JPS63241185A - 金属薄膜の堆積方法 - Google Patents

金属薄膜の堆積方法

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JPS63241185A
JPS63241185A JP7465587A JP7465587A JPS63241185A JP S63241185 A JPS63241185 A JP S63241185A JP 7465587 A JP7465587 A JP 7465587A JP 7465587 A JP7465587 A JP 7465587A JP S63241185 A JPS63241185 A JP S63241185A
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film
deposition
substrate
reaction
product
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JP7465587A
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English (en)
Inventor
Hiroshi Yamamoto
浩 山本
Tsutomu Fujita
勉 藤田
Takao Kakiuchi
垣内 孝夫
Kosaku Yano
矢野 航作
Shoichi Tanimura
谷村 彰一
Tetsuya Ueda
哲也 上田
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、半導体装置内で金属電極や金属配線として使
用する金属薄膜を、半導体装置として必要な各種構造が
一部作シ込まれた半導体基板上に堆積する方法に関する
ものであり、特に選択性。
表面平坦性、密着性に優れた金属薄膜を堆積する方法に
関するものである。
従来の技術 従来Chemical Vapour Deposit
ion(化学気相堆積:以下CVDと記す)法による金
属薄膜の堆積は、原料ガスとして六弗化タングステン(
以下WF6と記す)、五塩化モリブデンなどの金属ハロ
ゲン化物ガスを使用する場合とトリメチルアルミニウム
などの有機金属化合物ガスを使用する場合とがあシ、ま
た、基板表面の必要な部分にのみ選択的に堆積を行う場
合と基板表面全体に非選択的に堆積を行う場合とがあっ
たが、いずれの場合においても反応雰囲気、基板温度な
どの条件を一定に保った一回の堆積工程で所要膜厚の堆
積を行うことが通例であった[: N、E、Mille
r and R,B。
Herring、エレクトロケミカル ソサイアティミ
ーティング(Eleatrochemical Soc
ietyMeeting)81−1 、講演番号28B
、’:l。金属ハロゲン化物ガスを原料として選択的に
堆積を行う場合には、原料ガスとシリコン(以下St 
と記す)等の基板物質との直接の反応が進行する工程と
、反応雰囲気中に混入した還元性ガスの作用による反応
が進行する工程との二工程に分け、それぞれ異なった反
応雰囲気において堆積を行った例もあるが、第一の堆積
工程の終了後には単に反応雰囲気の切り替えや温度変更
のための操作が行われるのみであった[M、L、Gre
en and RoA、Levy、ジャーナル オプ 
ザ エレクトロケミカル ンサアティ(Journal
 of  the ElectrochemicalS
ociety)Vol 、 132 、 p 、 12
43 、 :l。
発明が解決しようとする問題点 このような従来の金属薄膜の堆積方法では、まず、選択
的な堆積を行おうとした場合に、堆積膜厚が原料ガス種
、使用装置および条件によって決まるある値以上になる
と選択性が劣化するという問題があった。また、選択的
な堆積を行う場合にも非選択的な堆積を行う場合にも、
表面の平坦性が良好で基板との密着性が高い膜を得るこ
とが困難であった。
本発明者は、以上の様な従来の金属薄膜の堆積方法の諸
欠点に鑑みて種々考案研究した結果、本発明を完成する
に至ったものである。
