JP5683022B2 - タングステンの粗度減少及び反射率改善の方法、集積回路の製造方法、並びにタングステンフィルムを半導体基板上に堆積する装置 - Google Patents

タングステンの粗度減少及び反射率改善の方法、集積回路の製造方法、並びにタングステンフィルムを半導体基板上に堆積する装置 Download PDF

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Description

本発明はタングステンのフィルムを準備する方法に関する。本発明の実施形態は低電気抵抗、低粗度、高反射率を有するタングステン薄フィルムを必要とする集積回路への応用に有用である。
［関連出願との関係］
本発明は２００８年８月２９日に提出された米国特許出願１２／２０２１２６号を基に優先権を主張するものであり、その全体をすべての目的において此処に合同させるものとする。
化学蒸着（ＣＶＤ）技術使用によるタングステンフィルムの成膜は多くの半導体製造工程における重要な部分である。タングステンフィルムは水平方向相互接続子、隣接金属層間の通路、及び第一金属層とシリコンサブストレイト間の接点装置の形態で低抵抗電気的連結に使用されることがある。従来のタングステン堆積工程に於いて、ウエファは真空チェンバ内で加工温度に加熱され、次いで種子即ち核形成層として機能するタングステンの極めて薄い部分が堆積される。その後、タングステンフィルムの残余部（バルク層）が核形成層の上に堆積される。従来例に於いて、タングステンバルク層は成長中のタングステン層の上で六フッ化タングステン（ＷＦ６）の水素（Ｈ２）による還元によって形成される。
本発明は低粗度及び高反射率を有する低抵抗タングステンバルク層の製法を提供するものである。平滑で高反射率のタングステン層は従来例の低抵抗タングステンフィルムより写真パタン形成が容易である。その方法は交互の窒素ガスパルス存在下でのタングステンのＣＶＤ成膜を含み、窒素の欠如と存在の条件下においてフィルムの交互の部分がＣＶＤによって成膜される。種々の実施形態において、フィルムの全体の厚さの２０−９０％が窒素存在下のＣＶＤによって成膜される。
以下の詳細な記述は以下の図面と共に考察されることによってより完全に理解されることであろう。
種々の実施形態による方法の工程を示すフロー図である。 タングステン核形成層堆積の関連工程を示すフロー図である。 複数階及び単一階のタングステンバルク層を比較する概略図である。 発明の種々の実施形態におけるタイミングシークエンスの一例を示す。 タングステンバルク層の反射率と抵抗率とを窒素存在下に堆積されたフィルムの百分比の関数として示すグラフである。 窒素の存在下及び窒素のない工程でＣＶＤにより堆積された１０００ Aタングステンフィルムの抵抗率の温度依存を示すグラフである。 窒素の存在下及び窒素のない工程でＣＶＤにより堆積された１０００ Aタングステンフィルムの反射率の温度依存を示すグラフである。 本発明の実施形態によるタングステン堆積工程の実施に好適なシステムのブロック図である。
［概論］
以下の記述に於いてはタングステンフィルム形成に関する本発明の完全理解のために多くの実施形態が開示される。ここに示され論じられる特定の方法や装置の変更、実施、変化などは本発明の範囲の中に於いて当業者には明白であろう。
此処に記載される方法はタングステンフィルムの形成に関する。タングステンフィルム形成の従来の方法は、表面にタングステン核形成層を形成し、次いでＣＶＤ工程を実施することである。本発明の実施形態は、低抵抗率、低粗度、及び高反射率のタングステン層を堆積することから成る。以前は工程において低抵抗率のタングステンフィルムが大粒のタングステンを成長することで実施されていたが、これによるとフィルムの粗度が増加する。その結果、フィルムの厚さに対する二乗平均平方根（ＲＭＳ）粗度は５００ A以上の低抵抗タングステンフィルムの場合１０％を越すこともある。フィルムの粗度が低下されると、パタニングなどのその後の工程が容易になる。
此処に記述される方法は高度に反射性なフィルムを提供するものである。バルクタングステン層を堆積する従来の方法は化学蒸着（ＣＶＤ）工程がタングステンを含む前駆体を水素で還元することから成るものである。従来の水素還元ＣＶＤ工程で成長された１０００Aのフィルムの反射率はシリコン表面に比較して１１０％かそれ以下であるが、或る応用例においてはより大きな反射率のタングステンフィルムが要求されている。例えば低反射率で高粗度のタングステンフィルムであると、例えばビット線又はその他の構成物の形成のようなフォトパタニングタングステンの製作が困難となる。
此処に記述される方法はタングステンをＨ２ＣＶＤ還元によって交互の窒素ガスパルスの存在下で堆積することに関する。窒素ガスの存在下でのタングステン堆積によってタングステンの粗度が低下されることは知られて居るが、本発明者は窒素存在下のＣＶＤ堆積と窒素の存在しないＣＶＤ堆積を交互に実施することによって反射率と粗度の改良されたフィルムが製造されることを発見した。図１は本発明の或る実施形態による工程を示す。この工程はサブストレイトの上にタングステン核形成層を堆積することで始まる。通常核形成層は薄い共形層であって、その後のバルク物質の形成を容易にする働きがある。或る実施形態における核形成層はパルス式核形成層（ＰＮＬ）技術を使用して堆積される。ＰＮＬ技術では、還元剤、パージガス、及びタングステンを含む前駆体のパルスが逐次的に反応チャンバに入射され、そこからパージされる。この工程は所望の厚さが得られるまでサイクル的に繰り返される。ＰＮＬは半導体サブストレイトの上に反応用の反応物質を逐次的に追加する周期的工程を広義的に具体化するものである。
