JP3580159B2 - タングステン膜の成膜方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、比抵抗を改善することが可能なタングステン膜の成膜方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体集積回路の製造工程においては、被処理体である半導体ウエハ表面に配線パターンを形成するために或いは配線間等のホールを埋め込むために、または、これらの両者を同時に行なうためにＷ（タングステン）、ＷＳｉ（タングステンシリサイド）、Ｔｉ（チタン）、ＴｉＮ（チタンナイトライド）、ＴｉＳｉ（チタンシリサイド）等の金属或いは金属化合物を堆積させて薄膜を形成することが行なわれている。
【０００３】
この種の金属薄膜の形成方法には、３つの方式、例えばＨ_２ （水素）還元法、ＳｉＨ_４ （シラン）還元法、ＳｉＨ_２ Ｃｌ_２ （ジクロルシラン）還元法などが知られており、ＳｉＨ_２ Ｃｌ_２ 還元法は配線パターンを形成するために例えば還元ガスとしてジクロルシランを用いて６００℃程度の高温下にてＷやＷＳｉ（タングステンシリサイド）膜を形成する方法であり、ＳｉＨ_４ 還元法は、同じく配線パターンを形成するために、例えば還元ガスとしてシランを用いて先程よりも低い３５０℃程度の低温下にてＷやＷＳｉ膜を形成する方法である。
【０００４】
また、Ｈ_２ 還元法は、主として配線間のホールのようなウエハ表面上の穴埋めのために、例えば還元ガスとして水素を用いて４００〜４６０℃程度の温度下でＷ膜を堆積させる方法である。
上記の場合、いずれも例えばＷＦ_６（六フッ化タングステン）が使用される。 ここで、従来のタングステン膜の成膜方法について説明すると、先ず、タングステン膜の成膜に先立って、半導体ウエハの表面にバリヤメタルとして例えばＴｉ／ＴｉＮ膜を薄く形成しておく。次に、成膜ガスとしてＷＦ_６ 、ＳｉＨ_４ 、Ｈ_２ 、Ａｒ、Ｎ_２ 等を成膜チャンバ内に導入して、上記バリヤメタルの表面にタングステンの核結晶を付着し、形成させる。
【０００５】
次に、成膜チャンバ内を一旦ベース圧まで真空引きして残留ガスを排除した後に、Ａｒ、Ｈ_２ 、Ｎ_２ ガスをチャンバ内へ供給してプロセス圧まで短時間で昇圧し、そして、更に、ＷＦ_６ ガスを所定の流量で供給し、ＷＦ_６ ガスをＳｉＨ_４ ガスを用いないでＨ_２ ガスにより水素還元してタングステン膜を成膜し、例えばホールの埋め込みと配線層の形成とを同時に行なう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体集積回路の多層化、更なる高微細化及び高集積化の要請により、これに従って、線幅やホール径も更に微細化することが要求されている。この場合、配線パターン等は微細化されると、その分、抵抗値が上昇するが、従来の設計デザインでは十分な比抵抗値であったものが、微細化により比抵抗値を更に下げる必要が生じている。
しかしながら、上記したようなタングステン膜の従来の成膜方法では、比抵抗値が十分に小さくて新しい設計デザインに適合するようなタングステン膜を得るのは困難であった。
【０００７】
そこで、上記問題点を解決する手法として、タングステンの核結晶の付着形成後のタングステン膜の成膜時に、ボロン含有ガス、例えばジボラン（Ｂ_２ Ｈ_６ ）をＡｒやＮ_２ ガスと共にチャンバ内に添加導入し、これにより、タングステン結晶粒径を大きくして比抵抗値を下げる試みが行われている。しかしながら、窒素希釈ジボランガスが例えば重合するなどして供給途中の配管系内で固形化して配管詰まりなどを生ずるといった問題もあった。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、比抵抗値を小さくすることができるタングステン膜の成膜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】