問題点を解決するための手段 本発明の金属薄膜の堆積方法において、所望の膜厚の堆
積が二回以上の堆積工程に分けて行われ、そのそれぞれ
の堆積工程の終了後に毎回か、もしくはいずれか−回以
上の堆積工程の終了後にのみ、真空中もしくは制御され
た雰囲気中で、その直前の堆積工程における基板温度よ
シも高い温度か、光か、もしくはそれ以外のプラズマ、
電子ビーム、加速粒子等のエネルギーの内の少なくとも
一つ以上の印加処理を行い、堆積工程で生じた反応副生
成物を除去するものである。
作  用 本発明は上記の手段によって、まず選択的な堆積を行う
場合には、基板表面の改質、すなわち反応雰囲気中で生
成されて基板表面に付着した反応副生成物の除去を、二
回以上に分けたそれぞれの堆積工程の終了後に毎回か、
もしくはいずれか−回以上の堆積工程の終了後に実施す
ることにより、それらの反応副生成物が核となって堆積
が行われるべきではない部分に金属の堆積が行われるこ
とを防ぎ、所望膜厚が厚い場合にも良好な選択性を保つ
ことができる。
次に選択的な堆積を行う場合にも非選択的な堆積を行う
場合にも、金属膜の表面の改質により最終的に所望の膜
厚の堆積を終えた時点での金属膜表面の平坦性を高める
ことができる。すなわち、通常の一回の堆積工程で所望
の膜厚を得る方法では基板との界面近傍から成長して表
面まで達する巨大な柱状結晶粒から成る表面平坦性に乏
しい膜が堆積されるのに対して、本発明の方法では表面
平坦性が悪化する以前に堆積を中断して、結晶粒界に付
着して成長を阻害している物質を除去したシ、逆に成長
中の結晶粒の活性な表面に成長を阻害する作用を持つ物
質を結合させたりすることによって次の堆積工程での成
長を金属膜の表面全体で均一に開始させ、結晶粒の巨大
化をふせぎ、表面の平坦性を高めることができる。
さらに基板と金属膜との界面の改質により、界面付近の
膜中に残留した低蒸気圧の反応副生成物の除去を行って
基板との密着性を向上させることができる。しかも堆積
を二回以上の堆積工程に分けることによシ、厚い膜を必
要とする場合においてもまだ膜厚が薄く除去が容易にか
つ効果的に行える状態においてこの処理を実施すること
ができる。また界面に合金層を形成することも密着性向
上に効果がある。しかも堆積を二回以上の堆積工程に分
けこの処理を行う時点での金属の膜厚を十分に薄くする
ことにより、必要以上の膜厚の合金層生成によって半導
体装置の特性が劣化したり、合金化反応時の体積変化に
伴う応力の発生によってかえって密着性が悪化したりす
ることを防止できる。
実施例 以下実施例方法を示す図面に基すき、本発明についてさ
らに詳しく説明する。
実施例1゜ 第1図には本発明にかかる金属薄膜の堆積方法を実施す
るためのガス流量、全圧力および基板温度のシーケンス
の一例を示す。第2図には上記シーケンスを用いて金属
薄膜の堆積を行った試料の−例を示す。ただし本実施例
では原料ガスとしてWF6を、それを還元するガスとし
て水素(以下)と記す)を用い、基板としては第2図(
a)に示された様にSiウェハ1の表面の一部を二酸化
シリコン(以下S 102と記す)膜2で覆った構造の
物を用い、Siウェハ1が露出した部分にのみ選択的に
タングステン(以下Wと記す)膜3を堆積するものとし
た。図には示していないが基板の表面領域には半導体装
置として必要な構造が既に一部形成されている。SiO
2膜2としては熱酸化膜、PSG。
BPSG 、NSG 、j ト(D CV D!、プ、
y X −r CV D 膜、などが使用される。
この様な構造の基板をCVD装置に装着し、真空排気お
よび第一の堆積工程の基板温度への昇温を行ったのちに
WF6ガスとH2ガスとを混合した反応ガスに晒し、第
一の堆積工程を実施する。この時の基板温度は200−
600″C程度の範囲から基板および装置の構造やその
他の条件に合わせて最適値を選ぶ。その結果、基板St
によるWF6還元反応およびそれに続くW膜上で分解し
たH2にょるWF6還元反応によって、第2図(b)に
示された様にSt ウェハ1の露出した部分にのみ選択
的にW膜3が堆積される。なお本図においてSt ウェ
ハ1の翼出した部分とW膜3との界面の位置が堆積前の