特徴的大きさが小さくなるに従い、タングステンのコンタクト又は線的抵抗はタングステン薄フィルムの散乱効果により増加するものである。効果的なタングステン堆積工程にはタングステン核形成層が必要であるが、これらの層は典型的にバルクタングステン層より電気抵抗率が高い。低抵抗率のタングステンフィルムは集積回路のデザインにおいて電力消費及び過熱を最小化する。rｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ＞rｂｕｌｋであるので、全体の抵抗値を可及的に低くするため、核形成層の厚さは最小化されるべきものである。その反面、タングステン核形成は高質のバルク堆積を支持するために、下地のサブストレイトは十分に覆う厚さでなくてはならない。
抵抗率が低く、低抵抗率のタングステンバルク層の堆積を支持するタングステン核形成層を堆積するＰＮＬ技術は米国特許出願１２／０３０６４５号，１１／９５１２３６号及び６１／０６１０７８号に開示されて居り、これらは本願に参照して合同されるものとする。ＰＮＬ式工程に関する追加的議論は米国特許６６３５９６５号，６８４４２５８号，７００５３７２号及び７１４１４９４号並びに米国特許出願１１／２６５５３１号に記載されてあり、これらも本願に参照して合同されるものとする。
図２は或る実施形態に従いＰＮＬによって低抵抗率タングステン核形成層の堆積に使用可能な工程の概略を示すフロー図である。図２に示される工程は低温でパルス式核形成層工程を使用するタングステン核形成層の形成及びその後バルク充填タングステンの堆積の前の堆積された核形成層の処理に関する。或る実施形態において、サブストレイトは高横縦比及び／叉は狭い幅の特徴を有する。別の実施形態の方法は、低抵抗率のタングステンフィルムを平面的な表面及び低横縦比の特徴及び広幅の特徴の表面の上に堆積するのに使用される。
ブロック２０３に示される如く、低温パルス式核形成層（ＰＮＬ）工程はタングステン核形成層の堆積に使用される。ＰＮＬ工程を使用するタングステン核形成層の堆積にはサブストレイトを還元剤と例えばＷＦ６のようなタングステンを含む前駆体の交互パルスに露出することが含まれる。同形的の核形成層の堆積用の低温タングステン核形成層工程は２００５年１１月１日提出の米国特許出願１１／２６５５３１号に記載されて居り、これは総ての目的に対して全体が参照して合同されるものとする。図２に示される実施形態において、サブストレイトは低温であり、約３５０Ｃ以下、例えば約２５０と３５０Ｃの間、或は２５０と３２５Ｃの間である。或る実施形態の場合、この温度は３００Ｃ前後である。上記の出願１１／２６５５３１号には低抵抗率のフィルムの堆積に使用可能な還元剤とタングステンを含む前駆体のパルスのシークエンスが記載されている。種々の実施形態において、核形成層を堆積するのにホウ素を含む還元剤（例えばジボラン）やホウ素を含まない還元剤（例えばシラン）などが使用される。又或る実施形態においては、核形成層の堆積に、低温サイクルの後に一回以上の高温（例えば３９５°Ｃ）ＰＮＬサイクルが含まれる。或る実施形態では、核形成層の堆積に、２００８年２月１３日に提出された米国特許出願１２／０３０６４５号に記載された非常に小さい高横縦比のタングステン核形成層の堆積法が使用され、この文献はその全体をすべての目的において参照して合同するものとする。これらの方法はホウ素を含む還元剤とタングステンを含む前駆体のＰＮＬサイクルを水素の背景なしで使用し、段差を好適にカバーする特色をもって非常に薄い核形成層（例えば約１２オングストロム）を堆積する。或る実施形態ではこれらの方法の後、ジボラン（又は他のボラン又はホウ素を含む還元剤）が核形成層の堆積の期間中使用される唯一の還元剤である。
再び図２を参照し、任意的工程２０５には抵抗率を低下させるためのより高温の処理工程が含まれる。この処理工程の例には米国特許出願１１／９５１２３６号及び６１／０６１０７８号に記載されたものが含まれ、これらの文献はその全体がすべての目的において参照して合同されるものとする。これらの記載された処理工程には堆積された核形成層を還元剤の複数パルスへ露出すること（間に他の反応性化合物のパルスを介在させることなく）が含まれる。種々の実施形態において、上に核形成層が堆積されたサブストレイトは還元剤パルスの、或る実施形態では還元剤とタングステンを含む前駆体のパルスの、複数サイクルに露出される。還元剤とタングステンを含む前駆体の交互のパルスはタングステン核形成にも使用される。
