(57)【要約】【目的】コンタクトプラグ材料の基板への拡散を抑制する半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。【構成】本発明の一態様の半導体装置は、半導体基板２００と導通するコンタクトプラグとなるＣｕ膜２６０と、Ｃｕ膜２６０の少なくとも底面側に、半導体基板２００と接触して配置された柱状結晶構造をもつＴｉＮ膜２４２と、Ｃｕ膜２６０の少なくとも底面側に、ＴｉＮ膜２４２と接触して配置された、ＴｉＮのアモルファス膜２４４と、Ｃｕ膜２６０の底面側と側面側に、少なくとも一部がアモルファス膜２４４とＣｕ膜２６０とに接触して配置された、ＴｉＮ膜２４２材と同じ材料で柱状結晶構造をもつＴｉＮ膜２４６と、Ｃｕ膜２６０の側面側に配置されたＳｉＯ２膜２２０と、を備えたことを特徴とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と導通するコンタクトプラグと、
前記コンタクトプラグの少なくとも底面側に、前記半導体基板と接触して配置された柱状結晶構造をもつ第１のバリアメタル膜と、
前記コンタクトプラグの少なくとも底面側に、前記第１のバリアメタル膜と接触して配置された、第１のバリアメタル膜材のアモルファス膜と、
前記コンタクトプラグの底面側と側面側に、少なくとも一部が前記アモルファス膜と接触して配置された、前記第１のバリアメタル膜材と同じ材料で柱状結晶構造をもつ第２のバリアメタル膜と、
前記コンタクトプラグの側面側に配置された絶縁膜と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体基板と導通するコンタクトプラグと、
前記コンタクトプラグの少なくとも底面側に、前記半導体基板と接触して配置された柱状結晶構造をもつ第１のバリアメタル膜と、
前記コンタクトプラグの底面側と側面側に配置され、かつ前記第１のバリアメタル膜上に結晶粒界がずれて配置された、第１のバリアメタル膜材と同じ材料で柱状結晶構造をもつ第２のバリアメタル膜と、
前記コンタクトプラグの底面側と側面側に、前記第２のバリアメタル膜と前記コンタクトプラグとに接触して配置された金属含有膜と、
前記コンタクトプラグの側面側に配置された絶縁膜と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
半導体基板と導通するコンタクトプラグと、
前記コンタクトプラグの少なくとも底面側に、前記半導体基板と接触して配置された柱状結晶構造をもつ第１のバリアメタル膜と、
前記コンタクトプラグの少なくとも底面側に、前記第１のバリアメタル膜と接触して配置された、第１のバリアメタル膜材のアモルファス膜と、
前記コンタクトプラグの底面側と側面側に、少なくとも一部が前記アモルファス膜と接触して配置された、前記第１のバリアメタル膜材と同じ材料で柱状結晶構造をもつ第２のバリアメタル膜と、
前記コンタクトプラグの底面側と側面側に、前記第２のバリアメタル膜と前記コンタクトプラグとに接触して配置された金属含有膜と、
前記コンタクトプラグの側面側に配置された絶縁膜と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
前記金属含有膜の材料として、ルテニウム（Ｒｕ）を用いたことを特徴とする請求項２又は３記載の半導体装置。
【請求項５】
半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に前記半導体基板まで貫通する開口部を形成する工程と、
前記開口部内に柱状結晶構造をもつ第１のバリアメタル膜を形成する工程と、
前記第１のバリアメタル膜の表面を改質させて、第１のバリアメタル膜材のアモルファス膜を形成する工程と、
前記開口部内の前記アモルファス膜上に前記第１のバリアメタル膜材と同じ材料で柱状結晶構造をもつ第２のバリアメタル膜を形成する工程と、
前記第２のバリアメタル膜を形成後の前記開口部内にコンタクトプラグ材料を堆積させる工程と、
