JP6541438B2 - 金属膜のストレス低減方法および金属膜の成膜方法 - Google Patents

金属膜のストレス低減方法および金属膜の成膜方法 Download PDF

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Description

本発明は、金属膜のストレス低減方法および金属膜の成膜方法に関する。
ＬＳＩを製造する際には、ＭＯＳＦＥＴゲート電極、ソース・ドレインとのコンタクト、メモリのワード線等にタングステンが広く用いられている。多層配線工程では、銅配線が主に用いられているが、銅は耐熱性に乏しく、また拡散しやすいため、耐熱性が要求される部分や銅の拡散による電気特性の劣化が懸念される部分等にタングステンが用いられる。
タングステンの成膜処理として、以前には物理的蒸着（ＰＶＤ）法が用いられていたが、高い被覆率（ステップカバレッジ）が要求される部分では、ＰＶＤ法により対応することが困難であるため、ステップカバレッジが良好な化学的蒸着（ＣＶＤ）法で成膜することが行われている。
このようなＣＶＤ法によるタングステン膜（ＣＶＤ−タングステン膜）の成膜方法としては、原料ガスとして例えば六フッ化タングステン（ＷＦ６）および還元ガスであるＨ２ガスを用い、被処理基板である半導体ウエハ上でＷＦ６＋３Ｈ２→Ｗ＋６ＨＦの反応を生じさせる方法が一般的に用いられている（例えば、特許文献１，２）。
一方、ＷＦ６ガスを用いてＣＶＤによりタングステン膜を成膜する場合には、半導体デバイスにおける、特にゲート電極やメモリのワード線などで、ＷＦ６に含まれるフッ素がゲート絶縁膜を還元し、電気特性を劣化させることが懸念されることから、フッ素を含有しないＣＶＤ−Ｗ成膜が検討されつつある。
フッ素を含有しないＣＶＤ−Ｗ成膜の際の原料ガスとしては、六塩化タングステン（ＷＣｌ６）が知られている（例えば特許文献３、非特許文献１）。塩素もフッ素と同様に還元性を有するが、反応性はフッ素より弱く、電気特性に対する悪影響が少ないことが期待されている。
また、近時、半導体デバイスの微細化が益々進み、良好なステップカバレッジが得られると言われているＣＶＤでさえも複雑形状パターンへの埋め込みが困難になりつつあり、さらなる高いステップカバレッジを得る観点から、原料ガスと還元ガスとをパージを挟んでシーケンシャルに供給する原子層堆積（ＡＬＤ）法が注目されている。
特開２００３−１９３２３３号公報 特開２００４−２７３７６４号公報 特開２００６−２８５７２号公報
J.A.M. Ammerlaan et al., "Chemical vapor deposition of tungsten by H2 reduction of WCl6", Applied Surface Science 53(1991), pp.24-29
ところで、ＣＶＤやＡＬＤによりタングステン膜のような金属膜を成膜する場合は、成膜後の膜のストレス値が大きくなることがある。このような高いストレス値の金属膜は、半導体ウエハの反りをもたらし、反りの影響により後工程で狙い通りにマスキングできなくなる等の製造上のトラブルを発生させてしまう。そのため、半導体デバイスに用いられるタングステン膜のような金属膜を低ストレスとする技術が求められている。
したがって、本発明は、高ストレスな金属膜のストレスを低減することができる金属膜のストレス低減方法および金属膜の成膜方法を提供することを課題とする。
すなわち、本発明の第１の観点は、タングステン膜、モリブデン膜、およびタンタル膜のいずれかからなり、膜のストレスが１０００ＭＰａ以上の金属膜に対し、その金属を含む金属塩化物ガス、および前記金属塩化物ガスを還元する還元ガスを供給して前記金属膜を処理し、前記金属膜の上に処理膜を形成することにより前記金属膜のストレスを低減することを特徴とする金属膜のストレス低減方法法を提供する。
前記金属膜の前記処理は、減圧雰囲気下に保持されたチャンバー内に前記金属膜が形成された被処理基板を配置し、前記チャンバー内に前記金属塩化物ガスと前記還元ガスとをシーケンシャルにまたは同時に供給して、前記金属膜の上に処理膜を形成することにより行われるようにすることができる。
前記金属膜の前記処理は、前記金属塩化物ガスと前記還元ガスとの反応で生成されたＨＣｌにより前記金属膜をエッチングすることによりストレスを低減するものであってよい。
このときの前記金属膜のストレスは、前記金属膜の前記処理の際の処理条件または処理膜の厚さを調整することにより調整することができる。
前記金属膜としてタングステン膜、前記金属膜の前記処理に用いる前記金属塩化物として塩化タングステンを好適に用いることができる。この場合に、前記金属膜の前記処理は、前記塩化タングステンガスの分圧が０．５〜１０Ｔｏｒｒの範囲になるようにして行われることが好ましい。
前記金属膜であるタングステン膜は、減圧雰囲気下に保持されたチャンバー内に被処理基板を配置し、前記チャンバー内に塩化タングステンガスと還元ガスとをシーケンシャルに供給して成膜されたものであり、前記金属膜の成膜の際の前記塩化タングステンガスの供給量が、前記前記処理の際の前記塩化タングステンガスの供給量よりも少ないものとすることができる。この場合に、前記金属膜であるタングステン膜を成膜する際に前記塩化タングステンガスの分圧を１Ｔｏｒｒ以下することにより、効果を発揮しやすくなる。
また、前記金属膜であるタングステン膜は、減圧雰囲気下に保持されたチャンバー内に被処理基板を配置し、前記チャンバー内にＷＦ６ガスと還元ガスとを供給して成膜されたものとすることができる。
前記塩化タングステンとしてはＷＣｌ６、ＷＣｌ５、ＷＣｌ４のずれかを用いることができる。また、還元ガスとしては、Ｈ２ガス、ＳｉＨ４ガス、Ｂ２Ｈ６ガス、ＮＨ３ガスの少なくとも１種を好適に用いることができる。
本発明の第２の観点は、被処理基板に対しタングステン膜、モリブデン膜、およびタンタル膜のいずれかからなり、膜のストレスが１０００ＭＰａ以上の金属膜を形成する工程と、その金属を含む金属塩化物ガス、および前記金属塩化物ガスを還元する還元ガスを供給して前記金属膜を処理し、前記金属膜の上に前記金属膜のストレスを低減する処理膜を形成する工程とを有することを特徴とする金属膜の成膜方法を提供する。
本発明の第３の観点は、被処理基板に対して、塩化タングステンガスおよび塩化タングステンを還元する還元ガスをシーケンシャルに供給して金属膜として膜のストレスが１０００ＭＰａ以上の第１のタングステン膜を成膜する工程と、前記第１のタングステン膜が形成された被処理基板に対して、塩化タングステンガスおよび塩化タングステンを還元する還元ガスをシーケンシャルにまたは同時に供給して前記第１のタングステン膜のストレスを低減する処理を行い、前記第１のタングステン膜の上に処理膜として第２のタングステン膜を成膜する工程とを有し、前記第１のタングステン膜を成膜する際の前記塩化タングステンガスの供給量を、前記第２のタングステン膜を成膜する際の前記塩化タングステンガスの供給量よりも少なくすることを特徴とする金属膜の成膜方法を提供する。
本発明の第４の観点は、処理基板に対して、ＷＦ６ガスおよびＷＦ６ガスを還元する還元ガスを供給して金属膜として膜のストレスが１０００ＭＰａ以上の第１のタングステン膜を成膜する工程と、前記第１のタングステン膜が形成された被処理基板に対して、塩化タングステンガスおよび塩化タングステンを還元する還元ガスをシーケンシャルにまたは同時に供給して第２のタングステン膜を成膜する工程とを有することを特徴とする金属膜の成膜方法を提供する。

