专利名称：半导体器件中多层互连的形成方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件中多层互连的形成方法。
要增加半导体器件的集成密度，则需要缩小互连并增加互连层数。要缩小互连，主要应使层间绝缘体的表面平面化。层间绝缘体上形成的互连尺寸精度与层间绝缘体的表面平面化程度密切相关。互连层数增加会增大上部互连层差，或互连的台阶高度。若上部互连的层差超过照相聚焦深度，则用台阶连接的上部和下部之间的互连尺寸不同。为提高互连尺寸精度，主要是尽可能降低台阶。
现有技术中，层间绝缘体常用下述工艺制造。用等离子化学汽相淀积法淀积第一氧化硅膜。在第一氧硅膜上形成旋涂玻璃膜(Spin-on-glass膜，SOG膜)，以获借用表面(plagiarized surface)。用等离子化学气相淀积法在SOG膜上淀积第二氧化硅膜。用SOG膜的平面化方法，对借用(plagiarize)集中了许多窄互连的部分是有效的。这种情况下，在窄互连上形成的SOG膜是薄的，在宽互连上形成的SOG膜是厚的。结果，难以完全借用芯片的整个表面，由此造成层间绝缘体上形成的互连尺寸变化。这就是说难以构成精细互连。
为了完全借用层间绝缘体便增加了要求。为便于平面化，设置具有能包容钨构成的互连的槽的氧化硅膜是有效的。VLSIMultilevel Interconnection Conference Proceedings，June1992.pp22-28公开了该技术。钨膜埋在64兆位DRAM的连接部分中。第一互连层包括埋在氧化硅膜的互连槽内的钨膜。第二互连层包括铝膜和钨膜的迭层结构。
将结合附图1A至1H对上述技术做如下的详细说明。
如图1A所示，在硅衬底1上形成氧化硅第一绝缘膜2，在第一绝缘膜2上形成氧化硅第二绝缘膜4。
如图1B所示，在第二绝缘膜4上加光刻胶膜27，然后构图，形成光刻胶图形27。
如图1C所示，用氟气对第二绝缘膜进行反应离子刻蚀，在第二绝缘膜4中构成第一互连槽5。
如图1D所示，用溅射法，在每个第一互连槽5的侧壁和底上，并在第二绝缘膜4的顶上，形成钛膜6-1。用溅射法，在钛膜6-1上形成氮化钛膜7-1。用WF6气和还原的SiH4，用化学气相淀积法，在氮化钛膜7-1的整个表面上生长钨膜8-1。结果，第一互连槽5填入钨膜8-1，并使氮化钛膜7-1完全埋入钨膜8-1中。
如图1E所示，用化学/机械抛光法，选择地除去钨膜8-1、氮化钛膜7-1和钛膜6-1，因而只在第一互连槽5内，留下钨膜8-1，氮化钛膜7-1，和钛膜6-1。结果，在第一互连槽5内形成包括钛膜6-1、氮化钛膜7-1和钨膜8-1的第一互连9-1。
如图1F所示，在器件的水平表面上形成氧化硅第二绝缘膜13，其中，第二绝缘膜13起层间绝缘体作用。用光刻结合反应离子刻蚀法，在第二绝缘膜13中选择构成通孔15。通孔15位于留在第一互连槽5中的钨膜8-1上。用第二绝缘膜13覆盖第一互连9-1的顶部。
如图1G所示，用溅射法、在每个通孔15的侧壁和底上并在第二绝缘膜13的顶上形成钛膜6-2。用溅射法、在钛膜6-2上形成氮化钛膜7-2。用WF6气和还原的SiH4，用化学气相淀积法，在氮化钛膜7-2的整个表面上生长钨膜8-2。结果，用钨膜8-2填充通孔15，并使氮化钛膜7-2的顶完全埋入钨膜8-2中。用化学/机械抛光法，选择地除去钨膜8-2、氮化钛膜7-2和钛膜6-2。只在通孔15内留有钨膜8-2、氮化钛膜7-2和钛膜6-2。结果，在通孔15内形成包括钛膜6-2和氮化钛膜7-2的接触9-2。
如图1H所示，在器件表面上形成氧化硅绝缘膜16。给绝缘膜16上加光刻胶，然后构图，形成光刻胶图形(未画出)。用氟气对绝缘膜16进行反应离子刻蚀，在绝缘膜16内形成第二互连槽18。用溅射法、在每个第二互连槽18的侧壁和底上，并在绝缘膜18的顶上，形成钛膜20。用溅射法、在第二互连槽18内的钛膜20上形成铝膜21。在互连槽18内的铝膜21上形成氮化钨膜22。用WF6气和还原SiH4气，用化学汽相淀积法、在器件整个表面上生长钨膜23。结果，第二互连槽18完全被钨膜23填充。用化学/机械抛光法，选择地除去钨膜23，只在第二互连槽18内留有钨膜23、氮化钨膜22和铝膜21和钛膜20。结果，在第二互连槽18内形成第二互连，每一互连包括钨膜23、氮化钨膜22、铝膜21和钛膜20。
构成多层互连的上述常规方法有以下缺点。如上所述，容纳互连的互连槽是用反应离子刻蚀法刻蚀氧化硅膜4形成的。氧化硅膜4覆盖在氧化硅膜2上。在反应离子刻蚀中，氧化硅膜4具有不比氧化硅膜2大的选择比。因此，氧化硅膜4的刻蚀速率不会大于氧化硅膜2的刻蚀速率。为此，难以精确控制刻蚀深度。由于微载效应(micro-loading)，反应离子刻蚀与图形有关。例如，刻蚀深度随互连槽宽度变化而变化。互连槽深度与互连厚度有关。互连槽深度改变时，互连厚度也改变，因而造成互连可靠性变坏。
下面结合附图2A至2E说明构成多层互连的另一常规方法。用氧化硅膜液相生长和非电镀法构成多层互连。该技术与日本特许公开4-290249所公开的技术相同。构成多层互连的工艺如下。
