能用低介电常数非晶氟化碳膜作为层间 绝缘材料的半导体器件及其制备方法 本发明涉及一种半导体器件及其制备方法，该器件具有由非晶氟化碳膜构成的绝缘材料，特别涉及在多层布线结构中具有由非晶氟化碳膜构成的层间绝缘膜的半导体器件及其制备方法。
随着由半导体构成的大规模集成电路(LSI)的集成度的提高，正在硅衬底表面上集成非常小尺寸如0.25μm或以下的分立元件。LSI在分立元件间布线的基础上工作。为了避免分立元件之间的相互连接处布线的交叉而采用的迂回布线使芯片面积上的布线面积增加，且由于增加了的布线距离使信号延迟。为此，为避免布线的交叉和堆叠点，在多层布线技术中通常在布线之间插入绝缘膜。
但是，在其间放置绝缘膜构成的多层布线技术有一个问题，即增加了不同布线层之间或布线层与硅衬底之间的杂散电容。它导致布线中信号延迟，在通过两相邻布线传输含高频分量的信号串线，向上和向下堆积。防止信号延迟和串线的方法是降低布线层间的杂散电容、并增加上下布线之间地距离，换句话说，是增加层间绝缘膜的厚度。但是该方法加深了用于连接硅衬底与布线层或连接上下布线层的接触孔和通孔。更难进行用于形成加深的接触孔和通孔的干法刻蚀。因此，加厚层间绝缘膜不合适。例如，在制造256M的DRAM(动态随机存储器)的半导体集成电路技术中，当接触孔的直径应该为0.25μm或更小时，从干法刻蚀来说，称为高宽比即接触孔的直径和最大深度的比例最好小于5和更低。因此需要降低杂散电容，也要将层间绝缘膜的厚度降低至1μm或更小。另外，有另一问题，由于其非常小的尺寸，和上下布线层之间出现的问题，在同一表面延伸的布线之间的杂散电容增加。将半导体集成电路减小到微小尺寸需要减小布线的厚度和布线之间的微小距离，这样两布线之间的距离将变得等于布线的厚度。布线之间距离的减小造成了同一布线层内布线之间的杂散电容的严重问题。考虑到较高集成度，增加布线之间的距离是不可能的，和上下布线层相比，这时的严重问题是同一层内信号延迟和串线，因此可以加厚其间的层间绝缘膜。
在本说明书中，层间绝缘膜这一术语指所有的绝缘膜，包括上下布线层之间的所说绝缘膜、布线层和硅衬底之间的绝缘膜、置于同一布线层中的布线之间的绝缘膜。
基于这些技术背景，在同一结构的静电电容随电极之间的绝缘材料的相对介电常数成比例变化、信号延迟随绝缘材料相对介电常数的平方根成比例变化、用低介电常数的材料作为层间绝缘膜使布线间杂散电容和信号延迟的降低成为可能的基础上，研制了有小的相对介电常数εr的薄绝缘膜。为此，取代LSI技术常用的绝缘膜如Si3N4(相对介电常数εr为7)或SiO2(相对介电常数εr为3.9)，有3或更低相对介电常数的材料可以解决信号延迟和串线等问题，避免了由于加厚使层间绝缘膜的加工困难的问题。
对于使用低相对介电常数的材料，层间绝缘膜的整体由低相对介电常数构成，或者低相对介电常数用作层间绝缘膜的一部分。例如，使层间绝缘膜有双层构成，其下层由低相对介电常数材料膜构成，而上层由常用绝缘材料如SiO2构成。该方法的优点是：通过用低相对介电常数材料作为同一层布线间层间电容问题严重的中间部分，能解决杂散电容和串线的问题，而使用例如非常好处理的SiO2等材料作为上层使平面化成为可能。上述说明的上层绝缘膜此后称为平面化绝缘膜。该层叠结构的上下层之间的电容是有低介电常数绝缘膜的电容与平面化绝缘膜电容的串联总和。可以将整个层间绝缘膜的有效相对介电常数调整到所需的值。
日本未审查专利申请如1996-83842、1996-222557、和1996-236517中公开了用实现上述目的所用的非晶氟化碳膜(α-C：F)作为低介电常数材料。非晶氟化碳膜被认为是能解决上述问题的极好低介电常数材料，原因是其相对介电常数根据制备方法和氟含量不同可以降低到约2，该材料具有极好的与LSI工艺的适应性，能承受400℃或更高的耐热温度。
