JPH0778788A - Semiconductor device wiring structure, forming method thereof, and mos transistor - Google Patents
Semiconductor device wiring structure, forming method thereof, and mos transistorInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置における配
線構造及び配線形成方法、並びにMOS型トランジスタ
に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a wiring structure and a wiring forming method in a semiconductor device, and a MOS type transistor.
【0002】[0002]
【従来の技術】半導体装置の高集積化に伴い、接合深さ
は一層浅くなりつつある。半導体装置の寸法ルールが
0.1μmレベルになると、接合領域のシート抵抗は1
kΩ/□以上になり、半導体素子の応答速度が遅くなる
という問題が生じる。この問題を解決する方法の1つ
に、半導体基板に形成されたソース・ドレイン領域の表
面にCoSi2、TiSi2等のサリサイドを形成させる
方法がある。2. Description of the Related Art As semiconductor devices become highly integrated, the junction depth is becoming shallower. When the dimensional rule of the semiconductor device reaches the level of 0.1 μm, the sheet resistance of the junction area becomes 1
Since it becomes more than kΩ / □, there arises a problem that the response speed of the semiconductor element becomes slow. One method of solving this problem is to form salicide of CoSi 2 , TiSi 2 or the like on the surface of the source / drain regions formed on the semiconductor substrate.
【0003】ソース・ドレイン領域と上層配線層とを電
気的に接続するためには接続孔を形成する必要がある。
接続孔は、ソース・ドレイン領域を被覆する絶縁層を形
成した後、ソース・ドレイン領域の上方の絶縁層に開口
部を形成し、かかる開口部を含む絶縁層上にバリア層を
形成し、更にこのバリア層上に金属配線材料を堆積させ
ることによって開口部をバリア層及び金属配線材料で埋
め込むことで形成される。バリア層は、ソース・ドレイ
ン領域と開口部内の金属配線材料との間の反応を抑制す
るために形成される。In order to electrically connect the source / drain region and the upper wiring layer, it is necessary to form a connection hole.
The connection hole forms an insulating layer covering the source / drain region, forms an opening in the insulating layer above the source / drain region, and forms a barrier layer on the insulating layer including the opening. It is formed by depositing a metal wiring material on the barrier layer to fill the opening with the barrier layer and the metal wiring material. The barrier layer is formed to suppress the reaction between the source / drain regions and the metal wiring material in the opening.
【0004】半導体装置の寸法ルールが微細化するに従
い、接続孔の径も微細化する傾向にある。その結果、開
口部内におけるバリヤ層のカバレージが低下し、バリア
層のバリア性が低下するという問題がある。As the dimensional rules of semiconductor devices become finer, the diameter of the connection holes also tends to become finer. As a result, there is a problem that the coverage of the barrier layer in the opening is reduced and the barrier property of the barrier layer is reduced.
【0005】ここで、従来の半導体装置の製造プロセス
の概要を、図6を参照して、以下に簡単に説明する。Here, an outline of a conventional semiconductor device manufacturing process will be briefly described below with reference to FIG.
【0006】[工程−10]半導体基板10に、従来の
方法で素子分離領域12及びゲート電極14を形成す
る。[Step-10] The element isolation region 12 and the gate electrode 14 are formed on the semiconductor substrate 10 by a conventional method.
【0007】[工程−20]LDD(Lightly-Doped Dr
ain)構造を形成するためにイオン注入を行い、次いで
ゲートサイドウォール16を形成した後、イオン注入を
行いソース・ドレイン領域から成る下層導体領域18を
形成する(図6の(A)参照)。[Process-20] LDD (Lightly-Doped Dr
Ion implantation is performed to form the ain) structure, then the gate sidewall 16 is formed, and then ion implantation is performed to form the lower-layer conductor region 18 including the source / drain regions (see FIG. 6A).
【0008】[工程−30]ソース・ドレイン領域から
成る下層導体領域18のシート抵抗の低減化のために、
下層導体領域18の表面にCoSi2サリサイド層10
0を形成する(図6の(B)参照)。そのために、全面
にCo層を形成した後、熱処理を行い、下層導体領域1
8中のSiとCo層中のCoとを反応させてCoSi2
層100を形成させる。未反応のCo層は塩酸過水で選
択的に除去する。[Step-30] In order to reduce the sheet resistance of the lower conductor region 18 composed of the source / drain regions,
The CoSi 2 salicide layer 10 is formed on the surface of the lower conductor region 18.
0 is formed (see FIG. 6B). Therefore, after forming a Co layer on the entire surface, heat treatment is performed to form the lower conductor region 1
8 in the Co layer to react with Co in the Co layer to form CoSi 2
Form layer 100. The unreacted Co layer is selectively removed with hydrogen peroxide.
【0009】[工程−40]その後、全面に絶縁層22
を形成し、更に、開口部24を下層導体領域18の上方
に形成する(図6の(C)参照)。[Step-40] After that, the insulating layer 22 is formed on the entire surface.
And further, an opening 24 is formed above the lower layer conductor region 18 (see FIG. 6C).
【0010】[工程−50]次いで、例えばスパッタ法
にて開口部24を含む絶縁層22上にバリア層(下から
Ti層/TiN層から成る)102を形成し、更にタン
グステン層104をCVD法にて全面に堆積させた後、
絶縁層22上のタングステン層104及びバリア層10
2を選択的に除去して、開口部24内にタングステンプ
ラグから成る接続孔28を形成する(図7の(A)参
照)。次いで、下から、Ti層/TiON層/Al−S
i層をスパッタ法にて全面に堆積させた後、これらの層
をパターニングすることによって、配線106を形成す
る(図7の(B)参照)。尚、106AはTi層/Ti
ON層を示す。[Step-50] Next, a barrier layer (consisting of a Ti layer / TiN layer from below) 102 is formed on the insulating layer 22 including the openings 24 by, for example, a sputtering method, and a tungsten layer 104 is further formed by a CVD method. After depositing on the whole surface at
The tungsten layer 104 and the barrier layer 10 on the insulating layer 22
2 is selectively removed to form a connection hole 28 made of a tungsten plug in the opening 24 (see FIG. 7A). Then, from the bottom, Ti layer / TiON layer / Al-S
After the i layer is deposited on the entire surface by the sputtering method, the wiring 106 is formed by patterning these layers (see FIG. 7B). In addition, 106A is Ti layer / Ti
An ON layer is shown.
【0011】上記プロセスにおいて、開口部24内に形
成するバリヤ層102はスパッタ法で形成されるため
に、開口部24のアスペクト比が高くなるに従い、開口
部24内のバリヤ層102のカバレッジが非常に悪くな
る。その結果、開口部24底部のバリア層102の厚さ
が薄くなる。このため、CVD法にてタングステン層1
04を堆積させるとき、CVD用原料ガス(WF6)中
に含まれるフッ素によってバリア層102が侵食され、
更にはソース・ドレイン領域18がフッ素で腐食され
る。その結果、接合リークの増大を招くという問題が発
生する。In the above process, since the barrier layer 102 formed in the opening 24 is formed by the sputtering method, the coverage of the barrier layer 102 in the opening 24 becomes extremely high as the aspect ratio of the opening 24 increases. Get worse. As a result, the thickness of the barrier layer 102 at the bottom of the opening 24 is reduced. Therefore, the tungsten layer 1 is formed by the CVD method.
When 04 is deposited, the barrier layer 102 is eroded by the fluorine contained in the CVD source gas (WF 6 ),
Further, the source / drain regions 18 are corroded by fluorine. As a result, there arises a problem that junction leakage increases.
【0012】開口部24内におかるバリヤ層102のカ
バレッジ問題を解決する方法として、CVD法によるT
i層/TiN層から成るバリア層の形成を挙げることが
できる。CVD法を用いると、開口部24底部における
バリヤ層102のカバレッジ問題を解決することができ
る。しかしながら、CVD法で成膜されたTiN層は多
結晶性であるため、後の拡散工程やアニール処理工程等
の高温熱処理を半導体基板に施したとき、TiN粒界部
がフッ素で腐食されたり、接続孔28内の金属配線材料
がTiN粒界部を拡散して半導体基板を腐蝕するという
問題がある。即ち、多結晶性のTiN層は十分なるバリ
ヤ性を有しているとはいえない。As a method for solving the problem of the coverage of the barrier layer 102 in the opening 24, T by CVD method is used.
The formation of a barrier layer composed of i layer / TiN layer can be mentioned. The CVD method can solve the coverage problem of the barrier layer 102 at the bottom of the opening 24. However, since the TiN layer formed by the CVD method is polycrystalline, when the semiconductor substrate is subjected to a high temperature heat treatment such as a subsequent diffusion step or an annealing step, the TiN grain boundary portion is corroded by fluorine, There is a problem that the metal wiring material in the connection hole 28 diffuses in the TiN grain boundary portion and corrodes the semiconductor substrate. That is, it cannot be said that the polycrystalline TiN layer has sufficient barrier properties.
【0013】このTiN層の多結晶性に起因した問題を
解決するために、本出願人はシリコン半導体基板上に直
接単結晶TiN層をエピタキシャル成長させることを提
案した(特願平5−69197号参照)。In order to solve the problem caused by the polycrystallinity of the TiN layer, the present applicant has proposed to directly epitaxially grow a single crystal TiN layer on a silicon semiconductor substrate (see Japanese Patent Application No. 5-69197). ).
