半導體器件的制造方法

專利名稱：半導體器件的制造方法
技術領域：
本發明涉及半導體器件的制造方法，特別是形成孔填充柱塞的方法。
作為填充細小接觸孔或通孔的技術，通過覆蓋WCVD(鎢化學汽相淀積)來形成鎢(W)柱塞已經付諸實施了，這種技術在臺階覆蓋和降低電阻方面是優異的。這種覆蓋WCVD方法是把W層充入形成于層間絕緣膜內的通孔中，從而形成柱塞。
參看

圖1A～1C，這里的剖面示意圖展示了根據傳統的覆蓋WCVD工藝形成通孔填充W柱塞的工藝。如圖1A所示，在形成于下層布線Al導體31之上的第一TiN(氮化鈦)膜上形成層間絕緣膜33，通過傳統的光刻法和各向異性干式腐蝕，貫通層間絕緣膜33形成通孔33A，以致部分的第一TiN膜32暴露于通孔33A的底部。
接著如圖1B所示，通過濺射法淀積第二TiN膜34，從而覆蓋包括通孔33A的底部和側壁在內的整個表面。此外，在通孔33A和層間絕緣膜33的表面淀積W(鎢)層36，隨后對淀積的W層36深腐蝕，以清除填充在通孔33A內的W層之外的W層36被去除。因而，如圖1C所示，在通孔33A中形成由W層36構成的W栓塞。這種由W層36構成的W柱塞用來對被層間絕緣膜33使其相互絕緣的下層布線Al導體31和未示出的上層布線Al導體進行內連接。
在上述傳統工藝中，通常通過濺射來形成TiN膜作為粘附層。在此濺射工藝中，在通孔開口邊緣處TiN膜34的生長速率高于其它區域的生長速度。結果，已由實驗證實，如圖1B和1C所示，TiN膜34圍繞通孔33A的開口邊緣有一個伸出部分34A。如果用來覆蓋WCVD工藝在TiN膜34具有伸出部分34A的情況下淀積W層，則淀積的W層36會影響TiN膜34的伸出部分34A的形狀，結果在通孔33A內充入的W層36中會產生孔隙39。其原因可考慮如下，由于TiN膜34的伸出部分34A從環繞通孔33A的開口的邊緣向內突出，當淀積W層36時，TiN膜34的伸出部分34A成為生長核，因而W層35從通孔33A的開口環繞處開始生長，以致在整個通孔完全被W層36充滿之前，通孔33A的開口就被封閉了。
為了避免濺射淀積的TiN膜從通孔33A的開口邊緣形成伸出部分，已經考慮通過濺射在層間絕緣膜33上形成第二TiN膜34，如圖2所示，然后采用傳統的光刻法和各向異性干式腐蝕，貫穿第二TiN膜34和層間絕緣膜33形成通孔33A，之后再實施覆蓋WCVD工藝。但是，在此工藝中，由于TiN膜34的內邊緣34A沿通孔33A的開口邊緣露出，在W層36淀積時，TiN膜34的內邊緣34B成為生長核。結果，與圖1C所示類似地在通孔33A中所填充的W層36中產生氣孔39。這也已由實驗所證實。
如果在通孔33A內填充的W層36中產生了氣孔39，如圖1C和2所示，則往往易于產生布線缺陷如斷路。為了避免這種問題，必須避免產生氣孔。了為避免產生氣孔，必須抑制沿通孔33A的開口邊緣的W層生長，以使W層從通孔底部均勻地生長直至充滿整個通孔。
因此，本發明的目的是提供一種可克服傳統方法的上述缺點的孔填充柱塞的形成方法。
本發明的另一目的是提供一種孔填充柱塞的形成方法，能避免在孔填充柱塞中產生氣孔，從而使連接缺陷的發生減至最少。
