(57)【要約】【課題】タンタルからなるバリアメタル膜がダメージを抑制もしくは低減された低比誘電率層間絶縁膜に接して設けられているとともに、Ｔａバリアメタル膜およびこれに覆われた導電体の接続不良も抑制されている半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置２６は、比誘電率が３以下の低比誘電率層間絶縁膜８、バリアメタル膜２１、導電体２２を具備する。低比誘電率層間絶縁膜８には、開口部１７，２０が形成されている。バリアメタル膜２１は、開口部１７，２０の内側を覆って設けられているとともに結晶構造が互いに異なるα−Ｔａおよびβ−Ｔａを含むタンタルの膜からなり、かつ、α−Ｔａとβ−Ｔａとの組成比が低比誘電率層間絶縁膜８に接する部分において１以上５以下となっている。導電体２２は、開口部１７，２０に形成されたバリアメタル膜２１上に形成されている。【選択図】      図１５
2008060316.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に設けられ、比誘電率が３以下である低比誘電率層間絶縁膜と、
前記低比誘電率層間絶縁膜に形成された開口部と、
前記開口部の内側を覆って設けられているとともに結晶構造が互いに異なるα−Ｔａおよびβ−Ｔａを含むタンタルの膜からなり、かつ、前記α−Ｔａと前記β−Ｔａとの組成比を表すα−Ｔａ／β−Ｔａが前記低比誘電率層間絶縁膜に接する部分において１以上５以下となっているバリアメタル膜と、
前記開口部に形成された前記バリアメタル膜上に形成された導電体と、
を具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記導電体および前記低比誘電率層間絶縁膜は、配線とプラグとが一体のデュアルダマシン配線構造を形成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】
前記低比誘電率層間絶縁膜は、少なくともＳｉ，Ｏ，Ｃ，Ｈを含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記導電体は、ＣｕあるいはＣｕを含む合金であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記バリアメタル膜の比抵抗は、１００μΩｃｍ以上１８０μΩｃｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の配線付近の部材の不具合を抑制する技術に係り、特に低比誘電率膜からなる層間絶縁膜、この低比誘電率層間絶縁膜に接して設けられたバリアメタル膜、およびこのバリアメタル膜により覆われたプラグや配線の不具合が抑制された半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスの高性能化を妨げる大きな要因となっているＲＣ遅延等を低減するために、層間絶縁膜や配線の材料を改良する技術が盛んに開発および研究されている。例えば、一般的な層間絶縁膜は、比誘電率が約４．０のＳｉＯ2 膜等により形成されている。このＳｉＯ2 膜に代えて、ＳｉＯ2 膜よりも比誘電率が低い、いわゆる低比誘電率膜（low-k 膜）を層間絶縁膜の材料として用いる技術が試みられている。それとともに、配線の材料をアルミニウム（Ａｌ）から銅（Ｃｕ）に切り換える技術も試みられている。
【０００３】
銅は、アルミニウムに比べて比抵抗が約半分である、融点が高くエレクトロマイグレーションが実質的に起きない、さらにはストレスマイグレーションが起こり難い、等の長所を有している。ただし、銅は、拡散係数が大きくシリコン（Ｓｉ）やシリコン酸化物（ＳｉＯ2 ）にとって最も有害な元素の一つである、ＣＶＤ法による成膜やドライエッチングによる加工が非常に困難である、さらには層間絶縁膜の主な材料であるＳｉＯ2 膜との密着性が低い、等の短所も併せて有している。このような銅の長所を活かしつつ、銅の短所を排除して配線を形成することができる配線形成プロセスとしては、現在、ダマシンプロセスと称される埋め込みプロセスが主流となっている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
ダマシンプロセスにより配線を形成する場合、配線を設けるための配線形成用溝や、ヴィアプラグを設けるためのヴィアホールあるいはコンタクトプラグを設けるためのコンタクトホールを層間絶縁膜の内部に形成する必要がある。これら各ホールや溝は、通常、反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching：ＲＩＥ）法を用いて層間絶縁膜を削ることにより形成される。この際、各ホールや溝の側壁部あるいは底部には、ＲＩＥ工程で生成された不要な反応生成物が堆積する。この反応生成物は、通常、アッシングにより除去される。ところが、ＲＩＥ工程やアッシングに用いられるガスには、Ｏ2 ／Ａｒ、Ｏ2 ／ＣＨ4 、あるいはＯ2 ／Ｎ2 等、酸素（Ｏ2 ）を含むガスが用いられる場合が多い。このような酸素を含むガスは、層間絶縁膜にダメージを与えるおそれが高い。層間絶縁膜は、ダメージを受けるとその吸湿量が大きくなる。
【０００５】
また、前述した低比誘電率膜はその膜構造が多孔質（ポーラス）状となっており、ＳｉＯ2 膜等の一般的な絶縁膜に比べて膜密度が小さい。このため、低比誘電率膜はＳｉＯ2 膜等に比べて膜構造が粗く、脆い。このような膜質を有する低比誘電率膜を用いて形成された層間絶縁膜は、前述したような酸素を含むガスを用いるアッシング工程において一般的な層間絶縁膜に比べてダメージを受け易い。また、低比誘電率膜は元々、より緻密な膜構造を有するＳｉＯ2 膜等に比べて吸湿性が高い。したがって、低比誘電率層間絶縁膜は、酸素によるダメージを受けると、その吸湿量が一般的な層間絶縁膜に比べて著しく大きくなる。
【０００６】
また、ダマシンプロセスにより配線を形成する場合、配線やプラグとなる金属膜が層間絶縁膜中に拡散したり、金属膜と層間絶縁膜との界面で密着不良が生じたりしないように、金属膜と層間絶縁膜との間にバリアメタル膜が設けられるのが一般的である。特に、銅は、前述したように拡散係数が大きくシリコンやシリコン酸化物にとって最も有害な元素の一つであるとともにＳｉＯ2 膜との密着性が低い、という問題を有している。当然、ＳｉＯ2 膜よりも膜密度が小さく膜構造が粗い低比誘電率膜と銅との密着性は、ＳｉＯ2 膜と銅の密着性に比べてより劣っている。したがって、銅を用いてプラグや配線を低比誘電率層間絶縁膜中に形成する場合、銅配線や銅プラグと低比誘電率層間絶縁膜との間にバリアメタル膜を設けることが必須となる。ところが、バリアメタル膜の下地層となる低比誘電率層間絶縁膜が前述したようにダメージを受けていると、バリアメタル膜の膜質が好ましくない状態で成膜されるおそれが高くなる。
【０００７】
例えば、銅を用いてプラグや配線を形成する場合、バリアメタル膜に用いられる材料としては、銅との相性の観点からタンタル（Ｔａ）が最も有効とされている。このタンタルは、その結晶系または結晶構造に応じて、α−Ｔａとβ−Ｔａとの２種類に大別される。α−Ｔａは結晶系が立方晶であるとともに、結晶構造が体心立方構造（body-centered cubic structure：ｂｂｃ）となっている。これに対して、β−Ｔａは結晶系が立方晶であるとともに、結晶構造が面心立方構造（face-centered cubic structure：fｂｃ）もしくは六方最密充填構造（hexagonal close-packed structure：ｈｃｐ）となっている。そして、スパッタリング法を用いる通常のバリアメタル膜の成膜工程により低比誘電率層間絶縁膜上にＴａ膜を成膜すると、α−Ｔａとβ−Ｔａとが混在するＴａ膜が成膜される。この際、低比誘電率層間絶縁膜が酸素によるダメージを受けてその吸湿量が大きくなっていると、吸湿した低比誘電率層間絶縁膜から酸素（Ｏ2 ）や水分（Ｈ2Ｏ）がＴａ膜中に混入する。すると、Ｔａ膜の低比誘電率層間絶縁膜との界面付近においてα−Ｔａの成長が促進されて、Ｔａ膜に含まれるα−Ｔａの割合がβ−Ｔａに比べて大きくなる。すなわち、Ｔａ膜中のα−Ｔａとβ−Ｔａとの組成比を表すα−Ｔａ／β−Ｔａの値が大きくなる。
【０００８】
一般に、α−Ｔａはβ−Ｔａに比べて金属膜や絶縁膜との密着性が低い（例えば特許文献２、３参照）。そして、銅プラグと銅配線とが一体に形成されたデュアルダマシン銅配線においてＴａバリアメタル膜と銅プラグとの密着性が低下していると、前記特許文献３の明細書中段落番号［０００８］および図１０（ｂ）に記載されているように、銅プラグ形成後の熱処理工程においてＴａバリアメタル膜と銅プラグとが剥離し易くなる。もし、Ｔａバリアメタル膜と銅プラグとが剥離した場合には、銅プラグがこれよりも体積が大きい銅配線本体に吸い上げられて（引き寄せられて）、銅プラグの下方にボイドが発生する。すると、銅プラグと下層配線と間の導通が断たれて、上層配線と下層配線との間に接続不良が生じてしまう。
【特許文献１】特開２００５−２４４１７８号公報
【特許文献２】特開２００３−１０９９５６号公報
【特許文献３】特開２００３−６８７４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明では、タンタル（Ｔａ）からなるバリアメタル膜が酸素によるダメージを抑制もしくは低減された低比誘電率層間絶縁膜に接して設けられているとともに、Ｔａバリアメタル膜およびこれに覆われた導電体の接続不良も抑制されている半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するために、本発明の一態様に係る半導体装置は、半導体基板上に設けられ、比誘電率が３以下である低比誘電率層間絶縁膜と、前記低比誘電率層間絶縁膜に形成された開口部と、前記開口部の内側を覆って設けられているとともに結晶構造が互いに異なるα−Ｔａおよびβ−Ｔａを含むタンタルの膜からなり、かつ、前記α−Ｔａと前記β−Ｔａとの組成比を表すα−Ｔａ／β−Ｔａが前記低比誘電率層間絶縁膜に接する部分において１以上５以下となっているバリアメタル膜と、前記開口部に形成された前記バリアメタル膜上に形成された導電体と、を具備することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、タンタル（Ｔａ）からなるバリアメタル膜が酸素によるダメージを抑制もしくは低減された低比誘電率層間絶縁膜に接して設けられているとともに、Ｔａバリアメタル膜およびこれに覆われた導電体の接続不良も抑制されている半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る各実施形態を図面を参照しつつ説明する。
