JP4346931B2

JP4346931B2 - Deposition method

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Publication number: JP4346931B2
Application number: JP2003066005A
Authority: JP
Inventors: 栄一水野; 成史五戸; 雅通原田; 伸幸加藤
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2003-03-12
Filing date: 2003-03-12
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2023-03-12
Also published as: JP2004273966A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は金属膜の成膜方法に関し、特に、半導体装置の金属膜を成膜する成膜方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術で、シリコンウェハの所定領域に選択的に金属膜を成膜する方法を説明する。
先ず、シリコンウェハを真空槽内に置き、該真空槽内に真空雰囲気を形成した状態で水素ガスのプラズマを発生させる。該シリコンウェハの表面が水素ガスのプラズマに晒されると、シリコンウェハのうち、絶縁膜から露出し、砒素や硼素のような不純物が高濃度に注入された不純物領域の表面で、不純物と水素ガスのプラズマが反応し、不純物領域の表面が不活性化される。
【０００３】
不活性化処理を行った後、シリコンウェハを別の真空槽内に搬入し、該真空槽内に真空雰囲気を形成した後、シリコンウェハを加熱しながら、フッ化タングステンのようなハロゲン化金属のガスと、該ハロゲン化金属を還元させる還元ガスを真空槽内に供給すると、ハロゲン化金属が還元され、絶縁膜の表面には金属が析出しないが、不純物領域の表面にのみ金属が析出する（選択ＣＶＤ法）。
【０００４】
このように、不純物領域の不活性化を行った後、ハロゲン化金属のガスを用いてＣＶＤ法で成膜を行えば、不純物領域の表面のみに選択的に金属膜を形成することができる。
【０００５】
ところで、シリコンウェハの表面に有機物質や、不活性化処理時に生成される絶縁膜等の汚染物質が付着した状態で金属膜の成膜を行うと、製造される半導体装置の動作が不安定になるため、不活性化処理の工程と、金属膜の成膜工程との間にシリコンウェハを洗浄する必要がある。
【０００６】
シリコンウェハの洗浄方法としては、不活性化処理後のウェハを一旦真空槽から真空槽外の大気雰囲気へ取り出し、フッ酸（ＨＦ）溶液等の洗浄液に浸漬し、汚染物質を分解除去する方法がある。
【０００７】
しかし、この方法ではウェハを真空雰囲気から大気雰囲気中に搬出する必要があり、また、クリーニング後は成膜のために再度ウェハを真空雰囲気に搬入する必要があるため、工程が煩雑である。
【０００８】
ウェハの不活性化処理を行った後、ウェハが置かれた真空雰囲気中にＨＦガス（弗化水素）やＣＦ₄（四弗化炭素）ガス等のフッ素系ガスのプラズマを発生させ、該プラズマにウェハを晒すことで汚染物質を分解、除去するプラズマ処理法によれば、ウェハを大気中に取り出す必要がなく、一連の工程を真空雰囲気中で行うことができる。
【０００９】
しかし、フッ素系ガスのプラズマを発生させるときには高エネルギーイオンも発生するため、ウェハの酸化膜がダメージを受けることがある。酸化膜がダメージを受けた状態で金属膜の成膜を行うと、金属膜が高濃度領域だけではなく、酸化膜のダメージを受けた部分にも成長してしまう。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、成膜工程の煩雑さをなくし、かつ、金属膜を所望の領域のみに選択的に成膜可能な技術を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、所定領域に絶縁膜が形成されたシリコン基板を成膜雰囲気に配置し、前記成膜雰囲気に原料ガスを供給し、前記シリコン基板の前記絶縁膜から露出する不純物が注入された表面に膜を形成する成膜方法であって、前記膜を形成する前に、水素ガスを含有する不活性化ガスのプラズマに前記シリコン基板を晒す不活性化工程と、化学構造中にフッ素原子を含有する処理ガスのラジカルを生成し、前記シリコン基板を前記処理ガスのラジカルに晒すクリーニング工程とを、真空雰囲気中で行う成膜方法において、前記クリーニング工程では、前記シリコン基板をステージ上に配置し、前記ステージに正の電圧を印加した状態で、前記シリコン基板を前記ラジカルに晒す成膜方法。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の成膜方法であって、前記クリーニング工程では、前記処理ガスにマイクロ波を照射して前記処理ガスのラジカルを生成させる成膜方法である。
請求項３記載の発明は、請求項２記載の成膜方法であって、前記クリーニング工程では、前記シリコン基板が置かれた真空槽内に前記処理ガスが供給される経路の途中に前記マイクロ波を照射する成膜方法である。
請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の成膜方法であって、前記原料ガスとして化学構造中に金属原子を有するガスを用い、前記シリコン基板の前記絶縁膜から露出する表面に金属を析出させ、金属膜を形成する成膜方法である。
【００１２】
本発明は上記のように構成されており、不活性化工程の後、基板を処理ガスのラジカルに晒すことでクリーニングを行うので、基板を真空槽の外に取り出す必要がない。従って、不活性化工程と、クリーニング工程と、成膜工程の一連の工程を真空槽内で行うことができるので、工程が簡易になる。
【００１３】
また、ラジカルはイオンに比べてエネルギー量が小さいので、シリコンウェハをクリーニングする際に、酸化膜がダメージを受けることがなく、汚染物質のみを分解除去することができる。
【００１４】
また、マイクロ波の照射は、処理ガスが真空槽内に供給される経路の途中で行うので、基板にマイクロ波が照射されることなく、基板がマイクロ波でダメージを受けることがない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下で図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
