JP3120517B2 - シリサイドプラグの形成方法 - Google Patents

シリサイドプラグの形成方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置のコンタク
トホール内にシリサイドプラグを形成する方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】超LSIにおいて、微細な開口部を配線
材料で埋め込み、コンタクトホール(以下、接続孔とも
いう)を形成する技術として、タングステンCVD法が
ある。タングステンCVD法は、従来のタングステンス
パッタ法と比較し、優れたステップカバレッジ及び埋め
込み能力を有する。タングステンCVD法では、例えば
WF6ガス/SiH4ガス及びH2ガスが使用され、Si
4及びH2によってWF6が還元され、タングステンが
開口部内に堆積する。
【0003】タングステンCVD法には、ブランケット
タングステンCVD法と、選択タングステンCVD法が
あるが、現在ブランケットタングステンCVD法が主流
である。ブランケットタングステンCVD法では、半導
体基板表面に層間絶縁層を形成し、かかる層間絶縁層に
開口部を設ける。そして、層間絶縁層の表面及び開口部
内にCVD法にてタングステンを堆積させた後、エッチ
バックによって開口部内にのみタングステンを残す。こ
れによって開口部内にタングステンから成るメタルプラ
グが形成され、接続孔が完成する。
【0004】選択タングステンCVD法は、タングステ
ンが絶縁膜表面では成長し難いことを応用し、CVD法
にて選択的に開口部内にのみタングステンを成長させ、
これによって開口部内にタングステンから成るメタルプ
ラグを形成し、接続孔を完成させる方法である。
【0005】ブランケットタングステンCVD法は、タ
ングステンと下地であるシリコン酸化膜との密着性が余
り良くないため、チタンナイトライド(TiN)、チタ
ンタングステン(TiW)等から成る密着層をタングス
テンとシリコン酸化膜との間に介在させている。TiN
はコンタクト抵抗が高いため、TiNから成る密着層の
下に予めチタン(Ti)あるいはチタンシリサイド(T
iSi2)を堆積させて、コンタクト抵抗の低減を図っ
ている。
【0006】現状では、これらの密着層をスパッタ法に
て堆積させているため、層間絶縁層に形成された高アス
ペクト比且つ微小径の開口部の底部における密着層の被
覆性が悪い。その結果、自然酸化膜の影響を受けてチタ
ンのシリサイド化が均一に起こらず、コンタクト抵抗が
増加するという問題がある。
【0007】また、ブランケットタングステンCVD法
においては、接続孔内に形成されたタングステンプラグ
は、タングステン(W)/TiN/Tiの多層構造とな
っている。それ故、エッチバック時、Wをフッ素系のガ
スで、TiN/Tiを塩素系のガスで、それぞれエッチ
ングする必要があり、エッチバックプロセスが複雑にな
るという問題もある。
【0008】ブランケットタングステンCVD法の上記
の問題を解決するための一手段として、CVD法により
TiN膜を成膜してTiNから成るプラグを形成する方
法が検討されている。しかしながら、たとえ膜中の不純
物が少なくしかもステップカバレッジの優れたCVD法
によるTiN膜が得られたとしても、TiNプラグ自体
の抵抗が高く、しかも、低コンタクト抵抗を得るために
はTi層あるいはTiSiX層を必要とする。
【0009】タングステンあるいはTiNから成るプラ
グの代わりに、TiSiXの単層で開口部を埋め込み、
接続孔内にTiSi2から成るプラグを形成し、これに
よって、低コンタクト抵抗を実現し且つエッチバックプ
ロセスを簡素化しようとする技術が提案されている。現
在、このTiSiX埋め込みプラグの形成方法として、
次の方法を挙げることができる。 (A)TiCl4ガスとSiH4ガスとを用いて、熱CV
D法にて開口部の埋め込みを行う(例えば、「Contact
Plug Formed With Chemical Vapour DepositedTiN」,
K. Mori, et al, Extended Abstracts of the 1991 Int
