JP4032872B2 - 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１３を参照して説明する。図１３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の表面コンタミ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１４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１４（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１４（Ａ）及び図１４（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１４（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１４（Ｄ））。
次に、図１４（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１４（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を形成する際には、この時のステップカバレジを上げるために一般的にはＴｉの有機化合物ソースを用いているが、この中に含まれる炭素成分がバリヤ層４に含まれることになり、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が露出する表面により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、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、還元ガスとしてシリコン含有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タングステン膜を形成するようにしたことを特徴とするタングステン膜の形成方法である。
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することが可能となり、従って、この後に主たるタングステン膜を堆積させた時に、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。
【００１０】
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、前記還元ガス供給工程と前記タングステンガス供給工程と前記パージ工程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が一定になるように制御すると共に前記還元ガス供給工程を最初に行なうように前記還元ガス供給工程と前記タングステンガス供給工程とを交互に繰り返し行うようにしてタングステン膜を形成するようにしたことを特徴とするタングステン膜の形成方法である。
このように、還元ガス供給工程とタングステンガス供給工程とパージ工程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が一定になるように制御することにより、ウエハ（被処理体）の温度や被覆されるガスの量を一定に保つことができる。
請求項３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タングステン膜を形成し、前記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において、還元ガスの分圧と供給時間との積よりなるパラメータを、他の還元ガス供給工程のパラメータよりも大きくなるように設定したことを特徴とするタングステン膜の形成方法でる。
請求項４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タングステン膜を形成し、前記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における還元ガスの供給時間を他の還元ガス供給工程の供給時間よりも長くなるように設定し、還元ガス供給工程とタングステンガス供給工程とパージ工程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が一定になるように制御したことを特徴とするタングステン膜の形成方法である。
請求項５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し、前記初期タングステン膜を形成した後に、前記タングステン含有ガスと前記還元ガスとを同時に供給することにより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を行うと共に、前記初期タングステン膜を形成する工程と前記主タングステン膜を形成する工程との間に、前記タングステン含有ガスの流量比が前記主タングステン膜形成工程の場合よりも小さい状態で、前記タングステン含有ガスと前記還元ガスとを同時に供給することにより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を行うようにしたことを特徴とするタングステン膜の形成方法である。
請求項６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し、前記初期タングステン膜を形成した後に、前記タングステン含有ガスと前記還元ガスとを同時に供給することにより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を行うと共に、前記初期タングステン膜を形成する工程と前記主タングステン膜を形成する工程との間に、前記タングステン含有ガスの流量が前記主タングステン膜形成工程の場合よりも小さい状態で、前記 タングステン含有ガスと前記還元ガスとを同時に供給することにより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を行うようにし、前記タングステン含有ガスの流量は、前記主タングステン膜形成工程の時より前記パッシベーションタングステン膜形成工程の時の方が少なくなるようにしたことを特徴とするタングステン膜の形成方法である。
また、例えば請求項７に規定するように、前記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において、還元ガスの分圧と供給時間との積よりなるパラメータを、他の還元ガス供給工程のパラメータよりも大きくなるように設定する。
これにより、実質的に従来方法のイニシエーション処理と同様な機能を持たせて被処理体の表面に反応中間体を付着させて表面を活性化させることが可能となる。
また、例えば請求項８に規定するように、前記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において、還元ガスの供給時間を他の還元ガス供給工程の供給時間よりも長くなるように設定し、すべての還元ガス供給工程とタングステンガス供給工程とパージ工程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が一定になるように制御して、前記還元ガス供給工程と前記タングステンガス供給工程を交互に繰り返し行うようにしてタングステン膜を形成する。
