(57)【要約】【目的】コンタクトホールやビアホール等の接続孔を充填する導電性膜の形成に好適な基板処理装置、基板処理方法および半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】チャンバ２内にガスを供給するガス導入管５１〜５４を備える。当該ガス導入管５１〜５４の一端には、上記チャンバ２に供給するガスを収容したガス供給源１１〜１４が接続されている。ガス導入管５１〜５４には、開閉バルブ２１〜２４、４１〜４４、およびガスの流量を所定流量に制御する質量流量コントローラ３１〜３４が介在されている。さらに、チャンバ２へガスの供給を開始するときに、開閉バルブ２１〜２４が開状態になった後に質量流量コントローラ３１〜３４に流量制御を開始させる信号遅延回路９１、９２を備える。【選択図】図１
2008050633.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応室内にガスを導入して、前記反応室内に配置された基板の処理を行う基板処理装置において、
前記反応室内にガスを供給するガス導入管と、
前記ガス導入管の一端に接続され、前記反応室に供給するガスを収容するガス供給源と、
前記ガス導入管に介在された開閉バルブと、
前記ガス導入管に介在され、前記ガスの流量を所定流量に制御する質量流量コントローラと、
前記反応室へ前記ガスの供給を開始するときに、前記開閉バルブが開状態になった後に前記質量流量コントローラに流量制御を開始させる手段と、
を備えたことを特徴とする基板処理装置。
【請求項２】
複数の前記ガス導入管を備えた請求項１記載の基板処理装置。
【請求項３】
前記開閉バルブおよび質量流量コントローラへ、その動作を制御するための信号が同時に出力されるとともに、前記信号を所定時間遅延させて前記質量流量コントローラに入力することにより、前記開閉バルブが開状態になった後に前記質量流量コントローラに流量制御を開始させる信号遅延回路を備えた請求項１記載の基板処理装置。
【請求項４】
前記開閉バルブの開閉動作が加圧流体により行われる請求項１から３のいずれか１項に記載の基板処理装置。
【請求項５】
前記基板の処理が、前記ガスにより前記基板に膜を堆積する処理である請求項１から３のいずれか１項に記載の基板処理装置。
【請求項６】
開閉バルブおよびガス流量を所定流量に制御する質量流量コントローラが介在されたガス導入管を通じて反応室内にガスを導入し、基板の処理を行う基板処理方法において、
前記開閉バルブを開状態にする工程と、
前記開閉バルブが開状態になった後、前記質量流量コントローラに流量制御を開始させる工程と、
以上の工程により前記反応室に導入されたガスにより基板処理を行う工程と、
を含むことを特徴とする基板処理方法。
【請求項７】
複数の前記ガス導入管を通じてそれぞれ異なるガスが前記反応室に導入され、
前記複数のガス導入管のそれぞれに介在された開閉バルブが開状態になった後、前記複数のガス導入管のそれぞれに介在された質量流量コントローラによる流量制御が開始される請求項６記載の基板処理方法。
【請求項８】
前記ガスが、六フッ化タングステンガスとシランガスとである請求項７記載の基板処理方法。
【請求項９】
請求項８記載の基板処理方法により、半導体基板上の絶縁膜に形成された貫通孔にタングステン膜を堆積することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
さらに、前記ガス導入管を通じて、六フッ化タングステンガスと水素ガスとを前記反応室に導入することにより前記タングステン膜上に新たなタングステン膜を堆積し、当該新たなタングステン膜により前記貫通孔を充填する請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板処理装置、基板処理方法および半導体装置の製造方法に関し、特に、コンタクトホールやビアホール等の細孔を充填する導電性膜の形成に好適な基板処理装置、基板処理方法および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の微細化に伴い、半導体装置が備えるコンタクトホールやビアホール等の径が小さくなり、ホール高さに対するホール径の比（アスペクト比）が大きくなっている。また、配線層の多層化に伴い、異なる配線層間を接続する接続構造の形成回数が増大している。このため、半導体装置の製造工程では高アスペクト比のコンタクトやビア等の接続構造を安定して形成する技術が非常に重要になっている。
【０００３】