根據本發明，通過以下的半導體器件的制造方法，使本發明的上述目的和其它目的得以實現，該方法包括下列工藝步驟，在設置于半導體襯底之上的絕緣膜中形成凹槽；在該凹槽的至少部分側表面和底表面上形成粘附層，以致絕緣膜暴露于從包括凹槽在內的邊緣延伸的特定區域；把金屬或者金屬化合物填入凹槽內。例如，通過化學汽相淀積進行金屬或者金屬化合物的填充。
根據本發明，提供了一種鎢柱塞的優選形成方法，由該柱塞互連被層間絕緣膜所相互絕緣的上層導體和下層導體區，該方法包括以下步驟在下層導體區上形成層間絕緣膜；在層間絕緣膜上形成粘附層；在粘附層上形成光刻膠層；在光刻膠層中形成開口，以便制備將在層間絕緣膜形成孔用的有開口的光刻膠層掩模層；選擇性去除粘附層，形成與光刻膠層中形成的開口對應的開口，而且從環繞形成在光刻膠層中的開口進一步去除形成在生長鎢時將會成為生長核的粘附層。
形成貫通層間絕緣膜的孔，以使下層導體區在孔的底部露出以及把鎢層填充入層間絕緣膜的孔內，從而在層間絕緣膜的孔內形成鎢填充。
在一個實施例中，通過腐蝕選擇性去除粘附層。更具體講，這種腐蝕是使用其中形成有開口的光刻膠層作為掩模的各向同性腐蝕，以使粘附層中形成的開口從光刻膠層中形成的開口邊緣向外收縮。
此外，把鎢層直接填充入層間絕緣膜的孔內。另外，也可以在把鎢填充入層間絕緣膜的孔內之前，在層間絕緣膜的孔的側壁和底部形成第二粘附層，隨后，把鎢層填充入層間絕緣膜的孔內。這些粘附層由例如氮化鈦膜構成。
由上述可見，在本發明的方法中，從形成于層間絕緣層中的孔邊緣，把在生長鎢時將會成為生長核的粘附層去除。由此，可使鎢層均勻地填充入層間絕緣層的整個孔內。
通過參考附圖對本發明優選實施例的以下說明，可清楚地了解本發明的上述目的和其它目的、特征和優點。
圖1A～1C是說明按照傳統的覆蓋WCVD工藝形成通孔填充W柱塞的工藝的剖面示意圖。
圖2是展示改進的傳統覆WCVD工藝的剖面示意圖。
圖3A～3D是根據本發明第一實施例形成通孔填充W柱塞的工藝剖面示意圖。
圖4A～4C是根據本發明第二實施例形成接觸孔填充W柱塞的工藝剖面示意圖。
圖5是本發明工藝優點的曲線圖。
如上所述，圖3A～3D展示了本發明工藝的第一實施例，圖4A～4C展示了本發明工藝的第二實施例如圖3A～3D和圖4A～4C所示的本發明工藝包括以下步驟形成粘附層，形成光刻膠膜，形成掩模，粘附層構圖，形成孔和填充鎢，其目的在于形成W(鎢)柱塞，互連被層間絕緣膜所相互分隔的兩層布線區。
在粘附層形成步驟中，在層間絕緣層13或24上淀積粘附層14或24。
在光刻膠膜形成步驟中，在粘附層14或24上形成光刻膠層13或23。
在掩模形成步驟中，在光刻膠層13或23中形成開口15A或25A。由此構成用于在層間絕緣層13或24中形成孔的掩模。它由其中形成有開口15A或25A的光刻膠層13或23所構成。
在粘附層構形步驟中，對粘附層14或24選擇地去除和構形，以便形成與在光刻膠層形成的開口對應的開口，而且從環繞形成于光刻膠層中的開口邊緣(即從在層間絕緣層已有的形成的孔的開口邊緣)進一步去除在已有的的孔內生長鎢時將以其它方式成為生長核的粘附層。
在孔形成步驟中，使用光刻膠膜15或25作為掩模，形成孔13A或23A使其貫通層間絕緣膜13或23。
在鎢填充步驟中，在形成于層間絕緣膜13或23中的孔13A或23A中淀積W層16或26，其目的在于形成W。