を備えたことを特徴とする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、半導体装置及び半導体装置の製造方法に係り、例えば、デバイス部分と銅（Ｃｕ）配線とを接続するためのコンタクトプラグを配置した半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路（ＬＳＩ）の高集積化、及び高性能化に伴って新たな微細加工技術が開発されている。特に、最近はＬＳＩの高速性能化を達成するために、配線材料を従来のアルミニウム（Ａｌ）合金から低抵抗の銅（Ｃｕ）或いはＣｕ合金（以下、まとめてＣｕと称する。）に代える動きが進んでいる。そして、上述した近年の半導体集積回路のパターン微細化に伴い、Ｃｕ配線と基板拡散層とを接続するためのコンタクトホールやＣｕ配線とトランジスタのゲート電極とを接続するためのコンタクトホールの径も小さくなっている。これに伴い、コンタクトホールのアスペクト比が高くなってきている。従来、微細構造の半導体装置に形成されるコンタクトプラグには、アルミニウム（Ａｌ）やタングステン（Ｗ）が使用されているが、更なるプラグ低抵抗化の要求に応えるため、コンタクトプラグ材料にＷよりも抵抗が低いＣｕを適用することが検討されている。
【０００３】
ここで問題となるのはＣｕが半導体基板へ拡散して起こるジャンクションリーク（Ｊ／Ｌ）の発生である。これを防ぐために、コンタクトプラグ材料と半導体基板の間にはバリア層が形成される。ここで、例えば、コンタクトプラグ材料にＡｌを用いる場合に、半導体基板上に結晶配向が（１００）配向のＴｉＮ膜を形成して、（１００）配向のＴｉＮ膜上にＡｌとの信頼性が高い結晶配向が（１１１）配向のＴｉＮを形成するといった、２層のバリアメタル膜を形成する例が文献に開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
一方、コンタクトプラグより上層部で使用されているＣｕ配線に対するバリア層の材料には、従来、タンタル（Ｔａ）や窒化タンタル（ＴａＮ）等が用いられている。そのため、コンタクトプラグ材料にＣｕを用いる場合に、これらＴａやＴａＮのバリアメタル膜が候補となる。しかし、これらはＣｕ拡散に対しバリア性があるが、スパッタ法で成膜されるためアスペクト比の高いコンタクトホールの底面へは成膜されにくい。バリア性を確保するためにバリア層の膜厚を厚くするとコンタクトホールの間口に成膜されるバリア膜がオーバーハングしてしまいコンタクトホールの入り口を塞いでしまう。これでは、Ｃｕを埋め込む際に、めっき工程での埋め込み不良が予想される。これらを解決する方法としてバリア層を段差被覆性の良い化学気相成長（ＣＶＤ）法等で形成する方法がある。例えば、ＣＶＤ法で成膜ができるバリア層の材料として窒化チタン（ＴｉＮ）がある。バリア層にこれを適用することでオーバーハングの問題は解決する。しかし、今度はバリア性が不十分となるといった問題を招く傾向があり、Ｃｕが基板へ拡散しＪ／Ｌの原因となるおそれが生じてしまう。
【特許文献１】特開平７−２０１７７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上述したような従来の問題点を克服し、コンタクトプラグ材料の基板への拡散を抑制する半導体装置及び半導体装置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】
【０００６】
本発明の一態様の半導体装置は、半導体基板と導通するコンタクトプラグと、前記コンタクトプラグの少なくとも底面側に、前記半導体基板と接触して配置された柱状結晶構造をもつ第１のバリアメタル膜と、前記コンタクトプラグの少なくとも底面側に、前記第１のバリアメタル膜と接触して配置された、第１のバリアメタル膜材のアモルファス膜と、前記コンタクトプラグの底面側と側面側に、少なくとも一部が前記アモルファス膜と接触して配置された、前記第１のバリアメタル膜材と同じ材料で柱状結晶構造をもつ第２のバリアメタル膜と、前記コンタクトプラグの側面側に配置された絶