JP3956049B2 - タングステン膜の形成方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等の被処理体の表面にタングステン膜を形成する方法に係り、特に本出願人の先の出願（特願２００２−２３４２７３号）の改良発明であってパッシベーションタングステン膜の形成工程を改良したタングステン膜の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体集積回路の製造工程においては、被処理体である半導体ウエハ表面に配線パターンを形成するために或いは配線間等の凹部やコンタクト用の凹部を埋め込むためにＷ（タングステン）、ＷＳｉ（タングステンシリサイド）、Ｔｉ（チタン）、ＴｉＮ（チタンナイトライド）、ＴｉＳｉ（チタンシリサイド）、Ｃｕ（銅）、Ｔａ2 Ｏ5 （タンタルオキサイド）等の金属或いは金属化合物を堆積させて薄膜を形成することが行なわれている。そして、上記した各種の薄膜の内、比抵抗が小さく、膜付け温度も小さくて済む等の理由からタングステン膜が多用されている。この種のタングステン膜を形成するには、原料ガスとしてＷＦ6 （六フッ化タングステン）を用い、これを水素、シラン、ジクロルシラン等により還元することにより、タングステン膜を堆積させている。
【０００３】
上記タングステン膜を形成する場合には、密着性の向上、下層のシリコン層との反応の抑制等の理由から、ウエハ表面にＴｉ膜、ＴｉＮ膜、或いは両者の積層膜が下地膜となるバリヤ層として薄く且つ均一に形成されており、このバリヤ層上に上記タングステン膜を堆積させることになる。
ここで凹部等の埋め込みを行う場合には、埋め込み性を良好にするためにシランよりも還元性が弱い水素ガスが主として用いられるが、この際、未反応のＷＦ6 ガスにより上記バリヤ層がアタックされてバリヤ層とフッ素が反応して体積的に膨張し、上方へ突状に突き出たボルケーノが発生したり、埋め込み穴にボイドが発生したりする場合がある。
【０００４】
これを、図１７を参照して説明する。図１７はボルケーノとボイドが発生している埋め込み穴を示す断面図である。半導体ウエハＷの表面にコンタクトホール等の埋め込み穴２があり、この埋め込み穴２の内面を含めた表面に、例えばＴｉ／ＴｉＮ膜よりなるバリヤ層４が予め形成されている。そして、この状態でＷＦ6 ガスとＨ2 ガスとを同時に供給してタングステン膜６を堆積させて埋め込みを行うと、ＷＦ6 中のフッ素がバリヤ層中へ拡散し、特に表面部のバリヤ層４のＴｉとフッ素が反応することによって埋め込み穴２の近辺を基点としてタングステン膜６が突起状に堆積してその突起部の先端部がタングステン膜６の応力によってボルケーノ８が発生したり、また、埋め込み穴２内には空洞状のボイド１０が発生したりする。
【０００５】
そして、上記ボルケーノ８等の発生を防止するために、最初に水素ガスに代えて、これよりも還元力の強いシランを用いて僅かな厚さ、例えば３００〜５００Å程度だけタングステン膜の核付け層を形成し、その後、この核付け層を起点としてＨ2 ガスとＷＦ6 ガスにより主たるタングステン膜を堆積することも行われていたが、この場合には、下地膜であるバリヤ層４の表面が例えば、有機金属膜が形成された表面や酸化された表面等によって核付け層が均一にできない場合があった。
そこで、上記核付け層を形成するに先立って、シランのみを単独で所定時間だけ供給してこの一部が分解する程度の低温、例えば４００℃程度でシランの反応中間体（ＳｉＨｘ：ｘ＜４）をウエハ表面に吸着させ、これを起点として上記核付け層を成長させることも行われている。図１８はこのような方法を用いてタングステンにより埋め込み穴を埋め込む時の工程を示す図である。
【０００６】
まず、図１８（Ａ）に示すように、埋め込み穴２内の内面を含んだウエハ表面全体にバリヤ層４が形成されているウエハＷに対して、シラン（ＳｉＨ4 ）を単独で供給してウエハＷの表面に上記ＳｉＨx である反応中間体１２を付着させるイニシエーション処理を行う（図１８（Ａ）及び図１８（Ｂ））。そして、次に、先に説明したように、所定の時間だけＷＦ6 ガスとＳｉＨ4 ガスとを、図１８（Ｃ）に示すように同時に供給して、上記反応中間体１２を起点としてタングステン膜を堆積させることにより、核付け層１４を形成する（図１８（Ｄ））。
次に、図１８（Ｅ）に示すように、ＷＦ6 ガスとＨ2 ガスとを同時に供給することにより、図１８（Ｆ）に示すように主となるタングステン膜１６を堆積させて埋め込み穴を埋め込む。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記ウエハ表面に形成されているバリヤ層４には例えばＴｉの有機化合物ソースを用いて形成する場合がある。この場合、ソースガスに含まれる炭素成分がバリヤ層４に取り込まれることになり、これが原因となって、上記イニシエーション処理を行っても炭素成分を含むバリヤ層の露出する表面により、ＳｉＨｘの反応中間体の付着が不均一となって核付け層１４が不均一に形成され、核付け層１４自体のステップカバレジが悪くなり、結果的に主タングステン膜の埋め込み性が悪く、ボイド、ボルケーノ等が形成される、といった問題があった。
また、上記核付け層１４の厚さが、主たるタングステン層１６を含めた全体のタングステン膜の厚さに対して占める割合がそれ程大きくない場合には問題は生じないが、微細化によって主タングステン膜の厚さに対するこの核付け層１４の厚さの占める割合が無視し得なくなる程大きくなると、上記核付け層１４のステップカバレジの悪さに起因して無視し得ない大きさのボイドが発生してしまう、といった問題もあった。
【０００８】
以上のような問題は、半導体製造の微細化及び薄膜化が更に進んで埋め込み穴の内径が例えば０．２μｍ以下になると、特に深刻な問題となって顕在化してきた。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、スループットを向上でき、しかも埋め込み性を向上させて例えば埋め込み穴の径が小さくても、特性に悪影響を与える程の大きさのボイドの発生やボルケーノの発生を抑制でき、埋め込み特性の良好なタングステン膜の形成方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に規定する発明は、真空引き可能になされた処理容器内にて被処理体の表面にタングステン膜を形成するに際して、還元ガスを供給する還元ガス供給工程とタングステン含有ガスを供給するタングステンガス供給工程とを、前記両工程の間に不活性ガスを供給しつつ真空引きするパージ工程を介在させると共に前記還元ガス供給工程を最初に行なうように交互に繰り返し行うようにして初期タングステン膜を形成するようにした初期タングステン膜形成工程と、前記処理容器内へ還元ガスを流しつつ前記タングステン含有ガスの流量を少しずつ増加するように変化させて流すことによって前記処理容器内の圧力を次第に上昇させつつパッシベーションタングステン膜を形成するパッシベーションタングステン膜形成工程と、前記処理容器に前記還元ガスと前記タングステン含有ガスとを流して主タングステン膜を形成する主タングステン膜形成工程と、を有することを特徴とするタングステン膜形成方法である。
これにより、膜厚均一性の高い核付け層としての初期タングステン膜を形成し、更に効率的にパッシベーションタングステン膜を形成し、この後に主たるタングステン膜を堆積させるようにしたので、特に埋め込み特性を改善でき、例えば埋め込み穴の径が小さくても、特性に悪影響を与える程の大きさのボイドの発生やボルケーノの発生を抑制することができる。また、上記一連の３工程は同一処理容器内で連続的に行われるので、例えば処理容器を変更することによって発生するインキュベーション期間がなくなり、その分、スループットを向上させることが可能となる。
請求項２に係る発明は、真空引き可能になされた処理容器内にて被処理体の表面にタングステン膜を形成するに際して、還元ガスを供給する還元ガス供給工程とタングステン含有ガスを供給するタングステンガス供給工程とを、前記両工程の間に不活性ガスを供給しつつ真空引きするパージ工程を介在させると共に前記還元ガス供給工程を最初に行なうように交互に繰り返し行うようにして初期タングステン膜を形成するようにした初期タングステン膜形成工程と、前記処理容器内へ還元ガスを流しつつ前記タングステン含有ガスの流量を少しずつ増加するように変化させて流すことによって前記処理容器内の圧力を次第に上昇させつつパッシベーションタングステン膜を形成するパッシベーションタングステン膜形成工程と、前記処理容器に前記還元ガスと前記タングステン含有ガスとを流して主タングステン膜を形成する主タングステン膜形成工程と、を有し、前記パッシベーションタングステン膜形成工程では、前記被処理体の温度を次第に上昇させるようにしたことを特徴とするタングステン膜形成方法である。
【００１０】
この場合、例えば請求項３に規定するように、前記パッシベーションタングステン膜形成工程では、前記被処理体の温度を次第に上昇させる。
また例えば、請求項４に規定するように、前記初期タングステン膜形成工程と、前記パッシベーションタングステン膜形成工程と、前記主タングステン膜形成工程との間では前記被処理体の温度を同一に維持している。
このように、各工程間におけるプロセス温度を略一定に維持することにより、途中でプロセス温度を昇降温させる必要がないので、その分、スループットを更に向上させることが可能となる。
【００１１】
また例えば、請求項５に規定するように、前記処理容器内の圧力は、前記初期タングステン膜形成工程と前記パッシベーションタングステン膜形成工程では２６６６Ｐａ（２０Ｔｏｒｒ）以下であり、前記主タングステン膜形成工程では２６６６Ｐａ（２０Ｔｏｒｒ）以上である。
【００１２】
また、例えば請求項６に規定するように、前記タングステン含有ガスは、ＷＦ６ ガスと有機タングステンソースガスの内のいずれか１つである。
また、例えば請求項７に規定するように、前記還元ガスは、Ｈ２ ガス、シラン（ＳｉＨ４ ）、ジシラン（Ｓｉ２ Ｈ６ ）、ジクロルシラン（ＳｉＨ２ Ｃｌ２ ）、ジボラン（Ｂ２ Ｈ６ ）、ホスフィン（ＰＨ３ ）の内のいずれか１つよりなる。
また、例えば請求項８に規定するように、前記タングステン含有ガスはＷＦ６ ガスであり、前記還元ガスは、初期タングステン膜形成工程ではＳｉＨ４ ガスであり、前記パッシベーションタングステン膜形成工程と前記主タングステン膜形成工程ではＨ２ ガスである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るタングステン膜の形成方法の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係るタングステン膜の形成方法を実施する熱処理装置を示す断面構成図、図２は各ガスの供給態様を示す図、図３は成膜工程全体を通じての各ガス流量の一例とプロセス条件との関係を示すフローチャート、図４は半導体ウエハの表面に堆積したタングステン膜の一例を示す拡大断面図である。
まず、本発明方法を実施する熱処理装置について説明すると、この熱処理装置２０は、例えば断面が略円筒形状のアルミニウム製の処理容器２２を有している。この処理容器２２内の天井部には流量制御された処理ガスとして例えば各種の成膜ガスやキャリアガス等を、選択的に導入するためのシャワーヘッド部２４がＯリング等のシール部材２６を介して設けられており、この下面に設けた多数のガス噴射口２８から処理空間Ｓに向けて成膜ガスを噴射するようになっている。尚、このシャワーヘッド部２４内には、複数の拡散孔２５を有する１枚、或いは複数枚の拡散板２７を設けて、ここに導入されたガスの拡散を促進するようにした構造のものを用いてもよい。
【００１４】
この処理容器２２内には、処理容器底部より起立させた円筒状のリフレクタ３０上に、例えばＬ字状の３本の保持部材３２（図１では２本のみ記す）を介して被処理体としての半導体ウエハＷを載置するための載置台３４が設けられている。
この載置台３４の下方には、複数本、例えば３本のＬ字状のリフタピン３６（図示例では２本のみ記す）が上方へ起立させて設けられており、このリフタピン３６の基部は、上記リフレクタ３０に形成した縦長挿通孔（図示せず）を挿通して、リング部材３８に共通に接続されている。そして、このリング部材３８を処理容器底部に貫通して設けられた押し上げ棒４０により上下動させることにより、上記リフタピン３６を載置台３４に貫通させて設けたリフタピン孔４２に挿通させてウエハＷを持ち上げ得るようになっている。
【００１５】
