JP2001284284A - Wiring structure in semiconductor device and mos transistor - Google Patents

Wiring structure in semiconductor device and mos transistor

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JP2001284284A
JP2001284284A JP2001039342A JP2001039342A JP2001284284A JP 2001284284 A JP2001284284 A JP 2001284284A JP 2001039342 A JP2001039342 A JP 2001039342A JP 2001039342 A JP2001039342 A JP 2001039342A JP 2001284284 A JP2001284284 A JP 2001284284A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide wiring structure in a semiconductor device that can reduce sheet resistance in a lower layer conductive region, can inhibit crease of contact resistance and junction leakage, and has a superior barrier property. SOLUTION: This wiring structure in the semiconductor device consists of a lower layer conductive region 18 formed on a semiconductor substrate 10, an upper layer wiring layer 32 formed on an insulation layer 22B for covering the lower layer conductor region 18, and a connection hole 28 that electrically connects the lower layer conductive layer to the upper layer wiring layer. Then, at the bottom part of the connection hole 28, a single crystal CoSi2 layer 20 and a single crystal TiN layer 26 are formed from the side of the semiconductor substrate.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置におけ
る配線構造及び配線形成方法、並びにMOS型トランジ
スタに関する。
The present invention relates to a wiring structure and a wiring forming method in a semiconductor device, and a MOS transistor.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体装置の高集積化に伴い、接合深さ
は一層浅くなりつつある。半導体装置の寸法ルールが
0.1μmレベルになると、接合領域のシート抵抗は1
kΩ/□以上になり、半導体素子の応答速度が遅くなる
という問題が生じる。この問題を解決する方法の1つ
に、半導体基板に形成されたソース・ドレイン領域の表
面にCoSi2、TiSi2等のシリサイドを形成する方
法がある。
2. Description of the Related Art As semiconductor devices become more highly integrated, the junction depth is becoming smaller. When the dimensional rule of the semiconductor device reaches the 0.1 μm level, the sheet resistance of the bonding region becomes 1
kΩ / □ or more, which causes a problem that the response speed of the semiconductor element is reduced. One method for solving this problem is to form a silicide such as CoSi 2 or TiSi 2 on the surface of a source / drain region formed on a semiconductor substrate.

【0003】ソース・ドレイン領域と上層配線層とを電
気的に接続するためには接続孔を形成する必要がある。
接続孔は、ソース・ドレイン領域を被覆する絶縁層を形
成した後、ソース・ドレイン領域の上方の絶縁層に開口
部を形成し、かかる開口部を含む絶縁層上にバリア層を
形成し、更にこのバリア層上に金属配線材料を堆積させ
ることによって開口部をバリア層及び金属配線材料で埋
め込むことで形成される。バリア層は、ソース・ドレイ
ン領域と開口部内の金属配線材料との間の反応を抑制す
るために形成される。
In order to electrically connect the source / drain region and the upper wiring layer, it is necessary to form a connection hole.
The connection hole forms an opening in the insulating layer above the source / drain region after forming an insulating layer covering the source / drain region, and forms a barrier layer on the insulating layer including the opening. The opening is formed by depositing a metal wiring material on the barrier layer to fill the opening with the barrier layer and the metal wiring material. The barrier layer is formed to suppress a reaction between the source / drain region and the metal wiring material in the opening.

【0004】半導体装置の寸法ルールが微細化するに従
い、接続孔の径も微細化する傾向にある。その結果、開
口部内におけるバリア層のカバレッジが低下し、バリア
層のバリア性が低下するという問題がある。
As the dimensional rules of semiconductor devices become finer, the diameter of connection holes also tends to become finer. As a result, there is a problem that the coverage of the barrier layer in the opening decreases, and the barrier property of the barrier layer decreases.

【0005】ここで、従来の半導体装置の製造プロセス
の概要を、図6を参照して、以下に簡単に説明する。
Here, an outline of a conventional semiconductor device manufacturing process will be briefly described below with reference to FIG.

【0006】[工程−10]半導体基板10に、従来の
方法で素子分離領域12及びゲート電極14を形成す
る。
[Step-10] An element isolation region 12 and a gate electrode 14 are formed on a semiconductor substrate 10 by a conventional method.

【0007】[工程−20]LDD(Lightly-Doped Dr
ain)構造を形成するためにイオン注入を行い、次いで
ゲートサイドウォール16を形成した後、イオン注入を
行いソース・ドレイン領域から成る下層導体領域18を
形成する(図6の(A)参照)。
[Step-20] LDD (Lightly-Doped Dr.
ain) Ion implantation is performed to form a structure, and then a gate sidewall 16 is formed, followed by ion implantation to form a lower conductor region 18 composed of source / drain regions (see FIG. 6A).

【0008】[工程−30]ソース・ドレイン領域から
成る下層導体領域18のシート抵抗の低減化のために、
下層導体領域18の表面にCoSi2シリサイド層10
0を形成する(図6の(B)参照)。そのために、全面
にCo層を形成した後、熱処理を行い、下層導体領域1
8中のSiとCo層中のCoとを反応させてCoSi2
層100を形成する。未反応のCo層は塩酸過水で選択
的に除去する。
[Step-30] In order to reduce the sheet resistance of the lower conductor region 18 composed of the source / drain region,
The CoSi 2 silicide layer 10 is formed on the surface of the lower conductor region 18.
0 (see FIG. 6B). For this purpose, after forming a Co layer on the entire surface, heat treatment is performed to form the lower conductor region 1.
8 reacts with Co in the Co layer to form CoSi 2
The layer 100 is formed. The unreacted Co layer is selectively removed with hydrochloric acid / hydrogen peroxide.

【0009】[工程−40]その後、全面に絶縁層22
を形成し、更に、開口部24を下層導体領域18の上方
に形成する(図6の(C)参照)。
[Step-40] Thereafter, the insulating layer 22 is formed on the entire surface.
And an opening 24 is formed above the lower conductor region 18 (see FIG. 6C).

【0010】[工程−50]次いで、例えばスパッタ法
にて開口部24を含む絶縁層22上にバリア層(下から
Ti層/TiN層から成る)102を形成し、更にタン
グステン層104をCVD法にて全面に堆積させた後、
絶縁層22上のタングステン層104及びバリア層10
2を選択的に除去して、開口部24内にタングステンプ
ラグから成る接続孔28を形成する(図7の(A)参
照)。次いで、下から、Ti層/TiON層/Al−S
i層をスパッタ法にて全面に堆積させた後、これらの層
をパターニングすることによって、配線106を形成す
る(図7の(B)参照)。尚、参照番号106AはTi
層/TiON層を示す。
[Step-50] Next, a barrier layer (composed of a Ti layer / TiN layer) 102 is formed on the insulating layer 22 including the opening 24 by, for example, a sputtering method, and a tungsten layer 104 is formed by a CVD method. After depositing on the whole surface at
Tungsten layer 104 and barrier layer 10 on insulating layer 22
2 is selectively removed to form a connection hole 28 made of a tungsten plug in the opening 24 (see FIG. 7A). Then, from below, Ti layer / TiON layer / Al-S
After an i-layer is deposited over the entire surface by sputtering, these layers are patterned to form the wiring 106 (see FIG. 7B). The reference number 106A is Ti
2 shows a layer / TiON layer.

【0011】上記プロセスにおいて、開口部24内に形
成するバリア層102はスパッタ法で形成されるため
に、開口部24のアスペクト比が高くなるに従い、開口
部24内のバリア層102のカバレッジが非常に悪くな
る。その結果、開口部24底部のバリア層102の厚さ
が薄くなる。このため、CVD法にてタングステン層1
04を堆積させるとき、CVD用原料ガス(WF6)中
に含まれるフッ素によってバリア層102が侵食され、
更には下層導体領域(ソース・ドレイン領域)18がフ
ッ素で腐食される。その結果、接合リークの増大を招く
という問題が発生する。
In the above process, since the barrier layer 102 formed in the opening 24 is formed by a sputtering method, the coverage of the barrier layer 102 in the opening 24 becomes very high as the aspect ratio of the opening 24 increases. Worse. As a result, the thickness of the barrier layer 102 at the bottom of the opening 24 is reduced. Therefore, the tungsten layer 1 is formed by the CVD method.
When 04 is deposited, the barrier layer 102 is eroded by fluorine contained in the source gas for CVD (WF 6 ),
Further, the lower conductor region (source / drain region) 18 is corroded by fluorine. As a result, there arises a problem that junction leakage increases.

【0012】開口部24内におけるバリア層102のカ
バレッジ問題を解決する方法として、CVD法によるT
i層/TiN層から成るバリア層の形成を挙げることが
できる。CVD法を用いると、開口部24底部における
バリア層102のカバレッジ問題を解決することができ
る。しかしながら、CVD法で成膜されたTiN層は多
結晶性であるため、後の拡散工程やアニール処理工程等
の高温熱処理を半導体基板に施したとき、TiN粒界部
がフッ素で腐食されたり、接続孔28内の金属配線材料
がTiN粒界部を拡散して半導体基板を腐蝕するという
問題がある。即ち、多結晶性のTiN層は十分なるバリ
ア性を有しているとはいえない。
As a method for solving the problem of the coverage of the barrier layer 102 in the opening 24, T
Formation of a barrier layer composed of an i layer / TiN layer can be mentioned. When the CVD method is used, the coverage problem of the barrier layer 102 at the bottom of the opening 24 can be solved. However, since the TiN layer formed by the CVD method is polycrystalline, when a high-temperature heat treatment such as a diffusion step or an annealing step is performed on the semiconductor substrate, the TiN grain boundary portion is corroded by fluorine, There is a problem that the metal wiring material in the connection hole 28 diffuses in the TiN grain boundary and corrodes the semiconductor substrate. That is, the polycrystalline TiN layer cannot be said to have a sufficient barrier property.

