JP2004273764A - Method for forming tungsten film - Google Patents
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Abstract
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係り、特に本出願人の先の出願(特願2002−234273号)の改良発明であってパッシベーションタングステン膜の形成工程を改良したタングステン膜の形成方法に関する。
【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17を参照して説明する。図17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の表面が例えば、有機金属膜が形成された表面や酸化された表面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18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18(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18(A)及び図18(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18(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18(D))。
次に、図18(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18(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には例えばTiの有機化合物ソースを用いて形成する場合がある。この場合、ソースガスに含まれる炭素成分がバリヤ層4に取り込まれることになり、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を含むバリヤ層の露出する表面により、SiHxの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、スループットを向上でき、しかも埋め込み性を向上させて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初期タングステン膜形成工程と、前記処理容器内へ還元ガスを流しつつ前記タングステン含有ガスの流量を増加するように変化させて同時に流すことによって前記処理容器内の圧力を次第に上昇させつつ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と、前記処理容器に前記還元ガスと前記タングステン含有ガスとを引き続き流して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とを有することを特徴とするタングステン膜形成方法である。
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し、更に効率的にパッシベーションタングステン膜を形成し、この後に主たるタングステン膜を堆積させるようにしたので、特に埋め込み特性を改善でき、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、上記一連の3工程は同一処理容器内で連続的に行われるので、例えば処理容器を変更することによって発生するインキュベーション期間がなくなり、その分、スループットを向上させることが可能となる。
【0010】
この場合、例えば請求項2に規定するように、前記パッシベーションタングステン膜形成工程では、前記被処理体の温度を次第に上昇させる。
また例えば、請求項3に規定するように、前記初期タングステン膜形成工程と、前記パッシベーションタングステン膜形成工程と、前記主タングステン膜形成工程との間では前記被処理体の温度を実質的に同一に維持している。
このように、各工程間におけるプロセス温度を略一定に維持することにより、途中でプロセス温度を昇降温させる必要がないので、その分、スループットを更に向上させることが可能となる。
【0011】
また例えば、請求項4に規定するように、前記処理容器内の圧力は、前記初期タングステン膜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では2666Pa(20Torr)以下であり、前記主タングステン膜形成工程では2666Pa(20Torr)以上である。
【0012】
また、例えば請求項5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6に規定するように、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7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。
【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は成膜工程全体を通じての各ガス流量の一例とプロセス条件との関係を示すフローチャート、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を用いてもよい。
【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18(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。上記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】
本発明方法では成膜処理の全体は、図2に示すように初期タングステン膜形成工程79と、パッシベーションタングステン膜形成工程84と、主タングステン膜形成工程80とにより形成されている。ここで、図2を参照して成膜処理全体に亘っての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。また以下に説明する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の各工程はこの同一処理容器22内で連続的に行われることになる。
【0020】
まず、図2(A)に示す初期タングステン膜形成工程のガス供給態様は、図3にも示すように還元ガスである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。そして、処理容器22内が基板(ウエハ)表面にSiH4 ガスでSiHxを付着させている事により、次のパッシベーション膜形成工程84、主タングステン膜形成工程80にて膜が効果的に形成されやすくなる。この点は、図2(B)〜図2(C)においても同じである。
【0021】
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、本発明の特徴とするパッシベーションタングステン膜82(図4参照)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を連続的に行っている。尚、ここでも不活性ガス、例えばAr、N2 ガス等を継続して流している。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、WF6 ガスを流す前にH2 ガスを流して、その流量を一定に維持すると共に、次に、タングステン含有ガスを流してその流量を少しずつ増加するように変化させ、同時に処理容器22内の圧力(プロセス圧力)及び基板温度を次第に上昇させている(図3参照)。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。この場合、処理容器22内の圧力及び基板温度を一定に保持してもよい。
【0022】
具体的には、図3に示すように上記初期タングステン膜形成工程79の短時間のパージ工程74を行った後に、上記WF6 ガスを処理容器22内に入れないで排気ラインに流し、例えば1〜30秒、好ましくは3〜5秒程度質量流量計を安定させ、WF6 ガスの流量を安定させる。このWF6 ガスの流量が安定したΔt秒後にWF6 ガスを処理容器22内へ流してWF6 ガスの流量を徐々に増加させる。
またH2 ガスの供給はWF6 ガスの流量が安定するΔt秒前に処理容器22内へ供給される。このパッシベーションタングステン膜形成工程により上記初期タングステン膜上にパッシベーションタングステン膜が形成される。
上記したようにWF6 ガスの流量を僅かな量から徐々に増加させる理由は、極力薄くしたパッシベーション膜を形成することで、主タングステン膜形成工程でのWF6 ガスからのダメージを抑制し、保護膜の上記初期タングステン膜を補強することを目的としているからである。これにより、初期タングステン膜形成工程79の成膜時間を短くすることで全成膜時間を短縮することができ、スループットの向上を図ることができる。
【0023】
つまりパッシベーションタングステン膜形成は、H2 ガスの供給量を、所定の流量で供給し、前述したようにWF6 ガスは所定の時間かけて主タングステン膜形成工程80における供給量まで少しずつ増加させることで、下地層へのWF6 (フッ素)のダメージを最少にするためにはWF6 ガスの供給量を少なくする必要がある。しかし、埋め込みを得るためには、WF6 ガスは多くする必要がある。これを両立するために、先にH2 ガスを供給して、そして、しばらくしてWF6 ガスの供給を開始してその供給量を次第に大きくするようにしている。
