半导体器件及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种半导体器件及其制造方法。本发明专利技术的目的在于，在通过使用双大马士革工艺在层间绝缘膜中形成Cu布线时，在低硬度层间绝缘膜和高硬度层间绝缘膜中分别形成的过孔中完全填充布线材料。根据本发明专利技术，第二层间绝缘膜在其中具有布线槽和过孔二者。过孔在其开口部分处具有凹陷部分，该凹陷部分具有锥形的横截面形状。这是通过使第二层间绝缘膜向下倾斜回缩而形成的。因此过孔的开口部分的直径变得大于开口部分下方的区域的直径，并且变得即使过孔具有精细的直径也可以在过孔中完全填充布线材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种半导体器件及其制造技术，具体地，涉及ー种当应用于使用双大马士革エ艺用于在半导体衬底上的层间绝缘膜中形成精细Cu布线的半导体器件的制造时有效的技木。
技术介绍
随着LSI (大規模集成电路)的微型化和速度提高，代替传统上使用的Al (铝)，具有更低的电阻的Cu(铜)开始被频繁地用作LSI的布线材料。然而，Cu与等离子体离子的反应速率是低的，以致当通过刻蚀形成Cu布线时不能实现充分的生产率。因此在Cu布线的形成步骤中已使用大马士革エ艺。这是ー种如下技术，在层间绝缘膜中形成布线槽，在层间绝缘膜上和布线槽中淀积Cu膜，并且随后通过化学机械抛光在层间绝缘膜上抛光/去除Cu膜以在布线槽中形成Cu布线。此外，由于Cu很可能在层间绝缘膜中扩散，所以布线槽中形成的Cu布线四周应覆盖有防扩散膜(阻挡膜)。作为用于覆盖Cu布线的上表面的阻挡膜，典型地使用基于绝缘膜的阻挡膜(衬膜)。该衬膜还用作Cu布线上的层间绝缘膜的一部分。另ー方面，作为用于覆盖布线槽的侧壁和底表面的阻挡膜，使用基于金属的阻挡膜(阻挡金属膜)。阻挡金属在层间绝缘膜的布线槽中形成，使得其用作布线材料的一部分。大马士革エ艺包括单大马士革エ艺和双大马士革エ艺，单大马士革エ艺简单地在布线槽中形成Cu布线，而双大马士革エ艺连续地在层间绝缘膜中形成布线槽和过孔并且随后同时将Cu膜埋入布线槽和过孔中。其中，双大马士革エ艺可以简化Cu布线的形成步骤，使得其已频繁地用在具有多层Cu布线的半导体器件的制造步骤中。在专利文献I至3中可以找到关于使用上述双大马士革エ艺的Cu布线形成技术的描述。专利文献I (日本专利公开第2006-245236号)中描述的双大马士革エ艺包括如下步骤在半导体衬底上形成的绝缘层上形成待刻蚀的第一膜；在待刻蚀的第一膜上形成具有开ロ的第一掩模膜；在第一掩模膜上形成待刻蚀的第二膜以便通过其填充开ロ部分；在待刻蚀的第二膜上形成第二掩模膜；在位于开ロ部分上方的第二掩模膜中形成布线图案；将第二掩模膜用作掩模，刻蚀待刻蚀的第二膜以形成布线图案，从该布线图案的底部使第一掩模膜暴露，并且将从布线图案的底部暴露的第一掩模膜用作掩模，刻蚀待刻蚀的第一膜以在待刻蚀的第一膜中形成过孔图案；以及通过使用布线图案和过孔图案有选择地刻蚀绝缘层以在绝缘层中形成过孔并且同时在过孔上方形成布线槽。根据该文献，将第一掩模膜和第二掩模膜用作掩模，通过同一刻蚀步骤有选择地去除待刻蚀的第一膜和第二膜，并且同时在绝缘层上高精度地形成过孔图案，使得该エ艺可以高精度地形成具有精细的布线结构的双大马士革结构。专利文献2(日本专利公开第2006-294771号)中描述的双大马士革エ艺的特征在于，其配备有如下步骤在绝缘膜上形成第一掩模以便具有布线槽图案的步骤，在第一掩模上形成第二掩模以便具有连接孔图案的步骤，以及利用第一掩模和第二掩模在绝缘膜中形成布线槽和连接孔的步骤；在利用第一掩模和第二掩模在绝缘膜中形成布线槽和连接孔的步骤中，首先在绝缘膜中形成连接孔；并且在与布线槽图案的布置方向相交的方向上形成连接孔图案，同时在第一掩模的一部分上形成连接孔图案的末端部分。