更具體地，在粘附層構形步驟中，以光刻膠膜15或25為掩模，對粘附層14或24選擇地去除和構形。尤其是，以其中形成有開口15A或25A的光刻膠層15或25為掩模，通過各向同性腐蝕選擇性去除粘附層14或24，以使形成于粘附層14或24中的開口14A或24A從形成于光刻膠層15或25中的開口15A或25A的邊緣向外收縮。
在鎢填充步驟中，把鎢層16或26直接填充入層間絕緣膜13或23的孔13A或23A中。另外，也可以在把鎢層16或26填充入層間絕緣膜13或23的孔13A或23A中之前，在層間絕緣膜13或23的孔13A或23A的側壁和底部形成第二粘附層(Ti膜27，第二TiN膜28)，然后把鎢層16或26填充入層間絕緣膜的孔內。
例如粘附層14或24由氮化鈦膜構成。
接著，參考附圖3A～3D，將詳細說明按本發明第一實施例的形成孔填充W柱塞的工藝。
如圖3A所示，在下層布線Al導體11上，形成例如厚500埃的第一粘附TiN層12，在第一粘附TiN層12上再形成層間絕緣膜13。
然后，通過濺射法在層間絕緣膜13上形成例如厚500埃的第二粘附TiN層14(粘附層形成步驟)。
在第二TiN膜14上淀積光刻膠膜15(光刻膠膜形成步驟)，實施傳統的光刻法在光刻膠膜15形成開口15A，形成用于在層間絕緣膜13中形成孔的掩模，如圖3A所示(掩模形成步驟)。
然后，如圖3B所示，進行各向同性腐蝕，選擇地去除第二TiN膜14，從而形成直徑比光刻膠膜15中開口15A直徑口開500埃的開口14A(粘附層構形步驟)。在此去除鎢填充步驟中在貫通層間絕緣層形成的孔中生長鎢時，將會成為W生長核的TiN層14。例如，使用氯氣進行各向同性腐蝕用以選擇地去除TiN膜14。
接著以光刻膠膜15為掩模，采用各向異性腐蝕例如反應離子腐蝕選擇地去除層間絕緣層13直至露出位于下層布線導體11上的第一TiN膜12，如圖3C所示。由此，形成貫通層間絕緣層13的通孔13A(孔形成步驟)。在此工藝中，例如使用CHF3作為腐蝕氣體。由此形成的通孔13A的直徑基本與光刻膠膜15的開口15A的直徑相同。
形成通孔13A之后，去除光刻膠膜15。然后，采用覆蓋WCVD使W層16在通孔13A及其周圍生長(鎢填充步驟)。
在位于下層布線導體11上的第一TiN膜12上和位于層間絕緣膜13上的第二TiN膜14上，TiN膜成為W生長核，因此W層16的生長速率高于通孔的側壁生長速度。此外，在第一實施例中，由于第二TiN膜14的開口邊緣從通孔13A的開口邊緣向外收縮500埃，所以圍繞通孔13A的開口不存在成為W生長核的TiN膜14。因此，圍繞通孔13A開口的W膜16生長被抑制，以致W層16從通孔13A的底部向整個通孔13A生長。換言之，不可能由于圍繞通孔13A開口的W層16快速生長，而導致在通孔整體被W層16完全填充成充滿之前的初期使通孔13A的開口被封閉。所以，在填充于通孔13的W層16中不會產生氣孔。
W層生長之后，如圖3D所示，對W層深腐蝕直至露出TiN膜14，以使W層16僅留在通孔13A中和留在層間絕緣膜13的表面上延續到露出的TiN膜14這種留下的W層16形成3W。
由于W柱塞中不存在氣孔，所以可提高可靠性。如果W柱塞中存在氣孔，經常會發生斷路，這是因為布線導體塌陷進氣孔，或者因為由氣孔中殘留的氣體膨脹而導致W柱塞的上部破裂及消失。此第一實施例能使由于上述原因而造成的斷路減至零。
