JP4012090B2 - Method for depositing refractory metal nitride film and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

Method for depositing refractory metal nitride film and method for manufacturing semiconductor device Download PDF

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、高融点金属窒化膜の堆積方法及び半導体装置の製造方法に関し、より詳しくは、半導体層と配線の間に介在されるバリアメタルの材料となる高融点金属窒化物の成長工程を有する高融点金属窒化膜の堆積方法及び半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
近年、半導体装置は、更なる高密度化が要望されており、半導体基板においては拡散層が薄層化され、配線が多層化されている。従って、拡散層への電極金属の侵入を防止したり、電極の密着性を良くしたり、電極のヒロックを防止するために、電極の下地層、あるいは電極の表面層として高融点金属窒化物よりなるバリアメタルが用いられている。
【0003】
【従来の技術】
配線層の下地となるバリアメタルを形成する場合には、高融点金属のハロゲン化物ガスとアンモニアガスを用いる熱CVD(thermal chemical vapor deposition)法が広く検討されている。
【0004】
例えば、TiCl4 とNH3 を反応ガスに用いて熱CVD法によりバリアメタルとなるTiN を形成する場合に、良好なステップカバレッジが得られる成長温度は650℃以上である。
【0005】
この場合、バリアメタル中には塩素が残留して高抵抗化の原因となるので、塩素を抜くためには600℃よりも高い成長温度を必要とする。その詳細は、例えば次の3つの文献に記載されている。
【0006】
▲1▼M. J. Buiting, A. F. Otterloo, and A. H. Montree, J. Electrochem. Soc., VOL.138, No.2, Feb. 1991、▲2▼I. J. Raaijmakers and A. Sherman, Proc.V.M.I.C., Santa Clara, June 1990、▲3▼E. 0. Travis, W. M. Paulson, F. Pintchovski, B. Boeck, L. C. Parillo, M. L. Kottke, K. Y. Yu, M. J. Rice, J.B. Price, and E. C. Eichman, IEEE IEDM Tech. Dig., 47(1990)
TiCl4 とNH3 は、常温下でも次のような反応が生じる。
【0007】
TiCl4 +NH3 → TiCl4 ・n NH3
また、TiN が成長できる高温領域でも次の反応がおこり、NH4Cl が反応室の冷えた場所に析出する。
【0008】
TiCl4 +NH3 → TiN + HCl+N2 、 NH3+HCl → NH4Cl
TiCl4 ・n NH3 やNH4Cl は常温下で固体であるので、これらがチャンバの内壁に付着するとパーティクルの原因になる。これを昇華させるためには、CVD装置のチャンバ内壁を120℃以上に加熱しなければならない。しかし、チャンバを加熱する機構を設けると、CVD装置が大型化して電気使用量が増加する。
【0009】
これに対して、反応ガスとしてTiCl4 とN2を用い、ECR(Electron Cyclotron Resonance)−CVD法によりTiN を成長する方法もあるが、成長温度が非常に高くなり、また、μ波、ECRを発生させる設備は複雑で大型化し、コスト高になる。その成長方法は、次の文献において報告されている。
【0010】
▲4▼T. Akahori and A. Tanihara, Extended Abstracts Solid State Devices and Materials, 180 (1991)
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上のような高い温度でTiN バリアメタルを成長すると、アルミニウム配線後の多層配線構造では、アルミニウムがメルトしたり、アルミニウム配線のヒロックの原因になるといった問題がある。
【0012】
これに対して、有機チタンソースを用いて熱CVD法又は光CVD法により450℃以下の成長温度でTiN を成長することも可能であるが、これによって得られるTiN は、ステップカバレッジが劣り、高抵抗膜である。このことは、次の文献などにおいて記載されている。
【0013】
▲5▼I. J. Raaijmakers, R. N. Vrtis, G. S. Sandhu, J. Yang, E.K.Broadbent, D. A. Toberts, and A. Lagendijk, June 9-10, 1992 VMIC Conf. 、▲6▼KazuyaISHIHARA et al., JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS VOL.29, No.10, Oct. 1990、▲7▼KOICHI IKEDA et al., 1990 Symposium on VLSI Technology
一方、高融点金属窒化物よりなるバリアメタルを半導体基板の上に直に形成すると、それらは良好にコンタクトしないことが知られており、それらの間にコンタクトメタルを介在させる必要がある。このことは、次の文献において記載されている。
【0014】
▲8▼C. Y. TiNG AND M. WITTMER, Thin Solid Films, 96 (1982) 327-345, ELECTRONICS AND OPTICS
そのコンタクトメタル形成時には自然酸化膜を成長させることなく除去しなければならない。しかし、現状では、自然酸化膜をフッ酸と純水の混合液により除去した後に、スパッタ装置を使用してコンタクトメタルを形成し、ついで、CVD装置を用いてバリアメタルを形成するというように、異なる処理毎に半導体ウェハを空気中に出して移動している。
【0015】
しかし、それら一連のプロセスを、減圧状態を解除せずに行う技術は存在していないので、コンタクトメタル形成の際に自然酸化膜が完全に除去されずに、接触不良が起こり易くなっている。
【0016】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、配線のバリアメタルとなる高融点金属窒化物を低温で低抵抗に形成し、しかも、膜成長の際の反応生成物のチャンバ内の付着を防止するとともに、自然酸化膜の除去からコンタクトメタル、バリアメタルの成長までを減圧下で行うことができる高融点金属窒化膜の堆積方法及び半導体装置の製造方法の提供を目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、高融点金属を含むソースガスと、該ソースガスを還元及び窒化するアルキルアミノ化合物を還元ガス及び窒素源として使用し、高融点金属窒化膜を化学気相成長法により形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法により達成する。
【0019】
または、前記高融点金属窒化膜は300〜500℃の温度に置くことにより形成することを特徴とする半導体装置の製造方法により達成する。
【0020】
または、前記高融点金属窒化膜中の高融点金属の含有量は60%以上であることを特徴とする半導体装置の製造方法により達成する。
【0021】
または、前記高融点金属窒化膜はシリコン層の上面に形成され、前記高融点金属窒化膜を450℃以上の温度に置くことにより、前記高融点金属窒化膜と前記シリコン層の間に高融点シリサイド層を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法により達成する。または、高融点金属を含むソースガスと、該ソースガスを還元及び窒化するアルキルアミノ化合物を還元ガス及び窒素源として使用し、高融点金属窒化膜を堆積することを特徴とする高融点金属窒化膜の堆積方法により達成する。または、前記高融点金属を含むソースガスは、高融点金属のアルキルアミノ化合物又はシクロペンタジエニル化合物を有するガスであることを特徴とする高融点金属窒化膜の堆積方法により達成する。
【0022】
【作 用】
本発明によれば、シリコン層に接する配線電極を構成する場合に、高融点金属バリアメタルの下に高融点金属シリサイド膜を設けるようにしている。高融点金属シリサイド膜をシリコン層と配線層の間に介在させると、バリアメタルとのコンタクトが良くなる。
【0023】
また、本発明によれば、バリアメタルとなるTiN のような高融点金属窒化物を成長する場合に、還元ガス及び窒化源としてNH3 ではなく、アルキルアミノ化物、アルキルアジド化合物、ヒドラジン、ヒドラジンアルキル化合物のいずれかを含むガスを使用している。
【0024】
これによれば、アルミニウムの下層配線にメルトやヒロックを生じさせないような低い温度で、高融点金属窒化物よりなるバリアメタルが成長される。また、高融点金属窒化物を生成する際に、常温で固体となるような生成物が反応によって生じることはなく、チャンバ内壁にパーティクルの原因となる生成物の堆積が抑制される。しかも、還元ガス及び窒化源としてNH3 のみを用いる場合に比べて高融点金属窒化物膜中の塩素含有量が少なくなり、その上に形成される配線電極用のアルミニウム膜の腐食が抑制され、TiCl4 をTiソースとして用いる場合でもカバレッジが良く、比抵抗も小さくなる。
【0025】
さらに、コンタクトメタルとしてシリコン層の表面に高融点金属シリサイドを形成する場合に、シリコン層の上に形成される高融点金属窒化物膜の中の高融点金属の含有量を60%以上にし、その後の熱処理により、高融点金属窒化物膜とシリコン層との間に高融点金属シリサイドを成長するようにしている。したがって、高融点金属シリサイドを成長する際にポリサイドの導入が不要となり、スループットが向上する。
【0026】
なお、上記した高融点金属窒化物は、絶縁膜に形成されたホールを埋め込む場合にも同様にして適用される。
【0027】
【実施例】
そこで、以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
(a)本発明の第1実施例の説明図1は、本発明の第1実施例に係るバリアメタルの成長に用いる熱化学気相成長(熱CVD)装置を示す概要構成図である。
【0028】
この熱CVD装置は、膜を成長するためのチャンバ1と、ヒータが内蔵された半導体基板載置用の載置台2と、チャンバ1内にソースガスを導入するための第1のガス導入口3と、チャンバ1内に還元ガスを導入するための第2のガス導入口4と、図示しない排気機構に接続されてチャンバ1内のガスを排気する排気口5とを有している。
【0029】
次に、上記した熱CVD装置を使用し、バリアメタルとしてTiN を半導体基板の上に形成する工程を図2(A) 〜図2(D),図3(A) 〜図3(C) を参照しながら説明する。
【0030】
バリアメタルの成長の説明に先立って、バリアメタル形成前の半導体基板とその上の積層構造を説明する。
【0031】
図2(A) は、MOSFETを覆う層間絶縁膜にコンタンクトホールが形成された状態を示す断面図である。
