JP2007250624A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】銅拡散防止能力に優れ、且つ、銅配線との密着性が良好なバリアメタル膜を形成することができる半導体装置の製造方法を提供すること。
【解決手段】第４の層間絶縁膜１６の上面とビアホール１６ａの内面に、希ガスと窒素ガスとの混合ガスを使用する反応性スパッタ法により、チタン族元素の窒化物よりなるバリアメタル膜１８を形成する工程を有し、バリアメタル膜１８を形成する工程が第１スパッタ工程と第２スパッタ工程とを含み、該第２スパッタ工程において、上記混合ガス中における窒素ガスの流量比を第１スパッタ工程におけるよりも低くする共に、第１スパッタ工程で形成されたビアホール１６ａ底部のバリアメタル膜１８を薄膜化する半導体装置の製造方法による。
【選択図】図６

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置の高集積化とチップサイズの縮小化に伴い、配線の微細化及び多層配線化が加速的に進められている。こうした多層配線構造を有するロジックデバイスでは、配線抵抗を低減するために、低抵抗金属である銅を材料として配線を形成することが実用化されている。

銅膜はアルミニウム膜に比べてパターニングするのが非常に困難であるため、銅膜のパターニングにより銅配線を形成するは極めて難しい。そこで、通常は、絶縁膜のビアホールや溝に銅膜を埋め込んで銅配線を形成するダマシン法を採用することになる。ダマシン法は、シングルダマシン法とデュアルダマシン法とに大別される。このうち、デュアルダマシン法では、配線溝とビアホールとを同時に絶縁膜に形成するので、工程数が少なくて済み、コストが安いという利点がある。

ダマシン法においては、銅が絶縁膜に拡散することにより発生する銅配線同士の短絡を防ぐべく、銅配線を形成する前に、ビアホールと溝の中にバリアメタル膜を形成するのが普通である。

特許文献１に開示されるように、そのバリアメタル膜の構成材料としては、Ta、Ti、W、及びZrが使用されることが多い。

そして、特許文献１では、マルチステップスパッタ法によりカバレッジが良好なバリアメタル膜を形成している。そのマルチステップスパッタ法では、第１スパッタ工程でビアホールの底面にバリアメタル膜を厚く形成し、次いで第２スパッタ工程でその底面のバリアメタル膜をエッチングすることにより、ビアホールの底面のバリアメタルを側面に再付着させ、該側面でのバリアメタル膜を厚くしている。

その他に、本発明に関連する技術が特許文献２及び特許文献３にも開示されている。
特開２００４−１５３１６２号公報 特開２００３−１７４９６号公報 特開２００４−２８９１７４号公報

ところで、特許文献１が開示するバリアメタル膜の構成材料のうち、タンタルは抵抗が比較的高いため、ビアホール内に形成される銅プラグとその下の銅配線との間の接続抵抗が高くなるという不都合を招いてしまう。

一方、窒化ジルコニウムは、特許文献２が開示するように、絶縁膜の上では絶縁性を呈し、銅膜の上では導電性を呈するという特異な性質を有する。銅膜の上での窒化ジルコニウムの抵抗は既述のタンタルよりも低いので、接続抵抗を低くするという観点からすれば窒化ジルコニウム膜のようなチタン族元素の窒化膜をバリアメタル膜として採用するのが好ましい。

本発明の目的は、銅拡散防止能力に優れ、且つ、銅配線との密着性が良好なバリアメタル膜を形成することができる半導体装置の製造方法を提供することにある。

本発明の一観点によれば、半導体基板の上方に銅配線を形成し、該銅配線上に第１絶縁膜を形成する工程と、前記銅配線の上の前記第１絶縁膜にホールを形成する工程と、前記第１絶縁膜の上面と前記ホールの内面に、希ガスと窒素ガスとの混合ガスを使用する反応性スパッタ法により、チタン族元素の窒化物よりなるバリアメタル膜を形成する工程とを有し、前記バリアメタル膜を形成する工程が第１スパッタ工程と第２スパッタ工程とを含み、該第２スパッタ工程において、前記混合ガス中における前記窒素ガスの流量比を前記第１スパッタ工程におけるよりも低くする共に、前記第１スパッタ工程で形成された前記ホール底部のバリアメタル膜を薄膜化する半導体装置の製造方法が提供される。