図２に見られるごとく、処理工程は核形成層の堆積より高温で実施される。温度は３７５Ｃから４１５Ｃの範囲、例えば３９５Ｃである。核形成層の堆積からこの処理工程へとの遷移にはサブストレイトを約３５０Ｃと４１５Ｃの間、又は或る実施形態では約３７５Ｃと４１５Ｃの間に熱してから核形成層を工程で複数の還元剤又は還元剤／タングステン含有前駆体パルスに露出するまで安定化させることが含まれる。或る実施形態において示されるごとく、サブストレイトの温度は約３９５Ｃである。温度がより低いと、同様な処理効果を得るパルス時間が長くなる。処理工程では典型的に実質上タングステンは堆積されない。工程２０５に記載される処理工程は接着の向上に使用可能であるが、本発明の方法はこれなしで実施されてもよい。図２に戻り、一度タングステン核形成層が処理されるや、バルクタングステン層が工程２０７で堆積される。これは下記のように図１の工程１０３−１０９に記載されている。
図２は或る実施形態における低抵抗率のタングステン核形成層の堆積法の工程を示すものであるが、此処に記載されるものはタングステン核形成層堆積の特種な方法に限定されるものではなく、ＰＮＬ，原子層堆積（ＡＬＤ）、ＣＶＤ及びその他の方法などでのタングステン核形成層の上へのバルクタングステンフィルムの堆積を含むものである。
図１に戻り、タングステン核形成層が堆積され、他の所望の処理が実施された後、バルク層が堆積される。堆積はＣＶＤ工程で開始され、ここでタングステンを含む前駆体が水素で還元されてタングステンが堆積される。六フッ化タングステン（ＷＦ６）が通常使用されるが、この工程はＷＣｌ６を含みそれに限定されない他のタングステン前駆体で実施されてもよい。更に、水素が通常バルクタングステン層のＣＶＤ堆積に還元剤として使用されるが、シランを含む他の還元剤が本発明の範囲を出ることなく、水素の追加或いは代わりとして使用可能である。他の実施形態においては、Ｗ（ＣＯ）６が還元剤の有無に拘わらず使用可能である。窒素（Ｎ２）へ露出することで得られる利点は、ＮＨ３を含むその他の窒素含有のキャリヤガスへ露出することによっても得られる。ＮＨ３或いはその他の窒素含有の前駆体を使用すると、同様な利点を有する窒化タングステンを堆積するように上記の工程を変更することが出来る。
ＣＶＬ技術では、上記のＰＮＬ工程と異なり、ＷＦ６とＨ２とが同時に反応チャンバ内に導入される。これにより反応性ガス混合物の連続的化学反応が起こり、タングステンフィルムが連続的にサブストレイトの表面に生成される。
ＣＶＤ堆積は工程１０３で開始され、ここでタングステンを含む前駆体と水素は窒素の存在しない状態で反応チャンバ内へ導入される。或る実施形態でアルゴン或はその他のガスがキャリヤガスとして使用される。これらのガスは予め混合されてあってもなくてもよく、反応させられて所望の全体のタングステンの厚さの一部を堆積する。下記の如く、この工程で堆積されるタングステンの量は部分的には所望の全体の厚さに依存する。例えば或る実施形態においてはこの工程で約１００ Aが堆積される。次に工程１０５において、タングステン層の別の部分が窒素の存在下、ＷＦ６或はその他のタングステン前駆体のＨ２による還元で堆積される。通常工程１０３（Ｈ２−ＷＦ６還元／Ｎ２なし）から工程１０５（Ｈ２−ＷＦ６還元／Ｎ２あり）への遷移はＮ２、Ｈ２及びＷＦ６がすべてチャンバ内へ流入するようにチャンバへのＮ２の流入をオンすることによる。追加的に導入されるガス（Ｎ２）の分を補償して流量のバランスを保つために、アルゴンその他のガス流を減少或は停止してもよい。この工程によってタングステン層の別部分が堆積される。或る実施形態の場合、所望の量のタングステンが堆積されると、此処で工程は終了される。例えば１０００ Aなどの厚手のフィルムを堆積する場合には工程のサイクル数が増加される。これは工程１０７で示されて居り、ここで窒素なしのＨ２−ＷＦ６還元ＣＶＤが実施される。工程１０５から工程１０７への遷移は窒素の流入をオフにすることにより、もし必要ならば、工程１０５用に減少或は停止されたアルゴン或はその他のガスの流入を復活させる。タングステン層の別部分が堆積される。窒素の別のパルスが次いで工程１０９で導入され、タングステン層の別の部分が、再び窒素の存在下で堆積される。１サイクル以上の追加的サイクルのＮ２なし及びＮ２ありＷＦ６のＨ２還元が必要ならば、こうして実施されて所望の厚さに到達する。或る実施形態においては、工程はＨ２のみの還元の後に終了する。
別の実施形態においては、Ｎ２及びタングステンを含む前駆体のパルスが同時につきでチャンバに導入され（例えばＮ２をタングステン前駆体のキャリヤガスとして）、パルス式Ｎ２あり還元工程がＨ２のみの還元工程の介在なしで実施される。図３Ａに略示されるように、Ｈ２のみのＣＶＤ還元とＮ２ありのＣＶＤの交互で形成された複数階のバルクタングステン層（３０１）及びＮ２ありのＣＶＤのみで形成されたもの（３０３）の両方ともＮ２ありの単階層（３０５）より高反射率であり、後者はＨ２のみの単階層（３０７）より高反射率である。Ｎ２ありの複数階層を形成するのに、Ｎ２パルスの間に少なくとも１秒の遅延の存在することに留意されたい。
