JP6222880B2 - 半導体装置の製造方法、基板処理装置、半導体装置およびプログラム - Google Patents

半導体装置の製造方法、基板処理装置、半導体装置およびプログラム Download PDF

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Description

本発明は、基板上に薄膜を形成する半導体装置の製造方法、基板処理装置、半導体装置およびプログラムに関する。
近年、回路の高集積化および高性能化に伴い、従来よりも開口部が狭い極細溝への金属膜の成膜が求められている。また、金属膜としては低い抵抗率が求められている。その金属膜の用途としては、例えばフラッシュメモリのコントロールゲート、ＤＲＡＭ（ＤｙｎａｍｉｃＲａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）のゲート電極、電極間の配線等が考えられる。
金属膜の開口部への埋め込みの際、結晶化された膜を用いると表面ラフネス（単にラフネスともいう）が大きくなり空孔が生じてしまう場合がある。しかし、表面ラフネスを小さくするために非晶質（アモルファス）の膜を用いる場合、その成膜時の温度を低くする必要があり、得られた金属膜の抵抗率が高くなってしまう。
本発明の主な目的は、上記の問題を解決し、ラフネスが小さく、かつ抵抗率が低い高品質な膜を形成することが可能な技術を提供することにある。
本発明の好ましい一態様によれば、 基板に対して、金属含有ガスと第１の還元ガスとを同時に供給して、前記基板上に第１の非晶質金属層を形成する工程と、 前記第１の非晶質金属層が形成された基板に対して、前記金属含有ガスと第２の還元ガスとを時分割して所定回数供給して、前記第１の非晶質金属層の上に第２の非晶質金属層を形成する工程と、 を時分割して所定回数行うことにより前記基板上に非晶質金属膜を形成する工程と、 前記非晶質金属膜が形成された基板に対して、前記金属含有ガスと前記第１の還元ガスとを同時に供給して、前記基板上に結晶化した金属層を形成する工程と、 を有する半導体装置の製造方法が提供される。
本発明によれば、ラフネスが小さく、かつ抵抗率が低い高品質な膜を形成することが可能な技術が提供される。
本発明の第１の実施形態で好適に用いられる基板処理装置の処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を縦断面図で示す図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図１に示す基板処理装置が有するコントローラの構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態で形成される膜を適用可能なスタック構造の例を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態におけるバルク層形成時のシーケンスを示す図である。 本発明の第１の実施形態におけるシード層形成時のシーケンスを示す図である。 本発明の他の実施形態で好適に用いられる基板処理装置の処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を縦断面図で示す図である。 本発明の他の実施形態で好適に用いられる基板処理装置の処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を縦断面図で示す図である。
フラッシュメモリやＤＲＡＭ（ＤｙｎａｍｉｃＲａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等のメモリに用いられる電極や、電極間の配線等に使用される金属膜としては、例えばタングステン（Ｗ）膜が用いられる。その成膜方法としては、基板に対して複数の処理ガスを同時に供給（連続供給）して気相中もしくは基板表面における複数の処理ガスの反応を利用することにより基板上に膜を形成する方法や、基板に対して複数の処理ガスを時分割して（非同期、間欠的、パルス的に）供給することにより基板上に膜を形成する方法等がある。開口部が狭いプラグ等の極細溝へ金属膜を埋め込む場合は、より良好な膜厚均一性を得ることができる後者の複数の処理ガスを時分割して供給する方法が有効である。しかし、その場合、得られた金属膜の抵抗率が高くなってしまうため、通常、Ｗ膜の形成には前者の複数の処理ガスを同時に供給する方法を用いることが多い。
また、開口部が狭いプラグ等の極細溝へ金属膜を埋め込む場合は、ラフネスが大きいと好適に埋め込みができず空孔が生じてしまうことがあるため、埋め込み時点の金属膜は非晶質状態であることが望ましい。しかし、Ｗ膜の結晶化温度は低く、複数の処理ガスを同時に供給する方法を用いる場合には２００〜２５０℃程度の温度で結晶化してしまう。Ｗ膜を形成する際に膜中に不純物を添加することにより非晶質化してラフネスが小さい膜を形成することは可能だが、不純物を添加して形成した非晶質のＷ膜を結晶化させるために必要な温度は５００℃以上であるため、使用できる工程が制限されるとともに、得られた金属膜の抵抗率が高くなってしまう。したがって、開口部が狭い極細溝へ形成するＷ膜としては、低温処理により形成されるＷ膜であって、ラフネスが小さく、かつ抵抗率が低く、結晶化したＷ膜が求められる。
発明者らは、鋭意研究を行い、非晶質のＷ膜の上に結晶化したＷ層を形成すると、非晶質のＷ膜へ結晶化したＷ層の影響が及び、非晶質のＷ膜が結晶化するため、結果として、基板上に結晶化したＷ膜を形成することができることを見出した（逆固相反応）。結晶化したＷ層を形成する際に必要な温度は２５０℃以下であって好ましくは２００℃以下と低温である。また、２００℃程度の温度で基板に対して複数の処理ガスを同時に供給して膜を形成した場合であっても一定の膜厚（ａ）までは非晶質のＷ層（Ａ）を形成できることを見出した。さらに、基板に対してＷ含有ガスおよび不純物を含む還元ガスを時分割して供給して膜を形成することにより、２５０℃以下であって好ましくは２００℃以下の低温でラフネスが小さい非晶質のＷ層（Ｂ）を形成できることを見出した。そして、非晶質のＷ層（Ａ）の上に、非晶質のＷ層（Ｂ）を形成し、さらに非晶質のＷ層（Ａ）を重ねて形成することにより、一定の膜厚（ａ）より厚い膜厚を有する非晶質のＷ膜を形成することができることを見出した。すなわち、非晶質のＷ層（Ａ）の間に非晶質のＷ層（Ｂ）を挟む（非晶質のＷ層（Ａ）と非晶質のＷ層（Ｂ）をラミネート（積層）する）ことにより、所望の膜厚を有する非晶質のＷ膜を形成することができることを見出した。
したがって、非晶質のＷ層（Ａ）と非晶質のＷ層（Ｂ）とを組み合わせて所望の膜厚を有する非晶質のＷ膜を形成し、その上に結晶化したＷ層を形成することにより、２００℃以下の低温処理により、ラフネスが小さく、かつ抵抗率が低く結晶化したＷ膜を、開口部が狭い極細溝へ形成することができる。詳細は以下に説明する。
＜本発明の第１の実施形態＞ 以下、本発明の第１の実施形態について図１および図２を用いて説明する。基板処理装置１０は、半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程である基板処理工程において使用される装置の一例として構成されている。
（１）処理炉の構成 処理炉２０２には加熱手段（加熱機構、加熱系）としてのヒータ２０７が設けられている。ヒータ２０７は上方が閉塞された円筒形状に形成されている。
ヒータ２０７の内側には、ヒータ２０７と同心円状に反応容器（処理容器）を構成する反応管２０３が配設されている。反応管２０３は耐熱性材料等（例えば石英（ＳｉＯ２）または炭化シリコン（ＳｉＣ））からなり、上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に形成されている。
反応管２０３の下端には、ステンレス等の金属材料からなるマニホールド２０９が取り付けられている。マニホールド２０９は筒状に形成され、その下端開口は、ステンレス等の金属材料からなる蓋体としてのシールキャップ２１９により気密に閉塞される。反応管２０３とマニホールド２０９との間、および、マニホールド２０９とシールキャップ２１９との間には、それぞれシール部材としてのＯリング２２０が設けられている。主に、反応管２０３、マニホールド２０９およびシールキャップ２１９により処理容器が構成され、この処理容器の内部に処理室２０１が形成される。処理室２０１は、基板としてのウエハ２００を後述するボート２１７によって水平姿勢で垂直方向に多段に整列した状態で収容可能なように構成されている。
シールキャップ２１９の処理室２０１と反対側には、ボート２１７を回転させる回転機構２６７が設置されている。回転機構２６７の回転軸２５５は、シールキャップ２１９を貫通してボート２１７に接続されている。回転機構２６７は、ボート２１７を回転させることでウエハ２００を回転させるように構成されている。シールキャップ２１９は、反応管２０３の外部に垂直に設置された昇降機構としてのボートエレベータ１１５によって垂直方向に昇降されるように構成されている。ボートエレベータ１１５は、シールキャップ２１９を昇降させることで、ボート２１７を処理室２０１内外に搬入および搬出することが可能なように構成されている。すなわち、ボートエレベータ１１５は、ボート２１７すなわちウエハ２００を、処理室２０１内外に搬送する搬送装置（搬送機構）として構成されている。
基板保持具としてのボート２１７は、複数、例えば２５〜２００枚のウエハ２００を、水平姿勢で、かつ、互いに中心を揃えた状態で垂直方向に整列させて多段に支持するように、すなわち、間隔を空けて配列させるように構成されている。ボート２１７は、耐熱性材料等（例えば石英やＳｉＣ）からなる。ボート２１７の下部には、耐熱性材料等（例えば石英やＳｉＣ）からなる断熱板２１８が水平姿勢で多段に支持されている。この構成により、ヒータ２０７からの熱がシールキャップ２１９側に伝わりにくくなっている。ただし、本実施形態は上述の形態に限定されない。例えば、ボート２１７の下部に断熱板２１８を設けずに、石英やＳｉＣ等の耐熱性材料からなる筒状の部材として構成された断熱筒を設けてもよい。ヒータ２０７は処理室２０１内に収容されたウエハ２００を所定の温度に加熱することができる。
