TW200421465A

TW200421465A - Method of forming tungsten film

Info

Publication number: TW200421465A
Application number: TW093106061A
Authority: TW
Inventors: Hotaka Ishizuka; Kohichi Satoh; Cheng Fang; Masao Yoshioka; Kenji Suzuki; Yasutaka Mizoguchi
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2003-03-07
Filing date: 2004-03-08
Publication date: 2004-10-16
Also published as: KR100785534B1; KR100783845B1; TWI312172B; KR20070075383A; JP2004273764A; KR20040079331A; JP3956049B2

Description

200421465 (1) 玖、發明說明【發明所屬之技術範圍】本發明係關於，在半導體晶圓等的被處理體的表面形成鎢膜的方法，特別是關於本申請人先前的申請案（日本特願2002-234273號）的改良發明，亦即，改良鈍化鎢膜的形成製程的鎢膜的形成方法。【先前技術】一般來講，在半導體積體電路的製造過程，爲了要在被處理體的半導體晶圓表面形成配線圖案，或爲了塡埋配線間等凹部或接觸用的凹部，常是採用堆積 W(鎢）、 WSi(矽化鎢）、Ti(鈦）、TiN(—氮化鈦）、TiSi(矽化鈦）、 Cu(銅）、Ta205(氧化鉬）等的金屬或金屬化合物以形成薄膜的方法。而，因爲電阻小、形成膜的溫度較低等的理由，上述各種薄膜以鎢最常被使用。要形成這種鎢膜時，原料氣體是使用 WF6(六氟化鎢），而以氫、矽烷、二氯矽烷等加以還元，以堆積鎢膜。形成上述鎢膜時，因爲要提高密接性、抑制與下層的矽層的反應等的理由，在晶圓表面形成有薄層且均一的 Ti膜、TiN膜、或兩者的層積膜，作爲底層膜的阻檔層，而在此阻檔層上堆積上述鎢膜。要塡埋凹部等時，爲了使塡埋性良好，主要是使用還元性較矽烷弱的氫氣，但在這個時候，上述阻檔層會受到未反應的WF6氣體的侵犯，阻檔層與氟起反應使體積膨 -5- (2) (2)200421465 脹，有時會發生向上方突出的火山狀突起（volcano)，或在塡埋孔發生空隙（void)。參照第17圖說明如下。第17圖是表示發生火山狀突起或空隙的塡埋孔的截面圖。在半導體晶圓的表面有接觸孔等的塡埋孔2，在包含此塡埋孔2的表面，預先形成有例如由Ti/ TiN膜構成的阻檔層4。而以此狀態，同時供應WF6氣體及H2氣體，堆積鎢膜6進行塡埋時，WF6中的氟便擴散至阻檔層中，尤其是表面部分的阻檔層4的 Ti與氟產生反應，以塡埋孔2附近爲起點使鎢膜6堆積成突起狀，其突起部的前端部因鎢膜6的應力產生火山狀突起8，或在塡埋孔2內形成空洞狀的空隙1 0。而，爲了防止產生上述火山狀突起8等，也有先使用還元力較氫氣強的矽烷取代氫氣形成很薄，例如 3 00〜5 00A左右的鎢膜的核心附著層，然後，以此核心附著層爲起點，藉由WF6氣體及H2氣體堆積主鎢膜，但在這個時候，底層的阻檔層4的表面，有時因爲是形成有有機金屬膜的表面或氧化的表面等，致無法形成均勻的核心附著層。因此也有，在形成上述核心附著層之前僅單獨供應矽烷一定時間，以這一部分會分解的低溫，例如400°C左右的溫度使矽烷的反應中間體（SiHx : X < 4)吸著在晶圓表面，而以此爲起點使上述核心附著層成長。第1 8圖表示使用這種方法以鎢將塡埋孔加以塡埋時的過程。首先如第1 8圖（A)所示，對包含塡埋孔2內的內面的 (3) (3)200421465 晶圓整個表面形成有阻檔層4的晶圓W，單獨供應矽烷 (SiH4) ’進行使上述SiHx的反應中間體附著在在晶圓w 表面的初期化處理（第18圖（A)及第18圖（B))。接著，如先前所說明，如第18圖（C)同時供應WF6氣體及h2氣體規定時間，以上述反應中間體1 2爲起點堆積鎢膜，藉此形成核心附著層14(第18圖（D))。接著如第1 8圖（E)所示，由於同時供應WF6氣體及 H2氣體’可如第18圖（F)所示，堆積主要的鎢膜16，將塡埋孔2加以塡埋。【發明內容】而形成在上述晶圓表面的阻檔層4有時會使用例如 Ti的有機化合物原料形成。這時，原料氣體所含的碳的成分被取進阻檔層4，而由於這個原因，經過上述初期化處理後，含有碳的成分的阻檔層所露出的表面，使SiHx 的反應中間體附著不均一，形成不均一的核心附著層 14，核心附著層1 4本身的台階覆蓋不佳，結果是，主鎢膜的塡埋性不好，形成火山狀突起、空隙。同時，在包含以鎢膜1 6爲主的整體鎢膜的厚度中，核心附著層1 4的厚度所佔的比率不太大時，不會有問題，但因爲細微化，鎢膜的厚度中，核心附著層1 4的厚度所佔的比率不能勿視時，便會發生起因於核心附著層 1 4本身的台階覆蓋不佳，而產生無法勿視的大小的空隙0 -7- (4) (4)200421465 以上的問題在半導體製造的細微化及薄膜化進一步推展，塡埋孔的內徑到達例如0.2 μιη以下時，便會成爲深刻的問題，而顯現出來。