JP3868043B2

JP3868043B2 - Tungsten nitride film manufacturing method and metal wiring manufacturing method using the same

Info

Publication number: JP3868043B2
Application number: JP32914896A
Authority: JP
Inventors: 炳律朴; 定 ▲びん▼ 河; 大弘高; 相忍李
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1996-11-25
Filing date: 1996-11-25
Publication date: 2007-01-17
Anticipated expiration: 2016-11-25
Also published as: JPH10163128A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造方法に係り、特に基板又は下部配線膜等を侵蝕せずにコンタクトホール内又は下部金属配線層上のみに選択的に形成され、高温でも安定したタングステン窒化膜を形成する方法及びこれを用いた金属配線製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路の集積度が増加するに伴い、金属配線の幅は段々狭まり、コンタクトホールではアスペクト比(aspect ratio)が増加しつつある。しかしながら、現在金属配線の材料として用いられるアルミニウム合金のような金属膜はスパッタリング等により形成されるので、コンタクトホール内における段差塗布性が不良であったり、ボイドのような欠陥が発生するようになる。その結果、金属配線間の断線等が来されて集積回路の信頼性が低下される。従って、化学気相蒸着方法により蒸着できるタングステンを用いて金属配線を形成する選択的タングステン化学気相蒸着方法(selective chemical vapor deposition-W：以下、SCVD-Wという)が注目を浴びている。
【０００３】
図１及び図２は化学気相蒸着方法にてタングステン膜を形成する方法を示している。
【０００４】
図１Ａを参照すると、シリコン基板上１０にイオンを注入してソース／ドレイン領域になる不純物領域１２を形成する。次いで、不純物領域１２の形成された基板１０の全面に、絶縁膜１３としてシリコン酸化膜を５００〜２０００Åの厚さで形成する。次に、図１Ｂのように前記絶縁膜１３とシリコン基板１０を所定の深さで蝕刻して金属配線の形成されるトレンチ１９を形成する。
【０００５】
次いで、前記絶縁膜１３の上部及びトレンチ１９の内部にチタン(Ti)膜を２００〜１５００Åの厚さで蒸着した後、熱処理を行う。熱処理によりシリコン基板１０とチタン膜とが反応して、基板との接触面のみにオーミック(ohmic) 層として作用するチタンシリサイド(TiSi_x)14 が形成される。次に、反応しないチタンの残留物を湿式蝕刻工程を用い取り除いて図１Ｃのような結果物を得る。
【０００６】
次に、図２Ｄのように拡散防止膜１５としてチタン窒化膜(TiN) を１５０〜９００Åの厚さで蒸着した後、その上にタングステン膜１６を１０００Å以上の厚さで蒸着する。
【０００７】
その後、化学機械ポリシング(chemical mechanical polishing：以下、ＣＭＰという) 等の方法にてエッチバックして、図２Ｅのようにトレンチ１９内のみにタングステン膜１６を残して金属配線を完成させる。
【０００８】
ところが、前述したように、選択的タングステン化学気相蒸着工程を用いて金属配線を形成する場合には、拡散防止膜のチタン窒化膜と金属配線膜のタングステン膜の物理的な特性(例えば、引っ張り力)が異なるために、両膜の界面におけるストレスが大きくなる。従って、タングステン膜がリフティングされる問題点が発生し、特に物理的な力を与えるＣＭＰ工程の適用時にチタン窒化膜／タングステン膜が絶縁膜からリフティングされ得る。
【０００９】
一方、前記不純物領域をP⁺不純物のホウ素(B) にて形成する場合、後続熱処理工程時不純物がチタンと反応してTiB₂を形成する。従って、オーミックコンタクト特性を低下させ、コンタクト抵抗を高める問題が発生する。
【００１０】
前記のような問題点を解決するために、図３Ａのようにシリコン基板２０上に形成された不純物領域２２上にオーミック層としてタングステン膜２４、拡散防止膜としてタングステン窒化膜２５を形成した後、金属配線膜としてタングステン膜２６を形成する方法が提案された。
【００１１】
前記方法に応じて、蒸着温度６００℃、圧力０.１Torr 下でタングステンフッ化物(WF₆) を６sccmに、水素(H₂)を２００sccmのフロー率でフローさせて２００〜１５００Åの厚さでオーミック層のタングステン膜２４を形成した後、１５０〜９００Åの厚さで拡散防止膜のタングステン窒化膜２５を蒸着してから、その上にタングステン膜２６を１０００Å以上の厚さで蒸着する。次に、結果物をエッチバックして金属配線を完成する。金属配線の断面を走査電子顕微鏡にて撮影した写真が図３Ｂに示されている。
【００１２】
ところが、オーミック層としてタングステン膜を形成する場合には、シリコンとの接着特性に優れる反面、タングステンシリサイドを形成するためのタングステンとシリコンとの還元反応により、図３Ｂに示されたようにシリコン基板が侵蝕されて電気的な特性が劣化される更に他の問題点が発生する。侵蝕の問題は接合の深さ(junction depth)が０.１μm以下に浅くなる超高集積(ULSI)時代には尚更深刻な問題を引き起こす。かつ、タングステンとシリコンが５５０℃以上で反応するために、後続工程が前記温度より高い温度で行われる場合には、前記金属配線製造方法を半導体製造工程に適用することが困難である。
【００１３】
【発明が解決しょうとする課題】
本発明の目的は前述した従来の問題点を解決するための半導体装置の製造方法を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明の半導体装置は、導電層の形成されている半導体基板上に絶縁膜を形成する段階と、前記絶縁膜を蝕刻して前記導電層を露出させるコンタクトホールを形成する段階と、前記露出される導電層上にチタンシリサイド膜を形成することによりオーミック層を形成する段階と、窒素系ガス、タングステンソースガス、還元剤ガスの混合ガスを注入して前記コンタクトホールの内部のみに選択的にタングステン窒化膜を蒸着する段階とを具備することを特徴とする。
【００１５】
かつ、前記目的を達成するために本発明による半導体装置の金属配線は、導電層の形成された半導体基板上に絶縁膜を形成する段階と、前記絶縁膜を蝕刻して前記導電層を露出させるコンタクトホールを形成する段階と、前記コンタクトホールにより露出された導電層上にタングステン窒化膜を蒸着する段階と、前記タングステン窒化膜の形成された結果物を熱処理してタングステン窒化膜内のタングステンがシリコン基板と反応して薄いタングステンシリサイド膜からなるオーミック層を形成させる段階と、イン−シーツ（ｉｎｓｉｔｕ）方法にて窒素系ガス、タングステンソースガス及び、還元剤ガスの混合ガスを注入して、前記オーミック層上にタングステン窒化膜を連続的に蒸着して拡散防止膜を形成する段階と、前記拡散防止膜上に金属膜を蒸着する段階とを具備することを特徴とする。
【００１６】
本発明において、前記タングステンソースガスはWF₆ 又はWCl₆を、前記窒素系ガスはN₂,NH₃又はメチル-ハイドライジンを、前記還元剤ガスはH₂,SiH₄,SiH₂Cl₂又はPH₃を用いることが望ましい。
【００１７】
かつ、前記窒素系ガス：タングステンソースガスのフロー率の比は０.５乃至１００であることが望ましく、２乃至７は更に望ましい。そして、前記還元剤ガス：タングステンソースガスのフロー率の比は０乃至５００であることが望ましく、２０乃至５０は更に望ましい。
【００１９】
本発明によると、シリコン基板又は下部金属配線を露出させるコンタクトホール内部のみに選択的にタングステン窒化膜を形成することができるので、信頼度の高い金属配線を形成することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を添付した図面に基づき更に詳細に説明する。
【００２１】
タングステン窒化膜の成長装置
図４は本発明によるタングステン窒化膜を蒸着するための化学気相蒸着(CVD) 反応室の断面図である。
【００２２】
図４を参照すると、ウェーハをローディングするためのサセプタ(susceptor) ３０が反応室４０の下部に設けられている。上部にはウェーハ３２の温度を反応に適した温度に上昇させる役割を果たすＩＲランプ３９が設けられている。タングステンソースガスと窒素系ガスは第１ガス注入口３４を通して注入され、サセプタ３０上にローディングされるウェーハ３２に水平にフローされる。還元剤ガスは第２ガス注入口３６を通して注入された後、メッシュノズル３８を通してウェーハ３２に垂直にフローされて、第１ガス注入口３４から注入されるガスと反応してウェーハ３２上にタングステン窒化膜を形成する。そして、第１及び第２ガス注入口３４,３６と反対側に形成されている排出口４２を通して反応の完了したガスが外部に排出される。
【００２３】
タングステン窒化膜の製造
