JP2009246379A

JP2009246379A - Method for forming semiconductor integrated device

Info

Publication number: JP2009246379A
Application number: JP2009165124A
Authority: JP
Inventors: Kimihiro Matsuse; 公裕松瀬; Hayashi Otsuki; 林大槻
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1997-11-05
Filing date: 2009-07-13
Publication date: 2009-10-22

Abstract

【課題】金属銅膜や金属タングステン膜に対して有効なバリアメタルを提供する。
【解決手段】半導体集積装置のバリアメタル１４として、ＷＮｘ或いはＷＳｉＮｘを用いる。これにより、金属銅膜や金属タングステン膜に対して有効にバリア機能を発揮させる。
【選択図】図１A barrier metal effective for a copper metal film or a metal tungsten film is provided.
WNx or WSiNx is used as a barrier metal 14 of a semiconductor integrated device. Thereby, a barrier function is effectively exhibited with respect to a metal copper film or a metal tungsten film.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、半導体集積回路などにおけるコンタクトに用いられるバリアメタル、その形成方法、ゲート電極及びその形成方法に関する。 The present invention relates to a barrier metal used for a contact in a semiconductor integrated circuit or the like, a formation method thereof, a gate electrode, and a formation method thereof.

一般に、半導体集積回路などの半導体集積装置を形成するには、半導体ウエハ上に成膜、酸化拡散、エッチング等を繰り返し施して多数のトランジスタ、キャパシタ、抵抗器等を形成してこれらを配線パターンで接続する。また、集積回路の高性能化、多機能化の要請により、線幅等の一層の高微細化及び高集積化が求められており、更に、回路自体を絶縁層を介して積み上げて階層構造とする多層化も行なわれるようになった。
このような状況下において、配線断面積や接続部の断面積の減少により抵抗が上昇する傾向があるので、配線材料としては現在一般的に用いられているアルミニウムから、成膜がアルミニウム程容易ではないが、エレクトロマイグレーションに対する耐性も高く、しかも抵抗率も比較的小さいことから銅が用いられる傾向にある。 In general, in order to form a semiconductor integrated device such as a semiconductor integrated circuit, a number of transistors, capacitors, resistors, etc. are formed on a semiconductor wafer by repeatedly performing film formation, oxidation diffusion, etching, etc. Connecting. Further, due to the demand for higher performance and multi-functionality of integrated circuits, further miniaturization and higher integration of line width and the like are required, and furthermore, the circuit itself is stacked through an insulating layer to form a hierarchical structure. Multi-layering has also been carried out.
Under such circumstances, the resistance tends to increase due to a decrease in the cross-sectional area of the wiring and the cross-sectional area of the connecting portion. Therefore, it is not as easy to form a film as aluminum from the currently commonly used aluminum as a wiring material. However, copper has a tendency to be used because of its high resistance to electromigration and relatively low resistivity.

また、トランジスタ素子に用いるゲート電極としては、一般的にはドープドポリシリコン層を単独で用いたり、このドープドポリシリコン層にモリブデンシリサイド層やタングステンシリサイド層を積層した２層構造のものを用いたりしているが、より抵抗率を小さくするために、２層構造のゲート電極において上層のシリサイド層を単独の金属層、例えばタングステン層で置き換えることなどが検討されている。 Further, as a gate electrode used for a transistor element, a doped polysilicon layer is generally used alone, or a two-layer structure in which a molybdenum silicide layer or a tungsten silicide layer is laminated on the doped polysilicon layer is used. However, in order to further reduce the resistivity, it has been studied to replace the upper silicide layer with a single metal layer, for example, a tungsten layer in the two-layer gate electrode.

ところで、銅やタングステンは、金属単独では非常に活性で他の元素と反応し易く、例えば金属銅は非常に酸化し易いので、これが比較的多くの酸素成分を含むＳＯＧ（ＳｐｉｎＯｎＧｌａｓｓ）のＳｉＯ_２層間絶縁膜等と接すると金属銅中にＳｉＯ_２層間絶縁膜中の酸素成分が拡散して金属銅と酸化してしまい、この抵抗値が大きくなるのみならず、剥離も発生するといった問題があった。
また、２層構造のゲート電極の一層に金属タングステン膜を用いた場合には、下層のドープドポリシリコン層中からシリコン原子が、後の熱工程において上層の金属タングステン膜中に拡散してこれと反応し、抵抗値が大きなタングステンシリサイドになってしまうという問題があった。 By the way, copper and tungsten are very active by metal alone and easily react with other elements. For example, metal copper is very easy to oxidize, so that this is SiO of SOG (Spin On Glass) containing a relatively large amount of oxygen components. ₂ interlayer insulating film or the like in contact with the would be diffused oxygen component in SiO ₂ interlayer insulating film is oxidized metallic copper to metallic copper in not only the resistance value increases, a problem also occurs peeling there were.
In addition, when a metal tungsten film is used for one layer of the gate electrode having a two-layer structure, silicon atoms diffuse from the lower doped polysilicon layer into the upper metal tungsten film in the subsequent thermal process. There is a problem that it becomes tungsten silicide having a large resistance value.

そこで、これらの金属銅や金属タングステンの反応を防止するために、従来より用いられていたＴｉＮ（チタンナイトライド）等のバリアメタルを用いることも考えられるが、このＴｉＮ層は金属銅膜や金属タングステン膜との相性、例えば密着性が十分ではなく、好ましいバリアメタルではない。
また、最近の半導体集積回路の更なる高集積化、多層化及び動作速度の高速化の要請により、例えばゲート電極を例にとれば、更に各層を薄膜化して抵抗値を下げることや、エッチング加工時等のアスペクト比を緩くすることが望まれている。 Therefore, in order to prevent the reaction of these metallic copper and metallic tungsten, it is conceivable to use a conventionally used barrier metal such as TiN (titanium nitride), but this TiN layer is composed of a metallic copper film or metallic metal. The compatibility with the tungsten film, for example, adhesion is not sufficient, and it is not a preferable barrier metal.
Also, due to the recent demand for further integration of semiconductor integrated circuits, multi-layers and higher operating speeds, for example, gate electrodes are taken as an example, each layer is further thinned to lower the resistance value, and etching processing is performed. It is desired to reduce the aspect ratio at times.

しかしながら、ゲート電極を構成するタングステン膜などは、この薄膜化が進むと、下地層である例えばポリシリコン層との密着性や耐熱性が劣化してくるという問題がある。そこで、この場合にも、バリアメタルとして両層間に従来周知のＴｉＮ膜を介在させることも考えられるが、この場合には、ＴｉＮ膜とポリシリコン層との界面が酸化するなどして、特性が劣化するという問題があった。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、金属銅膜や金属タングステン膜に対して有効なバリアメタル及びその形成方法を提供することにある。本発明の他の目的は、薄膜化しても特性の良好なゲート電極及びその形成方法を提供することにある。 However, the tungsten film constituting the gate electrode has a problem that, as the film thickness is reduced, the adhesion and heat resistance with the underlying layer such as a polysilicon layer are deteriorated. Therefore, in this case as well, a conventionally known TiN film may be interposed between the two layers as the barrier metal. In this case, however, the interface between the TiN film and the polysilicon layer is oxidized, and the characteristics are reduced. There was a problem of deterioration.
The present invention has been devised to pay attention to the above problems and to effectively solve them. An object of the present invention is to provide a barrier metal effective for a metal copper film and a metal tungsten film and a method for forming the barrier metal. Another object of the present invention is to provide a gate electrode having good characteristics even when it is thinned and a method for forming the gate electrode.

請求項１に規定する発明は、半導体集積装置のバリアメタルとして、ＷＮｘ或いはＷＳｉＮｘを用いるようにしたものである。
このバリアメタルは、半導体集積装置のビアホールやコンタクトホールに用いられ、例えば一面が配線用銅膜と接している。また、このバリアメタルは、半導体集積装置のゲート電極におけるポリシリコン層とタングステン層との界面に介在される。 The invention defined in claim 1 uses WNx or WSiNx as a barrier metal of a semiconductor integrated device.
This barrier metal is used for a via hole or a contact hole of a semiconductor integrated device. For example, one surface is in contact with a wiring copper film. The barrier metal is interposed at the interface between the polysilicon layer and the tungsten layer in the gate electrode of the semiconductor integrated device.