処理室２０１内には、ノズル４１０，４２０，４３０がマニホールド２０９の側壁を貫通するように設けられている。ノズル４１０，４２０，４３０には、ガス供給ラインとしてのガス供給管３１０，３２０，３３０が、それぞれ接続されている。このように、処理炉２０２には３本のノズル４１０，４２０，４３０と、３本のガス供給管３１０，３２０，３３０とが設けられており、処理室２０１内へ複数種類、ここでは３種類のガス（処理ガス）をそれぞれ専用ラインで供給することができるように構成されている。
ガス供給管３１０，３２０，３３０には上流側から順に流量制御器（流量制御部）であるマスフローコントローラ（ＭＦＣ）３１２，３２２，３３２，および開閉弁であるバルブ３１４，３２４，３３４がそれぞれ設けられている。ガス供給管３１０，３２０，３３０の先端部にはノズル４１０，４２０，４３０がそれぞれ連結（接続）されている。ノズル４１０，４２０，４３０は、Ｌ字型のロングノズルとして構成されており、その水平部はマニホールド２０９の側壁を貫通するように設けられている。ノズル４１０，４２０，４３０の垂直部は、反応管２０３の内壁とウエハ２００との間に形成される円環状の空間に、反応管２０３の内壁に沿って上方（ウエハ２００の積載方向上方）に向かって立ち上がるように（つまりウエハ配列領域の一端側から他端側に向かって立ち上がるように）設けられている。すなわち、ノズル４１０，４２０，４３０は、ウエハ２００が配列されるウエハ配列領域の側方の、ウエハ配列領域を水平に取り囲む領域に、ウエハ配列領域に沿うように設けられている。
ノズル４１０，４２０，４３０の側面にはガスを供給する（噴出させる）ガス供給孔４１０ａ，４２０ａ，４３０ａがそれぞれ設けられている。ガス供給孔４１０ａ，４２０ａ，４３０ａは反応管２０３の中心を向くようにそれぞれ開口している。このガス供給孔４１０ａ，４２０ａ，４３０ａは、反応管２０３の下部から上部にわたって複数設けられ、それぞれ同一の開口面積を有し、さらに同じ開口ピッチで設けられている。
このように、本実施形態におけるガス供給の方法は、反応管２０３の内壁と、積載された複数枚のウエハ２００の端部とで定義される円環状の縦長の空間内、すなわち、円筒状の空間内に配置したノズル４１０，４２０，４３０を経由してガスを搬送し、ノズル４１０，４２０，４３０にそれぞれ開口されたガス供給孔４１０ａ，４２０ａ，４３０ａからウエハ２００の近傍で初めて反応管２０３内にガスを噴出させており、反応管２０３内におけるガスの主たる流れをウエハ２００の表面と平行な方向、すなわち水平方向としている。このような構成とすることで、各ウエハ２００に均一にガスを供給でき、各ウエハ２００に形成される薄膜の膜厚を均一にできる効果がある。なお、各ウエハ２００の表面上を流れたガス、すなわち、反応後に残留するガス（残ガス）は、排気口、すなわち、後述する排気管２３１の方向に向かって流れるが、この残ガスの流れの方向は、排気口の位置によって適宜特定され、垂直方向に限ったものではない。
また、ガス供給管３１０，３２０，３３０にはキャリアガスを供給するためのキャリアガス供給管５１０，５２０，５３０がそれぞれ接続されている。キャリアガス供給管５１０，５２０，５３０にはＭＦＣ５１２，５２２，５３２およびバルブ５１４，５２４，５３４がそれぞれ設けられている。
上記構成における一例として、ガス供給管３１０からは、処理ガスとして、金属元素を含む原料ガス（金属含有原料、金属含有ガス、金属原料）が、ＭＦＣ３１２，バルブ３１４，ノズル４１０を介して処理室２０１内に供給される。原料ガスとしては、例えば金属元素としてのタングステン（Ｗ）を含むＷ含有原料ガスである六フッ化タングステン（ＷＦ６）ガスが用いられる。ＷＦ６ガスは、後述する基板処理ステップにおいて、Ｗソースとして作用する。
ガス供給管３２０からは、処理ガスとして、原料ガスを還元する作用を有する第２の還元ガスが、ＭＦＣ３２２，バルブ３２４，ノズル４２０を介して処理室２０１内に供給される。第２の還元ガスとしては、水素（Ｈ）を含むＨ含有ガスであって、例えば水素（Ｈ２）が用いられる。Ｈ２ガスは、後述する基板処理ステップにおいて、Ｈソースとして作用する。
ガス供給管３３０からは、処理ガスとして、原料ガスを還元する作用を有する第１の還元ガスが、ＭＦＣ３３２，バルブ３３４，ノズル４３０を介して処理室２０１内に供給される。第１の還元ガスとしては、ホウ素（Ｂ）を含むＢ含有ガスであって、例えばジボラン（Ｂ２Ｈ６）が用いられる。Ｂ２Ｈ６ガスは、後述する基板処理ステップにおいて、Ｂソースとして作用する。
キャリアガス供給管５１０，５２０，５３０からは、不活性ガスとして、例えば窒素（Ｎ２）ガスが、それぞれＭＦＣ５１２，５２２，５３２，バルブ５１４，５２４，５３４，ノズル４１０，４２０，４３０を介して処理室２０１内に供給される。
ここで、本明細書において、処理ガス、原料ガス、還元ガスとは、気体状態の原料や還元剤、例えば、常温常圧下で液体状態もしくは固体状態である原料や還元剤を気化もしくは昇華することで得られるガスや、常温常圧下で気体状態である原料や還元剤等のことである。本明細書において「原料」という言葉を用いた場合は、「液体状態である液体原料」、「固体状態である固体原料」、「気体状態である原料ガス」、または、その複合を意味する場合がある。本明細書において「還元剤」という言葉を用いた場合は、「液体状態である液体還元剤」、「固体状態である固体還元剤」、「気体状態である還元ガス」、または、その複合を意味する場合がある。常温常圧下で液体状態である液体原料等や常温常圧下で固体状態である固体原料等を用いる場合は、液体原料等や固体原料等を気化器、バブラもしくは昇華器等のシステムにより気化もしくは昇華して、原料ガスや還元ガスとして供給することとなる。
ガス供給管３１０，３２０，３３０から上述のような処理ガスを流す場合、主に、ガス供給管３１０，３２０，３３０，ＭＦＣ３１２，３２２，３３２，バルブ３１４，３２４，３３４により処理ガス供給系が構成される。ノズル４１０，４２０，４３０を処理ガス供給系に含めて考えてもよい。処理ガス供給系を、単にガス供給系と称することもできる。
ガス供給管３１０から上述のような原料ガスを流す場合、主に、ガス供給管３１０，ＭＦＣ３１２，バルブ３１４により原料ガス供給系が構成される。ノズル４１０を原料ガス供給系に含めて考えてもよい。原料ガス供給系を原料供給系と称することもできる。
ガス供給管３１０から原料ガスとしてＷ含有ガスを流す場合、主に、ガス供給管３１０，ＭＦＣ３１２，バルブ３１４によりＷ含有ガス供給系が構成される。ノズル４１０をＷ含有ガス供給系に含めて考えてもよい。Ｗ含有ガス供給系をＷ含有原料供給系と称することもでき、単にＷ原料供給系と称することもできる。ガス供給管３１０からＷＦ６ガスを流す場合、Ｗ含有ガス供給系をＷＦ６ガス供給系と称することもできる。ＷＦ６ガス供給系をＷＦ６供給系と称することもできる。
ガス供給管３２０，３３０から上述のような還元ガスを流す場合、主に、ガス供給管３２０，３３０，ＭＦＣ３２２，３３２，バルブ３２４，３３４により還元ガス供給系が構成される。ノズル４２０，４３０を還元ガス供給系に含めて考えてもよい。還元ガス供給系を還元剤供給系と称することもできる。
ガス供給管３２０から還元ガスとしてＨ含有ガスを流す場合、主に、ガス供給管３２０，ＭＦＣ３２２，バルブ３２４によりＨ含有ガス供給系が構成される。ノズル４２０をＨ含有ガス供給系に含めて考えてもよい。ガス供給管３２０からＨ２ガスを流す場合、Ｈ含有ガス供給系をＨ２ガス供給系と称することもできる。Ｈ２ガス供給系をＨ２供給系と称することもできる。
ガス供給管３３０から還元ガスとしてＢ含有ガスを流す場合、主に、ガス供給管３３０、ＭＦＣ３３２、バルブ３３４によりＢ含有ガス供給系が構成される。ノズル４３０をＢ含有ガス供給系に含めて考えてもよい。Ｂ含有ガス供給系をＢ含有還元ガス供給系と称することもでき、Ｂ含有還元剤供給系と称することもできる。ガス供給管３３０からＢ２Ｈ６ガスを流す場合、Ｂ含有ガス供給系をＢ２Ｈ６ガス供給系と称することもできる。Ｂ２Ｈ６ガス供給系をＢ２Ｈ６供給系と称することもできる。
また、主に、キャリアガス供給管５１０，５２０，５３０，ＭＦＣ５１２，５２２，５３２，バルブ５１４，５２４，５３４によりキャリアガス供給系が構成される。キャリアガスとして不活性ガスを流す場合、キャリアガス供給系を不活性ガス供給系と称することもできる。この不活性ガスは、パージガスとしても作用することから不活性ガス供給系をパージガス供給系と称することもできる。
マニホールド２０９には、処理室２０１内の雰囲気を排気する排気管２３１が設けられている。排気管２３１は、ノズル４１０，４２０，４３０と同様に、マニホールド２０９の側壁を貫通するように設けられている。排気管２３１は、図２に示すように、平面視において、ウエハ２００を挟んでノズル４１０，４２０，４３０と対向する位置に設けられている。この構成により、ガス供給孔４１０ａ，４２０ａ，４３０ａから処理室２０１内のウエハ２００の近傍に供給されたガスは、水平方向、すなわちウエハ２００の表面と平行な方向に向かって流れた後、下方に向かって流れ、排気管２３１より排気されることとなる。処理室２０１内におけるガスの主たる流れが水平方向へ向かう流れとなるのは上述の通りである。