前記反応室４０内の真空度を１０^-6Torr以下に設定して、反応室内で発生され得る汚染源を最少化する。次に、前記サセプタ３０上に不純物領域の形成されたシリコン基板又はアルミニウム(Al)、タングステン(W) 、モリブデン(Mo)、コバルト(Co)、チタン(Ti)、銅(Cu)、白金(Pt)等のような純粋金属、それらのシリサイド化合物及びそれらの合金からなる群から選択された何れか一つから構成された下部金属配線膜の形成されたシリコン基板をローディングする。反応室４０内の温度をＩＲランプ３９により２００〜７００℃まで上昇させた後、第１及び第２ガス注入口３４,３６を通して反応ガスを注入する。前記反応ガスは０.０１〜１Torrの圧力で注入することが望ましい。この際、第１ガス注入口３４に注入されるタングステンソースガスとしてはWF₆ 又はWCl₆を、前記窒素系ガスとしてはN₂,NH₃ 又はメチル-ハイドライジンを用いることが望ましい。かつ、第２ガス注入口３６に注入される還元剤ガスとしてはH₂,SiH₄,SiH₂Cl₂又はPH₃のうち選択された何れか一つのガスを用いることが望ましい。窒素系ガス：タングステンソースガスのフロー率の比は０.５乃至１００であることが望ましく、２乃至７は更に望ましい。そして、還元剤ガス：タングステンソースガスのフロー率の比は０乃至５００であることが望ましく、２０乃至５０は更に望ましい。
【００２４】
図５及び図６にはNH₃ガスとタングステンソースガスとのフロー比に応じて変化するタングステン窒化膜の成長を示す走査電子顕微鏡(SEM) の断面写真が示されている。
【００２５】
コンタクトホールの形成されたシリコン基板を化学気相蒸着装置の反応室（図４の４０参照）にローディングした後、蒸着温度６００℃、圧力０.１Torr、WF₆フロー率６sccm、N₂フロー率２００sccmに工程条件を工程させて、NH₃フロー率を０,１０,２０,４０sccm にそれぞれ異なるようにしてタングステン窒化膜を形成した後、その結果を測定したＳＥＭ写真を図５Ａ乃至図６Ｄにそれぞれ示した。
【００２６】
コンタクトホール内に純粋タングステン膜だけが形成された図５Ａの写真を見ると、従来技術の問題点で説明したように、基板の侵蝕現象が大変深刻なことが分かる。その反面、NH₃フロー率を１０sccmにした場合には、図５Ｂのように侵蝕現象が抑制されたものの、薄膜はほとんど成長せず、コンタクトホールの底部の表面だけに核が形成された。NH₃フロー率を２０sccmにした場合には、図６Ｃのようにタングステン窒化膜がコンタクトホール内の基板部分と側壁だけで選択的に成長され、コンタクトホール以外のシリコン酸化膜上では成長しなかった。ところが、図６ＤのようにNH₃フロー率を４０sccmに増加した場合には、タングステン窒化膜の選択的成長特性が無くなり、基板の全面に成長する現象を示した。
【００２７】
従って、窒素系ガス：タングステンソースガスのフロー率の比を調節することにより、タングステン窒化膜をコンタクトホール内でのみ選択的に成長させ得ることが分かった。このような事実は図６Ｃに形成されたタングステン窒化膜のＸ線回折分析結果を示す図７を参照すると更に明確になる。図７を見ると、結晶方向の相異なるβ-W₂N位相のピークが三つ確認される。これは、シリコン基板上に選択的にタングステン窒化膜が形成されたことを示すものである。
【００２８】
金属配線製造方法
前述したタングステン窒化膜の製造方法を用いて半導体装置の金属配線を形成する方法を図８乃至図１１を参考して説明する。
【００２９】
第１実施例
図８Ａを参照すると、不純物領域１０２の形成されたシリコン基板１００上に絶縁膜１０３、例えばシリコン酸化膜を５００〜２０００Åの厚さで形成する。この際、前記シリコン酸化膜の代りにシリコン窒化膜又はシリコン酸化膜、シリコン窒化膜に不純物を添加した膜を絶縁膜１０３として用いることもできる。次いで、写真蝕刻工程にて前記絶縁膜１０３を乾式蝕刻して不純物領域１０２を露出させるコンタクトホール１１０を形成する。
【００３０】
図８Ｂを参照すると、前記絶縁膜１０３の上部及びコンタクトホール１１０の内部にti膜を２００〜１５００Åの厚さで蒸着する。次に、熱処理を行い前記コンタクトホール１１０により露出されたシリコン基板１００と反応させて、その接触面のみにTiSi_x膜１０４を形成する。反応しないTiの残留物は湿式蝕刻工程を用いて取り除く。前記TiSi_x膜１０４はオーミック層として作用する。
【００３１】
図８Ｃを参照すると、シリコン基板１００の温度を２００〜７００℃まで上昇させ、窒素系ガス、タングステンソースガス及び還元剤ガスをフローさせて、コンタクトホール１１０により露出された基板１００と絶縁膜１０３の側壁のみにタングステン窒化膜１０５を選択的に蒸着させる。ここで、窒素系ガス：タングステンソースガスのフロー率の比は０.５〜１００にし、還元剤ガス：タングステンソースガスのフロー率の比は０〜５００にする。
【００３２】
図８Ｄを参照すると、タングステン窒化膜１０５を形成した後、イン−シーツ方法にて前記コンタクトホール１１０の内部のみに金属薄膜１０８を蒸着させて金属配線を形成する。この際、前記金属膜はAl,W,Mo,Co,Ti,Cu,Pt 等の純粋金属、それらのシリサイド化合物及びそれらの合金からなる群から選択された何れか一つを用いて形成することが望ましい。
【００３３】
第２実施例
第２実施例が第１実施例と異なる点は、絶縁膜を蝕刻して形成したコンタクトホール（図８Ａの１１０参照）内に金属配線を形成せず、図９Ａに示されたように絶縁膜１０３及び基板１００を蝕刻してトレンチ１０９を形成した後、金属配線膜を形成することである。トレンチ１０９の形成後、図９Ｂのようにオーミック層としてTiSi_x膜１０４、拡散防止膜としてタングステン窒化膜１０５を順番に形成した後、金属膜としてタングステン膜１０８を形成して金属配線を完成する工程は第１実施例と同一である。トレンチ１０９を形成する理由はコンタクトホールのアスペクト比が増加する問題を解決するためである。
【００３４】
第３実施例
第３実施例が第１及び第２実施例と著しく相異なる点は、オーミック層としてチタンシリサイド膜の代りにＣＶＤ方法にてタングステン又はタングステンシリサイド等のタングステン化合物を蒸着してコンタクト抵抗を下げ、拡散防止膜のタングステン窒化膜をイン−シーツ方法にてＣＶＤ方法により蒸着するという点である。
【００３５】
図１０Ａを参照すると、通常の素子分離工程によりシリコン基板１００上に活性領域を分離させるための素子分離領域１０１を形成した後、イオン注入工程により不純物領域、例えばN⁺又はP⁺接合１０２を前記活性領域に形成する。次いで、結果物上に絶縁膜１０３、例えばＢＰＳＧを塗布して段差部分を平坦化させる。
【００３６】
図１０Ｂを参照すると、写真蝕刻工程により前記絶縁膜１０３を蝕刻してシリコン基板１００の不純物領域１０２を露出させるコンタクトホール１１０を形成する。
【００３７】
図１０Ｃを参照すると、前記コンタクトホール１１０の形成された結果物上にＣＶＤ方法によりタングステン系統のオーミック層１２４を形成する。この際、前記オーミック層１２４は下記の四つの方法により形成され得る。
【００３８】
▲１▼シリコンの侵蝕が発生しない程度の短時間にタングステンソースガスをフローさせてタングステンオーミック層１２４を蒸着する。
【００３９】
▲２▼蒸着の初期には窒素系ガス：タングステンソースガスのフロー率の比を２以下に下げて、コンタクトホールの底部のみに浅くも豊富なタングステンを有するオーミック層１２４を形成してシリコン侵蝕を防止する。次に、窒素系ガスのフロー量を増加させて窒素系ガス：タングステンソースガスの割合を２〜１００、更に望ましくは２〜７に調整して、コンタクトホール１１０内にタングステン窒化膜１２５を形成する。このようにすると、シリコンの侵蝕の発生も防止でき、タングステン窒化膜もコンタクトホール内のみで選択的に形成され得る。
【００４０】
▲３▼タングステンソースガスにSiH₄ 又はSiH₂Cl₂ガスを混合して５００℃以上で蒸着してタングステンシリサイドを形成することによりオーミック層１２４を形成する。
【００４１】
▲４▼タングステン窒化膜の障壁金属をシリコン基板上に直接蒸着した後、タングステン窒化膜のタングステン元素がその下部のシリコンと反応してタングステンシリサイドを形成し得るように、アニールしてオーミック層１２４を形成する。
【００４２】
図１１Ｄを参照すると、前記オーミック層１２４を蒸着した同一チャンバ内で、第１実施例と同一な方法を用いて拡散防止膜１２５、即ちタングステン窒化膜を５００Å以上の厚さになるように蒸着する。
【００４３】
図１１Ｅを参照すると、前記拡散防止膜１２５の形成された結果物上に金属配線膜１２８を蒸着する。前記金属配線膜１２８はアルミニウムや銅のような配線用金属を蒸着して金属配線を形成することが望ましい。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によると、絶縁膜上には蒸着させず、コンタクトホールの側壁及びコンタクトホールにより露出されたシリコン基板又は下部金属配線層のみにタングステン窒化膜を選択的に形成することができる。従って、拡散防止膜としてタングステン窒化膜を形成した後、金属配線膜としてタングステン膜を形成すると、両膜間の物理的な特性が類似であるために、従来の金属配線膜から発生したリフティング問題が解決される。そして、本発明の第３実施例に応じてオーミック層を形成すると、基板侵蝕の問題も解決され、後続の高温工程でも安定した半導体素子を形成することができる。かつ、チタン膜を用いてオーミック層を形成する時に発生したコンタクト抵抗増加の問題も解決される。
【００４５】