本發明係著眼於以上所述的問題點，而爲了有效解決這種問題所完成者。本發明的目的在提供，可以增加生產量，而且可以提高塡埋性，在例如塡埋孔的口徑很小時，仍能抑制其發生足以影響特性的空隙或火山狀突起，塡埋特性良好的鎢膜的形成方法。申請專利範圍所規定的發明是，在可以抽真空的處理容器內，於被處理體的表面形成鎢膜時，具有：介於供應還元用氣體的還元氣體供應製程，與供應含鎢氣體的鎢氣供應製程之兩製程間，設供應惰性氣體同時抽真空的沖洗製程，而交互重複進行該兩製程、以形成初期鎢膜的初期鎢膜形成製程；令還元用氣體及上述含鎢氣體流進處理容器內，以形成鈍化鎢膜的鈍化鎢膜形成製程；繼續令還元用氣體及含鎢氣體流進處理容器內，以形成主鎢膜的主鎢膜形成製程，爲其特徵的鎢膜形成方法。藉此，形成膜厚度均一性高的核心附著層的初期鎢膜，再以高效率形成鈍化鎢膜，然後堆積主要的鎢膜，因此可以特別改善塡埋特性，在例如塡埋孔的口徑很小時，仍能抑制其發生足以影響特性的空隙或火山狀突起。同時，上述一連串的3個製程是在同一處理容器內連續進行，因此，不會有例如更換處理容器而發生的保溫期間，可以提高生產量。 -8- (5) 200421465 這時，例如申請專利範圍第2項所規定，上述鈍化鎢膜形成製程中，是令上述被處理體的溫度逐漸上昇。又，例如申請專利範圍第3項所規定，上述初期鎢膜形成製程、上述鈍化鎢膜形成製程、與上述主鎢膜形成製程之間，是將上述被處理體的溫度實質上維持在同一溫度。

由於如此將各製程間的處理溫度大致上維持一定，沒有必要在中途昇降處理溫度，因此可以進一步提高生產量。又，例如申請專利範圍第4項所規定，上述處理容器內的壓力在上述初期鎢膜形成製程，及上述鈍化鎢膜形成製程是2666Pa(20Torr)以下，在上述主鎢膜形成製程是 2666Pa(20Torr)以上。又，例如申請專利範圍第5項所規定，上述含鎢氣體是WF6氣體與有機鎢氣體中的任一種。

又，例如申請專利範圍第6項所規定，上述還元用氣體是，氫氣（H2)、矽烷（SiH4)、乙矽烷（Si2H6)、二氯矽烷 (SiH2Cl2)、乙硼院（B2H6)、磷化氫（PH3)中的任一種。又’例如申請專利範圍第7項所規定，上述含鎢氣體是WF6氣體，上述還元用氣體在初期鎢膜形成製程是矽烷（SiH4)氣體，在上述鈍化鎢膜形成製程及主鎢膜形成製程是氫氣（H2)。【實施方式】 - 9 - (6) (6)200421465 茲參照附圖詳述本發明的鎢膜形成方法的一實施例如下。第1圖係表示實施鎢膜的形成方法的熱處理裝置的截面架構圖，第2圖係表示各氣體的供應形態的圖，第3圖係表示整個成膜製程的各氣體流量的一個例子與處理條件的關係的流程圖，第4圖係表示堆積在半導體晶圓表面的鎢膜的一個例子的放大截面圖。首先說明，實施本發明方法的熱處理裝置，熱處理裝置20具有，例如截面略呈圓筒形狀的鋁製的處理容器 22。在此處理容器22內的天板部，經由Ο環等的密封構件26設有，用以選擇性導入經過流量控制的處理氣體的例如各種成膜用氣體或載體氣體等的蓮蓬頭24，而從設在其下面的多數氣體噴射口 28向處理空間S噴射成膜氣體。再者，也可以採用，在此蓮蓬頭24內配設具有複數個擴散孔25的1片，或複數片擴散板27，以促進導入此的氣體的擴散的構造。在此處理容器22內，在從處理容器底部豎起的圓筒狀的反射器3 0上，經由例如L字狀的3根保持構件 32(第1圖僅表示兩根），設有載置被處理體的半導體晶圓 W用的載置台3 4。在此載置台34下方，向上方豎立設有複數根，例如 3根L字狀的提昇梢36(圖示例子僅表示兩根），此提昇梢 36的基部是插在形成於上述反射器30的縱向較長的插通孔（未圖示），共同連接在環形構件38。而藉由貫通設在處 -10- (7) 200421465 理容器底部的推動桿40使環形構件3 8上下動作，將上述提昇梢3 6插通於貫通設在的載置台3 4的提昇 42，藉此提上晶圓W。在上述推動桿40的容器底部的貫穿部介入設有處理容器22內部的氣密狀態的可伸縮的伸縮囊44，動桿40的下端連接在引動器46。同時，在處理容器2 2底部的周邊部設有排氣口在此排氣口 4 8連接有連到未圖示的真空幫浦的排氣 5 0，可以將處理容器22內抽真空到規定的真空度時，在處理容器22的側壁設有運進運出晶圓時開閉閥5 2。雖未圖示，但在處理容器22內設有測量壓力用空計（Capamanometor)，排氣通路50內則設有用以調理容器 22 內的壓力的壓力調 f (AutoPressureControlValve) 〇而，在載置台34直下方的處理容器底部，經由等的密封構件26設有，由石英等的熱線穿透材料構穿透窗54，其下方成圍繞穿透窗54狀設有箱狀的加 5 8。此加熱室5 8內設有加熱手段的例如複數個加 60，裝設在兼用作反射鏡的旋轉台62，此旋轉台62 由轉軸由設在加熱室5 8底部的轉動馬達64驅動而轉因此，從此加熱燈60放射的熱線將透過穿透窗54照片的載置台3 4的下面，將其加熱，而得以間接方式置台3 4上的晶圓W加熱。如此使用加熱燈6 0，可以上述梢孔保持此推 48，通路。同的閘的真整處閥 0環成的熱室熱燈是經動。射薄將載使晶 -11 - (8) (8)200421465 圓W快速昇溫。其次說明，使用如以上構成的裝置進行的本發明的方法。