(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＶＤ法によってシリコンウエハー上にタングステンを成膜する工程を含む半導体装置の製造方法において、前記タングステンの膜厚をシリコンウエハーの周縁部においてシリコンウエハーの中央部より厚く成膜する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
シリコンウエハーの表面に上方からタングステンの原料ガスと還元剤と水素との混合ガスを供給し、かつ前記シリコンウエハーの下方からウエハーの周縁に沿って前記上方からの水素の流量以上の流量で水素ガスを供給して、前記シリコンウエハー上にタングステンを成膜する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のタングステンの成膜工程の後、成膜された前記タングステン膜をエッチバックする工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
原料ガスに化学反応を生ぜしめて薄膜を形成するための薄膜形成容器と、該容器内に設けられたウエハ保持手段と、該ウエハー保持手段上に保持されるウエハーの上面にタングステン原料ガスと還元剤と水素ガスとを供給する手段と、前記保持されたウエハーの周縁に沿って、該ウエハーの下方から水素ガスを供給する手段とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置、特にタングステン配線を有する半導体装置の製造方法および製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
タングステンは融点が高く、従ってアルミニウムのようにエレクトロマイグレーションを起こすことがないので、半導体装置や集積回路の内部配線に利用される。一般には、図１に示すように、シリコンウエハ１の表面にビアホール３を有するＳｉＯ2 などの絶縁層２を形成し、その全面にＴｉ膜４、ＴｉＮ膜５を順次成膜し、その後、ビアホール３内を埋め込むようにタングステンプラグ６を形成し、かつウエハ全面にタングステン膜７を成膜し、フォトリソグラフィとエッチングによって必要な配線形状を作成する。タングステン膜の形成には、通常ＣＶＤが用いられ、図２に示すように、反応容器１１内のヒータ内蔵ウエハ支持台１２上にＴｉＮ膜５までが成膜されているウエハ１３を支持し、ウエハ上にタングステン原料ガス、還元剤ガスおよびキャリヤガスをガス供給系１４から供給してタングステンを成膜する。成膜用のガスとしては、原料ガスとしてのＷＦ6 と還元用ガスとしてのシランガスにキャリアガスとしての水素を加えた混合ガスが用いられる。原料ガスは、次式のように還元ガスによって還元され、タングステン核を生じる。
【０００３】
【化１】
２ＷＦ6 ＋３ＳｉＨ4 →２Ｗ＋３ＳｉＦ4 ↑＋６Ｈ2         （１）
そして、この核を中心にして次式の反応によってウエハ上にタングステン膜が成膜される。
【０００４】
【化２】
ＷＦ6 ＋３Ｈ2 →Ｗ＋６ＨＦ↑                            （２）
このようにして成膜されたタングステン膜７を有するウエハをエッチング装置に移してタングステンのエッチバックを行う。エッチング装置の一例を図３に示す。支持台１５に支持されたウエハ１３の上部からエッチングガス供給系１６を通してエッチングガスをウエハ上に供給する。支持台１５には高周波源１７からコンデンサ１８を介して高周波が印加され、一方、エッチング装置の容器１９は接地されている。従って、高周波放電によってエッチングガスはプラズマ化され、効率よくタングステンをエッチッバックする。タングステン膜のエッチバックにはＳＦ6 ガスが用いられる。エッチバックに際して、ビアホールを埋めたタングステンプラグ６の表面には図１に示すように窪み（リセス）８が生じる。この窪みの深さはシリコンウエハの中央部では浅く、周縁部では深い。オーバーエッチになると、この傾向は特に著しくなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この現象をエッチングガスの流量制御で防ぐことは困難である。従って１枚のウエハーからスライスされた個々の半導体装置、集積回路装置において、タングステン配線の品質にばらつきが生じるという問題があった。