本発明者は、タングステン膜の成膜方法について鋭意研究した結果、タングステン核結晶の形成後であって、タングステン膜を実際に成膜する直前に、半導体ウエハをボロン含有ガス、例えばジボランによってボロン化表面処理することによって、その後の成膜時に結晶粒径を大きくすることができる、という知見を得ることにより、本発明に至ったものである。
請求項１に規定する発明は、真空処理装置内において被処理体の表面にタングステン膜を成膜するに際して、前記被処理体の表面に、タングステン元素を含む成膜ガスの存在下においてタングステンの核結晶を成長させる核結晶成長工程と、この工程の後に、前記被処理体をボロン含有ガスの雰囲気に晒すボロン晒し工程と、この工程の後に、ボロン含有ガスの非存在下においてタングステン膜を形成するタングステン成膜工程とを備えるように構成したものである。
【０００９】
このように、タングステンの核結晶を成長させた後であって、実際にタングステン膜を成膜する直前に、被処理体をボロン含有ガスの雰囲気に晒すことによって、タングステンの核結晶をボロン表面処理することでその後の膜成長時にタングステン膜の結晶粒（グレイン）が大きくなり、比抵抗値を小さくすることが可能となる。
この場合、請求項２に規定するように、前記ボロン含有ガスとして５％水素希釈ジボランガスを用いた場合には、この流量は全ガス総流量に対して略０．８５％以上とする。これにより、比抵抗値をかなり小さくすることができる。
【００１０】
請求項３に規定するように、例えば前記タングステン成膜工程は、前記被処理体の表面に形成されたホールの埋め込みと配線とを同時に行なう工程である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るタングステン膜の成膜方法の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明のタングステン膜の成膜方法を実施するための真空処理装置を示す概略構成図である。
まず、本発明方法を実施するための真空処理装置について説明する。
この真空処理装置２は、例えばアルミニウム等により円筒状に成形された処理容器４を有しており、この処理容器４内には、処理容器底部より起立させた円筒状のリフレクタ６が設けられる。このリフレクタ６の上には、Ｌ字状の保持部材８を介してその上面に被処理体として例えば半導体ウエハＷを載置するための載置台１０が設けられる。この載置台１０は、例えば厚さ数ｍｍ程度のカーボン素材、ＡｌＮなどのアルミ化合物により構成される。
【００１２】
この載置台１０の真下の処理容器底部には、石英等よりなる透過窓１２が気密に設けられており、この下方には透過窓１２を囲むようにして箱状の加熱室１４が設けられる。この加熱室１４内には、複数個の加熱ランプ１６が反射鏡も兼ねる回転台１８に取り付けられており、この回転台１８は回転モータ２０によって回転される。従って、この加熱ランプ１６より放出された熱線は、透過窓１２を透過して載置台１０の下面を照射して、この上のウエハＷを間接的に加熱し得るようになっている。
そして、処理容器の底部周辺部には、排気口２２が設けられており、この排気口２２には、図示しない真空ポンプに接続された排気通路２４が接続され、処理容器１６内を真空引きできるようになっている。また、処理容器４の側壁には、ウエハを搬出入する際に開閉されるゲートバルブ２６が設けられる。
【００１３】
一方、上記載置台１０と対向する処理容器天井部には、処理ガス等を処理容器４内へ導入するシャワーヘッド部２８が設けられており、このシャワーヘッド部２８の射出面２８Ａには、多数のガス噴出孔３０が設けられる。このシャワーヘッド部２８のガス導入口３２には、成膜処理等に必要なガスを供給するガス供給系が接続されている。
