JP6751631B2 - 基板の凹部をタングステンで充填する方法 - Google Patents

基板の凹部をタングステンで充填する方法 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、基板の凹部をタングステンで充填する方法に関するものである。
半導体デバイスといった電子デバイスの製造では、基板の凹部がタングステンで充填されることがある。基板の凹部に対するタングステンの充填は、例えば、３次元ＮＡＮＤ型のメモリ素子の製造において行われている。
下記の特許文献１〜３には、ボイドといった欠陥を生じさせないようにタングステンを凹部に充填する方法が記載されている。これらの文献に記載された方法では、タングステンの凹部への埋込みと、当該タングステンのエッチングとを含んでいる。具体的に、これらの文献に記載された方法は、凹部を画成する面上にタングステン層を成膜し、欠陥の原因となるタングステン層の領域をエッチングし、しかる後に、タングステン層を更に成膜している。
特開２０１１−３５３６６号公報 特開２０１５−３８９６４号公報 特表２０１５−５１２５６８号公報
上述した文献に記載された方法は、成膜とエッチングとの間での切り替えを行うので、非効率である。したがって、凹部をタングステンで充填することにおいて、欠陥の発生を抑制し、且つ、効率を改善することが求められている。
一態様においては、基板の凹部をタングステンで充填する方法が提供される。この方法は、基板を成膜装置のチャンバ内に準備する工程と、第１サイクルを１回以上実行する工程と、第１サイクルを１回以上実行する工程の後に、第２サイクルを１回以上実行する工程と、を含む。第１サイクルは、タングステンを含有する前駆体ガスをチャンバに導入すること、チャンバをパージすること、水素含有ガスをチャンバに導入すること、及び、チャンバをパージすることを含む。第２サイクルは、タングステンを含有する前駆体ガスをチャンバに導入すること、チャンバをパージすること、水素含有ガスをチャンバに導入すること、及び、チャンバをパージすることを含む。この方法では、第２サイクルが実行されているときのチャンバの圧力が、第１サイクルが実行されているときのチャンバの圧力よりも低い圧力に設定される。
一態様に係る方法では、チャンバの圧力が比較的高い圧力に設定された状態で第１サイクルが実行される。かかる第１サイクルの実行により、基板に対するダメージを抑制しつつ、凹部を画成する基板の表面上にタングステン層を形成することができる。この第１サイクルが１回以上実行されると、凹部内に形成されたタングステン層により凹部の幅が狭められる。第１サイクルの実行時にはチャンバの圧力が比較的高い圧力に設定されているので、平均自由行程が小さく、幅が狭くなった凹部に前駆体ガスが十分に供給されない。したがって、第１サイクルのみによって凹部をタングステンで充填しようとすると、欠陥が生じ得る。そこで、本方法では、第１サイクルが１回以上実行された後に、第２サイクルが実行される。第２サイクルの実行時には、チャンバの圧力が比較的低い圧力に設定されるので、平均自由行程が大きくなる。したがって、第２サイクルによれば、幅が狭められた凹部内に前駆体ガスが供給され、下地に対するタングステンの高い被覆性が得られる。故に、この方法によれば、欠陥を抑制しつつ、凹部をタングステンで充填することが可能となる。また、この方法は、エッチングを含んでいないので、効率良く凹部をタングステンで充填することが可能である。
一実施形態では、成膜装置は、チャンバを提供するチャンバ本体と、チャンバ内に設けられておりその上に基板が載置されるステージと、を備える。チャンバ本体は、ステージの上方において延在し、ステージの上面に対面する壁面を含む。この実施形態では、第２サイクルが実行されているときのステージと当該壁面との間の距離が、第１サイクルが実行されているときのステージと当該壁面との間の距離よりも短い距離に設定される。この実施形態では、第２サイクルの実行時の基板の周囲の空間の容積が、第１サイクルの実行時の基板の周囲の容積よりも小さくなる。したがって、第２サイクルの実行時に基板の周囲において前駆体ガスの濃度が高くなる。かかる第２サイクルの実行により、下地に対するタングステンの被覆性が更に向上される。
一実施形態では、第２サイクルが実行されているときの基板の温度が、第１サイクルが実行されているときの基板の温度よりも低い温度に設定される。基板の温度が低い場合には、反応効率が低下し、前駆体の消費率が低くなる。したがって、基板の温度が低い場合には、凹部内に供給される前駆体ガスの量が多くなり、下地に対するタングステンの被覆性が高くなる。故に、第１サイクルにおける基板の温度よりも低い温度に基板の温度が設定される第２サイクルの実行により、下地に対するタングステンの被覆性が更に向上される。
