(57)【要約】【課題】ＴａＮ膜の単層膜を使用して、ＴＣＲ値が小さく、アンプの出力段の半導体集積回路の抵抗体として使用したときに優れた音質が得られる高音質抵抗膜及びその製造方法を提供する。【解決手段】高音質抵抗膜は、抵抗値電圧係数ＶＣＲが−１５０乃至＋１５０ｐｐｍ／Ｖである窒化タンタル膜の単層膜であり、この窒化タンタル膜は、半導体装置の製造工程で常温から４００℃までの温度で、窒素ガス分圧比を３乃至１０％としてスパッタリングにより成膜されたものである。前記スパッタリング時の基板温度をＴとし、窒素ガス分圧比をｍとしたとき、前記基板温度Ｔ及び窒素ガス分圧比ｍは、（１／１６５）Ｔ＋（９５／３３）≦ｍ≦（１／６６）Ｔ＋（１５５／３３）を満たす。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
抵抗値電圧係数ＶＣＲが−１５０乃至＋１５０ｐｐｍ／Ｖである窒化タンタル膜の単層膜であり、この窒化タンタル膜は、半導体装置の製造工程で常温から４００℃までの温度で、窒素分圧比を３乃至１０％としてスパッタリングにより成膜されたものであることを特徴とする高音質抵抗膜。
【請求項２】
前記窒化タンタル膜の抵抗値温度係数ＴＣＲが−５３乃至＋５３ｐｐｍ／℃であることを特徴とする請求項１に記載の高音質抵抗膜。
【請求項３】
半導体装置の製造工程において、層間絶縁膜の形成後、基板温度を常温から４００℃までの温度に設定し、反応ガス中の窒素ガス分圧比を３乃至１０％として、スパッタリングにより抵抗値電圧係数ＶＣＲが−１５０乃至＋１５０ｐｐｍ／Ｖである窒化タンタル膜を前記層間絶縁膜上に形成することを特徴とする高音質抵抗膜の製造方法。
【請求項４】
前記スパッタリング時の基板温度をＴとし、窒素ガス分圧比をｍとしたとき、前記基板温度Ｔ及び窒素ガス分圧比ｍは、（１／１６５）Ｔ＋（９５／３３）≦ｍ≦（１／６６）Ｔ＋（１５５／３３）を満たすように、決定することを特徴とする請求項３に記載の高音質抵抗膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンプ出力部に使用したときに高音質が得られる高音質抵抗膜及びその製造方法に関し，特に、ＴＣＲ（抵抗値温度係数）値が小さく、抵抗特性変化が少ないＴＣＲ特性が優れたＴａＮ膜からなる高音質抵抗膜及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
オーディオアンプ等の音響製品において、特に、その出力段の回路に使用される抵抗体の性能が、音質に影響を与えていることは公知である。従来、このアンプの出力段の半導体集積回路には、ポリシリコンの薄膜抵抗体が使用されている。そして、この音質に影響を与える抵抗体の性能としては、ＴＣＲ値がある。即ち、ＴＣＲ値は抵抗値温度係数であり、温度変化によりどの程度抵抗値が変化するかという程度を示す特性であり、このＴＣＲ値が小さい方が（０に近い方が）、抵抗値が温度により変動せず、高音質が得られる。従来のポリシリコン抵抗体は、２５乃至１２５℃程度の温度範囲で、ＴＣＲ値が±１００ｐｐｍ／℃程度であり、更に一層の音質改善のために、ＴＣＲ値を±５０ｐｐｍ／℃程度に小さくすることが望まれている。
【０００３】
このＴＣＲ値の調整は、従来、抵抗膜をスパッタリングにより形成する際の原料ガスのＮ２分圧比を調節することにより行っている。また、正のＴＣＲ特性を有する薄膜抵抗体と、負のＴＣＲ特性を有する薄膜抵抗体とを積層することにより、全体で、０に近い良好なＴＣＲ特性を得ることも提案されている。
【０００４】