首先打開設在處理容器22側壁的閘閥5 2，藉由未圖示的運送臂將晶圓W運進處理容器22內，令提昇梢.3 6 向上動作，將晶圓W交給提昇梢36側。而令推動桿4〇向下動，使提昇梢36下降，將晶圓W載置於載置台34 上。此晶圓W的表面包括塡埋孔2的內面，在上一製程已經形成有底層的諸如Ti/TiN膜的阻檔層4(參照第18 圖（A))。接著，從未圖示的處理氣體源，以後述的氣體供應模態向蓮蓬頭24每次供應規定量的處理用氣體的成膜氣體或載體氣體，再從下面的氣體噴射孔28以大致上等量方式供給處理容器22內。與此之同時，從排氣口 48吸引排出內部氣體，將處理容器22內真空排氣成規定的壓力，且使位於載置台3 4下方的加熱手段的各加熱燈6 0點著轉動，放射熱能。放射的熱線透過穿透窗54後，照設載置台34的背面將其加熱。此載置台34是如上述，其厚度很薄，在例如 1 mm前後’可以迅速加熱，因此可以將載置其上的晶圓 W迅速加熱到規定溫度。上述供應的成膜氣體則產生規定的化學反應’在晶圓表面整面堆積形成鎢的薄膜。在本發明’整個成膜處理是如第2圖所示，由初期鎢膜形成製程79、鈍化鎢膜形成製程84、及主鎢膜形成製 -12- (9) (9)200421465 程8 0所形成。在此，參照第2圖具體說明在整個成膜處理過程中的各氣體的供應模態。第2圖表示3種氣體供應模態，在各模態，載體氣體是以一定流量，或視需要改變流量連續供應例如Ar氣體、N2氣體。而，同樣地，處理容器22內也是在一連串的製程間繼續在抽真空。在此，含鎢的氣體使用 WF6氣體，還元用氣體使用 H2氣體，或還元力較H2氣體強的SiH4氣體。而以下所說明的初期鎢膜形成製程、鈍化鎢膜形成製程及主鎢膜形成製程等各製程是在此處理容器22內連續進行。首先，第2圖（A)所示的初期鎢膜形成製程的氣體供應模式是如第3圖所示，介於供應還元氣體的SiH4氣體的製程70，與供應含鎢氣體的WF6氣體的製程72的兩製程間，設供應惰性氣體的載體氣體同時抽真空的沖洗製程 74，而交互重複進行該等等製程、以形成初期鎢膜76(參照第4圖）。亦即，交互重複進行SiH4氣體的供應及WF6 氣體的供應，在該等的重複製程之間夾入沖洗製程74，以進行初期鎢膜形成製程。而此初期鎢膜形成製程的最後是以還元氣體供應製程70而結束。而由於在處理容器22 內，藉由SiH4氣體在基板（晶圓）表面附著SiHx，在下一階段的鈍化鎢膜形成製程84，主鎢膜形成製程80便可以有效形成膜。這一點在第2圖（B)〜第2圖（C)也相同。如此形成初期鎢膜76後，使用H2氣體取代SiH4氣體作爲還元氣體，連續進行本發明特徵的形成鈍化鎢膜 -13- (10) (10)200421465 82(參照第4圖）的鈍化鎢膜形成製程84。再者，在此也是繼續流通惰性氣體，例如Ar氣體、N2氣體等。在此鈍化鎢膜形成製程8 4是使用與主鎢膜形成製程8 0相同的氣體種類’亦即，使用WF6氣體與H2氣體，但是在流通WF6 氣體之前先流通H2氣體，將其流量維持一定，同時接著流通含鎢氣體，將其量慢慢增加，同時使處理容器2 2內的壓力（處理壓力）及基板溫度逐漸上昇（參照第3圖）。此鈍化鎢膜形成製程84的期間T5是例如3〜90秒，最好是 10〜60秒。這時，處理容器22內的壓力及基板溫度可以維持一定値。具體上是如第3圖所示，進行上述初期鎢膜形成製程 7 9的短時間的沖洗製程7 4後，不使上述WF 6氣體進入處理容器2 2而流至排氣線，等候例如}〜3 〇秒，最好是3〜5 秒’使質量流量計穩定，使WF6氣體的流量穩定。在此 WF0氣體的流量穩定的秒後，使Wf6氣體流進處理容器22內，再使WF0氣體的流量慢慢增加。而’ H2氣體的供應是在WF6氣體的流量穩定下來的 △ t秒則供給處理容器2 2內。藉由此鈍化鎢膜形成製程在初期鎢膜上形成鈍化鎢膜。如上述令w F6氣體的流量少量慢慢增加的理由是，擬儘量形成薄的鈍化鎢膜，藉此在主鎢膜形成製程抑制受到WF6氣體的破壞，以補強保護膜的上述初期鎢膜爲其目的。藉此，可以縮短初期鎢膜形成製程79的成膜時間，而得縮短全成膜時間，提高生產量。 -14- (11) (11)200421465 亦即，鈍化鎢膜的形成是以規定之量供給h2氣體，再如上述以規定的時間慢慢增加WF6氣體的供應量直到主鎢膜形成製程80的供應量，要將WF6氣體（氟）對底層的破壞減到最小程度、WF0氣體的供應量必須減少。但是要獲得塡埋效果，WF0氣體的供應量應較多。爲了要能夠兩立，因此先供應Η:氣體，過了一會在開始供應WF6氣體，並逐漸加大其供應量。在第3圖，此初期鎢膜形成製程7 9的處理壓力是在 1 3 3 3 0Pa以下的壓力範圍，最好是在1〇〇(^&(7.5丁01^)至 10610Pa(80Torr)的範圍內直線增加，而處理溫度是在 3 0 0QC〜450°C的溫度範圍，最好是在3 5 0至410°C的範圍內直線增加。處理時間是1 0〜6 0秒較好，依昇溫、昇壓的條件，2 0秒〜4 0秒更佳。而以一定的溫度下處理時，因爲沒有基板的溫度變化，處理時間以1 0〜20秒即可。其次，在上述鈍化鎢膜形成製程84結束時，維持同樣的WF6氣體的流量，減少H2氣體的流量，分別流通兩種氣體而繼續進行主鎢膜形成製程80。再者，在此也是繼續流通惰性氣體，例如Ar氣體、N2氣體等。