【００１３】
（第１の実施の形態）
先ず、本発明に係る第１実施形態について図１〜図１９を参照しつつ説明する。図１〜図１５は、それぞれ本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。図１６は、本実施形態および本実施形態に対する比較例におけるエッチングの条件を表にして示す図である。図１７は、本実施形態および本実施形態に対する比較例におけるエッチングのガス条件に対するＴａバリアメタル膜の組成比の依存性をグラフにして示す図である。図１８は、Ｔａバリアメタル膜の組成比に対するヴィアプラグの歩留まりの依存性をグラフにして示す図である。図１９は、Ｔａバリアメタル膜の組成比に対するＴａバリアメタル膜の比抵抗の依存性をグラフにして示す図である。
【００１４】
本実施形態においては、層間絶縁膜の一部が比誘電率が約３以下である低比誘電率膜を用いて形成されるとともに、層間絶縁膜中に２層以上にわたって設けられる配線のうち少なくとも１本の配線が低比誘電率膜中に設けられる多層配線構造を有し、かつ、配線やプラグが設けられる低比誘電率膜の酸素によるダメージが抑制もしくは低減されている半導体装置およびその製造方法について説明する。ひいては、配線やプラグと低比誘電率膜との間に設けられるバリアメタル膜、および低比誘電率膜中の配線やプラグの不具合が抑制された半導体装置およびその製造方法について説明する。以下、具体的かつ詳細に説明する。
【００１５】
先ず、図１に示すように、シリコンウェーハなどの半導体基板１上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて第１層目の層間絶縁膜２を設ける。この第１層目の層間絶縁膜２としては、比誘電率が約４．０であるＳｉＯ2 膜等の一般的な絶縁膜を成膜して構わない。続けて、フォトリソグラフィ法および反応性イオンエッチング法（Reactive Ion Etching：ＲＩＥ）法を用いて、第１層目の層間絶縁膜２をその表面から所定の深さまで掘り下げる。これにより、後述する下層配線となる第１層目の配線５を形成するための第１の配線形成用凹部（下層配線形成用溝）３を第１層目の層間絶縁膜２内に形成する。
【００１６】
次に、図２に示すように、導電体からなる膜４を、スパッタリング法により下層配線形成用溝３が形成された第１層目の層間絶縁膜２の表面上に設ける。ここでは、導電体膜４としてタンタル（Ｔａ）からなる膜を成膜する。このＴａ膜４は、下層配線５のためのバリアメタル膜（第１のバリアメタル膜）となる。続けて、同じくスパッタリング法により、下層配線５の基礎となる下地層５ａを下層Ｔａバリアメタル膜４の表面上に設ける。本実施形態では、下層配線５を銅（Ｃｕ）を用いて形成するので、下地層５ａとして薄肉形状のＣｕ膜を成膜する。また、後述するように、下層配線５の主要部分は、この薄肉形状のＣｕ膜５ａをシード層として電解めっき法により形成される。このため、Ｃｕ膜５ａは下層Ｃｕめっきシード層とも称される。
【００１７】
次に、図３に示すように、下層配線５の主要部分となる厚肉形状の下層Ｃｕめっき膜５ｂを、電解めっき法により下層配線形成用溝３の内部を満たしつつ下層Ｃｕめっきシード層５ａの表面上に設ける。この下層Ｃｕめっき膜５ｂは、スパッタリング法により成膜された下層Ｃｕめっきシード層５ａと一体になって下層Ｃｕ膜５を形成しつつ成膜される。
【００１８】
次に、図４に示すように、下層配線形成用溝３の外側の不要な下層Ｔａバリアメタル膜４および下層Ｃｕ膜５を、化学的機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）法により研磨して除去する。これにより、下層Ｃｕ膜５からなる下層配線が、その表面を平坦化されるとともに側面および底面を下層Ｔａバリアメタル膜４に覆われて下層配線形成用溝３の内部に埋め込まれる。これまでの工程により第１層目の層間絶縁膜２の内部に設けられた下層Ｃｕ配線（第１層目のＣｕ配線）５および下層Ｔａバリアメタル膜４は、まとめて下層Ｃｕ配線層（第１のＣｕ配線層）６とも称される。
【００１９】
次に、図５に示すように、キャップ層７を、プラズマＣＶＤ法により下層Ｃｕ配線層６が埋め込まれた第１層目の層間絶縁膜２の表面上に設ける。このキャップ層７は、下層Ｃｕ配線５からのＣｕの拡散を抑制するバリアメタル層として機能する。あるいは、キャップ層７は、後述する上層配線となる第２層目の配線２３などを設ける際に第１層目の層間絶縁膜２がエッチングされるのを防止するエッチングストッパ層として機能する。このような機能を果たすキャップ層７としては、例えばＳｉＮ膜、ＳｉＣＮ膜、あるいはＳｉＣ膜等を成膜すればよい。
【００２０】
次に、図６に示すように、キャップ層７の表面上に絶縁層８を形成する。ここでは、絶縁層８を下層絶縁層８ａおよび上層絶縁層８ｂの２層からなる積層構造に形成する。具体的には、先ず、回転塗布法（スピンコート法）により、キャップ層７の表面上に下層絶縁層８ａとしてのＳｉＣＯ：Ｈ膜を成膜する。このＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａは、その成膜段階における比誘電率が約２．４である、いわゆる低比誘電率膜（low-k 膜）である。続けて、同じく回転塗布法により、ＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａの表面上に上層絶縁層８ｂとして有機樹脂からなる絶縁膜を成膜する。ここでは、上層絶縁層８ｂとしてポリアリーレンエーテル（Poly-Arylene Ether：ＰＡＥ）膜を成膜する。このＰＡＥ膜８ｂも、その成膜段階における比誘電率が約２．６であり、ＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａと同様の低比誘電率膜である。これにより、下層低比誘電率膜がＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａからなるとともに上層低比誘電率膜がＰＡＥ膜８ｂからなる、２層構造の低比誘電率絶縁層８がキャップ層７の表面上に形成される。
【００２１】
後述するように、本実施形態では、上層配線２３と、この上層配線２３を下層Ｃｕ配線５に電気的に接続するためのプラグ（ヴィアプラグ）２４とを一体に形成する。すなわち、本実施形態では、上層配線２３をいわゆるデュアルダマシン配線として形成する。そして、ＰＡＥ膜８ｂの内部には、上層配線２３を埋め込むための開口部となる第２の配線形成用凹部（上層配線形成用溝）２０の中間部から下部が形成される。それとともに、ＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａの内部には、ヴィアプラグ２４を埋め込むための開口部となるヴィアホール（プラグ形成用孔、プラグ形成用凹部）１７の下端部以外の部分が上層配線形成用溝２０の下部（底部）に連通して形成される。これら上層配線形成用溝２０およびヴィアホール１７は、例えば周知のトリプルハードマスク法によって形成される。以下、具体的に説明する。
【００２２】
先ず、図７に示すように、マスク層９をＰＡＥ膜８ｂ（低比誘電率絶縁層８）の表面上に設ける。このマスク層９は、上層配線形成用溝２０およびヴィアホール１７を形成する際のエッチング工程において用いられる。ここでは、マスク層９を、下層マスク層９ａ、中層マスク層９ｂ、および上層マスク層９ｃの３層からなる積層構造に形成する。具体的には、先ず、ＰＡＥ膜８ｂの表面上に下層マスク層としてのＳｉＯ2 膜９ａを成膜する。続けて、このＳｉＯ2 膜９ａの表面上に中層マスク層としてのＳｉＮ膜９ｂを成膜する。続けて、このＳｉＮ膜９ｂの表面上に上層マスク層としてのＳｉＯ2 膜９ｃを成膜する。これらＳｉＯ2 膜９ａ、ＳｉＮ膜９ｂ、およびＳｉＯ2 膜９ｃは、プラズマＣＶＤ法により順次積層されて成膜される。
【００２３】
次に、図８に示すように、通常のフォトリソグラフィ工程により、第１のＣｕ配線層６の上方においてＳｉＯ2 膜９ｃをその膜厚方向に沿って貫通して、上層配線形成用溝２０のパターンに対応する上層マスク層開口部１０を形成する。図示を伴った詳しい説明は省略するが、この上層マスク層開口部１０は、ＳｉＯ2 膜９ｃ上にエッチングマスク膜やフォトレジスト膜を設けた後、これら各膜に上層配線形成用溝２０のパターンに対応する開口を形成し、さらにこれら各開口を通じてＳｉＯ2 膜９ｃをエッチングすることにより形成される。なお、上層マスク層開口部１０を形成するのに用いたエッチングマスク膜やフォトレジスト膜は、上層マスク層開口部１０が形成された後、ＳｉＯ2 膜９ｃの表面上から剥離されて除去される。
【００２４】
続けて、同じく図示を伴った詳しい説明は省略するが、ＳｉＯ2 膜９ｃの表面および上層マスク層開口部１０により露出されたＳｉＮ膜９ｂの表面上に別のフォトレジスト膜を塗布法により設け、上層マスク層開口部１０を一旦閉塞する。この後、通常のフォトリソグラフィ工程により、上層マスク層開口部１０の上方において前記別のフォトレジスト膜をその膜厚方向に沿って貫通して、ヴィアホール１７のパターンに対応する開口を形成する。
【００２５】
次に、図９に示すように、ヴィアホール１７を形成するための基礎となる第１のヴィアホール形成用開口部１１を、ＳｉＮ膜９ｂおよびＳｉＯ2 膜９ａをそれらの膜厚方向に沿って貫通して形成する。この第１のヴィアホール形成用開口部１１は、前記別のフォトレジスト膜に形成されたヴィアホール１７のパターンに対応する開口を通じてＳｉＮ膜９ｂおよびＳｉＯ2 膜９ａをそれらの膜厚方向に沿って異方的にエッチングすることにより形成される。また、第１のヴィアホール形成用開口部１１は、ドライエッチングの一種でありＳｉＮ膜９ｂおよびＳｉＯ2 膜９ａに対して高い加工選択比（エッチング選択性）を有するＲＩＥ法により形成される。
