JP2004172337A

JP2004172337A - 半導体装置およびその製造方法

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Publication number: JP2004172337A
Application number: JP2002336104A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Ooka; 豊大岡
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2002-11-20
Filing date: 2002-11-20
Publication date: 2004-06-17

Abstract

【課題】銅配線との密着性、銅の拡散防止性、ストレスマイグレーション耐性、エレクトロマイグレーション耐性の全てで良好な特性を有する拡散防止膜の提供を図る。
【解決手段】銅もしくは銅合金からなる配線の少なくとも一部にタンタル膜と窒化タンタル膜とタンタル膜とを順に積層した３層の積層膜２１を備えたもので、例えば、銅もしくは銅合金からなる第２配線２３およびプラグ２４を備え、第２配線２３およびプラグ２４が形成される配線溝２０および接続孔１９に上記３層の積層膜２１が形成されたものであり、この３層の積層膜２１は、銅もしくは銅合金からなる配線に接続される接続孔１９の底部のみに設けたものであってもよく、この構成では、配線溝２０の側壁および底部および接続孔１９の側壁に窒化タンタル膜とタンタル膜とを順に積層した２層の積層膜を備えている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法および半導体装置に関し、詳しくは例えばダマシン法、デュアルダマシン法のような溝配線技術を用いて多層配線を形成するのに好適な半導体装置の製造方法およびその製造方法により製造された半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
銅（Ｃｕ）配線はアルミニウム（Ａｌ）系合金配線より低抵抗・低容量・高信頼性を与えることから、配線の寄生抵抗・寄生容量による回路遅延が支配的になる微細素子において重要性を増してきた。一般には銅はアルミニウム系合金と異なりドライエッチングが容易ではないため、銅配線を形成するには、例えばダマシン法のような溝配線技術が広く用いられている。溝配線技術とは、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜などの層間絶縁膜に予め所定の配線を形成するための溝を形成し、その溝に配線材料を埋め込み、その後余剰配線材料を化学機械研磨（ＣＭＰ：ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）法などにより除去することにより形成される配線形成プロセスである。
【０００３】
さらには、接続孔（ヴィアホール）と配線が形成される部分（トレンチ）を形成した後、一括して配線材料を埋め込み、余剰配線材料を除去する、いわゆるデュアルダマシン法と呼ばれる溝配線技術も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この溝配線技術は、工程数、製造コストの削減に有効である。
【０００４】
しかしながら、銅はアルミニウムと比べて酸化シリコン中への拡散性が桁違いに速いため、酸化シリコンなどの層間絶縁膜中に銅が拡散され、配線が断線するおそれがある。したがって、銅配線と層間絶縁膜との間には何らかの拡散防止膜が必須となる。この拡散防止膜としてはタンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化タングステン（ＷＮ）などといった元素・化合物もしくはこれらを用いた合金膜を用いるのが一般的である。この中でも配線材料の銅の拡散防止性能が良く、抵抗率も低いことから微細化していく半導体装置においては窒化タンタルが有望視されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００５】
一方、タンタルは窒化タンタルと比べて銅との密着性は良く抵抗率も低いが、銅の拡散防止性能が窒化タンタルと比べて劣るため、窒化タンタルを使用する場合よりも厚く成膜する必要があり、より微細化されていく半導体装置にとっては大きな懸念点となっていくことが予想される。これを打開する方法として、例えばバリア性に優れた非晶質金属窒化膜、例えば窒化タンタル膜と、密着性に優れた結晶性金属膜、例えばタンタル膜を積層させることによりバリア性、密着性ともに優れた銅配線が得られることが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
しかしながら、本願発明者の実験によれば、拡散防止膜としてのタンタル（Ｔａ）／窒化タンタル（ＴａＮ）の積層膜はタンタル（Ｔａ）単層膜と比べてストレスマイグレーション（ＳＭ）耐性が劣ることが分かっており、不良解析の結果より接続孔内の銅が上層配線部分に吸い上げられ、結果として接続孔底部にボイドが発生していることが確認できている。これを解決する手段として接続孔底部の下層銅配線との接続部をタンタル（Ｔａ）で形成すること、すなわち銅の拡散防止膜としてタンタル（Ｔａ）単層膜を使用する方法がある。一方でエレクトロマイグレーション（ＥＭ）試験結果より、銅の拡散防止膜としてタンタル（Ｔａ）膜／窒化タンタル（ＴａＮ）膜の積層膜のほうが、エレクトロマイグレーション耐性がよく、これは窒化タンタル膜上にタンタル膜を成膜することにより、タンタルは結晶性を持った膜となり銅配線との密着性が向上するためである。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−４５８８７号公報（第３頁、図１）
【特許文献２】
特開２００１−７２０４号公報（第６−７，９頁、図１−４，２３）
【非特許文献１】
「月刊ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＷｏｒｌｄ１２月号第１７巻第１３号通巻第２３０号」プレスジャーナル、１９９８年１１月２０日発行、Ｐ．１３７−１４２
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、銅配線との密着性、銅の拡散防止性、ストレスマイグレーション耐性、エレクトロマイグレーション耐性の全てで良好な特性を有する拡散防止膜は提案されていなかった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされた半導体装置およびその製造方法である。
【００１０】
本発明の第１半導体装置は、銅もしくは銅合金からなる配線を備え、前記配線の少なくとも一部分にタンタル膜と窒化タンタル膜とタンタル膜とを順に積層した積層膜を備えたものである。
【００１１】
