JP2015193908A - タングステン膜の成膜方法および半導体装置の製造方法 - Google Patents

タングステン膜の成膜方法および半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】核生成用の初期タングステン膜を形成することなく一段階でタングステン膜を成膜することが可能なタングステン膜の成膜方法を提供する。【解決手段】被処理基板に対し、減圧雰囲気下でタングステン原料としての塩化タングステンガスおよび還元ガスを、同時にまたは交互に供給し、被処理基板を加熱しつつ塩化タングステンガスおよび還元ガスを反応させて、被処理基板の表面に直接、核生成用の初期タングステン膜を成膜することなく、主タングステン膜を成膜する。【選択図】 図３

Description

本発明は、タングステン膜の成膜方法および半導体装置の製造方法に関する。
半導体デバイスの製造工程においては、被処理体である半導体ウエハ（以下、単にウエハと記す）上に形成されるコンタクトホールや配線間のビアホールを埋め込むための材料や、配線材料、または相互拡散バリアの材料等としてタングステンが用いられている。
タングステンの成膜処理として、以前には物理的蒸着（ＰＶＤ）法が用いられていたが、タングステンは高融点金属であること、およびＰＶＤ法では近年のデバイスの微細化に要求される高いステップカバレッジに対応することが困難であること等の理由で、高融点のＷを溶融する必要がなく、かつデバイスの微細化に十分対応可能な化学的蒸着（ＣＶＤ）法で成膜することが行われている。
このようなＣＶＤ法によるタングステン膜（ＣＶＤ−タングステン膜）の成膜方法としては、原料ガスとして例えば六フッ化タングステン（ＷＦ６）および還元ガスであるＨ２ガスを用い、ウエハ上でＷＦ６＋３Ｈ２→Ｗ＋６ＨＦの反応を生じさせる方法が一般的に用いられている（例えば、特許文献１，２）。また、近年、さらに高いステップカバレッジが得られる技術としてＷＦ６ガスと還元ガスとを交互に供給する原子層堆積（ＡＬＤ）法も注目されている。
原料ガスとしてＷＦ６を用いてＣＶＤやＡＬＤによりタングステン膜を成膜する際に、ＴｉＮ膜等の下地膜の上には良好なタングステン膜が得難いことから、最初に核生成用の初期タングステン膜（ニュークリエーション膜）を成膜し、その上に主タングステン膜を形成する２段階の成膜が行われている（例えば、上記特許文献１、２および特許文献３）。
特開２００３−１９３２３３号公報 特開２００４−２７３７６４号公報 特表２００１−５２５８８９号公報
ところで、ニュークリエーション膜は核生成のために形成されるものであり、バルクの主タングステン膜に比べて抵抗値が高い。近時、半導体デバイスは益々微細化されており、それにともなって、凹部に埋め込むタングステン膜に占めるニュークリエーション膜の割合が増加しており、高抵抗のニュークリエーション膜がタングステン膜全体の抵抗値を悪化させてしまう可能性がある。また、主タングステン膜の他にニュークリエーション膜の成膜が必要であり工程が煩雑となる。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、核生成用の初期タングステン膜を形成することなく一段階でタングステン膜を成膜することが可能なタングステン膜の成膜方法および半導体装置の製造方法を提供することを課題とする。
本発明者らは、上記課題を解決すべく検討した結果、タングステン原料として塩化タングステンを用いることにより、核生成用の初期タングステン膜を成膜することなく、被処理基板の表面に一段階でタングステン膜を成膜できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、被処理基板に対し、減圧雰囲気下でタングステン原料としての塩化タングステンガスおよび還元ガスを、同時にまたは交互に供給し、被処理基板を加熱しつつ塩化タングステンガスおよび還元ガスを反応させて、被処理基板の表面に、核生成用の初期タングステン膜を成膜することなく、直接主タングステン膜を成膜することを特徴とするタングステン膜の成膜方法を提供する。
この場合に、塩化タングステンとしてＷＣｌ６、ＷＣｌ５、ＷＣｌ４のいずれかを用いることができる。また、還元ガスとしては、Ｈ２ガス、ＳｉＨ４ガス、Ｂ２Ｈ６ガス、およびＮＨ３ガスから選択された少なくとも１種を用いることができる。また、被処理基板の温度が２５０℃以上、処理容器内の圧力が５Ｔｏｒｒ以上であることが好ましい。
前記被処理基板として表面に下地膜が形成されたものを用い、前記下地膜の表面に前記タングステン膜を成膜してもよい。前記下地膜としては、ＴｉＮ膜またはＴｉＳｉＮ膜を用いることができる。
