TWI683022B - 成膜方法、鎢膜之成膜方法及記憶媒體 - Google Patents
成膜方法、鎢膜之成膜方法及記憶媒體 Download PDFInfo
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Abstract
提供一種藉由使用WCl6氣體來作為原料氣體之ALD法,便可以高生產性來成膜出填埋性良好之鎢膜的鎢膜之成膜方法。
在藉由收納有被處理基板,且保持為減壓氛圍下的腔室內,摻雜著腔室內之沖淨而交互地供給作為鎢原料氣體之氯化鎢氣體以及將氯化鎢氣體還原之還原氣體的ALD法來於被處理基板表面成膜出鎢膜時,於供給氯化鎢氣體時,以ALD反應為主體的方式添加還原氣體。
Description
本發明係關於一種鎢膜之成膜方法。
在製造LSI時,鎢係廣泛被用於與MOSFET電極、源極‧汲極之接觸器、記憶體之字元線等。多層配線工序中雖主要使用銅配線,但由於銅缺乏耐熱性,又容易擴散,故會在要求有耐熱性之部分或有因銅擴散而導致電氣特性劣化之疑慮的部分等使用鎢。
作為鎢之成膜處理,以往係使用物理蒸鍍(PVD)法,但由於在要求有較高披覆率(階段覆蓋)的部分,會難以藉由PVD法來對應,故便進行以階段覆蓋良好之化學蒸鍍(CVD)法來加以成膜。
此般CVD法之鎢膜(CVD-鎢膜)的成膜方法一般而言係使用作為原料氣體之例如六氟化鎢(WF6)及還原氣體之H2氣體,而在被處理基板之半導體晶圓上產生WF6+3H2→W+6HF之反應的方法(例如,專利文獻1、2)。
然而,在使用WF6氣體來成膜出CVD-鎢膜的情況,會有較高在半導體元件中,特別是在閘極或記憶體之字元線等,WF6所包含之氟會將閘極絕緣膜還原,而使得電氣特性劣化的疑慮。
不含有氟之CVD-W成膜時的處理氣體係已知有六氯化鎢(WCl6)(例如專利文獻3、非專利文獻1)。氯雖與氟同樣具有還原性,但反應性較氟要弱,而被期待會減少對電氣特性的不良影響。
【先前技術文獻】
【專利文獻】
專利文獻1:日本特開2003-193233號公報
專利文獻2:日本特開2004-273764號公報
專利文獻3:日本特開2006-28572號公報
【非專利文獻】
非專利文獻1:J.A.M. Ammerlann et al., “Chemical vapor deposition of tungstenby H2 reduction of WCl6”, Applied Surface Science53(1991), pp. 24-29
然而,近年來,半導體元件之微細化日漸精進,而連被稱為可得到良好階段覆蓋之CVD都逐漸難以朝複雜形狀圖案進行填埋,從得到更高之階段覆蓋的觀點看來,摻雜沖淨而依序地供給原料氣體與還原氣體的原子層沉積(ALD)法係備受矚目。
然而,在藉由使用原料氣體之WCl6氣體與還原氣體之H2氣體的ALD法來成膜出鎢膜的情況,每一循環的沉積膜厚較薄,亦即成膜速度較低。因此,便會有所謂生產性較低的問題點。
從而,本發明之課題在於提供一種可藉由使用作為原料氣體之WCl6氣體的ALD法來以高生產性成膜出填埋性良好之鎢膜的鎢膜之成膜方法。
亦即,本發明係提供一種鎢膜之成膜方法,係在藉由收納有被處理基板,且保持為減壓氛圍下的腔室內,摻雜著該腔室內之沖淨而交互地供給作為鎢原料氣體之氯化鎢氣體以及將氯化鎢氣體還原之還原氣體的ALD法來於被處理基板表面成膜出鎢膜的鎢膜之成膜方法;於供給該氯化鎢氣體時,以ALD反應為主體的方式來添加該還原氣體。
具體之態樣係可舉例有複數次地循環反覆藉由第1工序、第2工序、第3工序以及第4工序來形成鎢單位膜之操作;該第1工序係將該氯化鎢氣體供給至該腔室內;該第2工序係將該腔室內沖淨;該第3工序係將該還原氣體供給至該腔室內以還原氯化鎢;該第4工序係將該腔室內沖淨;在該第1工序時,係添加該還原氣體。
此時,較佳地該第1工序時所添加之還原氣體流量係100~500sccm。又,較佳地該第1工序時所添加之還原氣體的供給期間係氯化鎢氣體之供給期間的一部分。
又,其他態樣係可舉例有複數次地循環反覆藉由第1工序、第2工序、第3工序以及第4工序來形成鎢單位膜之操作;該第1工序係將該氯化鎢氣體供給至該腔室內;該第2工序係將該腔室內沖淨;該第3工序係將該還原氣體供給至該腔室內以還原氯化鎢;該第4工序係將該腔室內沖淨;從該第1工序至該第4工序會連續地添加該還原氣體。
又,亦可在該第1工序至該第4工序的所有期間連續地將沖淨氣體流至該腔室內,以形成將氯化鎢氣體及還原氣體供給至該腔室之流動,並在該第2工序及該第4工序時增加沖淨氣體流量。在此情況,便可從與該連續性沖淨氣體不同之氣體管線來在該第2工序及該第4工序時供給追加之沖淨氣體。
進一步地,亦可在供給該氯化鎢氣體之氣體管線及在該第3工序時供給還原氣體的氣體管線分別設置緩衝槽,且透過緩衝槽來供給氯化鎢氣體及還原氣體。
再進一步地,較佳地將供給該氯化鎢氣體時所添加之還原氣體以及用以還原氯化鎢氣體之還原氣體從不同之氣體管線來供給至該腔室內,將供給該所添加之還原氣體的添加還原氣體管線設置於較供給該用以還原之還原氣體的主還原氣體管線要靠氣體朝向該腔室之流動的上游側。
較佳地,在成膜處理時,該被處理基板溫度為300℃以上,該腔室內壓力為5Torr以上。
又,該氯化鎢係可適當地使用WCl6。該還原氣體係可適當地使用H2氣體、SiH4氣體、B2H6氣體、NH3氣體之至少一種。
