JPH10112446A - Contact formation and semiconductor device using it - Google Patents
Contact formation and semiconductor device using itInfo
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- JPH10112446A JPH10112446A JP27623696A JP27623696A JPH10112446A JP H10112446 A JPH10112446 A JP H10112446A JP 27623696 A JP27623696 A JP 27623696A JP 27623696 A JP27623696 A JP 27623696A JP H10112446 A JPH10112446 A JP H10112446A
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Abstract
Description
【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コンタクト形成方法に関し、さらに
詳しくは、シリコン材料上に形成されたTi等の金属層
上に、あるいはシリコン材料上に形成されたTiシリサ
イド等の金属シリサイド層上に、TiN等の金属窒化物
層層を形成する際に、低抵抗のオーミックコンタクトを
得ることが可能なコンタクト形成方法およびこれを用い
た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 for forming a contact used in a manufacturing process of a semiconductor device, and more particularly, to a method for forming a contact on a metal layer such as Ti formed on a silicon material or on a silicon material. The present invention relates to a contact formation method capable of obtaining a low-resistance ohmic contact when a metal nitride layer such as TiN is formed on a metal silicide layer such as Ti silicide, and a semiconductor device using the same.
【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、半導体基板の不純物拡散層と第1層配線を接
続するコンタクトホールや、配線層間を接続するヴァイ
アホール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等の金属層等と、配線材料の拡散を
防止するTiN等の金属窒化物層等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、あ
るいはWの選択CVDやブランケットCVDにより、上
層配線材料やコンタクトプラグで接続孔を充填する方法
が採用されつつある。なお本明細書中では、コンタクト
ホールおよびヴァイアホールを総称して接続孔と呼ぶこ
ととする。2. Description of the Related Art As the design rules of semiconductor devices such as LSIs have been reduced from half micron to quarter micron or less and multi-layer wiring structures have been frequently used, impurity diffusion layers and first layers of a semiconductor substrate have been developed. The aspect ratios of contact holes for connecting wiring and via holes connecting between wiring layers also tend to increase. For example, in a semiconductor device of the 0.18 μm rule, the thickness of the interlayer insulating film is 1.
Since it is about 0 μm, the aspect ratio reaches 5. In order to achieve a highly reliable multilayer wiring structure using such fine and high-aspect-ratio connection holes, a metal layer such as Ti for ohmic contact and the like such as TiN for preventing diffusion of wiring material are provided in the connection holes. After a thin and conformal metal nitride layer or the like is formed, a method of filling a connection hole with an upper wiring material or a contact plug by high-temperature sputtering of an Al-based metal or selective CVD or blanket CVD of W is being adopted. In this specification, a contact hole and a via hole are collectively called a connection hole.
【0003】通常、Ti層やTiN層を形成するには、
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行われる。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、アスペクト比の大きい接続孔
底部にもスパッタリング粒子が到達することから、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側面に、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 がバリア層の膜厚の薄い部分から浸入し、W
が異常成長したり、Ti層やTiN層が剥離する等の不
都合が生じる場合がある。[0003] Usually, to form a Ti layer or a TiN layer,
Sputtering using bulk Ti metal as a target material or reactive sputtering is performed. 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, since the sputtered particles reach the bottom of the connection hole having a large aspect ratio, it has been confirmed that the contact resistance is reduced and the barrier property is improved as compared with the conventional sputtering method. However, since these sputtering methods increase the vertical incidence component of the sputtered particles on the substrate to be processed, extremely thin portions are formed on the shoulders and side surfaces of fine connection holes having a large aspect ratio. Is inevitably formed. In this case, when blanket CVD of W is performed in the next step, WF 6 as a source gas enters from a thin portion of the barrier layer, and W
May abnormally grow, or the Ti layer or the TiN layer may peel off.
【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しにくいステップカバレッジの
問題に対処するため、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
層の形成方法が期待されている。In order to address the problem of step coverage which is difficult to solve by these sputtering methods including the collimation method, etc., a conformal Ti layer or TiN by CVD using a chemical reaction on the surface of a substrate to be processed.
A method for forming a 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やTDEAT等の有機チタン化合物を用いる方法
との2種類がある。[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.
And a method using an organic titanium compound such as MAT or TDEAT.
【0006】Ti系材料層のうち、Ti層のCVDにお
いては金属ハロゲン化物であるTiCl4 とH2 とを用
いた熱還元反応は、次式(1)で与えられる吸熱反応で
あり、熱力学的には反応の進みにくい系である(ΔGは
標準生成熱を表す)。 TiCl4 +2H2 →Ti+4HCl ΔG=393.3kJ/mol (1)[0006] Among the Ti-based material layers, in the CVD of the Ti layer, the thermal reduction reaction using the metal halides TiCl 4 and H 2 is an endothermic reaction given by the following equation (1) and is thermodynamic. This is a system in which the reaction hardly proceeds (ΔG represents the standard heat of formation). TiCl 4 + 2H 2 → Ti + 4HCl ΔG = 393.3 kJ / mol (1)
【0007】このため、H2 をプラズマ中で解離し、H
原子やH活性種による還元反応を用いたプラズマCVD
によるTi層の成膜が注目されている。この反応は、次
式(2)で示される発熱反応となる。 TiCl4 +4H→Ti+4HCl ΔG=−478.6kJ/mol (2)For this reason, H 2 is dissociated in the plasma and H 2
Plasma CVD using reduction reaction by atoms and H active species
Has attracted attention. This reaction is an exothermic reaction represented by the following formula (2). TiCl 4 + 4H → Ti + 4HCl ΔG = −478.6 kJ / mol (2)
【0008】したがって、プラズマCVDによるTi層
の形成は、反応が容易に進行しやすく、比較的低温での
成膜も可能となる。とりわけ、ECRプラズマCVD
法、誘導結合プラズマCVD法やヘリコン波プラズマC
VD法のような高密度プラズマ発生源を用いたプラズマ
CVD法は、TiCl4 の解離が進行しやすく、成膜速
度や均一性の点で有利である。Accordingly, the formation of the Ti layer by plasma CVD allows the reaction to proceed easily and makes it possible to form the film at a relatively low temperature. In particular, ECR plasma CVD
Method, inductively coupled plasma CVD method and helicon wave plasma C
The plasma CVD method using a high-density plasma generation source such as the VD method is advantageous in that the dissociation of TiCl 4 proceeds easily and the film formation rate and uniformity are high.
【0009】一方TiN層の形成方法においても、Ti
Cl4 等の金属ハロゲン化物や、有機Ti化合物を用い
たプラズマCVDや熱CVDが検討されている。中でも
TiCl4 を用いる方法は、H2 還元によるTi層と、
さらにこのガス系にN2 等の窒化剤を添加して形成する
TiN層や、NH3 やメチルヒドラジン等還元性の窒化
剤により形成するTiN層とを、同一CVD装置内で連
続的に成膜しうる長所を有する。On the other hand, in the method of forming the TiN layer,
Plasma CVD and thermal CVD using metal halides such as Cl 4 and organic Ti compounds have been studied. Among them, the method using TiCl 4 includes a Ti layer by H 2 reduction,
Further, a TiN layer formed by adding a nitriding agent such as N 2 to this gas system and a TiN layer formed by a reducing nitriding agent such as NH 3 or methylhydrazine are continuously formed in the same CVD apparatus. It has advantages that can be.
【0010】実際の半導体装置製造プロセスにおいて
は、シリコン材料上にTi層とTiN層を形成後、RT
A(Rapid Thermal Anneal)等の熱処理により熱エネルギ
を加えてシリサイド化反応を施すことがおこなわれる。
このプロセスを図8ないし図10を参照して説明する。
図8(a)はシリコン等の半導体基板1上にTi層4と
TiN層6をスパッタリング法により形成した概略断面
図である。半導体基板1上には自然酸化膜11が薄く形
成されている。この状態でシリサイド化熱処理を施す
と、図8(c)に示すように、Ti層4は自然酸化膜1
1を還元するとともにシリサイド化されてTiシリサイ
ド層5に変換される。一方自然酸化膜11中の酸素はT
iシリサイド層5表面に析出して、TiN層との界面に
高抵抗のTiOx 層12を形成する。殊にスパッタリン
グ法による成膜においては、接続孔底部のステップカバ
レッジがさほど良くないため、シリサイド化熱処理の過
程において、大気中の酸素あるいは熱処理雰囲気中の残
留酸素が、図8(b)に示すように薄い部分のTiN層
6を透過してTiN層6とTi層4の界面に到達し、T
iOx 層12の形成が助長される。かかるTiOx 層1
2の形成に関しては、信学技報SDM95−203(1
995)に報告されている。In an actual semiconductor device manufacturing process, after forming a Ti layer and a TiN layer on a silicon material,
A heat treatment such as A (Rapid Thermal Anneal) is used to apply thermal energy to perform a silicidation reaction.
This process will be described with reference to FIGS.
FIG. 8A is a schematic sectional view in which a Ti layer 4 and a TiN layer 6 are formed on a semiconductor substrate 1 such as silicon by a sputtering method. On the semiconductor substrate 1, a thin native oxide film 11 is formed. When a heat treatment for silicidation is performed in this state, as shown in FIG.
1 is reduced and silicified to be converted into a Ti silicide layer 5. On the other hand, the oxygen in the natural oxide film 11 is T
The TiO x layer 12 is deposited on the surface of the i-silicide layer 5 to form a high-resistance TiO x layer 12 at the interface with the TiN layer. In particular, in the film formation by the sputtering method, since the step coverage at the bottom of the connection hole is not so good, in the process of the silicidation heat treatment, oxygen in the air or residual oxygen in the heat treatment atmosphere is reduced as shown in FIG. The thinner part of the TiN layer 6 is transmitted to reach the interface between the TiN layer 6 and the Ti layer 4,
The formation of the iO x layer 12 is promoted. Such a TiO x layer 1
No. 2 is described in IEICE Technical Report SDM95-203 (1
995).
【0011】いずれにしろ、最終的には図8(c)に示
されるようなSi(半導体基板)/Tiシリサイド層/
TiOx 層/TiN層(最上層)の層順序の積層からな
るコンタクト構造が形成される。このうち、半導体基板
1とTiシリサイド層5との界面は清浄であり、シリコ
ンとTiシリサイドとのショットキ障壁高さも低いこと
から、低抵抗のコンタクトが形成される。しかしTiシ
リサイド層5とTiN層6の間には高抵抗のTiOx 層
12が形成されているため、コンタクト構造全体として
の抵抗値を低減することができない。In any case, the Si (semiconductor substrate) / Ti silicide layer /
A contact structure composed of a TiO x layer / TiN layer (uppermost layer) is formed in a layer order. Among them, the interface between the semiconductor substrate 1 and the Ti silicide layer 5 is clean and the Schottky barrier height between silicon and Ti silicide is low, so that a low-resistance contact is formed. However, since the high-resistance TiO x layer 12 is formed between the Ti silicide layer 5 and the TiN layer 6, the resistance value of the entire contact structure cannot be reduced.
【0012】一方、ステップカバレッジに優れたCVD
法によりTiN層を形成する場合には、大気中等の酸素
混入によるTiOx 層の形成助長は抑制されるが、自然
酸化膜からの酸素の固相拡散によるTiOx 層の形成は
依然として存在する。またTiN層のCVD工程では、
図9(a)に示すようにプラズマCVDにおいては窒素
活性種(N* )、減圧CVD等の熱CVD法ではNH3
やメチルヒドラジンのような窒化能力の高いガスを用い
る。このため、Ti層4形成後、このTi層4のシリサ
イド化反応を施さない場合、あるいは充分に施されてい
ない場合には、TiN層6のCVD成膜時に下地のTi
層4が窒化され、Tiの窒化によるTiN層10が形成
される。こうなると、シリサイド化しうるTi層4の膜
厚が減少あるいは消失し、自然酸化膜11を還元でき
ず、自然酸化膜11は半導体基板1上に残存したままと
なる。この様子を図9(b)に示す。この場合にもコン
タクト抵抗を低減することができない。On the other hand, CVD having excellent step coverage
When the TiN layer is formed by the method, the promotion of the formation of the TiO x layer due to the incorporation of oxygen in the air or the like is suppressed, but the formation of the TiO x layer by the solid phase diffusion of oxygen from the natural oxide film still exists. In the TiN layer CVD process,
As shown in FIG. 9A, nitrogen active species (N * ) is used in plasma CVD, and NH 3 is used in thermal CVD such as low pressure CVD.
And a gas having a high nitriding ability such as methyl hydrazine. For this reason, when the Ti layer 4 is not subjected to the silicidation reaction or formed insufficiently after the formation of the Ti layer 4, the underlying Ti
Layer 4 is nitrided to form TiN layer 10 by nitriding Ti. In this case, the thickness of the Ti layer 4 that can be silicided decreases or disappears, the natural oxide film 11 cannot be reduced, and the natural oxide film 11 remains on the semiconductor substrate 1. This situation is shown in FIG. Also in this case, the contact resistance cannot be reduced.
【0013】そこで、低抵抗のコンタクトを形成するた
めには、予めTi層によるシリコン材料層表面の自然酸
化膜の還元除去と、Ti層のシリサイド化反応を充分に
進行させ、この後Tiシリサイド層上に形成されたTi
Ox 層を除去することが必須となる。シリサイド化反応
の促進は、RTA等により熱エネルギを充分に与えるこ
とで可能となる。しかしながら、TiOx はSiOx と
比較しても熱力学的に安定な物質であり、通常のウェッ
トエッチング等の手法により除去することは困難であ
る。TiOx 層は、塩素等のハロゲン系ガスを用いたド
ライエッチングにより除去することは可能であるが、T
iシリサイド層とのエッチング選択比がとりにくく、過
度のオーバーエッチングを施した場合には、下地の半導
体基板が露出する虞れがある点や、後工程で形成するA
l系金属配線が残留塩素により腐食する問題点がある。In order to form a low-resistance contact, the natural oxide film on the surface of the silicon material layer is reduced and removed by the Ti layer, and the silicidation of the Ti layer is sufficiently advanced. Ti formed on
It is essential to remove the O x layer. The silicidation reaction can be promoted by sufficiently applying thermal energy by RTA or the like. However, TiO x is a thermodynamically stable substance as compared with SiO x, and it is difficult to remove TiO x by ordinary wet etching or the like. The TiO x layer can be removed by dry etching using a halogen-based gas such as chlorine.
