JP2000049116A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】低抵抗且つ高バリア性を有するバリアメタルを
提供する。 【解決手段】バリアメタル２０₁ が、配線溝１６の底面
及び側壁の表面に沿って形成された膜厚１６ｎｍのＴａ
Ｎ_0.87膜３１と、ＴａＮ_0.87膜上に形成され、配線溝１
６に埋め込み形成されたＣｕダマシン配線１７に接する
膜厚４ｎｍのＴａＮ_1.19膜３２とから構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属配線を構成す
る元素の拡散を抑制するバリアメタルを有する半導体装
置及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】コンタクトでの配線層金属と拡散層Ｓｉ
の相互拡散と反応、配線周囲の層間絶縁層中への配線層
金属の拡散、又はヴィアプラグに配線層と異なる金属が
使用されている場合の相互拡散と反応とを防止するた
め、配線層の底面又は側上面にバリアメタルが形成され
ている。

【０００３】バリアメタルは、半導体装置の製造工程に
おける熱履歴と装置動作時の電界と温度による配線層金
属の拡散と反応を抑制するのに十分なバリア性を持たな
ければならない。それと同時に、配線の実効的な電気抵
抗を上げないように、薄く形成する必要がある。コンタ
クト又はヴィアプラグでの電気抵抗を上げないようにす
るために、比抵抗と電気的接触抵抗が低いバリアメタル
を用いる必要がある。また、層間絶縁層及び配線層との
密着性がよい必要がある。

【０００４】従来、ＴｉＮ、ＴａＮ等の単層の金属窒化
物よりなるバリアメタルは、従来の半導体装置に対して
は良好なバリア性を持ち、要求される諸特性を十分に充
たしていた。

【０００５】ところが、半導体装置の集積度の向上と素
子の微細化によって、使用されるバリアメタルの膜厚が
薄くなるのに従い、十分なバリア性を得ることが次第に
困難となってきた。更に、半導体装置の高速動作と配線
層の高信頼化のためにＣｕが配線層に使用されてきたた
め、Ｓｉ基板中と絶縁層中を高速に拡散するＣｕの拡散
を防止する上で、十分なバリア性を得ることができなく
なった。又、装置の高速動作のため、バリアメタルに許
容される比抵抗と電気的接触抵抗も低くなってきた。

【０００６】ところが、従来のバリアメタルでは、十分
なバリア性と電気的特性を満足することができないとい
う問題があった。

【０００７】このようなバリア性の不完全性は、非アル
ミニウム系金属配線において特に顕著である。これは、
アルミニウム系金属配線においては、アルミニウムの薄
い酸化物層が極めて良好且つ稠密なバリア膜として機能
する為である。このアルミ酸化物層は、特に異種金属と
アルミ合金の界面においても自然酸化等で形成され、そ
の薄い膜厚が故に電気伝導はトンネル電流という形で起
こり得る。一方、銅、銀、金やその合金は、アルミを凌
ぐ低抵抗金属配線材料であるが、上記のような良質な酸
化物層の形成が期待できない。従って高性能なバリアメ
タル膜を能動的に形成する必要がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、半導
体装置の高集積化に伴い、配線層金属に対するバリア性
と電気特性を有するバリアメタルが存在しないという問
題があった。

【０００９】本発明の目的は、配線層金属に対する高い
バリア性と、良好な電気特性とを有するバリアメタルを
有する半導体装置及びその製造方法を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】［構成］本発明は、上記
目的を達成するために以下のように構成されている。な
お、以下の記載における金属配線とは、プラグ電極等の
金属電極を含む。

【００１１】（１） 本発明（請求項１）の半導体装置
は、金属配線を構成する元素の拡散を抑制するバリアメ
タルを具備する半導体装置であって、前記バリアメタル
は、金属元素から少なくとも一つの元素が選ばれたαと
ボロン，酸素，炭素，窒素から少なくとも一つの元素が
選ばれたβとから構成され、元素構成比率が異なる２種
類以上の化合物膜αβ_n が積層されて構成されているこ
とを特徴とする。

【００１２】なお、バリアメタルとしては、連続的な組
成変化を有する構造を含む。

【００１３】（２） 本発明（請求項２）の半導体装置
は、金属配線を構成する元素の拡散を抑制するバリアメ
タルを具備する半導体装置であって、前記バリアメタル
は、金属元素から少なくとも一つの元素が選ばれたαと
ボロン，酸素，炭素，窒素から少なくとも一つの元素が
選ばれたβとから構成され、元素構成比率が異なる２種
類以上の化合物膜αβ_n が積層された構成を含み、複数
層の前記化合物膜αβ_n内の少なくとも１層は、前記α
及びβから構成された化合物膜αβ_x （ｘ＞１）である
ことを特徴とする。

【００１４】なお、バリアメタルとしては、連続的な組
成変化を有する構造を含む。

【００１５】（３） 本発明（請求項３）の半導体装置
は、金属配線を構成する元素の拡散を抑制するバリアメ
タルを具備する半導体装置であって、前記バリアメタル
は、金属元素から少なくとも一つの元素が選ばれたαと
ボロン，酸素，炭素，窒素から少なくとも一つの元素が
選ばれたβとから構成され、元素構成比率が異なる２種
類以上の化合物膜αβ_n が積層された構成を含み、前記
金属元素から同一の元素が選択された前記αから全層の
前記化合物膜αβ_n が構成され、複数層の前記化合物膜
αβ_n 内の少なくとも１層は、前記α及びβから構成さ
れた化合物膜αβ_x （ｘ＞１）であることを特徴とす
る。

【００１６】（３）に記載の半導体装置に好ましい実施
態様を示す。

【００１７】前記バリアメタルは、前記化合物膜αβ_x
（ｘ＞１）と、前記α及びβとから構成された化合物膜
αβ_y （ｙ≦１）とが積層されて構成され、前記金属配
線の表面に、前記化合物膜αβ_x （ｘ＞１）を介して前
記化合物膜αβ_y （ｙ≦１）膜が形成されている。

【００１８】前記バリアメタルは、前記化合物膜αβ_x
（ｘ＞１）と、前記α及びβとから構成された化合物膜
αβ_y （ｙ≦１）とが積層されて構成され、前記金属配
線の表面に、前記化合物膜αβ_y （ｙ≦１）を介して前
記化合物膜αβ_x （ｘ＞１）が形成されている。

【００１９】前記バリアメタルは、前記α及びβとから
構成された化合物膜αβ_y （ｙ≦１）と、前記化合物膜
αβ_x （ｘ＞１）と、前記α及びβとから構成された化
合物膜αβ_y （ｙ≦１）とが順次積層されて構成されて
いる。

【００２０】前記ｘは１．２以上であり、前記ｙは０．
９以下である。

【００２１】前記化合物膜αβ_x （ｘ＞１）の全膜厚ｔ
と、前記バリアメタルの全膜厚Ｔとは、ｔ／Ｔ≦０．３
の関係にある。

【００２２】前記化合物膜αβ_x （ｘ＞１）の膜厚は、
１０ｎｍ以下である。

【００２３】前記化合物膜αβ_x （ｘ＞１）の全膜厚ｔ
と、前記バリアメタルの全膜厚Ｔとは、ｔ／Ｔ≦０．３
の関係にあり、且つ前記化合物膜αβ_x （ｘ＞１）の膜
厚は１０ｎｍ以下である。

【００２４】基板バイアスを印加して化合物膜αβ_n を
形成する。

【００２５】前記バリアメタルとして、前記化合物膜α
β_y （ｙ≦１）と前記化合物膜αβ_x （ｘ＞１）とが積
層された半導体装置の製造方法であって、基板バイアス
を印加したロング・スロー・スパッタ法により前記化合
物膜αβ_y （ｙ≦１）の成膜を行い、基板バイアスを印
加しないロング・スロー・スパッタ法により前記化合物
膜αβ_x （ｘ＞１）の成膜を行う。

【００２６】基体上に基板バイアスを印加したロング・
スロー・スパッタ法により前記化合物膜αβ_y （ｙ≦
１）を成膜する工程と、前記化合物膜αβ_y （ｙ≦１）
上に基板バイアスを印加しないロング・スロー・スパッ
タ法により前記化合物膜αβ_x（ｘ＞１）を成膜する工
程と、前記化合物膜αβ_x （ｘ＞１）上に基板バイアス
を印加したロング・スロー・スパッタ法により前記化合
物膜αβ_y （ｙ≦１）を成膜する工程とを含んで前記バ
リアメタルを形成する。

【００２７】前記化合物膜αβ_x （ｘ＞１）上に前記化
合物膜αβ_y （ｙ≦１）を成膜する際、前記化合物膜α
β_y （ｙ≦１）の成膜初期には、基板バイアスを印加し
ないロング・スロー・スパッタ法により前記化合物膜α
β_y （ｙ≦１）の成膜を行い、所定膜厚形成された後、
基板バイアスを印加したロング・スロー・スパッタ法に
より前記化合物膜αβ_y （ｙ≦１）の成膜を行う。

【００２８】なお、バリアメタルとしては、連続的な組
成変化を有する構造を含む。

【００２９】（４） 本発明（請求項１０）の半導体装
置は、金属配線を構成する元素の拡散を抑制するバリア
メタルを具備する半導体装置であって、前記バリアメタ
ルは、金属元素から少なくとも一つの元素が選ばれたα
と、ボロン，炭素，窒素から少なくとも一つの元素が選
ばれたγとから構成された化合物膜αγ_x と、前記α
と、前記添加元素γと、酸素（Ｏ）とから構成された化
合物膜αγ_y Ｏ_z とが積層された構成を含むことを特徴
とする。

【００３０】（４）に記載の半導体装置の好ましい実施
態様を以下に示す。

【００３１】前記ｘは０．２以上である。

【００３２】前記化合物膜αβ_y Ｏ_z の膜厚は、３ｎｍ
以下である。

【００３３】（１），（２），（３），（４）に記載の
前記金属元素は、IVＢ族，ＶＢ族又はVIＢ族の何れかに
属することが好ましい。

【００３４】（５） 本発明（請求項１４）の半導体装
置の製造方法は、基体上に、バリアメタルを介して金属
配線が形成された半導体装置の製造方法であって、前記
基体上に前記化合物膜αγ_x を形成する工程と、前記化
合物膜αγ_x の表面を酸化して前記化合物膜αγ_y Ｏ_z
を形成する工程と、前記化合物膜αγ_y Ｏ_z 上に前記金
属配線を形成する工程とを含むことを特徴とする。

【００３５】（６） 本発明（請求項１５）の半導体装
置の製造方法は、酸素（Ｏ）を含む基体上に、バリアメ
タルを介して金属配線が形成された半導体装置の製造方
法であって、前記基体上に、金属元素から少なくとも一
つの元素が選ばれたαと、ボロン，炭素，窒素のうち少
なくとも１種を含むγとから構成された化合物膜αγ_x
を形成する工程と、前記化合物膜αγ_x により前記基体
の還元を行うことによって、該化合物膜αγ_x を酸化し
て、該化合物膜αγ_x と該基体との界面に化合物膜αγ
_y Ｏ_z を形成する工程とを含み、前記化合物膜αγ_x と
前記化合物膜αγ_y Ｏ_z とが順次積層された構成を含む
バリアメタルを形成することを特徴とする。