縁膜と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の他の態様の半導体装置は、半導体基板と導通するコンタクトプラグと、前記コンタクトプラグの少なくとも底面側に、前記半導体基板と接触して配置された柱状結晶構造をもつ第１のバリアメタル膜と、前記コンタクトプラグの底面側と側面側に配置され、かつ前記第１のバリアメタル膜上に結晶粒界がずれて配置された、第１のバリアメタル膜材と同じ材料で柱状結晶構造をもつ第２のバリアメタル膜と、前記コンタクトプラグの底面側と側面側に、前記第２のバリアメタル膜と前記コンタクトプラグとに接触して配置された金属含有膜と、前記コンタクトプラグの側面側に配置された絶縁膜と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に前記半導体基板まで貫通する開口部を形成する工程と、前記開口部内に柱状結晶構造をもつ第１のバリアメタル膜を形成する工程と、前記第１のバリアメタル膜の表面を改質させて、第１のバリアメタル膜材のアモルファス膜を形成する工程と、前記開口部内の前記アモルファス膜上に前記第１のバリアメタル膜材と同じ材料で柱状結晶構造をもつ第２のバリアメタル膜を形成する工程と、前記第２のバリアメタル膜を形成後の前記開口部内にコンタクトプラグ材料を堆積させる工程と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、コンタクトプラグ材料の基板への拡散を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１．
以下、実施の形態１について、図面を用いて説明する。
図１は、実施の形態１における半導体装置の製造方法の要部を表すフローチャートである。図１において、実施の形態１の半導体装置の製造方法では、ＳｉＯ２膜形成工程（Ｓ１０２）と、コンタクトホール形成工程（Ｓ１０４）と、ＴｉＮ膜形成工程（Ｓ１０６）と、アモルファス膜形成工程（Ｓ１０８）と、ＴｉＮ膜形成工程（Ｓ１１０）と、シード膜形成工程（Ｓ１１４）と、めっき及びアニール工程（Ｓ１１６）と、研磨工程（Ｓ１１８）という一連の工程を実施する。また、ＴｉＮ膜形成工程（Ｓ１０６）は、その内部工程として、Ｔｉ膜形成工程（Ｓ２０２）と窒化処理工程（Ｓ２０４）という一連の工程を実施する。
【００１１】
図２は、図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
図２では、図１のＳｉＯ２膜形成工程（Ｓ１０２）から窒化処理工程（Ｓ２０４）までを示している。
【００１２】
図２（ａ）において、絶縁膜形成工程となるＳｉＯ２膜形成工程（Ｓ１０２）として、基板拡散層やゲート電極といったデバイス部分が形成された半導体基板２００の表面にＣＶＤ（化学気相成長）法によって、例えば、膜厚５００ｎｍのＳｉＯ２の薄膜を堆積し、絶縁膜となるＳｉＯ２膜２２０を形成する。ここでは、ＣＶＤ法によって成膜しているが、その他の方法を用いても構わない。また、半導体基板２００として、例えば、直径３００ミリのシリコンウェハを用いる。ここでは、デバイス部分の図示を省略している。
【００１３】
図２（ｂ）において、開口部形成工程となるコンタクトホール形成工程（Ｓ１０４）として、リソグラフィー工程とドライエッチング工程でデバイス部分と接続するためのコンタクトホール構造である半導体基板２００まで貫通する開口部１５０をＳｉＯ２膜２２０内に形成する。例えば、直径９０ｎｍ、深さ５００ｎｍの開口部１５０を形成する。図示していないレジスト塗布工程、露光工程等のリソグラフィー工程を経てＳｉＯ２膜２２０の上にレジスト膜が形成された半導体基板２００に対し、露出したＳｉＯ２膜２２０を異方性エッチング法により除去することで、基板２００の表面に対し、略垂直に開口部１５０を形成することができる。例えば、一例として、反応性イオンエッチング法により開口部１５０を形成すればよい。
【００１４】