ernational Conference on Solid State Device and Ma
terials, Yokohama, 1991, pp. 210-212参照)。 (B)選択的に開口部内にエピタキシャルなあるいは多
結晶状のシリコン層を形成した後、スパッタ法にてかか
るシリコン層の上にチタンを堆積させる。次いで、アニ
ール処理を行うことによって、開口部内のチタンとシリ
コンとを反応させ、開口部内のみTiSi2を形成する
(例えば、「The Use of Selective Silicon Or Silici
de Plugs For Submicron Contact Fill」, C.S. Wei et
al, ULSI Sci Tech, 1989, pp.637-648 参照)。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】TiSi2によって開
口部を埋め込むこれらの方法においては、塩素系のガス
によるプラズマエッチングによってTiSiX層をエッ
チバックすることでプラグを形成できる。従って、ブラ
ンケットタングステンCVD法と比較し、エッチング工
程の簡素化を図ることができる。
【0011】しかしながら、上記の方法においても以下
のような問題がある。 (a)上記(A)の方法は、埋め込み性は優れている
が、TiCl4ガスとSiH4ガスの比率が変動した場
合、形成されたTiSiXの膜質に大きな変動が生じ
る。特にSiH4/TiCl4の割合が0〜1のような小
さい値の場合、TiCl4が下地である拡散層を浸食す
る虞れがある。また、TiSiXの成膜温度が約700
゜Cと高い。そのため、原料ガスであるTiCl4が下
地である拡散層を著しく浸食し、リーク電流が増大す
る。 (b)上記(B)の方法では、スパッタ法にてチタンを
堆積させるために、微小径の開口部におけるチタンの被
覆性が悪く、開口部内に堆積したチタンにボイドが発生
し易い。
【0012】従って、本発明の目的は、埋め込み性に優
れ、下地が浸食される虞れが無く、低リーク、低コンタ
クト抵抗を得ることができる、安定なTiSi2から成
るプラグの形成技術の確立にある。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明のシリサイドプラグの形成方法は、半導体基
板上に形成された層間絶縁層に開口部を設け、かかる開
口部をシリサイドで埋め込む方法である。
【0014】そして、本発明のシリサイドプラグの形成
方法の第1の態様は、(イ)少なくとも開口部の底部に
シリコン層を形成する工程と、(ロ)CVD法にて開口
部をシリサイドで埋め込む工程、から成ることを特徴と
する。
【0015】この第1の態様においては、上記(イ)の
工程では、開口部の底部並びに側壁及び層間絶縁層の表
面にシリコン層を形成することが望ましい。また、シリ
サイドはチタンシリサイドから成ることが好ましい。上
記(ロ)の工程に引き続き、開口部に埋め込まれたシリ
サイドの表面を窒化することが好ましい。
【0016】本発明のシリサイドプラグの形成方法の第
2の態様は、(イ)少なくとも開口部の底部にシリサイ
ドから成る薄膜を形成した後、該薄膜を窒化させる工程
と、(ロ)CVD法にて開口部をシリサイドで埋め込む
工程、から成ることを特徴とする。
【0017】この第2の態様においては、上記(イ)の
工程におけるシリサイドから成る薄膜の形成はプラズマ
CVD法にて行うことが好ましい。また、上記(ロ)の
工程に引き続き、開口部に埋め込まれたシリサイドの表
面を窒化することが望ましい。
【0018】
【作用】本発明の第1の態様におけるシリサイドの形成
方法においては、少なくとも開口部の底部にシリコン層
が形成されているので、シリサイドの原料ガスが直接下
地と接触することがなく、かかる原料ガスによる下地の
浸食を防止することができる。また、CVD法にて開口
部をシリサイドで埋め込むので、開口部に対するシリサ
イドの埋め込み性に優れている。
【0019】本発明の第2の態様におけるシリサイドの
形成方法においては、少なくとも開口部の底部にシリサ
イドから成る薄膜を形成した後、かかる薄膜を窒化させ
るので、この薄膜は、シリサイドのみから成る薄膜より
