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JPH03153024A - Semiconductor device and its manufacture - Google Patents

Semiconductor device and its manufacture

Info

Publication number
JPH03153024A
JPH03153024A JP29331489A JP29331489A JPH03153024A JP H03153024 A JPH03153024 A JP H03153024A JP 29331489 A JP29331489 A JP 29331489A JP 29331489 A JP29331489 A JP 29331489A JP H03153024 A JPH03153024 A JP H03153024A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
tin
oxygen concentration
barrier metal
layers
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
JP29331489A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tatsuro Okamoto
岡本 龍郎
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.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric 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 Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP29331489A priority Critical patent/JPH03153024A/en
Publication of JPH03153024A publication Critical patent/JPH03153024A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)
  • Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)

Abstract

PURPOSE:To provide a high degree resistance and a low sheet resistance against diffusion of metal atoms in a metal interconnection layer into a semiconductor substrate by providing the following: a barrier metal layer having a multilayer structure where high-concentration oxygen layers and low-concentration oxygen layers have been laminated alternately on the semiconductor substrate; and the metal interconnection layer on it. CONSTITUTION:A TiN layer 19 on a semiconductor substrate is heat-treated in an atmosphere of N2 containing a small amount of oxygen by using a lamp-annealing apparatus. It is transformed into a first TiN layer 22 of a structure where a low- concentration oxygen layer of a concentration of, e.g. several % is situated between high-concentration oxygen layers 22a, 22b of a concentration of, e.g. 10% or higher. A TiN layer 23 is deposited and formed on the first TiN layer 22; it is heat-treated in the same manner as the first TiN layer 22. The TiN layer 23 is transformed into a second TiN layer 24 composed of a low-concentration oxygen layer 24c between high-concentration oxygen layers 24a, 24b; a barrier metal layer 25 composed of the first and second TiN layers 22, 24 is obtained. After that, a metal interconnection layer 26 is formed on the second TiN layer 24; it is patterned to a prescribed shape and, after that, is covered with a passivation film.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、大規模集積回路等の半導体装置及びその製
造方法に関し、特に金属配線層の基板とのコンタクト部
分の構造に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a semiconductor device such as a large-scale integrated circuit and a method for manufacturing the same, and particularly relates to a structure of a contact portion of a metal wiring layer with a substrate.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

大規模集積回路等の半導体装置では、配線層材料として
一般にAIが用いられているが、AI配線層と下地のS
t基板や多結晶Si層とのコンタクト部分において、合
金反応に伴うAIとSiの相互拡散を抑制するために、
通常AI配線層に1wt%(重量%)のSiを添加する
ことが行われている。
In semiconductor devices such as large-scale integrated circuits, AI is generally used as a wiring layer material, but the AI wiring layer and the underlying S
In order to suppress interdiffusion of AI and Si due to alloy reaction at the contact area with the t-substrate and polycrystalline Si layer,
Usually, 1 wt % (weight %) of Si is added to the AI wiring layer.

すなわち、AI配線層形成後の一般的な最高熱処理温度
である450℃におけるAI中のSiの固溶度は0.4
8w t%であり、添加したStの約半分が固溶するこ
とになり、AI配線層形成後の熱処理によりA I /
 S i界面におけるSiのAIへの拡散が防止され、
コンタクト部分の熱的安定性の向上が図られている。
That is, the solid solubility of Si in AI at 450°C, which is the general maximum heat treatment temperature after forming the AI wiring layer, is 0.4.
8wt%, about half of the added St becomes a solid solution, and the heat treatment after forming the AI wiring layer reduces the A I /
Diffusion of Si into AI at the Si interface is prevented,
The thermal stability of the contact area is improved.

ところが、室温下におけるAI中のStの固溶度はほと
んど零に近いため、熱処理によってAI中に固溶してい
たStが冷却過程において析出し、Ailの下地が結晶
質であるために、特にAllとSlとのコンタクト部に
おいてStが選択的にエピタキシャル成長し、A !’
 / S i界面が成長したSiで覆われ、これは例え
ばコンタクトホールが1μm以下などコンタクト部分の
構成が微細化するほど顕著になる。
However, since the solid solubility of St in AI at room temperature is almost zero, the St dissolved in AI due to heat treatment precipitates during the cooling process, and since the base of Ail is crystalline, St selectively grows epitaxially in the contact area between All and Sl, resulting in A! '
The /Si interface is covered with grown Si, and this becomes more noticeable as the structure of the contact portion becomes finer, for example, when the contact hole is 1 μm or less.

しかも、微量のA2を含むために、p型のSiがエピタ
キシャル成長し、下層のSiがn型である場合には著し
いコンタクト抵抗の上昇を招くという不都合が生じる。
Moreover, since it contains a small amount of A2, p-type Si is epitaxially grown, and if the underlying Si is n-type, there is a disadvantage that the contact resistance increases significantly.

そこで、このような不都合を解消するために、特開昭5
8−46631号公報に開示されているように、下地の
StとAI配線層との間にバリアメタルを設け、バリア
メタルを介して下地のStとAI配線層とを接続するこ
とが考えられており、この種の半導体装置は例えば第1
2図に示すように構成されている。
Therefore, in order to eliminate such inconvenience,
As disclosed in Publication No. 8-46631, it has been considered to provide a barrier metal between the underlying St and AI wiring layer and connect the underlying St and AI wiring layer through the barrier metal. This type of semiconductor device, for example,
It is configured as shown in Figure 2.

すなわち、第12図に示すように、Si基板1上にS 
iO2膜2が形成され、S t 02膜2の一部が除去
されて開口3が形成され、この間口3に露出したSi基
板1の表面に不純物が拡散されて不純物拡散層が形成さ
れたのち、開口3内及び開口3の周縁のS I Oz膜
2上に、例えば反応ガスとして(A r + N 2 
)を用いた反応性スパッタリング法により1100n程
度の厚さのTiNからなるバリアメタル層4が形成され
、このバリアメタル層4上にAI配線層5が形成されて
いる。
That is, as shown in FIG.
After an iO2 film 2 is formed, a part of the S t 02 film 2 is removed to form an opening 3, and an impurity is diffused into the surface of the Si substrate 1 exposed in this opening 3 to form an impurity diffusion layer. , on the S I Oz film 2 within the opening 3 and around the periphery of the opening 3, for example, as a reaction gas (A r + N 2
) is used to form a barrier metal layer 4 made of TiN with a thickness of about 1100 nm, and an AI wiring layer 5 is formed on this barrier metal layer 4.

ここで、第12図において、6はTiSi2等の金属シ
リサイド層であり、工程中に生じる合金反応によって形
成される。
Here, in FIG. 12, 6 is a metal silicide layer such as TiSi2, which is formed by an alloy reaction occurring during the process.

このように、バリアメタル層4をAI配線層5の下層に
設けることにより、AI配線層5にStを添加した場合
でも、下地の不純物拡散層表面におけるStのエピタキ
シャル成長を防止でき、前述したようなコンタクト抵抗
の上昇を防止することができる。
In this way, by providing the barrier metal layer 4 below the AI wiring layer 5, even when St is added to the AI wiring layer 5, epitaxial growth of St on the surface of the underlying impurity diffusion layer can be prevented, and the above-mentioned problem can be prevented. It is possible to prevent an increase in contact resistance.