一実施形態では、第２サイクルが実行されているときにチャンバに導入されるキャリアガスの流量が、第１サイクルが実行されているときにチャンバに導入されるキャリアガスの流量よりも大きい流量に設定される。キャリアガスは、例えば不活性ガスであり得る。この実施形態では、第２サイクルの実行時にキャリアガスの流量が増加されるので、下地に対するタングステンの被覆性が更に向上される。
一実施形態では、第２サイクルにおいてチャンバをパージしているときに該チャンバに導入される不活性ガスの流量が、第１サイクルにおいてチャンバをパージしているときに該チャンバに導入される不活性ガスの流量よりも大きい流量に設定される。この実施形態によれば、幅が狭くなった凹部に残存するガスをパージの実行時に効率的に除去することが可能となる。
一実施形態において、方法は、第２サイクルを１回以上実行する工程の後に、タングステンを含有する前駆体ガスをチャンバに導入すること、チャンバをパージすること、水素含有ガスをチャンバに導入すること、及び、チャンバをパージすることを含む第３サイクルを１回以上実行する工程を更に含む。この実施形態では、第３サイクルが実行されているときのチャンバの圧力が、第２サイクルが実行されているときのチャンバの圧力よりも高い圧力に設定される。この実施形態では、第２サイクルの実行によって凹部の深さが浅くなった後に、第３サイクルを実行することにより、下地に対するダメージを抑制し、且つ、タングステン層の成膜速度を増加させることが可能となる。
一実施形態では、成膜装置は、チャンバを提供するチャンバ本体と、チャンバ内に設けられておりその上に基板が載置されるステージと、を備える。チャンバ本体は、ステージの上方において延在し、ステージの上面に対面する壁面を含む。この実施形態では、第２サイクルが実行されているときのステージと当該壁面との間の距離が、第１サイクルが実行されているときのステージと当該壁面との間の距離、及び、第３サイクルが実行されているときのステージと当該壁面との間の距離よりも短い距離に設定される。この実施形態では、第２サイクルの実行時に基板の周囲における前駆体ガスの濃度が高くなる。かかる第２サイクルの実行により、下地に対するタングステンの被覆性が更に向上される。
一実施形態では、第２サイクルが実行されているときの基板の温度が、第１サイクルが実行されているときの基板の温度、及び、第３サイクルが実行されているときの基板の温度よりも低い温度に設定される。基板の温度が低い場合には、反応効率が低下し、前駆体の消費率が低くなる。したがって、基板の温度が低い場合には、凹部内に供給される前駆体ガスの量が多くなり、下地に対するタングステンの被覆性が高くなる。故に、第１サイクルにおける基板の温度よりも低い温度に基板の温度が設定される第２サイクルの実行により、下地に対するタングステンの被覆性が更に向上される。
一実施形態では、第２サイクルが実行されているときにチャンバに導入されるキャリアガスの流量が、第１サイクルが実行されているときにチャンバに導入されるキャリアガスの流量、及び、第３サイクルが実行されているときにチャンバに導入されるキャリアガスの流量よりも大きい流量に設定される。キャリアガスは例えば不活性ガスであり得る。この実施形態では、第２サイクルの実行時にキャリアガスの流量が増加されるので、下地に対するタングステンの被覆性が更に向上される。
一実施形態では、第２サイクルにおいてチャンバをパージしているときに該チャンバに導入される不活性ガスの流量が、第１サイクルにおいてチャンバをパージしているときに該チャンバに導入される不活性ガスの流量、及び、３サイクルにおいてチャンバをパージしているときに該チャンバに導入される不活性ガスの流量よりも大きい流量に設定される。この実施形態によれば、幅が狭くなった凹部に残存するガスをパージの実行時に効率的に除去することが可能となる。
以上説明したように、凹部をタングステンで充填することにおいて、欠陥の発生を抑制し、且つ、効率を改善することが可能となる。
一実施形態に係る方法を示す流れ図である。 図１に示す方法が適用され得る基板の一部を拡大して示す断面図である。 図２に示す基板の一部を更に拡大して示す断面図である。 図１に示す方法の実行において用いることが可能な一実施形態の成膜装置を概略的に示す図である。 図１に示す方法に関連するタイミングチャートである。 図１に示す方法の工程ＳＴ１の実行後の基板の状態を示す断面図である。 図１に示す方法の工程ＳＴ２の実行後の基板の状態を示す断面図である。 図１に示す方法の工程ＳＴ３の実行後の基板の状態を示す断面図である。
以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
図１は、一実施形態に係る方法を示す流れ図である。図１に示す方法ＭＴは、基板の凹部をタングステンで充填する方法である。この方法ＭＴでは、まず、工程ＳＴａが実行される。工程ＳＴａでは、成膜装置のチャンバ内に基板が準備される。
図２は、図１に示す方法が適用され得る基板の一部を拡大して示す断面図である。図２に示す基板ＳＢは、例えば円盤形状を有している。基板ＳＢには、トレンチＨＬが形成されている。トレンチＨＬは、基板ＳＢの上面から基板ＳＢの厚み方向に延びるように形成されている。また、基板ＳＢには、複数の凹部ＲＣが形成されている。複数の凹部ＲＣは、トレンチＨＬの幅方向においてトレンチＨＬの両側に延びるように形成されている。
