JPH0653332A - Forming method for metallic plug - Google Patents

Forming method for metallic plug

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JPH0653332A
JPH0653332A JP20133092A JP20133092A JPH0653332A JP H0653332 A JPH0653332 A JP H0653332A JP 20133092 A JP20133092 A JP 20133092A JP 20133092 A JP20133092 A JP 20133092A JP H0653332 A JPH0653332 A JP H0653332A
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JP
Japan
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layer
contact hole
refractory metal
oxygen
compound layer
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JP20133092A
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Japanese (ja)
Inventor
Takaaki Miyamoto
孝章 宮本
Tetsuo Gocho
哲雄 牛膓
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Abstract

PURPOSE:To provide a barrier metal in a good embedded state even at a contact hole having a high aspect ratio along with good barrier characteristics between a wiring layer and a lower semiconductor. CONSTITUTION:A contact hole 3 is opened in an insulating layer 2 on a semiconductor substrate 1, and a wiring layer is embedded after a barrier metal made up of a refractory metallic layer 4 and/or a refractory metallic alloy compound layer 5a is formed at a contact hole 3. An impurity plasma beam with a directional characteristic is cast, as indicated by an arrow (p), on the refractory metallic layer 4 and/or the refractory metallic alloy compound layer 5a. Then, an impurity is implanted at least into an intergranular part of the refractory metallic layer 4 and/or the refractory metallic alloy compound layer 5a at a bottom part of the contact hole 3.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、各種半導体装置の半導
体層と配線層との接続部におけるメタルプラグの形成方
法に係わる。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a metal plug in a connecting portion between a semiconductor layer and a wiring layer of various semiconductor devices.

【0002】[0002]

【従来の技術】現在超LSIの微細コンタクトホールを
埋込む方法として、高温におけるAlの表面流動性を利
用したいわゆる高温Alスパッタ法や、このスパッタ法
に比しステップカバレッジが優れ且つAlに比し高温耐
熱性を有するWをCVD(化学的気相成長)法により被
着する方法が代表的に採られている。
2. Description of the Related Art At present, as a method of burying a micro contact hole of a VLSI, a so-called high temperature Al sputtering method utilizing surface fluidity of Al at high temperature, and a step coverage superior to this sputtering method and superior to Al are used. A method of depositing W having high temperature heat resistance by a CVD (chemical vapor deposition) method is typically adopted.

【0003】高温Alスパッタ法では、AlとSi基板
との反応を防ぐため、予めTiN等のバリアメタルを形
成しておく必要がある。このバリアメタルとしては、T
iNの結晶粒界に酸素がつめられていわゆるスタッフさ
れた状態として、TiNの粒界をAlが拡散することを
防止したTiONが優れている。
In the high temperature Al sputtering method, it is necessary to previously form a barrier metal such as TiN in order to prevent the reaction between Al and the Si substrate. As this barrier metal, T
TiON, which prevents Al from diffusing in the grain boundary of TiN, is excellent in a state where oxygen is clogged in the grain boundary of iN and is stuffed.

【0004】一方この高温Alスパッタ法では、上述し
たようにAlの表面流動性を利用しているため、Alと
下地バリアメタルとの濡れ性を良くし、Alがコンタク
トホール内に多く流れ込むようにすることが重要であ
る。TiやTiNは、Alと反応し易くバリア性に乏し
いが、Alとの濡れ性は優れており、埋め込み特性は良
好である。これに対しTiONはAlに対するバリア性
は優れているが、Alとの濡れ性は悪く、高アスペクト
比のコンタクトホールにはAlを埋め込みにくいという
問題がある。
On the other hand, in the high temperature Al sputtering method, since the surface fluidity of Al is utilized as described above, the wettability between Al and the underlying barrier metal is improved so that a large amount of Al flows into the contact hole. It is important to. Ti and TiN easily react with Al and have a poor barrier property, but have excellent wettability with Al and have good embedding characteristics. On the other hand, TiON has an excellent barrier property against Al, but has poor wettability with Al and has a problem that Al is difficult to be embedded in a contact hole having a high aspect ratio.

