JPH0390572A - 半導体ウェーハ上へのタングステン層のcvd蒸着方法 - Google Patents

半導体ウェーハ上へのタングステン層のcvd蒸着方法

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JPH0390572A
JPH0390572A JP2211455A JP21145590A JPH0390572A JP H0390572 A JPH0390572 A JP H0390572A JP 2211455 A JP2211455 A JP 2211455A JP 21145590 A JP21145590 A JP 21145590A JP H0390572 A JPH0390572 A JP H0390572A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、半導体ウェーハのプロセスに関する。
より詳しくは、本発明は、半導体ウェーハ上にタングス
テン層を付着させるプロセスの改良に関する。
シリコンウェーハのような半導体ウェーハ上及び半導体
ウェーハ中における集積回路構造体の形成においては、
通常、プロセッシングされたウェーハ上の種々のコンタ
クトに対して導電性インターコネクト又はワイヤリング
ハーネスを形成するために、1種又はそれ以上の金属層
が用いられる。
そのような金属ワイヤリングハーネス又はパターン化さ
れた金属層は、過去においては、金属としてアルミニウ
ム又は金が用いられていた。経済的な観点からは、金よ
りもアルミニウムが好ましい。
しかしながら、集積回路構造のジオメトリ−は、段々小
さくなっており、CVDタングステンにより良好なステ
ップカバレージ及び小さなコンタクトホール又はバイア
スの充填が得られるため、アルミニウムの代わりにタン
グステン金属を使用することか好ましくなっている。
しかしながら、半導体ウェーハ上へのタングステンの層
のブランケット蒸着には問題がないわけではない。まず
、タングステンの約350℃における従来の蒸着は、ど
ちらかと言えば遅く、即ち1分間当たり約300オング
ストロームである。
より速い速度、例えば1分間当たり約1000オングス
トロームの速度は、温度を約500〜550℃に上げた
時にのみ達成され、これは下層の集積回路構造体部分に
損傷を与える危険性がありうる。
さらに、得られたタングステンの層は、常に滑らかなわ
けではなく、シリコン表面の反射能の20%以下に過ぎ
ない。これにより、続いてのタングステン層のフォトリ
ソグラフィー技術によるパターニングがより困難なもの
となる。さらに、付着の均一性が、比抵抗として測定さ
れるウェーハを横切る厚さにおいて1%以上変動する。
従って、付着速度が促進され、得られたタングステン層
の反射能が改良され、並びにより均一な層を提供する半
導体ウェーハ上にタングステン層をブランケット付着す
るための方法において改良を加えることが望まれている
従って、本発明の目的は、改良点として窒素ガスの存在
下で半導体ウェーハ上にタングステンを付着して得られ
たタングステン層の反射能を改良することを含む、真空
室内で半導体ウェーハ上にタングステンの層を付着させ
るための改良方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、改良点として、タングステンを半
導体ウェーハ上に、約20〜760Torrの圧力で付
着することによりタングステンの付着速度を改良し、そ
してタングステン層の表面の反射能を改良することを含
む真空室内で半導体ウェーハ上にタングステンの層を付
着させるための改良方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、改良点として、さらにタングステ
ンの蒸着前に半導体上に核形成層を形成して、該核形成
層上にタングステンを付着することにより、タングステ
ン付着層の均一性を改良することを含む真空室内で半導
体ウェーハ上にタングステンの層を付着する改良方法を
提供することにある。
本発明のさらに別の目的は、改良点として、タングステ
ンの付着前に半導体の層上に核形成層を形成して、該核
形成層上にタングステンを付着することにより、タング
ステン付着層の均一性を改良し、そして前記半導体ウェ
ーハ上の核形成層上に窒素ガスの存在下でタングステン
を付着させることにより得られたタングステンの層の反