如图2A所示，在硅衬底1上形成氧化硅膜2。用溅射法在氧化硅膜2上形成厚100nm的铜膜24。
如图2B所示，给铜膜24上加光刻胶，然后构图，形成光刻胶图形3。用第1光刻胶图形3作掩模，选择刻蚀铜膜24。用第1光刻胶图形3作掩模，用液相生长法，选择地生长含氟氧化硅膜4，因此，在第1光刻胶图形3限定的孔内形成含氟氧化硅膜4。
如图2C所示，除去第1光刻胶图形3。用非电镀法，在含氟氧化硅膜4限定的孔内的铜膜24上，选择地形成第1镀铜膜25。
如图2D所示，铜膜24上加光刻胶膜，然后构图，在第1镀铜膜25的预定部分上构成第2光刻胶图形11。用第2光刻胶图形11作掩模，用液相生长法，选择性生长含氟氧化硅膜13A，在第2光刻胶图形11限定的孔内形成含氟氧化硅膜13A。
如图2E所示，除去第2光刻胶图形11。用非电镀法，在含氟氧化硅膜13A限定的孔内的第1镀铜膜25上选择形成第2镀铜膜26。
形成互连的上述方法有以下缺点。如上所述。用非电镀金属填充槽，并用金属填充孔。金属是以限定的金属组，如金、铜和镍适于电镀的金属中选出的。很难用溅射法和化学汽相淀积结构成互连。为了形成氧化硅膜，用了包含HF的H2SiF6。甚至当加入硼酸而出现饱和状态时，HF以萃取方式溶解氧化硅。为此，不可能用溶于HF的金属，如铝。铜趋于氧化。在用液体的镀覆方法中，通孔下面的铜趋于氧化。铜膜的氧化表面起绝缘体作用，从而不能获得第一和第二互连之间的电气连接。
本发明的目的是提供一种无任何上述缺点的新的互连构成方法。
本发明的另一目的是提供一种能使用各种材料构成互连的新方法。
本发明还有一个目的是提供一种构成具有均匀厚度互连的新方法。
本发明还有一个目的是提供一种构成具有高可靠性的多层互连续构的新方法。
本发明还有一个目的是提供一种构成能相互电连接的多层互连的新方法。
本发明还有一个目的是提供一种构成已平面化的多层精细互连的新方法。
通过以下描述，使本发明的上述目的和其它目的，及本发明特征和优点将变得明显。
本发明提供一种构成半导体器件中的多层互连的新方法。在半导体衬底上形成氧化硅膜。在第一氧化硅膜上形成第1光刻胶膜图形。用第1光刻胶薄图形作掩模，使覆盖有光刻胶膜图形的氧化硅膜表面暴露在过饱和氢硅氟酸溶液中，在氧化硅膜上选择淀积含氟氧化硅膜。除去第1光刻胶图形，由此在含氟氧化硅膜中生成第1槽。在第1槽内形成第1互连。在器件整个表面上形成层间绝缘体，然后，经过干式刻蚀和光刻，在层间绝缘体中构成通孔。在通孔内选择形成导电膜。选择形成第2光刻胶膜图形，覆盖通孔内的导电膜。用第2光刻胶膜图形作掩模，使覆盖着第2光刻胶膜图形的器件的整个表面暴露在过饱和氢硅氟酸溶液中，在层间绝缘体上选择淀积含氟氧化硅膜。除去第2光刻胶膜图形，由此在第2含氟氧化硅膜内形成第2槽。在第2槽内形成第2互连。
作为改型，可采用以下工艺构成层间绝缘体。在器件的整个表面上淀积氧化硅底膜。在氧化硅底膜上选择形成第2光刻胶膜图形，使它只覆盖第1互连。用第2光刻胶膜图形作掩模，使覆盖着第2光刻胶膜图形的器件整个表面暴露在过饱和氢硅氟酸溶液中，在层间绝缘体上选择淀积含氟氧化硅层间绝缘体膜。除去第2光刻胶膜图形，由此在含氟氧化硅层间绝缘体膜中生成孔。用反应离子刻蚀法除去通过孔而露出的氧化硅底膜，在含氟氧化硅层间绝缘体膜内形成通孔。选择化学气相淀积法适于在通孔内构成如钨的金属膜。下述工艺也适于在通孔内形成如钨的金属膜。在器件的整个表面上淀积金属膜，之后，经干式刻蚀或化学/机械抛光法使部分金属膜留在通孔内的。
作为又一改型，氧硅膜可含磷、硼和锗中的至少一种。可用溅射法或化学汽相淀积法形成这种膜。可用包含氮化钛、钨、钼、金、银、铜、硅、铝、钛、含硅的钛中的至少一种的导电材料制造互连。可用化学汽相淀积法或溅射法形成这种导电膜。
加热氢硅氟溶液制造备过饱和氢硅氟酸溶液。也可把铅溶解在氢硅氟溶液中而制备过饱和氢硅氮酸溶液。也可给氢硅氟溶液中加入硼酸溶液或水而制备过饱和氢硅氟酸溶液。
如上所述，不用反应离子刻蚀工艺，而用选择生长含氟氧化硅膜构成互连槽。这就表示互连槽的尺寸不会因光刻胶图形尺寸的变化而变化。
构成层间绝缘体时，位于层间绝缘体下面的第1互连不会暴露在过饱和氢硅氟酸溶液中，因而第1互连无任何腐蚀。
构成覆盖层间绝缘体的第2含氟氧化硅膜时，层间的绝缘体的通孔内的导电膜不暴露于过饱和氢硅氟酸溶液中，因而导电膜无任何腐蚀。
用导电材料填充槽和通孔，以获得易于平面化的水平表面。
下面结合
本发明的优选实施例。
图1A至1H是常规制造方法中包括的有多层互连的半导体器件的垂直剖面图。
图2A至2E是另一常规制造方法中包括的有多层互连的半导体器件的垂直剖面图。
图3A至3N是按本发明第1实施例的新制造方法中包括的有多层互连的半导体器件的垂直剖面图。
图4A至4J是按本发明第2实施例的新制造方法中包括的有多层互连的半导体器件的垂直剖面图。
图5A至5K是按本发明第3实施例的新制造方法中包括的有多层互连的半导体器件的垂直剖面图。
图6A至6H是按本发明第4实施例的新制造方法中包括的有多层互连的半导体器件的垂直剖面图。
将结合图3A至3N说明本发明第1实施例。其中提供了构成半导体器件中的多层互连的新方法。