It is difficult to obtain an etching selectivity with the i-silicide layer, and if excessive over-etching is performed, the underlying semiconductor substrate may be exposed.
There is a problem that l-type metal wiring is corroded by residual chlorine.
【0014】また通常、Ti層上にTiCl4 等の金属
ハロゲン化物と窒化剤を用いてTiN層をCVD成膜す
る際には、まずTi層の表面に窒化層を形成し、TiC
l4、TiCl4 の分解生成物であるTiClx 系活性
種、あるいはTiCl4 から解離生成するCl* (塩素
ラジカル)等による、Ti層のエッチングを防止するこ
とがおこなわれる。すなわち、プラズマCVDによるT
iN層成膜においては、プラズマ中に生成するN* (窒
素ラジカル)によりTi層表面を窒化する。また熱CV
DによるTiN層成膜においては、NH3 還元を用いる
場合には、予めNH3 プラズマ処理してTi層表面を窒
化する。メチルヒドラジン還元を用いる場合には、メチ
ルヒドラジンをTi層表面と反応させることにより、T
i層表面を窒化する。Usually, when a TiN layer is formed on a Ti layer by CVD using a metal halide such as TiCl 4 and a nitriding agent, first, a nitride layer is formed on the surface of the Ti layer,
by l 4, TiCl x based active species are degradation products of TiCl 4, or dissociated product from TiCl 4 Cl * (chlorine radicals) or the like, it is performed to prevent the etching of the Ti layer. That is, T by plasma CVD
In forming the iN layer, the surface of the Ti layer is nitrided by N * (nitrogen radical) generated in the plasma. Also heat CV
In the formation of a TiN layer by D, when NH 3 reduction is used, the surface of the Ti layer is nitrided by NH 3 plasma treatment in advance. When using methylhydrazine reduction, methylhydrazine is reacted with the surface of the Ti layer to obtain a T
The surface of the i-layer is nitrided.
【0015】かかる窒化処理により、TiCl4 もしく
はTiCl4 の分解生成物であるTiClx 系活性種や
Cl* ラジカルによるTi層のエッチングは抑制され
る。しかしながら、Ti層表面の窒化処理は、低抵抗な
オーミックコンタクトを形成するために必要なTi層の
シリサイド化反応を妨げる問題をも有している。この問
題を図10を参照して説明する。By the nitriding treatment, the etching of the Ti layer by TiCl 4 or TiCl x -based active species, which is a decomposition product of TiCl 4 , or Cl * radicals is suppressed. However, the nitriding treatment of the surface of the Ti layer also has a problem of hindering a silicidation reaction of the Ti layer necessary for forming a low-resistance ohmic contact. This problem will be described with reference to FIG.
【0016】図10は、シリコン等の半導体基板1に接
して、例えば20nmの厚さのTi層(図示せず)を形
成後、その表面を窒化処理してからTiN層6をECR
プラズマCVDにより例えば30nm形成したコンタク
ト部の一例の概略断面図である。Tiの窒化反応は、T
iのシリサイド化反応よりも熱力学的には反応が進行し
易い反応系である。このため窒素原子はTi層中を容易
に拡散し、下地材料層であるシリコンからなる半導体基
板1に達する。近年の半導体装置のように、半導体基板
1の接合層(図示せず)が極めて浅くなっている現状に
おいては、Ti層をも薄く形成することが一般的であ
る。このためTi層の窒化によるTiN層10や高抵抗
のTi−Si−N化合物層9が形成されてTi層の膜厚
が減少すると、薄層化したTi層は半導体基板1上の自
然酸化膜(図示せず)をもはや均一に還元することは不
可能となり、Tiシリサイド層5も不均一に形成され
る。符号8は半導体基板1表面の自然酸化膜(図示せ
ず)中の酸素をとりこんで形成されたTi−O−N−S
i化合物層である。FIG. 10 shows that after a Ti layer (not shown) having a thickness of, for example, 20 nm is formed in contact with a semiconductor substrate 1 such as silicon, the surface thereof is nitrided, and then the TiN layer 6 is subjected to ECR.
It is a schematic sectional drawing of an example of the contact part formed by plasma CVD, for example, 30 nm. The nitridation reaction of Ti is T
It is a reaction system in which the reaction proceeds more thermodynamically than the silicidation reaction of i. Therefore, the nitrogen atoms easily diffuse in the Ti layer, and reach the semiconductor substrate 1 made of silicon, which is a base material layer. In a current situation where a bonding layer (not shown) of the semiconductor substrate 1 is extremely shallow as in a recent semiconductor device, it is common to form a thin Ti layer. For this reason, when the TiN layer 10 or the high-resistance Ti—Si—N compound layer 9 is formed by nitriding the Ti layer and the thickness of the Ti layer is reduced, the thinned Ti layer becomes a natural oxide film on the semiconductor substrate 1. (Not shown) can no longer be reduced uniformly, and the Ti silicide layer 5 is also formed non-uniformly. Reference numeral 8 denotes a Ti—O—N—S formed by taking in oxygen in a natural oxide film (not shown) on the surface of the semiconductor substrate 1.
This is an i-compound layer.
【0017】このようにシリサイド化反応が均一に進行
せず、高抵抗のTi−Si−N化合物層9が形成される
と、低抵抗のコンタクトの実現は困難となる。また半導
体基板1とTiの窒化によるTiN層10との界面に形
成されるTi−O−N−Si化合物層8も高抵抗物質で
あり、疑似的なMOS構造を形成するので、やはり低抵
抗のオーミックコンタクトが実現できない。If the silicidation reaction does not proceed uniformly and the high-resistance Ti-Si-N compound layer 9 is formed, it is difficult to realize a low-resistance contact. Further, the Ti-ON-Si compound layer 8 formed at the interface between the semiconductor substrate 1 and the TiN layer 10 by nitriding Ti is also a high-resistance substance and forms a pseudo MOS structure. Ohmic contact cannot be realized.
【0018】さらに、シリサイド層を半導体基板のソー
ス、ドレインあるいは多結晶シリコン等のゲート電極表
面に自己整合的に形成するサリサイドプロセスにおいて
も、Ti層の表面窒化は弊害を生じる。すなわち、Ti
層中に浸入した窒素原子がシリサイドの凝集を誘起する
ため、均一なシリサイド層が形成できない。また窒素原
子の存在は、低抵抗のC54構造TiSi2 相への結晶
転移を妨げる原因ともなる。Further, in a salicide process in which a silicide layer is formed in a self-aligned manner on the surface of a gate electrode such as a source or drain of a semiconductor substrate or polycrystalline silicon, the surface nitridation of the Ti layer causes an adverse effect. That is, Ti
Since the nitrogen atoms penetrating into the layer induce aggregation of the silicide, a uniform silicide layer cannot be formed. In addition, the presence of the nitrogen atom also hinders the crystal transition to the low-resistance C54 structure TiSi 2 phase.
【0019】さて、シリサイド層を半導体基板のソー
ス、ドレイン領域全面に形成して拡散層の抵抗を減少す
るサリサイド技術においては、シリサイド層形成後、層
間絶縁膜を成膜し、この層間絶縁膜にソース、ドレイン
領域を臨む接続孔を開口するプロセスが採用される。サ
リサイド技術はTiやCo等のメタル層成膜、熱処理お
よびウェットエッチング等の工程を経るため、被処理基
板を大気に暴露することなく同一装置内で連続的に施す
ことはほとんど不可能である。このため、シリサイド層
表面には大気暴露の際に不可避的に酸化層が形成され
る。またシリサイド化熱処理の際にも、熱処理雰囲気中
の巻き込み酸素によってシリサイド層表面が酸化され
る。In a salicide technique in which a silicide layer is formed on the entire surface of the source and drain regions of a semiconductor substrate to reduce the resistance of a diffusion layer, an interlayer insulating film is formed after forming a silicide layer. A process of opening connection holes facing the source and drain regions is employed. Since the salicide technique involves processes such as formation of a metal layer such as Ti or Co, heat treatment, and wet etching, it is almost impossible to continuously apply a substrate to be processed in the same apparatus without exposing the substrate to the atmosphere. Therefore, an oxide layer is inevitably formed on the surface of the silicide layer when exposed to the air. Also during the silicidation heat treatment, the surface of the silicide layer is oxidized by the entrained oxygen in the heat treatment atmosphere.
【0020】このため、TiやCo等のメタル層成膜
後、この上に酸化防止用のTiNキャップ層を形成する
が、Tiの場合にはこの際にTi層が一部窒化される。
シリサイド化熱処理後にはTiNキャップ層を硫酸過水
により除去するが、この際にTi層が窒化された部分の
窒素が抜け、この窒素が抜けた部分を中心に酸化が進
み、Tiシリサイド層表面に酸化層が形成される。この
ように表面に酸化層が存在するTiシリサイド層上に、
層間絶縁膜形成工程、接続孔開口工程を経て選択CVD
によりタングステンプラグを形成しても、Tiシリサイ
ド層とタングステンプラグの界面の酸化層の存在によ
り、コンタクト抵抗が高くなることが、例えば第56回
応用物理学会学術講演会(1995年秋季年会)講演予
稿集p700、講演番号27a−PB−17に報告され
ている。For this reason, after forming a metal layer such as Ti or Co, a TiN cap layer for preventing oxidation is formed thereon. In the case of Ti, the Ti layer is partially nitrided at this time.
After the silicidation heat treatment, the TiN cap layer is removed with sulfuric acid and hydrogen peroxide. At this time, nitrogen in the portion where the Ti layer is nitrided escapes, and oxidation proceeds mainly in the portion from which the nitrogen has escaped, and the Ti silicide layer surface An oxide layer is formed. Thus, on the Ti silicide layer where the oxide layer exists on the surface,
Selective CVD through interlayer insulating film formation process and connection hole opening process
Even if a tungsten plug is formed, contact resistance increases due to the presence of an oxide layer at the interface between the Ti silicide layer and the tungsten plug. For example, the 56th Annual Meeting of the Japan Society of Applied Physics (1995 Autumn Meeting) Proceedings p700, Lecture No. 27a-PB-17.
【0021】そこでTiシリサイド層上の酸化層を除去
する方法として、BCl3 やClF3 等のClを含むガ
スによりプラズマエッチングする方法が、例えばAdv
anced Metallization and I
nterconnect System for UL
SI Applications 1995,p467
に報告されている。しかしながらこの方法ではTiシリ
サイド層表面にClが残留し、上層のAl系金属配線等
の腐食の懸念が残る。またArイオンによるスパッタリ
ング効果を用いたICP(Inductively C
oupled Plasma)によるソフトエッチング
が試みられている。しかしながら、この方法ではTiシ
リサイド層上の酸化層の除去が不充分であったことが、
例えばExtended Abstracts of
the1996 International Con
ference on Solid State De
vices and Materials, p139
に報告されている。Therefore, as a method of removing the oxide layer on the Ti silicide layer, a method of plasma etching with a gas containing Cl such as BCl 3 or ClF 3 is used, for example, Adv
anced Metallization and I
interconnect System for UL
SI Applications 1995, p467
Has been reported to. However, in this method, Cl remains on the surface of the Ti silicide layer, and there is a concern about corrosion of the upper Al-based metal wiring and the like. Also, an ICP (Inductively C) using a sputtering effect by Ar ions.
Soft etching using an "coupled Plasma" has been attempted. However, in this method, the removal of the oxide layer on the Ti silicide layer was insufficient.
For example, Extended Abstracts of
the1996 International Con
reference on Solid State De
visits and Materials, p139
Has been reported to.
【0022】[0022]
【発明が解決しようとする課題】本発明は上述した従来
技術の諸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、シリコン材料上のTi等の金属層上、
あるいはシリコン材料層上の金属シリサイド上にTiN
等の金属窒化物層を形成する際に、下地シリコン材料層
表面の自然酸化膜が残留したり、金属シリサイド層上に
新たな酸化層が形成されたりすることのない、低抵抗の
コンタクト形成方法を提供することである。また本発明
の別の課題は、かかるコンタクト形成方法により形成さ
れた低抵抗のコンタクトを有する、高集積度半導体装置
を提供することである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been proposed in view of the above-mentioned problems of the prior art. That is, an object of the present invention is to provide a method for forming a metal layer such as Ti on a silicon material,
Alternatively, TiN is formed on the metal silicide on the silicon material layer.
A low-resistance contact forming method that does not leave a native oxide film on the surface of the underlying silicon material layer or form a new oxide layer on the metal silicide layer when forming a metal nitride layer such as It is to provide. Another object of the present invention is to provide a highly integrated semiconductor device having a low-resistance contact formed by such a contact forming method.
【0023】[0023]
【課題を解決するための手段】本発明のコンタクト形成
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、シリコン材料を含む被処理基板上に金属層を形成す
る工程、この被処理基板に熱処理を施すことにより、シ
リコン材料と金属層を反応させ、金属シリサイド層を形
成する工程、この金属シリサイド層上に、ハロゲン化金
属化合物および窒化剤を含む混合ガスを用い、金属窒化
物層層をCVD法により形成する工程を有することを特
徴とする。このとき、金属層を形成する工程、金属シリ
サイド層を形成する工程、および金属窒化物層をCVD
法により形成する工程は、被処理基板を大気に曝すこと
なく、連続的に施すことが望ましい。SUMMARY OF THE INVENTION A contact forming method according to the present invention is proposed to solve the above-mentioned problems, and includes a step of forming a metal layer on a substrate to be processed containing a silicon material; Forming a metal silicide layer by reacting a silicon material with a metal layer by performing a heat treatment on the metal nitride layer layer using a mixed gas containing a metal halide compound and a nitriding agent on the metal silicide layer. Is formed by a CVD method. At this time, a step of forming a metal layer, a step of forming a metal silicide layer, and a step of forming a metal nitride layer by CVD.
It is desirable that the step of forming by a method be continuously performed without exposing the substrate to be processed to the atmosphere.
【0024】本発明の別のコンタクト形成方法は、シリ
コン材料を含む被処理基板上に金属層を形成する工程、
この被処理基板に熱処理を施すことにより、シリコン材
料と金属層を反応させ、金属シリサイド層を形成する工
程、H2 を含むガスによるプラズマ処理を施し、金属シ
リサイド層上に不可避的に形成された酸化層を除去する
工程、この金属シリサイド層上に、金属窒化物層を形成
する工程を有することを特徴とする。金属窒化物層を形
成する工程は、CVD法、あるいは金属シリサイド層表
面を窒素活性種により窒化する方法のいずれでもよい。Another contact forming method of the present invention includes a step of forming a metal layer on a substrate to be processed containing a silicon material;
By subjecting this substrate to heat treatment, a silicon material and a metal layer react with each other to form a metal silicide layer, and a plasma treatment with a gas containing H 2 is performed to form a metal silicide layer on the metal silicide layer. The method includes a step of removing an oxide layer and a step of forming a metal nitride layer on the metal silicide layer. The step of forming the metal nitride layer may be either a CVD method or a method of nitriding the surface of the metal silicide layer with nitrogen active species.
