(57)【要約】【課題】層間絶縁膜の損傷を抑えながらタンタルを主成分とするバリア膜をスパッタによって成膜する半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】層間絶縁膜１１３上に、キセノンガスを用いたスパッタリングで、タンタルまたは窒化タンタルを主成分とするバリア膜１１６を形成するスパッタ成膜工程を備える。スパッタ成膜工程は、層間絶縁膜１１３の上に、基板にＲＦバイアスを印加して行うキセノンガスを用いるスパッタリングにより、窒化タンタルを主成分とするバリア膜１１６Ａを形成する工程と、ＲＦバイアスを印加せずに行うキセノンガスを用いるスパッタリングにより、バリア膜１１６Ａの上に、タンタルを主成分とするバリア膜１１６Ｂを形成する工程とを備えてもよい。バリア膜１１６はＲＦバイアスを連続的に変化させて、層間絶縁膜１１３側をＲＦバイアスを印加して、配線層１１７側をＲＦバイアスを印加せずに形成することもできる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置の１つの層とその層に隣接する層との間に形成され、前記１つの層から前記隣接する層に前記１つの層の原子が拡散することを抑制するバリア膜であって、主成分の１つにタンタルを含み、かつキセノンを含有するバリア膜を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記バリア膜は、前記隣接する層を備える基板にＲＦバイアスを印加して行うキセノンガスを用いたスパッタリングにより形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。
【請求項３】
前記バリア膜の下に接する層が、炭素とフッ素を主成分とするアモルファス絶縁物から構成され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】
前記バリア膜の下に接する層が、珪素または炭素を主成分とする絶縁物から構成され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５】
前記珪素または炭素を主成分とする絶縁物から構成される層が、多孔質構造を有することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記バリア膜の下に接する層が、フッ化炭化水素から構成される層の上に炭窒化珪素（ＳｉＣＮ）を含む層が形成される絶縁物から構成され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７】
前記バリア膜は、
前記隣接する層を備える基板にＲＦバイアスを印加して行うキセノンガスを用いたスパッタリングにより、前記隣接する層の上に形成された、窒化タンタルを主成分とする下層バリア膜と、
前記基板にＲＦバイアスを印加しないかまたは前記下層バリア膜よりも小さいＲＦバイアスを印加して行うキセノンガスを用いたスパッタリングにより、前記１つの層に接するように形成された、窒化タンタルを主成分とする上層バリア膜と、
を備えることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記バリア膜は、
前記隣接する層を備える基板にＲＦバイアスを印加して行うキセノンガスを用いたスパッタリングにより、前記隣接する層の上に形成された、窒化タンタルを主成分とする下層バリア膜と、
前記基板にＲＦバイアスを印加しないかまたは前記下層バリア膜よりも小さいＲＦバイアスを印加して行うキセノンガスを用いたスパッタリングにより、前記１つの層に接するように形成された、タンタルを主成分とする上層バリア膜と、
を備えることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
半導体装置の１つの層とその層に隣接する層との間に形成され、前記１つの層から前記隣接する層に前記１つの層の原子が拡散することを抑制するバリア膜を形成する工程であって、前記隣接する層の上に、キセノンガスを用いたスパッタリングによって、タンタルを主成分の１つとする前記バリア膜を形成するスパッタ成膜工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記スパッタ成膜工程は、前記隣接する層を備える基板にＲＦバイアスを印加しながら前記キセノンガスを用いたスパッタリングを行う工程を含む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】
前記スパッタ成膜工程で印加するＲＦバイアスは、ピーク電圧が０Ｖより大きく、２０Ｖ以下であることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記スパッタ成膜工程は、炭素とフッ素を主成分とするアモルファス絶縁物から構成される層の上に、前記バリア膜を形成することを特徴とする請求項９ないし１１のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記スパッタ成膜工程は、珪素または炭素を主成分とする絶縁物から構成される層の上に、前記バリア膜を形成することを特徴とする請求項９ないし１１のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記珪素または炭素を主成分とする絶縁物から構成される層は、多孔質構造を有することを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記スパッタ成膜工程は、フッ化炭化水素から構成される層の上に炭窒化珪素（ＳｉＣＮ）を含む層が形成される絶縁物から構成される層の上に、前記バリア膜を形成することを特徴とする請求項９ないし１１のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記スパッタ成膜工程は、