如此進行規定時間的鈍化鎢膜形成製程84，而例如以主鎢膜78完全塡埋塡埋孔2。這時的處理溫度從完成鈍化鎢膜形成製程時起實質上沒有變動，分別保持一定。在此，於初期鎢膜形成製程，從某一還元氣體供應製程70至下一還元氣體供應製程70的時間爲一個循環時，第2圖（A)時是有3個循環，但此循環數並不限定如此。 -15- (12) (12)200421465 而，還元氣體供應過程70的期間T1，及各鎢氣供應過程72的期間Τ2是分別爲0.5〜30秒，最好是1.5〜10 秒，同時，沖洗製程74的期間是Τ3是0〜30秒，最好是 0〜1 0秒。同時，上述沖洗製程也可以僅作抽真空。最好是從還元氣體供應過程70至鎢氣供應過程72至沖洗製程 74，整個控制還元氣體與含鎢氣體及惰性氣體的總壓 (Totalpressure)令其維持一定。因爲，使氣體的總壓一定便可以將晶圓（被處理體）的溫度或被覆的氣體吸著量保持一定値。上述氣體的總壓的控制，是藉由裝設在處理容器 22的真空計測量處理容器22內的壓力，而調整裝設在排氣通路5 0的壓力調節閥使其壓力一定。因爲對沖洗製程7 4的時間進行評價’在此說明其結果。第5圖係表示處理容器內的矽烷（siH4)的分壓的分布狀態的圖。第5圖（A)表示在蓮蓬頭24內設有擴散板27 時，第5圖（B)表示在蓮蓬頭24內未設擴散板時。圖中，橫軸表示從晶圓中心至半徑方向的距離。在此是測量停止供應S i Η 4後進行數秒（0〜3秒）的沖洗時的晶圓上的殘留 SiH4的分壓。從第5圖可以很淸楚，在蓮蓬頭內設擴散板時（第5 圖（A))較快成爲低分壓，第5圖（A)所示時’進行約1 .5秒前後的沖洗製程，便可以使SiH4的分壓降低到1 XlCrlpa 前後，而第5圖（B)所示時，則進行約丨·5秒前後的沖洗製程，便可以使SiH4的分壓降低到lxl(Klpa前後。再者，使蓮蓬頭部的氣體噴射口 2 8較細’也可以收到同樣 -16- (13) (13)200421465 的效果（與擴散板同樣的效果）。因此，跟蓮蓬頭部的構造無關，進行至少3秒鐘沖洗製程，便可以使殘留矽烷的分壓成爲零，使其可以不計氣相反應的影響。再回到第2圖，在此使SiH4氣體或WF6氣體的流量較爲少量，使分壓較低。並且，處理溫度也設定較低値，例如 200〜500°C，最好是250〜450°C。同時，初期鎢膜的1循環的膜厚度爲1〜50A，最好是3〜20A。而，主鎢膜形成製程8 0的時間是依存於應形成的膜厚度。在此是，使WF6氣體與SiH4氣體的流量較大，且處理壓力、處理溫度均稍爲提高，設定較大的成膜率。藉此，在晶圓W表面比較均勻且良好附著初期鎢膜 7 6。此初期鎢膜7 6具有第1 8圖（C)中的核心附著層1 4的功能，因此，能夠在此上面以塡埋性良好的狀態堆積主鎢膜78。而在本發明特徵的鈍化鎢膜形成製程84，則使WF6 氣體少量慢慢增加，且處理壓力也一樣少量慢慢增加’以形成鈍化鎢膜82(參照第4圖），因此具有補強初期鎢膜 76的阻擋性的作用，可以儘量使初期鎢膜76較薄。進一步也可以期待有高電阻値的初期鎢膜76的效果。以這種理由，此鈍化鎢膜具有所謂對 WF6的鈍化膜，或阻擋膜的功能，藉此抑制形成主鎢膜時因WF6氣體的F的擴散對Ti膜造成的破壞，可以進一步改善塡埋 -17- (14) 200421465 特性。亦即，可以提高此鈍化鎢膜82的膜質特性（阻性）’例如，可以大幅度抑制氟原子擴散至下層。除此之外，由於可以將初期鎢膜形成製程79、鈍鎢膜形成製程8 4、主鎢膜形成製程80等3製程全部在同一處理容器22內續進行，因此可以免除半導體晶圓的運送時間，且可以除主鎢膜形成製程8 0初期的保溫時間，因此，更可以善塡埋特性。同時，第2圖（B)所示的氣體供應形態是，在第2 (A)所示還元氣體供應形態中，重複進行的還元氣體供製程中的最初的還元氣體供應製程70A，將還元氣體的壓（Torr)與供應時間（sec)的積所成的參數，設定成較其還元氣體供應製程70的上述參數（Torr · sec)大。在此不改變此SiH4氣體的流量，但將最初的還元氣體供應程70A的期間T4延長爲例如1〜120秒，最好是15〜秒，藉以加大參數（Torr · sec)値。如此，由於僅將最初的SiH4氣體供應製程例如加延長，而如先前參照第14圖（B)所說明，對晶圓W表進行初期處理，在此表面附著SiHx的反應中間體。此，堆積其上的上述初期鎢膜76較易成長，異常成長到抑制，能夠以良好的膜厚度均一性成長。在此說明， 2圖（B)的氣體供應形態的各處理條件。再者，第2 (A)、第2圖（C)所示者，其對應部分也是相同的處理擋化連免改圖應分他是製 90 以面因受第圖條 -18- (15) (15)200421465 件。在最初的還元氣體供應製程70A的氣體比是’ SiH4〆載體氣體=100〜l〇〇〇sccm / 1000〜l〇〇〇〇sccm ’處理壓力是 20〜100Torr(2666〜1 3 3 3 0Pa)，處理時間T4是5〜90秒。關於這時的處理溫度，因爲考慮要迴避發生火山狀突起’或提高台階覆蓋性，其上限値是設定在200〜500°C，最好是 250〜450oC 。而，關於這時的S iH4氣體的分壓與供應時間的積的參數（To rr· sec)，因爲考慮要迴避發生火山狀突起，設定在 10〜300(Torr· sec)，最好是 30〜200(Torr· sec)。