JPH0817162B2 - Method and apparatus for forming thin film of semiconductor device - Google Patents
Method and apparatus for forming thin film of semiconductor deviceInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、半導体デバイスの薄膜形成方法および装
置に関するものであり、さらに詳細には、半導体デバイ
スにおける半導体基板または半導体基板上に形成された
絶縁膜などのような基体の上に中間層を介して化学的気
相成長(Chemical Vapor Deposition,以下CVDと称
す)法を用いて薄膜を形成する方法および装置に関する
ものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and an apparatus for forming a thin film of a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor substrate in a semiconductor device or an insulation formed on the semiconductor substrate. The present invention relates to a method and an apparatus for forming a thin film on a substrate such as a film by using a chemical vapor deposition (hereinafter referred to as CVD) method via an intermediate layer.
[従来の技術] 従来、半導体デバイスの配線パターンは通常の場合、
アルミニウムを主原料に用いて形成されている。しかし
ながら、アルミニウムを主原料に用いた場合、パターニ
ング後の熱処理の際に、“ヒロック”と呼ばれる突起物
が成長し、配線の電気的短絡や層間絶縁膜の破壊の原因
となっていた。さらに、アルミニウムの融点は600℃程
度と低いことから、配線パターン形成後の熱処理を450
℃程度に抑えなければならず、製造上問題があった。[Prior Art] Conventionally, a wiring pattern of a semiconductor device is usually
It is formed by using aluminum as a main raw material. However, when aluminum is used as the main raw material, protrusions called "hillocks" grow during the heat treatment after patterning, causing electrical short-circuiting of wiring and destruction of the interlayer insulating film. Furthermore, since the melting point of aluminum is as low as 600 ° C, heat treatment after wiring pattern formation is 450
It had to be suppressed to about ℃, which was a problem in production.
このため、最近では、アルミニウムに代わる配線材料
として、高融点金属や、あるいは高融点金属のシリサイ
ドが注目されている。このような材料の中でも、タング
ステン(W,融点:3370℃,比抵抗(バルク):5.6μΩ・c
m)は、高融点低抵抗材料であり、積極的に開発が進め
られている。このようなW薄膜の形成方法としては、ス
テップカバレッジ(段差被覆性)の優れたCVD法が試み
られている。Therefore, recently, a refractory metal or a silicide of a refractory metal has been attracting attention as a wiring material replacing aluminum. Among these materials, tungsten (W, melting point: 3370 ℃, specific resistance (bulk): 5.6μΩ ・ c
m) is a high-melting point low-resistance material, which is being actively developed. As a method for forming such a W thin film, a CVD method excellent in step coverage (step coverage) has been attempted.
CVD法に従いタングステン薄膜を形成する方法として
は、六弗化タングステン(WF6)を、水素(H2)または
シラン(SiH4)で還元する方法がある。この方法の還元
反応式を以下の(1)および(2)式にそれぞれ示す。As a method of forming a tungsten thin film according to the CVD method, there is a method of reducing tungsten hexafluoride (WF 6 ) with hydrogen (H 2 ) or silane (SiH 4 ). The reduction reaction formulas of this method are shown in the following formulas (1) and (2), respectively.
WF6(g)+3H2(g)→W(s)+6HF(g) …(1) 2WF6(g)+3SiH4(g)→ 2W(s)+3SiF4(g)+6H2(g) …(2) ここで、(g)および(s)は、それぞれ気相および
固相の状態を示す。H2で還元する方法は、SiH4で還元す
る方法に比べて、ステップカバレッジに優れている。し
かしながら、H2はSiH4に比べて、WF6を還元する能力が
低いので、H2還元法の方が堆積速度が低く、核形成力も
低い。したがって、H2還元法では、堆積温度を高くする
必要がある。しかしながら、堆積温度を高くすると、結
晶粒径の過度の増大を招く。さらに、核形成の困難さ
は、表面モホロジーの悪化や面内における膜厚の均一性
の悪化をもたらす。したがって、WF6のH2還元法による
W−CVDは通常は生産技術としては実現困難であった。WF 6 (g) + 3H 2 (g) → W (s) + 6HF (g)… (1) 2WF 6 (g) + 3SiH 4 (g) → 2W (s) + 3SiF 4 (g) + 6H 2 (g)… ( 2) Here, (g) and (s) show the states of the gas phase and the solid phase, respectively. The method of reducing with H 2 is superior in step coverage to the method of reducing with SiH 4 . However, since H 2 has a lower ability to reduce WF 6 than SiH 4 , the H 2 reduction method has a lower deposition rate and lower nucleation power. Therefore, it is necessary to raise the deposition temperature in the H 2 reduction method. However, increasing the deposition temperature causes an excessive increase in crystal grain size. Furthermore, the difficulty of nucleation causes deterioration of surface morphology and deterioration of in-plane film thickness uniformity. Therefore, W-CVD by the H 2 reduction method of WF 6 is usually difficult to realize as a production technique.
さらにW−CVDにおける困難には密着性があげられ
る。CVD法を用いて形成したW薄膜は、絶縁膜と密着力
が乏しい。このため、通常、基板または絶縁膜の上に中
間層を形成し、この中間層の上にW薄膜を形成してい
る。この中間層はW薄膜の密着を助ける役割を果たす。
このような中間層としては、たとえば、ポリシリコン
(Poly−Si)などのSi系材料、タングステンシリサイド
(WSIX)などの高融点金属のシリサイド材料、およびチ
タンナイトライド(TiN)などの高融点金属の窒化物が
挙げられる。Further, the difficulty in W-CVD is adhesion. The W thin film formed by the CVD method has poor adhesion to the insulating film. Therefore, the intermediate layer is usually formed on the substrate or the insulating film, and the W thin film is formed on the intermediate layer. This intermediate layer plays a role of helping adhesion of the W thin film.
Such an intermediate layer, for example, polysilicon (Poly-Si) Si-based material such as tungsten silicide (WSI X) a refractory metal silicide material such as, and a refractory metal such as titanium nitride (TiN) Nitride of.
しかしながら、ポリシリコンを用いた場合には、各コ
ンタクトの接合層に対応した不純物のドーピングが必要
となって、工程が複雑になるとともに、堆積させたW薄
膜の表面モホロジーが良好ではない。However, when polysilicon is used, it is necessary to dope impurities corresponding to the bonding layer of each contact, the process is complicated, and the surface morphology of the deposited W thin film is not good.
タングステンシリサイドを用いた場合にも、W薄膜の
表面モホロジーは良好でない。The surface morphology of the W thin film is not good even when tungsten silicide is used.
これらのポシリコンおよびタングステンシリサイドに
比較して、チタンナイトライドは、その上に堆積させた
W薄膜の表面モホロジーが良好であり、密着性が優れて
いるという利点がある。さらに、チタンナイトライド
は、P型およびN型の両極性コンタクト可能なバリアメ
タルとして機能するため、CVD−Wの下敷膜として優れ
た特性を有している。Compared to these polysilicon and tungsten silicide, titanium nitride has an advantage that the W thin film deposited thereon has a good surface morphology and excellent adhesion. Further, since titanium nitride functions as a barrier metal capable of P-type and N-type bipolar contacts, it has excellent properties as a CVD-W underlay film.
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、このようなTiN中間層の上に、H2還元
で従来のCVD法によるタングステン膜を形成させること
は非常に困難であった。特に、堆積速度、膜厚の均一
性、および表面モホロジーなどにおいて問題点を有して
いた。[Problems to be Solved by the Invention] However, it was very difficult to form a tungsten film by the conventional CVD method by H 2 reduction on such a TiN intermediate layer. In particular, there were problems in deposition rate, film thickness uniformity, surface morphology, and the like.
特開昭63−250463号公報に、WF6と不活性ガスの混合
ガスまたはWF6ガスとH2ガスの混合ガスを導入して、W
薄膜を所定の厚さまで堆積した後、WF6を含んだガスと
シラン系の還元性ガスを導入し、シラン系の還元性ガス
でWF6ガスを還元して金属薄膜を成長させる方法が開示
されている。WF6ガスと不活性ガスとの混合ガスまたはW
F6ガスとH2ガスとの混合ガスとの導入により、初期に形
成されるW薄膜は、N型およびP型の双方の拡散層に良
好なコンタクト特性を有している。また、次の工程で、
WF6ガスとシラン系の還元性ガスとにより堆積されるタ
ングステン膜は堆積速度が速く、厚膜化することができ
る。したがって、この公報に開示された方法に従えば、
リーク電流のないN型およびP型の双方に良好なコンタ
クト特性を有するタングステン配線を実現することがで
きる。In Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-250463, a mixed gas of WF 6 and an inert gas or a mixed gas of WF 6 gas and H 2 gas is introduced, and W
A method of growing a metal thin film by depositing a thin film to a predetermined thickness, introducing a gas containing WF 6 and a silane-based reducing gas, and reducing the WF 6 gas with the silane-based reducing gas is disclosed. ing. Mixed gas of WF 6 gas and inert gas or W
The W thin film initially formed by the introduction of the mixed gas of F 6 gas and H 2 gas has good contact characteristics with both N-type and P-type diffusion layers. Also, in the next step,
The tungsten film deposited by the WF 6 gas and the silane-based reducing gas has a high deposition rate and can be thickened. Therefore, according to the method disclosed in this publication,
It is possible to realize a tungsten wiring having good contact characteristics for both N-type and P-type with no leakage current.
しかしながら、この公報に開示された方法で、TiN中
間層の上にタングステン膜を形成しても、シラン系還元
ガスによりWF6ガスを還元しているため、H2還元法のよ
うな優れたステップカバレッジを得ることができない。However, according to the method disclosed in this publication, even if the tungsten film is formed on the TiN intermediate layer, since the WF 6 gas is reduced by the silane-based reducing gas, an excellent step such as the H 2 reduction method is obtained. I can't get coverage.
この発明の目的は、H2還元法でW膜を堆積しにくいTi
Nのような中間層であっても、堆積速度が速く、膜厚の
均一性がよく、さらに表面モホロジーを良好な薄膜を形
成することができる薄膜形成方法および装置を提供する
ことにある。An object of the present invention is to make it difficult to deposit a W film by the H 2 reduction method.
An object of the present invention is to provide a thin film forming method and apparatus capable of forming a thin film having a high deposition rate, good film thickness uniformity, and good surface morphology even with an intermediate layer such as N.
この発明の他の目的は、表面粗れが少なく、表面が平
滑な金属薄膜を形成することができる薄膜形成方法およ
び装置を提供することにある。Another object of the present invention is to provide a thin film forming method and apparatus capable of forming a metal thin film having a smooth surface with less surface roughness.
この発明のさらに他の目的は、薄膜形成工程中におけ
る発塵が少ない薄膜形成装置を提供することにある。Still another object of the present invention is to provide a thin film forming apparatus that generates less dust during the thin film forming process.
