JP3184042B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造方法
に関し、特に半導体層上にコンタクトメタルを通して化
学気相成長法でバリアメタルを形成する工程を含む半導
体装置の製造方法に関する。The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device including a step of forming a barrier metal by chemical vapor deposition through a contact metal on a semiconductor layer.
【０００２】[0002]
【従来の技術】半導体基板上の層間絶縁膜を介して積層
形成された配線層により、層間絶縁膜に設けられたビア
ホールなどを通じて半導体基板の素子領域から電極を引
き出す構造では、配線層の材料としてAlなどを使用する
と、配線層のAlが配線層と素子領域の接続部分から素子
領域に移動し、拡散領域を汚染して半導体装置の特性を
劣化させることがある。このために、Alの移動を防ぐた
めに、配線層の下地としてバリアメタル層を形成する。
このバリアメタル層は、たとえば、TiNなどの高融点金
属窒化物からなり、熱ＣＶＤ法などにより形成される。2. Description of the Related Art In a structure in which an electrode is drawn from an element region of a semiconductor substrate through a via hole or the like provided in the interlayer insulating film by a wiring layer laminated and formed via an interlayer insulating film on the semiconductor substrate, a material for the wiring layer is used. When Al or the like is used, Al in the wiring layer may move from the connection portion between the wiring layer and the element region to the element region, contaminate the diffusion region, and deteriorate the characteristics of the semiconductor device. For this reason, a barrier metal layer is formed as a base of the wiring layer in order to prevent the movement of Al.
This barrier metal layer is made of, for example, a refractory metal nitride such as TiN, and is formed by a thermal CVD method or the like.
【０００３】しかし、高融点金属窒化物層はSiなどの半
導体基板との接合性が悪いため、バリアメタル層の下地
としてTiなどからなるコンタクトメタル層をスパッタ法
などにより形成する。このコンタクトメタル層を設ける
ことにより、ビアホール内におけるバリアメタル層と素
子領域との接合性が改善され、半導体装置の特性を安定
化することができる。However, since the refractory metal nitride layer has poor bondability with a semiconductor substrate such as Si, a contact metal layer made of Ti or the like is formed as a base of the barrier metal layer by a sputtering method or the like. By providing this contact metal layer, the bonding property between the barrier metal layer and the element region in the via hole is improved, and the characteristics of the semiconductor device can be stabilized.
【０００４】また、層間絶縁膜上にコンタクトメタル層
を形成すると、バリアメタル層と層間絶縁膜との密着性
を高めることができ、バリアメタル層の剥がれを抑制す
ることができる。[0004] When a contact metal layer is formed on an interlayer insulating film, the adhesion between the barrier metal layer and the interlayer insulating film can be enhanced, and peeling of the barrier metal layer can be suppressed.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
バリアメタル層の形成方法では、高融点金属窒化物から
なれるバリアメタル層をＣＶＤ法によりコンタクトメタ
ル層上に形成する際に、コンタクトメタル層が浸食され
るという問題があった。これは、高融点金属窒化物層と
してたとえばTiN層を形成するために、ハロゲン化金属
である４塩化チタンTiCl4とアンモニアNH3をＣＶＤ装置
のチャンバ内で反応させると、TiCl4のClがコンタクト
メタル層のTiと置換反応して、TiをTiCl4に変化させる
ためである。コンタクトメタルは約３００Å程度と非常
に薄いため、この浸食により、コンタクトメタル層が貫
通されることもある。However, in the conventional method of forming a barrier metal layer, when a barrier metal layer made of a refractory metal nitride is formed on the contact metal layer by a CVD method, the contact metal layer is eroded. There was a problem that was. This is because, in order to form, for example, a TiN layer as a refractory metal nitride layer, when titanium tetrachloride TiCl 4 , which is a metal halide, and ammonia NH 3 are reacted in a chamber of a CVD apparatus, Cl of TiCl 4 is contacted. This is because the substitution reaction with Ti in the metal layer changes Ti into TiCl 4 . Since the contact metal is as thin as about 300 °, the erosion may cause penetration of the contact metal layer.
【０００６】ビアホール内に形成されたコンタクトメタ
ル層の浸食されると、接合性の悪いバリアメタル層と半
導体層とが直接接触することになり、コンタクト抵抗が
増大し半導体装置の特性が低下する。また、層間絶縁膜
上に形成されたコンタクトメタル層が浸食されると、バ
リアメタル層が剥がれやすくなる。これは、TiNなどの
バリアメタル層の引っ張り応力が大きいが、コンタクト
メタル層の浸食によりバリアメタル層と層間絶縁膜との
密着性が低下することにより起こる。ビアホール内のバ
リアメタル層は、コンタクトメタル層が浸食されても下
層のシリコンなどとシリサイドを形成するので剥がれは
起こりにくい。When the contact metal layer formed in the via hole is eroded, the barrier metal layer having poor bonding properties comes into direct contact with the semiconductor layer, so that the contact resistance increases and the characteristics of the semiconductor device deteriorate. When the contact metal layer formed on the interlayer insulating film is eroded, the barrier metal layer is easily peeled off. This occurs because the barrier metal layer such as TiN has a large tensile stress, but the adhesion between the barrier metal layer and the interlayer insulating film is reduced due to the erosion of the contact metal layer. Even if the contact metal layer is eroded, the barrier metal layer in the via hole forms silicide with the underlying silicon or the like, so that the barrier metal layer hardly peels off.