排気管２３１には、上流側から順に、処理室２０１内の圧力を検出する圧力検出器（圧力検出部）としての圧力センサ２４５，処理室２０１内の圧力を制御する圧力制御器（圧力制御部）としてのＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）バルブ２４３，真空排気装置としての真空ポンプ２４６が接続されている。ＡＰＣバルブ２４３は、真空ポンプ２４６を作動させた状態で弁を開閉することで、処理室２０１内の真空排気および真空排気停止を行うことができ、更に、真空ポンプ２４６を作動させた状態で、圧力センサ２４５により検出された圧力情報に基づいて弁開度を調節することで、処理室２０１内の圧力を調整することができるように構成されている。ＡＰＣバルブ２４３は、排気系の排気流路の一部を構成しており、圧力調整部として機能するだけではなく、排気系の排気流路を閉塞したり、さらには、密閉したりすることが可能な排気流路開閉部、すなわち、排気バルブとしても機能する。また、排気管２３１には、排気ガス中の反応副生成物や未反応の原料ガス等を捕捉するトラップ装置や排気ガス中に含まれる腐食性成分や有毒成分等を除害する除害装置が接続されている場合がある。主に、排気管２３１，ＡＰＣバルブ２４３，圧力センサ２４５により、排気系すなわち排気ラインが構成される。なお、真空ポンプ２４６を排気系に含めて考えてもよい。さらには、トラップ装置や除害装置を排気系に含めて考えてもよい。
反応管２０３内には温度検出器としての温度センサ２６３が設置されており、温度センサ２６３により検出された温度情報に基づきヒータ２０７への通電量を調整することで、処理室２０１内の温度が所望の温度分布となるように構成されている。温度センサ２６３は、ノズル４１０，４２０，４３０と同様にＬ字型に構成されており、反応管２０３の内壁に沿って設けられている。
図３に示すように、制御部（制御手段）であるコントローラ１２１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１２１ａ、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１２１ｂ、記憶装置１２１ｃ、Ｉ／Ｏポート１２１ｄを備えたコンピュータとして構成されている。ＲＡＭ１２１ｂ、記憶装置１２１ｃ、Ｉ／Ｏポート１２１ｄは、内部バス１２１ｅを介して、ＣＰＵ１２１ａとデータ交換可能なように構成されている。コントローラ１２１には、タッチパネル等として構成された入出力装置１２２が接続されている。
記憶装置１２１ｃは、フラッシュメモリ、ＨＤＤ（ＨａｒｄＤｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）等で構成されている。記憶装置１２１ｃ内には、基板処理装置の動作を制御する制御プログラムや、後述する基板処理の手順や条件等が記載されたプロセスレシピ等が、読み出し可能に格納されている。プロセスレシピは、後述する基板処理工程における各手順をコントローラ１２１に実行させ、所定の結果を得ることができるように組み合わされたものであり、プログラムとして機能する。以下、このプロセスレシピや制御プログラム等を総称して、単にプログラムともいう。本明細書においてプログラムという言葉を用いた場合は、プロセスレシピ単体のみを含む場合、制御プログラム単体のみを含む場合、または、その両方を含む場合がある。また、ＲＡＭ１２１ｂは、ＣＰＵ１２１ａによって読み出されたプログラムやデータ等が一時的に保持されるメモリ領域（ワークエリア）として構成されている。
Ｉ／Ｏポート１２１ｄは、上述のＭＦＣ３１２，３２２，３３２，５１２，５２２，５３２，バルブ３１４，３２４，３３４，５１４，５２４，５３４，ＡＰＣバルブ２４３，圧力センサ２４５，真空ポンプ２４６，ヒータ２０７，温度センサ２６３，回転機構２６７，ボートエレベータ１１５等に接続されている。
ＣＰＵ１２１ａは、記憶装置１２１ｃから制御プログラムを読み出して実行すると共に、入出力装置１２２からの操作コマンドの入力等に応じて記憶装置１２１ｃからプロセスレシピを読み出すように構成されている。ＣＰＵ１２１ａは、読み出したプロセスレシピに従って、ＭＦＣ３１２，３２２，３３２，５１２，５２２，５３２による各種ガスの流量調整動作、バルブ３１４，３２４，３３４，５１４，５２４，５３４の開閉動作、ＡＰＣバルブ２４３の開閉動作およびＡＰＣバルブ２４３による圧力センサ２４５に基づく圧力調整動作、温度センサ２６３に基づくヒータ２０７の温度調整動作、真空ポンプ２４６の起動および停止、回転機構２６７によるボート２１７の回転および回転速度調節動作、ボートエレベータ１１５によるボート２１７の昇降動作等を制御するように構成されている。
コントローラ１２１は、専用のコンピュータとして構成されている場合に限らず、汎用のコンピュータとして構成されていてもよい。例えば、上述のプログラムを格納した外部記憶装置（例えば、磁気テープ、フレキシブルディスクやハードディスク等の磁気ディスク、ＣＤやＤＶＤ等の光ディスク、ＭＯ等の光磁気ディスク、ＵＳＢメモリやメモリカード等の半導体メモリ）１２３を用意し、この外部記憶装置１２３を用いて汎用のコンピュータにプログラムをインストールすること等により、本実施形態のコントローラ１２１を構成することができる。ただし、コンピュータにプログラムを供給するための手段は、外部記憶装置１２３を介して供給する場合に限らない。例えば、インターネットや専用回線等の通信手段を用い、外部記憶装置１２３を介さずにプログラムを供給するようにしてもよい。記憶装置１２１ｃや外部記憶装置１２３は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体として構成される。以下、これらを総称して、単に記録媒体ともいう。本明細書において記録媒体という言葉を用いた場合は、記憶装置１２１ｃ単体のみを含む場合、外部記憶装置１２３単体のみを含む場合、または、その両方を含む場合がある。
（２）基板処理工程 半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程として、基板上に、例えばゲート電極を構成する金属膜を形成する工程の一例について図４、図５、および図６を用いて説明する。金属膜を形成する工程は、上述した基板処理装置１０の処理炉２０２を用いて実行される。以下の説明において、基板処理装置１０を構成する各部の動作はコントローラ１２１により制御される。
図４には本実施形態を適用するスタック構造の例を示している。図４では、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）５０１の上に、バリアメタル膜として例えばチタン窒化膜（ＴｉＮ膜）５０２を形成し、ＴｉＮ膜５０２の上に、シード層として例えばタングステン膜（Ｗ膜）５０３を形成し、Ｗ膜５０３の上にバルク層として例えば、非晶質のタングステン層（アモルファスＷ層、α−Ｗ層）５０４、５０５を交互に積層して非晶質のタングステン膜（アモルファスＷ膜、α−Ｗ膜）を形成し、さらに結晶化したタングステン層（Ｗ層）５０６を形成することにより、結晶化したタングステン膜（Ｗ膜）を形成する例について示している。以下では、主に、バルク層としてタングステン膜（Ｗ膜）を形成する際に用いる成膜シーケンス（単にシーケンスとも称する）について説明する。
本実施形態の好適なシーケンスでは、 ウエハ２００に対して、金属含有ガス（例えばＷＦ６ガス）と第１の還元ガス（例えばＨ２ガス）とを同時に供給して、ウエハ２００上に第１の非晶質金属層（例えばＷ層）を形成する工程と、 第１の非晶質金属層が形成された基板に対して、金属含有ガスと第２の還元ガス（例えばＢ２Ｈ６ガス）とを時分割して（非同期、間欠的、パルス的に）所定回数供給して、第１の非晶質金属層の上に第２の非晶質金属層（例えばＷ層）を形成する工程と、 を時分割して所定回数行うことによりウエハ２００上に非晶質金属膜（例えばＷ膜）を形成する工程と、 非晶質金属膜が形成されたウエハ２００に対して、金属含有ガスと第１の還元ガスとを同時に供給して、ウエハ２００上に形成された非晶質金属膜の上に結晶化した金属層（例えばＷ層）を形成する工程と、を行う。
具体的には図５に示すシーケンスのように、 ＷＦ６ガスとＨ２ガスとを同時に供給して、第１の非晶質Ｗ層（アモルファスＷ層、α−Ｗ層とも称する）を形成するステップと、 ＷＦ６ガスとＢ２Ｈ６ガスとを時分割して所定回数（ｎ１回）供給して、第１のα−Ｗ層の上に第２のα−Ｗ層を形成するステップと、 を時分割して所定回数（ｎ２回）行うことによりウエハ２００上に非晶質Ｗ膜（アモルファスＷ膜、α−Ｗ膜とも称する）を形成するステップと、 ＷＦ６ガスとＨ２ガスとを同時に供給して、α−Ｗ膜の上に結晶化したＷ層を形成する。
本明細書において、「処理（もしくは工程、サイクル、ステップ等と称する）を所定回数行う」とは、この処理等を１回もしくは複数回行うことを意味する。すなわち、処理を１回以上行うことを意味する。図５は、各処理（サイクル）をｎ１サイクル、ｎ２サイクルずつ交互に繰り返す例を示している。ｎ１の値は、次に形成される第１のα−Ｗ層が結晶化しないために必要とされる第２のα−Ｗ層の膜厚に応じて適宜選択される。ｎ２の値は、最終的に形成されるα−Ｗ膜において必要とされる膜厚に応じて適宜選択される。
なお、本明細書において「時分割」とは時間的に分割（セパレート）されていることを意味している。例えば、本明細書において、各処理を時分割して行うとは、各処理を非同期、すなわち同期させることなく行うことを意味している。言い換えると、各処理を間欠的（パルス的）かつ交互に行うことを意味している。つまり、各処理で供給される処理ガスは、互いに混合しないように供給されることを意味している。各処理を複数回行う場合は、各処理で供給される処理ガスは、互いに混合しないよう交互に供給される。
また、本明細書において「ウエハ」という言葉を用いた場合は、「ウエハそのもの」を意味する場合や、「ウエハとその表面に形成された所定の層や膜等との積層体（集合体）」を意味する場合、すなわち、表面に形成された所定の層や膜等を含めてウエハと称する場合がある。また、本明細書において「ウエハの表面」という言葉を用いた場合は、「ウエハそのものの表面（露出面）」を意味する場合や、「ウエハ上に形成された所定の層や膜等の表面、すなわち、積層体としてのウエハの最表面」を意味する場合がある。
従って、本明細書において「ウエハに対して所定のガスを供給する」と記載した場合は、「ウエハそのものの表面（露出面）に対して所定のガスを直接供給する」ことを意味する場合や、「ウエハ上に形成されている層や膜等に対して、すなわち、積層体としてのウエハの最表面に対して所定のガスを供給する」ことを意味する場合がある。また、本明細書において「ウエハ上に所定の層（又は膜）を形成する」と記載した場合は、「ウエハそのものの表面（露出面）上に所定の層（又は膜）を直接形成する」ことを意味する場合や、「ウエハ上に形成されている層や膜等の上、すなわち、積層体としてのウエハの最表面の上に所定の層（又は膜）を形成する」ことを意味する場合がある。