根据该エ艺，保证了光刻中的连接孔图案的裕度并且在其中形成有布线槽图案的第一掩模自对准地确定布线槽的布置方向的位置，使得不会发生失准并且能够在布线槽的布置方向上密集地形成连接孔图案。专利文献3 (日本专利公开第2002-319617号)公开了ー种如下技术，在覆盖第一布线层的上部部分的层间绝缘膜中形成布线槽和过孔时，将到达布线槽底部的过孔的上部 部分刻蚀成锥形以便抑制其在嵌入第二布线层期间突出并且因此防止空洞的形成。专利文献I :日本专利公开第2006-245236号专利文献2 :日本专利公开第2006-294771号专利文献3 :日本专利公开第2002-319617号
技术实现思路
当通过上述双大马士革エ艺形成的Cu布线变得较小并且在层间绝缘膜中形成的过孔的直径或者布线槽的宽度减小到与电路的最小加工尺寸相当的尺寸时，特别是设置在布线槽的底部的过孔的宽长比变得较大，这使得难于在过孔中完全填充布线材料(阻挡金属膜、Cu膜)。为了减少在布线槽中形成的布线的寄生电容，被称为“极低介电常数膜”或“超低介电常数膜”的多孔绝缘膜近来已被用作其中以较高密度形成布线槽的下层的层间绝缘膜材料。然而由于多孔绝缘膜的硬度比典型的绝缘膜的硬度低，因此其不易于加工。在其中将金属膜用作掩模通过刻蚀在绝缘膜中形成布线槽的MHM(金属硬掩模)エ艺中，当在用于形成布线槽的掩模图案和用于形成过孔的掩模图案之间出现失准时，过孔的直径下降到电路的最小加工尺寸以下。这使得更加难于在它们中填充布线材料。结果，主要出现了诸如过孔内部的Cu布线的电阻增加或变化的问题。此外，在耦接到这些Cu布线并且位于其上的Cu布线中，发生电迁移或应カ迁移，导致了布线寿命的明显下降。本专利技术的目的在于，在通过使用双大马士革エ艺在多个层的层间绝缘膜中具有Cu布线的半导体器件中，提供一种能够在其下方具有低硬度层的层间绝缘膜以及其上方具有高硬度层的层间绝缘膜中形成的过孔中完全填充布线材料的技术。本专利技术的另一目的在于，在通过使用双大马士革エ艺在多个层的层间绝缘膜中具有Cu布线的半导体器件中，提供一种能够在同一层间绝缘膜中形成但是具有不同直径的多个过孔中完全填充布线材料的技木。根据这里的描述和附图，本专利技术的上述和其他目的以及新颖特征将是明显的。接下来将简单地概述这里公开的本专利技术中的典型专利技术。根据本专利技术的一个优选实施例的制造半导体器件的方法包括以下步骤(a)在半导体衬底的主表面上方连续地形成第一刻蚀停止膜和第一层间绝缘膜并且在第一层间绝缘膜上方形成包含金属元素的第一金属硬掩模层，(b)将第一光致抗蚀剂膜用作掩模刻蚀第一金属硬掩模层以在第一金属硬掩模层中形成多个第一布线槽图案，(C)在去除第一光致抗蚀剂膜之后，在具有其中形成有第一布线槽图案的第一金属硬掩模层上方形成第二光致抗蚀剂膜，(d)将具有其中构图有多个第一过孔的第二光致抗蚀剂膜和第一金属硬掩模层用作掩模刻蚀第一层间绝缘膜以在第一层间绝缘膜中形成第一过孔，(e)在去除第二光致抗蚀剂膜之后，将第一金属硬掩模层用作掩模刻蚀第一层间绝缘膜以在第一层间绝缘膜中形成多个第一布线槽，第一布线槽的深度小于第一层间绝缘膜的厚度，(f)在步骤(e)期间或之后，去除从每个第一过孔的底表面暴露的第一刻蚀停止膜，(g)在步骤(f)之后，在第一金属硬掩模层上方、在每个第一布线槽中和在每个第一过孔中连续地淀积第一阻挡金属膜和以Cu作为其主要成分的第一金属膜，(h)通过化学机械抛光来抛光和去除在第一层间绝缘膜上方第一金属膜、第一阻挡金属膜和第一金属硬掩模层以形成包括在每个第一布 线槽和每个第一过孔中的第一金属膜和第一阻挡金属膜的第一级布线，(i)在第一层间绝 