射能を改良することを含む真空室内で半導体ウェーハ上
にタングステンの層を付着する改良方法を提供すること
にある。
本発明のさらに別の目的は、改良点として、タングステ
ンの付着前に半導体上に核形成層を形成して、該核形成
層上にタングステンを付着することにより、タングステ
ン付着層の均一性を改良し、そして前記半導体ウェーハ
上の核形成層上にタングステンを約20〜約760 T
orrの圧力で付着させて、タングステン付着速度を改
良すること、及び得られたタングステン層の表面の反射
能を改良することを含む真空室内で半導体ウェーハ上に
タングステンの層を付着する改良方法を提供することに
ある。
さらに、本発明の別の目的は、改良点として、前記半導
体ウェーハ上の核形成層上にタングステンを窒素雰囲気
下、約20〜約760Torrの圧力で付着させて、得
られたタングステン層の表面の反射能を改良すること、
及びタングステン付着速度を改良することを含む真空室
内で半導体ウェーハ上にタングステンの層を付着する改
良方法を提供することにある。
さらに、本発明の別の目的は、改良点として、タングス
テンの付着前に半導体上に核形成層を形成して、該核形
成層上にタングステンを付着することにより、タングス
テン付着層の均一性を改良し、そして前記半導体ウェー
ハ上の核形成層上にタングステンを窒素雰囲気下、約2
0〜約760Torrの圧力で付着させて、得られたタ
ングステン層の表面の反射能を改良すること、及びタン
グステン付着速度を改良することを含む真空室内で半導
体ウェーハ上にタングステンの層を付着する改良方法を
提供することにある。
本発明のこれらの及び他の目的は、下記の記載及び添付
した本発明の方法を示すフローシートにより明らかであ
る。
本発明は、半導体ウェーハ上にタングステン層を形成す
る方法における改良、即ち、タングステン層の表面の反
射能を改良すること、タングステン層の付着速度の増加
することを提供するものである。
一つの実施態様において、タングステン層の表面の反射
能は、付着中の窒素ガスの存在により改良されうる。付
着速度は、付着中の圧力を増加させることによっても改
良でき、これにより、得られたタングステン層の表面の
反射能についても有利な効果が得られる。
さらに、別の実施態様において、本発明の方法は、タン
グステン層を形成する前にウェー/%上に核形成層を形
成することによりコーティング層の均−性を改良するこ
とをも含む。
本発明の方法の技術において、半導体ウェーハ、例えば
既に形成されている集積回路構造の部分を有する、例え
ばl又はそれ以上のトランジスターを有するシリコン基
板を使用することができる。
通常、下層のシリコン基板及びその中に形成された集積
回路構造上には、シリコン基板内に形成された集積回路
構造の下層の部分への開口又はバイアスを提供するため
に予めパターニング絶縁層、例えばシリコン酸化層が形
成されている。
タングステンの層は、酸化シリコン層に直接化学蒸着(
CVD)により形成することができないので、タングス
テンの層の下層の構造への接着性を向上するために、絶
縁層上に中間層を形成する。中間層は、下層の絶縁層及
び上に形成されるタングステン層の両者と化学的に相溶
性であり、タングステン及び絶縁層の両者と良好な接着
性を有する材料のいずれをも含みうる。
中間層を含みうる材料の例には、スパッタリングされた
タングステン、スパッタリングされたチタンタングステ
ン(Tie)、又は窒化チタン(TiN)が含まれ、T
iNのスパッタリング、窒素の存在下におけるチタン標
的の反応性スパッタリング、チタンのスパッタリング及
びそれに続く窒素との熱反応、又はTiNのCVD付着
により形成することができる。
本発明の一実施態様によると、タングステン層は、真空
室内でWF、 、ArXN6、及びH,ガスの組み合わ
せを用いてCVD付着により、中間層に直接付着される
。ガス混合物は、■分間当たり、約20〜約200標準
立法センチメートル(sccm)、好ましくは約20〜
約t o o sccmのWF、 、約100〜約50
00 sccm、好ましくは約101000se〜約3
00.0 sccmのアルゴンのような不活性担体ガス
、約10〜約300 sccmの窒素、及び約300〜
約2000 sccm、好ましくは約500〜約200
0 sccmの水素の流量で流される。
本発明による、タングステン付着において使用されるガ
ス混合物中の窒素の存在は、付着されたタングステン層
