JPH0874054A - 薄膜形成方法 - Google Patents
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- JPH0874054A JPH0874054A JP6242201A JP24220194A JPH0874054A JP H0874054 A JPH0874054 A JP H0874054A JP 6242201 A JP6242201 A JP 6242201A JP 24220194 A JP24220194 A JP 24220194A JP H0874054 A JPH0874054 A JP H0874054A
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- H01L21/205—
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
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- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
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- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/02—Pretreatment of the material to be coated
- C23C16/0272—Deposition of sub-layers, e.g. to promote the adhesion of the main coating
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-
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- C23C16/08—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of metallic material from metal halides
- C23C16/14—Deposition of only one other metal element
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 Ｗ膜の比抵抗等の特性を低下させずに表面モ
フォロジーが良好でかつ反射率が高いＷ膜を形成する。 【構成】 加熱された基板の上にＣＶＤ法を用いてＷ膜
を堆積する薄膜形成方法であって、原料ガスとしてＷＦ
6 を使用すると共に還元ガスとしてＳｉＨ4 およびＨ2
を使用し、膜形成の初期の段階としてＷＦ6 とＳｉＨ4
との反応により基板表面で核を形成する第１段階と、こ
の核形成の第１段階に続くＷＦ6 とＨ2 との反応による
Ｗ膜を形成する第２段階とからなり、これらの第１段階
および第２段階を交互に繰り返す。
フォロジーが良好でかつ反射率が高いＷ膜を形成する。 【構成】 加熱された基板の上にＣＶＤ法を用いてＷ膜
を堆積する薄膜形成方法であって、原料ガスとしてＷＦ
6 を使用すると共に還元ガスとしてＳｉＨ4 およびＨ2
を使用し、膜形成の初期の段階としてＷＦ6 とＳｉＨ4
との反応により基板表面で核を形成する第１段階と、こ
の核形成の第１段階に続くＷＦ6 とＨ2 との反応による
Ｗ膜を形成する第２段階とからなり、これらの第１段階
および第２段階を交互に繰り返す。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は薄膜形成方法に関し、特
に化学的気相成長法（以下ＣＶＤ法という）によるタン
グステン薄膜の形成方法に関する。
に化学的気相成長法（以下ＣＶＤ法という）によるタン
グステン薄膜の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】最近の半導体製造技術の分野では、素子
の高集積化・微細化が進んでいる。それに伴って素子の
負担も大きくなり、様々な問題が起きている。すなわち
配線の微細化は高電流密度をもたらし、その結果、エレ
