JP2009158504A - Apparatus for manufacturing semiconductor and method of manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an apparatus for manufacturing a semiconductor that selectively forms an optional film on one surface of a substrate, and to provide a method of manufacturing a semiconductor device using the same. <P>SOLUTION: Gas is supplied from plates 102 and 103 provided at upper and lower gas inlets in a hot-wall heating type process chamber 105, and while a wafer-like substrate 101 is kept floating, a film is formed only on its backside. Inert gas is always applied onto the upper surface side of the substrate 101, and two kinds of material gases are alternatively supplied to the backside side. Thus, the material gases adsorbed to the substrate 101 are reacted with each other on the backside of the substrate 101 so as to form a film thereon. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体装置の製造に用いる半導体製造装置と、その半導体製造装置を用いた半導体装置の製造方法とに関する。   The present invention relates to a semiconductor manufacturing apparatus used for manufacturing a semiconductor device, and a semiconductor device manufacturing method using the semiconductor manufacturing apparatus.

半導体素子を形成する絶縁膜や金属膜の内部応力による半導体基板の反りが、パターン形成不良や、クラックのような不良を引き起こすことから、以前は応力相殺膜を形成し、基板の反りを解消する技術が利用されていた(特許文献1参照)。   The warpage of the semiconductor substrate due to the internal stress of the insulating film or metal film that forms the semiconductor element causes defects such as pattern formation defects and cracks. Therefore, a stress compensation film was previously formed to eliminate the warpage of the substrate. Technology has been used (see Patent Document 1).

これに対し、近年では半導体素子の高性能化に伴い、Si(シリコン)格子に機械的な力(応力)を加え、電子や正孔の移動度を向上させ、半導体装置を高速化する歪みSi技術が積極的に用いられている。   On the other hand, in recent years, with increasing performance of semiconductor elements, strained Si that applies mechanical force (stress) to the Si (silicon) lattice, improves the mobility of electrons and holes, and speeds up the semiconductor device. Technology is actively used.

例えば、DSL(Dual Stress Liner)技術は、トランジスタ素子と配線等を接続するためのコンタクトホールを形成する際にエッチングストッパーとして用いるシリコン窒化膜の内部応力を変化させることで、電子または正孔の移動度を向上させる技術である。具体的には、チャネルに引っ張り応力を与えるシリコン窒化膜をnチャネル型MOSトランジスタ上に形成し、チャネルに圧縮応力を与えるシリコン窒化膜をpチャネル型MOSトランジスタ上に形成することによって、nチャネル型およびpチャネル型のMOSトランジスタの性能を向上させることが可能になる(特許文献2参照)。また、DSL技術の一つとして、SMT(Stress Memorized Technology)という歪記憶技術が提案されている。これは、ゲート電極を形成した後に熱膨張係数が大きい膜を基板上に形成し、成膜温度より高い温度で熱処理を加えることで基板に応力を印加するものである。熱処理を加えることにより膜から炭素や水素といった不純物が抜けて膜の収縮が起こり、常温に戻しても基板が曲がった状態で保持される。これにより、電子の移動度を向上させることができる。
特開平11−153788号公報 特開2003−060076号公報
For example, DSL (Dual Stress Liner) technology moves electrons or holes by changing the internal stress of a silicon nitride film used as an etching stopper when forming contact holes for connecting transistor elements to wirings, etc. It is a technology that improves the degree. Specifically, a silicon nitride film that applies tensile stress to the channel is formed on the n-channel MOS transistor, and a silicon nitride film that applies compressive stress to the channel is formed on the p-channel MOS transistor. In addition, the performance of the p-channel MOS transistor can be improved (see Patent Document 2). As one of the DSL technologies, a strain memory technology called SMT (Stress Memorized Technology) has been proposed. In this method, after a gate electrode is formed, a film having a large thermal expansion coefficient is formed on the substrate, and stress is applied to the substrate by applying a heat treatment at a temperature higher than the film forming temperature. By applying heat treatment, impurities such as carbon and hydrogen are removed from the film and the film shrinks, and the substrate is held in a bent state even when the temperature is returned to room temperature. Thereby, the mobility of electrons can be improved.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-153788 JP 2003-060076 A

DSL技術においてトランジスタのチャネルに印加される応力は、シリコン窒化膜の膜厚が増加するほど大きくなるが、近年では素子の微細化に伴ってトランジスタピッチが狭くなり、シリコン窒化膜の膜厚を10〜50nm程度にしかすることができない。そのため、トランジスタの微細化が進むにつれてチャネルに大きな応力を印加することが難しくなってきている。   In the DSL technology, the stress applied to the channel of the transistor increases as the film thickness of the silicon nitride film increases. However, in recent years, the transistor pitch becomes narrower with the miniaturization of the element, and the film thickness of the silicon nitride film becomes 10%. It can only be about ˜50 nm. For this reason, it has become difficult to apply a large stress to the channel as the transistor becomes finer.

SMT技術においても、応力印加膜の形成後にさらに高温の熱処理が加わったり、逆方向の応力を有する膜が後に形成された場合にはチャネルに加わる応力が緩和され、電子の移動度を向上させることができない場合があった。   Even in the SMT technology, if a higher temperature heat treatment is applied after the stress application film is formed, or if a film having a stress in the reverse direction is formed later, the stress applied to the channel is relieved and the electron mobility is improved. There was a case that could not be.

また、半導体装置の配線形成過程では、裏面から配線金属の汚染が浸透し、基板上面に形成されているトランジスタの特性を悪化させる可能性がある。従来は、トランジスタを形成する際に複数枚ウェハを処理できる縦型熱処理装置にて、半導体基板の上面および裏面にシリコン窒化膜を形成してから、上面にはエッチングなどの加工を施し、裏面にはシリコン窒化膜を配線工程終了時まで残しておき、半導体基板を銅やアルミニウムの汚染から保護していた。しかしながら、トランジスタの微細化、製造プロセスの低温化によって、シリコン窒化膜の薄膜化、洗浄耐性の劣化が起こり、さらに配線の多層化によって、基板裏面に形成された金属を除去するための洗浄回数が、従来と比べて多くなるため、裏面からの金属汚染の課題が生じやすくなっている。   Further, in the process of forming the wiring of the semiconductor device, contamination of the wiring metal may permeate from the back surface, which may deteriorate the characteristics of the transistor formed on the top surface of the substrate. Conventionally, in a vertical heat treatment apparatus capable of processing a plurality of wafers when forming a transistor, a silicon nitride film is formed on the upper surface and the back surface of a semiconductor substrate, and then processing such as etching is performed on the upper surface and the back surface is processed. Left the silicon nitride film until the end of the wiring process to protect the semiconductor substrate from copper and aluminum contamination. However, with the miniaturization of transistors and the lowering of the manufacturing process, the silicon nitride film has become thinner and the cleaning resistance has deteriorated. Furthermore, the number of times of cleaning for removing the metal formed on the back surface of the substrate has increased due to the multilayered wiring. Since it increases compared to the conventional case, the problem of metal contamination from the back surface is likely to occur.

本発明は、トランジスタの微細化が進んだ場合にもチャネルに適切な応力を印加してキャリアの移動度を向上させる方法を提供すること、あるいは、配線工程において基板裏面からの金属汚染を防止する方法を提供することを目的とする。また、これらの方法を併せて実現するための半導体製造装置を提供することを目的とする。   The present invention provides a method for improving carrier mobility by applying appropriate stress to a channel even when transistor miniaturization advances, or prevents metal contamination from the back surface of a substrate in a wiring process. It aims to provide a method. Moreover, it aims at providing the semiconductor manufacturing apparatus for implement | achieving these methods collectively.

上記の目的を達成するため、本発明に係る半導体製造装置は、上部または下部に原料ガスを供給する第1の供給口が、前記第1の供給口と対向する位置に不活性ガスを供給する第2の供給口が、任意の位置に排気口がそれぞれ設けられ、基板上に膜を形成するためのプロセスチャンバと、前記プロセスチャンバの側壁の外周に設置されたヒータとを備え、
前記原料ガスを前記基板の一方の主面に供給するとともに、前記不活性ガスを前記基板の他方の主面に供給することで、前記基板を浮かせた状態で保持しつつ前記一方の主面上に前記膜を形成する。
In order to achieve the above object, in the semiconductor manufacturing apparatus according to the present invention, the first supply port that supplies the source gas to the upper portion or the lower portion supplies the inert gas to a position facing the first supply port. The second supply port includes an exhaust port provided at an arbitrary position, and includes a process chamber for forming a film on the substrate, and a heater installed on the outer periphery of the side wall of the process chamber,
While supplying the source gas to one main surface of the substrate and supplying the inert gas to the other main surface of the substrate, while holding the substrate in a floating state, on the one main surface And forming the film.