もシリサイドの原料ガスに対するバリア性が向上する。
従って、シリサイドの原料ガスが直接下地と接触するこ
とがなく、かかる原料ガスによる下地の浸食を一層効果
的に防止することができる。また、CVD法にて開口部
をシリサイドで埋め込むので、開口部に対するシリサイ
ドの埋め込み性に優れている。
【0020】本発明の第1及び第2の態様において、上
記(ロ)の工程に引き続き、開口部に埋め込まれたシリ
サイドの表面を窒化することによって、その後に形成さ
れるアルミニウム配線に対するTiNバリア層をプラグ
表面に容易に形成することができる。
【0021】
【実施例】以下、本発明を、図面を参照して実施例に基
づき詳しく説明する。尚、各図は、半導体素子の模式的
な一部断面図である。
【0022】(実施例−1)先ず、本発明のシリサイド
プラグの形成方法の第1の態様を、実施例−1に基づき
説明する。
【0023】[工程−100]半導体基板10に拡散層
12を形成した後、その上に層間絶縁層14を堆積さ
せ、次いで、層間絶縁層14に開口部16を形成する
(図1の(A)参照)。開口部16は、例えば、口径
0.4μm、アスペクト比2とすることができる。
【0024】[工程−110]次に、希フッ酸洗浄にて
自然酸化膜を除去した後、開口部16の底部に選択的に
膜厚20〜40nmのシリコン層18を形成する(図1
の(B)参照)。シリコン層18の形成は、例えば、選
択エピタキシャルSi成長あるいは選択多結晶Si成長
によって行うことができる。選択エピタキシャルSi成
長を用いる場合、その条件を、SiH2Cl2=300s
ccm、HCl=300〜1000sccm、圧力30
00〜7000Pa、温度800〜1000゜Cとする
ことができる。また、選択多結晶Si成長を用いる場
合、その条件を、SiH2Cl2/HCl=2〜3、圧力
1000Pa、温度700〜800゜Cとすることがで
きる。
【0025】[工程−120]次いで、熱CVD法にて
開口部をシリサイドで埋め込む。この工程を以下、工程
−120A〜工程−120Cにて説明する。
【0026】[工程−120A]シリサイドの原料ガス
としてTiCl4とSiH4を用いて、熱CVD法にて層
間絶縁層14の表面及び開口部16の内部にTiSiX
層20を堆積させる(図1の(C)参照)。TiSiX
層20を堆積させる条件として、例えば、温度700゜
C、SiH4/TiCl4=1〜5とすることができる。
開口部16の内部のTiSiX層20にボイドが発生し
ないように注意する必要がある。尚、形成されたTiS
XのXの値は、1.0〜1.8程度である。この工程
において、開口部16の底部にはシリコン層18が既に
形成されているので、TiCl4ガスが拡散層12と直
接接触することがなく、拡散層12のTiCl4による
浸食を防止することができる。
【0027】[工程−120B]次に、N2、NH3ある
いはArガス雰囲気下、800〜1000゜C、30〜
60秒の条件にてアニール処理を行い、開口部16の底
部において、シリコン層18とTiSiX層20とを反
応させ、TiSi2層22を生成させる(図2の(A)
参照)。即ち、堆積したTiSiX層20(X=1.0
〜1.8)は、Tiリッチであるため、このアニール処
理によって開口部16底部のシリコン層18はTiSi
X層20に拡散、吸収される。これによって、TiSiX
は化学量論的にTiSi2となり、TiSi2層22が形
成される。TiSi2層22は拡散層12と直接接触す
るので、低コンタクト抵抗が得られる。
【0028】[工程−120C]次に、塩素系のガスを
用いたプラズマエッチングによって、層間絶縁層14の
表面に形成されたTiSi2層22をエッチバックして
除去し、開口部16内にのみTiSi2層22を残す
(図2の(B)参照)。エッチバックの条件を、Cl2
/Ar=50/25sccm、RFパワー250W、圧
力20Paとすることができる。これによって、開口部
16はTiSi2から成るシリサイドで埋め込まれ、シ
リサイドプラグを有する接続孔が完成する。ブランケッ
トタングステンCVD法では、W/TiN/Tiの多層
構造の層をエッチバックする必要があるために、Wをフ
ッ素系ガスで、TiN/Tiを塩素系ガスでエッチング
