(57)【要約】【課題】  低温のプロセス温度によるタングステン膜の形成工程を用いることで、バリヤ層として十分な膜厚を得るために従来行われた熱ＣＶＤによるＴｉＮ膜の形成工程を省略することが可能な成膜方法を提供する。【解決手段】  真空引き可能な処理容器内にて被処理体Ｗの表面に所定の膜を形成する方法において、前記被処理体の表面にチタン膜３２を形成するチタン膜形成工程と、前記チタン膜の表面を窒化して窒化膜３４を形成する窒化工程と、前記被処理体の表面に、還元ガスとタングステン含有ガスとを交互に間欠的に１回、或いは複数回繰り返し供給しつつ比較的低温でタングステン膜３６を形成するタングステン膜形成工程と、を有する。これにより、バリヤ層として十分に機能するタングステン膜を形成する。【選択図】  図２
2008060603.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空引き可能な処理容器内にて被処理体の表面に所定の膜を形成する方法において、
前記被処理体の表面にチタン膜を形成するチタン膜形成工程と、
前記チタン膜の表面を窒化して窒化膜を形成する窒化工程と、
前記被処理体の表面に、還元ガスとタングステン含有ガスとを交互に間欠的に１回、或いは複数回繰り返し供給しつつ比較的低温でタングステン膜を形成するタングステン膜形成工程と、
を有することを特徴とする成膜方法。
【請求項２】
前記タングステン膜形成工程の後に、還元ガスとタングステン含有ガスとを同時に供給して前記タングステン膜形成工程よりも高いプロセス温度で第２のタングステン膜を形成する第２のタングステン膜形成工程を行うようにしたことを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
【請求項３】
前記チタン膜形成工程では、原料ガスとしてＴｉＣｌ４ ガスが用いられ、還元ガスとしてＨ２ ガスが用いられることを特徴とする請求項１または２記載の成膜方法。
【請求項４】
前記窒化工程では、還元ガスとしてＮＨ３ ガス或いはＮ２ ガスが用いられ、プラズマ存在下にて処理が行わ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成膜方法。
【請求項５】
前記比較的低温でのタングステン膜形成工程では還元ガスとしてＳｉＨ４ ガスが用いられ、前記第２のタングステン膜形成工程では還元ガスとしてＨ２ ガスが用いられることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の成膜方法。
【請求項６】
前記窒化処理により形成される窒化膜の厚さの下限値は５０Å程度であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の成膜方法。
【請求項７】
前記比較的低温のタングステン膜形成工程のプロセス温度は２５０〜３５０℃程度の範囲内であり、前記第２のタングステン膜形成工程のプロセス温度は４００〜４５０℃程度の範囲内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成膜方法。
【請求項８】
前記チタン形成工程と窒化工程ではプラズマが用いられ、前記タングステン膜形成工程では熱ＣＶＤが用いられ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成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハ等の被処理体の表面にＴｉ（チタン）膜やＷ（タングステン）膜を形成する成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体デバイスにあっては、最近の高密度化、高集積化の要請に応じて、回路構成を多層配線構造にする傾向にあり、この場合、下層デバイスと上層アルミ配線との接続部であるコンタクトホールや下層アルミ配線と上層アルミ配線との接続部であるビアホールなどの埋め込み技術が、両者の電気的な接続をはかるため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埋め込みには一般的には、スパッターアルミニウムやＣＶＤタングステンが用いられるが、最近にあっては、埋め込み性能がより高い、という理由から主としてＣＶＤタングステンが用いられる傾向にある。この場合、タングステン膜を、下層のシリコン層やアルミニウム配線上に直接形成するとこれらの境界部分においてフッ素によるアタックを受けてシリコン中に形成された拡散層が破壊されたり、上層との密着性が劣化するので、省電力化及び高速動作が要求されている現在の半導体デバイスにおいては好ましくない。また、タングステンを埋め込みに用いる場合には、このプロセスにて用いる処理ガスの１つであるＷＦ６ ガスがＳｉ基板側に侵入して電気的特性等を劣化させる傾向となり、この場合にも好ましくない。
