半導体装置及びその製造方法
【課題】 本発明の目的は、低抵抗であって且つ絶縁膜及び配線との間で高い密着性を有するバリアメタル膜を有する半導体装置を提供する。
【解決手段】 半導体装置は、基板（１）上に形成された絶縁膜（６，８）と、絶縁膜（６，８）中に形成された埋め込み配線（１４）と、絶縁膜（６，８）と埋め込み配線（１４）との間に形成されたバリアメタル膜（Ａ１）とを有する。バリアメタル膜（Ａ１）は、絶縁膜（６，８）が存在している側から埋め込み配線（１４）が存在している側へ向かって順に積層されている金属酸化物膜（１１）、遷移層（１２ａ）及び金属膜（１３）よりなり、遷移層（１２ａ）は、金属酸化物膜（１１）の組成と金属膜（１３）の組成とのほぼ中間的な組成を有する単一の原子層よりなる。
【解決手段】 半導体装置は、基板（１）上に形成された絶縁膜（６，８）と、絶縁膜（６，８）中に形成された埋め込み配線（１４）と、絶縁膜（６，８）と埋め込み配線（１４）との間に形成されたバリアメタル膜（Ａ１）とを有する。バリアメタル膜（Ａ１）は、絶縁膜（６，８）が存在している側から埋め込み配線（１４）が存在している側へ向かって順に積層されている金属酸化物膜（１１）、遷移層（１２ａ）及び金属膜（１３）よりなり、遷移層（１２ａ）は、金属酸化物膜（１１）の組成と金属膜（１３）の組成とのほぼ中間的な組成を有する単一の原子層よりなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属配線を有する半導体装置及びその製造方法に関し、特にバリアメタル膜及びその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路装置（以下、半導体装置という。）の加工寸法の微細化に伴って、半導体装置の多層配線には、銅配線と誘電率が小さい絶縁膜、いわゆるＬｏｗ−ｋ膜との組み合わせが採用されている。こうすることにより、ＲＣ遅延及び消費電力の低減を可能にする。さらに、半導体装置の高集積化、高機能化及び高速化を図るために、誘電率がより低いＬｏｗ−ｋ膜の採用が検討されている。
【０００３】
ところで、銅配線は、通常ダマシン法によって形成される。ダマシン法には、配線及びビアプラグを交互に形成するシングルダマシン法と、配線及びビアプラグを同時に形成するデュアルダマシン法とがある。
【０００４】
以下に、ダマシン法による多層配線の形成方法について、図１６（ａ）及び（ｂ）を参照しながら説明する。
【０００５】
図１６（ａ）に示すように、シリコン基板１０１上に第１の絶縁膜１０２を形成した後に、該第１の絶縁膜１０２中に第１のバリアメタル膜１０３を有する銅よりなる第１の配線１０４を形成する。なお、シリコン基板１０１上には、図示していないトランジスタなどが形成されている。続いて、第１の絶縁膜１０２及び第１の配線１０４の上に、銅の拡散を防止する拡散防止膜１０５、第２の絶縁膜１０６、第３の絶縁膜１０７及び第４の絶縁膜１０８を順に形成する。
【０００６】
ここで、拡散防止膜１０５には、シリコン窒化膜、シリコン窒化炭化膜、又はシリコン炭化酸化膜等が用いられる。拡散防止膜１０５は、第１の配線１０４の銅が第２の絶縁膜１０６及び第４の絶縁膜１０８中に拡散することを防止する役割を有する。なお、第３の絶縁膜１０７にも拡散防止膜１０５と同じ材料が用いられている。
【０００７】
また、第２の絶縁膜１０６及び第４の絶縁膜１０８には、シリコン酸化膜、フッ素ドープシリコン酸化膜、シリコン酸化炭化膜、又は有機膜よりなる絶縁膜が用いられている。これらの膜は、化学気相成長法にて形成された膜であってもよいし、スピン塗布法にて形成されたＳＯＤ（spin on dielectric）膜であってもよい。
【０００８】
次に、拡散防止膜１０５、第２の絶縁膜１０６及び第３の絶縁膜１０７にビアホール１１０ａを形成すると共に、第４の絶縁膜１０８に配線溝１１０ｂを形成することにより、図１６（ａ）に示すように、ビアホール１１０ａ及び配線溝１１０ｂよりなる凹部１１０ｃを形成する。なお、ビアホール１１０ａ及び配線溝１１０ｂは、周知のリソグラフィ技術、エッチング技術、アッシング技術、及び洗浄技術を用いて、デュアルダマシン配線溝（ビアホール１１０ａ及び配線溝１１０ｂよりなる凹部１１０ｃ）を形成する工程により形成すればよい。なお、一般に、ビアホール１１０ａを先に形成した後に、配線溝（トレンチ）１１０ｂを形成する方法が良く用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
次に、図１６（ｂ）に示すように、凹部１１０ｃの壁面に沿うように、物理気相成長法（ＰＶＤ：physical vapor deposition）などにより、第２のバリアメタル膜１１１及び第３のバリアメタル膜１１２を形成する。
【００１０】
次に、図１６（ｃ）に示すように、第３のバリアメタル膜１１２の上に、物理気相成長法により、銅シード層１１３を形成する。
【００１１】
次に、図１６（ｄ）に示すように、銅シード層１１３を種に用いた銅めっきにより、凹部１１０ｃを埋め込むと共に第３のバリアメタル膜１１２の表面全体を覆うように銅膜１１４を形成する。
【００１２】
次に、図１６（ｅ）に示すように、化学機械研磨（CMP：chemical mechanical polishing）法により、銅膜１１４における凹部１１０ｃの内側の部分以外で第４の絶縁膜１０８の上に形成されている部分と第２のバリアメタル膜１１２及び第３のバリアメタル膜１１２における凹部１１０ｃの内側の部分以外で第４の絶縁膜１０８の上に形成されている部分とを研磨除去する。このようにして、ビアプラグ１１５ａ及び第２の配線１１５ｂを形成する。なお、ビアプラグ１１５ａ及び第２の配線１１５ｂのいずれか一方を形成する場合であってもよい。以上の一連の動作を繰り返し行なうことにより、多層配線を形成することができる。
【００１３】
一般に、銅は、熱又は電界によって容易にシリコン酸化膜などの絶縁膜中を拡散するので、これが原因となってトランジスタの特性劣化が生じやすい。また、銅は、絶縁膜との密着性が低い。したがって、銅配線を形成する際には、銅と絶縁膜との間に、タンタル膜又は窒化タンタル膜よりなるバリアメタル膜を形成することにより、銅が絶縁膜へ拡散することを防止すると共に絶縁膜及び銅との密着性を向上させる方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）なお、タンタル膜又は窒化タンタル膜は、単層又は積層構造として用いられる。
【００１４】
しかしながら、第２〜第４の絶縁膜１０６、１０７及び１０８と接する第２のバリアメタル膜１１１として、タンタル等の高融点金属を用いた場合には、ダマシン配線の凹部１１０ｃを構成する第２〜第４の絶縁膜１０６、１０７及び１０８と高融点金属よりなる第２のバリアメタル膜１１１との密着性が悪いという問題がある。この問題に対して、第２のバリアメタル膜１１１としてタンタル窒化膜を用いると共に、第３のバリアメタル膜１１２としてタンタル膜を用いることによって、前記密着性の悪さを改善してきたが、十分な密着性が得られているわけではない。
【００１５】
また、第３のバリアメタル膜１１２としてタンタル膜を用いた場合には、電解めっきによって銅を形成する際に、タンタル膜は酸化されるので、高抵抗の酸化タンタル膜が形成されてしまう。このため、配線抵抗の上昇を避けることができないという問題を有している。
【００１６】
また、第３のバリアメタル膜１１２として窒化タンタル膜を用いた場合には、窒化タンタル膜は酸化されることはないが、窒化タンタル膜は高抵抗であって、且つ銅との密着性が低いという問題を有している。
【００１７】
さらに、第３のバリアメタル膜１１２としてチタン膜又は窒化チタン膜を用いた場合にも、それぞれ、タンタル膜を用いた場合又は窒化タンタル膜を用いた場合と同様の問題が存在する。特に、第３のバリアメタル膜１１２の低抵抗を実現する目的で、金属及びその金属酸化物自体が低抵抗であるルテニウム又はイリジウムなどの金属を第３のバリアメタル膜１１２として用いることが注目されてきている（例えば、特許文献３及び４）。なお、これらの金属は、一般に、原子層成長法又は化学気相成長法によって形成される。
【特許文献１】特開平１０−２２３７５５号公報
【特許文献２】特開２００２−４３４１９号公報
【特許文献３】特許第３４０９８３１号
【特許文献４】特開２００２−７５９９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、タンタル又はルテニウムなどの高融点金属膜をバリアメタル膜として用いる場合には、ダマシン配線用の凹部が形成される絶縁膜と高融点金属膜よりなるバリアメタル膜との密着性が悪いという問題がある。また、高融点金属膜よりなるバリアメタル膜と絶縁膜との間に金属窒化膜を形成することにより、絶縁膜の上に高融点金属よりなるバリアメタル膜を直接形成する場合よりも密着性の悪さを改善することができるが、抵抗が増大するという問題がある。
【００１９】
前記に鑑み、本発明の目的は、低抵抗であって、且つ、絶縁膜及び配線との間で高い密着性を有するバリアメタル膜を有する半導体装置及びそ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】
【００２０】
前記の目的を達成するため、本発明に係る第１の半導体装置は、基板上に形成された絶縁膜と、絶縁膜中に形成された埋め込み配線と、絶縁膜と埋め込み配線との間に形成されたバリアメタル膜とを有する半導体装置において、バリアメタル膜は、絶縁膜が存在している側から埋め込み配線が存在している側へ向かって順に積層されている金属酸化物膜、遷移層及び金属膜よりなり、遷移層は、金属酸化物膜の組成と金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する単一の原子層よりなることを特徴とする。
【００２１】
本発明に係る第１の半導体装置によると、金属酸化物膜と金属膜との接合面には、金属酸化物膜の組成と金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する遷移層が存在するので、金属酸化物膜と金属膜との接合面に遷移層が存在しない場合に比べて、金属酸化物膜と金属膜との密着性は飛躍的に向上する。さらに、遷移層が単一の原子層よりなるため、金属酸化物膜と金属膜との密着性が向上することに加えて、遷移層の厚みを極限まで薄くすることにより、積層化されたバリアメタル膜を形成する場合であっても、バリアメタル膜の膜厚を薄く形成することできるので、配線の低抵抗化を実現することができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００２２】
本発明に係る第２の半導体装置は、基板上に形成された絶縁膜と、絶縁膜中に形成された埋め込み配線と、絶縁膜と埋め込み配線との間に形成されたバリアメタル膜とを有する半導体装置において、バリアメタル膜は、絶縁膜が存在している側から埋め込み配線が存在している側へ向かって順に積層されている金属酸化物膜、遷移層及び金属膜よりなり、遷移層は、金属酸化物膜の組成と金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する複数の原子層よりなることを特徴とする。
【００２３】
本発明に係る第２の半導体装置によると、金属酸化物膜と金属膜との接合面には、金属酸化物膜の組成と金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する遷移層が存在するので、金属酸化物膜と金属膜との接合面に遷移層が存在しない場合に比べて、金属酸化物膜と金属膜との密着性は飛躍的に向上し、薄膜であって且つ密着性の高いバリアメタル膜を形成することができる。さらに、遷移層が複数の原子層よりなるので、金属酸化物膜と金属膜との間に存在する遷移層が単一の原子層よりなる場合に比べて、密着性がさらに向上するという効果が得られる。また、遷移層の組成が段階的に変化していることにより、密着性はさらに向上する。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００２４】
本発明に係る第１及び第２の半導体装置において、金属酸化物膜を構成する金属と金属膜を構成する金属とは、互いに異なる種類の元素であることが好ましい。
【００２５】
このようにすると、金属膜／遷移層／金属酸化物膜／絶縁膜の層構成において、金属酸化物膜と金属膜との密着性を損なうことなく、絶縁膜と金属酸化物膜との密着性を絶縁膜の種類によって最適化することが可能となる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００２６】
本発明に係る第１及び第２の半導体装置において、金属酸化物膜を構成する金属と金属膜を構成する金属とは、互いに同一種類の元素であることが好ましい。
【００２７】
このようにすると、金属膜／遷移層／金属酸化物膜の層構成において、遷移層と金属膜との間及び金属酸化物膜と遷移層との間の各接合面における密着性を向上させることができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００２８】
本発明に係る第３の半導体装置は、基板上に形成された絶縁膜と、絶縁膜中に形成された埋め込み配線と、絶縁膜と埋め込み配線との間に形成されたバリアメタル膜とを有する半導体装置において、バリアメタル膜は、絶縁膜が存在している側から埋め込み配線が存在している側へ向かって順に積層されている遷移層及び金属膜よりなり、遷移層は、金属酸化物及び金属膜を構成する金属よりなると共に、金属酸化物の組成と金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する単一の原子層よりなることを特徴とする。
【００２９】
本発明に係る第３の半導体装置によると、絶縁膜と金属膜との接合面には、金属酸化物の組成と金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する遷移層が存在しているので、絶縁膜と金属膜との接合面に遷移層が存在しない場合に比べて、絶縁膜と金属膜との密着性は飛躍的に向上する。さらに、遷移層が単一の原子層よりなるので、絶縁膜と金属膜との密着性が向上することに加えて、遷移層の厚みを極限まで薄くすることにより、積層化されたバリアメタル膜を形成する場合であっても、バリアメタル膜の膜厚を薄く形成することができるので、配線の低抵抗化を実現することができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００３０】
本発明に係る第４の半導体装置は、基板上に形成された絶縁膜と、絶縁膜中に形成された埋め込み配線と、絶縁膜と埋め込み配線との間に形成されたバリアメタル膜とを有する半導体装置において、バリアメタル膜は、絶縁膜が存在している側から埋め込み配線が存在している側へ向かって順に積層されている遷移層及び金属膜よりなり、遷移層は、金属酸化物及び金属膜を構成する金属よりなると共に、金属酸化物の組成と金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する複数の原子層よりなることを特徴とする。
【００３１】
本発明に係る第４の半導体装置によると、絶縁膜と金属膜との接合面には、金属酸化物の組成と金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する遷移層が存在するので、絶縁膜と金属膜との接合面に遷移層が存在しない場合に比べて、絶縁膜と金属膜との密着性は飛躍的に向上し、薄膜であって且つ密着性の高いバリアメタル膜を形成することができる。さらに、遷移層が複数の原子層よりなるので、絶縁膜と金属膜との間の遷移層が単一の原子層よりなる場合に比べて、密着性がさらに向上するという効果が得られる。また、遷移層の組成が段階的に変化していることにより、密着性はさらに向上する。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００３２】
本発明に係る第３及び第４の半導体装置において、金属酸化物を構成する金属と金属膜を構成する金属とは、互いに異なる種類の元素であることが好ましい。
【００３３】
このようにすると、金属膜／遷移層／絶縁膜の層構成において、遷移層と金属膜との密着性を損なうことなく、絶縁膜と遷移層との密着性を絶縁膜の種類によって最適化することが可能となる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００３４】
本発明に係る第３及び第４の半導体装置において、金属酸化物を構成する金属と金属膜を構成する金属とは、互いに同一種類の元素であることが好ましい。
【００３５】
このようにすると、金属膜／遷移層の層構成において、遷移層と金属膜との間の接合面における密着性を向上させることができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００３６】
本発明に係る第５の半導体装置は、基板上に形成された絶縁膜と、絶縁膜中に形成された埋め込み配線と、絶縁膜と埋め込み配線との間に形成されたバリアメタル膜とを有する半導体装置において、バリアメタル膜は、構成元素として酸素を含み、バリアメタル膜における酸素の濃度は、バリアメタル膜の膜厚方向に連続的に変化していることを特徴とする。
【００３７】
本発明に係る第５の半導体装置によると、構成元素として酸素を含むバリアメタル膜において、酸素の濃度が、バリアメタル膜における絶縁膜と接する面から埋め込み配線と接する面まで、膜厚方向に連続的に変化していることにより、バリアメタル膜内部において組成が急激に変化する界面が存在することがなくなるので、バリアメタル膜自体の強度を大幅に向上させることができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００３８】
本発明に係る第１の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜に凹部を形成する工程と、凹部の壁面に沿うように、金属酸化物膜、遷移層、及び金属膜がこの順に積層されてなるバリアメタル膜を形成する工程と、凹部を埋め込むように、バリアメタル膜の上に埋め込み配線を形成する工程とを備え、バリアメタル膜を形成する工程は、原子層成長法によって１サイクル分の成長を行なうことにより、金属酸化物膜の組成と金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する単一の原子層よりなる遷移層を形成する工程を含むことを特徴とする。
【００３９】
本発明に係る第１の半導体装置の製造方法によると、金属酸化物膜と金属膜との接合面に、金属酸化物膜の組成と金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する単一原子層よりなる遷移層を容易に形成することができる。これにより、金属酸化物膜と金属膜との接合面に遷移層が存在しない場合に比べて、金属酸化物膜と金属膜との密着性を飛躍的に向上させることができる。さらに、単一の原子層よりなる遷移層を形成するため、金属酸化物膜と金属膜との密着性を向上させることに加えて、遷移層の厚みを極限まで薄くすることにより、積層化されたバリアメタル膜を形成する場合であっても、バリアメタル膜の膜厚を薄く形成することできるので、配線の低抵抗化を実現することができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を製造することができる。
【００４０】
本発明に係る第２の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜に凹部を形成する工程と、凹部の壁面に沿うように、金属酸化物膜、遷移層、及び金属膜がこの順に積層されてなるバリアメタル膜を形成する工程と、凹部を埋め込むように、バリアメタル膜の上に埋め込み配線を形成する工程とを備え、バリアメタル膜を形成する工程は、原子層成長法によって複数サイクル分の成長を行なうことにより、金属酸化物膜の組成と金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する複数の原子層よりなる遷移層を形成する工程を含むことを特徴とする。
【００４１】
本発明に係る第２の半導体装置の製造方法によると、金属酸化物膜と金属膜との接合面に、金属酸化物膜の組成と金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する複数の原子層よりなる遷移層を容易に形成することができる。これにより、金属酸化物膜と金属膜との接合面に遷移層が存在しない場合に比べて、金属酸化物膜と金属膜との密着性を飛躍的に向上させ、薄膜であって且つ密着性の高いバリアメタル膜を形成することができる。さらに、複数の原子層よりなる遷移層を形成するので、金属酸化物膜と金属膜との間に存在する遷移層が単一の原子層よりなる場合に比べて、密着性をさらに向上させるという効果が得られる。また、原子層成長法によって複数サイクルのそれぞれのサイクルにおいて、例えば成膜条件又は原料ガスを段階的に変化させることにより、遷移層の組成を段階的に変化させることができる。これにより、密着性をさらに向上させることができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を製造することができる。
【００４２】
本発明に係る第１及び第２の半導体装置の製造方法において、金属酸化物膜を構成する金属と金属膜を構成する金属とは、互いに異なる種類の元素であることが好ましい。
【００４３】
このようにすると、例えば成膜条件又は原料ガスを変化させるだけで、連続的に金属酸化物膜、遷移層及び金属膜を形成することが可能となるため、密着性の高いバリアメタル膜を形成することができるので、本発明の第１又は第２の半導体装置を容易に製造することが可能である。
【００４４】
本発明に係る第１及び第２の半導体装置の製造方法において、金属酸化物膜を構成する金属と金属膜を構成する金属とは、互いに同一種類の元素であることが好ましい。
【００４５】
このようにすると、例えば成膜条件を変化させるだけで、連続的に金属酸化物膜、遷移層及び金属膜を形成することが可能となるため、密着性の高いバリアメタル膜を形成することができるので、本発明の第１又は第２の半導体装置を容易に製造することが可能である。
【００４６】
本発明に係る第３の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜に凹部を形成する工程と、凹部の壁面に沿うように、遷移層及び金属膜がこの順に積層されてなるバリアメタル膜を形成する工程と、凹部を埋め込むように、バリアメタル膜の上に埋め込み配線を形成する工程とを備え、バリアメタル膜を形成する工程は、原子層成長法によって１サイクル分の成長を行なうことにより、金属酸化物及び金属膜を構成する金属よりなると共に、金属酸化物の組成と金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する単一の原子層よりなる遷移層を形成する工程を含むことを特徴とする。
【００４７】
本発明に係る第３の半導体装置の製造方法によると、絶縁膜と金属膜との接合面に、金属酸化物の組成と金属物の組成とのほぼ中間的な組成を有する単一原子層よりなる遷移層を容易に形成することができる。これにより、絶縁膜と金属膜との接合面に遷移層が存在しない場合に比べて、絶縁膜と金属膜との密着性は飛躍的に向上する。さらに、遷移層が単一の原子層よりなるので、絶縁膜と金属膜との密着性が向上することに加えて、遷移層の厚みを極限まで薄くすることにより、積層化されたバリアメタル膜を形成する場合であっても、バリアメタル膜の膜厚を薄く形成することができるので、配線の低抵抗化を実現することができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を製造することができる。
【００４８】
本発明に係る第４の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜に凹部を形成する工程と、凹部の壁面に沿うように、遷移層及び金属膜がこの順に積層されてなるバリアメタル膜を形成する工程と、凹部を埋め込むように、バリアメタル膜の上に埋め込み配線を形成する工程とを備え、バリアメタル膜を形成する工程は、原子層成長法によって複数サイクル分の成長を行なうことにより、金属酸化物及び金属膜を構成する金属よりなると共に、金属酸化物の組成と金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する複数の原子層よりなる遷移層を形成する工程を含むことを特徴とする。
【００４９】
本発明に係る第４の半導体装置の製造方法によると、絶縁膜と金属膜との接合面に、金属酸化物の組成と金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する複数の原子層よりなる遷移層を容易に形成することができる。これにより、絶縁膜と金属膜との接合面に遷移層が存在しない場合に比べて、絶縁膜と金属膜との密着性は飛躍的に向上し、薄膜であって且つ密着性の高いバリアメタル膜を形成することができる。さらに、遷移層が複数の原子層よりなるので、絶縁膜と金属膜との間の遷移層が単一の原子層よりなる場合に比べて、密着性がさらに向上するという効果が得られる。また、原子層成長法によって複数サイクルのそれぞれのサイクルにおいて、例えば成膜条件又は原料ガスを段階的に変化させることにより、遷移層の組成を段階的に変化させることができる。これにより、密着性をさらに向上させることができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を製造することができる。
【００５０】
本発明に係る第３又は第４の半導体装置の製造方法において、金属酸化物を構成する金属と金属膜を構成する金属とは、互いに異なる種類の元素であることが好ましい。
【００５１】
このようにすると、例えば成膜条件又は原料ガスを変化させるだけで、連続的に遷移層及び金属膜を形成することが可能となるため、密着性の高いバリアメタル膜を形成することができるので、本発明の第３又は第４の半導体装置を容易に製造することが可能である。
【００５２】
本発明に係る第３又は第４の半導体装置の製造方法において、金属酸化物を構成する金属と金属膜を構成する金属とは、互いに同一種類の元素であることが好ましい。
【００５３】
このようにすると、例えば成膜条件を変化させるだけで、連続的に遷移層及び金属膜を形成することが可能となるため、密着性の高いバリアメタル膜を形成することができるので、本発明の第３又は第４の半導体装置を容易に製造することが可能である。
【００５４】
本発明に係る第５の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜に凹部を形成する工程と、凹部の壁面に沿うように、構成元素として酸素を含むバリアメタル膜を形成する工程と、凹部を埋め込むように、バリアメタル膜の上に埋め込み配線を形成する工程とを備え、バリアメタル膜を形成する工程は、バリアメタル膜における酸素の濃度が、バリアメタル膜の膜厚方向に連続的に変化するようにバリアメタル膜を形成する工程を含むことを特徴とする。
【００５５】
本発明に係る第５の半導体装置の製造方法によると、原子層成長方法を用いることにより、成膜条件を連続的に変化させるだけで、酸素の濃度が、バリアメタル膜における絶縁膜と接する面から埋め込み配線と接する面まで、膜厚方向に連続的に変化するようにバリアメタル膜を形成できるため、バリアメタル膜内部において組成が急激に変化する界面が存在することがなくなるので、バリアメタル膜自体の強度を大幅に向上させることができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を製造することができる。
【発明の効果】
【００５６】
本発明に係る第１〜第５の半導体装置及びその製造方法によると、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い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】
