(57)【要約】【課題】ストレスマイグレーションとヒロックに対して優れた耐性を有する配線構造を備えた半導体装置およびその製造方法を提供すること。【解決手段】半導体装置の製造方法は、半導体基板上に金属膜を形成する工程と、前記金属膜上に第１膜厚を有する第１窒素含有膜をアイランド状に形成する工程と、前記第１窒素含有膜上に、前記第１窒素含有膜よりも高い窒素含有率を有し、厚み方向に配向する柱状結晶から構成される柱状組織を有し、第２膜厚を有する第２窒素含有膜を形成する工程と、を具備する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に金属膜を形成する工程と、
前記金属膜上に第１膜厚を有する第１窒素含有膜をアイランド状に形成する工程と、
前記第１窒素含有膜上に、前記第１窒素含有膜よりも高い窒素含有率を有し、厚み方向に配向する柱状結晶から構成される柱状組織を有し、第２膜厚を有する第２窒素含有膜を形成する工程と、
を具備する、半導体装置の製造方法。
【請求項２】
アイランド状に形成された前記第１窒素含有膜の間から、前記第２窒素含有膜の前記柱状結晶を、前記厚み方向に連続的に成長させ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１窒素含有膜をアイランド状に形成した後、前記第２窒素含有膜の形成核として、結晶面が（１１１）面である核窒化チタンを形成し、
前記核窒化チタンを形成した後、結晶面が（１１１）面である第２窒素含有膜の前記柱状結晶を形成する、
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。
【請求項４】
前記第１膜厚を、１．００〜１．７５ｎｍの範囲とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記第１膜厚を、１．２５〜１．５０ｎｍの範囲とすることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記第２窒素含有膜の前記柱状結晶は、前記第１膜厚に対して少なくとも５倍以上の平均直径を有するように形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記第２膜厚を、３０〜７０ｎｍの範囲とすることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記第２窒素含有膜の前記柱状結晶のアスペクト比は、１４以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記第１窒素含有膜を、第１条件下の反応性スパッタリング法で形成することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記第１条件は、スパッタターゲットをＴｉ、雰囲気をアルゴンとすることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記第２窒素含有膜を、第２条件下の反応性スパッタリング法で形成することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記第２条件は、スパッタターゲットをＴｉ、雰囲気をアルゴンおよび窒素とすることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記金属膜は、スパッタリング法で形成されるＣｕ含有アルミニウム膜であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記金属膜を形成する工程の前に、前記金属膜の下層膜となるバリヤ膜を形成する工程を有することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記バリヤ膜を形成する工程の前に、前記バリヤ膜の底面に接続するコンタクトプラグを形成する工程をさらに有することを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
半導体基板上に配置される金属膜と、
前記金属膜上にアイランド状に配置され第１膜厚を有する第１窒素含有膜と、
前記第１窒素含有膜上に、前記第１窒素含有膜よりも高い窒素含有率を有し、柱状結晶から構成される柱状組織を有し、第２膜厚を有する第２窒素含有膜と、
を具備し、
前記第２窒素含有膜の前記柱状結晶は、前記第２窒素含有膜の厚み方向に配向している、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１７】
前記第１膜厚は、１．００〜１．７５ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１６に記載の半導体装置。