【0032】
p型のシリコンよりなる半導体基板11の上面には、SiO2よりなるフィールド酸化膜12が選択的な熱酸化により6000Åの厚さに形成されている。そのフィールド酸化膜12に囲まれた領域にはMOSFETが形成されている。そのMOSFETは、半導体基板11の表面に熱酸化により形成された膜厚約100ÅのSiO2よりなるゲート絶縁膜13と、その上にCVD法により成長された膜厚約2000Åのポリシリコン膜からなるゲート電極14と、ゲート電極14の両側の半導体基板11にイオン注入法により形成されたn+ 型のS/D領域層15a,15bとを有している。
【0033】
そのS/D領域層15a,15bは、例えば、半導体基板11に砒素(As)をドーズ量4×1015/ cm2 、加速エネルギー30KeV で注入し、その領域を850℃で活性化したものである。
【0034】
また、ゲート電極14、S/D領域層15a,15b、フィールド酸化膜12は、シリコン酸化膜からなる膜厚5000Åの層間絶縁膜16に覆われ、S/D領域層15a,15bの上にはコンタクトホール17a,17bが形成されている。
【0035】
このようなMOSFETが形成された半導体基板11をCVD装置の載置台2に載置するとともに、載置台2の内部のヒータにより半導体基板11を温度600℃以下、好ましくは300℃〜500℃の温度になるように加熱し、その状態を保持する。また、排気口5を通してチャンバ1内のガスを排気し、その内部を減圧する。
【0036】
そして、Tiのアルキルアミノ化物であるTi(N(CH3)2)4液中にキャリアガスとしてN2ガスを流量10sccmでバブリングして通過させ、これによって得られたTi(N(CH3)2)4とN2 の混合ガスをソースガスとして第1のガス導入口3からチャンバ1内に導入する。このとき、ソースガスの分圧は約40mTorr となり、そのうち約10mTorr がTi(N(CH3)2)4の分圧である。
【0037】
また、還元剤及び窒化源としてジメチルヒドラジン((CH3)2NNH2)ガスを流量10〜100sccmで第2のガス導入口4からチャンバ1内に導入する。(CH3)2NNH2は、常温(25℃)で約150Torr位の蒸気圧をもつので、MFC(Mass Flow Controller)を用いて直接供給する。
【0038】
このようなガス導入時には、ガス排気量を調整してチャンバ1の内部圧力を数十mTorr 〜1Torrに保持する。
【0039】
なお、H2等のキャリアガスを流量10〜1000sccm程度導入してもよく、これによれば還元を補助する役目も果たすが、無くてはならないものではない。
【0040】
このような条件によれば、チャンバ1内では、加熱温度により(CH3)2NNH2が活性化されてTi(N(CH3)2)4と反応し、TiN とCH4 (気体)とH2(気体)が生じる。これにより、反応生成物としてのTiN が、S/D領域層15a,15bの上面とコンタクトホール17a,17bの内周面と層間絶縁膜16の上面に沿って堆積し、残りのCH4 とH2は常温で気体となって排気口25から排気される。
【0041】
この状態で所定時間保持し、図2(B) に示すように、半導体基板11の上に、高融点金属の窒化物であるTiN 膜18を約400Å程度の厚さに形成する。
【0042】
次いで、図2(C) に示すように、TiN 膜18の上に、スパッタ等のPVD法によりAl膜19を約5000Åの厚さに堆積する。続いて、TiN 膜18とAl膜19の2層膜を、同一のマスクを使用してパターニングし、S/D領域層15a,15bから引き出されるS/D電極20a,20bを形成する。
【0043】
続いて、図2(D) に示すように、PSG等の層間絶縁膜21を形成した後、S/D電極20a,20bの上にビアホール21a,21bを形成する。
【0044】
次に、図3(A),(B) に示すように、既述したTiN 膜18、Al膜19と同様な形成方法により、膜厚約400ÅのTiN 膜22と膜厚約5000ÅのAl膜23の二層膜を形成する。
【0045】
続いて、図3(C) に示すように、リソグラフィー技術によりTiN 膜22とAl膜23をパターニングし、S/D電極20a,20bに接続されるAl配線層24a,24bを形成する。この後に、特に図示していないが、配線パッド、保護絶縁膜等を形成して、半導体装置を完成させる。
【0046】
以上のように、本発明の第1の実施例においては、高融点金属元素を含むソースガスとして、Tiのアルキルアミノ化物であるTi(N(CH))を用い、該ソースガス用の還元及び窒化ガスとしてヒドラジンアルキル化合物である(CH)NNHガスを含むものを用いて、CVD法により基体上にTiN膜18を形成している。
【0047】
このとき、反応生成物としてTiN のほかには、常温でガス状になっているアルキル化合物、窒素及び水素ガスを生成するだけであり、TiCl4 とNH3 のガスを用いる従来技術のように、常温で固体となるNH4Cl のようなものは生成されない。CH4 ガスやH2ガスは、チャンバ1の排気口5から排気されるので、チャンバ1内壁には不要な反応生成物は堆積せず、反応生成物を昇華するためのヒータ等をCVD装置に付加する必要がない。
【0048】
しかも、上述したようなソースガスと還元性ガスを用いることにより、熱的にも300℃程度でも活性化が可能であり、膜形成温度を従来の600℃以上から大幅に下げることができる。これにより、TiN 膜22とその上下に形成されるAl膜19,23との間に生じる熱歪が抑制され、S/D電極20a,20bやAl配線24a,24bのメルトやヒロックが発生し難くなる。
【0049】
なお、上記した説明では、ソースガスとして、Tiのアルキルアミノ化物であるTi(N(CH3)2)4を使用しているが、Ti(N(C2H5)2)4 であってもよい。その他のTiを含むソースガスとしては、Ti(i-OC3H7)4,Ti(t-OC4H9)4等のアルコキシド化物或いはTiCl4 ,TiCl3 ,TiCl2 ,TiF4等のハロゲン化物を含むガス,又はCp2Ti(N3)2,Cp2Ti 等のシクロペンタジエニル化物を含むガスを用いてもよい。
【0050】
但し、シクロペンタジエニル化物であるCp2Ti(N3)2,Cp2Ti 等は、通常、常温で固体であるので、温度約200℃で昇華し、ガス化して用いる。
【0051】
なお、これらの化学式のうち、iはイソ、tはターシャルを示している。また、Cpはシクロペンタジエニル基を表し、C5H5を略したものである。
【0052】
更に、還元ガスとしては、(CH3)2NNH2、(CH3)HNNH2の他に、CH3NH2、(CH3)2NH、(CH3)3N 、(C2H5)2NH 、(C2H5)3N、CH3NHNH2、C6H5NHNH2 等のアルキルアミノ化合物であってもよい。その他に、ヒドラジンN2H4を含むガス或いはヒドラジンのアルキル化合物を含むガスを用いてもよい。ヒドラジンアルキル化合物は、上記したような(CH3)HNNH2、(CH3)2NNH2等がある。さらに、アルキルアジド化合物でも可能であり、(CH3)N3 や(C2H5)N3等であってもよい。なお、これらの還元ガスは窒化源としても作用する。
【0053】
この実施例では、バリアメタルとしてTiN を用いているが、その他の高融点金属窒化物として、タングステン(W)やモリブデン(Mo)の窒化物を用いてもよい。この場合のソースガスは、それらの高融点金属のアルキルアミノ化物、アルコキシド化合物、ハロゲン化物、シクロペンタジエニル化物である。
【0054】
次に、ソースガスとしてTiCl4 を用い、還元及び窒化ガスとしてメチルヒドラジン((CH3)HNNH2、以下、MHという)を用いた場合の成膜速度、比抵抗、塩素濃度及びステップカバレッジについて説明する。なお、試験的にチャンバ内の圧力は100mTorr とし、400〜700℃の温度範囲でTiN を成長した。 図4に、還元剤としてMHを使用した場合と、NH3 を使用した場合の成長速度を示す。
【0055】
MH還元によるTiN の成長速度は、NH3 還元に比べて一桁高く、MH流量10sccmで成長温度400℃の場合に、800Å/min の成長速度が得られた。このことから、MH還元の反応性はNH3 還元に比べて極めて高いことがわかる。
【0056】
また、MH還元により成長されたTiN の結晶構造をX線回折で調べたところ、典型的なNaCl型のTiN 結晶が成長し(200)面に優先配向し、また、その結晶のグレインサイズは200〜260Åとなることがわかった。また、SiO2膜の上でもTiN が成長し、(200)面に優先配向した。なお、PVD法によるTi膜の上に形成する場合には、(111)面に優先配向する。
【0057】
図5に、比抵抗と成長温度の関係を示す。比抵抗は、成長温度の増加にともなって低くなり、MH還元により成長されたTiN は、500℃で90μΩ・cmになった。NH3 還元により同等の比抵抗を得るためには700℃以上の高い温度が必要となる。
【0058】
図6は、TiN 膜中の塩素濃度と成長温度の関係を示すもので、NH3 還元により成長されたTiN 中の塩素濃度は成長温度500℃で3.3atomic%であるのに対して、MH還元により成長されたTiN では、同じ成長温度で0.18atomic%となった。
【0059】
これによりMHガスはTiCl4 を充分に還元し、残留塩素濃度を減らすことができることがわかる。塩素濃度は成長温度の上層とともに低くなり、図5の結果を考え合わせると、比抵抗は残留塩素濃度の減少とともに低下すると考えられる。
【0060】
塩素濃度が低くなるとその上に形成されるアルミニウムの腐食が少なくなる。その腐食は、水洗後に観察される。そこで、MH還元によりTiN を形成し、その上にアルミニウム膜を積層し、水洗後に顕微鏡観察をしたところ、アルミニウム表面の腐食は全く観察されなかった。これに対して、NH3 還元によれば、腐食をなくすためには成長温度を550℃以上にし、塩素含有量を少なくする必要がある。
【0061】
なお、NH3 によりソースガスを還元してTiN を形成した場合のアルミニウムの腐食は、層間絶縁膜とアルミニウム膜の界面で発生している。これは、水洗の際にその界面に滲み込んだ水に、TiN 膜中の塩素が拡散するために生じるからと考えられる。
【0062】
ステップカバレッジに関しては、MH還元により生成されたTiN を1700Åの厚さに成長したところ、0.2μmφ、アスペクト比約2.6のコンタクトホールが完全に埋め込まれ、カバレッジも良好であることがわかった。また、リーク電流は、従来と変わらない大きさであることも確認している。
【0063】
なお、上記した高融点金属窒化物は、絶縁膜に形成されたホールを埋め込む場合にも同様にして適用される。
(b)本発明の第2実施例の説明図7は、本発明の第2の実施例に係る高融点金属窒化物形成用のCVD装置の構成図である。
【0064】
図7において、図1と異なるところは、還元性ガスを活性化する手段として平行平板電極に高周波電圧を印加する手段を有していることである。
【0065】
CVD装置の反応室31内には、半導体基板を載置する載置台32と、反応室31内にソースガスを導入するガス導入口33と、不図示の排気装置に接続された排気口35を有している。
【0066】
また、反応室31の上にはプラズマ室36が接続され、それらの空間は、反応室31にプラズマが侵入しないようにするメッシュ状のイオントラップ部37により仕切られている。
【0067】
