JP2005015904A

JP2005015904A - Method and apparatus for manufacturing semiconductor device

Info

Publication number: JP2005015904A
Application number: JP2003186166A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Takahashi; 英紀高橋
Original assignee: Fuji Electric Device Technology Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-01-20

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a semiconductor device, which improves the uniformity and reliability of the film filled in a refined contact hole and via hole, by uniformizing a film formed during a nucleus-forming step, and to provide a manufacturing apparatus therefor. <P>SOLUTION: This manufacturing method comprises, as shown in Fig. (b): opening switching parts V13 and V23 of the first switching gas valves 13 and 23 before opening the second switching gas valves 14 and 24, and switching parts V12 and V22 of gas flow-rate control sections 12 and 22; operating an evacuation mechanism 4 to remove reactant gas remaining in a region (a) in reactant gas pipes 11 and 21 through a film-forming reaction chamber 1 and an evacuation pipe 3; and then supplying the reactant gas to the film-forming reaction chamber 1 through the gas flow-rate control sections 12 and 22. Thereby, the method inhibits a bursting flow of the reactant gas remaining in the region (a), uniformly forms the film in the nucleus-forming step without producing unnecessary particles, and can improve the uniformization and reliability of the film filled in the minute contact hole and via hole. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板上に、化学的気相成長法を用いて、半導体基板上にタングステン膜などを形成する半導体装置の製造方法および製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置は、その高集積化に伴う配線の微細化、多層化が行われてきており、それら配線を接続するためのコンタクトホール（電極と半導体層との接続孔）やビアホール（多層配線同志を接続する接続孔）も微細化されてきている。
従来、こうしたコンタクトホール、並びにビアホールは、主にアルミニウム合金系のスパッタリング法により埋め込まれてきたが、微細化により、スパッタリング法では、コンタクトホール、並びにビアホールの埋め込みが不完全となり、コンタクトホールやビアホールで導通不良を起こしたり、この箇所での接続信頼性が低下する等の問題が生じるようになってきた。
【０００３】
そこで、微細化されたコンタクトホール、並びにビアホールを化学的気相成長法によってタングステン膜により埋め込み、その後、前面にわたり、エッチング、もしくは化学機械研磨法、すなわちＣＭＰ法によってエッチングすることにより、コンタクトホール、及びビアホールにのみタングステン膜を残存させるタングステンプラグプロセス形成技術が用いられてきている。
図８は、タングステン膜によるビアホールの埋め込み工程の一例を示す図で、同図（ａ）から同図（ｅ）は工程順に示す要部工程断面図である。
図１１は、従来の成膜装置の構成と成膜手順を示すシーケンスで、同図（ａ）は装置の構成図、同図（ｂ）はシーケンスを示す図、同図（ｃ）はガス流量の時間的な変化を示す図である。尚、同図（ｂ）は、各ガス開閉バルブ１３、２３、１４、２４の開閉部Ｖ１３、Ｖ２３、Ｖ１４、Ｖ２４とガス流量制御部１２、２２の開閉部Ｖ１２、Ｖ２２と真空排気機構４の開閉部Ｖ４の開閉のシーケンスを示し、同図（ｃ）は、Ｖ１３、Ｖ２３を開けた瞬間に発生する反応ガスの突発流を示す。
【０００４】
図８において、先ず、ウエハ５１（半導体基板）上に第１配線６１を形成し、全面に層間絶縁膜５２を形成する。その後、層間絶縁膜５２の下層に存在する第１配線６１と上層に形成される図示しない第２配線６２（同図（ｄ））との接続を行うため、所定の位置に開口部５６ｂを設けて、ビアホール（接続孔）を形成する。この開口部５６ｂの口径は１μｍ程度以上である（同図（ａ））。
つぎに、開口部５６ｂを含む層間絶縁膜５２の全面を覆うように、チタン（Ｔｉ）膜５３、窒化チタン（ＴｉＮ）膜５４を形成する。これらチタン膜５３と窒化チタン膜５４から構成される積層膜は、一般に密着層５５と呼ばれ、密着性の低い層間絶縁膜５２とこれから形成するタングステン膜の間に介在させることにより、密着性を改善し、タングステン膜の膜剥がれ（ピーリング）を防止するために設けられるものである（同図（ｂ））。
【０００５】
ここまでの工程を終わった段階で、図１１（ａ）の成膜反応室１に隣接された図示しない真空搬送室にウエハ５１を搬送し、真空搬送室を真空引きする。その後、既に真空引きされている成膜反応室１の支持台２にウエハ５１をセットする。
その後、六フッ化タングステンとモノシランによる反応を行なわせるために、第１ガス開閉バルブ１３、２３とガス流量制御部１２、２２の開閉部Ｖ１２、Ｖ２２と第２ガス開閉バルブ１４、２４を開けて六フッ化タングステンガスとモノシランガスを成膜反応室１に送る。成膜反応室１内において、六フッ化タングステン（ＷＦ_６）とモノシラン（ＳｉＨ_４）の還元反応により、前述のチタン膜５３と窒化チタン膜５４の積層された層上に、全面にわたり核形成による薄いタングステン膜６７を形成する（同図（ｃ））。
【０００６】
つぎに、六フッ化タングステンと水素の還元反応成長により埋め込みタングステン膜６８を前記の核形成した薄い均一なタングステン膜６７上に形成する（同図（ｄ））。
つぎに、全面にわたり成膜されたタングステン膜６７、６８は、例えば、ドライエッチング技術により、平坦部での窒化チタン膜５４をストッパーとして、窒化チタン５４の表面が露出するまで、タングステン膜６７、６８を除去し、開口部５６ｂ内にのみタングステン膜６７、６８（タングステンプラグ）が残存する形とする。その後、上層の第２配線６２として、スパッタリング法により、アルミニウム合金系の膜を堆積し、周知のフォトリソグラフィ技術と、ドライエッチング技術を用いてアルミニウム合金系の膜と、窒化チタン膜５４、チタン膜５３を所定の形状に加工して、第２配線６２を形成する。尚、ドライエッチング技術の代わりに化学機械研磨法（ＣＭＰ）により、タングステン膜６８を平坦化する場合はストッパーとして前記のＴｉＮ膜５４の代わりに酸化膜（ＳｉＯ_２）を用いる（同図（ｅ））。
【０００７】
前記の同図（ｃ）の工程で、通常、六フッ化タングステンと水素の還元反応成長に先立って、六フッ化タングステンとモノシランを用いた還元反応により、わずかにタングステン膜６７の成長を行うのは、例えば、前述のチタン膜５３と窒化チタン膜５４の積層された密着層５５上に、直接、六フッ化タングステンと水素を用いた還元反応のみによりタングステン膜（同図（ｄ）に相当するタングステン膜６８）の成長を行うと、タングステン膜の比抵抗は低くなるものの、成膜初期のある時間、タングステン膜の成長が開始せず、成長が停止した状態（いわゆるインキュベーションタイム）が発生することとなる。また、仮に、密着層５５上へのタングステン膜の成長が開始したとしても、タングステン膜は、密着層５５上の表面状態に非常に敏感な異常成長を伴い、島状に不均一な成長過程をたどることとなる。
【０００８】
これに対し、同図（ｃ）のように、六フッ化タングステンとモノシランを用いた還元反応では、微量のシリコンが、反応過程でタングステン膜６７中に含まれるために、比抵抗が高くなるものの、前述の密着層５５上には、極めて均一な膜形成を行うことが可能であるという特徴を有している。この結果、均一な膜成長が困難であった六フッ化タングステンと水素によるタングステン膜６８の成長は、六フッ化タングステンとモノシランを用いて密着層５５上に均一に形成されたわずかな膜厚のタングステン膜６７を下地とすることで、均一に進行させることが可能となる。
【０００９】
このため、六フッ化タングステンとモノシランによる還元反応は、一般に、タングステン膜の核形成ステップと呼ばれ、化学的気相成長法によるタングステン膜６８の成長過程にとって、非常に重要なステップとなっている。また、このタングステン膜６７の核形成ステップでは、ステップカバレッジ（被覆性）を、より改善するために、わずかに水素を添加し、成長させる場合もある。
その後、前記の同図（ｄ）のように、六フッ化タングステンガスと水素ガスを反応させて全面にわたりタングステン膜６８を成長させることで、均一に開口部５６ｂを埋めることができる。
【００１０】
また、別の例として、高いアスペクト比を有するコンタクトホールのステップカバレッジを向上させる導電性プラグの堆積として、ＣＶＤ法でＷＮ、ＴｉＮ、ＴａＮなどをコンタクトホールの側面にバリアメタルとして成膜し、その上にＷＦ_６、ＳｉＨ_４、Ｈ_２の反応性ガスを供給してタングステン核形成膜を成膜し、このタングステン核形成膜上にタングステン埋め込み膜を成膜する。この核形成膜工程および埋め込み膜工程は、ガス導入ステップおよびガス排気ステップを有し、双方のステップを交互に複数回繰り返すことにより、所望の膜厚にする方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００２−９３７４６号公報図１
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
前述の図８で説明した化学的気相成長法によるタングステン膜の形成方法では、均一な膜形成を行うために、六フッ化タングステンと水素の還元反応に先立って行われる六フッ化タングステンとモノシランによるタングステン核形成ステップが重要となる。
とりわけ、近年、タングステン膜が埋め込まれるべきコンタクトホール、並びにビアホールは、微細化されてきており、六フッ化タングステンとモノシランによる核形成ステップで成長されるタングステン膜は、比抵抗が高いために、従来と同様な下地効果を確保しながら、一層の薄膜化を図り、微細コンタクトホール、並びにビアホールに占める膜厚の割合を低減する必要がある。
【００１３】
図９は、図８（ｄ）のＢ部拡大図である。図９に示すように、埋め込むべきコンタクトホール、並びにビアホールが比較的大きい場合（アスペクト比が小さい場合）、前述の核形成ステップにより成長させたタングステン膜６７がパーティクルの発生で成膜初期に不均一であっても、埋め込むタングステン膜６８の膜厚が厚いため、それを下地として成長するタングステン膜６８は成長につれて不均一性は目立たなくなり、問題になることはなかった。
この核形成ステップでのタングステン膜６７の不均一は次のようにして引き起こされる。
【００１４】
先ず、図８（ｃ）の工程開始前で成膜反応室１内を真空にした状態では、図１１のガス開閉バルブ１３、２３からガス流量制御部１２、２２の反応ガス配管１１、２１のａ領域、ガス流量制御部１２、２２からガス開閉バルブ１４、２４までの反応ガス配管１１、２１のｂ領域および反応ガス配管１１、２１のｃ領域に、各々、六フッ化タングステンとモノシランの反応ガスが封じ込められたままである。これは、前回行ったタングステン膜６８を形成する工程を終了した状態が、そのまま維持されているためである。
この状態で、六フッ化タングステンの第１、第２ガス開閉バルブ１３、１４の開閉部Ｖ１３、Ｖ１４と、モノシランの第１、第２ガス開閉バルブ２３、２４の開閉部Ｖ２３、Ｖ２４とガス流量制御部１２、２２の開閉部Ｖ１２、Ｖ２２を開け、六フッ化タングステンのガス流量制御部１２とモノシランのガス流量制御部２２により、ガス流量を制御しつつ、成膜反応室１内へ各反応ガスを供給し、タングステン膜の核形成ステップを行うと、Ｖ１３、Ｖ２３が開いた瞬間に反応ガス配管１１、２１のａ領域に封じ込められていた反応ガスが成膜反応室１へ突発的に流れ込むこととなる。この場合、六フッ化タングステンとモノシランの反応は、極めて活性であるために、急激な気相反応に伴うパーティクルの発生や、島状成長に伴う異常な核成長が発生してタングステン膜６７が不均一となる。
【００１５】
しかし、コンタクトホールやビアホールが大きい場合には、これに続く、六フッ化タングステンと水素のタングステン膜６８の成長に対する下地膜（タングステン膜６７）としては、これら不具合の影響が無視できる程度まで十分な厚膜化できる。