前記隣接する層の上に、前記隣接する層を備える基板にＲＦバイアスを印加して行うキセノンプラズマによるスパッタリングで、窒化タンタルを主成分とする下層バリア膜を形成する工程と、
前記基板にＲＦバイアスを印加しないかまたは前記下層バリア膜を形成する工程よりも小さいＲＦバイアスを印加して行うキセノンプラズマによるスパッタリングで、前記１つの層に接するように、窒化タンタルを主成分とする上層バリア膜を形成する工程と、
を含む、
ことを特徴とする請求項９ないし１５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記スパッタ成膜工程は、
前記隣接する層の上に、前記隣接する層を備える基板にＲＦバイアスを印加して行うキセノンプラズマによるスパッタリングで、窒化タンタルを主成分とする下層バリア膜を形成する工程と、
前記基板にＲＦバイアスを印加しないかまたは前記下層バリア膜を形成する工程よりも小さいＲＦバイアスを印加して行うキセノンプラズマによるスパッタリングで、前記１つの層に接するように、タンタルを主成分とする上層バリア膜を形成する工程と、
を含む、
ことを特徴とする請求項９ないし１５のいずれか１項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、半導体装置およびその製造方法に関する。より詳しくは、配線とその下の絶縁物との間にバリア膜を備える半導体装置、およびバリア膜をスパッタリングで生成する半導体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日の半導体集積回路装置では、基板上に形成された多数の素子を接続するのに、層間絶縁膜中に配線パターンを埋設した配線層を積層した多層配線構造を使うことが多い。集積回路の性能は、デバイスの微細化による高集積化、動作周波数の高速化によって進展してきた。デバイスの微細化に伴う配線の高密度化によって、集積回路の動作遅延時間は、心臓部であるトランジスタのゲート遅延時間だけではなく、配線の抵抗Ｒと線間容量Ｃによって決まるＲＣ遅延時間の比率が相対的に大きくなっている。そこで、配線の抵抗を小さくするために、低抵抗の銅を用い、また、線間容量を小さくするために、低誘電率層間絶縁膜（いわゆるlow-K層間絶縁膜）が用いられる。そして、配線の銅が層間絶縁膜に拡散するのを防止するために、配線と層間絶縁膜の間にバリア層を形成する。
【０００３】
バリア層としては、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）または窒化タンタル（ＴａＮ）（例えば、特許文献１参照）等が用いられる。これらの金属をスパッタリングで堆積するにはＡｒガスを用いる（特許文献２、特許文献３参照）。ところが、Ｔａ／ＴａＮは「スパッタ等の物理気相成長（ＰＶＤ）法を用いた場合、ＰＶＤにより打ち込まれる粒子はエネルギーが大きいために、各層間絶縁膜に打ち込まれてその内部に拡散するおそれがある」（特許文献４段落［００５４］）。
【０００４】
一方、低誘電率層間絶縁膜の材料として、フルオロカーボン（ＣＦ）が注目されている。しかし、フルオロカーボンは、密着性が小さいなどのプロセス整合性に関する難点がある（非特許文献１）。
【特許文献１】特開２００５−３４７４７２号公報
【特許文献２】特開２００１−８５３３１号公報
【特許文献３】特開２００３−３０９０８４号公報
【特許文献４】特開２００５−２２９０９３号公報
【非特許文献１】フルオロカーボンプラズマCVDを用いた低誘電率薄膜の作製(<小特集>材料プロセス用フルオロカーボンプラズマ-現状と展望-)：（プラズマ・核融合学会誌Vol.83.NO.4(20070425) pp.350-355）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般にスパッタに用いられるアルゴン（Ａｒ）プラズマはプラズマポテンシャルが高く、また、フルオロカーボン（ＣＦ）に対するエネルギ移転効率が高いので、ＣＦ基板にダメージを与えやすい。一方、Ａｒプラズマは窒化タンタル（ＴａＮ）へはエネルギ移転効率が低く、結晶改善のためのエネルギを与えにくい（結晶改善のための充分なエネルギを与えられない）。結果として、ＣＦ基板上に結晶性の良好なＴａＮを成膜できない。
【０００６】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、層間絶縁膜の損傷を抑えながらタンタル（Ｔａ）を主成分とするバリア膜をスパッタによって成膜する半導体装置の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の観点に係る半導体装置は、
