JP2511503B2 - タングステン膜の形成方法 - Google Patents
タングステン膜の形成方法Info
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
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- H01L21/28008—Making conductor-insulator-semiconductor electrodes
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、半導体装置におけるゲート金属用のタン
グステン膜の形成方法に関するものである。
グステン膜の形成方法に関するものである。
（従来の技術） 従来、半導体装置におけるゲート金属であるタングス
テン膜（Ｗ）は、一般にスパッタリング法により基板の
ゲート酸化膜上に形成されている。
テン膜（Ｗ）は、一般にスパッタリング法により基板の
ゲート酸化膜上に形成されている。
しかしながら、上記スパッタリング法によるＷ膜形成
手段にあっては、次のような問題点があった。
手段にあっては、次のような問題点があった。
（ｉ）基板上の段差被覆性が悪い、 （ii）スパッタリング法に由来する被覆ダメージが生じ
易い、 （iii）ターゲット中の不純物がＷ膜中に混入する恐れ
がある、 （iv）高抵抗性など特性上の問題を生じ易い、 そこでこれらの問題を除去する方法の１つとして、上
記Ｗ膜をCVD法（Chemical Vapar Deposition化学気相成
長法）で形成する方法が提案されている。
易い、 （iii）ターゲット中の不純物がＷ膜中に混入する恐れ
がある、 （iv）高抵抗性など特性上の問題を生じ易い、 そこでこれらの問題を除去する方法の１つとして、上
記Ｗ膜をCVD法（Chemical Vapar Deposition化学気相成
長法）で形成する方法が提案されている。
かかるＷ膜のCVD法により形成方法において、反応ガ
スとしては、六フツ化タングステン（WF6）と水素
（H2）が使用される。しかし、通常の熱CVD法ではシリ
コン酸化膜上ではＷ膜が形成されない。
スとしては、六フツ化タングステン（WF6）と水素
（H2）が使用される。しかし、通常の熱CVD法ではシリ
コン酸化膜上ではＷ膜が形成されない。
そこで文献（A.Shintani;ジヤーナル アプライト
フイゼックス J.Appl.Physios,Vol 61 No.6March1987,
P2365,2366）に示されているように、熱CVD法に代えレ
ーザーCVD法によりＷ膜を形成する方法が知られている
（レーザーCVD法の詳細は後述する）。
フイゼックス J.Appl.Physios,Vol 61 No.6March1987,
P2365,2366）に示されているように、熱CVD法に代えレ
ーザーCVD法によりＷ膜を形成する方法が知られている
（レーザーCVD法の詳細は後述する）。
かかるレーザーCVD法を用いる事により、シリコン酸
化膜上にＷ膜に形成されるが、この場合にシリコン酸化
膜とＷ膜との密着性が低く、形成条件によっては、Ｗ膜
形成中にＷ膜と酸化シリコン膜の界面にはがれが生ずる
ため、Ｗ膜にクラックを生ずる等重大な欠点を招くこと
もある。
化膜上にＷ膜に形成されるが、この場合にシリコン酸化
膜とＷ膜との密着性が低く、形成条件によっては、Ｗ膜
形成中にＷ膜と酸化シリコン膜の界面にはがれが生ずる
ため、Ｗ膜にクラックを生ずる等重大な欠点を招くこと
もある。
上記文献の方法では、酸化シリコン膜が形成されたシ
リコン基板を350℃以上に加熱し、H2/WF6流量比を２以
上にする手段が提案され、これにより酸化シリコン膜上
に安定してＷ膜が形成されるとなっている。
リコン基板を350℃以上に加熱し、H2/WF6流量比を２以
上にする手段が提案され、これにより酸化シリコン膜上
に安定してＷ膜が形成されるとなっている。
（発明が解決しようとする課題） しかし他面、レーザーCVD法により上記のような条件
でＷ膜の堆積を行った場合、発明者等の知見ではＷ膜の
引張応力が大きい場合膜厚の増加と共にＷ膜がSiO2膜と
の界面よりはがれてしまい、安定して基板上の酸化シリ
コン膜上に形成し得ないという問題点があった。
でＷ膜の堆積を行った場合、発明者等の知見ではＷ膜の
引張応力が大きい場合膜厚の増加と共にＷ膜がSiO2膜と
の界面よりはがれてしまい、安定して基板上の酸化シリ
コン膜上に形成し得ないという問題点があった。
この発明は、かかる問題点に鑑み、レーザーCVD法を
用い、上述の引張応力の小さいＷ膜を酸化シリコン膜上