【0005】このため、Al配線層を埋め込む場合は、
濡れ性とバリア性を確保するためにTiONを介して上
下にTi層を設けるTi/TiON/Tiバリア構造を
とることが望ましい。TiONやTiは現状ではスパッ
タ法により被着されているため、コンタクトホール3の
側壁部において上層側が下層側に比し膜厚が薄くなって
しまい、上層のTi層が中間のTiON層からの酸素に
より酸化されてAlとの濡れ性が劣化し、埋め込み特性
が悪くなる恐れがある。
Therefore, when embedding the Al wiring layer,
In order to secure wettability and barrier properties, it is desirable to have a Ti / TiON / Ti barrier structure in which Ti layers are provided above and below via TiON. Since TiON and Ti are currently deposited by the sputtering method, the upper layer side has a smaller film thickness than the lower layer side in the side wall portion of the contact hole 3, and the upper Ti layer has oxygen from the intermediate TiON layer. Oxidation may deteriorate the wettability with Al and deteriorate the embedding characteristics.

【0006】これを防止するために上層のTi層の膜厚
を大とすると、サブハーフミクロンの微細コンタクトホ
ールでは、例えば図6にその一例の一工程図を示すよう
に、オーバーハング形状となってしまい、Alの埋め込
み性が不利となってしまう。図6において1はSi等の
半導体基体で、2はCVD法等により形成されるSiO
2 等の絶縁層、3はフォトリソグラフィ等により形成さ
れるコンタクトホール、21〜23はそれぞれTi層、
TiON層及びTi層を示す。
In order to prevent this, if the thickness of the upper Ti layer is made large, in the case of a sub-half micron fine contact hole, for example, as shown in FIG. As a result, the embedding property of Al becomes disadvantageous. In FIG. 6, 1 is a semiconductor substrate such as Si, and 2 is SiO formed by a CVD method or the like.
Insulating layers such as 2 and 3 are contact holes formed by photolithography or the like, 21 to 23 are Ti layers,
A TiON layer and a Ti layer are shown.

【0007】そこでTi及びTiONをカバレッジの優
れたCVD法により形成することが強く望まれている。
各装置メーカーによって種々のCVD法を用いてTi
N、Tiの成膜が試みられているが、現状ではTiN、
Ti共に成膜できるのはECR(電子サイクロトロン共
鳴)プラズマCVD法のみとされている。
Therefore, it is strongly desired to form Ti and TiON by a CVD method with excellent coverage.
Ti is produced by various CVD methods by various equipment manufacturers.
Attempts have been made to deposit N and Ti, but at present, TiN,
Only ECR (electron cyclotron resonance) plasma CVD method can form a film together with Ti.

【0008】しかしながらECRプラズマCVD法で
は、反応に寄与するプラズマが発散磁界により垂直方向
に引き出されるため、垂直成分の付着量が多くなり、コ
ンタクトホール底部の被膜は厚くなるが、側壁部の被膜
は薄くなってしまう。このため、スパッタ法と同様にT
i/TiON/Ti構造を形成したとき、側壁部の上層
のTi層23が膜薄となってしまい、図7において斜線
を付して示すように、この上層のTi層23が中間のT
iON層22の酸素により酸化され、低コンタクト抵抗
が得られない場合がある。
However, in the ECR plasma CVD method, the plasma contributing to the reaction is extracted in the vertical direction by the divergent magnetic field, so that the amount of the vertical component deposited increases and the film on the bottom of the contact hole becomes thicker, but the film on the side wall does not. It becomes thin. Therefore, as in the sputtering method, T
When the i / TiON / Ti structure is formed, the upper Ti layer 23 of the side wall becomes thin, and as shown by hatching in FIG.
The iON layer 22 may be oxidized by oxygen and low contact resistance may not be obtained.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、高アスペク
ト比のコンタクトホールにおいても、配線層の埋め込み
性が良く、また配線層と下層の半導体と間においてはバ
リア性に優れたバリアメタルを得ることができるメタル
プラグの形成方法を提供する。
DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention provides a barrier metal which has a good embedding property of a wiring layer even in a contact hole having a high aspect ratio and which has an excellent barrier property between the wiring layer and the semiconductor below. Provided is a method for forming a metal plug capable of forming a metal plug.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明は、半導体基体上
の絶縁層に開口したコンタクトホールに高融点金属層及
び/又は高融点金属化合物層から成るバリアメタルを形
成した後、配線層を埋込むメタルプラグの形成方法にお
いて、その一例の工程図を図1A〜Cに示すように、高
融点金属層4及び/又は高融点金属化合物層5aに、矢
印pで示すように不純物プラズマを指向性をもたせて照
射し、少なくともコンタクトホール3の底部の高融点金
属層4及び/又は高融点金属化合物層5aの粒界に不純
物をつめる。
According to the present invention, a wiring layer is buried after a barrier metal composed of a refractory metal layer and / or a refractory metal compound layer is formed in a contact hole opened in an insulating layer on a semiconductor substrate. In the method for forming a metal plug to be embedded, as shown in a process chart of an example thereof, a high-melting-point metal layer 4 and / or a high-melting-point metal compound layer 5a is directed to an impurity plasma as indicated by an arrow p. To irradiate the grain boundaries of the refractory metal layer 4 and / or the refractory metal compound layer 5a at the bottom of the contact hole 3 with impurities.

