JPH0461322A - Manufacture of semiconductor device - Google Patents

Manufacture of semiconductor device

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Publication number
JPH0461322A
JPH0461322A JP17201490A JP17201490A JPH0461322A JP H0461322 A JPH0461322 A JP H0461322A JP 17201490 A JP17201490 A JP 17201490A JP 17201490 A JP17201490 A JP 17201490A JP H0461322 A JPH0461322 A JP H0461322A
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JP
Japan
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film
contact hole
substrate
oxygen
nitriding
Prior art date
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Pending
Application number
JP17201490A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hideyuki Kojima
児嶋 秀之
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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Publication of JPH0461322A publication Critical patent/JPH0461322A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To improve the reliability of the contact of a semiconductor device by nitriding the first titanium film formed on the bottom of a contact hole and containing a little amount of oxygen and coating the first film in the contact hole with the second film of a wiring metal. CONSTITUTION:An SiO2 film 3 having a thickness of 0.8-1.0mum is formed on an Si substrate by a CVD method and a contact hole having a width of 0.5-0.7mum is formed through the film 3. By performing ion implantation from the bottom of the hole 4, a diffusion layer of 4X10<15>cm<-3> in arsenic concentration and 2X10<15>cm<-3> in boron concentration is formed. Sputtering is performed under a condition of Ar-0.01vol.% O2 and 0.5mTorr in pressure by using a pure titanium target having a five-nine purity and a Ti-Otrace (titanium containing very little oxygen) is formed on the entire surface of the Si substrate l to a thickness of 200-400Angstrom . Thereafter, the Si substrate is subject to high-speed lamp annealing for 30 seconds at 500 deg.C so as to make nitrogen to get into the entire body of the Ti-Otrace film 5. Finally an Al-1% Si film is vapor- deposited to a thickness of 0.7mum so as to form a wiring layer.

Description

【発明の詳細な説明】 [概要] 半導体基板のコンタクトホールにバリアーメタル−配線
材料の多層構造を沈着する工程を有する半導体装置の製
造方法に関し、 ゴミが少ないバリアメタル被着手段でコンタクトの信頼
性を高める方法を提供することを目的とし、 半導体基板上に絶縁膜を形成する工程、前記絶縁膜にコ
ンタクトホールを形成する工程、前記コンタクトホール
の底部に微量の酸素を混入したチタン、モリブデンまた
はタングステンの第一の膜を被着する工程、前記第一の
膜をアンモニアまたは窒素プラズマ雰囲気中で加熱して
窒化する工程、前記コンタクトホール内において第二の
膜として配線金属を被着する工程を有するように構成す
る。
[Detailed Description of the Invention] [Summary] A method for manufacturing a semiconductor device that includes a step of depositing a multilayer structure of barrier metal and interconnection material in a contact hole of a semiconductor substrate, the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device that includes a step of depositing a multilayer structure of barrier metal and wiring material in a contact hole of a semiconductor substrate, and the reliability of the contact is improved by using a barrier metal deposition method with less dust. The purpose of the present invention is to provide a method of forming an insulating film on a semiconductor substrate, forming a contact hole in the insulating film, and forming titanium, molybdenum, or tungsten mixed with a trace amount of oxygen at the bottom of the contact hole. a step of heating the first film in an ammonia or nitrogen plasma atmosphere to nitride it; and a step of depositing a wiring metal as a second film in the contact hole. Configure it as follows.

[産業上の利用分野] 本発明半導体装置の製造法に関するものであり、さらに
詳しく述べるならば、半導体基板のコンタクトホールに
金属−窒化物バリアー−配線材料の多層構造を沈着する
工程を有する半導体装置の製造方法に関する。
[Industrial Application Field] The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more specifically, a semiconductor device having a step of depositing a multilayer structure of metal-nitride barrier-wiring material in a contact hole of a semiconductor substrate. Relating to a manufacturing method.

[従来の技術] 近年、デバイス微小化に伴うコンタクトホールサイズの
縮小により以下のような問題が生じていた。
[Prior Art] In recent years, the following problems have arisen due to the reduction in contact hole size accompanying miniaturization of devices.

■コンタクト抵抗の増大 1%程度Stを含有するAlを配線材料として使用し、
アスペクト比(コンタクトホールの径に対する高さの比
率)が1以下で径が0.8μm程度以下のコンタクトホ
ールを介して配線をSi基板のN型拡散層とコンタクト
させる工程において、A1配線形成後のプロセスで45
0℃程度の熱がAl−Si界面にかかるので、このよう
な高温状態でA1に対して基板のSiがエピタキシャル
的に配向し、該界面が導電化することがあった。この結
果該界面において、半導体−導体コンタクト部の割合が
減少し、コンタクト抵抗の増大を招いていた。
■Increase in contact resistance By using Al containing St about 1% as the wiring material,
In the process of contacting the wiring with the N-type diffusion layer of the Si substrate through a contact hole with an aspect ratio (ratio of height to diameter of the contact hole) of 1 or less and a diameter of approximately 0.8 μm or less, after forming the A1 wiring. 45 in process
Since heat of about 0° C. is applied to the Al-Si interface, the Si of the substrate may be epitaxially oriented with respect to A1 in such a high temperature state, and the interface may become conductive. As a result, the proportion of the semiconductor-conductor contact portion at the interface has decreased, leading to an increase in contact resistance.