しなければならず、エッチバックプロセスが複雑にな
る。これに対して、本発明においては、TiSi2をエ
ッチバックすればよいので、エッチバックプロセスは簡
素化される。
【0029】[工程−130]TiSi2からなるプラ
グを形成した後、必要に応じて、NH3雰囲気中で、温
度700〜900゜C、10〜60秒の条件下、プラグ
の表面を窒化してTiN24を形成することができる
(図2の(C)参照)。
【0030】[工程−140]次いで、通常の方法でア
ルミニウム配線を形成する。即ち、スパッタ法にてTi
ON、アルミニウムを順次堆積させ、アルミニウム配線
層を形成すればよい(図3参照)。
【0031】(実施例−2)本発明のシリサイドプラグ
の形成方法の第1の態様を、更に、実施例−2に基づき
説明する。実施例−1では、開口部16の底部にシリコ
ン層18を形成したが、実施例−2においては、シリコ
ン層を開口部16のみならず層間絶縁層14の表面にも
形成する。
【0032】[工程−200]この工程は、実施例−1
における工程−100と同様であり、その詳細な説明は
省略する。
【0033】[工程−210]次に、希フッ酸洗浄にて
自然酸化膜を除去した後、開口部16の底部並びに側壁
及び層間絶縁層14に膜厚20〜40μmのシリコン層
18を形成する(図4参照)。シリコン層18の形成
は、例えばアモルファスSi成長あるいは多結晶Si成
長によって行うことができる。アモルファスSi成長を
用いる場合、その条件を、SiH4/He=500/3
0sccm、圧力270Pa、温度550゜Cとするこ
とができる。また、多結晶Si成長を用いる場合、その
条件を、SiH4/He=100/400sccm、圧
力70Pa、温度650゜Cとすることができる。
【0034】[工程−220]〜[工程−240]以下
の工程は、実施例−1における[工程−120A]〜
[工程−120C]、[工程−130]及び[工程−1
40]と同様であり、その詳細な説明は省略する。但
し、工程−220において、層間絶縁層14表面のTi
Si2層だけでなくシリコン層18もエッチバックす
る。
【0035】(実施例−3)本発明のシリサイドプラグ
の形成方法の第2の態様を、実施例−3に基づき説明す
る。実施例−1及び実施例−2では、少なくとも開口部
16の底部にシリコン層18を形成したが、実施例−3
においては、開口部の底部にTiSiXから成るの薄膜
を形成した後、この薄膜を窒化させる。
【0036】[工程−300]この工程は、実施例−1
における工程−100と同様であり、その詳細な説明は
省略する。
【0037】[工程−310]次に、開口部の底部にシ
リサイドから成る薄膜を熱CVD法にて形成した後、薄
膜を窒化させる。この工程を、以下、工程−310A〜
工程−310Bにて説明する。 [工程−310A]先ず、原料ガスとしてTiCl4
びSiH4を用いて、開口部16の底部並びに側壁及び
層間絶縁層14の表面にTiSiXから成る薄膜30を
熱CVD法にて形成する(図5の(A)参照)。薄膜3
0の形成条件を、例えば、SiH4/TiCl4=8〜1
0、温度700゜Cとすることができる。 [工程−310B]次に、例えば800゜C、30秒
間、アンモニア(NH3)雰囲気中にてランプアニール
処理を行い、TiSiXから成る薄膜30の表面を窒化
する(図5の(B)参照)。これによって、TiSiX
から成る薄膜30は、TiN層32/TiSiX層34
の2層構造を有する薄膜に変化する。
【0038】[工程−320]次に、熱CVD法にて開
口部をTiSiXから成るシリサイドで埋め込む。この
工程を、以下、工程−320A〜工程−320Bに従っ
て説明する。
【0039】[工程−320A]先ず、開口部16が充
分埋め込まれるまで、TiSiX層20を800〜10
00nm、開口部16内及び層間絶縁層14の表面に熱
CVD法にて堆積させる(図5の(C)参照)。TiS
X層20の堆積条件は、工程−310Aで説明した薄
膜30の形成条件と同様である。開口部16の底部に
は、工程−310Bで形成されたTiN層が存在するの
で、TiSiX層20を堆積させるとき使用されるTi
Cl4が下地の拡散層を浸食することが防止できる。
