JPH09246212A - Formation of barrier layer and semiconductor device with barrier layer formed thereby - Google Patents

Formation of barrier layer and semiconductor device with barrier layer formed thereby

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JPH09246212A
JPH09246212A JP5025696A JP5025696A JPH09246212A JP H09246212 A JPH09246212 A JP H09246212A JP 5025696 A JP5025696 A JP 5025696A JP 5025696 A JP5025696 A JP 5025696A JP H09246212 A JPH09246212 A JP H09246212A
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JP
Japan
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film
metal
forming
nitriding
barrier layer
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Application number
JP5025696A
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Japanese (ja)
Inventor
Takaaki Miyamoto
孝章 宮本
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Filing date
Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To satisfy various demands such as step coverage, a low chrome content and a low film-forming temperature by a method wherein mixed has containing metal halogen and hydrogen is used and a metal film is formed by a plasma CVD method followed by performing a nitriding treatment on the metal film for being converted into a metal nitriding film. SOLUTION: After forming a metal film 4 on the substrates 1, 2 by using a mixed gas containing a metal halogenide and hydrogen and by a plasma CVD method, the metal film 4 is provided with a nitriding treatment for being converted into a metal nitride film 5. For instance, an interlayer insulating film 2 is formed on a lower layer conductive material layer 1 consisting of a semiconductor substrate and a connecting hole 3 is opened followed by performing plasma cleaning and forming a metal film 4 made of Ti. Next, plasma nitriding of the metal film 4 is performance by using mixed gas of N2 /H2 /Ar so as form a metal nitride film 5 consisting of TiN. Later, when necessary, a forming process of the metal film 4 and a nitriding process are repeated so as to form metal nitride film 5 with a desired thickness.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の製造工
程等に用いられるバリア層の形成方法、およびこれによ
り形成されたバリア層を有する半導体装置に関し、さら
に詳しくは、形成されるバリア層が良好なステップカバ
レッジを有し、かつバリア層中の残留ハロゲン元素の含
有量の少ないバリア層の形成方法、およびこれにより形
成されたバリア層を有する半導体装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of forming a barrier layer used in a manufacturing process of a semiconductor device, and a semiconductor device having a barrier layer formed by the method. More specifically, the barrier layer formed is good. The present invention relates to a method for forming a barrier layer having excellent step coverage and a small content of residual halogen element in the barrier layer, and a semiconductor device having the barrier layer formed thereby.

【0002】[0002]

【従来の技術】LSI等の半導体装置のデザインルール
がハーフミクロンからクォータミクロンあるいはそれ以
下のレベルへと微細化し、かつ多層配線構造が多用され
るに伴い、配線層間を接続するための接続孔のアスペク
ト比も増大する傾向にある。例えば、0.18μmルー
ルの半導体装置においては、接続孔の開口径0.2μm
に対し、層間絶縁膜の厚さは1.0μm程度であるの
で、アスペクト比は5に達する。かかる微細で高アスペ
クト比の接続孔により、信頼性の高い多層配線構造を達
成するには、接続孔内にオーミックコンタクト用のTi
層等と、配線材料の拡散を防止するバリア層であるTi
N層等とを薄くコンフォーマルに形成した後、Al系金
属の高温スパッタリングや、WのCVDにより、上層配
線やコンタクトプラグを形成する方法が採用されつつあ
る。
2. Description of the Related Art As the design rules of semiconductor devices such as LSI have been miniaturized from half micron to quarter micron or lower, and a multi-layer wiring structure has been frequently used, connection holes for connecting wiring layers have been formed. The aspect ratio also tends to increase. For example, in a semiconductor device of 0.18 μm rule, the opening diameter of the connection hole is 0.2 μm.
On the other hand, since the thickness of the interlayer insulating film is about 1.0 μm, the aspect ratio reaches 5. In order to achieve a highly reliable multilayer wiring structure with such fine and high aspect ratio contact holes, Ti for ohmic contact is provided in the contact holes.
Layer, etc., and Ti that is a barrier layer that prevents the diffusion of wiring materials.
A method of forming an upper layer wiring and a contact plug by high-temperature sputtering of an Al-based metal or W CVD after forming a thin and conformal N layer and the like is being adopted.

【0003】通常、Ti層やTiN層を形成するために
は、バルクのTi金属をターゲット材料としたスパッタ
リングや、反応性スパッタリングが採用される。中で
も、例えば特開平6−140359号公報に開示されて
いる、スパッタリング粒子の垂直入射成分を高めたコリ
メーティッドスパッタリングや、ターゲット/基板間距
離をとった遠距離スパッタリングが注目されている。こ
れらのスパッタリング法によれば、従来のスパッタリン
グ法と比較してコンタクト抵抗の低減やバリア性の向上
等のメリットが確認されている。しかしこれらのスパッ
タリング方法は、スパッタリングされた粒子の被処理基
板への垂直入射成分を高めた手法であるため、アスペク
ト比の大きい微細な接続孔の肩部や、接続孔の底部周縁
に、膜厚が極端に薄い部分が不可避的に形成される。こ
の場合に、次工程でWのブランケットCVD等を施すと
原料ガスであるWF6 が膜厚の薄い部分から浸入し、下
地材料層の浸食、Wの異常成長、あるいはTi層やTi
N層の剥離等の不都合が生じる。
Usually, in order to form a Ti layer or a TiN layer, sputtering using a bulk Ti metal as a target material or reactive sputtering is adopted. Above all, attention has been focused on, for example, collimated sputtering in which the perpendicular incidence component of sputtered particles is increased and long-distance sputtering in which the distance between the target and the substrate is increased, which is disclosed in, for example, JP-A-6-140359. According to these sputtering methods, advantages such as reduction of contact resistance and improvement of barrier properties have been confirmed as compared with conventional sputtering methods. However, since these sputtering methods are methods in which the vertically incident component of the sputtered particles on the substrate to be processed is increased, the thickness of the film may be formed on the shoulder portion of a fine connection hole with a large aspect ratio and the periphery of the bottom portion of the connection hole. However, an extremely thin portion is inevitably formed. In this case, when blanket CVD of W or the like is performed in the next step, WF 6 as a raw material gas invades from a portion having a small film thickness, erosion of a base material layer, abnormal growth of W, Ti layer or Ti layer.
Inconvenience such as peeling of the N layer occurs.

