JP3744554B2 - 薄膜形成方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は薄膜形成方法に関し、特に化学的気相成長法（以下ＣＶＤ法という）によるタングステン薄膜の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の半導体製造技術の分野では、素子の高集積化・微細化が進んでいる。それに伴って素子の負担も大きくなり、様々な問題が起きている。すなわち配線の微細化は高電流密度をもたらし、その結果、エレクトロマイグレーションといわれる断線を起こし易くなる。特に、現在の配線材料であるアルミニウム（Ａｌ）はスパッタリング法で形成されるが、この方法によれば、微細なホール部において段差被覆性が悪くなり、ホール部の底や側壁では膜が形成しにくく、平坦部に比べて膜が非常に薄くなる。そのため、ホール部の側壁で断線がいっそう起こり易く、素子の信頼性を低下させる原因となる。
【０００３】
このような微細ホール周辺の配線については、現在、ＣＶＤ法によるタングステン（Ｗ）膜が注目されている。この方法によるＷ膜は、アスペクト比２以上の微細ホールでも良好な段差被覆性で成膜することができ、また材料の耐エレクトロマイグレーション性も高いという利点を有している。
【０００４】
ＣＶＤ法によるＷ膜は、通常４００〜５００℃に加熱された基板の上に、原料ガスとしてＷＦ6 、還元ガスとしてＨ2 を導入し、これらを反応させて形成される。またＷ膜の形成する下地としてはＴｉＮ膜の場合が多いが、このＴｉＮ膜の上におけるＷＦ6 とＨ2 の反応では、反応初期の核形成が起こりにくく、成膜分布を劣化させるため、通常反応初期にＳｉＨ4 を導入し、ＷＦ6 とＳｉＨ4 による反応に基づいて核形成を基板の全面に行い、その後においてＷＦ6 とＨ2 により高速状態で成膜を行う。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来方法で形成されたＷ膜には次のような問題がある。すなわちＷＦ6 とＨ2 によって形成されるＷ膜は、段差被覆性については良好な特性を有するが、その膜を構成するＷの結晶粒が粗いため、膜表面がでこぼこしており、モフォロジーが悪い。その結果、膜の反射率が著しく低下するという不具合を生じる。このことは、リソグラフィー工程やエッチング工程で大きな問題となる。
【０００６】
これまでの従来のＷ膜形成方法では、成膜圧力を数十Torrから大気圧程度の高圧力で行うことにより、表面モフォロジーを改善するようにしてきたが、十分に改善されたとは言えない。また高圧力に加えて、成膜中に反応ガスと共にＮ2 を添加すると、表面モフォロジーはさらに良好になることが知られている。しかしながら、Ｎ2 の添加は、膜比抵抗の増大を招き、配線抵抗を増大させ、素子の性能を劣化させてしまう。
【０００７】
本発明の目的は、上記の問題に鑑み、Ｗ膜の比抵抗等の特性を低下させずに表面モフォロジーが良好でかつ反射率が高いＷ膜を形成できる薄膜形成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】
本発明に係る薄膜形成方法は、加熱された基板の上にＣＶＤ法を用いてＷ膜を堆積する方法であって、原料ガスとしてＷＦ6を使用すると共に還元ガスとしてＳｉＨ4およびＨ2を使用し、膜形成の初期の段階としてＷＦ6とＳｉＨ4との反応により基板表面で核を形成する第１段階であって、内部圧力が１．５ Torr の下で１０ sccm のＷＦ 6 と２ sccm のＳｉＨ 4 を１０秒間導入する第１段階と、第１段階に続くＷＦ6とＨ2との反応によるＷ膜を形成する第２段階であって、内部圧力が４０ Torr の下で１００ sccm のＷＦ 6 と１０００ sccm のＨ 2 を２０秒間導入して２０００オングストロームの厚みを超えないタングステン膜を形成する第２段階とからなり、第１段階および第２段階を交互に繰り返し、かつ前記第２段階による膜形成の途中でタングステン膜が成長し結晶粒径が増大する条件である２０００オングストロームの膜厚を超える前に前記第１段階の膜形成を再び行う方法である。