上記第１半導体装置では、銅の拡散防止膜としてタンタル膜と窒化タンタル膜とタンタル膜とを順に積層した３層構造を用いることから、銅と接触する部分はタンタル膜が形成されるため、積層膜と銅との密着性が高められる。また窒化タンタル膜が形成されるため、銅の拡散防止機能が向上する。したがって、配線上に形成される接続孔の底部における配線上にはタンタル膜が成膜されているため半導体装置のストレスマイグレーション（ＳＭ）特性は良好なものとなり、銅もしくは銅合金からなる配線と銅の拡散防止機能に優れた窒化タンタル膜との界面にはタンタル膜が成膜され、さらには窒化タンタル膜上にもタンタル膜が成膜されているため、半導体装置のエレクトロマイグレーション（ＥＭ）耐性は良好なものになる。
【００１２】
本発明の第２半導体装置は、第１導電体を覆う絶縁膜に前記第１導電体に達するように形成された接続孔と、前記接続孔内に埋め込まれた銅もしくは銅合金からなる第２導電体とを備えた半導体装置において、前記接続孔の底部にタンタル膜と窒化タンタル膜とタンタル膜とを順に積層した３層の積層膜を備え、前記接続孔の側壁に窒化タンタル膜とタンタル膜とを側壁側より順に積層した２層の積層膜を備えたものである。
【００１３】
上記第２半導体装置では、銅もしくは銅合金からなる配線上に形成される接続孔底部のみに銅の拡散防止膜となるタンタル膜と窒化タンタル膜とタンタル膜とを順に積層した３層の積層膜が形成されていることから、銅と接触する部分には銅との密着性の良いタンタル膜となる。したがって、ストレスマイグレーション耐性、エレクトロマイグレーション耐性が高められる。
【００１４】
また上記３層の積層膜が形成された部分を除く上記接続孔の側壁部、上記配線の底部および側壁部のみに窒化タンタル膜とタンタル膜とを順に積層した２層の積層膜が形成されていることから、銅と接触する部分には銅との密着性の良いタンタル膜となる。したがって、ストレスマイグレーション耐性が高められる。また拡散防止膜として３層構造を適用した場合と比較して、接続孔の側壁部、配線溝の側壁部における拡散防止膜の膜厚が薄くなる。したがって、配線溝および接続孔がより微細化した半導体装置に対して適用することができ、さらに配線溝および接続孔の内部に配線材料である銅もしくは銅合金を成膜するときのカバレッジが良くなり、信頼性の高い配線構造となる。
【００１５】
本発明の半導体装置の製造方法は、第１絶縁膜に中に設けられた導電体を覆う第２絶縁膜を形成する工程と、前記第２絶縁膜に前記導電体に達する接続孔パターンを形成する工程と、前記接続孔パターンにタンタル膜を形成する工程と、前記第２絶縁膜上に第３絶縁膜を形成しかつ前記第３絶縁膜に配線溝と前記配線溝の底部より前記タンタル膜に達する接続孔を形成する工程と、前記配線溝および前記接続孔の各内面に窒化タンタル膜とタンタル膜とを順に積層した積層膜を形成する工程とを備えている。
【００１６】
上記半導体装置の製造方法では、銅もしくは銅合金からなる導電体（例えば配線）上に、酸化防止膜・拡散防止膜となる第２絶縁膜を成膜した後に、この第２絶縁膜に上層配線との接続を行うための接続孔の一部となる接続孔パターンを形成し、この接続孔パターンにタンタル膜単層の保証パターンを形成する。そして第３絶縁膜に形成した配線溝および接続孔の内面には窒化タンタル膜とタンタル膜とを積層した２層の積層膜を形成することから、接続孔底部のみに、銅の拡散防止膜がタンタル膜と窒化タンタル膜とタンタル膜とを順に積層した３層構造となり、それ以外の接続孔の側壁部、配線の底部および側壁部はタンタル膜と窒化タンタル膜とを積層した２層構造となる。これにより、積層膜が銅と接触する部分はタンタル膜が形成されることになるため、積層膜と銅との密着性が高められるので、エレクトロマイグレーション耐性、ストレスマイグレーション耐性が高められる。特に、上記接続孔底部では、銅の拡散防止膜となる３層の積層膜が、下層の配線と接続孔内に形成されるプラグとに接触する部分がタンタル膜で形成されるため、ストレスマイグレーション耐性、エレクトロマイグレーション耐性が高められる。
【００１７】
さらに配線溝および接続孔を形成した後に成膜する拡散防止膜は、窒化タンタル膜とタンタル膜との２層構造となることから、銅と接触する部分には銅との密着性の良いタンタル膜が形成されることになる。したがって、ストレスマイグレーション耐性が高められる。また拡散防止膜として３層構造を適用した場合と比較して、接続孔の側壁部や配線溝の側壁部に形成される拡散防止膜の膜厚を薄くすることができる。したがって、配線溝および接続孔がより微細化した半導体装置に対して適用することができ、さらに配線溝および接続孔の内部に配線材料である銅もしくは銅合金を成膜するときのカバレッジが良くなり、信頼性の高い配線構造を製造することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体装置に係る第１実施の形態を、図１の概略構成断面図によって説明する。
【００１９】
図１に示すように、基体１１上には、例えば酸化シリコン膜（ＳｉＯ_２）からなる第１絶縁膜１２が形成されている。この第１絶縁膜１２には、配線溝１３が形成され、配線溝１３内には、銅の拡散を防止するバリア層１４を介して銅もしくは銅合金からなる第１配線１５が形成されている。
【００２０】
上記第１配線１５は、例えば配線厚が２００ｎｍになるように形成されている。上記基体は、トランジスタなどのデバイスが作製されたものである。なお、図においてデバイスは表示せず、一つの層として取り扱う。
【００２１】
上記第１配線１５を覆うように上記第１絶縁膜１２上には、銅の酸化防止・拡散防止層となる第２絶縁膜１６が、例えば５０ｎｍの厚さの窒化シリコン膜で形成されている。さらに、上記第２絶縁膜１６上には、接続孔層間、配線層間の絶縁膜となる第３絶縁膜１７が、例えば４００ｎｍの厚さの酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜で形成されている。
【００２２】
上記第３絶縁膜１７には、配線溝２０と、この配線溝２０の底部より第２絶縁膜１６を貫通して上記第１配線１５に達する接続孔１９が形成されている。ここでは、一例として、配線溝２０の深さを２００ｎｍ、接続孔１９の深さを配線溝２０の底部より２００ｎｍとした。
【００２３】
上記配線溝２０および接続孔１９の内面には、銅の酸化防止膜・拡散防止膜となるタンタル膜と窒化タンタル膜とタンタル膜とを順に積層した３層の積層膜２１が形成されている。さらに、配線溝２０および接続孔１９の内部には、上記３層の積層膜２１を介して銅もしくは銅合金からなる配線材料膜２２が埋め込まれ、配線溝２０内に第２配線２３が形成され、接続孔１９内にプラグ２４が形成されている。
【００２４】
上記３層の積層膜２１における第１層のタンタル膜は、例えば２ｎｍ以上２０ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚さに成膜されている。また第２層の窒化タンタル膜（ＴａＮ）は、例えば２ｎｍ以上２０ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚さに成膜されている。さらに第３層のタンタル膜は、例えば２ｎｍ以上２０ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚さに成膜されている。そして、３層の積層膜２１の総厚さは３０ｎｍ以下、好ましくは１５ｎｍ以下とされている。なお、各膜厚は、接続孔の口径、配線溝の幅によって、上記範囲内で適宜設定される。
【００２５】