【００５７】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置及び半導体装置の製造方法について、図１、図２及び図３（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。
【００５８】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【００５９】
図１に示すように、シリコン基板１上には下層の絶縁膜である第１の絶縁膜２が形成されており、第１の絶縁膜２中には第１のバリアメタル膜３を有する下層の銅配線である第１の銅配線４が形成されている。なお、シリコン基板１上には、図示していないトランジスタなどが形成されている。第１の絶縁膜２及び第１の銅配線４の上には、銅の拡散を防止する拡散防止膜５、第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７及び第４の絶縁膜８が順に形成されている。
【００６０】
また、拡散防止膜５、第２の絶縁膜６及び第３の絶縁膜７には、第１の銅配線４に到達するビアホール１０ａが形成されていると共に、第４の絶縁膜８には、ビアホール１０ａに連通する配線溝１０ｂが形成されている。このように、ビアホール１０ａ及び配線溝１０ｂよりなるデュアルダマシン配線溝となる凹部１０ｃが形成されている。
【００６１】
また、図１に示すように、凹部１０ｃの壁面には、第２のバリアメタル膜Ａ１が形成されている。ここで、第２のバリアメタル膜Ａ１は、凹部１０ｃに沿うように、拡散防止膜５、第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７及び第４の絶縁膜８の上に形成された金属酸化物膜１１と、該金属酸化物膜１１の上に形成された遷移層１２ａと、該遷移層１２ａの上に形成された金属膜１３とよりなる。遷移層１２ａは、金属酸化物膜１１と金属膜１３との接合面近傍に形成されており、金属酸化物膜１１及び金属膜１３の両膜の組成のほぼ中間組成を有する遷移層である。さらに、遷移層１２ａは単一の原子層よりなる。
【００６２】
図２は、例えば、金属膜１３を構成する金属がルテニウム（Ｒｕ）であると共に、金属酸化物膜１１が酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）である場合における、バリアメタル膜Ａ１の膜厚方向の原子濃度の分布を示している。
【００６３】
図２に示すように、ルテニウム（Ｒｕ）よりなる金属膜１３と酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）よりなる金属酸化物膜１１との間には、単一の原子層よりなる遷移層１２ａが形成されている。遷移層１２ａは、ルテニウム（Ｒｕ）よりなる金属膜１３の組成と酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）よりなる金属酸化物膜１１の組成との中間的な組成を有している。すなわち、遷移層１２ａ中のルテニウム（Ｒｕ）の濃度は、金属膜１３中のルテニウム（Ｒｕ）の濃度と金属酸化物膜１１中のルテニウム（Ｒｕ）の濃度との中間的な濃度となっており、また、遷移層１２ａ中の酸素（Ｏ）の濃度は、金属膜１３中の酸素（Ｏ）の濃度（この場合はゼロ）と金属酸化物膜１１中の酸素（Ｏ）の濃度との中間的な濃度となっている。
【００６４】
さらに、凹部１０ｃの内部を埋め込むように、金属膜１３の上に、銅よりなる上層の配線である第２の銅配線１４が形成されている。なお、第２の銅配線１４は、配線、ビアプラグ、又はこれらの両方のいずれかであればよい。ここで、第２の銅配線１４は、純銅又は銅以外の成分（例えば、微量のＳｉ、Ａｌ、Ｍｏ又はＳｃなど）を含む銅合金よりなる場合であってもよい。
【００６５】
ここで、拡散防止膜５には、シリコン窒化膜、シリコン窒化炭化膜、シリコン炭化酸化膜、シリコン炭化膜、又はこれらの膜を組み合わせてなる積層膜を用いるとよい。拡散防止膜５は、第１の銅配線４の銅が第２の絶縁膜６及び第４の絶縁膜８中に拡散することを防止する働きを有する。なお、第３の絶縁膜７には、拡散防止膜５と同じ材料を用いればよい。また、第３の絶縁膜７は、配線溝１０ｂを形成するためのエッチングストッパとして主に機能する膜であるが、第２の絶縁膜６及び第４の絶縁膜８との間において十分なエッチング選択比が得られる場合又は配線溝１０ｂを形成するためのエッチングが精密に制御できる場合については、第３の絶縁膜７は必ずしも設ける必要はない。
【００６６】
また、第２の絶縁膜６及び第４の絶縁膜８には、シリコン酸化膜、フッ素ドープシリコン酸化膜、シリコン酸化炭化膜、又は有機膜よりなる絶縁膜を用いるとよい。これらの膜は、化学気相成長法にて形成される膜であってもよいし、スピン塗布法にて形成されるＳＯＤ（spin on dielectric）膜であってもよい。また、第２の絶縁膜６及び第４の絶縁膜８には同一の材料を用いてもよい。
【００６７】
また、金属酸化物膜１１を構成する金属には、高融点金属を用いるとよい。これにより、第２の銅配線１４を形成した後に、さらに上層配線を形成する工程において、およそ４００℃前後の熱が加えられるが、本熱処理によって金属酸化物膜１１が変成することはない。したがって、信頼性の高い半導体装置を実現できる。
【００６８】
また、金属酸化物膜１１は、膜厚が薄い場合には必ずしも導電性を有さなくてもよいが、導電性を有する方が好ましい。以下に、導電性を有する金属酸化物膜１１について具体的に説明する。
【００６９】
金属酸化物膜１１の金属には、チタニウム（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、ニオビウム（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミニウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、又はプラチナ（Ｐｔ）を用いるとよい。
【００７０】
さらに好ましくは、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミニウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、又はプラチナ（Ｐｔ）などを用いるとよい。このようにすると、酸化されても導電性が大きく失われない（比抵抗が小さい）ため、低抵抗の第２のバリアメタル膜Ａ１を形成することができる。
【００７１】
金属膜１３を構成する金属には、チタニウム（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、ニオビウム（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミニウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、又はプラチナ（Ｐｔ）を用いるとよい。例えば、タンタルの比抵抗は１３（μΩ・ｃｍ）であり、ルテニウムの比抵抗は７．５（μΩ・ｃｍ）であり、イリジウムの比抵抗は６．５（μΩ・ｃｍ）である。
【００７２】
さらに好ましくは、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミニウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、又はプラチナ（Ｐｔ）などを用いるとよい。例えば、ルテニウム酸化膜の比抵抗は３５（μΩ・ｃｍ）であり、イリジウム酸化膜の比抵抗は３０（μΩ・ｃｍ）である。これらの金属を用いると、酸化されても導電性を失わない（比抵抗が小さい）ため、後述の銅めっきの際に、金属膜１１の表面が酸化されたとしても導電性を失わないので、低抵抗の第２のバリアメタル膜Ａ１を形成することができる。
【００７３】
また、本実施形態に示した第２のバリアメタル膜Ａ１を実際の半導体装置に組み込む場合には、第２のバリアメタル膜Ａ１の膜厚は、６５ｎｍ世代の半導体装置の場合であれば、数ｎｍ〜３０ｎｍとなるように形成されるとよい。また、４５ｎｍ世代の半導体装置の場合であれば、全体の膜厚として、厚くてもおよそ１５ｎｍ以下にする必要があると予測される。なお、この点は、後述する各実施形態における第２のバリアメタル膜Ａ２〜Ａ５の場合であっても同様である。
【００７４】
以上のように、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置によると、金属膜１３と金属酸化物膜１１との接合面には、金属膜１３の組成と金属酸化物膜１１の組成とのほぼ中間的な組成を有する遷移層１２ａが存在するので、金属膜１３と金属酸化物膜１１との接合面に遷移層１２ａが存在しない場合に比べて、金属膜１３と金属酸化物膜１１との密着性は飛躍的に向上する。さらに、遷移層１２ａが単一の原子層よりなるため、金属膜１３と金属酸化物膜１１との密着性が向上することに加えて、遷移層１２ａの厚みを極限まで薄くすることにより、積層化されたバリアメタル膜を形成する場合であっても、バリアメタル膜の膜厚を薄く形成することできるので、配線の低抵抗化を実現することができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００７５】
なお、金属酸化物膜１１を構成する金属と金属膜１３を構成する金属とは、互いに異なる種類の元素としてもよい。この場合は、金属膜１３／遷移層１２ａ／金属酸化物膜１１／絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）の層構成において、金属膜１３と金属酸化物膜１１との密着性を損なうことなく、金属酸化物膜１１と該絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との密着性を、該絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）の種類によって最適化することが可能となる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００７６】
また、金属酸化物膜を構成する金属と金属膜を構成する金属とは、互いに同一種類の元素としてもよい。この場合は、金属膜１３／遷移層１２ａ／金属酸化物膜１１の層構成において、金属膜１３と遷移層１２ａとの間及び遷移層１２ａと金属酸化物膜１１と間の各接合面における密着性を向上させることができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００７７】
次に、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を、図２及び図３（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。なお、具体的には、図１に示した本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を製造する方法を以下に説明する。
【００７８】
図３（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す要部工程断面図である。
【００７９】
まず、図３（ａ）に示すように、シリコン基板１上に第１の絶縁膜２を形成した後に、該第１の絶縁膜２中に第１のバリアメタル膜３を有する第１の銅配線４を形成する。なお、シリコン基板１上には、図示していないトランジスタなどが形成されている。続いて、第１の絶縁膜２及び第１の銅配線４の上に、銅の拡散を防止する拡散防止膜５、第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７及び第４の絶縁膜８を順に形成する。続いて、拡散防止膜５、第２の絶縁膜６及び第３の絶縁膜７に、下端が第１の銅配線４に到達するビアホール１０ａを形成すると共に、第４の絶縁膜８に、ビアホール１０ａに連通する配線溝１０ｂを形成する。このようにして、デュアルダマシン用のビアホール１０ａ及び配線溝１０ｂよりなる凹部１０ｃを形成する。
【００８０】
また、ビアホール１０ａ及び配線溝１０ｂよりなる凹部１０ｃは、周知のリソグラフィ技術、エッチング技術、アッシング技術、及び洗浄技術を用いて、例えば特開２００２−７５９９４号公報などに開示されているデュアルダマシン形成方法によって形成すればよい。
【００８１】
次に、図３（ｂ）に示すように、凹部１０ｃの壁面に沿うように、第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７及び第４の絶縁膜８の上に金属酸化物膜１１を形成する。ここで、金属酸化物膜１１は、原子層成長法（ＡＬＤ：atomic layer deposition）、化学気相成長法（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）、又は物理気相成長法（ＰＶＤ：physical vapor deposition）などの成膜方法によって形成すればよい。
【００８２】
次に、図３（ｃ）に示すように、金属酸化物膜１１の上に、原子層成長法によって、１サイクル分の成長を行なうことにより、遷移層１２ａを形成する。続いて、遷移層１２ａの上に、原子層成長法又は物理気相成長法により、金属膜１３を形成する。このようにして、金属酸化物膜１１、遷移層１２ａ及び金属膜１３よりなる第２のバリアメタル膜Ａ１が形成される。ここで、遷移層１２ａは金属膜１３の組成と金属酸化物膜１１の組成とのほぼ中間的な組成を有している。
【００８３】
ここで、第２のバリアメタル膜Ａ１の形成方法について、例えば、金属膜１３を構成する金属がルテニウム（Ｒｕ）であり、金属酸化物膜１１が酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）である場合について、以下に詳細に説明する。
【００８４】
第２のバリアメタル膜Ａ１を構成する、金属酸化物膜１１、遷移層１２ａ及び金属膜１３の形成には、公知の原子層成長法（Jounarl of The Electrochemical Society, 151, G109-G112(2004)）を用いる。この場合の成膜条件としては、以下の通りである。すなわち、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）のソースガスとして、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2 （ビス（エチルシクロペンタジエニル）ルテニウム）ガスを用い、８０℃にソースガスを加熱した状態で、５０ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）のＡｒガスで希釈して使用する。また、基板温度は２５０℃であり、真空度は４．６６×１０2 Ｐａである条件下で行なう。また、酸素ガスとしては、酸素ガス７０ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）にＡｒガス１００ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）を混合したガスを使用する。そして、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2 ガスを供給するためのパルス時間を変化させることにより、金属ルテニウムから酸化ルテニウムまで、任意の組成を得ることが可能である。パルス時間としては、１ｓｅｃから１０ｓｅｃまでの範囲である。Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2ガスをパルス供給し、その後、一定時間のパージを行ったのち、酸素ガスを供給し、酸素ガスの供給を停止した後、一定時間のパージを行ない、ＲｕとＯからなる単原子層の膜を成長することができる。この一連のサイクルを１サイクルとする。なお、金属ルテニウムを成長する場合には、酸素ガスの供給は行なわない。
【００８５】
例えば、第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７及び第４の絶縁膜８の上に、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2 のパルス時間を２ｓｅｃとして、金属酸化物膜１１である酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）膜を５ｎｍ堆積した後、酸化ルテニウムとルテニウムとの中間の組成を有する遷移層１２ａを、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2 のパルス時間を５ｓｅｃとして、単一の原子層分だけ形成する。次に、金属膜１３であるルテニウム（Ｒｕ）膜をＲｕ（ＥｔＣｐ）2 のパルス時間を１０ｓｅｃとすることによって５ｎｍ堆積する。このようにして形成された第２のバリアメタル膜Ａ１の膜厚方向の原子濃度の分布は、前述した図３に示す通りである。このように、遷移層１２ａの組成の制御は、パルス時間を変化させることによって容易に行なうことができる。
【００８６】
次に、凹部１０ｃが埋め込まれるように、銅めっきにより、凹部１０ｃの内部を含む金属膜１３の上に銅膜を形成した後に、銅膜、金属膜１３、遷移層１２ａ、及び金属酸化物膜１１における凹部１０ｃの内部以外の部分であって第４の絶縁膜８の上に形成されている部分をＣＭＰによって除去することにより、第２の銅配線１４及びその一部であるビアプラグを形成する。このようにして、図１に示す構造を有する半導体装置を形成することができる。なお、拡散防止膜５の成膜からＣＭＰまでの工程を繰り返すことで多層配線を形成することができる。
【００８７】
以上のように、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、金属膜１３と金属酸化物膜１１との接合面に、金属膜１３の組成と金属酸化物膜１１の組成とのほぼ中間的な組成を有する単一原子層よりなる遷移層１２ａを容易に形成することができる。また、前述した半導体装置が有する効果と同様の効果を得ることができる。すなわち、金属膜１３と金属酸化物膜１１の接合面に、金属膜１３の組成と金属酸化物膜１１の組成とのほぼ中間的な組成を有する遷移層１２ａを形成しているので、金属膜１３と金属酸化物膜１１の接合面に遷移層１２ａが存在しない場合に比べて、金属膜１３と金属酸化物膜１１との密着性を飛躍的に向上させることができる。さらに、遷移層１２ａが単一の原子層よりなるため、金属膜１３と金属酸化物膜１１との密着性が向上することに加えて、遷移層１２ａの厚みを極限まで薄く形成することにより、積層化されたバリアメタル膜を形成する場合であっても、バリアメタル膜の膜厚を薄く形成することできるので、配線の低抵抗化を実現することができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を製造することができる。
【００８８】
なお、金属酸化物膜１１を構成する金属と金属膜１３を構成する金属とを、互いに異なる種類の元素として、金属酸化物膜１１、遷移層１２ａ及び金属膜１３を原子層成長法にて形成する場合は、例えば成膜条件又は原料ガスを変化させるだけで、連続的に金属酸化物膜１１、遷移層１２ａ及び金属膜１３を形成することが可能となるので、密着性の高い第２のバリアメタル膜を形成することができる。
【００８９】
また、金属酸化物膜１１を構成する金属と金属膜１３を構成する金属とを、互いに同一種類の元素として、金属酸化物膜１１、遷移層１２ａ及び金属膜１３を原子層成長法にて形成する場合は、例えば成膜条件を変化させるだけで、連続的に金属酸化物膜１１、遷移層１２ａ及び金属膜１３を形成することができる。
【００９０】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置及び半導体装置の製造方法について、図４、図５及び図６（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。なお、第２の実施形態では、第１の実施形態と共通する部分は同様であるので、その説明は繰り返さないことにして、以下では、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００９１】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【００９２】
図４に示すように、凹部１０ｃの壁面には、第２のバリアメタル膜Ａ２が形成されている。ここで、第２のバリアメタル膜Ａ２は、凹部１０ｃに沿うように、拡散防止膜５、第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７及び第４の絶縁膜８の上に形成された金属酸化物膜１１と、該金属酸化物膜１１の上に形成された遷移層１２ｂと、該遷移層１２ｂの上に形成された金属膜１３とよりなる。遷移層１２ｂは、金属酸化物膜１１と金属膜１３との接合面近傍に形成されており、金属酸化物膜１１及び金属膜１３の両膜の組成のほぼ中間組成を有する遷移層である。さらに、遷移層１２ｂは複数の原子層よりなる。
【００９３】
図５は、例えば、金属膜１３を構成する金属がルテニウム（Ｒｕ）であると共に、金属酸化物膜１１が酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）である場合における、第２のバリアメタル膜Ａ２の膜厚方向の原子濃度の分布を示している。ルテニウム（Ｒｕ）よりなる金属膜１３と酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）よりなる金属酸化物膜１１との間に３つの原子層よりなる遷移層１２ｂが形成されている。遷移層１２ｂは、ルテニウム（Ｒｕ）よりなる金属膜１３の組成と酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）よりなる金属酸化物膜１１の組成との中間的な組成を有している。すなわち、遷移層１２ｂ中のルテニウム（Ｒｕ）の濃度は、金属膜１３中のルテニウム（Ｒｕ）の濃度と金属酸化物膜１１中のルテニウム（Ｒｕ）の濃度と中間的な濃度となっており、また、遷移層１２ｂ中の酸素（Ｏ）の濃度は、金属膜１３中の酸素（Ｏ）の濃度（この場合は、ほぼゼロ）と金属酸化物膜１１中の酸素（Ｏ）の濃度との中間的な濃度となっている。さらに、遷移層１２ｂ中のルテニウム（Ｒｕ）の濃度は、ルテニウム（Ｒｕ）よりなる金属膜１３から酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）よりなる金属酸化物膜１１に向かって、１原子層ごとに段階的に少なくなっている一方で、遷移層１２ｂ中の酸素（Ｏ）の濃度は、ルテニウム（Ｒｕ）よりなる金属膜１３から酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）よりなる金属酸化物膜１１に向かって、１原子層ごとに段階的に多くなっている。すなわち、遷移層１２ｂの組成は、段階的に変化している。
【００９４】
以上のように、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置によると、金属膜１３と金属酸化物膜１１との接合面には、金属膜１３の組成と金属酸化物膜１１の組成とのほぼ中間的な組成を有する遷移層１２ｂが存在するので、金属膜１３と金属酸化物膜１１との接合面に遷移層１２ｂが存在しない場合に比べて、金属膜１３と金属酸化物膜１１との密着性は飛躍的に向上し、薄膜であって且つ密着性の高いバリアメタル膜を形成することができる。さらに、遷移層１２ｂが複数の原子層よりなるので、金属膜１３と金属酸化物膜１１との間に存在する遷移層が単一の原子層よりなる場合に比べて、密着性がさらに向上するという効果が得られる。また、遷移層１２ｂの組成が段階的に変化していることにより、密着性はさらに向上する。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００９５】
なお、金属酸化物膜１１を構成する金属と金属膜１３を構成する金属とは、互いに異なる種類の元素としてもよい。この場合は、金属膜１３／遷移層１２ｂ／金属酸化物膜１１／絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）の層構成において、金属膜１３と金属酸化物膜１１との密着性を損なうことなく、金属酸化物膜１１と該絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との密着性を、該絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）の種類によって最適化することが可能となる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００９６】
また、金属酸化物膜を構成する金属と金属膜を構成する金属とは、互いに同一種類の元素としてもよい。この場合は、金属膜１３／遷移層１２ｂ／金属酸化物膜１１の層構成において、金属膜１３と遷移層１２ｂとの間及び遷移層１２ｂと金属酸化物膜１１と間の各接合面における密着性を向上させることができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００９７】
次に、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図５及び図６（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。なお、具体的には、図４に示した本発明の第２の実施形態に係る半導体装置を製造する方法を以下に説明する。
【００９８】
まず、第１の実施形態における図２（ａ）を用いた説明と同様にして、図６（ａ）に示すように、デュアルダマシン用のビアホール１０ａ及び配線溝１０ｂよりなる凹部１０ｃを形成する。
【００９９】
次に、図６（ｂ）に示すように、凹部１０ｃの壁面に沿うように、第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７及び第４の絶縁膜８の上に金属酸化物膜１１を形成する。ここで、金属酸化物膜１１は、原子層成長法（ＡＬＤ：atomic layer deposition）、化学気相成長法（ＣＶＤ：cemical vapor deposition）、又は物理気相成長法（ＰＶＤ：physical vapor deposition）などの成膜方法によって形成すればよい。
【０１００】
次に、図６（ｃ）に示すように、金属酸化物膜１１の上に、原子層成長法によって、複数サイクル分の成長を行なうことにより、遷移層１２ｂを形成する。続いて、遷移層１２ｂの上に、原子層成長法又は物理気相成長法により、金属膜１３を形成する。このようにして、金属酸化物膜１１、遷移層１２ｂ及び金属膜１３よりなる第２のバリアメタル膜Ａ２が形成される。ここで、遷移層１２ｂは金属膜１３の組成と金属酸化物膜１１の組成とのほぼ中間的な組成を有している。
【０１０１】
ここで、第２のバリアメタル膜Ａ２の形成方法について、例えば、金属膜１３を構成する金属がルテニウム（Ｒｕ）であると共に、金属酸化物膜１１が酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）である場合について、以下に詳細に説明する。
【０１０２】
