JPH03185823A - Manufacture of semiconductor device - Google Patents

Manufacture of semiconductor device

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Publication number
JPH03185823A
JPH03185823A JP32521489A JP32521489A JPH03185823A JP H03185823 A JPH03185823 A JP H03185823A JP 32521489 A JP32521489 A JP 32521489A JP 32521489 A JP32521489 A JP 32521489A JP H03185823 A JPH03185823 A JP H03185823A
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JP
Japan
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contact hole
polycrystalline silicon
metal layer
semiconductor substrate
oxide film
Prior art date
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JP32521489A
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Japanese (ja)
Inventor
Yukiyasu Sugano
菅野 幸保
Shinji Minegishi
慎治 峰岸
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
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Publication of JPH03185823A publication Critical patent/JPH03185823A/en
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Abstract

PURPOSE:To prevent the generation of pin holes, improve heat resistance, and obstruct the punchthrough of low melting point metal, by filling a contact hole formed in the interlayer insulating film on a semiconductor substrate with polycrystalline silicon, and forming a barrier metal layer thereon by reactive sputtering while applying a bias voltage to the semiconductor substrate. CONSTITUTION:An interlayer insulating film 3A is formed by laminating the following in order on a semiconductor substrate 1 provided with a diffusion layer 2; a silicon oxide film 13, a spin-on-glass film 14, and a phosphorus silicate glass film 15. A contact hole 4 is formed in the layer 3A; a natural oxide film 11 and damaged parts are eliminated by chemical dry etching; and then polycrystalline silicon 5 is buried in the contact hole. The whole part is etched back by reactive ion etching; the polycrystalline silicon is left only in the contact hole 4 and a plug 6 is formed; and a natural oxide film 18 on the upper surface is again eliminated by chemical dry etching. While an RF bias 40 is applied to the semiconductor substrate 1, reactive sputtering is performed, thereby forming a barrier metal layer 9 and depositing a low melting point metal layer 10.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は半導体装置の製造方法、特にコンタクトホール
に露出された下地とコンタクトホールに埋め込まれた多
結晶シリコンとの自然酸化膜の除去方法、ならびにバリ
ヤメタル層の成膜方法に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, particularly a method for removing a natural oxide film between a base exposed in a contact hole and polycrystalline silicon buried in the contact hole; The present invention also relates to a method for forming a barrier metal layer.

[発明の概要] 本発明は、コンタクトホールに埋め込んだ多結晶シリコ
ンと、低融点金属とからなる配線構造を設けた半導体装
置の製造方法において、ケミカルドライエツチングによ
りコンタクトホールの底部に露出した下地の自然酸化膜
とコンタクトホールに埋め込んだ多結晶シリコン上面の
自熱酸化膜とを除去する一方、この多結晶シリコン上に
バリヤメタル層を半導体基板にバイアスを印加しつつ反
応性スパッタリングにより形成し、このバリヤメタル層
上に低融点金属層を形成することにより、 下地へのダメージやコンタクトホールのサイドアタック
、孔径拡大を招くことなく作業性良く自然酸化膜を除去
することができる一方、バリヤメタル層の耐熱性を向上
することができるようにしたものである。
[Summary of the Invention] The present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device having a wiring structure made of polycrystalline silicon buried in a contact hole and a low-melting point metal, in which the underlying layer exposed at the bottom of the contact hole is removed by chemical dry etching. While removing the natural oxide film and the autothermal oxide film on the top surface of the polycrystalline silicon buried in the contact hole, a barrier metal layer is formed on the polycrystalline silicon by reactive sputtering while applying a bias to the semiconductor substrate. By forming a low melting point metal layer on top of the layer, it is possible to remove the natural oxide film with good workability without causing damage to the base, side attack of the contact hole, or enlargement of the hole diameter, while improving the heat resistance of the barrier metal layer. This is something that can be improved.

[従来の技術] LSI、ULSIのような半導体装置の製造方法におい
ては、例えば公技番号81−6698号に示されている
ように、デザインルールの微細化に伴い、コンタクトホ
ールの孔径が小さくなって、コンタクトホールのアスペ
クト比が大きくなる傾向にあることから、コンタクトホ
ールをステップカバレッジ(段差被覆性)良く埋め込む
プラグ法が知られている。これを、第3図に図示して説
明する。
[Prior Art] In the manufacturing method of semiconductor devices such as LSI and ULSI, as shown in Publication No. 81-6698, the diameter of contact holes has become smaller due to miniaturization of design rules. Since the aspect ratio of contact holes tends to increase, a plug method is known in which contact holes are filled with good step coverage. This will be illustrated and explained in FIG.