なお、上記各膜の厚さが２ｎｍ未満の場合には、ストレスマイグレーション耐性、エレクトロマイグレーション耐性が悪化する不利益が生じ、各膜の厚さが２０ｎｍを超えると、成膜後に行われるリソグラフィー工程において、合わせマークが読みこめない、局所段差による接続孔および配線溝のリソグラフィー工程のできあがり形状にばらつきを生じる、接続孔におけるコンタクト抵抗、配線抵抗の上昇を来す等の不利益を生じることになる。よって、上記範囲に膜厚は設定されている。また、３層の積層膜２１の総厚さが３０ｎｍを超すと、接続孔や配線溝内に占める３層の積層膜２１が多くなりすぎて、コンタクト抵抗や配線抵抗の上昇を来す。また、銅もしくは銅を含む合金を埋め込む際に、ボイドを発生することがあり、電気的特性、信頼性が悪化する不利益を生じる。このため、上記範囲に３層の積層膜２１の総膜厚は上記のように設定されている。
【００２６】
さらに、第３絶縁膜１７上には、第２配線２３を覆うもので、銅の酸化防止膜・拡散防止膜となる防止膜２５が、例えば上記第２絶縁膜１６と同様に窒化シリコン膜で形成されている。
【００２７】
本実施の形態で説明した半導体装置では、銅の拡散防止膜がタンタル膜と窒化タンタル膜とタンタル膜とを順に積層してなる３層の積層膜２１で形成されていることから、銅もしくは銅合金と接触する部分には銅もしくは銅合金との密着性に優れたタンタル膜が形成されている。このため、このため、３層の積層膜２１と銅との密着性が高めっきらレジストルので、ストレスマイグレーション耐性、エレクトロマイグレーション耐性共に優れた特性を得ることができる。少なくとも、上記半導体装置は、上記以外の銅の拡散防止膜構造、具体的にはタンタル単層、窒化タンタル単層、タンタル膜と窒化タンタル膜との積層構造のものよりも優れたストレスマイグレーション耐性およびエレクトロマイグレーション特性を得ることができる。さらに、窒化タンタル膜が形成されていることから、優れた銅の拡散防止機能が得られる。
【００２８】
上記図１によって説明した実施の形態においては、上記配線１５および配線２３上に形成する銅の酸化防止膜・拡散防止膜となる第２絶縁膜１６、防止膜２５は、窒化シリコン膜に限定するものではなく、銅の酸化防止・拡散防止機能を有する絶縁膜で形成することができる。例えば炭化シリコン膜（ＳｉＣ）、窒化炭化シリコン（ＳｉＣＮ）等の膜で形成することができる。また層間絶縁膜となる第１絶縁膜１２および第３絶縁膜１７は、酸化シリコン膜に限定されるものではなく、例えば、炭素含有シリコン酸化膜（ＳｉＯＣ）、ポリアリルエーテル膜（ＰＡＥ）、フッ素含有シリコン膜（ＦＳＧ）等、層間絶縁膜として一般的に使われているいかなる膜でも形成することができる。
【００２９】
したがって、本願発明の３層の積層膜は、層間絶縁膜および配線上に形成される酸化防止膜・拡散防止膜となる膜のいかなる組み合わせを用いても適用できる。さらに、配線溝に導電体を埋め込む構成いわゆるシングルダマシン構造に対しても、銅の酸化防止膜・拡散防止膜として、本願発明の３層の積層膜を適用することができる。
【００３０】
次に、本発明の半導体装置に係る第２実施の形態を、図２の概略構成断面図によって説明する。
【００３１】
図２に示すように、基体１１上には、例えば酸化シリコン膜（ＳｉＯ_２）からなる第１絶縁膜１２が形成されている。この第１絶縁膜１２には、配線溝１３が形成され、配線溝１３内には、銅の拡散を防止するバリア層１４を介して第１導電体として銅もしくは銅合金からなる第１配線１５が形成されている。
【００３２】
上記第１配線１５は、例えば配線厚が２００ｎｍになるように形成されている。上記基体は、トランジスタなどのデバイスが作製されたものである。なお、図においてデバイスは表示せず、一つの層として取り扱う。
【００３３】
上記第１配線１５を覆うように上記第１絶縁膜１２上には、銅の酸化防止・拡散防止層となる第２絶縁膜１６が、例えば５０ｎｍの厚さの窒化シリコン膜で形成されている。
【００３４】
上記第２絶縁膜１６には、上記第１配線１５に達する所望の位置に保証パターン用の接続孔パターン３２が形成されている。さらに上記接続孔パターン３２内には、保証パターン４２が形成されている。この保証パターン４２は、例えば、２ｎｍ以上２０ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以上５ｎｍ以下のタンタル膜で形成されている。なお、上記保証パターン４２を形成するタンタル膜の厚さが２ｎｍ未満の場合には、ストレスマイグレーション耐性、エレクトロマイグレーション耐性が悪化する不利益が生じ、保証パターン４２を形成するタンタル膜の厚さが２０ｎｍを超えると、成膜後に行われるリソグラフィー工程において、合わせマークが読みこめない、局所段差による接続孔および配線溝のリソグラフィー工程のできあがり形状にばらつきを生じる、接続孔におけるコンタクト抵抗、配線抵抗の上昇を来す等の不利益を生じることになる。よって、保証パターンの膜厚は上記範囲に設定した。
【００３５】
さらに、上記第２絶縁膜１６上には、接続孔層間、配線層間の絶縁膜となる第３絶縁膜１７が、例えば４００ｎｍの厚さの酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜で形成されている。
【００３６】
上記第３絶縁膜１７には、配線溝２０と、この配線溝２０の底部より第２絶縁膜１６を貫通して上記保証パターン４２に達する接続孔１９が形成されている。ここでは、一例として、配線溝２０の深さを２００ｎｍ、接続孔１９の深さを配線溝２０の底部より２００ｎｍとした。
【００３７】
上記配線溝２０および接続孔１９の内面には、銅の酸化防止膜・拡散防止膜となる窒化タンタル膜とタンタル膜とを順に積層した２層の積層膜４３が形成されている。さらに、配線溝２０および接続孔１９の内部には、上記２層の積層膜４３を介して第２導電体となる銅もしくは銅合金からなる配線材料膜２２が埋め込まれ、配線溝２０内に第２配線２３が形成され、接続孔１９内にプラグ２４が形成されている。
【００３８】
上記２層の積層膜４３における窒化タンタル膜（ＴａＮ）は、例えば２ｎｍ以上２０ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚さに成膜されている。さらにタンタル膜は、例えば２ｎｍ以上２０ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚さに成膜されている。そして、２層の積層膜４３の総厚さは３０ｎｍ以下、好ましくは１５ｎｍ以下とされている。なお、各膜厚は、接続孔の口径、配線溝の幅によって、上記範囲内で適宜設定される。
【００３９】
なお、上記２層の積層膜の各膜厚が２ｎｍ未満の場合には、ストレスマイグレーション耐性、エレクトロマイグレーション耐性が悪化する不利益が生じ、各膜の厚さが２０ｎｍを超えると、成膜後に行われるリソグラフィー工程において、合わせマークが読みこめない、局所段差による接続孔および配線溝のリソグラフィー工程のできあがり形状にばらつきを生じる、接続孔におけるコンタクト抵抗、配線抵抗の上昇を来す等の不利益を生じることになる。よって、上記範囲に膜厚は設定されている。また、２層の積層膜４３の総厚さが３０ｎｍを超すと、接続孔や配線溝内に占める２層の積層膜４３が多くなりすぎて、コンタクト抵抗や配線抵抗の上昇を来す。また、銅もしくは銅を含む合金を埋め込む際に、ボイドを発生することがあり、電気的特性、信頼性が悪化する不利益を生じる。このため、上記範囲に２層の積層膜４３の総膜厚は上記のように設定されている。
