半導体装置およびその製造方法
【課題】寄生容量が低く、かつ、熱処理による抵抗値の変動が小さい抵抗素子を有する半導体装置を得ることのできる技術を提供する。
【解決手段】スパッタリングターゲット材料としてタンタルを用い、スパッタリングガスとしてアルゴンと窒素との混合ガスを用いた反応性直流スパッタリング法により、窒化タンタル膜からなる厚さ２０ｎｍ、窒素濃度３０原子％未満の第１抵抗層５ａ、及び窒化タンタル膜からなる厚さ５ｎｍ、窒素濃度３０原子％以上の第２抵抗層５ｂを順次形成した後、第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂを加工して抵抗素子Ｒ１を形成する。窒素濃度が３０原子％以上の上部領域を設けることにより、配線工程において熱負荷が与えられても抵抗素子Ｒ１の抵抗変動率を１％未満に抑えることができる。
【解決手段】スパッタリングターゲット材料としてタンタルを用い、スパッタリングガスとしてアルゴンと窒素との混合ガスを用いた反応性直流スパッタリング法により、窒化タンタル膜からなる厚さ２０ｎｍ、窒素濃度３０原子％未満の第１抵抗層５ａ、及び窒化タンタル膜からなる厚さ５ｎｍ、窒素濃度３０原子％以上の第２抵抗層５ｂを順次形成した後、第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂを加工して抵抗素子Ｒ１を形成する。窒素濃度が３０原子％以上の上部領域を設けることにより、配線工程において熱負荷が与えられても抵抗素子Ｒ１の抵抗変動率を１％未満に抑えることができる。
【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技術に関し、特に、金属膜からなる抵抗素子を有する半導体装置およびその製造に適用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アナログ信号を取り扱う半導体装置においては、容量素子、抵抗素子、インダクタ素子等の受動素子が集積回路の重要な構成要素となる。従来、これら受動素子は半導体チップの中に作りこむことが困難であったため、実装基板上に外付け部品として搭載されていた。しかしながら、近年、システムの高速化、省スペース化へのニーズが強くなっていることから、これら受動素子を半導体チップの内部へ取り込む試みがなされている。
【０００３】
半導体チップの内部に抵抗素子を形成する方法としては、幾つかの方法が提案されているが、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により成膜された多結晶シリコン膜を所望のパターンに加工し、これを抵抗素子とする形成方法が広く用いられている。例えば特開昭５４−８３７８６号公報（特許文献１）などに多結晶シリコン膜を用いた抵抗素子の形成方法が開示されている。
【０００４】
また、抵抗素子の材料として低温形成が可能な金属膜を用いる方法が提案されている。一般的に金属膜は、成膜温度の低いスパッタリング法またはプラズマＣＶＤ法を用いても高品質の膜を得ることができる。このため、アルミニウムや銅を用いた配線を形成した後でも抵抗素子を形成することができるので、寄生容量が少なく、高周波特性に優れた抵抗素子の提供が可能となる。例えば特開昭５６−６４４０５号公報（特許文献２）などに金属膜を用いた抵抗素子の形成方法が記載されている。
【特許文献１】特開昭５４−８３７８６号公報
【特許文献２】特開昭５６−６４４０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、多結晶シリコン膜からなる抵抗素子については、以下に説明する種々の技術的課題が存在する。
【０００６】
抵抗素子の材料である多結晶シリコン膜は、一般に、成膜時の温度が７００℃程度となる低圧ＣＶＤ法により形成されるため、金属膜（例えばアルミニウムや銅）からなる配線を形成する前に、抵抗素子を形成する必要がある。このため、金属膜からなる配線よりも基板に近い位置に抵抗素子が形成されるので、基板と抵抗素子との間に寄生容量が発生し、高周波特性が劣化するという問題がある。
【０００７】
また、金属膜からなる抵抗素子については、以下に説明する種々の技術的課題が存在する。
【０００８】
金属膜からなる抵抗素子は、金属膜からなる配線を形成した後に形成することができるので、抵抗素子の寄生容量を減らすことができる。また、例えば正のＴＣＲ（Temperature Coefficient of Resistance：抵抗温度係数）を持つタンタル膜及び負のＴＣＲを持つ窒化タンタル膜を積層した抵抗素子では、ＴＣＲをほぼ０にすることもできる。しかし、金属膜からなる抵抗素子は、その後の配線工程の熱履歴に応じて抵抗値が変動するという問題がある。具体的には、抵抗素子を形成した後に配線を形成すると、抵抗素子の抵抗値が増加し、その抵抗値は配線層数が増すに従ってさらに増加するため、多層配線を有するアナログ信号を取り扱う集積回路では、アナログ特性の著しい劣化を招いてしまう。本発明者らによって、抵抗値が増加した抵抗素子の構造観察及び組成分析を行ったところ、抵抗素子の上面及び下面の端部が酸化されて酸化タンタル膜が形成されており、配線層数が多いほどこの酸化タンタル膜の厚さが増していることが明らかとなった。この酸化タンタル膜は、配線を形成する際に、抵抗素子の周囲を被覆している層間絶縁膜中に含まれる酸素または水分が抵抗素子を構成するタンタル膜または窒化タンタル膜と反応して形成されたと考えられる。従って、金属膜からなる抵抗素子では、寄生容量を低減することはできるが、その後の熱処理によって抵抗値が増大し、所望する抵抗値が得られないという問題が生じる。
【０００９】
本発明の目的は、寄生容量が低く、かつ、熱処理による抵抗値の変動が小さい抵抗素子を有する半導体装置を得ることのできる技術を提供することにある。
【００１０】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００１２】
本発明の半導体装置は、基板の主面上に窒素とタンタルとを主要な構成元素とする抵抗素子を備えており、抵抗素子の５〜１０ｎｍの厚さの上部領域は、窒素濃度を３０原子％以上含み、非晶質相とＴａＮ結晶相とを主たる構成相とするものである。
【００１３】
本発明による半導体装置の製造方法は、基板の主面上に第１配線を形成する工程と、基板の主面上に第１配線を被覆する層間絶縁膜を形成する工程と、タンタルをターゲット材料とし、窒素ガスを含む混合ガスを用いたスパッタリング法により、層間絶縁膜上に第１混合ガスを用いて第１抵抗層を形成し、続いて、第１抵抗層上に第１混合ガスよりも窒素ガスの比率の高い第２混合ガスを用いて第２抵抗層を形成し、第１窒素濃度を含む第１抵抗層と、第１窒素濃度よりも窒素濃度の高い第２窒素濃度を含む第２抵抗層とからなる窒素とタンタルとを主要な構成元素とする抵抗層を形成する工程と、抵抗層を加工して、抵抗素子を形成する工程とを有するものである。
【００１４】
本発明による半導体装置の製造方法は、基板の主面上に第１配線を形成する工程と、基板の主面上に第１配線を被覆する層間絶縁膜を形成する工程と、タンタルをターゲット材料とし、窒素ガスを含む混合ガスを用いたスパッタリング法により、層間絶縁膜上に第１窒素濃度を含む第１抵抗層を形成する工程と、窒素原子を含む雰囲気に第１抵抗層の表面をさらして第１抵抗層の上部領域に窒素原子を導入し、第１窒素濃度よりも窒素濃度の高い第２窒素濃度を含む第２抵抗層を形成して、第１抵抗層と第２抵抗層とからなる窒素とタンタルとを主要な構成元素とする抵抗層を形成する工程と、抵抗層を加工して、抵抗素子を形成する工程とを有するものである。
【発明の効果】
【００１５】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００１６】
窒素とタンタルとを主要な構成元素とし、配線工程の熱負荷を与えても抵抗変動率を１％未満に抑えることができる抵抗素子が得られるので、寄生容量が低く、かつ、熱処理による抵抗値の変動が小さい抵抗素子を有する半導体装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
【００１８】
また、本実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。さらに、本実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、本実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【００１９】
また、本実施の形態において、ウエハと言うときは、Ｓｉ（Silicon）単結晶ウエハを主とするが、それのみではなく、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハ、集積回路をその上に形成するための絶縁膜基板等を指すものとする。その形も円形またはほぼ円形のみでなく、正方形、長方形等も含むものとする。
【００２０】
また、本実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１による抵抗素子の形成方法の一例を図１から図１１を用いて工程順に説明する。図１及び図２は抵抗素子の製造方法を示す要部断面図、図３は抵抗層を形成する際のスパッタリングシーケンスを示すグラフ図、図４は反応性直流スパッタリング法により形成した窒化タンタル膜の抵抗率または抵抗温度係数の窒素流量依存性を示すグラフ図、図５〜図８は抵抗素子の製造方法を示す要部断面図、図９は抵抗素子の平面レイアウト図、図１０は抵抗素子の抵抗変化率と第２抵抗層の厚さとの関係を示すグラフ図、図１１は窒素流量を変えてスパッタリング法により形成した窒化タンタル膜のＸ線回折パターンを示す解析図である。
【００２２】
まず、図１に示すように、半導体素子（図示は省略）が形成された基板１の主面上に、酸化シリコン膜からなる第１層間絶縁膜２を形成する。この酸化シリコン膜は、例えばプラズマＣＶＤ法により形成され、その厚さは、例えば１μｍである。続いて、スパッタリング法により窒化チタン膜３ｄ、アルミニウム合金膜３及び窒化チタン膜３ｕを順次形成した後、フォトリソグラフィ法及びドライエッチング法によりこれら積層膜を加工して、窒化チタン膜３ｄ，３ｕ及びアルミニウム合金膜３からなる第１配線Ｍ１を形成する。窒化チタン膜３ｄ，３ｕの厚さは、例えば５０ｎｍ、アルミニウム合金膜３の厚さは、例えば４００ｎｍである。続いて、基板１の主面上に第１配線Ｍ１を被覆する、例えば厚さ１．５μｍの酸化シリコン膜を、例えばプラズマＣＶＤ法により形成した後、この酸化シリコン膜の表面をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により研磨して、酸化シリコン膜からなる第２層間絶縁膜４を形成する。
【００２３】
次に、図２に示すように、スパッタリングターゲット材料としてタンタルを用い、スパッタリングガスとしてアルゴンと窒素との混合ガスを用いた反応性直流スパッタリング法により、窒素とタンタルとを主要な構成元素とする、いわゆる窒化タンタル膜からなる第１抵抗層５ａ及び窒化タンタル膜からなる第２抵抗層５ｂを順次形成する。第１抵抗層５ａと第２抵抗層５ｂとは同一成膜室にて連続して形成されるが、後に説明するように、形成条件が互いに異なる。第１抵抗層５ａを構成する窒化タンタル膜の厚さは、例えば２０ｎｍ、第２抵抗層５ｂを構成する窒化タンタル膜の厚さは、例えば５ｎｍである。続いて、アンモニアとモノシランガスを用いたプラズマＣＶＤ法により窒化シリコン膜からなる第１絶縁膜６ａを形成する。第１絶縁膜６ａの厚さは、例えば１００ｎｍである。その後、フォトリソグラフィ法を用いて第１絶縁膜６ａ上の所望の領域に感光性有機膜からなる第１レジストパターン７を形成する。
【００２４】
図３に、第１及び第２抵抗層５ａ、５ｂを形成する際のスパッタリングシーケンスの一例を示す。図３の縦軸はアルゴンまたは窒素の流量であり、横軸はプロセス時間である。スパッタリング中のアルゴン流量は一定であり、例えば３０ｓｃｃｍ（１ｓｃｃｍは、標準状態において毎分１ｃｃの流量）に固定されている。まず、スパッタリング中の窒素流量を、例えば２０ｓｃｃｍとして１７秒保持することで第１抵抗層５ａを形成する。その後、窒素流量を、例えば１００ｓｃｃｍとして５秒保持することで第２抵抗層５ｂを形成する。ターゲットへの投入電力は、例えば１２キロワットの一定値としている。
【００２５】
本実施の形態１では、第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂの形成条件として、第１抵抗層５ａを形成する際の窒素流量を２０ｓｃｃｍ、第２抵抗層５ｂを形成する際の窒素流量を１００ｓｃｃｍとしたが、その理由について図４を用いて以下に説明する。
【００２６】
図４の縦軸は反応性直流スパッタリング法により形成した窒化タンタル膜の抵抗率または抵抗温度係数であり、横軸は窒素流量である。アルゴン流量は３０ｓｃｃｍ、投入電力は１２キロワットである。図４に示すように、窒素流量が増加するに従って、窒化タンタル膜の抵抗率は増加するが、抵抗温度係数は正から負へと変化する。そこで、第１抵抗層５ａの形成条件としては、抵抗温度係数がほぼ０になる２０ｓｃｃｍの窒素流量を採用した。また、第２抵抗層５ｂの形成条件としては、抵抗温度係数は−１８００ｐｐｍ／℃となるが、抵抗率は大幅に増大して２５００μΩｃｍとなる１００ｓｃｃｍの窒素流量を採用した。
