JP6608026B2 - タングステン膜の成膜方法および成膜装置 - Google Patents
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Description
図1は本発明に係るタングステン膜の成膜方法を実施するための成膜装置の一例を示す断面図である。
次に、以上のように構成された成膜装置100を用いて行われる成膜方法の実施形態について説明する。
まず、CVD法による成膜について説明する。
図2は、CVD法による成膜の際の処理レシピを示す図である。最初に、図1の成膜装置100におけるバルブ37,37aおよび45を閉じた状態で、バルブ63および73を開き、N2ガス供給源61,71から配管64,74を介してパージガスとしてのN2ガス(パージN2)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。
次に、ALD法により成膜について説明する。
図3は、ALD法による成膜の際の処理レシピを示す図である。最初にCVD法のときと同様、バルブ37,37aおよび45を閉じてバルブ63および73を開き、N2ガス供給源61,71から配管64,74を介してパージガスとしてのN2ガス(パージN2)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。
タングステン原料としてWCl6等の塩化タングステンを用いた場合には、塩化タングステンガス自体がエッチング作用も有するため、温度および圧力の条件によっては塩化タングステンガスによる下地膜や成膜しているタングステン膜に対するエッチング反応が生じて成膜され難いことがある。したがって、温度・圧力条件が、そのようなエッチング反応が生じる条件以外であることが好ましい。より詳細には、温度が低い領域では成膜反応もエッチング反応も生じないため、成膜反応を生じさせるためにはある程度高いことが好ましいが、成膜反応が生じる温度では、圧力が低いとエッチング反応が生じる傾向があるため、高圧条件が好ましい。
・CVD法
キャリアN2ガス流量:20〜500sccm(mL/min)
(WCl6ガス供給量として、0.25〜15sccm(mL/min))
H2ガス流量:500〜5000sccm(mL/min)
成膜原料タンクの加温温度:130〜170℃
・ALD法
キャリアN2ガス流量:20〜500sccm(mL/min)
(WCl6ガス供給量として、0.25〜15sccm(mL/min))
WCl6ガス供給時間(1回あたり):0.5〜10sec
H2ガス流量:500〜5000sccm(mL/min)
H2ガス供給時間:(1回あたり):0.5〜10sec
成膜原料タンクの加温温度:130〜170℃
原料ガスとしてWF6を用いてタングステン膜を成膜する従来の方法の場合には、熱酸化膜や層間絶縁膜に対する密着力が悪く、かつインキュベーション時間も長くなるため、下地膜上に高ステップカバレッジで直接成膜することが困難であった。このため、従来は、還元ガスとしてSiH4またはB2H6を用いて核生成に特化した条件で、下地膜の上に核生成用の初期タングステン膜(ニュークリエーション膜)を形成してから、還元ガスとしてH2ガスを用いて主タングステン膜の成膜を行う2段階の成膜を行うことにより高ステップカバレッジの成膜を確保する必要があった。
次に、本実施形態の成膜方法の適用例について図4を参照して説明する。
最初に、下部トランジスタまたはシリコン基板の上の拡散領域からなる下部構造101(詳細は省略)の上にSiO2膜、低誘電率(Low−k)膜(SiCO、SiCOH等)等の層間絶縁膜102を有し、そこにトレンチやホール等の凹部103が形成されたウエハWを準備する(図4(a))。
次に、実験例について説明する。
(実験例1)
まず、タングステン膜の膜厚と膜の比抵抗との関係を求めた。ここでは、図1の成膜装置を用いて、シリコンウエハ表面に形成されたTiN膜の上にALD法により種々の膜厚のタングステン膜を成膜し、各膜の比抵抗を測定した。この際の条件は、キャリアN2ガス流量:500sccm(WCl6流量:10sccm)、H2ガス流量:4500sccm、WCl6供給ステップ1回の時間:1.5sec、H2ガス供給ステップ1回の時間:3sec、パージステップ1回の時間:5sec、サイクル数:200〜1000回に固定し、温度・圧力条件を、以下の条件A、条件B、条件Cの3条件とした。
[条件A] 温度:500℃、圧力:30Torr
[条件B] 温度:500℃、圧力:20Torr
[条件C] 温度:430℃、圧力:30Torr
