JP2002129336A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JP2002129336A
JP2002129336A JP2000319403A JP2000319403A JP2002129336A JP 2002129336 A JP2002129336 A JP 2002129336A JP 2000319403 A JP2000319403 A JP 2000319403A JP 2000319403 A JP2000319403 A JP 2000319403A JP 2002129336 A JP2002129336 A JP 2002129336A
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Kojiro Nagaoka
弘二郎 長岡
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 同一チャンバ内に搬入された半導体ウェハに
例えば配線用のタングステン膜を形成した場合に、ウェ
ハ間でタングステン膜の特性のばらつきを少なくして配
線の信頼性を向上させることが可能な方法を提供する。 【解決手段】 タングステン膜の成膜を行うためのチャ
ンバの内部を所定の真空圧力に達するまで排気し、この
チャンバの内部がプリコートされた後、1枚目のウェハ
をチャンバ内に搬入する。この1枚目のウェハに対し
て、タングステン膜をWF6 ガスおよびH2 ガスを用い
たCVD法により成膜する。成膜が行われたウェハをチ
ャンバから搬出した後、このチャンバに対してWF6
スを用いたパージ処理を行い、雰囲気を置換する。そし
て、チャンバ内のWF6 ガスを廃棄し、その内部を排気
した後、2枚目のウェハを搬入する。以下、チャンバ内
に順次搬入されるウェハに対して同様の成膜を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウェハ(以
下,ウェハという)を同一チャンバ内に順次搬入し、各
ウェハ上に、例えば半導体集積回路の配線やプラグに用
いられるタングステン膜などを成膜する工程を含む半導
体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】現在、半導体集積回路の作製において
は、その微細化に伴い、多層配線化や配線材料の変更に
よる低抵抗化が不可欠となっている。例えばDRAM
(DynamicRandom Access Memory)のビット線に用いら
れる配線材料としては、これまでタングステンシリサイ
ド(WSi)膜が用いられてきたが、配線の微細化に伴
い、この膜では配線抵抗が高く、半導体集積回路の高速
動作に対応できないため、代わりに従来プラグ形成に用
いられいるブランケットタングステン膜を用いることに
より、配線の低抵抗化を実現している。
【0003】半導体集積回路が作製される複数のウェハ
に対してそれぞれタングステン膜を成膜処理する場合に
は、まず、チャンバ内をプリコートした後、1枚目のウ
ェハをこのチャンバ内に搬入して成膜が行われる。成膜
後、このウェハをチャンバから搬出し、次のウェハをこ
のチャンバ内に搬入して成膜が行われる。以下、同様に
して、各ウェハに対して、搬入、成膜および搬出が繰り
返し行われる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ように配線にタングステン膜を用いる方法では、次のよ
うな問題があった。すなわち、配線の低抵抗化のため
に、ビット線にタングステン膜を用いる場合には、その
膜厚は100nm程度となり、従来のプラグ形成用のタ
ングステン膜と比較して1/3〜1/5程度に薄くなっ
ている。そして、プラグ形成用のタングステン膜を配線
に用いるようにしたために、タングステンの異常成長が
そのまま半導体素子に影響する、すなわち、この異常成
長によって、配線の信頼性が低下したり配線間に短絡
(ショート)が生じたりするという問題があった。この
異常成長を抑制する方法の1つとして、タングステン膜
