专利名称:制造半导体器件的方法以及制造磁头的方法
技术领域：
本发明涉及一种制造具有以铜作为互连层主要材料的互连结构的半导体器件的方法，以及一种制造具有以铜作为互连层主要材料的互连结构的磁头的方法。
背景技术：
随着半导体器件的集成规模加大和集成度增高，互连的设计规则一代代减少。通常，通过沉积互连材料且利用光刻和干蚀刻将沉积的互连材料图案化来形成互连层，但是随着更新换代，此工艺在技术上开始出现局限性。作为一种替代传统互连形成工艺的新的形成互连层的工艺，即所谓的镶嵌工艺(damascene process)正在使用，该工艺在层间绝缘膜中间形成沟槽图案和孔图案并且在沟槽和孔中埋置互连材料。随着互连形成工艺的更新，比通常用作互连材料的铝(Al)具有更低的电阻率并且具有较高的电迁移阻抗的铜(Cu)已经投入使用。
通过这种互连形成工艺，将半导体元件(像晶体管等)高度集成在一起的多层互连结构的半导体器件正在快速地发展。与此相关的，已经提出了通过抑制互连层中的电迁移等以提高半导体器件可靠性的若干方法[参见例如日本未审公开专利申请2000-323476号(专利文献1)，日本未审公开专利申请2002-246391号(专利文献2)和日本未审公开专利申请2003-142580号(专利文献3)]。
在半导体器件的运行中，器件本身产生热，因此其温度上升。众所周知，当由于在运行时以及在多层互连结构等形成之后的工艺中这种温度上升使得多层互连结构暴露在高温环境中时，互连层中的Cu原子和在互连层中形成的小孔产生迁移，进而在互连层中形成大的孔洞，并且这些孔洞引起互连层的导电故障。
在互连层的宽度是1μm或更大的情况下，互连层的宽度相对于在互连层产生的孔洞足够大。于是，由于孔洞造成的导电故障不会严重影响半导体器件的工作特性和可靠性。
然而，在互连层的宽度是0.5μm或更小的情况下，互连层上产生的孔洞所造成互连阻抗的增加对于半导体器件工作特性和可靠性的影响是不容忽略的。尤其在此后形成0.2μm宽或更窄的精细互连层中，抑制由于孔洞造成的导电故障的发生是非常重要的。
上述的专利文献1到3公开了提高半导体器件可靠性的方法。该方法通过提高互连层的对电迁移的阻抗而提高可靠性。迄今为止，还没有提出针对由于热引起孔洞而造成互连层导电故障的有效对策。
作为这样的一种对策，本发明的申请人已经提出在互连层的表面同时喷射氮气和水，由此抑制由于热所造成孔洞的产生，从而提高半导体器件可靠性的方法[参见日本未审公开专利申请2005-183814号(专利文献4)]。
同样，在磁记录器件的磁头中，例如硬盘等，形成用于产生写磁场的线圈的互连层日益精细。这类互连层的最小互连宽度已经在1μm以下。因此，如同上述的半导体器件，在磁头的互连层，必须做出针对由于热产生孔洞而造成导电故障的对策。
发明内容本发明的一个目的为提供一种制造半导体器件的方法，该方法在高温环境中能抑制在互连层中孔洞的产生，从而抑制互连层的导电故障，并且提高半导体器件的可靠性。
本发明的另一个目的为提供一种制造磁头的方法，该方法在高温环境中能抑制在互连层中孔洞的产生，从而抑制互连层的导电故障，并且提高磁头的可靠性。
依照本发明的一个方面，提供一种制造半导体器件的方法，其包括以下步骤在绝缘膜中形成开口；在开口中形成以Cu为主要材料的互连层；以及进行在埋置于开口中的互连层表面上同时喷射溶解有氨和氢的纯水及氮气的氮二流体处理。
依照本发明的另一个方面，提供一种制造磁头的方法，其包括以下步骤在绝缘膜中形成线圈图案的开口；在开口中形成以Cu作为主要材料的互连层和形成线圈；以及进行在埋置于开口中的互连层表面上同时喷射溶解有氨和氢的纯水及氮气的氮二流体处理。
依照本发明的制造半导体器件的方法包括步骤在绝缘膜中形成开口；在开口中形成以Cu为主要材料的互连层；以及进行在埋置于开口中的互连层表面上同时喷射溶解有氨和氢的纯水及氮气的氮二流体处理，由此抑制高温环境下互连层的Cu原子的迁移，以及减少互连层导电故障的发生率。因此，能提供具有良好的抗应力迁移能力和高可靠性的多层互连层的半导体器件。
依照本发明磁头的制造方法包括步骤在绝缘膜中形成线圈图案的开口；在开口中形成以Cu作为主要材料的互连层以及形成线圈；以及进行在埋置于开口中的互连层表面上同时喷射溶解有氨和氢的纯水及氮气的氮二流体处理，由此抑制高温环境下互连层的Cu原子的迁移，而且减少形成线圈的互连层的导电故障的发生率。因此，提供了具有高可靠性的多层互连层的磁头。
图1为在互连层上形成扩散阻挡膜之后，进行表面的二次离子质谱分析的结果的坐标图。
图2为形成在互连层(第1部分)上的扩散阻挡膜的表面粗糙度测量结果的坐标图。
图3是形成在互连层(第2部分)上的扩散阻挡膜的表面粗糙度测量结果的坐标图。
图4A到图4D、图5A到图5C、图6A到图6C、图7A到图7B、图8A到图8B、图9A到图9B、图10A到图10B和图11A到图11B是依照本发明的第一实施例的制造半导体器件的方法在各个步骤中该半导体器件的剖视图，用以示出该方法。
图12为显示磁头结构的透视图。
图13A到图13C、图14A到图14C和图15A到图15C是依照本发明的第二实施例的制造磁头的方法在各个步骤中该磁头的剖视图，用以示出该方法。