第２のバリアメタル膜Ａ２を構成する、金属酸化物膜１１、遷移層１２ｂ及び金属膜１３の形成には、公知の原子層成長法（Jounarl of The Electrochemical Society, 151, G109-G112(2004)）を用いる。この場合の成膜条件は以下の通りである。すなわち、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）のソースガスとして、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2 （ビス（エチルシクロペンタジエニル）ルテニウム）ガスを用い、８０℃にソースガスを加熱した状態で、５０ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）のＡｒガスで希釈して使用する。また、基板温度は２５０℃であり、真空度は４．６６×１０2 Ｐａである条件下で行なう。また、酸素ガスとしては、酸素ガス７０ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）にＡｒガス１００ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）を混合したガスを使用する。そして、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2 ガスを供給するためのパルス時間を変化させることにより、金属ルテニウムから酸化ルテニウムまで、任意の組成を得ることが可能である。パルス時間としては、１ｓｅｃから１０ｓｅｃまでの範囲である。Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2ガスをパルス供給し、その後、一定時間のパージを行ったのち、酸素ガスを供給し、酸素ガスの供給を停止した後、一定時間のパージを行ない、ＲｕとＯからなる単原子層の膜を成長することができる。この一連のサイクルを１サイクルとする。なお、金属ルテニウムを成長する場合には、酸素ガスの供給は行なわない。
【０１０３】
例えば、第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７及び第４の絶縁膜８の上に、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2のパルス時間を２ｓｅｃとして、金属酸化物膜１１である酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）膜を５ｎｍ堆積した後、酸化ルテニウムとルテニウムとの中間の組成を有する遷移層１２ｂを、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2のパルス時間を３ｓｅｃ、５ｓｅｃ、及び７ｓｅｃと段階的に変化させて、３原子層分形成する。次に、金属膜１３であるルテニウム（Ｒｕ）膜をＲｕ（ＥｔＣｐ）2 のパルス時間を１０ｓｅｃとすることによって５ｎｍ堆積する。このようにして形成された第２のバリアメタル膜Ａ２の膜厚方向の原子濃度の分布は、前述した図５に示した通りである。遷移層１２ｂの組成の制御は、パルス時間を変化させることによって容易に行なうことができる。なお、遷移層１２ｂの組成は、層全体として、酸化ルテニウムとルテニウムとの中間の組成を有していればよく、金属酸化物膜１１に最も近い部分の原子層においては、酸化ルテニウムであってもよい。この場合は、金属酸化物膜１１に最も近い部分の原子層を、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2 のパルス時間を２ｓｅｃとして成長すればよい。
【０１０４】
次に、凹部１０ｃが埋め込まれるように、銅めっきにより、凹部１０ｃの内部を含む金属膜１３の上に銅膜を形成した後に、銅膜、金属膜１３、遷移層１２ｂ、及び金属酸化物膜１１における凹部１０ｃの内部以外の部分であって第４の絶縁膜８の上に形成されている部分をＣＭＰによって除去することにより、第２の銅配線１４及びその一部であるビアプラグを形成する。このようにして、図４に示す構造を有する半導体装置を形成することができる。なお、拡散防止膜５の成膜からＣＭＰまでの工程を繰り返すことで多層配線を形成することができる。
【０１０５】
以上のように、本発明の第２の本実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、金属膜１３と金属酸化物膜１１との接合面に、金属膜１３の組成と金属酸化物膜１１の組成とのほぼ中間的な組成を有する複数の原子層よりなる遷移層１２ｂを容易に形成することができる。また、前述した第２の実施形態に係る半導体装置が有する効果と同様の効果を得ることができる。すなわち、金属膜１３と金属酸化物膜１１との接合面に、金属膜１３の組成と金属酸化物膜１１の組成とのほぼ中間的な組成を有する遷移層１２ｂを形成しているため、金属膜１３と金属酸化物膜１１との接合面に遷移層１２ｂが存在していない場合に比べて、金属膜１３と金属酸化物膜１１との密着性を飛躍的に向上させることができる。したがって、薄膜であって且つ密着性の高いバリアメタル膜を形成することができる。さらに、遷移層１２ｂが複数の原子層よりなるので、金属膜１３と金属酸化物膜１１との間に存在する遷移層が単一の原子層よりなる場合に比べて、密着性をさらに向上させることができるという効果が得られる。また、遷移層１２ｂの組成を段階的に変化させることにより、密着性をさらに向上させることができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を製造することができる。
【０１０６】
なお、金属酸化物膜１１を構成する金属と金属膜１３を構成する金属とを、互いに異なる種類の元素として、金属酸化物膜１１、遷移層１２ｂ及び金属膜１３を原子層成長法にて形成する場合は、例えば成膜条件又は原料ガスを変化させるだけで、連続的に金属酸化物膜１１、遷移層１２ｂ及び金属膜１３を形成することができる。
【０１０７】
また、金属酸化物膜１１を構成する金属と金属膜１３を構成する金属とを、互いに同一種類の元素として、金属酸化物膜１１、遷移層１２ｂ及び金属膜１３を原子層成長法にて形成する場合は、例えば成膜条件を変化させるだけで、連続的に金属酸化物膜１１、遷移層１２ｂ及び金属膜１３を形成することができる。
【０１０８】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置及び半導体装置の製造方法について、図７、図８及び図９（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。なお、第３の実施形態では、第１の実施形態と共通する部分は同様であるので、その説明は繰り返さないことにして、以下では、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【０１０９】
図７は、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【０１１０】
図７に示すように、凹部１０ｃの壁面には、第２のバリアメタル膜Ａ３が形成されている。ここで、第２のバリアメタル膜Ａ３は、凹部１０ｃに沿うように、拡散防止膜５、第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７及び第４の絶縁膜８の上に形成された遷移層１２ｃと、該遷移層１２ｃの上に形成された金属膜１３とよりなる。遷移層１２ｃは、絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）と金属膜１３との接合面近傍に形成されており、金属酸化物及び金属膜１３のそれぞれの組成のほぼ中間組成を有する遷移層である。さらに、遷移層１２ｃは単一の原子層よりなる。
【０１１１】
図８は、例えば、金属膜１３を構成する金属がルテニウム（Ｒｕ）であると共に、金属酸化物が酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）である場合における、第２のバリアメタル膜Ａ３の膜厚方向の原子濃度の分布を示している。ルテニウム（Ｒｕ）よりなる金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との間に単一の原子層よりなる遷移層１２ｃが形成されている。遷移層１２ｃは、ルテニウム（Ｒｕ）よりなる金属膜１３の組成と酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）よりなる金属酸化物の組成との中間的な組成を有している。すなわち、遷移層１２ｃ中のルテニウム（Ｒｕ）の濃度は、金属膜１３中のルテニウム（Ｒｕ）の濃度と、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）よりなる金属酸化物中のルテニウム（Ｒｕ）の濃度との中間的な濃度となっており、また、遷移層１２ｃ中の酸素（Ｏ）の濃度は、金属膜１３中の酸素（Ｏ）の濃度（この場合は、ほぼゼロ）と、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）よりなる金属酸化物中の酸素（Ｏ）の濃度との中間的な濃度となっている。
【０１１２】
遷移層１２ｃの組成を決定する前記金属酸化物を構成する金属には、高融点金属を用いるとよい。これにより、第２の銅配線１４を形成した後に、さらに上層配線を形成する工程において、およそ４００℃前後の熱が加えられるが、本熱処理によって遷移層１２ｃが変成することはない。したがって、信頼性の高い半導体装置を実現できる。
【０１１３】
また、遷移層１２ｃは、膜厚が薄い場合には必ずしも導電性を有さなくてもよいが、導電性を有する方が好ましい。以下に、導電性を有する遷移層１２ｃの組成を決定する前記金属酸化物について具体的に説明する。
【０１１４】
遷移層１２ｃの組成を決定する前記金属酸化物を構成する金属には、チタニウム（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、ニオビウム（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミニウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、又はプラチナ（Ｐｔ）を用いるとよい。
【０１１５】
さらに好ましくは、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミニウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、又はプラチナ（Ｐｔ）などを用いるとよい。このようにすると、酸化されても導電性が大きく失われない（比抵抗が小さい）ため、低抵抗の第２のバリアメタル膜Ａ３を形成することができる。
【０１１６】
以上のように、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置によると、金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との接合面には、金属膜１３の組成と金属酸化物の組成とのほぼ中間的な組成を有する遷移層１２ｃが存在しているので、金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との接合面に遷移層１２ｃが存在しない場合に比べて、金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との密着性は飛躍的に向上する。さらに、遷移層１２ｃが単一の原子層よりなるので、金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）の密着性が向上することに加えて、遷移層１２ｃの厚みを極限まで薄くすることにより、積層化されたバリアメタル膜を形成する場合であっても、バリアメタル膜の膜厚を薄く形成することできるので、配線の低抵抗化を実現することができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【０１１７】
なお、遷移層１２ｃの組成を決定する前記金属酸化物を構成する金属と金属膜１３を構成する金属とは、互いに異なる種類の元素としてもよい。この場合は、金属膜１３／遷移層１２ｃ／絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）の層構成において、金属膜１３と遷移層１２ｃとの密着性を損なうことなく、遷移層１２ｃと絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との密着性を、絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７あるいは第４の絶縁膜８）の種類によって最適化することが可能となる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【０１１８】
また、遷移層１２ｃの組成を決定する前記金属酸化物を構成する金属と金属膜１３を構成する金属とは、互いに同一種類の元素としてもよい。この場合は、金属膜１３／遷移層１２ｃの層構成において、金属膜１３と遷移層１２ｃとの間の接合面における密着性を向上させることができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【０１１９】
次に、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法を、図８及び図９（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。なお、具体的には、図７に示した本発明の第３の実施形態に係る半導体装置を製造する方法を以下に説明する。
【０１２０】
図９（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す要部工程断面図である。
【０１２１】
まず、第１の実施形態における図２（ａ）を用いた説明と同様にして、図９（ａ）に示すように、デュアルダマシン用のビアホール１０ａ及び配線溝１０ｂよりなる凹部１０ｃを形成する。
【０１２２】
次に、図９（ｂ）に示すように、凹部１０ｃの壁面に沿うように、第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７及び第４の絶縁膜８の上に、原子層成長法によって、１サイクル分の成長を行なうことにより、遷移層１２ｃを形成する。
【０１２３】
次に、図９（ｃ）に示すように、遷移層１２ｃの上に、原子層成長法又は物理気相成長法により、金属膜１３を形成する。このようにして、遷移層１２ｃ及び金属膜１３よりなる第２のバリアメタル膜Ａ３が形成される。ここで、遷移層１２ｃは、金属膜１３の組成と金属酸化物の組成とのほぼ中間的な組成を有している。
【０１２４】
ここで、第２のバリアメタル膜Ａ３の形成方法について、例えば、金属膜１３を構成する金属がルテニウム（Ｒｕ）であると共に、遷移層１２ｃの組成を決定する金属酸化物が酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）である場合について、以下に詳細に説明する。
【０１２５】
第２のバリアメタル膜Ａ３を構成する、遷移層１２ｃ及び金属膜１３の形成には、公知の原子層成長法（Jounarl of The Electrochemical Society, 151, G109-G112(2004)）を用いる。この場合の成膜条件は以下の通りである。すなわち、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）のソースガスとして、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2 （ビス（エチルシクロペンタジエニル）ルテニウム）ガスを用い、８０℃にソースガスを加熱した状態で、５０ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）のＡｒガスで希釈して使用する。また、基板温度は２５０℃であり、真空度は４．６６×１０2 である条件下で行なう。また、酸素ガスとしては、酸素ガス７０ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）にＡｒガス１００ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）を混合したガスを使用する。そして、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2 ガスを供給するためのパルス時間を変化させることにより、金属ルテニウムから酸化ルテニウムまで、任意の組成を得ることが可能である。パルス時間としては、１ｓｅｃから１０ｓｅｃまでの範囲である。Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2ガスをパルス供給し、その後、一定時間のパージを行ったのち、酸素ガスを供給し、酸素ガスの供給を停止した後、一定時間のパージを行ない、ＲｕとＯからなる単原子層の膜を成長することができる。この一連のサイクルを１サイクルとする。なお、金属ルテニウムを成長する場合には、酸素ガスの供給は行なわない。
【０１２６】
例えば、第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７及び第４の絶縁膜８の上に、酸化ルテニウムとルテニウムとの中間の組成を有する遷移層１２ｃを、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2 のパルス時間を５ｓｅｃとして、単一の原子層分だけ形成する。次に、金属膜１３であるルテニウム（Ｒｕ）膜をＲｕ（ＥｔＣｐ）2 のパルス時間を１０ｓｅｃとすることによって５ｎｍ堆積する。このようにして形成した第２のバリアメタル膜Ａ３の膜厚方向の原子濃度の分布は、前述の図８に示した通りである。遷移層１２ｃの組成の制御は、パルス時間を変化させることで容易に行なうことができる。
【０１２７】
次に、凹部１０ｃが埋め込まれるように、銅めっきにより、凹部１０ｃの内部を含む金属膜１３の上に銅膜を形成した後に、銅膜、金属膜１３及び遷移層１２ｃにおける凹部１０ｃの内部以外の部分であって第４の絶縁膜８の上に形成されている部分をＣＭＰによって除去することにより、第２の銅配線１４及びその一部であるビアプラグを形成する。このようにして、図７に示す構造を有する半導体装置を形成することができる。なお、拡散防止膜５の成膜からＣＭＰまでの工程を繰り返すことで多層配線を形成することができる。
【０１２８】
以上のように、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）の接合面に、金属膜１３の組成と金属酸化物の組成とのほぼ中間的な組成を有する単一原子層よりなる遷移層１２ｃを容易に形成することができる。また、前述した第３の実施形態に係る半導体装置が有する効果と同様の効果を得ることができる。すなわち、金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との接合面に、金属膜１３の組成と金属酸化物の組成とのほぼ中間的な組成を有する遷移層１２ｃを形成しているので、金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との接合面に遷移層１２ｃが存在しない場合に比べて、金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との密着性を飛躍的に向上させることができる。さらに、遷移層１２ｃが単一の原子層よりなるので、金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）の密着性が向上することに加えて、遷移層１２ｃの厚みを極限まで薄くすることにより、積層化されたバリアメタル膜を形成する場合であっても、バリアメタル膜の膜厚を薄く形成することできるので、配線の低抵抗化を実現することができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を製造することができる。
【０１２９】
なお、金属酸化物を構成する金属と金属膜１３を構成する金属とを、互いに異なる種類の元素として、遷移層１２ｃ及び金属膜１３を原子層成長法にて形成する場合は、例えば成膜条件又は原料ガスを変化させるだけで、連続的に遷移層１２ｃ及び金属膜１３を形成することができる。
【０１３０】
また、金属酸化物を構成する金属と金属膜１３を構成する金属とを、互いに同一種類の元素として、遷移層１２ｃ及び金属膜１３を原子層成長法にて形成する場合は、例えば成膜条件を変化させるだけで、連続的に遷移層１２ｃ及び金属膜１３を形成することができる。
【０１３１】
（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態に係る半導体装置及び半導体装置の製造方法について、図１０、図１１及び図１２（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。なお、第４の実施形態では、第３の実施形態と共通する部分は同様であるので、その説明は繰り返さないことにして、以下では、第３の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【０１３２】
図１０は、本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【０１３３】
図１０に示すように、凹部１０ｃの壁面には、第２のバリアメタル膜Ａ４が形成されている。ここで、第２のバリアメタル膜Ａ４は、凹部１０ｃに沿うように、拡散防止膜５、第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７及び第４の絶縁膜８の上に形成された遷移層１２ｄと、該遷移層１２ｄの上に形成された金属膜１３とよりなる。遷移層１２ｄは、絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）と金属膜１３との接合面近傍に形成されており、金属酸化物及び金属膜１３のそれぞれの組成のほぼ中間組成を有する遷移層である。さらに、遷移層１２ｄは複数の原子層よりなる。
【０１３４】
図１１は、例えば、金属膜１３を構成する金属がルテニウム（Ｒｕ）であると共に、遷移層１２ｄの組成を決定する前記金属酸化物が酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）である場合における、第２のバリアメタル膜Ａ４の膜厚方向の原子濃度の分布を示している。ルテニウム（Ｒｕ）よりなる金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との間に３つの原子層よりなる遷移層１２ｄが形成されている。遷移層１２ｄは、ルテニウム（Ｒｕ）よりなる金属膜１３の組成と酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）よりなる金属酸化物の組成との中間的な組成を有している。すなわち、遷移層１２ｄ中のルテニウム（Ｒｕ）の濃度は、金属膜１３中のルテニウム（Ｒｕ）の濃度と、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）よりなる金属酸化物中のルテニウム（Ｒｕ）の濃度との中間的な濃度となっており、また、遷移層１２ｄ中の酸素（Ｏ）の濃度は、金属膜１３中の酸素（Ｏ）の濃度（この場合は、ほぼゼロ）と、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）よりなる金属酸化物中の酸素（Ｏ）の濃度との中間的な濃度となっている。さらに、遷移層１２ｄにおけるルテニウム（Ｒｕ）の濃度は、ルテニウム（Ｒｕ）よりなる金属膜１３から絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）に向かって、１原子層ごとに段階的に少なくなっている一方で、遷移層１２ｄにおける酸素（Ｏ）の濃度は、ルテニウム（Ｒｕ）よりなる金属膜１３から絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７あるいは第４の絶縁膜８）に向かって、１原子層ごとに段階的に多くなっている。すなわち、遷移層１２ｄの組成は、段階的に変化している。
【０１３５】
以上のように、本発明の第４の実施形態に係る半導体装置によると、金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との接合面には、金属膜１３の組成と金属酸化物の組成とのほぼ中間的な組成を有する遷移層１２ｄが存在するので、遷移層１２ｄが存在しない場合に比べて、金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との密着性は飛躍的に向上し、薄膜であって且つ密着性の高いバリアメタル膜を形成することができる。さらに、遷移層１２ｄが複数の原子層よりなるので、金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との間の遷移層が単一の原子層よりなる場合に比べて、密着性がさらに向上するという効果が得られる。また、遷移層１２ｄの組成が段階的に変化していることにより、密着性はさらに向上する。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【０１３６】
なお、遷移層１２ｄの組成を決定する前記金属酸化物を構成する金属と金属膜１３を構成する金属とは、互いに異なる種類の元素としてもよい。この場合は、金属膜１３／遷移層１２ｄ／絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）の層構成において、金属膜１３と遷移層１２ｄとの密着性を損なうことなく、遷移層１２ｄと絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との密着性を絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）の種類によって最適化することが可能となる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【０１３７】
また、遷移層１２ｄの組成を決定する前記金属酸化物を構成する金属と金属膜１３を構成する金属とは、互いに同一種類の元素としてもよい。この場合は、金属膜１３／遷移層１２ｄの層構成において、金属膜１３と遷移層１２ｄと間の接合面における密着性を向上させることができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【０１３８】
次に、本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図１１及び図１２（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。なお、具体的には、図１０に示した本発明の第４の実施形態に係る半導体装置を製造する方法を以下に説明する。
【０１３９】
図１２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す要部工程断面図である。
【０１４０】
まず、第１の実施形態における図２（ａ）を用いた説明と同様にして、図１２（ａ）に示すように、デュアルダマシン用のビアホール１０ａ及び配線溝１０ｂよりなる凹部１０ｃを形成する。
【０１４１】
次に、図１２（ｂ）に示すように、凹部１０ｃの壁面に沿うように、第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７及び第４の絶縁膜８の上に、原子層成長法により、複数サイクル分の成長を行なうことにより、遷移層１２ｄを形成する。
【０１４２】
次に、図１２（ｃ）に示すように、遷移層１２ｄの上に、原子層成長法又は物理気相成長法により、金属膜１３を形成する。このようにして、遷移層１２ｄ及び金属膜１３よりなる第２のバリアメタル膜Ａ４が形成される。ここで、遷移層１２ｄは金属膜１３の組成と金属酸化物の組成とのほぼ中間的な組成を有している。
【０１４３】
ここで、第２のバリアメタル膜Ａ４の形成方法について、例えば、金属膜１３を構成する金属がルテニウム（Ｒｕ）であると共に、遷移層１２ｄの組成を決定する金属酸化物が酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）である場合について、以下に詳細に説明する。
【０１４４】