較佳地,該被處理基板係具有TiN膜、TiSiN膜、TiSi膜、Ti膜的任一者來作為該鎢膜之基底。
亦可具有:還原氣體添加成膜期間,係以在供給如上述般之氯化鎢氣體時,添加上述還原氣體的成膜方法來加以成膜;以及還原氣體不添加成膜期間,係藉由在供給該氯化鎢氣體時,不添加還原氣體的ALD法來加以成膜。
在此情況,該被處理基板表面係形成有基底膜,藉由首先進行減少氯化鎢氣體流量之初期鎢膜的成膜,之後增加氯化鎢氣體流量以進行主鎢膜
之成膜的2階段成膜來成膜出鎢膜,成膜出初期鎢膜時為該還原氣體不添加成膜期間,成膜出主鎢膜時亦可為該還原氣體添加成膜期間。又,亦可反覆該還原氣體添加成膜期間與該還原氣體不添加成膜期間。
又,本發明係提供一種記憶媒體,係記憶有在電腦上動作,而用以控制成膜裝置之程式的記憶媒體,其中該程式係在實行時,會以進行如上述鎢膜之成膜方法的方式,來讓電腦控制該成膜裝置。
根據本發明,便可在藉由摻雜著沖淨而交互地供給氯化鎢氣體以及還原氣體的ALD法來於被處理基板表面成膜出鎢膜時,於供給氯化鎢氣體時,以ALD反應為主體的方式添加還原氣體。藉此,便可抑制CVD反應且活化氯化鎢氣體,而可維持高階段覆蓋且以高成膜速率來成膜出鎢膜。因此,便可以高生產性來得到填埋性良好之鎢膜。
1‧‧‧腔室
2‧‧‧晶座
3‧‧‧噴淋頭
4‧‧‧排氣部
5‧‧‧氣體供給機構
6‧‧‧控制部
51‧‧‧WCl6氣體供給源
52‧‧‧第1H2氣體供給源
53‧‧‧第2H2氣體供給源
54‧‧‧第1N2氣體供給源
55‧‧‧第2N2氣體供給源
61‧‧‧WCl6氣體供給管線
62‧‧‧第1H2氣體供給管線
63‧‧‧第2H2氣體供給管線
66‧‧‧第1連續N2氣體供給管線
67‧‧‧第1瞬間沖淨管線
68‧‧‧第2連續N2氣體供給管線
69‧‧‧第2瞬間沖淨管線
73、74、75、76、77、78、79‧‧‧開閉閥
100‧‧‧成膜裝置
W‧‧‧半導體晶圓
圖1係顯示用以實施本發明相關之鎢膜之成膜方法的成膜裝置之一範例的剖面圖。
圖2係顯示圖1之成膜裝置中的WCl6氣體供給源的圖式。
圖3係顯示第1實施形態相關之成膜方法的氣體供給機制之圖式。
圖4係顯示第1實施形態相關之成膜方法中步驟S1之H2氣體的供給期間之範例的圖式。
圖5係顯示在一部分的期間適用供給添加H2氣體之機制的範例之圖式。
圖6係用以說明在首先不供給添加H2氣體,而之後添加添加H2氣體的範例之2步驟成膜所適用的情況之圖式。
圖7係顯示第2實施形態相關之成膜方法的氣體供給機制之圖式。
圖8係顯示實驗例1中,添加H2氣體流量與每1循環數的成膜速率之關係,以及添加H2氣體流量與階段覆蓋之關係的圖式。
圖9係以未使用添加H2氣體之以往方法來成膜出鎢膜的情況,以及實驗例1中添加H2氣體為500sccm來成膜出鎢膜的情況下的剖面SEM照片。
圖10係顯示實驗例2中,添加H2氣體流量與每1循環數的成膜速率
之關係,以及添加H2氣體流量與階段覆蓋之關係的圖式。
以下,便參照添附圖式就本發明實施形態來具體地說明。
<成膜裝置之範例>
圖1係顯示用以實施本發明相關之鎢膜之成膜方法的成膜裝置的一範例之剖面圖。
如圖1所示,成膜裝置100係具有:腔室1;晶座2,係用以在腔室1內水平地支撐被處理基板之半導體晶圓(以下,僅記為晶圓)W;噴淋頭3,係用以將處理氣體噴淋狀地供給至腔室1內;排氣部4,係將腔室1內部排氣;處理氣體供給機構5,係將處理氣體供給至噴淋頭3;以及控制部6。
腔室1係藉由鋁等金屬所構成,且具有略圓筒狀。腔室1側壁係形成有用以將晶圓W搬出入之搬出入口11,搬出入口11係可以閘閥12來加以開閉。腔室1之本體上係設置有剖面為矩形之圓環狀的排氣道13。排氣道13係沿著內周面來形成有狹縫13a。又,排氣道13外壁係形成有排氣口13b。排氣道13上面係以阻塞腔室1之上部開口的方式來設置有頂壁14。頂壁14與排氣道13之間係以密封環15來被氣密地密封。
晶座2會成為對應於晶圓W之大小的圓板狀,且被支撐構件23所支撐。此晶座2係以氮化鋁(AlN)等的陶瓷材料或鋁或鎳基合金等的金屬材料所構成,並於內部埋設有用以加熱晶圓W之加熱器21。加熱器21係從加熱器電源(未圖示)來供電而加以發熱。然後,藉由晶座2上面之晶圓載置面附近所設置之熱電偶(未圖示)的溫度訊號來控制加熱器21之輸出,便可將晶圓W控制為既定溫度。
晶座2係以覆蓋晶圓載置面之外周區域以及晶座2側面的方式來設置有由氧化鋁等之陶瓷所構成的覆蓋構件22。
支撐晶座2之支撐構件23會從晶座2之底面中央來貫穿形成於腔室1底壁的孔部而朝腔室1下方延伸,其下端會連接於升降機構24,晶座2可藉由升降機構24,透過支撐構件23而在圖1所示之處理位置與其下方以一點鏈線所示之可搬送晶圓的搬送位置之間加以升降。又,支撐構件23之腔
室1的下方位置係安裝有鍔部25,腔室1底面與鍔部25之間係設置有將腔室1內之氛圍與外部氛圍區隔,且與晶座2之升降動作一同地加以伸縮的伸縮管26。
腔室1之底面附近係以從升降板27a朝上方突出之方式來設置有3根(僅圖示有2根)晶圓支撐銷27。晶圓支撐銷27可藉由設置於腔室1下方之升降機構28,透過升降板27a來加以升降,且插通於為搬送位置之晶座2所設置的貫穿孔2a,而可相對於晶座2上面突沒。如此般,藉由讓晶圓支撐銷27升降,來在晶圓搬送機構(未圖示)與晶座2之間進行晶圓W之收授。
