JP2004091813A

JP2004091813A - タングステン膜の形成方法およびｃｖｄ装置

Info

Publication number: JP2004091813A
Application number: JP2002251574A
Authority: JP
Inventors: Mamiko Miyanaga; 宮永　真美子; Toshihiko Nishiyama; 西山　俊彦; Masahiro Morimoto; 守本　正宏; Hiroyuki Makizaki; 牧崎　広行
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2022-08-29
Also published as: JP4084129B2

Abstract

【課題】アスペクト比の高い開口に優れたカバレッジでタングステン膜を形成する。
【解決手段】この発明は、基板上の層構造が有する開口の表面上に化学気相堆積法によってタングステン膜を形成する。まず、基板が収容された真空チャンバ内に、六フッ化タングステンガスおよびモノシランガスをある時間にわたって導入する。次に、六フッ化タングステンガスおよびモノシランガスの導入をある時間にわたって停止する。この後、六フッ化タングステンガスおよび前記モノシランガスを真空チャンバ内に再び導入する。このように、真空チャンバ内に間欠的に原料ガスを導入することにより、アスペクト比の高い開口の表面上であっても、優れたカバレッジでタングステン膜が形成される。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、タングステン膜の形成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体デバイスの製造では、ＣＶＤ法によるタングステンの成膜技術が広く採用されている。ＣＶＤ法は、ステップカバレッジとマイグレーション耐性に優れたタングステン膜を形成できるからである。この成膜技術では、原料ガスとして六フッ化タングステン（ＷＦ_６）とモノシラン（ＳｉＨ_４）をＣＶＤ装置のチャンバ内に供給する。これらのガスの化学反応によって、基板上にタングステン膜が形成される。この成膜技術は、例えば、コンタクトホールにタングステンを埋め込んで多層配線の層間接続を行うときに使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、コンタクトホールなどの開口では、その上部よりも底部の方がタングステン膜の成長が進みにくい。この傾向は、開口のアスペクト比が高いほど顕著になる。この場合、原料ガスの導入時間を増やしても、開口の底部での成膜はあまり改善されない。このため、タングステン膜を良好なカバレッジで形成することは難しい。
【０００４】
そこで、この発明は、アスペクト比の高い開口の表面上に良好なカバレッジでタングステン膜を形成することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る方法は、基板上の層構造が有する開口の表面上に化学気相堆積法によってタングステン膜を形成する。この開口は、例えば、コンタクトホールまたはスルーホールである。この方法は、基板が収容された真空チャンバ内に、六フッ化タングステンガスおよびモノシランガスを導入する第１工程と、六フッ化タングステンガスおよびモノシランガスの導入を停止する第２工程と、六フッ化タングステンガスおよびモノシランガスを真空チャンバ内に再び導入する第３工程とを含んでいる。
【０００６】
六フッ化タングステンガスおよびモノシランガスを真空チャンバ内に間欠的に導入すると、開口の底部から反応副生成物が抜けやすくなる。したがって、開口の底部周辺での成膜速度が改善される。このため、アスペクト比の高い開口であっても、その表面上に優れたカバレッジでタングステン膜が形成される。
【０００７】