■第3図(A)に示すように、拡散層2を有するシリコ
ン(St)基板のような半導体基板l上に形成した層間
絶縁膜3に、フォトリゾグラフィーの技法で形成された
図外のレジストパターンをマスクとして反応性イオンエ
ツチングにより拡散層2が露出するまでエツチングを行
って、コンタクトホール4を形成する。
■As shown in FIG. 3(A), an interlayer insulating film 3 formed on a semiconductor substrate l such as a silicon (St) substrate l having a diffusion layer 2 has a Using the resist pattern as a mask, reactive ion etching is performed until the diffusion layer 2 is exposed, thereby forming a contact hole 4.

■第3図(B)に示すように、減圧CVD (LPGV
D)により多結晶シリコン(PolySi)5を層間絶
縁膜3上全面に堆積して、コンタクトホール4を多結晶
シリコン5で埋め込む。
■As shown in Figure 3 (B), low pressure CVD (LPGV
D), polycrystalline silicon (PolySi) 5 is deposited over the entire surface of interlayer insulating film 3, and contact hole 4 is filled with polycrystalline silicon 5.

■第3図(C)に示すように、反応性イオンエツチング
により多結晶シリコン5全面のエッチバックを行い、コ
ンタクトホール4内にだけ多結晶シリコンを残してプラ
グ6を形成した後、このプラグ6にドーパントを注入し
、さらに短時間アニールによりプラグ6を活性化する。
■As shown in FIG. 3(C), the entire surface of the polycrystalline silicon 5 is etched back by reactive ion etching to form a plug 6 leaving polycrystalline silicon only in the contact hole 4. A dopant is injected into the plug 6, and the plug 6 is activated by short-time annealing.

■第3図(D)に示すように、バイアス無しの反応性ス
パッタリングによりチタン(Ti)膜7゜チッ化チタン
(TiN)またはチタンオキシナイトライド(TiOx
Ny)膜8等のバリヤメタル層9ならびにアルミニウム
(AI)の低融点金属層10を順次堆積する。これによ
り、コンタクトホール4に埋め込んだ多結晶シリコンと
、低融点金属とからなる配線構造が、半導体基板1上に
形成される。
■As shown in Figure 3 (D), a titanium (Ti) film of 7° titanium nitride (TiN) or titanium oxynitride (TiOx) is formed by reactive sputtering without bias.
A barrier metal layer 9 such as Ny) film 8 and a low melting point metal layer 10 of aluminum (AI) are sequentially deposited. As a result, a wiring structure made of polycrystalline silicon buried in the contact hole 4 and a low melting point metal is formed on the semiconductor substrate 1.

[発明が解決しようとする課題1 前述した■の工程においては、第3図(A)に示すよう
に、コンタクトホール4の底部に露出した下地としての
拡散層2の上面には自然酸化膜IIが形成される。この
ため、■の前処理として、例えば純水100に対してフ
ッ酸Iを希釈した希フッ酸に、コンタクトホール4の形
成が完了した半導体基板1を15秒間程度浸すことによ
り、上記拡散層2の上面に形成された自然酸化膜11を
除去するとともに、この自然酸化膜11の除去された拡
散層2の上面をフッ酸で被覆して自然酸化膜11のでき
にくい表面性状にしている。また、■の工程において、
コンタクトホール4の底部に露出した拡散層2にはイオ
ンエツチング時のイオンの衝撃により結晶欠陥のような
ダメージ12が入るので、上記■の前処理である希フッ
酸によるライトエツチングの後に、前述とは別のエッチ
ャントを用いたウェットエツチングにより、上記自然酸
化膜11の除去された拡散層2の上面を除去して、ダメ
ージ12を取り除いている。
[Problem to be Solved by the Invention 1] In the step (2) described above, as shown in FIG. is formed. For this reason, as a pretreatment for (2), the semiconductor substrate 1 on which the contact hole 4 has been formed is immersed for about 15 seconds in diluted hydrofluoric acid prepared by diluting hydrofluoric acid I with 100% pure water, so that the diffusion layer 1 The natural oxide film 11 formed on the upper surface is removed, and the upper surface of the diffusion layer 2 from which the natural oxide film 11 has been removed is coated with hydrofluoric acid to make the surface texture difficult for the natural oxide film 11 to form. Also, in the process of ■,
Since damage 12 such as crystal defects occurs in the diffusion layer 2 exposed at the bottom of the contact hole 4 due to ion bombardment during ion etching, after light etching with dilute hydrofluoric acid, which is the pretreatment in step ① above, the above-mentioned process is performed. The damage 12 is removed by removing the upper surface of the diffusion layer 2 from which the natural oxide film 11 has been removed by wet etching using a different etchant.

