在含有雜質的絕緣膜中，可在淀積絕緣膜之后通過離子注入、固相擴散或氣相擴散引入雜質，或者可以將雜質引入絕緣膜的原材料中以淀積含有雜質的絕緣膜。
然后，通過刻蝕形成從第二絕緣膜的表面到含有用于檢測第一刻蝕結束點的雜質的絕緣膜的連接孔。對于這種情況下的刻蝕，指定為各種刻蝕方法，如濕刻蝕或干刻蝕，但是優選干刻蝕。當完全穿透至少第二絕緣膜、含有用于檢測第二刻蝕結束點的雜質的絕緣膜和第一絕緣膜時，終止刻蝕，并確定用于含有用于檢測第一刻蝕結束點的雜質的絕緣膜的刻蝕。通過進行上述的監視和用于檢測第一刻蝕結束點的雜質的檢測，可以確實簡單地進行用于含有用于檢測第一刻蝕結束點的雜質的絕緣膜的刻蝕的確定。
接下來，在連接孔的底部形成保護膜。這里不特別限定保護膜的種類，但是考慮到只在連接孔的底部形成保護膜并去掉保護膜，因此有機保護膜比較合適。可以接受的是，保護膜形成在包括連接孔的層間絕緣膜的整個表面上，并通過刻蝕或去除法去掉形成在連接孔底部以外區域上的保護膜，或者通過旋涂只在連接孔底部形成保護膜。保護膜的膜厚不特別限定。可通過用于構成層間絕緣膜的每層的材料和刻蝕條件適當調整。
然后，通過刻蝕形成溝槽，該溝槽從第二絕緣膜的表面到達含有用于檢測第二刻蝕結束點的雜質的絕緣膜并與連接孔相連。這里溝槽的形成是與上述連接孔的形成一樣進行的。此外，連接孔和溝槽中的任何一個可預先形成；當預先形成溝槽時，形成連接孔以便放置在溝槽的內部是比較合適的。此外，當預先形成溝槽時，優選在溝槽底部而不是在連接孔底部形成保護膜。
而且，這個工藝之后，在其中將導電材料掩埋到連接孔和溝槽中的后面工藝之前，優選幾乎完全去掉形成在連接孔底部(或溝槽的底部)的保護膜和含有用于檢測第一和第二刻蝕結束點的雜質的絕緣膜。可通過根據濕刻蝕和干刻蝕選擇合適條件去掉這些膜。
此外，導電材料被掩埋在連接孔和溝槽中。對于這里的導電材料，指定為在上述上互連層中所列舉的材料膜。可通過在第二絕緣膜的整個表面上淀積導電材料膜以回刻蝕導電材料，直到露出第二絕緣膜的表面為止，由此掩埋導電材料。回刻蝕可通過例如CMP進行。此外，通過相同工藝利用相同材料膜掩埋連接孔和溝槽，或者首先用導電材料膜掩埋連接孔，另外再用相同或不同導電材料掩埋溝槽，都是可以接受的。
下面將參照附圖介紹本發明的半導體器件及其制造方法。
首先，如圖1A中所示，在形成在半導體襯底上的互連層1上淀積膜厚約為10-50nm的例如含磷的磷硅酸鹽玻璃膜(相對介電常數約為4的PSG膜)，作為用于檢測第一刻蝕結束點的絕緣膜2a。采用TEOS氣體和O2作原材料，通過等離子體淀積在其上淀積膜厚約為250-750nm的氧化硅膜(P-原硅酸四乙酯(TEOS)膜)，作為絕緣膜2。在其上再淀積與絕緣膜2a一樣的膜厚約為10-50nm的PSG膜，作為含有用于檢測第二刻蝕結束點的絕緣膜3a。在其上再淀積與絕緣膜2一樣的膜厚約為250-750nm的P-TEOS膜，作為絕緣膜3。通過光刻工藝在其上形成用于形成連接孔的光刻膠圖形4。
接著，如圖1B中所示，光刻膠圖形4用作掩模，以便通過刻蝕形成連接孔5。此時刻蝕是在電源/偏置功率為2170W/1800W、壓力為20mTorrs、C5F8氣體、氬氣和O2氣用作刻蝕氣體的條件下進行的。此外，在刻蝕期間，使用光譜儀監視等離子體氣體的發光強度，并通過檢測對應在接近完成刻蝕的階段刻蝕用于檢測第一刻蝕結束點的絕緣膜2a時的時間周期的光譜儀的發光強度的變化，確定刻蝕終止。
更具體地說，如圖2中所示，在刻蝕由PSG形成的用于檢測第一刻蝕結束點的絕緣膜2a時，光譜儀的發射光譜表示與刻蝕由P-TEOS膜形成的絕緣膜2時相比發光強度在約253nm波長附近較大。這是包含在PSG膜中的磷的化學/電子對的波長。根據在該波長的發射光譜，可確定刻蝕的終止。
接著，通過灰化去掉光刻膠圖形4。
然后，如圖1C中所示，通過以約1000-4000rpm旋轉的旋涂在連接孔的底部淀積有機基底部防反射涂層(BARC)6。之后，在得到的半導體襯底的整個表面上涂敷光刻膠，并通過光刻工藝形成用于形成溝槽互連的光刻膠圖形7。
在連接孔5底部形成有機基底部防反射涂層6是為了防止在后面工藝期間由于連接孔5的底部被刻蝕而造成刻蝕互連層1。
然后，如圖1D中所示，用于形成溝槽互連的光刻膠圖形7用作掩模以形成溝槽8。溝槽8是如下形成的在監視光譜儀的發光強度的同時進行刻蝕并檢測對應正在刻蝕用于檢測第二刻蝕結束點的絕緣膜3a時的時間的光譜儀的發光強度的變化，以便終止刻蝕，如上所述。