【0014】[0014]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、単純に
シリコン半導体基板上に単結晶TiN層を形成させて
も、良好なる電気的なオーミック接合を得ることは難し
い。これは、半導体基板上には自然酸化膜が存在し、T
iN層をこの自然酸化膜上に形成しても、TiN層は自
然酸化膜を還元できないために電気的な導通が取り難い
ことに起因する。更に、自然酸化膜が残っている場合、
TiN層が半導体基板上でエピタキシャル成長し難いと
いう問題もある。However, even if a single crystal TiN layer is simply formed on a silicon semiconductor substrate, it is difficult to obtain a good electrical ohmic contact. This is because there is a natural oxide film on the semiconductor substrate,
This is because, even if the iN layer is formed on this natural oxide film, the TiN layer cannot reduce the natural oxide film, so that electrical conduction is difficult to obtain. Furthermore, if the natural oxide film remains,
There is also a problem that the TiN layer is difficult to grow epitaxially on the semiconductor substrate.
【0015】これらの問題を解決するための方法とし
て、以下の方法を挙げることができる。即ち、TiN層
を形成する前に、水素プラズマで自然酸化膜を還元す
る。これによって自然酸化膜を除去し、シリコン半導体
基板の清浄な表面を露出させる。その後、CVD用原料
ガスを導入してTiN層をCVD法にて形成する。The following method can be given as a method for solving these problems. That is, the natural oxide film is reduced by hydrogen plasma before forming the TiN layer. This removes the natural oxide film and exposes the clean surface of the silicon semiconductor substrate. Then, a raw material gas for CVD is introduced to form a TiN layer by the CVD method.
【0016】しかし、この方法における問題点として、
TiN層の形成前の前処理として、水素プラズマ処理に
シリコン半導体基板表面を晒す。その結果、シリコン結
晶内に水素原子が入り込み、シリコン結晶に結晶欠陥が
発生し、接合リークが増大するという問題点が挙げられ
る。However, as a problem in this method,
As a pretreatment before the formation of the TiN layer, the surface of the silicon semiconductor substrate is exposed to hydrogen plasma treatment. As a result, there is a problem that hydrogen atoms enter the silicon crystal, crystal defects occur in the silicon crystal, and junction leak increases.
【0017】また、シリコン半導体基板上にCVD法で
TiN層を形成する際、窒素プラズマ中にシリコン半導
体基板表面が晒されるために、シリコン半導体基板表面
に薄いSiN膜が形成され、コンタクト抵抗が増加する
という問題もある。When the TiN layer is formed on the silicon semiconductor substrate by the CVD method, the surface of the silicon semiconductor substrate is exposed to nitrogen plasma, so that a thin SiN film is formed on the surface of the silicon semiconductor substrate and the contact resistance increases. There is also the problem of doing.
【0018】更に、この方法においては、ソース・ドレ
イン領域表面にはシリコン面が露出していることが条件
となる。従って、前述したようなソース・ドレイン領域
のシート抵抗の低減化のために、ソース・ドレイン領域
表面にサリサイド層を形成することができない。即ち、
サリサイド層上には単結晶TiN層を形成することがで
きないという問題もある。Further, in this method, the silicon surface is exposed on the surface of the source / drain regions. Therefore, the salicide layer cannot be formed on the surface of the source / drain regions in order to reduce the sheet resistance of the source / drain regions as described above. That is,
There is also a problem that a single crystal TiN layer cannot be formed on the salicide layer.
【0019】従って、本発明の目的は、下層導体領域の
シート抵抗の低減を図ることができ、コンタクト抵抗や
接合リークが増大することを抑制でき、しかもバリア性
に優れた半導体装置における配線構造及びその形成方
法、並びにMOS型トランジスタを提供することにあ
る。Therefore, it is an object of the present invention to reduce the sheet resistance of the lower conductor region, to suppress the increase of contact resistance and junction leakage, and to provide a wiring structure in a semiconductor device having an excellent barrier property. It is to provide a forming method thereof and a MOS transistor.
【0020】[0020]
【課題を解決するための手段】上記の目的は、半導体基
板に形成された下層導体領域と、下層導体領域を被覆す
る絶縁層上に形成された上層配線層と、下層導体層と上
層配線層とを電気的に接続する接続孔とから成る、半導
体装置における配線構造であって、接続孔の底部には、
半導体基板側から、単結晶CoSi2層及び単結晶Ti
N層が形成されていることを特徴とする本発明の配線構
造によって達成することができる。The above object is to provide a lower conductor region formed on a semiconductor substrate, an upper wiring layer formed on an insulating layer covering the lower conductor region, a lower conductor layer and an upper wiring layer. A wiring structure in a semiconductor device, which comprises a connection hole for electrically connecting and,
From the semiconductor substrate side, single crystal CoSi 2 layer and single crystal Ti
This can be achieved by the wiring structure of the present invention characterized in that the N layer is formed.
【0021】本発明の配線構造においては、半導体基板
はシリコン半導体基板から成ることが望ましい。また、
シリコン半導体基板の方位は(100)であることが好
ましい。In the wiring structure of the present invention, the semiconductor substrate is preferably a silicon semiconductor substrate. Also,
The orientation of the silicon semiconductor substrate is preferably (100).
【0022】あるいは又、上記の目的は、半導体基板に
形成された下層導体領域と、下層導体領域を被覆する絶
縁層上に形成された上層配線層と、下層導体層と上層配
線層とを電気的に接続する接続孔とから成る、半導体装
置における配線構造を形成する配線形成方法であって、
少なくとも接続孔の底部に、単結晶CoSi2層をエピ
タキシャル成長させる工程、及び単結晶CoSi2層上
に単結晶TiN層をエピタキシャル成長させる工程を含
むことを特徴とする本発明の配線形成方法によって達成
することができる。Alternatively, the above-mentioned object is to electrically connect the lower conductor region formed on the semiconductor substrate, the upper wiring layer formed on the insulating layer covering the lower conductor region, the lower conductor layer and the upper wiring layer. A wiring forming method for forming a wiring structure in a semiconductor device, the method including:
A wiring forming method according to the present invention, which comprises a step of epitaxially growing a single crystal CoSi 2 layer at least on the bottom of a contact hole, and a step of epitaxially growing a single crystal TiN layer on the single crystal CoSi 2 layer. You can
【0023】本発明の配線形成方法においては、単結晶
TiN層をエピタキシャル成長させる前の雰囲気の真空
度は1.3×10-5Pa以下であることが望ましい。更
に、単結晶TiN層をエピタキシャル成長させる前に、
単結晶CoSi2層表面に形成された自然酸化膜を水素
プラズマ処理にて除去する工程を含むことが好ましい。In the wiring forming method of the present invention, the vacuum degree of the atmosphere before the epitaxial growth of the single crystal TiN layer is preferably 1.3 × 10 -5 Pa or less. Furthermore, before epitaxially growing the single crystal TiN layer,
It is preferable to include a step of removing the natural oxide film formed on the surface of the single crystal CoSi 2 layer by hydrogen plasma treatment.
【0024】更には、上記の目的は、半導体基板に形成
されたソース・ドレイン領域と、ソース・ドレイン領域
を被覆する絶縁層上に形成された上層配線層と、ソース
・ドレイン領域と上層配線層とを電気的に接続する接続
孔とから成る配線構造を有するMOS型トランジスタで
あって、接続孔の底部には、半導体基板側から、単結晶
CoSi2層及び単結晶TiN層が形成されていること
を特徴とする本発明のMOS型トランジスタによって達
成することができる。Further, the above object is to provide source / drain regions formed on a semiconductor substrate, an upper wiring layer formed on an insulating layer covering the source / drain regions, a source / drain region and an upper wiring layer. A single-crystal CoSi 2 layer and a single-crystal TiN layer are formed at the bottom of the connection hole from the side of the semiconductor substrate. This can be achieved by the MOS type transistor of the present invention characterized by the above.
【0025】[0025]
【作用】本発明においては、少なくとも接続孔の底部に
単結晶CoSi2層が形成されており、下層導体領域の
低シート抵抗化を図ることができる。また、単結晶Co
Si2層の上には、バリア性に優れた単結晶TiN層が
形成されている。TiN層を形成する前に水素プラズマ
処理によって自然酸化膜を除去する際、既にCoSi2
層が形成されているので、シリコン結晶内に水素原子が
入り込むことを抑制することができる。更には、TiN
層の形成の際、窒素プラズマにシリコン半導体基板表面
が晒されることがなく、SiN膜の形成を防止すること
ができる。In the present invention, the single crystal CoSi 2 layer is formed at least at the bottom of the connection hole, and the lower sheet resistance of the lower conductor region can be achieved. In addition, single crystal Co
A single crystal TiN layer having an excellent barrier property is formed on the Si 2 layer. When the native oxide film is removed by hydrogen plasma treatment before forming the TiN layer, CoSi 2
Since the layer is formed, entry of hydrogen atoms into the silicon crystal can be suppressed. Furthermore, TiN
When the layer is formed, the surface of the silicon semiconductor substrate is not exposed to nitrogen plasma, and the formation of the SiN film can be prevented.
