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JPH0766143A - Formation of barrier metal layer in semiconductor device - Google Patents

Formation of barrier metal layer in semiconductor device

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Publication number
JPH0766143A
JPH0766143A JP23236593A JP23236593A JPH0766143A JP H0766143 A JPH0766143 A JP H0766143A JP 23236593 A JP23236593 A JP 23236593A JP 23236593 A JP23236593 A JP 23236593A JP H0766143 A JPH0766143 A JP H0766143A
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JP
Japan
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barrier metal
layer
metal layer
forming
gas
Prior art date
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Application number
JP23236593A
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Japanese (ja)
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JP3225706B2 (en
Inventor
Junichi Sato
淳一 佐藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Priority to JP23236593A priority Critical patent/JP3225706B2/en
Publication of JPH0766143A publication Critical patent/JPH0766143A/en
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Abstract

PURPOSE:To provide a method for forming a barrier metal layer having low contact resistance and excellent in coverage and intimate contact with an insulation layer at a higher grow rate as compared with conventional technology. CONSTITUTION:When a barrier metal layer composing the wiring in a semiconductor device is formed, the lower layer 20A of a first barrier metal layer is formed by CVD using first material gas containing a metal element composing the barrier metal layer. Subsequently, the upper layer 20B of first barrier metal layer is formed by CVD using the first material gas and a second material gas containing an element reacting on the metal element to produce a compound while increasing the volumetric ratio of the second material gas to the first material gas from zero to a predetermined value. A second barrier metal layer 22 is then formed on the first barrier metal layer by CVD while increasing the volumetric ratio above the predetermined value.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置におけるバ
リアメタル層の形成方法、より詳しくは化学的気相成長
法にて形成されるバリアメタル層の形成方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a barrier metal layer in a semiconductor device, and more particularly to a method for forming a barrier metal layer formed by chemical vapor deposition.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体装置には多数のスルーホールある
いはビヤホール(以下、これらを総称して接続孔ともい
う)が形成されている。通常、この接続孔は、半導体基
板に形成された不純物拡散領域上や各種電極上に絶縁層
を形成し、あるいは半導体基板に設けられそして下層配
線層が形成された下層絶縁層上に絶縁層を形成し、かか
る絶縁層に開口部を設けた後、開口部に金属配線材料を
埋め込むことによって形成される。半導体装置の高集積
化に伴い、半導体製造プロセスの寸法ルールも微細化し
つつあり、高いアスペクト比を有する開口部を金属配線
材料で埋め込む技術が重要な課題となっている。尚、不
純物拡散領域や各種電極が形成された半導体基板、ある
いは下層配線層が形成された下層絶縁層を、以下、総称
して基体とも呼ぶ。
2. Description of the Related Art A large number of through holes or via holes (hereinafter collectively referred to as connection holes) are formed in a semiconductor device. Usually, the connection hole is formed by forming an insulating layer on the impurity diffusion region formed on the semiconductor substrate and on various electrodes, or by forming an insulating layer on the lower insulating layer provided on the semiconductor substrate and having the lower wiring layer formed thereon. After forming and forming an opening in the insulating layer, a metal wiring material is embedded in the opening. With the high integration of semiconductor devices, the dimensional rules of the semiconductor manufacturing process are becoming finer, and the technique of filling an opening having a high aspect ratio with a metal wiring material has become an important issue. The semiconductor substrate on which the impurity diffusion regions and various electrodes are formed, or the lower insulating layer on which the lower wiring layer is formed, is also generically referred to as a base hereinafter.

【0003】開口部を金属配線材料で埋め込む方法とし
て、一般には、純アルミニウムあるいはアルミニウム合
金(以下、Al系合金ともいう)を用いたスパッタ法が
採用されている。然るに、このスパッタ法においては、
開口部のアスペクト比が高くなるに従い、Al系合金か
ら成るスパッタ粒子が所謂シャドウイング効果によって
開口部底部あるいはその近傍の開口部側壁に堆積し難く
なる。ここで、シャドウイング効果とは、Al系合金か
ら成るスパッタ粒子が開口部の側壁あるいは底部に形成
される光学的に影の部分には堆積され難い現象を指す。
その結果、開口部底部あるいはその近傍の開口部側壁に
おけるAl系合金のステップカバレッジが悪くなり、か
かる部分で断線不良が発生し易くなるという問題があ
る。
As a method of filling the opening with a metal wiring material, a sputtering method using pure aluminum or an aluminum alloy (hereinafter, also referred to as an Al alloy) is generally adopted. However, in this sputtering method,
As the aspect ratio of the opening becomes higher, it becomes more difficult for sputtered particles made of an Al-based alloy to deposit on the bottom of the opening or on the sidewall of the opening in the vicinity thereof due to the so-called shadowing effect. Here, the shadowing effect refers to a phenomenon in which sputtered particles made of an Al-based alloy are hard to be deposited on an optically shadowed portion formed on the side wall or the bottom of the opening.
As a result, there is a problem that the step coverage of the Al-based alloy on the bottom of the opening or on the side wall of the opening in the vicinity of the opening deteriorates, and disconnection failure easily occurs at such a portion.

【0004】このような問題を解決する手段として、所
謂ブランケットCVD法、高温アルミニウムスパッタ法
あるいはアルミニウムリフロー法が注目されている。
A so-called blanket CVD method, a high temperature aluminum sputtering method or an aluminum reflow method has been attracting attention as means for solving such a problem.

【0005】ブランケットCVD法においては、図4に
半導体素子の模式的な一部断面図を示すように、基体1
00上に形成された絶縁層104の上及びかかる絶縁層
104に形成された開口部106内に、例えばタングス
テン層114を化学的気相成長法(CVD法)にて堆積
させる(図4の(A)参照)。その後、絶縁層上104
に形成されたタングステン層114をエッチバックして
除去する。これによって、開口部106内にタングステ
ンから成るメタルプラグ116が形成された接続孔を完
成させる(図4の(B)参照)。尚、このような方法
を、以下、タングステンブランケットCVD法と呼ぶ。
尚、図4において、102は半導体基板に形成された不
純物拡散領域である。
In the blanket CVD method, as shown in a schematic partial cross-sectional view of a semiconductor device in FIG.
For example, a tungsten layer 114 is deposited by chemical vapor deposition (CVD method) on the insulating layer 104 formed on the insulating film 104 and in the opening 106 formed in the insulating layer 104 ((in FIG. 4). See A)). Then, on the insulating layer 104
The tungsten layer 114 formed on the substrate is etched back and removed. This completes the connection hole in which the metal plug 116 made of tungsten is formed in the opening 106 (see FIG. 4B). Note that such a method will be hereinafter referred to as a tungsten blanket CVD method.
In FIG. 4, 102 is an impurity diffusion region formed in the semiconductor substrate.

【0006】タングステンブランケットCVD法でタン
グステン層を形成する場合、タングステン層の下に、例
えば下からTi層110/TiN層112の2層構造の
バリアメタル層を形成する必要がある。タングステンブ
ランケットCVD法で形成されるタングステン層は、ス
テップカバレッジには優れるものの、異種材料層の界面
における内部応力の差に起因して、絶縁層104に対す
る密着性が乏しい。それ故、密着性改善のためにTiN
層112を形成する。また、TiN層112と不純物拡
散領域102との間の抵抗を低減させる目的でTi層1
10を形成する。これらのTi層110及びTiN層1
12は、通常、例えばバイアススパッタ法にて形成され
る。
When the tungsten layer is formed by the tungsten blanket CVD method, it is necessary to form a barrier metal layer having a two-layer structure of, for example, a Ti layer 110 / TiN layer 112 from below under the tungsten layer. The tungsten layer formed by the tungsten blanket CVD method has excellent step coverage, but has poor adhesion to the insulating layer 104 due to the difference in internal stress at the interface between different material layers. Therefore, to improve adhesion, TiN
The layer 112 is formed. Further, the Ti layer 1 is formed for the purpose of reducing the resistance between the TiN layer 112 and the impurity diffusion region 102.
Form 10. These Ti layer 110 and TiN layer 1
12 is usually formed by, for example, a bias sputtering method.

【0007】高温アルミニウムスパッタ法においては、
図5に半導体素子の模式的な一部断面図を示すように、
基体100の上に形成された絶縁層104上及びかかる
絶縁層104に形成された開口部106内に、基体10
0を高温(例えば500゜C程度)に加熱した状態で、
Al系合金層124をスパッタ法にて形成し、併せて、
絶縁層104上にAl系合金から成る上層配線層126
を形成する。基体100が高温に加熱されているため、
絶縁層104上に堆積したAl系合金は流動状態となり
開口部106内に流入する。これによって、開口部10
6内はAl系合金で確実に埋め込まれ、接続孔が形成さ
れる。尚、図5中、102は不純物拡散領域である。半
導体基板等にバイアス電圧を印加しながら高温スパッタ
を行う高温バイアススパッタ法も、本明細書における高
温アルミニウムスパッタ法に包含される。これらを総称
して単に高温アルミニウムスパッタ法ともいう。
In the high temperature aluminum sputtering method,
As shown in the schematic partial sectional view of the semiconductor element in FIG.
The substrate 10 is formed on the insulating layer 104 formed on the substrate 100 and in the opening 106 formed in the insulating layer 104.
With 0 heated to a high temperature (for example, about 500 ° C),
The Al-based alloy layer 124 is formed by the sputtering method, and at the same time,
An upper wiring layer 126 made of an Al alloy on the insulating layer 104
To form. Since the base 100 is heated to a high temperature,
The Al-based alloy deposited on the insulating layer 104 becomes a fluid state and flows into the opening 106. As a result, the opening 10
The interior of 6 is surely filled with an Al-based alloy to form a connection hole. In FIG. 5, 102 is an impurity diffusion region. The high temperature bias sputtering method in which high temperature sputtering is performed while applying a bias voltage to a semiconductor substrate or the like is also included in the high temperature aluminum sputtering method in the present specification. These are collectively referred to simply as a high temperature aluminum sputtering method.