このように、最初の還元ガス供給工程が従来方法のイニシェーション処理と同様な機能を果たし、且つ、還元ガスとタングステン含有ガスと不活性ガスの全圧が一定になるように制御することにより、ウエハ（被処理体）の温度や被覆されるガスの量を一定に保つことができる。
請求項９に規定するように、前記タングステン膜を形成した後に、前記タングステン含有ガスと前記還元ガスとを同時に供給することにより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を行うようにする。
これにより、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、埋め込み特性を改善することができる。
【００１１】
この場合、例えば請求項１０に規定するように、前記初期タングステン膜を形成する工程と前記主タングステン膜を形成する工程との間に、前記タングステン含有ガスの流量比が前記主タングステン膜形成工程の場合よりも小さい状態で、前記タングステン含有ガスと前記還元ガスとを同時に供給することにより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を行うようにする。
これにより、上記パッシベーションタングステン膜が、いわゆるパッシベーション膜として機能し、初期タングステン膜の厚みが薄い場合、主タングステン膜を形成する際にＷＦ６ のアタックによってボルケーノを発生させるのでパッシベーションタングステン膜を形成することで、初期タングステン膜が保護され、より一層、埋め込み特性を改善することが可能となる。
この場合、例えば請求項１１に規定するように、前記初期タングステン膜の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は、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が同一である。
また、例えば請求項１２に規定するように、前記主タングステン膜形成工程では、前記パッシベーション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が高く設定されている。
【００１２】
また、例えば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１１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の形成工程ではＳｉＨ４ ガスであり、前記パッシベーションタングステン膜の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は処理容器内におけるシラン（ＳｉＨ ４ ）の分圧の分布状態を示す図、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、図５は半導体ウエハの表面に堆積したタングステン膜の他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もある。
【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１４（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口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。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】
ここで、図２を参照して各ガスの供給態様を具体的に説明する。
図２では４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。
【００２０】
まず、図２（Ａ）に示すガス供給態様は、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。この点は、図２（Ｂ）〜図２（Ｄ）においても同じである。
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、このＨ２ ガスとタングステン含有ガスであるＷＦ６ ガス、その他の不活性ガス、例えばＡｒ、Ｎ２ ガスとを同時に供給することにより主タングステン膜７８を形成する主タングステン膜形成工程８０を行い、埋め込み穴２を主タングステン膜７８で完全に埋め込む。
【００２１】
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。
ここで、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１〜３０秒で、好ましくは３〜１０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。
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３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３（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３（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。
図３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３（Ａ））が早目に低い分圧となり、図３（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３（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。
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略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。
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。
【００２２】
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１４（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、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３０〜９０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。
【００２３】
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を一層膜厚の均一性良く形成することが可能となる。
また、図２（Ｃ）に示すガス供給態様では、上記図２（Ｂ）に示す供給態様の中で、主タングステン膜形成工程８０の直前に、パッシベーションタングステン膜８２（図５参照）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を行っている。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、タングステン含有ガスの流量比を、主タングステン膜形成工程８０の場合よりも小さく設定している。このパッシベーションタングステン膜形成工程８４の期間Ｔ５は、例えば３〜９０秒で好ましくは１０〜６０秒である。