コンタクトホールやビアホール等の接続孔の内部に導電体を充填する技術として、近年、化学的気相成長法によりタングステン膜を形成する手法（以下、Ｗ−ＣＶＤと記載する）が多用されている。Ｗ−ＣＶＤにより接続孔にタングステンを充填する工程は、六フッ化タングステン（ＷＦ6）ガスをモノシラン（ＳｉＨ4）ガスにて還元し、接続孔内にタングステン核膜（以下、Ｗ核膜と記述する）を形成する工程と、ＷＦ6ガスを水素（Ｈ2）ガスにて還元し、Ｗ核上にタングステン膜（以下、Ｗ膜と記述する）を形成する工程とからなる。これは、ＷＦ6ガスとＨ2ガスとの還元反応により、接続孔内にＷ膜を直接成長させると、Ｗ膜が一様に成長せず、埋め込み不良が発生しやすいからである。なお、接続孔内にはＷ核膜の剥離を防止する密着層として、チタン膜と窒化チタン膜との積層膜が形成されている。
【０００４】
Ｗ−ＣＶＤ装置では、通常のＣＶＤ装置と同様に、上述の各プロセスガスは流量制御がなされた状態で、成膜が行われる反応室内に導入される。プロセスガスの流量制御には、マスフローコントローラ（以下、ＭＦＣと記述する）が使用される。周知のように、ＭＦＣは、電気的な制御信号を入力することにより、その動作が制御される。ここで、制御信号とは、ＭＦＣ内のガス流量を制御する流量制御バルブの開度を調整するための流量設定信号等である。
【０００５】
図５は、従来のＷ−ＣＶＤ装置を示す概略構成図である。図５に示すように、Ｗ−ＣＶＤ装置１００は、内部に処理対象の基板１０３が配置されるとともに成膜処理が行われるチャンバ１０２と、当該チャンバ１０２にプロセスガスを供給するガス供給部１１０とを備える。ガス供給部１１０は、各プロセスガスが収容されたボンベ等のガス供給源１１１、１１２、１１３、１１４を備える。ここでは、ガス供給源１１１にＷＦ6ガス、ガス供給源１１２にＳｉＨ4ガス、ガス供給源１１３にアルゴン（Ａｒ）ガス、ガス供給源１１４にＨ2ガスのそれぞれが収容されている。各ガス供給源１１１〜１１４に収容された各プロセスガスは、各ガス供給源１１１〜１１４に一端が接続されたガス供給管１５１、１５２、１５３、１５４を通じてチャンバ１０２へ供給される。なお、各ガス供給管１５１〜１５４の他端は、１つのガス供給管１５０に合流されてチャンバ１０２の上部に接続されている。
【０００６】
各ガス供給管１５１〜１５４には、各プロセスガスの流量制御を行うＭＦＣ１３１、１３２、１３３、１３４がそれぞれ介在されている。各ＭＦＣ１３１〜１３４のガス供給源側には、ガスバルブ１２１、１２２、１２３、１２４がそれぞれ配置されている。各ガスバルブ１２１〜１２４は、各ガス供給源１１１〜１１４と、対応する各ＭＦＣ１３１〜１３４との間のガス流路を開閉する。また、各ＭＦＣ１３１〜１３４のチャンバ１０２側には、ガスバルブ１４１、１４２、１４３、１４４がそれぞれ配置されている。各ガスバルブ１４１〜１４４は、各ＭＦＣ１３１〜１３４と、チャンバ１０２との間のガス流路を開閉する。なお、ガスバルブ１２１〜１２４、および１４１〜１４４としては、圧縮空気により駆動されるエアオペレートバルブ（以下、エアオペバルブ１２１〜１２４、１４１〜１４４と記載する）が用いられる。また、エアオペバルブ１２１〜１２４、および１４１〜１４４は、圧縮空気により空気圧を印加していないときは閉状態であり、空気圧を印加したときに開状態になるノーマリークローズタイプ（Normally Closed Type）が使用されている。
【０００７】
また、チャンバ１０２は、その内部に、基板１０３が設置されるステージ１０４を備える。ステージ１０４は、チャンバ１０２の底部を貫通する支持部材の一端に支持されており、鉛直方向に移動自在に構成されている。ステージ１０４の支持部材とチャンバ１０２との間にはＯリング等が設けられ、チャンバ１０２の気密状態が確保されている。なお、ステージ１０４にはヒータ１０５が内蔵されており、ステージ１０４に設置された基板１０３を所定温度に維持できる構成になっている。
【０００８】
ステージ１０４の上方には、円盤状のシャワーヘッド１０６が設けられている。ガス導入管１５０を通じてチャンバ１０２に供給されたプロセスガスは、シャワーヘッド１０６によって十分に分散かつ混合されて基板１０３側へ流出する。これにより、複数種のガスが混合されたプロセスガスが、基板１０３上に供給される。なお、チャンバ１０２の下方側壁面には排気管１０７が接続されており、真空ポンプ１０８が、排気管１０７を通じてチャンバ１０２内を排気する構成になっている。
【０００９】
上述のＷ−ＣＶＤ装置１００において、基板１０３上にＷ核膜およびＷ膜を堆積する場合、まず、チャンバ１０２内部が真空ポンプ１０８により減圧される。当該状態で、ヒータ１０５によって加熱されたステージ１０４に、接続孔（コンタクトホールあるいはビアホール）が形成された基板１０３が設置され、ステージ１０４を介して基板１０３が所定温度に昇温される。
【００１０】
次いで、エアオペバルブ１２３および１４３が開放されるとともに、ＭＦＣ１３３に流量設定信号が入力される。これにより、ガス供給管１５３および１５０を通じてチャンバ１０２内へ所定流量のＡｒガスが導入される。
【００１１】