[課題を解決するための手段] この発明の薄膜形成方法は、基体上に形成された中間
層の上に化学的気相成長法により金属薄膜を形成する方
法であり、中間層の表面上に、薄膜を構成する金属のハ
ロゲン化物ガスを導入することによって、中間層の表面
を活性化する工程と、活性化した中間層の表面上にシラ
ン系ガスを導入することによって、中間層の表面に核を
形成する工程と、核を形成した中間層の表面上にハロゲ
ン化物ガスおよび還元性ガスを導入して、中間層の表面
上に金属薄膜を堆積する工程とを備えている。[Means for Solving the Problems] A thin film forming method of the present invention is a method of forming a metal thin film on a middle layer formed on a substrate by a chemical vapor deposition method. , A step of activating the surface of the intermediate layer by introducing a metal halide gas constituting the thin film, and a step of activating a silane-based gas on the surface of the activated intermediate layer. A step of forming nuclei and a step of introducing a halide gas and a reducing gas onto the surface of the intermediate layer on which the nuclei are formed and depositing a metal thin film on the surface of the intermediate layer are provided.
この発明の好ましい1つの実施態様においては、金属
薄膜はW薄膜であり、ハロゲン化物ガスはWF6ガスであ
り、シラン系ガスはSiH4ガスである。In one preferred embodiment of the present invention, the metal thin film is a W thin film, the halide gas is WF 6 gas, and the silane-based gas is SiH 4 gas.
この好ましい実施態様において、中間層は、たとえば
TiN層である。In this preferred embodiment, the intermediate layer is, for example,
It is a TiN layer.
金属薄膜堆積工程において用いられる還元性ガスは、
H2ガスが好ましい。The reducing gas used in the metal thin film deposition process is
H 2 gas is preferred.
この発明において、中間層を介して金属薄膜が形成さ
れる基体は、半導体基板または半導体基板の上方に形成
された絶縁膜である。In the present invention, the base body on which the metal thin film is formed via the intermediate layer is a semiconductor substrate or an insulating film formed above the semiconductor substrate.
[発明の作用効果] この発明に従えば、第1ステップ処理により活性化さ
れた中間層の表面上にシラン系ガスを導入して、中間層
の表面に核を形成している。この核は、CVD法による還
元法を用いて金属薄膜を形成する際に、初期過程の金属
の核の形成を促進する。このため、この発明の方法に従
えば、堆積速度が速く、膜厚の均一性がよく、さらに表
面モホロジーの良好な金属薄膜を得ることができる。[Advantageous Effects of the Invention] According to the present invention, the silane-based gas is introduced onto the surface of the intermediate layer activated by the first step treatment to form nuclei on the surface of the intermediate layer. The nuclei promote the formation of nuclei of metal in the initial stage when forming a metal thin film by using the reduction method by the CVD method. Therefore, according to the method of the present invention, it is possible to obtain a metal thin film having a high deposition rate, good uniformity of film thickness, and good surface morphology.
この発明は、タングステン薄膜の形成において、特に
有用なものであるが、タングステン薄膜の形成にのみ限
定されるものではない。表1に示すように、タングステ
ン以外の金属に対してもこの発明は適用され得る。The present invention is particularly useful in forming a tungsten thin film, but is not limited to forming a tungsten thin film. As shown in Table 1, the present invention can be applied to metals other than tungsten.
この発明において、中間層は、TiN層に限定されるも
のではない。たとえば、TiW、高融点金属または高融点
金属のシリサイド、高融点の窒化物などが挙げられる。
特に、金属薄膜堆積の際表面触媒作用を示さないような
中間層に対して、この発明の利点がより大きなものとな
る。 In the present invention, the intermediate layer is not limited to the TiN layer. Examples thereof include TiW, refractory metal or refractory metal silicide, and refractory nitride.
In particular, the advantage of the present invention becomes greater for intermediate layers that do not exhibit surface catalysis during metal thin film deposition.
核を形成させる際に用いるシラン系ガスとしては、Si
H4ガス以外に、ジシラン(Si2H6)などのシラン系ガス
を用いることができる。The silane-based gas used to form nuclei is Si
In addition to H 4 gas, silane-based gas such as disilane (Si 2 H 6 ) can be used.
この発明に従う好ましい1つの局面(アスペクト)に
おいては、薄膜を構成する金属のハロゲン化物ガスは、
中間層の表面の近傍に薄膜を構成する金属の金属面を配
置した状態で導入される。この局面において、中間層の
表面近傍に金属面を配置する理由は、前記、第1のステ
ップにおいて中間層を活性化するとともに金属面とハロ
ゲン化物ガスとの間での不均化反応(dispropor tiona
te reaction)も核形成に寄与し得る様に利用するため
である。WF6を用いるW薄膜の形成を例にすれば、以下
に示すような不均化反応である。In one preferred aspect (aspect) according to the present invention, the metal halide gas forming the thin film is
It is introduced with the metal surface of the metal forming the thin film arranged near the surface of the intermediate layer. In this aspect, the reason for disposing the metal surface in the vicinity of the surface of the intermediate layer is that the intermediate layer is activated in the first step and the disproportionation reaction (disproportionation reaction) between the metal surface and the halide gas is performed.
te reaction) is also used to contribute to nucleation. Taking the W thin film formation using WF 6 as an example, the disproportionation reaction is as follows.
W+WF6→2WF3↑ 上記の不均化反応で生成したガスWF3は、中間層の表
面上に拡散し、中間層であるTiN層の上に吸着する。不
均化反応で生成するガスは、上記のWF3以外にも、WF
X(1≦x≦5,整数)の組成のガスが生成し、同様にTiN
層上に吸着すると考えられる。W + WF 6 → 2WF 3 ↑ The gas WF 3 generated by the above disproportionation reaction diffuses on the surface of the intermediate layer and is adsorbed on the TiN layer which is the intermediate layer. Gas produced by the disproportionation reaction, The above WF 3, WF
A gas having a composition of X (1 ≦ x ≦ 5, an integer) is generated, and TiN is similarly generated.
It is thought to be adsorbed on the layer.
この前記、第1のステップ中、WF6ガスは、中間層で
あるTiN層とも直接に反応し、核の前駆体となるような
物質、たとえばTiW、WN、TiFXなどもTiN層上に生成する
ものと考えられる。During this first step, the WF 6 gas also reacts directly with the TiN layer, which is the intermediate layer, to form substances that become precursors of nuclei, such as TiW, WN, and TiF X , on the TiN layer. It is supposed to do.
次の工程において導入されるシラン系ガスは、上記の
ようにしてTiN層に吸着したWFXおよびTiNとWF6との反応
生成物であるTiWなどと反応して、WSiYなどのSi系の核
を析出する。このようにして析出した核の表面触媒作用
により、次の工程におけるWF6とH2の反応が進行し、W
薄膜の堆積が進行する。The silane-based gas introduced in the next step reacts with WF X adsorbed on the TiN layer as described above and TiW, which is a reaction product of TiN and WF 6 , to produce Si-based gas such as WSi Y. Precipitate nuclei. The reaction of WF 6 and H 2 in the next step proceeds due to the surface catalytic action of the nuclei thus deposited,
Thin film deposition proceeds.
この発明では、W薄膜堆積の表面触媒作用を示す核を
堆積反応開始に先立って注意深く、特別に中間層上に形
成させているため、堆積速度が速く、膜厚を均一にして
堆積させることができる。さらに、表面モホロジーの良
好なW薄膜を得ることができる。特に、中間層の表面の
上方に金属面を配置させる局面に従えば、不均化反応に
より生ずるWFXを、中間層の上に均一に吸着させること
ができ、核を中間層上に均一に析出させることができ
る。In the present invention, nuclei exhibiting the surface catalytic action of W thin film deposition are carefully formed on the intermediate layer carefully before the initiation of the deposition reaction, so that the deposition rate is high and the film thickness can be made uniform. it can. Furthermore, a W thin film having a good surface morphology can be obtained. In particular, according to the aspect of arranging the metal surface above the surface of the intermediate layer, the WF X produced by the disproportionation reaction, can be uniformly adsorbed on the intermediate layer, uniformly nuclei on the intermediate layer It can be deposited.
この局面に従う装置では、中間層の表面の上方に、中
間層の表面に対向して配置される金属面部材と、この金
属面部材を支持するための面部材支持台とが備えられ
る。In the apparatus according to this aspect, a metal surface member arranged facing the surface of the intermediate layer is provided above the surface of the intermediate layer, and a surface member support base for supporting the metal surface member.
面部材支持台には、金属面部材の温度を制御するため
のヒータが設けられることが好ましい。ヒータで金属面
部材の温度を制御することにより、導入されるハロゲン
化物ガスと金属面部材の金属との不均化反応を制御する
ことができる。It is preferable that the surface member support base is provided with a heater for controlling the temperature of the metal surface member. By controlling the temperature of the metal surface member with the heater, the disproportionation reaction between the introduced halide gas and the metal of the metal surface member can be controlled.
面部材支持台は、中間層の表面と金属面部材との間の
距離を調整できるように移動可能に設けられていること
が好ましい。このようにすることで不均化反応の結果発
生する前記の核前駆体の基板への拡散経路をより好まし
くは制御することが可能になる。It is preferable that the surface member support base is movably provided so that the distance between the surface of the intermediate layer and the metal surface member can be adjusted. By doing so, it becomes possible to more preferably control the diffusion path of the nuclear precursor to the substrate, which is generated as a result of the disproportionation reaction.
金属面部材は、基板に金属膜をコーティングしたもの
であってもよいし、バルクの金属板であってもよい。さ
らにこの金属面部材は前記の核前駆体の基板への拡散経
路をより好ましく制御するため、円型のみならず、大き
さ、形状ともに最適化することが望ましい。The metal surface member may be a substrate coated with a metal film, or may be a bulk metal plate. Further, this metal surface member preferably controls not only the circular shape but also the size and shape in order to more preferably control the diffusion path of the nuclear precursor to the substrate.
この発明の他の局面に従う装置においては、中間層の
表面に前処理を施すための前処理室と、前処理された中
間層の表面上に金属薄膜を堆積するための、前処理室と
は別に設けられた堆積室とが備えられる。この他の局面
に従えば、堆積室の内面は、金属薄膜の堆積のための反
応に対して表面触媒作用を示さないような材料から形成
されている。In the apparatus according to another aspect of the present invention, the pretreatment chamber for pretreating the surface of the intermediate layer and the pretreatment chamber for depositing the metal thin film on the surface of the pretreated intermediate layer are A separate deposition chamber is provided. According to this other aspect, the inner surface of the deposition chamber is formed of a material that does not surface catalyze the reaction for deposition of the metal thin film.
金属薄膜がW薄膜である場合には、このような材料と
して、たとえば石英、SiC、またはセラミックなどが用
いられる。When the metal thin film is a W thin film, for example, quartz, SiC, or ceramic is used as such a material.
金属薄膜がW薄膜である場合には、前処理は、たとえ
ば、WF6ガスによる活性化処理とSiH4ガスによる核形成
処理とを含む。この場合に、前処理室は、活性化処理の
ための前処理室と核形成のための前処理室とを別個に有
してもよい。When the metal thin film is a W thin film, the pretreatment includes, for example, an activation treatment with WF 6 gas and a nucleation treatment with SiH 4 gas. In this case, the pretreatment chamber may have a pretreatment chamber for activation treatment and a pretreatment chamber for nucleation separately.