を成膜する前の工程において、チャンバ内に例えば大流
量のシランガスを導入することが考えられる。しかし、
この方法では、上述した成膜処理において、成膜される
タングステン膜の膜厚がウェハごとに変化し、これによ
り複数のウェハ間で配線抵抗にばらつきが生じてしまう
という問題があった。
【0005】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、処理枚数に依存することなく、特性
の安定した成膜を行うことができ、配線等の信頼性を向
上させることができる半導体装置の製造方法を提供する
ことにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明による半導体装置
の製造方法は、チャンバ内に半導体ウェハを搬入し、半
導体ウェハに対して複数種類の成膜ガスを用いた気相成
長法によって成膜を行う成膜工程と、成膜後の半導体ウ
ェハをチャンバから搬出させた後、チャンバ内の雰囲気
を、半導体ウェハに成膜された膜と同じ成分を含む置換
ガスに置換する置換工程と、チャンバ内の雰囲気を置換
した後、次の成膜用の半導体ウェハを搬入する前にチャ
ンバ内を排気する排気工程とを有している。
【0007】この半導体装置の製造方法では、チャンバ
内に搬入された半導体ウェハに対して、複数種類の成膜
ガスを用いた気相成長法によって成膜が行われる。成膜
が行われた後、半導体ウェハがチャンバから搬出される
が、この半導体ウェハが搬出される毎に、成膜成分を含
む置換ガスによって成膜後のチャンバ内の還元ガス雰囲
気が置換される。チャンバ内の雰囲気が置換された後、
次の半導体ウェハが搬入される前に、チャンバ内の排気
が行われる。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。
【0009】図1(A)〜(C)は、本発明の一実施の
形態に係る半導体装置の製造方法を説明するためのもの
である。ここでは、半導体集積回路が作製されるウェハ
上の配線に用いるタングステン膜の形成方法について説
明する。
【0010】まず、図1(A)に示したように、シリコ
ン基板(ウェハ)1上に、層間絶縁膜として、例えば約
100nmの厚さのプラズマ酸化膜(シリコン酸化膜)
2を、二周波励起によるプラズマCVD(Chemical Vap
or Deposition ;化学的気相成長)により成膜する。成
膜条件としては、例えば、導入ガスがモノシラン(Si
4 )ガスおよび一酸化二窒素(N2 O)ガスであり、
流量はそれぞれ約260×10-83 /s(150sc
cm(Standard Cubic Centimeters per Minute ))お
よび約6800×10-83 /s(4000sccm)
とする。また、成膜温度は400°C、成膜圧力は20
0Pa、高周波電力は400W、低周波電力は100W
とする。
【0011】次に、図1(B)に示したように、成膜し
たプラズマ酸化膜2上に、20nmの厚さのチタン膜3
および50nmの厚さのチタンナイトライド膜4を、ス
パッタ法により順に成膜する。チタン膜3のスパッタ条
件としては、例えば、スパッタガスがアルゴン(Ar)
ガスであり、その流量は約170×10-83 /s(1
00sccm)とする。また、スパッタ圧力は0.4P
a、DC(Direct Current;直流)電力は5kW、シリ
コン基板1の加熱温度は150°Cとする。チタンナイ
トライド膜4のスパッタ条件としては、例えば、スパッ
タガスがArガスおよび窒素(N2 )ガスであり、その
流量はそれぞれ約51×10-83 /s(30scc
m)および約136×10-83 /s(80sccm)
とする。スパッタ圧力、DC電力およびシリコン基板1
の加熱温度については、チタン膜3のスパッタ条件と同
じである。
【0012】チタン膜3およびチタンナイトライド膜4
が成膜された状態において、ランプアニール装置(図示
せず)を用いて、例えば、N2 雰囲気中、700°C、
30秒の条件の下でアニール処理を行う。
【0013】このアニール処理後、図1(C)に示した
ブランケットタングステン膜(以下,タングステン膜と