この発明に係るＣＶＤ装置は、真空チャンバ、第１ガス供給源、第１バルブ、第２ガス供給源、および第２バルブを備えている。第１ガス供給源および第２ガス供給源は、それぞれ真空チャンバに連通している。第１ガス供給源は、真空チャンバに六フッ化タングステンガスを供給することができる。第２ガス供給源は、真空チャンバにモノシランガスを供給することができる。第１ガス供給源と真空チャンバの間のガス流路上には、第１バルブが配置されている。第１バルブは、第１ガス供給源から真空チャンバへの六フッ化タングステンガスの流量を調節する。第２ガス供給源と真空チャンバの間のガス流路上には、第２バルブが配置されている。第２バルブは、第２ガス供給源から真空チャンバへのモノシランガスの流量を調節する。このＣＶＤ装置は、第１〜第３の工程を順次に実行する。
第１工程では、第１および第２バルブを開いて、真空チャンバ内に六フッ化タングステンガスおよびモノシランガスを導入する。第２工程では、第１および第２バルブを閉じて、六フッ化タングステンガスおよびモノシランガスの導入を停止する。第３工程では、第１および第２バルブを再び開いて、六フッ化タングステンガスおよびモノシランガスを真空チャンバ内に再び導入する。
【０００８】
開口を有する層構造が設けられた基板を真空チャンバ内に収容すると、このＣＶＤ装置は、その開口の表面上にタングステン膜を形成することができる。このＣＶＤ装置は、六フッ化タングステンガスおよびモノシランガスを真空チャンバ内に間欠的に導入して、タングステン膜を形成する。これにより、開口の底部から反応副生成物が抜けやすくなるので、開口の底部周辺での成膜速度が改善される。このため、アスペクト比の高い開口であっても、その表面上に優れたカバレッジでタングステン膜が形成される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
また、図示の便宜上、図面の寸法比率は説明のものと必ずしも一致しない。
【００１０】
図１は、本実施形態のＣＶＤ装置１０の構成を示す概略図である。ＣＶＤ装置１０は、熱ＣＶＤを実行する。ＣＶＤ装置１０は、真空チャンバ１２、ガス混合室２８、ガス供給源３１〜３４、ガス流量調節バルブ４１〜４４、排気ポンプ４５および制御装置５０を備えている。ＣＶＤ装置１０は、真空チャンバ１２内に収容された基板上に、本発明に係る方法にしたがってタングステン膜を形成することができる。
【００１１】
真空チャンバ１２内には、ペデスタル１６およびガス分配プレート１８が設置されている。チャンバ１２の底壁には、排気口２２も設けられている。排気口２２は、排気ポンプ４５に連通している。
【００１２】
ペデスタル１６は、基板支持体である。ペデスタル１６は、アルミニウム等の金属から構成されている。タングステン膜を形成する際は、ペデスタル１６の上面に、基板としてシリコンウェーハ１４が載置される。
【００１３】
ガス分配プレート１８は、ペデスタル１６の上方に配置されている。ガス分配プレート１８も、アルミニウム等の金属から構成されている。ガス分配プレート１８は中空である。ガス分配プレート１８の下面１８ａは、ペデスタル１６の上面に対して平行に対向している。下面１８ａには、多数のガス流出口２０が形成されている。ガス分配プレート１８は、チャンバ１２の上壁を貫通する配管２６を介して、ガス混合室２８に連結されている
ガス混合室２８は、プロセスガスを均一に混合する装置である。ガス混合室２８は、真空チャンバ１２の外部に設置されている。ガス混合室２８は、配管２６を介して真空チャンバ１２に連通している。ガス混合室２８は、配管２６を介してガス分配プレート１８内にプロセスガスを供給する。ガス混合室２８には、ＷＦ_６ガス供給源３１、ＳｉＨ_４ガス供給源３２、Ｈ_２ガス供給源３３およびＡｒガス供給源３４が、それぞれガス流量調節バルブ４１〜４４を介して接続されている。
【００１４】
ＷＦ_６ガス供給源３１およびＳｉＨ_４ガス供給源３２は、原料ガスである六フッ化タングステン（ＷＦ_６）ガスおよびモノシラン（ＳｉＨ_４）ガスをそれぞれ供給する。Ｈ_２ガス供給源３３は、キャリヤガスである水素（Ｈ_２）ガスを供給する。