【００４０】
さらに、第３絶縁膜１７上には、第２配線２３を覆うもので、銅の酸化防止膜・拡散防止膜となる防止膜２５が、例えば上記第２絶縁膜１６と同様に窒化シリコン膜で形成されている。
【００４１】
上記図２によって説明した実施の形態の半導体装置に形成された多層配線では、銅の拡散防止膜が接続孔１９の底部のみタンタル膜からなる保証パターン４２と窒化タンタル膜とタンタル膜とを積層した２層の積層膜４３とからなる３層構造になり、接続孔１９の側壁部、配線溝２０の底部および側壁部は２層の積層膜４３になるため、銅もしくは銅合金と接触する部分はタンタル膜が形成されているので、ストレスマイグレーション耐性、エレクトロマイグレーション耐性共に優れた特性を得ることができる。特に上記半導体装置では、接続孔１９の底部の第１配線１５上面において、上記以外の銅の拡散防止膜構造、具体的にはタンタル膜単層、窒化タンタル膜単層、タンタル膜と窒化タンタル膜との積層構造よりも優れたストレスマイグレーション耐性およびエレクトロマイグレーション耐性を得ることができる。また、接続孔１９の側壁部、配線溝２０の底部および側壁部は窒化タンタル膜とタンタル膜との２層の積層膜となっているため、図１によって説明した構造と比べて銅の拡散防止膜の膜厚を薄くすることができ、より小さいデザインルールでの適用が可能となる。
【００４２】
上記実施の形態においては、上記配線１５および配線２３上に形成する銅の酸化防止膜・拡散防止膜となる第２絶縁膜１６、防止膜２５は、窒化シリコン膜に限定するものではなく、銅の酸化防止・拡散防止機能を有する絶縁膜で形成することができる。例えば炭化シリコン膜（ＳｉＣ）、窒化炭化シリコン（ＳｉＣＮ）等の膜で形成することができる。また層間絶縁膜となる第１絶縁膜１２および第３絶縁膜１７は、酸化シリコン膜に限定されるものではなく、例えば、炭素含有シリコン酸化膜（ＳｉＯＣ）、ポリアリルエーテル膜（ＰＡＥ）、フッ素含有シリコン膜（ＦＳＧ）等、層間絶縁膜として一般的に使われているいかなる膜でも形成することができる。
【００４３】
また、配線溝および接続孔の形成方法は、上記説明した製造方法に限定されるものではなく、配線溝およびこの配線溝底部より下層の導電層へ達する接続孔が形成されるものであれば、如何なるプロセスであってもよい。したがって、本願発明の２層の積層膜（接続孔底部のみタンタル膜からなる保証パターンを含む３層の積層膜）は、配線溝および接続孔の形成方法を問わず、層間絶縁膜および配線上に形成される酸化防止膜・拡散防止膜となる膜のいかなる組み合わせを用いても適用できる。また、配線溝および接続孔を形成する方法には、複数種類の層間絶縁膜、もしくは複数種類のハードマスクを用いたものであってもよい。さらには配線溝と接続孔とに導電体を同時に埋め込んで配線とプラグとを形成するいわゆるデュアルダマシン法ではなく、配線溝に導電体を埋め込むいわゆるシングルダマシン法に対しても、銅の酸化防止膜・拡散防止膜として、本願発明の保証パターンおよび２層の積層膜を適用することができる。
【００４４】
次に、本発明の半導体装置の第１製造方法に係る一実施の形態を、図３の概略構成断面図によって説明する。
【００４５】
図３の（１）に示すように、基体１１上に、例えば酸化シリコン膜（ＳｉＯ_２）からなる第１絶縁膜１２を形成した後、例えば通常の溝配線を形成する技術を用いて第１絶縁膜１２に配線溝１３を形成し、さらに配線溝１３内に銅の拡散を防止するバリア層１４を介して銅もしくは銅合金からなる第１配線１５を形成する。
【００４６】
上記第１配線１５は、例えば配線厚が２００ｎｍになるように形成されている。上記基体は、トランジスタなどのデバイスが作製されたものである。なお、図においてデバイスは表示せず、一つの層として取り扱う。
【００４７】
しかるべき後処理を行った後、図３の（２）に示すように、銅の酸化防止・拡散防止層となる第２絶縁膜１６を、上記第１配線１５を覆うように上記第１絶縁膜１２上に形成する。この第２絶縁膜１６は、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）を５０ｎｍの厚さに堆積して形成する。この第２絶縁膜１６は、例えば平行平板型のプラズマＣＶＤ装置を用いて、モノシラン（ＳｉＨ_４）、アンモニア（ＮＨ_３）、窒素（Ｎ_２）ガスを用いて、圧力を５５０Ｐａとして成膜することができる。
【００４８】
続けて図３の（３）に示すように、第２絶縁膜１６上に、接続孔層間、配線層間の絶縁膜として例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜を例えば４００ｎｍの厚さに成膜して、第３絶縁膜１７を形成する。酸化シリコン膜は、一例として、平行平板型のプラズマＣＶＤ装置を用い、原料ガスにモノシラン（ＳｉＨ_４）および一酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ）ガスを用い、成膜雰囲気の圧力を１．００ｋＰａ、基板温度を４００℃として成膜することができる。続いてエッチングマスク１８として例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を例えば１００ｎｍの厚さに成膜する。図面では、一例として、後に説明する配線溝２０を形成する状態のエッチングマスク１８を示した。窒化シリコン膜は、一例として、平行平板型のプラズマＣＶＤ装置を用い、原料ガスにモノシラン（ＳｉＨ_４）、アンモニア（ＮＨ_３）および窒素（Ｎ_２）ガスを用い、成膜雰囲気の圧力を５５０Ｐａとして成膜することができる。
【００４９】
続いて、接続孔パターンのレジストマスク（図示せず）を形成し、それを用いて、ドライエッチング法にて、エッチングマスク１８に接続孔パターン（図示せず）を形成する。ここでの窒化シリコン膜のエッチングは、例えば一般的なマグネトロン方式のエッチング装置にて、一例として、エッチングガスにトリフルオロメタン（ＣＨＦ_３）、アルゴン（Ａｒ）および酸素（Ｏ_２）を用い、ガス流量比をＣＨＦ_３：Ａｒ：Ｏ_２＝１：５：１とし、バイアスパワーを５００Ｗに、基板温度は２０℃に設定する。続いて同じ接続孔パターンのレジストマスクを用いて第３絶縁膜１７への接続孔１９の開口を行う。接続孔１９の形成は、例えば一般的なマグネトロン方式のエッチング装置にて、一例として、エッチングガスにオクタフルオロブタン（Ｃ_４Ｆ_８）、一酸化炭素（ＣＯ）およびアルゴン（Ａｒ）を用い、ガス流量比をＣ_４Ｆ_８：ＣＯ：Ａｒ＝１：１０：２０とし、バイアスパワーを１５００Ｗに、基板温度は２０℃に設定し、３００ｎｍの深さに接続孔１９の開口を行った。その後、酸素（Ｏ_２）プラズマを用いたアッシング処理と有機系の薬液処理を行うことにより、レジストマスクの除去、エッチング処理時の残留デポ物の除去ができる。
【００５０】