【００２７】
次に、図５に示すように、第１レジストパターン７をマスクとしたドライエッチング法により第１絶縁膜６ａを加工して、非感光性絶縁膜からなる第１ハードマスク６を形成する。さらに、第１レジストパターン７を除去した後、第１ハードマスク６をマスクとしたドライエッチング法により第２抵抗層５ｂ及び第１抵抗層５ａを順次加工して、第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂからなる抵抗素子Ｒ１を形成する。
【００２８】
次に、図６に示すように、基板１の主面上に、酸化シリコン膜からなる第３層間絶縁膜８を形成する。酸化シリコン膜は、例えばプラズマＣＶＤ法により形成され、その厚さは１μｍである。続いて、フォトリソグラフィ法及びドライエッチング法により、第３層間絶縁膜８の所望の領域に第１及び第２接続孔９ａ，９ｂを形成する。この際、第１配線Ｍ１の表面の一部が露出するように第１接続孔９ａが形成され、抵抗素子Ｒ１の上部を構成する第２抵抗層５ｂの表面の一部が露出するように第２接続孔９ｂが形成される。
【００２９】
次に、図７に示すように、基板１の主面上に金属膜、例えばタングステン膜をスパッタリング法及びＣＶＤ法により形成した後、この金属膜をＣＭＰ法により研磨して、第１接続孔９ａの内部に第１プラグ１０ａを形成し、第２接続孔９ｂの内部に第２プラグ１０ｂを形成する。
【００３０】
次に、図８に示すように、基板１の主面上に、スパッタリング法により窒化チタン膜１１ｄ、アルミニウム合金膜１１及び窒化チタン膜１１ｕを順次形成した後、フォトリソグラフィ法及びドライエッチング法によりこれら積層膜を加工して、窒化チタン膜１１ｄ，１１ｕ及びアルミニウム合金膜１１からなる第２配線Ｍ２ａ，Ｍ２ｂを形成する。窒化チタン膜１１ｄ，１１ｕの厚さは、例えば５０ｎｍ、アルミニウム合金膜１１の厚さは、例えば４００ｎｍである。
【００３１】
図９に、抵抗素子の平面レイアウト図を示す。前記図１、図２及び図５〜図８に示した断面図は図９のＡ−Ａ'線における断面を示している。
【００３２】
図９に示すように、抵抗素子Ｒ１の一方の端部には、第２抵抗層５ｂに接して形成された第２プラグ１０ｂと第２配線Ｍ２ｂとからなる引き出し電極が形成され、抵抗素子Ｒ１の他方の端部には、第２抵抗層５ｂに接して形成された第３プラグ１０ｃと第２配線Ｍ２ｃとからなる引き出し電極が形成されている。第３プラグ１０ｃは前記第２プラグ１０ｂと同様に形成されたプラグであり、第２配線Ｍ２ｃは前記第２配線Ｍ２ｂと同様に形成された配線である。また、抵抗素子Ｒ１に隣接して、第１配線Ｍ１、第１プラグ１０ａ及び第２配線Ｍ２ａにより構成される配線が敷設してある。
【００３３】
次に、前述した製造方法により形成された抵抗素子Ｒ１の性能について以下に説明する。まず、本実施の形態１では、抵抗素子Ｒ１の第２抵抗層５ｂの厚さを５ｎｍとしたが、その効果について説明する。
【００３４】
本実施の形態１による抵抗素子Ｒ１の第２抵抗層５ｂの厚さを変えた場合の抵抗変化率を調べた。図１０は、抵抗素子の抵抗変化率と第２抵抗層の厚さとの関係を示すグラフ図である。図中、窒素濃度を一定とする窒化タンタル膜によって構成された抵抗層からなる抵抗素子（以下、従来の抵抗素子と記す）の抵抗変化率を一点破線で示す。従来の抵抗素子では、配線工程の熱処理を行うと１０％程度の抵抗変化率（抵抗増大）が生じる。これに対して、本実施の形態１による抵抗素子では、配線工程の熱処理を行った後の抵抗変動率は第２抵抗層の厚さに依存し、第２抵抗層の厚さが厚くなるに従って抵抗変動率は減少して、５ｎｍ以上の厚さにおいては、１％以下のほぼ一定の抵抗変化率が得られる。従って、第２抵抗層の厚さが少なくとも５ｎｍあれば、抵抗変化率を実用に適した１％以内の変動幅に抑えることができる。
【００３５】
さらに、従来の抵抗素子、及び第２抵抗層の厚さが５ｎｍの本実施の形態１による抵抗素子Ｒ１に対して、配線工程中の抵抗温度係数の変化率を求めたところ、従来の抵抗素子の場合は、抵抗温度係数が８０ｐｐｍ／℃から１１０ｐｐｍ／℃へと増加したが、本実施の形態１による抵抗素子Ｒ１の場合は、抵抗温度係数は２０ｐｐｍ／℃から２２ｐｐｍ／℃への微少な増加にとどまった。
【００３６】
また、本実施の形態１による抵抗素子Ｒ１の第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂを構成する窒化タンタル膜の組成を、エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析（Energy Dispersive X-ray Fluorescence Analysis：ＥＤＸ）機能を有する透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope：ＴＥＭ）を用いて調べた。その結果、第１抵抗層５ａを構成する窒化タンタル膜の窒素濃度は３０原子％未満（代表的な窒素濃度は２０原子％）であり、膜厚の方向に対してほぼ一定の組成を示した。一方、第２抵抗層５ｂを構成する窒化タンタル膜の窒素濃度は３０原子％以上（代表的な窒素濃度は３０原子％）であることがわかった。
【００３７】
また、本実施の形態１による抵抗素子Ｒ１の第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂを構成する窒化タンタル膜の結晶構造をＴＥＭを用いて調べた。その結果、第１抵抗層５ａを構成する窒化タンタル膜はＴａ２Ｎ結晶相を主たる構成相とし、第２抵抗層５ｂを構成する窒化タンタル膜は非晶質相とＴａＮ結晶相とからなる混合相を主たる構成相とすることが確認された。
【００３８】
このような窒素流量の違いによる窒化タンタル膜の結晶構造の違いは、窒化タンタル単層膜のＸ線回折測定結果からも得られた。図１１に、窒素流量を変えてスパッタリング法により形成した窒化タンタル膜のＸ線回折測定結果を示す。図１１に示すように、観察される回折ピークは窒素流量に依存する。窒素流量が２０ｓｃｃｍではＴａ２Ｎの回折ピークが強いが、窒素流量が６０ｓｃｃｍではＴａＮの回折ピークが強くなっており、窒素流量が増加するとＴａ２ＮからＴａＮへと変化することがわかる。
【００３９】
本実施の形態１では、第１抵抗層５ａ及び第２抵抗層５ｂの２層の抵抗層からなる抵抗素子Ｒ１を記載している。しかし、第１抵抗層５ａ及び第２抵抗層５ｂは同一成膜室で連続して形成されているので、窒素流量を２０ｓｃｃｍから１００ｓｃｃｍへ切り換えたとしても、実際には両者の界面は明確に分かれておらず、その界面においては約２ｎｍの厚さの範囲において窒素濃度に勾配を有している。従って、第１抵抗層５ａと第２抵抗層５ｂとを窒素濃度が異なる２つの領域を有する１層の抵抗層として考えることもできる。この場合、基板１と反対側に位置する第２抵抗層５ｂは、抵抗素子Ｒ１の窒素濃度を３０原子％以上、厚さを５ｎｍとする上部領域に該当する。
【００４０】
このように、本実施の形態１によれば、窒素とタンタルとを主要な構成元素とする窒化タンタル膜を抵抗素子の材料としていることから、金属膜からなる配線の上層に抵抗素子Ｒ１は形成できて、配線よりも基板１から離れて抵抗素子Ｒ１を配置することができるので、基板１と抵抗素子Ｒ１との間の寄生容量を小さくすることができる。また、窒化タンタル膜をスパッタリング法により形成する際に、スパッタリングガスに含まれる窒素ガスの比率を増加させることにより、抵抗素子Ｒ１の上部領域（第２抵抗層５ｂ）の窒化タンタル膜中の窒素濃度を、例えば３０原子％以上と高くし、また、その領域の窒化タンタル膜を非晶質とＴａＮ結晶との混合相とすることにより、配線工程の熱負荷を与えても抵抗素子Ｒ１の抵抗変動率を１％未満に抑えることができる。
【００４１】
なお、本実施の形態１では、第１抵抗層５ａとして、アルゴン流量３０ｓｃｃｍ、窒素流量２０ｓｃｃｍ、ターゲット電力１２キロワットの反応性直流スパッタリング法により形成した窒化タンタル膜を用いたが、これに限定されるものではない。前記図４に示したように、小さな抵抗温度係数が得られるのであれば、アルゴン流量、窒素流量、ターゲット電圧は任意に調整することは可能である。また、本実施の形態１では、直流スパッタリング法を用いたが、高周波（ＲＦ）スパッタリング法を用いることも可能である。
【００４２】
また、本実施の形態１では、第２抵抗層５ｂとして、アルゴン流量３０ｓｃｃｍ、窒素流量１００ｓｃｃｍ、ターゲット電力１２キロワットの反応性直流スパッタリング法により形成した窒化タンタル膜を用いたが、これに限定されるものではない。前記図４に示したように、高い抵抗率（目安として、例えば第１抵抗層５ａを構成する窒化タンタル膜の抵抗率の１０倍程度）が得られるのであれば、アルゴン流量、窒素流量、ターゲット電圧は任意に調整することは可能である。また、本実施の形態１では、直流スパッタリング法を用いたが、高周波（ＲＦ）スパッタリング法を用いることも可能である。
【００４３】
また、本実施の形態１では、第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂは同一成膜室にてターゲット電力を維持したまま成膜したが、これに限定されるものではない。第１抵抗層５ａと第２抵抗層５ｂとを別の成膜室で形成する、また、成膜中に一旦スパッタリング放電を止めたりすることも可能である。
【００４４】
また、本実施の形態１では、第１抵抗層５ａとして厚さ２０ｎｍの窒化タンタル膜を用い、第２抵抗層５ｂとして厚さ５ｎｍの窒化タンタル膜を用いたが、第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂの厚さはこれに限定されるものではない。第１抵抗層５ａの厚さは、回路設計上必要とされる抵抗層のシート抵抗と窒化タンタル膜の抵抗率とから決めることができる。第２抵抗層５ｂの厚さは、許容される抵抗変化率から決めることができる。前記図１０に示したように、第２抵抗層５ｂとして厚さ５ｎｍの窒化タンタル膜（窒素流量１００ｓｃｃｍにて成膜）を用いることにより、抵抗変化率は１％以内に抑制することは可能であるが、抵抗変化に対する要求が緩い場合には、第２抵抗層５ｂの厚さを５ｎｍ未満と薄くすることは可能である。一方、高温・長時間の熱処理が行われる場合や抵抗変化に対するマージンを十分に取りたい場合には、第２抵抗層５ｂの厚さを５ｎｍ以上と厚くすることも可能である。但し、窒素流量１００ｓｃｃｍにて成膜した窒化タンタル膜は抵抗率が高いことから、窒化タンタル膜の厚さが厚くなると第２プラグ１０ｂと第２抵抗層５ｂとの間の接続抵抗が高くなるので、例えば５〜１０ｎｍが適切な範囲と考えられる。
【００４５】
また、本実施の形態１では、前記図９に示したように、第２配線Ｍ２ｂ、第２プラグ１０ｂ、第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂ、第３プラグ１０ｃ、第２配線Ｍ２ｃを同一方向に配置しているが、これに限定されるものではない。第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂの形状、第２及び第３プラグ１０ｂ，１０ｃの位置、数量、第２配線Ｍ２ｂ，Ｍ２ｃの形状、引き出し方向等は必要に応じて変更することが可能である。
【００４６】
また、本実施の形態１では、第１ハードマスク６として、プラズマＣＶＤ法を用いて形成された厚さ１００ｎｍの窒化シリコン膜を用いたが、膜厚および材料はこれに限定されるものではない。非導電性でエッチング耐性が高く、成膜工程が配線工程に整合していれば、他の材料を使用することも可能である。たとえば、炭化シリコン膜、窒素含有炭化シリコン膜、窒化アルミニウム膜などを用いてもよい。また、第１ハードマスク６の膜厚は、第２抵抗層５ｂの膜厚やエッチング時の選択比などに応じて変更することが可能である。
【００４７】
また、本実施の形態１では、第１配線Ｍ１及び第２配線Ｍ２ａ，Ｍ２ｂ，Ｍ２ｃとして、バリアメタルとして機能する窒化チタン膜３ｄ，３ｕ，１１ｄ，１１ｕを上下層に形成したアルミニウム合金膜３，１１を用いたが、これに限定されるものではない。アルミニウム合金膜３，１１に代えて、タングステン膜等を用いることも可能である。また、窒化チタン膜３ｄ，３ｕ，１１ｄ，１１ｕに代えて、タンタル膜、タングステン膜及びその窒化物を主たる成分とする金属膜を用いることも可能であり、信頼度的に余裕がある場合は、バリアメタルを用いない配線構造を利用することも可能である。
【００４８】
また、本実施の形態１では、第１及び第２プラグ１０ａ，１０ｂは、ＣＶＤ法で形成したタングステン膜を第１及び第２接続孔９ａ，９ｂに充填し、これをＣＭＰ法により研磨することで形成したが、他の方法を用いることも可能である。
【００４９】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２による抵抗素子Ｒ２は、前述した実施の形態１による抵抗素子Ｒ１と同様に、窒化タンタル膜により構成されるものである。しかし、抵抗素子Ｒ２は、窒化タンタル膜に含まれる窒素濃度が前述した実施の形態１の抵抗素子Ｒ１と相違し、基板と反対側に位置する上部領域及び基板側に位置する下部領域の窒素濃度が中部領域の窒素濃度よりも高い抵抗素子である。以下に、本実施の形態２による抵抗素子Ｒ２を図１２に示す抵抗素子Ｒ２の要部断面図を用いて説明する。なお、抵抗素子Ｒ２を構成する窒化タンタル膜以外の構造及び製造過程等は、前述した実施の形態１と同様であるため、その説明は省略する。
