專利名稱:制造半導體器件的方法以及制造磁頭的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種制造具有以銅作為互連層主要材料的互連結構的半導體器件的方法，以及一種制造具有以銅作為互連層主要材料的互連結構的磁頭的方法。
背景技術：
隨著半導體器件的集成規(guī)模加大和集成度增高，互連的設計規(guī)則一代代減少。通常，通過沉積互連材料且利用光刻和干蝕刻將沉積的互連材料圖案化來形成互連層，但是隨著更新?lián)Q代，此工藝在技術上開始出現(xiàn)局限性。作為一種替代傳統(tǒng)互連形成工藝的新的形成互連層的工藝，即所謂的鑲嵌工藝(damascene process)正在使用，該工藝在層間絕緣膜中間形成溝槽圖案和孔圖案并且在溝槽和孔中埋置互連材料。隨著互連形成工藝的更新，比通常用作互連材料的鋁(Al)具有更低的電阻率并且具有較高的電遷移阻抗的銅(Cu)已經投入使用。
通過這種互連形成工藝，將半導體元件(像晶體管等)高度集成在一起的多層互連結構的半導體器件正在快速地發(fā)展。與此相關的，已經提出了通過抑制互連層中的電遷移等以提高半導體器件可靠性的若干方法[參見例如日本未審公開專利申請2000-323476號(專利文獻1)，日本未審公開專利申請2002-246391號(專利文獻2)和日本未審公開專利申請2003-142580號(專利文獻3)]。
在半導體器件的運行中，器件本身產生熱，因此其溫度上升。眾所周知，當由于在運行時以及在多層互連結構等形成之后的工藝中這種溫度上升使得多層互連結構暴露在高溫環(huán)境中時，互連層中的Cu原子和在互連層中形成的小孔產生遷移，進而在互連層中形成大的孔洞，并且這些孔洞引起互連層的導電故障。
在互連層的寬度是1μm或更大的情況下，互連層的寬度相對于在互連層產生的孔洞足夠大。于是，由于孔洞造成的導電故障不會嚴重影響半導體器件的工作特性和可靠性。
然而，在互連層的寬度是0.5μm或更小的情況下，互連層上產生的孔洞所造成互連阻抗的增加對于半導體器件工作特性和可靠性的影響是不容忽略的。尤其在此后形成0.2μm寬或更窄的精細互連層中，抑制由于孔洞造成的導電故障的發(fā)生是非常重要的。
上述的專利文獻1到3公開了提高半導體器件可靠性的方法。該方法通過提高互連層的對電遷移的阻抗而提高可靠性。迄今為止，還沒有提出針對由于熱引起孔洞而造成互連層導電故障的有效對策。
作為這樣的一種對策，本發(fā)明的申請人已經提出在互連層的表面同時噴射氮氣和水，由此抑制由于熱所造成孔洞的產生，從而提高半導體器件可靠性的方法[參見日本未審公開專利申請2005-183814號(專利文獻4)]。
同樣，在磁記錄器件的磁頭中，例如硬盤等，形成用于產生寫磁場的線圈的互連層日益精細。這類互連層的最小互連寬度已經在1μm以下。因此，如同上述的半導體器件，在磁頭的互連層，必須做出針對由于熱產生孔洞而造成導電故障的對策。

發(fā)明內容本發(fā)明的一個目的為提供一種制造半導體器件的方法，該方法在高溫環(huán)境中能抑制在互連層中孔洞的產生，從而抑制互連層的導電故障，并且提高半導體器件的可靠性。
本發(fā)明的另一個目的為提供一種制造磁頭的方法，該方法在高溫環(huán)境中能抑制在互連層中孔洞的產生，從而抑制互連層的導電故障，并且提高磁頭的可靠性。
依照本發(fā)明的一個方面，提供一種制造半導體器件的方法，其包括以下步驟在絕緣膜中形成開口；在開口中形成以Cu為主要材料的互連層；以及進行在埋置于開口中的互連層表面上同時噴射溶解有氨和氫的純水及氮氣的氮二流體處理。
依照本發(fā)明的另一個方面，提供一種制造磁頭的方法，其包括以下步驟在絕緣膜中形成線圈圖案的開口；在開口中形成以Cu作為主要材料的互連層和形成線圈；以及進行在埋置于開口中的互連層表面上同時噴射溶解有氨和氫的純水及氮氣的氮二流體處理。
依照本發(fā)明的制造半導體器件的方法包括步驟在絕緣膜中形成開口；在開口中形成以Cu為主要材料的互連層；以及進行在埋置于開口中的互連層表面上同時噴射溶解有氨和氫的純水及氮氣的氮二流體處理，由此抑制高溫環(huán)境下互連層的Cu原子的遷移，以及減少互連層導電故障的發(fā)生率。因此，能提供具有良好的抗應力遷移能力和高可靠性的多層互連層的半導體器件。
依照本發(fā)明磁頭的制造方法包括步驟在絕緣膜中形成線圈圖案的開口；在開口中形成以Cu作為主要材料的互連層以及形成線圈；以及進行在埋置于開口中的互連層表面上同時噴射溶解有氨和氫的純水及氮氣的氮二流體處理，由此抑制高溫環(huán)境下互連層的Cu原子的遷移，而且減少形成線圈的互連層的導電故障的發(fā)生率。因此，提供了具有高可靠性的多層互連層的磁頭。
圖1為在互連層上形成擴散阻擋膜之后，進行表面的二次離子質譜分析的結果的坐標圖。
圖2為形成在互連層(第1部分)上的擴散阻擋膜的表面粗糙度測量結果的坐標圖。
圖3是形成在互連層(第2部分)上的擴散阻擋膜的表面粗糙度測量結果的坐標圖。
圖4A到圖4D、圖5A到圖5C、圖6A到圖6C、圖7A到圖7B、圖8A到圖8B、圖9A到圖9B、圖10A到圖10B和圖11A到圖11B是依照本發(fā)明的第一實施例的制造半導體器件的方法在各個步驟中該半導體器件的剖視圖，用以示出該方法。
圖12為顯示磁頭結構的透視圖。
圖13A到圖13C、圖14A到圖14C和圖15A到圖15C是依照本發(fā)明的第二實施例的制造磁頭的方法在各個步驟中該磁頭的剖視圖，用以示出該方法。