本発明は前記実施例に限られず、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能であることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】チタン/チタン窒化膜/タングステン膜からなる従来の金属配線製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図２】図１に続く工程別断面図である。
【図３】同図Ａはタングステン/タングステン窒化膜/タングステン膜からなる従来の金属配線製造方法を説明するための断面図であり、同図Ｂは同図Ａに示された金属配線の走査電子顕微鏡断面写真である。
【図４】本発明によるタングステン窒化膜を蒸着するための反応室の断面図である。
【図５】 NH₃ フロー率に応じて選択的に成長するタングステン窒化膜の断面を示す走査電子顕微鏡写真である。
【図６】図５と同様の走査電子顕微鏡写真である。
【図７】本発明により形成されたタングステン窒化膜のＸ線回折結果を示したグラフである。
【図８】本発明の第１実施例による半導体装置の金属配線製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図９】本発明の第２実施例による半導体装置の金属配線製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図１０】本発明の第３実施例による半導体装置の金属配線製造方法を説明するための工程別断面図である。
【図１１】図１０に続く工程別断面図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device, and in particular, forms a tungsten nitride film that is selectively formed only in a contact hole or on a lower metal wiring layer without corroding a substrate or a lower wiring film, and is stable even at a high temperature. The present invention relates to a method and a metal wiring manufacturing method using the method.
[0002]
[Prior art]
As the degree of integration of semiconductor integrated circuits increases, the width of metal wiring is gradually reduced, and the aspect ratio is increasing in contact holes. However, since a metal film such as an aluminum alloy currently used as a material for metal wiring is formed by sputtering or the like, the step coating property in the contact hole is poor or a defect such as a void occurs. . As a result, disconnection or the like between the metal wirings is caused and the reliability of the integrated circuit is lowered. Accordingly, a selective tungsten chemical vapor deposition method (hereinafter referred to as SCVD-W) in which metal wiring is formed using tungsten that can be deposited by a chemical vapor deposition method has attracted attention.
[0003]
1 and 2 show a method of forming a tungsten film by a chemical vapor deposition method.
[0004]
Referring to FIG. 1A, ions are implanted into a silicon substrate 10 to form impurity regions 12 that become source / drain regions. Next, a silicon oxide film having a thickness of 500 to 2000 mm is formed as the insulating film 13 on the entire surface of the substrate 10 on which the impurity regions 12 are formed. Next, as shown in FIG. 1B, the insulating film 13 and the silicon substrate 10 are etched at a predetermined depth to form a trench 19 in which metal wiring is formed.
[0005]
Next, a titanium (Ti) film is deposited on the insulating film 13 and inside the trench 19 to a thickness of 200 to 1500 mm, and then heat treatment is performed. By the heat treatment, the silicon substrate 10 and the titanium film react to form titanium silicide (TiSi _x ) 14 acting as an ohmic layer only on the contact surface with the substrate. Next, the unreacted titanium residue is removed using a wet etching process to obtain a result as shown in FIG. 1C.
[0006]
Next, as shown in FIG. 2D, after a titanium nitride film (TiN) is deposited as a diffusion preventing film 15 to a thickness of 150 to 900 mm, a tungsten film 16 is deposited thereon to a thickness of 1000 mm or more.
[0007]
Thereafter, etching back is performed by a method such as chemical mechanical polishing (hereinafter referred to as CMP) to complete the metal wiring by leaving the tungsten film 16 only in the trench 19 as shown in FIG. 2E.
[0008]
However, as described above, when the metal wiring is formed using the selective tungsten chemical vapor deposition process, the physical characteristics of the titanium nitride film of the diffusion prevention film and the tungsten film of the metal wiring film (for example, tensile Stress) at the interface between the two films increases. Therefore, there is a problem that the tungsten film is lifted, and the titanium nitride film / tungsten film can be lifted from the insulating film particularly when a CMP process that applies physical force is applied.
[0009]
On the other hand, when the impurity region is formed of P ⁺ impurity boron (B), the impurity reacts with titanium in the subsequent heat treatment step to form TiB ₂ . Accordingly, there arises a problem that the ohmic contact characteristics are deteriorated and the contact resistance is increased.