これにより、例えば配線用銅膜中に、これに隣接する層中から酸素原子等が拡散して侵入することを防止でき、銅膜が酸化されることを阻止することができる。また、バリアメタルと配線用銅膜との密着性も高く維持することができる。
また、バリアメタルをゲート電極に適用した場合には、ポリシリコン層中のシリコン原子がタングステン層中に拡散して侵入することを防止することができ、また、両層との密着性も高く維持することができる。
このようなバリアメタルは、１つの工程で形成することもでき、Ｗ層或いはＷＳｉ層の成膜工程とこの層の窒化工程とよりなる２工程で形成することもできる。 Thereby, for example, oxygen atoms or the like can be prevented from diffusing and entering from a layer adjacent to the wiring copper film, and the copper film can be prevented from being oxidized. In addition, the adhesion between the barrier metal and the wiring copper film can be maintained high.
In addition, when barrier metal is applied to the gate electrode, silicon atoms in the polysilicon layer can be prevented from diffusing and invading into the tungsten layer, and the adhesion between both layers can be kept high. can do.
Such a barrier metal can be formed in one step, or can be formed in two steps including a W layer or WSi layer forming step and a nitriding step of this layer.

１つの工程で形成するには、Ｗ層或いはＷＳｉ層の成膜ガスとＭＭＨ（モノメチルヒドラジン）ガス、Ｎ_２ガス、ＮＨ_３ガスの内、いずれか１つのガスを同時に供給し、ＷＮｘ層或いはＷＳｉＮｘ層を形成する。
２工程で形成するには、まず成膜工程でＷ層或いはＷＳｉ層を形成し、次に、窒化工程で上記Ｗ層或いはＷＳｉ層を窒化してＷＮｘ層或いはＷＳｉＮｘ層を形成する。この窒化工程では、ＭＭＨガス、Ｎ_２ガス、ＮＨ_３ガスの内、いずれか１つのガスを用いる。
窒化処理に、ＭＭＨガス或いはＮＨ_３ガスを用いる場合にはプラズマレスの熱処理で窒化処理を行ない、また、Ｎ_２ガスを用いる場合にはプラズマを用いた窒化処理を行なう。
上述のように２工程でバリアメタルの形成を行なう場合には、成膜工程と窒化工程とを同一の処理装置内で行なうのがよく、また、この場合には、両工程の間に、装置内に残留する成膜ガスを不活性ガスにより排気するパージ工程を組み入れるのが副生成物抑制の見地から好ましい。 In order to form in one step, a W layer or WSi layer deposition gas and MMH (monomethylhydrazine) gas, N ₂ gas, or NH ₃ gas are supplied at the same time, and the WNx layer or WSiNx is supplied. Form a layer.
To form in two steps, first, a W layer or a WSi layer is formed in a film forming step, and then the W layer or WSi layer is nitrided in a nitriding step to form a WNx layer or a WSiNx layer. In this nitriding step, any one of MMH gas, N ₂ gas, and NH ₃ gas is used.
When MMH gas or NH ₃ gas is used for nitriding, nitriding is performed by plasmaless heat treatment, and when N ₂ gas is used, nitriding using plasma is performed.
When the barrier metal is formed in two steps as described above, the film forming step and the nitriding step are preferably performed in the same processing apparatus, and in this case, the apparatus is interposed between both steps. It is preferable from the viewpoint of suppression of by-products to incorporate a purge process for exhausting the film forming gas remaining in the interior with an inert gas.

請求項１４に規定する発明は、半導体集積装置のゲート電極において、ゲート酸化膜上に、ポリシリコン層と、高融点金属の窒化膜よりなるバリアメタルと、前記高融点金属よりなる高融点金属層とを順次積層したものである。 The invention defined in claim 14 is a gate electrode of a semiconductor integrated device, wherein a polysilicon layer, a barrier metal made of a refractory metal nitride film, and a refractory metal layer made of the refractory metal are formed on the gate oxide film. Are sequentially laminated.

更に、本発明は、半導体集積装置のゲート電極において、ゲート酸化膜上に、高融点金属の窒化膜よりなるバリアメタルと、前記高融点金属よりなる高融点金属層とを順次積層したものである。
これにより、薄膜化しても、抵抗値が小さく、しかも、マイグレーション等が起こり難くて耐久性に優れたゲート電極とすることができる。
この場合、高融点金属としてはタングステンを主に用いることができる。また、ゲート酸化膜としては、この上層にポリシリコン層を用いる場合には、シリコン酸化膜を適用し、上層が直接バリアメタルとなる場合には、タンタルオキサイドを適用する。 Furthermore, in the gate electrode of the semiconductor integrated device according to the present invention, a barrier metal made of a refractory metal nitride film and a refractory metal layer made of the refractory metal are sequentially stacked on the gate oxide film. .
As a result, even when the film thickness is reduced, the gate electrode has a low resistance value and is less likely to cause migration or the like and has excellent durability.
In this case, tungsten can be mainly used as the refractory metal. As the gate oxide film, a silicon oxide film is applied when a polysilicon layer is used as the upper layer, and tantalum oxide is applied when the upper layer is directly a barrier metal.

このようなゲート電極を形成する場合には、少なくともバリアメタルを形成する成膜工程と、高融点金属層を形成する成膜工程とを同一成膜装置内で行なうようにする。これにより、異なる成膜工程毎に半導体ウエハ等を成膜装置から搬入搬出させる操作が不要となり、成膜操作を効率的に行なうことが可能となる。 When forming such a gate electrode, at least a film forming process for forming a barrier metal and a film forming process for forming a refractory metal layer are performed in the same film forming apparatus. This eliminates the need to carry in and out the semiconductor wafer and the like from the film forming apparatus for each different film forming process, and enables the film forming operation to be performed efficiently.

本発明のバリアメタル、その形成方法、ゲート電極及びその形成方法によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
請求項１乃至１３に規定する発明によれば、バリアメタルとしてＷＮｘ或いはＷＳｉＮｘを用いることにより、例えば配線用銅膜の酸化を防止することができる。
また、このバリアメタルをゲート電極に用いることにより、タングステン層がシリコン元素と反応することを防止することができる。
バリアメタルを形成する際に、１つの工程で行なうことにより、工程数を削減することができる。
また、バリアメタルを形成する際に、ＭＭＨガスを用いる場合には、プロセス温度が低くて済むので、反応副生成物が発生し難くなり、パーティクル対策上有利である。
請求項１４乃至１９に規定する発明によれば、ポリシリコン−メタルのゲート電極やメタルのゲート電極にＷＦｘ膜よりなるバリアメタルを用いることにより、バリア性は勿論のこと密着性及び耐熱性を向上させることができ、薄膜化及び多層化に対応したゲート電極を提供することができる。 According to the barrier metal, the formation method thereof, the gate electrode and the formation method thereof of the present invention, the following excellent operational effects can be exhibited.
According to the invention defined in claims 1 to 13, by using WNx or WSiNx as the barrier metal, for example, oxidation of the copper film for wiring can be prevented.
Further, by using this barrier metal for the gate electrode, the tungsten layer can be prevented from reacting with the silicon element.
By forming the barrier metal in one step, the number of steps can be reduced.
In addition, when MMH gas is used when forming the barrier metal, the process temperature is low, so that reaction by-products are hardly generated, which is advantageous in terms of particle countermeasures.
According to the invention defined in claims 14 to 19, by using a barrier metal made of a WFx film for a polysilicon-metal gate electrode or a metal gate electrode, not only barrier properties but also adhesion and heat resistance are improved. Therefore, it is possible to provide a gate electrode corresponding to thinning and multilayering.

Ｃｕデュアルダマシン配線に適用したバリアメタルを示す拡大断面図である。It is an expanded sectional view which shows the barrier metal applied to Cu dual damascene wiring. コンタクトホールに適用したバリアメタルを示す拡大断面図である。It is an expanded sectional view which shows the barrier metal applied to the contact hole. ゲート電極に適用したバリアメタルを示す拡大断面図である。It is an expanded sectional view which shows the barrier metal applied to the gate electrode. バリアメタルを形成するための熱処理装置を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the heat processing apparatus for forming a barrier metal. Ｃｕデュアルダマシンプロセスを説明するための図である。It is a figure for demonstrating Cu dual damascene process. 図３に示すゲート電極の部分を示す拡大図である。FIG. 4 is an enlarged view showing a part of the gate electrode shown in FIG. 3. ゲート酸化膜としてＴａ_２Ｏ_５を用いた時のゲート電極の拡大断面図を示している。It shows an enlarged cross-sectional view of the gate electrode when using the Ta ₂ O ₅ as a gate oxide film.

以下に、本発明に係るバリアメタル、その形成方法、ゲート電極及びその形成方法の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
まず、本発明のバリアメタル及びその形成方法について説明する。
図１はＣｕデュアルダマシン配線に適用したバリアメタルを示す拡大断面図、図２はコンタクトホールに適用したバリアメタルを示す拡大断面図、図３はゲート電極に適用したバリアメタルを示す拡大断面図である。
図１に示すようなＣｕデュアルダマシン配線を形成するデュアルダマシンプロセスは、半導体集積装置すなわち半導体集積回路において、デバイスの高性能化及び多機能化を実現する上で、配線の多層化が必要となり、この時、上層と下層の配線を接続する際に、配線とビアプラグを同時に形成して工程数の削減、配線の低コスト化及び低アスペクト比化を実現するプロセスである。 Hereinafter, an embodiment of a barrier metal, a formation method thereof, a gate electrode and a formation method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
First, the barrier metal and the method for forming the same according to the present invention will be described.
1 is an enlarged sectional view showing a barrier metal applied to a Cu dual damascene wiring, FIG. 2 is an enlarged sectional view showing a barrier metal applied to a contact hole, and FIG. 3 is an enlarged sectional view showing a barrier metal applied to a gate electrode. is there.
The dual damascene process for forming a Cu dual damascene wiring as shown in FIG. 1 requires a multilayer wiring to realize high performance and multi-functionality of the device in a semiconductor integrated device, that is, a semiconductor integrated circuit. At this time, when the upper and lower wirings are connected, wiring and via plugs are simultaneously formed to reduce the number of steps, reduce the cost of the wiring, and reduce the aspect ratio.