の反射能を増加し、続いてのパターニング工程における
フォトリソグラフィーの使用を容易にすることが見出さ
れた。タングステン層の反射能は、シリコン層の反射能
との比較により測定され、100%の値は、シリコン表
面の反射能と等しい反射能を示す。
タングステンCVD蒸着の間、真空室内の圧力は約20
〜約760 Torr、好ましくは約60〜約100 
Torr、そして最も好ましくは約75〜約85Tor
r、典型的には80Torrに維持される。圧力が、圧
力がまれにしかI Torrを超えない従来のCVDタ
ングステン付着プロセスに比べてかなり高いことに注目
すべきである。下記に論じるように、より高い圧力によ
り、著しく速い付着速度が得られ、これは従来技術のタ
ングステン付着速度に比べて一桁大きいものでありうる
。本発明の方法におけるより高い圧力により、付着した
タングステン層の表面の反射能が増加するという利点も
ある。
本発明により、そのような高い圧力を用いると、混合物
中のガスの全流量がさらに高くなるため、WF、及びH
2の流量並びに希釈ガスの流量をさらに調節することが
可能になることにより、CVD付着されたタングステン
層に生じる応力を調整できる点でさらに利益がある。本
発明の発明者らは、プロセス操作のいかなる理論にも拘
束されることを望むものではないが、より高い流量によ
り層の成長メカニズムが変化し、タングステン層の機械
的応力が変化しうると考えられつる。
室内のサセプタ、即ちウェーハ支持板の温度は、付着の
間、約3506C〜約525℃、好ましくは約4506
C〜約475℃の範囲に維持される。
付着時間は、タングステン層40に望まれる厚さにより
変化しつる。本発明の方法のタングステン付着速度は、
従来技術の付着速度より1桁程速いが、1分間当たり約
2000〜約7000オングストロームの範囲で変化し
つる。例えば、約0.8μm〜約1.5μm1典型的に
は、本発明の方法により、約1μmのタングステン層を
付着するためには、付着時間は約2〜約7分間の範囲で
変化しうる。
付着は、任意の市販品として得られるCVD蒸着装置に
より上記の温度及び圧力範囲内で操作しうる。そのよう
な市販の装置の例には、カリフォルニア州、サンタクラ
ラのApplied Materials、 InC0
により販売されているPrecision5000 マ
ルチチャンバー付着及びエツチングシステムが挙げられ
る。本発明の技術において使用しうるこのタイプのマル
チチャンバー装置は、Toshimaの米国特許第4.
785.962号に記載され、特許権の請求がなされて
いる。該出願は本願の譲受人に譲渡されており、本願の
参考文献とされる。
そのような装置において、ガス分配口、即ち“シャワー
ヘッド”のウェーハからの距離は調整されることができ
、ウェーハはガス口から約200〜600m1l 、好
ましくは約300〜500m1lの範囲内で、典型的に
は約400m1lの範囲の距離に隔置される。しかしな
がら、該空間は、少なくとも300〜500m1lの範
囲は、本発明の方法の操作において臨界的であるとは考
えられていない。
本発明の方法の別の実施態様においては、タングステン
層付着の前に、中間層上に核形成層を形成する。本発明
の核形成層の目的は、その上にタングステン層の均一な
付着を促進する成長部位の層を提供することにある。
そのような核形成層の必要性は中間層を形成するのに使
用される材料に依存して変化する。スパッタリングした
タングステン又はスパッタリングしたチタンタングステ
ンが中間層を含む場合、中間層の形成の必要が減少し、
所望によっては完全に省略しうる。しかしながら、中間
層が窒化チタンの層を含む場合には、直接窒化チタン層
にCVD付着させた(本発明の核形成層なしに)タング
ステンは、層全体にわたる厚さ、即ち比抵抗が10〜1
5%程度異なることが見出されているため、タングステ
ン層の付着の前に、本発明の実施態様の技術に従い、核
形成層を形成することが重要である。
本発明の方法の技術により核形成層を形成するためには
、上記のように絶縁層及び中間層が形成された半導体ウ
ェーハを、前記のようなCVD装置内に置き、シラン(
SiH*)を含むガス混合物を室内に流す。
ガスの流入混合物は、約5〜約50 sccmのWF6
、約5〜約50 sccmのSin6、約500〜約3
000のAr、及び約20〜約300 sccmのN2
を含む。
タングステンの付着方法において既に記載したように、