【0040】[工程−320B]次に、塩素系のガスを
用いたプラズマエッチングによって、層間絶縁層14の
表面に形成されたTiSiX層20、TiN層32/T
iSiX層34をエッチバックして除去し、開口部16
内にのみTiSiX層20を残す(図6参照)。エッチ
バックの条件を、Cl2/Ar=50/25sccm、
RFパワー250W、圧力20Paとすることができ
る。これによって、開口部16はTiSi2から成るシ
リサイドで埋め込まれ、シリサイドプラグを有する接続
孔が完成する。
【0041】[工程−330]及び[工程−340]以
降の工程は、実施例−1の[工程−130]及び[工程
−140]と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【0042】(実施例−4)選択タングステンCVD法
で観察される下地である拡散層へのWF6の浸食現象
は、CVD成長温度が高い程顕著となる。実施例−3に
おいては、TiSiXから成る薄膜30を形成するため
に熱CVD法を採用し、温度条件を700゜Cとした。
実施例−4においては、TiSiXから成る薄膜30の
形成をプラズマCVD法で行う。プラズマCVD法でT
iSiXから成る薄膜30を形成するときの温度条件は
450゜C程度とすることができ、これによって、Ti
Cl4の下地への浸食をより一層防止することができ
る。
【0043】[工程−400]この工程は、実施例−1
における工程−100と同様であり、その詳細な説明は
省略する。
【0044】[工程−410]次に、開口部の底部にシ
リサイドから成る薄膜をプラズマCVD法にて形成した
後、薄膜を窒化させる。この工程を、以下、工程−41
0A〜工程−410Bにて説明する。
【0045】[工程−410A] 先ず、図5の(A)に示したと同様に、原料ガスとして
TiCl4及びSiH4を用いて、開口部16の底部並び
に側壁及び層間絶縁層14の表面にTiSiXから成る
薄膜30をプラズマCVD法にて形成する。薄膜30の
形成条件を、例えば、SiH4/TiCl4=1〜8、温
度450°C、RFパワー200〜400Wとすること
ができる。TiSiXから成る薄膜30の形成温度が4
50°Cと低いため、熱CVD法と比較して、TiCl
4の下地に対する侵食は一層少なくなる。
【0046】[工程−410B]次に、図5の(B)に
示したと同様に、例えば700〜900゜C、10〜6
0秒間、アンモニア(NH3)雰囲気中にてアニール処
理を行い、TiSiXから成る薄膜30の表面を窒化す
る。これによって、TiSiXから成る薄膜30は、T
iN層32/TiSiX層34の2層構造を有する薄膜
に変化する。
【0047】[工程−420]〜[工程−440]CV
D法にて開口部をTiSiXから成るシリサイドで埋め
込む工程以降の工程は、実施例−3の[工程−320
A]〜[工程−340]と同様であるため、詳細な説明
は省略する。
【0048】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。各工程における各種の条件は例示であり、本発
明の方法の実施に使用する装置等に依存する。
【0049】
【発明の効果】本発明においては、開口部の少なくとも
底部にシリコン層あるいはTiN層/TiSiX層が形
成されているので、シリサイドの原料ガスが下地に直接
接触することがなく、原料ガスによる下地の浸食を効果
的に防止することができる。その結果、低リーク、低コ
ンタクト抵抗のシリサイドプラグを形成することができ
る。
【0050】また、TiSiXからプラグを形成するた
めに、エッチバックプロセスの簡素化を図ることがで
き、プラグ自体の抵抗も小さくすることができる。更に
は、CVD法にてシリサイドで開口部を埋め込むが故
に、埋め込み性に優れる。尚、シリサイドプラグを形成
した後、プラグの表面を窒化処理すれば、アルミニウム
配線に対するTiNバリア層を容易に形成することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例−1で説明した方法の各工程を
示すための半導体素子の模式的な一部分断面図である。
【図2】図1に引き続き各工程を示すための半導体素子