如上所述，尽管非晶氟化碳膜有低的介电常数εr，且认为可以作为层间绝缘膜的材料，但是没有实现非晶氟化碳膜的商业化。这是因为，非晶氟化碳膜含化学活泼的氟，在制备用于连接布线金属、上下层的接触孔和通孔的技术中产生问题。即：非晶氟化碳膜与布线金属接触，在后面的热处理步骤中，不可避免地出现非晶氟化碳膜中所含氟与金属的反应。
下面说明非晶氟化碳膜中所含氟与金属的反应导致的问题。首先，非晶氟化碳膜中所含氟的比例降低，使膜的相对介电常数增加，因此布线间的电容增加。另外，与金属相比，由于与氟反应所产生的金属氟化物有较高的电阻，由此增加了布线电阻。布线之间电容的和布线电阻的增加，会导致信号延迟的增加。该反应还导致另一问题，与氟反应所产生的金属氟化物由于其相对低的沸点而在热处理步骤中汽化产生气体。例如，在约300℃的热处理中产生的TiF4很容易汽化，因为钛与氟反应产生的TiF4的沸点为284℃。因此在氟扩散的地方Ti被消耗掉，由此增加了布线电阻，导致电路工作不正常，所产生的气泡会在形成于邻近区域或气泡上的结构中产生膨胀或塌下部分，并产生半导体器件缺陷。
这些问题并不限于与非晶氟化碳接触的金属Ti的情况。当用W、Al、铜(Cu)及含这些金属的合金作为布线时，与氟的反应也是个问题。除了上述简单结构以外，在具有金属与非晶氟化碳接触的结构的任何半导体器件中都出现这种反应。这表明在任何接触处和任何半导体器件结构中，对任何金属与非晶氟化碳的接触部分进行热处理，所说问题总会导致半导体器件的缺陷。若在形成非晶氟化碳膜后永远不进行热处理，则对工艺过程是个非常严格的限制。由此需要有防止上述反应的结构。
对于防止金属与氟反应的方案，日本未审查专利申请1996-264648公开了一种结构，该结构中，在金属与非晶氟化碳膜之间的界面插入氧化硅膜或氮化硅膜等绝缘膜的缓冲层。但是由这种绝缘膜构成的结构很难保护金属不作用于接触孔或通孔的侧壁的保护部分，因为在孔的内壁淀积绝缘膜会减小掩埋布线金属的截面积，从而增加其电阻值。此外，当形成绝缘膜来保护孔的侧壁时，需要去除孔的下表面上的绝缘膜，以连接上下布线层。这导致非常困难的工艺过程。
因此，本发明的目的是提供一种半导体器件及其制备方法，在用非晶氟化碳作为有低介电常数的层间绝缘膜时，能防止氟与布线金属的反应，从而解决如信号延迟和结构破坏等上述问题。
本发明的另一个目的是提供一种半导体器件及其制备方法，其中器件具有基于非晶氟化碳的低介电常数的实用结构。
随着下面说明的进行将明白本发明的其它目的。
根据本发明的一个方案，提供至少部分由非晶氟化碳膜的绝缘材料构成的半导体器件，该器件包括膜部件，膜部件包括有高熔点且至少部分在所说非晶氟化碳膜与金属材料之间的界面的含氮金属膜。
金属材料可以包括合金材料。
高熔点的含氮金属膜可以有导电性。
高熔点的含氮金属膜可以是含氮钛膜。
含氮钛膜可以有约1∶1的钛与氮的组分比。
金属材料可以包括选自铝、钛、钨、铜、或硅的金属。
金属材料还可以包括至少含铝、钛、钨、铜、或硅中的一种的合金。
非晶氟化碳膜至少可以用作多层布线结构的层间绝缘膜的一部分。
包括高熔点含氮金属的膜部件至少可以形成在通孔侧壁中非晶氟化碳膜与金属材料之间的界面。
通孔还可以是接触孔。
根据本发明的另一个方案，提供制备半导体器件的方法，包括以下步骤：(A)形成至少包括非晶氟化碳膜的绝缘膜；(B)选择腐蚀所说绝缘膜；(C)在所说绝缘膜上形成高熔点的导电含氮金属膜；(D)形成布线金属膜；(E)至少热处理所说高熔点的导电含氮金属膜。
布线金属可以包括选自铝、钛、钨、铜、或硅的金属。