Ａｒガス供給源３４は、不活性ガスであるアルゴン（Ａｒ）ガスを供給する。これらのガス供給源３１〜３４は、ガス流量調節バルブ４１〜４４およびガス混合室２８を介して、真空チャンバ１２に連通している。
【００１５】
ガス流量調節バルブ４１〜４４には、制御装置５０が接続されている。制御装置５０は、バルブ４１〜４４の開閉を制御する。これにより、各プロセスガスの流量を調節し、プロセスガスの混合割合を所望の値に設定することができる。制御装置５０は、排気ポンプ４５にも接続されている。制御装置５０は、チャンバ１２内の圧力が所望の値となるように、ポンプ４５の排気速度を制御する。制御装置５０は、ＣＰＵおよび記憶装置を有するコンピュータである。この記憶装置には、バルブ４１〜４４の開き量およびポンプの排気速度を制御するプログラムが記録されている。
【００１６】
次に、ＣＶＤ装置１０を用いてシリコンウェーハ１４上にタングステン膜を形成する方法を説明する。本実施形態で形成するタングステン膜は、ウェーハ１４上に設けられた層構造中の開口を充填する、いわゆるタングステンプラグである。
【００１７】
図２は、タングステン膜が形成される前のウェーハ１４上の層構造を示す部分断面図である。ウェーハ１４がチャンバ１２に搬入される前に、ウェーハ１４上には、下層５２、層間絶縁膜５４およびバリアメタル層５６が設けられる。下層５２は、ウェーハ１４の上面に被着されている。下層５２は、半導体（例えば、シリコン（Ｓｉ））または金属から構成される。層間絶縁膜５４は、下層５２の上面に被着されている。層間絶縁膜５４は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）から構成される。層間絶縁膜５４には、コンタクトホール５７が設けられている。コンタクトホール５７は、層間絶縁膜５４の上面から下層５２の上面の近傍まで延びている。層間絶縁膜５４の上面およびコンタクトホール５７の表面上には、バリアメタル層５６が被着されている。バリアメタル層５６は、例えば、窒化チタン（ＴｉＮ）から構成される。
【００１８】
下層５２、層間絶縁膜５４およびバリアメタル層５６は、上記のＣＶＤ装置１０とは別個の処理チャンバ装置内で公知技術を用いて形成される。この後、ウェーハ１４は、適当な搬送ロボットによって真空の搬送チャンバ（図示せず）を通して真空チャンバ１２に搬入され、ペデスタル１６上に配置される。
【００１９】
次に、制御装置５０は、排気ポンプ４５を駆動して真空チャンバ１２を排気し、真空チャンバ１２内を所定の圧力に減圧する。本実施形態では、チャンバ１２内の圧力を、約３０Ｔｏｒｒにする。この圧力は、後続の工程でも維持される。
【００２０】
この後、ＣＶＤ装置１０は、バリアメタル層５６の表面上にタングステン膜５８を形成し、コンタクトホール５７をタングステンで充填する。図３は、タングステン膜５８の形成後におけるウェーハ１４上の層構造を示す部分断面図である。以下では、タングステン膜５８の形成方法を詳しく説明する。
【００２１】
本実施形態の方法は、原料ガスであるＷＦ_６ガスおよびＳｉＨ_４ガスをチャンバ１２内に間欠的に導入して、タングステン膜５８を形成する。成膜中、ウェーハ１４の温度は、４００〜４７５℃の範囲に保たれる。また、チャンバ１２内の圧力は、約３０Ｔｏｒｒに保たれる。制御装置５０は、チャンバ１２内の圧力をこの値に維持するようにポンプ４５の排気速度を調節しながら、ポンプ４５を継続的に動作させる。
【００２２】
まず、制御装置５０は、バルブ４１および４２を開き、所定の原料ガス導入時間（例えば、３秒）にわたってチャンバ１２内にＷＦ_６ガスおよびＳｉＨ_４ガスを導入する。制御装置５０は、同時にバルブ４３および４４も開き、チャンバ１２内にＨ_２ガスおよびＡｒガスを導入する。ＷＦ_６／ＳｉＨ_４の流量比は、１以上（例えば、３０／２５）に調節される。これらの原料ガスの導入により、コンタクトホール５７の表面上でタングステンの成膜が始まる。
