JPH09293690A - Manufacture of semiconductor device - Google Patents

Manufacture of semiconductor device

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JPH09293690A
JPH09293690A JP10653996A JP10653996A JPH09293690A JP H09293690 A JPH09293690 A JP H09293690A JP 10653996 A JP10653996 A JP 10653996A JP 10653996 A JP10653996 A JP 10653996A JP H09293690 A JPH09293690 A JP H09293690A
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amorphous
silicon
semiconductor device
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method, which makes a selective deposition of an amorphous film possible in a contact hole by a self-alignment process, realizes a contact structure having a low contact resistance and high barrier properties and makes the manufacturing of a semiconductor device having high-speed operating characteristics and a single structure possible. SOLUTION: An insulating film 12, such as an Si oxide film, is formed on the surface of an Si substrate 11 and after a contact hole 13 is openly provided locally in this film 12, a Ti thin film 14 is evenly deposited on the entire surface of the film 12 including this contact hole 13 in a thickness of 10nm or thinner and moreover, the substrate 11 is heated to 450 to 550 deg.C to form an amorphous Ti Six film 15 only on an exposed part of the Si oxide film in the hole 13 and this film 15 is formed into a thin barrier film. An Al film 16 is formed on the barrier film to form the barrier film into a pad.

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
方法において、窒化金属バリア層を用いたコンタクト構
造の形成方法の改良に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an improvement in a method of forming a contact structure using a metal nitride barrier layer in a method of manufacturing a semiconductor device.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年のデバイスの集積化に伴い、素子間
をつなぐ配線技術の重要性がますます増大している。特
に配線のコンタクトでは、信頼性を維持しながら抵抗を
低減することが緊急の課題である。従来のコンタクト構
造では、主たる構成金属としてAlやW等が用いられる
ことが多いが、これらの金属と基板のSiが近接して接
合された場合、熱処理によって界面相互拡散やシリサイ
ド化反応が生じ、界面に高抵抗層が形成されたり、反応
層が浅い接合を突き破ってリーク電流が発生したりす
る。これを防ぐためには、反応抑制力が高く、低抵抗な
バリア層が必要で、TiやW等の高融点金属やそれらの
化合物からなるバリア層が用いられてきた。
2. Description of the Related Art With the recent integration of devices, the importance of wiring technology for connecting elements is increasing. Particularly for wiring contacts, it is an urgent task to reduce resistance while maintaining reliability. In conventional contact structures, Al, W, etc. are often used as the main constituent metals, but when these metals and Si of the substrate are closely joined, heat treatment causes interfacial diffusion or silicidation reaction, A high resistance layer is formed at the interface, or the reaction layer breaks through a shallow junction to generate a leak current. In order to prevent this, a barrier layer having a high reaction suppressing force and a low resistance is required, and a barrier layer made of a refractory metal such as Ti or W or a compound thereof has been used.

【0003】特に、Si上の高融点金属を熱窒化するこ
とによって、界面近傍の薄いシリサイド化層を伴った窒
化金属膜をバリアとして用いる技術は種々提案されてい
る。例えば、特開平2−235372号公報、特開平4
−112529号公報。図4はその一例を示す断面図で
あり、Si基板41上に絶縁膜としてSiO2 膜42が
形成され、この絶縁膜42に開設されたコンタクトホー
ル43内にTiやW等の高融点金属の窒化金属からなる
バリア膜44を形成し、その上に主たる金属であるAl
やW等の金属45を形成している。
In particular, various techniques have been proposed in which a metal nitride film having a thin silicidation layer near the interface is used as a barrier by thermally nitriding a refractory metal on Si. For example, JP-A-2-235372 and JP-A-4
-112529 publication. FIG. 4 is a sectional view showing an example thereof, in which a SiO 2 film 42 is formed as an insulating film on a Si substrate 41, and a contact hole 43 formed in the insulating film 42 is filled with a refractory metal such as Ti or W. A barrier film 44 made of metal nitride is formed, and Al as the main metal is formed on the barrier film 44.
And a metal 45 such as W is formed.

