JP2003068741A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 バリア層と該バリア層の上に形成される導電
膜との密着性を向上させる。 【解決手段】 下層配線の上にシリコン窒化膜１０５が
形成され、該シリコン窒化膜１０５の上に第１の層間絶
縁膜１０６及び第２の層間絶縁膜１０８が堆積されてい
る。第１の層間絶縁膜１０６に形成されたヴィアホール
には第２のβ−タンタル膜１１１よりなるバリア層を介
して銅膜よりなるプラグ１１４が埋め込まれ、第２の層
間絶縁膜１０８に形成された配線溝には第２のβ−タン
タル膜１１１よりなるバリア層を介して銅膜よりなる上
層配線１１５が埋め込まれている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置及びそ
の製造方法に関し、特に、半導体基板上の絶縁性又は導
電性の膜の上に、バリア層を介して形成された導電膜か
らなる電極又は配線を備える半導体装置及びその製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、銅膜を主体とする多層配線を有す
る半導体集積回路が実用化されてきている。

【０００３】以下、図９（ａ）、（ｂ）及び図１０
（ａ）、（ｂ）を参照しながら、銅膜を主体とする多層
配線を有する従来の半導体装置の製造方法について説明
する。

【０００４】まず、図９（ａ）に示すように、シリコン
よりなる半導体基板１０の上に、配線溝を有する絶縁膜
１１を形成した後、該絶縁膜１１の配線溝の底面及び壁
面にバリア層となる第１の窒化タンタル膜１２を堆積す
る。次に、第１の窒化タンタル膜１２の上に第１の銅シ
ード層１３を形成した後、電解メッキ法により第１の銅
シード層１３を成長させて第１の銅メッキ層１４を形成
する。これにより、第１の銅シード層１３及び第１の銅
メッキ層１４よりなる下層配線が得られる。

【０００５】次に、下層配線及び絶縁膜１１の上に、密
着層となる第１のシリコン窒化膜１５と、第１の層間絶
縁膜１６とを順次堆積した後、第１の層間絶縁膜１６及
び第１のシリコン窒化膜１５にヴィアホール１７を形成
する。次に、第１の層間絶縁膜１６の上に、第２の層間
絶縁膜１８と反射防止膜となる第２のシリコン酸窒化膜
１９とを形成した後、第２のシリコン酸窒化膜１９をマ
スクにして第２の層間絶縁膜１８に対してエッチングを
行なって配線溝２０を形成する。

【０００６】次に、図９（ｂ）に示すように、反応性ス
パッタ法により、ヴィアホール１７及び配線溝２０の底
面及び壁面にバリア層となる第２の窒化タンタル膜２１
を堆積した後、スパッタ法により、第２の窒化タンタル
膜２１の上に第２の銅シード層２２を形成する。

【０００７】次に、図１０（ａ）に示すように、電解メ
ッキ法により第２の銅シード層２２を成長させて第２の
銅メッキ層２３を形成した後、化学的機械研磨（ＣＭ
Ｐ）法により、第２の窒化タンタル膜２１、第２の銅シ
ード層２２及び第２の銅メッキ層２３における第２のシ
リコン酸窒化膜１９の上に存在する部分を除去して、第
２の銅シード層２２及び第２の銅メッキ層２３よりなる
プラグ２４及び上層配線２５を形成する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、バリア層で
ある第２の窒化タンタル膜２１と、第１の銅シード層２
２及び第２の銅メッキ層２３からなる上層配線との密着
性が良くないので、後に行なわれる熱処理例えば銅の結
晶粒を成長させるための熱処理において、第２の窒化タ
ンタル膜２１と上層配線とが剥離して、図１０（ｂ）に
示すように、プラグ２４と下層配線との間にボイド２６
が形成されてしまうという問題が発生する。

【０００９】プラグ２４と下層配線との間にボイド２６
が形成されると、プラグ２４と下層配線との接触抵抗が
著しく増大してしまう。

【００１０】前記に鑑み、本発明は、バリア層と該バリ
ア層の上に形成される導電膜との密着性を向上させるこ
とを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明に係る半導体装置は、半導体基板上に設けら
れた絶縁性又は導電性の膜の上に形成されたバリア層
と、バリア層の上に形成された導電膜からなる電極又は
配線とを備え、バリア層は、結晶構造がβ構造であるタ
ンタル膜を有している。

【００１２】本発明に係る半導体装置によると、導電膜
は、結晶構造がβ構造であるタンタル膜よりなるバリア
層の上に形成されているため、導電膜を構成する結晶が
最密面に優先配向するため、バリア層と導電膜との密着
性が向上する。

【００１３】本発明に係る半導体装置において、バリア
層は下層の第１のバリア層と上層の第２のバリア層との
積層膜よりなり、第１のバリア層は窒化物膜よりなり、
第２のバリア層は結晶構造がβ構造であるタンタル膜よ
りなることが好ましい。

【００１４】このようにすると、絶縁性又は導電性の膜
とβ構造のタンタル膜とが直接に接しないので、後に行
なわれる熱処理工程において絶縁性又は導電性の膜とβ
構造のタンタル膜とが反応して、有害な化合物が形成さ
れる事態が防止される。

【００１５】本発明に係る半導体装置において、バリア
層が下層の第１のバリア層と上層の第２のバリア層との
積層膜よりなる場合、第１のバリア層は窒化タンタル膜
であり、導電膜は銅膜であることが好ましい。

【００１６】このようにすると、銅膜を構成する銅原子
がバリア層を通って絶縁性の膜に拡散する事態を防止す
ることができる。

【００１７】この場合、銅膜は（１１１）面に配向して
いることが好ましい。

【００１８】このようにすると、銅膜とバリア層となる
β構造のタンタル膜との密着性が確実に向上する。

【００１９】また、この場合、窒化タンタル膜中におけ
る（窒素の原子数）／（タンタルの原子数）の値は０．
４以下であることが好ましい。

【００２０】このようにすると、下層の窒化タンタル膜
の上にβ構造のタンタル膜を安定して堆積することがで
きる。

【００２１】本発明に係る半導体装置において、バリア
層が下層の第１のバリア層と上層の第２のバリア層との
積層膜よりなり、第１のバリア層が窒化物膜よりなる場
合、絶縁性又は導電性の膜はフッ素成分を含む絶縁膜で
あることが好ましい。

