JPH0645876B2 - 減圧気相成長方法および装置 - Google Patents

減圧気相成長方法および装置

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JPH0645876B2
JPH0645876B2 JP62178520A JP17852087A JPH0645876B2 JP H0645876 B2 JPH0645876 B2 JP H0645876B2 JP 62178520 A JP62178520 A JP 62178520A JP 17852087 A JP17852087 A JP 17852087A JP H0645876 B2 JPH0645876 B2 JP H0645876B2
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勇 森迫
英夫 三戸
憲二 沼尻
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日電アネルバ株式会社
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、半導体デバイスの製造において、シリコン
(Si)基板上に、電極や配線層となるタングステン
(W)膜の選択的成長を行なう減圧気相成長方法および
装置の改良に関する。
(従来の技術とその問題点) 減圧気相成長装置の模式図を第4図に示す。
反応室1,ガス導入系2,ガス排気系3,加熱ランプ
4,赤外線透過窓5,被処理基板6を含んで構成される
こうした減圧気相成長装置を用い、減圧下にWF6ガス
と水素ガスおよびキャリアガスを導入して、Si基板6
の上にW膜の選択的成長を行なわせる。
このW膜の選択的形成では、次記する2種の反応,
が同時に進行して、Si基板上にW膜が成長することが
知られている。
(K.C.Saraswat,VLSI Symposium 1984参照) 2WF(g)+3Si(s) →2W(s)+3SiF…… WF(g) +3H(g) →W(g)+6HF………… 上記反応の反応速度は、上記反応の反応速度に較べ
て遥かに大である。このため、の反応で被処理基板の
Siが多量に消費され、その結果、被処理基板が不可避
的に損傷を受けることが広く知られているが、この損傷
は、製品として生まれる半導体素子,回路の電気特性、
特に、そのリーク電流,コンタクト抵抗に対して屡々致
命な欠陥を与える。
(発明の目的) 本発明は、Si基板上にW膜を選択的に気相成長させる
際に不可避的に生ずる前記損傷を、実用上支障を生じな
い程度のものに抑制する方法および装置を提供すること
を目的とする。
(問題点を解決するための手段) 本発明は、基板加熱系と反応ガス導入系とガス排気系を
備え、減圧下でWF6ガスと水素ガスおよびキャリアガ
スを導入してSi基板上にW薄膜を選択的に形成させる
減圧気相成長方法において、 該気相成長を、該気相成長反応で生成されるSiF
量をモニターしながら、先ず、W膜形成速度の遅い「基
板温度,各反応ガスのガス流量,および圧力の組合わ
せ」で行なわせたのち、W膜形成速度の速い「別の組合
わせ」で行なわせ、連続して且つ、該気相成長および該
「別の組合わせ」への転換を、 A.モニターされたSiF4の測定値を縦軸にとり、成
膜時間を横軸にとって描いた曲線が最初に描く山の面積
が、所定面積範囲内にあるように、且つ、 B.この曲線の最初に現れる極小値が、最初に現れる極
大値の10分の1以下となるように、 フィードバック制御して行なう減圧気相成長方法、およ
び、 それを実現する、下記の装置即ち、 基板加熱系と反応ガス導入系とガス排気系を備え、減圧
下でWF6ガスと水素ガスおよびキャリアガスを導入し
て、Si基板上にW薄膜を選択的に形成させる減圧気相
成長装置において、 a.膜形成時に生成若しくは組成を変化する反応ガスを
検出出来るプロセスモニター、 b.膜形成の正常値に相当する信号を発生する基準信号
発生器、 c.該基準信号発生器の出力と該プロセスモニターから
の出力を比較出来るコンパレーター、 d.該コンパレーターからの出力を用いて、基板加熱制
御系とガス流量制御系と反応室内圧力制御系の三者のう
ちの少なくとも1つの系をフィードバック制御する制御
装置、 のa,b,c,dを備えた減圧気相成長装置によって前
記目的を達成したものである。
(実施例) 第2図の各曲線は、第4図の減圧気相成長装置にWF6
ガスと水素ガスおよびキャリアガスを導入し、Si基板
上にWを選択的に減圧気相成長させた場合に、反応で
生じる反応生成物SiFをマスフィルタープロセスモ
ニターで検知しこのモニターの出力をプロットして、成
膜反応の挙動を表示させたものである。
(正確には、SiF4の最大フラグメントピークである
SiF3 +のピーク値を求めてそれを縦軸に、時間を横軸
にとって点をプロットし、曲線を描いている。) 第2図の曲線aは、反応生成物SiFの発生が極めて
