JP4945937B2 - タングステン膜の形成方法、成膜装置及び記憶媒体 - Google Patents
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- H01L21/768—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics
- H01L21/76838—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics characterised by the formation and the after-treatment of the conductors
- H01L21/76877—Filling of holes, grooves or trenches, e.g. vias, with conductive material
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Description
上記初期タングステン膜の形成方法としては、WF6 ガスと還元性のジボランガス(B2 H6 )とを、間にパージステップを挟んで交互に供給する原子層堆積(ALD:Atomic Layered Deposition)の手法が開示されている(特許文献1)。この手法で堆積したタングステン膜は低抵抗であると共に、タングステン膜中のフッ素濃度が低くなり、下地金属とのフッ素化合物の形成を回避できるとされている。
上述のWF6 とジボランとを交互に供給するALD法を用いた初期タングステン膜及び主タングステン膜との積層膜ではその抵抗率は十分低くなるもものの、その反面TiN等よりなるバリヤ層との密着性が低下する特徴がある。タングステン膜形成工程後の工程でCMP処理を施してタングステン膜の不要部分を削り取る際に、CMP装置のパッドがウエハに加える応力に起因して、スラリー(研磨溶剤)がタングステン膜とバリヤ層との境界に侵入して、タングステン膜がコンタクト穴から脱離してしまう問題があった。
また例えば請求項3に規定するように、前記第一のタングステン膜形成工程と前記第二のタングステン膜形成工程は同一処理容器内で実行される。
また例えば請求項4に規定するように、前記シリコン含有ガスは、モノシラン、ジシラン、有機シランより選択される。
また例えば請求項6に規定するように、前記シリコンを含まない水素化合物ガスは、水素希釈シボランガスである。
また例えば請求項7に規定するように、前記還元性ガスは、水素である。
また例えば請求項8に規定するように、前記タングステン含有ガスは、WF6 である。
また例えば請求項9に規定するように、前記被処理体の表面にはTiN膜を含むバリヤ層が形成されている。
また例えば請求項10に規定するように、前記第二のタングステン膜形成後にCMP(Chemical Mechanical Polishing)処理にてコンタクトプラグを形成する。
タングステン膜を形成するに際して、イニシエーション工程ではシリコン含有ガスを用い、その後の初期タングステン膜形成工程では、タングステン含有ガスとシリコンを含まない水素化合物ガスとを交互に繰り返し供給することにより初期タングステン膜を形成するようにしたので、この後に形成される主タングステン膜も含めて、その抵抗率を小さくすることができる。またタングステン膜の下地であるバリヤ層との境界部分のフッ素濃度を低減して、バリヤ層のフッ素の拡散及び突き抜けを抑制することができる。この結果、ボルケーノの発生を抑制でき、下地のバリヤ層との密着性を向上することができる。
図1は本発明に係るタングステン膜の形成方法を実施する成膜装置の一例を示す断面構成図、図2は各ガスの供給態様を示す図、図3は半導体ウエハの表面に堆積されるタングステン膜の工程を示す模式図である。
まず、本発明方法を実施する成膜装置について説明すると、この成膜装置13は、例えば断面が略円筒形状のアルミニウム製の処理容器14を有している。この処理容器14内の天井部には流量制御された処理ガスとして例えば各種の成膜ガスや不活性ガス等を、同時に、或いは選択的に導入するためのガス供給手段としてのシャワーヘッド部16がOリング等のシール部材18を介して設けられており、この下面に設けた多数のガス噴射口20から処理空間Sに向けて成膜ガスを噴射するようになっている。
この載置台26の下方には、複数本、例えば3本のL字状のリフタピン28(図示例では2本のみ記す)が上方へ起立させて設けられており、このリフタピン28の基部は、上記リフレクタ22に形成した縦長挿通孔(図示せず)を挿通して、リング部材30に共通に接続されている。そして、このリング部材30を処理容器底部に貫通して設けられた押し上げ棒32により上下動させることにより、上記リフタピン28を載置台26に貫通させて設けたリフタピン孔34に挿通させてウエハMを持ち上げ得るようになっている。