ＴＣＲ値を小さくすることを目的とした窒化タンタル（ＴａＮ）薄膜抵抗体としては、特許文献１に開示されたものがある。この従来の窒化タンタル薄膜抵抗体は、窒化タンタル薄膜の上面に、Ｔｉからなる中間膜を介してＡｕからなる電極膜を形成し、中間膜と電極膜との合成抵抗温度係数を第１の抵抗温度係数とし、窒化タンタル薄膜の抵抗温度係数を第２の抵抗温度係数としたとき、第１と第２の温度係数の和を−１０乃至０ｐｐｍ／℃としたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３４２７０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のポリシリコン薄膜抵抗体は、その減圧ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition：化学気相成長法)による成膜時の成膜温度が約６００℃程度と高く、Ａｌ等の配線用金属材料が溶けてしまうことを回避するため、これらの金属配線の形成後にポリシリコン薄膜抵抗体を形成することはできない。従って、このポリシリコン薄膜抵抗体は、金属配線よりも下層に形成する必要があり、その形成位置はＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon：選択酸化法）酸化膜上に制約される。このため、薄膜抵抗体にポリシリコンを使用すると、トランジスタ領域を避けてＬＯＣＯＳ酸化膜直上に抵抗体を配置するスペースを確保する必要が生じ、チップ面積の縮小が困難である。
【０００７】
また、前述の如く、ポリシリコン薄膜抵抗体は、必ずしも、ＴＣＲ値が十分に低いものではなかった。このため、オーディオアンプ出力段の半導体集積回路にポリシリコン薄膜抵抗体を使用しても、優れた音質を得ることは困難である。
【０００８】
一方、ＴａＮ薄膜抵抗体は、スパッタリングによる成膜時の成膜温度が約４００℃以下と低温であるため、金属配線を形成した後にこのＴａＮ薄膜抵抗体を形成しても、金属配線の溶融は生じない。よって、ＴａＮ薄膜抵抗体は、金属配線の上層に形成することができ、金属配線を形成する層間絶縁膜の上に、積み上げることができる。特に、上部配線層側にいくほど、面積占有率が低下するので、ＴａＮ抵抗体を形成するスペースを確保しやすくなるため、チップ面積を縮小することができるという利点がある。
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載のＴａＮ薄膜抵抗体は、複層（Ｔｉ膜＋Ａｕ膜）金属膜との積層膜として、ＴａＮ膜を形成し、複層金属膜のＴＣＲ値とＴａＮ膜のＴＣＲ値との和としての全体のＴＣＲ値を０に近づけている。このような金属膜との積層膜では、金属膜の抵抗値が極めて小さいために抵抗値の制御が困難であり、また、Ｔｉ膜及びＡｕ膜の形成コストが高いと共に、複層金属膜及びＴａＮ膜のパターニング工程が複雑であるという問題点がある。
【００１０】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、オーディオ信号処理回路に最適なＴａＮ膜の単層膜を使用して、ＴＣＲ値が小さく、アンプの出力段の半導体集積回路の抵抗体として使用したときに優れた音質が得られる高音質抵抗膜及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る高音質抵抗膜は、抵抗値電圧係数ＶＣＲが−１５０乃至＋１５０ｐｐｍ／Ｖである窒化タンタル膜の単層膜であり、この窒化タンタル膜は、半導体装置の製造工程で常温から４００℃までの温度で、窒素分圧比を３乃至１０％としてスパッタリングにより成膜されたものであることを特徴とする。
【００１２】
この場合に、前記窒化タンタル膜の抵抗値温度係数ＴＣＲは、例えば、−５３乃至＋５３ｐｐｍ／℃である。
【００１３】
本発明に係る高音質抵抗膜の製造方法は、半導体装置の製造工程において、層間絶縁膜の形成後、基板温度を常温から４００℃までの温度に設定し、反応ガス中の窒素ガス分圧比を３乃至１０％として、スパッタリングにより抵抗値電圧係数ＶＣＲが−１５０乃至＋１５０ｐｐｍ／Ｖである窒化タンタル膜を前記層間絶縁膜上に形成することを特徴とする。
【００１４】
