JPH04125923A - Ｃｖｄタングステン膜の形成方法 - Google Patents

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】 （産業上の利用分野） この発明は、半導体素子のコンタクトホールの埋め込み
（プラグ）や配線として用いられるＣＶＤタングステン
膜の形成方法に関するものである。

（従来の技術） 一般に、上述したような目的のためのＣｈｅｍｉｃａｌ
Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、　ＣＶ　Ｄタング
ステ・ン膜（以下ＣＶＤ−Ｗ膜とも云う）は、減圧下、
特定の温度下で六弗化タングステンガス（ＷＦ、）と水
素ガス（Ｎ２）あるいはシランガス（Ｓ　ｉ　Ｈａ　）
との反応系に基板を導入して、例えば次式のような熱分
解還元反応で形成される。

５ｉＨａ　＋　ＷＦ６→稠＋５ｉＦａ　＋　２０Ｆ　＋
　Ｎ２　　・・・（１）３　Ｈｌ　＋　’ｔｊＦｈ　”
ｋＪ　＋　６　）ＩＦ　　　　　　　・・・（２）通常
反応系の温度は２５０〜４７５°Ｃ１反応圧力は数ｍ　
ｔｏｒｒから数十ｔｏｒｒである。

このようなＣＶＤ−Ｗ膜は、上記反応系の温度や反応ガ
スであるＷ　Ｆ　＆及びＮ２の流量比、あるいはＷＦ、
と５ｉＨ−流量比等を変えることによって、導電体、た
とえば不純物ドープのシリコン（Ｓ　ｉ）やアルミニウ
ム（Ａ１）、各種シリサイド上だけに選択的に形成され
るセレクティブＷ膜、及び基板下地の材質の差に依存し
ないブランケットＷ膜が比較的容易に形成されるので、
集積化の進んだ半導体デバイスにとってきわめて重要な
膜となっている。

そして又、かかるＣＶＤ−Ｗ膜は、概ね８〜１０ｍ１１
という低い抵抗率、熱的安定性の高さ（例えば融点が３
４１０°Ｃ）、及び基板上の段差被覆性の良さが生かさ
れ、半導体デバイスのコンタクトホールの埋め込み（プ
ラグ）や配線用としての開発が著しく進められ、実際に
半導体デバイスの生産に適用されている。

例えばこれらに関する文献を以下に示す。

Ｒ，Ｖ、Ｊｏｓｈｉ、ｅｔ　ａｌ、：“Ｈｉｇｈ　Ｇｒ
ｏｉｖｔｈ　Ｒａｔｅ　ＣＶＤ−ＷＰｒｏｃｅｓｓ　ｆ
ｏｒ　Ｆｉｌｌｉｎｇ　）Ｉｉｇｈ　Ａｓｐｅｃｔ　Ｒ
ａｔｉｏ　ＳｕｂＭｉｃｒｏｎ　Ｃｏｎｔａｃｔｓ／Ｌ
ｉｎｅｓ１９８９　Ｗｏｒｋｓｈｏｐ　ｏｎ　Ｔｕｎｇ
ｓｔｅｎ　ａｎｄ　０ｔｈｅｒ　ＡｄｖａｎｃｅｄＭｅ
ｔａｌｓ　ｆｏｒ　ＶＬＳＩ／口ＬＳＩ　Ａｐｐｌｉｃ
ａｔｉｏｎｓ　　（ワークシ画ツブオンクンゲステンア
ンド　アザ−アドバンスト　メタルズフォーＶＬＳＩ／
ＵＬＳＩ　アプリケーションズ）　Ｖ　（１９９０）、
Ｐ、１５７〜１６６（発明が解決しようとする課！！り しかしながら上記したＣＶＤ−Ｗ膜は、従来の方法では
その表面の凹凸（表面モホロジー）が比較的大きくなる
のが避けられず、特にセレクティブＷの場合は、その後
その上部に形成するＡｌ配線に凹凸を生じ、結果的に多
層Ａｌ配線を有する半導体デバイスでは上層及び下層の
Ａｌ配線のショートの発生に到ることもあった。

他方ブランケットＷの場合は、これをプラグとして使用
する時は、エッチバック後の下地絶縁膜の荒れによるそ
の後のＡ１配線時の露光プロセスにおいて、高精度のパ
ターニングを著しく困難にする。さらに又コンタクトホ
ール中央部のＷの密度が小さくなる傾向があり、これは
後のエッチバックプロセスにおいて良質のプラグ形状が
得にくくなることが多い（コンタクトホール中央部が周
辺部よりエツチングレートが速い）、ましてやブランケ
ットＷを配線として使う時はＷの反射率の低さからＷの
バターニングは非常に難しい。

以上のように、上述したＣＶＤ−Ｗ膜の表面モホロジー
の大きなことに起因しているいろな問題を引き起す問題
が免かれない。

この発明は、以上述べたＣＶＤ−Ｗ膜の表面モホロジー
欠点を改善するために、ＣＶＤ−Ｗ形成反応系に窒素ガ
ス（Ｎｔ）を導入することにより、凹凸の少ないＣＶＤ
−Ｗ膜を形成することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明は、ＣＶＤ装置を用いて、コンタクトプラグや配
線を形成するためのＷ膜をシリコン基板上に成膜するに
あたり、反応ガスとしてＷＦ、とＮ２あるいはＳ　ｉ　
Ｈ４、及びキャリアガスＡｒを用いた反応系にＮ、ガス
を導入することを特徴とするＣＶＤタングステン膜の形
成方法である。

