JP2003193233A

JP2003193233A - タングステン膜の形成方法

Info

Publication number: JP2003193233A
Application number: JP2002234273A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Okubo; 和哉大久保; Mitsuhiro Tachibana; 光博立花; Shigeru Ho; 成方; Kenji Suzuki; 健二鈴木; Koichi Sato; 耕一佐藤; Hodaka Ishizuka; 穂高石塚
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2001-08-14
Filing date: 2002-08-12
Publication date: 2003-07-09
Anticipated expiration: 2022-08-12
Also published as: JP4032872B2

Abstract

(57)【要約】【課題】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。【解決手段】真空引き可能になされた処理容器２２内
にて被処理体Ｗ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７０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
７２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７４を介在させて、交互に繰り返
し行うようにして初期タングステン膜７６を形成する。
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。

Description

【発明の詳細な説明】

【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１
３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３００〜５
００Å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ＳｉＨ_x 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Ｓｉ
Ｈ₄ 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１
４（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
在させて、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初期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。この場合、例えば
請求項３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４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初期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５に規定するように、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６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７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
実質的に同一である。また、例えば請求項８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
が実質的に高く設定されている。

【００１２】また、例えば請求項９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１０に規定するように、前記還元ガスは、Ｈ
₂ ガス、シラン（ＳｉＨ₄ ）、ジシラン（Ｓｉ₂ Ｈ
₆ ）、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Ｓｉ
Ｈ₄ 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２
５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３
０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４
２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２
２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（ＡｕｔｏＰｒｅｓｓｕｒｅＣｏｎｔｒｏｌ
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５
８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孔２８から処理容器２
２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Ｈ
₂ ガス、或いはこのＨ₂ ガスよりも還元力の強いＳｉＨ
₄ 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（ＴｏｔａｌＰｒｅｓ
ｓｕｒｅ）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３〜９
０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ＷＦ
₆ 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８０Ｔｏｒ
ｒ（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・ｓｅ
ｃ）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、ＳｉＨ
₄ ／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・ｓｅ
ｃ）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（９
０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／３６００ｓ
ｃｃｍであり、プロセス圧力は７．５Ｔｏｒｒ（９９８
Ｐａ）、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０．００
１〜０．５Ｔｏｒｒ（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／７５０ｓ
ｃｃｍ／３０００ｓｃｃｍであり、プロセス圧力は４０
Ｔｏｒｒ（５３２０Ｐａ）、プロセス温度は３００〜５
００℃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（２６６０〜２６６００Ｐ
ａ）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（２６６
Ｐａ）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、Ｔ
ｉ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 Ｈ
₆ ）、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。請求項１に係る発明によれ
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。
請求項２に係る発明によれば、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。請求
項３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。請求項４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。請求項５、７〜１１に係る発明に
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。請求項６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）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者方成東京都港区赤坂五丁目３番６号ＴＢＳ放送センター東京エレクトロン株式会社内 (72)発明者鈴木健二東京都港区赤坂五丁目３番６号ＴＢＳ放送センター東京エレクトロン株式会社内 (72)発明者佐藤耕一東京都港区赤坂五丁目３番６号ＴＢＳ放送センター東京エレクトロン株式会社内 (72)発明者石塚穂高東京都港区赤坂五丁目３番６号ＴＢＳ放送センター東京エレクトロン株式会社内Ｆターム(参考） 4K030 AA03 AA04 AA06 AA07 AA08 AA11 AA17 BA20 CA04 CA12 FA10 JA05 JA09 JA10 4M104 BB14 BB18 BB30 DD45 FF16 FF22 5F033 HH18 HH19 HH33 JJ18 JJ19 JJ33 MM01 MM12 MM13 NN06 NN07 PP04 PP06 PP33

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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
ジ工程を介在させて、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ことを特徴とす
るタングステン膜の形成方法。
【請求項２】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初
期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。
【請求項３】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。
【請求項４】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
して初期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乃至３のいずれかに記載のタングステ
ン膜の形成方法。
【請求項５】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ようにしたことを特徴とす
る請求項１乃至４のいづれかに記載のタングステン膜の
形成方法。
【請求項６】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５記載のタングステン膜の形成方法。
【請求項７】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
が実質的に同一であることを特徴とする請求項６記載の
タングステン膜の形成方法。
【請求項８】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
れか一方が実質的に高く設定されていることを特徴とす
る請求項６または７記載のタングステン膜の形成方法。
【請求項９】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８のいずれかに記載
のタングステン膜の形成方法。
【請求項１０】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９のいずれかに記載のタングステン
膜の形成方法。
【請求項１１】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 ガスであることを特徴とする請求項６乃至８
のいずれかに記載のタングステン膜の形成方法。