【０００９】
前記の方法において、Ｗ膜の全体の厚みが特定の厚み（ｔ）である場合において、厚みｔのＷ膜を形成するための全体工程を、第１段階と第２段階の組からなる工程で分割し、第１段階と第２段階からなる工程を複数回（分割数に等しい回数）繰り返す方法である。
【００１０】
ＣＶＤ法によるＷ膜の成長は、一般的にＷ結晶粒の集団的な成長によって生じる。このような方法で形成されたＷ膜をその結晶粒径で見てみると、例えば最初の１０００〜２０００オングストロームの厚み部分の結晶粒径は５００オングストロームまたはそれ以下程度の微細な粒径であるが、２０００オングストローム以上の箇所では結晶粒径が増大する。さらに例えば１μｍの厚み部分では、例えば４０００オングストロームとなる。このようにＷ膜では膜の成長と共に結晶粒径が粗大化するという特性を有する。
【００１１】
上記のごときＣＶＤ法によるＷ膜成長における膜成長途中からの結晶粒の粗大化は、特定結晶方向が優先的に成長するために起きると考えられる。また膜成長初期の微細な結晶粒の形成は、成膜初期に行われるＷＦ6 とＳｉＨ4 による基板上での均一な核形成に基づいて生じるものであると考えられる。
【００１２】
本発明では、上記の考え方に基づいて、ＣＶＤ法によるＷ膜成長における成膜初期の微細な結晶粒の形成に着目し、Ｗ膜の成長途中で核形成ステップを導入することにより、Ｗ膜が厚くなっても、結晶粒を微細な状態に維持できるようにしたものである。
【００１３】
【作用】
本発明では、ＣＶＤ法によるＷ膜形成において、成膜初期において下地であるＴｉＮの上で均一な核形成を行わせることが可能なＷＦ6とＳｉＨ4による反応を行い、さらに連続してＷＦ6とＨ2によるＷ膜の成長を行う。次に、Ｗ膜が成長して結晶粒が粗大化する前に、再びＷＦ6とＳｉＨ4による核形成ステップを行い、その後に連続してＷＦ6とＨ2によるＷ膜の成長を行う。必要がある場合には、上記の核形成ステップとＷ膜成長ステップとの組を複数回繰り返す。このように薄膜形成を行うことによって、Ｗ膜がある程度厚くなっても、結晶粒を微細なままの状態で維持することができる。
【００１４】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を具体的な成膜条件例を示して説明する。
【００１５】
実施例１：
Ｗ膜の膜厚を１μｍとし、この膜厚のＷ膜を４回に分けて成長させる。４回のＷ膜成長のそれぞれにおいて、成膜初期には核形成ステップを行い、その後にＷ膜成長ステップを行う。具体的に、核形成ステップとしては、基板温度５００℃、内部圧力１．５Torrの条件の下で、１０sccmのＷＦ6 および２sccmのＳｉＨ4 を１０秒間導入する。またＷ膜成長ステップとしては、基板温度５００℃、内部圧力４０Torrの条件の下で、１００sccmのＷＦ6 および１０００sccmのＨ2 を２０秒間導入する。このＷ膜成長ステップの時間は、Ｗ膜が約２０００オングストロームの厚みまで成長する時間であり、かつこの厚みは結晶粒が微細状態に保持される膜厚に相当する。上記のごとき成膜を実行することにより、表面モフォロジーおよび反射率が改善される。
【００１６】
実施例２：
Ｗ膜の膜厚を４０００オングストロームとし、この膜厚を２回に分けてＷ膜を成長させている。２回のＷ膜成長のそれぞれにおいて、上記実施例１の場合と同様にして、初期は核形成ステップを行い、その後にＷ膜成長ステップを行う。核形成ステップとしての成膜条件、およびＷ膜成長ステップとしての成膜条件は、前述の実施例１と同じである。
【００１７】
図１に示した写真によれば、本発明の薄膜形成方法で作られたＷ膜では、Ｗ膜が成長して厚くなっても結晶粒が微細なまま維持されることが明らかである。これに対して図２の写真に示すように、従来の薄膜形成方法で作られたＷ膜では、Ｗ膜が成長すると結晶粒が粗大化することが明らかである。従って本発明の薄膜形成方法では、表面モフォロジーが改善される。また特性の一例として、本発明の方法では比抵抗が９．２μΩ・cm、反射率が８５％（vs Si ）、膜ストレスが４．１×１０9 dyn/cm2 であり、従来方法では比抵抗が８．７μΩ・cm、反射率が４５％（vs Si ）、膜ストレスが４．５×１０9 dyn/cm2 である。本発明による薄膜形成方法では、反射率が改善されることが明らかである。