第２のバリアメタル膜Ａ４を構成する、遷移層１２ｄ及び金属膜１３の形成には、公知の原子層成長法（Jounarl of The Electrochemical Society, 151, G109-G112(2004)）を用いる。この場合の成膜条件は以下の通りである。すなわち、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）のソースガスとして、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2 （ビス（エチルシクロペンタジエニル）ルテニウム）ガスを用い、８０℃にソースガスを加熱した状態で、５０ｍＬ／ｍｉｎ（標準様態）のＡｒガスで希釈して使用する。また、基板温度は２５０℃であり、真空度は４．６６×１０2 である条件下で行なう。また、酸素ガスとしては、酸素ガス７０ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）にＡｒガス１００ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）を混合して使用する。そして、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2 ガスを供給するためのパルス時間を変化させることにより、金属ルテニウムから酸化ルテニウムまで、任意の組成を得ることが可能である。パルス時間としては、１ｓｅｃから１０ｓｅｃまでの範囲である。Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2ガスをパルス供給し、その後、一定時間のパージを行ったのち、酸素ガスを供給し、酸素ガスの供給を停止した後、一定時間のパージを行ない、ＲｕとＯからなる単原子層の膜を成長することができる。この一連のサイクルを１サイクルとする。なお、金属ルテニウムを成長する場合には、酸素ガスの供給は行なわない。
【０１４５】
例えば、第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７及び第４の絶縁膜８の上に、酸化ルテニウムとルテニウムとの中間の組成を有する遷移層１２ｄを、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2のパルス時間を３ｓｅｃ、５ｓｅｃ、及び７ｓｅｃと段階的に変化させることにより、３原子層分形成する。次に、金属膜１３であるルテニウム（Ｒｕ）膜をＲｕ（ＥｔＣｐ）2 のパルス時間を１０ｓｅｃとすることによって５ｎｍ堆積する。このようにして形成された第２のバリアメタル膜Ａ４の膜厚方向の原子濃度の分布は、前述の図１１に示した通りである。遷移層１２ｄの組成の制御は、パルス時間を変化させることによって容易に行なうことができる。なお、遷移層１２ｄの組成は、層全体として、酸化ルテニウムとルテニウムとの中間の組成を有していればよく、金属酸化物膜１１に最も近い部分の原子層においては、酸化ルテニウムであってもよい。この場合は、金属酸化物膜１１に最も近い部分の原子層を、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2 のパルス時間を２ｓｅｃとして成長すればよい。
【０１４６】
次に、凹部１０ｃが埋め込まれるように、銅めっきにより、凹部１０ｃの内部を含む金属膜１３の上に銅膜を形成した後に、銅膜、金属膜１３及び遷移層１２ｄにおける凹部１０ｃの内部以外の部分であって第４の絶縁膜８の上に形成されている部分をＣＭＰによって除去することにより、第２の銅配線１４及びその一部であるビアプラグを形成する。このようにして、図１０に示す構造を有する半導体装置を形成することができる。なお、拡散防止膜５の成膜からＣＭＰまでの工程を繰り返すことで多層配線を形成することができる。
【０１４７】
以上のように、本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との接合面に、金属膜１３の組成と金属酸化物の組成とのほぼ中間的な組成を有する複数の原子層よりなる遷移層１２ｄを容易に形成することができる。また、前述した第４の実施形態に係る半導体装置が有する効果と同様の効果を得ることができる。すなわち、金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）の接合面に、金属膜１３の組成と金属酸化物の組成とのほぼ中間的な組成を有する遷移層１２ｄを形成しているので、遷移層１２ｄが存在しない場合に比べて、金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との密着性を飛躍的に向上させ、薄膜であって且つ密着性の高いバリアメタル膜を形成することができる。さらに、遷移層１２ｄが複数の原子層よりなるので、金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との間の遷移層が単一の原子層よりなる場合に比べて、密着性がさらに向上するという効果が得られる。また、遷移層１２ｄの組成が段階的に変化していることにより、密着性をさらに向上させることができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を製造することができる。
【０１４８】
なお、金属酸化物を構成する金属と金属膜１３を構成する金属とを、互いに異なる種類の元素として、遷移層１２ｄ及び金属膜１３を原子層成長法にて形成する場合は、例えば成膜条件又は原料ガスを変化させるだけで、連続的に遷移層１２ｄ及び金属膜１３を形成することができる。
【０１４９】
また、金属酸化物を構成する金属と金属膜１３を構成する金属とを、互いに同一種類の元素として、遷移層１２ｄ及び金属膜１３を原子層成長法で形成する場合は、例えば成膜条件を変化させるだけで、連続的に遷移層１２ｄ及び金属膜１３を形成することができる。
【０１５０】
（第５の実施形態）
以下、本発明の第５の実施形態に係る半導体装置及び半導体装置の製造方法について、図１３、図１４及び図１５（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。なお、第５の実施形態では、第１の実施形態と共通する部分は同様であるので、その説明は繰り返さないことにして、以下では、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【０１５１】
図１３は、本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【０１５２】
図１３に示すように、凹部１０ｃの壁面には、第２のバリアメタル膜Ａ５が形成されている。ここで、第２のバリアメタル膜Ａ５は、構成元素として酸素を含む膜よりなり、第２のバリアメタル膜Ａ５中の酸素の濃度は、絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）から第２の銅配線１４へ向かって、膜厚方向に連続的に変化している。
【０１５３】
図１４は、例えば、第２のバリアメタル膜Ａ５が、金属ルテニウム（Ｒｕ）から酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）まで、連続的に酸素濃度が変化している膜である場合における、第２のバリアメタル膜Ａ５の膜厚方向の原子濃度の分布を示している。第２の銅配線１４と第２のバリアメタル膜Ａ５との接合面近傍おいては、ルテニウム（Ｒｕ）層が形成されており、第２のバリアメタル膜Ａ５と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との接合面近傍おいては、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）層が形成されている。そして、第２の銅配線１４から絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）へ向かって、連続的に酸素濃度が増加している一方で、ルテニウム（Ｒｕ）濃度が減少している。
【０１５４】
なお、第２のバリアメタル膜Ａ５に含まれる金属には高融点金属を用いるとよい。これにより、第２の銅配線１４を形成した後に、さらに上層配線を形成する工程において、およそ４００℃前後の熱が加えられるが、本熱処理によって第２のバリアメタル膜Ａ５が変成することはない。したがって、信頼性の高い半導体装置を実現できる。
【０１５５】
また、第２のバリアメタル膜Ａ５は、膜厚が薄い場合には必ずしも導電性を有さなくてもよいが、導電性を有する方が好ましい。以下に、導電性を有する第２のバリアメタル膜Ａ５について具体的に説明する。
【０１５６】
第２のバリアメタル膜Ａ５に含まれる金属には、チタニウム（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、ニオビウム（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミニウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、又はプラチナ（Ｐｔ）を用いるとよい。
【０１５７】
さらに好ましくは、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミニウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、又はプラチナ（Ｐｔ）などを用いるとよい。このようにすると、酸化されても導電性が大きく失われない（比抵抗が小さい）ので、低抵抗の第２のバリアメタル膜Ａ５を形成することができる。
【０１５８】
以上のように、本発明の第５の実施形態に係る半導体装置によると、構成元素として酸素を含む膜よりなる第２のバリアメタル膜Ａ５において、酸素の濃度が、第２のバリアメタル膜Ａ５における絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）と接する面から、第２の銅配線１４と接する面まで、膜厚方向に連続的に変化していることにより、第２のバリアメタル膜Ａ５内部において組成が急激に変化する界面が存在することがなくなるので、第２のバリアメタル膜Ａ５自体の強度を大幅に向上させることができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。さらに、第２のバリアメタル膜Ａ５と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との接合面近傍において、酸素濃度を高くすることにより、第２のバリアメタル膜Ａ５と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との密着性を向上させることができると共に、第２のバリアメタル膜Ａ５と第２の銅配線１４との接合面近傍において、酸素濃度を低くすることにより、第２のバリアメタル膜Ａ５と第２の銅配線１４との密着性を向上させることができる。
【０１５９】
次に、本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図１４及び図１５（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。なお、具体的には、図１３に示した本発明の第５の実施形態に係る半導体装置を製造する方法を以下に説明する。
【０１６０】
まず、第１の実施形態における図２（ａ）を用いた説明と同様にして、図１５（ａ）に示すように、デュアルダマシン用のビアホール１０ａ及び配線溝１０ｂよりなる凹部１０ｃを形成する。
【０１６１】
次に、図１５（ｂ）に示すように、凹部１０ｃの壁面に沿うように、第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７及び第４の絶縁膜８の上に第２のバリアメタル膜Ａ５を形成する。ここで、第２のバリアメタル膜Ａ５は、原子層成長法（ＡＬＤ：atomic layer deposition）、化学気相成長法（ＣＶＤ：cemical vapor deposition）、又は物理気相成長法（ＰＶＤ：physical vapor deposition）などの成膜方法によって形成すればよい。
【０１６２】
ここで、第２のバリアメタル膜Ａ５の形成方法について、例えば、第２のバリアメタル膜Ａ５がルテニウム（Ｒｕ）から酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）へ連続的に酸素濃度が変化している組成を有する場合について、以下に詳細に説明する。
【０１６３】
第２のバリアメタル膜Ａ５の形成には、公知の原子層成長法（Jounarl of The Electrochemical Society, 151, G109-G112(2004)）を用いる。この場合の成膜条件は、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）のソースガスとして、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2 （ビス（エチルシクロペンタジエニル）ルテニウム）ガスを用い、８０℃にソースガスを加熱した状態で、５０ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）のＡｒガスで希釈して使用する。また、基板温度は２５０℃であり、真空度は４．５６×１０2 である条件下で行なう。また、酸素ガスとしては、酸素ガス７０ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）にＡｒガス１００ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）を混合して使用する。そして、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2 ガスを供給するためのパルス時間を変化させることにより、金属ルテニウムから酸化ルテニウムまで、任意の組成を得ることが可能である。パルス時間としては、１ｓｅｃから１０ｓｅｃまでの範囲である。Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2ガスをパルス供給し、その後、一定時間のパージを行ったのち、酸素ガスを供給し、酸素ガスの供給を停止した後、一定時間のパージを行ない、ＲｕとＯからなる単原子層の膜を成長することができる。この一連のサイクルを１サイクルとする。なお、金属ルテニウムを成長する場合には、酸素ガスの供給は行なわない。
【０１６４】
例えば、第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７及び第４の絶縁膜８の上に、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2 のパルス時間を２ｓｅｃから１０ｓｅｃへと連続的に変化させることにより、１０ｎｍの膜厚を有する第２のバリアメタル膜Ａ５を形成する。このようにして形成された第２のバリアメタル膜Ａ５の膜厚方向の原子濃度の分布は、前述の図１４に示した通りである。第２のバリアメタル膜Ａ５の組成の制御は、パルス時間を変化させることによって容易に行なうことができる。
【０１６５】
次に、凹部１０ｃが埋め込まれるように、銅めっきにより、凹部１０ｃの内部を含む第２のバリアメタル膜Ａ５の上に銅膜を形成した後に、銅膜、第２のバリアメタル膜Ａ５における凹部１０ｃの内部以外の部分であって第４の絶縁膜８の上に形成されている部分をＣＭＰによって除去することにより、第２の銅配線１４及びその一部であるビアプラグを形成する。このようにして、図１３に示す構造を有する半導体装置を形成することができる。なお、拡散防止膜５の成膜からＣＭＰまでの工程を繰り返すことで多層配線を形成することができる。
【０１６６】
以上のように、本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、酸素元素の濃度が膜厚方向に連続的に変化している第２のバリアメタル膜Ａ５を容易に形成することが可能である。また、前述した第５の実施形態に係る半導体装置が有する効果と同様の効果を得ることができる。すなわち、構成元素として酸素を含む膜よりなる第２のバリアメタル膜Ａ５において、酸素の濃度が、第２のバリアメタル膜Ａ５における絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）と接する面から、第２の銅配線１４と接する面まで、膜厚方向に連続的に変化させることにより、第２のバリアメタル膜Ａ５内部において組成が急激に変化する界面が存在することがなくなるので、第２のバリアメタル膜Ａ５自体の強度を大幅に向上させることができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。さらに、第２のバリアメタル膜Ａ５と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との接合面近傍において、酸素濃度を高くすることにより、第２のバリアメタル膜Ａ５と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との密着性を向上させることができると共に、第２のバリアメタル膜Ａ５と第２の銅配線１４との接合面近傍において、酸素濃度を低くすることにより、第２のバリアメタル膜Ａ５と第２の銅配線１４との密着性を向上させることができる。
【０１６７】
なお、以上で説明した第１〜第５の実施形態においては、デュアルダマシン構造が採用されている場合について説明したが、シングルダマシン構造を採用する場合であっても、デュアルダマシン構造を採用する場合と同様の効果が得られることは言うまでもない。シングルダマシン構造を採用する場合には、配線とビアプラグとがそれぞれ別工程において形成されることになるが、この場合の配線及びビアプラグは、前述の第１〜第５の実施形態における第２の銅配線１４である埋め込み配線に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１６８】
以上説明したように、本発明は、低抵抗であって且つ高密着性を実現するバリアメタル膜を備えた半導体装置及びその製造方法等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１６９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の第２のバリアメタル膜における膜厚方向に対する原子濃度分布を示す図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す要部工程断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の第２のバリアメタル膜における膜厚方向に対する原子濃度分布を示す図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す要部工程断面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の第２のバリアメタル膜における膜厚方向に対する原子濃度分布を示す図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す要部工程断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の第２のバリアメタル膜における膜厚方向に対する原子濃度分布を示す図である。
【図１２】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す要部工程断面図である。
【図１３】本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【図１４】本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の第２のバリアメタル膜における膜厚方向に対する原子濃度分布を示す図である。
【図１５】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す要部工程断面図である。
【図１６】従来例に係る半導体装置の製造方法を示す要部工程断面図である。
【符号の説明】
【０１７０】
１ シリコン基板
２ 第１の絶縁膜
３ 第１のバリアメタル膜
４ 第１の銅配線
５ 拡散防止膜
６ 第２の絶縁膜
７ 第３の絶縁膜
８ 第４の絶縁膜
１０ａ ビアホール
１０ｂ 配線溝
１０ｃ 凹部
１１ 金属酸化物膜
１２ａ、１２ｂ、１２ｄ 遷移層
１３ 金属膜
１４ 第２の銅配線
Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５ 第２のバリアメタル膜
１０１ シリコン基板
１０２ 第１の絶縁膜
１０３ 第１のバリアメタル膜
１０４ 第１の配線
１０５ 拡散防止膜
１０６ 第２の絶縁膜
１０７ 第３の絶縁膜
１０８ 第４の絶縁膜
１１０ａ ビアホール
１１０ｂ 配線溝
１１０ｃ 凹部
１１１ 第２のバリアメタル膜
１１２ 第３のバリアメタル膜
１１３ 銅シード層
１１４ 銅膜
１１５ａ ビア
１１５ｂ 第２の配線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属配線を有する半導体装置及びその製造方法に関し、特にバリアメタル膜及びその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路装置（以下、半導体装置という。）の加工寸法の微細化に伴って、半導体装置の多層配線には、銅配線と誘電率が小さい絶縁膜、いわゆるＬｏｗ−ｋ膜との組み合わせが採用されている。こうすることにより、ＲＣ遅延及び消費電力の低減を可能にする。さらに、半導体装置の高集積化、高機能化及び高速化を図るために、誘電率がより低いＬｏｗ−ｋ膜の採用が検討されている。
【０００３】
ところで、銅配線は、通常ダマシン法によって形成される。ダマシン法には、配線及びビアプラグを交互に形成するシングルダマシン法と、配線及びビアプラグを同時に形成するデュアルダマシン法とがある。
【０００４】
以下に、ダマシン法による多層配線の形成方法について、図１６（ａ）及び（ｂ）を参照しながら説明する。
【０００５】
図１６（ａ）に示すように、シリコン基板１０１上に第１の絶縁膜１０２を形成した後に、該第１の絶縁膜１０２中に第１のバリアメタル膜１０３を有する銅よりなる第１の配線１０４を形成する。なお、シリコン基板１０１上には、図示していないトランジスタなどが形成されている。続いて、第１の絶縁膜１０２及び第１の配線１０４の上に、銅の拡散を防止する拡散防止膜１０５、第２の絶縁膜１０６、第３の絶縁膜１０７及び第４の絶縁膜１０８を順に形成する。
【０００６】
ここで、拡散防止膜１０５には、シリコン窒化膜、シリコン窒化炭化膜、又はシリコン炭化酸化膜等が用いられる。拡散防止膜１０５は、第１の配線１０４の銅が第２の絶縁膜１０６及び第４の絶縁膜１０８中に拡散することを防止する役割を有する。なお、第３の絶縁膜１０７にも拡散防止膜１０５と同じ材料が用いられている。
【０００７】
また、第２の絶縁膜１０６及び第４の絶縁膜１０８には、シリコン酸化膜、フッ素ドープシリコン酸化膜、シリコン酸化炭化膜、又は有機膜よりなる絶縁膜が用いられている。これらの膜は、化学気相成長法にて形成された膜であってもよいし、スピン塗布法にて形成されたＳＯＤ（spin on dielectric）膜であってもよい。
【０００８】
次に、拡散防止膜１０５、第２の絶縁膜１０６及び第３の絶縁膜１０７にビアホール１１０ａを形成すると共に、第４の絶縁膜１０８に配線溝１１０ｂを形成することにより、図１６（ａ）に示すように、ビアホール１１０ａ及び配線溝１１０ｂよりなる凹部１１０ｃを形成する。なお、ビアホール１１０ａ及び配線溝１１０ｂは、周知のリソグラフィ技術、エッチング技術、アッシング技術、及び洗浄技術を用いて、デュアルダマシン配線溝（ビアホール１１０ａ及び配線溝１１０ｂよりなる凹部１１０ｃ）を形成する工程により形成すればよい。なお、一般に、ビアホール１１０ａを先に形成した後に、配線溝（トレンチ）１１０ｂを形成する方法が良く用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
次に、図１６（ｂ）に示すように、凹部１１０ｃの壁面に沿うように、物理気相成長法（ＰＶＤ：physical vapor deposition）などにより、第２のバリアメタル膜１１１及び第３のバリアメタル膜１１２を形成する。
【００１０】
次に、図１６（ｃ）に示すように、第３のバリアメタル膜１１２の上に、物理気相成長法により、銅シード層１１３を形成する。
【００１１】
次に、図１６（ｄ）に示すように、銅シード層１１３を種に用いた銅めっきにより、凹部１１０ｃを埋め込むと共に第３のバリアメタル膜１１２の表面全体を覆うように銅膜１１４を形成する。
【００１２】
次に、図１６（ｅ）に示すように、化学機械研磨（CMP：chemical mechanical polishing）法により、銅膜１１４における凹部１１０ｃの内側の部分以外で第４の絶縁膜１０８の上に形成されている部分と第２のバリアメタル膜１１２及び第３のバリアメタル膜１１２における凹部１１０ｃの内側の部分以外で第４の絶縁膜１０８の上に形成されている部分とを研磨除去する。このようにして、ビアプラグ１１５ａ及び第２の配線１１５ｂを形成する。なお、ビアプラグ１１５ａ及び第２の配線１１５ｂのいずれか一方を形成する場合であってもよい。以上の一連の動作を繰り返し行なうことにより、多層配線を形成することができる。
【００１３】
一般に、銅は、熱又は電界によって容易にシリコン酸化膜などの絶縁膜中を拡散するので、これが原因となってトランジスタの特性劣化が生じやすい。また、銅は、絶縁膜との密着性が低い。したがって、銅配線を形成する際には、銅と絶縁膜との間に、タンタル膜又は窒化タンタル膜よりなるバリアメタル膜を形成することにより、銅が絶縁膜へ拡散することを防止すると共に絶縁膜及び銅との密着性を向上させる方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）なお、タンタル膜又は窒化タンタル膜は、単層又は積層構造として用いられる。
【００１４】
しかしながら、第２〜第４の絶縁膜１０６、１０７及び１０８と接する第２のバリアメタル膜１１１として、タンタル等の高融点金属を用いた場合には、ダマシン配線の凹部１１０ｃを構成する第２〜第４の絶縁膜１０６、１０７及び１０８と高融点金属よりなる第２のバリアメタル膜１１１との密着性が悪いという問題がある。この問題に対して、第２のバリアメタル膜１１１としてタンタル窒化膜を用いると共に、第３のバリアメタル膜１１２としてタンタル膜を用いることによって、前記密着性の悪さを改善してきたが、十分な密着性が得られているわけではない。
【００１５】
また、第３のバリアメタル膜１１２としてタンタル膜を用いた場合には、電解めっきによって銅を形成する際に、タンタル膜は酸化されるので、高抵抗の酸化タンタル膜が形成されてしまう。このため、配線抵抗の上昇を避けることができないという問題を有している。
【００１６】
また、第３のバリアメタル膜１１２として窒化タンタル膜を用いた場合には、窒化タンタル膜は酸化されることはないが、窒化タンタル膜は高抵抗であって、且つ銅との密着性が低いという問題を有している。
【００１７】
さらに、第３のバリアメタル膜１１２としてチタン膜又は窒化チタン膜を用いた場合にも、それぞれ、タンタル膜を用いた場合又は窒化タンタル膜を用いた場合と同様の問題が存在する。特に、第３のバリアメタル膜１１２の低抵抗を実現する目的で、金属及びその金属酸化物自体が低抵抗であるルテニウム又はイリジウムなどの金属を第３のバリアメタル膜１１２として用いることが注目されてきている（例えば、特許文献３及び４）。なお、これらの金属は、一般に、原子層成長法又は化学気相成長法によって形成される。
【特許文献１】特開平１０−２２３７５５号公報
【特許文献２】特開２００２−４３４１９号公報
【特許文献３】特許第３４０９８３１号
【特許文献４】特開２００２−７５９９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、タンタル又はルテニウムなどの高融点金属膜をバリアメタル膜として用いる場合には、ダマシン配線用の凹部が形成される絶縁膜と高融点金属膜よりなるバリアメタル膜との密着性が悪いという問題がある。また、高融点金属膜よりなるバリアメタル膜と絶縁膜との間に金属窒化膜を形成することにより、絶縁膜の上に高融点金属よりなるバリアメタル膜を直接形成する場合よりも密着性の悪さを改善することができるが、抵抗が増大するという問題がある。