【0004】コリメーション法等をも含めたこれらスパ
ッタリング方法では解決されないバリア層のステップカ
バレッジの問題を解決するため、被処理基板表面での化
学反応を利用したCVD法によるコンフォーマルなTi
層やTiN層等のTi系材料層の形成方法が期待されて
いる。
In order to solve the problem of step coverage of the barrier layer, which cannot be solved by these sputtering methods including the collimation method, etc., a conformal Ti film formed by the CVD method utilizing a chemical reaction on the surface of the substrate to be processed is used.
A method for forming a Ti-based material layer such as a layer or a TiN layer is expected.

【0005】現在提案されているTi系材料層のCVD
方法は、大別して、半導体・集積回路技術第44回シン
ポジウム講演論文集31ページ(1993)等に報告さ
れているTiCl4 等の無機系金属ハロゲン化物を用い
る方法と、Proc.11th.Int.IEEE V
MIC,p440(1994)等に報告されているTD
MAT(Tetrakis(dimethylamino)titanium) やTDEA
T(Tetrakis(diethylamino)titanium)等の有機金属化合
物を用いる方法との2種類がある。いずれの方法におい
ても、H2 還元によるTi層の形成と、NH3 等の窒化
剤の添加によるTiN層の形成とを同一のCVD装置内
で連続的に実施しうる長所を有する。ただし有機金属化
合物を用いる方法は、Ti層やTiN層中に炭素が残留
してシート抵抗が大きくなりがちなこと、および特殊な
原料ガスを必要とすることから、TiCl4 等の無機系
金属ハロゲン化物を用いるCVD方法がより一般的であ
る。
[0005] Currently proposed CVD of Ti-based material layer
The method is roughly classified into a method using an inorganic metal halide such as TiCl 4 reported in the 44th Symposium on Semiconductor / Integrated Circuit Technology, p. 31 (1993), Proc. 11th. Int. IEEE V
TD reported in MIC, p440 (1994), etc.
MAT (Tetrakis (dimethylamino) titanium) and TDEA
There are two types: a method using an organometallic compound such as T (Tetrakis (diethylamino) titanium). Either method has the advantage that the Ti layer formation by H 2 reduction and the TiN layer formation by addition of a nitriding agent such as NH 3 can be continuously performed in the same CVD apparatus. However, the method using an organometallic compound tends to increase the sheet resistance due to carbon remaining in the Ti layer or the TiN layer, and requires a special source gas, so an inorganic metal halogen such as TiCl 4 is required. The CVD method using a compound is more common.

【0006】ところで、金属ハロゲン化物であるTiC
4 とNH3 との無機反応系を用いるCVD方法におい
ては、表面反応を利用してコンフォーマルなTiN層を
形成することは可能であるが、この表面反応の実現のた
めにはTiCl4 の供給にCVD反応が律速されないよ
うに充分な量のTiCl4 を供給する必要がある。
By the way, TiC which is a metal halide
In the CVD method using an inorganic reaction system of l 4 and NH 3 , it is possible to form a conformal TiN layer by utilizing surface reaction, but in order to realize this surface reaction, TiCl 4 It is necessary to supply TiCl 4 in a sufficient amount so that the CVD reaction is not rate-controlled in the supply.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、TiC
4 の供給量すなわち原料ガス中のTiCl4 ガスの分
圧を高めると、堆積するTiN層中の残留塩素量も増加
する。TiN層中の残留塩素が1mol%を超えると、
TiN層に接するAl系金属配線のコロージョンが発生
する場合があることが知られている。
[Problems to be Solved by the Invention] However, TiC
When the supply amount of l 4 , that is, the partial pressure of TiCl 4 gas in the source gas is increased, the amount of residual chlorine in the deposited TiN layer also increases. When the residual chlorine in the TiN layer exceeds 1 mol%,
It is known that corrosion of the Al-based metal wiring in contact with the TiN layer may occur.

【0008】したがって、Al系金属配線に接するTi
層やTiN層中の残留塩素量を1%以下に制御すること
が必要となるが、このためには650℃以上の成膜温度
が要求され、下層配線がAl系金属配線上のヴァイアコ
ンタクトに適用することはできない。
Therefore, Ti in contact with the Al-based metal wiring
It is necessary to control the residual chlorine content in the TiN layer and the TiN layer to 1% or less. For this purpose, a film formation temperature of 650 ° C or higher is required, and the lower layer wiring becomes a via contact on the Al-based metal wiring. Not applicable.

【0009】TiN層中の残留塩素量や成膜温度を低減
する方法として、これまでにもいくつかの提案がなされ
ている。その一つとして、メチルヒドラジン等の還元性
の有機窒化剤を用いる方法がある。メチルヒドラジンを
多量に添加するこの方法によれば、双方の目的を達成す
ることが可能であるが、反応が供給律速の形をとるため
にアスペクト比の高い接続孔でのステップカバレッジが
著しく悪化する。
Several proposals have been made so far as methods for reducing the amount of residual chlorine in the TiN layer and the film forming temperature. As one of them, there is a method of using a reducing organic nitriding agent such as methylhydrazine. According to this method of adding a large amount of methylhydrazine, it is possible to achieve both purposes, but since the reaction takes a feed-rate-determining form, the step coverage in the connection hole having a high aspect ratio is significantly deteriorated. .