【0025】さらに本発明の別のコンタクト形成方法
は、シリコン材料を含む被処理基板上に金属層を形成す
る工程、この被処理基板に熱処理を施すことにより、シ
リコン材料と金属層を反応させ、金属シリサイド層を形
成する工程、ハロゲン系化学種を含むガスによるプラズ
マ処理を施し、金属シリサイド層上に不可避的に形成さ
れた酸化層を除去する工程、H2 を含むガスによるプラ
ズマ処理を施し、金属シリサイド層上に残留したハロゲ
ン系化学種を除去する工程、この金属シリサイド層上
に、ハロゲン化金属化合物および窒化剤を含む混合ガス
を用い、金属窒化物層をCVD法により形成する工程を
有することを特徴とする。金属窒化物層を形成する工程
は、CVD法、あるいは金属シリサイド層表面を窒素活
性種により窒化する方法のいずれでもよい。が望まし
い。本発明が対象とするシリコン材料は、単結晶シリコ
ン、多結晶シリコンおよび非晶質シリコンのうちのいず
れか一種である。In another contact forming method of the present invention, a metal layer is formed on a substrate to be processed containing a silicon material, and the silicon substrate and the metal layer are reacted by performing a heat treatment on the substrate to be processed. forming a metal silicide layer, subjected to plasma treatment with a gas containing halogen-based chemical species, the step of removing the oxide layer that is inevitably formed on the metal silicide layer, plasma treatment with a gas containing H 2 subjected, Removing a halogen-based chemical species remaining on the metal silicide layer; and forming a metal nitride layer on the metal silicide layer by a CVD method using a mixed gas containing a metal halide compound and a nitriding agent. It is characterized by the following. The step of forming the metal nitride layer may be either a CVD method or a method of nitriding the surface of the metal silicide layer with nitrogen active species. Is desirable. The silicon material targeted by the present invention is any one of single crystal silicon, polycrystalline silicon, and amorphous silicon.
【0026】本発明の半導体装置は、上述した方法によ
り形成された低抵抗のコンタクトを有することを特徴と
する。A semiconductor device according to the present invention has a low-resistance contact formed by the above-described method.
【0027】つぎに作用の説明に移る。本発明の特徴的
なポイントの一つは、Ti層上にTiN層をCVD成膜
する際に、予め下地にシリコン材料と接するTi層とシ
リコン材料とを反応させ、Tiシリサイド層に変換して
おく点である。TiシリサイドすなわちTiSi2 は、
次式(3)および(4)から明らかなように、金属Ti
よりも熱力学的に窒化が進行しにくい物質である。 Ti + N → TiN ΔG=−810.7kJ/mol (3) TiSi2 +N → TiN + 2Si ΔG=−669.5kJ/mol (4)Next, the operation will be described. One of the characteristic points of the present invention is that when a TiN layer is formed on a Ti layer by CVD, a Ti layer in contact with a silicon material as an underlayer reacts with the silicon material in advance and is converted into a Ti silicide layer. It is a point to put. Ti silicide, or TiSi 2 ,
As is apparent from the following equations (3) and (4), the metal Ti
It is a substance that is less thermodynamically nitrided. Ti + N → TiN ΔG = −810.7 kJ / mol (3) TiSi 2 + N → TiN + 2Si ΔG = −669.5 kJ / mol (4)
【0028】したがって、TiN層をCVD成膜する際
に、Tiシリサイド層がさらに窒化される虞れは少な
く、低抵抗のコンタクトを形成することが可能となる。
本発明のコンタクト形成方法により形成されたコンタク
ト部の概略断面図を、図7に示す。このうち、図7
(a)はシリコン等の半導体基板1上に20nmの厚さ
のTi層(図示せず)を形成後、シリサイド化熱処理を
施してTiシリサイド層5に変換後、TiN層6をEC
RプラズマCVDにより30nm形成したコンタクト部
分の概略断面図である。同図に見られるように、Tiシ
リサイド層5が均一に形成され、Ti層(図示せず)の
過度の窒化が防止されている。高抵抗なTi−Si−N
化合物層の発生も見られない。半導体基板1上に形成さ
れていた自然酸化膜(図示せず)中の酸素は、Tiシリ
サイド層5とTiN層6との界面に掃きだされ、ここに
極く薄いTi−O−N−Si化合物層8あるいはTiO
x 層が形成されている。このTi−O−N−Si化合物
層8は、半導体基板1表面に形成されるものとは異な
り、低抵抗のオーミックコンタクトをさほど阻害するも
のとはならない。これは、Ti−O−N−Si化合物層
8あるいはTiOx層が極く薄いことと、金属化合物/
金属化合物の界面間に存在する層であるために、MOS
構造を形成することなくトンネル電流が自由に流れるた
めと考えられる。図4(b)はさらにシリコン等の半導
体基板1上に20nmの厚さのTi層(図示せず)を形
成後、シリサイド化熱処理を施してTiシリサイド層5
に変換後、表面のTi−O−N−Si化合物層あるいは
TiOx 層等の酸化膜(図示せず)を水素プラズマによ
り還元除去後、TiN層6をECRプラズマCVDによ
り30nm形成したコンタクト部分の概略断面図であ
る。Tiシリサイド層5表面の酸化膜は、ハロゲン系化
学種により下地のTiシリサイド層5にダメージを与え
ない程度の軽度のプラズマ処理で除去後、Hプラズマに
より吸着ハロゲン系化学種を除去してもよい。いずれの
方法によっても、Si/Tiシリサイド層/TiN層の
低抵抗オーミックコンタクトを形成することが可能であ
る。Therefore, when the TiN layer is formed by CVD, there is little possibility that the Ti silicide layer is further nitrided, and a low-resistance contact can be formed.
FIG. 7 is a schematic sectional view of a contact portion formed by the contact forming method of the present invention. Among them, FIG.
2A, a Ti layer (not shown) having a thickness of 20 nm is formed on a semiconductor substrate 1 made of silicon or the like, and is subjected to a silicidation heat treatment to convert the Ti layer into a Ti silicide layer 5.
It is a schematic sectional drawing of the contact part formed by R plasma CVD by 30 nm. As can be seen from the figure, the Ti silicide layer 5 is formed uniformly, and excessive nitriding of the Ti layer (not shown) is prevented. High resistance Ti-Si-N
No generation of a compound layer is observed. Oxygen in a natural oxide film (not shown) formed on the semiconductor substrate 1 is swept out to the interface between the Ti silicide layer 5 and the TiN layer 6, and an extremely thin Ti-ON-Si Compound layer 8 or TiO
An x layer is formed. Unlike the layer formed on the surface of the semiconductor substrate 1, the Ti—O—N—Si compound layer 8 does not significantly hinder the low-resistance ohmic contact. This is because the Ti—O—N—Si compound layer 8 or the TiO x layer is extremely thin,
Since it is a layer that exists between metal compound interfaces, MOS
It is considered that the tunnel current flows freely without forming the structure. FIG. 4B shows that a Ti layer (not shown) having a thickness of 20 nm is further formed on a semiconductor substrate 1 such as silicon and then subjected to a silicidation heat treatment to form a Ti silicide layer 5.
After the oxide film (not shown) such as a Ti-ON-Si compound layer or a TiO x layer on the surface is reduced and removed by hydrogen plasma, the TiN layer 6 is formed to a thickness of 30 nm by ECR plasma CVD. It is an outline sectional view. The oxide film on the surface of the Ti silicide layer 5 may be removed by a mild plasma treatment that does not damage the underlying Ti silicide layer 5 by the halogen-based chemical species, and then the adsorbed halogen-based chemical species may be removed by H plasma. . Either method can form a low-resistance ohmic contact of the Si / Ti silicide layer / TiN layer.
【0029】本発明が特徴とする別のポイントは、Ti
シリサイド等の金属シリサイド層上にTi等の金属層や
TiN等の金属窒化物層を形成する際に、金属シリサイ
ド層上に不可避的に形成された酸化層を除去しておく点
にある。Tiシリサイド層上に形成されるTiO2 、C
oシリサイド層上に形成されるCoO等の酸化層の水素
活性種による還元反応は、いずれも吸熱反応であり、進
行しやすい系である。接続孔底部に露出した金属シリサ
イド層表面の酸化層を除去しておくことにより、金属シ
リサイド層/金属層あるいは金属窒化物層間の抵抗値が
低減する。また金属窒化物層を金属シリサイド層の窒化
により形成する場合には、接続孔底部に自己整合的に形
成することができる。さらにこの金属窒化物層上に連続
的に埋め込みコンタクトプラグを形成することも可能で
ある。Another feature of the present invention is that Ti
When a metal layer such as Ti or a metal nitride layer such as TiN is formed on a metal silicide layer such as silicide, an oxide layer inevitably formed on the metal silicide layer is removed. TiO 2 , C formed on Ti silicide layer
Any reduction reaction of an oxide layer such as CoO formed on the silicide layer by hydrogen active species is an endothermic reaction and is a system that easily proceeds. By removing the oxide layer on the surface of the metal silicide layer exposed at the bottom of the connection hole, the resistance value between the metal silicide layer / metal layer or metal nitride layer is reduced. When the metal nitride layer is formed by nitriding the metal silicide layer, it can be formed in a self-aligned manner at the bottom of the connection hole. Furthermore, it is also possible to form a buried contact plug continuously on this metal nitride layer.
【0030】かかるコンタクト形成方法により形成され
た半導体装置は、コンタクト抵抗値が従来のものより低
減されるので、高速動作が可能となる。特に0.35μ
m以下のコンタクト径を有する高集積度の半導体装置に
適用した場合にはこの効果は著しい。The semiconductor device formed by such a contact forming method can operate at high speed because the contact resistance value is reduced as compared with the conventional device. Especially 0.35μ
This effect is remarkable when applied to a highly integrated semiconductor device having a contact diameter of m or less.
【0031】[0031]
【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1ないし5は、半導
体基板上の層間絶縁膜に開口されたコンタクトホールに
Tiシリサイド層とTiN層を主体とするコンタクトを
形成した例である。金属ハロゲン化物としてはTiCl
4 を採用し、Ti層とTiN層をプラズマCVDにより
形成した。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. Examples 1 to 5 below are examples in which a contact mainly composed of a Ti silicide layer and a TiN layer is formed in a contact hole opened in an interlayer insulating film on a semiconductor substrate. TiCl as metal halide
4 , a Ti layer and a TiN layer were formed by plasma CVD.
【0032】実施例1 本実施例は、処理装置としてECRプラズマCVDチャ
ンバと、熱処理チャンバとがゲートバルブを介して一体
化されたクラスタツールを採用し、被処理基板を大気に
曝すことなく搬送して一連の処理を施し、コンタクトを
形成した例であり、これを図1(a)〜(c)を参照し
て説明する。当然のことながら、プラズマCVDチャン
バにハロゲンランプ等の加熱手段を一体化した処理装置
を採用し、同一チャンバ内で一連の処理を施してもよ
い。Embodiment 1 This embodiment employs a cluster tool in which an ECR plasma CVD chamber and a heat treatment chamber are integrated via a gate valve as a processing apparatus, and transports a substrate to be processed without exposing it to the atmosphere. This is an example in which a series of processes are performed to form a contact, which will be described with reference to FIGS. Naturally, a processing apparatus in which a heating means such as a halogen lamp is integrated in the plasma CVD chamber may be employed, and a series of processing may be performed in the same chamber.
【0033】まずシリコン等の半導体基板1上にSiO
2 からなる層間絶縁膜2を形成し、ここにコンタクトホ
ール3を開口する。層間絶縁膜2の厚さは一例として
1.0μm、コンタクトホール3の開口径は0.3μm
である。つぎにコンタクトホール3底部に露出する半導
体基板1の拡散層表面の自然酸化膜(図示せず)を希フ
ッ酸水溶液で除去した後、ECRプラズマCVD装置の
基板ステージ上に載置し、H2 /ArあるいはH2 /N
2 /Arプラズマ処理を施してコンタクトホール3底部
を清浄化する。つぎに同じECRプラズマCVD装置に
より、TiCl4 を含む混合ガスを用い、一例として下
記プラズマCVD条件によりTi層4を例えば20nm
形成する。 TiCl4 3 sccm H2 100 sccm Ar 170 sccm ガス圧力 0.75 Pa マイクロ波パワー 2.8 kW(2.45GHz) 基板温度 380〜460 ℃ Ti層4形成後の被処理基板を図1(a)に示す。First, on a semiconductor substrate 1 made of silicon or the like, SiO
2 is formed, and a contact hole 3 is opened here. The thickness of the interlayer insulating film 2 is, for example, 1.0 μm, and the opening diameter of the contact hole 3 is 0.3 μm.
It is. Next, after removing a natural oxide film (not shown) on the surface of the diffusion layer of the semiconductor substrate 1 exposed at the bottom of the contact hole 3 with a diluted hydrofluoric acid aqueous solution, the substrate is placed on a substrate stage of an ECR plasma CVD apparatus, and H 2. / Ar or H 2 / N
2 / Ar plasma treatment is performed to clean the bottom of the contact hole 3. Next, using the same ECR plasma CVD apparatus, using a mixed gas containing TiCl 4 , as an example, the Ti layer 4 is formed to a thickness of 20 nm under the following plasma CVD conditions.