【0013】このTiN層の多結晶性に起因した問題を
解決するために、本出願人はシリコン半導体基板上に直
接単結晶TiN層をエピタキシャル成長させることを提
案した(特願平5−69197号参照)。
In order to solve the problem caused by the polycrystallinity of the TiN layer, the present applicant has proposed that a single-crystal TiN layer is epitaxially grown directly on a silicon semiconductor substrate (see Japanese Patent Application No. 5-69197). ).

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、単純に
シリコン半導体基板上に単結晶TiN層を形成させて
も、良好なる電気的なオーミック接合を得ることは難し
い。これは、半導体基板上には自然酸化膜が存在し、T
iN層をこの自然酸化膜上に形成しても、TiN層は自
然酸化膜を還元できないために電気的な導通が取り難い
ことに起因する。更に、自然酸化膜が残っている場合、
TiN層が半導体基板上でエピタキシャル成長し難いと
いう問題もある。
However, it is difficult to obtain a good electrical ohmic junction even if a single crystal TiN layer is simply formed on a silicon semiconductor substrate. This is because a natural oxide film exists on the semiconductor substrate and T
Even if an iN layer is formed on this natural oxide film, the TiN layer cannot reduce the natural oxide film, so that electrical conduction is difficult to obtain. Furthermore, if a native oxide film remains,
There is also a problem that the TiN layer is difficult to epitaxially grow on the semiconductor substrate.

【0015】これらの問題を解決するための方法とし
て、以下の方法を挙げることができる。即ち、TiN層
を形成する前に、水素プラズマで自然酸化膜を還元す
る。これによって自然酸化膜を除去し、シリコン半導体
基板の清浄な表面を露出させる。その後、CVD用原料
ガスを導入してTiN層をCVD法にて形成する。
As a method for solving these problems, there are the following methods. That is, before the TiN layer is formed, the natural oxide film is reduced by hydrogen plasma. This removes the natural oxide film, exposing a clean surface of the silicon semiconductor substrate. After that, a source gas for CVD is introduced to form a TiN layer by a CVD method.

【0016】しかし、この方法における問題点として、
TiN層の形成前の前処理として、水素プラズマ処理に
シリコン半導体基板表面を晒す。その結果、シリコン結
晶内に水素原子が入り込み、シリコン結晶に結晶欠陥が
発生し、接合リークが増大するという問題点が挙げられ
る。
However, the problem with this method is that
As a pretreatment before forming the TiN layer, the surface of the silicon semiconductor substrate is exposed to a hydrogen plasma treatment. As a result, there is a problem that hydrogen atoms enter the silicon crystal, crystal defects occur in the silicon crystal, and junction leakage increases.

【0017】また、シリコン半導体基板上にCVD法で
TiN層を形成する際、窒素プラズマ中にシリコン半導
体基板表面が晒されるために、シリコン半導体基板表面
に薄いSiN膜が形成され、コンタクト抵抗が増加する
という問題もある。
When a TiN layer is formed on a silicon semiconductor substrate by the CVD method, a thin SiN film is formed on the surface of the silicon semiconductor substrate because the surface of the silicon semiconductor substrate is exposed to nitrogen plasma, thereby increasing contact resistance. There is also the problem of doing.

【0018】更に、この方法においては、ソース・ドレ
イン領域表面にはシリコン面が露出していることが条件
となる。従って、前述したようなソース・ドレイン領域
のシート抵抗の低減化のために、ソース・ドレイン領域
表面にシリサイド層を形成することができない。即ち、
シリサイド層上には単結晶TiN層を形成することがで
きないという問題もある。
Further, in this method, it is required that the silicon surface is exposed on the surface of the source / drain region. Therefore, a silicide layer cannot be formed on the surface of the source / drain region in order to reduce the sheet resistance of the source / drain region as described above. That is,
There is also a problem that a single crystal TiN layer cannot be formed on the silicide layer.

【0019】従って、本発明の目的は、下層導体領域の
シート抵抗の低減を図ることができ、コンタクト抵抗や
接合リークが増大することを抑制でき、しかもバリア性
に優れた半導体装置における配線構造及びその形成方
法、並びにMOS型トランジスタを提供することにあ
る。
Accordingly, an object of the present invention is to reduce the sheet resistance of the lower conductor region, suppress an increase in contact resistance and junction leak, and furthermore, provide a wiring structure and a semiconductor device having excellent barrier properties. An object of the present invention is to provide a method of forming the same and a MOS transistor.

【0020】[0020]

【課題を解決するための手段】上記の目的は、半導体基
板に形成された下層導体領域と、下層導体領域を被覆す
る絶縁層上に形成された上層配線層と、下層導体領域と
上層配線層とを電気的に接続する接続孔とから成る、半
導体装置における配線構造であって、接続孔の底部に
は、半導体基板側から、単結晶CoSi2層及び単結晶
TiN層が形成されていることを特徴とする本発明の配
線構造によって達成することができる。
The object of the present invention is to provide a lower conductor region formed on a semiconductor substrate, an upper wiring layer formed on an insulating layer covering the lower conductor region, a lower conductor region and an upper wiring layer. A wiring structure in a semiconductor device, comprising: a connection hole for electrically connecting a single crystal CoSi 2 layer and a single crystal TiN layer to the bottom of the connection hole from the semiconductor substrate side. This can be achieved by the wiring structure of the present invention characterized by the following.

【0021】本発明の配線構造においては、半導体基板
はシリコン半導体基板から成ることが望ましい。また、
シリコン半導体基板の方位は(100)であることが好
ましい。
In the wiring structure according to the present invention, the semiconductor substrate is desirably made of a silicon semiconductor substrate. Also,
The orientation of the silicon semiconductor substrate is preferably (100).

【0022】あるいは又、上記の目的は、半導体基板に
形成された下層導体領域と、下層導体領域を被覆する絶
縁層上に形成された上層配線層と、下層導体領域と上層
配線層とを電気的に接続する接続孔とから成る、半導体
装置における配線構造を形成する配線形成方法であっ
て、少なくとも接続孔の底部に、単結晶CoSi2層を
エピタキシャル成長させる工程、及び単結晶CoSi2
層上に単結晶TiN層をエピタキシャル成長させる工程
を含むことを特徴とする本発明の配線形成方法によって
達成することができる。
Alternatively, the above object is achieved by electrically connecting a lower conductor region formed on a semiconductor substrate, an upper wiring layer formed on an insulating layer covering the lower conductor region, and a lower conductor region and an upper wiring layer. consisting of connecting holes for connecting to a wiring forming method for forming an interconnection structure in a semiconductor device, the bottom of at least the connection hole, the step of epitaxially growing a single-crystal CoSi 2 layer, and the single-crystal CoSi 2
This can be achieved by the wiring forming method of the present invention, which includes a step of epitaxially growing a single crystal TiN layer on the layer.

【0023】本発明の配線形成方法においては、単結晶
TiN層をエピタキシャル成長させる前の雰囲気の真空
度は1.3×10-5Pa以下であることが望ましい。更
に、単結晶TiN層をエピタキシャル成長させる前に、
単結晶CoSi2層表面に形成された自然酸化膜を水素
プラズマ処理にて除去する工程を含むことが好ましい。
In the wiring forming method of the present invention, it is desirable that the degree of vacuum in the atmosphere before the single crystal TiN layer is epitaxially grown is 1.3 × 10 −5 Pa or less. Further, before epitaxially growing a single crystal TiN layer,
It is preferable to include a step of removing a natural oxide film formed on the surface of the single crystal CoSi 2 layer by hydrogen plasma treatment.

【0024】更には、上記の目的は、半導体基板に形成
されたソース・ドレイン領域と、ソース・ドレイン領域
を被覆する絶縁層上に形成された上層配線層と、ソース
・ドレイン領域と上層配線層とを電気的に接続する接続
孔とから成る配線構造を有するMOS型トランジスタで
あって、接続孔の底部には、半導体基板側から、単結晶
CoSi2層及び単結晶TiN層が形成されていること
を特徴とする本発明のMOS型トランジスタによって達
成することができる。
Further, the above object is achieved by providing a source / drain region formed on a semiconductor substrate, an upper wiring layer formed on an insulating layer covering the source / drain region, a source / drain region and an upper wiring layer. A MOS transistor having a wiring structure comprising a connection hole for electrically connecting the semiconductor substrate to a single crystal CoSi 2 layer and a single crystal TiN layer at the bottom of the connection hole from the semiconductor substrate side. This can be achieved by the MOS transistor according to the present invention.