続いて配線パターンのレジストマスク（図示せず）を形成し、それを用いて、ドライエッチング法にて、エッチングマスク１８の加工を行う。ここでの窒化シリコンのエッチングは、例えば一般的なマグネトロン方式のエッチング装置を用い、一例として、エッチングガスにトリフルオロメタン（ＣＨＦ_３）、アルゴン（Ａｒ）および酸素（Ｏ_２）を用い、ガス流量比をＣＨＦ_３：Ａｒ：Ｏ_２＝１：５：１とし、バイアスパワーを５００Ｗに、基板温度は２０℃に設定する。その後、酸素（Ｏ_２）プラズマを用いたアッシング処理と有機系の薬液処理を行うことにより、レジストマスクの除去、エッチング処理時の残留デポ物の除去する。
【００５１】
その後、配線パターンが形成されたエッチングマスク１８を用いて、ドライエッチング法にて酸化シリコンからなる第２絶縁膜１７を加工して、配線溝２０を形成するとともに接続孔１９を第１配線１５に達するように延長形成する。ここでの酸化シリコン（ＳｉＯ_２）加工は、例えば一般的なマグネトロン方式のエッチング装置を用いて、一例として、エッチングガスにオクタフルオロブタン（Ｃ_４Ｆ_８）、一酸化炭素（ＣＯ）およびアルゴン（Ａｒ）を用い、ガス流量比をＣ_４Ｆ_８：ＣＯ：Ａｒ＝１：１０：２０とし、バイアスパワーを１５００Ｗに、基板温度は２０℃に設定し、第３絶縁膜１７を２００ｎｍの深さまでエッチングを行った。最後に酸素（Ｏ_２）プラズマを用いたアッシング処理と有機系の薬液処理を行うことにより、エッチング処理時の残留デポ物の除去する。ここまでで配線溝２０は深さ（厚さ）３００ｎｍ（内１００ｎｍはエッチングマスク１８）、接続孔１９の深さは配線溝２０の底部より２００ｎｍとなった。
【００５２】
さらに、第３絶縁膜１７をマスクにして、接続孔１９底部の窒化シリコンからなる第２絶縁膜１６を除去する。このエッチング方法は、酸化シリコンとエッチング選択比が取れるエッチングであればよい。例えば、上記説明した窒化シリコンのエッチング方法を用いることができる。
【００５３】
その後、しかるべき脱ガス処理及びＲＦスパッタリング処理を行うことにより、接続孔１９の底部に露出した配線１５の変質層（図示せず）の除去を行う。続けて、図３の（４）に示すように、銅配線の層間絶縁膜に対する拡散防止膜として、上記配線溝２０および接続孔１９の内面に、タンタル膜と窒化タンタル膜とタンタル膜とを順に積層した３層の積層膜２１を形成する。なお、上記３層の積層膜２１は第３絶縁幕１７上にもエッチングマスク１８を介して形成される。３層の積層膜２１は、好ましくは、同一チャンバ内にて連続して形成されることが好ましい。
【００５４】
この成膜は、例えば一般的なマグネトロンスパッタリング装置を用いて、まずタンタルターゲットを用いて指向性スパッタリング法により、タンタル膜を例えば２ｎｍ以上２０ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚さに成膜する。続けて同一成膜チャンバーにて上記同様にタンタルターゲットを用い、窒化剤として窒素（Ｎ_２）ガスを用いた指向性スパッタリング法により窒化タンタル膜（ＴａＮ）を例えば２ｎｍ以上２０ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚さに成膜する。続けて同一成膜チャンバーにて、上記Ｎ_２ガスの供給を止め、タンタルターゲットを用いた指向性スパッタリング法により、タンタル膜を例えば２ｎｍ以上２０ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚さに成膜する。そして、３層の積層膜の総厚さを３０ｎｍ以下、好ましくは１５ｎｍ以下とする。なお、各膜厚は、接続孔の口径、配線溝の幅によって、上記範囲内で適宜設定される。
【００５５】
なお、上記各膜の厚さが２ｎｍ未満の場合には、ストレスマイグレーション耐性、エレクトロマイグレーション耐性が悪化する不利益が生じ、各膜の厚さが２０ｎｍを超えると、成膜後に行われるリソグラフィー工程において、合わせマークが読みこめない、局所段差による接続孔および配線溝のリソグラフィー工程のできあがり形状にばらつきを生じる、接続孔におけるコンタクト抵抗、配線抵抗の上昇を来す等の不利益を生じることになる。よって、上記範囲に膜厚を設定した。また、３層の積層膜２１の総厚さが３０ｎｍを超すと、接続孔や配線溝内に占める３層の積層膜２１が多くなりすぎて、コンタクト抵抗や配線抵抗の上昇を来す。また、銅もしくは銅を含む合金を埋め込む際に、ボイドを発生することがあり、電気的特性、信頼性が悪化する不利益を生じる。このため、上記範囲に３層の積層膜２１の総膜厚は上記のように設定される。
【００５６】
上記タンタル膜と窒化タンタル膜とタンタル膜とからなる積層膜は、配線溝２０および接続孔１９の内面にカバレッジ良く形成される必要があるため、好ましくは自己放電イオン化スパッタリング法あるいは遠距離スパッタリング法などの指向性スパッタリング法を用いるのが良い。
【００５７】
次いで、図３の（５）に示すように、電解めっき法もしくはスパッタリング法もしくはＣＶＤ法等の既存の成膜方法により、銅（Ｃｕ）もしくは銅合金を堆積して、上記接続孔１９および配線溝２０を埋め込む配線材料膜２２を形成する。このとき、第３絶縁膜１７上にもエッチングマスク１８、３層の積層膜２１を介して配線材料膜２２が堆積される。
【００５８】
その後、例えば化学的機械研磨（以下ＣＭＰという）により配線が形成されていない窒化シリコンからなるエッチングマスク１８上に堆積されている余剰な配線材料膜２２および３層の積層膜２１を除去する。さらに、タンタル膜を研磨するときに窒化シリコン膜も研磨できるスラリーを用いて最終的にエッチングマスク１８を完全に除去する。
【００５９】
この結果、図３の（６）に示すように、配線溝２０内に３層の積層膜２１を介して配線材料膜２２からなる配線２３が形成されるとともに、配線２３と配線１５とを接続するプラグ２４が接続孔１９内に３層の積層膜２１を介して配線材料膜２２で形成される。なお、上記ＣＭＰでは、上記配線２３の厚さが例えば２００ｎｍとなるようにＣＭＰ条件を調整した。
【００６０】
その後、図３の（７）に示すように、第３絶縁膜１７上に、配線２３を覆うもので、銅の酸化防止膜・拡散防止膜となる防止膜２５を、例えば上記第２絶縁膜１６と同様に窒化シリコン膜で形成する。
【００６１】
上記図３によって説明した実施の形態では、配線溝および接続孔の内面に、銅の拡散防止膜がタンタル膜と窒化タンタル膜とタンタル膜とを順に積層してなる３層の積層膜２１を形成することから、ストレスマイグレーション耐性、エレクトロマイグレーション耐性共に優れた特性を得ることができる。少なくとも上記各工程を経て形成された半導体装置は、上記以外の銅の拡散防止膜構造、具体的にはタンタル単層、窒化タンタル単層、タンタル膜と窒化タンタル膜との積層構造のものよりも優れたストレスマイグレーション耐性およびエレクトロマイグレーション特性を得ることができる。また配線溝および接続孔の内面に窒化タンタル膜を形成することから、優れた銅の拡散防止機能が得られる。したがって、上記製造方法によれば、前記図１によって説明したのと同様に、優れた銅の拡散防止機能を有し、ストレスマイグレーション耐性、エレクトロマイグレーション耐性に優れた半導体装置を形成することができる。
【００６２】