図3ではこのパッシベーションタングステン膜形成工程79におけるプロセス圧力は、13330Pa以下の圧力範囲で、例えば好ましくは1000Pa(7.5Torr)から10610Pa(80Torr)まで直線的に増加させており、また、プロセス温度は300℃〜450℃の温度範囲で、例えば好ましくは350から410℃まで直線的に増加させている。また、処理時間は10〜60秒が好ましく、昇温、昇圧の条件では20秒〜40秒がより好ましい。また、温度一定で処理した場合は、基板の温度変化がないため、処理時間は10〜20秒でよい。
【0024】
次に、上記パッシベーションタングステン膜形成工程84が終了したならば、そのままのWF6 ガスの流量を流し、H2 ガスの流量を減らしてそれぞれ流しつつ主タングステン膜形成工程80を継続して行う。尚、ここでもキャリアガスとして不活性ガス、例えばAr、N2 ガス等を継続して流している。このようにして所定の時間だけ主タングステン膜形成工程84を行って、例えば埋め込み穴2を主タングステン膜78で完全に埋め込む。この時のプロセス圧力、プロセス温度は、パッシベーションタングステン膜形成工程が終了した時点から実質的に変動させておらず、それぞれ一定に保つ。
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。
【0025】
また、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0.5〜30秒で、好ましくは1.5〜10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。
【0026】
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5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5(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5(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。
【0027】
図5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5(A))が早目に低い分圧となり、図5(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5(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。尚、シャワーヘッド部のガス噴射口28を細くすることでも同様な効果(拡散板と同様な効果)を得る事ができる。
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。
【0028】
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。
【0029】
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18(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、本発明の特徴とするパッシベーションタングステン膜形成工程84では、WF6 ガスを少しずつ増加させるように変化させ、且つプロセス圧力も少しずつ増加させるようにしてパッシベーションタングステン膜82(図4参照)を形成するようにしているので、初期タングステン膜76のバリヤ性を補強する役割を持ち、初期タングステン膜76を極力薄くする事ができる。更に高抵抗な初期タングステン膜76の効果も小さくする効果も期待できる。
このような理由で、このパッシベーションタングステン膜が、いわゆるWF6 に対してのパッシベーション膜、或いはバリヤ膜として機能し、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。
【0030】
すなわち、このパッシベーションタングステン膜82の膜質特性(バリヤ性)が向上し、例えばフッ素原子がこの下層へ拡散することを大幅に抑制することができる。
更には、初期タングステン膜形成工程79と、パッシベーションタングステン膜形成工程84と、主タングステン膜形成工程82の3工程を全て同一の処理容器22内で連続的に行うことができるので、半導体ウエハの搬送時間をなくし、且つ主タングステン膜形成工程80の初めのインキュベーション期間もなくすことができるので、その分、スループットを向上させることができる。
【0031】
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15〜90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。
【0032】
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が成長しやすくなり、異常成長も抑制されて膜厚の均一性良く形成することが可能となる。ここで、図2(B)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。尚、図2(A)、図2(C)に示す場合も対応部分は同じプロセス条件である。
【0033】
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=100〜1000sccm/1000〜10000sccmであり、プロセス圧力は20〜100Torr(2666〜13330Pa)、プロセス時間T4は5〜90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。
【0034】
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=50〜500sccm/2000〜12000sccm、期間T1は1〜15秒であり、プロセス圧力は1〜20Torr(133.3〜2666Pa)、プロセス温度は200〜500℃で、好ましくは250〜450℃である。この処理条件でSiHxを付着させる。
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=5〜300sccm/200〜12000sccm、期間T2は1〜15秒であり、プロセス圧力は1〜20Torr(133.3〜2666Pa)、プロセス温度は200〜500℃で、好ましくは250〜450℃である。この処理条件で第2のタングステン膜が形成される。このようにして、還元ガス供給とタングステンガス供給工程を交互に繰り返して初期タングステン膜が形成される。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。この場合、ボルケーノの発生を抑制するための、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。
【0038】
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=10〜500sccm/500〜6000sccm/2000〜12000sccmであり、プロセス圧力は前述したように1Torr(133.3Pa)〜100Torr(13330Pa)まで変化させており、プロセス温度は200〜500℃で、好ましくは250〜450℃、図2の場合には350〜390℃まで略直線的に変化させており、プロセス時間T5は1〜90秒で、好ましくは3〜60秒である。ボルケーノの発生を回避する上からパッシベーションタングステン膜は、WF6 に対してのパッシベーション膜、或いはバリヤ膜として機能し、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TiN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。
【0039】
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、主タングステン膜形成工程における下地膜へのダメージを抑制し及び埋込性を向上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10〜500Å程度、好ましくは200〜400Å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、前工程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。
【0040】
また、主タングステン膜形成工程80においては、埋込性を向上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=50〜500sccm/500〜6000sccm/2000〜8000sccmであり、プロセス圧力は前述したように10〜100Torr(133.3〜13330Pa)、プロセス温度は300〜500℃であり、好ましくは350〜450℃である。この成膜条件で主タングステン膜が形成される。
【0041】
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。
【0042】
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。また、主タングステン膜形成工程80においてWF6 ガスの流量を種々変えてプロセス圧力について種々変更して処理を行ったところ、ガス量を多くする程、スループットが向上したが、70〜80Torrの近傍でスループットの向上は略停止してしまった。従って、プロセス圧力は略70Torr以上であることが好ましい。