この他の局面の装置に従えば、堆積室の内面が金属薄
膜の堆積のための反応に対して表面触媒作用を示さない
材料から形成されているため、前処理室から移送されて
きた核形成済みの基体上以外の堆積室の内面には金属薄
膜が堆積しない。このため、堆積椎内における発塵が防
止される。このため、堆積室の内部は。常に清浄に保た
れ、歩留まりなどを向上させることができる。According to the apparatus of this other aspect, since the inner surface of the deposition chamber is formed of a material that does not show a surface catalytic action for the reaction for depositing the metal thin film, the nucleation transferred from the pretreatment chamber is performed. The metal thin film is not deposited on the inner surface of the deposition chamber other than on the completed substrate. Therefore, dust generation in the accumulated vertebra is prevented. Therefore, inside the deposition chamber. It is always kept clean and the yield can be improved.
[実施例] 第1A図は、この発明の方法に従い、中間層の上に核が
形成された状態を示す断面図である。第1A図を参照し
て、TiN層1の上には、Si系核2が形成されている。こ
のSi系核2は、以下のようにして形成される。まず、Ti
N層1の上にWF6ガスが導入される。このWF6ガスは、TiN
層1の表面と反応し、TiN層1の表面を活性化させる。
次に、シラン系ガスをTiN層1上に導入し、TiN層1の表
面の反応物とシラン系ガスとを反応させて、Si系核2を
形成する。Example FIG. 1A is a sectional view showing a state in which nuclei are formed on the intermediate layer according to the method of the present invention. Referring to FIG. 1A, Si-based nuclei 2 are formed on the TiN layer 1. This Si-based nucleus 2 is formed as follows. First, Ti
WF 6 gas is introduced onto the N layer 1. This WF 6 gas is TiN
It reacts with the surface of layer 1 to activate the surface of TiN layer 1.
Next, a silane-based gas is introduced onto the TiN layer 1, and the reaction product on the surface of the TiN layer 1 is reacted with the silane-based gas to form the Si-based nucleus 2.
第1B図は、この発明の方法に従い、核が形成された中
間層の上に金属薄膜を堆積させたときの初期の状態を示
す断面図である。第1B図を参照して、TiN層1の上には
均一な厚みで、W薄膜3が堆積されている。この発明に
従えば、TiN層1の上に多数のSi系核2が形成されてい
るので、核の密度が高い。このため、均一な厚みでW薄
膜3を形成させることができる。FIG. 1B is a cross-sectional view showing an initial state when a metal thin film is deposited on the nucleated intermediate layer according to the method of the present invention. Referring to FIG. 1B, a W thin film 3 having a uniform thickness is deposited on the TiN layer 1. According to the present invention, since many Si-based nuclei 2 are formed on the TiN layer 1, the density of nuclei is high. Therefore, the W thin film 3 can be formed with a uniform thickness.
第1C図は、この発明の方法に従い、核が形成された中
間層上に金属薄膜を堆積させた状態を示す断面図であ
る、第1C図を参照して、TiN層1上に堆積されたW薄膜
3は、均一な厚みで堆積されている。このため、W薄膜
3の表面は平滑化されている。FIG. 1C is a cross-sectional view showing a state in which a metal thin film is deposited on the nucleated intermediate layer according to the method of the present invention. Referring to FIG. 1C, it is deposited on the TiN layer 1. The W thin film 3 is deposited with a uniform thickness. Therefore, the surface of the W thin film 3 is smoothed.
以上のように、この発明の従えば、TiN層1上に形成
するW薄膜3の厚みを均一にすることができ、その表面
を平滑化することができる。また、TiN層1の上にはW
薄膜堆積前に多くの核が存在しているため、堆積速度を
速くすることができる。As described above, according to the present invention, the W thin film 3 formed on the TiN layer 1 can have a uniform thickness and its surface can be smoothed. Moreover, W is formed on the TiN layer 1.
Since many nuclei exist before the thin film deposition, the deposition rate can be increased.
第2A図は、従来の方法に従い、前処理せずに中間層の
上に金属薄膜を形成させたときの初期の状態を示す断面
図である。第2A図を参照して、TiN層4の上にはW核5
が形成されている。従来の方法では、TiN層4の上に、
予めW薄膜堆積反応の表面触媒作用を示すような核が存
在していないため、この場合の核は堆積反応開始後の初
期段階にWF6とH2との直接の反応で析出する以外なく、
第2A図に示すような、低密度のW核5となって不均一に
析出する。析出したW核5が引き続くWF6とH2の反応に
表面触媒作用を示す核となって、この上にW薄膜が堆積
されていく。FIG. 2A is a cross-sectional view showing an initial state when a metal thin film is formed on an intermediate layer without pretreatment according to a conventional method. Referring to FIG. 2A, a W nucleus 5 is formed on the TiN layer 4.
Are formed. In the conventional method, on the TiN layer 4,
Since there are no nuclei that show the surface catalytic action of the W thin film deposition reaction in advance, the nuclei in this case have to be deposited by the direct reaction between WF 6 and H 2 in the initial stage after the initiation of the deposition reaction.
As shown in FIG. 2A, W nuclei 5 of low density are formed and are nonuniformly deposited. The deposited W nuclei 5 serve as nuclei that exert a surface catalytic action on the subsequent reaction between WF 6 and H 2 , and a W thin film is deposited on the nuclei.
第2B図は、従来の方法に従い、前処理せずに中間層の
上に金属薄膜を堆積せたときの状態を示す断面図であ
る。第2B図を参照して、TiN層4の上には、不均一な厚
みのW薄膜6が堆積されている。W薄膜析出の核となる
W核5が、第2A図に示すように不均一かつ低密度にTiN
層4の上に存在しているため、W薄膜6の厚みも不均一
となる。この結果、W薄膜6の表面は、荒れた状態とな
る。FIG. 2B is a sectional view showing a state in which a metal thin film is deposited on the intermediate layer without pretreatment according to the conventional method. Referring to FIG. 2B, a W thin film 6 having a non-uniform thickness is deposited on the TiN layer 4. As shown in FIG. 2A, the W nuclei 5, which are the nuclei for depositing the W thin film, are non-uniform and have low density.
Since it exists on the layer 4, the thickness of the W thin film 6 also becomes nonuniform. As a result, the surface of the W thin film 6 becomes rough.
第3図は、この発明に従い堆積される金属薄膜の膜厚
と堆積時間との関係を示す図である。第3図を参照し
て、実線はこの発明に従う方法のものを示しており、点
線は従来の方法によるものを示している。T3、T2、およ
びT1は、それぞれ堆積温度を示しており、T3>T2>T1の
関係である。堆積温度は、400〜600℃の範囲である。第
3図を参照して、従来の方法によれば、WF6とH2のガス
を導入し始めてから、実際にW薄膜の堆積が始まるまで
には、遅れ時間、すなわち誘導期間が存在している。こ
れは、TiN層表面が触媒として不活性であるため、WF6と
H2の直接の反応を結果生ずる触媒となり得るW核が所定
の密度および大きさとなり触媒作用を示すまでの間、時
間が必要であることを示している。これに対し、この発
明の方法に従えば、このような誘導期間がない。W薄膜
は、WF6とH2ガスを導入し始めてからすぐに堆積が始ま
る。これは、すでにTiN層の表面にSi系核が存在してお
り、このSi系核が触媒として活性であるためである。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the film thickness of the metal thin film deposited according to the present invention and the deposition time. Referring to FIG. 3, the solid line shows the method according to the present invention, and the dotted line shows the method according to the conventional method. T 3 , T 2 and T 1 respectively indicate the deposition temperature and have a relationship of T 3 > T 2 > T 1 . The deposition temperature is in the range of 400-600 ° C. Referring to FIG. 3, according to the conventional method, there is a delay time, that is, an induction period, from when the gas of WF 6 and H 2 is introduced to when the deposition of the W thin film is actually started. There is. This is because the TiN layer surface is catalytically inactive, and WF 6
It indicates that it takes time for the W nuclei that can be the catalyst resulting from the direct reaction of H 2 to reach a certain density and size and to be catalytic. In contrast, according to the method of the present invention, there is no such induction period. The W thin film starts to be deposited immediately after the introduction of WF 6 and H 2 gas. This is because Si-based nuclei already exist on the surface of the TiN layer and the Si-based nuclei are active as a catalyst.
第4図は、この発明の一実施例において使用する装置
を示す概略構成図である。第4図を参照して、反応容器
10内には、基板支持台11が設けられている。基板支持台
11の上には基板14が載せられている。この基板14は、そ
の表面にTiN層を中間層として有する基板である。基板
支持台11の表面には、W膜13が形成されている。このW
膜13は、直前までの処理において基板の上にW膜を堆積
させる間に、基板支持台11の表面にもW膜が堆積し、こ
の結果として生じた膜である。したがって、新しい基板
支持台を用いる場合には、その表面にW膜は存在しない
のであるが、本発明者等は基板支持台11の表面にW膜が
形成されている方がW膜堆積に有利であることを見出だ
している。これは前記の不均化反応が核形成過程に寄与
していることを示唆している。したがって、本発明者等
は新たな基板支持台を用いる場合には、基板を載置する
前に基板支持台11の表面にW膜を予め形成している。こ
のようにしてW膜を形成した基板支持台の上に基板を載
置して用いるようにしている。FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing an apparatus used in one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4, reaction vessel
A substrate support 11 is provided inside the substrate 10. Substrate support
A substrate 14 is placed on top of 11. The substrate 14 is a substrate having a TiN layer on its surface as an intermediate layer. A W film 13 is formed on the surface of the substrate support 11. This W
The film 13 is a film formed as a result of the deposition of the W film on the surface of the substrate support 11 during the deposition of the W film on the substrate in the processes just before. Therefore, when a new substrate support is used, the W film does not exist on the surface thereof. However, the present inventors prefer that the W film is formed on the surface of the substrate support 11 for W film deposition. Is found. This suggests that the above disproportionation reaction contributes to the nucleation process. Therefore, the present inventors have previously formed a W film on the surface of the substrate support 11 before mounting the substrate when using a new substrate support. In this way, the substrate is placed on the substrate support on which the W film is formed and used.
基板支持台11内には、基板を加熱するためのヒータ12
が設けられている。反応容器10の一方側には原料ガスを
導入するための導入口15が設けられている。反応容器10
の他方側には排気口16が設けられている。WF6ガス導入
による活性化処理(以下これを「第1ステップ処理」と
いう)においては、この導入口15からWF6ガスをキャリ
アガスとなる不活性ガスとともに反応容器10内に導入す
る。基板14のTiN層表面を活性化した後は、排気口16か
ら排気する。次に、SiH4ガスによる核形成処理(以下こ
れを「第2ステップ処理」という)においては、SiH4ガ
スをキャリアガスとなる不活性ガスとともに反応容器10
内に導入し、基板14のTiN層の表面に核を形成される。
その後、排気口16から排気する。A heater 12 for heating the substrate is provided in the substrate support 11.
Is provided. An inlet port 15 for introducing the raw material gas is provided on one side of the reaction vessel 10. Reaction vessel 10
An exhaust port 16 is provided on the other side. In the activation process by introducing WF 6 gas (hereinafter referred to as “first step process”), the WF 6 gas is introduced into the reaction vessel 10 through the inlet 15 together with the inert gas serving as the carrier gas. After the TiN layer surface of the substrate 14 is activated, it is exhausted from the exhaust port 16. Next, in the nucleation treatment with SiH 4 gas (hereinafter referred to as “second step treatment”), SiH 4 gas is used together with an inert gas as a carrier gas in the reaction vessel 10
Introduced into and nucleated on the surface of the TiN layer of substrate 14.