図３は、図２に示す基板の一部を更に拡大して示す断面図である。図３に示すように、基板ＳＢは、絶縁層ＩＬ、第１の膜Ｆ１、及び、第２の膜Ｆ２を有し得る。絶縁層ＩＬは、例えば、酸化シリコンから形成されている。第１の膜Ｆ１は、例えば絶縁性のセラミックス材料から形成されており、絶縁層ＩＬの表面を覆っている。第２の膜Ｆ２はバリアメタルから形成されており、第１の膜Ｆ１の表面を覆っている。この基板ＳＢの作成では、プラズマエッチングによりホール及び凹部を提供する絶縁層ＩＬが形成され、しかる後に、第１の膜Ｆ１及び第２の膜Ｆ２が順に成膜される。これにより、基板ＳＢが作成される。
図４は、図１に示す方法の実行において用いることが可能な一実施形態の成膜装置を概略的に示す図である。図４に示す成膜装置１０は、チャンバ本体１２を備えている。チャンバ本体１２は、その内部空間をチャンバ１２ｃとして提供している。チャンバ本体１２は、主部１４及び天部１６を有している。主部１４は、チャンバ本体１２の側壁を構成している。主部１４は、略円筒形状を有しており、鉛直方向に延びている。主部１４は、例えばアルミニウムといった金属から形成されている。この主部１４の内壁面には、耐腐食性の皮膜が形成されている。
主部１４、即ちチャンバ本体１２の側壁には、チャンバ１２ｃへの基板ＳＢの搬入及びチャンバ１２ｃからの基板ＳＢの搬出のための開口１４ｐが形成されている。この開口１４ｐは、ゲートバルブ１８によって開閉可能になっている。主部１４の下端部は開口しており、該下端部にはベローズ２０の一端（上端）が結合している。ベローズ２０の他端（下端）は蓋体２２に結合している。蓋体２２は、略板状の部材である。ベローズ２０及び蓋体２２は、チャンバ１２ｃの気密を確保するよう、主部１４の下端部の開口を封止している。また、主部１４の上端部は開口しており、該上端部には、天部１６が結合されている。天部１６は、チャンバ１２ｃの気密を確保するよう、主部１４の上端部の開口を封止している。天部１６は、例えばアルミニウムといった金属から形成されている。天部１６の内壁面には、耐腐食性の皮膜が形成されている。
チャンバ１２ｃ内には、ステージ２４が設けられている。ステージ２４は、略円盤形状を有している。ステージ２４の上面には基板ＳＢが載置される。ステージ２４の内部には、ヒータ２４ｈが設けられている。ヒータ２４ｈは、ヒータ電源２６に電気的に接続されている。ヒータ電源２６は、チャンバ本体１２の外側に設けられている。
ステージ２４には、軸体２８の一端（上端）が結合されている。軸体２８はステージ２４の下方に延びている。軸体２８の他端（下端）は蓋体２２に結合されている。蓋体２２には、チャンバ本体１２の外側に設けられた駆動装置３０が結合されている。駆動装置３０は、蓋体２２及び軸体２８を介してステージ２４を上下動させるよう構成されている。駆動装置３０は、ステージ２４を上下動させるために、例えばモータ及び当該モータに結合された駆動軸を有し得る。
ステージ２４には、リング部材３２が取り付けられている。リング部材３２の上側部分は円形の開口を画成している。リング部材３２は、その上側部分によりステージ２４上に載置された基板ＳＢを囲むように設けられている。主部１４、即ちチャンバ本体１２の側壁には、筒体３４が取り付けられている。筒体３４は、略円筒形状を有しており、チャンバ１２ｃ内、且つ、リング部材３２の外側に設けられている。筒体３４は、当該筒体３４とリング部材３２との間には僅かな間隙が介在するように、当該リング部材３２と同軸に設けられている。
天部１６は、チャンバ１２ｃをその上方から画成する壁面１６ｆを含んでいる。壁面１６ｆは、ステージ２４の上方において延在しており、ステージ２４の上面に対面している。この成膜装置１０は、上述したステージ２４の上下動により、ステージ２４の上面と壁面１６ｆとの間のギャップ長を変更することが可能であるように構成されている。
天部１６内にはガス拡散室１６ａが形成されている。また、天部１６には、複数のガス吐出孔１６ｂが形成されている。複数のガス吐出孔１６ｂは、ガス拡散室１６ａに供給されたガスをチャンバ１２ｃに吐出する孔であり、ガス拡散室１６ａから壁面１６ｆまで延びている。さらに、天部１６には、ガスライン１６ｃが形成されている。ガスライン１６ｃは、ガス拡散室１６ａに接続している。このガスライン１６ｃには、ガス供給系４０が接続されている。
ガス供給系４０は、流量制御器４１ｆ，４２ｆ，４３ｆ，４４ｆ及び、バルブ４１ｖ，４２ｖ，４３ｖ，４４ｖを含んでいる。流量制御器４１ｆ，４２ｆ，４３ｆ，４４ｆの各々は、マスフローコントローラ又は圧力制御式の流量制御器である。流量制御器４１ｆの入力にはガスソース４１ｓが接続されている。ガスソース４１ｓは、前駆体ガスのソースである。前駆体ガスは、タングステンを含有するガスである。例えば、前駆体ガスは、ハロゲン化タングステンを含有するガスである。ハロゲン化タングステンは、例えばＷＣｌ６である。なお、ハロゲン化タングステンは、ＷＣｌ５又はＷＦ６であってもよい。流量制御器４１ｆの出力は、バルブ４１ｖを介してガスライン１６ｃに接続されている。