なお、本明細書において「基板」という言葉を用いた場合も、「ウエハ」という言葉を用いた場合と同様であり、その場合、上記説明において、「ウエハ」を「基板」に置き換えて考えればよい。
また、本明細書において「金属膜（メタル膜）」という用語は、金属原子を含む導電性の物質で構成される膜（単に導体膜とも称する）を意味し、これには、主に金属原子のみで構成される金属単体膜、導電性の金属窒化膜（メタルナイトライド膜）、導電性の金属酸化膜（メタルオキサイド膜）、導電性の金属酸窒化膜（メタルオキシナイトライド膜）、導電性の金属酸炭化膜（メタルオキシカーバイド膜）、導電性の金属複合膜、導電性の金属合金膜、導電性の金属シリサイド膜（メタルシリサイド膜）、導電性の金属炭化膜（メタルカーバイド膜）、導電性の金属炭窒化膜（メタルカーボナイトライド膜）等が含まれる。なお、Ｗ膜は導電性の金属膜であって金属単体膜である。
また、本明細書において「非晶質（アモルファス）の膜（もしくは層）」という用語は、対応する膜（層）を構成する主たる成分が結晶化していないことを意味しており、「結晶化した膜（もしくは層）」という用語は、対応する膜（層）を構成する主たる成分が結晶化している（結晶質である）ことを意味する。したがって、「非晶質の膜（もしくは層）」という場合には、主たる成分とならない程度に結晶化した成分が含まれている場合があるし、「結晶化した膜（もしくは層）」という場合には、主たる成分とならない程度に非晶質の成分が含まれている場合がある。また、膜種名等にαもしくはａが付けられている場合、非晶質であることを示している。
（ウエハチャージおよびボートロード） 複数枚のウエハ２００がボート２１７に装填（ウエハチャージ）されると、図１に示されているように、複数枚のウエハ２００を支持したボート２１７は、ボートエレベータ１１５によって持ち上げられて処理室２０１内に搬入（ボートロード）される。この状態で、シールキャップ２１９はＯリング２２０を介してマニホールド２０９の下端開口を閉塞した状態となる。
（圧力調整および温度調整） 処理室２０１内が所望の圧力（真空度）となるように真空ポンプ２４６によって真空排気される。この際、処理室２０１内の圧力は、圧力センサ２４５で測定され、この測定された圧力情報に基づき、ＡＰＣバルブ２４３がフィードバック制御される（圧力調整）。真空ポンプ２４６は、少なくともウエハ２００に対する処理が完了するまでの間は常時作動させた状態を維持する。また、処理室２０１内のウエハ２００が所望の温度となるようにヒータ２０７によって加熱される。この際、処理室２０１内が所望の温度分布となるように、温度センサ２６３が検出した温度情報に基づきヒータ２０７への通電量がフィードバック制御される（温度調整）。なお、ヒータ２０７による処理室２０１内の加熱は、少なくともウエハ２００に対する処理が完了するまでの間は継続して行われる。続いて、回転機構２６７によりボート２１７およびウエハ２００の回転を開始する。なお、回転機構２６７によるボート２１７およびウエハ２００の回転は、少なくとも、ウエハ２００に対する処理が完了するまでの間は継続して行われる。
（α−Ｗ膜形成ステップ） 続いて、バルク層を形成するα−Ｗ膜を形成するステップを実行する。α−Ｗ膜形成ステップは、以下に説明するα−Ｗ層５０４としての第１のα−Ｗ層を形成する第１のα−Ｗ層形成ステップ、およびα−Ｗ層５０５としての第２のα−Ｗ層を形成する第２のα−Ｗ層形成ステップを含む。
（第１のα−Ｗ層形成ステップ） 第１のα−Ｗ層（非晶質のＷ層）を形成するステップを実行する。第１のα−Ｗ層形成ステップは、以下に説明するＷＦ６ガスおよびＨ２ガス供給ステップ、残留ガス除去ステップを含む。
（ＷＦ６ガスおよびＨ２ガス供給ステップ） バルブ３１４，３２４を開き、ガス供給管３１０，３２０内にそれぞれＷＦ６ガス、Ｈ２ガスを流す。ガス供給管３１０内を流れたＷＦ６ガスおよびガス供給管３２０内を流れたＨ２ガスは、ＭＦＣ３１２，３２２によりそれぞれ流量調整されてノズル４１０，４２０のガス供給孔４１０ａ，４２０ａからそれぞれ処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。このとき、ウエハ２００に対してＷＦ６ガスおよびＨ２ガスが供給されることとなる。すなわちウエハ２００の表面はＷＦ６ガスおよびＨ２ガスに暴露されることとなる。このとき同時にバルブ５１４，５２４を開き、キャリアガス供給管５１０，５２０内にそれぞれＮ２ガスを流す。キャリアガス供給管５１０，５２０内を流れたＮ２ガスは、ＭＦＣ５１２，５２２によりそれぞれ流量調整されてＷＦ６ガスもしくはＨ２ガスと一緒にそれぞれ処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。このとき、ノズル４３０内へのＷＦ６ガスおよびＨ２ガスの侵入を防止するために、バルブ５３４を開き、キャリアガス供給管５３０内にＮ２ガスを流す。Ｎ２ガスは、ガス供給管３３０，ノズル４３０を介して処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。
このときＡＰＣバルブ２４３を適正に調整して、処理室２０１内の圧力を、例えば１０〜１３００Ｐａの範囲内の圧力であって、例えば７０Ｐａとする。ＭＦＣ３１２で制御するＷＦ６ガスの供給流量は、例えば１０〜１０００ｓｃｃｍの範囲内の流量であって、例えば１００ｓｃｃｍとし、ＭＦＣ３２２で制御するＨ２ガスの供給流量は、例えば１００〜２００００ｓｃｃｍの範囲内の流量であって、例えば１００００ｓｃｃｍとする。ＭＦＣ５１２，５２２，５３２で制御するＮ２ガスの供給流量は、それぞれ例えば１０〜１００００ｓｃｃｍの範囲内の流量であって、例えば５０００ｓｃｃｍとする。ＷＦ６ガスおよびＨ２ガスをウエハ２００に対して供給する時間、すなわちガス供給時間（照射時間）は、例えば１〜１０００秒の範囲内の時間とする。このときヒータ２０７の温度は、ウエハ２００の温度が、例えば室温〜２５０℃の範囲内の温度となるような温度であって、好ましくは１５０〜２３０℃の範囲内の温度であって、例えば２００℃に設定する。なお、ウエハ２００の温度が室温未満である場合、膜を形成するための反応エネルギーが足りず、膜が形成されない可能性が高いという阻害要因がある。また、ウエハ２００の温度が２５０℃より高い場合、第２のα−Ｗ層形成ステップのＢ２Ｈ６ガス供給ステップで供給するＢ２Ｈ６ガスが自己分解してＢが堆積してしまい、成膜の阻害要因となる可能性が高い。
処理室２０１内に流しているＷＦ６ガスおよびＨ２ガスは、気相中で反応（気相反応）もしくは基板表面で反応し、ウエハ２００（表面の下地膜、例えばシード層５０３）上に、第１のα−Ｗ層が形成される。ここで、α−Ｗ層とは、非晶質のＷにより構成される連続的な層の他、不連続な層や、これらが重なってできる非晶質のＷ層であり、α−Ｗ層にはＷＦ６分子に含まれるＦが含まれる場合もある。ＷＦ６ガスおよびＨ２ガスの供給流量、供給時間等のプロセス条件を制御（調整、コントロール）することにより、所望の膜厚までα−Ｗ層を成長させることができる。
気相反応の場合、膜の結晶化は膜の厚みに依存する。そこで、第１のα−Ｗ層形成ステップでは、Ｗ膜の結晶化が起こる膜厚となる前に、ＷＦ６ガスおよびＨ２ガスの供給を停止する。例えばＷ膜の場合、結晶化が起こらない膜厚としては、０ｎｍよりも大きく、３ｎｍ以下が望ましい。好ましくは、０．１ｎｍ以上３ｎｍ以下とする。
（残留ガス除去ステップ） 所定膜厚の第１のα−Ｗ層が形成された後、バルブ３１４，３２４を閉じ、ＷＦ６ガスおよびＨ２ガスの供給を停止する。このとき、ＡＰＣバルブ２４３は開いたままとして、真空ポンプ２４６により処理室２０１内を真空排気し、処理室２０１内（すなわち、第１のα−Ｗ層が形成されたウエハ２００が存在する空間）に残留する未反応もしくは第１のα−Ｗ層の形成に寄与した後のＷＦ６ガスおよびＨ２ガスを処理室２０１内から排除する。このときバルブ５１４，５２４，５３４は開いたままとして、Ｎ２ガスの処理室２０１内への供給を維持する。Ｎ２ガスはパージガスとして作用し、処理室２０１内に残留する未反応もしくは第１のα−Ｗ層の形成に寄与した後のＷＦ６ガスおよびＨ２ガスを処理室２０１内から排除する効果を高めることができる。このとき、第１のα−Ｗ層形成ステップにより処理室２０１内に副生成物が生じていた場合、この副生成物も処理室２０１内から排除される。
このとき、処理室２０１内に残留するガスを完全に排除しなくてもよく、処理室２０１内を完全にパージしなくてもよい。その後に行われるステップにおいて悪影響が生じることはない程度であれば、微量のガスが処理室２０１内に残留していたとしてもよい。また、処理室２０１内へ供給するＮ２ガスの流量を大流量とする必要はなく、例えば、反応管２０３（処理室２０１）の容積と同程度の量のＮ２ガスを供給することで、その後のステップにおいて悪影響が生じない程度のパージを行うことができる。このように、処理室２０１内を完全にパージしないことで、パージ時間を短縮し、スループットを向上させることができる。また、Ｎ２ガスの消費も必要最小限に抑えることが可能となる。
（第２のα−Ｗ層形成ステップ） 続いて、第２のα−Ｗ層を形成するステップを実行する。第２のα−Ｗ層形成ステップは、以下に説明するＷＦ６ガス供給ステップ、残留ガス除去ステップ、Ｂ２Ｈ６ガス供給ステップ、残留ガス供給ステップを含む。