具体的には、ここではタングステンの核結晶の形成やタングステン膜の成膜及び本発明の特徴とするボロン含有ガスによる晒し処理を行なうために、ＷＦ_６ ガス、Ａｒガス、ＳｉＨ_４ ガス、Ｈ_２ ガス、Ｎ_２ ガス、Ｂ_２ Ｈ_６ ガスの各ガス源が接続されている。各ガス源の配管には、流量制御器としてのマスフローコントローラ３４及びこれを挟んで２個の開閉弁３６、３８がそれぞれ設けられており、各ガスの流量制御及び供給の有無の選択を行ない得るようになっている。
【００１４】
上記ボラン含有ガスとしてジボラン（Ｂ_２ Ｈ_６ ）を用いているが、ここでは１００％濃度のジボランを用いるのではなく、この重合固化を防止するために水素（Ｈ_２ ）ガスで５％まで濃度を希釈した５％濃度の水素希釈シボランガスを用いている。
また、ここで用いた処理容器４の容量は略１２００ｃｍ^３ 程度であり、また、載置台１０の直径は２００ｍｍ程度に設定されて８インチサイズのウエハを処理できるようになっている。
【００１５】
次に、以上のように構成された装置を用いて行なわれる本発明方法について図２も参照しつつ説明する。
まず、処理容器４の側壁に設けたゲートバルブ２６を開いて図示しない搬送アームにより処理容器４内にウエハＷを搬入し、このウエハＷを載置台１０上に載置する。このウエハＷの表面には、図２（Ａ）に示すように前工程にて例えばＴｉ／ＴｉＮよりなる薄いバリヤメタル４０が形成されている。このバリヤメタル４０は、コンタクトホールやビアホール等のホール４２の内面にも形成されている。また、ホール４２の径は、例えば０．５〜１．０μｍ程度であり、このホール４２のアスペクト比は１〜２程度である。図中、４４はドープドポリシリコン膜、４６は絶縁膜である。
【００１６】
次に、各処理ガス源から処理ガスとしてＷＦ_６ 、Ａｒ、ＳｉＨ_４、Ｈ_２ 、Ｎ_２ をシャワーヘッド部２８へ所定量ずつ供給して混合し、これを下面のガス噴出孔３０から処理容器４０内へ略均等に供給する。ここではＢ_２ Ｈ_６ ガスは供給していない。これと同時に、排気口２２から内部雰囲気を吸引排気することにより処理容器４内を所定の真空度、例えば４Ｔｏｒｒ程度の値に設定し、且つ加熱室１４内の加熱ランプ１６を回転させなが駆動し、熱エネルギを放射する。
【００１７】
放射された熱線は、透過窓１２を透過した後、載置台１０の裏面を照射してこれを加熱する。この載置台１０は、前述のように数ｍｍ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Ｗを迅速に所定の温度まで加熱することができる。この時のプロセス温度は例えば４６０℃程度である。供給された混合ガスは所定の化学反応を生じ、ここでは、図２（Ｂ）に示すように、ＷＦ_６ が還元されてバリヤメタル４０の表面にタングステンの核結晶４８が付着形成されることになり、核結晶成長工程が行なわれる。この核結晶成長工程は、例えば３０秒程度行なって厚さが３０ｎｍ程度の核結晶層を形成する。
【００１８】
このようにして核結晶成長工程を終了したならば、次に、ボロン晒し工程へ移行する。
まず、反応性ガスの供給を停止して一度ベース圧、例えば１０^−３Ｔｏｒｒ程度まで真空引きし、更に、Ｂ_２ Ｈ_６ ガスを初めとする所定のガスを供給して８０Ｔｏｒｒ程度に昇圧しながら図２（Ｃ）に示すようにボロン晒し工程を行なう。ここでの供給ガス種は、Ａｒガス、Ｈ_２ ガス及びＢ_２ Ｈ_６ ガスであり、各ガス量は、４０００ｓｃｃｍ、１８００ｓｃｃｍ及び１００ｓｃｃｍ（５％濃度）である。ここではＷＦ_６ ガスとＳｉＨ_４ガスとＮ_２ ガスの供給はしない。これにより、 タングステン核結晶４８はボロンに晒されて、Ｂ_２ Ｈ_６ ガスによりボロン表面が形成される。これにより、後述するように核結晶の粒径を大きくすることが可能となる。このボロン晒し工程は、例えば２８秒程度行なう。尚、この時のプロセス温度は４６０℃程度であり、前工程と同じである。
