JP3228746B2 - シランを用いないｃｖｄにより窒化チタン上にタングステンを核生成する方法 - Google Patents
シランを用いないｃｖｄにより窒化チタン上にタングステンを核生成する方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は、化学蒸着法によるタングステンの核生成に
関し、詳しくは、半導体ウェーハ上の窒化チタン膜上
に、シランを用いずにタングステンを核生成する方法に
関する。
関し、詳しくは、半導体ウェーハ上の窒化チタン膜上
に、シランを用いずにタングステンを核生成する方法に
関する。
シリコン集積回路の製造では、半導体ウェーハ上で、
バイアを塞ぎ、配線を形成し、パターン化したウェーハ
上に接点を形成する方法を行う必要がある。導電性材
料、通常元素状金属材料で塞ぐか又はそれを充填しなけ
ればならない穴又は溝の大きさは、典型的には、サブミ
クロン範囲、即ち＜10-6mである。これらのバイア及び
接点の穴の大きさが小さく、急な階段状の側面をしてい
るため、スパッタリングのような物理的付着方法は、し
ばしば不完全で非効果的である。
バイアを塞ぎ、配線を形成し、パターン化したウェーハ
上に接点を形成する方法を行う必要がある。導電性材
料、通常元素状金属材料で塞ぐか又はそれを充填しなけ
ればならない穴又は溝の大きさは、典型的には、サブミ
クロン範囲、即ち＜10-6mである。これらのバイア及び
接点の穴の大きさが小さく、急な階段状の側面をしてい
るため、スパッタリングのような物理的付着方法は、し
ばしば不完全で非効果的である。
これらのバイア及び接点の穴を導電性材料で充填し、
接点を形成するための一つの便利で効果的な方法は、単
体タングステン（Ｗ）の化学蒸着（CVD）であることが
判明している。通常六フッ化タングステン（WF6）蒸気
の還元反応を含むこの方法は、バイア及び接点の穴に適
切に一致した膜を与える結果になる。
接点を形成するための一つの便利で効果的な方法は、単
体タングステン（Ｗ）の化学蒸着（CVD）であることが
判明している。通常六フッ化タングステン（WF6）蒸気
の還元反応を含むこの方法は、バイア及び接点の穴に適
切に一致した膜を与える結果になる。
WF6は、基体自身により直接還元されてタングステン
の膜で基体を被覆することができる。これは、基体がWF
6と反応し、それを直接還元するか、又は基体が一価水
素を生ずる場合に起きる。しかし、シリコンの如き基体
を用いた場合、得られる付着タングステンの厚さは限定
されていることが判明している。なぜなら、最初の膜が
ウェーハを被覆する時の反応が実質的に遅いからであ
る。これが起きると、一層の付着はH2又はSiH4の如き別
の還元剤を利用できる場合にしか達成することができな
い。
の膜で基体を被覆することができる。これは、基体がWF
6と反応し、それを直接還元するか、又は基体が一価水
素を生ずる場合に起きる。しかし、シリコンの如き基体
を用いた場合、得られる付着タングステンの厚さは限定
されていることが判明している。なぜなら、最初の膜が
ウェーハを被覆する時の反応が実質的に遅いからであ
る。これが起きると、一層の付着はH2又はSiH4の如き別
の還元剤を利用できる場合にしか達成することができな
い。
典型的なCVDタングステン反応は、WF6ガスのための還
元剤として水素ガス（H2）を使用することを含んでい
る。WF6及びH2ガスは、通常壁冷却反応器の入口領域で
予め混合し、次に被覆すべきウェーハの表面へ送るが、
そのウェーハは上昇させた反応温度、例えば、450℃に
維持する。混合ガスがその温度でウェーハと接触する
と、WF6とH2が反応して元素状タングステン（Ｗ）を生
じ、それが膜としてウェーハ上へ付着し、副生成物ガス
のフッ化水素（HF）は、処理室内のガス流によりウェー
ハ表面から運び去られる。
元剤として水素ガス（H2）を使用することを含んでい
る。WF6及びH2ガスは、通常壁冷却反応器の入口領域で
予め混合し、次に被覆すべきウェーハの表面へ送るが、
そのウェーハは上昇させた反応温度、例えば、450℃に
維持する。混合ガスがその温度でウェーハと接触する
と、WF6とH2が反応して元素状タングステン（Ｗ）を生
じ、それが膜としてウェーハ上へ付着し、副生成物ガス
のフッ化水素（HF）は、処理室内のガス流によりウェー
ハ表面から運び去られる。
しかし、シリコン及び誘電体の如き材料へのタングス
テンの相溶性は非常に悪いことが判明している。タング
ステンは最初ウェーハの珪素（Si）と反応し、最初に珪
化タングステン（WSi）の薄膜を生じ、下のシリコン層
中にピット（pit）を生じ、欠陥になる可能性を持つも
のを与える結果になることが見出されている。しかし、
単体タングステンはその後でWSi膜に付着する。
テンの相溶性は非常に悪いことが判明している。タング
ステンは最初ウェーハの珪素（Si）と反応し、最初に珪
化タングステン（WSi）の薄膜を生じ、下のシリコン層
中にピット（pit）を生じ、欠陥になる可能性を持つも
のを与える結果になることが見出されている。しかし、
単体タングステンはその後でWSi膜に付着する。
誘電体材料へのタングステンの接着性が悪いことも判
明している。誘電体へのタングステンの接着性又は初期
核生成が悪い問題及びＷ−Si反応によるウェーハ表面か
ら珪素が消費される問題を回避するために、シラン（Si
H4）を、少なくともその工程の最初の段階でWF6の還元
のために用いている。その結果、タングステン膜と共に
形成されたWSiは、WF6とSiH4との反応から供給され、従
って、ウェーハからよりもむしろシランからの珪素が使
われている。このWSi膜上に次にＷ層が付着する。
明している。誘電体へのタングステンの接着性又は初期
核生成が悪い問題及びＷ−Si反応によるウェーハ表面か
ら珪素が消費される問題を回避するために、シラン（Si
H4）を、少なくともその工程の最初の段階でWF6の還元
のために用いている。その結果、タングステン膜と共に
形成されたWSiは、WF6とSiH4との反応から供給され、従
って、ウェーハからよりもむしろシランからの珪素が使