【0026】従来、CoSi2は、(111)シリコン
半導体基板上にエピタキシャル成長することが知られて
いる。しかしながら、通常のMOS型トランジスタの作
製においては、(100)シリコン半導体基板が多く用
いられている。(100)シリコン半導体基板上にCo
Si2をエピタキシャル成長させるためには、予め半導
体基板上にCo層/Ti層の2層を成膜する。その後、
これらの2層に熱処理を加えると、単結晶CoSi2層
/Si構造を得ることができる。この際、単結晶CoS
i2層の表面にはTiOx層が形成される。Conventionally, CoSi 2 is known to grow epitaxially on a (111) silicon semiconductor substrate. However, the (100) silicon semiconductor substrate is often used in the production of ordinary MOS transistors. Co on a (100) silicon semiconductor substrate
In order to epitaxially grow Si 2 , two layers of Co layer / Ti layer are previously formed on a semiconductor substrate. afterwards,
When heat treatment is applied to these two layers, a single crystal CoSi 2 layer / Si structure can be obtained. At this time, single crystal CoS
A TiO x layer is formed on the surface of the i 2 layer.
【0027】この単結晶CoSi2層の上に単結晶Ti
N層をエピタキシャル成長させるためには、TiN層を
成膜させる装置内で水素プラズマ処理を行い、単結晶C
oSi2層表面のTiOxを還元して除去する必要があ
る。そして、引き続き、単結晶TiN層をCVD法で連
続的に成膜することによって、単結晶TiN層/単結晶
CoSi2層/Si構造を得ることができる。A single crystal Ti is formed on the single crystal CoSi 2 layer.
In order to epitaxially grow the N layer, hydrogen plasma treatment is performed in the apparatus for forming the TiN layer, and the single crystal C
It is necessary to reduce and remove TiO x on the surface of the oSi 2 layer. Then, by continuously forming a single crystal TiN layer by a CVD method, a single crystal TiN layer / single crystal CoSi 2 layer / Si structure can be obtained.
【0028】ここで、単結晶TiN層をエピタキシャル
成長させるためには、成膜前の真空度も重要な要素とな
る。気体運動論によると、温度T゜K、圧力P(toor)
の雰囲気において単位面積(1cm2)に分子量Mの分
子が毎秒衝突する数Nは、 N=2.89×1022P(MT)-1/2cm-2s-1 ・・・式(1) で表わすことができる。Here, the degree of vacuum before film formation is also an important factor for epitaxially growing the single crystal TiN layer. According to gas kinetics, temperature T ° K, pressure P (toor)
The number N of the molecules having the molecular weight M colliding with the unit area (1 cm 2 ) per second in the atmosphere of N is 2.89 × 10 22 P (MT) −1/2 cm −2 s −1 (Equation (1 ) Can be represented.
【0029】単結晶TiN層成膜装置のチャンバー内に
おける、CVD原料ガス導入前の真空度が0.133P
a(1×10-3toor)の場合、式(1)から、例えば、
室温(25゜C)において、酸素分子は、シリコン半導
体基板1cm2当り、3.0×1017個/秒衝突する。The degree of vacuum before introducing the CVD source gas is 0.133 P in the chamber of the single crystal TiN layer forming apparatus.
In the case of a (1 × 10 −3 toor), from equation (1), for example,
At room temperature (25 ° C.), oxygen molecules collide with 1 cm 2 of the silicon semiconductor substrate at 3.0 × 10 17 molecules / sec.
【0030】分子間距離は0.24nm(原子間距離+
原子直径)程度である。従って、単位面積(1cm2)
内の1レイヤー当り、(0.01/0.24×10-9)
2=1.74×1015個/cm2の酸素分子が存在する。
半導体基板に衝突する酸素分子の全てが単結晶CoSi
2層の表面に吸着すると仮定すると、1.74×1015
/3.0×1017=約0.0058秒で1レイヤーの酸
素分子層が形成される。The intermolecular distance is 0.24 nm (interatomic distance +
Atomic diameter). Therefore, unit area (1 cm 2 )
1 layer per inner, (0.01 / 0.24 × 10- 9 )
2 = 1.74 × 10 15 oxygen molecules / cm 2 exist.
All of the oxygen molecules that collide with the semiconductor substrate are single crystal CoSi
Assuming adsorption on the surface of two layers, 1.74 × 10 15
/3.0×10 17 = A layer of oxygen molecules is formed in about 0.0058 seconds.
【0031】10レイヤーのTiNを1分間で成長させ
るとすれば、この間、半導体基板表面を清浄な状態に保
つ必要がある。そのためには、1分間以上の間、半導体
基板表面に酸素分子層を1レイヤーも形成させないレベ
ルの真空度に成膜装置のチャンバーを保つ必要がある。
言い換えれば、酸素分子層が1レイヤー形成されるのに
要する時間を1分間以上とする必要がある。式(1)か
ら、1秒間に2.9×1013個/秒以下の酸素分子が単
結晶CoSi2層に衝突するような真空度が必要とな
る。即ち、1.3×10-5Pa以下の真空度を保てば清
浄な半導体基板表面上に単結晶TiN層を形成できるこ
とになる。If 10 layers of TiN are grown for 1 minute, the surface of the semiconductor substrate must be kept clean during this period. To this end, it is necessary to keep the chamber of the film forming apparatus at a vacuum level at which no oxygen molecular layer is formed on the surface of the semiconductor substrate for one minute or more.
In other words, it is necessary to set the time required for forming one oxygen molecular layer to be 1 minute or more. From the formula (1), the degree of vacuum is required so that 2.9 × 10 13 / second or less oxygen molecules collide with the single crystal CoSi 2 layer per second. That is, a single crystal TiN layer can be formed on a clean semiconductor substrate surface by maintaining a vacuum degree of 1.3 × 10 −5 Pa or less.
【0032】[0032]
【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。尚、実施例1においては、接続孔の底部
にエピタキシャル成長法にて単結晶TiN層を形成して
いる。また、実施例2及び実施例3においては、ソース
・ドレイン領域にエピタキシャル成長法にて単結晶Ti
N層を形成している。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described based on embodiments with reference to the drawings. In Example 1, the single crystal TiN layer is formed on the bottom of the contact hole by the epitaxial growth method. In the second and third embodiments, single crystal Ti is epitaxially grown on the source / drain regions.
The N layer is formed.
【0033】(実施例1)実施例1は、MOS型トラン
ジスタの製造に本発明の配線構造及び配線形成方法を適
用した例である。(Example 1) Example 1 is an example in which the wiring structure and the wiring forming method of the present invention are applied to the manufacture of a MOS transistor.
【0034】実施例1の配線構造は、図1に模式的な一
部断面図を示すように、半導体基板10に形成された下
層導体領域18と、下層導体領域18を被覆する絶縁層
22A,22B上に形成された上層配線層32と、下層
導体層18と上層配線層32とを電気的に接続する接続
孔28とから成る。そして、接続孔28の底部には、半
導体基板側から、単結晶CoSi2層20及び単結晶T
iN層26が形成されていることを特徴とする。下層導
体領域18は、具体的にはソース・ドレイン領域であ
る。半導体基板10はシリコン半導体基板から成り、そ
の方位は(100)である。図1中、12は素子分離領
域、14はゲート電極、30はバリア層である。As shown in the schematic partial cross-sectional view of FIG. 1, the wiring structure of the first embodiment has a lower conductor region 18 formed on the semiconductor substrate 10 and an insulating layer 22A for covering the lower conductor region 18. The upper wiring layer 32 is formed on the upper layer 22B, and the connection hole 28 electrically connects the lower conductor layer 18 and the upper wiring layer 32. Then, at the bottom of the connection hole 28, from the semiconductor substrate side, the single crystal CoSi 2 layer 20 and the single crystal T are formed.
The iN layer 26 is formed. The lower layer conductor region 18 is specifically a source / drain region. The semiconductor substrate 10 is made of a silicon semiconductor substrate and its orientation is (100). In FIG. 1, 12 is an element isolation region, 14 is a gate electrode, and 30 is a barrier layer.
【0035】図1に示した実施例1の配線構造の形成方
法を、図2及び図3を参照して、以下説明する。A method of forming the wiring structure of Example 1 shown in FIG. 1 will be described below with reference to FIGS.
【0036】[工程−100]先ず、方位(100)を
有するシリコン半導体基板10上に、従来の方法に基づ
き、素子分離領域12及びゲート電極14を形成する。
次いで、LDD構造を形成するためにイオン注入を行
う。その後、ゲートサイドウォール16を形成するため
に、全面にSiO2膜をCVD法にて形成する。SiO2
膜の形成条件を、例えば以下のとおりとすることができ
る。 使用ガス : SiH4/O2/N2=250/250/
100sccm 温度 : 420゜C 圧力 : 13.3Pa 膜厚 : 0.25μm[Step-100] First, the element isolation region 12 and the gate electrode 14 are formed on the silicon semiconductor substrate 10 having the orientation (100) by a conventional method.