【００２６】
続けて、同じくヴィアホール１７を形成するための基礎となる第２のヴィアホール形成用開口部１２を、第１のヴィアホール形成用開口部１１の下方でＰＡＥ膜８ｂをその膜厚方向に沿って貫通して形成する。この第２のヴィアホール形成用開口部１２は、ＰＡＥ膜８ｂに対して高いエッチング選択性を有するＲＩＥ法により、第１のヴィアホール形成用開口部１１を通じてＰＡＥ膜８ｂをその膜厚方向に沿って異方的にエッチングすることにより形成される。なお、これら第１および第２の各ヴィアホール形成用開口部１１，１２を形成するのに用いた前記別のフォトレジスト膜は、それら各開口部１１，１２が形成された後、ＳｉＯ2 膜９ｃおよびＳｉＮ膜９ｂの表面上から剥離されて除去される。
【００２７】
続けて、上層マスク層開口部１０に連通する中層マスク層開口部１３を、ＳｉＮ膜９ｂをその膜厚方向に沿って貫通して形成する。この中層マスク層開口部１３は、ＳｉＮ膜９ｂに対して高いエッチング選択性を有するＲＩＥ法により、ＳｉＯ2 膜９ｃをマスクとして上層マスク層開口部１０を通じてＳｉＮ膜９ｂをその膜厚方向に沿って異方的にエッチングすることにより形成される。この際、図９に示すように、ＳｉＮ膜９ｂの１層下のＳｉＯ2 膜９ａは、その表層部のうち中層マスク層開口部１３内に露出される領域を若干エッチングされる。
【００２８】
次に、図１０に示すように、中層マスク層開口部１３に連通する下層マスク層開口部１４を、ＳｉＯ2 膜９ａをその膜厚方向に沿って貫通して形成する。この下層マスク層開口部１４は、ＳｉＯ2 膜９ａに対して高いエッチング選択性を有するＲＩＥ法により、ＳｉＮ膜９ｂおよびこの上に設けられた図示しないフォトレジスト膜をマスクとして中層マスク層開口部１３を通じてＳｉＯ2 膜９ａをその膜厚方向に沿って異方的にエッチングすることにより形成される。下層マスク層開口部１４は、上層配線形成用溝２０の中間部から上部に相当する。
【００２９】
また、図１０に示すように、下層マスク層開口部１４を形成するのと併行して、第２のヴィアホール形成用開口部１２に連通する第３のヴィアホール形成用開口部１５を形成する。この第３のヴィアホール形成用開口部１５は、第２のヴィアホール形成用開口部１２の下方でＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａをその膜厚方向に沿って貫通して形成される。また、この第３のヴィアホール形成用開口部１５は、ＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａに対して高いエッチング選択性を有するＲＩＥ法により、第２のヴィアホール形成用開口部１２を通じてＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａをその膜厚方向に沿って異方的にエッチングすることにより形成される。この際、図１０に示すように、ＳｉＯ2 膜９ｃも併せてエッチングされてＳｉＮ膜９ｂの表面上から除去される。第３のヴィアホール形成用開口部１５は、ヴィアホール１７の下端部を除く部分に相当する。
【００３０】
次に、図１１に示すように、第３のヴィアホール形成用開口部１５に連通する第４のヴィアホール形成用開口部１６を、第３のヴィアホール形成用開口部１５の下方でキャップ層７をその膜厚方向に沿って貫通して形成する。この第４のヴィアホール形成用開口部１６は、キャップ層７に対して高いエッチング選択性を有するＲＩＥ法により、第３のヴィアホール形成用開口部１５を通じてキャップ層７をその膜厚方向に沿って異方的にエッチングすることにより形成される。第４のヴィアホール形成用開口部１６は、ヴィアホール１７の下端部に相当する。
【００３１】
これまでの工程により、第３のおよび第４の各ヴィアホール形成用開口部１５，１６からなるヴィアホール１７がＰＡＥ膜８ｂおよびキャップ層７の内部に形成される。それとともに、下層Ｃｕ配線５の表面がヴィアホール１７内に露出される。この際、図１１に示すように、ＳｉＮ膜９ｂおよび下層マスク層開口部１４を形成する際にＳｉＮ膜９ｂ上に設けられた図示しないフォトレジスト膜も併せてエッチングされて、ＳｉＯ2 膜９ａの表面上から除去される。そして、キャップ層７上に残されたＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａ、ＰＡＥ膜８ｂ、およびＳｉＯ2 膜９ａは、第２層目の層間絶縁膜１８となる。すなわち、第２層目の層間絶縁膜１８は、その下層部が比誘電率が約３以下の低比誘電率絶縁層（低比誘電率層間絶縁膜）８により形成されているとともに、その上層部が比誘電率が約３より大きい一般的な絶縁層９により形成された２層構造を有している。
【００３２】
次に、図１２に示すように、下層マスク層開口部１４に連通する上層低比誘電率層開口部１９を、ＰＡＥ膜８ｂをその膜厚方向に沿って貫通して形成する。この上層低比誘電率層開口部１９は、ＰＡＥ膜８ｂに対して高いエッチング選択性を有するＲＩＥ法により、ＳｉＯ2 膜９ａをマスクとして下層マスク層開口部１４を通じてＰＡＥ膜８ｂをその膜厚方向に沿って異方的にエッチングすることにより形成される。この際、ＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａはエッチングストッパ膜として機能する。上層低比誘電率層開口部１９は、上層配線形成用溝２０の中間部から下部に相当する。この後、これまでのＲＩＥ工程によって下層マスク層開口部１４、上層低比誘電率層開口部１９、第３のヴィアホール形成用開口部１５、および第４のヴィアホール形成用開口部１６内に生成された不要な反応生成物を、それら各開口部１４，１５，１６，１９内からウェットエッチングにより除去する。
【００３３】
これまでの工程により、下層マスク層開口部１４および上層低比誘電率層開口部１９からなる上層配線形成用凹部２０が、第３および第４の各ヴィアホール形成用開口部１５，１６からなるヴィアホール１７の上端部に連通されてＳｉＯ2 膜９ａおよびＰＡＥ膜８ｂの内部に形成される。なお、本実施形態では、これまでに行った各ＲＩＥ工程のうち、少なくとも第１〜第４の各ヴィアホール形成用開口部１１，１２，１５，１６、中層および下層の各マスク層開口部１３，１４、ならびに上層低比誘電率層開口部１９を形成するＲＩＥ工程においては、窒素と水素が混合されたＮ2 ／Ｈ2 ガスやアンモニウムガス（ＮＨ3 ガス）など、酸素（Ｏ2 ）を含まないガスをＲＩＥ用のエッチングガスとして用いる。同様に、下層マスク層開口部１４、上層低比誘電率層開口部１９、第３のヴィアホール形成用開口部１５、および第４のヴィアホール形成用開口部１６の内部から不要な反応生成物を除去するウェットエッチング工程においても、酸素の含有量が低いか、または酸素が含まれていない薬液を用いるのが好ましい。
【００３４】
すなわち、本実施形態では、下層マスク層としてのＳｉＯ2 膜９ａをＰＡＥ膜８ｂの表面上に成膜する工程を除いて、ＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａやＰＡＥ膜８ｂが露出した状態で行われる処理や、ＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａやＰＡＥ膜８ｂを露出させる処理を、酸素原子、酸素分子、酸素イオン、あるいは酸素原子を含んだ物質等が実質的に殆ど存在しない、いわゆる酸素フリーの雰囲気下で行う。これにより、低比誘電率膜であるＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａやＰＡＥ膜８ｂが酸素によるダメージを受けるおそれを抑制もしくは低減させる。
【００３５】
ただし、たとえ本実施形態のように酸素フリーの雰囲気下で上層配線形成用凹部２０やヴィアホール１７を形成したとしても、ＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂは厳密には若干のダメージを受けてしまう。前述したように、ＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａは、その成膜段階における比誘電率が約２．４である。同様に、ＰＡＥ膜８ｂは、その成膜段階における比誘電率が約２．６である。本発明者らが調べた結果によれば、本実施形態のように酸素フリーの雰囲気下で上層配線形成用凹部２０やヴィアホール１７を形成した場合、ＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂの比誘電率は約３付近まで上昇するが、３は越えないことが分かった。すなわち、本実施形態によれば、ＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂは、それらの成膜段階のみならず、上層配線形成用凹部２０やヴィアホール１７が形成された後においても、良質な低比誘電率膜の状態を維持できることが分かった。
【００３６】
これに対して、背景技術のように酸素を含む雰囲気下で上層配線形成用凹部２０やヴィアホール１７を形成した場合、ＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂの比誘電率は３を大きく越えることが分かった。すなわち、背景技術によれば、ＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂは、上層配線形成用凹部２０やヴィアホール１７が形成される際に酸素によるダメージを受けて、上層配線形成用凹部２０やヴィアホール１７が形成された後では、もはや低比誘電率膜とは呼べない程度にその膜質が劣化することが分かった。
【００３７】
なお、第１〜第４の各ヴィアホール形成用開口部１１，１２，１５，１６、中層および下層の各マスク層開口部１３，１４、ならびに上層低比誘電率層開口部１９を形成する際のＲＩＥ工程の実施条件は、後に図１６〜図１９を参照しつつ詳細に説明する。