われている。このWSi膜上に次にＷ層が付着する。
しかし、シランは危険な物質であり、法律及び規制に
よって許可されている製造設備中にそれが存在すること
は望ましくない。この物質は毒性があり、引火性で爆発
性を用ち、取扱い及び安全に管理するために費用がかか
る。ＷのCVDでSiH4を使用すると珪素をタングステン膜
中に含有させることになり、付着したタングステン膜の
抵抗率を上昇させる結果になる。SiH4も低温で、しばし
ば15℃位の低い温度でWF6と反応し、それによって反応
器内の希望しない場所にタングステンの付着を起こし、
しばしば反応器の清掃を必要とし、それによって反応器
の停止時間を増大し、処理能力を低下することになる。
よって許可されている製造設備中にそれが存在すること
は望ましくない。この物質は毒性があり、引火性で爆発
性を用ち、取扱い及び安全に管理するために費用がかか
る。ＷのCVDでSiH4を使用すると珪素をタングステン膜
中に含有させることになり、付着したタングステン膜の
抵抗率を上昇させる結果になる。SiH4も低温で、しばし
ば15℃位の低い温度でWF6と反応し、それによって反応
器内の希望しない場所にタングステンの付着を起こし、
しばしば反応器の清掃を必要とし、それによって反応器
の停止時間を増大し、処理能力を低下することになる。
別法として、付着促進層を、タングステン付着の前に
シリコン及び誘電体に適用してきた。そのような一つの
層は窒化チタン（TiN）である。反応スパッターしたTi
N、CVDによるTiN、及びRTPで形成したTiNは、誘電体材
料上にタングステンを付着させる効果的な接着層になる
ことが見出されている。それにも拘わらず、H2が還元剤
として用いられた場合、TiN層へのタングステンの付着
を開始する前に、許容出来ない位長いインキュベーショ
ン時間（incubation time,定温放置時間）、時々数分間
の範囲の時間が必要になることが報告されている。WF6
を還元するためにSiH4を用いた場合、TiN膜へのＷの核
生成が促進され、しばしば殆ど瞬間的になる。
シリコン及び誘電体に適用してきた。そのような一つの
層は窒化チタン（TiN）である。反応スパッターしたTi
N、CVDによるTiN、及びRTPで形成したTiNは、誘電体材
料上にタングステンを付着させる効果的な接着層になる
ことが見出されている。それにも拘わらず、H2が還元剤
として用いられた場合、TiN層へのタングステンの付着
を開始する前に、許容出来ない位長いインキュベーショ
ン時間（incubation time,定温放置時間）、時々数分間
の範囲の時間が必要になることが報告されている。WF6
を還元するためにSiH4を用いた場合、TiN膜へのＷの核
生成が促進され、しばしば殆ど瞬間的になる。
TiN自身はWF6ガスを還元して、約580℃より低い温度
では揮発しないフッ化化合物を形成する。WF6還元反応
は典型的には約450℃で行われるので、フッ化化合物が
得られた場合、それはウェーハ表面を汚染し、TiN表面
上でのH2解離を妨げ、それによってＷ形成反応を長くす
る。
では揮発しないフッ化化合物を形成する。WF6還元反応
は典型的には約450℃で行われるので、フッ化化合物が
得られた場合、それはウェーハ表面を汚染し、TiN表面
上でのH2解離を妨げ、それによってＷ形成反応を長くす
る。
更に、半導体装置の製造で、タングステンを核生成す
る一層効果的な方法、特に基体上のTiN膜上に核生成す
る方法が求められている。
る一層効果的な方法、特に基体上のTiN膜上に核生成す
る方法が求められている。
従って、本発明の主たる目的は、シランを用いること
なく、半導体ウェーハ上のTiN層上へのタングステンの
核生成を促進する方法を与えることである。特に、本発
明の目的は、WF6還元のためにH2を用いて半導体ウェー
ハ上のTiN層上でのタングステンの核生成を促進する方
法を与えることである。
なく、半導体ウェーハ上のTiN層上へのタングステンの
核生成を促進する方法を与えることである。特に、本発
明の目的は、WF6還元のためにH2を用いて半導体ウェー
ハ上のTiN層上でのタングステンの核生成を促進する方
法を与えることである。
本発明の更に別な目的は、実質的な時間遅延を起こす
ことなく、Ｗ付着反応を開始するタングステン核生成方
法を与えることである。本発明の更に別な目的は、TiN
に付着されるタングステン膜の品質を損なうことなく、
タングステンCVD法を効率的且つ効果的に開始させるタ
ングステン核生成法を与えることにある。
ことなく、Ｗ付着反応を開始するタングステン核生成方
法を与えることである。本発明の更に別な目的は、TiN
に付着されるタングステン膜の品質を損なうことなく、
タングステンCVD法を効率的且つ効果的に開始させるタ
ングステン核生成法を与えることにある。
本発明の原理によれば、H2をCVD反応器の反応室へ導
入し、好ましくはWF6を導入する前に導入する。本発明
によれば、H2を反応器に導入し、適当な温度及び適当な
圧力で、好ましくは純粋な形であるが、別法としてWF6
との混合物として基体と接触させる。温度及び圧力はH2
の解離を起こすのに充分なものとし、ウェーハ表面で遊
離水素を生じ、その結果還元反応が開始した時、WF6と
反応してタングステンを形成するのに充分な量の水素を
利用できるようにする。TiFXの如き不揮発性フッ化物の
形成は、主にWF6ガスと接触する前に適当な圧力、適当
な温度でのH2解離から得られた解離水素にウェーハ表面
を露出することにより回避される。もしWF6をH2と共に
導入するならば、WF6還元反応に必要な圧力よりも低く
圧力を維持することにより還元反応が起きる前に解離を
促進し、それによってH2とWF6ガスの低温高圧混合物と
ウェーハ表面とが接触しないようにする。その結果、Ti
N表面上でタングステンの核生成が起き、核生成工程と
その後のタングステン蒸着工程とを必要とするのではな
く、唯一つの処理工程でタングステンの付着が進行す
る。
入し、好ましくはWF6を導入する前に導入する。本発明
によれば、H2を反応器に導入し、適当な温度及び適当な