Then, ion implantation is performed to form an LDD structure. Then, in order to form the gate sidewall 16, a SiO 2 film is formed on the entire surface by the CVD method. SiO 2
The film forming conditions can be set as follows, for example. Gas used: SiH 4 / O 2 / N 2 = 250/250 /
100 sccm Temperature: 420 ° C Pressure: 13.3 Pa Film thickness: 0.25 μm
【0037】その後、例えば以下の条件でSiO2膜を
全面エッチバックして、ゲート電極14の側壁にゲート
サイドウォール16を形成する。 使用ガス : C4F8=50sccm RFパワー: 1200W 圧力 : 2PaAfter that, the SiO 2 film is etched back under the following conditions, for example, to form the gate sidewall 16 on the sidewall of the gate electrode 14. Gas used: C 4 F 8 = 50 sccm RF power: 1200 W Pressure: 2 Pa
【0038】次いで、ソース・ドレイン領域を形成のた
めの不純物イオン注入を例えば以下の条件で行い、ソー
ス・ドレイン領域から成る下層導体領域18を形成する
(図2の(A)参照)。 [Nチャネル形成の場合] イオン種 : As 20KeV 5×1015/cm2 [Pチャネル形成の場合] イオン種 : BF2 20KeV 3×1015/cm2 Next, impurity ion implantation for forming the source / drain regions is performed, for example, under the following conditions to form the lower layer conductor region 18 composed of the source / drain regions (see FIG. 2A). [In case of N channel formation] Ion species: As 20 KeV 5 × 10 15 / cm 2 [In case of P channel formation] Ion species: BF 2 20 KeV 3 × 10 15 / cm 2
【0039】[工程−110]次に、ソース・ドレイン
領域から成る下層導体領域18の表面に単結晶CoSi
2層20を形成する。そのために、先ず、例えば以下の
条件でスパッタ法にて全面に厚さ5nmのTi層を形成
する。 プロセスガス : Ar=100sccm パワー : 1kW 成膜温度 : 150゜C 圧力 : 0.47Pa[Step-110] Next, single crystal CoSi is formed on the surface of the lower conductor region 18 composed of the source / drain regions.
Two layers 20 are formed. Therefore, first, a Ti layer having a thickness of 5 nm is formed on the entire surface by the sputtering method under the following conditions, for example. Process gas: Ar = 100 sccm Power: 1 kW Film forming temperature: 150 ° C Pressure: 0.47 Pa
【0040】更に、連続してCo層をスパッタ法にて、
例えば以下の条件で形成する。 プロセスガス : Ar=100sccm パワー : 3kW 成膜温度 : 150゜C 圧力 : 0.47PaFurther, a Co layer is continuously sputtered,
For example, it is formed under the following conditions. Process gas: Ar = 100 sccm Power: 3 kW Film formation temperature: 150 ° C Pressure: 0.47 Pa
【0041】その後、シリサイド化反応によりCo層か
ら単結晶CoSi2層20を形成するために、熱処理を
行う。熱処理の条件を、例えば、窒素ガス(1気圧)雰
囲気中で、600゜C×60秒とする。これによって、
Coと半導体基板中のSiとが反応して、CoSiXが
形成される。その後、塩酸と過酸化水素水と純水の混合
溶液に10分間半導体基板全体を浸漬することによっ
て、未反応のTi及びCoを選択的に除去する。その
後、例えば、窒素ガス(1気圧)雰囲気中で、850゜
C×60秒の熱処理を行い、CoSiXを安定なCoS
i2とする。こうして、ソース・ドレイン領域から成る
下層導体領域18の表面にCoSi2層20が形成され
る(図2の(B)参照)。尚、CoSi2層20が形成
される際、その表面にはTiOXから成る自然酸化膜
(図示せず)が形成されるが、この自然酸化膜は後の水
素プラズマ処理工程によって除去する。Then, heat treatment is performed to form the single crystal CoSi 2 layer 20 from the Co layer by the silicidation reaction. The heat treatment condition is, for example, 600 ° C. × 60 seconds in a nitrogen gas (1 atm) atmosphere. by this,
Co reacts with Si in the semiconductor substrate to form CoSi x . Then, the unreacted Ti and Co are selectively removed by immersing the entire semiconductor substrate in a mixed solution of hydrochloric acid, hydrogen peroxide and pure water for 10 minutes. Then, for example, nitrogen gas (1 atm) atmosphere, a heat treatment of 850 ° C × 60 seconds, a stable CoS the CoSi X
i 2 . Thus, the CoSi 2 layer 20 is formed on the surface of the lower conductor region 18 including the source / drain regions (see FIG. 2B). When the CoSi 2 layer 20 is formed, a natural oxide film (not shown) made of TiO x is formed on the surface of the CoSi 2 layer 20. The natural oxide film is removed by a hydrogen plasma treatment process which will be described later.
【0042】[工程−120]その後、全面にSiO2
から成る絶縁層22Aを例えば、TEOSを用いたCV
D法にて形成する。絶縁層22Aの形成条件を、例え
ば、 使用ガス : TEOS=50sccm 圧力 : 40Pa 温度 : 720゜C 膜厚 : 400nm とすることができる。更に、絶縁層22Aの上に更にB
PSGから成る絶縁層22Bを、例えば以下の条件にて
形成する。 使用ガス : SiH4/PH3/B2H6/O2/N2=8
0/7/7/1000/32000sccm 温度 : 400゜C 圧力 : 1.0×105Pa 膜厚 : 500nm[Step-120] After that, SiO 2 is formed on the entire surface.
The insulating layer 22A made of, for example, CV using TEOS
It is formed by the D method. The conditions for forming the insulating layer 22A can be, for example, used gas: TEOS = 50 sccm pressure: 40 Pa temperature: 720 ° C. film thickness: 400 nm. Furthermore, B is further formed on the insulating layer 22A.
The insulating layer 22B made of PSG is formed under the following conditions, for example. Gas used: SiH 4 / PH 3 / B 2 H 6 / O 2 / N 2 = 8
0/7/7/1000 / 32000sccm Temperature: 400 ° C Pressure: 1.0 × 10 5 Pa Film thickness: 500 nm
【0043】次いで、熱処理を施して絶縁層の表面を平
坦化した後、絶縁層22A,22Bにレジストパターニ
ングを行い、次いでドライエッチング法にて絶縁層22
A,22Bに開口部24を形成する(図2の(C)参
照)。ドライエッチングの条件を、例えば以下のとおり
とすることができる。 使用ガス : C4F8=50sccm RFパワー : 1200W 圧力 : 2PaNext, after heat treatment is applied to flatten the surface of the insulating layer, resist patterning is performed on the insulating layers 22A and 22B, and then the insulating layer 22 is dry-etched.
The openings 24 are formed in A and 22B (see FIG. 2C). The conditions of dry etching can be set as follows, for example. Gas used: C 4 F 8 = 50 sccm RF power: 1200 W Pressure: 2 Pa
【0044】その後、イオン注入を行うことにより、接
合領域を形成する。イオン注入の条件を、以下に例示す
る。 [Nチャネルを形成する場合] イオン種 : As 20KeV 5×1015/cm2 [Pチャネルを形成する場合] イオン種 : BF2 20KeV 3×1015/cm2 次いで、1050゜C×5秒の活性化アニールを行う。After that, a junction region is formed by performing ion implantation. The conditions of ion implantation are illustrated below. [In case of forming N channel] Ion species: As 20 KeV 5 × 10 15 / cm 2 [In case of forming P channel] Ion species: BF 2 20 KeV 3 × 10 15 / cm 2 and then at 1050 ° C. × 5 seconds Perform activation annealing.
【0045】[工程−130]次に開口部24の底部に
単結晶TiN層26を形成する。そのために、先ず、
[工程−110]までの処理が行われた基板をECRC
VD装置に搬入する。ここで、ECRCVD装置は、単
結晶TiN層をエピタキシャル成長させる前の雰囲気の
真空度が1.3×10-5Pa以下となるような装置を使
用する。ECRCVD装置に基板を搬入した後、開口部
24の底部に露出したCoSi2層20の表面に存在す
る自然酸化膜等を、例えば以下の条件の水素プラズマ処
理によって還元し、除去する。 使用ガス : H2/Ar=26/60sccm マイクロ波パワー: 2.8kW[Step-130] Next, a single crystal TiN layer 26 is formed on the bottom of the opening 24. For that purpose, first,
ECRC is performed on the substrate that has been processed up to [Step-110].
Bring in the VD device. Here, the ECRCVD apparatus is used such that the degree of vacuum of the atmosphere before epitaxially growing the single crystal TiN layer is 1.3 × 10 −5 Pa or less. After the substrate is loaded into the ECRCVD apparatus, the natural oxide film and the like existing on the surface of the CoSi 2 layer 20 exposed at the bottom of the opening 24 is reduced and removed by hydrogen plasma treatment under the following conditions, for example. Gas used: H 2 / Ar = 26/60 sccm Microwave power: 2.8 kW
【0046】次に、ECRCVD法にて単結晶TiN層
26を形成する。単結晶TiN層26の形成条件を、例
えば以下のとおりとすることができる。尚、第1成膜段
階において単結晶CoSi2層20の表面にTiNの核
を形成し、第2成膜段階において、この核から単結晶T
iNを成長させる。第1成膜段階においては、単結晶T
iNを10モノレイヤー/分又はそれ以下の成長速度で
エピタキシャル成長させることが望ましい。第1成膜段
階を設けることによって第2成膜段階における単結晶T
iN層の成長速度を早くすることができる。 [第1成膜段階の条件] 使用ガス : TiCl4/H2/N2=2/2.