噴淋頭3為金屬製,且設置為對向於晶座2,具有與晶座2幾乎相同之直徑。噴淋頭3係具有固定於腔室1之頂壁14的本體部31以及連接於本體部31下之噴淋板32。本體31與噴淋板32之間係形成有氣體擴散空間33,此氣體擴散空間33係連接有設置為貫穿本體部31及腔室1之頂壁14中央的氣體導入孔36。噴淋板32周緣部係形成有朝下方突出之環狀突起部34,噴淋板32之環狀突起部34內側的平坦面係形成有氣體噴出孔35。
在晶座2存在於處理位置的狀態下,會在噴淋板32與晶座2之間形成有處理空間37,環狀突起部34與晶座2之覆蓋構件22上面會靠近而形成有環狀間隙38。
排氣部4係具備有連接於排氣道13之排氣口13b的排氣配管41以及連接於排氣配管41的具有真空泵或壓力控制閥等之排氣機構42。在處理時,腔室1內之氣體會透過狹縫13a來到達排氣道13,而從排氣道13藉由排氣部4之排氣機構42來通過排氣配管41而被排氣。
處理氣體供給機構5係具有供給WCl6氣體來作為鎢原料氣體之氯化鎢之WCl6氣體供給源51、供給作為主還原氣體的H2氣體之第1H2氣體供給源52、供給作為添加還原氣體的H2氣體之第2H2氣體供給源53以及供給沖淨氣體的N2氣體之第1N2氣體供給源54及第2N2氣體供給源55,進一步地,具有從WCl6氣體供給源51來延伸之WCl6氣體供給管線61、從第1H2氣體供給源52來延伸之第1H2氣體供給管線62、從第2H2氣體供給源53來延伸之第2H2氣體供給管線63、從第1N2氣體供給源54來延伸,而將N2氣體供給至WCl6氣體供給管線61側的第1N2氣體供給管線64以及
從第2N2氣體供給源55來延伸,而將N2氣體供給至第1H2氣體供給管線62側的第2N2氣體供給管線65。
第1N2氣體供給管線64係分歧為在ALD法之成膜中經常供給N2氣體之第1連續N2氣體供給管線66以及僅在沖淨工序時供給N2氣體之第1瞬間沖淨管線67。又,第2N2氣體供給管線65係分歧為在ALD法之成膜中經常供給N2氣體之第2連續N2氣體供給管線68以及僅在沖淨工序時供給N2氣體之第2瞬間沖淨管線69。第1連續N2氣體供給管線66與第1瞬間沖淨管線67會連接於第1連接管線70,第1連接管線70會連接於WCl6氣體供給管線61。又,第2H2氣體供給管線63、第2連續N2氣體供給管線68以及第2瞬間沖淨管線69會連接於第2連接管線71,第2連接管線71會連接於第1H2氣體供給管線。WCl6氣體供給管線61與第1H2氣體供給管線62會匯流於匯流管線72,匯流管線72會連接於上述氣體導入孔36。
WCl6氣體供給管線61、第1H2氣體供給管線62、第2H2氣體供給管線63、第1連續N2氣體供給管線66、第1瞬間沖淨管線67、第2連續N2氣體供給管線68以及第2瞬間沖淨管線69係分別設置有用以在ALD時切換氣體之開閉閥73、74、75、76、77、78、79。又,第1H2氣體供給管線62、第2H2氣體供給管線63、第1連續N2氣體供給管線66、第1瞬間沖淨管線67、第2連續N2氣體供給管線68以及第2瞬間沖淨管線69的開閉閥上游側係分別設置有作為流量控制器之質流控制器82、83、84、85、86、87。進一步地,WCl6氣體供給管線61及第1H2氣體供給管線62係以可在短時間供給所需氣體的方式來分別設置有緩衝槽80、81。
WCl6氣體供給源51如圖2所示,係具有收納WCl6之成膜原料槽91。WCl6在常溫為固體,成膜原料槽91內係收納有固體狀之WCl6。成膜原料槽91周圍係設置有加熱器91a,且會將槽91內之成膜原料加熱至適當溫度,以使得WCl6昇華。
成膜原料槽91係插入有用以從上方來供給載體氣體之N2氣體的載體氣體配管92。載體氣體配管92係連接有載體N2氣體供給源93。又,載體氣體配管92係介設有作為流量控制器之質流控制器94及其前後之閥95。又,成膜原料槽91內係從上方來插入有上述WCl6氣體供給管線61。WCl6
氣體供給管線61係設置有用以防止成膜原料氣體之WCl6氣體的凝聚之加熱器(未圖示)。然後,成膜原料槽91內所昇華之WCl6氣體會藉由載體氣體N2氣體來搬送,而供給至WCl6氣體供給管線61。
載體氣體配管92與WCl6氣體供給管線61之間係藉由分流配管98來加以連接,此分流配管98係介設有閥99。載體氣體配管92及WCl6氣體供給管線61中之配管98連接部分的下游側係分別介設有閥96、97。然後,藉由關閉閥96、97而開啟閥99,便可將來自載體N2氣體供給源93之N2氣體經由載體氣體配管92、分流配管98,而沖淨WCl6氣體供給配管61。
控制部6係具有具備控制各構成部,具體而言係閥、電源、加熱器、泵等的微處理器(電腦)之程序控制器、使用者介面以及記憶部。程序控制器係構成為會電性連接於成膜裝置100之各構成部而加以控制。使用者介面係連接於程序控制器,並由使用者為了管理成膜裝置100之各構成部而進行指令之輸入操作等的鍵盤及將成膜裝置之各構成部的運作裝況可視化來加以顯示之顯示器等所構成。記憶部亦連接於程序控制器,記憶部係儲存有以程序控制器來實現成膜裝置100所實行之各種處理用的控制程式,或是對應於處理條件而讓成膜裝置100之各構成部實行既定處理用之控制程式,亦即處理配方,或是各種資料庫等。處理配方係被記憶於記憶部中之記憶媒體(未圖示)。記憶媒體係可為硬碟等的固定設置者,亦可為CDROM、DVD、半導體記憶體等的可搬性者。又,亦可從其他裝置,例如透過專用電路來適當傳送配方。藉由依需要而以來自使用者介面之指示等來從記憶體叫出既定處理配方,以讓程序控制器來實行,便可在程序控制器的控制下,進行成膜裝置100的所欲處理。