この構成によれば、基板を浮かせた状態で成膜を行うので、従来の半導体製造装置と比べ、裏面に選択的に膜を成長させる場合に半導体素子の形成面を傷つけにくく、また、厚さが均一な膜を形成することが可能となる。   According to this configuration, since the film is formed in a state where the substrate is floated, the surface on which the semiconductor element is formed is less likely to be damaged when the film is selectively grown on the back surface as compared with the conventional semiconductor manufacturing apparatus. It is possible to form a uniform film.

また、本発明の第1の半導体装置の製造方法は、基板を準備する工程(a)と、前記基板の上面上にMOSトランジスタを形成する工程(b)と、前記基板の裏面上に圧縮応力または引っ張り応力を有する応力印加膜を形成する工程(c)とを備えている。   The first method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a step (a) of preparing a substrate, a step (b) of forming a MOS transistor on the upper surface of the substrate, and a compressive stress on the rear surface of the substrate. Or a step (c) of forming a stress applying film having a tensile stress.

この方法によれば、基板裏面に形成された応力印加膜によって基板全体を凹状または凸状に反らせることができるので、半導体素子の微細化が進み、基板上面のライナー膜が薄膜化するような場合でもトランジスタの移動度を向上させるのに十分な量の歪みをトランジスタのチャネルに印加することが可能となる。   According to this method, since the entire substrate can be warped in a concave shape or a convex shape by the stress application film formed on the back surface of the substrate, the miniaturization of the semiconductor element advances, and the liner film on the top surface of the substrate is thinned. However, it is possible to apply a sufficient amount of strain to the transistor channel to improve the mobility of the transistor.

応力印加膜を形成する際には、本発明の半導体製造装置が好ましく用いられる。ただし、本発明の半導体製造装置を用いる場合、基板を浮かせるためにガス供給口の径が比較的小さくなっているので、原料ガスが2種類以上あるときは、異なる原料ガスを交互に基板に供給することが好ましい。   When forming the stress application film, the semiconductor manufacturing apparatus of the present invention is preferably used. However, when the semiconductor manufacturing apparatus of the present invention is used, since the diameter of the gas supply port is relatively small in order to float the substrate, when there are two or more kinds of source gases, different source gases are alternately supplied to the substrate. It is preferable to do.

本発明の第2の半導体装置の製造方法は、基板を準備する工程(a)と、前記基板の上面上にMOSトランジスタを形成する工程(b)と、前記基板の裏面上に第1の金属汚染防止膜を形成する工程(c)と、前記工程(c)の後に、前記MOSトランジスタの上方に金属配線を形成する工程(d)とを備えている。   The second method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a step (a) of preparing a substrate, a step (b) of forming a MOS transistor on the upper surface of the substrate, and a first metal on the rear surface of the substrate. A step (c) of forming a contamination preventing film and a step (d) of forming a metal wiring above the MOS transistor after the step (c) are provided.

この方法によれば、配線工程の前や配線工程間に適宜金属汚染防止膜を基板裏面に選択的に形成できるので、半導体基板が裏面側から金属などに汚染されるのを防ぐことができる。   According to this method, the metal contamination prevention film can be selectively formed on the back surface of the substrate as appropriate before or during the wiring process, so that the semiconductor substrate can be prevented from being contaminated with metal or the like from the back surface side.

本発明の半導体製造装置によれば、基板の一方の面に、他方の面を傷つけることなく選択的に均一な厚さの膜を形成することができるので、例えばこの装置を用いてトランジスタのチャネルに印加したい応力とは逆の応力を持つ応力印加膜を裏面に形成し、パターンの微細化に関係なく大きな応力をチャネルに印加することができる。また、この半導体製造装置を用いれば、所望の工程において金属汚染防止膜を基板裏面に選択的に形成することができるので、金属汚染による素子の性能劣化を抑制することができる。   According to the semiconductor manufacturing apparatus of the present invention, a film having a uniform thickness can be selectively formed on one surface of the substrate without damaging the other surface. A stress application film having a stress opposite to the stress to be applied to the film is formed on the back surface, and a large stress can be applied to the channel regardless of the miniaturization of the pattern. Further, if this semiconductor manufacturing apparatus is used, a metal contamination prevention film can be selectively formed on the back surface of the substrate in a desired process, so that it is possible to suppress deterioration of the performance of the element due to metal contamination.

(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態に係る半導体製造装置と、それを用いた半導体装置の製造方法について、図面を参照しながら説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, a semiconductor manufacturing apparatus according to a first embodiment of the present invention and a semiconductor device manufacturing method using the same will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の第1の実施形態に係る成膜装置(半導体製造装置)の主要部の構造を示す図である。同図に示す成膜装置は、ウェハを1枚ずつ処理する「枚葉式」成膜装置である。   FIG. 1 is a diagram showing a structure of a main part of a film forming apparatus (semiconductor manufacturing apparatus) according to the first embodiment of the present invention. The film forming apparatus shown in FIG. 1 is a “single-wafer type” film forming apparatus that processes wafers one by one.

図1に示すように、本実施形態の半導体製造装置は、原料ガスの供給口と、不活性ガスの供給口と、排気口106とが設けられ、石英管などで構成され、基板101上に膜を形成するためのプロセスチャンバ105と、原料ガスの供給口に設置され、基板101の第1の主面に原料ガスを供給するための第1のガス供給プレート103と、不活性ガスの供給口に設置され、基板101の第2の主面に不活性ガスを供給するための第2のガス供給プレート102と、プロセスチャンバ110側壁の外周に設置されたテープヒータ104とを備えている。なお、原料ガスを複数用いる場合、複数の原料ガスは同じ供給口からプロセスチャンバ105内に供給される。   As shown in FIG. 1, the semiconductor manufacturing apparatus according to the present embodiment is provided with a source gas supply port, an inert gas supply port, and an exhaust port 106, and is composed of a quartz tube or the like. A process chamber 105 for forming a film; a first gas supply plate 103 for supplying a source gas to the first main surface of the substrate 101; and a supply of an inert gas. A second gas supply plate 102 that is installed in the mouth and supplies an inert gas to the second main surface of the substrate 101 and a tape heater 104 installed on the outer periphery of the side wall of the process chamber 110 are provided. When a plurality of source gases are used, the plurality of source gases are supplied into the process chamber 105 from the same supply port.

図1の例では、原料ガスの供給口がプロセスチャンバ105の下部に、不活性ガスの供給口がプロセスチャンバ105の上部にそれぞれ設けられているが、原料ガスの供給口と不活性ガスの供給口の位置を入れ替えてもよい。また、不活性ガスの供給口を原料ガスの供給口と同じ側にさらに設けてもよい。   In the example of FIG. 1, the source gas supply port is provided in the lower part of the process chamber 105 and the inert gas supply port is provided in the upper part of the process chamber 105, but the source gas supply port and the inert gas supply are provided. The position of the mouth may be changed. Further, an inert gas supply port may be further provided on the same side as the source gas supply port.

また、排気管に接続された排気口106は、プロセスチャンバ105内の任意の位置に形成されうるが、原料ガスを効率良く排気してパーティクル等の発生を抑制するために原料ガスの供給口に対向する位置、すなわち原料ガスの供給口と基板を挟んで反対側(図1ではプロセスチャンバ105の上壁)に設けられることが好ましい。排気口106にはプロセスチャンバ105内の圧力を制御するゲートバルブが設置されている。また、テープヒータ104以外のヒータを用いてもよい。第1のガス供給プレート103および第2のガス供給プレート102の平面形状は基板101の平面形状に合わせて円形となっている。   The exhaust port 106 connected to the exhaust pipe can be formed at an arbitrary position in the process chamber 105. However, in order to exhaust the source gas efficiently and suppress the generation of particles and the like, the exhaust port 106 is connected to the source gas supply port. It is preferable to be provided on the opposite side, that is, on the opposite side (the upper wall of the process chamber 105 in FIG. 1) across the substrate gas supply port and the substrate. A gate valve for controlling the pressure in the process chamber 105 is installed at the exhaust port 106. A heater other than the tape heater 104 may be used. The planar shapes of the first gas supply plate 103 and the second gas supply plate 102 are circular according to the planar shape of the substrate 101.