【請求項１８】
前記第２窒素含有膜を構成する前記柱状結晶は、前記第１膜厚に対して少なくとも５倍以上の平均直径を有することを特徴とする請求項１６又は１７に記載の半導体装置。
【請求項１９】
前記第２膜厚は、３０〜７０ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１６〜１８のいずれか一に半導体装置。
【請求項２０】
前記柱状結晶のアスペクト比は、１４以下であることを特徴とする請求項１６〜１９のいずれか一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、半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置においては、その構成要素の微細化が進んでいる。導電層である金属配線の微細化が進むと金属配線の断面積が減少するので、金属配線を覆っている絶縁膜との熱膨張係数の違いによって応力が発生する。このような応力が生じると、金属配線を構成している金属原子が移動して金属配線中にボイドが形成されてしまうストレスマイグレーションが問題になる。
【０００３】
ここで、金属配線のバリア膜として窒化チタン（ＴｉＮ）膜を用い、金属配線としてアルミニウム（Ａｌ）膜を用いた場合、ＴｉＮ膜がＡｌ膜に接触していると、金属配線を形成した後の熱処理によってＴｉＮ膜からＡｌ膜に窒素原子が拡散することが見出されており、窒素原子がＡｌ膜中に多量に存在した場合、Ａｌ膜のストレスマイグレーション耐性が劣化することが報告されている（特許文献１）。
【０００４】
このため、特許文献２には、金属配線（金属層）の上面に設けている第１窒素含有膜の窒素含有率を、第１窒素含有膜の上面に設けている第２窒素含有膜の窒素含有率より低くする構造が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１８６２６３号公報
【特許文献２】特開２０１３−１５７５９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以下の分析は、本発明によって与えられたものである。
【０００７】
しかしながら、特許文献２に記載の製造方法では、熱処理によって半導体装置の温度が上昇すると、金属層を構成しているＡｌ原子の移動を完全に防止することができないので、移動したＡｌ原子がＡｌ膜上に突き出してしまうヒロック(Ｈｉｌｌｏｃｋ)が生じる。このようなヒロックが生じると、Ａｌ膜の上方に設けた配線と金属層がショートしてしまう問題がある。
【０００８】
かくして、ストレスマイグレーションとヒロックに対して優れた耐性を有する配線構造を備えた半導体装置およびその製造方法が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示の第１視点によれば、半導体基板上に金属膜を形成する工程と、前記金属膜上に第１膜厚を有する第１窒素含有膜をアイランド状に形成する工程と、前記第１窒素含有膜上に、前記第１窒素含有膜よりも高い窒素含有率を有し、厚み方向に配向する柱状結晶から構成される柱状組織を有し、第２膜厚を有する第２窒素含有膜を形成する工程と、を具備する、半導体装置の製造方法が提供される。
【００１０】
本開示の第２視点によれば、半導体基板上に配置される金属膜と、前記金属膜上にアイランド状に配置され第１膜厚を有する第１窒素含有膜と、前記第１窒素含有膜上に、前記第１窒素含有膜よりも高い窒素含有率を有し、柱状結晶から構成される柱状組織を有し、第２膜厚を有する第２窒素含有膜と、を具備し、前記第２窒素含有膜の前記柱状結晶は、前記第２窒素含有膜の厚み方向に配向している、ことを特徴とする半導体装置が提供される。
【００１１】
なお、“柱状結晶が第２窒素含有膜（半導体装置）の厚み方向に配向している”とは、柱状結晶が厚み方向に実質的に配向しているとみなせる場合も含み、例えば、柱状結晶のｃ軸（縦軸）が、厚み方向に対して数度傾斜している場合も含むことができる。また、第２窒素含有膜を構成する全ての柱状結晶のうち、少なくとも７割以上の柱状結晶が揃って厚み方向に配向していることが好ましい。より好ましくは、８割以上、さらに好ましくは９割以上、きわめて好ましくは９割５分以上である。
【００１２】
本開示において、柱状結晶のアスペクト比とは、柱状結晶の縦横比（長径／短径）のことである。ここで、柱状結晶の長径（ｃ軸方向の長さ）は、第２窒素含有膜の第２膜厚に相当する。よって、アスペクト比とは、第２窒素含有膜の第２膜厚／柱状結晶の直径から求めることができる。
【発明の効果】
【００１３】
