JPH1041383A - Manufacture of semiconductor device and film formation device - Google Patents

Manufacture of semiconductor device and film formation device

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JPH1041383A
JPH1041383A JP17917396A JP17917396A JPH1041383A JP H1041383 A JPH1041383 A JP H1041383A JP 17917396 A JP17917396 A JP 17917396A JP 17917396 A JP17917396 A JP 17917396A JP H1041383 A JPH1041383 A JP H1041383A
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JP
Japan
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film
titanium
semiconductor device
chamber
partial pressure
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Pending
Application number
JP17917396A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tomoyuki Yoshida
友幸 吉田
Shoji Hashimoto
昭二 橋本
Hideki Hosokawa
秀記 細川
Takeshi Owaki
健史 大脇
Koichi Mitsushima
康一 光嶋
Yasunori Taga
康訓 多賀
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Central R&D Labs Inc
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Publication date
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  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)
  • Local Oxidation Of Silicon (AREA)
  • Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)
  • Formation Of Insulating Films (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To increase anti-electromigration property of an interconnect layer of a semiconductor device and increase patterning accuracy of wiring. SOLUTION: By boiling (15 minutes to 3 hours) a substrate in pure water, a moisture absorption layer is formed on the surface of a BPSG(borophosphor silicate glass) film 13. After that, a contact hole 12 is formed in the BPSG film 13 and then an TI film 14, TiN films 15, 16, and a TI film 17 are deposited in this order on the BPSG film 13 and the contact hole 12. Nextly, an Al alloy film 18 is deposited on the Ti film 17 by high-temperature sputtering. As for another method for manufacturing, the contact hole 12 is formed in the BPSG film 13 without boiling the substrate and then water is introduced when depositing the Ti film 14 or depositing the Ti film 14 and the TiN film 15 and the partial pressure of H2 O in a chamber of the film formation device is controlled to 1×10<-8> -1×10<-7> Torr. By this method, the (111) orientation of the Al alloy film as an interconnection layer can be made high and the surface smoothness can be increased.

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、半導体装置の構
造、特に金属配線部の構造及びこの配線部などの膜を形
成する装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a structure of a semiconductor device, and more particularly to a structure of a metal wiring portion and an apparatus for forming a film such as the wiring portion.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、超LSIの高集積化に伴って、素
子及び配線の平面方向(横方向)の寸法の微細化が進ん
でいるが、膜厚方向、即ち縦方向の微細化は、横方向の
微細化に比べて進んでいない。従って、素子の微細化が
進むにつれ、配線と素子を接続するために層間絶縁膜に
設けられる接続孔(コンタクトホール)の口径は小さく
なるが層間絶縁膜の膜厚が薄くならないので、接続孔の
アスペクト比(接続孔の口径に対する接続孔深さの比)
は、ますます増大せざるを得ない。このため、通常行わ
れているスパッタリング法(基板温度300℃以下でな
されるスパッタリング法)では、接続孔部分において、
配線材料の十分な段差被覆性を確保することが困難にな
ってきている。
2. Description of the Related Art In recent years, along with the high integration of VLSI, miniaturization of dimensions of elements and wirings in a plane direction (horizontal direction) has been advanced. It has not progressed compared to the miniaturization in the horizontal direction. Therefore, as the element becomes finer, the diameter of the connection hole (contact hole) provided in the interlayer insulating film for connecting the wiring and the element becomes smaller, but the thickness of the interlayer insulating film does not become thinner. Aspect ratio (ratio of connection hole depth to connection hole diameter)
Have to grow. For this reason, in the usual sputtering method (sputtering method performed at a substrate temperature of 300 ° C. or less), in the connection hole portion,
It has become difficult to ensure sufficient step coverage of the wiring material.

【0003】そこで、配線材料の段差被覆性を向上させ
るために、近年、配線材料をコンタクトホールに埋め込
む種々の方法が提案されている。埋め込み用の導電材料
としては、W(タングステン)やAl(アルミニウム)
等の合金が広く知られており、なかでもAl合金は高温
スパッタ法による成膜技術が知られている。この高温ス
パッタ方法は、スパッタリング中に基板を約500℃に
加熱して、基板に付着したAl合金を熱によって表面流
動させ、微細なコンタクトホールの内部にAl合金を埋
め込む方法である。
In order to improve the step coverage of the wiring material, various methods for filling the wiring material into the contact holes have been proposed in recent years. W (tungsten) or Al (aluminum) as a conductive material for embedding
Such alloys are widely known, and among them, a film forming technique using a high-temperature sputtering method for an Al alloy is known. This high-temperature sputtering method is a method in which a substrate is heated to about 500 ° C. during sputtering to cause the surface of the Al alloy adhered to the substrate to flow by heat, thereby embedding the Al alloy in fine contact holes.

【0004】この方法によって形成した半導体装置は、
例えば、図5に示すような構成を有している。まず、半
導体基板41上には、層間絶縁膜としてBPSG(Boro
phosphosilicate glass )膜43が形成され、このBP
SG膜43にはコンタクトホール42が形成されてい
る。また、コンタクトホール42内に高温スパッタ法に
よってAl合金膜47を埋め込むに先立ち、コンタクト
ホール42及びBPSG膜43表面上には下地層が形成
されている。
A semiconductor device formed by this method is
For example, it has a configuration as shown in FIG. First, on the semiconductor substrate 41, a BPSG (Boro
phosphosilicate glass) film 43 is formed, and this BP
A contact hole 42 is formed in the SG film 43. Prior to embedding the Al alloy film 47 in the contact hole 42 by a high-temperature sputtering method, a base layer is formed on the surface of the contact hole 42 and the BPSG film 43.

【0005】下地層は、下層から順にTi膜44/Ti
N膜45、或いはTi膜44/TiN膜45/Ti膜4
6という多層構成とすることが知られている。そして、
これらの下地層は、一般的には、基板温度を150〜3
50℃としたスパッタリングによって形成される。
The underlying layer is composed of a Ti film 44 / Ti
N film 45 or Ti film 44 / TiN film 45 / Ti film 4
6 is known. And
These underlayers generally have a substrate temperature of 150-3.
It is formed by sputtering at 50 ° C.

【0006】ここで、上述の第1層目のTi膜44は、
コンタクトホール42の底部で露出した半導体基板41
のSi原子と反応して、シリサイド(TiSi2 )を形
成し、コンタクト抵抗を安定化させるコンタクトメタル
としての役割を果たしている。第2層目のTiN膜45
は、高温スパッタによってその上層に形成される配線層
であるAl合金膜47のAlが、下層の半導体基板41
にまで拡散するのを防止するバリア層としての役割を果
たしている。また、必ずしも一般的に用いられる層では
ないが、第3層目のTi膜46は、Al合金膜47の膜
質を改善する目的で形成される。さらに、Al合金膜4
7の直下のTi膜46或いはTiN膜45は、Al合金
膜47に対する濡れ性が良いため、高温スパッタ時にA
l合金がコンタクトホール42内に流れ込むのを容易に
し、ホールの埋め込みを可能にする機能を有している。
このように、一般的に層間絶縁膜43と配線層47との
間に設けられる下地層は、上述の高温スパッタによるコ
ンタクトホール12の埋め込みにあたり重要な役割を果
たしており、不可欠な要素となっている。
Here, the above-mentioned first layer Ti film 44 is
Semiconductor substrate 41 exposed at the bottom of contact hole 42
Reacts with Si atoms to form silicide (TiSi 2 ) and plays a role as a contact metal for stabilizing contact resistance. Second layer TiN film 45
Is that the Al of the Al alloy film 47, which is the wiring layer formed thereon by high-temperature sputtering, is changed to the lower semiconductor substrate 41.
It plays a role as a barrier layer that prevents diffusion to Although not necessarily a commonly used layer, the third layer Ti film 46 is formed for the purpose of improving the film quality of the Al alloy film 47. Further, the Al alloy film 4
7 has good wettability to the Al alloy film 47, so that the Ti film 46 or the TiN film 45 immediately below
The alloy has a function of facilitating the flow of the alloy into the contact hole 42 and allowing the hole to be buried.
As described above, the underlying layer generally provided between the interlayer insulating film 43 and the wiring layer 47 plays an important role in filling the contact hole 12 by the above-described high-temperature sputtering, and is an essential element. .

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】ところで、超LSIに
用いられる配線層は、その配線幅の縮小により電流密度
が増大している。従って、配線には、高いエレクトロマ
イグレーション耐性が要求される。また、微細な配線を
形成するためには、高いパターニング精度が要求され
る。
The current density of the wiring layer used in the VLSI has been increased due to the reduction in the wiring width. Therefore, the wiring is required to have high electromigration resistance. Further, in order to form fine wiring, high patterning accuracy is required.

【0008】ここで、Al配線(Al合金配線)のエレ
クトロマイグレーション耐性は、Al合金膜の膜質に強
く依存しており、高いエレクトロマイグレーション耐性
を確保するためには、Al合金膜の結晶粒の(111)
配向性が高くなければならない。これは、Al合金膜の
各結晶粒の方位が揃っていないと、結晶粒界における原
子配列の乱れが強くなり、結晶粒界に沿ってAl原子が
電流によって移動しやすくなるためである。従って、結
晶の<111>配向方向を各結晶粒で揃える必要があ
る。
Here, the electromigration resistance of the Al wiring (Al alloy wiring) strongly depends on the film quality of the Al alloy film. 111)
The orientation must be high. This is because, if the orientations of the crystal grains of the Al alloy film are not aligned, the disorder of the atomic arrangement at the crystal grain boundaries becomes strong, and Al atoms easily move along the crystal grain boundaries due to electric current. Therefore, it is necessary to align the <111> orientation direction of the crystal in each crystal grain.

【0009】一方、高精度に配線をパターニングするた
めには、フォトリソグラフィー工程のレジスト感光工程
に際して、配線膜表面における光の乱反射によってハレ
ーションが起こらないように、その配線膜表面が平滑で
あることが要求される。
On the other hand, in order to pattern wiring with high accuracy, the wiring film surface must be smooth so that halation does not occur due to irregular reflection of light on the wiring film surface during a resist exposure step in a photolithography step. Required.

【0010】しかしながら、従来技術による高温スパッ
タAl合金膜は、これらの要求を満足していない。その
理由としては、従来の高温スパッタAl合金膜は、図5
に示すように、Al合金膜47の各結晶粒の<111>
方向(図中、Alの<111>方向を矢印で示す)が、
必ずしもSi基板面に対して垂直方向を向くように形成
されていないことが挙げられる。このように各結晶粒の
<111>方向が揃っていないと、表面の凹凸が大きく
なってしまう。表面凹凸の多い膜をパターニングして得
られた配線は、その膜厚が不均一である上に、配線の線
幅が上述のハレーション等の発生により一様とならな
い。
However, the high temperature sputtered Al alloy film according to the prior art does not satisfy these requirements. The reason is that the conventional high-temperature sputtered Al alloy film
As shown in <11>, <111> of each crystal grain of the Al alloy film 47
The direction (in the figure, the <111> direction of Al is indicated by an arrow)
It is not necessarily formed so as to be oriented perpendicular to the surface of the Si substrate. If the <111> directions of the crystal grains are not aligned as described above, the surface irregularities will increase. A wiring obtained by patterning a film having many surface irregularities has a nonuniform film thickness and a nonuniform wiring line width due to the occurrence of the above-mentioned halation.