半導体装置の１つの層とその層に隣接する層との間に形成され、前記１つの層から前記隣接する層に前記１つの層の原子が拡散することを抑制するバリア膜であって、主成分の１つにタンタルを含み、かつキセノンを含有するバリア膜を備えることを特徴とする。
【０００８】
前記バリア膜は、前記隣接する層を備える基板にＲＦバイアスを印加して行うキセノンガスを用いたスパッタリングにより形成される場合がある。
【０００９】
好ましくは、前記バリア膜の下に接する層が、炭素とフッ素を主成分とするアモルファス絶縁物から構成される。
【００１０】
または、前記バリア膜の下に接する層が、珪素または炭素を主成分とする絶縁物から構成されてもよい。
【００１１】
好ましくは、前記珪素または炭素を主成分とする絶縁物から構成される層が、多孔質構造を有する。
【００１２】
好ましくは、前記バリア膜の下に接する層が、フッ化炭化水素から構成される層の上に炭窒化珪素（ＳｉＣＮ）を含む層が形成される絶縁物から構成される。
【００１３】
好ましくは、前記バリア膜は、
前記隣接する層を備える基板にＲＦバイアスを印加して行うキセノンガスを用いたスパッタリングにより、前記隣接する層の上に形成された、窒化タンタルを主成分とする下層バリア膜と、
前記基板にＲＦバイアスを印加しないかまたは前記下層バリア膜よりも小さいＲＦバイアスを印加して行うキセノンガスを用いたスパッタリングにより、前記１つの層に接するように形成された、窒化タンタルを主成分とする上層バリア膜と、
を備えることを特徴とする。
【００１４】
または、前記バリア膜は、
前記隣接する層を備える基板にＲＦバイアスを印加して行うキセノンガスを用いたスパッタリングにより、前記隣接する層の上に形成された、窒化タンタルを主成分とする下層バリア膜と、
前記基板にＲＦバイアスを印加しないかまたは前記下層バリア膜よりも小さいＲＦバイアスを印加して行うキセノンガスを用いたスパッタリングにより、前記１つの層に接するように形成された、タンタルを主成分とする上層バリア膜と、
を備える構成でもよい。
【００１５】
本発明の第２の観点に係る半導体装置の製造方法は、
半導体装置の１つの層とその層に隣接する層との間に形成され、前記１つの層から前記隣接する層に前記１つの層の原子が拡散することを抑制するバリア膜を形成する工程であって、前記隣接する層の上に、キセノンガスを用いたスパッタリングによって、タンタルを主成分の１つとする前記バリア膜を形成するスパッタ成膜工程を備えることを特徴とする。
【００１６】
好ましくは、前記スパッタ成膜工程は、前記隣接する層を備える基板にＲＦバイアスを印加しながら前記キセノンガスを用いたスパッタリングを行う工程を含むことを特徴とする。
【００１７】
好ましくは、前記スパッタ成膜工程で印加するＲＦバイアスは、ピーク電圧が０Ｖより大きく、２０Ｖ以下である。
【００１８】
好ましくは、前記スパッタ成膜工程は、炭素とフッ素を主成分とするアモルファス絶縁物から構成される層の上に、前記バリア膜を形成することを特徴とする。
【００１９】
または、前記スパッタ成膜工程は、珪素または炭素を主成分とする絶縁物から構成される層の上に、前記バリア膜を形成してもよい。
【００２０】
なお、前記珪素または炭素を主成分とする絶縁物から構成される層は、多孔質構造を有していてもよい。
【００２１】
好ましくは、前記スパッタ成膜工程は、フッ化炭化水素から構成される層の上に炭窒化珪素（ＳｉＣＮ）を含む層が形成される絶縁物から構成される層の上に、前記バリア膜を形成する。
【００２２】
好ましくは、前記スパッタ成膜工程は、
前記隣接する層の上に、前記隣接する層を備える基板にＲＦバイアスを印加して行うキセノンプラズマによるスパッタリングで、窒化タンタルを主成分とする下層バリア膜を形成する工程と、
前記基板にＲＦバイアスを印加しないかまたは前記下層バリア膜を形成する工程よりも小さいＲＦバイアスを印加して行うキセノンプラズマによるスパッタリングで、前記１つの層に接するように、窒化タンタルを主成分とする上層バリア膜を形成する工程と、
を含む、
ことを特徴とする。
【００２３】
または、前記スパッタ成膜工程は、
前記隣接する層の上に、前記隣接する層を備える基板にＲＦバイアスを印加して行うキセノンプラズマによるスパッタリングで、窒化タンタルを主成分とする下層バリア膜を形成する工程と、
前記基板にＲＦバイアスを印加しないかまたは前記下層バリア膜を形成する工程よりも小さいＲＦバイアスを印加して行うキセノンプラズマによるスパッタリングで、前記１つの層に接するように、タンタルを主成分とする上層バリア膜を形成する工程と、
を含む構成でもよい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の半導体装置の製造方法によれば、層間絶縁膜へのダメージを回避しながら、タンタルを主成分の１つとするバリア膜を形成することができる。配線材のＣｕが層間絶縁膜に拡散することに対するバリア性も確保できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
（実施の形態）
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１Ａないし図１Ｄは、本発明の実施の形態に係る半導体装置において配線層の形成工程を示す図である。
【００２６】