この場合に，前記スパッタリング時の基板温度をＴとし、窒素ガス分圧比をｍとしたとき、前記基板温度Ｔ及び窒素ガス分圧比ｍは、（１／１６５）Ｔ＋（９５／３３）≦ｍ≦（１／６６）Ｔ＋（１５５／３３）を満たすように、決定することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、窒素ガス分圧比を３乃至１０％に調整すると共に、基板温度を常温から４００℃の範囲に調整して、窒化タンタル（ＴａＮ）膜をスパッタリングにより形成することにより、ＴａＮ膜のＶＣＲを−１５０乃至＋１５０ｐｐｍ／Ｖに制御することができる。これにより、ＶＣＲ値が小さく、高音質の抵抗膜を形成することができる。また、
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る抵抗膜を示す断面図である。
【図２】基板温度Ｔと窒素分圧比との相関関係を示すグラフ図である。
【図３】ＶＣＲとＴＣＲとの関係を示すグラフ図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る抵抗膜を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。本発明は、ＴａＮ（窒化タンタル）膜単層膜を抵抗膜とするが、このＴａＮ膜をスパッタリング法により形成し、このスパッタリング時の窒素ガス分圧比を調整すると共に、更に、スパッタリング温度（基板温度）を調整することにより、ＴａＮ膜のＴＣＲ値を０に近いものに制御する。
【００１８】
図１は、本発明の実施形態に係る高抵抗抵抗膜が形成された半導体装置を示す断面図である。この半導体装置は、先ず、シリコン基板等の基板１に種々のトランジスタ等を作り込む。このとき、基板１の表面上に、第１層間絶縁膜１０が形成され、この第１層間絶縁膜１０上に、アルミニウム又は銅等により第１配線層２１が形成される。この第１配線層２１は、第１層間絶縁膜１０上にアルミニウム又は銅の層を通常の膜形成技術により形成した後、この層を、通常のレジストを使用したパターニング方法により所望の配線パターンにパターニングすることにより形成される。そして、これらの第１配線層２１を含む第１層間絶縁膜１０上に第２層間絶縁膜１１を形成し、この第２層間絶縁膜１１上に、第２配線層２２を形成する。そして、第２配線層２２上を含む全面に第３層間絶縁膜１２を形成し、この第３層間絶縁膜１２上に第３配線層２３を形成し、第３配線層２３を含む第３層間絶縁膜１２上に第４層間絶縁膜１３を形成する。そして、この第４層間絶縁膜１３上に第４配線層２４ｃを形成する。各配線層は各層間絶縁膜に形成したビアホール内に導電物質を形成することにより設けたビアにより接続される。例えば、第４配線層２４ｃと第２配線層２２とはビア４により接続される。即ち、第３層間絶縁膜１２及び第４層間絶縁膜１３の形成工程において、夫々第３層間絶縁膜１２及び第４層間絶縁膜１３にこれらの膜を貫通するビアホールを、レジスト膜をマスクとしてウエットエッチング又はドライエッチングにより形成し、その後、アルミニウム等の金属材料をスパッタリングするか、又はＣＶＤ（化学的気相成長法）により堆積することにより、この金属材料をビアホール内に形成することにより、ビア４を設け、このビア４に接続されるように、第３層間絶縁膜１２及び第４層間絶縁膜１３上に、夫々配線２３及び配線２４ｃを形成する。例えば、前記ビアホール内にＷをＣＶＤにより堆積し、このＷをエッチバックすることによりＷプラグを形成し、更にＡｌをスパッタリングすることにより、ビア及び配線を形成することができる。
【００１９】