【0008】また、アルミニウムリフロー法において
は、基体を約150゜Cに加熱した状態で、開口部内を
含む絶縁層上にスパッタ法にてAl系合金を堆積させ
る。その後、基体を高温(例えば500゜C程度)に加
熱して、絶縁層上に堆積したAl系合金を流動状態とし
て開口部内に流入させて、開口部をAl系合金で埋め込
み、接続孔を形成する。併せて、絶縁層上のAl系合金
が平坦化されて上層配線層が形成される。
Further, in the aluminum reflow method, an Al-based alloy is deposited by sputtering on the insulating layer including the inside of the opening while the substrate is heated to about 150 ° C. After that, the substrate is heated to a high temperature (for example, about 500 ° C.), the Al-based alloy deposited on the insulating layer is made to flow into the opening, and the opening is filled with the Al-based alloy to form a connection hole. To do. At the same time, the Al-based alloy on the insulating layer is flattened to form the upper wiring layer.

【0009】これらの高温アルミニウムスパッタ法やア
ルミニウムリフロー法においては、開口部106内のA
l系合金が不純物拡散領域102に突き抜けることを防
止するために、Al系合金をスパッタ法にて堆積させる
前に、少なくとも開口部106内にバリアメタル層12
0,122を形成する必要がある。また、Al系合金か
ら成る下層配線層に対して接続孔を設ける場合、基体が
高温に加熱される結果、Al系合金で埋め込まれた開口
部内に下層配線層中のAl系合金が吸上げられ、下層配
線層にボイドが発生することがある。これを防止するた
めに、Al系合金をスパッタ法にて堆積させる前に、少
なくとも開口部106内にバリアメタル層を形成する必
要がある。これらのバリアメタル層120,122は、
例えば下からTi糎120/TiN層122の2層構造
を有する。TiN層122は、Al系合金の突き抜けや
吸上げを効果的に防止する。TiN層122と不純物拡
散領域102等との間の抵抗を低減させる目的で、Ti
層120を形成する。
In these high temperature aluminum sputtering method and aluminum reflow method, A in the opening 106 is
In order to prevent the l-based alloy from penetrating into the impurity diffusion region 102, the barrier metal layer 12 is formed at least in the opening 106 before the Al-based alloy is deposited by the sputtering method.
It is necessary to form 0,122. Further, when the connection hole is formed in the lower wiring layer made of an Al-based alloy, the substrate is heated to a high temperature, and as a result, the Al-based alloy in the lower-layer wiring layer is sucked up into the opening filled with the Al-based alloy. A void may be generated in the lower wiring layer. In order to prevent this, it is necessary to form a barrier metal layer at least in the opening 106 before depositing the Al-based alloy by the sputtering method. These barrier metal layers 120 and 122 are
For example, it has a two-layer structure of Ti bran 120 / TiN layer 122 from the bottom. The TiN layer 122 effectively prevents penetration and wicking of the Al-based alloy. In order to reduce the resistance between the TiN layer 122 and the impurity diffusion region 102, etc., Ti
Form the layer 120.

【0010】以上のように、これらの接続孔の形成方法
においては、いずれの場合も、Ti層/TiN層等から
構成されたバリアメタル層を必要とする。しかしなが
ら、開口部が高いアスペクト比を有するようになるに従
い、高いバリア性及び優れたステップカバレッジを有す
るバリアメタル層をスパッタ法にて形成することは困難
になりつつある。そのため、ステップカバレッジに優れ
た電子サイクロトロン共鳴プラズマCVD法(ECRプ
ラズマCVD法)にて、Ti層/TiN層から成るバリ
アメタル層を連続して形成する方法が検討されている。
As described above, in any of the methods for forming these connection holes, a barrier metal layer composed of a Ti layer / TiN layer or the like is required. However, as the opening has a high aspect ratio, it is becoming difficult to form a barrier metal layer having a high barrier property and excellent step coverage by a sputtering method. Therefore, a method of continuously forming a barrier metal layer composed of a Ti layer / TiN layer by an electron cyclotron resonance plasma CVD method (ECR plasma CVD method) excellent in step coverage has been studied.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】ECRプラズマCVD
装置を用いてTi層/TiN層から成るバリアメタル層
をECRプラズマCVD法にて形成する場合、Ti層の
成長速度は約2nm/分であり、TiN層の成長速度と
比較してTi層の成長速度が約1/10程度と著しく遅
い。そのため、Ti層/TiN層から成るバリアメタル
層の形成に長時間を要するという問題がある。
[Problems to be Solved by the Invention] ECR plasma CVD
When a barrier metal layer composed of a Ti layer / TiN layer is formed by an ECR plasma CVD method using an apparatus, the growth rate of the Ti layer is about 2 nm / min, which is higher than that of the TiN layer. The growth rate is about 1/10, which is extremely slow. Therefore, there is a problem that it takes a long time to form the barrier metal layer composed of the Ti layer / TiN layer.

【0012】微量の窒素を添加しながら、ECRプラズ
マCVD法でTiリッチなTiN層を形成する方法が、
第40回応用物理学会関係連合講演会予稿集31p−Z
Y−16(第785頁)から公知である。このような方
法によって、TiリッチなTiN層を、Ti層よりも早
い成長速度で形成することができ、しかも、化学量論的
組成(Ti:N=1:1)のTiNよりも低いコンタク
ト抵抗が得られると報告されている。しかしながら、T
iリッチなTiN層を絶縁層上に形成した場合、TiN
の有する内部応力が大きいため、絶縁層に対するTiN
層の密着性が乏しいという問題を有する。
A method of forming a Ti-rich TiN layer by the ECR plasma CVD method while adding a slight amount of nitrogen is as follows.
Proceedings of the 40th Joint Lecture of the Japan Society of Applied Physics 31p-Z
It is known from Y-16 (page 785). With such a method, a Ti-rich TiN layer can be formed at a higher growth rate than that of the Ti layer, and a contact resistance lower than that of TiN having a stoichiometric composition (Ti: N = 1: 1). Is reported to be obtained. However, T
When an i-rich TiN layer is formed on the insulating layer, TiN
Has a large internal stress, the TiN to the insulating layer
There is a problem that the adhesion of the layer is poor.

【0013】従って、本発明の目的は、カバレッジに優
れ、従来よりも早い成長速度で形成することができ、し
かも絶縁層との密着性に優れ、コンタクト抵抗の低いバ
リアメタル層の形成方法を提供することにある。
Therefore, an object of the present invention is to provide a method for forming a barrier metal layer which has excellent coverage, can be formed at a higher growth rate than in the past, has excellent adhesion to an insulating layer, and has low contact resistance. To do.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明の半導体装置におけるバリアメタル層の形成
方法は、半導体装置における配線を構成する第1及び第
2のバリアメタル層から成るバリアメタル層の形成方法
であって、(イ)バリアメタル層を構成する金属元素を
含有する第1の原料ガスを用いて第1のバリアメタル層
の下層を化学的気相成長法にて形成し、引き続き、この
金属元素と化合物を生成し得る元素を含有する第2の原
料ガス及び第1の原料ガスを用い、且つ、第2の原料ガ
ス量/第1の原料ガス量の割合を0から所定の割合まで
増加させながら、第1のバリアメタル層の上層を化学的
気相成長法(CVD法)にて形成し、次いで、(ロ)第
2の原料ガス量/第1の原料ガス量の割合を、前記所定
の割合よりも増加させた状態で、第2のバリアメタル層
を第1のバリアメタル層上に化学的気相成長法(CVD
法)にて形成することを特徴とする。
A method of forming a barrier metal layer in a semiconductor device according to the present invention for achieving the above object comprises a barrier composed of first and second barrier metal layers constituting a wiring in the semiconductor device. A method for forming a metal layer, comprising: (a) forming a lower layer of the first barrier metal layer by a chemical vapor deposition method using a first source gas containing a metal element forming the barrier metal layer. Subsequently, the second source gas and the first source gas containing the element capable of forming a compound with the metal element are used, and the ratio of the second source gas amount / the first source gas amount is 0 to The upper layer of the first barrier metal layer is formed by a chemical vapor deposition method (CVD method) while increasing it to a predetermined ratio, and then (b) the second source gas amount / the first source gas amount. Increase the percentage above the prescribed percentage In a state where the chemical vapor deposition of the second barrier metal layer on the first barrier metal layer (CVD
Method).