第１又は第２視点によれば、ストレスマイグレーションとヒロックに対して優れた耐性を有する配線構造を備えた半導体装置およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態に係る配線構造の断面の概略構成を説明するための図である。
【図２】（Ａ）は図１に示した配線構造を有するサンプルの概略構造を説明するための図であり、（Ｂ）は（Ａ）のサンプルにおける、第１窒素含有膜の膜厚に対するビアコンタクト抵抗とヒロック発生数の相関を説明するための図である。
【図３】第１実施形態と比較例に係る製造方法を説明するための工程図である。
【図４】第１実施形態に係る第２窒素含有膜を構成している柱状結晶の断面写真である。
【図５】比較例に係る第２窒素含有膜を構成している柱状結晶の断面写真である。
【図６】第１実施形態に係る製造工程フローを説明するための図である。
【図７】第２実施形態に係る配線構造の断面の概略構成を説明するための図である。
【図８】第２実施形態に係る製造工程フローを説明するための図である。
【図９】第２実施形態に係る製造工程における半導体装置の断面の概略構成を説明するための図である。
【図１０】第２実施形態に係る製造工程における半導体装置の断面の概略構成を説明するための図である。
【図１１】第２実施形態に係る製造工程における半導体装置の断面の概略構成を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の一実施形態の概要について図面を参照して説明する。なお、この概要に付記した図面参照符号は、理解を助けるための一例として各要素に便宜上付記したものであり、本発明を図示の態様に限定することを意図するものではない。
【００１６】
［実施形態１］
実施形態１について図面を参照して詳細に説明する。図１を参照すると、配線構造１００は、半導体基板１０上に設けられる第１窒化チタン膜１１と、第１窒化チタン膜１１上に設けられる金属膜となる導電膜１２と、導電膜１２上に設けられる第２窒化チタン膜１３を具備している。
【００１７】
第２窒化チタン膜１３は、導電膜１２上に設けられて窒素を含む第１窒素含有膜１４と、第１窒素含有膜１４上に設けられて窒素を含む第２窒素含有膜１５を具備している。
【００１８】
第１窒素含有膜１４は、第１膜厚Ｔ１を有しＴｉＮｘで構成される。第１膜厚Ｔ１の好ましい範囲は１．００≦Ｔ１≦１．７５ｎｍである。より好ましい範囲は１．２５≦Ｔ１≦１．５０ｎｍである。なお、窒化チタンの化学量論組成はＴｉＮであり、ＴｉとＮとの比率は１：１である。ここでの第１窒素含有膜１４の組成ＴｉＮｘのＸは、０＜ｘ≦０．９であることを意味する。第１窒素含有膜１４の窒素含有率は、第２窒素含有膜１５よりも低い。
【００１９】
第２窒素含有膜１５は、第２膜厚Ｔ２を有しＴｉＮで構成される。第２膜厚Ｔ２の好ましい範囲は３０≦Ｔ２＜７０ｎｍ、より好ましくは４０≦Ｔ２＜６０ｎｍである。
【００２０】
第２窒素含有膜１５の柱状結晶２２（図３参照）の好ましい平均直径（短径）は、第１窒素含有膜１４の第１膜厚Ｔ１の５倍以上、さらに好ましくは８．５倍以上、また好ましくは５倍から１０倍の範囲である。すなわち、柱状結晶２２（図３参照）の平均直径は、好ましくは５ｎｍ以上、さらに好ましくは８．５ｎｍ以上であり、また５ｎｍから１７．５ｎｍの範囲が好ましい。
【００２１】
一方、第２窒素含有膜１５の柱状結晶２２（図３参照）の好ましい平均長さ（長径）は、第２膜厚Ｔ２の好ましい範囲に相当する。
【００２２】
以上より、第２窒素含有膜１５の柱状結晶２２（図３参照）のアスペクト比（直径／短径）は、第２膜厚Ｔ２／柱状結晶２２の好ましい平均直径の範囲から算出すると、好ましくは１４（＝７０ｎｍ／５ｎｍ）以下、さらに好ましくは１４０／１７（＝７０ｎｍ／８．５ｎｍ）以下、また１２／７（＝３０ｎｍ／１７．５ｎｍ）から１２（＝７０ｎｍ／５ｎｍ）の範囲が好ましい。
【００２３】
なお、上記各数値範囲は、後述するように、第１窒素含有膜１４をアイランド状に形成すること、所定の柱状結晶２２を成長させること、ビアコンタクト抵抗を減少させること、およびヒッロク発生を抑制することの少なくとも一つを考慮して、定めることが好ましい。
【００２４】
図２（Ｂ）を参照して、配線構造１００における第１窒素含有膜１４の膜厚に対するビアコンタクト抵抗とヒロック発生数の相関を説明する。相関測定に用いたサンプルの配線構造１００は、図２（Ａ）に示すように、以下の通りである。
【００２５】
・サンプルの配線構造１００は、第１窒化チタン膜１１と、０．５重量％の銅を含有させた厚さ３６０ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）から構成される導電膜１２と、窒化チタン（ＴｉＮ）から構成される第１窒素含有膜１４と、厚さ５０ｎｍの窒化チタン（ＴｉＮ）からなる第２窒素含有膜１５で構成される。