本発明によれば、バリアメタル膜を形成するための第２スパッタ工程において、第１スパッタ工程で形成されたホール底部のバリアメタル膜を薄膜化する。その薄膜化は、例えば、第１スパッタ工程よりもエッチング要素の高い成膜条件を第２スパッタ工程で採用することにより、ホールの底面に形成されていたバリアメタル膜をエッチングしてホールの側面に再付着させ手行われる。これにより、該側面におけるバリアメタル膜の膜厚不足が補われ、バリアメタル膜の銅拡散防止能力が向上する。

しかも、その第２スパッタ工程において、第１スパッタ工程よりも窒素の流量比を低くするので、銅配線が窒化するのを防止しながら、銅との密着性が良いチタン族元素のイオンでホール底のエッチングを支配的に行うことができ、バリアメタル膜と銅配線との密着性を高められる。更に、第１スパッタ工程では、第２スパッタ工程と比べて窒素の流量比が高いので、窒素濃度が高く銅拡散防止能力に優れたバリアメタル膜をホールの側面に形成することができる。

その窒素の流量比は、第１スパッタ工程では５０％以上にし、第２スパッタ工程では５０％未満にするのが好ましい。本願発明者の調査結果によれば、窒素の流量比を５０％以上にすることで、バリアメタル膜の窒素濃度が飽和し、銅拡散防止能力に富んだバリアメタル膜を形成し得ることが明らかとなった。

また、第２スパッタ工程において採用されるエッチング要素の高い成膜条件は、ターゲットに印加される直流電力のパワーを第１スパッタ工程におけるよりも低くし、且つ半導体基板側に印加される高周波電力のパワーを第１スパッタ工程におけるよりも高くすることで得られる。

上記のように、本発明によれば、銅拡散防止能力に優れ、且つ、銅配線との密着性が良好なバリアメタル膜を形成することができる。

以下に、本発明を実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

（１）第１実施形態
図１は、本実施形態で使用される窒化ジルコニウム膜用のDCマグネトロンスパッタ装置の構成図である。

そのスパッタ装置は、チャンバ１００と、そのチャンバ１００にアルゴンガスと窒素ガスとを供給するためのガス供給ライン１００ａとを有する。なお、アルゴンガスに代えて他の希ガスをチャンバ１００に供給するようにしてもよい。

チャンバ１００の中には、シリコン（半導体）基板１が載せられるステージ１０１が設けられると共に、このステージ１０１に対向するようにZrターゲット１０４が配される。

このうち、ステージ１０１には、基板１側にバイアス電力を印加するための高周波(RF: Radio Frequency)電源１０５が設けられる。その高周波電源１０５において発生する高周波電力の周波数は特に限定されないが、本実施形態では１３．５６MHzとする。また、その高周波電力のパワーは可変である。なお、そのステージ１０１には、不図示のヒータが設けられており、そのヒータによってシリコン基板１を所定の温度に加熱することができる。

一方、Zrターゲット１０４には、パワーが可変な直流電源１０７が電気的に接続される。

更に、そのZrターゲット１０４の上方には、複数の磁石の集合体である磁石アセンブリ１０８が回転可能な状態で設けられる。そして、スパッタ粒子がチャンバ１００の内壁に再付着するのを防止するためのシールド１０９がチャンバ１００内に配される。