一方、コンタクトホールやビアホールが微細化されると、核形成ステップにより成長させたタングステン膜を不均一性が解消されるまで厚くすることができず、不均一のまま、その状態で埋め込みタングステン膜を成膜するために、図１０で示すように、不完全な埋め込みとなり、Ｃ部の開口部の上部が塞がれて、コンタクトホールやビアホールの底部では埋め込みタングステン膜６８が異常に薄くなり、配線の導通不良（配線抵抗の異常増大）を引き起こしたり、また、コンタクトホールやビヤホール内に空洞７１（巣）ができて第１配線６１と第２配線６２の接続部の信頼性が低下したりする。
【００１６】
この発明の目的は、前記の課題を解決して、核形成ステップにより形成される成膜の均一化を図り、微細化されたコンタクトホールおよびビアホール内に埋め込み膜の均一化と配線の高信頼性化を図ることができる半導体装置の製造方法および製造装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、化学的気相成長法を用いて成膜を行う成膜反応室と、該成膜反応室に反応性ガスを供給するガス配管と、前記ガス配管の経路に配置されたガス流量制御部とを備えた製造装置を用いて、半導体基板上に成膜を行う半導体装置の製造方法において、前記成膜反応室内および該成膜反応室と前記ガス流量制御部との間の前記ガス配管内とから前記反応性ガスを除去するガス除去工程後、前記半導体基板を前記反応室に配置し、前記半導体基板上に成膜を行うこととする。
【００１８】
また、化学的気相成長法を用いて成膜を行う成膜反応室と、該成膜反応室に反応性ガスを供給するガス配管と、前記ガス配管の経路に配置されたガス流量制御部と、前記成膜反応室から反応性ガスを排気する排気管と、該排気管に設けられた排気機構と、前記成膜反応室と前記ガス流量制御部との間の前記ガス配管に設けられた第１ガス開閉バルブと、該第１ガス開閉バルブとガス流量制御部を挟んで反対側に設けられた第２ガス開閉バルブとを備えた製造装置を用いて、半導体基板上に成膜を行う半導体装置の製造方法において、前記第１開閉バルブを開き前記第２ガス開閉バルブを閉じ前記ガス流量制御部で前記反応ガス流を止めた状態で、前記排気機構により前記成膜反応室および前記反応室と前記ガス流量制御部との間のガス配管内の前記反応性ガスを除去することとする。
【００１９】
また、化学的気相成長法を用いて成膜を行う成膜反応室と、該成膜反応室に反応性ガスを供給するガス配管と、前記ガス配管の経路に配置されたガス流量制御部と、前記成膜反応室から反応性ガスを排気する排気管と、該排気管に設けられた排気機構と、前記成膜反応室と前記ガス流量制御部との間の前記ガス配管に設けられた第１ガス開閉バルブと、該第１ガス開閉バルブとガス流量制御部を挟んで反対側に設けられた第２ガス開閉バルブとを備えた製造装置を用いて、半導体基板上に成膜を行う半導体装置の製造方法において、前記第１開閉バルブを開き前記第２ガス開閉バルブを閉じた状態で、前記排気機構により前記成膜反応室および前記反応室と第２ガス開閉バルブとの間のガス配管内の前記反応性ガスを除去することとする。
【００２０】
また、化学的気相成長法を用いて成膜を行う成膜反応室と、該成膜反応室に反応性ガスを供給するガス配管と、前記ガス配管の経路に配置されたガス流量制御部と、前記成膜反応室から反応性ガスを排気する排気管と、該排気管に設けられた排気機構と、前記成膜反応室と前記ガス流量制御部との間の前記ガス配管に設けられた第１ガス開閉バルブと、該第１ガス開閉バルブとガス流量制御部を挟んで反対側に設けられた第２ガス開閉バルブと、前記第１ガス開閉バルブと前記第２ガス開閉バルブとの間で前記ガス流量制御部と並列に設けられた第１バイパス用ガス配管と、該第１バイパス用ガス配管に設けられた第３ガス開閉バルブとを備えた製造装置を用いて、半導体基板上に成膜を行う半導体装置の製造方法において、前記第１開閉バルブおよび第３開閉バルブを開き前記第２ガス開閉バルブを閉じ前記ガス流量制御部で前記反応ガス流を止めた状態で、前記排気機構により前記成膜反応室および前記反応室と第２ガス開閉バルブとの間のガス配管内の前記反応性ガスを除去することとする。
【００２１】
また、前記製造装置は、前記第１ガス開閉バルブと前記排気機構との間で前記成膜反応室と並列に第２バイパス用ガス配管と、該第２バイパス用ガス配管に設けられた第４ガス開閉バルブとを備え、前記第１開閉バルブ、前記第３ガス開閉バルブおよび第４開閉バルブを開き前記第２ガス開閉バルブを閉じ前記ガス流量制御部で前記反応ガス流を止めた状態で、前記排気機構により前記成膜反応室および前記反応室と第２ガス開閉バルブとの間のガス配管内の前記反応性ガスを除去することとする。
また、化学的気相成長法を用いて成膜を行う成膜反応室と、該成膜反応室に反応性ガスを供給するガス配管と、前記ガス配管の経路に配置されたガス流量制御部と、前記成膜反応室から反応性ガスを排気する排気管と、該排気管に設けられた排気機構と、前記成膜反応室と前記ガス流量制御部との間の前記ガス配管に設けられた第１ガス開閉バルブと、該第１ガス開閉バルブとガス流量制御部を挟んで反対側に設けられた第２ガス開閉バルブと、前記第１ガス開閉バルブと前記排気機構との間で前記成膜反応室と並列に設けられた第２バイパス用ガス配管と、該第２バイパス用ガス配管に設けられた第４ガス開閉バルブとを備えた製造装置を用いて、半導体基板上に成膜を行う半導体装置の製造方法において、前記第１開閉バルブおよび第４開閉バルブを開き前記第２ガス開閉バルブを閉じ前記ガス流量制御部で前記反応ガス流を止めた状態で、前記排気機構により前記成膜反応室および前記反応室と第２ガス開閉バルブとの間のガス配管内の前記反応性ガスを除去することとする。
【００２２】
製造装置として、化学的気相成長法を用いて成膜を行う成膜反応室と、該成膜反応室に反応性ガスを供給するガス配管と、前記ガス配管の経路に配置されたガス流量制御部と、前記成膜反応室から反応性ガスを排気する排気管と、該排気管に設けられた排気機構と、前記成膜反応室と前記ガス流量制御部との間の前記ガス配管に設けられた第１ガス開閉バルブと、該第１ガス開閉バルブとガス流量制御部を挟んで反対側に設けられた第２ガス開閉バルブと、前記第１ガス開閉バルブと前記第２ガス開閉バルブとの間で前記ガス流量制御部と並列に設けられた第１バイパス用ガス配管と、該第１バイパス用ガス配管に設けられた第３ガス開閉バルブとを備えたものとする。
【００２３】
また、この製造装置は、前記第１ガス開閉バルブと前記排気機構との間で前記成膜反応室と並列に設けられた第２バイパス用ガス配管と、該第２バイパス用ガス配管に設けられた第４ガス開閉バルブとを備えたものとする。
また、化学的気相成長法を用いて成膜を行う成膜反応室と、該成膜反応室に反応性ガスを供給するガス配管と、前記ガス配管の経路に配置されたガス流量制御部と、前記成膜反応室から反応性ガスを排気する排気管と、該排気管に設けられた排気機構と、前記成膜反応室と前記ガス流量制御部との間の前記ガス配管に設けられた第１ガス開閉バルブと、該第１ガス開閉バルブとガス流量制御部を挟んで反対側に設けられた第２ガス開閉バルブと、前記第１ガス開閉バルブと前記排気機構との間で前記成膜反応室と並列に設けられた第２バイパス用ガス配管と、該第２バイパス用ガス配管に設けられた第４ガス開閉バルブとを備えたものとする。
〔作用〕
化学的気相成長法によるタングステン膜の成長では、核形成ステップで成長されるタングステン膜が重要となる。この核形成ステップでは、主に、六フッ化タングステンとモノシランによる還元反応を用いることにより、Ｔｉ、ＴｉＮの密着層上に、わずかにシリコンの含有したタングステン膜を成長させるが、このステップで用いられる六フッ化タングステンとモノシランガスは極めて反応性が高いために、急激な反応によるパーティクルの発生や異常成長の発生が起こりやすい、この急激な反応は、成膜反応室の直近のガス開閉バルブとガス流量制御部との間の短いガス配管内に残留した反応ガスがこの直近のガス開閉バルブが開いた時に、成膜反応室に瞬間的に流入（突発流）することにより引き起こされる。
【００２４】
そのため、この発明では、このガス配管内に残留した反応ガスを予め引き抜き、残留ガスが極めて少ない状態にしてから、成膜反応室にガス流量制御部を介して反応ガスを供給することで、突発流のない緩やかな成膜をする。
突発流のない緩やかな成膜をすることで、パーティクルの発生や異常成長の発生が抑制され、微細化されたコンタクトホールやビアホール内を均一なタングステン膜で埋め込むことができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。また、従来と同一の箇所には同一の符号を付した。
〔実施例１〕
図１は、この発明の第１実施例の半導体装置の製造装置と製造方法を説明する図であり、同図（ａ）は成膜装置の要部構成図、同図（ｂ）は製造手順を示すシーケンス図である。
同図（ａ）において、成膜装置は、第１系統の六フッ化タングステンの反応ガス配管１１（点線の範囲）、ガス流量制御部１２、第１ガス開閉バルブ１３（Ｖ１３）、第２ガス開閉バルブ１４（Ｖ１４）と、第２系統のモノシランの反応ガス配管２１（点線の範囲）、ガス流量制御部２２、第１ガス開閉バルブ２３（Ｖ２３）、第２ガス開閉バルブ２４（Ｖ２４）と、第１系統の反応ガス配管１１と第２系統の反応ガス配管１１、２１が接続した成膜反応室１、ウエハ５１を載せる支持台２、真空排気配管３および真空排気機構４から構成されている。ガス流量制御部１２、２２にはガス経路の開口度を調節する（完全に閉じた状態から全開までの状態を自由に設定して流量を調節する）開閉部Ｖ１２、Ｖ２２が設置されている。
【００２６】
同図（ａ）と同図（ｂ）を用いて成膜方法を説明する。ここでは、後述の図２（ｃ）の工程を中心に説明する。全体の製造工程については後述する。
図１（ｂ）のシーケンスに基づいて、第１ガス開閉バルブ１３、２３の開閉部Ｖ１３、Ｖ２３を開き、すでに開閉部Ｖ４が開き真空排気動作している真空排気機構４により、成膜反応室１、真空排気配管３を介して、反応ガス配管１１内に残留している六フッ化タングステンガスとシランガスを、第１ガス開閉バルブ１３、２３を経由してガス流量制御部１２、２２まで真空排気する。
その後、第１ガス開閉バルブ１３、２３の開閉部Ｖ１３、Ｖ２３を閉じ、成膜反応室１内に、図２（ｂ）の工程が終了したウエハ５１（半導体基板）を図示しない真空反応室を経由する。
【００２７】
つぎに、第１ガス開閉バルブ１３、１４の開閉部Ｖ１３、Ｖ２３と、第２ガス開閉バルブ１４、２４の開閉部Ｖ１４、Ｖ２４と、ガス流量制御部１２、２２の開閉部Ｖ１２、２２を開き、六フッ化タングステンガスとモノシランガスを第１系統１１と第２系統２１の反応ガス配管１１、２１を通して成膜反応室１へ送り、図２（ｃ）の工程に示すように、核形成のための薄膜のタングステン膜５７を密着層膜５５上へ形成する。
このように、反応ガス配管１１、２１のａ領域に残留している六フッ化タングステンガスとモノシランガスを除去した後、ガス流量制御部１２、２２を介して流量が制御された六フッ化タングステンガスとモノシランガスが成膜反応室１へ送られる。そのため、従来のように突発流が流れることがなく、緩やかな反応によりパーティクルのない下地膜であるタングステン膜５７を均一に薄く形成することができる。従って、その後の埋め込みのためのタングステン膜５８は微細化された開口部５６ａを空洞を発生させずに均一に埋めることができる。
【００２８】
核形成ステップによる薄いタングステン膜６７の形成において、パーティクルの発生を抑制し、膜を均一に成長させるためには、前記の六フッ化タングステンとモノシランの流量比は１：０．５程度が好ましい。
また、図１（ｂ）のｔ２とｔ３の間の時間が長い場合、ガス流量制御部１２、２２を経由して反応ガス配管１１のｂ領域の六フッ化タングステンガスとモノシランガスがａ領域にわずかに漏れてくる場合がある。そのため、Ｖ１２、Ｖ２２の開閉シーケンスで細線イで示すように、ガス流量制御部１２、２２の開閉部Ｖ１２、Ｖ２２を第１ガス開閉バルブ１３、２３の開閉部Ｖ１３、Ｖ２３と同時に全開して開いて、ガス流量制御部１２、２２を経由して第２ガス開閉バルブ１４、２４までのｂ領域まで真空排気してｂ領域からａ領域にわずかに漏れる残留した反応ガスを無くする。
【００２９】
ｂ領域からわずかに漏れてくる残留した反応ガスが無くなると、ａ領域の残留した残留ガス、すなわち、残留する六フッ化タングステンガスとモノシランガスを一層低減することができる。この場合は、ｂ領域に残留した六フッ化タングステンガスとモノシランガスが無くなった段階で、細線イで示すように、ガス流量制御部１２、２２の開閉部Ｖ１２、Ｖ２２を閉じる。
また、ガス流量制御部１２、２２の開口部度の調整をＰＩＤ（比例積分微分）制御により行う場合、所定の流量に達する前の初期段階で開閉部Ｖ１２、Ｖ２２の開口度（ガス通路の開口面積）がオーバーシュートすることがある（所定の開口面積より大きくなること）。このオーバーシュートがある場合でも、反応ガス配管１１、２１のｂ領域に残留した反応ガスを無くすると、Ｖ１４、Ｖ２４からｂ領域を経由して送られる反応ガスが、ガス流量制御部１２、２２に達するときには、開口度のオーバーシュートは終了しており、反応ガスを安定した所定の流量で成膜反応室１に供給できるので、パーティクルの発生や核形成ステップによる薄いタングステン膜５７の不均一な成長を防止できる。
【００３０】
また、図示しないが、六フッ化タングステンとモノシランの各反応ガスについて、同時に真空排気を行うことなく、一方の反応ガスにおける真空排気の終了後、他方の反応ガスにおける真空排気を行うと、成膜反応室１内における各反応ガスの混在が避けられ、不要な反応が発生しないため、パーティクルの発生を抑制できる。