【0043】
図10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。
【0044】
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11は還元ガスとしてSiH4 、Si2 H6 、B2 H6 を用いてウエハ表面の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。
【0045】
<パッシベーションタングステン膜形成工程(PA工程とも称す)から主タングステン膜形成工程(MA工程とも称す)への移行の態様>
先に説明した本発明方法において、パッシベーションタングステン膜形成工程について”温度変化あり”の場合と”温度変化なし”(温度一定)の場合とを検討した。この時のプロセス条件は以下の通りである。
[温度変化あり]
・プロセス温度 :PA工程の当初350℃からMA工程の390℃まで昇温(図3参照)。
・プロセス圧力 :7.5Torrから80Torrまで昇圧。
・昇温時間(昇圧時間):30秒(温度安定にある程度の時間を要すため)
・WF6 ガスの流量 :60sccmより350sccmまで増加。
【0046】
[温度変化なし]
・プロセス温度 :PA工程−MA工程に亘って410℃に一定に維持。
・昇圧時間 :15秒
・プロセス圧力、WF6 ガスの流量は”温度変化あり”の場合と同じ。
尚、初期タングステン膜形成工程及び他のプロセス条件についてはそれぞれ同じになるように設定している。
上記評価の結果、PA工程においてプロセス温度を高くして、410℃に維持した”温度変化なし”の場合には、スループットが高く良好であった。
これに対して、PA工程においてプロセス温度を350℃から390℃へ次第に変化させた”温度変化あり”の場合には、上記とは逆に埋め込み特性は良好であった。
【0047】
次に、初期タングステン膜形成工程において、還元ガスとして、SiH4 、Si2 H6 、B2 H6 を用いた場合について説明する。
図2(A)に示すような本発明方法を用いて実際にSiH4 、Si2 H6 、B2 H6 を用い、埋め込みを行い、埋め込み穴中のボイドの発生状況、及び埋め込み特性の評価を以下に記す。また、この時の埋め込み穴の内径は0.09μmを用いた。
【0048】
初期タングステン膜形成工程における各ガスの供給態様やプロセス条件は、図2(B)に示すフローチャートを用いた。尚、シラン、ジシラン、ジボランの各ガスの流量はそれぞれ同一になるように設定して行った。
図12は1サイクル当たりの成膜レートの温度依存性を示す。各ガス共に温度上昇に伴って成膜レートが増加することが確認できた。また、ジシラン、ジボラン、シランの順でより低温から成膜が開始されること、1サイクル当たりの成膜レートは、ジシラン、ジボラン、シランの順で大きくなることが判明した。
【0049】
次に、図13はプロセス温度320℃における比抵抗及び表面粗さの膜厚依存性を検討した結果を示す。図13(A)は比抵抗の膜厚依存性を示し、図13(B)は表面粗さの膜厚依存性を示す。
比抵抗はジシラン、シラン、ジボランの順で高い値を示していることが判明した。そして、それぞれ膜厚が厚くなる程、比抵抗が小さくなっているのが確認された。特にジシランは、他の2つのガスよりも比抵抗が急激に小さくなっている。
また、表面粗さは、ジボラン、シラン、ジシランの順で大きくなっており、共に膜厚が厚くなるに従って、表面粗さも大きくなっている。ただし、ジシランに関しては特異な変化を示しており、膜厚が80Åの近傍において表面粗さは一度急激に増加した後に急激に減少するという突起状の特性が現れている。
【0050】
次に、図14は膜中のF、Si、Bの濃度を検討した結果を示す。図14(A)はF濃度を示し、図14(B)はSi、Bの濃度を示す。図14中、Wはタングステン膜を示し、TiNは下地のチタンナイトライド膜を示す。尚、両膜の境界は実際には両材料が融合して不明確であるが、図示例では便宜上、区画を示している。
図14(A)に示すF濃度については下地層のTiN膜中に拡散しているF量はジボランが最も小さく、高いバリヤ性を有しているのが判明する。
図14(B)に示すように、W膜中のSi、B濃度はジボラン、シラン、ジシランの順で高くなっており、計算上それぞれ約10%、1%、1%以下のBもしくはSiを含有している。特に、ジボランの場合には膜中に含まれるB量が高濃度であることが判明した。
【0051】
次に、図15は膜中のタングステンの結晶性について検討した結果を示す。この検討ではX線回折装置を用いた。ジシランの場合には、α−W、β−Wのキュービックタングステンのみが観測され、結晶性が高いことが確認できた。
これに対して、シラン、ジボランの場合には、回折線がブロードになっており、結晶性が低く、特にジボランの場合には、よりアモルファス状態の程度が高いことが確認できた。
【0052】
次に、図16は穴径が0.09μm、A/R=12のコンタクトホールについて埋め込みを行った結果を示す。図16はコンタクトホールの埋め込み状態を示す図面代用写真である。
図16よりジボラン、シランについては良好な埋め込み性が確認できたが、ジシランなついてはボイドが発生し、埋め込み性が不十分であることが確認できた。
上記の結果、Si2 H6 の場合は成膜速度が速く、結晶子サイズが大きいなどの諸特性は、従来手法の還元ガスとWF6 ガスの同時出しのCVDと同じように島状に核が形成される成長様式と同じである。図13で示された比抵抗の減少、表面粗さが一度増大の後に減少した現象は島状に形成された核が成長し、これが連続的な膜となったために起こったものと考えられる。この形成された核が優先的に成長するために膜が不均一となり、埋め込み性悪化の原因となっている。
【0053】
一方、B2 H6 の場合には、抵抗値が高く、埋め込み性はシームも無く最も良好である。これは10%程度の高濃度なBの含有とその結果、結晶子サイズが小さく、もしくは非晶質が混入されることで説明される。結晶子サイズが小さいため、均一で緻密な膜となる。このため下地TiNのF拡散量が最も少なく、高いバリヤ性を有している。
また、SiH4 の場合には、その特性はSi2 H6 とB2 H6 の中間に位置するが、膜の成長様式はB2 H6 と同じように、結晶子サイズは小さく緻密な膜となる。穴径0.09μm、A/R=12の微細化されたコンタクトホールにおいても十分な埋め込み性を確保しつつ、B2 H6 よりも低抵抗に抑えられ、膜の密着性も確保できている。従って、埋め込み穴中のボイドの発生状況及び埋め込み特性から総体的に判断してSi2 H6 、B2 H6 、SiH4 の順に良好な結果となった。今回のコンタクトホールの穴径0.09μmを用いて良好な埋め込み特性が得られ、今後、次世代の0.13μm以下の微細ホールに有効である。
尚、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。
【0054】
【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、2、4〜7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し、更に効率的にパッシベーションタングステン膜を形成し、この後に主たるタングステン膜を堆積させるようにしたので、特に埋め込み特性を改善でき、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、上記一連の3工程は同一処理容器内で連続的に行われるので、例えば処理容器を変更することによって発生するインキュベーション期間がなくなり、その分、スループットを向上させることができる。
請求項3に係る発明によれば、各工程間におけるプロセス温度を略一定に維持することにより、途中でプロセス温度を昇降温させる必要がないので、その分、スループットを更に向上させることができる。
【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】成膜工程全体を通じての各ガス流量の一例とプロセス条件との関係を示すフローチャートである。
【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】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】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11】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12】1サイクル当たりの成膜レートの温度依存性を示す図である。
【図13】プロセス温度350℃における比抵抗及び表面粗さの膜厚依存性を示す図である。
【図14】膜中のF、Si、Bの濃度を示す図である。
【図15】膜中のタングステンの結晶性について検討した時のX線回折結果を示す図である。
【図16】コンタクトホールの埋め込み状態を示す図面代用写真である。
【図17】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18】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
79 初期タングステン膜形成工程