いう)5の成膜処理を次のように行う。図2はウェハに
対するタングステン膜の成膜処理の流れを表したもので
ある。なお、ここでは、同一のチャンバ内に順次搬入さ
れた各ウェハに対してタングステン膜を成膜処理するも
のとする。
【0014】タングステン膜の成膜を行うためのチャン
バ(図示せず)の内部を所定の真空圧力(例えば約1×
10-3Pa)に達するまで排気した後、このチャンバの
内部をプリコートする(ステップS1)。このプリコー
ト後、図1(B)に示したように成膜が行われた1枚目
のウェハをチャンバ内に搬入し(ステップS2)、搬入
したこの1枚目のウェハに対して成膜を行う(ステップ
S3)。具体的には、チタンナイトライド膜4上に、タ
ングステン膜5をCVD法によって成膜する(図1
(C)参照)。成膜条件としては、例えば、成膜ガスが
6フッ化タングステン(WF6 )ガス(被還元ガス)お
よび水素(H2 )ガス(還元ガス)であり、流量はそれ
ぞれ約136×10-83 /s(80sccm)および
約1020×10-83 /s(600sccm)とす
る。また、成膜圧力は2666Pa、成膜温度は410
°Cとする。なお、成膜ガスとして、水素ガスの代わり
に、モノシランを用いるようにしてもよい。
【0015】1枚目のウェハに対する成膜を行った後、
このウェハをチャンバから搬出する(ステップS4)。
これにより、チャンバは待機状態となる。そして、この
待機状態のチャンバに対してパージ処理を行う(ステッ
プS5)。このパージ処理後、成膜すべき他のウェハが
あるかどうかを判断し(ステップS6)、他のウェハが
ある場合(Y)には、ステップS2の処理に戻って、そ
のウェハに対してタングステン膜5の成膜を行う。以
下、順次搬入するウェハに対して同様の成膜処理を行
う。一方、成膜すべきウェハがない場合(ステップS
6;N)には、この成膜処理を終了する。
【0016】ここで、上記のパージ処理について説明す
る。図3はこのパージ処理の流れを表したものである。
成膜が行われた1枚目のウェハをチャンバから搬出した
後、そのチャンバ内に、パージガス(置換ガス)として
例えば上記成膜時において被還元ガスとして反応したW
6 ガスを導入することにより、チャンバ内に残存して
いる還元ガス(ここでは、水素)をWF6 ガスと置換す
る(ステップS7)。これにより、チャンバ内の雰囲気
の置換が行われる。パージ条件としては、例えば、WF
6 ガスの流量は、約119×10-83 /s(70sc
cm)とする。また、処理圧力は2066Pa、処理温
度は410°C、処理時間は5秒とする。パージ処理に
よってチャンバ内の雰囲気を置換した後、チャンバ内の
パージガスを廃棄する(ステップS8)。そして、次の
ウェハ(2枚目のウェハ)に対するタングステン膜の成
膜の準備のために、チャンバの内部を所定の真空圧力に
達するまで排気する(ステップS9)。
【0017】以上のようにして、各ウェハに対してタン
グステン膜が成膜された後は、以後の工程を経て半導体
集積回路が作製される。
【0018】上記の成膜処理によるウェハの処理枚数に
対するタングステン膜のシート抵抗の依存性を調べるた
めに、従来の成膜処理による場合と比較しながら、複数
のウェハに成膜されたタングステン膜のシート抵抗を測
定した。図4は、従来の成膜処理によって各ウェハに成
膜されたタングステン膜のシート抵抗の測定結果を表し
たものである。左側の縦軸はシート抵抗Rs(Ω/
□)、右側の縦軸はその面内均一性(%)、横軸はウェ
ハの処理枚数をそれぞれ表している。ここで、面内均一
性とは、ウェハに成膜されたタングステン膜上の複数
(ここでは49個)の測定点において測定したシート抵
抗のうちの最大値と最小値との差を、その平均値に対す
る百分率で表したものをいう。従来の成膜処理では、図
3に示したパージ処理(図2では、ステップS5の処
理)は行われていない。図4から、ウェハの処理枚数が
増加するにつれてそのシート抵抗(●)および面内均一
性(▲)が低下する傾向がみられる。この場合の面間均
一性は±5%程度となっている。面間均一性とは、複数
のウェハにそれぞれ成膜されたタングステン膜のシート
