[发明专利]半导体器件及其制造方法

说明书

本申请是申请日为2005年10月28日、申请号为200510118486.X、发明名称为“半导体器件及其制造方法”的发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本发明基于并要求2005年7月13日申请的日本专利申请No.2005-204409的优先权，在此通过参考援引其全部内容。

技术领域

本发明涉及一种半导体器件及其制造方法，更具体地，涉及一种具有由铜或铜合金构成的插塞与布线的半导体器件及其制造方法。

背景技术

铜(Cu)被用作半导体集成电路装置的布线材料。与传统使用的铝(Al)相比，铜易于扩散到绝缘膜中，并且容易导致短路。此外，铜膜与绝缘膜的粘附力(adhesion)不足，并且在化学机械研磨(CMP)工艺的过程中容易剥落。而且，Cu比Al更易于氧化。此外，由于铜氧化膜不能抑制氧化分子的扩散，氧化容易扩展。

为了防止铜扩散并增强与绝缘膜的紧密粘附力，人们采用一种这样的结构，在该结构中在铜布线与绝缘膜之间插入由Ti、TiN、Ta、TaN、W、WN等制成的阻挡金属层。该阻挡金属层的材料具有高于铜的电阻率。当在通孔(特别是小直径的通孔)的内壁上形成阻挡金属层时，该阻挡金属层在截平面(plan cross section)中所占的比率变高了，并且电阻增加了。如果阻挡金属层被制得很薄以抑制电阻的增加，则难以保持足够的阻挡性能。

日本特公平7-60852号公报以及日本特开平11-54458公报中公开了形成解决上述问题的铜布线的方法。按照特公平7-60852中所公开的方法，在形成于层间绝缘膜中的布线沟槽内嵌入铜合金。执行热处理以使该铜合金中的合金元素与该绝缘膜中的氧反应以形成金属氧化膜。该金属氧化膜具有防止铜扩散和提高粘附力的功能。Al或Cr被用作该合金元素。

按照特开平11-54458中所公开的方法，在布线沟槽中形成薄铜合金层，然后在该布线沟槽中嵌入纯铜。执行热处理以使该铜合金中的合金元素与绝缘膜中的氧反应以形成金属氧化膜。该金属氧化膜具有防止铜扩散和提高粘附力的功能。Mg、Al、B、Ta、Te、Ti等被用作该合金元素。

发明内容

从以良好的再现性形成具有足够的防扩散功能的膜的角度来看，上述传统方法的某些方面有待改进。本发明的一个目的是提供一种能够提高防扩散功能的半导体器件及其制造方法。

按照本发明的第一方案，提供一种半导体器件的制造方法，其包括如下步骤：(a)在形成于半导体衬底上的含氧绝缘体的表面上形成铜合金膜，该铜合金膜包含除铜之外的至少两种金属元素；以及(b)在该铜合金膜上形成由纯铜或铜合金制成的金属膜；并进一步包括如下步骤：(c)在步骤(a)或(b)之后，在通过该绝缘体中的氧与该铜合金膜中的金属元素之间的反应而在该绝缘体的表面上形成金属氧化膜的条件下，执行热处理；其中：步骤(a)形成由包含至少三种元素的铜合金制成的该铜合金膜，所述至少三种元素包括除铜之外的至少两种金属元素。

按照本发明的第二方案，提供一种半导体器件的制造方法，其包括如下步骤：(a)在形成于半导体衬底上的含氧绝缘体的表面上形成阻挡金属层，该阻挡金属层由难熔金属、含难熔金属元素的合金或难熔金属元素的氮化物制成；(b)在该阻挡金属层上形成铜合金膜；以及(c)于在该阻挡金属层的部分表面区域上，该铜合金膜中的铜以及合金元素与该绝缘体中的氧相互扩散的条件下，执行热处理，以形成金属氧化膜。

按照本发明的第三方案，提供一种半导体器件，其包括：绝缘膜，其形成于半导体衬底上并由含氧绝缘体制成；凹槽，其形成于该绝缘膜中；导电元件，其嵌入该凹槽中并由铜或铜合金制成；以及金属氧化膜，其设置于该绝缘膜与该导电元件之间的界面处，包含铜以及除铜之外的至少两种金属元素，其中接触该金属氧化膜的该导电元件的部分区域由铜和该金属氧化膜的所述至少两种金属元素的合金制成。

按照本发明的第四方案，提供一种半导体器件，其包括：绝缘膜，其形成于半导体衬底上并由含氧绝缘体制成；凹槽，其形成于该绝缘膜中；阻挡金属层，其覆盖该凹槽的内表面，并由难熔金属、含难熔金属元素的合金或难熔金属元素的氮化物制成；以及铜合金膜，其形成于该阻挡金属层上，其中通过该铜合金膜中的金属元素与该绝缘膜中的氧的相互扩散以及反应在该绝缘体的部分表面区域中形成金属氧化物。