【0011】以上のように、従来の高温スパッタAl合
金配線は、結晶粒の(111)配向性が低く、表面凹凸
により膜厚が不均一であり、更に配線幅にバラツキがあ
る。このため、エレクトロマイグレーション耐性の高い
配線層を得ることが難しいという問題があった。
As described above, the conventional high-temperature sputtered Al alloy wiring has a low (111) orientation of crystal grains, a nonuniform film thickness due to surface irregularities, and a variation in wiring width. For this reason, there is a problem that it is difficult to obtain a wiring layer having high electromigration resistance.

【0012】そこで、本発明は、配線層の結晶粒の配向
性が高く、また配線表面の平滑性の高い半導体装置を得
ることを目的とし、またこのような半導体装置を製造す
るための成膜装置を提供することを目的とする。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor device having a high orientation of crystal grains of a wiring layer and a high smoothness of a wiring surface, and a film forming method for manufacturing such a semiconductor device. It is intended to provide a device.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するためになされ、基板上に形成された層間絶縁膜
と、層間絶縁膜上に形成されたチタン膜、チタン膜上の
窒化チタン膜、窒化チタン膜上のアルミ配線層とを有す
る半導体装置であって、チタン膜、又はチタン膜及び窒
化チタン膜の成膜前、成膜中において半導体装置を気相
又は液相のH2 O雰囲気に曝すことを特徴とする。
Means for Solving the Problems The present invention has been made to achieve the above object, and has an interlayer insulating film formed on a substrate, a titanium film formed on the interlayer insulating film, and titanium nitride on the titanium film. A semiconductor device having a film and an aluminum wiring layer on a titanium nitride film, wherein the semiconductor device is formed of a gaseous or liquid H 2 O before or during the formation of a titanium film or a titanium film and a titanium nitride film. It is characterized by exposure to an atmosphere.

【0014】また、チタン膜または窒化チタン膜などの
チタン系材料の膜を形成可能な成膜装置において、これ
らチタン膜、又はチタン膜及び窒化チタン膜の成膜時
に、膜形成チャンバ内にH2 Oを導入可能な構成とする
ことを特徴とする。
In a film forming apparatus capable of forming a film of a titanium-based material such as a titanium film or a titanium nitride film, when these titanium films, or a titanium film and a titanium nitride film are formed, H 2 is contained in a film forming chamber. It is characterized in that O can be introduced.

【0015】[発明の背景]一般に、配線層として使用
されるAl等の導電性材料の結晶配向性は、下地層の結
晶配向性に密接に関連することが知られている。下地層
は、下層からコンタクトメタル/バリアメタルが順に積
層されて構成されていることが多い。ここで、例えば、
下層から順にTi/TiN/Tiが形成されている場合
には、第1層目のTi膜の(002)配向性が高いほ
ど、第2層目TiN膜の(111)配向性、及び第3層
目Ti膜の(002)配向性が高くなる。更に、このよ
うな第3層目Ti膜上に配線層としてAl合金膜が形成
されると、その配線層中のAl結晶の(111)配向性
が高くなる。これは、Ti膜の(002)面、TiN膜
の(111)面及びAl層の(111)面の原子配置が
それぞれ近似しており、第1層目のTi膜の(002)
配向性が、エピタキシャル成長により上層に引き継がれ
るためである。従って、(111)配向性の高いAl合
金膜を得るためには、(002)配向性の高い第1層目
Ti膜を形成することが重要である。
[Background of the Invention] It is generally known that the crystal orientation of a conductive material such as Al used as a wiring layer is closely related to the crystal orientation of an underlayer. The underlayer often has a structure in which a contact metal / barrier metal is sequentially stacked from the lower layer. Where, for example,
When Ti / TiN / Ti is formed in order from the lower layer, the higher the (002) orientation of the first Ti film, the higher the (111) orientation of the second TiN film and the higher the (111) orientation. The (002) orientation of the layer Ti film is increased. Furthermore, when an Al alloy film is formed as a wiring layer on such a third-layer Ti film, the (111) orientation of Al crystals in the wiring layer is increased. This is because the atomic arrangements of the (002) plane of the Ti film, the (111) plane of the TiN film, and the (111) plane of the Al layer are similar to each other.
This is because the orientation is inherited by the upper layer by epitaxial growth. Therefore, in order to obtain an Al alloy film having a high (111) orientation, it is important to form a first-layer Ti film having a high (002) orientation.

【0016】一方、最下層であるこの第1層目Ti膜の
結晶配向性は、その下地となる絶縁膜、例えばBPSG
膜や、SiO2 膜もしくはPSG膜などの表面状態と第
1層目Ti膜の成膜条件に強く依存していると考えられ
る。そこで、本発明者は、BPSG膜表面状態及び第1
層目Ti膜の成膜条件がTi膜の結晶配向性に及ぼす影
響について様々な研究を行った。そして、この研究の結
果、層間絶縁膜の表面に吸収された水分量又はTi成膜
の際におけるチャンバ内の水分量に対して、上記第1層
目のTi膜の(002)配向性が強い依存性を有してい
ることを見い出し、本発明に至ったのである。
On the other hand, the crystal orientation of the first-layer Ti film, which is the lowermost layer, is determined by the underlying insulating film, for example, BPSG.
It is considered that the film thickness strongly depends on the surface condition of the film, the SiO 2 film, the PSG film, and the like and the conditions for forming the first Ti film. Therefore, the present inventor has proposed a BPSG film surface state and a first state.
Various studies were conducted on the influence of the film forming conditions of the layer Ti film on the crystal orientation of the Ti film. As a result of this research, the (002) orientation of the first-layer Ti film is stronger than the amount of water absorbed on the surface of the interlayer insulating film or the amount of water in the chamber during Ti film formation. The inventors have found that they have dependency, and have led to the present invention.

【0017】具体的には、本発明は、以下のような実験
及び考察により得られたものである。
Specifically, the present invention has been obtained by the following experiments and considerations.

【0018】(1)シリコン等よりなる基板上に形成さ
れた層間絶縁膜(ここではBPSG膜)を温度23℃、
湿度60%に保たれた大気中に、数10分〜数100時
間に渡って放置し、その後、BPSG膜上にTi膜を基
板温度350℃にてスパッタリングにより成膜する。形
成されたTi膜の結晶配向性を調べたところ、大気放置
時間が長いBPSG膜上に形成されたTi膜ほどその
(002)配向性が向上することが明らかになった。
(1) An interlayer insulating film (here, a BPSG film) formed on a substrate made of silicon or the like is formed at a temperature of 23 ° C.
It is left in the atmosphere maintained at a humidity of 60% for several tens of minutes to several hundred hours, and then a Ti film is formed on the BPSG film by sputtering at a substrate temperature of 350 ° C. Examination of the crystal orientation of the formed Ti film revealed that the (002) orientation was improved as the Ti film was formed on the BPSG film having a longer standing time in the air.

【0019】(2)また、基板上に形成されたBPSG
膜を95〜100℃の純水中で数分〜1時間煮沸した
後、そのBPSG膜上にTi膜を成膜し、Ti膜の結晶
配向性を調べた。その結果、煮沸時間1時間までは、煮
沸時間が長くなるほどそのBPSG膜上に形成されたT
i膜の(002)配向性が向上することが明らかになっ
た。更に、95℃で1時間の煮沸を施したBPSG膜上
におけるTi膜は、上述の温度23℃、湿度60%の大
気中に400時間放置したBPSG膜の表面に形成され
たTi膜とほぼ同等の(002)配向性を示した。
(2) BPSG formed on a substrate
After boiling the film in pure water at 95 to 100 ° C. for several minutes to 1 hour, a Ti film was formed on the BPSG film, and the crystal orientation of the Ti film was examined. As a result, up to the boiling time of 1 hour, as the boiling time becomes longer, the T formed on the BPSG film becomes longer.
It became clear that the (002) orientation of the i film was improved. Further, the Ti film on the BPSG film which was boiled at 95 ° C. for 1 hour is almost the same as the Ti film formed on the surface of the BPSG film which was left in the atmosphere at a temperature of 23 ° C. and a humidity of 60% for 400 hours. (002) orientation.

【0020】ここで、水分の導入によってTi膜の(0
02)配向性が向上する理由について考察する。まず、
絶縁膜である上記BPSG膜が水分を吸収する性質を有
することは、一般的に知られていることである。そし
て、このBPSG膜の吸湿速度は、BPSG膜が曝され
る雰囲気での水濃度及び温度が高い程加速される。従っ
て、本発明においてTi膜の(002)配向性が向上す
る原因として、上述のようなBPSG膜の大気中での放
置や純水煮沸処理によってBPSG膜に吸収された水に
よる作用が考えられる。
Here, (0) of the Ti film is
02) The reason why the orientation is improved will be considered. First,
It is generally known that the BPSG film, which is an insulating film, has a property of absorbing moisture. Then, the moisture absorption rate of the BPSG film is accelerated as the water concentration and the temperature in the atmosphere to which the BPSG film is exposed are higher. Therefore, in the present invention, as a cause for improving the (002) orientation of the Ti film, the action of the water absorbed into the BPSG film by leaving the BPSG film in the air or boiling with pure water as described above is considered.

【0021】(3)Ti膜の配向性に対する水の作用に
ついて明らかにするために、大気放置時間及び煮沸時間
のそれぞれ異なるBPSG膜の表面近傍の水素原子
(H)濃度の深さ方向におけるプロファイルについて、
SIMS分析(二次イオン質量分析)法を用いて調べ
た。その結果、大気放置時間が長いBPSG膜ほど、そ
して煮沸時間が長いBPSG膜ほど、その表面近傍にお
けるH濃度が高く、また水素原子の侵入深さも増加して
いることが明らかになった。
(3) In order to clarify the effect of water on the orientation of the Ti film, the profile of the hydrogen atom (H) concentration in the depth direction near the surface of the BPSG film at different atmospheric exposure times and boiling times is described. ,
It investigated using SIMS analysis (secondary ion mass spectrometry) method. As a result, it was found that the longer the BPSG film left in the air and the longer the boiling time, the higher the H concentration near the surface and the greater the penetration depth of hydrogen atoms.

【0022】更に、この水素濃度プロファイルを積分す
ることによって、BPSG膜表面近傍に含まれる水素原
子数を求め、これとTi膜の(002)配向性との関係
を調べた。その結果、大気放置及び純水煮沸の別に関わ
らず、水素原子数とTi膜の(002)配向性とが極め
て高い相関関係を有していることが明らかになった。即
ち、BPSG膜の表面近傍の水素原子数が多いほど、T
i膜の(002)配向性が高くなる。上記水素濃度プロ
ファイルはBPSG膜に吸収された水濃度プロファイル
を反映していると考えられる。従って、上記結果より、
BPSG膜表面での吸収水分量の増加により、その表面
上に形成されたTi膜の(002)配向性が向上するこ
とを示していることが明かとなった。
Further, by integrating this hydrogen concentration profile, the number of hydrogen atoms contained in the vicinity of the BPSG film surface was obtained, and the relationship between this and the (002) orientation of the Ti film was examined. As a result, it became clear that the number of hydrogen atoms and the (002) orientation of the Ti film had an extremely high correlation regardless of whether the film was left in the air or boiled with pure water. That is, as the number of hydrogen atoms near the surface of the BPSG film increases, the T
The (002) orientation of the i film increases. The hydrogen concentration profile is considered to reflect the water concentration profile absorbed by the BPSG film. Therefore, from the above results,
It has been clarified that the increase in the amount of absorbed water on the surface of the BPSG film improves the (002) orientation of the Ti film formed on the surface.