具體實施方式首先，參照圖1到圖3進一步解釋本發(fā)明的原理。圖1是在互連層上形成擴散阻擋膜之后，進行表面的二次離子質譜分析的結果的坐標圖。圖2和圖3為形成在互連層上的擴散阻擋膜的表面粗糙度測量結果的坐標圖。
依照本發(fā)明的制造半導體器件的方法的主要特征在于，其包括步驟在絕緣膜中形成開口；在開口中形成以Cu為主要材料的互連層；以及進行氮二流體處理，即在埋置于開口中的互連層的表面上同時噴射溶解有氨和氫的純水及氮氣。
在本說明書中，同時噴射水和氮氣的處理稱做“氮二流體處理”。
同樣地，依照本發(fā)明的制造磁頭的方法的主要特征在于，其包括步驟在絕緣膜中形成線圈圖案開口；在開口中形成以Cu作為主要材料的互連層和形成線圈；以及進行氮二流體處理，即在埋置于開口中的互連層的表面上同時噴射溶解有氨和氫的純水及氮氣。
也就是說，依照本發(fā)明的制造半導體器件的方法和制造磁頭的方法包括進行氮二流體處理的步驟，即在埋置于開口中的互連層的表面上同時噴射溶解有氨和氫的純水及氮氣，其中與氮氣同時噴射的水是溶解有氨和氫的純水。
在本發(fā)明的說明書中，溶解有氨和氫的純水適當?shù)胤Q作“加氫的氨水”(ammonia added hydrogen water)。
在鑲嵌工藝中經CMP(化學機械拋光)平坦化之后，暴露出的以Cu作為主要材料的互連層的表面基本上由純Cu構成。通常，緊接著CMP平坦化之后形成碳化硅(SiC)或其它材料的擴散阻擋膜來防止作為互連層材料的Cu的擴散。當以這種傳統(tǒng)的步驟形成的多層互連處于高溫環(huán)境的時候，互連材料的Cu原子以及互連層中的小孔遷移，從而導致在互連層中產生孔洞。這些孔洞是造成互連層導電故障的原因之一。
本申請的申請人提出一種用于抑制由于這種孔洞造成的導電故障產生的方法，這種用于制造半導體器件的方法包括進行氮二流體處理的步驟，即在層間絕緣膜的互連溝槽中埋置互連層且經CMP平坦化之后，以及在形成用于防止互連材料Cu擴散的擴散阻擋膜之前，在互連層的表面上同時噴射氮氣和水(參見專利文獻4)。在專利文獻4公開的氮二流體處理中，純水、在純水中溶解有碳酸的碳酸水等，與氮氣同時噴射在互連層的表面上。
此外，本申請的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在層間絕緣膜的互連溝槽中埋置互連層且經CMP平坦化之后，并且在形成用于防止互連材料Cu擴散的擴散阻擋膜之前的氮二流體處理，即在互連層的表面上同時噴射加氫的氨水及氮氣的氮二流體處理，即使當多層互連暴露于高溫環(huán)境下，也能大大降低互連的導電故障發(fā)生率。另外，本申請的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，以同時噴射加氫的氨水及氮氣進行氮二流體處理比進行專利文獻4所揭示的氮二流體處理進一步降低了導電故障發(fā)生率。
本發(fā)明利用同時噴射加氫的氨水和氮氣的氮二流體處理進一步降低了導電故障發(fā)生率的因素將描述如下。
首要因素為，加氫的氨水減少了暴露的Cu層的表面或者防止了Cu層表面的氧化。
第二因素為，使用加氫的氨水進行的氮二流體處理，增加了Cu層表面氮的數(shù)量。
此外，作為第三個因素，加氫的氨水清潔了暴露的Cu層的表面且去除了表面的灰塵。
相較于專利文獻4揭示的氮二流體處理，本發(fā)明的氮二流體處理的第一到第三個因素，對抑制導電故障的發(fā)生十分有效。
圖1為在層間絕緣膜上形成作為擴散阻擋膜的SiC膜之后，對半導體器件的表面附近進行二次離子質譜分析的結果的坐標圖，該層間絕緣膜埋置有通過鑲嵌工藝形成的以銅作為主要材料的互連層。在圖1中，沿深度分布曲線A表示在形成互連層后，進行同時噴射加氫的氨水和氮氣的氮二流體處理，然后在埋置有互連層的層間絕緣膜上形成SiC膜的情況下的結果。沿深度分布曲線B表示在形成互連層后，進行在專利文獻4中揭示的氮二流體處理，然后在埋置有互連層的層間絕緣膜上形成SiC膜的情況下的結果。如曲線B所示的情況下，所采用的揭示于專利文獻4中的傳統(tǒng)的氮二流體處理為同時噴射氮氣和純水(離子交換水)。沿深度分布曲線C表示了在形成互連層后，沒有進行氮二流體處理，直接在埋置有互連層的層間絕緣膜上形成SiC膜的情況下的結果。
在圖1中顯示的二次離子質譜分析的結果表明，在進行氮二流體處理的情況(曲線A和曲線B)下，在以Cu作為主要材料的互連層和SiC膜之間的界面附近，只檢測到少許氮。此外，將曲線A與曲線B進行比較可以看出，在氮二流體處理中，使用加氫的氨水作為和氮氣同時噴射的水，在互連層和SiC膜之間的界面附近，氮的數(shù)量有少許增加。
因此可以看出，通過進行氮二流體處理，氮被吸附在或以化合物的形式存在于Cu層的表面上，并且使用加氫的氨水增加了氮的數(shù)量。
即使暴露在高溫環(huán)境中，經氮二流體處理在以Cu為主要材料的互連層表面上所吸附的氮，將通過下述機制降低互連層的導電故障發(fā)生率。也就是說，當?shù)皆谝訡u為主要材料的互連層的表面上，在形成用以防止Cu擴散的的擴散阻擋膜時，存在的氮使互連層的Cu原子在高溫環(huán)境中移動困難。結果，抑制了在互連層中孔洞的產生，降低了導電故障發(fā)生率，以及提高了互連層的抗應力遷移能力。