さらに、各反応ガスの真空排気の間に、成膜反応室１内へアルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ_２）等の不活性ガスを導入し、成膜反応室１内に残存する各反応ガスの置換を行うと、より各反応ガスの混在が低減され、処理時間も短縮することができる。
〔実施例２〕
図２は、この発明の第２実施例の半導体装置の製造方法を示す図であり、同図（ａ）から同図（ｅ）は工程順に示した要部工程断面図である。ここでは、タングステン膜によるビアホールの埋め込み工程の一例を示し、従来と異なるのは、口径の小さなビアホールにタングステン膜を埋め込む前工程の核形成プロセスである。
【００３１】
先ず、ウエハ５１上に第１配線６１を形成し、全面に層間絶縁膜５２を形成する。その後、層間絶縁膜５２の下層に存在する第１配線６１と上層に形成される図示しない第２配線６２（図２（ｄ））との接続を行うため、所定の位置に開口部５６ａを設けて、ビアホール（接続孔）を形成する。この開口部５６ａは、従来の開口部５６ｂの口径（１μｍ以上）と比べて小さく０．２μｍから０．５μｍ程度である（図２（ａ））。
つぎに、開口部５６ａを含む層間絶縁膜５２の全面を覆うように、チタン（Ｔｉ）膜５３、窒化チタン（ＴｉＮ）膜５４を形成する。これらチタン膜５３と窒化チタン膜５４から構成される積層膜は、一般に密着層５５と呼ばれ、密着性の低い層間絶縁膜５２とこれから形成するタングステン膜の間に介在させることにより、密着性を改善し、タングステン膜の膜剥がれ（ピーリング）を防止するために設けられるものである（図２（ｂ））。
【００３２】
ここまでの工程を終わった段階で、前記したように、第１ガス開閉バルブ１３、２３の開閉部Ｖ１３、Ｖ２３を開き、すでに動作している真空排気機構４により、成膜反応室１、真空排気配管３を介して、反応ガス配管１１、２１内に残留している六フッ化タングステンガスとモノシランガスを、第１ガス開閉バルブ１３、２３を経由してガス流量制御部１２、２２まで真空排気する。勿論、ガス流量制御部１２、２２の開閉部Ｖ１２、Ｖ２２を開けて第２ガス開閉バルブ１４、２４まで真空排気をしても構わない。この場合、反応ガス配管１１、２１のａ領域、ｂ領域の六フッ化タングステンガスとモノシランガスが排気されたらガス流量制御部１２、２２の開閉部Ｖ１２、Ｖ２２と第１ガス開閉バルブ１３、２３を閉じる。その後、図示しない真空搬送室で待機しているウエハ５１を図１の真空引きされている成膜反応室１内に搬送する。ここまでが核形成前の工程である。
【００３３】
つぎに、ガス開閉バルブ１３、２３を再度開いて、六フッ化タングステンガスとモノシランガスをそれぞれのガス流量制御部１２、２２でガス流量を制御して成膜反応室１に送る。成膜反応室１内において、タングステン膜５７を、六フッ化タングステン（ＷＦ_６）とモノシラン（ＳｉＨ_４）の還元反応により、前述のチタン膜５３と窒化チタン膜５４の積層された層上に、全面にわたり核形成による薄いタングステン膜５７を形成する。反応ガス配管１１、２１と成膜反応室１内を真空排気しているので、反応ガス配管１１、２１からの突発的なガスの流入（突発流）がなく、成膜反応室１内における各反応ガスの混在が避けられ、不要な反応が発生しないため、パーティクルの発生が防止できて、核形成によるタングステン膜５７が均一に形成される（図２（ｃ））。
【００３４】
つぎに、六フッ化タングステンと水素の還元反応成長により埋め込みタングステン膜５８を前記の核形成した薄い均一なタングステン膜５７上に形成する。このように、パーティクルのない均一な核形成によるタンクステン膜上に埋め込みタングステン膜を形成するため、０．２〜０．５μｍ程度の直径の微細化されたコンタクトホールやビアホール（開口部５６ａ）でも均一に埋めることができる。尚、この場合、水素の供給は、水素ガス配管を図１（ａ）の装置に追加して行う（図２（ｄ））。
つぎに、全面にわたり成膜されたタングステン膜５７、５８は、例えば、ドライエッチング技術により、平坦部での窒化チタン膜５４をストッパーとして、窒化チタン５４の表面が露出するまで、タングステン膜５７、５８を除去し、開口部５６ａ内にのみタングステン膜５７、５８（タングステンプラグ）が残存する形とする。その後、上層の第２配線６２として、スパッタリング法により、アルミニウム合金系の膜を堆積し、周知のフォトリソグラフィ技術と、ドライエッチング技術を用いてアルミニウム合金系の膜と、窒化チタン膜５４、チタン膜５３を所定の形状に加工して、第２配線６２を形成する。尚、ドライエッチング技術の代わりに化学機械研磨法（ＣＭＰ）により、タングステン膜５８を平坦化する場合はストッパーとして前記のＴｉＮ膜５４の代わりに酸化膜（ＳｉＯ_２）を用いる（同図（ｅ））。
【００３５】
図３は、図２（ｄ）のＡ部拡大図である。図中の点線の５８ａはタングステン膜５８の形成の途中段階であり、５８ｂは形成終了時の状態を示す。薄いタングステン膜５７の形成時にパーティクルや、不均一な膜成長が発生しないため、その後に埋め込むタングステン膜５８の形成が均一に行われ、開口部５６ａに空洞ができることがない。また、図示しないが、核成長の薄いタングステン膜５７が均一に成長するため、埋め込むタングステン膜５８の形成が均一に行われる。
このように、空洞がなく、均一に埋め込むタングステン５８を成長させることができるので、微細化されたコンタクトホールやビアホールを介して接続する第１配線と第２配線を接続するプラグ（接続部）の接続抵抗を低くでき、また、プラグの信頼性を高めることができる。
〔実施例３〕
図４は、この発明の第３実施例の半導体装置の製造装置と製造方法を説明する図である。
【００３６】
図１との違いは、ガス流量制御部１２、２２をバイパス（迂回）するバイパス用ガス配管１５、２５とこの配管経路にバイパス用ガス開閉バルブ１６、２６を設けた点である。
ガス配管１１、２１は温度制御されているが、ガス配管１１、２１の温度が下がり反応ガスが液化する場合がある。より具体的には、六フッ化タングステンは常温において液化ガスであり、完全な温度制御が不可能なガス流量制御部１２、２２やガス開閉バルブで液化する場合がある。この液化したものがガス流量制御部１２、２２の経路に付着し経路を詰まらせることがある。よって、できるだけガス流量制御部１２、２２に反応ガスを通さずに行うことが望ましい。
【００３７】
本実施例は、排気の際に反応ガスがガス流量制御部１２、２２を通さずに排気される場合である。
図４のバイパス用ガス開閉バルブ１６、２６を第１ガス開閉バルブ１３、２３と同時に開くことで、図２（ｃ）の予備段階で、反応ガス配管１１、２１のｂ領域に存在する六フッ化タングステンガスとモノシランガスをＶ１２、Ｖ２２を閉じた状態でもバイパス用ガス配管１５、２５を介してに抜き取ることができる。つまり、ガス流量制御部１２、２２を経由することなく、ｂ領域の六フッ化タングステンガスとモノシランガスを排気できる。この方法では、成膜する際に反応ガスを成膜反応室１に送る場合のみガス流量制御部１２、２２が使われるので、ガス流量制御部１２、２２内の経路が詰まる頻度を減らすことができる。これは製造工程の短縮と低コスト化に繋がる。
【００３８】
成膜する前に、六フッ化タングステンガスとモノシランガスがａ領域およびｂ領域に存在しないため、ガス配管１１、２１のａ領域内に封じ込められた反応ガスが成膜反応室１内へ突発的に流れ込むことを防止でき第１実施例の開閉部Ｖ１２、２２を開いて排気する場合と同様にパーティクルの発生や不均一な膜成長を抑制することができる。
また、第１実施例で説明したように、六フッ化タングステンとモノシランの各反応ガスについて、同時に真空排気を行うことなく、一方の反応ガスにおける真空排気の終了後、他方の反応ガスにおける真空排気を行うか、あるいは、各反応ガスの真空排気の間に、成膜反応室１内へ不活性ガスを導入し、成膜反応室１内に残存する各反応ガスの置換を行うと、成膜反応室１内における各反応ガスの混在を避けることができるため、第１実施例と同様な効果が得られる。
〔実施例４〕
図５は、この発明の第４実施例の半導体装置の製造装置と製造方法を説明する図である。
【００３９】
図１との違いは、成膜反応室１をバイパス（迂回）するバイパス用ガス配管１７、２７とこの配管経路にバイパス用ガス開閉バルブ１８、２８を設けた点である。
このバイパス用ガス開閉バルブ１８、２８を開くことで、成膜反応室１を経由することなく、反応ガス配管１１、２１のａ領域に存在する六フッ化タングステンガスおよびモノシランガスを図２（ｃ）の予備段階で効率よく抜き取ることができる。そのため、ａ領域に残留する六フッ化タングステンガスとモノシランガスを低減できる。また、排気時間も短縮できるため製造コストを低減できる。
【００４０】
また、このような構成とすることにより、各反応ガス配管内に残留する反応ガスは、成膜反応室１内を介することなく、直接、真空排気配管３を通して、真空排気機構４により真空排気することが可能となるため、成膜反応室１内において、各反応ガスが混在することによる不要な反応を防止することができる。
〔実施例５〕
図６は、この発明の第５実施例の半導体装置の製造装置と製造方法を説明する図である。
図１との違いは、ガス流量制御部１２、２２をバイパス（迂回）するバイパス用ガス配管１５、２５とこの配管経路にバイパス用ガス開閉バルブ１６、２６を設け、さらに成膜反応室１をバイパスするバイパス用ガス配管１７、２７とこの配管経路にバイパス用ガス開閉バルブ１８、２８を設けた点である。
【００４１】
この構成とすることで、第３実施例、第４実施例の効果を併せ持ち、各反応ガス配管１１、２１内に残留する反応ガスは、成膜反応室１を介することなく、直接、真空排気配管３を通して、真空排気機構４により真空排気することで、突発流が防止され、また、成膜反応室１内において、各反応ガスが混在することによる不要な反応を回避することができて、パーティクルの発生を抑制することができる。また、成膜反応室１内における各反応ガスの混在を防止する各ステップが不要となるため、処理時間を短縮することが可能で、スループットを向上させることができる。
【００４２】
前記の実施例は六フッ化タングステンガスとモノシランガスを用いたタングステン膜５７を形成することを例として挙げたが、同様の方法でモノシランガスを用いてポリシリコン膜を形成する場合にも適用できる。この場合は、図７に示すように、本発明を適用する反応ガス配管としては１本（１系統）である。
このように、反応ガスの種類の数に相当した本数のガス配管（ガス系統）を設置し、前記と同様に成膜させる前にガス配管内の反応ガスを除去し、その後、ガス流量制御部を経由した反応ガスを成膜反応室に送り、半導体基板上へ成膜することで、微細化されたコンタクトホールやビアホール内を均一で高い信頼性の埋め込み膜で充填することができる。
【００４３】
【発明の効果】
この発明によれば、化学的気相成長法を用いた成膜方法において、ガス配管に残留した反応ガスを予め除去することで、反応過程で発生するパーティクルの発生を防止し、核形成ステップにより形成される成膜の均一化を図り、微細化されたコンタクトホールおよびビアホール内に埋め込まれる膜の均一化と高信頼性化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例の半導体装置の製造装置と製造方法を説明する図であり、（ａ）は成膜装置の要部構成図、（ｂ）は製造手順を示すシーケンス図
【図２】この発明の第２実施例の半導体装置の製造方法を示す図であり、（ａ）から（ｅ）は工程順に示した要部工程断面図
【図３】図２（ｄ）のＡ部拡大図
【図４】この発明の第３実施例の半導体装置の製造装置と製造方法を説明する図
【図５】この発明の第４実施例の半導体装置の製造装置と製造方法を説明する図
【図６】この発明の第５実施例の半導体装置の製造装置と製造方法を説明する図
【図７】ポリシリコン膜を形成する場合の半導体装置の製造装置（１系統）の図
【図８】従来のタングステン膜によるビアホールの埋め込み工程の一例を示す図で、（ａ）から（ｅ）は工程順に示す要部工程断面図
【図９】図８（ｄ）のＢ部拡大図
【図１０】従来方法で成膜した図
【図１１】従来の半導体装置の製造装置の製造装置と製造方法を説明する図であり、（ａ）は成膜装置の要部構成図、（ｂ）は製造手順を示すシーケンス図
【符号の説明】
１成膜反応室
２支持台
３真空排気管
４真空排気機構
１１反応ガス配管（第１系統）
１２ガス流量制御部（第１系統）
１３第１ガス開閉バルブ（第１系統）
１４第２ガス開閉バルブ（第１系統）
１５バイパス用ガス配管（第１系統）
１６バイパス用ガス開閉バルブ（第１系統）
１７バイパス用ガス配管（第１系統）
１８バイパス用ガス開閉バルブ（第１系統）
２１反応ガス配管（第２系統）
２２ガス流量制御部（第２系統）
２３第１ガス開閉バルブ（第２系統）
２４第２ガス開閉バルブ（第２系統）
２５バイパス用ガス配管（第２系統）
２６バイパス用ガス開閉バルブ（第２系統）
２７バイパス用ガス配管（第２系統）
２８バイパス用ガス開閉バルブ（第２系統）
５１ウエハ
５２層間絶縁膜
５３Ｔｉ（チタン）膜
５４ＴｉＮ（窒化チタン）膜
５５密着層
５６コンタクトホール／ビアホール
５６ａ開口部
５７タングステン膜（核形成）
５８タングステン膜（埋め込み）
５８ａ、５８ｂタングステン膜（形成過程）
６１第１配線
６２第２配線
Ｖ４真空排気機構の開閉部
Ｖ１２ガス流量制御部の開閉部（第１系統）
Ｖ１３第１ガス開閉バルブの開閉部（第１系統）
Ｖ１４第２ガス開閉バルブの開閉部（第１系統）
Ｖ１６バイパス用ガス開閉バルブの開閉部（第１系統）
Ｖ１８バイパス用ガス開閉バルブの開閉部（第１系統）
Ｖ２２ガス流量制御部の開閉部（第２系統）
Ｖ２３第１ガス開閉バルブの開閉部（第２系統）
Ｖ２４第２ガス開閉バルブの開閉部（第２系統）
Ｖ２６バイパス用ガス開閉バルブの開閉部（第２系統）
Ｖ２８バイパス用ガス開閉バルブの開閉部（第２系統）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and an apparatus for manufacturing a semiconductor device in which a tungsten film or the like is formed on a semiconductor substrate using a chemical vapor deposition method.