ここでは、トップの径が180nm、アスペクト比が60のホールに下地膜としてTiN膜を形成し、その上に直接ALD法によりタングステン膜を成膜してホールを埋め込んだ。このときの条件は、図1の成膜装置を用いてウエハ温度:500℃、チャンバー内圧力:30Torr、キャリアN2ガス流量:500sccm(WCl6流量:10sccm)、H2ガス流量:4500sccm、WCl6供給ステップ1回の時間:1.5sec、H2ガス供給ステップ1回の時間:3sec、パージステップ1回の時間:5sec、サイクル数:500回とした。
ここでは、還元ガスとしてH2ガスのみを用いた場合と、H2ガスにNH3ガスを添加した場合における成膜性について評価した。図1の成膜装置を用いて、シリコンウエハ表面に形成されたTiN膜の上にALD法により種々の温度でタングステン膜を成膜した。この際の条件としては、キャリアN2ガス流量:500sccm(WCl6流量:10sccm)とし、WCl6ガス供給ステップ1回の時間:1.5sec、H2ガス供給ステップ1回の時間:3sec、パージステップ1回の時間:5sec、サイクル数:50〜300回とし、還元ガスとして、H2ガスのみを2000sccmにした場合と、H2ガス2000sccmにNH3ガス25〜1500sccm添加した場合について、ウエハ温度(サセプタ表面温度):250〜500℃の範囲でタングステン膜の成膜を行った。
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、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。
2;サセプタ
5;ヒーター
10;シャワーヘッド
30;ガス供給機構
31;成膜原料タンク
42;H2ガス供給源
50;制御部
51;プロセスコントローラ
53;記憶部
61,71;N2ガス供給源
100;成膜装置
101;下部構造
102:層間絶縁膜
103;凹部
104;メタルバリア膜
105;タングステン膜
W;半導体ウエハ
Claims (30)
- 被処理基板の温度を400℃以上にすることと、
被処理基板に対して、塩化タングステンガスおよびH2ガスを交互に供給するサイクルを繰り返し、前記被処理基板の表面に、核生成用の初期タングステン膜を成膜することなく、直接主タングステン膜を成膜することと、を有する、タングステン膜の成膜方法。 - 被処理基板の温度を400℃以上にすることと、
被処理基板の表面に塩化タングステンガスを吸着させるステップと、前記被処理基板の表面に吸着した前記塩化タングステンガスとH2ガスを反応させるステップと、を繰り返し、前記被処理基板の表面に、核生成用の初期タングステン膜を成膜することなく、直接主タングステン膜を成膜することと、を有する、タングステン膜の成膜方法。 - 前記被処理基板として表面にメタル膜が形成されたものを用い、前記メタル膜の表面に前記主タングステン膜を成膜する、請求項1または2に記載のタングステン膜の成膜方法。
- 前記メタル膜は、TiN膜またはTiSiN膜である、請求項3に記載のタングステン膜の成膜方法。
- 前記被処理基板に凹部が形成され、前記凹部内に前記主タングステン膜を成膜して、前記凹部を埋め込む、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のタングステン膜の成膜方法。
- 余剰の前記塩化タングステンガスのパージおよび余剰の前記H2ガスのパージを行う、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のタングステン膜の成膜方法。
- 前記塩化タングステンがWCl6、WCl5、WCl4のいずれかである、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のタングステン膜の成膜方法。
- 前記被処理基板の温度が400〜550℃である、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のタングステン膜の成膜方法。
- 処理容器内の圧力が5Torr以上である、請求項1から請求項8のいずれか1項に記載のタングステン膜の成膜方法。
- 処理容器内の圧力が10〜30Torrである、請求項9に記載のタングステン膜の成膜方法。
- 前記塩化タングステンガスの供給量は、0.25〜15sccmである、請求項1から請求項10のいずれか1項に記載のタングステン膜の成膜方法。
- 前記塩化タングステンガスの供給時間は、1回あたり0.5〜10secである、請求項1から請求項11のいずれか1項に記載のタングステン膜の成膜方法。
- 前記H2ガスの供給量は、500〜5000sccmである、請求項1から請求項12のいずれか1項に記載のタングステン膜の成膜方法。
- 前記H2ガスの供給時間は、1回あたり0.5〜10secである、請求項1から請求項13のいずれか1項に記載のタングステン膜の成膜方法。
- 前記主タングステン膜は、膜厚が20nmのときの比抵抗値が40μΩ・cm以下である、請求項1から請求項14のいずれか1項に記載のタングステン膜の成膜方法。