図１（ａ）の符号１０は本発明の成膜方法に用いられる基板の一例を示している。この基板１０は、シリコンで構成された板状の単結晶層１１を有しており、単結晶層１１の表面には酸化膜からなる絶縁膜１２が形成されている。
【００１６】
絶縁膜１２は所定形状にパターニングされ、窓部１９が形成されており、窓部１９の底面の一部には、単結晶層１１が、絶縁膜１２や他の絶縁膜から露出している。
【００１７】
単結晶層１１の露出部分にはＡｓ（砒素）やＢ（硼素）等の不純物が高濃度に注入され、不純物の表面濃度が１×１０¹⁵ａｔｍｓ／ｃｍ²以上１×１０¹⁸ａｔｍｓ／ｃｍ²以下と高くなっており、単結晶層１１の表面は不純物が高濃度に注入された部分だけが露出している。
【００１８】
図１（ａ）の符号１３は不純物が高濃度に注入された領域である不純物領域を示しており、同図の符号１６はタングステン等からなるゲート電極を示し、同図の符号１７は絶縁物を示している。
【００１９】
ここではゲート電極１６はポリシリコンからなる第一の電極１５と、タングステンからなる第二の電極１８とで構成されている。第一の電極１５はゲート酸化膜２９を介して単結晶層１１上に配置され、第二の電極１８は第一の電極１５の表面に配置されており、第一、第二の電極１５、１８の側面と第二の電極１８の表面は絶縁物１７で覆われている。
【００２０】
次に、この基板１０上に選択的に成膜を行う工程について説明する。図２の符号１は本発明の成膜方法に用いる成膜装置の一例を示している。成膜装置１は搬送室２と、搬出入室３、４と、複数の処理室５〜８とを有している。
【００２１】
各搬出入室３、４と、各処理室５〜８はそれぞれ真空バルブ２５を介して搬送室２に接続されており、真空バルブ２５を開けると、搬出入室３、４と、処理室５〜８が搬送室２にそれぞれ接続されるようになっている。
【００２２】
搬送室２の内部には搬送ロボット２１が配置されており、真空バルブ２５を開けた状態で、搬送ロボット２１のアームに基板を載せた状態で、アームを伸縮、回転させれば、搬送室２に接続された処理室５〜８に基板を搬入できるようになっている。
【００２３】
搬送室２と、各搬出入室３、４と、各処理室５〜８には真空排気系９が接続されており、真空バルブ２５を閉じ、各搬出入室３、４と、各処理室５〜８を搬送室２から遮断した状態で真空排気系９を起動すると、搬送室２と、各搬出入室３、４と、各処理室５〜８が個別に真空排気されるようになっている。
【００２４】
搬送室２、各搬出入室３、４と、各処理室５〜８はそれぞれ真空槽で構成されており、搬送室２、各搬出入室３、４と、各処理室５〜８が真空排気されると、搬送室２、各搬出入室３、４と、各処理室５〜８内に真空雰囲気が形成されるようになっている。
【００２５】
搬出入室３、４には扉３３、４３が設けられており、扉３３、４３を開けると搬出入室３、４の内部が成膜装置１外部の大気雰囲気に接続されるようになっている。この成膜装置１を用いてシリコンウェハ上に金属膜を成膜するには、先ず各搬出入室３、４と、各処理室５〜８の内部に所定圧力の真空雰囲気を形成し、該真空雰囲気を維持する。
【００２６】
搬入室３を搬送室２から遮断した状態で、搬入室３を大気雰囲気に接続し、成膜装置１外部から基板１０を搬入室３へ搬入する。搬入室３を大気雰囲気から遮断し、搬入室３内に再び所定圧力の真空雰囲気を形成した後、搬入室３と搬送室２とを接続する。
【００２７】
ここでは、処理室５〜８は不活性化室５と、クリーニング室６と、成膜室７と、再活性化室８とで構成されており、先ず、不活性化室５と搬送室２とを接続し、搬送ロボット２１によって基板１０を搬入室３から不活性化室５に搬入する。
【００２８】
図３は不活性化室５の断面図を示している。不活性化室５内の底壁側にはウェハステージ５３が配置されており、不活性化室５内に搬入した基板１０を、不純物領域１３が形成された面を上側に向けてウェハステージ５３上に載置し、不活性化室５と搬送室２とを遮断する。
【００２９】
不活性化室５には不活性化ガス供給系５６が接続されており、不活性化室５の真空排気を続けながら、不活性化ガス供給系５６から水素ガスからなる不活性化ガスを不活性化室５内に導入する。
【００３０】
不活性化室５の天井側にはＲＦ電極５５が取り付けられており、不活性化ガスの導入と、真空排気を続け、不活性化室５内の圧力が安定したところで、ＲＦ電極５５に接続された高周波電源５９を起動し、ＲＦ電極５５に高周波電圧を印加すると、不活性化ガスを構成する水素ガスが励起され、不活性化室５内に水素ガスのプラズマが生成され、基板１０が水素ガスのプラズマに晒される。
【００３１】
基板１０が水素ガスのプラズマに晒されると、絶縁膜１２から露出された不純物領域１３で、水素ガスのプラズマと単結晶層１１とが反応し、反応した部分の単結晶層１１表面が不活性化される。基板１０を所定時間水素ガスのプラズマに晒した後、ＲＦ電極５５への通電を停止し、プラズマの生成を終了させて不活性化工程を終了する。
【００３２】
次いで、不活性化室５と、クリーニング室６とを搬送室２にそれぞれ接続し、不活性化工程終了後の基板１０を不活性化室５からクリーニング室６へ搬入する。
図４はクリーニング室６の断面図を示しており、クリーニング室６の外部にはガスボンベ６９とマイクロ波源６１が配置されている。ガスボンベ６９にはガス管６８の一端が接続され、ガス管６８他端はクリーニング室６の天井に取り付けられたシャワーヘッド６５に接続されており、ガスボンベ６８の処理ガスはガス管６８を通ってシャワーヘッド６５に供給されるようになっている。
【００３３】
シャワーヘッド６５のクリーニング室６内部に向けられた面には１又は２以上の噴出口６７が設けられており、シャワーヘッド６５に供給された処理ガスは、噴出口６７からクリーニング室６内部へ供給されるようになっている。
【００３４】
マイクロ波源６１には導波管６２の一端が接続されている。ガス管６８は導波管６２よりも小径の石英チューブで構成されており、導波管６２の他端はガス管６８に貫かれている。従って、マイクロ波源６１を起動し、マイクロ波を発生させ、該マイクロ波が導波管６２を伝わってガス管６８に貫通された部分に到達すると、マイクロ波がガス管６８内に浸入するようになっている。