図１Ａは基板上に配線パターンを形成した断面図である。シリコン基板１１０上に形成されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）１１１上には、銅（Ｃｕ）などの低抵抗金属よりなる配線パターン１１１Ａが埋設されている。図１Ｂは、配線パターンの上に層間絶縁膜を形成した基板の断面図である。図１Ｂの工程において、ＳｉＯ２膜１１１上にはシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）などのエッチングストッパ膜１１２を介して、低誘電率層間絶縁膜１１３、ＳｉＮ膜などのエッチングストッパ膜１１４および低誘電率層間絶縁膜１１５が形成される。
【００２７】
層間絶縁膜１１３、１１５は、例えば、ＳｉＯ２、フルオロカーボン（ＣＦ）、炭素添加酸化珪素（ＳｉＯＣ）、または炭窒化珪素（ＳｉＣＮ）などを用いることができる。あるいはフルオロカーボン（ＣＦ）の上にＳｉＣＮの薄膜を形成したものなどを用いてもよい。フルオロカーボンはフッ素（Ｆ）と炭素（Ｃ）を主成分とする。フルオロカーボンはアモルファス（非結晶性）の構造を有するものを用いてもよい。層間絶縁膜は、例えば炭素添加酸化珪素（ＳｉＯＣ）などの多孔質構造を有していてもよい。
【００２８】
図１Ｃは、層間絶縁膜にバリア膜を形成した基板の断面図である。図１Ｃの工程において層間絶縁膜１１３および１１５中に配線溝やビアホールなどの凹部１１３Ａ、１１３Ｂが形成される。ビアホール１１３Ｂの底部においてＣｕ配線パターン１１１Ａが露出するように、ＳｉＮ膜１１４をエッチングストッパ膜として形成される。さらに図１Ｃの工程において、図１Ｂの構造上に凹部１１３Ａ、１１３Ｂの底面および側壁面を覆うようにバリア膜１１６を形成する。
【００２９】
バリア膜１１６は、タンタル（Ｔａ）または窒化タンタル（ＴａＮ）を主成分として構成する。バリア膜１１６は、キセノン（Ｘｅ）ガスのプラズマ中で、Ｔａをスパッタリングで堆積することによって形成する。タンタル／窒化タンタル等のバリア膜の堆積のために、処理ガスはＸｅと窒素を含む。Ｘｅは、ターゲットに衝撃を加えるプラズマイオンのための主たるガスソースとして働き、窒素は、主としてターゲットからスパッタされた原子（タンタル）と反応して、基板上に堆積されるタンタル／窒化タンタル膜を形成する。Ｘｅガスを用いてスパッタリングする結果、堆積されるバリア膜は微量のＸｅを含む。
【００３０】
図１Ｄは、凹部１１３Ａ、１１３Ｂを導体で充填した基板の断面図である。バリア膜１１６の上に、図１Ｄの工程において凹部１１３Ａ、１１３Ｂを、例えば、Ｃｕ膜で充填した後（図示せず）、層間絶縁膜１１５上の余分なＣｕ膜および層間絶縁膜上面のバリア膜１１６をＣＭＰ法（Chemical Mechanical Polishing：化学機械研磨）で研磨・除去する。図１Ｄに示すように、凹部１１３Ａ、１１３ＢがＣｕ材料で充填されて、Ｃｕ配線パターンあるいはＣｕプラグなどの配線層１１７の構造が得られる。
【００３１】
図２は、本実施の形態で使われるプラズマ処理装置１０の構成を示す。プラズマ処理装置１０は被処理基板２１を保持する基板保持台１２を収納し、基板保持台１２とともにプロセス空間を画成する処理容器１１を備える。処理容器１１は、ターゲット装着台１１Ａ、ベース１１Ｂ、側壁１１Ｃから構成される。ターゲット装着台１１Ａは、ターゲット２０が装着され、ターゲット２０とは反対側に磁石１９が配置される。処理容器１１には、ガス導入口１３および排気ダクト１４が設けられる。排気ダクト１４はポンプ１５に結合される。
【００３２】
ターゲット装着台１１Ａは、ＤＣ電源供給部１６に接続される。ＤＣ電源供給部１６は通常、ターゲット装着台１１Ａを基板保持台１２に対して正の電位に保持する。側壁１１Ｃは導電性で、ＤＣ電源供給部１７に接続される。ＤＣ電源供給部１７は、側壁１１Ｃを基板保持台１２に対して負の電位に保持する。基板保持台１２は、ＲＦバイアス供給部１８に接続される。ＲＦバイアス供給部１８は、ターゲット２０に対して、基板保持台１２に高周波の交流電圧をかける。したがって、被処理基板２１にはＲＦバイアスが印加される。
【００３３】
ポンプ１５によって、処理容器１１内を適度な真空に保持する。ガス導入口１３からＸｅガスを導入し、グロー放電等（図示せず）によりプラズマ２２を生成する。プラズマ２２は、磁石１９によってターゲット２０付近に閉じこめられる。ここで、ＲＦバイアス供給部１８によって、被処理基板２１にＲＦバイアスを印加する場合と、ＲＦバイアスを印加しない場合がある。プラズマ２２の下層と周囲に発生する電子は、導電性の側壁１１ＣからＤＣ電源供給部１７に流れる。その結果、プラズマ２２中のイオン濃度が高くなる。ターゲット２０は負の電位に保持される。そして、プラズマ２２のイオンがターゲット２０に衝突し、ターゲット２０の原子をスパッタリングする。スパッタリングされた原子は、基板２１に付着して膜を形成する。
【００３４】
本発明では、ターゲット２０として、タンタルＴａ、またはＴａを主成分とするＴａ合金もしくはＴａ化合物を用いる。また、ガス導入口１３から、必要に応じて、窒素Ｎなどを導入する。窒素Ｎは、主としてターゲット２０からスパッタリングされた原子（タンタル）と反応して、基板上に堆積されるタンタル／窒化タンタル膜を形成する。
【００３５】
プラズマ処理装置１０で、Ｔａ／ＴａＮのバリア膜を形成するときに、ＲＦバイアスを印加してスパッタリングする方法と、ＲＦバイアスを印加せずにスパッタリングする方法がある。いずれにおいても、Ａｒを用いる場合に比べて、層間絶縁膜の損傷は小さい。特に、フルオロカーボンの場合に、Ａｒよりも層間絶縁膜の損傷は小さい。
