JP3360835B2 - Wiring formation method - Google Patents

Wiring formation method

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JP3360835B2
JP3360835B2 JP04542191A JP4542191A JP3360835B2 JP 3360835 B2 JP3360835 B2 JP 3360835B2 JP 04542191 A JP04542191 A JP 04542191A JP 4542191 A JP4542191 A JP 4542191A JP 3360835 B2 JP3360835 B2 JP 3360835B2
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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、半導体装置の製造等に
適用される配線形成方法に関し、特にバリヤメタル構造
を有するコンタクト部にアルミニウム系材料層を均一に
埋め込む方法に関する。 【0002】 【従来の技術】VLSIやULSI等の高密度化が図ら
れた半導体装置にあっては、下層配線と上層配線の接続
を図るために層間絶縁膜に開口される接続孔の開口径も
微細化し、アスペクト比が1を越えるようになってきて
いる。上層配線は一般にスパッタリング法によりアルミ
ニウム(Al)系材料を被着させることにより形成され
ているが、かかる高アスペクト比を有する接続孔を埋め
込むには十分な段差被覆性(ステップ・カバレッジ)が
達成されにくく、断線を生ずる原因ともなっている。 【0003】そこで、段差被覆性の不足を改善するため
の対策として、高温バイアス・スパッタリング法が提案
されている。この技術は、例えば月刊セミコンダクター
・ワールド1989年12月号186〜188ページ
(プレスジャーナル社刊)に示されているように、ウェ
ハをヒータ・ブロックを介して数百℃に加熱し、このヒ
ータ・ブロックを介してRFバイアスを印加しながらス
パッタリングを行うものである。この方法によれば、高
温によるAlのリフロー効果とバイアス印加によるイオ
ン衝撃とにより段差被覆性を改善し、平坦な表面を有す
るAl系材料層を形成することができる。上記論文に
は、Al系材料層の下地としてTi層を設けた場合に、
Ti層がAl原子の表面移動(マイグレーション)に寄
与して優れた段差被覆性が達成されることが記載されて
いる。 【0004】 【発明が解決しようとする課題】ところで、Al系材料
層の下地として設けられるTi層は、バリヤメタルとし
て機能する。しかし、Ti層は、低抵抗のオーミック・
コンタクトを達成する優れたコンタクト材料であるもの
の、単独ではバリアメタルとしての機能を十分に果たし
得ない。シリコン(Si)基板とAl系材料層との間に
Ti層が単独で介在されていても、SiとTiの反応及
びTiとAlの反応の両方が進行するために、Si基板
へのAlスパイクの発生が防止できないからである。そ
こで、Ti層の上にさらにTiN層を積層した2層構造
のバリヤメタル(Ti/TiN系)が採用されている。
さらに、TiN層の成膜時に酸素を導入してTiON層
とした2層構造のバリヤメタル(Ti/TiON系)も
提案されている。これは、TiNの粒界に酸素を偏析さ
せることにより、Alの粒界拡散の防止効果を一層高め
ることができる。 【0005】ところが、コンタクト部に予めTi/Ti
ON系のバリヤメタルが形成されている場合、Al系材
料層を高温バイアス・スパッタリング法により被着形成
しようとすると、接続孔の均一な埋め込みが困難とな
る。例えば、図7に示すように、予め不純物拡散領域2
2が形成されてなるシリコン基板21上に、不純物拡散
領域22に臨む接続孔24を有する層間絶縁膜23が積
層され、さらに少なくとも接続孔24を覆ってTi層2
5とTiON層26とがバリヤメタルとして順次積層さ
れたウェハを検討する。このウェハについて、高温バイ
アス・スパッタリング法により例えばAl系材料層27
を被着形成しようとしても、接続孔24を均一に埋め込
むことができず、鬆(す)28が発生し易い。これは、
高温バイアス・スパッタリングの過程におけるAlが固
体と液体の中間的な状態にあって下地の表面モホロジー
に極めて敏感であるためである。すなわち、TiON層