[0010]
In order to solve the above problems, after forming a tungsten film 24 as an ohmic layer and a tungsten nitride film 25 as a diffusion prevention film on the impurity region 22 formed on the silicon substrate 20 as shown in FIG. 3A, A method of forming a tungsten film 26 as a metal wiring film has been proposed.
[0011]
In accordance with the above method, tungsten fluoride (WF ₆ ) was flowed to ₆ sccm and hydrogen (H ₂ ) at a flow rate of 200 sccm at a deposition temperature of 600 ° C. and a pressure of 0.1 Torr, and ohmic with a thickness of 200 to 1500 mm. After forming the tungsten film 24 as a layer, a tungsten nitride film 25 as a diffusion prevention film is deposited to a thickness of 150 to 900 mm, and then a tungsten film 26 is deposited thereon to a thickness of 1000 mm or more. Next, the resultant product is etched back to complete the metal wiring. A photograph of a cross section of the metal wiring taken with a scanning electron microscope is shown in FIG. 3B.
[0012]
However, when a tungsten film is formed as an ohmic layer, the silicon substrate is excellent in adhesion characteristics with silicon, but the silicon substrate is formed as shown in FIG. 3B by the reduction reaction between tungsten and silicon for forming tungsten silicide. Yet another problem occurs in which the electrical characteristics are deteriorated by being eroded. The problem of erosion causes even more serious problems in the ultra-high integration (ULSI) era when the junction depth is shallower than 0.1 μm. In addition, since tungsten and silicon react at 550 ° C. or higher, it is difficult to apply the metal wiring manufacturing method to a semiconductor manufacturing process when the subsequent process is performed at a temperature higher than the temperature.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing method for solving the above-described conventional problems.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming an insulating film on a semiconductor substrate on which a conductive layer is formed, and a contact hole that exposes the conductive layer by etching the insulating film. Forming an ohmic layer by forming a titanium silicide film on the exposed conductive layer, and injecting a mixed gas of a nitrogen-based gas, a tungsten source gas, and a reducing agent gas to form the contact hole. And depositing a tungsten nitride film selectively only inside.
[0015]
In order to achieve the above object, the metal wiring of the semiconductor device according to the present invention includes a step of forming an insulating film on a semiconductor substrate on which a conductive layer is formed, and etching the insulating film to expose the conductive layer. Forming a contact hole; depositing a tungsten nitride film on the conductive layer exposed by the contact hole; and heat-treating the resultant tungsten nitride film to form tungsten in the silicon nitride film. A step of forming an ohmic layer comprising a thin tungsten silicide film by reacting with a substrate, and injecting a mixed gas of a nitrogen-based gas, a tungsten source gas, and a reducing agent gas by an in-situ method; Forming a diffusion barrier film by continuously depositing a tungsten nitride film on the ohmic layer; and And evaporating a metal film.
[0016]
In the present invention, the tungsten source gas is WF ₆ or WCl ₆ , the nitrogen-based gas is N ₂ , NH ₃ or methyl-hydridine, and the reducing agent gas is H ₂ , SiH ₄ , SiH ₂ Cl ₂ or PH. It is desirable to use ₃ .
[0017]
The flow rate ratio of the nitrogen-based gas: tungsten source gas is preferably 0.5 to 100, more preferably 2 to 7. The flow rate ratio of the reducing agent gas: tungsten source gas is preferably 0 to 500, more preferably 20 to 50.
[0019]
According to the present invention, since the tungsten nitride film can be selectively formed only inside the contact hole exposing the silicon substrate or the lower metal wiring, a highly reliable metal wiring can be formed.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
[0021]
Growth apparatus <br/> Figure 4 of the tungsten nitride film is a cross-sectional view of a chemical vapor deposition (CVD) reaction chamber for depositing a tungsten nitride film according to the present invention.
