[发明专利]具有铜金属布线的半导体器件及其形成方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2007年7月25日提交的韩国专利申请第10-2007-0074564号的优先权，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明实施例涉及一种形成半导体器件的铜金属布线的方法，更具体地，涉及一种通过使用双重镶嵌(dual damascene)工艺形成半导体器件的铜金属布线的方法。

背景技术

通常，在制造半导体器件时，金属布线用于元件或布线之间的电连接。近些年来，随着对半导体器件具有更高的集成度和更高的性能的需要，具有比铝(Al)更优异的电特性(诸如导电性)的铜(Cu)被用作形成金属布线的材料。

通过蚀刻工艺不容易使铜金属布线图案化，所以通过镶嵌工艺使铜金属布线图案化，替代了通常用于形成铝金属布线的减成图案法(subtractive patterning method)。在多层布线结构(multi-linestructure)中，已经广泛应用了同时形成连接上层/下层布线和上层金属布线的通孔(via)的双重镶嵌工艺。

在双重镶嵌工艺中，首先沉积并形成金属间(intermetal)介电层。通过实施光刻并随后进行两次蚀刻过程在金属间介电层中形成由沟道和通孔组成的双重镶嵌结构。在沟道和通孔中间隙填充(填缝，gap-fill)铜膜，从而形成抛光的表面。因此，该铜膜通过通孔连接上层/下层布线并在沟道中形成上层金属布线。

图1a到图1i是顺序示出形成半导体器件的铜金属布线的传统方法的过程截面图。

首先参照图1a，在其中形成有下层布线112的衬底110的整个上表面上薄薄地沉积并形成覆盖层(capping layer)120。覆盖层120防止下层布线112的金属原子向外扩散(out-diffusion)进随后在上侧形成于覆盖层120上方的金属间介电层130中。

可以通过形成沟道、用铜薄膜间隙填充该沟道以及抛光所形成的表面在衬底110中形成限定下层布线区域的下层布线112。

覆盖层120可以由氮化硅(SiN，Si₃N₄)或其他具有硬质薄膜(hard film)质量特性的材料形成。

接下来参照图1b，在覆盖层120的整个表面上沉积并形成金属间介电层130。相应的金属介电层130在上层布线和下层布线之间起到了绝缘的作用，且可以由具有低介电常数(低K)的材料诸如氧化硅(SiO₂)膜，掺杂的氧化硅膜或氟化硅玻璃(fluorinated silicaglass(FSG))膜形成。

接下来参照图1c，通过例如典型的光刻工艺，在金属间介电层130上形成具有位于对应特定下层布线112位置处的第一透孔(through-hole)140a的第一光刻胶图案140。

光刻工艺可以包括一系列的过程，诸如光刻胶涂覆、曝光和显影。

接下来参照图1d，通过使用第一光刻胶图案140作为掩膜进行蚀刻，除去由第一光刻胶图案140的第一透孔140a暴露的金属间介电层130和覆盖层120的多个部分。结果，可以垂直形成通孔132以暴露下层布线112的表面。

然后通过例如灰化过程等去除第一光刻胶图案140。

参照图1e，通过例如光刻工艺在金属间介电层130上形成第二光刻胶图案150，该光刻胶图案150具有限定上层布线区域的第二组透孔150a。每一个透孔150a可以具有大于通孔132的宽度。

参照图1f，除去暴露对应于第二光刻胶图案150的第二组透孔150a的金属间介电层130的上部达到特定的预定深度。通过利用第二光刻胶图案150作为掩膜进行蚀刻除去暴露的部分，从而形成沟道134。

当形成通孔132和沟道134时，可以使用诸如具有各向异性特性的反应性离子蚀刻(RIE)的干蚀刻工艺。

在一定的条件下，可以用第二光刻胶膜间隙填充通孔132的内部。然而，在这样的条件下，仍然可以在通孔132上方形成沟道134。如图中所示，不仅可在通孔132上形成沟道134，而且也可在其中没有形成通孔132的部分形成沟道134。

在形成沟道134后，通过例如灰化过程等除去第二光刻胶图案150。

从而，形成在上侧上具有沟道134并在下侧上具有通孔132的双重镶嵌结构。