具体实施方式首先，参照图1到图3进一步解释本发明的原理。图1是在互连层上形成扩散阻挡膜之后，进行表面的二次离子质谱分析的结果的坐标图。图2和图3为形成在互连层上的扩散阻挡膜的表面粗糙度测量结果的坐标图。
依照本发明的制造半导体器件的方法的主要特征在于，其包括步骤在绝缘膜中形成开口；在开口中形成以Cu为主要材料的互连层；以及进行氮二流体处理，即在埋置于开口中的互连层的表面上同时喷射溶解有氨和氢的纯水及氮气。
在本说明书中，同时喷射水和氮气的处理称做“氮二流体处理”。
同样地，依照本发明的制造磁头的方法的主要特征在于，其包括步骤在绝缘膜中形成线圈图案开口；在开口中形成以Cu作为主要材料的互连层和形成线圈；以及进行氮二流体处理，即在埋置于开口中的互连层的表面上同时喷射溶解有氨和氢的纯水及氮气。
也就是说，依照本发明的制造半导体器件的方法和制造磁头的方法包括进行氮二流体处理的步骤，即在埋置于开口中的互连层的表面上同时喷射溶解有氨和氢的纯水及氮气，其中与氮气同时喷射的水是溶解有氨和氢的纯水。
在本发明的说明书中，溶解有氨和氢的纯水适当地称作“加氢的氨水”(ammonia added hydrogen water)。
在镶嵌工艺中经CMP(化学机械抛光)平坦化之后，暴露出的以Cu作为主要材料的互连层的表面基本上由纯Cu构成。通常，紧接着CMP平坦化之后形成碳化硅(SiC)或其它材料的扩散阻挡膜来防止作为互连层材料的Cu的扩散。当以这种传统的步骤形成的多层互连处于高温环境的时候，互连材料的Cu原子以及互连层中的小孔迁移，从而导致在互连层中产生孔洞。这些孔洞是造成互连层导电故障的原因之一。
本申请的申请人提出一种用于抑制由于这种孔洞造成的导电故障产生的方法，这种用于制造半导体器件的方法包括进行氮二流体处理的步骤，即在层间绝缘膜的互连沟槽中埋置互连层且经CMP平坦化之后，以及在形成用于防止互连材料Cu扩散的扩散阻挡膜之前，在互连层的表面上同时喷射氮气和水(参见专利文献4)。在专利文献4公开的氮二流体处理中，纯水、在纯水中溶解有碳酸的碳酸水等，与氮气同时喷射在互连层的表面上。
此外，本申请的发明人发现，在层间绝缘膜的互连沟槽中埋置互连层且经CMP平坦化之后，并且在形成用于防止互连材料Cu扩散的扩散阻挡膜之前的氮二流体处理，即在互连层的表面上同时喷射加氢的氨水及氮气的氮二流体处理，即使当多层互连暴露于高温环境下，也能大大降低互连的导电故障发生率。另外，本申请的发明人发现，以同时喷射加氢的氨水及氮气进行氮二流体处理比进行专利文献4所揭示的氮二流体处理进一步降低了导电故障发生率。
本发明利用同时喷射加氢的氨水和氮气的氮二流体处理进一步降低了导电故障发生率的因素将描述如下。
首要因素为，加氢的氨水减少了暴露的Cu层的表面或者防止了Cu层表面的氧化。
第二因素为，使用加氢的氨水进行的氮二流体处理，增加了Cu层表面氮的数量。
此外，作为第三个因素，加氢的氨水清洁了暴露的Cu层的表面且去除了表面的灰尘。
相较于专利文献4揭示的氮二流体处理，本发明的氮二流体处理的第一到第三个因素，对抑制导电故障的发生十分有效。
图1为在层间绝缘膜上形成作为扩散阻挡膜的SiC膜之后，对半导体器件的表面附近进行二次离子质谱分析的结果的坐标图，该层间绝缘膜埋置有通过镶嵌工艺形成的以铜作为主要材料的互连层。在图1中，沿深度分布曲线A表示在形成互连层后，进行同时喷射加氢的氨水和氮气的氮二流体处理，然后在埋置有互连层的层间绝缘膜上形成SiC膜的情况下的结果。沿深度分布曲线B表示在形成互连层后，进行在专利文献4中揭示的氮二流体处理，然后在埋置有互连层的层间绝缘膜上形成SiC膜的情况下的结果。如曲线B所示的情况下，所采用的揭示于专利文献4中的传统的氮二流体处理为同时喷射氮气和纯水(离子交换水)。沿深度分布曲线C表示了在形成互连层后，没有进行氮二流体处理，直接在埋置有互连层的层间绝缘膜上形成SiC膜的情况下的结果。
在图1中显示的二次离子质谱分析的结果表明，在进行氮二流体处理的情况(曲线A和曲线B)下，在以Cu作为主要材料的互连层和SiC膜之间的界面附近，只检测到少许氮。此外，将曲线A与曲线B进行比较可以看出，在氮二流体处理中，使用加氢的氨水作为和氮气同时喷射的水，在互连层和SiC膜之间的界面附近，氮的数量有少许增加。
因此可以看出，通过进行氮二流体处理，氮被吸附在或以化合物的形式存在于Cu层的表面上，并且使用加氢的氨水增加了氮的数量。
即使暴露在高温环境中，经氮二流体处理在以Cu为主要材料的互连层表面上所吸附的氮，将通过下述机制降低互连层的导电故障发生率。也就是说，当氮吸附在以Cu为主要材料的互连层的表面上，在形成用以防止Cu扩散的的扩散阻挡膜时，存在的氮使互连层的Cu原子在高温环境中移动困难。结果，抑制了在互连层中孔洞的产生，降低了导电故障发生率，以及提高了互连层的抗应力迁移能力。
在氮二流体处理中使用加氢的氨水，增加了在以Cu作为主要材料的互连层表面上所吸附的氮量。此外，与通常使用纯水等相比，进一步抑制了互连层孔洞的产生，以及进一步降低了互连层的导电故障发生率。因此，更进一步提高了互连层的抗应力迁移能力。