図1に示す例では、プロセスチャンバ105の上部から不活性ガスを流し、プロセスチャンバ105の下部から原料ガスを流すことで形成されるガスクッションによりウエハ状の基板101を支持したまま膜を成長させる。ここでは、基板101の素子形成面を上に向けた状態で成膜を行う。   In the example shown in FIG. 1, a film is grown while a wafer-like substrate 101 is supported by a gas cushion formed by flowing an inert gas from the upper part of the process chamber 105 and flowing a raw material gas from the lower part of the process chamber 105. . Here, film formation is performed with the element formation surface of the substrate 101 facing upward.

本実施形態の半導体製造装置においては、原料ガスおよび不活性ガスをウェハの上下方向から供給するので、ウェハの上下方向から加熱すると原料ガスの供給口でガス同士の反応が起こりやすくなり、パーティクルが発生する原因となる。そのため、加熱方式は、図1に示すようにホットウォール型が好ましい。   In the semiconductor manufacturing apparatus of the present embodiment, since the source gas and the inert gas are supplied from the vertical direction of the wafer, when the wafer is heated from the vertical direction of the wafer, the reaction between the gases easily occurs at the source gas supply port, and the particles are generated. Cause it to occur. Therefore, the heating system is preferably a hot wall type as shown in FIG.

従来の半導体製造装置が基板を設置するための基台を備えているのに対し、本実施形態の半導体製造装置では基台を設けずにガスによる浮力で基板を浮かせた状態で支持する点が異なっている。   Whereas a conventional semiconductor manufacturing apparatus includes a base for installing a substrate, the semiconductor manufacturing apparatus according to the present embodiment supports the substrate in a state of being floated by buoyancy due to gas without providing a base. Is different.

このため、従来の半導体製造装置を用いて基板の裏面のみに絶縁体などからなる保護膜を形成する場合、素子形成面が基台に接することとなり、素子形成面が損傷するおそれがあった。さらに、基台がパーティクル発生の原因ともなっていた。これに対し、本実施形態の半導体製造装置を用いれば、素子形成面が基台と接触することがないため、素子形成面を損傷させることなく所望の膜を基板裏面上に形成することが可能となる。また、パーティクルの発生も抑えられている。ここで、基板101の上面側に原料ガスが回り込まないように、原料ガスが供給される面(裏面)と逆の面(上面)には不活性ガスが供給される。   For this reason, when forming the protective film which consists of an insulator etc. only on the back surface of a board | substrate using the conventional semiconductor manufacturing apparatus, there existed a possibility that an element formation surface might contact | connect a base and an element formation surface might be damaged. Furthermore, the base has also been a cause of particle generation. On the other hand, if the semiconductor manufacturing apparatus of this embodiment is used, since the element formation surface does not come into contact with the base, a desired film can be formed on the back surface of the substrate without damaging the element formation surface. It becomes. Moreover, the generation of particles is also suppressed. Here, an inert gas is supplied to the surface (upper surface) opposite to the surface (back surface) to which the source gas is supplied so that the source gas does not enter the upper surface side of the substrate 101.

本実施形態の場合、不活性ガスとしては、N(窒素)、Ar(アルゴン)、He(ヘリウム)などのうちのいずれかが用いられる。裏面に窒化シリコン膜を形成する場合には、シリコンの原料ガスとして400℃以下で熱分解が可能なTDMAS(テトラジメチルアミノシラン)や、TEOS(テトラエトキシシラン)などが好ましく用いられ、窒素分の原料ガスとしてアンモニアなどが用いられる。 In the present embodiment, any one of N 2 (nitrogen), Ar (argon), He (helium), etc. is used as the inert gas. In the case of forming a silicon nitride film on the back surface, TDMA (tetradimethylaminosilane), TEOS (tetraethoxysilane), or the like that can be thermally decomposed at 400 ° C. or lower is preferably used as a silicon source gas. Ammonia is used as the gas.

図2は、本実施形態の半導体装置の製造方法を示す図である。同図に示すように、2種類のガスA、B(例えば、ガスA:シリコンソースガス、ガスB:窒素ソースガス)を基板裏面に交互に流している。また、裏面への不活性ガス(例えばNガス)の供給量は、原料ガスが供給される間では少なく、原料ガスの供給が停止している間では多くなっている。基板上面への不活性ガスの供給量は膜の成長工程を通して一定である。基板の上面および裏面に所定流量のガスを供給し続けることにより、基板を浮かせた状態で保持することができる。 FIG. 2 is a diagram showing a method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment. As shown in the figure, two types of gases A and B (for example, gas A: silicon source gas, gas B: nitrogen source gas) are alternately supplied to the back surface of the substrate. Further, the supply amount of the inert gas (for example, N 2 gas) to the back surface is small while the raw material gas is supplied, and is increased while the supply of the raw material gas is stopped. The supply amount of the inert gas to the upper surface of the substrate is constant throughout the film growth process. By continuing to supply a predetermined flow rate of gas to the top and back surfaces of the substrate, the substrate can be held in a floating state.

なお、原料ガスとしては成長させる膜に応じて1種類以上のガスが用いられるが、例えば2種類の原料ガス(ガスA、B)が用いられる場合、図2に示すように、ガスAとガスBを交互に基板に供給することが好ましい。ただし、一方の原料ガスを供給した後は、必ず不活性ガスでチャンバー内をパージする。この際には、原料ガス用の供給口から窒素などの不活性ガスを供給する。これにより、原料ガスの残留をなくし、ガスAとガスBが気相中で反応してパーティクルが発生するのを防ぐことができる。また、原料ガス同士を基板表面でのみ反応させることで、成長した膜について面内の膜厚均一性を向上させることができる。なお、2種類の原料ガスを同時に供給した場合や気相中で反応が起こる場合には、原料ガスの供給口に近い部分の膜厚が他の部分よりも厚くなり、膜厚の面内均一性が悪くなる。   As the source gas, one or more kinds of gases are used depending on the film to be grown. For example, when two kinds of source gases (gas A and B) are used, as shown in FIG. It is preferable to supply B to the substrate alternately. However, after one source gas is supplied, the inside of the chamber is always purged with an inert gas. At this time, an inert gas such as nitrogen is supplied from the supply port for the source gas. Thereby, the residue of source gas can be eliminated and it can prevent that the gas A and the gas B react in a gaseous phase, and a particle | grain is generated. Further, by causing the source gases to react only on the substrate surface, in-plane film thickness uniformity can be improved for the grown film. When two types of source gases are supplied simultaneously or when a reaction occurs in the gas phase, the film thickness near the source gas supply port is thicker than the other parts, and the film thickness is uniform within the surface. Sexuality gets worse.

基板の上方および下方から供給されるガス流により基板を浮遊させるためには、少なくとも1.0L/min(slm)以上の流量が必要となり、基板とガス供給口(あるいは第1または第2のガス供給プレート)との間隔は5mm以下であることが望ましい。具体的にシリコン窒化膜を形成する場合には、例えば基板とガス供給口との間には4mmのスペースがあり、シリコンのソースガス(原料ガス)であるTDMASは5.0L/min(slm)、窒素のソースガスであるアンモニアは8.0L/min(slm)で供給する。また、ガス供給口の直径(すなわちガス供給プレートの孔径)は1mm以上且つ5mm以下であることが好ましい。ガス供給口を大きくしすぎると基板を浮遊させることが難しくなり、ガス供給口が小さくしすぎると反応物の付着等により不具合を生じやすいためである。本実施形態の半導体製造装置では、従来の半導体製造装置よりもガス供給口の径が小さくなっているため、ガス供給口での原料ガスの反応を抑えることが重要となっており、前述の、原料ガスを交互に供給する成膜方法が好ましく用いられる。   In order to float the substrate by the gas flow supplied from above and below the substrate, a flow rate of at least 1.0 L / min (slm) is required, and the substrate and the gas supply port (or the first or second gas) The distance from the supply plate is preferably 5 mm or less. When a silicon nitride film is specifically formed, for example, there is a space of 4 mm between the substrate and the gas supply port, and TDMAS which is a silicon source gas (raw material gas) is 5.0 L / min (slm). Ammonia, which is a nitrogen source gas, is supplied at 8.0 L / min (slm). The diameter of the gas supply port (that is, the hole diameter of the gas supply plate) is preferably 1 mm or more and 5 mm or less. This is because if the gas supply port is too large, it becomes difficult to float the substrate, and if the gas supply port is too small, problems are likely to occur due to adhesion of reactants. In the semiconductor manufacturing apparatus of this embodiment, since the diameter of the gas supply port is smaller than that of the conventional semiconductor manufacturing apparatus, it is important to suppress the reaction of the raw material gas at the gas supply port. A film forming method in which source gases are alternately supplied is preferably used.

