JP2003142425A5

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Publication number: JP2003142425A5
Application number: JP2002177191A
Authority: JP
Filing date: 2002-06-18
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2022-06-18

Description

【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、タングステン膜を形成する際に、従来のプロセス温度と比較して低温の４００℃以下のプロセス温度で成膜できるタングステン膜形成工程を用いることにより、ＴｉＮ膜等のバリヤ層は比較的薄くでき、しかも、この比較的薄いバリヤ層は、Ｔｉ膜を形成した処理容器内でＴｉ膜形成工程後にプラズマ窒化処理を連続的に施すことにより容易に形成できる、という知見を得ることにより本発明に至ったものである。
請求項１に規定する発明は、真空引き可能な処理容器内にて被処理体の表面に所定の膜を形成する方法において、前記被処理体の表面にチタン膜を形成するチタン膜形成工程と、前記チタン膜の表面を窒化して窒化膜を形成する窒化工程と、前記被処理体の表面に、還元ガスとタングステン含有ガスとを交互に間欠的に１回、或いは複数回繰り返し供給しつつ４００℃以下でタングステン膜を形成するタングステン膜形成工程と、を有することを特徴とする成膜方法である。

例えば請求項３に規定するように、前記４００℃以下でのタングステン膜形成工程と前記第２のタングステン膜形成工程とは同一処理室で連続して行われる。
例えば請求項４に規定するように、前記チタン膜形成工程と前記窒化工程とは同一処理室で連続して行われる。
例えば請求項５に規定するように、前記４００℃以下でのタングステン膜形成工程のプロセス温度は前記窒化工程により形成される窒化膜の厚さに連動して設定される。
また、例えば請求項６に規定するように、前記チタン膜形成工程では、原料ガスとしてＴｉＣｌ_４ガスが用いられ、還元ガスとしてＨ_２ガスが用いられる。
また、例えば請求項７に規定するように、前記窒化工程では、還元ガスとしてＮＨ_３ガス或いはＮ_２ガスが用いられ、プラズマ存在下にて処理が行われる。
また、例えば請求項８に規定するように、前記４００℃以下でのタングステン膜形成工程では還元ガスとしてＳｉＨ_４ガスが用いられ、前記第２のタングステン膜形成工程では還元ガスとしてＨ_２ガスが用いられる。

また、例えば請求項９に規定するように、前記窒化処理により形成される窒化膜の厚さの下限値は５０Å程度である。
また、例えば請求項１０に規定するように、前記比較的低温のタングステン膜形成工程のプロセス温度は２５０〜３５０℃程度の範囲内であり、前記第２のタングステン膜形成工程のプロセス温度は４００〜４５０℃程度の範囲内である。
また、例えば請求項１１に規定するように、前記チタン形成工程と窒化工程ではプラズマが用いられ、前記タングステン膜形成工程では熱ＣＶＤが用いられる。
また例えば請求項１２に規定するように、前記タングステン含有ガスはＷＦ _６である。
また例えば請求項１３に規定するように、前記タングステン含有ガスはＷ（ＣＯ） _６である。

上記窒化工程におけるプロセス温度は、直前のチタン膜形成工程の場合と同じ、例えば６００〜６５０℃程度、プロセス圧力は５００〜１０００Ｐａ程度である。また、各ガス流量については、ＮＨ_３ガスが５００〜３０００ｓｃｃｍ程度、Ａｒガスが５００〜３０００ｓｃｃｍ程度である。この時のチタンナイトライド膜３４の厚さは、バリヤ層として機能する厚さ、例えば５０Å程度である。このチタンナイトライド膜３４の厚さの下限値は、後述する熱ＣＶＤ処理によるタングステン膜の成膜時にバリヤ層として機能し得る最小の厚さであり、従来では例えば２００Å程度である。上記厚さ５０Åは、従来方法で必要とされた、例えば２００Åよりも遥かに薄いので、上述のようにチタン膜３２の表面の窒化処理により容易に、且つ短時間で形成することができる。