而して、本実施形態においては、第３層間絶縁膜１３を下層絶縁膜１３ａと上層絶縁膜１３ｂの２層に分けて形成し、下層絶縁膜１３ａを形成した後、上層絶縁膜１３ｂを形成する前に、下層絶縁膜１３ａ上に、窒化タンタル（ＴａＮ）膜２を所定の寸法及び形状になるように、パターン形成する。このＴａＮ膜２は、以下のようにして形成することができる。即ち、下層絶縁膜１３ａ上にＴａＮ膜２の形成予定領域が開口したレジストパターン（図示せず）を形成した後、このレジストパターンをマスクとし、Ｔａターゲットを使用して、Ａｒガスに窒素ガスを所定の分圧比で添加した反応ガスによりスパッタリングすることにより、ＴａＮを全面に堆積する。その後、レジストを除去することにより、レジスト上のＴａＮ膜２をリフトオフすることによって、ＴａＮ膜２を形成することができる。又は、以下の方法によって、ＴａＮ膜２を形成することもできる。下層絶縁膜１３ａ上の全面にＴａＮ膜を上記スパッタリングにより形成し、このＴａＮ膜上にレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクとして、前記ＴａＮ膜をエッチングする。この方法によっても、ＴａＮ膜２を形成することができる。この窒化タンタル膜２は、本実施形態の高音質抵抗膜になる。
【００２０】
このＴａＮ膜２の形成後、ＴａＮ膜２を含む下層絶縁膜１３ａの全面に上層絶縁膜１３ｂを形成し、上層絶縁膜１３ｂにＴａＮ膜２に到達する２個のビアホールを形成する。このビアホールは、ウエットエッチングにより形成することが好ましい。ウエットエッチングの場合は、ドライエッチングに比べて、オーバーエッチングによるビアホール底部のＴａＮ膜の削れを抑制することができる。これにより、加工マージンが向上し、ＴａＮ膜２のより一層の薄膜化による高抵抗化が可能となる。
【００２１】
そして、これらのビアホールにアルミニウム又は銅等の金属をスパッタリング又はＣＶＤにより埋め込み、ビア３ａ，３ｂを形成する。更に、上層絶縁膜１３ｂ上に、ビア３ａ，３ｂに接続されるようにして、夫々、第４配線層２４ａ，２４ｂを形成する。この第４配線層２４ａ，２４ｂにより、ＴａＮ膜２は、アンプの出力段の回路の中に、出力電流が流れる通り道に設けられた薄膜抵抗体として接続される。
【００２２】
本実施形態においては、高音質抵抗体としてのＴａＮ膜２を、スパッタリングにより形成し、このスパッタリング時の基板温度と、窒素ガス分圧比とを、調節することにより、ＴａＮ膜２のＴＣＲを制御する。
【００２３】
即ち、ＴａＮ膜２を、基板温度を常温から３５０℃までの温度に設定し、窒素ガス分圧比を３乃至１０％に設定して、スパッタリングにより形成する。この温度条件範囲及び窒素ガス分圧比条件範囲の中で、ＴＣＲ値が−５０〜＋５０ｐｐｍ／℃になるように、基板温度及び窒素ガス分圧比を決める。
【００２４】
基板温度を上げると、得られたＴａＮ膜２のＴＣＲ値は、より正（＋）の方向に変化する。また、窒素ガス分圧比を上げると、得られたＴａＮ膜２のＴＣＲ値は、より負（−）の方向に変化する。この基板温度と窒素ガス分圧比とを、ＴＣＲ値が０に近い値になるように、バランスをとって決める。
【００２５】
この場合に、基板温度が低い場合は，窒素ガス分圧比を比較的低く、基板温度が高い場合は、窒素ガス分圧比を比較的高くすることが好ましい。即ち、基板温度が常温（２０℃）の場合は、窒素ガス分圧比は３乃至５％であり、基板温度が３５０℃の場合は、窒素ガス分圧比は５乃至１０％とすることが好ましい。この常温から３５０℃までの温度範囲の途中においては、窒素ガス分圧比の上限値及び下限値は温度に対して比例配分すればよい。即ち、基板温度をＴ、このときの好ましい窒素ガス分圧比の下限値をｍ１、上限値をｍ２とすると、下記数式１，２が成立する。
【００２６】
なお、ＴａＮ膜の成膜条件は、基板温度は常温から３５０℃の範囲であるが、スパッタリングガスの圧力は、例えば５ｍＴｏｒｒである。このスパッタリングガスの流量は、例えばＡｒガスが６７ｓｃｃｍ、Ｎ２ガスが８ｓｃｃｍ（Ｎ２ガス分圧比が１０％）である。供給パワーは、例えば０．５〜３ｋＷである。
【００２７】
【数１】
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【００２８】