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)[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for forming a tungsten film on a surface of an object to be processed such as a semiconductor wafer, and more particularly, to an improved invention of a previous application (Japanese Patent Application No. 2002-234273) of the present applicant, in which a method for forming a passivation tungsten film The present invention relates to a method for forming a tungsten film with improved processes.
[0002]
[Prior art]
In general, in the manufacturing process of a semiconductor integrated circuit, W (tungsten) and WSi (tungsten) are used to form a wiring pattern on the surface of a semiconductor wafer as an object to be processed or to bury a recess between wirings or a contact recess. (Silicide), Ti (titanium), TiN (titanium nitride), TiSi (titanium silicide), Cu (copper), Ta 2
[0003]
When the above-mentioned tungsten film is formed, a Ti film, a TiN film, or a laminated film of the both is used as a base film on the wafer surface for reasons such as improvement in adhesion and suppression of a reaction with a lower silicon layer. And the tungsten film is deposited on the barrier layer.
Here, in the case of embedding a concave portion or the like, hydrogen gas having a lower reducing property than silane is mainly used in order to improve the embedding property. 6 The gas may attack the barrier layer and react with the barrier layer and fluorine to expand in volume, thereby generating a volcano projecting upward in a protruding manner or a void in the buried hole.
[0004]
This will be described with reference to FIG. FIG. 17 is a cross-sectional view showing a buried hole in which a volcano and voids are generated. A buried
[0005]
Then, in order to prevent the generation of the
Therefore, prior to the formation of the nucleation layer, only a silane alone is supplied for a predetermined time and a silane reaction intermediate (SiHx: x <4 ) Is adsorbed on the wafer surface, and the nucleation layer is grown from this as a starting point. FIG. 18 is a view showing a process when filling a buried hole with tungsten using such a method.
[0006]
First, as shown in FIG. 18 (A), a silane (SiH 4 ) Is supplied alone, and the above SiH x (FIG. 18 (A) and FIG. 18 (B)). Then, as described above, WF is performed for a predetermined time. 6 Gas and SiH 4 A gas is simultaneously supplied as shown in FIG. 18C, and a tungsten film is deposited starting from the
Next, as shown in FIG. 6 Gas and H 2 By supplying the gas at the same time, the
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Incidentally, the
Further, if the ratio of the thickness of the
[0008]
The problems described above have become particularly serious when the size of the buried hole is reduced to, for example, 0.2 μm or less due to the further miniaturization and thinning of the semiconductor production.
The present invention has been devised in view of the above problems and effectively solving the problems. An object of the present invention is to improve the throughput and improve the embedding property, for example, even if the diameter of the embedding hole is small, it is possible to suppress the occurrence of voids and the occurrence of volcano having a size that adversely affects the characteristics. An object of the present invention is to provide a method for forming a tungsten film having good characteristics.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In forming a tungsten film on a surface of an object to be processed in a processing chamber capable of being evacuated, a reducing gas supply step of supplying a reducing gas and a tungsten gas supplying a tungsten-containing gas are provided. An initial tungsten film forming step of forming an initial tungsten film by alternately and repeatedly performing a gas supply step and a purge step of evacuating while supplying an inert gas between the two steps. And a passivation tungsten film for forming a passivation tungsten film while gradually increasing the pressure in the processing container by simultaneously changing and increasing the flow rate of the tungsten-containing gas while flowing the reducing gas into the processing container. Forming step, the reducing gas and the tungsten-containing gas in the processing container. A tungsten film forming method characterized by having a main tungsten film forming step of forming a main tungsten film continues flowing.
