JP2014019912A - Method of depositing tungsten film - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of depositing tungsten film that may form a low-resistance tungsten film having a thickness of 20 nm or less.SOLUTION: On forming a tungsten film having a thickness of 20 nm or less on a substrate having a barrier layer on its surface under reduced pressure while the substrate is heated, a crystalline shielding tungsten film for shielding crystallinity of the barrier layer is formed on the barrier layer by supplying a WFgas, a tungsten source and a Hgas, a reductant gas in a treatment vessel while regulating the pressure in the treatment vessel and the supply amount of the tungsten source, then the supply of the WFis stopped, the pressure in the treatment vessel is increased and the WFgas and the Hgas are supplied to form a main tungsten film.

Description

本発明は、基板にタングステン膜を成膜するタングステン膜の成膜方法に関する。   The present invention relates to a tungsten film forming method for forming a tungsten film on a substrate.

半導体デバイスの製造工程においては、配線間の凹部(ビアホール)や基板コンタクト用の凹部(コンタクトホール)を埋め込むためにタングステン(W)膜が用いられている。   In the manufacturing process of a semiconductor device, a tungsten (W) film is used to fill a recess (via hole) between wirings and a recess (contact hole) for substrate contact.

タングステン(W)膜の成膜方法としては、過去には物理的蒸着(PVD)が用いられていたが、タングステンは高融点金属であること、およびPVDでは近年のデバイスの微細化による高カバレッジに対応することが困難であること等の理由で、高カバレッジに対応することが可能で、かつデバイスの微細化に十分対応可能な化学的蒸着法(CVD)が主流となっている。   As a method for forming a tungsten (W) film, physical vapor deposition (PVD) has been used in the past. However, tungsten is a refractory metal, and PVD has achieved high coverage by miniaturization of devices in recent years. Chemical vapor deposition (CVD), which can cope with high coverage and can sufficiently cope with device miniaturization, has become the mainstream because it is difficult to cope with it.

CVDによりビアホールやコンタクトホールにW膜を埋め込む際には、シリコン層との密着性や反応抑制の観点から、シリコン層の上にバリア層としてTiN膜を形成し、その上にタングステン膜を成膜する。   When embedding a W film in a via hole or contact hole by CVD, a TiN film is formed as a barrier layer on the silicon layer from the viewpoint of adhesion to the silicon layer and reaction suppression, and a tungsten film is formed thereon. To do.

タングステン膜の成膜に際しては、タングステン原料として六フッ化タングステン(WF)を用い還元ガスとしてHガスを用いてWF+3H→W+6HFの反応により主成膜を行うが、このような主成膜に先立って、タングステン膜を均一に成膜する観点や、バリア層へフッ素成分が拡散することを抑制する観点から、核生成(Nucleation)工程が行われているが、その際に還元ガスとしてHよりも還元力の大きいSiHガスやBガスを用いている(例えば特許文献1、2)。また、核生成を行うための初期成膜においては、より緻密な膜を形成するためにALD(Atomic Layer Deposition)あるいはSFD(Sequential Flow Deposition)が用いられている。 In forming the tungsten film, the main film is formed by a reaction of WF 6 + 3H 2 → W + 6HF using tungsten hexafluoride (WF 6 ) as a tungsten raw material and H 2 gas as a reducing gas. Prior to film formation, a nucleation step is performed from the viewpoint of uniformly forming a tungsten film and suppressing diffusion of fluorine components into the barrier layer. For example, SiH 4 gas or B 2 H 6 gas having a reducing power larger than that of H 2 is used (for example, Patent Documents 1 and 2). In the initial film formation for nucleation, ALD (Atomic Layer Deposition) or SFD (Sequential Flow Deposition) is used to form a denser film.

特開2003−193233号公報JP 2003-193233 A 特開2004−273764号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-273762

しかしながら、還元ガスとしてSiHガスやBガスを用いてタングステンの核生成を行う場合には、タングステン膜中にシリコン(Si)原子やボロン(B)原子が取り込まれるため、ピュアなタングステン膜と比較すると高抵抗になってしまう。近時のコンタクトホールの微細化にともない、より低抵抗なW膜が要求されており、SiHガスやBガスを用いた核生成では、要求を満たさなくなりつつある。 However, when tungsten nucleation is performed by using SiH 4 gas or B 2 H 6 gas as the reducing gas, pure tungsten is used because silicon (Si) atoms and boron (B) atoms are taken into the tungsten film. It becomes high resistance compared with the film. With the recent miniaturization of contact holes, a W film having a lower resistance is required, and nucleation using SiH 4 gas or B 2 H 6 gas is not meeting the requirements.

特に、最近では膜厚が20nm以下という極めて薄いタングステン膜の用途も出現しており、膜厚が薄くなると抵抗が高くなる傾向があるため、このような極めて薄いタングステン膜の低抵抗化については、未だ有効な知見が得られていないのが現状である。   In particular, the use of an extremely thin tungsten film having a film thickness of 20 nm or less has recently appeared, and the resistance tends to increase as the film thickness decreases. At present, effective knowledge has not yet been obtained.

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、厚さが20nm以下で、低抵抗のタングステン膜を形成することができるタングステン膜の成膜方法を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a method for forming a tungsten film having a thickness of 20 nm or less and capable of forming a low-resistance tungsten film.

上記課題を解決するため、本発明は、処理容器内において、減圧雰囲気で基板を加熱しつつ表面にバリア層を有する基板に膜厚20nm以下のタングステン膜を成膜するタングステン膜の成膜方法であって、前記処理容器内へタングステン原料であるWFガスと、還元ガスであるHガスとを供給し、その際の処理容器内の圧力およびタングステン原料の供給量を調整して前記バリア層上に前記バリア層の結晶性を遮断する結晶性遮断タングステン膜を成膜する工程と、前記結晶性遮断タングステン膜成膜終了後、WFガスの供給を停止し、前記処理容器内の圧力を上昇させた後、WFガスとHガスとを供給して主タングステン膜を成膜する工程とを有することを特徴とするタングステン膜の成膜方法を提供する。 In order to solve the above problems, the present invention provides a tungsten film forming method in which a tungsten film having a thickness of 20 nm or less is formed on a substrate having a barrier layer on the surface while heating the substrate in a reduced-pressure atmosphere in a processing container. The barrier layer is prepared by supplying WF 6 gas, which is a tungsten raw material, and H 2 gas, which is a reducing gas, into the processing container, and adjusting the pressure in the processing container and the supply amount of the tungsten raw material at that time. A step of forming a crystalline blocking tungsten film for blocking the crystallinity of the barrier layer; and after completion of the formation of the crystalline blocking tungsten film, the supply of WF 6 gas is stopped, and the pressure in the processing vessel is reduced. There is provided a method for forming a tungsten film, characterized by including a step of forming a main tungsten film by supplying WF 6 gas and H 2 gas after being raised.

上記構成において、前記結晶性遮断タングステン膜成膜の終了後、前記主タングステン膜成膜までの時間を20〜270secとすることができる。また、前記結晶性遮断タングステン膜の膜厚を0.5〜5nmとすることができる。さらに、前記結晶性遮断タングステン膜の成膜は、処理容器内の圧力を100〜2666Pa、WFガスの流量を5〜400sccm(mL/min)、Hガスの流量を100〜12000sccm(mL/min)として行うことができる。 In the above configuration, the time from the completion of the formation of the crystalline blocking tungsten film to the formation of the main tungsten film can be set to 20 to 270 seconds. The film thickness of the crystalline blocking tungsten film can be set to 0.5 to 5 nm. Further, the crystalline blocking tungsten film is formed by setting the pressure in the processing vessel to 100 to 2666 Pa, the flow rate of WF 6 gas to 5 to 400 sccm (mL / min), and the flow rate of H 2 gas to 100 to 12000 sccm (mL / min). min).