在高温环境中，在氮二流体处理中喷射的水也可能有助于抑制导电故障的产生。也就是说，喷射在互连层的表面上的水不但可清理其表面，还可以将出现在以Cu作为主要材料的互连层的表面上的氢氧基和扩散阻挡膜的氢基相结合。这使得扩散阻挡膜以高附着力形成在互连层上，由此，即使在高温环境中，在互连层中的Cu原子的迁移变得困难。可推知结果是，抑制了在互连层中孔洞的产生，由此降低了互连层的导电故障率，以及增加了互连层的抗应力迁移能力。
基于对形成在互连层上的扩散阻挡膜的平均粗糙度的测量结果，如图2和图3所示，可以肯定，通过氮二流体处理能抑制高温环境中的互连层的Cu原子的迁移。
图2为形成在层间绝缘膜上的SiC膜表面的平均粗糙度的测量结果坐标图，该层间绝缘膜通过镶嵌工艺埋置有互连层。分别对应于使用本发明的加氢的氨水的氮二流体处理的情况、在专利文献4中揭示的传统的氮二流体处理的情况以及不进行氮二流体处理的情况，在沉积后直接测量SiC膜的平均表面粗糙度以及在200℃温度下放置504小时后测量SiC膜的平均表面粗糙度。平均表面粗糙度是用原子力显微镜测量的。对于每种情况，平均粗糙度的变化量是通过将热处理后直接测量的SiC膜的表面平均粗糙度减去沉积后直接测量的SiC膜的表面平均粗糙度而获得。
在图2示出的使用氮二流体处理的情况的坐标图中，与没有使用氮二流体处理的情况相比，其表面平均粗糙度通常比较小并且由于热处理导致的表面平均粗糙度的变化量也较小。此外，基于形成在互连层上的扩散阻挡膜的表面平均粗糙度的变化量由此降低，可以看出，氮二流体处理使由于热处理导致的互连层的Cu原子的移动变得困难，且抑制了在互连层中孔洞的产生。
此外，在用加氢的氨水进行氮二流体处理的情况下，与进行在专利文献4揭示的氮二流体处理相比，平均表面粗糙度通常较小，并且由于热处理导致的表面平均粗糙度的变化量抑制得更小。基于此，在氮二流体处理中使用加氢的氨水，能进一步抑制在互连层上产生孔洞。
图3为坐标图，比较在进行氮二流体处理后形成在层间绝缘膜(通过镶嵌工艺埋置有互连层)上的SiC膜表面的平均粗糙度以及用其它处理代替氮二流体处理后形成的SiC膜表面的平均粗糙度。对于氮二流体处理，进行使用加氢的氨水的氮二流体处理和在专利文献4揭示的传统氮二流体处理，测量在每种情况下的SiC膜的表面平均粗糙度。除进行氮二流体处理的情况外，对于用氢等离子体处理和氨等离子体处理分别代替氮二流体处理的情况，测量SiC膜的表面平均粗糙度。对于每种情况，测量沉积后未经热处理等的未处理SiC膜的表面平均粗糙度。表面平均粗糙度是用原子力显微镜测量。
在图3示出的进行氮二流体处理的情况的坐标图中，其与进行氢等离子体处理的情况及进行氨等离子体处理的任何一种情况相比，SiC膜的表面平均粗糙度较小。此外，可以看出，在氮二流体处理中使用加氢的氨水使SiC膜的表面平均粗糙度变得更小。
如上所述，依照本发明，以Cu作为主要材料的互连层埋置在互连沟槽中且通过CMP平坦化，以及在形成Cu扩散的阻挡膜前，在互连层的表面上进行同时喷射加氢的氨水和氮气的氮二流体处理，由此，抑制了在高温环境下互连层中Cu原子的迁移，以及能抑制互连层中孔洞的产生。
因此，依照本发明的制造半导体器件的方法可提供高可靠性的半导体器件，并且其互连层具有较好的抗应力迁移能力。
如上所述，在例如硬盘等磁记录器件的磁头中，形成用以产生写入磁场的线圈的互连层也日益精细，因此抑制互连层中孔洞的产生成为问题。
依照本发明制造磁头的方法，抑制了在形成用以产生写入磁场的线圈的互连层中孔洞的产生，能提供高可靠性的磁头。
本发明的氮二流体处理的条件等细节描述如下。
在氮二流体处理中的同时喷射氮气和水的喷射系统，可以例如为日本网屏制造有限公司(DAINIPPON SCREEN MFG.CO.，LTD)制造的软喷射器、纳米喷射器或其它的氮二流体喷射器，以及日本东芝机电有限公司(TOSHIBA MECHATRONICS CO.，LTD)制造的氮二流体喷射器等。
在氮二流体处理中喷射的加氢的氨水所使用的纯水，具有能在半导体器件制造工艺中使用的纯度。例如，纯水可具有例如大于等于17.6MQ·Cm的电阻率，且每毫升几个颗粒，颗粒直径为小于0.5μm，不包括0.5μm。
氨和氢溶解于此纯水中以制备加氢的氨水。加氢的氨水中氨的浓度设定在例如为0.1-5.0ppm，以及氢浓度设定在例如为0.1-5.0ppm。
在氮二流体处理中喷射加氢的氨水的流率可适当地设定在例如为50-300mL/min。
在与氮气混合并喷射之前可向加氢的氨水施加例如大于500kHz的超声振动。对加氢的氨水预先实施超声振动，能有效去除形成在以Cu作为主要材料的互连层表面上的氧化物。施加的超声振动的频率优选地大于500kHz。这是因为频率小于或等于500kHz的超声振动可能损害该图案。
在氮二流体处理中喷射的氮气的流率可适当地设定为需要的值，但优选地可设置在例如5-200L/min，更优优选地可设置在30-100L/min。这是因为，当流率太小时，氮二流体处理的效果(如后所述)将不充分，而当流率太大时，存在毁坏图案的危险。
在氮二流体处理中喷射氮气和水的时间可对应于水的种类、水的流率以及氮气的流率等情况适当设定，但优选地可设置在例如为5-300秒。
在上述氮二流体处理后以及在扩散阻挡膜形成前，可进行将氢等离子体施加于埋置有互连层的层间绝缘膜表面上的氢等离子体工艺。氢等离子体工艺在层间绝缘膜和互连层的表面上进行，由此这些表面被净化，且可形成具有高附着力的扩散阻挡膜。具有这种互连结构的半导体器件及磁头的可靠性得到提高。