流量制御器４２ｆの入力にはガスソース４２ｓが接続されている。ガスソース４２ｓはキャリアガスのソースである。キャリアガスは、不活性ガスである。キャリアガスとして用いられる不活性ガスは、Ｎ２ガスである。なお、キャリアガスとして用いられる不活性ガスは、Ａｒガスといった希ガスであってもよい。流量制御器４２ｆの出力は、バルブ４２ｖを介してガスライン１６ｃに接続されている。
流量制御器４３ｆの入力にはガスソース４３ｓが接続されている。ガスソース４３ｓは水素含有ガスのソースである。水素含有ガスは、Ｈ２ガスである。なお、水素含有ガスは、シランガス、例えばＳｉＨ４ガス及び／又はＢ２Ｈ６ガスであってもよい。流量制御器４３ｆの出力は、バルブ４３ｖを介してガスライン１６ｃに接続されている。
流量制御器４４ｆの入力にはガスソース４４ｓが接続されている。ガスソース４４ｓはパージガス、即ち不活性ガスのソースである。パージガスとして用いられる不活性ガスは、Ｎ２ガスである。なお、パージガスとして用いられる不活性ガスは、Ａｒガスといった希ガスであってもよい。流量制御器４４ｆの出力は、バルブ４４ｖを介してガスライン１６ｃに接続されている。
ガス供給系４０は、ガスソース４１ｓ，４２ｓ，４３ｓ，４４ｓのうち選択された一以上のガスソースからのガスの流量を制御し、流量が制御されたガスをガス拡散室１６ａに供給することができる。ガス拡散室１６ａに供給されたガスは、基板ＳＢに向けて複数のガス吐出孔１６ｂから吐出される。
主部１４、即ちチャンバ本体１２の側壁は、当該主部１４の中心軸線に対して周方向に延在する溝１４ｇを画成している。主部１４の一部分であって溝１４ｇを画成する当該一部分には、排気口１４ｅが形成されている。排気口１４ｅには、圧力調整弁５０を介して排気装置５２が接続されている。排気装置５２は、ターボ分子ポンプ又はドライポンプといった真空ポンプであり得る。
チャンバ１２ｃ内には、一以上のバッフル部材が設けられている。図４に示す成膜装置１０では、三つのバッフル部材５４，５６，５８がチャンバ１２ｃ内に設けられている。三つのバッフル部材５４，５６，５８は、鉛直方向に延びる略円筒形状を有している。三つのバッフル部材５４，５６，５８は、排気口１４ｅに対してチャンバ１２ｃの中心側において同軸に設けられている。バッフル部材５４の上端は天部１６に結合している。バッフル部材５４の下端は、当該バッフル部材５４の下端とリング部材３２との間に間隙を提供するよう、リング部材３２と対面している。バッフル部材５６及びバッフル部材５８は、溝１４ｇ内に配置されている。バッフル部材５６はバッフル部材５４の外側に設けられており、バッフル部材５８はバッフル部材５６の外側に設けられている。バッフル部材５６及び５８の各々には、複数の貫通孔が形成されている。バッフル部材５６及び５８の各々に形成された複数の貫通孔は、主部１４の中心軸線に対して周方向に配列されている。
成膜装置１０では、複数のガス吐出孔１６ｂから吐出されたガスが基板ＳＢに照射され、バッフル部材５４とリング部材３２との間の間隙、バッフル部材５６の複数のガス吐出孔、及び、バッフル部材５８の複数のガス吐出孔を介して、排気口１４ｅから排出される。
再び図１を参照し、方法ＭＴの説明を続ける。以下の説明では、図１に加えて、図５〜図８を参照する。図５は、図１に示す方法に関連するタイミングチャートである。図６は、図１に示す方法の工程ＳＴ１の実行後の基板の状態を示す断面図である。図７は、図１に示す方法の工程ＳＴ２の実行後の基板の状態を示す断面図である。図８は、図１に示す方法の工程ＳＴ３の実行後の基板の状態を示す断面図である。なお、以下では、成膜装置１０を用いて図２に示した基板ＳＢの凹部ＲＣをタングステンで充填する場合を例にとって方法ＭＴについて説明するが、方法ＭＴが適用される基板は図２に示す基板ＳＢに限定されるものではない。方法ＭＴが適用される基板は、凹部を有していれば、任意の基板であり得る。また、方法ＭＴの実行に用いることができる成膜装置は、図４に示した成膜装置１０に限定されるものではない。
方法ＭＴの工程ＳＴａでは、上述したように基板ＳＢがチャンバ１２ｃ内に準備される。具体的に、工程ＳＴａでは、基板ＳＢが、チャンバ１２ｃ内に搬入され、ステージ２４の上面の上に載置される。