上記第３および第４の観点において、前記第１のタングステン膜と前記第２のタングステン膜とは、ｉｎ−ｓｉｔｕで成膜することが好ましい。
本発明の第５の観点は、コンピュータ上で動作し、成膜装置を制御するためのプログラムが記憶された記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、上記第２〜第４の観点の金属膜の成膜方法が行われるように、コンピュータに前記成膜装置を制御させることを特徴とする記憶媒体を提供する。
本発明によれば、高ストレスの金属膜に対して、その金属を含む金属塩化物ガス、および前記金属塩化物ガスを還元する還元ガスを供給して前記金属膜を処理し、前記金属膜の上に処理膜を形成することにより、高ストレスな金属膜のストレスを低減することができる。
本発明における金属膜のストレス低減の原理を説明するための模式図である。 ストレス低減処理に用いる処理装置の一例を示す断面図である。 処理膜を成膜する際のガス供給シーケンスの一例を示す図である。 処理膜を成膜する際のガス供給シーケンスの他の例を示す図である。 成膜方法の第１の例において、第１のタングステン膜を形成した状態を示す断面図である。 成膜方法の第１の例において、第１のタングステン膜を形成する際のサイクル数と膜厚との関係を示す図である。 成膜方法の第１の例において、第１のタングステン膜の上に第２のタングステン膜を形成した状態を示す断面図である。 成膜方法の第１の例において、実際にストレス低減処理を行った際のストレス低減効果を示す図である。 成膜方法の第１の例において、ストレス低減処理のサイクル数と、ストレス低減処理によって得られたタングステン膜の膜ストレスとの関係を示す図である。 成膜方法の第１の例において、高ストレスのタングステン膜の膜厚を変化させて、ｉｎ−ｓｉｔｕおよびｅｘ−ｓｉｔｕでストレス低減処理を行った場合のストレス低減効果を示す図である。 成膜方法の第２の例において、第１のタングステン膜を形成した状態を示す断面図である。 成膜方法の第２の例において、第１のタングステン膜の上に第２のタングステン膜を形成した状態を示す断面図である。 成膜方法の第２の例によって、ｉｎ−ｓｉｔｕでタングステン膜を成膜する際に用いることができる成膜装置の例を示す断面図である。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について具体的に説明する。
＜ストレス低減の原理＞
最初に、ストレス低減の原理について説明する。
図１は、本発明における金属膜のストレス低減の原理を説明するための模式図である。
例えば、ＳｉＯ２膜やＴｉＮ膜等の下地膜２０１上に、成膜原料ガスと還元ガスとをシーケンシャルに供給するＡＬＤあるいはこれらを同時に供給するＣＶＤによりタングステン膜２０２を成膜した際には、図１（ａ）に示すように、その結晶粒（グレイン）２０３間に大きな歪が生じることがあり、結晶粒２０３間の歪が大きいと高ストレスタングステン膜２０２が形成される。高ストレスとは、半導体ウエハの反り等の問題を引き起こす程度のストレスであり、ほぼ１０００ＭＰａ（１ＧＰａ）以上であれば高ストレスであるといえる。
このような高ストレスタングステン膜２０２に、図１（ｂ）に示すように、原料ガスであるＷＣｌ６ガスと還元ガスであるＨ２ガスを供給する処理を行う。このとき、これらをシーケンシャルに供給すると、以下の（１）式のような反応が生じ、ＨＣｌを生成する。
ＷＣｌ６（ａｄ）＋３Ｈ２（ｇ）→Ｗ（ｓ）＋６ＨＣｌ ・・・（１）
この反応により生成されたＨＣｌは、強いエッチング性を有するため、以下の（２）の反応により高ストレスタングステン膜２０２をエッチングする。
Ｗ（ｓ）＋５ＷＣｌ６（ｇ）→６ＷＣｌｘ ・・・（２）
そして、そのエッチング作用により、高ストレスタングステン膜２０２の結晶粒２０３の粒界がエッチングされるため、結晶粒間の歪が緩和される。
このとき、図１（ｃ）に示すように、このようなエッチングにより生じた結晶粒間の隙間および高ストレスタングステン膜２０２の表面に、上記処理により処理膜２０４が形成され、処理膜２０４を含めて全体としてストレスが低減されたタングステン膜２０５が得られる。
このように、ＷＣｌ６のような塩化タングステンガスのエッチング作用を利用することにより、高ストレス膜のストレスを低減することができる。
＜ストレス低減処理＞
上述したようなストレス低減処理は、塩化タングステンガスと還元ガスを用いて、これらをシーケンシャルに供給するＡＬＤ法、あるいは同時に供給するＣＶＤ法により成膜するものである。これらの中では、一層ずつ成膜するＡＬＤ法のほうが好ましい。ＡＬＤ成膜は、表面／膜エネルギーを緩和する効果が得られ、ストレス低減する効果が大きい。ＣＶＤ法は、処理膜の膜厚が薄い場合に用いることができる。
このとき用いる塩化タングステンとしては、上述したＷＣｌ６の他、ＷＣｌ５、ＷＣｌ４も用いることができる。ただし、これらの中では、ＷＣｌ６が好ましい。
また、還元ガスとしては、Ｈ２ガスに限らず、水素を含む還元性のガスであればよく、Ｈ２ガスの他に、ＳｉＨ４ガス、Ｂ２Ｈ６ガス、ＮＨ３ガス等を用いることもできる。Ｈ２ガス、ＳｉＨ４ガス、Ｂ２Ｈ６ガス、およびＮＨ３ガスのうち２つ以上を供給できるようにしてもよい。また、これら以外の他の還元ガス、例えばＰＨ３ガス、ＳｉＨ２Ｃｌ２ガスを用いてもよい。膜中の不純物をより低減して低抵抗値を得る観点からは、Ｈ２ガスを用いることが好ましい。
塩化タングステンガスと還元ガスの組み合わせであっても、高ストレスタングステン膜を有効にエッチングすることができなければ、ストレス低減効果を得ることが困難である。すなわち、ストレス低減処理は、高ストレスタングステン膜を有効にエッチングできる条件で行う必要がある。逆に、ストレス低減効果のない条件で塩化タングステンガスと還元ガスを用いて、ＡＬＤあるいはＣＶＤにより成膜したタングステン膜は、高ストレス膜となる可能性がある。
ストレス低減処理におけるエッチング性は、塩化タングステンの供給量によって決定される。塩化タングステンガスの供給量自体の適正範囲はチャンバー１の大きさ等により変化するため、塩化タングステンガスの供給量の指標としてチャンバー１内における塩化タングステンガスの分圧を用いることが好ましい。塩化タングステンガスがＷＣｌ６ガスの場合、有効なエッチング作用を得られ、かつ過剰なエッチングとならない観点から、その分圧は０．５〜１０Ｔｏｒｒ（６６．７〜１３３３Ｐａ）程度が好ましい。
また、ストレス低減処理の際のウエハ温度は３００℃以上が好ましい。また、チャンバー内圧力は、２０〜１００Ｔｏｒｒ（２６６６〜１３３３０Ｐａ）が好ましい。
ストレス低減処理によって形成される処理膜の厚さは、高ストレスタングステン膜のストレス値や厚さ等によって適宜設定すればよいが、薄くてもストレス低減効果を奏することができる。有効にストレスを低減するためには、厚さの範囲は、０．５〜２０ｎｍ程度が好ましい。ストレス低減処理により形成される処理膜の膜厚を調整することにより、タングステン膜のストレスをコントロールすることもできる。
＜ストレス低減処理に用いる処理装置の例＞
図２はストレス低減処理に用いる処理装置の一例を示す断面図である。この処理装置は、ＡＬＤ成膜とＣＶＤ成膜の両方の成膜モードが可能な成膜装置として構成されている。