【００３６】
詳細には後述するが、ＲＦバイアスを印加する場合は、Ｔａ／ＴａＮは相対的に結晶性の高い傾向を示し、ＲＦバイアスを印加しない場合は、Ｔａ／ＴａＮは相対的に結晶性の低い傾向を示す。そして、結晶性の高いＴａ／ＴａＮはＣｕのバリア性が高く、結晶性の低いＴａ／ＴａＮはＣｕとの密着性が高い。層間絶縁膜および配線層の組み合わせに応じて、ＲＦバイアスを印加しながらＸｅプラズマによってスパッタリングしたＴａ／ＴａＮ、またはＲＦバイアスを印加しないでＸｅプラズマによってスパッタリングしたＴａ／ＴａＮを、バリア膜として用いることができる。
【００３７】
層間絶縁膜に接する側のバリア膜をＲＦバイアスを印加して形成し、配線に接する側のバリア膜をＲＦバイアスを印加せずに形成すると、さらに、Ｃｕのバリア性が高く、かつＣｕとの密着性が高いバリア膜が得られる。図３は、２段階で形成されたバリア膜を模式的に示す断面図である。層間絶縁膜１１３、１１５に接する側をＲＦバイアスを印加して形成したＴａ／ＴａＮのバリア膜１１６Ａとする。そして、その上にＲＦバイアスを印加せずにＴａ／ＴａＮのバリア膜１１６Ｂを形成する。いずれもＸｅガスのスパッタによって形成するので、Ｘｅを微量に含む。こうすることによって、配線層１１７のＣｕが層間絶縁膜１１３、１１５に拡散することを防止するバリア性をさらに向上し、かつ、Ｃｕとバリア膜１１６Ｂとの密着性をより高めることができる。
【００３８】
バリア膜を図３のように明確な２層構造とせず、ＲＦバイアスを連続的に変化させてスパッタリングしても、同様の効果を得ることができる。図４は、ＲＦバイアスを連続的に変化させてスパッタリングした場合を模式的に示す断面図である。層間絶縁膜１１３、１１５側ではＲＦバイアスをかけてスパッタリングし、配線層１１７側ではＲＦバイアスをかけないか、または層間絶縁膜１１３、１１５側より小さいＲＦバイアスでスパッタリングしてもよい。このようにしても、バリア性をさらに向上し、かつ密着性をより高めたバリア膜を形成することができる。
【００３９】
図５は、ＲＦバイアスをかけた場合とかけない場合のＴａＮの結晶方位の散乱強度（Intensity）を示す。黒丸太線はＲＦバイアスをかけてＸｅでスパッタリングした場合の結晶方位の散乱強度を示す。白丸細線はＲＦバイアスをかけないでＸｅでスパッタリングした場合の結晶方位の散乱強度を示す。ＲＦバイアスをかけた場合は、β−ＴａとＴａ２Ｎに顕著なピークが現れ、それらの結晶構造が形成されていることがわかる。ＲＦバイアスをかけない場合はこのようなピークは殆ど現れず、結晶性の低い構造であることが示される。Ｘｅプラズマはプラズマポテンシャルが低くても、ＲＦバイアスでひきおこされるイオン衝突によってＴａＮの結晶度が高まることがわかる。
【００４０】
図６および図７は、ＲＦバイアスをかけた場合とかけない場合について、ＴａＮ中のＮとＴａそれぞれの結合エネルギを示す。図６は窒素Ｎの、図７はタンタルＴａのグラフである。結合エネルギはＸ線光電子分光（X-ray Photoelectron Spectroscopy：以下、ＸＰＳという）で計測した。図６および図７中、黒丸太線はＲＦバイアスをかけてＸｅでスパッタリングした場合、白丸細線はＲＦバイアスをかけないでＸｅでスパッタリングした場合を表す。
【００４１】
図６に示されるように、ＲＦバイアスをかけない場合のＴａＮのほうが、ＲＦバイアスをかけた場合よりも、Ｎ２１Ｓのピーク強度がそれぞれのグラフの中で相対的に強い。したがって、ＲＦバイアスをかけないほうがＲＦバイアスをかけた場合よりも、ＴａＮ中に窒素原子が取り込まれることを意味する。
【００４２】
このことは図７によっても裏付けられる。すなわち、より多くの窒素原子が取り込まれることによって、ＴａのピークであるＴａ４ｆ７／２が、ＲＦバイアスをかけない場合のほうが高いエネルギにシフトしている。その結果、ＲＦバイアスを印加して行ったＸｅスパッタリングによって窒素原子が少なく結晶性の高いＴａＮ薄膜が形成され、ＲＦバイアスを印加しないで行ったＸｅスパッタリングによって窒素原子が多く結晶性の低いＴａＮ薄膜が形成される。
【００４３】
理想粒子の単純な質点系弾性衝突を仮定すると、基板の原子に衝突するイオンのエネルギ移転効率ηは次の式（１）で与えられる。
【数１】
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ここで、Ｍionはイオンの原子質量、Ｍsubは基板の原子質量である。式（１）と原子質量から、数種のイオンと基板の組み合わせについてエネルギ移転効率を求めた結果を図８に示す。図８の表に示すように、ＸｅイオンからＴａ、ＣおよびＦへのエネルギ移転効率はそれぞれ、９７％、３１％、４４％である。ＡｒイオンからＴａへの移転効率５９％に比較して、ＸｅイオンからＴａへは殆どのエネルギが移転される。一方、ＸｅイオンからＣおよびＦ原子へは、少ししか移転されない。Ａｒイオンでは逆に、Ｃ（７１％）およびＦ（８７％）へは、Ｔａ（５９％）よりも多くのエネルギが移転される。
【００４４】
基板に堆積する薄膜を結晶化するためにイオンの衝突エネルギが必要であるが、衝突エネルギはまた、基板の損傷をもたらす。したがって、Ｔａには多くのエネルギが移転され、ＣおよびＦ原子には少ないエネルギしか移転しないＸｅイオンは、基板にＴａバリア膜を形成するのに都合がよい。