・第１窒化チタン膜１１は、厚さ２０ｎｍのチタン（Ｔｉ）上に厚さ３０ｎｍの窒化チタン（ＴｉＮ）を設けた積層膜で構成される。
・第１窒素含有膜１４の厚さ（第１膜厚Ｔ１）は、下記の８つの仕様とする：
０ｎｍ[第１窒素含有膜１４を配置しない状態]、０．６ｎｍ、０．７５ｎｍ、１．０ｎｍ、１．２５ｎｍ、１．５ｎｍ、１．７５ｎｍおよび２．１ｎｍ。
・ビアコンタクト１６は、直径１８０μｍ、高さ４００ｎｍのタングステン(Ｗ)で構成される。
・層間絶縁膜１７は厚さ４００ｎｍのシリコン酸化膜で構成される。
・上部配線１８は、０．５重量％の銅を含有させた厚さ７６０ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）で構成される。
【００２６】
図２（Ａ）は、第１窒素含有膜１４の第１膜厚Ｔ１に対するビアコンタクト抵抗とヒロック発生数の相関グラフである。図２（Ａ）中、“ビアコンタクト抵抗”は、図２（Ｂ）のサンプル構造における１つのビアコンタクト１６に接続された導電膜１２と上部配線１８の間における抵抗値を表示する。“ヒロック発生数”は、直径３００ｍｍの半導体ウェハにおいて、配線構造１００上に層間絶縁膜１７を形成した後に発生した直径１μｍ以上のヒロックの個数を表示する。
【００２７】
図２（Ａ）を参照すると、ビアコンタクト抵抗は、第１窒素含有膜１４の第１膜厚Ｔ１が増加するとともに減少している。ビアコンタクト抵抗は、第１窒素含有膜１４の第１膜厚Ｔ１が０．６ｎｍより大きくなると急激に減少し、第１膜厚Ｔ１が１．０ｎｍになると規格値（１２Ω以下）の許容範囲内となる７Ωとなり、その後、第１膜厚Ｔ１が増加しても規格値の許容範囲内で安定している。
【００２８】
以上のようなビアコンタクト抵抗の挙動は、プロセスガスとなる窒素（Ｎ２）によって、第１窒素含有膜１４の隙間から露出している導電膜１２の上面に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる反応生成物が形成されることに起因している。ビアコンタクト抵抗は反応生成物の形成面積に比例する。
【００２９】
第１窒素含有膜１４は、その第１膜厚Ｔ１を１.７５ｎｍより薄くするとアイランド状（局所的）に形成される。第１膜厚Ｔ１が増加すると第１窒素含有膜１４の面積が増大するので、導電膜１２の露出面積は減少する。つまり、第１膜厚Ｔ１が増加するとともに、反応生成物の形成面積が減少するので、ビアコンタクト抵抗も低下する。
【００３０】
ヒロック発生数に関して、第１膜厚Ｔ１が１．５ｎｍまではヒロックの発生がなく、規格値の一例である０（ゼロ）個/ウェハを満たすが、１．５ｎｍより大きくなるとヒロックが発生し、１．７５ｎｍを超えるとヒロック発生数が急激に増大している。以上のようなヒロック発生数の挙動は、ヒロックの抑制に係る第２窒素含有膜１５の結晶状態が第１窒素含有膜１４の第１膜厚Ｔ１に依存するためである。詳細は図３の第３ステップを参照して後述する。
【００３１】
以上より、ビアコンタクト抵抗とヒロック発生数を同時に上記規格値の許容範囲内とするためには、第１膜厚Ｔ１を１ｎｍから１．５ｎｍの範囲にすることが好ましい。さらに、ビアコンタクト抵抗を最小にするためには、第１膜厚Ｔ１を１.２５ｎｍから１.５ｎｍの範囲にすることが好ましい。
【００３２】
次に、図３を参照しながら、第１実施形態の配線構造１００（図１参照）によるヒロックの抑制効果を、比較例と対比しながら説明する。
【００３３】
図３中左欄は、第１実施形態に係る、第２窒化チタン膜（図１の参照符号１３参照）の形成ステップ毎における配線構造１００の断面状態を模式的に例示しており、同図中右欄は比較例に係るそれらを模式的に例示している。
【００３４】
図３中左欄の第１実施形態に係る配線構造１００については、第１窒素含有膜１４をアイランド状に分散させて形成するため、第１窒素含有膜１４の第１膜厚Ｔ１を１．０ｎｍから１．７５ｎｍの範囲にすることが好ましい。ヒロックを高度に抑制することを考慮すると、第１膜厚Ｔ１を１．０ｎｍから１．５ｎｍの範囲にすることがより好ましい。ここでは一例として１．０ｎｍとする。図３中右欄の比較例については、第１窒素含有膜１４Ｘの第１膜厚Ｔ１を３ｎｍにし、第１窒素含有膜１４Ｘが一様に連続的に形成された場合を想定する。
【００３５】
図３を参照すると、第１ステップは第１窒素含有膜１４の形成工程、第２ステップは第２窒素含有膜１５の核形成工程、第３ステップは第２窒素含有膜１５の形成工程、および第４ステップは層間絶縁膜１７の形成工程である。なお、後述する結晶面（結晶の表面）は、ミラー指数で表記する。
【００３６】
［第１実施形態に係る第１〜４ステップ、図３中左欄および図４参照］