【０００４】
そこで、上記現象を防止するためにコンタクトホールやスルーホール等をタングステンで埋め込む前にホール内の表面を含むウエハ表面全域に亘ってバリヤメタル層を薄く形成しておき、この上からタングステンでホールを埋め込むことが行なわれている。このバリヤ層の材料としては、Ｔｉ／ＴｉＮ（チタンナイトライド）を用いるのが一般的である。このような先行技術としては特開平６−８９８７３号公報、特開平１０−１０６９７４号公報が開示され、本出願人も特願２０００−３５１７１６号にて関連出願を行った。
【０００５】
ここで埋め込み穴への従来の埋め込み方法を図８を参照して説明すると、図中、符号２は被処理体としての半導体ウエハであり、３はコンタクトホールを形成するための絶縁膜である。このウエハ２の表面に埋め込み穴としてのコンタクトホール４が形成されている。そして、ホール底部の例えば拡散層との間で電気的導通を図るためにコンタクトホール４内にまず、図８（Ａ）に示すようにオーミックコンタクトを図るために例えばＴｉＣｌ４ ガスとＨ２ ガスとを用いてチタン膜６をＰ−ＣＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等により薄く形成する。次に、このウエハＷを別の熱ＣＶＤ装置へ移載し、図８（Ｂ）に示すようにＴｉＣｌ４ ガスとＮＨ３ ガスとを用いて熱ＣＶＤによりＴｉＮ（チタンナイトライド）膜８を薄く形成する。
次に、このウエハＷを別の熱ＣＶＤ装置へ移載し、図８（Ｃ）に示すようにＷＦ６ ガスとＳｉＨ４ ガス或いはＨ２ ガス、またはこの両者のガスを用いてＷ（タングステン）膜１０を形成し、コンタクトホール４内を埋め込む。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、図８（Ｃ）に示すようにタングステン膜１０を形成する際に用いるＷＦ６ ガスはＦ（フッ素）を含むため、この未反応フッ素は非常に活性に富んでＴｉＦｘを形成する可能性があり、このプロセス温度である４００〜４５０℃程度の温度範囲にてＷＦ６ ガスのフッ素によりチタン膜６やその下層のシリコン層が損傷を受けるのを防止するために、ＴｉＮ膜８を十分に厚く、例えば少なくとも２００Å程度まで形成する必要があった。このため、このように十分な膜厚のＴｉＮ膜を効率的に形成する必要から、Ｔｉ膜６を形成したプラズマＣＶＤ装置からウエハを熱ＣＶＤ装置へ移載する必要があった。
この結果、十分な膜厚のＴｉＮ膜８を形成する工程及びそのための専用の熱ＣＶＤ装置も必要となり、工程数が多くなるばかりか、設備コストも増加してしまう、といった問題があった。
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、低温のプロセス温度によるタングステン膜の形成工程を用いることで、バリヤ層として十分な膜厚を得るために従来行われた熱ＣＶＤによるＴｉＮ膜の形成工程を省略することが可能な成膜方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者等は、タングステン膜を形成する際に、比較的低温のプロセス温度で成膜できるタングステン膜形成工程を用いることにより、ＴｉＮ膜等のバリヤ層は比較的薄くでき、しかも、この比較的薄いバリヤ層は、Ｔｉ膜を形成した処理容器内でＴｉ膜形成工程後にプラズマ窒化処理を連続的に施すことにより容易に形成できる、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、真空引き可能な処理容器内にて被処理体の表面に所定の膜を形成する方法において、前記被処理体の表面にチタン膜を形成するチタン膜形成工程と、前記チタン膜の表面を窒化して窒化膜を形成する窒化工程と、前記被処理体の表面に、還元ガスとタングステン含有ガスとを交互に間欠的に１回、或いは複数回繰り返し供給しつつ比較的低温でタングステン膜を形成するタングステン膜形成工程と、を有することを特徴とする成膜方法である。