■アルミニウムの被着率の低下 アルミニウム(以下の説明では純アルミニウムおよびア
ルミニウム合金を「アルミニウム」と総称する)をスパ
ッタ法で被着させる時は、基板に向かって飛んでくるア
ルミニウムの粒子はすべての方向の方向性をもっている
。すなわち、コンタクトホールの底から次第にアルミニ
ウム膜が成長するのではなく、底にも側面にも同時にア
ルミニウム膜が成長する。アスペクト比が0.6程度の
コンタクトホールに沈着させる時は被着率低下の問題は
起こらず、コンタクトホールがアルミニウムで完全に埋
められる。しかしながらコンタクトホールの径の縮小に
伴いアスペクト比が1程度になると、アルミニウム粒子
のうちコンタクトホール4(第4図参照)の側面に被着
した粒子が庇7状に成長し、その下方への粒子到達を妨
げるいわゆるシャドウィングが起こり、この結果アルミ
ニウムによるコンタクトホールの充填が不充分になる。
■Decrease in the deposition rate of aluminum When depositing aluminum (in the following explanation, pure aluminum and aluminum alloys are collectively referred to as "aluminum") by sputtering, all the aluminum particles flying toward the substrate are It has a directionality. That is, the aluminum film does not grow gradually from the bottom of the contact hole, but grows simultaneously on the bottom and side surfaces. When depositing into a contact hole with an aspect ratio of about 0.6, the problem of reduced coverage does not occur, and the contact hole is completely filled with aluminum. However, when the aspect ratio becomes approximately 1 as the diameter of the contact hole decreases, the particles of the aluminum particles adhering to the side surfaces of the contact hole 4 (see Figure 4) grow into an eaves 7 shape, and the particles move downward. So-called shadowing occurs, which impedes access and results in insufficient filling of the contact hole with aluminum.

■および■の対策として窒化チタン(バリアメタル)と
アルミニウムの二重膜を用いることが提案されている。
As a countermeasure for (1) and (2), it has been proposed to use a double film of titanium nitride (barrier metal) and aluminum.

窒化チタンはA1とSiの反応を防止するために■の対
策として有効であり、また窒化チタンはスパッタ粒子が
1方向に飛び、基板面に対して垂直方向に成長する傾向
が強く、成長の方向性があるので■の対策として有効で
ある。
Titanium nitride is effective as a countermeasure to prevent the reaction between A1 and Si, and titanium nitride has a strong tendency for sputtered particles to fly in one direction and grow perpendicular to the substrate surface. This is effective as a countermeasure against ■.

上述した窒化チタンと同様にバリアメタルの効果をもつ
物質としてT i W (チタンタングステン)、W(
タングステン)がある。ただし、AIとバリアメタルの
反応温度の観点からは窒化チタンがTiW、Wより高温
まで安定であるので、バリアメタルの膜厚を薄くでき、
その分配線としてのアルミニウムを厚く出来る利点があ
る。したがって、アルミニウムのカバレジが悪く断線が
起こりやすいコンタクトホールでは窒化チタンをバリア
メタルとして使用することがコンタクトの信頼性を高め
る上で非常に有益である。ここで言うコンタクトの信頼
性とは、デバイスは動作するが150〜200℃で信頼
性試験をすると抵抗が徐々に増大することによる性能劣
化を防止すること、およびデバイスは動作するが急激に
抵抗が増大して導通不能になることを防止することを指
している。
T i W (titanium tungsten) and W (
tungsten). However, from the viewpoint of the reaction temperature between AI and barrier metal, titanium nitride is more stable than TiW and W at higher temperatures, so the film thickness of the barrier metal can be made thinner.
There is an advantage that the aluminum used as the distribution line can be made thicker. Therefore, it is very beneficial to use titanium nitride as a barrier metal in contact holes where aluminum coverage is poor and disconnection is likely to occur, in order to improve the reliability of the contact. The reliability of the contact here refers to the ability to prevent performance deterioration due to a gradual increase in resistance when a reliability test is performed at 150 to 200°C, even though the device operates, and the ability to prevent performance deterioration due to a gradual increase in resistance when the device operates, but when a reliability test is performed at 150 to 200°C. This refers to preventing the increase in electrical conductivity.

窒化チタンは高純度Ti(5ナイン程度)ターゲットを
アルゴン・窒素雰囲気でスパッタして成膜する方法と、
窒化チタンターゲットをアルゴン雰囲気でスパッタして
成膜する方法の2つの方法で作られている。
Titanium nitride is formed by sputtering a high-purity Ti (about 5 nines) target in an argon/nitrogen atmosphere;
Two methods are used to form the film: one is to sputter a titanium nitride target in an argon atmosphere.