さらに、プラズマ室36の内部には、還元性ガスを導入するためのガス導入口34が設けられ、また、その外部の周囲には、一対の電極38a,38bが配置され、電極間に電界を印加することによりプラズマ室36内の還元性ガスを活性化するように構成されている。一方の電極38bには、13.46MHzの周波数の高周波電圧を供給する高周波電源39が接続され、また他方の電極38aは接地されている。
【0068】
そして、2つの電極38a,38bの間に高周波電圧を印加することにより、プラズマ室36内部に導入された還元性ガスを活性化する。この場合、還元性ガスをプラズマにより活性化しているので、載置台31に内蔵されたヒータによる基板加熱温度は500℃以下でも充分に成長する。
【0069】
このようなCVD装置においても、本発明の第1の実施例と同様に、高融点金属元素を含むソースガスとして、高融点金属のアルキルアミノ化物、アルコキシド化物、ハロゲン化物又はシクロペンタジエニル化物を含むガスを用いるとともに、そのソースガスを還元する還元剤として、アルキルアミノ化合物やアルキルアジド化合物を含むガスや、ヒドラジン或いはそのアルキル化合物を含むガスを用る。
【0070】
このようなソースガスと還元ガスの反応により、高融点金属の窒化物、例えばTiN と、常温でガス状になるアルキル化合物、N2やH2が生成される。それらのガスは、反応室31の排気口35から排気され、反応室31の内壁には残留しない。そのTiN は、第1実施例と同じように半導体基板上に形成され、配線のバリアメタルに用いられる。
【0071】
また、本実施例では、上記したソースガスと還元ガスを用い、しかも、高周波電圧の電界により還元性ガスを活性化しているので、TiN を得るための基板加熱温度は300℃〜500℃の範囲で充分であり、その電極の下に配線層がある場合には、その下部配線層に与える熱的な影響をさらに低減し、アルミニウム配線のメルトやヒロックの発生も抑制される。
【0072】
さらに、ソースガスの還元剤としてNH3 を用いる場合と、本実施例の還元剤を使用する場合とを比べると、本実施例の方が、成膜速度は大きく、比抵抗は小さく、塩素濃度は低く、しかもステップカバレッジは良好である。
(c)本発明の第3実施例の説明
図8は本発明の第3の実施例のTiN膜を形成するためのCVD装置の構成図である。
【0073】
図8において、図1と異なるところは、還元ガスを活性化する手段として紫外線を照射する水銀ランプを用いていることである。
【0074】
そのCVD装置のチャンバ41内には、膜が成長される半導体基板を載置するヒータ内蔵の載置台42と、チャンバ41内にソースガスを導入するガス導入口43と、チャンバ41内に還元性ガスを導入するガス導入口44と、不図示の排気装置に接続されてチャンバ41内のガスを排気する排気口45と、還元性ガスを活性化するためにチャンバ41内に紫外線照射するための水銀ランプ46と、チャンバ41の壁の一部に形成されて水銀ランプ45からの紫外線を透過する透過窓47とを有している。
【0075】
このCVD装置においては、水銀ランプ45の点灯により発生する高エネルギの紫外線によって、チャンバ41内の還元性ガスとソースガスを活性化する。この紫外線照射により、基板加熱温度は500℃以下で充分となる。
【0076】
また、チャンバ41内に導入する高融点金属元素を含むソースガスとして、第1実施例と同様に、高融点金属のアルキルアミノ化物、アルコキシド化物、ハロゲン化物又はシクロペンタジエニル化物等を含むガスを用いるとともに、そのソースガスの還元ガスとして、第1実施例と同じく、アルキルアジド化合物、アルキルアミノ化合物を含むガス、ヒドラジン或いはそのアルキル化合物等を含むガスを使用して、これにより半導体基板の上にバリアメタルとなる高融点金属の窒化物膜を形成する。この還元ガスは、窒化ガスとしても作用する。
【0077】
この場合、反応生成物として高融点金属の窒化物の他には、常温でガス状になっているアルキル化合物、N2及びH2を生成するだけであって、それらはチャンバ41の内壁には残留しない。
【0078】
また、上記した反応ガスと還元ガスを用い、しかも、高エネルギーの紫外線によりソースガスと還元性ガスを活性化しているので、TiN よりなるバリアメタルを形成するための基板加熱温度は300℃〜500℃の範囲で充分であり、そのバリアメタルの下に配線層がある場合には、その下側配線層に与える熱的な影響をさらに低減し、アルミニウム配線のヒロックの発生も抑制される。
【0079】
なお、成膜速度、比抵抗、塩素濃度、カバレッジに関しては、第1実施例と同様な結果が得られ、半導体装置の配線用バリアメタル材料として最適である。
(d)本発明の第4実施例の説明
図9は、本発明の第4実施例の半導体装置の製造工程を示す断面図である。この実施例では、第1実施例で使用した図1に示すCVD装置を用いるので、CVD装置の説明は省略する。
【0080】
バリアメタルとしてTiN を形成する前の半導体基板の断面の一部は、図9(A)に示すような状態である。p型シリコンよりなる半導体基板11の上面の素子形成領域を囲む部分には、選択酸化法によりフィールド酸化膜12が形成され、また、その素子形成領域にはMOSFETのゲート絶縁膜13、ゲート電極14及びS/D領域層15a,15bが形成され、さらに、それらを覆う層間絶縁膜16にはS/D領域層15a,15bを露出するためのコンタクトホール17a,17bが形成されている。
【0081】
また、コンタクトホール17a,17bから露出したS/D領域層15a,15bの表面には、自然酸化膜(SiO2)50が成長している。
【0082】
このような状態で、図1に示すようなCVD装置のチャンバ1内に半導体基板11を入れ、その半導体基板11を載置台2の上に載せる。この後に、コンタクトメタル形成のための前処理工程に入る。
【0083】
まず、チャンバ1内を1×10-4Torr以下に減圧した後に、載置台2に内蔵されたヒータにより半導体基板11を加熱し、常温状態の基板温度を400〜700℃まで上昇させる。
【0084】
ついで、ガス導入口4を通してヒドラジン(N2H4)ガスを100sccmの流量でチャンバ1内に導入し、半導体基板11の上面をN2H4に曝すと、コンタクトホール17a,17bから露出したS/D領域層15a,15bの表面に形成された厚さ約10Åの自然酸化膜(SiO2)50は、図9(B) に示すように除去される。
【0085】
なお、基板温度を400℃とし、N2H4の代わりにヒドラジンアルキル化合物、例えばメチルヒドラジン(MH)を流量100sccmで60秒間流しても、自然酸化膜50は基板上から除去できる。
【0086】
このように自然酸化膜50が除去されるのは、N2H4から解離した活性な水素ラジカルがSiO2を還元するためであると考えられる。
【0087】
次に、コンタクトメタルとしてTiSiを成長する工程に入る。
【0088】
半導体基板11の温度を400℃〜700℃に加熱するとともに、TiCl4 ガスを10sccm、MHガスを5sccm、Si2H6 ガスを200sccmの流量でチャンバ1内に導入するとともに、チャンバ1内の圧力を数十 mTorrに設定する。
【0089】
この条件によれば、約100Å/min の成長速度でTiSix が成長するので、その状態を所定時間保持することにより、図9(C) に示すように、S/D領域層15a,15bの上面とコンタクトホール17a,17bの内周面と層間絶縁膜16の上面に沿って、TiSix 膜51を100Åの厚さに形成する。この場合、TiSix 膜51の中には数ppm の窒素が含まれる。
【0090】
なお、Si2H6 の他にSiH4、Si3H8 等のポリシランガスを用いてもよい。
【0091】
次に、配線のバリアメタルとしてTiN を成長する工程に移る。
【0092】
半導体基板11を400〜500℃に加熱するとともに、TiCl4 を10sccm、MHを10sccmの流量でチャンバ1内に導入する。このときの、チャンバ1内の圧力を100m Torrとする。なお、キャリア及び窒素源としてNH3 を100sccm入れてもよい。
【0093】
この条件によれば、図10(A) に示すように、比抵抗100μΩ・cm以下のTiN 膜52が、S/D領域層15a,15bの上と、コンタクトホール17a,17bの内周面と、層間絶縁膜16の上に形成される。
【0094】
そのTiN 膜52の中に残留する塩素濃度は、還元剤としてNH3 を使用する場合に比べて1/40にまで下がった。塩素の密度が高くなると、水洗の際に塩素が水に溶け込んで、そのバリアメタルの上に積層されるAl膜の腐食原因となるが、本実施例のように塩素濃度が大幅に低下すると腐食の可能性が殆どなくなる。
【0095】
このようなバリアメタルを積層した後に、CVD装置から半導体基板11を取り出し、ついで、図10(B) に示すように、スパッタ法によりAl膜53を5000Å程度の厚さに積層する。
【0096】
そして、フォトリソグラフィー技術により、Al膜53からコンタクトメタル51までの層をパターニングして、S/D電極54、55を形成する。この後に、CVD法により層間絶縁膜21を積層する。ついで、図10(C) に示すように、TiN /Alよりなる上側配線24a,24bを形成することになるが、その詳細は第1実施例で既に説明したので省略する。
【0097】
なお、還元ガスとしてはMHの他のヒドラジンアルキル化合物であってもよいし、N2H4であってもよい。
【0098】
以上のような工程によれば、S/D領域層15a,15bの表面の自然酸化膜50を除去する工程からバリアメタルとなるTiN 膜52の形成工程までは同一のCVD装置のチャンバ1内で真空状態を破らずに行われているので、自然酸化膜が再成長することもなく、スループットが向上する。また、ヒドラジン又はヒドラジンアルキル化合物を用いて、自然酸化膜の除去した後からコンタクトメタルの形成までの一連の工程を600℃以下の低温で処理しているので、層間に生じる熱歪が低減する。
【0099】
なお、バリアメタルとなるTiN のうちTiが60%以上の場合は、S/D領域層15a,15bのシリコン面とTiN 膜52の界面にはTiリッチなTiN が形成されるので、コンタクトメタルを形成せずに、450℃以上の温度、例えば600℃でアニールを10秒間行うと、その界面にはTiSix 層が形成される。これにより、コンタクトメタルを形成するためにポリシランを流す必要がなくなる。
【0100】
また、反応ガスとして、第1実施例に示すようなソースガスと還元ガスを用いても良い。
【0101】
本実施例における、成膜速度、比抵抗、塩素濃度、カバレッジに関しては、第1実施例と同様な結果が得られ、半導体装置の配線のバリアメタル材料として最適である。
【0102】
(e)本発明の第5実施例の説明
第4実施例では、1つの反応チャンバ内で自然酸化膜除去からバリアメタル形成が行われているが、自然酸化膜除去と、メタル成長とを別々のチャンバ内で行ってもよく、その装置の一例を図11に示す。
【0103】
その装置は、2つの反応チャンバ61,62を有し、反応チャンバ61,62の間には半導体基板を減圧雰囲気中で搬送する真空搬送室63が設けられている。また、真空搬送室63には、半導体基板を出し入れするためのロードチャンバ64とアンロードチャンバ65が接続され、それらには半導体基板を収納するカセットステーション66,67が接続されている。
【0104】
なお、反応チャンバ61,62と真空搬送室63の間、真空搬送室63とロードチャンバ64の間、真空搬送室63とアンロードチャンバ65の間、ロードチャンバ64と第1のカセットステーション66の間、およびアンロードチャンバ65と第2のカセットステーション67の間のそれぞれには、ゲートバルブ67〜73が取り付けられている。これらのゲートバルブ67〜73は、半導体基板の移動に際して開閉することになり、以下の説明ではその開閉については省略している。