ところで、AI配線層5の配線幅が広い場合には、AI
配線層5中に析出するSi粒の断面積はAil配線層5
の断面積に対して無視することができ、何ら影響はない
が、AN配線層5の微細化が進み、配線幅が1μm程度
の小さな値になると、AI配線層5中に析出するSi粒
には、その断面積がAI配線層5の断面積と同程度にな
るようなものがかなりの確率で存在する。
By the way, when the wiring width of the AI wiring layer 5 is wide, the AI
The cross-sectional area of Si grains precipitated in the wiring layer 5 is
can be ignored and has no effect on the cross-sectional area of There is a high probability that the cross-sectional area of the wiring layer 5 is approximately the same as the cross-sectional area of the AI wiring layer 5.

このとき、Allの比抵抗が2.7X10−6Ω印であ
るのに対し、析出するSiの比抵抗は10−2Ω−のオ
ーダであるため、前述したようにAI配線層5と同程度
の断面積のSi粒が存在すると、実効的なAI配線層5
の断面積がStの析出部において小さくなり、その結果
局所的にA9配線層5の電流密度が上昇し、エレクトロ
マイグレーション耐性の低下を招くおそれがある。
At this time, while the specific resistance of All is 2.7×10-6 Ω, the specific resistance of precipitated Si is on the order of 10-2 Ω. If there are Si grains in the area, the effective AI wiring layer 5
The cross-sectional area of the A9 wiring layer 5 becomes smaller in the St precipitated portion, and as a result, the current density of the A9 wiring layer 5 locally increases, which may lead to a decrease in electromigration resistance.

しかし、AI配線層5の下にバリアメタル層4があれば
、エレクトロマイグレーションによりA1配線層5に断
線が生じても、下層のバリアメタル層4によって導通は
確保されるが、通常バリアメタル層4の厚さがAI配線
層5よりも薄く、またバリアメタル層4としてAllの
10倍以上の比抵抗を有する材料が用いられることが多
いため、AI配線層5のエレクトロマイグレーションと
それに伴う配線抵抗の上昇の問題は拭い去ることができ
ない。
However, if there is a barrier metal layer 4 under the AI wiring layer 5, even if a disconnection occurs in the A1 wiring layer 5 due to electromigration, conduction is ensured by the lower barrier metal layer 4, but normally the barrier metal layer 4 is thinner than the AI wiring layer 5, and a material having a specific resistance of 10 times or more that of All is often used as the barrier metal layer 4. Therefore, electromigration of the AI wiring layer 5 and the accompanying wiring resistance are reduced. The problem of rising cannot be eradicated.

そこで、AI配線層5が微細化する場合には、Siを添
加していない純AIや、純AIにCuやTiを加えて低
抵抗化したものをAI配線層5の材料として用いること
が望ましい。
Therefore, when the AI wiring layer 5 is to be miniaturized, it is desirable to use pure AI to which Si is not added, or pure AI with Cu and Ti added to lower the resistance, as the material for the AI wiring layer 5. .

一方、AI配線層5にSLを含まないため、特にSi基
板1の不純物拡散層とバリアメタル層4とのコンタクト
部において、不純物拡散層とSi基板1とで形成される
pn接合が、前述した合金反応に伴うSi基板1とAI
配線層5との間の相互拡散によって破壊されることがな
いように、バリアメタル層4の材料として、上層の/l
)及び下層のS11更に配線用等にも使用されるシリサ
イドなどに対して安定な界面を形成するものを選択しな
ければならず、従来このようなバリアメタル材料として
、T i、Ta、W、Moなどの高融点金属の窒化物(
ナイトライド)、炭化物(カーバイド)或いはほう化物
(ポライド)や、これらの高融点金属のうちW、Moの
単体、TiWなどがよく知られている。
On the other hand, since the AI wiring layer 5 does not contain SL, the p-n junction formed between the impurity diffusion layer and the Si substrate 1, especially in the contact area between the impurity diffusion layer of the Si substrate 1 and the barrier metal layer 4, is Si substrate 1 and AI accompanying alloy reaction
In order to prevent the barrier metal layer 4 from being destroyed by interdiffusion with the wiring layer 5, the upper layer /l is used as the material for the barrier metal layer 4.
) and the lower layer S11, and a material that forms a stable interface with silicide, which is also used for wiring, etc., must be selected. Conventionally, such barrier metal materials include Ti, Ta, W, Nitride of high melting point metal such as Mo (
Among these high melting point metals, W, simple substance of Mo, TiW, etc. are well known.

なかでも、前述したTINはバルクとしてAll。Among them, the TIN mentioned above is All in bulk.

Stに対する耐熱性が良好であることから、バリアメタ
ル層4の材料として用いられることが多く、Tiの熱窒
化法、Tiターゲットを用いた反応性スパッタ法1反応
性蒸着法、CVD法等により得られることが、これまで
に多数報告されている。
Because of its good heat resistance against St, it is often used as a material for the barrier metal layer 4, and can be obtained by thermal nitriding of Ti, reactive sputtering using a Ti target, reactive vapor deposition, CVD, etc. Many cases have been reported so far.

ところが、前述した方法により、バリアメタル層4とし
て形成される薄膜状のTiNは、Si基板1に垂直な方
向への柱状構造を有する結晶体であり、このTiNの薄
膜には上面から下面に抜ける結晶粒界が多数存在し、M
、A、N1colet、Th1n 5olld Fil
ms、52(1978)、 p、415に報告されてい
るように、このような結晶粒界はTiNのバルクの性質
とは大きく異なり、例えばAllはこの結晶粒界を経路
としてSiに容易に拡散する。
However, the thin film of TiN formed as the barrier metal layer 4 by the method described above is a crystalline substance having a columnar structure in the direction perpendicular to the Si substrate 1, and this thin film of TiN has a structure in which there are holes that penetrate from the top surface to the bottom surface. There are many grain boundaries, and M
, A, N1colet, Th1n 5old Fil
MS. do.

すなわち、第13図に示すように、TiNのバリアメタ
ル層4を上下に抜ける結晶粒界7を経路として、All
配線層5のAfIが下層のSi基板1に拡散し、拡散し
たAllとSi基板1のStと合金反応によって不純物
拡散層に合金8が生じ、この不純物拡散層とSi基板1
とのpn接合が破壊されてしまう。
That is, as shown in FIG. 13, the All
AfI in the wiring layer 5 diffuses into the underlying Si substrate 1, and an alloy 8 is generated in the impurity diffusion layer by an alloy reaction between the diffused Al and St in the Si substrate 1.
The pn junction between the two ends up being destroyed.

そこで、第14図中のX印に示すように、TiNのバリ
アメタル層4の結晶粒界7に酸素9を偏析させ、AIの
Stへの拡散を阻止するようにした、いわゆるスタッフ
ドパリアを形成することが考えられており、このような
スタッフドパリアは、例えばS、Ivabuchi e
t al、、VLSI Inter、5yIip、Pr
oceedlng 198B、55(198B)に報告
されているように、(A r + N 2 )のガス中
でTiをスパッタリングしてTiNを堆積する際に、微
量の酸素を混ぜることによって形成することができる。
Therefore, as shown by the X mark in FIG. 14, a so-called stuffed pariah is used in which oxygen 9 is segregated at the grain boundaries 7 of the TiN barrier metal layer 4 to prevent the diffusion of AI into St. Such stuffed pariahs have been proposed, for example, by S., Ivabuchi e.
tal,,VLSI Inter,5yIip,Pr
198B, 55 (198B), it can be formed by mixing a trace amount of oxygen when depositing TiN by sputtering Ti in (Ar + N 2 ) gas. .