[0022]
Referring to FIG. 4, a susceptor 30 for loading a wafer is provided at a lower portion of the reaction chamber 40. An IR lamp 39 that serves to raise the temperature of the wafer 32 to a temperature suitable for the reaction is provided at the top. Tungsten source gas and nitrogen-based gas are injected through the first gas inlet 34 and flow horizontally to the wafer 32 loaded on the susceptor 30. After the reducing agent gas is injected through the second gas injection port 36, it flows perpendicularly to the wafer 32 through the mesh nozzle 38, reacts with the gas injected from the first gas injection port 34, and is tungsten nitrided on the wafer 32. A film is formed. The reaction-completed gas is discharged to the outside through the discharge port 42 formed on the side opposite to the first and second gas injection ports 34 and 36.
[0023]
Production of tungsten nitride film The degree of vacuum in the reaction chamber 40 is set to 10 < ^-6 > Torr or less to minimize contamination sources that can be generated in the reaction chamber. Next, a silicon substrate having an impurity region formed on the susceptor 30 or aluminum (Al), tungsten (W), molybdenum (Mo), cobalt (Co), titanium (Ti), copper (Cu), platinum (Pt ) Etc. are loaded with a silicon substrate on which a lower metal wiring film composed of any one selected from the group consisting of pure metals, their silicide compounds and their alloys is formed. After the temperature in the reaction chamber 40 is raised to 200 to 700 ° C. by the IR lamp 39, the reaction gas is injected through the first and second gas injection ports 34 and 36. The reaction gas is preferably injected at a pressure of 0.01 to 1 Torr. At this time, it is desirable to use WF ₆ or WCl ₆ as the tungsten source gas injected into the first gas inlet 34 and N ₂ , NH ₃ or methyl-hydridine as the nitrogen-based gas. In addition, it is desirable to use any one gas selected from H ₂ , SiH ₄ , SiH ₂ Cl _{2, and} PH ₃ as the reducing agent gas injected into the second gas inlet 36. The flow rate ratio of nitrogen-based gas: tungsten source gas is preferably 0.5 to 100, and more preferably 2 to 7. The flow rate ratio of the reducing agent gas: tungsten source gas is preferably 0 to 500, and more preferably 20 to 50.
[0024]
FIGS. 5 and 6 show cross-sectional photographs of a scanning electron microscope (SEM) showing the growth of a tungsten nitride film that changes depending on the flow ratio of NH ₃ gas and tungsten source gas.
[0025]
After loading the silicon substrate with contact holes into the reaction chamber of the chemical vapor deposition apparatus (see 40 in FIG. 4), the deposition temperature is 600 ° C., the pressure is 0.1 Torr, the WF ₆ flow rate is ₆ sccm, and the N ₂ flow rate is 200 sccm. 5A to 6D show SEM photographs in which the tungsten nitride film was formed with different NH ₃ flow rates of 0, 10, 20, and 40 sccm, and the results were measured. It was.
[0026]
When the photograph of FIG. 5A in which only the pure tungsten film is formed in the contact hole is seen, the substrate erosion phenomenon is very serious as described in the problem of the prior art. On the other hand, when the NH ₃ flow rate was 10 sccm, the erosion phenomenon was suppressed as shown in FIG. 5B, but the thin film hardly grew and nuclei were formed only on the bottom surface of the contact hole. When the NH ₃ flow rate was 20 sccm, the tungsten nitride film was selectively grown only on the substrate portion and the side wall in the contact hole as shown in FIG. 6C, and did not grow on the silicon oxide film other than the contact hole. . However, when the NH ₃ flow rate was increased to 40 sccm as shown in FIG. 6D, the selective growth characteristic of the tungsten nitride film disappeared and the phenomenon of growing on the entire surface of the substrate was shown.
[0027]
Therefore, it was found that the tungsten nitride film can be selectively grown only in the contact hole by adjusting the flow rate ratio of nitrogen-based gas: tungsten source gas. Such a fact becomes clearer with reference to FIG. 7 showing the result of X-ray diffraction analysis of the tungsten nitride film formed in FIG. 6C. FIG. 7 shows three β-W ₂ N phase peaks with different crystal directions. This indicates that a tungsten nitride film is selectively formed on the silicon substrate.