After that, the gas is exhausted from the exhaust port 16.
次に、WF6ガスおよびH2ガスを導入口15から、反応容
器10内に導入し、基板14のTiN層の上にW薄膜を堆積さ
せる。堆積後、反応容器10内のガスは排気口16から排気
する。Next, WF 6 gas and H 2 gas are introduced into the reaction vessel 10 through the inlet 15 to deposit a W thin film on the TiN layer of the substrate 14. After the deposition, the gas in the reaction vessel 10 is exhausted from the exhaust port 16.
第4図に示すような装置を用いて、W薄膜を堆積させ
た。450℃、0.2Torrの条件下で、WF6ガスを300SCCM、キ
ャリアガスとしてのArガスを500SCCMのガス流量で120秒
間導入して、TiN層の表面を活性化させる第1ステップ
処理を行なった。A W thin film was deposited using an apparatus as shown in FIG. Under the conditions of 450 ° C. and 0.2 Torr, WF 6 gas was introduced at a gas flow rate of 300 SCCM and Ar gas as a carrier gas at a gas flow rate of 500 SCCM for 120 seconds to perform a first step treatment for activating the surface of the TiN layer.
次に、WF6ガスの導入を止め、反応容器10内を排気口1
6から真空引きしてWF6ガスを除去した。この際、SiH4ガ
スを100SCCM、Arガスを500SCCMのガス流量で120秒間反
応容器10内に導入し、活性化したTiN層の表面にシリコ
ン系の核を形成する第2ステップ処理を行なった。Next, the introduction of WF 6 gas was stopped, and the inside of the reaction vessel 10 was exhausted 1
The 6 was evacuated to remove the WF 6 gas. At this time, SiH 4 gas was introduced into the reaction vessel 10 at a gas flow rate of 100 SCCM and Ar gas at a gas flow rate of 500 SCCM for 120 seconds, and a second step treatment of forming a silicon-based nucleus on the surface of the activated TiN layer was performed.
次に、SiH4ガスの導入を止め、チャンバ内を0.8Tor
r、450℃に保持し、Arガスを100SCCMのガス流量で導入
するとともに、WF6ガスおよびH2ガスをそれぞれ300SCC
M、300SCCMのガス流量で300秒間導入した。TiN層上に
は、H2還元法により、約4000ÅのW薄膜が形成された。Next, stop the introduction of SiH 4 gas,
Hold at r and 450 ° C, introduce Ar gas at a gas flow rate of 100 SCCM, and add WF 6 gas and H 2 gas to 300 SCC each.
The gas was introduced for 300 seconds at a gas flow rate of M and 300 SCCM. A W thin film of about 4000Å was formed on the TiN layer by the H 2 reduction method.
以上のW薄膜の形成条件を表2にまとめて示す。 The conditions for forming the above W thin film are summarized in Table 2.
得られたW薄膜の厚みを、断面SEM観察により測定し
た。測定は、6インチの基板の中央付近で行なった。 The thickness of the obtained W thin film was measured by cross-sectional SEM observation. The measurement was performed near the center of the 6-inch substrate.
第5図は、TiN層の上にW薄膜を堆積したときの膜厚
と堆積時間との関係を示す図である。TiN層は、Si基板
の上に形成した熱酸化膜(SiO2)5000Åの上、またはP
型Si基板の上に反応性スパッタ法を用いて堆積させ、引
続いて800℃窒素雰囲気中で30秒間熱処理を施して形成
したものである。FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the film thickness and the deposition time when a W thin film is deposited on the TiN layer. The TiN layer is a thermal oxide film (SiO 2 ) 5000 Å formed on the Si substrate, or P
It is formed by depositing on a type Si substrate using a reactive sputtering method, and subsequently performing a heat treatment for 30 seconds in a nitrogen atmosphere at 800 ° C.
第5図においては、従来の方法に従い、第1ステップ
処理および第2ステップ処理を行なわずに、直接WF6ガ
スとH2ガスを供給してW薄膜を形成した従来例、および
第1ステップ処理のみを施した後W薄膜を堆積させて比
較例の結果を併せて示す。前処理および薄膜形成条件は
表2に示したとおりである。In FIG. 5, according to the conventional method, the W thin film is formed by directly supplying WF 6 gas and H 2 gas without performing the first step treatment and the second step treatment, and the first step treatment. The result of the comparative example is also shown by depositing a W thin film after performing only. The pretreatment and thin film forming conditions are as shown in Table 2.
第5図には、本発明例を●、従来例を■、比較例を▲
で表わした。第5図に示されるように、従来例および比
較例のものは、WF6ガスおよびH2ガスを導入してもW膜
の堆積が起こらない誘導期間が約7分間存在している。
これは、薄膜堆積を可能とする核が形成されるのに要す
る時間であると考えられる。このため、TiNはWの核が
形成しにくい材料であることがこの例からも容易に推測
される。これに対して、本発明例によるものは、WF6ガ
スおよびH2ガスを導入した後すぐにほとんど誘導期間な
しでW膜の堆積が開始されている。この結果、膜厚4000
ÅのW膜を表2に示した条件で得るのに、従来の方法で
は約12分要するに対し、この発明に従えば約5分で形成
することができる。FIG. 5 shows an example of the present invention, a conventional example, and a comparative example.
Expressed as As shown in FIG. 5, the conventional example and the comparative example have an induction period of about 7 minutes in which the W film is not deposited even if the WF 6 gas and the H 2 gas are introduced.
It is believed that this is the time it takes for the nuclei to be formed allowing for thin film deposition. Therefore, it is easily inferred from this example that TiN is a material in which W nuclei are hard to form. On the other hand, in the example of the present invention, the deposition of the W film is started immediately after the introduction of the WF 6 gas and the H 2 gas with almost no induction period. As a result, the film thickness 4000
It takes about 12 minutes in the conventional method to obtain the W film of Å under the conditions shown in Table 2, but it can be formed in about 5 minutes according to the present invention.
W薄膜堆積時間が5分経過した後のシート抵抗マップ
を測定した。第6図は、この発明に従って得られた薄膜
のシート抵抗マップを示す平面図である。第7図は、第
1のステップ処理および第2のステップ処理を行なわな
い従来例の薄膜のシート抵抗マップを示う平面図であ
る。第8図は、第1のステップ処理のみを施した場合の
薄膜のシート抵抗マップを示す図である。第9図は、第
2ステップ処理のみを施した比較例の金属薄膜のシート
抵抗マップを示す平面図である。A sheet resistance map was measured after the W thin film deposition time of 5 minutes. FIG. 6 is a plan view showing a sheet resistance map of a thin film obtained according to the present invention. FIG. 7 is a plan view showing a sheet resistance map of a conventional thin film in which the first step process and the second step process are not performed. FIG. 8 is a diagram showing a sheet resistance map of a thin film when only the first step processing is performed. FIG. 9 is a plan view showing a sheet resistance map of a metal thin film of a comparative example subjected to only the second step treatment.
第6図〜第9図において、線は、抵抗値の等高線を示
している。第7図〜第9図において中央部のハッチング
を付した部分は、実質的にW薄膜がほとんど形成されて
いない。In FIG. 6 to FIG. 9, the lines show the contour lines of the resistance value. In the hatched portion in the central portion in FIGS. 7 to 9, substantially no W thin film is formed.
第6図に示されるように、この発明に従い形成された
W薄膜は、膜厚が6インチ基板全面にわたって均一化さ
れている。これに対し、比較例および従来例のW薄膜
は、周辺部にはW薄膜が形成されているが、中央部には
膜が堆積していない。堆積時間を増していくと、周辺か
ら中央へ堆積領域が進むが、初期の均一性が反映される
ため、これらの従来例および比較例のものでは均一な膜
を形成することができない。As shown in FIG. 6, the W thin film formed according to the present invention has a uniform film thickness over the entire 6-inch substrate. On the other hand, in the W thin films of the comparative example and the conventional example, the W thin film is formed in the peripheral portion, but the film is not deposited in the central portion. As the deposition time is increased, the deposition region progresses from the periphery to the center, but since the initial uniformity is reflected, it is impossible to form a uniform film with these conventional examples and comparative examples.
第10図は、この発明に従う一実施例において第1ステ
ップ処理した後の中間層表面上の蛍光X線分析した際の
TiおよびWシグナル強度の処理温度依存性を示す図であ
る。第10図に示すような種々の温度で第1ステップ処理
を行ない、得られた中間層の表面を螢光X線を用いて評
価し、TiおよびWシグナル強度を測定した。第10図を参
照して、300℃以下の温度、すなわち選択CVD−Wの形成
温度領域では、TiおよびWの強度はほとんど変化がな
い。しかしながら、400℃以上の温度、すなわち本発明
で問題としているブランケットCVD−Wの形成温度領域
では、Wの強度が急激に増加している。これは、第1ス
テップ処理中にTiNとWF6が反応していることを示してい
る。FIG. 10 shows an X-ray fluorescence analysis on the surface of the intermediate layer after the first step treatment in one embodiment according to the present invention.
It is a figure which shows the processing temperature dependence of Ti and W signal intensity. The first step treatment was carried out at various temperatures as shown in FIG. 10, the surface of the obtained intermediate layer was evaluated using fluorescent X-rays, and Ti and W signal intensities were measured. With reference to FIG. 10, in the temperature of 300 ° C. or lower, that is, in the formation temperature region of selective CVD-W, the strengths of Ti and W hardly change. However, in the temperature of 400 ° C. or higher, that is, in the blanket CVD-W formation temperature region which is a problem in the present invention, the strength of W rapidly increases. This indicates that TiN and WF 6 are reacting during the first step treatment.
第11図は、この発明に従う一実施例における第1ステ
ップ処理および第2ステップ処理をした後の中間層表面
のESCA(Electron Spectroscopy for Chemical Ana
lysis)による分析結果を示す図である。第11図におい
て、aは第1ステップ処理を施した後のTiN層表面のス
ペクトルを示しており、bは第1ステップ処理を施した
後に120秒間H2ガスを導入したTiN層表面のスペクトルを
示している。cはこの発明に従い第1ステップ処理を施
した後120秒間SiH4ガスを導入して第2ステップ処理を
施したTiN層表面のスペクトルを示している。第11図の
cに見られるように、この発明に従い第1ステップ処理
および第2ステップ処理を行なったTiN層表面には、Si
のピークが観察されている。これに対し、比較のaおよ
びbのものではこのようなSiのピークが観察されていな
い。第1ステップ処理することにより、WがTiN層の表
面に導入されることは、第10図および第11図のaから明
らかである。しかしながら、第1ステップ処理したのみ
では、第8図に示されるように、この発明の効果は発揮
されない。したがって、第1のステップ処理により、Ti
N層の上にWが導入されるだけでは不十分であり、この
第1ステップ処理の後に第2ステップ処理が施されて、
SiがTiN層の表面に導入されることが必要である。この
ようにして導入されたSi系の核が、W薄膜形成の初期過
程の核形成を促進しているものと考えられるのである。
そしてこの発明に従えば、誘導期間が存在せずにW薄膜
を堆積することができる。これは、とりもなおさずにこ
のSi系の物質が、W薄膜形成のための核形成に有効に作
用したためと考えられる。FIG. 11 shows the ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Ana) of the surface of the intermediate layer after the first step treatment and the second step treatment in one embodiment according to the present invention.