しかし、このようにして形成されるスタッフドパリア、
すなわち酸素を含むTiNは、膜表面に平行な方向にお
けるシート抵抗が高くなるという欠点を有するため、万
一上層のAN配線層5がエレクトロマイグレーションに
より断線した場合に、低抵抗な電流経路としての役目を
果さず、しかもジュール発熱量が太きくAJ2配線層5
の断線部分で集中的に温度が上昇し、この断線部分の近
辺のAIが溶けてAI配線層5が完全に溶断するという
不都合が生じる。
However, the stuffed pariah formed in this way,
In other words, TiN containing oxygen has the disadvantage of high sheet resistance in the direction parallel to the film surface, so in the event that the upper AN wiring layer 5 is disconnected due to electromigration, it can serve as a low-resistance current path. The AJ2 wiring layer 5 does not achieve the desired performance, and the Joule heating value is large.
The temperature rises intensively at the disconnected portion, and the AI in the vicinity of the disconnected portion melts, resulting in the inconvenience that the AI wiring layer 5 is completely blown out.

ところで、酸素を含むTiNのシート抵抗が高くなるの
は、第14図に示すように、酸素を偏析させた結晶粒界
7が、TiNの膜表面に平行な方向に流れる電流に対し
て直交するため、結晶粒界7の電子に対する反射係数が
大きくなることに起因し、このように結晶粒界7に偏析
した酸素と電子の反射係数との関係についての理論的考
察は、A、F、Mayadas and MJhatz
kes、Phys、Rev、、B1.1382(197
0)において詳しく述べられている。
By the way, the reason why the sheet resistance of TiN containing oxygen increases is that, as shown in FIG. 14, the grain boundaries 7 where oxygen is segregated are perpendicular to the current flowing in the direction parallel to the TiN film surface. Therefore, the reflection coefficient for electrons at the grain boundaries 7 becomes large.Theoretical consideration of the relationship between oxygen segregated at the grain boundaries 7 and the reflection coefficient for electrons is given by A.F. Mayadas. and MJhatz
kes, Phys, Rev., B1.1382 (197
0).

そして、TiNの膜中の酸素濃度(原子比)と耐熱性と
の関係を調べるために、第12図におけるバリアメタル
層4として酸素濃度がそれぞれ10%、2%未満で膜厚
がともに1100nのTiN膜を形成し、その上に純A
9の配線層5を形成して450℃、10時間の熱加速試
験を行い、n−3tの不純物拡散層とp  Si基板1
とによるpn接合での接合洩れ電流分布を、加熱前、及
び450℃で10時間の加熱後に測定した結果、第15
図及び第16図にそれぞれ示すようになった。
In order to investigate the relationship between the oxygen concentration (atomic ratio) and heat resistance in the TiN film, the barrier metal layer 4 in FIG. A TiN film is formed and pure A is formed on it.
9 wiring layer 5 was formed and a thermal acceleration test was conducted at 450° C. for 10 hours, and an n-3t impurity diffusion layer and a p Si substrate 1 were formed.
The junction leakage current distribution in the pn junction was measured before heating and after heating at 450°C for 10 hours.
The structure is now shown in FIG. 1 and FIG. 16, respectively.

このとき、測定したサンプルのコンタクト部の大きさは
1μmX1μmで、その数は13万個であり、第15図
、第16図は酸素濃度がそれぞれ10%、2%未満の場
合の結果を示し、各図(a)は加熱前、各図(b)は4
50℃、10時間の加熱後の結果であり、第16図(b
)中の破線は、洩れIO 電流が5X10   Aよりも大きいことを示している
At this time, the size of the contact part of the measured sample was 1 μm x 1 μm, and the number of contacts was 130,000. Figures 15 and 16 show the results when the oxygen concentration was less than 10% and 2%, respectively. Each figure (a) is before heating, each figure (b) is 4
These are the results after heating at 50°C for 10 hours, and are shown in Figure 16 (b).
) The dashed line in ) indicates that the leakage IO current is greater than 5X10 A.

第15図、第16図から明らかなように、酸素濃度が低
い場合には、450℃、10時間の加熱を行うと、結晶
粒界を介したAIのStへの拡散のバリア性が劣化し、
pn接合の洩れ電流が増大する傾向を示すのに対し、酸
素濃度が高い場合には、450℃、10時間の加熱を行
っても、洩れ電流はほとんと増大せず、熱に対するバリ
ア性に優れていることがわかる。
As is clear from Figures 15 and 16, when heating at 450°C for 10 hours when the oxygen concentration is low, the barrier properties for the diffusion of AI into St through grain boundaries deteriorate. ,
While the leakage current of a pn junction tends to increase, when the oxygen concentration is high, the leakage current hardly increases even after heating at 450°C for 10 hours, and it has excellent barrier properties against heat. You can see that

また、いわゆる4端子法により、酸素濃度が10%のT
iN膜のシート抵抗を測定したところ、加熱前には8Ω
/口であったものが、450℃。
In addition, by the so-called four-terminal method, T
When the sheet resistance of the iN film was measured, it was 8Ω before heating.
/ What was the mouth was 450 degrees Celsius.

10時間の加熱によって150Ω/口と大幅に上昇し、
これを比抵抗で表わすと、80μΩ1が1.5mΩ1に
上昇した。
After 10 hours of heating, the resistance increased significantly to 150Ω/mouth.
Expressing this in terms of specific resistance, 80 μΩ1 rose to 1.5 mΩ1.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

従来の半導体装置では、AI配線層5のANのSt基板
1への拡散に対するバリア性を確保するために、シート
抵抗を犠牲にしても酸素濃度の高いTiNをバリアメタ
ル層4の材料として用いており、前述したようなバリア
メタル層4のシート抵抗が高いことに起因したジュール
発熱量の増大。
In conventional semiconductor devices, in order to ensure barrier properties against diffusion of AN in the AI wiring layer 5 into the St substrate 1, TiN, which has a high oxygen concentration, is used as the material for the barrier metal layer 4 even at the cost of sheet resistance. In addition, the Joule heating value increases due to the high sheet resistance of the barrier metal layer 4 as described above.

これに伴うAll配線層の温度上昇や溶断などの不都合
の発生を防止することができないという問題点があった
There is a problem in that it is not possible to prevent the occurrence of problems such as temperature rise and melting of the All wiring layer due to this.

この発明は、上記したような問題点を解消するためにな
されたもので、AI等の金属配線層の金属原子の半導体
基板への拡散に対する高いバリア性を有し、かつシート
抵抗の低いバリアメタル層が得られるようにすることを
目的とする。
This invention was made in order to solve the above-mentioned problems, and it is a barrier metal that has a high barrier property against diffusion of metal atoms of a metal wiring layer such as AI into a semiconductor substrate and has a low sheet resistance. The aim is to obtain layers.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

この発明に係る半導体装置は、半導体基板上に形成され
高酸素濃度層と低酸素濃度層とが交互に積層された多層
構造を有するバリアメタル層と、前記バリアメタル層上
に形成された金属配線層とを備えたことを特徴としてい
る。
A semiconductor device according to the present invention includes a barrier metal layer formed on a semiconductor substrate and having a multilayer structure in which high oxygen concentration layers and low oxygen concentration layers are alternately laminated, and a metal wiring formed on the barrier metal layer. It is characterized by having a layer.