【００１９】
前記に鑑み、本発明の目的は、低抵抗であって、且つ、絶縁膜及び配線との間で高い密着性を有するバリアメタル膜を有する半導体装置及びそ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】
【００２０】
前記の目的を達成するため、本発明に係る第１の半導体装置は、基板上に形成された絶縁膜と、絶縁膜中に形成された埋め込み配線と、絶縁膜と埋め込み配線との間に形成されたバリアメタル膜とを有する半導体装置において、バリアメタル膜は、絶縁膜が存在している側から埋め込み配線が存在している側へ向かって順に積層されている金属酸化物膜、遷移層及び金属膜よりなり、遷移層は、金属酸化物膜の組成と金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する単一の原子層よりなることを特徴とする。
【００２１】
本発明に係る第１の半導体装置によると、金属酸化物膜と金属膜との接合面には、金属酸化物膜の組成と金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する遷移層が存在するので、金属酸化物膜と金属膜との接合面に遷移層が存在しない場合に比べて、金属酸化物膜と金属膜との密着性は飛躍的に向上する。さらに、遷移層が単一の原子層よりなるため、金属酸化物膜と金属膜との密着性が向上することに加えて、遷移層の厚みを極限まで薄くすることにより、積層化されたバリアメタル膜を形成する場合であっても、バリアメタル膜の膜厚を薄く形成することできるので、配線の低抵抗化を実現することができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００２２】
本発明に係る第２の半導体装置は、基板上に形成された絶縁膜と、絶縁膜中に形成された埋め込み配線と、絶縁膜と埋め込み配線との間に形成されたバリアメタル膜とを有する半導体装置において、バリアメタル膜は、絶縁膜が存在している側から埋め込み配線が存在している側へ向かって順に積層されている金属酸化物膜、遷移層及び金属膜よりなり、遷移層は、金属酸化物膜の組成と金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する複数の原子層よりなることを特徴とする。
【００２３】
本発明に係る第２の半導体装置によると、金属酸化物膜と金属膜との接合面には、金属酸化物膜の組成と金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する遷移層が存在するので、金属酸化物膜と金属膜との接合面に遷移層が存在しない場合に比べて、金属酸化物膜と金属膜との密着性は飛躍的に向上し、薄膜であって且つ密着性の高いバリアメタル膜を形成することができる。さらに、遷移層が複数の原子層よりなるので、金属酸化物膜と金属膜との間に存在する遷移層が単一の原子層よりなる場合に比べて、密着性がさらに向上するという効果が得られる。また、遷移層の組成が段階的に変化していることにより、密着性はさらに向上する。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００２４】
本発明に係る第１及び第２の半導体装置において、金属酸化物膜を構成する金属と金属膜を構成する金属とは、互いに異なる種類の元素であることが好ましい。
【００２５】
このようにすると、金属膜／遷移層／金属酸化物膜／絶縁膜の層構成において、金属酸化物膜と金属膜との密着性を損なうことなく、絶縁膜と金属酸化物膜との密着性を絶縁膜の種類によって最適化することが可能となる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００２６】
本発明に係る第１及び第２の半導体装置において、金属酸化物膜を構成する金属と金属膜を構成する金属とは、互いに同一種類の元素であることが好ましい。
【００２７】
このようにすると、金属膜／遷移層／金属酸化物膜の層構成において、遷移層と金属膜との間及び金属酸化物膜と遷移層との間の各接合面における密着性を向上させることができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００２８】
本発明に係る第３の半導体装置は、基板上に形成された絶縁膜と、絶縁膜中に形成された埋め込み配線と、絶縁膜と埋め込み配線との間に形成されたバリアメタル膜とを有する半導体装置において、バリアメタル膜は、絶縁膜が存在している側から埋め込み配線が存在している側へ向かって順に積層されている遷移層及び金属膜よりなり、遷移層は、金属酸化物及び金属膜を構成する金属よりなると共に、金属酸化物の組成と金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する単一の原子層よりなることを特徴とする。
【００２９】
本発明に係る第３の半導体装置によると、絶縁膜と金属膜との接合面には、金属酸化物の組成と金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する遷移層が存在しているので、絶縁膜と金属膜との接合面に遷移層が存在しない場合に比べて、絶縁膜と金属膜との密着性は飛躍的に向上する。さらに、遷移層が単一の原子層よりなるので、絶縁膜と金属膜との密着性が向上することに加えて、遷移層の厚みを極限まで薄くすることにより、積層化されたバリアメタル膜を形成する場合であっても、バリアメタル膜の膜厚を薄く形成することができるので、配線の低抵抗化を実現することができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００３０】
本発明に係る第４の半導体装置は、基板上に形成された絶縁膜と、絶縁膜中に形成された埋め込み配線と、絶縁膜と埋め込み配線との間に形成されたバリアメタル膜とを有する半導体装置において、バリアメタル膜は、絶縁膜が存在している側から埋め込み配線が存在している側へ向かって順に積層されている遷移層及び金属膜よりなり、遷移層は、金属酸化物及び金属膜を構成する金属よりなると共に、金属酸化物の組成と金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する複数の原子層よりなることを特徴とする。
【００３１】
本発明に係る第４の半導体装置によると、絶縁膜と金属膜との接合面には、金属酸化物の組成と金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する遷移層が存在するので、絶縁膜と金属膜との接合面に遷移層が存在しない場合に比べて、絶縁膜と金属膜との密着性は飛躍的に向上し、薄膜であって且つ密着性の高いバリアメタル膜を形成することができる。さらに、遷移層が複数の原子層よりなるので、絶縁膜と金属膜との間の遷移層が単一の原子層よりなる場合に比べて、密着性がさらに向上するという効果が得られる。また、遷移層の組成が段階的に変化していることにより、密着性はさらに向上する。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００３２】
本発明に係る第３及び第４の半導体装置において、金属酸化物を構成する金属と金属膜を構成する金属とは、互いに異なる種類の元素であることが好ましい。
【００３３】
このようにすると、金属膜／遷移層／絶縁膜の層構成において、遷移層と金属膜との密着性を損なうことなく、絶縁膜と遷移層との密着性を絶縁膜の種類によって最適化することが可能となる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００３４】
本発明に係る第３及び第４の半導体装置において、金属酸化物を構成する金属と金属膜を構成する金属とは、互いに同一種類の元素であることが好ましい。
【００３５】
このようにすると、金属膜／遷移層の層構成において、遷移層と金属膜との間の接合面における密着性を向上させることができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００３６】
本発明に係る第５の半導体装置は、基板上に形成された絶縁膜と、絶縁膜中に形成された埋め込み配線と、絶縁膜と埋め込み配線との間に形成されたバリアメタル膜とを有する半導体装置において、バリアメタル膜は、構成元素として酸素を含み、バリアメタル膜における酸素の濃度は、バリアメタル膜の膜厚方向に連続的に変化していることを特徴とする。
【００３７】
本発明に係る第５の半導体装置によると、構成元素として酸素を含むバリアメタル膜において、酸素の濃度が、バリアメタル膜における絶縁膜と接する面から埋め込み配線と接する面まで、膜厚方向に連続的に変化していることにより、バリアメタル膜内部において組成が急激に変化する界面が存在することがなくなるので、バリアメタル膜自体の強度を大幅に向上させることができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００３８】
本発明に係る第１の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜に凹部を形成する工程と、凹部の壁面に沿うように、金属酸化物膜、遷移層、及び金属膜がこの順に積層されてなるバリアメタル膜を形成する工程と、凹部を埋め込むように、バリアメタル膜の上に埋め込み配線を形成する工程とを備え、バリアメタル膜を形成する工程は、原子層成長法によって１サイクル分の成長を行なうことにより、金属酸化物膜の組成と金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する単一の原子層よりなる遷移層を形成する工程を含むことを特徴とする。
【００３９】
本発明に係る第１の半導体装置の製造方法によると、金属酸化物膜と金属膜との接合面に、金属酸化物膜の組成と金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する単一原子層よりなる遷移層を容易に形成することができる。これにより、金属酸化物膜と金属膜との接合面に遷移層が存在しない場合に比べて、金属酸化物膜と金属膜との密着性を飛躍的に向上させることができる。さらに、単一の原子層よりなる遷移層を形成するため、金属酸化物膜と金属膜との密着性を向上させることに加えて、遷移層の厚みを極限まで薄くすることにより、積層化されたバリアメタル膜を形成する場合であっても、バリアメタル膜の膜厚を薄く形成することできるので、配線の低抵抗化を実現することができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を製造することができる。
【００４０】
本発明に係る第２の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜に凹部を形成する工程と、凹部の壁面に沿うように、金属酸化物膜、遷移層、及び金属膜がこの順に積層されてなるバリアメタル膜を形成する工程と、凹部を埋め込むように、バリアメタル膜の上に埋め込み配線を形成する工程とを備え、バリアメタル膜を形成する工程は、原子層成長法によって複数サイクル分の成長を行なうことにより、金属酸化物膜の組成と金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する複数の原子層よりなる遷移層を形成する工程を含むことを特徴とする。
【００４１】
本発明に係る第２の半導体装置の製造方法によると、金属酸化物膜と金属膜との接合面に、金属酸化物膜の組成と金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する複数の原子層よりなる遷移層を容易に形成することができる。これにより、金属酸化物膜と金属膜との接合面に遷移層が存在しない場合に比べて、金属酸化物膜と金属膜との密着性を飛躍的に向上させ、薄膜であって且つ密着性の高いバリアメタル膜を形成することができる。さらに、複数の原子層よりなる遷移層を形成するので、金属酸化物膜と金属膜との間に存在する遷移層が単一の原子層よりなる場合に比べて、密着性をさらに向上させるという効果が得られる。また、原子層成長法によって複数サイクルのそれぞれのサイクルにおいて、例えば成膜条件又は原料ガスを段階的に変化させることにより、遷移層の組成を段階的に変化させることができる。これにより、密着性をさらに向上させることができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を製造することができる。
【００４２】
本発明に係る第１及び第２の半導体装置の製造方法において、金属酸化物膜を構成する金属と金属膜を構成する金属とは、互いに異なる種類の元素であることが好ましい。
【００４３】
このようにすると、例えば成膜条件又は原料ガスを変化させるだけで、連続的に金属酸化物膜、遷移層及び金属膜を形成することが可能となるため、密着性の高いバリアメタル膜を形成することができるので、本発明の第１又は第２の半導体装置を容易に製造することが可能である。
【００４４】
本発明に係る第１及び第２の半導体装置の製造方法において、金属酸化物膜を構成する金属と金属膜を構成する金属とは、互いに同一種類の元素であることが好ましい。
【００４５】
このようにすると、例えば成膜条件を変化させるだけで、連続的に金属酸化物膜、遷移層及び金属膜を形成することが可能となるため、密着性の高いバリアメタル膜を形成することができるので、本発明の第１又は第２の半導体装置を容易に製造することが可能である。
【００４６】
本発明に係る第３の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜に凹部を形成する工程と、凹部の壁面に沿うように、遷移層及び金属膜がこの順に積層されてなるバリアメタル膜を形成する工程と、凹部を埋め込むように、バリアメタル膜の上に埋め込み配線を形成する工程とを備え、バリアメタル膜を形成する工程は、原子層成長法によって１サイクル分の成長を行なうことにより、金属酸化物及び金属膜を構成する金属よりなると共に、金属酸化物の組成と金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する単一の原子層よりなる遷移層を形成する工程を含むことを特徴とする。
【００４７】
本発明に係る第３の半導体装置の製造方法によると、絶縁膜と金属膜との接合面に、金属酸化物の組成と金属物の組成とのほぼ中間的な組成を有する単一原子層よりなる遷移層を容易に形成することができる。これにより、絶縁膜と金属膜との接合面に遷移層が存在しない場合に比べて、絶縁膜と金属膜との密着性は飛躍的に向上する。さらに、遷移層が単一の原子層よりなるので、絶縁膜と金属膜との密着性が向上することに加えて、遷移層の厚みを極限まで薄くすることにより、積層化されたバリアメタル膜を形成する場合であっても、バリアメタル膜の膜厚を薄く形成することができるので、配線の低抵抗化を実現することができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を製造することができる。
【００４８】
本発明に係る第４の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜に凹部を形成する工程と、凹部の壁面に沿うように、遷移層及び金属膜がこの順に積層されてなるバリアメタル膜を形成する工程と、凹部を埋め込むように、バリアメタル膜の上に埋め込み配線を形成する工程とを備え、バリアメタル膜を形成する工程は、原子層成長法によって複数サイクル分の成長を行なうことにより、金属酸化物及び金属膜を構成する金属よりなると共に、金属酸化物の組成と金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する複数の原子層よりなる遷移層を形成する工程を含むことを特徴とする。
【００４９】
本発明に係る第４の半導体装置の製造方法によると、絶縁膜と金属膜との接合面に、金属酸化物の組成と金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する複数の原子層よりなる遷移層を容易に形成することができる。これにより、絶縁膜と金属膜との接合面に遷移層が存在しない場合に比べて、絶縁膜と金属膜との密着性は飛躍的に向上し、薄膜であって且つ密着性の高いバリアメタル膜を形成することができる。さらに、遷移層が複数の原子層よりなるので、絶縁膜と金属膜との間の遷移層が単一の原子層よりなる場合に比べて、密着性がさらに向上するという効果が得られる。また、原子層成長法によって複数サイクルのそれぞれのサイクルにおいて、例えば成膜条件又は原料ガスを段階的に変化させることにより、遷移層の組成を段階的に変化させることができる。これにより、密着性をさらに向上させることができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を製造することができる。
【００５０】
本発明に係る第３又は第４の半導体装置の製造方法において、金属酸化物を構成する金属と金属膜を構成する金属とは、互いに異なる種類の元素であることが好ましい。
【００５１】
このようにすると、例えば成膜条件又は原料ガスを変化させるだけで、連続的に遷移層及び金属膜を形成することが可能となるため、密着性の高いバリアメタル膜を形成することができるので、本発明の第３又は第４の半導体装置を容易に製造することが可能である。
【００５２】
本発明に係る第３又は第４の半導体装置の製造方法において、金属酸化物を構成する金属と金属膜を構成する金属とは、互いに同一種類の元素であることが好ましい。
【００５３】
このようにすると、例えば成膜条件を変化させるだけで、連続的に遷移層及び金属膜を形成することが可能となるため、密着性の高いバリアメタル膜を形成することができるので、本発明の第３又は第４の半導体装置を容易に製造することが可能である。
【００５４】
本発明に係る第５の半導体装置の製造方法は、基板上の絶縁膜に凹部を形成する工程と、凹部の壁面に沿うように、構成元素として酸素を含むバリアメタル膜を形成する工程と、凹部を埋め込むように、バリアメタル膜の上に埋め込み配線を形成する工程とを備え、バリアメタル膜を形成する工程は、バリアメタル膜における酸素の濃度が、バリアメタル膜の膜厚方向に連続的に変化するようにバリアメタル膜を形成する工程を含むことを特徴とする。
【００５５】
本発明に係る第５の半導体装置の製造方法によると、原子層成長方法を用いることにより、成膜条件を連続的に変化させるだけで、酸素の濃度が、バリアメタル膜における絶縁膜と接する面から埋め込み配線と接する面まで、膜厚方向に連続的に変化するようにバリアメタル膜を形成できるため、バリアメタル膜内部において組成が急激に変化する界面が存在することがなくなるので、バリアメタル膜自体の強度を大幅に向上させることができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を製造することができる。
【発明の効果】
【００５６】
本発明に係る第１〜第５の半導体装置及びその製造方法によると、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い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】
【００５７】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置及び半導体装置の製造方法について、図１、図２及び図３（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。
【００５８】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【００５９】
図１に示すように、シリコン基板１上には下層の絶縁膜である第１の絶縁膜２が形成されており、第１の絶縁膜２中には第１のバリアメタル膜３を有する下層の銅配線である第１の銅配線４が形成されている。なお、シリコン基板１上には、図示していないトランジスタなどが形成されている。第１の絶縁膜２及び第１の銅配線４の上には、銅の拡散を防止する拡散防止膜５、第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７及び第４の絶縁膜８が順に形成されている。
【００６０】
また、拡散防止膜５、第２の絶縁膜６及び第３の絶縁膜７には、第１の銅配線４に到達するビアホール１０ａが形成されていると共に、第４の絶縁膜８には、ビアホール１０ａに連通する配線溝１０ｂが形成されている。このように、ビアホール１０ａ及び配線溝１０ｂよりなるデュアルダマシン配線溝となる凹部１０ｃが形成されている。
【００６１】
また、図１に示すように、凹部１０ｃの壁面には、第２のバリアメタル膜Ａ１が形成されている。ここで、第２のバリアメタル膜Ａ１は、凹部１０ｃに沿うように、拡散防止膜５、第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７及び第４の絶縁膜８の上に形成された金属酸化物膜１１と、該金属酸化物膜１１の上に形成された遷移層１２ａと、該遷移層１２ａの上に形成された金属膜１３とよりなる。遷移層１２ａは、金属酸化物膜１１と金属膜１３との接合面近傍に形成されており、金属酸化物膜１１及び金属膜１３の両膜の組成のほぼ中間組成を有する遷移層である。さらに、遷移層１２ａは単一の原子層よりなる。
【００６２】
図２は、例えば、金属膜１３を構成する金属がルテニウム（Ｒｕ）であると共に、金属酸化物膜１１が酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）である場合における、バリアメタル膜Ａ１の膜厚方向の原子濃度の分布を示している。
【００６３】
図２に示すように、ルテニウム（Ｒｕ）よりなる金属膜１３と酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）よりなる金属酸化物膜１１との間には、単一の原子層よりなる遷移層１２ａが形成されている。遷移層１２ａは、ルテニウム（Ｒｕ）よりなる金属膜１３の組成と酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）よりなる金属酸化物膜１１の組成との中間的な組成を有している。すなわち、遷移層１２ａ中のルテニウム（Ｒｕ）の濃度は、金属膜１３中のルテニウム（Ｒｕ）の濃度と金属酸化物膜１１中のルテニウム（Ｒｕ）の濃度との中間的な濃度となっており、また、遷移層１２ａ中の酸素（Ｏ）の濃度は、金属膜１３中の酸素（Ｏ）の濃度（この場合はゼロ）と金属酸化物膜１１中の酸素（Ｏ）の濃度との中間的な濃度となっている。
【００６４】
さらに、凹部１０ｃの内部を埋め込むように、金属膜１３の上に、銅よりなる上層の配線である第２の銅配線１４が形成されている。なお、第２の銅配線１４は、配線、ビアプラグ、又はこれらの両方のいずれかであればよい。ここで、第２の銅配線１４は、純銅又は銅以外の成分（例えば、微量のＳｉ、Ａｌ、Ｍｏ又はＳｃなど）を含む銅合金よりなる場合であってもよい。
【００６５】
ここで、拡散防止膜５には、シリコン窒化膜、シリコン窒化炭化膜、シリコン炭化酸化膜、シリコン炭化膜、又はこれらの膜を組み合わせてなる積層膜を用いるとよい。拡散防止膜５は、第１の銅配線４の銅が第２の絶縁膜６及び第４の絶縁膜８中に拡散することを防止する働きを有する。なお、第３の絶縁膜７には、拡散防止膜５と同じ材料を用いればよい。また、第３の絶縁膜７は、配線溝１０ｂを形成するためのエッチングストッパとして主に機能する膜であるが、第２の絶縁膜６及び第４の絶縁膜８との間において十分なエッチング選択比が得られる場合又は配線溝１０ｂを形成するためのエッチングが精密に制御できる場合については、第３の絶縁膜７は必ずしも設ける必要はない。
【００６６】
また、第２の絶縁膜６及び第４の絶縁膜８には、シリコン酸化膜、フッ素ドープシリコン酸化膜、シリコン酸化炭化膜、又は有機膜よりなる絶縁膜を用いるとよい。これらの膜は、化学気相成長法にて形成される膜であってもよいし、スピン塗布法にて形成されるＳＯＤ（spin on dielectric）膜であってもよい。また、第２の絶縁膜６及び第４の絶縁膜８には同一の材料を用いてもよい。
【００６７】
また、金属酸化物膜１１を構成する金属には、高融点金属を用いるとよい。これにより、第２の銅配線１４を形成した後に、さらに上層配線を形成する工程において、およそ４００℃前後の熱が加えられるが、本熱処理によって金属酸化物膜１１が変成することはない。したがって、信頼性の高い半導体装置を実現できる。
【００６８】
また、金属酸化物膜１１は、膜厚が薄い場合には必ずしも導電性を有さなくてもよいが、導電性を有する方が好ましい。以下に、導電性を有する金属酸化物膜１１について具体的に説明する。
【００６９】
金属酸化物膜１１の金属には、チタニウム（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、ニオビウム（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミニウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、又はプラチナ（Ｐｔ）を用いるとよい。
【００７０】
さらに好ましくは、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミニウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、又はプラチナ（Ｐｔ）などを用いるとよい。このようにすると、酸化されても導電性が大きく失われない（比抵抗が小さい）ため、低抵抗の第２のバリアメタル膜Ａ１を形成することができる。
【００７１】
金属膜１３を構成する金属には、チタニウム（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、ニオビウム（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミニウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、又はプラチナ（Ｐｔ）を用いるとよい。例えば、タンタルの比抵抗は１３（μΩ・ｃｍ）であり、ルテニウムの比抵抗は７．５（μΩ・ｃｍ）であり、イリジウムの比抵抗は６．５（μΩ・ｃｍ）である。
【００７２】
さらに好ましくは、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミニウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、又はプラチナ（Ｐｔ）などを用いるとよい。例えば、ルテニウム酸化膜の比抵抗は３５（μΩ・ｃｍ）であり、イリジウム酸化膜の比抵抗は３０（μΩ・ｃｍ）である。これらの金属を用いると、酸化されても導電性を失わない（比抵抗が小さい）ため、後述の銅めっきの際に、金属膜１１の表面が酸化されたとしても導電性を失わないので、低抵抗の第２のバリアメタル膜Ａ１を形成することができる。
【００７３】
また、本実施形態に示した第２のバリアメタル膜Ａ１を実際の半導体装置に組み込む場合には、第２のバリアメタル膜Ａ１の膜厚は、６５ｎｍ世代の半導体装置の場合であれば、数ｎｍ〜３０ｎｍとなるように形成されるとよい。また、４５ｎｍ世代の半導体装置の場合であれば、全体の膜厚として、厚くてもおよそ１５ｎｍ以下にする必要があると予測される。なお、この点は、後述する各実施形態における第２のバリアメタル膜Ａ２〜Ａ５の場合であっても同様である。
【００７４】
以上のように、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置によると、金属膜１３と金属酸化物膜１１との接合面には、金属膜１３の組成と金属酸化物膜１１の組成とのほぼ中間的な組成を有する遷移層１２ａが存在するので、金属膜１３と金属酸化物膜１１との接合面に遷移層１２ａが存在しない場合に比べて、金属膜１３と金属酸化物膜１１との密着性は飛躍的に向上する。さらに、遷移層１２ａが単一の原子層よりなるため、金属膜１３と金属酸化物膜１１との密着性が向上することに加えて、遷移層１２ａの厚みを極限まで薄くすることにより、積層化されたバリアメタル膜を形成する場合であっても、バリアメタル膜の膜厚を薄く形成することできるので、配線の低抵抗化を実現することができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００７５】