クトロマイグレーションといわれる断線を起こし易くな
る。特に、現在の配線材料であるアルミニウム（Ａｌ）
はスパッタリング法で形成されるが、この方法によれ
ば、微細なホール部において段差被覆性が悪くなり、ホ
ール部の底や側壁では膜が形成しにくく、平坦部に比べ
て膜が非常に薄くなる。そのため、ホール部の側壁で段
線がいっそう起こり易く、素子の信頼性を低下させる原
因となる。
の高集積化・微細化が進んでいる。それに伴って素子の
負担も大きくなり、様々な問題が起きている。すなわち
配線の微細化は高電流密度をもたらし、その結果、エレ
クトロマイグレーションといわれる断線を起こし易くな
る。特に、現在の配線材料であるアルミニウム（Ａｌ）
はスパッタリング法で形成されるが、この方法によれ
ば、微細なホール部において段差被覆性が悪くなり、ホ
ール部の底や側壁では膜が形成しにくく、平坦部に比べ
て膜が非常に薄くなる。そのため、ホール部の側壁で段
線がいっそう起こり易く、素子の信頼性を低下させる原
因となる。
【０００３】このような微細ホール周辺の配線について
は、現在、ＣＶＤ法によるタングステン（Ｗ）膜が注目
されている。この方法によるＷ膜は、アスペクト比２以
上の微細ホールでも良好な段差被覆性で成膜することが
でき、また材料の耐エレクトロマイグレーション性も高
いという利点を有している。
は、現在、ＣＶＤ法によるタングステン（Ｗ）膜が注目
されている。この方法によるＷ膜は、アスペクト比２以
上の微細ホールでも良好な段差被覆性で成膜することが
でき、また材料の耐エレクトロマイグレーション性も高
いという利点を有している。
【０００４】ＣＶＤ法によるＷ膜は、通常４００〜５０
０℃に加熱された基板の上に、原料ガスとしてＷＦ6 、
還元ガスとしてＨ2 を導入し、これらを反応させて形成
される。またＷ膜の形成する下地としてはＴｉＮ膜の場
合が多いが、このＴｉＮ膜の上におけるＷＦ6 とＨ2 の
反応では、反応初期の核形成が起こりにくく、成膜分布
を劣化させるため、通常反応初期にＳｉＨ4 を導入し、
ＷＦ6 とＳｉＨ4 による反応に基づいて核形成を基板の
全面に行い、その後においてＷＦ6 とＨ2 により高速状
態で成膜を行う。
０℃に加熱された基板の上に、原料ガスとしてＷＦ6 、
還元ガスとしてＨ2 を導入し、これらを反応させて形成
される。またＷ膜の形成する下地としてはＴｉＮ膜の場
合が多いが、このＴｉＮ膜の上におけるＷＦ6 とＨ2 の
反応では、反応初期の核形成が起こりにくく、成膜分布
を劣化させるため、通常反応初期にＳｉＨ4 を導入し、
ＷＦ6 とＳｉＨ4 による反応に基づいて核形成を基板の
全面に行い、その後においてＷＦ6 とＨ2 により高速状
態で成膜を行う。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記の従来方法で形成
されたＷ膜には次のような問題がある。すなわちＷＦ6
とＨ2 によって形成されるＷ膜は、段差被覆性について
は良好な特性を有するが、その膜を構成するＷの結晶粒
が粗いため、膜表面がでこぼこしており、モフォロジー
が悪い。その結果、膜の反射率が著しく低下するという
不具合を生じる。このことは、リソグラフィー工程やエ
ッチング工程で大きな問題となる。
されたＷ膜には次のような問題がある。すなわちＷＦ6
とＨ2 によって形成されるＷ膜は、段差被覆性について
は良好な特性を有するが、その膜を構成するＷの結晶粒
が粗いため、膜表面がでこぼこしており、モフォロジー
が悪い。その結果、膜の反射率が著しく低下するという
不具合を生じる。このことは、リソグラフィー工程やエ
ッチング工程で大きな問題となる。
【０００６】これまでの従来のＷ膜形成方法では、成膜
圧力を数十Torrから大気圧程度の高圧力で行うことによ
り、表面モフォロジーを改善するようにしてきたが、十
分に改善されたとは言えない。また高圧力に加えて、成
膜中に反応ガスと共にＮ2 を添加すると、表面モフォロ
ジーはさらに良好になることが知られている。しかしな
がら、Ｎ2 の添加は、膜比抵抗の増大を招き、配線抵抗
を増大させ、素子の性能を劣化させてしまう。
圧力を数十Torrから大気圧程度の高圧力で行うことによ
り、表面モフォロジーを改善するようにしてきたが、十