また、その製造方法として、前記バリアメタル層の形成
時に、バリアメタル用低酸素濃度層を形成する工程と、
前記低酸素濃度層を酸素を含む雰囲気中で熱処理し前記
低酸素濃度層に高酸素濃度層を形成する工程とを複数回
繰り返せば効果的である。
Further, the manufacturing method includes a step of forming a low oxygen concentration layer for barrier metal when forming the barrier metal layer;
It is effective to repeat the steps of heat-treating the low oxygen concentration layer in an atmosphere containing oxygen and forming a high oxygen concentration layer on the low oxygen concentration layer multiple times.

〔作用〕[Effect]

この発明に係る半導体装置は、バリアメタル層の高酸素
濃度層が金属配線層の金属原子の半導体基板への拡散に
対して高いバリア性を有し、低酸素濃度層がバリアメタ
ル層のシート抵抗の低減に寄与し、前記した拡散に対す
る高いバリア性と低シート抵抗を有するバリアメタル層
が得らレル。
In the semiconductor device according to the present invention, the high oxygen concentration layer of the barrier metal layer has high barrier properties against diffusion of metal atoms of the metal wiring layer into the semiconductor substrate, and the low oxygen concentration layer has sheet resistance of the barrier metal layer. A barrier metal layer having high barrier properties against diffusion and low sheet resistance can be obtained.

また、バリアメタル用低酸素濃度層を形成する工程と、
低酸素濃度層の表面を酸素雰囲気中で熱処理し高酸素濃
度層を形成する工程とを複数回繰り返すことによって、
高酸素濃度層と低酸素濃度層とが交互に積層された多層
構造のバリアメタル層を得ることができる。
Also, a step of forming a low oxygen concentration layer for barrier metal,
By repeating the process of heat treating the surface of the low oxygen concentration layer in an oxygen atmosphere to form a high oxygen concentration layer multiple times,
A barrier metal layer having a multilayer structure in which high oxygen concentration layers and low oxygen concentration layers are alternately stacked can be obtained.

〔実施例〕〔Example〕

第1図はこの発明の半導体装置及びその作成方法の一実
施例を示し、以下に各工程について説明する。
FIG. 1 shows an embodiment of the semiconductor device and method for manufacturing the same according to the present invention, and each step will be explained below.

まず、第1図(a)示すように、半導体基板であるp型
のSi基板10の主面上の所望の領域にチャネルストッ
パ用のp+層11が形成され、このp 層11上に、例
えば熱酸化法により素子間分離用の比較的厚いフィール
ドS iO2層12が形成され、基板10のS io 
2層12で囲まれた主面に、イオン注入法と熱処理によ
りn+型の不純物拡散層13が形成され、熱酸化法又は
CVD法により不純物拡散層13上にS i O2層1
4が形成サレ、S t 02層12.14上J、m C
V D法によりP、B等を含んだ比較的厚い層間絶縁層
15が形成される。
First, as shown in FIG. 1(a), a p+ layer 11 for a channel stopper is formed in a desired region on the main surface of a p-type Si substrate 10, which is a semiconductor substrate, and on this p+ layer 11, for example, A relatively thick field SiO2 layer 12 for device isolation is formed by a thermal oxidation method, and the SiO2 layer 12 of the substrate 10 is
An n+ type impurity diffusion layer 13 is formed on the main surface surrounded by the two layers 12 by ion implantation and heat treatment, and a SiO2 layer 1 is formed on the impurity diffusion layer 13 by thermal oxidation or CVD.
4 is formed, S t 02 layer 12.14 J, m C
A relatively thick interlayer insulating layer 15 containing P, B, etc. is formed by the VD method.

このとき、SiO□膜14膜上4、層間絶縁層15のP
、Bの基板10への拡散が防止されている。
At this time, P on the SiO□ film 14 and on the interlayer insulating layer 15
, B are prevented from diffusing into the substrate 10.

次に、第1図(b)に示すように、写真製版技術さエツ
チング法により、不純物拡散層13上の所定位置のSi
O□層14及び層間絶縁層15が除去されてコンタクト
ホール16が形成され、コンタクトホール16に不純物
拡散層13が露出されたのち、イオン注入及び熱処理に
よりコンタクトホール16に露出した不純物拡散層13
に、これと同じn+の導電型の不純物拡散層17が形成
される。
Next, as shown in FIG. 1(b), Si is etched at a predetermined position on the impurity diffusion layer 13 by photolithography or etching.
After the O□ layer 14 and the interlayer insulating layer 15 are removed to form a contact hole 16 and the impurity diffusion layer 13 is exposed to the contact hole 16, the impurity diffusion layer 13 exposed to the contact hole 16 is removed by ion implantation and heat treatment.
Then, an impurity diffusion layer 17 of the same n+ conductivity type is formed.

ここで、不純物拡散層17は、コンタクトホール16と
のフィールドS 102膜12との間の余裕の少ない部
分におけるpn接合の特性を維持している。
Here, the impurity diffusion layer 17 maintains the characteristics of a pn junction in a portion where there is little margin between the contact hole 16 and the field S 102 film 12.

その後、第1図(c)に示すように、層間絶縁層15上
及びコンタクトホール16の周面及びコンタクトホール
16に露出した不純物拡散層17上に、厚さ約20nm
のTt層18が形成され、例えばArガス中においてT
iターゲットを用いたスパッタリング法により形成され
る。
Thereafter, as shown in FIG. 1(c), a layer of approximately 20 nm in thickness is deposited on the interlayer insulating layer 15, on the peripheral surface of the contact hole 16, and on the impurity diffusion layer 17 exposed in the contact hole 16.
A Tt layer 18 is formed, for example, Tt layer 18 in Ar gas.
It is formed by a sputtering method using an i-target.

このとき、スパッタリングの前工程として、コンタクト
ホール16の底面の自然酸化膜の除去のために、希釈H
Fを用いた軽いエツチング処理が行われる。
At this time, in order to remove the natural oxide film on the bottom of the contact hole 16, diluted H
A light etching process using F is performed.

そして、Ti層18の形成後、第1図(d)に示すよう
に、Ti層18上に厚さ約50nm程度のTi8層19
が形成され、例えば10−8Torr台のベースプレッ
シャーの真空チャンバ内に、(Ar十N2)ガスが流量
比1:1程度で全圧3mTorrになるように導入され
、DCマグネトロン法により、約4 W / c−の直
流電力がTiターゲットに投入されて約50nm/分の
速度で形成され、その後ハロゲンランプを光源としたラ
ンプアニール装置により、微量の酸素を含むN2雰囲気
中で800℃、30秒間程度の熱処理が行われ、第1図
(e)に示すように、コンタクトホール16内の不純物
拡散層17のStとTi膜18のTiとの合金反応によ
ってTi512層20が形成されるとともに、Tt層1
8が熱窒化されてTiN層21に変わり、熱処理により
、Ti8層19も後で詳述するように質の異なる第1の
TiN層22に変わる。
After forming the Ti layer 18, as shown in FIG. 1(d), a Ti8 layer 19 with a thickness of about 50 nm is formed on the Ti layer 18.
For example, (Ar + N2) gas is introduced into a vacuum chamber with a base pressure of about 10-8 Torr so that the total pressure is 3 mTorr at a flow rate ratio of about 1:1, and by the DC magnetron method, about 4 W /c- DC power is applied to the Ti target to form it at a rate of about 50 nm/min, and then it is heated at 800°C for about 30 seconds in an N2 atmosphere containing a trace amount of oxygen using a lamp annealing device using a halogen lamp as the light source. As shown in FIG. 1(e), a Ti512 layer 20 is formed by an alloy reaction between St in the impurity diffusion layer 17 and Ti in the Ti film 18 in the contact hole 16, and a Tt layer 20 is formed. 1
8 is thermally nitrided to become a TiN layer 21, and by heat treatment, the Ti8 layer 19 is also changed to a first TiN layer 22 having a different quality as will be described in detail later.