【００２２】このようにすると、導電膜よりなる電極又
は配線の下側に比誘電率の低い絶縁膜が設けられること
になるので、電極又は配線における静電容量を低減する
ことができる。また、第１のバリア層が窒化物膜よりな
るため、後に行なわれる熱処理工程において絶縁膜中の
フッ素とβ構造のタンタル膜とが反応して、フッ化タン
タルが形成される事態が防止される。

【００２３】本発明に係る半導体装置において、前記絶
縁性又は導電性の膜は絶縁膜であり、バリア層は、絶縁
膜に形成された凹部の底面及び壁面に形成されており、
導電膜は、凹部におけるバリア層の上に埋め込まれたプ
ラグ又は埋め込み配線であることが好ましい。

【００２４】このようにすると、プラグ又は埋め込み配
線とバリア層とが剥離して、両者の間にボイドが形成さ
れる事態が防止される。

【００２５】本発明に係る半導体装置の製造方法は、半
導体基板上の絶縁性又は導電性の膜の上にバリア層を形
成する工程と、バリア層の上に導電膜からなる電極又は
配線を形成する工程とを備え、バリア層は、結晶構造が
β構造であるタンタル膜を有している。

【００２６】本発明に係る半導体装置の製造方法による
と、導電膜は、結晶構造がβ構造であるタンタル膜より
なるバリア層の上に形成されるため、導電膜を構成する
結晶が最密面に優先配向するため、バリア層と導電膜と
の密着性が向上する。

【００２７】本発明に係る半導体装置の製造方法におい
て、バリア層は下層の第１のバリア層と上層の第２のバ
リア層との積層膜よりなり、第１のバリア層は窒化物膜
よりなり、第２のバリア層は結晶構造がβ構造であるタ
ンタル膜よりなることが好ましい。

【００２８】このようにすると、絶縁性又は導電性の膜
とβ構造のタンタル膜とが直接に接しないので、後に行
なわれる熱処理工程において絶縁性又は導電性の膜とβ
構造のタンタル膜とが反応して、有害な化合物が形成さ
れる事態が防止される。

【００２９】本発明に係る半導体装置の製造方法におい
て、バリア層が下層の第１のバリア層と上層の第２のバ
リア層との積層膜よりなる場合、第１のバリア層は窒化
タンタル膜であり、導電膜は銅膜であることが好まし
い。

【００３０】このようにすると、銅膜を構成する銅原子
がバリア層を通って絶縁性又は導電性の膜に拡散する事
態を防止することができる。

【００３１】この場合、銅膜は（１１１）面に配向して
いることが好ましい。

【００３２】このようにすると、銅膜とバリア層となる
β構造のタンタル膜との密着性が確実に向上する。

【００３３】また、この場合、窒化タンタル膜中におけ
る（窒素の原子数）／（タンタルの原子数）の値は０．
４以下であることが好ましい。

【００３４】このようにすると、下層の窒化タンタル膜
の上にβ構造のタンタル膜を安定して堆積することがで
きる。

【００３５】本発明に係る半導体装置の製造方法におい
て、バリア層が下層の第１のバリア層と上層の第２のバ
リア層との積層膜よりなり、第１のバリア層が窒化物膜
よりなる場合、絶縁性又は導電性の膜はフッ素成分を含
む絶縁膜であることが好ましい。

【００３６】このようにすると、導電膜よりなる電極又
は配線の下側に比誘電率の低い絶縁膜が設けられること
になるので、電極又は配線における静電容量を低減する
ことができる。また、第１のバリア層が窒化物膜よりな
るため、後に行なわれる熱処理工程において絶縁膜中の
フッ素とβ構造のタンタル膜とが反応して、フッ化タン
タルが形成される事態が防止される。

【００３７】本発明に係る半導体装置の製造方法におい
て、絶縁性又は導電性の膜は絶縁膜であり、バリア層
は、絶縁膜に形成された凹部の底面及び壁面に形成され
ており、導電膜は、凹部におけるバリア層の上に埋め込
まれたプラグ又は埋め込み配線であることが好ましい。

【００３８】このようにすると、プラグ又は埋め込み配
線とバリア層とが剥離して、両者の間にボイドが形成さ
れる事態が防止される。

【００３９】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）以下、本発明
の第１の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法に
ついて、図１（ａ）、（ｂ）及び図２（ａ）、（ｂ）を
参照しながら説明する。

【００４０】まず、図１（ａ）に示すように、シリコン
よりなる半導体基板１００の上に、シリコン酸化膜より
なり配線溝を有する絶縁膜１０１を形成した後、該絶縁
膜１０１の配線溝の底面及び壁面に、β構造の結晶構造
を有しバリア層となる第１のβ−タンタル膜１０２を堆
積する。次に、第１のβ−タンタル膜１０２の上に第１
の銅シード層１０３を形成した後、電解メッキ法により
第１の銅シード層１０３を成長させて第１の銅メッキ層
１０４を形成する。これにより、第１の銅シード層１０
３及び第１の銅メッキ層１０４よりなる下層配線が得ら
れる。

【００４１】次に、下層配線及び絶縁膜１０１の上に、
密着層となる第１のシリコン窒化膜１０５とシリコン酸
化膜よりなる第１の層間絶縁膜１０６とを順次堆積した
後、第１の層間絶縁膜１０６及び第１のシリコン窒化膜
１０５にヴィアホール１０７を形成する。次に、第１の
層間絶縁膜１０６の上に、シリコン酸化膜よりなる第２
の層間絶縁膜１０８と反射防止膜となる第２のシリコン
酸窒化膜１０９とを順次形成した後、第２のシリコン酸
窒化膜１０９をマスクにして第２の層間絶縁膜１０８に
対してエッチングを行なって配線溝１１０を形成する。