上記押し上げ棒４０の容器底部の貫通部には、処理容器２２において内部の気密状態を保持するために伸縮可能なベローズ４４が介設され、この押し上げ棒４０の下端はアクチュエータ４６に接続されている。
また、処理容器２２の底部の周縁部には、排気口４８が設けられ、この排気口４８には図示しない真空ポンプに接続された排気通路５０が接続されており、処理容器２２内を所定の真空度まで真空引きし得るようになっている。また、処理容器２２の側壁には、ウエハを搬出入する際に開閉されるゲートバルブ５２が設けられる。
図示しないが、処理容器２２内には圧力を測定する真空計（Ｃａｐａｍａｎｏｍｅｔｏｒ）が設けられており、排気通路５０には処理容器２２内の圧力を調整する圧力調節弁（Ａｕｔｏ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖａｌｖｅ）が設けられている。
【００１６】
また、載置台３４の直下の処理容器底部には、石英等の熱線透過材料よりなる透過窓５４がＯリング等のシール部材５６を介して気密に設けられており、この下方には、透過窓５４を囲むように箱状の加熱室５８が設けられている。この加熱室５８内には加熱手段として例えば複数の加熱ランプ６０が反射鏡も兼ねる回転台６２に取り付けられており、この回転台６２は、回転軸を介して加熱室５８の底部に設けた回転モータ６４により回転される。従って、この加熱ランプ６０より放出された熱線は、透過窓５４を透過して薄い載置台３４の下面を照射してこれを加熱し、更にこの載置台３４上のウエハＷを間接的に加熱し得るようになっている。このように加熱ランプ６０を用いることによって、ウエハＷの昇温速度を非常に速くすることができる。
【００１７】
次に、以上のように構成された装置を用いて行われる本発明方法について説明する。
まず、処理容器２２の側壁に設けたゲートバルブ５２を開いて図示しない搬送アームにより処理容器２２内にウエハＷを搬入し、リフタピン３６を押し上げることによりウエハＷをリフタピン３６側に受け渡す。そして、リフタピン３６を、押し上げ棒４０を下げることによって降下させ、ウエハＷを載置台３４上に載置する。このウエハＷの表面には、埋め込み穴２の内面も含めて前工程にてすでに下地膜としてＴｉ／ＴｉＮ膜のようなバリヤ層４が形成されている（図１８（Ａ）参照）。
【００１８】
次に、図示しない処理ガス源から処理ガスとして所定の成膜ガスやキャリアガス等を、後述するようなガス供給態様でシャワーヘッド部２４へ所定量ずつ供給して、これを下面のガス噴射孔２８から処理容器２２内へ略均等に供給する。これと同時に、排気口４８から内部雰囲気を吸引排気することにより処理容器２２内を所定の圧力に真空引きしつつ、且つ載置台３４の下方に位置する加熱手段の各加熱ランプ６０を回転させながら駆動し、熱エネルギを放射する。
放射された熱線は、透過窓５４を透過した後、載置台３４の裏面を照射してこれを加熱する。この載置台３４は、前述のように例えば１ｍｍ程度と非常に薄いことから迅速に加熱され、従って、この上に載置してあるウエハＷを迅速に所定の温度まで加熱することができる。上記供給された成膜ガスは所定の化学反応を生じ、タングステン膜の薄膜がウエハ表面の全面に堆積して形成されることになる。
【００１９】
本発明方法では成膜処理の全体は、図２に示すように初期タングステン膜形成工程７９と、パッシベーションタングステン膜形成工程８４と、主タングステン膜形成工程８０とにより形成されている。ここで、図２を参照して成膜処理全体に亘っての各ガスの供給態様を具体的に説明する。
図２では３種類のガス供給態様が示されており、各態様において、キャリアガスとして例えばＡｒ、Ｎ2 ガスが、流量を一定にして、或いは必要に応じて流量を変えながら、連続的に供給されている。また、同様に、処理容器２２内も、一連の工程の間、連続的に真空引きされている。
ここでは、タングステン含有ガスとしてはＷＦ6 ガスを用い、還元ガスとしてはＨ2 ガス、或いはこのＨ2 ガスよりも還元力の強いＳｉＨ4 ガスを用いている。また以下に説明する初期タングステン膜形成工程、パッシベーションタングステン膜形成工程及び主タングステン膜形成工程の各工程はこの同一処理容器２２内で連続的に行われることになる。
【００２０】
まず、図２（Ａ）に示す初期タングステン膜形成工程のガス供給態様は、図３にも示すように還元ガスであるＳｉＨ4 ガスを供給する還元ガス供給工程７０とタングステン含有ガスであるＷＦ6 ガスを供給するタングステンガス供給工程７２とを、これらの両工程の間に不活性ガスとしてのキャリアガスを供給しつつ真空引きするパージ工程７４を介在させて、交互に複数回繰り返し行うようにして初期タングステン膜７６（図４参照）を形成している。すなわち、ＳｉＨ4 ガスの供給とＷＦ6 ガスの供給を交互に繰り返し行い、それらの繰り返し工程の間にパージ工程７４を介在させることにより、初期タングステン膜形成工程を行う。そして、この初期タングステン膜形成工程の最後は還元ガス供給工程７０で終了している。そして、処理容器２２内が基板（ウエハ）表面にＳｉＨ4 ガスでＳｉＨｘを付着させている事により、次のパッシベーション膜形成工程８４、主タングステン膜形成工程８０にて膜が効果的に形成されやすくなる。この点は、図２（Ｂ）〜図２（Ｃ）においても同じである。
【００２１】
このようにして、初期タングステン膜７６を形成したならば、次に、還元ガスとして今度はＳｉＨ4 ガスに代えてＨ2 ガスを用い、本発明の特徴とするパッシベーションタングステン膜８２（図４参照）を形成するパッシベーションタングステン膜形成工程８４を連続的に行っている。尚、ここでも不活性ガス、例えばＡｒ、Ｎ2 ガス等を継続して流している。このパッシベーションタングステン膜形成工程８４では、主タングステン膜形成工程８０と同じガス種、すなわちＷＦ6 ガスとＨ2 ガスとを用いており、ただし、ＷＦ6 ガスを流す前にＨ2 ガスを流して、その流量を一定に維持すると共に、次に、タングステン含有ガスを流してその流量を少しずつ増加するように変化させ、同時に処理容器２２内の圧力（プロセス圧力）及び基板温度を次第に上昇させている（図３参照）。このパッシベーションタングステン膜形成工程８４の期間Ｔ５は、例えば３〜９０秒で好ましくは１０〜６０秒である。この場合、処理容器２２内の圧力及び基板温度を一定に保持してもよい。
【００２２】
具体的には、図３に示すように上記初期タングステン膜形成工程７９の短時間のパージ工程７４を行った後に、上記ＷＦ6 ガスを処理容器２２内に入れないで排気ラインに流し、例えば１〜３０秒、好ましくは３〜５秒程度質量流量計を安定させ、ＷＦ6 ガスの流量を安定させる。このＷＦ6 ガスの流量が安定したΔｔ秒後にＷＦ6 ガスを処理容器２２内へ流してＷＦ6 ガスの流量を徐々に増加させる。
またＨ2 ガスの供給はＷＦ6 ガスの流量が安定するΔｔ秒前に処理容器２２内へ供給される。このパッシベーションタングステン膜形成工程により上記初期タングステン膜上にパッシベーションタングステン膜が形成される。
上記したようにＷＦ6 ガスの流量を僅かな量から徐々に増加させる理由は、極力薄くしたパッシベーション膜を形成することで、主タングステン膜形成工程でのＷＦ6 ガスからのダメージを抑制し、保護膜の上記初期タングステン膜を補強することを目的としているからである。これにより、初期タングステン膜形成工程７９の成膜時間を短くすることで全成膜時間を短縮することができ、スループットの向上を図ることができる。
【００２３】
つまりパッシベーションタングステン膜形成は、Ｈ2 ガスの供給量を、所定の流量で供給し、前述したようにＷＦ6 ガスは所定の時間かけて主タングステン膜形成工程８０における供給量まで少しずつ増加させることで、下地層へのＷＦ6 （フッ素）のダメージを最少にするためにはＷＦ6 ガスの供給量を少なくする必要がある。しかし、埋め込みを得るためには、ＷＦ6 ガスは多くする必要がある。これを両立するために、先にＨ2 ガスを供給して、そして、しばらくしてＷＦ6 ガスの供給を開始してその供給量を次第に大きくするようにしている。
図３ではこのパッシベーションタングステン膜形成工程７９におけるプロセス圧力は、１３３３０Ｐａ以下の圧力範囲で、例えば好ましくは１０００Ｐａ（７．５Ｔｏｒｒ）から１０６１０Ｐａ（８０Ｔｏｒｒ）まで直線的に増加させており、また、プロセス温度は３００℃〜４５０℃の温度範囲で、例えば好ましくは３５０から４１０℃まで直線的に増加させている。また、処理時間は１０〜６０秒が好ましく、昇温、昇圧の条件では２０秒〜４０秒がより好ましい。また、温度一定で処理した場合は、基板の温度変化がないため、処理時間は１０〜２０秒でよい。
【００２４】
次に、上記パッシベーションタングステン膜形成工程８４が終了したならば、そのままのＷＦ6 ガスの流量を流し、Ｈ2 ガスの流量を減らしてそれぞれ流しつつ主タングステン膜形成工程８０を継続して行う。尚、ここでもキャリアガスとして不活性ガス、例えばＡｒ、Ｎ2 ガス等を継続して流している。このようにして所定の時間だけ主タングステン膜形成工程８４を行って、例えば埋め込み穴２を主タングステン膜７８で完全に埋め込む。この時のプロセス圧力、プロセス温度は、パッシベーションタングステン膜形成工程が終了した時点から実質的に変動させておらず、それぞれ一定に保つ。
ここで、初期タングステン膜形成工程において、或る還元ガス供給工程７０から次の還元ガス供給工程７０までの期間を１サイクルとすると、図２（Ａ）の場合には３サイクル行っているが、このサイクル数は特に限定されない。
【００２５】
また、各還元ガス供給工程７０の期間Ｔ１、及び各タングステンガス供給工程７２の期間Ｔ２はそれぞれ０．５〜３０秒で、好ましくは１．５〜１０秒であり、また、パージ工程７４の期間Ｔ３は０〜３０秒で、好ましくは０〜１０秒である。また、上記パージ工程は、真空引きのみを行なうようにしてもよい。好ましくは、還元ガス供給工程７０とタングステンガス供給工程７２とパージ工程７４を通して還元ガスとタングステン含有ガスと不活性ガスの全圧（Ｔｏｔａｌ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）が一定になるように制御する。ガスの全圧を一定にすることにより、ウエハ（被処理体）の温度や被覆されるガスの吸着量を一定に保つことができるからである。前記ガスの全圧の制御は、処理容器２２に取り付けられた真空計によって処理容器２２内の圧力を測定し、その圧力が一定になるように排気通路５０に取り付けられた圧力調節弁を調整することにより行なう。
【００２６】
ここで、パージ工程７４の時間について評価を行ったので、その結果について説明する。図５は、処理容器内におけるシラン（ＳｉＨ4 ）の分圧の分布状態を示す図であり、図５（Ａ）はシャワーヘッド部２４内に拡散板２７を設けている場合を示し、図５（Ｂ）はシャワーヘッド部２４内に拡散板を設けていない場合を示す。図中、横軸は、ウエハ中心からの半径方向への距離を表している。ここでは、ＳｉＨ4 の供給停止の直後、数秒（０〜３秒）のパージを行った時のウエハ上の残留ＳｉＨ4 の分圧を測定している。
【００２７】
図５から明らかなように、シャワーヘッド部内に分散板を設けた方（図５（Ａ））が早目に低い分圧となり、図５（Ａ）に示す場合には、略１．５秒程度のパージ工程を行うことでＳｉＨ4 の分圧を１×１０-1Ｐａ程度まで低下させることができ、また、図５（Ｂ）に示す場合は略３秒程度のパージ工程を行うことでＳｉＨ4 の分圧を１×１０-1Ｐａ程度まで低下させることができることが判明する。尚、シャワーヘッド部のガス噴射口２８を細くすることでも同様な効果（拡散板と同様な効果）を得る事ができる。
従って、シャワーヘッド部の構造に関係なく、少なくとも３秒程度のパージ工程を行えば、残留シランの分圧をゼロにして気相反応による影響を無視することが可能となる。
【００２８】
また、図２に戻って、ここでのＳｉＨ4 ガスやＷＦ6 ガスの流量は比較的少量にしてそれらの分圧比を小さくする。更には、プロセス温度も例えば２００〜５００℃で、好ましくは２５０〜４５０℃と、低めに設定する。また、初期タングステン膜の１サイクルの膜厚は１〜５０Åで、好ましくは３〜２０Åが形成される。
また、主タングステン膜形成工程８０の時間は形成すべき膜厚に依存する。ここではＷＦ6 ガスの流量、Ｈ2 ガスの流量を共に多くし、且つプロセス圧力、プロセス温度も少し上げて成膜レートを大きく設定する。
【００２９】