【０００７】本発明はこのような問題に鑑みてなされた
ものであって、半導体装置のコンタクトメタル層にＣＶ
Ｄ法によりバリアメタル層を積層形成する際に、コンタ
クトメタル層の浸食を防止できる半導体装置の製造方法
を提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of such a problem, and has been described in connection with a semiconductor device having a contact metal layer having a CV
It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a semiconductor device which can prevent erosion of a contact metal layer when a barrier metal layer is formed by laminating by a method D.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】上記した課題は、図１に
例示するように、半導体層１１上にコンタクトメタル１
８を形成する工程と、前記コンタクトメタル１８を窒素
雰囲気に曝して前記コンタクトメタル１８の少なくとも
表面に窒素を含有させる工程と、前記コンタクトホール
１７ａ，１７ｂ内の前記コンタクトメタル１８の上と前
記層間絶縁膜１６の上にハロゲン含有ガスを使用してバ
リアメタル１９を気相成長する工程とを有することを特
徴とする半導体装置の製造方法により解決する。SUMMARY OF THE INVENTION The above-mentioned problem is solved by contact metal 1 on semiconductor layer 11 as shown in FIG.
Forming the contact metal 18, exposing the contact metal 18 to a nitrogen atmosphere to contain nitrogen on at least the surface of the contact metal 18, and forming the interlayer insulating film on the contact metal 18 in the contact holes 17 a and 17 b. Vapor-phase growing a barrier metal 19 using a halogen-containing gas on the film 16.
【０００９】または、前記半導体層１１は、その上に層
間絶縁膜１６が形成され、該層間絶縁膜１６にはコンタ
クトホール１７ａ，１７ｂが形成され、該コンタクトホ
ール１７ａ，１７ｂから露出した半導体層１５ａ，１５
ｂの不純物拡散領域１５ａ，１５ｂが形成されているこ
とを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法に
より解決する。Alternatively, an interlayer insulating film 16 is formed on the semiconductor layer 11, contact holes 17a and 17b are formed in the interlayer insulating film 16, and the semiconductor layer 15a exposed from the contact holes 17a and 17b is formed. , 15
2. The method according to claim 1, wherein the impurity diffusion regions (15a, 15b) are formed.
【００１０】または、前記コンタクトメタル１８はチタ
ンであり、前記バリアメタル１９は窒化チタンであり、
前記ハロゲン含有ガスは塩化チタンであることを特徴と
する半導体装置の製造方法により解決する。または、前
記窒素雰囲気には、ヒドラジン、ヒドラジンアルキル化
合物、アルキルアミン化合物、アジ化物のうち少なくと
も１つが導入されることを特徴とする半導体装置の製造
方法により解決する。Alternatively, the contact metal 18 is titanium, the barrier metal 19 is titanium nitride,
The problem is solved by a method for manufacturing a semiconductor device, wherein the halogen-containing gas is titanium chloride. Alternatively, the problem is solved by a method for manufacturing a semiconductor device, wherein at least one of hydrazine, a hydrazine alkyl compound, an alkylamine compound, and an azide is introduced into the nitrogen atmosphere.
【００１１】または、前記窒素雰囲気には、アンモニア
が含まれていることを特徴とする半導体装置の製造方法
により解決する。または、前記バリアメタル１９の気相
成長における化学反応の活性化エネルギー源として熱、
プラズマ、光のうち少なくとも１つを利用することを特
徴とする半導体装置の製造方法により解決する。Alternatively, the problem is solved by a method for manufacturing a semiconductor device, characterized in that the nitrogen atmosphere contains ammonia. Or heat as an activation energy source for a chemical reaction in the vapor phase growth of the barrier metal 19;
The problem is solved by a method for manufacturing a semiconductor device, wherein at least one of plasma and light is used.
【００１２】[0012]
【作 用】本発明によれば、コンタクトメタルを形成し
た後に、その表面を窒素雰囲気で窒化するようにしてい
る。このような構成により、たとえば半導体装置にコン
タクトメタル層を形成し、そのコンタクトメタル層上に
ＣＶＤ法によりバリアメタルを成長させる直前にコンタ
クトメタル層を窒化する。これによりコンタクトメタル
層表面が化学的に安定するので、その後でハロゲン含有
ガスによってバリアメタルを形成するシーケンスにおい
て、高融点金属窒化物層のソースガスが分解して生ずる
ハロゲンなどがコンタクトメタル層を浸食するのを防ぐ
ことができる。したがって、ビアホール内ではコンタク
トメタル層によりバリアメタル層と半導体基板が良好な
状態で接合される。According to the present invention, after a contact metal is formed, its surface is nitrided in a nitrogen atmosphere. With such a configuration, for example, a contact metal layer is formed on a semiconductor device, and the contact metal layer is nitrided immediately before a barrier metal is grown on the contact metal layer by a CVD method. As a result, the surface of the contact metal layer is chemically stabilized, so that in a sequence in which a barrier metal is formed using a halogen-containing gas, halogen, which is generated by decomposition of the source gas of the refractory metal nitride layer, erodes the contact metal layer. Can be prevented. Therefore, in the via hole, the barrier metal layer and the semiconductor substrate are joined in an excellent state by the contact metal layer.