As a result, the initial tungsten film as a nucleation layer with high film thickness uniformity was formed, the passivation tungsten film was formed more efficiently, and then the main tungsten film was deposited, so that the filling characteristics were particularly improved. For example, even if the diameter of the buried hole is small, it is possible to suppress the occurrence of voids and the occurrence of volcano that are large enough to adversely affect the characteristics. In addition, since the above-mentioned series of three steps are continuously performed in the same processing container, for example, an incubation period caused by changing the processing container is eliminated, and the throughput can be improved accordingly.
[0010]
In this case, for example, in the passivation tungsten film forming step, the temperature of the object to be processed is gradually increased.
Further, for example, the temperature of the object to be processed is substantially the same between the initial tungsten film forming step, the passivation tungsten film forming step, and the main tungsten film forming step. Have maintained.
In this way, by maintaining the process temperature between the respective steps substantially constant, it is not necessary to raise or lower the process temperature on the way, so that it is possible to further improve the throughput.
[0011]
Further, for example, the pressure in the processing container is 2666 Pa (20 Torr) or less in the initial tungsten film forming step and the passivation tungsten film forming step, and 2666 Pa (20 Torr) in the main tungsten film forming step. (20 Torr) or more.
[0012]
Further, for example, as defined in
Further, for example, as defined in claim 6, the reducing gas is H 2 Gas, silane (SiH 4 ), Disilane (Si 2 H 6 ), Dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ), Diborane (B 2 H 6 ), Phosphine (PH 3 ).
Further, for example, as defined in claim 7, the tungsten-containing gas is WF 6 And the reducing gas is SiH in the initial tungsten film forming step. 4 H gas in the passivation tungsten film forming step and the main tungsten film forming step. 2 Gas.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a method for forming a tungsten film according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a heat treatment apparatus for performing a method of forming a tungsten film according to the present invention, FIG. 2 is a view showing a supply mode of each gas, and FIG. FIG. 4 is an enlarged sectional view showing an example of a tungsten film deposited on the surface of a semiconductor wafer.
First, a heat treatment apparatus for carrying out the method of the present invention will be described. This
[0014]
In the
Below the mounting table 34, a plurality of, for example, three L-shaped lifter pins 36 (only two are shown in the illustrated example) are provided so as to stand upward. The base of the lifter pins 36 is A vertically long insertion hole (not shown) formed in the
[0015]
A bellows 44 that can be extended and contracted to maintain the inside of the
An
Although not shown, a vacuum gauge (Capamanometer) for measuring the pressure is provided in the
[0016]
A
[0017]
Next, the method of the present invention performed using the apparatus configured as described above will be described.
First, the
[0018]
Next, a predetermined film forming gas, a carrier gas, or the like is supplied as a processing gas from the processing gas source (not shown) to the
The radiated heat rays pass through the
[0019]
In the method of the present invention, the entire film forming process is formed by an initial tungsten
FIG. 2 shows three types of gas supply modes. In each mode, for example, Ar, N 2 The gas is continuously supplied at a constant flow rate or at a variable flow rate as needed. Similarly, the inside of the
Here, WF is used as the tungsten-containing gas. 6 Gas and H as the reducing gas 2 Gas or this H 2 SiH with stronger reducing power than gas 4 Gas is used. In addition, the steps of the initial tungsten film forming step, the passivation tungsten film forming step, and the main tungsten film forming step described below are continuously performed in the
[0020]
First, the gas supply mode in the initial tungsten film forming step shown in FIG. 2A is, as shown in FIG. 4
[0021]
After the
[0022]
Specifically, as shown in FIG. 3, after performing the short-
Also H 2 Gas supply is WF 6 The gas is supplied into the
WF as described above 6 The reason for gradually increasing the flow rate of the gas from a small amount is to form a passivation film that is as thin as possible so that the WF in the main tungsten film forming step 6 This is because the purpose is to suppress damage from gas and to reinforce the initial tungsten film of the protective film. Thus, the total film formation time can be shortened by shortening the film formation time in the initial tungsten
[0023]
That is, the passivation tungsten film is formed by H 2 A gas supply amount is supplied at a predetermined flow rate, and the WF is supplied as described above. 6 The gas is gradually increased to the supply amount in the main tungsten
In FIG. 3, the process pressure in the passivation tungsten
[0024]
Next, when the passivation tungsten
Here, in the initial tungsten film forming step, assuming that the period from one reducing
[0025]
The period T1 of each reducing
[0026]
Here, the time of the
[0027]
As is clear from FIG. 5, when the dispersing plate is provided in the shower head portion (FIG. 5A), the partial pressure becomes low earlier, and in the case shown in FIG. By performing a purging process of about 4 1 × 10 -1 Pa can be reduced to about Pa. In the case shown in FIG. 4 1 × 10 -1 It turns out that it can be reduced to about Pa. It should be noted that a similar effect (an effect similar to that of the diffusion plate) can be obtained by making the
Therefore, irrespective of the structure of the shower head, if the purge step is performed for at least about 3 seconds, the partial pressure of the residual silane can be reduced to zero and the influence of the gas phase reaction can be ignored.