Form. TiCl 4 3 sccm H 2 100 sccm Ar 170 sccm Gas pressure 0.75 Pa Microwave power 2.8 kW (2.45 GHz) Substrate temperature 380-460 ° C. The substrate to be processed after forming the Ti layer 4 is shown in FIG. Shown in
【0034】この後、ECRプラズマCVDチャンバに
連接された熱処理チャンバに被処理基板を大気に曝すこ
となく搬送し、ここで被処理基板に熱処理を施す。熱処
理条件は、一例としてArまたはH2 雰囲気中、あるい
はAr/H2 混合ガス雰囲気中で、600℃〜800℃
の温度条件とした。この熱処理により、シリコンからな
る半導体基板1と接するコンタクトホール3底部のTi
層4は、図1(b)に示すようにTiシリサイド層5に
変換される。この熱処理条件によっては、層間絶縁膜2
に接するTi層4、すなわち層間絶縁膜2表面やコンタ
クトホール3側面のTi層4はほとんど反応せず、未反
応のTi金属のままで留まる。なおこのシリサイド化熱
処理は、例えば650℃、30〜60secの第1の熱
処理によりC49構造のTiシリサイドを形成後、さら
に例えば800℃、30secの第2の熱処理を加えれ
ば、低抵抗のC54構造のシリサイド層への相転換は極
めてスムーズに進行する。かかる熱処理はRTA(Rapid
Thermal Anneal)装置を用いることが望ましい。Thereafter, the substrate to be processed is transported to the heat treatment chamber connected to the ECR plasma CVD chamber without being exposed to the atmosphere, where the substrate is subjected to a heat treatment. The heat treatment conditions are, for example, in an Ar or H 2 atmosphere, or in an Ar / H 2 mixed gas atmosphere, at 600 ° C. to 800 ° C.
Temperature conditions. By this heat treatment, Ti at the bottom of contact hole 3 in contact with semiconductor substrate 1 made of silicon is formed.
The layer 4 is converted to a Ti silicide layer 5 as shown in FIG. Depending on the heat treatment conditions, the interlayer insulating film 2
, That is, the Ti layer 4 on the surface of the interlayer insulating film 2 and the side surface of the contact hole 3 hardly reacts, and remains as unreacted Ti metal. In this silicidation heat treatment, for example, after forming a Ti silicide having a C49 structure by a first heat treatment at 650 ° C. for 30 to 60 seconds, a second heat treatment at 800 ° C. for 30 sec is further applied to form a low-resistance C54 structure. The phase transition to the silicide layer proceeds extremely smoothly. Such heat treatment is performed by RTA (Rapid
It is desirable to use a Thermal Anneal device.
【0035】つぎに再び被処理基板をECRプラズマC
VD装置に搬送し、一例として下記プラズマCVD条件
でTiN層を30nmの厚さに形成する。TiN層の形
成に先立ち、薄いTi層をTiシリサイド層5上に形成
してもよい。 TiCl4 20 sccm H2 26 sccm N2 8 sccm Ar 170 sccm ガス圧力 0.75 Pa マイクロ波パワー 2.8 kW(2.45GHz) 基板温度 380〜460 ℃ 本プラズマCVD工程においては、プラズマ中のN+ や
N* 等の窒素活性種がコンタクトホール3底部にも到達
するが、この段階ではTiシリサイド層5がさらに窒化
されることはない。しかしながら、層間絶縁膜2に接す
る未反応のままのTi層4は窒素活性種と反応して窒化
され、TiNに変換する。この結果、コンタクトホール
3底部のTiシリサイド層5上には主としてプラズマC
VDにより形成されたTiN層6が、層間絶縁膜2に接
する部分にはTi層4の窒化によるTiNとプラズマC
VDにより形成されたTiNからなるTiN層6が形成
される。この後の工程は、Al系金属のスパッタリング
や、W等の高融点金属のCVD等によりコンタクトホー
ル3を埋め込み、不図示のコンタクトプラグあるいは配
線層を形成する。Next, the substrate to be processed is again subjected to ECR plasma C.
The substrate is transported to a VD apparatus, and a TiN layer is formed to a thickness of 30 nm under the following plasma CVD conditions as an example. Prior to formation of the TiN layer, a thin Ti layer may be formed on the Ti silicide layer 5. TiCl 4 20 sccm H 2 26 sccm N 2 8 sccm Ar 170 sccm Gas pressure 0.75 Pa Microwave power 2.8 kW (2.45 GHz) Substrate temperature 380 to 460 ° C. In the present plasma CVD process, N in the plasma is used. Although nitrogen active species such as + and N * also reach the bottom of the contact hole 3, the Ti silicide layer 5 is not further nitrided at this stage. However, the unreacted Ti layer 4 in contact with the interlayer insulating film 2 reacts with the nitrogen active species and is nitrided to be converted to TiN. As a result, the plasma C is mainly deposited on the Ti silicide layer 5 at the bottom of the contact hole 3.
The TiN layer 6 formed by VD has a TiN layer formed by nitriding the Ti layer 4 and a plasma C
A TiN layer 6 made of TiN formed by VD is formed. In the subsequent steps, the contact holes 3 are buried by sputtering of an Al-based metal or CVD of a high-melting metal such as W to form a contact plug or a wiring layer (not shown).
【0036】本実施例によれば、コンタクトホール3底
部のTi層4が予めTiシリサイド層5に変換されてい
るので、Ti層4が過度に窒化されて高抵抗のTi−S
i−N化合物等が形成される不都合はない。またコンタ
クトホール3底部の半導体基板1表面の自然酸化膜除去
が不充分な場合には、極く薄いTi−O−N−Si層あ
るいはTiOX 層がTiシリサイド層5上に形成される
場合もあるが、これはオーミックコンタクト性を阻害す
るほどのものではない。本実施例によれば、従来に比べ
て約1桁低い抵抗値を有するコンタクトを形成すること
ができる。According to the present embodiment, since the Ti layer 4 at the bottom of the contact hole 3 has been converted into the Ti silicide layer 5 in advance, the Ti layer 4 is excessively nitrided and the high resistance Ti--S
There is no inconvenience of forming an iN compound or the like. If the natural oxide film on the surface of the semiconductor substrate 1 at the bottom of the contact hole 3 is not sufficiently removed, an extremely thin Ti—O—N—Si layer or TiO X layer may be formed on the Ti silicide layer 5. However, this is not enough to impair ohmic contact. According to the present embodiment, it is possible to form a contact having a resistance value which is lower by about one digit than that of the related art.
【0037】実施例2 本実施例は処理装置としてECRプラズマCVD装置を
用い、同一の処理装置内でTi層の成膜、シリサイド化
反応、水素活性種によるTiOx 層の除去、Ti層の成
膜を連続的に施した例であり、これを図2(a)〜
(f)を参照して説明する。図2(a)〜(f)はいず
れもコンタクトホール3の下部を拡大して示す概略断面
図である。本実施例は接続孔底部に露出する半導体基板
表面の自然酸化膜除去が不充分な場合を想定し、この場
合に低抵抗のコンタクトを形成しようとするものであ
る。Embodiment 2 In this embodiment, an ECR plasma CVD apparatus is used as a processing apparatus, and a Ti layer is formed, a silicidation reaction is performed, a TiO x layer is removed by hydrogen active species, and a Ti layer is formed in the same processing apparatus. This is an example in which the film is continuously applied, which is shown in FIGS.
This will be described with reference to FIG. FIGS. 2A to 2F are schematic cross-sectional views showing the lower portion of the contact hole 3 in an enlarged manner. In this embodiment, it is assumed that the natural oxide film on the surface of the semiconductor substrate exposed at the bottom of the connection hole is not sufficiently removed. In this case, a low-resistance contact is to be formed.
【0038】まずシリコン等の半導体基板1上にSiO
2 からなる層間絶縁膜2を形成し、ここにコンタクトホ
ール3を開口する。層間絶縁膜2の厚さは一例として
1.0μm、コンタクトホール3の開口径は0.2μm
である。つぎにコンタクトホール3底部に露出する半導
体基板1の拡散層表面の自然酸化膜(図示せず)を希フ
ッ酸水溶液等で除去した後、ECRプラズマCVD装置
の基板ステージ上に載置する。コンタクトホール3底部
に露出する半導体基板1表面には、新たな自然酸化膜1
1がすでに形成されている。つぎにTiCl4 を含む混
合ガスを用い、一例として下記プラズマCVD条件によ
りTi層4を例えば20nm形成する。 TiCl4 3 sccm H2 100 sccm Ar 170 sccm ガス圧力 0.75 Pa マイクロ波パワー 2.8 kW(2.45GHz) 基板温度 380〜460 ℃ Ti層4形成後の被処理基板を図1(a)に示す。First, on a semiconductor substrate 1 such as silicon
2 is formed, and a contact hole 3 is opened here. The thickness of the interlayer insulating film 2 is, for example, 1.0 μm, and the opening diameter of the contact hole 3 is 0.2 μm.
It is. Next, after removing a natural oxide film (not shown) on the surface of the diffusion layer of the semiconductor substrate 1 exposed at the bottom of the contact hole 3 with a diluted hydrofluoric acid aqueous solution or the like, the substrate is mounted on a substrate stage of an ECR plasma CVD apparatus. A new natural oxide film 1 is formed on the surface of the semiconductor substrate 1 exposed at the bottom of the contact hole 3.
1 has already been formed. Next, using a mixed gas containing TiCl 4 , for example, a Ti layer 4 of, eg, 20 nm is formed under the following plasma CVD conditions. TiCl 4 3 sccm H 2 100 sccm Ar 170 sccm Gas pressure 0.75 Pa Microwave power 2.8 kW (2.45 GHz) Substrate temperature 380-460 ° C. The substrate to be processed after forming the Ti layer 4 is shown in FIG. Shown in
【0039】次に、同じECRプラズマCVDチャンバ
内で被処理基板を大気に曝すことなく、図2(b)に示
すようにTi層4表面に一例として下記条件によりH2
/Ar混合ガスを用いたプラズマ処理を120〜300
秒間施す。 H2 100 sccm Ar 50 sccm ガス圧力 0.75 Pa マイクロ波パワー 2.8 kW(2.45GHz) 基板温度 380〜460 ℃ 本プラズマ処理工程においては、プラズマ照射による熱
エネルギも加わり、被処理基板表面は400〜500℃
に迄昇温する。このためコンタクトホール3底部に露出
する半導体基板1表面の自然酸化膜11の還元反応と、
Ti層4のシリサイド化反応がほぼ同時に進行し、Ti
シリサイド層5が形成されるとともに、その表面には自
然酸化膜11中の酸素が析出しTiOx 層12が形成さ
れる。この間の様子を図2(c)〜(d)に示す。Next, without exposing to the atmosphere a substrate to be processed in the same ECR plasma CVD chamber, H 2 under the following conditions as an example the Ti layer 4 surface, as shown in FIG. 2 (b)
/ Ar plasma treatment using a mixed gas of 120 to 300
Apply for seconds. H 2 100 sccm Ar 50 sccm Gas pressure 0.75 Pa Microwave power 2.8 kW (2.45 GHz) Substrate temperature 380 to 460 ° C. In this plasma processing step, thermal energy due to plasma irradiation is added, and the surface of the substrate to be processed is added. Is 400-500 ° C
Heat up to. Therefore, a reduction reaction of the native oxide film 11 on the surface of the semiconductor substrate 1 exposed at the bottom of the contact hole 3 and
The silicidation reaction of the Ti layer 4 proceeds almost simultaneously,
At the same time as the silicide layer 5 is formed, oxygen in the natural oxide film 11 is precipitated on the surface, and the TiO x layer 12 is formed. The state during this time is shown in FIGS.
【0040】引き続き、H2 /Ar混合ガスを用いたプ
ラズマ処理を継続すると、図2(e)に示すように、T
iOx 層12の還元が進む。Ti酸化物の中で最も熱力
学的に安定なTiO2 の水素活性種による還元反応は、
下式(5)に示される発熱反応であり、熱力学的には進
行し易い系である。 TiO2 +4H* → Ti + 2H2 O ΔG=−440kJ/mol (5) この水素活性種による還元反応により、TiOx 層12
が除去され、清浄なTiシリサイド層5表面が形成され
る。H2 によるプラズマ処理工程においては、図6に示
すような水素原子線の発光スペクトル、すなわちHα線
(656.3nm)、Hβ線(486.1nm)、Hγ
線(434.0nm)およびHδ線(410.2nm)
の4本の線スペクトルが観測される。したがって、これ
ら水素原子線の発光スペクトルをモニタすることによ
り、H2 が水素原子に解離され、良好なプラズマ処理条
件のもとにTiOx 層12が還元されることが判る。Subsequently, when the plasma processing using the H 2 / Ar mixed gas is continued, as shown in FIG.
Reduction of the iO x layer 12 proceeds. The reduction reaction of TiO 2 , which is the most thermodynamically stable among Ti oxides, with hydrogen active species is
This is an exothermic reaction represented by the following formula (5), and is a system that thermodynamically proceeds easily. TiO 2 + 4H * → Ti + 2H 2 O ΔG = −440 kJ / mol (5) The TiO x layer 12
Is removed, and a clean Ti silicide layer 5 surface is formed. In the plasma treatment process using H 2, the emission spectrum of a hydrogen atom line as shown in FIG. 6, ie, Hα line (656.3 nm), Hβ line (486.1 nm), Hγ
Line (434.0 nm) and Hδ line (410.2 nm)
Are observed. Therefore, by monitoring the emission spectra of these hydrogen atom lines, it is understood that H 2 is dissociated into hydrogen atoms and the TiO x layer 12 is reduced under favorable plasma processing conditions.
【0041】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条件でTiN層を2
0nmの厚さに形成する。TiN層形成に先立ち、薄い
第2のTi層を新たに形成してもよい。 TiCl4 20 sccm H2 26 sccm N2 8 sccm Ar 170 sccm ガス圧力 0.75 Pa マイクロ波パワー 2.8 kW(2.45GHz) 基板温度 380〜460 ℃ 本プラズマCVD工程により、図2(f)に示すように
TiN層6がステップカバレッジ良く形成される。同図
ではコンタクトホール3側面にTi層4が残存している
が、これはTiN層のCVD工程により窒化され、Ti
N層に変換され消失する場合もある。この後の工程は、
Al系金属のスパッタリングや、W等の高融点金属のC
VD等によりコンタクトホール3を埋め込み、不図示の
コンタクトプラグあるいは配線層を形成する。Next, in the same ECR plasma CVD apparatus, for example, a TiN layer was formed under the following plasma CVD conditions.
It is formed to a thickness of 0 nm. Prior to the formation of the TiN layer, a thin second Ti layer may be newly formed. TiCl 4 20 sccm H 2 26 sccm N 2 8 sccm Ar 170 sccm Gas pressure 0.75 Pa Microwave power 2.8 kW (2.45 GHz) Substrate temperature 380-460 ° C. By this plasma CVD process, FIG. As shown in FIG. 5, the TiN layer 6 is formed with good step coverage. In the same figure, a Ti layer 4 remains on the side surface of the contact hole 3, but this is nitrided by a CVD process of a TiN layer,
It may be converted to the N layer and disappear. The subsequent steps are:
Sputtering of Al-based metal and C of refractory metal such as W
The contact hole 3 is buried by VD or the like, and a contact plug or a wiring layer (not shown) is formed.
