專利名稱：具有多層配線結構的半導體裝置及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體裝置及其制造方法，尤其涉及具有多層配線結構的半導體裝置及其制造方法。
隨著微細化技術的進展，半導體集成回路的集成密度逐年提高，但是隨著這樣的集成密度的增大，在半導體集成回路中的配線阻抗和配線電容引起的配線延遲的問題更為顯著。鑒于這樣的配線延遲的問題，近來正研究一種將低阻抗Cu作為配線圖案來使用，且將低介電常數(shù)的有機膜作為層間絕緣膜來使用的技術。
由于以前不知道對銅用干性蝕刻進行圖案成型的有效方法，因此在將銅使用在配線圖案的場合中，使用首先在層間絕緣膜中形成配線槽以及接觸孔，再用Cu對它們進行填充的所謂雙鑲嵌(dual damascene)法。在雙鑲嵌法中，用Cu等的配線材料填充接觸孔和配線槽，再通過用化學機械研磨(CMP；Chemical Mechanical Polishing)法研磨·除去不要部分的配線材料的方式填充接觸孔以及配線槽，而形成平坦化的配線圖案。根據(jù)雙鑲嵌法，不必用蝕刻法形成寬度狹窄且高寬比高的配線圖案，此外也不必用層間絕緣膜填充配線間的微小的空間，可以容易地形成非常微細的配線圖案。用雙鑲嵌法形成多層配線結構，在配線的高寬比越高，或配線總數(shù)越多，就越有效，有助于大幅度地降低超微細化半導體裝置的制造成本。
背景技術：
圖1A～1K是由在先的典型的雙鑲嵌法的多層配線結構的形成工序。
參照圖1A，在形成有省略圖示的晶體管等的活性元件的Si基板11上，通過絕緣膜11A形成多晶硅、W、Cu等的下層配線圖案20，在上述下層配線圖案20上用等離子CVD法等的堆積法形成由SiN或者SiC構成的第1蝕刻制止膜22。下面的說明，針對上述下層配線圖案20是Cu配線圖案的場合進行。
在上述蝕刻制止膜22上進一步用典型的旋壓法形成第1層間絕緣膜24，該第1層間絕緣膜24由低介電常數(shù)無機絕緣膜或者有機碳氫聚合體等的低介電常數(shù)有機絕緣膜構成，而且在上述層間絕緣膜24上進一步用等離子CVD法形成由SiN或者SiC構成的第2蝕刻制止膜26。
在上述蝕刻制止膜26上同樣地形成第2層間絕緣膜28，在上述層間絕緣膜28上進一步用等離子CVD法形成由SiN或者SiC構成的第3蝕刻制止膜30。
圖1A的工序中，在上述蝕刻制止膜30上形成抗蝕圖案R1，在上述抗蝕圖案R1中，與多層配線結構中形成的第1層的配線槽對應地形成抗蝕開口部Ra。
然后，在圖1B的工序中，以上述抗蝕圖案R1為掩模，對上述SiN膜30進行干性蝕刻，在上述蝕刻制止膜30中形成與上述抗蝕開口部Ra對應的開口部。而且，上述開口部形成之后，用灰化(ashing)除去上述抗蝕圖案R1，以上述SiN膜30為掩模，對上述層間絕緣膜28進行干性蝕刻，在上述層間絕緣膜28中形成與上述抗蝕開口部Ra對應的配線槽28A。
然后，在圖1C的工序中，上述圖1B的結構上形成抗蝕膜R2，以覆蓋上述蝕刻制止膜30覆蓋，或填充上述配線槽28A。而且，對它進行圖案成型，并在上述配線槽28A中形成抗蝕開口部Rb，該開口部與形成在上述配線槽中的通孔對應。
然后在圖1D的工序中，以上述抗蝕圖案R2為掩模，對上述蝕刻制止膜26進行干性蝕刻，在上述蝕刻制止膜26中形成與上述抗蝕開口部Rb對應的開口部。
在圖1D的工序中，進一步以上述蝕刻制止膜26及30為掩模，對上述層間絕緣膜24進行干性蝕刻，由此在上述層間絕緣膜24中，與上述抗蝕開口部Rb對應地，形成露出上述蝕刻制止膜22的形成通孔24A。
然后在圖1E的工序中，用蝕刻的方法除去在上述通孔24A的底部露出的蝕刻制止膜12，在接觸孔28的底上露出Cu配線圖案10之后，在圖1F的工序中，用濺射法等在圖1E的結構上堆積阻擋金屬膜32，該阻擋金屬膜32含有TaN膜等的導電性氮化膜，用上述阻擋金屬膜32以及Cu種(seed)膜覆蓋上述配線槽26以及接觸孔28的表面。
而且，在形成圖1E的結構的時候，采用預先形成通孔24A，之后形成配線槽28A的工序也可以。