成膜に際しては、ガス供給ライン１００ａからチャンバ１００内にアルゴンガスと窒素ガスとが供給されると共に、不図示の排気ポンプに接続されたガス排出口１００ｂからガスが排気されてチャンバ１００内が所定の圧力に維持される。これと同時に、高周波電源１０５と直流電源１０７からチャンバ１００内の雰囲気に所定の電力が印加されて、反応性スパッタ法により窒化ジルコニウム膜が形成される。

本願発明者は、このようなスパッタ装置を用い、バリアメタル膜として供せられる窒化ジルコニウム膜の最適な成膜条件を以下のようにして求めた。

図２は、成膜条件を様々に振って得られた窒化ジルコニウム膜のシート抵抗を表す図である。この調査では、成膜圧力、N₂流量比、直流電源１０７のパワー等の成膜条件を図示のように変化させた。なお、このうちN₂流量比とは、アルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスの全流量に占める窒素ガスの流量の割合のことである。

更に、この調査においては、窒化ジルコニウム膜のシート抵抗の下地依存性を調べるために、サンプル１〜５では熱酸化膜（絶縁膜）の上に窒化ジルコニウム膜を形成し、サンプル６〜９では銅膜の上に窒化ジルコニウム膜を形成した。

図２に示されるように、熱酸化膜の上に窒化ジルコニウム膜を形成したサンプル１〜５では、シート抵抗が非常に高く、窒化ジルコニウム膜が実質的に絶縁膜となっている。更に、そのシート抵抗は、N₂流量比が高くなるほど増大する。

一方、銅膜の上に窒化ジルコニウム膜を形成したサンプル６〜９では、シート抵抗はN₂流量比に依らずほぼ一定であり、低抵抗の導電体となっている。

このように、N₂流量比は、熱酸化膜等の絶縁膜上における窒化ジルコニウム膜のシート抵抗に大きな影響を与える一方、銅膜の上でのシート抵抗には影響を殆ど与えないことが明らかになった。

図３は、図２におけるサンプル１〜５の窒化ジルコニウム膜の窒素濃度を調査して得られたグラフである。

図３に示されるように、N₂流量比の百分率が５０％以上になると、窒化ジルコニウム膜の窒素濃度が飽和する。そして、N₂流量比の百分率が６０％を超えると、その窒素濃度は減少傾向に転じる。

銅に対する窒化ジルコニウム膜の拡散防止能力は膜中の窒素濃度が高いほど向上するので、図３の結果から、N₂流量比の百分率を５０％以上にして窒化ジルコニウム膜を形成することにより、銅拡散防止能力に優れた窒化ジルコニウムよりなるバリアメタル膜が形成され得ることが明らかとなった。更に、既述の図２によれば、銅膜の上での窒化ジルコニウム膜のシート抵抗がN₂流量比に依存しないので、N₂流量比の百分率を５０％以上にしても、窒化ジルコニウム膜によって銅プラグと銅配線との接続抵抗が上昇することも無い。

なお、上記では窒化ジルコニウム膜について詳述したが、ジルコニウムと同じチタン族元素であるチタンやハフニウムもジルコニウムに類似の化学的性質を有する。よって、これらの窒化膜を形成する場合にも、N₂流量比の百分率を５０％以上にすることで、バリア性が高い膜が形成されると期待できる。

（２）第２実施形態
本実施形態では、第１実施形態で説明した窒化ジルコニウム膜を、ダマシンプロセスのバリアメタル膜に適用する。

図４〜図７は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図である。

まず、図４（ａ）に示す断面構造について説明する。

ｐ型のシリコン基板１の上には、能動素子領域を囲む素子分離絶縁層２が形成されている。その能動素子領域にはＭＯＳトランジスタ３が形成されている。ＭＯＳトランジスタ３は、シリコン基板１上にゲート絶縁膜３ａを介して形成されたゲート電極３ｂと、ゲート電極３ｂの両側のシリコン基板１内に形成されたLDD(Lightly Doped Drain)構造の第１、第２のｎ型不純物拡散層３ｃ、３ｄを有している。また、ゲート電極３ｂの側面には絶縁性サイドウォール３ｅが形成されている。