【０００６】
本発明者らは、この原因について究明し、以下の原因を突き止めた。図３に示すように、タングステン膜が形成されているシリコンウエハーの上面からプラズマ化されたＳＦ6 ガスがウエハー表面に供給され、エッチングを行い、下方の排気口２０から排気される。この時、エッチング反応において、反応生成物の除去が律速過程となり、ウエハー周縁部が中央部より排気速度が大きいため、エッチレートが高くなる。そのために、エッチされたタングステン膜の厚さは周縁部で薄くなり、タングステンプラグのリセスも周縁部では中央部より深くなる傾向を生じる。
【０００７】
例えば、図２のＣＶＤ装置を用い、ＷＦ6 ガスを３０ｓｃｃｍ、ＳｉＨ4 ガスを１５ｓｃｃｍ、Ｈ2 ガスを１０００ｓｃｃｍ流して６インチウエハ上にタングステン膜を成膜した。タングステンの膜厚はウエハ中央部では６０００Å、ウエハ周縁部では５８００Åと中央部の方が２００Å厚かった。このウエハを図３のエッチング装置で、高周波電力１３．５６ＭＨｚ、３００Ｗ、温度２５℃、圧力２８０ｍＴｏｒｒ、エッチングガスＳＦ6 、流量８０ｓｃｃｍの条件でエッチングしたところ、タングステンプラグに生じたリセスの深さはウエハ中央部では２０００Å、ウエハ周縁部では３０００Åであった。このように、エッチングにおいて、反応生成物の除去が律速過程となって周縁部のタングステンの厚さを薄くし、かつ、周縁部のリセスの深さを中央部より大きくすることが確かめられた。
【０００８】
本発明は、このような従来の問題を解決し、ウエハの中央部と周縁部とでタングステンプラグに生じるリセスの深さが浅く、かつ均一であり、従って、１枚のウエハーからスライスされた個々の半導体装置、集積回路装置において、タングステン配線の品質にばらつきが生じない半導体装置の製造方法およびそのための製造装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するために、本発明による半導体装置の製造方法は、ＣＶＤ法によってシリコンウエハー上にタングステンを成膜する工程を含む半導体装置の製造方法において、前記タングステンの膜厚をシリコンウエハーの周縁部においてシリコンウエハーの中央部より厚く成膜する工程を有することを特徴とする。
【００１０】
さらに、本発明による製造方法は、シリコンウエハーの表面に上方からタングステンの原料ガスと還元剤と水素との混合ガスを供給し、かつ前記シリコンウエハーの下方からウエハーの周縁に沿って前記上方からの水素の流量以上の流量で水素ガスを供給して、前記シリコンウエハー上にタングステンを成膜する工程を有することを特徴とする。
【００１１】
ここで、本発明の製造方法は、前述したタングステンの成膜工程の後、成膜された前記タングステン膜をエッチバックする工程を有する。
【００１２】
本発明による半導体装置の製造装置は、原料ガスに化学反応を生ぜしめて薄膜を形成するための薄膜形成容器と、該容器内に設けられたウエハ保持手段と、該ウエハー保持手段上に保持されるウエハーの上面にタングステン原料ガスと還元剤と水素ガスとを供給する手段と、前記保持されたウエハーの周縁に沿って、該ウエハーの下方から水素ガスを供給する手段とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明においては、シリコンウエハ上にタングステンを成膜して、絶縁膜中のビアホールにタングステンプラグを形成する際に、ウエハ上部からの原料ガス、還元ガスおよび水素ガスの供給とともに、ウエハ下部からウエハの周縁に沿って水素ガスを供給し、ウエハ下部からの水素ガス供給量をウエハ上部からの水素ガス供給量と等しく、またはウエハ上部からの水素ガス供給量より大きくする。これによって、成膜されたタングステンの膜厚分布をウエハの周縁部の厚さが中心部の厚さより大きくする。このような膜厚分布を有するタングステン膜をエッチバックすることによって、タングステンプラグに生じるリセスの深さをウエハの全面にわたって均一化することができる。
【００１４】
【実施例】