真空室内の圧力は約20〜約760 Torr。
好ましくは約60〜約80 Torr、そして最も好ま
しくは約75〜約85Torr、典型的には約80T。
「rに維持され、サセプタ温度は約450’C〜約52
5℃、好ましくは約450’C〜約475℃の範囲に維
持される。
核形成層の充分な厚さの成長、即ち約200〜約100
0オングストロームは、上記の条件下、約5〜約20秒
間で生じる。より厚い層は処理時間の延長により付着さ
れることができ、それは予定された目的のため、即ちタ
ングステン層のより均一な付着を促進するためには不必
要である。
下記の実施例は、本発明の方法をさらに説明するための
ものである。
実施例■ 予めシリコン酸化膜の上に形成された窒化チタンの層を
有する直径150mm(6’)のシリコンウェーハを、
圧力が80Torrに、サセプタ温度が450℃に維持
されたCVD真空室内に置いた。
1000 sccmのAr、20 sccmのSiHイ
20 sccmのWF、 、及び50 sccmのN2
を含むガス混合物を、ウェーハから400m1l離れた
開口からチャンバ内に約10秒間流して、ウェーハ上に
約500オングストロームの核形成層を形成した。
実施例■ 実施例Iにより核形成層を形成したウェーハ、及び同じ
寸法のシリコンウェーハに、各々スパッタリングしたタ
ングステン、スパッタリングしたチタンタングステンを
、酸化シリコン膜上に、核形成膜を用いずに形成したも
のを、個々に同一の圧力及び温度下のCVD真空室に入
れ、実施例■に記載した条件で隔置したガス口で、15
00sccmのAr、1000 sccmのN2.30
5cCnのWF6 及び50 sccmのN2を約3分
間室内に流した。
各々のウェーハを除去し、得られたタングステン層の性
質を調べた。各ウェーハは、約9000オングストロー
ムの厚さで付着したタングステンの均一な層を有しく約
3000オングストローム/分の付着率を示す)、層の
比抵抗として測定される膜厚の変化が2%未満であるこ
とが見出された。
各々のタングステン層の表面の反射能は、シリコン表面
の反射能に比較して、各々のタングステン層について1
00%であることが見出された。
各タングステン層の比抵抗は約8.5μΩセンチメート
ルであり、応力は約6X10’ダイン/ crlであっ
た。
実施例■ 本発明の方法をさらに説明するために、スパッタリング
されたチタンタングステン層を有する、実施例■で使用
したウェーハと同様の6′ウエーハを、CVD室内に流
されるガス混合物に窒素が含まれないこと以外は同一の
条件の同一のCVD真空室内に置いた。
その後、ウェーハを取り出し、試験した。タングステン
表面の反射能を測定したところ、シリコンの反射能の6
0%であることがわかった。比抵抗は9μΩcmであり
、応力は9X10’ダイン/c++fであった。
実施例■ 実施例■で使用したウェーハの一つと同一の別のウェー
ハを、CVD真空室内に置き、温度を475℃に上げ、
Ar及びN2のガス流量を各々2500 sccm及び
1500 sccmに上げること以外は実施例■及び■
の条件と同一の条件下でプロセッシングした。プロセス
は、約3分間行われ、約9000オングストロームのタ
ングステンが付着された。タングステン表面の反射能が
測定され、少なくとも100%であることがわかった。
従って、付着率は実施例■と同一、即ち3000オング
ストロ一ム/分であった。得られたタングステン層の応
力は、1〜2X10’ダイン/ ciであることが見出
された。
実施例V 本発明の方法において使用される高圧の効果、低圧方法
と比較して説明するために、直径6′のウェーハを、圧
力を80Torrへと10Torrだけ低下させること
以外は、実施例■と同じ方法によりプロセッシングした
。得られたタングステン層の反射能はシリコンの20%
に過ぎなかった。
従って、本発明は、半導体ウェーハ上へのタングステン
層形成のための改良された方法を提供する。該方法にお
いては、付着プロセスを従来技術に比べて著しく高い圧
力で実施することにより、付着率及び反射能が改良され
、付着に使用されたガス中に窒素を存在させることによ
り反射能が改良され、核形成層を形成することにより特
に窒化チタンの層上に使用した場合にタングステン層の
均一性が強化される。
【図面の簡単な説明】
図は、本発明の詳細な説明するフローシートを示す。

Claims (27)