シリコン基板１上には、ＭＯＳトランジスタ３を覆う酸化シリコン（SiO₂）よりなる第１の層間絶縁膜４が形成されている。第１の層間絶縁膜４のうち、第１のｎ型不純物拡散層３ｃと第２のｎ型不純物拡散層３ｄの上にはそれぞれ第１のコンタクトホール４ａと第２のコンタクトホール４ｂが形成されている。

第１及び第２のコンタクトホール４ａ、４ｂ内には、それぞれ第１の導電性プラグ５ａと第２の導電性プラグ５ｂが埋め込まれている。第１及び第２の導電性プラグ５ａ、５ｂは、それぞれ窒化チタン膜とタングステン膜の二層構造を有している。

第１の層間絶縁膜４の上には、第２の導電性プラグ５ｂに接続されるアルミニウムよりなる一層目配線７が形成されている。また、第１の層間絶縁膜４と一層目配線７の上には、酸化シリコン、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ等のいずれかからなる第２の層間絶縁膜８が形成されている。第２の層間絶縁膜８のうち第１の導電性プラグ５ａの上には、コンタクトホール８ａが形成され、その中には窒化チタン膜とタングステン膜の二層構造を有する第３の導電性プラグ９が埋め込まれている。

第２の層間絶縁膜８と第３の導電性プラグ９は、膜厚３５０nmの酸化シリコンよりなる第３の層間絶縁膜１０に覆われている。そして、第３の層間絶縁膜１０には第１の配線溝１０ａと第２の配線溝１０ｂが形成されている。

第１の配線溝１０ａは、その一部が第３の導電性プラグ９に重なる形状を有している。第１の配線溝１０ａの中にはタンタル、窒化タンタル、窒化チタンなどのバリアメタル膜１１ａと銅層１１ｂからなる多層構造を有する第１の銅配線１２ａが形成されている。また、第２の配線溝１０ｂ内には、第１の銅配線１２ａと同じ層構造を有する第２の銅配線１２ｂが形成されている。

次に、図４（ｂ）に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。

まず、銅配線１２ａ、１２ｂと第３の層間絶縁膜１０の上に、銅配線１２ａ、１２ｂの酸化や腐食を防ぐため、CVD法によりキャップ層１５としてSiC膜を厚さ約１０nmに形成する。

そして、このキャップ層１５の上に、厚さ約１００nmの酸化シリコンよりなる第４の層間絶縁膜１６と厚さ約１０nmのSiCよりなるハードマスク層１７とをCVD法によりこの順に形成する。なお、第４の層間絶縁膜１６としては、有機若しくは無機の低誘電率材料よりなる膜を形成してもよい。

次いで、パターニングによりハードマスク層１７に開口を形成した後、その開口を通じて第１、第２の銅配線１２ａ、１２ｂ上の第４の層間絶縁膜１６をエッチングし、直径が０．１μmの第１、及び第２のビアホール１６ａ、１６ｂを形成する。そのエッチングでは、キャップ層１５がエッチングストッパとして機能する。その後に、第１、及び第２のビアホール１６ａ、１６ｂの下のキャップ層１５をエッチングにより除去し、第１、第２の銅配線１２ａ、１２ｂを各ビアホール１６ａ、１６ｂから露出させる。

次に、図５（ａ）に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。この工程は、バリアメタル膜１８を形成するためのマルチステップスパッタ法のうちの第１スパッタ工程である。

まず、図１で説明したチャンバ１００のステージ１０１上に図４（ｂ）の断面構造を有するシリコン基板１を載せる。そして、ガス供給ライン１００ａからチャンバ１００内にArガスと窒素ガスとを供給すると共に、ガス排出口１００ｂからチャンバ１００内のガスを排気し、チャンバ１００内の圧力を約５×１０^-2Pa程度に安定させる。