如图3A所示，用等离子化学汽相淀积法在硅衬底1上形成厚1μm的氧化硅第1绝缘膜2作第1绝缘体。氧化硅膜2上加光刻胶，然后光刻构图，在第1绝缘膜2上构成光刻胶图形3A。
如图3B所示，用光刻胶图形3A作掩模，在第1绝缘膜2上生长厚0.8μm的含氟氧化硅第2绝缘膜4A。用过饱和氢硅氟酸溶液，用液相生长法生长含氟氧化硅膜，在含氢硅氟酸浓度为40wt％的水溶液中投入并溶解铝碎块使溶液中的氢硅氟酸保持在过饱和状态。氢硅氟酸与铝的反应用下式表示…(1)…(2)日本特许公开62-20876中公开了上述内容。铝加入氢硅氟酸溶液中引起了公式(1)和(2)表示的氢硅氟酸与铝的反应。左边项的化学平衡被打破，因而生成了含氟氧化硅产物。因此，在氧化硅膜2上淀积了有Si-F键的含氟氧化硅膜4A，在含氟氧化硅膜4A的淀积过程中，氢硅氟酸溶液保持在35℃，因而设定每1升氢硅氟酸溶液中铝的溶解度为0.5克/小时左右，由此生成的含氟氧化硅膜的淀积速率范围是80nm至100nm。
如图3C所示，用剥离液只除去有孔的第1光刻胶图形3A，其孔中形成有含氟氧化硅4A，构成由含氟氧化硅膜4A确定的互连槽5A。
如图3D所示，将衬底放入溅射装置中，然后使其真空度达到1×10-5Pa。用0.7Pa的氩气刻蚀衬底，除去衬底表面上的天然氧化膜。用溅射法在器件的整个表面上淀积厚度为50nm左右的钛膜6-1。用溅射法，在钛膜6-1上淀积厚度为100nm左右的氮化钛膜7-1。用化学汽相淀积法，在氮化钛膜7-1上形成厚度为700nm的铝膜8-1，其中，用冒泡法，用氢气作载体，在30℃的温度下，汽化二甲基铝烷AlH(CH3)2，然后进入反应室。在冒泡法中用的氢气流量控制在250sccm。反应室压力保持在130Pa。衬底温度保持在250℃。铝淀积速率约为0.4微米/分钟。
如图3E所示，用化学/机械抛光法选择除去铝膜8-1，氮化钛膜7-1和钛膜6-1，只留下第1互连槽5A内的铝膜8-1，氮化钛膜7-1和钛膜6-1。结果，在第1互连槽5A内形成第1互连，每个第1互连均包括铝膜8-1，氮化钛膜7-1和钛膜6-1。用pH值为2.5的酸抛光剂进行抛光，抛光剂中有直径约为30nm的氧化硅颗粒分散于纯水中。抛光垫的转速保持在50次/分钟。抛光头的转速也保持在50次/分钟，抛光剂的加入速率为75cc/分钟。抛光速度约为0.4μm/分钟。
如图3F所示，用等离子化学汽相淀积法，在器件的整个表面上形成厚度约为100nm的氧化硅底膜10。在氧化硅底膜10的整个表面上加第2光刻胶，然后构图，形成位于第1互连槽内的铝膜8-1上的第2光刻胶图形11A。
如图3G所示，用第2光刻胶图形11A作掩模，在氧化硅底膜10上生长厚度为0.8μm的第2含氟氧化硅膜12。用过饱和氢硅氟酸溶液进行液相生长，生成含氟氧化硅膜12，其中，在氢硅氟酸溶液为40wt％的水溶性中加入并溶解铝碎片使溶液中的氢硅氟酸保持过饱和状态。氢硅氟酸与铝的反应用上述公式(1)和(2)表示。氢硅氟酸溶液中加入铝引起上述公式(1)和(2)所表示的反应。左边项的化学平衡被打破，由此生成含氟氧化硅产物，淀积出有Si-F键的第2含氟氧化硅膜12。在含氟氧化硅膜11的淀积中，氢硅氟酸溶液保持在35℃，因而1升氢硅氟酸溶液中铝的溶解度设定在约0.5克/小时，由此，含氟氧化硅膜淀积中的生成速度范围是80nm至100nm，用剥离液除去有孔的第2光刻胶图形11A，其孔中形成有含氟氧化硅膜12，在含氟氧化硅膜12中形开孔14。
如图3H所示，用CF4气用反应干式刻蚀，选择除去开孔14下的氧化硅底膜10，在第1互连槽5A内的钛膜8-1上形成通孔15A。用适于成批处理的平行板型装置进行反应干式刻蚀。CF4气流量保持在100sccm。反应室的压力设定为10Pa。衬底温度保持在20℃，加频率为13.56MHz的1kw功率。获得约40nm/分钟的刻蚀速度，用深刻蚀工艺，使含氟氧化硅膜12的厚度减小至约0.65μm。含氟氧化硅膜12和氧化硅底膜10构成第3绝缘体13B。
如图3I所示，用溅射法，在器件的整个表面上淀积厚度为50nm的钛膜6-2。用溅射法，在钛膜6-2上淀积厚度约为100nm的氮化钛膜7-2。用热化学汽相淀积法，在氮化钛膜7-2上形成厚度约为0.7μm的铝膜8-2。其中，用氢气作载体在30℃温度下用冒泡法使二甲基铝烷AlH(CH3)2汽化，然后进入反应室。冒泡法中用的氢气的流量控制在250sccm。反应室压力保持在130Pa。衬底温度得在250℃。铝淀积速度约0.4μm/分钟。
如图3J所示，用化学/机械抛光法，选择除去铝膜8-2，氮化钛膜7-2和钛膜6-2，只留下通孔15A内的铝膜8-2，氮化钛膜7-2和钛膜6-2。结果，在通孔15A内形成包括铝膜8-2，氮化钛膜7-2和钛膜6-2的导电膜。用pH值为2.5的酸抛光剂进行抛光，抛光剂中有直径约为30nm的氧化硅颗粒溶于纯水中，抛光垫转速保持为50次/分钟，抛光头的转速也保持在50次/分钟。抛光剂的添加速率为75cc/分钟。抛光速度约为0.4μm/分钟。