次いで、方法ＭＴでは、工程ＳＴ１が実行される。工程ＳＴ１では、第１サイクルＣＹ１が一回以上実行される。第１サイクルＣＹは、例えば複数回実行される。第１サイクルＣＹ１は、副工程Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ１４を含んでいる。副工程Ｓ１１では、チャンバ１２ｃに前駆体ガスが導入される。前駆体ガスは、ガスソース４１ｓからチャンバ１２ｃ内に供給される。前駆体ガスは、前駆体ガスは、タングステンを含有するガスである。例えば、前駆体ガスは、ハロゲン化タングステンを含有するガスである。ハロゲン化タングステンは、例えばＷＣｌ６である。なお、ハロゲン化タングステンは、ＷＣｌ５又はＷＦ６であってもよい。副工程Ｓ１１では、ガスソース４２ｓからのキャリアガスが前駆体ガスと共にチャンバ１２ｃに導入されてもよい。キャリアガスは、不活性ガスであり、例えばＮ２ガス、又は、Ａｒガスといった希ガスである。なお、キャリアガスは、副工程Ｓ１１、副工程Ｓ１２、副工程Ｓ１３、及び、副工程Ｓ１４において連続的にチャンバ１２ｃに導入されてもよい。副工程Ｓ１１において前駆体ガスがチャンバ１２ｃに供給されると、前駆体ガス中のタングステン含有分子（例えばハロゲン化タングステン）が下地に付着する。下地は、基板ＳＢの表面又は既に形成されているタングステン層の表面である。
続く副工程Ｓ１２では、チャンバ１２ｃがパージされる。具体的に、副工程Ｓ１２では、パージガスである不活性ガスがガスソース４４ｓからチャンバ１２ｃ内に供給される。副工程Ｓ１２において不活性ガスがチャンバ１２ｃに供給されると、下地上に過剰に付着したタングステン含有分子がパージガスと共に排出され、また、チャンバ１２ｃ内のガスが前駆体ガスからパージガスに置換される。
続く副工程Ｓ１３では、チャンバ１２ｃに水素含有ガスが導入される。水素含有ガスは、ガスソース４３ｓからチャンバ１２ｃ内に供給される。水素含有ガスは、Ｈ２ガスである。なお、水素含有ガスは、シランガス、例えばＳｉＨ４ガス及び／又はＢ２Ｈ６であってもよい。副工程Ｓ１３において水素含有ガスがチャンバ１２ｃに供給されると、水素による還元作用により、下地に付着したタングステン含有分子から不要な原子（例えばハロゲン原子）が除去される。続く副工程Ｓ１４では、副工程Ｓ１２と同様にチャンバ１２ｃがパージされる。この副工程Ｓ１４により、チャンバ１２ｃ内のガスが水素含有ガスからパージガスに置換される。
続く工程Ｓ１５では、停止条件を満たすか否かが判定される。停止条件は、第１サイクルＣＹ１が予め定められた回数実行されている場合に、満たされる。工程Ｓ１５において停止条件が満たされないと判定された場合には、副工程Ｓ１１から第１サイクルＣＹ１が繰り返される。一方、停止条件が満たされる場合には、工程ＳＴ１が終了する。工程ＳＴ１の終了後、即ち、第１サイクルＣＹ１の一回以上の実行の後には、図６に示す中間生産物Ｗ１が得られる。図６に示すように、工程ＳＴ１の実行により、基板ＳＢの表面上にタングステン層ＷＬが形成され、当該タングステン層ＷＬにより凹部ＲＣの幅が狭められる。なお、第１サイクルＣＹ１の実行回数は、凹部ＲＣ内へのタングステンの充填においてボイドといった欠陥が生じないように予め定められている。
第１サイクルＣＹ１が実行されているときには、チャンバ１２ｃの圧力は比較的高い圧力に設定される。かかる第１サイクルＣＹ１の実行により、下地（基板ＳＢ又は既に形成されているタングステン層）に対するダメージを抑制しつつ、凹部ＲＣを画成する基板ＳＢの表面上にタングステン層ＷＬを形成することができる。
方法ＭＴでは、次いで、工程ＳＴ２が実行される。工程ＳＴ２では、第２サイクルＣＹ２が一回以上実行される。第２サイクルＣＹ２は、例えば複数回実行される。第２サイクルＣＹ２は、副工程Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３，Ｓ２４を含んでいる。副工程Ｓ２１では、副工程Ｓ１１と同様にチャンバ１２ｃに前駆体ガスが導入される。副工程Ｓ２１では、前駆体ガスと共にキャリアガスがチャンバ１２ｃに供給されてもよい。キャリアガスは、副工程Ｓ２１、副工程Ｓ２２、副工程Ｓ２３、及び、副工程Ｓ２４において連続的にチャンバ１２ｃに導入されてもよい。続く副工程Ｓ２２では、副工程Ｓ１２と同様にチャンバ１２ｃがパージされる。続く副工程Ｓ２３では、副工程Ｓ１３と同様にチャンバ１２ｃに水素含有ガスが導入される。続く副工程Ｓ２４では、副工程Ｓ１４と同様にチャンバ１２ｃがパージされる。続く工程Ｓ２５では、停止条件を満たすか否かが判定される。停止条件は、第２サイクルＣＹ２が予め定められた回数実行されている場合に、満たされる。工程Ｓ２５において停止条件が満たされないと判定された場合には、副工程Ｓ２１から第２サイクルＣＹ２が繰り返される。一方、停止条件が満たされる場合には、工程ＳＴ２が終了する。
図５に示すように、第２サイクルＣＹ２が実行されているときのチャンバ１２ｃの圧力は、第１サイクルＣＹ１が実行されているときのチャンバ１２ｃの圧力よりも低い圧力に設定される。第１サイクルＣＹ１の実行時にはチャンバ１２ｃの圧力が比較的高い圧力に設定されているので、平均自由行程が小さく、幅が狭くなった凹部ＲＣに前駆体ガスが十分に供給されない。したがって、第１サイクルＣＹ１のみによって凹部ＲＣをタングステンで充填しようとすると、欠陥が生じ得る。そこで、方法ＭＴでは、第１サイクルＣＹ１が一回以上実行された後に、第２サイクルＣＹ２が実行される。第２サイクルＣＹ２の実行時には、チャンバ１２ｃの圧力が比較的低い圧力に設定されるので、平均自由行程が大きくなる。したがって、第２サイクルＣＹ２によれば、幅が狭められた凹部ＲＣ内に前駆体ガスが供給され、下地に対するタングステンの高い被覆性が得られる。故に、方法ＭＴによれば、欠陥を抑制しつつ、凹部ＲＣをタングステンで充填することが可能となる。