さらに、第1図(r)に示すように、TiN層19と同
様にして第1のTiN層2層上2上iN層23が形成さ
れたのち、前述したランプアニール装置により同様の熱
処理が行われ、同図(g)に示すように、第1のTiN
層22の場合と同様に、TiN層23が質の異なる第2
のTiN層24に変わり、第1.第2のTiN層22.
24からなるバリアメタル層25が形成され、その後ス
パッタリング法により、第2のTiN層2層上4上純A
IやAJSi或いはこれらのCu、Ti、Pd。
Furthermore, as shown in FIG. 1(r), after the iN layer 23 on the first TiN layer 2 is formed in the same manner as the TiN layer 19, the same heat treatment is performed using the lamp annealing apparatus described above. As shown in the same figure (g), the first TiN
As in the case of layer 22, TiN layer 23 has a second layer of different quality.
The first TiN layer 24 is changed to the first one. Second TiN layer 22.
A barrier metal layer 25 consisting of 24 is formed, and then pure A is formed on the second TiN layer 2 and 4 by sputtering.
I, AJSi, or these Cu, Ti, Pd.

pt等を添加したものが堆積されて金属配線層26が形
成され、これが所定の形状にバターニングされたのち、
図示は省略されているが、パッシベーション膜により、
バターニングされた金属配線層26が被覆される。
A metal wiring layer 26 is formed by adding PT, etc., and after this is patterned into a predetermined shape,
Although not shown, the passivation film allows
A patterned metal wiring layer 26 is coated.

ところで、前述した熱処理によるTiN層19゜23の
変化について第2図を用いて説明する。ここで、第2図
(a) 、(b) 、(c) 、(d)はそれぞれ第1
図(d)、(e) 、(r) 、(g)の一部を示す。
By the way, changes in the TiN layer 19.degree. 23 due to the heat treatment described above will be explained using FIG. Here, Fig. 2 (a), (b), (c), and (d) are the first
Parts of figures (d), (e), (r), and (g) are shown.

いま、第2図(a)に示すように、前述したDCマグネ
トロン法によりTi層18上に形成されたTi8層19
の酸素濃度は極めて低いため、その比抵抗は約60μΩ
国と非常に小さく、オージェ電子分光法により、熱処理
前のTiN層中の深さ方向への酸素の分布を調べた結果
、第3図(a)に示すようになり、酸素が深さ方向にほ
ぼ均一に分布していることがわかる。
Now, as shown in FIG. 2(a), a Ti8 layer 19 is formed on the Ti layer 18 by the DC magnetron method described above.
Since the oxygen concentration is extremely low, its specific resistance is approximately 60 μΩ.
The distribution of oxygen in the depth direction in the TiN layer before heat treatment was investigated using Auger electron spectroscopy, as shown in Figure 3(a). It can be seen that the distribution is almost uniform.

ここで、第3図(a)〜(C)の横軸はスパッタタイム
であり、これは表面からの深さに比例し、縦軸は任意単
位である。
Here, the horizontal axis of FIGS. 3(a) to (C) is the sputtering time, which is proportional to the depth from the surface, and the vertical axis is an arbitrary unit.

つぎに、Ti8層19を前述したようにランプアニール
装置により微量の酸素を含むN2雰囲気中で熱処理する
と、第2図(b)に示すように、熱処理によってTiN
層19中の酸素が表面や下層との界面付近に偏析し、例
えば10%以上の濃度の高酸素濃度層22a、22bの
間に、例えば数%の濃度の低酸素濃度層22cが位置し
た構造の第1のTiN層22に変わる。
Next, as described above, when the Ti8 layer 19 is heat-treated in an N2 atmosphere containing a trace amount of oxygen using a lamp annealing device, as shown in FIG. 2(b), the Ti8 layer 19 is
A structure in which oxygen in the layer 19 is segregated near the surface or the interface with the lower layer, and a low oxygen concentration layer 22c with a concentration of, for example, several percent is located between the high oxygen concentration layers 22a and 22b with a concentration of, for example, 10% or more. The first TiN layer 22 of FIG.

ただし、熱処理時には、ランプアニール装置のチャンバ
内酸素濃度が約10ppmとなり、かつ温度が200℃
程度になってからチップの熱処理を開始し、雰囲気ガス
には水、酸素とともに1 ppm以下の濃度のN2ガス
を用い、熱処理終了後は、300℃まで冷却したのちに
チャンバ外に試料を取り出している。
However, during heat treatment, the oxygen concentration in the chamber of the lamp annealing device is approximately 10 ppm, and the temperature is 200°C.
Heat treatment of the chip is started when the temperature reaches a certain temperature. N2 gas with a concentration of 1 ppm or less is used as the atmospheric gas along with water and oxygen. There is.

このとき、TiNは化学的に活性なTiの性質を反映し
て非常に酸化し易いため、第1のTiN層22の表面側
に高酸素濃度層22bが形成されるのは、偏析よりもむ
しろアニール中の微量の酸素及びチャンバ外に取り出し
た直後の大気中の酸素による酸化が主な原因と考えられ
る。
At this time, since TiN is very easily oxidized reflecting the chemically active properties of Ti, the high oxygen concentration layer 22b is formed on the surface side of the first TiN layer 22 rather than due to segregation. The main cause is thought to be oxidation due to trace amounts of oxygen during annealing and oxygen in the atmosphere immediately after being taken out of the chamber.

ところで、前述したように、熱処理により、第2図(b
)に示す如く第1のTiN層22の下層のTi層18の
Tiと不純物拡散層17のSiとの合金反応によりT 
iS t 220が形成されるとともに、Ti層18が
熱窒化によってTiN層21が形成される。
By the way, as mentioned above, by heat treatment, the shape shown in FIG.
), an alloy reaction between Ti in the Ti layer 18 below the first TiN layer 22 and Si in the impurity diffusion layer 17 causes T
While the iS t 220 is formed, the Ti layer 18 is thermally nitrided to form the TiN layer 21.

このように、熱処理した後のTiN層のオージェ電子分
光法による深さ方向への酸素の分布を表わすスペクトル
は、第3図(b)に示すようになり、TiN層の下層と
の界面側と表面側の酸素濃度が高くなっているがわかる
In this way, the spectrum representing the distribution of oxygen in the depth direction obtained by Auger electron spectroscopy of the TiN layer after heat treatment is as shown in Fig. 3(b), and the spectrum showing the distribution of oxygen in the depth direction of the TiN layer with the lower layer is as shown in Fig. 3(b). It can be seen that the oxygen concentration on the surface side is higher.

さらに、第2図(C)に示すように、第1のTiN層2
層上2上iN層23を堆積形成し、第1のTiN層22
と同様に熱処理を行うと、第2図(d)に示すように、
TiN層23が、高酸素濃度層24a、24bの間に低
酸素濃度層24cからなる第2のTiN層24に変わり
、第1.第2のTiN層22.24からなるバリアメタ
ル層25が得られる。
Furthermore, as shown in FIG. 2(C), the first TiN layer 2
Depositing an iN layer 23 on the top layer 2 and forming the first TiN layer 22
When heat treatment is performed in the same manner, as shown in Figure 2(d),
The TiN layer 23 is changed into a second TiN layer 24 consisting of a low oxygen concentration layer 24c between high oxygen concentration layers 24a and 24b, and the first TiN layer 23 is replaced by a second TiN layer 24 consisting of a low oxygen concentration layer 24c between high oxygen concentration layers 24a and 24b. A barrier metal layer 25 consisting of a second TiN layer 22, 24 is obtained.