【００５０】
本実施の形態２の抵抗素子Ｒ２を構成する窒化タンタル膜は、スパッタリングターゲット材料としてタンタルを用い、スパッタリングガスとしてアルゴンと窒素との混合ガスを用いた反応性直流スパッタリング法により、窒化タンタル膜からなる第３抵抗層（上記下部領域に該当）５ｃ、窒化タンタル膜からなる第１抵抗層（上記中部領域に該当）５ａ及び窒化タンタル膜からなる第２抵抗層（上記上部領域に該当）５ｂを順次積層することで形成される。第１抵抗層５ａを構成する窒化タンタル膜の厚さは、例えば２０ｎｍ、上層に位置する第２抵抗層５ｂ及び下層に位置する第３抵抗層５ｃを構成する窒化タンタル膜の厚さは、例えば５ｎｍである。
【００５１】
第３、第１及び第２抵抗層５ｃ，５ａ，５ｂを形成する際のスパッタリングシーケンスは以下の通りである。まず、スパッタリング中のアルゴン流量を、例えば３０ｓｃｃｍに固定し、窒素流量を、例えば１００ｓｃｃｍとして５秒保持することで第３抵抗層５ｃを形成し、窒素流量を、例えば２０ｓｃｃｍとして１７秒保持することで第１抵抗層５ａを形成し、その後、窒素流量を、例えば１００ｓｃｃｍとして５秒保持することで第２抵抗層５ｂを形成する。ターゲットへの投入電力は、例えば１２キロワットの一定値としている。
【００５２】
このようにして形成された抵抗素子Ｒ２では、上部領域及び下部領域に、窒素濃度が３０原子％以上で、非晶質相とＴａＮ結晶相とからなる混合相を主たる構成相とする窒化タンタル膜が形成されているので、前述した実施の形態１の効果に加え、さらに、抵抗素子Ｒ２の直下の第２層間絶縁膜４の透湿性が高く、抵抗素子Ｒ２の下面が酸化されるおそれのある場合であっても、抵抗素子Ｒ２の酸化による抵抗変動を抑制することができる。
【００５３】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３による抵抗素子Ｒ３は、前述した実施の形態１による抵抗素子Ｒ１と同様に、窒化タンタル膜により構成されるものである。しかし、抵抗素子Ｒ３では、第２層間絶縁膜４上に堆積した第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂの加工方法が前述した実施の形態１の加工方法と相違し、第１ハードマスク６を用いずに、第１レジストパターン７をマスクとして、第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂを加工する。以下に、本実施の形態３による抵抗素子Ｒ３の製造方法を図１３に示す抵抗素子Ｒ３の要部断面図を用いて説明する。なお、抵抗素子Ｒ３を構成する窒化タンタル膜以外の構造及び製造過程等は、前述した実施の形態１と同様であるため、その説明は省略する。
【００５４】
まず、前述した実施の形態１と同様にして、第２層間絶縁膜４上に第１抵抗層５ａ及び第２抵抗層５ｂを順次堆積する。次に、フォトリソグラフィ法を用いて第２抵抗層５ｂ上の所望の領域に感光性有機膜からなる第１レジストパターン７を形成し、この第１レジストパターン７をマスクとしたドライエッチング法により第２抵抗層５ｂ及び第１抵抗層５ａを順次加工して、第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂからなる抵抗素子Ｒ３を形成する。
【００５５】
このようにして形成された抵抗素子Ｒ３では、前述した実施の形態１と同様の効果を得ることができる。さらに、第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂを加工する際に、前述した実施の形態１で用いた第１ハードマスク６を用いずに、第１レジストパターン７をマスクとして加工しているので、工程数を削減することができ、また、微細加工時の寸法制御を容易とすることができる。第１レジストパターン７を除去する際、雰囲気中に含まれる酸化性ガスによって第１レジストパターン７の直下の第２抵抗層５ｂの表面が数ｎｍ程度酸化されるが、第２抵抗層５ｂは第１抵抗層５ａに比べてもともと高抵抗であるため、第１レジストパターン７を除去する際の酸化による抵抗変動を抑制することができる。
【００５６】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４による抵抗素子Ｒ４は、前述した実施の形態１による抵抗素子Ｒ１と同様に、窒化タンタル膜により構成されるものである。しかし、抵抗素子Ｒ４では、取り出し電極が前述した実施の形態１の取り出し電極と相違し、抵抗素子Ｒ４の下面に取り出し電極を設けている。以下に、本実施の形態４による抵抗素子Ｒ４の製造方法を図１４〜図１８に示す抵抗素子Ｒ４の要部断面図を用いて説明する。
【００５７】
まず、図１４に示すように、前述した実施の形態１と同様にして、基板１の主面上に、酸化シリコン膜からなる第１層間絶縁膜２を形成し、窒化チタン膜３ｄ，３ｕ及びアルミニウム合金膜３からなる第１配線Ｍ１ａ，Ｍ１ｂを形成し、続いて、第１配線Ｍ１ａ，Ｍ１ｂを被覆する酸化シリコン膜からなる第２層間絶縁膜４を形成する。
【００５８】
次に、フォトリソグラフィ法及びドライエッチング法により、第２層間絶縁膜４を加工して、第１配線Ｍ１ｂの表面の一部が露出するように第４接続孔４１を形成する。続いて、基板１の主面上に金属膜、例えばタングステン膜をスパッタリング法及びＣＶＤ法により形成した後、この金属膜をＣＭＰ法により研磨して、第４接続孔４１の内部に第４プラグ４２を形成する。
【００５９】
次に、図１５に示すように、前述した実施の形態１と同様にして、窒化タンタル膜からなる第１抵抗層５ａ及び窒化タンタル膜からなる第２抵抗層５ｂを順次形成し、さらに窒化シリコン膜からなる第１絶縁膜６ａを形成する。続いて、フォトリソグラフィ法を用いて形成された第１レジストパターン７をマスクとしたドライエッチング法により第１絶縁膜６ａを加工して、第１ハードマスク６を形成する。続いて、第１レジストパターン７を除去した後、第１ハードマスク６をマスクとしたドライエッチング法により第２抵抗層５ｂ及び第１抵抗層５ａを順次加工して、第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂからなる抵抗素子Ｒ４を形成する。
【００６０】
次に、図１６に示すように、基板１の主面上に、酸化シリコン膜からなる第３層間絶縁膜８を形成した後、フォトリソグラフィ法及びドライエッチング法により、第３層間絶縁膜８を加工して、第１配線Ｍ１ａの表面の一部が露出するように第５接続孔４３を形成する。
【００６１】
次に、図１７に示すように、基板１の主面上に金属膜、例えばタングステン膜をスパッタリング法及びＣＶＤ法により形成した後、この金属膜をＣＭＰ法により研磨して、第５接続孔４３の内部に第５プラグ４４を形成する。
【００６２】
次に、図１８に示すように、基板１の主面上に、スパッタリング法により窒化チタン膜１１ｄ、アルミニウム合金膜１１及び窒化チタン膜１１ｕを順次形成した後、フォトリソグラフィ法及びドライエッチング法によりこれら積層膜を加工して、第５プラグ４４と電気的に接続する第２配線Ｍ２ａを形成する。
【００６３】
図１９に、抵抗素子Ｒ４の平面レイアウト図を示す。前記図１４〜図１８に示した断面図は図１９のＡ−Ａ'線における断面を示している。
【００６４】
図１９に示すように、抵抗素子Ｒ４の一方の端部には、第１抵抗層５ａに接して形成された第４プラグ４２と第１配線Ｍ１ｂとからなる引き出し電極が形成され、抵抗素子Ｒ４の他方の端部には、第１抵抗層５ａに接して形成された第６プラグ４５と第１配線Ｍ１ｃとからなる引き出し電極が形成されている。第６プラグ４５は前記第４プラグ４２と同様に形成されたプラグであり、第１配線Ｍ１ｃは前記第１配線Ｍ１ｂと同様に形成された配線である。また、抵抗素子Ｒ４に隣接して、第１配線Ｍ１ａ、第５プラグ４４及び第２配線Ｍ２ａにより構成される配線が敷設してある。
【００６５】
なお、前述した実施の形態３と同様に、第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂを加工する際に、第１ハードマスク６を用いずに、第１レジストパターン７をマスクとして加工してもよい。
【００６６】
このようにして形成された抵抗素子Ｒ４では、前述した実施の形態１と同様の効果を得ることができる。さらに、抵抗素子Ｒ４の取り出し電極を抵抗素子Ｒ４の下面に設けることにより、基板１と抵抗素子Ｒ４との間の距離が相対的に長くなるので、抵抗素子Ｒ４の寄生容量が、例えば前述した実施の形態１による抵抗素子Ｒ１よりも小さくなり、高周波特性の面で好適である。
【００６７】
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５による抵抗素子Ｒ５は、前述した実施の形態１による抵抗素子Ｒ１と同様に、窒化タンタル膜により構成されるものである。しかし、第１配線Ｍ１及び第２配線Ｍ２ａ，Ｍ２ｂの形成方法が前述した実施の形態１の形成方法と相違し、第１配線Ｍ１及び第２配線Ｍ２ａ，Ｍ２ｂをダマシン法で形成する。以下に、本実施の形態５による抵抗素子Ｒ５の製造方法を図２０〜図２２に示す抵抗素子Ｒ５の要部断面図を用いて説明する。
【００６８】
まず、図２０に示すように、前述した実施の形態１と同様にして、基板１の主面上に、酸化シリコン膜からなる第１層間絶縁膜２を形成した後、シングルダマシン法により第１配線Ｍ１を形成する。第１配線Ｍ１は、例えば以下の製造過程により形成される。まず、第１層間絶縁膜２の所定の領域に、例えば５００ｎｍの深さの配線溝５１を形成する。続いて、基板１の主面上に、スパッタリング法により、例えば５０ｎｍの厚さの窒化タンタル膜及び１００ｎｍの厚さの銅膜を形成した後、硫酸銅溶液を主成分とする溶液を用いた電解めっき法により、例えば６００ｎｍの厚さの銅膜を堆積する。その後、銅膜及び窒化タンタル膜をＣＭＰ法により研磨することにより、配線溝５１の内部に銅膜及び窒化タンタル膜を埋め込んで、第１配線Ｍ１を形成する。
【００６９】
次に、基板１の主面上に、プラズマＣＶＤ法により窒化シリコン膜５２及び酸化シリコン膜からなる第２層間絶縁膜４を形成する。窒化シリコン膜５２は、後に第１配線Ｍ１に接続する接続孔を形成する際のエッチングのストッパ膜として機能する。
【００７０】
次に、図２１に示すように、前述した実施の形態１と同様にして、窒化タンタル膜からなる第１抵抗層５ａ及び窒化タンタル膜からなる第２抵抗層５ｂを順次形成し、さらに窒化シリコン膜からなる第１絶縁膜６ａを形成する。続いて、フォトリソグラフィ法を用いて形成された第１レジストパターン７をマスクとしたドライエッチング法により第１絶縁膜６ａを加工して、第１ハードマスク６を形成する。続いて、第１レジストパターン７を除去した後、第１ハードマスク６をマスクとしたドライエッチング法により第２抵抗層５ｂ及び第１抵抗層５ａを順次加工して、第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂからなる抵抗素子Ｒ５を形成する。
【００７１】
次に、図２２に示すように、基板１の主面上に、酸化シリコン膜からなる第３層間絶縁膜８を形成する。酸化シリコン膜は、例えばプラズマＣＶＤ法により形成され、その厚さは１．５μｍである。次に、デュエルダマシン法により第２配線Ｍ２ａ，Ｍ２ｂを形成する。第２配線Ｍ２ａ，Ｍ２ｂは、例えば以下の製造過程により形成される。まず、フォトリソグラフィ法により第３層間絶縁膜８上に配線溝加工用のレジストパターンを形成した後、配線溝加工用のレジストパターンをマスクとしたドライエッチング法により、第３層間絶縁膜８の所定の領域に、例えば５００ｎｍの深さの配線溝５３を形成する。続いて、配線溝加工用のレジストパターンを除去し、フォトリソグラフィ法により第３層間絶縁膜８上に接続孔加工用のレジストパターンを形成した後、接続孔加工用のレジストパターンをマスクとしたドライエッチング法により、第２及び第３層間絶縁膜４，８に第１配線Ｍ１または第２抵抗層５ｂに接する接続孔５４を形成する。ここで、第１ハードマスク６及び窒化シリコン膜５２は、エッチングのストッパ膜として機能する。続いて、接続孔５４の底部の第１ハードマスク６及び窒化シリコン膜５２を除去する。
【００７２】
次に、基板１の主面上に、スパッタリング法により、例えば５０ｎｍの厚さの窒化タンタル膜及び１００ｎｍの厚さの銅膜を形成した後、硫酸銅溶液を主成分とする溶液を用いた電解めっき法により、例えば６００ｎｍの厚さの銅膜を堆積する。その後、銅膜及び窒化タンタル膜をＣＭＰ法により研磨することにより、配線溝５３及び接続孔５４の内部に銅膜及び窒化タンタル膜を埋め込み、第２配線Ｍ２ａ，Ｍ２ｂを形成する。
【００７３】
なお、前述した実施の形態２と同様に、抵抗素子Ｒ５の上部領域及び下部領域に窒素濃度が３０原子％以上で、非晶質相とＴａＮ結晶相とからなる混合相を主たる構成相とする窒化タンタル膜を形成してもよい。また、前述した実施の形態３と同様に、第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂを加工する際に、第１ハードマスク６を用いずに、第１レジストパターン７をマスクとして加工してもよい。
【００７４】