【００１８】
上記のような特徴を有する本発明の薄膜形成方法を適用すると、微細ホールの部分では段差被覆性が改善される。このことは、従来の薄膜形成方法に比較し、本発明の薄膜形成方法ではホール上部での膜のオーバーハングが少なくなるからである。これも、Ｗ膜成長途中の核形成ステップにより結晶成長に変化が起こったことによると考えられる。
【００１９】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、ＣＶＤ法によるＷ膜の形成方法において、核形成ステップと微細結晶粒の状態が維持されるＷ膜成長ステップとを一組の工程として、この工程を、目標とする膜厚との関係で複数回繰り返すことによりＷ膜を形成するようにしたため、比抵抗等のＷ膜の特性を低下させることなく、表面モフォロジーを良好に保持し、反射率の高いＷ膜を作ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】基板上に形成された薄膜の写真であり、本発明に係る薄膜形成方法で形成されたＷ膜の結晶の粒子構造を示すＷ膜断面の写真である。
【図２】基板上に形成された薄膜の写真であり、従来の薄膜形成方法によって形成されたＷ膜の結晶の粒子構造を示すＷ膜断面の写真である。
【産業上の利用分野】
本発明は薄膜形成方法に関し、特に化学的気相成長法（以下ＣＶＤ法という）によるタングステン薄膜の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の半導体製造技術の分野では、素子の高集積化・微細化が進んでいる。それに伴って素子の負担も大きくなり、様々な問題が起きている。すなわち配線の微細化は高電流密度をもたらし、その結果、エレクトロマイグレーションといわれる断線を起こし易くなる。特に、現在の配線材料であるアルミニウム（Ａｌ）はスパッタリング法で形成されるが、この方法によれば、微細なホール部において段差被覆性が悪くなり、ホール部の底や側壁では膜が形成しにくく、平坦部に比べて膜が非常に薄くなる。そのため、ホール部の側壁で断線がいっそう起こり易く、素子の信頼性を低下させる原因となる。
【０００３】
このような微細ホール周辺の配線については、現在、ＣＶＤ法によるタングステン（Ｗ）膜が注目されている。この方法によるＷ膜は、アスペクト比２以上の微細ホールでも良好な段差被覆性で成膜することができ、また材料の耐エレクトロマイグレーション性も高いという利点を有している。
【０００４】
ＣＶＤ法によるＷ膜は、通常４００〜５００℃に加熱された基板の上に、原料ガスとしてＷＦ6 、還元ガスとしてＨ2 を導入し、これらを反応させて形成される。またＷ膜の形成する下地としてはＴｉＮ膜の場合が多いが、このＴｉＮ膜の上におけるＷＦ6 とＨ2 の反応では、反応初期の核形成が起こりにくく、成膜分布を劣化させるため、通常反応初期にＳｉＨ4 を導入し、ＷＦ6 とＳｉＨ4 による反応に基づいて核形成を基板の全面に行い、その後においてＷＦ6 とＨ2 により高速状態で成膜を行う。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来方法で形成されたＷ膜には次のような問題がある。すなわちＷＦ6 とＨ2 によって形成されるＷ膜は、段差被覆性については良好な特性を有するが、その膜を構成するＷの結晶粒が粗いため、膜表面がでこぼこしており、モフォロジーが悪い。その結果、膜の反射率が著しく低下するという不具合を生じる。このことは、リソグラフィー工程やエッチング工程で大きな問題となる。
【０００６】
これまでの従来のＷ膜形成方法では、成膜圧力を数十Torrから大気圧程度の高圧力で行うことにより、表面モフォロジーを改善するようにしてきたが、十分に改善されたとは言えない。また高圧力に加えて、成膜中に反応ガスと共にＮ2 を添加すると、表面モフォロジーはさらに良好になることが知られている。しかしながら、Ｎ2 の添加は、膜比抵抗の増大を招き、配線抵抗を増大させ、素子の性能を劣化させてしまう。