第１実施形態の第１ステップでは、導電膜１２の上面に第１窒素含有膜１４を１．０ｎｍの厚さで形成する。第１窒素含有膜１４の第１膜厚Ｔ１を１.７５ｎｍより薄くしているため、第１窒素含有膜１４は一様な平坦膜とはならずに、局所的（アイランド状態）に形成される。すなわち、第１窒素含有膜１４は平面視において複数の孤立する膜が分散して存在するように形成され、孤立する膜の周囲には導電膜１２の上面が露出している状態となる。この結果、導電膜１２上には第１窒素含有膜１４からなる複数の段差が発生する。
【００３７】
第１実施形態の第２ステップでは、第２窒素含有膜１５の形成核となる窒化チタン（以下これを「核窒化チタン」と称する）２１を形成する。核窒化チタン２１の形成途中において、隣接している第１窒素含有膜１４の間には、核窒化チタン２１のプロセスガスとなる窒素と導電膜１２を構成しているアルミニウムからなる反応生成物２０が形成される。反応生成物２０としては、アルミニウムナイトライド（ＡｌＮ）を例示可能である。
【００３８】
前述した段差面には、平坦面よりも窒化チタンが付着し難い。このため、形成される核窒化チタン２１の結晶面は、付着面積が最大となる（１１１）面が多くなっており、付着面積の小さい（２００）面は相対的に少ない。このように核窒化チタン２１は、（１１１）面が付着している多数の第１核窒化チタン２１Ａと、（２００）面が付着している少数の第２核窒化チタン２１Ｂで構成される。なお、核窒化チタン２１は、図中において反応生成物２０の上面に付着しているが、第１窒素含有膜１４の上面にも付着可能である。
【００３９】
第１実施形態の第３ステップでは、窒化チタンの柱状結晶２２から構成される一様な柱状組織を有する第２窒素含有膜１５を形成する。このとき、柱状結晶２２は、アイランド状に形成された第１窒素含有膜１４の間から、最も成長速度が速くなる（１１１）面を結晶面として、第２窒素含有膜１５の厚み方向に配向しながら、“連続的”に成長する。（１１１）面を結晶面とする第１核窒化チタン２１Ａが多く存在するからである。この結果、第２窒素含有膜１５は、（１１１）面を結晶面とする窒化チタンが下部から上部まで一様に延在した柱状結晶２２を有する。第２窒素含有膜１５において、個々の柱状結晶２２は密接に接合し、脆弱な粒界は少ない。
【００４０】
図４の断面透過電子顕微鏡による組織写真を参照すると、第１実施形態に係るサンプルにおいて、第２窒素含有膜１５を構成している柱状結晶２２は、第２窒素含有膜１５の厚み方向に配向していた。加えて、柱状結晶２２のアスペクト比は比較的小さいため、第２窒素含有膜１５中に粒界は少なかった。第２窒素含有膜１５を構成している柱状結晶２２の直径は８ｎｍから９ｎｍの範囲であった。また、柱状結晶２２の表面における平均直径は、９．０ｎｍであり、第１窒素含有膜１４の第１膜厚Ｔ１に対して少なくとも８．５倍以上であった。
【００４１】
なお、図４に示したような、半導体装置を積層方向に切断した面（第２窒素含有膜１５を厚み方向に切断した面）の顕微鏡写真において、柱状結晶２２の直径および長さを測定し、柱状結晶２２のアスペクト比を算出することができる。
【００４２】
図４中には、直径９ｎｍである柱状結晶２２を寸法線で提示している。この直径（９ｎｍ）は、第１窒素含有膜１４の第１膜厚Ｔ１（１．０ｎｍ）に対して８倍から９倍の範囲内にある。
【００４３】
図４中、ＡｌＣｕからなる導電膜１２とＴｉＮからなる第２窒素含有膜１５との間に位置する第１窒素含有膜１４をＴｉと記載しているが、このＴｉはＴｉＮｘを意味する。後述する図５においても同様である。
【００４４】
第１実施形態の第４ステップでは、配線構造１００を埋め込むための層間絶縁膜１７を成膜する。配線構造１００を構成している導電膜１２は、アルミニウムの結晶粒が寄り集まって構成されている。導電膜１２は、層間絶縁膜１７の成膜に伴う加熱処理によってアルミニウムが基板よりも大きく熱膨張するので、導電膜１２には圧縮応力が発生する。このような圧縮応力が生じると、結晶粒を外方へ押し出したヒロック（突起物）を生じて応力を緩和しようとする。しかし、導電膜１２の下方には図示しない基板が配置されているので、下方に向かってヒロックは生成不可である。一方、導電膜１２の上方には、粒界が少なく一方向に成長した柱状組織を有する第２窒素含有膜１５が形成されている。ヒロックとなる結晶粒は、密接に接合している柱状結晶２２を押し上げることができない。このように導電膜１２が柱状結晶２２に覆われることによって、ヒロックの生成が抑制される。
【００４５】
以上のように第１実施形態によれば、導電膜１２中に取り込まれる窒素原子を減らすことができるので、ストレスマイグレーションの耐性が向上する。さらに、第２窒素含有膜１５を構成している窒化チタンが柱状結晶２２となり、柱状結晶２２同士が密接に接合されるので、導電膜１２の上面におけるヒロックの発生を防止することができる。