【0010】また他の方法として、ECR(Elect
ron Cyclotron Resonance)プ
ラズマ、ヘリコン波プラズマあるいは誘導結合プラズマ
等の高密度プラズマ発生源を有するプラズマCVD装置
を採用する動向がある。高密度プラズマを用いるCVD
方法においても、表面反応を優先して良好なステップカ
バレッジを得るためには充分にTiCl4 を供給するこ
と、すなわち水素流量を相対的に低めに設定することが
必要である。かかる低水素流量比条件でのプラズマCV
Dに付随する問題点を、図4(a)〜(d)を参照して
説明する。
As another method, ECR (Select
There is a trend to adopt a plasma CVD apparatus having a high-density plasma generation source such as ron cyclotron resonance plasma, helicon wave plasma, or inductively coupled plasma. CVD using high density plasma
Also in the method, it is necessary to supply TiCl 4 sufficiently, that is, to set the hydrogen flow rate relatively low in order to give priority to the surface reaction and obtain good step coverage. Plasma CV under such a low hydrogen flow ratio condition
Problems associated with D will be described with reference to FIGS.

【0011】図4(a)〜(d)は原料ガスとしてTi
Cl4 /H2 /N2 /Ar系の混合ガスを用いたECR
プラズマCVD法により、Al系金属配線からなる下層
導電材料層1上の層間絶縁膜2に開口された接続孔(ヴ
ァイアホール)3を有する被処理基板上に、TiN膜か
らなる金属窒化膜5を形成した際の、接続孔3部分の概
略断面図である。このときのプラズマCVD条件は以下
の通りである。 TiCl4 20 sccm H2 26〜75 sccm N2 8 sccm Ar 170 sccm ガス圧力 0.4 Pa マイクロ波パワー 2.8 kW(2.45GHz) 基板ステージ温度 460 ℃ 図4(a)〜(d)はH2 流量が26、40、50およ
び75sccmにそれぞれ対応するものである。各図に
はボトムカバレッジ、すなわち接続孔3底部の金属窒化
膜5の膜厚と層間絶縁膜2上部の金属窒化膜5の膜厚と
の比率を併せて示す。この場合、ボトムカバレッジはス
テップカバレッジに相当する概念である。同図から明ら
かなように、水素流量が多い場合にはボトムカバレッジ
が悪化し、特に接続孔3開口部に庇状に粗いモホロジの
金属窒化膜5が成長していることが判る。
FIGS. 4A to 4D show Ti as a source gas.
ECR using Cl 4 / H 2 / N 2 / Ar mixed gas
By the plasma CVD method, a metal nitride film 5 made of a TiN film is formed on a substrate to be processed having a connection hole (via hole) 3 opened in an interlayer insulating film 2 on a lower conductive material layer 1 made of an Al-based metal wiring. It is a schematic sectional drawing of the connection hole 3 part at the time of forming. The plasma CVD conditions at this time are as follows. TiCl 4 20 sccm H 2 26 to 75 sccm N 2 8 sccm Ar 170 sccm Gas pressure 0.4 Pa Microwave power 2.8 kW (2.45 GHz) Substrate stage temperature 460 ° C. FIGS. 4 (a) to 4 (d) are The H 2 flow rates correspond to 26, 40, 50 and 75 sccm, respectively. In each figure, the bottom coverage, that is, the ratio of the film thickness of the metal nitride film 5 at the bottom of the contact hole 3 to the film thickness of the metal nitride film 5 above the interlayer insulating film 2 is also shown. In this case, bottom coverage is a concept equivalent to step coverage. As is clear from the figure, when the hydrogen flow rate is high, the bottom coverage deteriorates, and in particular, it is understood that the metal nitride film 5 having a rough morphology like an eaves grows at the opening of the connection hole 3.

【0012】この理由は次のように考えられる。すなわ
ち、TiCl4 が多量の水素プラズマにより還元されて
生成する塩素成分の低いTiClx (xは1〜3の自然
数)系反応種は、極めて活性が高く反応性が大きい。こ
のため、この反応種は窒化性ガスを導入した際に窒素プ
ラズマにより即座に窒化され、接続孔3の開口部や層間
絶縁膜2上を主体として堆積が進行し、接続孔3底部で
のデポジションレートが低下する。したがって、ステッ
プカバレッジの劣化を防止するためには、水素プラズマ
による還元反応を抑制し、塩素成分の高く反応活性の低
いTiClx 系反応種を多く生成させ、この反応種を接
続孔底部にまで到達させることが必要である。しかしこ
のような手法では、高密度プラズマによるTiCl4
還元促進のメリットを活かすことはできないばかりか、
塩素含有量低減の効果も薄い。
The reason for this is considered as follows. That is, TiCl x (x is a natural number of 1 to 3) -based reactive species having a low chlorine component generated by reducing TiCl 4 by a large amount of hydrogen plasma has extremely high activity and high reactivity. Therefore, this reactive species is immediately nitrided by the nitrogen plasma when the nitriding gas is introduced, and the deposition proceeds mainly on the opening of the connection hole 3 and on the interlayer insulating film 2, and the depletion at the bottom of the connection hole 3 occurs. Position rate decreases. Therefore, in order to prevent the deterioration of the step coverage, the reduction reaction by hydrogen plasma is suppressed, a large amount of TiCl x- based reactive species having a high chlorine component and a low reaction activity is generated, and these reactive species reach the bottom of the connection hole. It is necessary to let However, such a method cannot take advantage of the advantage of promoting the reduction of TiCl 4 by high-density plasma,
The effect of reducing the chlorine content is small.