【0105】
次に、前記した装置を使用して自然酸化膜の除去からバリアメタルを形成する工程までを説明する。なお、本実施例では、ガスの種類、成長温度等の成長条件や成長膜厚については、第4実施例と同じとし、半導体基板の上の積層構造の変化は図9、図10に示すようになる。
【0106】
まず、図示しない搬送システムによって第1のカセットステーション66から取り出された半導体基板11は、ロードチャンバ64に搬送され、ここで減圧された雰囲気に置かれた後に、真空搬送室63を介して第1の反応チャンバ61内に取付けられる。真空搬送室63及び反応チャンバ61は、減圧状態となっている。
【0107】
そして、第1の反応チャンバ61内では、ヒドラジン又はヒドラジンアルキル化合物を導入し、内部圧力を100mTorr とした状態で、基板温度を400℃〜700℃にする。
【0108】
この状態を所定時間保持すると、図9(A) に示すようなS/D領域層15a,15bの表面に形成された自然酸化膜(SiO2)50が除去される。
【0109】
次に、図示しない搬送システムにより半導体基板11を第1の反応チャンバ61から取り出してから、その半導体基板11を真空搬送室63を通して第2の反応チャンバ62内に移す。
【0110】
その反応チャンバ62内では、第4実施例と同様に、TiCl4 とMHとSi2H6 を導入し、基板温度を400〜600℃とする。これにより、コンタクトホール17a,17bの内周面とS/D領域層15a,15bの表面と層間絶縁膜16の上面に沿って、図9(C) に示すように、コンタクトメタルとしてTiSix 膜51を形成する。
【0111】
次に、第2の反応チャンバ62内に導入するガスを変え、TiCl4 とMHを導入して、半導体基板11を400℃〜500℃に加熱し、これにより図10(A) に示すように、バリアメタルとしてTiN 膜52を成長する。
【0112】
この後に、図示しない搬送システムにより半導体基板11を、第2の反応チャンバ62から真空搬送室63に移し、ついで、真空搬送室63から減圧状態のアンロードチャンバ65へ移送する。さらに、アンロードチャンバ65と真空搬送室63の間のゲートバルブ73を閉めた後に、アンロードチャンバ65内を常圧にし、ついで半導体基板11を第2のカッセットステーション67の中に収納する。
【0113】
その後に、第4実施例と同様にして、図10(B) に示すように、スパッタ法によりAl膜53をバリアメタル膜52の上に積層してから、リソグラフィー技術によりAl膜53からコンタクトメタル膜51までをパターニングして図10(C) に示すようなS/D電極54,55を形成する。
【0114】
なお、この実施例においても、コンタクトメタルを形成するためにSi2H6 を導入せずに、TiN 膜52のTiの含有量を60%以上とし、450℃以上の温度でアニールすれば、S/D領域層15a,15bのシリコン面とTiN 膜52との間にTiSiが形成されることになる。
【0115】
この実施例で使用するソースガスと還元ガスは、第1実施例と同じものでもよく、成膜速度、比抵抗、塩素濃度、カバレッジに関しては、第1実施例と同様な結果が得られる。
【0116】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、シリコン層に接する配線電極を構成する場合に、高融点金属バリアメタルの下に高融点金属シリサイド膜を設けるようにしているので、バリアメタルとシリコン層のコンタクトを良くできる。
【0117】
また、本発明によれば、バリアメタルとなる高融点金属窒化物を成長する場合に、還元及び窒化ガスとしてNH3 のみではなく、アルキルアジド化合物、アルキルアミノ化合物、ヒドラジン、ヒドラジンアルキル化合物を含むガスを使用している。これによれば、アルミニウムの配線を形成する場合に、メルトやヒロックを生じさせないような低い温度で高融点金属窒化物を成長できる。また、高融点金属窒化物を生成する際に、常温で固体となるような生成物が反応によって生じることはなく、チャンバ内壁にパーティクルの原因となる生成物の堆積を抑制できる。さらに、還元ガスとしてNH3 を用いる場合に比べて高融点金属窒化物膜中の塩素含有量が少なくなり、その上に配線電極用に積層されるアルミニウム膜の腐食を抑制でき、TiCl4 をTiソースとして用いた場合に、そのカバレッジを良くでき、その比抵抗を小さくできる。
【0118】
また、別の本発明によれば、減圧雰囲気中で、シリコン層の表面にヒドラジン又はヒドラジンアルキル化合物を供給して自然酸化膜を除去するようにしているので、CVD膜の形成が連続して形成でき、自然酸化膜の再成長を防止できる。
【0119】
さらに、その自然酸化膜除去と、コンタクトメタルとなる高融点金属シリサイド膜の成長用と、バリアメタルとなる高融点金属窒化物膜の成長とを真空状態を破らずに成長するようにしているので、スループットを向上できる。
【0120】
さらに、シリコン層の表面に高融点金属シリサイドを形成する方法として、その上に形成される高融点金属窒化物膜の中の高融点金属の含有量を60%以上にし、その後の熱処理により高融点金属窒化物膜とシリコン層との間に高融点金属シリサイドを成長するようにしているので、高融点金属シリサイドを成長する際にポリサイドの導入を不要としてスループットを向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1、第4の実施例に係るTiN 膜の形成に用いられるCVD装置の構成図である。
【図2】本発明の第1の実施例の半導体装置の製造方法について説明する断面図(その1)である。
【図3】本発明の第1の実施例の半導体装置の製造方法について説明する断面図(その2)である。
【図4】本発明の第1の実施例に係るTiN 膜の成長速度と従来方法によるTiN 膜の成長速度を示す特性図である。
【図5】本発明の第1の実施例に係るTiN 膜の比抵抗と従来方法によるTiN 膜の比抵抗を示す特性図である。
【図6】本発明の第1実施例に係るTiN 膜のCl濃度と従来方法によるTiN 膜のCl濃度を示す特性図である。
【図7】本発明の第2の実施例に係るTiN 膜の形成に用いられるCVD装置の構成図である。
【図8】本発明の第3の実施例に係るTiN 膜の形成に用いられるCVD装置の構成図である。
【図9】本発明の第4、第5の実施例の半導体装置の製造方法について説明する断面図(その1)である。
【図10】本発明の第4、第5の実施例の半導体装置の製造方法について説明する断面図(その2)である。
【図11】本発明の第5の実施例に係る自然酸化膜の除去からバリアメタル膜形成までの工程に用いられる装置の構成図である。
【符号の説明】
1 チャンバ
2 載置台
3、4 ガス導入口
5 排気口
11 シリコン基板(半導体基板)
12 フィールド絶縁膜
13 ゲート絶縁膜
14 ゲート電極
15a、15b S/D領域層
16 層間絶縁膜
17a、17b コンタクトメタル
18 TiN 膜(高融点金属窒化物)
19 Al膜
20a、20b S/D電極
21 層間絶縁膜
21a、21b ビアホール
22 TiN 膜(高融点金属窒化膜)
23 Al膜
24a、24b 配線層
31 反応室
32 載置台
33、34 ガス導入口
35 排気口
36 プラズマ室
37 イオントラップ
38a、38b 電極
39 交流電源
41 チャンバ
42 載置台
43、44 ガス導入口
45 排気口
46 水銀ランプ
47 透明窓
50 自然酸化膜
51 TiSix 膜(コンタクトメタル)
52 TiN 膜(バリアメタル)
53 Al膜
54、55 S/D電極
61、62 反応チャンバ
63 真空搬送室
64 ロードチャンバ
65 アンロードチャンバ
66、67 カセットステーション
[0001]
[Industrial application fields]
  The present inventionMethod of depositing refractory metal nitride film andMore particularly, the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and includes a step of growing a refractory metal nitride serving as a barrier metal material interposed between a semiconductor layer and a wiring.Method of depositing refractory metal nitride film andThe present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.
[0002]
In recent years, there has been a demand for higher density in semiconductor devices. In a semiconductor substrate, a diffusion layer is thinned and wirings are multilayered. Therefore, in order to prevent the electrode metal from entering the diffusion layer, improve the adhesion of the electrode, and prevent the hillock of the electrode, the refractory metal nitride is used as the electrode underlayer or the electrode surface layer. Barrier metal is used.
[0003]
[Prior art]
In the case of forming a barrier metal serving as a base of a wiring layer, a thermal chemical vapor deposition (CVD) method using a refractory metal halide gas and ammonia gas has been widely studied.
[0004]
For example, TiClFour And NHThree The growth temperature at which good step coverage is obtained is 650 ° C. or higher when TiN as a barrier metal is formed by a thermal CVD method using a reactive gas.
[0005]
In this case, chlorine remains in the barrier metal and causes high resistance, so that a growth temperature higher than 600 ° C. is required to remove chlorine. The details are described in, for example, the following three documents.