然后在圖1G的工序中，用電解電鍍法形成Cu層34，以填充上述配線槽28A以及通孔24A，而且，通過將它們在氮或者Ar等的惰性氣氛中進行熱處理，使得Cu層34中的晶粒進行成長，形成穩(wěn)定的微結構。
然后在圖1H的工序中，用化學機械研磨(CMP)除去上述層間絕緣膜28上的Cu層34、阻擋金屬膜32以及蝕刻制止膜30，得到圖1H所示的平坦化的結構。在圖1H的結構中，形成Cu配線圖案34A，以填充上述配線槽28A，而且從上述Cu配線圖案34A延伸出Cu插件34B，以填充上述通孔24A。上述Cu配線圖案34A和Cu插件34B構成第1配線層31。
然后在圖1I的工序中，對圖1H的結構用H2、NH3、N2或者稀有氣體的等離子體等進行處理，結果，在圖1H的CMP工序的時候用等離子體除去Cu配線圖案34A的表面上產(chǎn)生的污染。
圖1I的工序之后，在圖1J的工序中，以覆蓋上述Cu配線圖案34A的方式，在圖1I的結構上形成由SiN等構成的蓋膜35，而且將該蓋膜35與在先的蝕刻制止膜22相同地使用并反復進行圖1A～1H的工序，由此，如圖1K所示，形成在上述第1配線層31上形成有第2配線層41的多層配線結構。
通過設置上述蓋膜35，抑制沿著Cu配線圖案34A的表面的Cu原子的移動，隨著上層的配線層的形成處理過程而在下層配線層中產(chǎn)生的缺陷產(chǎn)生，以及在各種條件下的隨著多層配線結構的使用而在配線層中產(chǎn)生的缺陷產(chǎn)生都能夠得到抑制。此外，通過進行之前說明的圖1I的表面處理工序，提高上述配線圖案34A和蓋層35之間的緊密接合性。關于根據(jù)圖1I的工序的緊密接合性的提高，請參照日本專利特開2000-200832號公報。
另一方面，在對這樣的具有多層配線結構的半導體裝置，進行高溫下的通電試驗的場合，已知存在Cu原子向配線層表面移動，之后產(chǎn)生空穴(void)等的缺陷的現(xiàn)象。例如，通電試驗為了縮短試驗時間多在400℃程度的溫度下進行，這樣的試驗的結果，如圖2所示，存在Cu配線層20中形成空穴乃至缺陷20X的情況。其中，圖2是圖1K中的虛線所包圍部分的放大圖。
參照圖2可知，上述Cu配線層20是用各晶粒界面20b劃分成的大量的Cu晶粒20g構成的。雖然圖中省略，但是在Cu插件34B中也形成有同樣的微結構。
可以認為，這樣的空穴20X的形成是，在Cu配線層20中，Cu原子沿著晶粒界面20b，如圖中箭頭所示那樣地擴散，其結果所形成的結構。同樣的缺陷，在配線圖案34A中，還有在插件34B中也可以產(chǎn)生。這樣的空穴的形成，特別是，在與Cu插件34B的接觸部分產(chǎn)生的場合，對多層配線結構的可靠性成為嚴重的問題。
此外，在先技術中，由圖1I的等離子體的表面處理工序之后，在圖1J的蓋層35的堆積之前，進行對被處理基板加熱到400℃程度的溫度的處理，但在這樣的工序中，如圖3A、3B所示，存在Cu配線圖案34A的表面上形成突起34X的情況。其中，圖3A、3B分別是圖1I中虛線所包圍的部分的放大剖視圖和放大平面圖。
參照圖3A、3B，上述Cu配線圖案34A是用各個晶粒界面34b劃分成的大量的Cu晶粒34g構成的，由此可知，上述突起34X主要是與三個晶粒界面34b交叉的所謂三重心對應而形成的。
這樣的突起34X與晶粒界面34b對應地形成，由此，可以認為突起34X也是由于沿著晶粒界面34b產(chǎn)生的Cu原子的移動而形成的。但是，突起34X的場合，可以認為沿著晶粒界面產(chǎn)生的Cu原子的移動，是隨著在Cu配線圖案34A中存在的殘留應力的緩和而產(chǎn)生的。若形成這樣的突起34X，有損壞較薄的蓋膜35的阻擋功能的可能性，對多層配線結構的可靠性造成嚴重的問題。

發(fā)明內(nèi)容
在此，本發(fā)明的概括課題在于，提供一種解決上述問題、新穎的有用的半導體裝置以及其制造方法。
本發(fā)明的其他的更具體的課題在于，提供一種具有缺陷少、可靠性高的金屬配線圖案的多層配線結構。