【0025】本発明においては、少なくとも接続孔の底
部に単結晶CoSi2層が形成されており、下層導体領
域の低シート抵抗化を図ることができる。また、単結晶
CoSi2層の上には、バリア性に優れた単結晶TiN
層が形成されている。TiN層を形成する前に水素プラ
ズマ処理によって自然酸化膜を除去する際、既にCoS
2層が形成されているので、シリコン結晶内に水素原
子が入り込むことを抑制することができる。更には、T
iN層の形成の際、窒素プラズマにシリコン半導体基板
表面が晒されることがなく、SiN膜の形成を防止する
ことができる。
In the present invention, the single-crystal CoSi 2 layer is formed at least at the bottom of the connection hole, and the lower sheet resistance of the lower conductor region can be reduced. On the single crystal CoSi 2 layer, a single crystal TiN having excellent barrier properties is provided.
A layer is formed. When removing the native oxide film by hydrogen plasma treatment before forming the TiN layer, CoS
Since the i 2 layer is formed, entry of hydrogen atoms into the silicon crystal can be suppressed. Furthermore, T
When the iN layer is formed, the surface of the silicon semiconductor substrate is not exposed to the nitrogen plasma, so that the formation of the SiN film can be prevented.

【0026】従来、CoSi2は、(111)シリコン
半導体基板上にエピタキシャル成長することが知られて
いる。しかしながら、通常のMOS型トランジスタの作
製においては、(100)シリコン半導体基板が多く用
いられている。(100)シリコン半導体基板上にCo
Si2をエピタキシャル成長させるためには、予め半導
体基板上にCo層/Ti層の2層を成膜する。その後、
これらの2層に熱処理を加えると、単結晶CoSi2
/Si構造を得ることができる。この際、単結晶CoS
2層の表面にはTiOx層が形成される。
Conventionally, it has been known that CoSi 2 grows epitaxially on a (111) silicon semiconductor substrate. However, in manufacturing a normal MOS transistor, a (100) silicon semiconductor substrate is often used. (100) Co on silicon semiconductor substrate
In order to epitaxially grow Si 2 , two layers of a Co layer / Ti layer are previously formed on a semiconductor substrate. afterwards,
When heat treatment is applied to these two layers, a single crystal CoSi 2 layer / Si structure can be obtained. At this time, the single crystal CoS
A TiO x layer is formed on the surface of the i 2 layer.

【0027】この単結晶CoSi2層の上に単結晶Ti
N層をエピタキシャル成長させるためには、TiN層を
成膜させる装置内で水素プラズマ処理を行い、単結晶C
oSi2層表面のTiOxを還元して除去する必要があ
る。そして、引き続き、単結晶TiN層をCVD法で連
続的に成膜することによって、単結晶TiN層/単結晶
CoSi2層/Si構造を得ることができる。
On this single crystal CoSi 2 layer, a single crystal Ti
In order to epitaxially grow an N layer, hydrogen plasma treatment is performed in an apparatus for forming a TiN layer, and a single crystal C
It is necessary to reduce and remove TiO x on the surface of the oSi 2 layer. Subsequently, a single-crystal TiN layer / single-crystal CoSi 2 layer / Si structure can be obtained by continuously forming a single-crystal TiN layer by a CVD method.

【0028】ここで、単結晶TiN層をエピタキシャル
成長させるためには、成膜前の真空度も重要な要素とな
る。気体運動論によると、温度T゜K、圧力P(torr)
の雰囲気において単位面積(1cm2)に分子量Mの分
子が毎秒衝突する数Nは、 N=2.89×1022P(MT)-1/2cm-2-1 ・・・式(1) で表わすことができる。
Here, in order to epitaxially grow the single crystal TiN layer, the degree of vacuum before film formation is also an important factor. According to gas kinetics, temperature T ゜ K, pressure P (torr)
The number N at which a molecule having a molecular weight M collides with a unit area (1 cm 2 ) per second in an atmosphere of N is: N = 2.89 × 10 22 P (MT) −1/2 cm −2 s −1 (1) ).

【0029】単結晶TiN層成膜装置のチャンバー内に
おける、CVD原料ガス導入前の真空度が0.133P
a(1×10-3torr)の場合、式(1)から、例えば、
室温(25゜C)において、酸素分子は、シリコン半導
体基板1cm2当り、3.0×1017個/秒衝突する。
The degree of vacuum before the introduction of the CVD source gas in the chamber of the single crystal TiN layer film forming apparatus is 0.133P.
In the case of a (1 × 10 −3 torr), from the equation (1), for example,
At room temperature (25 ° C.), 3.0 × 10 17 oxygen molecules collide per 1 cm 2 of the silicon semiconductor substrate.

【0030】分子間距離は0.24nm(原子間距離+
原子直径)程度である。従って、単位面積(1cm2
内の1レイヤー当り、(0.01/0.24×10-9
2=1.74×1015個/cm2の酸素分子が存在する。
半導体基板に衝突する酸素分子の全てが単結晶CoSi
2層の表面に吸着すると仮定すると、1.74×101 5
/3.0×1017=約0.0058秒で1レイヤーの酸
素分子層が形成される。
The intermolecular distance is 0.24 nm (interatomic distance +
Atomic diameter). Therefore, the unit area (1 cm 2 )
Per layer in (0.01 / 0.24 × 10 -9 )
2 = 1.74 × 10 15 oxygen molecules / cm 2 are present.
All of the oxygen molecules hitting the semiconductor substrate are single crystal CoSi
Assuming adsorbed on the surface of the second layer, 1.74 × 10 1 5
/3.0×10 17 = approximately 0.0058 seconds to form one oxygen molecule layer.

【0031】10レイヤーのTiNを1分間で成長させ
るとすれば、この間、半導体基板表面を清浄な状態に保
つ必要がある。そのためには、1分間以上の間、半導体
基板表面に酸素分子層を1レイヤーも形成させないレベ
ルの真空度に成膜装置のチャンバーを保つ必要がある。
言い換えれば、酸素分子層が1レイヤー形成されるのに
要する時間を1分間以上とする必要がある。式(1)か
ら、1秒間に2.9×1013個/秒以下の酸素分子が単
結晶CoSi2層に衝突するような真空度が必要とな
る。即ち、1.3×10-5Pa以下の真空度を保てば清
浄な半導体基板表面上に単結晶TiN層を形成できるこ
とになる。
If ten layers of TiN are to be grown in one minute, the surface of the semiconductor substrate must be kept clean during this time. For that purpose, it is necessary to maintain the chamber of the film forming apparatus at a vacuum level at which no oxygen molecular layer is formed on the surface of the semiconductor substrate for one minute or more.
In other words, the time required for forming one oxygen molecular layer needs to be 1 minute or more. From the equation (1), a degree of vacuum is required such that 2.9 × 10 13 / second or less oxygen molecules collide with the single crystal CoSi 2 layer per second. That is, if a vacuum degree of 1.3 × 10 −5 Pa or less is maintained, a single crystal TiN layer can be formed on a clean semiconductor substrate surface.

【0032】[0032]

【実施例】以下、図面を参照して、実施例に基づき本発
明を説明する。尚、実施例1においては、接続孔の底部
にエピタキシャル成長法にて単結晶TiN層を形成して
いる。また、実施例2及び実施例3においては、ソース
・ドレイン領域にエピタキシャル成長法にて単結晶Ti
N層を形成している。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments with reference to the drawings. In the first embodiment, a single-crystal TiN layer is formed at the bottom of the connection hole by an epitaxial growth method. In the second and third embodiments, the single-crystal Ti was formed in the source / drain regions by an epitaxial growth method.
An N layer is formed.

【0033】(実施例1)実施例1は、MOS型トラン
ジスタの製造に本発明の配線構造及び配線形成方法を適
用した例である。
(Embodiment 1) Embodiment 1 is an example in which the wiring structure and the wiring forming method of the present invention are applied to the manufacture of a MOS transistor.

【0034】実施例1の配線構造は、図1に模式的な一
部断面図を示すように、半導体基板10に形成された下
層導体領域18と、下層導体領域18を被覆する絶縁層
22A,22B上に形成された上層配線層32と、下層
導体領域18と上層配線層32とを電気的に接続する接
続孔28とから成る。そして、接続孔28の底部には、
半導体基板側から、単結晶CoSi2層20及び単結晶
TiN層26が形成されていることを特徴とする。下層
導体領域18は、具体的にはソース・ドレイン領域であ
る。半導体基板10はシリコン半導体基板から成り、そ
の方位は(100)である。図1中、参照番号12は素
子分離領域、参照番号14はゲート電極、参照番号30
はバリア層である。
As shown in a schematic partial cross-sectional view of FIG. 1, the wiring structure of the first embodiment includes a lower conductor region 18 formed on a semiconductor substrate 10 and an insulating layer 22A covering the lower conductor region 18. An upper wiring layer 32 formed on the upper wiring layer 22B, and a connection hole 28 for electrically connecting the lower conductor region 18 and the upper wiring layer 32 are formed. Then, at the bottom of the connection hole 28,
A single crystal CoSi 2 layer 20 and a single crystal TiN layer 26 are formed from the semiconductor substrate side. The lower conductor region 18 is specifically a source / drain region. The semiconductor substrate 10 is made of a silicon semiconductor substrate, and its orientation is (100). In FIG. 1, reference numeral 12 denotes an element isolation region, reference numeral 14 denotes a gate electrode, and reference numeral 30.
Is a barrier layer.