【０００７】
本発明の目的は、上記の問題に鑑み、Ｗ膜の比抵抗等の特性を低下させずに表面モフォロジーが良好でかつ反射率が高いＷ膜を形成できる薄膜形成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】
本発明に係る薄膜形成方法は、加熱された基板の上にＣＶＤ法を用いてＷ膜を堆積する方法であって、原料ガスとしてＷＦ6を使用すると共に還元ガスとしてＳｉＨ4およびＨ2を使用し、膜形成の初期の段階としてＷＦ6とＳｉＨ4との反応により基板表面で核を形成する第１段階であって、内部圧力が１．５ Torr の下で１０ sccm のＷＦ 6 と２ sccm のＳｉＨ 4 を１０秒間導入する第１段階と、第１段階に続くＷＦ6とＨ2との反応によるＷ膜を形成する第２段階であって、内部圧力が４０ Torr の下で１００ sccm のＷＦ 6 と１０００ sccm のＨ 2 を２０秒間導入して２０００オングストロームの厚みを超えないタングステン膜を形成する第２段階とからなり、第１段階および第２段階を交互に繰り返し、かつ前記第２段階による膜形成の途中でタングステン膜が成長し結晶粒径が増大する条件である２０００オングストロームの膜厚を超える前に前記第１段階の膜形成を再び行う方法である。
【０００９】
前記の方法において、Ｗ膜の全体の厚みが特定の厚み（ｔ）である場合において、厚みｔのＷ膜を形成するための全体工程を、第１段階と第２段階の組からなる工程で分割し、第１段階と第２段階からなる工程を複数回（分割数に等しい回数）繰り返す方法である。
【００１０】
ＣＶＤ法によるＷ膜の成長は、一般的にＷ結晶粒の集団的な成長によって生じる。このような方法で形成されたＷ膜をその結晶粒径で見てみると、例えば最初の１０００〜２０００オングストロームの厚み部分の結晶粒径は５００オングストロームまたはそれ以下程度の微細な粒径であるが、２０００オングストローム以上の箇所では結晶粒径が増大する。さらに例えば１μｍの厚み部分では、例えば４０００オングストロームとなる。このようにＷ膜では膜の成長と共に結晶粒径が粗大化するという特性を有する。
【００１１】
上記のごときＣＶＤ法によるＷ膜成長における膜成長途中からの結晶粒の粗大化は、特定結晶方向が優先的に成長するために起きると考えられる。また膜成長初期の微細な結晶粒の形成は、成膜初期に行われるＷＦ6 とＳｉＨ4 による基板上での均一な核形成に基づいて生じるものであると考えられる。
【００１２】
本発明では、上記の考え方に基づいて、ＣＶＤ法によるＷ膜成長における成膜初期の微細な結晶粒の形成に着目し、Ｗ膜の成長途中で核形成ステップを導入することにより、Ｗ膜が厚くなっても、結晶粒を微細な状態に維持できるようにしたものである。
【００１３】
【作用】
本発明では、ＣＶＤ法によるＷ膜形成において、成膜初期において下地であるＴｉＮの上で均一な核形成を行わせることが可能なＷＦ6とＳｉＨ4による反応を行い、さらに連続してＷＦ6とＨ2によるＷ膜の成長を行う。次に、Ｗ膜が成長して結晶粒が粗大化する前に、再びＷＦ6とＳｉＨ4による核形成ステップを行い、その後に連続してＷＦ6とＨ2によるＷ膜の成長を行う。必要がある場合には、上記の核形成ステップとＷ膜成長ステップとの組を複数回繰り返す。このように薄膜形成を行うことによって、Ｗ膜がある程度厚くなっても、結晶粒を微細なままの状態で維持することができる。
【００１４】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を具体的な成膜条件例を示して説明する。
【００１５】
実施例１：
Ｗ膜の膜厚を１μｍとし、この膜厚のＷ膜を４回に分けて成長させる。４回のＷ膜成長のそれぞれにおいて、成膜初期には核形成ステップを行い、その後にＷ膜成長ステップを行う。具体的に、核形成ステップとしては、基板温度５００℃、内部圧力１．５Torrの条件の下で、１０sccmのＷＦ6 および２sccmのＳｉＨ4 を１０秒間導入する。またＷ膜成長ステップとしては、基板温度５００℃、内部圧力４０Torrの条件の下で、１００sccmのＷＦ6 および１０００sccmのＨ2 を２０秒間導入する。このＷ膜成長ステップの時間は、Ｗ膜が約２０００オングストロームの厚みまで成長する時間であり、かつこの厚みは結晶粒が微細状態に保持される膜厚に相当する。上記のごとき成膜を実行することにより、表面モフォロジーおよび反射率が改善される。
