JPH10303146A - タングステン膜の成膜方法及び半導体デバイス - Google Patents

タングステン膜の成膜方法及び半導体デバイス

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JPH10303146A
JPH10303146A JP12637297A JP12637297A JPH10303146A JP H10303146 A JPH10303146 A JP H10303146A JP 12637297 A JP12637297 A JP 12637297A JP 12637297 A JP12637297 A JP 12637297A JP H10303146 A JPH10303146 A JP H10303146A
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JP
Japan
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film
forming
substrate
vacuum chamber
nitrogen
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JP12637297A
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Masaki Kitazaki
正樹 北崎
Yumi Suzuki
優美 鈴木
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Applied Materials Inc
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Applied Materials Inc
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 結晶性異物の発生を抑制するW膜の成膜方法
を提供することにある。 【解決手段】 本発明によるW膜の成膜方法は、半導体
ウェハのような基板14上にTi膜、次いで該Ti膜上
にTiN膜を形成する第1ステップと、前記TiN膜の
表面を窒化処理する第2ステップと、窒化処理された前
記TiN膜の表面上にCVD法によりW膜を成膜する第
3ステップと、を備えることを特徴としている。このよ
うにW膜の成膜ステップの前処理として窒化処理をする
ことで、TiN膜の表面に露出しているチタン原子が窒
化し、膜表面が安定化され、W膜に結晶性異物の発生率
が低減される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体製造
等で用いられる成膜技術に関し、特にCVD(化学気相
堆積)法によるタングステンの成膜に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】近年、半導体製造においては、ステップ
カバレッジに優れ、マイグレーション耐性に富み、且
つ、エッチングも容易であることから、CVD法による
タングステンの成膜技術が広く採用される傾向にある。
このCVD法によるタングステン膜(以下、「W膜」と
いう)は、配線形成やコンタクトホールの埋込み等に用
いられる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】W膜、特にブランケッ
トW膜を形成する場合、従来一般には、チタン(以下、
「Ti」という)及び窒化チタン(以下、「TiN」と
いう)からなる膜をバリヤメタル膜とし、TiN膜上に
W膜を成膜することとしている。
【0004】しかしながら、このような方法でW膜を成
膜した場合、W膜表面に、異常成長した結晶性異物が形
成されることがある。図3は、W膜表面上の結晶性異物
を示したSEM(電子顕微鏡写真)であり、この図か
ら、結晶性異物がW膜の膜厚の2倍以上にも成長する場
合があることが分る。
【0005】かかる結晶性異物は、配線形成やホール埋
込み時にエッチバックを行っても表面上に残渣として残
り、種々の弊害を起こす原因となり得る。これは、製品
の歩留りを低下させるものである。
【0006】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、その目的は、結晶性異物の発生を抑制するW膜
の成膜方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本願発明者は、結晶性異
物の発生の原因として、窒素と結びついていないチタン
原子がTiN膜の表面に露出しているためと考えた。す
なわち、チタン原子は活性若しくは反応性が高く、この
ようなチタン原子がW膜の下側に存在することで、その
部位のタングステン結晶が異常成長するものと考えたの
である。
【0008】かかる知見から、本発明によるW膜の成膜
方法は、半導体ウェハのような基板上にTi膜、次いで
該Ti膜上にTiN膜を形成する第1ステップと、前記
TiN膜の表面を窒化処理する第2ステップと、窒化処
理された前記TiN膜の表面上にCVD法によりW膜を
成膜する第3ステップと、を備えることを特徴としてい
る。
【0009】このようにW膜の成膜ステップの前処理と
して窒化処理をすることで、TiN膜の表面に露出して
いるチタン原子が窒化し、膜表面が安定化され、W膜に
結晶性異物の発生率が低減される。