<成膜方法>
接著,便就使用上述般所構成之成膜裝置100而進行之成膜方法的實施形態來加以說明。
本實施形態相關之成膜方法係例如適用於對具有熱氧化膜表面或溝槽或孔洞等之凹部的層間絕緣膜表面形成有阻隔金屬膜來作為基底膜之晶圓成膜出鎢膜的情況。
[第1實施形態相關之成膜方法]
首先就第1實施形態相關之成膜方法來加以說明。
首先,在讓晶座2下降至搬送位置的狀態下,開啟閘閥12,藉由搬送裝置(未圖示)而透過搬出入口11來將晶圓W搬入至腔室1內,並載置於加熱器21所加熱至既定溫度之晶座2上,讓晶座2上升至處理位置,且將腔室1內減壓至既定真空度後,開啟開閉閥76及開閉閥78,並關閉開閉閥73、74、75、77、79,而從第1N2氣體供給源54及第2N2氣體供給源55經由第1連續N2氣體供給管線66及第2連續N2氣體供給管線68來將N2氣體供給至腔室1內,以使壓力上升,而讓晶座2上之晶圓W溫度穩定。然後,在腔室1內到達既定壓力後,便如下述般藉由依序的氣體供給來進行鎢膜之成膜。晶圓W係可使用例如於具有溝槽或孔洞等之凹部的層間絕緣膜表面形成有阻隔金屬膜(例如TiN膜、TiSiN膜、TiSi膜、Ti膜)來作為基底膜者。由於鎢膜相對於層間絕緣膜密合力較差,且潛伏時間亦較長,故難以於層間絕緣膜上成膜,但是藉由使用TiN膜、TiSiN膜、TiSi膜或Ti膜作為基底膜,便可容易成膜。但是,基底膜並不限於此。
圖3係顯示第1實施形態相關之成膜方法的氣體供給機制之圖式。
首先,持續開啟開閉閥76及開閉閥78,並從第1N2氣體供給源54及第2N2氣體供給源55,經由第1連續N2氣體供給管線66及第2連續N2氣體供給管線68來持續供給N2氣體,進一步地,藉由開啟開閉閥73及開閉閥75,來從WCl6氣體供給源51經由WCl6氣體供給管線61來將WCl6氣體供給至腔室1內之處理空間37,並且經由從第2H2氣體供給源53所延伸之第2H2氣體供給管線63來將作為添加還原氣體的H2氣體(添加H2氣體)供給至腔室1內(步驟S1)。此時,WCl6氣體會暫時被儲存於緩衝槽80後被供給至腔室1內。
雖然藉由此步驟S1來將WCl6吸附於晶圓W表面,但卻會因同時添加的H2之存在,而使得WCl6被活化。
接著,透過第1連續N2氣體供給管線66及第2連續N2氣體供給管線68來持續供給N2氣體,而關閉開閉閥73、75以停止WCl6氣體及H2氣體,並開啟開閉閥77、79,而從第1瞬間沖淨管線67及第2瞬間沖淨管線69來供給N2氣體(瞬間沖淨N2氣體),藉由大流量N2氣體來沖淨處理空間37
之剩餘WCl6氣體等(步驟S2)。
接著,關閉開閉閥77、79而停止來自第1瞬間沖淨管線67及第2瞬間沖淨管線69的N2氣體,而透過第1連續N2氣體供給管線66及第2連續N2氣體供給管線68來持續供給N2氣體,並開啟開閉閥74而從第1H2氣體供給源52經由第1H2氣體供給管線62來將作為主還原氣體之H2氣體(主H2氣體)供給至處理空間37(步驟S3)。此時,H2氣體會在暫時儲存於緩衝槽81後供給至腔室1內。
藉由此步驟S3,便可還原晶圓W上所吸附之WCl6。此時之主H2氣體流量為充分產生還原反應之量,而以較步驟S1之添加H2氣體流量要多的流量來加以供給。
接著,透過第1連續N2氣體供給管線66及第2連續N2氣體供給管線68來持續供給N2氣體,而關閉開閉閥74以停止來自第1H2氣體供給管線62之H2氣體的供給,並開啟開閉閥77、79,而從第1瞬間沖淨管線67及第2瞬間沖淨管線69供給N2氣體(瞬間沖淨N2氣體),並與步驟S2同樣,藉由大流量N2氣體來沖淨處理空間37之剩餘的H2氣體(步驟S4)。
藉由以短時間來進行1循環的上述步驟S1~S4,來形成較薄之鎢單位膜,而藉由複數次反覆循環該等之步驟的循環,來成膜出所欲膜厚之鎢膜。此時之鎢膜的膜厚亦可藉由上述循環的反覆次數來加以控制。
以往的ALD法係在步驟S1時僅供給WCl6氣體而吸附於晶圓,但在此情況,WCl6氣體並無助於充分成膜,而使得每1循環之沉積膜厚變薄,並使得成膜速度變小。相對於此,如本實施形態般,藉由在步驟S1時與WCl6氣體同時地供給還原氣體,來使得所供給之WCl6氣體活化,使得之後的步驟S3時之成膜反應容易產生,而可維持較高之階段覆蓋且使得每1循環之沉積膜厚變厚而使得成膜速度加大。
此時,在與WCl6氣體同時供給之添加H2氣體流量過多時,由於步驟S1中會產生CVD反應而使得階段覆蓋下降,故在步驟S1,便以ALD反應為主體的方式來供給添加H2氣體。亦即,需要在吸附WCl6氣體時,將添加H2氣體流量限制為可充分抑制CVD反應程度的流量。較佳地,此時之H2氣體流量為100~500sccm(mL/min)。
步驟S1中H2氣體之供給期間雖可橫跨WCl6氣體供給期間之全期間,但從抑制CVD反應之觀點看來,較佳地為WCl6氣體供給期間之一部分。具體而言,較佳地H2氣體的供給期間係相對於全期間而為1~30%左右。又,H2氣體的供給時間如圖4(a)所示,為步驟S1之初期,亦可如圖4(b)所示,為步驟S1之後期。當然亦可為步驟S1中間。添加時期雖可對應於元件構造來適當調節,但由於H2相較於WCl6為分子量較小的輕氣體,故在初期導入H2氣體時,會有較WCl6氣體先到達至處理空間37而無法充分地發揮添加效果的可能性。因此,在後期添加者可期待有較高之添加效果。