[0028]
Returning to FIG. 2, the SiH 4 Gas and WF 6 The gas flow rates are relatively small to reduce their partial pressure ratio. Further, the process temperature is set to a low value, for example, 200 to 500 ° C., preferably 250 to 450 ° C. The thickness of one cycle of the initial tungsten film is 1 to 50 °, preferably 3 to 20 °.
The time of the main tungsten
[0029]
As a result, the
In the passivation tungsten
For this reason, the passivation tungsten film is formed by a so-called WF 6 Functions as a passivation film or a barrier film with respect to the WF in forming the main tungsten film. 6 In this case, damage to the Ti film due to the diffusion of F can be suppressed, and the filling characteristics can be further improved.
[0030]
That is, the film quality characteristics (barrier properties) of the
Furthermore, the three steps of the initial tungsten
[0031]
The gas supply mode shown in FIG. 2 (B) is different from the gas supply mode shown in FIG. 2 (A) in the first reduction
[0032]
Thus, the first SiH 4 By performing only the gas supply process, for example, for a long time, the initiation process is performed on the surface of the wafer W as described above with reference to FIG. Certain reaction intermediates will attach. Therefore, the
[0033]
Gas ratio, SiH in the first reducing
At this time, the SiH 4 The parameter (Torr · sec) of the product of the gas partial pressure and the supply time is 10 to 300 (Torr · sec), preferably 30 to 200 (Torr · sec) in order to avoid generation of volcano.
[0034]
In the initial tungsten forming process, the gas ratio, SiH 4 / Carrier gas = 50 to 500 sccm / 2000 to 12000 sccm, the period T1 is 1 to 15 seconds, the process pressure is 1 to 20 Torr (133.3 to 2666 Pa), the process temperature is 200 to 500 ° C., preferably 250 to 450 ° C. ° C. Under these processing conditions, SiHx is deposited.
The gas ratio in the tungsten
[0035]
Here, the reducing
[0036]
FIG. 7 shows the WF at approximately 280 ° C. 6 Is a graph showing the relationship between the parameter (Torr · sec) and the film thickness formed per cycle. When the parameter is 0.04 or more, the film thickness is substantially saturated. If the value is too small, the film thickness depends on the size of the parameter. However, as described above, in order to stabilize the film thickness formed in one cycle, the parameter is set to 0.01 to 10, preferably 0.04 to Set to 5.
FIG. 8 is a graph showing the temperature dependence of the film thickness formed per gas supply cycle. Here, SiH 4 And WF 6 Are alternately supplied 90 times (90 cycles) to indicate the film thickness per cycle. The horizontal axis represents the actual wafer temperature.
[0037]
As is apparent from this graph, the W film is not deposited at a wafer temperature of 100 ° C. or lower, and the film formation rate of the W film gradually increases with the temperature up to 200 to 300 ° C., and thereafter increases to 300 ° C. or higher. It turns out that the film formation rate sharply increases as the temperature rises. Therefore, it is found that the wafer temperature (slightly lower than the process temperature) is preferably set to 100 ° C. or more from the viewpoint of the film thickness.
FIG. 9 shows
[0038]
Next, in the passivation tungsten
[0039]
Although the thickness of the
In the passivation tungsten
[0040]
In the main tungsten
[0041]
In the above embodiment, hydrogen and silane were used as the reducing gas, but disilane (Si 2 H 6 ), Dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ), Diborane (B 2 H 6 ), Phosphine (PH 3 ), Etc., and these may be appropriately combined. In this case, it is preferable to use a gas having a greater reducing power in the initial tungsten film forming step than in the main tungsten
Further, the same reducing gas may be used in the initial tungsten film forming step, the passivation tungsten film forming step, and the main tungsten film forming step.
Also, here, SiH is used for the initial tungsten film forming process. 4 Was used, but instead, H generated using plasma or ultraviolet light was used. 2 Radicals (active species) may be used.
As the tungsten-containing gas, WF is used. 6 The gas is not limited to gas, and an organic tungsten source gas may be used.
[0042]
Also, WF 6 Regarding the partial pressure of the gas, the lower limit is about 0.4 Torr (53 Pa) in order to increase the step coverage to some extent, and the upper limit is 2. when the process pressure is 40 Torr or less in order to avoid generation of volcano. It is about 0 Torr (266 Pa). Furthermore, WF 6 / H 2 The gas ratio is 0.01 to 1 and preferably 0.1 to 0.5 for increasing the step coverage to some extent and avoiding volcano. In the main tungsten
[0043]
FIG. 10 is a graph showing the temperature dependence of the resistance value of the tungsten film. In the figure, a shows a tungsten film formed by a conventional CVD method (process temperature: 400 ° C.), b shows a tungsten film formed by the method of the present invention at a process temperature of 280 ° C., Show the membrane.
As is apparent from this graph, the films b and c according to the method of the present invention have about 2 to 4 times higher resistance than the film a formed by the conventional CVD method. This is considered to be because the crystallite size of the films b and c formed by the present method is 2 to 4 times smaller than that of the conventional method. It can also be seen that the films b and c formed by the method of the present invention have higher resistance values as the films are formed at higher temperatures. This is probably because a film formed at a higher temperature contains a higher concentration of Si.
[0044]
Finally, the concentration of F (fluorine) diffused on the wafer surface was evaluated, and the evaluation result will be described.
FIG. 11 shows SiH as a reducing gas. 4 , Si 2 H 6 , B 2 H 6 5 is a graph showing an F concentration (diffusion amount) profile on a wafer surface using FIG. Here, a TiN film, a Ti film, and a SiO film are formed below the W film (tungsten film). 2 A wafer on which films are sequentially formed is used.