窒化チタンは硬くて脆い物質であるので、窒化チタンタ
ーゲットがスパッタ装置の通常の構成材料であるステン
レス鋼と接触し、あるいは軽く衝突する時に砕けてゴミ
になりやすい。またステンレス鋼も窒化チタンターゲッ
トにより擦られた時に摩耗しやす(、摩耗部分からゴミ
が発生しやすい。これらのゴミがチャンバに付着し、ス
パッタした時に基板に取り込まれてデバイスを汚染する
。しかしながら窒化チタンターゲットは配線用アルミニ
ウムのスパッタ装置をそのまま使用できるので、窒化チ
タンスパッタ専用装置を必要としない点では利点がある
Since titanium nitride is a hard and brittle material, it is likely to crumble into dust when a titanium nitride target comes into contact with or lightly collides with stainless steel, which is a typical constituent material of sputtering equipment. Stainless steel is also prone to wear when rubbed by a titanium nitride target (and dust is likely to be generated from the worn parts. These dust adheres to the chamber and is taken into the substrate during sputtering, contaminating the device. However, nitride Since the titanium target can be used as is in the sputtering equipment for aluminum wiring, there is an advantage in that a dedicated titanium nitride sputtering equipment is not required.

高純度チタンは非常に純度が高いものが得られており、
コンタクト抵抗が安定する。また高純度チタンは硬さは
ステンレス等とほぼ同じであり、延性に優れているので
ゴミの発生が少ない。さらに、チタンターゲットを使用
するスパッタ法では、先ずArによりスパッタ装置全体
をボンバードしてゴミを取り除き、次ぎにAr+N雰囲
気に切り替え、TiNの被着を行うことにより、ゴミを
更に少なくすることも出来る。
High-purity titanium is obtained with extremely high purity.
Contact resistance becomes stable. In addition, high-purity titanium has almost the same hardness as stainless steel, etc., and has excellent ductility, so it generates less dust. Furthermore, in the sputtering method using a titanium target, dust can be further reduced by first bombarding the entire sputtering apparatus with Ar to remove dust, then switching to an Ar+N atmosphere and depositing TiN.

したがって、高純度チタンをターゲットとして使用する
方法が優れている。
Therefore, a method using high-purity titanium as a target is superior.

[発明が解決しようとする課題] 窒化チタンを直接Si基板の拡散層と接触させるとコン
タクト抵抗が高くなるので、1×10cm−3以上のA
s、Bなどを拡散層にドープする必要がある。しかしな
がら、窒化チタンとSi基板の間にチタン(T f )
をはさむと、拡散層の不純物濃度は4X 10”am−
3(As) 、 2x 10”cm−”(B)と通常の
低濃度とすることができ、高濃度化による拡散層の欠陥
発生などを避けることができる。
[Problems to be Solved by the Invention] Contact resistance increases when titanium nitride is brought into direct contact with the diffusion layer of the Si substrate.
It is necessary to dope the diffusion layer with s, B, etc. However, titanium (T f ) between the titanium nitride and the Si substrate
The impurity concentration of the diffusion layer is 4X 10"am-
The concentration can be as low as 3 (As), 2 x 10"cm-" (B), which is the usual low concentration, and defects in the diffusion layer due to high concentration can be avoided.

スパッタにおけるTiの成長方向性は窒化チタンよりも
アルミニウムに類似しているので、被着率低下の懸念は
あるが、膜厚を200Å以下と薄くすることによりその
点の問題は起こらない。なお、ここで言う膜厚とは基板
表面に被着したTiの膜厚であり、コンタクトホール内
ではその膜厚の数分の1の膜厚のTiが被着しており、
正確な膜厚は測定誤差により10人強の誤差が見込まれ
る。
Since the growth direction of Ti in sputtering is more similar to that of aluminum than that of titanium nitride, there is a concern that the deposition rate may decrease, but this problem does not occur by reducing the film thickness to 200 Å or less. Note that the film thickness referred to here is the thickness of the Ti film deposited on the surface of the substrate, and within the contact hole, a film thickness of Ti that is a fraction of that film thickness is deposited.
The exact film thickness is expected to have a margin of error of over 10 people due to measurement errors.