一実施形態では、図５に示すように、第２サイクルＣＹ２が実行されているときのステージ２４と壁面１６ｆとの間のギャップ長は、第１サイクルＣＹ１が実行されているときのステージ２４と壁面１６ｆとの間のギャップ長よりも短い距離に設定される。これにより、第２サイクルＣＹ２の実行時の基板ＳＢの周囲の空間の容積が、第１サイクルＣＹ１の実行時の基板ＳＢの周囲の容積よりも小さくなる。したがって、第２サイクルＣＹ２の実行時に基板ＳＢの周囲において前駆体ガスの濃度が高くなる。かかる第２サイクルＣＹ２の実行により、下地に対するタングステンの被覆性が更に向上される。
また、一実施形態では、図５に示すように、第２サイクルＣＹ２が実行されているときの基板ＳＢの温度（ステージ２４の温度）は、第１サイクルＣＹ１が実行されているときの基板ＳＢの温度（ステージ２４の温度）よりも低い温度に設定される。基板の温度が低い場合には、反応効率が低下し、前駆体の消費率が低くなる。したがって、基板の温度が低い場合には、凹部ＲＣ内に供給される前駆体ガスの量が多くなり、下地に対するタングステンの被覆性が高くなる。故に、第１サイクルＣＹにおける基板の温度よりも低い温度に基板の温度が設定される第２サイクルＣＹ２の実行により、下地に対するタングステンの被覆性が更に向上される。
また、一実施形態では、図５に示すように、第２サイクルＣＹ２が実行されているときのキャリアガスの流量は、第１サイクルＣＹ１が実行されているときのキャリアガスの流量よりも大きい流量に設定される。第２サイクルＣＹ２の実行時にキャリアガスの流量が増加されることにより、下地に対するタングステンの被覆性が更に向上される。
また、一実施形態では、図５に示すように、副工程Ｓ２２及び副工程Ｓ２４が実行されているときのパージガスの流量は、副工程Ｓ１２及び副工程Ｓ１４が実行されているときのパージガスの流量より大きい流量に設定される。第２サイクルＣＹ２の副工程Ｓ２２及び副工程Ｓ２４において、このような流量でパージガスが供給されると、幅が狭くなった凹部ＲＣに残存するガスをパージの実行時に効率的に除去することが可能となる。
工程ＳＴ２の実行後には、図７に示す中間生産物Ｗ２が得られる。図７に示すように、工程ＳＴ２の実行により、タングステン層ＷＬの厚さが増加し、凹部ＲＣは僅かにスリット状に残されるものの、その深さが浅くなる。即ち、凹部ＲＣのアスペクト比が小さくなる。
方法ＭＴでは、次いで、工程ＳＴ３が実行される。工程ＳＴ３では、第３サイクルＣＹ３が一回以上実行される。第３サイクルＣＹ３は、例えば複数回実行される。第３サイクルＣＹ３は、副工程Ｓ３１，Ｓ３２，Ｓ３３，Ｓ３４を含んでいる。副工程Ｓ３１では、副工程Ｓ１１と同様にチャンバ１２ｃに前駆体ガスが導入される。副工程Ｓ３１では、前駆体ガスと共にキャリアガスがチャンバ１２ｃに供給されてもよい。キャリアガスは、副工程Ｓ３１、副工程Ｓ３２、副工程Ｓ３３、及び、副工程Ｓ３４において連続的にチャンバ１２ｃに導入されてもよい。続く副工程Ｓ３２では、副工程Ｓ１２と同様にチャンバ１２ｃがパージされる。続く副工程Ｓ３３では、副工程Ｓ１３と同様にチャンバ１２ｃに水素含有ガスが導入される。続く副工程Ｓ３４では、副工程Ｓ１４と同様にチャンバ１２ｃがパージされる。続く工程Ｓ３５では、停止条件を満たすか否かが判定される。停止条件は、第３サイクルＣＹ３が予め定められた回数実行されている場合に、満たされる。工程Ｓ３５において停止条件が満たされないと判定された場合には、副工程Ｓ３１から第３サイクルＣＹ３が繰り返される。一方、停止条件が満たされる場合には、工程ＳＴ３が終了する。
図５に示すように、第３サイクルＣＹ３が実行されているときのチャンバ１２ｃの圧力は、第２サイクルＣＹ２が実行されているときのチャンバ１２ｃの圧力よりも高い圧力に設定される。第３サイクルＣＹ３が実行されているときのチャンバ１２ｃの圧力は、第１サイクルＣＹ１が実行されているときのチャンバ１２ｃの圧力と同一であってもよく、異なっていてもよい。かかる第３サイクルＣＹ３を実行することにより、下地に対するダメージを抑制し、且つ、タングステン層ＷＬの成膜速度を増加させることが可能となる。
一実施形態では、図５に示すように、第３サイクルＣＹ３が実行されているときのステージ２４と壁面１６ｆとの間のギャップ長は、第２サイクルＣＹ２が実行されているときのステージ２４と壁面１６ｆとの間のギャップ長よりも長い距離に設定される。第３サイクルＣＹ３が実行されているときのステージ２４と壁面１６ｆとの間のギャップ長は、第１サイクルＣＹ１が実行されているときのステージ２４と壁面１６ｆとの間のギャップ長と同一であってもよく、異なっていてもよい。