【０００８】
このように、低温のプロセス温度によるタングステン膜の形成工程を用いることで、バリヤ層として十分な膜厚を得るために従来行われた熱ＣＶＤによるＴｉＮ膜の形成工程を省略することが可能となる。従って、スルーホールやコンタクトホール等の埋め込み穴の埋め込み操作の工程数を削減して、この効率化を図ることが可能となる。
【０００９】
この場合、例えば請求項２に規定するように、前記タングステン膜形成工程の後に、還元ガスとタングステン含有ガスとを同時に供給して前記タングステン膜形成工程よりも高いプロセス温度で第２のタングステン膜を形成する第２のタングステン膜形成工程を行うようになる。
これによれば、高いプロセス温度の分、成膜速度も速くなり、タングステン膜形成のための工程を効率的に行うことが可能となる。
【００１０】
また、例えば請求項３に規定するように、前記チタン膜形成工程では、原料ガスとしてＴｉＣｌ４ ガスが用いられ、還元ガスとしてＨ２ ガスが用いられる。
また、例えば請求項４に規定するように、前記窒化工程では、還元ガスとしてＮＨ３ ガス或いはＮ２ ガスが用いられ、プラズマ存在下にて処理が行われる。
また、例えば請求項５に規定するように、前記比較的低温でのタングステン膜形成工程では還元ガスとしてＳｉＨ４ ガスが用いられ、前記第２のタングステン膜形成工程では還元ガスとしてＨ２ ガスが用いられる。
【００１１】
また、例えば請求項６に規定するように、前記窒化処理により形成される窒化膜の厚さの下限値は５０Å程度である。
また、例えば請求項７に規定するように、前記比較的低温のタングステン膜形成工程のプロセス温度は２５０〜３５０℃程度の範囲内であり、前記第２のタングステン膜形成工程のプロセス温度は４００〜４５０℃程度の範囲内である。
また、例えば請求項８に規定するように、前記チタン形成工程と窒化工程ではプラズマが用いられ、前記タングステン膜形成工程では熱ＣＶＤが用いられる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明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。
請求項１、３〜８に係る発明によれば、低温のプロセス温度によるタングステン膜の形成工程を用いることで、バリヤ層として十分な膜厚を得るために従来行われた熱ＣＶＤによるＴｉＮ膜の形成工程を省略することが可能となる。従って、スルーホールやコンタクトホール等の埋め込み穴の埋め込み操作の工程数を削減して、この効率化を図ることができる。また、成膜工程数も減少した分、処理装置も少なくでき、設備コストを削減できる。
請求項２に係る発明によれば、タングステン膜形成のための工程を効率的に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明に係る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は本発明方法を実施するためのクラスタツール装置を示す概略構成図、図２は成膜の過程を示す工程図、図３は成膜工程を示すフローチャート、図４はタングステン膜の形成工程におけるガスの供給状態を示す図である。
図１に示すようにこのクラスタツール装置１４は、被処理体としての半導体ウエハ２にチタン成膜処理とこの表面の窒化処理を連続的に行なう成膜プラズマ装置１６と、その後に、タングステン成膜処理を熱ＣＶＤにより行なう成膜装置１８を有しており、両装置１６、１８は、内部に屈伸及び旋回可能になされた搬送アーム２０を備えた搬送室２２にゲートバルブＧ１、Ｇ２を介して共通に接続されている。
【００１４】
この搬送室２２には、同じく、ゲートバルブＧ３、Ｇ４を介して、第１及び第２のカセット室２４、２６が連結される。例えば第１のカセット室２４内には、未処理の基板２を収容するカセットＣ１が収容され、第２のカセット室２６内には、処理済みのウエハ２を収容するカセットＣ２が収容される。各装置間及び空間のウエハ２の受け渡しは、全て搬送アーム２０を屈伸及び旋回させることで行なうようになっている。