【0023】(4)次に、BPSG膜の純水中での煮沸
時間を1時間以上とした場合におけるTi膜の配向性を
調べたところ、煮沸時間が1時間以上の条件では、煮沸
時間が長くなるにつれてTi膜の(002)配向性が徐
々に低下するという傾向が見られた。上述のようにBP
SG膜が吸収する水分量は、煮沸時間に応じて増大す
る。よって、以上のことからBPSG膜表面における水
分量が過剰となると、水分がTi膜に対して不純物とし
て作用し、この不純物の存在によりTi膜の(002)
配向性が低下してしまうことが推測される。従って、B
PSG膜上に(002)配向性に優れたTi膜を形成す
るには、BPSG膜表面の水分量を適正範囲に制御する
必要がある。
(4) Next, the orientation of the Ti film when the boiling time of the BPSG film in pure water was set to 1 hour or more was examined. There was a tendency that the (002) orientation of the Ti film gradually decreased as the length became longer. BP as described above
The amount of water absorbed by the SG film increases according to the boiling time. Therefore, from the above, when the amount of water on the surface of the BPSG film becomes excessive, the water acts as an impurity on the Ti film, and the presence of this impurity causes the (002)
It is presumed that the orientation decreases. Therefore, B
In order to form a Ti film having excellent (002) orientation on the PSG film, it is necessary to control the water content on the BPSG film surface to an appropriate range.

【0024】(5)BPSG膜表面の水分が、Ti膜の
(002)高配向化を促進するメカニズムとして、基板
温度350℃のTi成膜過程において、BPSG膜中の
水分が蒸発して、これによりTi成膜雰囲気中に発生す
る水分子(H2 O)、或いは水素原子(H)及び酸素原
子(O)がTi膜の形成時に作用することが考えられ
る。このメカニズムが妥当であれば、Ti膜の成膜チャ
ンバ内に適正量の水、即ち水蒸気を導入することによっ
ても、上記(1)及び(2)と同様の効果が得られると
考えられる。
(5) As a mechanism for promoting the (002) high orientation of the Ti film by the moisture on the BPSG film surface, the moisture in the BPSG film evaporates during the Ti film formation process at a substrate temperature of 350 ° C. Therefore, it is conceivable that water molecules (H 2 O) or hydrogen atoms (H) and oxygen atoms (O) generated in the Ti film formation atmosphere act during the formation of the Ti film. If this mechanism is appropriate, it is considered that the same effects as the above (1) and (2) can be obtained by introducing an appropriate amount of water, that is, water vapor, into the film formation chamber for the Ti film.

【0025】そこで、このことを明らかにするために、
本発明者は、Ti膜の成膜チャンバ内に水蒸気を導入
し、その雰囲気下においてBPSG膜上にTi膜を形成
した。更に、導入する水濃度は、チャンバ内でのH2
の分圧を測定し、この分圧を制御することに制御した。
なお、BPSG膜としては、例えば900℃の熱処理直
後の膜を用い、BPSG膜の表面吸湿の影響をできるだ
け小さくするようにしている。
Therefore, in order to clarify this,
The inventor introduced water vapor into a Ti film formation chamber, and formed a Ti film on a BPSG film under the atmosphere. Furthermore, the concentration of the introduced water depends on the H 2 O in the chamber.
Was measured and controlled by controlling this partial pressure.
As the BPSG film, for example, a film immediately after the heat treatment at 900 ° C. is used so that the influence of the surface moisture absorption of the BPSG film is minimized.

【0026】以上のような条件の下、チャンバ内のH2
O分圧とBPSG膜上に形成されたTi膜の配向性との
関係を調べた。その結果、Ti膜の(002)配向性
は、H2 O分圧の上昇とともに向上し、極大値を示した
後低下することが明かとなった。また、このTi膜の
(002)配向性の極大値は、1時間純水中で煮沸した
BPSG膜上に形成したTi膜の(002)配向性とほ
ぼ同等であった。具体的には、H2 O分圧が1×10-8
〜1×10-7Torrの範囲で、Ti(002)配向性
が高い値を示した。
Under the above conditions, H 2 in the chamber is
The relationship between the O partial pressure and the orientation of the Ti film formed on the BPSG film was examined. As a result, it became clear that the (002) orientation of the Ti film increased with an increase in the H 2 O partial pressure, and then decreased after showing a maximum value. The maximum value of the (002) orientation of the Ti film was almost the same as the (002) orientation of the Ti film formed on the BPSG film boiled in pure water for one hour. Specifically, the partial pressure of H 2 O is 1 × 10 −8
Within the range of 11 × 10 −7 Torr, the Ti (002) orientation showed a high value.

【0027】(6)上記(5)の推論に基づくメカニズ
ムを更に明らかにするために、水蒸気に代え、Ti膜の
成膜チャンバ内に酸素ガス(O2 )又は水素ガス
(H2 )をそれぞれ単独で導入して上記(2)と同様の
実験を試みた。その結果、酸素ガス及び水素ガスのいず
れについても、それぞれ単独で導入するとTi膜の(0
02)配向性の改善に殆ど効果がないことが明らかにな
った。従って、以上のことから水、又は酸素及び水素の
共存がTi膜の(002)配向性の改善に不可欠であ
る。
(6) In order to further clarify the mechanism based on the inference of the above (5), oxygen gas (O 2 ) or hydrogen gas (H 2 ) was placed in the Ti film deposition chamber instead of water vapor. An experiment similar to the above (2) was attempted by introducing alone. As a result, when each of the oxygen gas and the hydrogen gas is introduced alone, (0
02) It became clear that there was almost no effect in improving the orientation. Accordingly, coexistence of water or oxygen and hydrogen is indispensable for improving the (002) orientation of the Ti film.

【0028】(7)また、上述のような膜形成雰囲気を
得るため、成膜装置には、チタン系材料を成膜する成膜
装置であって、成膜チャンバ内にH2 Oを導入するH2
O導入手段と成膜チャンバ内のH2 O分圧を所定範囲内
に制御する分圧制御手段とを設けた。
(7) In order to obtain the above-described film forming atmosphere, the film forming apparatus is a film forming apparatus for forming a titanium-based material, and H 2 O is introduced into the film forming chamber. H 2
O introduction means and partial pressure control means for controlling the H 2 O partial pressure in the film forming chamber within a predetermined range are provided.

【0029】(8)半導体装置の配線を形成するための
成膜装置、例えば、スパッタリング装置については、従
来より、枚葉式マルチチャンバースパッタリング装置が
用いられている。
(8) As a film forming apparatus for forming wiring of a semiconductor device, for example, a sputtering apparatus, a single-wafer multi-chamber sputtering apparatus has been conventionally used.

【0030】この枚葉式マルチチャンバースパッタリン
グ装置は、例えばTi膜及びTiN膜を成膜するスパッ
タチャンバ、Al合金膜を成膜するスパッタチャンバ、
ウエハを出し入れするロードロックチャンバ及び各チャ
ンバ間でのウエハの移送を行う搬送チャンバにより構成
されている。
This single-wafer multi-chamber sputtering apparatus includes, for example, a sputtering chamber for forming a Ti film and a TiN film, a sputtering chamber for forming an Al alloy film,
It comprises a load lock chamber for loading and unloading wafers, and a transfer chamber for transferring wafers between each chamber.

【0031】ところが、従来のスパッタリング装置で
は、Ti膜及びTiN膜を成膜するスパッタチャンバに
は、水蒸気を導入しH2 O分圧を制御するための装備は
接続されておらず、上述のようなH2 O分圧の制御によ
る高配向Ti膜の作製は困難である。
However, in the conventional sputtering apparatus, equipment for introducing steam and controlling the partial pressure of H 2 O is not connected to the sputtering chamber for forming the Ti film and the TiN film. It is difficult to produce a highly oriented Ti film by controlling the partial pressure of H 2 O.

【0032】そこで、本発明では、上記(7)に示した
ように成膜装置にH2 O導入手段と成膜チャンバ内のH
2 O分圧を制御する分圧制御手段とを設けている。
Therefore, in the present invention, as shown in the above (7), the H 2 O introducing means and the H
A partial pressure control means for controlling the 2 O partial pressure.

【0033】より具体的な例としては、Ti膜及びTi
N膜を成膜するスパッタチャンバに、水を溜めるボン
ベ、水蒸気流量を制御するためのバルブ、水蒸気をチャ
ンバに導入するための配管を設け、さらにチャンバにH
2 O分圧を測定する分圧真空計を接続することとした。
また、ウエハごとについて正確にH2 O分圧を制御する
ためには、Ti膜及びTiN膜の成膜に連動して、分圧
真空計の出力をもとに水蒸気流量制御バルブを自動制御
するシステムが必要である。
As a more specific example, a Ti film and a Ti film
A water storage cylinder, a valve for controlling the flow rate of steam, and a pipe for introducing steam into the chamber are provided in a sputtering chamber for forming an N film.
A partial pressure vacuum gauge for measuring the 2O partial pressure was connected.
Further, in order to accurately control the H 2 O partial pressure for each wafer, the steam flow control valve is automatically controlled based on the output of the partial pressure gauge in conjunction with the formation of the Ti film and the TiN film. Need a system.

【0034】[発明の概要]本発明は、層間絶縁膜上に
形成される第1層目Ti膜の(002)配向性を高める
ために、上述のようにチタン膜又はチタン膜及び窒化チ
タン膜の成膜前、又は成膜中、若しくは成膜前及び成膜
中において、H2 Oを含む気相又は液相雰囲気に半導体
装置を曝すことを特徴とする。
[Summary of the Invention] The present invention relates to a titanium film or a titanium film and a titanium nitride film as described above in order to enhance the (002) orientation of the first layer Ti film formed on the interlayer insulating film. Is characterized in that the semiconductor device is exposed to a gas or liquid atmosphere containing H 2 O before, during, or before and during the film formation.

【0035】気相又は液相の水に曝すための具体的な方
法は、チタン膜の成膜前に、層間絶縁膜を15分〜3時
間水中で煮沸処理することである。そして、このように
して水雰囲気に曝すことにより、チタン膜の成膜前に層
間絶縁膜の表面に吸湿層を形成するのである。
A specific method for exposing to gaseous or liquid water is to boil the interlayer insulating film in water for 15 minutes to 3 hours before forming the titanium film. Then, by exposing to the water atmosphere in this manner, a moisture absorbing layer is formed on the surface of the interlayer insulating film before the titanium film is formed.