【0004】しかしながら、これらの構成のバリア膜は
一般に多結晶構造であり、高速拡散路となる粒界がある
ため、バリア性は十分ではない。このため十分なバリア
性を得るためには結晶粒径より十分厚い膜厚が必要とな
り、コンタクト抵抗が上昇することになる。また、この
粒界を酸化により埋めてバリア性を高めると(1985
年9月、アプライト・フィジックス・レターズ、第47
巻、471頁;Applied Physics Letters,vol.47,p471,
(1985)、特開平5−267211号公報)、酸素等の不
純物を導入することによって材料自身の比抵抗が上昇
し、やはりコンタクト抵抗が上昇してしまう。また、多
結晶バリア膜の場合には、バリア膜の形成に伴うSi基
板表面でのダメージを防止するためにバリア膜を直接S
i基板上に形成できず、良好な電気特性が得られなくな
る。
However, the barrier film having such a structure generally has a polycrystalline structure and has a grain boundary which serves as a high-speed diffusion path, and therefore, the barrier property is not sufficient. Therefore, in order to obtain a sufficient barrier property, a film thickness sufficiently thicker than the crystal grain size is required, and contact resistance increases. Further, if this grain boundary is buried by oxidation to enhance the barrier property (1985
September 47th, Upright Physics Letters, 47th
Volume, 471 pages; Applied Physics Letters, vol.47, p471,
(1985), Japanese Unexamined Patent Publication (Kokai) No. 5-267211), the introduction of impurities such as oxygen increases the specific resistance of the material itself, which also increases the contact resistance. Further, in the case of a polycrystalline barrier film, the barrier film is directly S-coated in order to prevent damage on the surface of the Si substrate due to the formation of the barrier film.
Since it cannot be formed on the i substrate, good electrical characteristics cannot be obtained.

【0005】こうした観点から結晶粒を小さくすること
が望ましく、窒素雰囲気中でスパッタすることによって
得られる、アモルファス膜や微結晶膜をバリア膜として
用いる技術も提案されている(1989年、アプライド
・サーフェス・サイエンス、第41,42巻、207
頁;Applied Surface Science,vol,41/42,p207(1989)。
From this point of view, it is desirable to make the crystal grains small, and a technique of using an amorphous film or a microcrystalline film as a barrier film obtained by sputtering in a nitrogen atmosphere has been proposed (1989, Applied Surface).・ Science, Volumes 41 and 42, 207
Page; Applied Surface Science, vol, 41/42, p207 (1989).

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このア
モルファス膜や微結晶粒膜をスパッタ法により形成する
場合には、コンタクト開口部へ選択的にバリア膜を形成
するためのセルフアラインプロセスが実現できず、特に
コンタクトホール内にバリア膜を形成することができ
ず、微細かつ高集積度の半導体装置への適用が難しいと
いう問題がある。
However, when the amorphous film or the fine crystal grain film is formed by the sputtering method, the self-alignment process for selectively forming the barrier film in the contact opening cannot be realized. In particular, there is a problem that the barrier film cannot be formed in the contact hole, which makes it difficult to apply to a fine and highly integrated semiconductor device.