また、前記主タングステン膜の成膜は、処理容器内の圧力を2666〜26667Pa、WFガスの流量を150〜700sccm(mL/min)、Hガスの流量を1000〜12000sccm(mL/min)として行うことができる。 In addition, the main tungsten film is formed by setting the pressure in the processing container to 2666 to 26667 Pa, the flow rate of WF 6 gas to 150 to 700 sccm (mL / min), and the flow rate of H 2 gas to 1000 to 12000 sccm (mL / min). As can be done.

前記主タングステン膜の成膜後、前記基板をアニールしてもよい。前記アニールは700℃以上の温度で行うことができる。   The substrate may be annealed after forming the main tungsten film. The annealing can be performed at a temperature of 700 ° C. or higher.

さらに、前記初期タングステン膜の成膜に先立って、基板表面にSiの核を形成するイニシエーション処理を行う工程をさらに有してもよい。前記イニシエーション処理は、SiHガスを供給して行うことができ、その中ではSiHガスが好ましい。 Furthermore, prior to the formation of the initial tungsten film, the method may further include an initiation process for forming Si nuclei on the substrate surface. The initiation process can be performed by supplying SiH 4 gas, and among them, SiH 4 gas is preferable.

さらにまた、前記各工程の際の基板を支持する載置台の温度は350〜500℃とすることができる。さらにまた、前記基板の表面に形成されたバリア層としてはTiN膜を用いることができる。   Furthermore, the temperature of the mounting table that supports the substrate in each step can be set to 350 to 500 ° C. Furthermore, a TiN film can be used as the barrier layer formed on the surface of the substrate.

本発明はまた、コンピュータ上で動作し、成膜装置を制御するためのプログラムが記憶された記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、上記タングステン膜の成膜方法が行われるように、コンピュータに前記成膜装置を制御させることを特徴とする記憶媒体を提供する。   The present invention is also a storage medium that operates on a computer and stores a program for controlling the film forming apparatus, and the program performs the tungsten film forming method at the time of execution. Provided is a storage medium characterized by causing a computer to control the film forming apparatus.

本発明によれば、厚さ20nm以下という極めて薄いタングステン膜を形成する場合に、抵抗を上昇させる初期タングステン膜を用いず、バリア層の上に結晶性遮断タングステン膜を成膜することにより、下地のバリア層や初期タングステン膜の影響を受けずに主タングステン膜を大きく粒成長させることが可能であるため、形成されるタングステン膜は不純物が少なくかつ大きな結晶粒を有するものとなる。このため、膜厚が薄いのにもかかわらず極めて比抵抗の小さいタングステン膜を得ることができる。   According to the present invention, when an extremely thin tungsten film having a thickness of 20 nm or less is formed, a crystalline blocking tungsten film is formed on the barrier layer without using the initial tungsten film for increasing the resistance. Since the main tungsten film can be grown in large grains without being affected by the barrier layer and the initial tungsten film, the formed tungsten film has few impurities and has large crystal grains. For this reason, it is possible to obtain a tungsten film having a very small specific resistance despite the thin film thickness.

本発明に係るタングステン膜の成膜方法を実施するための成膜装置の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the film-forming apparatus for enforcing the film-forming method of the tungsten film concerning this invention. 本発明の第1の実施形態に係る成膜方法のフローチャートである。It is a flowchart of the film-forming method which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る成膜方法の各工程を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows each process of the film-forming method which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 下地であるTiN膜上に主タングステン膜を形成した場合の結晶性を示す模式図である。It is a schematic diagram showing crystallinity when a main tungsten film is formed on a TiN film as a base. 下地であるTiN膜上に結晶性遮断タングステンを形成した後に主タングステン膜を形成した場合の結晶性を示す模式図である。It is a schematic diagram showing the crystallinity when the main tungsten film is formed after the crystalline blocking tungsten is formed on the TiN film as the base. 結晶性遮断タングステン膜成膜および主タングステン膜成膜およびそれらの間の圧力の変化とWFの流量の変化を示す図である。It is a diagram showing the flow rate change of the change and WF 6 in pressure between the crystallinity blocking tungsten film formation and the main tungsten film formation and their. 本発明の第2の実施形態に係る成膜方法のフローチャートである。It is a flowchart of the film-forming method which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の方法でタングステン膜を形成したケースAと、ケースAに初期タングステン膜成膜とSiH処理を加えたケースBとについて、膜厚と比抵抗との関係を示す図である。The relationship between film thickness and specific resistance is shown for case A in which a tungsten film is formed by the method of the first embodiment of the present invention and case B in which initial tungsten film formation and SiH 4 treatment are applied to case A. FIG. ケースAにアニール処理を加えた本発明の第2の実施形態に係る方法でタングステン膜を形成したケースCと、ケースBにアニール処理を加えたケースDとについて、膜厚と比抵抗との関係を示す図である。Relationship between film thickness and specific resistance of case C in which a tungsten film is formed by the method according to the second embodiment of the present invention in which annealing treatment is applied to case A and case D in which annealing treatment is applied to case B FIG. ケースA〜Dについて、膜厚35nm以下の範囲における膜厚と比抵抗との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the film thickness and specific resistance in the range of film thickness 35 nm or less about cases AD.

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について具体的に説明する。
<成膜装置>
図1は本発明に係るタングステン膜の成膜方法を実施するための成膜装置の一例を示す断面図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings.
<Deposition system>
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a film forming apparatus for carrying out the tungsten film forming method according to the present invention.

図1に示すように、成膜装置100は、例えばアルミニウムやアルミニウム合金等により円筒状あるいは箱状に成形された処理容器2を有している。この処理容器2内には、容器底部より起立する支柱4上に、断面L字状の保持部材6を介して被処理基板である半導体ウエハ(以下単にウエハと記す)Sを載置するための載置台8が設けられている。この支柱4および保持部材6は、熱線透過性の材料、例えば石英により構成されており、また、載置台8は、厚さ1mm程度の例えばカーボン素材、アルミニウム化合物等により構成されている。   As shown in FIG. 1, the film forming apparatus 100 includes a processing container 2 that is formed into a cylindrical shape or a box shape using, for example, aluminum or an aluminum alloy. In the processing container 2, a semiconductor wafer (hereinafter simply referred to as a wafer) S, which is a substrate to be processed, is placed on a support column 4 standing up from the bottom of the container via a holding member 6 having an L-shaped cross section. A mounting table 8 is provided. The support column 4 and the holding member 6 are made of a heat ray transmissive material, for example, quartz, and the mounting table 8 is made of, for example, a carbon material or an aluminum compound having a thickness of about 1 mm.

この載置台8の下方には、複数本、例えば3本のリフタピン10(2本のみ図示)が設けられ、各リフタピン10の基端部は、円弧状の支持部材12により支持されている。この支持部材12には容器底部を貫通して設けられた押し上げ棒14が取り付けられており、押し上げ棒14はアクチュエータ18により昇降されるようになっている。そして、アクチュエータ18により押し上げ棒14を上下動させることにより、支持部材12を介してリフタピン10を上下動させ、リフタピン10を載置台8に貫通して設けられたピン孔16に挿通させてウエハSを持ち上げるようになっている。押し上げ棒14の容器底部の下方へ貫通した部分には、処理容器2内の気密状態を保持するために伸縮可能なベローズ20が設けられている。   A plurality of, for example, three lifter pins 10 (only two are shown) are provided below the mounting table 8, and the base end portion of each lifter pin 10 is supported by an arcuate support member 12. A push-up bar 14 provided through the bottom of the container is attached to the support member 12, and the push-up bar 14 is moved up and down by an actuator 18. Then, the lift bar 14 is moved up and down by the actuator 18 to move the lifter pin 10 up and down via the support member 12, and the lifter pin 10 is inserted into the pin hole 16 penetrating the mounting table 8 to be inserted into the wafer S. Is supposed to lift. A bellows 20 that can be expanded and contracted in order to maintain an airtight state in the processing container 2 is provided in a portion of the push-up bar 14 that penetrates downward from the bottom of the container.