また、基板とガス供給口を近づけることによって、チャンバ内容積を縮小することができる。前述のように交互に原料ガスを流し、基板表面上での反応を繰り返す場合、成膜速度が遅いため、処理が長時間化する。このため、できる限り炉内容積を縮小し、ガス供給時間を短くし、ガス供給回数を増やすことによって、成膜速度を上げる必要がある。従って、各ガスの供給時間は1回につき1秒以下であることが望ましい。   Further, the chamber internal volume can be reduced by bringing the substrate and the gas supply port closer to each other. As described above, when the source gas is alternately flowed and the reaction on the surface of the substrate is repeated, the film formation speed is slow, and thus the processing takes a long time. For this reason, it is necessary to increase the deposition rate by reducing the furnace volume as much as possible, shortening the gas supply time, and increasing the number of gas supply times. Therefore, the supply time of each gas is preferably 1 second or less at a time.

図3は、本実施形態の半導体製造装置および成膜方法を用いて基板の裏面上に形成したシリコン窒化膜のウェハ面内の膜厚分布を示す図である。同図から分かるように、本実施形態の半導体製造装置および成膜方法を用いた場合、基板面内の等高線は同心円状となり、膜の厚さは中心部分で薄く、外周部分で厚くなる。これは、ホットウォール型の加熱方式であり外周部分の温度が上がりやすく、中心付近ではガス噴出の流速が速いためである。ただし、従来の半導体製造装置と比べると膜厚の面内均一性は大幅に向上している。なお、等高線の間隔は例えば1nmである。   FIG. 3 is a view showing the film thickness distribution in the wafer surface of the silicon nitride film formed on the back surface of the substrate using the semiconductor manufacturing apparatus and film forming method of the present embodiment. As can be seen from the figure, when the semiconductor manufacturing apparatus and film forming method of this embodiment are used, the contour lines in the substrate surface are concentric, and the thickness of the film is thin at the central portion and thick at the outer peripheral portion. This is because it is a hot wall type heating method, the temperature of the outer peripheral portion tends to rise, and the flow rate of gas ejection is high near the center. However, the in-plane uniformity of the film thickness is greatly improved as compared with the conventional semiconductor manufacturing apparatus. The interval between the contour lines is, for example, 1 nm.

図4は、本実施形態の成膜方法を用いた場合の原料ガスの供給サイクル数と堆積された膜の膜厚との関係を示す図である。同図から分かるように、供給サイクル数と膜厚とは比例関係を持つことから、本実施形態の方法によれば、非常に安定した膜厚再現性が得られることがわかる。   FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the number of source gas supply cycles and the thickness of the deposited film when the film forming method of this embodiment is used. As can be seen from the figure, since the number of supply cycles and the film thickness have a proportional relationship, it can be seen that according to the method of the present embodiment, a very stable film thickness reproducibility can be obtained.

(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法の応用例として、基板上面に形成された半導体層に歪みを与えるための応力印加膜を基板裏面に形成する方法を説明する。
(Second Embodiment)
As an application example of the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, a method for forming a stress applying film for distorting a semiconductor layer formed on the upper surface of the substrate will be described.

図5(a)〜(d)は、本実施形態の半導体装置の製造方法を示す図である。   5A to 5D are views showing a method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment.

まず、図5(a)、(b)に示すように、シリコン等の半導体からなるウエハ状の基板501を半導体製造装置のプロセスチャンバ(反応炉)内に導入する。ここで、図5(a)、(b)において基板の裏面は上向きに示されている。なお、図示しないが、基板501上にはシリコン等からなる半導体層およびMOSトランジスタなどの半導体素子が既に形成されている。   First, as shown in FIGS. 5A and 5B, a wafer-like substrate 501 made of a semiconductor such as silicon is introduced into a process chamber (reactor) of a semiconductor manufacturing apparatus. Here, in FIGS. 5A and 5B, the back surface of the substrate is shown upward. Although not shown, a semiconductor layer made of silicon or the like and a semiconductor element such as a MOS transistor have already been formed on the substrate 501.

次に、図5(c)に示すように、第1の実施形態で説明した条件で基板501の裏面に交互に原料ガスを供給して基板501の裏面上に基板材料よりも熱膨張係数の大きな材料からなる応力印加膜503を形成する。成膜温度は原料ガスの分解温度に依存し、例えば原料ガスの気相分解温度以下で、且つ基板表面での吸着および成膜反応が起こる温度以上とする。シリコン基板を用いる場合、応力印加膜503としては窒化シリコン膜が用いられる。窒化シリコン膜の好ましい膜厚範囲は、その内部応力によって異なる。窒化シリコン膜中の内部応力は窒化シリコン中の窒素とシリコンの組成、その他不純物濃度、成膜温度の影響を受けるので、内部応力の小さい窒化シリコン膜を用いる場合、厚い膜が必要となり、内部応力が大きい場合、薄膜でトランジスタのチャネルに所望の応力を与えることができる。ただし、膜厚が大きくなりすぎるとクラック等が発生するおそれがある。   Next, as shown in FIG. 5C, the source gas is alternately supplied to the back surface of the substrate 501 under the conditions described in the first embodiment, so that the thermal expansion coefficient is higher than that of the substrate material on the back surface of the substrate 501. A stress applying film 503 made of a large material is formed. The film forming temperature depends on the decomposition temperature of the raw material gas, and is, for example, not higher than the vapor phase decomposition temperature of the raw material gas and higher than the temperature at which adsorption and film forming reaction occur on the substrate surface. When a silicon substrate is used, a silicon nitride film is used as the stress application film 503. The preferable film thickness range of the silicon nitride film varies depending on its internal stress. The internal stress in the silicon nitride film is affected by the composition of nitrogen and silicon in the silicon nitride, other impurity concentrations, and the film formation temperature. Therefore, when using a silicon nitride film with a low internal stress, a thick film is required. Is large, a thin film can give a desired stress to the channel of the transistor. However, if the film thickness becomes too large, cracks and the like may occur.

なお、酸化シリコン膜などであっても応力印加膜503として用いることは可能である。酸化シリコン膜を用いる場合も、窒化シリコン膜を用いる場合と同様に、その膜が持つ内部応力に応じて膜厚を設定する。   Note that even a silicon oxide film or the like can be used as the stress application film 503. When a silicon oxide film is used, the film thickness is set according to the internal stress of the film, as in the case of using a silicon nitride film.

本工程において、基板501を加熱して裏面のみに応力印加膜503を形成した場合、応力印加膜503の熱膨張係数が大きい程、基板の反りが大きくなる。成膜時にはある一定の温度に保たれたチャンバ内で膜形成が進む。   In this step, when the stress application film 503 is formed only on the back surface by heating the substrate 501, the warpage of the substrate increases as the thermal expansion coefficient of the stress application film 503 increases. Film formation proceeds in a chamber maintained at a certain temperature during film formation.

次に、図5(d)に示すように、成膜の終了後、基板温度が下がると応力印加膜503は基板501に比べて大きく収縮するため、基板501は、応力印加膜503が内側に向く方向に反る。応力印加膜503の熱膨張係数が大きいほど、図5(c)に示す成膜工程での基板501の反りは大きくなる。この状態で成膜を行った後、基板501を降温すると、上述のように、基板は応力印加膜503が内側になるように反る。これにより、基板501上の半導体層は引っ張り応力を受ける。このため、基板上面に形成されたnチャネル型MOSトランジスタの移動度を向上させることができる。   Next, as shown in FIG. 5D, when the substrate temperature is lowered after the film formation is completed, the stress application film 503 contracts more than the substrate 501, so that the substrate 501 has the stress application film 503 on the inside. Warp in the direction you face. The larger the thermal expansion coefficient of the stress application film 503, the greater the warpage of the substrate 501 in the film forming process shown in FIG. After film formation in this state, when the temperature of the substrate 501 is lowered, the substrate warps so that the stress application film 503 is inside as described above. Thereby, the semiconductor layer on the substrate 501 receives tensile stress. For this reason, the mobility of the n-channel MOS transistor formed on the upper surface of the substrate can be improved.

応力印加膜503として窒化シリコン膜を用いる場合、膜の内部圧縮応力は600MPa以上であることが好ましい。また、応力印加膜503として酸化シリコン膜を用いる場合、膜の内部圧縮応力は50MPa以上であることが好ましい。なお、基板501の反りは応力印加膜503が厚いほど大きくなる。   When a silicon nitride film is used as the stress application film 503, the internal compressive stress of the film is preferably 600 MPa or more. Further, when a silicon oxide film is used as the stress application film 503, the internal compressive stress of the film is preferably 50 MPa or more. The warpage of the substrate 501 increases as the stress application film 503 is thicker.