ここで、上記成膜プラズマ装置１６は、プラズマの存在下にてチタン膜の形成とこの表面の窒化処理を行うことから、例えば１３．５６ＭＨｚのプラズマ発生器２８を有している。そして、この成膜プラズマ装置１６の処理容器内へは、処理に必要なガスとして、例えば原料ガスとしてＴｉＣｌ４ ガス、還元ガスとしてＨ２ ガスやＮＨ３ ガス、キャリアガスやプラズマ化用のガスとしてＡｒガスが、それぞれ必要に応じて選択的に且つ流量制御可能に供給できるようになっている。
【００１５】
また、成膜装置１８は、上述のように熱ＣＶＤによりタングステン膜を形成するが、ウエハＷの昇温速度を速めるために、ここでは加熱手段として加熱ランプ群３０を用いており、この加熱ランプ群３０によりウエハＷを、例えば裏面側から急速に加熱昇温することになる。ここで加熱手段として加熱ランプ群３０に代えて抵抗加熱ヒータを用いてもよい。
尚、このクラスタツール装置１４は、本発明方法を実施するための装置として単に一例を示したに過ぎず、本発明方法を実施するために、この装置に限定されない。
【００１６】
次に、以上のように構成された装置例を用いて行なわれる本発明方法について図２乃至図４も参照して説明する。
まず、ウエハ２には、前工程でウエハ２上の例えば絶縁層３に、埋め込み穴として例えばコンタクトホール４等が形成されており、このような未処理のウエハ２は、真空状態になされている第１のカセット室２４内のカセットＣ１内に多数枚収容されている。このような未処理のウエハ２は、搬送室２２内の搬送アーム２０により予め真空状態になされている搬送室２２内に取り込まれ、ゲートバルブＧ３を閉じた後に、次に、ゲートバルブＧ１を開いて予め真空状態になされている成膜プラズマ装置１６内へウエハ２を搬入し、これを載置台（図示せず）上に載置し、移載を完了する。
【００１７】
次に、チタン膜形成工程に移行する。すなわち、原料ガスとしてＴｉＣｌ４ ガスを供給し、還元ガスとしてＨ２ ガスを供給する。この時、キャリアガスとしてプラズマ用ガスを兼ねたＡｒガスも供給する。これと同時にプラズマ発生器２８を駆動してプラズマを立て、これにより、図２（Ａ）に示すように、コンタクトホール４の内面も含めたウエハ２の表面にチタン膜３２を所定の厚さで形成する（Ｓ１）。尚、還元ガスとしてＨ２ ガスと共に、或いはこれに代えてＮＨ３ ガスを用いてもよい。
上記チタン膜形成工程におけるプロセス温度は、例えば６００〜６５０℃程度でプラズマを用い、プロセス圧力は５００〜１０００Ｐａ程度である。また、各ガス流量については、ＴｉＣｌ４ ガスが５〜１０ｓｃｃｍ程度、Ｈ２ ガスが１０００〜５０００ｓｃｃｍ程度、Ａｒガスが５００〜３０００ｓｃｃｍ程度である。この時のチタン膜３２の厚さは、例えば１００Å程度である。
【００１８】
このようにして、チタン膜形成工程が完了したならば、次に上記チタン膜３２の表面を窒化処理する窒化工程に移行する。すなわち、ここではウエハＷを他の処理装置へ移載することなく、この成膜プラズマ装置１６内にて上記窒化処理を行う。具体的には、原料ガスであるＴｉＣｌ４ ガスの供給と、還元ガスであるＨ２ ガスの供給を共に停止し、代わりにＮＨ３ ガスを供給する。また、プラズマ用ガスとしてＡｒガスも引き続いて供給し、そして、図２（Ｂ）に示すようにプラズマの存在下にて上記チタン膜３２の表面をプラズマ窒化して、チタンナイトライド（ＴｉＮ）膜３４を形成する（Ｓ２）。尚、ＮＨ３ ガスに代えてＮ２ ガスを供給してもよい。
【００１９】
上記窒化工程におけるプロセス温度は、直前のチタン膜形成工程の場合と同じ、例えば６００〜６５０℃程度、プロセス圧力は５００〜１０００Ｐａ程度である。また、各ガス流量については、ＮＨ３ ガスが５００〜３０００ｓｃｃｍ程度、Ａｒガスが５００〜３０００ｓｃｃｍ程度である。この時のチタンナイトライド膜３４の厚さは、バリヤ層として機能する厚さ、例えば５０Å程度である。このチタンナイトライド膜３４の厚さの下限値は、後述する熱ＣＶＤ処理によるタングステン膜の成膜時にバリヤ層として機能し得る最小の厚さであり、従来では例えば２０Å程度である。上記厚さ５０Åは、従来方法で必要とされた、例えば２００Åよりも遥かに薄いので、上述のようにチタン膜３２の表面の窒化処理により容易に、且つ短時間で形成することができる。