順便提及，在上述工藝中，TiN層12不僅起粘附層的作用，而且還起阻擋金屬的作用，用于防止下層布線Al導體11與W層16之間反應。
接著，參考圖4A～4C，將詳細說明本發明第二實施例的形成對擴散區和布線導體進行內連接的接觸孔填充W柱塞的工藝。
如圖4A所示，在其主表面中形成有擴散區21A的硅襯底21上形成層間絕緣膜23。采用濺射法在層間絕緣膜23上形成厚約500埃的第一粘附TiN膜24(粘附層形成步驟)。
然后，在第一TiN膜24上形成光刻膠膜25(光刻膠膜形成步驟)，用傳統的光刻法，在光刻膠膜25中形成開口25A，以便形成用來在層間絕緣膜23中形成孔的掩模，如圖4A所示(掩模形成步驟)。
而且，以光刻膠膜25為掩模進行各向同性腐蝕，選擇性去除第二TiN膜以便形成直徑比光刻膠膜25的開口25A的直徑約大500鐵的開口24A。在此去除，鎢填充步驟中在貫通層間絕緣層的孔中生長鎢時，將會成為W生長核的TiN層24(粘附層造型步驟)。例如，使用氯氣通過等離子腐蝕進行各向同性腐蝕選擇地去除TiN膜14。
接著還以光刻膠膜25為掩模，通過各向異性腐蝕例如反應離子腐蝕，去除層間絕緣層23，直至襯底21上的擴散區21A露出。由此，貫穿層間絕緣層23形成接觸孔23A(孔形成步驟)。如此形成的接觸孔23A的直徑與光刻膠膜25的開口25A的直徑基本上相同。
在第二實施例中，在層間絕膜23的接觸孔23A的側壁和底部設置粘附層，這與第一實施例不同。為此目的，如圖4B所示，在仍保留光刻膠膜25的條件下，通過濺射形成Ti(鈦)膜27，作為在擴散區21A中與硅襯底21的接觸金屬，通過濺射形成第二TiN膜28，作為防止硅襯底與鎢(W)之間反應的阻檔金屬。在此工藝中，在光刻膠膜25和開口25A的側表面上形成Ti膜27TiN膜28。但是，其中形成有Ti膜27和TiN膜28伸出區域位于光刻膠膜25的開口25A的附近。另一方面，由于TiN膜24的開口邊緣在層間絕緣層23的孔23A的開口邊緣附近，向外收縮，所以不存在會成為W生長核的TiN膜的伸出部分。例如，在接觸孔23A的底部，Ti膜27的厚度為300埃數量級，TiN膜28的厚度為500埃數量級。之后，同時去除光刻膠膜25和位于光刻膠25之上的Ti膜27和TiN膜28。
然后，與第一實施例類似，進行覆蓋WCVD工藝，以使W層26連接觸孔23A及其周圍生長(鎢填充步驟)。這里，在接觸孔23之內的第二TiN膜28上和層間絕緣膜23之上的第一TiN膜24上，W層的生長處于其它區域。在第二實施例中，由于第二TiN膜24的開口24A邊緣從接觸孔23A的開口邊緣向外收縮500埃，所以填充在接觸孔23A內的W層26不會產生氣孔，這與第一實施例相同。
W層生長之后，如圖4C所示，對W層深腐蝕直至TiN膜24露出，所使W層26僅留在接觸孔23A內并在層間絕緣膜23表面上延續露出的TiN膜24。此留存的W層26形成W柱塞。由于W柱塞中不存在氣孔，因而可提高可靠性，此第二實施例可使由氣孔造成的斷路減至零，這與第一實施例相同。
在此第二實施例，如果在形成于層間絕緣膜中的孔的側壁和底部上形成粘附和阻檔層，則可以自由地選擇填充W層的方法，并可自由地選擇由W柱塞所連接的物體。