次に、ＴｉＮ膜形成工程（Ｓ１０６）として、プラズマＣＶＤ法を用いて、開口部形成工程により形成された開口部１５０内壁（側壁及び底面）並びにＳｉＯ２膜２２０表面に柱状結晶構造をもつ第１層目のバリアメタル膜（第１のバリアメタル膜）を形成する。ここでは、２段階の工程を経て第１層目のバリアメタル膜を形成する。
【００１５】
まず、図２（ｃ）において、Ｔｉ膜形成工程（Ｓ２０２）として、ＣＶＤ法を用いて、開口部１５０内壁（側壁及び底面）並びにＳｉＯ２膜２２０表面に高融点金属のＴｉを用いた(２００)配向の柱状結晶構造をもつＴｉ膜２４０を２〜１０ｎｍの膜厚で形成する。Ｔｉ膜２４０は、プラズマＣＶＤ法を用いて形成される。四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）、水素（Ｈ２）、及びアルゴン（Ａｒ）の混合ガスを流し、所定のチャンバー内圧力と基板温度を設定し、基板の対極電極にプラズマを発生させる。このようにして、ＴｉＣｌ４をＨ２で還元処理することによりＴｉ膜２４０を形成することができる。チャンバー内圧力は、例えば、４００〜１０００Ｐａにすると好適である。また、ＲＦパワーは、４００〜１０００Ｗにすると好適である。また、基板温度は、４００〜７００℃にすると好適である。また、ＴｉＣｌ４のガス量は、１．６７×１０−３Ｐａ・ｍ３／ｓ（１ｓｃｃｍ）〜３．３４×１０−２Ｐａ・ｍ３／ｓ（２０ｓｃｃｍ）、Ｈ２のガス量は、１．６７×１０−1Ｐａ・ｍ３／ｓ（１００ｓｃｃｍ）〜２．５１Ｐａ・ｍ３／ｓ（１５００ｓｃｃｍ）、Ａｒのガス量は、１．６７Ｐａ・ｍ３／ｓ（１０００ｓｃｃｍ）〜６．６８Ｐａ・ｍ３／ｓ（４０００ｓｃｃｍ）にすると好適である。開口部１５０の底部に形成されたＴｉ膜２４０は開口部１５０底部に形成された基板２００の酸化膜をＴｉで還元、除去し、チタンシリサイド（ＴｉＳｉ２）膜を形成する。これによりオーミックコンタクトを確保することができる。
【００１６】
次に、図２（ｄ）において、窒化処理工程（Ｓ２０４）として、Ｔｉ膜２４０を窒化処理して、Ｔｉ膜２４０の窒化物であるＴｉＮ膜２４２に転化させる。ＴｉＣｌ４を用いてＴｉ膜２４０を形成する場合、開口部１５０内壁（側壁及び底面）並びにＳｉＯ２膜２２０表面には、塩素（Ｃｌ）が多く含まれたＴｉ膜２４０が形成されてしまう。そのため、ＴｉＳｉ２膜内にもＣｌが多く含まれた状態となる。そのままでは、コンタクトとしての抵抗が高くなり密着性が悪くなってしまう。そこで、Ｔｉ膜２４０上に、アンモニア（ＮＨ３）、Ｈ２、及びＡｒの混合ガスを流し、プラズマ１６０を発生させることで、Ｔｉ膜２４０をＴｉＮ膜２４２に転化させるとともに、Ｔｉ膜２４０内及びＴｉＳｉ２膜内からＣｌを除去することができる。チャンバー内圧力は、例えば、４００〜１０００Ｐａにすると好適である。また、ＲＦパワーは、４００〜１０００Ｗとすると好適である。また、基板温度は、４００〜７００℃にすると好適である。また、ＮＨ３のガス量は、８．３５×１０−１Ｐａ・ｍ３／ｓ（５００ｓｃｃｍ）〜２．５１Ｐａ・ｍ３／ｓ（１５００ｓｃｃｍ）、Ｈ２のガス量は、１．６７×１０−1Ｐａ・ｍ３／ｓ（１００ｓｃｃｍ）〜２．５１Ｐａ・ｍ３／ｓ（１５００ｓｃｃｍ）、Ａｒのガス量は、１．６７Ｐａ・ｍ３／ｓ（１０００ｓｃｃｍ）〜６．６８Ｐａ・ｍ３／ｓ（４０００ｓｃｃｍ）にすると好適である。
【００１７】
以上のようにして、ＳｉＯ２膜２２０表面に（２００）配向の柱状結晶構造をもつＴｉＮ膜２４２（第１のバリアメタル膜）を形成することができる。また、ここでは、ＣＶＤ法を用いているので、アスペクト比の大きいコンタクトホールであっても、少なくとも底面にＴｉＮ膜２４２のバリアメタル膜を形成することができる。
【００１８】
図３は、図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
図３では、図１のアモルファス膜形成工程（Ｓ１０８）からシード膜形成工程（Ｓ１１４）までを示している。
【００１９】