【００４５】
イオンの移転エネルギは次の式（２）で与えられる。
Ｅion  ＝  η・Ｖion                      （２）
ここで、Ｖionはプラズマ中の基板上のイオンのエネルギであり、フローティングポテンシャルと呼ばれる。フローティングポテンシャルは、印加される電圧の交流成分である。いくつかの基板について、結合エネルギと移転エネルギＥionを図９に示す（W. Shindo and T. Ohmi: J. Appl. Phys., 79(5),(1996), 2347）。図９において、イオンはＸｅである。基板は、炭素の単結合、炭素とフッ素の単結合、炭素の２重結合、炭素の３重結合、Ｔａ、Ｔａ２Ｎの場合を示す。
【００４６】
図９に示すように、ＣおよびＦに関する結合エネルギは、いずれもＥionと同等以上である。したがって、Ｘｅプラズマ中ではこれらの基板は損傷を受けないと考えられる。一方、Ｔａ、Ｔａ２Ｎについては、結合エネルギに比べてＥionが大きいが、結晶化のために必要なエネルギがＸｅプラズマで与えられると考えられる。
【００４７】
Ｔａについて、ＲＦバイアスをかけた場合とかけない場合とで、Ｅionの差は１．０ｅＶである。この差が、ＴａＮの結晶化に効果を及ぼすと考えられる。Ａｒプラズマは高密度プラズマで、Ｘｅに比較して１０ｅＶ程度高いエネルギを示し、図８に示すように基板へのエネルギ移転効率が高いので、フルオロカーボン基板にダメージを与える。
【００４８】
（２）式で、Ｖion＝２０Ｖのとき、炭素Ｃに対してＥion＝移転効率・Ｖion＝０．３１×２０ｅＶ＝６．２ｅＶである。炭素の２重結合では、結合エネルギは６ｅＶである（図９参照）。そこで、炭素の２重結合を有する材料に対して、ＲＦバイアス２０Ｖが有効である。したがって、プラズマ処理装置１０に印加するＲＦバイアスは、０〜２０Ｖが適当である。
【００４９】
以下の具体例は、図２に示すプラズマ装置１０を用いて、各種の層間絶縁膜の上にＴａ／ＴａＮのバリア膜をＸｅプラズマによってスパッタリングした。具体例では、バリア膜の上にＣｕの配線層を形成した。配線層は、Ｃｕに限らずアルミニウム、錫、インジウムなど、またはそれらを含む合金を用いることができる。
【００５０】
（具体例１）
図１０および図１１は、シリコン熱酸化膜上にＲＦバイアスをかけて形成したＴａＮにＣｕを形成した場合の、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry：二次イオン質量分析法）による深さ方向分析結果を示す。横軸は表面からの深さ、縦軸はイオン強度（Ion Intensity）（ｃｐｓ）である。図１０はアニーリング前の分析結果、図１１は同基板を５００℃で１時間アニーリングした後の深さ方向分析結果である。図１０および図１１において、Ｃｕは原子濃度（Cu Concentration）（ａｔｍ／ｃｍ３）でありその尺度は右の縦軸で示される。その他の原子のイオン強度（Ion Intensity）の尺度は左の縦軸で与えられる。
【００５１】
図中、太い実線はＣｕの濃度、白三角はＴａ、白四角はＮ、白丸はＳｉである。図１０および図１１に示すように、図の左が表層で、右に向かって表層から深くなる方向にＣｕ、Ｔａ／ＴａＮ、シリコン熱酸化膜の構成が表されている。Ｃｕ原子の濃度は、Ｓｉ中では表層に比べて５桁小さい値で、分析のノイズレベルであって、存在しないと考えてよい。
【００５２】
Ｃｕ原子は、アニーリングした後でもＴａＮにほとんど拡散せず、Ｓｉには達していない。このように、ＲＦバイアスをかけてＸｅプラズマで形成したＴａＮは、Ｃｕが層間絶縁膜に拡散するのを高度に防止する。
【００５３】
図１２および図１３は、シリコン熱酸化膜上にＲＦバイアスをかけずに形成したＴａＮにＣｕを形成した場合の、ＳＩＭＳ分析結果を示す。図１２はアニーリング前の、図１３は５００℃で１時間アニーリングした後の分析結果である。それぞれの記号と、イオン強度、原子濃度の尺度は、図１０と同様である。
【００５４】
図１２に示すように、図１０と比較してＣｕはアニーリング前にもＴａＮに拡散している。図１３に示すように、アニーリング後にはＣｕは、ＲＦバイアスをかけずに形成したＴａＮ層を通ってシリコン熱酸化膜に拡散している。
【００５５】
以上の結果、ＲＦバイアスをかけてＸｅプラズマで形成したＴａＮは、ＲＦバイアスをかけずに形成したＴａＮに比べて良好なＣｕバリア特性を示す。ＲＦバイアスをかけてスパッタ成膜したＴａＮは、ＲＦバイアスをかけずにスパッタ成膜したＴａＮに比較して、窒素含有量が少なく結晶性が高く、より強いＣｕバリア特性を示す。
【００５６】
具体例１のシリコン熱酸化膜を、ポーラス構造のシリコン酸化膜としてもよい。さらに、多孔質（ポーラス構造）のＳｉＣＯの上にＳｉＣＮ被膜層を形成して、拡散防止層とすることができる（S. Grandikota, S. Voss, R. Tao, A. Duboust, D. Cong, L. Y. Chen, S. Ramaswami, D.Carl: Microelectronics Eng. 50(2000) 547-553）。ポーラス構造は誘電率が小さくなるので、半導体装置の動作特性改善に効果がある。このときにも、ＸｅプラズマでＴａをスパッタリングすることによって、層間絶縁膜のダメージを回避しながら、バリア膜を形成することができる。そして、ＴａＮはＣｕが層間絶縁膜に拡散するのを防止する。