抵抗のうちの最大値と最小値との差を、その平均値に対
する百分率で表したものをいう。図5は従来の成膜処理
によって成膜が行われた、1枚目から5枚目までのウェ
ハにおけるシート抵抗の面内分布を表したものである。
図5から、ウェハの処理枚数の増加とともにシート抵抗
の面内分布が大幅に変化していることがわかる。
【0019】図6は、パージ処理を伴って各ウェハに成
膜されたタングステン膜のシート抵抗の測定結果を表し
たものである。ウェハの処理枚数が増加しても、シート
抵抗の平均値(□)およびその中央値(◆)の変化は少
なく、良好な面間均一性(約±2%)が得られているこ
とがわかる。また、図7は、パージ処理を伴う成膜処理
によって成膜が行われた、1枚目、5枚目、10枚目、
15枚目、20枚目および25枚目のウェハにおけるシ
ート抵抗の面内分布を表したものである。この図から
も、ウェハの処理枚数が増加してもシート抵抗の面内分
布はほぼ同じであることがわかる。
【0020】また、種々の処理条件下でのパージ処理を
伴って各ウェハに成膜されたタングステン膜のシート抵
抗の測定を行った。図8および図9はその測定結果を表
したものである。図8において、処理条件(1)はパー
ジ処理を行わない場合(従来の成膜処理の場合)を表し
ている。処理条件(2)〜(5)は、パージ処理におい
て使用するパージガスの種類が異なっており、(2)は
SiH4 ガスを用いた場合、(3)はArガスおよびH
2 ガスを用いた場合、(4)はWF6 ガスおよびH2
スを用いた場合、(5)はWF6 ガスを用いた場合を表
している。処理条件(2)〜(5)の場合、流量はパー
ジガスの種類によらず約119×10-83 /s(70
sccm)、処理圧力は2066Pa、処理温度は41
0°C、処理時間は5秒とした。処理条件(6)〜
(8)は、処理条件(5)と比較して、流量または処理
圧力が異なっており、(6)は処理圧力が1033Pa
の場合、(7)は流量が約17×10-83 /s(10
sccm)の場合、(8)は処理圧力を制御しない場
合、すなわち、チャンバ内を真空状態にした後に圧力の
制御を行っていない場合を表している。また、図8にお
いて、ΔRsは、測定したシート抵抗Rsの最大値と最
小値との差を表している。図9は処理条件(1)〜
(5)の下でのウェハの処理枚数に対するタングステン
膜のシート抵抗の変化をグラフ化したものである。
【0021】図8および図9に示したように、パージ処
理を行わない場合((1))には、処理枚数が増加する
に伴いシート抵抗も増加しており、その面間均一性は
9.50%程度となっている。また、パージ処理を行っ
たとしても、パージガスとしてSiH4 ガスを用いた場
合((2))やArガスおよびH2 ガスを用いた場合
((3))には、処理枚数が増加するに伴ってシート抵
抗が増加しており、パージ処理を行わない場合よりも面
間均一性が悪くなっている。一方、パージガスとして被
還元ガスである少なくともWF6 ガスを用いてパージ処
理を行った場合((4)〜(8))には、処理枚数が増
加してもシート抵抗はほぼ一定の値(変化としては減少
傾向)となり、面間均一性が2.3%〜5.50%と大
幅に改善されている。
【0022】因みに、WF6 ガスを用いたパージ処理
を、次のような処理条件の下でも行った。WF6 ガスの
流量は、約153×10-83 /s(90sccm)、
処理圧力は2666Pa、処理温度は350°C、処理
時間は10秒とした。このような処理条件のパージ処理
を伴う成膜処理によって成膜されたタングステン膜のシ
ート抵抗についても測定を行ったが、少なくともWF6
ガスを用いたパージ処理の場合((4)〜(8))と同
様に、処理枚数によらずシート抵抗がほぼ一定の値とな
り、その面間均一性が大幅に改善された測定結果が得ら
れた。
【0023】以上のように、本実施の形態では、チャン
バ内に搬入されたウェハに対してタングステン膜を成膜
する毎に、この膜と同じ成分(ここではW)を含む置換
ガス(WF6 ガス)を用いたパージ処理を行ってチャン
バ内の雰囲気を置換した後、チャンバ内の排気を行って