【００１９】
このようにして、ボロン晒し工程を終了したならば、次に、実際のタングステン成膜工程へ移行する。
まず、ＷＦ_６ ガス、Ａｒガス、Ｈ_２ ガス及びＮ_２ ガスをそれぞれ８０ｓｃｃｍ、９００ｓｃｃｍ、７５０ｓｃｃｍ、１００ｓｃｃｍ供給し、タングステン膜の実際の成膜を行なう。ここではＳｉＨ_４ガス及びＢ_２ Ｈ_６ ガスの供給は停止する 。プロセス圧力及びプロセス温度は、それぞれ前工程と同じであり、８０Ｔｏｒｒ及び４６０℃である。これにより、図２（Ｄ）に示すように、ホール４２（図２（Ａ）参照）が埋め込まれると同時に、表面に配線用のタングステン膜５０が形成されることになる。この時の処理時間は、例えば９８秒程度であり、全体で８００ｎｍの膜厚のタングステン膜５０を形成する。
【００２０】
このように、核結晶成長工程と、実際にタングステン膜を成膜するタングステン成膜工程との間に、ボロン晒し工程を組み入れて、タングステン核結晶を例えばジボランに晒してボロン表面を形成することにより、後工程において成長されるタングステン核結晶（グレイン）の粒径を大きくすることができる。このため、形成されたタングステン膜５０の結晶構造は、バルク結晶に近いものとなり、比抵抗値を小さくすることができる。
【００２１】
Ｂ_２ Ｈ_６ ガスを用いない従来の成膜方法を本発明方法と比較した結果、従来方法によるタングステン膜の比抵抗値（１５００Å換算）は１２．２μΩｃｍ程度であったが、本発明方法によるタングステン膜の比抵抗値（１５００Å換算）は８．５μΩｃｍ程度であり、比抵抗値を大幅に改善できたことが判明した。
【００２２】
図３は上記した方法により成膜したタングステン膜によるホール埋め込み部分の断面の電子顕微鏡写真であり、図３（Ａ）に示す従来方法と比較して、図３（Ｂ）に示す本発明方法のタングステン核結晶の粒径は明らかに大きくなっていて、バルク結晶に近い状態となっていることが判明する。
また、本発明方法の場合には、ホール４２の埋め込みに関しては、何ら問題は生ぜず、従来方法と同様に良好な埋め込み状態であった。
【００２３】
更に、本発明方法では、上記したボロン晒し工程において、水素希釈５％濃度のＢ_２ Ｈ_６ ガスを１００ｓｃｃｍ添加しているが、このガス流量は略５０ｓｃｃｍ以上、すなわち全ガス総和量に対して略０．８５％（≒５０×１００／（４０００＋１８００＋５０））以上であることが好ましく、これよりも小さいと、比抵抗値はそれ程小さくはならない。この点について、図４を参照して説明する。図４は上記結果を示すために、Ｂ_２ Ｈ_６ ガス（５％濃度）の流量と比抵抗値との関係を示すグラフである（１８００Å換算）。尚、前述のようにＡｒガス流量とＨ_２ ガス流量は、それぞれ４０００ｓｃｃｍと１８００ｓｃｃｍに固定している。
【００２４】
このグラフから明らかなようにＢ_２ Ｈ_６ ガス（水素希釈５％濃度）の流量が５０ｓｃｃｍより少ない時には、タングステン膜の比抵抗値は１１．３μΩｃｍよりも大きくて好ましいが、５０ｓｃｃｍ以上になると、比抵抗値は１１μΩｃｍよりも小さくなり、従って、Ｂ_２ Ｈ_６ ガス（水素希釈５％濃度）ガスの流量は、５０ｓｃｃｍ以上（全ガス総流量に対して略０．８５％以上）に設定するのが良いことが判明する。
【００２５】
また、本発明方法では、Ｂ_２ Ｈ_６ ガスとしてこのガスを水素ガスにより５％濃度まで希釈した希釈ガスを用いているので、従来方法のようにＢ_２ Ｈ_６ ガスを窒素ガスやアルゴンガスで希釈したガスを用いた場合と異なり、Ｂ_２ Ｈ_６ ガスがガス源容器内やＢ_２ Ｈ_６ ガスの供給配管系内で重合することがなく、配管系が重合固形物により目詰まりすることも防止することができる。この点について図５も参照して説明する。図５は希釈ガスとしてＮ_２ ガス（従来方法）を用いた場合とＨ_２ ガス（本発明方法）を用いた場合のジボラン（Ｂ_２ Ｈ_６ ）の濃度変化を示すグラフである。このグラフから明らかなように、Ｎ_２ ガス希釈の場合には経過日数が多くなる程、ジボランの濃度が低下していてるので、ジボランが重合を起こしているのが判明する。これに対して、本発明方法で用いたＨ_２ ガス希釈の場合には、経過日数に関係なくシボランの濃度は略一定しており、重合を起こしていなくて良好な状態であることが判明する。これは、Ｎ_２ ガスを希釈ベースガスに用いると、Ｂ_２ Ｈ_６ にとって分子的に不安定になるからであると考えられる。