下面参照图4A-4D、5A-5C、6A-6C、7A-7B、8A-8B、9A-9B、10A-10B以及11A-11B描述依照第一实施例的制造半导体器件的方法。图4A-4D、5A-5C、6A-6C、7A-7B、8A-8B、9A-9B、10A-10B以及11A-11B是依照本发明的第一实施例的制造半导体器件的方法在各个步骤中该半导体器件的剖视图，用以示出该方法。
首先，以如同通常MOS晶体管制造方法的方式，MOS晶体管包括栅电极14，以及形成在硅衬底10(其上形成有器件隔离膜12)上的源/漏极扩散层16(参见图4A)。除了MOS晶体管之外，各种半导体器件均能制造在半导体衬底10上。
然后，例如通过CVD(化学气相沉积)，在硅衬底10(其上形成有MOS晶体管)上形成例如为0.1μm厚的氮化硅膜18。
接着，例如通过CVD，在氮化硅膜18上形成例如为1.5μm厚的PSG(磷硅酸盐玻璃)膜20。用以沉积PSG膜20的衬底温度例如设定在600℃。
然后，例如通过CMP(化学机械抛光)，抛光PSG膜20的表面，直到PSG膜20的膜厚变成例如为200nm，由此将PSG膜20的表面平坦化。
接着，例如通过CVD，在PSG膜20上形成例如为50nm厚的SiC膜22(参见图4B)。该SiC膜22用作钝化膜。
因此，层间绝缘膜24由氮化硅膜18、PSG膜20以及SiC膜22依次层叠形成。
接着，通过光刻和干蚀刻，接触孔26在SiC膜22、PSG膜20、氮化硅膜18中向下形成至硅衬底10上。
然后，例如通过CVD，在整个表面上依序形成例如为15nm厚的Ti(钛)膜、例如为15nm厚的TiN(氮化钛)膜以及例如为300nm厚的W(钨)膜。
然后，例如通过CMP，抛光W膜、TiN膜和Ti膜，直到露出层间绝缘膜24的表面，从而去除在层间绝缘膜24上的W膜、TiN膜和Ti膜。因此，形成埋置在接触孔26中的Ti膜、TiN膜和W膜的接触塞28(参见图4C)。
然后，例如通过等离子体CVD，在埋置有接触塞28的层间绝缘膜24的SiC膜22上，形成例如为150nm厚的SiOC膜30。
然后，例如通过等离子体CVD，在SiOC膜30上形成例如为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层叠形成的层间绝缘膜34(参见图4D)。
接着，形成用以露出层间绝缘膜34区域的光致抗蚀剂膜36，该层间绝缘膜34的区域用以形成互连沟槽(参见图5A)。
然后，以光致抗蚀剂膜36作为掩膜以及用SiC膜22作为停止层，依次蚀刻氧化硅膜32和SiOC膜30。由此，在氧化硅膜32和SiOC膜30中形成互连沟槽38。在互连沟槽38形成后，去除用作掩膜的光致抗蚀剂膜36(参见图5B)。
接着，例如通过溅射，例如为30nm厚的TaN(氮化钽)膜形成的阻障金属层40以及例如为30nm厚的Cu膜连续地沉积在整个表面上。
然后，用形成在阻障金属层40上的Cu膜作为籽晶，通过电解电镀，Cu膜更进一步沉积形成例如总厚为1μm的Cu膜42(参见图5C)。
然后，通过CMP，抛光Cu膜42和阻障金属层40，直到露出氧化硅膜32以去除在氧化硅膜32上的Cu膜42和阻障金属层40。从而，互连层44由埋置在互连沟槽38中的用以防止Cu扩散的TaN膜的阻障金属层40和构成互连层主要部分的Cu膜42构成(参见图6A)。
在通过CMP埋置互连层44后，在层间绝缘膜34和互连层44的表面上进行同时喷射加氢的氨水和氮气的氮二流体处理，该加氢的氨水通过在纯水中溶解氨和氢制备。作为氮二流体处理的条件，例如，处理时间为30秒，加氢的氨水中氨的浓度为1ppm，加氢的氨水的流率为150mL/min，而且氮气的流速为50L/min。可以向加氢的氨水施加超声振动，已经施加过超声振动的加氢的氨水和氮气同时喷射在层间绝缘膜34和互连层44的表面上。
在氮二流体处理中，例如通过设置在层间绝缘膜34和互连层44的表面附近的喷射装置的喷嘴46，加氢的氨水和氮气同时喷射在层间绝缘膜34和互连层44的表面上(参见图6B)。此时，适当移动喷嘴46的位置能将加氢的氨水和氮气喷射在各自的位置。另外，当喷嘴46的位置适当移动时，喷射加氢的氨水和氮气。因此，加氢的氨水和氮气均匀地喷射到埋置在互连沟槽38中的互连层44的整个表面。当半导体器件处于高温环境时，氮二流体处理可抑制互连层44的Cu原子迁移，且能抑制互连层44中孔洞的产生。从而，可抑制互连层44导电故障的发生。
在氮二流体处理之后，向层间绝缘膜34和互连层44的表面施加氢等离子体。氢等离子体的施加使层间绝缘膜34和互连层44的表面净化，且扩散阻挡膜能以高附着力形成在层间绝缘膜34和互连层44上。因此，能增加半导体器件的可靠性。
在氢等离子体施加后，例如通过等离子体CVD，在层间绝缘膜34和互连层44上形成例如为50nm厚的SiC膜48(图6C)。SiC膜48用作扩散阻挡膜，以防止作为互连层材料的Cu扩散。
接着，例如通过等离子体CVD，在SiC膜48上形成例如为450nm厚的SiOC膜54。
然后，例如通过等离子体CVD，在SiOC膜54上形成例如为100nm厚氧化硅膜56。