【００３８】
次に、図１３に示すように、前述した下層Ｔａバリアメタル膜４を形成する場合と同様にスパッタリング法を用いて、上層配線２３用のＴａバリアメタル膜（第２のＴａバリアメタル膜）２１を設ける。この上層Ｔａバリアメタル膜２１は、ヴィアホール１７および上層配線形成用溝２０が形成された第２層目の層間絶縁膜１８の表面、ならびにヴィアホール１７内に露出されたキャップ層７および下層Ｃｕ配線５の表面上に設けられる。また、上層Ｔａバリアメタル膜２１の成膜工程は、約１６０℃以下の低温にて行われる。これまでの工程により、互いに結晶構造が異なるα−Ｔａおよびβ−Ｔａを含むとともに、それらの組成比を表すα−Ｔａ／β−Ｔａが少なくとも低比誘電率膜であるＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａやＰＡＥ膜８ｂに接する部分において１以上５以下となっている上層Ｔａバリアメタル膜２１を成膜することができる。
【００３９】
続けて、前述した下層Ｃｕめっきシード層５ａを形成する場合と同様にスパッタリング法を用いて、上層配線２３およびヴィアプラグ２４の基礎となる下地層２２ａを上層Ｔａバリアメタル膜２１の表面上に設ける。上層配線２３およびヴィアプラグ２４は、下層Ｃｕ配線５と同様に銅（Ｃｕ）を用いて形成される。それとともに、上層配線２３およびヴィアプラグ２４の主要部分は、下層Ｃｕ配線５の主要部分と同様に下地層２２ａをシード層とする電解めっき法により形成される。したがって、ここでは下地層２２ａとして薄肉形状の上層Ｃｕめっきシード層を成膜する。この上層Ｃｕめっきシード層２２ａは、上層Ｔａバリアメタル膜２１を成膜した後、半導体基板１の温度を約−１５℃に設定するとともに真空を破ることなく、上層Ｔａバリアメタル膜２１に連続して積層されて成膜される。なお、上層Ｔａバリアメタル膜２１および上層Ｃｕめっきシード層２２ａは、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法の中でも特に高指向性ＰＶＤ法であるバイアススパッタリング法またはロングスロースパッタリング法、あるいはそれらを組み合わせた工程により成膜されることが好ましい。
【００４０】
次に、図１４に示すように、上層配線２３およびヴィアプラグ２４の主要部分となる厚肉形状の上層Ｃｕめっき膜２２ｂを、電解めっき法によりヴィアホール１７および上層配線形成用溝２０の内部を満たしつつ上層Ｃｕめっきシード層２２ａの表面上に設ける。この上層Ｃｕめっき膜２２ｂは、スパッタリング法により成膜された上層Ｃｕめっきシード層２２ａと一体になって上層Ｃｕ膜２２を形成しつつ成膜される。
【００４１】
次に、図１５に示すように、上層配線形成用溝２０の外側の不要な上層Ｔａバリアメタル膜２１および上層Ｃｕ膜２２を、ＣＭＰ法により研磨して除去する。これにより、上層Ｃｕ膜２２からなる上層配線２３が、その表面を平坦化されるとともに上層Ｔａバリアメタル膜２１に覆われて上層配線形成用溝２０の内部に埋め込まれる。それとともに、上層Ｃｕ膜２２からなるヴィアプラグ２４が、上層配線２３と一体に形成されつつ上層Ｔａバリアメタル膜２１に覆われてヴィアホール１７の内部に埋め込まれる。すなわち、Ｃｕヴィアプラグ２４と一体のデュアルダマシン構造からなる上層Ｃｕ配線２３が、上層Ｔａバリアメタル膜２１に覆われて第２層目の層間絶縁膜１８の内部に埋め込まれる。これまでの工程により形成された上層Ｃｕ配線（第２層目のＣｕ配線）２３、Ｃｕヴィアプラグ２４、および上層Ｔａバリアメタル膜２１は、まとめて上層Ｃｕ配線層（第２のＣｕ配線層）２５とも称される。
【００４２】
この後、図示を伴う具体的かつ詳細な説明は省略するが、ボンディング工程やパッケージング工程等の所定の工程を経ることにより、図１５に示す所望の構成を有する半導体装置２６を得る。すなわち、比誘電率が約３以下である低比誘電率絶縁層８により下層部を構成された第２層目の層間絶縁膜１８内に酸素を実質的に含まない雰囲気下で処理された上層配線形成用溝２０およびヴィアホール１７が形成されているとともに、これら上層配線形成用溝２０およびヴィアホール１７の内側を覆って結晶構造が互いに異なるα−Ｔａおよびβ−Ｔａを含む上層Ｔａバリアメタル膜２１が設けられており、かつ、上層Ｔａバリアメタル膜２１中のα−Ｔａとβ−Ｔａとの組成比を表すα−Ｔａ／β−Ｔａが低比誘電率絶縁層８に接する部分において約１以上５以下となっている半導体装置２６を得る。
【００４３】
次に、図１６〜図１９を参照しつつ、本発明者等が行った試験およびその結果について説明する。具体的には、ＲＩＥ工程の実施条件を変化させて前述した第１〜第４の各ヴィアホール形成用開口部１１，１２，１５，１６、中層および下層の各マスク層開口部１３，１４、ならびに上層低比誘電率層開口部１９を形成した場合の、ＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａ、ＰＡＥ膜８ｂ、上層Ｔａバリアメタル膜２１、およびＣｕヴィアプラグ２４などの状態を調べた結果について説明する。
【００４４】
先ず、図１６には、本実施形態および本実施形態に対する比較例におけるＲＩＥ工程の実施条件をそれぞれ表にして示す。図１６中、酸素を含まないＮＨ3 ガスまたはＮ2 ／Ｈ2 ガスを用いる場合の実施条件が、本実施形態に係るＲＩＥ工程の実施条件である。これに対して、図１６中、酸素を含むＯ2 ／ＣＨ4 ガスまたはＯ2 ／Ａｒガスを用いる場合の実施条件が、本実施形態に対する比較例としての背景技術に係るＲＩＥ工程の実施条件である。これら各実施条件の下、本発明者等は、前述した工程に沿って第１〜第４の各ヴィアホール形成用開口部１１，１２，１５，１６、中層および下層の各マスク層開口部１３，１４、ならびに上層低比誘電率層開口部１９を形成した。続けて、それら各開口部１１，１２，１３，１４，１５，１６，１９に基づいて形成された上層配線形成用溝２０およびヴィアホール１７の内側を覆って、上層Ｔａバリアメタル膜２１を設けた。上層Ｔａバリアメタル膜２１の一部は、低比誘電率膜であるＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂに接触している。
【００４５】
前述したように、タンタル（Ｔａ）は、その結晶系または結晶構造に応じて、α−Ｔａとβ−Ｔａとの２種類に大別される。α−Ｔａ膜はβ−Ｔａ膜に比べて金属膜や絶縁膜等の他の部材との密着性が低い。スパッタリング法を用いる通常のバリアメタル膜の成膜工程により低比誘電率膜であるＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂ上に上層Ｔａバリアメタル膜２１を成膜すると、α−Ｔａとβ−Ｔａとが混在する上層Ｔａバリアメタル膜２１が成膜される。この際、下地層であるＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂがＲＩＥ工程などにおいて酸素によるダメージを受けて吸湿していると、上層Ｔａバリアメタル膜２１内にＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂから酸素（Ｏ2 ）や水分（Ｈ2Ｏ）が混入する。すると、上層Ｔａバリアメタル膜２１のＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂとの界面付近においてα−Ｔａの成長が促進される。すなわち、ＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂがダメージを受けていると、上層Ｔａバリアメタル膜２１に含まれるα−Ｔａの割合が大きくなり、上層Ｔａバリアメタル膜２１中のα−Ｔａとβ−Ｔａとの組成比を表すα−Ｔａ／β−Ｔａの値が大きくなる。この上層Ｔａバリアメタル膜２１中の組成比α−Ｔａ／β−Ｔａは、Ｘ線結晶構造解析法の一種であるθ／２θスキャン法によって調べることができる。
【００４６】
Ｔａ膜中のα−Ｔａおよびβ−Ｔａのそれぞれの含有量は、それら各結晶のθ／２θスキャン法による反射の強度のピークに比例する。α−Ｔａの結晶のθ／２θスキャン法による反射の強度のピークは、結晶の（０ １ １）面に対して現れる。また、β−Ｔａの結晶のθ／２θスキャン法による反射の強度のピークは、結晶の（０ ０ ２）面に対して現れる。すなわち、Ｔａ膜中のα−Ｔａおよびβ−Ｔａの組成比α−Ｔａ／β−Ｔａは、それら各結晶のθ／２θスキャン法による反射のピークの相対強度を表すα−Ｔａ（０ １ １）／β−Ｔａ（０ ０ ２）として検出される。したがって、α−Ｔａの結晶の（０ １ １）面およびβ−Ｔａの結晶の（０ ０ ２）面のそれぞれに対するθ／２θスキャン法による反射のピークの相対強度α−Ｔａ（０ １ １）／β−Ｔａ（０ ０ ２）を調べることにより、上層Ｔａバリアメタル膜２１中のα−Ｔａおよびβ−Ｔａの組成比α−Ｔａ／β−Ｔａを把握することができる。
【００４７】
本発明者等は、上層Ｔａバリアメタル膜２１のうち、ＲＩＥガスが最も接触し易く、酸素によるダメージを最も受け易い上層配線形成用溝２０の底部を形成しているＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａの上面上の上層Ｔａバリアメタル膜２１に対してθ／２θスキャン法を行い、相対強度α−Ｔａ（０ １ １）／β−Ｔａ（０ ０ ２）を調べた。この結果を図１７に示す。図１７に示すグラフの横軸は、図１６に示す各ＲＩＥガスの種類を表す。また、図１７に示すグラフの縦軸は、図１６に示す各ＲＩＥ工程の実施条件に基づいて形成された上層配線形成用溝２０およびヴィアホール１７の内側に設けられた上層Ｔａバリアメタル膜２１のうち、上層配線形成用溝２０の底部を形成しているＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａの上面上の上層Ｔａバリアメタル膜２１に対するθ／２θスキャン法による相対強度α−Ｔａ（０ １ １）／β−Ｔａ（０ ０ ２）の大きさを表す。
【００４８】
