[发明专利]具有金属互连的半导体器件、制造方法及半导体集群设备

说明书

技术领域

本发明总体涉及半导体器件，更特别地，涉及制造半导体器件的设备和方法。

背景技术

随着半导体器件的高度集成，金属互连的宽度和厚度逐渐减小从而增大了金属互连的电阻。因而，广泛用作金属互连层的铝层已被具有低电阻率的铜层代替。然而，当铜层用于最顶上的互连例如结合焊盘的形成时，铜层会容易地被氧化。因而，铝层仍用于形成位于铜互连上方的最顶上的互连。在该情况下，在接触区域例如接触孔中铝互连会直接接触铜互连，且铜互连中的铜原子或铝互连中的铝原子会扩散出来从而形成含有铜原子和铝原子的合金层。该合金层会具有高电阻率，从而使半导体器件的电特性退化。

此外，铝互连可形成在开口例如接触孔中。随着半导体器件的集成密度增大，接触孔的纵横比(aspect ratio)也会增大。因此，在铝互连的形成期间难以完全填充接触孔而没有任何空隙(void)。接触孔中的空隙会导致半导体器件电特性的退化。

发明内容

本发明的示范性实施例涉及具有金属互连的半导体器件、在该半导体器件的制造中使用的半导体集群设备、以及制造该半导体器件的方法。在一示范性实施例中，半导体器件包括具有导电图案的半导体衬底。绝缘层设置在该导电图案和该半导体衬底上。绝缘层具有穿透该绝缘层以露出部分导电图案的开口。金属互连设置在该绝缘层上和该开口中。第一扩散阻挡图案设置在该金属互连和该导电图案之间。该第一扩散阻挡图案含有氧原子。

在一些实施例中，氧原子可位于该第一扩散阻挡图案的晶界(grainboundary)。

在另一些实施例中，该导电图案可含有铜，该金属互连可含有铝。

在又一些实施例中，该半导体器件还可包括在该第一扩散阻挡图案和该金属互连之间的第二扩散阻挡图案。该第一和第二扩散阻挡图案的每个可含有难熔金属。该难熔金属可包括Ti、Ta、Nb、V、Zr、Hf、Mo、Re、W和TiZr中的至少一种。供选地，该第一和第二扩散阻挡图案的每个可包括难熔金属氮化物。在该情况下，该难熔金属氮化物层可包括氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、氮化铌(NbN)、氮化钒(VN)、氮化锆(ZrN)、氮化铪(HfN)、氮化钼(MoN)、氮化铼(ReN)、氮化钨(WN)和氮化锆钛(TiZrN)之一。该第二扩散阻挡图案可延伸到开口的侧壁上。在该情况下，该半导体器件还可包括设置在开口中的第二扩散阻挡图案的上侧壁与开口中的金属互连的上侧壁之间的抗沉积图案(deposition resistant pattern)。如此，开口中的第二扩散阻挡图案的下侧壁可与金属互连直接接触。第二扩散阻挡图案可包括第一金属氮化物层，抗沉积图案可包括第二金属氮化物层。第二金属氮化物层的氮含量可高于第一金属氮化物层的氮含量。第一和第二金属氮化物层可含有相同的难熔金属。第二扩散阻挡图案可包括难熔金属层，抗沉积图案可包括难熔金属氮化物层。

在另一示范性实施例中，一种半导体集群设备包括第一腔室，其执行在具有开口的衬底上形成预扩散阻挡层，提供氧原子到该预扩散阻挡层上以形成第一扩散阻挡层和在该第一扩散阻挡层上形成第二扩散阻挡层中的至少一个。第二腔室设置来在开口中的第二扩散阻挡层的上侧壁和开口外的第二扩散阻挡层的顶表面上形成抗沉积层。抗沉积层露出开口中的第二扩散阻挡层的下侧壁。第三腔室设置来在具有抗沉积层的衬底上形成金属层。金属层填充该开口。

在一些实施例中，该半导体集群设备可包括第四腔室和第五腔室。在该情况下，在第一腔室中执行预扩散阻挡层的形成，在第四腔室中执行氧原子的提供，在第五腔室中执行第二扩散阻挡层的形成。

在另一些实施例中，第四腔室可以是清洁室、脱气(degassing)室和冷却室之一。清洁室可配置来清洁具有开口的衬底的表面。

在另一些实施例中，衬底可具有绝缘层，开口定位得穿透该绝缘层。

在另一示范性实施例中，一种制造半导体器件的方法包括提供具有导电图案的半导体衬底。绝缘层形成在导电图案和半导体衬底上。绝缘层被构图以形成露出部分导电图案的开口。在开口的内壁和绝缘层的顶面上形成预扩散阻挡层。向预扩散阻挡层上提供氧原子以形成第一扩散阻挡层。在第一扩散阻挡层上形成金属层。形成金属层以填充由第一扩散阻挡层围绕的开口。

在一些实施例中，氧原子可以提供至预扩散阻挡层的晶界。

在其他的实施例中，可以使用热氧处理工艺提供氧原子。

在另外的其他实施例中，可以使用氧等离子体工艺提供氧原子。