【0015】CVD法にて第1のバリアメタル層を形成
する際、第2の原料ガス量/第1の原料ガス量の割合の
変化量は一定であってもよいし、かかる割合を段階的に
変化させてもよい。
When the first barrier metal layer is formed by the CVD method, the change amount of the ratio of the amount of the second source gas / the amount of the first source gas may be constant, or the ratio may be changed stepwise. You may change to.

【0016】本発明のバリアメタル層の形成方法におい
ては、金属元素は、チタン、ハフニウム、又はジルコニ
ウムであることが望ましい。更に、前記第2の原料ガス
は窒素ガスであることが望ましい。
In the method of forming the barrier metal layer of the present invention, the metal element is preferably titanium, hafnium or zirconium. Further, it is desirable that the second source gas is nitrogen gas.

【0017】本発明のバリアメタル層の形成方法におい
ては、前記(ロ)の工程において、酸素ガスを更に用い
ることができる。
In the method of forming a barrier metal layer of the present invention, oxygen gas can be further used in the step (b).

【0018】あるいは又、前記(ロ)の工程において、
金属元素と化合物を生成する元素を含有する第3の原料
ガスを更に用いることができる。この場合、第3の原料
ガスには、炭素又はホウ素を含ませ得る。更に、前記
(ロ)の工程において、酸素ガスを更に用いることがで
きる。
Alternatively, in the step (b),
A third source gas containing a metal element and an element that forms a compound can be further used. In this case, the third source gas may contain carbon or boron. Furthermore, oxygen gas can be further used in the step (b).

【0019】本発明のバリアメタル層の形成方法におい
ては、第1及び第2のバリアメタル層の形成を電子サイ
クロトロン共鳴プラズマCVD法(ECRプラズマCV
D法)にて行うことが好ましい。
In the method of forming the barrier metal layer of the present invention, the formation of the first and second barrier metal layers is performed by electron cyclotron resonance plasma CVD (ECR plasma CV).
It is preferable to carry out the method D).

【0020】[0020]

【作用】本発明においては化学的気相成長法によって第
1及び第2のバリアメタル層を形成するので、バリアメ
タル層のカバレッジに優れる。また、第1のバリアメタ
ル層を下層及び上層に分けて形成するので、下層を構成
する金属元素のみから第1のバリアメタル層を形成する
よりも早い成長速度で第1のバリアメタル層を形成する
ことができる。しかも、金属元素のみから下層が構成さ
れているので、絶縁層に対する第1のバリアメタル層の
密着性に優れ、しかも、低いコンタクト抵抗を得ること
ができる。更には、第2のバリアメタル層が形成されて
いるので、バリア性に優れる。
In the present invention, since the first and second barrier metal layers are formed by the chemical vapor deposition method, the barrier metal layer has excellent coverage. In addition, since the first barrier metal layer is formed separately in the lower layer and the upper layer, the first barrier metal layer is formed at a growth rate faster than that of forming the first barrier metal layer only from the metal element forming the lower layer. can do. Moreover, since the lower layer is composed of only the metal element, the adhesion of the first barrier metal layer to the insulating layer is excellent, and a low contact resistance can be obtained. Furthermore, since the second barrier metal layer is formed, the barrier property is excellent.

【0021】[0021]

【実施例】以下、図面を参照して、実施例に基づき本発
明を説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described based on embodiments with reference to the drawings.

【0022】(実施例1)実施例1は、本発明のバリア
メタル層の形成方法を、ブランケットタングステンCV
D法でコンタクトホールを形成する場合に適用した例で
ある。図2に示すように、実施例1におけるバリアメタ
ル層は、第1のバリアメタル層20A,20B、及び第
2のバリアメタル層22から成る。
(Example 1) Example 1 is a method for forming a barrier metal layer according to the present invention, in which a blanket tungsten CV is used.
This is an example applied when a contact hole is formed by the D method. As shown in FIG. 2, the barrier metal layer in Example 1 is composed of first barrier metal layers 20A and 20B and a second barrier metal layer 22.

【0023】第1のバリアメタル層は、下層20A及び
上層20Bから構成されている。下層20Aは、金属
(実施例1においてはチタン,Ti)から成る。また、
上層20Bは、下層と同様に金属(実施例1においては
チタン,Ti)から成り、Tiと化合物を形成する元素
である窒素(N)を含んでいる。
The first barrier metal layer is composed of a lower layer 20A and an upper layer 20B. The lower layer 20A is made of metal (titanium, Ti in the first embodiment). Also,
The upper layer 20B is made of a metal (titanium or Ti in the first embodiment) like the lower layer, and contains nitrogen (N) which is an element forming a compound with Ti.

【0024】第2のバリアメタル層22は、第1のバリ
アメタル層を構成する金属(Ti)を含有する金属化合
物(実施例1においてはTiN)から成る。
The second barrier metal layer 22 is made of a metal compound (TiN in the first embodiment) containing a metal (Ti) forming the first barrier metal layer.

【0025】図2中、10は半導体基板から成る基体、
12は基体に形成された不純物拡散領域、14はSiO
2から成る絶縁層、24はタングステンから成る金属配
線材料層、26はタングステンから成るメタルプラグ、
28は上層配線層である。実施例1においては、金属配
線材料層24はタングステンブランケットCVD法にて
形成する。
In FIG. 2, reference numeral 10 denotes a base made of a semiconductor substrate,
Reference numeral 12 is an impurity diffusion region formed in the substrate, and 14 is SiO 2.
2 is an insulating layer, 24 is a metal wiring material layer made of tungsten, 26 is a metal plug made of tungsten,
28 is an upper wiring layer. In the first embodiment, the metal wiring material layer 24 is formed by the tungsten blanket CVD method.

【0026】先ず、本発明のバリアメタル層の形成方法
の実施に適したECRプラズマCVD装置の概要を、図
3を参照して説明する。ECRプラズマCVD装置は、
成膜チャンバ50及びプラズマチャンバ60から成る。
成膜チャンバ50内には、半導体基板100を載置する
ためのサセプタ52が配置されている。サセプタ52の
下にはランプ加熱手段54が配置されている。半導体基
板100をランプ加熱手段54によって加熱することが
できる。
First, an outline of an ECR plasma CVD apparatus suitable for carrying out the method for forming a barrier metal layer of the present invention will be described with reference to FIG. ECR plasma CVD equipment
It comprises a film forming chamber 50 and a plasma chamber 60.
A susceptor 52 for mounting the semiconductor substrate 100 is arranged in the film forming chamber 50. A lamp heating means 54 is arranged below the susceptor 52. The semiconductor substrate 100 can be heated by the lamp heating means 54.

【0027】プラズマチャンバ60は成膜チャンバ50
の上部と連通している。プラズマチャンバ60の上部に
はマイクロ波導入窓62が設けられ、マイクロ波導入窓
62の上部には、2.45GHzのマイクロ波を導入す
るためのレクタンギュラーウエイブガイド66が設けら
れている。プラズマチャンバ60の周囲には磁気コイル
64が配設されている。RFパワーがRF電源68から
マイクロ波導入窓62に加えられる。プラズマチャンバ
60には、ガス導入口80からアルゴンガス及びN2
ガスが供給される。これらのガスはマイクロ波導入窓6
2のクリーニングを行うために導入される。
The plasma chamber 60 is the film forming chamber 50.
Communicates with the upper part of. A microwave introduction window 62 is provided above the plasma chamber 60, and a rectangular wave guide 66 for introducing a microwave of 2.45 GHz is provided above the microwave introduction window 62. A magnetic coil 64 is arranged around the plasma chamber 60. RF power is applied to the microwave introduction window 62 from the RF power supply 68. Argon gas and N 2 O are introduced into the plasma chamber 60 through the gas inlet 80.
Gas is supplied. These gases are introduced through the microwave introduction window 6
Introduced to perform 2 cleaning.

【0028】第1の原料ガス供給部から、マスフローコ
ントローラ及び第1のガス導入部70を通して、第1の
原料ガスが成膜チャンバ50に供給される。同様に、第
2、第3の原料ガス供給部から、マスフローコントロー
ラ及び第2、第3のガス導入部72,74を通して、第
2、第3の原料ガスが成膜チャンバ50に供給される。
更に、プロセスガス供給部から、マスフローコントロー
ラ及びプロセスガス導入部76を通して、各種プロセス
ガスが成膜チャンバ50に供給される。尚、各種プロセ
スガスや第2、第3の原料ガス等を、プラズマチャンバ
60内に導入することもできる。
The first source gas is supplied from the first source gas supply section to the film forming chamber 50 through the mass flow controller and the first gas introduction section 70. Similarly, second and third source gases are supplied from the second and third source gas supply sections to the film forming chamber 50 through the mass flow controller and the second and third gas introduction sections 72 and 74.
Further, various process gases are supplied from the process gas supply unit to the film forming chamber 50 through the mass flow controller and the process gas introduction unit 76. Incidentally, various process gases, second and third source gases, etc. can be introduced into the plasma chamber 60.