【0035】図1に示した実施例1の配線構造の形成方
法を、図2及び図3を参照して、以下説明する。
The method for forming the wiring structure according to the first embodiment shown in FIG. 1 will be described below with reference to FIGS.

【0036】[工程−100]先ず、方位(100)を
有するシリコン半導体基板10上に、従来の方法に基づ
き、素子分離領域12及びゲート電極14を形成する。
次いで、LDD構造を形成するためにイオン注入を行
う。その後、ゲートサイドウォール16を形成するため
に、全面にSiO2膜をCVD法にて形成する。SiO2
膜の形成条件を、例えば以下のとおりとすることができ
る。 使用ガス : SiH4/O2/N2=250/250/
100sccm 温度 : 420゜C 圧力 : 13.3Pa 膜厚 : 0.25μm
[Step-100] First, an element isolation region 12 and a gate electrode 14 are formed on a silicon semiconductor substrate 10 having an orientation (100) by a conventional method.
Next, ion implantation is performed to form an LDD structure. Thereafter, an SiO 2 film is formed on the entire surface by a CVD method in order to form the gate sidewall 16. SiO 2
The conditions for forming the film can be, for example, as follows. Gas used: SiH 4 / O 2 / N 2 = 250/250 /
100 sccm Temperature: 420 ° C. Pressure: 13.3 Pa Film thickness: 0.25 μm

【0037】その後、例えば以下の条件でSiO2膜を
全面エッチバックして、ゲート電極14の側壁にゲート
サイドウォール16を形成する。 使用ガス : C48=50sccm RFパワー: 1200W 圧力 : 2Pa
Thereafter, for example, the SiO 2 film is entirely etched back under the following conditions to form a gate sidewall 16 on the side wall of the gate electrode 14. Working gas: C 4 F 8 = 50 sccm RF power: 1200 W Pressure: 2 Pa

【0038】次いで、ソース・ドレイン領域を形成のた
めの不純物イオン注入を例えば以下の条件で行い、ソー
ス・ドレイン領域から成る下層導体領域18を形成する
(図2の(A)参照)。 [Nチャネル形成の場合] イオン種 : As 20KeV 5×1015/cm2 [Pチャネル形成の場合] イオン種 : BF2 20KeV 3×1015/cm2
Next, impurity ion implantation for forming the source / drain regions is performed, for example, under the following conditions to form the lower conductor region 18 composed of the source / drain regions (see FIG. 2A). [In the case of N channel formation] Ion species: As 20 KeV 5 × 10 15 / cm 2 [In the case of P channel formation] Ion species: BF 2 20 KeV 3 × 10 15 / cm 2

【0039】[工程−110]次に、ソース・ドレイン
領域から成る下層導体領域18の表面に単結晶CoSi
2層20を形成する。そのために、先ず、例えば以下の
条件でスパッタ法にて全面に厚さ5nmのTi層を形成
する。 プロセスガス : Ar=100sccm パワー : 1kW 成膜温度 : 150゜C 圧力 : 0.47Pa
[Step-110] Next, a single-crystal CoSi film is formed on the surface of the lower conductor region 18 comprising a source / drain region.
The two layers 20 are formed. For this purpose, first, a Ti layer having a thickness of 5 nm is formed on the entire surface by, for example, a sputtering method under the following conditions. Process gas: Ar = 100 sccm Power: 1 kW Film formation temperature: 150 ° C. Pressure: 0.47 Pa

【0040】更に、連続してCo層をスパッタ法にて、
例えば以下の条件で形成する。 プロセスガス : Ar=100sccm パワー : 3kW 成膜温度 : 150゜C 圧力 : 0.47Pa
Further, a Co layer is continuously formed by a sputtering method.
For example, it is formed under the following conditions. Process gas: Ar = 100 sccm Power: 3 kW Film formation temperature: 150 ° C. Pressure: 0.47 Pa

【0041】その後、シリサイド化反応によりCo層か
ら単結晶CoSi2層20を形成するために、熱処理を
行う。熱処理の条件を、例えば、窒素ガス(1気圧)雰
囲気中で、600゜C×60秒とする。これによって、
Coと半導体基板中のSiとが反応して、CoSiX
形成される。その後、塩酸と過酸化水素水と純水の混合
溶液に10分間半導体基板全体を浸漬することによっ
て、未反応のTi及びCoを選択的に除去する。その
後、例えば、窒素ガス(1気圧)雰囲気中で、850゜
C×60秒の熱処理を行い、CoSiXを安定なCoS
2とする。こうして、ソース・ドレイン領域から成る
下層導体領域18の表面にCoSi2層20が形成され
る(図2の(B)参照)。尚、CoSi2層20が形成
される際、その表面にはTiOxから成る自然酸化膜
(図示せず)が形成されるが、この自然酸化膜は後の水
素プラズマ処理工程によって除去する。
Thereafter, heat treatment is performed to form a single crystal CoSi 2 layer 20 from the Co layer by a silicidation reaction. The conditions of the heat treatment are, for example, 600 ° C. × 60 seconds in a nitrogen gas (1 atm) atmosphere. by this,
And the reaction with Si in Co and the semiconductor substrate, CoSi X is formed. Thereafter, unreacted Ti and Co are selectively removed by immersing the entire semiconductor substrate in a mixed solution of hydrochloric acid, hydrogen peroxide and pure water for 10 minutes. Thereafter, for example, a heat treatment at 850 ° C. × 60 seconds is performed in a nitrogen gas (1 atm) atmosphere to convert CoSi x into stable CoS.
i 2 . Thus, the CoSi 2 layer 20 is formed on the surface of the lower conductor region 18 composed of the source / drain regions (see FIG. 2B). When the CoSi 2 layer 20 is formed, a natural oxide film (not shown) made of TiO x is formed on the surface thereof, and this natural oxide film is removed by a later hydrogen plasma processing step.

【0042】[工程−120]その後、全面にSiO2
から成る絶縁層22Aを例えば、TEOSを用いたCV
D法にて形成する。絶縁層22Aの形成条件を、例え
ば、 使用ガス : TEOS=50sccm 圧力 : 40Pa 温度 : 720゜C 膜厚 : 400nm とすることができる。更に、絶縁層22Aの上に更にB
PSGから成る絶縁層22Bを、例えば以下の条件にて
形成する。 使用ガス : SiH4/PH3/B26/O2/N2=8
0/7/7/1000/32000sccm 温度 : 400゜C 圧力 : 1.0×105Pa 膜厚 : 500nm
[Step-120] Thereafter, SiO 2 is applied to the entire surface.
The insulating layer 22A made of, for example, CV using TEOS
Formed by method D. The conditions for forming the insulating layer 22A can be, for example, gas used: TEOS = 50 sccm, pressure: 40 Pa, temperature: 720 ° C., and film thickness: 400 nm. Further, B is further placed on the insulating layer 22A.
The insulating layer 22B made of PSG is formed, for example, under the following conditions. Gas used: SiH 4 / PH 3 / B 2 H 6 / O 2 / N 2 = 8
0/7/7/1000/32000 sccm Temperature: 400 ° C. Pressure: 1.0 × 10 5 Pa Film thickness: 500 nm

【0043】次いで、熱処理を施して絶縁層の表面を平
坦化した後、絶縁層22A,22Bにレジストパターニ
ングを行い、次いでドライエッチング法にて絶縁層22
A,22Bに開口部24を形成する(図2の(C)参
照)。ドライエッチングの条件を、例えば以下のとおり
とすることができる。 使用ガス : C48=50sccm RFパワー : 1200W 圧力 : 2Pa
Next, after heat treatment is performed to flatten the surface of the insulating layer, resist patterning is performed on the insulating layers 22A and 22B, and then the insulating layer 22 is formed by dry etching.
Openings 24 are formed in A and 22B (see FIG. 2C). Dry etching conditions can be, for example, as follows. Working gas: C 4 F 8 = 50 sccm RF power: 1200 W Pressure: 2 Pa

【0044】その後、イオン注入を行うことにより、接
合領域を形成する。イオン注入の条件を、以下に例示す
る。 [Nチャネルを形成する場合] イオン種 : As 20KeV 5×1015/cm2 [Pチャネルを形成する場合] イオン種 : BF2 20KeV 3×1015/cm2 次いで、1050゜C×5秒の活性化アニールを行う。
Thereafter, a junction region is formed by performing ion implantation. The conditions for ion implantation are exemplified below. [In the case of forming an N channel] Ion species: As 20 KeV 5 × 10 15 / cm 2 [In the case of forming a P channel] Ion species: BF 2 20 KeV 3 × 10 15 / cm 2 Then, at 1050 ° C. × 5 seconds Activation annealing is performed.