8i ウェハ1の表面の位置と異なるのは、基板Siに
よるWF6還元反応によってSl ウェハ1の表面が消
費されるからである。
このW膜3は主としてSt  ウェハ1の露出した部分
との界面付近から成長した結晶粒から成っており、その
粒界およびSt ウェハとの界面付近の膜中には反応副
生成物4、特にWF6に比較して低い蒸気圧を持つ低級
タングステン弗化物(WFx、χ=1−6 の化学式で
表現される)やタングステン酸弗化物(WO,Fアの化
学式で表現される)が多量に存在している。一方510
2膜2で覆われた部分にはW膜の堆積は行われないが、
反応副生成物、例えばsi ウェハ1の露出した部分で
進行するS i (!:WF6との反応2WFs +3
S *→2W↓+3 S I F4↑  ・・・・・・
(1)によって生成されたSiF4や、 2WFa + S iO2→2WOF4 L + 3 
S i F 4↑・・・・・・(2) で示される様な51o2膜上で部分的に緩やかに進行す
る副次的な反応によって生成されたWO!Fア(上記(
2)式の場合はWOF4で表現される)が吸着されてい
る。
なお前項に記したさまざまな作用を十分に行わ′しめる
ためにこの工程でのW堆積膜厚は制限される。
例えば高い選択性を得るためには300nm程度以下に
抑えられる。
次に反応ガスの供給が停止され装置内が圧力1oPa以
下の真空に排気された後に、基板は第一の堆積工程の基
板温度よりも高い温度に加熱される。次表に示す様にS
 i F4やWO!FアはSt、W。
S iO2等に比較して沸点が低く、従って蒸気圧が高
いため、加熱温度を5oo−eoo ’C程度の範囲で
、また加熱時間を1分から1時間程度の範囲で適当に選
ぶ事により、反応副生成物4を半導体装置の特性に悪影
響を与えることなく蒸発させ、基板表面、金属膜表面お
よび基板と金属膜との界面の改質を行うことができる。
より具体的に述べると、まずSiO2表面に付着した反
応副生成物を除去してその表面の清浄化を行うことが基
板表面の改質であり、Wの結晶粒界に含まれるタングス
テン酸弗化物を除去し、特にその表面付近に露出した部
分の清浄化を行うことが金属膜表面の改質である。そし
て、基板との界面付近の金属膜中に含まれる反応副生成
物を除去することがすなわち基板と金属膜との界面の改
質である(第2図(C))。なお基板と金属膜との界面
の改質に関しては、第2図の例では行っていないが、さ
らに最高900°C程度まで処理温度を上げW、:Si
との合金層を形成することも可能である。
なお本実施例ではこの処理を圧力10Pa以下の真空中
で行っているが、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活
性ガスを少量流して反応炉内を粘性流状態の圧力に保っ
た状態で行っても何ら問題はない。また、基板および金
属膜表面の改質に対しては、弗素の様なエツチング効果
を持つガスを含む雰囲気や、それにさらにエツチング効
果を高める触媒効果をもつ燐などの元素を含むガスを加
えた雰囲気において加熱を行うことによってよシ大きな
効果を得ることも可能である。[D、R,Bradbu
ryand T 、 I 、Kamins 、ジャーナ
ルオプ サエレクトロケミカル ソサIティ(Jour
nal of  the Electrochemic
alSociety);Vol 、133.P、121
4.:]。
この様な改質処理を行う場所としては、(1)CVD装
置の反応炉内、(2)反応炉とパルプによって仕切られ
た独立の真空槽内、(3)CVD装置とは別の熱処理装
置内の三者があシ得るが、第三の方法は処理の前後に試
料が大気に晒され表面が酸化されるため好ましくない。
第一の方法はバッチ式のCVD装置を使用する場合に適
しており、はぼ従来通シの装置で本発明の方法を実施す
ることができ、また、処理能力の低下もほとんど無い。
枚葉式のCVD装置を使用する場合にも第一の方法が最
も容易であるが、この場合にはある程度の処理能力低下
が避けられない。従って改質処理専用の真空槽を備えた
装置を導入し、第二の方法を採ることが望ましい。この
槽は反応炉に比較してはるかに単純な構成の物で十分で