【0036】また、別の方法においては、チタン膜、又
はチタン膜及び窒化チタン膜の成膜時に、成膜チャンバ
内に水蒸気を導入し、成膜中における成膜チャンバ内の
2O分圧を1×10-8〜1×10-7Torr(1To
rr≒133Pa)に制御する。
In another method, when a titanium film or a titanium film and a titanium nitride film are formed, water vapor is introduced into the film formation chamber and the H 2 O partial pressure in the film formation chamber during the film formation is increased. From 1 × 10 -8 to 1 × 10 -7 Torr (1
rr ≒ 133 Pa).

【0037】このような雰囲気での膜の形成は、膜形成
に際して、成膜チャンバ内にH2 Oを導入するH2 O導
入手段と、成膜チャンバ内のH2 O分圧を所定範囲内に
制御する分圧制御手段とを備えた成膜装置により実現す
ることができる。
The formation of the film in such an atmosphere, upon film formation, film formation and H 2 O introducing means for introducing of H 2 O into the chamber within a predetermined range of H 2 O partial pressure in the deposition chamber And a partial pressure control means for controlling the pressure.

【0038】この成膜装置は、H2 O導入手段が、H2
Oを蓄えるボンベと、このボンベから成膜チャンバ内へ
のH2 Oの供給を制御するバルブとを備えている。そし
て、上記分圧制御手段が、成膜チャンバ内のH2 O分圧
を計測する圧力計によって計測されたチャンバ内のH2
O分圧値に基づいてバルブを制御し、ボンベから膜形成
チャンバ内へのH2 O供給量を制御する。
[0038] The film forming apparatus, the H 2 O introducing means, H 2
A cylinder for storing O and a valve for controlling the supply of H 2 O from the cylinder into the film forming chamber are provided. Then, the partial pressure control means, H 2 in the chamber measured by the pressure gauge to measure the partial pressure of H 2 O in the film forming chamber
A valve is controlled based on the O partial pressure value to control the amount of H 2 O supplied from the cylinder into the film forming chamber.

【0039】成膜されたチタン膜は、20〜30%の酸
素原子、10〜20%の窒素原子及び0.1〜0.5%
の水素原子を含み、成膜された窒化チタン膜は、8〜1
1%の酸素原子及び2〜4%の水素原子を含む。或い
は、上記チタン膜は、0.1〜0.5%の水素原子を含
み、上記窒化チタン膜は、8〜11%の酸素原子及び2
〜4%の水素原子を含む構成も適用可能である。
The formed titanium film has 20 to 30% oxygen atoms, 10 to 20% nitrogen atoms, and 0.1 to 0.5%
, And the formed titanium nitride film has a thickness of 8 to 1
Contains 1% oxygen atoms and 2-4% hydrogen atoms. Alternatively, the titanium film contains 0.1 to 0.5% hydrogen atoms, and the titanium nitride film contains 8 to 11% oxygen atoms and 2%.
Configurations containing 44% hydrogen atoms are also applicable.

【0040】以上のような構成とすることにより、本発
明は、層間絶縁膜上に(002)配向性に優れたチタン
膜を形成することができる。このため、この(002)
配向性の高いチタン膜の上に窒化チタン膜等を形成し、
更にその上層に配線層としてAl膜(例えばAl合金
膜)を形成すると、このAl合金膜は、第1層目のチタ
ン膜の(002)配向性を反映して高い(111)配向
性を有する。そして、この(111)配向性の高いAl
合金膜が優れた表面平滑性を示すのである。
With the above configuration, the present invention can form a titanium film having excellent (002) orientation on the interlayer insulating film. Therefore, this (002)
Forming a titanium nitride film etc. on a highly oriented titanium film,
When an Al film (for example, an Al alloy film) is further formed thereon as a wiring layer, the Al alloy film has a high (111) orientation reflecting the (002) orientation of the first titanium film. . Then, the Al with high (111) orientation
The alloy film shows excellent surface smoothness.

【0041】従って、本発明によれば、高い(111)
配向性と高い表面平滑性を有するAl層が得られ、半導
体装置において、エレクトロマイグレーション耐性の高
い配線層を形成することが可能となり、また配線の高精
度なパターニングが容易となる。
Thus, according to the present invention, high (111)
An Al layer having orientation and high surface smoothness can be obtained, and a wiring layer having high electromigration resistance can be formed in a semiconductor device, and highly accurate patterning of wiring can be easily performed.

【0042】さらに、本発明は、上述のように窒化チタ
ン膜やアルミ配線層に限定されず、基板上に形成された
チタン膜とを有する半導体装置の製造方法であって、こ
のチタン膜の成膜前または成膜中、もしくは成膜前及び
成膜中において、H2 Oを含む気相又は液相雰囲気に前
記半導体装置を曝すことを特徴とする。なお、実際に
は、基板上、即ちチタン膜の下層には絶縁膜が形成され
ている。そして、このような構成においても、チタン膜
上に金属層(配線層)を形成した場合、この金属配線層
における高いエレクトロマイグレーション耐性と、高い
平滑性を実現することが可能である。
Further, the present invention is not limited to the titanium nitride film and the aluminum wiring layer as described above, but is a method for manufacturing a semiconductor device having a titanium film formed on a substrate. The semiconductor device is exposed to a gas or liquid atmosphere containing H 2 O before or during film formation, or before and during film formation. Actually, an insulating film is formed on the substrate, that is, below the titanium film. And even in such a configuration, when a metal layer (wiring layer) is formed on the titanium film, it is possible to realize high electromigration resistance and high smoothness in the metal wiring layer.

【0043】なお、上記層間絶縁膜にはコンタクトホー
ルが形成可能であり、チタン膜は、このコンタクトホー
ル上にも形成する構成とすることが可能である。更に、
Al層などの配線層の形成方法としては、蒸着法などが
考えられ、PVD(PhysicalVapor Deposition )、例
えば高温スパッタリング法などが適用可能である。そし
て、上記窒化チタン膜と上記アルミ配線層との間に、さ
らにチタン膜を設ける構成も適用可能である。
Note that a contact hole can be formed in the interlayer insulating film, and a titanium film can be formed also on this contact hole. Furthermore,
As a method for forming a wiring layer such as an Al layer, a vapor deposition method or the like is considered, and PVD (Physical Vapor Deposition), for example, a high-temperature sputtering method or the like can be applied. A configuration in which a titanium film is further provided between the titanium nitride film and the aluminum wiring layer is also applicable.

【0044】また、本発明において、基板はシリコンな
どの半導体基板には限られず、ガラス、サファイヤなど
の絶縁基板やGaAsなどの化合物半導体基板なども適
用可能である。また、層間絶縁膜としては、BPSG
膜、SiO2 膜、PSG膜などの各種絶縁膜が適用可能
である。
In the present invention, the substrate is not limited to a semiconductor substrate such as silicon, but may be an insulating substrate such as glass or sapphire, or a compound semiconductor substrate such as GaAs. BPSG is used as the interlayer insulating film.
Various insulating films such as a film, a SiO 2 film, and a PSG film can be applied.

【0045】さらに、本発明において層間絶縁膜上(基
板上)に形成される金属膜としてはチタン膜のみについ
て示しているが、チタンと同様の構造、即ち、六方最密
充てん構造または面心立方格子構造を有する金属材料
も、チタン膜に代えて適用可能である。
Furthermore, in the present invention, only the titanium film is shown as the metal film formed on the interlayer insulating film (on the substrate), but it has the same structure as titanium, that is, the hexagonal close-packed structure or the face-centered cubic. A metal material having a lattice structure can be applied instead of the titanium film.

【0046】[0046]

【発明の実施の形態】BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

実施形態1.[BPSG膜の煮沸]本実施形態1では、
層間絶縁膜であるBPSG膜、即ちBPSG膜形成後の
基板を純水中において煮沸処理し、これによりBPSG
膜表面を吸湿させている。そして、本実施形態1は、そ
の後BPSG膜上にコンタクトホールを開孔し、さらに
Ti/TiN/Ti下地層及び高温スパッタAl合金膜
を順次成膜し、コンタクトホールのAl合金埋め込み特
性、Al合金膜の(111)配向性及び表面凹凸を評価
している。
Embodiment 1 FIG. [Boiling of BPSG film] In the first embodiment,
A BPSG film as an interlayer insulating film, that is, a substrate after the BPSG film is formed is subjected to a boiling treatment in pure water, whereby a BPSG film is formed.
The film surface is absorbing moisture. In the first embodiment, a contact hole is formed on the BPSG film, and a Ti / TiN / Ti underlayer and a high-temperature sputtered Al alloy film are sequentially formed. The (111) orientation and surface irregularities of the film are evaluated.

【0047】図1に示すように、半導体基板11の表面
に層間絶縁膜としてBPSG膜13を800nmの厚さ
に堆積した。なお、BPSG膜13中のB濃度は4wt
%、P濃度は4wt%とした。このBPSG膜13を9
00℃で30分間酸素雰囲気中で熱処理し、リフローを
行った。次に、通常のフォトリソグラフィ工程及びRI
E(反応性イオンエッチング)によって、BPSG膜1
3に対して、ホール径0.8μmのコンタクトホール1
2を開孔した。
As shown in FIG. 1, a BPSG film 13 having a thickness of 800 nm was deposited on the surface of the semiconductor substrate 11 as an interlayer insulating film. The B concentration in the BPSG film 13 is 4 wt.
% And the P concentration were 4 wt%. This BPSG film 13 is
Heat treatment was performed at 00 ° C. for 30 minutes in an oxygen atmosphere, and reflow was performed. Next, a normal photolithography process and RI
BPSG film 1 by E (reactive ion etching)
3 and a contact hole 1 having a hole diameter of 0.8 μm
2 was opened.

【0048】更に、コンタクトホール12を含むBPS
G膜13の表面に、基板温度350℃でのスパッタリン
グによってチタン膜として厚さ50nmの第1層目Ti
膜14及び厚さ100nmの第2層目TiN膜15を同
一チャンバ内で連続的に堆積した。なお、Ti膜14
は、TiターゲットとArガスを用いた通常のスパッタ
リング法によって成膜し、TiN膜15は、Tiターゲ
ットとAr+N2 の混合ガスを用いた反応性スパッタリ
ング法によって成膜している。また、Ti膜14の成膜
前のチャンバ内の水分圧は4×10-9Torrとした。
Further, the BPS including the contact hole 12
The first layer Ti having a thickness of 50 nm is formed as a titanium film on the surface of the G film 13 by sputtering at a substrate temperature of 350 ° C.
A film 14 and a second-layer TiN film 15 having a thickness of 100 nm were continuously deposited in the same chamber. The Ti film 14
Is formed by a normal sputtering method using a Ti target and an Ar gas, and the TiN film 15 is formed by a reactive sputtering method using a mixed gas of a Ti target and Ar + N 2 . The water pressure in the chamber before forming the Ti film 14 was 4 × 10 −9 Torr.