接着，例如通过等离子体CVD，在氧化硅膜56上形成例如为50nm厚的氮化硅膜58。氮化硅膜58是用作蚀刻的硬掩膜，用以形成互连沟槽等。
从而，由SiC膜48、SiOC膜54、氧化硅膜56和氮化硅膜58依次层叠的层间绝缘膜60，形成在层间绝缘膜34上，该层间绝缘膜34的互连沟槽38中埋置有互连层44(参见图7A)。
然后，通过光刻，在氮化硅膜58上形成光致抗蚀剂膜62，该光致抗蚀剂膜62是用以暴露一个区域以使互连层形成在氧化硅膜56和SiOC膜58上(参见图7B)。
接着，以光致抗蚀剂膜62作为掩膜，各向异性地蚀刻氮化硅膜58。在蚀刻氮化硅膜58之后，去除作为掩模的光致抗蚀剂膜62(参见图8A)。
接着，通过光刻，在氮化硅膜58和通过蚀刻氮化硅膜58露出的氧化硅膜56上形成光致抗蚀剂膜64，该光致抗蚀剂膜64用以暴露一个区域以在其中形成通孔(参见图8B)。
然后，以光致抗蚀剂膜64作为掩膜，蚀刻氧化硅膜56和SiOC膜54。在此蚀刻中，调整蚀刻时间以使蚀刻在SiOC膜54的中心附近停止。蚀刻完成后，去除作为掩模的光致抗蚀剂膜64(参见图9A)。
然后，以氮化硅膜58作为硬掩膜，蚀刻氧化硅膜56、SiOC膜54和SiC膜48。因此，用以埋置互连层的导通部分的通孔66形成在SiOC膜54和SiC膜48上，以及用以埋置互连层的互连沟槽68形成在氧化硅膜56和SiOC膜54中的包含通孔66的区域中(参见图9B)。
接着，例如通过溅射，例如为30nm厚的TaN膜的阻障金属层70以及例如为30nm厚的Cu膜连续地沉积在整个表面上。
然后，用形成于阻障金属层70上的Cu膜作为籽晶，通过电解电镀进一步沉积Cu膜以形成例如总厚度为1μm的Cu膜72(参见图10A)。
然后，通过CMP，抛光Cu膜72和TaN膜的阻障金属层70，直到露出氮化硅膜58以去除在氮化硅膜58上的Cu膜72和阻障金属层70。因此，互连层74由用以防止Cu扩散的TaN膜的膜阻障金属层70和构成互连层的主要部分的Cu膜72构成，且埋置在通孔66和互连沟槽68中(参见图10B)。互连层74经由埋置在通孔66中的导通部分与互连层44电连接。
在通过CMP埋置互连层74之后，以与形成互连层44同样的方式，进行在层间绝缘膜60和互连层74的表面上同时喷射加氢的氨水和氮气的氮二流体处理(参见图11A)。氮二流体处理在高温环境同样能抑制Cu原子的迁移，以及抑制在互连层74中孔洞的产生。结果，能抑制互连层74发生导电故障。
在氮二流体处理后，以与形成互连层44相同的方式，将氢等离子体施加于层间绝缘膜60的表面和互连层74的表面上。氢等离子体的施加使层间绝缘膜60和互连层74的表面净化，并且扩散阻挡膜能以高附着力形成在层间绝缘膜60和互连层74上。因此，能增加半导体器件的可靠性。
在施加氢等离子体后，例如通过等离子体CVD，在层间绝缘膜60和互连层74上形成例如为50nm厚的SiC膜76(参见图11B)。该SiC膜76用作扩散阻挡膜，以防止作为互连层材料的Cu扩散。
此后，如图7A-7B、8A-8B、9A-9B、10A-10B以及11A-11B显示的相同步骤适当地重复，以在形成有MOS晶体管的硅衬底10上形成多个互连层的多层互连结构。
如上所述，根据本实施例，在将作为互连层的TaN膜和Cu膜埋置在如层间绝缘膜中的互连沟槽、通孔的开口且平坦化之后，以及在形成作为扩散阻挡膜用以防止作为互连材料的Cu扩散的SiC膜之前，在互连层的表面上进行同时喷射加氢的氨水和氮气的氮二流体处理，由此，能抑制高温环境下互连层中Cu原子的迁移，以及能抑制互连层中孔洞的产生。因此，根据本实施例的制造半导体器件的方法能提供具有较好的抗应力迁移能力以及高可靠性的互连层的半导体器件。
根据本实施例，在氮二流体处理后，氢等离子体施加于层间绝缘膜的表面和互连层的表面，清洁了层间绝缘膜的表面和互连层的表面，并且能以高附着力形成作为扩散阻挡膜(用以防止作为互连材料的Cu扩散)的SiC膜。因此，能增加半导体器件的可靠性。
(评估结果)下面，将描述根据本实施例的制造半导体器件的方法的评估结果。根据本实施例的制造半导体器件的方法制造的具有多层互连结构的半导体器件进行了高温搁置试验以测量导电故障发生率。
进行高温搁置试验的半导体器件上，包括根据本发明实施例的半导体器件的制造方法制造的以氧化硅膜作为层间绝缘膜形成的五层互连层以及一个铝电极片。高温搁置试验的实例1和2进行如下。
在实例1中，同时喷射加氢的氨水和氮气氮二流体处理进行30秒。加氢的氨水中氨的浓度是1ppm，加氢的氨水的流率为150mL/min，以及氮气的流率为50L/min。
在实例2的氮二流体处理中，向加氢的氨水施加1MHz和60W的超声振动。其它的条件，如氮二流体处理的处理时间、加氢的氨水中氨的浓度、加氢的氨水的流率以及氮气的流率等与在实例1中相同。
在高温搁置试验中，半导体器件经受的温度为200℃，以及半导体器件经受的时间为70小时、170小时、340小时以及500小时。对于每种情况均测量导电故障的发生率。
在下述控制1和2上进行相同的高温搁置试验。
在控制1中，进行同时喷射密封有二氧化碳的水和氮气的氮二流体处理。密封有二氧化碳的水的电阻率为0.2MQ·cm。密封有二氧化碳的水的流率为150mL/min，以及氮气的流率为50L/min。