あり、それを備えることによる装置全体としての複雑さ
の増大は小さい。
最後に第2の堆積工程を実施するための基板温度に戻さ
れ、再びWF、ガス及びH2ガスが供給され、所要の膜
厚が得られるまで堆積が続けられる。
この時上記の様な改質処理を行ったことによって次の効
果が得られ、第2図(d)に示された様に良好な堆積結
果が得られる。
すなわち、まず基板表面の改質によって第1堆積工程終
了時にS i02膜上に付着していた金属堆積の核と成
シ得る反応副生成物が除去されるため、良好な選択性を
保ったまま厚い金属膜の堆積を行うことができる。しか
も第2の堆積工程においては選択性に対して特に悪影響
を与える副生成物を発生する式(1)に示された様な8
iとWF6との直接の反応が起きないため、選択性を劣
化させることなく第1工程に比較して厚い膜を堆積させ
ることが可能である。つまシ、堆積を二回に分けて行う
本実施例の方法によって、良好な選択性を保った状態で
堆積できる膜厚の上限値を通常の一回のみの堆積を行う
方法の場合の二倍以上に増大させることが可能になるわ
けである。
また金属膜表面の改質によって結晶粒界に付着して金属
の堆積を阻害していた反応副生成物が除去されるため、
第2の工程での堆積は第1工程で堆積された膜の表面全
面で均一に開始され、結晶粒の巨大化およびそれに伴う
表面平坦性の劣化が抑制される。
さらに基板と金属膜との界面の改質によって界面付近の
膜中に含有されていた低蒸気圧の反応副生成物が除去さ
れたシ、界面に合金層が形成されたりするため、金属膜
の密着性が向上する。
ただし本実施例では基板表面、金属膜表面、金属膜と基
板との界面のすべての改質を行い、選択性2表面平坦性
、密着性のすべての向上を得る様に堆積および改質処理
の条件を選んでいるが、もちろん、目的に応じてこの三
者の中から最も必要性の高い項目を選び、主としてそれ
に対してのみ効果が得られる用に条件を選ぶことも可能
である。
その方が条件選択の自由度が高まるのみではなく、最も
必要性の高い項目に対して最も大きな効果を得ることが
可能である。
なお本実施例では第2図(、)に示された様なSiウェ
ハの一部を5102膜で覆った基板上にWF6を原料ガ
スとしてタングステンを選択的に堆積しているが、たと
えばアルミニウム合金配線の一部をS i02膜で覆っ
た様な他の構造の基板上に堆積を行う場合においても、
他のガスを原料として他の金属の堆積を行う場合におい
ても本発明の方法によって同様に良好な堆積結果を得る
ことができることは言うまでもない。また本実施例では
改質処理工程を第一堆積工程終了後のみに行っているが
、さらにそれを第二堆積工程終了後にも行うことは当然
可能である。
なお、本発明に用いるエネルギーとしては、堆積温度よ
りも高い温度の他に、光、プラズマ、電子ビーム、加速
粒子等を用いることができる。
実施例2 第3図には本発明にかかる金属薄膜の堆積方法を実施す
るためのシーケンスの第二の例を示す。
第4図には上記のシーケンスによる堆積を行う際、に使
用するCVD装置の構成の一例を示す。8は基板、7は
加熱ステージ、8は低圧水銀ランプ、9は石英窓、1o
は反射鏡、11は真空槽、12はガス導入口、13は排
気口である。本実施例においては第一の実施例と同様の
構造の基板上にWF6を原料ガスとしてタングステンの
選択堆積を行っているが、改質処理工程が低圧水銀ラン
プの点灯下において第一の堆積工程の基板温度と同一の
温度で行われる。ランプから照射される1 mW/4程
度の強度の波長185nmの光エネルギーによって反応
副産物の吸着力を弱め、堆積時と同一の温度において第
一の実施例の場合と同様の改質効果を得ているのである
。この方法は、耐熱性に之しい基板上に堆積を行う場合
に特に有効である。
なお本実施例においては堆積工程中には低圧水銀ランプ
を消灯しているが、堆積工程中にも点灯して反応を促進
させることももちろんで可能である。
実施例3 第5図には本発明にかかる金属薄膜の堆積方法を実施す
るためのシーケンスの第三の例を示す。
第6図には上記シーケンスによって堆積を行った試料の
一例を示す。本実施例においても堆積工程を二回に分は
第一の堆積工程終了後に加熱による改質処理を行ってい