図１において、２は例えば半導体ウエハ等の基板であり、４はこの基板２の表面に形成された下層の配線であり、この周囲は例えばＳｉＯ_２絶縁膜６により絶縁されている。下層の配線４は、例えば金属銅の薄膜で形成される。８は例えばＳＯＧ（ＳｐｉｎＯｎＧｌａｓｓ）により形成されたＳｉＯ_２よりなる層間絶縁膜であり、上記ＳｉＯ_２絶縁膜６と下層の配線４上を覆うように形成される。この層間絶縁膜８は、上述のようにＳＯＧにより塗布形成されるので、比較的多くの酸素分子が含まれている。 In FIG. 1, 2 is a substrate such as a semiconductor wafer, 4 is a lower layer wiring formed on the surface of the substrate 2, and the periphery thereof is insulated by, for example, a SiO ₂ insulating film 6. The lower wiring 4 is formed of, for example, a metal copper thin film. An interlayer insulating film 8 made of SOG (Spin On Glass) and made of SiO ₂ is formed so as to cover the SiO ₂ insulating film 6 and the underlying wiring 4. Since the interlayer insulating film 8 is formed by coating with SOG as described above, it contains a relatively large amount of oxygen molecules.

１０は上記下層の配線４の一部を露出させるようにして上記層間絶縁膜８に形成されたビアホールであり、１２は上記層間絶縁膜８の表面に形成される配線溝である。１４は本発明に係るＷＮｘ（タングステンナイトライド）或いはＷＳｉＮｘ（タングステンシリサイドナイトライド）よりなる薄いバリアメタルであり、上記ビアホール１０の内壁面及び上記配線溝１２の内壁面に形成される。１６は例えば金属銅よりなる上層の配線であり、この配線の形成時に上記ビアホール１０内も埋め込んでビアホールプラグ１６Ａも同時に形成される。
この場合、配線１６の幅Ｌ１は、１μｍ以下、例えば０．２μｍ程度であり、また、バリアメタル１４の厚さＬ２は、０．０５〜０．０２μｍ程度である。 Reference numeral 10 denotes a via hole formed in the interlayer insulating film 8 so that a part of the lower wiring 4 is exposed, and reference numeral 12 denotes a wiring groove formed on the surface of the interlayer insulating film 8. A thin barrier metal 14 made of WNx (tungsten nitride) or WSiNx (tungsten silicide nitride) according to the present invention is formed on the inner wall surface of the via hole 10 and the inner wall surface of the wiring groove 12. Reference numeral 16 denotes an upper wiring made of, for example, metallic copper, and the via hole plug 16A is simultaneously formed by filling the via hole 10 when the wiring is formed.
In this case, the width L1 of the wiring 16 is 1 μm or less, for example, about 0.2 μm, and the thickness L2 of the barrier metal 14 is about 0.05 to 0.02 μm.

このようにデュアルダマシンプロセスにおいて、銅薄膜よりなる上層の配線１６及び金属銅のビアホールプラグ１６ＡとＳＯＧにより形成された層間絶縁膜８との間に、ＷＮｘ或いはＷＳｉＮｘよりなる薄いバリアメタル１４を介在させたので、このバリアメタル１４により層間絶縁膜８中の酸素分子が金属銅よりなるビアプラグ１６Ａや上層の配線１６中へ拡散して侵入することができず、従って、金属銅が酸化されるのを阻止することができる。このため、ビアホールプラグ１６Ａや上層の配線１６を低い抵抗値のままで維持でき、また、この密着性が劣化することもないので、金属銅が剥がれることも防止することができる。 Thus, in the dual damascene process, the thin barrier metal 14 made of WNx or WSiNx is interposed between the upper wiring 16 made of a copper thin film and the via hole plug 16A made of copper metal and the interlayer insulating film 8 made of SOG. Therefore, this barrier metal 14 prevents oxygen molecules in the interlayer insulating film 8 from diffusing and penetrating into the via plugs 16A made of metallic copper and the upper wirings 16, so that the metallic copper is oxidized. Can be blocked. For this reason, the via hole plug 16A and the upper layer wiring 16 can be maintained at a low resistance value, and since this adhesion does not deteriorate, it is possible to prevent the metal copper from peeling off.

図２は本発明のバリアメタルをコンタクトホールに適用した時の図を示しており、図中、１８は基板２に形成されたトランジスタのソース或いはドレインであり、ここではソースとして話を進める。２０はソース１８を含むトランジスタ全体を被って絶縁するための層間絶縁膜であり、この絶縁膜２０は、図１にて説明したと同様に、ＳＯＧにより形成されたＳｉＯ_２膜よりなる。２２は、上記ソース１８の表面を露出させるようにして形成されたコンタクトホールであり、この内壁面と層間絶縁膜２０の上面には、本発明に係るＷＮｘ或いはＷＳｉＮｘよりなる薄いバリアメタル１４が形成されている。そして、このコンタクトホール２２内は金属銅よりなるコンタクトホールプラグ２４Ａにより埋め込まれ、同時にこの上部に金属銅が積層形成されてパターンエッチングにより配線２４が形成される。尚、図示例では、層間絶縁膜２０上のバリアメタル１４もパターンエッチングされた状態を示している。 FIG. 2 shows a view when the barrier metal of the present invention is applied to a contact hole. In the figure, reference numeral 18 denotes a source or drain of a transistor formed on the substrate 2. Here, the description will proceed as a source. Reference numeral 20 denotes an interlayer insulating film for covering and insulating the entire transistor including the source 18, and this insulating film 20 is made of an SiO ₂ film formed of SOG as described with reference to FIG. Reference numeral 22 denotes a contact hole formed so as to expose the surface of the source 18, and a thin barrier metal 14 made of WNx or WSiNx according to the present invention is formed on the inner wall surface and the upper surface of the interlayer insulating film 20. Has been. The contact hole 22 is filled with a contact hole plug 24A made of metallic copper, and at the same time, metallic copper is laminated on the upper portion, and a wiring 24 is formed by pattern etching. In the illustrated example, the barrier metal 14 on the interlayer insulating film 20 is also patterned.

この場合にも、ＳｉＯ_２よりなる層間絶縁膜２０と金属銅よりなるコンタクトホールプラグ２４Ａ及び配線２４との間に、ＷＮｘ或いはＷＳｉＮｘよりなる薄いバリアメタル１４を介在させるようにしたので、層間絶縁膜２０中の酸素分子がコンタクトホールプラグ２４Ａや配線２４中に拡散して侵入することを阻止することができる。従って、これらを構成する金属銅の酸化を防ぎ、低い抵抗値に維持できるのみならず、密着性が劣化することも防止してこれが剥がれることも阻止することができる。 Also in this case, since the thin barrier metal 14 made of WNx or WSiNx is interposed between the interlayer insulating film 20 made of SiO ₂ , the contact hole plug 24A made of metal copper, and the wiring 24, the interlayer insulating film Oxygen molecules in 20 can be prevented from diffusing and entering the contact hole plug 24A and the wiring 24. Therefore, oxidation of the metal copper constituting them can be prevented and maintained at a low resistance value, and also the adhesion can be prevented from deteriorating and prevented from peeling off.