なお、金属酸化物膜１１を構成する金属と金属膜１３を構成する金属とは、互いに異なる種類の元素としてもよい。この場合は、金属膜１３／遷移層１２ａ／金属酸化物膜１１／絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）の層構成において、金属膜１３と金属酸化物膜１１との密着性を損なうことなく、金属酸化物膜１１と該絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との密着性を、該絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）の種類によって最適化することが可能となる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００７６】
また、金属酸化物膜を構成する金属と金属膜を構成する金属とは、互いに同一種類の元素としてもよい。この場合は、金属膜１３／遷移層１２ａ／金属酸化物膜１１の層構成において、金属膜１３と遷移層１２ａとの間及び遷移層１２ａと金属酸化物膜１１と間の各接合面における密着性を向上させることができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００７７】
次に、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を、図２及び図３（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。なお、具体的には、図１に示した本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を製造する方法を以下に説明する。
【００７８】
図３（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す要部工程断面図である。
【００７９】
まず、図３（ａ）に示すように、シリコン基板１上に第１の絶縁膜２を形成した後に、該第１の絶縁膜２中に第１のバリアメタル膜３を有する第１の銅配線４を形成する。なお、シリコン基板１上には、図示していないトランジスタなどが形成されている。続いて、第１の絶縁膜２及び第１の銅配線４の上に、銅の拡散を防止する拡散防止膜５、第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７及び第４の絶縁膜８を順に形成する。続いて、拡散防止膜５、第２の絶縁膜６及び第３の絶縁膜７に、下端が第１の銅配線４に到達するビアホール１０ａを形成すると共に、第４の絶縁膜８に、ビアホール１０ａに連通する配線溝１０ｂを形成する。このようにして、デュアルダマシン用のビアホール１０ａ及び配線溝１０ｂよりなる凹部１０ｃを形成する。
【００８０】
また、ビアホール１０ａ及び配線溝１０ｂよりなる凹部１０ｃは、周知のリソグラフィ技術、エッチング技術、アッシング技術、及び洗浄技術を用いて、例えば特開２００２−７５９９４号公報などに開示されているデュアルダマシン形成方法によって形成すればよい。
【００８１】
次に、図３（ｂ）に示すように、凹部１０ｃの壁面に沿うように、第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７及び第４の絶縁膜８の上に金属酸化物膜１１を形成する。ここで、金属酸化物膜１１は、原子層成長法（ＡＬＤ：atomic layer deposition）、化学気相成長法（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）、又は物理気相成長法（ＰＶＤ：physical vapor deposition）などの成膜方法によって形成すればよい。
【００８２】
次に、図３（ｃ）に示すように、金属酸化物膜１１の上に、原子層成長法によって、１サイクル分の成長を行なうことにより、遷移層１２ａを形成する。続いて、遷移層１２ａの上に、原子層成長法又は物理気相成長法により、金属膜１３を形成する。このようにして、金属酸化物膜１１、遷移層１２ａ及び金属膜１３よりなる第２のバリアメタル膜Ａ１が形成される。ここで、遷移層１２ａは金属膜１３の組成と金属酸化物膜１１の組成とのほぼ中間的な組成を有している。
【００８３】
ここで、第２のバリアメタル膜Ａ１の形成方法について、例えば、金属膜１３を構成する金属がルテニウム（Ｒｕ）であり、金属酸化物膜１１が酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）である場合について、以下に詳細に説明する。
【００８４】
第２のバリアメタル膜Ａ１を構成する、金属酸化物膜１１、遷移層１２ａ及び金属膜１３の形成には、公知の原子層成長法（Jounarl of The Electrochemical Society, 151, G109-G112(2004)）を用いる。この場合の成膜条件としては、以下の通りである。すなわち、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）のソースガスとして、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2 （ビス（エチルシクロペンタジエニル）ルテニウム）ガスを用い、８０℃にソースガスを加熱した状態で、５０ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）のＡｒガスで希釈して使用する。また、基板温度は２５０℃であり、真空度は４．６６×１０2 Ｐａである条件下で行なう。また、酸素ガスとしては、酸素ガス７０ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）にＡｒガス１００ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）を混合したガスを使用する。そして、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2 ガスを供給するためのパルス時間を変化させることにより、金属ルテニウムから酸化ルテニウムまで、任意の組成を得ることが可能である。パルス時間としては、１ｓｅｃから１０ｓｅｃまでの範囲である。Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2ガスをパルス供給し、その後、一定時間のパージを行ったのち、酸素ガスを供給し、酸素ガスの供給を停止した後、一定時間のパージを行ない、ＲｕとＯからなる単原子層の膜を成長することができる。この一連のサイクルを１サイクルとする。なお、金属ルテニウムを成長する場合には、酸素ガスの供給は行なわない。
【００８５】
例えば、第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７及び第４の絶縁膜８の上に、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2 のパルス時間を２ｓｅｃとして、金属酸化物膜１１である酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）膜を５ｎｍ堆積した後、酸化ルテニウムとルテニウムとの中間の組成を有する遷移層１２ａを、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2 のパルス時間を５ｓｅｃとして、単一の原子層分だけ形成する。次に、金属膜１３であるルテニウム（Ｒｕ）膜をＲｕ（ＥｔＣｐ）2 のパルス時間を１０ｓｅｃとすることによって５ｎｍ堆積する。このようにして形成された第２のバリアメタル膜Ａ１の膜厚方向の原子濃度の分布は、前述した図３に示す通りである。このように、遷移層１２ａの組成の制御は、パルス時間を変化させることによって容易に行なうことができる。
【００８６】
次に、凹部１０ｃが埋め込まれるように、銅めっきにより、凹部１０ｃの内部を含む金属膜１３の上に銅膜を形成した後に、銅膜、金属膜１３、遷移層１２ａ、及び金属酸化物膜１１における凹部１０ｃの内部以外の部分であって第４の絶縁膜８の上に形成されている部分をＣＭＰによって除去することにより、第２の銅配線１４及びその一部であるビアプラグを形成する。このようにして、図１に示す構造を有する半導体装置を形成することができる。なお、拡散防止膜５の成膜からＣＭＰまでの工程を繰り返すことで多層配線を形成することができる。
【００８７】
以上のように、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、金属膜１３と金属酸化物膜１１との接合面に、金属膜１３の組成と金属酸化物膜１１の組成とのほぼ中間的な組成を有する単一原子層よりなる遷移層１２ａを容易に形成することができる。また、前述した半導体装置が有する効果と同様の効果を得ることができる。すなわち、金属膜１３と金属酸化物膜１１の接合面に、金属膜１３の組成と金属酸化物膜１１の組成とのほぼ中間的な組成を有する遷移層１２ａを形成しているので、金属膜１３と金属酸化物膜１１の接合面に遷移層１２ａが存在しない場合に比べて、金属膜１３と金属酸化物膜１１との密着性を飛躍的に向上させることができる。さらに、遷移層１２ａが単一の原子層よりなるため、金属膜１３と金属酸化物膜１１との密着性が向上することに加えて、遷移層１２ａの厚みを極限まで薄く形成することにより、積層化されたバリアメタル膜を形成する場合であっても、バリアメタル膜の膜厚を薄く形成することできるので、配線の低抵抗化を実現することができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を製造することができる。
【００８８】
なお、金属酸化物膜１１を構成する金属と金属膜１３を構成する金属とを、互いに異なる種類の元素として、金属酸化物膜１１、遷移層１２ａ及び金属膜１３を原子層成長法にて形成する場合は、例えば成膜条件又は原料ガスを変化させるだけで、連続的に金属酸化物膜１１、遷移層１２ａ及び金属膜１３を形成することが可能となるので、密着性の高い第２のバリアメタル膜を形成することができる。
【００８９】
また、金属酸化物膜１１を構成する金属と金属膜１３を構成する金属とを、互いに同一種類の元素として、金属酸化物膜１１、遷移層１２ａ及び金属膜１３を原子層成長法にて形成する場合は、例えば成膜条件を変化させるだけで、連続的に金属酸化物膜１１、遷移層１２ａ及び金属膜１３を形成することができる。
【００９０】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置及び半導体装置の製造方法について、図４、図５及び図６（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。なお、第２の実施形態では、第１の実施形態と共通する部分は同様であるので、その説明は繰り返さないことにして、以下では、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００９１】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【００９２】
図４に示すように、凹部１０ｃの壁面には、第２のバリアメタル膜Ａ２が形成されている。ここで、第２のバリアメタル膜Ａ２は、凹部１０ｃに沿うように、拡散防止膜５、第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７及び第４の絶縁膜８の上に形成された金属酸化物膜１１と、該金属酸化物膜１１の上に形成された遷移層１２ｂと、該遷移層１２ｂの上に形成された金属膜１３とよりなる。遷移層１２ｂは、金属酸化物膜１１と金属膜１３との接合面近傍に形成されており、金属酸化物膜１１及び金属膜１３の両膜の組成のほぼ中間組成を有する遷移層である。さらに、遷移層１２ｂは複数の原子層よりなる。
【００９３】
図５は、例えば、金属膜１３を構成する金属がルテニウム（Ｒｕ）であると共に、金属酸化物膜１１が酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）である場合における、第２のバリアメタル膜Ａ２の膜厚方向の原子濃度の分布を示している。ルテニウム（Ｒｕ）よりなる金属膜１３と酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）よりなる金属酸化物膜１１との間に３つの原子層よりなる遷移層１２ｂが形成されている。遷移層１２ｂは、ルテニウム（Ｒｕ）よりなる金属膜１３の組成と酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）よりなる金属酸化物膜１１の組成との中間的な組成を有している。すなわち、遷移層１２ｂ中のルテニウム（Ｒｕ）の濃度は、金属膜１３中のルテニウム（Ｒｕ）の濃度と金属酸化物膜１１中のルテニウム（Ｒｕ）の濃度と中間的な濃度となっており、また、遷移層１２ｂ中の酸素（Ｏ）の濃度は、金属膜１３中の酸素（Ｏ）の濃度（この場合は、ほぼゼロ）と金属酸化物膜１１中の酸素（Ｏ）の濃度との中間的な濃度となっている。さらに、遷移層１２ｂ中のルテニウム（Ｒｕ）の濃度は、ルテニウム（Ｒｕ）よりなる金属膜１３から酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）よりなる金属酸化物膜１１に向かって、１原子層ごとに段階的に少なくなっている一方で、遷移層１２ｂ中の酸素（Ｏ）の濃度は、ルテニウム（Ｒｕ）よりなる金属膜１３から酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）よりなる金属酸化物膜１１に向かって、１原子層ごとに段階的に多くなっている。すなわち、遷移層１２ｂの組成は、段階的に変化している。
【００９４】
以上のように、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置によると、金属膜１３と金属酸化物膜１１との接合面には、金属膜１３の組成と金属酸化物膜１１の組成とのほぼ中間的な組成を有する遷移層１２ｂが存在するので、金属膜１３と金属酸化物膜１１との接合面に遷移層１２ｂが存在しない場合に比べて、金属膜１３と金属酸化物膜１１との密着性は飛躍的に向上し、薄膜であって且つ密着性の高いバリアメタル膜を形成することができる。さらに、遷移層１２ｂが複数の原子層よりなるので、金属膜１３と金属酸化物膜１１との間に存在する遷移層が単一の原子層よりなる場合に比べて、密着性がさらに向上するという効果が得られる。また、遷移層１２ｂの組成が段階的に変化していることにより、密着性はさらに向上する。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００９５】
なお、金属酸化物膜１１を構成する金属と金属膜１３を構成する金属とは、互いに異なる種類の元素としてもよい。この場合は、金属膜１３／遷移層１２ｂ／金属酸化物膜１１／絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）の層構成において、金属膜１３と金属酸化物膜１１との密着性を損なうことなく、金属酸化物膜１１と該絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との密着性を、該絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）の種類によって最適化することが可能となる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００９６】
また、金属酸化物膜を構成する金属と金属膜を構成する金属とは、互いに同一種類の元素としてもよい。この場合は、金属膜１３／遷移層１２ｂ／金属酸化物膜１１の層構成において、金属膜１３と遷移層１２ｂとの間及び遷移層１２ｂと金属酸化物膜１１と間の各接合面における密着性を向上させることができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００９７】
次に、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図５及び図６（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。なお、具体的には、図４に示した本発明の第２の実施形態に係る半導体装置を製造する方法を以下に説明する。
【００９８】
まず、第１の実施形態における図２（ａ）を用いた説明と同様にして、図６（ａ）に示すように、デュアルダマシン用のビアホール１０ａ及び配線溝１０ｂよりなる凹部１０ｃを形成する。
【００９９】
次に、図６（ｂ）に示すように、凹部１０ｃの壁面に沿うように、第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７及び第４の絶縁膜８の上に金属酸化物膜１１を形成する。ここで、金属酸化物膜１１は、原子層成長法（ＡＬＤ：atomic layer deposition）、化学気相成長法（ＣＶＤ：cemical vapor deposition）、又は物理気相成長法（ＰＶＤ：physical vapor deposition）などの成膜方法によって形成すればよい。
【０１００】
次に、図６（ｃ）に示すように、金属酸化物膜１１の上に、原子層成長法によって、複数サイクル分の成長を行なうことにより、遷移層１２ｂを形成する。続いて、遷移層１２ｂの上に、原子層成長法又は物理気相成長法により、金属膜１３を形成する。このようにして、金属酸化物膜１１、遷移層１２ｂ及び金属膜１３よりなる第２のバリアメタル膜Ａ２が形成される。ここで、遷移層１２ｂは金属膜１３の組成と金属酸化物膜１１の組成とのほぼ中間的な組成を有している。
【０１０１】
ここで、第２のバリアメタル膜Ａ２の形成方法について、例えば、金属膜１３を構成する金属がルテニウム（Ｒｕ）であると共に、金属酸化物膜１１が酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）である場合について、以下に詳細に説明する。
【０１０２】
第２のバリアメタル膜Ａ２を構成する、金属酸化物膜１１、遷移層１２ｂ及び金属膜１３の形成には、公知の原子層成長法（Jounarl of The Electrochemical Society, 151, G109-G112(2004)）を用いる。この場合の成膜条件は以下の通りである。すなわち、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）のソースガスとして、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2 （ビス（エチルシクロペンタジエニル）ルテニウム）ガスを用い、８０℃にソースガスを加熱した状態で、５０ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）のＡｒガスで希釈して使用する。また、基板温度は２５０℃であり、真空度は４．６６×１０2 Ｐａである条件下で行なう。また、酸素ガスとしては、酸素ガス７０ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）にＡｒガス１００ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）を混合したガスを使用する。そして、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2 ガスを供給するためのパルス時間を変化させることにより、金属ルテニウムから酸化ルテニウムまで、任意の組成を得ることが可能である。パルス時間としては、１ｓｅｃから１０ｓｅｃまでの範囲である。Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2ガスをパルス供給し、その後、一定時間のパージを行ったのち、酸素ガスを供給し、酸素ガスの供給を停止した後、一定時間のパージを行ない、ＲｕとＯからなる単原子層の膜を成長することができる。この一連のサイクルを１サイクルとする。なお、金属ルテニウムを成長する場合には、酸素ガスの供給は行なわない。
【０１０３】
例えば、第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７及び第４の絶縁膜８の上に、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2のパルス時間を２ｓｅｃとして、金属酸化物膜１１である酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）膜を５ｎｍ堆積した後、酸化ルテニウムとルテニウムとの中間の組成を有する遷移層１２ｂを、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2のパルス時間を３ｓｅｃ、５ｓｅｃ、及び７ｓｅｃと段階的に変化させて、３原子層分形成する。次に、金属膜１３であるルテニウム（Ｒｕ）膜をＲｕ（ＥｔＣｐ）2 のパルス時間を１０ｓｅｃとすることによって５ｎｍ堆積する。このようにして形成された第２のバリアメタル膜Ａ２の膜厚方向の原子濃度の分布は、前述した図５に示した通りである。遷移層１２ｂの組成の制御は、パルス時間を変化させることによって容易に行なうことができる。なお、遷移層１２ｂの組成は、層全体として、酸化ルテニウムとルテニウムとの中間の組成を有していればよく、金属酸化物膜１１に最も近い部分の原子層においては、酸化ルテニウムであってもよい。この場合は、金属酸化物膜１１に最も近い部分の原子層を、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2 のパルス時間を２ｓｅｃとして成長すればよい。
【０１０４】
次に、凹部１０ｃが埋め込まれるように、銅めっきにより、凹部１０ｃの内部を含む金属膜１３の上に銅膜を形成した後に、銅膜、金属膜１３、遷移層１２ｂ、及び金属酸化物膜１１における凹部１０ｃの内部以外の部分であって第４の絶縁膜８の上に形成されている部分をＣＭＰによって除去することにより、第２の銅配線１４及びその一部であるビアプラグを形成する。このようにして、図４に示す構造を有する半導体装置を形成することができる。なお、拡散防止膜５の成膜からＣＭＰまでの工程を繰り返すことで多層配線を形成することができる。
【０１０５】
以上のように、本発明の第２の本実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、金属膜１３と金属酸化物膜１１との接合面に、金属膜１３の組成と金属酸化物膜１１の組成とのほぼ中間的な組成を有する複数の原子層よりなる遷移層１２ｂを容易に形成することができる。また、前述した第２の実施形態に係る半導体装置が有する効果と同様の効果を得ることができる。すなわち、金属膜１３と金属酸化物膜１１との接合面に、金属膜１３の組成と金属酸化物膜１１の組成とのほぼ中間的な組成を有する遷移層１２ｂを形成しているため、金属膜１３と金属酸化物膜１１との接合面に遷移層１２ｂが存在していない場合に比べて、金属膜１３と金属酸化物膜１１との密着性を飛躍的に向上させることができる。したがって、薄膜であって且つ密着性の高いバリアメタル膜を形成することができる。さらに、遷移層１２ｂが複数の原子層よりなるので、金属膜１３と金属酸化物膜１１との間に存在する遷移層が単一の原子層よりなる場合に比べて、密着性をさらに向上させることができるという効果が得られる。また、遷移層１２ｂの組成を段階的に変化させることにより、密着性をさらに向上させることができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を製造することができる。
【０１０６】
なお、金属酸化物膜１１を構成する金属と金属膜１３を構成する金属とを、互いに異なる種類の元素として、金属酸化物膜１１、遷移層１２ｂ及び金属膜１３を原子層成長法にて形成する場合は、例えば成膜条件又は原料ガスを変化させるだけで、連続的に金属酸化物膜１１、遷移層１２ｂ及び金属膜１３を形成することができる。
【０１０７】
また、金属酸化物膜１１を構成する金属と金属膜１３を構成する金属とを、互いに同一種類の元素として、金属酸化物膜１１、遷移層１２ｂ及び金属膜１３を原子層成長法にて形成する場合は、例えば成膜条件を変化させるだけで、連続的に金属酸化物膜１１、遷移層１２ｂ及び金属膜１３を形成することができる。
【０１０８】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置及び半導体装置の製造方法について、図７、図８及び図９（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。なお、第３の実施形態では、第１の実施形態と共通する部分は同様であるので、その説明は繰り返さないことにして、以下では、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【０１０９】
図７は、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【０１１０】
図７に示すように、凹部１０ｃの壁面には、第２のバリアメタル膜Ａ３が形成されている。ここで、第２のバリアメタル膜Ａ３は、凹部１０ｃに沿うように、拡散防止膜５、第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７及び第４の絶縁膜８の上に形成された遷移層１２ｃと、該遷移層１２ｃの上に形成された金属膜１３とよりなる。遷移層１２ｃは、絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）と金属膜１３との接合面近傍に形成されており、金属酸化物及び金属膜１３のそれぞれの組成のほぼ中間組成を有する遷移層である。さらに、遷移層１２ｃは単一の原子層よりなる。
【０１１１】
図８は、例えば、金属膜１３を構成する金属がルテニウム（Ｒｕ）であると共に、金属酸化物が酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）である場合における、第２のバリアメタル膜Ａ３の膜厚方向の原子濃度の分布を示している。ルテニウム（Ｒｕ）よりなる金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との間に単一の原子層よりなる遷移層１２ｃが形成されている。遷移層１２ｃは、ルテニウム（Ｒｕ）よりなる金属膜１３の組成と酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）よりなる金属酸化物の組成との中間的な組成を有している。すなわち、遷移層１２ｃ中のルテニウム（Ｒｕ）の濃度は、金属膜１３中のルテニウム（Ｒｕ）の濃度と、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）よりなる金属酸化物中のルテニウム（Ｒｕ）の濃度との中間的な濃度となっており、また、遷移層１２ｃ中の酸素（Ｏ）の濃度は、金属膜１３中の酸素（Ｏ）の濃度（この場合は、ほぼゼロ）と、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）よりなる金属酸化物中の酸素（Ｏ）の濃度との中間的な濃度となっている。
【０１１２】
遷移層１２ｃの組成を決定する前記金属酸化物を構成する金属には、高融点金属を用いるとよい。これにより、第２の銅配線１４を形成した後に、さらに上層配線を形成する工程において、およそ４００℃前後の熱が加えられるが、本熱処理によって遷移層１２ｃが変成することはない。したがって、信頼性の高い半導体装置を実現できる。
【０１１３】
また、遷移層１２ｃは、膜厚が薄い場合には必ずしも導電性を有さなくてもよいが、導電性を有する方が好ましい。以下に、導電性を有する遷移層１２ｃの組成を決定する前記金属酸化物について具体的に説明する。
【０１１４】