また、処理容器14の底部の周縁部には、排気口40が設けられ、この排気口40には圧力制御弁42及び真空ポンプ44を順次介設した真空排気系46が接続されており、処理容器14内を所定の真空度まで真空引きし得るようになっている。また、処理容器14の側壁には、ウエハMを搬出入する際に開閉されるゲートバルブ48が設けられる。
まず、処理容器14の側壁に設けたゲートバルブ48を開いて図示しない搬送アームにより処理容器14内にウエハMを搬入し、リフタピン28を押し上げることによりウエハMをリフタピン28側に受け渡す。そして、リフタピン28を、押し上げ棒32を下げることによって降下させ、ウエハMを載置台26上に載置する。このウエハMの表面には、埋め込み穴2の内面も含めて前工程にてすでに下地膜としてTiN/Ti膜のようなバリヤ層4が形成されている(図3(A)参照)。このバリヤ層4は、TiN膜の単層構造の場合もある。
放射された熱線は、透過窓48を透過した後、載置台26の裏面を照射してこれを加熱する。この載置台26は、前述のように例えば1mm程度と非常に薄いことから迅速に加熱され、従って、この上に載置してあるウエハMを迅速に所定の温度まで加熱することができる。供給された成膜ガスは所定の化学反応を生じ、タングステン膜の薄膜がウエハ表面の全面に堆積して形成されることになる。
図2に示すガス供給態様において、不活性ガスとして例えばAr、N2 ガスが、流量を一定にして、或いは必要に応じて流量を変えながら、連続的に供給されて、またN2 ガスが、容器内に残留する成膜ガスのパージガスとして必要に応じて供給される。また、同様に、処理容器14内も、一連の工程の間、連続的に真空引きされている。
WF6 ガス供給ステップでウエハ表面に吸着したWF6 ガス分子層を次ステップで供給するジボランガスにより還元して、1回の交互供給につき数原子層のタングステン膜を成長させる。これを任意の回数繰り返して所望の膜厚の初期タングステン膜70を形成する。
この時のWF6 ガスの流量は、300mmウエハの場合は、例えば200〜350sccm程度であり、またH2 ガスの流量は例えば2200sccm程度である。またプロセス圧力は10666Pa程度である。またこの時の成膜レートは、プロセス条件にもよるが、例えば170〜240nm/min程度である。
図5は初期タングステン膜と主タングステン膜とを含むタングステン膜全体の抵抗率を示すグラフである。ここでは比較のために従来方法で形成されたタングステン膜全体の抵抗率を併せて記載している。
尚、前述したように初期タングステン膜の厚さは6〜7nm程度であり、図4に示す横軸の厚さはほとんど主タングステン膜の厚さとなっている。
この理由は、主タングステン膜10の核付け層となる初期タングステン膜70がSiH4 イニシエーションによりアモルファス(非晶質)となり、この状態が主タングステン膜10の成長にも影響を与える。この主タングステン膜10のグレインサイズ(結晶粒径)が、従来方法で形成した主タングステン膜よりも高く維持されて抵抗率が下がる、と推論される。
図6はタングステン膜が形成された半導体ウエハの深さ方向におけるフッ素濃度の分布をSIMS(2次イオン質量分析法)により測定した結果である。ここでは境界部分のフッ素濃度の差を明瞭にするために実際よりも約5倍ほど初期タングステン膜を厚く形成してその評価を行っている。
上述の評価では初期タングステン膜形成工程におけるWF6 とB2 H6 交互供給ステップ間のパージステップにてAr及びN2 ガス流量を一定としたが、これらのガス供給をパージステップ略中間T4(図2参照)において完全に停止し、真空引きのみとし、処理容器内の圧力を急激に下げる。この方法により残留ガスの排除効率が大きく向上し、WF6 ガスとB2 H6 ガスの気相反応を抑制し、ウエハ表面でより完全なWF6 ガス吸着とB2 H6 ガスによる還元反応を継続させる。
図7は従来のパージ方法と比較して上述の方法で形成した初期タングステン膜中のフッ素濃度分布を示す。この図7から従来の方法に比較して初期タングステン膜中のフッ素濃度は2桁以上下がり極めて大きな効果があることがわかる。
またこのように、密着性を改善できる結果、例えば図3(G)に示すようにCMP処理を行っても、使用する溶剤が内部の境界部分に侵入することを防止でき、この結果、タングステン膜がコンタクトホールから脱離してしまう等の問題が発生することを回避することができる。
尚、上記実施例では、シリコン水素含有ガスとしてモノシランを用いたが、これに限定されず、ジシランなどのシリコン水素化合物やトリメチルシラン((CH3 )3 SiH)などの有機シランを用いることができる。
更には、タングステンガス含有ガスとしてはWF6 ガスに限定されず、有機タングステンソースガスも用いることができる。