【００２３】
原料ガス導入時間が経過すると、制御装置５０は、バルブ４１および４２を閉じ、所定の休止時間（例えば、４秒）にわたってＷＦ_６ガスおよびＳｉＨ_４ガスを遮断する。このとき、バルブ４３および４４は、開いたままにされる。このため、Ｈ_２ガスおよびＡｒガスは、引き続きチャンバ１２内に導入される。
【００２４】
制御装置５０は、ＷＦ_６ガスおよびＳｉＨ_４ガスを遮断する際、ポンプ４５の排気速度を調節する。制御装置５０は、チャンバ１２内の圧力が約３０Ｔｏｒｒに保たれるように、ポンプ４５の排気速度を低減する。これは、原料ガスの導入が停止したことによりチャンバ１２内の圧力が過度に低下することを防ぐためである。
【００２５】
休止時間が経過すると、制御装置５０は、再び、バルブ４１および４２を開き、前回の導入時と同じ時間（例えば、３秒）にわたって、チャンバ１２内にＷＦ_６ガスおよびＳｉＨ_４ガスを導入する。ＷＦ_６／ＳｉＨ_４の流量比も、前回の導入時と同じである。原料ガスの再導入により、コンタクトホール５７の表面上で再びタングステンの成膜が進行する。
【００２６】
制御装置５０は、原料ガスを再導入する際、ポンプ４５の排気速度を調節する。制御装置５０は、チャンバ１２内の圧力が約３０Ｔｏｒｒに保たれるように、ポンプ４５の排気速度を上昇させる。これは、原料ガスの導入が再開されたことによりチャンバ１２内の圧力が過度に上昇することを防ぐためである。
【００２７】
原料ガス導入時間が経過すると、制御装置５０は、バルブ４１および４２を閉じ、前回の休止時と同じ時間（例えば、４秒）にわたって、ＷＦ_６ガスおよびＳｉＨ_４ガスを遮断する。今回の休止時も、バルブ４３および４４は開いたままにされ、Ｈ_２ガスおよびＡｒガスが継続してチャンバ１２内に導入される。また、前回の休止時と同様に、制御装置５０は、ポンプ４５の排気速度を低下させ、チャンバ１２内の圧力を約３０Ｔｏｒｒに保つ。
【００２８】
このように、本実施形態は、原料ガスの導入および遮断を交互に繰り返して、コンタクトホール５７の表面上にタングステン膜を成長させる。一回の原料ガス導入時間および休止時間は、好ましくは２〜５秒である。このような原料ガスの間欠的な導入は、所望の厚さのタングステン膜が形成されるまで任意の回数だけ繰り返される。その間、ＡｒガスおよびＨ_２ガスは、継続してチャンバ１２内に導入され続ける。
【００２９】
本発明者の知見によれば、原料ガスを間欠的に導入することにより、開口の底部での成膜速度が改善される。開口の底部には、原料ガスの化学反応から生じる反応副生成物が滞留しやすい。これは、開口のアスペクト比が高いほど顕著である。この反応副生成物が、開口の底部での成膜を妨げているものと思われる。本実施形態では、原料ガスを間欠的に導入するので、原料ガスの導入が休止している間に反応副生成物が開口から抜けることができる。これにより、開口の底部周辺での成膜速度が改善される。したがって、本実施形態の方法によれば、アスペクト比の高い開口の表面上に優れたカバレッジでタングステン膜を形成することができる。カバレッジの向上は、５以上のアスペクト比を有する開口でのタングステン成膜において特に顕著である。
【００３０】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
【００３１】
上記実施形態では、熱ＣＶＤ装置を用いて本発明のタングステン膜形成方法を実施する。しかし、この代わりに、プラズマＣＶＤ装置など、他のＣＶＤ装置を用いてもよい。
【００３２】
【発明の効果】
この発明では、原料ガスを真空チャンバ内に間欠的に導入することにより、開口の底部から反応副生成物が抜けやすくして、開口の底部周辺での成膜速度を改善する。したがって、この発明によれば、アスペクト比の高い開口であっても、その表面上に優れたカバレッジでタングステン膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るＣＶＤ装置の構成を示す概略図である。