【0029】成膜チャンバ50内のガスはガス排気部5
6から系外に排気される。尚、図3中、102はプラズ
マ流である。また、100は図1の(A)に示す構造を
有する半導体基板である。熱電対(図示せず)で半導体
基板100の温度をモニターし、公知の温度制御手段
(図示せず)によってランプ加熱手段54への供給電力
を制御し、半導体基板100の温度を一定に保つ。
The gas in the film forming chamber 50 is a gas exhaust unit 5.
It is exhausted from 6 to the outside of the system. In FIG. 3, 102 is a plasma flow. Further, 100 is a semiconductor substrate having the structure shown in FIG. The temperature of the semiconductor substrate 100 is monitored by a thermocouple (not shown), the power supplied to the lamp heating means 54 is controlled by a known temperature control means (not shown), and the temperature of the semiconductor substrate 100 is kept constant.

【0030】以下、実施例1のバリアメタル層の形成方
法を説明する。
The method for forming the barrier metal layer of Example 1 will be described below.

【0031】[工程−100]先ず、例えば公知の方法
で不純物拡散領域12が形成された半導体基板から成る
基体10上に、CVD法等の公知の方法で、例えばSi
2から成る絶縁層14を形成する。次いで、不純物拡
散領域12の上方の絶縁層14に、フォトリソグラフィ
技術及び例えばリアクティブ・イオン・エッチング(R
IE)技術を用いて、開口部16を形成する(図1の
(A)参照)。エッチングを、例えば以下の条件で行う
ことができる。 使用ガス : CHF3/O2=50/5sccm 圧力 : 5Pa パワー : 1kW
[Step-100] First, for example, Si is formed by a known method such as a CVD method on the substrate 10 made of a semiconductor substrate in which the impurity diffusion regions 12 are formed by a known method.
An insulating layer 14 made of O 2 is formed. Then, a photolithography technique and, for example, reactive ion etching (R) is performed on the insulating layer 14 above the impurity diffusion region 12.
The opening 16 is formed using the IE technique (see FIG. 1A). The etching can be performed, for example, under the following conditions. Gas used: CHF 3 / O 2 = 50/5 sccm Pressure: 5 Pa Power: 1 kW

【0032】[工程−110]次に、本発明のバリアメ
タル層の形成方法によって、全体の厚さが5nmの第1
のバリアメタル層を形成する。図3に示したECRプラ
ズマCVD装置を用いて、バリアメタル層を構成する金
属元素(Ti)を含有する第1の原料ガス(TiC
4)を用いて第1のバリアメタル層の下層20AをE
CRプラズマCVD法にて形成する。ECRプラズマC
VDによる第1のバリアメタル層の下層20Aの形成条
件を、例えば以下のとおりとすることができる。 第1の原料ガス : TiCl4=20sccm プロセスガス : H2/Ar=26/50sccm 圧力 : 0.13Pa(9.6×10-4 T
orr) 温度 : 約420゜C マイクロ波出力 : 2.8kW 成膜時間 : 10秒
[Step-110] Next, according to the method for forming a barrier metal layer of the present invention, a first layer having a total thickness of 5 nm is formed.
Forming a barrier metal layer. By using the ECR plasma CVD apparatus shown in FIG. 3, the first source gas (TiC containing the metal element (Ti) forming the barrier metal layer is formed.
L 4 ) is used to remove the lower layer 20A of the first barrier metal layer by E
It is formed by the CR plasma CVD method. ECR plasma C
The conditions for forming the lower layer 20A of the first barrier metal layer by VD can be set as follows, for example. First source gas: TiCl 4 = 20 sccm Process gas: H 2 / Ar = 26/50 sccm Pressure: 0.13 Pa (9.6 × 10 −4 T)
orr) Temperature: about 420 ° C Microwave output: 2.8 kW Film formation time: 10 seconds

【0033】[工程−120]引き続き、金属元素(T
i)との化合物(TiN)を生成し得る元素(N)を含
有する第2の原料ガス(窒素ガス)及び第1の原料ガス
(TiCl4)を用い、且つ、第2の原料ガス量/第1
の原料ガス量の割合を0から所定の割合まで増加させな
がら、第1のバリアメタル層の上層20BをECRプラ
ズマCVD法にて形成する。第1の原料ガス量を一定に
して、第2の原料ガス量を0から1.5sccmまで徐々に
増加させた。尚、変化量は一定とした。 第1の原料ガス : TiCl4=20sccm 第2の原料ガス : N2=0〜1.5sccm プロセスガス : H2/Ar=26/50sccm 圧力 : 0.13Pa(9.6×10-4 T
orr) 温度 : 約420゜C マイクロ波出力 : 2.8kW 成膜時間 : 60秒
[Step-120] Subsequently, the metal element (T
i) a second raw material gas (nitrogen gas) containing an element (N) capable of forming a compound (TiN) with the first raw material gas (TiCl 4 ) and a second raw material gas amount / First
The upper layer 20B of the first barrier metal layer is formed by the ECR plasma CVD method while increasing the ratio of the raw material gas amount from 0 to a predetermined ratio. The first source gas amount was kept constant and the second source gas amount was gradually increased from 0 to 1.5 sccm. The amount of change was constant. First source gas: TiCl 4 = 20 sccm Second source gas: N 2 = 0 to 1.5 sccm Process gas: H 2 / Ar = 26/50 sccm Pressure: 0.13 Pa (9.6 × 10 −4 T
orr) Temperature: Approx. 420 ° C Microwave output: 2.8kW Film formation time: 60 seconds

【0034】これによって、主にTiから成る第1のバ
リアメタル層の上層20Bが形成される。この第1のバ
リアメタル層の上層20B中には窒素(N)が僅かに含
まれ得る。
As a result, the upper layer 20B of the first barrier metal layer mainly made of Ti is formed. Nitrogen (N) may be slightly contained in the upper layer 20B of the first barrier metal layer.

【0035】第1のバリアメタル層の下層20Aは、T
iのみから構成されているので、下地であるSiO2
ら成る絶縁層14との密着性に優れる。また、第1のバ
リアメタル層全体をTiのみから構成する場合と比較し
て、第1のバリアメタル層を下層/上層から構成するこ
とによって、第1のバリアメタル層の成膜速度を約10
0%増加させることができた。
The lower layer 20A of the first barrier metal layer is T
Since it is composed of only i, it has excellent adhesion to the insulating layer 14 made of SiO 2 as the base. Further, as compared with the case where the entire first barrier metal layer is composed of only Ti, by forming the first barrier metal layer from the lower layer / upper layer, the film formation rate of the first barrier metal layer is about 10
It was possible to increase by 0%.

【0036】[工程−130]引き続き、第2の原料ガ
ス量/第1の原料ガス量の割合を、[工程−120]に
おける所定の割合よりも増加させた状態で、TiNから
成る第2のバリアメタル層22を第1のバリアメタル層
上に化学的気相成長法にて形成する。第2のバリアメタ
ル層22の厚さを50nmとした。ECRプラズマCV
D法による第2のバリアメタル層22の形成条件を、例
えば以下のとおりとすることができる。 第1の原料ガス : TiCl4=20sccm 第2の原料ガス : N2=8sccm プロセスガス : H2/Ar=26/50sccm 圧力 : 0.13Pa(9.6×10-4 T
orr) 温度 : 約420゜C マイクロ波出力 : 2.8kW
[Step-130] Subsequently, in a state in which the ratio of the second raw material gas amount / the first raw material gas amount is made higher than the predetermined ratio in the [step-120], the second TiN-containing second gas is formed. The barrier metal layer 22 is formed on the first barrier metal layer by chemical vapor deposition. The thickness of the second barrier metal layer 22 was set to 50 nm. ECR plasma CV
The conditions for forming the second barrier metal layer 22 by the D method can be set as follows, for example. First source gas: TiCl 4 = 20 sccm Second source gas: N 2 = 8 sccm Process gas: H 2 / Ar = 26/50 sccm Pressure: 0.13 Pa (9.6 × 10 −4 T
orr) Temperature: Approx. 420 ° C Microwave output: 2.8kW

【0037】[工程−140]その後、タングステンブ
ランケットCVD法にて、第2のバリアメタル層22上
にタングステンから成る金属配線材料層24を堆積させ
る(図1の(C)参照)。ブランケットタングステンC
VDの条件を、例えば、以下のとおりとすることができ
る。 第1ステップ(核形成段階) WF6/SiH4=25/10sccm 圧力 1.06×104Pa 温度 約475°C 第2ステップ(高速成長段階) WF6/H2=60/360sccm 圧力 1.06×104Pa 温度 約475°C
[Step-140] After that, the metal wiring material layer 24 made of tungsten is deposited on the second barrier metal layer 22 by the tungsten blanket CVD method (see FIG. 1C). Blanket Tungsten C
The conditions of VD can be set as follows, for example. 1st step (nucleation stage) WF 6 / SiH 4 = 25/10 sccm pressure 1.06 × 10 4 Pa temperature about 475 ° C 2nd step (fast growth stage) WF 6 / H 2 = 60/360 sccm pressure 1. 06 × 10 4 Pa Temperature about 475 ° C

【0038】次いで、絶縁層14上の金属配線材料層2
4並びに第2及び第1のバリアメタル層22,20B,
20Aを除去して、開口部内にタングステンから成る金
属配線材料層24(タングステンプラグ)を残し、ビア
ホール26を形成する。こうして、図2の(A)に示す
半導体装置の配線構造が作製される。この半導体装置の
絶縁層14上及びビアホール24上に、更に、例えばA
l−1%Si等のAl系合金から成る上層配線層をスパ
ッタ法及びエッチング法等によって形成することができ
る。
Next, the metal wiring material layer 2 on the insulating layer 14
4 and the second and first barrier metal layers 22, 20B,
20A is removed to leave a metal wiring material layer 24 (tungsten plug) made of tungsten in the opening, and a via hole 26 is formed. Thus, the wiring structure of the semiconductor device shown in FIG. 2A is manufactured. On the insulating layer 14 and the via hole 24 of this semiconductor device, further, for example, A
The upper wiring layer made of an Al-based alloy such as 1-1% Si can be formed by a sputtering method, an etching method, or the like.