【0011】また本発明は、上述のメタルプラグの形成
方法において、不純物として酸素、窒素又はホウ素を用
いる。
Further, according to the present invention, oxygen, nitrogen or boron is used as an impurity in the above-mentioned method for forming a metal plug.

【0012】[0012]

【作用】上述したように本発明によれば、コンタクトホ
ール3にECRプラズマCVD法等により堆積した高融
点金属層4や高融点金属化合物層5a、例えばTiN等
の高融点金属化合物層5aに、不純物プラズマを垂直成
分を強めて照射することによって、コンタクトホール3
の底部における高融点金属化合物層5aに不純物をより
多く照射してその粒界につめて、いわゆるスタッフィン
グすることができる。即ち、側壁部と底部において不純
物濃度を異ならしめて形成することができ、側壁部にお
いてAl等の配線層との濡れ性に優れ、底部においては
バリア性に優れたバリアメタルを形成することができ
る。
As described above, according to the present invention, the refractory metal layer 4 and the refractory metal compound layer 5a deposited in the contact hole 3 by ECR plasma CVD or the like, for example, the refractory metal compound layer 5a such as TiN, By irradiating the impurity plasma with an increased vertical component, the contact hole 3
The refractory metal compound layer 5a at the bottom of the layer can be irradiated with more impurities to fill the grain boundaries and so-called stuffing. That is, it is possible to form the barrier metal having different impurity concentrations in the side wall portion and the bottom portion, excellent in wettability with the wiring layer such as Al in the side wall portion, and excellent in barrier property in the bottom portion.

【0013】そしてまた本発明においては、不純物とし
て酸素、窒素又はホウ素を用いることによって、確実に
コンタクトホール側壁部においてAl配線層との濡れ性
に優れ、底部においては配線層と反応しないバリア性に
優れたバリアメタルを形成することができる。
Further, in the present invention, by using oxygen, nitrogen or boron as an impurity, the side wall of the contact hole is surely excellent in wettability with the Al wiring layer, and the bottom has a barrier property which does not react with the wiring layer. An excellent barrier metal can be formed.

【0014】従って、これら本発明によれば、微細な高
アスペクト比のコンタクトホールにおいても埋め込み性
良くまたバリア性に優れたメタルプラグを形成すること
ができる。
Therefore, according to the present invention, it is possible to form a metal plug having a good embedding property and an excellent barrier property even in a fine contact hole having a high aspect ratio.

【0015】[0015]

【実施例】本実施例においては、高温Alスパッタ法に
より高アスペクト比のコンタクトホールにAl配線層を
埋め込む際に、Ti/TiON/Ti構造のバリアメタ
ルを形成してメタルプラグを形成する場合を示す。
EXAMPLE In this example, a case where a barrier metal having a Ti / TiON / Ti structure is formed to form a metal plug when an Al wiring layer is embedded in a contact hole having a high aspect ratio by a high temperature Al sputtering method is described. Show.

【0016】実施例1 先ず、図1Aに示すように、シリコン等より成る半導体
基体1上にCVD法等により厚い絶縁層2を例えば厚さ
800nmとして形成し、半導体基体1の所定位置の例
えば拡散層(図示せず)上に例えば0.4μm径の即ち
アスペクト比2のコンタクトホール3をフォトリソグラ
フィ等の適用によって開口する。そしてこのコンタクト
ホール3内を含んで全面的に例えばECRプラズマCV
D法によりTi等より成る厚さ例えば30nmの高融点
金属層4、TiN等より成る厚さ例えば100nmの高
融点金属化合物層5aを順次形成する。
Example 1 First, as shown in FIG. 1A, a thick insulating layer 2 having a thickness of, for example, 800 nm is formed on a semiconductor substrate 1 made of silicon or the like by a CVD method or the like, and is diffused at a predetermined position of the semiconductor substrate 1. A contact hole 3 having a diameter of 0.4 μm, that is, an aspect ratio of 2 is opened on the layer (not shown) by applying photolithography or the like. Then, for example, the ECR plasma CV is entirely included including the inside of the contact hole 3.
By the D method, a refractory metal layer 4 of Ti or the like having a thickness of 30 nm and a refractory metal compound layer 5a of TiN or the like having a thickness of, for example, 100 nm are sequentially formed.