如图3K所示，在器件的整个表面施加第3光刻胶膜，然后构图，选择形成第3光刻胶图形17。用第3光刻胶图形17作掩模、在第3含氟氧化硅膜上生长厚度为0.8μm的第3含氟氧化硅膜16A。用过饱和氢硅氟酸溶液进行液相生长，生成含氟氧化硅膜16A，其中，在氢硅氟酸浓度为40wt％的水溶液中加入并溶解铝碎块，使溶液中的氢硅氟酸保持过饱和状态。氢硅氟酸与铝的反应用上述公式(1)和(2)表示，氢硅氟酸溶液中加铝引起上述公式(1)和(2)表示的氢硅氟酸与铝的反应。左边项的化学平衡被打破，由此生成了含氟氧化硅产物，因而淀积了有Si-F键的第3含氟氧化硅膜16A。在含氟氧化硅膜16A淀积中，氢硅氟酸溶液保持在35℃，因而1升氢硅氟酸溶液中铝的溶解度规定为约0.5克/小时。由此，淀积含氟氧化硅膜中的生长速度范围在80nm至100nm。
如图3L所示，用剥离液除去有孔的第3光刻胶图形17，其孔中形成有含氟氧化膜12，因而在第3含氟氧化膜16A中形成第3互连槽18A。
如图3M所示，用溅射法，在器件整个表面上淀积厚度为50nm的钛膜6-3。用溅射法，在钛膜6-3上淀积厚度为100nm的氮化钛膜7-3。用热化学汽相淀积法，在氮化钛膜7-3上形成厚度约为0.7μm的铝膜8-3，其中，用氢气作载体在30℃的温度下用冒泡法汽化二甲基铝烷AlH(CH3)2，然后进入反应室。冒泡法中用的氢气流量控制在250sccm，反应室压力保持在130Pa。衬底温度保持在250℃。铝淀积速度约为0.4μm/分钟。
如图3N所示，用化学/机械抛光法，选择除去铝膜8-3，氮化钛膜7-3和钛膜6-3，只留下第3互连槽18A中的铝膜8-3，氮化钛膜7-3和钛膜6-3。结果，在第2互连槽5A中形成包含铝膜8-3，氮化膜7-3和钛膜6-3的第2互连9-3a。用pH值为2.5的酸抛光剂进行抛光，抛光剂中有直径为30nm的氧化硅颗粒分散于纯水中。抛光垫的转速为50次/分钟，抛光头的转速也是50次/分钟。抛光剂添加速率为75cc/分钟。抛光速度约为0.4μm/分钟。
制成两层水平互连结构。两层水平互连层之间的层间绝缘体表面是水平的。用上述方法制成的样品中一万个通孔相互串联。通孔直径为0.6μm。每个通孔的电阻值约0.3欧姆，合格率为95％。
按上述方法，器件表面暴露于过饱和氢硅氟酸溶液之前，形成氧化硅底膜，覆盖第1互连，因此，过饱和氢硅氟酸溶液不会对第1互连造成任何腐蚀。过饱和氢硅氟酸溶液也不会对用光刻胶膜覆盖的通孔内的导电膜造成任何腐蚀。化学/机械抛光结合随后的液相生长使其层间绝缘体有水平表面。
将结合附图4A-4J说明按本发明的第2实施例，该实施例中提供了一种构成半导体器件中的多层互连的新方法。
如图4A所示，用等离子化学汽相淀积法，在硅衬底1上形成厚1μm的氧化硅第1绝缘膜2作为第1绝缘体。氧化硅膜2上加光刻胶，然后光刻构图，构成第1绝缘膜2上的光刻胶图形3A。
如图4B所示，用光刻胶图形3A作掩模，在第1绝缘膜2上生长厚度为0.8μm的含氟氧化硅第2绝缘膜4A。用过饱和氢硅氟酸溶液液相生长，生长含氟氧化硅膜4A，其中，在氢硅氟酸浓度为40wt％的水溶液中加入并溶解铝碎块，使溶液中的氢硅氟酸保持过饱和状态。氢硅氟酸与铝的反应用下列公式表示…(1)…(2)日本特许公开62-20876中公开了上述内容。铝加入氢硅氟酸溶液中引起上述公式(1)和(2)所示的氢硅氟酸与铝的反应。左边项的化学平衡被打破，由此生成了含氟氧化硅生成物，在氧化硅膜2上淀积有Si-F键的含氟氧化硅膜4A。在含氟氧化硅膜淀积中，氢硅氟酸溶液温度保持在35℃，1升氢硅氟酸溶液中的铝溶解度为0.5克/小时，含氟氧化硅膜淀积中的生长速度范围是80nm至100nm。
如图4C所示，用剥离液只除去有孔的第1光刻胶图形3A，其孔内形成有含氟氧化硅膜4A，因而形成了由含氟氧化硅膜4A限定的第1互连槽5A。
如图4D所示，衬底放入溅射室内，然后抽真空至1×10-5Pa，用0.7Pa的氩气刻蚀衬底，除去衬底表面上上的天然氧化膜。用溅射法，在器件整个表面上淀积厚度约50nm的钛膜6-1。用溅射法，在钛膜6-1上淀积厚度约为100nm的氮化钛膜7-1。用化学汽相淀积法，在氮化钛膜7-1上淀积厚度约700nm的铝膜8-1，其中，用氢气作载体在30℃温度，用冒泡法汽化二甲基铝烷，然后进入反应室。冒泡法中用的氢气流量控制在250sccm。反应室压力保持在130Pa。衬底温度保持在250℃。铝淀积速率约为0.4μm/分钟。
如图4E所示，用化学/机械抛光法选择除去铝膜8-1，氮化钛膜7-1和钛膜6-1，只留下第1互连槽5A中的铝膜8-1，氮化钛膜7-1和钛膜6-1。结果，在第1互连槽5A内形成包含铝膜8-1，氮化钛膜7-1和钛膜6-1的第1互连。用pH值为2.5的酸抛光剂进行抛光，抛光剂中有直径为约30nm的氧化硅颗粒分散于纯水中。抛光垫的转速保持在50次/分钟。抛光头的转速也保持在50次/分钟。抛光剂的添加速率为75cc/分钟。抛光速率约0.4μm/分钟。
如图4F所示，用等离子化学汽相淀积法，在器件整个表面上形成厚度为100nm的氧化硅底膜10。氧化硅底膜10的整个表面上加第2光刻胶膜，然后构图，形成位于第1互连槽内的铝膜8-1的第2光刻胶图形11A。