上述のようなSi (基板) −Tf−TiN−AIの
多層構造にしかつTi膜を薄くすることにより、上記■
、■、ゴミの発生、基板の拡散層の高濃度化のすべての
問題を解決することができる。しかしながら、Ti膜厚
を200人程度と薄くすることはPチャンネルMo3の
ソース・ドレインのコンタクトが取れなくなる問題があ
ることが分かった。その原因は、詳細は不明であるが、
Pチャンネル間O8では不純物のBとTiのTiBの生
成反応が起こりやす(なることやTiとB含有Siとの
仕事関数の差が大きくなることが考えられる。Tiの膜
厚が厚くなった時は、ソース・ドレインなどのコンタク
ト抵抗の増大(■)はないが、NチャンネルMoSのゲ
ート電圧変化に対する電流の曲線を実験で求めると、低
電圧でbreak throughが起こりやすいこと
が分かった。この問題を起こさないTi膜厚は200〜
400人(コンタクトホール内の予想膜厚は50〜70
人)である。しかしながらこのような狭い範囲にTiの
膜厚を制御することは市販製品の製造プロセスでは困難
である。したがって、本発明はゴミの発生が少ないバリ
アメタル被着手段でコンタクトホールにおけるコンタク
トの信頼性を高める方法を提供することを目的とする。
By forming the multilayer structure of Si (substrate) -Tf-TiN-AI as described above and making the Ti film thinner, the above
, ■ All problems of dust generation and high concentration of the diffusion layer of the substrate can be solved. However, it has been found that reducing the Ti film thickness to about 200 layers causes the problem that contact between the source and drain of the P-channel Mo3 cannot be established. Although the details of the cause are unknown,
In O8 between the P channels, a reaction between the impurity B and Ti to form TiB is likely to occur (this is likely to occur, and the difference in work function between Ti and B-containing Si increases. When the Ti film thickness increases) Although there is no increase in the contact resistance (■) of the source/drain, etc., when we experimentally determined the current curve for N-channel MoS gate voltage changes, we found that break through is likely to occur at low voltages.This problem The Ti film thickness that does not cause this is 200~
400 people (expected film thickness inside the contact hole is 50-70
person). However, it is difficult to control the Ti film thickness within such a narrow range in the manufacturing process of commercial products. Therefore, it is an object of the present invention to provide a method for increasing the reliability of contacts in contact holes using barrier metal deposition means that generates less dust.

[課題を解決するための手段] この目的を達成するために、本発明の半導体装置の製造
方法は、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程、前記絶
縁膜にコンタクトホールを形成する工程、前記コンタク
トホールの底部に微量の酸素を混入したチタン、モリブ
デンまたはタングステンの第一の膜を被着する工程、前
記第一の膜をアンモニアまたは窒素プラズマ雰囲気中で
加熱して窒化する工程、前記コンタクトホール内におい
て第一の膜状にバリアメタルを第二の膜として被着する
工程、第二の膜上に配線金属を被着する工程を有するこ
とを特徴とする。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve this object, the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a step of forming an insulating film on a semiconductor substrate, a step of forming a contact hole in the insulating film, and a step of forming a contact hole in the insulating film. a step of depositing a first film of titanium, molybdenum, or tungsten mixed with a trace amount of oxygen at the bottom of the contact hole; a step of heating the first film in an ammonia or nitrogen plasma atmosphere to nitride it; and a step of nitriding the first film in an ammonia or nitrogen plasma atmosphere; The method is characterized by comprising a step of depositing a barrier metal as a second film on the first film, and a step of depositing a wiring metal on the second film.

以下、本発明の構成を主としてチタンの具体例について
説明する。
Hereinafter, the structure of the present invention will be explained mainly using a specific example of titanium.

本発明においてはゴミの発生を少なくするために最初か
ら窒化チタンな被着するのではなく、まず微量酸素を含
有するチタン(以下、Ti−0t。
In the present invention, in order to reduce the generation of dust, titanium nitride is not deposited from the beginning, but titanium containing a trace amount of oxygen (hereinafter referred to as Ti-0t) is first deposited.

ac・と表す)を被着する。T 1 0 trace中
の酸素含有量が例えば1%と多過ぎると窒化が不可能に
なる。また、X線回折などでチタンの酸化物が認められ
る程度に酸素が混入していても窒化は不可能になり、ま
た比抵抗が高くなってパリメタルとしての性能が劣化す
る。さらに通常のチタンターゲットは5ナイン程度の純
度を有し、酸素を250ppm程度含有しており、これ
をスパッタするとターゲット中の酸素のかなりの部分が
チタン膜中に取り込まれると考えられるが、この程度の
酸素濃度ではTiとSiの反応によるシリサイドかが避
けられない。この反応速度にはSi中の不純物が影響す
るので、CMoSでは窒化後形成されるTiNの膜厚が
各Mo3素子で異なってくる。
(denoted as ac.) is applied. If the oxygen content in the T 10 trace is too high, for example 1%, nitriding becomes impossible. Further, even if oxygen is mixed to such an extent that titanium oxide is detected by X-ray diffraction or the like, nitriding becomes impossible, and the resistivity becomes high, deteriorating the performance as a parimetal. Furthermore, a normal titanium target has a purity of about 5 nines and contains about 250 ppm of oxygen, and when this is sputtered, a considerable portion of the oxygen in the target is thought to be incorporated into the titanium film. At an oxygen concentration of , silicide due to the reaction between Ti and Si cannot be avoided. Since this reaction rate is affected by impurities in Si, in CMoS, the thickness of the TiN film formed after nitridation differs for each Mo3 element.

