JP2004270035A - タングステン又はタングステン含有薄膜を形成する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 タングステンスパッタ薄膜の抵抗率をさらに低下させる方法を提供すること。
【解決手段】 タングステンターゲットから半導体ウエハの上にタングステン又はタングステン含有薄膜をスパッタリングする方法において、クリプトン又はキセノンをスパッタガスとして使用するように構成する。また、タングステン／窒化タングステンの堆積物をウエハ上に形成する方法において、ウエハの上に窒化タングステンの薄膜をスパッタリングしかつその窒化タングステンの薄膜の上にタングステンの薄膜をスパッタリングし、その際、これらの２種類のスパッタリングプロセスを単一のターゲットを使用して単一のチャンバ内で実施するように構成する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、タングステン又はタングステン含有薄膜を形成する方法に関し、さらに詳しく述べると、半導体装置の形成においてその部品としてウエハ上にゲート堆積物（スタック）を作製する際に使用するためのそのような方法に関する。

サブ１００ｎｍが支配的な半導体装置を処理するため、抵抗率が低くてＲＣ遅延を低減させ得る新しいゲート構造体が検討されている。検討されている特定の例として、ポリシリコン／窒化タングステン／タングステンのゲート構造体を挙げることができる。この構造体が注目されているのには、従来のＷ／ＷＳｉ又はポリＳｉに比較してＷ／ＷＮの抵抗率が非常に低いことや、ある種のメモリーデバイス技術によって要求される、引き続く高温（例えば、１０００℃）キャパシタアニール処理にＷ／ＷＮが耐え得ることといった理由がある。化学的気相成長法（ＣＶＤ）に比較して物理的蒸着法が有利であるが、これは、ＣＶＤで処理した場合、フッ素汚染を生じるからである。

上記のようなすでに提案されている構造体の場合、ＷＮ／Ｗ層の抵抗率ができ得る限り低いことが必要であり、また、本発明者らが知る技術レベルについて見た場合、ウエハ定盤の温度が２５０℃の時でスパッタＷの抵抗率は１１〜１２μΩｃｍである。

Ｗの嵩抵抗率は５．５μΩｃｍであるので、改良の余地があることを上記のことが提案しており、したがって、本発明者らは、Ｗスパッタ薄膜の抵抗率をさらに低下させることについて研究した。

シリコンウエハの上に金属層をスパッタリングするため、ほぼ全体と言ってよいほどアルゴンが使用されている。但し、例えば本出願人による国際公開第ＷＯ０２／０５３７９６号公報や欧州特許第１０９６０３６号公報には、高アスペクト比の凹部を備えた基板の上に薄膜をスパッタする際にその膜厚を改良することに関して報告されている。この改良は、例えばスパッタ圧力の低下（スパッタされた材料の散乱の低減）によって達成することができ、アルゴンに対して何か別の貴ガスを添加することによって可能であり、かつ／また、スパッタされた材料がターゲットの表面から放出される角度が直角（ノーマルアングル）に近ければ近いほど、選択的なスパッタガスに由来する利点が得られる。

１つの面において、本発明は、タングステンターゲットから半導体ウエハの上にタングステン又はタングステン含有薄膜をスパッタリングする方法であって、クリプトン又はキセノンをスパッタガスとして使用することを含む方法にある。

上記の方法のプリアンブル（前文）の記載から理解されるように、出願人がこの方法で着目している基本的な事項は、上述のような高アスペクト比の堆積を行うことではなくて、フィールドスタイルの堆積を行うことである。高アスペクト比の堆積の場合により大きな原子量のものを採用することについては明らかとはなっていない。なぜならば、これらの環境下において９０°に近い放出角を達成するに足る動機付けが存在していないからであり、実際のところ、堆積物を受理する表面が完全に平坦である以外のいかなるものであっても、そのような放出角は均一性の観点から特に望ましいものとはならない。

堆積は、真空室で、１０ｍＴ未満のクリプトン圧力を使用して実施することが好ましく、クリプトン圧力が６ｍＴ未満であることが特に有利である。

タングステン薄膜について得られる抵抗率は、１１μΩｃｍ未満であることが有利である。また、直径３３０ｍｍのターゲットに供給される電力は、その電力密度が約１Ｗｃｍ^-1である３ｋＷを上回ることができる。

堆積の間、ウエハを定盤上に載置してもよく、その際、定盤温度を２００〜４００℃としてもよく、かつ／また、定盤に負のＤＣバイアスを印加してもよい。例えば、定盤に対して１３．５６ＭＨｚのＲＦ電力を適用することによってこれを行うことができる。上記の最初に記載した広範な方法は、スパッタリングが反応性スパッタリングであり、スパッタガスが窒素を含み、かつ薄膜が窒化タングステンとして堆積されるような方向で採用することができる。