【数２】
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【００２９】
これらの数式から、下記数式３，４が成立する。
【００３０】
【数３】
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【００３１】
【数４】
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【００３２】
図２は、横軸に基板温度Ｔをとり、縦軸に窒素ガス分圧比をとって、窒素ガス分圧比の上限ｍ２及び下限ｍ１と、基板温度Ｔとの関係（数式３，４）を示すグラフ図である。基板温度Ｔに応じて、ｍ１及びｍ２を求め、ｍ１〜ｍ２の範囲で、窒素ガス分圧比を選択して、ＴＣＲが−５０〜＋５０ｐｐｍ／℃の範囲に入るように窒素ガス分圧比を調節するか、又は、図２の線分ｍ２と線分ｍ１との間の領域であって基板温度が２０乃至３５０℃の間の領域において、窒素ガス分圧比を選択し、その上で、基板温度Ｔを、ＴＣＲが−５０〜＋５０ｐｐｍ／℃の範囲に入るように調節すればよい。このとき、前述の如く、基板温度Ｔを上げるとＴＣＲはより正（＋）の方向に変化し、基板温度を下げるとＴＣＲはより負（−）の方向に変化するので、この基準に応じて、ＴＣＲ値を−５０〜＋５０ｐｐｍ／℃の範囲に入るように制御することができる。また、例えば、一旦、一方の因子である窒素ガス分圧比又は基板温度を決め、その後、上述のようにして、他方の因子である夫々基板温度又は窒素ガス分圧比を変更して、ＴＣＲ値を調整し、更に、前記一方の因子である窒素ガス分圧比又は基板温度を変更する等、２段階に限らず、３段階以上に分けて、因子を変更することにより、ＴＣＲ値を調整してもよい。
【００３３】
結局、スパッタリングにおいて、基板温度がＴ、窒素ガス分圧比がｍであるとしたとき、ｍはｍ１≦ｍ≦ｍ２であるべきであるから、数式３，４より、ｍは下記数式５を満たすことが好ましい。
【００３４】
【数５】
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【００３５】
このようにして、スパッタリングによる成膜時の成膜条件である基板温度Ｔ及び窒素ガス分圧比ｍを、基板温度Ｔ及び窒素ガス分圧比ｍが上記数式５を満たす範囲内で、基板温度を上げるとＴＣＲが正（＋）の方向に変化し、窒素ガス分圧比を上げるとＴＣＲが負（−）の方向に変化するという基準に基づいて適宜調整することにより、ＴａＮ膜２のＴＣＲ値を所望の範囲−５０〜＋５０ｐｐｍ／℃に制御することができる。よって、本発明の実施形態においては、アンプの出力電流が、薄膜抵抗体としてのＴａＮ膜２を通過するときの抵抗値は、温度の変化に拘わらず、ほぼ一定である。従って、温度変化に起因するアンプ出力段の出力電流の変化は少なく、スピーカー又はヘッドフォンにより高音質で音楽を聞くことができる。なお、この効果は、スパッタリング温度が３５０℃を超えて、４００℃までの温度範囲において、得ることができる。よって、本発明においては、ＴａＮ膜のスパッタリング温度は、常温から４００℃とする。
【００３６】
そして、本発明においては、ＴａＮ膜のスパッタリング温度が高々４００℃であるから、アルミニウム配線等を溶融させてしまうことがないため、抵抗体としてのＴａＮ膜２を、半導体装置製造工程の比較的後期に形成することができ、層間絶縁膜の上層に配置することができる。このため、アルミニウム配線層の上に、ＴａＮ膜抵抗膜を配置することができ、チップ面積の縮小化が可能である。また、本発明のＴａＮ膜はスパッタリング温度が低くてもよいので、抵抗体単体ではなく、ＬＳＩ（大規模集積回路）の中に組み込むことが容易であり、これにより、ＴＣＲ値が小さい抵抗を具備する回路を容易に得ることができる。
【００３７】