図３Ｂは本発明の或る実施形態におけるタイミングシークエンスの一例を示す。上記の工程１０３ー１０９に記載されたＮ２ありのＣＶＤサイクルの開始前、示されているように、予備加熱及び第一Ｈ２（Ｎ２なし）還元の起こることもある。予備加熱及び第一堆積は共に任意的である。或る実施形態においては、水を例えば３９５Ｃで予備加熱することが抵抗の不均一性を減少するのに役立つ。叉或る実施形態においては、良好な応答及び再現性を達成するため、タングステン前駆体が真空ポンプに迂回されることもある。これによって前駆体が堆積チャンバに導入される前の流れが安定化される。図３に示される実施形態の場合、ＷＦ６の流れは各ＣＶＤ堆積の前後で迂回され、ＷＦ６は堆積の間にチャンバに流入される。図３には２サイクルのＮ２−ＣＶＤ堆積が描かれているが、Ｎ２−ＣＶＤ堆積のサイクル数の範囲は１と如何なる所望の数の間であってもよい。Ｎ２−ＣＶＤ堆積のサイクルが例えば２−５のような複数であると、これが単数である場合より粗度が改善するものと見出されている。Ｎ２−ＣＶＤのサイクルの各々にはＨ２のみのＣＶＤとその後の遅延期間（遅延１）を有する。この遅延の範囲は０−１分であり、例えば２或は３秒であってよい。逐次的に描かれてはあるが、ＷＦ６の迂回と遅延は典型的には同時である。即ちＷＦ６は還元の間の遅延の期間中に迂回される。或る実施形態では迂回がなく、タングステンは工程の期間を通じてチャンバに流入される。各Ｎ２−ＣＶＤサイクルには叉後に遅延期間（遅延２）のつくＮ２ありのＨ２還元がある。最小１−３秒の遅延があると、Ｎ２ありのＨ２還元の後に遅延のない工程の場合より粗度が改善されることが知られている。これはチャンバ内に残留する窒素が堆積されたフィルムの表面を不動態化し、後続のＨ２のみのフィルムがより平滑な様相で堆積させられるからであると信じられる。
タングステン前駆体の流れがタイミングシークエンスに示されて居る。アルゴン或はその他のキャリヤガス、水素及び窒素のチャンバへの流入はシークエンスの下に記されている。図示のごとく、Ｎ２の中のＨ２還元の場合以外アルゴン流は不変であり、その場合においては追加的Ｎ２ガスの分として減少或は停止される。工程の期間を通じてＨ２は不変であり、Ｎ２はＮ２存在下のＨ２還元の期間中のみ流入される。
この工程はバルクタングステン層を堆積する前回のＨ２−ＷＦ６ＣＶＤ還元工程と著しく異なることに留意されたい。前回の工程ではバルク層を堆積するのに一組のＣＶＤ条件とガスが使用される。米国特許７１４１４９４号は窒素の存在下でのＷＦ６のＨ２還元によるタングステンバルク層の堆積を記述している。この特許に記載されているように、例えばＷＦ６−Ｈ２，ＷＦ６−Ｂ２Ｈ６或はＷ（ＣＯ）６を含む工程ガスがチャンバに導入される。窒素も工程ガスがチャンバに導入される以前、最中、或は以後に堆積チャンバ内に導入される。或る場合には、タングステンが核形成出来るように、窒素は堆積工程の開始直後に導入される。しかし、窒素が一度導入されると、堆積工程は窒素の追加的パルスなしで継続する。しかし、下記のように、'４９４号特許に記載された工程の結果として水素の存在しない条件で堆積されたタングステンより改善された粗度が得られるが、工程の期間を通じて窒素のパルシングを行うと結果として改善された粗度と改善された反射率が得られる。
表１は交互窒素パルス付きのＨ２還元によって製作されたタングステンフィルム、窒素なしのＨ２還元で製作されたフィルム、及び堆積期間中窒素を流通させたＨ２還元で製作されたフィルムについて反射率を比較したものである。
タングステン核形成層堆積は上記のようにＰＮＬ工程によって実施された。ジボランと６フッ化タングステンの交互パルスが低温で工程１と２の両方で使用され、工程２では図２で説明されたような低抵抗率処理も含まれた。Ｈ２のみ及びＮ２を工程中使用したＨ２還元の両方と比較して、交互Ｎ２工程はより高い反射率を示した（工程１の場合平均反射率１．２対１．１８及び１．１１；工程２の場合１．１８対１．１４）。抵抗率の不均一性も工程１では改善されていた。
反射率の改善のみならず、交互パルスの工程では粗度もその他の両方の工程に比して改善される。Ｎ２の存在下ではＮ２の存在しない場合に較べてＷＦ６のＨ２還元で粗度の改善されることは通常知られているが、予期に反し、Ｈ２のみのＣＶＤ還元とＮ２Ｈ２ＣＶＤ還元を交互に実施することで粗度の減少が更に改善される。特別の理論によって限定されることなく、この現象は以下のメカニズムによるものと信じられる。即ち、タングステン堆積期間全体に亘って窒素が存在すると、粒子が或る領域で成長し、窒素ガス流入が交互に実施されると、この粒子の成長の連続性が中断される。窒素ガスが存在するとタングステン成長表面の上の或る核形成領域を抑制するかもしれず、保証されたタングステン粒子で以前のテンプレートに従わないものも発生する可能性がある。
表１において、Ｎ２の添加によってフィルムの抵抗率は多少増加するが、この工程では抵抗率１３マイクロオームｃｍ以下のフィルムが製造される。従って、この工程では粒子サイズで可能な低抵抗率のみならず、通常小さい粒子サイズで達成可能な平滑性をも達成可能である。これは粒子のサイズが窒素への露出のない場合と同様に留まるからである。