この場合に、スパッタガスはさらにアルゴンを含んでもよく、アルゴンのクリプトン又はキセノンに対する比率を選択して、堆積された薄膜における応力を最小にすることができる。

もう１つの面において、本発明は、タングステン／窒化タングステンの堆積物をウエハ上に形成する方法であって、ウエハの上に窒化タングステンの薄膜をスパッタリングすること及びその窒化タングステンの薄膜の上にタングステンの薄膜をスパッタリングすることを含み、その際、これらの２種類のスパッタリングプロセスを単一のターゲットを使用して単一のチャンバ内で実施する、方法にある。

この方法で、ウエハを定盤上に載置し、かつ上記した２種類のスパッタリングプロセスについて実質的に同じ定盤温度を維持することが有利である。

また、上記した方法を使用してタングステンの薄膜をスパッタリングしてもよく、かつ／また、上記した方法を使用して窒化タングステンの薄膜を堆積してもよく、後者の場合、全体がアルゴンからなっていてもよい。

さらに、本発明は、上記した堆積物形成方法を使用してゲート構造体を形成することを包含する。

そのために、本発明は、そのもう１つの面において、凹部を有しない基板表面の上に窒化タングステン及びタングステンをスパッタリングする際にクリプトンを使用する方法であって、ＷＮ及びＷのスパッタリングを単一のタングステンターゲットを使用して単一のチャンバで実施する、方法にある。このような方法の１適用例としては、例えばメモリーデバイスを形成するため、シリコンウエハ上のポリシリコン表面の上にゲート堆積物をスパッタリングすることを挙げることができ、したがって、本発明はこのような堆積物を包含する。

本発明は、上記した通りであるけれども、上記したかもしくは以下の説明において記載する特徴的な事項を本発明の範囲で任意に組み合わせることも本発明が包含するということを理解されたい。

本発明は、種々の態様で実施することができ、以下、添付の図面及び図表を参照しながら本発明の特定の態様を説明することとする。なお、
図１は、特定の堆積条件に関して、アルゴンの圧力に対するタングステンスパッタ薄膜の抵抗率の関係をプロットしたグラフであり、
図２は、図１の場合とは別の条件を適用した場合の、定盤温度に対するタングステンスパッタ薄膜の抵抗率の関係をプロットしたグラフであり、
第１表は、アルゴン及び窒素の混合物を使用してそれぞれ２００℃及び４００℃で堆積させた窒化タングステン薄膜について薄膜特性をまとめた図表であり、
図３は、アルゴン及びクリプトンのそれぞれを使用して堆積させた薄膜に関して圧力と抵抗率の関係をプロットしたグラフであり、
図４は、クリプトン誘導堆積の間における定盤のバイアスと抵抗率の変動との関係をプロットしたグラフであり、
図５は、バイアス電圧を伴わない場合の、電力と抵抗率の変動との関係をプロットしたグラフであり、
第２表は、アルゴン及びクリプトンのそれぞれを使用して堆積させた窒化タングステン薄膜について薄膜特性をまとめた図表であり、
第３表は、スパッタリング条件をまとめた図表であり、そして
第４表は、タングステン薄膜を堆積した場合の、そのタングステン薄膜の応力に対するスパッタガスの変更の影響をまとめた図表である。

本発明方法で使用したスパッタリングシステムは、トリコン社(Trikon Technologies Inc.)製のSigma fxP^TMシングルウエハ・マルチチャンバー・クラスター・スパッタ装置である。このスパッタ装置では、加熱された定盤の上に複数個のウエハを１個ずつ、固定されたターゲットと対向するように載置し、かつ可動マグネトロンを背後に備える。

大気中から真空部にウエハを移送し、次いで、真空下、ウエハをプレクリーンチャンバに移送し、そこで脱ガス処理する。典型的には、ウエハをスパッタクリーニングしてもよい。次いで、真空下、ウエハを堆積チャンバに移送し、定盤の上に載置する。ここで理解されるべき点は、ＷＮ層及びＷ層の両方を同一の処理室で堆積可能であるという大きな商業的利点が存在するということである。この場合、そのために、両方のプロセスにおいて定盤の温度とターゲットが同一であることが必要である。なぜなら、処理室を著しく複雑にすることなしに温度やターゲットを変更することは実現不可能であり、そのようにした場合、したがって、２つのプロセスを同一の処理室で実施することに由来する利点である単純性、スペース及びコストが損なわれるからである。これによって、ＷＮは反応性スパッタリングによって形成され、その際、金属ターゲットから窒化物を形成するため、スパッタ用の貴ガスに対して窒素が添加される。プロセス実施時の定盤の温度は、２つのプロセスの妥協を図る形で、それらのプロセスに好適なものを選択する。