布线金属还可以包括至少含铝、钛、钨、铜、或硅中的一种的合金。
可以在200℃和400℃之间的温度进行热处理步骤，包括200℃和400℃。
高熔点的导电含氮金属膜可以是含氮钛膜。
含氮钛膜可以有约1∶1的钛与氮的组分比。
图1是使用非晶氟化碳的常规半导体器件的示意垂直剖面图；
图2是用来说明在图1所示常规半导体器件中钛与非晶氟化碳之间的界面附近的氟的分布与热处理关系的曲线图；
图3是根据本发明第一实施例的半导体器件的示意垂直剖面图；
图4A到4I画在三页纸上，是在本发明第一实施例方法的各不同步骤的半导体器件的示意垂直剖面图；
图5是用来说明在图3所示半导体器件中钛与非晶氟化碳之间的界面附近的氟的分布与热处理关系的曲线图；
图6是根据本发明第二实施例的半导体器件的示意垂直剖面图；
图7A到7C画在一页纸上，是在本发明第二实施例方法的各不同步骤的半导体器件的示意垂直剖面图；
首先参照图1和2说明常规半导体器件，以更好了解本发明。
图1表示日本专利申请1996-321694(还未公布)所记载的半导体器件，作为在多层结构的布线之间使用非晶氟化碳膜作为层间绝缘膜的例子。该已有专利申请的例子是有由层间绝缘膜构成的双层的多层布线半导体器件，层间绝缘膜包括非晶氟化碳膜构成的低介电常数层间绝缘膜、和平面化绝缘膜。
如本说明书前言中所说，尽管非晶氟化碳膜有低的介电常数εr，且认为可以作为层间绝缘膜的材料，但是没有实现非晶氟化碳膜的商业化。这是因为，非晶氟化碳膜含化学活泼的氟，在制备用于连接布线金属、上下层的接触孔和通孔的技术中会产生问题。即：由于非晶氟化碳膜与布线金属接触，在后面的热处理步骤中，不可避免地出现非晶氟化碳膜中所含氟与金属发生反应。
例如，图2表示非晶氟化碳膜和钛(Ti)膜简单层叠结构在热处理步骤中氟的扩散。热处理条件是在真空中200℃到350℃处理30分钟，并在热处理后用X射线光电子光波谱仪(XPS)测量非晶氟化碳膜和Ti之间界面处的氟含量。从图2可知，200℃或更高温度的热处理导致非晶氟化碳膜中所含的氟扩散到Ti中，并且Ti与氟反应。
下面说明非晶氟化碳膜中所含氟与金属的反应导致的问题。首先，非晶氟化碳膜中所含氟的比例降低，使膜的相对介电常数增加，因此布线间的电容增加。另外，与金属相比，由于与氟反应所产生的金属氟化物有很高的电阻，由此增加了布线电阻。布线之间电容增大和布线电阻增大，导致信号延迟的增加。该反应还导致另一问题，即与氟反应所产生的金属氟化物由于其相对低的沸点而在热处理步骤中汽化产生气体。例如，在约300℃的热处理中产生的TiF4很容易汽化，因为钛与氟反应产生的TiF4的沸点为284℃。因此在氟扩散的地方Ti被消耗掉，因此增加了布线电阻，导致电路工作不正常，所产生的气泡在形成于邻近区域或气泡上的结构中产生膨胀或塌下部分，并产生半导体器件缺陷。
这些问题并不限于与非晶氟化碳接触的金属Ti的情况。当用W、Al、铜(Cu)及含这些金属的合金作为布线时，与氟的反应也是个问题。除了上述简单结构以外，在具有金属与非晶氟化碳接触的结构的任何半导体器件中都出现这种反应。例如，图1的已有专利申请的多层布线结构有可能改进通孔侧壁中布线金属与非晶氟化碳膜的接触。这表明在任何接触处和任何半导体器件结构中，对任何金属与非晶氟化碳的接触部分进行热处理时，所说问题总会导致半导体器件产生缺陷。若在形成非晶氟化碳膜后永远不进行热处理，则对工艺过程是个非常严格的限制。由此需要有防止上述反应的结构。
对于防止金属与氟反应的方案，日本未审查专利申请1996-264648公开了一种结构，该结构中，在金属与非晶氟化碳膜之间的界面插入氧化硅膜或氮化硅膜等绝缘膜的缓冲层。同样在图1的已有专利申请的例子中，其间放置非晶氟化碳膜142的上下接触层141和142分别包括硅过量氧化膜(SiO)和类金刚石的碳(DLC)，改进了非晶氟化碳膜142与周围结构的接触性能，防止了氟与Al、Si、和Cu构成的第一布线层103侧壁的反应。