【0049】次に、本実施形態1においては、コンタク
ト部における信頼性を高めるため、試料をチャンバ内よ
り取り出し、窒素雰囲気中で700℃、180秒間のラ
ンプアニール処理を行った。このアニール処理は、コン
タクトホール12の底部に露出した基板(ここではシリ
コン半導体基板)11上のTi膜14をこの基板11の
Siと反応させて、低抵抗のチタンシリサイド(TiS
2 )を形成し、コンタクト抵抗を安定させることを目
的としている。また、その後Ti膜14上に形成される
TiN膜15の膜質を改善してバリア性を向上させるこ
とと目的としている。
Next, in the first embodiment, a sample was taken out of the chamber and subjected to lamp annealing at 700 ° C. for 180 seconds in a nitrogen atmosphere in order to increase the reliability of the contact portion. In this annealing treatment, the Ti film 14 on the substrate (here, a silicon semiconductor substrate) 11 exposed at the bottom of the contact hole 12 reacts with Si of the substrate 11 to form titanium silicide (TiS
i 2 ) to stabilize the contact resistance. It is another object of the present invention to improve the film quality of the TiN film 15 formed on the Ti film 14 to improve the barrier property.

【0050】上記アニール処理終了後、基板温度350
℃でのスパッタリングにより、更に20nmのTiN膜
16及び厚さ50nmの第3層目Ti膜17を同一チャ
ンバ内で順次堆積した。更に、得られた試料を真空を破
ることなく同一装置内の別チャンバに移送し、基板温度
500℃での高温スパッタによって、Al合金膜18、
具体的には、厚さ800nmのAl−Si−Cu膜を堆
積した。なお、厚さ20nmのTiN膜16は、TiN
膜15の中に含まれる酸素が上層のTi膜17の表面ま
で拡散してAl合金膜18に対する濡れ性を低下させて
しまい、その結果Al合金膜18によるコンタクトホー
ル12の埋め込みが不完全となることを防止する目的で
形成したものである。
After the completion of the annealing, the substrate temperature is set to 350
Further, a 20 nm-thick TiN film 16 and a 50 nm-thick third Ti film 17 were sequentially deposited in the same chamber by sputtering at ° C. Further, the obtained sample is transferred to another chamber in the same apparatus without breaking vacuum, and the Al alloy film 18 and
Specifically, an Al-Si-Cu film having a thickness of 800 nm was deposited. The 20 nm thick TiN film 16 is made of TiN
Oxygen contained in the film 15 diffuses to the surface of the upper Ti film 17 and lowers the wettability to the Al alloy film 18, so that the filling of the contact hole 12 with the Al alloy film 18 becomes incomplete. It is formed for the purpose of preventing the problem.

【0051】(評価結果)以上のような製造方法により
得られた試料について、まず、そのコンタクトホールへ
のAl合金の埋め込み特性を評価した結果、BPSG膜
の煮沸時間によらず、全ての試料で良好な埋め込み特性
が確認された。
(Evaluation Results) With respect to the samples obtained by the manufacturing method as described above, the embedding characteristics of the Al alloy in the contact holes were evaluated. As a result, regardless of the boiling time of the BPSG film, Good embedding characteristics were confirmed.

【0052】次に、Al合金膜の(111)配向性をX
線回折ロッキングカーブの半値幅により評価した。ここ
で、X線回折のロッキングカーブの半値幅は、その値が
小さいほど膜全体における(111)配向性が高いこと
を意味している。
Next, the (111) orientation of the Al alloy film was changed to X
The evaluation was made based on the half value width of the line diffraction rocking curve. Here, the half value width of the rocking curve of the X-ray diffraction means that the smaller the value, the higher the (111) orientation in the entire film.

【0053】また、これらのAl合金膜の表面凹凸の程
度については、波長365nmの光を照射した場合にお
けるAl合金膜の表面反射率を測定することにより評価
した。なお、この表面反射率は、その値が高いほど表面
の平滑性が高いことを意味している。
The degree of surface irregularities of these Al alloy films was evaluated by measuring the surface reflectance of the Al alloy films when irradiated with light having a wavelength of 365 nm. The higher the surface reflectivity, the higher the surface smoothness.

【0054】評価結果は、図2に示されている。なお、
図2において、横軸はBPSG膜の純水中での95℃で
の煮沸時間(hour)、左縦軸はX線回折のロッキン
グカーブの半値幅(度)、右縦軸はAl合金膜の表面反
射率(%)を示している。
The evaluation results are shown in FIG. In addition,
In FIG. 2, the horizontal axis represents the boiling time (hour) of the BPSG film in pure water at 95 ° C., the left vertical axis represents the half width (degree) of the rocking curve of X-ray diffraction, and the right vertical axis represents the Al alloy film. The surface reflectance (%) is shown.

【0055】図2において、その実線は、煮沸時間と半
値幅との関係を示しており、この実線によると、ロッキ
ングカーブの半値幅は、BPSG膜に対する煮沸時間が
0.25時間(15分)〜3時間の範囲において、0.
65〜0.8度の範囲の値となっている。
In FIG. 2, the solid line shows the relationship between the boiling time and the half width. According to the solid line, the half width of the rocking curve is that the boiling time for the BPSG film is 0.25 hours (15 minutes). 0 to 3 hours.
The value is in the range of 65 to 0.8 degrees.

【0056】一方、図2の点線は、煮沸時間とAl合金
膜の表面反射率との関係を示しており、図2に示すよう
に、表面反射率は、煮沸時間が15分〜3時間の範囲に
おいては90%以上に達しており、表面平滑性の高いA
l合金膜が得られていることが理解できる。
On the other hand, the dotted line in FIG. 2 shows the relationship between the boiling time and the surface reflectance of the Al alloy film. As shown in FIG. Over 90% in the range, and A
It can be understood that the 1 alloy film is obtained.

【0057】これに対し、従来のように、BPSG膜に
対して煮沸を行わない場合、即ち図2における煮沸時間
0の場合には、半値幅は約2.5度、表面反射率は約6
5%である。
On the other hand, when boiling is not performed on the BPSG film, that is, when the boiling time is 0 in FIG. 2, the half width is about 2.5 degrees and the surface reflectance is about 6 degrees.
5%.

【0058】更に、15分〜3時間の煮沸を行ったBP
SG膜上に形成したTiN膜15/Ti膜14下地層に
ついて、その表面近傍における組成分析をオージェ電子
分光法(AES)及び弾性反跳粒子検出法(ERD)に
より行った。その結果、TiN膜15には、8〜11%
の酸素(O)及び2〜4%の水素(H)が含まれている
ことが確認された。これら酸素及び水素の濃度は、BP
SG膜の煮沸時間が長いほど増加する傾向があった。
Further, BP cooked for 15 minutes to 3 hours
With respect to the TiN film 15 / Ti film 14 underlayer formed on the SG film, composition analysis near the surface was performed by Auger electron spectroscopy (AES) and elastic recoil particle detection (ERD). As a result, the TiN film 15 has 8 to 11%
Of oxygen (O) and 2 to 4% of hydrogen (H). The concentration of these oxygen and hydrogen is BP
The longer the boiling time of the SG film, the higher the tendency.

【0059】また、Ti膜14には、20〜30%の酸
素(O)、10〜20%の窒素(N)及び0.1〜0.
5%の水素(H)が含まれていることが明らかになっ
た。なお、Ti膜14に含まれる窒素は、TiN膜15
/Ti膜14の堆積後に行った700℃、180秒間の
ランプアニール処理により、TiN膜15中の窒素が拡
散したものである。また、Ti膜14に含まれる酸素
は、上記ランプアニール処理により、TiN膜15及び
BPSG膜表面の吸湿層から拡散したものである。
The Ti film 14 has 20 to 30% oxygen (O), 10 to 20% nitrogen (N), and 0.1 to 0.1%.
It was found that it contained 5% hydrogen (H). Note that nitrogen contained in the Ti film 14 is
Nitrogen in the TiN film 15 is diffused by lamp annealing at 700 ° C. for 180 seconds performed after the deposition of the / Ti film 14. The oxygen contained in the Ti film 14 is diffused from the TiN film 15 and the moisture absorbing layer on the surface of the BPSG film by the lamp annealing process.

【0060】なお、アニール処理を施した後の従来のT
iN膜、Ti膜における酸素及び水素の濃度は、TiN
膜中において、酸素5%、水素1%であり、Ti膜中で
は酸素5%、水素は約0.1%である。
It should be noted that the conventional T after annealing is performed.
The concentration of oxygen and hydrogen in the iN film and the Ti film is TiN
In the film, oxygen is 5% and hydrogen is 1%. In the Ti film, oxygen is 5% and hydrogen is about 0.1%.

【0061】以上の分析結果より、図1に示す配線構造
において、15分〜3時間の煮沸を行ったBPSG膜上
に形成されたTi膜14及びTiN膜15の膜内には、
これの処理を行わない従来のTi膜及TiN膜と比較し
て、その酸素濃度及び水素濃度が数倍程度増加してい
る。従って、本実施形態におけるTi膜14及びTiN
膜15の膜内には、BPSG膜からの拡散による酸素及
び水素が含まれていることが確認された。
From the above analysis results, in the wiring structure shown in FIG. 1, the Ti film 14 and the TiN film 15 formed on the BPSG film having been boiled for 15 minutes to 3 hours have
The oxygen concentration and the hydrogen concentration are increased about several times as compared with the conventional Ti film and TiN film which are not subjected to this processing. Therefore, the Ti film 14 and the TiN
It was confirmed that the film 15 contained oxygen and hydrogen due to diffusion from the BPSG film.

【0062】以上説明したように、15分〜3時間の純
水中での煮沸処理を行うことによって、従来に比べて半
値幅は1/3以下に減少し、表面反射率は25%以上向
上する。従って、本実施形態1に示す方法により、配線
層としてのAl合金膜の(111)配向性及び表面平滑
性を向上させることが可能となる。
As described above, by performing boiling treatment in pure water for 15 minutes to 3 hours, the half width is reduced to 1/3 or less and the surface reflectance is improved by 25% or more as compared with the conventional case. I do. Therefore, by the method described in the first embodiment, it is possible to improve the (111) orientation and the surface smoothness of the Al alloy film as the wiring layer.

【0063】なお、本実施形態1においては、BPSG
膜表面への吸湿層形成の為に、BPSG膜を純水中にて
煮沸処理しているがこれに限らず、例えば、高温、高湿
度の気相中にBPSG膜を曝す方法も適用可能である。
In the first embodiment, the BPSG
In order to form a moisture absorbing layer on the film surface, the BPSG film is boiled in pure water. However, the method is not limited to this. For example, a method of exposing the BPSG film to a high-temperature, high-humidity gas phase is also applicable. is there.

【0064】実施形態2. [Ti膜の成膜チャンバ内へのH2 Oの導入]本実施形
態2では、図1に示す配線構造の半導体装置製造にあた
り、実施形態1のようにBPSG膜に対して煮沸を行わ
ず、Ti膜形成に際して成膜チャンバ内に水蒸気を導入
することを特徴としている。
Embodiment 2 [Introduction of H 2 O into Ti Film Forming Chamber] In the second embodiment, when manufacturing the semiconductor device having the wiring structure shown in FIG. 1, the BPSG film is not boiled as in the first embodiment. It is characterized in that water vapor is introduced into a film forming chamber when forming a Ti film.