【0013】本発明は上述した従来技術の問題点に鑑み
て提案するものである。すなわち本発明の課題は、ステ
ップカバレッジ、低塩素含有量および低成膜温度の諸要
請を満たしうるバリア層の形成方法、およびこれにより
形成されたバリア層を有する信頼性の高い高集積度半導
体装置を提供することである。
The present invention is proposed in view of the above-mentioned problems of the prior art. That is, an object of the present invention is to provide a barrier layer forming method capable of satisfying various requirements of step coverage, low chlorine content and low film forming temperature, and a highly reliable and highly integrated semiconductor device having the barrier layer formed thereby. Is to provide.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】本発明のバリア層の形成
方法は上述の課題を解決するために提案するものであ
り、金属ハロゲン化物および水素を含む混合ガスを用
い、プラズマCVD法により被処理基板上に金属膜を形
成する工程と、この金属膜に窒化処理を施して金属窒化
膜に変換する工程を有することを特徴とする。
A method for forming a barrier layer of the present invention is proposed to solve the above-mentioned problems, and a mixed gas containing a metal halide and hydrogen is used to perform treatment by a plasma CVD method. The method is characterized by including a step of forming a metal film on a substrate and a step of subjecting the metal film to a nitriding treatment to convert it into a metal nitride film.

【0015】本発明のバリア層の形成方法の好ましい実
施態様においては、金属膜を形成する工程と、この金属
膜を金属窒化膜に変換する工程とを、複数回繰り返すも
のとする。また金属膜を形成する工程においては、被処
理基板表面を水素活性種により均一に終端しつつ形成す
ることが望ましい。本発明における窒化処理は、N2
NH3 、N2 4 およびその誘導体、アルキルアミン化
合物等からなる群から選ばれる少なくとも一種の窒化剤
を用いたプラズマ窒化あるいは熱窒化であることが望ま
しい。また本発明においては、金属膜を形成する工程
と、この金属膜を金属窒化膜に変換する工程とを、いず
れも500℃以下の温度で施すことが望ましい。
In a preferred embodiment of the method for forming a barrier layer of the present invention, the step of forming a metal film and the step of converting the metal film into a metal nitride film are repeated a plurality of times. Further, in the step of forming the metal film, it is desirable that the surface of the substrate to be processed is formed while being uniformly terminated by the hydrogen active species. The nitriding treatment in the present invention is performed by using N 2 ,
Plasma nitriding or thermal nitriding using at least one nitriding agent selected from the group consisting of NH 3 , N 2 H 4 and its derivatives, alkylamine compounds and the like is preferable. In the present invention, it is desirable that both the step of forming the metal film and the step of converting the metal film into the metal nitride film are performed at a temperature of 500 ° C. or lower.

【0016】本発明の半導体装置は、上述したバリア層
の形成方法により形成されたバリア層を有することを特
徴とする。
The semiconductor device of the present invention is characterized by having a barrier layer formed by the method for forming a barrier layer described above.

【0017】つぎに作用の説明に移る。本発明のバリア
層の形成方法の要旨は、ヴァイアホールやコンタクトホ
ール等が形成された被処理基板上に、平滑なモホロジと
良好なステップカバレッジを有し、かつ低塩素含有量の
金属膜、例えばTi膜を予め形成し、このTi膜の窒化
処理により金属窒化膜、例えばTiN膜に変換するもの
であり、またこの方法を複数回繰り返すことにより所望
の厚さのTiN膜を形成するものである。
Next, the operation will be described. The gist of the method for forming a barrier layer of the present invention is, on a substrate on which a via hole, a contact hole or the like is formed, having a smooth morphology and good step coverage, and a metal film having a low chlorine content, for example, A Ti film is formed in advance and is converted into a metal nitride film, for example, a TiN film by nitriding the Ti film, and a TiN film having a desired thickness is formed by repeating this method a plurality of times. .

【0018】したがって、プラズマCVD工程において
窒化性ガスを導入しないので、塩素成分の多いTiCl
x 系反応種を用いてステップカバレッジを改善する必要
はなく、塩素成分が充分に脱離した活性の高いTiCl
x 系反応種を接続孔底部まで到達させて金属膜を成膜
し、この後窒化処理を施すことにより金属窒化膜に変換
するので、ステップカバレッジと低塩素含有量とを両立
させることができる。この際、形成されたTiN等の金
属窒化膜はガスバリア性も高いので、特に500℃以下
の窒化温度においては窒化しうる層厚に限界があり、窒
化時間や窒化剤の種類あるいはプラズマ密度にもよる
が、例えば10nm程度の厚さが上限の目安である。こ
のため例えば10nm以上のバリア層を形成するために
は、金属膜の形成工程と窒化工程とを複数回繰り返せば
よい。
Therefore, since the nitriding gas is not introduced in the plasma CVD process, TiCl containing a large amount of chlorine is used.
It is not necessary to improve the step coverage by using x- based reactive species, and TiCl is highly active with sufficient elimination of chlorine components.
Since the x- type reactive species reach the bottom of the contact hole to form a metal film, and then the metal film is converted to a metal nitride film by nitriding treatment, both step coverage and low chlorine content can be achieved. At this time, since the formed metal nitride film of TiN or the like has a high gas barrier property, there is a limit to the layer thickness that can be nitrided especially at a nitriding temperature of 500 ° C. or less, and the nitriding time, the type of the nitriding agent, and the plasma density are also limited. However, the upper limit is, for example, a thickness of about 10 nm. Therefore, for example, in order to form a barrier layer having a thickness of 10 nm or more, the metal film forming step and the nitriding step may be repeated a plurality of times.

【0019】塩素成分が充分に脱離したTiClx 系反
応種を接続孔底部まで到達させて金属膜を成膜するプラ
ズマCVD方法としては、本発明者が先に特願平8−1
1272号明細書に開示した技術を用いることができ
る。この方法は、金属ハロゲン化物と水素との混合ガス
を用いるプラズマCVD法により金属膜を形成する際
に、水素の混合比を金属膜のデポジションレートが飽和
する混合比以上に設定することにより、被処理基板表面
を水素活性種により均一に終端するものである。
As a plasma CVD method for forming a metal film by allowing TiCl x -based reactive species from which chlorine components have been sufficiently desorbed to reach the bottom of the contact hole, the present inventor has previously filed Japanese Patent Application No. 8-1.
The technique disclosed in the 1272 specification can be used. In this method, when a metal film is formed by a plasma CVD method using a mixed gas of a metal halide and hydrogen, the mixing ratio of hydrogen is set to a mixing ratio at which the deposition rate of the metal film is saturated, The surface of the substrate to be processed is uniformly terminated by the active hydrogen species.