【００２６】
尚、上記実施例におけるガス流量、プロセス温度、プロセス圧力は、単に一例を示したに過ぎず、それらに限定されないのは勿論である。また、本実施例では、水素希釈による５％濃度のＢ_２ Ｈ_６ ガスを用いているが、この希釈の濃度が変われば、上述した各供給量の限界値もそれに比例して変わるのは勿論である。更に、用いるボロン含有ガスもジボランに限定されず、テトラボラン、ペンタボラン等の他のボランやＢＣｌ_３ 等も用いることができるのみならず、ウエハサイズも他のサイズのものを用いることができる。更には、被処理体としては、半導体ウエハのみならず、ガラス基板、ＬＣＤ基板等も用いることができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のタングステン膜の成膜方法によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
被処理体の表面にタングステン膜を成膜するに際して、核結晶成長工程と実際に成膜を行なうタングステン成膜工程との間に、被処理体をボロン含有ガスに晒すボロン晒し工程を行なうようにしたので、タングステン結晶粒（グレイン）の粒径を大きくしてこの比抵抗値を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のタングステン膜の成膜方法を実施するための真空処理装置を示す概略構成図である。
【図２】本発明の成膜方法を説明するための工程図である。
【図３】タングステン膜によるホール埋め込み部分の断面の電子顕微鏡写真である。
【図４】Ｂ_２ Ｈ_６ ガス（５％濃度）の流量と比抵抗値との関係を示すグラフである。
【図５】希釈ガスとしてＮ_２ ガス（従来方法）を用いた場合とＨ_２ ガス（本発明方法）を用いた場合のジボラン（Ｂ_２ Ｈ_６ ）の濃度変化を示すグラフである。
【符号の説明】
２ 真空処理装置
４ 処理容器
１０ 載置台
１２ 透過窓
１６ 加熱ランプ
２８ シャワーヘッド部
４０ バリヤメタル
４２ ホール
４４ ドープドポリシリコン膜
４６ 絶縁膜
４８ タングステンの核結晶
５０ タングステン膜
Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）

Claims (3)

1. 真空処理装置内において被処理体の表面にタングステン膜を成膜するに際して、前記被処理体の表面に、タングステン元素を含む成膜ガスの存在下においてタングステンの核結晶を成長させる核結晶成長工程と、この工程の後に、前記被処理体をボロン含有ガスの雰囲気に晒すボロン晒し工程と、この工程の後に、ボロン含有ガスの非存在下においてタングステン膜を形成するタングステン成膜工程とを備えたことを特徴とするタングステン膜の成膜方法。
2. 前記ボロン晒し工程において前記ボロン含有ガスとして水素希釈ジボランガスを用い、その流量は全ガス総流量に対して略０．８５％以上であることを特徴とする請求項１記載のタングステン膜の成膜方法。
3. 前記タングステン成膜工程は、前記被処理体の表面に形成されたホールの埋め込みと配線とを同時に行なう工程であることを特徴とする請求項１または２に記載のタングステン膜の成膜方法。

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