【００２０】
このようにして、チタン膜表面の窒化工程が完了したならば、次に、この成膜プラズマ装置１６内のウエハＷを、他方の熱ＣＶＤ装置である成膜装置１８へ移載し、タングステン膜形成工程へ移行する（Ｓ３）。ここで重要な点は、タングステン膜の成膜処理は、上記バリヤ層であるＴｉＮ膜３４の薄さに鑑みて比較的低温で行う、という点である。
このように、比較的低温でタングステン膜を形成するために、ここでは還元ガスとタングステン含有ガスとを交互に間欠的に１回或いは複数回繰り返して供給してタングステン膜３６の成膜を行う（Ｓ４）。
具体的には、図４に示すように、還元ガスであるＳｉＨ４ ガスとタングステン含有ガスであるＷＦ６ ガスとを短時間ずつ交互に間欠的に繰り返して供給する。この際、ＳｉＨ４ ガスの１回の供給期間Ｔ１は例えば０．５〜５．０秒程度、ＷＦ６ ガスの１回の供給期間Ｔ２は例えば０．５〜５．０秒程度、間欠期間Ｔ３は例えば０．５〜３．０秒程度である。ＳｉＨ４ ガスやＷＦ６ ガスの供給時には、キャリアガスとして例えばＡｒ、Ｎ２ 等も供給し、間欠期間にはキャリアガスを、或いは別のガスをパージガスとして流しておく。尚、上記各期間Ｔ１〜Ｔ３は単に一例を示したに過ぎず、これらに限定されない。
【００２１】
このように、ＳｉＨ４ ガスとＷＦ６ ガスとを交互に間欠的に繰り返して供給することにより、比較的低いプロセス温度でも非常に薄いタングステン膜を、供給を繰り返す毎に僅かずつ形成することができ、埋め込みが完了することになる。具体的には、このプロセス温度は、従来の一般的な熱ＣＶＤ成膜時のプロセス温度である４００〜４５０℃程度よりも遥かに低い２５０〜３５０℃程度であり、この温度でも成膜レートは若干劣るが十分に特性の良好なタングステン膜３６が形成される。
また、プロセス圧力は１００〜１０００Ｐａ程度である。そして、各ガス流量に関しては、ＳｉＨ４ ガスは５０〜１００ｓｃｃｍ程度、ＷＦ６ ガスは１０〜３０ｓｃｃｍ程度である。尚、上記ＳｉＨ４ ガスに代えて、Ｈ２ ガス、Ｓｉ２ Ｈ６ ガス、ＳｉＨ２ Ｃｌ２ ガス等も用いることができる。
【００２２】
また、図４中においてＳｉＨ４ ガスの供給を開始したある時点から、次にＳｉＨ４ ガスの供給を開始する時点までの期間を１サイクルとすると、この１サイクルの間に形成されるタングステン膜３６の厚さは、その時の各ガス流量にもよるが、比較的小さく、せいぜい３〜２０Å程度であり、従って、必要とする膜厚になるまで、このサイクルを繰り返すことになる。
このように、２５０〜３５０℃程度の低いプロセス温度でタングステン膜３６を形成して埋め込み操作を行うことができるので、前述したようにバリヤ層であるＴｉＮ膜３４が５０Å程度に薄くても、バリヤ層として十分に機能してこの下層にダメージを与えることがない。
また、この埋め込み穴４は、最終的にはタングステン膜３６により埋め込まれてプラグされることになるが、ＴｉＮ金属よりも遥かに電気抵抗が小さいＷ金属がプラグ金属の大部分を占めることになり、従って、微細化によって埋め込み穴径がより小さくなっても、プラグ金属の電気抵抗を低い状態に維持することができる。
【００２３】
上記実施例にあっては、上述のように、ガス供給の１サイクルで堆積する膜厚は非常に少なく、従って、例えば２０００〜３０００Å程度の厚さのタングステン膜を形成するには、かなり長いプロセス時間を必要として、スループットが低下してしまう。
そこで、このスループット低下を防止するために、タングステン膜を形成する工程において、上述したようなガス供給形態のサイクルを複数回繰り返した後に、ガス種を変え、且つプロセス温度も上昇させることによって成膜レートの高い第２のタングステン膜形成工程へ移行するようにしてもよい。
図５は、このような本発明の変形例の成膜の過程を示す工程図、図６は図５に示す成膜過程を説明するフローチャート、図７は本発明の変形例におけるタングステン膜の形成工程のガス供給形態を示す図である。
【００２４】
ここでは、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は図２（Ａ）及び図２（Ｂ）とそれぞれ同じであり、図６中のＳ１〜Ｓ４は、図３中のＳ１〜Ｓ４と同じなのでその説明を省略する。