【００３６】（７） 本発明（請求項１６）の半導体装
置の製造方法は、酸素（Ｏ）を含む金属配線を形成する
工程と、前記金属配線上に、金属元素から少なくとも一
つの元素が選ばれたαとボロン，炭素，窒素のうち少な
くとも１種を含むγとから構成された化合物膜αγ_x を
形成する工程と、前記化合物膜αγ_x により前記金属配
線の還元を行うことによって、該化合物膜αγ_x を酸化
して、該化合物膜αγ_xと該基体との界面に化合物膜α
γ_y Ｏ_z を形成する工程とを含み、前記化合物膜αγ_x
と前記化合物膜αγ_y Ｏ_z とが順次積層された構成を含
むバリアメタルを形成することを特徴とする。

【００３７】［作用］本発明は、上記構成によって以下
の作用・効果を有する。

【００３８】先ず、本発明の背景について説明する。

【００３９】従来、配線層金属に対するバリアメタルと
して金属化合物膜を成膜する方法としては、一般的にス
パッタ法とＣＶＤ法とが用いられていた。最も広く用い
られているのは、金属ターゲットを用い、Ａｒガスと添
加元素を含むガスを同時に流しながら成膜する反応性ス
パッタ法である。反応性スパッタ法によれば、例えば金
属窒化物を成膜する場合、ＡｒガスとＮ₂ ガスとの流量
を変化させることによって、種々の組成を持つ金属窒化
物膜を形成することができる。しかし、金属元素に対す
る窒素の原子数比が１に近づいてくると、単にＮ₂ ガス
の流量を増やすだけでは、膜中の窒素含有量が容易に増
加せず、金属元素に対する窒素の原子数比が１を越える
金属窒化物膜を形成することが困難であった。

【００４０】そこで、本発明者等は、Ｔａターゲットを
用いて、ＡｒガスとＮ₂ ガスとを同時にチャンバ内に供
給してＴａＮ_x 膜を形成する条件下で基板温度を約３０
０℃に加熱した場合に、あるＮ₂ ガスの流量以上でＴａ
に対する窒素の原子数比が１を越えるＴａＮ膜を形成で
きることを見いだした。

【００４１】ＴａＮ_x 膜のＣｕに対するバリア性を調べ
たところ、図２６に示すように、Ｔａに対する窒素の原
子数比が１を越えるとバリア性が著しく向上し、更に
１．２を越えると更に向上することが確認された。

【００４２】バリア性の向上は、ＴａＮ膜中に含まれる
余剰窒素により膜の非晶質化が進行し、結晶粒界などの
高速拡散経路が減少するためと推測される。Ｘ線回折測
定の結果によれば、Ｎ／Ｔａ比が１．２を越えるＴａＮ
膜の場合、ＴａＮの明瞭な回折線は認められなかったの
で、ほぼ非晶質であると考えられる。

【００４３】ところが、ＴａＮ_x （ｘ＞１）膜は、比抵
抗が著しく高いという問題を有しており、Ｃｕ配線用の
バリアメタルとしては、用いることができなかった。

【００４４】そこで、更なる鋭意研究を重ねたところ、
本発明者等は、金属元素から少なくとも一つの元素が選
ばれたαとボロン，酸素，炭素，窒素から少なくとも一
つの元素が選ばれたβとから構成された化合物膜αβ_n
を複数層積層することによって、低抵抗且つ高バリア性
を有するバリアメタルが得られることを見いだした。

【００４５】特に、金属元素から少なくとも一つの元素
が選ばれたαとボロン，酸素，炭素，窒素から少なくと
も一つの元素が選ばれたβとから構成された化合物膜α
β_x（ｘ＞１）と、前記α及びβから構成された化合物
膜αβ_y （ｙ≦１）とを組み合わせることによって、高
バリア性を有しながら、ヴィア抵抗や配線抵抗を下げる
ことができる。また、バリアメタルを形成する際に、前
記βの混入率を変化させることによって、積層膜が形成
されるので、短時間で形成することができ、プロセスが
容易となる。

【００４６】さらには、前記α及びβとから構成された
化合物膜αβ_y （ｙ≦１）と、前記化合物膜αβ_x （ｘ
＞１）と、前記化合物膜αβ_y （ｙ≦１）とが積層させ
ると、低ヴィア抵抗且つ低配線抵抗、高いバリア性を有
するバリアメタルを提供することができる。

【００４７】また、本発明者等による前述した研究と異
なる研究によって、金属元素から少なくとも一つの元素
が選ばれたαと、ボロン，炭素，窒素から少なくとも一
つの元素が選ばれたγとから構成された化合物膜αγ_x
と、前記α及びγと、酸素（Ｏ）とから構成された化合
物膜αγ_y Ｏ_z とを積層することによって、低い抵抗を
維持しつつ、高いバリア性を有するバリアメタルとな
る。

【００４８】なお、前記化合物膜αγ_y Ｏ_z は、前記化
合物膜αγ_x の露出する表面を酸化することによって、
形成することができる。

【００４９】又、ＳｉＯ₂ 等の酸素を含む基体又は金属
配線上に化合物膜αγ_x を形成した後、化合物膜αγ_x
により基体又は金属配線を還元し、化合物膜αγ_x を酸
化することによっても化合物膜αγ_y Ｏ_z 形成すること
ができる。

【００５０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を以下に図面
を参照して説明する。

【００５１】［第１実施形態］図１は、本発明の第１実
施形態に係わる半導体装置の構成を示す断面図である。

【００５２】ＳｉＯ₂ からなる第１の層間絶縁膜１１中
に下層配線１２が形成されている。第１の層間絶縁膜１
１に下層配線１２に接続するヴィアホール１３が形成さ
れ、ヴィアホール１３内にＷヴィアプラグ１４が埋め込
み形成されている。第１の層間絶縁膜１１及びＷヴィア
プラグ１４上にＳｉＯ₂ からなり膜厚４００ｎｍの第２
の層間絶縁膜１５が形成されている。第２の層間絶縁膜
１５にＷヴィアプラグ１４に接続する配線溝１６が形成
されている。配線溝１６の底面及び側壁に沿って、タン
タル窒化物からなり底面の膜厚２０ｎｍ、側壁の膜厚が
その約１／４のバリアメタル２０が形成されている。な
お、バリアメタル２０の詳細な構成については、後述す
る。そして、配線溝１６内にＣｕダマシン配線１７が埋
め込み形成されている。

【００５３】バリアメタル２０の詳細な構成について説
明する。図２（ａ）〜（ｅ）に示すように、それぞれ構
成が異なるタンタル窒化物からなるバリアメタル２０₁
〜２０₅ を有する装置をそれぞれ形成し、後に特性の比
較を行った。なお、タンタル窒化物の組成比は、成膜後
にＲＢＳ測定を行うことにより決定した。なお、図２に
おいて、配線溝１６の底部を中心にしたバリアメタル２
０の要部構成を示し、全体構造の図示を省略する。

【００５４】図２（ａ）に示す試料Ａのバリアメタル２
０₁ は、配線溝１６の底面及び側壁の表面に沿って形成
された膜厚１６ｎｍのＴａＮ_0.87膜３１と、ＴａＮ_0.87
膜上に形成されＣｕ配線１７に接する膜厚４ｎｍのＴａ
Ｎ_1.19膜３２とから構成されている。

【００５５】又、図２（ｂ）に示す試料Ｂのバリアメタ
ル２０₂ は、配線溝１６の底面及び側壁の表面に沿って
形成されたＴａＮ_1.19膜３３と、ＴａＮ_1.19膜３３上に
形成されＣｕ配線１７に接するＴａＮ_0.87膜３４とから
構成されている。

【００５６】図２（ｃ）に示す試料Ｃのバリアメタル２
０₃ は、配線溝１６の底面及び側壁の表面に沿って形成
されたＴａＮ_0.87膜３５と、ＴａＮ_0.87膜３５上に形成
されたＴａＮ_1.19膜３６と、ＴａＮ_1.19膜３６上に形成
されＣｕ配線１７に接するＴａＮ_0.87膜３７とから構成
されている。

【００５７】図２（ｄ）に示す試料Ｄのバリアメタル２
０₄ は、配線溝１６の底面及び側壁の表面に沿って形成
され、且つＣｕ配線１７に接する単層のＴａＮ_0.87膜３
８から構成されている。

【００５８】図２（ｅ）に示す試料Ｅのバリアメタル２
０₅ は、配線溝１６の底面及び側壁の表面に沿って形成
され、且つＣｕ配線１７に接する単層のＴａＮ_1.19膜３
９から構成されている。

【００５９】次に、図１に示した装置の製造方法につい
て説明する。先ず、図３（ａ）に示すように、内部に下
層配線１２を有し、プラズマＣＶＤ法により形成された
第１の層間絶縁膜１１に、下層配線１２に接続するヴィ
アホール１３を形成する。そして、ヴィアホール１３内
にＷヴィアプラグ１４を埋め込み形成する。Ｗヴィアプ
ラグ１４は、ヴィアホール１３内を埋め込むように全面
にＷ膜を堆積した後、第１の層間絶縁膜１１上のＷ膜を
ＣＭＰ法又はエッチバック法等を用いて除去することに
よって形成することができる。

【００６０】次いで、図３（ｂ）に示すように、全面に
プラズマＣＶＤ法によりＳｉＯ₂ からなり膜厚４００ｎ
ｍの第２の層間絶縁膜１５を形成する。そして、フォト
リソグラフィ技術を用いて第２の層間絶縁膜１５上にレ
ジストパターンを形成した後、ＲＩＥ法により第２の層
間絶縁膜１５をエッチングすることによって配線溝１６
を形成し、レジストパターンを酸素アッシングにより除
去する。

【００６１】次いで、図３（ｃ）に示すように、有機ア
ルカリ液を用いて露出するＷヴィアプラグ１４表面のＷ
酸化物を除去した後、ロング・スロー・スパッタ法を用
いて、配線溝１６の底面及び側壁，並びに第２の層間絶
縁膜１５の表面に沿ってＴａ窒化物膜からなるバリアメ
タル２０を形成する。なお、ＡｒガスとＮ₂ ガスとを同
時に反応容器内に供給し、基板温度を約３００℃にして
Ｔａターゲットをスパッタリングすることにより、全面
にタンタル窒化物膜を形成した。なお、各試料のバリア
メタル２０製造方法は、後に説明する。

【００６２】次いで、図３（ｄ）に示すように、ロング
・スロー・スパッタ法を用いて、第２の層間絶縁膜１５
上のバリアメタル２０上の膜厚が８００ｎｍであるＣｕ
膜１７₁ を形成した後、４５０℃でアニールしてＣｕを
リフローさせることによって、配線溝１６中にＣｕ膜１
７₁ を埋め込む。次いで、余分なＣｕとバリアメタルと
をＣＭＰ法により除去することによって、図１に示すバ
リアメタル２０で底面と側壁とを囲まれたＣｕダマシン
配線１７を有する装置を形成する。