分に改善されたとは言えない。また高圧力に加えて、成
膜中に反応ガスと共にＮ2 を添加すると、表面モフォロ
ジーはさらに良好になることが知られている。しかしな
がら、Ｎ2 の添加は、膜比抵抗の増大を招き、配線抵抗
を増大させ、素子の性能を劣化させてしまう。
【０００７】本発明の目的は、上記の問題に鑑み、Ｗ膜
の比抵抗等の特性を低下させずに表面モフォロジーが良
好でかつ反射率が高いＷ膜を形成できる薄膜形成方法を
提供することにある。
の比抵抗等の特性を低下させずに表面モフォロジーが良
好でかつ反射率が高いＷ膜を形成できる薄膜形成方法を
提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明に係る薄膜形成方
法は、加熱された基板の上にＣＶＤ法を用いてＷ膜を堆
積する方法であって、原料ガスとしてＷＦ6 を使用する
と共に還元ガスとしてＳｉＨ4 およびＨ2 を使用し、膜
形成の初期の段階としてＷＦ6 とＳｉＨ4 との反応によ
り基板表面で核を形成する第１段階と、第１段階に続く
ＷＦ6 とＨ2 との反応によるＷ膜を形成する第２段階と
からなり、第１段階および第２段階を交互に繰り返す方
法である。
法は、加熱された基板の上にＣＶＤ法を用いてＷ膜を堆
積する方法であって、原料ガスとしてＷＦ6 を使用する
と共に還元ガスとしてＳｉＨ4 およびＨ2 を使用し、膜
形成の初期の段階としてＷＦ6 とＳｉＨ4 との反応によ
り基板表面で核を形成する第１段階と、第１段階に続く
ＷＦ6 とＨ2 との反応によるＷ膜を形成する第２段階と
からなり、第１段階および第２段階を交互に繰り返す方
法である。
【０００９】前記の方法において、Ｗ膜の全体の厚みが
特定の厚み（ｔ）である場合において、厚みｔのＷ膜を
形成するための全体工程を、第１段階と第２段階の組か
らなる工程で分割し、第１段階と第２段階からなる工程
を複数回（分割数に等しい回数）繰り返す方法である。
特定の厚み（ｔ）である場合において、厚みｔのＷ膜を
形成するための全体工程を、第１段階と第２段階の組か
らなる工程で分割し、第１段階と第２段階からなる工程
を複数回（分割数に等しい回数）繰り返す方法である。
【００１０】ＣＶＤ法によるＷ膜の成長は、一般的にＷ
結晶粒の集団的な成長によって生じる。このような方法
で形成されたＷ膜をその結晶粒径で見てみると、例えば
最初の１０００〜２０００オングストロームの厚み部分
の結晶粒径は５００オングストロームまたはそれ以下程
度の微細な粒径であるが、２０００オングストローム以
上の箇所では結晶粒径が増大する。さらに例えば１μｍ
の厚み部分では、例えば４０００オングストロームとな
る。このようにＷ膜では膜の成長と共に結晶粒径が粗大
化するという特性を有する。
結晶粒の集団的な成長によって生じる。このような方法
で形成されたＷ膜をその結晶粒径で見てみると、例えば
最初の１０００〜２０００オングストロームの厚み部分
の結晶粒径は５００オングストロームまたはそれ以下程
度の微細な粒径であるが、２０００オングストローム以
上の箇所では結晶粒径が増大する。さらに例えば１μｍ
の厚み部分では、例えば４０００オングストロームとな
る。このようにＷ膜では膜の成長と共に結晶粒径が粗大
化するという特性を有する。
【００１１】上記のごときＣＶＤ法によるＷ膜成長にお
ける膜成長途中からの結晶粒の粗大化は、特定結晶方向
が優先的に成長するために起きると考えられる。また膜
成長初期の微細な結晶粒の形成は、成膜初期に行われる
ＷＦ6 とＳｉＨ4 による基板上での均一な核形成に基づ
いて生じるものであると考えられる。
ける膜成長途中からの結晶粒の粗大化は、特定結晶方向
が優先的に成長するために起きると考えられる。また膜
成長初期の微細な結晶粒の形成は、成膜初期に行われる
ＷＦ6 とＳｉＨ4 による基板上での均一な核形成に基づ
いて生じるものであると考えられる。
【００１２】本発明では、上記の考え方に基づいて、Ｃ
ＶＤ法によるＷ膜成長における成膜初期の微細な結晶粒
の形成に着目し、Ｗ膜の成長途中で核形成ステップを導
入することにより、Ｗ膜が厚くなっても、結晶粒を微細
な状態に維持できるようにしたものである。
ＶＤ法によるＷ膜成長における成膜初期の微細な結晶粒
の形成に着目し、Ｗ膜の成長途中で核形成ステップを導