また、図２（Ｄ）に示すガス供給形態では、上記図２（Ａ）に示す供給形態の中で、主タングステン膜形成工程８０の直前に連続するようにパッシベーションタングステン膜形成工程８４を行っている。
【００２４】
このように、このパッシベーションタングステン膜が、いわゆるパッシベーション膜として機能し、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。
ここで、図２（Ｃ）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。
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＝９０ｓｃｃｍ／８５５０ｓｃｃｍであり、プロセス圧力は８０Ｔｏｒｒ（１０６４０Ｐａ）、プロセス時間Ｔ４は６０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。
【００２５】
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＝９０ｓｃｃｍ／３９００ｓｃｃｍ、期間Ｔ１は５秒であり、プロセス圧力は７．５Ｔｏｒｒ（９９８Ｐａ）、プロセス温度は２００〜５００℃で、好ましくは２５０〜４５０℃である。この時の上記パラメータに関して、膜厚を飽和させる必要性から０．１〜１０（Ｔｏｒｒ・ｓｅｃ）で、好ましくは０．２〜５（Ｔｏｒｒ・ｓｅｃ）である。
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＝３０ｓｃｃｍ／３９００ｓｃｃｍ、期間Ｔ２は５秒であり、プロセス圧力は７．５Ｔｏｒｒ（９９８Ｐａ）、プロセス温度は２００〜５００℃で、好ましくは２５０〜４５０℃である。この時の上記パラメータ（ＷＦ6 ガスの分圧×供給時間）に関しては、ボルケーノの発生を回避するために膜厚を飽和させる必要性から０．０１〜０．６（Ｔｏｒｒ・ｓｅｃ）で、好ましくは０．０４〜０．５（Ｔｏｒｒ・ｓｅｃ）である。
【００２６】
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。
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。
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。
【００２７】
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＝１５ｓｃｃｍ／１８００ｓｃｃｍ／３６００ｓｃｃｍであり、プロセス圧力は７．５Ｔｏｒｒ（９９８Ｐａ）、プロセス温度は２００〜５００℃で、好ましくは２５０〜４５０℃、プロセス時間Ｔ５は３〜９０秒で、好ましくは１０〜６０秒である。この時のＷＦ6 ガスの分圧はボルケーノの発生を回避する上から０．００１〜０．５Ｔｏｒｒ（６６．５Ｐａ）で、好ましくは０．００５〜０．２Ｔｏｒｒ（２６．６Ｐａ）である。従って、パッシベーションタングステン膜形成工程は、反応律速の範囲内でＷＦ6 の流量を低くして形成するのが効果的である。
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、ボルケーノの発生を回避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、１０〜２００Å程度、好ましくは２０〜１５０Å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、先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。
【００２８】
また、主タングステン膜形成工程８０においては、ボルケーノの発生を回避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＝９０ｓｃｃｍ／７５０ｓｃｃｍ／３０００ｓｃｃｍであり、プロセス圧力は４０Ｔｏｒｒ（５３２０Ｐａ）、プロセス温度は３００〜５００℃で、好ましくは３５０〜４５０℃である。ここで、プロセス圧力は、ボルケーノの発生を回避するために、２０〜２００Ｔｏｒｒ（２６６０〜２６６００Ｐａ）の範囲内、プロセス温度の上限値は、ボルケーノの発生を回避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３００〜５００℃で、好ましくは３５０〜４５０℃程度である。
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。
【００２９】
また、この主タングステン膜形成工程８０では、パッシベーションタングステン膜形成工程８４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高く設定する。これにより、主タングステン膜形成工程８０における成膜レートを上げるようにする。特に、ここでは、両工程間において、プロセス温度を３５０℃から４００℃まで上昇させているが、この温度上昇期間においてもタングステン膜を形成させて、処理速度を上げるのがよい。
図２（Ｃ）に示すような本発明方法を用いて実際に埋め込みを行った所、図１０に示すような結果を得た。
図１０は本発明方法と従来方法により埋め込まれた埋め込み穴の断面を示す写真であり、図１０（Ａ）に示す従来方法の場合には、埋め込み穴中にボイドが発生して好ましくない結果であるが、図１０（Ｂ）に示す本発明の方法の場合には、埋め込み穴中にボイドが発生しておらず、良好な埋め込み特性を得ることができた。尚、この時の埋め込み穴の内径は０．１３μｍであった。従って、微細ホールが０．１３μｍ以上の場合は特に効果がある。更に０．１３μｍ以下の微細ホールにも有効であった。
【００３０】
また、膜厚を１００Åと３００Åとに変えて成膜した時のタングステン膜表面を電子顕微鏡で観察して表面粗さを測定したところ、従来のＣＶＤ法で成膜した場合には、表面粗さは膜厚が１００Åから３００Åに増加するに従って増大していた。これに対して、本発明方法の場合には、表面粗さは膜厚によらずに略安定して滑らかな表面を保っていることが判明した。
この時、併せて抵抗値も測定したので、その評価結果について図１１を参照して説明する。
図１１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。
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１２はウエハ表面の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。
【００３１】
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。
また、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。
【００３２】
【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することができ、従って、この後に主たるタングステン膜を堆積させた時に、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。