（ＷＦ６ガス供給ステップ） バルブ３１４を開き、ガス供給管３１０内にＷＦ６ガスを流す。ガス供給管３１０内を流れたＷＦ６ガスは、ＭＦＣ３１２により流量調整されてノズル４１０のガス供給孔４１０ａから処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。このとき、ウエハ２００に対してＷＦ６ガスが供給されることとなる。すなわちウエハ２００の表面はＷＦ６ガスに暴露されることとなる。このとき同時にバルブ５１４を開き、キャリアガス供給管５１０内にＮ２ガスを流す。キャリアガス供給管５１０内を流れたＮ２ガスは、ＭＦＣ５１２により流量調整されてＷＦ６ガスと一緒に処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。このとき、ノズル４２０，４３０内へのＷＦ６ガスの侵入を防止するために、バルブ５２４，５３４を開き、キャリアガス供給管５２０，５３０内にＮ２ガスを流す。Ｎ２ガスは、ガス供給管３２０，３３０，ノズル４２０，４３０を介して処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。
このときＡＰＣバルブ２４３を適正に調整して、処理室２０１内の圧力を、例えば１０〜１３００Ｐａの範囲内の圧力であって、例えば７０Ｐａとする。ＭＦＣ３１２で制御するＷＦ６ガスの供給流量は、例えば１０〜１０００ｓｃｃｍの範囲内の流量であって、例えば１００ｓｃｃｍとする。ＭＦＣ５１２，５２２，５３２で制御するＮ２ガスの供給流量は、それぞれ例えば１０〜１００００ｓｃｃｍの範囲内の流量であって、例えば５０００ｓｃｃｍとする。ＷＦ６ガスをウエハ２００に対して供給する時間、すなわちガス供給時間（照射時間）は、例えば０．１〜５０秒の範囲内の時間とする。このときヒータ２０７の温度は、第１のα−Ｗ層形成ステップと同様の温度に設定する。処理室２０１内に流しているガスはＷＦ６ガスとＮ２ガスのみであり、ＷＦ６ガスの供給により、ウエハ２００の上に形成された第１のα−Ｗ層上に、例えば、１原子層未満から数原子層程度の厚さのα−Ｗ含有層が形成される。
α−Ｗ含有層は理想的にはα−Ｗ層であることが望ましいが、α−Ｗ（Ｆ）層が主たる要素となる場合がある。なお、α−Ｗ層はα−Ｗにより構成される連続的な層の他、不連続な層も含む。すなわち、α−Ｗ層はα−Ｗにより構成される１原子層未満から数原子層程度の厚さのＷ堆積層を含む。α−Ｗ（Ｆ）層はＦを含むＷ含有層であって、Ｆを含むα−Ｗ層であってもよいし、ＷＦ６の吸着層であってもよい。なお、主たる要素がα−Ｗ（Ｆ）層となる場合に、特に、後述のＢ２Ｈ６ガス供給ステップによる還元反応が有効となる。
Ｆを含むＷ層とは、Ｗにより構成されＦを含む連続的な層の他、不連続な層や、これらが重なってできるＦを含むＷ薄膜をも含む総称である。Ｗにより構成されＦを含む連続的な層を、Ｆを含むＷ薄膜という場合もある。Ｆを含むＷ層を構成するＷは、Ｆとの結合が完全に切れていないものの他、Ｆとの結合が完全に切れているものも含む。
ＷＦ６の吸着層は、ＷＦ６分子で構成される連続的な吸着層の他、不連続な吸着層をも含む。すなわち、ＷＦ６の吸着層は、ＷＦ６分子で構成される１分子層もしくは１分子層未満の厚さの吸着層を含む。ＷＦ６の吸着層を構成するＷＦ６分子は、ＷとＦとの結合が一部切れたものも含む。すなわち、ＷＦ６の吸着層は、ＷＦ６の物理吸着層であってもよいし、ＷＦ６の化学吸着層であってもよいし、その両方を含んでいてもよい。
ここで、１原子層未満の厚さの層とは不連続に形成される原子層のことを意味しており、１原子層の厚さの層とは連続的に形成される原子層のことを意味している。１分子層未満の厚さの層とは不連続に形成される分子層のことを意味しており、１分子層の厚さの層とは連続的に形成される分子層のことを意味している。α−Ｗ含有層は、Ｆを含むＷ層とＷＦ６の吸着層との両方を含み得る。但し、上述の通り、α−Ｗ含有層については「１原子層」、「数原子層」等の表現を用いて表すこととする。
ＷＦ６ガスが自己分解（熱分解）する条件下、すなわち、ＷＦ６ガスの熱分解反応が生じる条件下では、ウエハ２００上にＷが堆積することでＦを含むＷ層が形成される。ＷＦ６ガスが自己分解（熱分解）しない条件下、すなわち、ＷＦ６ガスの熱分解反応が生じない条件下では、ウエハ２００上にＷＦ６が吸着することでＷＦ６の吸着層が形成される。ウエハ２００上にＷＦ６の吸着層を形成するよりも、ウエハ２００上にＦを含むＷ層を形成する方が、成膜レートを高くすることができる点では、好ましい。
Ｗ含有層の厚さが数原子層を超えると、後述するＢ２Ｈ６ガス供給ステップでの還元の作用がα−Ｗ含有層の全体に届かなくなる。また、α−Ｗ含有層の厚さの最小値は１原子層未満である。よって、第１の層の厚さは１原子層未満から数原子層とするのが好ましい。α−Ｗ含有層の厚さを１原子層以下、すなわち、１原子層または１原子層未満とすることで、後述するＢ２Ｈ６ガス供給ステップでの還元反応の作用を相対的に高めることができ、Ｂ２Ｈ６ガス供給ステップでの還元反応に要する時間を短縮することができる。ＷＦ６供給ステップでのα−Ｗ含有層の形成に要する時間を短縮することもできる。結果として、１サイクルあたりの処理時間を短縮することができ、トータルでの処理時間を短縮することも可能となる。すなわち、成膜レートを高くすることも可能となる。また、α−Ｗ含有層の厚さを１原子層以下とすることで、膜厚均一性の制御性を高めることも可能となる。
（残留ガス除去ステップ） 所定膜厚のα−Ｗ含有層が形成された後、バルブ３１４，３２４を閉じ、ＷＦ６ガスの供給を停止する。このとき、ＡＰＣバルブ２４３は開いたままとして、真空ポンプ２４６により処理室２０１内を真空排気し、処理室２０１内に残留する未反応もしくはα−Ｗ含有層の形成に寄与した後のＷＦ６ガスを処理室２０１内から排除する。すなわち、α−Ｗ含有層が形成されたウエハ２００が存在する空間に残留する未反応もしくはα−Ｗ含有層の形成に寄与した後のＷＦ６ガスを除去する。このときバルブ５１４，５２４，５３４は開いたままとして、Ｎ２ガスの処理室２０１内への供給を維持する。Ｎ２ガスはパージガスとして作用し、処理室２０１内に残留する未反応もしくはα−Ｗ含有層の形成に寄与した後のＷＦ６ガスを処理室２０１内から排除する効果を高めることができる。
このとき、ＷＦ６ガス供給ステップ後の残留ガス除去ステップと同様に、処理室２０１内に残留するガスを完全に排除しなくてもよく、処理室２０１内を完全にパージしなくてもよい。
（Ｂ２Ｈ６ガス供給ステップ） バルブ３３４を開き、ガス供給管３３０内にＢ２Ｈ６ガスを流す。ガス供給管３３０内を流れたＢ２Ｈ６ガスは、ＭＦＣ３３２により流量調整されてノズル４３０のガス供給孔４３０ａから処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。このとき、ウエハ２００に対してＢ２Ｈ６ガスが供給されることとなる。すなわちウエハ２００の表面はＢ２Ｈ６ガスに暴露されることとなる。このとき同時にバルブ５３４を開き、キャリアガス供給管５３０内にＮ２ガスを流す。キャリアガス供給管５３０内を流れたＮ２ガスは、ＭＦＣ５３２により流量調整されてＢ２Ｈ６ガスと一緒に処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。このとき、ノズル４１０，４２０内へのＢ２Ｈ６ガスの侵入を防止するために、バルブ５１４，５２４を開き、キャリアガス供給管５１０，５２０内にＮ２ガスを流す。Ｎ２ガスは、ガス供給管３１０，３２０，ノズル４１０，４２０を介して処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。
このときＡＰＣバルブ２４３を適正に調整して、処理室２０１内の圧力を、例えば１０〜１３００Ｐａの範囲内の圧力であって、例えば７０Ｐａとする。ＭＦＣ３３２で制御するＢ２Ｈ６ガスの供給流量は、例えば１０〜２００００ｓｃｃｍの範囲内の流量であって、例えば１００００ｓｃｃｍとする。ＭＦＣ５１２，５２２，５３２で制御するＮ２ガスの供給流量は、それぞれ例えば１０〜１００００ｓｃｃｍの範囲内の流量であって、例えば５０００ｓｃｃｍとする。Ｂ２Ｈ６ガスをウエハ２００に対して供給する時間、すなわちガス供給時間（照射時間）は、例えば０．１〜６０秒の範囲内の時間とする。このときヒータ２０７の温度は、第１のα−Ｗ層形成ステップおよびＷＦ６ガス供給ステップと同様の温度に設定する。処理室２０１内に流しているガスはＢ２Ｈ６ガスとＮ２ガスのみであり、Ｂ２Ｈ６ガスの供給により、ＷＦ６ガス供給ステップでウエハ２００の上に形成されたα−Ｗ含有層を還元して第２のα−Ｗ層が形成される。すなわち、Ｂ２Ｈ６ガスのＨが、ＷＦ６ガス供給ステップで形成されたα−Ｗ含有層に含まれるＦと反応しフッ化水素（ＨＦ）となって還元される。このとき、Ｂ２Ｈ６ガスの残留成分であるホウ素（Ｂ）の少なくとも一部が、残留物として第２のα−Ｗ層の中に残留することがある。したがって、第２のα−Ｗ層の少なくとも一部が、α−Ｗ（Ｂ）層、すなわちＢを含むα−Ｗ層となる場合がある。このように、α−Ｗ層にＢが不純物として残留することにより、形成されたα−Ｗ（Ｂ）層が非晶質状態となると考えられる。したがって、その点ではα−Ｗ層にＢが不純物として残留することは好ましい。
（残留ガス除去ステップ） 続いて、ＷＦ６ガス供給ステップ後の残留ガス除去ステップと同様の処理により、処理室２０１内に残留する未反応もしくは第２のα−Ｗ層の形成に寄与した後のＢ２Ｈ６ガスや副生成物を処理室２０１内から排除する。すなわち第２のα−Ｗ層が形成されたウエハ２００が存在する空間に残留する未反応もしくは第２のα−Ｗ層の形成に寄与した後のＢ２Ｈ６ガスや副生成物を除去する。
（所定回数実施） 上述したＷＦ６ガス供給ステップ、残留ガス除去ステップ、Ｂ２Ｈ６ガス供給ステップ、残留ガス除去ステップを順に時分割して（非同期、間欠的、パルス的に）行うサイクルを１回以上（所定回数）行うことにより、すなわち、ＷＦ６ガス供給ステップ、残留ガス除去ステップ、Ｂ２Ｈ６ガス供給ステップ、残留ガス除去ステップを１サイクルとして、これらの処理をｎ１サイクル（ｎ１は１以上の整数）だけ実行することにより、ウエハ２００上に、所定の厚さ（例えば０．１〜２．０ｎｍ）の第２のα−Ｗ層を形成する。所定の厚さは、次に第１のα−Ｗ層形成ステップを行う際に、第２のα−Ｗ層の上に形成するＷ層が結晶化せずに非晶質であるＷ層（第１のα−Ｗ層）として形成可能となるために必要な膜厚を考慮して決定する。上述のステップは、複数回繰り返すのが好ましい。なお、第２のα−Ｗ膜形成ステップでは、ＷＦ６ガス供給ステップおよびＢ２Ｈ６ガス供給ステップの順番を入れ替えてもよい。すなわち、Ｂ２Ｈ６ガス供給ステップ、残留ガス除去ステップ、ＷＦ６ガス供給ステップ、残留ガス除去ステップの順に各ステップを実施してもよい。