【図２】タングステン膜が形成される前のウェーハ上の層構造を示す部分断面図である。
【図３】タングステン膜が形成された後のウェーハ上の層構造を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１０…ＣＶＤ装置、１２…真空チャンバ、１４…シリコンウェーハ、１６…ペデスタル、１８…ガス分配プレート、２８…ガス混合室、３１〜３４…ガス供給源、４１〜４４…ガス流量調節バルブ、５０…制御装置、５２…下層、５４…層間絶縁膜、５６…バリア層、５７…コンタクトホール、５８…タングステン膜。

Claims

基板上の層構造が有する開口の表面上に化学気相堆積法によってタングステン膜を形成する方法であって、
前記基板が収容された真空チャンバ内に、六フッ化タングステンガスおよびモノシランガスを導入する第１工程と、
前記六フッ化タングステンガスおよび前記モノシランガスの導入を停止する第２工程と、
前記六フッ化タングステンガスおよび前記モノシランガスを前記真空チャンバ内に再び導入する第３工程と
を含む方法。
前記第２工程は、不活性ガスを前記真空チャンバ内に導入することを含んでいる
請求項１記載の方法。
前記不活性ガスはアルゴンガスである、請求項２記載の方法。
前記第１、第２および第３工程の間、前記真空チャンバ内の圧力がほぼ一定に保たれるように前記真空チャンバを排気する請求項１記載の方法であって、
前記第２工程は、前記真空チャンバの排気速度を低減することを含んでおり、前記第３工程は、前記真空チャンバの排気速度を上昇させることを含んでいる請求項１記載の方法。
前記基板はシリコンウェーハである、請求項１記載の方法
前記層構造は、前記基板上に設けられた半導体または導体からなる下層と、前記下層の上に設けられた絶縁膜と、を有しており、
前記開口は、前記絶縁膜の上面から、前記下層の上面またはその近傍まで延びている
請求項１記載の方法。
真空チャンバと、
前記真空チャンバに連通し、前記真空チャンバに六フッ化タングステンガスを供給するように構成された第１ガス供給源と、
前記第１ガス供給源および前記真空チャンバ間のガス流路上に配置され、前記第１ガス供給源から前記真空チャンバへの前記六フッ化タングステンガスの流量を調節する第１バルブと、
前記真空チャンバに連通し、前記真空チャンバにモノシランガスを供給するように構成された第２ガス供給源と、
前記第２ガス供給源および前記真空チャンバ間のガス流路上に配置され、前記第２ガス供給源から前記真空チャンバへの前記モノシランガスの流量を調節する第２バルブと、
を備えるＣＶＤ装置であって、
前記第１および第２バルブを開いて、前記真空チャンバ内に六フッ化タングステンガスおよびモノシランガスを導入する第１工程と、
前記第１および第２バルブを閉じて、前記六フッ化タングステンガスおよび前記モノシランガスの導入を停止する第２工程と、
前記第１および第２バルブを再び開いて、前記六フッ化タングステンガスおよび前記モノシランガスを前記真空チャンバ内に再び導入する第３工程と
を実行するＣＶＤ装置。
前記真空チャンバに連通し、前記真空チャンバに不活性ガスを供給するように構成された第３ガス供給源と、
前記第３ガス供給源および前記真空チャンバ間のガス流路上に配置され、前記第３ガス供給源から前記真空チャンバへの前記不活性ガスの流量を調節する第３バルブと
をさらに備える請求項７記載のＣＶＤ装置であって、
前記第２工程の間、前記第３バルブを開いたままにして、前記不活性ガスを前記真空チャンバ内に導入する請求項７記載のＣＶＤ装置。
前記不活性ガスはアルゴンである、請求項８記載のＣＶＤ装置。
前記真空チャンバは、排気口を有しており、
前記排気口に連通し、前記真空チャンバを排気するポンプをさらに備える請求項７記載のＣＶＤ装置であって、
前記第２工程において前記ポンプの排気速度を低減し、前記第３工程において前記ポンプの排気速度を上昇させることにより、前記真空チャンバ内の圧力をほぼ一定に保つ請求項７記載のＣＶＤ装置。