【0042】本実施例によれば、高抵抗のTi−Si−
N化合物、TiOX 層あるいはTi−O−N−Si層が
形成されることなく、従来に比べて1桁以上低い抵抗値
を有するコンタクトを形成することができる。According to this embodiment, the high resistance Ti-Si-
Without forming an N compound, a TiO X layer or a Ti—O—N—Si layer, it is possible to form a contact having a resistance value that is at least one order of magnitude lower than in the prior art.
【0043】実施例3 本実施例は、処理装置としてECRプラズマCVDチャ
ンバと、熱処理チャンバとが個々にスタンドアローン装
置として存在する場合を想定し、個々の装置間を大気中
搬送することによりTiシリサイド層表面に形成される
酸化層を、H2ガスを含むプラズマにより還元除去後、
TiN層を形成した例である。このコンタクト形成方法
を図3(a)〜(d)を参照して説明する。Embodiment 3 In this embodiment, it is assumed that an ECR plasma CVD chamber and a heat treatment chamber are separately provided as stand-alone apparatuses as processing apparatuses, and Ti silicide is transported between the apparatuses in the atmosphere. After reducing and removing the oxide layer formed on the layer surface by plasma containing H 2 gas,
This is an example in which a TiN layer is formed. This contact forming method will be described with reference to FIGS.
【0044】まずシリコン等の半導体基板1上にSiO
2 からなる層間絶縁膜2を形成し、ここにコンタクトホ
ール3を開口する。層間絶縁膜2の厚さは一例として
1.0μm、コンタクトホール3の開口径は0.3μm
である。つぎにコンタクトホール3底部に露出する半導
体基板1の拡散層表面の自然酸化膜(図示せず)を希フ
ッ酸水溶液で除去した後、ECRプラズマCVD装置の
基板ステージ上に載置し、H2 /ArあるいはH2 /N
2 /Arプラズマ処理を施してコンタクトホール3底部
を清浄化する。つぎに同じECRプラズマCVD装置に
より、TiCl4 を含む混合ガスを用い、一例として下
記プラズマCVD条件によりTi層4を一例として20
nm形成する。 TiCl4 3 sccm H2 100 sccm Ar 170 sccm ガス圧力 0.75 Pa マイクロ波パワー 2.8 kW(2.45GHz) 基板温度 380〜460 ℃ Ti層4形成後の被処理基板を図3(a)に示す。First, on a semiconductor substrate 1 made of silicon or the like, SiO
2 is formed, and a contact hole 3 is opened here. The thickness of the interlayer insulating film 2 is, for example, 1.0 μm, and the opening diameter of the contact hole 3 is 0.3 μm.
It is. Next, after removing a natural oxide film (not shown) on the surface of the diffusion layer of the semiconductor substrate 1 exposed at the bottom of the contact hole 3 with a diluted hydrofluoric acid aqueous solution, the substrate is placed on a substrate stage of an ECR plasma CVD apparatus, and H 2. / Ar or H 2 / N
2 / Ar plasma treatment is performed to clean the bottom of the contact hole 3. Next, using the same ECR plasma CVD apparatus, a mixed gas containing TiCl 4 was used, and the Ti layer 4 was used as an example under the following plasma CVD conditions.
nm. TiCl 4 3 sccm H 2 100 sccm Ar 170 sccm Gas pressure 0.75 Pa Microwave power 2.8 kW (2.45 GHz) Substrate temperature 380-460 ° C. The substrate to be processed after the Ti layer 4 is formed is shown in FIG. Shown in
【0045】この後、ECRプラズマCVD装置から被
処理基板を搬出し、別体に設置された熱処理装置に搬入
する。この搬送過程で被処理基板は大気に曝されるた
め、Ti層4表面は酸化される。この表面酸化された被
処理基板に熱処理を施す。熱処理条件は、一例としてA
rまたはH2 雰囲気中、あるいはAr/H2 混合ガス雰
囲気中で、600℃〜800℃の温度条件とした。この
熱処理により、図3(b)に示すように、シリコンから
なる半導体基板1と接するコンタクトホール3底部のT
i層4は、Tiシリサイド層5に変換される。またTi
シリサイド層5の表面は、Ti層4の表面酸化の影響に
より、Ti−Si−OやTiOx からなる酸化層7が不
可避的に形成される。一方、この熱処理条件によって
は、層間絶縁膜2に接するTi層4はほとんど反応せ
ず、未反応のTi金属のままで留まる。Thereafter, the substrate to be processed is carried out of the ECR plasma CVD apparatus, and carried into a heat treatment apparatus which is separately provided. Since the substrate to be processed is exposed to the air during the transfer process, the surface of the Ti layer 4 is oxidized. A heat treatment is applied to the substrate whose surface has been oxidized. The heat treatment condition is, for example, A
A temperature condition of 600 ° C. to 800 ° C. was set in an r or H 2 atmosphere or an Ar / H 2 mixed gas atmosphere. By this heat treatment, as shown in FIG. 3 (b), T at the bottom of the contact hole 3 in contact with the semiconductor substrate 1 made of silicon
i layer 4 is converted to Ti silicide layer 5. Also Ti
An oxide layer 7 made of Ti—Si—O or TiO x is inevitably formed on the surface of the silicide layer 5 due to the surface oxidation of the Ti layer 4. On the other hand, depending on the heat treatment conditions, the Ti layer 4 in contact with the interlayer insulating film 2 hardly reacts, and remains unreacted Ti metal.
【0046】つぎに再び被処理基板をECRプラズマC
VD装置に搬送し、一例として下記条件によりH2 およ
びArを含む混合ガスによりプラズマ処理を施す。 H2 100 sccm Ar 20〜170 sccm ガス圧力 0.75 Pa マイクロ波パワー 2.8 kW(2.45GHz) 基板温度 常温 図3(c)に示されるこのプラズマ処理工程で、プラズ
マ中の水素活性種(H* )によりTiシリサイド層5上
の酸化層7は、次式(6)により水素還元される。 TiSiO+H* → TiSi+H2 O (6)Next, the substrate to be processed is again subjected to ECR plasma C.
It is transported to a VD device and subjected to a plasma treatment with a mixed gas containing H 2 and Ar under the following conditions, for example. H 2 100 sccm Ar 20 to 170 sccm Gas pressure 0.75 Pa Microwave power 2.8 kW (2.45 GHz) Substrate temperature Room temperature In this plasma processing step shown in FIG. The oxide layer 7 on the Ti silicide layer 5 is hydrogen-reduced by (H * ) according to the following equation (6). TiSiO + H * → TiSi + H 2 O (6)
【0047】この後、清浄なTiシリサイド層5および
Ti層4上に、一例として下記プラズマCVD条件でT
iN層を30nmの厚さに形成する。TiN層形成に先
立ち、薄い第2のTi層を新たに形成してもよい。 TiCl4 20 sccm H2 26 sccm N2 8 sccm Ar 170 sccm ガス圧力 0.75 Pa マイクロ波パワー 2.8 kW(2.45GHz) 基板温度 380〜460 ℃ 本プラズマCVD工程においては、プラズマ中のN+ や
N* 等の窒素活性種がコンタクトホール3底部にも到達
するが、この段階ではTiシリサイド層5がさらに窒化
されることはない。しかしながら、層間絶縁膜2に接す
る未反応のままのTi層4は窒素活性種と反応して窒化
され、TiNに変換する。この結果、図3(d)に示さ
れるように、コンタクトホール3底部のTiシリサイド
層5上にはプラズマCVDにより形成されたTiN層6
が、層間絶縁膜2に接する部分にはTi層4の窒化によ
るTiNとプラズマCVDにより形成されたTiNから
なるTiN層6が形成される。Thereafter, T is deposited on the clean Ti silicide layer 5 and Ti layer 4 under the following plasma CVD conditions as an example.
An iN layer is formed to a thickness of 30 nm. Prior to the formation of the TiN layer, a thin second Ti layer may be newly formed. TiCl 4 20 sccm H 2 26 sccm N 2 8 sccm Ar 170 sccm Gas pressure 0.75 Pa Microwave power 2.8 kW (2.45 GHz) Substrate temperature 380 to 460 ° C. In the present plasma CVD process, N in the plasma is used. Although nitrogen active species such as + and N * also reach the bottom of the contact hole 3, the Ti silicide layer 5 is not further nitrided at this stage. However, the unreacted Ti layer 4 in contact with the interlayer insulating film 2 reacts with the nitrogen active species and is nitrided to be converted to TiN. As a result, as shown in FIG. 3D, a TiN layer 6 formed by plasma CVD is formed on the Ti silicide layer 5 at the bottom of the contact hole 3.
However, a TiN layer 6 made of TiN formed by nitriding the Ti layer 4 and TiN formed by plasma CVD is formed at a portion in contact with the interlayer insulating film 2.
【0048】本実施例によれば、コンタクトホール3底
部のTi層4が予めTiシリサイド層5に変換され、ま
たTiシリサイド層5上の酸化層も除去されているの
で、Ti層4が過度に窒化されて高抵抗のTi−Si−
N化合物等が形成されることなく、従来に比べて約1桁
低い抵抗値を有するコンタクトを形成することができ
る。According to this embodiment, the Ti layer 4 at the bottom of the contact hole 3 is converted into the Ti silicide layer 5 in advance, and the oxide layer on the Ti silicide layer 5 is also removed. Ni-nitride and high-resistance Ti-Si-
It is possible to form a contact having a resistance value which is about one digit lower than that of the related art without forming an N compound or the like.
【0049】実施例4 本実施例は前実施例3に準拠するものであるが、本実施
例では特に接続孔底部に露出する半導体基板表面の自然
酸化膜除去が不充分な場合を想定し、この場合に低抵抗
のコンタクトを形成しようとするものである。このプロ
セスを図4(a)〜(e)を参照して説明する。図4は
いずれもコンタクトホールの底部を拡大して示す概略断
面図である。Embodiment 4 This embodiment is based on the previous embodiment 3. In this embodiment, it is particularly assumed that the natural oxide film on the surface of the semiconductor substrate exposed at the bottom of the connection hole is insufficiently removed. In this case, a low-resistance contact is to be formed. This process will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a schematic sectional view showing an enlarged bottom portion of the contact hole.
【0050】まずシリコン等の半導体基板1上にSiO
2 からなる層間絶縁膜2を形成し、ここにコンタクトホ
ール3を開口する。層間絶縁膜2の厚さは一例として
1.0μm、コンタクトホール3の開口径は0.2μm
である。つぎにコンタクトホール3底部に露出する半導
体基板1の拡散層表面の自然酸化膜(図示せず)を希フ
ッ酸水溶液等で除去し、コンタクトホール3底部を清浄
化した後、ECRプラズマCVD装置の基板ステージ上
に載置する。コンタクトホール3底部に露出する半導体
基板1表面には、新たな自然酸化膜11がすでに形成さ
れている。つぎにECRプラズマCVD装置により、T
iCl4 を含む混合ガスを用い、一例として下記プラズ
マCVD条件によりTi層4を一例として20nm形成
する。 TiCl4 3 sccm H2 100 sccm Ar 170 sccm ガス圧力 0.75 Pa マイクロ波パワー 2.8 kW(2.45GHz) 基板温度 380〜460 ℃ Ti層4形成後の被処理基板を図4(a)に示す。First, an SiO.sub.2 is deposited on a semiconductor substrate 1 such as silicon.
2 is formed, and a contact hole 3 is opened here. The thickness of the interlayer insulating film 2 is, for example, 1.0 μm, and the opening diameter of the contact hole 3 is 0.2 μm.
It is. Next, a natural oxide film (not shown) on the surface of the diffusion layer of the semiconductor substrate 1 exposed at the bottom of the contact hole 3 is removed with a diluted hydrofluoric acid aqueous solution or the like, and the bottom of the contact hole 3 is cleaned. Place on the substrate stage. On the surface of the semiconductor substrate 1 exposed at the bottom of the contact hole 3, a new natural oxide film 11 has already been formed. Next, TCR was performed using an ECR plasma CVD apparatus.
Using a mixed gas containing iCl 4 , a Ti layer 4 is formed to a thickness of 20 nm as an example under the following plasma CVD conditions. TiCl 4 3 sccm H 2 100 sccm Ar 170 sccm Gas pressure 0.75 Pa Microwave power 2.8 kW (2.45 GHz) Substrate temperature 380 to 460 ° C. The substrate to be processed after forming the Ti layer 4 is shown in FIG. Shown in
【0051】この後、ECRプラズマCVD装置から被
処理基板を搬出し、別体に設置された熱処理装置に搬入
する。この搬送過程で被処理基板は大気に曝されるた
め、Ti層4表面は酸化される。この表面酸化された被
処理基板に熱処理を施す。熱処理条件は、一例としてA
rまたはH2 雰囲気中、あるいはAr/H2 混合ガス雰
囲気中で、700℃〜800℃の温度条件とした。この
熱処理により、自然酸化膜11が還元されてTi層4表
面に析出し、大気暴露による表面酸化膜(図示せず)の
影響もあり、ここにTiOx 層12を形成する。同時
に、Ti層4のシリサイド化反応も進行し、Tiシリサ
イド層5が形成される。この一連の反応の様子を図4
(b)〜(c)に示す。一方、この熱処理条件によって
は、層間絶縁膜2に接するTi層4はほとんど反応せ
ず、未反応のTi金属のままで留まる。Thereafter, the substrate to be processed is carried out of the ECR plasma CVD apparatus, and is carried in to a separately provided heat treatment apparatus. Since the substrate to be processed is exposed to the air during the transfer process, the surface of the Ti layer 4 is oxidized. A heat treatment is applied to the substrate whose surface has been oxidized. The heat treatment condition is, for example, A
A temperature condition of 700 ° C. to 800 ° C. was set in an r or H 2 atmosphere or an Ar / H 2 mixed gas atmosphere. Due to this heat treatment, the natural oxide film 11 is reduced and deposited on the surface of the Ti layer 4, and the TiO x layer 12 is formed here due to the influence of the surface oxide film (not shown) due to exposure to the atmosphere. At the same time, the silicidation reaction of the Ti layer 4 also proceeds, and the Ti silicide layer 5 is formed. Fig. 4 shows this series of reactions.