チャンバ１０２内が所定圧力になった後、エアオペバルブ１２３および１４３が閉鎖されるとともに、エアオペバルブ１２１、１４１、並びにエアオペバルブ１２２、１４２が開放され、ＭＦＣ１３１、１３２に流量設定信号が入力される。これにより、所定流量のＷＦ6ガスおよび所定流量のＳｉＨ4ガスの混合ガスが、ガス供給管１５０を通じてチャンバ１０２内へ導入される。当該混合ガスが基板１０３の表面に到達すると、ＳｉＨ4ガスによるＷＦ6ガスの還元反応により、基板１０３上にＷ核膜が形成される。この状態を所定の時間保持した後、エアオペバルブ１２１、１４１、１２２、１４２が閉鎖されるとともにＭＦＣ１３１、１３２のガス流量制御が停止される。
【００１２】
続いて、エアオペバルブ１２１、１４１、並びにエアオペバルブ１２４、１４４が開放されるとともに、ＭＦＣ１３１、１３４に流量設定信号が入力される。これにより、所定流量のＷＦ6ガスおよび所定流量のＨ2ガスの混合ガスが、ガス供給管１５０を通じてチャンバ１０２内へ導入される。当該混合ガスが基板１０３の表面に到達すると、Ｈ2ガスによるＷＦ6ガスの還元反応により、基板１０３上にＷ膜が形成される。この状態を所定の時間保持した後、エアオペバルブ１２１、１４１、１２４、１４４が閉鎖され、さらにＭＦＣ１３１、１３４のガス流量制御が停止される。
【００１３】
この後、エアオペバルブ１２３、１４３が開放されるとともに、ＭＦＣ１３３に流量設定信号が入力される。これにより、ガス供給管１５０を通じてチャンバ１０２内へ所定流量のＡｒガスを導入され、チャンバ１０２内がパージされる。当該パージの後、Ｗ核膜およびＷ膜が形成された基板１０３がチャンバ１０２から搬出される。
【００１４】
以上のようにして、Ｗ核膜とＷ膜とを順に堆積することにより、接続孔内にタングステンからなる導電体が充填される。
【００１５】
なお、複数のガス流路を通じてガスを安定して供給する技術として、例えば、特許文献１、２がある。
【特許文献１】特開２００２−１２９３３７号公報
【特許文献２】特開２０００−３０５６３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、上記従来のＷ−ＣＶＤ装置１００において、接続孔にタングステンを充填した場合、Ｗ核膜を形成しているにも関わらず、接続孔の下部にボイドが発生するという問題があった。このような問題は常時発生する問題ではないが、ボイドが発生した接続構造では、コンタクト抵抗の増大や断線等の電気的不良が発生する。このような電気的不良が発生した半導体装置は、所望の電気特性が得られない不良品であり、製造歩留まりが低下してしまう。このため、接続孔内でのボイドの発生は、必ず回避する必要がある。
【００１７】
本願発明者らは、このようなボイドが発生した接続孔を解析した結果、その下部にＷ核膜が形成されていないことを見いだした。さらに、接続孔の下部にＷ核膜が形成されない原因が反応室にガスを導入した当初に、所定流量のプロセスガスを同時に導入できていないことあるという知見を得た。
【００１８】
図６は、従来のＷ−ＣＶＤ装置１００を用いた場合の半導体装置の接続孔を充填する過程を示す工程断面図である。なお、ここでは、図６（ａ）に示すように、半導体基板１７１上に、シリコン酸化膜等の絶縁膜１７２が形成されており、当該絶縁膜１７２に、コンタクトホール１７３が形成されている。当該コンタクトホール１７３が形成された後半導体基板１７１の全面に、スパッタリング法等により、チタン膜１７４、および窒化チタン膜１７５が形成されている。なお、図示を省略しているが、コンタクトホール１７３の底部に露出した半導体基板１７１には、不純物領域が形成されている。
【００１９】
上記状態の半導体基板１７１の全面に、まず、ＷＦ6ガスとＳｉＨ4ガスの混合ガスによるＷ−ＣＶＤ法を用いてＷ核膜１７６が形成される。このとき、チャンバ１０２に導入されるＷＦ6ガスとＳｉＨ4ガスは、それぞれが所定の流量となるように、ＭＦＣ１３１、１３２に流量設定信号が入力される（図５参照。）。
【００２０】
図７は、このときのＷＦ6ガスの流量波形およびＳｉＨ4ガスの流量波形を示す図である。図７において、横軸は時間に対応し、縦軸はガス流量に対応する。また、図７には、ＷＦ6ガスの流量設定信号を１点鎖線１６５で示し、ＳｉＨ4ガスの流量設定信号を破線１６６で示している。図７に示すように、時刻ｔ1に流量設定信号が入力されると、ＷＦ6ガス流量１６１、ＳｉＨ4ガス流量１６２は、ガス供給初期において、設定流量を超えるオーバーシュートが発生する。ＷＦ6ガス流量１６１は、オーバーシュートした後、設定ガス流量に安定するまでの間に乱調（ハンチング）現象を生じている。乱調現象とは、ガス流量が設定流量を挟んで振動する現象である。また、ＷＦ6ガス流量１６１の乱調現象は、ＳｉＨ4ガス流量１６２が安定した時刻ｔ1A以降も継続して発生している。そして、ＷＦ6ガス流量１６１は、時刻ｔ1B（ｔ1＜ｔ1A＜ｔ1B）において安定している。
【００２１】