図３（ａ）において、アモルファス膜形成工程（Ｓ１０８）として、ＴｉＮ膜２４２の表面層を改質して、ＴｉＮ膜２４２の表面層にＴｉＮのアモルファス膜２４４（アモルファス層）を形成する。ここでは、ＴｉＮ膜２４２上に、ＮＨ３、Ｈ２、及びＡｒの混合ガスを流し、プラズマ１６２を発生させることで、ＴｉＮ膜２４２の表面層をアモルファス膜２４４に転化させることができる。チャンバー内圧力は、例えば、４００〜１０００Ｐａにすると好適である。また、ＲＦパワーは、４００〜１０００Ｗにすると好適である。また、基板温度は、４００〜７００℃にすると好適である。また、ＮＨ３のガス量は、８．３５×１０−１Ｐａ・ｍ３／ｓ（５００ｓｃｃｍ）〜２．５１Ｐａ・ｍ３／ｓ（１５００ｓｃｃｍ）、Ｈ２のガス量は、１．６７×１０−1Ｐａ・ｍ３／ｓ（１００ｓｃｃｍ）〜２．５１Ｐａ・ｍ３／ｓ（１５００ｓｃｃｍ）、Ａｒのガス量は、１．６７Ｐａ・ｍ３／ｓ（１０００ｓｃｃｍ）〜６．６８Ｐａ・ｍ３／ｓ（４０００ｓｃｃｍ）にすると好適である。これらのプロセス条件は、窒化処理工程（Ｓ２０４）と同等のプロセス条件となるので、例えば、窒化処理工程（Ｓ２０４）に引き続き、そのままの状態を継続させることでアモルファス膜２４４を形成しても好適である。
【００２０】
ここでは、ＮＨ３、Ｈ２、及びＡｒの混合ガスによるプラズマ１６２に晒すことでアモルファス膜２４４に転化させているが、これに限るものではない。例えば、Ｈ２プラズマに晒すことでアモルファス膜２４４に転化させても好適である。或いは、Ａｒスパッタによりアモルファス膜２４４に転化させても好適である。
【００２１】
図３（ｂ）において、ＴｉＮ膜形成工程（Ｓ１１０）として、熱ＣＶＤ法を用いて、少なくとも開口部１５０底面にアモルファス膜２４４が形成された開口部１５０内壁（側壁及び底面）並びにアモルファス膜２４４表面にＴｉＮ膜２４２と同じ（２００）配向の柱状結晶構造をもつ第２層目のバリアメタル膜となるＴｉＮ膜２４６（第２のバリアメタル膜）を２〜１０ｎｍの膜厚で形成する。熱ＣＶＤ法を用いることにより、プラズマＣＶＤ法を用いる場合よりも開口部１５０側壁へとＴｉＮ膜２４６を堆積させることができる。ＴｉＣｌ４、ＮＨ３、及び窒素（Ｎ２）の混合ガスを流し、所定のチャンバー内圧力と基板温度を設定する。このようにして、ＴｉＮ膜２４６を形成することができる。チャンバー内圧力は、例えば、２００〜１０００Ｐａにすると好適である。また、基板温度は、４００〜７００℃にすると好適である。また、ＴｉＣｌ４のガス量は、１．６７×１０−２Ｐａ・ｍ３／ｓ（１０ｓｃｃｍ）〜１．６７×１０−１Ｐａ・ｍ３／ｓ（１００ｓｃｃｍ）、ＮＨ３のガス量は、８．３５×１０−１Ｐａ・ｍ３／ｓ（５００ｓｃｃｍ）〜２．５１Ｐａ・ｍ３／ｓ（１５００ｓｃｃｍ）、Ｎ２のガス量は、８．３５×１０−１Ｐａ・ｍ３／ｓ（５００ｓｃｃｍ）〜５．０１Ｐａ・ｍ３／ｓ（３０００ｓｃｃｍ）にすると好適である。ＴｉＮ膜２４６の堆積方法としては、熱ＣＶＤ法の他、原子層気相成長（ａｔｏｍｉｃ  ｌａｙｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＤ、或いは、ａｔｏｍｉｃ  ｌａｙｅｒ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＣＶＤ）法を用いても好適である。
【００２２】
ＴｉＮ膜２４２上に単にＴｉＮ膜２４６をそのまま形成したのでは、ＴｉＮ膜２４２に対してＴｉＮ膜２４６がエピタキシャル成長することになり、ＴｉＮ膜２４２とほぼ同じ結晶が形成されることになる。そのため、ＴｉＮ膜２４２の結晶粒界をそのまま引き継いて結晶が形成されてしまう。これに対し、実施の形態１では、ＴｉＮ膜２４６がＴｉＮ膜２４２と同じ（２００）配向の柱状結晶構造をもっているが、ＴｉＮ膜２４６とＴｉＮ膜２４２との間にアモルファス膜２４４が形成されているのでそれまでの結晶粒界を一旦遮断することができる。そのため、ＴｉＮ膜２４２の結晶粒界とは位置をずらしたＴｉＮ膜２４６の結晶粒界になるようにＴｉＮ膜２４６の結晶を形成することができる。
【００２３】