【0020】金属膜のプラズマCVD工程、および窒化
工程をいずれも500℃以下に設定することにより、バ
リア層の下部構造にAl系金属配線を用いたデバイス構
造への適用が可能となる。
By setting the plasma CVD step and the nitriding step of the metal film to 500 ° C. or less, it is possible to apply to a device structure using Al-based metal wiring as the lower structure of the barrier layer.

【0021】以上のようなバリア層の形成方法の採用に
より、高集積度で信頼性の高い半導体装置を提供するこ
とが可能となる。
By adopting the barrier layer forming method as described above, it is possible to provide a highly reliable semiconductor device having a high degree of integration.

【0022】[0022]

【実施例】以下、本発明の具体的実施例につき添付図面
を参照して説明する。以下の実施例は、プラズマCVD
装置としてECRプラズマCVD装置を採用し、TiC
4 /H2 /Arからなる混合ガスを用いてTi金属膜
を形成した後に窒化処理を施した例である。なお以下の
実施例の説明に供する図面中で、従来例の説明で参照し
た図4中と同様の構成部分には同一の参照符号を付すも
のとする。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Specific embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. The following examples are for plasma CVD
ECR plasma CVD equipment was adopted as the equipment, and TiC
In this example, a Ti metal film is formed using a mixed gas of l 4 / H 2 / Ar and then nitriding is performed. In the drawings used for the description of the following embodiments, the same components as those in FIG. 4 referred to in the description of the conventional example are designated by the same reference numerals.

【0023】実施例1 本実施例は金属膜の形成工程と、プラズマ窒化を施す工
程を複数回繰り返して所定の膜厚の金属窒化膜を形成し
た例であり、これを図1および図2を参照して説明す
る。
Embodiment 1 This embodiment is an example in which a metal film forming step and a plasma nitriding step are repeated a plurality of times to form a metal nitride film having a predetermined thickness. It will be described with reference to FIG.

【0024】不純物拡散層(図示せず)等が形成された
シリコン等の半導体基板からなる下層導電材料層1上に
SiO2 からなる層間絶縁膜2を例えば1.0μmの厚
さに形成し、不純物拡散層に臨む接続孔(コンタクトホ
ール)3を開口する。本実施例において接続孔3の開口
径は例えば0.25μmであり、そのアスペクト比は
4.0である。接続孔3底部の自然酸化膜を希フッ酸水
溶液で除去後、この被処理基板をECRプラズマCVD
装置の基板ステージ上にセッティングし、H2 /Arあ
るいはH2 /Ar/N2 等の還元性混合ガスによりプラ
ズマクリーニングを施す。
An interlayer insulating film 2 made of SiO 2 is formed to a thickness of, for example, 1.0 μm on a lower conductive material layer 1 made of a semiconductor substrate made of silicon or the like on which an impurity diffusion layer (not shown) or the like is formed, A contact hole (contact hole) 3 facing the impurity diffusion layer is opened. In this embodiment, the connection hole 3 has an opening diameter of, for example, 0.25 μm and an aspect ratio of 4.0. After removing the natural oxide film at the bottom of the contact hole 3 with a dilute hydrofluoric acid solution, the substrate to be processed is subjected to ECR plasma CVD.
It is set on the substrate stage of the apparatus and plasma cleaning is performed with a reducing mixed gas such as H 2 / Ar or H 2 / Ar / N 2 .

【0025】つぎに同じECRプラズマCVD装置内
で、一例として下記プラズマCVD条件によりTiから
なる金属膜4を一例として5nmの厚さに形成する。金
属膜4形成後の接続孔3近傍の被処理基板の概略断面図
を図1(a)に示す。 TiCl4 3 sccm H2 100〜300 sccm Ar 170 sccm ガス圧力 0.4〜2.0 Pa マイクロ波パワー 2.0〜2.8 kW(2.45GHz) 基板ステージ温度 300〜460 ℃ 金属膜4の成膜条件は、平滑なモホロジ、1%以下の低
塩素含有量および良好なボトムカバレッジが得るため
に、被処理基板表面が水素活性種により均一に終端され
る条件すなわち、TiCl4 流量に対し充分に過剰なH
2 流量条件を採用する。このプラズマCVD条件は、プ
ラズマからの水素原子線および塩素の発光スペクトル強
度の変化をモニタすることによってモニタリングするこ
とができる。この方法は、本発明者らが特願平7−33
6309号明細書として提案したものである。本実施例
においては、金属膜4のボトムカバレッジは50%、塩
素含有量は0.2mol%であった。
Next, in the same ECR plasma CVD apparatus, a metal film 4 made of Ti is formed to a thickness of 5 nm as an example under the following plasma CVD conditions. FIG. 1A shows a schematic cross-sectional view of the substrate to be processed in the vicinity of the connection hole 3 after the metal film 4 is formed. TiCl 4 3 sccm H 2 100 to 300 sccm Ar 170 sccm Gas pressure 0.4 to 2.0 Pa Microwave power 2.0 to 2.8 kW (2.45 GHz) Substrate stage temperature 300 to 460 ° C. The film formation conditions are such that smooth morphology, low chlorine content of 1% or less and good bottom coverage are obtained so that the surface of the substrate to be processed is uniformly terminated by hydrogen active species, that is, TiCl 4 flow rate is sufficient. Excessive H
2 Use flow rate conditions. This plasma CVD condition can be monitored by monitoring changes in the emission spectrum intensity of hydrogen atom beams and chlorine from plasma. This method is disclosed in Japanese Patent Application No. 7-33.
It was proposed as the specification of No. 6309. In this example, the bottom coverage of the metal film 4 was 50% and the chlorine content was 0.2 mol%.