【0065】具体的には、図1の構成において、基板1
1の表面にBPSG膜13を堆積し、900℃で30分
間酸素雰囲気中で熱処理後、煮沸することなくこのBP
SG膜13上にコンタクトホール12を開孔する。次に
成膜装置のチャンバ内に水蒸気を導入してH2 O分圧を
制御し、Ti膜14及びTiN膜15を連続的に成膜し
た。更に、窒素雰囲気中で700℃、180秒間のラン
プアニールを行い、その後、TiN膜16及びTi膜1
7を順次堆積し、Ti膜17の表面に高温スパッタに
て、Al合金膜18を成膜した。そして、H2 O分圧が
それぞれ異なった複数の試料を作成した。なお、本実施
形態2において、水蒸気導入によりH2 O分圧を制御す
る以外の成膜条件は、各層の膜厚も含め実施形態1と同
様としている。
Specifically, in the configuration shown in FIG.
A BPSG film 13 is deposited on the surface of Sample No. 1 and heat-treated at 900 ° C. for 30 minutes in an oxygen atmosphere.
A contact hole 12 is formed on the SG film 13. Next, water vapor was introduced into the chamber of the film forming apparatus to control the H 2 O partial pressure, and the Ti film 14 and the TiN film 15 were formed continuously. Further, lamp annealing is performed at 700 ° C. for 180 seconds in a nitrogen atmosphere, and thereafter, the TiN film 16 and the Ti film 1
7 were sequentially deposited, and an Al alloy film 18 was formed on the surface of the Ti film 17 by high-temperature sputtering. Then, a plurality of samples having different H 2 O partial pressures were prepared. In the second embodiment, the film forming conditions other than controlling the partial pressure of H 2 O by introducing water vapor are the same as those of the first embodiment, including the thickness of each layer.

【0066】(評価結果)以上のようにして得られた試
料に対し、上述の実施形態1と同様、コンタクトホール
へのAl合金埋め込み特性、Al合金膜の(111)配
向性及び表面凹凸を評価し、またさらにTi/TiN/
Ti下地層中の酸素及び水素濃度を評価した。得られた
結果は以下の通りである。
(Evaluation Results) The samples obtained as described above were evaluated for the embedding characteristics of the Al alloy in the contact holes, the (111) orientation of the Al alloy film, and the surface irregularities, as in the first embodiment. And also Ti / TiN /
The oxygen and hydrogen concentrations in the Ti underlayer were evaluated. The results obtained are as follows.

【0067】まず、コンタクトホールへのAl合金膜の
埋め込み特性を評価したところ、Ti膜/TiN膜に依
らず、全ての試料で良好な埋め込み特性が確認された。
First, when the embedding characteristics of the Al alloy film in the contact hole were evaluated, good embedding characteristics were confirmed in all samples regardless of the Ti film / TiN film.

【0068】また、Al合金膜のAl(111)面のX
線回折ロッキングカーブの半値幅及び表面反射率のH2
O分圧依存性については、図3のような結果が得られ
た。図3において、横軸はTi/TiN膜の成膜時のH
2 O分圧(Torr)、左縦軸はX線回折ロッキングカ
ーブの半値幅(度)、右縦軸はAl合金膜の表面反射率
(%)を示している。
The X of the Al (111) plane of the Al alloy film
H 2 of the half width of the X-ray diffraction rocking curve and the surface reflectance
As for the O partial pressure dependency, the result as shown in FIG. 3 was obtained. In FIG. 3, the horizontal axis represents H at the time of forming the Ti / TiN film.
The 2 O partial pressure (Torr), the left vertical axis shows the half width (degree) of the X-ray diffraction rocking curve, and the right vertical axis shows the surface reflectance (%) of the Al alloy film.

【0069】図3の実線に示されるように、半値幅はH
2 O分圧が1×10-8〜1×10-7Torrの範囲にお
いて0.6〜0.8度という低い値となっている。一
方、Al合金膜の表面反射率は、点線に示すように、H
2 O分圧が上記同様の1×10-8〜1×10-7Torr
の範囲で90%以上の高い値となっている。
As shown by the solid line in FIG.
When the partial pressure of 2 O is in the range of 1 × 10 −8 to 1 × 10 −7 Torr, the value is as low as 0.6 to 0.8 degrees. On the other hand, the surface reflectance of the Al alloy film is H
2 O partial pressure is 1 × 10 −8 to 1 × 10 −7 Torr as described above.
In the range of 90% or more.

【0070】従って、本実施形態2により、このような
2 O分圧の範囲において、Al合金膜の(111)配
向性及び表面平滑性を著しく向上させることが可能とな
る。
Therefore, according to the second embodiment, it is possible to remarkably improve the (111) orientation and the surface smoothness of the Al alloy film in such a range of the H 2 O partial pressure.

【0071】これに対し、従来Ti/TiN膜を形成し
ていたH2 O分圧が1×10-8Torr以下の領域で
は、図3から明かなように、Al合金膜の(111)配
向性及び表面平滑性のいずれについても良好な値が得ら
れていない。
On the other hand, in the region where the H 2 O partial pressure is 1 × 10 −8 Torr or less where the conventional Ti / TiN film was formed, as is clear from FIG. 3, the (111) orientation of the Al alloy film was Good values have not been obtained for any of the properties and surface smoothness.

【0072】更に、Al合金膜の(111)配向性及び
表面平滑性が高い値を示したH2 O分圧が1×10-8
1×10-7Torrの範囲の試料について、実施形態1
と同様にTiN膜15/Ti膜14の組成分析を行っ
た。その結果、これらの試料のTiN膜15には、実施
形態1とほぼ同じ濃度の酸素(O)及び水素(H)が含
まれていることが確認された。そして、この酸素及び水
素の濃度は、H2 O分圧が高いほど増加する傾向にあっ
た。また、Ti膜14にも、実施形態1と同様に、20
〜30%の酸素(O)、10〜20%の窒素(N)及び
0.1〜0.5%の水素(H)が含まれていることが明
らかになった。
Further, the H 2 O partial pressure at which the (111) orientation and the surface smoothness of the Al alloy film showed high values was 1 × 10 −8 to
Embodiment 1 for a sample in the range of 1 × 10 −7 Torr
The composition analysis of the TiN film 15 / Ti film 14 was performed in the same manner as described above. As a result, it was confirmed that the TiN films 15 of these samples contained oxygen (O) and hydrogen (H) at substantially the same concentrations as in the first embodiment. The oxygen and hydrogen concentrations tended to increase as the H 2 O partial pressure increased. In addition, as in the first embodiment, a 20
It was found that it contained 3030% oxygen (O), 10-20% nitrogen (N) and 0.1-0.5% hydrogen (H).

【0073】従って、この組成分析結果より、実施形態
1の[15分〜3時間の煮沸処理]、実施形態2の[H
2 O分圧を1×10-8〜1×10-7TorrとしたTi
N膜15/Ti膜14の成膜雰囲気]、これら2つのい
ずれの方法によっても、TiN膜15/Ti膜14下地
層の組成に対し、同様の効果をもたらすことが確認され
た。
Therefore, from the results of the composition analysis, [the boiling treatment for 15 minutes to 3 hours] of the embodiment 1 and [H] of the embodiment 2
Ti with 2 O partial pressure of 1 × 10 -8 to 1 × 10 -7 Torr
Atmosphere of forming N film 15 / Ti film 14] It has been confirmed that both of these two methods have the same effect on the composition of the TiN film 15 / Ti film 14 underlayer.

【0074】なお、本発明は、上記2つの実施形態に示
した製造方法に限られない。
The present invention is not limited to the manufacturing methods shown in the above two embodiments.

【0075】例えば、実施形態1のBPSG膜表面への
煮沸処理等による吸湿層の形成と、実施形態2の成膜チ
ャンバへの水蒸気の導入という2つの製造プロセスを組
み合わせて半導体装置の配線構造を形成しても上記同様
の効果が得られる。但し、この場合には、BPSG膜表
面に対する吸湿処理の時間及び成膜時の水蒸気分圧をそ
れぞれ実施形態1及び実施形態2に例示した値より低く
設定する必要がある。
For example, the wiring structure of the semiconductor device is formed by combining two manufacturing processes of forming a moisture-absorbing layer on the surface of the BPSG film by boiling treatment or the like in Embodiment 1 and introducing steam into the film formation chamber in Embodiment 2. Even if it is formed, the same effect as above can be obtained. However, in this case, it is necessary to set the time of the moisture absorption process on the BPSG film surface and the partial pressure of water vapor at the time of film formation lower than the values exemplified in the first and second embodiments, respectively.

【0076】また、コンタクト部の信頼性を高めるため
に、TiN膜15/Ti膜14堆積後、窒素雰囲気中に
て700℃、180秒間のランプアニール処理を行い、
更にTiN膜16を追加形成している。しかし、これら
の処理は必ずしも必要ではない。なお、上記ランプアニ
ール処理を実施した場合としない場合とで、Ti膜14
の組成は大きく異なり、アニール処理をしない場合に
は、Ti膜14中に窒素、酸素は殆ど含まれない(0.
1%以下)。
Further, in order to enhance the reliability of the contact portion, after depositing the TiN film 15 / Ti film 14, a lamp annealing process is performed at 700 ° C. for 180 seconds in a nitrogen atmosphere.
Further, a TiN film 16 is additionally formed. However, these processes are not always necessary. It should be noted that the Ti film 14 is used depending on whether or not the lamp annealing process is performed.
Is significantly different, and when no annealing treatment is performed, nitrogen and oxygen are hardly contained in the Ti film 14 (0.
1% or less).

【0077】更に、各実施形態においては、配線層であ
るAl合金膜を500℃での高温スパッタ法により形成
し、配線層の形成と同時にコンタクトホールへのAl合
金の埋め込みを行っているがこれには限らない。例え
ば、下地層(TiN膜/Ti膜等)の形成後、タングス
テンCVD法によりコンタクトホールの埋め込みを行
い、その後配線層としてAl合金を基板温度150〜3
00℃での従来スパッタリング法により形成する構成で
あっても良い。
Further, in each of the embodiments, the Al alloy film as the wiring layer is formed by a high-temperature sputtering method at 500 ° C., and the Al alloy is buried in the contact holes simultaneously with the formation of the wiring layer. Not necessarily. For example, after forming an underlayer (TiN film / Ti film, etc.), a contact hole is buried by a tungsten CVD method, and then an Al alloy is formed as a wiring layer at a substrate temperature of 150-3.
A structure formed by a conventional sputtering method at 00 ° C. may be used.

【0078】また、基板上に形成されたBPSG膜上
に、下地層を設ける構成について示しているがこれには
限られない。例えば、半導体基板や絶縁基板上に形成さ
れたシリコン層の上層に層間絶縁膜を形成し、この層間
絶縁膜上にAl配線層との適合性に優れた下地層を設け
る構成にも適用可能である。
Further, the configuration in which the underlayer is provided on the BPSG film formed on the substrate is shown, but the invention is not limited to this. For example, the present invention can be applied to a configuration in which an interlayer insulating film is formed on a silicon layer formed on a semiconductor substrate or an insulating substrate, and a base layer having excellent compatibility with an Al wiring layer is provided on the interlayer insulating film. is there.