【００１３】また、層間絶縁膜上にコンタクトメタル層
を介してバリアメタル層が積層形成される場合には、コ
ンタクトメタル層の浸食されないのでバリアメタル層と
層間絶縁膜との密着性が低下することがなく、バリアメ
タル層の剥がれを抑制することができる。また金属層を
窒化するために、還元能力が大きくて非常に活性な、ヒ
ドラジン、ヒドラジンアルキル化合物、アルキルアミン
化合物、アジ化物などを使用すると、分解により窒素
(N)のラジカルが簡単に飛び出し、金属表面を容易に窒
化することができる。また、メチルヒドラジンの分解温
度はNH3 に比べて２００℃以上低いため、窒化のプロセ
ス温度を５００℃以下にまで低温化することができる。
他のヒドラジンアルキル化合物、アルキルアミン化合
物、アジ化物についても同様の特徴があり容易に窒化す
ることができる。When a barrier metal layer is formed on an interlayer insulating film via a contact metal layer, the contact metal layer is not eroded, so that the adhesion between the barrier metal layer and the interlayer insulating film is reduced. Therefore, peeling of the barrier metal layer can be suppressed. In addition, when nitriding a metal layer using hydrazine, a hydrazine alkyl compound, an alkylamine compound, or an azide, which has a large reducing ability and is very active, the nitrogen
The radical of (N) easily jumps out, and the metal surface can be easily nitrided. Further, since the decomposition temperature of methylhydrazine is lower than that of NH 3 by 200 ° C. or more, the nitriding process temperature can be lowered to 500 ° C. or less.
Other hydrazine alkyl compounds, alkylamine compounds, and azides have similar characteristics and can be easily nitrided.
【００１４】また、金属層の表面を窒化させる際にアン
モニアガスを使用することにより、より効率よく窒化す
ることができる。また、前記化学気相成長法における化
学反応の活性化エネルギー源として、熱、プラズマ、光
などを利用することにより、膜を生成する際の温度など
の条件に応じて適切な窒化反応を行うことができる。Further, by using ammonia gas when nitriding the surface of the metal layer, it is possible to perform nitriding more efficiently. In addition, by using heat, plasma, light, or the like as an activation energy source of a chemical reaction in the chemical vapor deposition method, an appropriate nitridation reaction is performed according to conditions such as a temperature at which a film is formed. Can be.
【００１５】[0015]
【実施例】そこで、以下に本発明の実施例を図面に基づ
いて説明する。まず、本発明の実施例に係る半導体装置
の製造方法に用いる熱化学気相成長（熱ＣＶＤ）装置に
ついて、図２を参照して説明する。このＣＶＤ装置は、
膜を成長するためのチャンバ１と、ヒータが内蔵された
半導体基板を載置し加熱するための載置台２と、チャン
バ内にソースガスを導入するためのガス導入口３と、図
示しない排気機構に接続されチャンバ１内のガスを排気
するための排気口４とを有する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, a thermal chemical vapor deposition (thermal CVD) apparatus used in a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This CVD apparatus
A chamber 1 for growing a film, a mounting table 2 for mounting and heating a semiconductor substrate having a built-in heater, a gas inlet 3 for introducing a source gas into the chamber, and an exhaust mechanism (not shown) And an exhaust port 4 for exhausting the gas in the chamber 1.
【００１６】次に、上記した熱ＣＶＤ装置を使用して、
半導体基板上に配線を形成する工程を図１に基づいて説
明する。図１(a) 〜図１(c) は、各工程の半導体装置の
断面図である。まず、図１(a) は、ＭＯＳＦＥＴ形成領
域を覆う層間絶縁膜にコンタクトホールが形成され、そ
の上にコンタクトメタル層が形成された状態を示す断面
図である。Next, using the thermal CVD apparatus described above,
A process for forming a wiring on a semiconductor substrate will be described with reference to FIG. 1A to 1C are cross-sectional views of the semiconductor device in each step. First, FIG. 1A is a cross-sectional view showing a state in which a contact hole is formed in an interlayer insulating film covering a MOSFET formation region, and a contact metal layer is formed thereon.
【００１７】ｐ型シリコンよりなる半導体基板１１の上
面には、SiO2よりなるフィールド酸化膜１２が選択的な
熱酸化によって６０００Åの厚さに形成されている。そ
のフィールド酸化膜１２に囲まれた領域には、ＭＯＳＦ
ＥＴが形成されている。このＭＯＳＦＥＴは、半導体基
板１１の表面に熱酸化により形成された膜厚１００Åの
SiO2よりなるゲート絶縁膜１３と、その上にＣＶＤ法に
より成長させた膜厚約２０００Åのポリシリコン膜より
なるゲート電極１４と、このゲート電極１４の両側の半
導体基板１１にイオン注入法により形成されたｎ+ 型の
ソース／ドレイン領域層１５ａ、１５ｂとを有する。ソ
ース／ドレイン領域層１５ａ、１５ｂは、たとえば、半
導体基板１１に砒素(As)をドーズ量４×１０15/cm2、加
速エネルギー３０keV で注入し、その領域を８５０℃で
加熱して活性化したものである。On the upper surface of a semiconductor substrate 11 made of p-type silicon, a field oxide film 12 made of SiO 2 is formed to a thickness of 6000 ° by selective thermal oxidation. In the region surrounded by the field oxide film 12, a MOSF
ET is formed. This MOSFET has a thickness of 100 さ れ formed on the surface of the semiconductor substrate 11 by thermal oxidation.
A gate insulating film 13 made of SiO 2 , a gate electrode 14 made of a polysilicon film having a thickness of about 2000 ° grown thereon by a CVD method, and formed on the semiconductor substrate 11 on both sides of the gate electrode 14 by an ion implantation method. N + -type source / drain region layers 15a and 15b. The source / drain region layers 15a and 15b are activated, for example, by implanting arsenic (As) into the semiconductor substrate 11 at a dose of 4 × 10 15 / cm 2 at an acceleration energy of 30 keV and heating the regions at 850 ° C. Things.