[0002]
[Prior art]
In recent years, semiconductor devices have been miniaturized and multi-layered due to high integration, and contact holes (connection holes between electrodes and semiconductor layers) and via holes (multi-layer wiring) for connecting these wirings have been made. Connection holes for connecting comrades have also been miniaturized.
Conventionally, such contact holes and via holes have been mainly buried by an aluminum alloy sputtering method. However, due to miniaturization, contact holes and via holes are not completely filled by sputtering. Problems have arisen such as poor conduction and reduced connection reliability at this point.
[0003]
Therefore, the contact holes that are miniaturized and the via holes are filled with a tungsten film by chemical vapor deposition, and then etched over the front surface by etching or chemical mechanical polishing, that is, by CMP, A tungsten plug process forming technique for leaving a tungsten film only in the via hole has been used.
FIG. 8 is a diagram showing an example of a via hole filling process using a tungsten film, and FIGS. 8A to 8E are cross-sectional views of main parts shown in the order of the processes.
FIG. 11 is a sequence showing a configuration of a conventional film forming apparatus and a film forming procedure. FIG. 11A is a block diagram of the apparatus, FIG. 11B is a diagram showing the sequence, and FIG. It is a figure which shows the time change of. FIG. 4B shows the opening / closing parts V13, V23, V14, V24 of the gas opening / closing valves 13, 23, 14, 24, the opening / closing parts V12, V22 of the gas flow rate control parts 12, 22, and the vacuum exhaust mechanism 4. The sequence of opening / closing of the opening / closing part V4 is shown, and FIG. 8C shows a sudden flow of the reaction gas generated at the moment when V13 and V23 are opened.
[0004]
In FIG. 8, first, a first wiring 61 is formed on a wafer 51 (semiconductor substrate), and an interlayer insulating film 52 is formed on the entire surface. Thereafter, an opening 56b is provided at a predetermined position in order to connect the first wiring 61 existing below the interlayer insulating film 52 and the second wiring 62 (not shown) formed in the upper layer (FIG. 4D). Then, a via hole (connection hole) is formed. The aperture 56b has a diameter of about 1 μm or more ((a) in the figure).
Next, a titanium (Ti) film 53 and a titanium nitride (TiN) film 54 are formed so as to cover the entire surface of the interlayer insulating film 52 including the opening 56b. The laminated film composed of the titanium film 53 and the titanium nitride film 54 is generally referred to as an adhesion layer 55, and the adhesion is improved by interposing between the interlayer insulating film 52 having low adhesion and a tungsten film to be formed. It is provided in order to improve and prevent film peeling (peeling) of the tungsten film ((b) in the figure).
[0005]
At the stage where the steps so far are completed, the wafer 51 is transferred to a vacuum transfer chamber (not shown) adjacent to the film formation reaction chamber 1 in FIG. 11A, and the vacuum transfer chamber is evacuated. Thereafter, the wafer 51 is set on the support 2 of the film formation reaction chamber 1 that has already been evacuated.
Thereafter, in order to cause the reaction with tungsten hexafluoride and monosilane, the first gas on-off valves 13, 23, the on-off parts V12, V22 of the gas flow rate control units 12, 22 and the second gas on-off valves 14, 24 are opened. Tungsten hexafluoride gas and monosilane gas are sent to the film formation reaction chamber 1. In the film formation reaction chamber 1, tungsten hexafluoride (WF) ₆ ) And monosilane (SiH) ₄ ) To form a thin tungsten film 67 by nucleation over the entire surface of the laminated layer of the titanium film 53 and the titanium nitride film 54 (FIG. 3C).
[0006]
Next, a buried tungsten film 68 is formed on the thin uniform tungsten film 67 having the nucleus formed by reduction reaction growth of tungsten hexafluoride and hydrogen ((d) in the figure).
Next, the tungsten films 67 and 68 formed over the entire surface are formed by, for example, dry etching technique using the titanium nitride film 54 in the flat portion as a stopper until the surface of the titanium nitride 54 is exposed. The tungsten films 67 and 68 (tungsten plugs) remain only in the opening 56b. After that, an aluminum alloy film is deposited as the upper second wiring 62 by sputtering, and the aluminum alloy film, titanium nitride film 54, titanium film are deposited using a well-known photolithography technique and dry etching technique. The second wiring 62 is formed by processing 53 into a predetermined shape. When the tungsten film 68 is planarized by chemical mechanical polishing (CMP) instead of the dry etching technique, an oxide film (SiO 2) is used instead of the TiN film 54 as a stopper. ₂ ) Is used ((e) in the figure).
[0007]
In the step (c) in the figure, the tungsten film 67 is usually slightly grown by the reduction reaction using tungsten hexafluoride and monosilane prior to the reduction reaction growth of tungsten hexafluoride and hydrogen. For example, a tungsten film (corresponding to FIG. 4D) is directly formed on the adhesion layer 55 in which the titanium film 53 and the titanium nitride film 54 are laminated by only a reduction reaction using tungsten hexafluoride and hydrogen. When the tungsten film 68) is grown, although the specific resistance of the tungsten film is lowered, the tungsten film does not start growing for a certain period of time in the initial stage of film formation, and a state where the growth stops (so-called incubation time) occurs. It becomes. Further, even if the growth of the tungsten film on the adhesion layer 55 starts, the tungsten film undergoes an abnormal growth very sensitive to the surface state on the adhesion layer 55, and has a non-uniform growth process in an island shape. Will follow.