このようにして形成された抵抗素子Ｒ５では、前述した実施の形態１と同様の効果を得ることができる。さらに、第１配線Ｍ１及び第２配線Ｍ２ａ，Ｍ２ｂの配線材料として銅を用いているので、第１配線Ｍ１及び第２配線Ｍ２ａ，Ｍ２ｂの寄生抵抗を小さくすることができて、抵抗素子Ｒ５の寄生成分が、例えば前述した実施の形態１の抵抗素子Ｒ１よりも小さくなり、高周波特性の面で好適である。
【００７５】
（実施の形態６）
本発明の実施の形態６による抵抗素子Ｒ６は、前述した実施の形態１による抵抗素子Ｒ１と同様に、窒化タンタル膜により構成されるものである。しかし、抵抗素子Ｒ６の上部領域への窒素の導入方法が前述した実施の形態１の窒素の導入方法と相違する。以下に、本実施の形態６による抵抗素子Ｒ６の製造方法を図２３及び図２４に示す抵抗素子Ｒ６の要部断面図を用いて説明する。なお、抵抗素子Ｒ６を構成する窒化タンタル膜以外の構造及び製造過程等は、前述した実施の形態１と同様であるため、その説明は省略する。
【００７６】
まず、前述した実施の形態１と同様にして、第２層間絶縁膜４上に第１抵抗層５ａを堆積する。次に、図２３に示すように、誘導結合型プラズマ（Inductively Coupled Plasma：ＩＣＰ）法により第１抵抗層５ａの表面にプラズマ窒化層６１を形成する。ＩＣＰチャンバにアンモニアガスを含む混合ガスを導入して第１抵抗層５ａの表面をプラズマ窒化することにより、窒素濃度が３０原子％以上で非晶質のプラズマ窒化層６１が形成される。プラズマ窒化層６１の厚さは、例えば１０ｎｍである。また、プラズマ窒化層６１の下に位置し、第１抵抗層５ａを構成する窒化シリコン膜の窒素濃度は２２％、結晶相はＴａ２Ｎ結晶であり、誘導結合型プラズマプラズマ法による第１抵抗層５ａを構成する窒化シリコン膜の窒素濃度及び結晶相への影響は見られなかった。
【００７７】
次に、図２４に示すように、前述した実施の形態１と同様にして、プラズマ窒化層６１上に第１絶縁膜６ａを形成し、第１レジストパターン７をマスクとして第１絶縁膜６ａを加工して、第１ハードマスク６を形成する。続いて、第１レジストパターン７を除去した後、第１ハードマスク６をマスクとしたドライエッチング法によりプラズマ窒化層６１及び第１抵抗層５ａを順次加工して、プラズマ窒化層６１及び第１抵抗層５ａからなる抵抗素子Ｒ６を形成する。
【００７８】
なお、アンモニアガスを用いて窒化タンタル膜の上部領域のプラズマ窒化を行ったが、窒素原子を含む雰囲気に第１抵抗層５ａの表面をさらすことにより、第１抵抗層５ａの上部領域に窒素が導入されればよく、用いるガスまたは窒化の方法はこれに限定されるものではない。例えば原子状窒素（窒素ラジカル）を用いることも可能である、また、窒化する厚さは、１０ｎｍに限定されるものではなく、要求される抵抗変化率などに応じて調整することは可能である。
【００７９】
このようにして形成された抵抗素子Ｒ６では、前述した実施の形態１と同様の効果を得ることができる。さらに、窒化タンタル膜のプラズマ窒化により、窒素濃度が３０原子％以上で、非晶質の上部領域を有する抵抗素子Ｒ６を容易に形成することができる。
【００８０】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明は、半導体装置に含まれる基板の主面上に形成された金属膜からなる抵抗素子に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の実施の形態１による抵抗素子の製造方法を示す要部断面図である。
【図２】図１に続く抵抗素子の製造工程中の図１と同じ箇所の要部断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１による抵抗層を形成する際のスパッタリングシーケンスを示すグラフ図である。
【図４】本発明の実施の形態１による反応性直流スパッタリング法により形成した窒化タンタル膜の抵抗率または抵抗温度係数の窒素流量依存性を示すグラフ図である。
【図５】図２に続く抵抗素子の製造工程中の図１と同じ箇所の要部断面図である。
【図６】図５に続く抵抗素子の製造工程中の図１と同じ箇所の要部断面図である。
【図７】図６に続く抵抗素子の製造工程中の図１と同じ箇所の要部断面図である。
【図８】図７に続く抵抗素子の製造工程中の図１と同じ箇所の要部断面図である。
【図９】本発明の実施の形態１による抵抗素子の平面レイアウト図である。
【図１０】本発明の実施の形態１による抵抗素子の抵抗変化率と第２抵抗層の厚さとの関係を示すグラフ図である。
【図１１】本発明の実施の形態１による窒素流量を変えてスパッタリング法により形成した窒化タンタル膜のＸ線回折パターンを示す解析図である。
【図１２】本発明の実施の形態２による抵抗素子の製造方法を示す要部断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態３による抵抗素子の製造方法を示す要部断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態４による抵抗素子の製造方法を示す要部断面図である。
【図１５】図１４に続く抵抗素子の製造工程中の図１４と同じ箇所の要部断面図である。
【図１６】図１５に続く抵抗素子の製造工程中の図１４と同じ箇所の要部断面図である。
【図１７】図１６に続く抵抗素子の製造工程中の図１４と同じ箇所の要部断面図である。
【図１８】図１７に続く抵抗素子の製造工程中の図１４と同じ箇所の要部断面図である。
【図１９】本発明の実施の形態４による抵抗素子の平面レイアウト図である。
【図２０】本発明の実施の形態５による抵抗素子の製造方法を示す要部断面図である。
【図２１】図２０に続く抵抗素子の製造工程中の図２０と同じ箇所の要部断面図である。
【図２２】図２１に続く抵抗素子の製造工程中の図２０と同じ箇所の要部断面図である。
【図２３】本発明の実施の形態６による抵抗素子の製造方法を示す要部断面図である。
【図２４】図２３に続く抵抗素子の製造工程中の図２３と同じ箇所の要部断面図である。
【符号の説明】
【００８３】
１ 基板
２ 第１層間絶縁膜
３ アルミニウム合金膜
３ｄ 窒化チタン膜
３ｕ 窒化チタン膜
４ 第２層間絶縁膜
５ａ 第１抵抗層
５ｂ 第２抵抗層
５ｃ 第３抵抗層
６ 第１ハードマスク
６ａ 第１絶縁膜
７ 第１レジストパターン
８ 第３層間絶縁膜
９ａ 第１接続孔
９ｂ 第２接続孔
１０ａ 第１プラグ
１０ｂ 第２プラグ
１０ｃ 第３プラグ
１１ アルミニウム合金膜
１１ｄ 窒化チタン膜
１１ｕ 窒化チタン膜
４１ 第４接続孔
４２ 第４プラグ
４３ 第５接続孔
４４ 第５プラグ
４５ 第６プラグ
５１ 配線溝
５２ 窒化シリコン膜
５３ 配線溝
５４ 接続孔
６１ プラズマ窒化層
Ｍ１，Ｍ１ａ，Ｍ１ｂ，Ｍ１ｃ 第１配線
Ｍ２ａ，Ｍ２ｂ，Ｍ２ｃ 第２配線
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６ 抵抗素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置およびその製造技術に関し、特に、金属膜からなる抵抗素子を有する半導体装置およびその製造に適用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アナログ信号を取り扱う半導体装置においては、容量素子、抵抗素子、インダクタ素子等の受動素子が集積回路の重要な構成要素となる。従来、これら受動素子は半導体チップの中に作りこむことが困難であったため、実装基板上に外付け部品として搭載されていた。しかしながら、近年、システムの高速化、省スペース化へのニーズが強くなっていることから、これら受動素子を半導体チップの内部へ取り込む試みがなされている。
【０００３】
半導体チップの内部に抵抗素子を形成する方法としては、幾つかの方法が提案されているが、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により成膜された多結晶シリコン膜を所望のパターンに加工し、これを抵抗素子とする形成方法が広く用いられている。例えば特開昭５４−８３７８６号公報（特許文献１）などに多結晶シリコン膜を用いた抵抗素子の形成方法が開示されている。
【０００４】
また、抵抗素子の材料として低温形成が可能な金属膜を用いる方法が提案されている。一般的に金属膜は、成膜温度の低いスパッタリング法またはプラズマＣＶＤ法を用いても高品質の膜を得ることができる。このため、アルミニウムや銅を用いた配線を形成した後でも抵抗素子を形成することができるので、寄生容量が少なく、高周波特性に優れた抵抗素子の提供が可能となる。例えば特開昭５６−６４４０５号公報（特許文献２）などに金属膜を用いた抵抗素子の形成方法が記載されている。
【特許文献１】特開昭５４−８３７８６号公報
【特許文献２】特開昭５６−６４４０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、多結晶シリコン膜からなる抵抗素子については、以下に説明する種々の技術的課題が存在する。
【０００６】
抵抗素子の材料である多結晶シリコン膜は、一般に、成膜時の温度が７００℃程度となる低圧ＣＶＤ法により形成されるため、金属膜（例えばアルミニウムや銅）からなる配線を形成する前に、抵抗素子を形成する必要がある。このため、金属膜からなる配線よりも基板に近い位置に抵抗素子が形成されるので、基板と抵抗素子との間に寄生容量が発生し、高周波特性が劣化するという問題がある。
【０００７】
また、金属膜からなる抵抗素子については、以下に説明する種々の技術的課題が存在する。
【０００８】
金属膜からなる抵抗素子は、金属膜からなる配線を形成した後に形成することができるので、抵抗素子の寄生容量を減らすことができる。また、例えば正のＴＣＲ（Temperature Coefficient of Resistance：抵抗温度係数）を持つタンタル膜及び負のＴＣＲを持つ窒化タンタル膜を積層した抵抗素子では、ＴＣＲをほぼ０にすることもできる。しかし、金属膜からなる抵抗素子は、その後の配線工程の熱履歴に応じて抵抗値が変動するという問題がある。具体的には、抵抗素子を形成した後に配線を形成すると、抵抗素子の抵抗値が増加し、その抵抗値は配線層数が増すに従ってさらに増加するため、多層配線を有するアナログ信号を取り扱う集積回路では、アナログ特性の著しい劣化を招いてしまう。本発明者らによって、抵抗値が増加した抵抗素子の構造観察及び組成分析を行ったところ、抵抗素子の上面及び下面の端部が酸化されて酸化タンタル膜が形成されており、配線層数が多いほどこの酸化タンタル膜の厚さが増していることが明らかとなった。この酸化タンタル膜は、配線を形成する際に、抵抗素子の周囲を被覆している層間絶縁膜中に含まれる酸素または水分が抵抗素子を構成するタンタル膜または窒化タンタル膜と反応して形成されたと考えられる。従って、金属膜からなる抵抗素子では、寄生容量を低減することはできるが、その後の熱処理によって抵抗値が増大し、所望する抵抗値が得られないという問題が生じる。
【０００９】
本発明の目的は、寄生容量が低く、かつ、熱処理による抵抗値の変動が小さい抵抗素子を有する半導体装置を得ることのできる技術を提供することにある。
【００１０】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００１２】
本発明の半導体装置は、基板の主面上に窒素とタンタルとを主要な構成元素とする抵抗素子を備えており、抵抗素子の５〜１０ｎｍの厚さの上部領域は、窒素濃度を３０原子％以上含み、非晶質相とＴａＮ結晶相とを主たる構成相とするものである。
【００１３】
本発明による半導体装置の製造方法は、基板の主面上に第１配線を形成する工程と、基板の主面上に第１配線を被覆する層間絶縁膜を形成する工程と、タンタルをターゲット材料とし、窒素ガスを含む混合ガスを用いたスパッタリング法により、層間絶縁膜上に第１混合ガスを用いて第１抵抗層を形成し、続いて、第１抵抗層上に第１混合ガスよりも窒素ガスの比率の高い第２混合ガスを用いて第２抵抗層を形成し、第１窒素濃度を含む第１抵抗層と、第１窒素濃度よりも窒素濃度の高い第２窒素濃度を含む第２抵抗層とからなる窒素とタンタルとを主要な構成元素とする抵抗層を形成する工程と、抵抗層を加工して、抵抗素子を形成する工程とを有するものである。
【００１４】
本発明による半導体装置の製造方法は、基板の主面上に第１配線を形成する工程と、基板の主面上に第１配線を被覆する層間絶縁膜を形成する工程と、タンタルをターゲット材料とし、窒素ガスを含む混合ガスを用いたスパッタリング法により、層間絶縁膜上に第１窒素濃度を含む第１抵抗層を形成する工程と、窒素原子を含む雰囲気に第１抵抗層の表面をさらして第１抵抗層の上部領域に窒素原子を導入し、第１窒素濃度よりも窒素濃度の高い第２窒素濃度を含む第２抵抗層を形成して、第１抵抗層と第２抵抗層とからなる窒素とタンタルとを主要な構成元素とする抵抗層を形成する工程と、抵抗層を加工して、抵抗素子を形成する工程とを有するものである。
【発明の効果】
【００１５】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００１６】
窒素とタンタルとを主要な構成元素とし、配線工程の熱負荷を与えても抵抗変動率を１％未満に抑えることができる抵抗素子が得られるので、寄生容量が低く、かつ、熱処理による抵抗値の変動が小さい抵抗素子を有する半導体装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