如图4G所示，用第2光刻胶图形11A作掩模，在氧化硅底膜10上生长厚度为0.8μm的第2含氟氧化硅膜12。用过饱和氢硅氟酸溶液液相生长，生长含氟氧化硅膜12，其中，在氢硅氟酸浓度为40wt％的水溶液中加入并溶解铝碎块，使溶液中的氢硅氟酸保持过饱和状态。氢硅氟酸与铝的反应用上述公式(1)和(2)表示。氢硅氟酸中加入铝引起上述公式(1)和(2)表示的氢硅氟酸与铝的反应。左边项的化学平衡被打破，由此生成含氟氧化硅生成物，淀积有Si-F键的第2含氟氧化硅膜12。在含氟氧化硅膜12淀积中，氢硅氟酸温度保持在35℃，1升氢硅氟酸的铝溶解度规定为0.5克/小时。在含氟氧化硅膜淀积中的生长速率范围为80nm至100nm。用剥离液除去有孔的第2光刻胶图形11A，其孔中形成有含氟氧化硅膜12，在含氟氧化硅膜12中形成开孔14。
如图4H所示，用CF4气进行反应干式刻蚀，选择除去开孔14下的氧化硅底膜10，在第一互连槽5A内的铝膜上形成通孔15A。用适于成批处理的平板型装置进行反应干式刻蚀，CF4气流量保持在100sccm，反应室压力设定于10Pa。衬底温度保持在20℃。加13.56MHz的1kw功率。获得的腐蚀速度约40nm/分钟。用深腐蚀工艺，使含氟氧化硅膜12的厚度减小至约0.65μm。含氟氧化硅膜12和氧化硅膜10构成第3绝缘体13B。
如图4I所示，用热化学气相生长法在通孔15A内选择形成厚度约为0.8μm的钨膜19，其中用WF6气和SiH4气。WF6气和SiH4气的流量分别为20sccm和12sccm。衬底温度保持在270℃。反应室压力设定为4Pa。淀积速度是0.6μm/分钟。
如图4J所示，器件的整个表面上加第3光刻胶，然后构图，选择构成第3光刻胶图形(未画出)，覆盖钨膜19。用第3光刻胶作掩模，在第3含氟氧化硅膜上生长厚度约0.8μm的第3含氟氧化硅膜16A。用过饱和氢硅氟酸溶液液相生长含氟氧化硅膜16A，其中，在氢硅氟酸浓度为40wt％的水溶液中加入并溶解铝碎块，使溶液中的氢硅氟酸保持过饱和状态。氢硅氟酸与铝的反应用上述公式(1)和(2)表示。铝加入氢硅氟酸溶液中引起上述公式(1)和(2)表示的氢硅氟酸与铝的反应。左边项的化学平衡被打破，由此生成含氟氧化硅生成物，淀积有Si-F键的含氟氧化硅膜16A。含氟氧化硅膜16A淀积中，氢硅氟酸溶液的温度保持在35℃。1升氢硅氟酸溶液的铝溶解度规定为0.5克/小时，因而，含氟氧化硅膜淀积中的生长速度范围是80nm至100nm。
随后，用剥离液除去有孔的第3光刻胶图形17，其孔内形成有含氟氧化硅膜12，因而在第3含氟氧化硅膜16A中形成第3互连槽18A。
用溅射法在器件整个表面上淀积厚50nm的钛膜6-3。用溅射法在钛膜6-3上淀积厚100nm的氮化钛膜7-3。用热化学气相淀积法在氮化钛膜7-3上形成厚约0.7μm的铝膜8-3，其中，用氢气作载体在30℃温度下用冒泡法汽化二甲基铝烷，然后进入反应室。冒泡法中用的氢气流量控制在250sccm。反应室压力保持在130Pa，衬底温度保持在250℃。铝淀积速度约0.4μm/分钟。
用化学/机械抛光选择除去铝膜8-3，氮化钛膜7-3和钛膜6-3，只留下第3互连槽18A内的铝膜8-3，氮化钛膜7-3和钛膜6-3。结果，在第2互连槽5A内形成包括铝膜8-3，氮化钛膜7-3和钛膜6-3的第2互连9-3a。用pH值为2.5的酸抛光剂进行抛光，抛光剂中有直径为30nm的氧化硅颗粒分散于纯水中。抛光垫的转速保持在50次分钟。抛光头的转速也也保持在50次/分钟。按75cc/分钟的速度添加抛光剂。抛光速度约0.4μm/分钟。
制成两层水平互连结构。两层水平互连层之间的层间绝缘体表面是水平的。用上述技术制成的样品中有一万个通孔相互串联连接。通孔直径为0.6μm。每个通孔的电阻值约0.8欧姆。合格率超过93％。
按上述方法，在器件表面暴露于过饱和氢硅氟酸溶液之前，形成氧化硅底膜，覆盖第1互连，因此，过饱和氢硅氟酸溶液不会对第1互连造成任何腐蚀。过饱和氢硅氟酸溶液也不会对通孔内被光刻胶覆盖的钨膜造成任何腐蚀。化学/机械抛光结合随后的液相生长使层间绝缘体有一水平表面。
现结合附图5A-5K说明本发明第3实施例，该实施例中提供了形成半导体器件内多层互连的新方法。
如图5A所示，用等离子化学汽相淀积法，在衬底1上形成厚1μm的氧化硅第1绝缘膜2作第1绝缘体。氧化硅膜2上加光刻胶，然后光刻构图，在第1绝缘膜2上构成光刻胶图形3A。
如图5B所示，用光刻胶图形3A作掩模，在第1绝缘膜2上生长厚度约0.8μm的含氟氧化硅第2绝缘膜4A。用过饱和氢硅氟酸溶液液相生长含氟氧化硅膜4A，其中，将铝碎块加入并溶解于氢硅氟酸浓度为40wt％的水溶液中，使溶液中的氢硅氟酸保持过饱和状态。氢硅氟酸与铝的反应用下式表示。
…(1)…(2)日本特许公开62-20876中公开了上述内容。铝加入氢硅氟酸溶液中引起上述公式(1)和(2)表达的氢硅氟酸与铝的反应。左边项的化学平衡被打破，由此生成含氟氧化硅的生成物，在氧化硅膜2上淀积有Si-F键的含氟氧化硅膜4A。在含氟氧化硅膜4A的淀积中，氢硅氟酸溶液的温度保持在35℃，1升的氢硅氟酸溶液中铝的溶解度设定在约0.5克/小时，因而，含氟氧化硅膜淀积中的生长速度范围是80nm至100nm。