As is apparent from this graph, the F concentration in the W film of the method of the present invention is 1 × 10 17 atms / cc, and the F concentration in the W film by the conventional CVD method is 3 × 10 17 Atms / cc, the diffusion amount of F in the W film of the present invention was suppressed to about 1/3, thereby confirming that the film had high barrier properties.
[0045]
<Mode of transition from passivation tungsten film forming step (also referred to as PA step) to main tungsten film forming step (also referred to as MA step)>
In the method of the present invention described above, the case of “with temperature change” and the case of “without temperature change” (constant temperature) were examined in the passivation tungsten film forming process. The process conditions at this time are as follows.
[With temperature change]
Process temperature: The temperature was raised from 350 ° C. at the beginning of the PA step to 390 ° C. at the MA step (see FIG. 3).
Process pressure: Increased from 7.5 Torr to 80 Torr.
・ Temperature rising time (boosting time): 30 seconds (to require a certain amount of time for temperature stabilization)
・ WF 6 Gas flow rate: increased from 60 sccm to 350 sccm.
[0046]
[No temperature change]
Process temperature: maintained constant at 410 ° C. over the PA and MA steps.
・ Boosting time: 15 seconds
・ Process pressure, WF 6 The gas flow rate is the same as in the case of "temperature change"
The initial tungsten film forming step and other process conditions are set to be the same.
As a result of the above evaluation, in the case of “no temperature change” in which the process temperature was increased in the PA step and maintained at 410 ° C., the throughput was high and good.
On the other hand, in the case of “there is a temperature change” in which the process temperature is gradually changed from 350 ° C. to 390 ° C. in the PA process, the embedding characteristics were favorable contrary to the above.
[0047]
Next, in the initial tungsten film forming step, SiH is used as a reducing gas. 4 , Si 2 H 6 , B 2 H 6 The case where is used will be described.
By using the method of the present invention as shown in FIG. 4 , Si 2 H 6 , B 2 H 6 The embedding is performed using the method described below, and the state of occurrence of voids in the embedding hole and the evaluation of the embedding characteristics are described below. At this time, the inner diameter of the embedding hole was 0.09 μm.
[0048]
The supply mode and process conditions of each gas in the initial tungsten film forming process used the flowchart shown in FIG. The flow rates of the silane, disilane, and diborane gases were set so as to be the same.
FIG. 12 shows the temperature dependence of the film formation rate per cycle. It was confirmed that the film formation rate of each gas increased as the temperature increased. It was also found that the film formation was started at a lower temperature in the order of disilane, diborane, and silane, and that the film formation rate per cycle increased in the order of disilane, diborane, and silane.
[0049]
Next, FIG. 13 shows the result of examining the film thickness dependence of the specific resistance and the surface roughness at a process temperature of 320 ° C. FIG. 13A shows the dependency of the specific resistance on the film thickness, and FIG. 13B shows the dependency of the surface roughness on the film thickness.
The specific resistance was found to be higher in the order of disilane, silane, and diborane. And, it was confirmed that the specific resistance was reduced as the film thickness was increased. In particular, disilane has a sharply lower specific resistance than the other two gases.
The surface roughness increases in the order of diborane, silane, and disilane, and the surface roughness increases as the film thickness increases. However, disilane shows a peculiar change, showing a projection-like characteristic in which the surface roughness suddenly increases and then rapidly decreases once the film thickness is around 80 °.
[0050]
Next, FIG. 14 shows the result of examining the concentrations of F, Si, and B in the film. FIG. 14A shows the F concentration, and FIG. 14B shows the Si and B concentrations. In FIG. 14, W indicates a tungsten film, and TiN indicates an underlying titanium nitride film. Although the boundary between the two films is actually unclear due to the fusion of the two materials, the illustrated example shows a section for the sake of convenience.
Regarding the F concentration shown in FIG. 14A, the amount of F diffused in the TiN film of the underlayer is found to be smallest for diborane and has high barrier properties.
As shown in FIG. 14B, the concentrations of Si and B in the W film are higher in the order of diborane, silane, and disilane, and are calculated to be about 10%, 1%, and 1% or less of B or Si, respectively. Contains. In particular, in the case of diborane, it was found that the amount of B contained in the film was high.
[0051]
Next, FIG. 15 shows the result of examining the crystallinity of tungsten in the film. In this study, an X-ray diffractometer was used. In the case of disilane, only α-W and β-W cubic tungsten were observed, and it was confirmed that the crystallinity was high.
On the other hand, in the case of silane and diborane, the diffraction line was broad, and the crystallinity was low. In particular, in the case of diborane, it was confirmed that the degree of the amorphous state was higher.
[0052]
Next, FIG. 16 shows the result of embedding a contact hole having a hole diameter of 0.09 μm and A / R = 12. FIG. 16 is a drawing-substitute photograph showing a buried state of a contact hole.
From FIG. 16, it was confirmed that diborane and silane had good embedding properties, but that disilane had voids, and that embedding properties were insufficient.
As a result, Si 2 H 6 In the case of the above, various characteristics such as a high film formation rate and a large crystallite size are the same as those of the conventional method using a reducing gas and WF. 6 This is the same as the growth mode in which nuclei are formed like islands as in the case of simultaneous CVD of gas. It is considered that the phenomenon shown in FIG. 13 in which the specific resistance was reduced and the surface roughness was once increased and then reduced was caused by the growth of island-shaped nuclei, which became a continuous film. Since the formed nuclei grow preferentially, the film becomes non-uniform, which causes deterioration of the embedding property.