    【特許請求の範囲】
  1. (1) 改良点が、半導体ウェーハ上にタングステンを
    窒素ガスの存在下で付着させることを含む真空室内で半
    導体ウェーハ上にタングステンの層を付着させるための
    改良方法。
  2. (2) 前記真空室内に約10〜約300sccmの窒
    素を流すことにより得られたタングステン層の反射能を
    改良することを特徴とする請求項(1)記載の改良方法
  3. (3) 改良点がさらに、半導体ウェーハ上にタングス
    テンを約20〜760Torrの圧力下で付着させるこ
    とを含む請求項(2)記載の改良方法。
  4. (4) 改良点がさらに、半導体ウェーハ上に約60〜
    約100Torrの圧力でタングステンを付着させてタ
    ングステンの付着速度並びにタングステン層の表面の反
    射能を改良することを含む請求項(2)記載の改良方法
  5. (5) 改良点がさらに、タングステンの付着前に半導
    体上に核形成層を形成する工程を含み、該核形成層上に
    タングステンを付着させることを含む請求項(2)記載
    の改良方法。
  6. (6) 前記核形成層の形成工程が、さらに前記ウェー
    ハを真空室中でWF_6、N_2、Ar及びSiH__
    4ガスの混合物と接触させることを含み、これによりタ
    ングステン付着層の均一性を改良することを特徴とする
    請求項(5)記載の改良方法。
  7. (7) 改良点がさらに、前記半導体ウェーハ上に予め
    形成した窒化チタン層の上に核形成層を形成することを
    含む請求項(5)記載の改良方法。
  8. (8) 改良点がさらに、タングステンを付着させる前
    に半導体ウェーハ上に核形成層を形成して付着したタン
    グステン層の均一性を改良する工程、その後半導体ウェ
    ーハ上の核形成層の上に約20〜760Torrの圧力
    でタングステンを付着させてタングステンの付着速度及
    びタングステン層の表面の反射能を改良することを含む
    請求項(2)記載の改良方法。
  9. (9) 半導体ウェーハ上にタングステンを約20〜約
    760Torrの圧力で付着させることを含む真空室内
    の半導体ウェーハ上にタングステンの層を付着させため
    の改良方法。
  10. (10) 改良点がさらに、前記タングステンを約60
    〜100Torrの圧力で付着させてタングステンの付
    着速度及びタングステン層の表面の反射能を改良するこ
    とを含む請求項(9)記載の方法。
  11. (11) 改良点がさらに、前記タングステンを約75
    〜約85Torrの圧力で付着させることを含む請求項
    (9)記載の方法。
  12. (12) 改良点がさらに、タングステンを付着させる
    前に半導体ウェーハ上に核形成層を形成する工程を含み
    、該核形成層上にタングステンを付着させて、付着した
    タングステン層の均一性を改良することを含む請求項(
    9)記載の改良方法。
  13. (13) 改良点がさらに、タングステンを付着させる
    前に半導体層上に核形成層を形成する工程を含み、該核
    形成層上にタングステンを付着することを含む半導体ウ
    ェーハ上へのタングステンの層を付着するための改良方
    法。
  14. (14) 前記核形成層の形成工程が、さらに前記ウェ
    ーハを真空室中でWF_6、N_2、Ar及びSiH_
    4ガスの混合物と接触させることを含み、これによりタ
    ングステン付着層の均一性を改良することを特徴とする
    請求項(13)記載の改良方法。
  15. (15) 前記真空室へ流して核形成層を形成するため
    の前記ガスの流量が、 (a) WF_6が約5〜約50sccm、(b) A
    rが約500〜約3000sccm、(c) N_2が
    約20〜約300sccm、そして(d) SiH_4
    が約5〜約50sccmである請求項(14)記載の改
    良方法。
  16. (16) 改良点がさらに、前記半導体ウェーハ上に予
    め形成した窒化チタンの層上に前記核形成層を形成する
    ことを含む請求項(13)記載の改良方法。
  17. (17) 改良点が、半導体ウェーハを、真空室内に流
    されるWF_6、Ar、N_2及びH_2を含むガス混