本発明の他の面において、フィルムの抵抗率と粗度がＮ２のスタックの存在下のＨ２−ＣＶＤとＨ２のみのＣＶＤスタックの混合によって最適化される。（Ｈ２−ＣＶＤとはＷＦ６のＨ２還元でＷをＣＶＤで堆積するの意）。殊に、フィルム全体に対するＨ２の存在下でのＨ２還元によって堆積されるフィルムの比を制御することにより、抵抗率及び反射率が最適化され得る。このことは図４に示されており、図４は種々のアルファにおける１０００AのＷフィルムのフィルム抵抗率及び反射率を示している。ここでアルファとはＮ２の存在下Ｈ２還元によって堆積された全体の厚さをＮ２なしのＨ２還元で堆積された全体の厚さで割ったものであり、全体の厚さとは総てのサイクルで堆積された厚さのことである。アルファ＝０のデータはＨ２のみの工程に相当し、アルファ＝１のデータはＣＶＤ還元の大部分或いは実質上全部に於いてＮ２の存在下であった工程に相当する。図４は抵抗率がアルファと共に増加し、それから平坦化し、アルファが０．８の場合には減少さえすることを示している。反射率はアルファが約０と０．８の間で増加し、それから１．０前後で減少する。従って、反射率と抵抗率を最適化するのに（より高い反射率とより低い抵抗率を所望）、或る実施形態においては、約０．２と０．９の間のアルファが使用される。特種な実施形態の場合、０．４と０．８の間のアルファが使用される。他の実施形態では０．４と０．８の間のアルファが使用され、殊に０．６と０．８の間のアルファが使用される。アルファはＨ２のみのＣＶＤ工程の各々、及びＮ２の存在下のＣＶＤ工程の各々で堆積されるフィルムの量を制御することで制御される。従ってアルファの値を０．５とする場合、単一Ｎ２−ＣＶＤサイクル（Ｈ２のみの還元及びＮ２存在下の還元を含むサイクル）における各還元工程で略同量の物質が堆積される。
本発明の他の面においては、反射率を向上させるためにＣＶＤ工程の実施される温度が増加される。殊にＮ２の存在下のＨ２還元で温度を約４００Ｃ以上にすると４００Ｃ以下の場合より良好な反射率となる。Ｈ２のみのＣＶＤの場合の反射率が反対の結果を示すので、上記の結果は予期に反することであった。図５及び６は夫々Ｈ２のみのＣＶＤフィルムとＮ２の存在下のＣＶＤフィルムの抵抗率と反射率を示すものである。図５は温度の増加により両方の工程のフィルム抵抗率が減少することを示しており、これは成長速度の増加と共に粒子サイズが増加し粒子間の境界が減少するので予期されることである。図６はＨ２のみのＣＶＤの場合温度の増加と共に反射率の低下することを示している。抵抗率の低下の結果である粒子サイズの増加で拡散散乱が増加し、粗度が増加し、反射率が低下することも予期されることである。しかし、予期されなかったことは、４１５Ｃ工程が例えばＨ２のみの場合１１１％から１０８％に低下し、Ｎ２の存在下の工程で１１６％から１１８％に増加する一方、Ｎ２の存在下の工程の反射率が温度の増加と共に増加することである。
或る実施形態において、Ｎ２−ＣＶＤサイクルの間の温度はＮ２−ＣＶＤサイクルの前に実施されるＨ２のみの工程より高い。又或る実施形態において、Ｎ２−ＣＶＤサイクルのＮ２存在下の還元の温度はそのサイクルのＨ２のみの部分の期間より高い。
［装置］
本発明の方法は種々の販売元から入手可能な種々の種類の堆積装置で実施可能である。適当な装置の例にはＮｏｖｅｌｌｕｓ Ｃｏｎｃｅｐｔ−１ Ａｌｔｕｓ，Ｃｏｎｃｅｐｔ ２ Ａｌｔｕｓ，Ｃｏｎｃｅｐｔ−２ ＡＬＴＵＳ−Ｓ，Ｃｏｎｃｅｐｔ ３ Ａｌｔｕｓ堆積装置、及び他の市場で入手可能なＣＶＤツールが含まれる。場合によって、工程は複数の堆積部署において逐次的に実施されてもよい。例えば米国特許６１４３０８２号が参照可能であり、これはすべての目的において本願に参照して合同されるものとする。或る実施形態において、パルス式核形成工程は単一の堆積チェンバ内に位置する２、５或はそれ以上の数の堆積部署の中の一つである第一部署で実施される。従って、還元ガス及びタングステン含有ガスは第一部署に於いてサブストレイトの表面に局地的雰囲気を生成する個別のガス供給システムを使用して交互にサブストレイトの表面に導入される。
次いで、上記のＣＶＤを実施するのに他の部署が使用される。２個或いはそれ以上の部署が並列工程としてＣＶＤの実施に使用されてもよい。代行的に、索引をウエファに付けてＣＶＤ工程を二個以上の部署で順番に実施してもよい。
図７は本発明の実施例によるタングステン薄膜堆積工程の実施に好適な工程システムのブロック図である。システム７００は運搬モジュール７０３を有する。運搬モジュール７０３はサブストレイトが種々の反応器モジュールの間を移動する間に汚染される危険を最小化するため、清潔な加圧された環境を提供する。ＰＮＬ堆積、所望されるならば複数パルス処理、及び本発明の実施例によるＣＶＤの実施が可能である複数部署の反応器７０９が運搬モジュール７０３の上に設置される。チェンバ７０９はこれらの工程を順々に実施する複数の部署７１１、７１３、７１５及び７１７が含まれてもよい。例えばチェンバ７０９は部署７１１がＰＮＬ堆積を実施し、部署７１３が複数パルス処理を実施し、部署７１５と７１７とがＣＶＤを実施するように形成されてもよい。
プラズマ或いは化学（プラズマを除く）予備洗浄を実施可能な単一或いは複数部署の一個以上のモジュール７０７が更に運搬モジュールの上に設置されていてもよい。モジュールは裏地窒化タングステン後処理のような種々その他の処理のために使用されてもよい。システム７００は更に工程の前後にウエファを格納する一個以上（此処の場合には二個）のウエファ源モジュール７０１を含んでもよい。大気運搬チェンバ７１９内の大気ロボット（図示せず）が先ずウエファを源モジュール７０１からロードロック７２１へと取り出す。運搬モジュール７０３内のウエファ運搬装置(通常ロボットアームユニット）がロードロック７２１からウエファを運搬モジュール７０３に設置されたモジュールへ及びモジュールの間を運搬する。
或る実施例に於いては、堆積期間の工程条件を制御するシステム制御装置が使用される。典型的に制御装置は一個以上のメモリ装置と一個以上のプロセサを有する。プロセサはＣＰＵ或いはコンピュータ、アナログ及び／或はデジタル入力／出力接続子、ステッパモータ制御盤などから成る。