以下の説明では、基板裏面に形成された応力印加膜について、基板の上面を内側に曲げる応力を(内部)引っ張り応力(Tensile Strain)と呼び、基板の裏面を内側に曲げる応力を(内部)圧縮応力(Compressive Strain)と呼ぶ。   In the following explanation, for the stress application film formed on the back surface of the substrate, the stress that bends the top surface of the substrate inward is called (internal) tensile stress (Tensile Strain), and the stress that bends the back surface of the substrate inward is (internal) compression This is called Compressive Strain.

これらの応力により基板の曲率から、下式(1)を用いてデバイスが受ける応力σを算出することができる。   The stress σ received by the device can be calculated from the curvature of the substrate by these stresses using the following equation (1).

σ∝(1/t){(1/R)−(1/R)} …(1)
(t:形成した膜厚、R:成膜後の基板の曲率、R:成膜前の基板の曲率)
上述のように、半導体素子の微細化が進むにつれ、従来のDSL技術では十分な厚さのシリコン窒化膜を形成することが難しくなっている。また、SMT技術を用いた場合にも後の工程によっては電子の移動度を十分に向上させることができない場合があった。
σ∝ (1 / t) {(1 / R) − (1 / R 0 )} (1)
(T: formed film thickness, R: curvature of substrate after film formation, R 0 : curvature of substrate before film formation)
As described above, as the miniaturization of semiconductor elements progresses, it is difficult to form a silicon nitride film having a sufficient thickness with the conventional DSL technique. Even when the SMT technique is used, the mobility of electrons may not be sufficiently improved depending on the subsequent steps.

これに対し、本実施形態の方法によれば、基板の上面側に印加したい応力とは逆の応力を持った絶縁膜を裏面側に形成することによって、基板の反りを増大させることができる。裏面側には、半導体素子が形成された上面側のような膜厚制限はなく、応力印加膜を厚く形成でき、トランジスタのチャネルに大きな歪みを与えることができる。   On the other hand, according to the method of the present embodiment, the warpage of the substrate can be increased by forming the insulating film having the stress opposite to the stress to be applied to the upper surface side of the substrate on the back surface side. On the back surface side, there is no film thickness limitation as on the upper surface side where the semiconductor element is formed, and the stress application film can be formed thick, and a large distortion can be given to the channel of the transistor.

図6(a)は、圧縮応力を持ったシリコン酸化膜を基板裏面に100nmの厚さで形成した場合のSiウェハ(Si基板)の反りを示すグラフである。同図では、半導体素子の形成面は下向きに示されている。図6(a)から、Si基板は中央付近では約28μm反っていることがわかる。ここで、基板上のnチャネル型MOSトランジスタの移動度を向上させるためには、20〜30μm以上の反り量が必要である。   FIG. 6A is a graph showing warpage of the Si wafer (Si substrate) when a silicon oxide film having a compressive stress is formed on the back surface of the substrate with a thickness of 100 nm. In the figure, the formation surface of the semiconductor element is shown downward. FIG. 6A shows that the Si substrate is warped by about 28 μm near the center. Here, in order to improve the mobility of the n-channel MOS transistor on the substrate, a warpage amount of 20 to 30 μm or more is required.

なお、シリコン酸化膜の形成方法の一例として、炉内温度は400℃に保ち、上下から窒素ガスを流してSi基板を保持する。そして、シリコンの原料ガスとしてTEOSを4L/min(slm)で供給し、窒素ガスでチャンバ内をパージした後、酸素のソースガスとしてオゾンを8L/min(slm)で供給する。各々のガス供給時間は1秒とする。   As an example of the method for forming the silicon oxide film, the furnace temperature is kept at 400 ° C., and nitrogen gas is flowed from above and below to hold the Si substrate. Then, TEOS is supplied as a silicon source gas at 4 L / min (slm), the inside of the chamber is purged with nitrogen gas, and then ozone is supplied as an oxygen source gas at 8 L / min (slm). Each gas supply time is 1 second.

図6(b)は、高い引っ張り応力を持つ厚さ30nmのシリコン窒化膜をSi基板上面に形成した場合のSi基板の反りを示したグラフである。Si基板の向きは図6(a)と同様である。図6(b)から、Si基板の中央付近では、約25μm程度反っていることがわかる。このシリコン窒化膜は、シリコンのソースガスにSiHを、窒素のソースガスにアンモニアを用いたプラズマCVDにより成膜され、その成膜後、紫外線照射にて膜収縮を起こさせ、引っ張り応力を向上させたものである。 FIG. 6B is a graph showing the warpage of the Si substrate when a silicon nitride film having a high tensile stress and having a thickness of 30 nm is formed on the upper surface of the Si substrate. The orientation of the Si substrate is the same as in FIG. It can be seen from FIG. 6B that the warpage is about 25 μm near the center of the Si substrate. This silicon nitride film is formed by plasma CVD using SiH 4 as the silicon source gas and ammonia as the nitrogen source gas. After the film formation, the film is shrunk by ultraviolet irradiation to improve the tensile stress. It has been made.

図6(c)は、基板裏面に圧縮応力を持つ厚さ100nmのシリコン酸化膜を形成し、基板上面に引っ張り応力を持つ厚さ30nmのシリコン窒化膜を形成した後、Si基板の反りを測定した結果である。Si基板の中心付近では、40μm程度の反りが見られ、一方の面に応力印加膜を形成する場合よりも更に大きい応力を印加できていることがわかる。   FIG. 6C shows a silicon oxide film having a thickness of 100 nm having compressive stress formed on the back surface of the substrate, and a silicon nitride film having a thickness of 30 nm having tensile stress being formed on the upper surface of the substrate, and then measuring the warpage of the Si substrate. It is the result. In the vicinity of the center of the Si substrate, a warp of about 40 μm is observed, and it can be seen that a larger stress can be applied than when a stress applying film is formed on one surface.

なお、本実施形態の製造方法において、基板の裏面に応力印加膜を形成する段階としては、半導体素子を形成した後であって、コンタクトホール形成前が好ましい。具体的には、トランジスタを基板上面に形成した後、コンタクトホール形成時のエッチングに対するエッチングストッパー膜となる、強い引っ張り応力を持つシリコン窒化膜を形成する。この後、基板裏面に圧縮応力を持つ、例えばシリコン酸化膜を形成する。この後、上面側のシリコン窒化膜上に層間絶縁膜であるシリコン酸化膜を500nm程度の厚さで形成する。このシリコン酸化膜は引っ張り応力を有するか、もしくは、非常に応力の小さい膜であることが必要である。その後、平坦化処理(CMP:Chemical Mechanical Polishing)を行い、コンタクトホールを形成する。このように、基板上面だけでなく、基板裏面にも圧縮応力を持つ応力印加膜を形成することで、半導体素子が微細化した場合でもキャリアの移動度を向上させるのに十分な応力をチャネルに印加することが可能となる。また、基板裏面に形成する応力印加膜の膜厚を調整することで容易にトランジスタのチャネルに印加する応力を調節することが可能となる。   In the manufacturing method of this embodiment, the step of forming the stress applying film on the back surface of the substrate is preferably after the semiconductor element is formed and before the contact hole is formed. Specifically, after the transistor is formed on the upper surface of the substrate, a silicon nitride film having a strong tensile stress, which becomes an etching stopper film against etching at the time of forming the contact hole, is formed. Thereafter, for example, a silicon oxide film having a compressive stress is formed on the back surface of the substrate. Thereafter, a silicon oxide film as an interlayer insulating film is formed on the silicon nitride film on the upper surface side to a thickness of about 500 nm. This silicon oxide film must have a tensile stress or be a film having a very small stress. Thereafter, planarization (CMP: Chemical Mechanical Polishing) is performed to form contact holes. Thus, by forming a stress application film having compressive stress not only on the top surface of the substrate but also on the back surface of the substrate, sufficient stress is applied to the channel to improve carrier mobility even when the semiconductor element is miniaturized. It becomes possible to apply. In addition, the stress applied to the channel of the transistor can be easily adjusted by adjusting the thickness of the stress application film formed on the back surface of the substrate.

また、裏面に形成された圧縮応力を持つ膜は、コンタクトホール形成後、第1配線層を形成する際に除去しても問題はない。配線工程ではトランジスタ上に厚さ数百nmの絶縁膜が形成されるため、裏面の応力印加膜を除去しても基板に印加された歪みは保持され、トランジスタの駆動能力を向上することができる。   Further, there is no problem even if the film having compressive stress formed on the back surface is removed when the first wiring layer is formed after the contact hole is formed. In the wiring process, an insulating film having a thickness of several hundreds of nanometers is formed on the transistor. Therefore, even if the stress application film on the back surface is removed, the strain applied to the substrate is maintained, and the driving capability of the transistor can be improved. .