【0039】あるいは又、図2の(B)に模式的な一部
断面図を示すように、絶縁層14上の金属配線材料層2
4並びに第2及び第1のバリアメタル層22,20B,
20Aを選択的に除去することによって、絶縁層14上
に上層配線層28を形成する。併せて、開口部内に金属
配線材料層24(タングステンプラグ)を残し、ビアホ
ール26を形成する。この上層配線層28は、絶縁層1
4の表面に形成された第1及び第2のバリアメタル層並
びにタングステンから成る金属配線材料層24から構成
されている。
Alternatively, as shown in the schematic partial sectional view of FIG. 2B, the metal wiring material layer 2 on the insulating layer 14 is formed.
4 and the second and first barrier metal layers 22, 20B,
By selectively removing 20A, the upper wiring layer 28 is formed on the insulating layer 14. At the same time, the via hole 26 is formed while leaving the metal wiring material layer 24 (tungsten plug) in the opening. The upper wiring layer 28 is the insulating layer 1
4 and the first and second barrier metal layers and the metal wiring material layer 24 made of tungsten.

【0040】(実施例2)実施例2は、実施例1の変形
である。実施例2が実施例1と相違する点は、第2のバ
リアメタル層22がTiONから構成されている点にあ
る。その他の点は実施例1と同等である。以下、実施例
2のバリアメタル層の形成方法を説明する。
(Embodiment 2) Embodiment 2 is a modification of Embodiment 1. The second embodiment is different from the first embodiment in that the second barrier metal layer 22 is made of TiON. The other points are the same as in the first embodiment. The method of forming the barrier metal layer of Example 2 will be described below.

【0041】[工程−200]先ず、例えば公知の方法
で不純物拡散領域が形成された半導体基板から成る基体
上に、CVD法等の公知の方法で、例えばSiO2から
成る絶縁層を形成し、次いで、不純物拡散領域の上方の
絶縁層に、フォトリソグラフィ技術、及び例えばリアク
ティブ・イオン・エッチング(RIE)技術を用いて開
口部を形成する。この工程は、実施例1の[工程−10
0]と同様とすることができる。
[Step-200] First, an insulating layer made of, for example, SiO 2 is formed by a known method such as a CVD method on a substrate made of a semiconductor substrate in which an impurity diffusion region is formed by a known method. Next, an opening is formed in the insulating layer above the impurity diffusion region by using a photolithography technique and, for example, a reactive ion etching (RIE) technique. This step corresponds to [Step-10 of Example 1].
0].

【0042】[工程−210]次に、実施例1の[工程
−110]及び[工程−120]と同様の方法で、Ti
から成る下層及び主にTiから成る上層から構成された
厚さ5nmの第1のバリアメタル層を形成する。
[Step-210] Next, in the same manner as in [Step-110] and [Step-120] of Example 1, Ti was used.
A 5 nm-thick first barrier metal layer composed of a lower layer made of and an upper layer made mainly of Ti is formed.

【0043】[工程−220]引き続き、第2の原料ガ
ス量/第1の原料ガス量の割合を、[工程−210]に
おける所定の割合よりも増加させた状態で、Ti0Nか
ら成る第2のバリアメタル層22を第1のバリアメタル
層上に化学的気相成長法にて形成する。第2のバリアメ
タル層22の厚さを50nmとした。ECRプラズマC
VDによる第2のバリアメタル層22の形成条件を、例
えば以下のとおりとすることができる。 第1の原料ガス : TiCl4=20sccm 第2の原料ガス : N2=8sccm その他の原料ガス: O2=5sccm プロセスガス : H2=26sccm 圧力 : 0.13Pa(9.6×10-4 T
orr) 温度 : 約420゜C マイクロ波出力 : 2.8kW
[Step-220] Subsequently, in a state where the ratio of the second raw material gas amount / the first raw material gas amount is made higher than the predetermined ratio in the [step-210], the second TiON-containing second gas is formed. The barrier metal layer 22 is formed on the first barrier metal layer by chemical vapor deposition. The thickness of the second barrier metal layer 22 was set to 50 nm. ECR plasma C
The conditions for forming the second barrier metal layer 22 by VD can be set as follows, for example. First source gas: TiCl 4 = 20 sccm Second source gas: N 2 = 8 sccm Other source gas: O 2 = 5 sccm Process gas: H 2 = 26 sccm Pressure: 0.13 Pa (9.6 × 10 −4 T
orr) Temperature: Approx. 420 ° C Microwave output: 2.8kW

【0044】[工程−230]次いで、タングステンブ
ランケットCVD法にて、第2のバリアメタル層上にタ
ングステンから成る金属配線材料層を堆積させる。その
後、絶縁層上の金属配線材料層並びに第2及び第1のバ
リアメタル層を除去して、開口部内にタングステンから
成る金属配線材料層(タングステンプラグ)を残し、ビ
アホールを形成する。あるいは又、絶縁層上の金属配線
材料層並びに第2及び第1のバリアメタル層を選択的に
除去することによって、絶縁層上に上層配線層を形成
し、併せて、開口部内に金属配線材料層(タングステン
プラグ)を残し、ビアホールを形成する。これらの工程
は実施例1の[工程−140]と同様とすることができ
る。
[Step-230] Next, a metal wiring material layer made of tungsten is deposited on the second barrier metal layer by the tungsten blanket CVD method. After that, the metal wiring material layer on the insulating layer and the second and first barrier metal layers are removed to leave a metal wiring material layer (tungsten plug) made of tungsten in the opening, and a via hole is formed. Alternatively, by selectively removing the metal wiring material layer and the second and first barrier metal layers on the insulating layer, an upper wiring layer is formed on the insulating layer, and at the same time, the metal wiring material is formed in the opening. A via hole is formed leaving the layer (tungsten plug). These steps can be the same as those in [Step-140] of Example 1.

【0045】第2のバリアメタル層をTiONから構成
する代わりに、TiBN、TiCNあるいはTiCNO
から構成することができる。この場合、実施例2の[工
程−220]におけるECRプラズマCVDの条件を以
下に例示する条件に置き換えればよい。 (TiBNの成膜) 第1の原料ガス : TiCl4=20sccm 第2の原料ガス : N2=8sccm 第3の原料ガス : BCl3=10sccm プロセスガス : H2=26sccm 圧力 : 0.13Pa(9.6×10-4 T
orr) 温度 : 約420゜C マイクロ波出力 : 2.8kW (TiCNの成膜) 第1の原料ガス : TiCl4=20sccm 第2の原料ガス : N2=8sccm 第3の原料ガス : CH4=10sccm プロセスガス : H2=26sccm 圧力 : 0.13Pa(9.6×10-4 T
orr) 温度 : 約420゜C マイクロ波出力 : 2.8kW (TiCNOの成膜) 第1の原料ガス : TiCl4=20sccm 第2の原料ガス : N2=8sccm 第3の原料ガス : CH4=10sccm その他の原料ガス: O2=5sccm プロセスガス : H2=26sccm 圧力 : 0.13Pa(9.6×10-4 T
orr) 温度 : 約420゜C マイクロ波出力 : 2.8kW
Instead of forming the second barrier metal layer from TiON, TiBN, TiCN or TiCNO is used.
Can consist of: In this case, the conditions of ECR plasma CVD in [Step-220] of Example 2 may be replaced with the conditions exemplified below. (Film formation of TiBN) First source gas: TiCl 4 = 20 sccm Second source gas: N 2 = 8 sccm Third source gas: BCl 3 = 10 sccm Process gas: H 2 = 26 sccm Pressure: 0.13 Pa (9 .6 × 10 -4 T
orr) Temperature: about 420 ° C. Microwave output: 2.8 kW (TiCN film formation) First source gas: TiCl 4 = 20 sccm Second source gas: N 2 = 8 sccm Third source gas: CH 4 = 10 sccm process gas: H 2 = 26 sccm pressure: 0.13 Pa (9.6 × 10 −4 T
orr) Temperature: about 420 ° C. Microwave output: 2.8 kW (TiCNO film formation) First source gas: TiCl 4 = 20 sccm Second source gas: N 2 = 8 sccm Third source gas: CH 4 = 10 sccm Other source gas: O 2 = 5 sccm Process gas: H 2 = 26 sccm Pressure: 0.13 Pa (9.6 × 10 −4 T
orr) Temperature: Approx. 420 ° C Microwave output: 2.8kW

【0046】(実施例3)実施例1及び実施例2におい
ては、バリアメタル層を構成する金属としてチタン(T
i)を用いた。実施例3においては、バリアメタル層を
構成する金属材料としてハフニウム(Hf)を用いる。
実施例3においても、金属配線材料層はタングステンブ
ランケットCVD法にて形成する。以下、実施例3のバ
リアメタル層の形成方法を説明する。
(Embodiment 3) In Embodiments 1 and 2, titanium (T) is used as the metal constituting the barrier metal layer.
i) was used. In Example 3, hafnium (Hf) is used as the metal material forming the barrier metal layer.
Also in the third embodiment, the metal wiring material layer is formed by the tungsten blanket CVD method. The method for forming the barrier metal layer of Example 3 will be described below.