【0079】実施形態3.実施形態2に係る半導体装置
の製造にあたっては、図4に示すごとき成膜装置を用い
た。図4に示す装置は、スパッタリング装置であり、T
i膜及びTiN膜を成膜する成膜チャンバ21およびA
l合金(Al−Si−Cu)膜を成膜する成膜チャンバ
22の2つのスパッタチャンバと、ロードロックチャン
バ23、および搬送チャンバ24を備える杖葉式マルチ
チャンバースパッタリング装置である。なお、各チャン
バ21、22、23と搬送チャンバ24との間にはそれ
ぞれゲートバルブ30が設けられている。
Embodiment 3 In manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment, a film forming apparatus as shown in FIG. 4 was used. The device shown in FIG.
film forming chamber 21 for forming i film and TiN film and A
This is a stick-type multi-chamber sputtering apparatus including two sputtering chambers of a 1-alloy (Al-Si-Cu) film, a load lock chamber 23, and a transfer chamber 24. A gate valve 30 is provided between each of the chambers 21, 22, and 23 and the transfer chamber 24.

【0080】この装置では、各チャンバ21、22、2
3、24におけるプロセスガス流量、基板の加熱、スパ
ッタリング成膜、及びウエハの移動はすべてコンピュー
タ25により制御されている。さらに、本実施形態3で
は、このコンピュータ25は、チャンバ21内における
2 O分圧についても設定された範囲の圧力となるよう
に制御する分圧制御手段としても機能している。
In this apparatus, each of the chambers 21, 22, 2,
The process gas flow, substrate heating, sputtering film formation, and wafer movement in 3 and 24 are all controlled by the computer 25. Further, in the third embodiment, the computer 25 also functions as a partial pressure control unit that controls the H 2 O partial pressure in the chamber 21 so as to be within a set range.

【0081】この装置において、Ti膜及びTiN膜を
成膜するスパッタチャンバ21には、水を溜めるボンベ
26、ボンベ26から成膜チャンバ21内への水蒸気流
量を制御するための水蒸気流量調整用のバルブ27、水
蒸気をチャンバに導入するための導入用の配管28が設
けられている。さらに、この成膜チャンバ21には、H
2 O分圧を測定するための分圧真空計29が接続されて
いる。なお、上記ボンベ26中では、必ずしもこれには
限られないが、水(液体)と水蒸気とが共存する状態で
2 Oが保管されている。
In this apparatus, a sputter chamber 21 for forming a Ti film and a TiN film is provided with a cylinder 26 for storing water, and a steam flow rate adjusting device for controlling the steam flow rate from the cylinder 26 into the film formation chamber 21. A valve 27 and a piping 28 for introducing steam into the chamber are provided. Further, the film forming chamber 21 contains H
A partial pressure vacuum gauge 29 for measuring the 2O partial pressure is connected. In the cylinder 26, H 2 O is stored in a state where water (liquid) and water vapor coexist, although not necessarily limited thereto.

【0082】バルブ27及び分圧真空計29は、システ
ム制御用のコンピュータ25に電気的に接続されてい
る。この装置では、スパッタチャンバ21にウエハが搬
入された直後から、分圧真空計29によりチャンバ21
内のH2 O分圧が計測される。コンピュータ25は、分
圧真空計29での計測結果に基づいてバルプ27を調整
し、ボンベ26からチャンバ21内へ導入する水蒸気の
流量を制御する。これにより、チャンバ21内における
2 O分圧が前もって設定した値に正確に制御される。
The valve 27 and the partial pressure gauge 29 are electrically connected to a computer 25 for system control. In this apparatus, immediately after a wafer is loaded into the sputtering chamber 21, the partial pressure
Partial pressure of H 2 O inside is measured. The computer 25 adjusts the valve 27 based on the measurement result of the partial pressure vacuum gauge 29 and controls the flow rate of steam introduced from the cylinder 26 into the chamber 21. Thus, the H 2 O partial pressure in the chamber 21 is accurately controlled to a preset value.

【0083】次に、上記スパッタリング装置を用いての
図1の半導体装置の製造方法の一例について説明する。
Next, an example of a method of manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 1 using the above sputtering apparatus will be described.

【0084】まず、図1に示すように、半導体基板11
の表面に層間絶縁膜としてBPSG膜13を800nm
の厚さに堆積する。なお、BPSG膜13中のB濃度は
4wt%、P濃度は3wt%とする。このBPSG膜1
3を900℃で30分間酸素雰囲気中で熱処理し、リフ
ローを行う。そして、この通常のフォトリソグラフィエ
程及びRIE(反応性イオンエッチング)によって、B
PSG膜13に対してホール径0.8μmのコンタクト
ホール12を開孔する。
First, as shown in FIG.
A BPSG film 13 as an interlayer insulating film on the surface of
Deposited to a thickness of The B concentration in the BPSG film 13 is 4 wt%, and the P concentration is 3 wt%. This BPSG film 1
3 is heat-treated at 900 ° C. for 30 minutes in an oxygen atmosphere to perform reflow. Then, by the ordinary photolithography process and RIE (reactive ion etching), B
A contact hole 12 having a hole diameter of 0.8 μm is formed in the PSG film 13.

【0085】図4に示すスパッタリング装置のロードロ
ックチャンバ23には、上述のようにしてBPSG膜1
3及びコンタクトホール12が形成された試料を入れ
る。試料は、このチャンバ23からゲートバルブ30及
び搬送チャンバ24を経由して、Ti膜及びTiN膜を
成膜するスパッタチャンバ21内に搬入される。
The load lock chamber 23 of the sputtering apparatus shown in FIG.
3 and the sample in which the contact hole 12 is formed are put. The sample is carried from the chamber 23 through the gate valve 30 and the transfer chamber 24 into the sputtering chamber 21 for forming a Ti film and a TiN film.

【0086】試料の搬入後、水蒸気流量調整用バルブ2
7を開いてスパッタチャンバ21内に水蒸気を導入す
る。コンピュータ25は、上述のようにしてチャンバ2
1内におけるH2 O分圧を所望の値に制御し、コンタク
トホール12を含むBPSG膜の表面に、基板温度35
0℃でのスパッタリング処理を施す。
After the sample is loaded, the steam flow rate adjusting valve 2
7 is opened to introduce steam into the sputtering chamber 21. The computer 25 is connected to the chamber 2 as described above.
1, the H 2 O partial pressure is controlled to a desired value, and the surface of the BPSG film including the contact hole 12 has a substrate temperature of 35 ° C.
A sputtering process at 0 ° C. is performed.

【0087】このスパッタリングにより、例えば、厚さ
50nmのTi膜14及び厚さ100nmのTiN膜1
5を連続的に堆積する。なお、成膜前のチャンバ21内
のH2 O分圧は4×10-9Torrであり、成膜時のH
2 O分圧は、1×10-8〜1×10-7Torrの範囲内
に制御する。
By this sputtering, for example, a Ti film 14 having a thickness of 50 nm and a TiN film 1 having a thickness of 100 nm
5 is deposited continuously. Note that the partial pressure of H 2 O in the chamber 21 before film formation was 4 × 10 −9 Torr,
The 2 O partial pressure is controlled within the range of 1 × 10 −8 to 1 × 10 −7 Torr.

【0088】また、Ti膜の成膜はTiターゲットとA
rガスを用いた通常のスパッタリングにより、TiN膜
の成膜はTi夕ーゲットとAr及びN2 の混合ガスを用
いた反応性スパッタリングにより行うことが可能であ
る。
The Ti film is formed by using a Ti target and A
The TiN film can be formed by reactive sputtering using a Ti target and a mixed gas of Ar and N 2 by ordinary sputtering using r gas.

【0089】次に、本実施形態では、コンタクト部の信
頼性を高めるために、一旦、試料を図4の成膜装置の外
に取り出し、窒素雰囲気中で700℃、180秒間のラ
ンプアニール処理を行う。このアニール処理により、T
i膜14をコンタクトホール12の底部で露出した半導
体基板11のSiと反応させて、チタンシリサイド(T
iSi2 )を形成し、コンタクト抵抗が安定化する。ま
た、TiN膜15の膜質を改善してバリア性が高まる。
Next, in this embodiment, in order to enhance the reliability of the contact portion, the sample is once taken out of the film forming apparatus shown in FIG. 4 and subjected to a lamp annealing process at 700 ° C. for 180 seconds in a nitrogen atmosphere. Do. By this annealing treatment, T
The i film 14 reacts with the Si of the semiconductor substrate 11 exposed at the bottom of the contact hole 12 to form titanium silicide (T
iSi 2 ) is formed, and the contact resistance is stabilized. Further, the film quality of the TiN film 15 is improved, and the barrier property is enhanced.

【0090】上記アニール処理後、試料を再びロードロ
ックチャンバ23に入れ、搬送チャンバ24を経由し
て、Ti膜及びTiN膜を成膜するスパッタチャンバ2
1内に移送する。そして、基板温度350℃でのスパッ
タリングによって厚さ20nmのTiN膜16及び厚さ
50nmのTi膜17を同一チャンバで順次堆積する。
なお、TiN膜16及びTi膜17の成膜の際には、チ
ャンバ21内への水蒸気の供給は行わない。
After the annealing treatment, the sample is put into the load lock chamber 23 again, and is transferred via the transfer chamber 24 to the sputtering chamber 2 for forming the Ti film and the TiN film.
Transfer into 1. Then, a 20 nm thick TiN film 16 and a 50 nm thick Ti film 17 are sequentially deposited in the same chamber by sputtering at a substrate temperature of 350 ° C.
Note that, when the TiN film 16 and the Ti film 17 are formed, the supply of water vapor into the chamber 21 is not performed.

【0091】次に、試料を搬送チャンバ24を経由して
Al合金膜を成膜するスパッタチャンバ22内に移送
し、基板温度500℃での高温スパッタによってAl合
金膜18として厚さ800nmのAl−Si−Cu膜を
堆積する。
Next, the sample is transferred via the transfer chamber 24 into the sputtering chamber 22 for forming an Al alloy film, and the high-temperature sputtering at a substrate temperature of 500.degree. A Si-Cu film is deposited.

【0092】以上のような手順により、図1に示す半導
体装置が得られる。
By the above procedure, the semiconductor device shown in FIG. 1 is obtained.

【0093】また、上述の手順により形成される半導体
装置について、Ti膜14及びTiN膜15を成膜する
際のH2 O分圧がそれぞれ異なった多数の試料を作製
し、コンタクトホールへのAl合金の埋め込み特性、A
l 合金膜の(111)配向性及び表面凹凸を評価したと
ころ、実施形態2と同様の評価結果が得られた。
Further, with respect to the semiconductor device formed by the above-described procedure, a large number of samples having different H 2 O partial pressures when forming the Ti film 14 and the TiN film 15 were prepared, and Al was introduced into the contact hole. Embedded characteristics of alloy, A
When the (111) orientation and the surface unevenness of the l alloy film were evaluated, the same evaluation results as in the second embodiment were obtained.