【0010】第2ステップとしては、真空チャンバ内の
基板支持体に基板を配置し、真空チャンバ内に窒素含有
ガスを導入し、この窒素含有ガスを励起してプラズマを
発生させ、プラズマ内の窒素イオンによりTiN膜の表
面を窒化処理する、ことが有効である。なお、プラズマ
は、基板支持体に高周波電力を印加することにより発生
される。
【0011】また、第2ステップは熱CVD法によって
もよい。すなわち、真空チャンバ内の基板支持体に基板
を配置し、真空チャンバ内に窒素含有ガスを導入し、基
板を加熱してTiN膜の表面を窒化処理してもよい。
【0012】更に、第3ステップは、前記第2ステップ
で用いられた真空チャンバ内で行われると、基板が大気
にさらされることがないので、好適である。
【0013】窒素含有ガス中に水素ガスが含まれている
場合、TiN膜の表面の酸化物を還元処理して除去でき
るので、好ましい。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、図面と共に本発明の好適な
実施形態について詳細に説明する。
【0015】図1は、本発明の成膜方法に従ってシリコ
ンウェハ(基板)上にブランケットW膜を成膜するため
のCVD装置を概略的に示している。図示のCVD装置
10は、真空チャンバ12と、この真空チャンバ12内
でシリコンウェハ14を支持するためのペディスタル
(基板支持体)16とを備えている。また、ペディスタ
ル16の上方には、ガス分配プレート18がペディスタ
ル16の上面に対して平行に対向配置されている。
【0016】ガス分配プレート18は中空プレートであ
り、その下面には多数のガス出口20が形成されてお
り、ガス分配プレート18内には真空チャンバ外のガス
供給源(図示せず)から所定の処理ガスが供給されるよ
うになっている。
【0017】このガス分配プレート18はアルミニウム
等の金属製であり、例えば13.56MHzの高周波電
力を印加するための整合器22及び高周波電源24を介
して接地されている。また、ペディスタル16もアルミ
ニウム等の金属から形成されており、接地されている。
【0018】次に、このようなCVD装置10を用い
て、シリコンウェハ14上にブランケットW膜を成膜す
る手順について説明する。
【0019】まず、シリコンウェハ14は、CVD装置
に搬入される前の段階において、その表面上に、酸化・
拡散のバリヤ層としてのSiN膜又はBPSG(Boron-
doped Phoshpor-Silicate Glass)膜がCVD法により
形成される。また、このバリヤ層の上面には、バリヤメ
タル層として、Ti膜及びTiN膜が順にスパッタリン
グ等により成膜される(図2を参照)。これらの層の成
膜については周知技術であり、上記のCVD装置10と
は別個の処理チャンバ装置内で実行される。
【0020】このような最上層にTi/TiN膜を有す
るシリコンウェハ14は、適当な搬送ロボットにより真
空の搬送チャンバを通って真空チャンバ12のペディス
タル16上の適正位置に配置される。次いで、ガス供給
源から窒素ガス及び水素ガスを所定の流量でガス分配プ
レート18に供給する。ガス分配プレート18に供給さ
れたガスはガス出口20から噴出され、ガス分配プレー
ト18とペディスタル16との間の空間に送り込まれ
る。
【0021】ここで、高周波電源24を投入すると、ガ
ス分配プレート18とペディスタル16との間に存在す
る窒素含有ガスは励起され、プラズマを生成することと
なる。このプラズマ中には窒素イオン及び水素イオンが
形成されており、これらのイオンは、図2に示すよう
に、プラズマ電位よりも負の電位となっているペディス
タル16に向かい、シリコンウェハ14上に衝撃する。
水素イオンは、搬送中に酸化したTiN膜の表面を還元
し、酸化物を除去するよう働く。また、窒素イオンは、
TiN膜の表面に露出しているチタン原子(窒素原子と
結び付いていないものであり、「自由チタン原子」とも
呼ばれる)と反応し、これを窒化する。TiN膜の表面
上の酸素及び自由チタン原子は、TiN膜表面の膜質を
不安定なものとすると考えられるため、前記の還元処理
及び窒化処理により、TiN膜の表面は安定に改質され
たこととなる。
【0022】このプラズマによる還元・窒化処理が所定
時間実行された後、真空チャンバ12内の残留ガスを排
気し、同じチャンバ12内で続けてW膜を成膜する。こ
の際、真空チャンバ12は大気に開放されないため、シ
リコンウェハ表面が再度酸化されることはなく、その膜
質は維持される。
【0023】W膜の成膜自体は従来から知られている方
法で行われる。すなわち、真空チャンバ12内を所定の
真空度に減圧した後、処理ガスとしてタングステンヘキ
サフルオライド(WF6)及びシラン(SiH4)又は水
素(H2)をガス供給源からガス分配プレート18を経
て、真空チャンバ12内に導入する。そして、熱化学反
応によりシリコンウェハ14のTiN膜上にブランケッ
トW膜を形成するのである。
【0024】このようにして形成されたW膜は、下地膜
であるTiN膜の表面が安定に改質されているため、W
膜上での結晶性異物の発生率は大幅に低減される。従っ
て、かかる方法を半導体デバイス製造工程の一工程とし
て適用し、半導体デバイスを完成させた場合には、汚染
源となり得る異物が少ないことから、半導体デバイスの
特性が向上すると共に、製品の歩留りも向上することと
なる。
【0025】
【実施例】下表は、W膜の成膜ステップの前にプラズマ