[0006]
▲ 1 ▼ MJ Buiting, AF Otterloo, and AH Montree, J. Electrochem. Soc., VOL.138, No.2, Feb. 1991, ▲ 2 ▼ IJ Raaijmakers and A. Sherman, Proc. VMIC, Santa Clara, June 1990, (3) E. 0. Travis, WM Paulson, F. Pintchovski, B. Boeck, LC Parillo, ML Kottke, KY Yu, MJ Rice, JB Price, and EC Eichman, IEEE IEDM Tech. Dig., 47 ( 1990)
TiClFour And NHThree The following reactions occur even at room temperature.
[0007]
TiClFour + NHThree → TiClFour ・ N NHThree
The following reaction also occurs in the high temperature region where TiN can grow, and NHFourCl precipitates in the cold place of the reaction chamber.
[0008]
TiClFour + NHThree → TiN + HCl + N2 , NHThree+ HCl → NHFourCl
TiClFour ・ N NHThree And NHFourSince Cl is a solid at room temperature, if it adheres to the inner wall of the chamber, it will cause particles. In order to sublimate this, the inner wall of the chamber of the CVD apparatus must be heated to 120 ° C. or higher. However, if a mechanism for heating the chamber is provided, the CVD apparatus becomes larger and the amount of electricity used increases.
[0009]
In contrast, TiCl as a reactive gasFour And N2There is also a method of growing TiN by ECR (Electron Cyclotron Resonance) -CVD method, but the growth temperature becomes very high, and facilities for generating μ waves and ECR are complicated and large, and the cost is high. . The growth method is reported in the following literature.
[0010]
(4) T. Akahori and A. Tanihara, Extended Abstracts Solid State Devices and Materials, 180 (1991)
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the TiN barrier metal is grown at such a high temperature as described above, the multilayer wiring structure after the aluminum wiring has a problem that aluminum melts or causes hillocks in the aluminum wiring.
[0012]
On the other hand, TiN can be grown at a growth temperature of 450 ° C. or less by thermal CVD or photo CVD using an organic titanium source. However, TiN obtained by this method has poor step coverage and high It is a resistive film. This is described in the following documents.
[0013]
▲ 5 ▼ IJ Raaijmakers, RN Vrtis, GS Sandhu, J. Yang, EKBroadbent, DA Toberts, and A. Lagendijk, June 9-10, 1992 VMIC Conf., ▲ 6 ▼ KazuyaISHIHARA et al., JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS VOL.29, No.10, Oct. 1990, ▲ 7 ▼ KOICHI IKEDA et al., 1990 Symposium on VLSI Technology
On the other hand, it is known that when a barrier metal made of a refractory metal nitride is formed directly on a semiconductor substrate, they do not contact well, and it is necessary to interpose a contact metal between them. This is described in the following document.
[0014]
▲ 8 ▼ C. Y. TiNG AND M. WITTMER, Thin Solid Films, 96 (1982) 327-345, ELECTRONICS AND OPTICS
When the contact metal is formed, the natural oxide film must be removed without growing. However, at present, after removing the natural oxide film with a mixed solution of hydrofluoric acid and pure water, a contact metal is formed using a sputtering apparatus, and then a barrier metal is formed using a CVD apparatus. The semiconductor wafer is moved out in the air for each different process.
[0015]
However, since there is no technique for performing such a series of processes without releasing the reduced pressure state, the natural oxide film is not completely removed when the contact metal is formed, and contact failure is likely to occur.
[0016]
  The present invention has been made in view of such a problem, and forms a refractory metal nitride serving as a barrier metal of a wiring at a low temperature and a low resistance, and in the reaction product chamber during film growth. In addition to preventing adhesion, the process from removal of the native oxide film to the growth of contact metal and barrier metal can be performed under reduced pressure.Method of depositing refractory metal nitride film andAn object is to provide a method for manufacturing a semiconductor device.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
  The above-described problem is achieved by using a source gas containing a refractory metal and an alkylamino compound that reduces and nitrides the source gas as a reducing gas and a nitrogen source,Refractory metal nitride filmThis is achieved by a method for manufacturing a semiconductor device, including a step of forming the layer by chemical vapor deposition.
[0019]
Alternatively, the refractory metal nitride film is formed by placing the refractory metal nitride film at a temperature of 300 to 500 ° C.
[0020]
Alternatively, this is achieved by the method for manufacturing a semiconductor device, wherein the content of the refractory metal in the refractory metal nitride film is 60% or more.
[0021]
  Alternatively, the refractory metal nitride film is formed on the upper surface of the silicon layer, and the refractory metal nitride film is placed at a temperature of 450 ° C. or higher so that the refractory metal nitride film is interposed between the refractory metal nitride film and the silicon layer. This is achieved by a method for manufacturing a semiconductor device including a step of forming a layer. OrUsing a source gas containing a refractory metal and an alkylamino compound that reduces and nitrides the source gas as a reducing gas and a nitrogen source, a refractory metal nitride film is deposited.This is achieved by a method of depositing a refractory metal nitride film characterized by the above. OrThe source gas containing the refractory metal is a gas having an alkylamino compound or a cyclopentadienyl compound of the refractory metal.This is achieved by a method of depositing a refractory metal nitride film characterized by the above.
[0022]
[Operation]
According to the present invention, when the wiring electrode in contact with the silicon layer is formed, the refractory metal silicide film is provided under the refractory metal barrier metal. When the refractory metal silicide film is interposed between the silicon layer and the wiring layer, the contact with the barrier metal is improved.
[0023]
Further, according to the present invention, when growing a refractory metal nitride such as TiN as a barrier metal, NH is used as a reducing gas and a nitriding source.Three Instead, a gas containing any one of an alkyl aminated compound, an alkyl azide compound, a hydrazine, and a hydrazine alkyl compound is used.
[0024]
According to this, a barrier metal made of a refractory metal nitride is grown at a low temperature that does not cause melting or hillocks in the lower layer wiring of aluminum. Further, when the refractory metal nitride is generated, a product that becomes a solid at normal temperature is not generated by the reaction, and deposition of a product causing particles on the inner wall of the chamber is suppressed. Moreover, NH as a reducing gas and nitriding sourceThree As compared with the case of using only the refractory metal, the chlorine content in the refractory metal nitride film is reduced, and corrosion of the aluminum film for the wiring electrode formed thereon is suppressed.Four Even when Ti is used as a Ti source, the coverage is good and the specific resistance is also small.
[0025]
Further, when refractory metal silicide is formed on the surface of the silicon layer as the contact metal, the content of the refractory metal in the refractory metal nitride film formed on the silicon layer is set to 60% or more, and thereafter By this heat treatment, a refractory metal silicide is grown between the refractory metal nitride film and the silicon layer. Therefore, it is not necessary to introduce polycide when growing the refractory metal silicide, and the throughput is improved.
[0026]
The above-described refractory metal nitride is similarly applied to the case where a hole formed in the insulating film is buried.
[0027]
【Example】
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(A) Description of First Embodiment of the Invention FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a thermal chemical vapor deposition (thermal CVD) apparatus used for growth of a barrier metal according to the first embodiment of the present invention.
[0028]
This thermal CVD apparatus includes a chamber 1 for growing a film, a mounting table 2 for mounting a semiconductor substrate with a built-in heater, and a first gas inlet 3 for introducing a source gas into the chamber 1. And a second gas inlet 4 for introducing a reducing gas into the chamber 1 and an exhaust port 5 connected to an exhaust mechanism (not shown) for exhausting the gas in the chamber 1.
[0029]
Next, a process of forming TiN as a barrier metal on a semiconductor substrate using the above-described thermal CVD apparatus is shown in FIGS. 2 (A) to 2 (D) and FIGS. 3 (A) to 3 (C). The description will be given with reference.
[0030]
Prior to the description of the growth of the barrier metal, the semiconductor substrate before the barrier metal is formed and the laminated structure thereon will be described.
[0031]
FIG. 2A is a cross-sectional view showing a state where a contact hole is formed in the interlayer insulating film covering the MOSFET.
[0032]
On the upper surface of the semiconductor substrate 11 made of p-type silicon, SiO 22A field oxide film 12 is formed to a thickness of 6000 mm by selective thermal oxidation. A MOSFET is formed in a region surrounded by the field oxide film 12. The MOSFET is an SiO film having a thickness of about 100 mm formed on the surface of the semiconductor substrate 11 by thermal oxidation.2A gate electrode 14 made of a polysilicon film having a thickness of about 2000 mm grown thereon by a CVD method, and an n formed on the semiconductor substrate 11 on both sides of the gate electrode 14 by an ion implantation method. + Type S / D region layers 15a and 15b.
[0033]
The S / D region layers 15a and 15b are formed by, for example, applying arsenic (As) to the semiconductor substrate 11 at a dose amount of 4 × 10.15/ cm2 , With an acceleration energy of 30 KeV, and the region is activated at 850 ° C.
[0034]
Further, the gate electrode 14, the S / D region layers 15a and 15b, and the field oxide film 12 are covered with an inter-layer insulating film 16 made of a silicon oxide film having a thickness of 5000 mm, and are formed on the S / D region layers 15a and 15b. Contact holes 17a and 17b are formed.
[0035]
The semiconductor substrate 11 on which such a MOSFET is formed is mounted on the mounting table 2 of the CVD apparatus, and the temperature of the semiconductor substrate 11 is 600 ° C. or less, preferably 300 ° C. to 500 ° C. by the heater inside the mounting table 2. And heat to maintain the state. Further, the gas in the chamber 1 is exhausted through the exhaust port 5 and the inside thereof is decompressed.
[0036]
And Ti (N (CHThree)2)FourN as carrier gas in liquid2Gas was bubbled at a flow rate of 10 sccm, and Ti (N (CHThree)2)FourAnd N2 The mixed gas is introduced into the chamber 1 from the first gas inlet 3 as a source gas. At this time, the partial pressure of the source gas is about 40 mTorr, of which about 10 mTorr is Ti (N (CHThree)2)FourIs the partial pressure.
[0037]
Also, dimethylhydrazine ((CHThree)2NNH2) A gas is introduced into the chamber 1 from the second gas inlet 4 at a flow rate of 10 to 100 sccm. (CHThree)2NNH2Since it has a vapor pressure of about 150 Torr at room temperature (25 ° C.), it is supplied directly using an MFC (Mass Flow Controller).