このとき、全ガスに対する窒素ガスの流量比は、形成される窒化ジルコニウム膜の窒素濃度が高濃度となる流量、すなわち図３に示したように５０％以上とする。なお、このときシリコン基板１は約２００℃に加熱された状態となっている。

そして、直流電源１０７からZrターゲット１０４に１０〜１５kWの直流電力を印加するのと同時に、高周波電源１０５からステージ１０１に０〜３００Wの高周波電力を印加してチャンバ１００内の雰囲気をプラズマ化し、Zrターゲット１０４のスパッタを開始する。

そして、このような状態を約１５秒間維持することにより、図５に示されるように、第１、第２のビアホール１６ａ、１６ｂの内面とハードマスク層１７の上面に、バリアメタル膜１８として窒化ジルコニウム膜が反応性スパッタ法により形成されることになる。

窒素の流量比を５０％以上とする反応性スパッタ法により形成される窒化ジルコニウム膜は、図３に示したように窒素濃度が高くなる。よって、このようにして形成されたバリアメタル膜１８は、窒素濃度が高く銅に対するバリア性が良好な膜となる。

また、図２に示したように、第１、第２の銅配線１１ｂ、１２ｂ上に形成された窒化ジルコニウム膜のシート抵抗は窒素の流量比に殆ど依存しない。従って、上記のように窒素濃度の流量比を高めても、第１の銅配線１２ａ上のバリアメタル膜１８は低抵抗に形成される。

ところで、この工程を終了した直後では、図５の点線円内に示されるように、バリアメタル膜１８の膜厚は第１のビアホール１６ａの底面で厚く、且つホール１６ａの側面で薄くなっている。これは、既述した直流電源１０７と高周波電源１０５のパワーでは、バリアメタル膜１８のカバレッジが悪くなるためである。このようにビアホール１６ａの側面においてバリアメタル膜１８の膜厚が薄いと、上記のようにバリアメタル膜１８自身のバリア性が良好であっても、ビアホール１６ａ内に後で埋め込まれる銅が第４層間絶縁膜１６に拡散し易くなる恐れがある。

そこで、次の第２スパッタ工程では、図６に示すように、チャンバ１００内の雰囲気を第１スパッタ工程よりもエッチング要素の高い成膜条件に変えると共に、窒素の流量比を低減し、第１のビアホール１６ａの底に厚く形成されていたバリアメタル膜１８をZrイオンでエッチングして薄膜化する。

これにより、同図の矢印Ａのように、エッチングされたバリアメタル膜１８が第１のビアホール１６ａの側面に再付着し、第１のビアホール１６ａの側面におけるバリアメタル膜１８が厚くなる。このようなビア底のエッチングは再スパッタリング(re-sputtering)とも呼ばれる。

このようなビア底の再スパッタリングを行うには、Zrターゲット１０４に印加される直流電源１０７のパワーを第１スパッタ工程におけるよりも低くし、且つ高周波電源１０５のパワーを第１スパッタ工程におけるよりも高くすればよい。各電源のパワーの一例は、直流電源１０７が０．５〜４kW、高周波電源１０５が２００〜４００Wである。

更に、この第２スパッタ工程では、第１スパッタ工程よりも窒素の流量比を低減したので、NイオンよりもZrイオンによる再スパッタリングが支配的となる。ジルコニウムは銅との密着性が良好なため、ビア底のバリアメタル膜１８に侵入したZrイオンによって、バリアメタル膜１８と第１の銅配線１２ａとの密着性が高められる。しかも、窒素の流量比が低いため、バリアメタル膜１８を突き抜けた窒素イオンによって第１の銅配線１２ａの表面に高抵抗の窒化層が形成されるのを抑止でき、第１のビアホール１６ａ内に後で形成される銅プラグと第１の銅配線１２ａとの接続抵抗が高くなるのも防止できる。