- 被処理基板を収容する処理容器と、
前記被処理基板を加熱するヒーターと、
前記処理容器に塩化タングステンガスを供給する塩化タングステンガス供給機構と、
前記処理容器にH2ガスを供給するH2ガス供給機構と、
制御部と、を有し、
前記制御部は、
前記処理容器内に収容された前記被処理基板の温度を400℃以上にすることと、
前記処理容器内に収容された前記被処理基板に対して、塩化タングステンガスおよびH2ガスを交互に供給するサイクルを繰り返し、前記被処理基板の表面に、核生成用の初期タングステン膜を成膜することなく、直接主タングステン膜を成膜することと、
を行うように、前記ヒーター、前記塩化タングステンガス供給機構、および前記H2ガス供給機構を制御するように構成される、
成膜装置。 - 被処理基板を収容する処理容器と、
前記被処理基板を加熱するヒーターと、
前記処理容器に塩化タングステンガスを供給する塩化タングステンガス供給機構と、
前記処理容器にH2ガスを供給するH2ガス供給機構と、
制御部と、を有し、
前記制御部は、
前記処理容器内に収容された前記被処理基板の温度を400℃以上にすることと、
前記被処理基板の表面に塩化タングステンガスを吸着させるステップと、前記被処理基板の表面に吸着した前記塩化タングステンガスとH2ガスを反応させるステップと、を繰り返し、前記被処理基板の表面に、核生成用の初期タングステン膜を成膜することなく、直接主タングステン膜を成膜することと、
を行うように、前記ヒーター、前記塩化タングステンガス供給機構、および前記H2ガス供給機構を制御するように構成される、
成膜装置。 - 前記被処理基板の表面はメタル膜である、請求項16または請求項17に記載の成膜装置。
- 前記メタル膜は、TiN膜またはTiSiN膜である、請求項18に記載の成膜装置。
- 前記被処理基板には凹部が形成され、
前記制御部は、前記凹部内に前記主タングステン膜を成膜して、前記凹部を埋め込むように、前記塩化タングステンガス供給機構および前記H2ガス供給機構を制御するよう構成される、請求項16から請求項19のいずれか1項に記載の成膜装置。 - 前記処理容器にパージガスを供給するパージガス供給機構を含み、
前記制御部は、余剰の前記塩化タングステンガスのパージおよび余剰の前記H2ガスのパージを行うように、前記パージガス供給機構を制御する、請求項16から請求項20のいずれか1項に記載の成膜装置。 - 前記塩化タングステン供給機構は、WCl6、WCl5、WCl4のいずれかを前記処理容器に供給する、請求項16から請求項21のいずれか1項に記載のタングステン膜の成膜装置。
- 前記被処理基板を前記処理容器内で支持するサセプタを含み、
前記制御部は、前記サセプタ内に埋め込まれたヒーターを制御して、前記被処理基板の温度を400〜550℃に制御するよう構成される、請求項16から請求項22のいずれか1項に記載の成膜装置。 - 前記処理容器を排気する排気装置を含み、
前記制御部は、前記処理容器内の圧力が5Torr以上になるように、前記排気装置を制御するよう構成される、請求項16から請求項23のいずれか1項に記載の成膜装置。 - 前記制御部は、前記処理容器内の圧力が10〜30Torrになるように、前記排気装置を制御するよう構成される、請求項24に記載のタングステン膜の成膜装置。
- 前記制御部は、前記塩化タングステンガスの供給量が0.25〜15sccmになるように、前記塩化タングステンガス供給機構を制御するよう構成される、請求項16から請求項25のいずれか1項に記載の成膜装置。
- 前記制御部は、前記塩化タングステンガスの供給時間が、1回あたり0.5〜10secになるように、前記塩化タングステンガス供給機構を制御するよう構成される、請求項16から請求項26のいずれか1項に記載の成膜装置。
- 前記制御部は、前記H2ガスの供給量が500〜5000sccmになるように、前記H2ガス供給機構を制御するよう構成される、請求項16から請求項27のいずれか1項に記載の成膜装置。
- 前記制御部は、前記H2ガスの供給時間が、1回あたり0.5〜10secになるように、前記H2ガス供給機構を制御するよう構成される、請求項16から請求項28のいずれか1項に記載の成膜装置。
- 前記被処理基板を前記処理容器内で支持するサセプタと、
前記処理容器を排気する排気装置と、を含み、
前記制御部は、前記主タングステン膜の膜厚が20nmのときの比抵抗値が40μΩ・cm以下となるように、前記塩化タングステンガス供給機構、前記H2ガス供給機構、前記サセプタ内に埋め込まれたヒーターおよび前記排気装置を制御するよう構成される、請求項16から請求項29のいずれか1項に記載の成膜装置。
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