【0026】引き続き同じECRプラズマCVD装置に
より、下記条件により金属膜4のプラズマ窒化を施す。 N2 100〜300 sccm H2 0〜300 sccm Ar 10〜100 sccm ガス圧力 0.4〜2.0 Pa マイクロ波パワー 2.0〜2.8 kW(2.45GHz) 基板ステージ温度 300〜460 ℃ N2 がプラズマ中で解離して生じる窒素活性種(N*
よびN+ )とTi金属との窒化反応の標準生成熱は−1
84.4kcal/molと発熱反応であり、反応の進
みやすい系であるが、加えて本実施例においてはECR
プラズマによる高密度プラズマ処理が可能であり、図1
(b)に示すように大量の窒素活性種(N* および
+ )による高スループットの窒化が可能である。
Subsequently, the same ECR plasma CVD apparatus is used to plasma-nitrid the metal film 4 under the following conditions. N 2 100 to 300 sccm H 2 0 to 300 sccm Ar 10 to 100 sccm Gas pressure 0.4 to 2.0 Pa Microwave power 2.0 to 2.8 kW (2.45 GHz) Substrate stage temperature 300 to 460 ° C. The standard heat of formation of the nitriding reaction between the nitrogen active species (N * and N + ) generated by the dissociation of N 2 in plasma and Ti metal is -1.
The system is an exothermic reaction with 84.4 kcal / mol, which is a system in which the reaction easily proceeds. In addition, in this example, ECR
High-density plasma treatment with plasma is possible.
As shown in (b), high throughput nitriding with a large amount of nitrogen active species (N * and N + ) is possible.

【0027】この結果、図1(c)に示すようにTiN
からなる金属窒化膜5が形成される。金属窒化膜5の厚
さは同じくほぼ5nm、ボトムカバレッジは50%、塩
素含有量は0.2mol%以下であった。以下図2
(d)〜(f)に示すように、必要に応じ金属膜4形成
工程と窒化工程を繰り返し、所望の厚さの金属膜窒化膜
5を形成する。本実施例においてはそれぞれ4回反復
し、20nmの厚さの金属窒化膜5を形成した。この繰
り返しは同一のECRプラズマCVD装置内でおこなう
ので、スループット低下の虞れは少ない。本実施例によ
れば、ECRプラズマCVD装置による金属膜のプラズ
マCVDと、引き続くプラズマ窒化を連続的に施すこと
により、ステップカバレッジ、モホロジ、低塩素含有量
そして高スループットのバリア層形成が可能である。
As a result, as shown in FIG. 1 (c), TiN
A metal nitride film 5 made of is formed. The thickness of the metal nitride film 5 was also about 5 nm, the bottom coverage was 50%, and the chlorine content was 0.2 mol% or less. Figure 2 below
As shown in (d) to (f), the metal film 4 forming step and the nitriding step are repeated as necessary to form the metal film nitride film 5 having a desired thickness. In this example, the metal nitride film 5 having a thickness of 20 nm was formed by repeating each four times. Since this repetition is performed in the same ECR plasma CVD apparatus, there is little risk of a decrease in throughput. According to the present embodiment, the step of coverage, morphology, low chlorine content and high throughput of barrier layer can be formed by continuously performing the plasma CVD of the metal film by the ECR plasma CVD apparatus and the subsequent plasma nitriding. .

【0028】実施例2 本実施例は金属膜の形成工程と、熱窒化を施す工程を複
数回繰り返して所定の膜厚の金属窒化膜を形成した例で
あり、これを再び図1および図2を参照して説明する。
Embodiment 2 This embodiment is an example in which a metal film forming step and a thermal nitriding step are repeated a plurality of times to form a metal nitride film having a predetermined thickness. Will be described with reference to.

【0029】本実施例においては、図1(a)に示す金
属膜4の形成工程までは前実施例1と同様であり、重複
する説明を省略する。本実施例においては成膜装置とし
てECRプラズマCVD装置と熱窒化装置とがゲートバ
ルブにより連設された装置を用いた。なお熱窒化装置の
熱源はヒータ加熱、ランプ加熱あるいは高周波誘導加熱
等任意の加熱手段が採用できる。
In this embodiment, the steps up to the step of forming the metal film 4 shown in FIG. 1 (a) are the same as those in the first embodiment, and a duplicate description will be omitted. In this example, an ECR plasma CVD apparatus and a thermal nitriding apparatus connected by a gate valve were used as a film forming apparatus. As a heat source of the thermal nitriding device, any heating means such as heater heating, lamp heating or high frequency induction heating can be adopted.

【0030】金属膜4の形成後、ECRプラズマCVD
装置に連設された熱窒化装置に被処理基板を大気に曝す
ことなく搬送し、一例として下記熱窒化条件により金属
膜4を窒化する。 NH3 10〜1000 sccm H2 0〜100 sccm Ar 0〜100 sccm ガス圧力 0.4〜100 Pa 基板ステージ温度 300〜460 ℃ 図1(b)に示す熱窒化工程では、Ti+NH3 →Ti
N+3/2H2 の反応式により窒化が進む。したがっ
て、この場合の窒素活性種(N* およびN+ )は、その
殆どが加熱により並進、回転、振動等の運動エネルギが
高められたNH3分子に相当する。なお加熱と同時に低
圧水銀ランプ等の励起光照射を施してもよい。
After forming the metal film 4, ECR plasma CVD
The substrate to be processed is transferred to a thermal nitriding apparatus connected to the apparatus without being exposed to the air, and the metal film 4 is nitrided under the following thermal nitriding conditions as an example. NH 3 10 to 1000 sccm H 2 0 to 100 sccm Ar 0 to 100 sccm Gas pressure 0.4 to 100 Pa Substrate stage temperature 300 to 460 ° C. In the thermal nitriding step shown in FIG. 1B, Ti + NH 3 → Ti
Nitriding proceeds according to the reaction formula of N + 3 / 2H 2 . Therefore, most of the nitrogen active species (N * and N + ) in this case correspond to NH 3 molecules whose kinetic energy such as translation, rotation and vibration is increased by heating. Note that excitation light irradiation such as a low pressure mercury lamp may be performed simultaneously with heating.