但是由这种绝缘膜构成的结构很难保护金属不作用于接触孔或通孔的侧壁的保护部分，因为在孔的内壁淀积绝缘膜会减小掩埋布线金属的截面积，从而增加其电阻值。此外，当形成绝缘膜来保护孔的侧壁时，需要去除孔的下表面上的绝缘膜，以连接上下布线层。如本说明书前言所说，这导致非常困难的工艺过程。
下面在说明本发明的优选实施例之前，先说明本发明的原理和功能。
本发明的发明人发现：在非晶氟化碳膜与金属之间的界面形成含氮高熔点金属膜能有效防止热处理中非晶氟化碳膜中的氟向金属中扩散、并防止金属与氟的反应。为此，钛、钽、和钨可以用作高熔点金属；特别是钛有最好效果。本发明的发明人还发现：钛和氮的含量比约为1∶1时，即通常的TiN膜，作为防止氟扩散的膜效果最好。
高熔点含氮金属膜防止扩散的效果，即防止氟扩散进金属并防止与氟反应的效果，是基于下面原理。金属原子与氮原子结合非常紧密，使金属氮化物有高的熔点，如氮化钛耐热和化学腐蚀的稳定特性非常好。高熔点金属氮化物与氟的反应需要切断金属-氮之间的键；因此这种反应几乎不发生。所以不会出现氟向高熔点金属氮化物的扩散。当将耐热和化学腐蚀的金属氮化物膜置于如非晶氟化碳膜等含氟膜与金属之间的界面时，可以通过在高熔点金属氮化物中防止氟的反应和扩散，来防止氟向金属的扩散和防止金属与氟的反应。此外，高熔点金属与氮的化学配比在高熔点金属氮化物中更稳定。因此可以说在含氮钛中，1∶1的化学配比有最好的防止氟扩散的效果。和其它高熔点金属中一样，含氮钨和含氮钽在各自的化学配比下有防止氟扩散进WN和TaN中的最好效果。
高熔点含氮金属膜有这样的效果。当膜导电时，在半导体器件结构和制备方法中有更明显的效果。通常，硅绝缘材料如氧化硅膜和氮化硅膜能防止氟的扩散；这些材料用于保护图1所示已有技术中的布线层。但是，由于不知道有什么导电材料能防止氟的扩散，所以要掩埋到通孔和接触孔中的金属的侧壁的保护很困难。在使用本发明公开的高熔点导电含氮金属膜如氮化钛膜来保护这些孔的侧壁时，即使在孔的下表面上有导电膜，上下层之间的电连接也不会发生问题。为此，在孔中掩埋布线金属之前，其形成工艺需要在整个表面形成高熔点导电含氮金属膜。这样可以和布线金属材料一起进行下面工艺步骤。这表明实现防止氟扩散的效果不需要增加太多的工艺步骤。当用这样的导电材料时，和使用绝缘材料相比，在孔中形成保护膜电阻增大的问题很小。
在用非晶氟化碳作为绝缘膜的半导体器件中，可以在非晶氟化碳膜与金属材料的接触时，在它们的界面处放置常规的硅绝缘膜或本发明公开的高熔点含氮金属膜来防止金属与氟的反应。此时，可以分别在对结构或工艺来说最适合放绝缘膜的地方、和最适合放导电膜的地方来放置硅绝缘膜、和高熔点导电含氮金属膜。
而且，使用在布线金属或合金与非晶氟化碳膜之间的界面插入高熔点含氮金属膜的结构，可以在形成非晶氟化碳膜后容许进行加热处理步骤，这更适合于实际LSI制造工艺。这意味着可以使用退火步骤来改进器件质量，可以用在200℃或更高温度下进行膜形成步骤来大大改进工艺的自由度；这两个步骤在以前是不能进行的。
当使用上述本发明的结构和制备方法时，由于在使用非晶氟化碳时可以防止热处理中氟的扩散和反应，所以可以防止非晶氟化碳膜中氟含量的降低、金属中氟化物的形成、电阻的增加、和膜的膨胀或塌下。这样在非晶氟化碳膜有低介电常数的特性的基础上，可以制备高可靠性和大批量的高集成半导体器件。
现在参照图3到5说明本发明第一实施例的半导体器件及其制备方法。