接著，如圖1E中所示，通過灰化去掉光刻膠圖形7和在連接孔5底部的有機底部防反射涂層6。此外，通過刻蝕去掉用于檢測第一刻蝕結束點的絕緣膜2a和用于檢測第二刻蝕結束點的絕緣膜3a。
之后，通過公知方法將導電材料掩埋到連接孔5和溝槽8中，并完成溝槽互連部分的形成。
通過這種方式，PSG膜置于層間絕緣膜中，由此可確實進行刻蝕結束點的檢測。
根據本發明，層間絕緣膜是通過按順序連續疊加含有用于檢測第一刻蝕結束點的雜質的絕緣膜、第一絕緣膜、含有用于檢測第二刻蝕結束點的雜質的絕緣膜和第二絕緣膜構成的。因此，在不采用通常用作第一和第二絕緣膜的刻蝕停止層的具有較高介電常數的氮化硅膜的情況下，可實現低介電常數的層間絕緣膜，這是半導體器件尺寸縮小時出現的問題。可獲得趨于減小層間絕緣膜的電容和防止信號延遲或功耗增加的半導體器件。
此外，根據本發明，通過檢測含在絕緣膜中的雜質，不用通過以在刻蝕第一和第二絕緣膜時的選擇率的差為基礎的刻蝕停止，可終止刻蝕。這樣，可以很容易、簡單、確實和高度精確地確定刻蝕結束點，避免了過量過刻蝕。而且，進行這種刻蝕結束點的確定可防止反應產物留在連接孔或溝槽中，反應產物是在刻蝕期間產生的，并避免了由反應產物造成的電阻增加和連接故障。具有高可靠性的半導體器件可以以提高的生產率制造，并趨于降低制造成本。
權利要求
1.一種半導體器件，包括下層互連層；形成有到達下層互連層的連接孔的層間絕緣膜；和被掩埋在連接孔中的上互連層，其中層間絕緣膜包括含有用于檢測第一刻蝕結束點的雜質的絕緣膜、第一絕緣膜、含有用于檢測第二刻蝕結束點的雜質的絕緣膜和第二絕緣膜，這四層膜按順序疊加。
2.根據權利要求1的半導體器件，其中第一絕緣膜和第二絕緣膜由氧化硅膜形成。
3.根據權利要求1的半導體器件，其中含有用于檢測第一刻蝕結束點的雜質的絕緣膜和含有用于檢測的第二刻蝕結束點的雜質的絕緣膜含有磷、砷、硼或氟作為雜質。
4.根據權利要求1的半導體器件，其中所包含的雜質的濃度為1-5mol％。
5.根據權利要求1的半導體器件，其中含有用于檢測第一刻蝕結束點的雜質的絕緣膜和含有用于檢測第二刻蝕結束點的雜質的絕緣膜具有4或更低的介電常數。
6.根據權利要求1的半導體器件，其中含有用于檢測第一刻蝕結束點的雜質的絕緣膜和含有用于檢測第二刻蝕結束點的雜質的絕緣膜選自通過CVD法形成的SiO2、SiOF、SiOC或CF，和通過涂敷形成的SOG、HSQ(hydrogen silsesquioxane氫硅倍半氧烷)、MSQ(mehylsilsesquioxane甲基硅倍半氧烷)、PAE(polyarylene ether聚亞芳基醚)、或BCB(benzo cyclobutene苯并環丁烯)基膜。
7.根據權利要求1的半導體器件，其中含有用于檢測第一刻蝕結束點的雜質的絕緣膜和含有用于檢測第二刻蝕結束點的雜質的絕緣膜具有10-50μm的厚度。
8.根據權利要求1的半導體器件，其中層間絕緣膜的厚度為500-2000nm。
9.根據權利要求1的半導體器件，其中含有用于檢測第一刻蝕結束點的雜質的絕緣膜和含有用于檢測第二刻蝕結束點的雜質的絕緣膜由磷硅酸鹽玻璃形成。
10.一種制造半導體器件的方法，包括以下步驟在下層互連層上按順序形成含有用于檢測第一刻蝕結束點的雜質的絕緣膜、第一絕緣膜、含有用于檢測第二刻蝕結束點的雜質的絕緣膜和第二絕緣膜；通過刻蝕層連接孔，連接孔從第二絕緣膜的表面到達含有用于檢測第一刻蝕結束點的雜質的絕緣膜；在連接孔底部形成保護膜；通過刻蝕形成溝槽，該溝槽從第二絕緣膜的表面到達含有用于檢測第二刻蝕結束點的雜質的絕緣膜并與連接孔相連；和去掉保護膜之后，在連接孔和溝槽中掩埋導電材料，由此形成上互連層。
全文摘要
一種半導體器件包括下層互連層；形成有到達下層互連層的連接孔的層間絕緣膜；和被掩埋在連接孔中的上互連層，其中層間絕緣膜包括含有用于檢測第一刻蝕結束點的雜質的絕緣膜、第一絕緣膜、含有用于檢測第二刻蝕結束點的雜質的絕緣膜和第二絕緣膜，這四層膜按順序疊加。
文檔編號H01L21/02GK1399335SQ0212695
公開日2003年2月26日 申請日期2002年7月24日 優先權日2001年7月24日
發明者梅本武 申請人:夏普公司