[0028]
Metal wiring manufacturing method A method of forming a metal wiring of a semiconductor device using the above-described tungsten nitride film manufacturing method will be described with reference to FIGS.
[0029]
First embodiment Referring to FIG. 8A, an insulating film 103, for example, a silicon oxide film is formed to a thickness of 500 to 2000 on a silicon substrate 100 on which an impurity region 102 is formed. At this time, instead of the silicon oxide film, a silicon nitride film or a silicon oxide film, or a film obtained by adding impurities to the silicon nitride film can be used as the insulating film 103. Next, the insulating film 103 is dry etched in a photolithography process to form a contact hole 110 exposing the impurity region 102.
[0030]
Referring to FIG. 8B, a ti film is deposited to a thickness of 200 to 1500 mm on the insulating film 103 and in the contact hole 110. Next, heat treatment is performed to react with the silicon substrate 100 exposed through the contact hole 110, and a TiSi _x film 104 is formed only on the contact surface. Unreacted Ti residues are removed using a wet etch process. The TiSi _x film 104 functions as an ohmic layer.
[0031]
Referring to FIG. 8C, the temperature of the silicon substrate 100 is increased to 200 to 700 ° C., and a nitrogen-based gas, a tungsten source gas, and a reducing agent gas are flowed, and the substrate 100 and the insulating film 103 exposed by the contact hole 110 are flown. A tungsten nitride film 105 is selectively deposited only on the sidewall. Here, the ratio of the flow rate of nitrogen-based gas: tungsten source gas is set to 0.5 to 100, and the ratio of the flow rate of reducing agent gas: tungsten source gas is set to 0 to 500.
[0032]
Referring to FIG. 8D, after the tungsten nitride film 105 is formed, a metal thin film 108 is deposited only in the contact hole 110 by an in-sheet method to form a metal wiring. At this time, the metal film is formed using any one selected from the group consisting of pure metals such as Al, W, Mo, Co, Ti, Cu, and Pt, their silicide compounds, and their alloys. Is desirable.
[0033]
Second embodiment The second embodiment is different from the first embodiment in that no metal wiring is formed in a contact hole (see 110 in FIG. 8A) formed by etching an insulating film. The metal film is formed after the trench 109 is formed by etching the insulating film 103 and the substrate 100 as shown in FIG. After forming the trench 109, a TiSi _x film 104 as an ohmic layer and a tungsten nitride film 105 as a diffusion preventing film are sequentially formed as shown in FIG. Is the same as in the first embodiment. The reason for forming the trench 109 is to solve the problem that the aspect ratio of the contact hole increases.
[0034]
Third embodiment The third embodiment is significantly different from the first and second embodiments in that a tungsten compound such as tungsten or tungsten silicide is deposited by CVD instead of a titanium silicide film as an ohmic layer. Then, the contact resistance is lowered, and a tungsten nitride film as a diffusion preventing film is deposited by a CVD method by an in-sheet method.
[0035]
Referring to FIG. 10A, after forming an element isolation region 101 for isolating an active region on a silicon substrate 100 by a normal element isolation process, an impurity region, for example, an N ⁺ or P ⁺ junction 102 is formed by an ion implantation process. Form in the active region. Next, an insulating film 103, for example, BPSG is applied on the resultant product to flatten the stepped portion.
[0036]
Referring to FIG. 10B, the insulating film 103 is etched by a photolithography process to form a contact hole 110 exposing the impurity region 102 of the silicon substrate 100.
[0037]
Referring to FIG. 10C, a tungsten-based ohmic layer 124 is formed on the resultant structure having the contact hole 110 by a CVD method. At this time, the ohmic layer 124 may be formed by the following four methods.