又,由於在步驟S1~S4期間,會從第1連續N2氣體供給管線66、第2連續N2氣體供給管線68來將沖淨氣體之N2氣體持續流至WCl6氣體供給管線61及第1H2氣體供給管線62,且在步驟S1及步驟S3中間歇地供給WCl6氣體與H2氣體,故可使得處理空間37之氣體置換效率變的良好。進一步地,由於在步驟S2及步驟S4中之處理空間37的沖淨時,亦會添加來自第1瞬間沖淨管線67及第2瞬間沖淨管線69的N2氣體,故可使得處理空間37中之氣體置換效率更進一步地變的良好。藉此,便可讓鎢單位膜之膜厚控制性變的良好。又,步驟S1中雖在WCl6氣體與H2氣體滯留時,會使得該等之間容易產生CVD反應,但藉由此般在沖淨工序時提高氣體的置換效率,便可極有效地抑制CVD反應。
又,如此般,雖在步驟S1~S4期間,從第1連續N2氣體供給管線66、第2連續N2氣體供給管線68來形成沖淨氣體之N2氣體的流動,而間歇性地供給WCl6氣體與H2氣體,但由於相較於在步驟S3時供給主H2氣體之第1H2氣體供給管線62,在步驟S1時供給添加H2氣體的第2H2氣體供給管線63之一方會將H2氣體供給至氣體流動之上游側,故可均勻地供給添加H2氣體,而可使得鎢膜之面內膜厚分布變的均勻。
亦即,由於主H2氣體流量的一方會較添加H2氣體流量要大,且各步驟之供給時間極短,故在主H2氣體流至上游測時,便會使得添加H2氣體的供給會因主H2氣體而被妨礙,使得添加H2氣體難以均勻地供給。
由於本實施形態中,藉由依序之氣體供給的成膜處理,便可在長寬比較大之凹部內達成幾乎100%的高階段覆蓋,且以高產率來形成鎢膜,故會
在不損害階段覆蓋的範圍,使得每1循環的沉積速度變的極大,而有需要縮短每1循環的時間。因此,本實施形態係在WCl6氣體供給管線61及第1H2氣體供給管線62分別設置緩衝槽80及81。藉此,便可容易在短時間內供給WCl6氣體及H2氣體,而即便在1循環較短的情況,仍可容易在步驟S1及S3中供給必須的量之WCl6氣體及H2氣體。
.成膜條件
在使用WCl6來作為鎢原料的情況,由於WCl6氣體本身亦具有蝕刻作用,故會有因溫度及壓力條件而難以成膜出鎢膜之情況。從而,較佳地溫度.壓力條件為不會產生此般蝕刻反應的條件。由於溫度較低的區域亦不會產生成膜反應或蝕刻反應,故為了產生成膜反應,而較佳地為產生成膜反應左右之高溫,但在產生成膜反應之高溫下,於壓力較低時會有產生蝕刻反應的傾向。從而較佳地為高溫.高壓條件。
具體而言,雖會因基底膜種類而有所不同,但較佳地晶圓溫度(晶座表面溫度):300℃以上,腔室內壓力:5Torr(667Pa)以上。從得到充分的成膜量的觀點看來,對於溫度不存在有上限,但從裝置之制約或反應性的觀點看來,事實上的上限為800℃左右。更佳地為300~600℃。又,關於壓力亦如上述觀點看來不存在有上限,但同樣地從裝置之限制或反應性之觀點看來,事實上的上限為100Torr(13333Pa)。更佳地為10~40Torr(1333~5332Pa)。另外,較佳的溫度或壓力條件範圍會因實際裝置之構造或其他條件而稍微改變。
其他較佳的範圍係如下所示。
WCl6氣體流量:3~60sccm(mL/min)
載體氣體流量:100~2000sccm(mL/min)
主H2氣體流量:2000~8000sccm(mL/min)
添加H2氣體流量(上述):100~500sccm(mL/min)
連續供給N2氣體流量:100~5000sccm(mL/min)
(第1及第2連續N2氣體供給管線66、68)
瞬間沖淨N2氣體流量:500~3000sccm(mL/min)
(第1及第2瞬間沖淨管線67、69)
步驟S1時間(每1回):0.01~5sec
步驟S3時間(每1回):0.1~5sec
步驟S2、S4時間(沖淨)(每1回):0.1~5sec
步驟S1之添加H2氣體供給時間(每1回):0.01~0.3sec
成膜原料槽的加溫溫度:130~170℃
另外,還原氣體並不限於H2氣體,只要為含氫之還原性氣體即可,除了H2氣體之外,亦可使用SiH4氣體、B2H6氣體、NH3氣體等。亦可供給H2氣體、SiH4氣體、B2H6氣體以及NH3氣體中之2種以上。又,亦可使用除了該等以外之其他還原氣體,例如PH3氣體、SiH2Cl2氣體。從進一步地降低膜中雜質來得到低阻抗值的觀點看來,較佳地使用H2氣體。又,氯化鎢亦可使用WCl5。即便使用WCl5仍顯示與WCl6為幾乎相同的動態。進一步地,沖淨氣體及載體氣體亦可使用Ar氣體等的其他非活性氣體來取代N2氣體。
又,在成膜處理的所有期間中,雖可適用圖3所示之於WCl6氣體供給時供給添加H2氣體的機制,但根據所適用之元件構造,並不一定要適用在成膜處理的所有期間供給添加H2氣體的機制,亦可在一部份的期間適用供給添加H2氣體之機制。例如,可如圖5(a)所示,首先進行有添加H2氣體之機制,之後再進行H2氣體不添加之機制,亦可如圖5(b)所示,首先進行H2氣體不添加之機制,之後再進行有添加H2氣體之機制,亦可如圖5(c)所示,反覆該等。
例如,作為圖5(b)之範例係可舉例有如圖6(a)所示,於基底膜(SiO2膜或Si基板)201上透過TiN膜等的阻隔膜202,來先減少WCl6氣體的供給量,以成膜出初期鎢膜203,之後增加WCl6氣體之供給量,而成膜出主鎢膜204的2步驟成膜中,如圖6(b)所示,以「無添加H2氣體」來成膜出初期鎢膜203,以「有添加H2氣體」來成膜出主鎢膜204的情況。