処理装置１００は、チャンバー１と、チャンバー１内で被処理基板である半導体ウエハ（以下、単にウエハと記す。）Ｗを水平に支持するためのサセプタ２と、チャンバー１内に処理ガスをシャワー状に供給するためのシャワーヘッド３と、チャンバー１の内部を排気する排気部４と、シャワーヘッド３に処理ガスを供給する処理ガス供給機構５と、制御部６とを有している。
チャンバー１は、アルミニウム等の金属により構成され、略円筒状を有している。チャンバー１の側壁にはウエハＷを搬入出するための搬入出口１１が形成され、搬入出口１１はゲートバルブ１２で開閉可能となっている。チャンバー１の本体の上には、断面が矩形状をなす円環状の排気ダクト１３が設けられている。排気ダクト１３には、内周面に沿ってスリット１３ａが形成されている。また、排気ダクト１３の外壁には排気口１３ｂが形成されている。排気ダクト１３の上面にはチャンバー１の上部開口を塞ぐように天壁１４が設けられている。天壁１４と排気ダクト１３の間はシールリング１５で気密にシールされている。
サセプタ２は、ウエハＷに対応した大きさの円板状をなし、支持部材２３に支持されている。このサセプタ２は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミックス材料や、アルミニウムやニッケル基合金等の金属材料で構成されており、内部にウエハＷを加熱するためのヒーター２１が埋め込まれている。ヒーター２１はヒーター電源（図示せず）から給電されて発熱するようになっている。そして、サセプタ２の上面のウエハ載置面近傍に設けられた熱電対（図示せず）の温度信号によりヒーター２１の出力を制御することにより、ウエハＷを所定の温度に制御するようになっている。
サセプタ２には、ウエハ載置面の外周領域、およびサセプタ２の側面を覆うようにアルミナ等のセラミックスからなるカバー部材２２が設けられている。
サセプタ２を支持する支持部材２３は、サセプタ２の底面中央からチャンバー１の底壁に形成された孔部を貫通してチャンバー１の下方に延び、その下端が昇降機構２４に接続されており、昇降機構２４によりサセプタ２が支持部材２３を介して、図１で示す処理位置と、その下方の一点鎖線で示すウエハの搬送が可能な搬送位置との間で昇降可能となっている。また、支持部材２３のチャンバー１の下方位置には、鍔部２５が取り付けられており、チャンバー１の底面と鍔部２５の間には、チャンバー１内の雰囲気を外気と区画し、サセプタ２の昇降動作にともなって伸縮するベローズ２６が設けられている。
チャンバー１の底面近傍には、昇降板２７ａから上方に突出するように３本（２本のみ図示）のウエハ支持ピン２７が設けられている。ウエハ支持ピン２７は、チャンバー１の下方に設けられた昇降機構２８により昇降板２７ａを介して昇降可能になっており、搬送位置にあるサセプタ２に設けられた貫通孔２ａに挿通されてサセプタ２の上面に対して突没可能となっている。このようにウエハ支持ピン２７を昇降させることにより、ウエハ搬送機構（図示せず）とサセプタ２との間でウエハＷの受け渡しが行われる。
シャワーヘッド３は、金属製であり、サセプタ２に対向するように設けられており、サセプタ２とほぼ同じ直径を有している。シャワーヘッド３は、チャンバー１の天壁１４に固定された本体部３１と、本体部３１の下に接続されたシャワープレート３２とを有している。本体部３１とシャワープレート３２との間にはガス拡散空間３３が形成されており、このガス拡散空間３３には、本体部３１およびチャンバー１の天壁１４の中央を貫通するように設けられたガス導入孔３６が接続されている。シャワープレート３２の周縁部には下方に突出する環状突起部３４が形成され、シャワープレート３２の環状突起部３４の内側の平坦面にはガス吐出孔３５が形成されている。
サセプタ２が処理位置に存在した状態では、シャワープレート３２とサセプタ２との間に処理空間３７が形成され、環状突起部３４とサセプタ２のカバー部材２２の上面が近接して環状隙間３８が形成される。
排気部４は、排気ダクト１３の排気口１３ｂに接続された排気配管４１と、排気配管４１に接続された、真空ポンプや圧力制御バルブ等を有する排気機構４２とを備えている。処理に際しては、チャンバー１内のガスはスリット１３ａを介して排気ダクト１３に至り、排気ダクト１３から排気部４の排気機構４２により排気配管４１を通って排気される。
処理ガス供給機構５は、タングステン原料ガスである塩化タングステンとしてＷＣｌ６ガスを供給するＷＣｌ６ガス供給機構５１と、メインの還元ガスとしてのＨ２ガスを供給する第１Ｈ２ガス供給源５２と、添加還元ガスとしてのＨ２ガスを供給する第２Ｈ２ガス供給源５３と、パージガスであるＮ２ガスを供給する第１Ｎ２ガス供給源５４および第２Ｎ２ガス供給源５５とを有し、さらに、ＷＣｌ６ガス供給機構５１から延びるＷＣｌ６ガス供給ライン６１と、第１Ｈ２ガス供給源５２から延びる第１Ｈ２ガス供給ライン６２と、第２Ｈ２ガス供給源５３から延びる第２Ｈ２ガス供給ライン６３と、第１Ｎ２ガス供給源５４から延び、ＷＣｌ６ガス供給ライン６１側にＮ２ガスを供給する第１Ｎ２ガス供給ライン６４と、第２Ｎ２ガス供給源５５から延び、第１Ｈ２ガス供給ライン６２側にＮ２ガスを供給する第２Ｎ２ガス供給ライン６５とを有している。
第１Ｎ２ガス供給ライン６４は、ＡＬＤ法による成膜中に常時Ｎ２ガスを供給する第１連続Ｎ２ガス供給ライン６６と、パージ工程のときのみＮ２ガスを供給する第１フラッシュパージライン６７とに分岐している。また、第２Ｎ２ガス供給ライン６５は、ＡＬＤ法による成膜中に常時Ｎ２ガスを供給する第２連続Ｎ２ガス供給ライン６８と、パージ工程のときのみＮ２ガスを供給する第２フラッシュパージライン６９とに分岐している。第１連続Ｎ２ガス供給ライン６６と、第１フラッシュパージライン６７とは、第１接続ライン７０に接続され、第１接続ライン７０はＷＣｌ６ガス供給ライン６１に接続されている。また、第２Ｈ２ガス供給ライン６３と、第２連続Ｎ２ガス供給ライン６８と、第２フラッシュパージライン６９とは、第２接続ライン７１に接続され、第２接続ライン７１は第１Ｈ２ガス供給ライン６２に接続されている。ＷＣｌ６ガス供給ライン６１と第１Ｈ２ガス供給ライン６２とは、合流配管７２に合流しており、合流配管７２は、上述したガス導入孔３６に接続されている。
ＷＣｌ６ガス供給ライン６１、第１Ｈ２ガス供給ライン６２、第２Ｈ２ガス供給ライン６３、第１連続Ｎ２ガス供給ライン６６、第１フラッシュパージライン６７、第２連続Ｎ２ガス供給ライン６８、および第２フラッシュパージライン６９の最下流側には、それぞれ、ＡＬＤの際にガスを切り替えるための開閉バルブ７３，７４，７５，７６，７７，７８，７９が設けられている。また、第１Ｈ２ガス供給ライン６２、第２Ｈ２ガス供給ライン６３、第１連続Ｎ２ガス供給ライン６６、第１フラッシュパージライン６７、第２連続Ｎ２ガス供給ライン６８、および第２フラッシュパージライン６９の開閉バルブの上流側には、それぞれ、流量制御器としてのマスフローコントローラ８２，８３，８４，８５，８６，８７が設けられている。さらに、ＷＣｌ６ガス供給ライン６１および第１Ｈ２ガス供給ライン６２には、短時間で必要なガス供給が可能なように、それぞれバッファタンク８０，８１が設けられている。
ＷＣｌ６ガス供給機構５１は、ＷＣｌ６を収容する成膜原料タンク９１を有している。ＷＣｌ６は常温では固体であり、成膜原料タンク９１内には固体状のＷＣｌ６が収容されている。成膜原料タンク９１の周囲にはヒーター９１ａが設けられており、タンク９１内の成膜原料を適宜の温度に加熱して、ＷＣｌ６を昇華させるようになっている。タンク９１内には上述したＷＣｌ６ガス供給ライン６１が上方から挿入されている。