図３は本発明のバリアメタルをゲート電極に適用した時の図を示しており、図中、１８及び１９は、それぞれ基板２の表面に形成されたトランジスタ素子のソース及びドレインであり、これらの間に薄いゲート酸化膜２６が形成されている。そして、このゲート酸化膜２６上にゲート電極２８が形成されるが、このゲート電極２８は、下層より例えばリンドープのポリシリコン層３０、本発明のＷＮｘ或いはＷＳｉＮｘよりなる薄いバリアメタル１４及び金属タングステン層３２を順次積層した３層構造になっている。
この場合にも、ポリシリコン層３０と金属タングステン層３２との間に、本発明のバリアメタル１４を介在させるようにしたので、このバリアメタル１４によりポリシリコン層３０中のシリコン原子が金属タングステン層３２に拡散して侵入することを阻止でき、従って、金属タングステン層３２がシリサイド化されることを防止することができる。このため、金属タングステン層３２の抵抗値が低下することを防止することができるのみならず、この金属タングステン層３２が剥離することも防止することができる。 FIG. 3 shows a view when the barrier metal of the present invention is applied to the gate electrode, in which 18 and 19 are the source and drain of the transistor element formed on the surface of the substrate 2, respectively. A thin gate oxide film 26 is formed therebetween. A gate electrode 28 is formed on the gate oxide film 26. The gate electrode 28 is formed of, for example, a phosphorus-doped polysilicon layer 30, a thin barrier metal 14 made of WNx or WSiNx of the present invention, and a metal tungsten layer. It has a three-layer structure in which 32 are sequentially stacked.
Also in this case, since the barrier metal 14 of the present invention is interposed between the polysilicon layer 30 and the metal tungsten layer 32, the silicon atoms in the polysilicon layer 30 are made to be in the metal tungsten layer by the barrier metal 14. Therefore, it is possible to prevent the metal tungsten layer 32 from being silicided. For this reason, it is possible not only to prevent the resistance value of the metal tungsten layer 32 from decreasing, but also to prevent the metal tungsten layer 32 from peeling off.

次に、上述したような本発明のバリアメタル１４の形成方法について説明する。
図４はバリアメタルを形成するための処理装置を示す概略構成図であり、まず、この処理装置を説明する。図示するように、この処理装置は、例えばアルミニウム製の円筒体状の処理容器３４を有しており、この容器３４内には、基板２を載置する載置台３６が設けられる。載置台３６内には、基板２を所定のプロセス温度に加熱するための加熱ヒータ３８が設けられている。尚、加熱ヒータ３８に替えて、処理容器の下方に加熱ランプを設けて、基板２をランプ加熱するようにしてもよい。 Next, a method for forming the barrier metal 14 of the present invention as described above will be described.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing a processing apparatus for forming a barrier metal. First, the processing apparatus will be described. As shown in the figure, the processing apparatus includes a cylindrical processing container 34 made of, for example, aluminum, and a mounting table 36 on which the substrate 2 is mounted is provided in the container 34. A heater 38 for heating the substrate 2 to a predetermined process temperature is provided in the mounting table 36. Instead of the heater 38, a heating lamp may be provided below the processing container to heat the substrate 2 with a lamp.

この処理容器３４及び載置台３６はそれぞれアースされており、載置台３６は、高周波を使用する時に下部電極を兼用するようになっている。処理容器３４の底部には、排気口４０が設けられ、この排気口４０には、真空ポンプ４２を介設した真空排気系が接続される。処理容器３４の側壁には、ゲートバルブ４１を介してロードロック室４４が連結されており、処理容器３４内との間で基板２の受け渡しを行なうようになっている。 The processing vessel 34 and the mounting table 36 are each grounded, and the mounting table 36 also serves as a lower electrode when using a high frequency. An exhaust port 40 is provided at the bottom of the processing vessel 34, and a vacuum exhaust system with a vacuum pump 42 is connected to the exhaust port 40. A load lock chamber 44 is connected to the side wall of the processing vessel 34 via a gate valve 41 so that the substrate 2 can be transferred to and from the inside of the processing vessel 34.

また、この処理容器３４の天井部には、絶縁材４６を介して多数のガス噴射孔５０を有するシャワーヘッド部４８が設けられている。このシャワーヘッド部４８には、スイッチ５２及びマッチング回路５４を介して例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電源５６が接続されており、必要に応じてシャワーヘッド部４８に、高周波電力を印加してこれを上部電極と兼用させ、プラズマ処理を行なうことができるようになっている。プラズマ印加の手法は、これに限定されず、下部電極に高周波電力を印加するようにしてもよいし、また、上下の電極に高周波電力を印加するようにしてもよい。
そして、このシャワーヘッド部４８には、複数のガス源が、それぞれ開閉弁５８及びマスフローコントローラ６０を介して連結されている。ガス源としては、ＷＦ_６源６２、ＭＭＨ源６４、ＳｉＨ_４源６６、ＮＨ_３源６８、Ｎ_２源７０、Ａｒ源７２、Ｈ_２源７４等がそれぞれ必要に応じて設けられ、選択的に使用される。また、ＳｉＨ_４ガスに替えて、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）、ジクロルシランを用いてもよい。 In addition, a shower head portion 48 having a large number of gas injection holes 50 is provided on the ceiling portion of the processing vessel 34 via an insulating material 46. A high frequency power source 56 of 13.56 MHz, for example, is connected to the shower head portion 48 via a switch 52 and a matching circuit 54. If necessary, a high frequency power is applied to the shower head portion 48 so as to be connected to the shower head portion 48. It can also be used as an electrode to perform plasma treatment. The method of plasma application is not limited to this, and high frequency power may be applied to the lower electrode, or high frequency power may be applied to the upper and lower electrodes.
A plurality of gas sources are connected to the shower head unit 48 via an on-off valve 58 and a mass flow controller 60, respectively. As the gas source, a WF ₆ source 62, an MMH source 64, an SiH ₄ source 66, an NH ₃ source 68, an N ₂ source 70, an Ar source 72, an H ₂ source 74, and the like are provided as necessary. used. Further, instead of SiH ₄ gas, disilane (Si ₂ H ₆ ) or dichlorosilane may be used.

次に、上記した装置を用いて行なわれる本発明のバリアメタルの形成方法を具体的に説明する。
まず、このバリアメタルの形成方法には、１つの工程で一気にバリアメタルを形成する方法等がある。以下、その方法について順に説明する。ここでは、前述したＣｕデュアルダマシンプロセスによりデュアルダマシン配線（図１参照）を行なう場合を例にとって説明する。尚、本発明のバリアメタルをコンタクトホールやゲート電極に適用する場合にも、バリアメタル形成の前後の工程は異なるが、バリアメタルの形成方法は全て同じである。 Next, the method for forming a barrier metal of the present invention performed using the above-described apparatus will be specifically described.
First, this barrier metal forming method includes a method of forming a barrier metal at a stroke in one step. Hereinafter, the method will be described in order. Here, a case where dual damascene wiring (see FIG. 1) is performed by the Cu dual damascene process described above will be described as an example. Even when the barrier metal of the present invention is applied to contact holes and gate electrodes, the steps before and after the formation of the barrier metal are different, but the barrier metal forming method is the same.

（１）１工程によるＷＳｉＮｘの形成（プラズマレス）。
まず、１工程でＷＳｉＮｘバリアメタルを形成する方法について説明する。まず、図４に示す処理装置とは別の装置で、図５（Ａ）に示すように基板２のＳｉＯ_２絶縁層６と下層の配線４を覆ってＳＯＧによりＳｉＯ_２層間絶縁膜８を全面に形成する。そして、この層間絶縁膜８に配線パターンに沿って配線溝１２をエッチング等により形成し（図５（Ｂ））、更に、この配線溝１２内の所定の位置に、ビアホール１０をエッチング等により形成して下層の配線４を露出させる（図５（Ｃ））。
ここまで基板２に対して処理を施したならば、この基板２を図４に示した処理装置内へ搬入してバリアメタルの形成に移る。 (1) Formation of WSiNx in one step (plasmaless).
First, a method for forming a WSiNx barrier metal in one step will be described. First, as shown in FIG. 5A, the entire surface of the SiO ₂ interlayer insulating film 8 is covered with SOG by covering the SiO ₂ insulating layer 6 and the lower wiring 4 of the substrate 2 with an apparatus different from the processing apparatus shown in FIG. To form. Then, a wiring groove 12 is formed in the interlayer insulating film 8 along the wiring pattern by etching or the like (FIG. 5B), and a via hole 10 is formed in a predetermined position in the wiring groove 12 by etching or the like. Then, the lower wiring 4 is exposed (FIG. 5C).
If the substrate 2 has been processed so far, the substrate 2 is carried into the processing apparatus shown in FIG. 4 and the formation of the barrier metal is started.