【0017】この場合、Tiの堆積条件としては、温度
540℃、TiCl4 の流量を10〜15sccm、H
2 の流量を50sccm、マイクロ波パワーを2.8k
Wとした。また、TiNの堆積条件としては、温度54
0℃、TiCl4 の流量を10〜15sccm、N2
流量を15sccm、H2 の流量を50sccm、マイ
クロ波パワーを2.8kWとした。
In this case, the conditions for depositing Ti are as follows: the temperature is 540 ° C., the flow rate of TiCl 4 is 10 to 15 sccm, and H is
Flow rate of 2 is 50 sccm, microwave power is 2.8 k
W. In addition, the TiN deposition conditions include a temperature of 54
At 0 ° C., the TiCl 4 flow rate was 10 to 15 sccm, the N 2 flow rate was 15 sccm, the H 2 flow rate was 50 sccm, and the microwave power was 2.8 kW.

【0018】次に、上述の高融点金属4及び高融点金属
化合物層5aの堆積装置と同一或いは別のプラズマCV
D装置において、プラズマ室に酸素ガスを注入してEC
R放電にて酸素プラズマを生成し、図1Bにおいて矢印
pで示すように、指向性をもって即ちこの場合半導体基
体1の表面に対し垂直な方向に酸素プラズマを照射し
て、コンタクトホール3の底部及び上部のTiNの粒界
に酸素、或いは酸素とチタンの化合物TiOX 、TiO
X y をスタッフする。TiNは柱状の結晶構造である
ため、その粒界に酸素、ホウ素等の不純物をスタッフす
ることによって、Al等の配線層材料がTiNの粒界に
拡散することを抑制することができ、TiNのバリア性
の向上をはかることができる。
Next, a plasma CV which is the same as or different from the deposition apparatus for the refractory metal 4 and the refractory metal compound layer 5a described above.
In device D, oxygen gas was injected into the plasma chamber to perform EC
Oxygen plasma is generated by the R discharge, and as shown by an arrow p in FIG. 1B, the oxygen plasma is irradiated with directivity, that is, in a direction perpendicular to the surface of the semiconductor substrate 1 in this case, and the bottom portion of the contact hole 3 and Oxygen or a compound of oxygen and titanium TiO x , TiO
Staff X N y . Since TiN has a columnar crystal structure, by stuffing impurities such as oxygen and boron in the grain boundaries, it is possible to suppress the diffusion of the wiring layer material such as Al into the grain boundaries of TiN. The barrier property can be improved.

【0019】そしてこの場合、上述したように指向性を
もって酸素プラズマを照射するため、コンタクトホール
3の側面部上のTiN高融点金属化合物層5aの酸化は
抑制される。従って、図1Cにおいて斜線を付して示す
ように、コンタクトホール3の底部において酸素が高濃
度にスタッフされて高バリア性を有し、側壁部において
は酸化が抑制されてAlに対する濡れ性が良好となされ
たTiON高融点金属化合物層5を形成することができ
る。
In this case, since the oxygen plasma is irradiated with directivity as described above, the oxidation of the TiN refractory metal compound layer 5a on the side surface of the contact hole 3 is suppressed. Therefore, as shown by hatching in FIG. 1C, oxygen is stuffed at a high concentration at the bottom of the contact hole 3 to have a high barrier property, and oxidation is suppressed at the side wall part, resulting in good wettability with Al. It is possible to form the TiON refractory metal compound layer 5 formed as follows.