また、一実施形態では、図５に示すように、第３サイクルＣＹ３が実行されているときの基板ＳＢの温度（ステージ２４の温度）は、第２サイクルＣＹ２が実行されているときの基板ＳＢの温度（ステージ２４の温度）よりも高い温度に設定される。第３サイクルＣＹ３が実行されているときの基板ＳＢの温度（ステージ２４の温度）は、第１サイクルＣＹ１が実行されているときの基板ＳＢの温度（ステージ２４の温度）と同一であってもよく、異なっていてもよい。
また、一実施形態では、図５に示すように、第３サイクルＣＹ３が実行されているときのキャリアガスの流量は、第２サイクルＣＹ２が実行されているときのキャリアガスの流量よりも小さい流量に設定される。第３サイクルＣＹ３が実行されているときのキャリアガスの流量は、第１サイクルＣＹ１が実行されているときのキャリアガスの流量と同一であってもよく、異なっていてもよい。
また、一実施形態では、図５に示すように、副工程Ｓ３２及び副工程Ｓ３４が実行されているときのパージガスの流量は、副工程Ｓ２２及び副工程Ｓ２４が実行されているときのパージガスの流量より小さい流量に設定される。副工程Ｓ３２及び副工程Ｓ３４が実行されているときのパージガスの流量は、副工程Ｓ１２及び副工程Ｓ１４が実行されているときのパージガスの流量と同一であってもよく、異なっていてもよい。
工程ＳＴ３の実行後には、図８に示す最終生産物Ｗ３が得られる。図８に示すように、工程ＳＴ３の実行により、タングステン層ＷＬの厚さが更に増加し、凹部ＲＣが完全にタングステンで充填される。かかる方法ＭＴにおける第１サイクルＣＹ１、第２サイクルＣＹ２、及び、第３サイクルＣＹ３は、原子層堆積法による成膜処理である。したがって、方法ＭＴは、エッチングを含んでいない。故に、方法ＭＴは、効率良く凹部ＲＣをタングステンで充填することができる。
以下、第１サイクルＣＹ１、第２サイクルＣＹ２、及び、第３サイクルＣＹ３の各工程において設定し得る各種条件の範囲を例示する。
＜第１サイクルＣＹ１の各種条件の範囲＞
・工程Ｓ１１における前駆体ガスの流量：１０ｓｃｃｍ〜１２０ｓｃｃｍ
・工程Ｓ１２におけるパージガスの流量：１０００ｓｃｃｍ〜１００００ｓｃｃｍ
・工程Ｓ１３における水素含有ガスの流量：３０００ｓｃｃｍ〜１００００ｓｃｃｍ
・工程Ｓ１４におけるパージガスの流量：１０００ｓｃｃｍ〜１００００ｓｃｃｍ
・第１サイクルＣＹ１におけるキャリアガスの流量：１００ｓｃｃｍ〜２０００ｓｃｃｍ
・第１サイクルＣＹ１におけるチャンバ１２ｃの圧力：２０００Ｐａ〜５０００Ｐａ
・第１サイクルＣＹ１におけるステージ２４と壁面１６ｆとの間のギャップ長：８ｍｍ〜１５ｍｍ
・第１サイクルＣＹ１における基板ＳＢの温度（ステージ２４の温度）：５００℃〜６００℃
＜第２サイクルＣＹ２の各種条件の範囲＞
・工程Ｓ２１における前駆体ガスの流量：１０ｓｃｃｍ〜１２０ｓｃｃｍ
・工程Ｓ２２におけるパージガスの流量：７０００ｓｃｃｍ〜１６０００ｓｃｃｍ
・工程Ｓ２３における水素含有ガスの流量：３０００ｓｃｃｍ〜１００００ｓｃｃｍ
・工程Ｓ２４におけるパージガスの流量：７０００ｓｃｃｍ〜１６０００ｓｃｃｍ
・第２サイクルＣＹ２におけるキャリアガスの流量：１０００ｓｃｃｍ〜３０００ｓｃｃｍ
・第２サイクルＣＹ２におけるチャンバ１２ｃの圧力：１００Ｐａ〜３５００Ｐａ
・第２サイクルＣＹ２におけるステージ２４と壁面１６ｆとの間のギャップ長：３ｍｍ〜１０ｍｍ
・第２サイクルＣＹ２における基板ＳＢの温度（ステージ２４の温度）：４５０℃〜５５０℃
＜第３サイクルＣＹ３の各種条件の範囲＞
・工程Ｓ３１における前駆体ガスの流量：１０ｓｃｃｍ〜１２０ｓｃｃｍ
・工程Ｓ３２におけるパージガスの流量：１０００ｓｃｃｍ〜１００００ｓｃｃｍ
・工程Ｓ３３における水素含有ガスの流量：３０００ｓｃｃｍ〜１００００ｓｃｃｍ
・工程Ｓ３４におけるパージガスの流量：１０００ｓｃｃｍ〜１００００ｓｃｃｍ
・第３サイクルＣＹ３におけるキャリアガスの流量：１００ｓｃｃｍ〜２０００ｓｃｃｍ
・第３サイクルＣＹ３におけるチャンバ１２ｃの圧力：２０００Ｐａ〜５０００Ｐａ
・第３サイクルＣＹ３におけるステージ２４と壁面１６ｆとの間のギャップ長：８ｍｍ〜１５ｍｍ
・第３サイクルＣＹ３における基板ＳＢの温度（ステージ２４の温度）：５００℃〜６００℃
以上、種々の実施形態について説明してきたが、上述した実施形態に限定されることなく種々の変形態様を構成可能である。例えば、方法ＭＴは、第３サイクルＣＹ３を含んでいるが、第３サイクルＣＹ３は省かれてもよく、第１サイクルＣＹ１の一回以上の実行と第２サイクルＣＹ２の一回以上の実行によって凹部ＲＣがタングステンで充填されてもよい。
１０…成膜装置、１２…チャンバ本体、１２ｃ…チャンバ、１４…主部、１４ｅ…排気口、１６…天部、１６ｂ…ガス吐出孔、１６ｆ…壁面、２４…ステージ、２４ｈ…ヒータ、３０…駆動装置、４０…ガス供給系、５２…排気装置、ＭＴ…方法、ＣＹ１…第１サイクル、ＣＹ２…第２サイクル、ＣＹ３…第３サイクル、ＳＢ…基板、ＲＣ…凹部、ＷＬ…タングステン層。

Claims (11)

  1. 基板の凹部をタングステンで充填する方法であって、