【0007】本発明の目的は、セルフアラインプロセス
によってコンタクトホール内へのアモルファス膜の選択
的堆積を可能とし、低いコンタクト抵抗、高いバリア性
を持つコンタクト構造を実現し、高速な動作特性と簡素
な構造を持つ半導体装置の製造を可能とした製造方法を
提供することにある。
An object of the present invention is to enable selective deposition of an amorphous film in a contact hole by a self-alignment process, to realize a contact structure having a low contact resistance and a high barrier property, a high-speed operation characteristic and a simple operation. It is an object of the present invention to provide a manufacturing method capable of manufacturing a semiconductor device having a structure.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明の製造方法は、シ
リコン基板とコンタクト金属との間に形成されるバリア
膜を、シリコン基板上に高融点金属薄膜を一様に堆積し
た後、基板温度を450〜550℃に保ちながら、反応
性のある窒素含有気体にさらして高融点金属とシリコン
と窒素とからなるアモルファス状または微結晶状の薄い
バリア層として形成することを特徴とする。例えば、本
発明の好ましい形態としては、シリコン基板の表面に酸
化シリコン等の絶縁膜を形成し、この絶縁膜に局所的に
コンタクトホールを開設した後、このコンタクトホール
を含む全面に高融点金属薄膜を一様に堆積し、さらに基
板を450〜550℃に加熱してコンタクトホール内の
シリコン露出部にのみ前記高融点金属とシリコンとから
なるアモルファス層を形成し、絶縁膜上の未反応金属を
化学エッチングにより除去した後、反応性のある窒素含
有気体にさらして前記高融点金属とシリコンと窒素とか
らなるアモルファス状または微結晶状の薄いバリア層を
形成する。
According to a manufacturing method of the present invention, a barrier film formed between a silicon substrate and a contact metal is uniformly deposited with a refractory metal thin film on the silicon substrate, and then a substrate temperature is set. Is kept at 450 to 550 ° C., and is exposed to a reactive nitrogen-containing gas to form a thin barrier layer of amorphous or microcrystalline state composed of a refractory metal, silicon, and nitrogen. For example, as a preferred mode of the present invention, an insulating film such as silicon oxide is formed on the surface of a silicon substrate, a contact hole is locally formed in this insulating film, and then a refractory metal thin film is formed on the entire surface including the contact hole. Is uniformly deposited, and the substrate is further heated to 450 to 550 ° C. to form an amorphous layer composed of the refractory metal and silicon only in the exposed silicon portion in the contact hole, and unreacted metal on the insulating film is removed. After being removed by chemical etching, it is exposed to a reactive nitrogen-containing gas to form an amorphous or microcrystalline thin barrier layer composed of the refractory metal, silicon and nitrogen.

【0009】ここで、高融点金属薄膜は、Ti,Zr,
Hfを厚さ10nm以下に形成することが好ましい。ま
た、反応性のある窒素含有気体にさらす工程は、ラジカ
ル窒素ビーム照射、あるいはヒドラジンまたはアンモニ
ア等の反応性の高い窒素化合物ガス照射が採用される。
Here, the refractory metal thin film is made of Ti, Zr,
It is preferable to form Hf to a thickness of 10 nm or less. Further, in the step of exposing to a reactive nitrogen-containing gas, radical nitrogen beam irradiation or irradiation with a highly reactive nitrogen compound gas such as hydrazine or ammonia is adopted.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】次に、本発明の第1の実施形態を
図1を参照して説明する。先ず、図1(a)のように、
(100)面のSi基板11の表面にSiO2 からなる
絶縁膜12を形成し、かつこの絶縁膜12を選択エッチ
ングして所要箇所にコンタクトホール13を開口する。
そして、高真空中において電子ビームガンを用いて、厚
さ4nmの多結晶Ti膜14を堆積する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Next, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG.
An insulating film 12 made of SiO 2 is formed on the surface of the (100) Si substrate 11, and the insulating film 12 is selectively etched to form a contact hole 13 at a required position.
Then, a polycrystalline Ti film 14 having a thickness of 4 nm is deposited using an electron beam gun in a high vacuum.

【0011】次いで、図1(b)のように、堆積した多
結晶Ti膜14に対して500℃、5分の加熱を行い、
Si基板11に接している領域の多結晶Ti膜14をT
iアモルファス膜15に改質する。これは、RHEED
(反射高速電子回折)パターンがハローとなり、XPS
(X線光電子分光)のSiピーク強度が大幅に増大する
ことから、表面層がTiSiX のアモルファス層になっ
ていることを確認できる。加熱温度が600℃以上では
急速にシリサイドの結晶化が始まり、アモルファス膜が
得られず、400℃以下では金属とシリコンの相互拡散
に時間がかかるため、450〜550℃の範囲が望まし
いことがわかった。
Next, as shown in FIG. 1B, the deposited polycrystalline Ti film 14 is heated at 500 ° C. for 5 minutes,
The polycrystalline Ti film 14 in the region in contact with the Si substrate 11 is
i Amorphous film 15 is modified. This is RHEED
(Reflection high-speed electron diffraction) The pattern becomes a halo, and XPS
Since the Si peak intensity of (X-ray photoelectron spectroscopy) significantly increases, it can be confirmed that the surface layer is an amorphous layer of TiSi x . When the heating temperature is 600 ° C. or higher, crystallization of silicide starts rapidly and an amorphous film cannot be obtained. When the heating temperature is 400 ° C. or lower, interdiffusion between metal and silicon takes time. Therefore, it is found that the range of 450 to 550 ° C. is desirable. It was