在控制2中，互连层埋置在互连沟槽中且通过CMP平坦化，然后不经氮二流体处理直接形成扩散阻挡膜。
除了在氮二流体处理中密封有二氧化碳的水代替加氢的氨水或者不进行氮二流体处理，根据控制1和2的半导体器件以如同实例1和2中的相同方法制造。
在实例1、实例2、控制1和控制2的高温搁置试验的结果如下。
在实例1中，对应于70小时、170小时、340小时和500小时的经受时间，导电故障的发生率分别为0％、2％、6％和10％。
在实例2中，对应于70小时、170小时、340小时和500小时的经受时间，导电故障的发生率分别都为0％。
在控制1中，对应于70小时、170小时、340小时和500小时的经受时间，导电故障的发生率分别为1％、5％、11％和16％。
在控制2中，对应于70小时、170小时、340小时和500小时的经受时间，导电故障的发生率分别为8％、27％、46％和52％。
基于上述高温搁置试验的结果，可以确定的是，相较于传统的方法，根据本实施例的制造半导体器件的方法在高温环境中大幅度地减少了导电故障的发生率。从实例1与实例2的比较结果，可以看出在实例2中，其中将超声振动施加于加氢的氨水，更加减少了导电故障的发生率。
参照图12、13A-13C、14A-14C和15A-15C描述依照本发明第二实施例的制造磁头的方法。图12为显示磁头结构的透视图。图13A-13C、14A-14C和15A-15C为依照本发明的第二实施例的制造磁头的方法在各个步骤中该磁头的剖视图，用以示出该方法。
图12显示用于硬盘的感应型薄膜磁头的结构。图13A-13C、14A-14C和15A-15C显示形成在图12中示出的感应型薄膜磁头的线圈的第一层和第二层的步骤。在图13A-13C、14A-14C和15A-15C中，适当省略了除线圈之外的部件。在以下的描述中，将略去重放头，仅说明感应型薄膜磁头。
首先，如图12所示，Al2O3膜(未图示)形成在Al2O3-TiC衬底78上，该衬底78为滑动体(slider)的基座，然后由NiFe合金形成具有规定图案的下磁芯层80。
然后，通过溅射或其它方法，在下磁芯层80上形成Al2O3的写间隙层82。露出下磁芯层80的接触部81，该接触部81与后续步骤中的上磁芯层122连接。
然后，将光刻胶施加于写间隙层82，以预定的图案构图，然后被加热到200℃进行固化(cure)形成例如为3.5μm厚的层间绝缘膜84。在图12中，除了在下磁芯层80和上磁芯层122之间的层间绝缘膜，略去了其余的层间绝缘膜。
然后，光刻胶86施加于层间绝缘膜84上(参见图13A)，形成具有平面螺旋线圈图案的第一层的互连沟槽88，且例如加热到200℃进行固化。从而形成例如为3μm厚具有互连沟槽88(其具有第一层线圈图案)的层间绝缘膜90(参见图13B)。
接着，例如通过溅射，例如为30nm厚的TaN膜的阻障金属层92以及例如为30nm厚的Cu膜，连续地沉积在整个表面上。
接着，用形成在阻障金属层92上的Cu膜作为籽晶，通过电解电镀进一步沉积Cu膜以形成例如为总厚为3μm的Cu膜94。
然后，通过CMP抛光Cu膜94和阻障金属层92，直到露出层间绝缘膜90以去除在层间绝缘膜90上的Cu膜94和阻障金属层92。因此，互连层96由埋置在互连沟槽88中的用以防止Cu扩散的TaN膜的阻障金属层92以及构成互连层主要部分的Cu膜94构成(参见图13C)。互连层96构成了第一层的平面螺旋线圈。
在通过CMP埋置互连层96后，在层间绝缘膜90和互连层96的表面，进行同时喷射由在纯水中溶解氨和氢制备的加氢的氨水和氮气的氮二流体处理(参见图14A)。作为氮二流体处理的条件，例如，处理时间为30秒，加氢的氨水中氨的浓度是1ppm，加氢的氨水的流率为150mL/min，以及氮气的流率为50L/min。可以预先对加氢的氨水施加超声振动，然后在层间绝缘膜90的表面和互连层96的表面上同时喷射施加过超声振动的加氢的氨水和氮气。氮二流体处理能抑制高温环境下互连层96中Cu原子的迁移，以及能抑制在互连层96中孔洞的产生。从而能抑制互连层96中导电故障的发生。
在氮二流体处理后，氢等离子体施加于层间绝缘膜90和互连层96的表面。氢等离子体的施加使层间绝缘膜90和互连层96的表面净化，并且扩散阻挡膜能以高附着力形成在层间绝缘膜90和互连层96上。因此，能增加磁头的可靠性。
在氢等离子体施加后，例如通过等离子体CVD，在层间绝缘膜90和互连层96上形成例如为50nm厚的SiC膜98。SiC膜98用作扩散阻挡膜，以防止作为互连层材料的Cu扩散。
然后，光刻胶施加于SiC膜98上且以预定的图案构图，以及加热到例如200℃并固化以形成例如为3.5μm厚的绝缘膜100。
这样，形成了由依序层叠的SiC膜98和绝缘膜100形成的层间绝缘膜102。
接着，光刻胶104施加于层间绝缘膜102上(参见图14B)，形成具有平面螺旋线圈图案的第二层的互连沟槽106并且例如加热到200℃以固化。这样，形成例如为3μm厚的层间绝缘膜108，该层间绝缘膜108包括具有第二层的线圈图案的互连沟槽106(参见图14C)。