基板２を処理容器３４の載置台３６上に載置したならば、容器３４内を密閉し、基板２を所定のプロセス圧力に維持すると共にシャワーヘッド部４８から所定の処理ガスを導入し、これと共に処理容器３４内を真空引きして所定のプロセス圧力に維持してバリアメタルの形成プロセスを行なう。処理ガスとしては、ＷＦ_６ガス、ＳｉＨ_４ガス及びＭＭＨガスをそれぞれ供給し、プラズマを用いない熱ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により、一気にＷＳｉＮｘ膜よりなるバリアメタル１４を所定の厚みだけ成膜する（図５（Ｄ））。
ここでは基板２として、８インチウエハを用いており、この時の各処理ガスの流量は、ＷＦ_６ガスが、２〜２０ｓｃｃｍ程度、、ＳｉＨ_４ガスが、１０〜３００ｓｃｃｍ程度、ＭＭＨガスが、１〜１０ｓｃｃｍ程度である。プロセス温度は３００〜４５０℃程度、プロセス圧力は０．４〜８０Ｔｏｒｒ程度である。シランに替えてジクロルシランを用いる場合には、他のガスの流量、プロセス圧力は同じで、プロセス温度が５５０℃〜６５０℃程度である。尚、これらの数値は、後述する数値も含めて単に一例を示したに過ぎず、適宜最適条件を求めて変更するのは勿論である。 When the substrate 2 is placed on the mounting table 36 of the processing container 34, the inside of the container 34 is sealed, the substrate 2 is maintained at a predetermined process pressure, and a predetermined processing gas is introduced from the shower head unit 48. At the same time, the inside of the processing vessel 34 is evacuated and maintained at a predetermined process pressure to perform a barrier metal forming process. As processing gases, WF ₆ gas, SiH ₄ gas, and MMH gas are respectively supplied, and a barrier metal 14 made of a WSiNx film is formed at a predetermined thickness by thermal CVD (Chemical Vapor Deposition) that does not use plasma. FIG. 5 (D)).
Here, an 8-inch wafer is used as the substrate 2, and the flow rate of each processing gas at this time is about 2 to 20 sccm for WF ₆ gas, about 10 to 300 sccm for SiH ₄ gas, and 1 for MMH gas. About 10 sccm. The process temperature is about 300 to 450 ° C., and the process pressure is about 0.4 to 80 Torr. When dichlorosilane is used instead of silane, the flow rate of other gases and the process pressure are the same, and the process temperature is about 550 ° C to 650 ° C. These numerical values are merely examples, including numerical values to be described later, and it is a matter of course that optimum conditions are obtained and changed as appropriate.

このような方法により、１工程でバリアメタル１４を形成することができ、工程数の削減が可能となる。
このようにして、バリアメタル１４の形成が完了したならば、例えばこの基板２を処理装置から搬出し、ＣＶＤ等により配線メタルとして金属銅を表面に堆積させてビアホール１０と配線溝１２内を同時に埋め込み、これにより、ビアホール１０は、ビアホールプラグ１６Ａにより埋め込まれ、配線溝１２には上層の配線１６が形成される（図５（Ｅ））。尚、この金属銅のＣＶＤ処理は、バリアメタルを形成した処理装置と同一処理装置内で行なうようにしてもよい。 By such a method, the barrier metal 14 can be formed in one process, and the number of processes can be reduced.
When the formation of the barrier metal 14 is completed in this way, for example, the substrate 2 is unloaded from the processing apparatus, and metal copper is deposited on the surface as a wiring metal by CVD or the like, so that the inside of the via hole 10 and the wiring groove 12 are simultaneously formed. As a result, the via hole 10 is filled with the via hole plug 16A, and the upper layer wiring 16 is formed in the wiring groove 12 (FIG. 5E). In addition, you may make it perform this CVD process of copper metal within the same processing apparatus as the processing apparatus which formed the barrier metal.

次に、金属銅が堆積された基板を処理装置から取り出し、これにＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理等を施すことにより、上面の不要な金属銅を研磨除去し、上層の配線パターンを形成する（図５（Ｆ））。これにより、Ｃｕデュアルダマシン配線を完了することになる。
この実施例では、バリアメタル１４に窒素原子を混入させるガスとしてＭＭＨガスを用いたが、これに替えて、ＮＨ_３ガス或いはＮ_２ガスを用いてもよいし、必要に応じてキャリアガスとして不活性ガス、例えばＡｒガスを用いてもよい。また、ＳｉＨ_４ガスに替えて、ジクロルシラン、ジシラン等を用いてもよいのは勿論である。 Next, the substrate on which the metallic copper is deposited is taken out of the processing apparatus, and subjected to a CMP (Chemical Mechanical Polishing) process or the like to polish and remove unnecessary metallic copper on the upper surface, thereby forming an upper wiring pattern ( FIG. 5 (F)). This completes the Cu dual damascene wiring.
In this embodiment, MMH gas is used as a gas for mixing nitrogen atoms into the barrier metal 14, but instead of this, NH ₃ gas or N ₂ gas may be used, and it may be used as a carrier gas if necessary. An active gas such as Ar gas may be used. Of course, dichlorosilane, disilane or the like may be used instead of SiH ₄ gas.

（２）１工程によるＷＮｘの形成（プラズマレス）。
次に、１工程でＷＮｘバリアメタルを形成する方法について説明する。図５（Ｄ）に示す工程以外は全て上述した操作と同じであるので、図５（Ｄ）に示す工程を行なう場合のみを説明する。ここでは、処理ガスとしてはＷＦ_６ガスとＭＭＨガスを供給し、プラズマを用いない熱ＣＶＤにより、一気にＷＮｘ膜よりなるバリアメタル１４を所定の厚みだけ成膜する。
この時の処理ガスの流量は、ＷＦ_６ガスが、５〜８０ｓｃｃｍ程度、ＭＭＨガスが、１〜２０ｓｃｃｍ程度である。プロセス温度は３００〜４５０℃程度、プロセス圧力は、０．５〜８０Ｔｏｒｒ程度である。
この場合には、使用する処理ガスの種類が２種類で済み、ガス供給系の構成を非常に簡単化できる。また、この場合にも、ＭＭＨガスに替えて、ＮＨ_３ガス或いはＮ_２ガスを用いてもよいのは勿論である。 (2) Formation of WNx in one step (plasmaless).
Next, a method for forming a WNx barrier metal in one step will be described. Since all the steps except for the step shown in FIG. 5D are the same as those described above, only the case where the step shown in FIG. 5D is performed will be described. Here, WF ₆ gas and MMH gas are supplied as process gases, and a barrier metal 14 made of a WNx film is formed at a predetermined thickness by thermal CVD without using plasma.
The flow rate of the processing gas at this time is about 5 to 80 sccm for WF ₆ gas and about 1 to 20 sccm for MMH gas. The process temperature is about 300 to 450 ° C., and the process pressure is about 0.5 to 80 Torr.
In this case, only two types of processing gases are used, and the configuration of the gas supply system can be greatly simplified. Also in this case, it is needless to say that NH ₃ gas or N ₂ gas may be used instead of the MMH gas.

（３）２工程によるＷＳｉＮｘの形成。
次に、２工程でＷＳｉＮｘバリアメタルを形成する方法について説明する。ここでは、図５（Ｃ）に示す工程を経た後、図４に示す処理装置内で、まずＷＳｉ層の成膜工程を行なう。この時の処理ガスとしてはＷＦ_６ガスとＳｉＨ_４ガスを用い、これらをキャリアガス、例えばＡｒガスを用いて、或いは用いないで供給し、プラズマレスの熱ＣＶＤによりＷＳｉ膜を堆積させる。この時の処理ガスの流量は、ＷＦ_６ガスが、２〜８０ｓｃｃｍ程度、ＳｉＨ_４ガスが５〜４０ｓｃｃｍ程度である。プロセス温度は３００〜４５０℃程度、プロセス圧力は０．５〜８０Ｔｏｒｒ程度である。尚、ＳｉＨ_４に替えてジクロルシラン、ジシラン等を用いてもよいのは勿論である。 (3) Formation of WSiNx by two steps.
Next, a method for forming a WSiNx barrier metal in two steps will be described. Here, after the step shown in FIG. 5C, first, a WSi layer is formed in the processing apparatus shown in FIG. As processing gases at this time, WF ₆ gas and SiH ₄ gas are used, and these are supplied with or without a carrier gas such as Ar gas, and a WSi film is deposited by plasmaless thermal CVD. The flow rate of the processing gas at this time is about 2 to 80 sccm for WF ₆ gas and about ₅ to 40 sccm for SiH ₄ gas. The process temperature is about 300 to 450 ° C., and the process pressure is about 0.5 to 80 Torr. Of course, dichlorosilane, disilane or the like may be used instead of SiH ₄ .

このようにしてＷＳｉ膜の形成が完了したならば、ＷＦ_６ガスとＭＭＨガスの供給を断ち、次に、ＭＭＨガスを供給して上記ＷＳｉ膜を窒化処理してＷＳｉＮｘのバリアメタル１４を形成する。この時のＭＭＨガスの流量は、１〜２０ｓｃｃｍ程度、プロセス温度は、３００〜４５０℃程度、プロセス圧力は、０．５〜１０Ｔｏｒｒ程度である。これにより、バリアメタル１４の形成が完了することになる。このようにＭＭＨガスを用いて窒化処理をするのは、上述のようにプロセス温度が低いので、反応副生成物が比較的発生し難くなり、パーティクル対策上、非常に有利である。 When the formation of the WSi film is completed in this way, the supply of the WF ₆ gas and the MMH gas is stopped, and then the MSi gas is supplied to nitride the WSi film to form the WSiNx barrier metal 14. . At this time, the flow rate of the MMH gas is about 1 to 20 sccm, the process temperature is about 300 to 450 ° C., and the process pressure is about 0.5 to 10 Torr. Thereby, the formation of the barrier metal 14 is completed. The nitriding treatment using MMH gas in this way is very advantageous in terms of particle countermeasures because the reaction by-products are relatively less likely to occur because the process temperature is low as described above.