【００４２】次に、図１（ｂ）に示すように、ヴィアホ
ール１０７及び配線溝１１０の底面及び壁面に、β構造
の結晶構造を有しバリア層となる第２のβ−タンタル膜
１１１を堆積した後、第２のβ−タンタル膜１１１の上
に第２の銅シード層１１２を形成する。

【００４３】次に、図２（ａ）に示すように、電解メッ
キ法により第２の銅シード層１１２を成長させて第２の
銅メッキ層１１３を形成した後、１５０℃の温度下で６
０分の熱処理を施して、第２の銅シード層１１２及び第
２の銅メッキ層１１３の結晶構造を向上させる。

【００４４】次に、図２（ｂ）に示すように、ＣＭＰ法
により、第２の窒化タンタル膜１１１、第２の銅シード
層１１２及び第２の銅メッキ層１１３よりなる積層膜に
おける第２のシリコン酸窒化膜１０９の上に存在する部
分を除去して、第２の銅シード層１１２及び第２の銅メ
ッキ層１１３よりなるプラグ１１４及び上層配線１１５
を形成する。

【００４５】第１の実施形態によると、第２の銅シード
層１１２及び第２の銅メッキ層１１３はβ構造を有する
第２のβ−タンタル膜１１１の上に形成されているた
め、第２の銅シード層１１２及び第２の銅メッキ層１１
３は（１１１）面に高く配向していると共に大きなグレ
インサイズを有している。尚、この理由については後述
する。

【００４６】このように、第２の銅シード層１１２及び
第２の銅メッキ層１１３が（１１１）面に高く配向して
いるため、その後に熱処理が施されても、第２の銅シー
ド層１１２及び第２の銅メッキ層１１３は凝集しないの
で、第２のβ−タンタル膜１１１と第２の銅シード層１
１２及び第２の銅メッキ層１１３との密着性が良好とな
り、図１０（ｂ）に示したボイド２６は形成されなかっ
た。

【００４７】また、第２の銅シード層１１２及び第２の
銅メッキ層１１３が大きなグレインサイズを有している
ため、上層配線１１５のエレクトロマイグレーション耐
性が向上し、これにより、上層配線１１５の断線を防止
することができる。

【００４８】以下、第１の実施形態を評価するために行
なった実験結果について、図３（ａ）〜（ｆ）を参照し
ながら説明する。

【００４９】図３（ａ）及び（ｂ）は、第１比較例であ
って、シリコン酸化膜１２１の上にスパッタ法により３
０ｎｍの厚さを持つバリア層となる窒化タンタル膜（Ｔ
ａＮ膜）１２２を堆積した後、該ＴａＮ膜１２２の上に
スパッタ法により面心立方格子の結晶構造を有し１５ｎ
ｍの厚さを持つ銅膜を堆積し、その後、４５０℃の温度
下で５分間の熱処理を施したときの状態を示しており、
図３（ａ）は平面図であり、図３（ｂ）は断面図であ
る。

【００５０】図３（ａ）及び（ｂ）から分かるように、
銅膜とＴａＮ膜１２２との濡れ性が悪いため、銅膜が凝
集してＴａＮ膜１２２の上に銅粒子１２３が形成され
た。

【００５１】図３（ｃ）及び（ｄ）は、第２比較例であ
って、シリコン酸化膜１３１の上にスパッタ法により３
０ｎｍの厚さを持ち結晶構造がα構造であるタンタル膜
（α−Ｔａ膜）１３２を堆積した後、該α−Ｔａ膜１３
２の上にスパッタ法により面心立方格子の結晶構造を有
し１５ｎｍの厚さを持つ銅膜を堆積し、その後、４５０
℃の温度下で５分間の熱処理を施したときの状態を示し
ており、図３（ｃ）は平面図であり、図３（ｄ）は断面
図である。

【００５２】図３（ｃ）及び（ｄ）から分かるように、
第１比較例に比べて、銅の凝集の程度は小さいが、銅の
シード層１３３の上にやはり銅粒子１３４が形成され
た。

【００５３】図３（ｅ）及び（ｆ）は、第１の実施形態
に相当し、シリコン酸化膜１４１の上にスパッタ法によ
り３０ｎｍの厚さを持ち結晶構造がβ構造であるタンタ
ル膜（β−Ｔａ膜）１４２を堆積した後、該β−Ｔａ膜
１４２の上にスパッタ法により面心立方格子の結晶構造
を有し１５ｎｍの厚さを持つ銅膜１４３を堆積し、その
後、４５０℃の温度下で５分間の熱処理を施したときの
状態を示しており、図３（ｅ）は平面図であり、図３
（ｆ）は断面図である。

【００５４】図３（ｃ）及び（ｆ）から分かるように、
銅の凝集は現われず、β−Ｔａ膜１４２と銅膜１４３と
の密着性が良好であることを確認できた。

【００５５】ここで、α構造のタンタル膜であるα−Ｔ
ａ膜と、β構造のタンタル膜であるβ−Ｔａ膜との特性
について説明する。

【００５６】タンタル膜の結晶構造には立方晶と正方晶
とがあり、立方晶の結晶構造を有するタンタル膜はα−
Ｔａ膜と称され、正方晶の結晶構造を有するタンタル膜
はβ−Ｔａ膜と称される。また、α−Ｔａの結晶は、単
位胞の一辺が約３．３Åの立方晶であるのに対して、β
−Ｔａの結晶は、ａ＝ｂ＝約１０．２Å、ｃ＝約５．３
Åの直方体であって、β−Ｔａはα−Ｔａに比べて体積
が大きい。