如图5C所示，用剥离液只除去有孔的第1光刻胶图形3A，其孔内形成有含氟氧化硅膜4A，因而构成由含氟氧化硅膜4A限定的第1互连槽5A。
如图5D所示，衬底放入溅射装置中，然后抽真空至1×10-5Pa。用0.7Pa的氩气刻蚀衬底，除去衬底表面上的天然氧化膜。用溅射法在器件整个表面上淀积厚约50nm的钛膜6-1。用溅射法在钛膜6-1上淀积厚约100nm的氮化钛膜7-1。用化学汽相淀积法、在氮化钛膜7-1上形成厚700nm的铝膜8-1，其中，用氢气载体在30℃温度下，用冒泡法汽化二甲基铝烷AlH(CH3)2，然后进入反应室。冒泡法中用的的氢气流量控制在250sccm。反应室的压力保持在130Pa。衬底温度保持在250℃。铝淀积速度约0.4μm/分钟。
如图5E所示，用化学/机械抛光法选择除去铝膜8-1，氮化钛膜7-1和钛膜6-1，只留下第1互连槽5A内的铝膜8-1，氮化钛膜7-1和钛膜6-1。结果，在第1互连槽5A内形成包括铝膜8-1，氮化钛膜7-1和钛膜6-1的第1互连。用pH值为2.5的酸抛光剂抛光，抛光剂中有直径为约30nm的氧化硅颗粒分散于纯水中。抛光垫的转速保持在50次/分钟。抛光头的转速也保持在50次/分钟。按75cc/分钟的速度加抛光剂。抛光速度约为0.4μm/分钟。
如图5F所示，氧化硅底膜10的整个底膜上加第2光刻胶，然后构图，在第1至连槽内的铝膜8-1上构成第2光刻胶图形11A。
如图5G所示，用第2光刻胶图形11A作掩模，在氧化硅底膜10上生长厚0.8μm的第2含氟氧化硅膜12。用过饱和氢硅氟酸溶液液相生长含氟氧化硅膜12，其中，将铝碎块加入并溶解于氢硅氟酸浓度为40wt％的水溶液中，使氢硅氟酸在溶液中保持过饱和状态。氢硅氟酸与铝的反应用公式(1)和(2)表示。铝加入氢硅氟酸溶液中引起上述公式(1)和(2)表示的氢硅氟酸与铝的反应。左边项的化学平衡被打破，由此生成了含氟氧化硅生成物，因而淀积出有Si-F键的第2含氟氧化硅膜12。在含氟氧化硅膜12的淀积过程中，氢硅氟酸溶液的温度保持在35℃，1升氢硅氟酸溶液中铝的溶解度规定约为0.5克/小时，因此，含氟氧化硅膜淀积中的生长速度范围在80nm至100nm中。用剥离液除去有孔的第2光刻胶图形11A，其孔中形成有含氟氧化硅膜12，因而在含氟氧化硅膜12中形成开孔14。
如图5H所示，用等离子化学汽相淀积法，在器件整个表面上形成厚度为0.8μm的氧化硅膜13C。用光刻法并随后用CHF3气进行选择反应刻蚀，在氧化硅膜13C内形成通孔15B。
如图5I所示，用溅射法在器件整个表面上淀积厚度为50nm的钛膜6-2。用热化学汽相淀积法在氮化钛膜7-2上形成厚度约0.7μm的钨膜19A。使用WF6气和H2气。WF6气和H2气的流量分别控制在100sccm和1slm。反应室压力保持在6600Pa。衬底温度保持在400℃。钨淀积速度约0.3μm/分钟。
如图5J所示，用化学/机械抛光，选择除去钨膜19-A，氮化钛膜7-2和钛膜6-2，只留下通孔15B内的钨膜19-A，氮化钛膜7-2和钛膜6-2。结果，在通孔15B内形成包含钨膜19-A，氮化钛膜7-2和钛膜6-2的导电膜。用直径约30nm的氧化硅颗粒分散于纯水中的pH值为2.5的酸抛光剂抛光。抛光垫的转速保持在50次/分钟。抛光头的转速也保持在50次/分钟。按75cc/分钟的速率加入抛光剂。抛光速度约0.3μm/分钟。
如图5K所示，器件的整个表面上加第3光刻胶，然后构图，选择形成第3光刻胶图形17。用第3光刻胶图形17作掩模，在第3含氟氧化硅膜上生长厚0.8μm的第3含氟氧化硅膜16A。用过饱和氢硅氟酸溶液液相生长含氟氧化硅膜16A，其中，将铝碎块加入并溶解于氢硅氟酸浓度为40wt％的氢硅氟酸水溶液中，使氢硅氟酸在溶液中保持过饱和状态。氢硅氟酸与铝的反应用公式(1)和(2)表示。铝加入氢硅氟酸溶液中引起公式(1)和(2)表示的氢硅氟酸与铝的反应。左边项的化学平衡被打破，由此生成含氟氧化硅生成物，因而淀积出有Si-F键的第3含氟氧化硅膜16A。在含氟氧化硅膜16A的淀积中，氢硅氟酸溶液的温度保持在35℃，因而1升氢硅氟酸溶液中铝的溶解度设定为约0.5克/小时，含氟氧化硅膜淀积中的生长速度范围是80nm至100nm。
用剥离液除去有孔的第3光刻胶图形，其孔内形成有含氟氧化硅膜12，因而在第3含氟氧化硅膜16A内形成第3互连槽18A。用溅射法在器件整个表面上淀积厚50nm的钛膜6-3。用溅射法在钛膜6-3上淀积厚100nm的氮化钛膜7-3。用热化学气相淀积法在氮化钛膜7-3上形成厚0.7μm的铝膜8-3，其中，用氢气载体在30℃温度下用冒泡法汽化二甲基铝烷AlH(CH3)2，然后进入反应室。冒泡法中用的氢气流量控制在250sccm。反应室压力保持在130Pa。衬底温度保持在250℃。铝淀积速度约0.4μm/分钟。用化学/机械抛光法选择除去铝膜8-3，氮化钛膜7-3和钛膜6-3，只留下第3互连槽18A内的铝膜8-3，氮化钛膜7-3和钛膜6-3。结果，在第2互连槽5A内形成包括铝膜8-3，氮化钛膜7-3和钛膜6-3的第2互连9-3a。用pH值为2.5的酸抛光剂抛光。抛光剂中有直径约30nm的氧化硅颗粒分散于纯水中。抛光垫的转速保持在50次/分钟。抛光头的转速也保持在50次/分钟。按75cc/分钟的速率加入抛光剂。抛光速度约为0.4μm/分钟。