亦即,由於WCl6氣體係具有蝕刻構成基底阻隔膜之TiN膜等的作用,故需要在先減少WCl6氣體供給量而成膜出抑制蝕刻之初期鎢膜203後,增加WCl6氣體供給量而成膜出主鎢膜204之程式。在此情況,由於初期鎢膜203係WCl6氣體供給量較少,故為階段覆蓋較差之程序,但在以有添加H2
氣體來進行此初期鎢膜203之成膜時,會促進表面之WCl6氣體的反應消費,而使得階段覆蓋更加地惡化。因此,便以無添加H2氣體來進行初期鎢膜203之成膜,而由於之後的主鎢膜204之成膜會增加WCl6氣體供給量,故可以有添加H2氣體來增加生產性。
藉由使用添加H2氣體之機制,雖可較高地維持階段覆蓋,且提高產率,但相較於產生CVD反應,而無添加H2氣體的情況,仍有階段覆蓋稍微低落的可能性。在此般情況,便於要求有產率的期間進行有添加H2氣體的機制,而在要求有確實地得到較高之階段覆蓋的期間則進行無添加H2氣體之機制會是有效果的。
[第2實施形態相關之成膜方法]
接著便就第2實施形態相關之成膜方法來加以說明。
本實施形態會與第1實施形態同樣,首先在讓晶座2下降至搬送位置的狀態下,開啟閘閥25,而藉由搬送裝置(未圖示)透過搬出入口11來將晶圓W搬入至腔室1內,並載置於加熱器21所加熱至既定溫度之晶座2上,而讓晶座2上升至處理位置,並將腔室1內減壓至既定真空度後,開啟開閉閥76及開閉閥78,且關閉開閉閥73、74、75、77、79,而從第1N2氣體供給源54及第2N2氣體供給源55經由第1連續N2氣體供給管線66及第2連續N2氣體供給管線68來將N2氣體供給至腔室1內,以使得壓力上升,而使得晶座2上之晶圓W溫度穩定。然後,在腔室1內到達既定壓力後,如下述般,藉由依序供給氣體來進行鎢膜之成膜。晶圓W係可使用與第1實施形態同樣者。
圖7係顯示第2實施形態相關之成膜方法的氣體供給機制之圖式。
首先,持續開啟開閉閥76及開閉閥78,並從第1N2氣體供給源54及第2N2氣體供給源55經由第1連續N2氣體供給管線66及第2連續N2氣體供給管線68來持續供給N2氣體,進一步地,藉由開啟開閉閥73及開閉閥75,來從WCl6氣體供給源51經由WCl6氣體供給管線61來將WCl6氣體供給至腔室1內之處理空間37,並且經由第2H2氣體供給源53所延伸之第2H2氣體供給管線63來將作為添加還原氣體之H2氣體(添加H2氣體)供給至腔室1內(步驟S11)。此時,WCl6氣體會在暫時被儲存在緩衝槽80後而被
供給至腔室1內。
雖然藉由此步驟S11來將WCl6吸附於晶圓W表面,但卻會因同時添加的H2之存在,而使得WCl6被活化。
接著,透過第1連續N2氣體供給管線66及第2連續N2氣體供給管線68來持續供給N2氣體,以及透過第2H2氣體供給管線63來持續供給添加H2氣體,而關閉開閉閥73以停止WCl6氣體,並開啟開閉閥77、79,而從第1瞬間沖淨管線67及第2瞬間沖淨管線69來供給N2氣體(瞬間沖淨N2氣體),藉由大流量N2氣體來沖淨處理空間37之剩餘WCl6氣體等(步驟S12)。
接著,關閉開閉閥77、79而停止來自第1瞬間沖淨管線67及第2瞬間沖淨管線69的N2氣體,而透過第1連續N2氣體供給管線66及第2連續N2氣體供給管線68來持續供給N2氣體,並開啟開閉閥74而從第1H2氣體供給源52經由第1H2氣體供給管線62來將作為主還原氣體之H2氣體(主H2氣體)供給至處理空間37(步驟S13)。此時,主H2氣體會在暫時被儲存於緩衝槽81後而供給至腔室1內。
藉由此步驟S13,便可還原晶圓W上所吸附之WCl6。此時作為主還原氣體之H2氣體流量為充分產生還原反應之量,而以較添加H2氣體流量要多的流量來加以供給。
接著,透過第1連續N2氣體供給管線66及第2連續N2氣體供給管線68來持續供給N2氣體,以及透過第2H2氣體供給管線63來持續供給添加H2氣體,而關閉開閉閥74以停止來自第1H2氣體供給管線62之H2氣體的供給,並開啟開閉閥77、79,而從第1瞬間沖淨管線67及第2瞬間沖淨管線69供給N2氣體(瞬間沖淨N2氣體),並與步驟S12同樣,藉由大流量N2氣體來沖淨處理空間37之剩餘的H2氣體(步驟S14)。
藉由以短時間來進行1循環的上述步驟S11~S14,來形成較薄之鎢單位膜,而藉由複數次反覆循環該等之步驟的循環,來成膜出所欲膜厚之鎢膜。此時之鎢膜的膜厚亦可藉由上述循環的反覆次數來加以控制。第2實施形態雖然成膜速率會較第1實施形態稍微要差,但卻有著閥之操作較少之優點。
由於本實施形態中,係在步驟S11~S14的期間,持續供給添加H2氣體,故在步驟S11中供給WCl6氣體時,會供給為添加還原氣體之添加H2氣體,而藉由添加H2氣體來活化WCl6氣體,而使得之後的步驟S13時之成膜反應容易產生,而與第1實施形態同樣,可維持較高之階段覆蓋且使得每1循環之沉積膜厚變厚而使得成膜速度加大。
由於本實施形態中會持續供給添加H2氣體,故會有容易產生CVD反應之疑慮。從而,從抑制CVD反應的觀點看來,較佳地係減少添加H2氣體流量,具體而言,較佳地為10~500sccm(mL/min)。
關於其他成膜條件係與第1實施形態相同。又,與第1實施形態同樣,還原氣體並不限於H2氣體,只要為含氫之還原性氣體即可,除了H2氣體之外,亦可使用SiH4氣體、B2H6氣體、NH3氣體等。亦可供給H2氣體、SiH4氣體、B2H6氣體以及NH3氣體中之2種以上。又,亦可使用除了該等以外之其他還原氣體,例如PH3氣體、SiH2Cl2氣體。從進一步地降低膜中雜質來得到低阻抗值的觀點看來,較佳地使用H2氣體。又,氯化鎢亦可使用WCl5。進一步地,沖淨氣體及載體氣體亦可使用Ar氣體等的其他非活性氣體來取代N2氣體。