【0047】[工程−300]先ず、例えば公知の方法
で不純物拡散領域が形成された半導体基板から成る基体
上に、CVD法等の公知の方法で、例えばSiO2から
成る絶縁層を形成し、次いで、不純物拡散領域の上方の
絶縁層に、フォトリソグラフィ技術、及び例えばリアク
ティブ・イオン・エッチング(RIE)技術を用いて開
口部を形成する。この工程は、実施例1の[工程−10
0]と同様とすることができる。
[Step-300] First, an insulating layer made of, for example, SiO 2 is formed by a known method such as a CVD method on a substrate made of a semiconductor substrate in which an impurity diffusion region is formed by a known method. Next, an opening is formed in the insulating layer above the impurity diffusion region by using a photolithography technique and, for example, a reactive ion etching (RIE) technique. This step corresponds to [Step-10 of Example 1].
0].

【0048】[工程−310]次に、本発明のバリアメ
タル層の形成方法によって、全体の厚さが5nmの第1
のバリアメタル層を形成する。図3に示したECRプラ
ズマCVD装置を用いて、バリアメタル層を構成する金
属元素(Hf)を含有する第1の原料ガス(HfOCl
2)を用いて第1のバリアメタル層の下層をECRプラ
ズマCVD法にて形成する。ECRプラズマCVDによ
る第1のバリアメタル層の下層の形成条件を、例えば以
下のとおりとすることができる。 第1の原料ガス : HfOCl2=10sccm プロセスガス : H2/Ar=50/40sccm 圧力 : 0.13Pa(9.6×10-4 T
orr) 温度 : 約400゜C マイクロ波出力 : 2.8kW 成膜時間 : 10秒
[Step-310] Next, according to the method for forming a barrier metal layer of the present invention, a first layer having a total thickness of 5 nm is formed.
Forming a barrier metal layer. Using the ECR plasma CVD apparatus shown in FIG. 3, the first source gas (HfOCl) containing the metal element (Hf) that forms the barrier metal layer is used.
2 ) is used to form the lower layer of the first barrier metal layer by the ECR plasma CVD method. The conditions for forming the lower layer of the first barrier metal layer by ECR plasma CVD can be set as follows, for example. First source gas: HfOCl 2 = 10 sccm Process gas: H 2 / Ar = 50/40 sccm Pressure: 0.13 Pa (9.6 × 10 −4 T
orr) Temperature: Approx. 400 ° C Microwave output: 2.8 kW Film formation time: 10 seconds

【0049】尚、第1の原料ガスとして、HfOCl2
の代わりに、Hf(O−t−C494を用いることも
できる。HfOCl2及びHf(O−t−C494は液
体原料である。それ故、HfOCl2を水、Hf(O−
t−C494をアルコール等の溶媒に溶かした後、H
eガス等でバブリングして原料ガスとして使用する。
As the first source gas, HfOCl 2
Instead of, Hf (O-t-C 4 H 9) 4 can also be used. HfOCl 2 and Hf (Ot-C 4 H 9 ) 4 are liquid raw materials. Therefore, HfOCl 2 was added to water, Hf (O-
After dissolving t-C 4 H 9 ) 4 in a solvent such as alcohol, H-
Bubbling with e gas or the like is used as a raw material gas.

【0050】[工程−320]引き続き、金属元素(H
f)との化合物(HfBX)を生成し得る元素(B)を
含有する第2の原料ガス(BCl3ガス)及び第1の原
料ガス(HfOCl2)を用い、且つ、第2の原料ガス
量/第1の原料ガス量の割合を0から所定の割合まで増
加させながら、第1のバリアメタル層の上層をECRプ
ラズマCVD法にて形成する。第1の原料ガス量を一定
にして、第2の原料ガス量を0から1.5sccmまで徐々
に増加させた。尚、変化量は一定とした。 第1の原料ガス : HfOCl2=10sccm 第2の原料ガス : BCl3=0〜1.5sccm プロセスガス : H2/Ar=30/50sccm 圧力 : 0.13Pa(9.6×10-4 T
orr) 温度 : 約650゜C マイクロ波出力 : 2.8kW 成膜時間 : 60秒 尚、第2の原料ガスとして、BCl3の代わりに、BB
3あるいはB26を用いることもできる。
[Step-320] Subsequently, the metal element (H
f) using a second source gas (BCl 3 gas) and a first source gas (HfOCl 2 ) containing an element (B) capable of forming a compound (HfB x ) with the second source gas The upper layer of the first barrier metal layer is formed by the ECR plasma CVD method while increasing the ratio of (amount / first source gas amount) from 0 to a predetermined ratio. The first source gas amount was kept constant and the second source gas amount was gradually increased from 0 to 1.5 sccm. The amount of change was constant. First source gas: HfOCl 2 = 10 sccm Second source gas: BCl 3 = 0 to 1.5 sccm Process gas: H 2 / Ar = 30/50 sccm Pressure: 0.13 Pa (9.6 × 10 −4 T
orr) Temperature: about 650 ° C. Microwave output: 2.8 kW Film formation time: 60 seconds In addition, BB instead of BCl 3 was used as the second source gas.
It is also possible to use r 3 or B 2 H 6 .

【0051】これによって、主にHfから成る第1のバ
リアメタル層の上層が形成される。この第1のバリアメ
タル層の上層中には窒素(N)が僅かに含まれ得る。
As a result, an upper layer of the first barrier metal layer mainly composed of Hf is formed. A slight amount of nitrogen (N) may be contained in the upper layer of the first barrier metal layer.

【0052】第1のバリアメタル層の下層は、Hfのみ
から構成されているので、下地であるSiO2から成る
絶縁層との密着性に優れる。また、第1のバリアメタル
層全体をHfのみから構成する場合と比較して、第1の
バリアメタル層を下層/上層から構成することによっ
て、第1のバリアメタル層の成膜速度を約100%増加
させることができた。
Since the lower layer of the first barrier metal layer is composed only of Hf, it has excellent adhesion to the underlying insulating layer made of SiO 2 . Further, as compared with the case where the entire first barrier metal layer is composed of only Hf, by forming the first barrier metal layer from the lower layer / upper layer, the film formation rate of the first barrier metal layer is about 100. % Could be increased.

【0053】[工程−330]引き続き、第2の原料ガ
ス量/第1の原料ガス量の割合を、[工程−320]に
おける所定の割合よりも増加させた状態で、HfB
X(0<X≦2)から成る第2のバリアメタル層を第1
のバリアメタル層上に化学的気相成長法にて形成する。
第2のバリアメタル層の厚さを50nmとした。ECR
プラズマCVDによる第2のバリアメタル層の形成条件
を、例えば以下のとおりとすることができる。 第1の原料ガス : HfOCl2=10sccm 第2の原料ガス : BCl3=30sccm プロセスガス : H2/Ar=30/50sccm 圧力 : 0.13Pa(9.6×10-4 T
orr) 温度 : 約650゜C マイクロ波出力 : 2.8kW
[Step-330] Then, in a state where the ratio of the second source gas amount / the first source gas amount is made higher than the predetermined ratio in [Step-320], HfB is set.
The second barrier metal layer composed of X (0 <X ≦ 2) is formed as the first
Is formed on the barrier metal layer by chemical vapor deposition.
The thickness of the second barrier metal layer was 50 nm. ECR
The conditions for forming the second barrier metal layer by plasma CVD can be set as follows, for example. First source gas: HfOCl 2 = 10 sccm Second source gas: BCl 3 = 30 sccm Process gas: H 2 / Ar = 30/50 sccm Pressure: 0.13 Pa (9.6 × 10 −4 T
orr) Temperature: About 650 ° C Microwave output: 2.8kW

【0054】[工程−340]次いで、タングステンブ
ランケットCVD法にて、第2のバリアメタル層上にタ
ングステンから成る金属配線材料層を堆積させる。その
後、絶縁層上の金属配線材料層並びに第2及び第1のバ
リアメタル層を除去して、開口部内にタングステンから
成る金属配線材料層(タングステンプラグ)を残し、ビ
アホールを形成する。あるいは又、絶縁層上の金属配線
材料層並びに第2及び第1のバリアメタル層を選択的に
除去することによって、絶縁層上に上層配線層を形成
し、併せて、開口部内に金属配線材料層(タングステン
プラグ)を残し、ビアホールを形成する。これらの工程
は実施例1の[工程−140]と同様とすることができ
る。
[Step-340] Next, a metal wiring material layer made of tungsten is deposited on the second barrier metal layer by the tungsten blanket CVD method. After that, the metal wiring material layer on the insulating layer and the second and first barrier metal layers are removed to leave a metal wiring material layer (tungsten plug) made of tungsten in the opening, and a via hole is formed. Alternatively, by selectively removing the metal wiring material layer and the second and first barrier metal layers on the insulating layer, an upper wiring layer is formed on the insulating layer, and at the same time, the metal wiring material is formed in the opening. A via hole is formed leaving the layer (tungsten plug). These steps can be the same as those in [Step-140] of Example 1.