It is a figure which shows the analysis result by lysis). In Figure 11, a is shows the spectrum of the TiN layer surface after subjected to the first step process, b is the spectrum of the TiN layer surface by introducing a 120 seconds H 2 gas after performing a first step treatment Shows. c shows the spectrum of the surface of the TiN layer which has been subjected to the second step treatment by introducing SiH 4 gas for 120 seconds after the first step treatment according to the present invention. As can be seen from FIG. 11c, Si is formed on the surface of the TiN layer which has been subjected to the first step treatment and the second step treatment according to the present invention.
Is observed. On the other hand, no such Si peak is observed in the comparative samples a and b. It is apparent from a of FIGS. 10 and 11 that W is introduced into the surface of the TiN layer by the first step treatment. However, the effect of the present invention is not exerted only by performing the first step, as shown in FIG. Therefore, by the first step processing, Ti
It is not enough to introduce W on the N layer, and the first step treatment is followed by the second step treatment,
It is necessary that Si be introduced on the surface of the TiN layer. It is considered that the Si-based nuclei thus introduced promote nucleation in the initial stage of W thin film formation.
Then, according to the present invention, the W thin film can be deposited without the induction period. This is probably because the Si-based substance effectively acted on the nucleation for forming the W thin film.
以上のように、この実施によれば、W薄膜を堆積させ
る前に、まずWF6ガスを導入してTiN表面を活性化させ、
続いてSiH4ガスを導入し、TiN表面上にSi系の核を形成
する。このようなSi系の核形成によって、W膜の堆積の
際の誘導期間がなくなり、膜厚の均一性が良好となり、
さらに表面モホロジーの良好なW薄膜が得られる。As described above, according to this embodiment, before the W thin film is deposited, WF 6 gas is first introduced to activate the TiN surface,
Subsequently, SiH 4 gas is introduced to form Si-based nuclei on the TiN surface. Due to such Si-based nucleation, the induction period during the deposition of the W film is eliminated, and the uniformity of the film thickness is improved,
Further, a W thin film having a good surface morphology can be obtained.
この発明に従えば、TIN層のようなW−CVDの困難な中
間層の上にも、良好なW薄膜を形成することができる。
本発明者らは、さらに、この発明の第1のステップ処理
において、WF6とTiNとの反応のみならず、WF6とWとの
反応が核形成に関与し得ることを見出した。J.R.Creigh
tonの“Amechanism for Selectivity Loss during
Tungsten CVD"J.Electrochem.Soc.,Vol.136,No.1,Ja
nuary 1989,P.271は、WF6の基板Si還元等による選択タ
ングステンCVD系における絶縁膜上での選択性の喪失の
一因が記載されている。この文献によると、コンタクト
ホール内に形成されたWとWF6の不均化反応によってWFX
が発生し、このWFXが絶縁膜上に吸着して核になるた
め、タングステンの選択性が低下すると記載されてい
る。本発明者等は、このようなWとWF6との不均化反応
が、この発明が対象とするブランケットW−CVD系にお
ける中間層上への核形成においても関与し得ることを見
出だした。この発明の好ましい1つの局面に従えば、中
間層の表面の近傍に基体上に堆積する金属と同じ金属面
を配置した状態で、ハロゲン化物ガスを導入している。
中間層表面の近傍に金属面を配置するのは、この金属面
とハロゲン化物ガスとの間で生じる不均化反応を基体上
核形成に利用する意図によるものである。このような不
均化反応によって生じたガスが中間層の表面に吸着し核
の前駆体となるのである。前記の第4図に示すような装
置の用いた実施例の方法では、基板支持台11の表面に形
成されたタングステン膜13がこのような不均化反応に関
与しているものと思われる。基板支持台11表面のタング
ステン膜13とWF6とは不均化反応を起こし、その結果生
じたWFXが基板14上のTiN層の表面に吸着して、核または
核の前駆体になるものと考えられる。したがって、第4
図に示すような装置の場合には、基板14の周囲からこの
ような不均化反応により生じるWFXガスが導入される。
この結果、基板14の周囲の部分にWFXガスが吸着され核
となる。第6図〜第9図を参照して、第4図に示す装置
を用いた場合に、基板の周囲においてW薄膜の厚みが厚
くなるのは、このような不均化反応により生じるWFXの
吸着が原因しているものと考えられる。本発明者等は、
このようなWFXの吸着が中間層の表面において均一に行
なわれるように、中間層の表面上方に金属面部材を対向
して配置することを見出だした。このようにすれば、従
来装置とは異なりWFXの中間層表面への供給方向の自由
度が増大し、制御性が向上する。According to the present invention, a good W thin film can be formed even on an intermediate layer such as a TIN layer that is difficult to undergo W-CVD.
The present inventors have further found that in the first step treatment of the present invention, not only the reaction between WF 6 and TiN, but also the reaction between WF 6 and W may be involved in nucleation. JR Creigh
ton's “Amechanism for Selectivity Loss during
Tungsten CVD "J.Electrochem.Soc., Vol.136, No.1, Ja
nuary 1989, P.271 describes a cause of loss of selectivity on an insulating film in a selective tungsten CVD system due to reduction of WF 6 on a substrate such as Si. According to this reference, W X formed by the disproportionation reaction of W and WF 6 formed in the contact hole
There occurs, this WF X is to become the nucleus adsorbed on the insulating film, the selectivity of tungsten is described to decrease. The present inventors have found that such a disproportionation reaction between W and WF 6 can be involved in the nucleation on the intermediate layer in the blanket W-CVD system targeted by the present invention. . According to a preferred aspect of the present invention, the halide gas is introduced in the state where the same metal surface as the metal deposited on the substrate is arranged near the surface of the intermediate layer.
The reason for disposing the metal surface in the vicinity of the surface of the intermediate layer is to utilize the disproportionation reaction occurring between the metal surface and the halide gas for nucleation on the substrate. The gas generated by such a disproportionation reaction is adsorbed on the surface of the intermediate layer and becomes a precursor of nuclei. In the method of the embodiment using the apparatus shown in FIG. 4, it is considered that the tungsten film 13 formed on the surface of the substrate support 11 is involved in such disproportionation reaction. The tungsten film 13 and the WF 6 of the substrate support 11 surface causes a disproportionation reaction, and the resulting WF X is adsorbed on the surface of the TiN layer on the substrate 14, the precursor of the nucleus or nuclear it is conceivable that. Therefore, the fourth
In the case of apparatus as shown in figure, WF X gases produced by such disproportionation reaction is introduced from the periphery of the substrate 14.
As a result, WF X gas is the nucleus adsorbed on part of the periphery of the substrate 14. With reference to FIG. 6-FIG. 9, in the case of using the apparatus shown in FIG. 4, the thickness of the W film becomes thicker around the substrate, the WF X caused by such disproportionation reaction It is considered that the cause is adsorption. The present inventors
Adsorption of such WF X is as uniformly performed on the surface of the intermediate layer, we have found that placing the metal surface member above the surface of the intermediate layer facing. Thus, increasing the flexibility of the supply direction of the intermediate layer surface of the different WF X is a conventional device, the control is improved.
この発明の他の局面に従う装置では、中間層の表面に
前処理を施すための前処理室と、金属薄膜を堆積するた
めの堆積室とを別々に備えており、堆積室の内面は、金
属薄膜の堆積のための反応に対して表面触媒作用を示さ
ないような材料から形成されている。In an apparatus according to another aspect of the present invention, a pretreatment chamber for pretreating the surface of the intermediate layer and a deposition chamber for depositing a metal thin film are separately provided, and the inner surface of the deposition chamber is made of metal. It is made of a material that does not surface catalyze the reaction for thin film deposition.
第12図は、この発明の他の局面に従う実施例の装置を
示す概略構成図である。第12図を参照して、反応容器
は、WF6前処理室21、SiH4前処理室22およびW膜堆積室2
3の3つに分けられている。WF6前処理室21内には、基板
台24が設けられている。この基板台24の上には基板25が
載せられている。この基板25の上方には金属面部材30と
してのタングステンの板材が設けられており、これは面
部材支持台31によって支持されている。面部材支持台31
は制御性の向上のため上下動可能なように設けられてい
る。面部材支持台31内にはヒータ32が設けられている。
WF6前処理室21には、WF6ガスとキャリアガスの混合ガス
を導入するための導入口27が設けられている。またWF6
前処理室21内のガスを外部に排出するための排気口28が
設けられている。FIG. 12 is a schematic configuration diagram showing an apparatus of an embodiment according to another aspect of the present invention. Referring to FIG. 12, the reaction vessel is composed of a WF 6 pretreatment chamber 21, a SiH 4 pretreatment chamber 22 and a W film deposition chamber 2
It is divided into 3 of 3. A substrate table 24 is provided in the WF 6 pretreatment chamber 21. A substrate 25 is placed on the substrate table 24. A tungsten plate material serving as a metal surface member 30 is provided above the substrate 25, and this is supported by a surface member support base 31. Face member support 31
Is provided so that it can be moved up and down to improve controllability. A heater 32 is provided in the surface member support base 31.
The WF 6 pretreatment chamber 21 is provided with an inlet 27 for introducing a mixed gas of WF 6 gas and carrier gas. Also WF 6
An exhaust port 28 for discharging the gas in the pretreatment chamber 21 to the outside is provided.
WF6前処理室21に隣接して、SiH4前処理室22が設けら
れている。このSiH4前処理室22内には基板台33が設けら
れている。基板台33内には、基板台33上に載せられる基
板を加熱するためのヒータ34が設けられている。SiH4前
処理室22には、SiH4とキャリアガスの混合ガスを導入す
るための導入口35が設けられている。SiH4前処理室22に
は、また排気口36が設けられている。WF6前処理室21とS
iH4前処理室22との間には移送用ドア37が設けられてい
る。A SiH 4 pretreatment chamber 22 is provided adjacent to the WF 6 pretreatment chamber 21. A substrate stand 33 is provided in the SiH 4 pretreatment chamber 22. A heater 34 for heating a substrate placed on the substrate table 33 is provided in the substrate table 33. The SiH 4 pretreatment chamber 22 is provided with an inlet port 35 for introducing a mixed gas of SiH 4 and a carrier gas. An exhaust port 36 is also provided in the SiH 4 pretreatment chamber 22. WF 6 pretreatment chamber 21 and S
A transfer door 37 is provided between the iH 4 pretreatment chamber 22 and the iH 4 pretreatment chamber 22.
SiH4前処理室22に隣接して、W膜堆積室23が設けられ
ている。W膜堆積室23内には基板台38が設けられてい
る。基板台38内には、その上に載せられる基板を加熱す
るためのヒータ39が設けられている。W膜堆積室23に
は、WFS6ガスとH2ガスを導入するための導入口40が設け
られている。またW膜堆積室23には、室内のガスを排気
するための排気口41が設けられている。SiH4前処理室22
とW膜堆積室23との間には移送用ドア42が設けられてい
る。W膜堆積室23の内面は、W膜の堆積のための反応に
対して表面触媒作用を示さないような材料から形成され
ている。このような材料としては、たとえば石英、Si
C、またはセラミックなどを用いることができる。A W film deposition chamber 23 is provided adjacent to the SiH 4 pretreatment chamber 22. A substrate table 38 is provided in the W film deposition chamber 23. A heater 39 for heating a substrate placed thereon is provided in the substrate table 38. The W film deposition chamber 23 is provided with an inlet 40 for introducing WFS 6 gas and H 2 gas. Further, the W film deposition chamber 23 is provided with an exhaust port 41 for exhausting the gas in the chamber. SiH 4 pretreatment room 22
A transfer door 42 is provided between the W film deposition chamber 23 and the W film deposition chamber 23. The inner surface of the W film deposition chamber 23 is formed of a material that does not exhibit a surface catalytic action on the reaction for depositing the W film. Examples of such materials include quartz and Si.