[0008]
On the other hand, in the reduction reaction using tungsten hexafluoride and monosilane as shown in FIG. 5C, a small amount of silicon is contained in the tungsten film 67 in the reaction process, so that the specific resistance increases. On the adhesion layer 55 described above, a very uniform film can be formed. As a result, the growth of the tungsten film 68 using tungsten hexafluoride and hydrogen, which has been difficult to achieve uniform film growth, has a slight film thickness formed uniformly on the adhesion layer 55 using tungsten hexafluoride and monosilane. By using the tungsten film 67 as a base, it is possible to proceed uniformly.
[0009]
For this reason, the reduction reaction using tungsten hexafluoride and monosilane is generally called a tungsten film nucleation step and is a very important step for the growth process of the tungsten film 68 by chemical vapor deposition. . Further, in this nucleation step of the tungsten film 67, in order to improve the step coverage (coverability), hydrogen may be slightly added and grown.
Thereafter, as shown in FIG. 4D, the tungsten film 68 is grown over the entire surface by reacting tungsten hexafluoride gas with hydrogen gas, so that the openings 56b can be filled uniformly.
[0010]
As another example, as a conductive plug for improving the step coverage of a contact hole having a high aspect ratio, WN, TiN, TaN or the like is deposited as a barrier metal on the side surface of the contact hole by a CVD method. WF up ₆ , SiH ₄ , H ₂ A tungsten nucleation film is formed by supplying this reactive gas, and a tungsten buried film is formed on the tungsten nucleation film. The nucleation film process and the buried film process have a gas introduction step and a gas exhaust step, and a method is disclosed in which both steps are alternately repeated a plurality of times to obtain a desired film thickness (for example, patents). Reference 1).
[0011]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-93746
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
In the method of forming a tungsten film by the chemical vapor deposition method described above with reference to FIG. 8, tungsten hexafluoride and monosilane are formed prior to the reduction reaction of tungsten hexafluoride and hydrogen in order to form a uniform film. The tungsten nucleation step is important.
In particular, contact holes and via holes in which tungsten films should be embedded have been miniaturized in recent years, and tungsten films grown in a nucleation step with tungsten hexafluoride and monosilane have high specific resistance. It is necessary to further reduce the film thickness while ensuring the same underlayer effect as in the case of, and to reduce the ratio of the film thickness in the fine contact holes and via holes.
[0013]
FIG. 9 is an enlarged view of a portion B in FIG. As shown in FIG. 9, when the contact hole to be filled and the via hole are relatively large (when the aspect ratio is small), the tungsten film 67 grown by the above-described nucleation step is nonuniform in the initial stage of film formation due to generation of particles. Even so, since the tungsten film 68 to be buried is thick, the tungsten film 68 grown using the tungsten film 68 as a base becomes inconspicuous in non-uniformity as it grows, and there is no problem.
The non-uniformity of the tungsten film 67 in this nucleation step is caused as follows.
[0014]
First, in a state in which the inside of the film formation reaction chamber 1 is evacuated before the start of the process of FIG. 8C, the reaction gas pipes 11 and 21 of the gas flow rate control units 12 and 22 from the gas on-off valves 13 and 23 of FIG. Reaction of tungsten hexafluoride and monosilane in the a region, the b region of the reaction gas pipes 11 and 21 and the c region of the reaction gas pipes 11 and 21 from the gas flow rate control units 12 and 22 to the gas on-off valves 14 and 24, respectively. The gas remains contained. This is because the state where the previous step of forming the tungsten film 68 is completed is maintained as it is.
In this state, the opening and closing portions V13 and V14 of the first and second gas opening and closing valves 13 and 14 of tungsten hexafluoride, the opening and closing portions V23 and V24 of the first and second gas opening and closing valves 23 and 24 of monosilane, and the gas flow rate. Opening and closing parts V12 and V22 of the control parts 12 and 22 are opened, and each reaction into the film formation reaction chamber 1 is performed while controlling the gas flow rate by the gas flow rate control part 12 of tungsten hexafluoride and the gas flow rate control part 22 of monosilane. When gas is supplied and the tungsten film nucleation step is performed, the reaction gas confined in the region a of the reaction gas pipes 11 and 21 suddenly flows into the film formation reaction chamber 1 at the moment when V13 and V23 are opened. It will be. In this case, since the reaction between tungsten hexafluoride and monosilane is extremely active, the generation of particles accompanying an abrupt gas phase reaction or abnormal nuclei growth accompanying island-like growth occurs, and the tungsten film 67 becomes inefficient. It becomes uniform.
[0015]
However, if the contact hole or via hole is large, the underlying film (tungsten film 67) for the subsequent growth of tungsten film 68 of tungsten hexafluoride and hydrogen is sufficient to the extent that the influence of these defects can be ignored. Can be thickened.
On the other hand, when contact holes and via holes are miniaturized, the tungsten film grown by the nucleation step cannot be thickened until the non-uniformity is eliminated. In order to form a film, as shown in FIG. 10, the filling is incomplete, the upper part of the opening of the C part is blocked, and the buried tungsten film 68 becomes abnormally thin at the bottom of the contact hole or via hole. Continuity failure (abnormal increase in wiring resistance) or a cavity 71 (nest) is formed in the contact hole or via hole, and the reliability of the connection portion between the first wiring 61 and the second wiring 62 is reduced. .
[0016]
The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, to make the film formed by the nucleation step uniform, to make the buried film uniform in the miniaturized contact hole and via hole and to provide high reliability of wiring An object of the present invention is to provide a manufacturing method and a manufacturing apparatus for a semiconductor device that can be realized.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, a film formation reaction chamber for forming a film using chemical vapor deposition, a gas pipe for supplying a reactive gas to the film formation reaction chamber, and a path for the gas pipe In a manufacturing method of a semiconductor device for forming a film on a semiconductor substrate using a manufacturing apparatus provided with a gas flow rate control unit arranged, the film formation reaction chamber, the film formation reaction chamber, the gas flow rate control unit, After the gas removal step of removing the reactive gas from the inside of the gas pipe, the semiconductor substrate is placed in the reaction chamber and a film is formed on the semiconductor substrate.
[0018]
Further, a film formation reaction chamber for performing film formation using chemical vapor deposition, a gas pipe for supplying a reactive gas to the film formation reaction chamber, and a gas flow rate control unit disposed in the path of the gas pipe An exhaust pipe for exhausting reactive gas from the film formation reaction chamber, an exhaust mechanism provided in the exhaust pipe, and a gas pipe between the film formation reaction chamber and the gas flow rate control unit. Film formation on a semiconductor substrate using a manufacturing apparatus including the first gas on-off valve and a second gas on-off valve provided on the opposite side of the first gas on-off valve and the gas flow rate control unit. In the semiconductor device manufacturing method to be performed, the first open / close valve is opened, the second gas open / close valve is closed, and the reaction gas flow is stopped by the gas flow rate control unit. In the gas piping between the reaction chamber and the gas flow control unit And removing the reactive gas.
[0019]
Further, a film formation reaction chamber for performing film formation using chemical vapor deposition, a gas pipe for supplying a reactive gas to the film formation reaction chamber, and a gas flow rate control unit disposed in the path of the gas pipe An exhaust pipe for exhausting reactive gas from the film formation reaction chamber, an exhaust mechanism provided in the exhaust pipe, and a gas pipe between the film formation reaction chamber and the gas flow rate control unit. Film formation on a semiconductor substrate using a manufacturing apparatus including the first gas on-off valve and a second gas on-off valve provided on the opposite side of the first gas on-off valve and the gas flow rate control unit. In the method for manufacturing a semiconductor device to be performed, the first open / close valve is opened and the second gas open / close valve is closed, and the exhaust mechanism causes the film formation reaction chamber and the reaction chamber and the second gas open / close valve to The reactive gas in the gas pipe is removed.
[0020]
Further, a film formation reaction chamber for performing film formation using chemical vapor deposition, a gas pipe for supplying a reactive gas to the film formation reaction chamber, and a gas flow rate control unit disposed in the path of the gas pipe An exhaust pipe for exhausting reactive gas from the film formation reaction chamber, an exhaust mechanism provided in the exhaust pipe, and a gas pipe between the film formation reaction chamber and the gas flow rate control unit. A first gas on-off valve, a second gas on-off valve provided on the opposite side of the first gas on-off valve and the gas flow rate control unit, and the first gas on-off valve and the second gas on-off valve On a semiconductor substrate using a manufacturing apparatus including a first bypass gas pipe provided in parallel with the gas flow rate control unit and a third gas on-off valve provided in the first bypass gas pipe. In the method of manufacturing a semiconductor device in which film formation is performed, And the second gas on / off valve is closed and the gas flow rate control unit stops the reaction gas flow, and the exhaust mechanism causes the film formation reaction chamber and the reaction chamber and the second gas to be opened and closed. The reactive gas in the gas piping between the valve and the valve is removed.
[0021]
Further, the manufacturing apparatus includes a second bypass gas pipe in parallel with the film formation reaction chamber between the first gas opening / closing valve and the exhaust mechanism, and a fourth bypass gas pipe provided in the second bypass gas pipe. A gas on-off valve, and the first gas on-off valve, the third gas on-off valve, and the fourth on-off valve are opened, the second gas on-off valve is closed, and the reaction gas flow is stopped by the gas flow rate control unit, The reactive gas in the film forming reaction chamber and the gas pipe between the reaction chamber and the second gas opening / closing valve is removed by the exhaust mechanism.
Further, a film formation reaction chamber for performing film formation using chemical vapor deposition, a gas pipe for supplying a reactive gas to the film formation reaction chamber, and a gas flow rate control unit disposed in the path of the gas pipe An exhaust pipe for exhausting reactive gas from the film formation reaction chamber, an exhaust mechanism provided in the exhaust pipe, and a gas pipe between the film formation reaction chamber and the gas flow rate control unit. Between the first gas on-off valve, the second gas on-off valve provided on the opposite side of the first gas on-off valve and the gas flow rate control unit, and the exhaust mechanism between the first gas on-off valve and the exhaust mechanism Using a manufacturing apparatus including a second bypass gas pipe provided in parallel with the film formation reaction chamber and a fourth gas opening / closing valve provided in the second bypass gas pipe, the film is formed on the semiconductor substrate. In the method of manufacturing a semiconductor device, the first on-off valve and the fourth With the open / close valve opened, the second gas open / close valve closed, and the reaction gas flow stopped by the gas flow rate control unit, the exhaust mechanism causes the film formation reaction chamber and the reaction chamber and the second gas open / close valve to The reactive gas in the gas pipe is removed.
[0022]
As a manufacturing apparatus, a film formation reaction chamber for forming a film using chemical vapor deposition, a gas pipe for supplying a reactive gas to the film formation reaction chamber, and a gas flow rate arranged in the path of the gas pipe A control unit, an exhaust pipe for exhausting a reactive gas from the film formation reaction chamber, an exhaust mechanism provided in the exhaust pipe, and the gas pipe between the film formation reaction chamber and the gas flow rate control unit. A provided first gas on-off valve, a second gas on-off valve provided on the opposite side of the first gas on-off valve and the gas flow rate control unit, the first gas on-off valve, and the second gas on-off valve The first bypass gas pipe provided in parallel with the gas flow rate control unit and the third gas on-off valve provided in the first bypass gas pipe are provided.
[0023]
The manufacturing apparatus includes a second bypass gas pipe provided in parallel with the film formation reaction chamber between the first gas on-off valve and the exhaust mechanism, and the second bypass gas pipe. And a fourth gas on-off valve.
Further, a film formation reaction chamber for performing film formation using chemical vapor deposition, a gas pipe for supplying a reactive gas to the film formation reaction chamber, and a gas flow rate control unit disposed in the path of the gas pipe An exhaust pipe for exhausting reactive gas from the film formation reaction chamber, an exhaust mechanism provided in the exhaust pipe, and a gas pipe between the film formation reaction chamber and the gas flow rate control unit. Between the first gas on-off valve, the second gas on-off valve provided on the opposite side of the first gas on-off valve and the gas flow rate control unit, and the exhaust mechanism between the first gas on-off valve and the exhaust mechanism It is assumed that a second bypass gas pipe provided in parallel with the film formation reaction chamber and a fourth gas on-off valve provided in the second bypass gas pipe are provided.