在初期鎢膜形成製程，第2次以後的還元氣體供應製程 70 的氣體比是，SiH4 /載體氣體=50〜500sccm/ 2000〜12000sccm 期間 T1 是 1〜15 秒，處理壓力是 1〜20Torr(133.3〜2666Pa)，處理溫度是 2 0 0〜5 0 0。C，最好是2 5 0〜450°C。以此處理條件使SiHx附著。而，鎢氣供應製程72的氣體比是，WF6/載體氣體 =5〜3 00sccm/ 200〜1 2000sccm期間T2是1〜15秒，處理壓力是 1〜20Torr(133.3〜2666Pa)，處理溫度是200〜500°C，最好是25 0〜4 5 0 °C。以此處理條件形成第2鎢膜。如此，交互返覆實施還元氣體供應製程及鎢氣供應製程而形成鎢膜。在此詳細說明還元氣體供應製程70及鎢氣供應製程 72，第6圖是表示約280°C時的矽烷的參數（Torr · sec)，與每1個循環形成的膜厚度的關係的曲線圖，參數在0.2 -19- (16) (16)200421465 以上時，膜厚度是略呈飽和，但若較〇 · 2小，膜厚度則依存於參數的大小，但要形成整體上具有規定厚度的初期鎢膜7 6，若是能夠在1個循環形成的膜厚度穩定的範圍，便可以藉由將參數設定爲0.1〜10，最好是設定爲0.2〜5，如此便可以在各種處理條件的範圍內使膜厚度飽和而穩定化。第7圖是在約280°C時的WF6的參數（Torr_ sec)，與每1個循環形成的膜厚度的關係的曲線圖，參數在0.04 以上時，膜厚度是略呈飽和，但若較0 · 04小，膜厚度則依存於參數的大小，但如上述，要使1個循環形成的膜厚度穩定化，將參數設定在0.01〜10，最好是0.04〜5。而，第8圖是表示供應氣體時每1循環形成的膜厚度的溫度依存性的曲線圖。在此是表示，交互供應S i H4與 WF6 90次（90循環）時每1循環的膜厚度。而橫軸是實際的晶圓的溫度。從此曲線圖可以淸楚看出，晶圓溫度在100°C以下時，不會堆積W膜，200〜3 00°C間W膜的成膜速度是與溫度的上昇一起緩和增大，此後，在3 00°C以上時，隨著溫度的上昇成膜速度急激增大。因此可以瞭解，從膜厚度的觀點，晶圓溫度（較處理溫度稍低）是設定在1〇〇 °C較佳。而第9圖是表示WF6氣體的參數（Torr · sec)，與每1 單元的火山狀突起的發生數之關係。在此，1個單元是含有約5萬個接觸孔的集合體。依據此曲線圖時，參數在 -20- (17) (17)200421465 0.5以下時火山狀突起的發生是零，較0.5大時，發生的火山狀突起的數目大体上成比例增加，但在各種處理條件的範圍內，\\^6氣體的參數是以〇.〇1〜0.6爲佳， 0.04〜0.5最佳。這時，可抑制火山狀突起發生的初期鎢膜 76的厚度因塡埋孔2的內徑而異，但是例如10〜200A前後，最好是20〜150A前後。其次，在鈍化鎢膜形成製程84的氣體比是，WF6/ H2 / 載體氣體=10 〜5 00sccm / 5 00 〜6000sccm / 2000〜12000sccm ，處理壓力是如上述在 lTorr(133.3Pa)〜100T〇rr( 1 3 3 3 0Pa)間變化，處理溫度是 200〜5 00 °C，最好是250〜45 0°C，第2圖是3 5 0〜3 90。(：間略成直線變化，期間T5是1〜90秒，最好是3〜60秒。爲了迴避火山狀突起的發生，鈍化膜具有對 WF6的鈍化膜，或阻檔膜的功能，藉此抑制形成主鎢膜時因WF6的F 擴散對TiN膜造成的破壞，可以進一步改善塡埋特性。而，鈍化鎢膜82的厚度雖因塡埋孔2的內徑而異，但是爲了抑制初期鎢膜形成製程時對底層膜的破壞及爲了提高塡埋性，同時獲得某種程度以上的台階覆蓋，設定在 10〜5 00A前後較佳，最好是設定在200〜400A的範圍。此鈍化鎢膜形成製程84較之前製程的初期鎢膜形成製程，處理壓力與處理溫度中，至少其中的任一項可以設定成實質上相同。藉此可以圓滑且在短時間內進行兩製程的轉移。在主鎢膜形成製程8 0，爲了提高塡埋性，同時獲得 -21 - (18) (18)200421465 某種程度以上的台階覆蓋及成膜率，氣體比是wf6/h2/ 載體氣體=50 〜500sccm/ 500 〜6000sccm/ 2000〜8000sccm，處理壓力是如上述爲10〜l〇〇Torr (133.3〜1 3 3 3 0?&)，處理溫度是3 00〜5 00°0：，最好是 3 5 0〜45 0°C，以此處理條件形成主鎢膜。上述實施例的還元氣體是使用氫氣與砂院，但也可以使用乙矽烷（Si2H6)、二氯矽烷（SiH2Cl2)、乙硼烷（B2H6)、磷化氫（PH3)等，適加以組合。這時，在初期鎢膜形成製程使用還元力較主鎢膜形成製程8 0大的氣體較佳。而且，在上述初期鎢膜形成製程、鈍化鎢膜形成製程、主鎢膜形成製程、也可以使用同一還元氣體。在此’初期鎢膜形成製程是使用S iH4，但也可以使用’利用電漿，或利用紫外線產生的H2基（活性種），取代 SiH4 。同時，含鎢氣體並不限定爲WF6氣體，也可以用有機系列的鎢原料氣體。而關於WF6氣體的分壓，爲了能夠提高台階覆蓋到某種程度以上’其下限値是〇.4Torr(53Pa)前後，上限値是爲了避免產生火山狀突起，處理壓力是40 To rr以下時是2.0T〇rr(266Pa)前後。