実験においては１５０ｍｍのシリコンウエハを使用し、かつスパッタリングのため、ハネウエル社(Honeywell)によって供給されている純度９９．９９９％のＷターゲットを使用した。自動４点プローブによってシート抵抗率を測定し、へき開後のウエハを電子顕微鏡で観察することによって厚さを測定した。ウエハはすべて、独立したモジュール内において２分間にわたってガス抜きし、その際、ヒーターランプに２ｋＷを印加した。

図１は、印加電力が１ｋＷでありかつ定盤温度（ウエハのクランプなし）が２００℃のときの、スパッタされたタングステンの抵抗率をアルゴンの圧力に関して示したものである。図から理解できるように、抵抗率に対する圧力の影響には顕著なものがあり、約６ミリトルのときに最小値が達成される。なお、抵抗率に最小値がある場合に圧力をより大きくしてもより小さくしてもより大きな抵抗率が得られるというこのような所見はよく知られたところであり、理由についてのいろいろな匹敵する説明は文献に示されている。

図２は、図１の場合のプロセス条件を適用したもので、アルゴン圧力が６ミリトルのときの、スパッタされたタングステンの抵抗率を定盤の温度に関して示したものである。金属について通常認められているように、堆積温度が上昇するにつれて抵抗率が低下している。図に示した温度は、ウエハがまだクランプで固定されていない状態の定盤のそれである。スパッタリングを行っていない安定な状態において、定盤温度が４００℃であると約２８０℃のシリコンウエハ温度が得られ、その際、例えば約５０ミリトル未満の圧力の時、顕著なガスの流通が生じることはない。基板に対して、バイアス電圧は印加しなかった。

２００℃及び４００℃の定盤温度で堆積させた窒化タングステンの薄膜は、広義において同一の特性を有している。プロセスを３８秒間のプレヒート、１ｋＷの印加電力、６０ｓｃｃｍのアルゴン及び７０ｓｃｃｍの窒素を使用して実施した場合に得られた結果を下記の第１表に記載する。

判明したところによると、クリプトンをアルゴンに変更した場合、ターゲット、ターゲットに対する電力の供給、ポンプシステム、定盤温度及びターゲット−基板間距離として同一のものを使用したとしても、スパッタされたタングステンの抵抗率が顕著に低下せしめられる。

図３では、アルゴン及びクリプトンの両方について、圧力に関しての抵抗率を認めることができる。ターゲットに対する印加電力を１ｋＷとしてスパッタリングを実施し、基板にはバイアス電圧を印加しなかった。印加電力を同一とした時、下記の第３表に示すように、スパッタ速度を大きくすればするほどターゲットの電圧が上昇し、かつターゲットの電流が低下した。クリプトンの場合、タングステンが１ｋＷ／分について８４ｎｍで堆積せしめられ、一方、アルゴンの場合には１ｋＷ／分について６５ｎｍで堆積せしめられた。図３から理解することができるように、圧力を約１０ミリトルまで低下させたところ、クリプトンとアルゴンで同一の抵抗率を有するタングステンが堆積せしめられた。圧力が約１０ミリトルを下回ると、アルゴンよりもクリプトンのほうが、より低い抵抗率をもったタングステンを堆積させた。さらなる実験によって期待されることは、クリプトンによってスパッタされるタングステンの抵抗率には最小値があり、圧力を低下させれば低下させるほどより大きな抵抗率をもった薄膜が形成されることが明らかとなることである。１０ミリトルを上回ると、興味をもって着目できることであるが、１４ミリトルのデータポイント（タングステンの抵抗率が、アルゴンの場合に１２．２７μΩｃｍであり、かつクリプトンの場合に１５．６μΩｃｍである）で認めることができるように、クリプトンに比較してより低い抵抗率をもったタングステンを堆積させるものは、アルゴンである。定盤に対して１３．５６ＭＨｚのＲＦ電力を適用することによって基板に対してバイアス電圧を印加した場合、アルゴン及びクリプトンの両方に関して抵抗率を低下させることができる。図４に示した結果は、クリプトンを７ミリトルの圧力で適用した場合である。

ターゲットの電力を増加させると、クリプトンの場合にはスパッタされたタングステンの抵抗率が低下せしめられ、一方、アルゴンの場合には抵抗率が増加せしめられる。図５は、２ミリトルのクリプトンについて、基板に対してバイアス電圧を印加しない場合の、抵抗率に対するターゲットの電力の影響を示したものである。見てとることができるように、バイアスがない状態で、約８．５μΩｃｍの抵抗率が達成される。バイアスの印加を伴なったり、より高いレベルのターゲット電力、さらには低下せしめられたスパッタ圧力を伴ったりして、さらなる実験を行うことが企画される。