また、ＷＣｌ６ガス供給機構５１は、成膜原料タンク９１内に上方から挿入されたキャリアガス配管９２と、キャリアガス配管９２にキャリアガスであるＮ２ガスを供給するためのキャリアＮ２ガス供給源９３と、キャリアガス配管９２に接続された、流量制御器としてのマスフローコントローラ９４、およびマスフローコントローラ９４の下流側の開閉バルブ９５ａおよび９５ｂと、ＷＣｌ６ガス供給ライン６１の成膜原料タンク９１の近傍に設けられた、開閉バルブ９６ａおよび９６ｂ、ならびに流量計９７とを有している。キャリアガス配管９２において、開閉バルブ９５ａはマスフローコントローラ９４の直下位置に設けられ、開閉バルブ９５ｂはキャリアガス配管９２の挿入端側に設けられている。また、開閉バルブ９６ａおよび９６ｂ、ならびに流量計９７は、ＷＣｌ６ガス供給ライン６１の挿入端から開閉バルブ９６ａ、開閉バルブ９６ｂ、流量計９７の順に配置されている。
キャリアガス配管９２の開閉バルブ９５ａと開閉バルブ９５ｂの間の位置、およびＷＣｌ６ガス供給ライン６１の開閉バルブ９６ａと開閉バルブ９６ｂの間の位置を繋ぐように、バイパス配管９８が設けられ、バイパス配管９８には開閉バルブ９９が介装されている。そして、開閉バルブ９５ｂおよび９６ａを閉じて開閉バルブ９９、９５ａおよび９６ｂを開くことにより、キャリアＮ２ガス供給源９３からのＮ２ガスを、キャリアガス配管９２、バイパス配管９８を経て、ＷＣｌ６ガス供給ライン６１に供給し、ＷＣｌ６ガス供給ライン６１をパージすることが可能となっている。
ＷＣｌ６ガス供給ライン６１における流量計９７の下流位置には、エバック配管１０１の一端が接続され、エバック配管１０１の他端は排気配管４１に接続されている。エバック配管１０１のＷＣｌ６ガス供給ライン６１近傍位置および排気配管４１近傍位置には、それぞれ開閉バルブ１０２および１０３が設けられている。また、ＷＣｌ６ガス供給ライン６１におけるエバック配管１０１接続位置の下流側には開閉バルブ１０４が設けられている。そして、開閉バルブ１０４、９９、９５ａ，９５ｂを閉じた状態で開閉バルブ１０２、１０３、９６ａ，９６ｂを開けることにより、成膜原料タンク９１内を排気機構４２によって真空排気することが可能となっている。
制御部６は、各構成部、具体的にはバルブ、電源、ヒーター、ポンプ等を制御するマイクロプロセッサ（コンピュータ）を備えたプロセスコントローラと、ユーザーインターフェースと、記憶部とを有している。プロセスコントローラには処理装置１００の各構成部が電気的に接続されて制御される構成となっている。ユーザーインターフェースは、プロセスコントローラに接続されており、オペレータが処理装置１００の各構成部を管理するためにコマンドの入力操作などを行うキーボードや、処理装置の各構成部の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなっている。記憶部もプロセスコントローラに接続されており、記憶部には、処理装置１００で実行される各種処理をプロセスコントローラの制御にて実現するための制御プログラムや、処理条件に応じて処理装置１００の各構成部に所定の処理を実行させるための制御プログラムすなわち処理レシピや、各種データベース等が格納されている。処理レシピは記憶部の中の記憶媒体（図示せず）に記憶されている。記憶媒体は、ハードディスク等の固定的に設けられているものであってもよいし、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ、半導体メモリ等の可搬性のものであってもよい。また、他の装置から、例えば専用回線を介してレシピを適宜伝送させるようにしてもよい。必要に応じて、ユーザーインターフェースからの指示等にて所定の処理レシピを記憶部から呼び出してプロセスコントローラに実行させることで、プロセスコントローラの制御下で、処理装置１００での所望の処理が行われる。
このような処理装置１００により、ストレス低減処理を行う際には、まず、サセプタ２を搬送位置に下降させた状態でゲートバルブ１２を開け、搬送装置（図示せず）により、高ストレスのタングステン膜が形成されたウエハＷを、搬入出口１１を介してチャンバー１内に搬入し、ヒーター２１により所定温度に加熱されたサセプタ２上に載置し、サセプタ２を処理位置まで上昇させ、チャンバー１内を所定の真空度まで真空引きするとともに、開閉バルブ１０４、９５ａ、９５ｂ、９９を閉じ、開閉バルブ１０２、１０３、９６ａ，９６ｂを開けて、エバック配管１０１を介して成膜原料タンク９１内も同様に真空引きした後、開閉バルブ７６および開閉バルブ７８を開け、開閉バルブ７３，７４，７５，７７，７９を閉じて、第１Ｎ２ガス供給源５４および第２Ｎ２ガス供給源５５から、第１連続Ｎ２ガス供給ライン６６および第２連続Ｎ２ガス供給ライン６８を経てＮ２ガスをチャンバー１内に供給して圧力を上昇させ、サセプタ２上のウエハＷの温度を安定させる。
そして、チャンバー１内が所定圧力に到達した後、開閉バルブ１０２，１０３を閉じ、開閉バルブ１０４，９５ａ，９５ｂを開けて、成膜原料タンク９１内の圧力を上げてタングステン原料であるＷＣｌ６ガスを供給可能な状態とする。
この状態で、成膜原料ガスであるＷＣｌ６ガス、還元ガスであるＨ２ガス、パージガスであるＮ２ガスを以下に示すようなシーケンシャルな形態で供給し、ストレス低減処理を連続的に行う。
図３は、ストレス低減処理を行う際のガス供給シーケンスの一例を示す図である。
最初に、開閉バルブ７６および開閉バルブ７８を開けたまま、第１Ｎ２ガス供給源５４および第２Ｎ２ガス供給源５５から、第１連続Ｎ２ガス供給ライン６６および第２連続Ｎ２ガス供給ライン６８を経てＮ２ガスを供給し続け、さらに開閉バルブ７３および開閉バルブ７５を開くことにより、ＷＣｌ６ガス供給機構５１からＷＣｌ６ガス供給ライン６１を経てＷＣｌ６ガスをチャンバー１内の処理空間３７に供給するとともに、第２Ｈ２ガス供給源５３から延びる第２Ｈ２ガス供給ライン６３を経て添加還元ガスとしてのＨ２ガス（添加Ｈ２ガス）をチャンバー１内に供給する（ステップＳ１）。このとき、ＷＣｌ６ガスは、バッファタンク８０に一旦貯留された後にチャンバー１内に供給される。
このステップＳ１により、ウエハＷ表面にＷＣｌ６が吸着される。このとき、同時に添加されたＨ２の存在により、ＷＣｌ６が活性化される。
次いで、第１連続Ｎ２ガス供給ライン６６および第２連続Ｎ２ガス供給ライン６８を介してのＮ２ガスの供給を継続したまま、開閉バルブ７３，７５を閉じてＷＣｌ６ガスおよびＨ２ガスを停止するとともに、開閉バルブ７７，７９を開けて、第１フラッシュパージライン６７および第２フラッシュパージライン６９からもＮ２ガス（フラッシュパージＮ２ガス）を供給し、大流量のＮ２ガスにより、処理空間３７の余剰のＷＣｌ６ガス等をパージする（ステップＳ２）。
次いで、開閉バルブ７７，７９を閉じて第１フラッシュパージライン６７および第２フラッシュパージライン６９からのＮ２ガスを停止し、第１連続Ｎ２ガス供給ライン６６および第２連続Ｎ２ガス供給ライン６８を介してのＮ２ガスの供給を継続したまま、開閉バルブ７４を開いて第１Ｈ２ガス供給源５２から第１Ｈ２ガス供給ライン６２を経てメインの還元ガスとしてのＨ２ガス（メインＨ２ガス）を処理空間３７に供給する（ステップＳ３）。このとき、Ｈ２ガスは、バッファタンク８１に一旦貯留された後にチャンバー１内に供給される。