在氮二流體處理中使用加氫的氨水，增加了在以Cu作為主要材料的互連層表面上所吸附的氮量。此外，與通常使用純水等相比，進一步抑制了互連層孔洞的產生，以及進一步降低了互連層的導電故障發(fā)生率。因此，更進一步提高了互連層的抗應力遷移能力。
在高溫環(huán)境中，在氮二流體處理中噴射的水也可能有助于抑制導電故障的產生。也就是說，噴射在互連層的表面上的水不但可清理其表面，還可以將出現(xiàn)在以Cu作為主要材料的互連層的表面上的氫氧基和擴散阻擋膜的氫基相結合。這使得擴散阻擋膜以高附著力形成在互連層上，由此，即使在高溫環(huán)境中，在互連層中的Cu原子的遷移變得困難?？赏浦Y果是，抑制了在互連層中孔洞的產生，由此降低了互連層的導電故障率，以及增加了互連層的抗應力遷移能力。
基于對形成在互連層上的擴散阻擋膜的平均粗糙度的測量結果，如圖2和圖3所示，可以肯定，通過氮二流體處理能抑制高溫環(huán)境中的互連層的Cu原子的遷移。
圖2為形成在層間絕緣膜上的SiC膜表面的平均粗糙度的測量結果坐標圖，該層間絕緣膜通過鑲嵌工藝埋置有互連層。分別對應于使用本發(fā)明的加氫的氨水的氮二流體處理的情況、在專利文獻4中揭示的傳統(tǒng)的氮二流體處理的情況以及不進行氮二流體處理的情況，在沉積后直接測量SiC膜的平均表面粗糙度以及在200℃溫度下放置504小時后測量SiC膜的平均表面粗糙度。平均表面粗糙度是用原子力顯微鏡測量的。對于每種情況，平均粗糙度的變化量是通過將熱處理后直接測量的SiC膜的表面平均粗糙度減去沉積后直接測量的SiC膜的表面平均粗糙度而獲得。
在圖2示出的使用氮二流體處理的情況的坐標圖中，與沒有使用氮二流體處理的情況相比，其表面平均粗糙度通常比較小并且由于熱處理導致的表面平均粗糙度的變化量也較小。此外，基于形成在互連層上的擴散阻擋膜的表面平均粗糙度的變化量由此降低，可以看出，氮二流體處理使由于熱處理導致的互連層的Cu原子的移動變得困難，且抑制了在互連層中孔洞的產生。
此外，在用加氫的氨水進行氮二流體處理的情況下，與進行在專利文獻4揭示的氮二流體處理相比，平均表面粗糙度通常較小，并且由于熱處理導致的表面平均粗糙度的變化量抑制得更小?；诖?，在氮二流體處理中使用加氫的氨水，能進一步抑制在互連層上產生孔洞。
圖3為坐標圖，比較在進行氮二流體處理后形成在層間絕緣膜(通過鑲嵌工藝埋置有互連層)上的SiC膜表面的平均粗糙度以及用其它處理代替氮二流體處理后形成的SiC膜表面的平均粗糙度。對于氮二流體處理，進行使用加氫的氨水的氮二流體處理和在專利文獻4揭示的傳統(tǒng)氮二流體處理，測量在每種情況下的SiC膜的表面平均粗糙度。除進行氮二流體處理的情況外，對于用氫等離子體處理和氨等離子體處理分別代替氮二流體處理的情況，測量SiC膜的表面平均粗糙度。對于每種情況，測量沉積后未經熱處理等的未處理SiC膜的表面平均粗糙度。表面平均粗糙度是用原子力顯微鏡測量。
在圖3示出的進行氮二流體處理的情況的坐標圖中，其與進行氫等離子體處理的情況及進行氨等離子體處理的任何一種情況相比，SiC膜的表面平均粗糙度較小。此外，可以看出，在氮二流體處理中使用加氫的氨水使SiC膜的表面平均粗糙度變得更小。
如上所述，依照本發(fā)明，以Cu作為主要材料的互連層埋置在互連溝槽中且通過CMP平坦化，以及在形成Cu擴散的阻擋膜前，在互連層的表面上進行同時噴射加氫的氨水和氮氣的氮二流體處理，由此，抑制了在高溫環(huán)境下互連層中Cu原子的遷移，以及能抑制互連層中孔洞的產生。
因此，依照本發(fā)明的制造半導體器件的方法可提供高可靠性的半導體器件，并且其互連層具有較好的抗應力遷移能力。
如上所述，在例如硬盤等磁記錄器件的磁頭中，形成用以產生寫入磁場的線圈的互連層也日益精細，因此抑制互連層中孔洞的產生成為問題。
依照本發(fā)明制造磁頭的方法，抑制了在形成用以產生寫入磁場的線圈的互連層中孔洞的產生，能提供高可靠性的磁頭。
本發(fā)明的氮二流體處理的條件等細節(jié)描述如下。
在氮二流體處理中的同時噴射氮氣和水的噴射系統(tǒng)，可以例如為日本網屏制造有限公司(DAINIPPON SCREEN MFG.CO.，LTD)制造的軟噴射器、納米噴射器或其它的氮二流體噴射器，以及日本東芝機電有限公司(TOSHIBA MECHATRONICS CO.，LTD)制造的氮二流體噴射器等。
在氮二流體處理中噴射的加氫的氨水所使用的純水，具有能在半導體器件制造工藝中使用的純度。例如，純水可具有例如大于等于17.6MQ·Cm的電阻率，且每毫升幾個顆粒，顆粒直徑為小于0.5μm，不包括0.5μm。
氨和氫溶解于此純水中以制備加氫的氨水。加氫的氨水中氨的濃度設定在例如為0.1-5.0ppm，以及氫濃度設定在例如為0.1-5.0ppm。
在氮二流體處理中噴射加氫的氨水的流率可適當?shù)卦O定在例如為50-300mL/min。
在與氮氣混合并噴射之前可向加氫的氨水施加例如大于500kHz的超聲振動。對加氫的氨水預先實施超聲振動，能有效去除形成在以Cu作為主要材料的互連層表面上的氧化物。施加的超聲振動的頻率優(yōu)選地大于500kHz。這是因為頻率小于或等于500kHz的超聲振動可能損害該圖案。
在氮二流體處理中噴射的氮氣的流率可適當?shù)卦O定為需要的值，但優(yōu)選地可設置在例如5-200L/min，更優(yōu)優(yōu)選地可設置在30-100L/min。這是因為，當流率太小時，氮二流體處理的效果(如后所述)將不充分，而當流率太大時，存在毀壞圖案的危險。