【0045】[工程−130]次に開口部24の底部に
単結晶TiN層26を形成する。そのために、先ず、
[工程−110]までの処理が行われた基板をECRC
VD装置に搬入する。ここで、ECRCVD装置は、単
結晶TiN層をエピタキシャル成長させる前の雰囲気の
真空度が1.3×10-5Pa以下となるような装置を使
用する。ECRCVD装置に基板を搬入した後、開口部
24の底部に露出したCoSi2層20の表面に存在す
る自然酸化膜等を、例えば以下の条件の水素プラズマ処
理によって還元し、除去する。 使用ガス : H2/Ar=26/60sccm マイクロ波パワー: 2.8kW
[Step-130] Next, a single crystal TiN layer 26 is formed at the bottom of the opening 24. First of all,
The substrate on which the processing up to [Step-110] has been performed is subjected to ECRC.
Carry in the VD device. Here, an ECRCVD apparatus is used in which the degree of vacuum in the atmosphere before epitaxial growth of the single crystal TiN layer is 1.3 × 10 −5 Pa or less. After carrying the substrate into the ECRCVD apparatus, a natural oxide film or the like existing on the surface of the CoSi 2 layer 20 exposed at the bottom of the opening 24 is reduced and removed by, for example, hydrogen plasma treatment under the following conditions. Gas used: H 2 / Ar = 26/60 sccm Microwave power: 2.8 kW

【0046】次に、ECRCVD法にて単結晶TiN層
26を形成する。単結晶TiN層26の形成条件を、例
えば以下のとおりとすることができる。尚、第1成膜段
階において単結晶CoSi2層20の表面にTiNの核
を形成し、第2成膜段階において、この核から単結晶T
iNを成長させる。第1成膜段階においては、単結晶T
iNを10モノレイヤー/分又はそれ以下の成長速度で
エピタキシャル成長させることが望ましい。第1成膜段
階を設けることによって第2成膜段階における単結晶T
iN層の成長速度を早くすることができる。 [第1成膜段階の条件] 使用ガス : TiCl4/H2/N2=2/2.6/0.8sccm 温度 : 750゜C 膜厚 : 0.5nm 圧力 : 6.6×10-4Pa マイクロ波パワー: 2.8kW [第2成膜段階の条件] 使用ガス : TiCl4/H2/N2=20/26/8sccm 温度 : 750゜C 膜厚 : 70nm 圧力 : 0.12Pa マイクロ波パワー: 2.8kW これによって、エピタキシャル成長した単結晶TiN層
26が開口部24の底部を含む絶縁層22Bの全面に形
成される(図3の(A)参照)。尚、実施例1において
は、第1成膜段階における成膜時の温度は700〜12
50゜Cとすることが望ましい。尚、単結晶TiN層の
形成条件によっては、単結晶TiN層26が絶縁層22
B上で完全なるエピタキシャル成長しない場合がある
が、本発明の目的を十分達成することができるので、差
し支えない。
Next, a single crystal TiN layer 26 is formed by ECRCVD. The conditions for forming the single crystal TiN layer 26 can be, for example, as follows. In the first film forming step, a nucleus of TiN is formed on the surface of the single crystal CoSi 2 layer 20, and in the second film forming step, a single crystal T
Grow iN. In the first film formation stage, the single crystal T
It is desirable to grow iN epitaxially at a growth rate of 10 monolayers / minute or less. By providing the first film forming step, the single crystal T in the second film forming step
The growth rate of the iN layer can be increased. [Conditions of the first film formation stage] Gas used: TiCl 4 / H 2 / N 2 = 2 / 2.6 / 0.8 sccm Temperature: 750 ° C Film thickness: 0.5 nm Pressure: 6.6 × 10 -4 Pa Microwave power: 2.8 kW [Conditions of the second film forming stage] Gas used: TiCl 4 / H 2 / N 2 = 20/26/8 sccm Temperature: 750 ° C Film thickness: 70 nm Pressure: 0.12 Pa Microwave Power: 2.8 kW As a result, an epitaxially grown single crystal TiN layer 26 is formed on the entire surface of the insulating layer 22B including the bottom of the opening 24 (see FIG. 3A). In the first embodiment, the temperature during the film formation in the first film formation stage is 700 to 12
It is desirable that the temperature be 50 ° C. Note that, depending on the conditions for forming the single crystal TiN layer, the single crystal TiN layer 26
Although complete epitaxial growth may not occur on B, there is no problem because the object of the present invention can be sufficiently achieved.

【0047】[工程−140]その後、金属配線材料を
開口部24内に埋め込み、接続孔28を形成する。実施
例1においては、金属配線材料としてタングステン
(W)を使用した。即ち、例えば以下の条件のCVD法
にて、タングステンを単結晶TiN層26の上に堆積さ
せる。絶縁層22B上のタングステン層の厚さを400
nmとした。 使用ガス : WF6/H2=95/550sccm 温度 : 450゜C 圧力 : 1.1×104Pa
[Step-140] Thereafter, a metal wiring material is buried in the opening 24 to form a connection hole 28. In Example 1, tungsten (W) was used as a metal wiring material. That is, tungsten is deposited on the single crystal TiN layer 26 by, for example, a CVD method under the following conditions. The thickness of the tungsten layer on the insulating layer 22B is 400
nm. Working gas: WF 6 / H 2 = 95/550 sccm Temperature: 450 ° C. Pressure: 1.1 × 10 4 Pa

【0048】次いで、エッチバックを行い、絶縁層22
B上のタングステン層及び単結晶TiN層26を除去
し、開口部24内のみにタングステン層及び単結晶Ti
N層26を残す。こうして接続孔28が完成する(図3
の(B)参照)。尚、エッチバックの条件を以下に例示
する。 使用ガス : SF6=50sccm マイクロ波パワー: 850W RFパワー : 150W 圧力 : 1.33Pa
Next, etch back is performed to form the insulating layer 22.
B, the tungsten layer and the single crystal TiN layer 26 are removed, and the tungsten layer and the single crystal TiN
The N layer 26 is left. Thus, the connection hole 28 is completed (FIG. 3
(B)). The conditions of the etch back are exemplified below. Working gas: SF 6 = 50 sccm Microwave power: 850 W RF power: 150 W Pressure: 1.33 Pa

【0049】[工程−150]その後、スパッタ法にて
バリア層30及び上層配線層32を形成する。実施例1
においては、バリア層30は、下からTi層(厚さ30
nm)/TiON層(厚さ70nm)の2層構造であ
る。また、上層配線層32はAl−1%Si(厚さ50
0nm)から成る。各層のスパッタ条件を、以下に例示
する。 [Ti成膜条件] プロセスガス : Ar=100sccm パワー : 4kW 成膜温度 : 150゜C 圧力 : 0.47Pa [TiON成膜条件] プロセスガス : Ar/N2−6%O2=40/70sccm パワー : 5kW 圧力 : 0.47Pa [Al−1%Si成膜条件] プロセスガス : Ar=40sccm パワー : 22.5kW 成膜温度 : 150゜C 圧力 : 0.47Pa
[Step-150] After that, the barrier layer 30 and the upper wiring layer 32 are formed by the sputtering method. Example 1
In the above, the barrier layer 30 is formed of a Ti layer (thickness 30) from below.
nm) / TiON layer (thickness: 70 nm). The upper wiring layer 32 is made of Al-1% Si (having a thickness of 50%).
0 nm). The sputtering conditions for each layer are exemplified below. [Ti film formation conditions] Process gas: Ar = 100 sccm Power: 4 kW Film formation temperature: 150 ° C. Pressure: 0.47 Pa [TiON film formation conditions] Process gas: Ar / N 2 -6% O 2 = 40/70 sccm power : 5 kW Pressure: 0.47 Pa [Al-1% Si film formation conditions] Process gas: Ar = 40 sccm Power: 22.5 kW Film formation temperature: 150 ° C Pressure: 0.47 Pa

【0050】その後、レジストパターニング及びドライ
エッチングを行い、上層配線層32及びバリア層30を
所望の配線パターン形状とする。ドライエッチングの条
件を以下に例示する。 使用ガス : BCl3/Cl2=60/90sccm マイクロ波パワー: 1000W RFパワー : 50W 圧力 : 0.016Pa
Thereafter, resist patterning and dry etching are performed to form the upper wiring layer 32 and the barrier layer 30 into desired wiring pattern shapes. The conditions of the dry etching are exemplified below. Working gas: BCl 3 / Cl 2 = 60/90 sccm Microwave power: 1000 W RF power: 50 W Pressure: 0.016 Pa

【0051】こうして、図1に示す配線構造を形成する
ことができる。ソース・ドレイン領域から成る下層導体
領域18の表面には単結晶CoSi2層20が形成され
ており、下層導体領域18の低シート抵抗化を図ること
ができる。また、単結晶CoSi2層20の上には、バ
リア性に優れた単結晶TiN層26が形成されている。
単結晶TiN層26を形成する前に水素プラズマ処理に
よって自然酸化膜等を除去する際、既にCoSi2層2
0が形成されているので、シリコン結晶内に水素原子が
入り込むことを抑制することができる。更には、単結晶
TiN層26の形成の際、窒素プラズマにシリコン半導
体基板表面が晒されることがなく、SiN膜の形成を防
止することができる。
Thus, the wiring structure shown in FIG. 1 can be formed. The single-crystal CoSi 2 layer 20 is formed on the surface of the lower conductor region 18 composed of the source / drain region, so that the lower conductor region 18 can have a low sheet resistance. On the single crystal CoSi 2 layer 20, a single crystal TiN layer 26 having excellent barrier properties is formed.
Before removing the natural oxide film or the like by hydrogen plasma treatment before forming the single crystal TiN layer 26, the CoSi 2 layer 2
Since 0 is formed, the entry of hydrogen atoms into the silicon crystal can be suppressed. Furthermore, when the single crystal TiN layer 26 is formed, the surface of the silicon semiconductor substrate is not exposed to the nitrogen plasma, and the formation of the SiN film can be prevented.