本發(fā)明的其他課題在于，提供一種在形成具有金屬配線圖案的多層配線結構時，能夠有效地抑制沿著晶粒界面的金屬原子的移動的多層配線結構的制造方法。
本發(fā)明的其他課題在于，提供一種多層配線結構，其特征在于，
由下述部分構成第1層間絕緣膜；形成在上述第1層間絕緣膜上的第2層間絕緣膜；形成在上述第1層間絕緣膜中且用第1阻擋金屬膜覆蓋側壁面以及底面的配線槽；形成在上述第2層間絕緣膜中且用第2阻擋金屬膜覆蓋側壁面以及底面的通孔；填充上述配線槽的配線圖案；填充上述通孔的通過插件，其中上述通過插件與上述配線圖案的表面接觸，上述配線圖案在上述表面上具有凹凸，上述配線圖案，沿著在上述配線圖案中從上述表面向上述配線圖案內(nèi)部延伸的晶粒界面，含有高于上述表面中的濃度的氧原子。
本發(fā)明的其他課題在于，提供一種多層配線結構的形成方法，其由下述工序構成在層間絕緣膜中形成配線槽的工序；用金屬層填充上述配線槽的工序；用化學機械研磨除去上述金屬層中、堆積在上述層間絕緣膜的表面上的部分，并在上述配線槽中形成金屬配線圖案的工序，其特征在于，進一步包含在上述化學機械研磨工序之后，氧化上述金屬配線圖案的表面，而形成氧化膜的工序；除去上述氧化膜的工序。
根據(jù)本發(fā)明，通過在以填充層間絕緣膜中的配線槽的方式形成的金屬配線圖案中的晶粒界面上導入氧，來抑制這樣的沿著晶粒界面的向金屬配線圖案表面的金屬元素的擴散，在具有這樣的多層配線結構的半導體裝置的動作中，例如可抑制在通電試驗時，在構成多層配線結構的金屬配線圖案上產(chǎn)生的空穴等的缺陷的產(chǎn)生。而且根據(jù)本發(fā)明，上述金屬配線圖案表面上，氧化膜的形成以及除去工序的結果，與金屬配線圖案中的晶粒的形態(tài)相對應地形成凹凸，與此相伴，增大沿著金屬配線圖案表面的金屬原子的擴散距離。其結果，抑制金屬原子向金屬配線圖案外部的由擴散導致的流出。
本發(fā)明的其他課題在于，
提供一種多層配線結構的形成方法，其特征在于包含在層間絕緣膜中形成配線槽的工序；用金屬層填充上述配線槽的工序；用化學機械研磨除去上述金屬層中、堆積在上述層間絕緣膜的表面上的部分的工序，在上述化學機械研磨工序之后，對上述金屬層進行熱處理的工序，在上述熱處理之后，對上述金屬配線層的表面進行平坦化的工序。
根據(jù)本發(fā)明，通過在進行化學機械研磨之后的狀態(tài)下對金屬層進行熱處理，來有效地緩和在上述金屬層中殘留的應力。雖然隨著這樣的應力的緩和，在上述金屬層的表面中由于金屬原子的壓力移動而形成在之前圖3A、3B中說明的突起，但在本發(fā)明中，通過之后對金屬層的表面進行平坦化，來除去該突起，其結果，使得表面平坦化，而且可得到應力完全緩和的金屬層或者金屬配線圖案。尤其，以上述化學機械研磨的結果、在上述配線槽中形成有金屬配線圖案的狀態(tài)下，進行上述熱處理的場合下，之后的平坦化工序僅用研磨處理從層間絕緣膜表面中僅除去阻擋金屬膜就足夠，且可以有效地避免由于平坦化工序再一次將殘留應力導入金屬配線圖案中的情況。這樣的金屬層中的殘留應力，比如在圖1G的Cu層34的場合，為了進行再結晶化以及晶粒成長而進行的熱處理的結果是，對整個Cu層34來說緩和了，但在形成這樣厚的Cu層34的狀態(tài)下僅進行熱處理，可以認為在Cu層34內(nèi)部的部分中仍存在殘留應力。此外，在圖1H的化學機械研磨的時候也是，存在新的殘留應力導入到上述金屬配線圖案中的可能性。本發(fā)明解決這樣的在先的問題。
本發(fā)明的其他的特征以及優(yōu)點，在以下通過參照附圖進行的關于發(fā)明的詳細說明可以更加明確。


圖1A～圖1K是表示用雙鑲嵌法的在先的多層配線結構的形成工序的圖。
圖2是表示在先的多層配線結構中產(chǎn)生的缺陷的產(chǎn)生結構的圖。
圖3A、3B是表示在先的多層配線結構中產(chǎn)生的缺陷的產(chǎn)生結構的另一幅圖。
圖4A～4C是表示根據(jù)本發(fā)明第1實施例的多層配線結構的形成方法的圖。
圖5是表示具有根據(jù)本發(fā)明第1實施例的多層配線結構的半導體裝置的結構的圖。