に安定して形成し上記問題を解決する方法を提供するこ
とを目的とする。
用い、上述の引張応力の小さいＷ膜を酸化シリコン膜上
に安定して形成し上記問題を解決する方法を提供するこ
とを目的とする。
（課題を解決するための手段） この発明は、半導体装置のゲート金属であるＷ膜をWF
6及びH2を原料ガスとしてレーザーCVD法により基板上に
形成するにあたり、前記原料ガスWF6及びH2のH2/WF6流
量比を10〜100の範囲、及び上記WF6の供給律速反応とな
るWF6流速を0.04〜0.01sccm/Paの条件にて行い低応力の
Ｗ膜を形成するようにしたものである。ここでsccmと
は、Standard Cubic Centimeter per Minuteの略で、０
℃、1atmでの流量（cc/min）を示す単位である。
6及びH2を原料ガスとしてレーザーCVD法により基板上に
形成するにあたり、前記原料ガスWF6及びH2のH2/WF6流
量比を10〜100の範囲、及び上記WF6の供給律速反応とな
るWF6流速を0.04〜0.01sccm/Paの条件にて行い低応力の
Ｗ膜を形成するようにしたものである。ここでsccmと
は、Standard Cubic Centimeter per Minuteの略で、０
℃、1atmでの流量（cc/min）を示す単位である。
（作用） 本発明においては実施例の結果の如く、レーザーCVD
法によって基板上にＷ膜を形成する際、原料ガスH2/WF6
流量比を10〜100の範囲、及びWF6の流速0.04〜0.01sccm
/Paの条件にて行うことにより、Ｗ膜のストレスが急激
に低下し、これによりSiO膜との界面でのはがれ等の発
生を回避する作用を示すものである。
法によって基板上にＷ膜を形成する際、原料ガスH2/WF6
流量比を10〜100の範囲、及びWF6の流速0.04〜0.01sccm
/Paの条件にて行うことにより、Ｗ膜のストレスが急激
に低下し、これによりSiO膜との界面でのはがれ等の発
生を回避する作用を示すものである。
（実 施 例） 以下図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。
第１図は、半導体装置の断面図であって、まず常法の
如く基板１上に素子分離用酸化シリコン膜２を形成した
後、ゲート酸化膜となる酸化シリコン膜３を200Å程度
熱酸化法により形成する。そして更に該酸化シリコン膜
２上にレーザーCVD装置により、Ｗ膜４を所望の厚さま
で形成する。一般的なレーザーCVD装置の概略構成を第
２図に示す。
如く基板１上に素子分離用酸化シリコン膜２を形成した
後、ゲート酸化膜となる酸化シリコン膜３を200Å程度
熱酸化法により形成する。そして更に該酸化シリコン膜
２上にレーザーCVD装置により、Ｗ膜４を所望の厚さま
で形成する。一般的なレーザーCVD装置の概略構成を第
２図に示す。
反応室20の中に設置されたヒーター22上に上述のゲー
ト酸化膜を形成した基板21をのぜ、反応室20を図示しな
い真空装置により10-3Pa程度の真空度とする。次に、ヒ
ーター22により基板21を基板温度Ts400℃程度に加熱
し、ガス導入口23から六フツ化タングステン（WF6）と
水素（H2）をそれぞれ所望の分圧（PWF6及びPH2との例
では夫々4Paと100Pa）となるように導入する。また、こ
のときレーザー光導入部24にＷ膜が形成されないように
アルゴン（Ar）を400cc程度吹きつけておくことが望ま
しい。
ト酸化膜を形成した基板21をのぜ、反応室20を図示しな
い真空装置により10-3Pa程度の真空度とする。次に、ヒ
ーター22により基板21を基板温度Ts400℃程度に加熱
し、ガス導入口23から六フツ化タングステン（WF6）と
水素（H2）をそれぞれ所望の分圧（PWF6及びPH2との例
では夫々4Paと100Pa）となるように導入する。また、こ
のときレーザー光導入部24にＷ膜が形成されないように
アルゴン（Ar）を400cc程度吹きつけておくことが望ま
しい。
この状態で、反応室20の外部に設置したレーザー発展
装置25を動作させ、レーザー光導入窓24を通しレーザー
光26の照射を行う。この場合上述の反応ガスを励起し得
る波長を選択しなければならないが、この実施例におい
てはArFエキシマレーザーの193nmの波長とした。また、
レーザー光はエネルギー150mJでパルス50PPSとした。こ
のレーザー光26の導入により上記反応ガスを励起し、基
板上にＷ膜を3000Å程度の膜厚となるように形成する。
この場合レーザー光の幅は20mm程度であるが、被処理物
であるゲート酸化膜形成基板21の大きさ（通常15cm程
度）に比較して小さいため、基板を移動するかあるいは
回転させることによりＷ膜膜厚の均一化を図ることが望
ましい。
装置25を動作させ、レーザー光導入窓24を通しレーザー
光26の照射を行う。この場合上述の反応ガスを励起し得
る波長を選択しなければならないが、この実施例におい
てはArFエキシマレーザーの193nmの波長とした。また、
レーザー光はエネルギー150mJでパルス50PPSとした。こ
のレーザー光26の導入により上記反応ガスを励起し、基
板上にＷ膜を3000Å程度の膜厚となるように形成する。
この場合レーザー光の幅は20mm程度であるが、被処理物
であるゲート酸化膜形成基板21の大きさ（通常15cm程
度）に比較して小さいため、基板を移動するかあるいは
回転させることによりＷ膜膜厚の均一化を図ることが望
ましい。
このような基板上へのＷ膜の形成時に、上述の反応室
へのWF6流速SWF6（＝WF6流量/WF6分圧）の変化により前
記Ｗ膜形成反応をWF6供給律速の条件として行う事によ
り該Ｗ膜の応力の制御がなし得ることが判明した。
へのWF6流速SWF6（＝WF6流量/WF6分圧）の変化により前
記Ｗ膜形成反応をWF6供給律速の条件として行う事によ
り該Ｗ膜の応力の制御がなし得ることが判明した。
WF6流速とＷ膜形成速度の関係 先づ上記WF6流速の減少によりWF6供給律速でＷ膜形成
反応が起こることを説明すると、上記諸条件下でSWF6が
0.08及び0.01sccm/Paで実施した結果を第３図に示す。
第３図によればいずれの水素分圧においてもSWF60.01sc
cm/Paが0.08sccm/Paの条件に比べＷ膜形成速度が速くな
っている。即ち上記WF6供給がＷ膜形成の律速段階にあ
ると言うことができる。
反応が起こることを説明すると、上記諸条件下でSWF6が
0.08及び0.01sccm/Paで実施した結果を第３図に示す。
第３図によればいずれの水素分圧においてもSWF60.01sc
cm/Paが0.08sccm/Paの条件に比べＷ膜形成速度が速くな
っている。即ち上記WF6供給がＷ膜形成の律速段階にあ
ると言うことができる。
一般には上述のレーザーCVDを行うにあたっては、基
板温度、WF6分圧及びH2分圧、レーザーパワーが一定で
あれば、Ｗ膜形成速度は一定である。しかし、これは導
入される反応ガスが充分に存在する場合に限られるので
あり、反応に関与する必要量が存在しない場合は、当然
Ｗ膜形成速度は遅くなる。この場合に、上記SWF6が0.08
sccm/Paでは反応律速、SWF6が0.01sccm/PaではH2が充分
に供給されているのでWF6の供給律速になっていること
になる。
板温度、WF6分圧及びH2分圧、レーザーパワーが一定で
あれば、Ｗ膜形成速度は一定である。しかし、これは導
入される反応ガスが充分に存在する場合に限られるので
あり、反応に関与する必要量が存在しない場合は、当然
Ｗ膜形成速度は遅くなる。この場合に、上記SWF6が0.08
sccm/Paでは反応律速、SWF6が0.01sccm/PaではH2が充分
に供給されているのでWF6の供給律速になっていること
になる。
WF6流速とＷ膜残留応力の関係 次に第３図に示した条件と同一条件で形成したＷ膜の
残留応力を第４図に示す。同付によればSWF60.08sccm/P
a流速で形成した場合、すなわち上述の反応律速下でＷ
膜形成が行われた場合には、Ｗ膜の残留応力は例えばH2
分圧の変化によらず一定であり約５×109dyne/cm2の高
い値を示していた。この結果、基板界面ではがれやクラ
ックが生じ易くなっていた。これに対して流速SWF600.1
sccm/PaではSWF60.08sccm/Paに比べて急激に応力は低下
ししかもH2分圧が高い程顕著となっていた。
残留応力を第４図に示す。同付によればSWF60.08sccm/P
a流速で形成した場合、すなわち上述の反応律速下でＷ
膜形成が行われた場合には、Ｗ膜の残留応力は例えばH2
分圧の変化によらず一定であり約５×109dyne/cm2の高
い値を示していた。この結果、基板界面ではがれやクラ
ックが生じ易くなっていた。これに対して流速SWF600.1
sccm/PaではSWF60.08sccm/Paに比べて急激に応力は低下
ししかもH2分圧が高い程顕著となっていた。
流速SWF6の特定 次に上述の流速SWF6がどのような範囲において上記Ｗ
膜形成及びその応力のコントロールがなし得るかについ
て検討した。
膜形成及びその応力のコントロールがなし得るかについ
て検討した。
上記の諸条件で、SWF6を種々に変えて実施した結果を
第５図に示す。この図によればこれらが高い値を示すRe
gionIIの領域を除き、SWF60.04sccm/Paを上限としてＷ
膜残留応力がRegionIで急激に低下して好結果を得るこ
とが判る。
第５図に示す。この図によればこれらが高い値を示すRe
gionIIの領域を除き、SWF60.04sccm/Paを上限としてＷ
膜残留応力がRegionIで急激に低下して好結果を得るこ
とが判る。
ただSWF6が0.01sccm/Pa以下ではＷ膜形成が著しく減
少することになる。
少することになる。
H2/WF6流量比とＷ膜残留応力の関係 同様に上記の諸条件下において、上述のH2/WF6の流量
比を種々変化させ実施した。
比を種々変化させ実施した。
第６図にかかるＷ膜残留応力のH2/WF6流量比（Ｋ）に
対する依存性を示す。同図から流速SWF6を例えば0.01sc
cm/Paに固定した場合、上記Ｋが１を超え更に大きくな
るにしたがいＷ膜の引張応力は小さくない、又Ｋが100
以上になると逆に圧縮応力が発生してくることが判明し
た。そしてまた、WF6流速を固定した場合に流量比Ｋを
変化させることによりＷ膜の応力を制御できることも判
明した。
対する依存性を示す。同図から流速SWF6を例えば0.01sc
cm/Paに固定した場合、上記Ｋが１を超え更に大きくな
るにしたがいＷ膜の引張応力は小さくない、又Ｋが100
以上になると逆に圧縮応力が発生してくることが判明し
た。そしてまた、WF6流速を固定した場合に流量比Ｋを
変化させることによりＷ膜の応力を制御できることも判
明した。
上述の如く、レーザーCVD法を用いてWF6,H2を原料ガ
スとしてＷ膜を基板上に形成する場合、該WF6の供給律
速となるようなWF6流速即ち0.04〜0.01sccm/Paにし、そ
して上記H2/WF6流量比を10〜100の範囲で変化させる事
により、低応力のＷ膜を形成する事ができるのである。
これによって基板上での上記SiO2/W界面でのはがれやク
ラックの生じないＷ膜をSiO2膜上に安定に形成できるよ
うになる。
スとしてＷ膜を基板上に形成する場合、該WF6の供給律
速となるようなWF6流速即ち0.04〜0.01sccm/Paにし、そ
して上記H2/WF6流量比を10〜100の範囲で変化させる事
により、低応力のＷ膜を形成する事ができるのである。
これによって基板上での上記SiO2/W界面でのはがれやク
ラックの生じないＷ膜をSiO2膜上に安定に形成できるよ
うになる。
（発明の効果） この発明によれば、レーザーCVD法によりゲート電極
金属であるＷ膜を基板SiO2膜上に形成するにあたって、
WF6流通をWF6供給律速となるような条件にし、かつH2/W
F6流量比を適切な範囲に設定したことにより応力の少な
いＷ膜を形成できるようになり、上記従来のSiO2/W界面
からのはがれやクラックのないＷ膜がSiO2膜上に安定に
形成できる効果がある。
金属であるＷ膜を基板SiO2膜上に形成するにあたって、
WF6流通をWF6供給律速となるような条件にし、かつH2/W
F6流量比を適切な範囲に設定したことにより応力の少な
いＷ膜を形成できるようになり、上記従来のSiO2/W界面
からのはがれやクラックのないＷ膜がSiO2膜上に安定に
形成できる効果がある。
第１図は本発明を説明するための半導体装置断面図、第
２図はレーザーCVD装置構成図、第３図はWF6とＷ膜形成
速度との関係を示す図、第４図はWF6流速と残留応力の
関係図、第５図はWF6流速の変化によるＷ膜形成特性
図、第６図はＷ膜残留応力とH2/WF6流量比の関係図であ
る。 １……基板、２……シリコン酸化膜、４……Ｗ膜、20…
…反応室、21……基板、23……ガス導入孔、26……レー
ザー光。
２図はレーザーCVD装置構成図、第３図はWF6とＷ膜形成
速度との関係を示す図、第４図はWF6流速と残留応力の
関係図、第５図はWF6流速の変化によるＷ膜形成特性
図、第６図はＷ膜残留応力とH2/WF6流量比の関係図であ
る。 １……基板、２……シリコン酸化膜、４……Ｗ膜、20…
…反応室、21……基板、23……ガス導入孔、26……レー
ザー光。
Claims (1)
- 【請求項１】半導体装置のゲート金属であるＷ膜をWF6
及びH2を原料としてレーザーCDV法により基板上に形成
するにあたり、 前記WF6及びH2ガスのH2/WF6流量比を10〜100の範囲と
し、かつ前記WF6の供給律速反応となるWF6流速を単位圧
力あたりの流量が０℃、1atmで0.04〜0.01cc/minの条件
下においてＷ膜を形成することを特徴とするタングステ
ン膜の形成方法。
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