【００１８】
また、本実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。さらに、本実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、本実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【００１９】
また、本実施の形態において、ウエハと言うときは、Ｓｉ（Silicon）単結晶ウエハを主とするが、それのみではなく、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハ、集積回路をその上に形成するための絶縁膜基板等を指すものとする。その形も円形またはほぼ円形のみでなく、正方形、長方形等も含むものとする。
【００２０】
また、本実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１による抵抗素子の形成方法の一例を図１から図１１を用いて工程順に説明する。図１及び図２は抵抗素子の製造方法を示す要部断面図、図３は抵抗層を形成する際のスパッタリングシーケンスを示すグラフ図、図４は反応性直流スパッタリング法により形成した窒化タンタル膜の抵抗率または抵抗温度係数の窒素流量依存性を示すグラフ図、図５〜図８は抵抗素子の製造方法を示す要部断面図、図９は抵抗素子の平面レイアウト図、図１０は抵抗素子の抵抗変化率と第２抵抗層の厚さとの関係を示すグラフ図、図１１は窒素流量を変えてスパッタリング法により形成した窒化タンタル膜のＸ線回折パターンを示す解析図である。
【００２２】
まず、図１に示すように、半導体素子（図示は省略）が形成された基板１の主面上に、酸化シリコン膜からなる第１層間絶縁膜２を形成する。この酸化シリコン膜は、例えばプラズマＣＶＤ法により形成され、その厚さは、例えば１μｍである。続いて、スパッタリング法により窒化チタン膜３ｄ、アルミニウム合金膜３及び窒化チタン膜３ｕを順次形成した後、フォトリソグラフィ法及びドライエッチング法によりこれら積層膜を加工して、窒化チタン膜３ｄ，３ｕ及びアルミニウム合金膜３からなる第１配線Ｍ１を形成する。窒化チタン膜３ｄ，３ｕの厚さは、例えば５０ｎｍ、アルミニウム合金膜３の厚さは、例えば４００ｎｍである。続いて、基板１の主面上に第１配線Ｍ１を被覆する、例えば厚さ１．５μｍの酸化シリコン膜を、例えばプラズマＣＶＤ法により形成した後、この酸化シリコン膜の表面をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により研磨して、酸化シリコン膜からなる第２層間絶縁膜４を形成する。
【００２３】
次に、図２に示すように、スパッタリングターゲット材料としてタンタルを用い、スパッタリングガスとしてアルゴンと窒素との混合ガスを用いた反応性直流スパッタリング法により、窒素とタンタルとを主要な構成元素とする、いわゆる窒化タンタル膜からなる第１抵抗層５ａ及び窒化タンタル膜からなる第２抵抗層５ｂを順次形成する。第１抵抗層５ａと第２抵抗層５ｂとは同一成膜室にて連続して形成されるが、後に説明するように、形成条件が互いに異なる。第１抵抗層５ａを構成する窒化タンタル膜の厚さは、例えば２０ｎｍ、第２抵抗層５ｂを構成する窒化タンタル膜の厚さは、例えば５ｎｍである。続いて、アンモニアとモノシランガスを用いたプラズマＣＶＤ法により窒化シリコン膜からなる第１絶縁膜６ａを形成する。第１絶縁膜６ａの厚さは、例えば１００ｎｍである。その後、フォトリソグラフィ法を用いて第１絶縁膜６ａ上の所望の領域に感光性有機膜からなる第１レジストパターン７を形成する。
【００２４】
図３に、第１及び第２抵抗層５ａ、５ｂを形成する際のスパッタリングシーケンスの一例を示す。図３の縦軸はアルゴンまたは窒素の流量であり、横軸はプロセス時間である。スパッタリング中のアルゴン流量は一定であり、例えば３０ｓｃｃｍ（１ｓｃｃｍは、標準状態において毎分１ｃｃの流量）に固定されている。まず、スパッタリング中の窒素流量を、例えば２０ｓｃｃｍとして１７秒保持することで第１抵抗層５ａを形成する。その後、窒素流量を、例えば１００ｓｃｃｍとして５秒保持することで第２抵抗層５ｂを形成する。ターゲットへの投入電力は、例えば１２キロワットの一定値としている。
【００２５】
本実施の形態１では、第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂの形成条件として、第１抵抗層５ａを形成する際の窒素流量を２０ｓｃｃｍ、第２抵抗層５ｂを形成する際の窒素流量を１００ｓｃｃｍとしたが、その理由について図４を用いて以下に説明する。
【００２６】
図４の縦軸は反応性直流スパッタリング法により形成した窒化タンタル膜の抵抗率または抵抗温度係数であり、横軸は窒素流量である。アルゴン流量は３０ｓｃｃｍ、投入電力は１２キロワットである。図４に示すように、窒素流量が増加するに従って、窒化タンタル膜の抵抗率は増加するが、抵抗温度係数は正から負へと変化する。そこで、第１抵抗層５ａの形成条件としては、抵抗温度係数がほぼ０になる２０ｓｃｃｍの窒素流量を採用した。また、第２抵抗層５ｂの形成条件としては、抵抗温度係数は−１８００ｐｐｍ／℃となるが、抵抗率は大幅に増大して２５００μΩｃｍとなる１００ｓｃｃｍの窒素流量を採用した。
【００２７】
次に、図５に示すように、第１レジストパターン７をマスクとしたドライエッチング法により第１絶縁膜６ａを加工して、非感光性絶縁膜からなる第１ハードマスク６を形成する。さらに、第１レジストパターン７を除去した後、第１ハードマスク６をマスクとしたドライエッチング法により第２抵抗層５ｂ及び第１抵抗層５ａを順次加工して、第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂからなる抵抗素子Ｒ１を形成する。
【００２８】
次に、図６に示すように、基板１の主面上に、酸化シリコン膜からなる第３層間絶縁膜８を形成する。酸化シリコン膜は、例えばプラズマＣＶＤ法により形成され、その厚さは１μｍである。続いて、フォトリソグラフィ法及びドライエッチング法により、第３層間絶縁膜８の所望の領域に第１及び第２接続孔９ａ，９ｂを形成する。この際、第１配線Ｍ１の表面の一部が露出するように第１接続孔９ａが形成され、抵抗素子Ｒ１の上部を構成する第２抵抗層５ｂの表面の一部が露出するように第２接続孔９ｂが形成される。
【００２９】
次に、図７に示すように、基板１の主面上に金属膜、例えばタングステン膜をスパッタリング法及びＣＶＤ法により形成した後、この金属膜をＣＭＰ法により研磨して、第１接続孔９ａの内部に第１プラグ１０ａを形成し、第２接続孔９ｂの内部に第２プラグ１０ｂを形成する。
【００３０】
次に、図８に示すように、基板１の主面上に、スパッタリング法により窒化チタン膜１１ｄ、アルミニウム合金膜１１及び窒化チタン膜１１ｕを順次形成した後、フォトリソグラフィ法及びドライエッチング法によりこれら積層膜を加工して、窒化チタン膜１１ｄ，１１ｕ及びアルミニウム合金膜１１からなる第２配線Ｍ２ａ，Ｍ２ｂを形成する。窒化チタン膜１１ｄ，１１ｕの厚さは、例えば５０ｎｍ、アルミニウム合金膜１１の厚さは、例えば４００ｎｍである。
【００３１】
図９に、抵抗素子の平面レイアウト図を示す。前記図１、図２及び図５〜図８に示した断面図は図９のＡ−Ａ'線における断面を示している。
【００３２】
図９に示すように、抵抗素子Ｒ１の一方の端部には、第２抵抗層５ｂに接して形成された第２プラグ１０ｂと第２配線Ｍ２ｂとからなる引き出し電極が形成され、抵抗素子Ｒ１の他方の端部には、第２抵抗層５ｂに接して形成された第３プラグ１０ｃと第２配線Ｍ２ｃとからなる引き出し電極が形成されている。第３プラグ１０ｃは前記第２プラグ１０ｂと同様に形成されたプラグであり、第２配線Ｍ２ｃは前記第２配線Ｍ２ｂと同様に形成された配線である。また、抵抗素子Ｒ１に隣接して、第１配線Ｍ１、第１プラグ１０ａ及び第２配線Ｍ２ａにより構成される配線が敷設してある。
【００３３】
次に、前述した製造方法により形成された抵抗素子Ｒ１の性能について以下に説明する。まず、本実施の形態１では、抵抗素子Ｒ１の第２抵抗層５ｂの厚さを５ｎｍとしたが、その効果について説明する。
【００３４】
本実施の形態１による抵抗素子Ｒ１の第２抵抗層５ｂの厚さを変えた場合の抵抗変化率を調べた。図１０は、抵抗素子の抵抗変化率と第２抵抗層の厚さとの関係を示すグラフ図である。図中、窒素濃度を一定とする窒化タンタル膜によって構成された抵抗層からなる抵抗素子（以下、従来の抵抗素子と記す）の抵抗変化率を一点破線で示す。従来の抵抗素子では、配線工程の熱処理を行うと１０％程度の抵抗変化率（抵抗増大）が生じる。これに対して、本実施の形態１による抵抗素子では、配線工程の熱処理を行った後の抵抗変動率は第２抵抗層の厚さに依存し、第２抵抗層の厚さが厚くなるに従って抵抗変動率は減少して、５ｎｍ以上の厚さにおいては、１％以下のほぼ一定の抵抗変化率が得られる。従って、第２抵抗層の厚さが少なくとも５ｎｍあれば、抵抗変化率を実用に適した１％以内の変動幅に抑えることができる。
【００３５】
さらに、従来の抵抗素子、及び第２抵抗層の厚さが５ｎｍの本実施の形態１による抵抗素子Ｒ１に対して、配線工程中の抵抗温度係数の変化率を求めたところ、従来の抵抗素子の場合は、抵抗温度係数が８０ｐｐｍ／℃から１１０ｐｐｍ／℃へと増加したが、本実施の形態１による抵抗素子Ｒ１の場合は、抵抗温度係数は２０ｐｐｍ／℃から２２ｐｐｍ／℃への微少な増加にとどまった。
【００３６】
また、本実施の形態１による抵抗素子Ｒ１の第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂを構成する窒化タンタル膜の組成を、エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析（Energy Dispersive X-ray Fluorescence Analysis：ＥＤＸ）機能を有する透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope：ＴＥＭ）を用いて調べた。その結果、第１抵抗層５ａを構成する窒化タンタル膜の窒素濃度は３０原子％未満（代表的な窒素濃度は２０原子％）であり、膜厚の方向に対してほぼ一定の組成を示した。一方、第２抵抗層５ｂを構成する窒化タンタル膜の窒素濃度は３０原子％以上（代表的な窒素濃度は３０原子％）であることがわかった。
【００３７】
また、本実施の形態１による抵抗素子Ｒ１の第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂを構成する窒化タンタル膜の結晶構造をＴＥＭを用いて調べた。その結果、第１抵抗層５ａを構成する窒化タンタル膜はＴａ２Ｎ結晶相を主たる構成相とし、第２抵抗層５ｂを構成する窒化タンタル膜は非晶質相とＴａＮ結晶相とからなる混合相を主たる構成相とすることが確認された。
【００３８】
このような窒素流量の違いによる窒化タンタル膜の結晶構造の違いは、窒化タンタル単層膜のＸ線回折測定結果からも得られた。図１１に、窒素流量を変えてスパッタリング法により形成した窒化タンタル膜のＸ線回折測定結果を示す。図１１に示すように、観察される回折ピークは窒素流量に依存する。窒素流量が２０ｓｃｃｍではＴａ２Ｎの回折ピークが強いが、窒素流量が６０ｓｃｃｍではＴａＮの回折ピークが強くなっており、窒素流量が増加するとＴａ２ＮからＴａＮへと変化することがわかる。
【００３９】
本実施の形態１では、第１抵抗層５ａ及び第２抵抗層５ｂの２層の抵抗層からなる抵抗素子Ｒ１を記載している。しかし、第１抵抗層５ａ及び第２抵抗層５ｂは同一成膜室で連続して形成されているので、窒素流量を２０ｓｃｃｍから１００ｓｃｃｍへ切り換えたとしても、実際には両者の界面は明確に分かれておらず、その界面においては約２ｎｍの厚さの範囲において窒素濃度に勾配を有している。従って、第１抵抗層５ａと第２抵抗層５ｂとを窒素濃度が異なる２つの領域を有する１層の抵抗層として考えることもできる。この場合、基板１と反対側に位置する第２抵抗層５ｂは、抵抗素子Ｒ１の窒素濃度を３０原子％以上、厚さを５ｎｍとする上部領域に該当する。
【００４０】
このように、本実施の形態１によれば、窒素とタンタルとを主要な構成元素とする窒化タンタル膜を抵抗素子の材料としていることから、金属膜からなる配線の上層に抵抗素子Ｒ１は形成できて、配線よりも基板１から離れて抵抗素子Ｒ１を配置することができるので、基板１と抵抗素子Ｒ１との間の寄生容量を小さくすることができる。また、窒化タンタル膜をスパッタリング法により形成する際に、スパッタリングガスに含まれる窒素ガスの比率を増加させることにより、抵抗素子Ｒ１の上部領域（第２抵抗層５ｂ）の窒化タンタル膜中の窒素濃度を、例えば３０原子％以上と高くし、また、その領域の窒化タンタル膜を非晶質とＴａＮ結晶との混合相とすることにより、配線工程の熱負荷を与えても抵抗素子Ｒ１の抵抗変動率を１％未満に抑えることができる。
【００４１】