（所定回数実施） 上述した第１のα−Ｗ層形成ステップ、第２のα−Ｗ層形成ステップを、時分割してｎ２回（ｎ２は１以上の整数）だけ実行することにより、ウエハ２００上に、第１のα−Ｗ層と第２のα−Ｗ層とがナノレベルで交互に積層されてなる積層膜（ナノラミネート膜）として構成される所定の厚さのα−Ｗ膜を形成する。上述のステップは複数回繰り返すのが好ましい。
（結晶化Ｗ層形成ステップ） 続いて、結晶化したＷ層（結晶化Ｗ層）を形成するステップを実行する。結晶化Ｗ層形成ステップは、α−Ｗ層形成ステップの第１のα−Ｗ層形成ステップにおけるＷＦ６ガスおよびＨ２ガス供給ステップおよび残留ガス除去ステップと同様のステップを含む。以下では、第１のα−Ｗ層形成ステップと異なる部分についてのみ説明する。
（ＷＦ６ガスおよびＨ２ガス供給ステップ） 本ステップでは、第１のα−Ｗ層形成ステップにおけるＷＦ６ガスおよびＨ２ガス供給ステップとは、ＷＦ６ガスおよびＨ２ガスの供給流量および供給時間のうち少なくともいずれかを変える。具体的には、ＭＦＣ３１２で制御するＷＦ６ガスの供給流量は、例えば１０〜１０００ｓｃｃｍの範囲内の流量であって、例えば１００ｓｃｃｍとし、ＭＦＣ３２２で制御するＨ２ガスの供給流量は、例えば１０〜２００００ｓｃｃｍの範囲内の流量であって、例えば１００００ｓｃｃｍとする。ＭＦＣ５１２，５２２，５３２で制御するＮ２ガスの供給流量は、それぞれ例えば１０〜１００００ｓｃｃｍの範囲内の流量であって、例えば５０００ｓｃｃｍとする。ＷＦ６ガスおよびＨ２ガスをウエハ２００に対して供給する時間、すなわちガス供給時間（照射時間）は、例えば０．１〜１０００秒の範囲内の時間とする。このようにして、ウエハ２００上に形成されたα−Ｗ膜の上に結晶化Ｗ層が形成される。
上述のように、気相反応の場合、膜の結晶化は膜の厚みに依存する。そこで、第１のα−Ｗ層形成ステップとは、ＷＦ６ガスおよびＨ２ガスの供給流量および供給時間のうち少なくともいずれかを変えることにより、結晶化Ｗ層を形成する。結晶化Ｗ層は、３ｎｍより厚い膜であって、α−Ｗ膜が（逆）固相反応により結晶化するために必要とされる膜厚となるまで形成する。そのような膜厚とすることにより、結晶化したＷ層の影響が下のα−Ｗ層まで及び、徐々にα−Ｗ層が結晶化されていくと考えられる。このとき、α−Ｗ層のうち上層部のみが結晶化Ｗ層の影響を受けて結晶化することも考えられるし、実質的にα−Ｗ層の全てが結晶化することも考えられる。結晶化の影響を受ける領域の範囲は、形成される結晶化Ｗ層の膜厚に起因して決まることが考えられる。
（残留ガス除去ステップ） 所定膜厚の結晶化Ｗ層が形成された後、バルブ３１４，３２４を閉じ、ＷＦ６ガスおよびＨ２ガスの供給を停止する。このとき、ＡＰＣバルブ２４３は開いたままとして、真空ポンプ２４６により処理室２０１内を真空排気し、処理室２０１内に残留する未反応もしくは結晶化Ｗ層の形成に寄与した後のＷＦ６ガスおよびＨ２ガスを処理室２０１内から排除する。すなわち、結晶化Ｗ層が形成されたウエハ２００が存在する空間に残留する未反応もしくは結晶化Ｗ層の形成に寄与した後のＷＦ６ガスおよびＨ２ガスを除去する。このときバルブ５１４，５２４，５３４は開いたままとして、Ｎ２ガスの処理室２０１内への供給を維持する。Ｎ２ガスはパージガスとして作用し、処理室２０１内に残留する未反応もしくは結晶化Ｗ層の形成に寄与した後のＷＦ６ガスおよびＨ２ガスを処理室２０１内から排除する効果を高めることができる。
（パージおよび大気圧復帰） 所定膜厚の結晶化Ｗ層がウエハ２００上に形成された後、バルブ５１４，５２４，５３４を開いたままで、ガス供給管５１０，５２０，５３０のそれぞれからＮ２ガスを処理室２０１内へ供給し、排気管２３１から排気する。Ｎ２ガスはパージガスとして作用し、これにより処理室２０１内が不活性ガスでパージされ、処理室２０１内に残留するガスや副生成物が処理室２０１内から除去される（パージ）。その後、処理室２０１内の雰囲気が不活性ガスに置換され（不活性ガス置換）、処理室２０１内の圧力が常圧に復帰される（大気圧復帰）。
（ボートアンロードおよびウエハディスチャージ） ボートエレベータ１１５によりシールキャップ２１９が下降されて、マニホールド２０９の下端が開口される。そして、処理済ウエハ２００がボート２１７に支持された状態でマニホールド２０９の下端から処理室２０１の外部に搬出（ボートアンロード）される。処理済のウエハ２００は、ボート２１７より取り出される（ウエハディスチャージ）。
（３）本実施形態による効果 本実施形態によれば、以下に示す１つまたは複数の効果が得られる。
本実施形態においては、基板に対して複数の処理ガスを同時に供給して膜を形成した場合、ある一定の膜厚まではその膜は非晶質状態で成長し（非晶質のＷ膜（Ａ）としての第１のα−Ｗ層）、ある一定の膜厚を超えると結晶化すること、および、基板に対して複数の処理ガスを時分割して供給して層を形成する際、不純物が残留することにより、形成された層が非晶質状態となる（非晶質のＷ膜（Ｂ）としての第２のα−Ｗ層）ことを踏まえて、第１のα−Ｗ層と第２のα−Ｗ層を組み合わせて所望の膜厚を有する非晶質のＷ膜としてのα−Ｗ膜を形成することにより、２５０℃以下であって好ましくは２００℃以下の低温処理によりα−Ｗ膜を形成することができる。
さらに、α−Ｗ膜の上に、基板に対して複数の処理ガスを同時に供給して、ある一定以上の膜厚の膜を形成して結晶化したＷ層を形成することにより、α−Ｗ膜の少なくとも一部に結晶化の影響を与えることができ、２５０℃以下であって好ましくは２００℃以下の低温処理により、ラフネスが小さく、かつ抵抗率が低く結晶化したＷ膜を、開口部が狭い極細溝へ良好な埋め込み性をもって形成することができる。
＜本発明の第２の実施形態＞ 第１の実施形態では、バルク層として第１のα−Ｗ層と第２のα−Ｗ層を組み合わせてα−Ｗ膜を形成し、その上に結晶化したＷ層を形成することにより、２５０℃以下であって好ましくは２００℃以下の低温処理で所望の膜厚の結晶化したＷ膜を形成する例について説明した。本実施形態では、上述のバルク層の下地としてバリアメタル膜として形成されたＴｉＮ膜５０２の上に形成されるシード層として、タングステン膜（Ｗ膜）５０３を形成する例について図６を用いて説明する。第１の実施形態と同様の部分については詳細な説明は省略し、第１の実施形態と異なる部分について以下に説明する。
（シードＷ膜形成ステップ） シード層としてのＷ膜（シードＷ膜）は、第１の実施形態で述べた第２のα−Ｗ層形成ステップと同様に、ＷＦ６ガス供給ステップ、残留ガス除去ステップ、Ｂ２Ｈ６ガス供給ステップ、残留ガス供給ステップを含むシードＷ膜形成ステップを実行することにより、形成される。各ステップにおけるプロセス条件は第２のα−Ｗ層形成ステップの場合と同様なので省略する。
ＷＦ６ガス供給ステップ、残留ガス除去ステップ、Ｂ２Ｈ６ガス供給ステップ、残留ガス除去ステップを順に時分割して（非同期、間欠的、パルス的に）行うサイクルを１回以上（所定回数）行うことにより、すなわち、ＷＦ６ガス供給ステップ、残留ガス除去ステップ、Ｂ２Ｈ６ガス供給ステップ、残留ガス除去ステップを１サイクルとして、これらの処理をｎ３サイクル（ｎ３は１以上の整数）だけ実行することにより、ウエハ２００上に、所定の厚さ（例えば０．１〜３ｎｍ）のシードＷ膜を形成する。なお、第２のα−Ｗ膜形成ステップと同様に、ＷＦ６ガス供給ステップおよびＢ２Ｈ６ガス供給ステップの順番を入れ替えてもよい。すなわち、Ｂ２Ｈ６ガス供給ステップ、残留ガス除去ステップ、ＷＦ６ガス供給ステップ、残留ガス除去ステップの順に各ステップを実施してもよい。この場合、バリアメタル膜として形成されたＴｉＮ膜５０２に最初に接するガスがＢ２Ｈ６ガスとなるため、ＷＦ６ガスが最初に接する場合と比較してＴｉＮ膜へのダメージを軽減できると考えられる。
（１）本実施形態による効果 本実施形態によれば、以下に示す１つまたは複数の効果が得られる。
本実施形態においては、シード層を形成することで、平坦なバルク膜をウエハ２００の全面に形成できると共に、バルク層の抵抗を下げることができる。また、複数の処理ガスを時分割して供給して膜を形成することにより結晶化を抑制することができ、さらなる平坦なタングステン膜を形成することができる。
＜他の実施形態＞本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
上述の実施形態では、非晶質の膜および結晶化した膜としてＷ膜を形成する例について説明した。本発明は上述の態様に限定されず、室温以上２５０℃以下（好ましくは２００℃以下）の低温領域において、複数の処理ガスを同時に供給して膜を形成した場合に、ある一定以上の膜厚では結晶化してしまい、複数のガスを時分割して供給して膜を形成した場合には結晶化しない（非晶質である）ような性質を有する膜を形成する際に有効である。例えば、Ｗ，チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、亜鉛（Ｚｎ）等の金属元素を含む金属窒化膜（金属窒化物）や金属炭化膜（金属炭化物）、銅（Ｃｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属膜、およびこれらを組み合わせた膜を形成する場合にも好適に適用可能である。
例えば、適用可能な金属窒化膜や金属炭化膜としては、ＷＮ膜、ＴｉＮ膜、ＴａＮ膜、ＭｏＮ膜、ＺｎＮ膜、ＷＣ膜、ＴｉＣ膜、ＴａＣ膜、ＭｏＣ膜、ＺｎＣ膜、ＷＣＮ膜、ＴｉＣＮ膜、ＴａＣＮ膜、ＭｏＣＮ膜、ＺｎＣＮ膜等のメタルナイトライド系の膜やメタルカーバイド系の膜、Ｃｕ膜、Ｒｕ膜、Ａｌ膜等のメタル膜、およびこれらを組み合わせた膜が挙げられる。
また、上述の金属窒化膜や金属炭化膜を形成する場合には、ＷＦ６の他にも、六塩化タングステン（ＷＣｌ６）、四フッ化チタン（ＴｉＦ４）、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）、五フッ化タンタル（ＴａＦ５）、五塩化タンタル（ＴａＣｌ５）、五フッ化モリブデン（ＭｏＦ５）、五塩化モリブデン（ＭｏＣｌ５）、二塩化亜鉛（ＺｎＣｌ２）、二フッ化亜鉛（ＺｎＦ２）等を用いることも可能である。