なお、この第２スパッタ工程では、基板温度を約２００℃にすると共に、チャンバ内の圧力を約５×１０^-2Pa程度とする。

以上により、バリアメタル膜１８を形成するための第１スパッタ工程（図５）と第２スパッタ工程（図６）とが終了したことになる。

これらのスパッタ工程を終了後のハードマスク層１７上でのバリアメタル膜１８の厚さは特に限定されないが、各ビアホール１６ａ、１６ｂの直径の１／２０以下、より好ましくは１／３０以下に形成するのが好ましく、本実施形態では５nm以下、より好ましくは３nm以下とする。

また、バリアメタル膜１８は窒化ジルコニウム膜に限定されず、チタンやハフニウム等のチタン族元素の窒化物よりなる膜をバリアメタル膜１８として形成してもよい。

続いて、図７（ａ）に示すように、バリアメタル膜１８の上に銅シード層２０をスパッタ法により４０〜２００nmの厚さに形成する。そのスパッタ法の条件は特に限定されないが、本実施形態では、Cuターゲットに印加される直流電力のパワーを５〜３０kW、ステージに印加される高周波電力のパワーを０〜４００W、スパッタガスであるArガスの流量を５〜５０sccmとする。

なお、既述のバリアメタル膜１８と同様に、２ステップのマルチスパッタ法で銅シード層２０を形成してもよい。

更に、Al、Ti、Zr、Ni、Ag、及びPdのいずれかを含む銅の化合物でシード層２０を形成してもよい。

次に、硫酸銅溶液を用いる電解メッキ法により銅層２１を銅シード層２０上に形成し、これにより第１及び第２のビアホール１６ａ、１６ｂを完全に埋め込む。ここで、銅シード層２０は銅層２１の一部となる。

この後に、図７（ｂ）に示すように、ハードマスク層１７の上面に形成された銅層２１とバリアメタル膜１８とをCMP(Chemical Mechanical Polishing)法により除去する。これにより第１、第２のビアホール１６ａ、１６ｂのそれぞれの中に残った銅層２１と銅シード層２０を第１、第２の銅プラグ２１ａ、２１ｂとして使用する。

その第１、第２の銅プラグ２１ａ、２１ｂは、各ビアホール１６ａ、１６ｂの底面において選択的に低抵抗となっているバリアメタル膜１８を介して、それぞれ第１、第２の銅配線１２ａ、１２ｂと電気的に接続される。

この後は、各銅プラグ２１ａ、２１ｂの上に上層の銅配線を形成する工程に移るが、その詳細については省略する。

以上により、本実施形態に係る半導体装置の基本構造が完成した。

上記した本実施形態によれば、図５の第１スパッタ工程でビア底に厚く形成されたバリアメタル膜１８を、図６の第２スパッタ工程において再スパッタリングしてホール１６ａの側面に再付着させ、該側面でのバリアメタル膜１８の膜厚不足を補うようにした。これにより、バリアメタル膜１８の銅拡散防止能力がビアホール１６ａの側面で高められ、第１銅プラグ２１ａを構成する銅が第４の層間絶縁膜１６中に拡散し難くなる。

しかも、第１スパッタ工程では、窒素の流量比を５０％以上とする反応性スパッタ法によりバリアメタル膜１８を形成したので、バリアメタル膜１８の窒素濃度が高められ、ビアホール１６ａの側面におけるバリアメタル膜１８の銅拡散防止能力が一層向上する。

更に、第２スパッタ工程において、窒素の流量比を５０％以下に低減したので、第１の銅配線１２ａが窒化するのを防止しながら、銅との密着性が良いジルコニウムのイオンで再スパッタリングを支配的に行うことができ、バリアメタル膜１８と第１の銅配線１２ａとの密着性を高めることができる。