遷移層１２ｃの組成を決定する前記金属酸化物を構成する金属には、チタニウム（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、ニオビウム（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミニウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、又はプラチナ（Ｐｔ）を用いるとよい。
【０１１５】
さらに好ましくは、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミニウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、又はプラチナ（Ｐｔ）などを用いるとよい。このようにすると、酸化されても導電性が大きく失われない（比抵抗が小さい）ため、低抵抗の第２のバリアメタル膜Ａ３を形成することができる。
【０１１６】
以上のように、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置によると、金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との接合面には、金属膜１３の組成と金属酸化物の組成とのほぼ中間的な組成を有する遷移層１２ｃが存在しているので、金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との接合面に遷移層１２ｃが存在しない場合に比べて、金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との密着性は飛躍的に向上する。さらに、遷移層１２ｃが単一の原子層よりなるので、金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）の密着性が向上することに加えて、遷移層１２ｃの厚みを極限まで薄くすることにより、積層化されたバリアメタル膜を形成する場合であっても、バリアメタル膜の膜厚を薄く形成することできるので、配線の低抵抗化を実現することができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【０１１７】
なお、遷移層１２ｃの組成を決定する前記金属酸化物を構成する金属と金属膜１３を構成する金属とは、互いに異なる種類の元素としてもよい。この場合は、金属膜１３／遷移層１２ｃ／絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）の層構成において、金属膜１３と遷移層１２ｃとの密着性を損なうことなく、遷移層１２ｃと絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との密着性を、絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７あるいは第４の絶縁膜８）の種類によって最適化することが可能となる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【０１１８】
また、遷移層１２ｃの組成を決定する前記金属酸化物を構成する金属と金属膜１３を構成する金属とは、互いに同一種類の元素としてもよい。この場合は、金属膜１３／遷移層１２ｃの層構成において、金属膜１３と遷移層１２ｃとの間の接合面における密着性を向上させることができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【０１１９】
次に、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法を、図８及び図９（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。なお、具体的には、図７に示した本発明の第３の実施形態に係る半導体装置を製造する方法を以下に説明する。
【０１２０】
図９（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す要部工程断面図である。
【０１２１】
まず、第１の実施形態における図２（ａ）を用いた説明と同様にして、図９（ａ）に示すように、デュアルダマシン用のビアホール１０ａ及び配線溝１０ｂよりなる凹部１０ｃを形成する。
【０１２２】
次に、図９（ｂ）に示すように、凹部１０ｃの壁面に沿うように、第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７及び第４の絶縁膜８の上に、原子層成長法によって、１サイクル分の成長を行なうことにより、遷移層１２ｃを形成する。
【０１２３】
次に、図９（ｃ）に示すように、遷移層１２ｃの上に、原子層成長法又は物理気相成長法により、金属膜１３を形成する。このようにして、遷移層１２ｃ及び金属膜１３よりなる第２のバリアメタル膜Ａ３が形成される。ここで、遷移層１２ｃは、金属膜１３の組成と金属酸化物の組成とのほぼ中間的な組成を有している。
【０１２４】
ここで、第２のバリアメタル膜Ａ３の形成方法について、例えば、金属膜１３を構成する金属がルテニウム（Ｒｕ）であると共に、遷移層１２ｃの組成を決定する金属酸化物が酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）である場合について、以下に詳細に説明する。
【０１２５】
第２のバリアメタル膜Ａ３を構成する、遷移層１２ｃ及び金属膜１３の形成には、公知の原子層成長法（Jounarl of The Electrochemical Society, 151, G109-G112(2004)）を用いる。この場合の成膜条件は以下の通りである。すなわち、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）のソースガスとして、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2 （ビス（エチルシクロペンタジエニル）ルテニウム）ガスを用い、８０℃にソースガスを加熱した状態で、５０ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）のＡｒガスで希釈して使用する。また、基板温度は２５０℃であり、真空度は４．６６×１０2 である条件下で行なう。また、酸素ガスとしては、酸素ガス７０ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）にＡｒガス１００ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）を混合したガスを使用する。そして、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2 ガスを供給するためのパルス時間を変化させることにより、金属ルテニウムから酸化ルテニウムまで、任意の組成を得ることが可能である。パルス時間としては、１ｓｅｃから１０ｓｅｃまでの範囲である。Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2ガスをパルス供給し、その後、一定時間のパージを行ったのち、酸素ガスを供給し、酸素ガスの供給を停止した後、一定時間のパージを行ない、ＲｕとＯからなる単原子層の膜を成長することができる。この一連のサイクルを１サイクルとする。なお、金属ルテニウムを成長する場合には、酸素ガスの供給は行なわない。
【０１２６】
例えば、第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７及び第４の絶縁膜８の上に、酸化ルテニウムとルテニウムとの中間の組成を有する遷移層１２ｃを、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2 のパルス時間を５ｓｅｃとして、単一の原子層分だけ形成する。次に、金属膜１３であるルテニウム（Ｒｕ）膜をＲｕ（ＥｔＣｐ）2 のパルス時間を１０ｓｅｃとすることによって５ｎｍ堆積する。このようにして形成した第２のバリアメタル膜Ａ３の膜厚方向の原子濃度の分布は、前述の図８に示した通りである。遷移層１２ｃの組成の制御は、パルス時間を変化させることで容易に行なうことができる。
【０１２７】
次に、凹部１０ｃが埋め込まれるように、銅めっきにより、凹部１０ｃの内部を含む金属膜１３の上に銅膜を形成した後に、銅膜、金属膜１３及び遷移層１２ｃにおける凹部１０ｃの内部以外の部分であって第４の絶縁膜８の上に形成されている部分をＣＭＰによって除去することにより、第２の銅配線１４及びその一部であるビアプラグを形成する。このようにして、図７に示す構造を有する半導体装置を形成することができる。なお、拡散防止膜５の成膜からＣＭＰまでの工程を繰り返すことで多層配線を形成することができる。
【０１２８】
以上のように、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）の接合面に、金属膜１３の組成と金属酸化物の組成とのほぼ中間的な組成を有する単一原子層よりなる遷移層１２ｃを容易に形成することができる。また、前述した第３の実施形態に係る半導体装置が有する効果と同様の効果を得ることができる。すなわち、金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との接合面に、金属膜１３の組成と金属酸化物の組成とのほぼ中間的な組成を有する遷移層１２ｃを形成しているので、金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との接合面に遷移層１２ｃが存在しない場合に比べて、金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との密着性を飛躍的に向上させることができる。さらに、遷移層１２ｃが単一の原子層よりなるので、金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）の密着性が向上することに加えて、遷移層１２ｃの厚みを極限まで薄くすることにより、積層化されたバリアメタル膜を形成する場合であっても、バリアメタル膜の膜厚を薄く形成することできるので、配線の低抵抗化を実現することができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を製造することができる。
【０１２９】
なお、金属酸化物を構成する金属と金属膜１３を構成する金属とを、互いに異なる種類の元素として、遷移層１２ｃ及び金属膜１３を原子層成長法にて形成する場合は、例えば成膜条件又は原料ガスを変化させるだけで、連続的に遷移層１２ｃ及び金属膜１３を形成することができる。
【０１３０】
また、金属酸化物を構成する金属と金属膜１３を構成する金属とを、互いに同一種類の元素として、遷移層１２ｃ及び金属膜１３を原子層成長法にて形成する場合は、例えば成膜条件を変化させるだけで、連続的に遷移層１２ｃ及び金属膜１３を形成することができる。
【０１３１】
（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態に係る半導体装置及び半導体装置の製造方法について、図１０、図１１及び図１２（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。なお、第４の実施形態では、第３の実施形態と共通する部分は同様であるので、その説明は繰り返さないことにして、以下では、第３の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【０１３２】
図１０は、本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【０１３３】
図１０に示すように、凹部１０ｃの壁面には、第２のバリアメタル膜Ａ４が形成されている。ここで、第２のバリアメタル膜Ａ４は、凹部１０ｃに沿うように、拡散防止膜５、第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７及び第４の絶縁膜８の上に形成された遷移層１２ｄと、該遷移層１２ｄの上に形成された金属膜１３とよりなる。遷移層１２ｄは、絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）と金属膜１３との接合面近傍に形成されており、金属酸化物及び金属膜１３のそれぞれの組成のほぼ中間組成を有する遷移層である。さらに、遷移層１２ｄは複数の原子層よりなる。
【０１３４】
図１１は、例えば、金属膜１３を構成する金属がルテニウム（Ｒｕ）であると共に、遷移層１２ｄの組成を決定する前記金属酸化物が酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）である場合における、第２のバリアメタル膜Ａ４の膜厚方向の原子濃度の分布を示している。ルテニウム（Ｒｕ）よりなる金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との間に３つの原子層よりなる遷移層１２ｄが形成されている。遷移層１２ｄは、ルテニウム（Ｒｕ）よりなる金属膜１３の組成と酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）よりなる金属酸化物の組成との中間的な組成を有している。すなわち、遷移層１２ｄ中のルテニウム（Ｒｕ）の濃度は、金属膜１３中のルテニウム（Ｒｕ）の濃度と、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）よりなる金属酸化物中のルテニウム（Ｒｕ）の濃度との中間的な濃度となっており、また、遷移層１２ｄ中の酸素（Ｏ）の濃度は、金属膜１３中の酸素（Ｏ）の濃度（この場合は、ほぼゼロ）と、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）よりなる金属酸化物中の酸素（Ｏ）の濃度との中間的な濃度となっている。さらに、遷移層１２ｄにおけるルテニウム（Ｒｕ）の濃度は、ルテニウム（Ｒｕ）よりなる金属膜１３から絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）に向かって、１原子層ごとに段階的に少なくなっている一方で、遷移層１２ｄにおける酸素（Ｏ）の濃度は、ルテニウム（Ｒｕ）よりなる金属膜１３から絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７あるいは第４の絶縁膜８）に向かって、１原子層ごとに段階的に多くなっている。すなわち、遷移層１２ｄの組成は、段階的に変化している。
【０１３５】
以上のように、本発明の第４の実施形態に係る半導体装置によると、金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との接合面には、金属膜１３の組成と金属酸化物の組成とのほぼ中間的な組成を有する遷移層１２ｄが存在するので、遷移層１２ｄが存在しない場合に比べて、金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との密着性は飛躍的に向上し、薄膜であって且つ密着性の高いバリアメタル膜を形成することができる。さらに、遷移層１２ｄが複数の原子層よりなるので、金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との間の遷移層が単一の原子層よりなる場合に比べて、密着性がさらに向上するという効果が得られる。また、遷移層１２ｄの組成が段階的に変化していることにより、密着性はさらに向上する。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【０１３６】
なお、遷移層１２ｄの組成を決定する前記金属酸化物を構成する金属と金属膜１３を構成する金属とは、互いに異なる種類の元素としてもよい。この場合は、金属膜１３／遷移層１２ｄ／絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）の層構成において、金属膜１３と遷移層１２ｄとの密着性を損なうことなく、遷移層１２ｄと絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との密着性を絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）の種類によって最適化することが可能となる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【０１３７】
また、遷移層１２ｄの組成を決定する前記金属酸化物を構成する金属と金属膜１３を構成する金属とは、互いに同一種類の元素としてもよい。この場合は、金属膜１３／遷移層１２ｄの層構成において、金属膜１３と遷移層１２ｄと間の接合面における密着性を向上させることができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【０１３８】
次に、本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図１１及び図１２（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。なお、具体的には、図１０に示した本発明の第４の実施形態に係る半導体装置を製造する方法を以下に説明する。
【０１３９】
図１２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す要部工程断面図である。
【０１４０】
まず、第１の実施形態における図２（ａ）を用いた説明と同様にして、図１２（ａ）に示すように、デュアルダマシン用のビアホール１０ａ及び配線溝１０ｂよりなる凹部１０ｃを形成する。
【０１４１】
次に、図１２（ｂ）に示すように、凹部１０ｃの壁面に沿うように、第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７及び第４の絶縁膜８の上に、原子層成長法により、複数サイクル分の成長を行なうことにより、遷移層１２ｄを形成する。
【０１４２】
次に、図１２（ｃ）に示すように、遷移層１２ｄの上に、原子層成長法又は物理気相成長法により、金属膜１３を形成する。このようにして、遷移層１２ｄ及び金属膜１３よりなる第２のバリアメタル膜Ａ４が形成される。ここで、遷移層１２ｄは金属膜１３の組成と金属酸化物の組成とのほぼ中間的な組成を有している。
【０１４３】
ここで、第２のバリアメタル膜Ａ４の形成方法について、例えば、金属膜１３を構成する金属がルテニウム（Ｒｕ）であると共に、遷移層１２ｄの組成を決定する金属酸化物が酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）である場合について、以下に詳細に説明する。
【０１４４】
第２のバリアメタル膜Ａ４を構成する、遷移層１２ｄ及び金属膜１３の形成には、公知の原子層成長法（Jounarl of The Electrochemical Society, 151, G109-G112(2004)）を用いる。この場合の成膜条件は以下の通りである。すなわち、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）のソースガスとして、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2 （ビス（エチルシクロペンタジエニル）ルテニウム）ガスを用い、８０℃にソースガスを加熱した状態で、５０ｍＬ／ｍｉｎ（標準様態）のＡｒガスで希釈して使用する。また、基板温度は２５０℃であり、真空度は４．６６×１０2 である条件下で行なう。また、酸素ガスとしては、酸素ガス７０ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）にＡｒガス１００ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）を混合して使用する。そして、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2 ガスを供給するためのパルス時間を変化させることにより、金属ルテニウムから酸化ルテニウムまで、任意の組成を得ることが可能である。パルス時間としては、１ｓｅｃから１０ｓｅｃまでの範囲である。Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2ガスをパルス供給し、その後、一定時間のパージを行ったのち、酸素ガスを供給し、酸素ガスの供給を停止した後、一定時間のパージを行ない、ＲｕとＯからなる単原子層の膜を成長することができる。この一連のサイクルを１サイクルとする。なお、金属ルテニウムを成長する場合には、酸素ガスの供給は行なわない。
【０１４５】
例えば、第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７及び第４の絶縁膜８の上に、酸化ルテニウムとルテニウムとの中間の組成を有する遷移層１２ｄを、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2のパルス時間を３ｓｅｃ、５ｓｅｃ、及び７ｓｅｃと段階的に変化させることにより、３原子層分形成する。次に、金属膜１３であるルテニウム（Ｒｕ）膜をＲｕ（ＥｔＣｐ）2 のパルス時間を１０ｓｅｃとすることによって５ｎｍ堆積する。このようにして形成された第２のバリアメタル膜Ａ４の膜厚方向の原子濃度の分布は、前述の図１１に示した通りである。遷移層１２ｄの組成の制御は、パルス時間を変化させることによって容易に行なうことができる。なお、遷移層１２ｄの組成は、層全体として、酸化ルテニウムとルテニウムとの中間の組成を有していればよく、金属酸化物膜１１に最も近い部分の原子層においては、酸化ルテニウムであってもよい。この場合は、金属酸化物膜１１に最も近い部分の原子層を、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2 のパルス時間を２ｓｅｃとして成長すればよい。
【０１４６】
次に、凹部１０ｃが埋め込まれるように、銅めっきにより、凹部１０ｃの内部を含む金属膜１３の上に銅膜を形成した後に、銅膜、金属膜１３及び遷移層１２ｄにおける凹部１０ｃの内部以外の部分であって第４の絶縁膜８の上に形成されている部分をＣＭＰによって除去することにより、第２の銅配線１４及びその一部であるビアプラグを形成する。このようにして、図１０に示す構造を有する半導体装置を形成することができる。なお、拡散防止膜５の成膜からＣＭＰまでの工程を繰り返すことで多層配線を形成することができる。
【０１４７】
以上のように、本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との接合面に、金属膜１３の組成と金属酸化物の組成とのほぼ中間的な組成を有する複数の原子層よりなる遷移層１２ｄを容易に形成することができる。また、前述した第４の実施形態に係る半導体装置が有する効果と同様の効果を得ることができる。すなわち、金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）の接合面に、金属膜１３の組成と金属酸化物の組成とのほぼ中間的な組成を有する遷移層１２ｄを形成しているので、遷移層１２ｄが存在しない場合に比べて、金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との密着性を飛躍的に向上させ、薄膜であって且つ密着性の高いバリアメタル膜を形成することができる。さらに、遷移層１２ｄが複数の原子層よりなるので、金属膜１３と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との間の遷移層が単一の原子層よりなる場合に比べて、密着性がさらに向上するという効果が得られる。また、遷移層１２ｄの組成が段階的に変化していることにより、密着性をさらに向上させることができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を製造することができる。
【０１４８】
なお、金属酸化物を構成する金属と金属膜１３を構成する金属とを、互いに異なる種類の元素として、遷移層１２ｄ及び金属膜１３を原子層成長法にて形成する場合は、例えば成膜条件又は原料ガスを変化させるだけで、連続的に遷移層１２ｄ及び金属膜１３を形成することができる。
【０１４９】
また、金属酸化物を構成する金属と金属膜１３を構成する金属とを、互いに同一種類の元素として、遷移層１２ｄ及び金属膜１３を原子層成長法で形成する場合は、例えば成膜条件を変化させるだけで、連続的に遷移層１２ｄ及び金属膜１３を形成することができる。
【０１５０】
（第５の実施形態）
以下、本発明の第５の実施形態に係る半導体装置及び半導体装置の製造方法について、図１３、図１４及び図１５（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。なお、第５の実施形態では、第１の実施形態と共通する部分は同様であるので、その説明は繰り返さないことにして、以下では、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【０１５１】
図１３は、本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【０１５２】
図１３に示すように、凹部１０ｃの壁面には、第２のバリアメタル膜Ａ５が形成されている。ここで、第２のバリアメタル膜Ａ５は、構成元素として酸素を含む膜よりなり、第２のバリアメタル膜Ａ５中の酸素の濃度は、絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）から第２の銅配線１４へ向かって、膜厚方向に連続的に変化している。
【０１５３】
図１４は、例えば、第２のバリアメタル膜Ａ５が、金属ルテニウム（Ｒｕ）から酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）まで、連続的に酸素濃度が変化している膜である場合における、第２のバリアメタル膜Ａ５の膜厚方向の原子濃度の分布を示している。第２の銅配線１４と第２のバリアメタル膜Ａ５との接合面近傍おいては、ルテニウム（Ｒｕ）層が形成されており、第２のバリアメタル膜Ａ５と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との接合面近傍おいては、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）層が形成されている。そして、第２の銅配線１４から絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）へ向かって、連続的に酸素濃度が増加している一方で、ルテニウム（Ｒｕ）濃度が減少している。
【０１５４】
なお、第２のバリアメタル膜Ａ５に含まれる金属には高融点金属を用いるとよい。これにより、第２の銅配線１４を形成した後に、さらに上層配線を形成する工程において、およそ４００℃前後の熱が加えられるが、本熱処理によって第２のバリアメタル膜Ａ５が変成することはない。したがって、信頼性の高い半導体装置を実現できる。
【０１５５】
また、第２のバリアメタル膜Ａ５は、膜厚が薄い場合には必ずしも導電性を有さなくてもよいが、導電性を有する方が好ましい。以下に、導電性を有する第２のバリアメタル膜Ａ５について具体的に説明する。
【０１５６】
第２のバリアメタル膜Ａ５に含まれる金属には、チタニウム（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、ニオビウム（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミニウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、又はプラチナ（Ｐｔ）を用いるとよい。
【０１５７】
さらに好ましくは、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミニウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、又はプラチナ（Ｐｔ）などを用いるとよい。このようにすると、酸化されても導電性が大きく失われない（比抵抗が小さい）ので、低抵抗の第２のバリアメタル膜Ａ５を形成することができる。