【００６３】次に、バリアメタル２０₁ 〜２０₅ 中Ｔａ
Ｎ_0.87膜３１，３４，３５，３７，３８とＴａＮ_1.19膜
３２，３３，３６，３９の形成について説明する。Ｔａ
Ｎ_{0. 87}膜３１，３４，３５，３７，３８は、Ｔａターゲ
ットを用いて、Ａｒガスの流量を１０ｓｃｃｍ、Ｎ₂ ガ
スの流量を１５ｓｃｃｍにし、基板温度を約３００℃に
してロング・スロー・スパッタ法によって堆積する。ま
た、ＴａＮ_1.19膜３２，３３，３６，３９は、Ｔａター
ゲットを用い、Ａｒガスの流量を１０ｓｃｃｍ、Ｎ₂ ガ
スの流量を２０ｓｃｃｍにし、基板温度を約３００℃に
して、ロング・スロー・スパッタ法により形成した。

【００６４】なお、試料Ａ〜Ｃの積層構造については、
Ａｒガスの流量を変えずに、Ｎ₂ ガスの流量を変化させ
ることによって、ＴａＮ_0.87膜３１，３４，３５，３７
とＴａＮ_1.19膜３２，３３，３６とからなる積層構造を
連続的に形成した。

【００６５】次に、作成された試料Ａ〜Ｅの特性の評価
を行った結果について説明する。Ｃｕ配線１７の配線抵
抗を４端子法により測定し、ヴィアの電気抵抗をケルビ
ン法により測定した。また、図４に示すようなアモルフ
ァスシリコン４６，バリアメタル２０及びＣｕ４７が順
次積層された構造を有する試料を４５０℃で１時間アニ
ールを行い、Ｃｕ４７からバリアメタル２０を通してア
モルファスシリコン膜４６に拡散したＣｕにより生成さ
れたＣｕシリサイドの生成量（シリサイド化率）によっ
て、バリアメタル２０のバリア性の評価を行った。

【００６６】図４の構造について更に詳しく説明する。
Ｓｉ基板４１上に形成された膜厚１００ｎｍの熱酸化膜
４２上に、プラズマＣＶＤ法により堆積された膜厚２０
０ｎｍのシリコン窒化膜４３が形成されている。シリコ
ン窒化膜４３上にプラズマＣＶＤ法により堆積された膜
厚４００ｎｍのＳｉＯ₂ 膜４４が形成されている。Ｓｉ
Ｏ₂ 膜４４にフォトリソグラフィ技術及びＲＩＥ法を用
いて形成された溝４５が開口されている。そして、溝４
５の表面に沿って、熱ＣＶＤ法により堆積された膜厚７
５ｎｍのアモルファスシリコン４６が形成されている。
アモルファスシリコン４６上に、前述した試料Ａ〜Ｅと
同じ構成のバリアメタル２０が形成されている。そし
て、バリアメタル２０上に、ロング・スロー・スパッタ
法により堆積されたＣｕ膜４７が形成されている。

【００６７】配線抵抗，ヴィア抵抗及びシリサイド化率
の測定結果を表１に示す。

【００６８】

【表１】

【００６９】表１から分かるように、Ｔａに対するＮの
原子数比が小さいＴａＮ_0.87単層膜３８からなるバリア
メタル２０₄ （試料Ｄ）は、バリア性が劣っている。そ
れに対し、Ｔａに対するＮの原子数比が大きいＴａＮ
_1.19単層膜３９からなるバリアメタル２０₅ （試料Ｅ）
は、バリア性に優れるがヴィア抵抗と配線抵抗とが何れ
も高くなっている。

【００７０】ところが、配線溝１６の底面及び側壁に沿
って形成されＷヴィアプラグ１４に接するＴａＮ_0.87膜
３１とＣｕ配線１７に接するＴａＮ_1.19膜３２とが積層
されたバリアメタル２０₁ を有する試料Ａでは、バリア
性を維持しながら、ヴィア抵抗を低く抑えることができ
ている。これは、ＴａＮ_1.19膜３２の堆積時にＷヴィア
プラグ１４の表面が窒化されて電気的接触抵抗が増加す
る現象を防止できたためと推測される。

【００７１】また、配線溝１６の底面及び側壁に沿って
形成されＷヴィアプラグ１４に接するＴａＮ_1.19膜３３
とＴａＮ_1.19膜３３上に形成されＣｕ配線１７に接する
ＴａＮ_0.87膜３４とが積層されたバリアメタル２０₂ を
有する試料Ｂでは、バリア性を維持しながら、配線抵抗
を低く抑えることができている。これは、ＴａＮ_0.87膜
上では、Ｃｕのリフロー性が不十分なためＣｕ配線内に
ボイドが残る現象を改善できたためと推測される。

【００７２】更に、配線溝１６の底面及び側壁に沿って
形成されＷヴィアプラグ１４に接するＴａＮ_0.87膜３５
と、ＴａＮ_0.87膜３５上に形成されたＴａＮ_1.19膜３６
と、ＴａＮ_1.19膜３６と上に形成されＣｕ配線に接する
ＴａＮ_0.87膜とからなるバリアメタル２０₃ を有する試
料Ｃでは、バリア性を維持しつつ、ヴィア抵抗と配線抵
抗との両方を低く抑えることができている。

【００７３】以上説明したように、ＴａＮ_0.87膜とＴａ
Ｎ_1.19膜とを積層することによって、低抵抗、且つ高い
バリア性を有するバリアメタルとなる。さらに、ＴａＮ
_0.87膜とＴａＮ_1.19膜とＴａＮ_0.87膜との３層構造にす
ると、低ヴィア抵抗、低配線抵抗、高いバリア性を得る
ことができる。

【００７４】なお、上述した組成に限らず、ＴａＮ
_x （ｘ＞１）膜とＴａＮ_y （ｙ≦１）とが複数積層され
たバリアメタルであれば、上述した効果を得ることがで
きる。又、３層構造の場合、上層と下層とは同じ組成で
なくとも良い。

【００７５】本実施形態では、ロング・スロー・スパッ
タ法により、Ｎ₂ ガスの流量を連続的に変化させて、積
層化したバリアメタルを形成する方法について説明し
た。ところが、通常のロング・スロー・スパッタ法によ
って成膜した場合、図５に示すように、バリアメタル２
０には、配線溝１６の側面の底部の薄膜化，並びに底面
中央部での厚膜化が生じる事がある。バリアメタル２０
の膜厚が最適化されていないと配線抵抗が高くなるとい
う問題が生じる。

【００７６】また更に、通常のロング・スロー・スパッ
タ法で配線溝にバリアメタルを堆積した場合、図６
（ａ）に示すように、配線溝１６の側面及び上面からの
バリアメタル２０の成長方向が異なるために、配線溝１
６の開口部のバリアメタル２０には鋭角な段差が生じ
る。このような成膜形状をしたバリアメタル上にＣｕを
ロング・スロー・スパッタ法により成膜した場合、図６
（ｂ）に示すように、Ｃｕ膜１７₁ が形成されない領域
が生じる。このような状態でＣｕ膜１７₁ のリフローを
行うと、Ｃｕ膜１７₁ の拡散経路が寸断される。その
為、配線溝１６内にＣｕ膜１７₁ が流動できず、図６
（ｃ）に示すように、配線溝１６内にボイド２５が生じ
る。

【００７７】そこで、後のＣｕリフロー工程におけるボ
イド抑制と、配線溝側面や底面のバリアメタルの膜厚を
最適化して配線を低抵抗化させ、且つバリア性を有効に
向上させるために、基板バイアスを印加したロング・ス
ロー・スパッタ法を用いても良い。

【００７８】基板バイアスを印加したロング・スロー・
スパッタ法では、Ａｒ⁺ イオンが基板に衝突し、バリア
メタルの成膜と同時にバリアメタルが物理エッチングさ
れる。

【００７９】成膜と同時にエッチングされている場合、
図７に示すように、配線溝１６の開口部に生じるバリア
メタル２０のオーバーハング部がエッチングされ、配線
溝１６の開口部の間口を狭めない。その結果、配線溝１
６内へのスパッタリング粒子の入射確率が増加すると共
に、エッチングされたオーバーハング部のバリアメタル
２０が配線溝１６の側面に再付着し、特にロング・スロ
ー・スパッタ法では形成されにくい配線溝１６の側面の
バリアメタル２０の膜厚を増加させることができる。

【００８０】一方、配線溝１６の底面のバリアメタルも
Ａｒ⁺ イオンによってエッチングされ、必要以上に配線
溝１６の底部中央の膜厚も厚くならないため、配線抵抗
を増加させない。更に、配線溝１６の底面からエッチン
グされたバリアメタル２０は、配線溝１６の側面の底部
に再付着し、薄膜化しやすい配線溝１６の側面の底部の
バリアメタル２０の膜厚を有効に増加させることができ
る。

【００８１】上述したように、基板バイアスを印加した
ロング・スロー・スパッタ法を用いてバリアメタルを形
成すると、図８（ａ）に示すように、配線溝１６の開口
部では、バリアメタル２０の成膜と共にバリアメタル２
０のエッチングが行われる為、鋭角な段差が生じない。
従って、図８（ｂ）に示すように、ロング・スロー・ス
パッタ法によりＣｕ膜１７₁ を成膜しても、Ｃｕ膜１７
₁ には断切れが起こらない。よって、この後にリフロー
工程を行っても、Ｃｕ膜１７₁ は配線溝１６に流動する
ことができ、図８（ｃ）に示すように、配線溝１６内に
Ｃｕ膜１７₁ を完全に充填することができる。

【００８２】しかし、基板バイアスを印加したロング・
スロー・スパッタ法では、Ａｒ⁺ イオンがバリアメタル
膜中に取り込まれ、その膜質が劣化する可能性がある。
そこで、配線溝の開口部の鋭角な段差を無くすために、
以下に示す手法を用いることが可能である。なお、以下
では、バリアメタルがＴａＮ_y1（ｙ１≦１）膜とＴａＮ
_x （ｘ＞１）膜とＴａＮ_y2（ｙ２≦１）膜が積層された
構成を用いて説明する。

【００８３】先ず、基板バイアスを印加したロング・ス
ロー・スパッタ法によりＴａＮ_y1（y １≦１）膜を形成
し、次に基板バイアスを印加しないロング・スロー・ス
パッタ法によりバリア性が高いＴａＮ_x （ｘ＞１）膜を
形成し、更に基板バイアスを印加したロング・スロー・
スパッタ法でＴａＮ_y2（ｙ２≦１）膜を形成する。

【００８４】なお、ＴａＮ_x （ｘ＞１）膜上にＴａＮ_y2
（ｙ２≦１）膜を形成する際、基板バイアスが印加され
ていることによって、成膜の初期段階では、ＴａＮ
_x （ｘ＞１）膜が再スパッタされやすく、またＡｒ⁺ イ
オンがＴａＮ_x （ｘ＞１）膜中に混入するおそれがあ
る。そこで、ＴａＮ_y2（ｙ２≦１）膜の成膜初期段階で
は、基板バイアスを印加せずに成膜し、ＴａＮ_x （ｘ＞
１）膜上にある程度のＴａＮ_y2（ｙ２≦１）膜が形成さ
れてから基板バイアスを印加して成膜を行うことによっ
て、ＴａＮ_x （ｘ＞１）膜の再スパッタ、及びＴａＮ_x
（ｘ＞１）膜中へのＡｒ⁺ イオンの混入を抑制すること
ができる。

【００８５】また、ＴａＮ_x （ｘ＞１）膜下のＴａＮ_y1
（y １≦１）膜の成膜時、ＴａＮ_y1（y １≦１）膜の膜
厚が所定膜厚付近になったら、基板バイアスの印加を止
めてＴａＮ_y1（y １≦１）膜の膜質を向上させ、膜質の
良いＴａＮ_y1（y １≦１）膜上にＴａＮ_x （ｘ＞１）膜
が形成されるようにしても良い。