（作　用） この発明においては、基板上へのＣＶＤ−Ｗ膜の形成に
あたって、上記反応系にＮｔガスを添加導入することに
より、該Ｎ！が上述のＷ析出反応式に直接関与する訳で
はないが、Ｎ２の極く小量がＷ膜中に取込まれ、これが
Ｗ膜堆積エネルギーに何等かの変化を与え、凹凸生成の
抑制を行うのではないかと推定される。

（実施例） 以下実施例を説明するが、ここではＣＶＤ−Ｗ膜中特に
ブランケットＣＶＤ−Ｗ膜の形成方法を例にとって説明
する。使用装置は、ロータリーポンプ等の排気システム
を持っ枚葉式のＬＰＣＶＤ装置を用いた。

そして形成温度（ウェハを載せているサセプターの温度
）が４７５℃、形成圧力が８０　ｔｏｒｒ、Ｈ，流量が
４５０　ｓｅｃｍ、　Ｗ　Ｆ−流量が７５ｓｅｃｍ、キ
ャリアガスの総流量が２８００ｓｅｃｗの条件に設定し
ブランケットＣＶＤ−Ｗ膜の形成を行った。

この時の形成速度は４１００〜４５００人／ｓｉｎであ
った。キャリアガスとしては、主としてＡｒガスを、添
加ガスとしてＮ２ガスを用いた。このＮ２ガス流量を多
くしてい（と、成膜されたＣＶＤＷ膜の表面モホロジー
が著しく良くなることが示された。

このような表面モホロジーを物理的に定量化するのは非
常に難しい、そこで相関のよくとれているものとして、
光を膜表面に当てた時の反射率がある。

第１図に、Ｎ！ガス流量をＯから３００ｓｅｃ−変化さ
せ、４０００人の厚さに形成したＣＶＤ−Ｗ膜の４８０
ｎｍ、及び４３６ｎｓ＋の光源を用いた場合の反射率を
示す、同図によればＮ、ガス流量がわずかな量でも反射
率が象、激に高くなり、これが３００ｓｅｃｍ程度の量
まで増え続けることがわかった。つまり、ＣＶＤ−Ｗ膜
形成時に反応系にＮ２ガスを導入添加することにより膜
表面モホロジーの向上、言いかえると、膜表面がなめら
かになることがわかった。

また、このＣＶＤ−Ｗ膜表面をＳＥＭ（走査型電子顕微
鏡）によって観察し、三次元的に解析した鳥鰍図を第２
図に示す。同図によればＮ２ガス流量３００　ｓｅｃｍ
の場合、同Ｑ　ｓｃｃｗ＋の場合のＣＶＤ−Ｗ膜表面が
なめらかであることが明確である。

又この三次元解析による膜表面の粗さをＲａ　　（中心
線平均粗さ）で表わすと、Ｎ８ガス流量３００ｓｅｃ−
の時５．８８３　ｎｍ　（実施例）、Ｏｓｃｃｍ＋の時
６．３３９ｎｍ　（比較例）となり、即ちこのＲａ値か
らも、Ｎ。

ガスの反応系への添加導入により、ＣＶＤ−Ｗ膜表面の
平滑性が向上されていることか確認できた。

向上記Ｒａは、表面粗さを表わすＪＩＳ規格の一つであ
り、粗さ曲線より中心線を求め、該中心線の一方側波形
を他方に折り返し全波形と中心線で囲まれた面積の総和
を求め、これを測定長さで除したものである。

又、上記は、ブランケットＣＶＤ−Ｗ膜の形成を例にと
りＮ２ガス導入添加によるＣＶＤ−Ｗ膜表面モホロジー
の改善例を説明したが、セレクティブＣＶＤ−Ｗ膜形成
においても略同様の効果が得られることを確認した。

次に、本発明において、Ｎｚガスの反応系への導入存在
量については、上記実施例では３００ＳＣＣ１１までを
示したがこれに限定されるものではない。具体的には、
これらの反応系の設定温度及び圧力、又ＷＦ、、Ｈｚあ
るいはＳ　ｉ　Ｈａ、並びにＡｒの流入量等のＣＶＤ−
Ｗ膜形成の諸条件により、上記Ｎｚ導入量の必要量に変
化を生ずるが、概ね５０〜２０００ｓｅｃｍの範囲の量
で上記の効果を生ずることを確認することができた。

（発明の効果） 以上のように、この発明のＣＶ　Ｄ　−Ｗ膜形成方法に
よれば、ＣＶＤ−Ｗ膜の形成反応系にＮ２ガスを導入添
加することによって、形成されたＷ膜の表面モホロジー
が著しく改善され、上記のコンタクトプラグ形成や配線
形成において非常に精度の高い加工ができるのであり、
上記問題を解消し得る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はＮ２ガス流量とＷ膜表面反射率の関係図、第２
図Ｗ膜表面モホロジーの斜視図である。 Ｎｚ　３００ｓｃｃｍ　（９７１ｔ例）Ｎ２０　ｓｃｃ
ｍ　（比Φタト４タリ）承■モホロソ′−大衷尤を鳥助
γ回 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ＣＶＤ装置を用いて、コンタクトプラグや配線を形成す
   るためのＷ膜をシリコン基板上に成膜するにあたり、反
   応ガスとしてＷＦ＿６とＨ＿２あるいはＳｉＨ＿４及び
   キャリアガスＡｒを用いた反応系にＮ＿２ガスを導入す
   ることを特徴とするＣＶＤタングステン膜の形成方法。