(B) to (c). On the other hand, depending on the heat treatment conditions, the Ti layer 4 in contact with the interlayer insulating film 2 hardly reacts, and remains unreacted Ti metal.
【0052】つぎに再び被処理基板をECRプラズマC
VD装置に搬送し、一例として下記条件によりH2 およ
びArを含む混合ガスによりプラズマ処理を120〜3
00秒間施す。 H2 100 sccm Ar 20〜170 sccm ガス圧力 0.75 Pa マイクロ波パワー 2.8 kW(2.45GHz) 基板温度 常温 このプラズマ処理工程では、図4(d)にその様子を示
すように、プラズマ中の水素活性種によりTiシリサイ
ド層5上のTiOx 層12は、次式(7)により水素還
元され、清浄なTiシリサイド層5表面が形成される。
TiO2 +4H* → Ti + 2H2 OΔG=−44
0kJ/mol (7)Next, the substrate to be processed is again subjected to ECR plasma C.
It is transported to a VD apparatus and subjected to a plasma treatment with a mixed gas containing H 2 and Ar under the following conditions, for example, under the following conditions:
Apply for 00 seconds. H 2 100 sccm Ar 20 to 170 sccm Gas pressure 0.75 Pa Microwave power 2.8 kW (2.45 GHz) Substrate temperature Room temperature In this plasma processing step, as shown in FIG. The TiO x layer 12 on the Ti silicide layer 5 is hydrogen-reduced by the following formula (7) by the active hydrogen species therein, and a clean Ti silicide layer 5 surface is formed.
TiO 2 + 4H * → Ti + 2H 2 OΔG = −44
0 kJ / mol (7)
【0053】この後、清浄なTiシリサイド層5および
Ti層4上に、一例として下記プラズマCVD条件でT
iN層を20nmの厚さに形成する。TiN層の形成に
先立って、第2のTi層を薄く形成してもい。 TiCl4 20 sccm H2 26 sccm N2 8 sccm Ar 170 sccm ガス圧力 0.75 Pa マイクロ波パワー 2.8 kW(2.45GHz) 基板温度 380〜460 ℃ 本プラズマCVD工程においては、プラズマ中のN+ や
N* 等の窒素活性種がコンタクトホール3底部にも到達
するが、この段階ではTiシリサイド層5がさらに窒化
されることはない。しかしながら、層間絶縁膜2に接す
る未反応のままのTi層4は窒素活性種と反応して窒化
され、TiNに変換する。この結果、図4(e)に示す
ようにコンタクトホール3底部のTiシリサイド層5上
にはプラズマCVDにより形成されたTiN層6が、層
間絶縁膜2に接する部分にはTi層4の窒化によるTi
NとプラズマCVDにより形成されたTiNからなるT
iN層6が形成される。Thereafter, T is deposited on clean Ti silicide layer 5 and Ti layer 4 under the following plasma CVD conditions, for example.
An iN layer is formed to a thickness of 20 nm. Prior to the formation of the TiN layer, the second Ti layer may be formed thin. TiCl 4 20 sccm H 2 26 sccm N 2 8 sccm Ar 170 sccm Gas pressure 0.75 Pa Microwave power 2.8 kW (2.45 GHz) Substrate temperature 380 to 460 ° C. In the present plasma CVD process, N in the plasma is used. Although nitrogen active species such as + and N * also reach the bottom of the contact hole 3, the Ti silicide layer 5 is not further nitrided at this stage. However, the unreacted Ti layer 4 in contact with the interlayer insulating film 2 reacts with the nitrogen active species and is nitrided to be converted to TiN. As a result, a TiN layer 6 formed by plasma CVD is formed on the Ti silicide layer 5 at the bottom of the contact hole 3 as shown in FIG. Ti
T consisting of N and TiN formed by plasma CVD
An iN layer 6 is formed.
【0054】本実施例によれば、コンタクトホール3底
部のTi層4が予めTiシリサイド層5に変換され、ま
たTiシリサイド層5上の酸化層も除去されているの
で、従来に比べて約1桁低い抵抗値を有するコンタクト
を形成することができる。According to the present embodiment, the Ti layer 4 at the bottom of the contact hole 3 is converted into the Ti silicide layer 5 in advance, and the oxide layer on the Ti silicide layer 5 is also removed. A contact having an order of magnitude lower resistance can be formed.
【0055】実施例5 本実施例は、前実施例3と同様に、処理装置としてEC
RプラズマCVDチャンバと、熱処理チャンバとが個々
にスタンドアローン装置として存在する場合を想定し、
個々の装置間を大気中搬送することによりTiシリサイ
ド層表面に形成される酸化層を、ハロゲン系化学種を含
むガスにより除去後、H2 ガスを含むプラズマ処理を施
してから、TiN層を形成した例である。このコンタク
ト形成方法を図5(a)〜(d)を参照して説明する。Embodiment 5 This embodiment is similar to the previous embodiment 3 in that the processing apparatus is an EC.
Assuming that the R plasma CVD chamber and the heat treatment chamber exist individually as stand-alone devices,
After removing the oxide layer formed on the surface of the Ti silicide layer by transporting between the individual devices into the atmosphere with a gas containing a halogen-based chemical species, performing a plasma treatment including an H 2 gas, and then forming a TiN layer This is an example. This contact formation method will be described with reference to FIGS.
【0056】本実施例においては、シリサイド化熱処理
を施す工程、すなわち図5(a)に示した工程までは前
実施例3で図3(a)〜(b)を参照して説明した工程
と同様であり、重複する説明は省略することとする。T
iシリサイド層5の表面は、Ti層4の表面酸化の影響
により、Ti−Si−Oからなる酸化層7が不可避的に
形成されている。In this embodiment, the steps of performing the heat treatment for silicidation, that is, the steps shown in FIG. 5A are the same as those described in the previous embodiment 3 with reference to FIGS. The same is true, and duplicate description will be omitted. T
An oxide layer 7 made of Ti—Si—O is inevitably formed on the surface of the i-silicide layer 5 due to the surface oxidation of the Ti layer 4.
【0057】つぎに図5(a)に示す被処理基板を再び
被処理基板をECRプラズマCVD装置に搬送し、一例
として下記条件によりCl2 ガスを含むガスによりプラ
ズマ処理を施す。 Cl2 5〜20 sccm Ar 170 sccm ガス圧力 0.75 Pa マイクロ波パワー 2.8 kW(2.45GHz) 基板温度 常温 このプラズマ処理工程を図5(b)に示す。この工程で
は、次式(8)によりTiシリサイド層5上の酸化層7
が、塩素化学種(Cl* )により反応性エッチングされ
除去される。 TiSiO+8Cl* →TiCl4 +SiCl4 +1/2 O2 (8)Next, the substrate to be processed shown in FIG. 5A is transported again to the ECR plasma CVD apparatus, and subjected to a plasma treatment with a gas containing Cl 2 gas under the following conditions, for example. Cl 2 5 sccm Ar 170 sccm Gas pressure 0.75 Pa Microwave power 2.8 kW (2.45 GHz) Substrate temperature Room temperature This plasma processing step is shown in FIG. In this step, the oxide layer 7 on the Ti silicide layer 5 is expressed by the following equation (8).
Are reactively etched and removed by chlorine species (Cl * ). TiSiO + 8Cl * → TiCl 4 + SiCl 4 +1/2 O 2 (8)
【0058】つぎに同一ECRプラズマCVD装置内で
一例として下記条件によりH2 およびArを含む混合ガ
スによりプラズマ処理を施す。 H2 100 sccm Ar 20〜170 sccm ガス圧力 0.75 Pa マイクロ波パワー 2.8 kW(2.45GHz) 基板温度 常温 このプラズマ処理工程では、図5(c)に示すように、
プラズマ中の水素活性種によりTiシリサイド層5上に
付着したハロゲン系化学種、この場合はCl*やTiC
lx 等を除去する。Next, a plasma treatment is performed in the same ECR plasma CVD apparatus with a mixed gas containing H 2 and Ar under the following conditions as an example. H 2 100 sccm Ar 20 to 170 sccm Gas pressure 0.75 Pa Microwave power 2.8 kW (2.45 GHz) Substrate temperature Room temperature In this plasma processing step, as shown in FIG.
Halogen-based species adhering to the Ti silicide layer 5 due to active hydrogen species in the plasma, in this case Cl * or TiC
Remove lx etc.
【0059】この後、清浄なTiシリサイド層5および
Ti層4上に、第2のTi層(図示せず)を例えば10
nmの厚さにECRプラズマCVD法により形成する。
続けて同じECRプラズマCVDチャンバ内で、一例と
して下記プラズマCVD条件でTiN層を30nmの厚
さに形成する。 TiCl4 20 sccm H2 26 sccm N2 8 sccm Ar 170 sccm ガス圧力 0.75 Pa マイクロ波パワー 2.8 kW(2.45GHz) 基板温度 380〜460 ℃ 本プラズマCVD工程においては、プラズマ中のN+ や
N* 等の窒素活性種がコンタクトホール3底部にも到達
するが、この段階ではTiシリサイド層5がさらに窒化
されることはない。しかしながら、層間絶縁膜2に接す
る未反応のままのTi層4は窒素活性種と反応して窒化
され、TiNに変換する。この結果、図5(d)に示す
ようにコンタクトホール3底部のTiシリサイド層5上
にはプラズマCVDにより形成されたTiN層6が、層
間絶縁膜2に接する部分にはTi層4の窒化によるTi
NとプラズマCVDにより形成されたTiNからなるT
iN層6が形成される。Thereafter, a second Ti layer (not shown) is formed on the clean Ti silicide layer 5 and the Ti layer 4 by, for example, 10
It is formed to a thickness of nm by ECR plasma CVD.
Subsequently, in the same ECR plasma CVD chamber, a TiN layer is formed to a thickness of 30 nm under the following plasma CVD conditions as an example. TiCl 4 20 sccm H 2 26 sccm N 2 8 sccm Ar 170 sccm Gas pressure 0.75 Pa Microwave power 2.8 kW (2.45 GHz) Substrate temperature 380 to 460 ° C. In the present plasma CVD process, N in the plasma is used. Although nitrogen active species such as + and N * also reach the bottom of the contact hole 3, the Ti silicide layer 5 is not further nitrided at this stage. However, the unreacted Ti layer 4 in contact with the interlayer insulating film 2 reacts with the nitrogen active species and is nitrided to be converted to TiN. As a result, as shown in FIG. 5D, a TiN layer 6 formed by plasma CVD is formed on the Ti silicide layer 5 at the bottom of the contact hole 3 and a Ti layer 4 is formed by nitriding the portion in contact with the interlayer insulating film 2. Ti
T consisting of N and TiN formed by plasma CVD
An iN layer 6 is formed.
【0060】本実施例によれば、コンタクトホール3底
部のTi層4が予めTiシリサイド層5に変換され、ま
たTiシリサイド層5上の酸化層も完全に除去されてい
るので、Ti層4が過度に窒化されて高抵抗のTi−S
i−N化合物等が形成されることなく、従来に比べて約
1桁以上低い抵抗値を有するコンタクトを形成すること
ができる。According to this embodiment, the Ti layer 4 at the bottom of the contact hole 3 is converted into the Ti silicide layer 5 in advance, and the oxide layer on the Ti silicide layer 5 is completely removed. Excessively nitrided and high resistance Ti-S
It is possible to form a contact having a resistance value that is lower by about one digit or more than before without forming an iN compound or the like.
【0061】以上の実施例1ないし5は、コンタクトホ
ール底部に露出する半導体基板の不純物拡散層のみにT
iシリサイド層を形成し、この後TiN層を形成した例
であった。以下の実施例6ないし8は、半導体基板の不
純物拡散層上全面にサリサイドプロセスによりTiシリ
サイド層が形成され、この後の層間絶縁膜形成工程、接
続孔開口工程を経てTiN層を形成する場合に本発明を
適用した例である。In the first to fifth embodiments described above, only the impurity diffusion layer of the semiconductor substrate exposed at the bottom of the contact hole has T
In this example, an i-silicide layer was formed, and then a TiN layer was formed. In the following Examples 6 to 8, a Ti silicide layer is formed by a salicide process over the entire surface of an impurity diffusion layer of a semiconductor substrate, and a TiN layer is formed through a subsequent interlayer insulating film forming step and a connection hole opening step. It is an example to which the present invention is applied.
【0062】実施例6 本実施例はECRプラズマCVD装置を採用し、金属シ
リサイド層上の酸化層を除去する工程から金属窒化物層
を形成する工程を経て、ブランケットCVDによりタン
グステン層を形成する工程までを被処理基板を大気に曝
すことなく、連続的に施した例であり、これを図8
(a)〜(c)および図9(d)〜(f)を参照して説
明する。Embodiment 6 In this embodiment, an ECR plasma CVD apparatus is used, and a tungsten layer is formed by blanket CVD from a step of removing an oxide layer on a metal silicide layer to a step of forming a metal nitride layer. 8 is an example in which the substrate to be processed is continuously applied without exposing the substrate to the atmosphere.
This will be described with reference to (a) to (c) and FIGS. 9 (d) to (f).
【0063】不図示の拡散層表面に自己整合的にTiシ
リサイド層5が形成された半導体基板1を用意する。こ
の半導体基板1は、通常のサリサイドプロセスにより形
成してよい。つぎに半導体基板1上全面にSiO2 から
なる層間絶縁膜2を例えば1.5μmの厚さに形成した
後、Tiシリサイド層5が形成された拡散層に臨むコン
タクトホール3をRIE等により形成する。コンタクト
ホール3の開口径は例えば0.2μmである。コンタク
トホール3底部に露出するTiシリサイド層5の表面に
は、図8(a)に示すようにTiOx からなる酸化層7
が形成されており、この状態のままコンタクトプラグを
形成しても低抵抗の電気的接続を得ることはできない。A semiconductor substrate 1 having a Ti silicide layer 5 formed on the surface of a diffusion layer (not shown) in a self-aligned manner is prepared. This semiconductor substrate 1 may be formed by a normal salicide process. Next, after forming an interlayer insulating film 2 made of SiO 2 to a thickness of, for example, 1.5 μm over the entire surface of the semiconductor substrate 1, a contact hole 3 facing the diffusion layer in which the Ti silicide layer 5 is formed is formed by RIE or the like. . The opening diameter of the contact hole 3 is, for example, 0.2 μm. On the surface of the Ti silicide layer 5 exposed in the contact hole 3 bottom oxide layer 7 of TiO x, as shown in FIG. 8 (a)
Thus, even if a contact plug is formed in this state, a low-resistance electrical connection cannot be obtained.