このように、ＳｉＨ4ガスが安定して供給され、ＷＦ6ガスが乱調現象を生じている場合（時刻ｔ1A〜時刻ｔ1B）、図６（ａ）に示すように、安定して供給され始めたＳｉＨ4ガスはコンタクトホール１７３の下部に到達するが、ＷＦ6ガスは乱調現象を生じているため、コンタクトホール１７３の下部に十分に到達しない。このため、コンタクトホール１７３の下部では、Ｗ核膜１７６の還元反応が進行し難い状態になる。
【００２２】
また、ＷＦ6ガスをＳｉＨ4ガスにより還元して形成するＷ核膜１７６は、ＷＦ6ガスをＨ2ガスにより還元して形成するＷ膜１７７に比べて電気抵抗率が高い。このため、Ｗ核膜１７６の膜厚はできるだけ薄いことが好ましく、成膜時間が短時間に設定されている。
【００２３】
このため、図６（ｂ）に示すようにＷ核膜１７６は、コンタクトホール１７３の上部のみに形成され、コンタクトホール１７３の下部には形成されなくなってしまう状況が発生するのである。したがって、Ｗ核膜１７６を形成した後に、ＷＦ6ガスおよびＨ2ガスをチャンバ１０２内に導入しＷ膜１７７を形成した場合、窒化チタン膜１７５上に堆積し難いため、コンタクトホール１７３の上部にＷ膜１７７が堆積する。この結果、コンタクトホール１７３の下部へのＷＦ6ガスおよびＨ2ガスの進入がさらに困難になり、最終的に図６（ｃ）に示すように、コンタクトホール１７３の下部にボイドが発生する。
【００２４】
本発明は、上記従来の事情を鑑みて提案されたものであって、コンタクトホールやビアホール等の接続孔を充填する導電性膜の形成に好適な基板処理装置、基板処理方法および半導体装置の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記目的を達成するために、本発明は以下の技術的手段を採用している。すなわち、本発明に係る基板処理装置は、反応室内にガスを導入して、反応室内に配置された基板の処理を行う基板処理装置であって、反応室内にガスを供給するガス導入管を備えている。当該ガス導入管の一端には、上記反応室に供給するガスを収容するガス供給源が接続されている。上記ガス導入管には、開閉バルブ、および上記ガスの流量を所定流量に制御する質量流量コントローラが介在されている。さらに、本発明に係る基板処理装置は、上記反応室へガスの供給を開始するときに、上記開閉バルブが開状態になった後に上記質量流量コントローラに流量制御を開始させる手段を備える。
【００２６】
基板処理装置は、上記ガス導入管を複数備えていてもよい。また、本構成は、上記開閉バルブの開閉動作が加圧流体により行われる場合に特に好適である。例えば、上記基板の処理は、上記ガスにより基板に膜を堆積する処理とすることができる。
【００２７】
また、上記開閉バルブが開状態になった後に上記質量流量コントローラに流量制御を開始させる手段は、例えば、上記開閉バルブと上記質量流量コントローラとへ同時に動作開始信号を出力する場合は、質量流量コントローラに接続された信号遅延回路により構成することができる。また、上記開閉バルブへ動作開始信号を出力した後、上記質量流量コントローラとへ動作開始信号を出力する構成を採用することもできる。
【００２８】
一方、他の観点では、本発明は基板処理方法を提供することができる。まず、本発明に係る基板処理方法は、開閉バルブおよびガス流量を所定流量に制御する質量流量コントローラが介在されたガス導入管を通じて反応室内にガスを導入し、基板の処理を行う基板処理方法を前提としている。そして、本発明に係る基板処理方法は、開閉バルブを開状態にする工程と、当該開閉バルブが開状態になった後、上記質量流量コントローラに流量制御を開始させる工程とを含む。以上の工程により反応室に導入されたガスにより基板処理が行われる構成である。
【００２９】
上記構成において、複数の上記ガス導入管を通じてそれぞれ異なるガスが前記反応室に導入する構成とすることもできる。この場合、複数のガス導入管のそれぞれに介在されたバルブが開状態になった後、上記複数のガス導入管のそれぞれに介在された質量流量コントローラによる流量制御が開始される。例えば、上記ガスが、六フッ化タングステンガスとシランガスとすることができる。
【００３０】
さらに、本発明は、上記基板処理方法により、半導体基板上の絶縁膜に形成された貫通孔にタングステン膜を堆積する半導体装置の製造方法を提供することもできる。この場合、上記ガス導入管を通じて、六フッ化タングステンガスと水素ガスとを前記反応室に導入することにより前記タングステン膜上に新たなタングステン膜を堆積し、当該新たなタングステン膜により前記貫通孔を充填することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、反応室にガスを導入する当初から、所定流量のガスを反応室内に導入することができる。また、複数種のガスを導入する場合は、反応室にガスを導入する当初から、所定流量のガスを反応室内に同時に導入することができる。このため、反応室にガスを導入する当初から、均質な所望の基板処理を実施することができる。特に、本発明をＷ−ＣＶＤに適用した場合、反応室にガスを導入する当初から、ＷＦ6ガス、ＳｉＨ4ガスを所定流量で反応室内に同時に導入することができ、コンタクトホールやビアホール等の接続孔に極めて均一なタングステン膜（タングステン核膜）を形成することができる。この結果、タングステン埋め込み不良の発生を防止することができ、半導体装置の製造歩留まり低下を確実に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