【００３５】
上述したように、処理ガスはガス管６８を通ってクリーニング室６へ供給されるので、ガスボンベ６９から処理ガスを流しながら、マイクロ波をガス管６８内に浸入させると、処理ガスがクリーニング室６へ供給される経路の途中でマイクロ波が照射されることになる。
【００３６】
クリーニング室６内のシャワーヘッド６５と対向する位置にはウェハステージ６３が配置されている。ウェハステージ６３は電源装置６７に接続されており、クリーニング室６を接地電位に置いた状態で、電源装置６７を起動すると、ウェハステージ６３に電圧を印加可能になっている。
【００３７】
このクリーニング室６で基板１０をクリーニングするには、先ず、クリーニング室６へ搬入した基板１０を、不純物領域１３が形成された面を上側に向けてウェハステージ６３上に載せ、ウェハステージ６３に正の電圧を印加する。
【００３８】
ガスボンベ６９には、Ｆ₂（フッ素）ガスからなる処理ガスが充填されており、該処理ガスをクリーニング室６に向かって供給しながら、マイクロ波を発生させると、処理ガスがクリーニング室６へ供給される経路の途中でマイクロ波により励起され、処理ガスのラジカルが生成される。
【００３９】
生成された処理ガスのラジカルは、処理ガスの流れに乗ってシャワーヘッド６５の噴出口６７からクリーニング室６内に供給され、基板１０の表面に到達すると、基板１０表面に付着する油分等の汚染物質がラジカルにより分解除去される。
【００４０】
マイクロ波が処理ガスに照射されると、ラジカルだけではなく正イオンも生成されるが、生成される正イオンの量は非常に少ないので、絶縁膜１２がダメージを受け難い。また、正イオンがクリーニング室６内に供給されたとしても、ウェハステージ６３に正の電圧が印加されているため、正イオンは反発して飛行方向が曲げられ、基板１０には到達しない。結局、基板１０には電気的に中性なラジカルのみが到達するので、絶縁膜１２がイオンのような高エネルギー物質でダメージを受けることなく、基板１０のクリーニングが行われる。
【００４１】
基板１０に所定時間ラジカルを吹き付け、汚染物質が除去されたところで、処理ガスの供給と、マイクロ波の発生を停止させ、ウェハステージ６３への電圧印加を停止し、クリーニング工程を終了する。次いで、クリーニング室６と、成膜室７とを搬送室２にそれぞれ接続し、クリーニング後の基板１０をクリーニング室６から成膜室７へ搬送する。
【００４２】
図５は成膜室７の断面図を示しており、成膜室７の天井にはシャワーノズル７５が取り付けられている。シャワーノズル７５には、原料ガス供給系７８と、還元ガス供給系７９が別々に接続されている。シャワーノズル７５には２以上の噴出口が設けられており、原料ガス供給系７８の原料ガスと、還元ガス供給系７９の還元ガスが別々の噴出口から成膜室７内に噴出されるようになっている。
【００４３】
成膜室７内部の、シャワーノズル７５と対向する位置にはウェハステージ７３が配置されており、成膜室７へ搬送した基板１０を、不純物領域１３が形成された面を上側に向けた状態で、成膜室７内のウェハステージ７３上に載置し、成膜室７を搬送室２から遮断する。
【００４４】
ウェハステージ７３の基板１０が載置される面にはホットプレート７４が配置されており、ホットプレート７４に通電し、昇温させて基板１０を所定温度まで加熱する。基板１０を所定温度に維持しながら、原料ガスであるＷＦ₆（六弗化タングステン）ガスと、還元ガスであるＳｉＨ₄（モノシラン）ガスとを成膜室７内に噴出させると、原料ガスの還元反応が起こり、単結晶層１１表面のうち、絶縁膜１２から露出し、不純物領域１３が形成された部分にタングステンが析出する。
【００４５】
上述したように絶縁膜１２はクリーニング工程でダメージを受けておらず、絶縁膜１２が形成された部分にはタングステンが析出しないので、結局、単結晶層１１表面の不純物領域１３が形成された部分にだけに選択的にタングステンからなる金属膜が成長することになる。金属膜が所定膜厚まで成長したところで、原料ガスと還元ガスの供給を停止し、成膜工程を終了する。
【００４６】
成膜室７と再活性化室８をそれぞれ搬送室２に接続し、成膜工程終了後の基板１０を再活性化室８へ搬入した後、再活性化室８を搬送室２から遮断する。再活性化室８内には不図示の加熱手段が設けられており、再活性化室８内の真空雰囲気を維持した状態で、該加熱手段により基板１０を所定温度に加熱すると、基板１０に成膜された金属膜がアニール化される。
【００４７】
基板１０が所定時間加熱されたところで、再活性化室８から搬送室２へ基板１０を取り出し、再活性化工程を終了する。再活性化工程が終了した後の基板１０を搬出室４へ搬送し、搬出室４を搬送室２から遮断した後、搬出室４を大気雰囲気に接続すれば、金属膜が成膜された状態の基板１０を成膜装置１外部に取り出すことができる。図１（ｂ）の符号１４は単結晶層１１表面の不純物領域１３に形成された金属膜を示している。
【００４８】
【実施例】
＜実施例１＞
Ａｓがイオン注入された不純物領域１３（Ｎ型領域）と、Ｂがイオン注入された不純物領域１３（Ｐ型領域）が単結晶層１１の露出部分に形成された基板１０を作製した。尚、Ａｓ及びＢのイオン注入量は、表面濃度で１×１０¹⁵ａｔｍｓ／ｃｍ²であった。
【００４９】
この基板１０を上述した成膜装置１に搬入し、単結晶層１１表面の絶縁膜１２から露出する部分に、上述した成膜方法でタングステン膜を形成した。
ここでは、不活性化工程では、不活性化室５内の圧力が１３Ｐａに維持されるように水素ガスからなる不活性化ガスを供給し、ＲＦ電極５５に３００Ｗの電力を投入して、室温で１分間処理を行った。
【００５０】
クリーニング工程では、クリーニング室６内の圧力が５０Ｐａに維持されるようにＦ₂ガスからなる処理ガスを供給し、マイクロ波源６１に５００Ｗの電力を投入し、生成したラジカルを３分間クリーニング室６へ供給した。
【００５１】
成膜工程では、基板１０を３００℃に加熱してから、成膜室７内の圧力が１Ｐａに維持されるようにＷＦ₆ガスからなる原料ガスと、ＳｉＨ₄ガスからなる還元ガスとを供給した。再活性化工程は基板１０を５５０℃で１分間加熱した。
【００５２】
成膜終了後の基板１０には、単結晶層１１表面の不純物領域１３のみに膜厚約５０ｎｍのタングステン膜が形成されており、絶縁膜１２の表面にはタングステン膜が形成されなかった。
【００５３】