図１７に示すグラフによれば、Ｎ2 ／Ｈ2 ガスまたはＮＨ3 ガスを用いるＲＩＥガス条件の下で形成された上層配線形成用溝２０およびヴィアホール１７内に設けられた上層Ｔａバリアメタル膜２１では、ＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａの表面上におけるα−Ｔａ（０ １ １）／β−Ｔａ（０ ０ ２）の値が約１〜４の間の低い値に収まっている。これに対して、Ｏ2 ／ＣＨ4 ガスまたはＯ2 ／Ａｒガスを用いるＲＩＥガス条件の下で形成された上層配線形成用溝２０およびヴィアホール１７内に設けられた上層Ｔａバリアメタル膜２１では、ＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａの表面上におけるα−Ｔａ（０ １ １）／β−Ｔａ（０ ０ ２）の値が６よりも大きくなっている。すなわち、酸素を含まないＲＩＥガスを用いて加工された本実施形態に係るＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂ上に設けられた上層Ｔａバリアメタル膜２１は、酸素を含むＲＩＥガスを用いて加工された背景技術に係るＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂ上に設けられた上層Ｔａバリアメタル膜２１に比べて、膜中に含まれるα−Ｔａの割合が低減されていることが分かる。
【００４９】
前述したように、Ｔａバリアメタル膜２１中に含まれるα−Ｔａの割合が大きいということは、Ｔａバリアメタル膜２１の下地層であるＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂが受けているダメージが大きいということである。したがって、図１７に示すグラフによれば、酸素を含まないＲＩＥガスを用いて上層配線形成用溝２０およびヴィアホール１７が形成された本実施形態に係るＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂは、酸素を含むＲＩＥガスを用いて上層配線形成用溝２０およびヴィアホール１７が形成された背景技術に係るＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂに比べて、酸素によるダメージが低減されており、かつ、吸湿量も少なくなっていることが分かる。
【００５０】
また、前述したように、α−Ｔａ膜はβ−Ｔａ膜に比べて金属膜や絶縁膜等の他の部材との密着性が低い。したがって、図１７に示すグラフによれば、酸素を含まないＲＩＥガスを用いて加工された本実施形態に係るＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂ上に設けられた上層Ｔａバリアメタル膜２１は、酸素を含むＲＩＥガスを用いて加工された背景技術に係るＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂ上に設けられた上層Ｔａバリアメタル膜２１に比べて、ＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａやＰＡＥ膜８ｂ、あるいは上層Ｃｕ配線２３やＣｕヴィアプラグ２４との密着性が向上されていることが分かる。
【００５１】
このように、本実施形態によれば、低比誘電率絶縁層８を構成するＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂに酸素によるダメージを殆ど与えることなく、上層配線形成用溝２０およびヴィアホール１７を形成することができる。すなわち、本実施形態によれば、上層配線形成用溝２０およびヴィアホール１７を形成するＲＩＥ工程の前後において、ＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂの膜質を良好な状態に保つことができる。また、本実施形態によれば、ＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂのみならず、これらを下地層とする上層Ｔａバリアメタル膜２１も、良好な状態で成膜することができる。また、本実施形態によれば、ＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａ、ＰＡＥ膜８ｂ、および上層Ｔａバリアメタル膜２１の膜質を良好な状態に保持して、それら各膜８ａ，８ｂ，２１同士の界面における密着性も向上させることができる。さらには、本実施形態によれば、良質な上層Ｔａバリアメタル膜２１を成膜して、上層Ｔａバリアメタル膜２１に覆われる上層Ｃｕ配線２３およびＣｕヴィアプラグ２４の劣化も防ぐことができる。ひいては、上層Ｔａバリアメタル膜２１と上層Ｃｕ配線２３およびＣｕヴィアプラグ２４との界面における密着性も向上させることができる。
【００５２】
次に、図１８には、上層Ｔａバリアメタル膜２１の組成比に対するＣｕヴィアプラグ２４の歩留まりの依存性をグラフにして示す。具体的には、図１８に示すグラフの横軸は、先に参照した図１７に示すグラフの縦軸と同様に、上層配線形成用溝２０およびヴィアホール１７内に設けられた上層Ｔａバリアメタル膜２１のうち、上層配線形成用溝２０の底部を形成しているＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａの上面上の上層Ｔａバリアメタル膜２１に対するθ／２θスキャン法による相対強度α−Ｔａ（０ １ １）／β−Ｔａ（０ ０ ２）の値を表す。また、図１８に示すグラフの縦軸は、相対強度α−Ｔａ（０ １ １）／β−Ｔａ（０ ０ ２）がそれぞれ異なる複数の上層Ｔａバリアメタル膜２１上にＣｕヴィアプラグ２４を設けた場合の、Ｃｕヴィアプラグ２４付近の電気的特性不良の発生率を表す。
【００５３】
図１８に示すグラフから明らかなように、上層Ｔａバリアメタル膜２１の相対強度α−Ｔａ（０ １ １）／β−Ｔａ（０ ０ ２）が約１〜２の低い値では、Ｃｕヴィアプラグ２４の歩留まりは約９０％〜１００％の高い値となっている。すなわち、膜中のα−Ｔａの割合が低い良質な上層Ｔａバリアメタル膜２１上にＣｕヴィアプラグ２４を設けた場合には、Ｃｕヴィアプラグ２４の吸い上げやボイドの発生等のＣｕヴィアプラグ２４付近の電気的特性不良は殆ど発生しないことが分かる。これに対して、上層Ｔａバリアメタル膜２１の相対強度α−Ｔａ（０ １ １）／β−Ｔａ（０ ０ ２）が約６より大きい値では、Ｃｕヴィアプラグ２４の歩留まりは略０％という極めて低い値となっている。すなわち、膜中のα−Ｔａの割合が高い上層Ｔａバリアメタル膜２１上にＣｕヴィアプラグ２４を設けた場合には、Ｃｕヴィアプラグ２４の吸い上げやボイドの発生等のＣｕヴィアプラグ２４付近の電気的特性不良が略１００％の確率で発生することが分かる。
【００５４】
前述したように、もし上層Ｔａバリアメタル膜２１とＣｕヴィアプラグ２４との密着性が低下していると、Ｃｕヴィアプラグ２４形成後の熱処理工程において上層Ｔａバリアメタル膜２１とＣｕヴィアプラグ２４とが剥離し易くなる。そして、上層Ｔａバリアメタル膜２１とＣｕヴィアプラグ２４とが剥離すると、Ｃｕヴィアプラグ２４がこれよりも体積が大きい上層Ｃｕ配線２３に吸い上げられて（引き寄せられて）、ヴィアホール１７の内部でＣｕヴィアプラグ２４の下方にボイドが発生してしまう。この結果、Ｃｕヴィアプラグ２４と下層Ｃｕ配線５と間の導通が断たれてしまう。ひいては、上層Ｃｕ配線２３と下層Ｃｕ配線５との間に接続不良等の欠陥が生じてしまう。
【００５５】
ところが、本実施形態によれば、先に図１７を参照しつつ説明したように、上層Ｔａバリアメタル膜２１のうち、ＲＩＥガスが最も接触し易く、酸素によるダメージを最も受け易い上層配線形成用溝２０の底部を形成しているＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａの上面上の上層Ｔａバリアメタル膜２１のα−Ｔａ（０ １ １）／β−Ｔａ（０ ０ ２）の値が約１〜４の間の低い値に収まっている。したがって、上層Ｔａバリアメタル膜２１とＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂとの間の密着性は全体的に向上されている。これにより、上層Ｔａバリアメタル膜２１とＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂとの界面において加熱処理による膜剥がれが生じるおそれは殆どない。また、本実施形態によれば、上層Ｔａバリアメタル膜２１と上層Ｃｕ配線２３およびＣｕヴィアプラグ２４との間の密着性も向上されている。これにより、上層Ｔａバリアメタル膜２１とＣｕヴィアプラグ２４との剥離に起因するＣｕヴィアプラグ２４の吸い上げやボイドの発生が生じるおそれも殆どない。
【００５６】
また、本実施形態によれば、上層Ｔａバリアメタル膜２１とＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂとの間の密着性が向上されているので、ＣＭＰ工程において上層Ｔａバリアメタル膜２１とＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂとの界面で膜剥がれが生じるおそれも殆どない。同様に、本実施形態によれば、上層Ｔａバリアメタル膜２１と上層Ｃｕ配線２３およびＣｕヴィアプラグ２４との間の密着性も向上されているので、ＣＭＰ工程において上層Ｔａバリアメタル膜２１と上層Ｃｕ配線２３およびＣｕヴィアプラグ２４との界面で膜剥がれが生じるおそれも殆どない。ひいては、ＣＭＰ工程において、下層Ｃｕ配線５、上層Ｔａバリアメタル膜２１、上層Ｃｕ配線２３、およびＣｕヴィアプラグ２４のそれぞれの間で接続不良が生じるおそれも殆どない。
【００５７】
また、本発明者等が調べた結果によれば、一旦成膜が終了した上層Ｔａバリアメタル膜２１の組成比は、上層Ｔａバリアメタル膜２１の成膜後の熱履歴によっても変化することなく、略成膜終了時の値のまま保持されることが分かった。したがって、一旦良好な膜質で成膜された上層Ｔａバリアメタル膜２１の膜質が後の加熱処理によって劣化するおそれは殆どない。また、上層Ｔａバリアメタル膜２１と、ＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａ、ＰＡＥ膜８ｂ、上層Ｃｕ配線２３、およびＣｕヴィアプラグ２４との間の密着性が、上層Ｔａバリアメタル膜２１の成膜後の加熱処理によって劣化するおそれも殆どない。同様に、上層Ｔａバリアメタル膜２１、上層Ｃｕ配線２３、およびＣｕヴィアプラグ２４の付近における電気的特性が、上層Ｔａバリアメタル膜２１の成膜後の加熱処理によって劣化するおそれも殆どない。