ることは第一の実施例と同様であり、また基板の構造も
第一の実施例と同様である(第6図(a))。しかしW
F6およびH2に少量のシラン(図中にはSiH4と記
す)を加えた反応雰囲気を使用しているため、S 10
2膜2上にもSiウェハ1が露出した部分にも非選択的
にW膜3の堆積が行われる。本実施例においても第一工
程において堆積したW膜3は主として基板との界面付近
から成長した結晶粒から成っており、その粒界およびS
i ウェハ1の露出した部分との界面付近の膜中には反
応副生成物が多量に存在している(第6図(b))。従
って改質処理を行ってこれを除去することにより(第6
図(C) ) 、第一の実施例の場合と同様に、所望膜
厚堆積後の表面平坦性を高め、密着性を向上させること
ができる(第6図(−)。
実施例4 第7図には本発明にかかる金属薄膜の堆積方法を実施す
るためのシーケンスの第四の例を示す。
本実施例においても第一の実施例と同様の構造の基板上
にWF6を原料ガスとしてタングステンの選択堆積を行
っているが、第一の堆積工程においてはH2を含まない
WF6および希釈用のアルゴン(以下Arと記す)のみ
を含んだ反応雰囲気を使用して、基板SiとWF6との
反応のみによる堆積を行っている。一方、それ以降の改
質処理工程および第二堆積工程は第一の実施例と同様に
行う。
この方法は選択性の向上に対しては第一の実施例と同様
の効果を持つ。選択性に対して特に悪影響を与える副生
成物を発生する式(1)に示された様なStとWF6と
の直接の反応は第一の堆積工程においてしか起こらない
ため、本実施例においてもS i02膜上での金属堆積
核発生を効果的に防止することができるからである。
実施例5 第8図には本発明にかかる金属薄膜の堆積方法を実施す
るためのシーケンスの第五の例を示す。
本実施例は基本的には第一の実施例と同様のシーケンス
によって同様の構造の基板上にWを選択的に堆積するも
のである。ただし、改質処理工程において、第一の実施
例と同様の真空中での加熱を行った後にさらに不活性ガ
スで希釈した微量の酸素を含む雰囲気中での加熱を行っ
ている。このことによってW膜の結晶粒の表面が酸化さ
れ、第二堆積工程開始時における結晶粒上と結晶粒界上
との堆積開始の容易度の差が第一の実施例の場合よシも
さらに小さくなり、所要膜厚堆積後の表面平坦性がさら
に向上する。
実施例6 第9図には本発明にかかる金属薄膜の堆積方法を実施す
るためのシーケンスの第六の例を示す。
本実施例もやはり第一の実施例と同様の構造の基板上に
Wを選択的に堆積するものであるが、さらに堆積を工程
に分けて行うこととし、第一、第二の堆積工程終了後に
計二回の改質処理工程を挿入している。このことによっ
て選択性および表面平坦性の両者において第一の実施例
よシもさらに良好な結果が得られるが、現実には、平坦
性を特に高くする必要がある場合に本方法もしくはさら
に堆積工程数および改質処理工程数を増やした方法が有
効になる。前述の様に、選択性の観点においては二回目
以降の堆積膜厚を一回目よりも厚くすることが可能であ
るのに対して、表面平坦性の観点においては二回目以降
の堆積工程においても一回目と同様な結晶粒成長が生じ
るため、−回目とほぼ同一の膜厚の堆積しかできないか
らである。
ただしもちろん、第2図(d)に示された様に、二回目
以降の堆積工程においても5102膜上への反応副生成
物の付着が生じることは事実であり、1μmを超える様
な特に厚い堆積膜厚を必要とする場合には本実施例方法
が高い有効性をもつ。
最後に、比較の例として第10図に前述した従来の金属
薄膜の堆積方法を実施するためのシーケンスの一例を示
す。第11図には上記シーケンスによって堆積を行った
試料の一例を示す。本実施例においても第11図(a)
に示された第一の実施例の場合と同様の構造の基板上に
W膜の選択堆積を行っている。従って第一の実施例の場
合の第一堆積工程終了時に相当する膜厚が堆積された時
点での試料の状態は第2図(C)と同様であるが(第1
1図(b) ) 、この時点で改質処理を行わずにその
まま所望の膜厚が得られるまで堆積を続けているため、
まず、付着した反応副生成物が核となって5lo2膜2