制御装置とは堆積装置の行動全体を制御するものでよい。システム制御装置はタイミング、ガスの混合、チェンバの圧力、チェンバの温度、ウエファの温度、ＲＦ電力、ウエファチャック及び台の位置、及び特別な工程の他のパラメタに関する命令などを含むシステム制御ソフトウエアを実施する。或る実施例に於いては、制御装置に関連するメモリ装置に記録されたその他のコンピュタプログラムが実施されてもよい。
典型的には制御装置に関連したユーザインタフェイスが存在する。このユーザインタフェイスには表示スクリーン、装置及び／或は工程条件図示用ソフトウエア、及び指摘用装置、キーボード、タッチスクリーン、マイクロホンなどのようなユーザ入力装置が含まれてよい。
堆積及び工程配列内のその他の工程の制御用のコンピュータプログラムコードはＣ，Ｃ＋＋，Ｐａｓｃａｌ，Ｆｏｒｔｒａｎその他のようなコンピュータが読める如何なる言語で記載されたものであってもよい。コンパイルされたコード或いはスクリプトは、プログラムで特定されたタスクが実行されるようにプロセサによって実施される。
制御装置のパラメタは工程ガス構成及び流量、温度、圧力、ＲＦ電力レベル及び低周波ＲＦ周波数などのようなプラズマ条件、冷却ガス圧、及びチェンバ壁温度などの工程条件に関する。これらのパラメタはレシピの形態でユーザインタフェイスを通じてユーザに供されてよい。
工程を監視する信号がシステム制御装置のアナログ及び／或はデジタル入力接続子に与えられてよい。工程制御用のこれらの信号は堆積装置のアナログ及びデジタル出力接続子に出力される。
システムソフトウエアは多くの異なる様式に設計或いは形成されたものでよい。例えば、種々のチェンバ部品サブルーテン或いは制御オブジェクトが本発明の堆積工程の実施に必要なチェンバ部品の工程を制御するために書かれてよい。この目的のためのプログラム乃至プログラムの部分にはサブストレイト位置付けコード、工程ガス制御コード、圧力制御コード、ヒータ制御コード、及びプラズマ制御コードが含まれる。
サブストレイト位置付けプログラムはサブストレイトを台或いはチャックに載せたりサブストレイトとガス注入口及び／或は対象物のようなチェンバ内の他の部品との距離を制御したりするのに使用されるチェンバ部品を制御するプログラムコードを含んでよい。工程ガス制御コードはガス構成及び流量の制御の為、及び任意的にチェンバ内の圧力を安定化するように堆積前にガスをチェンバに流入させる為のコードを含んでよい。圧力制御コードは例えばチェンバの排出システムの絞り弁を調整してチェンバ内の圧力を制御するコードを含んでよい。ヒータ制御コードはサブストレイトの加熱用に使用される加熱ユニットへの電流を制御するコードを含んでよい。代行的に、ヒータ制御プログラムがヘリウムのような熱輸送ガスのウエファチャックへの配達を制御してもよい。
堆積期間に監視されてよいチェンバセンサの例には質量流制御装置、マノメタのような圧力センサ及び台或いはチャックに位置される熱電対がある。適宜にプログラムされたフィードバック及び制御アルゴリズムがこれらのセンサからのデータと共に所望の工程条件の維持に使用されてよい。
本発明の実施例の実行には単一或いは複数チェンバの半導体工程ツールが使用される。
［応用］
本発明は多くの応用のための薄手低抵抗タングステン層の堆積に使用可能である。好適な応用例として、メモリチップやマイクロプロセサのような集積回路での相互接続子がある。相互接続子は単一金属化層の上の電流線であり、一般的に長くて薄く平坦な構成である。相互接続子の基本的応用はメモリチップのビット線である。これらの形成にはまずタングステン層がブランケット式に堆積され（上記の工程による）、次いでパタニング工程で電流通過の位置を定義し、タングステン線外部の領域からタングステンを除去する。
相互接続子の基本的応用はメモリチップのビット線である。言うまでもまく、本発明は相互接続子への応用に限定されるものではなく、通路ホール、接点装置及びその他電子機器に通常見られるタングステン構成物に及ぶものである。一般的に、本発明は薄くて低抵抗のタングステン層が必要とされる環境に応用面を見出すものである。
多くの応用面において重要なパラメタとして、最終的に堆積されるタングステン層の比較的低い粗度がある。タングステン層の粗度は好適に堆積されたタングステン層の全体の厚さの約１０％以下であり、更に好適には堆積されたタングステン層の全体の厚さの約５％以下である。タングステン層の粗度は原子力顕微鏡検査法など、種々の技術によって測定可能である。
［他の実施形態］
本発明は若干の実施例に関して記述されたものであるが、本発明の範囲内には多くの変更、置換、代行、均等のものが含まれる。本発明の方法及び装置を実施する多くの代行的様相の存在することは銘記されるべきことである。従って、此処に添付される請求項は本発明の真の意図と範囲にあるかような変更、置換、代行、均等によるものを含むものとする。
なお、本願明細書に記載の実施形態によれば、以下の構成もまた開示される。
［項目１］
タングステンフィルムを半導体サブストレイトの上に形成する方法であって、
該半導体サブストレイトの上にタングステン核形成層を堆積する工程と、
該タングステン核形成層の上にタングステンバルク層をＣＶＤ工程で堆積する工程と