基板裏面には基板の上面と比べて複数の膜を形成することがないので、従来のSMT技術のように、応力印加膜による応力が上層の膜によって打ち消されることはない。また、第1の実施形態に係る半導体製造装置を用いた場合には、半導体素子の形成面を傷つけるおそれがなく、且つ従来よりも均一な厚さの応力印加膜を形成することができる。   Since a plurality of films are not formed on the back surface of the substrate as compared with the top surface of the substrate, the stress applied by the stress application film is not canceled by the upper layer film as in the conventional SMT technique. In addition, when the semiconductor manufacturing apparatus according to the first embodiment is used, there is no risk of damaging the formation surface of the semiconductor element, and a stress applying film having a uniform thickness can be formed compared to the conventional case.

図7は、本実施形態の製造方法を適用した場合としない場合のnチャネル型MOSトランジスタにおける駆動電流を比較した図である。オフ電流は200pA/μmとしている。ウェハの基板方位は<100>ノッチ方位とし、評価を行った。比較対象である図中Aは、応力が小さいコンタクトエッチングストッパー膜を用いた場合である。図中Bは、コンタクトエッチングストッパーとして強い引っ張り応力を有するシリコン窒化膜を用いた場合の、オン電流値であり、Aの場合と比べて、駆動電流は7%向上していた。さらに、基板裏面に圧縮応力を持つシリコン酸化膜を形成した図中Cの場合、駆動電流はAの場合と比べて13%も向上していた。   FIG. 7 is a diagram comparing drive currents in an n-channel MOS transistor when the manufacturing method of the present embodiment is applied and not applied. The off current is 200 pA / μm. Evaluation was performed with the substrate orientation of the wafer set to <100> notch orientation. A in the drawing, which is a comparison target, is a case where a contact etching stopper film having a small stress is used. B in the figure is an on-current value when a silicon nitride film having a strong tensile stress is used as a contact etching stopper, and the driving current is improved by 7% compared to the case of A. Further, in the case of C in the figure in which a silicon oxide film having a compressive stress was formed on the back surface of the substrate, the drive current was improved by 13% compared to the case of A.

なお、本実施形態の半導体装置の製造方法では、基板面内に設けられた全nチャネル型MOSトランジスタのチャネルに引っ張り歪みを与えて移動度を向上させるが、基板裏面に引っ張り応力を持つ応力印加膜を形成する場合には、基板上の全pチャネル型MOSトランジスタの移動度を向上させることができる。   In the semiconductor device manufacturing method of the present embodiment, tensile strain is applied to the channels of all n-channel MOS transistors provided in the substrate surface to improve mobility, but stress application having tensile stress is applied to the back surface of the substrate. In the case of forming a film, the mobility of all p-channel MOS transistors on the substrate can be improved.

なお、応力印加膜の材料としては、シリコン窒化物、シリコン酸化物の他に金属酸化膜なども挙げられる。   Examples of the material for the stress application film include a metal oxide film in addition to silicon nitride and silicon oxide.

(第3の実施形態)
本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製造方法として、基板の裏面に金属汚染防止膜を形成する方法について、図面を参照しながら説明する。
(Third embodiment)
As a method for manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention, a method for forming a metal contamination prevention film on the back surface of a substrate will be described with reference to the drawings.

図8(a)〜(h)は、本実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図である。   8A to 8H are cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment.

まず、図8(a)に示すように、Siなどからなる半導体基板203上にゲート絶縁膜(図示せず)、ゲート電極205を公知の方法で順次形成した後、基板の全面上にシリコン窒化膜207を形成する。この際に、複数枚同時に処理できる縦型炉を用いて成膜するため、基板上面だけでなく基板裏面にもシリコン窒化膜201を形成できる。なお、従来は、このシリコン窒化膜201を配線工程まで裏面に残しておき、裏面からの金属汚染を防止していた。   First, as shown in FIG. 8A, after a gate insulating film (not shown) and a gate electrode 205 are sequentially formed on a semiconductor substrate 203 made of Si or the like by a known method, silicon nitride is formed on the entire surface of the substrate. A film 207 is formed. At this time, since the film is formed using a vertical furnace capable of processing a plurality of sheets simultaneously, the silicon nitride film 201 can be formed not only on the upper surface of the substrate but also on the rear surface of the substrate. Conventionally, the silicon nitride film 201 is left on the back surface until the wiring process to prevent metal contamination from the back surface.

次に、図8(b)に示すように、基板上面のシリコン窒化膜207をエッチバックすることによりゲート電極205の側面上にシリコン窒化物からなるサイドウォール207aを形成する。次いで、不純物注入工程、シリサイド工程を経て、トランジスタ部を形成する。   Next, as shown in FIG. 8B, the silicon nitride film 207 on the upper surface of the substrate is etched back to form a sidewall 207a made of silicon nitride on the side surface of the gate electrode 205. Next, a transistor portion is formed through an impurity implantation process and a silicide process.

次に、図8(c)に示すように、半導体基板203およびトランジスタの上に層間絶縁膜209を形成した後、層間絶縁膜209を貫通し、トランジスタ部に接続されるコンタクト211を形成する。   Next, as shown in FIG. 8C, after an interlayer insulating film 209 is formed on the semiconductor substrate 203 and the transistor, a contact 211 that penetrates the interlayer insulating film 209 and is connected to the transistor portion is formed.

次に、図8(d)に示すように、エッチングストッパー膜213および層間絶縁膜215を公知の方法により形成する。   Next, as shown in FIG. 8D, an etching stopper film 213 and an interlayer insulating film 215 are formed by a known method.

次いで、図8(e)、(f)に示すように、層間絶縁膜215およびエッチングストッパー膜213に配線溝217を形成した後、第1の実施形態の半導体製造装置などを用いて、例えばアモルファスシリコンからなる金属汚染防止膜221を基板裏面のシリコン窒化膜201の裏面に形成する。この際には、第1の実施形態に係る半導体製造装置を用いて、炉内温度を400℃とし、原料ガスとしてジシラン(Si)またはトリシラン(Si)を、不活性ガスとして例えば窒素を用いる。成膜中に用いる原料ガスは1種類であるので、原料ガスの供給は間欠的にする必要がなく、一定流量を連続的に行えばよい。また、アモルファスシリコンからなる金属汚染防止膜221の膜密度は2.0g/cm以上であることが好ましい。膜密度が高い方が金属の拡散をより効果的に抑えることができる。アモルファスシリコンの膜密度はプロセスチャンバ内の圧力などにより制御することができる。なお、金属汚染防止膜221がシリコン窒化物で構成される場合も膜密度は2.0g/cm以上であることが好ましい。 Next, as shown in FIGS. 8E and 8F, after forming the wiring groove 217 in the interlayer insulating film 215 and the etching stopper film 213, the semiconductor manufacturing apparatus of the first embodiment is used, for example, amorphous. A metal contamination prevention film 221 made of silicon is formed on the back surface of the silicon nitride film 201 on the back surface of the substrate. At this time, using the semiconductor manufacturing apparatus according to the first embodiment, the furnace temperature is set to 400 ° C., disilane (Si 2 H 6 ) or trisilane (Si 3 H 8 ) is used as the source gas, and inert gas. For example, nitrogen is used. Since there is only one kind of source gas used during film formation, it is not necessary to supply the source gas intermittently, and a constant flow rate may be continuously provided. The film density of the metal contamination prevention film 221 made of amorphous silicon is preferably 2.0 g / cm 3 or more. A higher film density can more effectively suppress metal diffusion. The film density of amorphous silicon can be controlled by the pressure in the process chamber. Even when the metal contamination preventing film 221 is made of silicon nitride, the film density is preferably 2.0 g / cm 3 or more.

次いで、バリアメタル218、銅膜219を順次基板全面に堆積する。   Next, a barrier metal 218 and a copper film 219 are sequentially deposited on the entire surface of the substrate.

次に、図8(g)に示すように、CMP法などにより余分な銅膜219およびバリアメタルを除去し、バリアメタル218を配線溝の内面のみに残すとともに、配線溝217を埋め、銅からなる金属配線219aを形成する。この際に、半導体基板203の上面だけでなく、裏面側や端部に銅やバリアメタルなどの金属が付着する。   Next, as shown in FIG. 8G, the excess copper film 219 and the barrier metal are removed by a CMP method or the like, leaving the barrier metal 218 only on the inner surface of the wiring groove, and filling the wiring groove 217 to form copper. A metal wiring 219a is formed. At this time, a metal such as copper or a barrier metal adheres not only to the upper surface of the semiconductor substrate 203 but also to the back surface side and the end portion.