このように第２スパッタ工程ではジルコニウムイオンで再スパッタリングが行われるので、第１のビアホール１６ａの底面には、窒化ジルコニウムよりなるバリアメタル膜１８が薄く残る。従って、図８のように第１のビアホール１６ａと第１の銅配線１２ａとが位置ずれしても、図のB部における第１の銅プラグ２１ａから第３の層間絶縁膜１０への銅の拡散がホール底のバリアメタル膜１８によって防止される。

（３）第３実施形態
本実施形態では、第２実施形態で説明した第２スパッタ工程（図６）において、再スパッタリングの効果が十分に得られる条件について説明する。

図９は、第１の銅配線１２ａと第１の銅プラグ２１ａとの接続抵抗を調査して得られたグラフである。そのグラフの横軸は接続抵抗の規格化された値を示し、縦軸は累積確率を表す。

なお、この調査では、バリアメタル膜１８として、窒化ジルコニウム膜ではなくタンタル膜を形成した。

更に、この調査では、第２スパッタ工程における成膜条件を様々に変えることにより、バリアメタル膜１８の堆積速度（Vd）とエッチング速度（Ve）との比Vd／Veを変化させた。

図９に示されるように、比Vd／Veを１．４以下にした場合には、接続抵抗の値は３以下に収まる。一方、比Vd／Veを１．４よりも高い１．６にした場合は、接続抵抗の値は５を超えて非常に高くなる。

この結果は、バリアメタル膜１８としてタンタル膜を形成した場合のものであるが、第第２実施形態のように窒化ジルコニウム膜をバリアメタル膜１８として形成する場合にも、図９と同様の傾向が得られると期待される。従って、既述の第２実施形態においても、図６の第２スパッタ工程における比Vd／Veを１．４未満にし、銅プラグ２１ａの接続抵抗を低減するのが好ましい。

本願発明者が行った調査によれば、Vd／Ve＜１．４とするには、ターゲットの電力密度、即ち直流電源１０７のパワーをターゲット１０４の面積で割った値を１０mW／mm²〜１６０mW／mm²の範囲内にし、且つ、基板バイアスの電力密度、即ち高周波電源１０５のパワーをシリコン基板１の面積で割った値を３mW／mm²〜２０mW／mm²の範囲内にすればよいことが明らかとなった。なお、この調査では直径が２００mmと３００mmのシリコン基板が用いられた。

一方、図５の第１スパッタ工程では、バリアメタル膜１８を所望の厚さに形成するために、エッチングよりも成膜が支配的になる必要があるので、比Vd／Veを１より大きくする。このようにVd／Ve＞１とするには、第２実施形態で説明した条件、即ち直流電源１０７のパワーを１０〜１５kWに、高周波電源１０５のパワーを０〜３００Wにする条件を採用すればよい。

図１０は、バリアメタル膜１８としてタンタル膜を形成する場合に、第２スパッタ工程におけるバリアメタル膜１８の成膜時間と膜厚との関係を調査して得られたグラフである。

なお、このグラフにおいて、系列Ａ、Ｂは、第２実施形態と同じように、ターゲットに印加される直流電源のパワーを第１スパッタ工程におけるよりも低くし、且つ高周波電源のパワーを第１スパッタ工程におけるよりも高くした場合に得られたものである。具体的には、直流電源のパワーを２kW、交流電源のパワーを２５０Wにして系列Ａ、Ｂを得た。なお、系列Ａはキャップ膜１７上での膜厚であり、系列Ｂは第１のビアホール１６ａの底面での膜厚である。

一方、系列Ｃ、Ｄは、系列Ａ、Ｂよりも直流電源のパワーを高くし、且つ高周波電源のパワーを低くした場合に得られたものである。この例では、直流電源のパワーを１０kW、高周波電源のパワーを２００Wとした。また、系列Ｃはキャップ膜１７上での膜厚であり、系列Ｄは第１のビアホール１６ａの底面での膜厚である。