【００１８】また、ゲート電極１４、ソース／ドレイン
領域層１５ａ、１５ｂ及びフィールド酸化膜１２は、シ
リコン酸化膜からなる膜厚５０００Åの層間絶縁膜１６
に覆われ、ソース／ドレイン領域層１５ａ、１５ｂの上
にはコンタクトホール１７ａ、１７ｂが形成されてい
る。そして、コンタクトホール１７ａ、１７ｂ底部のソ
ース／ドレイン領域層１５ａ、１５ｂ上および層間絶縁
膜１６上には、チタン（Ti）よりなるコンタクトメタル
層１８がスパッタ法により３００Åの厚さに形成されて
いる。The gate electrode 14, the source / drain region layers 15a and 15b, and the field oxide film 12 are formed of a 5000-mm thick interlayer insulating film 16 made of a silicon oxide film.
And contact holes 17a and 17b are formed on the source / drain region layers 15a and 15b. On the source / drain region layers 15a and 15b at the bottoms of the contact holes 17a and 17b and on the interlayer insulating film 16, a contact metal layer 18 of titanium (Ti) is formed to a thickness of 300 ° by sputtering. .
【００１９】このようにＭＯＳＦＥＴが形成された半導
体基板１１を図２に示すＣＶＤ装置のチャンバ１に搬入
し、以下に述べる工程を経てバリアメタルと配線材料層
を形成する。図３は、ＣＶＤ装置のチャンバ１内でバリ
アメタルと配線材料層を成長させるためのシーケンスを
示し、各段階における処理時間、基板温度、チャンバ内
圧力、ならびにソースガスおよびキャリアガスの流量の
変化を示している。The semiconductor substrate 11 on which the MOSFET is formed is carried into the chamber 1 of the CVD apparatus shown in FIG. 2, and a barrier metal and a wiring material layer are formed through the following steps. FIG. 3 shows a sequence for growing a barrier metal and a wiring material layer in the chamber 1 of the CVD apparatus. The process time, the substrate temperature, the pressure in the chamber, and the changes in the flow rates of the source gas and the carrier gas in each stage are shown. Is shown.
【００２０】第１段階では、図１(a) に示したコンタク
トメタル層１８を形成した半導体基板１１を載置台２に
搭載するとともに、載置台２の内部のヒータによって載
置台の温度を６００℃となるようにし、このとき半導体
基板の温度は、４９８℃となる。同時に、チャンバ１の
排気口４を通じてその内部のガスを排気して、チャンバ
１内部を減圧する。In the first stage, the semiconductor substrate 11 having the contact metal layer 18 shown in FIG. 1A is mounted on the mounting table 2, and the temperature of the mounting table is set to 600 ° C. by the heater inside the mounting table 2. At this time, the temperature of the semiconductor substrate becomes 498 ° C. At the same time, the gas inside the chamber 1 is exhausted through the exhaust port 4 to reduce the pressure inside the chamber 1.
【００２１】続く第２、第３段階が、本発明の特徴とな
る部分である。第２段階では、チャンバ１内に流量５０
０sccmのアンモニア（NH3)ガスと流量５０sccmのヘリウ
ム(He)ガスとともに、メチルヒドラジン（CH3HNNH2、以
下ＭＨと略称する）ガスを１０sccmガスの流量で導入口
３から導入する。このアンモニアガスとヘリウムガスは
キャリアガスのように作用し、その流量はこのバリアメ
タル層１９を成長させるシーケンスが終るまで変わらな
い。チャンバ１内の圧力は１００mTorrである。この第
２段階は１１０秒間維持される。The following second and third stages are the features of the present invention. In the second stage, a flow rate of 50
Along with 0 sccm ammonia (NH 3 ) gas and 50 sccm helium (He) gas, methyl hydrazine (CH 3 HNNH 2 , hereinafter abbreviated as MH) gas is introduced from the inlet 3 at a flow rate of 10 sccm gas. The ammonia gas and the helium gas act like a carrier gas, and their flow rates do not change until the sequence for growing the barrier metal layer 19 ends. The pressure in the chamber 1 is 100 mTorr. This second phase is maintained for 110 seconds.
【００２２】ところで、ＭＨガスは還元剤及び窒化源と
して作用し、第３段階以後にも使用される。しかし、こ
の第２段階で使用されるＭＨガスの流量は、第３段階以
後の流量よりも多い。通常、バリアメタル層のTiN 膜を
形成するために使用されるＭＨガスの量は、第３段階以
後に示した１．５sccm程度で十分であり、多すぎるとバ
リアメタル層１８の段階カバレージを低下させることに
なる。Incidentally, the MH gas acts as a reducing agent and a nitriding source, and is also used after the third stage. However, the flow rate of the MH gas used in the second stage is higher than the flow rate after the third stage. Usually, the amount of the MH gas used for forming the TiN film of the barrier metal layer is about 1.5 sccm shown in the third and subsequent steps, and if it is too large, the step coverage of the barrier metal layer 18 decreases. Will be.