[0038]
{Circle around (1)} A tungsten ohmic layer 124 is deposited by flowing a tungsten source gas in such a short time that silicon erosion does not occur.
[0039]
(2) At the initial stage of deposition, the flow rate ratio of nitrogen-based gas: tungsten source gas is lowered to 2 or less to form an ohmic layer 124 having a shallow but abundant tungsten only at the bottom of the contact hole to prevent silicon erosion. To prevent. Next, the flow rate of the nitrogen-based gas is increased to adjust the ratio of nitrogen-based gas: tungsten source gas to 2 to 100, more preferably 2 to 7 to form the tungsten nitride film 125 in the contact hole 110. . In this way, the occurrence of silicon erosion can be prevented, and the tungsten nitride film can be selectively formed only in the contact hole.
[0040]
(3) The ohmic layer 124 is formed by mixing tungsten source gas with SiH ₄ or SiH ₂ Cl ₂ gas and evaporating at 500 ° C. or higher to form tungsten silicide.
[0041]
(4) After the barrier metal of the tungsten nitride film is directly deposited on the silicon substrate, the ohmic layer 124 is annealed so that the tungsten element of the tungsten nitride film reacts with the underlying silicon to form tungsten silicide. Form.
[0042]
Referring to FIG. 11D, in the same chamber in which the ohmic layer 124 is deposited, a diffusion prevention film 125, that is, a tungsten nitride film is deposited to a thickness of 500 mm or more using the same method as the first embodiment. .
[0043]
Referring to FIG. 11E, a metal wiring layer 128 is deposited on the resultant structure on which the diffusion barrier layer 125 is formed. The metal wiring layer 128 is preferably formed by depositing a wiring metal such as aluminum or copper.
[0044]
【The invention's effect】
According to the present invention, the tungsten nitride film can be selectively formed only on the side wall of the contact hole and the silicon substrate or the lower metal wiring layer exposed by the contact hole without being deposited on the insulating film. Therefore, when a tungsten nitride film is formed as a metal wiring film after a tungsten nitride film is formed as a diffusion prevention film, the physical characteristics between the two films are similar. Solved. If the ohmic layer is formed according to the third embodiment of the present invention, the problem of substrate erosion can be solved, and a stable semiconductor device can be formed even in the subsequent high-temperature process. In addition, the problem of increased contact resistance that occurs when an ohmic layer is formed using a titanium film is also solved.
[0045]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and it is obvious that many modifications can be made by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view by process for explaining a conventional metal wiring manufacturing method comprising a titanium / titanium nitride film / tungsten film.
FIG. 2 is a sectional view by process following FIG. 1;
3A is a cross-sectional view for explaining a conventional method for manufacturing a metal wiring composed of tungsten / tungsten nitride film / tungsten film, and FIG. 3B is a scanning electron of the metal wiring shown in FIG. It is a microscope cross-sectional photograph.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a reaction chamber for depositing a tungsten nitride film according to the present invention.
FIG. 5 is a scanning electron micrograph showing a cross section of a tungsten nitride film selectively grown according to the NH ₃ flow rate.
6 is a scanning electron micrograph similar to FIG.
FIG. 7 is a graph showing an X-ray diffraction result of a tungsten nitride film formed according to the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view for explaining a method for manufacturing a metal wiring of a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view for explaining a method of manufacturing a metal wiring of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view for explaining a method of manufacturing a metal wiring of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view by process following FIG. 10;