图3和4用来说明有双层的多层布线的半导体器件。下面的技术很自然也可用于多层布线。图3表示例子的最终剖面结构，图4A到4I表示图3所示结构的形成顺序。
首先说明图3最终剖面的结构。在形成于硅衬底101上的绝缘膜102上放置第一布线层103，器件区中已经形成如扩散层等器件区，但是未示出。在第一布线层103上放置夹在上接触层141和下接触层143之间的非晶氟化碳142；低介电常数层间绝缘膜104由这些层构成。接触层141和143是有双层结构的绝缘膜，双层结构由硅过量膜和DLC膜构成；DLC膜放在非晶氟化碳膜142的两面。低介电常数层间绝缘膜104的上层有平面化绝缘膜105；这两膜一起作为层间绝缘膜。上层和平面化膜105的开口的整个表面有作为本发明主要部件的高熔点含氮金属膜。在部件上层放置第二布线层108以电连接通孔下表面上的第一布线层103。
接着用图4A到4I所示工艺步骤的剖面图说明图3所示结构的制备方法。
下面是图4A的步骤，用普通CVD方法和其它方法，在形成于半导体衬底101上的绝缘膜102上形成半导体器件的多层布线结构，衬底中已经预先形作为成器件形成区的扩散层和其它层(未示出)。在绝缘膜102上，用常规方法首先形成连接孔(接触孔，未示出)与形成于硅衬底101上的半导体器件区，如扩散层。接着用溅射方法在整个表面上形成几纳米到几十纳米的TiN层、600nm的Al-Si-Cu层、几纳米到几十纳米的TiN层，作为最下层的第一布线层103(图4A表示整个TiN/Al-Si-Cu/TiN结构)。最后，用常规光刻形成选择腐蚀的光刻胶掩模，用常规干法刻蚀处理光刻胶掩模，如图4B所示通过构图形成最下面的第一布线层103的布线。
接着，去除光刻胶掩模后，用由接触层141、非晶氟化碳膜142、接触层143构成的结构形成低介电常数的层间绝缘膜104，按从最下层的顺序，整个低介电常数层间绝缘膜104有由硅过量膜、DLC、非晶氟化碳膜142、DLC、硅过量膜构成的多层结构，因为接触层141和143对应于前面所说双层结构的DLC/硅过量膜。在该例中，这些层都用等离子体CVD形成。
对于硅过量膜，调节作为等离子体CVD所用材料的硅烷(SiH4)和氧气的供应，形成硅与氧的组分比为1∶1的氧化膜(SiO2)。接着，通过用给出薄膜相应的氢浓度，在形成DLC膜中形成强的接触膜。在此例中，用CH4作为形成DLC膜的材料，在用等离子体CVD形成的膜处对相对衬底加偏压，调整膜中氢的浓度。接着用CF4和CH4作为材料形成非晶氟化碳膜。随后重复形成DLC膜和硅过量膜，最后形成有低介电常数的层间绝缘膜，它由接触层141(硅过量膜/DLC)、非晶氟化碳膜142、接触层143(DLC/硅过量膜)构成(图4C)。接触层141和143包括硅过量膜和DLC，保护第一布线层的Al不受氟的侵蚀，改进上下层和第一布线层之间的接触度。为此，需要硅过量膜和DLC膜的厚度为5nm以上。在该例中，硅过量膜和DLC膜的厚度均为50nm，上下接触层141和143的厚度均为100nm。非晶氟化碳膜142的厚度为600nm。
在本例中，用CF4和CH4作为气体材料来制备非晶氟化碳膜142。也可以用其它物质如CF4、C2F6、C3F8、C4F8和CHF3等含氟气体作为材料。另外，这些气体可以与氢气(H2)、及如CH4、C2H6、C3H8、C2H4、C2H2等碳氢化合物或其它气体混合作为材料气体。如日本未审查专利申请1996-236517公开的，通过向非晶氟化碳膜142中添加氮或硅来改进耐热特性并不降低本发明的效果。
形成低介电常数层间绝缘膜104后，形成平面化绝缘膜105。在该例中，用等离子体CVD形成约2μm厚SiO2作为平面化绝缘膜(图4D)，形成厚的层间绝缘膜105后，用CMP平面化表面上残留第一布线层103高度的粗糙表面。CMP平面化使用普通碱性浆，平面化绝缘膜105被磨掉800nm以进行完美平面化(图4E)。