また、本発明は、前記被処理基板に凹部が形成され、前記凹部内に前記主タングステン膜を成膜して、前記凹部を埋め込む場合に好適である。
さらに、本発明は、表面に凹部を有する被処理基板の表面に、下地膜を成膜する工程と、表面に前記下地膜が形成された被処理基板に対し、減圧雰囲気下でタングステン原料としての塩化タングステンガスおよび還元ガスを、同時にまたは交互に供給し、被処理基板を加熱しつつ塩化タングステンガスおよび還元ガスを反応させて、前記下地膜の表面に、核生成用の初期タングステン膜を成膜することなく、直接主タングステン膜を成膜して前記凹部を埋め込む工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
さらに、本発明は、コンピュータ上で動作し、成膜装置を制御するためのプログラムが記憶された記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、上記タングステン膜の成膜方法が行われるように、コンピュータに前記成膜装置を制御させることを特徴とする記憶媒体を提供する。
本発明によれば、原料ガスとして塩化タングステンガスを用いることにより、核生成用の膜を必要とせずに、被処理基板の表面に一段階でタングステン膜を成膜することができる。このため、微細化によっても抵抗値の上昇が生じ難く、かつ工程の煩雑さを回避することができる。
本発明に係るタングステン膜の成膜方法を実施するための成膜装置の一例を示す断面図である。 ＣＶＤ法による成膜の際の処理レシピを示す図である。 ＡＬＤ法による成膜の際の処理レシピを示す図である。 本発明の成膜方法を凹部にタングステン膜を埋め込んで配線やプラグを形成する用途に適用した適用例を示す工程断面図である。 従来の２段階成膜によりタングステン膜を凹部に埋め込んだ状態を示す断面図である。 実験例１における、成膜温度および圧力を変化させた場合のタングステン膜の膜厚と膜の比抵抗との関係を示す図である。 実験例２おいてアスペクト比６０のホール内に形成したＴｉＮ膜の上に直接タングステン膜を成膜してホールを埋め込んだ際の断面のＳＥＭ写真である。 実験例３において、還元ガスとしてＨ２ガスを用いた場合の成膜温度と成膜レートとの関係を示す図である。 実験例３において、還元ガスとしてＨ２ガスとＮＨ３ガスを用いた場合の成膜温度と成膜レートとの関係を示す図である。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について具体的に説明する。
＜成膜装置＞
図１は本発明に係るタングステン膜の成膜方法を実施するための成膜装置の一例を示す断面図である。
図１に示すように、成膜装置１００は、気密に構成された略円筒状のチャンバー１を有しており、その中には被処理基板であるウエハＷを水平に支持するためのサセプタ２が、後述する排気室の底部からその中央下部に達する円筒状の支持部材３により支持された状態で配置されている。このサセプタ２は例えばＡｌＮ等のセラミックスからなっている。また、サセプタ２にはヒーター５が埋め込まれており、このヒーター５にはヒーター電源６が接続されている。一方、サセプタ２の上面近傍には熱電対７が設けられており、熱電対７の信号はヒーターコントローラ８に伝送されるようになっている。そして、ヒーターコントローラ８は熱電対７の信号に応じてヒーター電源６に指令を送信し、ヒーター５の加熱を制御してウエハＷを所定の温度に制御するようになっている。なお、サセプタ２には３本のウエハ昇降ピン（図示せず）がサセプタ２の表面に対して突没可能に設けられており、ウエハＷを搬送する際に、サセプタ２の表面から突出した状態にされる。また、サセプタ２は昇降機構（図示せず）により昇降可能となっている。
チャンバー１の天壁１ａには、円形の孔１ｂが形成されており、そこからチャンバー１内へ突出するようにシャワーヘッド１０が嵌め込まれている。シャワーヘッド１０は、後述するガス供給機構３０から供給された成膜原料ガスであるＷＣｌ６ガスをチャンバー１内に吐出するためのものであり、その上部には、ＷＣｌ６ガスおよびパージガスとしてＮ２ガスを導入する第１の導入路１１と、還元ガスとしてのＨ２ガスおよびパージガスとしてＮ２ガスを導入する第２の導入路１２とを有している。
シャワーヘッド１０の内部には上下２段に空間１３、１４が設けられている。上側の空間１３には第１の導入路１１が繋がっており、この空間１３から第１のガス吐出路１５がシャワーヘッド１０の底面まで延びている。下側の空間１４には第２の導入路１２が繋がっており、この空間１４から第２のガス吐出路１６がシャワーヘッド１０の底面まで延びている。すなわち、シャワーヘッド１０は、成膜原料ガスとしてのＷＣｌ６ガスと還元ガスであるＨ２ガスとがそれぞれ独立して吐出路１５および１６から吐出するようになっている。