本発明で言うT L  Otraceの微量酸素とは上
記上限と下限の中間の値である。T f −Otrac
eの膜厚は200〜600人の広い範囲で変動してもデ
バイスの特性に影響を与えることは無い。
In the present invention, the trace oxygen of T L Otrace is a value between the above upper and lower limits. T f -Otrac
Even if the film thickness of e is varied over a wide range of 200 to 600, it does not affect the characteristics of the device.

Ti、  Otraceの被着に続いてその窒化を行う
。この窒化のために採用した熱窒化法はゴミの発生が少
ない方法である。窒化はアンモニア又はプラズマ窒素で
行う。窒素(N2)もTiを窒化することができるが、
Tiとの反応温度が高温800℃以上)であるために、
TiとSiの反応も起こりやす(なるので好ましくない
。Tf  0tr1e、はSiとの反応が起こり難いの
で、Ti−0trac−のTiのほとんどすべては窒化
チタンに転換される。ここで窒化チタンとはX線回折ス
ペクトル等でTiNとして検出される物質を指すが、窒
化チタンの膜厚方向では窒素濃度が基板側で低くなって
いるためにバリアメタル全体がTiNとして検出されて
も化学量論的な窒化チタンと、比化学量論組成窒化チタ
ンが含まれる。なお、酸素は窒化チタン中には残存され
ており、定性分析では検出されるが、Ti0Nのスペク
トルは検出されない。このようなTiNはバリアメタル
とじて通常の製法によるTiNと同様に優れた性能を発
揮する。
The deposition of Ti and Otrace is followed by its nitriding. The thermal nitriding method adopted for this nitriding is a method that generates less dust. Nitriding is carried out with ammonia or plasma nitrogen. Nitrogen (N2) can also nitride Ti, but
Because the reaction temperature with Ti is high (800°C or higher),
Reactions between Ti and Si are also likely to occur (this is undesirable. Since Tf 0tr1e is difficult to react with Si, almost all of the Ti in Ti-0trac- is converted to titanium nitride. Here, what is titanium nitride? This refers to a substance detected as TiN in an X-ray diffraction spectrum, etc. However, in the thickness direction of titanium nitride, the nitrogen concentration is lower on the substrate side, so even if the entire barrier metal is detected as TiN, it is not stoichiometric. It contains titanium nitride and titanium nitride with a specific stoichiometric composition.Although oxygen remains in titanium nitride and is detected in qualitative analysis, it is not detected in the spectrum of Ti0N.Such TiN is As a metal, it exhibits excellent performance similar to that of TiN manufactured using a normal manufacturing method.

窒化のためのアンモニア雰囲気は100%NH,または
Ar  NHz混合ガスが使用可能であり、また窒化温
度は〜600℃が好ましい。
As the ammonia atmosphere for nitriding, 100% NH or Ar NHz mixed gas can be used, and the nitriding temperature is preferably ~600°C.

アンモニアを高周波(13,56MHz程度のマイクロ
波)で減圧中で励起した窒素プラズマ中で窒化を行う場
合は、300〜400℃の非常に低い温度でT i−O
traceの窒化を行い、そのSiとの反応を極めて少
なくすることができる。また、MoはTi、W等と比較
すると高温での安定性が低く、高温窒化では膜に欠陥が
発生する等の懸念があるが、プラズマ窒化はこのような
問題がない。
When nitriding ammonia in a nitrogen plasma excited under reduced pressure by high frequency (microwaves of about 13,56 MHz), Ti-O is removed at a very low temperature of 300 to 400°C.
By nitriding the trace, its reaction with Si can be extremely reduced. Furthermore, Mo has lower stability at high temperatures than Ti, W, etc., and there is a concern that high-temperature nitriding may cause defects in the film, but plasma nitriding does not have such problems.

第一の膜の被着工程において純度が5ナイン以上のTi
、WまたはMoのターゲットを使用することにより安定
してTi等の膜を被着することができる。ターゲットの
純度がこれより低(なると膜の被着が困難になるので、
ターゲットに予め酸素を混入させてお(ことによりT 
x trcmを作ることは出来ない。スパッタ時にT 
f  Ozrac*を作るには、酸素を好ましくは0.
05〜0,1体積%含有するアルゴン雰囲気中でスパッ
タを行い第一の膜を被着する。
Ti with a purity of 5 nines or more in the first film deposition process
By using a target of , W or Mo, a film of Ti or the like can be stably deposited. If the purity of the target is lower than this (then it will be difficult to deposit the film,
The target is mixed with oxygen in advance (possibly T
It is not possible to create x tcm. T during sputtering
To make f Ozrac*, the oxygen is preferably 0.
The first film is deposited by sputtering in an argon atmosphere containing 0.05 to 0.1% by volume.