次に、図8(h)に示すように、基板の裏面側からフッ酸を用いたエッチングを行い、半導体装置に付着した不要な金属を除去する。この際に、金属汚染防止膜221が除去されるとともにシリコン窒化膜201が薄くなる。余分な金属を除去するのは、金属が半導体基板の内部に拡散してトランジスタの信頼性を劣化させるのを防ぐためである。   Next, as shown in FIG. 8H, etching using hydrofluoric acid is performed from the back side of the substrate to remove unnecessary metal attached to the semiconductor device. At this time, the metal contamination prevention film 221 is removed and the silicon nitride film 201 is thinned. The reason for removing the excess metal is to prevent the metal from diffusing into the semiconductor substrate and degrading the reliability of the transistor.

本工程においてシリコン窒化膜201はエッチングストッパーとして機能するため、十分な膜厚と洗浄耐性が要求される。ところが、微細化によってサイドウォールの膜厚が薄膜化されるとともにプロセス温度が低下しているため、シリコン窒化膜201のフッ酸に対する洗浄耐性も低下している。本実施形態の製造方法においては、金属膜形成前の任意の時点で半導体基板203(またはシリコン窒化膜201)の裏面に金属汚染防止膜221を形成することができるので、サイドウォールの形成工程で基板裏面に形成されるシリコン窒化膜201の膜厚によらず、金属汚染を確実に防止することができる。従って、金属汚染防止膜221は、1層目の金属配線の形成前だけでなく各配線工程間に形成してもよい。   In this step, since the silicon nitride film 201 functions as an etching stopper, a sufficient film thickness and cleaning resistance are required. However, as the thickness of the sidewall is reduced and the process temperature is lowered due to miniaturization, the cleaning resistance of the silicon nitride film 201 to hydrofluoric acid is also lowered. In the manufacturing method of this embodiment, the metal contamination prevention film 221 can be formed on the back surface of the semiconductor substrate 203 (or the silicon nitride film 201) at an arbitrary time before the metal film is formed. Regardless of the thickness of the silicon nitride film 201 formed on the back surface of the substrate, metal contamination can be reliably prevented. Therefore, the metal contamination prevention film 221 may be formed not only before the formation of the first layer metal wiring but also between the respective wiring processes.

また、金属汚染防止膜221の材料はアモルファスシリコンの他にシリコン酸化物、シリコン窒化物、ポリシリコン、および金属酸化物などであってもよい。特に、シリコン窒化物を用いる場合、コンタクトホールの形成前に金属汚染防止膜221を形成することにより、金属汚染防止膜221を第2の実施形態で説明した応力印加膜としても機能させることができるので好ましい。   Further, the material of the metal contamination preventing film 221 may be silicon oxide, silicon nitride, polysilicon, metal oxide, etc. in addition to amorphous silicon. In particular, when silicon nitride is used, the metal contamination prevention film 221 can be made to function as the stress application film described in the second embodiment by forming the metal contamination prevention film 221 before forming the contact holes. Therefore, it is preferable.

以上のように、本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、半導体基板の裏面上の保護膜を十分厚くすることができるので、例えば微細化が進んだ場合や10層以上の多層配線を形成する場合であっても、半導体基板の上面に形成されたトランジスタの信頼性を低下させることがない。   As described above, according to the manufacturing method of the semiconductor device of the present embodiment, the protective film on the back surface of the semiconductor substrate can be made sufficiently thick. Even when formed, the reliability of the transistor formed over the top surface of the semiconductor substrate is not lowered.

本発明に係る半導体製造装置は、ウェハ上面を汚染せずに裏面に選択的に膜を形成できる成膜装置として有用であり、本発明に係る半導体装置の製造方法は、金属配線を有し、信頼性が高い半導体装置の製造に有用である。   The semiconductor manufacturing apparatus according to the present invention is useful as a film forming apparatus that can selectively form a film on the back surface without contaminating the upper surface of the wafer, and the semiconductor device manufacturing method according to the present invention includes a metal wiring, This is useful for manufacturing a highly reliable semiconductor device.

本発明の第1の実施形態に係る成膜装置(半導体製造装置)の主要部の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the principal part of the film-forming apparatus (semiconductor manufacturing apparatus) which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態で基板裏面に成膜した膜の膜厚分布を示す図である。It is a figure which shows the film thickness distribution of the film | membrane formed into a film in the back surface of 1st Embodiment. 第1の実施形態の成膜方法を用いた場合の原料ガスの供給サイクル数と堆積された膜の膜厚との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the supply cycle number of the source gas at the time of using the film-forming method of 1st Embodiment, and the film thickness of the deposited film. (a)〜(d)は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図である。(A)-(d) is a figure which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. (a)は、圧縮応力を持ったシリコン酸化膜を基板裏面に形成した場合のSiウェハ(Si基板)の反りを示すグラフであり、(b)は、高い引っ張り応力を持つシリコン窒化膜をSi基板上面に形成した場合のSi基板の反りを示すグラフであり、(c)は、基板裏面に圧縮応力を持つシリコン酸化膜を形成し、基板上面に引っ張り応力を持つシリコン窒化膜を形成した後のSi基板の反りを示すグラフである。(A) is a graph showing the warpage of the Si wafer (Si substrate) when a silicon oxide film having a compressive stress is formed on the back surface of the substrate, and (b) is a graph showing a silicon nitride film having a high tensile stress as Si. It is a graph which shows the curvature of Si substrate at the time of forming on the substrate upper surface, and (c) is after forming a silicon oxide film having compressive stress on the substrate back surface and forming a silicon nitride film having tensile stress on the substrate upper surface. It is a graph which shows the curvature of Si substrate. 第2の実施形態に係る製造方法を適用した場合としない場合のnチャネル型MOSトランジスタにおける駆動電流を比較した図である。It is the figure which compared the drive current in the n channel type MOS transistor when not applying the case where the manufacturing method concerning a 2nd embodiment is applied. (a)〜(h)は、本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。(A)-(h) is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 3rd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

101 基板
102 第2のガス供給プレート
103 第1のガス供給プレート
104 テープヒータ
105 プロセスチャンバ
106 排気口
110 プロセスチャンバ
201、207 シリコン窒化膜
203 半導体基板
205 ゲート電極
207a サイドウォール
209、215 層間絶縁膜
211 コンタクト
213 エッチングストッパー膜
217 配線溝
218 バリアメタル
219 銅膜
219a 金属配線
221 金属汚染防止膜
501 基板
503 応力印加膜
101 Substrate 102 Second gas supply plate 103 First gas supply plate 104 Tape heater 105 Process chamber 106 Exhaust port 110 Process chamber 201, 207 Silicon nitride film 203 Semiconductor substrate 205 Gate electrode 207a Side wall 209, 215 Interlayer insulating film 211 Contact 213 Etching stopper film 217 Wiring groove 218 Barrier metal 219 Copper film 219a Metal wiring 221 Metal contamination prevention film 501 Substrate 503 Stress application film

Claims (19)