上述の実施形態では、還元ガスとしてのＢ含有ガスとしてＢ２Ｈ６ガスを用いる例について説明したが、Ｂ含有ガスの代わりにシリコン含有ガス（シラン系ガス）としてモノシラン（ＳｉＨ４）ガスやジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）ガス等を用いることも可能である。
還元ガスとしてのＨ含有ガスとして、Ｈ２ガス以外にも、他元素非含有のＨ含有ガスである重水素（Ｄ２）ガス等を用いることも可能である。
不活性ガスとしては、Ｎ２ガスの他にも、アルゴン（Ａｒ）ガス、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、ネオン（Ｎｅ）ガス、キセノン（Ｘｅ）ガス等の希ガスを用いてもよい。
上述の実施形態や各変形例や各応用例等は、適宜組み合わせて用いることができる。また、このときの処理条件は、例えば上述の実施形態と同様の処理条件とすることができる。
これらの各種薄膜の形成に用いられるプロセスレシピ（処理手順や処理条件等が記載されたプログラム）は、基板処理の内容（形成する薄膜の膜種、組成比、膜質、膜厚、処理手順、処理条件等）に応じて、それぞれ個別に用意する（複数用意する）ことが好ましい。そして、基板処理を開始する際、基板処理の内容に応じて、複数のプロセスレシピの中から、適正なプロセスレシピを適宜選択することが好ましい。具体的には、基板処理の内容に応じて個別に用意された複数のプロセスレシピを、電気通信回線や当該プロセスレシピを記録した記録媒体（外部記憶装置１２３）を介して、基板処理装置が備える記憶装置１２１ｃ内に予め格納（インストール）しておくことが好ましい。そして、基板処理を開始する際、基板処理装置が備えるＣＰＵ１２１ａが、記憶装置１２１ｃ内に格納された複数のプロセスレシピの中から、基板処理の内容に応じて、適正なプロセスレシピを適宜選択することが好ましい。このように構成することで、１台の基板処理装置で様々な膜種、組成比、膜質、膜厚の薄膜を汎用的に、かつ、再現性よく形成できるようになる。また、オペレータの操作負担（処理手順や処理条件等の入力負担等）を低減でき、操作ミスを回避しつつ、基板処理を迅速に開始できるようになる。
上述のプロセスレシピは、新たに作成する場合に限らず、例えば、既存の基板処理装置のプロセスレシピを変更することでも実現できる。プロセスレシピを変更する場合は、本発明に係るプロセスレシピを電気通信回線や当該プロセスレシピを記録した記録媒体を介して既存の基板処理装置にインストールしたり、また、既存の基板処理装置の入出力装置を操作し、そのプロセスレシピ自体を本発明に係るプロセスレシピに変更したりすることも可能である。
上述の実施の形態では、一度に複数枚の基板を処理するバッチ式の縦型装置である基板処理装置であって、１つの反応管内に処理ガスを供給するノズルが立設され、反応管の下部に排気口が設けられた構造を有する処理炉を用いて成膜する例について説明したが、他の構造を有する処理炉を用いて成膜する場合にも本発明を適用可能である。例えば、同心円状の断面を有する２つの反応管（外側の反応管をアウタチューブ、内側の反応管をインナチューブと称する）を有し、インナチューブ内に立設されたノズルから、アウタチューブの側壁であって基板を挟んでノズルと対向する位置（線対称の位置）に開口する排気口へ処理ガスが流れる構造を有する処理炉を用いて成膜する場合にも本発明を適用可能である。また、処理ガスはインナチューブ内に立設されたノズルから供給されるのではなく、インナチューブの側壁に開口するガス供給口から供給されるようにしてもよい。このとき、アウタチューブに開口する排気口は、処理室内に積層して収容された複数枚の基板が存在する高さに応じて開口していてもよい。また、排気口の形状は穴形状であってもよいし、スリット形状であってもよい。
上述の実施の形態では、一度に複数枚の基板を処理するバッチ式の縦型装置である基板処理装置を用いて成膜する例について説明したが、本発明はこれに限定されず、一度に１枚または数枚の基板を処理する枚葉式の基板処理装置を用いて成膜する場合にも、好適に適用できる。また、上述の実施形態では、ホットウォール型の処理炉を有する基板処理装置を用いて薄膜を成膜する例について説明したが、本発明はこれに限定されず、コールドウォール型の処理炉を有する基板処理装置を用いて薄膜を成膜する場合にも、好適に適用できる。これらの場合においても、処理条件は、例えば上述の実施形態と同様な処理条件とすることができる。
例えば、図１１に示す処理炉３０２を備えた基板処理装置を用いて膜を形成する場合にも、本発明は好適に適用できる。処理炉３０２は、処理室３０１を形成する処理容器３０３と、処理室３０１内にガスをシャワー状に供給するシャワーヘッド３０３ｓと、１枚または数枚のウエハ２００を水平姿勢で支持する支持台３１７と、支持台３１７を下方から支持する回転軸３５５と、支持台３１７に設けられたヒータ３０７と、を備えている。シャワーヘッド３０３ｓのインレット（ガス導入口）には、上述の原料ガスを供給するガス供給ポート３３２ａと、上述の反応ガスを供給するガス供給ポート３３２ｂと、が接続されている。ガス供給ポート３３２ａには、上述の実施形態の原料ガス供給系と同様の原料ガス供給系が接続されている。ガス供給ポート３３２ｂには、上述の実施形態の反応ガス供給系と同様の反応ガス供給系が接続されている。シャワーヘッド３０３ｓのアウトレット（ガス排出口）には、処理室３０１内にガスをシャワー状に供給するガス分散板が設けられている。処理容器３０３には、処理室３０１内を排気する排気ポート３３１が設けられている。排気ポート３３１には、上述の実施形態の排気系と同様の排気系が接続されている。
また例えば、図１２に示す処理炉４０２を備えた基板処理装置を用いて膜を形成する場合にも、本発明は好適に適用できる。処理炉４０２は、処理室４０１を形成する処理容器４０３と、１枚または数枚のウエハ２００を水平姿勢で支持する支持台４１７と、支持台４１７を下方から支持する回転軸４５５と、処理容器４０３のウエハ２００に向けて光照射を行うランプヒータ４０７と、ランプヒータ４０７の光を透過させる石英窓４０３ｗと、を備えている。処理容器４０３には、上述の原料ガスを供給するガス供給ポート４３２ａと、上述の反応ガスを供給するガス供給ポート４３２ｂと、が接続されている。ガス供給ポート４３２ａには、上述の実施形態の原料ガス供給系と同様の原料ガス供給系が接続されている。ガス供給ポート４３２ｂには、上述の実施形態の反応ガス供給系と同様の反応ガス供給系が接続されている。処理容器４０３には、処理室４０１内を排気する排気ポート４３１が設けられている。排気ポート４３１には、上述の実施形態の排気系と同様の排気系が接続されている。
これらの基板処理装置を用いる場合においても、上述の実施形態や変形例と同様のシーケンス、処理条件にて成膜を行うことができる。
以下、本発明の望ましい形態について付記する。〔付記１〕 本発明の一態様によれば、 基板に対して、金属含有ガスと第１の還元ガスとを同時に供給して、前記基板上に第１の非晶質金属層を形成する工程と、 前記第１の非晶質金属層が形成された基板に対して、前記金属含有ガスと第２の還元ガスとを時分割して（非同期、間欠的、パルス的に）所定回数供給して、前記第１の非晶質金属層の上に第２の非晶質金属層を形成する工程と、 を時分割して所定回数行うことにより前記基板上に非晶質金属膜を形成する工程と、 前記非晶質金属膜が形成された基板に対して、前記金属含有ガスと前記第１の還元ガスとを同時に供給して、前記非晶質金属膜の上に結晶化した金属層を形成する工程と、 を有する半導体装置の製造方法、または基板処理方法が提供される。
〔付記２〕 付記１に記載の方法であって、好ましくは、 前記非晶質金属膜を形成する工程、および前記結晶化した金属層を形成する工程は、それぞれ前記基板を同じ所定温度で加熱した状態で行う。
〔付記３〕 付記２に記載の方法であって、好ましくは、 前記所定温度は、室温以上２５０℃以下の範囲内の温度であって、好ましくは１５０℃以上２３０℃以下の範囲内の温度であって、最適には２００℃である。
〔付記４〕 付記１〜３のいずれかに記載の方法であって、好ましくは、 前記第１の非晶質金属層を形成する工程、前記第２の非晶質金属層を形成する工程、および結晶化した金属層を形成する工程は、それぞれ同じ処理室内で行う。
〔付記５〕 付記１〜４のいずれかに記載の方法であって、好ましくは、 前記第２の還元ガスはホウ素含有ガスもしくはシリコン含有ガスである。
〔付記６〕 付記５に記載の方法であって、好ましくは、 前記第１の還元ガスは水素（Ｈ２）であって、前記第２の還元ガスはジボラン（Ｂ２Ｈ６）、モノシラン（ＳｉＨ４）ガスやジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）ガスのいずれかである。
〔付記７〕 付記１〜６のいずれかに記載の方法であって、好ましくは、 前記金属含有ガスはタングステン含有ガスであって、前記第１の非晶質金属層、前記第２の非晶質金属層は非晶質のタングステン層であり、前記非晶質金属膜は非晶質のタングステン膜であり、前記結晶化された金属層は結晶化されたタングステン層である。
〔付記８〕 付記７に記載の方法であって、好ましくは、 前記タングステン含有ガスは、六フッ化タングステン（ＷＦ６）である。
〔付記９〕 付記１〜８のいずれかに記載の方法であって、好ましくは、 前記結晶化した金属層を形成する工程では、前記非晶質金属層の上に前記結晶化した金属層を形成することにより、前記非晶質金属層の少なくとも一部を結晶化させる（（逆）固相反応により結晶化させる）。
〔付記１０〕 付記１〜９のいずれかに記載の方法であって、好ましくは、 前記非晶質金属膜を形成する工程では、バリアメタル膜および前記第２の非晶質金属層と同じ工程で形成された第３の非晶質金属層が形成された基板を用いて、前記第３の非晶質金属層の上に前記非晶質金属膜を形成する。