【００８６】このような連続的な成膜を行えば、Ｃｕリ
フロー時にボイドが発生しないバリアメタルの成膜形状
が得られ、且つそのバリア性は、基板バイアスを印加し
ないロング・スロー・スパッタ法により成膜されたＴａ
Ｎ_x （ｘ＞１）膜で確保することができる。更に配線溝
底面のバリア膜の膜厚を増加させずに、配線溝側面の膜
厚を増加させることができ、配線抵抗も低下させること
ができる。

【００８７】また、ＴａＮ_y （ｙ≦１）膜とＴａＮ
_x （ｘ＞１）膜とが積層された２層構造のバリアメタル
の場合、バリア性が高く膜質を劣化させたくないＴａＮ
_x （ｘ＞１）膜を成膜する際には基板バイアスを印加し
ないロング・スロー・スパッタ法により成膜を行い、Ｔ
ａＮ_y （ｙ≦１）膜を成膜する際には基板バイアスを印
加したロング・スロー・スパッタ法により成膜を行う。

【００８８】［第２実施形態］本実施形態では、タンタ
ル窒化物膜以外のバリアメタルを有する試料を作成し、
評価を行った。なお、本実施形態では、図１に示した半
導体装置と構成が同様であるので、配線溝を中心とした
バリアメタルの構造を示すことにとどめ、全体の構造の
図示を省略する。但し、本実施形態では、Ｗヴィアプラ
グの替わりにＡｌヴィアプラグを用い、Ａｌヴィアプラ
グ表面のアルミニウム酸化物の除去はスパッタリングエ
ッチングによって行った。

【００８９】各バリアメタルの構成を図９の断面図を用
いて説明する。最初の試料には、図９（ａ）に示すよう
に、組成が異なるニオブ窒化物の２層積層膜からなる膜
厚１６ｎｍのバリアメタル２０₆ が形成されている。ニ
オブ窒化物の堆積にはロング・スロー・スパッタを用
い、Ｎｂターゲットを用いて、ＡｒガスとＮ₂ ガスとを
同時に流し、基板温度を約３００℃にして成膜を行っ
た。そして、Ａｒガスの流量を１０ｓｃｃｍ、Ｎ₂ ガス
の流量を８ｓｃｃｍにして膜厚が１６ｎｍである第１層
目のニオブ窒化物膜としてＮｂＮ_0.44膜５１の堆積を行
った後、Ａｒガスの流量を変えずにＮ₂ ガスの流量を増
やして、膜厚が４ｎｍである第２層目のニオブ窒化物
（ＮｂＮ_x ）膜５２の堆積を行って、バリアメタル２０
₆ を形成した。なお、ＮｂＮ_x 膜５２の堆積時にＮ₂ ガ
スの流量を変化させて、種々の組成を持ったＮｂＮ_x 膜
５２を形成した。なお、ニオブ窒化膜の組成比の同定
は、ＲＢＳ測定により行った。

【００９０】次の試料には、図９（ｂ）に示すように、
組成が異なるタンタル窒酸化物の２層積層膜からなるバ
リアメタル２０₇ が形成されている。なお、タンタル窒
酸化物膜の堆積にはロング・スロー・スパッタ法を用
い、ＴａＮターゲットを用いて、ＡｒガスとＮ₂ ガスと
を同時に流すと共に微量のＯ₂ ガスを流し、基板温度を
約３００℃にして成膜を行った。そして、Ａｒガス、Ｎ
₂ ガスを流して膜厚が２ｎｍである第１層目のタンタル
窒酸化物（Ｔａ（Ｏ，Ｎ）_x ）膜５３の堆積を行った
後、Ａｒガスの流量を変えずにＮ₂ ガスの流量を減らし
て、膜厚が１８ｎｍである第２層目のタンタル窒化物膜
としてＴａＯ_0.1 Ｎ_0.65膜５４を堆積して、バリアメタ
ル２０₇ 形成をした。なお、Ｔａ（Ｏ，Ｎ）_x 膜５３の
堆積時にＮ₂ガスの流量を変化させて、種々の組成を持
ったＴａ（Ｏ，Ｎ）_x 膜５３を形成した。なお、タンタ
ル窒酸化膜の組成比の同定は、ＲＢＳ測定により行っ
た。

【００９１】最後の試料には、図９（ｃ）に示すよう
に、組成が異なるチタン炭化物膜の３層積層膜からなる
バリアメタル２０₈ が形成されている。なお、チタン炭
化物（ＴｉＣ_x ）膜の堆積にはプラズマＣＶＤ法を用
い、ＴｉＣｌ₄ ガス，ＣＨ₄ ガス及びＨ₂ ガスを同時に
流し、基板温度を４５０℃に加熱することによって成膜
を行った。第１層目のチタン炭化物膜として膜厚８ｎｍ
のＴｉＣ_0.83膜５５を形成し、次にＣＨ₄ ガスの流量だ
けを増やして膜厚４ｎｍの第２層目のチタン炭化物（Ｔ
ｉＣ_x ）膜５６を形成した後、ＣＨ₄ ガスの流量を第１
層目のチタン炭化物膜の形成時の値に戻して第３層目の
チタン炭化物膜として膜厚８ｎｍのＴｉＣ_{0. 83}膜５７の
形成を行って、連続的に３層構造のバリアメタル２０₈
を形成した。ＴｉＣ_x 膜５６の堆積時に、ＣＨ₄ ガスの
流量を変化させて、種々の組成を持ったＴｉＣ_x 膜５６
を形成した。なお、チタン炭化物膜の組成比の同定は、
ＲＢＳ測定により行った。

【００９２】そして、それぞれの試料のバリアメタルに
対し、図４と同様の構造を形成し、シリサイド化率を測
定することによってバリア性についての評価を行った。
なお、前述した試料は、ニオブ，タンタル，又はチタン
（金属元素）に対する窒素，窒素及び酸素，又は炭素
（軽元素）の組成比を変化させたものを形成している
が、同様に金属元素に対する軽元素の組成比を変化させ
てシリサイド化率の測定を行った。シリサイド化率の測
定結果を図１０に示す。図１０は、シリサイド化率の金
属元素に対する軽元素の組成比依存性を示す特性図であ
る。

【００９３】図９（ａ）に示したニオブ窒化物膜の２層
積層膜からなるバリアメタル２０₆のバリア性は、第２
層目のＮｂＮ_x 膜５２のニオブに対する窒素の原子数比
が１．０を越えると、著しく向上した。更に、原子数比
が１．２を越えると、バリア性が飛躍的に向上すること
が分かった。このバリア性の向上は、第２層目のＮｂＮ
_x 膜５２において、膜内に含まれる余剰窒素により膜の
非晶質化が進行し、結晶粒界などの高速拡散経路が減少
するためと推測される。Ｘ線回折測定の結果によれば、
ニオブに対する窒素の原子数比が１．２を越えるＮｂＮ
_x 膜５２の場合、ＮｂＮの明瞭な回折線が認められなか
ったので、非晶質になっていると考えられる。

【００９４】同様に、図９（ｂ）に示したタンタル窒酸
化物膜の２層積層膜からなるバリアメタル２０₇ のバリ
ア性は、第１層目のＴａ（Ｏ，Ｎ）_x のタンタルに対す
る酸素と窒素の総和の原子数が１．０を越えると著しく
向上し、１．２を越えると更に飛躍的に向上した。

【００９５】又、図９（ｃ）に示したチタン炭化物膜の
３層積層膜からなるバリアメタル２０₈ のバリア性も、
第２層目のＴｉＣ_x 膜５６のチタンに対する炭素の原子
数比が１．０を越えると著しく向上し、１．２を越える
と更に向上する傾向が認められた。

【００９６】以上説明したように、ＮｂＮ_x ，Ｔａ
（Ｏ，Ｎ）_x ，ＴｉＣ_x としてｘが１より大きい膜と、
ＮｂＮ_y ，Ｔａ（Ｏ，Ｎ）_y ，ＴｉＣ_y としてｙが１以
下の膜を積層することによって、バリア性の高い絶縁膜
を提供することができる。

【００９７】なお、ｘが１．２以上の膜を用いると更に
バリア性が高いことが確認された。又、さらには、ｘが
１．２以上の膜とｙが０．９以下の膜とを積層するとバ
リア性が高く抵抗の低いバリアメタルが得られることを
確認された。

【００９８】［第３実施形態］図１１は、本発明の第３
実施形態に係わる半導体装置の構成を示す断面図であ
る。

【００９９】ＳｉＯ₂ からなる層間絶縁膜６１中に下層
のＣｕダマシン配線６２が形成されている。層間絶縁膜
６１にＣｕダマシン配線６２に接続するヴィアホール６
３が形成され、さらにヴィアホール６３に接続する配線
溝６４が層間絶縁膜６１に形成されている。ヴィアホー
ル６３の底面及び側壁、配線溝６４の側壁及び底面（図
１１では見えていない）にそってバリアメタル６５が形
成されている。なお、バリアメタルの詳細な構造につい
ては後述する。そして、ヴィアホール６３及び配線溝６
４内にＣｕデュアルダマシン配線６６が埋め込み形成さ
れている。

【０１００】バリアメタルの詳細な構造について説明す
る。図１２（ａ）〜（ｃ）に示すように、それぞれ異な
る３種類のバリアメタルを有する半導体装置をそれぞれ
形成し、後に特性の比較を行った。

【０１０１】最初の試料には、図１２（ａ）に示すよう
に、組成が異なるタングステン窒化物膜の２層積層膜か
らなり、膜厚が１０ｎｍであるバリアメタル６５₁ が形
成されている。タングステン窒化物膜の形成にはＭＯＣ
ＶＤ法を用い、ソースガスとそのキャリアガスであるＡ
ｒガスの他にＮ₂ ガスを同時に流し、基板を約４５０℃
に加熱することで行った。

【０１０２】さらに詳述すると、第１層目のタングステ
ン窒化物（ＷＮ_x ）膜７１を堆積した後、Ｎ₂ ガスの流
量を減らし、第２層目のタングステン窒化物膜であるＷ
Ｎ_{0. 91}膜７２を堆積した。なお、第１層目のタングステ
ン窒化物膜の堆積時、Ｎ₂ ガスの流量を変えて、第１層
目のタングステン窒化物膜としてＷＮ_1.08膜又はＷＮ
_1.23膜を形成した。そして、ＷＮ_x 膜７１及びＷＮ_0.91
膜７２の全膜厚を１０ｎｍに一致させて、種々の膜厚比
の積層膜を形成した。なお、タングステン窒化物膜の組
成の同定は、ＲＢＳ測定により行った。

【０１０３】次の試料には、図１２（ｂ）に示すよう
に、組成が異なるタンタル炭窒化物膜の２層積層膜から
なり、膜厚１０ｎｍのバリアメタル６５₂ が形成されて
いる。タンタル炭窒化物膜の形成にはＭＯＣＶＤ法を用
い、タンタル炭窒化物膜のソースガスとそのキャリアガ
スであるＡｒガスの他にＮＨ₃ ガスを同時に流し、基板
を約４５０℃に加熱することによって成膜を行った。