ここでＭＭＨガスに替えて、ＮＨ_３ガスやＮ_２ガスを用いてもよい。また、成膜工程と窒化工程との間に、処理容器３４内にＮ_２ガスをパージして成膜で用いたＷＦ_６ガスを完全に排除するのがよい。特に、窒化工程においてＭＭＨガスに替えてＮＨ_３ガスを用いる場合には、ＷＦ_６ガスが処理容器内に残留すると、アンモニアとフッ化ガスにより除去が困難な副反応生成物が形成されるので、窒化処理に入る前に、完全にＷＦ_６ガスを排除するのが好ましい。ＮＨ_３ガスを用いる場合には、プロセス温度は３００〜４５０℃程度である。 Here, instead of the MMH gas, NH ₃ gas or N ₂ gas may be used. Further, it is preferable to purge the WF ₆ gas used in the film formation completely by purging the N ₂ gas into the processing vessel 34 between the film forming process and the nitriding process. In particular, when NH ₃ gas is used in place of MMH gas in the nitriding step, if WF ₆ gas remains in the processing vessel, a side reaction product that is difficult to remove is formed by ammonia and fluoride gas. It is preferable to completely eliminate the WF ₆ gas before entering the nitriding process. When NH ₃ gas is used, the process temperature is about 300 to 450 ° C.

また、ＭＭＨガスに替えてＮ_２ガスを用いる場合には、スイッチ５２を投入して高周波電力を上部電極（シャワーヘッド部）４８と下部電極（載置台）３６との間に印加し、内部にプラズマを立ててプラズマ窒化処理を行なう。この時のＮ_２ガスの供給量は、５０〜３００ｓｃｃｍ程度であり、プロセス温度は３００〜４５０℃程度であり、プロセス圧力は０．１〜５Ｔｏｒｒ程度である。
このように、２つの工程を同一処理装置内で行なえば、ウエハ搬送に要する時間を節約できるのでスループットを向上できるが、上記成膜工程と窒化工程を別々の処理装置で実行してもよいのは勿論である。 When N ₂ gas is used instead of MMH gas, switch 52 is turned on to apply high frequency power between upper electrode (shower head portion) 48 and lower electrode (mounting table) 36, Plasma nitriding is performed with plasma. The supply amount of N ₂ gas at this time is about 50 to 300 sccm, the process temperature is about 300 to 450 ° C., and the process pressure is about 0.1 to 5 Torr.
As described above, if the two processes are performed in the same processing apparatus, the time required for wafer transfer can be saved and the throughput can be improved. However, the film forming process and the nitriding process may be executed by separate processing apparatuses. Of course.

（４）２工程によるＷＮｘの形成。
次に、２工程でＷＮｘバリアメタルを形成する方法について説明する。ここでは図５（Ｃ）に示す工程を経た後、図４に示す装置内で、まず、Ｗ層の成膜工程を行なう。この時の処理ガスとしてはＷＦ_６ガスとＨ_２ガスを用い、プラズマレスの熱ＣＶＤによりＷ膜を堆積させる。この時の処理ガスの流量は、ＷＦ_６ガスが、５〜１００ｓｃｃｍ程度、Ｈ_２ガスが１００〜１０００ｓｃｃｍ程度である。プロセス温度は、３００〜４５０℃程度、プロセス圧力は１〜８０Ｔｏｒｒ程度である。 (4) Formation of WNx by two steps.
Next, a method for forming a WNx barrier metal in two steps will be described. Here, after the step shown in FIG. 5C, first, the W layer is formed in the apparatus shown in FIG. As a processing gas at this time, WF ₆ gas and H ₂ gas are used, and a W film is deposited by plasmaless thermal CVD. The flow rate of the processing gas at this time is about 5 to 100 sccm for WF ₆ gas and about 100 to 1000 sccm for H ₂ gas. The process temperature is about 300 to 450 ° C., and the process pressure is about 1 to 80 Torr.

このようにして、Ｗ膜の形成が完了したならば、ＷＦ_６ガスとＨ_２ガスの供給を断ち、次に、ＭＭＨガスを供給して上記Ｗ膜を窒化処理してＷＮｘのバリアメタル１４を形成する。この時のＭＭＨガスの流量は、１〜１０ｓｃｃｍ程度、プロセス温度は、３００〜４５０℃程度、プロセス圧力は、０．１〜５Ｔｏｒｒ程度である。これにより、バリアメタル１４の形成が完了することになる。このように、ＭＭＨガスを用いて窒化処理をするのは、上述のようにプロセス温度が低くて済むので、反応副生成物が比較的発生し難くなり、パーティクル対策上有利となる。 In this way, when the formation of the W film is completed, the supply of WF ₆ gas and H ₂ gas is stopped, and then the M film is supplied to nitride the W film to form the WNx barrier metal 14. Form. At this time, the flow rate of the MMH gas is about 1 to 10 sccm, the process temperature is about 300 to 450 ° C., and the process pressure is about 0.1 to 5 Torr. Thereby, the formation of the barrier metal 14 is completed. As described above, nitriding using MMH gas requires a low process temperature as described above, so that reaction by-products are relatively less likely to occur, which is advantageous in terms of particle countermeasures.

ここでも、先の（３）で説明したようにＭＭＨガスに替えて、ＮＨ_３ガスやＮ_２ガスを用ていもよい。また、成膜工程と窒化工程との間に、処理容器３４内にＮ_２ガスをパージして成膜で用いたＷＦ_６ガスを完全に排除するのがよい。特に、窒化工程においてＭＭＨガスに替えてＮＨ_３ガスを用いる場合には、ＷＦ_６ガスが処理容器内に残留すると、アンモニアとフッ化ガスにより除去が困難な副反応生成物が形成されるので、窒化処理に入る前に、完全にＷＦ_６ガスを排除するのが好ましい。ＮＨ_３ガスを用いる場合には、プロセス温度は３００〜４５０℃程度である。 Here, as described in (3) above, NH ₃ gas or N ₂ gas may be used instead of MMH gas. Further, it is preferable to purge the WF ₆ gas used in the film formation completely by purging the N ₂ gas into the processing vessel 34 between the film forming process and the nitriding process. In particular, when NH ₃ gas is used in place of MMH gas in the nitriding step, if WF ₆ gas remains in the processing vessel, a side reaction product that is difficult to remove is formed by ammonia and fluoride gas. It is preferable to completely eliminate the WF ₆ gas before entering the nitriding process. When NH ₃ gas is used, the process temperature is about 300 to 450 ° C.

また、ＭＭＨガスに替えてＮ_２ガスを用いる場合には、スイッチ５２を投入して高周波電力を上部電極（シャワーヘッド部）４８と下部電極（載置台）３６との間に印加し、内部にプラズマを立ててプラズマ窒化処理を行なう。この時のＮ_２ガスの供給量は、５０〜３００ｓｃｃｍ程度であり、プロセス温度は３００〜４５０℃程度であり、プロセス圧力は０．１〜５Ｔｏｒｒ程度である。
このように、２つの工程を同一処理装置内で行なえば、ウエハ搬送に要する時間を節約できるのでスループットを向上できるが、上記成膜工程と窒化工程を別々の処理装置で実行してもよいのは勿論である。
以上のようにして各方法で形成したバリアメタル１４は、特性検査の結果、酸素原子或いはシリコン原子に対するバリア性が十分に高いことを確認することができた。 When N ₂ gas is used instead of MMH gas, switch 52 is turned on to apply high frequency power between upper electrode (shower head portion) 48 and lower electrode (mounting table) 36, Plasma nitriding is performed with plasma. The supply amount of N ₂ gas at this time is about 50 to 300 sccm, the process temperature is about 300 to 450 ° C., and the process pressure is about 0.1 to 5 Torr.
As described above, if the two processes are performed in the same processing apparatus, the time required for wafer transfer can be saved and the throughput can be improved. However, the film forming process and the nitriding process may be executed by separate processing apparatuses. Of course.
As a result of the characteristic inspection, it was confirmed that the barrier metal 14 formed by each method as described above has a sufficiently high barrier property against oxygen atoms or silicon atoms.