【0052】(実施例2)実施例1においては、単結晶
TiN層26は開口部24の底部において単結晶CoS
2層20と接している。これに対して、実施例2にお
いては、単結晶TiN層は単結晶CoSi2層の上に全
面に形成される。また、実施例1においては、開口部2
4内にタングステンを埋め込んで接続孔28を形成し
た。これに対して、実施例2においては、上層配線層を
アルミニウム系配線材料のスパッタリングにて形成する
際、併せて開口部24内をアルミニウム系配線材料で埋
め込み接続孔28を形成する。
(Embodiment 2) In the embodiment 1, the single-crystal TiN layer 26 is
It is in contact with the i 2 layer 20. On the other hand, in Example 2, the single crystal TiN layer is formed on the entire surface of the single crystal CoSi 2 layer. In the first embodiment, the opening 2
4 was filled with tungsten to form a connection hole 28. On the other hand, in the second embodiment, when the upper wiring layer is formed by the sputtering of the aluminum-based wiring material, the inside of the opening 24 is also buried with the aluminum-based wiring material to form the connection hole 28.

【0053】[工程−200]先ず、方位(100)を
有するシリコン半導体基板10上に、従来の方法に基づ
き、素子分離領域12及びゲート電極14を形成し、次
いで、LDD構造の形成、ゲートサイドウォール16の
形成、ソース・ドレイン領域から成る下層導体領域18
の形成を行う。これらの形成条件は、実施例1の[工程
−100]と同様とすることができる。
[Step-200] First, an element isolation region 12 and a gate electrode 14 are formed on a silicon semiconductor substrate 10 having an orientation (100) by a conventional method, and then an LDD structure is formed and a gate side is formed. Formation of wall 16, lower conductor region 18 composed of source / drain regions
Is formed. These forming conditions can be the same as in [Step-100] of the first embodiment.

【0054】[工程−210]次に、ソース・ドレイン
領域から成る下層導体領域18の表面に単結晶CoSi
2層20を形成する。この工程も、実施例1の[工程−
110]と同様とすることができる。
[Step-210] Next, a single-crystal CoSi film is formed on the surface of the lower conductor region 18 comprising a source / drain region.
The two layers 20 are formed. This step is also the same as the [Step-
110].

【0055】[工程−220]その後、単結晶CoSi
2層20の上に単結晶TiN層40を形成する。そのた
めに、先ず、実施例1の[工程−130]にて説明した
水素プラズマ処理を行い、単結晶CoSi2層20の表
面に形成された自然酸化膜等を除去する。次に、ECR
CVD法によって単結晶TiN層40を単結晶CoSi
2層20上のみに選択的に形成する。成膜時の温度を実
施例1の[工程−130]よりも低くすることによっ
て、単結晶TiN層40は単結晶CoSi2層20上の
みに選択的に形成される。成膜時に基板バイアスを印加
することによりTiNの単結晶化を一層促進させること
が望ましい。単結晶TiN層40の形成条件を、例えば
以下のとおりとすることができる。尚、第1成膜段階に
おいてCoSi2層20の表面にTiNの核を形成し、
第2成膜段階において、この核から単結晶TiNを成長
させる。 [第1成膜段階の条件] 使用ガス : TiCl4/H2/N2=2/2.6/0.8sccm 温度 : 300゜C 膜厚 : 0.5nm 圧力 : 6.6×10-4Pa マイクロ波パワー: 2.8kW [第2成膜段階の条件] 使用ガス : TiCl4/H2/N2=20/26/8sccm 温度 : 300゜C 膜厚 : 70nm 圧力 : 0.12Pa マイクロ波パワー: 2.8kW これによって、エピタキシャル成長した単結晶TiN層
40が単結晶CoSi2層20の上に形成される(図4
の(A)参照)。尚、ゲート電極14の上部には多結晶
TiN層40Aが形成される。また、上記の成膜条件で
は、素子分離領域12の上にはTiN層は形成されな
い。
[Step-220] Thereafter, single-crystal CoSi
A single crystal TiN layer 40 is formed on the two layers 20. For this purpose, first, the hydrogen plasma treatment described in [Step-130] of the first embodiment is performed to remove a natural oxide film and the like formed on the surface of the single crystal CoSi 2 layer 20. Next, ECR
The single crystal TiN layer 40 is formed by CVD using a single crystal CoSi
It is selectively formed only on the two layers 20. The single-crystal TiN layer 40 is selectively formed only on the single-crystal CoSi 2 layer 20 by setting the temperature at the time of film formation lower than [Step-130] of the first embodiment. It is desirable to further promote single crystallization of TiN by applying a substrate bias during film formation. The conditions for forming the single crystal TiN layer 40 can be, for example, as follows. In the first film forming stage, a nucleus of TiN is formed on the surface of the CoSi 2 layer 20,
In the second film formation stage, single crystal TiN is grown from this nucleus. [Conditions of First Film Forming Step] Gas used: TiCl 4 / H 2 / N 2 = 2 / 2.6 / 0.8 sccm Temperature: 300 ° C. Film thickness: 0.5 nm Pressure: 6.6 × 10 -4 Pa Microwave power: 2.8 kW [Conditions of the second film forming stage] Gas used: TiCl 4 / H 2 / N 2 = 20/26/8 sccm Temperature: 300 ° C Film thickness: 70 nm Pressure: 0.12 Pa Microwave Power: 2.8 kW As a result, an epitaxially grown single crystal TiN layer 40 is formed on the single crystal CoSi 2 layer 20 (FIG. 4).
(A)). Note that a polycrystalline TiN layer 40A is formed above the gate electrode 14. Further, under the above film formation conditions, the TiN layer is not formed on the element isolation region 12.

【0056】[工程−230]次に、実施例1の[工程
−120]と同様に、全面に絶縁層22A,22Bを形
成した後、絶縁層22A,22Bに開口部24を形成し
(図4の(B)参照)、イオン注入を行って接合領域を
形成し、1050゜C×5秒の活性化アニールを行う。
[Step-230] Next, as in [Step-120] of the first embodiment, after the insulating layers 22A and 22B are formed on the entire surface, the openings 24 are formed in the insulating layers 22A and 22B (FIG. 4 (B)), ion implantation is performed to form a junction region, and activation annealing is performed at 1050 ° C. × 5 seconds.

【0057】[工程−240]次いで、スパッタ法にて
Tiから成る厚さ30nmの下地層42を開口部24を
含む絶縁層22B上に形成し、続いて、高温アルミニウ
ムスパッタ法にて下地層42上にAl−1%Siから成
る厚さ500nmの上層配線層44を形成する。下地層
42及び上層配線層44の形成条件を、例えば以下のと
おりとすることができる。 [下地層の形成条件] プロセスガス : Ar=100sccm パワー : 4kW 成膜温度 : 150゜C 圧力 : 0.47Pa [上層配線層の形成条件] プロセスガス : Ar=40sccm パワー : 22.5kW 成膜温度 : 500゜C 圧力 : 0.47Pa
[Step-240] Next, a 30-nm-thick underlayer 42 made of Ti is formed on the insulating layer 22B including the opening 24 by a sputtering method, and then the underlayer 42 is formed by a high-temperature aluminum sputtering method. An upper wiring layer 44 made of Al-1% Si and having a thickness of 500 nm is formed thereon. The conditions for forming the underlayer 42 and the upper wiring layer 44 can be, for example, as follows. [Conditions for forming underlayer] Process gas: Ar = 100 sccm Power: 4 kW Film formation temperature: 150 ° C. Pressure: 0.47 Pa [Conditions for forming upper wiring layer] Process gas: Ar = 40 sccm Power: 22.5 kW Film formation temperature : 500 ° C Pressure: 0.47Pa

【0058】その後、実施例1の[工程−150]と同
様に、レジストパターニング及びドライエッチングを行
い、上層配線層44及び下地層42を所望の配線パター
ン形状とする。
Thereafter, in the same manner as in [Step-150] of the first embodiment, resist patterning and dry etching are performed to form the upper wiring layer 44 and the underlying layer 42 into desired wiring pattern shapes.

【0059】(実施例3)実施例3は実施例2の変形で
ある。実施例2においては、単結晶TiN層40を選択
的に単結晶CoSi2層20上に形成した。実施例3に
おいては、単結晶CoSi2層を含む半導体基板の全面
にTiN層を形成し、その後、単結晶CoSi2層上の
単結晶TiN層、及び配線部として使用する単結晶Ti
N層を残し、TiN層の他の部分を除去する。
Third Embodiment A third embodiment is a modification of the second embodiment. In Example 2, the single crystal TiN layer 40 was selectively formed on the single crystal CoSi 2 layer 20. In Example 3, the entire surface of the semiconductor substrate including a single crystal CoSi 2 layer to form a TiN layer, then, the single-crystal CoSi 2 layer on the single crystal TiN layer, and single crystal Ti used as a wiring portion
Other portions of the TiN layer are removed, leaving the N layer.