これにより、ウエハＷの表面には、初期タングステン膜７６が比較的均一に且つ良好に付着して堆積することになる。この初期タングステン膜７６は、図１８（Ｃ）中の核付け層１４として機能するものであり、従って、この上に主タングステン膜７８を埋め込み性が良好な状態で堆積させることが可能となる。
また、本発明の特徴とするパッシベーションタングステン膜形成工程８４では、ＷＦ6 ガスを少しずつ増加させるように変化させ、且つプロセス圧力も少しずつ増加させるようにしてパッシベーションタングステン膜８２（図４参照）を形成するようにしているので、初期タングステン膜７６のバリヤ性を補強する役割を持ち、初期タングステン膜７６を極力薄くする事ができる。更に高抵抗な初期タングステン膜７６の効果も小さくする効果も期待できる。
このような理由で、このパッシベーションタングステン膜が、いわゆるＷＦ6 に対してのパッシベーション膜、或いはバリヤ膜として機能し、これにより、主タングステン膜を形成する際のＷＦ6 のＦの拡散によるＴｉ膜へのダメージを抑制し、より一層、埋め込み特性を改善することが可能となる。
【００３０】
すなわち、このパッシベーションタングステン膜８２の膜質特性（バリヤ性）が向上し、例えばフッ素原子がこの下層へ拡散することを大幅に抑制することができる。
更には、初期タングステン膜形成工程７９と、パッシベーションタングステン膜形成工程８４と、主タングステン膜形成工程８２の３工程を全て同一の処理容器２２内で連続的に行うことができるので、半導体ウエハの搬送時間をなくし、且つ主タングステン膜形成工程８０の初めのインキュベーション期間もなくすことができるので、その分、スループットを向上させることができる。
【００３１】
また、図２（Ｂ）に示すガス供給態様は、上記図２（Ａ）に示すガス供給態様の内で、繰り返される還元ガス供給工程の内の最初の還元ガス供給工程７０Ａにおいて、還元ガスの分圧（Ｔｏｒｒ）と供給時間（ｓｅｃ）との積よりなるパラメータを、他の還元ガス供給工程７０の上記パラメータ（Ｔｏｒｒ・ｓｅｃ）よりも大きくなるように設定している。ここでは、このＳｉＨ4 ガスの流量を変えないで最初の還元ガス供給工程７０Ａの期間Ｔ４を長く、例えば１〜１２０秒で好ましくは１５〜９０秒行うことによってパラメータ（Ｔｏｒｒ・ｓｅｃ）値を大きくしている。
【００３２】
このように、最初のＳｉＨ4 ガスの供給工程のみを例えば長く行うことによって、先に図１４（Ｂ）を参照して説明したように、ウエハＷの表面に対してイニシエーション処理が行われることになって、この表面にＳｉＨｘである反応中間体が付着することになる。従って、この上に堆積されることになる上記初期タングステン膜７６が成長しやすくなり、異常成長も抑制されて膜厚の均一性良く形成することが可能となる。ここで、図２（Ｂ）のガス供給態様における、各プロセス条件について説明する。尚、図２（Ａ）、図２（Ｃ）に示す場合も対応部分は同じプロセス条件である。
【００３３】
最初の還元ガス供給工程７０Ａにおけるガス比、ＳｉＨ4 ／キャリアガス＝１００〜１０００ｓｃｃｍ／１０００〜１００００ｓｃｃｍであり、プロセス圧力は２０〜１００Ｔｏｒｒ（２６６６〜１３３３０Ｐａ）、プロセス時間Ｔ４は５〜９０秒である。この時のプロセス温度に関して、上限値はボルケーノの発生を回避したり、ステップカバレジの向上を考慮して２００〜５００℃で好ましくは２５０〜４５０℃である。
また、この時のＳｉＨ4 ガスの分圧と供給時間との積のパラメータ（Ｔｏｒｒ・ｓｅｃ）に関して、ボルケーノの発生を回避するために１０〜３００（Ｔｏｒｒ・ｓｅｃ）、好ましくは３０〜２００（Ｔｏｒｒ・ｓｅｃ）である。
【００３４】
初期タングステン形成工程において、第２回以降の還元ガス供給工程７０におけるガス比、ＳｉＨ4 ／キャリアガス＝５０〜５００ｓｃｃｍ／２０００〜１２０００ｓｃｃｍ、期間Ｔ１は１〜１５秒であり、プロセス圧力は１〜２０Ｔｏｒｒ（１３３．３〜２６６６Ｐａ）、プロセス温度は２００〜５００℃で、好ましくは２５０〜４５０℃である。この処理条件でＳｉＨｘを付着させる。
また、タングステンガス供給工程７２におけるガス比、ＷＦ6 ／キャリアガス＝５〜３００ｓｃｃｍ／２００〜１２０００ｓｃｃｍ、期間Ｔ２は１〜１５秒であり、プロセス圧力は１〜２０Ｔｏｒｒ（１３３．３〜２６６６Ｐａ）、プロセス温度は２００〜５００℃で、好ましくは２５０〜４５０℃である。この処理条件で第２のタングステン膜が形成される。このようにして、還元ガス供給とタングステンガス供給工程を交互に繰り返して初期タングステン膜が形成される。
【００３５】
ここで、還元ガス供給工程７０及びタングステンガス供給工程７２について細部に説明すると、図６は略２８０℃におけるシランのパラメータ（Ｔｏｒｒ・ｓｅｃ）と１サイクル当たりに形成される膜厚との関係を示すグラフであり、パラメータが０．２以上では膜厚は略飽和しているのに対して、０．２よりも小さいと膜厚はパラメータの大きさに依存するが、全体として所定の厚さの初期タングステン膜７６を形成するためには、１サイクルで形成できる膜厚を安定化させる範囲であれば、パラメータを０．１〜１０、好ましくは０．２〜５に設定することにより、種々のプロセス条件の範囲で膜厚は飽和して安定化させることができる。
【００３６】
図７は略２８０℃におけるＷＦ6 のパラメータ（Ｔｏｒｒ・ｓｅｃ）と１サイクル当たりに形成される膜厚との関係を示すグラフであり、パラメータが０．０４以上では膜厚が略飽和しているのに対して、０．０４よりも小さいと膜厚はパラメータの大きさに依存するが、上記したように、１サイクルで形成される膜厚を安定化させるためには、パラメータを０．０１〜１０、好ましくは０．０４〜５に設定する。
また、図８はガス供給の１サイクル当たりに形成される膜厚の温度依存性を示すグラフである。ここでは、ＳｉＨ4 とＷＦ6 とを交互に９０回（９０サイクル）供給した場合の１サイクル当たりの膜厚を示している。また、横軸には、実際のウエハ温度をとっている。
【００３７】
このグラフから明らかなように、ウエハ温度が１００℃以下ではＷ膜が堆積されず、２００〜３００℃まではＷ膜の成膜速度は、温度の上昇と共に緩やかに増大し、その後、３００℃以上では温度の上昇と共に、成膜速度は急激に増大していることが判明する。従って、ウエハ温度（プロセス温度よりもやや低い）は、膜厚の観点からは１００℃以上に設定するのがよいことが判る。
また、図９はＷＦ6 ガスのパラメータ（Ｔｏｒｒ・ｓｅｃ）と１セル当たりのボルケーノの発生個数との関係を示したグラフである。ここで１セルとは約５万個のコンタクトホールが含まれる集合体をいう。このグラフによれば、パラメータが０．５以下ではボルケーノの発生はゼロであるが、０．５よりも大きくなると、発生するボルケーノの数が略比例的に増加するが、種々のプロセス条件の範囲でＷＦ6 ガスのパラメータは、０．０１〜０．６で、好ましくは０．０４〜０．５である。この場合、ボルケーノの発生を抑制するための、初期タングステン膜７６の厚さは、埋め込み穴２の内径にもよるが、例えば１０〜２００Å程度であり、好ましくは２０〜１５０Å程度である。
【００３８】
次に、パッシベーションタングステン膜形成工程８４においては、ガス比、ＷＦ6 ／Ｈ2 ／キャリアガス＝１０〜５００ｓｃｃｍ／５００〜６０００ｓｃｃｍ／２０００〜１２０００ｓｃｃｍであり、プロセス圧力は前述したように１Ｔｏｒｒ（１３３．３Ｐａ）〜１００Ｔｏｒｒ（１３３３０Ｐａ）まで変化させており、プロセス温度は２００〜５００℃で、好ましくは２５０〜４５０℃、図２の場合には３５０〜３９０℃まで略直線的に変化させており、プロセス時間Ｔ５は１〜９０秒で、好ましくは３〜６０秒である。ボルケーノの発生を回避する上からパッシベーションタングステン膜は、ＷＦ6 に対してのパッシベーション膜、或いはバリヤ膜として機能し、これにより、主タングステン膜を形成する際のＷＦ6 のＦの拡散によるＴｉＮ膜へのダメージを抑制し、より一層、埋め込み特性を改善することが可能となる。
【００３９】
また、パッシベーションタングステン膜８２の厚さは、埋め込み穴２の内径にもよるが、主タングステン膜形成工程における下地膜へのダメージを抑制し及び埋込性を向上すると共に或る程度以上のステップカバレジを得るために１０〜５００Å程度、好ましくは２００〜４００Å程度の範囲内に設定するのがよい。
また、このパッシベーションタングステン膜形成工程８４では、前工程の初期タングステン膜形成工程と比較して、プロセス圧力とプロセス温度の内、少なくともいずれか一方を実質的に同一に設定する。これにより、両工程間の移行を円滑に、且つ短時間で行うことができる。
【００４０】
また、主タングステン膜形成工程８０においては、埋込性を向上しつつ或る程度以上のステップカバレジ及び成膜レートを得るためにガス比、ＷＦ6 ／Ｈ2 ／キャリアガス＝５０〜５００ｓｃｃｍ／５００〜６０００ｓｃｃｍ／２０００〜８０００ｓｃｃｍであり、プロセス圧力は前述したように１０〜１００Ｔｏｒｒ（１３３．３〜１３３３０Ｐａ）、プロセス温度は３００〜５００℃であり、好ましくは３５０〜４５０℃である。この成膜条件で主タングステン膜が形成される。
【００４１】
上記実施例では、還元ガスとして水素とシランを用いたが、これに代えて、ジシラン（Ｓｉ2 Ｈ6 ）、ジクロルシラン（ＳｉＨ2 Ｃｌ2 ）、ジボラン（Ｂ2 Ｈ6 ）、ホスフィン（ＰＨ3 ）等を用い、これらを適宜組み合わせてもよい。この場合、主タングステン膜形成工程８０よりも、初期タングステン膜形成工程において、より還元力の大きなガスを用いるのがよい。
更には、上記初期タングステン膜形成工程、パッシベーションタングステン膜形成工程及び主タングステン膜形成工程において、同一の還元ガスを用いてもよい。
また、ここでは初期タングステン膜形成工程にＳｉＨ4 を用いたが、これに代えてプラズマを利用して、或いは紫外線を利用して発生させたＨ2 ラジカル（活性種）を用いてもよい。
また、タングステン含有ガスとしてはＷＦ6 ガスに限定されず、有機系のタングステンソースガスを用いてもよい。
【００４２】
また、ＷＦ6 ガスの分圧に関しては、下限値はステップカバレジを或る程度高くするために０．４Ｔｏｒｒ（５３Ｐａ）程度であり、上限値はボルケーノの発生を回避するためにプロセス圧力が４０Ｔｏｒｒ以下の時には２．０Ｔｏｒｒ（２６６Ｐａ）程度である。更には、ＷＦ6 ／Ｈ2 のガス比に関しては、ステップカバレジを或る程度高くし、ボルケーノを回避する上で０．０１〜１で、好ましくは０．１〜０．５である。また、主タングステン膜形成工程８０においてＷＦ6 ガスの流量を種々変えてプロセス圧力について種々変更して処理を行ったところ、ガス量を多くする程、スループットが向上したが、７０〜８０Ｔｏｒｒの近傍でスループットの向上は略停止してしまった。従って、プロセス圧力は略７０Ｔｏｒｒ以上であることが好ましい。
【００４３】
図１０はタングステン膜の抵抗値の温度依存性を示すグラフである。図中、ａは従来のＣＶＤ法（プロセス温度≒４００℃）によるタングステン膜を示し、ｂはプロセス温度２８０℃の本発明方法によるタングステン膜を示し、ｃはプロセス温度３８０℃の本発明方法によるタングステン膜を示す。
このグラフから明らかなように、本発明方法による膜ｂ、ｃは従来のＣＶＤ法で形成された膜ａと比べて約２〜４倍高い抵抗値を有することがわかる。これは、本発方法により形成された膜ｂ、ｃの結晶子の大きさが従来方法の場合よりも２〜４倍小さいためと考えられる。また、本発明方法により形成された膜ｂ、ｃでも、より高い温度で形成された膜程高い抵抗値を有することか判る。これは、高温で形成された膜ほど高濃度のＳｉを含有するためと考えられる。
【００４４】
そして、最後に、ウエハ表面において拡散したＦ（フッ素）濃度の評価を行ったので、その評価結果について説明する。
図１１は還元ガスとしてＳｉＨ4 、Ｓｉ2 Ｈ6 、Ｂ2 Ｈ6 を用いてウエハ表面のＦ濃度（拡散量）プロファイルを示すグラフである。ここではＷ膜（タングステン膜）よりも下方に向けて、ＴｉＮ膜、Ｔｉ膜、ＳｉＯ2 膜が順次形成されているウエハを用いている。
このグラフから明らかなように、本発明方法のＷ膜中のＦ濃度は１×１０17ａｔｍｓ／ｃｃであり、従来のＣＶＤ法によるＷ膜中のＦ濃度は３×１０17ａｔｍｓ／ｃｃあって、本発明のＷ膜中のＦの拡散量が略１／３程度に抑制されており、これにより高いバリア性を有することが確認できた。
【００４５】
＜パッシベーションタングステン膜形成工程（ＰＡ工程とも称す）から主タングステン膜形成工程（ＭＡ工程とも称す）への移行の態様＞
先に説明した本発明方法において、パッシベーションタングステン膜形成工程について”温度変化あり”の場合と”温度変化なし”（温度一定）の場合とを検討した。この時のプロセス条件は以下の通りである。