を備え、
前記ＣＶＤ工程において該半導体サブストレイトは、該タングステンバルク層の堆積の間に、パルス間に遅延期間が存在する窒素の複数パルスに露出される方法。
［項目２］
前記タングステン核形成層を堆積する工程が１サイクル以上を有し
前記１サイクルは、タングステンを含む前駆体が窒素の存在しない状態で還元剤によって還元される少なくとも一つのＣＶＤ工程及びタングステンを含む前駆体が窒素の存在下で還元剤によって還元される少なくとも一つのＣＶＤ工程を含む、項目１に記載の方法。
［項目３］
少なくとも２サイクルを含む、項目２に記載の方法。
［項目４］
堆積されたタングステンバルク層の反射率が空のシリコンウエファの反射率より２０％大きい、項目１に記載の方法。
［項目５］
堆積されたタングステンバルク層の抵抗率が約１５マイクロオーム−ｃｍ以下である、項目１に記載の方法。
［項目６］
堆積されたタングステンバルク層の抵抗率が約１３マイクロオーム−ｃｍ以下である、項目１に記載の方法。
［項目７］
堆積されたタングステンバルク層が、タングステンを含む前駆体の窒素の存在下での還元で堆積される第一の厚さと、タングステンを含む前駆体の窒素の存在しない状態での還元で堆積される第二の厚さとから成り、全体の厚さは第一の厚さと第二の厚さの和であり、第一の厚さの全体の厚さに対する割合が約０．２と０．９の間にある、項目１に記載の方法。
［項目８］
第一の厚さの全体の厚さに対する割合が約０．４と０．８の間にある、項目７に記載の方法。
［項目９］
第一の厚さの全体の厚さに対する割合が約０．５と０．８の間にある、項目７に記載の方法。
［項目１０］
第一の厚さの全体の厚さに対する割合が約０．６と０．８の間にある、項目７に記載の方法。
［項目１１］
前記タングステン核形成層を堆積する工程は、還元剤のパルスとタングステンを含む前駆体のパルスとをサブストレイトの上に交互に行うことを含み、ＰＮＬ工程によって核形成層を堆積する、項目１に記載の方法。
［項目１２］
前記タングステンバルク層を堆積する工程が、タングステンを含む前駆体が窒素の存在しない状態で還元剤によって還元されてタングステンが堆積される少なくとも一つのＣＶＤ工程と、タングステンを含む前駆体が窒素の存在下還元剤によって還元されてタングステンが堆積される少なくとも一つのＣＶＤ工程とを有し、窒素存在下のＣＶＤ工程の間の温度が窒素が存在しない状態のＣＶＤ工程の間の温度より高い、項目１に記載の方法。
［項目１３］
前記タングステンバルク層を堆積する工程が、ＷＦ ６ をＨ ２ で還元することを含む、項目１に記載の方法。
［項目１４］
前記タングステンを含む前駆体がＷＦ ６ であり、前記還元剤がＨ ２ である、項目２に記載の方法。
［項目１５］
タングステンを含む前駆体を堆積する工程が、複数の逐次的ＣＶＤ工程を有し、還元剤が窒素の存在下でタングステンを含む前駆体を還元し、前記複数の逐次的ＣＶＤ工程の間には少なくとも１秒の遅延期間がある、項目１に記載の方法。
［項目１６］
タングステンフィルムを半導体サブストレイトの上に形成する方法であって、
該半導体サブストレイトの上にタングステン核形成層を堆積する工程と、
該タングステン核形成層の上にタングステンバルク層をＣＶＤ工程においてタングステンを含む前駆体を還元することで堆積する工程と
を備え、
前記ＣＶＤ工程においては該半導体サブストレイトが該タングステンバルク層の堆積の間窒素の複数パルスに露出され、窒素パルス間にはaが０．２と０．９の間にあるように遅延期間が含められ、aとは窒素の存在下で堆積されたタングステンバルク層のタングステンの厚さをタングステンバルク層の全体の厚さで割った比のことである、方法。
［項目１７］
aが０．５と０．８の間にある、項目１６に記載の方法。
［項目１８］
前記タングステンバルク層が、ＷＦ ６ のＨ ２ による還元で堆積される、項目１６に記載の方法。
［項目１９］
タングステンフィルムを半導体サブストレイトの上に堆積する装置であって、
サブストレイト支持具及びサブストレイトをガスのパルスに露出させるように構成された一個以上のガス入口を含む堆積チャンバーと、
該堆積チャンバー内の工程を制御する制御器と
を備え、
該制御器はタングステンを含む前駆体及び還元剤をチャンバー内へ流入させ、窒素をパルス間に遅延期間を持たせてチャンバーの中へ脈動させる、装置。

Claims (20)

  1. タングステンフィルムを半導体基板上に形成する方法であって、
    該半導体基板上にタングステン核形成層を堆積する工程と、
    該タングステン核形成層上にタングステンバルク層をＣＶＤ工程で堆積する工程と
    を備え、
    前記ＣＶＤ工程において該半導体基板は、該タングステンバルク層の堆積の間に、パルス間に遅延期間が存在する窒素の複数パルスに露出され、
    前記タングステンバルク層の前記ＣＶＤでの堆積は、前記タングステンバルク層の前記ＣＶＤでの堆積の間、パルス式核形成層（ＰＮＬ）工程によりタングステンを堆積させることなく行われる方法。
  2. 前記タングステン核形成層を堆積する工程が１サイクル以上を有し