26は柱状結晶構造を有し、しかもその結晶の長手方向
が膜面にほぼ垂直に配向しているため表面モホロジーが
粗く、Al系材料に対する濡れ性及び反応性に劣る。 【0006】そこで、本発明者らは、Al系材料に対す
る良好な濡れ性及び反応性が既に実証されているTi層
を上記TiON層26の上にさらに積層し、バリヤメタ
ルをTi/TiON/Ti系の3層構造とすることも試
みた。しかし、新たに積層されたTi層によっても表面
モホロジーは十分に改善されず、Al系材料により接続
孔24を均一に再現性良く埋め込むには至らなかった。 【0007】このように、従来の技術では低抵抗性、高
いバリヤ性、優れた段差被覆性を同時に満足し得るコン
タクト形成を行うことが困難である。そこで、本発明
は、これらの要求を同時に満足し得る配線形成方法を提
供することを目的とする。 【0008】 【課題を解決するための手段】本発明は、上述の目的を
達成するために提案されるものであり、シリコン系基板
上の素子形成領域の表面に存在する自然酸化膜を除去
し、次いで上記シリコン基板上にSiO 2 層又はSi 3
4 層と第1のチタン材料層とが順次形成されてなる基体
に対して不活性ガス雰囲気中で熱処理を行うことにより
チタン・シリサイド系材料層を形成し、さらに、前記基
体上に層間絶縁膜を形成し前記チタン・シリサイド系材
料層に臨んで接続孔を開口し、その後、少なくとも前記
接続孔の底面及び側壁部を第2のチタン材料層で被覆
し、さらにその後、少なくとも前記接続孔を充填するご
とくアルミニウム系材料層を形成するようにしたもので
ある。 【0009】 【作用】本発明者らは、バリヤ性をTiON層に求める
限りはAl系材料層による均一な接続孔の埋め込みは困
難であると考え、本願出願人が先に特開平2−2606
30号公報において提案した方法により形成されるTi
Si2 層に着目した。上記公報に開示される方法は、コ
ンタクト抵抗、拡散層抵抗等の低下を目的として形成さ
れる従来の一般的なサリサイド(SALICIDE=self align
ed silicide)の形成プロセスを改良したものである。
すなわち、従来のようにシリコン系基板上に直接にTi
層を積層して熱処理を行うのではなく、まずシリコン基
板上の自然酸化膜を除去した後、シリコン化合物層を改
めて形成し、さらにTi層を積層してから不活性ガス雰
囲気中で熱処理を行うことによりシリサイド化を行う。
特に、シリコン化合物層として熱酸化等により形成され
る酸化シリコン層を使用するプロセスについては、シリ
サイド化反応が酸化物層を介して行われることから、本
願出願人はSITOX(=silicidation through oxid
e)という呼称を提唱している。この方法により形成さ
れるTiSi2層は、フィールド酸化膜若しくはMOS
トランジスタにおいてLDD構造を達成するためにゲー
ト電極側壁部に形成されるサイドウォール上へ這い上が
ることなく素子形成領域にのみ選択的に存在するので、
ソース/ドレイン領域とゲート電極との間でリークを発
生させるおそれがない。また、成膜時のシリサイド化反
応速度が小さいため、膜質も極めて緻密かつ均一であり
高いバリヤ性を発揮する他、高温アニールを経てもシー
ト抵抗が低く保たれる。 【0010】以上の説明からも明らかなように、上述の
方法により形成されたTiSi2は、十分に低いシート
抵抗と緻密で均一な膜質を有していることから、バリヤ
メタルとしても優れた性能を発揮し得る。そこで、本発
明では第1のチタン系材料層とシリコン系基板との間の
シリサイド化反応により形成されるチタン・シリサイド
系材料層を、バリヤメタルとして使用するものである。 【0011】本発明では、次に基体の表面に層間絶縁膜
が形成され、チタン・シリサイド系材料層に臨んで接続
孔が開口される。この時点で、接続孔の底面にはチタン
・シリサイド系材料層が露出することになる。但し、チ
タン・シリサイド系材料層は熱応力が大きいため、この
ままAl系材料層を被着するとストレス・マイグレーシ
ョンを惹起させる原因となる。また、接続孔の内壁部と
Al系材料層との濡れ性も不十分である。そこで、前記
接続孔の底面及び内壁部を被覆して第2のチタン系材料
層を形成する。このことにより、接続孔の内壁部は全て
Al系材料層との濡れ性及び反応性が向上し、かつ熱応
力が低減された状態となる。この後基体の全面にAl系
材料層を被着すれば、Al系材料はチタン系材料と界面