ところで、層間絶縁膜3はその平坦化の目的から、第4
図に示すように、半導体基板1側から順に形成された酸
化シリコン(Sins)なる熱酸化膜13.スピンオン
ガラス(SOG)膜14.リンシリケートガラス(PS
G)膜15で構成したり、あるいは第5図に示すように
半導体基板l側から順に形成された熱酸化膜13.ホウ
素シリケートガラス(BPSG)膜16で構成したりす
る傾向にある。
By the way, for the purpose of planarizing the interlayer insulating film 3, the fourth
As shown in the figure, a thermal oxide film 13 made of silicon oxide (Sins) is formed sequentially from the semiconductor substrate 1 side. Spin-on glass (SOG) film 14. Phosphorsilicate glass (PS
G) A thermal oxide film 13 formed of a film 15 or formed sequentially from the semiconductor substrate l side as shown in FIG. There is a tendency to use a boron silicate glass (BPSG) film 16.

このようなことから、第4図に示した眉間絶縁膜3にお
いて、希フッ酸による前処理を行った場合には、スピン
オンガラス膜14の希フッ酸によるエツチングレートが
速いため、コンタクトホール4の孔壁にサイドアタック
17が入いる。また、第5図に示した層間絶縁膜3にお
いて、希フブ酸による前処理を行った場合には、ホウ素
シリケートガラス膜16の希フッ酸によるエツチングレ
ートが速いため、コンタクトホール4の孔径が大幅に拡
大するという不都合がある。
For this reason, when the glabellar insulating film 3 shown in FIG. Side attack 17 enters the hole wall. Furthermore, when the interlayer insulating film 3 shown in FIG. 5 is pretreated with dilute hydrofluoric acid, the etching rate of the boron silicate glass film 16 with dilute hydrofluoric acid is fast, so the diameter of the contact hole 4 is significantly increased. This has the disadvantage of expanding to

一方、前述した■の工程においても、ドーピングされか
つ活性化された多結晶シリコンからなるプラグ6の上面
には自然酸化膜18が形成されるので、前述と同様の希
フッ酸にプラグ6の形成が完了した半導体基板lを30
秒秒間症浸すことにより、自然酸化膜18を除去すると
ともに、この自然酸化膜18の除去されたプラグ6の上
面をフッ酸で被覆して自然酸化膜18のできにくい表面
性状にしている。
On the other hand, in the above-mentioned step (2), since a natural oxide film 18 is formed on the upper surface of the plug 6 made of doped and activated polycrystalline silicon, the plug 6 is formed in the same dilute hydrofluoric acid as described above. 30 completed semiconductor substrates
By soaking for seconds, the natural oxide film 18 is removed, and the upper surface of the plug 6 from which the natural oxide film 18 has been removed is coated with hydrofluoric acid to make the surface texture difficult for the natural oxide film 18 to form.

また、自然酸化膜18が除去されたプラグ6の上面は、
第6図に示すように、多結晶シリコンの結晶粒界を反映
した微細な凹凸なる表面性状になっている。このため、
プラグ6の上面にチタン膜7、チッ化ヂタンまたチタン
オキシナイトライド膜8等のバリヤメタル層9を堆積す
ると、バリヤメタル層9がプラグ6上面の凹部にはステ
ッカバレッジ(段差被覆性)良く付着せず、最終的には
微細なピンホール19を有する部分が形成される。この
バリヤメタル層9のピンホール19を有する部分は40
0℃程度のシンター温度で容易に破れ、低融点金属層1
0から拡散層2へのアルミニウム突き抜けを起こすとい
う問題がある。
Further, the upper surface of the plug 6 from which the natural oxide film 18 has been removed is
As shown in FIG. 6, the surface has fine irregularities reflecting the grain boundaries of polycrystalline silicon. For this reason,
When a barrier metal layer 9 such as a titanium film 7, titanium nitride or titanium oxynitride film 8 is deposited on the top surface of the plug 6, the barrier metal layer 9 does not adhere well to the recesses on the top surface of the plug 6 with good step coverage. , a portion having minute pinholes 19 is finally formed. The portion of this barrier metal layer 9 having the pinhole 19 is 40
Easily broken at a sintering temperature of about 0℃, low melting point metal layer 1
There is a problem that penetration of aluminum from zero to the diffusion layer 2 occurs.

[課題を解決するための手段] そこで第1の発明は、半導体基板上の眉間絶縁膜に形成
したコンタクトホールを多結晶シリコンで埋め込み、こ
の多結晶シリコン上にバリヤメタル層および低融点金属
層を順次形成する工程を有する半導体装置の製造方法に
おいて、前記バリヤメタル層は半導体基板にバイアスを
印加しつつ反応性スパッタリングにより形成する。
[Means for Solving the Problems] Therefore, the first invention is to fill a contact hole formed in an insulating film between the eyebrows on a semiconductor substrate with polycrystalline silicon, and to sequentially form a barrier metal layer and a low melting point metal layer on this polycrystalline silicon. In the method for manufacturing a semiconductor device, the barrier metal layer is formed by reactive sputtering while applying a bias to the semiconductor substrate.