このようにして、チタン膜表面の窒化工程が完了したならば、次に、この成膜プラズマ装置１６内のウエハＷを、他方の熱ＣＶＤ装置である成膜装置１８へ移載し、タングステン膜形成工程へ移行する（Ｓ３）。ここで重要な点は、タングステン膜の成膜処理は、上記バリヤ層であるＴｉＮ膜３４の厚さに鑑みてプロセス温度を設定する、という点である。
このように、４００℃以下でタングステン膜を形成するために、ここでは還元ガスとタングステン含有ガスとを交互に間欠的に１回或いは複数回繰り返して供給してタングステン膜３６の成膜を行う（Ｓ４）。
具体的には、図４に示すように、還元ガスであるＳｉＨ_４ガスとタングステン含有ガスであるＷＦ_６ガスとを短時間ずつ交互に間欠的に繰り返して供給する。この際、ＳｉＨ_４ガスの１回の供給期間Ｔ１は例えば０．５〜５．０秒程度、ＷＦ_６ガスの１回の供給期間Ｔ２は例えば０．５〜５．０秒程度、間欠期間Ｔ３は例えば０．５〜３．０秒程度である。ＳｉＨ_４ガスやＷＦ_６ガスの供給時には、キャリアガスとして例えばＡｒ、Ｎ_２等も供給し、間欠期間にはキャリアガスを、或いは別のガスをパージガスとして流しておく。尚、上記各期間Ｔ１〜Ｔ３は単に一例を示したに過ぎず、これらに限定されない。

このように、ＳｉＨ_４ガスとＷＦ_６ガスとを交互に間欠的に繰り返して供給することにより、比較的低いプロセス温度でも非常に薄いタングステン膜を、供給を繰り返す毎に僅かずつ形成することができ、埋め込みが完了することになる。具体的には、このプロセス温度は、従来の一般的な熱ＣＶＤ成膜時のプロセス温度である４００〜４５０℃程度よりも遥かに低い２５０〜３５０℃程度であり、この温度でも成膜レートは劣るが十分に特性の良好なタングステン膜３６が形成される。
また、プロセス圧力は１００〜１０００Ｐａ程度である。そして、各ガス流量に関しては、ＳｉＨ_４ガスは５０〜１００ｓｃｃｍ程度、ＷＦ_６ガスは１０〜３０ｓｃｃｍ程度である。尚、上記ＳｉＨ_４ガスに代えて、Ｈ_２ガス、Ｓｉ_２Ｈ_６ガス、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガス等も用いることができる。

また、図４中においてＳｉＨ_４ガスの供給を開始したある時点から、次にＳｉＨ_４ガスの供給を開始する時点までの期間を１サイクルとすると、この１サイクルの間に形成されるタングステン膜３６の厚さは、せいぜい３〜２０Å程度であり、従って、必要とする膜厚になるまで、このサイクルを繰り返すことになる。
このように、２５０〜３５０℃程度の低いプロセス温度でタングステン膜３６を形成して埋め込み操作を行うことができるので、前述したようにバリヤ層であるＴｉＮ膜３４が５０Å程度に薄くても、バリヤ層として十分に機能してこの下層にダメージを与えることがない。
また、この埋め込み穴４は、最終的にはタングステン膜３６により埋め込まれてプラグされることになるが、ＴｉＮ金属よりも遥かに電気抵抗が小さいＷ金属がプラグ金属の大部分を占めることになり、従って、微細化によって埋め込み穴径がより小さくなっても、プラグ金属の電気抵抗を低い状態に維持することができる。

上記各実施例においては、タングステン膜を形成する際には、タングステン含有ガスとして常にＷＦ_６ガスを用いた場合を例にとって説明したが、これに限定されず、他のタングステン含有ガスとしてフッ素（Ｆ）を含まない有機金属ガス、例えばＷ（ＣＯ）_６（ヘキサカルボニルタングステン）、（Ｃ_５Ｈ_５）_２ＷＨ_２（ビスシクロペンタジエニルタングステン）、Ｗ_２[Ｎ（ＣＨ_３）_２］ _６（ヘキサキスジメチルアミドジタングステン）等を用いることができる。
このようなフッ素を含まないタングステン含有ガスを用いた場合には、フッ素ガスのアタックによる下地層の損傷を考慮しないで済むので、バリヤ層である下地のＴｉＮ膜を前記各実施例で説明した場合と同等、或いはこれよりも更に薄くできるのでＴｉＮ膜の膜厚の下限値は、例えば２５Å程度まで小さくすることができる。