また、比較のために、不活性化工程の後、上述した不活性化室５と同じ構造のクリーニング室に基板１０を搬入し、該クリーニング室内に処理ガスを導入した後、クリーニング室のＲＦ電極に３００Ｗの電力を投入し、クリーニング室内で処理ガスのプラズマを発生させてクリーニング工程を行った後に、タングステン膜を成膜したところ、不純物領域１３に膜厚約５０ｎｍのタングステンが成膜されたが、絶縁膜１２の表面に点状にタングステンが析出していた。
これらのことから、本発明の成膜方法によれば、単結晶層１１表面の絶縁膜１２から露出する不純物領域１３のみに選択的に成膜を行えることが確認された。
【００５４】
以上は、クリーニング工程で、ウェハステージに正電圧を印加して、正イオンを基板１０へ到達させない場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、マイクロ波の照射によりラジカルを発生させる場合はイオンの生成量が非常に少ないので、ウェハステージに電圧を印加せずにクリーニングを行ってもよい。
【００５５】
またラジカルの生成方法も特に限定されず、イオンの発生量の少ない方法であれば、例えば可視光や紫外光のような光を処理ガスに照射し、ラジカルを生成することもできる。
【００５６】
以上は処理ガスとしてＦ₂ガスを用いる場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、化学構造中にフッ素原子を含むガスであれば、例えばＮＦ₃ガス、ＨＦガス、ＣＯＦ₂ガスを処理ガスとして用いることが可能であり、またこれらのガスを２種類以上混合した混合ガスを用いることもできる。
【００５７】
以上は、不活性化工程と、クリーニング工程と、成膜工程と、再活性化工程をそれぞれ異なる真空槽内で行う場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、一つの真空槽で２以上の工程を行うこともできる。
【００５８】
また、本発明の成膜方法に用いる原料ガスの種類は特に限定されるものではない。金属膜としてタングステン膜を成膜する場合には、ＷＣｌ₆（塩化タングステン）ガス等種々のハロゲン化タングステンを用いることができる。
【００５９】
成膜する金属膜の種類もタングステン膜に限定されるものではない。原料ガスや還元ガスと共に、アルゴンガスのような希釈ガスを真空槽内に供給することも可能であり、このような希釈ガスを用いれば、原料ガスや還元ガスが希釈されるので、析出される金属の量を制御することができる。
【００６０】
還元ガスの種類はＳｉＨ₄ガスに限定されず、原料ガスを還元した後、シリコンとして析出されるガスであれば、例えばＳｉ₂Ｈ₆（ジシラン）ガスを用いることもできる。また、原料ガスや還元ガスと共に、トリエチルシラノール（Ｓｉ（Ｃ₂Ｈ₅）₃ＯＨ）ガスのようなシラノールガスを供給して成膜を行えば、成膜の選択性がより改善される。
【００６１】
以上は、不活性化工程で水素ガスからなる不活性化ガスを用いる場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、水素ガスを含有するものであれば、例えば水素ガスと酸素ガス（Ｏ₂）との混合ガス、水素ガスと窒素ガス（Ｎ₂）との混合ガス、又は水素ガスと酸素ガスと窒素ガスとの混合ガスを用いることもできる。
【００６２】
【発明の効果】
本発明によれば、処理ガスのラジカルを生成し、基板をそのラジカルに晒すことでクリーニングを行うので、基板上の絶縁膜がイオンのような高エネルギー物質でダメージを受けることがなく、絶縁膜が形成された領域にＣＶＤ膜が成長しない。従って、クリーニング工程の後の成膜工程で、窓部底面に露出し、不純物が注入された領域のみに選択的に成膜を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）、（ｂ）：金属膜を成膜する工程を説明する断面図
【図２】本発明に用いる成膜装置の一例を説明する図
【図３】不活性化室の一例を説明する断面図
【図４】クリーニング室の一例を説明する断面図
【図５】成膜室の一例を説明する断面図
【符号の説明】
１……成膜装置２……搬送室３、４……搬出入室５……不活性化室６……クリーニング室７……成膜室８……再活性化室１０……基板１２……絶縁膜１３……不純物領域６８……ガス管６９……ガスボンベ６１……マイクロ波源６２……導波管[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a metal film forming method, and more particularly to a film forming method for forming a metal film of a semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
A method for selectively forming a metal film on a predetermined region of a silicon wafer will be described with reference to the prior art.
First, a silicon wafer is placed in a vacuum chamber, and plasma of hydrogen gas is generated in a state where a vacuum atmosphere is formed in the vacuum chamber. When the surface of the silicon wafer is exposed to hydrogen gas plasma, the silicon wafer is exposed from the insulating film, and impurities and hydrogen gas are exposed on the surface of the impurity region where impurities such as arsenic and boron are implanted at a high concentration. The plasma reacts to inactivate the surface of the impurity region.