図３（ｃ）において、シード膜形成工程（Ｓ１１４）として、スパッタ等の物理気相成長（ＰＶＤ）法により、次の工程である電解めっき工程のカソード極となるＣｕ薄膜をシード膜２５０としてＴｉＮ膜２４２とアモルファス膜２４４とＴｉＮ膜２４６とが積層された開口部１５０内壁及びＴｉＮ膜２４６表面に１０〜５０ｎｍの膜厚で堆積（形成）させる。
【００２４】
図４は、図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
図４では、図１のめっき及びアニール工程（Ｓ１１６）から研磨工程（Ｓ１１８）までを示している。
【００２５】
図４（ａ）において、めっき及びアニール工程（Ｓ１１６）として、シード膜２５０をカソード極として、電解めっき等の電気化学成長法により導電性材料の一例となるＣｕ膜２６０をシード膜２５０が形成された開口部１５０及び基板２００表面に堆積させる。ここでは、例えば、膜厚５００ｎｍのＣｕ膜２６０を堆積させ、アニール処理を例えば２５０℃の温度で３０分間行なう。
【００２６】
図４（ｂ）において、研磨工程（Ｓ１１８）として、ＣＭＰ法によって、基板２００の表面を研磨して、開口部以外に表面に堆積した配線層となるシード膜２５０を含むＣｕ膜２６０とＴｉＮ膜２４２とアモルファス膜２４４とＴｉＮ膜２４６とを研磨除去する。その結果、図４（ｂ）に示すように平坦化することができる。以上によりＣｕコンタクトプラグを形成することができる。
【００２７】
以上のようにして、半導体基板と導通するコンタクトプラグとなるＣｕ膜２６０が形成される。このようにして形成された半導体装置には、Ｃｕ膜２６０の少なくとも底面側に、基板２００と接触して配置された柱状結晶構造をもつＴｉＮ膜２４２が形成される。そして、Ｃｕ膜２６０の少なくとも底面側に、ＴｉＮ膜２４２と接触して配置された、ＴｉＮのアモルファス膜２４４が形成される。そして、Ｃｕ膜２６０の底面側と側面側に、少なくとも一部がアモルファス膜２４４とＣｕ膜２６０とに接触して配置された、ＴｉＮ膜２４２材と同じ材料で柱状結晶構造をもつＴｉＮ膜２４６が形成される。そして、Ｃｕ膜２６０の側面側には、ＳｉＯ２膜２２０が配置される。
【００２８】
図５は、実施の形態１におけるＣｕの拡散経路の一例を示す概念図である。
図５において、柱状結晶構造のＴｉＮ膜２４２には、結晶粒界１０２が生じる。同様に、柱状結晶構造のＴｉＮ膜２４６にも、結晶粒界１０４が生じる。コンタクトプラグ材のＣｕは、この結晶粒界を拡散経路として拡散することになる。しかし、実施の形態１では、ＴｉＮ膜２４６とＴｉＮ膜２４２との間にアモルファス膜２４４が形成されているので、ＴｉＮ膜２４２の結晶粒界１０２とＴｉＮ膜２４６の結晶粒界１０４の位置をずらすことができる。そのため、ＴｉＮ膜２４２の界面或いはアモルファス膜２４４で結晶粒界１０４を通って拡散してきたＣｕの拡散経路を絶つことができる。よって、バリア性を高めることができる。その結果、Ｃｕの半導体基板への拡散に起因するＪ／Ｌを回避することができる。また、コンタクト層の層間絶縁膜へのＣｕの拡散も同様の理由で防止することができる。
【００２９】
また、実施の形態１では、ＴｉＮ膜２４６とＴｉＮ膜２４２との結晶粒界をずらすだけでなく、その間にアモルファス膜２４４が形成されているので、単に、配向性を変えて同じ材料を積層した場合よりもバリア性を高めることができる。
【００３０】
実施の形態２．
実施の形態１では、ＴｉＮ膜２４６とＴｉＮ膜２４２との結晶粒界をずらすことでＣｕに対するバリア性を高めた構成およびその製造方法について説明した。実施の形態２では、実施の形態１よりも、さらにバリア性を高めた構成およびその製造方法について説明する。以下、実施の形態２について、図面を用いて説明する。
【００３１】
図６は、実施の形態２における半導体装置の製造方法の要部を表すフローチャートである。図６において、ＴｉＮ膜形成工程（Ｓ１１０）とシード膜形成工程（Ｓ１１４）との間に、ルテニウム（Ｒｕ）膜形成工程（Ｓ１１２）を追加した点以外は、図１と同様である。そのため、ＳｉＯ２膜形成工程（Ｓ１０２）からＴｉＮ膜形成工程（Ｓ１１０）までは実施の形態１と同様である。