【００４６】
［比較例に係る第１〜４ステップ、図３中右欄および図４参照］
比較例の第１ステップでは、導電膜１２の上面に第１窒素含有膜１４Ｘを３．０ｎｍの厚さで形成する。ここで、第１窒素含有膜１４Ｘの膜厚は１．７５ｎｍよりも厚いため、第１窒素含有膜１４Ｘは導電膜１２の上面で一様な平坦膜として形成される。
【００４７】
比較例の第２ステップでは、第１窒素含有膜１４Ｘの上面に核窒化チタン２１Ｘを形成する。第１窒素含有膜１４Ｘが平坦膜となっており、窒化チタンの付着が容易であるため、形成される核窒化チタン２１Ｘの結晶面は、運動（回転）エネルギーが最小となる（２００）面となる。
【００４８】
比較例の第３ステップでは、窒化チタンの結晶から構成される第２窒素含有膜１５Ｘを形成する。このとき、窒化チタンの結晶は、最も成長速度が速くなる（１１１）を結晶面として成長する。しかし、形成核となる核窒化チタン２１Ｘは（２００）面を結晶面としているので、核窒化チタン２１Ｘの上面には、（１１１）面を結晶面とする非連続結晶２２Ｘが“非連続的”に形成される。非連続結晶２２Ｘは、第２窒素含有膜１５Ｘの厚み方向に対し斜めかつランダムに成長している。よって、非連続結晶２２Ｘの配向性は、前述した第１実施形態の柱状結晶２２の配向性よりも劣り、非連続結晶２２Ｘは、第２窒素含有膜１５Ｘの厚み方向に配向していない。
【００４９】
図５から、比較例のサンプルにおいて、第２窒素含有膜１５Ｘを構成している窒化チタンの直径は、６ｎｍから７ｎｍの範囲であった。なお、図５中には、直径６.８ｎｍである窒化チタン（非連続結晶２２Ｘ）の結晶を寸法線で提示している。よって、比較例の第２窒素含有膜１５Ｘを構成する非連続結晶２２Ｘの平均直径は、第１窒素含有膜１４Ｘの膜厚（３ｎｍ）に対して２倍から２．３３倍の範囲内で形成されている。このように、比較例の第２窒素含有膜１５Ｘを構成している非連続結晶２２Ｘの直径は、第１実施形態の第２窒素含有膜１５を構成している柱状結晶２２の直径よりも小さいので、ヒロックの生成を十分に抑制することが困難であり、機械強度も劣る。
【００５０】
比較例の第４ステップでは、配線構造１００を埋め込むための層間絶縁膜１７Ｘを成膜する。前述したように、導電膜１２の下方には図示しない基板が配置されているので、ヒロックは生成不可である。しかし導電膜１２の上方には、配向性が悪い非連続結晶２２Ｘから構成される第２窒素含有膜１５Ｘが形成されており、第２窒素含有膜１５Ｘはヒロックの生成を抑制するだけの機械強度を有していないので、ヒロック２３が発生する。
【００５１】
図６を参照しながら、第１実施形態に係る配線構造１００の製造方法を説明する。なお構成要素の符号については、図１を参照するものとする。
【００５２】
ステップ１（Ｓ１）では、半導体基板１０上に第１窒化チタン膜１１をスパッタリング法により成膜する。
【００５３】
ステップ２（Ｓ２）では、第１窒化チタン膜１１上に、導電膜１２としてアルミニウムをスパッタリング法により成膜する。
【００５４】
ステップ３（Ｓ３）では、ステップ２の状態から大気暴露せずに、導電膜１２上に第２窒化チタン膜１３を形成する。例えば、第１条件による反応性スパッタリングによって、導電膜１２上に第１膜厚Ｔ１で第１窒素含有膜１４を形成する。第１条件の反応性スパッタリングとは、チタンターゲットにおける表面の窒化が不十分な状態であり、チタンのデポレート（deposition rate）が大きくなるので、窒素含有量の少ない窒化チタンから構成される第１窒素含有膜１４が形成される。例えば、第１窒素含有膜１４の組成はＴｉＮｘ（ｘは０＜ｘ≦０．９）である。第１条件の反応性スパッタリングの一例において、ターゲットはチタン（Ｔｉ）、キャリアガスはアルゴン（Ａｒ）を使用する。第１条件の反応性スパッタリングにおけるチタンターゲットの窒化条件の一例において、窒素（Ｎ２）流量を８０ｃｃ/分、アルゴン（Ａｒ）流量を２８ｃｃ/分とする。
【００５５】
ステップ４（Ｓ４）では、続けて、第２条件による反応性スパッタリングにより、第１窒素含有膜１４の上面に、第２膜厚Ｔ２で第２窒素含有膜１５を生成する。第２条件の反応性スパッタリングによれば、チタンターゲットの表面が窒化されて窒化チタンとなっているため、窒素含有量が第１窒素含有膜１４よりも多い窒化チタンから構成される第２窒素含有膜１５が形成される。例えば、第２窒素含有膜１５の組成はＴｉＮである。第２条件の反応性スパッタリングの一例において、ターゲットはチタン（Ｔｉ）、キャリアガスはアルゴン（Ａｒ）、プロセスガスは窒素（Ｎ２）を使用する。なお、この窒素によって、前述した反応生成物２０が形成される。
【００５６】