【0064】図8(a)に示す被処理基板をECRプラ
ズマCVD装置の基板ステージ上にセッティングし、一
例として下記条件によりH2 を含むガスを用いて酸化層
7を除去する。 H2 100〜300 sccm Ar 0〜100 sccm ガス圧力 0.75 Pa マイクロ波パワー 2.8 kW(2.45GHz) 基板温度 室温〜460 ℃ この水素プラズマ処理工程では図8(b)に示すように
酸化層7は容易に還元され、図8(c)に示すようにT
iシリサイド層5表面は清浄化される。The substrate to be processed shown in FIG. 8A is set on a substrate stage of an ECR plasma CVD apparatus, and as an example, the oxide layer 7 is removed using a gas containing H 2 under the following conditions. H 2 100 to 300 sccm Ar 0 to 100 sccm Gas pressure 0.75 Pa Microwave power 2.8 kW (2.45 GHz) Substrate temperature Room temperature to 460 ° C. In this hydrogen plasma processing step, as shown in FIG. The oxide layer 7 is easily reduced, and as shown in FIG.
The surface of the i-silicide layer 5 is cleaned.
【0065】つぎに同じECRプラズマCVD装置内
で、TiCl4 を含む混合ガスを用いた下記プラズマC
VD条件により、Ti層4を例えば15nm連続的に形
成する。Ti層4形成後の状態を図9(d)に示す。 TiCl4 3 sccm H2 200 sccm Ar 170 sccm ガス圧力 0.75 Pa マイクロ波パワー 2.8 kW(2.45GHz) 基板温度 380〜460 ℃ このTi層4の形成工程は省略してもよい。Next, in the same ECR plasma CVD apparatus, the following plasma C using a mixed gas containing TiCl 4 was used.
The Ti layer 4 is continuously formed, for example, by 15 nm under the VD condition. FIG. 9D shows a state after the Ti layer 4 is formed. TiCl 4 3 sccm H 2 200 sccm Ar 170 sccm Gas pressure 0.75 Pa Microwave power 2.8 kW (2.45 GHz) Substrate temperature 380-460 ° C. The step of forming the Ti layer 4 may be omitted.
【0066】続けて同じECRプラズマCVD装置内
で、TiCl4 を含む混合ガスを用いた下記プラズマC
VD条件により、TiN層6を例えば15nm連続的に
形成する。TiN層6形成後の状態を図9(e)に示
す。TiN層形成条件 TiCl4 20 sccm H2 26 sccm N2 8 sccm Ar 170 sccm ガス圧力 0.75 Pa マイクロ波パワー 2.8 kW(2.45GHz) 基板温度 380〜460 ℃Subsequently, in the same ECR plasma CVD apparatus, the following plasma C using a mixed gas containing TiCl 4 was used.
Under the VD condition, the TiN layer 6 is continuously formed, for example, by 15 nm. FIG. 9E shows the state after the formation of the TiN layer 6. TiN layer forming conditions TiCl 4 20 sccm H 2 26 sccm N 2 8 sccm Ar 170 sccm Gas pressure 0.75 Pa Microwave power 2.8 kW (2.45 GHz) substrate temperature three hundred and eighty to four hundred sixty ° C.
【0067】この後、被処理基板を大気に曝すことな
く、ゲートバルブを介してタングステンCVD装置に搬
送し、図9(f)に示すように、公知のブランケットC
VD法によりW層13を形成し、W層13、TiN層6
およびTi層4をエッチバックしてコンタクトプラグと
する。あるいはW層13、TiN層6およびTi層4を
上層配線の形状にパターニングしてもよい。本実施例に
よれば、Tiシリサイド層5上の酸化層が除去されてお
り、この後被処理基板を大気に露出することなく連続的
にTi層、TiN層およびW層を形成するので、低抵抗
のコンタクトを形成することができる。Thereafter, the substrate to be processed is transferred to a tungsten CVD apparatus via a gate valve without exposing the substrate to the atmosphere, and as shown in FIG.
The W layer 13 is formed by the VD method, and the W layer 13 and the TiN layer 6 are formed.
Then, the Ti layer 4 is etched back to form a contact plug. Alternatively, the W layer 13, the TiN layer 6, and the Ti layer 4 may be patterned into the shape of the upper wiring. According to the present embodiment, the oxide layer on the Ti silicide layer 5 is removed, and thereafter, the Ti layer, the TiN layer, and the W layer are continuously formed without exposing the substrate to be processed to the atmosphere. Resistive contacts can be formed.
【0068】実施例7 本実施例は金属シリサイド層上の酸化層を除去する工程
後、金属窒化物層を形成する工程を、金属シリサイド層
の窒化により選択的に形成し、その後選択CVDにより
アルミニウムプラグを埋め込む迄の工程を、被処理基板
を大気に曝すことなく連続的に施した例であり、これを
図10(a)〜(c)を参照して説明する。Embodiment 7 In the present embodiment, after the step of removing the oxide layer on the metal silicide layer, the step of forming the metal nitride layer is selectively performed by nitriding the metal silicide layer, and then the aluminum is formed by selective CVD. This is an example in which the process until the plug is embedded is continuously performed without exposing the substrate to be processed to the atmosphere. This will be described with reference to FIGS.
【0069】図10(a)は、不図示の拡散層表面に自
己整合的にTiシリサイド層5が形成された半導体板1
上に層間絶縁膜2を形成し、コンタクトホール3を開口
した被処理基板をECRプラズマCVD装置により水素
プラズマ処理して、Tiシリサイド層5表面の酸化層
(図示せず)を還元除去し清浄化したものの概略断面図
である。ここまでの工程は、前実施例7において図8
(a)〜(c)を参照して説明した工程に準じて施すこ
とができる。FIG. 10A shows a semiconductor plate 1 in which a Ti silicide layer 5 is formed in a self-aligned manner on the surface of a diffusion layer (not shown).
An interlayer insulating film 2 is formed thereon, and the substrate to be processed having the contact holes 3 opened is subjected to hydrogen plasma treatment by an ECR plasma CVD apparatus to reduce and remove an oxide layer (not shown) on the surface of the Ti silicide layer 5 for cleaning. It is a schematic sectional drawing of what was done. The steps up to this point are the same as those in the previous embodiment 7 shown in FIG.
It can be applied according to the steps described with reference to (a) to (c).
【0070】つぎに同じECRプラズマCVD装置内
で、あるいはゲートバルブを介して平行平板型プラズマ
処理装置に搬送し、N2 、Arを含む混合ガスによりプ
ラズマ処理を施す。ここでは平行平板型プラズマ処理装
置による処理条件の一例を下記に示す。 N2 100〜2000 sccm Ar 0〜300 sccm ガス圧力 7.5 Pa RFパワー 0.1〜1 kW(0.45〜60MHz) 基板温度 室温〜460 ℃ このプラズマ中には、N2 + を始めとする窒素活性種が
存在するので、図10(b)に示すように清浄化された
Tiシリサイド層5の窒化反応により、TiN層6が自
己整合的に形成される。Next, the wafer is transported to the parallel plate type plasma processing apparatus in the same ECR plasma CVD apparatus or through a gate valve, and is subjected to plasma processing using a mixed gas containing N 2 and Ar. Here, an example of processing conditions by the parallel plate type plasma processing apparatus is shown below. N 2 100 to 2000 sccm Ar 0 to 300 sccm Gas pressure 7.5 Pa RF power 0.1 to 1 kW (0.45 to 60 MHz) Substrate temperature Room temperature to 460 ° C. In the plasma, N 2 + 10B, the TiN layer 6 is formed in a self-aligned manner by the nitriding reaction of the cleaned Ti silicide layer 5 as shown in FIG.
【0071】図10(b)に示す被処理基板を、同じく
大気に曝すことなくアルミニウムCVD装置に搬送し、
有機金属化合物DMAHあるいはTIBAを用いてアル
ミニウムの選択CVDを施す。ガス圧力としては0.0
1〜1Torrであり、このうち、DMAHの分圧は
0.01〜0.1Torrでよい。被処理基板温度は2
00〜300℃とした。この結果、図10(c)に示す
ようにAl層14からなるコンタクトプラグがコンタク
トホール3内に埋め込まれた。Tiシリサイド層5表面
にはTiN層6が形成されているので、Alスパイク等
による接合リークが発生することなく、良好な低抵抗オ
ーミックコンタクトを形成することができる。The substrate to be processed shown in FIG. 10B is transported to an aluminum CVD apparatus without being exposed to the atmosphere.
Selective CVD of aluminum is performed using an organic metal compound DMAH or TIBA. The gas pressure is 0.0
1 to 1 Torr, of which the partial pressure of DMAH may be 0.01 to 0.1 Torr. Substrate temperature is 2
00 to 300 ° C. As a result, a contact plug made of the Al layer 14 was buried in the contact hole 3 as shown in FIG. Since the TiN layer 6 is formed on the surface of the Ti silicide layer 5, a good low-resistance ohmic contact can be formed without causing junction leakage due to Al spikes or the like.
【0072】実施例8 本実施例は、金属シリサイド層上の酸化層を除去する工
程後、選択CVDによりタングステンプラグを埋め込む
迄の工程を、被処理基板を大気に曝すことなく連続的に
施した例であり、これを図11(a)〜(b)を参照し
て説明する。Embodiment 8 In this embodiment, the steps from the step of removing the oxide layer on the metal silicide layer to the step of embedding a tungsten plug by selective CVD are continuously performed without exposing the substrate to be processed to the atmosphere. This is an example, which will be described with reference to FIGS.
【0073】図11(a)は、前実施例6で図8(a)
を参照して説明した工程に準じて、不図示の拡散層表面
に自己整合的にTiシリサイド層5が形成された半導体
板1上に層間絶縁膜2を形成し、コンタクトホール3を
開口した被処理基板を、ここでは平行平板型プラズマ処
理装置により水素プラズマ処理しつつある状態を示す概
略断面図である。プラズマ処理条件の一例を下記に示
す。 H2 100〜2000 sccm Ar 0〜300 sccm ガス圧力 7.5 Pa RFパワー 0.1〜1 kW(0.45〜60MHz) 基板温度 室温〜460 ℃ この水素プラズマ処理工程では酸化層7は容易に還元さ
れ、Tiシリサイド層5表面は清浄化される。この後、
前実施例と同様に窒素プラズマ処理を施してTiN層を
形成してもよいが、本実施例ではこのまま次工程に移
る。FIG. 11 (a) shows the results of the sixth embodiment shown in FIG.
The interlayer insulating film 2 is formed on the semiconductor plate 1 in which the Ti silicide layer 5 is formed in a self-aligned manner on the surface of a diffusion layer (not shown) according to the process described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a state in which a processing substrate is being subjected to hydrogen plasma processing by a parallel plate type plasma processing apparatus here. An example of the plasma processing conditions is shown below. H 2 100 to 2000 sccm Ar 0 to 300 sccm Gas pressure 7.5 Pa RF power 0.1 to 1 kW (0.45 to 60 MHz) Substrate temperature Room temperature to 460 ° C. In this hydrogen plasma processing step, the oxide layer 7 is easily formed. It is reduced and the surface of the Ti silicide layer 5 is cleaned. After this,
The TiN layer may be formed by performing a nitrogen plasma treatment in the same manner as in the previous embodiment, but in this embodiment, the process proceeds to the next step.
【0074】つぎに同一チャンバ内で、あるいはタング
ステンCVD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CVD条件でコンタクトホール3
内にW層13からなるコンタクトプラグを埋め込む。こ
の状態を図11(b)に示す。 SiH4 /WF6 流量比 1 以下 ガス圧力 0.01〜1 Torr 基板温度 200〜400 ℃Next, the substrate to be processed is transported in the same chamber or in a tungsten CVD apparatus without exposing the substrate to the atmosphere.
A contact plug made of the W layer 13 is embedded therein. This state is shown in FIG. SiH 4 / WF 6 flow rate ratio 1 or less Gas pressure 0.01-1 Torr Substrate temperature 200-400 ° C.
【0075】本実施例によれば、Tiシリサイド層5表
面の酸化層は除去されているので、清浄なW/TiSi
2 界面が形成でき、低抵抗のコンタクトを形成すること
ができる。According to this embodiment, since the oxide layer on the surface of the Ti silicide layer 5 has been removed, clean W / TiSi
Two interfaces can be formed, and a low-resistance contact can be formed.
【0076】以上、本発明のコンタクト形成方法を8例
の実施例により詳細な説明を加えたが、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、Ti層やTiN層をプラズマCVD方法
により形成する場合のプラズマCVD装置、H2 プラズ
マ処理装置あるいはハロゲン系化学種によるプラズマ処
理装置として、実施例ではECRプラズマCVD装置あ
るいは平行平板型プラズマ処理装置を採用したが、誘導
結合プラズマCVD装置あるいはヘリコン波プラズマC
VD装置等を任意に用いてよい。またTiN層の下層と
なるTi層はスパッタリング等により形成してもよい。
さらに、TiN層は減圧CVD法により形成する場合に
も本発明は好適に実施できる。TiN層の減圧CVD法
の一例を下記に示す。 TiCl4 40 sccm NH3 60 sccm N2 3000 sccm ガス圧力 10〜3000 Pa 基板温度 630 ℃As described above, the contact forming method of the present invention has been described in detail with reference to eight examples. However, the present invention is not limited to these examples, and various embodiments are possible. For example, a plasma CVD apparatus in the case of forming by plasma CVD method a Ti layer and a TiN layer, H 2 plasma processing apparatus or a plasma processing apparatus using a halogen-based chemical species, in the embodiment ECR plasma CVD apparatus or a parallel plate type plasma processing apparatus Was adopted, but inductively coupled plasma CVD equipment or helicon wave plasma C
A VD device or the like may be used arbitrarily. Further, the Ti layer which is the lower layer of the TiN layer may be formed by sputtering or the like.
Further, the present invention can be suitably implemented even when the TiN layer is formed by a low pressure CVD method. An example of the reduced pressure CVD method for the TiN layer is shown below. TiCl 4 40 sccm NH 3 60 sccm N 2 3000 sccm Gas pressure 10 to 3000 Pa Substrate temperature 630 ° C.