【0055】バリアメタル層を構成する金属としてHf
の代わりにジルコニウム(Zr)を用いることができ
る。この場合、実施例3の[工程−310]、[工程−
320]及び[工程−330]におけるECRプラズマ
CVDの条件を以下に例示する条件に置き換えればよ
い。 (第1のバリアメタル層の下層の形成) 第1の原料ガス : ZrCl4=10sccm プロセスガス : H2/Ar=50/40sccm 圧力 : 0.13Pa(9.6×10-4 T
orr) 温度 : 約400゜C マイクロ波出力 : 2.8kW 成膜時間 : 10秒 (第1のバリアメタル層の上層の形成) 第1の原料ガス : ZrCl4=10sccm 第2の原料ガス : BCl3=0〜1.5sccm プロセスガス : H2/Ar=30/50sccm 圧力 : 0.13Pa(9.6×10-4 T
orr) 温度 : 約650゜C マイクロ波出力 : 2.8kW 成膜時間 : 60秒 (第2のバリアメタル層(ZrBX,0<X≦2))の
形成) 第1の原料ガス : ZrCl4=10sccm 第2の原料ガス : BCl3=30sccm プロセスガス : H2/Ar=30/50sccm 圧力 : 0.13Pa(9.6×10-4 T
orr) 温度 : 約650゜C マイクロ波出力 : 2.8kW
Hf as a metal forming the barrier metal layer
Zirconium (Zr) can be used instead of. In this case, [Process-310], [Process- of Example 3]
320] and [step-330], the conditions of ECR plasma CVD may be replaced with the conditions exemplified below. (Formation of Lower Layer of First Barrier Metal Layer) First source gas: ZrCl 4 = 10 sccm Process gas: H 2 / Ar = 50/40 sccm Pressure: 0.13 Pa (9.6 × 10 −4 T
orr) Temperature: about 400 ° C. Microwave output: 2.8 kW Film formation time: 10 seconds (formation of the upper layer of the first barrier metal layer) First source gas: ZrCl 4 = 10 sccm Second source gas: BCl 3 = 0 to 1.5 sccm Process gas: H 2 / Ar = 30/50 sccm Pressure: 0.13 Pa (9.6 × 10 −4 T
orr) Temperature: about 650 ° C. Microwave output: 2.8 kW Film formation time: 60 seconds (formation of second barrier metal layer (ZrB X , 0 <X ≦ 2)) First source gas: ZrCl 4 = 10 sccm Second source gas: BCl 3 = 30 sccm Process gas: H 2 / Ar = 30/50 sccm Pressure: 0.13 Pa (9.6 × 10 −4 T)
orr) Temperature: About 650 ° C Microwave output: 2.8kW

【0056】第1の原料ガスとして、ZrCl4の代わ
りに、ZrCl3を用いることもできる。ZrCl4及び
ZrCl3は液体原料である。それ故、これらを水に溶
かした後、Heガス等でバブリングして原料ガスとして
使用する。また、第2の原料ガスとして、BCl3の代
わりに、BBr3あるいはB26を用いることもでき
る。第1のバリアメタル層の上層の形成においては、第
1の原料ガス量を一定にして、第2の原料ガス量を0か
ら1.5sccmまで徐々に増加させる。
As the first source gas, ZrCl 3 can be used instead of ZrCl 4 . ZrCl 4 and ZrCl 3 are liquid raw materials. Therefore, after these are dissolved in water, bubbling with He gas or the like is used as a raw material gas. Further, BBr 3 or B 2 H 6 may be used as the second source gas instead of BCl 3 . In forming the upper layer of the first barrier metal layer, the first source gas amount is kept constant and the second source gas amount is gradually increased from 0 to 1.5 sccm.

【0057】以上、実施例に基づき、本発明のバリアメ
タル層の形成方法を説明したが、本発明はこれらの実施
例に限定されるものではない。タングステンを使用した
ブランケットCVD法の代わりに、Mo、Ti、Ni、
Co、Al、Cu等、あるいは、W、Mo、Ti、N
i、Co等の各種シリサイドを使用したブランケットC
VD法に本発明を適用することができる。また、アルミ
ニウムを使用して、メタルプラグを選択CVD法で形成
することもできる。
Although the method for forming the barrier metal layer of the present invention has been described based on the embodiments, the present invention is not limited to these embodiments. Instead of the blanket CVD method using tungsten, Mo, Ti, Ni,
Co, Al, Cu, etc., or W, Mo, Ti, N
Blanket C using various silicides such as i and Co
The present invention can be applied to the VD method. Alternatively, the metal plug can be formed by selective CVD using aluminum.

【0058】各実施例においては、1つのECRプラズ
マCVD装置を用いて第1及び第2のバリアメタル層を
形成したが、代わりに、ゲートバルブを介して接続され
た第1の成膜チャンバ及び第2の成膜チャンバを備えた
ECRプラズマCVD装置を用いることもできる。この
場合、例えば、第1の成膜チャンバにて第1のバリアメ
タル層を形成し、次いで、真空を破らずに半導体基板を
第2の成膜チャンバに搬入し、第2の成膜チャンバにて
第2のバリアメタル層を形成することができる。
In each example, the first and second barrier metal layers were formed by using one ECR plasma CVD apparatus, but instead, the first film forming chamber and the first film forming chamber connected through the gate valve were used. An ECR plasma CVD apparatus equipped with a second film forming chamber can also be used. In this case, for example, the first barrier metal layer is formed in the first film forming chamber, then the semiconductor substrate is carried into the second film forming chamber without breaking the vacuum, and then the second film forming chamber is placed in the second film forming chamber. As a result, the second barrier metal layer can be formed.

【0059】更には、ブランケットCVD法の代わり
に、純Al、あるいは、Al−1%Si、Al−Si−
Cu、Al−Cu、Al−Ge等のアルミニウム合金を
使用した、所謂、高温アルミニウムスパッタ法やアルミ
ニウムリフロー法にてメタルプラグを形成することも可
能である。これらのスパッタ法においては、半導体基板
が高温に加熱されているため、開口部内に堆積したアル
ミニウム又はアルミニウム合金から成る金属配線材料も
約400°C以上融点以下まで加熱される。その結果、
軟化した金属配線材料が流動状態となり開口部内を流れ
ることが可能となる。
Further, instead of the blanket CVD method, pure Al, Al-1% Si, Al-Si-
It is also possible to form the metal plug by a so-called high-temperature aluminum sputtering method or aluminum reflow method using an aluminum alloy such as Cu, Al-Cu, and Al-Ge. In these sputtering methods, since the semiconductor substrate is heated to a high temperature, the metal wiring material made of aluminum or aluminum alloy deposited in the opening is also heated to about 400 ° C. or higher and the melting point or lower. as a result,
The softened metal wiring material becomes in a fluidized state and can flow in the opening.

【0060】第1及び第2のバリアメタル層を形成した
後、真空を破らずに連続して他のチャンバでAl−1%
Siから成るアルミニウム合金を、例えば、以下の条件
の高温アルミニウムスパッタ法に従って成膜することが
できる。 成膜パワー DC 10kW スパッタ圧力 0.4Pa 基体加熱温度 500°C プロセスガス Ar:100sccm 成膜速度 0.3〜0.9μm/分
After forming the first and second barrier metal layers, Al-1% is continuously formed in another chamber without breaking the vacuum.
An aluminum alloy made of Si can be formed by, for example, a high temperature aluminum sputtering method under the following conditions. Film forming power DC 10 kW Sputtering pressure 0.4 Pa Substrate heating temperature 500 ° C. Process gas Ar: 100 sccm Film forming rate 0.3 to 0.9 μm / min

【0061】あるいは又、第1及び第2のバリアメタル
層を形成した後、真空を破らずに連続して他のチャンバ
でAl−1%Siから成るアルミニウム合金を、例え
ば、以下の条件のアルミニウムリフロー法に従って成膜
することができる。 (アルミニウムのスパッタ条件) プロセスガス : Ar=100sccm DCパワー : 20kW スパッタ圧力 : 0.4Pa 基体加熱温度 : 150゜C 成膜速度 : 1200nm/分 (アルミニウムのリフロー条件) 加熱方式 : 基板裏面ガス加熱 加熱温度 : 500゜C 加熱時間 : 2分 プロセスガス : Ar=100sccm プロセスガス圧力: 1.1×103Pa ここで、基板裏面ガス加熱方式とは、基板裏面に配置し
たヒーターブロックを所定の温度(加熱温度)に加熱
し、ヒーターブロックと基板裏面の間にプロセスガスを
導入することによって基板を加熱する方式である。加熱
方式としては、この方式以外にもランプ加熱方式等を用
いることができる。
Alternatively, after forming the first and second barrier metal layers, an aluminum alloy made of Al-1% Si is continuously used in another chamber without breaking the vacuum, for example, aluminum under the following conditions: The film can be formed according to the reflow method. (Aluminum sputtering conditions) Process gas: Ar = 100 sccm DC power: 20 kW Sputtering pressure: 0.4 Pa Substrate heating temperature: 150 ° C Deposition rate: 1200 nm / min (Aluminum reflow conditions) Heating method: Substrate backside gas heating Temperature: 500 ° C. Heating time: 2 minutes Process gas: Ar = 100 sccm Process gas pressure: 1.1 × 10 3 Pa Here, the substrate backside gas heating method refers to a heater block arranged on the backside of the substrate at a predetermined temperature ( It is a method of heating the substrate by heating it to a heating temperature) and introducing a process gas between the heater block and the back surface of the substrate. As the heating method, other than this method, a lamp heating method or the like can be used.