【0094】即ち、コンタクトホールのAl 合金膜の埋
め込み特性は、Ti/TiN成膜時のチャンバ21内の
2 O分圧に依らず、全ての試料で良好な埋め込みが確
認された。また、Al合金膜のAl(111)面のX線
回折ロッキングカーブ半値幅及び表面反射率のH2 O分
圧依存性については、図3に示すように、チャンバ21
内でのH2 O分圧が1×10-8〜1×10-7Torrの
範囲で、半値幅が0.6〜0.8度の低い値となってい
る。表面反射率は、H2 O分圧が1×10-8〜1×10
-7Torrの範囲で90%以上の高い値となっている。
In other words, the embedding characteristics of the Al alloy film in the contact hole were confirmed to be satisfactory in all samples regardless of the partial pressure of H 2 O in the chamber 21 at the time of Ti / TiN film formation. The X-ray diffraction rocking curve half-width of the Al (111) plane of the Al alloy film and the H 2 O partial pressure dependency of the surface reflectivity as shown in FIG.
Within the range, the partial pressure of H 2 O is in the range of 1 × 10 −8 to 1 × 10 −7 Torr, and the half width is a low value of 0.6 to 0.8 degrees. The surface reflectance is such that the partial pressure of H 2 O is 1 × 10 −8 to 1 × 10
It is a high value of 90% or more in the range of -7 Torr.

【0095】従って、本実施形態に示すような成膜装置
を用いて、Ti膜14及びTiN膜15の成膜時にH2
Oをチャンバ内に導入しこのH2 O分圧を所望の範囲内
とすることにより、Al合金膜の(111)配向性及び
表面平滑性を著しく向上させることが可能となる。
Therefore, when the Ti film 14 and the TiN film 15 are formed by using the film forming apparatus as shown in this embodiment, H 2 is used.
By introducing O into the chamber and setting the H 2 O partial pressure within a desired range, the (111) orientation and surface smoothness of the Al alloy film can be significantly improved.

【0096】[0096]

【発明の効果】以上説明したように、本発明により、半
導体装置において、配線層を形成した場合に配線層とし
ての例えばAl膜の(111)配向性を向上でき、また
これと共にその表面モホロジーを平滑とすることが可能
となる。このため、高いエレクトロマイグレーション耐
性と高精度なパターニングが可能なAl配線層を形成す
ることができる。
As described above, according to the present invention, when a wiring layer is formed in a semiconductor device, the (111) orientation of, for example, an Al film as a wiring layer can be improved, and the surface morphology can be improved. It is possible to make it smooth. For this reason, it is possible to form an Al wiring layer capable of high electromigration resistance and highly accurate patterning.

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

【図1】 本発明の実施形態に係る半導体装置の概略断
面を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic cross section of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

【図2】 本発明の実施形態1におけるAl合金膜の
(111)配向半値幅及び表面反射率とBPSG膜の煮
沸時間との関係を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the (111) orientation half width and surface reflectance of an Al alloy film and the boiling time of a BPSG film in Embodiment 1 of the present invention.

【図3】 本発明の実施形態2におけるAl合金膜の
(111)配向半値幅及び表面反射率とTi成膜時のチ
ャンバ内H2 O分圧の関係を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between a (111) orientation half width and a surface reflectance of an Al alloy film and a partial pressure of H 2 O in a chamber at the time of forming a Ti film according to a second embodiment of the present invention.

【図4】 本発明の実施形態3におけるスパッタリング
装置の構成図である。
FIG. 4 is a configuration diagram of a sputtering apparatus according to a third embodiment of the present invention.

【図5】 従来の半導体装置の概略構成を示す図であ
る。
FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of a conventional semiconductor device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 基板、12 コンタクトホール、13 BPSG
膜、14,17 Ti膜、15,16 TiN膜、18
Al合金膜、21 Ti膜・TiN膜の成膜チャン
バ、22 Al合金膜の成膜チャンバ、23 ロードロ
ックチャンバ、24 搬送チャンバ、25 システム制
御用コンピュータ、26 ボンベ、27水蒸気流量調整
用バルブ、28 水蒸気導入用配管、29 分圧真空
計、30ゲートバルブ。
11 substrate, 12 contact holes, 13 BPSG
Film, 14, 17 Ti film, 15, 16 TiN film, 18
Al alloy film, 21 Ti film / TiN film deposition chamber, 22 Al alloy film deposition chamber, 23 load lock chamber, 24 transfer chamber, 25 system control computer, 26 cylinder, 27 water vapor flow control valve, 28 Steam introduction pipe, 29-minute pressure gauge, 30 gate valve.

フロントページの続き (72)発明者 細川 秀記 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 大脇 健史 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 光嶋 康一 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 多賀 康訓 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内Continuing from the front page (72) Inventor Hideki Hosokawa 41, Chukumi-Yokomichi, Nagakute-machi, Aichi-gun, Aichi Prefecture Inside of Toyota Central Research Institute, Inc. (72) Inventor Takeshi Owaki Takeshi Owaki, Nagakute-cho, Aichi-gun, Aichi 41 No. 1 Inside Toyota Central Research Laboratories Co., Ltd. (72) Inventor Koichi Mitsushima 41 No. 41, Chuchu-Yokomichi, Nagakute-cho, Aichi-gun, Aichi Prefecture No. 1 Inside Toyota Central Research Laboratories Co., Ltd. 41, Yokomichi, Nagakute-machi

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板上に形成された層間絶縁膜と、 前記層間絶縁膜上に形成されたチタン膜と、 前記チタン膜上に形成された窒化チタン膜と、 前記窒化チタン膜上に形成されたアルミ配線層とを有す
る半導体装置の製造方法であって、 前記チタン膜又は前記チタン膜及び前記窒化チタン膜の
成膜前、又は成膜中、若しくは成膜前及び成膜中におい
て、H2 Oを含む気相又は液相雰囲気に前記半導体装置
を曝すことを特徴とする半導体装置の製造方法。
1. An interlayer insulating film formed on a substrate, a titanium film formed on the interlayer insulating film, a titanium nitride film formed on the titanium film, and formed on the titanium nitride film and a method of manufacturing a semiconductor device having an aluminum wiring layer, said front formation of the titanium film or the titanium film and the titanium nitride film, or during deposition, or deposited before and during the film formation, H 2 A method for manufacturing a semiconductor device, comprising exposing the semiconductor device to a gas or liquid atmosphere containing O.
【請求項2】 請求項1に記載の製造方法において、 前記チタン膜の成膜前に、前記層間絶縁膜を15分〜3
時間水中で煮沸処理することを特徴とする半導体装置の
製造方法。
2. The method according to claim 1, wherein the interlayer insulating film is formed for 15 minutes to 3 minutes before forming the titanium film.
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising performing boiling treatment in water for a time.
【請求項3】 請求項1又は2のいずれかに記載の製造
方法において、 前記チタン膜、又は前記チタン膜及び前記窒化チタン膜
の成膜時に、成膜チャンバ内に水蒸気を導入し、成膜中
における前記成膜チャンバ内のH2 O分圧を1×10-8
〜1×10-7Torrに制御することを特徴とする半導
体装置の製造方法。
3. The method according to claim 1, wherein water vapor is introduced into a film forming chamber when the titanium film, or the titanium film and the titanium nitride film are formed. The H 2 O partial pressure in the film forming chamber is set to 1 × 10 −8
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the method is controlled to 1 × 10 −7 Torr.
【請求項4】 請求項1〜3のいずれか一つに記載の製
造方法により得られる半導体装置において、 成膜された前記チタン膜は、20〜30%の酸素原子、
10〜20%の窒素原子及び0.1〜0.5%の水素原
子を含み、 成膜された前記窒化チタン膜は、8〜11%の酸素原子
及び2〜4%の水素原子を含むことを特徴とする半導体
装置。
4. The semiconductor device obtained by the method according to claim 1, wherein the formed titanium film has 20 to 30% oxygen atoms,
The titanium nitride film contains 10 to 20% of nitrogen atoms and 0.1 to 0.5% of hydrogen atoms, and the formed titanium nitride film contains 8 to 11% of oxygen atoms and 2 to 4% of hydrogen atoms. A semiconductor device characterized by the above-mentioned.
【請求項5】 請求項1〜3のいずれか一つに記載の製
造方法により得られる半導体装置において、 成膜された前記チタン膜は、0.1〜0.5%の水素原
子を含み、 成膜された前記窒化チタン膜は、8〜11%の酸素原子
及び2〜4%の水素原子を含むことを特徴とする半導体
装置。
5. The semiconductor device obtained by the manufacturing method according to claim 1, wherein the formed titanium film contains 0.1 to 0.5% of hydrogen atoms, A semiconductor device, wherein the formed titanium nitride film contains 8 to 11% of oxygen atoms and 2 to 4% of hydrogen atoms.
【請求項6】 基板上に形成されたチタン膜を有する半
導体装置の製造方法であって、 前記チタン膜の成膜前または成膜中、もしくは成膜前及
び成膜中において、H2 Oを含む気相又は液相雰囲気に
前記半導体装置を曝すことを特徴とする半導体装置の製
造方法。
6. A method for manufacturing a semiconductor device having a titanium film formed on a substrate, wherein H 2 O is formed before or during the film formation, or before and during the film formation. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising exposing the semiconductor device to a gaseous or liquid phase atmosphere containing the semiconductor device.
【請求項7】 チタン系材料を成膜する成膜装置であっ
て、 前記チタン系材料の膜形成に際して、成膜チャンバ内に
2 Oを導入するH2O導入手段と、 前記成膜チャンバ内のH2 O分圧を所定範囲内に制御す
る分圧制御手段と、 を備えることを特徴とする成膜装置。
7. A film forming apparatus for forming a titanium-based material, in film formation of the titanium-based material, and H 2 O introducing means for introducing of H 2 O into the film formation chamber, the deposition chamber A partial pressure control means for controlling a partial pressure of H 2 O within a predetermined range.
【請求項8】 請求項7に記載の成膜装置において、 前記H2 O導入手段は、H2 Oを蓄えるボンベと、前記
ボンベから前記成膜チャンバ内へのH2 Oの供給を制御
するバルブと、を有し、 前記分圧制御手段が、成膜チャンバ内のH2 O分圧を計
測する圧力計によって計測されたチャンバ内のH2 O分
圧値に基づいて前記バルブを制御し、前記ボンベから前
記膜形成チャンバ内へのH2 O供給量を制御することを
特徴とする成膜装置。
8. The film forming apparatus according to claim 7, wherein the H 2 O introducing means includes a cylinder for storing H 2 O, and controls the supply of of H 2 O into the film forming chamber from the cylinder And a valve, wherein the partial pressure control means controls the valve based on a partial pressure of H 2 O in the chamber measured by a pressure gauge that measures a partial pressure of H 2 O in the film forming chamber. Controlling the amount of H 2 O supplied from the cylinder into the film forming chamber.
【請求項9】 請求項7又は8のいずれかに記載の成膜
装置において、 基板上に、チタン膜、又はチタン膜及び窒化チタン膜を
成膜する際に、前記成膜チャンバ内に水蒸気を導入し、
成膜中における前記成膜チャンバ内のH2 O分圧を1×
10-8〜1×10-7Torrに制御することを特徴とす
る成膜装置。
9. The film forming apparatus according to claim 7, wherein when forming a titanium film or a titanium film and a titanium nitride film on a substrate, water vapor is supplied into the film forming chamber. Introduce,
During the film formation, the partial pressure of H 2 O in the film formation chamber was set to 1 ×
A film forming apparatus characterized by controlling the pressure to 10 -8 to 1 × 10 -7 Torr.
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