載置台8の周縁部には、ウエハSの周縁部を保持してこれを載置台8側へ固定するためのセラミック製のリング状をなすクランプリング22が設けられており、このクランプリング22は、支持棒24を介してリフタピン10側に連結されており、リフタピン10と一体的に昇降するようになっている。リフタピン10および支持棒24も石英等の熱線透過材料により構成されている。   A clamp ring 22 made of a ceramic ring for holding the peripheral portion of the wafer S and fixing it to the mounting table 8 side is provided at the peripheral portion of the mounting table 8. The lifter pin 10 is connected to the lifter pin 10 via the support rod 24 so as to move up and down integrally with the lifter pin 10. The lifter pins 10 and the support rods 24 are also made of a heat ray transmitting material such as quartz.

載置台8の直下の容器底部には、石英等の熱線透過材料よりなる透過窓26がOリング等のシール部材28を介して気密に設けられており、その下方には、透過窓26を囲むように箱状の加熱室30が設けられている。この加熱室30内には加熱手段として複数の加熱ランプ32が反射鏡も兼ねる回転台34に取り付けられており、この回転台34は、回転モータ36により回転される。したがって、加熱ランプ32より放出された熱線は、透過窓26を透過して載置台8の下面を照射してこれを加熱し得るようになっている。なお、加熱手段として加熱ランプ32に代えて、載置台8に埋め込んだ抵抗加熱ヒータを用いるようにしてもよい。   A transmission window 26 made of a heat ray transmission material such as quartz is airtightly provided through a sealing member 28 such as an O-ring at the bottom of the container immediately below the mounting table 8, and below the transmission window 26 is enclosed. Thus, a box-shaped heating chamber 30 is provided. In the heating chamber 30, a plurality of heating lamps 32 are attached as a heating means to a rotating table 34 that also serves as a reflecting mirror, and the rotating table 34 is rotated by a rotating motor 36. Therefore, the heat rays emitted from the heating lamp 32 can pass through the transmission window 26 and irradiate the lower surface of the mounting table 8 to heat it. Instead of the heating lamp 32, a resistance heater embedded in the mounting table 8 may be used as the heating means.

載置台8の外周側には、多数の整流孔38を有するリング状の整流板40が、上下方向に環状に成形された支持コラム42により支持された状態で設けられている。整流板40の内周側には、クランプリング22の外周部と接触してこの下方にガスが流れないようにするリング状の石英製アタッチメント44が設けられる。   On the outer peripheral side of the mounting table 8, a ring-shaped rectifying plate 40 having a large number of rectifying holes 38 is provided in a state of being supported by a support column 42 that is annularly formed in the vertical direction. On the inner peripheral side of the rectifying plate 40, a ring-shaped quartz attachment 44 is provided that contacts the outer peripheral portion of the clamp ring 22 and prevents gas from flowing below this.

整流板40の下方の底部には排気口46が設けられ、この排気口46には、排気管52が接続されている。この排気管52の途中には圧力調整弁48、真空ポンプ50が設けられている。そして、真空ポンプ50により処理容器2内を真空引きして、その中を所定の圧力に維持する。処理容器2の側壁には、処理容器2内に対してウエハSを搬入出するための開口54が設けられ、この開口54はゲートバルブ56により開閉可能となっている。   An exhaust port 46 is provided at the bottom of the rectifying plate 40, and an exhaust pipe 52 is connected to the exhaust port 46. A pressure adjustment valve 48 and a vacuum pump 50 are provided in the middle of the exhaust pipe 52. And the inside of the processing container 2 is evacuated by the vacuum pump 50, and the inside is maintained at a predetermined pressure. An opening 54 for loading / unloading the wafer S into / from the processing container 2 is provided on the side wall of the processing container 2, and the opening 54 can be opened and closed by a gate valve 56.

一方、処理容器2の天井部には、その中へ所定のガスを導入するためのガス導入手段であるシャワーヘッド60が設けられている。このシャワーヘッド60は、例えばアルミニウム合金等により円形箱状に成形され、その天井部にはガス導入口61が設けられている。シャワーヘッド60の下面には、ガス導入口61からシャワーヘッド60の内部へ供給されたガスを放出するための多数のガス吐出孔62が均等に形成されており、ウエハSの上方の処理空間に対して均等にガスを放出するようになっている。シャワーヘッド60の内部には、多数のガス分散孔64を有する拡散板65が配設されており、シャワーヘッド60内へ導入されたガスを拡散してウエハ面に、より均等にガスを供給するようになっている。   On the other hand, a shower head 60 which is a gas introduction means for introducing a predetermined gas into the ceiling portion of the processing container 2 is provided. The shower head 60 is formed into a circular box shape using, for example, an aluminum alloy or the like, and a gas inlet 61 is provided on the ceiling. A large number of gas discharge holes 62 for discharging the gas supplied from the gas inlet 61 to the inside of the shower head 60 are formed uniformly on the lower surface of the shower head 60, and are formed in the processing space above the wafer S. On the other hand, the gas is discharged evenly. A diffusion plate 65 having a large number of gas dispersion holes 64 is disposed inside the shower head 60, and diffuses the gas introduced into the shower head 60 to supply the gas more evenly to the wafer surface. It is like that.

ガス導入口61には、ガス供給部70のガス配管71が接続されている。ガス供給部70は、このガス配管71と、ガス配管71から分岐した複数の分岐配管72とを有しており、かつ各分岐配管72に接続された、ClF3ガス源73、WF6ガス源74、Arガス源75、N2ガス源76、SiH4ガス源77、H2ガス源78を有している。ClF3ガス源73からは、クリーニングに用いるClFガスが供給される。また、WF6ガス源74からはタングステン原料であるWF6ガスが供給される。Arガス源75、N2ガス源76からはパージガスや希釈ガスとして用いるArガス、Nガスが供給される。パージガスや希釈ガスとしては、他の不活性ガスを用いることもできる。SiH4ガス源77からはイニシエーション処理およびSi吸着処理に用いられるSiHガスが供給される。さらに、Hガス源78からはWFの還元ガスとしてHガスが供給される。 A gas pipe 71 of a gas supply unit 70 is connected to the gas inlet 61. The gas supply unit 70 includes the gas pipe 71 and a plurality of branch pipes 72 branched from the gas pipe 71, and is connected to the branch pipes 72. The ClF 3 gas source 73 and the WF 6 gas source are connected to each branch pipe 72. 74, an Ar gas source 75, an N 2 gas source 76, an SiH 4 gas source 77, and an H 2 gas source 78. From ClF 3 gas source 73, ClF 3 gas is supplied for use in cleaning. Further, from the WF 6 gas source 74 WF 6 gas is supplied is tungsten material. Ar gas source 75, an Ar gas is used as the N 2 purge and dilution gas from the gas source 76, N 2 gas is supplied. Other inert gases can be used as the purge gas and the dilution gas. The SiH 4 gas source 77 supplies SiH 4 gas used for the initiation process and the Si adsorption process. Further, from the H 2 gas source 78 H 2 gas is supplied as a reducing gas WF 6.

これらガス源が接続された分岐配管にはそれぞれマスフローコントローラのような流量制御器79と、その前後の開閉弁80とが設けられている。なお、図示していないが、載置台8の下方の空間にバックガス(パージガス)としてArガスを供給するバックガスArラインも設けられている。   Each branch pipe to which these gas sources are connected is provided with a flow rate controller 79 such as a mass flow controller and an opening / closing valve 80 before and after the flow rate controller 79. Although not shown, a back gas Ar line for supplying Ar gas as a back gas (purge gas) is also provided in the space below the mounting table 8.