【0031】窒化剤としてN2 を用いた場合、熱窒化に
よるTiNの標準生成熱は−80.4kcal/mol
と発熱反応であり、比較的反応の進みやすい系である
が、本実施例のようにNH3 やN2 4 を採用する場合
にはさらに熱窒化が容易になる。この様子は、図3に示
すTiと各種窒化剤とのGibbsの自由エネルギΔG
のデータから明らかである。
When N 2 is used as the nitriding agent, the standard heat of formation of TiN by thermal nitriding is -80.4 kcal / mol.
The reaction is an exothermic reaction, and the reaction is relatively easy to proceed. However, when NH 3 or N 2 H 4 is adopted as in this embodiment, thermal nitriding is further facilitated. This state is represented by the Gibbs free energy ΔG of Ti and various nitriding agents shown in FIG.
It is clear from the data.

【0032】この結果、図1(c)に示すようにTiN
からなる金属窒化膜5が形成される。金属窒化膜5の厚
さは同じくほぼ5nm、ボトムカバレッジは50%、塩
素含有量は0.2mol%以下であった。以下図2
(d)〜(f)に示すように、必要に応じ金属膜4形成
工程と熱窒化工程を繰り返し、所望の厚さの金属膜窒化
膜5を形成する。本実施例においてはそれぞれ4回反復
し、20nmの厚さの金属窒化膜5を形成した。この繰
り返しは連続処理装置内でおこなうので、スループット
低下の虞れは比較的少ない。本実施例によれば、ECR
プラズマCVD装置による金属膜のプラズマCVDと、
引き続く熱窒化を連続的に施すことにより、ステップカ
バレッジ、モホロジ、低塩素含有量そして高スループッ
トのバリア層形成が可能である。
As a result, as shown in FIG. 1 (c), TiN
A metal nitride film 5 made of is formed. The thickness of the metal nitride film 5 was also about 5 nm, the bottom coverage was 50%, and the chlorine content was 0.2 mol% or less. Figure 2 below
As shown in (d) to (f), the metal film 4 forming step and the thermal nitriding step are repeated as necessary to form the metal film nitride film 5 having a desired thickness. In this example, the metal nitride film 5 having a thickness of 20 nm was formed by repeating each four times. Since this repetition is performed in the continuous processing apparatus, there is relatively little risk of a decrease in throughput. According to this embodiment, the ECR
Plasma CVD of a metal film by a plasma CVD apparatus,
Successive thermal nitridation can be performed continuously to form a barrier layer with step coverage, morphology, low chlorine content and high throughput.

【0033】以上、本発明のバリア層の形成方法および
これにより形成されたバリア層を有する半導体装置につ
き2例の実施例により説明を加えたが、本発明はこれら
実施例に限定されることなく各種の実施態様が可能であ
る。例えば、金属ハロゲン化物としてTiCl4 (mp
=−25℃、bp=136℃)を例示したが、TiBr
4 (mp=39℃、bp=230℃)やTiI4 (mp
=150℃、bp=377.1℃)等や、その他Zr、
Hf、Nb、Mo、W等各種金属のハロゲン化物を用い
ることができる。
Although the method of forming the barrier layer of the present invention and the semiconductor device having the barrier layer formed by the method of the present invention have been described above with reference to two examples, the present invention is not limited to these examples. Various implementations are possible. For example, TiCl 4 (mp
= −25 ° C., bp = 136 ° C.), but TiBr
4 (mp = 39 ° C, bp = 230 ° C) and TiI 4 (mp
= 150 ° C., bp = 377.1 ° C.) and other Zr,
Halides of various metals such as Hf, Nb, Mo and W can be used.

【0034】窒化剤としてN2 とNH3 を例示したが、
2 4 、CH3 NHNH2 (mp=−52.4℃、b
p=87.5℃)や(CH3 2 NNH2 (mp=−5
8℃、bp=63.9℃)等アルキルヒドラジン類等の
ヒドラジン誘導体、CH3 NH2 (mp=−93.5
℃、bp=−6.3℃)や(CH3 3 CNH2 (mp
=−72.6℃、bp=44〜46℃)等のアルキルア
ミン化合物等を任意に用いてよい。
Although N 2 and NH 3 are exemplified as the nitriding agent,
N 2 H 4 , CH 3 NHNH 2 (mp = −52.4 ° C., b
p = 87.5 ° C.) or (CH 3 ) 2 NNH 2 (mp = −5)
8 ° C., bp = 63.9 ° C.) and the like, hydrazine derivatives such as alkylhydrazines, CH 3 NH 2 (mp = −93.5)
℃, bp = -6.3 ℃) and (CH 3) 3 CNH 2 ( mp
= −72.6 ° C., bp = 44 to 46 ° C.) and the like, and the like may optionally be used.

【0035】バリア層を形成する対象として、拡散層に
臨むコンタクトホールを有する被処理基板を例示した
が、Al系金属配線や多結晶シリコン等の配線層に臨む
バイアホールを有する半導体基板や、他の被処理物を適
宜採用してもよい。また最初に形成する金属膜の厚さ
は、窒化の容易さから5nmに留めたが、金属膜を例え
ば30nmの厚さに形成し、表面の5nmだけを窒化し
て残りの25nmの下層金属膜をコンタクトメタルとし
て用いることもできる。
As the target for forming the barrier layer, the substrate to be processed having the contact hole facing the diffusion layer is exemplified, but the semiconductor substrate having the via hole facing the wiring layer such as Al-based metal wiring or polycrystalline silicon, or the like. You may employ | adopt the to-be-processed object suitably. The thickness of the first metal film formed was 5 nm because of the ease of nitriding. However, the metal film is formed to have a thickness of, for example, 30 nm, and only 5 nm on the surface is nitrided to form the remaining 25 nm lower metal film. Can also be used as the contact metal.