【００３２】
図７は、図６のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
図７では、図６のＲｕ膜形成工程（Ｓ１１２）からめっき及びアニール工程（Ｓ１１６）までを示している。
【００３３】
図７（ａ）において、Ｒｕ膜形成工程（Ｓ１１２）として、図３（ｂ）で示したＴｉＮ膜２４６が形成された状態の基板２００に対して、ＴｉＮ膜２４６が形成された開口部１５０内壁（側壁及び底面）並びにＴｉＮ膜２４６表面にＲｕ膜２４８（金属含有膜）を１〜５ｎｍの膜厚で形成する。Ｒｕを主成分とするガスを流し、所定のチャンバー内圧力と基板温度を設定する。このようにして、Ｒｕ膜２４８を形成することができる。チャンバー内圧力は、例えば、１０〜１００Ｐａにすると好適である。また、基板温度は、１００〜４００℃にすると好適である。また、Ｒｕを主成分とするガスとして、ドデカカルボニルトリルテニウム（Ｒｕ３（ＣＯ）１２）を用いると好適である。Ｒｕ３（ＣＯ）１２のガス量は、１．６７×１０−３Ｐａ・ｍ３／ｓ（１ｓｃｃｍ）以下で十分である。このガスを昇華させることでＲｕ膜２４８を堆積させることができる。Ｒｕ膜２４８を形成することで、少なくともＴｉＮ膜２４６の結晶粒界にＲｕ膜２４８を偏析させることができる。また、Ｒｕ膜２４８を形成することで、濡れ性が向上し、後工程のめっき及びアニール工程（Ｓ１１６）における埋め込み性を向上させることができる。
【００３４】
そして図７（ｂ）において、シード膜形成工程（Ｓ１１４）として、スパッタ等の物理気相成長（ＰＶＤ）法により、次の工程である図７（ｃ）に示す電解めっき工程のカソード極となるＣｕ薄膜をシード膜２５０としてＴｉＮ膜２４２とアモルファス膜２４４とＴｉＮ膜２４６とＲｕ膜２４８とが積層された開口部１５０内壁及びＲｕ膜２４８表面に１０〜５０ｎｍの膜厚で堆積（形成）させる。
【００３５】
図８は、図６のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
図８では、図６の研磨工程（Ｓ１１８）を示している。
シード膜形成工程（Ｓ１１４）から研磨工程（Ｓ１１８）までの各工程の内容は実施の形態１と同様である。その結果、図８に示すように平坦化することができる。以上によりＣｕコンタクトプラグを形成することができる。
【００３６】
以上のようにして、半導体基板と導通するコンタクトプラグとなるＣｕ膜２６０が形成される。このようにして形成された半導体装置には、Ｃｕ膜２６０の少なくとも底面側に、基板２００と接触して配置された柱状結晶構造をもつＴｉＮ膜２４２が形成される。そして、Ｃｕ膜２６０の少なくとも底面側に、ＴｉＮ膜２４２と接触して配置された、ＴｉＮのアモルファス膜２４４が形成される。そして、Ｃｕ膜２６０の底面側と側面側に、少なくとも一部がアモルファス膜２４４と接触して配置された、ＴｉＮ膜２４２材と同じ材料で柱状結晶構造をもつＴｉＮ膜２４６が形成される。そして、上述したように、ＴｉＮ膜２４６は、ＴｉＮ膜２４２上に結晶粒界がずれて配置される。そして、Ｃｕ膜２６０の底面側と側面側に、ＴｉＮ膜２４６とＣｕ膜２６０とに接触して配置されたＲｕ膜２４８が形成される。そして、Ｃｕ膜２６０の側面側には、ＳｉＯ２膜２２０が配置される。
【００３７】
図９は、実施の形態２におけるＣｕの拡散経路の一例を示す概念図である。
図９において、上述しように、ＴｉＮ膜２４６とＴｉＮ膜２４２との間にアモルファス膜２４４が形成されているので、ＴｉＮ膜２４２の結晶粒界１０２とＴｉＮ膜２４６の結晶粒界１０４の位置をずらすことができる。そのため、ＴｉＮ膜２４２の界面或いはアモルファス膜２４４で結晶粒界１０４を通って拡散してきたＣｕの拡散経路を絶つことができる。そして、実施の形態２では、さらに、少なくとも２層目のＴｉＮ膜２４６の結晶粒界１０４にＲｕ膜２４８が偏析することで、Ｃｕの拡散経路を遮断することができる。よって、実施の形態１よりもさらにバリア性を高めることができる。その結果、Ｃｕの半導体基板への拡散に起因するＪ／Ｌ回避の信頼性をさらに向上させることができる。また、コンタクト層の層間絶縁膜へのＣｕの拡散も同様の理由で防止することができる。また、実施の形態２の構造は、実験の結果、Ｃｕのバリアメタル層と成り得る、Ｔｉのスパッタ膜、Ｔｉ／ＴｉＮのスパッタ積層膜、及びルテニウム（Ｒｕ）のＣＶＤ膜のいずれよりもＣｕのバリア性が優れていることが確かめられた。