このステップＳ３により、ウエハＷ上に吸着したＷＣｌ６が還元される。このときのメインＨ２ガスの流量は、十分に還元反応が生じる量とされ、ステップＳ１の添加Ｈ２ガスの流量よりも多い流量で供給される。
次いで、第１連続Ｎ２ガス供給ライン６６および第２連続Ｎ２ガス供給ライン６８を介してのＮ２ガスの供給を継続したまま、開閉バルブ７４を閉じて第１Ｈ２ガス供給ライン６２からのＨ２ガスの供給を停止するとともに、開閉バルブ７７，７９を開けて、第１フラッシュパージライン６７および第２フラッシュパージライン６９からもＮ２ガス（フラッシュパージＮ２ガス）を供給し、ステップＳ２と同様、大流量のＮ２ガスにより、処理空間３７の余剰のＨ２ガスをパージする（ステップＳ４）。
以上のステップＳ１〜Ｓ４を短時間で１サイクル行うことにより、薄いタングステン単位膜を形成し、これらのステップのサイクルを複数サイクル繰り返すことにより所望の膜厚の処理膜を成膜する。このときの処理膜の膜厚は、上記サイクルの繰り返し数により制御することができる。
ステップＳ１の際にＷＣｌ６ガスと同時に第２Ｈ２ガス供給ライン６３から添加還元ガスを供給してＷＣｌ６ガスを活性化することにより、その後のステップＳ３の際の成膜反応が生じやすくなり、高いステップカバレッジを維持しつつ、１サイクルあたりの堆積膜厚を厚くして成膜速度を大きくすることができる。このときのＨ２ガスの供給量は、ＣＶＤ反応を抑制してＡＬＤ反応が維持できる程度である必要があり、１００〜５００ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）であることが好ましい。なお、図４に示すように、第２Ｈ２ガス供給ライン６３からの添加Ｈ２ガスをステップＳ２〜Ｓ４の期間、常時供給するようにしてもよい。これによってもＷＣｌ６ガスを供給する際に、添加還元ガスである添加Ｈ２ガスが供給されることとなり、ＷＣｌ６ガスを活性化することができる。このときのＨ２ガスの供給量は、ＣＶＤ反応を抑制してＡＬＤ反応を維持する観点から、１０〜５００ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）であることが好ましい。ただし、添加Ｈ２ガスが存在しなくても良好に成膜反応が生じる場合には、添加Ｈ２ガスを供給しなくてもよい。
以上のシーケンスにおいて、ステップＳ１〜Ｓ４の間、第１連続Ｎ２ガス供給ライン６６、第２連続Ｎ２ガス供給ライン６８からパージガスであるＮ２ガスをＷＣｌ６ガス供給ライン６１および第１Ｈ２ガス供給ライン６２に常時流しつつ、ステップＳ１およびステップＳ３においてＷＣｌ６ガスとＨ２ガスとを間欠的に供給するので、処理空間３７のガスの置換効率を良好にすることができる。また、ステップＳ２およびステップＳ４における処理空間３７のパージの際に、第１フラッシュパージライン６７および第２フラッシュパージライン６９からのＮ２ガスも付加するので、処理空間３７におけるガスの置換効率を一層良好にすることができる。これにより、タングステン単位膜の膜厚制御性を良好にすることができる。
図２の成膜装置においては、ＷＣｌ６ガス供給ライン６１および第１Ｈ２ガス供給ライン６２に、それぞれバッファタンク８０および８１を設けたので、短時間でＷＣｌ６ガスおよびＨ２ガスを供給しやすくなり、１サイクルが短い場合でも、ステップＳ１およびＳ３において必要な量のＷＣｌ６ガスおよびＨ２ガスを供給しやすくすることができる。
なお、ストレス低減処理をＣＶＤにより行う場合には、ＷＣｌ６ガス供給配管６１からのＷＣｌ６ガスの供給と、第１Ｈ２ガス供給ライン６２からのＨ２ガスの供給を同時に行えばよい。
・処理条件
以下に、ストレス低減処理の好ましい条件について示す。
ｉ）ＡＬＤ
圧力：５〜５０Ｔｏｒｒ（６６６．５〜６６６５Ｐａ）
温度：３００℃以上（好ましくは４５０〜６００℃）
ＷＣｌ６ガス流量：３〜６０ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）
（キャリアガス流量：１００〜２０００ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ））
ＷＣｌ６ガス分圧：０．５〜１０Ｔｏｒｒ（６６．７〜１３３３Ｐａ）
メインＨ２ガス流量：２０００〜８０００ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）
添加Ｈ２ガス流量：１００〜５００ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）
連続供給Ｎ２ガス流量：１００〜５００ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）
（第１および第２連続Ｎ２ガス供給ライン６６，６８）
フラッシュパージＮ２ガス流量：５００〜３０００ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）
（第１および第２フラッシュパージライン６７，６９）
ステップＳ１の時間（１回あたり）：０．０１〜５ｓｅｃ
ステップＳ３の時間（１回あたり）：０．１〜５ｓｅｃ
ステップＳ２、Ｓ４の時間（パージ）（１回あたり）：０．１〜５ｓｅｃ
ステップＳ１の添加Ｈ２ガス供給時間（１回あたり）：０．０１〜０．３ｓｅｃ
成膜原料タンクの加温温度：１３０〜１９０℃
ii）ＣＶＤ
圧力：５〜５０Ｔｏｒｒ（６６６．５〜６６６５Ｐａ）
温度：３００℃以上（好ましくは４５０〜６００℃）
ＷＣｌ６ガス流量：３〜６０ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）
（キャリアガス流量：１００〜２０００ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ））
ＷＣｌ６ガス分圧：０．５〜１０Ｔｏｒｒ（６６．７〜１３３３Ｐａ）
メインＨ２ガス流量：２０００〜８０００ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）
Ｎ２ガス流量：１００〜５００ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）
＜成膜方法の第１の例＞
次に、タングステン膜の成膜方法の第１の例について説明する。
本例では、ＷＣｌ６ガスとＨ２ガスを用いてタングステン膜を成膜し、その後ストレス低減処理を行う例を示す。
本例に基づいてタングステン膜を成膜するにあたっては、例えば、図５に示すように、ＳｉＯ２膜等の絶縁膜３０１の上に下地膜３０２が形成されたウエハＷにＷＣｌ６ガスとＨ２ガスを用いてＡＬＤにより第１のタングステン膜３０３を形成する。ここでは便宜上、絶縁膜３０１および下地膜３０２を平面状に描いているが、実際には絶縁膜３０１には微細で複雑形状の凹部が形成されており、そのような凹部に沿って下地膜３０２が形成されている。
下地膜３０２としては、ＴｉＮ膜、ＴｉＳｉＮ膜、Ｔｉシリサイド膜、Ｔｉ膜、ＴｉＯＮ膜、ＴｉＡｌＮ膜等のチタン系材料膜を挙げることができる。また、下地膜３０２として、ＷＮ膜、ＷＳｉｘ膜、ＷＳｉＮ膜等のタングステン系化合物膜を挙げることもできる。また、これらの下地膜３０２を設けることにより、タングステン膜を良好な密着性で成膜することができる。