【0036】プラズマCVD装置としてECRプラズマ
CVD装置を用いたが、平行平板型プラズマCVD装
置、ヘリコン波プラズマCVD装置、ICP(Indu
ctively Coupled Plasma)CV
D装置、TCP(Transformer Coupl
ed Plasma)CVD装置、表面波プラズマCV
D装置等であってもよい。またプラズマと同時に低圧H
gランプやエキシマレーザ等、励起光ビームを照射する
光プラズマCVD法を採用すれば、さらに還元効率のよ
い反応を利用することが可能である。
Although the ECR plasma CVD apparatus was used as the plasma CVD apparatus, a parallel plate type plasma CVD apparatus, a helicon wave plasma CVD apparatus, an ICP (Indu)
ctively Coupled Plasma) CV
D device, TCP (Transformer Couple)
ed Plasma) CVD equipment, surface wave plasma CV
It may be a D device or the like. At the same time as plasma, low pressure H
If a photoplasma CVD method that irradiates an excitation light beam, such as a g-lamp or an excimer laser, is adopted, it is possible to utilize a reaction with higher reduction efficiency.

【0037】[0037]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、バリア
層の形成方法によれば、成膜される金属窒化膜の表面モ
ホロジとステップカバレッジが良好で、低塩素含有量お
よび低成膜温度等の各種要請を同時に満足するプロセス
が可能となる。また、かかるバリア層を高度に集積化さ
れた半導体装置の電極・配線材料の一部として採用する
ことにより、配線腐食等のないバリア性に優れた信頼性
の高い半導体装置を提供することが可能となる。
As is apparent from the above description, according to the method for forming the barrier layer, the surface morphology and the step coverage of the metal nitride film to be formed are good, and the low chlorine content and the low film formation temperature etc. It becomes possible to satisfy the various requirements of the above at the same time. Further, by adopting such a barrier layer as a part of the electrode / wiring material of a highly integrated semiconductor device, it is possible to provide a highly reliable semiconductor device having excellent barrier properties without wiring corrosion. Becomes

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

【図1】本発明のバリア層の形成方法の前半の工程を説
明する概略断面図である。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating the first half of the method of forming a barrier layer according to the present invention.

【図2】本発明のバリア層の形成方法の後半の工程を説
明する概略断面図である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view explaining the latter half of the method of forming a barrier layer according to the present invention.

【図3】熱窒化におけるGibbsの自由エネルギを示
すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing Gibbs free energy in thermal nitriding.

【図4】従来技術の問題点を示す概略断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a problem of the conventional technique.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…下層導電材料層、2…層間絶縁膜、3…接続孔、4
…金属膜、4a…庇部、5…金属窒化膜
1 ... Lower conductive material layer, 2 ... Interlayer insulating film, 3 ... Connection hole, 4
... metal film, 4a ... eaves part, 5 ... metal nitride film

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 金属ハロゲン化物および水素を含む混合
ガスを用い、プラズマCVD法により被処理基板上に金
属膜を形成する工程と、 前記金属膜に窒化処理を施して金属窒化膜に変換する工
程を有することを特徴とするバリア層の形成方法。
1. A step of forming a metal film on a substrate to be processed by a plasma CVD method using a mixed gas containing a metal halide and hydrogen, and a step of nitriding the metal film to convert it into a metal nitride film. A method for forming a barrier layer, comprising:
【請求項2】 金属膜を形成する工程と、 前記金属膜を金属窒化膜に変換する工程とを、 複数回繰り返すことを特徴とする請求項1記載のバリア
層の形成方法。
2. The method for forming a barrier layer according to claim 1, wherein the step of forming a metal film and the step of converting the metal film into a metal nitride film are repeated a plurality of times.
【請求項3】 金属膜を形成する工程においては、 被処理基板表面を水素活性種により均一に終端しつつ形
成することを特徴とする請求項1記載のバリア層の形成
方法。
3. The method for forming a barrier layer according to claim 1, wherein in the step of forming the metal film, the surface of the substrate to be processed is uniformly terminated with hydrogen active species.
【請求項4】 窒化処理は、N2 、NH3 、N2 4
よびその誘導体、アルキルアミン化合物からなる群から
選ばれる少なくとも一種の窒化剤を用いたプラズマ窒化
であることを特徴とする請求項1記載のバリア層の形成
方法。
4. The nitriding treatment is plasma nitriding using at least one nitriding agent selected from the group consisting of N 2 , NH 3 , N 2 H 4 and its derivatives, and alkylamine compounds. Item 2. The method for forming a barrier layer according to Item 1.
【請求項5】 窒化処理は、N2 、NH3 、N2 4
よびその誘導体、アルキルアミン化合物からなる群から
選ばれる少なくとも一種の窒化剤を用いた熱窒化である
ことを特徴とする請求項1記載のバリア層の形成方法。
5. The nitriding treatment is thermal nitriding using at least one nitriding agent selected from the group consisting of N 2 , NH 3 , N 2 H 4 and its derivatives, and alkylamine compounds. Item 2. The method for forming a barrier layer according to Item 1.
【請求項6】 金属膜を形成する工程と、 前記金属膜を金属窒化膜に変換する工程とを、 いずれも500℃以下の温度で施すことを特徴とする請
求項1記載のバリア層の形成方法。
6. The barrier layer formation according to claim 1, wherein both the step of forming the metal film and the step of converting the metal film into the metal nitride film are performed at a temperature of 500 ° C. or lower. Method.
【請求項7】 請求項1ないし6いずれか1項記載のバ
リア層の形成方法により形成されたバリア層を有するこ
とを特徴とする半導体装置。
7. A semiconductor device having a barrier layer formed by the method for forming a barrier layer according to claim 1. Description:
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