在氮二流體處理中噴射氮氣和水的時間可對應于水的種類、水的流率以及氮氣的流率等情況適當設定，但優(yōu)選地可設置在例如為5-300秒。
在上述氮二流體處理后以及在擴散阻擋膜形成前，可進行將氫等離子體施加于埋置有互連層的層間絕緣膜表面上的氫等離子體工藝。氫等離子體工藝在層間絕緣膜和互連層的表面上進行，由此這些表面被凈化，且可形成具有高附著力的擴散阻擋膜。具有這種互連結構的半導體器件及磁頭的可靠性得到提高。
下面參照圖4A-4D、5A-5C、6A-6C、7A-7B、8A-8B、9A-9B、10A-10B以及11A-11B描述依照第一實施例的制造半導體器件的方法。圖4A-4D、5A-5C、6A-6C、7A-7B、8A-8B、9A-9B、10A-10B以及11A-11B是依照本發(fā)明的第一實施例的制造半導體器件的方法在各個步驟中該半導體器件的剖視圖，用以示出該方法。
首先，以如同通常MOS晶體管制造方法的方式，MOS晶體管包括柵電極14，以及形成在硅襯底10(其上形成有器件隔離膜12)上的源/漏極擴散層16(參見圖4A)。除了MOS晶體管之外，各種半導體器件均能制造在半導體襯底10上。
然后，例如通過CVD(化學氣相沉積)，在硅襯底10(其上形成有MOS晶體管)上形成例如為0.1μm厚的氮化硅膜18。
接著，例如通過CVD，在氮化硅膜18上形成例如為1.5μm厚的PSG(磷硅酸鹽玻璃)膜20。用以沉積PSG膜20的襯底溫度例如設定在600℃。
然后，例如通過CMP(化學機械拋光)，拋光PSG膜20的表面，直到PSG膜20的膜厚變成例如為200nm，由此將PSG膜20的表面平坦化。
接著，例如通過CVD，在PSG膜20上形成例如為50nm厚的SiC膜22(參見圖4B)。該SiC膜22用作鈍化膜。
因此，層間絕緣膜24由氮化硅膜18、PSG膜20以及SiC膜22依次層疊形成。
接著，通過光刻和干蝕刻，接觸孔26在SiC膜22、PSG膜20、氮化硅膜18中向下形成至硅襯底10上。
然后，例如通過CVD，在整個表面上依序形成例如為15nm厚的Ti(鈦)膜、例如為15nm厚的TiN(氮化鈦)膜以及例如為300nm厚的W(鎢)膜。
然后，例如通過CMP，拋光W膜、TiN膜和Ti膜，直到露出層間絕緣膜24的表面，從而去除在層間絕緣膜24上的W膜、TiN膜和Ti膜。因此，形成埋置在接觸孔26中的Ti膜、TiN膜和W膜的接觸塞28(參見圖4C)。
然后，例如通過等離子體CVD，在埋置有接觸塞28的層間絕緣膜24的SiC膜22上，形成例如為150nm厚的SiOC膜30。
然后，例如通過等離子體CVD，在SiOC膜30上形成例如為100nm厚的氧化硅膜32。
因此，在SiC膜22上形成由SiOC膜30和氧化硅膜32層疊形成的層間絕緣膜34(參見圖4D)。
接著，形成用以露出層間絕緣膜34區(qū)域的光致抗蝕劑膜36，該層間絕緣膜34的區(qū)域用以形成互連溝槽(參見圖5A)。
然后，以光致抗蝕劑膜36作為掩膜以及用SiC膜22作為停止層，依次蝕刻氧化硅膜32和SiOC膜30。由此，在氧化硅膜32和SiOC膜30中形成互連溝槽38。在互連溝槽38形成后，去除用作掩膜的光致抗蝕劑膜36(參見圖5B)。
接著，例如通過濺射，例如為30nm厚的TaN(氮化鉭)膜形成的阻障金屬層40以及例如為30nm厚的Cu膜連續(xù)地沉積在整個表面上。
然后，用形成在阻障金屬層40上的Cu膜作為籽晶，通過電解電鍍，Cu膜更進一步沉積形成例如總厚為1μm的Cu膜42(參見圖5C)。
然后，通過CMP，拋光Cu膜42和阻障金屬層40，直到露出氧化硅膜32以去除在氧化硅膜32上的Cu膜42和阻障金屬層40。從而，互連層44由埋置在互連溝槽38中的用以防止Cu擴散的TaN膜的阻障金屬層40和構成互連層主要部分的Cu膜42構成(參見圖6A)。
在通過CMP埋置互連層44后，在層間絕緣膜34和互連層44的表面上進行同時噴射加氫的氨水和氮氣的氮二流體處理，該加氫的氨水通過在純水中溶解氨和氫制備。作為氮二流體處理的條件，例如，處理時間為30秒，加氫的氨水中氨的濃度為1ppm，加氫的氨水的流率為150mL/min，而且氮氣的流速為50L/min。可以向加氫的氨水施加超聲振動，已經施加過超聲振動的加氫的氨水和氮氣同時噴射在層間絕緣膜34和互連層44的表面上。
在氮二流體處理中，例如通過設置在層間絕緣膜34和互連層44的表面附近的噴射裝置的噴嘴46，加氫的氨水和氮氣同時噴射在層間絕緣膜34和互連層44的表面上(參見圖6B)。此時，適當移動噴嘴46的位置能將加氫的氨水和氮氣噴射在各自的位置。另外，當噴嘴46的位置適當移動時，噴射加氫的氨水和氮氣。因此，加氫的氨水和氮氣均勻地噴射到埋置在互連溝槽38中的互連層44的整個表面。當半導體器件處于高溫環(huán)境時，氮二流體處理可抑制互連層44的Cu原子遷移，且能抑制互連層44中孔洞的產生。從而，可抑制互連層44導電故障的發(fā)生。
在氮二流體處理之后，向層間絕緣膜34和互連層44的表面施加氫等離子體。氫等離子體的施加使層間絕緣膜34和互連層44的表面凈化，且擴散阻擋膜能以高附著力形成在層間絕緣膜34和互連層44上。因此，能增加半導體器件的可靠性。
在氫等離子體施加后，例如通過等離子體CVD，在層間絕緣膜34和互連層44上形成例如為50nm厚的SiC膜48(圖6C)。SiC膜48用作擴散阻擋膜，以防止作為互連層材料的Cu擴散。