いる。従って、ウェハの処理枚数によらず、成膜された
タングステン膜の特性、例えばシート抵抗の面間均一性
を向上させることができる。そして、このようなタング
ステン膜を配線などに用いた場合には、配線抵抗が低く
しかもウェハ間で均一化されているので、高速動作を行
う半導体集積回路における配線の信頼性を向上させるこ
とが可能となる。
【0024】上記実施の形態では、半導体集積回路が作
製されるウェハ上にタングステン膜を成膜する方法につ
いて説明したが、本発明は、ウェハ上に、銅からなる配
線のバリア層として用いられるタングステンナイトライ
ド(WN)膜を形成する場合にも適用可能である。この
タングステンナイトライド膜は、例えば次のようにして
成膜される。まず、タングステンナイトライド膜の成膜
を行うためのチャンバの内部を所定の真空圧力に達する
まで排気し、このチャンバの内部をプリコートした後、
プラズマ酸化膜(シリコン酸化膜)が形成されたウェハ
をチャンバ内に搬入する。搬入したこのウェハのプラズ
マ酸化膜上にタングステンナイトライド膜をCVDによ
り成膜する。成膜条件としては、例えば、成膜ガスがW
6 ガス、アンモニア(NH3 )ガス、Arガスおよび
2 ガスであり、流量はそれぞれ約3×10-83 /s
(2sccm)、約85×10-83 /s(50scc
m)、約170×10-83 /s(100sccm)、
約170×10-83 /s(100sccm)とする。
また、成膜温度は500°C、成膜圧力は約40Pa
(0.3Torr)、成膜時間は20秒とする。
【0025】成膜が行われたウェハをチャンバから搬出
し、この待機状態のチャンバに対して上記と同様なパー
ジ処理を行う。具体的には、そのチャンバ内に、パージ
ガスとしてWF6 ガスを導入することにより、雰囲気の
置換を行う。この条件としては、例えば、WF6 ガスの
流量は、約119×10-83 /s(70sccm)、
処理圧力は2066Pa、処理温度は410°C、処理
時間は5秒とする。チャンバ内の雰囲気を置換した後、
チャンバ内のパージガスを廃棄し、内部を所定の真空圧
力に達するまで排気する。以下、チャンバ内に順次搬入
されるウェハに対して上述のパージ処理を伴う成膜処理
を行う。
【0026】ここで、成膜処理された各ウェハに対して
タングステンナイトライド膜のシート抵抗の測定を行っ
た。パージ処理なしに成膜処理を行った場合には、上記
実施の形態と同様に、タングステンナイトライド膜のシ
ート抵抗の面間均一性が±5%程度まで悪化し、ウェハ
毎にその面内分布も変化していた。しかし、WF6 ガス
を用いたパージ処理を伴う成膜処理を行った場合には、
面間均一性が向上するとともに、面内分布もウェハ間で
ほぼ同じであることがわかった。
【0027】以上のように、タングステンナイトライド
膜に関しても、同一チャンバ内に搬入されたウェハに対
してタングステンナイトライド膜を成膜する毎に、WF
6 ガスを用いたパージ処理を行ってチャンバ内の雰囲気
を置換した後、チャンバ内の排気を行うことにより、ウ
ェハの処理枚数によらず、その特性、例えばシート抵抗
の面間均一性を向上させることができる。
【0028】以上、本発明の実施の形態について説明し
たが、本発明は上記の実施の形態に限定されることな
く、種々の変形が可能である。上記実施の形態では、タ
ングステン膜をWF6 ガスおよびH2 ガスで成膜する場
合や、タングステンナイトライド膜をWF6 ガスおよび
NH3 ガスで成膜する場合に、それぞれパージガスとし
てWF6 ガスを用いたが、例えば、タングステンシリサ
イド膜(WSix )をWF6 ガスおよびSiH4 (また
はジクロロシラン(SiH2 Cl2 ))ガスで成膜する
場合にも、WF6 ガスをパージガスとして用いることが
可能である。また、チタン膜を四塩化チタン(TiCl
4 )ガスおよびH2 ガスで成膜する場合には、TiCl
4 ガスをパージガスとして用いればよい。その他、チタ
ンナイトライド膜をTDMAT(テトラキス・ジメチル
・アミノチタニウム)ガスで成膜する場合には、TDM
ATガスをパージガスとして用いればよい。タンタルナ
