[發明專利]半導體裝置及用于制造半導體裝置的方法

有效

• 申請號: 201010508390.5
• 申請日: 2010-10-08
• 公開（公告）號: CN102034744A
• 公開（公告）日: 2011-04-27
• 發明（設計）人: 古谷晃
• 申請（專利權）人: 瑞薩電子株式會社
• 主分類號: H01L21/768
• 分類號: H01L21/768;H01L23/52
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司 11219
• 代理人: 孫志湧;穆德駿

本申請基于日本專利申請No.2009-231,131，該申請的全部內容通過引用并入到本文中。

技術領域

本發明涉及一種半導體裝置和用于制造半導體裝置的方法。具體而言，本發明涉及在半導體元件之間提供連接的互連結構及其制造方法。

背景技術

近年來，經由互連的信號傳播的延遲限制了半導體裝置中的裝置操作速度。穿過互連的延遲常數由互連之間的互連電阻和電容的乘積來表示。因此，采用具有較低的比電阻的銅(Cu)作為互連材料，以便減小互連電阻來實現更快的裝置操作。

借助于鑲嵌工藝形成Cu多層互連。鑲嵌工藝通常包括：淀積諸如層間絕緣膜的絕緣膜的操作；處理絕緣膜來形成凹部的操作；淀積阻擋材料的操作；淀積稱為Cu晶種的Cu薄膜的操作；借助于通過利用Cu薄膜作為用于電解鍍工藝中的陰極的Cu鍍淀積工藝來填充凹部的內部的操作；借助于化學機械拋光(CMP)工藝移除淀積在除凹部之外的部分中的Cu和阻擋材料的部分的操作；以及，淀積阻擋絕緣膜的操作。

圖21A至圖21C為半導體裝置的截面視圖，其用于描述用于借助于常規Cu淀積工藝填充凹部的內部的操作。如圖21A中所示，絕緣膜301和絕緣膜302順序地淀積在襯底30上。盡管未提供詳細描述，但襯底30的上表面設有諸如晶體管的半導體元件、用于覆蓋其的層間絕緣膜、用于使半導體元件與互連層結合的接觸，以及根據情況的互連層。阻擋金屬膜203和Cu互連304埋在絕緣膜301的溝槽中。凹部315形成在淀積于Cu互連304上的絕緣膜302中，且阻擋金屬膜312和Cu晶種膜314順序地淀積在凹部315的底面和側壁及絕緣膜302的表面上。然后，如圖21B中所示，借助于通過利用Cu晶種膜314作為陰極的鍍工藝來在Cu晶種膜314的表面上淀積由Cu構成的電解鍍膜340。圖21B示出了Cu電解鍍操作的工藝期間的截面視圖。

在Cu多層互連中的Cu互連中的被稱為空隙的空的空間的存在引起電阻增加且可靠性劣化，從而導致半導體裝置(芯片)產量降低的問題。因此，重要的是，在上述電解鍍工藝期間，執行Cu淀積(填充)，而沒有在形成于絕緣膜302中的凹部315內產生空隙。圖21C示出了Cu電解鍍工藝之后的Cu互連，其中，在Cu互連中產生被稱為空隙的空的空間。電解鍍的特性受到電場強度的影響，并且其中存在較強電場強度的凹部315的開口中的淀積速率高于凹部315側壁中的淀積速率，并且因此，未能獲得凹部315的底表面上足夠高的增長速率引起開口在鍍膜的淀積從底表面到達開口之前不想要的封閉。開口的這樣的封閉導致包含在鍍液內的金屬離子向凹部315的提供的停止，以及電場的遮斷，從而在底表面上淀積的Cu鍍膜的生長在到達開口之前停止，且因此，殘留了凹部315中沒有鍍工藝的淀積的部分，從而產生空隙。因此，為了抑制這種空隙的產生，一種方法為通過將淀積促進劑和淀積抑制劑添加到電解鍍液中來局部地控制填充Cu的淀積速率，從而在凹部315的底表面中提供比凹部315的開口和側壁中的淀積速率更高的淀積速率。這種用于鍍工藝的方法被稱為從底向上的填充或超共形填充。

這里，諸如聚乙二醇或聚丙二醇的共聚物的聚合物通常用作淀積抑制劑。磺酸鈉通常用作淀積促進劑。

目前仍不確定從底向上填充的詳細機制，并且如下地估計該機制。

淀積抑制劑和淀積促進劑包含在普通的電解鍍液中。當具有形成在凹部的內部和外部中的晶種的襯底浸沒在這種電解鍍液中時，淀積抑制劑和淀積促進劑就以與電解鍍液的濃度相關的速率在晶種的表面上被吸收。在鍍淀積工藝的初始階段，淀積促進劑在凹部的內部的作用與在凹部的外部的作用沒有很大不同。然而，總體鍍膜的生長導致膜在凹部的內部中從凹部的側壁生長，尤其是在圍繞其底部的部分中，且因此這提供了凹部的內部中的晶種的表面面積的減小。另一方面，由于在晶種表面上吸收的淀積促進劑并未解吸，因此凹部的內部中的晶種的表面面積的減小導致淀積促進劑在該部分中的晶種的表面上的濃度的增加。這導致相對增強了加速凹部的內部中的淀積的效果，且因此，凹部的內部中的晶種上借助于鍍工藝的淀積的速率高于凹部的外部中的速率。

從底向上生長是利用上述現象的工藝，且如果凹部的底部中借助于鍍工藝的淀積的速率足夠高于凹部的開口和側壁中的速率，則從底部生長的鍍膜就能夠在開口封閉之前到達開口，且因此，實現了凹部的填充，同時抑制了凹部的內部中的空隙的產生。