チャンバー１の底壁には、下方に向けて突出する排気室２１が設けられている。排気室２１の側面には排気管２２が接続されており、この排気管２２には真空ポンプや圧力制御バルブ等を有する排気装置２３が接続されている。そしてこの排気装置２３を作動させることによりチャンバー１内を所定の減圧状態とすることが可能となっている。
チャンバー１の側壁には、ウエハＷの搬入出を行うための搬入出口２４と、この搬入出口２４を開閉するゲートバルブ２５とが設けられている。また、チャンバー１の壁部には、ヒーター２６が設けられており、成膜処理の際にチャンバー１の内壁の温度を制御可能となっている。
ガス供給機構３０は、成膜原料である塩化タングステンとしてＷＣｌ６を収容する成膜原料タンク３１を有している。ＷＣｌ６は常温では個体であり、成膜原料タンク３１内には塩化タングステンであるＷＣｌ６が固体として収容されている。成膜原料タンク３１の周囲にはヒーター３１ａが設けられており、成膜原料タンク３１内のＷＣｌ６を適宜の温度に加熱して、ＷＣｌ６を昇華させるようになっている。なお、塩化タングステンとしては、ＷＣｌ５、ＷＣｌ４を用いることもできる。ＷＣｌ５、ＷＣｌ４を用いても、ＷＣｌ６とほぼ同じ挙動を示す。
成膜原料タンク３１には、上方からキャリアガスであるＮ２ガスを供給するためのキャリアガス配管３２が挿入されている。キャリアガス配管３２にはＮ２ガス供給源３３が接続されている。また、キャリアガス配管３２には、流量制御器としてのマスフローコントローラ３４およびその前後のバルブ３５が介装されている。また、成膜原料タンク３１内には原料ガスラインとなる原料ガス送出配管３６が上方から挿入されており、この原料ガス送出配管３６の他端はシャワーヘッド１０の第１の導入路１１に接続されている。原料ガス送出配管３６にはバルブ３７が介装されている。原料ガス送出配管３６には成膜原料ガスであるＷＣｌ６ガスの凝縮防止のためのヒーター３８が設けられている。そして、成膜原料タンク３１内で昇華したＷＣｌ６ガスがキャリアガスとしてのＮ２ガス（キャリアＮ２）により搬送されて、原料ガス送出配管３６および第１の導入路１１を介してシャワーヘッド１０内に供給される。また、原料ガス送出配管３６には、配管７４を介してパージガスとしてのＮ２ガス（パージＮ２）を供給するＮ２ガス供給源７１が接続されている。配管７４には流量制御器としてのマスフローコントローラ７２およびその前後のバルブ７３が介装されている。Ｎ２ガス供給源７１からのＮ２ガスは原料ガスライン側のパージガスとして用いられる。
なお、キャリアガス配管３２と原料ガス送出配管３６との間は、バイパス配管４８により接続されており、このバイパス配管４８にはバルブ４９が介装されている。キャリアガス配管３２および原料ガス送出配管３６におけるバイパス配管４８接続部分の下流側にはそれぞれバルブ３５ａ，３７ａが介装されている。そして、バルブ３５ａ，３７ａを閉じてバルブ４９を開くことにより、Ｎ２ガス供給源３３からのＮ２ガスを、キャリアガス配管３２、バイパス配管４８を経て、原料ガス送出配管３６をパージすることが可能となっている。なお、キャリアガスおよびパージガスとしては、Ｎ２ガスに限らず、Ａｒガス等の他の不活性ガスであってもよい。
シャワーヘッド１０の第２の導入路１２には、Ｈ２ガスラインとなる配管４０が接続されており、配管４０には、還元ガスであるＨ２ガスを供給するＨ２ガス供給源４２と、配管６４を介してパージガスとしてのＮ２ガス（パージＮ２）を供給するＮ２ガス供給源６１が接続されている。また、配管４０には流量制御器としてのマスフローコントローラ４４およびその前後のバルブ４５が介装され、配管６４には流量制御器としてのマスフローコントローラ６２およびその前後のバルブ６３が介装されている。Ｎ２ガス供給源６１からのＮ２ガスはＨ２ガスライン側のパージガスとして用いられる。
還元ガスとしては、Ｈ２ガスに限らず、ＳｉＨ４ガス、Ｂ２Ｈ６ガス、ＮＨ３ガスを用いることもできる。Ｈ２ガス、ＳｉＨ４ガス、Ｂ２Ｈ６ガス、およびＮＨ３ガスのうち２つ以上を供給できるようにしてもよい。また、これら以外の他の還元ガス、例えばＰＨ３ガス、ＳｉＨ２Ｃｌ２ガスを用いてもよい。