第2の発明は、半導体基板上の層間絶縁膜に形成したコ
ンタクトホールを多結晶シリコンで埋め込み、この多結
晶シリコン上にバリヤメタル層および低融点金属層を順
次形成する工程を有する半導体装置の製造方法において
、前記コンタクトホールの形成後、ケミカルドライエツ
チングによりコンタクトホールの底部に露出した下地の
自然酸化膜を除去し、直ちにコンタクトホールを多結晶
シリコンで埋め込み、次いで多結晶シリコン上面の自然
酸化膜をケミカルドライエツチングにより除去した後、
この多結晶シリコン上にバリヤメタル層を形成する。
A second invention is a method for manufacturing a semiconductor device, which includes a step of filling a contact hole formed in an interlayer insulating film on a semiconductor substrate with polycrystalline silicon, and sequentially forming a barrier metal layer and a low melting point metal layer on the polycrystalline silicon. After forming the contact hole, the underlying natural oxide film exposed at the bottom of the contact hole is removed by chemical dry etching, the contact hole is immediately filled with polycrystalline silicon, and then the natural oxide film on the top surface of the polycrystalline silicon is removed by chemical dry etching. After removing by dry etching,
A barrier metal layer is formed on this polycrystalline silicon.

[作用] 第1の発明では、バリヤメタル層を形成する際に、ター
ゲットからの蒸発原子を半導体基板側に電気的に引っ張
ることにより、蒸発原子がコンタクトホールIこ埋め込
まれた多結晶シリコン上面の凹部にもステップカバレッ
ジ良く付着して、ピンホールの無いバリヤメタル層を形
成する。
[Function] In the first invention, when forming a barrier metal layer, the evaporated atoms from the target are electrically pulled toward the semiconductor substrate side, so that the evaporated atoms form the concave portion of the upper surface of the polycrystalline silicon filled with the contact hole I. The barrier metal layer is also adhered with good step coverage to form a pinhole-free barrier metal layer.

第2の発明では、コンタクトホールに露出された下地と
コンタクトホールに埋め込まれた多結晶シリコンとの自
然酸化膜を除去する際に、マイクロ波照射によりエツチ
ングガスを半導体基板に晒すことなくプラズマ化し、こ
のプラズマ中で層間絶縁膜に対するエツチングレートが
小さくかつシリコンの自然酸化膜と拡散層とに対するエ
ツチングレートが大きい活性ガスを生成し、この活性ガ
スをエツチング室内の半導体基板上に均一に照射し、こ
の活性ガスがコンタクトホールの底部に露出している自
然酸化膜と拡散層との成分と化学的に反応して揮発性の
物質を生成することにより、自然酸化膜と下地のダメー
ジの部分とを除去する。
In the second invention, when removing the natural oxide film of the base exposed in the contact hole and the polycrystalline silicon buried in the contact hole, the etching gas is turned into plasma by microwave irradiation without exposing the semiconductor substrate, In this plasma, an active gas is generated that has a low etching rate for the interlayer insulating film and a high etching rate for the silicon natural oxide film and the diffusion layer, and this active gas is uniformly irradiated onto the semiconductor substrate in the etching chamber. The active gas chemically reacts with the components of the natural oxide film and diffusion layer exposed at the bottom of the contact hole to generate volatile substances, thereby removing the natural oxide film and damaged parts of the underlying layer. do.

[実施例] 以下、本発明の実施例を図面とともに、前述した従来構
造と同一部分に同一符号を付して詳述する。
[Embodiments] Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings, with the same reference numerals assigned to the same parts as those in the conventional structure described above.

この一実施例では、先ず、第2の発明に相当する処理を
行う。即ち、第1図(A)に示すように、拡散層2を有
するシリコン(Sl)基板のような半導体基板i上に眉
間絶縁膜3Aを例えば0.5μmの厚さに形成する。こ
の層間絶縁膜3Aは、半導体基板I側から酸化シリコン
膜13.スピンオンガラス膜14.リンシリケートガラ
ス膜15を順次積層して形成されている。そして、この
半導体基板l上に形成した層間絶縁膜3Aには、フォト
リゾグラフィーの技法で形成された図外のレジストパタ
ーンをマスクとして反応性イオンエツチングにより拡散
層2が露出するまでエツチングを行って、例えば孔径が
0.6μmのコンタクトホール4を形成する。この反応
性イオンエツチングにおいては、コンタクトホール4の
底部に露出した拡散層2の上面には、自然酸化膜11が
形成されているとともに、イオンの衝撃による結晶欠陥
なるダメージ12が数10人の深さで形成されている。
In this embodiment, first, processing corresponding to the second invention is performed. That is, as shown in FIG. 1A, a glabellar insulating film 3A is formed to a thickness of, for example, 0.5 μm on a semiconductor substrate i such as a silicon (Sl) substrate having a diffusion layer 2. This interlayer insulating film 3A is formed from the silicon oxide film 13. Spin-on glass film 14. It is formed by sequentially stacking phosphosilicate glass films 15. Then, the interlayer insulating film 3A formed on the semiconductor substrate l is etched by reactive ion etching using a resist pattern (not shown) formed by photolithography as a mask until the diffusion layer 2 is exposed. For example, a contact hole 4 having a hole diameter of 0.6 μm is formed. In this reactive ion etching, a natural oxide film 11 is formed on the upper surface of the diffusion layer 2 exposed at the bottom of the contact hole 4, and damage 12, which is a crystal defect due to ion bombardment, is caused to a depth of several tens of layers. It is formed by