【００２３】しかし、この第２段階では、ＭＨガスの流
量を大きくすることによりチャンバ１内のＭＨガスの分
圧を高め、それによりチャンバ１内の窒化効率を高めて
いる。この高い窒化能力により、コタクトメタル層１８
を構成するTi層の表面から窒素が内部に入り込み、Ti膜
の極表面の部分が窒素（Ｎ）を含んで窒化された状態に
なる。このように、コンタクトメタル層１８の表面を窒
化させることにより、コンタクトメタル層１８の表面が
安定した状態になり、第４段階以後に導入されるTiCl4
ガスによってコンタクトメタル層１８が浸食されるのを
防ぐことができる。このコンタクトメタル層１８表面の
窒化の状態については、後で詳しく説明する。However, in the second stage, the partial pressure of the MH gas in the chamber 1 is increased by increasing the flow rate of the MH gas, thereby increasing the nitriding efficiency in the chamber 1. Due to this high nitriding ability, the contact metal layer 18
Nitrogen enters the inside from the surface of the Ti layer constituting the above, and a portion of the very surface of the Ti film becomes nitrided containing nitrogen (N). By nitriding the surface of the contact metal layer 18 in this manner, the surface of the contact metal layer 18 becomes stable, and TiCl 4 introduced after the fourth step is used.
The erosion of the contact metal layer 18 by the gas can be prevented. The state of nitriding on the surface of the contact metal layer 18 will be described later in detail.
【００２４】第３段階では、ＭＨガスの流量がバリアメ
タル層１９を成長させる適切な流量１．５sccmに設定さ
れる。この第２、第３段階の１２０秒間は、バリアメタ
ル層１９を成長させるためのTiCl4 ガスが導入されない
ので、コンタクトメタル層１８の表面が塩素（Cl）によ
り置換反応して浸食されることはなく、表面の窒化だけ
が行われる。In the third stage, the flow rate of the MH gas is set to an appropriate flow rate of 1.5 sccm for growing the barrier metal layer 19. Since TiCl 4 gas for growing the barrier metal layer 19 is not introduced during the second and third stages of 120 seconds, the surface of the contact metal layer 18 is not eroded by a substitution reaction with chlorine (Cl). Instead, only nitriding of the surface is performed.
【００２５】また、第２、第３段階の間に、載置台２の
熱が半導体基板１１に十分伝わり適切な温度まで高めら
れる。したがって、このコンタクトメタル層１８表面の
窒化は、半導体基板１１の加熱時間に行われるので、こ
の窒化のプロセスを導入することにより時間的な損失が
生じることはない。第４段階から第６段階にかけて、バ
リアメタル層１９としてTiN層の成長が行われる。そこ
で、半導体基板１１の基板温度、圧力、アンモニアガス
とＭＨガスとヘリウムガスの流量は第３段階と同じに維
持したまま、新たに４塩化チタン(TiCl4 )ガス導入され
る。このTiCl4 ガスの流量は、第４段階から第６段階に
移行するにしたがって次第に増やされる。これは、コン
タクトメタル層１８の浸食の要因であるTiCl4 ガス分圧
を、膜成長の最初の段階で低く抑えることにより、コン
タクトメタル層１８表面を浸食する作用を少なくするた
めである。Further, during the second and third stages, the heat of the mounting table 2 is sufficiently transmitted to the semiconductor substrate 11 and is raised to an appropriate temperature. Therefore, since the nitriding of the surface of the contact metal layer 18 is performed during the heating time of the semiconductor substrate 11, no time loss occurs by introducing the nitriding process. From the fourth stage to the sixth stage, a TiN layer is grown as the barrier metal layer 19. Therefore, a new titanium tetrachloride (TiCl 4 ) gas is introduced while maintaining the substrate temperature and pressure of the semiconductor substrate 11 and the flow rates of the ammonia gas, the MH gas, and the helium gas at the same levels as in the third stage. The flow rate of the TiCl 4 gas is gradually increased as the stage moves from the fourth stage to the sixth stage. This is because the action of eroding the surface of the contact metal layer 18 is reduced by suppressing the partial pressure of the TiCl 4 gas, which is the cause of the erosion of the contact metal layer 18, at the initial stage of film growth.
【００２６】ちなみに、第４段階で成長するTiN層の厚
さは、第４〜第６段階の間に成長する窒化チタン膜（Ti
N ）の厚さの約１０％以下にすぎない。こうして、コン
タクトメタル層１８上にまず浸食を極力少なくするよう
にバリアメタル層の一部を形成した後は、つづいて第
５、第６段階で、徐々に大きな成長速度でTiN層を成長
させる。Incidentally, the thickness of the TiN layer grown in the fourth stage is determined by the thickness of the titanium nitride film (TiN) grown in the fourth to sixth stages.
N) is no more than about 10% of the thickness. After a part of the barrier metal layer is first formed on the contact metal layer 18 so as to minimize erosion, the TiN layer is grown at a gradually higher growth rate in the fifth and sixth stages.
【００２７】第６段階でバリアメタル層１８の形成が終
了し、第７段階では、アンモニアガス、ＭＨガス、ヘリ
ウムガス、TiCl4 ガスをすべて停止し、チャンバ１内の
残留ガスを排気するために減圧する。第８段階はパージ
のプロセスであり、パージガスとして水素ガスを１００
０sccmの流量で導入する。以上でバリアメタル層１８の
形成が終了する。In the sixth step, the formation of the barrier metal layer 18 is completed. In the seventh step, the ammonia gas, the MH gas, the helium gas, and the TiCl 4 gas are all stopped, and the remaining gas in the chamber 1 is exhausted. Reduce pressure. The eighth stage is a purging process in which hydrogen gas is used as a purge gas for 100 hours.