コンタクトホールやビアホール等の接続孔の下部にボイドが形成される要因は、反応室にガスを導入した当初に、所定流量のプロセスガスを反応室内に導入できていないことある。本願発明者らは、当該現象の原因を解析した結果、以下のような知見を得た。
【００３３】
上述したように、ＭＦＣは電気信号によりその動作が制御される。このため、Ｗ−ＣＶＤ装置の動作制御部から、ＭＦＣへ動作開始信号（例えば、流量設定信号）が出力された場合、ＭＦＣは直ちに動作する。一方、エアオペバルブは、圧縮空気によりその動作が制御される。このため、Ｗ−ＣＶＤ装置の動作制御部から、エアオペバルブへ動作開始信号（例えば、開状態にする信号）が出力された場合、エアオペバルブは動作制御信号に応答した圧縮空気がエアオペバルブに到達した時点で動作することになる。したがって、Ｗ−ＣＶＤ装置の動作制御部から、ＭＦＣとエアオペバルブとへ同時に動作制御信号が出力された場合、エアオペバルブはＭＦＣに比べて遅れて動作する。
【００３４】
図８は、従来のＷ核膜形成過程のＷ−ＣＶＤ装置１００主要部の動作タイミングチャートである。図８において、横軸は時間に対応し、縦軸はＭＦＣおよびバルブの開閉状態に対応している。図８に示すように、まず、時刻ｔ1において、Ｗ−ＣＶＤ装置の動作制御部から、ＭＦＣ１３１、１３２、並びにエアオペバルブ１２１、１２２、１４１、１４２に同時に動作開始（ガス流路を開状態にする）信号が送られる。この場合、ＭＦＣ１３１、１３２は、ほぼ時刻ｔ1に開状態になり、流量制御を開始する。一方、エアオペバルブ１２１、１２２、１４１、１４２は、時刻ｔ2（ｔ1＜ｔ2）に開状態になる。その後、Ｗ核膜形成を所定時間継続し、時刻ｔ3において、ＭＦＣ１３１、１３２およびエアオペバルブ１２１、１４１、１２２、１４２に同時に動作停止（閉）信号が送られる。この場合も、ＭＦＣ１３１、１３２は、ほぼ時刻ｔ3に閉状態になるのに対し、エアオペバルブ１２１、１２２、１４１、１４２は、時刻ｔ4（ｔ3＜ｔ4）に閉状態になる。
【００３５】
図７に示したように、ＭＦＣ１３１、１３２は、Ｗ−ＣＶＤ装置の動作制御部から動作開始信号が出力された時刻ｔ1に動作し始める。しかしながら、エアオペバルブ１２１、１２２、１４１、１４２は、上述のとおりＭＦＣ１３１、１３２よりも遅れて動作し始める。すなわち、ＭＦＣ１３１、１３２は、ガスが供給されていない状態で流量制御を開始する。このとき、ＭＦＣ１３１、１３２は、設定流量を実現しようとするため、流量制御バルブを、設定流量を実現できる開度よりも大きく、ほぼ全開になるまで開いてしまう。そして、当該状態で、エアオペバルブ１２１、１２２、１４１、１４２が開状態になるため、ＷＦ6ガス流量１６１、ＳｉＨ4ガス流量１６２は、ガス供給初期において、設定流量を超えるオーバーシュートが発生するのである。その後、図５に示すＷ−ＣＶＤ装置のチャンバ１０２には、ＷＦ6ガスが安定して供給される前に、ＳｉＨ4ガスが安定して供給される。
【００３６】
なお、ＷＦ6ガスとＳｉＨ4ガスの流量が安定するまでの時間が異なるのは、分子量の差異に起因する。すなわち、ＷＦ6ガスの分子量（２９７.８４）はＳｉＨ4ガスの分子量（３２.１）よりも大きい。分子量が小さいほど流量が安定するまでの時間が短いため、ＷＦ6ガスよりも、ＳｉＨ4ガスの方が短時間で安定するのである。
【００３７】
本発明はこのような知見に基づいてなされたものである。以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。以下の実施形態では、Ｗ−ＣＶＤ装置として本発明を具体化している。
【００３８】
図１は、本発明に係る一実施形態の基板処理装置であるＷ−ＣＶＤ装置１を示す概略構成図である。図１に示すように、Ｗ−ＣＶＤ装置１は、処理対象の基板３が設置されるチャンバ（反応室）２にガス供給部１０が接続された構成を有している。チャンバ２は、基板３が設置されるステージ４を有しており、このステージ４の上方には、円盤状のシャワーヘッド６が設けられている。ステージ４は、チャンバ２の底部を貫通する支持部材の上端に設けられており、図示しない駆動装置により昇降可能となっている。なお、支持部材は、Ｏリング等によりチャンバ２に気密に設けられている。
【００３９】