この成膜装置100は、成膜装置100の各構成部、例えばアクチュエータ18、加熱ランプ32の電源、真空ポンプ50、マスフローコントローラ79、開閉弁80等を制御するための制御部90を有している。この制御部90は、各構成部の制御を実行するマイクロプロセッサ(コンピュータ)からなるコントローラ91と、オペレータが成膜装置100を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、成膜装置100の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインターフェース92と、成膜装置100で実行される処理をコントローラ91の制御にて実現するための制御プログラムや、各種データ、および処理条件に応じて処理装置の各構成部に処理を実行させるためのプログラムすなわち処理レシピが格納された記憶部93とを備えている。なお、ユーザーインターフェース92および記憶部93はコントローラ91に接続されている。   The film forming apparatus 100 includes a control unit 90 for controlling each component of the film forming apparatus 100, for example, the actuator 18, the power source of the heating lamp 32, the vacuum pump 50, the mass flow controller 79, the on-off valve 80, and the like. Yes. The control unit 90 includes a controller 91 including a microprocessor (computer) that controls each component, a keyboard on which an operator inputs commands to manage the film forming apparatus 100, and the film forming apparatus 100. According to a user interface 92 including a display for visualizing and displaying the operation status of the apparatus, a control program for realizing processing executed by the film forming apparatus 100 under the control of the controller 91, various data, and processing conditions And a storage unit 93 that stores a program for causing each component of the processing apparatus to execute processing, that is, a processing recipe. Note that the user interface 92 and the storage unit 93 are connected to the controller 91.

上記処理レシピは記憶部93の中の記憶媒体に記憶されている。記憶媒体は、ハードディスクであってもよいし、CDROM、DVD、フラッシュメモリ等の可搬性のものであってもよい。また、他の装置から、例えば専用回線を介してレシピを適宜伝送させるようにしてもよい。   The processing recipe is stored in a storage medium in the storage unit 93. The storage medium may be a hard disk or a portable medium such as a CDROM, DVD, or flash memory. Moreover, you may make it transmit a recipe suitably from another apparatus via a dedicated line, for example.

そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース92からの指示等にて任意のレシピを記憶部93から呼び出してコントローラ91に実行させることで、コントローラ91の制御下で、成膜装置100での所望の処理が行われる。   Then, if necessary, an arbitrary recipe is called from the storage unit 93 by an instruction from the user interface 92 and is executed by the controller 91, thereby performing a desired process in the film forming apparatus 100 under the control of the controller 91. Is done.

<成膜方法>
次に、以上のように構成された成膜装置100を用いて行われる本発明の実施形態に係る成膜方法について説明する。本実施形態では膜厚20nm以下の極めて薄いタングステン膜を成膜する。
<Film formation method>
Next, a film forming method according to an embodiment of the present invention performed using the film forming apparatus 100 configured as described above will be described. In this embodiment, an extremely thin tungsten film having a thickness of 20 nm or less is formed.

(第1の実施形態に係る成膜方法)
図2は本発明の第1の実施形態に係る成膜方法のフローチャート、図3は各工程を示す工程断面図である。
(Film Forming Method According to First Embodiment)
FIG. 2 is a flowchart of the film forming method according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a process sectional view showing each process.

まず、最初に、図3(a)のようにSiO等からなる層間絶縁膜101の上に、表面のバリア層としてTiN膜102が形成されたウエハSを準備し、処理容器2内に搬入する(ステップ1)。なお、層間絶縁膜101には実際にはホール(コンタクトホールまたはビアホール)が形成されているが、便宜上図3ではホールを省略している。 First, as shown in FIG. 3A, a wafer S having a TiN film 102 formed as a surface barrier layer on an interlayer insulating film 101 made of SiO 2 or the like is prepared and loaded into the processing container 2. (Step 1). Note that holes (contact holes or via holes) are actually formed in the interlayer insulating film 101, but the holes are omitted in FIG. 3 for convenience.

次いで、処理容器2内を所定の減圧雰囲気にし、加熱ランプ32により載置台8を介してウエハSを載置台温度で350〜500℃、例えば410℃になるように加熱しつつ、処理容器2内にシラン(SiH)ガスおよびHガス等を導入して、タングステンの核形成に先立ってウエハSの表面にSiの核を形成するイニシエーション処理を行う(ステップ2)。イニシエーション処理は、図3(b)に示すように、Wの核形成が均一に行われるように下地のTiN膜102の全面にSi等の核103を形成する処理であり、ここではSiHを吸着させてSiの核を形成する。実際にはSiHは熱分解されて、SiH(x<4)として吸着される。 Next, the inside of the processing container 2 is set to a predetermined reduced-pressure atmosphere, and the wafer S is heated by the heating lamp 32 via the mounting table 8 so that the temperature of the mounting table becomes 350 to 500 ° C., for example, 410 ° C. Silane (SiH 4 ) gas, H 2 gas, and the like are introduced into the substrate, and an initiation process for forming Si nuclei on the surface of the wafer S is performed prior to tungsten nucleation (step 2). Initiation process, as shown in FIG. 3 (b), a treatment for forming a nucleus 103 of Si or the like on the entire surface of the TiN film 102 underlying as nucleation W is uniformly performed, where the SiH 4 Adsorbed to form Si nuclei. In practice, SiH 4 is thermally decomposed and adsorbed as SiH x (x <4).

このイニシエーション処理の条件の好ましい範囲を以下に示す。
・温度:350〜500℃(載置台温度)
・処理容器内の圧力:2666〜20000Pa
・SiH流量:300〜800sccm(mL/min)
・H流量:100〜1000sccm(mL/min)
・時間:5〜120sec
なお、イニシエーション処理に用いるガスとしてはSiHガスに限らず、Si、SiHCl、B、H、PH等を用いることができる。B、H、PHを用いる場合には、それぞれB、H、Pが核として形成されるが、SiH、Si、SiHCl等を用いてSiの核を形成することが好ましい。また、イニシエーション処理は必須ではない。
A preferable range of conditions for the initiation process is shown below.
-Temperature: 350-500 ° C (mounting table temperature)
-Pressure in the processing container: 2666-20000 Pa
SiH 4 flow rate: 300 to 800 sccm (mL / min)
· H 2 flow rate: 100~1000sccm (mL / min)
・ Time: 5 to 120 sec
The gas used for the initiation process is not limited to SiH 4 gas, and Si 2 H 6 , SiH 2 Cl 2 , B 2 H 6 , H 2 , PH 3, and the like can be used. When B 2 H 6 , H 2 , and PH 3 are used, B, H, and P are formed as nuclei, respectively, but Si Si nuclei are formed using SiH 4 , Si 2 H 6 , SiH 2 Cl 2, and the like. It is preferable to form. Moreover, the initiation process is not essential.

次に、従来行っていたタングステンの核生成の工程を行うことなく、CVDにより下地であるTiN膜の結晶性を遮断する結晶性遮断タングステン膜104の成膜を行う(ステップ3、図3(c))。   Next, without performing the conventional tungsten nucleation step, the crystalline blocking tungsten film 104 for blocking the crystallinity of the underlying TiN film is formed by CVD (step 3, FIG. 3 (c). )).

従来は、タングステン膜を均一に成膜する観点や、バリア層へフッ素成分が拡散することを抑制する観点から、核生成工程はタングステン膜において必須であるとされており、還元ガスとしてHよりも還元力の大きいSiHガスやBガスを用い、かつより緻密な初期タングステン膜を形成する観点からALDあるいはSFDで行われてきた。 Conventionally, from the viewpoint of uniformly forming a tungsten film and suppressing the diffusion of fluorine components to the barrier layer, the nucleation step is considered to be essential in the tungsten film, and as a reducing gas from H 2 However, it has been performed by ALD or SFD from the viewpoint of forming a denser initial tungsten film using SiH 4 gas or B 2 H 6 gas having a large reducing power.