【0012】次いで、図1(c)のように、Si基板温
度を保ったままラジカル窒素源を用いて、およそ1×1
-5Torrのフラックスのラジカル窒素ビームを5分
間基板表面に供給する。この結果、前記Tiアモルファ
ス膜15はXPSの表面分析から、表面はTi,Si,
Nをほぼ等量ずつ含む一様な膜に改質され、バリア膜と
して構成される。断面TEM(透過電子顕微鏡)により
観測されるこのバリア膜15は、極めて急峻な界面を有
する厚さ5nmの均一な膜で、径が1nm以下の非常に
微細な粒からなるアモルファス状の構造である。また、
RHEEDパターンは基板温度を800℃まで上げても
ハローのままであることから、この膜のアモルファス構
造が極めて安定であり、アモルファスTiSiX が65
0℃付近で多結晶構造へ容易に相転移するのとは著しく
対照を示す。
Then, as shown in FIG. 1C, a radical nitrogen source is used while maintaining the temperature of the Si substrate to about 1 × 1.
A radical nitrogen beam with a flux of 0 -5 Torr is supplied to the substrate surface for 5 minutes. As a result, the Ti amorphous film 15 was found to have Ti, Si,
The film is modified into a uniform film containing N in almost equal amounts to form a barrier film. The barrier film 15 observed by a cross-sectional TEM (transmission electron microscope) is a uniform film having a very steep interface and a thickness of 5 nm, and has an amorphous structure composed of very fine particles having a diameter of 1 nm or less. . Also,
Since the RHEED pattern remains a halo even when the substrate temperature is raised to 800 ° C., the amorphous structure of this film is extremely stable, and the amorphous TiSi x has a thickness of 65%.
This is in marked contrast to the easy phase transition to a polycrystalline structure near 0 ° C.

【0013】しかる上で、図1(d)のように、Tiア
モルファス膜15上に、Al膜16を50nm堆積し、
このAl膜16を前記多結晶Ti膜14と共に所要のパ
ターンにエッチング形成してコンタクト配線を形成す
る。この配線構造では、窒素雰囲気中での熱処理(55
0℃、60分)を行っても、バリア膜15は若干の膜厚
の減少はあるものの平坦さを保ち、界面相互拡散バリア
膜の厚さ以下のレベルに抑制されている。
Then, as shown in FIG. 1D, an Al film 16 is deposited to a thickness of 50 nm on the Ti amorphous film 15,
This Al film 16 is etched together with the polycrystalline Ti film 14 into a desired pattern to form a contact wiring. In this wiring structure, heat treatment (55
Even if the temperature is 0 ° C. for 60 minutes, the barrier film 15 maintains a flatness although the film thickness is slightly reduced, and is suppressed to a level equal to or less than the thickness of the interfacial diffusion barrier film.

【0014】このように、Tiがシリコンと反応する際
に、結晶化温度より低い温度では、準安定なアモルファ
スシリサイド状態となる。この段階で窒化を行えば、ア
モルファス状態が安定化し、緻密で均一なバリア膜が形
成できる。この膜はバリア性が高いため、従来に比べ大
幅に膜厚を薄くすることができ、コンタクト抵抗を低減
できる。また、スパッタ等によるダメージ層が界面に残
留しないため、良好な接合が実現できる。
As described above, when Ti reacts with silicon, it becomes a metastable amorphous silicide state at a temperature lower than the crystallization temperature. If nitriding is performed at this stage, the amorphous state is stabilized and a dense and uniform barrier film can be formed. Since this film has a high barrier property, the film thickness can be significantly reduced as compared with the conventional one, and the contact resistance can be reduced. In addition, since a damaged layer due to sputtering or the like does not remain at the interface, good bonding can be realized.

【0015】本発明の第2の実施形態を図2を参照して
説明する。先ず、図2(a)のように、(100)面の
n−Si基板21の表面に厚さ300nmのSiO2
らなる絶縁膜22が形成され、その一部に直径10μm
のコンタクトホール23が開設される。そして、全面に
スパッタ法により厚さ10nmの多結晶Ti膜24を堆
積し、500℃,5分の加熱により、コンタクトホール
23内のTi膜24のみをアモルファスTiSiX 25
へ改質する。
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 2A, an insulating film 22 made of SiO 2 having a thickness of 300 nm is formed on the surface of the (100) plane n-Si substrate 21, and a part of the insulating film 22 has a diameter of 10 μm.
The contact hole 23 is opened. Then, a polycrystalline Ti film 24 having a thickness of 10 nm is deposited on the entire surface by a sputtering method, and by heating at 500 ° C. for 5 minutes, only the Ti film 24 in the contact hole 23 is amorphous TiSi x 25.
Reform to.