【００５７】図４は、インプレーン型のＸ線回折装置を
用いて測定した回折パターンを示しており、α−Ｔａと
β−Ｔａとは、結晶構造の差異に起因して、回折線が異
なる回折角に観測されるので、両者を明確に判別するこ
とができる。

【００５８】インプレーン型のＸ線回折装置において
は、Ｘ線を試料面にほぼ平行な角度（試料面に対して
０．５°の角度）で入射して回折パターンを測定するの
で、薄膜の配向強度の測定精度が向上する。尚、Ｘ線を
試料面にほぼ平行な角度で入射するため、測定結果とし
て得られる結晶面は、試料面に対して垂直な方向の面で
ある。

【００５９】図４におけるβ−Ｔａの（４１０）面及び
（３３０）面は、β−Ｔａ膜の表面に対して垂直な面で
あって、β−Ｔａ膜の表面に平行な面は（００１）面と
なる（図５（ａ）を参照）。

【００６０】また、図４におけるα−Ｔａの（１１０）
面は、α−Ｔａ膜の表面に対して垂直な面であって、α
−Ｔａ膜の表面に平行な面も（１１０）面となる（図５
（ｂ）を参照）。

【００６１】尚、α−Ｔａは立方晶の結晶構造を有する
ため、膜表面を垂直な方向から見ても平行な方向から見
ても、（１１０）面が現われるが、β−Ｔａは正方晶の
結晶構造を有するため、膜表面を垂直な方向から見る場
合と平行な方向から見る場合とでは、現われる面が異な
るのである。

【００６２】従って、図４に示したＸ線回折パターンか
ら、α−Ｔａは膜表面に対して垂直な軸である＜１１０
＞軸の成分が多く、β−Ｔａは膜表面に対して垂直な軸
である＜００１＞の成分が多いことが分かる。

【００６３】ところで、β−Ｔａはα−Ｔａと比べて最
表面の原子の密度が低い。また、バリア層の上に成膜さ
れる銅膜は面心立方構造（ｆｃｃ構造）である。ｆｃｃ
構造では（１１１）面が最も原子密度の高い面であるか
ら、銅膜の（１１１）面がバリア層の表面と平行になる
ことがエネルギー的に安定である。

【００６４】銅膜の（１１１）面をα−Ｔａ膜の上に積
み上げていく場合、α−Ｔａ膜の（１１０）面の上では
Ｔａ原子の原子間隔はＣｕ原子の原子間隔よりも小さい
ため、Ｃｕ原子から見れば、α−Ｔａ（１１０）面は平
坦性が悪く感じられる。すなわち、Ｃｕ膜の（１１１）
面はα−Ｔａ膜の（１１０）面の上においては膜表面と
平行に整然と積み上がらないと考えられる。

【００６５】これに対して、Ｔａ原子の間隔は、β−Ｔ
ａ膜の（００１）面の上ではα−Ｔａ膜の（１１０）面
の上に比べてかなり大きいため、Ｃｕ原子は自由につま
り最も自然な状態で積み上がると考えられる。

【００６６】図６は、Ｃｕ膜をα−Ｔａ膜及びβ−Ｔａ
膜の上に成膜した場合における、Ｃｕ膜の（１１１）面
の配向性を評価した結果を示している。下地膜がβ−Ｔ
ａ膜であるときのロッキングカーブの半値幅は、下地膜
がα−Ｔａ膜であるときのロッキングカーブの半値幅に
比べて小さい。すなわち、下地膜がβ−Ｔａ膜であると
きの方が下地膜がα−Ｔａ膜であるときに比べてＣｕ膜
の（１１１）面の配向性が高いことが分かる。

【００６７】従って、バリア層となるβ−Ｔａ膜をその
（００１）面が膜表面と平行になるように成膜すること
により、バリア層の上に成膜されるＣｕ膜の（１１１）
面の配向性を高くすることができ、これによって、Ｃｕ
膜を主体とする配線の信頼性を向上させることができ
る。

【００６８】尚、第１の実施形態においては、バリア層
として、β−Ｔａ膜の単層を用いたが、これに代えて、
下層のＴａＮ膜と上層のβ−Ｔａ膜との積層膜を用いて
もよい。このようにすると、下層のＴａＮ膜によりバリ
ア性が向上すると共に、上層のβ−Ｔａ膜により密着性
が向上する。

【００６９】（第２の実施形態）以下、本発明の第２の
実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について、
図７（ａ）、（ｂ）及び図８（ａ）、（ｂ）を参照しな
がら説明する。

【００７０】まず、図７（ａ）に示すように、シリコン
よりなる半導体基板２００の上に、ＦＳＧ（F-doped Si
licate Glass）膜よりなり配線溝を有する絶縁膜２０１
を形成した後、該絶縁膜２０１の配線溝の底面及び壁面
に、第１の窒化タンタル膜２０２及びβ構造の結晶構造
を有する第１のβ−タンタル膜２０３からなるバリア層
を形成する。次に、第１のβ−タンタル膜２０３の上に
第１の銅シード層２０４を形成した後、電解メッキ法に
より第１の銅シード層２０４を成長させて第１の銅メッ
キ層２０５を形成する。これにより、第１の銅シード層
２０４及び第１の銅メッキ層２０５よりなる下層配線が
得られる。

【００７１】次に、下層配線及び絶縁膜２０１の上に、
密着層となる第１のシリコン窒化膜２０６及びＦＳＧ膜
よりなる第１の層間絶縁膜２０７を順次堆積した後、第
１の層間絶縁膜２０７及び第１のシリコン窒化膜２０６
にヴィアホール２０８を形成する。次に、第１の層間絶
縁膜２０７の上に、ＦＳＧ膜よりなる第２の層間絶縁膜
２０９と反射防止膜となる第２のシリコン酸窒化膜２１
０とを順次形成した後、第２のシリコン酸窒化膜２１０
をマスクにして第２の層間絶縁膜２０９にエッチングを
行なって配線溝２１１を形成する。