【０１０４】さらに詳述すると、第１層目のタンタル炭
窒化物膜としてＴａＣ_0.45Ｎ_0.42膜７３を堆積した後、
ＮＨ₃ ガスの流量を増やし、第２層目のタングステン炭
窒化物（ＴａＣ_x Ｎ_y ）膜７４を堆積した。なお、第２
層目のタンタル炭窒化物膜７４の堆積時、ＮＨ₃ ガスの
流量を変えて、第２層目のタンタル炭窒化物膜としてＴ
ａＣ_0.44Ｎ_0.63膜又はＴａＣ_0.43Ｎ_0.81膜を形成した。
そして、第１層目と第２層目のタンタル炭窒化物膜の全
膜厚を１０ｎｍに一致させて、種々の膜厚比の積層膜を
形成した。なお、タングステン炭窒化物膜の組成の同定
は、ＲＢＳ測定により行った。

【０１０５】最後の試料には、図１２（ｃ）に示すよう
に、組成が異なるチタン・ホウ窒化物膜の３層積層膜か
らなり、膜厚が１０ｎｍであるバリアメタル６５₃ が形
成されている。チタン・ホウ窒化物膜の形成にはＭＯＣ
ＶＤ法を用い、チタン・ホウ窒化物膜のソースガスとそ
のキャリアガスであるＡｒガスの他にＢ₂ Ｈ₆ ガスを同
時に流し、基板を約４５０℃に加熱することで成膜を行
った。

【０１０６】さらに詳述すると、第１層目のチタン・ホ
ウ窒化物膜としてＴｉＢ_0.05Ｎ_0.81膜７５を堆積した
後、Ｂ₂ Ｈ₆ ガスの流量を増やして第２層目のチタン・
ホウ窒化物膜７６を堆積した後、Ｂ₂ Ｈ₆ ガスの流量を
第１層目のチタン・ホウ窒化物膜の堆積時の値に戻して
第３層目のチタン・ホウ窒化物膜としてＴｉＢ_0.05Ｎ_0.
81７７を堆積して、３層構造を連続的に形成した。

【０１０７】なお、第２層目のチタン・ホウ窒化物膜の
堆積時、Ｂ₂ Ｈ₆ ガスの流量を変えることによって、Ｔ
ｉＢ_0.32Ｎ_0.78膜又はＴａＣ_0.53Ｎ_0.76膜を形成した。
そして、バリアメタル６６₃ の膜厚を一致させつつ、膜
厚を変化させて種々の膜厚比の積層膜を形成した。な
お、チタン・ホウ窒化物膜の組成の同定は、ＲＢＳ測定
により行った。

【０１０８】本装置の製造方法を簡単に説明する。先
ず、図１３（ａ）に示すように、下層のＣｕダマシン配
線６２を有し、プラズマＣＶＤ法により形成された層間
絶縁膜６１に、フォトリソグラフィ技術及びＲＩＥ法を
組み合わせて、Ｃｕダマシン配線６２に接続するヴィア
ホール６３を形成する。次いで、図１３（ｂ）に示すよ
うに、層間絶縁膜６１に、フォトリソグラフィ技術及び
ＲＩＥ法を組み合わせて、ヴィアホールに接続する配線
溝６４を形成する。次いで、図１３（ｃ）に示すよう
に、ヴィアホール６３の底面及び側壁，配線溝６４の側
壁及び底面（図１３では見えていない），並びに層間絶
縁膜６１の表面に沿って、上述した方法を用いてそれぞ
れのバリアメタル６５を形成する。次いで、図１３
（ｄ）に示すように、全面にＭＯＣＶＤ法を用いてＣｕ
膜６６₁ を堆積して、ヴィアホール６３と配線溝６４と
に同時にＣｕ膜６６₁ を埋め込む。そして、余分なＣｕ
膜６６₁ とバリアメタル６５とをＣＭＰ法により除去す
ることによって、図１１に示したバリアメタル６５で底
面と側壁とを囲まれたＣｕデュアルダマシン配線６６を
形成する。

【０１０９】次に、本装置のＣｕデュアルダマシン配線
６６のオープンイールドを測定した結果を図１４に示
す。図１４において、縦軸はオープンイールド、横軸は
積層膜の金属元素に対する添加元素の総和の原子数比が
最も大きい化合物層の膜厚ｔの全膜厚Ｔに対する比であ
る。なお、積層膜の金属元素に対する添加元素の総和の
原子数比が最も大きい化合物層とは、第１層目のタング
ステン窒化物膜（ＷＮ_{1. 08}，ＷＮ_1.23）７１，第２層目
のタンタル炭窒化物膜（ＴａＣ_0.44Ｎ_0.63，ＴａＣ_0.43
Ｎ_0.81）７４，又は第２層目のチタン・ホウ窒化物膜
（ＴｉＢ_0.32Ｎ_0.78，ＴａＣ_0.53Ｎ_0.76）７６である。
オープン不良の主な原因は、ＣＭＰ工程でのバリアメタ
ルの膜剥がれであった。

【０１１０】金属元素に対する添加元素の総和の原子数
比ｘが最も大きい化合物層のｘが１．２以上のＷＮ_1.23
／ＷＮ_0.91，ＴａＣ_0.45Ｎ_0.42／ＴａＣ_0.43Ｎ_0.81，Ｔ
ｉＢ_0.05Ｎ_0.81／ＴｉＢ_0.53Ｎ_0.76／ＴｉＢ_0.05Ｎ_0.81
では、ｔ／Ｔが０．１以下になると、オープンイールド
が著しく改善されている。

【０１１１】また、金属元素に対する添加元素の総和の
原子数比ｘが最も大きい化合物層のｘが１．０より大き
く且つ１．２未満である、ＷＮ_1.08／ＷＮ_0.91，ＴａＣ
_0.45Ｎ_0.42／ＴａＣ_0.44Ｎ_0.63，ＴｉＢ_0.05Ｎ_0.81／Ｔ
ｉＢ_0.32Ｎ_0.78／ＴｉＢ_0.05Ｎ_0.81では、ｔ／Ｔが０．
３以下になると、オープンイールドが著しく改善されて
いる。

【０１１２】オープンイールドの改善は、ｘが小さい金
属化合物膜が、機械的にもろくｘが大きい金属化合物膜
を支えることができる臨界膜厚比が存在することによっ
て、オープンイールドの膜厚比依存性が生じたものと推
測される。

【０１１３】以上説明したように、ヴィアプラグに接す
るバリアメタルの積層膜の金属元素に対する添加元素の
総和の原子数比が最も大きい化合物層膜厚ｔを、それ以
外のバリアメタルの層の全膜厚Ｔに対して、ｔ／Ｔ≦
０．３にすることによって、バリアメタルの機械的強度
が向上し、オープンイールドを改善することができる。

【０１１４】［第４実施形態］本実施形態では、タンタ
ル窒化物膜以外のバリアメタルを有する試料を作成し、
評価を行った。なお、本実施形態では、図１１に示した
半導体装置と構成が同様であるので、ヴィアホールを中
心としたバリアメタルの要部構造を図１５に示すことに
とどめ、全体の構造の図示を省略する。なお、図１５に
おいて、図１２と同一な部分には同一符号を付し、その
説明を省略する。

【０１１５】各バリアメタルの構成を図１５の断面図を
用いて説明する。最初の試料には、図１５（ａ）に示す
ように、組成が異なるハフニウム窒化物膜の２層積層膜
からなるバリアメタル６５₄ が形成されている。ハフニ
ウム窒化物膜の堆積にはロング・スロー・スパッタ法を
用い、Ｈｆターゲットを用いてスパッタリングガスとし
てＡｒガスとＮ₂ ガスとを同時に流し、基板温度を約３
００℃にして成膜を行った。

【０１１６】ＨｆＮ_0.75膜の堆積を行った後、Ｎ₂ ガス
とＨ₂ ガスとを同時に流してＨｆＮ_0.75膜のプラズマ窒
化処理を行って、第１層目のハフニウム窒化物膜として
ＨｆＮ_x 膜８１を形成した。その後、前述した条件と同
じ条件で第２層目のハフニウム窒化物膜の堆積を行い、
配線溝の底部の膜厚が１０ｎｍであるＨｆＮ_0.75膜８２
を形成した。つまり、第１層目のハフニウム窒化物膜に
対するプラズマ窒化処理を変えることによって、第１層
目のＨｆＮ_x 膜８１としてＨｆＮ_1.15又はＨｆＮ_1.26を
有する２種類のバリアメタル６５₄ を形成した。なお、
組成の同定は、ＸＰＳにより行った。そして、第１層目
のハフニウム窒化物膜の膜厚を変えたものを作成した。

【０１１７】次の試料には、図１５（ｂ）に示すよう
に、組成が異なるタンタル炭化物膜の２層積層膜からな
るバリアメタル６５₅ が形成されている。タンタル炭化
物膜の堆積にはロング・スロー・スパッタ法を用い、Ｔ
ａＣターゲットを用いて、パッタリングガスとしてＡｒ
ガスとＣＨ₄ ガスとを同時に流し、基板温度を約３００
℃にして成膜を行った。

【０１１８】第１層目のタンタル炭化物膜としてＴａＣ
_0.82膜８３の堆積を行った後、ＣＨ₄ ガスの流量を増や
して第２層目のタンタル炭化物膜８４の堆積を行うこと
によって、バリアメタル６５₅ を形成した。なお、第２
層目のタンタル炭化物膜８４の形成の際、ＣＨ₄ ガスの
流量を変えることによって、ＴａＣ_1.13又はＴａＣ_{1. 21}
膜を有する２種類のバリアメタル６５₅ 形成した。な
お、組成の同定は、ＸＰＳ測定により行った。そして、
第２層目のタンタル炭化物膜８４の膜厚を変えた種々の
バリアメタルを形成した。

【０１１９】最後の試料には、図１５（ｃ）に示すよう
に、ジルコニア窒化物膜及びジルコニア窒酸化物膜の３
層積層膜からなるバリアメタル６５₆ が形成されてい
る。ジルコニア窒化物膜の堆積は、ロング・スロー・ス
パッタ法を用い、Ｚｒターゲットを用いてスパッタリン
グガスとしてＡｒガスとＮ₂ ガスとを同時に流し、基板
温度を約３００℃にして行った。

【０１２０】第１層目のジルコニア窒化物膜として膜厚
５ｎｍより厚くＺｒＮ_0.93膜８５を堆積した後、第１層
目のＺｒＮ_0.93膜８５の残膜が配線溝６４の底部で５ｎ
ｍとなるようにＯ₂ プラズマ処理を行い、第１層目のＺ
ｒＮ_0.93膜８５の表面に第２層目のジルコニア窒酸化物
膜８６を形成する。そして、第１層目のものと同じ条件
で、第３層目のジルコニア窒化物膜として膜厚５ｎｍの
ＺｒＮ_0.93膜８７を堆積した。なお、第２層目のジルコ
ニア窒酸化物膜８６の形成の際、Ｏ₂ プラズマ処理の条
件を変えることによって、ＺｒＯ_0.23Ｎ_0.93又はＺｒＯ
_0.35Ｎ_0.91を有する２種類のバリアメタル６５₆ を形成
した。なお、組成の同定は、ＸＰＳ測定により行った。
そして、第２層目のジルコニア窒酸化物膜８６の膜厚を
変えた種々のバリアメタル６５₆ を形成した。