ここで理解されるべきことは、薄膜は非常に薄い層であるので、ターゲットの電力密度を増加させることは常に実現可能であるというわけではないということである。堆積せしめられた薄膜は、正確に制御するのに十分でなく、実行不可能なことがあり得るからである。

次いで、ターゲットに対して適用された電力が１ｋＷであり、アルゴン又はクリプトンが６０ｓｃｃｍであり、かつ窒素が７０ｓｃｃｍである窒化タングステンプロセスにおいて、アルゴンの代わりにクリプトンを使用した。結果は、下記の第２表に示した通りである。見てとることができるように、薄膜の応力に対して大きな影響があり、バリヤー性能や安定性に対して影響を及ぼし得る異なる薄膜構造体が得られたことがわかる。

そのために、アルゴン及びクリプトンを窒素と混合すると、特定の応力特性（例えば、公称でゼロ）をもった窒化タングステンのバリヤーを明らかに形成可能である。２つのプロセスを実行するため、同一の処理室内で０〜１００％の範囲に属するアルゴンとクリプトンの異なる混合物を使用することができる。下記の第４表は、タングステン薄膜の応力に対するスパッタガスの変更の影響を示したものである。アルゴンとクリプトンについて選択したガスの流量は、最小の抵抗率をもたらすものである。見てとることができるように、アルゴンからクリプトンに変更することによって、薄膜の応力を圧縮から引張に変更することができる。また、この図表は、応力ゼロの薄膜を堆積させる可能性についても示している。さらに、キセノンはクリプトンやアルゴンに比べて著しく大きなモル質量を有しているので、キセノン又はキセノンの混合物を使用することによって、タングステンの抵抗率におけるさらなる改良を達成することができる。

特定の堆積条件に関して、アルゴンの圧力に対するタングステンスパッタ薄膜の抵抗率の関係をプロットしたグラフである。 図１とは別の条件を適用した場合の、定盤温度に対するタングステンスパッタ薄膜の抵抗率の関係をプロットしたグラフである。 アルゴン及びクリプトンのそれぞれを使用して堆積させた薄膜に関して、圧力と抵抗率の関係をプロットしたグラフである。 クリプトン誘導堆積の間における定盤のバイアスに応じた抵抗率の変動をプロットしたグラフである。 バイアス電圧を伴わない場合の、電力に応じた抵抗率の変動をプロットしたグラフである。

Claims (15)

1. タングステンターゲットから半導体ウエハの上にタングステン又はタングステン含有薄膜をスパッタリングする方法であって、クリプトン又はキセノンをスパッタガスとして使用することを含む方法。
2. 真空室内で、１０ｍＴ未満のクリプトン圧力を使用して堆積を実施する、請求項１に記載の方法。
3. クリプトン圧力が６ｍＴ未満である、請求項２に記載の方法。
4. タングステン薄膜の抵抗率が１１μΩｃｍ未満である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記ターゲットに供給される電力が、１Ｗ／ｃｍよりも大である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 堆積の間に前記ウエハを定盤上に載置し、かつ定盤温度を２００〜４００℃とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記定盤に負のＤＣバイアスを印加する、請求項６に記載の方法。
8. 前記スパッタリングが反応性スパッタリングであり、スパッタガスが窒素を含み、かつ堆積される薄膜が窒化タングステンである、請求項１に記載の方法。
9. 前記スパッタガスがさらにアルゴンを含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. アルゴンとクリプトン又はキセノンの比率を選択して、堆積される薄膜の応力を最小にする、請求項９に記載の方法。
11. タングステン／窒化タングステンの堆積物をウエハ上に形成する方法であって、ウエハの上に窒化タングステンの薄膜をスパッタリングすること及びその窒化タングステンの薄膜の上にタングステンの薄膜をスパッタリングすることを含み、その際、これらの２種類のスパッタリングプロセスを単一のターゲットを使用して単一のチャンバ内で実施する、方法。
12. 前記ウエハを定盤上に載置し、かつ前記２種類のスパッタリングプロセスについて実質的に同じ定盤温度を維持する、請求項１１に記載の方法。
13. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法を使用して前記タングステンの薄膜をスパッタリングする、請求項１１又は１２に記載の方法。
14. 請求項８〜１０のいずれか１項に記載の方法を使用してタングステン又は窒化タングステンの薄膜を堆積する、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の方法によって形成されたゲート構造体。

Images