Introduce at a flow rate of 0 sccm. Thus, the formation of the barrier metal layer 18 is completed.
【００２８】以上のようなバリアメタル層１９の形成を
終えた後に、図１(c) のように、バリアメタル層１９の
上にスパッタ法などによりアルミニウムなどの配線層を
約５０００Åの厚さに堆積させ、この後に、配線層をパ
ターニングして、ソース／ドレイン領域１５ａ，１５ｂ
の上に電極２０ｓ，２０ｄを形成する。次に、上記した
実施例におけるコンタクトメタル層表面の窒化のようす
を説明する。After the formation of the barrier metal layer 19 as described above, as shown in FIG. 1C, a wiring layer made of aluminum or the like is formed on the barrier metal layer 19 by sputtering or the like to a thickness of about 5000 mm. After that, the wiring layer is patterned to form source / drain regions 15a and 15b.
The electrodes 20s and 20d are formed on the substrate. Next, the state of nitriding of the surface of the contact metal layer in the above embodiment will be described.
【００２９】図４は、図３のバリアメタル層１９を成長
させるシーケンスにおいて、第３段階が終了した時点
で、コンタクトメタル層のチタン層に窒素が入り込んで
いるようすをオージェ電子分光法による分析結果を示し
たグラフである。図４において、横軸はスパッタリング
時間であり、スパッタリング時間は試料の深さに対応す
る。縦軸はオージェ電子強度であり、試料に含まれる元
素の相対量が表されている。グラフのそれぞれの曲線
は、曲線ＨはTi、曲線Ｉは窒素を含むチタン、曲線Ｌは
炭素、曲線Ｋは塩素、そして曲線Ｊはシリコンといった
元素の含まれる相対量が、試料の深さによって変化して
いるようすを示す。また、チタンを含む曲線は曲線Ｋと
曲線Ｉの２つあるが、これはチタンにはオージェ・ピー
クが２つあり、その一方のピークが窒素のピークと重な
って分離できないためである。また、炭素の存在を示す
曲線Ｌは、測定装置の測定誤差範囲に含まれるもので、
ノイズとしてここでは分析の対象としない。FIG. 4 shows the result of analysis by Auger electron spectroscopy that nitrogen has entered the titanium layer of the contact metal layer when the third step is completed in the sequence of growing the barrier metal layer 19 of FIG. FIG. In FIG. 4, the horizontal axis is the sputtering time, and the sputtering time corresponds to the depth of the sample. The vertical axis represents Auger electron intensity, and indicates the relative amounts of elements contained in the sample. Curves H are Ti, Curve I is titanium containing nitrogen, Curve L is carbon, Curve K is chlorine, and Curve J is the relative amount of elements such as silicon, depending on the sample depth. Show what you are doing. There are two curves containing titanium, a curve K and a curve I, because titanium has two Auger peaks, one of which overlaps with the nitrogen peak and cannot be separated. Further, a curve L indicating the presence of carbon is included in the measurement error range of the measurement device,
It is not analyzed here as noise.
【００３０】このグラフから、区間Ａ＋区間Ｂがコンタ
クトメタル層１８であり、区間Ｃがコンタクトメタル層
１８の下層の半導体基板１１であることがわかる。この
グラフから分かるように、曲線Ｉが区間Ａで窒素を含む
チタンの存在を示しており、これにより、コンタクトメ
タル層１８の約３分の１の深さに窒素が入り込んでいる
ことがわかる。この場合、コンタクトメタル層は約３０
０Åなので、約１００Åが窒化されていることになる。From this graph, it can be seen that section A + section B is the contact metal layer 18 and section C is the semiconductor substrate 11 under the contact metal layer 18. As can be seen from this graph, curve I indicates the presence of titanium containing nitrogen in section A, which indicates that nitrogen has penetrated to a depth of about one third of contact metal layer 18. In this case, the contact metal layer is about 30
Since it is 0 °, about 100 ° is nitrided.
【００３１】なお、曲線Ｈと曲線Ｉが区間Ｃ内でも窒素
含有チタンおよびチタン元素の存在を示しているのは、
オージェ分析の際にエッチングが一様になされないから
である。次に、本発明の実施例に係るコンタクトメタル
層表面の窒化によりもたらされる効果について説明す
る。It should be noted that the curves H and I show the existence of nitrogen-containing titanium and titanium elements even in the section C because:
This is because the etching is not uniform during the Auger analysis. Next, an effect provided by nitriding the surface of the contact metal layer according to the embodiment of the present invention will be described.
【００３２】図５(a),(b) は、半導体装置に形成された
ビアホールの直径とコンタクト抵抗の関係を示すグラフ
である。横軸がビアホールの直径であり、縦軸はケルビ
ン法で測定した抵抗値である。図５(a),(b) とも１１種
類の直径のビアホールについて、それぞれ複数のサンプ
ルのコンタクト抵抗値が測定されている。このグラフに
より、ビアホール径の大きさによるコンタクト抵抗値の
変化と、同一ビアホール径でのコンタクト抵抗値のばら
つきがわかる。FIGS. 5A and 5B are graphs showing the relationship between the diameter of a via hole formed in a semiconductor device and the contact resistance. The horizontal axis is the diameter of the via hole, and the vertical axis is the resistance measured by the Kelvin method. 5A and 5B, contact resistance values of a plurality of samples are measured for each of the 11 types of via holes. This graph shows a change in the contact resistance value depending on the size of the via hole diameter and a variation in the contact resistance value with the same via hole diameter.