【００７２】次に、図７（ｂ）に示すように、反応性ス
パッタ法により、ヴィアホール２０８及び配線溝２１１
の底面及び壁面に、下層の第２の窒化タンタル膜２１２
とβ構造の結晶構造を有する上層の第２のβ−タンタル
膜２１３との積層膜よりなるバリア層を形成する。

【００７３】この場合、チャンバー内における窒素ガス
の分圧比（窒素ガス／（窒素ガス＋アルゴンガス））を
３０％以下に設定した状態で反応性スパッタ法を行なう
ことにより、タンタルと窒素との原子数比（窒素の原子
数／タンタルの原子数）が４０％以下である第２の窒化
タンタル膜２１２を堆積する。このように、第２の窒化
タンタル膜２１２におけるタンタルと窒素との原子数比
を４０％以下にすると、次にタンタルよりなるターゲッ
トを用いる反応性スパッタ法を行なうことにより、第２
の窒化タンタル膜２１２の上にβ構造を有する第２のβ
−タンタル膜２１３を安定して堆積することができる。

【００７４】次に、バリア層となる第２のβ−タンタル
膜２１３の上に第２の銅シード層２１４を形成した後、
図８（ａ）に示すように、電解メッキ法により第２の銅
シード層２１４を成長させて第２の銅メッキ層２１５を
形成し、その後、１５０℃の温度下で６０分の熱処理を
施して、第２の銅シード層２１４及び第２の銅メッキ層
２１５の結晶構造を向上させる。

【００７５】次に、図８（ｂ）に示すように、ＣＭＰ法
により、第２の窒化タンタル膜２１２、第２のβ−タン
タル膜２１３、第２の銅シード層２１４及び第２の銅メ
ッキ層２１５よりなる積層膜における第２のシリコン酸
窒化膜２１０の上に存在する部分を除去して、第２の銅
シード層２１４及び第２の銅メッキ層２１５よりなるプ
ラグ２１６及び上層配線２１７を形成する。

【００７６】第２の実施形態によると、第２の銅シード
層２１４及び第２の銅メッキ層２１５はバリア層を構成
するβ構造を有する第２のβ−タンタル膜２１３の上に
形成されているため、第２の銅シード層２１４及び第２
の銅メッキ層２１５は、（１１１）面に高く配向してい
ると共に大きなグレインサイズを有している。従って、
その後に熱処理が施されても、第２の銅シード層２１４
及び第２の銅メッキ層２１５が凝集しないので、第２の
β−タンタル膜２１３と第２の銅シード層２１４及び第
２の銅メッキ層２１５との密着性が良好となり、図１０
（ｂ）に示したボイド２６は形成されなかった。

【００７７】また、第２の銅シード層２１４及び第２の
銅メッキ層２１５が大きなグレインサイズを有している
ため、上層配線２１７のエレクトロマイグレーション耐
性が向上し、これにより、上層配線２１７の断線を防止
することができる。

【００７８】また、第２の実施形態においては、第１の
層間絶縁膜２０７及び第２の層間絶縁膜２０９として比
誘電率が低いＦＳＧ膜を用いているため、該ＦＳＧ膜と
タンタル膜とが直接に接すると、熱処理中にフッ化タン
タルが形成されて、抵抗率及び腐食性が高くなる恐れが
ある。そこで、第２の実施形態においては、第１及び第
２の層間絶縁膜２０７、２０９と第２の銅シード層２１
４との間に介在するバリア層を、下層の第２の窒化タン
タル膜２１２と上層の第２のβ−タンタル膜２１３との
積層膜にしている。

【００７９】このため、ＦＳＧ膜である第１及び第２の
層間絶縁膜２０７、２０９と第２のβ−タンタル膜２１
３とが直接に接しないので、熱処理中にフッ化タンタル
が形成される事態が防止される。

【００８０】尚、第１及び第２の実施形態においては、
β構造を有するタンタル膜の上に堆積される導電膜とし
ては、銅膜であったが、これに代えて、アルミニウム
膜、銀膜、金膜、タングステン膜又はチタン膜等のよう
に優先配向面が現われる導電膜を広く用いることができ
る。

【００８１】また、第１及び第２の実施形態において
は、銅膜を凹部に埋め込んで、プラグ又は配線を形成す
る場合について説明したが、本発明は、プラグ若しくは
ゲート電極等の電極、又は埋め込み配線若しくはパター
ン化された配線などに広く適用することができる。尚、
本発明がゲート電極に適用される場合には、ゲート電極
は、第１の導電膜と、該導電膜の上に形成されるバリア
層と、該バリア層の上に形成される第２の導電膜とから
構成され、バリア層にβ−タンタル膜が用いられる。

【００８２】

【発明の効果】本発明に係る半導体装置及びその製造方
法によると、導電膜は、結晶構造がβ構造であるタンタ
ル膜よりなるバリア層の上に形成されているため、導電
膜を構成する結晶の優先配向面が、バリア層の表面と対
向する面に強く現われるので、バリア層と導電膜との密
着性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）及び（ｂ）は、第１の実施形態に係る半
導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。

【図２】（ａ）及び（ｂ）は、第１の実施形態に係る半
導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。

【図３】（ａ）及び（ｂ）は窒化タンタル膜の上に銅膜
を堆積した後に熱処理を施したときの状態を示す図であ
り、（ｃ）及び（ｄ）はα構造を有するタンタル膜の上
に銅膜を堆積した後に熱処理を施したときの状態を示す
図であり、（ｅ）及び（ｆ）はβ構造を有するタンタル
膜の上に銅膜を堆積した後に熱処理を施したときの状態
を示す図である。

【図４】インプレーン型のＸ線回折装置を用いて測定し
たα構造又はβ構造を有するタンタル膜の回折パターン
を示す図である。

【図５】（ａ）はβ構造を有するタンタル膜の結晶の配
向性を示す図であり、（ｂ）はα構造を有するタンタル
膜の結晶の配向性を示す図である。

【図６】α−Ｔａ膜及びβ−Ｔａ膜の上に堆積された銅
膜の（１１１）面の配向性を評価した結果を示す図であ
る。

【図７】（ａ）及び（ｂ）は、第２の実施形態に係る半
導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。

