JP3650561B2

JP3650561B2 - Manufacturing method of semiconductor device

Info

Publication number: JP3650561B2
Application number: JP33901499A
Authority: JP
Inventors: 芳英鈴木
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1999-11-30
Filing date: 1999-11-30
Publication date: 2005-05-18
Anticipated expiration: 2019-11-30
Also published as: JP2001156023A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、層間絶縁膜上に設けられた配線層と半導体基板に形成された拡散層とを電気的に接続するコンタクトホール部において、配線層と拡散層との相互拡散反応を防止し、オーミックコンタクトを得るバリアメタルの形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置のコンタクトホールにおける配線層と半導体基板に形成された拡散層との相互拡散反応を防止するために、高融点金属やその合金、化合物からなるバリアメタルを用いるのが一般的となっている。半導体装置の高集積化、微細化に伴い、拡散防止性に優れるＴｉＮを用いる場合が多くなっている。
【０００３】
ＴｉＮを形成する方法として、一般的には、Ｔｉターゲットを窒素を含む雰囲気でスパッタリングすることにより行われる。
【０００４】
また、近年、半導体装置の高集積化、微細化に伴い、コンタクトホールの径が微細になり、アスペクト比が高くなってきている。通常のスパッタリング技術においては、スパッタ粒子が、ある程度ランダムな方向性をもっているため、図２のようにコンタクトホール上部で、オーバーハングを有する形状になる。したがって、コンタクト底部での被覆性が悪くなり、バリア性を得るに必要な膜厚を得るのが困難になりつつある。図2は従来技術の問題点の説明に供する図であり、図2において、２１はシリコン基板、２２は拡散層、２３は層間絶縁膜、２４はコンタクトホール、２５はＴｉＮ／Ｔｉ膜を示す。
【０００５】
これを解消するために、特にスパッタ粒子が基板に対して略垂直に入射するように工夫されたスパッタリング方式が実用化されている。
【０００６】
例えば、ターゲットと半導体基板との間に、多数の孔を開けた基板（コリメート板）を設置し、基板に対し略垂直な方向のスパッタ粒子のみを通す、コリメートスパッタ法がある。また、ターゲットと基板との間の距離を通常のスパッタリング装置よりも大きくして、基板には基板に対し略垂直な方向のスパッタ粒子のみが到達するロングスロースパッタ法がある。
【０００７】
これらは、通常のスパッタ方式に比べ、ターゲットからスパッタされた全粒子数に対する基板に到達する粒子が少ないため、成膜速度が低下してしまう。したがって、通常のスパッタ方式に比べ、スパッタパワーを上げて成膜速度を上げることで、実用的な成膜時間に抑えている。
【０００８】
更に、ＴｉＮを成膜する場合、図３のようにターゲット表面が窒化される場合は、窒化されない場合に比べ、成膜速度が約１／３になる。そこで、特開平７−２２１０４６号公報、特開平８−１８８８７０号公報のように窒素の流量比を減らすことで、ターゲット表面を窒化させずに、ＴｉＮを形成する方法が提案されている。この方法では、ターゲット表面のＴｉＮ粒が形成されていないため、ターゲットからのパーティクルの発生を抑えられる利点もある。図３（ａ）は窒素の流量比と成膜速度との関係を示す図であり、図３（ｂ）は窒素と窒化膜中の窒素比率との関係を示す図である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したターゲット表面を窒化させずに、ＴｉＮを形成する方法では、図３のように膜中のＴｉ原子に対するＮ原子の比（膜中窒素比率（チタンを１としたときの窒素の量））が小さいＴｉＮが形成される。これをそのままバリアメタルとして用いると、アルミニウムとシリコンとの相互拡散反応を完全に防ぐことができないという問題点がある。
【００１０】