接著，例如通過等離子體CVD，在SiC膜48上形成例如為450nm厚的SiOC膜54。
然后，例如通過等離子體CVD，在SiOC膜54上形成例如為100nm厚氧化硅膜56。
接著，例如通過等離子體CVD，在氧化硅膜56上形成例如為50nm厚的氮化硅膜58。氮化硅膜58是用作蝕刻的硬掩膜，用以形成互連溝槽等。
從而，由SiC膜48、SiOC膜54、氧化硅膜56和氮化硅膜58依次層疊的層間絕緣膜60，形成在層間絕緣膜34上，該層間絕緣膜34的互連溝槽38中埋置有互連層44(參見圖7A)。
然后，通過光刻，在氮化硅膜58上形成光致抗蝕劑膜62，該光致抗蝕劑膜62是用以暴露一個區(qū)域以使互連層形成在氧化硅膜56和SiOC膜58上(參見圖7B)。
接著，以光致抗蝕劑膜62作為掩膜，各向異性地蝕刻氮化硅膜58。在蝕刻氮化硅膜58之后，去除作為掩模的光致抗蝕劑膜62(參見圖8A)。
接著，通過光刻，在氮化硅膜58和通過蝕刻氮化硅膜58露出的氧化硅膜56上形成光致抗蝕劑膜64，該光致抗蝕劑膜64用以暴露一個區(qū)域以在其中形成通孔(參見圖8B)。
然后，以光致抗蝕劑膜64作為掩膜，蝕刻氧化硅膜56和SiOC膜54。在此蝕刻中，調整蝕刻時間以使蝕刻在SiOC膜54的中心附近停止。蝕刻完成后，去除作為掩模的光致抗蝕劑膜64(參見圖9A)。
然后，以氮化硅膜58作為硬掩膜，蝕刻氧化硅膜56、SiOC膜54和SiC膜48。因此，用以埋置互連層的導通部分的通孔66形成在SiOC膜54和SiC膜48上，以及用以埋置互連層的互連溝槽68形成在氧化硅膜56和SiOC膜54中的包含通孔66的區(qū)域中(參見圖9B)。
接著，例如通過濺射，例如為30nm厚的TaN膜的阻障金屬層70以及例如為30nm厚的Cu膜連續(xù)地沉積在整個表面上。
然后，用形成于阻障金屬層70上的Cu膜作為籽晶，通過電解電鍍進一步沉積Cu膜以形成例如總厚度為1μm的Cu膜72(參見圖10A)。
然后，通過CMP，拋光Cu膜72和TaN膜的阻障金屬層70，直到露出氮化硅膜58以去除在氮化硅膜58上的Cu膜72和阻障金屬層70。因此，互連層74由用以防止Cu擴散的TaN膜的膜阻障金屬層70和構成互連層的主要部分的Cu膜72構成，且埋置在通孔66和互連溝槽68中(參見圖10B)?；ミB層74經由埋置在通孔66中的導通部分與互連層44電連接。
在通過CMP埋置互連層74之后，以與形成互連層44同樣的方式，進行在層間絕緣膜60和互連層74的表面上同時噴射加氫的氨水和氮氣的氮二流體處理(參見圖11A)。氮二流體處理在高溫環(huán)境同樣能抑制Cu原子的遷移，以及抑制在互連層74中孔洞的產生。結果，能抑制互連層74發(fā)生導電故障。
在氮二流體處理后，以與形成互連層44相同的方式，將氫等離子體施加于層間絕緣膜60的表面和互連層74的表面上。氫等離子體的施加使層間絕緣膜60和互連層74的表面凈化，并且擴散阻擋膜能以高附著力形成在層間絕緣膜60和互連層74上。因此，能增加半導體器件的可靠性。
在施加氫等離子體后，例如通過等離子體CVD，在層間絕緣膜60和互連層74上形成例如為50nm厚的SiC膜76(參見圖11B)。該SiC膜76用作擴散阻擋膜，以防止作為互連層材料的Cu擴散。
此后，如圖7A-7B、8A-8B、9A-9B、10A-10B以及11A-11B顯示的相同步驟適當?shù)刂貜?，以在形成有MOS晶體管的硅襯底10上形成多個互連層的多層互連結構。
如上所述，根據(jù)本實施例，在將作為互連層的TaN膜和Cu膜埋置在如層間絕緣膜中的互連溝槽、通孔的開口且平坦化之后，以及在形成作為擴散阻擋膜用以防止作為互連材料的Cu擴散的SiC膜之前，在互連層的表面上進行同時噴射加氫的氨水和氮氣的氮二流體處理，由此，能抑制高溫環(huán)境下互連層中Cu原子的遷移，以及能抑制互連層中孔洞的產生。因此，根據(jù)本實施例的制造半導體器件的方法能提供具有較好的抗應力遷移能力以及高可靠性的互連層的半導體器件。
根據(jù)本實施例，在氮二流體處理后，氫等離子體施加于層間絕緣膜的表面和互連層的表面，清潔了層間絕緣膜的表面和互連層的表面，并且能以高附著力形成作為擴散阻擋膜(用以防止作為互連材料的Cu擴散)的SiC膜。因此，能增加半導體器件的可靠性。
(評估結果)下面，將描述根據(jù)本實施例的制造半導體器件的方法的評估結果。根據(jù)本實施例的制造半導體器件的方法制造的具有多層互連結構的半導體器件進行了高溫擱置試驗以測量導電故障發(fā)生率。
進行高溫擱置試驗的半導體器件上，包括根據(jù)本發(fā)明實施例的半導體器件的制造方法制造的以氧化硅膜作為層間絕緣膜形成的五層互連層以及一個鋁電極片。高溫擱置試驗的實例1和2進行如下。
在實例1中，同時噴射加氫的氨水和氮氣氮二流體處理進行30秒。加氫的氨水中氨的濃度是1ppm，加氫的氨水的流率為150mL/min，以及氮氣的流率為50L/min。
在實例2的氮二流體處理中，向加氫的氨水施加1MHz和60W的超聲振動。其它的條件，如氮二流體處理的處理時間、加氫的氨水中氨的濃度、加氫的氨水的流率以及氮氣的流率等與在實例1中相同。
在高溫擱置試驗中，半導體器件經受的溫度為200℃，以及半導體器件經受的時間為70小時、170小時、340小時以及500小時。對于每種情況均測量導電故障的發(fā)生率。
在下述控制1和2上進行相同的高溫擱置試驗。