[Action]
In growing a tungsten film by chemical vapor deposition, the tungsten film grown in the nucleation step is important. In this nucleation step, a tungsten film slightly containing silicon is mainly grown on the adhesion layer of Ti and TiN by using a reduction reaction with tungsten hexafluoride and monosilane, which is used in this step. Tungsten hexafluoride and monosilane gas are extremely reactive, so it is easy for particles and abnormal growth to occur due to rapid reaction. This rapid reaction is based on the gas opening and closing valve and gas flow rate in the immediate vicinity of the deposition reaction chamber. The reaction gas remaining in the short gas pipe with the control unit is caused by instantaneously flowing into the film formation reaction chamber (sudden flow) when the latest gas opening / closing valve is opened.
[0024]
For this reason, in the present invention, the reaction gas remaining in the gas pipe is drawn in advance to make the residual gas extremely low, and then the reaction gas is supplied to the film formation reaction chamber via the gas flow rate control unit. Form a gentle film without flow.
By gently forming the film without sudden flow, generation of particles and abnormal growth can be suppressed, and the miniaturized contact holes and via holes can be filled with a uniform tungsten film.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Moreover, the same code | symbol was attached | subjected to the location same as the past.
[Example 1]
1A and 1B are diagrams for explaining a semiconductor device manufacturing apparatus and a manufacturing method according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a main part configuration diagram of a film forming apparatus, and FIG. FIG.
In FIG. 2A, a film forming apparatus includes a first system tungsten hexafluoride reactive gas pipe 11 (range of dotted line), a gas flow rate control unit 12, a first gas on-off valve 13 (V13), and a second gas. An on-off valve 14 (V14), a second-system monosilane reaction gas pipe 21 (in the range of the dotted line), a gas flow rate control unit 22, a first gas on-off valve 23 (V23), and a second gas on-off valve 24 (V24) The first reaction gas piping 11 and the second reaction gas piping 11, 21 are connected to each other, the film formation reaction chamber 1, the support 2 on which the wafer 51 is placed, the vacuum exhaust piping 3, and the vacuum exhaust mechanism 4. Yes. The gas flow rate control units 12 and 22 are provided with opening / closing units V12 and V22 that adjust the opening degree of the gas path (adjust the flow rate by freely setting the state from the fully closed state to the fully open state).
[0026]
The film forming method will be described with reference to FIG. Here, the description will focus on the process of FIG. The entire manufacturing process will be described later.
On the basis of the sequence of FIG. 1B, the opening / closing parts V13, V23 of the first gas opening / closing valves 13, 23 are opened, and the opening / closing part V4 is already open and the vacuum evacuation mechanism 4 performs the evacuation operation. 1. Vacuum the tungsten hexafluoride gas and the silane gas remaining in the reaction gas pipe 11 through the vacuum exhaust pipe 3 to the gas flow rate control units 12 and 22 through the first gas on-off valves 13 and 23. Exhaust.
Thereafter, the open / close portions V13 and V23 of the first gas open / close valves 13 and 23 are closed, and a vacuum reaction chamber (not shown) for the wafer 51 (semiconductor substrate) after the process of FIG. Via.
[0027]
Next, the opening and closing parts V13 and V23 of the first gas opening and closing valves 13 and 14, the opening and closing parts V14 and V24 of the second gas opening and closing valves 14 and 24, and the opening and closing parts V12 and 22 of the gas flow rate control parts 12 and 22 are opened. Then, tungsten hexafluoride gas and monosilane gas are sent to the film formation reaction chamber 1 through the reaction gas pipes 11 and 21 of the first system 11 and the second system 21 to form nuclei as shown in the process of FIG. A thin tungsten film 57 is formed on the adhesion layer film 55.
Thus, after removing the tungsten hexafluoride gas and the monosilane gas remaining in the region a of the reaction gas pipes 11 and 21, the tungsten hexafluoride gas whose flow rate is controlled through the gas flow rate control units 12 and 22 is used. The monosilane gas is sent to the film formation reaction chamber 1. Therefore, a sudden flow does not flow as in the prior art, and the tungsten film 57, which is a base film without particles, can be formed uniformly and thinly by a gradual reaction. Accordingly, the tungsten film 58 for subsequent filling can uniformly fill the miniaturized opening 56a without generating a cavity.
[0028]
In the formation of the thin tungsten film 67 by the nucleation step, the flow ratio of tungsten hexafluoride to monosilane is preferably about 1: 0.5 in order to suppress generation of particles and grow the film uniformly.
Further, when the time between t2 and t3 in FIG. 1B is long, tungsten hexafluoride gas and monosilane gas in the b region of the reaction gas pipe 11 are slightly in the a region via the gas flow rate control units 12 and 22. May leak. Therefore, as shown by the thin line A in the V12 and V22 opening / closing sequence, the gas flow rate control units 12 and 22 are opened and opened simultaneously with the opening and closing parts V13 and V23 of the first gas opening and closing valves 13 and 23. Thus, the residual reaction gas that slightly leaks from the b region to the a region is eliminated by evacuating the region b to the second gas opening / closing valves 14 and 24 via the gas flow rate control units 12 and 22.
[0029]
When there is no residual reaction gas leaking slightly from the region b, the residual gas remaining in the region a, that is, the remaining tungsten hexafluoride gas and monosilane gas can be further reduced. In this case, when the tungsten hexafluoride gas and the monosilane gas remaining in the region b disappear, the open / close portions V12 and V22 of the gas flow rate control units 12 and 22 are closed as indicated by a thin line A.
Further, when the opening degree of the gas flow rate control units 12 and 22 is adjusted by PID (proportional integral differentiation) control, the opening degree of the opening and closing parts V12 and V22 (opening of the gas passage) at an initial stage before reaching a predetermined flow rate. Area) may overshoot (become larger than a predetermined opening area). Even if this overshoot exists, if the reaction gas remaining in the b region of the reaction gas pipes 11 and 21 is eliminated, the reaction gas sent from V14 and V24 via the b region to the gas flow rate control units 12 and 22 When reaching, the overshoot of the opening degree is finished, and the reaction gas can be supplied to the film formation reaction chamber 1 at a stable predetermined flow rate, so that the thin tungsten film 57 is unevenly grown by the generation of particles and the nucleation step. Can be prevented.
[0030]
Although not shown in the drawings, when each of the reaction gases of tungsten hexafluoride and monosilane is not evacuated at the same time, and after the evacuation of one reaction gas is completed, the other reaction gas is evacuated. Mixing of each reaction gas in the reaction chamber 1 is avoided, and unnecessary reaction does not occur, so that generation of particles can be suppressed.
Further, during the vacuum evacuation of each reaction gas, argon (Ar), nitrogen (N ₂ When an inert gas such as) is introduced and the reaction gas remaining in the film formation reaction chamber 1 is replaced, the mixture of the reaction gases is further reduced and the processing time can be shortened.
[Example 2]
FIG. 2 is a view showing a method of manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention. FIG. 2 (a) to FIG. Here, an example of a process for filling a via hole with a tungsten film is shown. What is different from the conventional process is a nucleation process in a previous process for filling a tungsten film in a via hole with a small diameter.
[0031]
First, the first wiring 61 is formed on the wafer 51, and the interlayer insulating film 52 is formed on the entire surface. Thereafter, an opening 56a is provided at a predetermined position in order to connect the first wiring 61 existing below the interlayer insulating film 52 and the second wiring 62 (not shown) formed in the upper layer (FIG. 2D). Then, a via hole (connection hole) is formed. The opening 56a is smaller than the diameter (1 μm or more) of the conventional opening 56b and is about 0.2 μm to 0.5 μm (FIG. 2A).
Next, a titanium (Ti) film 53 and a titanium nitride (TiN) film 54 are formed so as to cover the entire surface of the interlayer insulating film 52 including the opening 56a. The laminated film composed of the titanium film 53 and the titanium nitride film 54 is generally referred to as an adhesion layer 55, and the adhesion is improved by interposing between the interlayer insulating film 52 having low adhesion and a tungsten film to be formed. It is provided to improve and prevent peeling (peeling) of the tungsten film (FIG. 2B).
[0032]
At the stage where the steps so far have been completed, as described above, the open / close parts V13, V23 of the first gas open / close valves 13, 23 are opened, and the film-forming reaction chamber 1, vacuum is already opened by the already operated vacuum exhaust mechanism 4. The tungsten hexafluoride gas and monosilane gas remaining in the reaction gas pipes 11 and 21 are evacuated to the gas flow rate control units 12 and 22 via the first gas on-off valves 13 and 23 via the exhaust pipe 3. To do. Of course, the open / close parts V12, V22 of the gas flow rate control parts 12, 22 may be opened and the second gas open / close valves 14, 24 may be evacuated. In this case, when the tungsten hexafluoride gas and the monosilane gas in the a region and b region of the reaction gas pipes 11 and 21 are exhausted, the opening / closing parts V12 and V22 of the gas flow rate control parts 12 and 22 and the first gas opening and closing valves 13 and 23 are set. close. Thereafter, the wafer 51 waiting in a vacuum transfer chamber (not shown) is transferred into the vacuum-deposited film formation reaction chamber 1 shown in FIG. This is the process before nucleation.
[0033]
Next, the gas on-off valves 13 and 23 are opened again, and the tungsten hexafluoride gas and the monosilane gas are sent to the film formation reaction chamber 1 by controlling the gas flow rate by the gas flow rate control units 12 and 22 respectively. In the film formation reaction chamber 1, the tungsten film 57 is made of tungsten hexafluoride (WF). ₆ ) And monosilane (SiH) ₄ ) To form a thin tungsten film 57 by nucleation over the entire surface of the laminated layer of the titanium film 53 and the titanium nitride film 54. Since the reaction gas pipes 11 and 21 and the inside of the film formation reaction chamber 1 are evacuated, there is no sudden inflow of gas from the reaction gas pipes 11 and 21 (explosive flow), Mixing of reaction gases is avoided, and unnecessary reactions do not occur, so that generation of particles can be prevented and a tungsten film 57 is formed uniformly by nucleation (FIG. 2C).
[0034]
Next, a buried tungsten film 58 is formed on the thin uniform tungsten film 57 having the nucleus formed by reduction reaction growth of tungsten hexafluoride and hydrogen. Thus, in order to form a buried tungsten film on the tank stainless film by uniform nucleation without particles, even a contact hole or via hole (opening 56a) with a diameter of about 0.2 to 0.5 μm is used. Can be filled uniformly. In this case, hydrogen is supplied by adding a hydrogen gas pipe to the apparatus shown in FIG. 1A (FIG. 2D).
Next, the tungsten films 57 and 58 formed over the entire surface are formed by, for example, dry etching technique using the titanium nitride film 54 in the flat portion as a stopper until the surface of the titanium nitride 54 is exposed. The tungsten films 57 and 58 (tungsten plugs) remain in only the opening 56a. After that, an aluminum alloy film is deposited as the upper second wiring 62 by sputtering, and the aluminum alloy film, titanium nitride film 54, titanium film are deposited using a well-known photolithography technique and dry etching technique. The second wiring 62 is formed by processing 53 into a predetermined shape. When the tungsten film 58 is planarized by chemical mechanical polishing (CMP) instead of the dry etching technique, an oxide film (SiO 2) is used instead of the TiN film 54 as a stopper. ₂ ) Is used ((e) in the figure).