このとき、熱処理したTiN層上に、さらにTiN層を
形成してこれを熱処理したときに、両TiN層の深さ方
向への酸素の分布を表わすオージェ電子分光法によるス
ペクトルは、第3図(e)に示すようになり、下層のT
iN層の裏面側1両TiN層の界面付近及び上層のTi
N層の表面側の酸素濃度が高くなっている。
At this time, when a TiN layer is further formed on the heat-treated TiN layer and this is heat-treated, the spectrum measured by Auger electron spectroscopy showing the distribution of oxygen in the depth direction of both TiN layers is shown in Figure 3 ( As shown in e), the lower T
On the back side of the iN layer, near the interface of both TiN layers and in the upper layer
The oxygen concentration on the surface side of the N layer is high.

ただし、第3図(C)は、両TiN層の総厚が、第3図
(a) 、 (b)における−層のTiN層の厚さと同
じ場合のサンプルについての結果を示している。
However, FIG. 3(C) shows the results for a sample in which the total thickness of both TiN layers is the same as the thickness of the - layer TiN layer in FIGS. 3(a) and 3(b).

一方、TiN層の酸素濃度は熱処理条件とTiNのスパ
ッタ条件によって制御することが可能であり、前者につ
いては、熱処理時の酸素量、温度等の制御によってTi
N層の酸素濃度を制御できできることは明らかであり、
後者のスパッタ条件については、スパッタ時の全圧がT
iN層の酸素濃度に大きく影響することから、スパッタ
時の全圧条件を適宜選定することによって、TiN層の
酸素濃度を制御することができる。
On the other hand, the oxygen concentration in the TiN layer can be controlled by heat treatment conditions and TiN sputtering conditions.
It is clear that the oxygen concentration in the N layer can be controlled.
Regarding the latter sputtering condition, the total pressure during sputtering is T
The oxygen concentration in the TiN layer can be controlled by appropriately selecting the total pressure conditions during sputtering, since it greatly affects the oxygen concentration in the iN layer.

そこで、TiNの膜形形成時の全圧と組成比との関係を
調べたところ、第4図、第5図に示すようになり、第4
図は全圧に対する酸素とTiとの原子比(0/Ti)の
関係、第5図は全圧に対する窒素とTiとの原子比(N
/Ti)の関係をそれぞれ示しており、これらの図面か
ら、全圧の上昇に伴ってO/T iが増加するのに対し
、N/Tiは全圧の上昇に伴って減少するため、TiN
層中の酸素濃度は、TiNのスパッタ時の全圧が高いと
高く、全圧が低いと低くなり、従ってアニル時に偏析す
る酸素量が全圧に比例することがわかる。
Therefore, when we investigated the relationship between the total pressure and the composition ratio during the formation of a TiN film, we found the results shown in Figures 4 and 5.
The figure shows the relationship between the atomic ratio of oxygen and Ti (0/Ti) with respect to the total pressure, and Figure 5 shows the relationship between the atomic ratio of nitrogen and Ti (N
/Ti), and from these figures, it can be seen that O/Ti increases as the total pressure increases, while N/Ti decreases as the total pressure increases.
It can be seen that the oxygen concentration in the layer increases when the total pressure during TiN sputtering is high, and decreases when the total pressure is low, so that the amount of oxygen segregated during annealing is proportional to the total pressure.

つぎに、前述したように形成された第1.第2のTiN
層22.24の結晶構造に注目した場合、両TiN層2
2.24の結晶粒界を模式的に表わすと第6図に示すよ
うになり、両TiN層22゜24にそれぞれ上下方向に
結晶粒界27.28が発生するが、バリアメタル層25
全体の中央部に、両TiN層22.24の高酸素濃度層
22b、24aが位置するため、両TiN層22.24
の結晶粒界27.28がこの高酸素濃度層22b、24
aにおいて不連続になり、金属配線層26のA夕がSi
基板1の不純物拡散層17に到達することが阻止される
Next, the first. second TiN
When paying attention to the crystal structure of layers 22 and 24, both TiN layers 2
A schematic representation of the grain boundaries of 2.24 is shown in FIG. 6, where grain boundaries 27 and 28 occur in the vertical direction in both TiN layers 22 and 24, respectively.
Since the high oxygen concentration layers 22b and 24a of both TiN layers 22.24 are located in the center of the whole, both TiN layers 22.24
The grain boundaries 27 and 28 of the high oxygen concentration layers 22b and 24
The metal wiring layer 26 becomes discontinuous at the point A, and the metal wiring layer 26 becomes Si.
It is prevented from reaching the impurity diffusion layer 17 of the substrate 1.

ところで、第1のTiN層22は前述したように、それ
ぞれ表面、裏面側の高酸素濃度層22a。
By the way, as described above, the first TiN layer 22 is a high oxygen concentration layer 22a on the front and back sides, respectively.

22bとそれらの間の低酸素濃度層22cとからなり、
第2のTiN層24も同様であり、それぞれ薄い高酸素
濃度層の間に厚い低酸素濃度層が位置するため、両Ti
N層22.24のシート抵抗は13Ω/口程度であり、
従来のTiN層のシート抵抗が、前述したように工程上
の加熱処理によって8Ω/口から150Ω10にまで上
昇するのに対し、非常に小さい値となっている。
22b and a low oxygen concentration layer 22c between them,
The same applies to the second TiN layer 24, and since a thick low oxygen concentration layer is located between each thin high oxygen concentration layer, both TiN layers 24
The sheet resistance of the N layer 22.24 is about 13Ω/mouth,
While the sheet resistance of the conventional TiN layer increases from 8Ω/hole to 150Ω10 due to the heat treatment during the process as described above, this value is very small.

一方、両TiN層22.24の上下方向への抵抗、すな
わちコンタクト抵抗の増加が懸念されるが、実際にはほ
とんど増加することがなく、これは両TiN層22.2
4の高酸素濃度層22a。
On the other hand, there is a concern that the resistance in the vertical direction of both TiN layers 22.24, that is, the contact resistance, will increase, but in reality there is almost no increase;
4 high oxygen concentration layer 22a.

22b、24a、24bの厚みが薄いためであり、例え
ばこれらの層の比抵抗を、低酸素濃度層22c、24c
の比抵抗80μΩ(至)の100倍の8mΩ備とし、高
酸素濃度層22a、22b、24a。
This is because the thicknesses of the layers 22b, 24a, and 24b are small, and for example, the specific resistance of these layers is
The high oxygen concentration layers 22a, 22b, 24a have a specific resistance of 8 mΩ, which is 100 times the specific resistance of 80 μΩ (up to).

24bの厚みの合計を50amとし、1μ…×1μmの
大きさのコンタクト部を想定しても、両TiN層22.
24のコンタクト抵抗は高々4Ω程度にしかならず、実
際には電流の3次元的な回り込み現象によって、コンタ
クト部の断面積は実効的に18mX1μmよりも大きく
なり、コンタクト抵抗は4Ωよりもさらに小さくなるも
のと思われ、実用上素子特性に対する悪影響はない。
Even if the total thickness of the TiN layers 22.24b is assumed to be 50 am and the contact portion has a size of 1 μm...×1 μm, both TiN layers 22.
The contact resistance of No. 24 is only about 4 Ω at most, and in reality, due to the three-dimensional current wraparound phenomenon, the cross-sectional area of the contact section becomes effectively larger than 18 m x 1 μm, and the contact resistance becomes even smaller than 4 Ω. It seems that there is no adverse effect on device characteristics in practical terms.