【0016】次いで、図2(b)のように、一旦、高真
空漕から取り出して塩酸を主成分とするエッチング液に
1分間浸して、未反応Ti膜24を取り除く。再び高真
空中に導入してラジカル窒素ビーム照射を行う。この試
料表面をAES(オージェ電子分光)で線分析すると、
コンタクトホール23の底面にはTi,Si,N,Oの
各元素が、前記絶縁膜22の表面にはSi,N,Oのみ
が観測されることから、図2(c)のように、コンタク
トホール23の底面にのみ電導性のアモルファスTiS
iN膜26が形成され、絶縁膜22の表面にはSiN膜
27が形成されていることが確認できる。しかる上で、
図2(d)のように、厚さ200nmのAl膜28を形
成し、リソグラフィプロセスでコンタクトホール内にA
lパッドを形成する。
Then, as shown in FIG. 2B, the unreacted Ti film 24 is removed by once taking it out from the high vacuum tank and immersing it in an etching solution containing hydrochloric acid as a main component for 1 minute. It is again introduced into a high vacuum to perform radical nitrogen beam irradiation. Line analysis of this sample surface by AES (Auger electron spectroscopy)
Since each element of Ti, Si, N, and O is observed on the bottom surface of the contact hole 23, and only Si, N, and O are observed on the surface of the insulating film 22, the contact as shown in FIG. Conductive amorphous TiS only on the bottom surface of the hole 23
It can be confirmed that the iN film 26 is formed and the SiN film 27 is formed on the surface of the insulating film 22. In doing so,
As shown in FIG. 2D, an Al film 28 having a thickness of 200 nm is formed, and A is formed in the contact hole by a lithography process.
l pads are formed.

【0017】このようにして作製したショトキー接合の
ダイオード特性を、I−V法によって評価すると、障壁
高さを0.55eVとする理想に近いカーブが得られ
る。このことは、スパッタプロセスで導入された基板表
面のダメージ層が、シリサイド化によって食われ、欠陥
の少ない界面が得られることを示している。障壁高さ
は、Siのバンドギャップ(1.1eV)の半分で、オ
ーミックコンタクトとした場合、n,p−両タイプの基
板に対して十分低いコンタクト抵抗が得られることが期
待され、C−MOS(相補性−MOS)素子の形成にも
有効であると考えられる。
When the diode characteristics of the Schottky junction thus manufactured are evaluated by the IV method, a curve close to an ideal with a barrier height of 0.55 eV can be obtained. This indicates that the damaged layer on the surface of the substrate introduced by the sputtering process is eaten by silicidation, and an interface with few defects is obtained. The barrier height is half the bandgap of Si (1.1 eV), and when an ohmic contact is used, it is expected that a sufficiently low contact resistance will be obtained for both n-type and p-type substrates. It is considered to be effective for forming a (complementary-MOS) element.

【0018】この実施形態のTi膜24の堆積とその後
の熱処理では、アモルファスTiSiX 25がSi基板
の露出部にのみ形成され、絶縁膜22の被覆部では、T
iとの界面反応が遅いために未反応Ti膜24が残留す
る。塩酸を主成分とするエッチング液では、未反応の金
属Tiの溶解速度がアモルファスTiSiX のそれより
も非常に速いため、未反応Ti膜24のみを化学的に除
去した後に、前記窒化プロセスを行うことによって、S
i基板21の露出部のみに選択的にアモルファスTiS
iNのバリア膜26を形成することが可能となり、コン
タクトホール内にのみバリア膜が形成可能となる。
During the deposition of the Ti film 24 of this embodiment and the subsequent heat treatment, the amorphous TiSix 25 is formed only on the exposed portion of the Si substrate, and the amorphous TiSi x 25 is formed on the exposed portion of the insulating film 22 by T.
Since the interface reaction with i is slow, the unreacted Ti film 24 remains. In the etching solution mainly composed of hydrochloric acid, because the rate of dissolution of metal Ti unreacted much faster than that of the amorphous TiSi X, only unreacted Ti film 24 after chemically removed, and the nitriding process By S
Amorphous TiS is selectively formed only on the exposed portion of the i substrate 21.
The iN barrier film 26 can be formed, and the barrier film can be formed only in the contact hole.