なお、本実施の形態１では、第１抵抗層５ａとして、アルゴン流量３０ｓｃｃｍ、窒素流量２０ｓｃｃｍ、ターゲット電力１２キロワットの反応性直流スパッタリング法により形成した窒化タンタル膜を用いたが、これに限定されるものではない。前記図４に示したように、小さな抵抗温度係数が得られるのであれば、アルゴン流量、窒素流量、ターゲット電圧は任意に調整することは可能である。また、本実施の形態１では、直流スパッタリング法を用いたが、高周波（ＲＦ）スパッタリング法を用いることも可能である。
【００４２】
また、本実施の形態１では、第２抵抗層５ｂとして、アルゴン流量３０ｓｃｃｍ、窒素流量１００ｓｃｃｍ、ターゲット電力１２キロワットの反応性直流スパッタリング法により形成した窒化タンタル膜を用いたが、これに限定されるものではない。前記図４に示したように、高い抵抗率（目安として、例えば第１抵抗層５ａを構成する窒化タンタル膜の抵抗率の１０倍程度）が得られるのであれば、アルゴン流量、窒素流量、ターゲット電圧は任意に調整することは可能である。また、本実施の形態１では、直流スパッタリング法を用いたが、高周波（ＲＦ）スパッタリング法を用いることも可能である。
【００４３】
また、本実施の形態１では、第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂは同一成膜室にてターゲット電力を維持したまま成膜したが、これに限定されるものではない。第１抵抗層５ａと第２抵抗層５ｂとを別の成膜室で形成する、また、成膜中に一旦スパッタリング放電を止めたりすることも可能である。
【００４４】
また、本実施の形態１では、第１抵抗層５ａとして厚さ２０ｎｍの窒化タンタル膜を用い、第２抵抗層５ｂとして厚さ５ｎｍの窒化タンタル膜を用いたが、第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂの厚さはこれに限定されるものではない。第１抵抗層５ａの厚さは、回路設計上必要とされる抵抗層のシート抵抗と窒化タンタル膜の抵抗率とから決めることができる。第２抵抗層５ｂの厚さは、許容される抵抗変化率から決めることができる。前記図１０に示したように、第２抵抗層５ｂとして厚さ５ｎｍの窒化タンタル膜（窒素流量１００ｓｃｃｍにて成膜）を用いることにより、抵抗変化率は１％以内に抑制することは可能であるが、抵抗変化に対する要求が緩い場合には、第２抵抗層５ｂの厚さを５ｎｍ未満と薄くすることは可能である。一方、高温・長時間の熱処理が行われる場合や抵抗変化に対するマージンを十分に取りたい場合には、第２抵抗層５ｂの厚さを５ｎｍ以上と厚くすることも可能である。但し、窒素流量１００ｓｃｃｍにて成膜した窒化タンタル膜は抵抗率が高いことから、窒化タンタル膜の厚さが厚くなると第２プラグ１０ｂと第２抵抗層５ｂとの間の接続抵抗が高くなるので、例えば５〜１０ｎｍが適切な範囲と考えられる。
【００４５】
また、本実施の形態１では、前記図９に示したように、第２配線Ｍ２ｂ、第２プラグ１０ｂ、第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂ、第３プラグ１０ｃ、第２配線Ｍ２ｃを同一方向に配置しているが、これに限定されるものではない。第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂの形状、第２及び第３プラグ１０ｂ，１０ｃの位置、数量、第２配線Ｍ２ｂ，Ｍ２ｃの形状、引き出し方向等は必要に応じて変更することが可能である。
【００４６】
また、本実施の形態１では、第１ハードマスク６として、プラズマＣＶＤ法を用いて形成された厚さ１００ｎｍの窒化シリコン膜を用いたが、膜厚および材料はこれに限定されるものではない。非導電性でエッチング耐性が高く、成膜工程が配線工程に整合していれば、他の材料を使用することも可能である。たとえば、炭化シリコン膜、窒素含有炭化シリコン膜、窒化アルミニウム膜などを用いてもよい。また、第１ハードマスク６の膜厚は、第２抵抗層５ｂの膜厚やエッチング時の選択比などに応じて変更することが可能である。
【００４７】
また、本実施の形態１では、第１配線Ｍ１及び第２配線Ｍ２ａ，Ｍ２ｂ，Ｍ２ｃとして、バリアメタルとして機能する窒化チタン膜３ｄ，３ｕ，１１ｄ，１１ｕを上下層に形成したアルミニウム合金膜３，１１を用いたが、これに限定されるものではない。アルミニウム合金膜３，１１に代えて、タングステン膜等を用いることも可能である。また、窒化チタン膜３ｄ，３ｕ，１１ｄ，１１ｕに代えて、タンタル膜、タングステン膜及びその窒化物を主たる成分とする金属膜を用いることも可能であり、信頼度的に余裕がある場合は、バリアメタルを用いない配線構造を利用することも可能である。
【００４８】
また、本実施の形態１では、第１及び第２プラグ１０ａ，１０ｂは、ＣＶＤ法で形成したタングステン膜を第１及び第２接続孔９ａ，９ｂに充填し、これをＣＭＰ法により研磨することで形成したが、他の方法を用いることも可能である。
【００４９】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２による抵抗素子Ｒ２は、前述した実施の形態１による抵抗素子Ｒ１と同様に、窒化タンタル膜により構成されるものである。しかし、抵抗素子Ｒ２は、窒化タンタル膜に含まれる窒素濃度が前述した実施の形態１の抵抗素子Ｒ１と相違し、基板と反対側に位置する上部領域及び基板側に位置する下部領域の窒素濃度が中部領域の窒素濃度よりも高い抵抗素子である。以下に、本実施の形態２による抵抗素子Ｒ２を図１２に示す抵抗素子Ｒ２の要部断面図を用いて説明する。なお、抵抗素子Ｒ２を構成する窒化タンタル膜以外の構造及び製造過程等は、前述した実施の形態１と同様であるため、その説明は省略する。
【００５０】
本実施の形態２の抵抗素子Ｒ２を構成する窒化タンタル膜は、スパッタリングターゲット材料としてタンタルを用い、スパッタリングガスとしてアルゴンと窒素との混合ガスを用いた反応性直流スパッタリング法により、窒化タンタル膜からなる第３抵抗層（上記下部領域に該当）５ｃ、窒化タンタル膜からなる第１抵抗層（上記中部領域に該当）５ａ及び窒化タンタル膜からなる第２抵抗層（上記上部領域に該当）５ｂを順次積層することで形成される。第１抵抗層５ａを構成する窒化タンタル膜の厚さは、例えば２０ｎｍ、上層に位置する第２抵抗層５ｂ及び下層に位置する第３抵抗層５ｃを構成する窒化タンタル膜の厚さは、例えば５ｎｍである。
【００５１】
第３、第１及び第２抵抗層５ｃ，５ａ，５ｂを形成する際のスパッタリングシーケンスは以下の通りである。まず、スパッタリング中のアルゴン流量を、例えば３０ｓｃｃｍに固定し、窒素流量を、例えば１００ｓｃｃｍとして５秒保持することで第３抵抗層５ｃを形成し、窒素流量を、例えば２０ｓｃｃｍとして１７秒保持することで第１抵抗層５ａを形成し、その後、窒素流量を、例えば１００ｓｃｃｍとして５秒保持することで第２抵抗層５ｂを形成する。ターゲットへの投入電力は、例えば１２キロワットの一定値としている。
【００５２】
このようにして形成された抵抗素子Ｒ２では、上部領域及び下部領域に、窒素濃度が３０原子％以上で、非晶質相とＴａＮ結晶相とからなる混合相を主たる構成相とする窒化タンタル膜が形成されているので、前述した実施の形態１の効果に加え、さらに、抵抗素子Ｒ２の直下の第２層間絶縁膜４の透湿性が高く、抵抗素子Ｒ２の下面が酸化されるおそれのある場合であっても、抵抗素子Ｒ２の酸化による抵抗変動を抑制することができる。
【００５３】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３による抵抗素子Ｒ３は、前述した実施の形態１による抵抗素子Ｒ１と同様に、窒化タンタル膜により構成されるものである。しかし、抵抗素子Ｒ３では、第２層間絶縁膜４上に堆積した第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂの加工方法が前述した実施の形態１の加工方法と相違し、第１ハードマスク６を用いずに、第１レジストパターン７をマスクとして、第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂを加工する。以下に、本実施の形態３による抵抗素子Ｒ３の製造方法を図１３に示す抵抗素子Ｒ３の要部断面図を用いて説明する。なお、抵抗素子Ｒ３を構成する窒化タンタル膜以外の構造及び製造過程等は、前述した実施の形態１と同様であるため、その説明は省略する。
【００５４】
まず、前述した実施の形態１と同様にして、第２層間絶縁膜４上に第１抵抗層５ａ及び第２抵抗層５ｂを順次堆積する。次に、フォトリソグラフィ法を用いて第２抵抗層５ｂ上の所望の領域に感光性有機膜からなる第１レジストパターン７を形成し、この第１レジストパターン７をマスクとしたドライエッチング法により第２抵抗層５ｂ及び第１抵抗層５ａを順次加工して、第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂからなる抵抗素子Ｒ３を形成する。
【００５５】
このようにして形成された抵抗素子Ｒ３では、前述した実施の形態１と同様の効果を得ることができる。さらに、第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂを加工する際に、前述した実施の形態１で用いた第１ハードマスク６を用いずに、第１レジストパターン７をマスクとして加工しているので、工程数を削減することができ、また、微細加工時の寸法制御を容易とすることができる。第１レジストパターン７を除去する際、雰囲気中に含まれる酸化性ガスによって第１レジストパターン７の直下の第２抵抗層５ｂの表面が数ｎｍ程度酸化されるが、第２抵抗層５ｂは第１抵抗層５ａに比べてもともと高抵抗であるため、第１レジストパターン７を除去する際の酸化による抵抗変動を抑制することができる。
【００５６】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４による抵抗素子Ｒ４は、前述した実施の形態１による抵抗素子Ｒ１と同様に、窒化タンタル膜により構成されるものである。しかし、抵抗素子Ｒ４では、取り出し電極が前述した実施の形態１の取り出し電極と相違し、抵抗素子Ｒ４の下面に取り出し電極を設けている。以下に、本実施の形態４による抵抗素子Ｒ４の製造方法を図１４〜図１８に示す抵抗素子Ｒ４の要部断面図を用いて説明する。
【００５７】
まず、図１４に示すように、前述した実施の形態１と同様にして、基板１の主面上に、酸化シリコン膜からなる第１層間絶縁膜２を形成し、窒化チタン膜３ｄ，３ｕ及びアルミニウム合金膜３からなる第１配線Ｍ１ａ，Ｍ１ｂを形成し、続いて、第１配線Ｍ１ａ，Ｍ１ｂを被覆する酸化シリコン膜からなる第２層間絶縁膜４を形成する。
【００５８】
次に、フォトリソグラフィ法及びドライエッチング法により、第２層間絶縁膜４を加工して、第１配線Ｍ１ｂの表面の一部が露出するように第４接続孔４１を形成する。続いて、基板１の主面上に金属膜、例えばタングステン膜をスパッタリング法及びＣＶＤ法により形成した後、この金属膜をＣＭＰ法により研磨して、第４接続孔４１の内部に第４プラグ４２を形成する。
【００５９】
次に、図１５に示すように、前述した実施の形態１と同様にして、窒化タンタル膜からなる第１抵抗層５ａ及び窒化タンタル膜からなる第２抵抗層５ｂを順次形成し、さらに窒化シリコン膜からなる第１絶縁膜６ａを形成する。続いて、フォトリソグラフィ法を用いて形成された第１レジストパターン７をマスクとしたドライエッチング法により第１絶縁膜６ａを加工して、第１ハードマスク６を形成する。続いて、第１レジストパターン７を除去した後、第１ハードマスク６をマスクとしたドライエッチング法により第２抵抗層５ｂ及び第１抵抗層５ａを順次加工して、第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂからなる抵抗素子Ｒ４を形成する。
【００６０】
次に、図１６に示すように、基板１の主面上に、酸化シリコン膜からなる第３層間絶縁膜８を形成した後、フォトリソグラフィ法及びドライエッチング法により、第３層間絶縁膜８を加工して、第１配線Ｍ１ａの表面の一部が露出するように第５接続孔４３を形成する。
【００６１】
次に、図１７に示すように、基板１の主面上に金属膜、例えばタングステン膜をスパッタリング法及びＣＶＤ法により形成した後、この金属膜をＣＭＰ法により研磨して、第５接続孔４３の内部に第５プラグ４４を形成する。
【００６２】
次に、図１８に示すように、基板１の主面上に、スパッタリング法により窒化チタン膜１１ｄ、アルミニウム合金膜１１及び窒化チタン膜１１ｕを順次形成した後、フォトリソグラフィ法及びドライエッチング法によりこれら積層膜を加工して、第５プラグ４４と電気的に接続する第２配線Ｍ２ａを形成する。
【００６３】
図１９に、抵抗素子Ｒ４の平面レイアウト図を示す。前記図１４〜図１８に示した断面図は図１９のＡ−Ａ'線における断面を示している。
【００６４】
図１９に示すように、抵抗素子Ｒ４の一方の端部には、第１抵抗層５ａに接して形成された第４プラグ４２と第１配線Ｍ１ｂとからなる引き出し電極が形成され、抵抗素子Ｒ４の他方の端部には、第１抵抗層５ａに接して形成された第６プラグ４５と第１配線Ｍ１ｃとからなる引き出し電極が形成されている。第６プラグ４５は前記第４プラグ４２と同様に形成されたプラグであり、第１配線Ｍ１ｃは前記第１配線Ｍ１ｂと同様に形成された配線である。また、抵抗素子Ｒ４に隣接して、第１配線Ｍ１ａ、第５プラグ４４及び第２配線Ｍ２ａにより構成される配線が敷設してある。
【００６５】