反応を起こしながら徐々に接続孔内に侵入し、鬆を発生
させることなくこれを均一に充填する。 【0012】 【実施例】以下、本発明の好適な実施例について説明す
る。 【0013】本実施例は、本発明をMOSトランジスタ
の製造に適用した一例である。このプロセスを図1乃至
図6を参照しながら説明する。 【0014】まず、図1に示されるように、シリコン基
板1上に例えばLOCOS法によりフィールド酸化膜2
を形成し、このフィールド酸化膜2により規定される素
子形成領域に酸化シリコン等からなるゲート酸化膜3を
介してDOPOS等からなるゲート電極4を形成した。 【0015】次に、上記ゲート電極4をマスクとしてソ
ース/ドレイン領域5を形成するための1回目のイオン
注入を行った後、CVD法及びRIE等により常法にし
たがって酸化シリコン等からなるサイドウォール6を形
成した。 【0016】さらに、素子形成領域の表面に存在する自
然酸化膜を希フッ酸で除去した後、例えば熱酸化により
素子形成領域及びゲート電極4上にそれぞれ50Å厚の
SiO2層7,8を形成した。ここで自然酸化膜を予め
除去しているのは、素子形成領域上におけるSiO2
7の厚さを均一とするためである。また、SiO2
7,8は、上述のように基体の表面酸化により形成する
のではなく、例えば基体の全面に多結晶シリコン層を被
着形成した後に熱酸化を行って一旦厚いSiO2層を形
成し、続いて希フッ酸でエッチングを行ってその層厚を
所望の厚さに減ずることにより形成してもよい。 【0017】さらに、ゲート電極4及びサイドウォール
6とをマスクとし、ソース/ドレイン領域5の一部にお
いて不純物濃度を高めるための2回目のイオン注入をS
iO2層7を介して行った。このようにして、LDD構
造が達成される。このとき、ゲート電極4上のSiO2
層8は、注入イオンによるチャネリングの防止層として
も機能する。 【0018】次に、一例としてアルゴン流量100SC
CM、ガス圧0.47Pa(3.5mTorr)、DC
スパッタ・パワー4kW、基板温度300℃、スパッタ
速度3500Å/分の条件でTiのスパッタリングを行
い、図2に示されるように、基体の全面に第1のTi層
9を約300Åの厚さに形成した。 【0019】次に、図2に示される基体についてAr雰
囲気中、約650℃にてランプ・アニールを行い、第1
のTi層9の一部とシリコン基板1(正確にはソース/
ドレイン領域5)及びゲート電極4とをそれぞれSiO
2層7,8を介して反応させ、それぞれTiSi層(図
示せず。)を形成した。 【0020】続いて、例えばアンモニアと過酸化水素水
の混合溶液を用いて第1のTi層9の未反応部分を選択
的にエッチング除去した。 【0021】さらに、約900℃にて再びランプ・アニ
ールを行ってTiSi層とシリコン基板1及びゲート電
極4とをさらに反応させ、図3に示されるように、それ
ぞれTiSi2層7a,8aを形成した。 【0022】ここで、上述のようにシリサイド化のため
のランプ・アニールを2段階に分けて行っているのは、
TiSi2層7a,8aを素子形成領域及びゲート電極
上に選択性良く形成させるためである。最初から900
℃付近でシリサイド化を行うと、フィールド酸化膜2や
サイドウォール6の上にまでTiSi2層7a,8aが
延在して形成され、ゲート電極4とソース/ドレイン領
域5との間のリーク電流を増大させるおそれが大きい。 【0023】次に、図4に示されるように、基体の全面
に例えばCVDにより酸化シリコン等を堆積させて層間
絶縁膜10を形成し、続いて層間絶縁膜10をパターニ
ングしてソース/ドレイン領域5上のTiSi2層7a
に臨むコンタクト・ホール11を開口した。さらに、例
えば第1のTi層9の成膜時と同じ条件でスパッタリン
グを行うことにより基体の全面を覆って第2のTi層1
2を約500Åの厚さに形成した。これにより、少なく
ともコンタクト・ホール11の底面及び側壁部は第2の
Ti層12により被覆されたことになり、後に形成され
るAl−1%Si層13(図5参照。)とコンタクト部
との濡れ性及び反応性が改善され、TiSi2層7aと
の間の熱応力も緩和される。 【0024】次に、2段階のスパッタリングによりAl
−1%Si層13の成膜を行った。スパッタリング雰囲
気はAr流量100SCCM,ガス圧0.47Pa
(3.5mTorr)とし、1段階目として基板加熱及
びバイアス印加を行わずにDCスパッタ・パワー22.