【0020】図2にこのようなプラズマCVD装置の一
例の概略図を示す。11はCVDによる反応室で、その
上部に所定の大きさの開口部を介してプラズマ室12が
設けられる。プラズマ室12の上部には、酸素ガス導入
間13及びマイクロ波導入間14がそれぞれ設けられ、
矢印o及びmで示すように酸素ガス及びマイクロ波がそ
れぞれ導入される。また反応室11の下部にウェファ1
5の載置台16が設けられ、その下部に高周波バイアス
磁界印加用の高周波電源17が設けられる。18は排気
口である。
FIG. 2 shows a schematic view of an example of such a plasma CVD apparatus. Reference numeral 11 is a CVD reaction chamber, and a plasma chamber 12 is provided above the reaction chamber through an opening of a predetermined size. An oxygen gas introduction space 13 and a microwave introduction space 14 are provided above the plasma chamber 12,
Oxygen gas and microwave are introduced respectively as indicated by arrows o and m. In addition, the wafer 1 is placed under the reaction chamber 11.
A mounting table 16 of No. 5 is provided, and a high frequency power source 17 for applying a high frequency bias magnetic field is provided below the mounting table 16. 18 is an exhaust port.

【0021】このような装置において、ECR放電にて
生成した酸素プラズマは、プラズマ室12から発散磁界
により下側の反応室11に引き出され、酸素プラズマが
ウェファ15上に、即ちこの上に被着したTiN高融点
金属化合物層5aに垂直に入射される。このためコンタ
クトホール底部には酸素が多くスタッフされ、側壁部に
は酸化を抑制することができる。この例においては、酸
素プラズマ照射条件として酸素を50sccm、マイク
ロ波パワーを1.5kWとし、圧力0.01Paとして
プラズマ照射を行った。
In such an apparatus, the oxygen plasma generated by the ECR discharge is drawn from the plasma chamber 12 to the lower reaction chamber 11 by the divergent magnetic field, and the oxygen plasma is deposited on the wafer 15, that is, on the wafer 15. It is vertically incident on the TiN refractory metal compound layer 5a. Therefore, much oxygen is stuffed at the bottom of the contact hole, and oxidation can be suppressed at the side wall. In this example, plasma irradiation was performed under the conditions of oxygen plasma irradiation of oxygen of 50 sccm, microwave power of 1.5 kW and pressure of 0.01 Pa.

【0022】尚、TiN高融点金属化合物層中への酸素
の取り込みは、大気中での暴露によっても起こり得るこ
とから、本方法の酸素プラズマ照射においてもTiN膜
中への酸素の取り込み、即ち粒界へのスタッフを充分行
うことができる。
Since the incorporation of oxygen into the TiN refractory metal compound layer can occur even by exposure in the atmosphere, the incorporation of oxygen into the TiN film, that is, the grain size, can be achieved even during the oxygen plasma irradiation of this method. Can be fully staffed to the world.

【0023】また、この例においては半導体基体1にバ
イアスを印加せずに発散磁界のみで活性酸素プラズマを
指向性をもって照射したが、更にこの効果を高めるため
に、基体1にバイアス磁界を印加することもできる。ま
たこの他、減圧又は真空内において用い得るコリメータ
等種々の手段を用いることもできる。
Further, in this example, the active oxygen plasma was directionally irradiated only by the divergent magnetic field without applying the bias to the semiconductor substrate 1, but in order to further enhance this effect, the bias magnetic field is applied to the substrate 1. You can also In addition, various means such as a collimator that can be used under reduced pressure or vacuum can be used.

【0024】そしてこの後、図3Aに示すように、高融
点金属化合物層5の上にTi等の高融点金属層6をEC
RプラズマCVD法等により厚さ50nm程度として被
着する。堆積条件としては、温度を540℃、TiCl
4 の流量を10〜15sccm、H2 流量を50scc
m、マイクロ波パワーを2.8kWとした。またこのと
き、Tiの酸化を防止するため、Tiの堆積は酸素プラ
ズマを照射した装置とは別の装置で行うか、或いは同一
の装置で行う場合は十分排気を行った後にTiを堆積す
る。
Then, as shown in FIG. 3A, a refractory metal layer 6 of Ti or the like is formed on the refractory metal compound layer 5 by EC.
The R plasma CVD method or the like is applied to have a thickness of about 50 nm. As the deposition conditions, the temperature was 540 ° C., TiCl
4 flow rate of 10 to 15 sccm, H 2 flow rate of 50 sccc
m, and the microwave power was 2.8 kW. Further, at this time, in order to prevent the oxidation of Ti, the deposition of Ti is performed by a device different from the device irradiated with oxygen plasma, or when the same device is used, Ti is deposited after sufficient exhaustion.