また本発明によれば、還元ガス供給工程とタングステンガス供給工程とパージ工程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が一定になるように制御することにより、ウエハ（被処理体）の温度や被覆されるガスの量を一定に保つことができる。
特に請求項７に係る発明によれば、実質的に従来方法のイニシエーション処理と同様な機能を持たせて被処理体の表面に反応中間体を付着させて表面を活性化させることができる。
特に請求項８に係る発明によれば、最初の還元ガス供給工程が従来方法のイニシェーション処理と同様な機能を果たし、且つ、還元ガスとタングステン含有ガスと不活性ガスの全圧が一定になるように制御することにより、ウエハ（被処理体）の温度や被覆されるガスの量を一定に保つことができる。
また本発明によれば、半導体デバイスの微細化が進む上で例えば埋め込み穴の径が０．１μｍ以下と小さくなっても、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、埋め込み特性を改善することができる。
特に請求項１０に係る発明によれば、パッシベーションタングステン膜が、いわゆるパッシベーション膜として機能し、より一層、埋め込み特性を改善することができる。
【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】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】半導体ウエハの表面に堆積したタングステン膜の他の一例を示す拡大断面図である。
【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】本発明方法と従来方法により埋め込まれた埋め込み穴の断面を示す図面代用写真である。
【図１１】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１２】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１３】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１４】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
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１３を参照して説明する。図１３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の表面コンタミ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１４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１４（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１４（Ａ）及び図１４（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１４（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１４（Ｄ））。
次に、図１４（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１４（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を形成する際には、この時のステップカバレジを上げるために一般的にはＴｉの有機化合物ソースを用いているが、この中に含まれる炭素成分がバリヤ層４に含まれることになり、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が露出する表面により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、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、還元ガスとしてシリコン含有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タングステン膜を形成するようにしたことを特徴とするタングステン膜の形成方法である。
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することが可能となり、従って、この後に主たるタングステン膜を堆積させた時に、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。
【００１０】
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、前記還元ガス供給工程と前記タングステンガス供給工程と前記パージ工程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が一定になるように制御すると共に前記還元ガス供給工程を最初に行なうように前記還元ガス供給工程と前記タングステンガス供給工程とを交互に繰り返し行うようにしてタングステン膜を形成するようにしたことを特徴とするタングステン膜の形成方法である。
このように、還元ガス供給工程とタングステンガス供給工程とパージ工程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が一定になるように制御することにより、ウエハ（被処理体）の温度や被覆されるガスの量を一定に保つことができる。
請求項３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タングステン膜を形成し、前記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において、還元ガスの分圧と供給時間との積よりなるパラメータを、他の還元ガス供給工程のパラメータよりも大きくなるように設定したことを特徴とするタングステン膜の形成方法でる。
請求項４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タングステン膜を形成し、前記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における還元ガスの供給時間を他の還元ガス供給工程の供給時間よりも長くなるように設定し、還元ガス供給工程とタングステンガス供給工程とパージ工程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が一定になるように制御したことを特徴とするタングステン膜の形成方法である。
請求項５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し、前記初期タングステン膜を形成した後に、前記タングステン含有ガスと前記還元ガスとを同時に供給することにより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を行うと共に、前記初期タングステン膜を形成する工程と前記主タングステン膜を形成する工程との間に、前記タングステン含有ガスの流量比が前記主タングステン膜形成工程の場合よりも小さい状態で、前記タングステン含有ガスと前記還元ガスとを同時に供給することにより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を行うようにしたことを特徴とするタングステン膜の形成方法である。