接着，例如通过溅射，例如为30nm厚的TaN膜的阻障金属层110以及例如为30nm厚的Cu膜，连续地沉积在整个表面上。
接着，以形成于阻障金属层110上的Cu膜作为籽晶，通过电解电镀将Cu膜进一步沉积形成例如为总厚为3μm的Cu膜112。
然后，通过CMP抛光Cu膜112和阻障金属层110，直到露出层间绝缘膜108以去除在层间绝缘膜108上的Cu膜112和阻障金属层110。因此，互连层114由埋置在互连沟槽106中的TaN膜的阻障金属层110和Cu膜112构成，该阻障金属层110用以防止Cu扩散，该Cu膜112构成互连层的主要部分(参见图15A)。互连层114形成第二层的平面螺旋线圈。
在通过CMP埋置互连层114后，用与形成互连层96相同的方式，在层间绝缘膜108的表面上和互连层114的表面上进行同时喷射加氢的氨水和氮气的氮二流体处理(参见图15B)。氮二流体处理能抑制高温环境下互连层114中Cu原子的迁移，以及抑制在互连层114中孔洞的产生。从而能抑制互连层114的导电故障的产生。
在氮二流体处理后，用与形成互连层96相同的方式，氢等离子体施加于层间绝缘膜108的表面和互连层114的表面。氢等离子体的施加使层间绝缘膜108的表面和互连层114的表面净化，并且扩散阻挡膜能以高附着力形成在层间绝缘膜108和互连层114上。因此，能增加磁头的可靠性。
在氢等离子体施加后，例如通过等离子体CVD，在层间绝缘膜108和互连层114上形成例如为50nm厚的SiC膜116。该SiC膜116用作扩散阻挡膜，以防止作为互连层材料的Cu扩散。
然后，光刻胶施加于SiC膜116且以预定的图案构图，然后被加热到200℃固化以形成例如为3.5μm厚的绝缘膜118。
这样，形成由依序层叠的SiC膜116和绝缘膜118形成的层间绝缘膜120(参见图15C)。
接着，通过溅散形成NiFe电镀籽晶层(未图示)，用光致抗蚀剂掩膜作为电镀框架(未图示)，选择性地电镀NiFe，以形成如图12中所示的上磁芯层122。然后，去除光致抗蚀剂掩膜，然后通过离子研磨去除暴露的NiFe电镀籽晶层。
然后，作为保护膜(未图示)的Al2O3膜形成在整个表面上，切割Al2O3-TiC衬底78，然后通过研磨、抛光等加工制造滑动体，该滑动体用以调节磁芯前端124的长度，即间隙深度。由此，在图12显示的磁头制造完成。在图12中，磁芯长度由L表示。
如上所述，根据本实施例，在层间绝缘膜中，构成互连层的TaN膜和Cu膜埋置在互连沟槽中且平坦化后，以及在用以防止作为互连材料的Cu扩散的用作扩散阻挡膜的SiC膜形成前，在互连层的表面上进行同时喷射加氢的氨水和氮气的氮二流体处理，由此能抑制高温环境下互连层中Cu原子的迁移，以及能抑制互连层中孔洞的产生。因此，根据本实施例的制造磁头的方法能提高磁头的可靠性。
根据本实施例，在氮二流体处理后，氢等离子体施加于层间绝缘膜和互连层的表面，由此清洁了层间绝缘膜的表面和互连层的表面，并且以高附着力形成作为扩散阻挡膜的SiC膜，该SiC膜用以防止作为互连材料的Cu扩散。因此，增加了磁头的可靠性。
(评估结果)接着，将描述根据本实施例的制造磁头方法的评估结果。根据本实施例的制造磁头的方法制造的具有多层互连结构的磁头进行了高温搁置试验以测量导电故障发生率。
实例3和4进行的高温搁置试验如下。
在实例3中，同时喷射加氢的氨水和氮气的氮二流体处理进行30秒。加氢的氨水中氨的浓度是1ppm，加氢的氨水的流率为150mL/min，以及氮气的流率为50L/min。
在实例4中，代替实例3中光刻胶的绝缘膜84、90、100、108以及118，氧化硅膜通过PECVD由TEOS(四乙氧基甲硅烷tetraethoxysilane)形成。以在实例3中同样的方式进行氮二流体处理。
下列的控制3和4进行相同的高温搁置试验。
在控制3中，除了不进行氮二流体处理，磁头用与实例3中相同的方法制造。
在控制4中，除了不进行氮二流体处理，磁头用与实例4中相同的方法制造。
在高温搁置试验中，磁头经受的温度在实例3中和控制3中分别设定在140℃，以及在实例4和在控制4中分别设定在200℃。磁头经受的时间为70小时、170小时、340小时和500小时。对每种情况测量导电故障的发生率。
在实例3、实例4、控制3和控制4的高温搁置试验的结果如下。
在实例3中，对应于70小时、170小时、340小时和500小时的经受时间，导电故障的发生率分别为2％、4％、8％和15％。
在实例4中，对应于70小时、170小时、340小时和500小时的经受时间，导电故障的发生率分别都为0％。
在控制3中，对应于70小时、170小时、340小时和500小时的经受时间，导电故障的发生率分别地是15％、28％、48％和70％。
在控制4中，对应于70小时、170小时、340小时和500小时的经受时间，导电故障的发生率分别为7％、25％、43％和56％。
基于上述高温搁置试验的结果，可以确定的是，相较于传统方法，根据本实施例的制造磁头的方法在高温环境中大幅度地减少了导电故障的发生率。从实例4的和实例3的结果比较中可以看出，作为构成层间绝缘膜的绝缘膜，使用氧化硅膜比使用光致抗蚀剂膜更加减少导电故障的发生率。
本发明并不局限于上述实施例，还涵盖其它各种不同的改型。