6/0.8sccm 温度 : 750゜C 膜厚 : 0.5nm 圧力 : 6.6×10-4Pa マイクロ波パワー: 2.8kW [第2成膜段階の条件] 使用ガス : TiCl4/H2/N2=20/2
6/8sccm 温度 : 750゜C 膜厚 : 70nm 圧力 : 0.12Pa マイクロ波パワー: 2.8kW これによって、エピタキシャル成長した単結晶TiN層
26が開口部24の底部を含む絶縁層22Bの全面に形
成される(図3の(A)参照)。尚、実施例1において
は、成膜時の温度は700〜1250゜Cとすることが
望ましい。尚、単結晶TiN層の形成条件によっては、
単結晶TiN層26が絶縁層22B上で完全なるエピタ
キシャル成長しない場合があるが、本発明の目的を十分
達成することができるので、差し支えない。Next, the single crystal TiN layer 26 is formed by the ECRCVD method. The conditions for forming the single crystal TiN layer 26 can be set as follows, for example. Incidentally, a TiN nucleus is formed on the surface of the single crystal CoSi 2 layer 20 in the first film forming step, and the single crystal T is formed from this nucleus in the second film forming step.
Grow iN. In the first film forming stage, single crystal T
It is desirable to grow iN epitaxially at a growth rate of 10 monolayers / minute or less. By providing the first film formation step, the single crystal T in the second film formation step
The growth rate of the iN layer can be increased. [Conditions for the First Film Forming Stage] Working gas: TiCl 4 / H 2 / N 2 = 2/2.
6 / 0.8 sccm Temperature: 750 ° C Film thickness: 0.5 nm Pressure: 6.6 × 10 −4 Pa Microwave power: 2.8 kW [Conditions for the second film forming stage] Working gas: TiCl 4 / H 2 / N 2 = 20/2
6/8 sccm Temperature: 750 ° C Film thickness: 70 nm Pressure: 0.12 Pa Microwave power: 2.8 kW As a result, the epitaxially grown single crystal TiN layer 26 is formed on the entire surface of the insulating layer 22B including the bottom of the opening 24. (See FIG. 3A). In Example 1, it is desirable that the temperature during film formation be 700 to 1250 ° C. Incidentally, depending on the formation conditions of the single crystal TiN layer,
The single crystal TiN layer 26 may not be completely epitaxially grown on the insulating layer 22B, but this is sufficient because the object of the present invention can be sufficiently achieved.
【0047】[工程−140]その後、金属配線材料を
開口部24内に埋め込み、接続孔28を形成する。実施
例1においては、金属配線材料としてタングステン
(W)を使用した。即ち、例えば以下の条件のCVD法
にて、タングステンを単結晶TiN層26の上に堆積さ
せる。絶縁層22B上のタングステン層の厚さを400
nmとした。 使用ガス : WF6/H2=95/550sccm 温度 : 450゜C 圧力 : 1.1×104Pa[Step-140] After that, a metal wiring material is embedded in the opening 24 to form the connection hole 28. In Example 1, tungsten (W) was used as the metal wiring material. That is, for example, tungsten is deposited on the single crystal TiN layer 26 by the CVD method under the following conditions. The thickness of the tungsten layer on the insulating layer 22B is set to 400
nm. Gas used: WF 6 / H 2 = 95/550 sccm Temperature: 450 ° C Pressure: 1.1 × 10 4 Pa
【0048】次いで、エッチバックを行い、絶縁層22
B上のタングステン層及び単結晶TiN層26を除去
し、開口部24内のみにタングステン層及び単結晶Ti
N層26を残す。こうして接続孔28が完成する(図3
の(B)参照)。尚、エッチバックの条件を以下に例示
する。 使用ガス : SF6=50sccm マイクロ波パワー: 850W RFパワー : 150W 圧力 : 1.33PaThen, etch back is performed to form the insulating layer 22.
The tungsten layer and the single crystal TiN layer 26 on B are removed, and the tungsten layer and the single crystal Ti are formed only in the opening 24.
The N layer 26 is left. In this way, the connection hole 28 is completed (FIG. 3).
(B)). The conditions of etch back are illustrated below. Gas used: SF 6 = 50 sccm Microwave power: 850W RF power: 150W Pressure: 1.33Pa
【0049】[工程−150]その後、スパッタ法にて
バリア層30及び上層配線層32を形成する。実施例1
においては、バリア層30は、下からTi層(厚さ30
nm)/TiON層(厚さ70nm)の2層構造であ
る。また、上層配線層32はAl−1%Si(厚さ50
0nm)から成る。各層のスパッタ条件を、以下に例示
する。 [Ti成膜条件] プロセスガス : Ar=100sccm パワー : 4kW 成膜温度 : 150゜C 圧力 : 0.47Pa [TiON成膜条件] プロセスガス : Ar/N2−6%O2=40/70sc
cm パワー : 5kW 圧力 : 0.47Pa [Al−1%Si成膜条件] プロセスガス : Ar=40sccm パワー : 22.5kW 成膜温度 : 150゜C 圧力 : 0.47Pa[Step-150] After that, the barrier layer 30 and the upper wiring layer 32 are formed by the sputtering method. Example 1
In the above, the barrier layer 30 is a Ti layer (thickness 30
nm) / TiON layer (thickness 70 nm). The upper wiring layer 32 is made of Al-1% Si (thickness: 50%).
0 nm). The sputtering conditions for each layer are illustrated below. [Ti film forming condition] Process gas: Ar = 100 sccm Power: 4 kW Film forming temperature: 150 ° C Pressure: 0.47 Pa [TiON film forming condition] Process gas: Ar / N 2 -6% O 2 = 40/70 sc
cm Power: 5 kW Pressure: 0.47 Pa [Al-1% Si film forming condition] Process gas: Ar = 40 sccm Power: 22.5 kW Film forming temperature: 150 ° C Pressure: 0.47 Pa
【0050】その後、レジストパターニング及びドライ
エッチングを行い、上層配線層32及びバリア層30を
所望の配線パターン形状とする。ドライエッチングの条
件を以下に例示する。 使用ガス : BCl3/Cl2=60/90sccm マイクロ波パワー: 1000W RFパワー : 50W 圧力 : 0.016PaThereafter, resist patterning and dry etching are performed to form the upper wiring layer 32 and the barrier layer 30 into desired wiring pattern shapes. The conditions of dry etching are illustrated below. Gas used: BCl 3 / Cl 2 = 60/90 sccm Microwave power: 1000W RF power: 50W Pressure: 0.016Pa
【0051】こうして、図1に示す配線構造を形成する
ことができる。ソース・ドレイン領域から成る下層導体
領域18の表面には単結晶CoSi2層20が形成され
ており、下層導体領域18の低シート抵抗化を図ること
ができる。また、単結晶CoSi2層20の上には、バ
リア性に優れた単結晶TiN層26が形成されている。
単結晶TiN層26を形成する前に水素プラズマ処理に
よって自然酸化膜等を除去する際、既にCoSi2層2
0が形成されているので、シリコン結晶内に水素原子が
入り込むことを抑制することができる。更には、単結晶
TiN層26の形成の際、窒素プラズマにシリコン半導
体基板表面が晒されることがなく、SiN膜の形成を防
止することができる。Thus, the wiring structure shown in FIG. 1 can be formed. The single crystal CoSi 2 layer 20 is formed on the surface of the lower conductor region 18 formed of the source / drain regions, and the lower sheet resistance of the lower conductor region 18 can be achieved. Further, a single crystal TiN layer 26 having an excellent barrier property is formed on the single crystal CoSi 2 layer 20.
When the natural oxide film or the like is removed by hydrogen plasma treatment before forming the single crystal TiN layer 26, the CoSi 2 layer 2 is already formed.
Since 0 is formed, entry of hydrogen atoms into the silicon crystal can be suppressed. Further, when the single crystal TiN layer 26 is formed, the surface of the silicon semiconductor substrate is not exposed to the nitrogen plasma, and the formation of the SiN film can be prevented.
【0052】(実施例2)実施例1においては、単結晶
TiN層26は開口部24の底部において単結晶CoS
i2層20と接している。これに対して、実施例2にお
いては、単結晶TiN層は単結晶CoSi2層の上に全
面に形成される。また、実施例1においては、開口部2
4内にタングステンを埋め込んで接続孔28を形成し
た。これに対して、実施例2においては、上層配線層を
アルミニウム系配線材料のスパッタリングにて形成する
際、併せて開口部24内をアルミニウム系配線材料で埋
め込み接続孔28を形成する。Example 2 In Example 1, the single crystal TiN layer 26 has a single crystal CoS layer at the bottom of the opening 24.
It is in contact with the i 2 layer 20. On the other hand, in Example 2, the single crystal TiN layer is formed on the entire surface of the single crystal CoSi 2 layer. In addition, in Example 1, the opening 2
4 was filled with tungsten to form the connection hole 28. On the other hand, in the second embodiment, when the upper wiring layer is formed by sputtering the aluminum-based wiring material, the buried connection hole 28 is also formed in the opening 24 with the aluminum-based wiring material.
