[发明专利]形成半导体器件金属互连的方法

说明书

本发明涉及一种形成半导体器件的方法，尤其是涉及一种包括扩散阻挡金属层的半导体器件的金属互连的形成方法。

随着半导体器件集成度的提高，为使互连设计不受拘束及容易，并使电阻、电流容易可变，已研究出许多方法。

通常，铝被广泛用作半导体器件的金属互连材料。随着集成度的增加，互连线变细，所以电流密度增加。然而电流密度的增加会因电迁移、抗反射和应力转移而产生失效，由此导致可靠性的下降。

为解决上述问题，已经有一种在铝(Al)互连上淀积铜(Cu)或钛(Ti)的方法，但这种方法会导致由小丘和晶须现象而产生的象绝缘失效和互连短路的严重问题。

图1是根据常规技术在形成扩散阻挡层后形成了金属互连的半导体器件的截面示意图。在常规方法中，首先在半导体衬底1上形成绝缘层2。此后，通过蚀刻绝缘层的某些部位直至露出衬底1的表面，从而在半导体衬底1的预定区域形成接触孔。接着，用物理汽相淀积法依次形成钛(Ti)扩散阻挡层3和氮化钛(TiN)4。最后用金属铝或铝合金在氮化钛层4上形成金属互连8。

然而，随着器件高集成度的发展，接触孔尺寸一般越来越小，接触孔的高宽比随接触孔尺寸的减小而增加。因而在如上所述用物理汽相淀积形成扩散阻挡层时，由于所淀积的扩散阻挡层的不平整使台阶覆盖变差。此外，在扩散阻挡层厚度增加时，接触孔的上部棱角会发生阴影效应，从而使后续工艺无法进行。另外，在采用TiCl₄与NH₃反应的化学汽相淀积方法来增强台阶覆盖时，存在颗粒过量产生的问题。因此，结果是器件的成品率和可靠性下降，而且，此时会因在TiN淀积期间物相变成非晶相而导致的器件内阻的增加而产生器件速度降低的问题。

因此，本发明的目的是提供一种形成半导体器件金属互连的方法，该方法能够通过增强扩散阻挡层的台阶覆盖和降低内阻及颗粒的产生来提高半导体器件的成品率和可靠性。

为实现本发明的目的，首先在其内形成有源区，然后在其上形成绝缘层的半导体衬底的预定部位形成接触孔。接着用化学汽相淀积法在接触孔和绝缘层上依次淀积均具有预定厚度的钛和氮化钛层。

下一步是为改变所淀积的氮化钛层的物相和所变换的每一层中N₂的含量而进行的氮气氛下的热退火。最后，在扩散阻挡层上淀积低电阻率的互连金属，由此形成使有源区相互连接的金属互连，之后，在接触孔和绝缘层上形成所有层的图形。

另一方面，本发明也可以还包括淀积弧形薄膜的步骤，该弧形薄膜(arc-thin film)可防止在所形成的各层的图形前，在互连金属上发生光的反射。

图1是表示根据传统的实例的形成金属互连的方法的剖面示意图。

图2A至2D分别是表示根据本发明实施例的形成金属互连的顺序工艺过程的剖面示意图。

下文参照图2A至2D对本发明的优选实施例进行描述。

图2A至2D是表示根据本发明实施例的形成金属互连的顺序工艺过程的剖面示意图。首先，参照图2A，在包括有源区的半导体衬底1上淀积绝缘层2。然后，采用对曝露的绝缘层进行腐蚀直至露出半导体衬底1的表面为止的光刻法，在绝缘层2的预定部位形成接触孔。

然后，如图2B所示，在接触孔的内部和绝缘层2的整个表面上淀积钛层3，钛层3是采用TiCl₄与NH₃或NF₃反应的化学汽相淀积法形成的非常薄的膜，它薄的能保持接触孔2的形状。采用化学汽相淀积法是为了增强接触孔内侧的台阶覆盖。然后，在钛层3上形成氮化钛层4。用化学汽相淀积法形成氮化钛层4，以抑制颗粒的产生。换句话说，该方法仅采用四二甲基氨基钛[Ti{N(CH₃)₂}₄]或四二乙基氨基钛[Ti{N(C₂H₅)₄}]原料并采用热退火法由所说两种化合物之一分解出氮化钛，其中热退火中所用气体为氮和/或氦。TiN的淀积温度范围在300～500℃，炉子的压力控制在5～10mTorr范围，所形成的是非晶层。此后，在400～600℃的氮气氖中对形成了上述各层的半导体衬底进行热退火。通过退火工艺就将氮化钛层4转变成了物理性质各不相同的三个氮化钛层5、6、7。下层或第一层是由以非晶层形态存在的氮化钛5组成，中间层或第二层是由以结晶层形态存在的氮化钛6组成，上层或第三层是由以富氮结晶层形态存在的氮化钛7组成。这里也可采用代表常规的热退火工艺的快速热退火(RTA)方法，即可在700～900℃温度范围下进行10至30秒的