【0025】そして次に図3Bに示すように、全面的に
高温Alスパッタ法等によりAl配線層7を埋め込み形
成する。スパッタ条件としては、DC直流電源10.5
kW、温度480℃〜500℃、圧力0.4Pa、Al
ガス流量100sccmとした。このとき側壁の高融点
金属化合物層5の酸素のスタッフ量が少ないため上層の
Ti高融点金属層6の酸化が抑制されて良好なAlの濡
れ性を確保でき、Al埋め込み性の向上をはかって低コ
ンタクト抵抗、低リーク電流のメタルプラグを形成する
ことができる。
Then, as shown in FIG. 3B, an Al wiring layer 7 is buried and formed on the entire surface by a high temperature Al sputtering method or the like. DC sputtering power source 10.5
kW, temperature 480 ° C. to 500 ° C., pressure 0.4 Pa, Al
The gas flow rate was 100 sccm. At this time, since the amount of oxygen stuffing in the refractory metal compound layer 5 on the side wall is small, the oxidation of the Ti refractory metal layer 6 in the upper layer is suppressed, good wettability of Al can be secured, and the Al burying property is improved. A metal plug having low contact resistance and low leakage current can be formed.

【0026】実施例2 次に、本発明による他の実施例を図4A〜C、図5A及
びBを参照して詳細に説明する。先ず図4Aに示すよう
に、シリコン等より成る半導体基体1上にCVD法等に
より厚い絶縁層2を例えば厚さ800nmとして形成
し、半導体基体1の所定位置の例えば拡散層(図示せ
ず)上に上述の実施例1と同様に例えば0.4μm径の
アスペクト比2のコンタクトホール3をフォトリソグラ
フィ等の適用によって開口する。そしてこのコンタクト
ホール3内を含んで全面的に例えばECRプラズマCV
D法によりTi等より成る厚さ例えば30nmの高融点
金属層4、TiN等より成る厚さ例えば100nmの高
融点金属化合物層5aを順次形成する。堆積条件は上述
の実施例1と同様とし、即ちTiの堆積条件としては、
温度540℃、TiCl4 の流量を10〜15scc
m、H2 の流量を50sccm、マイクロ波パワーを
2.8kWとした。また、TiNの堆積条件としては、
温度540℃、TiCl4 の流量を10〜15scc
m、N2 の流量を15sccm、H2 の流量を50sc
cm、マイクロ波パワーを2.8kWとした。
Embodiment 2 Next, another embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 4A to 4C and FIGS. 5A and 5B. First, as shown in FIG. 4A, a thick insulating layer 2 having a thickness of, for example, 800 nm is formed on a semiconductor substrate 1 made of silicon or the like by a CVD method or the like, and is formed on a diffusion layer (not shown) at a predetermined position of the semiconductor substrate 1. Similarly to the first embodiment, a contact hole 3 having a diameter of 0.4 μm and an aspect ratio of 2 is formed by applying photolithography or the like. Then, for example, the ECR plasma CV is entirely included including the inside of the contact hole 3.
By the D method, a refractory metal layer 4 of Ti or the like having a thickness of 30 nm and a refractory metal compound layer 5a of TiN or the like having a thickness of, for example, 100 nm are sequentially formed. The deposition conditions were the same as in Example 1 above, that is, the Ti deposition conditions were:
Temperature 540 ° C., TiCl 4 flow rate 10-15 scc
The flow rate of m and H 2 was 50 sccm, and the microwave power was 2.8 kW. Further, as the TiN deposition conditions,
Temperature 540 ° C., TiCl 4 flow rate 10-15 scc
m, flow rate of N 2 is 15 sccm, flow rate of H 2 is 50 sccm
cm and the microwave power was 2.8 kW.

【0027】次に、例えば上述の図2において説明した
装置によって、TiN高融点金属化合物層5Aに、図4
Bにおいて矢印pで示すように、指向性をもって即ち半
導体基体1の表面に対し垂直な方向に酸素プラズマを照
射して、コンタクトホール3の底部におけるTiNの粒
界に酸素、或いは酸素とチタンの化合物TiOX 、Ti
X y をスタッフして、Al等の配線層材料がTiN
の粒界を拡散することを抑制して、TiNのバリア性の
向上をはかることができる。
Next, the TiN refractory metal compound layer 5A is formed on the TiN refractory metal compound layer 5A by using the apparatus described in FIG.
As indicated by an arrow p in B, oxygen plasma is irradiated with directivity, that is, in a direction perpendicular to the surface of the semiconductor substrate 1, and oxygen or a compound of oxygen and titanium is introduced into the TiN grain boundary at the bottom of the contact hole 3. TiO x , Ti
O X N y is stuffed and the wiring layer material such as Al is TiN
It is possible to improve the barrier property of TiN by suppressing the diffusion of the grain boundaries of TiN.