【００３３】図５(a) はコンタクトメタル層表面が窒化
されていない場合、同図(b) はコンタクトメタル層表面
が窒化されている場合である。これらから明らかな通
り、両方のグラフともビアホール径が大きくなるにした
がってコンタクト抵抗が小さくなっているが、コンタク
ト抵抗値のばらつきに関しては、図５(a) の方は同一ビ
アホール径でもコンタクト抵抗値がさまざまな値に分散
しており、それに対して、同図(b) の方は同一ビアホー
ル径ではコンタクト抵抗値は分散することなくほぼ同じ
値になっている。FIG. 5A shows a case where the surface of the contact metal layer is not nitrided, and FIG. 5B shows a case where the surface of the contact metal layer is nitrided. As is clear from these, the contact resistance decreases as the via hole diameter increases in both graphs. However, regarding the variation in the contact resistance value, FIG. On the other hand, the contact resistance values are almost the same without dispersion in the case of the same via hole diameter in FIG.
【００３４】即ち、バリアメタル層成長の最初の段階で
コンタクトメタル層表面を窒化させたものはコンタクト
抵抗のばらつきが少なく、コンタクト抵抗が安定した信
頼性の高い電極が引き出されることがわかる。また、層
間絶縁膜上にコンタクトメタル層を介してバリアメタル
層を形成する場合でも、バリアメタル層を成長させる際
のコンタクトメタル層の浸食が抑制されるので、バリア
メタル層の剥がれを抑制することができる。That is, it can be seen that, when the contact metal layer surface is nitrided at the initial stage of the growth of the barrier metal layer, the contact resistance is less scattered, and a highly reliable electrode with stable contact resistance is obtained. Further, even when a barrier metal layer is formed on the interlayer insulating film via a contact metal layer, erosion of the contact metal layer during growth of the barrier metal layer is suppressed, so that peeling of the barrier metal layer is suppressed. Can be.
【００３５】なお、本実施例では、コンタクトメタル層
の材料としてTiを使用しているが、この材料は、高融点
金属窒化物層をＣＶＤ法で形成する際に生じるハロゲン
などで塩化物となるAlなどの金属であれば、他の金属で
も本発明を適用することができる。In this embodiment, Ti is used as the material of the contact metal layer, but this material becomes chloride due to halogen or the like generated when the refractory metal nitride layer is formed by the CVD method. The present invention can be applied to other metals as long as they are metals such as Al.
【００３６】[0036]
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、半導体
装置上に形成されたコンタクトメタル上にＣＶＤ法によ
り高融点金属窒化物などからなるバリアメタル層を成長
させる前に、まずコンタクトメタル層の表面を窒化する
ことにより、コンタクトメタル層の表面が化学的に安定
になり、バリアメタル層のソースガスによる浸食を防ぐ
ことができる。これにより、ビアホール内部では、コン
タクトメタル層が浸食されないのでバリアメタル層と半
導体拡散層の接合性を高めることができる。したがっ
て、ビアホール径が同じであればビアホール内のコンタ
クト抵抗値が均一化されるので、ビアホールによる電極
引き出しの信頼性が極めて向上する。As described above, according to the present invention, before growing a barrier metal layer made of a refractory metal nitride or the like on a contact metal formed on a semiconductor device by a CVD method, the contact metal is first formed. By nitriding the surface of the layer, the surface of the contact metal layer becomes chemically stable, and erosion of the barrier metal layer by the source gas can be prevented. Thereby, since the contact metal layer is not eroded inside the via hole, the bonding property between the barrier metal layer and the semiconductor diffusion layer can be improved. Therefore, if the diameter of the via hole is the same, the contact resistance value in the via hole becomes uniform, so that the reliability of extracting the electrode by the via hole is extremely improved.
【００３７】また、半導体基板上の層間絶縁膜表面にコ
ンタクトメタル層を介してバリアメタル層が形成されて
いる場合には、コンタクトメタル層が浸食されないの
で、バリアメタル層と層間絶縁膜との密着性が損なわれ
ることがなく、バリアメタル層の引っ張り張力による剥
がれを防ぐことができる。さらに、コンタクトメタル層
を窒化させるために、還元能力が大きく窒化作用の強
い、ヒドラジン、ヒドラジンアルキル化合物およびアル
キルアミン化合物、アジ化物などを使用することによ
り、窒化プロセスを５００℃以下にまで低温化すること
ができる。When a barrier metal layer is formed on the surface of an interlayer insulating film on a semiconductor substrate via a contact metal layer, the contact metal layer is not eroded, and hence the adhesion between the barrier metal layer and the interlayer insulating film is reduced. It is possible to prevent the barrier metal layer from peeling due to tensile tension without impairing the property. Further, by using hydrazine, a hydrazine alkyl compound and an alkylamine compound, an azide, and the like, which have a large reducing ability and a strong nitriding action, for nitriding the contact metal layer, the nitriding process can be cooled to 500 ° C. or less. be able to.
【００３８】さらに、ＣＶＤ装置の化学反応を活性化さ
せるエネルギーとして、熱、プラズマ、光などを使用す
ることによって、反応温度などの条件に応じた適切な窒
化を行うことができる。Further, by using heat, plasma, light or the like as energy for activating the chemical reaction of the CVD apparatus, it is possible to perform appropriate nitridation according to conditions such as the reaction temperature.