また、チャンバ２の上部にはガス供給管５０が接続されている。ガス供給管５０は、ガス供給管５１、５２、５３、５４が１つに連結されたものであり、ガス供給管５０からチャンバ２内に導入されたプロセスガスは、シャワーヘッド６によって十分に分散かつ混合されて基板３側へ流出する。これにより、複数種のガスが混合されたプロセスガスが、基板３上に供給される。なお、チャンバ２の下方側壁面には排気管７が接続されており、真空ポンプ８が、排気管７を通じてチャンバ２内を排気する構成になっている。
【００４０】
ガス供給部１０の各ガス供給管５１〜５４の一端には、各プロセスガスが収容されたボンベ等のガス供給源１１、１２、１３、１４が接続されている。ここでは、ガス供給源１１にＷＦ6ガス、ガス供給源１２にＳｉＨ4ガス、ガス供給源１３にＡｒガス、ガス供給源１４にＨ2ガスのそれぞれが収容されている。
【００４１】
各ガス供給管５１〜５４には、各プロセスガスの流量制御を行うＭＦＣ３１、３２、３３、３４が介在されている。各ＭＦＣ３１〜３４のガス供給源側には、開閉バルブ２１、２２、２３、２４がそれぞれ配置されている。各開閉バルブ２１〜２４は、各ガス供給源１１〜１４と、対応する各ＭＦＣ３１〜３４との間のガス流路を開閉する。また、各ＭＦＣ３１〜３４のチャンバ２側には、開閉バルブ４１、４２、４３、４４がそれぞれ配置されている。各開閉バルブ４１〜４４は、各ＭＦＣ３１〜３４と、チャンバ２との間のガス流路を開閉する。なお、開閉バルブ２１〜２４、および４１〜４４としては、圧縮空気により駆動されるエアオペレートバルブ（以下、エアオペバルブ２１〜２４、４１〜４４と記載する。）が用いられる。また、エアオペバルブ２１〜２４、および４１〜４４は、圧縮空気により空気圧を印加していないときは閉状態であり、空気圧を印加したときに開状態になるノーマリークローズタイプである。
【００４２】
また、ステージ４にはヒータ５が内蔵されており、ステージ４に設置された基板３を所定温度に維持できる構成になっている。
【００４３】
さて、本実施形態のＷ−ＣＶＤ装置１は、ＷＦ6ガス流量制御用のＭＦＣ３１、およびＳｉＨ4ガス流量制御用のＭＦＣ３２に、それぞれ信号遅延回路９１、９２が接続されている。信号遅延回路９１、９２は、Ｗ−ＣＶＤ装置１の動作制御部（図示せず）から出力されたＭＦＣ３１、３２への流量制御信号を所定時間（例えば、０．１〜５秒）だけ遅延させる。信号遅延回路９１、９２は、ＭＦＣ３１、３２の流量制御を、アオペバルブ２１、４１、２２、４２の動作完了後に開始させる機能を有している。すなわち、本実施形態では、例えば、ガス供給源１１、１２からチャンバ２へガスの供給を開始する際、ＭＦＣ３１、３２の流量制御動作が、エアオペバルブ２１、４１、２２、４２の開動作完了後に開始される。このため、ＭＦＣ３１、３１はガス供給源１１、１２からガスが十分供給されてから動作が開始できる。したがって、ＭＦＣ３１、３２は、流量制御バルブを、設定流量を実現できる開度よりも大きく開くことなく、動作開始当初から流量制御を開始する。この結果、ガス供給初期でのガス流量のオーバーシュートおよびガス流量の乱調（ハンチング）の発生を防止することができる。なお、Ｗ−ＣＶＤ装置１の動作制御部は、専用の演算回路や、プロセッサとＲＡＭやＲＯＭ等のメモリとを備えたハードウェア、および当該メモリに格納され、プロセッサ上で動作するソフトウェア等として実現することができる。
【００４４】
上述のＷ−ＣＶＤ装置１において、基板３上にＷ核膜およびＷ膜を堆積する場合、まず、チャンバ２内部が真空ポンプ８により減圧される。当該状態で、ヒータ５によって加熱されたステージ４に、接続孔（コンタクトホールあるいはビアホール）が形成された基板３が設置され、ステージ４を介して基板３が所定温度に昇温される。ここでは、基板３は、図２（ａ）に示すように、半導体基板７１上に、シリコン酸化膜等の絶縁膜７２が形成された構造を有している。当該絶縁膜７２には、コンタクトホール７３が形成されており、当該コンタクトホール７３が形成された後、半導体基板７１の全面に、スパッタリング法等により、チタン膜７４および窒化チタン膜７５が形成されている。なお、図示を省略しているが、コンタクトホール７３の底部に露出した半導体基板７１には、不純物領域が形成されている。
【００４５】
次いで、エアオペバルブ２３および４３が開放されるとともに、ＭＦＣ３３に流量設定信号が入力される。これにより、ガス供給管５０を通じてチャンバ２内へ所定流量のＡｒガスが導入される。
【００４６】
チャンバ２内が所定圧力になった後、エアオペバルブ２３および４３が閉鎖されるとともに、エアオペバルブ２１および４１、並びにエアオペバルブ２２および４２が開放され、ＭＦＣ３１およびＭＦＣ３２に流量設定信号が入力される。本実施形態では、ＭＦＣ３１、３２への流量設定信号は、信号遅延回路９１、９２を通じて入力される。このため、ＭＦＣ３１、３２へは、エアオペバルブ２１および４１、並びにエアオペバルブ２２および４２が開状態となってから一定時間遅延した後に、流量設定信号が入力される。
【００４７】