【０１５８】
以上のように、本発明の第５の実施形態に係る半導体装置によると、構成元素として酸素を含む膜よりなる第２のバリアメタル膜Ａ５において、酸素の濃度が、第２のバリアメタル膜Ａ５における絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）と接する面から、第２の銅配線１４と接する面まで、膜厚方向に連続的に変化していることにより、第２のバリアメタル膜Ａ５内部において組成が急激に変化する界面が存在することがなくなるので、第２のバリアメタル膜Ａ５自体の強度を大幅に向上させることができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。さらに、第２のバリアメタル膜Ａ５と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との接合面近傍において、酸素濃度を高くすることにより、第２のバリアメタル膜Ａ５と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との密着性を向上させることができると共に、第２のバリアメタル膜Ａ５と第２の銅配線１４との接合面近傍において、酸素濃度を低くすることにより、第２のバリアメタル膜Ａ５と第２の銅配線１４との密着性を向上させることができる。
【０１５９】
次に、本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図１４及び図１５（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。なお、具体的には、図１３に示した本発明の第５の実施形態に係る半導体装置を製造する方法を以下に説明する。
【０１６０】
まず、第１の実施形態における図２（ａ）を用いた説明と同様にして、図１５（ａ）に示すように、デュアルダマシン用のビアホール１０ａ及び配線溝１０ｂよりなる凹部１０ｃを形成する。
【０１６１】
次に、図１５（ｂ）に示すように、凹部１０ｃの壁面に沿うように、第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７及び第４の絶縁膜８の上に第２のバリアメタル膜Ａ５を形成する。ここで、第２のバリアメタル膜Ａ５は、原子層成長法（ＡＬＤ：atomic layer deposition）、化学気相成長法（ＣＶＤ：cemical vapor deposition）、又は物理気相成長法（ＰＶＤ：physical vapor deposition）などの成膜方法によって形成すればよい。
【０１６２】
ここで、第２のバリアメタル膜Ａ５の形成方法について、例えば、第２のバリアメタル膜Ａ５がルテニウム（Ｒｕ）から酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）へ連続的に酸素濃度が変化している組成を有する場合について、以下に詳細に説明する。
【０１６３】
第２のバリアメタル膜Ａ５の形成には、公知の原子層成長法（Jounarl of The Electrochemical Society, 151, G109-G112(2004)）を用いる。この場合の成膜条件は、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）のソースガスとして、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2 （ビス（エチルシクロペンタジエニル）ルテニウム）ガスを用い、８０℃にソースガスを加熱した状態で、５０ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）のＡｒガスで希釈して使用する。また、基板温度は２５０℃であり、真空度は４．５６×１０2 である条件下で行なう。また、酸素ガスとしては、酸素ガス７０ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）にＡｒガス１００ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）を混合して使用する。そして、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2 ガスを供給するためのパルス時間を変化させることにより、金属ルテニウムから酸化ルテニウムまで、任意の組成を得ることが可能である。パルス時間としては、１ｓｅｃから１０ｓｅｃまでの範囲である。Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2ガスをパルス供給し、その後、一定時間のパージを行ったのち、酸素ガスを供給し、酸素ガスの供給を停止した後、一定時間のパージを行ない、ＲｕとＯからなる単原子層の膜を成長することができる。この一連のサイクルを１サイクルとする。なお、金属ルテニウムを成長する場合には、酸素ガスの供給は行なわない。
【０１６４】
例えば、第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７及び第４の絶縁膜８の上に、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）2 のパルス時間を２ｓｅｃから１０ｓｅｃへと連続的に変化させることにより、１０ｎｍの膜厚を有する第２のバリアメタル膜Ａ５を形成する。このようにして形成された第２のバリアメタル膜Ａ５の膜厚方向の原子濃度の分布は、前述の図１４に示した通りである。第２のバリアメタル膜Ａ５の組成の制御は、パルス時間を変化させることによって容易に行なうことができる。
【０１６５】
次に、凹部１０ｃが埋め込まれるように、銅めっきにより、凹部１０ｃの内部を含む第２のバリアメタル膜Ａ５の上に銅膜を形成した後に、銅膜、第２のバリアメタル膜Ａ５における凹部１０ｃの内部以外の部分であって第４の絶縁膜８の上に形成されている部分をＣＭＰによって除去することにより、第２の銅配線１４及びその一部であるビアプラグを形成する。このようにして、図１３に示す構造を有する半導体装置を形成することができる。なお、拡散防止膜５の成膜からＣＭＰまでの工程を繰り返すことで多層配線を形成することができる。
【０１６６】
以上のように、本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、酸素元素の濃度が膜厚方向に連続的に変化している第２のバリアメタル膜Ａ５を容易に形成することが可能である。また、前述した第５の実施形態に係る半導体装置が有する効果と同様の効果を得ることができる。すなわち、構成元素として酸素を含む膜よりなる第２のバリアメタル膜Ａ５において、酸素の濃度が、第２のバリアメタル膜Ａ５における絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）と接する面から、第２の銅配線１４と接する面まで、膜厚方向に連続的に変化させることにより、第２のバリアメタル膜Ａ５内部において組成が急激に変化する界面が存在することがなくなるので、第２のバリアメタル膜Ａ５自体の強度を大幅に向上させることができる。したがって、低抵抗であって且つ密着性の高い多層配線を有する信頼性の高い半導体装置を実現することができる。さらに、第２のバリアメタル膜Ａ５と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との接合面近傍において、酸素濃度を高くすることにより、第２のバリアメタル膜Ａ５と絶縁膜（第２の絶縁膜６、第３の絶縁膜７又は第４の絶縁膜８）との密着性を向上させることができると共に、第２のバリアメタル膜Ａ５と第２の銅配線１４との接合面近傍において、酸素濃度を低くすることにより、第２のバリアメタル膜Ａ５と第２の銅配線１４との密着性を向上させることができる。
【０１６７】
なお、以上で説明した第１〜第５の実施形態においては、デュアルダマシン構造が採用されている場合について説明したが、シングルダマシン構造を採用する場合であっても、デュアルダマシン構造を採用する場合と同様の効果が得られることは言うまでもない。シングルダマシン構造を採用する場合には、配線とビアプラグとがそれぞれ別工程において形成されることになるが、この場合の配線及びビアプラグは、前述の第１〜第５の実施形態における第２の銅配線１４である埋め込み配線に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１６８】
以上説明したように、本発明は、低抵抗であって且つ高密着性を実現するバリアメタル膜を備えた半導体装置及びその製造方法等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１６９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の第２のバリアメタル膜における膜厚方向に対する原子濃度分布を示す図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す要部工程断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の第２のバリアメタル膜における膜厚方向に対する原子濃度分布を示す図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す要部工程断面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の第２のバリアメタル膜における膜厚方向に対する原子濃度分布を示す図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す要部工程断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の第２のバリアメタル膜における膜厚方向に対する原子濃度分布を示す図である。
【図１２】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す要部工程断面図である。
【図１３】本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【図１４】本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の第２のバリアメタル膜における膜厚方向に対する原子濃度分布を示す図である。
【図１５】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す要部工程断面図である。
【図１６】従来例に係る半導体装置の製造方法を示す要部工程断面図である。
【符号の説明】
【０１７０】
１ シリコン基板
２ 第１の絶縁膜
３ 第１のバリアメタル膜
４ 第１の銅配線
５ 拡散防止膜
６ 第２の絶縁膜
７ 第３の絶縁膜
８ 第４の絶縁膜
１０ａ ビアホール
１０ｂ 配線溝
１０ｃ 凹部
１１ 金属酸化物膜
１２ａ、１２ｂ、１２ｄ 遷移層
１３ 金属膜
１４ 第２の銅配線
Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５ 第２のバリアメタル膜
１０１ シリコン基板
１０２ 第１の絶縁膜
１０３ 第１のバリアメタル膜
１０４ 第１の配線
１０５ 拡散防止膜
１０６ 第２の絶縁膜
１０７ 第３の絶縁膜
１０８ 第４の絶縁膜
１１０ａ ビアホール
１１０ｂ 配線溝
１１０ｃ 凹部
１１１ 第２のバリアメタル膜
１１２ 第３のバリアメタル膜
１１３ 銅シード層
１１４ 銅膜
１１５ａ ビア
１１５ｂ 第２の配線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜中に形成された埋め込み配線と、前記絶縁膜と前記埋め込み配線との間に形成されたバリアメタル膜とを有する半導体装置において、
前記バリアメタル膜は、前記絶縁膜が存在している側から前記埋め込み配線が存在している側へ向かって順に積層されている金属酸化物膜、遷移層及び金属膜よりなり、
前記遷移層は、前記金属酸化物膜の組成と前記金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する単一の原子層よりなることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜中に形成された埋め込み配線と、前記絶縁膜と前記埋め込み配線との間に形成されたバリアメタル膜とを有する半導体装置において、
前記バリアメタル膜は、前記絶縁膜が存在している側から前記埋め込み配線が存在している側へ向かって順に積層されている金属酸化物膜、遷移層及び金属膜よりなり、
前記遷移層は、前記金属酸化物膜の組成と前記金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する複数の原子層よりなることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜中に形成された埋め込み配線と、前記絶縁膜と前記埋め込み配線との間に形成されたバリアメタル膜とを有する半導体装置において、
前記バリアメタル膜は、前記絶縁膜が存在している側から前記埋め込み配線が存在している側へ向かって順に積層されている遷移層及び金属膜よりなり、
前記遷移層は、金属酸化物及び前記金属膜を構成する金属よりなると共に、前記金属酸化物の組成と前記金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する単一の原子層よりなることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜中に形成された埋め込み配線と、前記絶縁膜と前記埋め込み配線との間に形成されたバリアメタル膜とを有する半導体装置において、
前記バリアメタル膜は、前記絶縁膜が存在している側から前記埋め込み配線が存在している側へ向かって順に積層されている遷移層及び金属膜よりなり、
前記遷移層は、金属酸化物及び前記金属膜を構成する金属よりなると共に、前記金属酸化物の組成と前記金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する複数の原子層よりなることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
金属酸化物膜又は金属酸化物を構成する金属と金属膜を構成する金属とは、互いに異なる種類の元素であることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
金属酸化物膜又は金属酸化物を構成する金属と金属膜を構成する金属とは、互いに同一種類の元素であることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜中に形成された埋め込み配線と、前記絶縁膜と前記埋め込み配線との間に形成されたバリアメタル膜とを有する半導体装置において、
前記バリアメタル膜は、構成元素として酸素を含み、
前記バリアメタル膜における前記酸素の濃度は、前記バリアメタル膜の膜厚方向に連続的に変化していることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
基板上の絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の壁面に沿うように、金属酸化物膜、遷移層、及び金属膜がこの順に積層されてなるバリアメタル膜を形成する工程と、
前記凹部を埋め込むように、前記バリアメタル膜の上に埋め込み配線を形成する工程とを備え、
前記バリアメタル膜を形成する工程は、
原子層成長法によって１サイクル分の成長を行なうことにより、前記金属酸化物膜の組成と前記金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する単一の原子層よりなる前記遷移層を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
基板上の絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の壁面に沿うように、金属酸化物膜、遷移層、及び金属膜がこの順に積層されてなるバリアメタル膜を形成する工程と、
前記凹部を埋め込むように、前記バリアメタル膜の上に埋め込み配線を形成する工程とを備え、
前記バリアメタル膜を形成する工程は、
原子層成長法によって複数サイクル分の成長を行なうことにより、前記金属酸化物膜の組成と前記金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する複数の原子層よりなる前記遷移層を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
基板上の絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の壁面に沿うように、遷移層及び金属膜がこの順に積層されてなるバリアメタル膜を形成する工程と、
前記凹部を埋め込むように、前記バリアメタル膜の上に埋め込み配線を形成する工程とを備え、
前記バリアメタル膜を形成する工程は、
原子層成長法によって１サイクル分の成長を行なうことにより、金属酸化物及び前記金属膜を構成する金属よりなると共に、前記金属酸化物の組成と前記金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する単一の原子層よりなる前記遷移層を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
基板上の絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の壁面に沿うように、遷移層及び金属膜がこの順に積層されてなるバリアメタル膜を形成する工程と、
前記凹部を埋め込むように、前記バリアメタル膜の上に埋め込み配線を形成する工程とを備え、
前記バリアメタル膜を形成する工程は、
原子層成長法によって複数サイクル分の成長を行なうことにより、金属酸化物及び前記金属膜を構成する金属よりなると共に、前記金属酸化物の組成と前記金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する複数の原子層よりなる前記遷移層を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記金属酸化物膜又は前記金属酸化物を構成する金属と前記金属膜を構成する金属とは、互いに異なる種類の元素であることを特徴する請求項８〜１１のうちいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記金属酸化物膜又は前記金属酸化物を構成する金属と前記金属膜を構成する金属とは、互いに同一種類の元素であることを特徴する請求項８〜１１のうちいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
基板上の絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の壁面に沿うように、構成元素として酸素を含むバリアメタル膜を形成する工程と、
前記凹部を埋め込むように、前記バリアメタル膜の上に埋め込み配線を形成する工程とを備え、
前記バリアメタル膜を形成する工程は、
前記バリアメタル膜における前記酸素の濃度が、前記バリアメタル膜の膜厚方向に連続的に変化するように前記バリアメタル膜を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１】
基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜中に形成された埋め込み配線と、前記絶縁膜と前記埋め込み配線との間に形成されたバリアメタル膜とを有する半導体装置において、
前記バリアメタル膜は、前記絶縁膜が存在している側から前記埋め込み配線が存在している側へ向かって順に積層されている金属酸化物膜、遷移層及び金属膜よりなり、
前記遷移層は、前記金属酸化物膜の組成と前記金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する単一の原子層よりなることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜中に形成された埋め込み配線と、前記絶縁膜と前記埋め込み配線との間に形成されたバリアメタル膜とを有する半導体装置において、
前記バリアメタル膜は、前記絶縁膜が存在している側から前記埋め込み配線が存在している側へ向かって順に積層されている金属酸化物膜、遷移層及び金属膜よりなり、
前記遷移層は、前記金属酸化物膜の組成と前記金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する複数の原子層よりなることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜中に形成された埋め込み配線と、前記絶縁膜と前記埋め込み配線との間に形成されたバリアメタル膜とを有する半導体装置において、
前記バリアメタル膜は、前記絶縁膜が存在している側から前記埋め込み配線が存在している側へ向かって順に積層されている遷移層及び金属膜よりなり、
前記遷移層は、金属酸化物及び前記金属膜を構成する金属よりなると共に、前記金属酸化物の組成と前記金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する単一の原子層よりなることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜中に形成された埋め込み配線と、前記絶縁膜と前記埋め込み配線との間に形成されたバリアメタル膜とを有する半導体装置において、
前記バリアメタル膜は、前記絶縁膜が存在している側から前記埋め込み配線が存在している側へ向かって順に積層されている遷移層及び金属膜よりなり、
前記遷移層は、金属酸化物及び前記金属膜を構成する金属よりなると共に、前記金属酸化物の組成と前記金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する複数の原子層よりなることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
金属酸化物膜又は金属酸化物を構成する金属と金属膜を構成する金属とは、互いに異なる種類の元素であることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
金属酸化物膜又は金属酸化物を構成する金属と金属膜を構成する金属とは、互いに同一種類の元素であることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜中に形成された埋め込み配線と、前記絶縁膜と前記埋め込み配線との間に形成されたバリアメタル膜とを有する半導体装置において、
前記バリアメタル膜は、構成元素として酸素を含み、
前記バリアメタル膜における前記酸素の濃度は、前記バリアメタル膜の膜厚方向に連続的に変化していることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
基板上の絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の壁面に沿うように、金属酸化物膜、遷移層、及び金属膜がこの順に積層されてなるバリアメタル膜を形成する工程と、
前記凹部を埋め込むように、前記バリアメタル膜の上に埋め込み配線を形成する工程とを備え、
前記バリアメタル膜を形成する工程は、
原子層成長法によって１サイクル分の成長を行なうことにより、前記金属酸化物膜の組成と前記金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する単一の原子層よりなる前記遷移層を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
基板上の絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の壁面に沿うように、金属酸化物膜、遷移層、及び金属膜がこの順に積層されてなるバリアメタル膜を形成する工程と、
前記凹部を埋め込むように、前記バリアメタル膜の上に埋め込み配線を形成する工程とを備え、
前記バリアメタル膜を形成する工程は、
原子層成長法によって複数サイクル分の成長を行なうことにより、前記金属酸化物膜の組成と前記金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する複数の原子層よりなる前記遷移層を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
基板上の絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の壁面に沿うように、遷移層及び金属膜がこの順に積層されてなるバリアメタル膜を形成する工程と、
前記凹部を埋め込むように、前記バリアメタル膜の上に埋め込み配線を形成する工程とを備え、
前記バリアメタル膜を形成する工程は、
原子層成長法によって１サイクル分の成長を行なうことにより、金属酸化物及び前記金属膜を構成する金属よりなると共に、前記金属酸化物の組成と前記金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する単一の原子層よりなる前記遷移層を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
基板上の絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の壁面に沿うように、遷移層及び金属膜がこの順に積層されてなるバリアメタル膜を形成する工程と、
前記凹部を埋め込むように、前記バリアメタル膜の上に埋め込み配線を形成する工程とを備え、
前記バリアメタル膜を形成する工程は、
原子層成長法によって複数サイクル分の成長を行なうことにより、金属酸化物及び前記金属膜を構成する金属よりなると共に、前記金属酸化物の組成と前記金属膜の組成とのほぼ中間的な組成を有する複数の原子層よりなる前記遷移層を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記金属酸化物膜又は前記金属酸化物を構成する金属と前記金属膜を構成する金属とは、互いに異なる種類の元素であることを特徴する請求項８〜１１のうちいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記金属酸化物膜又は前記金属酸化物を構成する金属と前記金属膜を構成する金属とは、互いに同一種類の元素であることを特徴する請求項８〜１１のうちいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
基板上の絶縁膜に凹部を形成する工程と、
前記凹部の壁面に沿うように、構成元素として酸素を含むバリアメタル膜を形成する工程と、
前記凹部を埋め込むように、前記バリアメタル膜の上に埋め込み配線を形成する工程とを備え、
前記バリアメタル膜を形成する工程は、
前記バリアメタル膜における前記酸素の濃度が、前記バリアメタル膜の膜厚方向に連続的に変化するように前記バリアメタル膜を形成する工程を含む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】
【公開番号】特開２００６−５３０５（Ｐ２００６−５３０５Ａ）
【公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−１８２６９２（Ｐ２００４−１８２６９２）
【出願日】平成１６年６月２１日（２００４．６．２１）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月２１日（２００４．６．２１）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]