圖6是表示由根據(jù)本發(fā)明第1實施例的多層配線結構而得到的Cu原子的擴散的抑制的圖。
圖7A～7C是表示根據(jù)本發(fā)明第2實施例的多層配線結構的形成方法的圖。
圖8是表示本發(fā)明的第2實施例中所使用的CMP裝置的結構的圖。
具體實施例方式下面說明本發(fā)明的第1實施例。
本實施例中，最初，進行之前說明的圖1A～圖1H的工序，如圖1H所示可得到，在層間絕緣膜28中通過阻擋金屬膜32形成Cu配線圖案34A，此外在層間絕緣膜24中通過阻擋金屬膜32形成Cu插件34B的結構。
其中本實施例中，作為上述層間絕緣膜24和28，比如使用以ダウゲミ力ル(公司名)公司的作為注冊商標SiLK而在市場上出售的低介電常數(shù)的芳香族碳氫聚合物，此外作為上述蝕刻制止膜22，使用用等離子CVD法形成的SiC膜。用等離子CVD法的SiC膜的成膜，優(yōu)選地，比如使用三甲基硅烷作為原料，以大約400℃的基板溫度供給50～700W的高頻功率的同時執(zhí)行。此外，作為上述阻擋金屬膜32，可以使用層疊厚度為10～20nm程度的TaN膜和Ta膜的通常的阻擋金屬膜。這些阻擋金屬膜可以用濺射法或者反應性濺射法來形成。
顯而易見，作為上述層間絕緣膜28除用有機碳氫聚合物膜之外，還可以使用有機SOG膜、HSQ(hydrogen silsesquioxane)等的無機硅氧烷膜、MSQ(methyl silsesquioxane)等的有機硅氧烷膜，還有低介電常數(shù)的多孔質(zhì)膜，或者在先技術中的SiO2膜。而且作為上述阻擋金屬膜32還可以使用Ti膜或者TiN膜。
圖4A是，在圖1H的狀態(tài)中，將上述Cu配線圖案34A的用虛線包圍的表面部分放大表示的圖。
參照圖4可知，Cu配線圖案34A，如在先的圖3A、3B中說明的那樣，由用晶粒界面34b劃分成的大量的Cu晶粒34g而構成，且具有用CMP工序而平坦化的主面34a。
本實施例中，在圖1H的工序之后、圖1I的工序之前，對圖1H的結構進行氧元素等離子處理，如圖4B所示，在上述Cu配線圖案34A的表面34a上形成氧化膜34O。
本實施例中，上述氧化處理，通過將被處理基板在處理容器中保持在室溫下，以13.3Pa(0.1Torr)的壓力下，供給50-100W的高頻等離子體來進行。此時，通過將氧氣體以大約100SCCM的流量供給到上述處理容器中，由此在上述Cu配線圖案34A的表面34a上形成Cu的氧化膜34O。比如，進行5分鐘上述的等離子氧化處理，由此可以使得上述氧化膜34O以25.4nm的平均膜厚度來形成。此外，在進行2分鐘該等離子氧化處理的場合下，可以使得上述氧化膜34O形成為11nm的平均膜厚度。
這樣形成的氧化膜34O由CuO或者Cu2O、或者CuO和Cu2O的混合物構成，其特征在于，對應于晶粒界面34b膜厚變化。此外，隨著這樣的氧化膜34O的形成，氧原子從上述表面34a沿著晶粒界面侵入到Cu配線圖案34A的內(nèi)部，其結果，尤其在從上述表面34a向內(nèi)部連續(xù)延伸的晶粒界面34b上，形成氧濃度較高的區(qū)域34o。在這樣的高氧濃度區(qū)域34o中，也可以認為，氧與構成Cu結晶34g的Cu原子結合，形成1至幾個原子層程度的由CuO或者Cu2O構成的氧化膜。
本實施例中，在圖4B的工序之后，代替圖1I的工序而進行圖4C的工序，使用NH3等離子或者氫等離子除去上述氧化膜34O。
例如這樣的氧化膜除去工序，是通過將被處理基板在處理容器中保持在400℃的溫度下，以240Pa(1.8Torr)的壓力下，供給200W的高頻等離子來進行。此時，通過將NH3氣體以400OSCCM的流量供給到上述處理容器中，通過用與等離子激勵起的氫基之間的反應除去上述氧化膜34O，其結果，如圖4C所示，在Cu配線圖案34A的表面上，形成與上述晶粒34g對應的凹凸34a’。如圖4C所示，除去這樣的上述氧化膜34O之后，在上述晶粒界面上形成的氧化膜34o仍然殘留。且圖4C的氧化膜除去工序還可以通過代替NH3氣體而供給氫氣來進行。