[0035]
FIG. 3 is an enlarged view of a part A in FIG. A dotted line 58a in the drawing is a stage in the middle of forming the tungsten film 58, and 58b shows a state at the end of the formation. Since no particles or non-uniform film growth occurs during the formation of the thin tungsten film 57, the tungsten film 58 to be embedded thereafter is formed uniformly, and no void is formed in the opening 56a. Although not shown, since the tungsten film 57 with a thin nucleus grows uniformly, the buried tungsten film 58 is formed uniformly.
As described above, since the tungsten 58 can be grown uniformly without a cavity, the plug (connecting portion) for connecting the first wiring and the second wiring connected through the miniaturized contact hole or via hole can be used. The connection resistance can be lowered and the reliability of the plug can be increased.
Example 3
FIG. 4 is a diagram for explaining a semiconductor device manufacturing apparatus and method according to the third embodiment of the present invention.
[0036]
The difference from FIG. 1 is that bypass gas pipes 15 and 25 for bypassing the gas flow rate control units 12 and 22 and bypass gas on-off valves 16 and 26 are provided in the pipe path.
Although the temperature of the gas pipes 11 and 21 is controlled, the temperature of the gas pipes 11 and 21 may decrease and the reaction gas may be liquefied. More specifically, tungsten hexafluoride is a liquefied gas at room temperature, and may be liquefied by the gas flow rate control units 12 and 22 or a gas opening / closing valve that cannot be completely controlled. This liquefied material may adhere to the path of the gas flow rate control units 12 and 22 and clog the path. Therefore, it is desirable that the reaction be performed without passing the reaction gas through the gas flow rate control units 12 and 22 as much as possible.
[0037]
In this embodiment, the reaction gas is exhausted without passing through the gas flow rate control units 12 and 22 during exhaust.
By opening the bypass gas on-off valves 16 and 26 in FIG. 4 at the same time as the first gas on-off valves 13 and 23, in the preliminary stage of FIG. Tungsten fluoride gas and monosilane gas can be extracted through the bypass gas pipes 15 and 25 even when V12 and V22 are closed. That is, the tungsten hexafluoride gas and the monosilane gas in the b region can be exhausted without going through the gas flow rate control units 12 and 22. In this method, since the gas flow rate control units 12 and 22 are used only when the reaction gas is sent to the film formation reaction chamber 1 during film formation, the frequency of clogging of the paths in the gas flow rate control units 12 and 22 can be reduced. it can. This leads to shortening of the manufacturing process and cost reduction.
[0038]
Prior to film formation, tungsten hexafluoride gas and monosilane gas do not exist in the a region and b region, so that the reaction gas confined in the a region of the gas pipes 11 and 21 suddenly enters the film formation reaction chamber 1. It can be prevented from flowing in, and the generation of particles and non-uniform film growth can be suppressed as in the case of opening and closing the opening / closing parts V12, 22 of the first embodiment.
In addition, as described in the first embodiment, for each reaction gas of tungsten hexafluoride and monosilane, without evacuating at the same time, after evacuation of one reaction gas is completed, evacuation of the other reaction gas is performed. Or when an inert gas is introduced into the film formation reaction chamber 1 and each reaction gas remaining in the film formation reaction chamber 1 is replaced during evacuation of each reaction gas. Since mixing of each reaction gas in the reaction chamber 1 can be avoided, the same effect as the first embodiment can be obtained.
Example 4
FIG. 5 is a diagram for explaining a semiconductor device manufacturing apparatus and method according to the fourth embodiment of the present invention.
[0039]
The difference from FIG. 1 is that bypass gas pipes 17 and 27 for bypassing the film formation reaction chamber 1 and bypass gas on-off valves 18 and 28 are provided in the pipe path.
By opening the bypass gas on-off valves 18 and 28, the tungsten hexafluoride gas and the monosilane gas existing in the region a of the reaction gas pipes 11 and 21 without passing through the film formation reaction chamber 1 are shown in FIG. Can be extracted efficiently in the preliminary stage. Therefore, tungsten hexafluoride gas and monosilane gas remaining in the region a can be reduced. Further, since the exhaust time can be shortened, the manufacturing cost can be reduced.
[0040]
Further, with such a configuration, the reaction gas remaining in each reaction gas pipe is directly evacuated by the vacuum evacuation mechanism 4 through the evacuation pipe 3 without going through the film formation reaction chamber 1. Therefore, it is possible to prevent an unnecessary reaction due to the presence of each reaction gas in the film formation reaction chamber 1.
Example 5
FIG. 6 is a diagram for explaining a semiconductor device manufacturing apparatus and method according to the fifth embodiment of the present invention.
A difference from FIG. 1 is that bypass gas pipes 15 and 25 for bypassing the gas flow rate control units 12 and 22, bypass gas on-off valves 16 and 26 are provided in the pipe path, and the film formation reaction chamber 1 is further provided. The bypass gas pipes 17 and 27 to be bypassed and the bypass gas on-off valves 18 and 28 are provided in the pipe path.
[0041]
With this configuration, the effects of the third embodiment and the fourth embodiment are combined, and the reaction gas remaining in each of the reaction gas pipes 11 and 21 is directly evacuated without going through the film formation reaction chamber 1. By evacuating through the piping 3 by the evacuating mechanism 4, a sudden flow is prevented, and unnecessary reaction due to the mixture of each reaction gas in the film formation reaction chamber 1 can be avoided. Generation of particles can be suppressed. Further, since each step for preventing the mixture of each reaction gas in the film formation reaction chamber 1 is unnecessary, the processing time can be shortened and the throughput can be improved.
[0042]
In the above embodiment, the tungsten film 57 using the tungsten hexafluoride gas and the monosilane gas is formed as an example. However, the present invention can be applied to the case where the polysilicon film is formed using the monosilane gas by the same method. In this case, as shown in FIG. 7, the number of reaction gas pipes to which the present invention is applied is one (one system).
As described above, the number of gas pipes (gas systems) corresponding to the number of types of reaction gas are installed, and the reaction gas in the gas pipe is removed before film formation in the same manner as described above, and then the gas flow rate control unit By sending the reaction gas passing through to the film formation reaction chamber and forming the film on the semiconductor substrate, the miniaturized contact hole and via hole can be filled with a uniform and highly reliable embedded film.
[0043]
【The invention's effect】
According to the present invention, in the film forming method using the chemical vapor deposition method, the reaction gas remaining in the gas pipe is removed in advance to prevent the generation of particles generated in the reaction process, and the nucleation step. The formed film can be made uniform, and the film embedded in the miniaturized contact hole and via hole can be made uniform and highly reliable.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are diagrams for explaining a semiconductor device manufacturing apparatus and a manufacturing method according to a first embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a main part configuration diagram of a film forming apparatus, and FIG. 1B is a sequence diagram showing a manufacturing procedure;
FIGS. 2A to 2E are views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention, wherein FIGS.
FIG. 3 is an enlarged view of part A in FIG.
FIG. 4 is a diagram for explaining a semiconductor device manufacturing apparatus and method according to a third embodiment of the present invention;
FIG. 5 is a diagram for explaining a semiconductor device manufacturing apparatus and method according to a fourth embodiment of the present invention;
FIG. 6 is a diagram for explaining a semiconductor device manufacturing apparatus and method according to a fifth embodiment of the present invention;
FIG. 7 is a diagram of a semiconductor device manufacturing apparatus (one system) for forming a polysilicon film;
FIGS. 8A to 8E are views showing an example of a conventional via hole filling process using a tungsten film, wherein FIGS.
FIG. 9 is an enlarged view of part B in FIG.
FIG. 10 shows a film formed by a conventional method.
11A and 11B are diagrams for explaining a manufacturing apparatus and a manufacturing method of a conventional semiconductor device manufacturing apparatus, where FIG. 11A is a configuration diagram of a main part of a film forming apparatus, and FIG. 11B is a sequence diagram showing a manufacturing procedure;
[Explanation of symbols]
1 Deposition reaction chamber
2 Support stand
3 Vacuum exhaust pipe
4 Vacuum exhaust mechanism
11 Reaction gas piping (first system)
12 Gas flow controller (first system)
13 First gas on-off valve (first system)
14 Second gas on-off valve (first system)
15 Bypass gas piping (first system)
16 Bypass gas on-off valve (first system)
17 Bypass gas piping (first system)
18 Bypass gas on-off valve (first system)
21 Reaction gas piping (second system)
22 Gas flow controller (second system)
23 First gas on-off valve (second system)
24 Second gas on-off valve (second system)
25 Bypass gas piping (second system)
26 Bypass gas on-off valve (second system)
27 Gas piping for bypass (second system)
28 Bypass gas on-off valve (second system)
51 wafers
52 Interlayer insulation film
53 Ti (titanium) film
54 TiN (titanium nitride) film
55 Adhesive layer
56 Contact hole / via hole
56a opening
57 Tungsten film (nucleation)
58 Tungsten film (embedded)
58a, 58b Tungsten film (formation process)
61 First wiring
62 Second wiring
Opening and closing part of V4 vacuum exhaust mechanism
V12 Opening and closing part of gas flow control part (first system)
V13 Opening / closing part of the first gas switching valve (first system)
V14 Opening / closing part of the second gas opening / closing valve (first system)
V16 Opening / closing part of bypass gas on-off valve (first system)
V18 Opening and closing part of bypass gas opening and closing valve (first system)
V22 Opening / closing part of gas flow control part (second system)
V23 Opening / closing part of the first gas switching valve (second system)
V24 Opening / closing part of second gas opening / closing valve (second system)
V26 Opening / closing part of bypass gas switching valve (second system)
V28 Opening / closing part of bypass gas switching valve (second system)

Claims

化学的気相成長法を用いて成膜を行う成膜反応室と、該成膜反応室に反応性ガスを供給するガス配管と、前記ガス配管の経路に配置されたガス流量制御部とを備えた製造装置を用いて、半導体基板上に成膜を行う半導体装置の製造方法において、
前記成膜反応室内および該成膜反応室と前記ガス流量制御部との間の前記ガス配管内とから前記反応性ガスを除去するガス除去工程後、前記半導体基板を前記反応室に配置し、前記半導体基板上に成膜を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。A film formation reaction chamber for performing film formation using chemical vapor deposition, a gas pipe for supplying a reactive gas to the film formation reaction chamber, and a gas flow rate control unit arranged in the path of the gas pipe In a manufacturing method of a semiconductor device that forms a film on a semiconductor substrate using the manufacturing apparatus provided,
After the gas removal step of removing the reactive gas from the film formation reaction chamber and the gas pipe between the film formation reaction chamber and the gas flow rate control unit, the semiconductor substrate is disposed in the reaction chamber, A method of manufacturing a semiconductor device, comprising forming a film on the semiconductor substrate.

化学的気相成長法を用いて成膜を行う成膜反応室と、該成膜反応室に反応性ガスを供給するガス配管と、前記ガス配管の経路に配置されたガス流量制御部と、前記成膜反応室から反応性ガスを排気する排気管と、該排気管に設けられた排気機構と、前記成膜反応室と前記ガス流量制御部との間の前記ガス配管に設けられた第１ガス開閉バルブと、該第１ガス開閉バルブとガス流量制御部を挟んで反対側に設けられた第２ガス開閉バルブとを備えた製造装置を用いて、半導体基板上に成膜を行う半導体装置の製造方法において、
前記第１開閉バルブを開き前記第２ガス開閉バルブを閉じ前記ガス流量制御部で前記反応ガス流を止めた状態で、前記排気機構により前記成膜反応室および前記反応室と前記ガス流量制御部との間のガス配管内の前記反応性ガスを除去することを特徴とする半導体装置の製造方法。A film formation reaction chamber for performing film formation using a chemical vapor deposition method, a gas pipe for supplying a reactive gas to the film formation reaction chamber, a gas flow rate controller disposed in the path of the gas pipe, An exhaust pipe for exhausting reactive gas from the film formation reaction chamber, an exhaust mechanism provided in the exhaust pipe, and a first gas pipe provided between the film formation reaction chamber and the gas flow rate control unit. Semiconductor that forms a film on a semiconductor substrate using a manufacturing apparatus that includes a first gas on-off valve, and a first gas on-off valve and a second gas on-off valve provided on the opposite side across the gas flow rate control unit In the device manufacturing method,
The film formation reaction chamber, the reaction chamber, and the gas flow rate control unit are opened by the exhaust mechanism in a state where the first open / close valve is opened and the second gas open / close valve is closed and the gas flow rate control unit stops the reaction gas flow. And removing the reactive gas in the gas pipe between the two.