下地膜３０２としてＴｉＮ膜を用い、その上にＡＬＤ法により第１のタングステン膜３０３を成膜する場合には、塩化タングステンガスであるＷＣｌ６ガスと還元ガスであるＨ２をチャンバー１内のパージを挟んでシーケンシャルにチャンバー１内に供給する。この場合に、図６に示すように、第１のタングステン膜がほとんど成膜されていないか成膜量がわずかである領域において、ＷＣｌ６ガスがＴｉＮ膜に直接的に供給されてＴｉＮ膜とＷＣｌ６ガスとの間で以下の（３）式に示すエッチング反応が生じる。
ＴｉＮ（ｓ）＋ＷＣｌ６（ｇ）→ＴｉＣｌ４（ｇ）＋ＷＣｌｘ（ｇ）・・・（３）
下地膜３０２として他のチタン系材料膜およびタングステン化合物膜を用いた場合も同様に塩化タングステンガスであるＷＣｌ６ガスによりエッチングされる。
このような下地膜３０２のエッチングを抑制するために、第１のタングステン膜３０３を成膜する際に、ＷＣｌ６ガスの供給量を少なくして成膜する。そのようにして成膜された第１のタングステン膜３０３は、ＷＣｌ６ガスの供給量が少ないため、ＨＣｌガスの生成量も少なく、ＨＣｌによるタングステン膜のエッチングも抑制されることから、タングステン結晶粒間に歪みが生じ、高ストレスの膜となる。
このときの第１のタングステン膜３０３は、図２の処理装置と同じ構造の成膜装置を用いて成膜することができる。このときの成膜は、ＡＬＤにより行う。
高ストレスの第１のタングステン膜３０３が成膜される条件としては、以下のような条件が例示される。
圧力：２０〜１００Ｔｏｒｒ（２６６６〜１３３３０Ｐａ）
温度：３００℃以上（より好ましくは４５０〜６００℃）
ＷＣｌ６ガス流量：０．１〜１０ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）
（キャリアガス流量：１〜１０００ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ））
ＷＣｌ６ガス分圧（既述）：１Ｔｏｒｒ（１３３．３Ｐａ）以下（より好ましくは０．１Ｔｏｒｒ（１３．３３Ｐａ）以下）
メインＨ２ガス流量：１０〜５０００ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）
連続供給Ｎ２ガス流量：１０〜１００００ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）
（第１および第２連続Ｎ２ガス供給ライン６６，６８）
フラッシュパージＮ２ガス流量：１００〜１０００００ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）
（第１および第２フラッシュパージライン６７，６９）
ステップＳ１の時間（１回あたり）：０．０１〜５ｓｅｃ
ステップＳ３の時間（１回あたり）：０．１〜５ｓｅｃ
ステップＳ２、Ｓ４の時間（パージ）（１回あたり）：０．１〜５ｓｅｃ
ステップＳ１の添加Ｈ２ガス供給時間（１回あたり）：０．０１〜０．３ｓｅｃ
成膜原料タンクの加温温度：１３０〜１９０℃
第１のタングステン膜３０３を成膜するときに用いる塩化タングステンとしては、上述したＷＣｌ６の他、ＷＣｌ５、ＷＣｌ４も用いることができる。ただし、これらの中では、ＷＣｌ６が好ましい。
また、還元ガスとしては、Ｈ２ガスに限らず、水素を含む還元性のガスであればよく、Ｈ２ガスの他に、ＳｉＨ４ガス、Ｂ２Ｈ６ガス、ＮＨ３ガス等を用いることもできる。Ｈ２ガス、ＳｉＨ４ガス、Ｂ２Ｈ６ガス、およびＮＨ３ガスのうち２つ以上を供給できるようにしてもよい。また、これら以外の他の還元ガス、例えばＰＨ３ガス、ＳｉＨ２Ｃｌ２ガスを用いてもよい。膜中の不純物をより低減して低抵抗値を得る観点からは、Ｈ２ガスを用いることが好ましい。
このようにして第１のタングステン膜３０３が形成された後、上述したようなストレス低減処理を実施し、第１のタングステン膜３０３の上に処理膜として第２のタングステン膜３０４を成膜する。これにより、ストレスが低減されたタングステン膜３０５が形成される。なお、処理膜としての第２のタングステン膜３０４は、上述した処理膜２０４と同様に形成される。
このときの第１のタングステン膜３０３の膜厚および第２のタングステン膜３０４の膜厚は適宜設定することができる。高ストレス膜である第１のタングステン膜３０３は、下地膜３０２をエッチングを抑制する観点から成膜されるものであるから、１０ｎｍ以下の薄い膜であってもよい。一方、第２のタングステン膜３０４は第１のタングステン膜３０３のストレス低減のために形成されるものであるから、これもストレス低減効果が得られる程度に薄い膜であってよい。しかし、第２のタングステン膜３０４は、タングステン膜３０５の一部となるものであることから、タングステン膜３０５の必要な膜厚を満たす程度に厚い膜としてもよい。
最初の第１のタングステン膜３０３の成膜処理と、その後のストレス低減処理は、同じ装置で大気開放することなくｉｎ−ｓｉｔｕ処理で行うことができる。また、第１のタングステン膜３０３の成膜処理を行った後、大気中に取り出し、別個の装置でストレス低減処理を行うｅｘ−ｓｉｔｕ処理で行ってもよい。ただし、後述するように、ストレス低減効果を高める観点からはｉｎ−ｓｉｔｕのほうが好ましい。
実際に、ＷＣｌ６ガスとＨ２ガスを用いたＡＬＤにより膜ストレスが高くなる条件で第１のタングステン膜３０３を１５ｎｍ程度の厚さで成膜した後、同じ装置を用いてｉｎ−ｓｉｔｕでストレス低減処理を施して処理膜である第２のタングステン膜３０４を１５ｎｍ程度の厚さで形成した際の、第１のタングステン膜３０３、第２のタングステン膜３０４、および第１のタングステン膜３０３＋第２のタングステン膜３０４であるタングステン膜３０５の膜ストレスを測定した。その結果を図８に示す。図８に示すように、第１のタングステン膜３０３は膜ストレスが２０１５ＭＰａの高ストレス膜であったのに対し、ストレス低減処理により形成された第２のタングステン膜３０４の膜ストレスは−４．８ＭＰａとわずかに引張ストレスとなり、第１のタングステン膜３０３＋第２のタングステン膜３０４であるタングステン膜３０５の膜ストレスは１４８．５ＭＰａとなって、ストレス低減処理により著しくストレスを低減できることが確認された。
次に、ストレス低減処理のサイクル数と、ストレス低減処理によって得られたタングステン膜３０５の膜ストレスとの関係を調査した。図９は、ＷＣｌ６ガスとＨ２ガスを用いたＡＬＤにより膜ストレスが高くなる条件で第１のタングステン膜３０３を２０ｎｍ程度の厚さで成膜した後、同じ装置を用いてｉｎ−ｓｉｔｕでＡＬＤによりサイクル数を変化させてストレス低減処理を施した際の、第１のタングステン膜３０３＋第２のタングステン膜３０４であるタングステン膜３０５の膜ストレスを示す図である。この図に示すように、３００サイクルが膜厚２．５ｎｍに相当するが、処理膜である第２のタングステン膜３０４がこのように薄くても十分なストレス低減効果が得られることが確認された。
次に、高ストレスのタングステン膜の膜厚を変化させて、ｉｎ−ｓｉｔｕおよびｅｘ−ｓｉｔｕでストレス低減処理を行った場合のストレス低減効果を確認した。その結果を図１０に示す。この図に示すように、高ストレスの第１のタングステン膜３０３の膜厚が薄いほど、ストレス低減処理の効果が高いことがわかる。また、ストレス低減処理をｉｎ−ｓｉｔｕ処理で行ったほうが、ｅｘ−ｓｉｔｕ処理で行う場合よりもストレス低減効果が高いことがわかる。
ｅｘ−ｓｉｔｕ処理の場合に効果が低いのは、高ストレスの第１のタングステン膜３０３を成膜後にウエハが大気中に取り出されると、タングステン結晶粒の間に空気が入り、これが次のストレス低減処理を妨げるためと考えられる。このため、ストレス低減処理は、ｅｘ−ｓｉｔｕ処理よりもｉｎ−ｓｉｔｕ処理のほうが好ましい。ストレス低減処理をｅｘ−ｓｉｔｕ処理で行う必要がある場合は、第１のタングステン膜３０３を成膜後、アニールして結晶粒間に存在する空気を排出することが有効である。