【図８】（ａ）及び（ｂ）は、第２の実施形態に係る半
導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。

【図９】（ａ）及び（ｂ）は、従来の半導体装置の製造
方法の各工程を示す断面図である。

【図１０】（ａ）及び（ｂ）は、従来の半導体装置の製
造方法の各工程を示す断面図である。

【符号の説明】

１００ 半導体基板 １０１ 絶縁膜 １０２ 第１のβ−タンタル膜 １０３ 第１の銅シード層 １０４ 第１の銅メッキ層 １０５ 第１のシリコン窒化膜 １０６ 第１の層間絶縁膜 １０７ ヴィアホール １０８ 第２の層間絶縁膜 １０９ 第２のシリコン窒化膜 １１０ 配線溝 １１１ 第２のβ−タンタル膜 １１２ 第２の銅シード層 １１３ 第２の銅メッキ層 １１４ プラグ １１５ 上層配線 ２００ 半導体基板 ２０１ 絶縁膜 ２０２ 第１の窒化タンタル膜 ２０３ 第１のβ−タンタル膜 ２０４ 第１の銅シード層 ２０５ 第１の銅メッキ層 ２０６ 第１のシリコン窒化膜 ２０７ 第１の層間絶縁膜 ２０８ ヴィアホール ２０９ 第２の層間絶縁膜 ２１０ 第２のシリコン窒化膜 ２１１ 配線溝 ２１２ 第２の窒化タンタル膜 ２１３ 第２のβ−タンタル膜 ２１４ 第２の銅シード層 ２１５ 第２の銅メッキ層 ２１６ プラグ ２１７ 上層配線

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１３年１０月２９日（２００１．１０．
２９）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００５

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００５】次に、下層配線及び絶縁膜１１の上に、密
着層となるシリコン窒化膜１５と、第１の層間絶縁膜１
６とを順次堆積した後、第１の層間絶縁膜１６及びシリ
コン窒化膜１５にヴィアホール１７を形成する。次に、
第１の層間絶縁膜１６の上に、第２の層間絶縁膜１８と
反射防止膜となるシリコン酸窒化膜１９とを形成した
後、シリコン酸窒化膜１９をマスクにして第２の層間絶
縁膜１８に対してエッチングを行なって配線溝２０を形
成する。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００７】次に、図１０（ａ）に示すように、電解メ
ッキ法により第２の銅シード層２２を成長させて第２の
銅メッキ層２３を形成した後、化学的機械研磨（ＣＭ
Ｐ）法により、第２の窒化タンタル膜２１、第２の銅シ
ード層２２及び第２の銅メッキ層２３におけるシリコン
酸窒化膜１９の上に存在する部分を除去して、第２の銅
シード層２２及び第２の銅メッキ層２３よりなるプラグ
２４及び上層配線２５を形成する。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４１】次に、下層配線及び絶縁膜１０１の上に、
密着層となるシリコン窒化膜１０５とシリコン酸化膜よ
りなる第１の層間絶縁膜１０６とを順次堆積した後、第
１の層間絶縁膜１０６及びシリコン窒化膜１０５にヴィ
アホール１０７を形成する。次に、第１の層間絶縁膜１
０６の上に、シリコン酸化膜よりなる第２の層間絶縁膜
１０８と反射防止膜となるシリコン酸窒化膜１０９とを
順次形成した後、シリコン酸窒化膜１０９をマスクにし
て第２の層間絶縁膜１０８に対してエッチングを行なっ
て配線溝１１０を形成する。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４４】次に、図２（ｂ）に示すように、ＣＭＰ法
により、第２の窒化タンタル膜１１１、第２の銅シード
層１１２及び第２の銅メッキ層１１３よりなる積層膜に
おけるシリコン酸窒化膜１０９の上に存在する部分を除
去して、第２の銅シード層１１２及び第２の銅メッキ層
１１３よりなるプラグ１１４及び上層配線１１５を形成
する。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００７１】次に、下層配線及び絶縁膜２０１の上に、
密着層となるシリコン窒化膜２０６及びＦＳＧ膜よりな
る第１の層間絶縁膜２０７を順次堆積した後、第１の層
間絶縁膜２０７及びシリコン窒化膜２０６にヴィアホー
ル２０８を形成する。次に、第１の層間絶縁膜２０７の
上に、ＦＳＧ膜よりなる第２の層間絶縁膜２０９と反射
防止膜となるシリコン酸窒化膜２１０とを順次形成した
後、シリコン酸窒化膜２１０をマスクにして第２の層間
絶縁膜２０９にエッチングを行なって配線溝２１１を形
成する。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００７５】次に、図８（ｂ）に示すように、ＣＭＰ法
により、第２の窒化タンタル膜２１２、第２のβ−タン
タル膜２１３、第２の銅シード層２１４及び第２の銅メ
ッキ層２１５よりなる積層膜におけるシリコン酸窒化膜
２１０の上に存在する部分を除去して、第２の銅シード
層２１４及び第２の銅メッキ層２１５よりなるプラグ２
１６及び上層配線２１７を形成する。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】符号の説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【符号の説明】 １００ 半導体基板 １０１ 絶縁膜 １０２ 第１のβ−タンタル膜 １０３ 第１の銅シード層 １０４ 第１の銅メッキ層 １０５ シリコン窒化膜 １０６ 第１の層間絶縁膜 １０７ ヴィアホール １０８ 第２の層間絶縁膜 １０９ シリコン酸窒化膜 １１０ 配線溝 １１１ 第２のβ−タンタル膜 １１２ 第２の銅シード層 １１３ 第２の銅メッキ層 １１４ プラグ １１５ 上層配線 ２００ 半導体基板 ２０１ 絶縁膜 ２０２ 第１の窒化タンタル膜 ２０３ 第１のβ−タンタル膜 ２０４ 第１の銅シード層 ２０５ 第１の銅メッキ層 ２０６ シリコン窒化膜 ２０７ 第１の層間絶縁膜 ２０８ ヴィアホール ２０９ 第２の層間絶縁膜 ２１０ シリコン酸窒化膜 ２１１ 配線溝 ２１２ 第２の窒化タンタル膜 ２１３ 第２のβ−タンタル膜 ２１４ 第２の銅シード層 ２１５ 第２の銅メッキ層 ２１６ プラグ ２１７ 上層配線 ─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１３年１１月２６日（２００１．１１．
２６）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【請求項１】 半導体基板上に設けられた絶縁性又は導
電性の膜の上に形成されたバリア層と、 前記バリア層の上に形成された導電膜からなる電極又は
配線とを備え、 前記バリア層の上面の原子間隔と、前記導電膜の下面の
原子間隔とはほぼ等しいことを特徴とする半導体装置。