【００５７】
（具体例２）
図１４および図１５は、フルオロカーボン膜上にＲＦバイアスをかけて形成したＴａＮにＣｕを形成した場合の、ＳＩＭＳ分析結果を示す。図１４はアニーリング前の、図１５は２００℃でアニーリングした後の分析結果である。図中、太い実線はＦの濃度、破線はＣの濃度、白丸はＣｕ、白三角はＴａ、白四角はＮである。ＦおよびＣの濃度（F, C Concentration）（ａｔｍ／ｃｍ３）は右の尺度、その他の原子の強度（Ion Intensity）（ｃｐｓ）は左の尺度で示される。
【００５８】
図１４に示すように、Ｆ、ＣおよびＴａはＣｕに拡散しているが、アニーリングの前後でＣｕはＴａＮに拡散していない。アニーリング後に、ＴａはＣｕに拡散している。
【００５９】
図１６および図１７は、フルオロカーボン膜上にＲＦバイアスをかけずに形成したＴａＮにＣｕを形成した場合の、ＳＩＭＳ分析結果を示す。図１６はアニーリング前の、図１７は２００℃でアニーリングした後の分析結果である。それぞれの記号と尺度は図１４と同様である。
【００６０】
ＦおよびＣ原子はＴａＮ薄膜中にも存在し、アニーリングの後もＴａＮ薄膜中に留まる。Ｃｕ原子は、フルオロカーボン層を通って、シリコン熱酸化膜に拡散している。この結果は、図１２および図１３の結果と変わらない。これらの結果は、Ｃｕ原子がアニーリングの後にＴａＮ中にあることを明らかにする。
【００６１】
図２０は、フルオロカーボン基板の密着性の試験結果を示す。図２０中、「×」は剥離したことを表し、「○」は剥離しなかったことを表す。それぞれ、剥離はＣｕとＴａＮとの間で発生した。ＲＦバイアスをかけてフルオロカーボン膜の上にスパッタ成膜したＴａＮとＣｕでは、２５０℃でアニーリングした後に層間剥離が発生した。ＲＦバイアスをかけずにスパッタ成膜したＴａＮでは、３００℃未満の温度でアニーリングしても層間剥離は発生しなかった。
【００６２】
ＲＦバイアスをかけて形成したＴａＮでは、２５０℃アニーリングした後に層間剥離が発生する。ＲＦバイアスをかけずに形成したＴａＮでは、３００℃アニーリングの後に層間剥離が発生する。これらの結果は、ＲＦバイアスＴａＮとＣｕの密着性は、非ＲＦバイアスＴａＮとＣｕの２００℃アニーリング後の密着性より劣ることを示す。
【００６３】
図１８および図１９は、炭窒化珪素（ＳｉＣＮ）／フルオロカーボン積層膜上に、ＲＦバイアスをかけて形成したＴａＮにＣｕを形成した場合の、ＳＩＭＳ分析結果を示す。フルオロカーボンの層間絶縁膜の上に、ＳｉＣＮの層を形成し、その上にＴａＮをＸｅスパッタリングで堆積してバリア膜を形成した。バリア膜の上にＣｕの配線層を形成した。
【００６４】
図１８はアニーリング前の、図１９は３５０℃でアニーリングした後の分析結果である。図中、太い実線はＦの濃度、破線はＣの濃度、白丸はＣｕ、白三角はＴａ、白四角はＮ、黒四角はＳｉである。ＦおよびＣの濃度（F, C Concentration）（ａｔｍ／ｃｍ３）は右の尺度、その他の原子の強度（Ion Intensity）（ｃｐｓ）は左の尺度である。
【００６５】
図１９に示すように、アニーリングした後でもＦおよびＣ原子がＴａＮ薄膜中に見られない。このことは、フルオロカーボンの上のＳｉＣＮ被膜層がそれらの拡散を防止していることを示す。図２０を参照すると、ＲＦバイアスで形成したＴａＮでは、３５０℃でアニーリングした後でも層間剥離は発生しない。そのことは、ＦおよびＣ原子の拡散を阻止するＳｉＣＮ被膜層の存在に帰せられる。
【００６６】
これらの結果は、低誘電率のフルオロカーボン材の上にＴａＮおよびＣｕを形成する場合、ＲＦバイアスをかけてスパッタ成膜したＴａＮとＳｉＣＮ被膜層は、半導体装置の熱的性能を向上し、その製造方法として適していると言える。
【００６７】
以上、説明したとおり、Ｘｅプラズマでスパッタ成膜することによって、基板の層間絶縁膜の損傷を回避しながら、Ｔａ／ＴａＮのバリア膜を形成することができる。特に、層間絶縁膜が低誘電率のフルオロカーボンの場合でも、層間絶縁膜のダメージを抑えるので効果がある。
【００６８】
Ｔａ／ＴａＮをＲＦバイアスをかけてＸｅプラズマでスパッタ成膜することによって、Ｃｕのバリア性が向上する。Ｔａ／ＴａＮをＲＦバイアスをかけずにＸｅプラズマでスパッタ成膜することによって、Ｃｕとの密着性が向上する。層間絶縁膜側にＲＦバイアスをかけてＴａ／ＴａＮをスパッタ成膜し、配線層側にＲＦバイアスをかけずにＴａ／ＴａＮをスパッタ成膜することによって、さらにバリア性を向上しながらＣｕとの密着性を改善できる。
【００６９】
また、層間絶縁膜であるフルオロカーボン層の上にＳｉＣＮの被膜層を形成することによって、フルオロカーボンのＣおよびＦがＴａ／ＴａＮのバリア層に拡散することを防止できる。ＳｉＣＮ被膜層は、Ｃｕ配線層とＴａ／ＴａＮバリア層の密着性を向上する。
【００７０】
その他、前記の層間絶縁膜、バリア膜、配線層の構成、およびプラズマ処理装置の構成は一例であり、任意に変更及び修正が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１Ａ】本発明の実施の形態に係る半導体装置において配線層の形成工程を示し、基板上に配線パターンを形成した断面図である。
【図１Ｂ】配線パターンの上に層間絶縁膜を形成した基板の断面図である。
【図１Ｃ】層間絶縁膜にバリア膜を形成した基板の断面図である。