【００５８】
さらに、図示を伴う具体的かつ詳細な説明は省略するが、本発明者等がさらに調べた結果によれば、上層Ｔａバリアメタル膜２１の相対強度α−Ｔａ（０ １ １）／β−Ｔａ（０ ０ ２）が約５以下であれば、上層Ｔａバリアメタル膜２１とＣｕヴィアプラグ２４との剥離に起因するＣｕヴィアプラグ２４の吸い上げやボイドは殆ど発生しないことが分かった。すなわち、上層Ｔａバリアメタル膜２１の相対強度α−Ｔａ（０ １ １）／β−Ｔａ（０ ０ ２）が約５以下であれば、Ｃｕヴィアプラグ２４付近の電気的特性不良は殆ど発生しないことが分かった。先に図１７を参照しつつ説明したように、本実施形態によれば、上層Ｔａバリアメタル膜２１のうちＲＩＥガスが最も接触し易く、酸素によるダメージを最も受け易い、上層配線形成用溝２０の底部を形成しているＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａの上面上の上層Ｔａバリアメタル膜２１のα−Ｔａ（０ １ １）／β−Ｔａ（０ ０ ２）の値が約１〜４の間の低い値に収まっている。したがって、本実施形態によれば、Ｃｕヴィアプラグ２４の吸い上げやボイドの発生等の電気的特性不良がＣｕヴィアプラグ２４付近に発生するおそれは殆どない。ひいては、上層Ｃｕ配線２３と下層Ｃｕ配線５との間に接続不良が生じるおそれは殆どない。
【００５９】
次に、図１９には、本実施形態に係るＴａバリアメタル膜の組成比に対するＴａバリアメタル膜の比抵抗の依存性をグラフにして示す。具体的には、図１９に示すグラフの横軸は、先に参照した図１８に示すグラフの横軸と同様に、上層配線形成用溝２０およびヴィアホール１７内に設けられた上層Ｔａバリアメタル膜２１のうち、上層配線形成用溝２０の底部を形成しているＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａの上面上の上層Ｔａバリアメタル膜２１に対するθ／２θスキャン法による相対強度α−Ｔａ（０ １ １）／β−Ｔａ（０ ０ ２）の値を表す。また、図１８に示すグラフの縦軸は、相対強度α−Ｔａ（０ １ １）／β−Ｔａ（０ ０ ２）がそれぞれ異なる各上層Ｔａバリアメタル膜２１の比抵抗の大きさを表す。
【００６０】
図１９に示すグラフから明らかなように、上層Ｔａバリアメタル膜２１の相対強度α−Ｔａ（０ １ １）／β−Ｔａ（０ ０ ２）が１よりも小さくなると、上層Ｔａバリアメタル膜２１の比抵抗ρの値が約１８０μΩｃｍ以上という極めて高い値になる。上層Ｔａバリアメタル膜２１の比抵抗ρの値が約１８０μΩｃｍ以上になると、上層Ｔａバリアメタル膜２１を介した上層Ｃｕ配線２３およびＣｕヴィアプラグ２４と下層Ｃｕ配線５との導通が実際の使用に耐え得ない程度に低くなる。すなわち、上層Ｔａバリアメタル膜２１の相対強度α−Ｔａ（０ １ １）／β−Ｔａ（０ ０ ２）が１より小さくなっても、α−Ｔａ（０ １ １）／β−Ｔａ（０ ０ ２）が５よりも大きくなった場合と同様に、上層Ｔａバリアメタル膜２１付近の電気的特性が劣化することが分かった。したがって、上層Ｔａバリアメタル膜２１の相対強度α−Ｔａ（０ １ １）／β−Ｔａ（０ ０ ２）は、１以上であることが好ましいことが分かった。
【００６１】
また、先に図１７を参照しつつ説明したように、本実施形態によれば、上層Ｔａバリアメタル膜２１のうち、ＲＩＥガスが最も接触し易く、最も酸素によるダメージを受け易い上層配線形成用溝２０の底部を形成しているＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａの上面上の上層Ｔａバリアメタル膜２１のα−Ｔａ（０ １ １）／β−Ｔａ（０ ０ ２）の値が約１〜４の間の低い値に収まっている。すなわち、本実施形態の上層Ｔａバリアメタル膜２１の比抵抗ρの値は、約１００μΩｃｍ以上１８０μΩｃｍ以下となっている。したがって、本実施形態によれば、比抵抗という観点からも、上層Ｃｕ配線２３と下層Ｃｕ配線５との間に導通不良などの電気的特性不良が生じるおそれは殆どない。
【００６２】
次に、上層Ｔａバリアメタル膜２１の成膜工程を約１６０℃以下の低温にて行うことの効果について説明する。
【００６３】
上層Ｔａバリアメタル膜２１の成膜工程を約１６０℃以下の低温にて行うことにより、上層Ｔａバリアメタル膜２１を成膜する際に、温度や湿度等の雰囲気の変化に弱い低比誘電率膜であるＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａやＰＡＥ膜８ｂが温度によるダメージを受けるおそれを殆どなくすことができる。これにより、熱履歴によるダメージを殆ど受けていない良好な膜質からなるＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａやＰＡＥ膜８ｂを下地層として、良好な膜質からなる上層Ｔａバリアメタル膜２１を成膜することができる。
【００６４】
したがって、前述した本実施形態に係る工程によれば、上層Ｔａバリアメタル膜２１や、この上層Ｔａバリアメタル膜２１に覆われる上層Ｃｕ配線２３およびＣｕヴィアプラグ２４の電気的特性が劣化するおそれは殆どない。それとともに、上層Ｔａバリアメタル膜２１とＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂとの界面における密着性も、上層Ｃｕ配線２３およびＣｕヴィアプラグ２４を第２層目の層間絶縁膜１８内に埋め込む際のＣＭＰ工程において上層Ｔａバリアメタル膜２１がＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂから剥がれない程度の強い状態に保持されている。
【００６５】
次に、Ｃｕヴィアプラグ２４と一体のデュアルダマシン構造からなる上層Ｃｕ配線２３が埋め込まれた第２層目の層間絶縁膜１８の特徴について説明する。
【００６６】
先ず、第２層目の層間絶縁膜１８の下層側を構成している低比誘電率絶縁層８の上層側の低比誘電率であるＰＡＥ膜８ｂは、比誘電率がＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａに比べて高い分、膜密度もＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａに比べて大きく、ＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａよりも緻密な膜構造を有している。このため、ＰＡＥ膜８ｂは、ＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａに比べて物理的（機械的）な外力や負荷に対して強く、また化学的な変化による影響も受け難い。すなわち、ＰＡＥ膜８ｂは、ＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａに比べて他の膜との密着性が高く、また酸素などによるダメージを受け難い。このような膜質からなるＰＡＥ膜８ｂは、上層配線形成用溝２０やヴィアホール１７を形成するためのＲＩＥ工程や、上層Ｃｕ配線２３やＣｕヴィアプラグ２４を埋め込むためのＣＭＰ工程において、ＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａがダメージを受けるおそれを抑制もしくは低減する保護膜として機能する。
【００６７】
次に、第２層目の層間絶縁膜１８の上層側を構成している一般的な絶縁膜であるＳｉＯ2 膜９ａは、その比誘電率が約４．０であり、ＰＡＥ膜８ｂやＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａの比誘電率に比べて高い。そして、ＳｉＯ2 膜９ａは、その膜密度がＰＡＥ膜８ｂやＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａの膜密度に比べて大きく、ＰＡＥ膜８ｂやＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａの膜密度よりも緻密な膜構造を有している。このため、ＳｉＯ2 膜９ａは、ＰＡＥ膜８ｂやＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａに比べて物理的（機械的）な外力や負荷に対して強く、また化学的な変化による影響も受け難い。すなわち、ＳｉＯ2 膜９ａは、ＰＡＥ膜８ｂやＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａに比べて他の膜との密着性が高く、また酸素などによるダメージを受け難い。このような膜質からなるＳｉＯ2 膜９ａは、上層配線形成用溝２０やヴィアホール１７を形成するためのＲＩＥ工程や、上層Ｃｕ配線２３やＣｕヴィアプラグ２４を埋め込むためのＣＭＰ工程において、ＰＡＥ膜８ｂやＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａがダメージを受けるおそれを抑制もしくは低減する保護膜として機能する。
【００６８】
具体的には、ＰＡＥ膜８ｂはその上面をＳｉＯ2 膜９ａにより覆われている。このため、上層配線形成用溝２０やヴィアホール１７を形成するためのＲＩＥ工程において、ＰＡＥ膜８ｂには、上層配線形成用溝２０やヴィアホール１７に露出される部分を除いてＲＩＥ用のエッチングガスが直接接触しない。この結果、ＰＡＥ膜８ｂ全体がＲＩＥ用のエッチングガスによってダメージを与えられて、吸湿量が大きくなるおそれは殆どない。
【００６９】