入することにより、Ｗ膜が厚くなっても、結晶粒を微細
な状態に維持できるようにしたものである。
【００１３】
【作用】本発明では、ＣＶＤ法によるＷ膜形成におい
て、成膜初期において下地であるＴｉＮの上で均一な核
形成を行わせることが可能なＷＦ6 とＳｉＨ4 による反
応を行い、さらに連続してＷＦ6 とＨ2 によるＷ膜の成
長を行う。次に、Ｗ膜が成長して結晶粒が粗大化する前
に、再びＷＦ6 とＳｉＨ4 による核形成ステップを行
い、その後に連続してＷＦ6 とＨ2 によるＷ膜の成長を
行う。必要がある場合には、上記の核形成ステップとＷ
膜成長ステップとの組を複数回繰り返す。このように薄
膜形成を行うことによって、Ｗ膜がある程度厚くなって
も、結晶粒を微細なままの状態で維持することができる
て、成膜初期において下地であるＴｉＮの上で均一な核
形成を行わせることが可能なＷＦ6 とＳｉＨ4 による反
応を行い、さらに連続してＷＦ6 とＨ2 によるＷ膜の成
長を行う。次に、Ｗ膜が成長して結晶粒が粗大化する前
に、再びＷＦ6 とＳｉＨ4 による核形成ステップを行
い、その後に連続してＷＦ6 とＨ2 によるＷ膜の成長を
行う。必要がある場合には、上記の核形成ステップとＷ
膜成長ステップとの組を複数回繰り返す。このように薄
膜形成を行うことによって、Ｗ膜がある程度厚くなって
も、結晶粒を微細なままの状態で維持することができる
【００１４】
【実施例】以下に、本発明の実施例を具体的な成膜条件
例を示して説明する。
例を示して説明する。
【００１５】実施例１：Ｗ膜の膜厚を１μｍとし、この
膜厚のＷ膜を４回に分けて成長させる。４回のＷ膜成長
のそれぞれにおいて、成膜初期には核形成ステップを行
い、その後にＷ膜成長ステップを行う。具体的に、核形
成ステップとしては、基板温度５００℃、内部圧力１．
５Torrの条件の下で、１０sccmのＷＦ6 および２sccmの
ＳｉＨ4を１０秒間導入する。またＷ膜成長ステップと
しては、基板温度５００℃、内部圧力４０Torrの条件の
下で、１００sccmのＷＦ6 および１０００sccmのＨ2 を
２０秒間導入する。このＷ膜成長ステップの時間は、Ｗ
膜が約２０００オングストロームの厚みまで成長する時
間であり、かつこの厚みは結晶粒が微細状態に保持され
る膜厚に相当する。上記のごとき成膜を実行することに
より、表面モフォロジーおよび反射率が改善される。
膜厚のＷ膜を４回に分けて成長させる。４回のＷ膜成長
のそれぞれにおいて、成膜初期には核形成ステップを行
い、その後にＷ膜成長ステップを行う。具体的に、核形
成ステップとしては、基板温度５００℃、内部圧力１．
５Torrの条件の下で、１０sccmのＷＦ6 および２sccmの
ＳｉＨ4を１０秒間導入する。またＷ膜成長ステップと
しては、基板温度５００℃、内部圧力４０Torrの条件の
下で、１００sccmのＷＦ6 および１０００sccmのＨ2 を
２０秒間導入する。このＷ膜成長ステップの時間は、Ｗ
膜が約２０００オングストロームの厚みまで成長する時
間であり、かつこの厚みは結晶粒が微細状態に保持され
る膜厚に相当する。上記のごとき成膜を実行することに
より、表面モフォロジーおよび反射率が改善される。
【００１６】実施例２：Ｗ膜の膜厚を４０００オングス
トロームとし、この膜厚を２回に分けてＷ膜を成長させ
ている。２回のＷ膜成長のそれぞれにおいて、上記実施
例１の場合と同様にして、初期は核形成ステップを行
い、その後にＷ膜成長ステップを行う。核形成ステップ
としての成膜条件、およびＷ膜成長ステップとしての成
膜条件は、前述の実施例１と同じである。
トロームとし、この膜厚を２回に分けてＷ膜を成長させ
ている。２回のＷ膜成長のそれぞれにおいて、上記実施
例１の場合と同様にして、初期は核形成ステップを行
い、その後にＷ膜成長ステップを行う。核形成ステップ
としての成膜条件、およびＷ膜成長ステップとしての成
膜条件は、前述の実施例１と同じである。
【００１７】図１に示した写真によれば、本発明の薄膜
形成方法で作られたＷ膜では、Ｗ膜が成長して厚くなっ
ても結晶粒が微細なまま維持されることが明らかであ
る。これに対して図２の写真に示すように、従来の薄膜
形成方法で作られたＷ膜では、Ｗ膜が成長すると結晶粒
が粗大化することが明らかである。従って本発明の薄膜