參看圖5，這里展示了從第一和第二實施例中層間絕緣膜13和23中的孔13A和23A的開口邊緣TiN膜的收縮量，氣孔量和通孔導電性的百分比缺陷之間的關系。從圖5可見，如果在柱塞中不產生氣孔可以極大地改善布線的可靠性。例如，在通孔直徑為0.6μm的情況下，形成在層間絕緣膜上的TiN膜的開口邊緣從形成在層間絕緣膜中的孔的開口邊緣向外收縮量最好不少于400埃左右。
在上述實施例中，形成了W柱塞。但是，根據本發明的構思，可以形成由除W之外的金屬構成的柱塞，或者由選自包括W和其它金屬在內的一組金屬中的金屬化合物的構成。
結合特定實施例已展示和說明了本發明。但是，應該注意，本發明并不限于已說明的結構的細節，而可以做出各種變化和改進但均在權利要求書要求保護中的范圍之內。
權利要求
1.半導體器件的制造方法，包括以下步驟在設置于半導體襯底上的絕緣膜中形成凹槽，在所述凹槽的至少部分側表面和底表面形成粘附層，以使所述絕緣膜從包括所述凹槽在內的邊緣延伸出的特定區域中露出，把金屬或金屬化合物填充入所述凹槽之內。
2.根據權利要求1的方法，其特征是通過化學汽相淀積進行所述金屬或所述金屬化合物的所述填充。
3.一種形成鎢柱塞的方法，該鎢柱塞互連被層間絕緣膜所相互絕緣的上層導體和下層導電區，包括以下步驟在所述下層導電區上形成所述層間絕緣膜；在所述層間絕緣膜上形成粘附層；在所述粘附層上形成光刻膠層；在所述光刻膠層中形成開口，由此用有開口的所述光刻膠層作掩模層，用于在所述層間絕緣膜中形成孔；選擇性去除所述粘附層，形成與形成在所述光刻膠層中的所述開口對應的開口，而且從形成在所述光刻膠層中的所述開口的邊緣周圍進一步去除在鎢生長時否則將會成為生長核的所述粘附層；形成貫通所述層間絕緣膜的孔，以使所述下層導電區在所述孔的底部露出；把鎢填充入所述層間絕緣膜的所述孔內，從而形成填充所述層間絕緣膜的所述孔的鎢。
4.根據權利要求3的方法，其特征是通過腐蝕來選擇性去除所述粘附層。
5.根據權利要求3的方法，其特征是以其中形成有所述開口的所述光刻膠層為掩模，通過各向同性腐蝕，選擇性去除所述粘附層以使形成于所述粘附層中的所述開口從形成于所述光刻膠層中的所述開口的邊緣向外收縮。
6.根據權利要求3的方法，其特征是所述鎢層直接填充所述層間絕緣膜的所述孔內。
7.根據權利要求6的方法，其特征是所述第一粘附層由氮化鈦膜構成。
8.根據權利要求3的方法，其特征是在所述鎢層填充入所述層間絕緣膜的所述孔內之前，在所述層間絕緣膜的所述孔的側壁和底部上形成第二粘附層，之后把所述鎢層填充入所述層間絕緣膜的所述孔。
9.根據權利要求8的方法，其特征是所述第一和第二粘附層由氮化鈦膜構成。
10.根據權利要求3的方法，其特征是所述下層導電區由下層布線導體構成。
11.根據權利要求3的方法，其特征是所述下層導電區由形成在襯底上的擴散區構成。
全文摘要
在互連被層間絕緣膜所絕緣的上層布線導體和下層布線導體的鎢柱塞的形成方法中，在形成于下層布線導體上的層間絕緣膜上形成粘附層。在粘附層上淀積光刻膠層，并在其中形成開口。以其作為掩模，通過各向同性腐蝕，選擇性去除緣向外收縮的開口。形成貫通層間絕緣膜的孔，露出下層布線導體，在層間絕緣膜的孔內形成鎢層，從而形成填充在層間絕緣膜的孔內的鎢。
文檔編號H01L21/768GK1135094SQ9511946
公開日1996年11月6日 申請日期1995年12月20日 優先權日1994年12月20日
發明者松本明 申請人:日本電氣株式會社