[0003]
After performing the deactivation treatment, the silicon wafer is carried into another vacuum chamber, and after forming a vacuum atmosphere in the vacuum chamber, a metal halide such as tungsten fluoride is heated while the silicon wafer is heated. When a gas and a reducing gas for reducing the metal halide are supplied into the vacuum chamber, the metal halide is reduced and no metal is deposited on the surface of the insulating film, but the metal is deposited only on the surface of the impurity region ( Selective CVD method).
[0004]
As described above, after the impurity region is deactivated, a metal film can be selectively formed only on the surface of the impurity region by performing a CVD method using a metal halide gas.
[0005]
By the way, if a metal film is deposited on the surface of a silicon wafer with organic substances or contaminants such as insulating films generated during the deactivation process, the operation of the manufactured semiconductor device becomes unstable. Therefore, it is necessary to clean the silicon wafer between the inactivation process and the metal film formation process.
[0006]
As a silicon wafer cleaning method, there is a method in which the wafer after the deactivation treatment is once taken out from the vacuum chamber to the atmosphere outside the vacuum chamber and immersed in a cleaning solution such as a hydrofluoric acid (HF) solution to decompose and remove contaminants. is there.
[0007]
However, in this method, it is necessary to carry out the wafer from the vacuum atmosphere to the air atmosphere, and after cleaning, it is necessary to carry the wafer into the vacuum atmosphere again for film formation, so that the process is complicated.
[0008]
After inactivating the wafer, a plasma of a fluorine-based gas such as HF gas (hydrogen fluoride) or CF ₄ (carbon tetrafluoride) gas is generated in a vacuum atmosphere where the wafer is placed, and the plasma is generated. According to the plasma processing method of decomposing and removing contaminants by exposing the wafer to the wafer, it is not necessary to take out the wafer into the atmosphere, and a series of steps can be performed in a vacuum atmosphere.
[0009]
However, since high energy ions are also generated when the fluorine gas plasma is generated, the oxide film on the wafer may be damaged. When the metal film is formed in a state where the oxide film is damaged, the metal film grows not only in the high concentration region but also in the damaged portion of the oxide film.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention was created to solve the above-described disadvantages of the prior art, and its purpose is to eliminate the complexity of the film formation process and to selectively form a metal film only in a desired region. To provide technology.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a first aspect of the present invention, by placing a silicon substrate in which an insulating film is formed in a predetermined region in the deposition atmosphere, the raw material gas is supplied into the film formation atmosphere, the silicon substrate A film forming method for forming a film on a surface implanted with impurities exposed from the insulating film, wherein the silicon substrate is exposed to an inert gas plasma containing hydrogen gas before forming the film. In the film forming method , the cleaning step includes an activation step and a cleaning step of generating a radical of a processing gas containing a fluorine atom in a chemical structure and exposing the silicon substrate to the radical of the processing gas in a vacuum atmosphere. In the step, the silicon substrate is placed on a stage, and the silicon substrate is exposed to the radical in a state where a positive voltage is applied to the stage .
A second aspect of the present invention is the film forming method according to the first aspect, wherein in the cleaning step, the processing gas is irradiated with microwaves to generate radicals of the processing gas.
A third aspect of the present invention is the film forming method according to the second aspect, wherein, in the cleaning step, the microwave is provided in the middle of a path through which the processing gas is supplied into a vacuum chamber in which the silicon substrate is placed. Is a film forming method for irradiation.
Invention of Claim 4 is the film-forming method of any one of Claim 1 thru | or 3 , Comprising: The gas which has a metal atom in a chemical structure is used as said raw material gas, The said of silicon substrate In this film forming method, a metal film is formed by depositing a metal on a surface exposed from an insulating film.
[0012]
Since the present invention is configured as described above, and cleaning is performed by exposing the substrate to radicals of the processing gas after the inactivation step, it is not necessary to take the substrate out of the vacuum chamber. Therefore, a series of steps including an inactivation step, a cleaning step, and a film formation step can be performed in the vacuum chamber, so that the steps are simplified.
[0013]
Further, since radicals have a smaller energy amount than ions, the oxide film is not damaged when the silicon wafer is cleaned, and only the contaminants can be decomposed and removed.
[0014]
In addition, since the microwave irradiation is performed in the middle of the path through which the processing gas is supplied into the vacuum chamber, the substrate is not irradiated with the microwave and the substrate is not damaged by the microwave.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
Reference numeral 10 in FIG. 1A shows an example of a substrate used in the film forming method of the present invention. The substrate 10 has a plate-like single crystal layer 11 made of silicon, and an insulating film 12 made of an oxide film is formed on the surface of the single crystal layer 11.
[0016]
The insulating film 12 is patterned into a predetermined shape to form a window portion 19, and the single crystal layer 11 is exposed from the insulating film 12 and other insulating films at a part of the bottom surface of the window portion 19.
[0017]
Impurities such as As (arsenic) and B (boron) are implanted into the exposed portion of the single crystal layer 11 at a high concentration, and the surface concentration of the impurities is 1 × 10 ¹⁵ atms / cm ² or more and 1 × 10 ¹⁸ atms / cm ^2. The surface of the single crystal layer 11 is exposed only at a portion where impurities are implanted at a high concentration.
[0018]
Reference numeral 13 in FIG. 1A indicates an impurity region in which impurities are implanted at a high concentration. Reference numeral 16 in FIG. 1 indicates a gate electrode made of tungsten or the like, and reference numeral 17 in FIG. 1 indicates an insulator. Is shown.
[0019]
Here, the gate electrode 16 includes a first electrode 15 made of polysilicon and a second electrode 18 made of tungsten. The first electrode 15 is disposed on the single crystal layer 11 through the gate oxide film 29, and the second electrode 18 is disposed on the surface of the first electrode 15, and the first and second electrodes 15, 15, The side surfaces of 18 and the surface of the second electrode 18 are covered with an insulator 17.
[0020]
Next, a process of selectively forming a film on the substrate 10 will be described. Reference numeral 1 in FIG. 2 shows an example of a film forming apparatus used in the film forming method of the present invention. The film forming apparatus 1 includes a transfer chamber 2, carry-in / out chambers 3 and 4, and a plurality of processing chambers 5 to 8.