このようなことから、コンタクトホール4を形成した後
、第1図(B)に示すように、ケミカルドライエツチン
グを30秒間程度行う。具体的には、第2図に示すよう
に、エツチング室30に、層間絶縁膜3Aとコンタクト
ホール4とを含む半導体基板lを配置した後、排気系に
よりエツチング室30内とこれに連通ずる輸送管31内
とこれに連通して導波管32を貫通する石英管33内と
を真空雰囲気に形成し、この石英管33にエツチングガ
スGlとしてフレオン(CP、)ガスを30SCCM、
酸素(O7)ガスを408CCM供給し、上記エツチン
グ室30.輸送管31.石英管33内を30Paに設定
し、上記石英管33に導入したエツチングガスGlに、
350Wの印加電力により発生したマイクロ波を導波管
32の配設部で照射してプラズマ化し、このプラズマ中
で・エツチングに寄与する活性ガスG2を生成し、この
活性ガスG2を輸送管31からエツチング室30に導き
、輸送管31のエツチング室3I側に連通するノズル3
4から半導体基板l上に均一に照射し、この活性ガスG
2がコンタクトホール4の底部に露出している自然酸化
膜11と拡散層2との成分と化学的に反応して揮発性の
物質G3を生成し、自然酸化膜11と拡散層2のダメー
ジの部分とを1工程で除去するというように、エツチン
グが行われる。このケミカルドライエツチングにより、
自然酸化膜11を含むコンタクトホール4の上面は例え
ば20〜30nmの深さでエツチングされ、自然酸化膜
11とダメージとが除去されて露出したコンタクトホー
ル4の上面がフッ素で被覆されて酸化されにくい表面性
状になる。このケミカルドライエツチングにおいては、
層間絶縁g!3Aを構成している熱酸化膜13.スピン
オンガラス膜14.リンシリケートガラスg(15はエ
ツチングレートが小さいため、コンタクトホール4めサ
イドアタック、孔径拡大等の不都合は起こらない。しか
も、半導体基板lがプラズマに晒されないので、ダメー
ジも入らない。
For this reason, after forming the contact hole 4, chemical dry etching is performed for about 30 seconds as shown in FIG. 1(B). Specifically, as shown in FIG. 2, after a semiconductor substrate l including an interlayer insulating film 3A and a contact hole 4 is placed in an etching chamber 30, an exhaust system is used to transport the semiconductor substrate l that communicates with the inside of the etching chamber 30. A vacuum atmosphere is formed in the tube 31 and the quartz tube 33 that communicates with the tube 33 and passes through the waveguide 32, and 30 SCCM of Freon (CP) gas is added to the quartz tube 33 as an etching gas Gl.
408 CCM of oxygen (O7) gas was supplied to the etching chamber 30. Transport pipe 31. The inside of the quartz tube 33 was set at 30 Pa, and the etching gas Gl introduced into the quartz tube 33 was
Microwaves generated by an applied power of 350 W are irradiated at the disposed portion of the waveguide 32 to form a plasma, and in this plasma an active gas G2 that contributes to etching is generated, and this active gas G2 is transferred from the transport pipe 31 A nozzle 3 that leads to the etching chamber 30 and communicates with the etching chamber 3I side of the transport pipe 31.
The active gas G is uniformly irradiated onto the semiconductor substrate l from
2 chemically reacts with the components of the natural oxide film 11 and the diffusion layer 2 exposed at the bottom of the contact hole 4 to generate a volatile substance G3, thereby preventing damage to the natural oxide film 11 and the diffusion layer 2. Etching is performed such that the parts are removed in one step. With this chemical dry etching,
The upper surface of the contact hole 4 including the natural oxide film 11 is etched to a depth of, for example, 20 to 30 nm, and the natural oxide film 11 and the damage are removed, and the exposed upper surface of the contact hole 4 is coated with fluorine, making it difficult to oxidize. becomes the surface texture. In this chemical dry etching,
Interlayer insulation g! Thermal oxide film 13 that constitutes 3A. Spin-on glass film 14. Since phosphosilicate glass G (15) has a low etching rate, problems such as side attack on the fourth contact hole and enlargement of the hole diameter do not occur.Furthermore, since the semiconductor substrate I is not exposed to plasma, no damage occurs.