また、イオン注入によりT i  Otraceを作る
ことができる。この場合は、第一の膜の被着工程におい
て純度が5ナイン以上のTi、WまたはMoのターゲッ
トを使用してアルゴン雰囲気中でスパッタを行った後に
、酸素をイオン注入することにより第一の膜を被着する
。酸素イオンの注入量は1〜5 X I O”/cm”
の範囲であることが好ましい。
Additionally, T i Otrace can be created by ion implantation. In this case, in the first film deposition process, sputtering is performed in an argon atmosphere using a Ti, W, or Mo target with a purity of 5 nines or more, and then oxygen is ion-implanted to form the first film. Deposit the membrane. The amount of oxygen ion implanted is 1 to 5 X I O"/cm"
It is preferable that it is in the range of .

続いて配線材料の被着を通常の方法で行う。配線材料は
特に限定されないが、本発明の方法はAl−Si系配線
材料に適している。
Subsequently, the wiring material is deposited in a conventional manner. Although the wiring material is not particularly limited, the method of the present invention is suitable for Al-Si type wiring materials.

[作用] 従来Tiを窒化してバリアメタルとすることは公知であ
りまたTiをオキシジェネーション(酸化)することも
公知であるが、請求項1記載の発明ではT l −Ot
raceを先ず形成し1次のこれを窒化することにより
窒化の際の高温においてTi−Otraceがその微量
含有酸素によりシリサイド化するのを妨げ、次の工程で
TiN化するようにしたものである。通常のTiは55
0℃程度でSi基板との界面でシリサイド化しかつ同時
に基板表面のSiが消耗するのは避けられないので、従
来法によりTiを単に窒化するのではコンタクト不良を
招くが、表面から界面まで酸素が含有されているT 1
 0 traceを窒化することにより基板のSiとの
反応を妨げ; T L  Otraceは窒化性媒体と
は容易に反応しTiN化して良好なコンタクトを提供す
る。
[Function] Conventionally, it is known to nitride Ti to form a barrier metal, and it is also known to oxygenate Ti, but in the invention as claimed in claim 1, T l -Ot
By first forming a race and first nitriding it, the Ti-Otrace is prevented from being turned into silicide due to the trace amount of oxygen contained in the Ti-Otrace at high temperature during nitriding, and is turned into TiN in the next step. Normal Ti is 55
At around 0°C, it is unavoidable that the interface with the Si substrate becomes silicided and at the same time the Si on the substrate surface is consumed. Therefore, simply nitriding Ti using the conventional method will lead to poor contact, but it is possible to prevent oxygen from flowing from the surface to the interface. Contained T 1
Nitriding the 0 trace prevents reaction with the Si of the substrate; the T L Otrace easily reacts with nitriding media and converts to TiN, providing good contact.

本発明の方法とは異なるが、酸素を含有させた(oxy
generated)TiNを形成する方法として、T
iをNH,雰囲気中で加熱してTiNを作り、その後0
2雰囲気で加熱する方法が公知である。しかしこの方法
では酸素が窒化中のシリサイド形成防止に役立たない。
Although different from the method of the present invention, oxygen was included (oxy
As a method of forming TiN (generated),
TiN is produced by heating i in an NH atmosphere, and then 0
A method of heating in two atmospheres is known. However, in this method oxygen does not help prevent silicide formation during nitridation.

請求項1の方法で採用したアンモニアおよびプラズマ窒
素による窒化は厚いT f  Otrmc*全体を窒化
することができるので、厚いバリアメタル層を形成する
ことが可能になり、バリアメタルの能力(例えば配線と
基板との反応防止)が高められる。請求項2記載のプラ
ズマ窒化は低温プロセスとしての利点を有するのでデバ
イスの微細化に伴って各種材料の不所望の反応をできる
だけ少なくしたい場合に効果が大きい。
Since the nitriding using ammonia and plasma nitrogen employed in the method of claim 1 can nitride the entire thick T f Otrmc*, it is possible to form a thick barrier metal layer, and the performance of the barrier metal (for example, wiring and (prevention of reaction with the substrate) is enhanced. Plasma nitriding according to the second aspect has the advantage of being a low-temperature process, so it is highly effective when it is desired to minimize undesired reactions of various materials as devices become smaller.

請求項3および4M己載のT L −Otrace形成
は第一の膜の接着特性、不純物量、電気特性等の面で信
頼性が高い方法であり、また微量の酸素を混入する制御
性にも優れている方法である。また、請求項4記載の方
法は不活性雰囲気で行われるから、酸化されると安定性
が著しく低くなるMoをM OOtraceとするのに
有効な方法である。
The T L -Otrace formation described in claims 3 and 4 is a highly reliable method in terms of adhesive properties, amount of impurities, electrical properties, etc. of the first film, and is also effective in controlling the mixing of a trace amount of oxygen. This is an excellent method. Further, since the method according to claim 4 is carried out in an inert atmosphere, it is an effective method for converting Mo, which becomes extremely unstable when oxidized, into MOOtrace.

Al−Siは、配線形成後のプロセスにおいて配線が高
温にさらされた時の安定性を考慮して。
Al-Si was selected in consideration of stability when the wiring is exposed to high temperatures in the process after wiring formation.