C, ceramic, or the like can be used.
WF6前処理室21には、ロードロック機構44が設けられ
ている。ロードロック機構44とWF6前処理室21の間には
ロードドア29が設けられている。W膜堆積室23には、ロ
ードロック機構45が設けられている。ロードロック機構
45とW膜堆積室23との間にはアンロートドア43が設けら
れている。A load lock mechanism 44 is provided in the WF 6 pretreatment chamber 21. A load door 29 is provided between the load lock mechanism 44 and the WF 6 pretreatment chamber 21. A load lock mechanism 45 is provided in the W film deposition chamber 23. Load lock mechanism
An unroat door 43 is provided between 45 and the W film deposition chamber 23.
第12図においては、基板15を移送させるための機構が
図示されていないが、これらは通常用いられている移送
機構を用いることができる。Although the mechanism for transferring the substrate 15 is not shown in FIG. 12, a commonly used transfer mechanism can be used for these.
TiN層を上述の実施例のようにしてSi基板上に形成し
た基板25を、まずロードロック機構44中に入れ所定の条
件にした後、ロードドア29を通りWF6前処理室21内の基
板台24の上に載せる。WF6前処理室21には、導入口27か
らWF6ガスがキャリアガスとともに導入される。導入さ
れたWF6ガスは、基板25のTiN層と反応し、上述のような
反応生成物を表面上に形成する。これとともに、WF6ガ
スは、基板25上方に設けられている金属面部材30のWと
不均化反応を起こし、WFXを生成する。このWFXは、基板
25のTiN層の表面上に吸着される。これらによってTiN層
表面上に核の前駆体となる物質が吸着される。このとき
の基板の温度はヒータ26によって調整することができ
る。また基板25の温度とは別に、金属面部材30を支持す
る面部材支持台31内にはヒータ32が設けられているた
め、このヒータ32によって金属面部材30の温度を制御す
ることができ、これによって不均化反応のコントロール
をすることができる。前記第4図の装置において第1ス
テップ中のWF6とTiNの反応温度とWF6とW(基体支持台
上に堆積したもの)の不均化反応温度は同一であった
が、本実施例ではそれぞれの反応に最適な温度を独立に
設定できる。第1ステップ処理後は排気口28から室内の
ガスを排気し、第1のステップ処理後の基板25が空気に
触れないように移送用ドア37を通り次のSiH4前処理室22
に送られる。The substrate 25 in which the TiN layer is formed on the Si substrate as in the above-described embodiment is first put into the load lock mechanism 44 and set to predetermined conditions, and then the substrate in the WF 6 pretreatment chamber 21 is passed through the load door 29. Place on table 24. The WF 6 pretreatment chamber 21, WF 6 gas is introduced together with the carrier gas from the inlet 27. The introduced WF 6 gas reacts with the TiN layer of the substrate 25 to form a reaction product as described above on the surface. At the same time, the WF 6 gas causes a disproportionation reaction with W of the metal surface member 30 provided above the substrate 25 to generate WF X. This WF X is a board
Adsorbed on the surface of 25 TiN layers. As a result, a substance serving as a precursor of nuclei is adsorbed on the surface of the TiN layer. The temperature of the substrate at this time can be adjusted by the heater 26. In addition to the temperature of the substrate 25, since the heater 32 is provided in the surface member support base 31 that supports the metal surface member 30, the temperature of the metal surface member 30 can be controlled by the heater 32. This makes it possible to control the disproportionation reaction. In the apparatus shown in FIG. 4, the reaction temperature of WF 6 and TiN and the disproportionation reaction temperature of WF 6 and W (those deposited on the substrate support) were the same in the first step, but in this Example Then, the optimum temperature for each reaction can be set independently. After the first step treatment, the gas in the chamber is exhausted from the exhaust port 28, and the next SiH 4 pretreatment chamber 22 is passed through the transfer door 37 so that the substrate 25 after the first step treatment does not come into contact with the air.
Sent to
SiH4前処理室22内では、導入口35よりSiH4ガスがキャ
リアガスとともに導入される。このSiH4ガスにより、基
板25のTiN表面上の核前駆体が、Si系の核となる。この
ような第2のステップ処理後、室内のガスは排気口36に
より外部に排気される。このようにして核形成された基
板は、移送用ドア42を通り、(触媒活性を維持するた
め)空気に触れないようにして、次のW膜堆積室23に送
られる。In the SiH 4 pretreatment chamber 22, SiH 4 gas is introduced together with the carrier gas through the inlet 35. This SiH 4 gas causes the nuclear precursor on the TiN surface of the substrate 25 to become Si-based nuclei. After such a second step process, the gas in the chamber is exhausted to the outside through the exhaust port 36. The substrate thus nucleated passes through the transfer door 42 and is transferred to the next W film deposition chamber 23 without being exposed to air (to maintain the catalytic activity).
W膜堆積室23では、WF6ガスとH2ガスが導入口40から
導入される。これによって、WF6ガスがH2ガスによって
還元され、基板25のTiN中間層の表面上にW膜が堆積さ
れる。TiN層の表面にはすでにSi系の核が形成されてい
るため、WF6のH2還元は容易に進行し緻密にW膜を堆積
することができ、また短時間で堆積することができる。
このW膜堆積室23の内面は、W膜の形成反応に表面触媒
作用を示さないような石英、SiC、またはセラミックス
などが用いられている。このため、W膜堆積室23内の内
面には、発塵の原因となるW膜が堆積せず、したがって
常にW膜堆積室23内を清浄に保つことができる。In the W film deposition chamber 23, WF 6 gas and H 2 gas are introduced through the inlet 40. As a result, the WF 6 gas is reduced by the H 2 gas, and the W film is deposited on the surface of the TiN intermediate layer of the substrate 25. Since Si-based nuclei have already been formed on the surface of the TiN layer, the H 2 reduction of WF 6 easily progresses, and the W film can be densely deposited, and can be deposited in a short time.
The inner surface of the W film deposition chamber 23 is made of quartz, SiC, ceramics or the like that does not exhibit a surface catalytic action in the W film formation reaction. Therefore, the W film that causes dust is not deposited on the inner surface of the W film deposition chamber 23, so that the W film deposition chamber 23 can always be kept clean.
W膜を堆積した後の基板は、アンロードドア43を通り
ロードロック機構45に送られる。The substrate after the W film is deposited is sent to the load lock mechanism 45 through the unload door 43.
この実施例の装置では、WF6前処理室21内において、
基板25の上方に不均化反応用の金属面部材30が設けられ
ている。基板25のTiN層の表面に対向して金属面部材30
が設けられているため、金属面部材30とWF6ガスとの不
均化反応により生じるWFXは、TiN層表面上に制御されな
がら均一に吸着される。このため、第4図に示す装置を
用いた場合のように、周囲の部分のみWFXが吸着される
ことはなくなる。TiN層の表面に均一にWFXが吸着される
ことにより、基板面における核密度の分布が均一にな
り、この上に堆積されるW膜の厚みも内面において均一
になる。核密度が高くかつ均一に分布する結果として、
堆積されるW膜の表面平滑性も良好なものとなる。In the apparatus of this embodiment, in the WF 6 pretreatment chamber 21,
A metal surface member 30 for disproportionation reaction is provided above the substrate 25. The metal surface member 30 faces the surface of the TiN layer of the substrate 25.
Since is provided, WF X produced by disproportionation reaction of the metal surface member 30 and the WF 6 gas is uniformly adsorbed while being controlled on the TiN layer. Therefore, as in the case of using the apparatus shown in FIG. 4, no longer be only WF X portion around is adsorbed. By uniformly WF X on the surface of the TiN layer is adsorbed, becomes uniform distribution of the nuclear density in the substrate surface, also becomes uniform in the inner surface thickness of W film is deposited on this. As a result of the high nuclear density and even distribution,
The surface smoothness of the deposited W film is also good.
W膜堆積室23の内面はW膜形成反応に対して表面触媒
作用を有しない材料により構成されている。このため反
応室の内面にW膜が堆積することがなく、もしも内面に
Wが堆積した場合、これが剥離して発生する塵を著しく
低減することができる。第4図に示すような装置を用い
た場合、反応容器10の内面特に基板支持台11上に形成さ
れたW膜上に新たにW膜が堆積する。このW膜は、基板
上にW膜を形成する処理毎に厚くなる。このため、タン
グステン膜形成の回数を重ねるにつれて壁面からWがは
がれ、これが塵となる。第4図の装置においては反応容
器内Wは前記のように重要な役割を演ずるのであるが同
時に発塵源でもあるのである。このような塵の発生のた
めに、頻繁に反応容器内をクリーニングすることが必要
となり稼働率の低下を招く。第12図に示すような装置で
は、このような塵の発生を防止しているため、容器内の
クリーニングが不要になり、稼働率を高めることができ
る。The inner surface of the W film deposition chamber 23 is made of a material having no surface catalytic action on the W film forming reaction. Therefore, the W film is not deposited on the inner surface of the reaction chamber, and if W is deposited on the inner surface, the dust generated by peeling off the W film can be significantly reduced. When the apparatus shown in FIG. 4 is used, a new W film is deposited on the inner surface of the reaction container 10, especially on the W film formed on the substrate support 11. The W film becomes thicker each time the W film is formed on the substrate. Therefore, as the number of times of forming the tungsten film is increased, W peels off from the wall surface and becomes W. In the apparatus of FIG. 4, the inside W of the reaction container plays an important role as described above, but at the same time it is also a dust generating source. Due to the generation of such dust, it is necessary to frequently clean the inside of the reaction container, resulting in a decrease in operating rate. In the apparatus as shown in FIG. 12, since the generation of such dust is prevented, cleaning of the inside of the container is unnecessary, and the operating rate can be increased.
第12図に示す装置では、1枚ずつ基板を処理するタイ
プの枚葉式装置としたが、この発明に従う装置は、バッ
チ処理式の装置でもよい。The apparatus shown in FIG. 12 is a single-wafer type apparatus that processes substrates one by one, but the apparatus according to the present invention may be a batch processing type apparatus.
WF6およびSiH4のキャリアガスとしては、Ar、He、お
よびN2等の不活性ガスを用いることができる。第12図に
示す装置では、面部材支持台31に金属面部材30を温度制
御するためのヒータ32が設けられている。このため、金
属面部材30のみを独自に温度制御することができる。第
4図に示す装置の場合には、基板支持台11の表面にタン
グステン膜13が設けられており、このタングステン膜13
の温度も制御しようとすれば、その上の基板14の温度も
同時に変化するおそれがある。As a carrier gas for WF 6 and SiH 4 , an inert gas such as Ar, He and N 2 can be used. In the apparatus shown in FIG. 12, the surface member support base 31 is provided with the heater 32 for controlling the temperature of the metal surface member 30. Therefore, only the metal surface member 30 can be independently temperature controlled. In the case of the device shown in FIG. 4, the tungsten film 13 is provided on the surface of the substrate support base 11.