また、ＰＡＥ膜８ｂよりも膜密度が小さく、よりダメージを受け易いＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａは、ＳｉＯ2 膜９ａおよびＳｉＯ2 膜９ａによりダメージを受けるおそれが抑制されたＰＡＥ膜８ｂによって覆われている。このため、上層配線形成用溝２０やヴィアホール１７を形成するためのＲＩＥ工程において、ＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａには、上層配線形成用溝２０やヴィアホール１７に露出される部分を除いてＲＩＥ用のエッチングガスが直接接触しない。この結果、ＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａ全体がＲＩＥ用のエッチングガスによってダメージを与えられて、吸湿量が大きくなるおそれも殆どない。
【００７０】
また、ＳｉＯ2 膜９ａには、上層Ｃｕ配線２３やＣｕヴィアプラグ２４を埋め込むためのＣＭＰ工程において、上層Ｔａバリアメタル膜２１とともに外力や負荷が直接掛けられる。このため、ＳｉＯ2 膜９ａと上層Ｔａバリアメタル膜２１との密着性が低いと、ＣＭＰ工程において上層Ｔａバリアメタル膜２１がＳｉＯ2 膜９ａから剥離してしまうおそれが高くなる。ところが、ＳｉＯ2 膜９ａは、ＰＡＥ膜８ｂやＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａに比べてより緻密な膜構造を有しているので、上層Ｔａバリアメタル膜２１との密着性がＰＡＥ膜８ｂやＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａに比べて高い。このため、ＣＭＰ工程において上層Ｔａバリアメタル膜２１がＳｉＯ2 膜９ａから剥離するおそれは殆どない。
【００７１】
さらに、上層Ｔａバリアメタル膜２１との密着性がＳｉＯ2 膜９ａに比べて低いＰＡＥ膜８ｂおよびＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａは、ＳｉＯ2 膜９ａよりも下層に設けられている。このため、ＣＭＰ工程における外力や負荷はＰＡＥ膜８ｂおよびＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａにはＳｉＯ2 膜９ａを介して間接的にしか掛からない。その上、ＰＡＥ膜８ｂよりも膜密度が小さく上層Ｔａバリアメタル膜２１との密着性がＰＡＥ膜８ｂよりも低いＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａは、ＰＡＥ膜８ｂよりも下層に設けられている。このため、ＣＭＰ工程においてＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａに掛かる外力や負荷は、ＰＡＥ膜８ｂに掛かる外力や負荷に比べてより軽減されている。これにより、ＣＭＰ工程において上層Ｔａバリアメタル膜２１がＰＡＥ膜８ｂおよびＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａから剥離するおそれも殆どない。ひいては、ＰＡＥ膜８ｂやＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａよりもさらに下層に設けられており、ＣＭＰ工程における外力や負荷がより掛かり難いキャップ層７や下層Ｃｕ配線５から上層Ｔａバリアメタル膜２１が剥離するおそれも殆どないのはもちろんである。
【００７２】
以上説明したように、この第１実施形態によれば、低比誘電率膜であるＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂを含む第２層目の層間絶縁膜１８中に上層配線形成用溝２０およびヴィアホール１７をＲＩＥ法により形成する際に、Ｎ2 ／Ｈ2 ガスやＮＨ3 ガスなど、酸素を含まないエッチングガスを用いる。この際、後工程において上層配線形成用溝２０およびヴィアホール１７の内側を覆って成膜される上層Ｔａバリアメタル膜２１のうち、ＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂに接する部分のα−Ｔａとβ−Ｔａとの組成比が１以上５以下となるようにＲＩＥ工程の実施条件を制御する。
【００７３】
これにより、ＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂ中に上層配線形成用溝２０およびヴィアホール１７を形成する際に、ＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂを、酸素によるダメージを殆ど受けておらず、かつ、吸湿量が殆ど増大していない良好な状態に保つことができる。また、電気的特性不良が抑制されているとともに密着性が向上されている良好な膜質からなる上層Ｔａバリアメタル膜２１を成膜することができる。これらの結果、Ｃｕヴィアプラグ２４付近の膜剥がれや接続不良に起因する歩留まりの低下を抑制もしくは低減することができる。ひいては、上層Ｃｕ配線２３およびＣｕヴィアプラグ２４の材質の劣化や電気的特性の劣化も抑制もしくは低減することができる。
【００７４】
しかるに、本実施形態によれば、低比誘電率膜であるＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂを含む第２層目の層間絶縁膜１８、この層間絶縁膜１８中に埋め込まれた上層Ｃｕ配線２３およびＣｕヴィアプラグ２４、ならびに上層Ｃｕ配線２３およびＣｕヴィアプラグ２４を覆って層間絶縁膜１８中に埋め込まれた上層Ｔａバリアメタル膜２１を具備する半導体装置２６全体の性能や信頼性、品質等を向上させて、高性能化を図ることができる。それとともに、そのような半導体装置２６の不良発生率を抑制もしくは低減して、歩留まりや生産効率を向上させることができる。ひいては、半導体装置２６を低コストで製造することができる。
【００７５】
（第２の実施の形態）
次に、本発明に係る第２実施形態について図２０〜図２５を参照しつつ説明する。図２０〜図２５は、それぞれ本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。なお、前述した第１実施形態と同一部分には同一符号を付して、それらの詳しい説明を省略する。
【００７６】
本実施形態は、上層配線が埋め込まれる第２層目の層間絶縁膜の構成が第１実施形態の第２層目の層間絶縁膜１８の構成と異なっているだけであり、その他は第１実施形態と殆ど同じである。以下、具体的かつ簡潔に説明する。
【００７７】
先ず、第１実施形態において図１〜図５を参照しつつ説明したように、キャップ層７を、下層Ｃｕ配線層６が埋め込まれた第１層目の層間絶縁膜２の表面上に設ける工程までは、第１実施形態と同様である。
【００７８】
次に、図２０に示すように、低比誘電率膜である第１のＳｉＣＯ：Ｈ膜３１ａをキャップ層７の表面上に設ける。この第１のＳｉＣＯ：Ｈ膜３１ａは、例えばプラズマＣＶＤ法あるいは回転塗布法により成膜される。続けて、同じく低比誘電率膜である第２のＳｉＣＯ：Ｈ膜３１ｂを第１のＳｉＣＯ：Ｈ膜３１ａの表面上に設ける。この第２のＳｉＣＯ：Ｈ膜３１ｂも、第１のＳｉＣＯ：Ｈ膜３１ａと同様に、例えばプラズマＣＶＤ法により成膜される。ただし、第２のＳｉＣＯ：Ｈ膜３１ｂには、その比誘電率が第１のＳｉＣＯ：Ｈ膜３１ａ比誘電率よりも高いＳｉＣＯ：Ｈ膜を成膜する。これにより、第１実施形態のＳｉＣＯ：Ｈ膜８ａおよびＰＡＥ膜８ｂの２層構造からなる低比誘電率層間絶縁膜８と同様の作用および効果を得ることができる。
【００７９】
これまでの工程により、第１のＳｉＣＯ：Ｈ膜３１ａおよび第２のＳｉＣＯ：Ｈ膜３１ｂの２層の低比誘電率膜のみからなる第２層目の層間絶縁膜３１を得る。すなわち、本実施形態の第２層目の層間絶縁膜３１は、一般的な絶縁膜であるＳｉＯ2 膜９ａを含む第１実施形態の第２層目の層間絶縁膜１８と異なり、純粋な低比誘電率層間絶縁膜として形成されている。
【００８０】
次に、図２１に示すように、通常のフォトリソグラフィ工程およびＲＩＥ工程により、第１のＳｉＣＯ：Ｈ膜３１ａおよび第２のＳｉＣＯ：Ｈ膜３１ｂを加工してヴィアホール３２の主要部分を形成する。続けて、図示は省略するが、ヴィアホール３２の主要部分を一旦閉塞してフォトレジスト膜を回転塗布法により設けた後、このフォトレジスト膜に通常のフォトリソグラフィ工程によって、上層配線形成用溝（第２の配線形成用凹部）に対応する開口をパターニングする。続けて、ＲＩＥ工程により、このフォトレジスト膜にパターニングされた開口に沿って、第２層目の層間絶縁膜３１を第１のＳｉＣＯ：Ｈ膜３１ａの膜厚方向の中間部に達するまで掘り下げる。これにより、ヴィアホール３２の上端部に連通する上層配線形成用溝３３が第２層目の層間絶縁膜３１内に形成される。
【００８１】
次に、図２２に示すように、ＲＩＥ工程により、ヴィアホール３２の主要部分の下方のキャップ層７をその膜厚方向に沿って貫通するまで異方的にエッチングする。これにより、上層配線形成用溝３３の下部（底部）に連通するヴィアホール３２が形成される。また、下層Ｃｕ配線５の表面の一部がヴィアホール３２内に露出される。
【００８２】
続けて、これまでのＲＩＥ工程によってヴィアホール３２や上層配線形成用溝３３の内側、あるいはヴィアホール３２内に露出された下層Ｃｕ配線５の表面上に堆積した不要な反応生成物を、アッシングにより除去する。この際、アッシングガスの成分等のアッシングの実施条件は、第１実施形態において第１〜第４の各ヴィアホール形成用開口部１１，１２，１５，１６、中層および下層の各マスク層開口部１３，１４、ならびに上層低比誘電率層開口部１９を形成する際のＲＩＥ工程の実施条件と同様とする。それとともに、このアッシングは、ヴィアホール３２や上層配線形成用溝３３を形成するＲＩＥ工程に連続して行うことが好ましい。
【００８３】
この後、さらにウェットエッチングを行うことにより、アッシングで除去しきれなかったヴィアホール３２や上層配線形成用溝３３の内側の不要な反応性生物や、ヴィアホール３２内に露出された下層Ｃｕ配線５の表面上のＣｕ酸化物等を略完全に取り除く。このウェットエッチングの実施条件も、第１実施形態のウェットエッチングの実施条件と同様とする。このように、アッシングやウェットエッチングの実施条件を第１実施形態と同様とすることにより、第１実施形態と同様の作用および効果を得ることができる。すなわち、第１のＳｉＣＯ：Ｈ膜３１ａおよび第２のＳｉＣＯ：Ｈ膜３１ｂが酸素等によるダメージを受けて、吸湿量が増大するおそれを抑制もしくは低減することができる。それとともに、上層Ｔａバリアメタル膜２１、上層Ｃｕ配線２３、およびＣｕヴィアプラグ２４を、良好な状態で形成することができる。
【００８４】
次に、図２３に示すように、第１実施形態と同様の工程により、ヴィアホール３２および上層配線形成用溝３３が形成された第２層目の層間絶縁膜３１の表面、ならびにヴィアホール３２内に露出されたキャップ層７および下層Ｃｕ配線５の表面上に上層Ｔａバリアメタル膜２１を設ける。続けて、第１実施形態と同様の工程により、上層Ｃｕ配線２３およびＣｕヴィアプラグ２４の基礎となる上層Ｃｕめっきシード層２２ａを上層Ｔａバリアメタル膜２１の表面上に設ける。
【００８５】
次に、図２４に示すように、第１実施形態と同様の工程により、上層Ｃｕ配線２３およびＣｕヴィアプラグ２４の主要部分となる厚肉形状の上層Ｃｕめっき膜２２ｂを、ヴィアホール３２および上層配線形成用溝３３の内部を満たしつつ上層Ｃｕめっきシード層２２ａの表面上に設ける。
【００８６】
次に、図２５に示すように、上層配線形成用溝３３の外側の不要な上層Ｔａバリアメタル膜２１および上層Ｃｕ膜２２を、ＣＭＰ法により研磨して除去する。これにより、Ｃｕヴィアプラグ２４と一体のデュアルダマシン構造からなる上層Ｃｕ配線２３が、上層Ｔａバリアメタル膜２１に覆われて第２層目の低比誘電率層間絶縁膜３１の内部に埋め込まれる。
【００８７】
この後、図示を伴う具体的かつ詳細な説明は省略するが、ボンディング工程やパッケージング工程等の所定の工程を経ることにより、図２５に示す所望の構成を有する半導体装置２６を得る。すなわち、比誘電率が約３以下である低比誘電率膜のみからなる第２層目の層間絶縁膜３１内に酸素を実質的に含まない雰囲気下で処理された上層配線形成用溝３３およびヴィアホール３２が形成されているとともに、これら上層配線形成用溝３３およびヴィアホール３２の内側を覆って結晶構造が互いに異なるα−Ｔａおよびβ−Ｔａを含む上層Ｔａバリアメタル膜２１が設けられており、かつ、上層Ｔａバリアメタル膜２１中のα−Ｔａとβ−Ｔａとの組成比を表すα−Ｔａ／β−Ｔａが低比誘電率層間絶縁膜３１に接する部分において約１以上５以下となっている半導体装置３４を得る。
【００８８】
以上説明したように、この第２実施形態によれば、前述した第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第２層目の層間絶縁膜３１を、第１のＳｉＣＯ：Ｈ膜３１ａおよび第２のＳｉＣＯ：Ｈ膜３１ｂの２層のみで構成することにより、第２層目の層間絶縁膜３１の成膜工程に掛かる時間や労力、あるいはコストなどを低減することができる。ひいては、半導体装置３４全体の製造に掛かる時間や労力、あるいはコストなどを低減することができる。また、第２層目の層間絶縁膜３１の構成を簡略化することにより、第２層目の層間絶縁膜３１の成膜工程などにおける不良発生率を抑制もしくは低減して、歩留まりを向上させることができる。
【００８９】
なお、本発明に係る半導体装置は、前述した第１および第２の各実施形態には制約されない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、それらの構成、あるいは製造工程などの一部を種々様々な設定に変更したり、あるいは各種設定を適宜、適当に組み合わせて用いたりして実施することができる。
【００９０】
例えば、低比誘電率膜は、前述したＳｉＣＯ：Ｈ膜やＰＡＥ膜には限定されない。ＳｉＣＯ：Ｈ膜やＰＡＥ膜と同等の膜質およびＳｉＣＯ：Ｈ膜やＰＡＥ膜と同等以下の比誘電率を有していれば、他の低比誘電率膜を用いても構わない。
【００９１】
また、第１実施形態において第１〜第４の各ヴィアホール形成用開口部１１，１２，１５，１６、中層および下層の各マスク層開口部１３，１４、ならびに上層低比誘電率層開口部１９を形成する際に用いたＲＩＥ工程用のエッチングガスの成分やＲＩＥ工程の実施条件も、前述した成分や条件には限定されない。酸素を含んでおらず、第１実施形態と同様に低比誘電率膜８に接する部分における組成比α−Ｔａ／β−Ｔａが１以上５以下となる上層Ｔａバリアメタル膜２１を成膜することができれば、他の成分からなるエッチングガスを用いたり、あるいは他の実施条件に基づいてＲＩＥ工程を行ったりしても構わない。これは、第１および第２実施形態のウェットエッチングや第２実施形態のアッシングについても同様である。
【００９２】
また、上層配線２３やヴィアプラグ２４の材料も純粋なＣｕには限定されない。上層配線２３やヴィアプラグ２４の材料は、Ｃｕを含む合金でも構わない。例えば、Ｃｕとアルミニウム（Ａｌ）との合金を用いて上層配線２３やヴィアプラグ２４を形成しても構わない。
【００９３】
さらに、上層配線２３の構造は、ヴィアプラグ２４と一体のデュアルダマシン構造には限定されない。上層配線２３の構造は、ヴィアプラグ２４と別体のシングルダマシン構造に形成しても構わない。シングルダマシン構造からなる上層配線２３においては、上層配線２３とヴィアプラグ２４とが別体に形成されているとともに、上層配線２３とヴィアプラグ２４との間にはＴａバリアメタル膜が設けられる。これにより、上層配線２３およびヴィアプラグ２４をＣｕにより形成した場合の上層配線２３によるヴィアプラグ２４の吸い上げや、これに起因するヴィアホール内のボイドの発生はより発生し難くなる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】第１実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図。
【図２】第１実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図。
【図３】第１実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図。
【図４】第１実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図。
【図５】第１実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図。
【図６】第１実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図。
【図７】第１実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図。
【図８】第１実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図。
【図９】第１実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図。
【図１０】第１実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図。
【図１１】第１実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図。
【図１２】第１実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図。
【図１３】第１実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図。
【図１４】第１実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図。
【図１５】第１実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図。
【図１６】第１実施形態および第１実施形態に対する比較例におけるエッチングの条件を表にして示す図。
【図１７】第１実施形態および第１実施形態に対する比較例におけるエッチングのガス条件に対するＴａバリアメタル膜の組成比の依存性をグラフにして示す図。
【図１８】Ｔａバリアメタル膜の組成比に対するヴィアプラグの歩留まりの依存性をグラフにして示す図。
【図１９】Ｔａバリアメタル膜の組成比に対するＴａバリアメタル膜の比抵抗の依存性をグラフにして示す図。
【図２０】第２実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図。
【図２１】第２実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図。
【図２２】第２実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図。
【図２３】第２実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図。
【図２４】第２実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図。
【図２５】第２実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図。
【符号の説明】
【００９５】
１…シリコンウェーハ（半導体基板）、８，３１…低比誘電率層間絶縁層、８ａ，３１ａ，３１ｂ…ＳｉＣＯ：Ｈ膜（低比誘電率層間絶縁膜）、８ｂ…ＰＡＥ膜（低比誘電率層間絶縁膜）、１７，３２…ヴィアホール（プラグ形成用凹部、開口部）、１８，３１…第２層目の層間絶縁膜、２０，３３…上層配線形成用溝（第２の配線形成用凹部、開口部）、２１…上層Ｔａバリアメタル膜、２２…Ｃｕ膜（導電体）、２２ａ…上層Ｃｕめっきシード層（導電体）、２２ｂ…上層Ｃｕめっき膜（導電体）、２３…上層Ｃｕ配線（導電体）、２４…Ｃｕヴィアプラグ（導電体）
【図１】
2008060316.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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