現在主流の配線材料となっている。請求項5記載のAl
−SiはT 1 01rac*膜をアンモニア雰囲気で
窒化する方法を適用する配線材料として好適である。す
なわち、Al−Siは耐熱性が優れており、Al−Si
中のSi原子はT i −0trac、よりもA1との
化学親和力が高い、またTi−0tr@e*結晶は比較
的に等軸晶であり、窒化後も柱状晶の発達は少ないので
柱状晶のようにSi基板方向に真直に伸びる粒界がな(
、粒界を最短距離で通過して配線の構成原子がSi基板
方向へ移動することによるSi基板との反応が起こらな
い等の特徴がある。したがって窒化工程の高温において
コンタクト不良を招くようなことは少ない。
It is currently the mainstream wiring material. Al according to claim 5
-Si is suitable as a wiring material to which a method of nitriding a T 1 01 rac* film in an ammonia atmosphere is applied. In other words, Al-Si has excellent heat resistance;
The Si atoms in the Ti-0trac have a higher chemical affinity with A1 than with Ti-0trac, and the Ti-0tr@e* crystal is relatively equiaxed, and even after nitriding, there is little development of columnar crystals, so it is a columnar crystal. There are grain boundaries that extend straight towards the Si substrate as shown in (
, the atoms constituting the wiring move toward the Si substrate by passing through the grain boundaries in the shortest distance, so that no reaction with the Si substrate occurs. Therefore, contact failure is unlikely to occur at high temperatures during the nitriding process.

一方、将来はエレクトロマイグレーションなどを考慮し
て、Siを含有せずその代わりにCuまたはTiを含有
するものに配線が代わる趨勢がある。しかしこの場合法
のような望ましくない現象に対する対策を講じなければ
ならない。■Al−Siに比較してAl−Cu/Tiは
TiNとの反応性が高いので、熱窒化TiN膜をアルミ
ニウムが貫通してしまうおそれがある。■TiNは柱状
晶を作りやすく、その真直ぐな粒界を通ってA1とSi
が最短距離で相互拡散をする。■Al−Ti / Cu
合金(配線)中のSi固溶度は非常に高いために■の拡
散が進行し易く、これによりSi基板界面に格子欠陥等
の欠陥が発生しやすい。これらの■、■、■を避けるた
めに厚いTiN膜を形成しようとし、反応温度が550
℃を超えると、NH,とTiの反応よりもTiとSiの
反応が優先的に起こり易くなりる。
On the other hand, in the future, in consideration of electromigration, there is a tendency for wiring to be replaced with one that does not contain Si but contains Cu or Ti instead. However, in this case, measures must be taken to prevent such undesirable phenomena. (2) Since Al-Cu/Ti has higher reactivity with TiN than Al-Si, there is a risk that aluminum may penetrate the thermally nitrided TiN film. ■TiN easily forms columnar crystals, and A1 and Si can pass through the straight grain boundaries.
will mutually diffuse over the shortest distance. ■Al-Ti/Cu
Since the solid solubility of Si in the alloy (wiring) is very high, the diffusion of (1) tends to proceed, which tends to cause defects such as lattice defects at the Si substrate interface. In order to avoid these ■, ■, ■, we tried to form a thick TiN film, and the reaction temperature was 550℃.
When the temperature exceeds .degree. C., the reaction between Ti and Si tends to occur preferentially over the reaction between NH and Ti.

このような高温での問題を考慮するとAI−T i /
 Cu采配線材料に対しては請求項2の低温でのプラズ
マ窒化が有効であると考えられる。
Considering such problems at high temperatures, AI-T i /
It is considered that low-temperature plasma nitriding according to claim 2 is effective for Cu-flanked wiring materials.

以下実施例により本発明を更に詳しく説明する。The present invention will be explained in more detail with reference to Examples below.

[実施例] 第2図に示すSi基板1にCV D テS i Oz膜
3を厚みが0.8〜1,0μmに形成し、続いて幅が0
.5〜0.7μmのコンタクトホール4を開口する。コ
ンタクトホール4からイオン注入を行い、As濃度が4
 X 1018cm−”、B濃度が2×10 ”crn
−”の拡散層2を形成する。
[Example] A CVD Te SiOz film 3 with a thickness of 0.8 to 1.0 μm was formed on the Si substrate 1 shown in FIG.
.. A contact hole 4 of 5 to 0.7 μm is opened. Ion implantation is performed through contact hole 4, and the As concentration is 4.
X 1018cm-”, B concentration is 2×10”crn
-" diffusion layer 2 is formed.

純度が5ナインの市販の純チタンターゲットを使用し、
Ar−0,01体積%O6雰囲気(圧力5.0mTor
rでスパッタを行い、”ri−Otrace膜5(第1
図)をSi基板1の表面全体に厚み200〜400人に
被着する。
Using a commercially available pure titanium target with a purity of 5 nines,
Ar-0.01% by volume O6 atmosphere (pressure 5.0mTor
ri-Otrace film 5 (first
) is applied to the entire surface of the Si substrate 1 to a thickness of 200 to 400 layers.