圧力で、好ましくは純粋な形であるが、別法としてWF6
との混合物として基体と接触させる。温度及び圧力はH2
の解離を起こすのに充分なものとし、ウェーハ表面で遊
離水素を生じ、その結果還元反応が開始した時、WF6と
反応してタングステンを形成するのに充分な量の水素を
利用できるようにする。TiFXの如き不揮発性フッ化物の
形成は、主にWF6ガスと接触する前に適当な圧力、適当
な温度でのH2解離から得られた解離水素にウェーハ表面
を露出することにより回避される。もしWF6をH2と共に
導入するならば、WF6還元反応に必要な圧力よりも低く
圧力を維持することにより還元反応が起きる前に解離を
促進し、それによってH2とWF6ガスの低温高圧混合物と
ウェーハ表面とが接触しないようにする。その結果、Ti
N表面上でタングステンの核生成が起き、核生成工程と
その後のタングステン蒸着工程とを必要とするのではな
く、唯一つの処理工程でタングステンの付着が進行す
る。
本発明の好ましい態様として、H2を約7.8kN/m2（60ト
ール）の圧力で反応器中へ導入し、次にH2及び基体の温
度を処理温度、好ましくは約450℃に持って行く。一般
に、高い圧力を用いることにより温度を低下することが
でき、例えば、415℃では11.7kN/m2（90トール）、約39
0℃で26kN/m2（200トール）である。それらの範囲は反
応器毎に異なり、特に質量流量特性及び温度変化特性が
異なる場合にはそうである。温度及び圧力が安定したな
らば、WF6を導入し、Ｗの蒸着を開始する。
ール）の圧力で反応器中へ導入し、次にH2及び基体の温
度を処理温度、好ましくは約450℃に持って行く。一般
に、高い圧力を用いることにより温度を低下することが
でき、例えば、415℃では11.7kN/m2（90トール）、約39
0℃で26kN/m2（200トール）である。それらの範囲は反
応器毎に異なり、特に質量流量特性及び温度変化特性が
異なる場合にはそうである。温度及び圧力が安定したな
らば、WF6を導入し、Ｗの蒸着を開始する。
別法として、WF6と混合したH2を、最初、還元反応圧
力より低い圧力で、例えば約0.4kN/m2（３トール）より
低く、好ましくは約13N/m2（100ミリトール）の圧力で
反応器中へ導入し、温度を約450℃へ上昇させる。次に
温度が安定化した時、圧力を約7.8kN/m2（60トール）へ
上昇させる。それにより蒸着が開始される。
力より低い圧力で、例えば約0.4kN/m2（３トール）より
低く、好ましくは約13N/m2（100ミリトール）の圧力で
反応器中へ導入し、温度を約450℃へ上昇させる。次に
温度が安定化した時、圧力を約7.8kN/m2（60トール）へ
上昇させる。それにより蒸着が開始される。
本発明の方法は、WF6が利用でき、還元される状態に
なった時、又はその時より前に、H2を解離条件下で基体
表面へ持っていく。その結果、タングステンの基体への
付着を遅延させるような、基体からの物質との不揮発性
フッ化物は形成されない。
なった時、又はその時より前に、H2を解離条件下で基体
表面へ持っていく。その結果、タングステンの基体への
付着を遅延させるような、基体からの物質との不揮発性
フッ化物は形成されない。
この方法は、タングステンCVDでは典型的に用いられ
る条件である130N/m2（１トール）より高い圧力及び400
〜650℃の範囲の温度で行われるのが好ましい。
る条件である130N/m2（１トール）より高い圧力及び400
〜650℃の範囲の温度で行われるのが好ましい。
本発明は、CVD法からシランを除く利点を与え、タン
グステンCVD法の処理能力を向上し、特にブランケット
Ｗ蒸着のための方法での処理能力を向上し、タングステ
ンCVD法を一層経済的なものにする。
グステンCVD法の処理能力を向上し、特にブランケット
Ｗ蒸着のための方法での処理能力を向上し、タングステ
ンCVD法を一層経済的なものにする。
本発明は、反応スパッターによるTiN、CVDによるTi
N、RTPにより形成したTiN及び他の同様な基体、特に基
体表面へのＷ付着を妨げるか、又はWF6を容易には還元
しないフッ化物の如き不揮発性物質を形成する基体の上
へのタングステンCVDを改良する。本方法は、シリコ
ン、スパッターしたTiW、及び窒化珪素上のTiと同様、C
VDによるTiN、反応スパッターによるTiN及びRTPにより
形成したTiNのような基体に対し効果的である。
N、RTPにより形成したTiN及び他の同様な基体、特に基
体表面へのＷ付着を妨げるか、又はWF6を容易には還元
しないフッ化物の如き不揮発性物質を形成する基体の上
へのタングステンCVDを改良する。本方法は、シリコ
ン、スパッターしたTiW、及び窒化珪素上のTiと同様、C
VDによるTiN、反応スパッターによるTiN及びRTPにより
形成したTiNのような基体に対し効果的である。
本発明により、例えば、TiN層上に、WF6還元剤として
H2だけを用いて、約10秒で、還元用ガスへの過度の露出
による基体の損傷を起こすことなく、核生成を達成する
ことができる。タングステン核生成及び続くタングステ
ンの蒸着は、別々の核生成工程及び蒸着工程を用いた二
段階法とは異なって、一段階で達成することができる。
H2だけを用いて、約10秒で、還元用ガスへの過度の露出
による基体の損傷を起こすことなく、核生成を達成する
ことができる。タングステン核生成及び続くタングステ
ンの蒸着は、別々の核生成工程及び蒸着工程を用いた二
段階法とは異なって、一段階で達成することができる。
更に、本発明のタングステン核生成法は、TiNを第一
工程で付着し、次に真空から取り出し第二処理器へ移
し、その移動の間TiN被覆ウェーハが酸素含有雰囲気に
露出され、次に本発明の核生成工程が用いられているタ
ングステン被覆工程にかけるような順序で用いられる場
合に有利である。本発明の方法は、TiN処理とＷ被覆工
程の両方が、多室集合装置（multichamber cluster too
l）の場合のように真空を解放することなく連続的に行
う場合にも効果的である。
工程で付着し、次に真空から取り出し第二処理器へ移
し、その移動の間TiN被覆ウェーハが酸素含有雰囲気に
露出され、次に本発明の核生成工程が用いられているタ
ングステン被覆工程にかけるような順序で用いられる場
合に有利である。本発明の方法は、TiN処理とＷ被覆工
程の両方が、多室集合装置（multichamber cluster too
l）の場合のように真空を解放することなく連続的に行
う場合にも効果的である。
本発明の上述した目的及び他の目的及び利点は、図面
についての次の詳細な記述から一層容易に明らかになる
であろう。
についての次の詳細な記述から一層容易に明らかになる
であろう。
第１図は、本発明の方法を行うことができるCVD反応
器を例示する図面である。
器を例示する図面である。
第２図は、本発明の好ましい一つの態様の温度及び圧
力のプロセスウィンド（process window）を例示するグ
ラフである。
力のプロセスウィンド（process window）を例示するグ
ラフである。
第３図は、本発明により得られた核生成時間と、別の
方法により得られたものとの比較を示すグラフである。
方法により得られたものとの比較を示すグラフである。
第４図は、被覆と基体との異なった組合せに対して適
用された本発明により得られた核生成時間を比較するグ
ラフである。
用された本発明により得られた核生成時間を比較するグ
ラフである。
本発明のタングステン核生成法は、当業者がWF6還元
法を用いて半導体ウェーハ上にタングステン膜を適用す
るために選択できる多数のCVD反応器のどれで行なって
もよく、それらは壁冷却型CVD反応器、壁高温型CVD反応
器、及び回転円盤型CVD反応器が含まれる。本発明が特
に成功を収めている回転円盤型反応器は、「タングステ
ンCVDに有用な回転サセプタ半導体ウェーハ処理用集合
モジュール装置」（ROTATING SUSCEPTOR SEMICONDUCTOR
WAFER PROCESSING CLUSTER TOOL MODULE USEFUL FOR T
UNGSTEN CVD）と題する係属中の国際特許出願WO 93/25
723に記載されている。本発明が特に成功を収めている
別の固定サセプタ壁冷却型反応器は、第１図に概略的に
例示されており、下で説明する。
法を用いて半導体ウェーハ上にタングステン膜を適用す
るために選択できる多数のCVD反応器のどれで行なって
もよく、それらは壁冷却型CVD反応器、壁高温型CVD反応
器、及び回転円盤型CVD反応器が含まれる。本発明が特
に成功を収めている回転円盤型反応器は、「タングステ
ンCVDに有用な回転サセプタ半導体ウェーハ処理用集合
モジュール装置」（ROTATING SUSCEPTOR SEMICONDUCTOR
WAFER PROCESSING CLUSTER TOOL MODULE USEFUL FOR T
UNGSTEN CVD）と題する係属中の国際特許出願WO 93/25
723に記載されている。本発明が特に成功を収めている
別の固定サセプタ壁冷却型反応器は、第１図に概略的に
例示されており、下で説明する。
第１図に関し、壁冷却型CVD反応器10が例示されてい
る。反応器10は反応容器12を有し、その中に金属反応器
壁16内に含まれている反応室14が定められており、その
反応器壁16は、その中の冷却水循環口18及び20により反
応に至らない温度（subreaction temperature）に維持
されている。本発明の方法は、シラン（SiH4）を使用す
ることなくタングステンCVDを行うための方法に関し、
従って、壁を反応に至らない温度に維持するが、その温
度は典型的には室温、例えば、20℃でよい。
る。反応器10は反応容器12を有し、その中に金属反応器
壁16内に含まれている反応室14が定められており、その
反応器壁16は、その中の冷却水循環口18及び20により反
応に至らない温度（subreaction temperature）に維持
されている。本発明の方法は、シラン（SiH4）を使用す
ることなくタングステンCVDを行うための方法に関し、
従って、壁を反応に至らない温度に維持するが、その温
度は典型的には室温、例えば、20℃でよい。
反応容器12内の室14は、室の上方壁を形成する石英窓
22によって頂部が密封されている。窓22は、Ｏ−リング
24として例示されている密封材で、例えば、1.3×10-3N
/m2（10-5トール）の真空度へ室14をポンプで引き、排
気するのに効果的な密封材で壁16の上方縁に対し密封さ
れている。反応器10及び反応器部品は、一般に垂直軸26
の上に配列されており、その軸の上に半導体ウェーハ28
がセラミックピン30、例えば、４個のピンにより窓22の
下側へ向いた面に対して処理のために保持されている。
窓22の背後、即ち上に、輻射ヒーター32の石英ランプが
配置されており、それはウェーハ28を加熱してCVD処理
のための上昇させた反応温度へ加熱する働きをする。ウ
ェーハ28の温度は、ウェーハ28の後側と熱的に接触する
ように窓22を通って伸びている熱電対34により検出して
温度制御されている。
22によって頂部が密封されている。窓22は、Ｏ−リング
24として例示されている密封材で、例えば、1.3×10-3N
/m2（10-5トール）の真空度へ室14をポンプで引き、排
気するのに効果的な密封材で壁16の上方縁に対し密封さ
れている。反応器10及び反応器部品は、一般に垂直軸26
の上に配列されており、その軸の上に半導体ウェーハ28
がセラミックピン30、例えば、４個のピンにより窓22の
下側へ向いた面に対して処理のために保持されている。
窓22の背後、即ち上に、輻射ヒーター32の石英ランプが
配置されており、それはウェーハ28を加熱してCVD処理
のための上昇させた反応温度へ加熱する働きをする。ウ
ェーハ28の温度は、ウェーハ28の後側と熱的に接触する
ように窓22を通って伸びている熱電対34により検出して
温度制御されている。
容器12の中心部の所の壁16の底には、RF電極36があっ
て、室14内でプラズマCVD処理或は室清浄化のために用
いることができる。電極36の上には複数のガス噴射管40
が配置されており、各々に複数の下向きの穴42が開いて