の模式的な一部分断面図である。
【図3】図2に引き続き各工程を示すための半導体素子
の模式的な一部分断面図である。
【図4】本発明の実施例−2で説明した方法の各工程の
一部分を示すための半導体素子の模式的な一部分断面図
である。
【図5】本発明の実施例−3及び4で説明した方法の工
程の一部分を示すための半導体素子の模式的な一部分断
面図である。
【図6】図5に引き続き各工程を示すための半導体素子
の模式的な部分断面図である。
【符号の説明】 10 半導体基板 12 拡散層 14 層間絶縁層 16 開口部 18 シリコン層 20 TiSiX層 22 TiSi2層 24 TiN層 30 シリサイドから成る薄膜 32 TiN層 34 TiSiX
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−222531(JP,A) 特開 平1−243452(JP,A) 特開 昭58−116751(JP,A) 特開 平4−359513(JP,A) 特開 平4−61323(JP,A) 特開 平3−286527(JP,A) 特開 平2−164031(JP,A) 特開 平2−15620(JP,A) 特開 昭64−77934(JP,A) 特開 昭64−41241(JP,A) 特開 昭63−12132(JP,A) 特開 昭62−206852(JP,A) 特開 昭62−98723(JP,A) 特開 昭62−76518(JP,A) 特開 昭59−76424(JP,A) 特開 昭59−72132(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/28 301 H01L 21/768

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板上に形成された層間絶縁層に開
    口部を設け、かかる開口部をシリサイドで埋め込みシリ
    サイドプラグを形成する方法であって、 (イ)少なくとも開口部の底部にシリコン層を形成する
    工程と、 (ロ)CVD法にて開口部を化学量論比ではないシリサ
    イドで埋め込む工程(ハ)シリコン層と化学量論比ではないシリサイドとを
    反応させて、化学量論比を有するシリサイドを生成させ
    る工程、 から成ることを特徴とするシリサイドプラグの形成方
    法。
  2. 【請求項2】前記工程(イ)において、開口部の底部並
    びに側壁及び層間絶縁層の表面にシリコン層を形成する
    ことを特徴とする請求項1に記載のシリサイドプラグの
    形成方法。
  3. 【請求項3】化学量論比ではないシリサイドはTiSi
    X (但し、X=1.0〜1.8)であり、化学量論比を
    有するシリサイドはTiSi 2 であることを特徴とする
    請求項1又は請求項2に記載のシリサイドプラグの形成
    方法。
  4. 【請求項4】前記工程(ハ)に引き続き、開口部に埋め
    込まれたシリサイドの表面を窒化することを特徴とする
    請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載のシリサイ
    ドプラグの形成方法。
  5. 【請求項5】半導体基板上に形成された層間絶縁層に開
    口部を設け、かかる開口部をシリサイドで埋め込みシリ
    サイドプラグを形成する方法であって、 (イ)少なくとも開口部の底部にシリサイドから成る薄
    膜を形成した後、該薄膜を窒化させる工程と、 (ロ)CVD法にて開口部をシリサイドで埋め込む工
    程、 から成ることを特徴とするシリサイドプラグの形成方
    法。
  6. 【請求項6】前記工程(イ)におけるシリサイドから成
    る薄膜の形成を、プラズマCVD法にて行うことを特徴
    とする請求項5に記載のシリサイドプラグの形成方法。
  7. 【請求項7】前記工程(ロ)に引き続き、開口部に埋め
    込まれたシリサイドの表面を窒化することを特徴とする
    請求項5又は請求項6に記載のシリサイドプラグの形成
    方法。
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