次に、本発明のゲート電極及びその形成方法について説明する。
ここでは図３において説明したゲート電極２８について更に詳しく説明する。図６は図３に示すゲート電極の部分を示す拡大図である。バリアメタル１４としては、ここではタングステンナイトライド（ＷＮｘ）を用いた場合を例にとって説明する。図３において説明したように、例えばシリコン単結晶よりなる半導体ウエハ等の基板２のゲート酸化膜２６の両側には、ソース１８、ドレイン１９が形成されている。ゲート酸化膜２６としては、ここではシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）を用いている。 Next, the gate electrode and the method for forming the same according to the present invention will be described.
Here, the gate electrode 28 described in FIG. 3 will be described in more detail. FIG. 6 is an enlarged view showing a portion of the gate electrode shown in FIG. Here, as the barrier metal 14, a case where tungsten nitride (WNx) is used will be described as an example. As described in FIG. 3, the source 18 and the drain 19 are formed on both sides of the gate oxide film 26 of the substrate 2 such as a semiconductor wafer made of, for example, silicon single crystal. Here, a silicon oxide film (SiO ₂ ) is used as the gate oxide film 26.

また、例えばリンドープのポリシリコン層３０は、前述したように他の成膜装置で成膜され、その後、この基板２を図４に示すような成膜装置へ搬入する。
ＷＮｘ膜の形成には、前述したようにプラズマレスの熱ＣＶＤにより１工程で形成する場合と、２工程で形成する場合とがあり、どちらを用いていてもよい。
まず、１工程でＷＮｘ膜を形成する場合には、前述したように処理ガスとしてはＷＦ_６ガスとＭＭＨガスを供給し、プラズマを用いない熱ＣＶＤにより、一気にＷＮｘ膜よりなるバリアメタル１４をポリシリコン層３０上に所定の厚みだけ成膜する。この時の処理ガスの流量は、ＷＦ_６ガスが、５〜８０ｓｃｃｍ程度、ＭＭＨガスが、１〜２０ｓｃｃｍ程度である。プロセス温度は３００〜４５０℃程度、プロセス圧力は、０．５〜８０Ｔｏｒｒ程度である。 For example, the phosphorus-doped polysilicon layer 30 is formed by another film forming apparatus as described above, and then the substrate 2 is carried into a film forming apparatus as shown in FIG.
As described above, the WNx film may be formed in one step by plasmaless thermal CVD or in two steps, and either may be used.
First, when the WNx film is formed in one process, as described above, WF ₆ gas and MMH gas are supplied as the processing gas, and the barrier metal 14 made of the WNx film is formed at once by thermal CVD without using plasma. A predetermined thickness is deposited on the silicon layer 30. The flow rate of the processing gas at this time is about 5 to 80 sccm for WF ₆ gas and about 1 to 20 sccm for MMH gas. The process temperature is about 300 to 450 ° C., and the process pressure is about 0.5 to 80 Torr.

この場合には、使用する処理ガスの種類が２種類で済み、ガス供給系の構成を非常に簡単化できる。また、ＭＭＨガスに替えて、ＮＨ_３ガス或いはＮ_２ガスを用いてもよいのは勿論である。
また、２工程でＷＮｘ膜を形成する場合には、前述したようにまず、最初にＷ層の成膜工程を行なう。この時の処理ガスとしてはＷＦ_６ガスとＨ_２ガスを用い、プラズマレスの熱ＣＶＤによりＷ膜を堆積させる。この時の処理ガスの流量は、ＷＦ_６ガスが、５〜１００ｓｃｃｍ程度、Ｈ_２ガスが１００〜１０００ｓｃｃｍ程度である。プロセス温度は、３００〜４５０℃程度、プロセス圧力は１〜８０Ｔｏｒｒ程度である。 In this case, only two types of processing gases are used, and the configuration of the gas supply system can be greatly simplified. Needless to say, NH ₃ gas or N ₂ gas may be used instead of MMH gas.
In the case where the WNx film is formed in two steps, the W layer is first formed as described above. As a processing gas at this time, WF ₆ gas and H ₂ gas are used, and a W film is deposited by plasmaless thermal CVD. The flow rate of the processing gas at this time is about 5 to 100 sccm for WF ₆ gas and about 100 to 1000 sccm for H ₂ gas. The process temperature is about 300 to 450 ° C., and the process pressure is about 1 to 80 Torr.

ここでも、ＭＭＨガスに替えて、ＮＨ_３ガスやＮ_２ガスを用いてもよい。また、成膜工程と窒化工程との間に、処理容器３４内にＮ_２ガスをパージして成膜で用いたＷＦ_６ガスを完全に排除するのがよい。特に、窒化工程においてＭＭＨガスに替えてＮＨ_３ガスを用いる場合には、ＷＦ_６ガスが処理容器内に残留すると、アンモニアとフッ化ガスにより除去が困難な副反応生成物が形成されるので、窒化処理に入る前に、完全にＷＦ_６ガスを排除するのが好ましい。ＮＨ_３ガスを用いる場合には、プロセス温度は３００〜４５０℃程度である。 Again, NH ₃ gas or N ₂ gas may be used instead of MMH gas. Further, it is preferable to purge the WF ₆ gas used in the film formation completely by purging the N ₂ gas into the processing vessel 34 between the film forming process and the nitriding process. In particular, when NH ₃ gas is used in place of MMH gas in the nitriding step, if WF ₆ gas remains in the processing vessel, a side reaction product that is difficult to remove is formed by ammonia and fluoride gas. It is preferable to completely eliminate the WF ₆ gas before entering the nitriding process. When NH ₃ gas is used, the process temperature is about 300 to 450 ° C.

このようにして、１工程で或いは２工程でＷＮｘ膜のバリアメタル１４を形成したならば、同一処理容器３４内で上層のタングステン層３２を形成する。このタングステン層３２の成膜操作は、先に示した２工程によるＷＮｘ膜の前段のＷ膜の成膜工程と同じであり、処理ガスとしてはＷＦ_６ガスとＨ_２ガスを用い、プラズマレスの熱ＣＶＤによりＷ膜を所定の厚さだけ堆積させる。この時の処理ガスの流量は、ＷＦ_６ガスが５〜１００ｓｃｃｍ程度、Ｈ_２ガスが１００〜１０００ｓｃｃｍ程度である。プロセス温度は３００〜４５０℃程度、プロセス圧力は１〜８０Ｔｏｒｒ程度である。この時の各層の厚さは、例えば１Ｇビットの容量に対応するメモリのデザインルールに適用できるように、ゲート酸化膜２６が２０Å程度、ポリシリコン層３０が５００Å程度、バリアメタル１４が５０Å程度、タングステン層３２が５００Å程度である。 In this way, when the barrier metal 14 of the WNx film is formed in one step or two steps, the upper tungsten layer 32 is formed in the same processing vessel 34. The film forming operation of the tungsten layer 32 is the same as the film forming process of the W film preceding the WNx film by the two processes described above, using WF ₆ gas and H ₂ gas as the processing gas, and plasmaless A W film is deposited to a predetermined thickness by thermal CVD. The flow rate of the processing gas at this time is about 5 to 100 sccm for WF ₆ gas and about 100 to 1000 sccm for H ₂ gas. The process temperature is about 300 to 450 ° C., and the process pressure is about 1 to 80 Torr. The thickness of each layer at this time is, for example, about 20 mm for the gate oxide film 26, about 500 mm for the polysilicon layer 30, and about 50 mm for the barrier metal 14 so that it can be applied to a memory design rule corresponding to a 1 Gbit capacity. The tungsten layer 32 is about 500 mm.

このようにしてタングステン層３２を形成することにより、ゲート電極２８を形成する。このように、バリアメタル１４とタングステン層３２は金属材料として同一の材料、すなわちタングステンを用いているので、同一の成膜装置内で連続的に成膜することができ、基板の搬出搬入操作が不要になって生産性を向上させることができる。
また、ポリシリコン−メタルゲート電極に、このようにバリアメタルとしてＷＮｘ層を用いることにより、抵抗値も非常に少なく、両層間の密着性及び耐熱性も高く維持でき、高いバリア性を発揮させることができる。特に、バリアメタル１４を５０Å程度まで薄膜化しても上述したような十分なバリア性を備えており、半導体集積回路の薄膜化及び多層化に対応することができる。
ここで、本発明のゲート電極と従来において一般的に用いられていたゲート電極の特性を評価したので、その結果を表１に示す。 By forming the tungsten layer 32 in this way, the gate electrode 28 is formed. As described above, since the barrier metal 14 and the tungsten layer 32 are made of the same material, that is, tungsten, the barrier metal 14 and the tungsten layer 32 can be continuously formed in the same film forming apparatus. It becomes unnecessary and can improve productivity.
In addition, by using the WNx layer as the barrier metal in this way for the polysilicon-metal gate electrode, the resistance value is very small, the adhesion and heat resistance between both layers can be maintained high, and high barrier properties can be exhibited. Can do. In particular, even if the barrier metal 14 is thinned to about 50 mm, it has sufficient barrier properties as described above, and can cope with the thinning and multilayering of semiconductor integrated circuits.
Here, the characteristics of the gate electrode of the present invention and the gate electrode generally used in the past were evaluated, and the results are shown in Table 1.