しかし、膜厚が20nmという極めて薄いタングステン膜を成膜する場合、従来行われている核生成工程で初期タングステン膜を形成すると、十分低抵抗化することができないことが判明した。すなわち、従来行われている核生成工程で形成される初期タングステン膜は、SiやBといった抵抗増加成分を含み、ALDあるいはSFDにより微細な結晶となるとともに、下地のTiN膜102の柱状晶に影響されて柱状晶となるため、それ自体の抵抗が高い。タングステン膜が20nm以下と薄いと、このような抵抗の高い膜が占める割合が高くなってしまう。また、このようにALDあるいはSFDにより初期タングステン膜を形成すると、膜厚が小さい範囲で抵抗の高いβ−Wが晶出しやすくなる。このため、全体の膜の抵抗が高いものとなってしまう。一方、膜厚が20nm以下と極めて薄い場合には、下地のTiN膜へのフッ素成分の拡散は大きな問題にならない。   However, when an extremely thin tungsten film having a thickness of 20 nm is formed, it has been found that if the initial tungsten film is formed by a conventional nucleation step, the resistance cannot be sufficiently reduced. That is, the initial tungsten film formed in the conventional nucleation process includes a resistance increasing component such as Si and B, and becomes a fine crystal by ALD or SFD and affects the columnar crystal of the underlying TiN film 102. Since it becomes a columnar crystal, its own resistance is high. If the tungsten film is as thin as 20 nm or less, the proportion of such a highly resistive film increases. In addition, when the initial tungsten film is formed by ALD or SFD in this way, β-W having a high resistance is easily crystallized within a small film thickness range. For this reason, the resistance of the entire film becomes high. On the other hand, when the film thickness is as thin as 20 nm or less, the diffusion of the fluorine component into the underlying TiN film is not a big problem.

このため、本実施形態では、従来のような還元ガスとしてSiHガスやBガスを用いてALDあるいはSFDで成膜する核生成工程は行わない。 For this reason, in the present embodiment, the conventional nucleation step of forming a film by ALD or SFD using SiH 4 gas or B 2 H 6 gas as the reducing gas is not performed.

しかし、結晶が柱状晶であるTiN膜102の上に直接に主タングステン膜105を成膜すると、図4に示すように、結晶が柱状晶である主タングステン膜105もTiN膜102の影響を受けて柱状晶的な結晶となる。柱状晶は結晶粒界が垂直に存在し、その結晶粒界の存在により膜の抵抗が高くなる。したがって、たとえ初期タングステン膜として不純物の少ない膜が形成されたとしても、最終的に形成されるタングステン膜の抵抗は高いものとなってしまう。   However, when the main tungsten film 105 is formed directly on the TiN film 102 whose crystal is a columnar crystal, the main tungsten film 105 whose crystal is a columnar crystal is also affected by the TiN film 102 as shown in FIG. It becomes a columnar crystal. The columnar crystal has a crystal grain boundary perpendicular to it, and the presence of the crystal grain boundary increases the resistance of the film. Therefore, even if a film with few impurities is formed as the initial tungsten film, the resistance of the finally formed tungsten film will be high.

そこで、本実施形態では、ステップ3の結晶性遮断タングステン膜104の成膜を行って、下地のTiN膜102の結晶性を引き継がない状態で主タングステン膜105を成膜できるようにし、図5に示すように、主タングステン膜105の結晶を十分に大きく成長させることを可能にする。これにより、タングステン膜の抵抗を極めて低いものとすることができる。   Therefore, in this embodiment, the crystalline blocking tungsten film 104 is formed in step 3 so that the main tungsten film 105 can be formed without taking over the crystallinity of the underlying TiN film 102. FIG. As shown, the crystal of the main tungsten film 105 can be grown sufficiently large. Thereby, the resistance of the tungsten film can be made extremely low.

この結晶性遮断タングステン膜の成膜は、タングステン原料ガスであるWFガスと、還元ガスであるHガスとを処理容器2内に供給して加熱されたウエハS上でこれらを反応させるCVDにより行われる。このとき、ArガスおよびNガスの一方または両方を所定量流してもよい。 The crystalline blocking tungsten film is formed by CVD in which a WF 6 gas, which is a tungsten source gas, and an H 2 gas, which is a reducing gas, are supplied into the processing vessel 2 and reacted on the heated wafer S. Is done. At this time, a predetermined amount of one or both of Ar gas and N 2 gas may be flowed.

この結晶性遮断タングステン膜104は、結晶性遮断効果が高く、かつ主タングステン膜の結晶が成長しやすいように、より緻密な膜とする必要があり、そのために、主タングステン膜105の成膜の際よりも圧力を低圧にし、好ましくはタングステン原料であるWFガスの流量を主タングステン膜105の成膜の際よりも少なくする。また、結晶性遮断タングステン膜104の膜厚が5nmを超えると膜の比抵抗が上昇する傾向になるため、結晶性遮断タングステン膜104の膜厚は5nm以下が好ましい。より好ましくは3.0nm以下、さらには1.5nm以下である。また、より効果を高める観点から結晶性遮断タングステン膜104の膜厚は0.5nm以上が好ましい。 This crystalline blocking tungsten film 104 needs to be a dense film so that the crystalline blocking effect is high and the crystal of the main tungsten film is easy to grow. The pressure is set to a lower pressure than usual, and the flow rate of WF 6 gas, which is a tungsten raw material, is preferably made smaller than that during the formation of the main tungsten film 105. Moreover, since the specific resistance of the film tends to increase when the thickness of the crystalline blocking tungsten film 104 exceeds 5 nm, the thickness of the crystalline blocking tungsten film 104 is preferably 5 nm or less. More preferably, it is 3.0 nm or less, and further 1.5 nm or less. Further, from the viewpoint of enhancing the effect, the thickness of the crystalline blocking tungsten film 104 is preferably 0.5 nm or more.

この結晶性遮断タングステン膜成膜の条件の好ましい範囲を以下にまとめて示す。
・温度:350〜500℃(載置台温度)
・圧力:100〜2666Pa
・WF流量:5〜400sccm(mL/min)
・H流量:100〜12000sccm(mL/min)
・Ar流量:1000〜14000sccm(mL/min)
・N流量:0〜4000sccm(mL/min)
・膜厚:0.5〜5.0nm
Preferred ranges of conditions for forming this crystalline blocking tungsten film are summarized below.
-Temperature: 350-500 ° C (mounting table temperature)
・ Pressure: 100-2666 Pa
WF 6 flow rate: 5 to 400 sccm (mL / min)
· H 2 flow rate: 100~12000sccm (mL / min)
Ar flow rate: 1000-14000 sccm (mL / min)
・ N 2 flow rate: 0 to 4000 sccm (mL / min)
-Film thickness: 0.5-5.0 nm

具体的な条件例としては、以下のものを挙げることができる。
・温度:410℃(載置台温度)
・圧力:1000Pa
・WF流量:60sccm(mL/min)
・H流量:4000sccm(mL/min)
・Ar流量:6000sccm(mL/min)
・N流量:2000sccm(mL/min)
・膜厚:0.8nm
Specific examples of conditions include the following.
-Temperature: 410 ° C (mounting table temperature)
・ Pressure: 1000Pa
WF 6 flow rate: 60 sccm (mL / min)
・ H 2 flow rate: 4000 sccm (mL / min)
Ar flow rate: 6000 sccm (mL / min)
-N 2 flow rate: 2000 sccm (mL / min)
・ Film thickness: 0.8nm

このようにして結晶遮断性タングステン膜104を成膜した後、同様の温度で、その上に主タングステン膜105を成膜する(ステップ4、図3(d))。   After the crystal blocking tungsten film 104 is thus formed, the main tungsten film 105 is formed thereon at the same temperature (step 4, FIG. 3D).

ステップ4において成膜される主タングステン膜105は、コンタクトホールやビアホールを完全に埋め込むためのものであり、結晶性遮断タングステン膜104と同様、タングステン原料ガスであるWFガスと、還元ガスであるHガスとを処理容器2内に供給して加熱されたウエハS上でこれらを反応させるCVDにより行われる。このとき、ArガスおよびNガスの一方または両方を所定量流してもよい。この主タングステン膜105の成膜は、所望のスループットでコンタクトホールやビアホールを埋めるために、結晶性遮断タングステン膜104の成膜の際よりも原料ガスであるWFガスの流量を多くし、かつ高圧にして行われる。 The main tungsten film 105 formed in Step 4 is for completely filling contact holes and via holes, and is a WF 6 gas that is a tungsten source gas and a reducing gas, like the crystalline blocking tungsten film 104. This is performed by CVD in which H 2 gas is supplied into the processing container 2 and reacted on the heated wafer S. At this time, a predetermined amount of one or both of Ar gas and N 2 gas may be flowed. The main tungsten film 105 is formed in such a manner that the flow rate of the WF 6 gas, which is a raw material gas, is increased compared with the film formation of the crystalline blocking tungsten film 104 in order to fill the contact holes and via holes with a desired throughput. Performed at high pressure.