【0060】[工程−300]先ず、方位(100)を
有するシリコン半導体基板10上に、従来の方法に基づ
き、素子分離領域12及びゲート電極14を形成し、次
いで、LDD構造の形成、ゲートサイドウォール16の
形成、ソース・ドレイン領域から成る下層導体領域18
の形成を行う。これらの形成条件は、実施例1の[工程
−100]と同様とすることができる。
[Step-300] First, an element isolation region 12 and a gate electrode 14 are formed on a silicon semiconductor substrate 10 having an orientation (100) by a conventional method, and then an LDD structure is formed and a gate side is formed. Formation of wall 16, lower conductor region 18 composed of source / drain regions
Is formed. These forming conditions can be the same as in [Step-100] of the first embodiment.

【0061】[工程−310]次に、ソース・ドレイン
領域から成る下層導体領域18の表面に単結晶CoSi
2層20を形成する。この工程も、実施例1の[工程−
110]と同様とすることができる。
[Step-310] Next, a single-crystal CoSi film is formed on the surface of the lower conductor region 18 comprising a source / drain region.
The two layers 20 are formed. This step is also the same as the [Step-
110].

【0062】[工程−320]その後、単結晶CoSi
2層20の上に単結晶TiN層40を形成する。また、
単結晶CoSi2層以外の領域にも単結晶TiN層40
Aを形成する。そのために、先ず、実施例1の[工程−
130]にて説明した水素プラズマ処理を行い、単結晶
CoSi2層20の表面に形成された自然酸化膜を除去
する。次に、ECRCVD法によって単結晶CoSi2
層20上に単結晶TiN層40を形成し、併せて、他の
領域にも単結晶TiN層40Aを形成する。尚、単結晶
TiN層の形成条件によっては、単結晶TiN層40A
は他の領域(例えば素子分離領域12)上で完全なるエ
ピタキシャル成長しない場合があるが、本発明の目的を
十分達成することができるので、差し支えない。
[Step-320] Thereafter, single-crystal CoSi
A single crystal TiN layer 40 is formed on the two layers 20. Also,
The single crystal TiN layer 40 may be formed in a region other than the single crystal CoSi 2 layer.
Form A. For that purpose, first, [Step-
130], the natural oxide film formed on the surface of the single crystal CoSi 2 layer 20 is removed. Next, single-crystal CoSi 2 is formed by ECRCVD.
The single-crystal TiN layer 40 is formed on the layer 20, and the single-crystal TiN layer 40A is formed in another region. Note that, depending on the conditions for forming the single crystal TiN layer, the single crystal TiN layer 40A may be used.
In some cases, complete epitaxial growth may not occur on another region (for example, the element isolation region 12). However, the object of the present invention can be sufficiently achieved.

【0063】成膜時の温度を実施例2の[工程−22
0]よりも高くすることによって、単結晶TiN層40
が単結晶CoSi2層20上に形成され、しかも、他の
領域にも単結晶TiN層40Aが形成される。成膜時に
基板バイアスを印加することによりTiNの単結晶化を
一層促進させることが望ましい。TiN層40,40A
の形成条件を、例えば以下のとおりとすることができ
る。尚、第1成膜段階においてCoSi2層20等の表
面にTiNの核を形成し、第2成膜段階において、この
核から単結晶TiN層を成長させる。 [第1成膜段階の条件] 使用ガス : TiCl4/H2/N2=2/2.6/0.8sccm 温度 : 750゜C 膜厚 : 0.5nm 圧力 : 6.6×10-4Pa マイクロ波パワー: 2.8kW 基板RFバイアス: −50W [第2成膜段階の条件] 使用ガス : TiCl4/H2/N2=20/26/8sccm 温度 : 750゜C 膜厚 : 70nm 圧力 : 0.12Pa マイクロ波パワー: 2.8kW 基板RFバイアス: −50W これによって、エピタキシャル成長した単結晶TiN層
40が単結晶CoSi2層20の上に形成され、他の領
域にも単結晶TiN層40Aが形成される。
The temperature at the time of film formation was set to [Step-22] in Example 2.
0], the single crystal TiN layer 40
Is formed on the single-crystal CoSi 2 layer 20, and a single-crystal TiN layer 40A is also formed in other regions. It is desirable to further promote single crystallization of TiN by applying a substrate bias during film formation. TiN layers 40 and 40A
Can be formed, for example, as follows. In the first film forming step, a nucleus of TiN is formed on the surface of the CoSi 2 layer 20 or the like, and in the second film forming step, a single crystal TiN layer is grown from this nucleus. [Conditions of the first film formation stage] Gas used: TiCl 4 / H 2 / N 2 = 2 / 2.6 / 0.8 sccm Temperature: 750 ° C Film thickness: 0.5 nm Pressure: 6.6 × 10 -4 Pa Microwave power: 2.8 kW Substrate RF bias: -50 W [Conditions of the second film forming stage] Gas used: TiCl 4 / H 2 / N 2 = 20/26/8 sccm Temperature: 750 ° C. Film thickness: 70 nm Pressure : 0.12 Pa Microwave power: 2.8 kW Substrate RF bias: −50 W As a result, the single crystal TiN layer 40 epitaxially grown is formed on the single crystal CoSi 2 layer 20, and the single crystal TiN layer 40 A is formed in other regions. Is formed.

【0064】[工程−330]その後、レジストパター
ニング後ドライエッチングすることによって、不要な単
結晶TiN層40Aを除去し、配線部として必要な単結
晶TiN層40Aを残す。ドライエッチングの条件を、
例えば以下のとおりとすることができる。 使用ガス : BCl3/Cl2=60/90sccm パワー : 50W 圧力 : 2Pa
[Step-330] Thereafter, unnecessary single-crystal TiN layer 40A is removed by dry etching after resist patterning, leaving single-crystal TiN layer 40A necessary as a wiring portion. Dry etching conditions
For example, it can be as follows. Working gas: BCl 3 / Cl 2 = 60/90 sccm Power: 50 W Pressure: 2 Pa

【0065】[工程−340]次に、実施例1の[工程
−120]と同様に、全面に絶縁層22A,22Bを形
成した後、絶縁層22A,22Bに開口部24を形成
し、イオン注入を行って接合領域を形成し、1050゜
C×5秒の活性化アニールを行う。
[Step-340] Next, as in [Step-120] of the first embodiment, after the insulating layers 22A and 22B are formed on the entire surface, the openings 24 are formed in the insulating layers 22A and 22B. Implantation is performed to form a junction region, and activation annealing is performed at 1050 ° C. × 5 seconds.

【0066】[工程−350]次いで、実施例2の[工
程−240]と同様に、スパッタ法にてTiから成る厚
さ30nmの下地層42を開口部24を含む絶縁層22
B上に形成し、続いて、高温アルミニウムスパッタ法に
て下地層42上にAl−1%Siから成る厚さ500n
mの上層配線層44を形成する。その後、実施例1の
[工程−150]と同様に、レジストパターニング及び
ドライエッチングを行い、上層配線層44及び下地層4
2を所望の配線パターン形状とする。こうして、図5に
模式的な一部断面図を示す配線構造を形成することがで
きる。
[Step-350] Next, similarly to [Step-240] of the second embodiment, a 30-nm-thick underlayer 42 made of Ti is formed on the insulating layer 22 including the opening 24 by sputtering.
B, followed by a high-temperature aluminum sputtering method on the underlying layer 42 to a thickness of 500 n made of Al-1% Si.
m upper wiring layer 44 is formed. Thereafter, in the same manner as in [Step-150] of Example 1, resist patterning and dry etching are performed, and the upper wiring layer 44 and the underlying layer 4 are formed.
2 is a desired wiring pattern shape. Thus, a wiring structure whose schematic partial cross-sectional view is shown in FIG. 5 can be formed.

【0067】以上、本発明を好ましい実施例に基づき説
明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるもので
はない。実施例にて説明した各種条件や数値は例示であ
り、適宜変更することができる。
Although the present invention has been described based on the preferred embodiments, the present invention is not limited to these embodiments. The various conditions and numerical values described in the embodiments are merely examples, and can be changed as appropriate.

【0068】絶縁層22A,22Bは、SiO2とBP
SGの組み合わせ以外にも、PSG、BSG、AsS
G、PbSG、SbSG、あるいはSiN等の公知の絶
縁材料、あるいはこれらの絶縁材料の組み合わせから構
成することができる。アルミニウム系配線材料として
は、Al−1%Si以外にも、純Al、あるいはAl−
Si−Cu、Al−Cu、Al−Ge等のAl合金を挙
げることができる。
The insulating layers 22A and 22B are made of SiO 2 and BP.
In addition to the combination of SG, PSG, BSG, AsS
A known insulating material such as G, PbSG, SbSG, or SiN, or a combination of these insulating materials can be used. As an aluminum-based wiring material, in addition to Al-1% Si, pure Al or Al-
Al alloys such as Si-Cu, Al-Cu, and Al-Ge can be given.

【0069】実施例1における接続孔の形成方法を実施
例2に説明した接続孔の形成方法に置き換えることがで
きる。即ち、実施例1において、単結晶TiN層26を
形成した後、高温アルミニウムスパッタ法にて単結晶T
iN層26上にAl−1%Siから成る厚さ500nm
の上層配線層32を形成することによって、上層配線層
の形成及び接続孔の形成を行うことができる。
The method for forming the connection holes in the first embodiment can be replaced with the method for forming the connection holes described in the second embodiment. That is, in the first embodiment, after forming the single crystal TiN layer 26, the single crystal T
500 nm thickness of Al-1% Si on iN layer 26
By forming the upper wiring layer 32, the upper wiring layer and the connection hole can be formed.