7kWにてスパッタリングを行い、Al−1%Si層1
3を約1000Åの厚さに成膜した。続いて、2段階目
として基板の裏面を高温のArガスに接触させることに
より該基板を約450℃に加熱し、RFバイアス・パワ
ー300Vを印加しながら高温バイアス・スパッタリン
グを行い、Al−1%Si層13をさらに3000Åの
厚さに成膜した。これにより、図5に示されるように、
最終的には4000Åの厚さのAl−1%Si層13が
基体の全面に形成され、コンタクト・ホール11は鬆を
発生することなく均一に埋め込まれた。 【0025】なお、Al−1%Si層13の成膜は、必
ずしも上述のような2段階プロセスを経る必要はない。
しかし、成膜の初期から基板を高温に加熱すると条件に
よってはAl−1%Si層13が島状に成長するので、
これを防止するために成膜工程を2段階に分け、最初の
段階を低温プロセスとすることが望ましい。これによ
り、Al−1%Si層13の膜質をより一層向上させる
ことができる。 【0026】さらに、図6に示されるようにAl−1%
Si層13と第2のTi層12とを塩素系ガス等を使用
したドライエッチングによりパターニングし、Ti層パ
ターン12aを下地に有するAl系電極13aを形成し
た。 【0027】本実施例で製造されたMOSトランジスタ
においては、TiSi2層7a,8aによりソース/ド
レイン領域5及びゲート電極4のシート抵抗が低減され
ており、従来のSALICIDE法によりシリサイド層
を形成したMOSトランジスタに比べて高温アニール後
においても接合リーク電流が著しく低減されていた。こ
れは、本実施例のMOSトランジスタにおいて、TiS
2層7a,8aの膜質が優れていることと関連してい
る。 【0028】図8は、所定のアニール温度にて30分間
保持したMOSトランジスタのゲート電極に−5.5V
の電圧を印加した場合の接合リーク電流の測定結果を示
すグラフである。縦軸は接合リーク電流(A)、横軸は
アニール温度(℃)を表し、白丸(○)のプロットは従
来のMOSトランジスタ、黒四角(■)のプロットは本
実施例のMOSトランジスタのデータをそれぞれ示す。
従来のMOSトランジスタでは、高温アニールによりT
iSi2 結晶の凝集が生じ、シート抵抗が増大する他、
基板を400℃程度に加熱した時点でAlスパイクに対
する耐性が劣化し、接合リーク電流が急激に増大した。
しかし、本実施例で製造されたMOSトランジスタで
は、TiSi2層7a,8aが大きな結晶粒径と緻密な
粒界とを有しているため、500℃に加熱された後でも
Ti及びSiの拡散が抑制されてシート抵抗が低く保た
れる他、接合リーク電流はほとんど変化せず、Alスパ
イクに対しても高い耐性が維持された。このことは、A
l−1%Si層13の成膜工程において高温バイアス・
スパッタリングを経ても、本実施例のMOSトランジス
タが何ら特性の劣化を生じないことを示している。 【0029】なお、本発明は上述の実施例に何ら限定さ
れるものではなく、例えばシリコン化合物層としては上
述のSiO2層以外にも、窒化シリコン層(Si34
等を使用することができる。 【0030】 【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明を適用すればTiSi2層により低抵抗性と高いバリ
ヤ性が保証され、第2のTi層により優れた段差被覆性
が保障されるため、Al系材料による信頼性の高い接続
孔の埋め込みを行うことが可能となる。したがって、本
発明は微細なデザイン・ルールにもとづき高集積度及び
高性能を要求される半導体装置の製造に極めて好適であ
る。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a wiring applied to the manufacture of a semiconductor device and the like, and more particularly to a method for forming an aluminum-based material layer uniformly on a contact portion having a barrier metal structure. How to embed. 2. Description of the Related Art In a semiconductor device such as a VLSI or ULSI with a high density, an opening diameter of a connection hole formed in an interlayer insulating film in order to connect a lower wiring and an upper wiring. And the aspect ratio has become more than one. The upper wiring is generally formed by depositing an aluminum (Al) -based material by a sputtering method. However, sufficient step coverage is achieved to fill the connection hole having such a high aspect ratio. It is difficult to cause disconnection. Therefore, a high-temperature bias sputtering method has been proposed as a measure for improving the lack of step coverage. This technique involves heating a wafer to several hundred degrees Celsius through a heater block, as shown, for example, in Monthly Semiconductor World, December 1989, pages 186-188 (published by Press Journal). Sputtering is performed while applying an RF bias through a block. According to this method, the step coverage can be improved by the Al reflow effect due to the high temperature and the ion bombardment due to the bias application, and an Al-based material layer having a flat surface can be formed. In the above paper, when a Ti layer is provided as an underlayer of an Al-based material layer,
It is described that the Ti layer contributes to the surface movement (migration) of Al atoms to achieve excellent step coverage. [0004] Incidentally, the Ti layer provided as a base of the Al-based material layer functions as a barrier metal. However, the Ti layer has a low resistance ohmic
Although it is an excellent contact material that achieves contact, it alone cannot sufficiently function as a barrier metal. Even if a Ti layer is solely interposed between a silicon (Si) substrate and an Al-based material layer, since both the reaction between Si and Ti and the reaction between Ti and Al proceed, Al spikes on the Si substrate are caused. This is because the occurrence of the problem cannot be prevented. Therefore, a barrier metal (Ti / TiN-based) having a two-layer structure in which a TiN layer is further laminated on a Ti layer is employed.