而且，關於WF6/H2的氣體比，爲提高台階覆蓋到某種程度以上，且避免產生火山狀突起，而設定爲〇·〇1〜1，最好是0.1〜0.5。而在主鎢膜形成製程80 ’改變WF6氣體的流量進行不同處理壓力時的處理結果’氣體量愈多，生產量愈增加，但在70〜80 Torr附 -22- (19) (19)200421465 近生產量不再增加。因此，處理壓力設定7〇Torr以上較理想。第1 〇圖是鎢膜的電阻値的溫度依存性的曲線圖。圖中，a表示藉由傳統的 CVD(處理溫度与400°C)形成時的鎢膜；b表示處理溫度2 8 0°C的藉由本發明方法形成時的鎢膜；c表示處理溫度3 8 0 °C的藉由本發明方法形成時的鎢膜。從此曲線圖可以淸楚，依本發明方法形成的膜b、c 較之藉由傳統的CVD法形成的膜a，具有約2〜4倍高的電阻値。這是因爲藉由本發明方法形成的膜b、c的結晶子的大小被認爲較傳統方法時小2〜4倍的緣故。同時，藉由本發明方法形成的膜b、c，愈是以更高的溫度形成具有愈大的電阻値。這是因爲愈是以更高溫度形成的膜被認爲含有愈高濃度的Si之故。而在最後，評估在晶圓表面擴散的F濃度，以下說明其評估結果。第1 1圖是還元氣體使用SiH4、Si2H6、B2H6時的晶圓表面的F濃度（擴散量）的曲線圖。這時是使用從W膜向下方順序形成有TiN膜、Ti膜、Si02膜的晶圓。從此曲線圖可以淸楚看出，本發明方法的W膜中的F 濃度是lxl〇17atms/ cc，傳統之以CVD法形成的W膜中的F濃度是3xl017atms/ cc，本發明方法的W膜中的F 擴散量被抑制到約1 / 3前後，藉此可以確認有更高的阻檔性。 -23- (20) (20)200421465 (從鈍化鎢膜形成製程（也稱作PA製程）移行至主鎢膜形成製程（也稱作MA製程）的形態）在先前說明本發明方法，對鈍化鎢膜形成製程檢討” 溫度有變化’’時與’’溫度無變化”（溫度保持一定）時的情形。這時的處理條件如下。〔溫度有變化〕 •處理溫度：從PA製程的當初3 5 0。(：昇溫至MA製程的3 90°C(參照第3圖）。 •處理壓力：從7.5Torr昇壓到80Torr。 •昇溫時間（昇壓時間）：30秒（因爲到溫度穩定下來需要一點時間） • WF6氣體的流量：從60seccm增加到350seccm。〔溫度無變化〕 •處理溫度：從PA製程-MA製程維持一定的410°C •昇壓時間：1 5秒處理壓力，WF6氣體的流量與”溫度有變化”時相同。再者，初期鎢膜形成製程及其他處理條件是設定成相同。上述評價的結果，在PA製程使處理溫度較高，維持 4 1 0 ° C的”溫度無變化” 時，生產量高，結果良好。對此，在PA製程使處理溫度從3 5 0 °C至3 90°C逐漸 -24- (21) (21)200421465 變化的’’溫度有變化’’ 時，則與上述相反，塡埋特性良好。其次說明，在初期鎢膜形成製程，還元氣體使用 SiH4、Si2H6、B2H6 時的情形。如第2圖（A)所示，使用本發明方法實際使用SiH4、 Si2H6、B2H6進行塡埋，將塡埋孔中的空隙的發生狀況，及塡埋特性的評價結果記述如下。這時的塡埋孔的內徑是 0 · 0 9 μηι 〇在初期鎢膜形成製程的各氣體的供應形態或處理條件是使用第2圖（Β)所示的流程圖。再者，矽院，乙砂院、乙硼烷各氣體的流量是設定成相同流量。第1 2圖表示每1循環的成膜率的溫度依存性。可以確認各氣體的成膜率均隨著溫度的上昇而增加。同時可瞭解，是以乙矽烷、乙硼烷、矽烷之順序從較低溫開始成膜，每1循環的成膜率是以乙矽烷、乙硼烷、矽烷之順序變大。其次，第13圖是說明，檢討在處理溫度3 20°C時的比電阻及表面粗糙度的膜厚度依存性的結果。第1 3圖（A) 表示比電阻的膜厚度依存性，第13圖（B)表示表面粗糙度的膜厚度依存性。比電阻是以乙矽烷、矽烷’乙硼烷之順序變成較高値。並可確認，分別是膜厚度愈厚比電阻愈小。尤其是乙矽烷的比電阻是較其他兩種氣體急遽變小。而表面粗糙度是以乙硼烷、矽烷，乙矽烷的順序變 -25- (22) (22)200421465 大，均是膜厚度愈厚表面粗縫度愈大。但是’乙砂院有特異的變化，其表面粗糙度在膜厚度8〇A附近有一度急遽增加後再急遽減少的突起狀特性° 其次，第1 4圖是表示檢討膜中的F、S i、B的濃度的結果。第14圖（A)表示F的濃度’ ％ 14圖（B)表7^ Si、B 的濃度。第14圖中’W表示鎢膜’TiN表示底層的一氮化鈦膜。再者’兩膜的境界因實際上兩材料相融合而不明確’但圖示例子是爲了方便上區劃表不之。關於第14圖（A)所示的F濃度，擴散至底層的TiN膜中的F量是乙硼烷最小，可以瞭解具有很高的阻擋性。如第14圖（B)所示，W膜中的Si、B濃度是以乙硼烷、矽烷、乙矽烷的順序變大’計算上分別含有約1 0%、 1%、1 %以下的B或Si。尤其是乙硼烷，膜中所含的B量有很高的濃度。其次，第1 5圖是表示檢討膜中的鎢的結晶性的結果。此項檢討使用X線折射裝置。乙矽烷時’僅觀測α-W、β-W的方形鎢，確認結晶性很高。對此，矽烷、乙硼烷時，折射線變寬，結晶性低，尤其是乙硼烷時，確認非結晶性程度很高。其次，第16圖是表示對孔徑是0.09μιη、A / R=12的接觸孔進行塡埋的結果。第1 6圖是表示塡埋孔的塡埋狀態的圖面代用照片。