制成了两层水平互连构。两层水平互连层之间的层间绝缘体的表面是水平的。用上述技术制成的样品中一万个通孔是相互串联连接的，通孔直径是0.6μm。每个通孔的电阻值约0.7欧姆。合格率是95％。
按上述方法，在器件表面暴露于过饱和氢硅氟酸之前，形成氧化硅底膜，覆盖第1互连，因此，过饱和氢硅氟酸不会对第1互连造成任何腐蚀。过饱和氢硅氟酸也不会对被光刻胶膜覆盖的通孔内的导电膜造成任何腐蚀。化学/机械抛光结合随后的液相生长允许层间互连有水平表面。
下面将结合附图6A-6H说明本发明的第4实施例，该实施例提供了一种构成半导体器件中多层互连的新方法。
如图6A所示，用等离子化学汽相淀积法，在硅衬底1上形成厚1μm的氧化硅第1绝缘膜2作为第1绝缘体。氧化膜2上加光刻胶，然后光刻构图，在第1绝缘膜2上形成光刻胶图形3A。
如图6B所示，用光刻胶图形3A作掩模，在第1绝缘膜2上生长厚0.8μm的含氟氧化硅第2绝缘膜4A。用过饱和氢硅氟酸溶液液相生长含氟氧化硅膜4A，其中，将铝碎块加入并溶解于氢硅氟酸浓度为40wt％的氢硅氟酸溶液中，使溶液中的氢硅氟酸保持过饱和状态。氢硅氟酸与铝的反应由下式表示…(1)…(2)日本特许公开62-20876中公开了上述内容。铝加入氢硅氟酸溶液中引起上述公式(1)和(2)表示的氢硅氟酸与铝的反应。左边项的化学平衡被打破，由此生成了含氟氧化硅产物，因而淀积出有Si-F键的含氟氧化硅膜4A。含氟氧化硅膜4A的淀积中，氢硅氟酸溶液的温度保持在35℃，因而1升氢硅氟酸溶液中铝的溶解度设定约0.5克/小时。由此，含氟氧化硅膜淀积中的生长速度范围是80nm至100nm。
如图6C所示，用剥离液除去有孔的第1光刻胶图型3A，其孔内形成有含氟氧化硅膜4A，因而形成由含氟氧化硅膜4A限定的第1互连槽5A。
如图6D所示，将衬底放入溅射装置中，然后抽真空至1×10-5Pa。用压力为0.7Pa的氩气刻蚀衬底，除去衬底表面的天然氧化膜。用溅射法在器件整个表面上淀积厚约50nm的钛膜6-1。用溅射法在钛膜6-1上淀积厚约100nm的氮化钛膜7-1。用化学汽相淀积法在氮化钛膜7-1形成厚700nm的铝膜8-1，其中，用氢气载体在30℃温度下用冒泡法使二甲基铝烷汽化，然后进入反应。反应室压力保持在130Pa。衬底温度保持在250℃。铝淀速度约0.4μm/分钟。
如图6E所示，用化学/机械抛光法选择除去铝膜8-1，氮化钛膜7-1和钛膜6-1，只留下第1互连槽5A内的铝膜8-1，氮化钛膜7-1和钛膜6-1。结果，在第1互连槽5A内形成包括铝膜8-1，氮化钛膜7-1和钛膜6-1的第1互连。用pH值为2.5的酸抛光剂抛光，抛光剂中有直径约30nm的氧化硅颗粒分散于纯水中。抛光垫的转速保持在50次/分钟。抛光头的转速也保持在50次/分钟。按75cc/分钟的速率加入抛光剂。抛光速度约0.4μm/分钟。
如图6F所示，器件的整个表面上加第2光刻胶膜(未画出)，然后构图，在第1互连槽内的铝膜8-1上构成第2光刻胶图形(未画出)。用等离子化学汽相淀积法，用第2光刻胶图形作掩模，形成厚0.8μm的内层绝缘体13C。用剥离液除去有孔的第2光刻胶图形，其孔内形成有含氟氧化硅膜13C，由此在含氟氧化硅膜13C内形成通孔15B。
如图6G所示，用热化学汽相生长，使用WF6气和SiH4气，在通孔15B内形成厚约0.8μm的钨膜19。WF6气和SiH4气的流量分别为20sccm和12sccm。衬底温度保持在270℃。反应室的压力规定为4Pa。淀积速度是0.6μm/分钟。
如图6H所示，在器件的整个表面上加第3光刻胶膜，然后构图，选择形成第3光刻胶图形(未画出)，并覆盖钨膜19。用第3光刻胶图形作掩模，在第3含氟氧化硅膜上生长厚0.8μm的第3含氟氧化硅膜16A。用过饱和氢硅氟酸溶液液相生长含氟氧化硅膜16A，其中，将铝碎块加入并溶解于氢硅氟酸浓度为40wt％的氢硅氟酸溶液中，使溶液中的氢硅氟酸保持过饱和状态。氢硅氟酸与铝的反应用所述公式(1)和(2)表示。铝加入氢硅氟酸中引起公式(1)和(2)表示的氢硅氟酸与铝的反应。左边项的化学平衡被打破，由此生成含氟氧化硅生成物，因而淀积出有Si-F键的含氟氧化硅膜16A。在含氟氧化硅膜16A淀积中，氢硅氟酸溶液的温度保持在35℃，因此，1升氢硅氟酸溶液中铝的溶解度设定约0.5克/小时，因而，含氟氧化硅膜淀积中的生长速度范围是80nm至100nm。
之后，用剥离液除去有孔的第3光刻胶图形，其孔内形成有含氟氧化硅膜12，因此在含氟氧化硅膜16A中形成了第3互连槽18A。
用溅射法在器件整个表面上淀积厚50nm的钛膜6-3。用溅射法在钛膜6-3上淀积厚100nm的氮化钛膜7-3。用热化学气相淀积法在氮化钛膜7-3上形成厚0.7μm的铝膜8-3，其中，用氢气载体在30℃温度下用冒泡法汽化二甲基铝烷，然后进入反应室。冒泡法中用的氢气流量控制在250sccm。反应室压力保持在130Pa。衬底温度保持在250℃。铝淀积速度约0.4μm/分钟。