［温度変化あり］
・プロセス温度 ：ＰＡ工程の当初３５０℃からＭＡ工程の３９０℃まで昇温（図３参照）。
・プロセス圧力 ：７．５Ｔｏｒｒから８０Ｔｏｒｒまで昇圧。
・昇温時間（昇圧時間）：３０秒（温度安定にある程度の時間を要すため）
・ＷＦ6 ガスの流量 ：６０ｓｃｃｍより３５０ｓｃｃｍまで増加。
【００４６】
［温度変化なし］
・プロセス温度 ：ＰＡ工程−ＭＡ工程に亘って４１０℃に一定に維持。
・昇圧時間 ：１５秒
・プロセス圧力、ＷＦ6 ガスの流量は”温度変化あり”の場合と同じ。
尚、初期タングステン膜形成工程及び他のプロセス条件についてはそれぞれ同じになるように設定している。
上記評価の結果、ＰＡ工程においてプロセス温度を高くして、４１０℃に維持した”温度変化なし”の場合には、スループットが高く良好であった。
これに対して、ＰＡ工程においてプロセス温度を３５０℃から３９０℃へ次第に変化させた”温度変化あり”の場合には、上記とは逆に埋め込み特性は良好であった。
【００４７】
次に、初期タングステン膜形成工程において、還元ガスとして、ＳｉＨ4 、Ｓｉ2 Ｈ6 、Ｂ2 Ｈ6 を用いた場合について説明する。
図２（Ａ）に示すような本発明方法を用いて実際にＳｉＨ4 、Ｓｉ2 Ｈ6 、Ｂ2 Ｈ6 を用い、埋め込みを行い、埋め込み穴中のボイドの発生状況、及び埋め込み特性の評価を以下に記す。また、この時の埋め込み穴の内径は０．０９μｍを用いた。
【００４８】
初期タングステン膜形成工程における各ガスの供給態様やプロセス条件は、図２（Ｂ）に示すフローチャートを用いた。尚、シラン、ジシラン、ジボランの各ガスの流量はそれぞれ同一になるように設定して行った。
図１２は１サイクル当たりの成膜レートの温度依存性を示す。各ガス共に温度上昇に伴って成膜レートが増加することが確認できた。また、ジシラン、ジボラン、シランの順でより低温から成膜が開始されること、１サイクル当たりの成膜レートは、ジシラン、ジボラン、シランの順で大きくなることが判明した。
【００４９】
次に、図１３はプロセス温度３２０℃における比抵抗及び表面粗さの膜厚依存性を検討した結果を示す。図１３（Ａ）は比抵抗の膜厚依存性を示し、図１３（Ｂ）は表面粗さの膜厚依存性を示す。
比抵抗はジシラン、シラン、ジボランの順で高い値を示していることが判明した。そして、それぞれ膜厚が厚くなる程、比抵抗が小さくなっているのが確認された。特にジシランは、他の２つのガスよりも比抵抗が急激に小さくなっている。
また、表面粗さは、ジボラン、シラン、ジシランの順で大きくなっており、共に膜厚が厚くなるに従って、表面粗さも大きくなっている。ただし、ジシランに関しては特異な変化を示しており、膜厚が８０Åの近傍において表面粗さは一度急激に増加した後に急激に減少するという突起状の特性が現れている。
【００５０】
次に、図１４は膜中のＦ、Ｓｉ、Ｂの濃度を検討した結果を示す。図１４（Ａ）はＦ濃度を示し、図１４（Ｂ）はＳｉ、Ｂの濃度を示す。図１４中、Ｗはタングステン膜を示し、ＴｉＮは下地のチタンナイトライド膜を示す。尚、両膜の境界は実際には両材料が融合して不明確であるが、図示例では便宜上、区画を示している。
図１４（Ａ）に示すＦ濃度については下地層のＴｉＮ膜中に拡散しているＦ量はジボランが最も小さく、高いバリヤ性を有しているのが判明する。
図１４（Ｂ）に示すように、Ｗ膜中のＳｉ、Ｂ濃度はジボラン、シラン、ジシランの順で高くなっており、計算上それぞれ約１０％、１％、１％以下のＢもしくはＳｉを含有している。特に、ジボランの場合には膜中に含まれるＢ量が高濃度であることが判明した。
【００５１】
次に、図１５は膜中のタングステンの結晶性について検討した結果を示す。この検討ではＸ線回折装置を用いた。ジシランの場合には、α−Ｗ、β−Ｗのキュービックタングステンのみが観測され、結晶性が高いことが確認できた。
これに対して、シラン、ジボランの場合には、回折線がブロードになっており、結晶性が低く、特にジボランの場合には、よりアモルファス状態の程度が高いことが確認できた。
【００５２】
次に、図１６は穴径が０．０９μｍ、Ａ／Ｒ＝１２のコンタクトホールについて埋め込みを行った結果を示す。図１６はコンタクトホールの埋め込み状態を示す図面代用写真である。
図１６よりジボラン、シランについては良好な埋め込み性が確認できたが、ジシランなついてはボイドが発生し、埋め込み性が不十分であることが確認できた。
上記の結果、Ｓｉ2 Ｈ6 の場合は成膜速度が速く、結晶子サイズが大きいなどの諸特性は、従来手法の還元ガスとＷＦ6 ガスの同時出しのＣＶＤと同じように島状に核が形成される成長様式と同じである。図１３で示された比抵抗の減少、表面粗さが一度増大の後に減少した現象は島状に形成された核が成長し、これが連続的な膜となったために起こったものと考えられる。この形成された核が優先的に成長するために膜が不均一となり、埋め込み性悪化の原因となっている。
【００５３】
一方、Ｂ2 Ｈ6 の場合には、抵抗値が高く、埋め込み性はシームも無く最も良好である。これは１０％程度の高濃度なＢの含有とその結果、結晶子サイズが小さく、もしくは非晶質が混入されることで説明される。結晶子サイズが小さいため、均一で緻密な膜となる。このため下地ＴｉＮのＦ拡散量が最も少なく、高いバリヤ性を有している。
また、ＳｉＨ4 の場合には、その特性はＳｉ2 Ｈ6 とＢ2 Ｈ6 の中間に位置するが、膜の成長様式はＢ2 Ｈ6 と同じように、結晶子サイズは小さく緻密な膜となる。穴径０．０９μｍ、Ａ／Ｒ＝１２の微細化されたコンタクトホールにおいても十分な埋め込み性を確保しつつ、Ｂ2 Ｈ6 よりも低抵抗に抑えられ、膜の密着性も確保できている。従って、埋め込み穴中のボイドの発生状況及び埋め込み特性から総体的に判断してＳｉ2 Ｈ6 、Ｂ2 Ｈ6 、ＳｉＨ4 の順に良好な結果となった。今回のコンタクトホールの穴径０．０９μｍを用いて良好な埋め込み特性が得られ、今後、次世代の０．１３μｍ以下の微細ホールに有効である。
尚、本実施例では、被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、これに限定されず、ＬＣＤ基板、ガラス基板等にも適用できるのは勿論である。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のタングステン膜の形成方法によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
本発明によれば、膜厚均一性の高い核付け層としての初期タングステン膜を形成し、更に効率的にパッシベーションタングステン膜を形成し、この後に主たるタングステン膜を堆積させるようにしたので、特に埋め込み特性を改善でき、例えば埋め込み穴の径が小さくても、特性に悪影響を与える程の大きさのボイドの発生やボルケーノの発生を抑制することができる。また、上記一連の３工程は同一処理容器内で連続的に行われるので、例えば処理容器を変更することによって発生するインキュベーション期間がなくなり、その分、スループットを向上させることができる。
特にパッシベーションタングステン膜形成工程において、タングステン含有ガスの流量を少しずつ増加させつつ圧力も次第に上昇させるようにしているので、下地層である初期タングステン膜へのタングステン含有ガス中のフッ素のアタックによるダメージを抑制することができると同時に、この初期タングステン膜のバリヤ性を補強することができる。
また特に請求項４に係る発明によれば、各工程間におけるプロセス温度を略一定に維持することにより、途中でプロセス温度を昇降温させる必要がないので、その分、スループットを更に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るタングステン膜の形成方法を実施する熱処理装置を示す断面構成図である。
【図２】各ガスの供給態様を示す図である。
【図３】成膜工程全体を通じての各ガス流量の一例とプロセス条件との関係を示すフローチャートである。
【図４】半導体ウエハの表面に堆積したタングステン膜の一例を示す拡大断面図である。
【図５】処理容器内におけるシラン（ＳｉＨ4 ）の分圧の分布状態を示す図である。
【図６】シランのパラメータ（Ｔｏｒｒ・ｓｅｃ）と１サイクル当たりに形成される膜厚との関係を示すグラフである。
【図７】ＷＦ6 のパラメータ（Ｔｏｒｒ・ｓｅｃ）と１サイクル当たりに形成される膜厚との関係を示すグラフである。
【図８】ガス供給の１サイクル当たりに形成される膜厚の温度依存性を示すグラフである。
【図９】ＷＦ6 ガスのパラメータ（Ｔｏｒｒ・ｓｅｃ）と１セル当たりのボルケーノの発生個数との関係を示したグラフである。
【図１０】タングステン膜の抵抗値の温度依存性を示すグラフである。
【図１１】ウエハ表面のＦ濃度（拡散量）プロファイルを示すグラフである。
【図１２】１サイクル当たりの成膜レートの温度依存性を示す図である。
【図１３】プロセス温度３５０℃における比抵抗及び表面粗さの膜厚依存性を示す図である。
【図１４】膜中のＦ、Ｓｉ、Ｂの濃度を示す図である。
【図１５】膜中のタングステンの結晶性について検討した時のＸ線回折結果を示す図である。
【図１６】コンタクトホールの埋め込み状態を示す図面代用写真である。
【図１７】ボルケーノとボイドが発生している埋め込み穴を示す断面図である。
【図１８】タングステンにより埋め込み穴を埋め込む時の工程の一例を示す図である。
【符号の説明】
２ 埋め込み穴
４ バリヤ層
２０ 熱処理装置
２２ 処理容器
２４ シャワーヘッド部
６０ 加熱ランプ
７０ 還元ガス供給工程
７２ タングステンガス供給工程
７４ パージ工程
７６ 初期タングステン膜
７８ 主タングステン膜
７９ 初期タングステン膜形成工程
８０ 主タングステン膜形成工程
８２ パッシベーションタングステン膜
８４ パッシベーションタングステン膜形成工程
Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等の被処理体の表面にタングステン膜を形成する方法に係り、特に本出願人の先の出願（特願２００２−２３４２７３号）の改良発明であってパッシベーションタングステン膜の形成工程を改良したタングステン膜の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体集積回路の製造工程においては、被処理体である半導体ウエハ表面に配線パターンを形成するために或いは配線間等の凹部やコンタクト用の凹部を埋め込むためにＷ（タングステン）、ＷＳｉ（タングステンシリサイド）、Ｔｉ（チタン）、ＴｉＮ（チタンナイトライド）、ＴｉＳｉ（チタンシリサイド）、Ｃｕ（銅）、Ｔａ2 Ｏ5 （タンタルオキサイド）等の金属或いは金属化合物を堆積させて薄膜を形成することが行なわれている。そして、上記した各種の薄膜の内、比抵抗が小さく、膜付け温度も小さくて済む等の理由からタングステン膜が多用されている。この種のタングステン膜を形成するには、原料ガスとしてＷＦ6 （六フッ化タングステン）を用い、これを水素、シラン、ジクロルシラン等により還元することにより、タングステン膜を堆積させている。
【０００３】
上記タングステン膜を形成する場合には、密着性の向上、下層のシリコン層との反応の抑制等の理由から、ウエハ表面にＴｉ膜、ＴｉＮ膜、或いは両者の積層膜が下地膜となるバリヤ層として薄く且つ均一に形成されており、このバリヤ層上に上記タングステン膜を堆積させることになる。
ここで凹部等の埋め込みを行う場合には、埋め込み性を良好にするためにシランよりも還元性が弱い水素ガスが主として用いられるが、この際、未反応のＷＦ6 ガスにより上記バリヤ層がアタックされてバリヤ層とフッ素が反応して体積的に膨張し、上方へ突状に突き出たボルケーノが発生したり、埋め込み穴にボイドが発生したりする場合がある。
【０００４】
これを、図１７を参照して説明する。図１７はボルケーノとボイドが発生している埋め込み穴を示す断面図である。半導体ウエハＷの表面にコンタクトホール等の埋め込み穴２があり、この埋め込み穴２の内面を含めた表面に、例えばＴｉ／ＴｉＮ膜よりなるバリヤ層４が予め形成されている。そして、この状態でＷＦ6 ガスとＨ2 ガスとを同時に供給してタングステン膜６を堆積させて埋め込みを行うと、ＷＦ6 中のフッ素がバリヤ層中へ拡散し、特に表面部のバリヤ層４のＴｉとフッ素が反応することによって埋め込み穴２の近辺を基点としてタングステン膜６が突起状に堆積してその突起部の先端部がタングステン膜６の応力によってボルケーノ８が発生したり、また、埋め込み穴２内には空洞状のボイド１０が発生したりする。