[0038]
When such gas is introduced, the gas exhaust amount is adjusted to maintain the internal pressure of the chamber 1 at several tens mTorr to 1 Torr.
[0039]
H2A carrier gas such as 10 may be introduced at a flow rate of about 10 to 1000 sccm. According to this, the role of assisting the reduction is fulfilled, but it is not indispensable.
[0040]
According to such conditions, in the chamber 1, (CHThree)2NNH2Is activated and Ti (N (CHThree)2)FourReacts with TiN and CHFour (Gas) and H2(Gas) is generated. Thereby, TiN as a reaction product is deposited along the upper surfaces of the S / D region layers 15a and 15b, the inner peripheral surfaces of the contact holes 17a and 17b, and the upper surface of the interlayer insulating film 16, and the remaining CHFour And H2Becomes a gas at normal temperature and is exhausted from the exhaust port 25.
[0041]
This state is maintained for a predetermined time, and as shown in FIG. 2B, a TiN film 18 that is a refractory metal nitride is formed on the semiconductor substrate 11 to a thickness of about 400 mm.
[0042]
Next, as shown in FIG. 2C, an Al film 19 is deposited on the TiN film 18 by a PVD method such as sputtering to a thickness of about 5000 mm. Subsequently, the two-layer film of the TiN film 18 and the Al film 19 is patterned using the same mask to form S / D electrodes 20a and 20b drawn from the S / D region layers 15a and 15b.
[0043]
Subsequently, as shown in FIG. 2D, after forming an interlayer insulating film 21 such as PSG, via holes 21a and 21b are formed on the S / D electrodes 20a and 20b.
[0044]
Next, as shown in FIGS. 3A and 3B, a TiN film 22 having a film thickness of about 400 mm and an Al film having a film thickness of about 5000 mm are formed by the same formation method as the TiN film 18 and Al film 19 described above. 23 bilayer films are formed.
[0045]
Subsequently, as shown in FIG. 3C, the TiN film 22 and the Al film 23 are patterned by lithography to form Al wiring layers 24a and 24b connected to the S / D electrodes 20a and 20b. Thereafter, although not particularly illustrated, a wiring pad, a protective insulating film, and the like are formed to complete the semiconductor device.
[0046]
  As described above, in the first embodiment of the present invention, Ti (N (CH3)2)4As the reducing and nitriding gas for the source gasHydrazine alkyl compounds(CH3)2NNH2A TiN film 18 is formed on the substrate by a CVD method using a gas-containing material.
[0047]
At this time, in addition to TiN as a reaction product, only an alkyl compound, nitrogen and hydrogen gas that are in a gaseous state at room temperature are generated.Four And NHThree NH, which becomes solid at room temperature, as in the conventional technology usingFourNothing like Cl is produced. CHFourGas or H2Since the gas is exhausted from the exhaust port 5 of the chamber 1, unnecessary reaction products are not deposited on the inner wall of the chamber 1, and it is not necessary to add a heater or the like for sublimating the reaction products to the CVD apparatus.
[0048]
In addition, by using the source gas and the reducing gas as described above, activation can be performed both thermally and at about 300 ° C., and the film forming temperature can be greatly lowered from the conventional 600 ° C. or higher. As a result, the thermal strain generated between the TiN film 22 and the Al films 19 and 23 formed above and below it is suppressed, and it is difficult for the S / D electrodes 20a and 20b and the Al wirings 24a and 24b to melt or hillock. Become.
[0049]
In the above description, as the source gas, Ti (N (CHThree)2)FourBut Ti (N (C2HFive)2)Four It may be. Other source gases containing Ti include Ti (i-OCThreeH7)Four, Ti (t-OCFourH9)FourAlkoxides such as TiClFour , TiClThree , TiCl2 , TiFFourGas containing halides such as Cp2Ti (NThree)2, Cp2A gas containing a cyclopentadienyl compound such as Ti may be used.
[0050]
However, Cp which is cyclopentadienylated product2Ti (NThree)2, Cp2Since Ti and the like are usually solid at ordinary temperature, they are sublimated at a temperature of about 200 ° C. and used after being gasified.
[0051]
Of these chemical formulas, i represents iso and t represents tarsal. Cp represents a cyclopentadienyl group, and CpFiveHFiveIs abbreviated.
[0052]
Furthermore, as reducing gas, (CHThree)2NNH2, (CHThree) HNNH2Besides, CHThreeNH2, (CHThree)2NH, (CHThree)ThreeN, (C2HFive)2NH, (C2HFive)ThreeN, CHThreeNHNH2, C6HFiveNHNH2 Alkylamino compounds such as In addition, hydrazine N2HFourOr a gas containing an alkyl compound of hydrazine may be used. The hydrazine alkyl compound has the above-described (CHThree) HNNH2, (CHThree)2NNH2Etc. Furthermore, alkyl azide compounds are also possible and (CHThree) NThree(C2HFive) NThreeEtc. These reducing gases also act as a nitriding source.
[0053]
In this embodiment, TiN is used as the barrier metal, but tungsten (W) or molybdenum (Mo) nitride may be used as the other refractory metal nitride. The source gas in this case is an alkyl amination product, alkoxide compound, halide, or cyclopentadienylation product of these refractory metals.
[0054]
Next, TiCl as source gasFour And methylhydrazine ((CHThree) HNNH2Hereinafter, the film formation speed, specific resistance, chlorine concentration, and step coverage when using MH will be described. As a test, the pressure in the chamber was 100 mTorr, and TiN was grown in a temperature range of 400 to 700 ° C. FIG. 4 shows the case where MH is used as the reducing agent, and NHThree The growth rate when using is shown.
[0055]
The growth rate of TiN by MH reduction is NHThree A growth rate of 800 Å / min was obtained when the growth temperature was 400 ° C. with an MH flow rate of 10 sccm, which was an order of magnitude higher than the reduction. From this, the reactivity of MH reduction is NHThree It can be seen that it is very high compared to reduction.
[0056]
Further, when the crystal structure of TiN grown by MH reduction was examined by X-ray diffraction, a typical NaCl type TiN crystal grew and preferentially oriented in the (200) plane, and the grain size of the crystal was 200. It was found to be ~ 260cm. SiO2TiN grew on the film and preferentially oriented in the (200) plane. In addition, when forming on the Ti film by PVD method, it preferentially orients to the (111) plane.
[0057]
FIG. 5 shows the relationship between the specific resistance and the growth temperature. The specific resistance decreased as the growth temperature increased, and TiN grown by MH reduction became 90 μΩ · cm at 500 ° C. NHThree In order to obtain an equivalent specific resistance by reduction, a high temperature of 700 ° C. or higher is required.
[0058]
FIG. 6 shows the relationship between the chlorine concentration in the TiN film and the growth temperature.Three The chlorine concentration in TiN grown by reduction was 3.3 atomic% at a growth temperature of 500 ° C., whereas TiN grown by MH reduction was 0.18 atomic% at the same growth temperature.
[0059]
As a result, MH gas is TiClFour It can be seen that the residual chlorine concentration can be reduced sufficiently. The chlorine concentration decreases with the upper layer of the growth temperature, and considering the results shown in FIG. 5, the specific resistance is considered to decrease as the residual chlorine concentration decreases.
[0060]
When the chlorine concentration is lowered, the corrosion of aluminum formed thereon is reduced. The corrosion is observed after washing with water. Therefore, TiN was formed by MH reduction, an aluminum film was laminated thereon, and after microscopic observation after washing with water, no corrosion of the aluminum surface was observed. In contrast, NHThree According to the reduction, in order to eliminate corrosion, it is necessary to set the growth temperature to 550 ° C. or higher and reduce the chlorine content.
[0061]
NHThree When the source gas is reduced by Ti to form TiN, corrosion of aluminum occurs at the interface between the interlayer insulating film and the aluminum film. This is thought to be because chlorine in the TiN film diffuses into the water that permeates into the interface during washing.
[0062]
With regard to step coverage, when TiN produced by MH reduction was grown to a thickness of 1700 mm, it was found that a contact hole of 0.2 μmφ and an aspect ratio of about 2.6 was completely embedded, and the coverage was also good. . It has also been confirmed that the leakage current is as large as before.
[0063]
The above-described refractory metal nitride is similarly applied to the case where a hole formed in the insulating film is buried.
(B) Description of Second Embodiment of the Invention FIG. 7 is a block diagram of a CVD apparatus for forming a refractory metal nitride according to the second embodiment of the present invention.
[0064]
FIG. 7 differs from FIG. 1 in that there is means for applying a high-frequency voltage to the parallel plate electrodes as means for activating the reducing gas.
[0065]
In the reaction chamber 31 of the CVD apparatus, a mounting table 32 for mounting a semiconductor substrate, a gas introduction port 33 for introducing a source gas into the reaction chamber 31, and an exhaust port 35 connected to an exhaust device (not shown) are provided. Have.
[0066]
A plasma chamber 36 is connected on the reaction chamber 31, and these spaces are partitioned by a mesh-like ion trap portion 37 that prevents the plasma from entering the reaction chamber 31.
[0067]
Further, a gas introduction port 34 for introducing a reducing gas is provided inside the plasma chamber 36, and a pair of electrodes 38a and 38b are arranged around the outside thereof, and an electric field is applied between the electrodes. When applied, the reducing gas in the plasma chamber 36 is activated. One electrode 38b is connected to a high-frequency power source 39 for supplying a high-frequency voltage having a frequency of 13.46 MHz, and the other electrode 38a is grounded.
[0068]
Then, a reducing gas introduced into the plasma chamber 36 is activated by applying a high frequency voltage between the two electrodes 38a and 38b. In this case, since the reducing gas is activated by the plasma, the substrate can be sufficiently grown even when the substrate heating temperature by the heater built in the mounting table 31 is 500 ° C. or less.
[0069]
Also in such a CVD apparatus, as in the first embodiment of the present invention, as a source gas containing a refractory metal element, an alkylaminated product, alkoxide product, halide or cyclopentadienylated product of a refractory metal is used. A gas containing an alkylamino compound or an alkyl azide compound, or a gas containing hydrazine or an alkyl compound thereof is used as a reducing agent for reducing the source gas.