表１中において、比較例１、２は従来のゲート電極を示し、比較例１はポリシリコン層とタングステンシリサイド層のゲート電極、比較例２はポリシリコン層とチタンシリサイド層のゲート電極をそれぞれ示す。
表１から明らかなように、ゲート電極として特性上重要な抵抗値及び耐熱性において共に優れているのみならず、ＨＦ（フッ化水素）に対する腐食性を示す耐薬品性や成膜時のエッチング特性も良好であることが判明する。尚、成膜時のエッチング特性が少ないことは、膜厚のコントロール性が良好であることを意味し、薄い膜厚のゲート電極を精度良く作ることができることになる。
これに対し、比較例１は耐熱性は良好であるが、重要な要素である抵抗値がかなり大きく、好ましくない。また、比較例２は抵抗値が大きいのみならず、耐熱性も評価の基準となる８５０℃よりも低く、好ましくない。 In Table 1, Comparative Examples 1 and 2 show conventional gate electrodes, Comparative Example 1 shows a polysilicon electrode and a tungsten silicide layer gate electrode, and Comparative Example 2 shows a polysilicon layer and a titanium silicide layer gate electrode, respectively. .
As is apparent from Table 1, not only is the resistance value and heat resistance important as characteristics of the gate electrode excellent, but also chemical resistance and corrosiveness against HF (hydrogen fluoride) and etching characteristics during film formation Is also found to be good. Note that the low etching characteristics at the time of film formation means that the controllability of the film thickness is good, and a thin gate electrode can be made with high accuracy.
On the other hand, although the heat resistance of Comparative Example 1 is good, the resistance value which is an important factor is considerably large, which is not preferable. Further, Comparative Example 2 is not preferable because not only the resistance value is large, but also the heat resistance is lower than 850 ° C., which is an evaluation standard.

尚、上記実施例では、ゲート酸化膜２６としてＳｉＯ_２を用いた場合を例にとって説明したが、これに限定されず、ゲート酸化膜２６として更に薄膜化に対応したタンタルオキサイド（Ｔａ_２Ｏ_５）を用いることもできる。
図７はゲート酸化膜としてＴａ_２Ｏ_５を用いた時のゲート電極の拡大断面図を示している。図７に示すゲート電極の場合には、ポリシリコン層を用いないで、Ｔａ_２Ｏ_５のゲート酸化膜２６上に、ＷＮｘ膜よりなるバリアメタル１４を直接形成し、更にこの上にタングステン層３２を形成している。
このバリアメタル１４及びタングステン層３２の成膜は、先に示したように同一の成膜装置内で連続的に処理することにより形成すればよい。この場合にも、前述したと同様にＷＮｘ膜のバリアメタル１４が有効にバリア性を発揮するのみならず、ポリシリコン層を省略できた分だけゲート電極２８の厚みを更に小さくでき、ゲート酸化膜２６、バリアメタル１４及びタングステン層３２を含めた全体の厚みを例えば１０００Å程度までに小さくでき、４Ｇビットの容量のメモリのデザインルールにも適用することができる。
尚、本発明実施例で用いるＷＮｘやＷＳｉＮｘは、他の主要な膜同様、ＣｌＦ_３ガスを含むガスでクリーニングできる。適当な枚数のウエハに成膜処理をする毎にクリーニングを行えば、パーティクルの発生が抑えられ、高品質の成膜が可能となる。
また、上記実施例では、高融点金属材料としてタングステンを用いた場合を例にとって説明したが、これに限定されず、例えばモリブデン（Ｍｏ）を用いてもよい。また、上記実施例では、基板として半導体ウエハを用いた場合を例にとって説明したが、これに限定されず、ＬＣＤ基板、ガラス基板等にも適用することができるのは勿論である。 In the above embodiment, the case where SiO ₂ is used as the gate oxide film 26 has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the tantalum oxide (Ta ₂ O ₅ ) corresponding to further thinning of the gate oxide film 26 is described. Can also be used.
FIG. 7 shows an enlarged cross-sectional view of the gate electrode when Ta ₂ O ₅ is used as the gate oxide film. In the case of the gate electrode shown in FIG. 7, without using a polysilicon layer, a barrier metal 14 made of a WNx film is directly formed on the Ta ₂ O ₅ gate oxide film 26, and a tungsten layer 32 is further formed thereon. Is forming.
The barrier metal 14 and the tungsten layer 32 may be formed by continuously processing in the same film forming apparatus as described above. Also in this case, as described above, the barrier metal 14 of the WNx film not only exhibits the barrier property effectively, but the thickness of the gate electrode 28 can be further reduced by the amount that the polysilicon layer can be omitted. 26, the total thickness including the barrier metal 14 and the tungsten layer 32 can be reduced to, for example, about 1000 mm, and can be applied to a design rule for a memory having a capacity of 4 Gbits.
Incidentally, WNx and WSiNx used in the embodiments of the present invention can be cleaned with a gas containing ClF ₃ gas, as in other main films. If cleaning is performed each time an appropriate number of wafers are formed, generation of particles can be suppressed and high-quality film formation can be achieved.
Moreover, in the said Example, although the case where tungsten was used as a refractory metal material was demonstrated as an example, it is not limited to this, For example, you may use molybdenum (Mo). In the above-described embodiment, the case where a semiconductor wafer is used as the substrate has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to an LCD substrate, a glass substrate, and the like.

２基板
４下層の配線
６ＳｉＯ_２絶縁膜
８層間絶縁膜
１０ビアホール
１２配線溝
１４バリアメタル
１６上層の配線（配線用銅膜）
１６Ａビアホールプラグ
１８ソース
１９ドレイン
２０層間絶縁膜
２２コンタクトホール
２４配線（配線用銅膜）
２４Ａコンタクトホールプラグ
２６ゲート酸化膜
２８ゲート電極
３０ポリシリコン層
３２タングステン層 2 Substrate 4 Lower layer wiring 6 SiO ₂ insulating film 8 Interlayer insulating film 10 Via hole 12 Wiring groove 14 Barrier metal 16 Upper layer wiring (copper film for wiring)
16A via hole plug 18 source 19 drain 20 interlayer insulating film 22 contact hole 24 wiring (copper film for wiring)
24A Contact hole plug 26 Gate oxide film 28 Gate electrode 30 Polysilicon layer 32 Tungsten layer

Claims

A barrier metal using WNx or WSiNx as a barrier metal of a semiconductor integrated device.

The barrier metal according to claim 1, wherein the barrier metal is used for a via hole or a contact hole of the semiconductor integrated device.

The barrier metal according to claim 1, wherein at least one surface of the barrier metal is in contact with the wiring copper film.

3. The barrier metal according to claim 1, wherein the barrier metal is interposed at an interface between the polysilicon layer and the tungsten layer in the gate electrode of the semiconductor integrated device.

In the method for forming a barrier metal, the WNx layer or the WSiNx layer is formed in one step.

6. The method for forming a barrier metal according to claim 5, wherein any one of MMH (monomethylhydrazine) gas, N ₂ gas, and NH ₃ gas is used in the step.

A method for forming a barrier metal, comprising: a film forming step for forming a W layer or a WSi layer; and a nitriding step for nitriding the layer to form a WNx layer or a WSiNx layer. .

8. The method for forming a barrier metal according to claim 5, further comprising a step of cleaning WNx or WSiNx adhering to the processing chamber using a gas containing ClF ₃ gas.

8. The method of forming a barrier metal according to claim 7, wherein the nitriding step uses any one of MMH gas, N ₂ gas, and NH ₃ gas.

Wherein in the case of using the MMH gas or NH ₃ gas in the nitriding step, a barrier forming method for a metal according to claim 9, wherein the performing the nitriding process of the plasma-less.

Wherein in the case of using N ₂ gas in the nitriding step, a barrier forming method for a metal according to claim 9, wherein the performing the plasma nitriding treatment.

The method for forming a barrier metal according to claim 7, wherein the film forming step and the nitriding step are performed in the same processing apparatus.

13. The barrier metal forming method according to claim 12, wherein a purge step is performed between the film forming step and the nitriding step to exhaust a film forming gas used during the film formation with an inert gas.

In a gate electrode of a semiconductor integrated device, a gate electrode in which a polysilicon layer, a barrier metal made of a refractory metal nitride film, and a refractory metal layer made of the refractory metal are sequentially stacked on the gate oxide film. .

A gate electrode of a semiconductor integrated device, wherein a barrier metal made of a refractory metal nitride film and a refractory metal layer made of the refractory metal are sequentially stacked on the gate oxide film.

16. The gate electrode according to claim 14, wherein the refractory metal is tungsten.

17. The gate electrode according to claim 14, wherein the gate oxide film is made of a silicon oxide film.

17. The gate electrode according to claim 15, wherein the gate oxide film is made of tantalum oxide.

19. The method for forming a gate electrode of a semiconductor integrated device according to claim 14, wherein at least a film forming step for forming a barrier metal and a film forming step for forming a refractory metal layer are performed in the same film forming device. A method for forming a gate electrode, wherein