【０００５】
そして、上記ボルケーノ８等の発生を防止するために、最初に水素ガスに代えて、これよりも還元力の強いシランを用いて僅かな厚さ、例えば３００〜５００Å程度だけタングステン膜の核付け層を形成し、その後、この核付け層を起点としてＨ2 ガスとＷＦ6 ガスにより主たるタングステン膜を堆積することも行われていたが、この場合には、下地膜であるバリヤ層４の表面が例えば、有機金属膜が形成された表面や酸化された表面等によって核付け層が均一にできない場合があった。
そこで、上記核付け層を形成するに先立って、シランのみを単独で所定時間だけ供給してこの一部が分解する程度の低温、例えば４００℃程度でシランの反応中間体（ＳｉＨｘ：ｘ＜４）をウエハ表面に吸着させ、これを起点として上記核付け層を成長させることも行われている。図１８はこのような方法を用いてタングステンにより埋め込み穴を埋め込む時の工程を示す図である。
【０００６】
まず、図１８（Ａ）に示すように、埋め込み穴２内の内面を含んだウエハ表面全体にバリヤ層４が形成されているウエハＷに対して、シラン（ＳｉＨ4 ）を単独で供給してウエハＷの表面に上記ＳｉＨx である反応中間体１２を付着させるイニシエーション処理を行う（図１８（Ａ）及び図１８（Ｂ））。そして、次に、先に説明したように、所定の時間だけＷＦ6 ガスとＳｉＨ4 ガスとを、図１８（Ｃ）に示すように同時に供給して、上記反応中間体１２を起点としてタングステン膜を堆積させることにより、核付け層１４を形成する（図１８（Ｄ））。
次に、図１８（Ｅ）に示すように、ＷＦ6 ガスとＨ2 ガスとを同時に供給することにより、図１８（Ｆ）に示すように主となるタングステン膜１６を堆積させて埋め込み穴を埋め込む。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記ウエハ表面に形成されているバリヤ層４には例えばＴｉの有機化合物ソースを用いて形成する場合がある。この場合、ソースガスに含まれる炭素成分がバリヤ層４に取り込まれることになり、これが原因となって、上記イニシエーション処理を行っても炭素成分を含むバリヤ層の露出する表面により、ＳｉＨｘの反応中間体の付着が不均一となって核付け層１４が不均一に形成され、核付け層１４自体のステップカバレジが悪くなり、結果的に主タングステン膜の埋め込み性が悪く、ボイド、ボルケーノ等が形成される、といった問題があった。
また、上記核付け層１４の厚さが、主たるタングステン層１６を含めた全体のタングステン膜の厚さに対して占める割合がそれ程大きくない場合には問題は生じないが、微細化によって主タングステン膜の厚さに対するこの核付け層１４の厚さの占める割合が無視し得なくなる程大きくなると、上記核付け層１４のステップカバレジの悪さに起因して無視し得ない大きさのボイドが発生してしまう、といった問題もあった。
【０００８】
以上のような問題は、半導体製造の微細化及び薄膜化が更に進んで埋め込み穴の内径が例えば０．２μｍ以下になると、特に深刻な問題となって顕在化してきた。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、スループットを向上でき、しかも埋め込み性を向上させて例えば埋め込み穴の径が小さくても、特性に悪影響を与える程の大きさのボイドの発生やボルケーノの発生を抑制でき、埋め込み特性の良好なタングステン膜の形成方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に規定する発明は、真空引き可能になされた処理容器内にて被処理体の表面にタングステン膜を形成するに際して、還元ガスを供給する還元ガス供給工程とタングステン含有ガスを供給するタングステンガス供給工程とを、前記両工程の間に不活性ガスを供給しつつ真空引きするパージ工程を介在させると共に前記還元ガス供給工程を最初に行なうように交互に繰り返し行うようにして初期タングステン膜を形成するようにした初期タングステン膜形成工程と、前記処理容器内へ還元ガスを流しつつ前記タングステン含有ガスの流量を少しずつ増加するように変化させて流すことによって前記処理容器内の圧力を次第に上昇させつつパッシベーションタングステン膜を形成するパッシベーションタングステン膜形成工程と、前記処理容器に前記還元ガスと前記タングステン含有ガスとを流して主タングステン膜を形成する主タングステン膜形成工程と、を有することを特徴とするタングステン膜形成方法である。
これにより、膜厚均一性の高い核付け層としての初期タングステン膜を形成し、更に効率的にパッシベーションタングステン膜を形成し、この後に主たるタングステン膜を堆積させるようにしたので、特に埋め込み特性を改善でき、例えば埋め込み穴の径が小さくても、特性に悪影響を与える程の大きさのボイドの発生やボルケーノの発生を抑制することができる。また、上記一連の３工程は同一処理容器内で連続的に行われるので、例えば処理容器を変更することによって発生するインキュベーション期間がなくなり、その分、スループットを向上させることが可能となる。
請求項２に係る発明は、真空引き可能になされた処理容器内にて被処理体の表面にタングステン膜を形成するに際して、還元ガスを供給する還元ガス供給工程とタングステン含有ガスを供給するタングステンガス供給工程とを、前記両工程の間に不活性ガスを供給しつつ真空引きするパージ工程を介在させると共に前記還元ガス供給工程を最初に行なうように交互に繰り返し行うようにして初期タングステン膜を形成するようにした初期タングステン膜形成工程と、前記処理容器内へ還元ガスを流しつつ前記タングステン含有ガスの流量を少しずつ増加するように変化させて流すことによって前記処理容器内の圧力を次第に上昇させつつパッシベーションタングステン膜を形成するパッシベーションタングステン膜形成工程と、前記処理容器に前記還元ガスと前記タングステン含有ガスとを流して主タングステン膜を形成する主タングステン膜形成工程と、を有し、前記パッシベーションタングステン膜形成工程では、前記被処理体の温度を次第に上昇させるようにしたことを特徴とするタングステン膜形成方法である。
【００１０】
この場合、例えば請求項３に規定するように、前記パッシベーションタングステン膜形成工程では、前記被処理体の温度を次第に上昇させる。
また例えば、請求項４に規定するように、前記初期タングステン膜形成工程と、前記パッシベーションタングステン膜形成工程と、前記主タングステン膜形成工程との間では前記被処理体の温度を同一に維持している。
このように、各工程間におけるプロセス温度を略一定に維持することにより、途中でプロセス温度を昇降温させる必要がないので、その分、スループットを更に向上させることが可能となる。
【００１１】
また例えば、請求項５に規定するように、前記処理容器内の圧力は、前記初期タングステン膜形成工程と前記パッシベーションタングステン膜形成工程では２６６６Ｐａ（２０Ｔｏｒｒ）以下であり、前記主タングステン膜形成工程では２６６６Ｐａ（２０Ｔｏｒｒ）以上である。
【００１２】
また、例えば請求項６に規定するように、前記タングステン含有ガスは、ＷＦ６ ガスと有機タングステンソースガスの内のいずれか１つである。
また、例えば請求項７に規定するように、前記還元ガスは、Ｈ２ ガス、シラン（ＳｉＨ４ ）、ジシラン（Ｓｉ２ Ｈ６ ）、ジクロルシラン（ＳｉＨ２ Ｃｌ２ ）、ジボラン（Ｂ２ Ｈ６ ）、ホスフィン（ＰＨ３ ）の内のいずれか１つよりなる。
また、例えば請求項８に規定するように、前記タングステン含有ガスはＷＦ６ ガスであり、前記還元ガスは、初期タングステン膜形成工程ではＳｉＨ４ ガスであり、前記パッシベーションタングステン膜形成工程と前記主タングステン膜形成工程ではＨ２ ガスである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るタングステン膜の形成方法の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係るタングステン膜の形成方法を実施する熱処理装置を示す断面構成図、図２は各ガスの供給態様を示す図、図３は成膜工程全体を通じての各ガス流量の一例とプロセス条件との関係を示すフローチャート、図４は半導体ウエハの表面に堆積したタングステン膜の一例を示す拡大断面図である。
まず、本発明方法を実施する熱処理装置について説明すると、この熱処理装置２０は、例えば断面が略円筒形状のアルミニウム製の処理容器２２を有している。この処理容器２２内の天井部には流量制御された処理ガスとして例えば各種の成膜ガスやキャリアガス等を、選択的に導入するためのシャワーヘッド部２４がＯリング等のシール部材２６を介して設けられており、この下面に設けた多数のガス噴射口２８から処理空間Ｓに向けて成膜ガスを噴射するようになっている。尚、このシャワーヘッド部２４内には、複数の拡散孔２５を有する１枚、或いは複数枚の拡散板２７を設けて、ここに導入されたガスの拡散を促進するようにした構造のものを用いてもよい。
【００１４】
この処理容器２２内には、処理容器底部より起立させた円筒状のリフレクタ３０上に、例えばＬ字状の３本の保持部材３２（図１では２本のみ記す）を介して被処理体としての半導体ウエハＷを載置するための載置台３４が設けられている。
この載置台３４の下方には、複数本、例えば３本のＬ字状のリフタピン３６（図示例では２本のみ記す）が上方へ起立させて設けられており、このリフタピン３６の基部は、上記リフレクタ３０に形成した縦長挿通孔（図示せず）を挿通して、リング部材３８に共通に接続されている。そして、このリング部材３８を処理容器底部に貫通して設けられた押し上げ棒４０により上下動させることにより、上記リフタピン３６を載置台３４に貫通させて設けたリフタピン孔４２に挿通させてウエハＷを持ち上げ得るようになっている。
【００１５】
上記押し上げ棒４０の容器底部の貫通部には、処理容器２２において内部の気密状態を保持するために伸縮可能なベローズ４４が介設され、この押し上げ棒４０の下端はアクチュエータ４６に接続されている。
また、処理容器２２の底部の周縁部には、排気口４８が設けられ、この排気口４８には図示しない真空ポンプに接続された排気通路５０が接続されており、処理容器２２内を所定の真空度まで真空引きし得るようになっている。また、処理容器２２の側壁には、ウエハを搬出入する際に開閉されるゲートバルブ５２が設けられる。
図示しないが、処理容器２２内には圧力を測定する真空計（Ｃａｐａｍａｎｏｍｅｔｏｒ）が設けられており、排気通路５０には処理容器２２内の圧力を調整する圧力調節弁（Ａｕｔｏ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖａｌｖｅ）が設けられている。
【００１６】
また、載置台３４の直下の処理容器底部には、石英等の熱線透過材料よりなる透過窓５４がＯリング等のシール部材５６を介して気密に設けられており、この下方には、透過窓５４を囲むように箱状の加熱室５８が設けられている。この加熱室５８内には加熱手段として例えば複数の加熱ランプ６０が反射鏡も兼ねる回転台６２に取り付けられており、この回転台６２は、回転軸を介して加熱室５８の底部に設けた回転モータ６４により回転される。従って、この加熱ランプ６０より放出された熱線は、透過窓５４を透過して薄い載置台３４の下面を照射してこれを加熱し、更にこの載置台３４上のウエハＷを間接的に加熱し得るようになっている。このように加熱ランプ６０を用いることによって、ウエハＷの昇温速度を非常に速くすることができる。
【００１７】
次に、以上のように構成された装置を用いて行われる本発明方法について説明する。
まず、処理容器２２の側壁に設けたゲートバルブ５２を開いて図示しない搬送アームにより処理容器２２内にウエハＷを搬入し、リフタピン３６を押し上げることによりウエハＷをリフタピン３６側に受け渡す。そして、リフタピン３６を、押し上げ棒４０を下げることによって降下させ、ウエハＷを載置台３４上に載置する。このウエハＷの表面には、埋め込み穴２の内面も含めて前工程にてすでに下地膜としてＴｉ／ＴｉＮ膜のようなバリヤ層４が形成されている（図１８（Ａ）参照）。
【００１８】
次に、図示しない処理ガス源から処理ガスとして所定の成膜ガスやキャリアガス等を、後述するようなガス供給態様でシャワーヘッド部２４へ所定量ずつ供給して、これを下面のガス噴射孔２８から処理容器２２内へ略均等に供給する。これと同時に、排気口４８から内部雰囲気を吸引排気することにより処理容器２２内を所定の圧力に真空引きしつつ、且つ載置台３４の下方に位置する加熱手段の各加熱ランプ６０を回転させながら駆動し、熱エネルギを放射する。