又,本實施形態中,亦不限於在成膜處理的所有期間中適用供給添加H2氣體之機制,亦可依所適用之元件構造而在一部分期間適用供給添加H2氣體之機制。
<實驗例>
接著,便就實驗例來加以說明。
(實驗例1)
在此係於形成有頂部直徑為0.1μm,長寬比為80之孔的晶圓形成TiN膜來作為基底膜,並藉由圖1之成膜裝置而使用第1實施形態的機制來成膜出鎢膜。此時之條件係晶圓溫度:550℃,腔室內壓力:30Torr(4000Pa),成膜原料槽之加溫溫度:170℃,載體N2氣體流量:800sccm(WCl6氣體流量:20sccm),連續N2氣體流量:1200sccm,瞬間N2氣體流量:1500sccm,主H2氣體流量:5000sccm,添加H2氣體流量:250、500、1000sccm,步驟S1時間(每1次):0.3sec,步驟S2時間(每1次):0.2sec,步驟S3時間(每
1次):0.3sec,步驟S4時間(每1次):0.2sec,循環次數:600次。又,添加H2氣體會在步驟S1初期供給0.03sec的期間。
於圖8顯示此時的添加H2氣體流量與每1循環次數的成膜速率之關係,以及添加H2氣體流量與階段覆蓋(底部膜厚/頂部膜厚)之關係。如此圖所示,在添加H2氣體流量為250~1000sccm中,可得到0.03nm/cycle以上的高成膜速率,階段覆蓋亦可得到高的數值。特別是,在添加H2氣體流量為500sccm時,成膜速率為0.05nm/cycle,而階段覆蓋幾乎為100%。如此般,確認了藉由第1實施形態之成膜方法便可達成高成膜速率與高階段覆蓋。此時之膜厚係在添加H2氣體流量為250sccm時為20.2nm,在500sccm時為27.6nm,在1000sccm時為38.5nm。又,阻抗值係在添加H2氣體流量為250sccm時為14.8Ω/□,在500sccm時為9.6Ω/□,在1000sccm時為5.9Ω/□,而成為有實用價值的數值。
相對於此,係不使用添加H2氣體而藉由ALD法來加以成膜。此時之條件係晶圓溫度:550℃,腔室內壓力:30Torr(4000Pa),成膜原料槽之加溫溫度:170℃,載體N2氣體流量:800sccm(WCl6氣體流量:20sccm),連續N2氣體流量:1200sccm,瞬間N2氣體流量:1500sccm,主H2氣體流量:5000sccm,步驟S1時間(每1次):0.3sec,步驟S2時間(每1次):0.2sec,步驟S3時間(每1次):0.3sec,步驟S4時間(每1次):0.2sec,循環次數:1200次。其結果,雖階段覆蓋幾乎可達成100%,但成膜速率會成為0.133nm/cycle的較低者,而在循環次數為1200次時膜厚為16.0nm。
圖9係以未使用添加H2氣體之以往方法來成膜出鎢膜的情況,以及添加H2氣體為500sccm來成膜出鎢膜的情況下的剖面掃描式顯微鏡(SEM)照片。由此照片看來,確認了藉由與WCl6氣體同時供給H2氣體,便會維持與以往相等之階段覆蓋,且可以以往一半的循環次數來形成幾乎同等厚度之鎢膜。
(實驗例2)
於與實驗例1同樣的形成有頂部直徑為0.1μm,長寬比為80之孔的晶圓形成TiN膜來作為基底膜,並藉由圖1之成膜裝置而使用第2實施形態的機制來成膜出鎢膜。此時之條件係晶圓溫度:550℃,腔室內壓力:
30Torr(4000Pa),成膜原料槽之加溫溫度:170℃,載體N2氣體流量:800sccm(WCl6氣體流量:20sccm),連續N2氣體流量:1200sccm,瞬間N2氣體流量:1500sccm,主H2氣體流量:5000sccm,添加H2氣體流量(持續供給):100、300、500sccm,步驟S11時間(每1次):0.3sec,步驟S12時間(每1次):0.2sec,步驟S13時間(每1次):0.3sec,步驟S14時間(每1次):0.2sec,循環次數:600次。
於圖10顯示此時的添加H2氣體流量與每1循環次數的成膜速率之關係,以及添加H2氣體流量與階段覆蓋(底部膜厚/頂部膜厚)之關係。如此圖所示,在添加H2氣體流量為100~500sccm中,可得到幾乎為0.03nm/cycle以上的高成膜速率,階段覆蓋亦可得到高的數值。特別是,在添加H2氣體流量為100sccm時,成膜速率為0.04nm/cycle,而階段覆蓋幾乎為100%。如此般,確認了藉由第2實施形態之成膜方法亦可達成高成膜速率與高階段覆蓋。此時之膜厚係在添加H2氣體流量為100sccm時為23.5nm,在300sccm時為17.0nm,在500sccm時為17.4nm。又,阻抗值係在添加H2氣體流量為100sccm時為14.3Ω/□,在300sccm時為19.2Ω/□,在500sccm時為18.5Ω/□,而成為有實用價值的數值。
(實驗例3)
在此,在進行於TiN膜上,藉由ALD法來成膜出WCl6氣體供給量較少之初期鎢膜之後,增加WCl6氣體供給量而藉由ALD法來成膜出主鎢膜的2階段成膜時,會以「無添加H2氣體」的條件來成膜出初期鎢膜,而以「有添加H2氣體」的條件來成膜出主鎢膜。此時之具體條件係如下所示。
.初期鎢膜成膜
晶圓溫度:500℃
腔室內壓力:45Torr(6000Pa)