また、特開平６−６１１７９号公報や、特開平７−２２１０４６号公報に、膜中窒素比率が小さいＴｉＮをバリアメタルとして用いる際、窒素雰囲気中で熱処理することで、窒化させ、バリア性を向上する方法が提案されている。しかし、この方法を用いても、バリア性が完全でない場合がある。特に近年コンタクトホール内をＡｌ系合金材料によって埋め込むＡｌリフロー法も用いられ、このとき４００℃以上の高温を用いるので、バリア性の完全化が要求される。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の製造方法は、シリコン基板に形成された拡散層と層間絶縁膜上に形成された配線とをコンタクトホールを通して電気的に接続する工程を有する半導体装置の製造方法において、前記層間絶縁膜の前記拡散層上領域に前記コンタクトホールを形成する工程と、前記コンタクトホール底面及び側面を覆うようにスパッタリングにより高融点金属膜を形成した後、該高融点金属膜上に前記コンタクトホール底面及び側面を覆うように、不活性ガスと窒素との混合ガスで、且つスパッタリングのターゲットが窒化しないような該窒素の流量比とする雰囲気中でのスパッタリングにより高融点金属の窒化膜を順次形成する工程と、酸素及び窒素を含む雰囲気中でアニールすることにより、前記高融点金属の窒化膜を高融点金属の酸化窒化膜とし、前記高融点金属膜を、前記シリコン基板と反応させることにより高融点金属のシリサイド膜とする工程と、前記コンタクトホール内に埋設されるように配線材料を堆積させ、所望の形状にパターニングすることによって配線を形成することを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、窒素の流量比が前記混合ガス全体の３０％以上、６０％以下となる雰囲気中でスパッタリング行うことにより前記高融点金属の窒化膜を形成することが望ましい。
【００１３】
さらに、本発明の半導体装置は、前記アニールの際の窒素と酸素を含む雰囲気における酸素の流量比を０．００５％以上、且つ０．１％以下とすることが望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、一実施の形態を用いて本発明を詳細に説明する。
【００１５】
図１は本発明の一実施の形態の半導体装置の製造工程を示す図である。図１において、１はシリコン基板、２は拡散層、３は層間絶縁膜、４はコンタクトホール、５は第1のＴｉ膜、６はＴｉＮ膜、７はＴｉシリサイド膜、８はＴｉＯＮ膜、９は第2のＴｉ膜、１０はＡｌ系合金膜を示す。
【００１６】
以下、図１を用いて、本発明の半導体装置の製造工程を説明する。
【００１７】
まず、図１（ａ）に示すように、シリコン基板１に拡散層２を形成し、層間絶縁膜として、シリコン酸化膜3をＣＶＤ法により堆積する。次に、公知のリソグラフィ技術とドライエッチング技術により、コンタクトホール4を形成する。ここで、層間絶縁膜の厚さは１μｍ、コンタクトホールの径は０．５μｍである。
【００１８】
次に、図１（ｂ）に示すように、コリメートスパッタ法もしくはロングスロースパッタ法により、Ｔｉ膜５を０．０４μｍ成膜する。これはコンタクトホール底部での膜厚が０．０１μｍに相当する。Ｔｉ膜５の成膜はアルゴン雰囲気中で行い、スパッタパワーが７〜１２ｋＷ、ガス圧は１〜３ｍＴｏｒｒである。
【００１９】
次に、コリメートスパッタ法もしくはロングスロースパッタ法により、ＴｉＮ膜６を０．０８μｍ成膜する。これは、コンタクトホール底部での膜厚が０．０３μｍに相当する。ＴｉＮ膜の成膜は、アルゴンと窒素とを混合した雰囲気で行い、スパッタパワーは７〜１２ｋＷ、ガス圧は１〜３ｍＴｏｒｒ、全ガス流量に対する窒素の流量比は３０〜６０％である。スパッタパワーが１２ｋＷを超えると、アルゴンイオンの衝撃で、ターゲットが変形し、７ｋＷより小さいとコンタクトホール底部への被覆性が悪くなる。
【００２０】
次に、図１（ｃ）に示すように、ランプアニール装置により、窒素と酸素との混合雰囲気中で熱処理を行うことによって、窒化と酸化を行い、ＴｉＮ膜６をＴｉＯＮ膜６ａに、コンタクトホール底部でのＴｉ膜５をＴｉシリサイド膜５ａにする。アニール温度は４５０〜５７５℃、アニール時間は3分、全ガス流量に対する酸素の流量比は０．１％である。これにより、バリア性は高められ、また、Ｔｉシリサイド形成により、コンタクト抵抗を下げる作用を有する。全ガス流量に対する酸素の流量比は０．００５％以上で、０．１％以下が望ましい。この流量比が０．００５％より低いとバリア性が完全でなくなり、また、０．１％を超えるとＴｉＮが高シート抵抗となり、コンタクト抵抗が上昇する。
【００２１】
次に、図１（ｄ）に示すように、Ｔｉ膜７を０．０４μｍ成膜する。これは、Ａｌ系合金とＴｉＯＮ膜６ａとの間の濡れ性を高め、コンタクトホールをＡｌ系合金材料８によって埋め込みやすくするためのものである。
【００２２】
次に、Ａｌ系合金材料８を０．６μｍ成膜する。このとき基板の温度は４７０℃であり、これによりコンタクトホール４はＡｌ系合金材料８によって埋め込まれる。
【００２３】
表１に上述の実施例におけるＡｌスパイク確認結果、表２に同アニール後ＴｉＮシート抵抗確認結果を示す。窒素雰囲気中で熱処理することで、窒化させただけではスパイクはなくならないが、酸素を加えることで、スパイクを抑えることができる。また、酸素のみの雰囲気でアニールすると、ＴｉＮが急速に酸化され、高シート抵抗になるので、コンタクト抵抗が上昇する原因になる。これを防ぐには窒素による窒化も必要である。なお、熱処理による、窒化と酸化工程は、通常の拡散炉を用いてもよい。
【００２４】
【表１】