【００１６】
実施例２：
Ｗ膜の膜厚を４０００オングストロームとし、この膜厚を２回に分けてＷ膜を成長させている。２回のＷ膜成長のそれぞれにおいて、上記実施例１の場合と同様にして、初期は核形成ステップを行い、その後にＷ膜成長ステップを行う。核形成ステップとしての成膜条件、およびＷ膜成長ステップとしての成膜条件は、前述の実施例１と同じである。
【００１７】
図１に示した写真によれば、本発明の薄膜形成方法で作られたＷ膜では、Ｗ膜が成長して厚くなっても結晶粒が微細なまま維持されることが明らかである。これに対して図２の写真に示すように、従来の薄膜形成方法で作られたＷ膜では、Ｗ膜が成長すると結晶粒が粗大化することが明らかである。従って本発明の薄膜形成方法では、表面モフォロジーが改善される。また特性の一例として、本発明の方法では比抵抗が９．２μΩ・cm、反射率が８５％（vs Si ）、膜ストレスが４．１×１０9 dyn/cm2 であり、従来方法では比抵抗が８．７μΩ・cm、反射率が４５％（vs Si ）、膜ストレスが４．５×１０9 dyn/cm2 である。本発明による薄膜形成方法では、反射率が改善されることが明らかである。
【００１８】
上記のような特徴を有する本発明の薄膜形成方法を適用すると、微細ホールの部分では段差被覆性が改善される。このことは、従来の薄膜形成方法に比較し、本発明の薄膜形成方法ではホール上部での膜のオーバーハングが少なくなるからである。これも、Ｗ膜成長途中の核形成ステップにより結晶成長に変化が起こったことによると考えられる。
【００１９】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、ＣＶＤ法によるＷ膜の形成方法において、核形成ステップと微細結晶粒の状態が維持されるＷ膜成長ステップとを一組の工程として、この工程を、目標とする膜厚との関係で複数回繰り返すことによりＷ膜を形成するようにしたため、比抵抗等のＷ膜の特性を低下させることなく、表面モフォロジーを良好に保持し、反射率の高いＷ膜を作ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】基板上に形成された薄膜の写真であり、本発明に係る薄膜形成方法で形成されたＷ膜の結晶の粒子構造を示すＷ膜断面の写真である。
【図２】基板上に形成された薄膜の写真であり、従来の薄膜形成方法によって形成されたＷ膜の結晶の粒子構造を示すＷ膜断面の写真である。
Claims (2)
- 加熱された基板の上にタングステン膜を化学的気相成長法で堆積する方法において、
原料ガスとしてＷＦ6、還元ガスとしてＳｉＨ4およびＨ2を使用し、
膜形成の初期段階としてＷＦ6とＳｉＨ4との反応により基板表面で核を形成する第１段階であって、内部圧力が１．５ Torr の下で１０ sccm のＷＦ 6 と２ sccm のＳｉＨ 4 を１０秒間導入する第１段階と、
この核形成の第１段階に続くＷＦ6とＨ2との反応によるタングステン膜を形成する第２段階であって、内部圧力が４０ Torr の下で１００ sccm のＷＦ 6 と１０００ sccm のＨ 2 を２０秒間導入して２０００オングストロームの厚みを超えないタングステン膜を形成する第２段階と、を含み、
前記第１段階および前記第２段階を交互に繰り返し、かつ前記第２段階による膜形成の途中でタングステン膜が成長し結晶粒径が増大する条件である２０００オングストロームの膜厚を超える前に前記第１段階の膜形成を再び行うことを特徴とする薄膜形成方法。 - 請求項１記載の薄膜形成方法において、前記タングステン膜を形成するための全体工程を前記第１段階と前記第２段階を一組とする工程で分割し、前記第１段階と前記第２段階からなる前記工程を複数回繰り返すことを特徴とする薄膜形成方法。
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