缘膜和第一级布线上方连续地形成第二刻蚀停止膜和第二层间绝缘膜，(j)将具有其中构图有多个第二过孔的第三光致抗蚀剂膜用作掩模刻蚀第二层间绝缘膜以在第二层间绝缘膜中形成第二过孔，(k)在去除第三光致抗蚀剂膜之后，在第二层间绝缘膜上方形成第四光致抗蚀剂膜，(I)将具有其中构图有多个第二布线槽的第四光致抗蚀剂膜用作掩模刻蚀第ニ层间绝缘膜以在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造半导体器件的方法，包括以下步骤：(a)在半导体衬底的主表面上方连续地形成第一刻蚀停止膜和第一层间绝缘膜，并且在所述第一层间绝缘膜上方形成包含金属元素的第一金属硬掩模层；(b)将第一光致抗蚀剂膜用作掩模，刻蚀所述第一金属硬掩模层，以在所述第一金属硬掩模层中形成多个第一布线槽图案；(c)在去除所述第一光致抗蚀剂膜之后，在其中形成有所述第一布线槽图案的所述第一金属硬掩模层上方形成第二光致抗蚀剂膜；(d)将其中构图有多个第一过孔的所述第二光致抗蚀剂膜和所述第一金属硬掩模层用作掩模，刻蚀所述第一层间绝缘膜，以在所述第一层间绝缘膜中形成所述第一过孔；(e)在去除所述第二光致抗蚀剂膜之后，将所述第一金属硬掩模层用作掩模，刻蚀所述第一层间绝缘膜，以在所述第一层间绝缘膜中形成多个第一布线槽，所述第一布线槽的深度小于所述第一层间绝缘膜的厚度；(f)在步骤(e)期间或之后，去除从每个所述第一过孔的底表面暴露的所述第一刻蚀停止膜；(g)在步骤(f)之后，在所述第一金属硬掩模层上方、在每个所述第一布线槽中和在每个所述第一过孔中连续地淀积第一阻挡金属膜和以Cu作为其主要成分的第一金属膜；(h)通过使用化学机械抛光来抛光和去除在所述第一层间绝缘膜上方的所述第一金属膜、所述第一阻挡金属膜和所述第一金属硬掩模层，以形成具有在每个所述第一布线槽和每个所述第一过孔中的所述第一金属膜和所述第一阻挡金属膜的第一级布线；(i)在所述第一层间绝缘膜和所述第一级布线上方连续地形成第二刻蚀停止膜和第二层间绝缘膜；(j)利用其中构图有多个第二过孔的第三光致抗蚀剂膜来刻蚀所述第二层间绝缘膜，以在所述第二层间绝缘膜中形成所述第二过孔；(k)在去除所述第三光致抗蚀剂膜之后，在所述第二层间绝缘膜上方形成第四光致抗蚀剂膜；(l)将其中构图有多个第二布线槽的所述第四光致抗蚀剂用作掩模，刻蚀所述第二层间绝缘膜，以在所述第二层间绝缘膜中形成所述第二布线槽，所述第二布线槽的深度小于所述第二层间绝缘膜的厚度；(m)在去除所述第四光致抗蚀剂膜之后，去除从每个所述第二过孔的底表面暴露的所述第二刻蚀停止膜；(n)在步骤(m)之后，在所述第二层间绝缘膜上方以及在每个所述第二布线槽中和在每个所述第二过孔中淀积具有金属氮化物膜的第二阻挡金属膜；(o)去除每个所述第二过孔的底表面上的所述第二阻挡金属膜并且使所述第一级布线从每个所述第二过孔的底表面暴露；(p)在步骤(o)之后，在所述第二层间绝缘膜上方以及在每个所述第二布线槽中和在每个所述第二过孔中连续地淀积具有金属膜的第三阻挡金属膜和以Cu作为主要成分的第二金属膜；以及(q)通过使用化学机械抛光来抛光和去除在所述第二层间绝缘膜上方的所述第二金属膜、所述第三阻挡金属膜和所述第二阻挡金属膜，以形成包括在每个所述第二布线槽和每个所述第二过孔中的所述第二金属膜和所述第三阻挡金属膜的第二级布线，其中在步骤(f)中，通过在每个所述第一过孔的开口部分处使所述第一层间绝缘膜凹陷，使每个所述第一过孔的开口部分的直径大于所述开口部分下方的区域的直径，其中在步骤(m)中，通过在每个所述第二过孔的开口部分处使所述第二层间绝缘膜凹陷，使每个所述第二过孔的开口部分的直径大于所述开口部分下方的区域的直径，以及其中在所述步骤(o)中，通过在每个所述第二过孔的开口部分处溅射刻蚀所述第二阻挡金属膜和所述第二层间绝缘膜，使每个所述第二过孔的开口部分的直径进一步大于所述开口部分下方的区域的直径。...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：富田和朗，
申请(专利权)人：瑞萨电子株式会社，
类型：发明
国别省市：