この後、直ちに、第1図(C)に示すように、減圧CV
D (LPGVD)により多結晶シリコン(Po l 
yS i)5を層間絶縁膜3A上全而に例えば0.5μ
mの厚さに堆積して、コンタクトホール4を多結晶シリ
コン5で埋め込む。
Immediately after this, as shown in FIG. 1(C),
Polycrystalline silicon (Pol
yS i) 5 to the entire surface of the interlayer insulating film 3A, for example, 0.5μ.
The polycrystalline silicon 5 is deposited to a thickness of m to fill the contact hole 4 with polycrystalline silicon 5.

そして、第1図(D)に示すように、反応性イオンエツ
チングにより多結晶シリコン5全面のエッチパックを行
い、コンタクトホール4内にだけ多結晶シリコンを残し
てプラグ6を形成し、このプラグ6に例えばBFt  
60KeV  1x10”cm−”もしくはP”  5
0KeV  lX10”am−”の条件によりドーパン
トを注入し、さらに短時間アニールとしての温度110
0℃で10秒間のランプアニールによりプラグ6を活性
化した後、プラグ6の上面に付いた自然酸化膜18を、
第1図(E)に示すように、再び60秒間のケミカルド
ライエツチングにより除去する。
Then, as shown in FIG. 1(D), the entire surface of the polycrystalline silicon 5 is etch-packed by reactive ion etching to form a plug 6 leaving polycrystalline silicon only in the contact hole 4. For example, BFt
60KeV 1x10"cm-" or P"5
Dopants were implanted under the conditions of 0KeV lX10"am-" and further annealed at a temperature of 110
After activating the plug 6 by lamp annealing at 0°C for 10 seconds, the natural oxide film 18 attached to the top surface of the plug 6 is removed.
As shown in FIG. 1(E), it is removed again by chemical dry etching for 60 seconds.

次に、第1の発明に相当する処理を行う。即ち、第1図
(F)に示すように、アルゴン(Ar)ガスを用いた反
応性スパッタリングによりチタン膜7を30nmの厚さ
に堆積し、引き続き、半導体基板IにRFバイアス40
をかけながら、チッソ(N、)中に6%の酸素(0,)
を含有するガス中で3KWの電力をTiターゲットに印
加しつつ反応性スパッタリングを行うことにより、チタ
ンオキシナイトライド膜8を70nmの厚さに堆積して
、バリヤメタル層9を形成し、さらにアルゴンガスを用
いた反応性スパッタリングによりアルミニウム合金(A
I−8t)の低融点金属層10を300 nmの厚さに
堆積する。
Next, processing corresponding to the first invention is performed. That is, as shown in FIG. 1(F), a titanium film 7 is deposited to a thickness of 30 nm by reactive sputtering using argon (Ar) gas, and then the semiconductor substrate I is subjected to an RF bias of 40 nm.
6% oxygen (0,) in nitrogen (N,) while
A titanium oxynitride film 8 is deposited to a thickness of 70 nm by reactive sputtering while applying a power of 3 KW to a Ti target in a gas containing argon gas to form a barrier metal layer 9. Aluminum alloy (A
A low melting point metal layer 10 of I-8t) is deposited to a thickness of 300 nm.

この後、図示は省略するが、バイアスなしの反応性スパ
ッタリングでフォトリゾグラフィー用の反射防止膜とし
てのチタンオキシナイトライド膜を30nmの厚さに堆
積する。そして、バリヤメタル層9と低融点金属層10
とからなる配線層および反射防止膜をフォトリゾグラフ
ィーの技法によるレジストパターンをマスクとしてパタ
ーンエツチングを行って、配線パターンを形成した後、
前述とは別の層間絶縁膜、上層配線層、パブシベーショ
ン膜等の堆積、ポンディングパッド開口、シンター熱処
理を経て、配線工程のlサイクルを終了する。これによ
り、コンタクトホール4に埋め込んだ多結晶シリコンと
、低融点金属の配線とからなる配線構造が、半導体基板
l上に形成される。
Thereafter, although not shown, a titanium oxynitride film as an antireflection film for photolithography is deposited to a thickness of 30 nm by reactive sputtering without bias. Then, barrier metal layer 9 and low melting point metal layer 10
After forming a wiring pattern by pattern etching the wiring layer and anti-reflection film consisting of the above using a photolithographic resist pattern as a mask,
After the deposition of an interlayer insulating film, an upper wiring layer, a publicization film, etc. different from those mentioned above, opening of a bonding pad, and sintering heat treatment, one cycle of the wiring process is completed. As a result, a wiring structure consisting of the polycrystalline silicon buried in the contact hole 4 and the low melting point metal wiring is formed on the semiconductor substrate l.