【0077】ハロゲン化チタン化合物としてTiCl4
を例示したが、TiBr4 等他のハロゲン化合物を用い
ることができる。またハロゲン化チタンに限らず、各種
金属ハロゲン物のプラズマCVDによる金属膜や金属窒
化膜の形成に本発明の技術的思想を敷衍可能であること
も明らかである。TiCl 4 is used as a titanium halide compound.
However, other halogen compounds such as TiBr 4 can be used. It is also clear that the technical idea of the present invention can be extended to the formation of metal films and metal nitride films by plasma CVD of various metal halides, not limited to titanium halides.
【0078】金属シリサイド材料、金属窒化物材料とし
てはTiシリサイドやTiNを主体に説明を加えたが、
Co等各種金属のシリサイドや窒化物を用いることが可
能である。As the metal silicide material and the metal nitride material, Ti silicide and TiN have been mainly described.
It is possible to use silicide or nitride of various metals such as Co.
【0079】TiN層を成膜する被処理基板として、不
純物拡散層に臨む接続孔を有するシリコン基板や、サリ
サイド法によりシリサイド層が形成されたシリコン基板
を例示したが、多結晶シリコンや非晶質シリコンによる
配線層等に臨むバイアホールを有する半導体基板や、他
のシリコン材料を含む被処理物を適宜採用してもよい。As a substrate to be processed on which a TiN layer is formed, a silicon substrate having a connection hole facing an impurity diffusion layer and a silicon substrate having a silicide layer formed by a salicide method have been exemplified. A semiconductor substrate having a via hole facing a wiring layer or the like made of silicon or an object to be processed containing another silicon material may be appropriately used.
【0080】[0080]
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のコンタクト形成方法によれば、下地のシリコン材料層
上のTi層上にTiN層をCVD法により形成する際
に、あるいは下地の金属シリサイド層上にTiN層を形
成する際に、下地シリコン材料層上の自然酸化膜が残留
することなく、低抵抗のコンタクトを形成することがで
きる。また、このTiN層をCVD法により形成する場
合には、下層のTi層の過度の窒化やエッチングを効果
的に防止できる。このため、コンタクトプラグに採用し
た場合に、信頼性の高い、低抵抗のオーミックコンタク
トを形成できる。したがって、本発明のコンタクト形成
方法を用いることにより、低抵抗のオーミックコンタク
トを有する、高速動作の可能な高集積度半導体装置を提
供することが可能となる。As is apparent from the above description, according to the contact formation method of the present invention, when forming a TiN layer on a Ti layer on a silicon material layer as a base by a CVD method, When the TiN layer is formed on the silicide layer, a low-resistance contact can be formed without leaving a natural oxide film on the underlying silicon material layer. When the TiN layer is formed by the CVD method, excessive nitriding and etching of the underlying Ti layer can be effectively prevented. For this reason, when adopted for a contact plug, a highly reliable, low-resistance ohmic contact can be formed. Therefore, by using the contact formation method of the present invention, it is possible to provide a high-integration semiconductor device having a low-resistance ohmic contact and capable of operating at high speed.
【図1】実施例1のコンタクト形成方法を、その工程順
に示す概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a contact forming method of Example 1 in the order of steps.
【図2】実施例2のコンタクト形成方法を、その工程順
に示す概略断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a contact forming method of Example 2 in the order of steps.
【図3】実施例3のコンタクト形成方法を、その工程順
に示す概略断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a contact formation method of Example 3 in the order of steps.
【図4】実施例4のコンタクト形成方法を、その工程順
に示す概略断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a contact forming method of Example 4 in the order of steps.
【図5】実施例5のコンタクト形成方法を、その工程順
に示す概略断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a contact forming method of Example 5 in the order of steps.
【図6】水素原子線の発光スペクトル図である。FIG. 6 is an emission spectrum diagram of a hydrogen atom beam.
【図7】本発明のコンタクト形成方法によるコンタクト
部の概略断面図である。FIG. 7 is a schematic sectional view of a contact portion according to the contact forming method of the present invention.
【図8】実施例6のコンタクト形成方法の前半を、その
工程順に示す概略断面図である。FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing the first half of a contact formation method according to a sixth embodiment in the order of steps.
【図9】実施例6のコンタクト形成方法の後半を、その
工程順に示す概略断面図である。FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing the latter half of the contact forming method of Example 6 in the order of the steps.
【図10】実施例7のコンタクト形成方法を、その工程
順に示す概略断面図である。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing a contact formation method of Example 7 in the order of steps.
【図11】実施例8のコンタクト形成方法を、その工程
順に示す概略断面図である。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing a contact formation method of Example 8 in the order of steps.
【図12】従来例のコンタクト形成方法によるコンタク
ト部の概略断面図である。FIG. 12 is a schematic sectional view of a contact portion according to a conventional contact forming method.
【図13】他の従来例のコンタクト形成方法によるコン
タクト部の概略断面図である。FIG. 13 is a schematic sectional view of a contact portion according to another conventional contact forming method.
【図14】さらに他の従来例のコンタクト形成方法によ
るコンタクト部の概略断面図である。FIG. 14 is a schematic sectional view of a contact portion according to still another conventional contact forming method.
1…半導体基板、2…層間絶縁膜、3…コンタクトホー
ル、4…Ti層、5…Tiシリサイド層、6…TiN
層、7…酸化層、8…Ti−O−N−Si化合物層、9
…Ti−Si−N化合物層、10…Tiの窒化によるT
iN層、11…自然酸化膜、12…TiOx 層、13…
W層、14…Al層DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor substrate, 2 ... Interlayer insulating film, 3 ... Contact hole, 4 ... Ti layer, 5 ... Ti silicide layer, 6 ... TiN
Layer, 7: oxide layer, 8: Ti-ON-Si compound layer, 9
... Ti-Si-N compound layer, 10 ... T by nitriding Ti
iN layer, 11 ... natural oxide film, 12 ... TiO x layer, 13 ...
W layer, 14 ... Al layer
Claims (21)
層を形成する工程、 前記被処理基板に熱処理を施すことにより、前記シリコ
ン材料と前記金属層を反応させ、金属シリサイド層を形
成する工程、 前記金属シリサイド層上に、ハロゲン化金属化合物およ
び窒化剤を含む混合ガスを用い、金属窒化物層をCVD
法により形成する工程、を有することを特徴とするコン
タクト形成方法。A step of forming a metal layer on a substrate to be processed containing a silicon material; a step of forming a metal silicide layer by reacting the silicon material with the metal layer by performing a heat treatment on the substrate to be processed. Forming a metal nitride layer on the metal silicide layer by using a mixed gas containing a metal halide compound and a nitriding agent;
A contact forming method.
金属窒化物層をCVD法により形成する工程は、いずれ
もプラズマCVD法により施すことを特徴とする請求項
1記載のコンタクト形成方法。2. The method according to claim 1, wherein the step of forming the metal layer and the step of forming the metal nitride layer by a CVD method are both performed by a plasma CVD method.
リサイド層を形成する工程、および前記金属窒化物層を
CVD法により形成する工程は、 前記被処理基板を大気に曝すことなく、連続的に施すこ
とを特徴とする請求項1記載のコンタクト形成方法。3. The step of forming the metal layer, the step of forming the metal silicide layer, and the step of forming the metal nitride layer by a CVD method without exposing the substrate to be processed to the atmosphere. 2. The method according to claim 1, wherein the method is performed.
後、前記金属シリサイド層上に第2の金属層を形成し、
前記第2の金属層上に、前記金属窒化物層を形成するこ
とを特徴とする請求項1記載のコンタクト形成方法。4. After the step of forming the metal silicide layer, a second metal layer is formed on the metal silicide layer,
2. The method according to claim 1, wherein the metal nitride layer is formed on the second metal layer.
層を形成する工程、 前記被処理基板に熱処理を施すことにより、前記シリコ
ン材料と前記金属層を反応させ、金属シリサイド層を形
成する工程、 H2 を含むガスによるプラズマ処理を施し、前記金属シ
リサイド層上に不可避的に形成された酸化層を除去する
工程、 前記金属シリサイド層上に、金属窒化物層を形成する工
程、を有することを特徴とするコンタクト形成方法。5. A step of forming a metal layer on a substrate to be processed containing a silicon material; a step of forming a metal silicide layer by reacting the silicon material with the metal layer by performing a heat treatment on the substrate to be processed. Performing a plasma treatment with a gas containing H 2 to remove an oxide layer inevitably formed on the metal silicide layer; and forming a metal nitride layer on the metal silicide layer. A method for forming a contact, comprising:
いたCVD法により施すことを特徴とする請求項5記載
のコンタクト形成方法。6. The contact forming method according to claim 5, wherein the step of forming the metal nitride layer is performed by a CVD method using a mixed gas containing a metal halide compound and a nitriding agent.
金属窒化物層をCVD法により形成する工程は、いずれ
もプラズマCVD法により施すことを特徴とする請求項
5記載のコンタクト形成方法。7. The contact forming method according to claim 5, wherein the step of forming the metal layer and the step of forming the metal nitride layer by a CVD method are both performed by a plasma CVD method.
リサイド層を形成する工程、前記酸化層を除去する工
程、および前記金属窒化物層を形成する工程は、 前記被処理基板を大気に曝すことなく、連続的に施すこ
とを特徴とする請求項6または7記載のコンタクト形成
方法。8. The step of forming the metal layer, the step of forming the metal silicide layer, the step of removing the oxide layer, and the step of forming the metal nitride layer include exposing the substrate to be processed to the atmosphere. The method according to claim 6, wherein the method is performed continuously without performing the method.
形成することを特徴とする請求項5記載のコンタクト形
成方法。9. The contact forming method according to claim 5, wherein the step of forming the metal nitride layer is performed by nitriding the surface of the metal silicide layer with a nitrogen active species.
理工程、および前記金属窒化物層を形成する工程は、 前記被処理基板を大気に曝すことなく、連続的に施すこ
とを特徴とする請求項9記載のコンタクト形成方法。10. The plasma processing step using a gas containing H 2 and the step of forming the metal nitride layer are performed continuously without exposing the substrate to be processed to the atmosphere. 10. The contact forming method according to 9.
属シリサイド層上に第2の金属層を形成し、前記第2の
金属層上に、前記金属窒化物層を形成することを特徴と
する請求項5記載のコンタクト形成方法。11. After the step of removing the oxide layer, a second metal layer is formed on the metal silicide layer, and the metal nitride layer is formed on the second metal layer. The method for forming a contact according to claim 5, wherein
属層を形成する工程、 前記被処理基板に熱処理を施すことにより、前記シリコ
ン材料と前記金属層を反応させ、金属シリサイド層を形
成する工程、 ハロゲン系化学種を含むガスによるプラズマ処理を施
し、前記金属シリサイド層上に不可避的に形成された酸
化層を除去する工程、 H2 を含むガスによるプラズマ処理を施し、前記金属シ
リサイド層上に残留したハロゲン系化学種を除去する工
程、 前記金属シリサイド層上に、金属窒化物層を形成する工
程、を有することを特徴とするコンタクト形成方法。12. A step of forming a metal layer on a substrate to be processed containing a silicon material, a step of forming a metal silicide layer by reacting the silicon material with the metal layer by performing a heat treatment on the substrate to be processed. Performing a plasma treatment with a gas containing a halogen-based species to remove an oxide layer unavoidably formed on the metal silicide layer; performing a plasma treatment with a gas containing H 2 on the metal silicide layer; A method for forming a contact, comprising: a step of removing residual halogen-based species; and a step of forming a metal nitride layer on the metal silicide layer.
いたCVD法により施すことを特徴とする請求項12記
載のコンタクト形成方法。13. The contact forming method according to claim 12, wherein the step of forming the metal nitride layer is performed by a CVD method using a mixed gas containing a metal halide compound and a nitriding agent.
記金属窒化物層をCVD法により形成する工程は、いず
れもプラズマCVD法により施すことを特徴とする請求
項13記載のコンタクト形成方法。14. The contact forming method according to claim 13, wherein both the step of forming the metal layer and the step of forming the metal nitride layer by a CVD method are performed by a plasma CVD method.
シリサイド層を形成する工程、前記ハロゲン系化学種を
含むガスによるプラズマ処理工程、前記H2 を含むガス
によるプラズマ処理工程、および前記金属窒化物層を形
成する工程は、 前記被処理基板を大気に曝すことなく、連続的に施すこ
とを特徴とする請求項13または14記載のコンタクト
形成方法。15. A step of forming the metal layer, a step of forming the metal silicide layer, a plasma processing step using a gas containing the halogen-based species, a plasma processing step using a gas containing the H 2 , and the metal nitriding. 15. The contact forming method according to claim 13, wherein the step of forming the object layer is performed continuously without exposing the substrate to be processed to the atmosphere.
形成することを特徴とする請求項12記載のコンタクト
形成方法。16. The method according to claim 12, wherein the step of forming the metal nitride layer is performed by nitriding the surface of the metal silicide layer with a nitrogen active species.
ゲン系化学種を除去する工程、および前記金属窒化物層
を形成する工程は、 前記被処理基板を大気に曝すことなく、連続的に施すこ
とを特徴とする請求項16記載のコンタクト形成方法。17. The step of removing the oxide layer, the step of removing the halogen-based species, and the step of forming the metal nitride layer are performed continuously without exposing the substrate to be processed to the atmosphere. 17. The method according to claim 16, wherein:
属シリサイド層上に第2の金属層を形成し、前記第2の
金属層上に、前記金属窒化物層を形成することを特徴と
する請求項12記載のコンタクト形成方法。18. The method according to claim 18, wherein after the step of removing the oxide layer, a second metal layer is formed on the metal silicide layer, and the metal nitride layer is formed on the second metal layer. 13. The method of forming a contact according to claim 12, wherein:
結晶シリコンおよび非晶質シリコンのうちのいずれか一
種であることを特徴とする請求項1、5および12いず
れか1項記載のコンタクト形成方法。19. The contact forming method according to claim 1, wherein the silicon material is any one of single-crystal silicon, polycrystalline silicon, and amorphous silicon. .
記載のコンタクト形成方法により形成されたコンタクト
を有することを特徴とする半導体装置。20. A semiconductor device having a contact formed by the method of forming a contact according to claim 1.
下であることを特徴とする請求項20記載の半導体装
置。21. The semiconductor device according to claim 20, wherein said contact diameter is 0.35 μm or less.
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JP8-215584 | 1996-08-15 | ||
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JPH10112446A true JPH10112446A (en) | 1998-04-28 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1996
- 1996-10-18 JP JP27623696A patent/JPH10112446A/en active Pending
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