【図１Ｄ】凹部を導体で充填した基板の断面図である。
【図２】本実施の形態で使われるプラズマ処理装置の構成を示すブロック図である。
【図３】２段階で形成されたバリア膜を模式的に示す断面図である。
【図４】ＲＦバイアスを連続的に変化させてスパッタリングした場合を模式的に示す断面図である。
【図５】ＲＦバイアスをかけた場合とかけない場合のＴａＮの結晶方位を示す図である。
【図６】ＲＦバイアスをかけた場合とかけない場合について、ＴａＮ中のＮの結合エネルギを示す図である。
【図７】ＲＦバイアスをかけた場合とかけない場合について、ＴａＮ中のＴａの結合エネルギを示す図である。
【図８】イオンと基板の組み合わせについてエネルギ移転効率を示す図である。
【図９】移転エネルギＥionと結合エネルギの例を示す図である。
【図１０】シリコン熱酸化膜上にＲＦバイアスをかけて形成したＴａＮにＣｕを形成した場合の、アニーリング前のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。
【図１１】シリコン熱酸化膜上にＲＦバイアスをかけて形成したＴａＮにＣｕを形成した場合の、アニーリング後のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。
【図１２】シリコン熱酸化膜上にＲＦバイアスをかけずに形成したＴａＮにＣｕを形成した場合の、アニーリング前のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。
【図１３】シリコン熱酸化膜上にＲＦバイアスをかけずに形成したＴａＮにＣｕを形成した場合の、アニーリング後のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。
【図１４】フルオロカーボン膜上にＲＦバイアスをかけて形成したＴａＮにＣｕを形成した場合の、アニーリング前のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。
【図１５】フルオロカーボン膜上にＲＦバイアスをかけて形成したＴａＮにＣｕを形成した場合の、アニーリング後のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。
【図１６】フルオロカーボン膜上にＲＦバイアスをかけずに形成したＴａＮにＣｕを形成した場合の、アニーリング前のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。
【図１７】フルオロカーボン膜上にＲＦバイアスをかけずに形成したＴａＮにＣｕを形成した場合の、アニーリング後のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。
【図１８】炭窒化珪素／フルオロカーボン積層膜上に、ＲＦバイアスをかけて形成したＴａＮにＣｕを形成した場合の、アニーリング前のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。
【図１９】炭窒化珪素／フルオロカーボン積層膜上に、ＲＦバイアスをかけて形成したＴａＮにＣｕを形成した場合の、アニーリング後のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。
【図２０】フルオロカーボン基板の密着性の試験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００７２】
１０    プラズマ処理装置
１１    処理容器
１１Ａ  ターゲット装着台
１１Ｂ  ベース
１１Ｃ  側壁
１２    基板保持台
１３    ガス導入口
１４    排気ダクト
１５    ポンプ
１６    ＤＣ電源供給部（ターゲット装着台）
１７    ＤＣ電源供給部（側壁）
１８    ＲＦバイアス供給部
１９    磁石
２０    ターゲット
２１    被処理基板
２２    キセノンプラズマ
１１０    シリコン基板
１１１    シリコン酸化膜
１１１Ａ  Ｃｕ配線パターン
１１２、１１４    エッチングストッパ膜
１１３、１１５    層間絶縁膜
１１３Ａ  配線溝
１１３Ｂ  ビアホール
１１６、１１６Ａ、１１６Ｂ  バリア膜
１１７    配線層
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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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】
2009111251.tif 000016
【図１１】
2009111251.tif 000017
【図１２】
2009111251.tif 000018
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2009111251.tif 000022
【図１７】
2009111251.tif 000023
【図１８】
2009111251.tif 000024
【図１９】
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【図２０】
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