上記実施の形態においては、上記配線１５および配線２３上に形成する銅の酸化防止膜・拡散防止膜となる第２絶縁膜１６、防止膜２５は、窒化シリコン膜に限定するものではなく、銅の酸化防止・拡散防止機能を有する絶縁膜で形成することができる。例えば炭化シリコン膜（ＳｉＣ）、窒化炭化シリコン（ＳｉＣＮ）等の膜で形成することができる。また層間絶縁膜となる第１絶縁膜１２および第３絶縁膜１７は、酸化シリコン膜に限定されるものではなく、例えば、炭素含有シリコン酸化膜（ＳｉＯＣ）、ポリアリルエーテル膜（ＰＡＥ）、フッ素含有シリコン膜（ＦＳＧ）等、層間絶縁膜として一般的に使われているいかなる膜でも形成することができる。
【００６３】
また、配線溝および接続孔の形成方法は，上記説明した製造方法に限定されるものではなく、配線溝およびこの配線溝底部より下層の導電層へ達する接続孔が形成されるものであれば、如何なるプロセスであってもよい。したがって、本願発明の３層の積層膜は、配線溝および接続孔の形成方法を問わず、層間絶縁膜および配線上に形成される酸化防止膜・拡散防止膜となる膜のいかなる組み合わせを用いても適用できる。また、配線溝および接続孔を形成する方法には、複数種類の層間絶縁膜、もしくは複数種類のハードマスクを用いたものであってもよい。さらには配線溝と接続孔とに導電体を同時に埋め込んで配線とプラグとを形成するいわゆるデュアルダマシン法ではなく、配線溝に導電体を埋め込むいわゆるシングルダマシン法に対しても、銅の酸化防止膜・拡散防止膜として、本願発明の３層の積層膜を適用することができる。
【００６４】
次に、本発明の半導体装置の第２製造方法に係る一実施の形態を、図４および図５の概略構成断面図によって説明する。
【００６５】
図４の（１）に示すように、基体１１上に、例えば酸化シリコン膜（ＳｉＯ_２）からなる第１絶縁膜１２を形成した後、例えば通常の溝配線を形成する技術を用いて第１絶縁膜１２に配線溝１３を形成し、さらに配線溝１３内に銅の拡散を防止するバリア層１４を介して銅もしくは銅合金からなる第１配線１５を形成する。
【００６６】
上記第１配線１５は、例えば配線厚が２００ｎｍになるように形成されている。上記基体は、トランジスタなどのデバイスが作製されたものである。なお、図においてデバイスは表示せず、一つの層として取り扱う。
【００６７】
しかるべき後処理を行った後、図３の（２）に示すように、銅の酸化防止・拡散防止層となる第２絶縁膜１６を、上記第１配線１５を覆うように上記第１絶縁膜１２上に形成する。この第２絶縁膜１６は、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）を５０ｎｍの厚さに堆積して形成する。この第２絶縁膜１６は、例えば平行平板型のプラズマＣＶＤ装置を用いて、モノシラン（ＳｉＨ_４）、アンモニア（ＮＨ_３）、窒素（Ｎ_２）ガスを用いて、圧力を５５０Ｐａとして成膜することができる。
【００６８】
続いて図４の（４）に示すように、第２絶縁膜１６に接続孔パターンを形成するためのレジストマスク３１を形成し、このレジストマスク３１を用いて、ドライエッチング法により、第１配線１５に達する所望の位置に保証パターン用の接続孔パターン３２を形成する。ここでの窒化シリコン膜のエッチングは、例えば一般的なマグネトロン方式のエッチング装置にて、一例として、エッチングガスにトリフルオロメタン（ＣＨＦ_３）、アルゴン（Ａｒ）および酸素（Ｏ_２）を用い、ガス流量比をＣＨＦ_３：Ａｒ：Ｏ_２＝１：５：１とし、バイアスパワーを５００Ｗに、基板温度は２０℃に設定する。
【００６９】
次いで図４の（４）に示すように、酸素（Ｏ_２）プラズマを用いたアッシング処理と有機系の薬液処理、さらにしかるべき脱ガス処理とＲＦスパッタリング処理を行うことにより、上記レジストマスク３１（前記図４の（３）参照）を除去するとともに、エッチング処理時の残留デポ物を除去し、接続孔パターン３２を形成したことによって露出した下層の第１配線１５表面に形成されている銅配線の変質層（図示せず）の除去を行う。
【００７０】
続いて図４の（５）に示すように、上記接続孔パターン３２を埋め込むように上記第２絶縁膜１６上に、接続孔底部のバリアメタルとなるタンタル（Ｔａ）膜４１を例えば１５０ｎｍの厚さに成膜する。上記タンタル膜４１の成膜は、一般的なマグネトロンスパッタリング装置を用い、タンタルターゲットを用いた指向性スパッタリング法により行う。
【００７１】
続いて、図４の（６）に示すように、保証パターンとして必要ではない第２絶縁膜１６上に堆積された余剰なタンタル膜４１を、例えば化学機械研磨（ＣＭＰ）法により除去する。ここでのＣＭＰは特に条件を限定するものではなく、例えばスラリーはコロイダルシリカを主材料としたものを用いた。このＣＭＰにより銅もしくは銅合金からなる上層の配線との接続孔につながる部分、すなわち接続孔パターン３２内のみにタンタル膜４１からなる保証パターン４２が形成される。このＣＭＰでは、第一配線１５の銅の酸化防止・拡散防止として機能するのに十分な膜厚が残るまで銅の酸化防止膜・拡散防止膜となる上記第２絶縁膜１６を研磨しても問題はなく、本実施例ではタンタル膜４１の研磨時に窒化シリコンからなる第２絶縁膜１６の厚さが５０ｎｍになるように研磨するＣＭＰ条件で研磨した。したがって、最終的な銅の拡散防止膜である第２絶縁膜１６は５０ｎｍの厚さとなった。
【００７２】
上記タンタル膜４１は、２ｎｍ以上２０ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以上５ｎｍ以下に形成する。なお、上記タンタル膜４１の厚さが２ｎｍ未満の場合には、ストレスマイグレーション耐性、エレクトロマイグレーション耐性が悪化する不利益が生じ、タンタル膜４１の厚さが２０ｎｍを超えると、成膜後に行われるリソグラフィー工程において、合わせマークが読みこめない、局所段差による接続孔および配線溝のリソグラフィー工程のできあがり形状にばらつきを生じる、接続孔におけるコンタクト抵抗、配線抵抗の上昇を来す等の不利益を生じることになる。よって、上記範囲に膜厚を設定した。ここで研磨するタンタルおよび窒化シリコンの膜厚量は、パターンの規模および粗密に対して研磨後のタンタルおよび窒化シリコン残膜のばらつきが少ない条件で研磨することが好ましく、したがって、タンタル膜４１の膜厚は成膜後の段差がより少なくなるよう設定するのが好ましく、さらに第２絶縁膜１６の膜厚は上記ＣＭＰ条件や接続孔パターン３２内に残すタンタル膜４１の膜厚に合わせて設定するのが好ましい。
【００７３】
次いで、図４の（７）に示すように、第２絶縁膜１６上に、保証パターン４２を覆うように、接続孔層間、配線層間の絶縁膜として例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜を例えば４００ｎｍの厚さに成膜して、第３絶縁膜１７を形成する。酸化シリコン膜は、一例として、平行平板型のプラズマＣＶＤ装置を用い、原料ガスにモノシラン（ＳｉＨ_４）および一酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ）ガスを用い、成膜雰囲気の圧力を１．００ｋＰａ、基板温度を４００℃として成膜することができる。続いてエッチングマスク１８として例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を例えば５０ｎｍの厚さに成膜する。図面では、一例として、後に説明する配線溝２０を形成する状態のエッチングマスク１８を示した。窒化シリコン膜は、一例として、平行平板型のプラズマＣＶＤ装置を用い、原料ガスにモノシラン（ＳｉＨ_４）、アンモニア（ＮＨ_３）および窒素（Ｎ_２）ガスを用い、成膜雰囲気の圧力を５５０Ｐａとして成膜することができる。