    前記基板を成膜装置のチャンバ内に準備する工程と、
    タングステンを含有する前駆体ガスを前記チャンバに導入すること、前記チャンバをパージすること、水素含有ガスを前記チャンバに導入すること、及び、前記チャンバをパージすることを含む第１サイクルを１回以上実行する工程と、
    第１サイクルを１回以上実行する前記工程の後に、タングステンを含有する前駆体ガスを前記チャンバに導入すること、前記チャンバをパージすること、水素含有ガスを前記チャンバに導入すること、及び、前記チャンバをパージすることを含む第２サイクルを１回以上実行する工程と、
    第２サイクルを１回以上実行する前記工程の後に、タングステンを含有する前駆体ガスを前記チャンバに導入すること、前記チャンバをパージすること、水素含有ガスを前記チャンバに導入すること、及び、前記チャンバをパージすることを含む第３サイクルを１回以上実行する工程と、
    を含み、
    前記第２サイクルが実行されているときの前記チャンバの圧力が、前記第１サイクルが実行されているときの前記チャンバの圧力よりも低い圧力に設定され、
    前記第３サイクルが実行されているときの前記チャンバの圧力が、前記第２サイクルが実行されているときの前記チャンバの圧力よりも高い圧力に設定される、
    方法。
  2. 前記成膜装置は、
    前記チャンバを提供するチャンバ本体と、
    前記チャンバ内に設けられておりその上に前記基板が載置されるステージと、
    を備え、
    前記チャンバ本体は、前記ステージの上方において延在し、前記ステージの上面に対面する壁面を含み、
    前記第２サイクルが実行されているときの前記ステージと前記壁面との間の距離が、前記第１サイクルが実行されているときの前記ステージと前記壁面との間の距離よりも短い距離に設定される、
    請求項１に記載の方法。
  3. 前記第２サイクルが実行されているときの前記基板の温度が、前記第１サイクルが実行されているときの前記基板の温度よりも低い温度に設定される、請求項１又は２に記載の方法。
  4. 前記第２サイクルが実行されているときに前記チャンバに導入されるキャリアガスの流量が、前記第１サイクルが実行されているときに前記チャンバに導入されるキャリアガスの流量よりも大きい流量に設定される、請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
  5. 前記第２サイクルにおいて前記チャンバをパージしているときに該チャンバに導入される不活性ガスの流量が、前記第１サイクルにおいて前記チャンバをパージしているときに該チャンバに導入される不活性ガスの流量よりも大きい流量に設定される、請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。
  6. 前記成膜装置は、
    前記チャンバを提供するチャンバ本体と、
    前記チャンバ内に設けられておりその上に前記基板が載置されるステージと、
    を備え、
    前記チャンバ本体は、前記ステージの上方において延在し、前記ステージの上面に対面する壁面を含み、
    前記第２サイクルが実行されているときの前記ステージと前記壁面との間の距離が、前記第１サイクルが実行されているときの前記ステージと前記壁面との間の距離、及び、前記第３サイクルが実行されているときの前記ステージと前記壁面との間の距離よりも短い距離に設定される、
    請求項１に記載の方法。
  7. 前記第２サイクルが実行されているときの前記基板の温度が、前記第１サイクルが実行されているときの前記基板の温度、及び、前記第３サイクルが実行されているときの前記基板の温度よりも低い温度に設定される、請求項１又は６に記載の方法。
  8. 前記第２サイクルが実行されているときに前記チャンバに導入されるキャリアガスの流量が、前記第１サイクルが実行されているときに前記チャンバに導入されるキャリアガスの流量、及び、前記第３サイクルが実行されているときに前記チャンバに導入されるキャリアガスの流量よりも大きい流量に設定される、請求項１、６、及び７の何れか一項に記載の方法。
  9. 前記第２サイクルにおいて前記チャンバをパージしているときに該チャンバに導入される不活性ガスの流量が、前記第１サイクルにおいて前記チャンバをパージしているときに該チャンバに導入される不活性ガスの流量、及び、前記第３サイクルにおいて前記チャンバをパージしているときに該チャンバに導入される不活性ガスの流量よりも大きい流量に設定される、請求項１及び６〜８の何れか一項に記載の方法。
  10. 前記前駆体ガスは、ハロゲン化タングステンを含有するガスである、請求項１及び６〜９の何れか一項に記載の方法。
  11. 前記ハロゲン化タングステンは、ＷＣｌ６、ＷＣｌ５、又は、ＷＦ６である、請求項１０に記載の方法。
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