在控制1中，進行同時噴射密封有二氧化碳的水和氮氣的氮二流體處理。密封有二氧化碳的水的電阻率為0.2MQ·cm。密封有二氧化碳的水的流率為150mL/min，以及氮氣的流率為50L/min。
在控制2中，互連層埋置在互連溝槽中且通過CMP平坦化，然后不經氮二流體處理直接形成擴散阻擋膜。
除了在氮二流體處理中密封有二氧化碳的水代替加氫的氨水或者不進行氮二流體處理，根據(jù)控制1和2的半導體器件以如同實例1和2中的相同方法制造。
在實例1、實例2、控制1和控制2的高溫擱置試驗的結果如下。
在實例1中，對應于70小時、170小時、340小時和500小時的經受時間，導電故障的發(fā)生率分別為0％、2％、6％和10％。
在實例2中，對應于70小時、170小時、340小時和500小時的經受時間，導電故障的發(fā)生率分別都為0％。
在控制1中，對應于70小時、170小時、340小時和500小時的經受時間，導電故障的發(fā)生率分別為1％、5％、11％和16％。
在控制2中，對應于70小時、170小時、340小時和500小時的經受時間，導電故障的發(fā)生率分別為8％、27％、46％和52％。
基于上述高溫擱置試驗的結果，可以確定的是，相較于傳統(tǒng)的方法，根據(jù)本實施例的制造半導體器件的方法在高溫環(huán)境中大幅度地減少了導電故障的發(fā)生率。從實例1與實例2的比較結果，可以看出在實例2中，其中將超聲振動施加于加氫的氨水，更加減少了導電故障的發(fā)生率。
參照圖12、13A-13C、14A-14C和15A-15C描述依照本發(fā)明第二實施例的制造磁頭的方法。圖12為顯示磁頭結構的透視圖。圖13A-13C、14A-14C和15A-15C為依照本發(fā)明的第二實施例的制造磁頭的方法在各個步驟中該磁頭的剖視圖，用以示出該方法。
圖12顯示用于硬盤的感應型薄膜磁頭的結構。圖13A-13C、14A-14C和15A-15C顯示形成在圖12中示出的感應型薄膜磁頭的線圈的第一層和第二層的步驟。在圖13A-13C、14A-14C和15A-15C中，適當省略了除線圈之外的部件。在以下的描述中，將略去重放頭，僅說明感應型薄膜磁頭。
首先，如圖12所示，Al2O3膜(未圖示)形成在Al2O3-TiC襯底78上，該襯底78為滑動體(slider)的基座，然后由NiFe合金形成具有規(guī)定圖案的下磁芯層80。
然后，通過濺射或其它方法，在下磁芯層80上形成Al2O3的寫間隙層82。露出下磁芯層80的接觸部81，該接觸部81與后續(xù)步驟中的上磁芯層122連接。
然后，將光刻膠施加于寫間隙層82，以預定的圖案構圖，然后被加熱到200℃進行固化(cure)形成例如為3.5μm厚的層間絕緣膜84。在圖12中，除了在下磁芯層80和上磁芯層122之間的層間絕緣膜，略去了其余的層間絕緣膜。
然后，光刻膠86施加于層間絕緣膜84上(參見圖13A)，形成具有平面螺旋線圈圖案的第一層的互連溝槽88，且例如加熱到200℃進行固化。從而形成例如為3μm厚具有互連溝槽88(其具有第一層線圈圖案)的層間絕緣膜90(參見圖13B)。
接著，例如通過濺射，例如為30nm厚的TaN膜的阻障金屬層92以及例如為30nm厚的Cu膜，連續(xù)地沉積在整個表面上。
接著，用形成在阻障金屬層92上的Cu膜作為籽晶，通過電解電鍍進一步沉積Cu膜以形成例如為總厚為3μm的Cu膜94。
然后，通過CMP拋光Cu膜94和阻障金屬層92，直到露出層間絕緣膜90以去除在層間絕緣膜90上的Cu膜94和阻障金屬層92。因此，互連層96由埋置在互連溝槽88中的用以防止Cu擴散的TaN膜的阻障金屬層92以及構成互連層主要部分的Cu膜94構成(參見圖13C)?；ミB層96構成了第一層的平面螺旋線圈。
在通過CMP埋置互連層96后，在層間絕緣膜90和互連層96的表面，進行同時噴射由在純水中溶解氨和氫制備的加氫的氨水和氮氣的氮二流體處理(參見圖14A)。作為氮二流體處理的條件，例如，處理時間為30秒，加氫的氨水中氨的濃度是1ppm，加氫的氨水的流率為150mL/min，以及氮氣的流率為50L/min?？梢灶A先對加氫的氨水施加超聲振動，然后在層間絕緣膜90的表面和互連層96的表面上同時噴射施加過超聲振動的加氫的氨水和氮氣。氮二流體處理能抑制高溫環(huán)境下互連層96中Cu原子的遷移，以及能抑制在互連層96中孔洞的產生。從而能抑制互連層96中導電故障的發(fā)生。
在氮二流體處理后，氫等離子體施加于層間絕緣膜90和互連層96的表面。氫等離子體的施加使層間絕緣膜90和互連層96的表面凈化，并且擴散阻擋膜能以高附著力形成在層間絕緣膜90和互連層96上。因此，能增加磁頭的可靠性。
在氫等離子體施加后，例如通過等離子體CVD，在層間絕緣膜90和互連層96上形成例如為50nm厚的SiC膜98。SiC膜98用作擴散阻擋膜，以防止作為互連層材料的Cu擴散。
然后，光刻膠施加于SiC膜98上且以預定的圖案構圖，以及加熱到例如200℃并固化以形成例如為3.5μm厚的絕緣膜100。
這樣，形成了由依序層疊的SiC膜98和絕緣膜100形成的層間絕緣膜102。
接著，光刻膠104施加于層間絕緣膜102上(參見圖14B)，形成具有平面螺旋線圈圖案的第二層的互連溝槽106并且例如加熱到200℃以固化。這樣，形成例如為3μm厚的層間絕緣膜108，該層間絕緣膜108包括具有第二層的線圈圖案的互連溝槽106(參見圖14C)。