而且，在日本專利特開平2000-200832號公報等中，在前面關于在先技術進行說明的圖1I的工序，是在Cu配線層上形成SiN或SiC等的無機阻擋膜時，將Cu配線層表面暴露在H2、N2、NH3或者稀有氣體等的非氧化性等離子體氣氛中來除去污染，以提高上述無機阻擋層和Cu配線層之間的緊密接合性的技術方案，但圖4C的工序，是為了除去在前面的圖4B的工序中形成的氧化膜34O而設置的工序，雖然同樣使用NH3等離子或者氫等離子，但是應該注意到該處理過程的意義與在先技術中的意義完全不同的這一點。
圖4C的工序的結果，是在上述Cu配線圖案34A的表面中，除去達到上述表面的晶粒界面的部分，且不存在氧原子。但是，圖4C的結構，不是僅僅表示在Cu配線圖案34A的表面上不存在氧的場合，還表示在上述表面中的氧濃度比上述晶粒界面中的氧濃度低的狀態(tài)。
圖4C的工序之后，與之前說明的相同地進行圖1J以后的工序，可得到如圖5所示的多層配線結構。其中，本實施例中上述配線圖案34A的表面上形成凹凸34a′，且在上述晶粒界面34b中、從上述表面34a′向配線圖案34A內(nèi)部延伸的部分上，形成有氧原子濃度高的氧化膜34o。
本實施例中，由于這樣地在上述配線圖案34A的表面上存在凹凸34a′，在Cu原子通過配線圖案34A的表面進行移動的時候增大擴散距離，其結果，抑制沿著配線圖案34A的表面的Cu原子的移動。
如圖6所示，本實施例中，由于在上述配線圖案34A的表面附近的晶粒界面上形成有氧化膜乃至高氧濃度區(qū)域34o，在這些區(qū)域中Cu原子通過氧原子而被強化(peening)，有效地抑制Cu原子向表面的擴散。其結果，在使具有這樣的多層配線結構的半導體裝置動作的場合下，或者進行通電試驗的場合等下產(chǎn)生的、圖2中說明的空穴形成的問題得到了解決。
而且，本實施例中，雖然上述氧化處理用了等離子氧化處理，但是也可以將該物體置于氧氣氛中進行急速熱處理。但是由于會產(chǎn)生這樣的情況，即氧元素沿著晶粒界面34o深深侵入到配線圖案34A的內(nèi)部的場合下，增大配線圖案34A的電子阻抗，所以優(yōu)選地，上述氧化膜34O的形成，在30nm或其以下，比如之前說明的25.4nm程度或者保留在其以下。
對這樣處理的配線圖案34A的表面狀態(tài)用掃描型電子顯微鏡(SEM)進行檢查的結果，確認了與沒有進行這樣的處理的比較對照例相比較，在圖2中說明的空穴20X的比例，從面積比看降低了60％。
然后對根據(jù)本發(fā)明第2實施例的多層配線結構的形成工序進行說明。
本實施例中，首先，進行前面說明的圖1A～圖1G的工序，如圖1G所示，在上述阻擋金屬膜32上，用電解電鍍法等方法形成Cu層34，以填充上述圖1F的配線槽28A以及通孔24A。
如之前說明的那樣，本實施例中，作為上述層間絕緣膜24以及28，也采用由ダウゲミカル(公司名)公司作為注冊商標SiLK而在市場上出售的低介電常數(shù)的芳香族碳氫聚合物，此外作為上述蝕刻制止膜22，使用用等離子CVD法形成的SiC膜。進一步，作為上述阻擋金屬膜32，可使用層疊TaN膜和Ta膜而成的通常的阻擋金屬膜。
此外，本實施例中，作為上述層間絕緣膜28，除了用有機碳氫聚合物膜之外，還可以使用有機SOG膜、HSQ(hydrogen silsesquioxane)等的無機硅氧烷膜、MSQ(methyl silsesquioxane)等的有機硅氧烷膜，還有低介電常數(shù)的多孔質(zhì)膜、或者在先技術中的SiO2膜。而且，作為上述阻擋金屬膜32還可以使用Ti膜或者TiN膜。
本實施例中，在圖1G的工序之后，執(zhí)行圖7A的工序，并以上述阻擋金屬膜32為制止膜，用CMP法除去上述阻擋金屬膜32上堆積的Cu層34。
如之前說明的那樣，即使在圖1G的工序中進行使上述Cu層34再結晶的熱處理，但還有在上述Cu層34的內(nèi)部殘留有局部的殘留應力的可能性，此外在圖1H的CMP工序中，還有上述Cu層34中積蓄新的應力的可能性。換句話說，在圖7A的狀態(tài)中，有在上述Cu配線圖案34A中實際上存在殘留應力的可能性，可認為這樣的殘留應力導致在前面的圖3A、3B中說明的由Cu原子的界面擴散引起的缺陷34X的產(chǎn)生。