続いて、NH3雰囲気(市販の純アンモニア使用、圧力
1 atm以上)中でSi基板1を500℃、30秒の
高速ランプアニールを行いTi−0trae@膜5の全
体に窒素を浸透させる。
Subsequently, the Si substrate 1 is subjected to high-speed lamp annealing at 500° C. for 30 seconds in an NH3 atmosphere (commercially available pure ammonia is used, pressure is 1 atm or more) to infiltrate the entire Ti-Otrae@ film 5 with nitrogen.

なお、Ar−0□雰囲気の代わりにAr雰囲気でTiの
スパッタを行い、10 lffCm−2のドーズ量で酸
素をイオン注入してもよい。
Note that Ti sputtering may be performed in an Ar atmosphere instead of the Ar-0□ atmosphere, and oxygen ions may be implanted at a dose of 10 lffCm-2.

第3図の工程に続いてAt−1%Siを厚み0.7μm
に蒸着して配線層を形成する。
Following the process shown in Figure 3, At-1%Si was deposited to a thickness of 0.7 μm.
to form a wiring layer.

[発明の効果] 以上説明したように本発明によれば、ゴミを少なくする
方法でバリアメタルとして優れた膜を被着することがで
きる。
[Effects of the Invention] As explained above, according to the present invention, a film excellent as a barrier metal can be deposited by a method that reduces dust.

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

第1図は本発明による酸素混入チタン膜(Ti−Otr
ae* )被着工程を示す図、第2図はコンタクトホー
ル開口工程を示す図、第3図は窒化工程を示す図、 第4図はアルミニウムの被着率が悪い場合の配線層形成
工程を示す図である。 1−8i基板、2−拡散層、3−SiOz膜、4−コン
タクトホール、5  TI  0trac*膜憤を藪f
8傳Ti厚激眉 第1図 孤1鈑↑♂111辰超清 第3図 コンタクトホーIL/形ハ“ 第2図 2M4つ’:“イf:xいAQa[:、!第4図
FIG. 1 shows an oxygen-containing titanium film (Ti-Otr) according to the present invention.
ae*) A diagram showing the deposition process, Figure 2 shows the contact hole opening process, Figure 3 shows the nitriding process, and Figure 4 shows the wiring layer formation process when the aluminum deposition rate is poor. FIG. 1-8i substrate, 2-diffusion layer, 3-SiOz film, 4-contact hole, 5 TI 0trac* film
8 傳Ti thick eyebrows 1st figure 瑑 1 ↑ ♂ 111 Tatsu super clear 3rd contact HOIL/form HA" 2nd 2M 4': "if:xiiAQa[:,! Figure 4

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程、前記絶縁膜
にコンタクトホールを形成する工程、前記コンタクトホ
ールの底部に微量の酸素を混入したチタン、モリブデン
またはタングステンの第一の膜を被着する工程、前記第
一の膜をアンモニアまたは窒素プラズマ雰囲気中で加熱
して窒化する工程、前記コンタクトホール内において第
二の膜として配線金属を被着する工程を有することを特
徴とする半導体装置の製造方法。 2、窒化工程をアンモニアを高周波で励起した窒素プラ
ズマ中で300〜400℃で行うことを特徴とする請求
項1記載の半導体装置の製造方法。 3、前記第一の膜の被着工程において純度が5ナイン以
上のTi、WまたはMoのターゲットを使用して酸素を
0.1体積%未満含有するアルゴン雰囲気中でスパッタ
を行い第一の膜を被着することを特徴とする請求項1ま
たは2記載の半導体装置の製造方法。 4、前記第一の膜の被着工程において純度が5ナイン以
上のTi、WまたはMoのターゲットを使用してアルゴ
ン雰囲気中でスパッタを行った後に、酸素をイオン注入
することにより第一の膜を被着することを特徴とする請
求項1または2記載の半導体装置の製造方法。 5、前記配線材料がAl−Si合金であることを特徴と
する請求項1から4までのいずれか1項記載の半導体装
置の製造方法。
[Claims] 1. A step of forming an insulating film on a semiconductor substrate, a step of forming a contact hole in the insulating film, a first layer of titanium, molybdenum, or tungsten mixed with a trace amount of oxygen at the bottom of the contact hole. a step of heating and nitriding the first film in an ammonia or nitrogen plasma atmosphere; and a step of depositing a wiring metal as a second film in the contact hole. A method for manufacturing a semiconductor device. 2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the nitriding step is carried out at 300 to 400° C. in nitrogen plasma in which ammonia is excited with high frequency. 3. In the step of depositing the first film, sputtering is performed in an argon atmosphere containing less than 0.1% by volume of oxygen using a Ti, W or Mo target with a purity of 5 nines or more to form the first film. 3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising: depositing. 4. In the step of depositing the first film, sputtering is performed in an argon atmosphere using a target of Ti, W, or Mo with a purity of 5 nines or more, and then the first film is formed by ion-implanting oxygen. 3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising: depositing. 5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the wiring material is an Al-Si alloy.
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