Ｎ２流量に関して、Ｎ２流量比＝Ｎ２流量／（Ａｒ流量＋Ｎ２流量）で定義される流量比を変更して、第１窒素含有膜１４と第２窒素含有膜１５を作り分けすることができる。つまり、Ｎ２流量比過少でＴｉＮｘ（０＜ｘ≦０．９）が形成され、また流量比適正でＴｉＮｘ（ｘが０．９＜ｘ≦１．１）が形成される。Ａｒガス流量と窒素ガス流量の総和である総流量に対する窒素ガスの流量比は、第２窒素含有膜１５を形成する際の流量比よりも第１窒素含有膜１４を形成する際の流量比を低く設定する。以上が、第１窒素含有膜１４並びに第２窒素含有膜１５の形成方法である。
【００５７】
［第２実施形態］
図７を参照して、第２実施形態に係る半導体装置２００の構成を説明する。第２実施形態の半導体装置２００では、第１実施形態における配線構造１００が多層配線化されている。
【００５８】
半導体装置２００は、半導体基板１０上に設けられている下層配線層２０１と、下層配線層２０１上に設けられている第１配線層２０３と、第１配線層２０３上に設けられている第２配線層２０５を具備する。第１配線層２０３が、第１実施形態の配線構造１００（図１参照）と同様の構造を含んでいる。
【００５９】
下層配線層２０１は、第１層間絶縁膜２１１と、第１層間絶縁膜２１１上に所定のパターンで設けられているタングステン配線２１３と、第１層間絶縁膜２１１上においてタングステン配線２１３が配置されている領域以外を覆うように設けられているストッパーシリコン窒化膜２１５を具備する。
【００６０】
さらに下層配線層２０１は、ストッパーシリコン窒化膜２１５およびタングステン配線２１３上に設けられている第２層間絶縁膜２１７と、第２層間絶縁膜２１７を貫通してタングステン配線２１３に接続されている第１タングステンプラグ２１９を具備する。
【００６１】
第１配線層２０３は、第２層間絶縁膜２１７上において、第１タングステンプラグ２１９に接続されている中間配線層２２１と、中間配線層２２１を覆うように第２層間絶縁膜２１７上に設けられている第３層間絶縁膜２２３と、第３層間絶縁膜２２３を貫通して中間配線層２２１に接続されている第２タングステンプラグ２２７を具備する。
【００６２】
第２配線層２０５は、第３層間絶縁膜２２３上に設けられたアルミニウムから構成される配線層で構成される。
【００６３】
中間配線層２２１は、チタンから構成されるバリア層２３１と、バリア層２３１上に設けられているＡｌから構成される金属層２３５と、金属層２３５上に設けられている窒化チタンから構成される第１窒素含有膜２３７と、第１窒素含有膜２３７上に設けられている窒化チタンからなる第２窒素含有膜２３９を具備する。
【００６４】
中間配線層２２１は、第１実施形態の配線構造と同様の構造を具備する。第１窒素含有膜２３７の窒素含有率は、第２窒素含有膜２３９の窒素含有率よりも低い。第２窒素含有膜２３９を構成している窒化チタン結晶の直径（粒径）は、第１窒素含有膜２３７の膜厚に対して５倍から１０倍の範囲である。
【００６５】
図８〜図１１を参照して、第２実施形態に係る半導体装置２００（図７参照）の製造方法を説明する。
【００６６】
図８のステップ１１（Ｓ１１）および図９を参照すると、半導体基板１０上に下層配線層２０１を形成する（Ｓ１１に相当）。例えば、第１層間絶縁膜２１１上に所定のパターンでタングステン配線２１３を形成し、その後、第１層間絶縁膜２１１の上面においてタングステン配線２１３が形成された領域以外を覆うようにストッパーシリコン窒化膜２１５を形成する。ストッパーシリコン窒化膜２１５およびタングステン配線２１３上に、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により、シリコン酸化膜からなる第２層間絶縁膜２１７を形成する。第２層間絶縁膜２１７を貫通するようにして第１タングステンプラグ２１９を設け、タングステン配線２１３に接続する。
【００６７】
図８のステップ１２（Ｓ１２）および図９を参照すると、下層配線層２０１上にチタンからなるバリア層２３１を形成し、その後、バリア層２３１上にＡｌから構成される金属層２３５をスパッタリング法で形成する。
【００６８】
図８のステップ１３（Ｓ１３）および図１０を参照すると、金属層２３５上に第１窒素含有膜２３７を形成し、その後、第１窒素含有膜２３７上に第２窒素含有膜２３９を形成する。例えば、金属層２３５を形成したスパッタ装置と同じ装置を用いて、金属層２３５上にＴｉＮｘ（ｘは０＜ｘ≦０．９）からなる第１窒素含有膜２３７を第１膜厚Ｔ１で形成する（第１条件の反応性スパッタリング）。
【００６９】
続いて、第１窒素含有膜２３７上に、ＴｉＮｘ（ｘは０．９＜ｘ≦１．１）から構成される第２窒素含有膜２３９を膜厚（第２膜厚Ｔ２）３０ｎｍ〜７０ｎｍで形成する（第２条件の反応性スパッタリング）。
【００７０】