接著，例如通過濺射，例如為30nm厚的TaN膜的阻障金屬層110以及例如為30nm厚的Cu膜，連續(xù)地沉積在整個表面上。
接著，以形成于阻障金屬層110上的Cu膜作為籽晶，通過電解電鍍將Cu膜進一步沉積形成例如為總厚為3μm的Cu膜112。
然后，通過CMP拋光Cu膜112和阻障金屬層110，直到露出層間絕緣膜108以去除在層間絕緣膜108上的Cu膜112和阻障金屬層110。因此，互連層114由埋置在互連溝槽106中的TaN膜的阻障金屬層110和Cu膜112構成，該阻障金屬層110用以防止Cu擴散，該Cu膜112構成互連層的主要部分(參見圖15A)?；ミB層114形成第二層的平面螺旋線圈。
在通過CMP埋置互連層114后，用與形成互連層96相同的方式，在層間絕緣膜108的表面上和互連層114的表面上進行同時噴射加氫的氨水和氮氣的氮二流體處理(參見圖15B)。氮二流體處理能抑制高溫環(huán)境下互連層114中Cu原子的遷移，以及抑制在互連層114中孔洞的產生。從而能抑制互連層114的導電故障的產生。
在氮二流體處理后，用與形成互連層96相同的方式，氫等離子體施加于層間絕緣膜108的表面和互連層114的表面。氫等離子體的施加使層間絕緣膜108的表面和互連層114的表面凈化，并且擴散阻擋膜能以高附著力形成在層間絕緣膜108和互連層114上。因此，能增加磁頭的可靠性。
在氫等離子體施加后，例如通過等離子體CVD，在層間絕緣膜108和互連層114上形成例如為50nm厚的SiC膜116。該SiC膜116用作擴散阻擋膜，以防止作為互連層材料的Cu擴散。
然后，光刻膠施加于SiC膜116且以預定的圖案構圖，然后被加熱到200℃固化以形成例如為3.5μm厚的絕緣膜118。
這樣，形成由依序層疊的SiC膜116和絕緣膜118形成的層間絕緣膜120(參見圖15C)。
接著，通過濺散形成NiFe電鍍籽晶層(未圖示)，用光致抗蝕劑掩膜作為電鍍框架(未圖示)，選擇性地電鍍NiFe，以形成如圖12中所示的上磁芯層122。然后，去除光致抗蝕劑掩膜，然后通過離子研磨去除暴露的NiFe電鍍籽晶層。
然后，作為保護膜(未圖示)的Al2O3膜形成在整個表面上，切割Al2O3-TiC襯底78，然后通過研磨、拋光等加工制造滑動體，該滑動體用以調節(jié)磁芯前端124的長度，即間隙深度。由此，在圖12顯示的磁頭制造完成。在圖12中，磁芯長度由L表示。
如上所述，根據(jù)本實施例，在層間絕緣膜中，構成互連層的TaN膜和Cu膜埋置在互連溝槽中且平坦化后，以及在用以防止作為互連材料的Cu擴散的用作擴散阻擋膜的SiC膜形成前，在互連層的表面上進行同時噴射加氫的氨水和氮氣的氮二流體處理，由此能抑制高溫環(huán)境下互連層中Cu原子的遷移，以及能抑制互連層中孔洞的產生。因此，根據(jù)本實施例的制造磁頭的方法能提高磁頭的可靠性。
根據(jù)本實施例，在氮二流體處理后，氫等離子體施加于層間絕緣膜和互連層的表面，由此清潔了層間絕緣膜的表面和互連層的表面，并且以高附著力形成作為擴散阻擋膜的SiC膜，該SiC膜用以防止作為互連材料的Cu擴散。因此，增加了磁頭的可靠性。
(評估結果)接著，將描述根據(jù)本實施例的制造磁頭方法的評估結果。根據(jù)本實施例的制造磁頭的方法制造的具有多層互連結構的磁頭進行了高溫擱置試驗以測量導電故障發(fā)生率。
實例3和4進行的高溫擱置試驗如下。
在實例3中，同時噴射加氫的氨水和氮氣的氮二流體處理進行30秒。加氫的氨水中氨的濃度是1ppm，加氫的氨水的流率為150mL/min，以及氮氣的流率為50L/min。
在實例4中，代替實例3中光刻膠的絕緣膜84、90、100、108以及118，氧化硅膜通過PECVD由TEOS(四乙氧基甲硅烷tetraethoxysilane)形成。以在實例3中同樣的方式進行氮二流體處理。
下列的控制3和4進行相同的高溫擱置試驗。
在控制3中，除了不進行氮二流體處理，磁頭用與實例3中相同的方法制造。
在控制4中，除了不進行氮二流體處理，磁頭用與實例4中相同的方法制造。
在高溫擱置試驗中，磁頭經受的溫度在實例3中和控制3中分別設定在140℃，以及在實例4和在控制4中分別設定在200℃。磁頭經受的時間為70小時、170小時、340小時和500小時。對每種情況測量導電故障的發(fā)生率。
在實例3、實例4、控制3和控制4的高溫擱置試驗的結果如下。
在實例3中，對應于70小時、170小時、340小時和500小時的經受時間，導電故障的發(fā)生率分別為2％、4％、8％和15％。
在實例4中，對應于70小時、170小時、340小時和500小時的經受時間，導電故障的發(fā)生率分別都為0％。
在控制3中，對應于70小時、170小時、340小時和500小時的經受時間，導電故障的發(fā)生率分別地是15％、28％、48％和70％。
在控制4中，對應于70小時、170小時、340小時和500小時的經受時間，導電故障的發(fā)生率分別為7％、25％、43％和56％。
基于上述高溫擱置試驗的結果，可以確定的是，相較于傳統(tǒng)方法，根據(jù)本實施例的制造磁頭的方法在高溫環(huán)境中大幅度地減少了導電故障的發(fā)生率。從實例4的和實例3的結果比較中可以看出，作為構成層間絕緣膜的絕緣膜，使用氧化硅膜比使用光致抗蝕劑膜更加減少導電故障的發(fā)生率。
本發(fā)明并不局限于上述實施例，還涵蓋其它各種不同的改型。