Claims

Forming an insulating film on the semiconductor substrate on which the conductive layer is formed;
Etching the insulating film to form a contact hole exposing the conductive layer;
Forming an ohmic layer by forming a titanium silicide film on the exposed conductive layer;
Injecting a mixed gas of a nitrogen-based gas, a tungsten source gas and a reducing agent gas, and selectively depositing a tungsten nitride film only inside the contact hole. .

The conductive layer may be doped silicon or aluminum (Al), tungsten (W), molybdenum (Mo), cobalt (Co), titanium (Ti), copper (Cu), platinum (Pt), or a silicide compound thereof. 2. The method of manufacturing a tungsten nitride film according to claim 1, wherein the wiring layer is a metal wiring layer formed of any one selected from the group consisting of these and alloys thereof.

2. The method of manufacturing a tungsten nitride film according to claim 1, wherein the insulating film is formed of a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a film obtained by adding impurities thereto.

The method for manufacturing a tungsten nitride film according to claim 1, wherein the tungsten source gas is WF ₆ or WCl ₆ .

Method for producing a tungsten nitride film according to claim 1 which comprises using a Hyde Risin - the nitrogen-based gas is N _2, NH ₃ or methyl.

Method for producing the reducing gas is _H _2, SiH _4, a tungsten nitride film according to claim 1, characterized by using _SiH 2 Cl ₂ or PH _3.

The method of manufacturing a tungsten nitride film according to claim 1, wherein the flow rate ratio of the nitrogen-based gas: tungsten source gas is 0.5 to 100.

The method of manufacturing a tungsten nitride film according to claim 7, wherein a flow rate ratio of the nitrogen-based gas to the tungsten source gas is 2 to 7.

The method of manufacturing a tungsten nitride film according to claim 1, wherein the ratio of the flow rate of the reducing agent gas: tungsten source gas is 0 to 500.

The method of manufacturing a tungsten nitride film according to claim 9, wherein the ratio of the flow rate of the reducing agent gas: tungsten source gas is 20 to 50.

The method of claim 1, further comprising forming a trench by etching the exposed conductive layer at a predetermined depth after the step of forming the contact hole. Method.

The method of claim 1, further comprising forming a metal film on the tungsten nitride film by an in-sheet method after forming the tungsten nitride film. .

The metal film is made of aluminum (Al), tungsten (W), molybdenum (Mo), cobalt (Co), titanium (Ti), copper (Cu), platinum (Pt), a silicide compound thereof, and an alloy thereof. The method of manufacturing a tungsten nitride film according to claim 12 , wherein the tungsten nitride film is formed from any one selected from the group consisting of:

Forming an insulating film on the semiconductor substrate on which the conductive layer is formed;
Etching the insulating film to form a contact hole exposing the conductive layer;
Depositing a tungsten nitride film on the conductive layer exposed by the contact hole;
Heat-treating the resultant structure having the tungsten nitride film so that tungsten in the tungsten nitride film reacts with the silicon substrate to form an ohmic layer made of a thin tungsten silicide film;
Injecting a mixed gas of a nitrogen-based gas, a tungsten source gas and a reducing agent gas by an in-sheet method, and continuously depositing a tungsten nitride film on the ohmic layer to form a diffusion prevention film;
Depositing a metal film on the diffusion barrier film. A method of manufacturing a metal wiring of a semiconductor device.

The conductive layer is made of aluminum (Al), tungsten (W), molybdenum (Mo), cobalt (Co), titanium (Ti), copper (Cu), platinum (Pt), their silicide compounds, and alloys thereof. a metal wiring method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1 4, characterized in that the selected is a metal wiring layer formed from any one of.

A metal wiring method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1 4 wherein the conductive layer is characterized in that it is formed of silicon doped the P + impurities.

The insulating layer a silicon oxide film, a metal wiring method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1 4, characterized in that it is formed of a silicon nitride film, or a film doped with impurities to them.

A metal wiring method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1 4, characterized in that it is made in sheets - phase and depositing a metal film in in the same chamber to form the diffusion preventing layer.

A metal wiring method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1 4, wherein said tungsten source gas is WF ₆ or WCl _6.

A metal wiring method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1 4, which comprises using a Hyde Risin - the nitrogen-based gas is N _2, NH ₃ or methyl.

The reducing agent gas is _{_{_{H 2, SiH 4, SiH 2}}} Cl 2 or a metal wiring method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1 4, characterized by using a PH _3.

The nitrogen-based gas: metal wiring method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1 4, wherein the ratio of the flow rate of the tungsten source gas is 0.5 to 100.

The reducing agent gas: metal wiring method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1 4, wherein the ratio of the flow rate of the tungsten source gas is 0 to 500.

The metal film is made of aluminum (Al), tungsten (W), molybdenum (Mo), cobalt (Co), titanium (Ti), copper (Cu), platinum (Pt), a silicide compound thereof, and an alloy thereof. a metal wiring method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1 4, characterized in that it is formed from one selected from.