理想的に行なわれた場合のものである。
基板温度,ガス流量および圧力の3つの組合わせである
「成膜条件」は、縦に引かれた直線Hを境にして、 最初の条件 「温度250℃」,「ガス流量WF0.5,H50
0sccm」,「圧力0.1Torr」から、 次の条件 「温度500℃」,「ガス流量WF3.0,H50
0sccm」,「圧力0.1Torr」へ、 と転換されている。
最初の条件は、成膜をゆっくりと行ない、必要且つ十分
なバリアーW(後述)を作る為に特に設けられた条件と
言うことが出来、 次の条件は、Wの成膜を十分高速に、工業生産を満足さ
せる速さで行なう為の正規なW膜成膜の条件と言うこと
が出来る。
第2図の曲線aの場合の、形成膜の四重極マスフィルタ
ー(SEM)像を第3図aに示すが、Siの消費量は最
小限度にとどめられている。
この第3図aのW膜5は、Si基板2の上のSiO
1に穿設された穴50の内部に選択的に成長・堆積させ
られた標準的なW膜、3はそのW膜5と被処理基板2の
Siとの境界に出来る境界膜である。この境界膜3もや
はりW膜であるが、その他の部分のW膜5とは構造を異
にすることが明らかとなっており、反応に対するバリ
アー性の、特に高い膜となっている。
この第2図の曲線aの場合はWの形成膜3,5の成長が
順調であるため、Si基板2のダメージは小さく、半導
体デバイスの電気的特性には何の不具合も生じない。
一方第2図の曲線bは、被処理基板2の穴50の底部の
Siに大きい損傷を生じた失敗例を紹介したものであ
る。
第3図bは、このときの生成膜3,5のSEM像を示す
ものであって、反応によって基板のSiが多量に消費
され、穴50の底部に空洞4を発生している。この空洞
4の部分およびその周辺のW膜部は深く且つ広いため、
前記したように、殆どの場合、製品の半導体素子や回路
の電気特性に致命なダメージを与える。
第2図の曲線bには、曲線aに見られない異常なピーク
Pbが観察される。
この曲線bの場合の成膜条件は、最初の条件も、転換後
の条件も共に、曲線aの場合と完全に同じであるが、た
だ、最初の条件から次の条件への転換が、図中で縦に引
かれた直線Gのように、先の直線Hよりもやゝ早い時期
に行なわれている。
試行錯誤の実験の結果、本願の発明者は、異常なピーク
Pbが生まれるのは、この二つの条件の「転換の時期が
上記の直線Gのように早過ぎた」ためであることを確認
した。転換の時期を点線の曲線b′の直線G′のよう
に、十分に遅くすれば、この異常なピークを消失出来た
のである。
更に様々の実験を重ねて、この曲線の最初に描かれる山
の面積にも、或適値が存在することが判明した。
点線の曲線a′に見られるように、最初の成膜条件の選
定が適当でなかったため、最初に描かれる山の面積が、
先の、実線の曲線aの場合の面積よりも或限度を越えて
小さくなったときにも、異常なピークPa′を生じて、
第3図bに相当するダメージが認められるようになるの
である。
また、第2図の点線の曲線cに見られるように、最初の
条件の選定が適当でなかったため、最初に描かれる山の
面積が、さきの実線の曲線aの場合の面積よりも限度を
越えて大きくなったときにも、Pb,Pa′に相当する
異常なピークは生じないが、やはり第3図bと同様のダ
メージが認められるのである。
では、最初に描かれる山の面積の「適値」はどれほどか
というに、これは、基板2上のSiO膜1に穿設され
た、W膜を堆積せんとする、穴部50乃至溝部の全部の
合成面積や、基板のSiの材質にも関係し、また温度,
ガス流量,圧力の組合わせ即ち成膜条件の選定にも関す
るので、それらの条件が変わると適値も大きく変化する
ため一言には言えない。
しかし、実際の製造工程に先だって、装置および基板の
実物に即して、数回乃至十数回の試行錯誤で、成膜条件
およびこの「適値」を見いだすことは、比較的容易であ
る。
結局、理想的なW膜選択的生成の要件としては次のもの
を挙げることが出来る。即ち先ず、W膜形成速度の遅い
「基板温度,各反応ガスのガス流量,および圧力の組合
わせ」を選んで気相成長を行なわせたのち、W膜形成速
度の速い別の組合わの条件に変更して気相成長を行なわ
せるようにし、且つ、両気相成長および条件転換の時期
を、 [A.この気相成長反応で生成するSiFの測定値を
縦軸にとり、成膜時間を横軸にとって描いた曲線が最初
に描く山の面積が、前記試行錯誤で得られた所定面積範
囲内にあるように、且つ、 B.この曲線の最初に現れる極小値が、最初に現れる極
大値の10分の1以下となるように、] という、A,B2つの条件がともに成立するように、成
膜条件と転換時期を選定するものである。A,Bの何れ
か一方が満足されないときは、通常の半導体素子,半導
体回路は殆んどの場合大きいダメージを生じ、製品は使
用に耐えないものとなる。
第1図は上記した本願第1の発明の方法を実現する、本
願第2の発明の減圧気相成長装置の概略図である。