[0070]
Due to the reaction between the source gas and the reducing gas, a refractory metal nitride such as TiN and an alkyl compound that becomes gaseous at room temperature, N2Or H2Is generated. These gases are exhausted from the exhaust port 35 of the reaction chamber 31 and do not remain on the inner wall of the reaction chamber 31. The TiN is formed on the semiconductor substrate as in the first embodiment, and is used as a barrier metal for wiring.
[0071]
In this embodiment, the source gas and the reducing gas are used, and the reducing gas is activated by the electric field of the high frequency voltage. Therefore, the substrate heating temperature for obtaining TiN is in the range of 300 ° C. to 500 ° C. When the wiring layer is under the electrode, the thermal influence on the lower wiring layer is further reduced, and the occurrence of melt and hillocks in the aluminum wiring is suppressed.
[0072]
Furthermore, NH as a source gas reducing agentThree Compared with the use of the reducing agent of this example, the film formation rate is higher, the specific resistance is lower, the chlorine concentration is lower, and the step coverage is better. .
(C) Description of the third embodiment of the present invention
FIG. 8 is a block diagram of a CVD apparatus for forming a TiN film according to the third embodiment of the present invention.
[0073]
8 is different from FIG. 1 in that a mercury lamp that irradiates ultraviolet rays is used as means for activating the reducing gas.
[0074]
In the chamber 41 of the CVD apparatus, a mounting table 42 with a built-in heater for mounting a semiconductor substrate on which a film is grown, a gas inlet 43 for introducing a source gas into the chamber 41, and a reducing property in the chamber 41. A gas introduction port 44 for introducing gas, an exhaust port 45 for exhausting the gas in the chamber 41 connected to an exhaust device (not shown), and for irradiating the chamber 41 with ultraviolet rays to activate the reducing gas It has a mercury lamp 46 and a transmission window 47 that is formed in a part of the wall of the chamber 41 and transmits ultraviolet rays from the mercury lamp 45.
[0075]
In this CVD apparatus, the reducing gas and the source gas in the chamber 41 are activated by high energy ultraviolet rays generated when the mercury lamp 45 is turned on. By this ultraviolet irradiation, the substrate heating temperature is sufficient to be 500 ° C. or less.
[0076]
Further, as a source gas containing a refractory metal element introduced into the chamber 41, a gas containing an aluminide, alkoxide, halide or cyclopentadienylate of a refractory metal as in the first embodiment. In addition, as the reducing gas of the source gas, as in the first embodiment, an alkyl azide compound, a gas containing an alkylamino compound, a gas containing hydrazine or an alkyl compound thereof, etc. are used. A refractory metal nitride film to be a barrier metal is formed. This reducing gas also acts as a nitriding gas.
[0077]
In this case, in addition to the refractory metal nitride as the reaction product, an alkyl compound that is gaseous at room temperature, N2And H2They do not remain on the inner wall of the chamber 41.
[0078]
Further, since the source gas and the reducing gas are activated by the high-energy ultraviolet rays using the reaction gas and the reducing gas described above, the substrate heating temperature for forming the barrier metal made of TiN is 300 ° C. to 500 ° C. When the temperature range is sufficient, and there is a wiring layer under the barrier metal, the thermal influence on the lower wiring layer is further reduced, and the occurrence of hillocks in the aluminum wiring is suppressed.
[0079]
The film formation rate, specific resistance, chlorine concentration, and coverage are similar to those of the first embodiment, and are optimal as a wiring barrier metal material for semiconductor devices.
(D) Description of the fourth embodiment of the present invention
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. In this embodiment, since the CVD apparatus shown in FIG. 1 used in the first embodiment is used, description of the CVD apparatus is omitted.
[0080]
A part of the cross section of the semiconductor substrate before TiN is formed as the barrier metal is in a state as shown in FIG. A field oxide film 12 is formed by a selective oxidation method in a portion surrounding the element formation region on the upper surface of the semiconductor substrate 11 made of p-type silicon, and a gate insulating film 13 and a gate electrode 14 of the MOSFET are formed in the element formation region. S / D region layers 15a and 15b are formed, and contact holes 17a and 17b for exposing the S / D region layers 15a and 15b are formed in the interlayer insulating film 16 covering them.
[0081]
A natural oxide film (SiO 2) is formed on the surfaces of the S / D region layers 15a and 15b exposed from the contact holes 17a and 17b.250) is growing.
[0082]
In such a state, the semiconductor substrate 11 is put into the chamber 1 of the CVD apparatus as shown in FIG. 1 and the semiconductor substrate 11 is placed on the mounting table 2. This is followed by a pretreatment process for contact metal formation.
[0083]
First, the inside of the chamber 1 is 1 × 10-FourAfter reducing the pressure to below Torr, the semiconductor substrate 11 is heated by a heater built in the mounting table 2, and the substrate temperature in a normal temperature state is raised to 400 to 700 ° C.
[0084]
Subsequently, hydrazine (N2HFour) Gas is introduced into the chamber 1 at a flow rate of 100 sccm, and the upper surface of the semiconductor substrate 11 is N2HFourExposure to a natural oxide film (SiO 2) having a thickness of about 10 mm formed on the surface of the S / D region layers 15a and 15b exposed from the contact holes 17a and 17b.2) 50 is removed as shown in FIG.
[0085]
The substrate temperature is 400 ° C. and N2HFourAlternatively, the natural oxide film 50 can be removed from the substrate even if a hydrazine alkyl compound such as methyl hydrazine (MH) is flowed at a flow rate of 100 sccm for 60 seconds.
[0086]
The natural oxide film 50 is removed in this way because N2HFourActive hydrogen radicals dissociated from SiO2It is thought to be for reducing
[0087]
Next, the process of growing TiSi as a contact metal is started.
[0088]
While heating the temperature of the semiconductor substrate 11 to 400 ° C. to 700 ° C., TiClFour Gas 10 sccm, MH gas 5 sccm, Si2H6 Gas is introduced into the chamber 1 at a flow rate of 200 sccm, and the pressure in the chamber 1 is set to several tens of mTorr.
[0089]
Under this condition, TiSix grows at a growth rate of about 100 Å / min. By maintaining this state for a predetermined time, the upper surfaces of the S / D region layers 15a and 15b are maintained as shown in FIG. A TiSix film 51 is formed to a thickness of 100 mm along the inner peripheral surfaces of the contact holes 17 a and 17 b and the upper surface of the interlayer insulating film 16. In this case, the TiSix film 51 contains several ppm of nitrogen.
[0090]
Si2H6 Besides SiHFour, SiThreeH8 A polysilane gas such as
[0091]
Next, the process proceeds to a process of growing TiN as a barrier metal for wiring.
[0092]
While heating the semiconductor substrate 11 to 400-500 degreeC, it is TiClFour Are introduced into the chamber 1 at a flow rate of 10 sccm and MH at a flow rate of 10 sccm. At this time, the pressure in the chamber 1 is set to 100 m Torr. NH as carrier and nitrogen sourceThree 100 sccm may be added.
[0093]
According to this condition, as shown in FIG. 10A, the TiN film 52 having a specific resistance of 100 μΩ · cm or less is formed on the S / D region layers 15a and 15b and the inner peripheral surfaces of the contact holes 17a and 17b. , Formed on the interlayer insulating film 16.
[0094]
The chlorine concentration remaining in the TiN film 52 is NH as a reducing agent.Three Compared to the case of using, it decreased to 1/40. When the density of chlorine increases, the chlorine dissolves in the water during washing and causes corrosion of the Al film laminated on the barrier metal, but if the chlorine concentration drops significantly as in this example, the corrosion The possibility of is almost gone.
[0095]
After laminating such a barrier metal, the semiconductor substrate 11 is taken out from the CVD apparatus, and then, as shown in FIG. 10B, an Al film 53 is laminated to a thickness of about 5000 mm by sputtering.
[0096]
Then, the layers from the Al film 53 to the contact metal 51 are patterned by photolithography to form S / D electrodes 54 and 55. Thereafter, an interlayer insulating film 21 is laminated by a CVD method. Next, as shown in FIG. 10 (C), upper wirings 24a and 24b made of TiN / Al are formed. Details thereof have already been described in the first embodiment, and will be omitted.
[0097]
The reducing gas may be other hydrazine alkyl compounds of MH, N2HFourIt may be.
[0098]
According to the process as described above, the process from the step of removing the natural oxide film 50 on the surface of the S / D region layers 15a and 15b to the process of forming the TiN film 52 as a barrier metal is performed in the chamber 1 of the same CVD apparatus. Since the process is performed without breaking the vacuum state, the natural oxide film does not re-grow, and the throughput is improved. In addition, since a series of steps from the removal of the natural oxide film to the formation of the contact metal is performed at a low temperature of 600 ° C. or lower using hydrazine or a hydrazine alkyl compound, thermal strain generated between layers is reduced.
[0099]
When Ti is 60% or more of TiN serving as a barrier metal, Ti-rich TiN is formed at the interface between the silicon surface of the S / D region layers 15a and 15b and the TiN film 52. When annealing is performed for 10 seconds at a temperature of 450 ° C. or higher, for example, 600 ° C. without forming, a TiSix layer is formed at the interface. This eliminates the need for flowing polysilane to form the contact metal.
[0100]
Further, as the reaction gas, a source gas and a reducing gas as shown in the first embodiment may be used.
[0101]
With respect to the film forming speed, specific resistance, chlorine concentration, and coverage in this example, the same results as in the first example are obtained, which is optimal as a barrier metal material for wiring of a semiconductor device.
[0102]
(E) Description of the fifth embodiment of the present invention
In the fourth embodiment, barrier metal formation is performed from natural oxide film removal in one reaction chamber, but natural oxide film removal and metal growth may be performed in separate chambers. An example is shown in FIG.
[0103]
The apparatus has two reaction chambers 61 and 62, and a vacuum transfer chamber 63 for transferring a semiconductor substrate in a reduced-pressure atmosphere is provided between the reaction chambers 61 and 62. The vacuum transfer chamber 63 is connected to a load chamber 64 and an unload chamber 65 for taking in and out the semiconductor substrate, and cassette stations 66 and 67 for storing the semiconductor substrate are connected to them.
[0104]
Note that, between the reaction chambers 61 and 62 and the vacuum transfer chamber 63, between the vacuum transfer chamber 63 and the load chamber 64, between the vacuum transfer chamber 63 and the unload chamber 65, and between the load chamber 64 and the first cassette station 66. Gate valves 67 to 73 are attached between the unload chamber 65 and the second cassette station 67, respectively. These gate valves 67 to 73 are opened and closed when the semiconductor substrate is moved, and the opening and closing thereof is omitted in the following description.