【0053】[工程−200]先ず、方位(100)を
有するシリコン半導体基板10上に、従来の方法に基づ
き、素子分離領域12及びゲート電極14を形成し、次
いで、LDD構造の形成、ゲートサイドウォール16の
形成、ソース・ドレイン領域から成る下層導体領域18
の形成を行う。これらの形成条件は、実施例1の[工程
−100]と同様とすることができる。[Step-200] First, the element isolation region 12 and the gate electrode 14 are formed on the silicon semiconductor substrate 10 having the orientation (100) by the conventional method, and then the LDD structure is formed and the gate side is formed. Formation of wall 16 and lower layer conductor region 18 including source / drain regions
Formation. These forming conditions can be the same as those in [Process-100] of the first embodiment.
【0054】[工程−210]次に、ソース・ドレイン
領域から成る下層導体領域18の表面に単結晶CoSi
2層20を形成する。この工程も、実施例1の[工程−
110]と同様とすることができる。[Step-210] Next, single crystal CoSi is formed on the surface of the lower conductor region 18 composed of the source / drain regions.
Two layers 20 are formed. This step also corresponds to [Step-
110].
【0055】[工程−220]その後、単結晶CoSi
2層20の上に単結晶TiN層40を形成する。そのた
めに、先ず、実施例1の[工程−130]にて説明した
水素プラズマ処理を行い、単結晶CoSi2層20の表
面に形成された自然酸化膜等を除去する。次に、ECR
CVD法によって単結晶TiN層40を単結晶CoSi
2層20上のみに選択的に形成する。成膜時の温度を実
施例1の[工程−130]よりも低くすることによっ
て、単結晶TiN層40は単結晶CoSi2層20上の
みに選択的に形成される。成膜時に基板バイアスを印加
させることによりTiNの単結晶化を一層促進させるこ
とが望ましい。単結晶TiN層40の形成条件を、例え
ば以下のとおりとすることができる。尚、第1成膜段階
においてCoSi2層20の表面にTiNの核を形成
し、第2成膜段階において、この核から単結晶TiNを
成長させる。 [第1成膜段階の条件] 使用ガス : TiCl4/H2/N2=2/2.
6/0.8sccm 温度 : 300゜C 膜厚 : 0.5nm 圧力 : 6.6×10-4Pa マイクロ波パワー: 2.8kW [第2成膜段階の条件] 使用ガス : TiCl4/H2/N2=20/2
6/8sccm 温度 : 300゜C 膜厚 : 70nm 圧力 : 0.12Pa マイクロ波パワー: 2.8kW これによって、エピタキシャル成長した単結晶TiN層
40が単結晶CoSi2層20の上に形成される(図4
の(A)参照)。尚、ゲート電極14の上部には多結晶
TiN層40Aが形成される。また、上記の成膜条件で
は、素子分離領域12の上にはTiN層は形成されな
い。[Step-220] Then, single crystal CoSi
A single crystal TiN layer 40 is formed on the two layers 20. Therefore, first, the hydrogen plasma treatment described in [Step-130] of Example 1 is performed to remove the natural oxide film and the like formed on the surface of the single crystal CoSi 2 layer 20. Then ECR
The single crystal TiN layer 40 is formed into a single crystal CoSi by the CVD method.
It is selectively formed only on the two layers 20. By setting the temperature at the time of film formation to be lower than that in [Step-130] of Example 1, the single crystal TiN layer 40 is selectively formed only on the single crystal CoSi 2 layer 20. It is desirable to further promote TiN single crystallization by applying a substrate bias during film formation. The conditions for forming the single crystal TiN layer 40 can be set as follows, for example. Note that TiN nuclei are formed on the surface of the CoSi 2 layer 20 in the first film forming step, and single crystal TiN is grown from the nuclei in the second film forming step. [Conditions for the First Film Forming Stage] Working gas: TiCl 4 / H 2 / N 2 = 2/2.
6 / 0.8 sccm Temperature: 300 ° C Film thickness: 0.5 nm Pressure: 6.6 × 10 −4 Pa Microwave power: 2.8 kW [Conditions for the second film formation stage] Working gas: TiCl 4 / H 2 / N 2 = 20/2
6/8 sccm temperature: 300 ° C. film thickness: 70 nm pressure: 0.12 Pa microwave power: 2.8 kW As a result, the epitaxially grown single crystal TiN layer 40 is formed on the single crystal CoSi 2 layer 20 (FIG. 4).
(A)). A polycrystalline TiN layer 40A is formed on the gate electrode 14. Further, under the above film forming conditions, the TiN layer is not formed on the element isolation region 12.
【0056】[工程−230]次に、実施例1の[工程
−120]と同様に、全面に絶縁層22A,22Bを形
成した後、絶縁層22A,22Bに開口部24を形成し
(図4の(B)参照)、イオン注入を行って接合領域を
形成し、1050゜C×5秒の活性化アニールを行う。[Step-230] Next, in the same manner as in [Step-120] of Example 1, after forming the insulating layers 22A and 22B on the entire surface, the openings 24 are formed in the insulating layers 22A and 22B (see FIG. 4 (B)), ion implantation is performed to form a junction region, and activation annealing is performed at 1050 ° C. × 5 seconds.
【0057】[工程−240]次いで、スパッタ法にて
Tiから成る厚さ30nmの下地層42を開口部24を
含む絶縁層22B上に形成し、続いて、高温アルミニウ
ムスパッタ法にて下地層42上にAl−1%Siから成
る厚さ500nmの上層配線層44を形成する。下地層
42及び上層配線層44の形成条件を、例えば以下のと
おりとすることができる。 [下地層の形成条件] プロセスガス : Ar=100sccm パワー : 4kW 成膜温度 : 150゜C 圧力 : 0.47Pa [上層配線層の形成条件] プロセスガス : Ar=40sccm パワー : 22.5kW 成膜温度 : 500゜C 圧力 : 0.47Pa[Step-240] Next, an underlayer 42 made of Ti and having a thickness of 30 nm is formed on the insulating layer 22B including the opening 24 by the sputtering method, and then the underlayer 42 is formed by the high temperature aluminum sputtering method. An upper wiring layer 44 made of Al-1% Si and having a thickness of 500 nm is formed thereon. The formation conditions of the base layer 42 and the upper wiring layer 44 can be set as follows, for example. [Formation conditions of base layer] Process gas: Ar = 100 sccm Power: 4 kW Film formation temperature: 150 ° C Pressure: 0.47 Pa [Formation conditions of upper wiring layer] Process gas: Ar = 40 sccm Power: 22.5 kW Film formation temperature : 500 ° C Pressure: 0.47Pa
【0058】その後、実施例1の[工程−150]と同
様に、レジストパターニング及びドライエッチングを行
い、上層配線層44及び下地層42を所望の配線パター
ン形状とする。Thereafter, similar to [Step-150] of the first embodiment, resist patterning and dry etching are performed to form the upper wiring layer 44 and the underlying layer 42 into desired wiring pattern shapes.
【0059】(実施例3)実施例3は実施例2の変形で
ある。実施例2においては、単結晶TiN層40を選択
的に単結晶CoSi2層20上に形成した。実施例3に
おいては、単結晶CoSi2層を含む半導体基板の全面
にTiN層を形成し、その後、単結晶CoSi2層上の
単結晶TiN層、及び配線部として使用する単結晶Ti
N層を残し、TiN層の他の部分を除去する。(Embodiment 3) Embodiment 3 is a modification of Embodiment 2. In Example 2, the single crystal TiN layer 40 was selectively formed on the single crystal CoSi 2 layer 20. In Example 3, the entire surface of the semiconductor substrate including a single crystal CoSi 2 layer to form a TiN layer, then, the single-crystal CoSi 2 layer on the single crystal TiN layer, and single crystal Ti used as a wiring portion
The N layer is left and the other part of the TiN layer is removed.
【0060】[工程−300]先ず、方位(100)を
有するシリコン半導体基板10上に、従来の方法に基づ
き、素子分離領域12及びゲート電極14を形成し、次
いで、LDD構造の形成、ゲートサイドウォール16の
形成、ソース・ドレイン領域から成る下層導体領域18
の形成を行う。これらの形成条件は、実施例1の[工程
−100]と同様とすることができる。[Step-300] First, the element isolation region 12 and the gate electrode 14 are formed on the silicon semiconductor substrate 10 having the orientation (100) by the conventional method, and then the LDD structure is formed and the gate side is formed. Formation of wall 16 and lower layer conductor region 18 including source / drain regions
Formation. These forming conditions can be the same as those in [Process-100] of the first embodiment.
【0061】[工程−310]次に、ソース・ドレイン
領域から成る下層導体領域18の表面に単結晶CoSi
2層20を形成する。この工程も、実施例1の[工程−
110]と同様とすることができる。[Step-310] Next, single crystal CoSi is formed on the surface of the lower conductor region 18 composed of the source / drain regions.
Two layers 20 are formed. This step also corresponds to [Step-
110].