【００２５】
【表２】

【００２６】
本発明では、ＴｉＮ膜形成時の窒素の流量比を低くし、ＴｉＮ膜が所望の膜厚になるまでに要する時間を短くする。これにより、発生するパーティクルの量を低減することが可能となる。しかし、窒素の流量比を低くすることで、ＴｉＮ膜のバリア性も低くなる。
【００２７】
そこで、本発明は、ＴｉＮ膜形成後に窒素と酸素との混合雰囲気中で熱処理することにより、バリア性の向上を図る。ここで、全ガス流量に対する酸素の流量比を０．１％程度とすることでバリア性の向上のみならず、シート抵抗を抑える効果も実現できる。
【００２８】
尚、ＴｉＮ膜形成時の窒素の流量比を３０％よりも低くすると、ＴｉＮ膜のバリア性が更に悪くなり、後工程でのバリア性の向上が困難になる。また、ＴｉＮ膜形成時の窒素の流量比が６０％を超えると、ＴｉＮ膜が所望の膜厚になるまでに要する時間が長くなるとともに、発生するパーティクルの量が増加する。表３にＴｉＮスパッタ条件とバリア性に関する試験結果を示す。
【００２９】
【表３】

【００３０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明を用いることにより、バリア性を完全化でき、コリメートスパッタ法や、ロングスロースパッタ法を用いても、実用的な成膜時間で高融点金属窒化物層が成膜でき、ターゲットからのパーティクルの発生を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の半導体装置の製造工程図である。
【図２】従来技術の問題点の説明に供する図である。
【図３】（ａ）は窒素の流量比と成膜速度との関係を示す図であり、（ｂ）は窒素と窒化膜中の窒素比率との関係を示す図である。
【符号の説明】
１シリコン基板
２拡散層
３層間絶縁膜
４コンタクトホール
５第1のＴｉ膜
６ＴｉＮ膜
７Ｔｉシリサイド膜
８ＴｉＯＮ膜
９第2のＴｉ膜
１０Ａｌ系合金膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device, and in particular, in a contact hole portion that electrically connects a wiring layer provided on an interlayer insulating film and a diffusion layer formed on a semiconductor substrate, It is related with the formation method of the barrier metal which prevents the mutual diffusion reaction of this and obtains ohmic contact.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in order to prevent a mutual diffusion reaction between a wiring layer in a contact hole of a semiconductor device and a diffusion layer formed on a semiconductor substrate, it has become common to use a barrier metal made of a refractory metal, an alloy thereof, or a compound. ing. As semiconductor devices are highly integrated and miniaturized, TiN, which has excellent anti-diffusion properties, is often used.
[0003]
In general, TiN is formed by sputtering a Ti target in an atmosphere containing nitrogen.
[0004]
In recent years, with the high integration and miniaturization of semiconductor devices, the diameter of contact holes has become finer and the aspect ratio has increased. In a normal sputtering technique, the sputtered particles have a random direction to some extent, and thus have a shape having an overhang above the contact hole as shown in FIG. Therefore, the coverage at the bottom of the contact is deteriorated, and it is becoming difficult to obtain a film thickness necessary for obtaining barrier properties. FIG. 2 is a diagram for explaining the problems of the prior art. In FIG. 2, 21 is a silicon substrate, 22 is a diffusion layer, 23 is an interlayer insulating film, 24 is a contact hole, and 25 is a TiN / Ti film.
[0005]
In order to solve this problem, a sputtering method that is devised so that the sputtered particles are incident substantially perpendicularly to the substrate has been put into practical use.
[0006]
For example, there is a collimated sputtering method in which a substrate (collimator plate) having a large number of holes is provided between a target and a semiconductor substrate, and only sputtered particles in a direction substantially perpendicular to the substrate are allowed to pass. In addition, there is a long throw sputtering method in which only a sputtered particle in a direction substantially perpendicular to the substrate reaches the substrate by making the distance between the target and the substrate larger than that of a normal sputtering apparatus.
[0007]
In these methods, since the number of particles reaching the substrate with respect to the total number of particles sputtered from the target is smaller than that in the normal sputtering method, the film forming speed is lowered. Therefore, compared to the normal sputtering method, the sputtering power is increased to increase the deposition rate, thereby reducing the practical deposition time.