【図１】本発明の一実施例に係る半導体装置の製造方法
を示し、(a) 〜(c) は各工程における半導体装置の断面
図である。FIG. 1 shows a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention, and (a) to (c) are cross-sectional views of the semiconductor device in respective steps.
【図２】本発明の一実施例に係る半導体装置の製造方法
で用いる化学気相成長（ＣＶＤ）装置の概略的断面図で
ある。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a chemical vapor deposition (CVD) apparatus used in a method of manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
【図３】本発明の一実施例に係る半導体装置の製造方法
の成長シーケンスを示す図表である。FIG. 3 is a chart showing a growth sequence of a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
【図４】本発明の一実施例に係る半導体装置の製造方法
によって窒化された、コンタクトメタル層の窒化のよう
すを示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing how a contact metal layer is nitrided by a method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
【図５】ビアホール径とコンタクト抵抗との関係を示す
グラフであり、(a) は本発明の半導体装置の製造方法に
よりコンタクトメタル層表面を窒化させたもの、(b) は
コンタクトメタル層表面を窒化していない従来のもので
ある。5A and 5B are graphs showing the relationship between the diameter of a via hole and the contact resistance, wherein FIG. 5A is a graph in which the surface of a contact metal layer is nitrided by the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, and FIG. It is a conventional one that is not nitrided.
１ チャンバ ２ 載置台 ３ ガス導入口 ４ 排気口 １１ 半導体基板 １２ フィールド酸化膜 １３ ゲート絶縁膜 １４ ゲート電極 １５ａ、１５ｂ ソース／ドレイン領域層 １６ 層間絶縁膜 １７ａ、１７ｂ コンタクトホール １８ コンタクトメタル １９ バリアメタル ２０ 配線層 Reference Signs List 1 chamber 2 mounting table 3 gas inlet 4 exhaust port 11 semiconductor substrate 12 field oxide film 13 gate insulating film 14 gate electrode 15a, 15b source / drain region layer 16 interlayer insulating film 17a, 17b contact hole 18 contact metal 19 barrier metal 20 Wiring layer
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−243179（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−84425（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/28 - 21/288 H01L 21/3205 - 21/3213 H01L 21/768 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-5-243179 (JP, A) JP-A-4-84425 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 21/28-21/288 H01L 21/3205-21/3213 H01L 21/768
Claims (6)
（１８）を形成する工程と、 前記コンタクトメタル（１８）を窒素雰囲気に曝して前
記コンタクトメタル（１８）の少なくとも表面に窒素を
含有させる工程と、 前記コンタクトホール（１７ａ，１７ｂ）内の前記コン
タクトメタル（１８）の上と前記層間絶縁膜（１６）の
上にハロゲン含有ガスを使用してバリアメタル（１９）
を気相成長する工程とを有することを特徴とする半導体
装置の製造方法。1. A step of forming a contact metal (18) on a semiconductor layer (11); and exposing the contact metal (18) to a nitrogen atmosphere to cause at least a surface of the contact metal (18) to contain nitrogen. A barrier metal (19) using a halogen-containing gas on the contact metal (18) in the contact holes (17a, 17b) and on the interlayer insulating film (16);
And a step of vapor-phase growing the semiconductor device.
縁膜（１６）が形成され、該層間絶縁膜（１６）にはコ
ンタクトホール（１７ａ，１７ｂ）が形成され、該コン
タクトホール（１７ａ，１７ｂ）から露出した半導体層
（１５ａ，１５ｂ）の不純物拡散領域（１５ａ，１５
ｂ）が形成されていることを特徴とする請求項１記載の
半導体装置の製造方法。2. An interlayer insulating film (16) is formed on the semiconductor layer (11), and contact holes (17a, 17b) are formed in the interlayer insulating film (16). 17a, 17b), the impurity diffusion regions (15a, 15b) of the semiconductor layers (15a, 15b) exposed from
2. The method according to claim 1, wherein b) is formed.
あり、前記バリアメタル（１９）は窒化チタンであり、
前記ハロゲン含有ガスは塩化チタンであることを特徴と
する請求項１記載の半導体装置の製造方法。3. The contact metal (18) is titanium, the barrier metal (19) is titanium nitride,
2. The method according to claim 1, wherein the halogen-containing gas is titanium chloride.
ジンアルキル化合物、アルキルアミン化合物、アジ化物
のうち少なくとも１つが導入されることを特徴とする請
求項１記載の半導体装置の製造方法。4. The method according to claim 1, wherein at least one of hydrazine, a hydrazine alkyl compound, an alkylamine compound, and an azide is introduced into the nitrogen atmosphere.
ていることを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製
造方法。5. The method according to claim 4, wherein the nitrogen atmosphere contains ammonia.
ける化学反応の活性化エネルギー源として熱、プラズ
マ、光のうち少なくとも１つを利用することを特徴とす
る請求項１記載の半導体装置の製造方法。6. The semiconductor device according to claim 1, wherein at least one of heat, plasma and light is used as an activation energy source for a chemical reaction in the vapor phase growth of said barrier metal. Production method.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8875494A JP3184042B2 (en) | 1994-04-26 | 1994-04-26 | Method for manufacturing semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP8875494A JP3184042B2 (en) | 1994-04-26 | 1994-04-26 | Method for manufacturing semiconductor device |
Publications (2)
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|---|---|
| JPH07297279A JPH07297279A (en) | 1995-11-10 |
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Family Applications (1)
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-
1994
- 1994-04-26 JP JP8875494A patent/JP3184042B2/en not_active Expired - Lifetime
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