放射された熱線は、透過窓５４を透過した後、載置台３４の裏面を照射してこれを加熱する。この載置台３４は、前述のように例えば１ｍｍ程度と非常に薄いことから迅速に加熱され、従って、この上に載置してあるウエハＷを迅速に所定の温度まで加熱することができる。上記供給された成膜ガスは所定の化学反応を生じ、タングステン膜の薄膜がウエハ表面の全面に堆積して形成されることになる。
【００１９】
本発明方法では成膜処理の全体は、図２に示すように初期タングステン膜形成工程７９と、パッシベーションタングステン膜形成工程８４と、主タングステン膜形成工程８０とにより形成されている。ここで、図２を参照して成膜処理全体に亘っての各ガスの供給態様を具体的に説明する。
図２では３種類のガス供給態様が示されており、各態様において、キャリアガスとして例えばＡｒ、Ｎ2 ガスが、流量を一定にして、或いは必要に応じて流量を変えながら、連続的に供給されている。また、同様に、処理容器２２内も、一連の工程の間、連続的に真空引きされている。
ここでは、タングステン含有ガスとしてはＷＦ6 ガスを用い、還元ガスとしてはＨ2 ガス、或いはこのＨ2 ガスよりも還元力の強いＳｉＨ4 ガスを用いている。また以下に説明する初期タングステン膜形成工程、パッシベーションタングステン膜形成工程及び主タングステン膜形成工程の各工程はこの同一処理容器２２内で連続的に行われることになる。
【００２０】
まず、図２（Ａ）に示す初期タングステン膜形成工程のガス供給態様は、図３にも示すように還元ガスであるＳｉＨ4 ガスを供給する還元ガス供給工程７０とタングステン含有ガスであるＷＦ6 ガスを供給するタングステンガス供給工程７２とを、これらの両工程の間に不活性ガスとしてのキャリアガスを供給しつつ真空引きするパージ工程７４を介在させて、交互に複数回繰り返し行うようにして初期タングステン膜７６（図４参照）を形成している。すなわち、ＳｉＨ4 ガスの供給とＷＦ6 ガスの供給を交互に繰り返し行い、それらの繰り返し工程の間にパージ工程７４を介在させることにより、初期タングステン膜形成工程を行う。そして、この初期タングステン膜形成工程の最後は還元ガス供給工程７０で終了している。そして、処理容器２２内が基板（ウエハ）表面にＳｉＨ4 ガスでＳｉＨｘを付着させている事により、次のパッシベーション膜形成工程８４、主タングステン膜形成工程８０にて膜が効果的に形成されやすくなる。この点は、図２（Ｂ）〜図２（Ｃ）においても同じである。
【００２１】
このようにして、初期タングステン膜７６を形成したならば、次に、還元ガスとして今度はＳｉＨ4 ガスに代えてＨ2 ガスを用い、本発明の特徴とするパッシベーションタングステン膜８２（図４参照）を形成するパッシベーションタングステン膜形成工程８４を連続的に行っている。尚、ここでも不活性ガス、例えばＡｒ、Ｎ2 ガス等を継続して流している。このパッシベーションタングステン膜形成工程８４では、主タングステン膜形成工程８０と同じガス種、すなわちＷＦ6 ガスとＨ2 ガスとを用いており、ただし、ＷＦ6 ガスを流す前にＨ2 ガスを流して、その流量を一定に維持すると共に、次に、タングステン含有ガスを流してその流量を少しずつ増加するように変化させ、同時に処理容器２２内の圧力（プロセス圧力）及び基板温度を次第に上昇させている（図３参照）。このパッシベーションタングステン膜形成工程８４の期間Ｔ５は、例えば３〜９０秒で好ましくは１０〜６０秒である。この場合、処理容器２２内の圧力及び基板温度を一定に保持してもよい。
【００２２】
具体的には、図３に示すように上記初期タングステン膜形成工程７９の短時間のパージ工程７４を行った後に、上記ＷＦ6 ガスを処理容器２２内に入れないで排気ラインに流し、例えば１〜３０秒、好ましくは３〜５秒程度質量流量計を安定させ、ＷＦ6 ガスの流量を安定させる。このＷＦ6 ガスの流量が安定したΔｔ秒後にＷＦ6 ガスを処理容器２２内へ流してＷＦ6 ガスの流量を徐々に増加させる。
またＨ2 ガスの供給はＷＦ6 ガスの流量が安定するΔｔ秒前に処理容器２２内へ供給される。このパッシベーションタングステン膜形成工程により上記初期タングステン膜上にパッシベーションタングステン膜が形成される。
上記したようにＷＦ6 ガスの流量を僅かな量から徐々に増加させる理由は、極力薄くしたパッシベーション膜を形成することで、主タングステン膜形成工程でのＷＦ6 ガスからのダメージを抑制し、保護膜の上記初期タングステン膜を補強することを目的としているからである。これにより、初期タングステン膜形成工程７９の成膜時間を短くすることで全成膜時間を短縮することができ、スループットの向上を図ることができる。
【００２３】
つまりパッシベーションタングステン膜形成は、Ｈ2 ガスの供給量を、所定の流量で供給し、前述したようにＷＦ6 ガスは所定の時間かけて主タングステン膜形成工程８０における供給量まで少しずつ増加させることで、下地層へのＷＦ6 （フッ素）のダメージを最少にするためにはＷＦ6 ガスの供給量を少なくする必要がある。しかし、埋め込みを得るためには、ＷＦ6 ガスは多くする必要がある。これを両立するために、先にＨ2 ガスを供給して、そして、しばらくしてＷＦ6 ガスの供給を開始してその供給量を次第に大きくするようにしている。
図３ではこのパッシベーションタングステン膜形成工程７９におけるプロセス圧力は、１３３３０Ｐａ以下の圧力範囲で、例えば好ましくは１０００Ｐａ（７．５Ｔｏｒｒ）から１０６１０Ｐａ（８０Ｔｏｒｒ）まで直線的に増加させており、また、プロセス温度は３００℃〜４５０℃の温度範囲で、例えば好ましくは３５０から４１０℃まで直線的に増加させている。また、処理時間は１０〜６０秒が好ましく、昇温、昇圧の条件では２０秒〜４０秒がより好ましい。また、温度一定で処理した場合は、基板の温度変化がないため、処理時間は１０〜２０秒でよい。
【００２４】
次に、上記パッシベーションタングステン膜形成工程８４が終了したならば、そのままのＷＦ6 ガスの流量を流し、Ｈ2 ガスの流量を減らしてそれぞれ流しつつ主タングステン膜形成工程８０を継続して行う。尚、ここでもキャリアガスとして不活性ガス、例えばＡｒ、Ｎ2 ガス等を継続して流している。このようにして所定の時間だけ主タングステン膜形成工程８４を行って、例えば埋め込み穴２を主タングステン膜７８で完全に埋め込む。この時のプロセス圧力、プロセス温度は、パッシベーションタングステン膜形成工程が終了した時点から実質的に変動させておらず、それぞれ一定に保つ。
ここで、初期タングステン膜形成工程において、或る還元ガス供給工程７０から次の還元ガス供給工程７０までの期間を１サイクルとすると、図２（Ａ）の場合には３サイクル行っているが、このサイクル数は特に限定されない。
【００２５】
また、各還元ガス供給工程７０の期間Ｔ１、及び各タングステンガス供給工程７２の期間Ｔ２はそれぞれ０．５〜３０秒で、好ましくは１．５〜１０秒であり、また、パージ工程７４の期間Ｔ３は０〜３０秒で、好ましくは０〜１０秒である。また、上記パージ工程は、真空引きのみを行なうようにしてもよい。好ましくは、還元ガス供給工程７０とタングステンガス供給工程７２とパージ工程７４を通して還元ガスとタングステン含有ガスと不活性ガスの全圧（Ｔｏｔａｌ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）が一定になるように制御する。ガスの全圧を一定にすることにより、ウエハ（被処理体）の温度や被覆されるガスの吸着量を一定に保つことができるからである。前記ガスの全圧の制御は、処理容器２２に取り付けられた真空計によって処理容器２２内の圧力を測定し、その圧力が一定になるように排気通路５０に取り付けられた圧力調節弁を調整することにより行なう。
【００２６】
ここで、パージ工程７４の時間について評価を行ったので、その結果について説明する。図５は、処理容器内におけるシラン（ＳｉＨ4 ）の分圧の分布状態を示す図であり、図５（Ａ）はシャワーヘッド部２４内に拡散板２７を設けている場合を示し、図５（Ｂ）はシャワーヘッド部２４内に拡散板を設けていない場合を示す。図中、横軸は、ウエハ中心からの半径方向への距離を表している。ここでは、ＳｉＨ4 の供給停止の直後、数秒（０〜３秒）のパージを行った時のウエハ上の残留ＳｉＨ4 の分圧を測定している。
【００２７】
図５から明らかなように、シャワーヘッド部内に分散板を設けた方（図５（Ａ））が早目に低い分圧となり、図５（Ａ）に示す場合には、略１．５秒程度のパージ工程を行うことでＳｉＨ4 の分圧を１×１０-1Ｐａ程度まで低下させることができ、また、図５（Ｂ）に示す場合は略３秒程度のパージ工程を行うことでＳｉＨ4 の分圧を１×１０-1Ｐａ程度まで低下させることができることが判明する。尚、シャワーヘッド部のガス噴射口２８を細くすることでも同様な効果（拡散板と同様な効果）を得る事ができる。
従って、シャワーヘッド部の構造に関係なく、少なくとも３秒程度のパージ工程を行えば、残留シランの分圧をゼロにして気相反応による影響を無視することが可能となる。
【００２８】
また、図２に戻って、ここでのＳｉＨ4 ガスやＷＦ6 ガスの流量は比較的少量にしてそれらの分圧比を小さくする。更には、プロセス温度も例えば２００〜５００℃で、好ましくは２５０〜４５０℃と、低めに設定する。また、初期タングステン膜の１サイクルの膜厚は１〜５０Åで、好ましくは３〜２０Åが形成される。
また、主タングステン膜形成工程８０の時間は形成すべき膜厚に依存する。ここではＷＦ6 ガスの流量、Ｈ2 ガスの流量を共に多くし、且つプロセス圧力、プロセス温度も少し上げて成膜レートを大きく設定する。
【００２９】
これにより、ウエハＷの表面には、初期タングステン膜７６が比較的均一に且つ良好に付着して堆積することになる。この初期タングステン膜７６は、図１８（Ｃ）中の核付け層１４として機能するものであり、従って、この上に主タングステン膜７８を埋め込み性が良好な状態で堆積させることが可能となる。
また、本発明の特徴とするパッシベーションタングステン膜形成工程８４では、ＷＦ6 ガスを少しずつ増加させるように変化させ、且つプロセス圧力も少しずつ増加させるようにしてパッシベーションタングステン膜８２（図４参照）を形成するようにしているので、初期タングステン膜７６のバリヤ性を補強する役割を持ち、初期タングステン膜７６を極力薄くする事ができる。更に高抵抗な初期タングステン膜７６の効果も小さくする効果も期待できる。
このような理由で、このパッシベーションタングステン膜が、いわゆるＷＦ6 に対してのパッシベーション膜、或いはバリヤ膜として機能し、これにより、主タングステン膜を形成する際のＷＦ6 のＦの拡散によるＴｉ膜へのダメージを抑制し、より一層、埋め込み特性を改善することが可能となる。
【００３０】
すなわち、このパッシベーションタングステン膜８２の膜質特性（バリヤ性）が向上し、例えばフッ素原子がこの下層へ拡散することを大幅に抑制することができる。
更には、初期タングステン膜形成工程７９と、パッシベーションタングステン膜形成工程８４と、主タングステン膜形成工程８２の３工程を全て同一の処理容器２２内で連続的に行うことができるので、半導体ウエハの搬送時間をなくし、且つ主タングステン膜形成工程８０の初めのインキュベーション期間もなくすことができるので、その分、スループットを向上させることができる。
【００３１】
また、図２（Ｂ）に示すガス供給態様は、上記図２（Ａ）に示すガス供給態様の内で、繰り返される還元ガス供給工程の内の最初の還元ガス供給工程７０Ａにおいて、還元ガスの分圧（Ｔｏｒｒ）と供給時間（ｓｅｃ）との積よりなるパラメータを、他の還元ガス供給工程７０の上記パラメータ（Ｔｏｒｒ・ｓｅｃ）よりも大きくなるように設定している。ここでは、このＳｉＨ4 ガスの流量を変えないで最初の還元ガス供給工程７０Ａの期間Ｔ４を長く、例えば１〜１２０秒で好ましくは１５〜９０秒行うことによってパラメータ（Ｔｏｒｒ・ｓｅｃ）値を大きくしている。
【００３２】
このように、最初のＳｉＨ4 ガスの供給工程のみを例えば長く行うことによって、先に図１４（Ｂ）を参照して説明したように、ウエハＷの表面に対してイニシエーション処理が行われることになって、この表面にＳｉＨｘである反応中間体が付着することになる。従って、この上に堆積されることになる上記初期タングステン膜７６が成長しやすくなり、異常成長も抑制されて膜厚の均一性良く形成することが可能となる。ここで、図２（Ｂ）のガス供給態様における、各プロセス条件について説明する。尚、図２（Ａ）、図２（Ｃ）に示す場合も対応部分は同じプロセス条件である。