【0070】スパッタ法による各種の層の形成は、マグ
ネトロンスパッタリング装置、DCスパッタリング装
置、RFスパッタリング装置、ECRスパッタリング装
置、また基板バイアスを印加するバイアススパッタリン
グ装置等各種のスパッタリング装置にて行うことができ
る。CVD装置としては、ECRCVD装置以外にも、
熱CVD装置、プラズマCVD装置、ヘリコン波、IC
P(Inductively Coupled Plasma)等のプラズマ発生源
を備えたCVD装置を用いることができる。また、自然
酸化膜の除去として、水素プラズマ処理以外にも、IP
Cソフトエッチ等のイオンバイアスを低減化したArス
パッタエッチング法を採用することができる。
The formation of various layers by the sputtering method can be performed by various sputtering devices such as a magnetron sputtering device, a DC sputtering device, an RF sputtering device, an ECR sputtering device, and a bias sputtering device for applying a substrate bias. In addition to ECRCVD equipment,
Thermal CVD equipment, plasma CVD equipment, helicon waves, IC
A CVD apparatus provided with a plasma generation source such as P (Inductively Coupled Plasma) can be used. In addition to removing the natural oxide film, in addition to the hydrogen plasma treatment,
An Ar sputter etching method in which ion bias such as C soft etching is reduced can be employed.

【0071】実施例1及び実施例2にて説明した配線構
造及びその形成方法を組み合わせることもできる。即
ち、単結晶CoSi2層20の表面に単結晶TiN層4
0を形成し、合わせて、開口部の底部にも単結晶TiN
層26を形成してもよい。
The wiring structures described in the first and second embodiments and the forming method thereof can be combined. That is, the single crystal TiN layer 4 is formed on the surface of the single crystal CoSi 2 layer 20.
0, and the single crystal TiN is also formed at the bottom of the opening.
The layer 26 may be formed.

【0072】本発明の配線構造は、MOS型トランジス
タ以外の他のデバイス、例えばバイポーラトランジスタ
やCCD等にも適用できる。
The wiring structure of the present invention can be applied to devices other than MOS transistors, such as bipolar transistors and CCDs.

【0073】[0073]

【発明の効果】本発明においては、開口部底部に単結晶
CoSi2層が形成されているので下層導体領域のシー
ト抵抗を低減することができ、且つ、下層導体領域と接
続孔内の配線材料との間の反応を単結晶TiN層によっ
て防止することができる。また、接続孔の底部に単結晶
TiN層が形成されているので、バリア性が格段に向上
する。
According to the present invention, since the single crystal CoSi 2 layer is formed at the bottom of the opening, the sheet resistance of the lower conductor region can be reduced, and the lower conductor region and the wiring material in the connection hole can be reduced. Can be prevented by the single crystal TiN layer. Further, since the single crystal TiN layer is formed at the bottom of the connection hole, the barrier property is significantly improved.

【0074】しかも、自然酸化膜等の除去を行い、引き
続き単結晶TiN層の形成を行うので、単結晶CoSi
2層と単結晶TiN層の界面が原子レベルで清浄に保た
れる。それ故、理想的なオーミック接合となり、コンタ
クト抵抗を低減化することができる。
In addition, since the natural oxide film and the like are removed and the single-crystal TiN layer is subsequently formed, the single-crystal CoSi
The interface between the two layers and the single crystal TiN layer is kept clean at the atomic level. Therefore, it becomes an ideal ohmic junction, and the contact resistance can be reduced.

【0075】更に、半導体基板表面は単結晶CoSi2
層で覆われておりシリコン面が露出していないので、単
結晶TiN層の形成前の前処理として水素プラズマ処理
を行っても、半導体基板中に結晶欠陥が生じることを抑
制することができるし、窒素プラズマによるSiN膜の
形成も防止することができる。
Further, the surface of the semiconductor substrate is made of single crystal CoSi 2.
Since the silicon layer is covered and the silicon surface is not exposed, it is possible to suppress the occurrence of crystal defects in the semiconductor substrate even if a hydrogen plasma treatment is performed as a pretreatment before the formation of the single crystal TiN layer. Also, formation of a SiN film by nitrogen plasma can be prevented.

【0076】更には、従来、多結晶性のTiN層をパタ
ーニングすることによって配線部としたが、実施例3の
配線構造においては単結晶TiN層40Aを配線部とし
て用いるので、配線抵抗の低抵抗化を図ることができ
る。
Further, conventionally, the wiring portion is formed by patterning a polycrystalline TiN layer. However, in the wiring structure of the third embodiment, since the single crystal TiN layer 40A is used as the wiring portion, the wiring resistance is low. Can be achieved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】実施例1の配線構造を示す、半導体装置の模式
的な一部断面図である。
FIG. 1 is a schematic partial cross-sectional view of a semiconductor device, showing a wiring structure according to a first embodiment.

【図2】実施例1の配線形成方法の各工程を説明するた
めの半導体素子の模式的な一部断面図である。
FIG. 2 is a schematic partial cross-sectional view of a semiconductor element for explaining each step of a wiring forming method of Example 1.

【図3】図2に引き続き、実施例1の配線形成方法の各
工程を説明するための半導体素子の模式的な一部断面図
である。
FIG. 3 is a schematic partial cross-sectional view of the semiconductor element for explaining each step of the wiring forming method of Example 1 following FIG. 2;

【図4】実施例2の配線形成方法の各工程を説明するた
めの半導体素子の模式的な一部断面図である。
FIG. 4 is a schematic partial cross-sectional view of a semiconductor element for describing each step of a wiring forming method according to a second embodiment.

【図5】実施例1の配線構造を示す、半導体装置の模式
的な一部断面図である。
FIG. 5 is a schematic partial cross-sectional view of a semiconductor device, showing a wiring structure of Example 1.

【図6】従来の配線形成方法の各工程を説明するための
半導体素子の模式的な一部断面図である。
FIG. 6 is a schematic partial cross-sectional view of a semiconductor device for explaining each step of a conventional wiring forming method.

【図7】図6に引き続き、従来の配線形成方法の各工程
を説明するための半導体素子の模式的な一部断面図であ
る。
FIG. 7 is a schematic partial cross-sectional view of the semiconductor element for explaining each step of the conventional wiring forming method, following FIG. 6;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 半導体基板 12 素子分離領域 14 ゲート電極 16 ゲートサイドウォール 18 下層導体領域 20 単結晶CoSi2層 22A,22B 絶縁層 24 開口部 26,40 単結晶TiN層 28 接続孔 30 バリア層 32,44 上層配線層 40A 単結晶TiN層から成る配線部 42 下地層Reference Signs List 10 semiconductor substrate 12 element isolation region 14 gate electrode 16 gate sidewall 18 lower conductor region 20 single crystal CoSi 2 layer 22A, 22B insulating layer 24 opening 26, 40 single crystal TiN layer 28 connection hole 30 barrier layer 32, 44 upper layer wiring Layer 40A Wiring section composed of single crystal TiN layer 42 Underlayer

フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 29/78 H01L 29/78 301P 21/336 Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat II (Reference) H01L 29/78 H01L 29/78 301P 21/336

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】半導体基板に形成された下層導体領域と、
該下層導体領域を被覆する絶縁層上に形成された上層配
線層と、該下層導体領域と上層配線層とを電気的に接続
する接続孔とから成る、半導体装置における配線構造で
あって、 接続孔の底部には、半導体基板側から、単結晶CoSi
2層及び単結晶TiN層が形成されていることを特徴と
する半導体装置における配線構造。
A lower conductor region formed on a semiconductor substrate;
A wiring structure in a semiconductor device, comprising: an upper wiring layer formed on an insulating layer covering the lower conductor region; and a connection hole for electrically connecting the lower conductor region to the upper wiring layer. At the bottom of the hole, a single crystal CoSi
A wiring structure in a semiconductor device, wherein two layers and a single crystal TiN layer are formed.
【請求項2】半導体基板はシリコン半導体基板から成る
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置における
配線構造。
2. The wiring structure according to claim 1, wherein the semiconductor substrate comprises a silicon semiconductor substrate.
【請求項3】シリコン半導体基板の方位は(100)で
あることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置にお
ける配線構造。
3. The wiring structure according to claim 2, wherein the orientation of the silicon semiconductor substrate is (100).
【請求項4】半導体基板に形成されたソース・ドレイン
領域と、該ソース・ドレイン領域を被覆する絶縁層上に
形成された上層配線層と、該ソース・ドレイン領域と上
層配線層とを電気的に接続する接続孔とから成る配線構
造を有するMOS型トランジスタであって、 接続孔の底部には、半導体基板側から、単結晶CoSi
2層及び単結晶TiN層が形成されていることを特徴と
するMOS型トランジスタ。
4. An electrical connection between a source / drain region formed on a semiconductor substrate, an upper wiring layer formed on an insulating layer covering the source / drain region, and an electrical connection between the source / drain region and the upper wiring layer. A MOS transistor having a wiring structure consisting of a connection hole connected to the substrate and a single crystal CoSi
A MOS transistor comprising two layers and a single-crystal TiN layer.
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