例如，在上述实施例中，SiOC膜、氧化硅膜和光致抗蚀剂膜等用作层间绝缘膜。然而，层间绝缘膜不是必须由它们形成，可由各种不同的绝缘膜形成。作为层间绝缘膜，能使用很多种绝缘膜，如包含硅(Si)和氧(O)的无机绝缘材料和包含C(碳)和H(氢)的碳氢化合物的有机绝缘材料等。
在上述实施例中，SiC膜作为扩散阻挡膜形成，用以防止作为互连材料的Cu扩散。然而，作为防止Cu扩散的阻挡膜形成的膜并不局限于SiC膜。作为防止Cu扩散的阻挡膜，可由氮化硅膜、聚酰亚胺膜、氮化锆膜等代替SiC膜形成。
在上述第一实施例中，在形成互连层74时，通过双镶嵌工艺，将TaN膜70和Cu膜72同时埋置在通孔66和互连沟槽68中。然而，通孔和互连沟槽彼此独立形成，并且可通过单镶嵌工艺埋置TaN膜和Cu膜。
在上述实施例中，制造出半导体器件和磁头。然而，本发明广泛用以制造包括以Cu作为主要材料形成的互连层的互连结构的制造方法。
权利要求
1.一种制造半导体器件的方法，包括步骤在绝缘膜中形成开口；在开口中形成以Cu为主要材料的互连层；以及在埋置于开口中的互连层表面上进行同时喷射溶解有氨和氢的纯水及氮气的氮二流体处理。
2.根据权利要求
1所述的制造半导体器件的方法，在进行氮二流体处理的步骤之后，还包括在该绝缘膜和该互连层上形成用以防止Cu扩散的扩散阻挡膜的步骤。
3.根据权利要求
2所述的制造半导体器件的方法，其中，该扩散阻挡膜为SiC膜或氮化硅膜。
4.根据权利要求
1所述的制造半导体器件的方法，在进行氮二流体处理的步骤之后，还包括将氢等离子体施加在该绝缘膜的表面和该互连层的表面上的步骤。
5.根据权利要求
2所述的制造半导体器件的方法，在进行氮二流体处理的步骤之后，还包括将氢等离子体施加在该绝缘膜的表面和该互连层的表面上的步骤。
6.根据权利要求
1所述的制造半导体器件的方法，其中，在进行氮二流体处理的步骤中，向溶解有氨和氢的纯水施加超声振动，并且施加过超声振动的纯水和氮气同时喷射。
7.根据权利要求
2所述的制造半导体器件的方法，其中，在进行氮二流体处理的步骤中，向溶解有氨和氢的纯水施加超声振动，并且施加过超声振动的纯水和氮气同时喷射。
8.根据权利要求
1所述的制造半导体器件的方法，其中，在形成互连层的步骤中，通过在形成有开口的绝缘膜上形成导电膜，抛光该导电膜以露出该绝缘膜，在开口中埋置该导电膜，而由导电膜形成该互连层。
9.根据权利要求
2所述的制造半导体器件的方法，其中，在形成互连层的步骤中，通过在形成有开口的绝缘膜上形成导电膜，抛光该导电膜以露出该绝缘膜，在开口中埋置该导电膜，而由导电膜形成该互连层。
10.根据权利要求
8所述的制造半导体器件的方法，其中，在形成开口的步骤中，形成包含有通孔和互连沟槽的开口，其中，该互连沟槽在包含该通孔的区域中形成。
11.一种制造磁头的方法，包括步骤在绝缘膜中形成线圈图案的开口；在该开口中形成以Cu作为主要材料的互连层和形成线圈；以及在埋置于该开口中的互连层表面上进行同时喷射溶解有氨和氢的纯水及氮气的氮二流体处理。
12.根据权利要求
11所述的制造磁头的方法，在进行氮二流体处理的步骤之后，还包括在该绝缘膜和该互连层上形成用以防止Cu扩散的扩散阻挡膜的步骤。
13.根据权利要求
12所述的制造磁头的方法，其中，该扩散阻挡膜为SiC膜或氮化硅膜。
14.根据权利要求
11所述的制造磁头的方法，在进行氮二流体处理的步骤之后，还包括将氢等离子体施加在该绝缘膜的表面和该互连层的表面上的步骤。
15.根据权利要求
12所述的制造磁头的方法，在进行氮二流体处理的步骤之后，还包括将氢等离子体施加在该绝缘膜的表面和该互连层的表面上的步骤。
16.根据权利要求
11所述的制造磁头的方法，其中，在进行氮二流体处理的步骤中，向溶解有氨和氢的纯水施加超声振动，并且施加过超声振动的纯水和氮气同时喷射。
17.根据权利要求
12所述的制造磁头的方法，其中，在进行氮二流体处理的步骤中，向溶解有氨和氢的纯水施加超声振动，并且施加过超声振动的纯水和氮气同时喷射。
18.根据权利要求
11所述的制造磁头的方法，其中，在形成互连层的步骤中，通过在形成有开口的绝缘膜上形成导电膜，抛光该导电膜以露出该绝缘膜，在开口中埋置该导电膜，而由导电膜形成该互连层。
19.根据权利要求
12所述的制造磁头的方法，其中，在形成互连层的步骤中，通过在形成有开口的绝缘膜上形成导电膜，抛光该导电膜以露出该绝缘膜，在开口中埋置该导电膜，而由导电膜形成该互连层。
20.根据权利要求
11所述的制造磁头的方法，其中，该绝缘膜由包含Si和O的无机绝缘材料或包含C和H的有机绝缘材料形成。
专利摘要
本发明提供的方法包括步骤在层间绝缘膜(34)中形成互连沟槽(38)；在互连沟槽(38)形成以Cu作为主要材料的互连层(44)；以及在埋置于互连沟槽(38)中的互连层(44)的表面上，进行同时喷射溶解有氨和氢的纯水及氮气的氮二流体处理。
文档编号H01L21/02GK1992197SQ200610105672
公开日2007年7月4日 申请日期2006年7月17日
发明者井谷司, 佐佐木真, 泷川幸雄 申请人:富士通株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan