JP3580159B2 - Method of forming tungsten film - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、比抵抗を改善することが可能なタングステン膜の成膜方法に関する。
【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ホールを埋め込むために、または、これらの両者を同時に行なうために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)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。
【0003】
この種の金属薄膜の形成方法には、3つの方式、例えばH (水素)還元法、SiH (シラン)還元法、SiH Cl (ジクロルシラン)還元法などが知られており、SiH Cl 還元法は配線パターンを形成するために例えば還元ガスとしてジクロルシランを用いて600℃程度の高温下にてWやWSi(タングステンシリサイド)膜を形成する方法であり、SiH 還元法は、同じく配線パターンを形成するために、例えば還元ガスとしてシランを用いて先程よりも低い350℃程度の低温下にてWやWSi膜を形成する方法である。
【0004】
また、H 還元法は、主として配線間のホールのようなウエハ表面上の穴埋めのために、例えば還元ガスとして水素を用いて400〜460℃程度の温度下でW膜を堆積させる方法である。
上記の場合、いずれも例えばWF(六フッ化タングステン)が使用される。 ここで、従来のタングステン膜の成膜方法について説明すると、先ず、タングステン膜の成膜に先立って、半導体ウエハの表面にバリヤメタルとして例えばTi/TiN膜を薄く形成しておく。次に、成膜ガスとしてWF 、SiH 、H 、Ar、N 等を成膜チャンバ内に導入して、上記バリヤメタルの表面にタングステンの核結晶を付着し、形成させる。
【0005】
次に、成膜チャンバ内を一旦ベース圧まで真空引きして残留ガスを排除した後に、Ar、H 、N ガスをチャンバ内へ供給してプロセス圧まで短時間で昇圧し、そして、更に、WF ガスを所定の流量で供給し、WF ガスをSiH ガスを用いないでH ガスにより水素還元してタングステン膜を成膜し、例えばホールの埋め込みと配線層の形成とを同時に行なう。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体集積回路の多層化、更なる高微細化及び高集積化の要請により、これに従って、線幅やホール径も更に微細化することが要求されている。この場合、配線パターン等は微細化されると、その分、抵抗値が上昇するが、従来の設計デザインでは十分な比抵抗値であったものが、微細化により比抵抗値を更に下げる必要が生じている。
しかしながら、上記したようなタングステン膜の従来の成膜方法では、比抵抗値が十分に小さくて新しい設計デザインに適合するようなタングステン膜を得るのは困難であった。
【0007】
そこで、上記問題点を解決する手法として、タングステンの核結晶の付着形成後のタングステン膜の成膜時に、ボロン含有ガス、例えばジボラン(B )をArやN ガスと共にチャンバ内に添加導入し、これにより、タングステン結晶粒径を大きくして比抵抗値を下げる試みが行われている。しかしながら、窒素希釈ジボランガスが例えば重合するなどして供給途中の配管系内で固形化して配管詰まりなどを生ずるといった問題もあった。
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、比抵抗値を小さくすることができるタングステン膜の成膜方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、タングステン膜の成膜方法について鋭意研究した結果、タングステン核結晶の形成後であって、タングステン膜を実際に成膜する直前に、半導体ウエハをボロン含有ガス、例えばジボランによってボロン化表面処理することによって、その後の成膜時に結晶粒径を大きくすることができる、という知見を得ることにより、本発明に至ったものである。
請求項1に規定する発明は、真空処理装置内において被処理体の表面にタングステン膜を成膜するに際して、前記被処理体の表面に、タングステン元素を含む成膜ガスの存在下においてタングステンの核結晶を成長させる核結晶成長工程と、この工程の後に、前記被処理体をボロン含有ガスの雰囲気に晒すボロン晒し工程と、この工程の後に、ボロン含有ガスの非存在下においてタングステン膜を形成するタングステン成膜工程とを備えるように構成したものである。
【0009】
このように、タングステンの核結晶を成長させた後であって、実際にタングステン膜を成膜する直前に、被処理体をボロン含有ガスの雰囲気に晒すことによって、タングステンの核結晶をボロン表面処理することでその後の膜成長時にタングステン膜の結晶粒(グレイン)が大きくなり、比抵抗値を小さくすることが可能となる。
この場合、請求項2に規定するように、前記ボロン含有ガスとして5%水素希釈ジボランガスを用いた場合には、この流量は全ガス総流量に対して略0.85%以上とする。これにより、比抵抗値をかなり小さくすることができる。
【0010】
請求項3に規定するように、例えば前記タングステン成膜工程は、前記被処理体の表面に形成されたホールの埋め込みと配線とを同時に行なう工程である。
【0011】
【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成膜方法の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図1は本発明のタングステン膜の成膜方法を実施するための真空処理装置を示す概略構成図である。
まず、本発明方法を実施するための真空処理装置について説明する。
この真空処理装置2は、例えばアルミニウム等により円筒状に成形された処理容器4を有しており、この処理容器4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6が設けられる。このリフレクタ6の上には、L字状の保持部材8を介してその上面に被処理体として例えば半導体ウエハWを載置するための載置台10が設けられる。この載置台10は、例えば厚さ数mm程度のカーボン素材、AlNなどのアルミ化合物により構成される。
【0012】
この載置台10の真下の処理容器底部には、石英等よりなる透過窓12が気密に設けられており、この下方には透過窓12を囲むようにして箱状の加熱室14が設けられる。この加熱室14内には、複数個の加熱ランプ16が反射鏡も兼ねる回転台18に取り付けられており、この回転台18は回転モータ20によって回転される。従って、この加熱ランプ16より放出された熱線は、透過窓12を透過して載置台10の下面を照射して、この上のウエハWを間接的に加熱し得るようになっている。
そして、処理容器の底部周辺部には、排気口22が設けられており、この排気口22には、図示しない真空ポンプに接続された排気通路24が接続され、処理容器16内を真空引きできるようになっている。また、処理容器4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26が設けられる。
【0013】
一方、上記載置台10と対向する処理容器天井部には、処理ガス等を処理容器4内へ導入するシャワーヘッド部28が設けられており、このシャワーヘッド部28の射出面28Aには、多数のガス噴出孔30が設けられる。このシャワーヘッド部28のガス導入口32には、成膜処理等に必要なガスを供給するガス供給系が接続されている。
具体的には、ここではタングステンの核結晶の形成やタングステン膜の成膜及び本発明の特徴とするボロン含有ガスによる晒し処理を行なうために、WF ガス、Arガス、SiH ガス、H ガス、N ガス、B ガスの各ガス源が接続されている。各ガス源の配管には、流量制御器としてのマスフローコントローラ34及びこれを挟んで2個の開閉弁36、38がそれぞれ設けられており、各ガスの流量制御及び供給の有無の選択を行ない得るようになっている。
【0014】
上記ボラン含有ガスとしてジボラン(B )を用いているが、ここでは100%濃度のジボランを用いるのではなく、この重合固化を防止するために水素(H )ガスで5%まで濃度を希釈した5%濃度の水素希釈シボランガスを用いている。
また、ここで用いた処理容器4の容量は略1200cm 程度であり、また、載置台10の直径は200mm程度に設定されて8インチサイズのウエハを処理できるようになっている。
【0015】
次に、以上のように構成された装置を用いて行なわれる本発明方法について図2も参照しつつ説明する。
まず、処理容器4の側壁に設けたゲートバルブ26を開いて図示しない搬送アームにより処理容器4内にウエハWを搬入し、このウエハWを載置台10上に載置する。このウエハWの表面には、図2(A)に示すように前工程にて例えばTi/TiNよりなる薄いバリヤメタル40が形成されている。このバリヤメタル40は、コンタクトホールやビアホール等のホール42の内面にも形成されている。また、ホール42の径は、例えば0.5〜1.0μm程度であり、このホール42のアスペクト比は1〜2程度である。図中、44はドープドポリシリコン膜、46は絶縁膜である。
【0016】
次に、各処理ガス源から処理ガスとしてWF 、Ar、SiH、H 、N をシャワーヘッド部28へ所定量ずつ供給して混合し、これを下面のガス噴出孔30から処理容器40内へ略均等に供給する。ここではB ガスは供給していない。これと同時に、排気口22から内部雰囲気を吸引排気することにより処理容器4内を所定の真空度、例えば4Torr程度の値に設定し、且つ加熱室14内の加熱ランプ16を回転させなが駆動し、熱エネルギを放射する。
【0017】
放射された熱線は、透過窓12を透過した後、載置台10の裏面を照射してこれを加熱する。この載置台10は、前述のように数mm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。この時のプロセス温度は例えば460℃程度である。供給された混合ガスは所定の化学反応を生じ、ここでは、図2(B)に示すように、WF が還元されてバリヤメタル40の表面にタングステンの核結晶48が付着形成されることになり、核結晶成長工程が行なわれる。この核結晶成長工程は、例えば30秒程度行なって厚さが30nm程度の核結晶層を形成する。
【0018】
このようにして核結晶成長工程を終了したならば、次に、ボロン晒し工程へ移行する。
まず、反応性ガスの供給を停止して一度ベース圧、例えば10−3Torr程度まで真空引きし、更に、B ガスを初めとする所定のガスを供給して80Torr程度に昇圧しながら図2(C)に示すようにボロン晒し工程を行なう。ここでの供給ガス種は、Arガス、H ガス及びB ガスであり、各ガス量は、4000sccm、1800sccm及び100sccm(5%濃度)である。ここではWF ガスとSiHガスとN ガスの供給はしない。これにより、 タングステン核結晶48はボロンに晒されて、B ガスによりボロン表面が形成される。これにより、後述するように核結晶の粒径を大きくすることが可能となる。このボロン晒し工程は、例えば28秒程度行なう。尚、この時のプロセス温度は460℃程度であり、前工程と同じである。
【0019】
このようにして、ボロン晒し工程を終了したならば、次に、実際のタングステン成膜工程へ移行する。
まず、WF ガス、Arガス、H ガス及びN ガスをそれぞれ80sccm、900sccm、750sccm、100sccm供給し、タングステン膜の実際の成膜を行なう。ここではSiHガス及びB ガスの供給は停止する 。プロセス圧力及びプロセス温度は、それぞれ前工程と同じであり、80Torr及び460℃である。これにより、図2(D)に示すように、ホール42(図2(A)参照)が埋め込まれると同時に、表面に配線用のタングステン膜50が形成されることになる。この時の処理時間は、例えば98秒程度であり、全体で800nmの膜厚のタングステン膜50を形成する。
【0020】
このように、核結晶成長工程と、実際にタングステン膜を成膜するタングステン成膜工程との間に、ボロン晒し工程を組み入れて、タングステン核結晶を例えばジボランに晒してボロン表面を形成することにより、後工程において成長されるタングステン核結晶(グレイン)の粒径を大きくすることができる。このため、形成されたタングステン膜50の結晶構造は、バルク結晶に近いものとなり、比抵抗値を小さくすることができる。
【0021】
ガスを用いない従来の成膜方法を本発明方法と比較した結果、従来方法によるタングステン膜の比抵抗値(1500Å換算)は12.2μΩcm程度であったが、本発明方法によるタングステン膜の比抵抗値(1500Å換算)は8.5μΩcm程度であり、比抵抗値を大幅に改善できたことが判明した。
【0022】
図3は上記した方法により成膜したタングステン膜によるホール埋め込み部分の断面の電子顕微鏡写真であり、図3(A)に示す従来方法と比較して、図3(B)に示す本発明方法のタングステン核結晶の粒径は明らかに大きくなっていて、バルク結晶に近い状態となっていることが判明する。
また、本発明方法の場合には、ホール42の埋め込みに関しては、何ら問題は生ぜず、従来方法と同様に良好な埋め込み状態であった。
【0023】
更に、本発明方法では、上記したボロン晒し工程において、水素希釈5%濃度のB ガスを100sccm添加しているが、このガス流量は略50sccm以上、すなわち全ガス総和量に対して略0.85%(≒50×100/(4000+1800+50))以上であることが好ましく、これよりも小さいと、比抵抗値はそれ程小さくはならない。この点について、図4を参照して説明する。図4は上記結果を示すために、B ガス(5%濃度)の流量と比抵抗値との関係を示すグラフである(1800Å換算)。尚、前述のようにArガス流量とH ガス流量は、それぞれ4000sccmと1800sccmに固定している。
【0024】
このグラフから明らかなようにB ガス(水素希釈5%濃度)の流量が50sccmより少ない時には、タングステン膜の比抵抗値は11.3μΩcmよりも大きくて好ましいが、50sccm以上になると、比抵抗値は11μΩcmよりも小さくなり、従って、B ガス(水素希釈5%濃度)ガスの流量は、50sccm以上(全ガス総流量に対して略0.85%以上)に設定するのが良いことが判明する。
【0025】
また、本発明方法では、B ガスとしてこのガスを水素ガスにより5%濃度まで希釈した希釈ガスを用いているので、従来方法のようにB ガスを窒素ガスやアルゴンガスで希釈したガスを用いた場合と異なり、B ガスがガス源容器内やB ガスの供給配管系内で重合することがなく、配管系が重合固形物により目詰まりすることも防止することができる。この点について図5も参照して説明する。図5は希釈ガスとしてN ガス(従来方法)を用いた場合とH ガス(本発明方法)を用いた場合のジボラン(B )の濃度変化を示すグラフである。このグラフから明らかなように、N ガス希釈の場合には経過日数が多くなる程、ジボランの濃度が低下していてるので、ジボランが重合を起こしているのが判明する。これに対して、本発明方法で用いたH ガス希釈の場合には、経過日数に関係なくシボランの濃度は略一定しており、重合を起こしていなくて良好な状態であることが判明する。これは、N ガスを希釈ベースガスに用いると、B にとって分子的に不安定になるからであると考えられる。
【0026】
尚、上記実施例におけるガス流量、プロセス温度、プロセス圧力は、単に一例を示したに過ぎず、それらに限定されないのは勿論である。また、本実施例では、水素希釈による5%濃度のB ガスを用いているが、この希釈の濃度が変われば、上述した各供給量の限界値もそれに比例して変わるのは勿論である。更に、用いるボロン含有ガスもジボランに限定されず、テトラボラン、ペンタボラン等の他のボランやBCl 等も用いることができるのみならず、ウエハサイズも他のサイズのものを用いることができる。更には、被処理体としては、半導体ウエハのみならず、ガラス基板、LCD基板等も用いることができる。
【0027】
【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成膜方法によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
被処理体の表面にタングステン膜を成膜するに際して、核結晶成長工程と実際に成膜を行なうタングステン成膜工程との間に、被処理体をボロン含有ガスに晒すボロン晒し工程を行なうようにしたので、タングステン結晶粒(グレイン)の粒径を大きくしてこの比抵抗値を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のタングステン膜の成膜方法を実施するための真空処理装置を示す概略構成図である。
【図2】本発明の成膜方法を説明するための工程図である。
【図3】タングステン膜によるホール埋め込み部分の断面の電子顕微鏡写真である。
【図4】B ガス(5%濃度)の流量と比抵抗値との関係を示すグラフである。
【図5】希釈ガスとしてN ガス(従来方法)を用いた場合とH ガス(本発明方法)を用いた場合のジボラン(B )の濃度変化を示すグラフである。
【符号の説明】
2 真空処理装置
4 処理容器
10 載置台
12 透過窓
16 加熱ランプ
28 シャワーヘッド部
40 バリヤメタル
42 ホール
44 ドープドポリシリコン膜
46 絶縁膜
48 タングステンの核結晶
50 タングステン膜
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 capable of improving specific resistance.
[0002]
[Prior art]
Generally, in a manufacturing process of a semiconductor integrated circuit, W () is used to form a wiring pattern on a surface of a semiconductor wafer to be processed, to bury holes between wirings, or to perform both of them simultaneously. A thin film is formed by depositing a metal or a metal compound such as tungsten (Tungsten), WSi (tungsten silicide), Ti (titanium), TiN (titanium nitride), and TiSi (titanium silicide).
[0003]
The method for forming the metal thin film of this kind, three methods, for example, H 2 (hydrogen) reduction method, SiH 4 (silane) reduction method, SiH 2 Cl 2 (dichlorosilane) and reduction methods are known, SiH 2 The Cl 2 reduction method is a method of forming a W or WSi (tungsten silicide) film at a high temperature of about 600 ° C. using dichlorosilane as a reducing gas in order to form a wiring pattern, and the SiH 4 reduction method is the same. In order to form a wiring pattern, this is a method of forming a W or WSi film using silane as a reducing gas at a lower temperature of about 350 ° C. than before.
[0004]
The H 2 reduction method is a method of depositing a W film at a temperature of about 400 to 460 ° C. using, for example, hydrogen as a reducing gas in order to fill a hole on a wafer surface such as a hole between wirings. .
In each of the above cases, for example, WF 6 (tungsten hexafluoride) is used. Here, a conventional method of forming a tungsten film will be described. First, before forming a tungsten film, a thin Ti / TiN film, for example, is formed as a barrier metal on the surface of a semiconductor wafer. Next, WF 6 , SiH 4 , H 2 , Ar, N 2, or the like is introduced as a film forming gas into the film forming chamber, and a tungsten nucleus crystal is adhered to the surface of the barrier metal to be formed.
[0005]
Next, after the inside of the film forming chamber is once evacuated to a base pressure to remove the residual gas, Ar, H 2 , and N 2 gases are supplied into the chamber, and the pressure is increased to the process pressure in a short time. WF 6 gas is supplied at a predetermined flow rate, and the WF 6 gas is hydrogen-reduced with H 2 gas without using SiH 4 gas to form a tungsten film. For example, the burying of holes and the formation of a wiring layer are simultaneously performed. Do.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, with the demand for multi-layered semiconductor integrated circuits, higher fineness and higher integration, it is required to further reduce the line width and the hole diameter accordingly. In this case, when the wiring pattern and the like are miniaturized, the resistance value increases accordingly. However, although the specific resistance value was sufficient in the conventional design, it is necessary to further reduce the specific resistance value by miniaturization. Has occurred.
However, it is difficult to obtain a tungsten film that has a sufficiently small specific resistance and conforms to a new design by the conventional method of forming a tungsten film as described above.
[0007]
Therefore, as a method of solving the above problem, a boron-containing gas, for example, diborane (B 2 H 6 ) is added to the chamber together with Ar and N 2 gas at the time of forming a tungsten film after the formation of the tungsten core crystal. Attempts have been made to increase the crystal grain size of tungsten and thereby lower the specific resistance value. However, there is also a problem that the nitrogen-diluted diborane gas is polymerized, for example, and solidifies in the piping system in the course of the supply to cause clogging of the piping.
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 provide a method for forming a tungsten film capable of reducing a specific resistance value.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor has conducted intensive studies on a method of forming a tungsten film. As a result, after the formation of the tungsten core crystal and immediately before the tungsten film is actually formed, the semiconductor wafer is boronized with a boron-containing gas such as diborane. The present inventors have found that the surface treatment can increase the crystal grain size at the time of the subsequent film formation, thereby leading to the present invention.
The invention defined in claim 1 is a method for forming a tungsten film on a surface of a target object in a vacuum processing apparatus, wherein a tungsten nucleus is formed on the surface of the target object in the presence of a deposition gas containing a tungsten element. nuclear crystal growth step of growing the crystal, after this step, the a bleached to boron exposing step to an atmosphere of boron containing gas to be processed, after this step, the data tungsten film in the absence of a boron-containing gas And a tungsten film forming step to be formed.
[0009]
As described above, after the tungsten core crystal is grown and immediately before the tungsten film is actually formed, the target object is exposed to the atmosphere of the boron-containing gas, so that the tungsten core crystal is subjected to the boron surface treatment. By doing so, the crystal grains (grain) of the tungsten film are increased during the subsequent film growth, and the specific resistance value can be reduced.
In this case, when 5% hydrogen-diluted diborane gas is used as the boron-containing gas, the flow rate is set to be approximately 0.85% or more with respect to the total gas flow rate. Thereby, the specific resistance value can be considerably reduced.
[0010]
As defined in claim 3, for example, the tungsten film forming step is a step of simultaneously burying holes formed in the surface of the object to be processed and wiring.
[0011]
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 schematic configuration diagram showing a vacuum processing apparatus for performing the tungsten film forming method of the present invention.
First, a vacuum processing apparatus for performing the method of the present invention will be described.
The vacuum processing apparatus 2 has a processing container 4 formed in a cylindrical shape from, for example, aluminum or the like. In the processing container 4, a cylindrical reflector 6 standing upright from the bottom of the processing container is provided. A mounting table 10 for mounting, for example, a semiconductor wafer W as an object to be processed is provided on the reflector 6 via an L-shaped holding member 8. The mounting table 10 is made of, for example, a carbon material having a thickness of about several mm, or an aluminum compound such as AlN.
[0012]
A transmission window 12 made of quartz or the like is provided airtightly at the bottom of the processing container directly below the mounting table 10, and a box-shaped heating chamber 14 is provided below the transmission window 12 so as to surround the transmission window 12. In the heating chamber 14, a plurality of heating lamps 16 are mounted on a turntable 18 also serving as a reflecting mirror, and the turntable 18 is rotated by a rotation motor 20. Accordingly, the heat rays emitted from the heating lamp 16 pass through the transmission window 12 and irradiate the lower surface of the mounting table 10 to indirectly heat the wafer W thereon.
An exhaust port 22 is provided around the bottom of the processing container, and an exhaust passage 24 connected to a vacuum pump (not shown) is connected to the exhaust port 22 so that the inside of the processing container 16 can be evacuated. It has become. A gate valve 26 that is opened and closed when a wafer is loaded and unloaded is provided on a side wall of the processing container 4.
[0013]
On the other hand, a shower head portion 28 for introducing a processing gas or the like into the processing container 4 is provided on a ceiling portion of the processing container facing the mounting table 10, and a plurality of emission surfaces 28A of the shower head portion 28 are provided. Are provided. A gas supply system for supplying a gas necessary for a film forming process or the like is connected to the gas inlet 32 of the shower head unit 28.
Specifically, in this case, in order to form a tungsten core crystal, form a tungsten film, and perform exposure treatment with a boron-containing gas, which is a feature of the present invention, WF 6 gas, Ar gas, SiH 4 gas, H 2 gas Gas sources of gas, N 2 gas, and B 2 H 6 gas are connected. The piping of each gas source is provided with a mass flow controller 34 as a flow controller and two on-off valves 36 and 38 with the mass flow controller 34 interposed therebetween, and can control the flow of each gas and select whether or not to supply each gas. It has become.
[0014]
Diborane (B 2 H 6 ) is used as the borane-containing gas. However, here, 100% concentration of diborane is not used, but hydrogen (H 2 ) gas is used up to 5% in order to prevent polymerization solidification. 5% hydrogen diluted siborane gas is used.
The capacity of the processing container 4 used here is about 1200 cm 3 , and the diameter of the mounting table 10 is set to about 200 mm so that an 8-inch wafer can be processed.
[0015]
Next, the method of the present invention performed using the apparatus configured as described above will be described with reference to FIG.
First, the gate valve 26 provided on the side wall of the processing container 4 is opened, and the wafer W is loaded into the processing container 4 by the transfer arm (not shown), and the wafer W is mounted on the mounting table 10. As shown in FIG. 2A, a thin barrier metal 40 of, for example, Ti / TiN is formed on the surface of the wafer W in the previous step. The barrier metal 40 is also formed on the inner surface of a hole 42 such as a contact hole or a via hole. The diameter of the hole 42 is, for example, about 0.5 to 1.0 μm, and the aspect ratio of the hole 42 is about 1 to 2. In the figure, 44 is a doped polysilicon film, and 46 is an insulating film.
[0016]
Next, WF 6 , Ar, SiH 4 , H 2 , and N 2 as processing gases are supplied from the respective processing gas sources to the shower head unit 28 by a predetermined amount and mixed. It is supplied almost evenly into the inside of the forty. Here, B 2 H 6 gas is not supplied. At the same time, the inside of the processing container 4 is set to a predetermined degree of vacuum, for example, a value of about 4 Torr by sucking and exhausting the internal atmosphere from the exhaust port 22, and the heating lamp 16 in the heating chamber 14 is driven while rotating. And radiates heat energy.
[0017]
The emitted heat rays pass through the transmission window 12 and then irradiate the back surface of the mounting table 10 to heat it. Since the mounting table 10 is very thin, about several mm as described above, it is quickly heated, and therefore, the wafer W mounted thereon can be quickly heated to a predetermined temperature. The process temperature at this time is, for example, about 460 ° C. The supplied mixed gas causes a predetermined chemical reaction. In this case, as shown in FIG. 2B, WF 6 is reduced, and a tungsten nucleus crystal 48 is formed on the surface of the barrier metal 40. , A nuclear crystal growth step is performed. This nuclear crystal growth step is performed, for example, for about 30 seconds to form a nuclear crystal layer having a thickness of about 30 nm.
[0018]
After the nucleus crystal growth step is completed in this way, the process proceeds to the boron exposure step.
First, the supply of the reactive gas is stopped, the chamber is once evacuated to a base pressure, for example, about 10 −3 Torr, and a predetermined gas such as B 2 H 6 gas is supplied to increase the pressure to about 80 Torr. A boron exposure step is performed as shown in FIG. The supply gas species here are Ar gas, H 2 gas, and B 2 H 6 gas, and the respective gas amounts are 4000 sccm, 1800 sccm, and 100 sccm (5% concentration). Here, WF 6 gas, SiH 4 gas and N 2 gas are not supplied. As a result, the tungsten core crystal 48 is exposed to boron, and a boron surface is formed by the B 2 H 6 gas. This makes it possible to increase the grain size of the core crystal as described later. This boron exposure step is performed, for example, for about 28 seconds. Note that the process temperature at this time is about 460 ° C., which is the same as the previous step.
[0019]
When the boron exposing step is completed in this way, the process proceeds to an actual tungsten film forming step.
First, WF 6 gas, Ar gas, H 2 gas, and N 2 gas are supplied at 80 sccm, 900 sccm, 750 sccm, and 100 sccm, respectively, to actually form a tungsten film. Here, the supply of the SiH 4 gas and the B 2 H 6 gas is stopped. The process pressure and the process temperature are the same as those in the previous step, that is, 80 Torr and 460 ° C. Thus, as shown in FIG. 2D, the hole 42 (see FIG. 2A) is buried, and at the same time, a tungsten film 50 for wiring is formed on the surface. The processing time at this time is, for example, about 98 seconds, and the tungsten film 50 having a total thickness of 800 nm is formed.
[0020]
As described above, by incorporating a boron exposure step between the nuclear crystal growth step and the tungsten film formation step of actually forming a tungsten film, the tungsten core crystal is exposed to, for example, diborane to form a boron surface. In addition, the grain size of the tungsten nucleus crystal (grain) grown in a later step can be increased. Therefore, the crystal structure of the formed tungsten film 50 is close to that of a bulk crystal, and the specific resistance can be reduced.
[0021]
As a result of comparing the conventional film forming method using no B 2 H 6 gas with the method of the present invention, the specific resistance value (converted to 1500 °) of the tungsten film according to the conventional method was about 12.2 μΩcm. The specific resistance (converted to 1500 °) of the film was about 8.5 μΩcm, and it was found that the specific resistance was significantly improved.
[0022]
FIG. 3 is an electron micrograph of a cross section of a hole buried portion formed by a tungsten film formed by the above-described method. Compared with the conventional method shown in FIG. 3A, the method of the present invention shown in FIG. It is clear that the grain size of the tungsten nucleus crystal is clearly large and is in a state close to a bulk crystal.
Further, in the case of the method of the present invention, there was no problem regarding the filling of the holes 42, and the filling state was as good as in the conventional method.
[0023]
Furthermore, in the method of the present invention, in the above-described boron exposure step, 100 sccm of B 2 H 6 gas diluted with hydrogen is added at a concentration of 5%, but the gas flow rate is about 50 sccm or more, that is, about the total gas amount. It is preferably at least 0.85% (≒ 50 × 100 / (4000 + 1800 + 50)), and if it is smaller than this, the specific resistance value does not become so small. This will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the flow rate of B 2 H 6 gas (5% concentration) and the specific resistance in order to show the above results (1800 ° conversion). Note that, as described above, the Ar gas flow rate and the H 2 gas flow rate are fixed to 4000 sccm and 1800 sccm, respectively.
[0024]
As is clear from this graph, when the flow rate of the B 2 H 6 gas (5% hydrogen dilution) is less than 50 sccm, the specific resistance value of the tungsten film is preferably larger than 11.3 μΩcm, but when the flow rate becomes 50 sccm or more, the specific resistance value becomes larger. The resistance value is smaller than 11 μΩcm, and therefore, the flow rate of the B 2 H 6 gas (hydrogen diluted 5% concentration) gas should be set to 50 sccm or more (about 0.85% or more with respect to the total gas total flow rate). Turns out to be good.
[0025]
Further, in the method of the present invention, because of the use of dilution gas to dilute the gas as B 2 H 6 gas concentration of 5% by hydrogen gas, B 2 H 6 gas as in the conventional method with nitrogen gas or argon gas Unlike the case where the diluted gas is used, the B 2 H 6 gas does not polymerize in the gas source container or the B 2 H 6 gas supply piping system, and the piping system may be clogged with the polymerized solid matter. Can be prevented. This will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a graph showing a change in diborane (B 2 H 6 ) concentration when N 2 gas (conventional method) is used as the diluent gas and when H 2 gas (the method of the present invention) is used. As is apparent from this graph, in the case of N 2 gas dilution, the concentration of diborane decreases as the number of elapsed days increases, and thus it is found that diborane causes polymerization. On the other hand, in the case of the H 2 gas dilution used in the method of the present invention, the concentration of siborane is substantially constant irrespective of the number of elapsed days, and it is clear that polymerization is not occurring and the condition is good. . This is considered to be because the use of N 2 gas as the dilution base gas makes B 2 H 6 molecularly unstable.
[0026]
It should be noted that the gas flow rate, the process temperature, and the process pressure in the above embodiment are merely examples, and are not limited thereto. Further, in this embodiment, B 2 H 6 gas of 5% concentration by hydrogen dilution is used, but if the concentration of this dilution changes, the above-mentioned limit value of each supply amount naturally changes in proportion thereto. It is. Further, the boron-containing gas to be used is not limited to diborane, and other borane such as tetraborane and pentaborane, BCl 3 and the like can be used, and a wafer having another size can be used. Further, as the object to be processed, not only a semiconductor wafer but also a glass substrate, an LCD substrate, or the like can be used.
[0027]
【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.
When a tungsten film is formed on a surface of an object, a boron exposing step of exposing the object to a boron-containing gas is performed between a nuclear crystal growth step and a tungsten film forming step of actually forming a film. Therefore, the specific resistance can be reduced by increasing the grain size of the tungsten crystal grains (grains).
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a vacuum processing apparatus for performing a tungsten film forming method of the present invention.
FIG. 2 is a process chart for explaining a film forming method of the present invention.
FIG. 3 is an electron micrograph of a cross section of a hole buried portion with a tungsten film.
FIG. 4 is a graph showing a relationship between a flow rate of B 2 H 6 gas (5% concentration) and a specific resistance value.
FIG. 5 is a graph showing a change in diborane (B 2 H 6 ) concentration when N 2 gas (conventional method) is used as a diluent gas and when H 2 gas (method of the present invention) is used.
[Explanation of symbols]
2 Vacuum processing device 4 Processing container 10 Mounting table 12 Transmission window 16 Heating lamp 28 Shower head unit 40 Barrier metal 42 Hole 44 Doped polysilicon film 46 Insulating film 48 Tungsten crystal 50 Tungsten film W Semiconductor wafer (workpiece)

Claims (3)

真空処理装置内において被処理体の表面にタングステン膜を成膜するに際して、前記被処理体の表面に、タングステン元素を含む成膜ガスの存在下においてタングステンの核結晶を成長させる核結晶成長工程と、この工程の後に、前記被処理体をボロン含有ガスの雰囲気に晒すボロン晒し工程と、この工程の後に、ボロン含有ガスの非存在下においてタングステン膜を形成するタングステン成膜工程とを備えたことを特徴とするタングステン膜の成膜方法。A step of forming a tungsten film on the surface of the object in the vacuum processing apparatus, a step of growing a nuclear crystal of tungsten in the presence of a deposition gas containing a tungsten element on the surface of the object; after this step, includes the a bleached to boron exposing step to an atmosphere of an object to be processed boron-containing gas, after this step, a tungsten film forming step of forming a data tungsten film in the absence of a boron-containing gas A method for forming a tungsten film. 前記ボロン晒し工程において前記ボロン含有ガスとして水素希釈ジボランガスを用い、その流量は全ガス総流量に対して略0.85%以上であることを特徴とする請求項1記載のタングステン膜の成膜方法。2. The tungsten film forming method according to claim 1, wherein a hydrogen-diluted diborane gas is used as the boron-containing gas in the boron exposing step, and a flow rate thereof is about 0.85% or more with respect to a total flow rate of all the gases. . 前記タングステン成膜工程は、前記被処理体の表面に形成されたホールの埋め込みと配線とを同時に行なう工程であることを特徴とする請求項1または2に記載のタングステン膜の成膜方法。3. The tungsten film forming method according to claim 1, wherein the tungsten film forming step is a step of simultaneously burying a hole formed in the surface of the object to be processed and wiring.
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