イトライド膜を塩化タンタル(TaCl5 )ガスおよび
NH3 ガスで成膜する場合には、TaCl5 ガスをパー
ジガスとして用いることが可能である。酸化タンタル
(Ta2 5 )膜をPET(ペンタエトキシタンタル)
ガスおよび酸素(O2 )ガスで成膜する場合には、PE
Tガスをパージガスとして用いればよい。酸化アルミニ
ウム(Al2 3 )膜をTMA(トリメチルアルミニウ
ム)ガスで成膜する場合には、TMAガスをパージガス
として用いることが可能である。
【0029】なお、上記実施の形態では半導体ウェハを
1枚ごとに処理する場合について説明したが、2以上の
枚数の半導体ウェハを同時に成膜する場合についても適
用できることはいうまでもない。
【0030】
【発明の効果】以上説明したように本発明の半導体装置
の製造方法によれば、成膜後の半導体ウェハをチャンバ
から搬出した後、成膜された膜と同じ成分を含む置換ガ
スによりチャンバ内の雰囲気を置換し、次いで次の半導
体ウェハを搬入する前にチャンバ内を排気するようにし
たので、処理枚数に依存することなく、特性の安定した
成膜を行うことができ、配線等の信頼性を向上させるこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態に係る半導体装置の製造
方法を説明するための断面図である。
【図2】半導体ウェハに対するタングステン膜の成膜処
理の一例の流れを表す図である。
【図3】図2に示したパージ処理の流れを表す図であ
る。
【図4】従来の成膜処理によって各ウェハに成膜された
タングステン膜のシート抵抗の測定結果を表す図であ
る。
【図5】従来の成膜処理によって成膜が行われた各ウェ
ハにおけるシート抵抗の面内分布を表す図である。
【図6】パージ処理を伴う成膜処理によって各ウェハに
成膜されたタングステン膜のシート抵抗の測定結果を表
す図である。
【図7】パージ処理を伴うウェハ成膜処理によって成膜
が行われた各ウェハにおけるシート抵抗の面内分布を表
す図である。
【図8】種々の処理条件下でのパージ処理を伴う成膜処
理によって各ウェハに成膜されたタングステン膜のシー
ト抵抗の測定結果を表す図である。
【図9】種々の処理条件下でのパージ処理を伴う成膜処
理によって各ウェハに成膜されたタングステン膜のシー
ト抵抗の測定結果を表す図である。
【符号の説明】
1…シリコン基板、2…プラズマ酸化膜、3…チタン
膜、4…チタンナイトライド膜、5…タングステン膜。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 チャンバ内に半導体ウェハを搬入し、前
    記半導体ウェハに対して複数種類の成膜ガスを用いた気
    相成長法によって成膜を行う成膜工程と、 前記成膜後の半導体ウェハを前記チャンバから搬出させ
    た後、前記チャンバ内の雰囲気を、前記半導体ウェハに
    成膜された膜と同じ成分を含む置換ガスに置換する置換
    工程と、 前記チャンバ内の雰囲気を置換した後、次の成膜用の半
    導体ウェハを搬入する前に前記チャンバ内を排気する排
    気工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方
    法。
  2. 【請求項2】 前記置換ガスとして、タングステン,チ
    タン,タンタルまたはアルミニウムのいずれか1種を含
    むガスを用いることを特徴とする請求項1記載の半導体
    装置の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記半導体ウェハに、タングステン膜,
    タングステンナイトライド膜,タングステンシリサイド
    膜,チタン膜,チタンナイトライド膜,タンタルナイト
    ライド膜のいずれか1つを成膜させることを特徴とする
    請求項1記載の半導体装置の製造方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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