【００３８】
以上、具体例を参照しつつ実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。上述した各実施の形態では、第１層目と第２層目のバリアメタル膜の材料として、ＴｉＮを用いたが、これに限るものではない。その他の材料として、窒化タンタル（ＴａＮ）、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタルシリサイド（ＴａＳｉＮ）、或いは、窒化タングステン（ＷＮ）等を用いることができる。これらの材料でも同様に第１層目の表面を改質させてアモルファス層を形成することで同じ柱状結晶構造であっても第１層目と第２層目の結晶粒界をずらすことができる。その結果、Ｃｕに対するバリア性を向上させることができる。
【００３９】
また、第３層目の金属含有膜の材料として、Ｒｕの他に、窒化コバルト（ＣｏＮ）を用いても好適である。
【００４０】
また、Ｒｕ膜２４８をカソード極としてＣｕ膜２６０を形成するための電解めっきを行なってもよい。これによりシード膜２５０の形成を省略することもできる。
【００４１】
また、以上において説明は省略したが、上記各実施の形態におけるコンタクトプラグの材料としてＣｕ単体の他、Ｃｕ−Ｓｎ合金、Ｃｕ−Ｔｉ合金、Ｃｕ−Ａｌ合金等の材料を用いることもできる。一方、コンタクトプラグと導通する半導体基板の基板拡散層やゲート電極に対しては、コンタクトホールを開口する以前に金属シリサイド層が形成されていてもよい。さらに、層間絶縁膜の膜厚や層数、開口部のサイズ、形状、数などについても、半導体集積回路や各種の半導体素子において必要とされるものを適宜選択して用いることができる。
【００４２】
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての半導体装置及び半導体装置の製造方法は、本発明の範囲に包含される。
【００４３】
また、説明の簡便化のために、半導体産業で通常用いられる手法、例えば、フォトリソグラフィプロセス、処理前後のクリーニング等は省略しているが、それらの手法が含まれ得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施の形態１における半導体装置の製造方法の要部を表すフローチャートである。
【図２】図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
【図３】図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
【図４】図１のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
【図５】実施の形態１におけるＣｕの拡散経路の一例を示す概念図である。
【図６】実施の形態２における半導体装置の製造方法の要部を表すフローチャートである。
【図７】図６のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
【図８】図６のフローチャートに対応して実施される工程を表す工程断面図である。
【図９】実施の形態２におけるＣｕの拡散経路の一例を示す概念図である。
【符号の説明】
【００４５】
１５０  開口部、２００  基板、２２０  ＳｉＯ２膜、２４０  Ｔｉ膜
２４２，２４６  ＴｉＮ膜、２４４  アモルファス膜、２４８  Ｒｕ膜、２６０  Ｃｕ膜
【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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