図３は、このときのＷ−ＣＶＤ装置１主要部の動作タイミングチャートである。図３において、横軸は時間に対応し、縦軸はＭＦＣおよびバルブの開閉状態に対応している。図３に示すように、まず、時刻ｔ1において、Ｗ−ＣＶＤ装置１の動作制御部から、ＭＦＣ３１、３２、並びにエアオペバルブ２１、２２、４１、４２に同時（時刻ｔ1）に動作開始（ガス流路を開状態にする）信号が送られる。上述のように、信号遅延回路９１、９２には、エアオペバルブ２１、４１、２２、４２の動作完了後に、ＭＦＣ３１、３２へ動作開始信号が入力される遅延時間が設定されている。このため、本実施形態では、まず、エアオペバルブ２１、２２、４１、４２が、時刻ｔ2（ｔ1＜ｔ2）に開状態になる。その後、信号遅延回路９１、９２により遅延された動作開始信号が時刻ｔ2AにＭＦＣ３１、３２に入力され、ＭＦＣ３１、３２が開状態になるとともに流量制御を開始する。
【００４８】
図４は、このときのＷＦ6ガスおよびＳｉＨ4ガスの流量波形を示す図である。図４において、横軸は時間に対応し、縦軸はガス流量に対応する。また、図４には、Ｗ−ＣＶＤ装置１の動作制御部から出力された、ＷＦ6ガスの流量設定信号を１点鎖線６５で示し、ＳｉＨ4ガスの流量設定信号を破線６６で示している。図３に示すように、まず、時刻ｔ1に、Ｗ−ＣＶＤ装置１の動作制御部から動作開始信号が出力される。このとき、上述のとおり、信号遅延回路９１、９２の作用により、時刻ｔ2AからＷＦ6ガス、ＳｉＨ4ガスが流れ始め、流量制御が開始される。本実施形態では、このとき既に、エアオペバルブ２１、４１、２２、４２は開状態になっている。このため、ＭＦＣ３１、３２は、動作開始信号が入力された時点から、ＷＦ6ガス流量６１、およびＳｉＨ4ガス流量６２を制御することができる。この結果、図３に示すように、ＷＦ6ガス流量６１、ＳｉＨ4ガス流量６２はガス供給初期においてオーバーシュートや乱調（ハンチング）が発生することなく、時刻ｔ2Bで従来に比べて速やかに所定のガス流量で安定する。したがって、ＷＦ6ガス、およびＳｉＨ4ガスは、ガス導入直後から、同時に、所定の流量で安定してチャンバ２内へ供給される。
【００４９】
本実施形態によれば、図２（ａ）に示すように、ＳｉＨ4ガス８１、およびＷＦ6ガス８２がコンタクトホール７３の底部に十分に供給される。この結果、図２（ｂ）に示すように、コンタクトホール７３の壁面から底面まで連続した良好な段差被覆性を有するＷ核膜７６を形成することができる。
【００５０】
Ｗ核膜形成を所定時間継続した後、図３に示すように、時刻ｔ3において、ＭＦＣ３１、３２およびエアオペバルブ２１、４１、２２、４２に同時に動作停止（閉）信号が送られる。この場合も、エアオペバルブ２１、２２、４１、４２が、時刻ｔ4（ｔ3＜ｔ4）に閉状態になった後の時刻ｔ4A（ｔ4＜ｔ4A）に、ＭＦＣ３１、３２は閉状態になる。
【００５１】
以上のように、本実施形態では、Ｗ−ＣＶＤ装置１の動作制御部から、ＭＦＣ３１、３２、およびエアオペバルブ２１、２２、４１、４２に対して動作制御信号が入力された場合であっても、エアオペバルブ２１、２２、４１、４２が動作を完了した以降に、ＭＦＣ３１、３２が動作を開始する。この結果、ＭＦＣ３１、３２は動作開始信号が入力された時点から流量制御を行うことができ、ガス供給初期から、複数のガスを同時に、かつ安定して供給することができる。
【００５２】
続いて、エアオペバルブ２１および４１、並びにエアオペバルブ２４および４４が開放されるとともに、ＭＦＣ３１および３４に流量設定信号が入力される。これにより、所定流量のＷＦ6ガスおよび所定流量のＨ2ガスの混合ガスが、ガス供給管５０を通じてチャンバ２内へ導入される。当該混合ガスが基板３の表面に到達すると、Ｈ2ガスによるＷＦ6ガスの還元反応により、基板３上にＷ膜が形成される。この状態を所定の時間保持した後、エアオペバルブ２１、４１、２４、４４が閉鎖され、さらにＭＦＣ３１、３４のガス流量制御が停止される。
【００５３】
本実施形態では、Ｗ核膜７６がコンタクトホール７３内に一様に形成されているため、図２（ｃ）に示すように、ボイドが発生することなく、良好にＷ膜７７を埋め込むことができる。
【００５４】
この後、エアオペバルブ２３および４３が開放されるとともに、ＭＦＣ３３に流量設定信号が入力される。これにより、ガス供給管５０を通じてチャンバ２内へ所定流量のＡｒガスを導入され、チャンバ２内がパージされる。当該パージの後、Ｗ核膜およびＷ膜が形成された基板３がチャンバ２から搬出される。
【００５５】
以上のようにして、Ｗ核膜とＷ膜とを順に堆積することにより、接続孔内にタングステンからなる導電体が充填される。
【００５６】
以上説明したように、本実施形態によれば、段差被覆性の優れたＷ核膜を形成でき、Ｗ膜で埋め込まれた不良のない接続構造を形成することができる。
【００５７】