この主タングステン膜105の成膜の際には、この膜をより低抵抗にする観点から、結晶性遮断タングステン膜104と非連続で成膜を行うことが好ましい。すなわち、図6に示すように、結晶性遮断タングステン膜104の成膜後、主タングステン膜105の成膜時の圧力に上昇させる際に、WFガスを停止する。また、より低抵抗な膜を形成する観点から、結晶遮断タングステン膜104の成膜終了後、主タングステン膜105の成膜開始までの時間tを20〜270secの範囲とすることが好ましい。時間tをこの範囲にすることにより、主タングステン膜105の成膜速度が若干低下し、それにともなって主タングステン膜105の比抵抗が低下する傾向にある。 In forming the main tungsten film 105, it is preferable to form the main tungsten film 105 discontinuously with the crystalline blocking tungsten film 104 from the viewpoint of lowering the resistance of the film. That is, as shown in FIG. 6, after the crystalline blocking tungsten film 104 is formed, the WF 6 gas is stopped when the pressure at the time of forming the main tungsten film 105 is increased. Further, from the viewpoint of forming a lower resistance film, it is preferable that the time t from the completion of the formation of the crystal-blocking tungsten film 104 to the start of the formation of the main tungsten film 105 be in the range of 20 to 270 seconds. By setting the time t within this range, the deposition rate of the main tungsten film 105 slightly decreases, and the specific resistance of the main tungsten film 105 tends to decrease accordingly.

この主タングステン膜成膜の条件の好ましい範囲を以下に示す。
・温度:350〜500℃(載置台温度)
・圧力:2666〜26667Pa
・WF流量:150〜700sccm(mL/min)
・H流量:1000〜12000sccm(mL/min)
・Ar流量:1000〜14000sccm(mL/min)
・N流量:0〜4000sccm(mL/min)
A preferred range of conditions for forming the main tungsten film is shown below.
-Temperature: 350-500 ° C (mounting table temperature)
・ Pressure: 2666 to 26667 Pa
WF 6 flow rate: 150 to 700 sccm (mL / min)
· H 2 flow rate: 1000~12000sccm (mL / min)
Ar flow rate: 1000-14000 sccm (mL / min)
・ N 2 flow rate: 0 to 4000 sccm (mL / min)

具体的な条件例としては、以下のものを挙げることができる。
・温度:410℃(載置台温度)
・圧力:10666Pa
・WF流量:250sccm(mL/min)
・H流量:2200sccm(mL/min)
・Ar流量:4000sccm(mL/min)
・N流量:2000sccm(mL/min)
Specific examples of conditions include the following.
-Temperature: 410 ° C (mounting table temperature)
・ Pressure: 10666 Pa
WF 6 flow rate: 250 sccm (mL / min)
・ H 2 flow rate: 2200 sccm (mL / min)
Ar flow rate: 4000 sccm (mL / min)
-N 2 flow rate: 2000 sccm (mL / min)

また、結晶性遮断タングステン膜成膜の圧力から主タングステン膜成膜の圧力まで圧力上昇させる際の条件の好ましい範囲を以下に示す。
・H流量:1000〜12000sccm(mL/min)
・Ar流量:1000〜14000sccm(mL/min)
・N流量:0〜4000sccm(mL/min)
・圧力上昇速度:35〜1000Pa/sec
A preferable range of conditions for increasing the pressure from the pressure for forming the crystalline cutoff tungsten film to the pressure for forming the main tungsten film is shown below.
· H 2 flow rate: 1000~12000sccm (mL / min)
Ar flow rate: 1000-14000 sccm (mL / min)
・ N 2 flow rate: 0 to 4000 sccm (mL / min)
・ Pressure increase rate: 35 to 1000 Pa / sec

具体的な条件例としては、以下のものを挙げることができる。
・H流量:6000sccm(mL/min)
・Ar流量:7000sccm(mL/min)
・N流量:2000sccm(mL/min)
・圧力上昇速度:950Pa/sec
Specific examples of conditions include the following.
・ H 2 flow rate: 6000 sccm (mL / min)
Ar flow rate: 7000 sccm (mL / min)
-N 2 flow rate: 2000 sccm (mL / min)
・ Pressure increase rate: 950 Pa / sec

以上のように、厚さ20nm以下という極めて薄いタングステン膜を形成する場合に、抵抗を上昇させる初期タングステン膜を用いず、TiN膜102の上に結晶性遮断タングステン膜104を成膜することにより、下地のTiN膜や初期タングステン膜の影響を受けずに主タングステン膜を大きく粒成長させることが可能であるため、形成されるタングステン膜は不純物が少なくかつ大きな結晶粒を有するものとなる。また、抵抗が高いβ−タングステンの晶出を抑制することができる。このため、膜厚が薄いのにもかかわらず極めて比抵抗の小さいタングステン膜を得ることができる。   As described above, when an extremely thin tungsten film having a thickness of 20 nm or less is formed, the crystalline blocking tungsten film 104 is formed on the TiN film 102 without using the initial tungsten film for increasing the resistance. Since the main tungsten film can be grown in large grains without being affected by the underlying TiN film or initial tungsten film, the formed tungsten film has few impurities and has large crystal grains. Further, crystallization of β-tungsten having a high resistance can be suppressed. For this reason, it is possible to obtain a tungsten film having a very small specific resistance despite the thin film thickness.

また、主タングステン膜を結晶性遮断タングステン膜と非連続に成膜し、結晶性遮断タングステン膜の成膜を終了してから主タングステン膜の成膜を開始するまでの時間を20〜270secの範囲にすることにより、膜の比抵抗をより低下させることができる。   Further, the main tungsten film is formed discontinuously with the crystalline blocking tungsten film, and the time from the completion of the formation of the crystalline blocking tungsten film to the start of forming the main tungsten film is in the range of 20 to 270 sec. Thus, the specific resistance of the film can be further reduced.

(第2の実施形態に係る成膜方法)
図7は本発明の第2の実施形態に係る成膜方法のフローチャートである。本実施形態では、主タングステン膜の成膜までは、第1の実施形態と同様に実施され、その後にステップ5として、アニール工程を付加したものである。したがって、ステップ1〜4までは第1の実施形態と同様であるので説明を省略する。
(Film Forming Method According to Second Embodiment)
FIG. 7 is a flowchart of a film forming method according to the second embodiment of the present invention. In the present embodiment, the process up to the formation of the main tungsten film is performed in the same manner as in the first embodiment, and then an annealing process is added as step 5. Accordingly, steps 1 to 4 are the same as those in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.

タングステンには、抵抗の低いα相(α−W)と抵抗の高いβ相(β−W)とがあるが、アニールを行うことにより、抵抗の低いα−Wを安定化させることができ、タングステン膜をより低抵抗にすることができる。   Tungsten has a low-resistance α phase (α-W) and a high-resistance β phase (β-W). By annealing, α-W with low resistance can be stabilized, The resistance of the tungsten film can be further reduced.

アニールは、ステップ4の主タングステン膜の成膜終了後、処理容器2内をパージし、処理容器2内にアニール雰囲気を形成するためのガス、例えばN2ガス源76からNガスを導入しつつ加熱ランプ32により載置台8を介してウエハSを加熱する。ステップ4終了後、別個に設けられたアニール装置でアニールしてもよい。 Annealing, after completion of film formation of the main tungsten film in step 4, then purging the inside of the processing container 2, the gas for forming the annealing atmosphere into the processing chamber 2, N 2 gas was introduced from e.g. N 2 gas source 76 The wafer S is heated by the heating lamp 32 via the mounting table 8. After step 4, annealing may be performed with a separately provided annealing apparatus.