【0019】[0019]

【実施例】図3は本発明方法により製造されるコンタク
ト構造の評価を行った実施例を示す図である。ここで
は、ケルビン法テストパターンを形成してコンタクト抵
抗の測定をおこなっている。先ず、図3(a)のよう
に、(100)面のp−Si基板(抵抗率10〜20Ω
cm,4インチφ)31を用い、その表面に厚さ0.5
μmのフィールド酸化膜32を形成し、通常のフォトリ
ソグラフィ技術でコンタクト領域のフィールド酸化膜3
2を除去し、コンタクトホール33を開設する。そし
て、図示は省略するが前記コンタクトホール33内に防
護用熱酸化膜20nmを成長した後、Si基板31に対
してAsイオンの打ち込みを行った。打ち込み条件は、
ドーズ量5×1015cm-2、エネルギは80KeVであ
る。窒素雰囲気で900℃,30分間の活性化アニール
を行った後、基板をバッファードフッ酸(pH〜4)中
でコンタクトホール33内の前記防護用熱酸化膜を除去
する。
EXAMPLE FIG. 3 is a diagram showing an example in which a contact structure manufactured by the method of the present invention was evaluated. Here, the Kelvin method test pattern is formed to measure the contact resistance. First, as shown in FIG. 3A, a (100) plane p-Si substrate (resistivity: 10 to 20Ω) is used.
cm, 4 inch φ) 31 and a thickness of 0.5 on the surface
A field oxide film 32 of μm is formed, and the field oxide film 3 in the contact region is formed by a normal photolithography technique.
2 is removed and a contact hole 33 is opened. Although not shown, a protective thermal oxide film of 20 nm was grown in the contact hole 33, and then As ions were implanted into the Si substrate 31. The driving conditions are
The dose amount is 5 × 10 15 cm −2 and the energy is 80 KeV. After performing activation annealing at 900 ° C. for 30 minutes in a nitrogen atmosphere, the protective thermal oxide film in the contact hole 33 is removed from the substrate in buffered hydrofluoric acid (pH˜4).

【0020】次いで、図3(b)のように、直ちにSi
基板31を真空層に導入して、スパッタ法によって厚さ
10nmのTi薄膜をSi基板31の全体に堆積した。
スパッタを行った真空層を1×10-5Torr以下のA
r雰囲気として、500℃,5分間に基板を加熱した
後、引き続いてラジカル窒素ビームを、フラックス強度
1×10-4Torrで照射する。この段階で、コンタク
トホール33のSi基板31の表面部にはアモルファス
TiSiN膜34が、フィールド酸化膜32の表面部に
はTiN膜35がそれぞれ形成される。
Then, as shown in FIG.
The substrate 31 was introduced into the vacuum layer, and a Ti thin film having a thickness of 10 nm was deposited on the entire Si substrate 31 by the sputtering method.
The sputtered vacuum layer has an A of 1 × 10 −5 Torr or less.
After heating the substrate at 500 ° C. for 5 minutes as an r atmosphere, the substrate is subsequently irradiated with a radical nitrogen beam with a flux intensity of 1 × 10 −4 Torr. At this stage, an amorphous TiSiN film 34 is formed on the surface of the Si substrate 31 in the contact hole 33, and a TiN film 35 is formed on the surface of the field oxide film 32.

【0021】しかる後、図3(c)のように、Si基板
温度を150℃以下に下げ、同じ真空漕内で厚さ0.6
μmのAl膜36を堆積する。次に、この基板に対し、
反応ガスとしてCl2 を用いたリソグラフィープロセス
で、Al膜36と下地のTiN膜35をエッチングし、
所望の形にコンタクトパッドを形成する。
Then, as shown in FIG. 3C, the temperature of the Si substrate is lowered to 150 ° C. or lower, and the thickness of the Si substrate is reduced to 0.6 in the same vacuum chamber.
A μm Al film 36 is deposited. Next, for this substrate,
The Al film 36 and the underlying TiN film 35 are etched by a lithographic process using Cl 2 as a reaction gas,
Form the contact pads in the desired shape.