【００３３】
最初の還元ガス供給工程７０Ａにおけるガス比、ＳｉＨ4 ／キャリアガス＝１００〜１０００ｓｃｃｍ／１０００〜１００００ｓｃｃｍであり、プロセス圧力は２０〜１００Ｔｏｒｒ（２６６６〜１３３３０Ｐａ）、プロセス時間Ｔ４は５〜９０秒である。この時のプロセス温度に関して、上限値はボルケーノの発生を回避したり、ステップカバレジの向上を考慮して２００〜５００℃で好ましくは２５０〜４５０℃である。
また、この時のＳｉＨ4 ガスの分圧と供給時間との積のパラメータ（Ｔｏｒｒ・ｓｅｃ）に関して、ボルケーノの発生を回避するために１０〜３００（Ｔｏｒｒ・ｓｅｃ）、好ましくは３０〜２００（Ｔｏｒｒ・ｓｅｃ）である。
【００３４】
初期タングステン形成工程において、第２回以降の還元ガス供給工程７０におけるガス比、ＳｉＨ4 ／キャリアガス＝５０〜５００ｓｃｃｍ／２０００〜１２０００ｓｃｃｍ、期間Ｔ１は１〜１５秒であり、プロセス圧力は１〜２０Ｔｏｒｒ（１３３．３〜２６６６Ｐａ）、プロセス温度は２００〜５００℃で、好ましくは２５０〜４５０℃である。この処理条件でＳｉＨｘを付着させる。
また、タングステンガス供給工程７２におけるガス比、ＷＦ6 ／キャリアガス＝５〜３００ｓｃｃｍ／２００〜１２０００ｓｃｃｍ、期間Ｔ２は１〜１５秒であり、プロセス圧力は１〜２０Ｔｏｒｒ（１３３．３〜２６６６Ｐａ）、プロセス温度は２００〜５００℃で、好ましくは２５０〜４５０℃である。この処理条件で第２のタングステン膜が形成される。このようにして、還元ガス供給とタングステンガス供給工程を交互に繰り返して初期タングステン膜が形成される。
【００３５】
ここで、還元ガス供給工程７０及びタングステンガス供給工程７２について細部に説明すると、図６は略２８０℃におけるシランのパラメータ（Ｔｏｒｒ・ｓｅｃ）と１サイクル当たりに形成される膜厚との関係を示すグラフであり、パラメータが０．２以上では膜厚は略飽和しているのに対して、０．２よりも小さいと膜厚はパラメータの大きさに依存するが、全体として所定の厚さの初期タングステン膜７６を形成するためには、１サイクルで形成できる膜厚を安定化させる範囲であれば、パラメータを０．１〜１０、好ましくは０．２〜５に設定することにより、種々のプロセス条件の範囲で膜厚は飽和して安定化させることができる。
【００３６】
図７は略２８０℃におけるＷＦ6 のパラメータ（Ｔｏｒｒ・ｓｅｃ）と１サイクル当たりに形成される膜厚との関係を示すグラフであり、パラメータが０．０４以上では膜厚が略飽和しているのに対して、０．０４よりも小さいと膜厚はパラメータの大きさに依存するが、上記したように、１サイクルで形成される膜厚を安定化させるためには、パラメータを０．０１〜１０、好ましくは０．０４〜５に設定する。
また、図８はガス供給の１サイクル当たりに形成される膜厚の温度依存性を示すグラフである。ここでは、ＳｉＨ4 とＷＦ6 とを交互に９０回（９０サイクル）供給した場合の１サイクル当たりの膜厚を示している。また、横軸には、実際のウエハ温度をとっている。
【００３７】
このグラフから明らかなように、ウエハ温度が１００℃以下ではＷ膜が堆積されず、２００〜３００℃まではＷ膜の成膜速度は、温度の上昇と共に緩やかに増大し、その後、３００℃以上では温度の上昇と共に、成膜速度は急激に増大していることが判明する。従って、ウエハ温度（プロセス温度よりもやや低い）は、膜厚の観点からは１００℃以上に設定するのがよいことが判る。
また、図９はＷＦ6 ガスのパラメータ（Ｔｏｒｒ・ｓｅｃ）と１セル当たりのボルケーノの発生個数との関係を示したグラフである。ここで１セルとは約５万個のコンタクトホールが含まれる集合体をいう。このグラフによれば、パラメータが０．５以下ではボルケーノの発生はゼロであるが、０．５よりも大きくなると、発生するボルケーノの数が略比例的に増加するが、種々のプロセス条件の範囲でＷＦ6 ガスのパラメータは、０．０１〜０．６で、好ましくは０．０４〜０．５である。この場合、ボルケーノの発生を抑制するための、初期タングステン膜７６の厚さは、埋め込み穴２の内径にもよるが、例えば１０〜２００Å程度であり、好ましくは２０〜１５０Å程度である。
【００３８】
次に、パッシベーションタングステン膜形成工程８４においては、ガス比、ＷＦ6 ／Ｈ2 ／キャリアガス＝１０〜５００ｓｃｃｍ／５００〜６０００ｓｃｃｍ／２０００〜１２０００ｓｃｃｍであり、プロセス圧力は前述したように１Ｔｏｒｒ（１３３．３Ｐａ）〜１００Ｔｏｒｒ（１３３３０Ｐａ）まで変化させており、プロセス温度は２００〜５００℃で、好ましくは２５０〜４５０℃、図２の場合には３５０〜３９０℃まで略直線的に変化させており、プロセス時間Ｔ５は１〜９０秒で、好ましくは３〜６０秒である。ボルケーノの発生を回避する上からパッシベーションタングステン膜は、ＷＦ6 に対してのパッシベーション膜、或いはバリヤ膜として機能し、これにより、主タングステン膜を形成する際のＷＦ6 のＦの拡散によるＴｉＮ膜へのダメージを抑制し、より一層、埋め込み特性を改善することが可能となる。
【００３９】
また、パッシベーションタングステン膜８２の厚さは、埋め込み穴２の内径にもよるが、主タングステン膜形成工程における下地膜へのダメージを抑制し及び埋込性を向上すると共に或る程度以上のステップカバレジを得るために１０〜５００Å程度、好ましくは２００〜４００Å程度の範囲内に設定するのがよい。
また、このパッシベーションタングステン膜形成工程８４では、前工程の初期タングステン膜形成工程と比較して、プロセス圧力とプロセス温度の内、少なくともいずれか一方を実質的に同一に設定する。これにより、両工程間の移行を円滑に、且つ短時間で行うことができる。
【００４０】
また、主タングステン膜形成工程８０においては、埋込性を向上しつつ或る程度以上のステップカバレジ及び成膜レートを得るためにガス比、ＷＦ6 ／Ｈ2 ／キャリアガス＝５０〜５００ｓｃｃｍ／５００〜６０００ｓｃｃｍ／２０００〜８０００ｓｃｃｍであり、プロセス圧力は前述したように１０〜１００Ｔｏｒｒ（１３３．３〜１３３３０Ｐａ）、プロセス温度は３００〜５００℃であり、好ましくは３５０〜４５０℃である。この成膜条件で主タングステン膜が形成される。
【００４１】
上記実施例では、還元ガスとして水素とシランを用いたが、これに代えて、ジシラン（Ｓｉ2 Ｈ6 ）、ジクロルシラン（ＳｉＨ2 Ｃｌ2 ）、ジボラン（Ｂ2 Ｈ6 ）、ホスフィン（ＰＨ3 ）等を用い、これらを適宜組み合わせてもよい。この場合、主タングステン膜形成工程８０よりも、初期タングステン膜形成工程において、より還元力の大きなガスを用いるのがよい。
更には、上記初期タングステン膜形成工程、パッシベーションタングステン膜形成工程及び主タングステン膜形成工程において、同一の還元ガスを用いてもよい。
また、ここでは初期タングステン膜形成工程にＳｉＨ4 を用いたが、これに代えてプラズマを利用して、或いは紫外線を利用して発生させたＨ2 ラジカル（活性種）を用いてもよい。
また、タングステン含有ガスとしてはＷＦ6 ガスに限定されず、有機系のタングステンソースガスを用いてもよい。
【００４２】
また、ＷＦ6 ガスの分圧に関しては、下限値はステップカバレジを或る程度高くするために０．４Ｔｏｒｒ（５３Ｐａ）程度であり、上限値はボルケーノの発生を回避するためにプロセス圧力が４０Ｔｏｒｒ以下の時には２．０Ｔｏｒｒ（２６６Ｐａ）程度である。更には、ＷＦ6 ／Ｈ2 のガス比に関しては、ステップカバレジを或る程度高くし、ボルケーノを回避する上で０．０１〜１で、好ましくは０．１〜０．５である。また、主タングステン膜形成工程８０においてＷＦ6 ガスの流量を種々変えてプロセス圧力について種々変更して処理を行ったところ、ガス量を多くする程、スループットが向上したが、７０〜８０Ｔｏｒｒの近傍でスループットの向上は略停止してしまった。従って、プロセス圧力は略７０Ｔｏｒｒ以上であることが好ましい。
【００４３】
図１０はタングステン膜の抵抗値の温度依存性を示すグラフである。図中、ａは従来のＣＶＤ法（プロセス温度≒４００℃）によるタングステン膜を示し、ｂはプロセス温度２８０℃の本発明方法によるタングステン膜を示し、ｃはプロセス温度３８０℃の本発明方法によるタングステン膜を示す。
このグラフから明らかなように、本発明方法による膜ｂ、ｃは従来のＣＶＤ法で形成された膜ａと比べて約２〜４倍高い抵抗値を有することがわかる。これは、本発方法により形成された膜ｂ、ｃの結晶子の大きさが従来方法の場合よりも２〜４倍小さいためと考えられる。また、本発明方法により形成された膜ｂ、ｃでも、より高い温度で形成された膜程高い抵抗値を有することか判る。これは、高温で形成された膜ほど高濃度のＳｉを含有するためと考えられる。
【００４４】
そして、最後に、ウエハ表面において拡散したＦ（フッ素）濃度の評価を行ったので、その評価結果について説明する。
図１１は還元ガスとしてＳｉＨ4 、Ｓｉ2 Ｈ6 、Ｂ2 Ｈ6 を用いてウエハ表面のＦ濃度（拡散量）プロファイルを示すグラフである。ここではＷ膜（タングステン膜）よりも下方に向けて、ＴｉＮ膜、Ｔｉ膜、ＳｉＯ2 膜が順次形成されているウエハを用いている。
このグラフから明らかなように、本発明方法のＷ膜中のＦ濃度は１×１０17ａｔｍｓ／ｃｃであり、従来のＣＶＤ法によるＷ膜中のＦ濃度は３×１０17ａｔｍｓ／ｃｃあって、本発明のＷ膜中のＦの拡散量が略１／３程度に抑制されており、これにより高いバリア性を有することが確認できた。
【００４５】
＜パッシベーションタングステン膜形成工程（ＰＡ工程とも称す）から主タングステン膜形成工程（ＭＡ工程とも称す）への移行の態様＞
先に説明した本発明方法において、パッシベーションタングステン膜形成工程について”温度変化あり”の場合と”温度変化なし”（温度一定）の場合とを検討した。この時のプロセス条件は以下の通りである。
［温度変化あり］
・プロセス温度 ：ＰＡ工程の当初３５０℃からＭＡ工程の３９０℃まで昇温（図３参照）。
・プロセス圧力 ：７．５Ｔｏｒｒから８０Ｔｏｒｒまで昇圧。
・昇温時間（昇圧時間）：３０秒（温度安定にある程度の時間を要すため）
・ＷＦ6 ガスの流量 ：６０ｓｃｃｍより３５０ｓｃｃｍまで増加。
【００４６】
［温度変化なし］
・プロセス温度 ：ＰＡ工程−ＭＡ工程に亘って４１０℃に一定に維持。
・昇圧時間 ：１５秒
・プロセス圧力、ＷＦ6 ガスの流量は”温度変化あり”の場合と同じ。
尚、初期タングステン膜形成工程及び他のプロセス条件についてはそれぞれ同じになるように設定している。
上記評価の結果、ＰＡ工程においてプロセス温度を高くして、４１０℃に維持した”温度変化なし”の場合には、スループットが高く良好であった。
これに対して、ＰＡ工程においてプロセス温度を３５０℃から３９０℃へ次第に変化させた”温度変化あり”の場合には、上記とは逆に埋め込み特性は良好であった。
【００４７】
次に、初期タングステン膜形成工程において、還元ガスとして、ＳｉＨ4 、Ｓｉ2 Ｈ6 、Ｂ2 Ｈ6 を用いた場合について説明する。
図２（Ａ）に示すような本発明方法を用いて実際にＳｉＨ4 、Ｓｉ2 Ｈ6 、Ｂ2 Ｈ6 を用い、埋め込みを行い、埋め込み穴中のボイドの発生状況、及び埋め込み特性の評価を以下に記す。また、この時の埋め込み穴の内径は０．０９μｍを用いた。
【００４８】
初期タングステン膜形成工程における各ガスの供給態様やプロセス条件は、図２（Ｂ）に示すフローチャートを用いた。尚、シラン、ジシラン、ジボランの各ガスの流量はそれぞれ同一になるように設定して行った。
図１２は１サイクル当たりの成膜レートの温度依存性を示す。各ガス共に温度上昇に伴って成膜レートが増加することが確認できた。また、ジシラン、ジボラン、シランの順でより低温から成膜が開始されること、１サイクル当たりの成膜レートは、ジシラン、ジボラン、シランの順で大きくなることが判明した。
【００４９】
次に、図１３はプロセス温度３２０℃における比抵抗及び表面粗さの膜厚依存性を検討した結果を示す。図１３（Ａ）は比抵抗の膜厚依存性を示し、図１３（Ｂ）は表面粗さの膜厚依存性を示す。
比抵抗はジシラン、シラン、ジボランの順で高い値を示していることが判明した。そして、それぞれ膜厚が厚くなる程、比抵抗が小さくなっているのが確認された。特にジシランは、他の２つのガスよりも比抵抗が急激に小さくなっている。
また、表面粗さは、ジボラン、シラン、ジシランの順で大きくなっており、共に膜厚が厚くなるに従って、表面粗さも大きくなっている。ただし、ジシランに関しては特異な変化を示しており、膜厚が８０Åの近傍において表面粗さは一度急激に増加した後に急激に減少するという突起状の特性が現れている。