If the temperature of the substrate 14 is also controlled, the temperature of the substrate 14 thereon may change at the same time.
この発明の他の局面に従えば、不均化反応のための金
属面部材を別個に設けているので、この金属面部材の形
状は、その大きさおよび基板との距離ならびに設置箇所
等種々調整することができ、基板面内へのWFXの吸着の
分布をコントロールすることができる。According to another aspect of the present invention, since the metal surface member for disproportionation reaction is separately provided, the shape of the metal surface member is variously adjusted such as its size, distance from the substrate, and installation location. it can be, it is possible to control the distribution of adsorption of WF X to the substrate plane.
第12図に示す装置では、3つの部屋に分けた構成を示
したが、2つに分離された構成であってもよい。たとえ
ば、WF6前処理室と、SiH4前処理室とを兼用し、1つの
前処理室としてもよい。この場合、第1ステップ処理を
終了したら、室内のガスをすべて排気し、次いで第2ス
テップ処理を行なう。この場合、通常の前処理温度で
は、SiH4の熱分解は起こらないので、不均化反応用の金
属面部材の上にSi膜の堆積は起こらない。Although the apparatus shown in FIG. 12 has a configuration in which it is divided into three rooms, it may be configured in two. For example, the WF 6 pretreatment chamber and the SiH 4 pretreatment chamber may be combined to form one pretreatment chamber. In this case, when the first step process is completed, all the gas in the chamber is exhausted, and then the second step process is performed. In this case, at the normal pretreatment temperature, thermal decomposition of SiH 4 does not occur, so that no Si film is deposited on the metal surface member for the disproportionation reaction.
別の方法としては、SiH4前処理室とW膜堆積室とを兼
用し、1つにしてもよい。この場合、WF6前処理室で、
第1ステップ処理を終了した後、基板をW膜堆積室に移
し、まず第2ステップ処理を施す。この場合、通常のブ
ランケットW−CVDの温度では、W膜堆積室内にSi膜の
堆積は行なわれない。室内のガスをすべて排気した後、
WF6およびH2ガスをキャリアガスとともに導入して、W
膜の堆積を行なう。As another method, the SiH 4 pretreatment chamber and the W film deposition chamber may be combined to form one chamber. In this case, in the WF 6 pretreatment room,
After the first step processing is completed, the substrate is moved to the W film deposition chamber and first the second step processing is performed. In this case, the Si film is not deposited in the W film deposition chamber at the normal blanket W-CVD temperature. After exhausting all the gas in the room,
By introducing WF 6 and H 2 gas together with carrier gas,
Perform film deposition.
以上の説明では、WF6をH2ガスにより還元する方法に
ついてのみ説明したが、この発明の方法および装置は、
WF6をSiH4ガスで還元するブランケットW−CVD法にも適
用することができる。In the above description, only the method of reducing WF 6 with H 2 gas has been described, but the method and apparatus of the present invention are
It can also be applied to a blanket W-CVD method in which WF 6 is reduced with SiH 4 gas.
第13図は、この発明に従い形成される金属薄膜が応用
される一例の半導体デバイスを示す断面図である。第13
図を参照して、50はSi基板、51,52および53は不純物拡
散層、55および56はワードライン、54はフィールドシー
ルドプレート、58はポリSiストレージノード、59はポリ
Siセルプレート、60および61は層間絶縁膜、62はプラ
グ、63はTiN層、64はCVD−Wをエッチングして得られる
Wプラグ、65はTiN層、66はW膜、67はWビットライ
ン、68は層間絶縁膜、69はAl配線を示している。FIG. 13 is a sectional view showing an example of a semiconductor device to which the metal thin film formed according to the present invention is applied. Thirteenth
Referring to the figure, 50 is a Si substrate, 51, 52 and 53 are impurity diffusion layers, 55 and 56 are word lines, 54 is a field shield plate, 58 is a poly-Si storage node, and 59 is a poly-silicon storage node.
Si cell plate, 60 and 61 are interlayer insulating films, 62 is a plug, 63 is a TiN layer, 64 is a W plug obtained by etching CVD-W, 65 is a TiN layer, 66 is a W film, 67 is a W bit line 68 is an interlayer insulating film, and 69 is an Al wiring.
このようなDRAMのメモリセルにおいて、この発明の方
法により形成されるW膜は、TiN層63の上に形成される
Wプラグ64や、TiN層65上に形成されるW膜66の形成に
適用することができる。In such a DRAM memory cell, the W film formed by the method of the present invention is applied to the formation of the W plug 64 formed on the TiN layer 63 and the W film 66 formed on the TiN layer 65. can do.
[発明の種々の態様] この発明の種々の態様を、以下に述べる。[Various Aspects of the Invention] Various aspects of the present invention are described below.
(1) 基体上に形成された中間層の上に化学的気相成
長法により金属薄膜を形成する、半導体デバイスの薄膜
形成方法であって、 前記中間層の表面上に前記薄膜を構成する金属のハロ
ゲン化物ガスを導入することによって前記中間層の表面
を活性化する工程と、 前記活性化した中間層の表面上にシラン系ガスを導入
することによって、前記中間層の表面に核を形成する工
程と、 前記核を形成した中間層の表面上に前記ハロゲン化物
ガスおよび還元性ガスを導入して、前記中間層の表面上
に前記金属薄膜を堆積する工程とを備える、半導体デバ
イスの薄膜形成方法。(1) A thin film forming method for a semiconductor device, comprising forming a metal thin film on a middle layer formed on a substrate by a chemical vapor deposition method, the metal constituting the thin film on the surface of the middle layer. The step of activating the surface of the intermediate layer by introducing a halide gas, and forming a nucleus on the surface of the intermediate layer by introducing a silane-based gas on the surface of the activated intermediate layer. Forming a thin film of a semiconductor device, comprising: a step of introducing the halide gas and a reducing gas onto the surface of the intermediate layer on which the nuclei are formed, and depositing the metal thin film on the surface of the intermediate layer. Method.
(2) 前記金属薄膜はW薄膜を含み、前記ハロゲン化
物ガスがWF6を含み、前記シラン系ガスがSiH4を含む、
上記(1)の方法。(2) The metal thin film includes a W thin film, the halide gas includes WF 6 , and the silane-based gas includes SiH 4 .
The method of (1) above.
(3) 前記中間層がTiN層を含む、上記(2)の方
法。(3) The method according to (2) above, wherein the intermediate layer includes a TiN layer.
(4) 前記金属薄膜堆積工程が、還元性ガスとしてH2
ガスを用いる工程を備える、上記(1)の方法。(4) The metal thin film deposition step uses H 2 as a reducing gas.
The method according to (1) above, which comprises a step of using a gas.
(5) 前記金属薄膜堆積工程が、還元性ガスとしてSi
H4ガスを用いる工程を備える、上記(1)の方法。(5) The metal thin film deposition step uses Si as a reducing gas.
The method according to (1) above, which comprises a step of using H 4 gas.
(6) 前記基体が半導体基板である、上記(1)の方
法。(6) The method according to (1) above, wherein the base is a semiconductor substrate.
(7) 前記基体が半導体基板の上方に形成された絶縁
膜である、上記(1)の方法。(7) The method according to (1) above, wherein the base is an insulating film formed above a semiconductor substrate.
(8) 基体上に形成された中間層の上に化学的気相成
長法により金属薄膜を形成する、半導体デバイスの薄膜
形成方法であって、 前記中間層の表面の近傍に前記薄膜を構成する金属と
同種の金属面を配置した状態で、前記薄膜を構成する金
属のハロゲン化物ガスを導入することによって、前記中
間層の表面を活性化する工程と、 前記活性化した中間層の表面上にシラン系ガスを導入
することによって、前記中間層の表面に核を形成する工
程と、 前記核を形成した中間層の表面上に前記ハロゲン化物
ガスおよび還元性ガスを導入して、前記中間層の表面上
に前記金属薄膜を堆積する工程とを備える、半導体デバ
イスの薄膜形成方法。(8) A method for forming a thin film of a semiconductor device, which comprises forming a metal thin film on a middle layer formed on a substrate by chemical vapor deposition, wherein the thin film is formed in the vicinity of the surface of the middle layer. In a state where a metal surface of the same kind as the metal is arranged, by introducing a metal halide gas that constitutes the thin film, a step of activating the surface of the intermediate layer, and on the surface of the activated intermediate layer. A step of forming a nucleus on the surface of the intermediate layer by introducing a silane-based gas, and introducing the halide gas and a reducing gas on the surface of the intermediate layer on which the nucleus has been formed, A step of depositing the metal thin film on a surface, the method for forming a thin film of a semiconductor device.
(9) 前記金属薄膜がW薄膜を含み、前記ハロゲン化
物ガスがWF6を含み、前記シラン系ガスがSiH4を含む、
上記(8)の方法。(9) The metal thin film includes a W thin film, the halide gas includes WF 6 , and the silane-based gas includes SiH 4 .
The method of (8) above.
(10) 前記中間層がTiN層を含む、上記(9)の方
法。(10) The method according to (9) above, wherein the intermediate layer includes a TiN layer.
(11) 前記金属薄膜堆積工程が、還元性ガスとしてH2
ガスを用いる工程を備える、上記(8)の方法。(11) The metal thin film deposition step uses H 2 as a reducing gas.
The method according to (8) above, which comprises a step of using a gas.
(12) 前記金属薄膜堆積工程が、還元性ガスとしてSi
H4ガスを用いることを備える、上記(8)の方法。(12) The metal thin film deposition process uses Si as a reducing gas.
The method according to (8) above, which comprises using H 4 gas.
(13) 前記基体が半導体基板である、上記(8)の方
法。(13) The method according to (8) above, wherein the base is a semiconductor substrate.
(14) 前記基体が半導体基板の上方に形成された絶縁
膜である、上記(8)の方法。(14) The method according to (8) above, wherein the base is an insulating film formed above a semiconductor substrate.
(15) 上記(8)の方法を実施するための装置であっ
て、 前記中間層の表面の上方に中間層の表面に対向して配
置される金属面部材と、 前記金属面部材を支持するための面部材支持台とを備
える、半導体デバイスの薄膜形成装置。(15) A device for carrying out the method of (8) above, which supports a metal surface member disposed above the surface of the intermediate layer so as to face the surface of the intermediate layer, and supports the metal surface member. Thin film forming apparatus for a semiconductor device, comprising:
(16) 前記面部材支持台に、前記金属面部材の温度を
制御するためのヒータが設けられている、上記(15)の
装置。(16) The device according to (15), wherein the surface member support base is provided with a heater for controlling the temperature of the metal surface member.
(17) 前記面部材支持台が、前記中間層の表面との間
の距離を調整できるように移動可能に設けらている、上
記(15)の装置。(17) The device according to (15), wherein the surface member support base is movably provided so that a distance between the surface member support base and the surface of the intermediate layer can be adjusted.
(18) 前記金属面部材が金属に金属膜をコーティング
したものである、上記(15)の装置。(18) The device according to (15), wherein the metal surface member is a metal coated with a metal film.