上部または下部に原料ガスを供給する第1の供給口が、前記第1の供給口と対向する位置に不活性ガスを供給する第2の供給口が、任意の位置に排気口がそれぞれ設けられ、基板上に膜を形成するためのプロセスチャンバと、
前記プロセスチャンバの側壁の外周に設置されたヒータとを備え、
前記原料ガスを前記基板の一方の主面に供給するとともに、前記不活性ガスを前記基板の他方の主面に供給することで、前記基板を浮かせた状態で保持しつつ前記一方の主面上に前記膜を形成する半導体製造装置。
The first supply port for supplying the source gas to the upper part or the lower part, the second supply port for supplying the inert gas to a position facing the first supply port, and the exhaust port at an arbitrary position are provided. A process chamber for forming a film on the substrate;
A heater installed on the outer periphery of the side wall of the process chamber,
While supplying the source gas to one main surface of the substrate and supplying the inert gas to the other main surface of the substrate, while holding the substrate in a floating state, on the one main surface A semiconductor manufacturing apparatus for forming the film on the substrate.
前記排気口は、前記プロセスチャンバにおいて前記第1の供給口と対向する位置に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の半導体製造装置。   The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the exhaust port is provided at a position facing the first supply port in the process chamber. 前記ガス供給口の直径は1mm以上且つ5mm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体製造装置。   The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 1, wherein a diameter of the gas supply port is 1 mm or more and 5 mm or less. 基板を準備する工程(a)と、
前記基板の上面上にMOSトランジスタを形成する工程(b)と、
前記基板の裏面上に圧縮応力または引っ張り応力を有する応力印加膜を形成する工程(c)とを備えている半導体装置の製造方法。
Preparing a substrate (a);
Forming a MOS transistor on the upper surface of the substrate;
And (c) forming a stress applying film having a compressive stress or a tensile stress on the back surface of the substrate.
前記工程(c)では、上部または下部に原料ガスを供給する第1の供給口が、前記第1の供給口と対向する位置に不活性ガスを供給する第2の供給口が、任意の位置に排気口がそれぞれ設けられたプロセスチャンバと、前記プロセスチャンバの側壁の外周に設置されたヒータとを有する半導体製造装置を用いて、前記基板を浮かせた状態で前記応力印加膜を形成することを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。   In the step (c), the first supply port for supplying the source gas to the upper part or the lower part, and the second supply port for supplying the inert gas to a position opposite to the first supply port are at arbitrary positions. Forming the stress applying film in a state where the substrate is floated using a semiconductor manufacturing apparatus having a process chamber provided with an exhaust port respectively on the substrate and a heater installed on an outer periphery of a side wall of the process chamber. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein: 前記原料ガスは第1のガスと第2のガスを含み、
前記工程(c)では、前記第1の供給口から前記第1のガスを供給する工程(c1)と、前記第1の供給口から前記第2のガスを供給する工程(c2)とを交互に繰り返し、前記工程(c1)と前記工程(c2)との間には前記第1の供給口から前記不活性ガスを供給して前記プロセスチャンバ内をパージすることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
The source gas includes a first gas and a second gas,
In the step (c), the step (c1) of supplying the first gas from the first supply port and the step (c2) of supplying the second gas from the first supply port are alternately performed. The process chamber is purged by repeatedly supplying the inert gas from the first supply port between the step (c1) and the step (c2). The manufacturing method of the semiconductor device of description.
前記応力印加膜は、シリコン酸化物またはシリコン窒化物で構成されていることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein the stress application film is made of silicon oxide or silicon nitride. 前記応力印加膜はシリコン窒化物で構成され、且つ引っ張り応力を有しており、
前記MOSトランジスタはnチャネル型であることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
The stress applying film is made of silicon nitride and has a tensile stress;
8. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein the MOS transistor is an n-channel type.
前記応力印加膜の引っ張り応力は600MPa以上であることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。   9. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein the tensile stress of the stress application film is 600 MPa or more. 前記応力印加膜はシリコン酸化物で構成され、且つ圧縮応力を有しており、
前記MOSトランジスタはpチャネル型であることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
The stress applying film is made of silicon oxide and has a compressive stress;
8. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein the MOS transistor is a p-channel type.
前記応力印加膜の圧縮応力は50MPa以上であることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。   9. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein the compressive stress of the stress application film is 50 MPa or more. 前記工程(b)の後に、前記基板および前記MOSトランジスタの上に層間絶縁膜を形成後、前記層間絶縁膜を貫通するコンタクトホールを形成する工程(d)をさらに備えており、
前記工程(c)は前記工程(d)の前に行うことを特徴とする請求項4〜11のうちいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
After the step (b), the method further includes a step (d) of forming a contact hole penetrating the interlayer insulating film after forming an interlayer insulating film on the substrate and the MOS transistor.
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the step (c) is performed before the step (d).
前記半導体装置は前記MOSトランジスタの上方に金属配線を備えており、
前記応力印加膜は、前記金属配線を形成する工程において、金属汚染防止膜として機能することを特徴とする請求項4〜12のうちいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
The semiconductor device includes a metal wiring above the MOS transistor,
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the stress application film functions as a metal contamination prevention film in the step of forming the metal wiring.
前記工程(b)は、
前記基板上にゲート絶縁膜およびゲート電極を形成する工程(b1)と、
前記基板の上面全体に絶縁膜を形成するとともに、前記基板の裏面上に絶縁膜で構成された第2の金属汚染防止膜を形成する工程(b2)と、
前記基板の上面に形成された絶縁膜をエッチバックして前記ゲート電極の側面にサイドウォールを形成する工程(b3)とを含んでおり、
前記工程(c)において、前記応力印加膜は前記第2の金属汚染防止膜の裏面上に形成されることを特徴とする請求項13に記載の半導体装置の製造方法。
The step (b)
Forming a gate insulating film and a gate electrode on the substrate (b1);
Forming an insulating film on the entire top surface of the substrate, and forming a second metal contamination prevention film made of the insulating film on the back surface of the substrate (b2);
Etching the insulating film formed on the upper surface of the substrate to form a sidewall on the side surface of the gate electrode (b3),
14. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 13, wherein in the step (c), the stress applying film is formed on a back surface of the second metal contamination prevention film.
基板を準備する工程(a)と、
前記基板の上面上にMOSトランジスタを形成する工程(b)と、
前記基板の裏面上に第1の金属汚染防止膜を形成する工程(c)と、
前記工程(c)の後に、前記MOSトランジスタの上方に金属配線を形成する工程(d)とを備えている半導体装置の製造方法。
Preparing a substrate (a);
Forming a MOS transistor on the upper surface of the substrate;
Forming a first metal contamination preventive film on the back surface of the substrate (c);
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising a step (d) of forming a metal wiring above the MOS transistor after the step (c).
前記工程(c)では、上部または下部に原料ガスを供給する第1の供給口が前記第1の供給口と対向する位置に、不活性ガスを供給する第2の供給口が、任意の位置に排気口がそれぞれ設けられたプロセスチャンバと、前記プロセスチャンバの側壁の外周に設置されたヒータとを有する半導体製造装置を用いて、前記第1の供給口から前記基板の裏面に前記原料ガスを供給し、前記第2の供給口から前記基板の上面に前記不活性ガスを供給することにより前記前記基板を浮かせた状態で前記第1の金属汚染防止膜を形成することを特徴とする請求項15に記載の半導体装置の製造方法。   In the step (c), the first supply port for supplying the source gas to the upper part or the lower part is at a position facing the first supply port, and the second supply port for supplying the inert gas is at an arbitrary position. The raw material gas is supplied from the first supply port to the back surface of the substrate using a semiconductor manufacturing apparatus having a process chamber provided with an exhaust port on each side and a heater installed on the outer periphery of the side wall of the process chamber. The first metal contamination prevention film is formed in a state where the substrate is floated by supplying and supplying the inert gas to the upper surface of the substrate from the second supply port. 15. A method for manufacturing a semiconductor device according to 15. 前記第1の金属汚染防止膜は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、ポリシリコン、アモルファスシリコン、および金属酸化膜のうちいずれか1つで構成されていることを特徴とする請求項15または16に記載の半導体装置の製造方法。   The first metal contamination prevention film is formed of any one of silicon oxide, silicon nitride, polysilicon, amorphous silicon, and a metal oxide film. The manufacturing method of the semiconductor device of description. 前記第1の金属汚染防止膜は、シリコン窒化膜またはアモルファスシリコンで構成されており、且つ膜密度は2.0g/cm以上であることを特徴とする請求項17に記載の半導体装置の製造方法。 18. The manufacturing method of a semiconductor device according to claim 17, wherein the first metal contamination prevention film is made of a silicon nitride film or amorphous silicon and has a film density of 2.0 g / cm 3 or more. Method. 前記工程(b)は、
前記基板上にゲート絶縁膜およびゲート電極を形成する工程(b1)と、
前記基板の上面全体に絶縁膜を形成するとともに、前記基板の裏面上に絶縁膜で構成された第2の金属汚染防止膜を形成する工程(b2)と、
前記基板の上面に形成された絶縁膜をエッチバックして前記ゲート電極の側面にサイドウォールを形成する工程(b3)とを含んでおり、
前記工程(c)において、前記第1の金属汚染防止膜は前記第2の金属汚染防止膜の裏面上に形成されることを特徴とする請求項15〜18のうちいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
The step (b)
Forming a gate insulating film and a gate electrode on the substrate (b1);
Forming an insulating film on the entire top surface of the substrate, and forming a second metal contamination prevention film made of the insulating film on the back surface of the substrate (b2);
Etching the insulating film formed on the upper surface of the substrate to form a sidewall on the side surface of the gate electrode (b3),
19. The method according to claim 15, wherein in the step (c), the first metal contamination prevention film is formed on a back surface of the second metal contamination prevention film. A method for manufacturing a semiconductor device.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2011010650A1 (en) * 2009-07-22 2011-01-27 東京エレクトロン株式会社 Film forming method
JP2017103345A (en) * 2015-12-02 2017-06-08 株式会社日立ハイテクノロジーズ Plasma processing method
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