下一个步骤是形成通孔。首先，在常规的光刻胶步骤形成通孔的光刻胶掩模110。接着用如CF4气体，通过常规的干法刻蚀选择腐蚀平面化绝缘膜105的SiO2膜，小心地穿过该膜。接着，通过用氧气的腐蚀方法选择腐蚀有低介电常数且包括非晶氟化碳膜142的层间绝缘膜104(图4F)。接着，在常规氧气等离子体中灰化处理，去除光刻胶掩模110以开出通孔。
完成通孔形成之后，形成本申请的发明的主要部分即高熔点含氮金属膜106。在该例中，用溅射方法在整个表面形成氧化钛作为高熔点含氮金属膜106(图4H)。形成膜处时的衬底温度和厚度分别是200℃和100nm。但是，用溅射方法形成膜时，平面化部分和孔的侧壁的膜厚度很不一样：在本例中，平面化部分和通孔中的膜厚度分别是100nm和约10nm。
可以用溅射方法以外的其它方法来自然形成氮化钛。特别是，用热CVD方法和等离子体CVD方法例示的膜形成方法的优点在于：可以形成保形膜使膜厚度在上述位置中有较小的不同。
最后，形成掩埋第二布线层108。在本例中，放置衬底温度为200℃(图4I，热CVD方法)，在整个表面上形成作为第二布线层108的Al-Si-Cu层，由此构成双布线层结构。
根据这些步骤，实现具有非晶氟化碳膜142的双布线层结构，该非晶氟化碳膜142夹在低介电常数层间绝缘膜104与作为防止氟扩散的高熔点含氮金属膜106之间。重复图4B和后来说明的步骤顺序可以使用多层薄膜层。
将如图3所示的由上述工艺完成的本例的结构进行热处理，检测高熔点含氮金属膜106的氟扩散保护效果。在真空中200℃到350℃的温度下热处理30分钟，然后研究氟的扩散和结构变化。图5是热处理图3所示的本例结构之后，用XPS测量非晶氟化碳膜142和高熔点的由氧化钛构成的含氮金属膜106邻近区域之间同的氟组分的测量结果。
如图5所示，可以知道，在具有高熔点的由氧化钛构成的含氮金属膜106的本发明结构中没有发现氟的扩散，所以能防止氟的扩散和反应。热处理前后用扫描电镜观察剖面结构，没有发现膨胀和塌下，热处理前后也没有观察到结构不同。从这些检测可以确定，图3所示的有高熔点含氮金属膜的本发明结构防止了热处理中金属与氟的反应。但是考虑布线材料的耐热性，使用铝合金布线时，热处理的温度应该保持在400℃或更低。
热处理中还发现，TiN和非晶氟化碳的接触情况很好，因为在这些膜之间的界面没有发现塌下。换句话说，TiN有下面另一个效果，即在防止氟扩散的同时还能改进接触性能。
接着改变图3结构中高熔点含氮金属膜所用的氮化钛的膜厚度，用前面说明的试验检测防止氟扩散的效果。结果，使用前述热处理5nm或更厚的氮化钛膜的条件，有满意的防止扩散的效果。膜厚度的下限随热处理条件而变化。但是，很明显，当处理温度升高且处理时间延长时，需要有足够的膜厚度。膜厚度的上限没有限制。但是考虑微小形成的通孔和接触孔中的掩埋特性和掩埋后第二布线层的处理特性时，膜应尽可能地薄到约50nm。
将第二布线层108所用布线材料由Al-Si-Cu合金改变为Al、W、Ti和多晶硅，进行相似的试验。在该试验中，没有观察到氟扩散进布线金属，和Al-Si-Cu合金一样没有出现膨胀问题。由此发现，本发明结构的防止氟扩散的效果不取决于布线材料所用的金属的种类。
在图3的结构中，当高熔点含氮金属膜106所用材料从氮化钛改为含氮钨和含氮钽时，同样得到防止氟扩散的效果。
下面参照图6和7说明本发明第二实施例的半导体器件及其制备方法。