上にも金属の堆積が起こり、選択性が失われている。ま
た、界面付近から表面まで達する巨大な結晶粒から成る
膜になるため表面平坦性も悪い。
さらに、St ウェハ1の露出した部分との界面付近の
金属膜中に反応副生成物が大量に含まれているため、堆
積後に熱処理その他の処理を行った際に密着不良を起こ
す可能性がある(第11図(C))。
なお、従来も堆積を二回以上の工程に分けた例はあるが
、その場合にも改質処理は行っていないため得られる結
果はほとんど第10図のシーケンスによるものと同一で
あった。
発明の効果 本発明による金属薄膜の堆積方法は以上の様な構成より
なるものであり、選択的な堆積を行う場合には選択性が
良好でかつ厚い膜の堆積を行うことができる。また、選
択的な堆積を行う場合にも非選択的な堆積を行う場合に
も、表面の平坦性が良好でかつ基板との密着性が高い膜
を得ることができる。しかもこの様な大きな効果を基板
の構造をまったく変更することなく、また基板に特殊な
処理を施すことなく、単にCVD装置の動作シーケンス
を変更するのみの容易な操作によって得ることができる
。さらに、CVD装置もほとんど変更を必要としないか
もしくは比較的単純な変更を必要とするのみであり、シ
かも生産性の低下も小さい。従って本発明にかかる金属
薄膜の堆積方法は極めて産業上価値の高いものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明にかかる金属薄膜の堆積方法を実施する
ためのシーケンスの一例を示す図、第2図は上記シーケ
ンスによって堆積を行った試料の一例の断面図、第3図
は本発明にかかる金属薄膜の堆積方法を実施するための
シーケンスの第二の例を示す図、第4図は上記シーケン
スによって堆積を行うためのCVD装置の一例の構成図
、第5図は本発明にかかる金属薄膜の堆積方法を実施す
るためのシーケンスの第三の例を示す図、第6図は上記
シーケンスによって堆積を行った試料の一例の断面図、
第7図、第8図および第9図は本発明にかかる金属薄膜
の堆積方法を実施するためのシーケンスの第四、第五お
よび第六の例をそれぞれ示す図、第10図は従来の金属
薄膜の堆積方法を実施するためのシーケンスの一例を示
す図、第11図は上記シーケンスによって堆積を行った
試料の一例の断面図である。 1・・・・・・Siウェハ、2・・・・・・3102膜
、3・・・・・・W膜、4・・・・・・反応副生成物、
6・・・・・・基板、7・・・・・・加熱ステージ、8
・・・・・・低圧水銀ラング、9・・・・・・石英窓、
10・・・・・・反射鏡、11・・・・・・真空槽、1
2・・・・・・ガス導入口、13・・・・・・排気口。 代理人の氏名 弁理士 中 尾 敏 男 ほか1名菓 
1 図 1111”1埋  1我 4−一及忘鵞】生成り 第3図 工糎 6−−基板 7=711I熱ステージ g −−4f(ZL4<1λに7’i)。 9−−一及央他 10−反射鏡 13−署ド気口 第5図 第7図 H? 第8図 第10図 第9図 第11図 りE イ穢 工 1!。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 金属化合物ガスを原料とする化学気相堆積法を用い、所
    望の膜厚を二回以上の堆積工程に分けて得に際し、その
    それぞれの堆積工程の終了後に毎回か、もしくはいずれ
    か一回以上の堆積工程の終了後にのみ、真空中もしくは
    制御された雰囲気中でエネルギーの印加処理を行い、そ
    の直前の堆積工程における反応副生成物の除去を行うよ
    うにした金属薄膜の堆積方法。
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Cited By (3)

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JPH02206134A (ja) * 1989-02-06 1990-08-15 Fujitsu Ltd 半導体装置の製造方法
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