    前記１サイクルは、タングステンを含む前駆体が窒素の存在しない状態で還元剤によって還元される少なくとも一つのＣＶＤ工程及びタングステンを含む前駆体が窒素の存在下で還元剤によって還元される少なくとも一つのＣＶＤ工程を含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記タングステン核形成層を堆積する工程は、少なくとも２サイクルを含む、請求項２に記載の方法。
  4. 堆積されたタングステンバルク層の反射率がシリコンウエファの反射率より２０％大きい、請求項１から３の何れか１項に記載の方法。
  5. 堆積されたタングステンバルク層の抵抗率が１５マイクロオーム−ｃｍ以下である、請求項１から４の何れか１項に記載の方法。
  6. 堆積されたタングステンバルク層の抵抗率が１３マイクロオーム−ｃｍ以下である、請求項１から５の何れか１項に記載の方法。
  7. 堆積されたタングステンバルク層が、タングステンを含む前駆体の窒素の存在下での還元で堆積される第一の厚さと、タングステンを含む前駆体の窒素の存在しない状態での還元で堆積される第二の厚さとから成り、全体の厚さは第一の厚さと第二の厚さの和であり、第一の厚さの全体の厚さに対する割合が０．２と０．９の間にある、請求項１から６の何れか１項に記載の方法。
  8. 第一の厚さの全体の厚さに対する割合が０．４と０．８の間にある、請求項７に記載の方法。
  9. 第一の厚さの全体の厚さに対する割合が０．５と０．８の間にある、請求項７または８に記載の方法。
  10. 第一の厚さの全体の厚さに対する割合が０．６と０．８の間にある、請求項７から９の何れか１項に記載の方法。
  11. 前記タングステン核形成層を堆積する工程は、還元剤のパルスとタングステンを含む前駆体のパルスとを基板上に交互に行うことを含み、ＰＮＬ工程によって核形成層を堆積する、請求項１から１０の何れか１項に記載の方法。
  12. 前記タングステンバルク層を堆積する工程が、タングステンを含む前駆体が窒素の存在しない状態で還元剤によって還元されてタングステンが堆積される少なくとも一つのＣＶＤ工程と、タングステンを含む前駆体が窒素の存在下還元剤によって還元されてタングステンが堆積される少なくとも一つのＣＶＤ工程とを有し、窒素存在下のＣＶＤ工程の間の温度が窒素が存在しない状態のＣＶＤ工程の間の温度より高い、請求項１から１１の何れか１項に記載の方法。
  13. 前記タングステンバルク層を堆積する工程が、ＷＦ６をＨ２で還元することを含む、請求項１から１２の何れか１項に記載の方法。
  14. 前記タングステンを含む前駆体がＷＦ６であり、前記還元剤がＨ２である、請求項２に記載の方法。
  15. 前記タングステンバルク層を堆積する工程が、複数の逐次的ＣＶＤ工程を有し、還元剤が窒素の存在下でタングステンを含む前駆体を還元し、前記複数の逐次的ＣＶＤ工程の間には少なくとも１秒の遅延期間がある、請求項１から１４の何れか１項に記載の方法。
  16. タングステンフィルムを半導体基板上に形成する方法であって、
    該半導体基板上にタングステン核形成層を堆積する工程と、
    該タングステン核形成層上にタングステンバルク層をＣＶＤ工程においてタングステンを含む前駆体を還元することで堆積する工程と
    を備え、
    前記ＣＶＤ工程においては該半導体基板が該タングステンバルク層の堆積の間窒素の複数パルスに露出され、窒素パルス間にはαが０．２と０．９の間にあるように遅延期間が含められ、αとは窒素の存在下で堆積されたタングステンバルク層のタングステンの厚さをタングステンバルク層の全体の厚さで割った比のことであり、
    前記タングステンバルク層の前記ＣＶＤでの堆積は、前記タングステンバルク層の前記ＣＶＤでの堆積の間、パルス式核形成層（ＰＮＬ）工程によりタングステンを堆積させることなく行われる、方法。
  17. αが０．５と０．８の間にある、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記タングステンバルク層が、ＷＦ６のＨ２による還元で堆積される、請求項１６または１７に記載の方法。
  19. 半導体基板を準備する段階と
    請求項１から１８の何れか１項に記載の方法によりタングステンフィルムを前記半導体基板上に形成する段階と
    を備える集積回路の製造方法。
  20. タングステンフィルムを半導体基板上に堆積する装置であって、
    基板支持具及び基板をガスのパルスに露出させるように構成された一個以上のガス入口を含む堆積チャンバーと、
    該堆積チャンバー内の工程を制御する制御器と
    を備え、
    該制御器はタングステンを含む前駆体及び還元剤をチャンバー内へ流入させ、窒素をパルス間に遅延期間を持たせてチャンバーの中へ脈動させ、
    前記制御器は、前記半導体基板上にタングステン核生成層を堆積させ、
    前記制御器は、前記タングステン核形成層上にタングステンバルク層をＣＶＤ工程で堆積させ、
    前記ＣＶＤ工程において前記半導体基板は、前記タングステンバルク層の堆積の間に、パルス間に遅延期間が存在する窒素の複数パルスに露出され、（出願時請求項１）
    前記タングステンバルク層の前記ＣＶＤでの堆積は、前記タングステンバルク層の前記ＣＶＤでの堆積の間、パルス式核形成層（ＰＮＬ）工程によりタングステンを堆積させることなく行われる、装置。
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