＜成膜方法の第２の例＞
次に、成膜方法の第２の例について説明する。
本例では、ＷＦ６ガスとＨ２ガスを用いてタングステン膜を成膜し、その後ストレス低減処理としてＷＣｌ６ガスとＨ２ガスを用いた膜形成を行う例を示す。
ＷＦ６ガスを用いてタングステン膜を成膜する場合は、ＷＦ６に含まれるフッ素がゲート絶縁膜を還元し、電気特性を劣化させることが懸念されるため、ＷＦ６ガスに代えてＷＣｌ６を用いることが検討されているが、ＷＦ６はＷＣｌ６に比べて極めて安価であるため、バリア膜の工夫等によって引き続き使用されている。
本例に基づいてタングステン膜を成膜するにあたっては、例えば、図１１に示すように、ＳｉＯ２膜等の絶縁膜４０１の上に下地膜４０２が形成されたウエハＷにＷＦ６ガスとＨ２ガスを用いて第１のタングステン膜４０３を形成する。ここでは便宜上、絶縁膜４０１および下地膜４０２を平面状に描いているが、実際には絶縁膜４０１には微細で複雑形状の凹部が形成されており、そのような凹部に沿って下地膜４０２が形成されている。
下地膜４０２としては、ＴｉＮ膜、ＴｉＳｉＮ膜、Ｔｉシリサイド膜、Ｔｉ膜、ＴｉＯＮ膜、ＴｉＡｌＮ膜等のチタン系材料膜を挙げることができる。また、下地膜４０２として、ＷＮ膜、ＷＳｉｘ膜、ＷＳｉＮ膜等のタングステン系化合物膜を挙げることもできる。また、これらの下地膜３０２を設けることにより、タングステン膜を良好な密着性で成膜することができる。
ＷＦ６ガスとＨ２ガスを用いて成膜したタングステン膜は、従来からストレスが高い膜となることが知られている。この場合も、膜ストレスは、タングステン結晶粒間の歪に起因するものと考えられる。したがって、第１のタングステン膜４０３も例えば１０００ＭＰａ以上の高ストレス膜となる。
このため、図１２に示すように、第１のタングステン膜４０３が形成された後、ＷＣｌ６ガスおよびＨ２ガスを用いて上述したようなストレス低減処理により処理膜として第２のタングステン膜４０４を成膜する。これにより、ストレスが低減されたタングステン膜４０５が形成される。なお、処理膜としての第２のタングステン膜４０４は、上述した処理膜３０４と同様に形成される。
このときの第１のタングステン膜４０３の膜厚および第２のタングステン膜４０４の膜厚は適宜設定することができる。コスト低減の観点からは、ＷＦ６ガスを用いる第１のタングステン膜４０３を極力厚くすることが好ましく、その場合は、第２のタングステン膜４０４をストレス低減効果が得られる程度に薄い膜とすればよい。
なお、還元ガスとしては、Ｈ２ガスに限らず、水素を含む還元性のガスでればよく、Ｈ２ガスの他に、ＳｉＨ４ガス、Ｂ２Ｈ６ガス、ＮＨ３ガス等を用いることもできる。Ｈ２ガス、ＳｉＨ４ガス、Ｂ２Ｈ６ガス、およびＮＨ３ガスのうち２つ以上を供給できるようにしてもよい。また、これら以外の他の還元ガス、例えばＰＨ３ガス、ＳｉＨ２Ｃｌ２ガスを用いてもよい。膜中の不純物をより低減して低抵抗値を得る観点からは、Ｈ２ガスを用いることが好ましい。
第１のタングステン膜４０３は、例えば特許文献１や特許文献２に記載された成膜装置を用いて、ＡＬＤまたはＣＶＤによりタングステン膜を成膜することができる。
具体的には、小流量でＷＦ６ガスおよび還元ガスとしてＨ２ガス、ＳｉＨ４ガス、Ｂ２Ｈ６ガス等を供給してＡＬＤにより核生成タングステン膜を成膜した後、大流量でＷＦ６ガスおよび還元ガスとしてのＨ２ガスを供給して主タングステン膜を成膜する２ステップ成膜により第１のタングステン膜４０３を成膜する。なお、核生成タングステン膜を成膜する際の還元ガスとしては、還元力の大きいＳｉＨ４ガスやＢ２Ｈ６ガスを用いることが好ましい。成膜温度としては３００〜５００℃程度が好適である。
また、ｉｎ−ｓｉｔｕで第１のタングステン膜４０３と第２のタングステン膜４０４を成膜する場合には、ＷＦ６は常温でガス状であることから、図１３に示すように、第１の処理装置に、ＷＦ６ガス供給源１２０を設けて、ＷＣｌ６ガスとＷＦ６ガスを切り替えられるようにした成膜装置１００′を用いることができる。ＷＦ６ガス供給源１２０には、ＷＦ６ガス供給ライン１２１が接続され、ＷＦ６ガス供給ライン１２１は、ＷＣｌ６ガス供給ライン６１におけるエバック配管１０１接続位置の上流側に接続されている。ＷＦ６ガス供給ライン１２１には、流量制御器としてのマスフローコントローラ１２２と開閉バルブ１２３が設けられている。また、ＷＣｌ６ガス供給ライン６１には、ＷＦ６ガス供給ライン１２１接続部の上流側に開閉バルブ１２４が付加されている。
このような成膜装置１００′により、ＷＦ６ガスを用いた第１のタングステン膜４０３を成膜した後、ＷＣｌ６ガスを用いた第２のタングステン膜４０４をｉｎ−ｓｉｔｕで成膜することができ、ストレス低減効果を高めることができる。
＜他の適用＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、タングステン膜のストレス低減処理に塩化タングステンガスおよび還元ガスを用いた場合を示したが、これに限らず他の金属膜のストレス低減処理にその金属の塩化物および還元ガスを用いてもよく、例えば塩化モリブデンガスと還元ガスを用いてモリブデン膜のストレス低減処理を行う場合や、塩化タンタルガスと還元ガスを用いてタンタル膜のストレス低減処理を行う場合にも適用可能である。
また、上記実施形態では、被処理基板として半導体ウエハを例にとって説明したが、半導体ウエハはシリコンであっても、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＧａＮなどの化合物半導体でもよく、さらに、半導体ウエハに限定されず、液晶表示装置等のＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）に用いるガラス基板や、セラミック基板等にも本発明を適用することができる。
１；チャンバー
２；サセプタ
３；シャワーヘッド
４；排気部
５；ガス供給機構
６；制御部
５１；ＷＣｌ６ガス供給機構
５２；第１Ｈ２ガス供給源
５３；第２Ｈ２ガス供給源
５４；第１Ｎ２ガス供給源
５５；第２Ｎ２ガス供給源
６１；ＷＣｌ６ガス供給ライン
６２；第１Ｈ２ガス供給ライン
６３；第２Ｈ２ガス供給ライン
６６；第１連続Ｎ２ガス供給ライン
６７；第１フラッシュパージライン
６８；第２連続Ｎ２ガス供給ライン
６９；第２フラッシュパージライン
７３，７４，７５，７６，７７，７８，７９，１０２，１０３；開閉バルブ
９１；成膜原料タンク
１００；処理装置
２０１；下地膜
２０２；タングステン膜
２０３；タングステン結晶粒
２０４；処理膜
２０５；ストレスが低減されたタングステン膜
３０１，４０１；絶縁膜
３０２，４０２；下地膜
３０３，４０３；第１のタングステン膜
３０４，４０４；第２のタングステン膜
３０５，４０５；タングステン膜
Ｗ；半導体ウエハ

Claims (25)

  1. タングステン膜、モリブデン膜、およびタンタル膜のいずれかからなり、膜のストレスが１０００ＭＰａ以上の金属膜に対し、その金属を含む金属塩化物ガス、および前記金属塩化物ガスを還元する還元ガスを供給して前記金属膜を処理し、前記金属膜の上に処理膜を形成することにより前記金属膜のストレスを低減することを特徴とする金属膜のストレス低減方法。