〔付記１１〕 付記１０に記載の方法であって、好ましくは、 前記バリアメタル膜はチタン窒化膜（ＴｉＮ膜）である。
〔付記１２〕 本発明の他の態様によれば、 基板を収容する処理室と、 前記処理室に、金属含有ガス、第１の還元ガスおよび第２の還元ガスを供給するガス供給系と、 前記処理室を排気する排気系と、 前記ガス供給系、前記排気系を制御して、前記処理室に収容された基板に対して、前記金属含有ガスと前記第１の還元ガスとを同時に供給して、前記基板上に第１の非晶質金属層を形成する処理と、前記第１の非晶質金属層が形成された基板に対して、前記金属含有ガスと前記第２の還元ガスとを時分割して（非同期、間欠的、パルス的に）所定回数供給して、前記第１の非晶質金属層の上に第２の非晶質金属層を形成する処理と、を時分割して所定回数行うことにより前記基板上に非晶質金属膜を形成する処理と、前記非晶質金属膜が形成された基板に対して、前記金属含有ガスと前記第１の還元ガスとを同時に供給して、前記非晶質金属膜の上に結晶化した金属層を形成する処理と、を行うよう構成される制御部と、 を有する基板処理装置が提供される。
〔付記１３〕 本発明のさらに他の態様によれば、 基板上に形成されたバリアメタル層と、 金属含有ガスと第１の還元ガスとを同時に供給することにより前記シード膜の上に第１の非晶質金属層を形成する処理と、前記第１の非晶質金属層の上に前記金属含有ガスと第２の還元ガスとを時分割して（非同期、間欠的、パルス的に）所定回数供給することにより形成された第２の非晶質金属層を形成する処理とを時分割して所定回数行うことにより形成された非晶質金属膜と、前記非晶質金属膜の上に、前記金属含有ガスと前記第１の還元ガスとを同時に供給することにより形成された結晶化された金属層とを有するバルク層と、 前記バリアメタル層と前記バルク層の間に形成されたシード層であって、前記金属含有ガスと前記第２の還元ガスとを時分割して所定回数供給することにより形成された第３の非晶質金属層からなるシード層と、 を有するスタック構造、または該スタック構造を有する半導体装置が提供される。
〔付記１４〕 本発明のさらに他の態様によれば、 基板に対して、金属含有ガスと第１の還元ガスとを同時に供給して、前記基板上に第１の非晶質金属層を形成する手順と、 前記第１の非晶質金属層が形成された基板に対して、前記金属含有ガスと第２の還元ガスとを時分割して（非同期、間欠的、パルス的に）所定回数供給して、前記第１の非晶質金属層の上に第２の非晶質金属層を形成する手順と、 を時分割して所定回数行うことにより前記基板上に非晶質金属膜を形成する手順と、 前記非晶質金属膜が形成された基板に対して、前記金属含有ガスと前記第１の還元ガスとを同時に供給して、前記非晶質金属膜の上に結晶化した金属層を形成する手順と、をコンピュータに実行させるプログラム、または該プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体が提供される。
ラフネスが小さく、かつ抵抗率が低い高品質な膜を形成することが可能な技術が提供される。
１０・・・基板処理装置 ２００・・・ウエハ ２０１・・・処理室 ２０２・・・処理炉

Claims (9)

  1. 室温以上２００℃以下の範囲内の所定温度で維持した基板に対して、金属含有ガスと第１の還元ガスとを同時に供給して、前記基板上に第１の非晶質金属層を形成する工程と、
    前記第１の非晶質金属層が形成された基板に対して、前記基板を前記所定温度で維持した状態で、前記金属含有ガスと第２の還元ガスとを時分割して所定回数供給して、前記第１の非晶質金属層の上に第２の非晶質金属層を形成する工程と、
    を時分割して所定回数行うことにより前記基板上に非晶質金属膜を形成する工程と、
    前記非晶質金属膜が形成された基板に対して、前記基板を前記所定温度で維持した状態で、前記金属含有ガスと前記第１の還元ガスとを同時に供給して、前記基板上に結晶化した金属層を形成する工程と、
    を有する半導体装置の製造方法。
  2. 前記第２の還元ガスはホウ素含有ガスもしくはシリコン含有ガスである請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記金属含有ガスはタングステン含有ガスであって、前記第１の非晶質金属層、前記第２の非晶質金属層は非晶質のタングステン層であり、前記非晶質金属膜は非晶質のタングステン膜であり、前記結晶化された金属層は結晶化されたタングステン膜である請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記結晶化した金属層を形成する工程では、前記非晶質金属層の上に前記結晶化した金属層を形成することにより、前記非晶質金属層の少なくとも一部を結晶化させる請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 基板に対して、金属含有ガスと第１の還元ガスとを同時に供給して、前記基板上に第１の非晶質金属層を形成する工程と、
    前記第１の非晶質金属層が形成された基板に対して、前記金属含有ガスと第２の還元ガスとを時分割して所定回数供給して、前記第１の非晶質金属層の上に第２の非晶質金属層を形成する工程と、
    を時分割して所定回数行うことにより前記基板上に非晶質金属膜を形成する工程と、
    前記非晶質金属膜が形成された基板に対して、前記金属含有ガスと前記第１の還元ガスとを同時に供給して、前記基板上に結晶化した金属層を形成する工程と、
    を有し、前記非晶質金属膜を形成する工程では、バリアメタル膜および前記第２の非晶質金属層と同じ工程で形成された第３の非晶質金属層が形成された基板を用いて、前記第３の非晶質金属層の上に前記非晶質金属膜を形成する半導体装置の製造方法。
  6. 基板を収容する処理室と、
    前記基板を加熱する加熱系と、
    前記処理室に、金属含有ガス、第１の還元ガスおよび第２の還元ガスを供給するガス供給系と、
    前記処理室を排気する排気系と、
    前記加熱系、前記ガス供給系、前記排気系を制御して、前記処理室に収容された基板を室温以上２００℃以下の範囲内の所定温度で維持した状態で前記基板に対して、前記金属含有ガスと前記第１の還元ガスとを同時に供給して、前記基板上に第１の非晶質金属層を形成する処理と、前記第１の非晶質金属層が形成された基板に対して、前記基板を前記所定温度で維持した状態で、前記金属含有ガスと前記第２の還元ガスとを時分割して所定回数供給して、前記第１の非晶質金属層の上に第２の非晶質金属層を形成する処理と、を時分割して所定回数行うことにより前記基板上に非晶質金属膜を形成する処理と、前記非晶質金属膜が形成された基板に対して、前記基板を前記所定温度で維持した状態で、前記金属含有ガスと前記第１の還元ガスとを同時に供給して、前記基板上に結晶化した金属層を形成する処理と、を行うよう構成される制御部と、
    を有する基板処理装置。
  7. 基板を収容する処理室と、
    前記処理室に、金属含有ガス、第１の還元ガスおよび第２の還元ガスを供給するガス供給系と、
    前記処理室を排気する排気系と、
    前記ガス供給系、前記排気系を制御して、前記処理室に収容された基板に対して、前記金属含有ガスと前記第１の還元ガスとを同時に供給して、前記基板上に第１の非晶質金属層を形成する処理と、前記第１の非晶質金属層が形成された基板に対して、前記金属含有ガスと前記第２の還元ガスとを時分割して所定回数供給して、前記第１の非晶質金属層の上に第２の非晶質金属層を形成する処理と、を時分割して所定回数行うことにより前記基板上に非晶質金属膜を形成する処理と、前記非晶質金属膜が形成された基板に対して、前記金属含有ガスと前記第１の還元ガスとを同時に供給して、前記基板上に結晶化した金属層を形成する処理と、を行い、前記非晶質金属膜を形成する処理では、バリアメタル膜および前記第２の非晶質金属層と同じ処理で形成された第３の非晶質金属層が形成された基板を用いて、前記第３の非晶質金属層の上に前記非晶質金属膜を形成するよう構成される制御部と、
    を有する基板処理装置。
  8. 基板処理装置の処理室内の基板であって室温以上２００℃以下の範囲内の所定温度で維持した基板に対して、金属含有ガスと第１の還元ガスとを同時に供給して、前記基板上に第１の非晶質金属層を形成する手順と、
    前記第１の非晶質金属層が形成された基板に対して、前記基板を前記所定温度で維持した状態で、前記金属含有ガスと第２の還元ガスとを時分割して所定回数供給して、前記第１の非晶質金属層の上に第２の非晶質金属層を形成する手順と、
    を時分割して所定回数行うことにより前記基板上に非晶質金属膜を形成する手順と、
    前記非晶質金属膜が形成された基板に対して、前記基板を前記所定温度で維持した状態で、前記金属含有ガスと前記第１の還元ガスとを同時に供給して、前記基板上に結晶化した金属層を形成する手順と、をコンピュータにより前記基板処理装置に実行させるプログラム。
  9. 基板処理装置の処理室内の基板に対して、金属含有ガスと第１の還元ガスとを同時に供給して、前記基板上に第１の非晶質金属層を形成する手順と、
    前記第１の非晶質金属層が形成された基板に対して、前記金属含有ガスと第２の還元ガスとを時分割して所定回数供給して、前記第１の非晶質金属層の上に第２の非晶質金属層を形成する手順と、
    を時分割して所定回数行うことにより前記基板上に非晶質金属膜を形成する手順と、
    前記非晶質金属膜が形成された基板に対して、前記金属含有ガスと前記第１の還元ガスとを同時に供給して、前記基板上に結晶化した金属層を形成する手順と、をコンピュータにより前記基板処理装置に実行させるプログラムであって、前記非晶質金属膜を形成する処理では、バリアメタル膜および前記第２の非晶質金属層と同じ処理で形成された第３の非晶質金属層が形成された基板を用いて、前記第３の非晶質金属層の上に前記非晶質金属膜を形成するプログラム。
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