図４に示したＣＶＤ装置を用いて、タングステンの成膜を行った。図２に示した従来の装置との差は、ウエハ１３の下方から、ウエハの周縁に沿ってＨ2 ガスを供給する第２のガス供給手段２１を備えたことである。ウエハの状態は、図１に示したシリコンウエハ１にビアホール３を有する絶縁膜２が形成され、その全面にＴｉ膜４、ＴｉＮ膜５が形成された状態である。ウエハの上方から、原料ガスとしてのＷＦ6 と還元用ガスとしてのシランガスにキャリアガスとしてのＨ2 ガスを加えた混合ガスを供給し、同時に下方からＨ2 ガスを供給すると、式（１）、式（２）によって、タングステンがウエハ上に成膜され、かつビアホール内にはタングステンプラグが形成される。この時、下方からのＨ2 の供給量を零から増やすにつれて、タングステン膜の中央部と周縁部の膜厚差は減少し、下方からのＨ2 ガスの供給量が上方からのＨ2 ガスの供給量より大きくなると、ウエハ周縁部のタングステン膜の膜厚は中央部の膜厚より大きくなる。このような膜厚分布を持つタングステン膜をエッチバックすることによって、プラグのリセスを浅く、かつリセスの深さをウエハ中央部から周縁部にわたって均一にすることができる。
【００１５】
図４に示したＣＶＤ装置を用い、上述したＴｉＮ膜５までが形成された状態の６インチシリコンウエハ上にＷＦ6 ガスを３０ｓｃｃｍ、ＳｉＨ４ガスを１５ｓｃｃｍ、上方からのＨ2 ガスを５００ｓｃｃｍ、下方からのＨ2 ガスを１０００ｓｃｃｍ流して、ビアホール内にプラグ６を形成し、かつウエハ全面にタングステン膜７を成膜した。タングステンの膜厚はウエハ周縁部で６５００Å、ウエハ中央部で５５００Å、その差は１０００Åであった。このウエハを図３のエッチング措置に移し、高周波電力１３．５６ＭＨｚ、３００Ｗ、温度２５℃、圧力２８０ｍＴｏｒｒ、エッチングガスＳＦ6 、流量８０ｓｃｃｍの条件でエッチングした。エッチバック後のタングステンの膜厚はウエハ周縁部とウエハ中央部とでほぼ等しかった。得られたウエハのビアホール近傍の断面を図５に示す。タングステンプラグに生じたリセスの深さはウエハ中央部、ウエハ周縁部ともに１０００Åと浅く、かつ均一であった。
【００１６】
上から流す水素の量と下から流す水素の量とが成膜されたタングステンの膜厚分布に与える影響を調べた。結果を以下に示す。ＷＦ6 およびＳｉＨ4 の流量は、それぞれ上記と同じ３０ｓｃｃｍおよび１５ｓｃｃｍに固定した。
【００１７】
【表１】
0003641356.tif 000002
このように、下から流す水素の量を上から流す水素の量以上とすることによって、タングステンの膜厚をウエハ周縁部においてウエハ中央部より厚くすることができ、そのためにタングステンプラグに形成されるリセスの深さを浅く、かつその分布を均一にすることができる。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ＣＶＤ法によってタングステン膜を形成するに際して、ウエハの上方から原料ガス、還元ガス、水素ガスを供給するとともに、ウエハの下方から上方からの供給量より大きな供給量で水素ガスを供給する。これによって、タングステンの膜厚をウエハ周縁部で厚く、中央部で薄くする。このようなタングステン膜をエッチバックすることによって、タングステンプラグに生じるリセスを浅く、かつその深さの分布をウエハ全体にわたって均一にすることができ、半導体装置の製造歩留まりを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来法によって得られたウエハのビアホール近傍の断面図である。
【図２】従来のＣＶＤ装置の概要を示す断面図である。
【図３】エッチング装置の概要を示す断面図である。
【図４】本発明による半導体装置の製造装置の実施例を示す断面図である。
【図５】本発明によって得られたウエハのビアホール近傍の断面図である。
【符号の説明】
１  シリコンウエハ
２  絶縁層
３  ビアホール
４  Ｔｉ膜
５  ＴｉＮ膜
６  タングステンプラグ
７  タングステン膜
８  リセス
１１  反応容器
１２  ウエハ支持台
１３  ウエハ
１４  ガス供給系
１５  支持台
１６  エッチングガス供給系
１７  高周波源
１８  コンデンサ
１９  エッチング装置の容器
２０  排気口
２１  下方からＨ2 ガスを供給するガス供給手段
【図１】
0003641356.tif 000003
【図２】
0003641356.tif 000004
【図３】
0003641356.tif 000005
【図４】
0003641356.tif 000006
【図５】
0003641356.tif 000007