[0021]
The loading / unloading chambers 3 and 4 and the processing chambers 5 to 8 are respectively connected to the transfer chamber 2 via the vacuum valve 25. When the vacuum valve 25 is opened, the loading / unloading chambers 3 and 4 and the processing chambers 5 to 8 are performed. Are connected to the transfer chamber 2, respectively.
[0022]
A transfer robot 21 is arranged inside the transfer chamber 2. If the arm is extended and retracted and rotated with the substrate placed on the arm of the transfer robot 21 with the vacuum valve 25 opened, the transfer chamber 2. The substrate can be loaded into the processing chambers 5 to 8 connected to the.
[0023]
A vacuum exhaust system 9 is connected to the transfer chamber 2, the carry-in / out chambers 3 and 4, and the processing chambers 5 to 8, the vacuum valve 25 is closed, and the carry-in / out chambers 3 and 4 and the processing chambers 5 to 5 are closed. When the evacuation system 9 is started in a state where 8 is cut off from the transfer chamber 2, the transfer chamber 2, the carry-in / out chambers 3 and 4, and the processing chambers 5 to 8 are individually evacuated.
[0024]
The transfer chamber 2, the carry-in / out chambers 3, 4 and the processing chambers 5-8 are each constituted by a vacuum tank, and the transfer chamber 2, the carry-in / out chambers 3, 4 and the process chambers 5-8 are evacuated. Then, a vacuum atmosphere is formed in the transfer chamber 2, the loading / unloading chambers 3 and 4, and the processing chambers 5 to 8.
[0025]
Doors 33 and 43 are provided in the carry-in / out chambers 3 and 4, and when the doors 33 and 43 are opened, the inside of the carry-in / out chambers 3 and 4 is connected to an air atmosphere outside the film forming apparatus 1. In order to form a metal film on a silicon wafer using this film forming apparatus 1, first, a vacuum atmosphere of a predetermined pressure is formed inside each of the loading / unloading chambers 3 and 4 and the processing chambers 5 to 8, and the vacuum Maintain the atmosphere.
[0026]
With the carry-in chamber 3 disconnected from the transfer chamber 2, the carry-in chamber 3 is connected to the atmosphere, and the substrate 10 is carried into the carry-in chamber 3 from the outside of the film forming apparatus 1. The carry-in chamber 3 is shut off from the atmospheric atmosphere, and a vacuum atmosphere with a predetermined pressure is formed again in the carry-in chamber 3, and then the carry-in chamber 3 and the transfer chamber 2 are connected.
[0027]
Here, the processing chambers 5 to 8 are composed of an inactivation chamber 5, a cleaning chamber 6, a film formation chamber 7, and a reactivation chamber 8. First, the inactivation chamber 5 and the transfer chamber 2. And the substrate 10 is carried from the carry-in chamber 3 into the inactivation chamber 5 by the transfer robot 21.
[0028]
FIG. 3 shows a cross-sectional view of the inactivation chamber 5. A wafer stage 53 is disposed on the bottom wall side in the deactivation chamber 5, and the wafer stage 53 is placed with the substrate 10 loaded into the deactivation chamber 5 facing upward on the surface on which the impurity region 13 is formed. The inactivation chamber 5 and the transfer chamber 2 are shut off.
[0029]
An inert gas supply system 56 is connected to the deactivation chamber 5, and the deactivation gas consisting of hydrogen gas is deactivated from the deactivation gas supply system 56 while continuing to evacuate the deactivation chamber 5. It is introduced into the activation chamber 5.
[0030]
An RF electrode 55 is attached to the ceiling side of the inactivation chamber 5, and the introduction of the inactivation gas and the evacuation are continued, and when the pressure in the inactivation chamber 5 is stabilized, the RF electrode 55 is connected. When the high-frequency power source 59 is activated and a high-frequency voltage is applied to the RF electrode 55, the hydrogen gas that constitutes the inert gas is excited, hydrogen plasma is generated in the inactivation chamber 5, and the substrate 10 is Exposure to hydrogen gas plasma.
[0031]
When the substrate 10 is exposed to hydrogen gas plasma, the hydrogen gas plasma reacts with the single crystal layer 11 in the impurity region 13 exposed from the insulating film 12, and the surface of the reacted single crystal layer 11 is inactive. It becomes. After the substrate 10 is exposed to the plasma of hydrogen gas for a predetermined time, the energization to the RF electrode 55 is stopped, the generation of the plasma is terminated, and the deactivation process is terminated.
[0032]
Next, the deactivation chamber 5 and the cleaning chamber 6 are connected to the transfer chamber 2, and the substrate 10 after the deactivation process is carried into the cleaning chamber 6 from the deactivation chamber 5.
FIG. 4 shows a sectional view of the cleaning chamber 6, and a gas cylinder 69 and a microwave source 61 are arranged outside the cleaning chamber 6. One end of a gas pipe 68 is connected to the gas cylinder 69, and the other end of the gas pipe 68 is connected to a shower head 65 attached to the ceiling of the cleaning chamber 6, and the processing gas in the gas cylinder 68 passes through the gas pipe 68 and showers. It is supplied to the head 65.
[0033]
One or two or more jet nozzles 67 are provided on the surface of the shower head 65 facing the cleaning chamber 6, and the processing gas supplied to the shower head 65 is supplied from the jet nozzle 67 into the cleaning chamber 6. It has come to be.
[0034]
One end of a waveguide 62 is connected to the microwave source 61. The gas pipe 68 is formed of a quartz tube having a smaller diameter than the waveguide 62, and the other end of the waveguide 62 is penetrated by the gas pipe 68. Accordingly, the microwave source 61 is activated to generate microwaves, and when the microwaves reach the portion that has penetrated the gas pipe 68 through the waveguide 62, the microwaves enter the gas pipe 68. It has become.
[0035]
As described above, since the processing gas is supplied to the cleaning chamber 6 through the gas pipe 68, if the microwave enters the gas pipe 68 while flowing the processing gas from the gas cylinder 69, the processing gas is removed from the cleaning chamber 6. Microwaves will be irradiated in the middle of the path supplied to.