載體N2氣體流量:300sccm(WCl6氣體流量:6sccm)
連續N2氣體流量:4000sccm
瞬間N2氣體流量:0sccm
主H2氣體流量:5000sccm
添加H2氣體流量:0sccm
.主鎢膜成膜
晶圓溫度:500℃
腔室內壓力:30Torr(4000Pa)
載體N2氣體流量:600sccm(WCl6氣體流量:20sccm)
連續N2氣體流量:1200sccm
瞬間N2氣體流量:1500sccm+1500sccm
主H2氣體流量:5000sccm
添加H2氣體流量:200sccm
ALD條件係與實驗例1同樣,而將初期鎢膜固定為100循環,將主鎢膜變化為400循環(樣本1)、1200循環(樣本2)、3300循環(樣本3)來進行成膜。
其結果,樣本1中,中心及邊緣之階段覆蓋分別為85%及100%,樣本2中,中心及邊緣之階段覆蓋分別為100%及90%,樣本3中,中心及邊緣之階段覆蓋分別為90%及100%,對於階段覆蓋沒有造成問題。又,亦未發現因基底之TiN膜的蝕刻而對階段覆蓋之影響。
<其他適用>
以上,雖已就本發明之實施形態來加以說明,但本發明並不限於上述實施形態而可有各種變形。例如,上述實施形態中,作為被處理基板雖以半導體晶圓來作為範例,但半導體晶圓亦可為矽或GaAs、SiC、GaN等的化合物半導體,進一步地,不限於半導體晶圓,本發明亦可適用於液晶顯示裝置等的FPD(平面顯示器)所使用之玻璃基板或陶瓷基板等。
Claims (17)
- 一種鎢膜之成膜方法,係在藉由收納有被處理基板,且保持為減壓氛圍下的腔室內,摻雜著該腔室內之沖淨而交互地供給作為鎢原料氣體之氯化鎢氣體以及將氯化鎢氣體還原之還原氣體的ALD法來於被處理基板表面成膜出鎢膜的鎢膜之成膜方法;於供給該氯化鎢氣體時,以ALD反應為主體的方式來添加該還原氣體;複數次地循環反覆藉由第1工序、第2工序、第3工序以及第4工序來形成鎢單位膜之操作;該第1工序係將該氯化鎢氣體供給至該腔室內;該第2工序係將該腔室內沖淨;該第3工序係將該還原氣體供給至該腔室內以還原氯化鎢;該第4工序係將該腔室內沖淨;在該第1工序時,係添加該還原氣體。
- 如申請專利範圍第1項之鎢膜之成膜方法,其中該第1工序時所添加之還原氣體流量係100~500sccm。
- 如申請專利範圍第1項之鎢膜之成膜方法,其中該第1工序時所添加之還原氣體的供給期間係氯化鎢氣體之供給期間的一部分。
- 如申請專利範圍第1項之鎢膜之成膜方法,其中除了該第1工序之外,從該第2工序至該第4工序亦會連續地添加該還原氣體。
- 如申請專利範圍第4項之鎢膜之成膜方法,其中從該第1工序至該第4工序所連續地添加之該還原氣體流量係100~500sccm。
- 如申請專利範圍第1至5項中任一項之鎢膜之成膜方法,其係在該第1工序至該第4工序的所有期間連續地將沖淨氣體流至該腔室內,以形成將氯化鎢氣體及還原氣體供給至該腔室之流動,並在該第2工序及該第4工序時增加沖淨氣體流量。
- 如申請專利範圍第6項之鎢膜之成膜方法,其係從與該連續性沖淨氣體不同之氣體管線來在該第2工序及該第4工序時供給追加之沖淨氣體。
- 如申請專利範圍第1至5項中任一項之鎢膜之成膜方法,其係在供給該氯化鎢氣體之氣體管線及在該第3工序時供給還原氣體的氣體管線分別設置緩衝槽,且透過緩衝槽來供給氯化鎢氣體及還原氣體。
- 如申請專利範圍第1至5項中任一項之鎢膜之成膜方法,其係將供給該氯化鎢氣體時所添加之還原氣體以及用以還原氯化鎢氣體之還原氣體從不同之氣體管線來供給至該腔室內,將供給該所添加之還原氣體的添加還原氣體管線設置於較供給該用以還原之還原氣體的主還原氣體管線要靠氣體朝向該腔室之流動的上游側。
- 如申請專利範圍第1至5項中任一項之鎢膜之成膜方法,其中在成膜處理時,該被處理基板溫度為300℃以上,該腔室內壓力為5Torr以上。
- 如申請專利範圍第1至5項中任一項之鎢膜之成膜方法,其中該氯化鎢係WCl6。
- 如申請專利範圍第1至5項中任一項之鎢膜之成膜方法,其中該還原氣體係H2氣體、SiH4氣體、B2H6氣體、NH3氣體之至少一種。
- 如申請專利範圍第1至5項中任一項之鎢膜之成膜方法,其中該被處理基板係具有TiN膜、TiSiN膜、TiSi膜、Ti膜的任一者來作為該鎢膜之基底。
- 一種成膜方法,係具有:還原氣體添加成膜期間,係以如申請專利範圍第1至13項中之任一項之添加還原氣體的鎢膜之成膜方法來加以成膜;以及還原氣體不添加成膜期間,係藉由在供給該氯化鎢氣體時,不添加還原氣體的ALD法來加以成膜。
- 如申請專利範圍第14項之成膜方法,其中該被處理基板表面係形成有基底膜,藉由首先進行減少氯化鎢氣體流量之初期鎢膜的成膜,之後 增加氯化鎢氣體流量以進行主鎢膜之成膜的2階段成膜來成膜出鎢膜,成膜出初期鎢膜時為該還原氣體不添加成膜期間,成膜出主鎢膜時為該還原氣體添加成膜期間。
- 如申請專利範圍第14項之成膜方法,其係反覆該還原氣體添加成膜期間與該還原氣體不添加成膜期間。
- 一種記憶媒體,係記憶有在電腦上動作,而用以控制成膜裝置之程式的記憶媒體,其中該程式係在實行時,會以進行如申請專利範圍第1至13項中之任一項的鎢膜之成膜方法的方式,來讓電腦控制該成膜裝置。
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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