而して、ＴａＮ膜は、ＴＣＲ（抵抗の温度特性）とＶＣＲ（抵抗の電圧特性）との間に、相関関係をもつ。即ち、本発明者等は、図３に示すように、ＴＣＲ（ｘ）とＶＣＲ（ｙ）との間に、ＴＣＲが小さくなれば、それに比例してＶＣＲも小さくなり、ｙ＝２．８３ｘという関係式が成立することを、実験的に知見した。但し、ＴＣＲ及びＶＣＲの単位は、夫々ｐｐｍ／℃及びｐｐｍ／Ｖである。
【００３８】
一般のオーディオアンプを含む集積回路においては、その回路中に使用される抵抗膜は印加される電圧に応じて抵抗の絶対値が変化する固有のＶＣＲ特性を有している。このようなＶＣＲ特性を有する抵抗体を使用したオーディオアンプを含む集積回路においては、オーディオ信号（音量）に応じて、その回路中に流れる電気信号の電圧振幅は大きく変化する。この電圧振幅に対して、回路中に用いられる抵抗値の絶対値が変化すると、最終的にこのアンプから出力されるオーディオ信号は、抵抗値の変化分の歪みが乗った歪んだ音として、再生されることとなる。一方，回路中に使用される抵抗体のＶＣＲが小さければ小さいほど、電気信号の電圧振幅に対する抵抗値の絶対値の変化は小さくなるため、最終的にこのアンプから出力されるオーディオ信号の歪みは小さくなり、アンプのオーディオ特性が良くなる。
【００３９】
例えば、電源電圧が６Ｖで駆動されるオーディオアンプの場合を考えてみると、ＶＣＲを仮に１５０ｐｐｍ／Ｖとすれば、抵抗成分による歪み率は、０．０９％となる。一般に、このような大音量においてさえ、歪み率が０．１％以下であれば、一般のユーザには十分に小さい歪み率のアンプと考えられるため、このような小さなＶＣＲを有する抵抗体をオーディオアンプに使用することにより、オーディオアンプに要求される歪み率を十分に小さくすることが可能となる。
【００４０】
上述のように、１５０ｐｐｍ／Ｖよりも小さなＶＣＲ特性を有するＴａＮ膜は、高音質抵抗膜ということができる。これを、図３を使用して、ＴＣＲの値に変換すると、５３ｐｐｍ／℃となる。前述のごとく、図２のｍ１とｍ２との間の窒素ガス分圧比−基板温度特性を有している場合は、ＴＣＲが±５０ｐｐｍ／℃の範囲内であるので、ＶＣＲも±１５０ｐｐｍ／Ｖの範囲内になり、高音質のオーディオ用抵抗膜となる。
【００４１】
なお、このＴａＮ膜２は、上述の実施形態のように、最上層の層間絶縁膜（第４層間絶縁膜１３）内に形成する場合に限らず、図４に示すように、第１配線層２１の下層の第１層間絶縁膜１０内に形成しても良い。この場合に、このＴａＮ膜２にビア３ａ、３ｂを介して接続される配線層２４ａ、２４ｂは第１配線層２１と同層に形成される。このように、このＴａＮ膜２を配置すべき層間絶縁膜は、任意であり、最上層に限らないが、配置位置の選択の余裕度からすると、最上層の層間絶縁膜内が有利である。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の高音質抵抗膜は、ＴａＮ膜の単層で、ＴＣＲが極めて小さいので、高い音響特性を有する高音質のアンプの低コストの製造に有益である。また、本発明の高音質抵抗膜は、その形成のためのスパッタリング温度が低いので、半導体集積回路に、容易に組み込むことができるため、ＴＣＲ値が小さい抵抗膜を備えた半導体集積回路の製造に有益である。
【符号の説明】
【００４３】
１：シリコン基板、２：窒化タンタル（ＴａＮ）膜、３ａ、３ｂ、４：ビア、１０：第１層間絶縁膜、１１：第２層間絶縁膜、１２：第３層間絶縁膜、１３：第４層間絶縁膜、１３ａ：下層絶縁膜、１３ｂ：上層絶縁膜、２１：第１配線層、２２：第２配線層、２３：第３配線層、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ：第４配線層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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