請求項６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し、前記初期タングステン膜を形成した後に、前記タングステン含有ガスと前記還元ガスとを同時に供給することにより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を行うと共に、前記初期タングステン膜を形成する工程と前記主タングステン膜を形成する工程との間に、前記タングステン含有ガスの流量が前記主タングステン膜形成工程の場合よりも小さい状態で、前記 タングステン含有ガスと前記還元ガスとを同時に供給することにより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を行うようにし、前記タングステン含有ガスの流量は、前記主タングステン膜形成工程の時より前記パッシベーションタングステン膜形成工程の時の方が少なくなるようにしたことを特徴とするタングステン膜の形成方法である。
また、例えば請求項７に規定するように、前記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において、還元ガスの分圧と供給時間との積よりなるパラメータを、他の還元ガス供給工程のパラメータよりも大きくなるように設定する。
これにより、実質的に従来方法のイニシエーション処理と同様な機能を持たせて被処理体の表面に反応中間体を付着させて表面を活性化させることが可能となる。
また、例えば請求項８に規定するように、前記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において、還元ガスの供給時間を他の還元ガス供給工程の供給時間よりも長くなるように設定し、すべての還元ガス供給工程とタングステンガス供給工程とパージ工程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が一定になるように制御して、前記還元ガス供給工程と前記タングステンガス供給工程を交互に繰り返し行うようにしてタングステン膜を形成する。
このように、最初の還元ガス供給工程が従来方法のイニシェーション処理と同様な機能を果たし、且つ、還元ガスとタングステン含有ガスと不活性ガスの全圧が一定になるように制御することにより、ウエハ（被処理体）の温度や被覆されるガスの量を一定に保つことができる。
請求項９に規定するように、前記タングステン膜を形成した後に、前記タングステン含有ガスと前記還元ガスとを同時に供給することにより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を行うようにする。
これにより、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、埋め込み特性を改善することができる。
【００１１】
この場合、例えば請求項１０に規定するように、前記初期タングステン膜を形成する工程と前記主タングステン膜を形成する工程との間に、前記タングステン含有ガスの流量比が前記主タングステン膜形成工程の場合よりも小さい状態で、前記タングステン含有ガスと前記還元ガスとを同時に供給することにより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を行うようにする。
これにより、上記パッシベーションタングステン膜が、いわゆるパッシベーション膜として機能し、初期タングステン膜の厚みが薄い場合、主タングステン膜を形成する際にＷＦ６ のアタックによってボルケーノを発生させるのでパッシベーションタングステン膜を形成することで、初期タングステン膜が保護され、より一層、埋め込み特性を改善することが可能となる。
この場合、例えば請求項１１に規定するように、前記初期タングステン膜の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は、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が同一である。
また、例えば請求項１２に規定するように、前記主タングステン膜形成工程では、前記パッシベーション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が高く設定されている。
【００１２】
また、例えば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１１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の形成工程ではＳｉＨ４ ガスであり、前記パッシベーションタングステン膜の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は処理容器内におけるシラン（ＳｉＨ ４ ）の分圧の分布状態を示す図、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、図５は半導体ウエハの表面に堆積したタングステン膜の他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もある。
【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１４（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口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。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】
ここで、図２を参照して各ガスの供給態様を具体的に説明する。
図２では４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。
【００２０】
まず、図２（Ａ）に示すガス供給態様は、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。この点は、図２（Ｂ）〜図２（Ｄ）においても同じである。
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、このＨ２ ガスとタングステン含有ガスであるＷＦ６ ガス、その他の不活性ガス、例えばＡｒ、Ｎ２ ガスとを同時に供給することにより主タングステン膜７８を形成する主タングステン膜形成工程８０を行い、埋め込み穴２を主タングステン膜７８で完全に埋め込む。
【００２１】
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。
ここで、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１〜３０秒で、好ましくは３〜１０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。