【0062】[工程−320]その後、単結晶CoSi
2層20の上に単結晶TiN層40を形成する。また、
単結晶CoSi2層以外の領域にも単結晶TiN層40
Aを形成する。そのために、先ず、実施例1の[工程−
130]にて説明した水素プラズマ処理を行い、単結晶
CoSi2層20の表面に形成された自然酸化膜を除去
する。次に、ECRCVD法によって単結晶CoSi2
層20上に単結晶TiN層40を形成し、併せて、他の
領域にも単結晶TiN層40Aを形成する。尚、単結晶
TiN層の形成条件によっては、単結晶TiN層40A
は他の領域(例えば素子分離領域12)上で完全なるエ
ピタキシャル成長しない場合があるが、本発明の目的を
十分達成することができるので、差し支えない。[Step-320] After that, single crystal CoSi
A single crystal TiN layer 40 is formed on the two layers 20. Also,
The single crystal TiN layer 40 is formed in the region other than the single crystal CoSi 2 layer.
Form A. For that purpose, first, [Step-
130], the natural plasma film formed on the surface of the single crystal CoSi 2 layer 20 is removed. Next, single crystal CoSi 2 was formed by the ECRCVD method.
The single crystal TiN layer 40 is formed on the layer 20, and the single crystal TiN layer 40A is also formed in other regions. The single crystal TiN layer 40A may be formed depending on the formation conditions of the single crystal TiN layer.
May not completely epitaxially grow on another region (for example, the element isolation region 12), but the object of the present invention can be sufficiently achieved, and therefore, there is no problem.
【0063】成膜時の温度を実施例2の[工程−22
0]よりも高くすることによって、単結晶TiN層40
が単結晶CoSi2層20上に形成され、しかも、他の
領域にも単結晶TiN層40Aが形成される。成膜時に
基板バイアスを印加させることによりTiNの単結晶化
を一層促進させることが望ましい。TiN層40,40
Aの形成条件を、例えば以下のとおりとすることができ
る。尚、第1成膜段階においてCoSi2層20等の表
面にTiNの核を形成し、第2成膜段階において、この
核から単結晶TiN層を成長させる。 [第1成膜段階の条件] 使用ガス : TiCl4/H2/N2=2/2.
6/0.8sccm 温度 : 750゜C 膜厚 : 0.5nm 圧力 : 6.6×10-4Pa マイクロ波パワー: 2.8kW 基板RFバイアス: −50W [第2成膜段階の条件] 使用ガス : TiCl4/H2/N2=20/2
6/8sccm 温度 : 750゜C 膜厚 : 70nm 圧力 : 0.12Pa マイクロ波パワー: 2.8kW 基板RFバイアス: −50W これによって、エピタキシャル成長した単結晶TiN層
40が単結晶CoSi2層20の上に形成され、他の領
域にも単結晶TiN層40Aが形成される。The temperature at the time of film formation was set to [Step-22 in Example 2].
0], the single crystal TiN layer 40
Is formed on the single crystal CoSi 2 layer 20, and the single crystal TiN layer 40A is also formed in other regions. It is desirable to further promote TiN single crystallization by applying a substrate bias during film formation. TiN layers 40, 40
The conditions for forming A can be set as follows, for example. Incidentally, a TiN nucleus is formed on the surface of the CoSi 2 layer 20 or the like in the first film forming step, and a single crystal TiN layer is grown from this nucleus in the second film forming step. [Conditions for the First Film Forming Stage] Working gas: TiCl 4 / H 2 / N 2 = 2/2.
6 / 0.8 sccm Temperature: 750 ° C Film thickness: 0.5 nm Pressure: 6.6 × 10 −4 Pa Microwave power: 2.8 kW Substrate RF bias: −50 W [Conditions for the second film formation stage] Working gas : TiCl 4 / H 2 / N 2 = 20/2
6/8 sccm Temperature: 750 ° C Film thickness: 70 nm Pressure: 0.12 Pa Microwave power: 2.8 kW Substrate RF bias: -50 W As a result, the epitaxially grown single crystal TiN layer 40 is formed on the single crystal CoSi 2 layer 20. The single crystal TiN layer 40A is also formed in the other regions.
【0064】[工程−330]その後、レジストパター
ニング後ドライエッチングすることによって、不要な単
結晶TiN層40Aを除去し、配線部として必要な単結
晶TiN層40Aを残す。ドライエッチングの条件を、
例えば以下のとおりとすることができる。 使用ガス : BCl3/Cl2=60/90sccm パワー : 50W 圧力 : 2Pa[Step-330] After that, the unnecessary single crystal TiN layer 40A is removed by dry etching after resist patterning, and the single crystal TiN layer 40A necessary as a wiring portion is left. Dry etching conditions
For example, it can be as follows. Gas used: BCl 3 / Cl 2 = 60/90 sccm Power: 50W Pressure: 2Pa
【0065】[工程−340]次に、実施例1の[工程
−120]と同様に、全面に絶縁層22A,22Bを形
成した後、絶縁層22A,22Bに開口部24を形成
し、イオン注入を行って接合領域を形成し、1050゜
C×5秒の活性化アニールを行う。[Step-340] Next, in the same manner as in [Step-120] of Example 1, after forming the insulating layers 22A and 22B on the entire surface, the openings 24 are formed in the insulating layers 22A and 22B, and the ions are formed. Implantation is performed to form a junction region, and activation annealing is performed at 1050 ° C. for 5 seconds.
【0066】[工程−350]次いで、実施例2の[工
程−240]と同様に、スパッタ法にてTiから成る厚
さ30nmの下地層42を開口部24を含む絶縁層22
B上に形成し、続いて、高温アルミニウムスパッタ法に
て下地層42上にAl−1%Siから成る厚さ500n
mの上層配線層44を形成する。その後、実施例1の
[工程−150]と同様に、レジストパターニング及び
ドライエッチングを行い、上層配線層44及び下地層4
2を所望の配線パターン形状とする。こうして、図5に
模式的な一部断面図を示す配線構造を形成することがで
きる。[Step-350] Next, as in the case of [Step-240] of the second embodiment, the underlayer 42 of Ti having a thickness of 30 nm is formed by the sputtering method on the insulating layer 22 including the opening 24.
B is formed on the underlayer 42 by a high temperature aluminum sputtering method to a thickness of 500 n consisting of Al-1% Si.
The upper wiring layer 44 of m is formed. After that, resist patterning and dry etching are performed in the same manner as in [Step-150] of Example 1 to perform upper wiring layer 44 and base layer 4.
2 is a desired wiring pattern shape. Thus, the wiring structure whose schematic partial cross-sectional view is shown in FIG. 5 can be formed.
【0067】以上、本発明を好ましい実施例に基づき説
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。実施例にて説明した各種条件や数値は例示であ
り、適宜変更することができる。Although the present invention has been described based on the preferred embodiments, the present invention is not limited to these embodiments. The various conditions and numerical values described in the embodiments are examples and can be changed as appropriate.
【0068】絶縁層22A,22Bは、SiO2とBP
SGの組み合わせ以外にも、PSG、BSG、AsS
G、PbSG、SbSG、あるいはSiN等の公知の絶
縁材料、あるいはこれらの絶縁材料の組み合わせから構
成することができる。アルミニウム系配線材料として
は、Al−1%Si以外にも、純Al、あるいはAl−
Si−Cu、Al−Cu、Al−Ge等のAl合金を挙
げることができる。The insulating layers 22A and 22B are made of SiO 2 and BP.
Besides SG combination, PSG, BSG, AsS
It can be made of a known insulating material such as G, PbSG, SbSG, or SiN, or a combination of these insulating materials. As the aluminum-based wiring material, in addition to Al-1% Si, pure Al or Al-
Examples thereof include Al alloys such as Si-Cu, Al-Cu, and Al-Ge.
【0069】実施例1における接続孔の形成方法を実施
例2に説明した接続孔の形成方法に置き換えることがで
きる。即ち、実施例1において、単結晶TiN層26を
形成した後、高温アルミニウムスパッタ法にて単結晶T
iN層26上にAl−1%Siから成る厚さ500nm
の上層配線層32を形成することによって、上層配線層
の形成及び接続孔の形成を行うことができる。The method of forming the connection hole in the first embodiment can be replaced with the method of forming the connection hole described in the second embodiment. That is, in Example 1, after the single crystal TiN layer 26 was formed, the single crystal T was formed by the high temperature aluminum sputtering method.
A thickness of 500 nm made of Al-1% Si on the iN layer 26
By forming the upper wiring layer 32, the upper wiring layer and the connection hole can be formed.
【0070】スパッタ法による各種の層の形成は、マグ
ネトロンスパッタリング装置、DCスパッタリング装
置、RFスパッタリング装置、ECRスパッタリング装
置、また基板バイアスを印加するバイアススパッタリン
グ装置等各種のスパッタリング装置にて行うことができ
る。CVD装置としては、ECRCVD装置以外にも、
熱CVD装置、プラズマCVD装置、ヘリコン波、IP
C(Inductively Coupled Plasma)等のプラズマ発生源
を備えたCVD装置を用いることができる。また、自然
酸化膜の除去として、水素プラズマ処理以外にも、IP
Cソフトエッチ等のイオンバイアスを低減化したArス
パッタエッチング法を採用することができる。The formation of various layers by the sputtering method can be carried out by various sputtering devices such as a magnetron sputtering device, a DC sputtering device, an RF sputtering device, an ECR sputtering device, and a bias sputtering device for applying a substrate bias. As a CVD device, in addition to the ECRCVD device,
Thermal CVD equipment, plasma CVD equipment, helicon wave, IP
A CVD apparatus equipped with a plasma generation source such as C (Inductively Coupled Plasma) can be used. In addition to the hydrogen plasma treatment for removing the natural oxide film, IP
An Ar sputter etching method with a reduced ion bias such as C soft etching can be adopted.