ところで、サンプルとして、p型Si基板のn1型不純
物拡散層上に18mX1μmの大きさのコンタクトホー
ルを13万個形成し、これら各ホールに厚さ20nmの
Ti、厚さ1100nのTIN、厚さ 0.5μmの純
Alを順次に堆積したものについて、450℃、10時
間の熱加速試験を行い、pn接合での接合洩れ電流分布
を調べた結果、第7図に示すようになった。
By the way, as a sample, 130,000 contact holes with a size of 18 m x 1 μm were formed on the n1 type impurity diffusion layer of a p-type Si substrate, and each hole was filled with 20 nm thick Ti, 1100 nm thick TIN, and 0 A thermal acceleration test was conducted at 450° C. for 10 hours on a product in which .5 μm of pure Al was sequentially deposited, and the junction leakage current distribution at the pn junction was investigated, as shown in FIG.

このとき、1100nのTiNは第1図(g) l:示
す第1.第2のTiN層22.24に相当し、比較のた
めに、1100nのTiNの堆積時に酸素を微量添加し
た従来構造のサンプルに対する洩れ電流分布を第8図に
示し、1100nのTiNを一層形成したのち前述した
ランプアニール装置による熱処理と同様の熱処理を行っ
たサンプルに対する洩れ電流分布を第9図に示してあり
、各図(a)は加熱前、各図(b)は450℃、10時
間の加熱後の洩れ電流分布をそれぞれ示している。
At this time, 1100n of TiN is shown in FIG. 1(g) l: 1. Corresponding to the second TiN layer 22.24, for comparison, the leakage current distribution for a sample with a conventional structure in which a small amount of oxygen was added during the deposition of 1100n TiN is shown in Fig. 8. Figure 9 shows the leakage current distribution for a sample that was later subjected to heat treatment similar to the heat treatment using the lamp annealing device described above, with each figure (a) before heating and each figure (b) after heating at 450°C for 10 hours. Each figure shows the leakage current distribution after heating.

なお、第9図のサンプルの断面を図示すると、例えば第
10図に示すようなり、相当するものについて第1図と
同一符号を用いており、29が前述した1100nのT
iN層であり、熱処理によって裏面1表面側の高酸素濃
度層29a、29bの間に低酸素濃度層29cが位置し
た構造になっている。
In addition, if the cross section of the sample in FIG. 9 is illustrated, it will be as shown in FIG. 10, for example, and the same reference numerals as in FIG.
It is an iN layer, and has a structure in which a low oxygen concentration layer 29c is located between high oxygen concentration layers 29a and 29b on the front side of the back surface 1 by heat treatment.

そして、第7図から明らかなように、加熱の前後でpn
接合の洩れ電流はほとんど変化せず、第8図の従来の高
酸素濃度でシート抵抗の高いTiNを有する構造のもの
と同等の結果となり、配線層のAIの基板側への拡散が
確実に阻止されていることがわかる。
As is clear from Fig. 7, pn before and after heating.
The leakage current of the junction hardly changes, and the result is equivalent to that of the conventional structure with high oxygen concentration and high sheet resistance TiN shown in Figure 8, and the diffusion of AI in the wiring layer toward the substrate side is reliably prevented. I can see that it is being done.

これに対し、第9図の場合、堆積後に熱処理を施したT
iNが一層だけであると、450℃、10時間の加熱後
の洩れ電流は著しく増大し、A1の基板への拡散を十分
に阻止し得ず、バリア効果が少ないことがわかる。
On the other hand, in the case of FIG. 9, T
It can be seen that when only one layer of iN is used, the leakage current increases significantly after heating at 450° C. for 10 hours, and the diffusion of A1 into the substrate cannot be sufficiently prevented, resulting in a small barrier effect.

ここで、第9図中の破線は、洩れ電流が5×110 OAより高いことを示している。Here, the broken line in FIG. 9 indicates that the leakage current is 5×110 This shows that it is higher than OA.

以上のように、バリアメタル層25を、高酸素濃度層と
低酸素濃度層とを交互に積層して多層構造にしたため、
高酸素濃度層により、金属配線層26のAI等の金属原
子の基板10への拡散に対して高いバリア性を得ること
ができ、低酸素濃度層により、バリアメタル層25全体
のシート抵抗を低減することができ、高いバリア性と低
シート抵抗を有するバリアメタル層25を得ることがで
きる。
As described above, since the barrier metal layer 25 has a multilayer structure by alternately stacking high oxygen concentration layers and low oxygen concentration layers,
The high oxygen concentration layer can provide a high barrier property against diffusion of metal atoms such as AI in the metal wiring layer 26 into the substrate 10, and the low oxygen concentration layer can reduce the sheet resistance of the entire barrier metal layer 25. Thus, a barrier metal layer 25 having high barrier properties and low sheet resistance can be obtained.

なお、金属配線層26の密着力を確保するために、第1
1図に示すように、第2のTiN層24の表面側に高酸
素濃度層が形成されないように、熱処理時の条件を制御
し、例えば第2のTiN層24の酸素濃度を低くし、熱
処理時の雰囲気ガスに含まれる水、酸素濃度をさらに下
げると共に、熱処理後、試料温度が十分低くなってから
大気中に取り出すようにし、低酸素濃度層24c上に直
接金属配線層26を形成するような構成にしてもよい。
Note that in order to ensure the adhesion of the metal wiring layer 26, the first
As shown in FIG. 1, the conditions during the heat treatment are controlled so that a high oxygen concentration layer is not formed on the surface side of the second TiN layer 24, for example, the oxygen concentration of the second TiN layer 24 is lowered, and the heat treatment is performed. In addition to further lowering the water and oxygen concentrations contained in the atmospheric gas during heat treatment, the sample temperature is taken out into the atmosphere after it has become sufficiently low after heat treatment, and the metal wiring layer 26 is formed directly on the low oxygen concentration layer 24c. It may be configured as follows.

また、バリアメタル層の他の製造方法として、前述した
ように、流量比1:1の(A r + N 2 )ガス
雰囲気中でのDCマグネトロン法によりTiNを成膜す
る際に、酸素を加えずに成膜する工程と、2〜3%の酸
素を加えて成膜する工程とを交互に繰り返し、バリアメ
タル層としてのTiNを連続的に形成してもよく、これ
により、TiNからなる高酸素濃度層と低酸素濃度層と
が交互に積層された多層構造のバリアメタル層を形成で
き、結晶粒界が不連続になって高いバリア特性を得るこ
とができるとともに、シート抵抗の上昇を抑えることが
できる。
In addition, as described above, another method for manufacturing the barrier metal layer is to add oxygen when forming a TiN film by the DC magnetron method in an (Ar + N 2 ) gas atmosphere with a flow rate ratio of 1:1. TiN may be continuously formed as a barrier metal layer by alternately repeating the process of forming a film without adding 2 to 3% oxygen and the process of forming a film with 2 to 3% oxygen. It is possible to form a barrier metal layer with a multilayer structure in which oxygen concentration layers and low oxygen concentration layers are laminated alternately, making it possible to obtain high barrier properties by discontinuing grain boundaries and suppressing increases in sheet resistance. be able to.