なお、前述した実施の形態３と同様に、第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂを加工する際に、第１ハードマスク６を用いずに、第１レジストパターン７をマスクとして加工してもよい。
【００６６】
このようにして形成された抵抗素子Ｒ４では、前述した実施の形態１と同様の効果を得ることができる。さらに、抵抗素子Ｒ４の取り出し電極を抵抗素子Ｒ４の下面に設けることにより、基板１と抵抗素子Ｒ４との間の距離が相対的に長くなるので、抵抗素子Ｒ４の寄生容量が、例えば前述した実施の形態１による抵抗素子Ｒ１よりも小さくなり、高周波特性の面で好適である。
【００６７】
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５による抵抗素子Ｒ５は、前述した実施の形態１による抵抗素子Ｒ１と同様に、窒化タンタル膜により構成されるものである。しかし、第１配線Ｍ１及び第２配線Ｍ２ａ，Ｍ２ｂの形成方法が前述した実施の形態１の形成方法と相違し、第１配線Ｍ１及び第２配線Ｍ２ａ，Ｍ２ｂをダマシン法で形成する。以下に、本実施の形態５による抵抗素子Ｒ５の製造方法を図２０〜図２２に示す抵抗素子Ｒ５の要部断面図を用いて説明する。
【００６８】
まず、図２０に示すように、前述した実施の形態１と同様にして、基板１の主面上に、酸化シリコン膜からなる第１層間絶縁膜２を形成した後、シングルダマシン法により第１配線Ｍ１を形成する。第１配線Ｍ１は、例えば以下の製造過程により形成される。まず、第１層間絶縁膜２の所定の領域に、例えば５００ｎｍの深さの配線溝５１を形成する。続いて、基板１の主面上に、スパッタリング法により、例えば５０ｎｍの厚さの窒化タンタル膜及び１００ｎｍの厚さの銅膜を形成した後、硫酸銅溶液を主成分とする溶液を用いた電解めっき法により、例えば６００ｎｍの厚さの銅膜を堆積する。その後、銅膜及び窒化タンタル膜をＣＭＰ法により研磨することにより、配線溝５１の内部に銅膜及び窒化タンタル膜を埋め込んで、第１配線Ｍ１を形成する。
【００６９】
次に、基板１の主面上に、プラズマＣＶＤ法により窒化シリコン膜５２及び酸化シリコン膜からなる第２層間絶縁膜４を形成する。窒化シリコン膜５２は、後に第１配線Ｍ１に接続する接続孔を形成する際のエッチングのストッパ膜として機能する。
【００７０】
次に、図２１に示すように、前述した実施の形態１と同様にして、窒化タンタル膜からなる第１抵抗層５ａ及び窒化タンタル膜からなる第２抵抗層５ｂを順次形成し、さらに窒化シリコン膜からなる第１絶縁膜６ａを形成する。続いて、フォトリソグラフィ法を用いて形成された第１レジストパターン７をマスクとしたドライエッチング法により第１絶縁膜６ａを加工して、第１ハードマスク６を形成する。続いて、第１レジストパターン７を除去した後、第１ハードマスク６をマスクとしたドライエッチング法により第２抵抗層５ｂ及び第１抵抗層５ａを順次加工して、第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂからなる抵抗素子Ｒ５を形成する。
【００７１】
次に、図２２に示すように、基板１の主面上に、酸化シリコン膜からなる第３層間絶縁膜８を形成する。酸化シリコン膜は、例えばプラズマＣＶＤ法により形成され、その厚さは１．５μｍである。次に、デュエルダマシン法により第２配線Ｍ２ａ，Ｍ２ｂを形成する。第２配線Ｍ２ａ，Ｍ２ｂは、例えば以下の製造過程により形成される。まず、フォトリソグラフィ法により第３層間絶縁膜８上に配線溝加工用のレジストパターンを形成した後、配線溝加工用のレジストパターンをマスクとしたドライエッチング法により、第３層間絶縁膜８の所定の領域に、例えば５００ｎｍの深さの配線溝５３を形成する。続いて、配線溝加工用のレジストパターンを除去し、フォトリソグラフィ法により第３層間絶縁膜８上に接続孔加工用のレジストパターンを形成した後、接続孔加工用のレジストパターンをマスクとしたドライエッチング法により、第２及び第３層間絶縁膜４，８に第１配線Ｍ１または第２抵抗層５ｂに接する接続孔５４を形成する。ここで、第１ハードマスク６及び窒化シリコン膜５２は、エッチングのストッパ膜として機能する。続いて、接続孔５４の底部の第１ハードマスク６及び窒化シリコン膜５２を除去する。
【００７２】
次に、基板１の主面上に、スパッタリング法により、例えば５０ｎｍの厚さの窒化タンタル膜及び１００ｎｍの厚さの銅膜を形成した後、硫酸銅溶液を主成分とする溶液を用いた電解めっき法により、例えば６００ｎｍの厚さの銅膜を堆積する。その後、銅膜及び窒化タンタル膜をＣＭＰ法により研磨することにより、配線溝５３及び接続孔５４の内部に銅膜及び窒化タンタル膜を埋め込み、第２配線Ｍ２ａ，Ｍ２ｂを形成する。
【００７３】
なお、前述した実施の形態２と同様に、抵抗素子Ｒ５の上部領域及び下部領域に窒素濃度が３０原子％以上で、非晶質相とＴａＮ結晶相とからなる混合相を主たる構成相とする窒化タンタル膜を形成してもよい。また、前述した実施の形態３と同様に、第１及び第２抵抗層５ａ，５ｂを加工する際に、第１ハードマスク６を用いずに、第１レジストパターン７をマスクとして加工してもよい。
【００７４】
このようにして形成された抵抗素子Ｒ５では、前述した実施の形態１と同様の効果を得ることができる。さらに、第１配線Ｍ１及び第２配線Ｍ２ａ，Ｍ２ｂの配線材料として銅を用いているので、第１配線Ｍ１及び第２配線Ｍ２ａ，Ｍ２ｂの寄生抵抗を小さくすることができて、抵抗素子Ｒ５の寄生成分が、例えば前述した実施の形態１の抵抗素子Ｒ１よりも小さくなり、高周波特性の面で好適である。
【００７５】
（実施の形態６）
本発明の実施の形態６による抵抗素子Ｒ６は、前述した実施の形態１による抵抗素子Ｒ１と同様に、窒化タンタル膜により構成されるものである。しかし、抵抗素子Ｒ６の上部領域への窒素の導入方法が前述した実施の形態１の窒素の導入方法と相違する。以下に、本実施の形態６による抵抗素子Ｒ６の製造方法を図２３及び図２４に示す抵抗素子Ｒ６の要部断面図を用いて説明する。なお、抵抗素子Ｒ６を構成する窒化タンタル膜以外の構造及び製造過程等は、前述した実施の形態１と同様であるため、その説明は省略する。
【００７６】
まず、前述した実施の形態１と同様にして、第２層間絶縁膜４上に第１抵抗層５ａを堆積する。次に、図２３に示すように、誘導結合型プラズマ（Inductively Coupled Plasma：ＩＣＰ）法により第１抵抗層５ａの表面にプラズマ窒化層６１を形成する。ＩＣＰチャンバにアンモニアガスを含む混合ガスを導入して第１抵抗層５ａの表面をプラズマ窒化することにより、窒素濃度が３０原子％以上で非晶質のプラズマ窒化層６１が形成される。プラズマ窒化層６１の厚さは、例えば１０ｎｍである。また、プラズマ窒化層６１の下に位置し、第１抵抗層５ａを構成する窒化シリコン膜の窒素濃度は２２％、結晶相はＴａ２Ｎ結晶であり、誘導結合型プラズマプラズマ法による第１抵抗層５ａを構成する窒化シリコン膜の窒素濃度及び結晶相への影響は見られなかった。
【００７７】
次に、図２４に示すように、前述した実施の形態１と同様にして、プラズマ窒化層６１上に第１絶縁膜６ａを形成し、第１レジストパターン７をマスクとして第１絶縁膜６ａを加工して、第１ハードマスク６を形成する。続いて、第１レジストパターン７を除去した後、第１ハードマスク６をマスクとしたドライエッチング法によりプラズマ窒化層６１及び第１抵抗層５ａを順次加工して、プラズマ窒化層６１及び第１抵抗層５ａからなる抵抗素子Ｒ６を形成する。
【００７８】
なお、アンモニアガスを用いて窒化タンタル膜の上部領域のプラズマ窒化を行ったが、窒素原子を含む雰囲気に第１抵抗層５ａの表面をさらすことにより、第１抵抗層５ａの上部領域に窒素が導入されればよく、用いるガスまたは窒化の方法はこれに限定されるものではない。例えば原子状窒素（窒素ラジカル）を用いることも可能である、また、窒化する厚さは、１０ｎｍに限定されるものではなく、要求される抵抗変化率などに応じて調整することは可能である。
【００７９】
このようにして形成された抵抗素子Ｒ６では、前述した実施の形態１と同様の効果を得ることができる。さらに、窒化タンタル膜のプラズマ窒化により、窒素濃度が３０原子％以上で、非晶質の上部領域を有する抵抗素子Ｒ６を容易に形成することができる。
【００８０】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明は、半導体装置に含まれる基板の主面上に形成された金属膜からなる抵抗素子に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の実施の形態１による抵抗素子の製造方法を示す要部断面図である。
【図２】図１に続く抵抗素子の製造工程中の図１と同じ箇所の要部断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１による抵抗層を形成する際のスパッタリングシーケンスを示すグラフ図である。
【図４】本発明の実施の形態１による反応性直流スパッタリング法により形成した窒化タンタル膜の抵抗率または抵抗温度係数の窒素流量依存性を示すグラフ図である。
【図５】図２に続く抵抗素子の製造工程中の図１と同じ箇所の要部断面図である。
【図６】図５に続く抵抗素子の製造工程中の図１と同じ箇所の要部断面図である。
【図７】図６に続く抵抗素子の製造工程中の図１と同じ箇所の要部断面図である。
【図８】図７に続く抵抗素子の製造工程中の図１と同じ箇所の要部断面図である。
【図９】本発明の実施の形態１による抵抗素子の平面レイアウト図である。
【図１０】本発明の実施の形態１による抵抗素子の抵抗変化率と第２抵抗層の厚さとの関係を示すグラフ図である。
【図１１】本発明の実施の形態１による窒素流量を変えてスパッタリング法により形成した窒化タンタル膜のＸ線回折パターンを示す解析図である。
【図１２】本発明の実施の形態２による抵抗素子の製造方法を示す要部断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態３による抵抗素子の製造方法を示す要部断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態４による抵抗素子の製造方法を示す要部断面図である。
【図１５】図１４に続く抵抗素子の製造工程中の図１４と同じ箇所の要部断面図である。
【図１６】図１５に続く抵抗素子の製造工程中の図１４と同じ箇所の要部断面図である。
【図１７】図１６に続く抵抗素子の製造工程中の図１４と同じ箇所の要部断面図である。
【図１８】図１７に続く抵抗素子の製造工程中の図１４と同じ箇所の要部断面図である。
【図１９】本発明の実施の形態４による抵抗素子の平面レイアウト図である。
【図２０】本発明の実施の形態５による抵抗素子の製造方法を示す要部断面図である。
【図２１】図２０に続く抵抗素子の製造工程中の図２０と同じ箇所の要部断面図である。
【図２２】図２１に続く抵抗素子の製造工程中の図２０と同じ箇所の要部断面図である。
【図２３】本発明の実施の形態６による抵抗素子の製造方法を示す要部断面図である。
【図２４】図２３に続く抵抗素子の製造工程中の図２３と同じ箇所の要部断面図である。
【符号の説明】
【００８３】
１ 基板
２ 第１層間絶縁膜
３ アルミニウム合金膜
３ｄ 窒化チタン膜
３ｕ 窒化チタン膜
４ 第２層間絶縁膜
５ａ 第１抵抗層
５ｂ 第２抵抗層
５ｃ 第３抵抗層
６ 第１ハードマスク
６ａ 第１絶縁膜
７ 第１レジストパターン
８ 第３層間絶縁膜
９ａ 第１接続孔
９ｂ 第２接続孔
１０ａ 第１プラグ
１０ｂ 第２プラグ
１０ｃ 第３プラグ
１１ アルミニウム合金膜
１１ｄ 窒化チタン膜
１１ｕ 窒化チタン膜
４１ 第４接続孔
４２ 第４プラグ
４３ 第５接続孔
４４ 第５プラグ
４５ 第６プラグ
５１ 配線溝
５２ 窒化シリコン膜
５３ 配線溝
５４ 接続孔
６１ プラズマ窒化層
Ｍ１，Ｍ１ａ，Ｍ１ｂ，Ｍ１ｃ 第１配線
Ｍ２ａ，Ｍ２ｂ，Ｍ２ｃ 第２配線
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６ 抵抗素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の主面上に窒素とタンタルとを主要な構成元素とする抵抗素子を有する半導体装置であって、前記抵抗素子の前記基板と反対側に位置する上部領域の窒素濃度が３０原子％以上であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、前記抵抗素子の前記上部領域の厚さは５〜１０ｎｍであることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１記載の半導体装置において、前記抵抗素子の前記上部領域以外に窒素濃度が３０％原子未満の領域を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１記載の半導体装置において、前記抵抗素子の前記上部領域は非晶質相とＴａＮ結晶相、または非晶質相を主たる構成相とすることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１記載の半導体装置において、前記抵抗素子の下面の２箇所に接続するプラグと、前記抵抗素子よりも下層に位置し、前記プラグにそれぞれ接続する配線とにより、前記抵抗素子の引き出し電極を構成することを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１記載の半導体装置において、前記抵抗素子の前記基板側に位置する下部領域の窒素濃度が３０原子％以上であることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項６記載の半導体装置において、前記抵抗素子の前記下部領域の厚さは５〜１０ｎｍであることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項６記載の半導体装置において、前記抵抗素子の前記上部及び下部領域以外に窒素濃度が３０原子％未満の領域を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項６記載の半導体装置において、前記抵抗素子の前記下部領域は非晶質相とＴａＮ結晶相とを主たる構成相とすることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