  2. 前記金属膜の前記処理は、減圧雰囲気下に保持されたチャンバー内に前記金属膜が形成された被処理基板を配置し、前記チャンバー内に前記金属塩化物ガスと前記還元ガスとをシーケンシャルにまたは同時に供給して、前記金属膜の上に処理膜を形成することにより行われることを特徴とする請求項１に記載の金属膜のストレス低減方法。
  3. 前記金属膜の前記処理は、前記金属塩化物ガスと前記還元ガスとの反応で生成されたＨＣｌにより前記金属膜をエッチングすることによりストレスを低減することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金属膜のストレス低減方法。
  4. 前記金属膜の前記処理の際の処理条件または処理膜の厚さを調整することにより前記金属膜のストレスを調整することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の金属膜のストレス低減方法。
  5. 前記金属膜はタングステン膜であり、前記金属膜の前記処理に用いる前記金属塩化物は塩化タングステンであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の金属膜のストレス低減方法。
  6. 前記金属膜の前記処理は、前記塩化タングステンガスの分圧が０．５〜１０Ｔｏｒｒの範囲になるようにして行われることを特徴とする請求項５に記載の金属膜のストレス低減方法。
  7. 前記金属膜であるタングステン膜は、減圧雰囲気下に保持されたチャンバー内に被処理基板を配置し、前記チャンバー内に塩化タングステンガスと還元ガスとをシーケンシャルに供給して成膜されたものであり、前記金属膜の成膜の際の前記塩化タングステンガスの供給量が、前記処理の際の前記塩化タングステンガスの供給量よりも少ないことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の金属膜のストレス低減方法。
  8. 前記金属膜であるタングステン膜を成膜する際に前記塩化タングステンガスの分圧を１Ｔｏｒｒ以下とすることを特徴とする請求項７に記載の金属膜のストレス低減方法。
  9. 前記金属膜であるタングステン膜は、減圧雰囲気下に保持されたチャンバー内に被処理基板を配置し、前記チャンバー内にＷＦ６ガスと還元ガスとを供給して成膜されたものである請求項５または請求項６に記載の金属膜のストレス低減方法。
  10. 前記塩化タングステンは、ＷＣｌ６、ＷＣｌ５、ＷＣｌ４のいずれかあることを特徴とする請求項５から請求項９のいずれか１項に記載の金属膜のストレス低減方法。
  11. 前記還元ガスは、Ｈ２ガス、ＳｉＨ４ガス、Ｂ２Ｈ６ガス、ＮＨ３ガスの少なくとも１種であることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の金属膜のストレス低減方法。
  12. 被処理基板に対しタングステン膜、モリブデン膜、およびタンタル膜のいずれかからなり、膜のストレスが１０００ＭＰａ以上の金属膜を形成する工程と、
    その金属を含む金属塩化物ガス、および前記金属塩化物ガスを還元する還元ガスを供給して前記金属膜を処理し、前記金属膜の上に前記金属膜のストレスを低減する処理膜を形成する工程と
    を有することを特徴とする金属膜の成膜方法。
  13. 前記処理膜は、減圧雰囲気下に保持されたチャンバー内に前記金属膜が形成された被処理基板を配置し、前記チャンバー内に前記金属塩化物ガスと前記還元ガスとをシーケンシャルにまたは同時に供給することにより形成されることを特徴とする請求項１２に記載の金属膜の成膜方法。
  14. 前記処理膜を成膜する際に、前記金属塩化物ガスと前記還元ガスとの反応で生成されたＨＣｌにより前記金属膜をエッチングすることによりストレスを低減することを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の金属膜の成膜方法。
  15. 前記処理膜を形成する際の処理条件または処理膜の厚さを調整することにより前記金属膜のストレスを調整することを特徴とする請求項１２から請求項１４のいずれか１項に記載の金属膜の成膜方法。
  16. 被処理基板に対して、塩化タングステンガスおよび塩化タングステンを還元する還元ガスをシーケンシャルに供給して金属膜として膜のストレスが１０００ＭＰａ以上の第１のタングステン膜を成膜する工程と、
    前記第１のタングステン膜が形成された被処理基板に対して、塩化タングステンガスおよび塩化タングステンを還元する還元ガスをシーケンシャルにまたは同時に供給して前記第１のタングステン膜のストレスを低減する処理を行い、前記第１のタングステン膜の上に処理膜として第２のタングステン膜を成膜する工程と
    を有し、
    前記第１のタングステン膜を成膜する際の前記塩化タングステンガスの供給量を、前記第２のタングステン膜を成膜する際の前記塩化タングステンガスの供給量よりも少なくすることを特徴とする金属膜の成膜方法。
  17. 前記第１のタングステン膜を成膜する際の前記塩化タングステンガスの分圧は１Ｔｏｒｒ以下であり、前記第２のタングステン膜を成膜する際の塩化タングステンガスの分圧は０．５〜１０Ｔｏｒｒであることを特徴とする請求項１６に記載の金属膜の成膜方法。
  18. 前記第１のタングステン膜および前記第２のタングステン膜の成膜処理の際に、前記被処理基板の温度が３００℃以上、圧力が５Ｔｏｒｒ以上であることを特徴とする請求項１６または請求項１７に記載の金属膜の成膜方法。
  19. 被処理基板に対して、ＷＦ６ガスおよびＷＦ６ガスを還元する還元ガスを供給して金属膜として膜のストレスが１０００ＭＰａ以上の第１のタングステン膜を成膜する工程と、
    前記第１のタングステン膜が形成された被処理基板に対して、塩化タングステンガスおよび塩化タングステンを還元する還元ガスをシーケンシャルにまたは同時に供給して第２のタングステン膜を成膜する工程と
    を有することを特徴とする金属膜の成膜方法。
  20. 前記第２のタングステン膜を成膜することにより、前記第１のタングステン膜のストレスを低減することを特徴とする請求項１９に記載の金属膜の成膜方法。
  21. 前記第２のタングステン膜の成膜処理の際に、前記被処理基板の温度が３００℃以上、圧力が５Ｔｏｒｒ以上であることを特徴とする請求項１９または請求項２０に記載の金属膜の成膜方法。
  22. 前記第１のタングステン膜と前記第２のタングステン膜とは、ｉｎ−ｓｉｔｕで成膜することを特徴とする請求項１６から請求項２１のいずれか１項に記載の金属膜の成膜方法。
  23. 前記塩化タングステンは、ＷＣｌ６、ＷＣｌ５、ＷＣｌ４のいずれかあることを特徴とする請求項１６から請求項２２のいずれか１項に記載の金属膜の成膜方法。
  24. 前記還元ガスは、Ｈ２ガス、ＳｉＨ４ガス、Ｂ２Ｈ６ガス、ＮＨ３ガスの少なくとも１種であることを特徴とする請求項１６から請求項２３のいずれか１項に記載の金属膜の成膜方法。
  25. コンピュータ上で動作し、成膜装置を制御するためのプログラムが記憶された記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、請求項１６から請求項２４のいずれかの金属膜の成膜方法が行われるように、コンピュータに前記成膜装置を制御させることを特徴とする記憶媒体。
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