【００７４】
続いて、接続孔パターンを形成するレジストマスク（図示せず）を形成し、それを用いて、ドライエッチング法にて、エッチングマスク１８に接続孔パターン（図示せず）を形成する。ここでの窒化シリコン膜のエッチングは、例えば一般的なマグネトロン方式のエッチング装置にて、一例として、エッチングガスにトリフルオロメタン（ＣＨＦ_３）、アルゴン（Ａｒ）および酸素（Ｏ_２）を用い、ガス流量比をＣＨＦ_３：Ａｒ：Ｏ_２＝１：５：１とし、バイアスパワーを５００Ｗに、基板温度は２０℃に設定する。続いて同じ接続孔パターンのレジストマスクを用いて第３絶縁膜１７への接続孔１９の開口を行う。接続孔１９の形成は、例えば一般的なマグネトロン方式のエッチング装置にて、一例として、エッチングガスにオクタフルオロブタン（Ｃ_４Ｆ_８）、一酸化炭素（ＣＯ）およびアルゴン（Ａｒ）を用い、ガス流量比をＣ_４Ｆ_８：ＣＯ：Ａｒ＝１：１０：２０とし、バイアスパワーを１５００Ｗに、基板温度は２０℃に設定し、３００ｎｍの深さに接続孔１９の開口を行った。その後、酸素（Ｏ_２）プラズマを用いたアッシング処理と有機系の薬液処理を行うことにより、レジストマスクの除去、エッチング処理時の残留デポ物の除去ができる。
【００７５】
続いて配線パターンのレジストマスク（図示せず）を形成し、それを用いて、ドライエッチング法にて、エッチングマスク１８の加工を行う。ここでの窒化シリコンのエッチングは、例えば一般的なマグネトロン方式のエッチング装置を用い、一例として、エッチングガスにトリフルオロメタン（ＣＨＦ_３）、アルゴン（Ａｒ）および酸素（Ｏ_２）を用い、ガス流量比をＣＨＦ_３：Ａｒ：Ｏ_２＝１：５：１とし、バイアスパワーを５００Ｗに、基板温度は２０℃に設定する。その後、酸素（Ｏ_２）プラズマを用いたアッシング処理と有機系の薬液処理を行うことにより、レジストマスクの除去、エッチング処理時の残留デポ物の除去する。
【００７６】
その後、配線パターンが形成されたエッチングマスク１８を用いて、ドライエッチング法にて酸化シリコンからなる第２絶縁膜１７を加工して、配線溝２０を形成するとともに接続孔１９を保証パターン４２に達するように延長形成する。ここでの酸化シリコン（ＳｉＯ_２）加工は、例えば一般的なマグネトロン方式のエッチング装置を用いて、一例として、エッチングガスにオクタフルオロブタン（Ｃ_４Ｆ_８）、一酸化炭素（ＣＯ）およびアルゴン（Ａｒ）を用い、ガス流量比をＣ_４Ｆ_８：ＣＯ：Ａｒ＝１：１０：２０とし、バイアスパワーを１５００Ｗに、基板温度は２０℃に設定し、第３絶縁膜１７を２００ｎｍの深さまでエッチングを行った。最後に酸素（Ｏ_２）プラズマを用いたアッシング処理と有機系の薬液処理を行うことにより、エッチング処理時の残留デポ物の除去する。ここまでで配線溝２０は深さ（厚さ）２５０ｎｍ（内５０ｎｍはエッチングマスク１８）、接続孔１９の深さは配線溝２０の底部より２００ｎｍとなり、その底部には保証パターン４２が露出されている。
【００７７】
その後、しかるべき脱ガス処理及びＲＦスパッタリング処理を行うことにより、接続孔１９の底部に露出した保証パターン４２表面に形成されている変質層（図示せず）の除去を行う。続けて、図４の（８）に示すように、銅配線の層間絶縁膜に対する拡散防止膜として、上記配線溝２０および接続孔１９の内面に、窒化タンタル膜とタンタル膜とを順に積層した２層の積層膜４３を形成する。なお、上記２層の積層膜４３は第３絶縁膜１７上にもエッチングマスク１８を介して形成される。２層の積層膜４３は、好ましくは、同一チャンバ内にて連続して形成されることが好ましい。
【００７８】
この成膜は、例えば一般的なマグネトロンスパッタリング装置を用いて、まずタンタルターゲットを用いて指向性スパッタリング法により、タンタルターゲットを用い、窒化剤として窒素（Ｎ_２）ガスを用いた指向性スパッタリング法により窒化タンタル膜（ＴａＮ）を例えば２ｎｍ以上２０ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚さに成膜する。続けて同一成膜チャンバーにて、上記Ｎ_２ガスの供給を止め、タンタルターゲットを用いた指向性スパッタリング法により、タンタル膜を例えば２ｎｍ以上２０ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚さに成膜する。そして、２層の積層膜４３の総厚さを３０ｎｍ以下、好ましくは１５ｎｍ以下とする。なお、各膜厚は、接続孔の口径、配線溝の幅によって、上記範囲内で適宜設定される。
【００７９】
なお、上記各膜の厚さが２ｎｍ未満の場合には、ストレスマイグレーション耐性、エレクトロマイグレーション耐性が悪化する不利益が生じ、各膜の厚さが２０ｎｍを超えると、成膜後に行われるリソグラフィー工程において、合わせマークが読みこめない、局所段差による接続孔および配線溝のリソグラフィー工程のできあがり形状にばらつきを生じる、接続孔におけるコンタクト抵抗、配線抵抗の上昇を来す等の不利益を生じることになる。よって、上記範囲に膜厚を設定した。また、２層の積層膜４３の総厚さが３０ｎｍを超すと、接続孔や配線溝内に占める２層の積層膜４３が多くなりすぎて、コンタクト抵抗や配線抵抗の上昇を来す。また、銅もしくは銅を含む合金を埋め込む際に、ボイドを発生することがあり、電気的特性、信頼性が悪化する不利益を生じる。このため、上記範囲に２層の積層膜４３の総膜厚は上記のように設定される。
【００８０】
上記窒化タンタル膜とタンタル膜とからなる積層膜は、配線溝２０および接続孔１９の内面にカバレッジ良く形成される必要があるため、好ましくは自己放電イオン化スパッタリング法あるいは遠距離スパッタリング法などの指向性スパッタリング法を用いるのが良い。
【００８１】
次いで、図５の（９）に示すように、電解めっき法もしくはスパッタリング法もしくはＣＶＤ法等の既存の成膜方法により、銅（Ｃｕ）もしくは銅合金を堆積して、上記接続孔１９および配線溝２０を埋め込む配線材料膜２２を形成する。このとき、第３絶縁膜１７上にもエッチングマスク１８、２層の積層膜４３を介して配線材料膜２２が堆積される。
【００８２】
その後、例えば化学的機械研磨（以下ＣＭＰという）により配線が形成されていない窒化シリコンからなるエッチングマスク１８上に堆積されている余剰な配線材料膜２２および２層の積層膜４３を除去する。さらに、タンタル膜を研磨するときに窒化シリコン膜も研磨できるスラリーを用いて最終的にエッチングマスク１８を完全に除去する。
【００８３】
この結果、図５の（１０）に示すように、配線溝２０内に２層の積層膜４３を介して配線２３が形成されるとともに、配線２３と配線１５とを接続するプラグ２４が接続孔１９内に２層の積層膜４３を介して形成される。なお、上記ＣＭＰでは、上記配線２３の厚さが例えば２００ｎｍとなるようにＣＭＰ条件を調整した。
【００８４】
その後、図５の（１１）に示すように、第３絶縁膜１７上に、配線２３を覆うもので、銅の酸化防止膜・拡散防止膜となる防止膜２５を、例えば上記第２絶縁膜１６と同様に窒化シリコン膜で形成する。