【0028】そしてこの場合においても、上述したよう
に指向性をもって酸素プラズマを照射するため、コンタ
クトホール3の側壁部上のTiN高融点金属化合物層5
aの酸化は抑制され、Alに対する濡れ性が良好なTi
ON高融点金属化合物層5を形成することができる。
Also in this case, since the oxygen plasma is irradiated with directivity as described above, the TiN refractory metal compound layer 5 on the side wall of the contact hole 3 is formed.
Oxidation of a is suppressed, and Ti that has good wettability with Al
The ON refractory metal compound layer 5 can be formed.

【0029】そしてこの後、図5Aに示すように、高融
点金属化合物層5の上にW等の高融点金属層16をLP
(低圧)CVD法等により厚さ50nm程度として成膜
し、W/TiON/Ti積層構造のバリアメタルを形成
する。成膜条件としては、温度を450℃、WF6 の流
量を95sccm、H2 流量を550sccm、圧力1
×104 Paとした。
Then, as shown in FIG. 5A, a refractory metal layer 16 such as W is deposited on the refractory metal compound layer 5 by LP.
A film is formed to a thickness of about 50 nm by (low pressure) CVD method or the like to form a barrier metal having a W / TiON / Ti laminated structure. As film forming conditions, the temperature is 450 ° C., the flow rate of WF 6 is 95 sccm, the flow rate of H 2 is 550 sccm, and the pressure is 1.
It was set to × 10 4 Pa.

【0030】そして次に図5Bに示すように、全面的に
高温Alスパッタ法等によりAl配線層7を埋め込み形
成する。スパッタ条件としては、DC直流電源10.5
kW、温度480℃〜500℃、圧力0.4Pa、Al
ガス流量100sccmとした。この場合Wの酸化物は
Tiの酸化物に比して生成自由エネルギーが高いため、
W高融点金属層16はTiに比し耐酸化性に優れてお
り、側壁の高融点金属化合物層5からの酸素の取り込み
が少ないことと相俟って、より良好なAlの濡れ性を確
保でき、Al埋め込み性の向上をはかって低コンタクト
抵抗、低リーク電流のメタルプラグを形成することがで
きる。
Then, as shown in FIG. 5B, an Al wiring layer 7 is buried over the entire surface by a high temperature Al sputtering method or the like. DC sputtering power source 10.5
kW, temperature 480 ° C. to 500 ° C., pressure 0.4 Pa, Al
The gas flow rate was 100 sccm. In this case, since the oxide of W has a higher free energy of formation than the oxide of Ti,
The W refractory metal layer 16 is superior in oxidation resistance to Ti, and in combination with the fact that oxygen is less taken in from the refractory metal compound layer 5 on the side wall, better wettability of Al is secured. Therefore, it is possible to form a metal plug having a low contact resistance and a low leak current while improving the Al burying property.

【0031】また、この場合においても実施例1と同様
に基板にバイアスを印加することによってより指向性を
高めることができ、効果的に不純物を注入することがで
きる。或いはコリメータ等種々の手段を用いることが可
能である。
Also in this case, the directivity can be further improved by applying a bias to the substrate as in the first embodiment, and the impurities can be effectively implanted. Alternatively, various means such as a collimator can be used.

【0032】尚、上述の各実施例においては、TiN高
融点金属化合物に酸素Oをスタッフしたが、TiNにN
やBを指向性をもたせてつめることにより、同様の効果
を得ることができる。また例えばTiにNやBをスタッ
フする場合に本発明を適用することもできる。
Although oxygen O was stuffed into the TiN refractory metal compound in each of the above-mentioned embodiments, the TiN contains N.
The same effect can be obtained by stuffing and B with directivity. Further, for example, the present invention can be applied to the case of stuffing Ti with N or B.