請求項６記載の半導体装置において、前記抵抗素子の下面の２箇所に接続するプラグと、前記抵抗素子よりも下層に位置し、前記プラグにそれぞれ接続する配線とにより、前記抵抗素子の引き出し電極を構成することを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
（ａ）基板の主面上に第１配線を形成する工程と、
（ｂ）前記基板の主面上に前記第１配線を被覆する層間絶縁膜を形成する工程と、
（ｃ）タンタルをターゲット材料とし、窒素ガスを含む混合ガスを用いたスパッタリング法により、前記層間絶縁膜上に窒素とタンタルとを主要な構成元素とする抵抗層を形成する工程と、
（ｄ）前記抵抗層を加工して、抵抗素子を形成する工程とを有する半導体装置の製造方法であって、
前記（ｃ）工程において、第１混合ガスを用いて第１抵抗層を形成した後、前記第１混合ガスよりも窒素ガスの比率の高い第２混合ガスを用いて第２抵抗層を形成し、第１窒素濃度を含む前記第１抵抗層と、前記第１窒素濃度よりも窒素濃度の高い第２窒素濃度を含む前記第２抵抗層とからなる前記抵抗層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
（ａ）基板の主面上に第１配線を形成する工程と、
（ｂ）前記基板の主面上に前記第１配線を被覆する層間絶縁膜を形成する工程と、
（ｃ）タンタルをターゲット材料とし、窒素ガスを含む混合ガスを用いたスパッタリング法により、前記層間絶縁膜上に窒素とタンタルとを主要な構成元素とする第１窒素濃度を含む第１抵抗層を形成する工程と、
（ｄ）窒素原子を含む雰囲気に前記第１抵抗層の表面をさらして前記第１抵抗層の上部領域に窒素原子を導入し、前記第１窒素濃度よりも窒素濃度の高い第２窒素濃度を含む第２抵抗層を形成して、前記第１抵抗層と前記第２抵抗層とからなる抵抗層を形成する工程と、
（ｅ）前記抵抗層を加工して、抵抗素子を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
請求項１１または１２記載の半導体装置の製造方法において、前記第２抵抗層の厚さが５〜１０ｎｍであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
請求項１１または１２記載の半導体装置の製造方法において、前記第２抵抗層の窒素濃度は３０原子％以上であり、前記第１抵抗層の窒素濃度は３０原子％未満であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
請求項１１記載の半導体装置の製造方法において、前記第２抵抗層は非晶質相とＴａＮ結晶相とを主たる構成相とし、前記第１抵抗層はＴａ２Ｎ結晶相を主たる構成相とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
請求項１２記載の半導体装置の製造方法において、前記第２抵抗層は非晶質相を主たる構成相とし、前記第１抵抗層はＴａ２Ｎ結晶相を主たる構成相とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
請求項１１または１２記載の半導体装置の製造方法において、所望するパターンに加工され、前記抵抗層上に形成された感光性の有機膜または非感光性の絶縁膜をマスクとして、前記抵抗層はエッチングにより加工されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
請求項１１記載の半導体装置の製造方法において、さらに、前記（ｃ）工程において、前記第１抵抗層を形成する前に、前記第１混合ガスよりも窒素ガスの比率の高い第３混合ガスを用いて第３抵抗層を形成し、前記第１窒素濃度よりも窒素濃度の高い第３窒素濃度を含む前記第３抵抗層と、前記第１抵抗層と、前記第２抵抗層とからなる前記抵抗層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
請求項１８記載の半導体装置の製造方法において、前記第３抵抗層の厚さは５〜１０ｎｍであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２０】
請求項１８記載の半導体装置の製造方法において、前記第３抵抗層の窒素濃度は３０原子％以上であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２１】
請求項１８記載の半導体装置の製造方法において、前記第３抵抗層は非晶質相とＴａＮ結晶相とを主たる構成相とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１】
基板の主面上に窒素とタンタルとを主要な構成元素とする抵抗素子を有する半導体装置であって、前記抵抗素子の前記基板と反対側に位置する上部領域の窒素濃度が３０原子％以上であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、前記抵抗素子の前記上部領域の厚さは５〜１０ｎｍであることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１記載の半導体装置において、前記抵抗素子の前記上部領域以外に窒素濃度が３０％原子未満の領域を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１記載の半導体装置において、前記抵抗素子の前記上部領域は非晶質相とＴａＮ結晶相、または非晶質相を主たる構成相とすることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１記載の半導体装置において、前記抵抗素子の下面の２箇所に接続するプラグと、前記抵抗素子よりも下層に位置し、前記プラグにそれぞれ接続する配線とにより、前記抵抗素子の引き出し電極を構成することを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１記載の半導体装置において、前記抵抗素子の前記基板側に位置する下部領域の窒素濃度が３０原子％以上であることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項６記載の半導体装置において、前記抵抗素子の前記下部領域の厚さは５〜１０ｎｍであることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項６記載の半導体装置において、前記抵抗素子の前記上部及び下部領域以外に窒素濃度が３０原子％未満の領域を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項６記載の半導体装置において、前記抵抗素子の前記下部領域は非晶質相とＴａＮ結晶相とを主たる構成相とすることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
請求項６記載の半導体装置において、前記抵抗素子の下面の２箇所に接続するプラグと、前記抵抗素子よりも下層に位置し、前記プラグにそれぞれ接続する配線とにより、前記抵抗素子の引き出し電極を構成することを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
（ａ）基板の主面上に第１配線を形成する工程と、
（ｂ）前記基板の主面上に前記第１配線を被覆する層間絶縁膜を形成する工程と、
（ｃ）タンタルをターゲット材料とし、窒素ガスを含む混合ガスを用いたスパッタリング法により、前記層間絶縁膜上に窒素とタンタルとを主要な構成元素とする抵抗層を形成する工程と、
（ｄ）前記抵抗層を加工して、抵抗素子を形成する工程とを有する半導体装置の製造方法であって、
前記（ｃ）工程において、第１混合ガスを用いて第１抵抗層を形成した後、前記第１混合ガスよりも窒素ガスの比率の高い第２混合ガスを用いて第２抵抗層を形成し、第１窒素濃度を含む前記第１抵抗層と、前記第１窒素濃度よりも窒素濃度の高い第２窒素濃度を含む前記第２抵抗層とからなる前記抵抗層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
（ａ）基板の主面上に第１配線を形成する工程と、
（ｂ）前記基板の主面上に前記第１配線を被覆する層間絶縁膜を形成する工程と、
（ｃ）タンタルをターゲット材料とし、窒素ガスを含む混合ガスを用いたスパッタリング法により、前記層間絶縁膜上に窒素とタンタルとを主要な構成元素とする第１窒素濃度を含む第１抵抗層を形成する工程と、
（ｄ）窒素原子を含む雰囲気に前記第１抵抗層の表面をさらして前記第１抵抗層の上部領域に窒素原子を導入し、前記第１窒素濃度よりも窒素濃度の高い第２窒素濃度を含む第２抵抗層を形成して、前記第１抵抗層と前記第２抵抗層とからなる抵抗層を形成する工程と、
（ｅ）前記抵抗層を加工して、抵抗素子を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
請求項１１または１２記載の半導体装置の製造方法において、前記第２抵抗層の厚さが５〜１０ｎｍであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
請求項１１または１２記載の半導体装置の製造方法において、前記第２抵抗層の窒素濃度は３０原子％以上であり、前記第１抵抗層の窒素濃度は３０原子％未満であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
請求項１１記載の半導体装置の製造方法において、前記第２抵抗層は非晶質相とＴａＮ結晶相とを主たる構成相とし、前記第１抵抗層はＴａ２Ｎ結晶相を主たる構成相とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
請求項１２記載の半導体装置の製造方法において、前記第２抵抗層は非晶質相を主たる構成相とし、前記第１抵抗層はＴａ２Ｎ結晶相を主たる構成相とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
請求項１１または１２記載の半導体装置の製造方法において、所望するパターンに加工され、前記抵抗層上に形成された感光性の有機膜または非感光性の絶縁膜をマスクとして、前記抵抗層はエッチングにより加工されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
請求項１１記載の半導体装置の製造方法において、さらに、前記（ｃ）工程において、前記第１抵抗層を形成する前に、前記第１混合ガスよりも窒素ガスの比率の高い第３混合ガスを用いて第３抵抗層を形成し、前記第１窒素濃度よりも窒素濃度の高い第３窒素濃度を含む前記第３抵抗層と、前記第１抵抗層と、前記第２抵抗層とからなる前記抵抗層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
請求項１８記載の半導体装置の製造方法において、前記第３抵抗層の厚さは５〜１０ｎｍであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２０】
請求項１８記載の半導体装置の製造方法において、前記第３抵抗層の窒素濃度は３０原子％以上であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２１】
請求項１８記載の半導体装置の製造方法において、前記第３抵抗層は非晶質相とＴａＮ結晶相とを主たる構成相とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【公開番号】特開２００９−２１５０９（Ｐ２００９−２１５０９Ａ）
【公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１８４６１４（Ｐ２００７−１８４６１４）
【出願日】平成１９年７月１３日（２００７．７．１３）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月１３日（２００７．７．１３）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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