【０１２１】次に、本装置のＣｕダマシン配線のヴィア
抵抗を測定した結果を図１６に示す。図１６において、
縦軸はヴィア抵抗、横軸は金属元素に対する添加元素の
総和の原子数比ｘが最も大きい化合物層の膜厚ｔであ
る。なお、金属元素に対する添加元素の総和の原子数比
ｘが最も大きい化合物層とは、第１層目ののハフニウム
窒化物膜（ＨｆＮ_1.15，ＨｆＮ_1.26）８１，第２層目の
のタンタル炭化物膜（ＴａＣ_1.13，ＴａＣ_1.21）８４又
は第２層目のジルコニア窒酸化物膜（ＺｒＯ
_0.23Ｎ_0.93，ＺｒＯ_0.35Ｎ_0.91）８６である。

【０１２２】金属元素に対する添加元素の総和の原子数
比ｘが最も大きい化合物層のｘが１．２以上の、ＨｆＮ
_1.26／ＨｆＮ_0.75，ＴａＣ_0.82／ＴａＣ_1.21，ＺｒＮ
_0.93／ＺｒＯ_0.35Ｎ_0.91／ＺｒＮ_0.93では、膜厚ｔが５
ｎｍ以下になると、ヴィア抵抗が著しく低減している。

【０１２３】また、金属元素に対する添加元素の総和の
原子数比ｘが最も大きい化合物層のｘが１．０より大き
く且つ１．２未満である、ＨｆＮ_1.15／ＨｆＮ_0.75，Ｔ
ａＣ_0.82／ＴａＣ_1.13，ＺｒＮ_0.93／ＺｒＯ_0.23Ｎ_0.91
／ＺｒＮ_0.93では、膜厚ｔが１０ｎｍ以下になると、ヴ
ィア抵抗が著しく低減している。

【０１２４】ヴィア抵抗が低減した原因は、明らかでは
ないが、絶縁体の膜厚が数ｎｍ以下になるとトンネル効
果により電流が流れる事実から類推すると、特定の膜厚
以下で薄膜特有の何らかの伝導機構が機能し、電流が流
れやすくなっていると推測される。

【０１２５】以上説明したように、バリアメタルを構成
する化合物層膜の内、金属元素に対する添加元素の総和
の原子数比ｘが最も大きい化合物層の厚さを１０ｎｍ以
下にすると、ヴィア抵抗を減少させることができる。

【０１２６】［第５実施形態］図１７は、本発明の第５
実施形態に係わる半導体装置の構成を示す断面図であ
る。なお、図１７において、図１と同一な部分には同一
符号を付し、その説明を省略する。

【０１２７】本実施形態の特徴は、バリアメタルとし
て、配線溝１６の側壁及び底面に沿って形成されたＴａ
Ｎ_x （ｘ＞０．２）膜１３１と、Ｃｕダマシン配線に接
するＴａＮ_y Ｏ_z 膜１３２との積層膜が形成されている
ことである。

【０１２８】本装置の製造工程を図１８の工程断面図を
用いて説明する。本装置のバリアメタルの製造工程以外
は、図１に示した装置の製造工程と同様の工程（図３）
で構成されるので、バリアメタルの製造工程係わる工程
のみを示し、その図示はバリアメタルに係わる配線溝の
底部を含む領域のみとする。

【０１２９】先ず、図１８（ａ）に示すように、第２の
層間絶縁膜１５に、Ｗヴィアプラグ１４に接続する配線
溝１６を形成する。次いで、図１８（ｂ）に示すよう
に、全面にロング・スロー・スパッタ法を用いてＴａＮ
_x 膜１３１を形成する。次いで、大気５分間暴露するこ
とによって、ＴａＮ_x 膜１３１の表面にＴａＮ_y Ｏ_z 膜
１３２を形成する。そして、全面にＣｕを形成した後、
第２の層間絶縁膜上のＣｕ膜，ＴａＮ_x 膜１３１及びＴ
ａＮ_y Ｏ_z 膜１３２をＣＭＰ法等を用いて除去し、Ｃｕ
ダマシン配線１７を形成する。

【０１３０】また、図１９に示すようなアモルファスシ
リコン１５４，ＴａＮ_x 膜１５５，ＴａＮ_y Ｏ_z 膜１５
６及びＣｕ膜１５７が順次積層された構造を有する試料
を４５０℃で４時間アニールを行い、バリアメタルを通
してアモルファスシリコン膜１５４に拡散したＣｕによ
り生成されたＣｕ₃ Ｓｉ（Ｃｕシリサイド）の生成量
（シリサイド化率）によって、本装置のバリアメタルの
バリア性の評価を行った。又、Ｃｕ成膜後のテープテス
トによりＣｕ膜の下地への密着性を評価した。

【０１３１】図１９に示した試料の構造について説明す
る。Ｓｉ基板１５１上に形成された膜厚１００ｎｍの熱
酸化膜１５２上に、低圧のＣＶＤ法により堆積された膜
厚１００ｎｍのシリコン窒化膜１５３が形成されてい
る。シリコン窒化膜１５３上にアモルファスシリコン膜
１５４が形成されている。そして、アモルファスシリコ
ン１５４上にＴａＮ_x 膜１５５が形成され、ＴａＮ_x 膜
１５５の表面にＴａＮ_yＯ_z 膜１５６が形成されてい
る。なお、そして、ＴａＮ_y Ｏ_z 膜１５６上にＣｕ膜１
５７が形成されている。

【０１３２】なお、ＴａＮ_y Ｏ_z 膜１５６は、基板温度
約３００℃でＮ₂ ガスとＡｒガス中でＴａターゲットを
スパッタすることによって、ＴａＮ_x 膜１５５を形成し
た後、大気中に５分間暴露することによって形成した。
また、ＡｒガスとＮ₂ ガスとの流量を変えることによっ
て、種々の組成のＴａＮ_x 膜１５５を形成した後、酸化
処理を行うことによって、種々のＴａＮ_y Ｏ_z 膜１５６
を形成した。

【０１３３】シリサイド化率及び密着性を評価した結果
を表２に示す。なお、ＴａＮ_x 膜の組成の同定はＲＢＳ
測定により行い、ＴａＮ_x 表面に形成された酸化物層の
組成の同定はＸＰＳ測定により行った。

【０１３４】

【表２】

【０１３５】結果から分かるように、ＴａＮ_0.2 以上の
組成の表面に形成される酸化物層が、ＴａＮ_x 膜のＣｕ
拡散に対するバリア性を向上させることが可能であり、
又密着性も改善されている。又、ＴａＮ_x 膜の窒素濃度
の増大につれて表面酸化層が形成されにくくなってい
る。ＴａＮ_1.4 膜においては、表面酸化層がほとんど形
成されていなくても、良好なバリア性と密着性が実現さ
れていることが分かる。

【０１３６】又、ＴａＮ_0.3 膜を用いて、大気暴露の時
間を０分、５分、１０分、２０分と変化させて、形成さ
れるＴａＮ_0.3 Ｏ_1.0 の膜厚を変えてＣｕ／ＴａＮ_0.3
Ｏ_{1. 0} 膜のヴィア抵抗を測定した結果を表３に示す。な
お、ヴィア抵抗の測定は、ケルビンパターンを用いて行
った。

【０１３７】

【表３】

【０１３８】表３から分かるように、ＴａＮ_y Ｏ_z 膜の
膜厚が３ｎｍを越えると著しくヴィア抵抗が増大してし
まうことが分かった。

【０１３９】なお、本実施形態においては、表面を酸化
する方法として大気への暴露を用いたが、酸素や水蒸気
中などの酸化性雰囲気中でも同様の効果が得られる。

【０１４０】以上説明したように、ＴａＮ_x 膜とＴａＮ
_y Ｏ_z 膜との積層構造用いることによって、低抵抗且つ
高いバリア性を有するバリアメタルを提供することがで
きる。なお、ヴィア抵抗を低くするためにＴａＮ_y Ｏ_z
膜の膜厚を３ｎｍ以下にすることが好ましい。

【０１４１】［第６実施形態］図２０は、本発明の第６
実施形態に係わる半導体装置の構成を示す断面図であ
る。シリコン酸化物からなる層間絶縁膜１６１に配線溝
１６２が形成され、配線溝１６２の側壁及び底面に沿っ
てＴａＮ_y Ｏ_z 膜１６３が形成されている。ＴａＮ_y Ｏ
_z 膜１６３の表面に沿ってＴａＮ_x 膜１６４が形成され
ている。そして、配線溝１６２内にＣｕ配線１６５が埋
め込み形成されている。そして、全面にＣｕ配線１６５
表面からの上層への構造物への拡散を防止するシリコン
窒化膜１６６が形成されている。本実施形態のバリアメ
タルは、ＴａＮ_y Ｏ_z 膜１６３とＴａＮ_x 膜１６４とが
積層された積層膜である。

【０１４２】次いで、本装置の製造工程を図２１の工程
断面図を用いて説明する。先ず、図２１（ａ）に示すよ
うに、層間絶縁膜１６１に配線溝１６２を形成した後、
全面にスパッタリング法を用いて、ＴａＮ_x 膜１６４を
形成する。次いで、図２１（ｂ）に示すように、アニー
ルすることによって、層間絶縁膜１６１とＴａＮ_x 膜１
６４との界面に接する層間絶縁膜１６１を還元すると共
に、前記外面のＴａＮ_x 膜１６４を酸化し、ＴａＮ_y Ｏ
_z 膜１６３を形成する。次いで、図２１（ｃ）に示すよ
うに、全面にＣｕ膜１６５₁ を堆積し、配線溝１６２を
Ｃｕ膜１６５₁で埋め込む。次いで、図２１（ｄ）に示
すように、余分なＣｕ膜１６５₁ ，ＴａＮ_x 膜１６４及
びＴａＮ_y Ｏ_z 膜１６３をＣＭＰ法を用いて除去し、Ｃ
ｕ配線１６５を形成する。そして、全面にシリコン窒化
膜を堆積することによって図２０に示した構造を形成す
る。

【０１４３】次に、本実施形態のバリアメタルのバリア
性の評価を行った。バリア性の評価は、図２２に示すよ
うなアモルファスシリコン膜１８２，ＳｉＯ₂ 膜１８
３，ＴａＮ_x 膜１８４及びＣｕ膜１８５が順次積層され
た構造を有する試料を別途作成し、試料を４５０℃で４
時間アニールを行い、バリアメタルを通してアモルファ
スシリコン膜に拡散したＣｕにより生成されたＣｕ₃ Ｓ
ｉ（Ｃｕシリサイド）の生成量（シリサイド化率）によ
って行った。

【０１４４】図２２に示した試料の構造について説明す
る。プラズマＣＶＤ法により堆積された膜厚７００ｎｍ
のＳｉＯ₂ 膜１８１に、通常のフォトリソグラフィ技
術，ＲＩＥ法により深さ０．４μｍ、Ｌ／Ｓ＝０．２／
０．２μｍの溝が形成されている。そして、全面にＣＶ
Ｄ法により堆積されたアモルファスシリコン膜１８２が
形成されている。そして、アモルファスシリコン膜１８
２上に、アモルファスシリコン膜１８２を酸化雰囲気に
さらすことによって生成されたＳｉＯ₂ 膜１８３が形成
されている。ＳｉＯ₂ 膜１８３上に、溝内の一番薄いと
ころの膜厚が５ｎｍであるＴａＮ_x 膜１８４が形成され
ている。そして、ＴａＮｘ膜１８４の生成から真空を破
らずに堆積されたＣｕ膜１８５が形成されている。