[0036]
A wafer stage 63 is disposed at a position facing the shower head 65 in the cleaning chamber 6. The wafer stage 63 is connected to a power supply device 67, and a voltage can be applied to the wafer stage 63 when the power supply device 67 is activated in a state where the cleaning chamber 6 is at a ground potential.
[0037]
In order to clean the substrate 10 in the cleaning chamber 6, first, the substrate 10 carried into the cleaning chamber 6 is placed on the wafer stage 63 with the surface on which the impurity region 13 is formed facing upward, and the wafer stage 63 is properly aligned. Apply a voltage of.
[0038]
The gas cylinder 69 is filled with a processing gas made of F ₂ (fluorine) gas. When a microwave is generated while supplying the processing gas toward the cleaning chamber 6, the processing gas is supplied to the cleaning chamber 6. Excited by the microwave in the middle of the route, a radical of the processing gas is generated.
[0039]
The generated radicals of the processing gas ride on the flow of the processing gas and are supplied into the cleaning chamber 6 from the jet outlet 67 of the shower head 65. When the radicals reach the surface of the substrate 10, contamination such as oil adhering to the surface of the substrate 10 occurs. Substances are decomposed and removed by radicals.
[0040]
When the processing gas is irradiated with microwaves, not only radicals but also positive ions are generated. However, since the amount of generated positive ions is very small, the insulating film 12 is not easily damaged. Even if positive ions are supplied into the cleaning chamber 6, since a positive voltage is applied to the wafer stage 63, the positive ions repel and the flight direction is bent and does not reach the substrate 10. Eventually, since only electrically neutral radicals reach the substrate 10, the insulating film 12 is cleaned without being damaged by a high energy substance such as ions.
[0041]
When the radicals are sprayed onto the substrate 10 for a predetermined time and the contaminants are removed, the supply of the processing gas and the generation of the microwave are stopped, the voltage application to the wafer stage 63 is stopped, and the cleaning process is finished. Next, the cleaning chamber 6 and the film forming chamber 7 are connected to the transfer chamber 2, and the cleaned substrate 10 is transferred from the cleaning chamber 6 to the film forming chamber 7.
[0042]
FIG. 5 is a sectional view of the film forming chamber 7, and a shower nozzle 75 is attached to the ceiling of the film forming chamber 7. A raw material gas supply system 78 and a reducing gas supply system 79 are separately connected to the shower nozzle 75. The shower nozzle 75 is provided with two or more jet outlets so that the source gas of the source gas supply system 78 and the reducing gas of the reducing gas supply system 79 are jetted into the film forming chamber 7 from different jet outlets. It has become.
[0043]
A wafer stage 73 is disposed in the film forming chamber 7 at a position facing the shower nozzle 75, and the substrate 10 transported to the film forming chamber 7 is in a state where the surface on which the impurity region 13 is formed faces upward. Then, it is placed on the wafer stage 73 in the film forming chamber 7 and the film forming chamber 7 is shut off from the transfer chamber 2.
[0044]
A hot plate 74 is disposed on the surface of the wafer stage 73 on which the substrate 10 is placed. The hot plate 74 is energized to raise the temperature and heat the substrate 10 to a predetermined temperature. When WF ₆ (tungsten hexafluoride) gas, which is a raw material gas, and SiH ₄ (monosilane) gas, which is a reducing gas, are jetted into the film forming chamber 7 while maintaining the substrate 10 at a predetermined temperature, A reduction reaction occurs, and tungsten is deposited on the surface of the single crystal layer 11 exposed from the insulating film 12 and where the impurity region 13 is formed.
[0045]
As described above, the insulating film 12 has not been damaged in the cleaning process, and tungsten is not deposited in the portion where the insulating film 12 is formed. Therefore, the portion where the impurity region 13 on the surface of the single crystal layer 11 is formed. Therefore, a metal film made of tungsten is selectively grown only on the surface. When the metal film has grown to a predetermined thickness, the supply of the source gas and the reducing gas is stopped, and the film forming process is terminated.
[0046]
The film formation chamber 7 and the reactivation chamber 8 are respectively connected to the transfer chamber 2, and the substrate 10 after completion of the film formation process is carried into the reactivation chamber 8, and then the reactivation chamber 8 is shut off from the transfer chamber 2. . A heating means (not shown) is provided in the reactivation chamber 8. When the substrate 10 is heated to a predetermined temperature by the heating means in a state where the vacuum atmosphere in the reactivation chamber 8 is maintained, The formed metal film is annealed.
[0047]
When the substrate 10 is heated for a predetermined time, the substrate 10 is taken out from the reactivation chamber 8 to the transfer chamber 2, and the reactivation process is completed. When the substrate 10 after the reactivation process is completed is transferred to the unloading chamber 4, the unloading chamber 4 is shut off from the transfer chamber 2, and then the unloading chamber 4 is connected to the atmosphere, the metal film is formed. The substrate 10 can be taken out of the film forming apparatus 1. Reference numeral 14 in FIG. 1B denotes a metal film formed in the impurity region 13 on the surface of the single crystal layer 11.
[0048]
【Example】
<Example 1>
A substrate 10 in which an impurity region 13 (N-type region) into which As was ion-implanted and an impurity region 13 (P-type region) into which B was ion-implanted was formed in the exposed portion of the single crystal layer 11 was manufactured. The As and B ion implantation amounts were 1 × 10 ¹⁵ atms / cm ² in terms of surface concentration.
[0049]
This substrate 10 was carried into the film forming apparatus 1 described above, and a tungsten film was formed on the surface of the single crystal layer 11 exposed from the insulating film 12 by the film forming method described above.
Here, in the deactivation step, an inert gas composed of hydrogen gas is supplied so that the pressure in the deactivation chamber 5 is maintained at 13 Pa, and 300 W of electric power is supplied to the RF electrode 55 to obtain room temperature. For 1 minute.