[0105]
Next, the process from the removal of the natural oxide film to the process of forming the barrier metal using the above-described apparatus will be described. In this embodiment, the growth conditions such as the type of gas, the growth temperature, and the growth film thickness are the same as those in the fourth embodiment, and the change in the stacked structure on the semiconductor substrate is as shown in FIGS. become.
[0106]
First, the semiconductor substrate 11 taken out from the first cassette station 66 by a transport system (not shown) is transported to the load chamber 64 and placed in an atmosphere where the pressure is reduced. The reaction chamber 61 is attached. The vacuum transfer chamber 63 and the reaction chamber 61 are in a reduced pressure state.
[0107]
In the first reaction chamber 61, hydrazine or a hydrazine alkyl compound is introduced, and the substrate temperature is set to 400 ° C. to 700 ° C. while the internal pressure is set to 100 mTorr.
[0108]
If this state is maintained for a predetermined time, a natural oxide film (SiO 2) formed on the surface of the S / D region layers 15a and 15b as shown in FIG.2) 50 is removed.
[0109]
Next, after the semiconductor substrate 11 is taken out from the first reaction chamber 61 by a transfer system (not shown), the semiconductor substrate 11 is transferred into the second reaction chamber 62 through the vacuum transfer chamber 63.
[0110]
In the reaction chamber 62, as in the fourth embodiment, TiCl.Four And MH and Si2H6 And the substrate temperature is set to 400 to 600 ° C. Thus, as shown in FIG. 9C, the TiSix film 51 as the contact metal is formed along the inner peripheral surfaces of the contact holes 17a and 17b, the surfaces of the S / D region layers 15a and 15b, and the upper surface of the interlayer insulating film 16. Form.
[0111]
Next, the gas introduced into the second reaction chamber 62 is changed and TiCl is changed.Four And MH are introduced, and the semiconductor substrate 11 is heated to 400 ° C. to 500 ° C., thereby growing a TiN film 52 as a barrier metal as shown in FIG.
[0112]
Thereafter, the semiconductor substrate 11 is transferred from the second reaction chamber 62 to the vacuum transfer chamber 63 by the transfer system (not shown), and then transferred from the vacuum transfer chamber 63 to the unload chamber 65 in a reduced pressure state. Further, after closing the gate valve 73 between the unload chamber 65 and the vacuum transfer chamber 63, the inside of the unload chamber 65 is brought to normal pressure, and then the semiconductor substrate 11 is stored in the second cassette station 67.
[0113]
Thereafter, in the same manner as in the fourth embodiment, as shown in FIG. 10B, an Al film 53 is laminated on the barrier metal film 52 by sputtering, and then contact metal is formed from the Al film 53 by lithography. Patterns up to the film 51 are formed to form S / D electrodes 54 and 55 as shown in FIG.
[0114]
In this embodiment as well, Si is used to form the contact metal.2H6 If the Ti content of the TiN film 52 is set to 60% or more without annealing and annealing is performed at a temperature of 450 ° C. or more, a TiSi film between the silicon surface of the S / D region layers 15a and 15b and the TiN film 52 is formed. Will be formed.
[0115]
The source gas and the reducing gas used in this embodiment may be the same as those in the first embodiment, and the same results as in the first embodiment can be obtained with respect to the film forming rate, specific resistance, chlorine concentration, and coverage.
[0116]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, when the wiring electrode in contact with the silicon layer is formed, the refractory metal silicide film is provided under the refractory metal barrier metal. I can improve my contacts.
[0117]
Further, according to the present invention, when growing a refractory metal nitride serving as a barrier metal, NH is used as a reducing and nitriding gas.ThreeIn addition, a gas containing an alkyl azide compound, an alkylamino compound, a hydrazine, and a hydrazine alkyl compound is used. According to this, when forming an aluminum wiring, a refractory metal nitride can be grown at a low temperature that does not cause melting or hillocks. Further, when the refractory metal nitride is generated, a product that becomes a solid at normal temperature is not generated by the reaction, and deposition of a product causing particles on the inner wall of the chamber can be suppressed. Furthermore, NH as the reducing gasThreeCompared to the case of using Ti, the content of chlorine in the refractory metal nitride film is reduced, and corrosion of the aluminum film laminated on the wiring electrode can be suppressed.FourWhen Ti is used as a Ti source, its coverage can be improved and its specific resistance can be reduced.
[0118]
According to another aspect of the present invention, since a natural oxide film is removed by supplying hydrazine or a hydrazine alkyl compound to the surface of the silicon layer in a reduced pressure atmosphere, the CVD film is continuously formed. It is possible to prevent regrowth of the natural oxide film.
[0119]
Furthermore, the removal of the natural oxide film, the growth of the refractory metal silicide film as the contact metal, and the growth of the refractory metal nitride film as the barrier metal are performed without breaking the vacuum state. Throughput can be improved.
[0120]
Furthermore, as a method of forming a refractory metal silicide on the surface of the silicon layer, the content of the refractory metal in the refractory metal nitride film formed on the silicon layer is increased to 60% or more, and a high melting point is obtained by subsequent heat treatment. Since the refractory metal silicide is grown between the metal nitride film and the silicon layer, it is not necessary to introduce polycide when growing the refractory metal silicide, and the throughput can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a CVD apparatus used for forming a TiN film according to first and fourth embodiments of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view (No. 1) for explaining the method of manufacturing the semiconductor device according to the first example of the invention.
FIG. 3 is a sectional view (No. 2) for explaining the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the growth rate of the TiN film according to the first embodiment of the present invention and the growth rate of the TiN film by the conventional method.
FIG. 5 is a characteristic diagram showing the specific resistance of the TiN film according to the first embodiment of the present invention and the specific resistance of the TiN film according to the conventional method.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the Cl concentration of the TiN film according to the first embodiment of the present invention and the Cl concentration of the TiN film by the conventional method.
FIG. 7 is a configuration diagram of a CVD apparatus used for forming a TiN film according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a configuration diagram of a CVD apparatus used for forming a TiN film according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a sectional view (No. 1) for explaining a method of manufacturing a semiconductor device according to fourth and fifth embodiments of the present invention;
FIG. 10 is a sectional view (No. 2) for explaining the method of manufacturing the semiconductor device according to the fourth and fifth embodiments of the present invention;
FIG. 11 is a configuration diagram of an apparatus used in processes from removal of a natural oxide film to formation of a barrier metal film according to a fifth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 chamber
2 mounting table
3, 4 Gas inlet
5 Exhaust port
11 Silicon substrate (semiconductor substrate)
12 Field insulating film
13 Gate insulation film
14 Gate electrode
15a, 15b S / D region layer
16 Interlayer insulation film
17a, 17b Contact metal
18 TiN film (refractory metal nitride)
19 Al film
20a, 20b S / D electrode
21 Interlayer insulation film
21a, 21b Via hole
22 TiN film (refractory metal nitride film)
23 Al film
24a, 24b wiring layer
31 reaction chamber
32 mounting table
33, 34 Gas inlet
35 Exhaust port
36 Plasma chamber
37 Ion trap
38a, 38b electrode
39 AC power supply
41 chamber
42 mounting table
43, 44 Gas inlet
45 Exhaust port
46 Mercury lamp
47 Transparent window
50 Natural oxide film
51 TiSix film (contact metal)
52 TiN film (barrier metal)
53 Al film
54, 55 S / D electrode
61, 62 Reaction chamber
63 Vacuum transfer chamber
64 load chamber
65 Unload chamber
66, 67 cassette station

Claims (8)

高融点金属を含むソースガスと、該ソースガスを還元及び窒化するアルキルアミノ化合物を還元ガス及び窒素源として使用し、高融点金属窒化膜を化学気相成長法により形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。Using a source gas containing a refractory metal and an alkylamino compound that reduces and nitrides the source gas as a reducing gas and a nitrogen source, and forming a refractory metal nitride film by chemical vapor deposition. A method for manufacturing a semiconductor device. 前記高融点金属窒化膜は300〜500℃の温度に置くことにより形成することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1 , wherein the refractory metal nitride film is formed by placing the refractory metal nitride film at a temperature of 300 to 500 ° C. 前記高融点金属窒化膜中の高融点金属の含有量は60%以上であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1 , wherein the content of the refractory metal in the refractory metal nitride film is 60% or more. 前記高融点金属窒化膜はシリコン層の上面に形成され、前記高融点金属窒化膜を450℃以上の温度に置くことにより、前記高融点金属窒化膜と前記シリコン層の間に高融点シリサイド層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。The refractory metal nitride film is formed on the upper surface of the silicon layer, and the refractory metal nitride film is placed at a temperature of 450 ° C. or higher to form a refractory silicide layer between the refractory metal nitride film and the silicon layer. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3 , further comprising a step of forming the semiconductor device. 前記高融点金属窒化膜を形成する工程の前に前記シリコン層の表面の自然酸化膜を除去する工程を有することを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, further comprising a step of removing a natural oxide film on a surface of the silicon layer before the step of forming the refractory metal nitride film. 前記自然酸化膜を除去する工程では、前記シリコン層の表面をヒドラジン又はヒドラジンアルキル化合物に曝すことを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein in the step of removing the natural oxide film, the surface of the silicon layer is exposed to hydrazine or a hydrazine alkyl compound. 高融点金属を含むソースガスと、該ソースガスを還元及び窒化するアルキルアミノ化合物を還元ガス及び窒素源として使用し、高融点金属窒化膜を堆積することを特徴とする高融点金属窒化膜の堆積方法。Deposition of a refractory metal nitride film characterized by depositing a refractory metal nitride film using a source gas containing a refractory metal and an alkylamino compound that reduces and nitrides the source gas as a reducing gas and a nitrogen source Method. 前記高融点金属を含むソースガスは、高融点金属のアルキルアミノ化合物又はシクロペンタジエニル化合物を有するガスであることを特徴とする請求項7に記載の高融点金属窒化膜の堆積方法。8. The method for depositing a refractory metal nitride film according to claim 7, wherein the source gas containing the refractory metal is a gas containing an alkylamino compound or a cyclopentadienyl compound of the refractory metal.
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