因此，本實施例中，接著上述圖7A的工序進行圖7B的工序，將圖7A的結構在惰性氣體中、以250℃或其以上400℃或其以下的溫度進行熱處理。比如通過將這樣的熱處理在大氣壓下的氮氣氛中進行10分鐘的程度，由此在上述Cu配線圖案34A中產(chǎn)生應力緩和，與此相伴的Cu原子的擴散的結果，如圖7B所示那樣，在上述Cu配線圖案34A上，形成與圖3A、3B中說明的情況相同的突起34X。這樣的突起34X，一般具有1μm或其以下的高度。
然后，在圖7B的工序中，以上述SiC膜為制止膜，進行CMP工序，除去上述SiC膜30上的阻擋金屬膜32以及SiC膜30。根據(jù)這樣的工序，上述Cu配線圖案34A的表面也通過研磨而平坦化，其結果，如圖7C所示除去了上述突起34X。
在圖7C的工序之后，在圖1I的清洗工序中，除去上述Cu配線圖案34A表面的雜質(zhì)，而且通過進行圖1J以后的工序，或得到具有如圖1K所示結構那樣的多層配線結構的半導體裝置。
圖7C的CMP工序中，在上述Cu配線圖案34A中隨著研磨而有積蓄應力的可能性，但由于上述阻擋金屬膜32和SiC膜30合計也僅具有不足于100nm的膜厚度，所以即使進行這樣的研磨工序，在上述Cu配線圖案34A中，實際上，也不會有積蓄由熱處理而形成突起34X那樣的應力的情況。
這樣地，根據(jù)本實施例，能夠用鑲嵌法或者雙鑲嵌法，形成在上述配線圖案34A以及通過插件34B中沒有殘留應力的配線結構。本實施例的向單鑲嵌法的擴展不言自明，這里省略說明。
圖8表示本實施例中使用的CMP裝置100的結構。其中，圖示的CMP裝置100并不是本實施例中必須的，也可以用其它的裝置實施本實施例。
參照圖8，CMP裝置100具備在基臺101上保持貯片盒(wafer cassette)102A～102C的貯片盒保持部102；交換上述貯片盒保持部中的薄片的薄片搬運單元103，進一步具備，在上述薄片搬運單元103之間交換薄片的研磨壓盤單元104以及105。其中研磨壓盤單元104使用于Cu層的CMP中，而研磨壓盤單元105使用于阻擋金屬層的CMP中。
而且，在上述基臺101上設置有用來清洗用上述研磨壓盤104、105所研磨的薄片的清洗單元106、和用于進行圖7B的熱處理工序的爐107。
在此，當圖1G的狀態(tài)的被處理基板保持在上述貯片盒保持部102中的任何一個貯片盒102A～102C中的時候，上述薄片搬運單元103將此搬運到研磨壓盤單元104，對上述Cu層34進行研磨。上述研磨壓盤單元104中的CMP工序的結果，可得到圖7A的結構的試樣，將此在上述清洗單元106中清洗之后，通過上述薄片搬運單元103送到爐107中。
在爐107中，進行在圖7B中說明的熱處理工序，得到的試樣通過上述薄片搬運單元103送到研磨壓盤單元105。
在研磨壓盤單元105中進行圖7C的CMP工序，得到的試樣在用上述清洗單元106清洗之后，返回到上述貯片盒保持部102中。而且，在薄片搬運單元103中，包括搬運用研磨壓盤單元104和105處理而帶有純水的薄片的濕式單元；搬運從貯片盒102A～102C、清洗單元106以及爐107送來的干燥狀態(tài)的薄片的干式單元。
通過使用圖8的CMP裝置100，對圖7A～7C的工序進行一步步的處理過程，還可以與其它的工序協(xié)同的同時有效地執(zhí)行。
而且，圖8的CMP裝置100中在基臺上沒有設置爐107的場合下，可以通過將用研磨壓盤單元104處理的圖7A的狀態(tài)的試樣搬運到外部的爐中去，來進行所希望的處理。
而且，本實施例中，說明了將圖7B的熱處理工序在大氣壓下的氮氣氛中進行的例子，但上述氮氣氛中還可以添加非氧化性氣體，比如氫氣。此外，該熱處理也可以在133×10-5Pa(10-5Torr)以下的真空氣氛中進行。在上述熱處理工序的溫度比250℃低的場合，圖7B的工序中不能達到足夠的應力緩和，而在上述Cu配線圖案34A中會殘留應力。另一方面，在上述熱處理工序的溫度超過500℃的場合，尤其作為層間絕緣膜使用低介電常數(shù)有機絕緣膜的場合，層間絕緣膜將無法經(jīng)受熱處理。由此，圖7B的工序中的熱處理，最好在250℃～400℃的范圍的溫度下進行。