[0053]
On the other hand, B 2 H 6 In the case of (1), the resistance value is high and the embedding property is the best with no seam. This is explained by the fact that B is contained at a high concentration of about 10%, and as a result, the crystallite size is small or amorphous is mixed. Since the crystallite size is small, a uniform and dense film is formed. For this reason, the amount of F diffusion of the base TiN is the smallest, and it has high barrier properties.
In addition, SiH 4 In the case of 2 H 6 And B 2 H 6 , But the film growth mode is B 2 H 6 As in the case of the above, the crystallite size becomes small and the film becomes dense. While ensuring a sufficient embedding property even in a miniaturized contact hole having a hole diameter of 0.09 μm and A / R = 12, 2 H 6 The resistance is lower than that of the above, and the adhesion of the film can be secured. Therefore, overall judgment is made based on the state of occurrence of voids in the buried holes and the burying characteristics. 2 H 6 , B 2 H 6 , SiH 4 In this order, good results were obtained. Good filling characteristics can be obtained by using the hole diameter of the contact hole of 0.09 μm this time, and it is effective for the next generation of fine holes of 0.13 μm or less in the future.
In the present embodiment, a semiconductor wafer has been described as an example of an object to be processed. However, the present invention is not limited to this, and it is needless to say that the present invention can be applied to an LCD substrate, a glass substrate, and the like.
[0054]
【The invention's effect】
As described above, according to the method for forming a tungsten film of the present invention, the following excellent operational effects can be exhibited.
According to the present invention, an initial tungsten film is formed as a nucleation layer having high film thickness uniformity, a passivation tungsten film is formed more efficiently, and thereafter a main tungsten film is formed. Is deposited, so that the embedding characteristics can be particularly improved. For example, even if the diameter of the embedding hole is small, it is possible to suppress the generation of voids and the occurrence of volcano having a size that adversely affects the characteristics. In addition, since the above-described series of three steps are continuously performed in the same processing container, for example, an incubation period caused by changing the processing container is eliminated, and the throughput can be improved accordingly.
According to the third aspect of the present invention, by maintaining the process temperature between the steps substantially constant, there is no need to raise or lower the process temperature on the way, so that the throughput can be further improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional configuration diagram showing a heat treatment apparatus for performing a method of forming a tungsten film according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a supply mode of each gas.
FIG. 3 is a flowchart showing a relationship between an example of each gas flow rate and process conditions throughout the film forming process.
FIG. 4 is an enlarged sectional view showing an example of a tungsten film deposited on a surface of a semiconductor wafer.
FIG. 5 shows silane (SiH) in a processing vessel. 4 FIG. 6 is a diagram showing a distribution state of partial pressures in FIG.
FIG. 6 is a graph showing a relationship between a silane parameter (Torr · sec) and a film thickness formed per cycle.
FIG. 7: WF 6 Is a graph showing the relationship between the parameter (Torr · sec) and the film thickness formed per cycle.
FIG. 8 is a graph showing the temperature dependency of a film thickness formed per gas supply cycle.
FIG. 9:
FIG. 10 is a graph showing the temperature dependence of the resistance value of a tungsten film.
FIG. 11 is a graph showing an F concentration (diffusion amount) profile on a wafer surface.
FIG. 12 is a diagram showing the temperature dependence of a film forming rate per cycle.
FIG. 13 is a diagram showing the film thickness dependence of specific resistance and surface roughness at a process temperature of 350 ° C.
FIG. 14 is a diagram showing the concentrations of F, Si, and B in a film.
FIG. 15 is a diagram showing an X-ray diffraction result when the crystallinity of tungsten in a film is examined.
FIG. 16 is a photograph as a substitute of a drawing, showing a buried state of a contact hole.
FIG. 17 is a cross-sectional view showing a buried hole in which a volcano and voids are generated.
FIG. 18 is a diagram showing an example of a process when filling a buried hole with tungsten.
[Explanation of symbols]
2 Embedding hole
4 Barrier layer
20 Heat treatment equipment
22 Processing container
24 shower head
60 heating lamp
70 Reducing gas supply process
72 Tungsten gas supply process
74 Purge process
76 Initial tungsten film
78 Main tungsten film
79 Initial tungsten film formation process
80 Main tungsten film formation process
82 Passivation tungsten film
84 Passivation Tungsten Film Forming Process
W Semiconductor wafer (workpiece)
Claims (7)
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初期タングステン膜形成工程と、
前記処理容器内へ還元ガスを流しつつ前記タングステン含有ガスの流量を増加するように変化させて同時に流すことによって前記処理容器内の圧力を次第に上昇させつつ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と、
前記処理容器に前記還元ガスと前記タングステン含有ガスとを引き続き流して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と、
を有することを特徴とするタングステン膜形成方法。When forming a tungsten film on the surface of an object to be processed in a processing vessel made evacuable,
The reducing gas supply step of supplying the reducing gas and the tungsten gas supply step of supplying the tungsten-containing gas are alternately and repeatedly performed with a purge step of evacuating while supplying an inert gas between the two steps. An initial tungsten film forming step of forming an initial tungsten film as described above,
A passivation tungsten film forming step of forming a passivation tungsten film while gradually increasing the pressure in the processing container by simultaneously changing the flow rate of the tungsten-containing gas while increasing the flow rate while flowing the reducing gas into the processing container. When,
A main tungsten film forming step of forming a main tungsten film by continuously flowing the reducing gas and the tungsten-containing gas through the processing vessel;
A method of forming a tungsten film, comprising:
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