第１条件並びに第２条件の反応性スパッタリングのその他の条件については、第１実施形態における配線構造１００の製造方法を参照するものとする。
【００７１】
図８のステップ１４（Ｓ１４）および図１１を参照すると、バリア層２３１、金属層２３５、第１窒素含有膜２３７および第２窒素含有膜２３９に対して、ドライエッチングを行い、所定のパターンを有する中間配線層２２１を形成する。
【００７２】
図８のステップ１５（Ｓ１５）および図１１を参照すると、下層配線層２０１および中間配線層２２１上に、シリコン酸化膜から構成される第３層間絶縁膜２２３を形成する。
【００７３】
図８のステップ１６（Ｓ１６）および図１１を参照すると、第３層間絶縁膜２２３に、第２窒素含有膜２３９に達するようスルーホール２４１を形成する。
【００７４】
図８のステップ１７（Ｓ１７）および図７を参照すると、スルーホール２４１（図１１参照）にタングステンを埋設して第２タングステンプラグ２２７を形成する。さらに、第３層間絶縁膜２２３上に第２配線層２０５を設けて、第２タングステンプラグ２２７と接続する。
【００７５】
本開示に基づいて、下記に記載する半導体装置およびその製造方法も提供される。
【００７６】
［付記１］
半導体基板上に金属膜を形成する工程と、
前記金属膜上に第１膜厚を有する第１窒素含有膜をアイランド状に形成する工程と、
前記第１窒素含有膜上に、前記第１窒素含有膜よりも高い窒素含有率を有し、厚み方向に配向する柱状結晶から構成される柱状組織を有し、第２膜厚を有する第２窒素含有膜を形成する工程と、
を具備し、
前記第２窒素含有膜を構成する前記柱状結晶は、前記第１膜厚に対して少なくとも５倍以上の平均直径を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
［付記２］
前記第２窒素含有膜を構成する前記柱状結晶は、前記第１膜厚に対して少なくとも８．５倍以上の平均直径を有する付記１記載の半導体装置の製造方法。
［付記３］
半導体基板上に配置される金属膜と、
前記金属膜上にアイランド状に配置され第１膜厚を有する第１窒素含有膜と、
前記第１窒素含有膜上に、前記第１窒素含有膜よりも高い窒素含有率を有し、柱状結晶から構成される柱状組織を有し、第２膜厚を有する第２窒素含有膜と、
を具備し、
前記第２窒素含有膜を構成する前記柱状結晶は、前記第１膜厚に対して少なくとも５倍以上の平均直径を有することを特徴とする半導体装置。
［付記４］
前記第２窒素含有膜を構成する前記柱状結晶は、前記第１膜厚に対して少なくとも８．５倍以上の平均直径を有する付記３記載の半導体装置。
【００７７】
なお、上記の特許文献の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態の変更・調整が可能である。また、本発明の開示の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施形態の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせ、ないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。特に、本書に記載した数値範囲については、当該範囲内に含まれる任意の数値ないし小範囲が、別段の記載のない場合でも具体的に記載されるものと解釈されるべきである。
【符号の説明】
【００７８】
１０  半導体基板
１１  第１窒化チタン膜
１２  導電膜、金属膜
１３  第２窒化チタン膜
１４  第１窒素含有膜
１５  第２窒素含有膜
１６  ビアコンタクト
１７  層間絶縁膜
１８  上部配線
２０  反応生成物
２１Ａ  第１核窒化チタン
２１Ｂ  第２核窒化チタン
２２  柱状結晶
１００  配線構造
２００  半導体装置
２０１  下層配線層
２０３  第１配線層
２０５  第２配線層
２１１  第１層間絶縁膜
２１３  タングステン配線
２１５  ストッパーシリコン窒化膜
２１７  第２層間絶縁膜
２１９  第１タングステンプラグ
２２１  中間配線層
２２３  第３層間絶縁膜
２２７  第２タングステンプラグ
２３１  バリア層
２３５  金属層
２３７  第１窒素含有膜
２３９  第２窒素含有膜
２４１  スルーホール
Ｔ１  第１膜厚
Ｔ２  第２膜厚
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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４】
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【図５】
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