【請求項２】 前記バリア層は正方晶の結晶構造を有
し、且つ前記バリア層の上面は（００１）面に配向して
おり、 前記導電膜は面心立方格子の結晶構造を有し、且つ前記
導電膜の下面は（１１１）面に配向していることを特徴
とする請求項１に記載の半導体装置。

【請求項３】 半導体基板上に設けられた絶縁性又は導
電性の膜の上に形成されたバリア層と、 前記バリア層の上に形成された導電膜からなる電極又は
配線とを備え、 前記バリア層は、結晶構造がβ構造であるタンタル膜を
有していることを特徴とする半導体装置。

【請求項４】 前記バリア層は、下層の第１のバリア層
と上層の第２のバリア層との積層膜よりなり、 前記第１のバリア層は窒化物膜よりなり、 前記第２のバリア層は結晶構造がβ構造であるタンタル
膜よりなることを特徴とする請求項３に記載の半導体装
置。

【請求項５】 前記第１のバリア層は窒化タンタル膜で
あり、 前記導電膜は銅膜であることを特徴とする請求項４に記
載の半導体装置。

【請求項６】 前記銅膜は（１１１）面に配向している
ことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。

【請求項７】 前記窒化タンタル膜中における（窒素の
原子数）／（タンタルの原子数）の値は０．４以下であ
ることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。

【請求項８】 前記絶縁性又は導電性の膜は、フッ素成
分を含む絶縁膜であることを特徴とする請求項４又は５
に記載の半導体装置。

【請求項９】 前記絶縁性又は導電性の膜は絶縁膜であ
り、 前記バリア層は、前記絶縁膜に形成された凹部の底面及
び壁面に形成されており、 前記導電膜は、前記凹部における前記バリア層の上に埋
め込まれたプラグ又は埋め込み配線であることを特徴と
する請求項３に記載の半導体装置。

【請求項１０】 半導体基板上の絶縁性又は導電性の膜
の上にバリア層を形成する工程と、 前記バリア層の上に導電膜からなる電極又は配線を形成
する工程とを備え、 前記バリア層の上面の原子間隔と、前記導電膜の下面の
原子間隔とはほぼ等しいことを特徴とする半導体装置の
製造方法。

【請求項１１】 前記バリア層は正方晶の結晶構造を有
し、且つ前記バリア層の上面は（００１）面に配向して
おり、 前記導電膜は面心立方格子の結晶構造を有し、且つ前記
導電膜の下面は（１１１）面に配向していることを特徴
とする請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項１２】 半導体基板上の絶縁性又は導電性の膜
の上にバリア層を形成する工程と、 前記バリア層の上に導電膜からなる電極又は配線を形成
する工程とを備え、 前記バリア層は、結晶構造がβ構造であるタンタル膜を
有していることを特徴とする半導体装置の製造方法。

【請求項１３】 前記バリア層は、下層の第１のバリア
層と上層の第２のバリア層との積層膜よりなり、 前記第１のバリア層は窒化物膜よりなり、 前記第２のバリア層は結晶構造がβ構造であるタンタル
膜よりなることを特徴とする請求項１２に記載の半導体
装置の製造方法。

【請求項１４】 前記第１のバリア層は窒化タンタル膜
であり、 前記導電膜は銅膜であることを特徴とする請求項１３に
記載の半導体装置の製造方法。

【請求項１５】 前記銅膜は（１１１）面に配向してい
ることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の製
造方法。

【請求項１６】 前記窒化タンタル膜中における（窒素
の原子数）／（タンタルの原子数）の値は０．４以下で
あることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の
製造方法。

【請求項１７】 前記絶縁性又は導電性の膜は、フッ素
成分を含む絶縁膜であることを特徴とする請求項１３又
は１４に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項１８】 前記絶縁性又は導電性の膜は絶縁膜で
あり、 前記バリア層は、前記絶縁膜に形成された凹部の底面及
び壁面に形成されており、 前記導電膜は、前記凹部における前記バリア層の上に埋
め込まれたプラグ又は埋め込み配線であることを特徴と
する請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。 ─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１４年１０月２１日（２００２．１０．
２１）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【請求項２】 半導体基板の上に形成された絶縁膜と、 前記絶縁膜に形成された下層配線と、 前記下層配線の上に形成された前記絶縁膜中のヴィアホ
ールと、 前記絶縁膜に形成され、かつ前記ヴィアホール上に位置
する配線溝と、 前記ヴィアホール中の導電体膜からなるプラグと、 前記配線溝に埋め込まれた上層配線とを備え、 前記絶縁膜と前記プラグ、前記絶縁膜と前記上層配線お
よび前記プラグと前記下層配線との間にバリア層を有
し、 前記導電体膜は、銅、アルミニウム又は銀の何れか１つ
からなり、 前記バリア層は、下層の第１のバリア層と上層の第２の
バリア層との積層膜よりなり、 前記第１のバリア層は窒化タンタル膜よりなり、 前記第２のバリア層は結晶構造がβ構造であるタンタル
膜（窒素含有タンタル膜を除く）よりなることを特徴と
する 半導体装置。