【００８５】
上に図４および図５によって説明した実施の形態では、銅の拡散防止膜が接続孔１９の底部のみ、タンタル膜からなる保証パターン４２と窒化タンタル膜とタンタル膜とを積層した２層の積層膜４３からなる３層構造になり、接続孔１９の側壁部、配線溝２０の底部および側壁部は２層の積層膜４３になるため、ストレスマイグレーション（ＳＭ）耐性、エレクトロマイグレーション（ＥＭ）耐性共に優れた特性を得ることができる。また、少なくとも上記各工程を経て形成された半導体装置は、接続孔１９の底部の第１配線１５上面において、上記以外の銅の拡散防止膜構造、具体的にはタンタル膜単層、窒化タンタル膜単層、タンタル膜と窒化タンタル膜との積層構造よりも優れたストレスマイグレーション耐性およびエレクトロマイグレーション耐性を得ることができる。また、接続孔１９の側壁部、配線溝２０の底部および側壁部は窒化タンタル膜とタンタル膜との２層の積層膜となっているため、図３によって説明した製造方法と比べて銅の拡散防止膜の膜厚を薄くすることができ、より小さいデザインルールでの適用が可能となる。したがって、上記製造方法によれば、前記図２によって説明したのと同様に、優れた銅の拡散防止機能を有し、ストレスマイグレーション耐性、エレクトロマイグレーション耐性に優れた半導体装置を形成することができる。
【００８６】
上記実施の形態においては、上記配線１５および配線２３上に形成する銅の酸化防止膜・拡散防止膜となる第２絶縁膜１６、防止膜２５は、窒化シリコン膜に限定するものではなく、銅の酸化防止・拡散防止機能を有する絶縁膜で形成することができる。例えば炭化シリコン膜（ＳｉＣ）、窒化炭化シリコン（ＳｉＣＮ）等の膜で形成することができる。また層間絶縁膜となる第１絶縁膜１２および第３絶縁膜１７は、酸化シリコン膜に限定されるものではなく、例えば、炭素含有シリコン酸化膜（ＳｉＯＣ）、ポリアリルエーテル膜（ＰＡＥ）、フッ素含有シリコン膜（ＦＳＧ）等、層間絶縁膜として一般的に使われているいかなる膜でも形成することができる。
【００８７】
また、配線溝および接続孔の形成方法は，上記説明した製造方法に限定されるものではなく、配線溝およびこの配線溝底部より下層の導電層へ達する接続孔が形成されるものであれば、如何なるプロセスであってもよい。したがって、本願発明の２層の積層膜（接続孔底部のみタンタル膜からなる保証パターンを含む３層の積層膜）は、配線溝および接続孔の形成方法を問わず、層間絶縁膜および配線上に形成される酸化防止膜・拡散防止膜となる膜のいかなる組み合わせを用いても適用できる。また、配線溝および接続孔を形成する方法には、複数種類の層間絶縁膜、もしくは複数種類のハードマスクを用いたものであってもよい。さらには配線溝と接続孔とに導電体を同時に埋め込んで配線とプラグとを形成するいわゆるデュアルダマシン法ではなく、配線溝に導電体を埋め込むいわゆるシングルダマシン法に対しても、銅の酸化防止膜・拡散防止膜として、本願発明の保証パターンおよび２層の積層膜を適用することができる。
【００８８】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の第１半導体装置によれば、銅の拡散防止膜としてタンタル膜と窒化タンタル膜とタンタル膜とを積層した３層構造を用いることにより、ストレスマイグレーション耐性、エレクトロマイグレーション耐性共に優れた特性を持ち、かつ銅の拡散防止機能に優れたものとなる。また第２半導体装置によれば、接続孔の底部のみ、銅の拡散防止膜にタンタル膜と窒化タンタル膜とタンタル膜とを積層した３層構造を用い、それ以外の接続孔側壁部、配線底部及び側壁部のみ窒化タンタル膜とタンタル膜とを積層した２層構造を用いることにより、上記３層構造と同様のストレスマイグレーション耐性、エレクトロマイグレーション耐性を備えることができる。さらに溝配線技術により形成される接続孔や配線溝の内面に成膜される拡散防止膜がより薄くなるため、より微細化した半導体装置に適用することができる。よって、信頼性の高い配線構造を有する半導体装置になる。
【００８９】
本発明の半導体装置の第１製造方法によれば、銅の拡散防止膜としてタンタル膜と窒化タンタル膜とタンタル膜とを積層した３層構造を形成するので、ストレスマイグレーション耐性、エレクトロマイグレーション耐性共に優れた特性を持ち、かつ銅の拡散防止機能に優れたものを形成することができる。また第２製造方法によれば、接続孔の底部のみ、銅の拡散防止膜にタンタル膜と窒化タンタル膜とタンタル膜とを積層した３層構造を形成し、それ以外の接続孔側壁部、配線底部及び側壁部のみ窒化タンタル膜とタンタル膜とを積層した２層構造を形成するので、上記３層構造と同様のストレスマイグレーション耐性、エレクトロマイグレーション耐性を備えることができる。さらに溝配線技術により形成される接続孔や配線溝の内面に成膜される拡散防止膜がより薄くなるため、より微細化した半導体装置に適用することができる。よって、信頼性の高い配線構造を有する半導体装置を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１半導体装置に係る一実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図２】本発明の第２半導体装置に係る一実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図３】本発明の第１半導体装置の製造方法に係る一実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図４】本発明の第２半導体装置の製造方法に係る一実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図５】本発明の第２半導体装置の製造方法に係る一実施の形態を示す概略構成断面図である。
【符号の説明】
１５…第１配線、１９…接続孔、２０…配線溝、２１、３層の積層膜、２３…第２配線、２４…プラグ

Claims

銅もしくは銅合金からなる配線を備え、
前記配線の少なくとも一部分にタンタル膜と窒化タンタル膜とタンタル膜とを順に積層した積層膜を備えた
ことを特徴とする半導体装置。
第１導電体を覆う絶縁膜に前記第１導電体に達するように形成された接続孔と、
前記接続孔内に埋め込まれた銅もしくは銅合金からなる第２導電体とを備えた半導体装置において、
前記接続孔の底部にタンタル膜と窒化タンタル膜とタンタル膜とを順に積層した積層膜を備え、
前記接続孔の側壁に窒化タンタル膜とタンタル膜とを側壁側より順に積層した積層膜を備えた
こと特徴とする半導体装置。
第１絶縁膜に中に設けられた導電体を覆う第２絶縁膜を形成する工程と、
前記第２絶縁膜に前記導電体に達する接続孔パターンを形成する工程と、
前記接続孔パターンにタンタル膜を形成する工程と、
前記第２絶縁膜上に第３絶縁膜を形成しかつ前記第３絶縁膜に配線溝と前記配線溝の底部より前記タンタル膜に達する接続孔を形成する工程と、
前記配線溝および前記接続孔の各内面に窒化タンタル膜とタンタル膜とを順に積層した積層膜を形成する工程と
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。