【0022】このように製造されたコンタクト構造の電
気特性の評価は、コンタクトサイズ1×1μm2 のもの
に対して、I−V法を用いて行った。100個のコンタ
クトの平均比抵抗値は、1×10-7Ωcm2 以下であり
十分低い値が得られた。また、同じ試料に対し、水素雰
囲気中で500℃,60分間の熱処理を行った後、同様
のコンタクト抵抗測定を行ったところ、平均比抵抗値は
ほとんど上昇せず、リーク電流も観測されず、100%
に近い良品率であった。
The electrical characteristics of the contact structure thus manufactured were evaluated by the IV method for a contact size of 1 × 1 μm 2 . The average specific resistance value of 100 contacts was 1 × 10 −7 Ωcm 2 or less, which was a sufficiently low value. Further, the same sample was subjected to a heat treatment at 500 ° C. for 60 minutes in a hydrogen atmosphere, and then the same contact resistance measurement was carried out. As a result, the average specific resistance value hardly increased, and no leak current was observed. 100%
It was a non-defective product rate close to.

【0023】なお、本発明においては、バリア膜を構成
する金属として、前記したTi以外にも、シリサイドの
結晶化に先立ってアモルファス構造をとる、Zr,Hf
等の他の高融点金属でもよい。また、主たるコンタクト
金属はAl以外にもCu,Ag,W,Mo等の金属やそ
れらの合金、または微量な他の元素を含む場合でも同様
の効果が得られる。また、窒化のプロセスはラジカル窒
素ビーム照射以外にも、ヒドラジン(N2 4 )または
アンモニア(NH3 )等反応性の高い窒素化合物ガスを
照射しても同様の効果が得られる。
In the present invention, as the metal constituting the barrier film, in addition to Ti described above, Zr, Hf, which has an amorphous structure prior to crystallization of silicide, is used.
Other high melting point metals such as The same effect can be obtained even when the main contact metal contains a metal such as Cu, Ag, W, or Mo, an alloy thereof, or a trace amount of another element in addition to Al. In addition to the radical nitrogen beam irradiation, the same effect can be obtained by irradiating a highly reactive nitrogen compound gas such as hydrazine (N 2 H 4 ) or ammonia (NH 3 ) in the nitriding process.

【0024】[0024]

【発明の効果】以上説明したように本発明の製造方法に
おいては、次の効果を得ることができる。第1の効果
は、本発明のコンタクト構造を用いることにより、半導
体素子動作の高速化が図られることである。その理由
は、粒径が1nm以下のアモルファス状薄膜が得られる
ため、バリア性を確保するための膜厚が薄くてすみ、し
かも酸素や炭素等の抵抗を上昇させる不純物が混入しに
くく、低いコンタクト抵抗が得られるからである。第2
の効果は、装置構成を簡素化できることである。その理
由は、スパッタ等の基板に加えられたダメージ奏が界面
に残らず、基板との界面接合の電気的特性が優れている
ために、開口部のSi露出部に直接、本プロセスによる
バリア膜を形成でき、下地シリサイド層形成等のプロセ
スが不要になるためである。第3の効果は、素子の高集
積化ができることである。その理由は、シリサイド化反
応をプロセス中に用いているため、コンタクト開口部へ
の選択的堆積によりセルフアラインプロセスが可能なた
めである。
As described above, in the manufacturing method of the present invention, the following effects can be obtained. The first effect is that by using the contact structure of the present invention, the operation speed of the semiconductor device can be increased. The reason is that an amorphous thin film having a grain size of 1 nm or less can be obtained, so that the film thickness for ensuring the barrier property can be small, and impurities such as oxygen and carbon that increase the resistance are less likely to be mixed in, resulting in low contact. This is because resistance can be obtained. Second
The effect of is that the device configuration can be simplified. The reason is that the damage caused by sputtering or the like on the substrate does not remain on the interface, and the electrical characteristics of the interface junction with the substrate are excellent, so that the barrier film formed by this process directly on the exposed Si portion of the opening. This is because the process can be performed and a process such as formation of a base silicide layer is unnecessary. The third effect is that the device can be highly integrated. The reason is that since the silicidation reaction is used during the process, the self-alignment process is possible by selective deposition on the contact opening.