【0062】絶縁層は、SiO2だけでなく、PSG、
BSG、BPSG、AsSG、PbSG、SbSG、シ
リコン窒化膜、SiON、SOG、SiON等から構成
することができ、従来のCVD法で形成することができ
る。
The insulating layer is not only SiO 2 , but PSG,
It can be composed of BSG, BPSG, AsSG, PbSG, SbSG, silicon nitride film, SiON, SOG, SiON, etc., and can be formed by a conventional CVD method.

【0063】また、不純物拡散領域にコンタクトホール
を形成する実施例に基づいて本発明を説明したが、本発
明のバリアメタル層の形成方法は、金属配線材料によっ
て形成された下層配線層と上層配線層を電気的に接続す
るための所謂ビヤホールの形成、あるいはスルーホール
の形成にも適用することができる。
Although the present invention has been described based on the embodiment in which the contact hole is formed in the impurity diffusion region, the method of forming the barrier metal layer of the present invention uses the lower wiring layer and the upper wiring formed of the metal wiring material. It can also be applied to the formation of so-called via holes or the formation of through holes for electrically connecting layers.

【0064】本発明の第1のバリアメタル層を形成する
下地がシリコンの場合、第1のバリアメタル層の下層の
形成条件によっては、第1のバリアメタル層の下層は下
地のシリコンと反応してシリサイド層になる場合があ
る。
When the underlayer forming the first barrier metal layer of the present invention is silicon, the underlayer of the first barrier metal layer may react with the underlying silicon depending on the formation conditions of the underlayer of the first barrier metal layer. May become a silicide layer.

【0065】[0065]

【発明の効果】本発明においては、カバレッジに優れ、
従来よりも速い成長速度で形成することができ、しかも
絶縁層との密着性に優れ、コンタクト抵抗の低いバリア
メタル層を得ることができる。従って、次世代の超LS
Iを信頼性の高いプロセスで生産性良く製造することが
できる。
In the present invention, excellent coverage,
It is possible to obtain a barrier metal layer that can be formed at a higher growth rate than in the past and that has excellent adhesion to the insulating layer and low contact resistance. Therefore, next-generation ultra LS
I can be manufactured with high productivity in a highly reliable process.

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

【図1】本発明のバリアメタル層の形成方法を説明する
ための、半導体素子の模式的な一部断面図である。
FIG. 1 is a schematic partial cross-sectional view of a semiconductor element for explaining a method for forming a barrier metal layer of the present invention.

【図2】本発明のバリアメタル層の形成方法によって得
られた半導体素子の模式的な一部断面図である。
FIG. 2 is a schematic partial cross-sectional view of a semiconductor device obtained by the method for forming a barrier metal layer of the present invention.

【図3】本発明の実施に適したECRプラズマCVD装
置の概要を表わす図である。
FIG. 3 is a diagram showing an outline of an ECR plasma CVD apparatus suitable for carrying out the present invention.

【図4】ブランケットCVD法を説明するための、半導
体素子の模式的な一部断面図である。
FIG. 4 is a schematic partial cross-sectional view of a semiconductor device for explaining a blanket CVD method.

【図5】高温アルミニウムスパッタ法を説明するため
の、半導体素子の模式的な一部断面図である。
FIG. 5 is a schematic partial cross-sectional view of a semiconductor element for explaining the high temperature aluminum sputtering method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 基体 12 不純物拡散領域 14 絶縁層 16 開口部 20A 第1のバリアメタル層の下層 20B 第1のバリアメタル層の上層 22 第2のバリアメタル層 24 金属配線材料層 26 メタルプラグ 28 上層配線層 50 成膜チャンバ 52 サセプタ 54 ランプ加熱手段 56 ガス排気部 60 プラズマチャンバ 62 マイクロ波導入窓 66 レクタンギュラーウエイブガイド 64 磁気コイル 68 RF電源 70 第1のガス導入部 72,74 第2、第3のガス導入部 76 プロセスガス導入部 80 ガス導入口 100 半導体基板 102 プラズマ流 10 Base 12 Impurity Diffusion Region 14 Insulating Layer 16 Opening 20A Lower Layer of First Barrier Metal Layer 20B Upper Layer of First Barrier Metal Layer 22 Second Barrier Metal Layer 24 Metal Wiring Material Layer 26 Metal Plug 28 Upper Wiring Layer 50 Deposition chamber 52 Susceptor 54 Lamp heating means 56 Gas exhaust section 60 Plasma chamber 62 Microwave introduction window 66 Rectangular wave guide 64 Magnetic coil 68 RF power source 70 First gas introduction section 72, 74 Second and third gas introduction section 76 Process gas inlet 80 Gas inlet 100 Semiconductor substrate 102 Plasma flow

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/3065 21/3205 21/768 H01L 21/88 R 21/90 C ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI Technical indication H01L 21/3065 21/3205 21/768 H01L 21/88 R 21/90 C

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】半導体装置における配線を構成する第1及
び第2のバリアメタル層から成るバリアメタル層の形成
方法であって、 (イ)バリアメタル層を構成する金属元素を含有する第
1の原料ガスを用いて第1のバリアメタル層の下層を化
学的気相成長法にて形成し、引き続き、該金属元素と化
合物を生成し得る元素を含有する第2の原料ガス及び第
1の原料ガスを用い、且つ、第2の原料ガス量/第1の
原料ガス量の割合を0から所定の割合まで増加させなが
ら、第1のバリアメタル層の上層を化学的気相成長法に
て形成し、次いで、 (ロ)第2の原料ガス量/第1の原料ガス量の割合を、
前記所定の割合よりも増加させた状態で、第2のバリア
メタル層を第1のバリアメタル層上に化学的気相成長法
にて形成することを特徴とする半導体装置におけるバリ
アメタル層の形成方法。
1. A method of forming a barrier metal layer composed of first and second barrier metal layers constituting a wiring in a semiconductor device, comprising: (a) a first metal element containing a barrier metal layer. A lower layer of the first barrier metal layer is formed by a chemical vapor deposition method using a raw material gas, and then a second raw material gas containing the metal element and an element capable of forming a compound and the first raw material An upper layer of the first barrier metal layer is formed by chemical vapor deposition while using a gas and increasing the ratio of the amount of the second source gas / the amount of the first source gas from 0 to a predetermined ratio. Then, (b) the ratio of the second raw material gas amount / the first raw material gas amount,
Formation of a barrier metal layer in a semiconductor device, characterized in that the second barrier metal layer is formed on the first barrier metal layer by a chemical vapor deposition method in a state of being increased from the predetermined ratio. Method.
【請求項2】前記金属元素は、チタン、ハフニウム、又
はジルコニウムであることを特徴とする請求項1に記載
の半導体装置におけるバリアメタル層の形成方法。
2. The method for forming a barrier metal layer in a semiconductor device according to claim 1, wherein the metal element is titanium, hafnium, or zirconium.
【請求項3】前記第2の原料ガスは窒素ガスであること
を特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置
におけるバリアメタル層の形成方法。
3. The method for forming a barrier metal layer in a semiconductor device according to claim 1, wherein the second source gas is nitrogen gas.
【請求項4】前記(ロ)の工程において、酸素ガスを更
に用いることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいず
れか1項に記載の半導体装置におけるバリアメタル層の
形成方法。
4. The method for forming a barrier metal layer in a semiconductor device according to claim 1, wherein oxygen gas is further used in the step (b).
【請求項5】前記(ロ)の工程において、前記金属元素
と化合物を生成する元素を含有する第3の原料ガスを更
に用いることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいず
れか1項に記載の半導体装置におけるバリアメタル層の
形成方法。
5. The third source gas containing an element that forms a compound with the metal element is further used in the step (b). A method for forming a barrier metal layer in the semiconductor device according to.
【請求項6】前記第3の原料ガスには、炭素又はホウ素
が含まれることを特徴とする請求項5に記載の半導体装
置におけるバリアメタル層の形成方法。
6. The method of forming a barrier metal layer in a semiconductor device according to claim 5, wherein the third source gas contains carbon or boron.
【請求項7】前記(ロ)の工程において、酸素ガスを更
に用いることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置
におけるバリアメタル層の形成方法。
7. The method for forming a barrier metal layer in a semiconductor device according to claim 6, wherein oxygen gas is further used in the step (b).
【請求項8】第1及び第2のバリアメタル層の形成を電
子サイクロトロン共鳴プラズマCVD法にて行うことを
特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載
の半導体装置におけるバリアメタル層の形成方法。
8. The barrier in a semiconductor device according to claim 1, wherein the first and second barrier metal layers are formed by an electron cyclotron resonance plasma CVD method. Method of forming metal layer.
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