Further, a barrier metal (Ti / TiON-based) having a two-layer structure has been proposed in which oxygen is introduced during the formation of a TiN layer to form a TiON layer. This is because segregation of oxygen at the grain boundaries of TiN can further enhance the effect of preventing Al grain boundary diffusion. [0005] However, Ti / Ti
In the case where an ON-based barrier metal is formed, it is difficult to uniformly fill the connection holes when the Al-based material layer is formed by applying a high-temperature bias sputtering method. For example, as shown in FIG.
An interlayer insulating film 23 having a connection hole 24 facing the impurity diffusion region 22 is laminated on a silicon substrate 21 on which the Ti layer 2 is formed.
Consider a wafer in which No. 5 and the TiON layer 26 are sequentially stacked as a barrier metal. This wafer is subjected to, for example, an Al-based material layer 27 by a high-temperature bias sputtering method.
However, even if an attempt is made to form a contact hole, the connection hole 24 cannot be uniformly buried, and a void 28 is likely to occur. this is,
This is because Al in the process of high-temperature bias sputtering is in an intermediate state between solid and liquid and is extremely sensitive to the surface morphology of the underlying layer. That is, the TiON layer 26 has a columnar crystal structure, and the longitudinal direction of the crystal is oriented almost perpendicular to the film surface, so that the surface morphology is rough and the wettability and reactivity with Al-based materials are poor. Therefore, the present inventors have further laminated a Ti layer, which has already been proved to have good wettability and reactivity with Al-based materials, on the above-mentioned TiON layer 26, and changed the barrier metal to a Ti / TiON / Ti-based material. We tried to make a three-layer structure. However, the surface morphology was not sufficiently improved even with the newly laminated Ti layer, and the connection holes 24 were not uniformly filled with the Al-based material with good reproducibility. As described above, it is difficult to form a contact that can simultaneously satisfy low resistance, high barrier properties, and excellent step coverage with the conventional technology. Accordingly, an object of the present invention is to provide a wiring forming method that can simultaneously satisfy these requirements. [0008] The present invention has been proposed to achieve the above-mentioned object, and is intended to provide a silicon-based substrate.
Removal of natural oxide film on the surface of the upper device formation area
Then , an SiO 2 layer or Si 3 N is formed on the silicon substrate.
A titanium / silicide-based material layer is formed by performing a heat treatment in an inert gas atmosphere on a substrate in which four layers and a first titanium material layer are sequentially formed, and further , an interlayer insulating film is formed on the substrate. And forming a connection hole facing the titanium-silicide-based material layer, thereafter covering at least a bottom surface and a side wall portion of the connection hole with a second titanium material layer, and thereafter filling at least the connection hole. An aluminum-based material layer is formed as much as possible. The present inventors consider that it is difficult to uniformly embed connection holes with an Al-based material layer as long as barrier properties are required for the TiON layer.
No. 30 formed by the method proposed in
Attention was paid to the Si 2 layer. The method disclosed in the above publication discloses a conventional general salicide (SALICIDE = self align) formed for the purpose of reducing the contact resistance, the diffusion layer resistance and the like.
ed silicide).
That is, as in the conventional case, Ti
Instead of stacking layers and performing heat treatment, first remove the natural oxide film on the silicon substrate, form a new silicon compound layer, further stack a Ti layer, and perform heat treatment in an inert gas atmosphere. To form a silicide.
In particular, for a process using a silicon oxide layer formed by thermal oxidation or the like as a silicon compound layer, the applicant of the present invention has SITOX (= silicidation through oxidization) since the silicidation reaction is performed via the oxide layer.
e). The TiSi 2 layer formed by this method is a field oxide film or a MOS.
In order to achieve the LDD structure in the transistor, the transistor selectively exists only in the element formation region without crawling on the sidewall formed on the side wall of the gate electrode.