さらに、上記実施例では、金属配線層26のAIの基板
1への拡散に対するバリア性について説明したが、AI
以外のCu、Au、Agなどの拡散に対しても、同様の
高いバリア性を得ることができるのは勿論である。
Further, in the above embodiment, the barrier property of the metal wiring layer 26 against diffusion of AI into the substrate 1 was explained.
Of course, similar high barrier properties can be obtained against diffusion of other materials such as Cu, Au, and Ag.

また、バリアメタル層の材料は、前記したTiNに限ら
ず、前述したTi、Ta、W、Mo等の高融点金属の窒
化物、炭化物、はう化物や、これらの高融点金属のうち
W、Moの単体、TiW等であってもよいのは言うまで
もない。
In addition, the material of the barrier metal layer is not limited to the above-mentioned TiN, but also nitrides, carbides, and ferrides of high-melting point metals such as Ti, Ta, W, and Mo, and among these high-melting point metals, W, Needless to say, Mo alone, TiW, etc. may be used.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上のように、この発明によれば、バリアメタル層を、
高酸素濃度層と低酸素濃度層とを交互に積層して多層構
造にしたため、金属配線層の金属原子の基板への拡散に
対する高いバリア性と低シート抵抗を有するバリアメタ
ル層を得ることができ、半導体装置の特性及び信頼性の
向上を図ることができる。
As described above, according to the present invention, the barrier metal layer
Since high oxygen concentration layers and low oxygen concentration layers are alternately laminated to form a multilayer structure, it is possible to obtain a barrier metal layer that has high barrier properties against diffusion of metal atoms in the metal wiring layer into the substrate and low sheet resistance. , it is possible to improve the characteristics and reliability of a semiconductor device.

また、このようなバリアメタル層の製造方法として、バ
リアメタル用低酸素濃度層を形成する工程と、低酸素濃
度層を酸素を含む雰囲気中で熱処理し低酸素濃度層に高
酸素濃度層を形成する工程とを複数回繰り返すことによ
って、容易に高酸素濃度層と低酸素濃度層との多層構造
のバリアメタル層を形成することができる。
In addition, as a manufacturing method for such a barrier metal layer, there is a step of forming a low oxygen concentration layer for the barrier metal, and a process of heat-treating the low oxygen concentration layer in an atmosphere containing oxygen to form a high oxygen concentration layer on the low oxygen concentration layer. By repeating this step multiple times, it is possible to easily form a barrier metal layer having a multilayer structure of a high oxygen concentration layer and a low oxygen concentration layer.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図はこの発明の半導体装置及びその製造方法の一実
施例の各工程の断面図、第2図は第1図の各工程の一部
の断面図、第3図(a)〜(C)は第1図の工程途中に
おけるオージェ電子分光法のスペクトルを示す図、第4
図及び第5図はそれぞれ第1図のTiN層形成時におけ
る全圧とO/ T i及びN/Tiの各組成比との関係
図、第6図は第1図の工程によって得られたバリアメタ
ル層の結晶構造を模式的に示す断面図、第7図(a) 
、 (b)はそれぞれ第1図の工程により得られたTi
N層の熱加速試験の前後でのpn接合の洩れ電流、第8
図(a) 、 (b)及び第9図(a) 、 (b)は
第7図と比較されるTiN層の熱加速試験の前後でのp
n接合の洩れ電流の分布図、第10図は第9図の試験用
サンプルの断面図、第11図は他の実施例の断面図、第
12図は従来の半導体装置の断面図、第13図及び第1
4図はそれぞれ第12図の動作説明用の断面図、第15
図(a) 、 (b)は第12図のバリアメタル層の酸
素濃度が高い場合の熱加速試験の前後でのpn接合の洩
れ電流分布図、第16図(a) 、 (b)は酸素濃度
が低い場合の熱加速試験の前後でのpn接合の洩れ電流
分布図である。 図において、10はSi基板、22は第1のTiN層、
24は第2のTiN層、22a、22b。 24a、24bは高酸素濃度層、22c、24cは低酸
素濃度層、25はバリアメタル層、26は金属配線層で
ある。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。 第1図(その1)
FIG. 1 is a sectional view of each step of an embodiment of a semiconductor device and a method for manufacturing the same according to the present invention, FIG. 2 is a sectional view of a part of each step of FIG. 1, and FIGS. 3(a) to (C) ) is a diagram showing the spectrum of Auger electron spectroscopy in the middle of the process of Figure 1,
5 and 5 are graphs of the relationship between the total pressure and the O/Ti and N/Ti composition ratios during the formation of the TiN layer shown in FIG. 1, respectively, and FIG. 6 shows the barrier obtained by the process shown in FIG. 1. Cross-sectional view schematically showing the crystal structure of the metal layer, FIG. 7(a)
, (b) are Ti obtained by the process shown in Fig. 1, respectively.
Leakage current of pn junction before and after thermal acceleration test of N layer, 8th
Figures (a) and (b) and Figure 9 (a) and (b) show the p of the TiN layer before and after the thermal acceleration test compared with Figure 7.
10 is a cross-sectional view of the test sample of FIG. 9, FIG. 11 is a cross-sectional view of another embodiment, FIG. 12 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor device, and FIG. Figure and 1st
Figure 4 is a sectional view for explaining the operation of Figure 12, and Figure 15.
Figures (a) and (b) are leakage current distribution diagrams of the pn junction before and after the thermal acceleration test when the oxygen concentration in the barrier metal layer is high in Figure 12, and Figure 16 (a) and (b) are the leakage current distribution diagrams when the oxygen concentration in the barrier metal layer is high. FIG. 4 is a leakage current distribution diagram of a pn junction before and after a thermal acceleration test when the concentration is low. In the figure, 10 is a Si substrate, 22 is a first TiN layer,
24 is a second TiN layer, 22a, 22b. 24a and 24b are high oxygen concentration layers, 22c and 24c are low oxygen concentration layers, 25 is a barrier metal layer, and 26 is a metal wiring layer. Note that the same reference numerals in each figure indicate the same or corresponding parts. Figure 1 (Part 1)

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)半導体基板上に形成され高酸素濃度層と低酸素濃
度層とが交互に積層された多層構造を有するバリアメタ
ル層と、前記バリアメタル層上に形成された金属配線層
とを備えたことを特徴とする半導体装置。
(1) A barrier metal layer formed on a semiconductor substrate and having a multilayer structure in which high oxygen concentration layers and low oxygen concentration layers are alternately laminated, and a metal wiring layer formed on the barrier metal layer. A semiconductor device characterized by:
(2)半導体基板上にバリアメタル層を形成し、前記バ
リアメタル層上に金属配線層を形成して半導体装置を製
造する半導体装置の製造方法において、 前記バリアメタル層の形成時に、 バリアメタル用低酸素濃度層を形成する工程と、前記低
酸素濃度層を酸素を含む雰囲気中で熱処理し前記低酸素
濃度層に高酸素濃度層を形成する工程とを複数回繰り返
すことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(2) In a method for manufacturing a semiconductor device in which a semiconductor device is manufactured by forming a barrier metal layer on a semiconductor substrate and forming a metal wiring layer on the barrier metal layer, when forming the barrier metal layer, for barrier metal. A semiconductor device characterized in that a step of forming a low oxygen concentration layer and a step of heat-treating the low oxygen concentration layer in an atmosphere containing oxygen to form a high oxygen concentration layer in the low oxygen concentration layer are repeated multiple times. manufacturing method.
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