この際の加熱温度については、700℃以上で比抵抗を低下させる効果が高まることから、アニール温度は700℃以上が好ましい。   The heating temperature at this time is preferably 700 ° C. or higher because the effect of reducing the specific resistance is increased at 700 ° C. or higher.

また、アニール雰囲気については、膜厚50nmのタングステン膜でアニールの雰囲気をNガス雰囲気とHガス雰囲気で変化させて800℃でアニールした結果、比抵抗の値がほぼ同等であり、アニールの効果は雰囲気に依存しないことがわかった。したがって、アニールの際には、Nガスに代えてHガス源78からHガスを処理容器2内に導入しても構わないし、Arガス源75からArガスを導入しても構わない。アニール用に他のガスを供給するようにしてもよい。別個に設けられたアニール装置でアニールする場合には、適宜のガスを導入するようにすればよい。 In addition, as for the annealing atmosphere, the resistivity was almost equal as a result of annealing at 800 ° C. by changing the annealing atmosphere between the N 2 gas atmosphere and the H 2 gas atmosphere with a tungsten film having a thickness of 50 nm. The effect was found to be independent of the atmosphere. Therefore, when the annealing is to may be introduced from the H 2 gas source 78 in place of the N 2 gas and H 2 gas into the processing vessel 2, it may be introduced Ar gas from the Ar gas source 75 . Other gases may be supplied for annealing. In the case of annealing with an annealing apparatus provided separately, an appropriate gas may be introduced.

<実験結果>
次に、実験例について説明する。
(実験例1)
ここでは、上記手順に従って、SiO膜の上に形成されたTiN膜の上に、イニシエーション処理を行った後、WFガスおよびHガスを用いた結晶性遮断タングステン膜の成膜(圧力:1000Pa、WF流量:60sccm、H流量:4000sccm、膜厚:0.8nm)を行い、さらに結晶性遮断タングステン膜成膜の終了後、70sec後にWFガスおよびHガスを用いた主タングステン膜を膜厚を変えて成膜し(圧力:10666Pa、WF流量:250sccm、H流量:2200sccm)、種々の膜厚のタングステン膜を作製した(ケースA)。この際の温度は全て410℃とした。また、比較のため、イニシエーション処理を行った後、原料ガスとしてのWFガスと還元ガスとしてHガスを用いたALDあるいはSFDによる初期タングステン膜の成膜(膜厚10nm)を行い、SiHを吸着させる処理を20sec行った後、ケースAと同様にして、結晶性遮断タングステン膜の成膜を行い、さらに主タングステン膜を膜厚を変えて成膜し、種々の膜厚のタングステン膜を成膜した(ケースB)。
<Experimental result>
Next, experimental examples will be described.
(Experimental example 1)
Here, in accordance with the above procedure, an initiation process is performed on the TiN film formed on the SiO 2 film, and then a crystalline blocking tungsten film is formed using WF 6 gas and H 2 gas (pressure: 1000 Pa, WF 6 flow rate: 60 sccm, H 2 flow rate: 4000 sccm, film thickness: 0.8 nm), and after completion of the formation of the crystalline blocking tungsten film, 70 seconds later, main tungsten using WF 6 gas and H 2 gas Films were formed with different thicknesses (pressure: 10666 Pa, WF 6 flow rate: 250 sccm, H 2 flow rate: 2200 sccm), and tungsten films with various thicknesses were prepared (case A). The temperatures at this time were all 410 ° C. For comparison, after an initiation process, an initial tungsten film (film thickness 10 nm) is formed by ALD or SFD using WF 6 gas as a source gas and H 2 gas as a reducing gas, and SiH 4 After performing the process of adsorbing for 20 seconds, the crystalline blocking tungsten film is formed in the same manner as in case A, and the main tungsten film is formed by changing the film thickness, and tungsten films having various thicknesses are formed. A film was formed (Case B).

図8は、ケースAおよびBについて、膜厚と比抵抗との関係を示す図である。この図に示すように、ALDまたはSFDによる初期成膜を行ったケースBの膜は膜厚が20nmで主にβ−Wに起因すると考えられる抵抗の上昇が生じているのに対し、本発明の第1の実施形態の成膜方法で得られたケースAの膜はこのようなβ−Wに起因すると考えられる抵抗上昇領域が膜厚8nm以下のより薄い領域にシフトしていることがわかる。そして、本発明の第1の実施形態の成膜方法で得られたケースAの膜は、膜厚が10〜20nmの範囲で、比抵抗がほぼ20μΩcm以下であり、ケースBがほぼ50μΩcm以上であるのに比較して極めて低い値となった。なお、従来のタングステン膜は、初期タングステン膜を成膜する際の還元ガスとしてSiHガスやBガスを用いており、抵抗上昇成分であるSiやBを含んでいるため、ケースBよりもさらに高い抵抗値になると考えられる。 FIG. 8 is a diagram showing the relationship between film thickness and specific resistance for cases A and B. As shown in this figure, the film of Case B in which the initial film formation by ALD or SFD was performed has a film thickness of 20 nm and an increase in resistance considered to be mainly caused by β-W, whereas the present invention In the film of case A obtained by the film forming method of the first embodiment, it can be seen that the resistance increasing region considered to be caused by such β-W is shifted to a thinner region having a thickness of 8 nm or less. . The film of case A obtained by the film forming method of the first embodiment of the present invention has a film thickness in the range of 10 to 20 nm, a specific resistance of approximately 20 μΩcm or less, and case B of approximately 50 μΩcm or more. The value was extremely low compared to that. Note that the conventional tungsten film uses SiH 4 gas or B 2 H 6 gas as a reducing gas when forming the initial tungsten film, and contains Si and B as resistance increasing components. It is considered that the resistance value is even higher than that.

(実験例2)
次に、ケースAおよびケースBの種々の厚さの膜に対し、N雰囲気において800℃で30minのアニールを施した。これらをそれぞれケースCよびケースDとする。
(Experimental example 2)
Next, the films of various thicknesses of Case A and Case B were annealed at 800 ° C. for 30 minutes in an N 2 atmosphere. These are referred to as Case C and Case D, respectively.

図9は、ケースCおよびDについて、膜厚と比抵抗との関係を示す図である。この図に示すように、アニールを施すことにより、アニール前のケースAおよびBよりも比抵抗が低下する傾向があり、特に、本発明の第2の実施形態の成膜方法の範囲のケースCは、膜厚が10〜20nmの範囲で比抵抗がほぼ15μΩcm以下と極めて低い値を示している。   FIG. 9 is a diagram showing the relationship between film thickness and specific resistance for cases C and D. As shown in this figure, when annealing is performed, the specific resistance tends to be lower than that of cases A and B before annealing, and in particular, case C within the range of the film forming method of the second embodiment of the present invention. Shows a very low value of a specific resistance of about 15 μΩcm or less in a thickness range of 10 to 20 nm.

(実験例3)
ここでは、上記ケースA〜Dについて、より厚い膜厚まで成膜を行った。図10は、ケースA〜Dについて、膜厚35nm以下の範囲における膜厚と比抵抗との関係を示す図である。この図に示すように、膜厚が20nmを超えると、本発明の実施形態であるケースAおよびCは、初期タングステン膜を用いたケースBおよびDの比抵抗とあまり差がなくなっており、むしろケースBおよびDのほうがわずかに比抵抗が低くなっている。このことから、本発明の実施形態では膜厚20nm以下で効果を有することが確認された。
(Experimental example 3)
Here, in the cases A to D, the film was formed to a thicker film thickness. FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the film thickness and the specific resistance in the range of 35 nm or less for cases A to D. As shown in this figure, when the film thickness exceeds 20 nm, cases A and C, which are embodiments of the present invention, are not much different from the specific resistances of cases B and D using the initial tungsten film. Cases B and D have a slightly lower specific resistance. From this, it was confirmed that the embodiment of the present invention has an effect at a film thickness of 20 nm or less.