用化学/机械抛光法选择除去铝膜8-3，氮化钛膜7-3和钛膜6-3，只留下第3互连槽18A内的铝膜8-3，氮化钛膜7-3和钛膜6-3。结果，在第2互连槽内形成了包括铝膜8-3，氮化钛膜7-3和钛膜6-3的第2互连9-3a。用pH值为2.5的酸抛光剂抛光，抛光剂中有直径约30nm的氧化硅颗粒分散于纯水中。抛光垫的转速保持在50次/分钟。抛光头的转速也保持在50次/分钟。按75cc/分钟的速率加抛光剂。抛光速度约0.4μm/分钟。
构成了两层水平互连结构。两层水平互连层之间的层间绝缘体的表面是水平的。用上述技术制成的样品中有一万相通孔相互串联连接。每个通孔的直径是0.6μm。每个通孔的电阻值约0.8欧姆。合格率超过93％。
按上述方法，在器件表面暴露于过饱和氢硅氟酸溶液之前，形成氧化硅底膜以覆盖第1互连。用此，过饱和氢硅氟酸溶液不会对第1互连造成任何腐蚀。过饱和氢硅氟酸溶液也不会对被光刻胶覆盖的通孔内的钨膜造成任何腐蚀。化学/机械抛光结合随后的液相生长使其层间绝缘体有水平表面。不用任何液相生长而构成层间绝缘体，因而层间绝缘体的形成工艺较简单。
构成多层互连的上述新方法适用于三层以上的水平互连。也可以用氟化物和/或氯化物的反应离子刻蚀的深刻蚀工艺来代替化学/机械抛光法。氧化硅膜可含磷、硼和锗中的至少一种。也可用溅射法或化学汽相淀积法形成这种膜。可用包含氮化钛、钨、钼、金、银、铜、硅、铝、钛，含硅的钛中的至少一种导电材料制成互连。可用化学汽相淀积法或溅射法构成这种导电膜。
可用加热氢硅氟酸溶液制备过饱和氢硅氟酸溶液。也可用铝溶入氢硅氟酸溶液中制备过饱和氢硅氟酸溶液。也可给氢硅氟酸溶液中加硼酸溶液或水制备过饱和氢硅氟酸溶液。
如上所述，用选择生长含氟氧化硅膜，而不用反应离子刻腐工艺，制成互连槽。这就是说，互连槽的尺寸不会由于光刻胶图形尺寸的变化而变化。
当构成层间绝缘体时，位于层间绝缘体下面的第1互连不暴露于过饱和氢硅氟酸溶液中、因此第1互连无任何腐蚀。
当构成位于层间绝缘体下面的第2含氟氧化硅膜时，层间绝缘体的通孔内的导电膜不暴露于过饱和氢硅氟酸溶液中，因此导电膜无任何腐蚀。
用导电材料填充槽和通孔以获得易于平面化的水平表面。
不用怀疑，对本行业的普通技术人员而言，本发明有很多改型，这些改型均属于本发明。为便于说明所列举的实施例不能认为是对发明的限制。而且，所有落入本发明思想和范围内的改型均是权利要求保护的内容。
权利要求
1.一种半导体器件中多层互连有构成方法，包括以下步骤在半导体衬底上形成氧化硅膜；在第一氧化硅膜上形成第1光刻胶膜图形；使被光刻胶膜图形覆盖的氧化硅膜表面暴露于过饱和氢硅氟酸溶液中，用第1光刻胶膜图形作掩模，在氧化硅膜上选择淀积含氟氧化硅膜；除去第1光刻胶膜图形，在含氟氧化硅膜中形成第1槽；在第1槽内选择形成第1互连；在器件的整个表面上形成层间绝缘体；层间绝缘体经干式刻蚀并随后光刻，形成层间绝缘体中的通孔；在通孔内选择构成导电膜；选择构成覆盖通孔内导电膜的第2光刻胶膜图形；使被第2光刻胶膜覆盖的器件的整个表面暴露于过饱和氢硅氟酸溶液中，用第2光刻胶膜图形作掩模，选择构成层间绝缘体上的第2含氟氧化硅膜；除去第2光刻胶膜图形，在第2含氟氧化硅膜中构成第2槽；以及在第2槽内选择构成第2互连。
2.按权利要求1的方法，其特征是在含氟氧化硅膜形成中，氢硅氟酸溶液的温度保持在35℃，以设定1升氢硅氟酸溶液中铝的溶解度约0.5克/小时。
3.按权利要求1的方法，其特征是，构成第1和第2互连的各工艺步骤包括下列步骤用溅射法在器件的整个表面形成钛膜；用溅射法在钛膜上形成氮化钛膜；用热化学汽相淀积法按下列步骤在氮化钛膜上形成铝膜；用氢气载体在30℃温度下用冒泡法汽化二甲基铝烷AlH(CH3)2；和将已汽化的二甲基铝烷AlH(CH3)2送入反应室，氢气流量控制在250sccm，衬底温度保持在250℃，反应室压力保持在130Pa。
4.按权利要求1的方法，还包括步骤构成第2光刻胺膜之前，在器件的整个表面上形成主要含氧化硅的底膜。
5.按权利要求1的方法，其特征是，形成导电膜的步骤包括下列步骤用溅射法在器件的整个表面形成钛膜；用溅射法在钛膜上形成氮化钛膜；用热化学汽相淀积法按以下步骤在氮化钛膜上形成铝膜；用氢气载体在30℃温度下用冒泡法汽化二甲基铝烷AlH(CH3)2；和将已汽化的二甲基铝烷送入反应室，衬底温度保持在250℃，反应室压力保持在130Pa。
全文摘要
本发明形成半导体器件中多层互连的方法。在半导体衬底上形成氧化硅膜，并在膜上形成第1光刻胶膜图形。用第1光刻胶膜图形作掩模，此在含氟氧化硅膜内构成第1槽，并在槽内构成第1互连。在器件表面上形成的层间绝缘体中构成通孔。通孔内形成导电膜。形成第2光刻胶膜图形，用第2光刻胶膜图形作掩模，在层间绝缘体上选择淀积第2含氟氧化硅膜。此在第2含氟氧化硅膜中形成第2槽，并在第2槽内形成第2互连。
文档编号H01L23/522GK1131817SQ95121000
公开日1996年9月25日 申请日期1995年11月22日 优先权日1994年11月22日
发明者本间哲哉, 关根诚 申请人:日本电气株式会社