There is no risk of causing a leak between the source / drain region and the gate electrode. Further, since the silicidation reaction rate at the time of film formation is low, the film quality is extremely dense and uniform, exhibiting high barrier properties, and the sheet resistance is kept low even after high-temperature annealing. As is clear from the above description, TiSi 2 formed by the above-described method has a sufficiently low sheet resistance and a dense and uniform film quality, and therefore has excellent performance as a barrier metal. Can demonstrate. Therefore, in the present invention, a titanium-silicide-based material layer formed by a silicidation reaction between the first titanium-based material layer and the silicon-based substrate is used as a barrier metal. In the present invention, next, an interlayer insulating film is formed on the surface of the base, and a connection hole is opened facing the titanium / silicide-based material layer. At this point, the titanium / silicide-based material layer is exposed at the bottom of the connection hole. However, since the titanium-silicide-based material layer has a large thermal stress, if the Al-based material layer is applied as it is, it causes a stress migration. Further, the wettability between the inner wall portion of the connection hole and the Al-based material layer is insufficient. Therefore, a second titanium-based material layer is formed by covering the bottom surface and the inner wall portion of the connection hole. Thereby, the inner wall portions of the connection holes are all in a state in which the wettability and reactivity with the Al-based material layer are improved and the thermal stress is reduced. Thereafter, if an Al-based material layer is applied to the entire surface of the substrate, the Al-based material gradually enters the connection hole while causing an interfacial reaction with the titanium-based material, and is uniformly filled without generating voids. . Preferred embodiments of the present invention will be described below. This embodiment is an example in which the present invention is applied to the manufacture of a MOS transistor. This process will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 1, a field oxide film 2 is formed on a silicon substrate 1 by LOCOS, for example.
Was formed, and a gate electrode 4 made of DOPOS or the like was formed in an element formation region defined by the field oxide film 2 via a gate oxide film 3 made of silicon oxide or the like. Next, after the first ion implantation for forming the source / drain regions 5 using the gate electrode 4 as a mask, sidewalls made of silicon oxide or the like are conventionally formed by a CVD method or RIE. 6 was formed. Further, after removing the natural oxide film present on the surface of the element forming region with dilute hydrofluoric acid, SiO 2 layers 7 and 8 each having a thickness of 50 ° are formed on the element forming region and the gate electrode 4 by, for example, thermal oxidation. did. The reason for removing the natural oxide film in advance is to make the thickness of the SiO 2 layer 7 over the element formation region uniform. The SiO 2 layers 7 and 8 are not formed by oxidizing the surface of the substrate as described above. For example, a thick SiO 2 layer is formed by applying a polycrystalline silicon layer over the entire surface of the substrate and then performing thermal oxidation. May be formed, followed by etching with dilute hydrofluoric acid to reduce the layer thickness to a desired thickness. Further, using the gate electrode 4 and the sidewall 6 as a mask, a second ion implantation for increasing the impurity concentration in a part of the source / drain region 5 is performed by S.
This was performed via the iO 2 layer 7. In this way, an LDD structure is achieved. At this time, the SiO 2 on the gate electrode 4
The layer 8 also functions as a layer for preventing channeling due to implanted ions. Next, as an example, an argon flow rate of 100 SC
CM, gas pressure 0.47 Pa (3.5 mTorr), DC
Sputtering of Ti is performed under the conditions of a sputtering power of 4 kW, a substrate temperature of 300 ° C., and a sputtering rate of 3500 ° / min., And a first Ti layer 9 is formed to a thickness of about 300 ° on the entire surface of the substrate as shown in FIG. did. Next, the substrate shown in FIG. 2 is subjected to lamp annealing in an Ar atmosphere at about 650 ° C.
Part of the Ti layer 9 and the silicon substrate 1 (more precisely, the source /
The drain region 5) and the gate electrode 4 are each formed of SiO.
The reaction was performed via the two layers 7 and 8 to form TiSi layers (not shown). Subsequently, an unreacted portion of the first Ti layer 9 was selectively etched away using, for example, a mixed solution of ammonia and hydrogen peroxide solution. Further, lamp annealing is performed again at about 900 ° C. to further react the TiSi layer with the silicon substrate 1 and the gate electrode 4, thereby forming TiSi 2 layers 7a and 8a as shown in FIG. did. Here, the reason why the lamp annealing for silicidation is performed in two stages as described above is as follows.