[0008]
Furthermore, when TiN is formed, when the target surface is nitrided as shown in FIG. 3, the film formation rate is about 1/3 compared to when the target surface is not nitrided. Therefore, a method for forming TiN without nitriding the target surface by reducing the flow rate ratio of nitrogen as disclosed in JP-A-7-221046 and JP-A-8-188870 has been proposed. This method has an advantage that generation of particles from the target can be suppressed because TiN grains on the target surface are not formed. FIG. 3A is a diagram showing the relationship between the flow rate ratio of nitrogen and the deposition rate, and FIG. 3B is a diagram showing the relationship between nitrogen and the nitrogen ratio in the nitride film.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the method of forming TiN without nitriding the target surface described above, the ratio of N atom to Ti atom in the film (the ratio of nitrogen in the film (the amount of nitrogen when titanium is 1) as shown in FIG. TiN with a small)) is formed. If this is used as a barrier metal as it is, there is a problem that the interdiffusion reaction between aluminum and silicon cannot be completely prevented.
[0010]
In addition, when TiN having a small nitrogen ratio in the film is used as a barrier metal in JP-A-6-61179 and JP-A-7-2221046, it is nitrided by heat treatment in a nitrogen atmosphere to improve barrier properties. A method has been proposed. However, even if this method is used, the barrier property may not be perfect. In particular, in recent years, an Al reflow method in which the contact hole is filled with an Al-based alloy material is also used. At this time, a high temperature of 400 ° C. or higher is used, so that complete barrier properties are required.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of electrically connecting a diffusion layer formed on a silicon substrate and a wiring formed on an interlayer insulating film through a contact hole. Forming a contact hole in the region above the diffusion layer of the insulating film; and forming a refractory metal film by sputtering so as to cover a bottom surface and a side surface of the contact hole, and then forming a bottom surface of the contact hole on the refractory metal film Further, a refractory metal nitride film is sequentially formed by sputtering in an atmosphere with a mixed gas of an inert gas and nitrogen so that the sputtering target is not nitrided so that the sputtering target is not nitrided so as to cover the side surfaces. Annealing the refractory metal nitride film with a refractory metal acid by annealing in an atmosphere containing oxygen and nitrogen. Forming a nitride film, and reacting the refractory metal film with the silicon substrate to form a refractory metal silicide film; and depositing a wiring material so as to be buried in the contact hole to obtain a desired shape The wiring is formed by patterning.
[0012]
In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the refractory metal nitride film may be formed by performing sputtering in an atmosphere in which a flow rate ratio of nitrogen is 30% or more and 60% or less of the entire mixed gas. desirable.
[0013]
Furthermore, in the semiconductor device of the present invention, it is desirable that the flow rate ratio of oxygen in the atmosphere containing nitrogen and oxygen during the annealing be 0.005% or more and 0.1% or less.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail using an embodiment.
[0015]