ここで、バリヤメタル層9中のチタンオキシナイトライ
ド膜8をバイアス印加無しの反応性スパッタリングによ
り成膜した試料を作成し、この試料を温度450℃で6
0分間シンター熱処理を行った場合と、同チタンオキシ
ナイトライド膜8をバイアス印加有りの反応性スパッタ
リングにより成膜した試料を作成し、この試料を温度4
50℃で120分間シンター熱処理を行った場合を検証
したところ、バイアス印加無しの試料では低融点金属層
10を構成しているアルミニウムの拡散層2への突き抜
けが生じていたが、バイアス印加有りの試料ではアルミ
ニウムの拡散層2への突き抜けは発生しておらず、バリ
ヤメタル層9の耐熱性に優れていることが確認できた。
Here, a sample was prepared in which the titanium oxynitride film 8 in the barrier metal layer 9 was formed by reactive sputtering without applying a bias.
Two samples were prepared, one in which the titanium oxynitride film 8 was formed by reactive sputtering with bias applied, and the other in which the titanium oxynitride film 8 was subjected to sinter heat treatment for 0 minutes.
When we verified the case of performing sinter heat treatment at 50°C for 120 minutes, it was found that in the sample without bias application, penetration of aluminum forming the low melting point metal layer 10 into the diffusion layer 2 occurred, but in the sample with bias application, penetration occurred into the diffusion layer 2. In the sample, no penetration of aluminum into the diffusion layer 2 occurred, and it was confirmed that the barrier metal layer 9 had excellent heat resistance.

なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、
図示は省略するが、例えば、層間絶縁膜としては、酸化
シリコンのような熱酸化膜13のみで構成しても同様に
適用できる。
Note that the present invention is not limited to the above embodiments,
Although not shown, for example, the interlayer insulating film may be composed of only the thermal oxide film 13 such as silicon oxide.

また、バリヤメタル層中のチタンオキシナイトライドの
代わりに、TiN、TiW、TiWN。
Also, instead of titanium oxynitride in the barrier metal layer, TiN, TiW, TiWN.

WN等でも適用できる。It can also be applied to WN etc.

さらに、低融点金属層としては、AIの他に、Cu、W
等の配線材料を使用することも可能である。
Furthermore, as the low melting point metal layer, in addition to AI, Cu, W
It is also possible to use wiring materials such as.

[発明の効果] 以上のように第1の発明によれば、半導体基板にバイア
スを印加しつつ反応性スパッタリングにより、バリヤメ
タル層を形成しているので、ターゲットからの蒸発原子
が半導体基板側に電気的に引っ張られてコンタクトホー
ルに埋め込まれた多結晶シリコン上面の凹部にもステッ
プカバレッジ良く付着し、ピンホールの無いバリヤメタ
ル層を形成でき、よってバリヤメタル層の耐熱性を著し
く高めて、シンター熱処理での低融点金属の突き抜けを
阻止することができる。。
[Effects of the Invention] As described above, according to the first invention, since the barrier metal layer is formed by reactive sputtering while applying a bias to the semiconductor substrate, evaporated atoms from the target are electrically transferred to the semiconductor substrate side. It adheres to the concave part of the top surface of the polycrystalline silicon that is pulled and buried in the contact hole with good step coverage, forming a pinhole-free barrier metal layer.Therefore, the heat resistance of the barrier metal layer is significantly improved, making it easy to use during sinter heat treatment. Penetration of low melting point metals can be prevented. .

第2の発明によれば、ケミカルドライエツチングにより
、コンタクトホールに露出された下地とコンタクトホー
ルに埋め込まれた多結晶シリコンとの自然酸化膜を除去
しているので、エツチングガスを半導体基板に晒すこと
なくプラズマ化し、このプラズマ中で層間絶縁膜に対す
るエツチングレートが小さくかつシリコンの自然酸化膜
と拡散層とに対するエツチングレートが大きい活性ガス
を生成し、この活性ガスをエツチング室内の半導体基板
上に均一に照射し、自然酸化膜と拡散層のダメージの部
分とを、下地へのダメージやコンタクトホールのサイド
アタック、孔径拡大を招くことなく作業性良く除去する
ことができる。しかも、半導体基板とバリヤメタル層と
の間の自然酸化膜が除去されたことにより、配線構造の
オーミックコンタクトが確保できる。
According to the second invention, since the natural oxide film of the base exposed in the contact hole and the polycrystalline silicon buried in the contact hole is removed by chemical dry etching, it is not necessary to expose the semiconductor substrate to the etching gas. In this plasma, an active gas is generated that has a low etching rate for the interlayer insulating film and a high etching rate for the natural silicon oxide film and the diffusion layer, and this active gas is uniformly spread over the semiconductor substrate in the etching chamber. By irradiating the contact hole, the natural oxide film and the damaged portion of the diffusion layer can be removed with good workability without causing damage to the underlying layer, side attack of the contact hole, or enlargement of the hole diameter. Moreover, since the natural oxide film between the semiconductor substrate and the barrier metal layer is removed, ohmic contact in the wiring structure can be ensured.