なお、本実施形態では、Ｈ2ガス流量制御用のＭＦＣ３４に信号遅延回路を設けていない。これは、Ｗ膜７７の堆積時間がＷ核膜７６の堆積時間に比べて長時間であり、また、コンタクトホール７３内にＷ核膜７６が一様に形成された状況下では、Ｗ膜７７はＷ核膜７７の表面に沿って、一様に成長しやすいからである。このため、ガス導入当初に、ＷＦ6ガスとＨ2ガスとがチャンバ２内に同時に供給が開始されない状況下であっても、コンタクトホール７３の下部にボイドが形成されることはない。しかながら、ＭＦＣ３１、３２と同様にＭＦＣ３４に信号遅延回路を接続してもよいことは勿論である。
【００５８】
以上説明したように、本発明によれば、反応室にガスを導入する当初から、所定流量のガスを反応室内に導入することができる。また、複数種のガスを導入する場合は、反応室にガスを導入する当初から、所定流量のガスを反応室内に同時に導入することができる。このため、反応室にガスを導入する当初から、均質な所望の基板処理を実施することができる。特に、本発明をＷ−ＣＶＤに適用した場合、反応室にガスを導入する当初から、ＷＦ6ガス、ＳｉＨ4ガスを所定流量で反応室内に同時に導入することができ、コンタクトホールやビアホール等の接続孔に極めて均一なタングステン膜（タングステン核膜）を形成することができる。この結果、タングステン埋め込み不良の発生を防止することができ、半導体装置の製造歩留まり低下を確実に防止することができる。
【００５９】
なお、本発明は、以上で説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲において、種々の変形および応用が可能である。例えば、反応室内にガスの供給を開始するときに、開閉バルブが開状態になった後にＭＦＣに流量制御を開始させる手段は信号遅延回路に限定されない。Ｗ−ＣＶＤ装置の動作制御部が、開閉バルブに動作信号を出力してから、所定時間を経過した後にＭＦＣに動作制御信号を出力する構成であってもよい。この場合、所定時間とは、開閉バルブが動作完了しＭＦＣにガスが到達するまでの時間である。また、上記実施形態では、開閉バルブをエアオペレートバルブとしたが、液体等の他の加圧流体により駆動される開閉バルブを使用することも可能である。さらに、開閉バルブが加圧流体で駆動されることも必須ではなく、電磁制御バルブ等の他の駆動方式の開閉バルブを使用することも可能である。加えて、上記実施形態では、特に好適な事例として、基板上にタングステンを堆積したが、本発明は、反応室内にガスを供給し、反応室内に配置された基板の処理をいかなる基板処理にも適用可能である。
【００６０】
また、上記実施形態では、Ｗ核膜の堆積終了後に、エアオペバルブ２１、４１、２２、４２を閉状態とし、次いで一定の遅延時間の後、ＭＦＣ３１、３２の流量制御が停止する構成としたが、ＭＦＣ３１、３２の方が先に停止するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、反応室にガスを導入する当初から、均質な所望の基板処理を実施することができるという効果を有し、基板処理装置、基板処理方法、および半導体装置の製造装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の一実施形態におけるＷ−ＣＶＤ装置を示す概略構成図
【図２】本発明の一実施形態におけるＷ−ＣＶＤ装置を用いた半導体装置の製造過程を示す工程断面図
【図３】本発明の一実施形態におけるＷ−ＣＶＤ装置の主要部動作タイミングチャート
【図４】本発明の一実施形態におけるＷ−ＣＶＤ装置が備えるＭＦＣのガス流量波形
【図５】従来のＷ−ＣＶＤ装置を示す概略構成図
【図６】従来のＷ−ＣＶＤ装置を用いた半導体装置の製造過程を示す工程断面図
【図７】従来のＷ−ＣＶＤ装置が備えるＭＦＣのガス流量波形
【図８】従来のＷ−ＣＶＤ装置の主要部動作タイミングチャート
【符号の説明】
【００６３】
１、１００  Ｗ−ＣＶＤ装置（基板処理装置）
２、１０２  チャンバ
３、１０３  基板
４、１０４  ステージ
５、１０５  ヒータ
６、１０６  シャワーヘッド
１０、１１０  ガス供給部
１１、１１１  ＷＦ6ガス供給源
１２、１１２  ＳｉＨ4ガス供給源
１３、１１３  Ａｒガス供給源
１４、１１４  Ｈ2ガス供給源
２１〜２４、１２１〜１２４  上流側エアオペバルブ（開閉バルブ）
３１〜３４、１３１〜１３４  質量流量コントローラ（ＭＦＣ）
４１〜４４、１４１〜１４４  下流側エアオペバルブ（開閉バルブ）
５０〜５４、１５０〜１５４  ガス供給管
７１、１７１  半導体基板
７２、１７２  層間絶縁膜
７３、１７３  コンタクトホール（接続孔）
７４、１７４  チタン膜
７５、１７５  窒化チタン膜
７６、１７６  タングステン核膜（Ｗ核膜）
７７、１７７  タングステン膜（Ｗ膜）
８１  ＳｉＨ4ガス
８２  ＷＦ6ガス
９１、９２  信号遅延回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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