FIG. 1 is a diagram showing a manufacturing process of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, 1 is a silicon substrate, 2 is a diffusion layer, 3 is an interlayer insulating film, 4 is a contact hole, 5 is a first Ti film, 6 is a TiN film, 7 is a Ti silicide film, 8 is a TiON film, 9 Denotes a second Ti film, and 10 denotes an Al alloy film.
[0016]
Hereinafter, the manufacturing process of the semiconductor device of the present invention will be described with reference to FIG.
[0017]
First, as shown in FIG. 1A, a diffusion layer 2 is formed on a silicon substrate 1, and a silicon oxide film 3 is deposited as an interlayer insulating film by a CVD method. Next, the contact hole 4 is formed by a known lithography technique and dry etching technique. Here, the thickness of the interlayer insulating film is 1 μm, and the diameter of the contact hole is 0.5 μm.
[0018]
Next, as shown in FIG. 1B, a Ti film 5 of 0.04 μm is formed by a collimated sputtering method or a long throw sputtering method. This corresponds to a film thickness of 0.01 μm at the bottom of the contact hole. The Ti film 5 is formed in an argon atmosphere, the sputtering power is 7 to 12 kW, and the gas pressure is 1 to 3 mTorr.
[0019]
Next, a TiN film 6 is formed to a thickness of 0.08 μm by a collimated sputtering method or a long throw sputtering method. This corresponds to a film thickness of 0.03 μm at the bottom of the contact hole. The TiN film is formed in an atmosphere in which argon and nitrogen are mixed, the sputtering power is 7 to 12 kW, the gas pressure is 1 to 3 mTorr, and the flow rate ratio of nitrogen to the total gas flow rate is 30 to 60%. If the sputtering power exceeds 12 kW, the target is deformed by the impact of argon ions, and if it is less than 7 kW, the coverage on the bottom of the contact hole is deteriorated.
[0020]
Next, as shown in FIG. 1C, nitridation and oxidation are performed by performing heat treatment in a mixed atmosphere of nitrogen and oxygen by a lamp annealing apparatus, and the TiN film 6 is turned into the TiON film 6a and contact holes are formed. The Ti film 5 at the bottom is changed to a Ti silicide film 5a. The annealing temperature is 450 to 575 ° C., the annealing time is 3 minutes, and the flow rate ratio of oxygen to the total gas flow rate is 0.1%. As a result, the barrier property is enhanced, and the contact resistance is lowered by the formation of Ti silicide. The flow rate ratio of oxygen to the total gas flow rate is 0.005% or more and preferably 0.1% or less. When this flow rate ratio is lower than 0.005%, the barrier properties are not perfect, and when it exceeds 0.1%, TiN has a high sheet resistance and the contact resistance increases.
[0021]
Next, as shown in FIG. 1D, a Ti film 7 is formed to a thickness of 0.04 μm. This is to improve the wettability between the Al-based alloy and the TiON film 6a and make it easier to fill the contact hole with the Al-based alloy material 8.
[0022]
Next, an Al-based alloy material 8 is formed to a thickness of 0.6 μm. At this time, the temperature of the substrate is 470 ° C., whereby the contact hole 4 is filled with the Al-based alloy material 8.
[0023]
Table 1 shows the Al spike confirmation result in the above-described embodiment, and Table 2 shows the TiN sheet resistance confirmation result after the annealing. By performing the heat treatment in a nitrogen atmosphere, the spike does not disappear only by nitriding, but the spike can be suppressed by adding oxygen. In addition, when annealing is performed in an atmosphere containing only oxygen, TiN is rapidly oxidized and has a high sheet resistance, which causes an increase in contact resistance. To prevent this, nitriding with nitrogen is also necessary. Note that a normal diffusion furnace may be used for the nitriding and oxidizing steps by heat treatment.
[0024]
[Table 1]