<他の適用>
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、結晶性遮断タングステン膜と主タングステン膜とを同じ温度で実施した例を示したが、異なる温度で実施して適正化してもよい。また、上記実施形態では、基板として表面にバリア層であるTiN膜が形成されたものを用い、その上にタングステン膜を成膜する例を示したが、バリア層はTiN膜に限るものではない。さらに、被処理基板として半導体ウエハを例にとって説明したが、半導体ウエハはシリコンであっても、GaAs、SiC、GaNなどの化合物半導体でもよく、さらに、半導体ウエハに限定されず、液晶表示装置等のFPD(フラットパネルディスプレイ)に用いるガラス基板や、セラミック基板等にも本発明を適用することができる。
<Other applications>
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention can be variously deformed, without being limited to the said embodiment. For example, in the above-described embodiment, an example in which the crystalline blocking tungsten film and the main tungsten film are implemented at the same temperature has been described. In the above embodiment, an example in which a TiN film as a barrier layer is formed on the surface of the substrate and a tungsten film is formed thereon is shown. However, the barrier layer is not limited to the TiN film. . Furthermore, although a semiconductor wafer has been described as an example of a substrate to be processed, the semiconductor wafer may be silicon or a compound semiconductor such as GaAs, SiC, or GaN, and is not limited to a semiconductor wafer, such as a liquid crystal display device. The present invention can also be applied to a glass substrate, a ceramic substrate, or the like used for an FPD (flat panel display).

2;処理容器
8;載置台
30;加熱室
32;加熱ランプ
50;真空ポンプ
52;排気管
60;シャワーヘッド
70;ガス供給部
90;制御部
91;コントローラ
92;ユーザーインターフェース
93;記憶部(記憶媒体)
100;成膜装置
101;層間絶縁膜
102;TiN膜
103;核
104;結晶性遮断タングステン膜
105;主タングステン膜
S;半導体ウエハ(基板)
2; Processing container 8; Mounting table 30; Heating chamber 32; Heating lamp 50; Vacuum pump 52; Exhaust pipe 60; Shower head 70; Gas supply unit 90; Control unit 91; Controller 92; User interface 93; Medium)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100; Film-forming apparatus 101; Interlayer insulation film 102; TiN film 103; Core 104; Crystalline interruption | blocking tungsten film 105; Main tungsten film S; Semiconductor wafer (substrate)

Claims (12)

処理容器内において、減圧雰囲気で基板を加熱しつつ表面にバリア層を有する基板に膜厚20nm以下のタングステン膜を成膜するタングステン膜の成膜方法であって、
前記処理容器内へタングステン原料であるWFガスと、還元ガスであるHガスとを供給し、その際の処理容器内の圧力およびタングステン原料の供給量を調整して前記バリア層上に前記バリア層の結晶性を遮断する結晶性遮断タングステン膜を成膜する工程と、
前記結晶性遮断タングステン膜成膜終了後、WFガスの供給を停止し、前記処理容器内の圧力を上昇させた後、WFガスとHガスとを供給して主タングステン膜を成膜する工程と
を有することを特徴とするタングステン膜の成膜方法。
A tungsten film forming method for forming a tungsten film having a thickness of 20 nm or less on a substrate having a barrier layer on a surface while heating the substrate in a reduced pressure atmosphere in a processing container,
WF 6 gas, which is a tungsten raw material, and H 2 gas, which is a reducing gas, are supplied into the processing container, and the pressure in the processing container and the supply amount of the tungsten raw material are adjusted on the barrier layer. Forming a crystalline blocking tungsten film for blocking the crystallinity of the barrier layer;
After the crystalline blocking tungsten film is formed, the supply of WF 6 gas is stopped, the pressure in the processing vessel is increased, and then the WF 6 gas and H 2 gas are supplied to form the main tungsten film. A method for forming a tungsten film.
前記結晶性遮断タングステン膜成膜の終了後、前記主タングステン膜成膜までの時間を20〜270secとすることを特徴とする請求項1に記載のタングステン膜の成膜方法。   2. The tungsten film forming method according to claim 1, wherein a time period from the completion of the formation of the crystalline blocking tungsten film to the formation of the main tungsten film is set to 20 to 270 seconds. 前記結晶性遮断タングステン膜の膜厚を0.5〜5.0nmとすることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のタングステン膜の成膜方法。   3. The method for forming a tungsten film according to claim 1, wherein the crystalline blocking tungsten film has a thickness of 0.5 to 5.0 nm. 前記結晶性遮断タングステン膜の成膜は、処理容器内の圧力を100〜2666Pa、WFガスの流量を5〜400sccm(mL/min)、Hガスの流量を100〜12000sccm(mL/min)として行うことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のタングステン膜の成膜方法。 The crystalline blocking tungsten film is formed by setting the pressure in the processing vessel to 100 to 2666 Pa, the flow rate of WF 6 gas to 5 to 400 sccm (mL / min), and the flow rate of H 2 gas to 100 to 12000 sccm (mL / min). The tungsten film forming method according to claim 1, wherein the tungsten film forming method is performed as follows. 前記主タングステン膜の成膜は、処理容器内の圧力を2666〜26667Pa、WFガスの流量を150〜700sccm(mL/min)、Hガスの流量を1000〜12000sccm(mL/min)として行うことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のタングステン膜の成膜方法。 The main tungsten film is formed at a processing vessel pressure of 2666 to 26667 Pa, a flow rate of WF 6 gas of 150 to 700 sccm (mL / min), and a flow rate of H 2 gas of 1000 to 12000 sccm (mL / min). The method for forming a tungsten film according to claim 1, wherein the tungsten film is formed. 前記主タングステン膜の成膜後、前記基板をアニールすることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のタングステン膜の成膜方法。   6. The method for forming a tungsten film according to claim 1, wherein the substrate is annealed after forming the main tungsten film. 前記アニールは700℃以上の温度で行うことを特徴とする請求項6に記載のタングステン膜の成膜方法。   The method for forming a tungsten film according to claim 6, wherein the annealing is performed at a temperature of 700 ° C. or more. 前記結晶性遮断タングステン膜の成膜に先立って、基板表面に核を形成するイニシエーション処理を行う工程をさらに有することを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のタングステン膜の成膜方法。   8. The tungsten film according to claim 1, further comprising an initiation process for forming nuclei on a substrate surface prior to the formation of the crystalline blocking tungsten film. 9. The film forming method. 前記イニシエーション処理は、SiHガスを供給して行うことを特徴とする請求項8に記載のタングステン膜の成膜方法。 The tungsten film formation method according to claim 8, wherein the initiation process is performed by supplying SiH 4 gas. 前記各工程の際の基板を支持する載置台の温度が350〜500℃であることを特徴とする請求項1から請求項9のいずれか1項に記載のタングステン膜の成膜方法。   10. The method for forming a tungsten film according to claim 1, wherein the temperature of the mounting table that supports the substrate in each step is 350 to 500 ° C. 10. 前記基板の表面に形成されたバリア層はTiN膜であることを特徴とする請求項1から請求項10のいずれか1項に記載のタングステン膜の成膜方法。   The method for forming a tungsten film according to claim 1, wherein the barrier layer formed on the surface of the substrate is a TiN film. コンピュータ上で動作し、成膜装置を制御するためのプログラムが記憶された記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、請求項1から請求項11のいずれかのタングステン膜の成膜方法が行われるように、コンピュータに前記成膜装置を制御させることを特徴とする記憶媒体。   A storage medium that operates on a computer and stores a program for controlling a film forming apparatus, wherein the program is executed when the tungsten film forming method according to any one of claims 1 to 11 is executed. A storage medium characterized by causing a computer to control the film forming apparatus.
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