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３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３（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３（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。
図３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３（Ａ））が早目に低い分圧となり、図３（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３（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。
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略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。
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。
【００２２】
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１４（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、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３０〜９０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。
【００２３】
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を一層膜厚の均一性良く形成することが可能となる。
また、図２（Ｃ）に示すガス供給態様では、上記図２（Ｂ）に示す供給態様の中で、主タングステン膜形成工程８０の直前に、パッシベーションタングステン膜８２（図５参照）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を行っている。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、タングステン含有ガスの流量比を、主タングステン膜形成工程８０の場合よりも小さく設定している。このパッシベーションタングステン膜形成工程８４の期間Ｔ５は、例えば３〜９０秒で好ましくは１０〜６０秒である。
また、図２（Ｄ）に示すガス供給形態では、上記図２（Ａ）に示す供給形態の中で、主タングステン膜形成工程８０の直前に連続するようにパッシベーションタングステン膜形成工程８４を行っている。
【００２４】
このように、このパッシベーションタングステン膜が、いわゆるパッシベーション膜として機能し、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。
ここで、図２（Ｃ）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。
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＝９０ｓｃｃｍ／８５５０ｓｃｃｍであり、プロセス圧力は８０Ｔｏｒｒ（１０６４０Ｐａ）、プロセス時間Ｔ４は６０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。
【００２５】
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＝９０ｓｃｃｍ／３９００ｓｃｃｍ、期間Ｔ１は５秒であり、プロセス圧力は７．５Ｔｏｒｒ（９９８Ｐａ）、プロセス温度は２００〜５００℃で、好ましくは２５０〜４５０℃である。この時の上記パラメータに関して、膜厚を飽和させる必要性から０．１〜１０（Ｔｏｒｒ・ｓｅｃ）で、好ましくは０．２〜５（Ｔｏｒｒ・ｓｅｃ）である。
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＝３０ｓｃｃｍ／３９００ｓｃｃｍ、期間Ｔ２は５秒であり、プロセス圧力は７．５Ｔｏｒｒ（９９８Ｐａ）、プロセス温度は２００〜５００℃で、好ましくは２５０〜４５０℃である。この時の上記パラメータ（ＷＦ6 ガスの分圧×供給時間）に関しては、ボルケーノの発生を回避するために膜厚を飽和させる必要性から０．０１〜０．６（Ｔｏｒｒ・ｓｅｃ）で、好ましくは０．０４〜０．５（Ｔｏｒｒ・ｓｅｃ）である。
【００２６】
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。
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。
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。
【００２７】
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＝１５ｓｃｃｍ／１８００ｓｃｃｍ／３６００ｓｃｃｍであり、プロセス圧力は７．５Ｔｏｒｒ（９９８Ｐａ）、プロセス温度は２００〜５００℃で、好ましくは２５０〜４５０℃、プロセス時間Ｔ５は３〜９０秒で、好ましくは１０〜６０秒である。この時のＷＦ6 ガスの分圧はボルケーノの発生を回避する上から０．００１〜０．５Ｔｏｒｒ（６６．５Ｐａ）で、好ましくは０．００５〜０．２Ｔｏｒｒ（２６．６Ｐａ）である。従って、パッシベーションタングステン膜形成工程は、反応律速の範囲内でＷＦ6 の流量を低くして形成するのが効果的である。
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、ボルケーノの発生を回避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、１０〜２００Å程度、好ましくは２０〜１５０Å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、先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。
【００２８】
また、主タングステン膜形成工程８０においては、ボルケーノの発生を回避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＝９０ｓｃｃｍ／７５０ｓｃｃｍ／３０００ｓｃｃｍであり、プロセス圧力は４０Ｔｏｒｒ（５３２０Ｐａ）、プロセス温度は３００〜５００℃で、好ましくは３５０〜４５０℃である。ここで、プロセス圧力は、ボルケーノの発生を回避するために、２０〜２００Ｔｏｒｒ（２６６０〜２６６００Ｐａ）の範囲内、プロセス温度の上限値は、ボルケーノの発生を回避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３００〜５００℃で、好ましくは３５０〜４５０℃程度である。
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。
【００２９】