【００５０】
次に、図１４は膜中のＦ、Ｓｉ、Ｂの濃度を検討した結果を示す。図１４（Ａ）はＦ濃度を示し、図１４（Ｂ）はＳｉ、Ｂの濃度を示す。図１４中、Ｗはタングステン膜を示し、ＴｉＮは下地のチタンナイトライド膜を示す。尚、両膜の境界は実際には両材料が融合して不明確であるが、図示例では便宜上、区画を示している。
図１４（Ａ）に示すＦ濃度については下地層のＴｉＮ膜中に拡散しているＦ量はジボランが最も小さく、高いバリヤ性を有しているのが判明する。
図１４（Ｂ）に示すように、Ｗ膜中のＳｉ、Ｂ濃度はジボラン、シラン、ジシランの順で高くなっており、計算上それぞれ約１０％、１％、１％以下のＢもしくはＳｉを含有している。特に、ジボランの場合には膜中に含まれるＢ量が高濃度であることが判明した。
【００５１】
次に、図１５は膜中のタングステンの結晶性について検討した結果を示す。この検討ではＸ線回折装置を用いた。ジシランの場合には、α−Ｗ、β−Ｗのキュービックタングステンのみが観測され、結晶性が高いことが確認できた。
これに対して、シラン、ジボランの場合には、回折線がブロードになっており、結晶性が低く、特にジボランの場合には、よりアモルファス状態の程度が高いことが確認できた。
【００５２】
次に、図１６は穴径が０．０９μｍ、Ａ／Ｒ＝１２のコンタクトホールについて埋め込みを行った結果を示す。図１６はコンタクトホールの埋め込み状態を示す図面代用写真である。
図１６よりジボラン、シランについては良好な埋め込み性が確認できたが、ジシランなついてはボイドが発生し、埋め込み性が不十分であることが確認できた。
上記の結果、Ｓｉ2 Ｈ6 の場合は成膜速度が速く、結晶子サイズが大きいなどの諸特性は、従来手法の還元ガスとＷＦ6 ガスの同時出しのＣＶＤと同じように島状に核が形成される成長様式と同じである。図１３で示された比抵抗の減少、表面粗さが一度増大の後に減少した現象は島状に形成された核が成長し、これが連続的な膜となったために起こったものと考えられる。この形成された核が優先的に成長するために膜が不均一となり、埋め込み性悪化の原因となっている。
【００５３】
一方、Ｂ2 Ｈ6 の場合には、抵抗値が高く、埋め込み性はシームも無く最も良好である。これは１０％程度の高濃度なＢの含有とその結果、結晶子サイズが小さく、もしくは非晶質が混入されることで説明される。結晶子サイズが小さいため、均一で緻密な膜となる。このため下地ＴｉＮのＦ拡散量が最も少なく、高いバリヤ性を有している。
また、ＳｉＨ4 の場合には、その特性はＳｉ2 Ｈ6 とＢ2 Ｈ6 の中間に位置するが、膜の成長様式はＢ2 Ｈ6 と同じように、結晶子サイズは小さく緻密な膜となる。穴径０．０９μｍ、Ａ／Ｒ＝１２の微細化されたコンタクトホールにおいても十分な埋め込み性を確保しつつ、Ｂ2 Ｈ6 よりも低抵抗に抑えられ、膜の密着性も確保できている。従って、埋め込み穴中のボイドの発生状況及び埋め込み特性から総体的に判断してＳｉ2 Ｈ6 、Ｂ2 Ｈ6 、ＳｉＨ4 の順に良好な結果となった。今回のコンタクトホールの穴径０．０９μｍを用いて良好な埋め込み特性が得られ、今後、次世代の０．１３μｍ以下の微細ホールに有効である。
尚、本実施例では、被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、これに限定されず、ＬＣＤ基板、ガラス基板等にも適用できるのは勿論である。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のタングステン膜の形成方法によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
本発明によれば、膜厚均一性の高い核付け層としての初期タングステン膜を形成し、更に効率的にパッシベーションタングステン膜を形成し、この後に主たるタングステン膜を堆積させるようにしたので、特に埋め込み特性を改善でき、例えば埋め込み穴の径が小さくても、特性に悪影響を与える程の大きさのボイドの発生やボルケーノの発生を抑制することができる。また、上記一連の３工程は同一処理容器内で連続的に行われるので、例えば処理容器を変更することによって発生するインキュベーション期間がなくなり、その分、スループットを向上させることができる。
特にパッシベーションタングステン膜形成工程において、タングステン含有ガスの流量を少しずつ増加させつつ圧力も次第に上昇させるようにしているので、下地層である初期タングステン膜へのタングステン含有ガス中のフッ素のアタックによるダメージを抑制することができると同時に、この初期タングステン膜のバリヤ性を補強することができる。
また特に請求項４に係る発明によれば、各工程間におけるプロセス温度を略一定に維持することにより、途中でプロセス温度を昇降温させる必要がないので、その分、スループットを更に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るタングステン膜の形成方法を実施する熱処理装置を示す断面構成図である。
【図２】各ガスの供給態様を示す図である。
【図３】成膜工程全体を通じての各ガス流量の一例とプロセス条件との関係を示すフローチャートである。
【図４】半導体ウエハの表面に堆積したタングステン膜の一例を示す拡大断面図である。
【図５】処理容器内におけるシラン（ＳｉＨ4 ）の分圧の分布状態を示す図である。
【図６】シランのパラメータ（Ｔｏｒｒ・ｓｅｃ）と１サイクル当たりに形成される膜厚との関係を示すグラフである。
【図７】ＷＦ6 のパラメータ（Ｔｏｒｒ・ｓｅｃ）と１サイクル当たりに形成される膜厚との関係を示すグラフである。
【図８】ガス供給の１サイクル当たりに形成される膜厚の温度依存性を示すグラフである。
【図９】ＷＦ6 ガスのパラメータ（Ｔｏｒｒ・ｓｅｃ）と１セル当たりのボルケーノの発生個数との関係を示したグラフである。
【図１０】タングステン膜の抵抗値の温度依存性を示すグラフである。
【図１１】ウエハ表面のＦ濃度（拡散量）プロファイルを示すグラフである。
【図１２】１サイクル当たりの成膜レートの温度依存性を示す図である。
【図１３】プロセス温度３５０℃における比抵抗及び表面粗さの膜厚依存性を示す図である。
【図１４】膜中のＦ、Ｓｉ、Ｂの濃度を示す図である。
【図１５】膜中のタングステンの結晶性について検討した時のＸ線回折結果を示す図である。
【図１６】コンタクトホールの埋め込み状態を示す図面代用写真である。
【図１７】ボルケーノとボイドが発生している埋め込み穴を示す断面図である。
【図１８】タングステンにより埋め込み穴を埋め込む時の工程の一例を示す図である。
【符号の説明】
２ 埋め込み穴
４ バリヤ層
２０ 熱処理装置
２２ 処理容器
２４ シャワーヘッド部
６０ 加熱ランプ
７０ 還元ガス供給工程
７２ タングステンガス供給工程
７４ パージ工程
７６ 初期タングステン膜
７８ 主タングステン膜
７９ 初期タングステン膜形成工程
８０ 主タングステン膜形成工程
８２ パッシベーションタングステン膜
８４ パッシベーションタングステン膜形成工程
Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）
Claims (13)
- 真空引き可能になされた処理容器内にて被処理体の表面にタングステン膜を形成するに際して、
還元ガスを供給する還元ガス供給工程とタングステン含有ガスを供給するタングステンガス供給工程とを、前記両工程の間に不活性ガスを供給しつつ真空引きするパージ工程を介在させると共に前記還元ガス供給工程を最初に行なうように交互に繰り返し行うようにして初期タングステン膜を形成するようにした初期タングステン膜形成工程と、
前記処理容器内へ還元ガスを流しつつ前記タングステン含有ガスの流量を少しずつ増加するように変化させて流すことによって前記処理容器内の圧力を次第に上昇させつつパッシベーションタングステン膜を形成するパッシベーションタングステン膜形成工程と、
前記処理容器に前記還元ガスと前記タングステン含有ガスとを流して主タングステン膜を形成する主タングステン膜形成工程と、
を有することを特徴とするタングステン膜形成方法。 - 真空引き可能になされた処理容器内にて被処理体の表面にタングステン膜を形成するに際して、
還元ガスを供給する還元ガス供給工程とタングステン含有ガスを供給するタングステンガス供給工程とを、前記両工程の間に不活性ガスを供給しつつ真空引きするパージ工程を介在させると共に前記還元ガス供給工程を最初に行なうように交互に繰り返し行うようにして初期タングステン膜を形成するようにした初期タングステン膜形成工程と、
前記処理容器内へ還元ガスを流しつつ前記タングステン含有ガスの流量を少しずつ増加するように変化させて流すことによって前記処理容器内の圧力を次第に上昇させつつパッシベーションタングステン膜を形成するパッシベーションタングステン膜形成工程と、
前記処理容器に前記還元ガスと前記タングステン含有ガスとを流して主タングステン膜を形成する主タングステン膜形成工程と、を有し、
前記パッシベーションタングステン膜形成工程では、前記被処理体の温度を次第に上昇させるようにしたことを特徴とするタングステン膜形成方法。 - 前記パッシベーションタングステン膜形成工程では、前記被処理体の温度を次第に上昇させるようにしたことを特徴とする請求項１記載のタングステン膜形成方法。
- 前記初期タングステン膜形成工程と、前記パッシベーションタングステン膜形成工程と、前記主タングステン膜形成工程との間では前記被処理体の温度を同一に維持していることを特徴とする請求項１記載のタングステン膜形成方法。
- 前記処理容器内の圧力は、前記初期タングステン膜形成工程と前記パッシベーションタングステン膜形成工程では２６６６Ｐａ（２０Ｔｏｒｒ）以下であり、前記主タングステン膜形成工程では２６６６Ｐａ（２０Ｔｏｒｒ）以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のタングステン膜形成方法。
- 前記タングステン含有ガスは、ＷＦ６ ガスと有機タングステンソースガスの内のいずれか１つであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のタングステン膜の形成方法。
- 前記還元ガスは、Ｈ２ ガス、シラン（ＳｉＨ４ ）、ジシラン（Ｓｉ２ Ｈ６ ）、ジクロルシラン（ＳｉＨ２ Ｃｌ２ ）、ジボラン（Ｂ２ Ｈ６ ）、ホスフィン（ＰＨ３ ）の内のいずれか１つよりなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のタングステン膜の形成方法。
- 前記タングステン含有ガスはＷＦ６ ガスであり、前記還元ガスは、初期タングステン膜形成工程ではＳｉＨ４ ガスであり、前記パッシベーションタングステン膜形成工程と前記主タングステン膜形成工程ではＨ２ ガスであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のタングステン膜の形成方法。
- 前記パッシベーションタングステン膜形成工程では、前記還元ガスは前記タングステン含有ガスの供給開始に先立って供給が開始されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のタングステン膜の形成方法。
- 前記初期タングステン膜の厚さは、１０〜２００Åの範囲内であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のタングステン膜の形成方法。
- 前記パッシベーションタングステン膜の厚さは、１０〜５００Åの範囲内であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載のタングステン膜の形成方法。
- 前記各工程のプロセス温度は、前記初期タングステン膜形成工程と前記パッシベーションタングステン膜形成工程では２００〜５００℃の範囲内であり、前記主タングステン膜形成工程では３００〜５００℃の範囲内であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載のタングステン膜の形成方法。
- 前記パッシベーションタングステン膜形成工程では、プロセス圧力を次第に上昇させることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載のタングステン膜の形成方法。
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