图6表示完成后的半导体器件剖面结构。该例的特征是：在高熔点含氮金属膜106(TiN)与第二布线层108之间夹有钛膜109，以防止氟扩散。已经知道，当用溅射在钛膜上形成铝合金膜时，钛膜109的存在很容易改进孔中的掩埋特性；该改进称为铝回流(参考H.Nishimura等在1991年《VLSI多层互联会议文集》第170页的说明)。
图7表示制造半导体器件的方法的主要工艺步骤的剖面图。第二实施例的半导体器件与第一实施例的不同在于第二布线层的结构。关于制造步骤，形成高熔点含氮金属膜的步骤(图4A到4H)和第一实施例相同，只说明这些步骤之后的步骤。在第二实施例中，形成由高熔点氮化钛构成的含氮金属膜106后，在200℃的衬底温度下用溅射方法形成约10nm厚的钛膜109。接着在350℃的衬底温度下用溅射方法形成Al-Si-Cu膜，制备第二布线层108，最后形构图6所示的多层布线结构。
由于铝的回流，换句话说，通过流动将Al合金掩埋进孔中，第二实施例中形成第二布线层的Al-Si-Cu膜的温度高于第一实施例的温度。使用钛膜109作为底层防止Al合金与底层之间界面能的降低，并防止在膜形成时发生聚集。关于第二实施例的结果，如图6所示，与图3所示的第一实施例的结构相比，改善了作为第二布线层108的Al-Si-Cu在通孔中的掩埋特性，降低了通路电阻，因而可提供高可靠性的布线结构。
在第二实施例中，在形成高熔点含氮金属膜106后，用包括350℃加热步骤的溅射方法形成Al-Si-Cu膜。但是高熔点含氮金属膜106的防止氟扩散的效果和第一实施例相同，加热处理Al-Si-Cu层后，没有氟扩散进Ti和Al-Si-Cu层中。另外，也没有观察到膜的膨胀和塌下。
在第一和第二实施例中，整体构成掩埋进通孔中、用作第二布线层的金属材料。通孔塞和第二布线层可以使用不同的材料。例如可以在掩埋W作为通孔塞后，形成Al合金作为第二布线层。此时，本发明的高熔点含氮金属膜对防止氟扩散仍然有效。
在第一和第二实施例中，使用氧化硅作为平面化绝缘膜105。当然可以用氮化硅膜或氮氧化硅膜代替氧化硅。
此外，在该例中，第一布线层103和第二布线层108之间的层间绝缘膜包括低介电常数层间绝缘膜104和平面化绝缘膜105。层间绝缘膜还可以只用低介电常数层间绝缘膜104构成。此时，由于用作高熔点含氮金属膜106的TiN与非晶氟化碳膜142有很好的接触，所以不需要放置上接触层143。
而且，该例中用常规绝缘膜、PSG作为绝缘膜102。当然绝缘膜102也可以由具有非晶氟化碳作为主要成分的、低介电常数的层间绝缘膜104的膜构成。此时，自然可以用高熔点含氮金属膜来保护掩埋到接触孔中的布线金属的侧壁，该接触孔连接硅衬底101和第一布线层103。
下面参照图8到10说明本发明第三实施例。
根据本发明第三实施例的半导体器件的特征是，使用铜作为第一布线层303。通常铜的电阻率为1.8。铜的电阻率比铝的电阻率小约30％，铝的电阻率为2.9。因此使用铜作为第一布线层303能有效降低布线电阻。已经知道，用高熔点含氮金属膜(如图8中306表示的膜(TiN)作为防止铜扩散的含硅绝缘膜(1997年，国际电子器件会议，769页)。在第三实施例中，层间绝缘膜的结构是，在非晶氟化碳膜304上形成由氧化硅膜构成的平面化绝缘膜305，在层间绝缘膜和第一布线层303之间形成高熔点含氮金属膜306(TiN)。使用该结构，高熔点含氮金属膜306(TiN)不仅能有效防止非晶氟化碳膜304与如第一布线层等布线金属之间的反应，而且能防止铜扩散进平面化绝缘膜305。在高熔点含氮金属膜306(TiN)中，需要5nm的厚度来防止非晶氟化碳膜304与布线金属之间的反应，而需要更大的厚度如10nm来防止铜扩散进平面化绝缘膜305。为什么需要10nm的较大厚度的原因是，由于与氧化硅膜的反应，高熔点含氮金属膜306(TiN)损失了其有效厚度。在用溅射方法等形成的膜中，布线层底部周围侧壁的金属厚度变为最小。在图8所示的结构中，非晶氟化碳膜304暴露于第一布线层303底部附近的侧壁，在那里高熔点含氮金属膜306(TiN)有最小的厚度。另一方面，铜永远不扩散进非晶氟化碳膜304。第一布线层303底部附近，高熔点含氮金属膜306(TiN)只足够防止氟的扩散。因此高熔点含氮金属膜306(TiN)可以只需要5nm的厚度。所以如图9所示，可以降低有约0.1mm的小的布线宽度的铜布线层的电阻。