(19) 前記金属面部材が、バルクの金属板である、上
記(15)の装置。(19) The device according to (15) above, wherein the metal surface member is a bulk metal plate.
(20) 基体上に形成された中間層の上に化学的気相成
長法により金属薄膜を形成するための装置であって、 前記中間層の表面に前処理を施すための前処理室と、 前記前処理された中間層の表面上に前記金属薄膜を堆
積するための、前記前処理室とは別に設けられた堆積室
とを備え、 前記堆積室の内面が前記金属薄膜の堆積のための反応
に対して表面触媒作用を示さないような材料から形成さ
れている、半導体デバイスの薄膜形成装置。(20) An apparatus for forming a metal thin film on an intermediate layer formed on a substrate by a chemical vapor deposition method, comprising a pretreatment chamber for pretreating the surface of the intermediate layer, A deposition chamber provided separately from the pretreatment chamber for depositing the metal thin film on the surface of the pretreated intermediate layer, wherein an inner surface of the deposition chamber is for depositing the metal thin film. An apparatus for forming a thin film of a semiconductor device, which is formed of a material that does not exhibit a surface catalytic action on a reaction.
(21) 前記金属薄膜はW薄膜を含み、前記前処理がWF
6ガスによる活性化処理とSiH4ガスによる核形成処理と
を含む、上記(20)の装置。(21) The metal thin film includes a W thin film, and the pretreatment is WF.
The apparatus according to (20) above, including activation treatment with 6 gas and nucleation treatment with SiH 4 gas.
(22) 前記前処理室が、活性化処理のための前処理室
と核形成のための前処理室とを別個に有する、上記(2
1)の装置。(22) The pretreatment chamber has a pretreatment chamber for activation treatment and a pretreatment chamber for nucleation separately.
1) Equipment.
(23) 前記触媒作用を示さない材料が、石英、SiC、
およびセラミックスからなる群より選ばれる少なくとも
1種の材料である、上記(21)の装置。(23) The material that does not exhibit the catalytic action is quartz, SiC,
The device according to (21) above, which is at least one material selected from the group consisting of: and ceramics.
第1A図は、この発明の方法に従い中間層の上に核が形成
された状態を示す断面図である。 第1B図は、この発明の方法に従い、核が形成された中間
層の上に金属薄膜を堆積させたときの初期の状態を示す
断面図である。 第1C図は、この発明の方法に従い、核が形成された中間
層の上に金属薄膜を堆積させた状態を示す断面図であ
る。 第2A図は、従来の方法に従い、前処理せずに中間層の上
に金属薄膜を形成させたときの初期の状態を示す断面図
である。 第2B図は、従来の方法に従い、前処理せずに中間層の上
に金属薄膜を堆積させたときの状態を示す断面図であ
る。 第3図は、この発明に従い堆積される金属薄膜の膜厚と
堆積時間との関係を示す図である。 第4図は、この発明の一実施例において使用する装置を
示す概略構成図である。 第5図は、この発明に従う一実施例における金属薄膜の
膜厚と堆積時間との関係を示す図である。 第6図は、この発明に従う一実施例の金属薄膜のシート
抵抗マップを示す平面図である。 第7図は、従来の方法に従い得られる金属薄膜のシート
抵抗マップを示す平面図である。 第8図は、第1ステップ処理のみを施した比較の金属薄
膜のシート抵抗マップを示す平面図である。 第9図は、第2ステップ処理のみを施した比較の金属薄
膜のシート抵抗マップを示す平面図である。 第10図は、この発明に従う一実施例において第1ステッ
プ処理した後の中間層表面上のTiおよびWシグナル強度
の処理温度依存性を示す図である。 第11図は、この発明に従う一実施例における第1ステッ
プ処理および第2ステップ処理した後の中間層表面のES
CAによる分析結果を示す図である。 第12図は、この発明の他の局面に従う実施例の装置を示
す概略構成図である。 第13図は、この発明の従い形成される金属薄膜が応用さ
れる一例の半導体デバイスを示す断面図である。 図において、1はTiN層、2はSi系核、3はW薄膜、10
は反応容器、11は基板支持台、12はヒータ、13はタング
ステン膜、14は基板、15は導入口、16は排気口、21はWF
6前処理室、22はSiH4前処理室、23はW膜堆積室、24は
基板台、25は基板、26はヒータ、30は金属面部材、31は
面部材支持台、32はヒータ、33は基板台、34はヒータ、
38は基板台、39はヒータ、63はTiN層、64はWプラグ、6
5はTiN層、66はW膜、67はWビットラインを示す。FIG. 1A is a sectional view showing a state in which nuclei are formed on the intermediate layer according to the method of the present invention. FIG. 1B is a cross-sectional view showing an initial state when a metal thin film is deposited on the nucleated intermediate layer according to the method of the present invention. FIG. 1C is a sectional view showing a state in which a metal thin film is deposited on the intermediate layer on which nuclei are formed according to the method of the present invention. FIG. 2A is a cross-sectional view showing an initial state when a metal thin film is formed on an intermediate layer without pretreatment according to a conventional method. FIG. 2B is a sectional view showing a state in which a metal thin film is deposited on the intermediate layer without pretreatment according to the conventional method. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the film thickness of the metal thin film deposited according to the present invention and the deposition time. FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing an apparatus used in one embodiment of the present invention. FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the film thickness of the metal thin film and the deposition time in one embodiment according to the present invention. FIG. 6 is a plan view showing a sheet resistance map of a metal thin film of one embodiment according to the present invention. FIG. 7 is a plan view showing a sheet resistance map of a metal thin film obtained by the conventional method. FIG. 8 is a plan view showing a sheet resistance map of a comparative metal thin film subjected to only the first step treatment. FIG. 9 is a plan view showing a sheet resistance map of a comparative metal thin film subjected only to the second step treatment. FIG. 10 is a diagram showing the processing temperature dependence of the Ti and W signal intensities on the surface of the intermediate layer after the first step processing in one example according to the present invention. FIG. 11 shows the ES of the intermediate layer surface after the first step treatment and the second step treatment in one embodiment according to the present invention.
It is a figure which shows the analysis result by CA. FIG. 12 is a schematic configuration diagram showing an apparatus of an embodiment according to another aspect of the present invention. FIG. 13 is a sectional view showing an example of a semiconductor device to which the metal thin film formed according to the present invention is applied. In the figure, 1 is a TiN layer, 2 is a Si-based nucleus, 3 is a W thin film, 10
Is a reaction vessel, 11 is a substrate support, 12 is a heater, 13 is a tungsten film, 14 is a substrate, 15 is an inlet, 16 is an outlet, and 21 is a WF.
6 pretreatment chamber, 22 SiH 4 pretreatment chamber, 23 W film deposition chamber, 24 substrate stage, 25 substrate, 26 heater, 30 metal surface member, 31 surface member support, 32 heater, 33 is a board stand, 34 is a heater,
38 is a substrate stand, 39 is a heater, 63 is a TiN layer, 64 is a W plug, 6
5 indicates a TiN layer, 66 indicates a W film, and 67 indicates a W bit line.
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−237116(JP,A) 特開 昭62−118525(JP,A) 特開 平1−172572(JP,A) 特開 昭62−239526(JP,A) 特開 昭63−250463(JP,A) 特開 平2−79446(JP,A) 特開 平1−73717(JP,A) 特開 平1−17866(JP,A) 特開 平2−170424(JP,A) 特開 平2−185023(JP,A)Continuation of front page (56) Reference JP-A-2-237116 (JP, A) JP-A-62-118525 (JP, A) JP-A-1-172572 (JP, A) JP-A-62-239526 (JP , A) JP 63-250446 (JP, A) JP 2-79446 (JP, A) JP 1-73717 (JP, A) JP 1-17866 (JP, A) JP 2-170424 (JP, A) JP-A-2-185023 (JP, A)
Claims (3)
相成長法により金属薄膜を形成する、半導体デバイスの
薄膜形成方法であって、 前記中間層の表面上に前記薄膜を構成する金属のハロゲ
ン化物ガスを導入することによって前記中間層の表面を
活性化する工程と、 前記活性化した中間層の表面上にシラン系ガスを導入す
ることによって、前記中間層の表面に核を形成する工程
と、 前記核を形成した中間層の表面上に前記ハロゲン化物ガ
スおよび還元性ガスを導入して、前記中間層の表面上に
前記金属薄膜を堆積する工程とを備える、半導体デバイ
スの薄膜形成方法。1. A method for forming a thin film of a semiconductor device, comprising forming a metal thin film on a middle layer formed on a substrate by a chemical vapor deposition method, wherein the thin film is formed on the surface of the middle layer. A step of activating the surface of the intermediate layer by introducing a metal halide gas to form a nucleus on the surface of the intermediate layer by introducing a silane-based gas on the surface of the activated intermediate layer. A step of forming, and a step of introducing the halide gas and a reducing gas on the surface of the intermediate layer on which the nuclei are formed to deposit the metal thin film on the surface of the intermediate layer, Thin film forming method.
相成長法により金属薄膜を形成する、半導体デバイスの
薄膜製造方法であって、 前記中間層の表面の上方に前記薄膜を構成する金属の金
属面を配置した状態で、前記薄膜を構成する金属のハロ
ゲン化物ガスを導入することによって、前記中間層の表
面を活性化する工程と、 前記活性化した中間層の表面上にシラン系ガスを導入す
ることによって、前記中間層の表面に核を形成する工程
と、 前記核を形成した中間層の表面上に前記ハロゲン化物ガ
スおよび還元性ガスを導入して、前記中間層の表面上に
前記金属薄膜を堆積する工程とを備える、半導体デバイ
スの薄膜形成方法。2. A method for manufacturing a thin film of a semiconductor device, comprising forming a metal thin film on a middle layer formed on a substrate by chemical vapor deposition, the thin film being formed above the surface of the middle layer. In the state where the metal surface of the constituent metal is arranged, by introducing a metal halide gas that constitutes the thin film, a step of activating the surface of the intermediate layer, and on the surface of the activated intermediate layer. A step of forming a nucleus on the surface of the intermediate layer by introducing a silane-based gas, and introducing the halide gas and a reducing gas on the surface of the intermediate layer on which the nucleus has been formed, A step of depositing the metal thin film on a surface, the method for forming a thin film of a semiconductor device.
相成長法により金属薄膜を形成するための装置であっ
て、 前記中間層の表面に前処理を施すための前処理室と、 前記前処理された中間層の表面上に前記金属薄膜を堆積
するための、前記前処理室とは別に設けられた堆積室と
を備え、 前記堆積室の内面が前記金属薄膜の堆積のための反応に
対して表面触媒作用を示さないような材料から形成され
ている、半導体デバイスの薄膜形成装置。3. An apparatus for forming a metal thin film on a middle layer formed on a substrate by a chemical vapor deposition method, which is a pretreatment chamber for pretreating the surface of the middle layer. And a deposition chamber that is provided separately from the pretreatment chamber for depositing the metal thin film on the surface of the pretreated intermediate layer, and the inner surface of the deposition chamber is for deposition of the metal thin film. Device for forming a thin film of a semiconductor device, which is formed of a material that does not exhibit surface catalysis for the reaction.
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US08/074,516 US5429991A (en) | 1989-08-03 | 1993-06-11 | Method of forming thin film for semiconductor device |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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