而且，本實施例中，形成Cu配線圖案34A的場合，也可以對圖7C的結構進行之前的實施例的氧化處理以及氧化膜除去處理。
而且，在上述的各個實施例中，Cu配線圖案34A還可以是銅合金。
上面，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行了說明，但是本發(fā)明不限于上述的實施例，可以在本發(fā)明的宗旨內(nèi)進行各種的變形和變更。
根據(jù)本發(fā)明，通過在以填充層間絕緣膜中的配線槽的方式形成的金屬配線圖案中的晶粒界面上導入氧元素，來抑制沿著這樣的晶粒界面的向金屬配線圖案表面的金屬元素的擴散，在具有這樣的多層配線結構的半導體裝置的動作中，例如在通電試驗的時候，抑制在構成多層配線結構的金屬配線圖案上所產(chǎn)生的空穴等的缺陷的產(chǎn)生。而且根據(jù)本發(fā)明，上述金屬配線圖案表面上的凹凸，氧化膜的形成以及除去工序的結果，與金屬配線圖案中的晶粒的形態(tài)相對應地形成，與此相伴地增大沿著金屬配線圖案表面的金屬原子的擴散距離。其結果，抑制金屬原子向金屬配線圖案外部的擴散導致的流出。
而且根據(jù)本發(fā)明，通過在進行化學機械研磨之后的狀態(tài)下對金屬層進行熱處理，來有效地緩和在上述金屬層中殘留的應力。隨著這樣的應力的緩和，雖然在上述金屬層的表面中由于金屬原子的壓力移動而形成如之前在圖3A、3B中說明的那樣的突起，但在本發(fā)明中通過之后的金屬層的表面平坦化處理，除去該突起，其結果，使得表面平坦化，而且可得到應力完全緩和的金屬層或者金屬配線圖案。尤其，以上述化學機械研磨的結果、在上述配線槽中形成有金屬配線圖案的狀態(tài)下進行上述熱處理的場合，之后的平坦化工序僅僅是用研磨處理從層間絕緣膜表面中除去阻擋金屬膜的簡單處理就足夠了，可以有效地避免由于平坦化工序殘留應力再一次被導入到金屬配線圖案中的情況。這樣的金屬層中的殘留應力，比如在圖1G的Cu層34的場合，為了進行再結晶化以及晶粒成長而進行的熱處理的結果，對整個Cu層34得到緩和，但在形成這樣厚的Cu層34的狀態(tài)下僅僅進行熱處理的結果，可以認為在Cu層34的內(nèi)部的部分地區(qū)仍會存在殘留應力。此外，在圖1H的化學機械研磨的時候也是，存在新的殘留應力將導入到上述金屬配線圖案中的可能性。本發(fā)明能夠解決這樣的在先技術中存在的問題。
權利要求
1.一種多層配線結構，其特征在于，由下述部分構成第1層間絕緣膜；形成在上述第1層間絕緣膜上的第2層間絕緣膜；形成在上述第1層間絕緣膜中、用第1阻擋金屬膜覆蓋側壁面以及底面的配線槽；形成在上述第2層間絕緣膜中、用第2阻擋金屬膜覆蓋側壁面以及底面的通孔；填充上述配線槽的配線圖案；填充上述通孔的通過插件，另外，上述通過插件與上述配線圖案的表面接觸，上述配線圖案在上述表面上具有凹凸，上述配線圖案，沿著在上述配線圖案中從上述表面朝向上述配線圖案內(nèi)部延伸的晶粒界面，含有高于上述表面中的濃度的氧原子。
2.如權利要求1所述的多層配線結構，其特征在于上述氧原子與上述晶粒界面中形成上述配線圖案的金屬元素結合，形成氧化物。
3.如權利要求1所述的多層配線結構，其特征在于上述配線圖案由銅配線圖案構成，上述氧化物由CuO或者Cu2O構成。
4.如權利要求1所述的多層配線結構，其特征在于上述配線圖案由銅配線圖案構成，上述氧化物由CuO和Cu2O的混合物構成。
5.如權利要求1所述的多層配線結構，其特征在于上述表面不含氧化物。
6.如權利要求1所述的多層配線結構，其特征在于上述凹凸與上述配線圖案中的晶粒對應而形成。
7.一種多層配線結構的形成方法，其由下述工序構成在層間絕緣膜中形成配線槽的工序；用金屬層填充上述配線槽的工序；用化學機械研磨除去上述金屬層中、堆積在上述層間絕緣膜的表面上的部分，并在上述配線槽中形成金屬配線圖案的工序，其特征在于，進一步包含在上述化學機械研磨工序之后，對上述金屬配線圖案的表面進行氧化，形成氧化膜的工序；除去上述氧化膜的工序。