化学的気相成長法を用いて成膜を行う成膜反応室と、該成膜反応室に反応性ガスを供給するガス配管と、前記ガス配管の経路に配置されたガス流量制御部と、前記成膜反応室から反応性ガスを排気する排気管と、該排気管に設けられた排気機構と、前記成膜反応室と前記ガス流量制御部との間の前記ガス配管に設けられた第１ガス開閉バルブと、該第１ガス開閉バルブとガス流量制御部を挟んで反対側に設けられた第２ガス開閉バルブとを備えた製造装置を用いて、半導体基板上に成膜を行う半導体装置の製造方法において、
前記第１開閉バルブを開き前記第２ガス開閉バルブを閉じた状態で、前記排気機構により前記成膜反応室および前記反応室と第２ガス開閉バルブとの間のガス配管内の前記反応性ガスを除去することを特徴とする半導体装置の製造方法。A film formation reaction chamber for performing film formation using a chemical vapor deposition method, a gas pipe for supplying a reactive gas to the film formation reaction chamber, a gas flow rate controller disposed in the path of the gas pipe, An exhaust pipe for exhausting reactive gas from the film formation reaction chamber, an exhaust mechanism provided in the exhaust pipe, and a first gas pipe provided between the film formation reaction chamber and the gas flow rate control unit. Semiconductor that forms a film on a semiconductor substrate using a manufacturing apparatus that includes a first gas on-off valve, and a first gas on-off valve and a second gas on-off valve provided on the opposite side across the gas flow rate control unit In the device manufacturing method,
With the first open / close valve opened and the second gas open / close valve closed, the reactive gas in the film forming reaction chamber and the gas pipe between the reaction chamber and the second gas open / close valve is exhausted by the exhaust mechanism. A method of manufacturing a semiconductor device, wherein

化学的気相成長法を用いて成膜を行う成膜反応室と、該成膜反応室に反応性ガスを供給するガス配管と、前記ガス配管の経路に配置されたガス流量制御部と、前記成膜反応室から反応性ガスを排気する排気管と、該排気管に設けられた排気機構と、前記成膜反応室と前記ガス流量制御部との間の前記ガス配管に設けられた第１ガス開閉バルブと、該第１ガス開閉バルブとガス流量制御部を挟んで反対側に設けられた第２ガス開閉バルブと、前記第１ガス開閉バルブと前記第２ガス開閉バルブとの間で前記ガス流量制御部と並列に設けられた第１バイパス用ガス配管と、該第１バイパス用ガス配管に設けられた第３ガス開閉バルブとを備えた製造装置を用いて、半導体基板上に成膜を行う半導体装置の製造方法において、
前記第１開閉バルブおよび第３開閉バルブを開き前記第２ガス開閉バルブを閉じ前記ガス流量制御部で前記反応ガス流を止めた状態で、前記排気機構により前記成膜反応室および前記反応室と第２ガス開閉バルブとの間のガス配管内の前記反応性ガスを除去することを特徴とする半導体装置の製造方法。A film formation reaction chamber for performing film formation using a chemical vapor deposition method, a gas pipe for supplying a reactive gas to the film formation reaction chamber, a gas flow rate controller disposed in the path of the gas pipe, An exhaust pipe for exhausting reactive gas from the film formation reaction chamber, an exhaust mechanism provided in the exhaust pipe, and a first gas pipe provided between the film formation reaction chamber and the gas flow rate control unit. A first gas on-off valve, a second gas on-off valve provided on the opposite side of the first gas on-off valve and the gas flow rate control unit, and between the first gas on-off valve and the second gas on-off valve A manufacturing apparatus having a first bypass gas pipe provided in parallel with the gas flow rate control unit and a third gas opening / closing valve provided in the first bypass gas pipe is formed on a semiconductor substrate. In a manufacturing method of a semiconductor device that performs a film,
With the first open / close valve and the third open / close valve open, the second gas open / close valve closed, and the gas flow rate control unit stopping the reaction gas flow, the exhaust mechanism causes the film formation reaction chamber and the reaction chamber to A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: removing the reactive gas in a gas pipe between the second gas opening and closing valve.

前記製造装置は、前記第１ガス開閉バルブと前記排気機構との間で前記成膜反応室と並列に第２バイパス用ガス配管と、該第２バイパス用ガス配管に設けられた第４ガス開閉バルブとを備え、
前記第１開閉バルブ、前記第３ガス開閉バルブおよび第４開閉バルブを開き前記第２ガス開閉バルブを閉じ前記ガス流量制御部で前記反応ガス流を止めた状態で、前記排気機構により前記成膜反応室および前記反応室と第２ガス開閉バルブとの間のガス配管内の前記反応性ガスを除去することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。The manufacturing apparatus includes: a second bypass gas pipe disposed in parallel with the film formation reaction chamber between the first gas open / close valve and the exhaust mechanism; and a fourth gas open / close provided in the second bypass gas pipe. With a valve,
With the first open / close valve, the third gas open / close valve, and the fourth open / close valve open, the second gas open / close valve is closed and the reactive gas flow is stopped by the gas flow control unit, the film formation is performed by the exhaust mechanism. 5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the reactive gas in a reaction chamber and a gas pipe between the reaction chamber and a second gas opening / closing valve is removed.

化学的気相成長法を用いて成膜を行う成膜反応室と、該成膜反応室に反応性ガスを供給するガス配管と、前記ガス配管の経路に配置されたガス流量制御部と、前記成膜反応室から反応性ガスを排気する排気管と、該排気管に設けられた排気機構と、前記成膜反応室と前記ガス流量制御部との間の前記ガス配管に設けられた第１ガス開閉バルブと、該第１ガス開閉バルブとガス流量制御部を挟んで反対側に設けられた第２ガス開閉バルブと、前記第１ガス開閉バルブと前記排気機構との間で前記成膜反応室と並列に設けられた第２バイパス用ガス配管と、該第２バイパス用ガス配管に設けられた第４ガス開閉バルブとを備えた製造装置を用いて、半導体基板上に成膜を行う半導体装置の製造方法において、前記第１開閉バルブおよび第４開閉バルブを開き前記第２ガス開閉バルブを閉じ前記ガス流量制御部で前記反応ガス流を止めた状態で、前記排気機構により前記成膜反応室および前記反応室と第２ガス開閉バルブとの間のガス配管内の前記反応性ガスを除去することを特徴とする半導体装置の製造方法。A film formation reaction chamber for performing film formation using a chemical vapor deposition method, a gas pipe for supplying a reactive gas to the film formation reaction chamber, a gas flow rate controller disposed in the path of the gas pipe, An exhaust pipe for exhausting reactive gas from the film formation reaction chamber, an exhaust mechanism provided in the exhaust pipe, and a first gas pipe provided between the film formation reaction chamber and the gas flow rate control unit. The first gas on-off valve, the second gas on-off valve provided on the opposite side of the first gas on-off valve and the gas flow rate control unit, and the film formation between the first gas on-off valve and the exhaust mechanism Film formation is performed on a semiconductor substrate using a manufacturing apparatus including a second bypass gas pipe provided in parallel with the reaction chamber and a fourth gas on-off valve provided in the second bypass gas pipe. In the method of manufacturing a semiconductor device, the first on-off valve and the fourth on-off bar And the second gas on / off valve is closed and the gas flow rate control unit stops the reaction gas flow, and the exhaust mechanism causes the film formation reaction chamber and the reaction chamber to be connected between the second gas on / off valve. A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the reactive gas in a gas pipe is removed.

化学的気相成長法を用いて成膜を行う成膜反応室と、該成膜反応室に反応性ガスを供給するガス配管と、前記ガス配管の経路に配置されたガス流量制御部と、前記成膜反応室から反応性ガスを排気する排気管と、該排気管に設けられた排気機構と、前記成膜反応室と前記ガス流量制御部との間の前記ガス配管に設けられた第１ガス開閉バルブと、該第１ガス開閉バルブとガス流量制御部を挟んで反対側に設けられた第２ガス開閉バルブと、前記第１ガス開閉バルブと前記第２ガス開閉バルブとの間で前記ガス流量制御部と並列に設けられた第１バイパス用ガス配管と、該第１バイパス用ガス配管に設けられた第３ガス開閉バルブとを備えたことを特徴とする半導体装置の製造装置。A film formation reaction chamber for performing film formation using a chemical vapor deposition method, a gas pipe for supplying a reactive gas to the film formation reaction chamber, a gas flow rate controller disposed in the path of the gas pipe, An exhaust pipe for exhausting reactive gas from the film formation reaction chamber, an exhaust mechanism provided in the exhaust pipe, and a first gas pipe provided between the film formation reaction chamber and the gas flow rate control unit. A first gas on-off valve, a second gas on-off valve provided on the opposite side of the first gas on-off valve and the gas flow rate control unit, and between the first gas on-off valve and the second gas on-off valve An apparatus for manufacturing a semiconductor device, comprising: a first bypass gas pipe provided in parallel with the gas flow rate control unit; and a third gas opening / closing valve provided in the first bypass gas pipe.

前記製造装置は、前記第１ガス開閉バルブと前記排気機構との間で前記成膜反応室と並列に設けられた第２バイパス用ガス配管と、該第２バイパス用ガス配管に設けられた第４ガス開閉バルブとを備えたことを特徴とする請求項７記載の半導体装置の製造装置。The manufacturing apparatus includes: a second bypass gas pipe provided in parallel with the film formation reaction chamber between the first gas on-off valve and the exhaust mechanism; and a second bypass gas pipe provided on the second bypass gas pipe. 8. The semiconductor device manufacturing apparatus according to claim 7, further comprising a four-gas on-off valve.

化学的気相成長法を用いて成膜を行う成膜反応室と、該成膜反応室に反応性ガスを供給するガス配管と、前記ガス配管の経路に配置されたガス流量制御部と、前記成膜反応室から反応性ガスを排気する排気管と、該排気管に設けられた排気機構と、前記成膜反応室と前記ガス流量制御部との間の前記ガス配管に設けられた第１ガス開閉バルブと、該第１ガス開閉バルブとガス流量制御部を挟んで反対側に設けられた第２ガス開閉バルブと、前記第１ガス開閉バルブと前記排気機構との間で前記成膜反応室と並列に設けられた第２バイパス用ガス配管と、該第２バイパス用ガス配管に設けられた第４ガス開閉バルブとを備えた半導体装置の製造装置。A film formation reaction chamber for performing film formation using a chemical vapor deposition method, a gas pipe for supplying a reactive gas to the film formation reaction chamber, a gas flow rate controller disposed in the path of the gas pipe, An exhaust pipe for exhausting reactive gas from the film formation reaction chamber, an exhaust mechanism provided in the exhaust pipe, and a first gas pipe provided between the film formation reaction chamber and the gas flow rate control unit. The first gas on-off valve, the second gas on-off valve provided on the opposite side of the first gas on-off valve and the gas flow rate control unit, and the film formation between the first gas on-off valve and the exhaust mechanism An apparatus for manufacturing a semiconductor device, comprising: a second bypass gas pipe provided in parallel with the reaction chamber; and a fourth gas on-off valve provided in the second bypass gas pipe.