[0050]
In the cleaning process, a processing gas composed of F ₂ gas is supplied so that the pressure in the cleaning chamber 6 is maintained at 50 Pa, 500 W of power is supplied to the microwave source 61, and the generated radicals are supplied to the cleaning chamber 6 for 3 minutes. Supplied.
[0051]
In the film forming process, after the substrate 10 is heated to 300 ° C., a source gas made of WF ₆ gas and a reducing gas made of SiH ₄ gas are supplied so that the pressure in the film forming chamber 7 is maintained at 1 Pa. did. In the reactivation process, the substrate 10 was heated at 550 ° C. for 1 minute.
[0052]
On the substrate 10 after film formation, a tungsten film having a thickness of about 50 nm was formed only in the impurity region 13 on the surface of the single crystal layer 11, and no tungsten film was formed on the surface of the insulating film 12.
[0053]
For comparison, after the deactivation step, the substrate 10 is loaded into a cleaning chamber having the same structure as the deactivation chamber 5 described above, a processing gas is introduced into the cleaning chamber, and then the RF electrode of the cleaning chamber is used. The tungsten film was formed after the cleaning process was performed by applying a 300 W electric power to the chamber and generating the plasma of the processing gas in the cleaning chamber. In addition, tungsten was deposited in the form of dots on the surface of the insulating film 12.
From these facts, it was confirmed that the film formation method of the present invention can selectively form a film only on the impurity region 13 exposed from the insulating film 12 on the surface of the single crystal layer 11.
[0054]
The above describes the case where a positive voltage is applied to the wafer stage and the positive ions do not reach the substrate 10 in the cleaning process. However, the present invention is not limited to this, and a radical is generated by microwave irradiation. Since the amount of ions generated is very small, cleaning may be performed without applying a voltage to the wafer stage.
[0055]
The radical generation method is not particularly limited, and a radical can be generated by irradiating the processing gas with light such as visible light or ultraviolet light as long as the method generates less ions.
[0056]
Although the case where F ₂ gas is used as the processing gas has been described above, the present invention is not limited to this. For example, NF ₃ gas, HF gas, and COF ₂ gas may be used as long as the gas contains a fluorine atom in the chemical structure. It can be used as a processing gas, and a mixed gas obtained by mixing two or more of these gases can also be used.
[0057]
The above describes the case where the deactivation process, the cleaning process, the film formation process, and the reactivation process are performed in different vacuum chambers. However, the present invention is not limited to this, and a single vacuum chamber is used. Two or more steps can also be performed.
[0058]
Moreover, the kind of source gas used for the film-forming method of this invention is not specifically limited. When a tungsten film is formed as the metal film, various tungsten halides such as WCl ₆ (tungsten chloride) gas can be used.
[0059]
The kind of metal film to be formed is not limited to the tungsten film. A dilution gas such as argon gas can be supplied into the vacuum tank together with the source gas and the reducing gas. If such a dilution gas is used, the source gas and the reducing gas are diluted and deposited. The amount of metal can be controlled.
[0060]
The type of reducing gas is not limited to SiH ₄ gas, and for example, Si ₂ H ₆ (disilane) gas can be used as long as it is a gas that is deposited as silicon after reducing the source gas. Further, if film formation is performed by supplying a silanol gas such as triethylsilanol (Si (C ₂ H ₅ ) ₃ OH) gas together with the source gas and the reducing gas, the selectivity of the film formation is further improved.
[0061]
The above describes the case where an inert gas composed of hydrogen gas is used in the inactivation step. However, the present invention is not limited to this, and as long as it contains hydrogen gas, for example, hydrogen gas and A mixed gas of oxygen gas (O ₂ ), a mixed gas of hydrogen gas and nitrogen gas (N ₂ ), or a mixed gas of hydrogen gas, oxygen gas, and nitrogen gas can also be used.
[0062]
【The invention's effect】
According to the present invention, since cleaning is performed by generating radicals of the processing gas and exposing the substrate to the radicals, the insulating film on the substrate is not damaged by a high-energy substance such as ions, and the insulating film The CVD film does not grow in the region where is formed. Therefore, in the film forming process after the cleaning process, the film can be selectively formed only in the region exposed to the bottom surface of the window and implanted with impurities.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are cross-sectional views illustrating a process of forming a metal film. FIG. 2 illustrates an example of a film forming apparatus used in the present invention. FIG. 3 illustrates an inactivation chamber. FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating an example of a cleaning chamber. FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating an example of a film forming chamber.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Film-forming apparatus 2 ... Transfer chamber 3, 4 ... Carry-in / out chamber 5 ... Deactivation chamber 6 ... Cleaning chamber 7 ... Film-forming chamber 8 ... Reactivation chamber 10 ... Substrate 12 ... Insulating film 13 ... Impurity region 68 ... Gas pipe 69 ... Gas cylinder 61 ... Microwave source 62 ... Waveguide

Claims

A silicon substrate having an insulating film formed in a predetermined region is placed in a film forming atmosphere, a source gas is supplied to the film forming atmosphere, and a film is formed on the surface of the silicon substrate into which impurities exposed from the insulating film are implanted. A film forming method for
Before forming the film, the silicon substrate is exposed to a plasma of an inert gas containing hydrogen gas, and a radical of a process gas containing fluorine atoms in the chemical structure is generated, and the silicon is formed. In the film forming method in which the cleaning step of exposing the substrate to the radicals of the processing gas is performed in a vacuum atmosphere ,
In the cleaning step, the silicon substrate is placed on a stage, and the silicon substrate is exposed to the radicals while a positive voltage is applied to the stage .

The film forming method according to claim 1, wherein in the cleaning step, the processing gas is irradiated with microwaves to generate radicals of the processing gas.

3. The film forming method according to claim 2, wherein, in the cleaning step, the microwave is irradiated in the course of a supply path of the processing gas into a vacuum chamber in which the silicon substrate is placed.

Wherein as the raw material gas using a gas having a metal atom in the chemical structure, the silicon substrate wherein the metal is deposited on the surface exposed from the insulating film, any one of claim 1 to claim 3 forming a metal film The film-forming method of description.