【請求項７】 前記導電体膜は銅膜であることを特徴と
する請求項１〜請求項６の何れか１つに記載の半導体装
置。

【請求項８】 前記銅膜は（１１１）面に配向している
ことを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。

【請求項９】 前記窒化タンタル膜中における（窒素の
原子数）／（タンタルの原子数）の値は０．４以下であ
ることを特徴とする請求項１〜請求項８の何れか１つに
記載の半導体装置。

【請求項１０】 前記第１の層間絶縁膜又は前記第２の
層間絶縁膜は、フッ素成分を含む絶縁膜であることを特
徴とする請求項３〜請求項９の何れか１つに記載の半導
体装置。

【請求項１５】 前記窒化タンタル膜中における（窒素
の原子数）／（タンタルの原子数）の値は０．４以下で
あることを特徴とする請求項１２〜請求項１４の何れか
１つに記載の半導体装置の製造方法。

【請求項１６】 前記導電体膜は銅膜であることを特徴
とする請求項１２〜請求項１５の何れか１つに記載の半
導体装置の製造方法。

【請求項１７】 前記銅膜は（１１１）面に配向してい
ることを特徴とする請求項１６に記載の半導体装置の製
造方法。

【請求項１９】 前記熱処理は１５０℃の温度下で行な
うことを特徴とする請求項１８に記載の半導体装置の製
造方法。

【請求項２０】 前記第１の層間絶縁膜又は前記第２の
層間絶縁膜は、フッ素成分を含む絶縁膜であることを特
徴とする請求項１２〜請求項１９の何れか１つに記載の
半導体装置の製造方法。

【請求項２１】 前記バリア層は、前記窒化タンタル膜
の上に前記β構造を有するタンタル膜を堆積した前記積
層膜であることを特徴とする請求項１２〜請求項２０の
何れか１つに記載の半導体装置の製造方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 原田 剛史 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 池田 敦 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 杉原 康平 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 4K029 AA06 BA16 BA58 BB02 BD01 CA05 5F033 HH08 HH11 HH13 HH14 HH18 HH19 HH21 HH32 JJ08 JJ11 JJ13 JJ14 JJ18 JJ19 JJ21 JJ32 KK08 KK11 KK13 KK14 KK18 KK19 KK21 LL06 LL08 MM02 MM08 MM12 MM13 NN06 NN07 PP15 PP16 PP27 QQ04 QQ09 QQ37 QQ48 QQ74 RR04 RR06 RR08 RR11 VV06 WW00 XX05 XX12 XX24

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に設けられた絶縁性又は導
   電性の膜の上に形成されたバリア層と、 前記バリア層の上に形成された導電膜からなる電極又は
   配線とを備え、 前記バリア層は、結晶構造がβ構造であるタンタル膜を
   有していることを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 前記バリア層は、下層の第１のバリア層
   と上層の第２のバリア層との積層膜よりなり、 前記第１のバリア層は窒化物膜よりなり、 前記第２のバリア層は結晶構造がβ構造であるタンタル
   膜よりなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装
   置。
3. 【請求項３】 前記第１のバリア層は窒化タンタル膜で
   あり、 前記導電膜は銅膜であることを特徴とする請求項２に記
   載の半導体装置。
4. 【請求項４】 前記銅膜は（１１１）面に配向している
   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】 前記窒化タンタル膜中における（窒素の
   原子数）／（タンタルの原子数）の値は０．４以下であ
   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】 前記絶縁性又は導電性の膜は、フッ素成
   分を含む絶縁膜であることを特徴とする請求項２又は３
   に記載の半導体装置。
7. 【請求項７】 前記絶縁性又は導電性の膜は絶縁膜であ
   り、 前記バリア層は、前記絶縁膜に形成された凹部の底面及
   び壁面に形成されており、 前記導電膜は、前記凹部における前記バリア層の上に埋
   め込まれたプラグ又は埋め込み配線であることを特徴と
   する請求項１に記載の半導体装置。
8. 【請求項８】 半導体基板上の絶縁性又は導電性の膜の
   上にバリア層を形成する工程と、 前記バリア層の上に導電膜からなる電極又は配線を形成
   する工程とを備え、 前記バリア層は、結晶構造がβ構造であるタンタル膜を
   有していることを特徴とする半導体装置の製造方法。
9. 【請求項９】 前記バリア層は、下層の第１のバリア層
   と上層の第２のバリア層との積層膜よりなり、 前記第１のバリア層は窒化物膜よりなり、 前記第２のバリア層は結晶構造がβ構造であるタンタル
   膜よりなることを特徴とする請求項８に記載の半導体装
   置の製造方法。
10. 【請求項１０】 前記第１のバリア層は窒化タンタル膜
    であり、 前記導電膜は銅膜であることを特徴とする請求項９に記
    載の半導体装置の製造方法。
11. 【請求項１１】 前記銅膜は（１１１）面に配向してい
    ることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置の製
    造方法。
12. 【請求項１２】 前記窒化タンタル膜中における（窒素
    の原子数）／（タンタルの原子数）の値は０．４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の
    製造方法。
13. 【請求項１３】 前記絶縁性又は導電性の膜は、フッ素
    成分を含む絶縁膜であることを特徴とする請求項９又は
    １０に記載の半導体装置の製造方法。
14. 【請求項１４】 前記絶縁性又は導電性の膜は絶縁膜で
    あり、 前記バリア層は、前記絶縁膜に形成された凹部の底面及
    び壁面に形成されており、 前記導電膜は、前記凹部における前記バリア層の上に埋
    め込まれたプラグ又は埋め込み配線であることを特徴と
    する請求項８に記載の半導体装置の製造方法。