JPH10275784A - 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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Abstract

(57)【要約】 【課題】 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付着するための方
法を提供する。 【解決手段】 真空室内で半導体ウェーハ上にタングス
テン層を付着させる方法であって、半導体ウェーハを、
真空室内を流れる(a) ２０〜２００sccmのＷＦ6 、(b)
１００〜５０００sccmのＡｒ、(c) １０〜３００sccmの
Ｎ2 及び(d) ５０〜３０００sccmのＨ2を含むガス混合
物と接触させることにより、半導体ウェーハ上の酸化シ
リコン層の上に形成されている中間層上へタングステン
を付着させ、該タングステン付着工程の間、真空室内の
圧力を２０〜７６０Torrに維持し、及びサセプタ温度を
３５０〜５２５℃に維持することを含む方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】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。
【０００２】
【従来の技術】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ーは、
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が好ましくなってい
る。
【０００３】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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】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。
【０００５】
【課題を解決するための手段】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２０〜７６
０Torr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。
【０００６】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７６０Torr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。
【０００７】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２０〜約７６０To
rr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。
【０００８】
【発明の実施の形態】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ハ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一性を改良することをも
含む。
【０００９】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１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（Ti
W)、又は窒化チタン(TiN) が含まれ、TiN 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。
【００１０】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WF6 、Ar、N2、及びH2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、１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１
００sccmのWF6 、約１００〜約５０００sccm、好ましく
は約１０００sccm〜約３０００sccmのアルゴンのような
不活性担体ガス、約１０〜約３００sccmの窒素、及び約
３００〜約２０００sccm、好ましくは約５００〜約２０
００sccm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。
【００１１】タングステンＣＶＤ蒸着の間、真空室内の
圧力は約２０〜約７６０Torr、好ましくは約６０〜約１
００Torr、そして最も好ましくは約７５〜約８５Torr、
典型的には８０Torrに維持される。圧力が、圧力がまれ
にしか１Torr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、WF6 及びH2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
しうると考えられうる。
【００１２】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３５０℃〜約５２５℃、好ましくは
約４５０℃〜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う
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うる。例
えば、約0.８μm 〜約1.５μm 、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めに
は、付着時間は約２〜約７分間の範囲で変化しうる。
【００１３】付着は、任意の市販品として得られるＣＶ
Ｄ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, Inc. により販
売されている Precision5000マルチチャンバー付着及び
エッ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、To
shima 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２００〜６００mil、好ましくは約３００〜５０
０mil の範囲内で、典型的には約４００mil 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
３００〜５００mil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。
【００１４】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構成する場合、核形成層の形成
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１０〜１５％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。
【００１５】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（SiH4) 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５０sccmのWF6 、約５〜約
５０sccmのSiH4、約５００〜約３０００のAr、及び約２
０〜約３００sccm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７６０Torr、好ましくは約６０〜約８０Torr、そして
最も好ましくは約７５〜約８５Torr、典型的には約８０
Torrに維持され、サセプタ温度は約３５０℃〜約５２５
℃、好ましくは約４５０℃〜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
１０００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。
【００１６】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１ 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。１０００sccmのAr、２０sccm
のSiH4、２０sccmのWF6 、及び５０sccmのN2を含むガス
混合物を、ウェーハから４００mil 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。
【００１７】実施例２ 実施例１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１に記載した条件で隔置したガス口で、１
５００sccmのAr、１０００sccmのH2、３０sccmのWF6 及
び５０sccm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（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１００％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
６×１０9 ダイン／cm2 であった。
【００１８】実施例３ 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２で使用
したウェーハと同様の６″ウェーハを、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６０％であること
がわかった。比抵抗は９μΩcmであり、応力は９×１０
9 ダイン／cm2 であった。
【００１９】実施例４ 実施例２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H2のガス流量を各々２５００sccm及び１５００sc
cmに上げること以外は実施例２及び３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２と同一、即ち３０００オングストローム／分で
あった。得られたタングステン層の応力は、１〜２×10
9ダイン／cm2 であることが見出された。
【００２０】実施例５ 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からわずかに１０Torrへ低下させること以
外は、実施例２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。
【００２１】
【発明の効果】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１】本発明の方法を説明するフローシートを示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シシー リューン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94539 フリーモント パゴサ ウェイ 348 (72)発明者 ディヴィッド ニン クー ワン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95070 サラトガ ソービー ロード 15230 (72)発明者 ディヴィッド チェン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95128 サン ホセ シャーマン オーク ス ドライヴ 974

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 真空室内で半導体ウェーハ上にタングス
    テン層を付着させる方法であって、半導体ウェーハを、
    真空室内を流れる(a) ２０〜２００sccmのＷＦ6 、(b)
    １００〜５０００sccmのＡｒ、(c) １０〜３００sccmの
    Ｎ2 及び(d) ５０〜３０００sccmのＨ2を含むガス混合
    物と接触させることにより、半導体ウェーハ上の酸化シ
    リコン層の上に形成されている中間層上へタングステン
    を付着させ、該タングステン付着工程の間、真空室内の
    圧力を２０〜７６０Torrに維持し、及びサセプタ温度を
    ３５０〜５２５℃に維持することを含む方法。
  2. 【請求項２】 タングステンを付着する工程の前に、半
    導体ウェーハ上に予め形成された中間層の上に核形成層
    を形成する更なる工程を含み、付着されるタングステン
    層の均一性を改良する請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 タングステンを６０〜１００Torrの圧
    力で付着して、タングステン付着速度、及びタングステ
    ン層表面の反射能を改良する、請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 核形成層を形成する工程が、真空室内で
    該ウェーハをＷＦ6、Ｎ2 ，Ａｒ及びＳｉＨ4 ガスの混
    合物と接触させることを含み、タングステンの付着層の
    均一性を改良する請求項２記載の方法。
  5. 【請求項５】 核形成層を形成するために真空室内を流
    れる該ガスの流量が(a) ５〜５０sccmのＷＦ6 、(b) ５
    ００〜３０００sccmのＡｒ、(c) ２０〜３００sccmのＮ
    2 及び(d) ５〜５０sccmのＳｉＨ4を含む請求項４記載
    の方法。
  6. 【請求項６】 真空室内で半導体ウェーハ上にタングス
    テン層を付着させる方法であって、(a) 半導体ウェーハ
    上にタングステンを付着させる工程の前に、該ウェーハ
    を、真空室内を流れて核形成層を形成する(i) 約５〜約
    ５０sccmのＷＦ6 、(ii)約５００〜約３０００sccmのＡ
    ｒ、(iii) 約２０〜約３００sccmのＮ2 及び(iv)約５〜
    約５０sccmのＳｉＨ4を含むガス混合物と接触させるこ
    とによって、半導体ウェーハ上に核形成層を形成するこ
    と、及び(b) 上記ウェーハを、真空室内を流れる(i) 約
    ２０〜約２００sccmのＷＦ6 、(ii)約１００〜約５００
    ０sccmのＡｒ、(iii) 約１０〜約３００sccmのＮ2 及び
    (iv)約３００〜約３０００sccmのＨ2を含むガス混合物
    と接触させることによって、半導体ウェーハ上の該核形
    成層の上へタングステンを付着させ、該タングステン付
    着工程の間、真空室内の圧力を約７５Torr〜約８５Torr
    に維持し、及びサセプタ温度を約４５０℃〜約４７５℃
    に維持することを含む方法。
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