【０１４５】なお、酸化雰囲気にさらす前のアモルファ
スシリコン膜１８２の膜厚は３０ｎｍであり、酸化時間
を変えることで表面に２，４，６ｎｍのＳｉＯ₂ 膜１８
３が形成された試料、又は酸化処理を行わない試料を形
成した。また、それぞれの膜厚のＳｉＯ₂ 膜１８３上
に、ＴａＮ_0.1 ，ＴａＮ_0.2 ，ＴａＮ_0.5 又はＴａＮ_1.
4 の組成のＴａＮ_x 膜１８４が形成された試料を作成し
た。

【０１４６】シリサイド化率の測定結果を表４に示す。

【０１４７】

【表４】

【０１４８】このように、ＴａＮ_x 膜１８４が形成され
る下地の表面に酸素を含有する層（ＳｉＯ₂ 膜１８３）
を設けておくことにより、ＴａＮ_x 膜１８４と下地中に
含まれる酸素とが反応して、ＴａＮ_y Ｏ_z 膜が形成さ
れ、Ｃｕ膜１８５に対するバリア特性が著しく向上する
ことが分かる。なお、生成されるＴａＮ_y Ｏ_z 膜の厚さ
が４．５ｎｍの場合には、ＴａＮ_y Ｏ_z 膜形成のための
熱処理中に、ＴａＮ_y Ｏ_z 膜とＳｉＯ₂ 膜との間で剥離
が生じて、バリア性の評価には至らなかった。

【０１４９】以上説明したように、酸素を含む層間絶縁
膜上にＴａＮ_x 膜を形成した後、ＴａＮ_x 膜により層間
絶縁膜を還元し、ＴａＮ_x 膜を酸化することによって、
ＴａＮ_x 膜とＴａＮ_y Ｏ_z 膜とが積層されたバリアメタ
ルを形成することができる。

【０１５０】なお、本発明においては、酸素を有する下
地層に非晶質シリコン表面に形成した酸化層を用いてい
るが、ＴａＮ_x 膜が還元できる酸化物層であるならば、
実質的に同様の効果が得られる。

【０１５１】［第７実施形態］図２３は、本発明の第７
実施形態に係わる半導体装置の構成を示す断面図であ
る。なお、図２３において、図２１と同一な部位には同
一符号を付し、その説明を省略する。

【０１５２】本実施形態の特徴は、Ｃｕ膜１６５の表面
が層間絶縁膜１６１の表面より低く形成され、Ｃｕ膜１
６５上にＴａＮ_y Ｏ_z 膜１９１及びＴａＮ_x 膜１９２が
順次積層されていることである。なお、ＴａＮ_x 膜１９
２の表面は層間絶縁膜１６１の表面と同一であり、Ｔａ
Ｎ_y Ｏ_z 膜１９１及びＴａＮ_x 膜１９２からなる積層膜
はＣｕ膜１６５表面からのＣｕの拡散を抑制するバリア
メタルである。

【０１５３】次に、本装置の製造工程を図２４の工程断
面図を用いて説明する。なお、本装置の製造工程は、図
２１（ａ）〜（ｄ）に示した製造工程までは、同一なの
で説明を省略する。

【０１５４】そして、図２１（ｄ）に示した工程の後、
図２４（ａ）に示すように、Ｃｕ膜１６５を選択的にエ
ッチングし、Ｃｕ膜１６５の表面を層間絶縁膜１６１の
表面より低くする。次いで、図２４（ｂ）に示すよう
に、露出するＣｕ膜１６５の表面を酸化し、銅酸化膜２
００を形成する。次いで、図２４（ｃ）に示すように、
ＴａＮ_x 膜１９２を形成する。次いで、図２４（ｄ）に
示すように、アニールすることにより銅酸化膜２００を
還元すると共に、銅酸化膜２００に接するＴａＮ_x 膜１
９２を酸化することによって、ＴａＮ_y Ｏ_z 膜１９１を
形成する。そして、層間絶縁膜１６１上のＴａＮ_y Ｏ_z
膜１９１及びＴａＮ_x 膜１９２をＣＭＰ法を用いて除去
することによって、層間絶縁膜１６１とＴａＮ_x 膜１９
２の表面を平坦にし、図２３に示した構造を形成する。

【０１５５】次に、本実施形態のバリアメタルのバリア
性の評価を行った。バリア性の評価は、図２５に示すよ
うなＣｕ２１４，銅酸化膜２１５，ＴａＮ_x 膜２１６及
びアモルファスシリコン膜２１７が順次積層された構造
を有する試料を別途作成し、試料を４５０℃で４時間ア
ニールを行い、ＴａＮ_x 膜２１６を用いて銅酸化膜２１
５を還元し、ＴａＮ_x 膜２１６を酸化してＴａＮ_y Ｏ_z
膜を形成すると共に、バリアメタルを通してアモルファ
スシリコン膜に拡散したＣｕにより生成されたＣｕ₃ Ｓ
ｉ（Ｃｕシリサイド）の生成量（シリサイド化率）によ
って行った。

【０１５６】図２５に示した試料の構造について説明す
る。プラズマＣＶＤ法により堆積された膜厚７００ｎｍ
のＳｉＯ₂ 膜２１１が形成されている。ＳｉＯ₂ 膜２１
１に、通常のフォトリソグラフィ技術，ＲＩＥ法により
深さ０．４μｍ、Ｌ／Ｓ＝０．２／０．２μｍの溝２１
２が形成されている。全面に、溝内の一番薄いところの
膜厚が５ｎｍであるＴａＮ_1.4 膜２１３がスパッタ法に
よって形成されている。そして、ＴａＮ_1.4 膜２１３上
にＣＶＤ法により堆積された膜厚４００ｎｍのＣｕ膜を
ＣＭＰ法により研磨することによって、溝内にＣｕダマ
シン配線２１４が埋め込み形成されている。そして、埋
め込み形成されたＣｕダマシン配線２１４の表面に酸化
雰囲気中の熱処理により生成された銅酸化膜２１５が形
成されている。そして、全面に膜厚１０ｎｍのＴａＮ_x
膜２１６が形成され、ＴａＮ_x 膜２１６の堆積から真空
を破らずにスパッタ法により堆積されたアモルファスシ
リコン膜２１７が形成されている。

【０１５７】なお、Ｃｕダマシン配線２１４の酸化時間
を変えることで表面に１，３，５，１０ｎｍの銅酸化膜
２１５が形成された試料、又は酸化処理を行わない試料
を形成した。また、それぞれの膜厚の銅酸化膜２１５上
に、ＴａＮ_0.1 ，ＴａＮ_0.2，ＴａＮ_0.5 又はＴａＮ
_1.4 の組成の膜２１６が形成された試料を形成した。

【０１５８】シリサイド化率の測定結果を表５に示す。

【０１５９】

【表５】

【０１６０】その結果、第５実施形態と同様のＴａＮｘ
膜のバリア性が確認された。但し、Ｃｕダマシン配線２
１４の表面の銅酸化膜２１５の膜厚が１０ｎｍの場合
は、Ｃｕ酸化膜の表面からバリアメタルが剥離し、バリ
ア性の評価には至らなかった。

【０１６１】また、本実施形態では、Ｃｕ配線２１４の
表面を酸素雰囲気中の熱処理により銅酸化膜２１５を形
成し、ＴａＮ_y Ｏ_z 膜を形成するための酸素の供給源と
していたが、予め酸素が導入されたＣｕ配線上にＴａＮ
_x 膜を堆積した後、真空中で熱処理を行うことによって
も、Ｃｕ配線中の酸素がＣｕとＴａＮ_x 膜との界面に拡
散し、同様にＴａＮ_y Ｏ_z 膜を形成することができるこ
とを確認した。なお、この場合には、Ｃｕ配線中の酸素
が、界面のＴａＮ_y Ｏ_z 膜の形成に消費されることによ
って、Ｃｕ配線の比抵抗が低下することが確認され、Ｃ
ｕ配線中の酸素濃度により、ＴａＮ_y Ｏ_z 膜の膜厚を制
御することができることも分かった。

【０１６２】以上説明したように、Ｃｕ配線の表面に形
成された銅酸化膜又は酸素を混入させたＣｕ配線上にＴ
ａＮ_x 膜を形成した後、ＴａＮ_x 膜により銅酸化膜又は
酸素を含むＣｕ配線を還元し、ＴａＮ_x 膜を酸化するこ
とによって、ＴａＮ_x 膜とＴａＮ_y Ｏ_z 膜とが積層され
たバリアメタルを形成することができる。

【０１６３】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではない。例えば、上記実施形態では、同一の金
属元素と添加元素とからなる化合物膜を積層してバリア
メタルを形成していたが、各層に含まれる金属元素が異
なっていても良い。但し、各層に含まれる金属元素とし
て同一なものを選択することによって、軽元素（ボロ
ン，酸素，炭素，窒素）の導入量を変えるだけで積層膜
を形成することができるので、プロセスが容易である。
また、同一な金属元素を選択してバリアメタルを形成す
ることによって、層間の反応を抑制することができる。

【０１６４】又、上記実施形態では、段階的にガス流量
を増減させることで化合物膜αβ_nのｎ値が異なる膜を
積層したが、例えば徐々にガス流量を変化させることで
連続的な組成変化を有する膜を形成しても良い。

【０１６５】また、バリアメタルを構成する金属元素と
しては、IVＢ族，ＶＢ族又はVIＢ族に属する元素を用い
ることができる。

【０１６６】なお、本発明のバリアメタルは、金属配線
やプラグ電極以外の金属電極にも適用可能である。

【０１６７】又、第５〜６実施形態において、バリアメ
タルを構成する化合物膜としてＴａＮ_x 膜とその酸化膜
であるＴａＮ_y Ｏ_z 膜と例に挙げて説明したが、それに
限るものではなく、タンタルの代わりに金属元素から少
なくとも一つの元素が選ばれたαとボロン，炭素，窒素
から少なくとも一つの元素が選ばれたγとから構成され
た化合物膜αγ_n とその酸化膜であるαγ_y Ｏ_z を用い
ることができる。

【０１６８】その他、本発明は、その要旨を逸脱しない
範囲で、種々変形して実施することが可能である。

【０１６９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、金
属元素から少なくとも一つの元素が選ばれたαとボロ
ン，酸素，炭素，窒素から少なくとも一つの元素が選ば
れたβとから構成された化合物膜αβ_n を複数層積層す
ることによって、低抵抗且つ高バリア性を有するバリア
メタルが得られる。

【０１７０】特に、金属元素から少なくとも一つの元素
が選ばれたαとボロン，酸素，炭素，窒素から少なくと
も一つの元素が選ばれたβとから構成された化合物膜α
β_x（ｘ＞１）と、前記α及びβから構成された化合物
膜αβ_x （ｘ≦１）とを組み合わせることによって、高
バリア性を有しながら、ヴィア抵抗や配線抵抗を下げる
ことができる。また、バリアメタルを形成する際に、前
記βの混入率を変化させることによって、積層膜が形成
されるので、短時間で形成することができ、プロセスが
容易となる。