[0025]
[Table 2]

[0026]
In the present invention, the flow rate of nitrogen when forming the TiN film is lowered, and the time required for the TiN film to reach a desired film thickness is shortened. Thereby, the amount of generated particles can be reduced. However, by reducing the flow rate ratio of nitrogen, the barrier property of the TiN film is also lowered.
[0027]
Therefore, the present invention aims to improve the barrier property by performing a heat treatment in a mixed atmosphere of nitrogen and oxygen after forming the TiN film. Here, by making the ratio of the flow rate of oxygen to the total gas flow rate about 0.1%, not only the improvement of the barrier property but also the effect of suppressing the sheet resistance can be realized.
[0028]
If the flow rate ratio of nitrogen when forming the TiN film is lower than 30%, the barrier property of the TiN film is further deteriorated, and it is difficult to improve the barrier property in a later step. Further, if the flow rate ratio of nitrogen at the time of forming the TiN film exceeds 60%, the time required for the TiN film to become a desired film thickness becomes longer and the amount of generated particles increases. Table 3 shows the test results regarding TiN sputtering conditions and barrier properties.
[0029]
[Table 3]

[0030]
【The invention's effect】
As described above in detail, by using the present invention, the barrier property can be perfected, and even if a collimated sputtering method or a long throw sputtering method is used, a refractory metal nitride layer can be formed in a practical film formation time. Can be formed, and generation of particles from the target can be suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a manufacturing process diagram of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a diagram for explaining a problem of a conventional technique.
3A is a diagram showing a relationship between a flow rate ratio of nitrogen and a film formation rate, and FIG. 3B is a diagram showing a relationship between nitrogen and a nitrogen ratio in the nitride film.
[Explanation of symbols]
1 Silicon substrate 2 Diffusion layer 3 Interlayer insulating film 4 Contact hole 5 First Ti film 6 TiN film 7 Ti silicide film 8 TiON film 9 Second Ti film 10 Al-based alloy film

Claims

In a manufacturing method of a semiconductor device including a step of electrically connecting a diffusion layer formed on a silicon substrate and a wiring formed on an interlayer insulating film through a contact hole,
Forming the contact hole in the region above the diffusion layer of the interlayer insulating film;
After forming a refractory metal film by sputtering so as to cover the bottom and side surfaces of the contact hole, a mixed gas of an inert gas and nitrogen so as to cover the bottom and side surfaces of the contact hole on the refractory metal film, And a step of sequentially forming a refractory metal nitride film by sputtering in an atmosphere having a nitrogen flow ratio such that the sputtering target is not nitrided;
By annealing in an atmosphere containing oxygen and nitrogen, the refractory metal nitride film is converted into a refractory metal oxynitride film, and the refractory metal film is reacted with the silicon substrate to react with the refractory metal silicide. A film forming step;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising forming a wiring by depositing a wiring material so as to be embedded in the contact hole and patterning the wiring material in a desired shape.

2. The semiconductor according to claim 1, wherein the refractory metal nitride film is formed by performing sputtering in an atmosphere in which a flow rate ratio of nitrogen is 30% or more and 60% or less of the entire mixed gas. Device manufacturing method.

3. The semiconductor device according to claim 1, wherein a flow rate ratio of oxygen in an atmosphere containing nitrogen and oxygen during the annealing is 0.005% or more and 0.1% or less. Production method.