有機金属ガスとして、例えばＷ（ＣＯ）_６ガスを用いれば、プロセス温度が例えば３５０〜４５０℃程度で熱分解が生じ、これによってタングステン膜３６を形成することができる。尚、この場合、図２（Ｃ）及び図５（Ｃ）において、ＷＦ_６／ＳｉＨ_４の交互間欠供給の代わりに、Ｗ（ＣＯ） _６／ＳｉＨ _４の交互間欠供給を行う。またＷ（ＣＯ）_６ガスを連続的に流すことも可能である。この場合、プロセス条件としては、例えばＷ（ＣＯ）_６ガスの流量は３〜３０ｓｃｃｍ程度、プロセス圧力は例えば１〜１００ｐａ程度である。キャリアガスとしてはＡｒ、Ｈｅ、Ｈ_２等を用いることができる。このようなプロセス条件で熱ＣＶＤにより成膜処理を施せば、１〜３分程度で、膜厚が例えば２５〜１５０Å程度のタングステン膜３６を堆積させることができる。

【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の成膜方法によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
請求項１、３〜１３に係る発明によれば、低温のプロセス温度によるタングステン膜の形成工程を用いることで、バリヤ層として十分な膜厚を得るために従来行われた熱ＣＶＤによるＴｉＮ膜の形成工程を省略することが可能となる。従って、スルーホールやコンタクトホール等の埋め込み穴の埋め込み操作の工程数を削減して、この効率化を図ることができる。また、成膜工程数も減少した分、処理装置も少なくでき、設備コストを削減できる。
請求項２に係る発明によれば、タングステン膜形成のための工程を効率的に行うことができる。

Claims

真空引き可能な処理容器内にて被処理体の表面に所定の膜を形成する方法において、
前記被処理体の表面にチタン膜を形成するチタン膜形成工程と、
前記チタン膜の表面を窒化して窒化膜を形成する窒化工程と、
前記被処理体の表面に、還元ガスとタングステン含有ガスとを交互に間欠的に１回、或いは複数回繰り返し供給しつつ４００℃以下でタングステン膜を形成するタングステン膜形成工程と、
を有することを特徴とする成膜方法。
前記タングステン膜形成工程の後に、還元ガスとタングステン含有ガスとを同時に供給して前記タングステン膜形成工程よりも高いプロセス温度で第２のタングステン膜を形成する第２の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記載の成膜方法。
前記４００℃以下でのタングステン膜形成工程と前記第２のタングステン膜形成工程とは同一処理室で連続して行われることを特徴とする請求項１または２記載の成膜方法。
前記チタン膜形成工程と前記窒化工程とは同一処理室で連続して行われることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の成膜方法。
前記４００℃以下でのタングステン膜形成工程のプロセス温度は前記窒化工程により形成される窒化膜の厚さに連動して設定され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成膜方法。
前記チタン膜形成工程では、原料ガスとしてＴｉＣｌ_４ガスが用いられ、還元ガスとしてＨ_２ガスが用いられ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成膜方法。
前記窒化工程では、還元ガスとしてＮＨ_３ガス或いはＮ_２ガスが用いられ、プラズマ存在下にて処理が行われ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成膜方法。
前記４００℃以下でのタングステン膜形成工程では還元ガスとしてＳｉＨ_４ガスが用いられ、前記第２のタングステン膜形成工程では還元ガスとしてＨ_２ガスが用いられることを特徴とする請求項２乃至７のいずれかに記載の成膜方法。
前記窒化処理により形成される窒化膜の厚さの下限値は５０Å程度であ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成膜方法。
前記４００℃以下でのタングステン膜形成工程のプロセス温度は２５０〜３５０℃程度の範囲内であり、前記第２のタングステン膜形成工程のプロセス温度は４００〜４５０℃程度の範囲内であることを特徴とする請求項２乃至９のいずれかに記載の成膜方法。
前記チタン形成工程と窒化工程ではプラズマが用いられ、前記タングステン膜形成工程では熱ＣＶＤが用いられ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成膜方法。
前記タングステン含有ガスはＷＦ _６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成膜方法。
前記タングステン含有ガスはＷ（ＣＯ） _６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成膜方法。