により還元・窒化処理を行った場合と、従来と同様にか
かる処理を行わなかった場合での実験結果を示してい
る。この実験では、8インチ径のシリコンウェハ上に、
0.115μm厚のSiN膜、0.03μm厚のTi
膜、0.05μm厚のTiN膜が形成されたものを用い
た。また、W膜は、厚さが0.35μmとなるまで成膜
した。更に、実施例1〜3ではTiN膜の表面を窒化処
理し、処理ガスとしては、実施例1では窒素ガスのみ、
実施例2及び実施例3では窒素ガスと水素ガスの混合気
体を用いた。なお、比較例1は、窒化処理を行わずにW
膜を成膜したものである。
【0026】
【表1】
【0027】この結果から、窒化処理の処理時間が長い
ほど、結晶性異物の発生個数が少ないことが分る。ま
た、実施例1と実施例2の結果を見ると、結晶性異物の
発生個数がほぼ等しく、還元処理よりも窒化処理の方が
異物発生の抑制効果があることが分る。
【0028】以上、本発明の好適な実施形態について詳
細に述べたが、本発明は上記実施形態に制限されないこ
とは言うまでもない。
【0029】例えば、上記実施形態では還元・窒化処理
を行うのにプラズマを利用しているが、ペディスタルに
ヒータを内蔵し、そのヒータによりシリコンウェハを加
熱することにより、いわゆる熱処理によって還元・窒化
処理を行うこととしてもよい。
【0030】また、上記実施形態では窒化処理及び還元
処理を同時に行っているが、還元処理の後に窒化処理を
行ってもよいし、また、TiN成膜後にTiN膜が酸化
されない状況下にあっては、還元処理は行う必要もな
い。
【0031】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、W
膜を成膜する際のバリヤメタル膜ないしは下地膜となる
TiN膜の表面を窒化処理することで、当該TiN膜表
面をより安定に改質することができる。従って、TiN
膜の膜質の影響によるW膜上の結晶性異物の異常成長を
抑制することが可能となる。結晶性異物は汚染源となる
ものであるので、本発明は、製品の歩留りを向上すると
共に、製品自体の性能の向上にも寄与することとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用し得るCVD装置を示す概略図で
ある。
【図2】表面処理の状態を示す説明図である。
【図3】W膜上に形成された結晶性異物を示すSEM写
真である。
【符号の説明】
10…CVD装置、12…真空チャンバ、14…シリコ
ンウェハ、16…ペディスタル、18…ガス分配プレー
ト、20…ガス出口、22…整合器、24…高周波電
源。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 優美 千葉県成田市新泉14−3野毛平工業団地内 アプライド マテリアルズ ジャパン 株式会社内

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上にチタン膜、次いで該チタン膜上
    に窒化チタン膜を形成する第1ステップと、 前記窒化チタン膜の表面を窒化処理する第2ステップ
    と、 窒化処理された前記窒化チタン膜の表面上に、化学気相
    堆積法によりタンクステン膜を成膜する第3ステップ
    と、 を備えることを特徴とするタングステン膜の成膜方法。
  2. 【請求項2】 前記第2ステップが、 真空チャンバ内の基板支持体に基板を配置し、 前記真空チャンバ内に窒素含有ガスを導入し、 前記窒素含有ガスを励起してプラズマを発生させ、 前記プラズマ内の窒素イオンにより前記窒化チタン膜の
    表面を窒化処理する、ことからなることを特徴とする請
    求項1に記載のタングステン膜の成膜方法。
  3. 【請求項3】 前記プラズマが、前記基板支持体に高周
    波電力を印加することにより発生されることを特徴とす
    る請求項2に記載のタングステン膜の成膜方法。
  4. 【請求項4】 前記第2ステップが、 真空チャンバ内の基板支持体に基板を配置し、 前記真空チャンバ内に窒素含有ガスを導入し、 前記基板を加熱して前記窒化チタン膜の表面を窒化処理
    する、ことからなることを特徴とする請求項1に記載の
    タングステン膜の成膜方法。
  5. 【請求項5】 前記第3ステップが、前記第2ステップ
    で用いられた前記真空チャンバ内で行われることを特徴
    とする請求項2〜4のいずれか1項に記載のタングステ
    ン膜の成膜方法。
  6. 【請求項6】 前記窒素含有ガスが水素ガスを含んでい
    ることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載
    のタングステン膜の成膜方法。
  7. 【請求項7】 前記基板が半導体ウェハであることを特
    徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のタングス
    テン膜の成膜方法。
  8. 【請求項8】 請求項7に記載の方法により成膜された
    タングステン膜を有することを特徴とする半導体デバイ
    ス。
JP12637297A 1997-04-30 1997-04-30 タングステン膜の成膜方法及び半導体デバイス Withdrawn JPH10303146A (ja)

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