いる。穴42から処理ガスが室14中に噴射される。管中の
穴42は、処理中ウェーハ28の表面を横切って全体的に均
一なガスの流れを与えるように配置及び分布されてお
り、最初、電極36の方へ下向きに流し、次にウェーハ28
の表面の方へ上昇し、その表面に沿って径方向に外側へ
流れ、壁16の側面を廻って排出口リング44の方へ流れ
る。
て、室14内でプラズマCVD処理或は室清浄化のために用
いることができる。電極36の上には複数のガス噴射管40
が配置されており、各々に複数の下向きの穴42が開いて
いる。穴42から処理ガスが室14中に噴射される。管中の
穴42は、処理中ウェーハ28の表面を横切って全体的に均
一なガスの流れを与えるように配置及び分布されてお
り、最初、電極36の方へ下向きに流し、次にウェーハ28
の表面の方へ上昇し、その表面に沿って径方向に外側へ
流れ、壁16の側面を廻って排出口リング44の方へ流れ
る。
反応器10でCVD処理を行う準備として、ウェーハ28を
室14中に挿入し、ピン30によって窓22に対し、処理すべ
きその表面を室14中へ下向きに向けて保持する。この表
面はTiN膜で被覆されているのが好ましく、その上にタ
ングステン層を室14中で付着させる。次に室14をポンプ
で引き、最初のガスを排気し、膜の付着を行う前にウェ
ーハの予熱又は脱気を行う。
室14中に挿入し、ピン30によって窓22に対し、処理すべ
きその表面を室14中へ下向きに向けて保持する。この表
面はTiN膜で被覆されているのが好ましく、その上にタ
ングステン層を室14中で付着させる。次に室14をポンプ
で引き、最初のガスを排気し、膜の付着を行う前にウェ
ーハの予熱又は脱気を行う。
本発明の方法の好ましい態様として、水素ガス（H2）
を先ず導入管40を通って注入し、ウェーハ28の表面に向
かって流し、解離可能なH2の充分な供給を行い、CVD反
応を開始する前にWF6ガスとの反応及びそのフッ素との
結合を行わせるのに利用できるようにする。このH2注入
中の室内の圧力は、約60トールであるのが好ましい。次
にウェーハ28の温度を、ヒーター32のランプを操作する
ことにより、例えば450℃の反応温度へ持っていく。こ
の時のWF6を、管40を通って室14中に注入するためにポ
ンプ（図示されていない）へ送り、ウェーハ28及びウェ
ーハ28と接触して流れるH2ガスの温度は、制御された45
0℃の温度で安定化させる。これによってウェーハを、H
2の解離に充分な温度へ持っていくのみならず、一度びW
F6が導入されたならば、WF6還元反応を促進する条件へ
持っていく。
を先ず導入管40を通って注入し、ウェーハ28の表面に向
かって流し、解離可能なH2の充分な供給を行い、CVD反
応を開始する前にWF6ガスとの反応及びそのフッ素との
結合を行わせるのに利用できるようにする。このH2注入
中の室内の圧力は、約60トールであるのが好ましい。次
にウェーハ28の温度を、ヒーター32のランプを操作する
ことにより、例えば450℃の反応温度へ持っていく。こ
の時のWF6を、管40を通って室14中に注入するためにポ
ンプ（図示されていない）へ送り、ウェーハ28及びウェ
ーハ28と接触して流れるH2ガスの温度は、制御された45
0℃の温度で安定化させる。これによってウェーハを、H
2の解離に充分な温度へ持っていくのみならず、一度びW
F6が導入されたならば、WF6還元反応を促進する条件へ
持っていく。
次にWF6ガスを管40を通って室14中に、WF6と予め定め
られた比率で混合したH2還元ガスの連続的供給と共に注
入し、ウェーハ28の表面に向かって流す。その結果、ウ
ェーハの表面上での核生成が約10秒間で開始し、TiN膜
へのタングステンの良好な核生成が行われることが判明
している。TiN膜上でのタングステンの効果的な核生成
は、この態様の核生成方法により室圧力及び反応温度が
第２図の陰を付けた領域によって示されたプロセスウイ
ンド内に入った時に起きる。
られた比率で混合したH2還元ガスの連続的供給と共に注
入し、ウェーハ28の表面に向かって流す。その結果、ウ
ェーハの表面上での核生成が約10秒間で開始し、TiN膜
へのタングステンの良好な核生成が行われることが判明
している。TiN膜上でのタングステンの効果的な核生成
は、この態様の核生成方法により室圧力及び反応温度が
第２図の陰を付けた領域によって示されたプロセスウイ
ンド内に入った時に起きる。
本発明の第二の態様として、ウェーハ28を窓22の上に
配置し、室14を排気した後、H2とWF6ガスとの混合物を
管40を通って室14中に注入してウェーハ28の表面を横切
って流れるようにしながら、最初室圧力を約13N/m2（10
0ミリトール）にして、ウェーハ28の温度を約500℃に持
っていく。次に、ウェーハ28の温度及びウェーハ28と接
触しているガスを反応温度、500℃で安定化させなが
ら、圧力を7.8kN/m2（60トール）へ上昇させる。H2とWF
6の混合物は、反応からの全てのフッ素ガスが解離水素
と確実に化合するように充分H2で富むようにする。その
時反応は約10秒で核生成を起こして進行し、TiN膜上へ
のＷのCVDが続いて行われる。
配置し、室14を排気した後、H2とWF6ガスとの混合物を
管40を通って室14中に注入してウェーハ28の表面を横切
って流れるようにしながら、最初室圧力を約13N/m2（10
0ミリトール）にして、ウェーハ28の温度を約500℃に持
っていく。次に、ウェーハ28の温度及びウェーハ28と接
触しているガスを反応温度、500℃で安定化させなが
ら、圧力を7.8kN/m2（60トール）へ上昇させる。H2とWF
6の混合物は、反応からの全てのフッ素ガスが解離水素
と確実に化合するように充分H2で富むようにする。その
時反応は約10秒で核生成を起こして進行し、TiN膜上へ
のＷのCVDが続いて行われる。
上記好ましい態様の中で、好ましい反応温度は400〜4
70℃の範囲にあり、圧力は第２図に示した最低よりも高
いのが好ましく、例えば、上で言及した7.8kN/m2（60ト
ール）にする。
70℃の範囲にあり、圧力は第２図に示した最低よりも高
いのが好ましく、例えば、上で言及した7.8kN/m2（60ト
ール）にする。
室14中へH2及びWF6ガスを注入する際、WF6ガスは、第
２図のグラフで例示したウインドに近い高い温度及び圧
力又はどのような温度と圧力との組合せでも、H2の注入
前に室14中に入れないようにすべきである。更に、H2と
WF6ガスとの混合物は、温度が低い間、即ち、温度が第
２図のウインドに示した値以外の所にある時に、高い又
は反応圧力でウェーハ28と接触するように室14中へ入れ
るべきではない。そのような条件は、核生成過程を妨害
するウェーハ表面に隣接したTiFX化合物の形成に都合の
よいものになる。
２図のグラフで例示したウインドに近い高い温度及び圧
力又はどのような温度と圧力との組合せでも、H2の注入
前に室14中に入れないようにすべきである。更に、H2と
WF6ガスとの混合物は、温度が低い間、即ち、温度が第
２図のウインドに示した値以外の所にある時に、高い又
は反応圧力でウェーハ28と接触するように室14中へ入れ
るべきではない。そのような条件は、核生成過程を妨害
するウェーハ表面に隣接したTiFX化合物の形成に都合の
よいものになる。
本発明の原理とは異なった方法で得られた核生成のよ
くない結果の例として、WF6を、先ずH2還元ガスをポン
プに送りながら、7.8kN/m2（60トール）の圧力で管40を
通って反応室14中へ注入する。WF6をウェーハ28の表面
に接触させた後、ウェーハ28の温度を、例えば、500℃
の反応温度へ持っていき、そこで安定化させ、反応を開
始させる。得られた核生成の結果が悪いと、TiNの色が
変化してTiNFX化合物がTiN表面上に形成されたことを示
し、付着したタングステン膜の端がスクラッチ及びテー
プ試験で試験すると剥がれる。
くない結果の例として、WF6を、先ずH2還元ガスをポン
プに送りながら、7.8kN/m2（60トール）の圧力で管40を
通って反応室14中へ注入する。WF6をウェーハ28の表面
に接触させた後、ウェーハ28の温度を、例えば、500℃
の反応温度へ持っていき、そこで安定化させ、反応を開
始させる。得られた核生成の結果が悪いと、TiNの色が
変化してTiNFX化合物がTiN表面上に形成されたことを示
し、付着したタングステン膜の端がスクラッチ及びテー
プ試験で試験すると剥がれる。
同様な不満足な結果は、温度を500℃に持って行きな
がら、7.8kN/m2（60トール）の圧力でH2とWF6との混合
物を室14中へ最初に注入することによっても得られてい
る。この水準で安定化した温度及び圧力で、付着反応が
進行してもTiN色の変化が起き、タングステン膜の縁が
剥がれ、核生成は悪い。同じ悪い結果は、ウェーハ28の
温度を、H2とWF6との混合物を7.8kN/m2（60トール）で
注入した後まで上昇させない場合にも起きる。
がら、7.8kN/m2（60トール）の圧力でH2とWF6との混合
物を室14中へ最初に注入することによっても得られてい
る。この水準で安定化した温度及び圧力で、付着反応が
進行してもTiN色の変化が起き、タングステン膜の縁が
剥がれ、核生成は悪い。同じ悪い結果は、ウェーハ28の
温度を、H2とWF6との混合物を7.8kN/m2（60トール）で
注入した後まで上昇させない場合にも起きる。
上記本発明の方法の態様では、インキュベーション時
間、即ちガスを導入してからTiN上にタングステンの核
生成が始まるまでの遅延時間の比較は、第３図に例示し
たように、従来法を記載した文献に記録されている時間
と比較されている。第４図は、CVDによるTiN及びRISに
よるTiN上へのタングステンの付着について本発明を使
用した場合と、核生成することがこれまで知られている
基体：スパッターしたTiW基体、シリコン基体、及びチ
タン被覆SiNX基体上へのタングステン付着とのそのよう
な比較を示している。第３図の試験は、インキュベーシ
ョン時間を示し、本発明では0.16分、ラナ（Rana）その
他による「タングステンのブランケット蒸着のための接
着層としてのTiN及びAlの薄層」（Thin Layers of TiN
and Al as Glue Layers for Blanket Tungsten Deposit
ion）、Tungsten and Other Refractory Metals for VL
SI Applications II、（Materials Research Society,1
987）第187頁〜第195頁；イワサキ（Iwasaki）その他に
よる、「平面状配線のためのTiN上でのWF6のH2還元によ
り形成されたブランケットCVD−Ｗ」（Blanket CVD−W
Formed by H2 Reduction of WF6 on TIN for Planar In
terconnection）、Tungsten and OtherRefractory Meta
ls for VLSI Applications V、（Materials Research S
ociety）、Mat.Res.Soc.Symp.Proc.VLSI V,1990、第187
頁〜第193頁；及びスミス（Smith）による「CVDタング
ステンのためのCVD窒化チタン核生成層」（CVD Titaniu
m Nitride Nucleation Layer for CVD Tungsten）、Tun
gsten and Other Refractory Metals for VLSI Applica
tions in 1990、（Materials Research Society,VSLI V
I）、Conference Proceedings,1991、第267頁〜第273
頁；に記載された方法についてはインキュベーション
（incubation,温置）時間は、夫々約10分、７分、及び
５分以上であった。第４図の試験結果は本発明によるCV
DによるTiN上へのＷでは9.1秒であり、RISによるTiN上
へのＷでは10.6秒であり、それはSi上へのＷの10.7秒、
TiW上へのＷの9.9秒、及びチタン被覆SiNX上へのTiの9.
7秒に匹敵する。
間、即ちガスを導入してからTiN上にタングステンの核
生成が始まるまでの遅延時間の比較は、第３図に例示し
たように、従来法を記載した文献に記録されている時間
と比較されている。第４図は、CVDによるTiN及びRISに
よるTiN上へのタングステンの付着について本発明を使
用した場合と、核生成することがこれまで知られている
基体：スパッターしたTiW基体、シリコン基体、及びチ
タン被覆SiNX基体上へのタングステン付着とのそのよう
な比較を示している。第３図の試験は、インキュベーシ
ョン時間を示し、本発明では0.16分、ラナ（Rana）その
他による「タングステンのブランケット蒸着のための接
着層としてのTiN及びAlの薄層」（Thin Layers of TiN
and Al as Glue Layers for Blanket Tungsten Deposit
ion）、Tungsten and Other Refractory Metals for VL
SI Applications II、（Materials Research Society,1
987）第187頁〜第195頁；イワサキ（Iwasaki）その他に
よる、「平面状配線のためのTiN上でのWF6のH2還元によ
り形成されたブランケットCVD−Ｗ」（Blanket CVD−W
Formed by H2 Reduction of WF6 on TIN for Planar In
terconnection）、Tungsten and OtherRefractory Meta
ls for VLSI Applications V、（Materials Research S
ociety）、Mat.Res.Soc.Symp.Proc.VLSI V,1990、第187
頁〜第193頁；及びスミス（Smith）による「CVDタング
ステンのためのCVD窒化チタン核生成層」（CVD Titaniu
m Nitride Nucleation Layer for CVD Tungsten）、Tun
gsten and Other Refractory Metals for VLSI Applica
tions in 1990、（Materials Research Society,VSLI V
I）、Conference Proceedings,1991、第267頁〜第273
頁；に記載された方法についてはインキュベーション
（incubation,温置）時間は、夫々約10分、７分、及び
５分以上であった。第４図の試験結果は本発明によるCV
DによるTiN上へのＷでは9.1秒であり、RISによるTiN上
へのＷでは10.6秒であり、それはSi上へのＷの10.7秒、
TiW上へのＷの9.9秒、及びチタン被覆SiNX上へのTiの9.
7秒に匹敵する。
上記本発明の態様によりTiN上へ１μｍの厚さで付着
したタングステン膜では、ウェーハの表面を横切って７
〜９μΩ/cmの範囲の抵抗率が得られた。１μｍ×１μ
ｍのSEM断面の特徴（features,形）は、１μｍ×６μｍ
のSEM断面の特徴と同様に、100％のステップカバレッジ
（100％ step coverage,特徴の完全な充填）を生じてい
た。
したタングステン膜では、ウェーハの表面を横切って７
〜９μΩ/cmの範囲の抵抗率が得られた。１μｍ×１μ
ｍのSEM断面の特徴（features,形）は、１μｍ×６μｍ
のSEM断面の特徴と同様に、100％のステップカバレッジ
（100％ step coverage,特徴の完全な充填）を生じてい
た。
本発明とは異なった、不揮発性TiFX化合物の形成に都
合のよい条件下でWF6を注入した上記方法では、オージ
ェ深さ試験（Auger depth tests）は核生成が悪い結果
になり、表面層中のタングステンの原子％は25％未満で
あり、チタンの原子％は50％より多かった。
合のよい条件下でWF6を注入した上記方法では、オージ
ェ深さ試験（Auger depth tests）は核生成が悪い結果
になり、表面層中のタングステンの原子％は25％未満で
あり、チタンの原子％は50％より多かった。
これに対し、本発明の方法では、TiN上へのタングス
テンについてのオージェ深さプロファイルは、膜の95％
を超える主要部分が極めて僅かな不純物しかないタング
ステンから形成されていることを示しており、表面層中
のチタンの原子％は１％以下であり、Ｗ膜及びTiN膜層
中のフッ素の量は些細なものであった。
テンについてのオージェ深さプロファイルは、膜の95％
を超える主要部分が極めて僅かな不純物しかないタング
ステンから形成されていることを示しており、表面層中
のチタンの原子％は１％以下であり、Ｗ膜及びTiN膜層
中のフッ素の量は些細なものであった。
更に、本発明の一態様として、上に記載したタングス
テン核生成法を、上で言及した同じ譲受け人に譲渡され
ている特許出願に開示された型のCVD集合モジュール装
置で用い、この場合TiN膜を蒸着し、次に装置の真空を
解放することなく、或はTiN被覆ウェーハを大気に曝す
ことなく、TiN膜上に本発明の方法によりタングステン
被覆を適用し、核生成した。そのような方法では、ウェ
ーハは集合装置の一つのモジュール中でTiN膜で被覆さ
れるのが好ましく、次に、不活性低圧雰囲気を内部に維
持した移動モジュールを通って第二CVDモジュールへ移
し、そこで上記本発明の核生成工程及びタングステン蒸
着工程を行う。
テン核生成法を、上で言及した同じ譲受け人に譲渡され
ている特許出願に開示された型のCVD集合モジュール装
置で用い、この場合TiN膜を蒸着し、次に装置の真空を
解放することなく、或はTiN被覆ウェーハを大気に曝す
ことなく、TiN膜上に本発明の方法によりタングステン
被覆を適用し、核生成した。そのような方法では、ウェ
ーハは集合装置の一つのモジュール中でTiN膜で被覆さ
れるのが好ましく、次に、不活性低圧雰囲気を内部に維
持した移動モジュールを通って第二CVDモジュールへ移
し、そこで上記本発明の核生成工程及びタングステン蒸
着工程を行う。
上で述べたことから、記載した態様の種々の変更を、
本発明の原理から離れることなく用いることができるこ
とは、当業者には明らかであろう。
本発明の原理から離れることなく用いることができるこ
とは、当業者には明らかであろう。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C23C 16/00 - 16/56 H01L 21/285 ＩＮＳＰＥＣ（ＤＩＡＬＯＧ)
Claims (15)
- 【請求項１】シランを用いることなく、真空室中でWF6
を還元し、単体タングステンを基体上に付着させること
により行うタングステンCVD法でタングステンを核生成
する方法において、水素とWF6とのガス混合物を前記室
中に注入し、前記室を反応に至らない圧力に維持し、然
も、前記反応に至らない圧力は、前記基体の温度でWF6
還元反応のための最低圧力より低く、次に前記室の圧力
を少なくとも最低のWF6還元反応圧力まで上昇させ、然
も、前記反応に至らない圧力から圧力を上昇させる前
に、前記基体の温度を少なくとも水素解離を起こす温度
に維持する、諸工程からなるタングステン核生成法。 - 【請求項２】維持された温度が400℃より高い、請求項
１に記載の方法。 - 【請求項３】最低のWF6還元反応圧力が0.4kN/m2（３ト
ール）より高い、請求項１又は２に記載の方法。 - 【請求項４】最低のWF6還元反応圧力が6.7kN/m2（50ト
ール）より高い、請求項１〜３のいずれか１項に記載の
方法。 - 【請求項５】シランを用いることなく、真空室中でWF6
を還元し、金属を基体上に付着させることにより行うCV
D法でタングステンを核生成する方法において、水素含
有ガスを前記室中に注入し、WF6含有ガスを、前記室中
への水素の導入と共に又はその後で前記室中に注入し、
前記室中のガス圧力を、WF6還元反応のための最低圧力
より低い反応に至らない圧力から6.7kN/m2（50トール）
より高いWF6還元反応圧力へ上昇させ、そしてWF6ガスが
最低反応圧力で前記室内に存在する前に、前記基体の温
度を少なくとも最低のWF6還元反応温度へ上昇させる、
諸工程からなるタングステン核生成法。 - 【請求項６】基体温度を反応温度へ上昇する前に、反応
室中のWF6ガスを130N/m2（１トール）以下の圧力に維持
する、請求項５に記載の方法。 - 【請求項７】水素を室中に注入し、前記室を、基体の所
で水素解離反応を生じさせるのに充分な圧力及び温度へ
持っていき、然る後、WF6を室中へ導入する、請求項５
又は６に記載の方法。 - 【請求項８】水素を室中に注入し、WF6還元反応の圧力
及び温度へ持っていき、然る後、WF6を室中へ導入す
る、請求項７に記載の方法。 - 【請求項９】最低のWF6還元反応温度が約400℃より高
い、請求項５〜８のいずれか１項に記載の方法。 - 【請求項１０】反応に至らない圧力が0.13kN/m2（１ト
ール）より低い、請求項１〜９のいずれか１項に記載の
方法。 - 【請求項１１】基体がその上にTiNから形成した表面膜
を有する、請求項１〜10のいずれか１項に記載の方法。 - 【請求項１２】基体が、CVD TiN、反応スパッターした
TiN、又は高速熱的方法により形成したTiNからなる群か
ら選択した材料から形成した表面を有する、請求項１〜
11のいずれか１項に記載の方法。 - 【請求項１３】ウェーハ処理装置の第一真空処理室でウ
ェーハ上にTiN膜を付着し、前記TiN膜を上に有するウェ
ーハを、前記ウェーハ処理装置の第二真空処理室へ移
し、そして前記第二真空処理室内で、ガス注入工程及び
圧力上昇工程をウェーハに対し行う、予備工程を更に行
う、請求項１〜12のいずれか１項に記載の方法。 - 【請求項１４】第一及び第二室が、それらの間に、真空
圧力水準に維持された不活性ガスの入ったウェーハ移動
路を有する同じウェーハ処理装置内で接続されており、
ウェーハを移動する工程を、前記ウェーハを外部環境に
露出することなく、前記第一室から第二室への間前記ウ
ェーハを真空圧力水準で不活性ガス中に維持しながら行
う、請求項13に記載の方法。 - 【請求項１５】H2及びWF6ガスを導入する前から、ウェ
ーハへのタングステン付着工程が完了した後まで、前記
ウェーハを横切る界面層を薄くし、前記ガスとウェーハ
との間の物質移動を促進するのに充分な速度で前記ウェ
ーハをその中心の廻りに回転させる、請求項１〜14のい
ずれか１項に記載の方法。
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|---|---|---|---|
| US898,565 | 1992-06-15 | ||
| US07/898,565 US5342652A (en) | 1992-06-15 | 1992-06-15 | Method of nucleating tungsten on titanium nitride by CVD without silane |
| PCT/US1993/005633 WO1993025721A1 (en) | 1992-06-15 | 1993-06-11 | Method of nucleating tungsten on titanium nitride by cvd without silane |
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|---|---|
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|---|---|
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| TW (1) | TW236033B (ja) |
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