下面参照图10A到10E说明本发明第三实施例制造半导体器件的方法。
首先用已知方法制备硅衬底301，如图10A所示。硅衬底301有图10A所示的朝上的主表面。如图10A所示，在硅衬底301的主表面上形成绝缘膜302。然后形成约60nm的非晶氟化碳膜304。再后，如图10B所示，形成约20nm厚的由氧化硅膜构成的平面化绝缘膜305。另外通过用光刻胶的光刻技术，用相反图形成光刻胶掩模310。如图10C所示，腐蚀氧化膜和腐蚀非晶氟化碳膜304，形成沟槽。去除光刻胶掩模310后，形成约20nm厚的高熔点含氮金属膜306(TiN)。如图10D所示，形成约1mm厚的铜层311。再后，用CMP深腐蚀铜层311和高熔点含氮金属膜306(TiN)，以提供具有图10E所示结构的半导体器件。
如上所述，希望用非晶氟化碳膜作为极好的低介电常数层间绝缘膜。但是由于膜中所含氟与金属的强的反应特性，使非晶氟化碳膜的耐热特性很差，导致它很难在商业生产中使用。在布线金属或合金与非晶氟化碳膜之间所夹的高熔点含氮金属膜可以防止热处理中氟的扩散与反应，防止非晶氟化碳膜中氟含量的降低，防止金属中氟化物的形成。
特别是，导电高熔点含氮金属膜能有效作为掩埋进接触孔和通孔中的金属的保护膜，不用复杂的工艺就可制备防止金属与氟反应的结构。
因此，在非晶氟化碳膜用作绝缘膜的半导体器件中，在非晶氟化碳膜与金属材料接触的地方，通过将已有的含硅绝缘膜或本发明公开的高熔点含氮金属膜放在该处的表面，可以防止金属与氟的反应。这意味着在结构或工艺上最适合放置绝缘膜的地方放置硅绝缘膜，在非晶氟化碳表面-金属的表面适于放置导电膜的地方放置导电高熔点含氮金属膜。因此，大大改善了结构自由度。当然，在设计中，在相对较难被氟侵蚀的金属界面，或者侵蚀对元件性能没有影响的界面可以不放置防止氟扩散的这些膜。
如前面所说，通过在金属和非晶氟化碳膜之间的界面放置高熔点含氮金属膜，没有出现金属与氟反应、因反应导致的电阻增加、处理步骤中各种膜的塌下等的问题。在用非晶氟化碳膜作为层间绝缘膜的半导体器件中，利用本发明的结构首次使建立实用结构和制造工艺、用低介电常数的非晶氟化碳膜实现高集成度成为可能。
实现该目的的氮化钛膜的另一个效果是改进非晶氟化碳膜的接触性能。
使用非晶氟化碳膜作为实施例所示的上布线层的底层，在LSI工艺中有防止将含为不同材料的碳和氟的材料暴露于晶片表面的效果。这表明，由于高熔点含氮金属膜的防止氟扩散的效果，当晶片在工艺线上运转时，碳和氟不可能沾污现有的工艺线。
最后，在这些实施例中，说明了在带有由非晶氟化碳膜构成的层间绝缘膜的多层布线结构中，使用高熔点含氮金属膜作为通孔中掩埋金属的保护膜的情况。但是，在该结构的例子中，实施例包括图示相关或不相关的各方面。换句话说，在任何半导体器件的结构中，在非晶氟化碳膜和金属材料之间的界面上放置高熔点含氮金属膜都能产生相同的防止氟扩散的效果。
对由非晶氟化碳以外的其它材料构成的含氟膜的情况下，同样能产生本发明的高熔点含氮金属膜的防止氟扩散的效果。在半导体器件中使用其它含氟材料时，该材料与金属之间界面处放置高熔点含氮金属膜将有改善含氟材料耐热特性的效果和保护金属材料的效果。