從第1 6圖可以確認乙硼烷、矽烷有良好的塡埋性，但矽烷時發生空隙，確認塡埋性不充分。 -26- (23) (23)200421465 上述結果，ShΗ6時的成膜速度很快，結晶子尺寸大等各項特性’與傳統手法的還元氣體與WF 6氣體同時噴出的C V D成島狀形成核的成長模式相同。第1 3圖所示的比電阻的減少，表面粗糙度一度增大後再減少的現象是島狀形成的核成長，在成爲連續的膜而引起。因爲此形成的核優先成長，因此膜便呈不均一，成爲塡埋性惡化的原因。另一方面，Β2Η6時，電阻値高，塡埋特性連接縫都沒有，十分良好。這可以由，含有1 0 %程度的高濃度的 Β，及其結果結晶子尺寸變小，或混進非晶質來加以說明。因爲結晶子尺寸小，可以成爲緻密的膜。因此，底層 TiN的F擴散量最少，具有很高的阻檔性。而SiH4時，其特性是在Si2H6與B2H6的中間，但膜的成長是與B2H6，相同結晶子尺寸小，可以成爲緻密的膜。在孔徑是〇.〇9μηι、A / R=12的細微化的接觸孔，仍可以確認有充分的塡埋性，被抑制在較B2H6爲低電阻，膜的密接性也可以確保。因此從塡埋孔中的空隙的發生狀況及塡埋特性整體判斷，以Si2H6、B2H6、SiH4的順序獲得良好的結果。以這一次的接觸孔的孔徑0.09 μιη獲得良好的塡埋特性，對下一代的0 · 1 3 ^ m以下的細微孔徑非常有效。再者，本實施例是以半導體晶圓作爲被處理體的例子進行說明，但不限定如此’當然也適用在L C D基板、玻璃基板等。 -27- (24) (24)200421465 如以上所說明’依據本發明的鎢膜的形成方法時，可以發揮如下列的優異的作用效果。依據申請專利範圍第1、2、4〜7項所述之發明時，因爲先形成膜厚度均一性很高的核心附著層的初期鎢膜，再以高效率形成鈍化鎢膜，然後堆積主鎢膜，因此，特別是可以改善塡埋特性，縱使塡埋孔的口徑很小，仍可以抑制發生足以影響特性的大小的空隙或火山狀突起。同時，上述一連串製程是在同一容器內連續進行，因此可以消除，例如變更容器而發生的保溫時間，相對的可以提高生產量° 依據申請專利範圍第3項所述之發明時，因爲各製程間可以維持略爲一定的處理溫度，沒有必要在途中昇降處理溫度，因此可以相對的進一步提高生產量。【圖式簡單說明】第1圖係表示實施鎢膜的形成方法的熱處理裝置的截面架構圖。第2圖係表示各氣體的供應模態的圖。第3圖係表示在整個成膜製程的各氣體流量的一個例子與處理條件的關係的流程圖。第4圖係表示堆積在半導體晶圓表面的鎢膜的一個例子的放大截面圖。第5圖係表示處理容器內的矽烷（SiH4)的分壓的分布狀態的圖。 -28- (25) (25)200421465 % 6圖係表不砂院的爹數（Torr· sec)與每—循環所开多成的膜厚度的關係的曲線圖。第7圖係表示WF6的參數（Torr· sec)與每一循環所形成的膜厚度的關係的曲線圖。第8圖係供應氣體的每一循環所形成的膜厚度的溫度依存性的曲線圖。第9圖係表示WF6氣體的參數（Torr· sec)與每一單元發生的火山狀突起（volcano)的數目的關係的曲線圖。第1 〇圖係表示鎢膜的電阻値的溫度依存性的曲線圖。第1 1圖係表示晶圓表面的F濃度（擴散量）的曲線圖。第1 2圖係表示一個循環的成膜率的溫度依存性的圖。第1 3圖係表示處理溫度3 5 0 ° C時的比電阻及表面粗糙度的膜厚度依存性的圖。第1 4圖係表示膜中的F、S i、B的濃度的圖。第1 5圖係表示檢討膜中的鎢的結晶性時的X線折射結果的圖。第1 6圖係表示接觸孔的塡埋狀態的圖面代用照片。第1 7圖係表面發生火山狀突起及空隙的塡埋孔的截面圖。第1 8圖係表示以鎢塡埋塡埋孔時的製程的一個例子的圖。 -29- (26) (26)200421465 [圖號說明] 2 :塡埋孔 4 :阻檔層 20 :熱處理裝置 22 :處理容器 24 :蓮蓬頭 6 0 :加熱燈 70 :還元氣體供應製程 7 2 :鎢氣供應製程 74 :沖洗製程 7 6 :初期鎢膜 7 8 :主鎢膜 79 :初期鎢膜形成製程 80 :主鎢膜形成製程 8 2 :鈍化鎢膜 84 :鈍化鎢膜形成製程 W :半導體晶圓（被處理體） -30-

Claims

(1) (1)200421465 拾、申請專利範圍 1 · 一種鎢膜形成方法，其特徵爲，在可以抽真空的處理容器內，於被處理體的表面形成鎢膜時，具有：介於供應還元用氣體的還元氣體供應製程，與供應含鎢氣體的鎢氣供應製程之兩製程間，設供應惰性氣體同時抽真空的沖洗（Purge)製程，而交互重複進行該兩製程、以形成初期鎢膜的初期鎢膜形成製程；令還元用氣體及上述含鎢氣體流進處理容器內，以形成鈍化鎢膜的鈍化鎢膜形成製程；以及繼續令還元用氣體及含鎢氣體流進處理容器內，以形成主鎢膜的主鎢膜形成製程。 2 ·如申請專利範圍第1項所述之鎢膜形成方法，其中在上述鈍化鎢膜形成製程中，令上述被處理體的溫度逐漸上昇。 3 ·如申請專利範圍第1項所述之鎢膜形成方法，其中在上述初期鎢膜形成製程、上述鈍化鎢膜形成製程、與上述主鎢膜形成製程之間，上述被處理體的溫度實質上維持在同一溫度。 4.如申請專利範圍第丨項所述之鎢膜形成方法，其中上述處理容器內的壓力在上述初期鎢膜形成製程，及上述鈍化鎢膜形成製程是2666Pa(20Torr)以下，在上述主鎢膜形成製程是2666Pa(20Torr)以上。 