【０１７１】また、金属元素から少なくとも一つの元素
が選ばれたαと、ボロン，炭素，窒素から少なくとも一
つの元素が選ばれたγとから構成された化合物膜αγ_x
と、前記α及びγと、酸素（Ｏ）とから構成された化合
物膜αγ_y Ｏ_z とを積層することによって、低抵抗且つ
高バリア性を有するバリアメタルを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態に係わる半導体装置の構成を示す
断面図。

【図２】図１の半導体装置のバリアメタルの構成を示す
断面図。

【図３】図１の半導体装置の製造工程を示す工程断面
図。

【図４】第１実施形態に係わるバリア性の検証に用いた
試料の構成を示す断面図。

【図５】通常のロング・スロー・スパッタ法により成膜
されたバリアメタルの成膜形状を示す断面図。

【図６】通常のロング・スロー・スパッタ法により成膜
されたバリアメタル上に、Ｃｕ膜をリフローさせた場合
を示す断面図。

【図７】基板バイアスを印加したロング・スロー・スパ
ッタ法により成膜されたバリアメタルの成膜形状を示す
断面図。

【図８】基板バイアスを印加したロング・スロー・スパ
ッタ法により成膜されたバリアメタル上にＣｕ膜をリフ
ローさせた場合を示す断面図。

【図９】第２実施形態に係わる半導体装置のバリアメタ
ルの構成を示す断面図。

【図１０】図９に示したバリアメタルのシリサイド化率
（バリア性）の軽元素濃度依存性を示す特性図。

【図１１】第３実施形態に係わる半導体装置の構成を示
す断面図。

【図１２】図１１の半導体装置のバリアメタルの構成を
示す断面図。

【図１３】図１１の半導体装置の製造工程を示す工程断
面図。

【図１４】図１２に示したバリアメタル上に形成された
Ｃｕデュアルダマシン配線のオープンイールドを示す特
性図。

【図１５】第４実施形態に係わる半導体装置の要部構成
を示す断面図。

【図１６】図１５の半導体装置のＣｕダマシン配線のヴ
ィア抵抗を示す特性図。

【図１７】第５実施形態に係わる半導体装置の構成を示
す断面図。

【図１８】図１７の半導体装置の製造工程を示す工程断
面図。

【図１９】第５実施形態に係わるバリア性の検証に用い
た試料の構成を示す断面図。

【図２０】第６実施形態に係わる半導体装置の構成を示
す断面図。

【図２１】図２０の半導体装置の製造工程を示す工程断
面図。

【図２２】第６実施形態に係わるバリア性の検証に用い
た試料の構成を示す断面図。

【図２３】第７実施形態に係わる半導体装置の構成を示
す断面図。

【図２４】図２３の半導体装置の製造工程を示す工程断
面図。

【図２５】第７実施形態に係わるバリア性の検証に用い
た試料の構成を示す断面図。

【図２６】ＴａＮ_x 膜のバリア性のｘ依存性を示す特性
図。

【符号の説明】

１１…第１の層間絶縁膜 １２…下層配線 １４…Ｗヴィアプラグ １５…第２の層間絶縁膜 １６…配線溝 １７…ダマシン配線 ２０…バリアメタル ３１，３４，３５，３７，３８…ＴａＮ_0.87膜 ３２，３３，３６，３９…ＴａＮ_1.19膜 ５１，５２…ニオブ窒化物（ＮｂＮ_x ）膜 ５３，５４…タンタル窒酸化物（ＴａＯ_y Ｎ_z ）膜 ５５，５６，５７…チタン炭化物（ＴｉＣ_x ）膜 ６１…層間絶縁膜 ６２…ダマシン配線 ６３…ヴィアホール ６４…配線溝 ６５…バリアメタル ６５…配線溝 ６６…デュアルダマシン配線 ７１，７２…タングステン窒化物（ＷＮ_x ）膜 ７３，７４…タンタル炭窒化物（ＴａＣ_y Ｎ_z ）膜 ７５，７６，７７…チタン・ホウ窒化物膜（ＴｉＢ_x Ｎ
_y ）膜 ８１，８２…ハフニウム窒化物（ＨｆＮ_x ）膜 ８３，８４…タンタル炭化物（ＴａＣ_x ）膜 ８５，８６，８７…ジルコニア窒化物（ＺｒＮ_x ）膜 １３１…ＴａＮ_x （ｘ＞０．２）膜 １３２…ＴａＮ_y Ｏ_z 膜 １６１…層間絶縁膜 １６２…配線溝 １６３…ＴａＮ_y Ｏ_z 膜 １６４…ＴａＮ_x 膜 １６５…Ｃｕ配線 １６６…シリコン窒化膜 １９１…ＴａＮ_y Ｏ_z 膜 １９２…ＴａＮ_x 膜 ２００…銅酸化膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松田 哲朗 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者 金子 尚史 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内 Ｆターム(参考） 4M104 BB18 BB29 BB32 BB33 BB34 BB35 BB37 BB38 BB39 CC01 DD39 DD41 FF18 FF22 HH05 5F033 AA04 AA29 AA64 BA15 BA17 BA22 BA23 BA25 BA38 BA45 BA46 DA06 DA15

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属配線を構成する元素の拡散を抑制する
   バリアメタルを具備する半導体装置であって、 前記バリアメタルは、金属元素から少なくとも一つの元
   素が選ばれたαとボロン，酸素，炭素，窒素から少なく
   とも一つの元素が選ばれたβとから構成され、元素構成
   比率が異なる２種類以上の化合物膜αβ_n が積層されて
   構成されていることを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】金属配線を構成する元素の拡散を抑制する
   バリアメタルを具備する半導体装置であって、 前記バリアメタルは、金属元素から少なくとも一つの元
   素が選ばれたαとボロン，酸素，炭素，窒素から少なく
   とも一つの元素が選ばれたβとから構成され、元素構成
   比率が異なる２種類以上の化合物膜αβ_n が積層された
   構成を含み、 複数層の前記化合物膜αβ_n 内の少なくとも１層は、前
   記α及びβから構成された化合物膜αβ_x （ｘ＞１）で
   あることを特徴とする半導体装置。
3. 【請求項３】金属配線を構成する元素の拡散を抑制する
   バリアメタルを具備する半導体装置であって、 前記バリアメタルは、金属元素から少なくとも一つの元
   素が選ばれたαとボロン，酸素，炭素，窒素から少なく
   とも一つの元素が選ばれたβとから構成され、元素構成
   比率が異なる２種類以上の化合物膜αβ_n が積層された
   構成を含み、 前記金属元素から同一の元素が選択された前記αから全
   層の前記化合物膜αβ_n が構成され、 複数層の前記化合物膜αβ_n 内の少なくとも１層は、前
   記α及びβから構成された化合物膜αβ_x （ｘ＞１）で
   あることを特徴とする半導体装置。
4. 【請求項４】前記バリアメタルは、前記化合物膜αβ_x
   （ｘ＞１）と、前記α及びβとから構成された化合物膜
   αβ_y （ｙ≦１）とが積層されて構成され、 前記金属配線の表面に、前記化合物膜αβ_x （ｘ＞１）
   を介して前記化合物膜αβ_y （ｙ≦１）が形成されてい
   ることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
5. 【請求項５】前記バリアメタルは、前記化合物膜αβ_x
   （ｘ＞１）と、前記α及びβとから構成された化合物膜
   αβ_y （ｙ≦１）とが積層されて構成され、 前記金属配線の表面に、前記化合物膜αβ_y （ｙ≦１）
   を介して前記化合物膜αβ_x （ｘ＞１）が形成されてい
   ることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
6. 【請求項６】前記バリアメタルは、前記α及びβとから
   構成された化合物膜αβ_y （ｙ≦１）と、前記化合物膜
   αβ_x （ｘ＞１）と、前記化合物膜αβ_y （ｙ≦１）と
   が順次積層されて構成されていることを特徴とする請求
   項３に記載の半導体装置。
7. 【請求項７】前記ｘは１．２以上であり、前記ｙは０．
   ９以下であることを特徴とする請求項４〜６の何れかに
   記載の半導体装置。
8. 【請求項８】前記化合物膜αβ_x （ｘ＞１）の全膜厚ｔ
   と、前記バリアメタルの全膜厚Ｔとは、ｔ／Ｔ≦０．３
   の関係にあることを特徴とする請求項３に記載の半導体
   装置。
9. 【請求項９】前記化合物膜αβ_x （ｘ＞１）の膜厚は、
   １０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２，３又は
   ８に記載の半導体装置。
10. 【請求項１０】金属配線を構成する元素の拡散を抑制す
    るバリアメタルを具備する半導体装置であって、 前記バリアメタルは、金属元素から少なくとも一つの元
    素が選ばれたαと、ボロン，炭素，窒素から少なくとも
    一つの元素が選ばれたγとから構成された化合物膜αγ
    _x と、 前記α及びγと、酸素（Ｏ）とから構成された化合物膜
    αγ_y Ｏ_z とが積層された構成を含むことを特徴とする
    半導体装置。
11. 【請求項１１】前記ｘは、０．２以上であることを特徴
    とする請求項１０に記載の半導体装置。
12. 【請求項１２】前記化合物膜αγ_y Ｏ_z の膜厚は、３ｎ
    ｍ以下であることを特徴とする請求項１０に記載の半導
    体装置。
13. 【請求項１３】前記金属元素は、IVＢ族，ＶＢ族又はVI
    Ｂ族の何れかに属することを特徴とする請求項１，２，
    ３又は１０の何れかに記載の半導体装置。
14. 【請求項１４】基体上に、バリアメタルを介して金属配
    線が形成された半導体装置の製造方法であって、 前記基体上に前記化合物膜αγ_x を形成する工程と、 前記化合物膜αγ_x の表面を酸化して前記化合物膜αγ
    _y Ｏ_z を形成する工程と、 前記化合物膜αγ_y Ｏ_z 上に前記金属配線を形成する工
    程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
15. 【請求項１５】酸素（Ｏ）を含む基体上にバリアメタル
    を形成する半導体装置の製造方法であって、 前記基体上に、金属元素から少なくとも一つの元素が選
    ばれたαと、ボロン，炭素，窒素のうち少なくとも１種
    を含むγとから構成された化合物膜αγ_x を形成する工
    程と、 前記化合物膜αγ_x により前記基体の還元を行うことに
    よって、該化合物膜αγ_x を酸化して、該化合物膜αγ
    _x と該基体との界面に化合物膜αγ_y Ｏ_z を形成する工
    程とを含み、 前記化合物膜αγ_x と前記化合物膜αγ_y Ｏ_z とが順次
    積層された構成を含むバリアメタルを形成することを特
    徴とする半導体装置の製造方法。
16. 【請求項１６】酸素（Ｏ）を含む金属配線を形成する工
    程と、 前記金属配線上に、金属元素から少なくとも一つの元素
    が選ばれたαとボロン，炭素，窒素のうち少なくとも１
    種を含むγとから構成された化合物膜αγ_x を形成する
    工程と、 前記化合物膜αγ_x により前記金属配線の還元を行うこ
    とによって、該化合物膜αγ_x を酸化して、該化合物膜
    αγ_x と該基体との界面に化合物膜αγ_y Ｏ_zを形成す
    る工程とを含み、 前記化合物膜αγ_x と前記化合物膜αγ_y Ｏ_z とが順次
    積層された構成を含むバリアメタルを形成することを特
    徴とする半導体装置の製造方法。