    合物と接触させることにより、前記半導体ウェーハ上に
    タングステンを付着させることを含み、窒素ガスの存在
    が得られたタングステンの層の反射能を改良することを
    特徴とする真空室内で半導体ウェーハ上にタングステン
    の層を付着するための改良方法。
  18. (18) 前記真空室へ流してタングステン層を形成す
    るための前記ガスの流量が、 (a) WF_6が約20〜約200sccm、(b)
     Arが約100〜約5000sccm、(c) N_
    2が約10〜約300sccm、そして(d) H_2
    が約300〜約2000sccmである請求項(17)
    記載の改良方法。
  19. (19) 前記付着の間の前記真空室内の圧力が、約2
    0Torr〜約760Torrに維持されることを特徴
    とする請求項(18)記載の改良方法。
  20. (20) 前記付着の間の前記真空室内の圧力が、約6
    0Torr〜約100Torrに維持されることを特徴
    とする請求項(18)記載の改良方法。
  21. (21) 前記付着の間の前記真空室内の圧力が、約7
    5Torr〜約85Torrに維持されることを特徴と
    する請求項(18)記載の改良方法。
  22. (22) サセプタ温度が、前記タングステン付着工程
    中、約350℃〜約525℃に維持されることを特徴と
    する請求項(20)記載の方法。
  23. (23) サセプタ温度が、前記タングステン付着工程
    中、約450℃〜約475℃に維持されることを特徴と
    する請求項(20)記載の改良方法。
  24. (24) 改良点がさらに、半導体ウェーハ上の、予め
    形成された窒化チタン層上に、タングステン層を付着す
    る工程の前に核形成層を形成する工程を含み、その上に
    タングステン層を形成して付着したタングステン層の均
    一性を改良することを特徴とする請求項(18)記載の
    改良方法。
  25. (25) 前記タングステン層を、前記半導体ウェーハ
    上に予め形成されたタングステン層、チタンタングステ
    ン層及び窒化チタン層からなる群より選ばれた層上に形
    成することを特徴とする請求項(18)記載の改良方法
  26. (26) 改良点が、半導体ウェーハを、真空室内に流
    される (a) 約20〜約200sccmのWF_6、(b)
     約100〜約5000sccmのAr、(c) 約1
    0〜約300sccmのN_2及び(d) 約300〜
    約3000sccmのH_2を含むガス混合物と接触さ
    せることによりタングステンを前記半導体ウェーハ上に
    付着させ、前記タングステン付着工程の間、前記真空室
    内の圧力を約75Torr〜約85Torrに維持し、
    サセプタ温度を約450℃〜約475℃に維持すること
    を含む、真空室内の半導体ウェーハ上にタングステンの
    層を付着させるための改良方法。
  27. (27) 改良点が、 (a) 半導体ウェーハ上にタングステンを付着させる
    前に、前記真空室に流される (i) 約5〜約50sccmのWF_6 (ii) 約500〜約3000sccmのAr(ii
    i) 約20〜約300sccmのN_2及び(iv)
     約5〜約50sccmのSiH_4を含むガス混合物
    と接触させることにより、半導体ウェーハに核形成層を
    形成させ、その後(b) 半導体ウェーハを、前記真空
    室内に流される (i) 約20〜約200sccmのWF_6、(ii
    ) 約100〜約5000sccmのAr、(iii)
     約10〜約300sccmのN_2及び(iv) 約
    300〜約3000sccmのH_2を含むガス混合物
    と接触させることによりタングステンを前記核形成層上
    に付着させ、前記タングステン付着工程の間、前記真空
    室内の圧力を約75Torr〜約85Torrに維持し
    、サセプタ温度を約450℃〜約475℃に維持するこ
    とを含む、真空室内の半導体ウェーハ上にタングステン
    の層を付着させるための改良方法。
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