この成膜装置１００は、各構成部、具体的にはバルブ、電源、ヒーター、ポンプ等を制御する制御部５０を有している。この制御部５０は、マイクロプロセッサ（コンピュータ）を備えたプロセスコントローラ５１と、ユーザーインターフェース５２と、記憶部５３とを有している。プロセスコントローラ５１には成膜装置１００の各構成部が電気的に接続されて制御される構成となっている。ユーザーインターフェース５２は、プロセスコントローラ５１に接続されており、オペレータが成膜装置１００の各構成部を管理するためにコマンドの入力操作などを行うキーボードや、成膜装置の各構成部の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなっている。記憶部５３もプロセスコントローラ５１に接続されており、この記憶部５３には、成膜装置１００で実行される各種処理をプロセスコントローラ５１の制御にて実現するための制御プログラムや、処理条件に応じて成膜装置１００の各構成部に所定の処理を実行させるための制御プログラムすなわち処理レシピや、各種データベース等が格納されている。処理レシピは記憶部５３の中の記憶媒体（図示せず）に記憶されている。記憶媒体は、ハードディスク等の固定的に設けられているものであってもよいし、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ、フラッシュメモリ等の可搬性のものであってもよい。また、他の装置から、例えば専用回線を介してレシピを適宜伝送させるようにしてもよい。
そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース５２からの指示等にて所定の処理レシピを記憶部５３から呼び出してプロセスコントローラ５１に実行させることで、プロセスコントローラ５１の制御下で、成膜装置１００での所望の処理が行われる。
＜成膜方法の実施形態＞
次に、以上のように構成された成膜装置１００を用いて行われる成膜方法の実施形態について説明する。
本実施形態では、表面に下地膜が形成されたウエハを被処理基板として用いる。例えば熱酸化膜の表面、またはトレンチやホール等の凹部を有する層間絶縁膜の表面にバリアメタル膜が下地膜として形成されたものを用いることができる。下地膜としては、ＴｉＮ膜、ＴｉＳｉＮ膜が好ましい。下地膜としてＴｉＮ膜やＴｉＳｉＮ膜を用いることによりタングステン膜の成膜性を良好にすることができる。
成膜に際しては、まず、ゲートバルブ２５を開け、搬送装置（図示せず）によりウエハＷを搬入出口２４を介してチャンバー１内に搬入し、ヒーター５により所定温度に加熱されたサセプタ２上に載置し、所定の真空度まで減圧した後、以下のようにしてＣＶＤ法またはＡＬＤ法によりタングステン膜の成膜を行う。
（ＣＶＤ法による成膜）
まず、ＣＶＤ法による成膜について説明する。
図２は、ＣＶＤ法による成膜の際の処理レシピを示す図である。最初に、図１の成膜装置１００におけるバルブ３７，３７ａおよび４５を閉じた状態で、バルブ６３および７３を開き、Ｎ２ガス供給源６１，７１から配管６４，７４を介してパージガスとしてのＮ２ガス（パージＮ２）をチャンバー１内に供給して圧力を上昇させ、サセプタ２上のウエハＷの温度を安定させる。
チャンバー１内が所定圧力に到達した後、Ｎ２ガス供給源６１，７１からのパージＮ２を流したまま、バルブ３７，３７ａを開くことにより、キャリアガスとしてのＮ２ガス（キャリアＮ２）を成膜原料タンク３１内に供給し、成膜原料タンク３１内でＷＣｌ６を昇華させ、生成されたＷＣｌ６ガスをチャンバー１内に供給するとともに、バルブ４５を開いてＨ２ガス供給源４２からＨ２ガスをチャンバー１内に供給する。これにより、ウエハＷの表面の下地膜上で、タングステン原料ガスであるＷＣｌ６ガスと、還元ガスであるＨ２ガスとの反応が生じ、タングステン膜が成膜される。タングステン原料ガスとしてＷＣｌ５ガス、ＷＣｌ４ガスを用いた場合も同様である。
タングステン膜の膜厚が所定の値となるまで成膜を続けた後、バルブ４５を閉じてＨ２ガスの供給を停止し、さらにバルブ３７，３７ａを閉じて、ＷＣｌ６ガスを停止するとともにＮ２ガスをパージガスとしてチャンバー１内に供給し、チャンバー１内のパージを行う。以上でＣＶＤ法による成膜が終了する。このときのタングステン膜の膜厚は、成膜時間により制御することができる。
（ＡＬＤ法による成膜）
次に、ＡＬＤ法により成膜について説明する。
図３は、ＡＬＤ法による成膜の際の処理レシピを示す図である。最初にＣＶＤ法のときと同様、バルブ３７，３７ａおよび４５を閉じてバルブ６３および７３を開き、Ｎ２ガス供給源６１，７１から配管６４，７４を介してパージガスとしてのＮ２ガス（パージＮ２）をチャンバー１内に供給して圧力を上昇させ、サセプタ２上のウエハＷの温度を安定させる。
チャンバー１内が所定圧力に到達した後、Ｎ２ガス供給源６１から配管６４を介してパージＮ２を流したまま、バルブ７３を閉じて配管７４側のパージＮ２を停止し、バルブ３７，３７ａを開くことにより、Ｎ２ガス供給源３３からキャリアＮ２を成膜原料タンク３１内に供給し、成膜原料タンク３１内で昇華したＷＣｌ６ガスを短時間チャンバー１内に供給してウエハＷ表面に形成された下地膜上にＷＣｌ６を吸着させ（ＷＣｌ６ガス供給ステップ）、次いで、バルブ３７，３７ａを閉じ、バルブ７３を開いて、ＷＣｌ６ガスを停止するとともに配管６４のパージＮ２に加えて配管７４側からのパージＮ２もチャンバー１内に供給し、チャンバー１内の余剰のＷＣｌ６ガスをパージする（パージステップ）。
次いで、Ｎ２ガス供給源７１から配管７４を介してパージＮ２ガスを流したまま、バルブ６３を閉じて配管６４側のパージＮ２を停止し、バルブ４５を開いてＨ２ガス供給源４２からＨ２ガスを短時間チャンバー１内に供給し、ウエハＷ上に吸着したＷＣｌ６と反応させ（Ｈ２ガス供給ステップ）、次いでバルブ４５を閉じてバルブ６３を開き、Ｈ２ガスの供給を停止するとともに配管７４のパージＮ２に加えて配管６４側からのパージＮ２もチャンバー１内に供給し、チャンバー１内の余剰のＨ２ガスをパージする（パージステップ）。
以上のＷＣｌ６ガス供給ステップ、パージステップ、Ｈ２ガス供給ステップ、パージステップの１サイクルにより、薄いタングステン単位膜が形成される。そして、これらのステップを複数サイクル繰り返すことにより所望の膜厚のタングステン膜を成膜する。このときのタングステン膜の膜厚は、上記サイクルの繰り返し数により制御することができる。タングステン原料ガスとしてＷＣｌ５ガス、ＷＣｌ４ガスを用いた場合も同様である。また、還元ガスの一部または全部を、Ｈ２ガスに代えてＳｉＨ４ガス、Ｂ２Ｈ６ガス、ＮＨ３ガスの少なくとも一種とした場合も同様である。他の還元ガス、例えばＰＨ３ガス、ＳｉＨ２Ｃｌ２ガスを用いた場合も同様に成膜することができる。
（成膜条件）
タングステン原料としてＷＣｌ６等の塩化タングステンを用いた場合には、塩化タングステンガス自体がエッチング作用も有するため、温度および圧力の条件によっては塩化タングステンガスによる下地膜や成膜しているタングステン膜に対するエッチング反応が生じて成膜され難いことがある。したがって、温度・圧力条件が、そのようなエッチング反応が生じる条件以外であることが好ましい。より詳細には、温度が低い領域では成膜反応もエッチング反応も生じないため、成膜反応を生じさせるためにはある程度高いことが好ましいが、成膜反応が生じる温度では、圧力が低いとエッチング反応が生じる傾向があるため、高圧条件が好ましい。
具体的には、下地膜やガスの種類にもよるが、上記ＣＶＤ法およびＡＬＤ法ともに、ウエハ温度（サセプタ表面温度）：２５０℃以上、チャンバー内圧力：５Ｔｏｒｒ（６６７Ｐａ）以上で成膜することが可能である。還元ガスとしてＨ２ガスのみを用いた場合には、ウエハ温度（サセプタ表面温度）が４００℃以上が好ましいが、還元ガスとしてＨ２ガスにＮＨ３ガスを添加したものを用いることにより、反応性が良好となり、ウエハ温度を２５０℃程度まで低下させることが可能となる。ウエハ温度が２５０℃より低くなるとＮＨ３ガスを用いても成膜反応が生じ難くなる。また、圧力が５Ｔｏｒｒより低いと２５０℃以上においてエッチング反応が生じやすくなる。このような点からは、ウエハ温度に上限は存在しないが、装置の制約や反応性の点から、事実上の上限は８００℃程度である。好ましくは７００℃以下、より好ましくは６５０℃以下、さらに好ましくは５５０℃以下である。なお、還元ガスとしてＨ２ガスのみを用いた場合のウエハ温度の好適な範囲は４００〜５５０℃であり、Ｈ２ガスにＮＨ３ガスを添加した場合のウエハ温度の好適な範囲は２５０〜５５０℃である。
還元ガスとしてＮＨ３ガスを添加することにより、反応性が良好になるため、成膜温度を低下させることのみならず、成膜レートを上昇させることができる。ただし、ＮＨ３ガスを添加すると、Ｈ２ガスのみの場合に比べて成膜したタングステン膜中に残存する不純物が多くなる傾向にあるため、膜中の不純物を低減して良質な膜を得る観点からは、還元ガスとしてＨ２ガスのみを用いることが好ましい。不純物量が許容範囲で低温成膜および高成膜レートを実現する観点から、還元ガスとしてＨ２ガスに添加するＮＨ３ガスの割合は、流量％で１０〜８０％程度が好ましい。
また、圧力に関しても上記点からは上限は存在しないが、同様に装置の制約や反応性の点から、事実上の上限は１００Ｔｏｒｒ（１３３３３Ｐａ）である。より好ましくは、１０〜３０Ｔｏｒｒ（１３３３〜４０００Ｐａ）である。
塩化タングステンガスとしてＷＣｌ６ガスを用い、還元ガスとしてＨ２ガスを用い、キャリアガスおよびパージガスしてＮ２ガスを用いた場合の他の条件の好ましい範囲は以下の通りである。
・ＣＶＤ法
キャリアＮ２ガス流量：２０〜５００ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）
（ＷＣｌ６ガス供給量として、０．２５〜１５ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ））
Ｈ２ガス流量：５００〜５０００ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）
成膜原料タンクの加温温度：１３０〜１７０℃
・ＡＬＤ法
キャリアＮ２ガス流量：２０〜５００ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）
（ＷＣｌ６ガス供給量として、０．２５〜１５ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ））
ＷＣｌ６ガス供給時間（１回あたり）：０．５〜１０ｓｅｃ
Ｈ２ガス流量：５００〜５０００ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）
Ｈ２ガス供給時間：（１回あたり）：０．５〜１０ｓｅｃ
成膜原料タンクの加温温度：１３０〜１７０℃
（実施形態の効果等）
原料ガスとしてＷＦ６を用いてタングステン膜を成膜する従来の方法の場合には、熱酸化膜や層間絶縁膜に対する密着力が悪く、かつインキュベーション時間も長くなるため、下地膜上に高ステップカバレッジで直接成膜することが困難であった。このため、従来は、還元ガスとしてＳｉＨ４またはＢ２Ｈ６を用いて核生成に特化した条件で、下地膜の上に核生成用の初期タングステン膜（ニュークリエーション膜）を形成してから、還元ガスとしてＨ２ガスを用いて主タングステン膜の成膜を行う２段階の成膜を行うことにより高ステップカバレッジの成膜を確保する必要があった。
しかし、ニュークリエーション膜は核生成のために形成されるものであり、バルクの主タングステン膜に比べて抵抗値が高いため、半導体デバイスの微細化にともない、凹部に埋め込むタングステン膜に占めるニュークリエーション膜の割合が増加すると、タングステン膜の抵抗値が上昇する。
これに対し、本実施形態のようにタングステン原料としてＷＣｌ６のような塩化タングステンを用いて上記のようなＣＶＤ法およびＡＬＤ法にて成膜することにより、ニュークリエーション膜を用いることなく、１段階の成膜により高ステップカバレッジでタングステン膜を形成することができる。このため、ニュークリエーション膜を形成する煩雑さを回避することができ、微細化によっても抵抗値の上昇を生じ難くすることができる。例えば、還元ガスとしてＨ２ガスを用いた場合には、膜厚２０ｎｍで２５〜３５μΩ・ｃｍ程度の低抵抗を実現することができ、微細配線でも低抵抗を維持することができる。
＜適用例＞
次に、本実施形態の成膜方法の適用例について図４を参照して説明する。
最初に、下部トランジスタまたはシリコン基板の上の拡散領域からなる下部構造１０１（詳細は省略）の上にＳｉＯ２膜、低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）膜（ＳｉＣＯ、ＳｉＣＯＨ等）等の層間絶縁膜１０２を有し、そこにトレンチやホール等の凹部１０３が形成されたウエハＷを準備する（図４（ａ））。
次いで、凹部１０３を含む全面に下地膜として、メタルバリア膜１０４を成膜する（図４（ｂ））。メタルバリア膜１０４としては、ＴｉＮ膜が好ましい。ＴｉＮ膜はＣＶＤ法やＡＬＤ法により好適に成膜することができる。メタルバリア膜１０４の厚さは２〜５ｎｍ程度が好ましい。
次いで、下地膜としてメタルバリア膜１０４が形成されたウエハＷに対し、上述したように、減圧雰囲気下で原料ガスであるＷＣｌ６ガスおよび還元ガスであるＨ２ガスを用いて、ＣＶＤ法またはＡＬＤ法によりメタルバリア膜１０４の表面に、ニュークリエーション膜を成膜することなく、直接タングステン膜１０５を成膜して凹部１０３を埋め込む（図４（ｃ））。
これにより、一段階の成膜により、低抵抗のタングステン膜を高ステップカバレッジで成膜して凹部１０３内に配線やプラグを形成することができる。
従来のタングステン膜では、図５に示すように、メタルバリア膜１０４の上に高抵抗のニュークリエーション膜１０６を成膜してから低抵抗の主タングステン膜１０７を成膜して埋め込むため、配線幅（凹部１０３の幅）が例えば２０ｎｍと微細になった場合は、ニュークリエーション膜１０６の割合が高くなって、タングステン配線（プラグ）の抵抗値が上昇する。これに対して、本実施形態では、上記図４（ｃ）のように凹部１０３の全体に低抵抗のタングステン膜１０５を埋め込むことがでるので、配線幅が２０ｎｍ程度と微細化しても、低抵抗のタングステン配線（プラグ）を得ることができる。