8.如權利要求7所述的多層配線結構的形成方法，其特征在于上述形成氧化膜的工序包含用氧等離子處理上述金屬配線圖案的表面的工序。
9.如權利要求7所述的多層配線結構的形成方法，其特征在于上述形成氧化膜的工序，形成的上述氧化膜的膜厚在30nm或其以下。
10.如權利要求7所述的多層配線結構的形成方法，其特征在于上述除去氧化膜的工序通過干燥處理過程來進行。
11.如權利要求7所述的多層配線結構的形成方法，其特征在于上述除去氧化膜的工序，在還原性的等離子中執(zhí)行。
12.一種多層配線結構的形成方法，其特征在于包含在層間絕緣膜中形成配線槽的工序；用金屬層填充上述配線槽的工序；用化學機械研磨除去上述金屬層中、堆積在上述層間絕緣膜的表面上的部分的工序；在上述化學機械研磨工序之后，對上述金屬層進行熱處理的工序；在上述熱處理之后，對上述金屬配線層的表面進行平坦化的工序。
13.如權利要求12所述的多層配線結構的形成方法，其特征在于用上述金屬層填充上述配線槽的工序，是由用阻擋金屬膜覆蓋上述層間絕緣膜的上主面以及上述配線槽的表面的工序、和將上述金屬層堆積在上述阻擋金屬膜上的工序構成；上述化學機械研磨工序是將上述層間絕緣膜上的上述阻擋金屬膜作為制止膜來執(zhí)行的。
14.如權利要求12所述的多層配線結構的形成方法，其特征在于上述熱處理工序，是以在上述金屬配線層中產(chǎn)生應力緩和的溫度下執(zhí)行。
15.如權利要求12所述的多層配線結構的形成方法，其特征在于上述熱處理溫度在250℃或其以上的溫度下執(zhí)行。
16.如權利要求12所述的多層配線結構的形成方法，其特征在于上述平坦化工序是由另一個化學機械研磨工序構成，該另一個化學機械研磨工序?qū)ι鲜鼋饘賹訄?zhí)行直到露出上述層間絕緣膜的上主面的處理。
17.如權利要求12所述的多層配線結構的形成方法，其特征在于用上述金屬層填充上述配線槽的工序，是由用阻擋金屬膜覆蓋上述層間絕緣膜的上主面以及上述配線槽的表面的工序、和將上述金屬層堆積在上述阻擋金屬膜上的工序構成；上述化學機械研磨工序，是將上述層間絕緣膜上的上述阻擋金屬膜作為制止膜來執(zhí)行；上述平坦化工序，是由另一個化學機械研磨工序，即對上述金屬層以及上述阻擋金屬膜進行研磨直到露出上述層間絕緣膜的上述上主面的工序構成。
18.一種半導體裝置，其由基板、形成在上述基板上的多層配線結構構成，其特征在于上述多層配線結構由下述部分構成第1層間絕緣膜；形成在上述第1層間絕緣膜上的第2層間絕緣膜；形成在上述第1層間絕緣膜中、用第1阻擋金屬膜覆蓋側壁面以及底面的配線槽；用形成在上述第2層間絕緣膜中的第2阻擋金屬膜覆蓋側壁面以及底面的通孔；填充上述配線槽的配線圖案；填充上述通孔的通過插件，另外，上述通過插件與上述配線圖案的表面接觸，上述配線圖案在上述表面上具有凹凸，上述配線圖案，沿著在上述配線圖案中從上述表面朝向上述配線圖案內(nèi)部延伸的晶粒界面，含有高于上述表面中的濃度的氧原子。
全文摘要
一種多層配線結構，其特征在于由第1層間絕緣膜、形成在上述第1層間絕緣膜上的第2層間絕緣膜、形成在上述第1層間絕緣膜中的用第1阻擋金屬膜覆蓋側壁面以及底面的配線槽、形成在上述第2層間絕緣膜中的用第2阻擋金屬膜覆蓋側壁面以及底面的通孔、填充上述配線槽的配線圖案，以及填充上述通孔的通過插件構成，上述通過插件與上述配線圖案的表面接觸，上述配線圖案在上述表面上具有凹凸，上述配線圖案，沿著在上述配線圖案中從上述表面朝向上述配線圖案內(nèi)部延伸的晶粒界面，含有高于上述表面中的濃度的氧原子。
文檔編號H01L23/52GK1650408SQ0282948
公開日2005年8月3日 申請日期2002年12月26日 優(yōu)先權日2002年12月26日
發(fā)明者山本保, 綿谷宏文, 北田秀樹, 堀內(nèi)博志, 宮島基守 申請人:富士通株式會社