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

第1図(A)〜(F)は本発明の一実施例の各処理工程
を示す断面図、第2図は同実施例のケミカルドライエツ
チング装置を示す断面図、第3図(A)〜(D)は従来
の各処理工程を示す断面図、第4図は同従来のコンタク
トホールにサイドアタックが形成された状態を示す断面
図、第5図は同従来のコンタクトホールの孔径が拡大さ
れた状態を示す断面図、第6図は同従来のバリヤメタル
層にピンホールが形成された状態を示す断面図である。 I・・・半導体基板、2・・・拡散層(下地)、3.3
A・・・層間絶縁膜、4・・・コンタクトホール、9・
・・バリヤメタル層、lO・・・低融点金属層、11.
18・・・自然酸化膜、12・・・ダメージ、17・・
・サイドアタック、19・・・ピンホール。 11自岱酸化順 旬謝4列のコンタ7トホールを土!めムんだWh免切回
第1図C) 寅ガヒイ刊のケミカルドライエツナ)りLtが1面口第
1図(E) を 第1 図(F) 11 自費短―豐イヒ剛1 第3図(D)
FIGS. 1(A) to (F) are cross-sectional views showing each processing step in an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view showing a chemical dry etching apparatus of the same embodiment, and FIGS. 3(A) to (D) is a cross-sectional view showing each conventional processing step, FIG. 4 is a cross-sectional view showing a state in which a side attack is formed in a conventional contact hole, and FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state in which a side attack is formed in a conventional contact hole. FIG. 6 is a sectional view showing a state in which a pinhole is formed in the conventional barrier metal layer. I... Semiconductor substrate, 2... Diffusion layer (base), 3.3
A... Interlayer insulating film, 4... Contact hole, 9...
...Barrier metal layer, lO...Low melting point metal layer, 11.
18... Natural oxide film, 12... Damage, 17...
・Side attack, 19...pinhole. 11 Contour 7 holes of 4 rows of oxidation order! Memunda Wh exemption episode Figure 1 C) Chemical Dry Etsuna published by Toragahii Lt is 1st page Figure 1 (E) Figure 1 (F) 11 Self-expense short - Tsuyoshi Fyoichi 1 Part 3 Diagram (D)

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)半導体基板上の層間絶縁膜に形成したコンタクト
ホールを多結晶シリコンで埋め込み、この多結晶シリコ
ン上にバリヤメタル層および低融点金属層を順次形成す
る工程を有する半導体装置の製造方法において、 前記バリヤメタル層は半導体基板にバイアスを印加しつ
つ反応性スパッタリングにより形成することを特徴する
半導体装置の製造方法。
(1) A method for manufacturing a semiconductor device comprising the steps of filling a contact hole formed in an interlayer insulating film on a semiconductor substrate with polycrystalline silicon and sequentially forming a barrier metal layer and a low melting point metal layer on the polycrystalline silicon, A method for manufacturing a semiconductor device, characterized in that the barrier metal layer is formed by reactive sputtering while applying a bias to the semiconductor substrate.
(2)半導体基板上の層間絶縁膜に形成したコンタクト
ホールを多結晶シリコンで埋め込み、この多結晶シリコ
ン上にバリヤメタル層および低融点金属層を順次形成す
る工程を有する半導体装置の製造方法において、 前記コンタクトホールの形成後、ケミカルドライエッチ
ングによりコンタクトホールの底部に露出した下地の自
然酸化膜を除去し、直ちにコンタクトホールを多結晶シ
リコンで埋め込み、次いで多結晶シリコン上面の自然酸
化膜をケミカルドライエッチングにより除去した後、こ
の多結晶シリコン上にバリヤメタル層を形成したことを
特徴とする半導体装置の製造方法。
(2) A method for manufacturing a semiconductor device comprising the steps of filling a contact hole formed in an interlayer insulating film on a semiconductor substrate with polycrystalline silicon and sequentially forming a barrier metal layer and a low melting point metal layer on the polycrystalline silicon, After forming the contact hole, remove the underlying natural oxide film exposed at the bottom of the contact hole by chemical dry etching, immediately fill the contact hole with polycrystalline silicon, and then remove the natural oxide film on the top surface of the polycrystalline silicon by chemical dry etching. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising forming a barrier metal layer on the polycrystalline silicon after removing the polycrystalline silicon.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5641991A (en) * 1994-09-01 1997-06-24 Nec Corporation Semiconductor device containing conductor plug that can reduce contact resistance
KR100219552B1 (en) * 1996-09-05 1999-09-01 윤종용 Wiring forming method in semiconductor device
JP2009224808A (en) * 1997-12-30 2009-10-01 Applied Materials Inc Precleaning method prior to metallization for sub-quarter micron application

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