This is because the TiSi 2 layers 7a and 8a are formed with good selectivity on the element forming region and the gate electrode. 900 from the beginning
When the silicidation is performed at about 0 ° C., TiSi 2 layers 7 a and 8 a are formed to extend over field oxide film 2 and sidewall 6, and a leakage current between gate electrode 4 and source / drain region 5 is formed. Is likely to increase. Next, as shown in FIG. 4, an interlayer insulating film 10 is formed by depositing silicon oxide or the like on the entire surface of the substrate by, for example, CVD, and then the interlayer insulating film 10 is patterned to form a source / drain region. 5 on TiSi 2 layer 7a
The contact hole 11 was opened. Further, for example, by performing sputtering under the same conditions as when forming the first Ti layer 9, the second Ti layer 1
2 was formed to a thickness of about 500 °. As a result, at least the bottom surface and the side wall of the contact hole 11 are covered with the second Ti layer 12, and the Al-1% Si layer 13 (see FIG. 5) formed later and the contact portion are not covered. The wettability and the reactivity are improved, and the thermal stress with the TiSi 2 layer 7a is also reduced. Next, Al is formed by two-stage sputtering.
A -1% Si layer 13 was formed. Sputtering atmosphere: Ar flow rate 100 SCCM, gas pressure 0.47 Pa
(3.5 mTorr), and as the first step, the DC sputtering power was 22.degree. Without heating the substrate and applying a bias.
Sputtering at 7 kW, Al-1% Si layer 1
3 was formed to a thickness of about 1000 °. Subsequently, as a second step, the substrate is heated to about 450 ° C. by bringing the back surface of the substrate into contact with a high-temperature Ar gas, and high-temperature bias sputtering is performed while applying an RF bias power of 300 V, and Al-1% An Si layer 13 was further formed to a thickness of 3000 °. Thereby, as shown in FIG.
Finally, an Al-1% Si layer 13 having a thickness of 4000 ° was formed on the entire surface of the substrate, and the contact holes 11 were uniformly buried without generating voids. The formation of the Al-1% Si layer 13 does not necessarily have to go through the two-step process described above.
However, if the substrate is heated to a high temperature from the beginning of the film formation, the Al-1% Si layer 13 grows in an island shape depending on the conditions.
In order to prevent this, it is desirable to divide the film formation process into two stages and to make the first stage a low-temperature process. Thereby, the film quality of the Al-1% Si layer 13 can be further improved. Further, as shown in FIG.
The Si layer 13 and the second Ti layer 12 were patterned by dry etching using a chlorine-based gas or the like to form an Al-based electrode 13a having a Ti layer pattern 12a as a base. In the MOS transistor manufactured in this embodiment, the sheet resistance of the source / drain region 5 and the gate electrode 4 is reduced by the TiSi 2 layers 7a and 8a, and the silicide layer is formed by the conventional SALICIDE method. Junction leakage current was significantly reduced even after high-temperature annealing as compared with MOS transistors. This is because in the MOS transistor of this embodiment, TiS
i 2-layer 7a, are associated with the 8a quality of is excellent. FIG. 8 shows a voltage of -5.5 V applied to the gate electrode of a MOS transistor held at a predetermined annealing temperature for 30 minutes.
7 is a graph showing measurement results of junction leak current when a voltage of? The vertical axis represents the junction leak current (A), the horizontal axis represents the annealing temperature (° C.), the open circle (丸) plots the data of the conventional MOS transistor, and the black square (■) plots the data of the MOS transistor of this embodiment. Shown respectively.
In a conventional MOS transistor, T
Aggregation of iSi 2 crystals occurs, increasing sheet resistance.
When the substrate was heated to about 400 ° C., the resistance to Al spikes deteriorated, and the junction leak current increased sharply.
However, in the MOS transistor manufactured in this embodiment, since the TiSi 2 layers 7a and 8a have a large crystal grain size and a dense grain boundary, the diffusion of Ti and Si even after being heated to 500 ° C. , The sheet resistance was kept low, the junction leakage current hardly changed, and high resistance to Al spikes was maintained. This means that A
In the step of forming the 1-1% Si layer 13, a high temperature bias
This shows that the characteristics of the MOS transistor of this embodiment do not deteriorate even after sputtering. The present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, as the silicon compound layer, in addition to the above-mentioned SiO 2 layer, a silicon nitride layer (Si 3 N 4 )
Etc. can be used. As is apparent from the above description, when the present invention is applied, low resistance and high barrier properties are guaranteed by the TiSi 2 layer, and excellent step coverage by the second Ti layer. Therefore, it is possible to bury the connection hole with high reliability by using the Al-based material. Therefore, the present invention is extremely suitable for manufacturing a semiconductor device that requires high integration and high performance based on a fine design rule.