第4図と同一の部材には同一の符号を付して説明を省略
する。
従来の装置の上に新しく、基準信号発生器11、コンパ
レータ12と記憶装置80とを内蔵する中央演算処理装
置8、および流量調節器13が付設されている。尚、第
1図の装置において、加熱ランプ4及びその電源14は
基板加熱制御系を構成し、ガス流量制御系を構成し、ガ
ス排気系3は反応室内圧力制御系を構成している。
基準信号発生器11は膜形成の正常値に相当する信号を
出力し、その出力信号は、コンパレータ12によって、
プロセスモニター7の出力信号と比較される。このプロ
セスモニター7の出力信号は即ち、膜形成時に生成若し
くは組成を変化する反応ガス例えば、前記したSiF
の検出結果であって正確には、反応に寄与しないガス成
分、例えばキャリアガスであるアルゴンガスのAr
対しての規格化された値をもっている。
上記の比較で得られた信号は、記憶装置80に予め納め
られた諸データを用いて、中央演算処理装置8内で処理
されて2つの制御信号に変換出力される。そしてその一
方の制御信号は、流量制御器13を制御して、導入する
WFガスを前記のように例えば0.5sccmから
3.0sccmに変更し、他方の制御信号は、電源14
から加熱ランプ4に流れる電流を制御して、基板温度を
例えば前記のように250℃から500℃に変換する。
即ち基板温度とガス流量の両者が制御される。
中央演算処理装置は上記のほか、上記制御の時期、即ち
成膜条件の変換の時期を選定する役目も果たす。
なお、上述ようにプロセスモニター7からの出力信号を
フイードバックする制御は、基板加熱制御系,ガス流量
制御系,反応室内圧力制御系の三者の全部、上記のよう
に二者、または少なくとも一者に対して行なうもので、
記憶装置80内のデータと中央演算処理装置8内で行な
う処理のプログラムは、それぞれに適したものが予め用
意されているものである。
(発明の効果) 本発明は、Si基板上にW膜を選択的に気相成長させる
際に不可避的に生ずるSiの損傷を、実用上支障を生じ
ない程度のものに抑制する方法および装置を提供する効
果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例の減圧気相成長装置の構成の概
略の図。 第2図はタングステンの成長時における反応生成物Si
4の挙動をマスフィルタープロセスモニターの出力で
表したものである。 第3図a,bは、タングステン成膜後の被処理基板のS
EM像である。 第4図は、従来の減圧気相成長装置の第1図と同様の
図。 1……反応室、2……ガス導入系、3……ガス排気系、 4……加熱ランプ、5……赤外線透過窓、 6……被処理基板、7……プロセスモニター、 8……中央演算処理装置、9……HとArガス、 10……WFガス、11……基準信号発生器、 12……コンパレータ、13……流量調節器、 80……記憶装置。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板加熱系と反応ガス導入系とガス排気系
    を備え、減圧化でWF6ガスと水素ガスおよびキャリア
    ガスを導入してSi基板上にW薄膜を選択的に形成させ
    る減圧気相成長方法において、 該気相成長を、該気相成長反応で生成されるSiF
    量をモニターしながら、先ず、W膜形成速度の遅い「基
    板温度,各反応ガスのガス流量,および圧力の組合わせ
    で行なわせたのち、連続して、W膜形成速度の速い「別
    の組合わせ」で行なわせ、且つ、該気相成長および該
    「別の組み合わせ」への転換を、 A.モニターされたSiFの測定値を縦軸にとり、成
    膜時間を横軸にとって描いた曲線が最初に描く山の面積
    が、所定面積範囲内にあるように、且つ、 B.この曲線の最初に現れる極小値が、最初に現れる極
    大値の10分の1以下となるように、 フィードバック制御して行なうことを特徴とする減圧気
    相成長方法。
  2. 【請求項2】基板加熱系と反応ガス導入系とガス排気系
    を備え、減圧下でWF6ガスと水素ガスおよびキャリア
    ガスを導入して、Si基板上にW薄膜を選択的に形成さ
    せる減圧気相成長装置において、 a.膜形成時に生成若しくは組成を変化する反応ガスを
    検出出来るプロセスモニター、 b.膜形成の正常値に相当する信号を発生する基準信号
    発生器、 c.該基準信号発生器の出力と該プロセスモニターから
    の出力を比較出来るコンパレータ、 d.該コンパレータからの出力を用いて、基板加熱制御
    系とガス流量制御系と反応室内圧力制御系の三者のうち
    の少なくとも1つの系をフィードバック制御する制御装
    置 のa,b,c,dを備えたことを特徴とする減圧気相成
    長装置。
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