例如，在上述實施例中，SiOC膜、氧化硅膜和光致抗蝕劑膜等用作層間絕緣膜。然而，層間絕緣膜不是必須由它們形成，可由各種不同的絕緣膜形成。作為層間絕緣膜，能使用很多種絕緣膜，如包含硅(Si)和氧(O)的無機絕緣材料和包含C(碳)和H(氫)的碳氫化合物的有機絕緣材料等。
在上述實施例中，SiC膜作為擴散阻擋膜形成，用以防止作為互連材料的Cu擴散。然而，作為防止Cu擴散的阻擋膜形成的膜并不局限于SiC膜。作為防止Cu擴散的阻擋膜，可由氮化硅膜、聚酰亞胺膜、氮化鋯膜等代替SiC膜形成。
在上述第一實施例中，在形成互連層74時，通過雙鑲嵌工藝，將TaN膜70和Cu膜72同時埋置在通孔66和互連溝槽68中。然而，通孔和互連溝槽彼此獨立形成，并且可通過單鑲嵌工藝埋置TaN膜和Cu膜。
在上述實施例中，制造出半導體器件和磁頭。然而，本發(fā)明廣泛用以制造包括以Cu作為主要材料形成的互連層的互連結構的制造方法。
權利要求
1.一種制造半導體器件的方法，包括步驟在絕緣膜中形成開口；在開口中形成以Cu為主要材料的互連層；以及在埋置于開口中的互連層表面上進行同時噴射溶解有氨和氫的純水及氮氣的氮二流體處理。
2.根據(jù)權利要求
1所述的制造半導體器件的方法，在進行氮二流體處理的步驟之后，還包括在該絕緣膜和該互連層上形成用以防止Cu擴散的擴散阻擋膜的步驟。
3.根據(jù)權利要求
2所述的制造半導體器件的方法，其中，該擴散阻擋膜為SiC膜或氮化硅膜。
4.根據(jù)權利要求
1所述的制造半導體器件的方法，在進行氮二流體處理的步驟之后，還包括將氫等離子體施加在該絕緣膜的表面和該互連層的表面上的步驟。
5.根據(jù)權利要求
2所述的制造半導體器件的方法，在進行氮二流體處理的步驟之后，還包括將氫等離子體施加在該絕緣膜的表面和該互連層的表面上的步驟。
6.根據(jù)權利要求
1所述的制造半導體器件的方法，其中，在進行氮二流體處理的步驟中，向溶解有氨和氫的純水施加超聲振動，并且施加過超聲振動的純水和氮氣同時噴射。
7.根據(jù)權利要求
2所述的制造半導體器件的方法，其中，在進行氮二流體處理的步驟中，向溶解有氨和氫的純水施加超聲振動，并且施加過超聲振動的純水和氮氣同時噴射。
8.根據(jù)權利要求
1所述的制造半導體器件的方法，其中，在形成互連層的步驟中，通過在形成有開口的絕緣膜上形成導電膜，拋光該導電膜以露出該絕緣膜，在開口中埋置該導電膜，而由導電膜形成該互連層。
9.根據(jù)權利要求
2所述的制造半導體器件的方法，其中，在形成互連層的步驟中，通過在形成有開口的絕緣膜上形成導電膜，拋光該導電膜以露出該絕緣膜，在開口中埋置該導電膜，而由導電膜形成該互連層。
10.根據(jù)權利要求
8所述的制造半導體器件的方法，其中，在形成開口的步驟中，形成包含有通孔和互連溝槽的開口，其中，該互連溝槽在包含該通孔的區(qū)域中形成。
11.一種制造磁頭的方法，包括步驟在絕緣膜中形成線圈圖案的開口；在該開口中形成以Cu作為主要材料的互連層和形成線圈；以及在埋置于該開口中的互連層表面上進行同時噴射溶解有氨和氫的純水及氮氣的氮二流體處理。
12.根據(jù)權利要求
11所述的制造磁頭的方法，在進行氮二流體處理的步驟之后，還包括在該絕緣膜和該互連層上形成用以防止Cu擴散的擴散阻擋膜的步驟。
13.根據(jù)權利要求
12所述的制造磁頭的方法，其中，該擴散阻擋膜為SiC膜或氮化硅膜。
14.根據(jù)權利要求
11所述的制造磁頭的方法，在進行氮二流體處理的步驟之后，還包括將氫等離子體施加在該絕緣膜的表面和該互連層的表面上的步驟。
15.根據(jù)權利要求
12所述的制造磁頭的方法，在進行氮二流體處理的步驟之后，還包括將氫等離子體施加在該絕緣膜的表面和該互連層的表面上的步驟。
16.根據(jù)權利要求
11所述的制造磁頭的方法，其中，在進行氮二流體處理的步驟中，向溶解有氨和氫的純水施加超聲振動，并且施加過超聲振動的純水和氮氣同時噴射。
17.根據(jù)權利要求
12所述的制造磁頭的方法，其中，在進行氮二流體處理的步驟中，向溶解有氨和氫的純水施加超聲振動，并且施加過超聲振動的純水和氮氣同時噴射。
18.根據(jù)權利要求
11所述的制造磁頭的方法，其中，在形成互連層的步驟中，通過在形成有開口的絕緣膜上形成導電膜，拋光該導電膜以露出該絕緣膜，在開口中埋置該導電膜，而由導電膜形成該互連層。
19.根據(jù)權利要求
12所述的制造磁頭的方法，其中，在形成互連層的步驟中，通過在形成有開口的絕緣膜上形成導電膜，拋光該導電膜以露出該絕緣膜，在開口中埋置該導電膜，而由導電膜形成該互連層。
20.根據(jù)權利要求
11所述的制造磁頭的方法，其中，該絕緣膜由包含Si和O的無機絕緣材料或包含C和H的有機絕緣材料形成。
專利摘要
本發(fā)明提供的方法包括步驟在層間絕緣膜(34)中形成互連溝槽(38)；在互連溝槽(38)形成以Cu作為主要材料的互連層(44)；以及在埋置于互連溝槽(38)中的互連層(44)的表面上，進行同時噴射溶解有氨和氫的純水及氮氣的氮二流體處理。
文檔編號H01L21/02GK1992197SQ200610105672
公開日2007年7月4日 申請日期2006年7月17日
發(fā)明者井谷司, 佐佐木真, 瀧川幸雄 申請人:富士通株式會社導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan