(57)【要約】【課題】下地膜の上にバリアメタル膜を介して低抵抗金属膜を形成する工程を含む半導体装置の製造方法に関し、絶縁膜上でのバリアメタルの研磨の際に配線溝又は接続孔内に導電膜のリセスの発生を防止すること。【解決手段】絶縁膜の上に第１の高融点金属又は第１の高融点金属窒化物よりなる第１の膜を形成する工程と、第１の膜と絶縁膜に配線溝又は接続孔を形成する工程と、配線溝又は接続孔の内面と第１の膜の上面に、第１の高融点金属よりも研磨速度が遅い第２の高融点金属又は第１の高融点金属窒化物よりも研磨速度が遅い第２の高融点金属窒化物よりなる第２の膜を形成する工程と、第２の膜の上に銅膜又は銅含有合金膜を形成する工程と、銅膜又は銅含有合金膜と第１の膜と第２の膜を、配線溝又は接続孔以外の絶縁膜の上面から除去する工程とを有する【選択図】      図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁膜の上に第１の高融点金属又は第１の高融点金属窒化物よりなる第１の膜を形成する工程と、
前記第１の膜と前記絶縁膜に配線溝又は接続孔を形成する工程と、
前記配線溝又は前記接続孔の内面と前記第１の膜の上面に、前記第１の高融点金属よりも研磨速度が遅い第２の高融点金属又は前記第１の高融点金属窒化物よりも研磨速度が遅い第２の高融点金属窒化物よりなる第２の膜を形成する工程と、
前記第２の膜の上に銅膜又は銅含有合金膜を形成する工程と、
前記銅膜又は前記銅含有合金膜と前記第１の膜と前記第２の膜を、前記配線溝又は前記接続孔以外の前記絶縁膜の上面から除去する工程とを有する半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第１の高融点金属窒化物は、窒化チタン、又は、窒素がタンタルよりも多い組成比を有する窒化タンタルであ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。
【請求項３】
前記第２の高融点金属は、β相のタンタル、α相のタンタルであ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。
【請求項４】
前記第２の高融点金属窒化物は、窒素がタンタルよりも少ない組成比を有する窒化タンタルであ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。
【請求項５】
前記第１の膜は、前記第１の膜の上に形成されるレジストを露光する電磁放射線に対して反射防止膜として機能する材料から構成され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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、より詳しくは、下地膜の上にバリアメタル膜を介して低抵抗金属膜を形成する工程を含む半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体装置の高速化、大容量化の要求に伴い、金属配線部の配線抵抗・配線容量の削減が要求されている。このため、銅や銅合金を主導電層とする金属配線及び接続孔が開発されているが、さらなる改良が必要となっている。
【０００３】
従来の銅や銅合金を主導電層とする金属配線を形成する方法の一つとして、いわゆるダマシン(damascene) 法が知られている。そのような技術は、例えばC.W.Kaanta et.al, VMIC Conf. Proc.8, P.144 (1991) に記載がある。
【０００４】
ダマシン法とは、基板の上に絶縁膜を成長し、その絶縁膜に配線溝又は接続孔を形成した後に、その絶縁膜上面と配線溝又は接続孔内に金属膜を形成し、ついで化学機械研磨（ＣＭＰ(chemical mechanical polishing) 法により金属膜を絶縁膜の上面から除去するといった工程を経て配線溝又は接続孔の中に金属配線又はプラグを形成する方法である。
【０００５】
次に、従来のダマシン法を図１に基づいてさらに具体的に説明する。
【０００６】
まず、図１(a) に示すように、下側配線101の上に膜厚４００nmのシリコン酸化膜102をＣＶＤ法により成長し、その上に反射防止膜として膜厚５０nmのシリコン窒化膜103を形成する。その後に、図１(b) に示すように、通常のフォトリソグラフィーとエッチング法により配線溝104a又は接続孔104bを形成する。
【０００７】
続いて、図１(c) に示すように、配線溝104a又は接続孔104bの内面とシリコン酸化膜102の上面にバリアメタル膜105を形成する。バリアメタル膜105として例えば膜厚５０nmの窒化チタン（TiN ）膜又は膜厚５０nmのβ相タンタル膜をスパッタリングにより形成する。さらに、バリアメタル膜105の上に膜厚８００nmの銅膜106をスパッタリングにより形成する。そして、４００℃で３分間の真空アニールを行って銅膜106を配線溝104a又は接続孔104b内に完全に埋め込む。
【０００８】
最後に、図１(d) に示すように、ＣＭＰ法によりシリコン窒化膜103の上面から銅膜106とバリアメタル膜105を除去する。そして、配線溝104a内に残った銅膜105を配線として使用し、又は、接続孔104b内に残った銅膜106をプラグとして使用する。その化学機械的研磨の際には、アルミナなどの粉末と金属を溶かす酸などの化学溶剤を含む研磨剤が用いられる。
【０００９】
上記したシリコン窒化膜103よりなる反射防止膜は、シリコン酸化膜102上に形成されるレジストを露光する際に露光光の反射を防止してレジストの露光精度を高めるために必要となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
反射防止膜としては、上記したようにシリコン窒化膜を用いるのが一般的である。しかし、シリコン窒化膜は比誘電率が高く、上下の配線によって生じる寄生容量を増加させて信号の遅延時間を増加させるという問題がある。
【００１１】
また、銅はシリコン基板やシリコン酸化膜中で拡散が速いことが知られ、そのことについてはE. R. Weber, Appl. Phys. A30, 1 (1983)に記載がある。このような銅の拡散を防止するために上記したバリアメタル膜105が用いられる。バリアメタルの必要性については、例えばT. Kouno et.al, J. Electrochem. Soc, 145, 2164 (1998) に記載がある。
【００１２】
バリアメタル膜に要求される主な特性は以下の３つである。
【００１３】
第１に比抵抗が低いことであり、第２に拡散バリア性能に優れていることであり、第３に研磨レートが速いことである。
【００１４】
即ち、比抵抗が高いバリアメタルを用いると配線抵抗が高くなり、配線での信号遅延時間を増加させてしまう。また、バリアメタルの拡散バリア性能が劣っている場合には、銅がシリコン酸化膜中に拡散してしまい、半導体素子性能が劣化してしまう。さらに、研磨レートが遅い場合には、図２に示すように絶縁膜103上でバリアメタル膜105が完全には除去されずに残ってしまい、絶縁膜上で配線同士がショートする可能性がある。
【００１５】
バリアメタル膜に用いられる窒化チタン膜(TiN) 、β相タンタル膜（βTa）、α相タンタル膜（αTa）、タンタル含有率の高い窒化タンタル膜（Ta-rich TaN)、窒素含有率の高い窒化タンタル（N-rich TaN）のそれぞれについての比抵抗、拡散バリア性能、ＣＭＰレートは表１のようである。
【００１６】
なお、表１において拡散バリア性能の優劣は、「Ｃｕ配線技術の最新の展開」リアライズ社第１７２頁(1998)に基づいてまとめた値である。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
表１によれば、TiN は低抵抗であってＣＭＰレートは速いが拡散バリア性能が十分ではない。βTa、αTa、Ta-rich TaNはともに低抵抗であって比較的拡散バリア性能は良いがＣＭＰレートは遅く、酸によって腐食し難い。また、N-rich TaNはＣＭＰレートが速くて拡散バリア性能はよいが比抵抗は高い。
【００１９】
また、研磨速度の遅いバリアメタル膜を絶縁膜上で過剰に研磨すると、バリアメタル膜の研磨速度が銅膜の研磨速度よりも遅い場合には、図３に示すように、配線溝104又は接続孔104b内の銅膜106が沈み込むリセスと呼ばれる不具合を生じる。例えばタンタルの研磨速度が銅の研磨速度の１／５であるとすると、５０nmの厚さのタンタル膜を除去するときに２５０nmの銅膜の沈み込みを避けることはできない。
【００２０】
これらのことから、バリアメタル膜として必要な特性である３つの条件を全て備えた単層のバリアメタルの開発は容易でないことがわかる。
【００２１】
また、特開平7-283219号公報には、チタン、窒化チタン、タンタルの３層構造からバリアメタルを構成することが開示されている。しかし、配線溝又は接続孔の中に占めるバリアメタルの膜厚の割合が大きくなると、配線溝又は接続孔内に占める銅膜の割合が相対的に減少して、比抵抗値が高くなってしまう。
【００２２】
本発明の目的は、配線溝又は接続孔内の比抵抗が低く、その中に埋め込まれる銅に対する拡散バリア性能に優れ、配線溝又は接続孔が形成される絶縁膜上での研磨残りを防止することができ、又は、絶縁膜上でのバリアメタルの研磨の際に配線溝又は接続孔内に導電膜のリセスの発生を防止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。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記した課題は、図９〜図１１に例示するように、絶縁膜２５の上に第１の高融点金属又は第１の高融点金属窒化物よりなる第１の膜２６を形成する工程と、前記第１の膜２６と前記絶縁膜２５に配線溝又は接続孔２８を形成する工程と、前記配線溝又は前記接続孔２８の内面と前記第１の膜２６の上面に、前記第１の高融点金属よりも研磨速度が遅い第２の高融点金属又は前記第１の高融点金属窒化物よりも研磨速度が遅い第２の高融点金属窒化物よりなる第２の膜２９を形成する工程と、前記第２の膜２９の上に銅膜３０又は銅含有合金膜を形成する工程と、前記銅膜３０又は前記銅含有合金膜と前記第１の膜２６と前記第２の膜２９を、前記配線溝又は前記接続孔２８以外の前記絶縁膜２５の上面から除去する工程とを有する半導体装置の製造方法によって解決される。
【００２４】
上記した半導体装置の製造方法において、前記第１の膜２６と前記第２の膜２９を異種金属から構成しても良い。
【００２５】
上記した半導体装置の製造方法において、前記銅膜３０又は前記銅含有合金膜と前記第１の膜２６と前記第２の膜２９の除去を、化学機械的研磨によって行ってもよい。
【００２６】
上記した半導体装置の製造方法において、前記第１の膜２６を比抵抗が１０００μΩｃｍ以下の材料から構成し、化学機械的研磨による研磨速度がシリコン酸化膜の研磨速度の２倍以上である材料から前記第２の膜を構成するようにしてもよい。
【００２７】
上記した半導体装置の製造方法において、前記第１の高融点金属窒化物を、窒化チタン、又は、窒素がタンタルよりも多い組成比を有する窒化タンタルから構成してもよい。
【００２８】
上記した半導体装置の製造方法において、前記第２の高融点金属を、β相のタンタル、α相のタンタルのいずれかから選択してもよい。
【００２９】
上記した半導体装置の製造方法において、前記第２の高融点金属窒化物を、窒素がタンタルよりも少ない組成比を有する窒化タンタルから構成してもよい。
【００３０】
上記した半導体装置の製造方法において、前記第１の膜２６は、前記第１の膜２６の上に形成されるレジスト２７を露光する電磁放射線に対して反射防止膜として機能する材料から構成されることが好ましい。
【００３１】
なお、上記した図番、符号は、発明の理解を容易にするために引用したものであって、本発明はそれらに限定されるものではない。
【００３２】
次に、本発明の作用について説明する。
【００３３】
本発明によれば、第１の高融点金属又は第１の高融点金属窒化物よりなる第１の膜を絶縁膜の上に形成した後に、第１の膜と絶縁膜に配線溝又は接続孔を形成し、その後に、配線溝又は接続孔の内面と第１の膜の上面に第２の高融点金属又は第２の高融点金属窒化物よりなる第２の膜を形成し、第２の膜の上に銅膜又は銅含有合金よりなる主導体膜を形成し、その後に主導体膜と第１の膜と第２の膜を配線溝又は接続孔以外の絶縁膜の上面から除去するようにしている。
【００３４】
この場合、第１の膜は第２の膜に比べて研磨速度が速いものが望ましい。研磨速度が速いものであれば、絶縁膜の上に金属又は金属窒化物が完全に除去されずに残ることが防止される。しかも、第１の膜が配線溝又は接続孔の中に残らずに単層の第２の膜がバリアメタルとして配線溝又は接続孔の中に残るので、バリアメタルが配線溝又は接続孔内の主導電膜の占有率を低下させることが無くなる。
【００３５】
この場合、第１の膜は、配線溝又は接続孔を形成するためのフォトリソグラフィー法の際に反射防止膜として機能する材料から構成することが好ましい。これにより、反射防止膜として絶縁膜上に窒化シリコン膜を形成する必要が無くなり配線間容量の増加が防止される。
【００３６】
なお、高融点金属又は高融点金属窒化物よりなる第２の膜は、低抵抗で拡散バリア性能が高い材料から構成することが好ましく、研磨速度は高いことは問わない。
【発明の効果】
【００３７】
以上述べたように本発明によれば、第１の高融点金属又は第１の高融点金属窒化物よりなる第１の膜を絶縁膜の上に形成した後に、第１の膜と絶縁膜に配線溝又は接続孔を形成し、その後に、配線溝又は接続孔の内面と第１の膜の上面に第２の高融点金属又は第２の高融点金属窒化物よりなる第２の膜を形成し、第２の膜の上に銅膜又は銅含有合金よりなる主導電膜を形成し、その後に主導電膜と第１の膜と第２の膜を配線溝又は接続孔以外の絶縁膜の上面から除去する工程を含み、第２の膜に比べて研磨速度が速い材料から第１の膜を構成するようにしたので、絶縁膜の上に金属又は金属窒化物が完全に除去されずに残ることを防止することができる。
【００３８】
しかも、第１の膜が配線溝又は接続孔の中に残らずに単層の第２の膜がバリアメタルとして配線溝又は接続孔の中に残るようにしたので、バリアメタルが配線溝又は接続孔内の主導電膜の占有率を低下させることを防止できる。
【００３９】
この場合、第１の膜は、配線溝又は接続孔を形成するためのフォトリソグラフィー法の際に反射防止膜として機能する材料から構成するようにしたので、反射防止膜として絶縁膜上に窒化シリコン膜を形成する必要が無くなり配線間容量の増加を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００４１】
（第１の実施形態の説明）
図４〜図７は、本発明の第１の実施形態を示す半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【００４２】
まず、図４(a) に示すような状態になるまでの工程を説明する。
【００４３】
図４(a)において、シリコン基板（半導体基板）１のうちフィールド酸化膜２で囲まれた領域にＭＯＳトランジスタ３を形成する。ＭＯＳトランジスタ３は、シリコン基板１の上にゲート酸化膜３ａを介して形成されたゲート電極３ｂと、ゲート電極３ｂの両側方のシリコン基板１内に形成された第１及び第２の不純物拡散層３ｄ、３ｓを有している。また、ＭＯＳトランジスタ３はSiO2よりなる第１の層間絶縁膜４によって覆われている。
【００４４】
第１の層間絶縁膜４のうち第１の不純物拡散層３ｄの上の領域にはコンタクトホール５が形成され、そのコンタクトホール５内には、窒化チタン(TiN)膜６を介してタングステン（Ｗ）膜７が充填されている。
【００４５】
次に、SiO2含有絶縁材又はSiO2よりなる第２の層間絶縁膜８を第１の層間絶縁膜４及びタングステン膜７の上に形成した後に、図４(b)に示すように、第２の層間絶縁膜８をフォトリソグラフィー法によりパターニングして幅０．２〜０．３μｍの第１の配線溝９を形成する。その配線溝９の一部はコンタクトホール５の上に位置している。
【００４６】
続いて、図５に示すように、第１の配線溝９の中と第２の層間絶縁膜８の上面に沿って微粒子状に結合している炭酸化タンタル（Ta2(CO3)5)分子１０を含む第１のタンタル（Ta）膜１１をプラズマスパッタ法により２０〜５０nmの厚さに形成する。第１のタンタル膜１１はバリアメタル膜として機能する。
【００４７】
第１のタンタル膜１１は、チャンバ（不図示）内に二酸化炭素ガスを１０sccmで導入し、アルゴン（Ar）ガスを流量５０sccmで導入し、その雰囲気内の圧力を５mTorrに設定した条件下で形成される。そして、二酸化炭素プラズマとターゲットＴから飛び出したタンタルとを反応させて生成された分子１０を第１のタンタル膜１１中に混入させる。スパッタの際に、タンタルから構成されるターゲットＴは、第２の絶縁膜８に対向されるように配置される。
【００４８】
次に、図６(a)に示すように、第１のタンタル膜１１の上に第１の銅（Cu）膜１２をＭＯＣＶＤ法、スパッタ法又はメッキ法により  nmの厚さに形成する。第１の銅膜１２は、４００℃で真空アニールを経ることにより、第１の配線溝９内に完全に充填される。
【００４９】
その後に、アルミナなどの粉末と無機酸を含む研磨剤を用いて第１の銅膜１２をＣＭＰ（化学機械的研磨）法により研磨する。
【００５０】
そして、第２の層間絶縁膜８の上の第１の銅膜１２が、図６(b)に示すように除去されて第１のタンタル膜１１が露出した時点で、ブドウ酸を含む研磨剤を用いて第１のタンタル膜１１を化学機械的研磨法により研磨を行う。
【００５１】
第１のタンタル膜１１に含有されている（Ta2(CO3)5)分子１０は、有機錯イオンであるブドウ酸イオンと反応して溶解する。（Ta2(CO3)5)分子１０が溶解した後には第１のタンタル膜１１には図６(b)に示すように微小空洞１０ａが形成されるので第１のタンタル膜１１の上面が機械的に脆くなって第１のタンタル膜１１の研磨による切削速度が増す。
【００５２】
また、研磨剤（薬液）中に酸化剤を含ませないと、銅が酸化によって原子結合構造が破壊され難くなるので、第１の銅膜１２が錯イオンによって溶解する速度を比較的遅くすることが可能になる。この場合、第１の銅膜１２の研磨速度を第１のタンタル膜１１の研磨速度と同等かそれ以下にすることが可能になり、第１の配線溝９内での第１の銅膜１２のリセスの発生が防止される。
【００５３】
なお、第１のタンタル膜１１の研磨は、研磨圧力を３．５ＰＳＩとし、シリコン基板１を搭載するターンテーブルとシリコン基板１を支持するキャリアヘッドの回転速度はいずれも６０ｒｐｍとした。
【００５４】
以上のような研磨と（Ta2(CO3)5)分子１０の溶解のサイクルによって第１のタンタル膜１１を第２の層間絶縁膜８の上から除去した後に研磨を停止し、図７(a)に示すように、第１の配線溝９内に残った第１のタンタル膜１１と第１の銅膜１２を第１の配線１３として使用する。
【００５５】
この後に、図７(b)に示すように、第２の層間絶縁膜８と第１の配線１３の上に第３の層間絶縁膜１４を形成する。そして第３の層間絶縁膜１４に接続孔１５ａと第２の配線溝１５ｂとを形成し、それらの中に第１の配線１３と同様な方法によって第２のタンタル膜１６と第２の銅膜１７を充填し、これによりプラグと第２の配線１７が形成される。
【００５６】
なお、化学機械的研磨にケミカル成分として使用されるブドウ酸の代わりに、酒石酸、フタル酸、その他の有機酸、又は、炭素を含む溶剤を使用してもよい。また、バリアメタル膜としてはタンタルの他に炭素合金分子を含む窒化タンタルを使用してもよい。さらに、配線溝又は接続孔に充填される金属膜としては銅膜の他に銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、タングステン又はタングステン合金を用いても良い。
【００５７】
次に、有機酸を含有しない研磨剤を使用する従来の方法によるタンタル膜と銅膜のそれぞれの従来の研磨速度と、有機酸を含有する研磨剤を使用するタンタル膜と銅膜のそれぞれの本実施形態による研磨速度の違いを図８に示す。図８によれば、従来のタンタル膜の研磨速度に対して銅膜の研磨速度はおよそ６倍であった。しかし、本実施形態のように有機酸を用いて銅膜と炭素合金分子含有のタンタル膜を研磨するとタンタル膜の研磨速度が銅膜の研磨速度よりも速くなった。
【００５８】
また、図８によれば、有機酸を含有しない薬液を使用する方が銅の研磨速度は速いが、薬液の交換の手間を省略するために研磨開始から研磨終了まで有機酸を含む研磨薬液を用いて銅膜とタンタル膜を連続して研磨してもよい。
【００５９】
なお、上記したようにバリアメタル膜に炭素合金分子を含有させても、銅に対するバリア性能が劣化したり、比抵抗が上昇することは無かった。
【００６０】
ところで、上記したバリアメタル膜１１は、プラズマスパッタ法により形成することについて説明したが、ＣＶＤ法により形成しても良い。例えば、ペンタエトキシタンタル（Ta(OC2H5)5）のような炭素を含む有機系材料を用いてタンタル膜１１を形成すると、タンタル膜には炭素が含まれることになる。タンタル膜中の炭素は、研磨薬液に含まれる有機錯イオンと反応して溶解するので、そのタンタル膜は機械的に脆くなって研磨速度が速くなる。
【００６１】
（第２の実施の形態）
図９〜図１１は、本発明の第２の実施形態を示す半導体装置の製造工程を示す断面図である。なお、図９〜図１１において、図４(a) と同じ符号は同じ要素を示している。
【００６２】
まず、図９(a) に示すような状態になるまでの工程を説明する。
【００６３】
図９(a)において、シリコン基板（半導体基板）１のうちフィールド酸化膜２で囲まれた領域にＭＯＳトランジスタ３を形成する。ＭＯＳトランジスタ３は第１実施形態と同じ構造を有している。
【００６４】
また、ＭＯＳトランジスタ３とフィールド酸化膜２はSiO2よりなる第１の層間絶縁膜４によって覆われている。第１の層間絶縁膜４のうち第１の不純物拡散層３ｂの上にはコンタクトホール５が形成され、その中には、第１の窒化チタン(TiN)膜６を介してタングステン（Ｗ）膜７が充填されている。
【００６５】
次に、SiO2含有絶縁材又はSiO2よりなる第２の層間絶縁膜８を形成した後に、フォトリソグラフィー法により第２の層間絶縁膜８をパターニングしてコンタクトホール５の上を通る第１の配線溝２０を形成する。そして、第１の配線溝２０の中と第２の層間絶縁膜８の上面に沿って第２の窒化チタン膜２１を形成した後に、第２の窒化チタン膜２１の上に第１の銅（Cu）膜２２を形成する。
【００６６】
第２の窒化チタン膜２１は、第１の銅膜２２を構成する銅元素が第２の層間絶縁膜８内に拡散することを防止するために形成される。
【００６７】
その後に、第１の銅膜２２と第２の窒化チタン膜２１を研磨して第２の層間絶縁膜８の上面から除去し、第１の配線溝２０内に残った第１の銅膜２２及び第２の窒化チタン膜２１を第１の配線２３として使用する。
【００６８】
さらに、第２の層間絶縁膜８と第１の配線２３の上に第１の窒化シリコン（SiN）膜２４をＣＶＤ法により約５０nmの厚さに形成し、これを銅拡散防止用バリア膜として使用する。続いて、窒化シリコン膜２４の上にシリコン酸化膜（SiO2）よりなる第３の層間絶縁膜２５をＣＶＤ法により４００nmの厚さに成長し、その上に第３の窒化チタン（TiN）膜２６をスパッタリングにより５０nmの厚さに成長する。
【００６９】
第３の窒化チタン膜２６の成長のためのスパッタリングの条件としては、スパッタ電力を１２ｋＷとし、アルゴンガスと窒素ガスを流量比１対４の割合でチャンバ内に導入し、チャンバ内の雰囲気ガス圧力を３mTorrに設定する。
【００７０】
その後に、フォトレジスト２７を第３の窒化チタン膜２６の上に塗布し、これを露光、現像して窓２７ａを形成する。その窓２７ａは、少なくとも第１の配線２３の一部に重なる位置に形成される。
【００７１】
そして、窓２７ａを通して第３の窒化チタン膜２６と第３の層間絶縁膜２５と第１の窒化シリコン膜２４を順にエッチングすると、それらの膜には深さ約５００nmの接続孔２８が形成される。その後にフォトレジスト２７を除去すると、図９(b)に示すような断面形状が得られる。
【００７２】
次に、図１０(a)に示すように、第３の窒化チタン膜２６の上面と接続孔２８の内面の上に膜厚２０nmの第１のβTa膜（バリアメタル膜）２９と膜厚１００nmの第２の銅（Cu）膜３０をスパッタリングにより順に形成し、さらに第２の銅膜３０の膜厚を電解メッキにより７００nm増やして計８００nmとした。
【００７３】
第１のβTa膜２９の成長のためのスパッタリングの条件として、スパッタ電力を６ｋＷに設定し、チャンバ内にアルゴンガスを導入してその内部圧力を３mTorrに設定した。また、第２の銅膜３０の成長のためのスパッタリングの条件として、スパッタ電力を１２ｋＷに設定し、チャンバ内にアルゴンガスを導入してアルゴンガス圧を３mTorrとした。
【００７４】
なお、スパッタリング装置として真空搬送を行うマルチチャンバシステムを用いた。
【００７５】
その後に、接続孔２８の外部に成長した第２の銅膜３０、βTa膜２９と第３のTiN膜２６を通常のＣＭＰ法によって除去することにより、図１０(b)に示すような銅膜３０を主導電層とするプラグ３１が接続孔２８内に形成される。
【００７６】
次に、図１１(a)に示すように、第３の層間絶縁膜２５とプラグ３１の上に、膜厚５０nmの第２の窒化シリコン膜３２と膜厚４００nmの第４の層間絶縁間膜３３と膜厚５０nmの第４のTiN膜３４を順に形成した後に、それらの膜３２〜３４をフォトリソグラフィー法によりパターニングして第２の配線溝３５を形成する。その第２の配線溝３５は、その一部がプラグ３１の上を通るような平面形状となっている。
【００７７】
続いて、第２の配線溝３５の内面と第２の窒化シリコン膜３２の上面の上に膜厚２０nmの第２のβTa膜３６と膜厚８００nmの第３の銅膜３７を順に形成する。その後に、ＣＭＰ法により第２の配線溝３５の外部から第３の銅膜３７と第２のβTa膜３６を除去することにより、図１１(b)に示すように、銅膜３７を主導電層とする第２の配線３８が第２の配線溝３５内に形成される。
【００７８】
以上のように、本実施形態では、層間絶縁膜の上に研磨の容易なTiN膜を形成し、それらのTiN膜と層間絶縁膜を連続的にパターニングして配線溝又は接続孔を形成し、その後に、銅拡散耐性に優れ且つ低抵抗のβTaよりなるバリアメタ膜を形成し、バリアメタル膜の上に銅膜を形成するようにした。
【００７９】
これによれば、層間絶縁膜の上にはＣＭＰ法による研磨レートが速く且つ光反射防止機能を有するTiN膜が存在するので、配線溝や接続孔を形成する際のレジスト露光が精度良く行え、しかも、銅膜とバリアメタル膜に続いて行われる研磨によってTiN膜が容易に除去されることになって層間絶縁膜上にβTa、TiNの導電膜が残存することが防止される。しかも、銅拡散耐性に優れ、低抵抗であるβTaよりなる単層のバリアメタル膜が接続孔又は配線溝内に残ることになるので、配線溝又は接続孔内における主導電層の占有率を低下させることはない。
【００８０】
また、反射防止膜としてTiN 膜を使用すると、窒化シリコン膜を使用する場合に比べて研磨の終点検出が容易であり、層間絶縁膜の薄層化が防止される。
【００８１】
なお、上記したβTa（β相タンタル）膜の代わりに、αTa（α相タンタル）膜のような高融点金属膜、又は、タンタル含有率の高い窒化タンタル(Ta-rich Ta)のような高融点金属窒化物膜を用いてもよい。そのタンタル含有量の高い窒化タンタルは、窒素に対するタンタルの組成比が１以上となる窒化タンタルである。
【００８２】
また、層間絶縁膜の上に直に形成される膜として、窒化チタンの他に窒素含有率の高い窒化タンタル（N-rich Ta)のような高融点金属窒化物膜や、研磨速度の高い高融点金属膜がある。窒素含有率の高い窒化タンタルは、窒素に対するタンタルの組成比が１未満となる窒化タンタルである。層間絶縁膜の上に直に形成される高融点金属膜又は高融点金属窒化物は、研磨レートがシリコン酸化膜の２倍以上となる材料が好ましいし、また、比抵抗が１０００μΩｃｍ以下となることが好ましい。
【００８３】
さらに、配線又はプラグの主導電膜となる材料としては、銅の他に銅を含む合金であってもよい。
【００８４】
（第３の実施の形態）
図１２、図１３は、本発明の第３の実施形態を示す半導体装置の製造工程を示す断面図である。なお、図１２、図１３において、図４(a)と同じ符号は同じ要素を示している。
【００８５】
まず、図１２(a) に示すような状態になるまでの工程を説明する。
【００８６】
図１２(a)において、シリコン基板（半導体基板）１のうちフィールド酸化膜２で囲まれた領域にＭＯＳトランジスタ３を形成する。ＭＯＳトランジスタ３は第１実施形態と同じ構造を有している。
【００８７】
また、ＭＯＳトランジスタ３とフィールド酸化膜２はSiO2よりなる第１の層間絶縁膜４によって覆われている。第１の層間絶縁膜４のうち第１の不純物拡散層３ｂの上にはコンタクトホール５が形成され、その中には、第１の窒化チタン(TiN)膜６を介してタングステン（Ｗ）膜７が充填されている。
【００８８】
次に、SiO2含有絶縁材又はSiO2よりなる第２の層間絶縁膜８を形成した後に、フォトリソグラフィー法により第２の層間絶縁膜８をパターニングしてコンタクトホール５の上を通る第１の配線溝２０を形成する。そして、第１の配線溝２０の中と第２の層間絶縁膜８の上面に沿って第２の窒化チタン膜２１を形成した後に、第２の窒化チタン膜２１の上に第１の銅（Cu）膜２２を形成する。
【００８９】
その後に、第１の銅膜２２と第２の窒化チタン膜２１を研磨して第２の層間絶縁膜８の上面から除去し、第１の配線溝２０内に残った第１の銅膜２２及び第２の窒化チタン膜２１を第１の配線２３として使用する。
【００９０】
さらに、第２の層間絶縁膜８と第１の配線２３の上に膜厚５０nmの第１の窒化シリコン(SiN）膜４１と膜厚７５０nmの第３の層間絶縁膜４２をＣＶＤ法により順に形成した後に、第３の層間絶縁膜４２の上に膜厚５０nmのN-rich TaN膜４３をスパッタリングにより成長する。
【００９１】
N-rich TaN膜４３の成長のためのスパッタリングの条件としては、スパッタ電力を６ｋＷとし、アルゴンガスと窒素ガスを流量比１対４の割合でチャンバ内に導入し、チャンバ内の雰囲気ガス圧力を３mTorrに設定する。
【００９２】
その後に、図１２(b)に示すように、２つのレジストを使用するフォトリソグラフィー法により、第３の層間絶縁膜４２の下部から第１の窒化シリコン膜４１にかけて深さ１００nmの接続孔４４を形成し、さらにN-rich TaN膜４３から第３の層間絶縁膜４３の上部にかけて第２の配線用溝４５を形成する。
【００９３】
その接続孔４４は第１の配線２３の一部に重なるように形成され、さらに、第２の配線溝４５はその一部が接続孔４４に重なるように形成される。なお、接続孔４４と第２の配線溝４５の形成順は限定されない。
【００９４】
次に、接続孔４４と第２の配線溝４５の内面とN-rich TaN膜４３の上面の上に膜厚２０nmのTa-rich TaN膜４６と膜厚１００nmの第２の銅膜４７をスパッタリングにより順に形成する。その後に、電解メッキによって第２の銅膜４７の膜厚を１４００nm成長して、合計で１５００nmとなるようにする。
【００９５】
Ta-rich TaN膜４６の成長のためのスパッタリングの条件として、スパッタ電力を６ｋＷとし、アルゴンガスと窒素ガスを流量比４対１の割合でチャンバ内に導入し、チャンバ内の雰囲気ガス圧力を３mTorrに設定する。また、第２の銅膜４７の成長のためのスパッタリングの条件として、スパッタ電力を１２ｋＷに設定し、チャンバ内にアルゴンガスを導入してアルゴンガス圧を３mTorrとした。
【００９６】
なお、スパッタリング装置として真空搬送を行うマルチチャンバシステムを用いる。
【００９７】
その後に、接続孔４４と第２の配線溝４５の外部に成長した第２の銅膜４７とTa-rich TaN膜４６と第３のTiN膜４３を通常のＣＭＰ法によって除去すると、図１３(b) に示すように、接続孔４４内には銅膜４７を主導電層とするプラグ４８形成され、第２の配線溝４５内には銅膜４７を主導電層とする第２の配線４９が形成される。
【００９８】
以上の方法によれば、ＣＭＰ法による研磨レートが速く且つ光反射防止機能を有するN-rich TaN膜が層間絶縁膜の上に予め形成されるので、配線溝や接続孔を形成する際のレジスト露光が精度良く行え、しかも、銅膜とバリアメタル膜に続いて行われる研磨によってN-rich TaN膜が容易に除去されることになって層間絶縁膜上に TaN膜の導電膜が残存することが防止される。しかも、銅拡散耐性に優れ、低抵抗であるTa-rich TaNよりなる単層のバリアメタル膜が接続孔又は配線溝内に残ることになるので、配線溝又は接続孔内における主導電層の占有率を低下させることはない。
【００９９】
また、反射防止膜としてN-rich TaN膜を使用すると窒化シリコン膜を使用する場合に比べて研磨の終点検出が容易であり、層間絶縁膜の薄層化が防止される。
【０１００】
なお、上記したTa-rich TaN膜のような高融点金属窒化物膜の代わりに、βTa膜、αTa膜のような高融点金属膜を用いてもよい。
【０１０１】
また、層間絶縁膜の上に直に形成される膜として、N-rich TaNの代わりに、窒化チタン膜のような高融点金属窒化物膜や研磨速度の高い高融点金属膜がある。層間絶縁膜の上に直に形成される高融点金属膜又は高融点金属窒化物は、研磨レートがシリコン酸化膜の２倍以上となる材料が好ましいし、また、比抵抗が１０００μΩｃｍ以下となることが好ましい。
【０１０２】
さらに、配線又はプラグの主導電膜となる材料としては、銅の他に銅を含む合金であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】図１(a) 〜(d) は、絶縁膜中に配線又はプラグを形成する従来の方法を示す断面図である。
【図２】図２は、従来技術によって形成される配線又はプラグを形成する工程において絶縁膜上にバリアメタルが残る状態を示す断面図である。
【図３】図３は、従来技術によって形成される配線又はプラグを形成する工程において溝又は孔内に残される銅膜にリセスが生じている状態を示す断面図である。
【図４】図４(a),(b) は、本発明の第１実施形態の半導体装置の製造工程における配線又はプラグを形成する工程を示す断面図（その１）である。
【図５】図５、本発明の第１実施形態の半導体装置の製造工程における配線又はプラグを形成する工程を示す断面図（その２）である。
【図６】図６(a),(b) は、本発明の第１実施形態の半導体装置の製造工程における配線又はプラグを形成する工程を示す断面図（その３）である。
【図７】図７(a),(b) は、本発明の第１実施形態の半導体装置の製造工程における配線又はプラグを形成する工程を示す断面図（その４）である。
【図８】図８は、本発明の第１実施形態の半導体装置の製造工程における配線又はプラグを構成する銅とバリアメタルを構成するタンタルのそれぞれの研磨速度と、従来方法による配線又はプラグを構成する銅とバリアメタルを構成するタンタルのそれぞれの研磨速度とを比較する図である。
【図９】図９(a),(b) は、本発明の第２実施形態の半導体装置の製造工程における配線とプラグを形成する工程を示す断面図（その１）である。
【図１０】図１０(a),(b) 、本発明の第２実施形態の半導体装置の製造工程における配線とプラグを形成する工程を示す断面図（その２）である。
【図１１】図１１(a),(b) 、本発明の第２実施形態の半導体装置の製造工程における配線とプラグを形成する工程を示す断面図（その３）である。
【図１２】図１２(a),(b) は、本発明の第３実施形態の半導体装置の製造工程における配線及びプラグを形成する工程を示す断面図（その１）である。
【図１３】図１３(a),(b) は、本発明の第３実施形態の半導体装置の製造工程における配線及びプラグを形成する工程を示す断面図（その２）である。
【符号の説明】
【０１０４】
１…シリコン基板（半導体基板）、２…フィールド酸化膜、３…ＭＯＳトランジスタ、４…第１の層間絶縁膜、５…コンタクトホール、６…第１の窒化チタン(TiN) 
膜、７…タングステン膜、８…第２の層間絶縁膜、９…配線溝、１０…（Ta2(CO3)5)分子、１１…バリアメタル膜、１２…銅膜、１３…第１の配線、  １４…第３の層間絶縁膜、１５ａ，１５ｂ…配線溝、１６…タンタル膜、１７…銅膜、２０…配線溝、２１…窒化チタン膜、２２…銅膜、２３…配線、２４…窒化シリコン膜、２５…層間絶縁膜、２６…窒化チタン、２７…レジスト、２８…接続孔、２９…β相タンタル膜、３０…銅膜、３１…プラグ、３２…窒化シリコン膜、３３…層間絶縁膜、３４…窒化チタン膜、３５…配線溝、３６…β相タンタル、３７…銅膜、３８…配線、４１…窒化シリコン膜、４２…層間絶縁膜、４３…窒素リッチ窒化タンタル膜、４４…接続孔、４５…配線溝、４６…タンタルリッチ窒化タンタル膜、４７…銅膜、４８…プラグ、４９…配線。
【図１】
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【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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