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

【図1】本発明の第1の実施形態を工程順に示す断面図
である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of the present invention in the order of steps.

【図2】本発明の第2の実施形態を工程順に示す断面図
である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a second embodiment of the present invention in the order of steps.

【図3】本発明の実施例を工程順に示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of the present invention in the order of steps.

【図4】従来のコンタクト構造を説明する断面図であ
る。
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a conventional contact structure.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11,21,31 Si基板 12,22,32 絶縁膜 13,23,33 コンタクトホール 14,24 Ti膜 15,25 アルモファスTiSiX 膜 16,28,36 Al膜 26,34 アモルファスTiSiN膜 27 SiN膜 35 TiN膜11, 21, 31 Si substrate 12, 22, 32 Insulating film 13, 23, 33 Contact hole 14, 24 Ti film 15, 25 Armophus TiSi X film 16, 28, 36 Al film 26, 34 Amorphous TiSiN film 27 SiN film 35 TiN film

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 シリコン基板とコンタクト金属との間に
バリア膜を有する半導体装置の製造方法において、前記
バリア膜は、シリコン基板上に高融点金属薄膜を一様に
堆積した後、基板温度を450〜550℃に保ちなが
ら、反応性のある窒素含有気体にさらし、前記高融点金
属とシリコンと窒素とからなるアモルファス状または微
結晶状の薄いバリア層として形成することを特徴とする
半導体装置の製造方法。
1. A method of manufacturing a semiconductor device having a barrier film between a silicon substrate and a contact metal, wherein the barrier film is formed by uniformly depositing a refractory metal thin film on a silicon substrate, and then setting the substrate temperature at 450. Manufacture of a semiconductor device, characterized in that it is exposed to a reactive nitrogen-containing gas while maintaining the temperature at ˜550 ° C. to form a thin barrier layer of amorphous or microcrystalline state composed of the refractory metal, silicon and nitrogen. Method.
【請求項2】 シリコン基板の表面に酸化シリコン等の
絶縁膜を形成し、この絶縁膜に局所的にコンタクトホー
ルを開設した後、このコンタクトホールを含む全面に高
融点金属薄膜を一様に堆積し、さらに基板を450〜5
50℃に加熱してコンタクトホール内のシリコン露出部
にのみ前記高融点金属とシリコンとからなるアモルファ
ス層を形成し、絶縁膜上の未反応金属を化学エッチング
により除去した後、反応性のある窒素含有気体にさらし
て前記高融点金属とシリコンと窒素とからなるアモルフ
ァス状または微結晶状の薄いバリア層を形成することを
特徴とする半導体装置の製造方法。
2. An insulating film of silicon oxide or the like is formed on the surface of a silicon substrate, a contact hole is locally formed in this insulating film, and then a refractory metal thin film is uniformly deposited on the entire surface including the contact hole. Then, the substrate is 450 to 5
After heating to 50 ° C., an amorphous layer composed of the refractory metal and silicon is formed only on the exposed silicon portion in the contact hole, and the unreacted metal on the insulating film is removed by chemical etching. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising forming an amorphous or microcrystalline thin barrier layer composed of the refractory metal, silicon and nitrogen by exposing to a gas containing gas.
【請求項3】 高融点金属薄膜は、Ti,Zr,Hfを
厚さ10nm以下に形成する請求項1または2の半導体
装置の製造方法。
3. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the refractory metal thin film is formed of Ti, Zr, and Hf with a thickness of 10 nm or less.
【請求項4】 反応性のある窒素含有気体にさらす工程
は、ラジカル窒素ビーム照射、あるいはヒドラジンまた
はアンモニア等の反応性の高い窒素化合物ガス照射であ
る請求項1ないし3のいずれかの半導体装置の製造方
法。
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the step of exposing to a reactive nitrogen-containing gas is radical nitrogen beam irradiation or irradiation of a highly reactive nitrogen compound gas such as hydrazine or ammonia. Production method.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6538324B1 (en) * 1999-06-24 2003-03-25 Nec Corporation Multi-layered wiring layer and method of fabricating the same

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