形成方法では、表面モフォロジーが改善される。また特
性の一例として、本発明の方法では比抵抗が９．２μΩ
・cm、反射率が８５％（vs Si ）、膜ストレスが４．１
×１０9 dyn/cm2 であり、従来方法では比抵抗が８．７
μΩ・cm、反射率が４５％（vs Si ）、膜ストレスが
４．５×１０9 dyn/cm2 である。本発明による薄膜形成
方法では、反射率が改善されることが明らかである。
形成方法で作られたＷ膜では、Ｗ膜が成長して厚くなっ
ても結晶粒が微細なまま維持されることが明らかであ
る。これに対して図２の写真に示すように、従来の薄膜
形成方法で作られたＷ膜では、Ｗ膜が成長すると結晶粒
が粗大化することが明らかである。従って本発明の薄膜
形成方法では、表面モフォロジーが改善される。また特
性の一例として、本発明の方法では比抵抗が９．２μΩ
・cm、反射率が８５％（vs Si ）、膜ストレスが４．１
×１０9 dyn/cm2 であり、従来方法では比抵抗が８．７
μΩ・cm、反射率が４５％（vs Si ）、膜ストレスが
４．５×１０9 dyn/cm2 である。本発明による薄膜形成
方法では、反射率が改善されることが明らかである。
【００１８】上記のような特徴を有する本発明の薄膜形
成方法を適用すると、微細ホールの部分では段差被覆性
が改善される。このことは、従来の薄膜形成方法に比較
し、本発明の薄膜形成方法ではホール上部での膜のオー
バーハングが少なくなるからである。これも、Ｗ膜成長
途中の核形成ステップにより結晶成長に変化が起こった
ことによると考えられる。
成方法を適用すると、微細ホールの部分では段差被覆性
が改善される。このことは、従来の薄膜形成方法に比較
し、本発明の薄膜形成方法ではホール上部での膜のオー
バーハングが少なくなるからである。これも、Ｗ膜成長
途中の核形成ステップにより結晶成長に変化が起こった
ことによると考えられる。
【００１９】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、ＣＶＤ法によるＷ膜の形成方法において、核形成
ステップと微細結晶粒の状態が維持されるＷ膜成長ステ
ップとを一組の工程として、この工程を、目標とする膜
厚との関係で複数回繰り返すことによりＷ膜を形成する
ようにしたため、比抵抗等のＷ膜の特性を低下させるこ
となく、表面モフォロジーを良好に保持し、反射率の高
いＷ膜を作ることができる。
れば、ＣＶＤ法によるＷ膜の形成方法において、核形成
ステップと微細結晶粒の状態が維持されるＷ膜成長ステ
ップとを一組の工程として、この工程を、目標とする膜
厚との関係で複数回繰り返すことによりＷ膜を形成する
ようにしたため、比抵抗等のＷ膜の特性を低下させるこ
となく、表面モフォロジーを良好に保持し、反射率の高
いＷ膜を作ることができる。
【図１】基板上に形成された薄膜の写真であり、本発明
に係る薄膜形成方法で形成されたＷ膜の結晶の粒子構造
を示すＷ膜断面の写真である。
に係る薄膜形成方法で形成されたＷ膜の結晶の粒子構造
を示すＷ膜断面の写真である。
【図２】基板上に形成された薄膜の写真であり、従来の
薄膜形成方法によって形成されたＷ膜の結晶の粒子構造
を示すＷ膜断面の写真である。
薄膜形成方法によって形成されたＷ膜の結晶の粒子構造
を示すＷ膜断面の写真である。
Claims (2)
- 【請求項１】 加熱された基板の上にタングステン膜を
化学的気相成長法で堆積する方法において、原料ガスと
してＷＦ6 、還元ガスとしてＳｉＨ4 およびＨ2 を使用
し、膜形成の初期段階としてＷＦ6 とＳｉＨ4 との反応
により基板表面で核を形成する第１段階と、この核形成
の第１段階に続くＷＦ6 とＨ2 との反応によるタングス
テン膜を形成する第２段階とを含み、前記第１段階およ
び前記第２段階を交互に繰り返すことを特徴とする薄膜
形成方法。 - 【請求項２】 請求項１記載の薄膜形成方法において、
前記タングステン膜を形成するための全体工程を前記第
１段階と前記第２段階を一組とする工程で分割し、前記
第１段階と前記第２段階からなる前記工程を複数回繰り
返すことを特徴とする薄膜形成方法。
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