図１０に示されるように、系列A、Ｂでは、成膜時間と共に膜厚が減少している。このことから、上記の条件を採用することにより、バリアメタル膜１８の再スパッタが実際に起きていることが確かめられた。

一方、系列Ｃ、Ｄでは、成膜時間と共に膜厚が厚くなり、再スパッタよりも成膜の方が支配的であることが分かる。

図１は、本発明の各実施形態で使用されるスパッタ装置の構成図である。 図２は、本発明の第１実施形態において、成膜条件を様々に振って得られた窒化ジルコニウム膜のシート抵抗を表す図である。 図３は、図２の調査で使用した窒化ジルコニウム膜の窒素濃度を調査して得られたグラフである。 図４（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その１）である。 図５は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その２）である。 図６は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その３）である。 図７（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その４）である。 図８は、本発明の第２実施形態において、第１のビアホールと第１の銅配線が位置ずれした場合の拡大断面図である。 図９は、本発明の第３実施形態において、第１の銅配線と第１の銅プラグとの接続抵抗を調査して得られたグラフである。 バリアメタル膜としてタンタル膜を形成する場合に、第２スパッタ工程におけるバリアメタル膜の成膜時間と膜厚との関係を調査して得られたグラフである。

符号の説明

１…シリコン基板、２…素子分離絶縁層、３…MOSトランジスタ、３ａ…ゲート絶縁膜、３ｂ…ゲート電極、３ｃ、３ｄ…第１、第２のｎ型不純物拡散層、３ｅ…絶縁性サイドウォール、４…第１の層間絶縁膜、４ａ、４ｂ…第１及び第２のコンタクトホール、５ａ、５ｂ…第１及び第２の導電性プラグ、７…一層目配線、８…第２の層間絶縁膜、９…第３の導電性プラグ、１０…第３の層間絶縁膜、１２ａ、１２ｂ…第１、第２の銅配線、１５…キャップ層、１６…第４の層間絶縁膜、１６ａ、１６ｂ…第１、及び第２のビアホール、１７…ハードマスク層、１８…バリアメタル膜、２０…銅シード層、２１…銅層、２１ａ、２１ｂ…第１及び第２の銅プラグ、１００…チャンバ、１００ａ…ガス供給ライン、１００ｂ…ガス排出口、１０１…ステージ、１０４…ターゲット、１０５…高周波電源、１０７…直流電源、１０８…磁石アセンブリ、１０９…シールド。

Claims (5)

1. 半導体基板の上方に銅配線を形成し、該銅配線上に第１絶縁膜を形成する工程と、
   前記銅配線の上の前記第１絶縁膜にホールを形成する工程と、
   前記第１絶縁膜の上面と前記ホールの内面に、希ガスと窒素ガスとの混合ガスを使用する反応性スパッタ法により、チタン族元素の窒化物よりなるバリアメタル膜を形成する工程とを有し、
   前記バリアメタル膜を形成する工程が第１スパッタ工程と第２スパッタ工程とを含み、該第２スパッタ工程において、前記混合ガス中における前記窒素ガスの流量比を前記第１スパッタ工程におけるよりも低くする共に、前記第１スパッタ工程で形成された前記ホール底部のバリアメタル膜を薄膜化することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記第１スパッタ工程における前記窒素ガスの前記流量比を５０％以上にし、且つ、前記第２スパッタ工程における前記窒素ガスの前記流量比を５０％未満にすることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記第１スパッタ工程における前記窒素ガスの前記流量比を５０％以上６０％以下にすることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記第２スパッタ工程における前記薄膜化は、前記エッチング要素の高い成膜条件として、ターゲットに印加される直流電力のパワーを前記第１スパッタ工程におけるよりも低くし、且つ前記半導体基板側に印加される高周波電力のパワーを前記第１スパッタ工程におけるよりも高くすることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記チタン族元素として、ジルコニウム、チタン、及びハフニウムのいずれかを採用することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。

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