5 ·如申請專利範圍第1項所述之鎢膜形成方法，其中上述含鎢氣體是 WF6氣體與有機鎢氣體中的任一 -31 - (2) (2)200421465 種。 6.如申請專利範圍第1項所述之鎢膜形成方法，其中上述還兀用氣體是，氫氣（H2)、砂院（siH4)、乙5夕院 (S i 2 Η 6) Λ 一氯石夕院（SiH^Cl〗）、乙硼院（Β2Η6)、憐化氫（ρη3) 中的任一種。 7·如申請專利範圍第1項所述之鎢膜形成方法，其中上述含鎢氣體是WF6氣體，上述還元用氣體在初期鎢膜形成製程是砂院（S i Η 4)氣體，在上述鈍化鎢膜形成製程及主鎢膜形成製程是氫氣（Η2)。 8 ·如申請專利範圍第1項所述之鎢膜形成方法，其中在鈍化鎢膜形成製程是慢慢增加供應含鎢的氣體。 9 ·如申請專利範圍第8項所述之鎢膜形成方法，其中在鈍化鎢膜形成製程是慢慢增加上述處理容器內的壓力。 1 〇. —種鎢膜形成方法，其特徵爲，在可以抽真空的處理容器內，於被處理體的表面形成鎢膜時，具有：介於供應矽烷SiH4氣體的製程，與供應WF6氣體的製程之兩製程間，設供應惰性氣體同時抽真空的製程，而交互重複進行該兩製程、以形成初期鎢膜的初期鎢膜形成製程；向上述處理容器內供應氫氣H2及上述WF6氣體，在初期鎢膜上形成鈍化鎢膜的製程；以及繼續令上述氫H2氣及上述WF6氣體流進處理容器內，以形成主鎢膜的主鎢膜形成製程。 -32- (3) (3)200421465 1 1 ·如申請專利範圍第1 〇項所述之鎢膜形成方法，其中在上述形成上述鈍化鎢膜的製程，慢慢增加供應wf6 氣體的量。 1 2 ·如申請專利範第1 1項所述之鎢膜形成方法，其中在上述形成鈍化鎢膜的製程，慢慢增加上述處理容器內的壓力。 1 3 .如申請專利範圍第1 0項所述之鎢膜形成方法，其中上述形成鈍化鎢膜的製程，是在WF6氣體之前先供應氫H2氣。 1 4 .如申請專利範圍第1 0項所述之鎢膜形成方法，其中在上述形成鈍化鎢膜的製程，上述處理容器內的壓力是在13330Pa以下之範圍。 1 5 .如申請專利範圍第1 0項所述之鎢膜形成方法，其中在形成鈍化鎢膜的製程形成的鈍化鎢膜的厚度是 10〜500A 〇 1 6 .如申請專利範圍第1 0項所述之鎳膜形成方法’其中在上述供應矽烷SiH4氣體的製程’是以矽烷Sih氣體的分壓與供應時間的積的値爲〇·1〜lOTorr· sec的條件供應矽烷SiH4氣體。 -33- (4) (4)200421465 1 7 ·如申請專利範圍第1 0項所述之鎢膜形成方法，其中在上述供應WF6氣體的製程，是以矽烷WF6氣體的分壓與供應時間的積的値爲0.01〜lOTorr · sec的條件供應 WF6氣體。 1 8 .如申請專利範圍第1 0項所述之鎢膜形成方法，其中在形成初期鎢膜的製程，是最先供應矽烷SiH4氣體。 1 9 ·如申請專利範圍第1 8項所述之鎢膜形成方法，其中上述最先的矽烷SiH4氣體的供應，是供應時間較其他供應矽烷SiH4氣體的時間爲長的初期化處理。 20·如申請專利範圍第18項所述之鎢膜形成方法，其中上述最先的矽烷SiH4氣體的供應，是將其矽烷SiH4 氣體的分壓與供應時間的積的値設定成，較其他供應矽烷 SiH4氣體的分壓與供應時間的積的値爲大。 2 1 ·如申請專利範圍第1 8項所述之鎢膜形成方法，其中上述最先的矽烷SiH4氣體的供應，其矽烷SiH4氣體的分壓與供應時間的積的値是10〜3 00Torr· sec。 22.如申請專利範圍第l〇項所述之鎢膜形成方法，其中 -34- (5) (5)200421465 在上述形成初期鎢膜的製程形成的鎢膜的厚度是 10〜200A 。 23 .如申請專利範圍第1 0項所述之鎢膜形成方法，其中上述形成鈍化膜的製程，是將上述形成初期鎢膜的製程的處理壓力與溫度中，至少將其中的任一方設定成實質上相同。 24 ·如申請專利範圍第1 0項所述之鎢膜形成方法，其中上述形成主鎢膜的製程所供應的氫H2氣的量，較上述形成鈍化鎢膜的製程所供應的氫H2氣的量少。 2 5 .如申請專利範圍第1 0項所述之鎢膜形成方法，其中上述形成初期鎢膜的製程、上述形成鈍化鎢膜的製程、及上述形成主鎢膜的製程是在同一容器內進行。 26·如申請專利範圍第10項所述之鎢膜形成方法，其中在上述供應惰性氣體同時抽真空的製程，使矽烷 SiH4氣體的分壓降低到1 xlO-1左右。 2 7 ·如申請專利範圍第1 0項所述之鎢膜形成方法，其中在上述形成初期鎢膜的製程、於一個循環形成的初期鎢膜的厚度是1〜50Α。 2 8 .如申請專利範圍第1 0項所述之鎢膜形成方法，其 -35- (6) (6)200421465 中上述處理容器內的壓力在上述初期鎢膜形成製程，及上述鈍化鎢膜形成製程是2666Pa(20Torr)以下，在上鎢膜形成製程是2666Pa(20Torr)以上。 29·如申請專利範圍第10項所述之鎢膜形成方法，其中在上述鈍化鎢膜形成製程，令矽烷SiH4氣體流進上述處理容器內，同時令上述WF6氣體流進的流量變化，增加流進的流量，使處理容器內的壓力逐漸上昇。 3 0 ·如申請專利範圍第1項所述之鎢膜形成方法，其中在上述鈍化鎢膜形成製程，令還元用氣體流進上述處理容器內，同時令上述含鎢氣體流進的流量變化，增加流進的流量，使處理容器內的壓力逐漸上昇。 - 36-