【図面の簡単な説明】 【図1】本発明をLDD構造を有するMOSトランジス
タの製造に適用した一例を示す概略断面図であり、素子
形成領域上及びゲート電極上にSiO2 層が形成された
状態を示す。 【図2】図1に示される基体の全面に第1のTi層が形
成された状態を示す概略断面図である。 【図3】シリサイド化反応によりソース・ドレイン領域
上とゲート電極上に選択的にTiSi2層が形成された
状態を示す概略断面図である。 【図4】層間絶縁膜のパターニングによりTiSi2
に臨むコンタクト・ホールが開口され、基体の全面に第
2のTi層が被着された状態を示す概略断面図である。 【図5】図4に示される基体の全面にAl−1%Si層
が形成された状態を示す概略断面図である。 【図6】パターニングによりAl系電極が形成された状
態を示す概略断面図である。 【図7】従来のバリヤメタル構造を有するコンタクト部
において、コンタクト・ホール内にAl系材料が均一に
埋め込まれずに鬆が発生した状態を示す概略断面図であ
る。 【図8】本発明を適用して製造されたMOSトランジス
タと従来のMOSトランジスタについて接合リーク電流
のアニール温度依存性を比較して示す特性図である。 【符号の説明】 1 シリコン基板、 4 ゲート電極、 5 ソース/
ドレイン領域、 7,8 SiO2層、 7a,8a
TiSi2層、 9 第1のTi層、 10層間絶縁
膜、 11 コンタクト・ホール、 12 第2のTi
層、 13 Al−1%Si層、 13a Al系電極
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example in which the present invention is applied to the manufacture of a MOS transistor having an LDD structure, in which an SiO 2 layer is formed on an element formation region and a gate electrode. Indicates the status. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a state where a first Ti layer is formed on the entire surface of the base shown in FIG. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a state where a TiSi 2 layer is selectively formed on a source / drain region and a gate electrode by a silicidation reaction. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a state in which a contact hole facing a TiSi 2 layer is opened by patterning an interlayer insulating film, and a second Ti layer is applied to the entire surface of a substrate. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a state in which an Al-1% Si layer is formed on the entire surface of the substrate shown in FIG. FIG. 6 is a schematic sectional view showing a state where an Al-based electrode is formed by patterning. FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a state in which a contact portion having a conventional barrier metal structure is not uniformly filled with an Al-based material in a contact hole and a hole is generated. FIG. 8 is a characteristic diagram showing a comparison between annealing temperature dependence of junction leak current of a MOS transistor manufactured by applying the present invention and a conventional MOS transistor. [Description of Signs] 1 silicon substrate, 4 gate electrode, 5 source /
Drain region, 7,8 SiO 2 layer, 7a, 8a
TiSi 2 layer, 9 first Ti layer, 10 interlayer insulating film, 11 contact hole, 12 second Ti
Layer, 13Al-1% Si layer, 13a Al-based electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01L 29/46 (56)参考文献 特開 平2−260630(JP,A) 特開 平1−125927(JP,A)──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI H01L 29/46 (56) References JP-A-2-260630 (JP, A) JP-A-1-125927 (JP, A)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 シリコン系基板上の素子形成領域の表面
に存在する自然酸化膜を除去し、 次いで、上記 シリコン基板上にSiO 2 層又はSi 3 4
層と第1のチタン材料層とが順次形成されてなる基体に
対して不活性ガス雰囲気中で熱処理を行うことによりチ
タン・シリサイド系材料層を形成し、さらに、 前記基体上に層間絶縁膜を形成し前記チタン・
シリサイド系材料層に臨んで接続孔を開口し、 その後、少なくとも前記接続孔の底面及び側壁部を第2
のチタン材料層で被覆し、 さらにその後、少なくとも前記接続孔を充填するごとく
アルミニウム系材料層を形成してなる配線形成方法。
(57) [Claims] [Claim 1] The surface of an element formation region on a silicon-based substrate
Is removed, and then a SiO 2 layer or Si 3 N 4 is formed on the silicon substrate.
A titanium / silicide-based material layer is formed by performing a heat treatment in an inert gas atmosphere on a substrate in which a layer and a first titanium material layer are sequentially formed, and further forming an interlayer insulating film on the substrate. Forming the titanium
A connection hole is opened facing the silicide-based material layer.
And further forming an aluminum-based material layer so as to fill at least the connection hole.
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