＜実験例＞
次に、実験例について説明する。
（実験例１）
まず、タングステン膜の膜厚と膜の比抵抗との関係を求めた。ここでは、図１の成膜装置を用いて、シリコンウエハ表面に形成されたＴｉＮ膜の上にＡＬＤ法により種々の膜厚のタングステン膜を成膜し、各膜の比抵抗を測定した。この際の条件は、キャリアＮ２ガス流量：５００ｓｃｃｍ（ＷＣｌ６流量：１０ｓｃｃｍ）、Ｈ２ガス流量：４５００ｓｃｃｍ、ＷＣｌ６供給ステップ１回の時間：１．５ｓｅｃ、Ｈ２ガス供給ステップ１回の時間：３ｓｅｃ、パージステップ１回の時間：５ｓｅｃ、サイクル数：２００〜１０００回に固定し、温度・圧力条件を、以下の条件Ａ、条件Ｂ、条件Ｃの３条件とした。
［条件Ａ］ 温度：５００℃、圧力：３０Ｔｏｒｒ
［条件Ｂ］ 温度：５００℃、圧力：２０Ｔｏｒｒ
［条件Ｃ］ 温度：４３０℃、圧力：３０Ｔｏｒｒ
上記実験の結果を図６に示す。この図に示すように、いずれの条件においても、２０ｎｍという薄膜において、４０μΩ・ｃｍ以下の低い比抵抗値が得られ、条件を選択することにより３０μΩ・ｃｍ以下が可能であり、微細配線でも低抵抗値が得られることが確認された。
（実験例２）
ここでは、トップの径が１８０ｎｍ、アスペクト比が６０のホールに下地膜としてＴｉＮ膜を形成し、その上に直接ＡＬＤ法によりタングステン膜を成膜してホールを埋め込んだ。このときの条件は、図１の成膜装置を用いてウエハ温度：５００℃、チャンバー内圧力：３０Ｔｏｒｒ、キャリアＮ２ガス流量：５００ｓｃｃｍ（ＷＣｌ６流量：１０ｓｃｃｍ）、Ｈ２ガス流量：４５００ｓｃｃｍ、ＷＣｌ６供給ステップ１回の時間：１．５ｓｅｃ、Ｈ２ガス供給ステップ１回の時間：３ｓｅｃ、パージステップ１回の時間：５ｓｅｃ、サイクル数：５００回とした。
この際の断面のＳＥＭ写真を図７に示す。図７に示すように、ニュークリエーション膜を用いることなく、１段階の成膜によりトップの径が１８０ｎｍ、アスペクト比が６０のホールの底までタングステン膜が、良好なステップカバレッジが得られることが確認された。
（実験例３）
ここでは、還元ガスとしてＨ２ガスのみを用いた場合と、Ｈ２ガスにＮＨ３ガスを添加した場合における成膜性について評価した。図１の成膜装置を用いて、シリコンウエハ表面に形成されたＴｉＮ膜の上にＡＬＤ法により種々の温度でタングステン膜を成膜した。この際の条件としては、キャリアＮ２ガス流量：５００ｓｃｃｍ（ＷＣｌ６流量：１０ｓｃｃｍ）とし、ＷＣｌ６ガス供給ステップ１回の時間：１．５ｓｅｃ、Ｈ２ガス供給ステップ１回の時間：３ｓｅｃ、パージステップ１回の時間：５ｓｅｃ、サイクル数：５０〜３００回とし、還元ガスとして、Ｈ２ガスのみを２０００ｓｃｃｍにした場合と、Ｈ２ガス２０００ｓｃｃｍにＮＨ３ガス２５〜１５００ｓｃｃｍ添加した場合について、ウエハ温度（サセプタ表面温度）：２５０〜５００℃の範囲でタングステン膜の成膜を行った。
還元ガスとしてＨ２ガスのみを用いた場合のウエハ温度と成膜レート（１サイクルあたり）との関係を図８に示し、還元ガスとしてＨ２ガスにＮＨ３ガスを添加したものを用いた場合のウエハ温度と成膜レート（１サイクルあたり）との関係を図９に示す。これらの図に示すように、還元ガスとしてＨ２ガスのみを用いた場合には、４００℃以下では成膜されなかったのに対し、ＮＨ３ガスを添加した場合には、２５０℃以上で成膜可能であることが確認された。また、還元ガスがＨ２ガスのみの場合には、成膜レートは、最も高い５００℃でも０．１１ｎｍ／ｃｙｃｌｅであったのに対し、ＮＨ３ガスを添加した場合には、２５０℃でも成膜レートが０．５ｎｍ／ｃｙｃｌｅを超えており、４００℃で２ｎｍ／ｃｙｃｌｅ付近、５００℃で５ｎｍ／ｃｙｃｌｅとなり、還元ガスとしてＮＨ３ガスを添加することにより、成膜温度が低下するとともに、成膜レートが著しく上昇することが確認された。なお、比抵抗に関しては、還元ガスとしてＨ２ガスのみの場合のほうが低い傾向が得られ、良好な膜質を得る観点からは還元ガスがＨ２ガスのみの場合のほうが有利であることが確認された。
＜他の適用＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、被処理基板として半導体ウエハを例にとって説明したが、半導体ウエハはシリコンであっても、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＧａＮなどの化合物半導体でもよく、さらに、半導体ウエハに限定されず、液晶表示装置等のＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）に用いるガラス基板や、セラミック基板等にも本発明を適用することができる。
１；チャンバー
２；サセプタ
５；ヒーター
１０；シャワーヘッド
３０；ガス供給機構
３１；成膜原料タンク
４２；Ｈ２ガス供給源
５０；制御部
５１；プロセスコントローラ
５３；記憶部
６１，７１；Ｎ２ガス供給源
１００；成膜装置
１０１；下部構造
１０２：層間絶縁膜
１０３；凹部
１０４；メタルバリア膜
１０５；タングステン膜
Ｗ；半導体ウエハ

Claims (13)

  1. 被処理基板に対し、減圧雰囲気下でタングステン原料としての塩化タングステンガスおよび還元ガスを、同時にまたは交互に供給し、被処理基板を加熱しつつ塩化タングステンガスおよび還元ガスを反応させて、被処理基板の表面に、核生成用の初期タングステン膜を成膜することなく、直接主タングステン膜を成膜することを特徴とするタングステン膜の成膜方法。
  2. 前記塩化タングステンがＷＣｌ６、ＷＣｌ５、ＷＣｌ４のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のタングステン膜の成膜方法。
  3. 還元ガスは、Ｈ２ガス、ＳｉＨ４ガス、Ｂ２Ｈ６ガス、およびＮＨ３ガスから選択された少なくとも１種であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のタングステン膜の成膜方法。
  4. 被処理基板の温度が２５０℃以上、処理容器内の圧力が５Ｔｏｒｒ以上であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のタングステン膜の成膜方法。
  5. 前記被処理基板として表面に下地膜が形成されたものを用い、前記下地膜の表面に前記タングステン膜を成膜することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のタングステン膜の成膜方法。
  6. 前記下地膜は、ＴｉＮ膜またはＴｉＳｉＮ膜であることを特徴とする請求項５に記載のタングステン膜の成膜方法。
  7. 前記被処理基板に凹部が形成され、前記凹部内に前記主タングステン膜を成膜して、前記凹部を埋め込むことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のタングステン膜の成膜方法。
  8. 表面に凹部を有する被処理基板の表面に、下地膜を成膜する工程と、
    表面に前記下地膜が形成された被処理基板に対し、減圧雰囲気下でタングステン原料としての塩化タングステンガスおよび還元ガスを、同時にまたは交互に供給し、被処理基板を加熱しつつ塩化タングステンガスおよび還元ガスを反応させて、前記下地膜の表面に、核生成用の初期タングステン膜を成膜することなく、直接主タングステン膜を成膜して前記凹部を埋め込む工程と
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  9. 前記塩化タングステンがＷＣｌ６、ＷＣｌ５、ＷＣｌ４のいずれかであることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 還元ガスは、Ｈ２ガス、ＳｉＨ４ガス、Ｂ２Ｈ６ガス、およびＮＨ３ガスから選択された少なくとも１種であることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
  11. 前記下地膜は、ＴｉＮ膜またはＴｉＳｉＮ膜であることを特徴とする請求項８から請求項１０のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  12. 前記凹部を埋め込む工程は、被処理基板の温度が２５０℃以上、処理容器内の圧力が５Ｔｏｒｒ以上で行われることを特徴とする請求項８から請求項１１のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  13. コンピュータ上で動作し、成膜装置を制御するためのプログラムが記憶された記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、請求項１から請求項７のいずれかのタングステン膜の成膜方法が行われるように、コンピュータに前記成膜装置を制御させることを特徴とする記憶媒体。
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