4 バリヤ層
6 分解中間体
10 主タングステン膜(第二のタングステン膜)
13 成膜装置
14 処理容器
16 シャワーヘッド部(ガス供給手段)
26 載置台
46 真空排気系
54 加熱ランプ(加熱手段)
60 制御部
62 記憶媒体
70 初期タングステン膜(第一のタングステン膜)
M 半導体ウエハ(被処理体)
Claims (12)
- 真空引き可能になされた処理容器内にて被処理体の表面にタングステン膜を形成するに際して、
前記被処理体にシリコン含有ガスを供給する工程と、
該工程後にタングステン含有ガスを供給するタングステン含有ガス供給ステップとシリコンを含まない水素化合物ガスを供給する水素化合物ガス供給ステップとを、両ステップ間に前記処理容器内に不活性ガスを供給するパージステップ及び/又は前記処理容器を真空引きする真空引きステップを介在させて、交互に繰り返し実行することにより第一のタングステン膜を形成する工程と、
を有することを特徴とするタングステン膜の形成方法。 - 前記第一のタングステン膜上に前記タングステン含有ガスと還元性ガスとを同時に供給することによりさらに第二のタングステン膜を形成する工程を有することを特徴とする請求項1記載のタングステン膜の形成方法。
- 前記第一のタングステン膜形成工程と前記第二のタングステン膜形成工程は同一処理容器内で実行されることを特徴とする請求項2記載のタングステン膜形成方法。
- 前記シリコン含有ガスは、モノシラン、ジシラン、有機シランより選択されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のタングステン膜形成方法。
- 前記シリコンを含まない水素化合物ガスは、ジボランまたはホスフィンであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のタングステン膜形成方法。
- 前記シリコンを含まない水素化合物ガスは、水素希釈シボランガスであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のタングステン膜形成方法。
- 前記還元性ガスは、水素であることを特徴とする請求項2乃至6のいずれかに記載のタングステン膜形成方法。
- 前記タングステン含有ガスは、WF6 であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載のタングステン膜形成方法。
- 前記被処理体の表面にはTiN膜を含むバリヤ層が形成されていることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載のタングステン膜形成方法。
- 前記第二のタングステン膜形成後にCMP(Chemical Mechanical Polishing)処理にてコンタクトプラグを形成することを特徴とする請求項2に記載のタングステン膜形成方法。
- 真空引き可能になされた処理容器と、
被処理体を載置するための載置台と、
前記被処理体を加熱するための加熱手段と、
前記処理容器内に、少なくともシリコン水素含有ガスと、タングステン含有ガスと、シリコンを含まない水素化合物ガスとを供給するガス供給手段と、
前記被処理体にシリコン含有ガスを供給する工程と、該工程後にタングステン含有ガスを供給するタングステン含有ガス供給ステップとシリコンを含まない水素化合物ガスを供給する水素化合物ガス供給ステップとを、両ステップ間に前記処理容器内に不活性ガスを供給するパージステップ及び/又は前記処理容器を真空引きする真空引きステップを介在させて、交互に繰り返し実行することにより第一のタングステン膜を形成する工程と、を行うように制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする成膜装置。 - 真空引き可能になされた処理容器と、
被処理体を載置するための載置台と、
前記被処理体を加熱するための加熱手段と、
前記処理容器内に、少なくともシリコン水素含有ガスと、タングステン含有ガスと、シリコンを含まない水素化合物ガスとを供給するガス供給手段とを有する成膜装置を用いてタングステン膜を形成するに際して、
前記被処理体にシリコン含有ガスを供給する工程と、該工程後にタングステン含有ガスを供給するタングステン含有ガス供給ステップとシリコンを含まない水素化合物ガスを供給する水素化合物ガス供給ステップとを、両ステップ間に前記処理容器内に不活性ガスを供給するパージステップ及び/又は前記処理容器を真空引きする真空引きステップを介在させて、交互に繰り返し実行することにより第一のタングステン膜を形成する工程と、を行うように前記成膜装置を制御するプログラムを記憶する記憶媒体。
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