【0033】更に上述の各例においては、Si半導体基
体の拡散層上にコンタクトホールを設ける例について本
発明を適用した場合について説明したが、その他ポリシ
リコンゲート上の配線層との接続部等、種々の半導体装
置内のメタルプラグの形成の際に本発明方法を適用し得
ることはいうまでもない。
Further, in each of the above-mentioned examples, the case where the present invention is applied to the example in which the contact hole is provided on the diffusion layer of the Si semiconductor substrate has been described. It goes without saying that the method of the present invention can be applied to the formation of metal plugs in various semiconductor devices.

【0034】また、本発明は上述の実施例に限ることな
くその材料構成、装置構成及び成膜条件等において種々
の変形変更をなし得ることはいうまでもない。
Further, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment, and various modifications and changes can be made in the material constitution, apparatus constitution, film forming conditions and the like.

【0035】[0035]

【発明の効果】上述したように、本発明メタルプラグの
形成方法によれば、コンタクトホール底部において配線
層材料と半導体基体材料とのバリア性に優れ、且つ側壁
部においては配線層材料の濡れ性に優れ、高アスペクト
比のコンタクトホールにおいても良好な埋め込み性をも
ってメタルプラグを形成することができ、低コンタクト
抵抗化及びリーク電流の低減化をはかることができる。
As described above, according to the method of forming a metal plug of the present invention, the barrier property between the wiring layer material and the semiconductor substrate material is excellent at the bottom of the contact hole and the wettability of the wiring layer material at the side wall portion. In addition, a metal plug can be formed with a good filling property even in a contact hole having a high aspect ratio, and a low contact resistance and a reduction in leak current can be achieved.

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

【図1】本発明メタルプラグの形成方法の一例の製造工
程図である。
FIG. 1 is a manufacturing process diagram of an example of a method for forming a metal plug of the present invention.

【図2】プラズマCVD装置の一例の概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of an example of a plasma CVD apparatus.

【図3】本発明メタルプラグの形成方法の一例の製造工
程図である。
FIG. 3 is a manufacturing process diagram of an example of a method for forming a metal plug of the present invention.

【図4】本発明メタルプラグの形成方法の他の例の製造
工程図である。
FIG. 4 is a manufacturing process diagram of another example of the method for forming the metal plug of the present invention.

【図5】本発明メタルプラグの形成方法の他の例の製造
工程図である。
FIG. 5 is a manufacturing process diagram of another example of the method for forming a metal plug of the present invention.

【図6】従来のメタルプラグの形成方法の一例の一製造
工程図である。
FIG. 6 is a manufacturing process diagram of an example of a conventional metal plug forming method.

【図7】従来のメタルプラグの形成方法の他の例の一製
造工程図である。
FIG. 7 is a manufacturing process diagram of another example of the conventional method for forming a metal plug.

【符号の説明】 1 半導体基体 2 絶縁層 3 コンタクトホール 4 高融点金属層 5 高融点金属化合物層 6 高融点金属層 7 配線層[Explanation of symbols] 1 semiconductor substrate 2 insulating layer 3 contact hole 4 refractory metal layer 5 refractory metal compound layer 6 refractory metal layer 7 wiring layer

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体基体上の絶縁層に開口したコンタ
クトホールに少なくとも高融点金属層及び/又は高融点
金属化合物層から成るバリアメタルを形成した後、配線
層を埋込むメタルプラグの形成方法において、 上記高融点金属層及び/又は高融点金属化合物層に、不
純物プラズマを指向性をもたせて照射し、少なくとも上
記コンタクトホールの底部の上記高融点金属層及び/又
は高融点金属化合物層の粒界に不純物をつめることを特
徴とするメタルプラグの形成方法。
1. A method for forming a metal plug in which a wiring layer is embedded after a barrier metal composed of at least a refractory metal layer and / or a refractory metal compound layer is formed in a contact hole opened in an insulating layer on a semiconductor substrate. Irradiating the refractory metal layer and / or the refractory metal compound layer with impurity plasma in a directed manner, and at least the grain boundaries of the refractory metal layer and / or the refractory metal compound layer at the bottom of the contact hole. A method for forming a metal plug, characterized in that the metal plug is filled with impurities.
【請求項2】 上記不純物として酸素、窒素又はホウ素
を用いることを特徴とする上記請求項1に記載のメタル
プラグの形成方法。
2. The method for forming a metal plug according to claim 1, wherein oxygen, nitrogen or boron is used as the impurity.
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