また、この主タングステン膜形成工程８０では、パッシベーションタングステン膜形成工程８４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高く設定する。これにより、主タングステン膜形成工程８０における成膜レートを上げるようにする。特に、ここでは、両工程間において、プロセス温度を３５０℃から４００℃まで上昇させているが、この温度上昇期間においてもタングステン膜を形成させて、処理速度を上げるのがよい。
図２（Ｃ）に示すような本発明方法を用いて実際に埋め込みを行った所、図１０に示すような結果を得た。
図１０は本発明方法と従来方法により埋め込まれた埋め込み穴の断面を示す写真であり、図１０（Ａ）に示す従来方法の場合には、埋め込み穴中にボイドが発生して好ましくない結果であるが、図１０（Ｂ）に示す本発明の方法の場合には、埋め込み穴中にボイドが発生しておらず、良好な埋め込み特性を得ることができた。尚、この時の埋め込み穴の内径は０．１３μｍであった。従って、微細ホールが０．１３μｍ以上の場合は特に効果がある。更に０．１３μｍ以下の微細ホールにも有効であった。
【００３０】
また、膜厚を１００Åと３００Åとに変えて成膜した時のタングステン膜表面を電子顕微鏡で観察して表面粗さを測定したところ、従来のＣＶＤ法で成膜した場合には、表面粗さは膜厚が１００Åから３００Åに増加するに従って増大していた。これに対して、本発明方法の場合には、表面粗さは膜厚によらずに略安定して滑らかな表面を保っていることが判明した。
この時、併せて抵抗値も測定したので、その評価結果について図１１を参照して説明する。
図１１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。
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１２はウエハ表面の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。
【００３１】
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。
また、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。
【００３２】
【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することができ、従って、この後に主たるタングステン膜を堆積させた時に、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。
また本発明によれば、還元ガス供給工程とタングステンガス供給工程とパージ工程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が一定になるように制御することにより、ウエハ（被処理体）の温度や被覆されるガスの量を一定に保つことができる。
特に請求項７に係る発明によれば、実質的に従来方法のイニシエーション処理と同様な機能を持たせて被処理体の表面に反応中間体を付着させて表面を活性化させることができる。
特に請求項８に係る発明によれば、最初の還元ガス供給工程が従来方法のイニシェーション処理と同様な機能を果たし、且つ、還元ガスとタングステン含有ガスと不活性ガスの全圧が一定になるように制御することにより、ウエハ（被処理体）の温度や被覆されるガスの量を一定に保つことができる。
また本発明によれば、半導体デバイスの微細化が進む上で例えば埋め込み穴の径が０．１μｍ以下と小さくなっても、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、埋め込み特性を改善することができる。
特に請求項１０に係る発明によれば、パッシベーションタングステン膜が、いわゆるパッシベーション膜として機能し、より一層、埋め込み特性を改善することができる。
【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】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】半導体ウエハの表面に堆積したタングステン膜の他の一例を示す拡大断面図である。
【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】本発明方法と従来方法により埋め込まれた埋め込み穴の断面を示す図面代用写真である。
【図１１】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１２】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１３】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１４】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
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 (26)
- 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、
還元ガスとしてシリコン含有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タングステン膜を形成するようにしたことを特徴とするタングステン膜の形成方法。 - 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、前記還元ガス供給工程と前記タングステンガス供給工程と前記パージ工程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が一定になるように制御すると共に前記還元ガス供給工程を最初に行なうように前記還元ガス供給工程と前記タングステンガス供給工程とを交互に繰り返し行うようにしてタングステン膜を形成するようにしたことを特徴とするタングステン膜の形成方法。 - 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タングステン膜を形成し、前記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において、還元ガスの分圧と供給時間との積よりなるパラメータを、他の還元ガス供給工程のパラメータよりも大きくなるように設定したことを特徴とするタングステン膜の形成方法。 - 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タングステン膜を形成し、前記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における還元ガスの供給時間を他の還元ガス供給工程の供給時間よりも長くなるように設定し、還元ガス供給工程とタングステンガス供給工程とパージ工程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が一定になるように制御したことを特徴とするタングステン膜の形成方法。 - 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し、前記初期タングステン膜を形成した後に、前記タングステン含有ガスと前記還元ガスとを同時に供給することにより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を行うと共に、前記初期タングステン膜を形成する工程と前記主タングステン膜を形成する工程との間に、前記タングステン含有ガスの流量比が前記主タングステン膜形成工程の場合よりも小さい状態で、前記タングステン含有ガスと前記還元ガスとを同時に供給することにより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を行うようにしたことを特徴とするタングステン膜の形成方法。 - 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し、前記初期タングステン膜を形成した後に、前記タングステン含有ガスと前記還元ガスとを同時に供給することにより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を行うと共に、前記初期タングステン膜を形成する工程と前記主タングステン膜を形成する工程との間に、前記タングステン含有ガスの流量が前記主タングステン膜形成工程の場合よりも小さい状態で、前記タングステン含有ガスと前記還元ガスとを同時に供給することにより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を行うようにし、
前記タングステン含有ガスの流量は、前記主タングステン膜形成工程の時より前記パッシベーションタングステン膜形成工程の時の方が少なくなるようにしたことを特徴とするタングステン膜の形成方法。 - 前記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において、還元ガスの分圧と供給時間との積よりなるパラメータを、他の還元ガス供給工程のパラメータよりも大きくなるように設定したことを特徴とする請求項１または２記載のタングステン膜の形成方法。
- 前記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において、
還元ガスの供給時間を他の還元ガス供給工程の供給時間よりも長くなるように設定し、還元ガス供給工程とタングステンガス供給工程とパージ工程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が一定になるように制御して、前記還元ガス供給工程と前記タングステンガス供給工程を交互に繰り返し行うようにしてタングステン膜を形成するようにしたことを特徴とする請求項１、２及び７のいずれかに記載のタングステン膜の形成方法。 - 前記タングステン膜を形成した後に、前記タングステン含有ガスと前記還元ガスとを同時に供給することにより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を行うようにしたことを特徴とする請求項１、２、７及び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を形成する工程と前記主タングステン膜を形成する工程との間に、前記タングステン含有ガスの流量比が前記主タングステン膜形成工程の場合よりも小さい状態で、前記タングステン含有ガスと前記還元ガスとを同時に供給することにより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を行うようにしたことを特徴とする請求項９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は、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が同一であることを特徴とする請求項５又は１０記載のタングステン膜の形成方法。
- 前記主タングステン膜形成工程では、前記パッシベーション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が高く設定されていることを特徴とする請求項５、１０及び１１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の形成工程では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５、１０乃至１２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の流量は、前記主タングステン膜形成工程の時より前記パッシベーションタングステン膜形成工程の時の方が少ないことを特徴とする請求項５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、前記タングステン含有ガスと前記還元ガスとの流量比は、前記主タングステン膜形成工程の場合よりも小さく設定されていることを特徴とする請求項５又は１４記載のタングステン膜の形成方法。
- 前記主タングステン膜形成工程のプロセス圧力は、２０〜２００Ｔｏｒｒの範囲内であることを特徴とする請求項５、１４、１５のいずれかに記載のタングステン膜の形成方法。
- 前記各工程におけるプロセス温度は、２００〜５００℃の範囲内であることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれかに記載のタングステン膜の形成方法。
- 前記還元ガス供給工程の内の最初の還元ガス供給工程の還元ガスの分圧と供給時間との積よりなるパラメータは、１０〜３００Ｔｏｒｒ・ｓｅｃの範囲内であることを特徴とする請求項１乃至１７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形成工程の１サイクルの膜厚は、１〜５Åの範囲内であることを特徴とする請求項１乃至１８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１９のいずれかに記載のタングステン膜の形成方法。
- 前記還元ガス供給工程と前記タングステンガス供給工程と前記パージ工程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が一定になるように制御することを特徴とする請求項１乃至２０のいずれかに記載のタングステン膜の形成方法。
- 前記被処理体の表面には、予めバリヤ層が形成されていることを特徴とする請求項１乃至２１のいずれかに記載のタングステン膜の形成方法。
- 前記バリヤ層は、Ｔｉ／ＴｉＮ膜よりなることを特徴とする請求項１乃至２２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２３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２乃至２４のいずれかに記載のタングステン膜の形成方法。
- 前記シリコン含有ガスは、シラン（ＳｉＨ４ ）、ジシラン（Ｓｉ２ Ｈ６ ）、ジクロルシラン（ＳｉＨ２ Ｃｌ２ ）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、７、８、９、１７乃至２４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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