【0071】実施例1及び実施例2にて説明した配線構
造及びその形成方法を組み合わせることもできる。即
ち、単結晶CoSi2層20の表面に単結晶TiN層4
0を形成し、合わせて、開口部の底部にも単結晶TiN
層26を形成してもよい。It is also possible to combine the wiring structure and the method of forming the wiring structure described in the first and second embodiments. That is, the single crystal TiN layer 4 is formed on the surface of the single crystal CoSi 2 layer 20.
0 is formed, and in addition, single crystal TiN is also formed on the bottom of the opening.
The layer 26 may be formed.
【0072】本発明の配線構造は、MOS型トランジス
タ以外の他のデバイス、例えばバイポーラトランジスタ
やCCD等にも適用できる。The wiring structure of the present invention can be applied to devices other than MOS type transistors, such as bipolar transistors and CCDs.
【0073】[0073]
【発明の効果】本発明においては、開口部底部に単結晶
CoSi2層が形成されているので下層導体領域のシー
ト抵抗を低減することができ、且つ、下層導体領域と接
続孔内の配線材料との間の反応を単結晶TiN層によっ
て防止することができる。また、接続孔の底部に単結晶
TiN層が形成されているので、バリヤ性が格段に向上
する。According to the present invention, since the single crystal CoSi 2 layer is formed at the bottom of the opening, it is possible to reduce the sheet resistance of the lower conductor region and the wiring material in the lower conductor region and the connection hole. The reaction between and can be prevented by the single crystal TiN layer. Moreover, since the single crystal TiN layer is formed at the bottom of the connection hole, the barrier property is remarkably improved.
【0074】しかも、自然酸化膜等の除去を行い、引き
続き単結晶TiN層の形成を行うので、単結晶CoSi
2層と単結晶TiN層の界面が原子レベルで清浄に保た
れる。それ故、理想的なオーミック接合となり、コンタ
クト抵抗を低減化することができる。Moreover, since the natural oxide film and the like are removed and then the single crystal TiN layer is formed, the single crystal CoSi is formed.
The interface between the two layers and the single crystal TiN layer is kept clean at the atomic level. Therefore, an ideal ohmic contact is obtained, and the contact resistance can be reduced.
【0075】更に、半導体基板表面は単結晶CoSi2
層で覆われておりシリコン面が露出していないので、単
結晶TiN層の形成前の前処理として水素プラズマ処理
を行っても、半導体基板中に結晶欠陥が生じることを抑
制することができるし、窒素プラズマによるSiN膜の
形成も防止することができる。Further, the surface of the semiconductor substrate is made of single crystal CoSi 2
Since it is covered with a layer and the silicon surface is not exposed, it is possible to suppress the occurrence of crystal defects in the semiconductor substrate even if hydrogen plasma treatment is performed as a pretreatment before the formation of the single crystal TiN layer. It is also possible to prevent the formation of the SiN film due to the nitrogen plasma.
【0076】更には、従来、多結晶性のTiN層をパタ
ーニングすることによって配線部としたが、実施例3の
配線構造においては単結晶TiN層40Aを配線部とし
て用いるので、配線抵抗の低抵抗化を図ることができ
る。Further, conventionally, a wiring portion was formed by patterning a polycrystalline TiN layer, but in the wiring structure of the third embodiment, since the single crystal TiN layer 40A is used as the wiring portion, the wiring resistance is low. Can be realized.
【図1】実施例1の配線構造を示す、半導体装置の模式
的な一部断面図である。FIG. 1 is a schematic partial cross-sectional view of a semiconductor device showing a wiring structure of a first embodiment.
【図2】実施例1の配線形成方法の各工程を説明するた
めの半導体素子の模式的な一部断面図である。FIG. 2 is a schematic partial cross-sectional view of a semiconductor element for explaining each step of the wiring forming method according to the first embodiment.
【図3】図2に引き続き、実施例1の配線形成方法の各
工程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. 3 is a schematic partial cross-sectional view of the semiconductor element for explaining each step of the wiring forming method according to the first embodiment, following FIG. 2;
【図4】実施例2の配線形成方法の各工程を説明するた
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 element for explaining each step of the wiring forming method according to the second embodiment.
【図5】実施例1の配線構造を示す、半導体装置の模式
的な一部断面図である。FIG. 5 is a schematic partial cross-sectional view of a semiconductor device showing the wiring structure of the first embodiment.
【図6】従来の配線形成方法の各工程を説明するための
半導体素子の模式的な一部断面図である。FIG. 6 is a schematic partial cross-sectional view of a semiconductor element for explaining each step of a conventional wiring forming method.
【図7】図6に引き続き、従来の配線形成方法の各工程
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. 7 is a schematic partial cross-sectional view of the semiconductor element for explaining each step of the conventional wiring forming method, following FIG. 6;
10 半導体基板 12 素子分離領域 14 ゲート電極 16 ゲートサイドウォール 18 下層導体領域 20 単結晶CoSi2層 22A,22B 絶縁層 24 開口部 26,40 単結晶TiN層 28 接続孔 30 バリア層 32,44 上層配線層 40A 単結晶TiN層から成る配線部 42 下地層10 Semiconductor Substrate 12 Element Isolation Region 14 Gate Electrode 16 Gate Sidewall 18 Lower Conductor Region 20 Single Crystal CoSi 2 Layer 22A, 22B Insulation Layer 24 Opening 26, 40 Single Crystal TiN Layer 28 Connection Hole 30 Barrier Layer 32, 44 Upper Layer Wiring Layer 40A Wiring part consisting of single crystal TiN layer 42 Underlayer
───────────────────────────────────────────────────── 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 21/768 H01L 21/90 B ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Office reference number FI technical display location H01L 21/768 H01L 21/90 B
Claims (7)
該下層導体領域を被覆する絶縁層上に形成された上層配
線層と、該下層導体層と上層配線層とを電気的に接続す
る接続孔とから成る、半導体装置における配線構造であ
って、 接続孔の底部には、半導体基板側から、単結晶CoSi
2層及び単結晶TiN層が形成されていることを特徴と
する半導体装置における配線構造。1. A lower-layer conductor region formed on a semiconductor substrate,
A wiring structure in a semiconductor device, comprising: an upper wiring layer formed on an insulating layer that covers the lower conductor region; and a connection hole that electrically connects the lower conductor layer and the upper wiring layer. At the bottom of the hole, from the semiconductor substrate side, single crystal CoSi
A wiring structure in a semiconductor device, wherein two layers and a single crystal TiN layer are formed.
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
配線構造。2. The wiring structure in a semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is a silicon semiconductor substrate.
あることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置にお
ける配線構造。3. The wiring structure in a semiconductor device according to claim 2, wherein the orientation of the silicon semiconductor substrate is (100).
該下層導体領域を被覆する絶縁層上に形成された上層配
線層と、該下層導体層と上層配線層とを電気的に接続す
る接続孔とから成る、半導体装置における配線構造を形
成する配線形成方法であって、 少なくとも接続孔の底部に、単結晶CoSi2層をエピ
タキシャル成長させる工程、及び該単結晶CoSi2層
上に単結晶TiN層をエピタキシャル成長させる工程を
含むことを特徴とする配線形成方法。4. A lower conductor region formed on a semiconductor substrate,
Wiring formation for forming a wiring structure in a semiconductor device, which includes an upper wiring layer formed on an insulating layer covering the lower conductor region and a connection hole electrically connecting the lower conductor layer and the upper wiring layer a method, in the bottom of at least the connection hole, epitaxially growing a single crystal CoSi 2 layer, and a wiring forming method characterized by the single-crystal CoSi 2 layer on comprising the step of epitaxially growing a single crystal TiN layer.
させる前の雰囲気の真空度が1.3×10-5Pa以下で
あることを特徴とする請求項4に記載の配線形成方法。5. The wiring forming method according to claim 4, wherein the vacuum degree of the atmosphere before the epitaxial growth of the single crystal TiN layer is 1.3 × 10 −5 Pa or less.
させる前に、単結晶CoSi2層表面に形成された自然
酸化膜を水素プラズマ処理にて除去する工程を含むこと
を特徴とする請求項4又は請求項5に記載の配線形成方
法。6. The method according to claim 4, further comprising a step of removing a natural oxide film formed on the surface of the single crystal CoSi 2 layer by hydrogen plasma treatment before epitaxially growing the single crystal TiN layer. Item 5. The wiring forming method according to Item 5.
領域と、該ソース・ドレイン領域を被覆する絶縁層上に
形成された上層配線層と、該ソース・ドレイン領域と上
層配線層とを電気的に接続する接続孔とから成る配線構
造を有するMOS型トランジスタであって、 接続孔の底部には、半導体基板側から、単結晶CoSi
2層及び単結晶TiN層が形成されていることを特徴と
するMOS型トランジスタ。7. A source / drain region formed on a semiconductor substrate, an upper wiring layer formed on an insulating layer covering the source / drain region, and the source / drain region and the upper wiring layer are electrically connected to each other. A MOS transistor having a wiring structure consisting of a connection hole connected to a single crystal CoSi.
A MOS transistor characterized in that two layers and a single crystal TiN layer are formed.
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