このタングステン膜形成工程では、図７に示すように、最初は、ＳｉＨ４ ガスとＷＦ６ ガスとを交互に且つ間欠的に供給してタングステン膜３６を形成する点は先に説明した場合と同じである。
そして、この変形例では、上記ＳｉＨ４ ガスとＷＦ６ ガスとを交互に且つ間欠的に供給するガス供給のサイクルを、複数回、例えば図７に示す場合には３サイクル行う。また、複数サイクルの最初と最後にはＦ（フッ素）のアタックと残留を極力抑制する目的のために、図７に示すようにＳｉＨ４ ガスを供給するのが好ましい。そして、複数回の処理が終了した時には、還元ガスであるＳｉＨ４ ガスをＨ２ ガスに切り換え、このＨ２ ガスとＷＦ６ ガスとを同時に且つ連続的に供給する。この時、プロセス温度も、例えば４００〜４５０℃程度まで昇温させることにより、第２のタングステン膜形成工程へ移行し（Ｓ５）、これにより高い成膜レートで第２のタングステン膜３８を形成する。この時のプロセス圧力は、例えば２０００〜２００００Ｐａ程度、ＷＦ６ ガスの流量は３０〜３００ｓｃｃｍ程度、Ｈ２ ガスの流量は３００〜３０００ｓｃｃｍ程度である。また、この時の成膜レートは１０００〜５０００Å／ｍｉｎ程度である。尚、ここでもキャリアガスは供給されているのは勿論である。
【００２５】
この場合のタングステン膜の形成態様は、図５（Ｃ）に示すように、ＳｉＨ４ ガスとＷＦ６ ガスとを交互に供給するサイクルを３回繰り返すことにより、非常に薄いタングステン膜３６が堆積され、次に、図５（Ｄ）に示すように第２のタングステン膜形成工程で堆積される第２のタングステン膜３８により、埋め込み穴が完全に埋め込まれることになる。尚、上記ガス供給サイクルは３回に限定されないのは勿論である。
これによれば、タングステン膜の成膜レートを高くできるので、その分、スループットを向上させることができる。
また、この場合、第２のタングステン膜形成工程でプロセス温度を４００〜４５０℃程度まで上昇させても、バリヤ層であるＴｉＮ膜３４上にはすでに薄い膜ながら低温で堆積されたタングステン膜３６（図５（Ｃ）参照）が形成されて保護されているので、下地のＴｉ膜３２やその下層にダメージを与える恐れもない。
【００２６】
上記各実施例においては、タングステン膜を形成する際には、タングステン含有ガスとして常にＷＦ６ ガスを用いた場合を例にとって説明したが、これに限定されず、他のタングステン含有ガスとしてフッ素（Ｆ）を含まない有機金属ガス、例えばＷ（ＣＯ）６ （ヘキサカルボニルタングステン）、（Ｃ５ Ｈ５ ）２ ＷＨ２ （ビスシクロペンタジエニルタングステン）、Ｗ２[Ｎ（ＣＨ３ ）２ ］ ６（ヘキサキスジメチルアミドジタングステン）等を用いることができる。
このようなフッ素を含まないタングステン含有ガスを用いた場合には、フッ素ガスのアタックによる下地層の損傷を考慮しないで済むので、バリヤ層である下地のＴｉＮ膜を前記各実施例で説明した場合と同等、或いはこれよりも更に薄くできるのでＴｉＮ膜の膜厚の下限値は、例えば２５Å程度まで小さくすることができ、従来行われていた熱ＣＶＤによるＴｉＮ膜の形成工程を省略することが可能となる。
【００２７】
有機金属ガスとして、例えばＷ（ＣＯ）６ ガスを用いれば、プロセス温度が例えば３５０〜４５０℃程度で熱分解が生じ、これによってタングステン膜３６を形成することができる。尚、この場合、図２（Ｃ）及び図５（Ｃ）において、ＷＦ６ ／ＳｉＨ４ の交互間欠供給の代わりに、Ｗ（ＣＯ）６ ガスを連続的に流す。この場合、プロセス条件としては、例えばＷ（ＣＯ）６ ガスの流量は３〜３０ｓｃｃｍ程度、プロセス圧力は例えば１〜１００ｐａ程度である。キャリアガスとしてはＡｒ、Ｈｅ、Ｈ２ 等を用いることができる。このようなプロセス条件で熱ＣＶＤにより成膜処理を施せば、１〜３分程度で、膜厚が例えば２５〜１５０Å程度のシード用のタングステン膜３６を堆積させることができる。
【００２８】
尚、この場合、タングステンの成膜レートを上げようとすれば、前述した図６中のステップＳ５で示すように、ＷＦ６ ガスとＨ２ ガスを用いて高い成膜レートにて第２のタングステン膜３８を堆積させることも可能である。
また、以上の実施例では被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、これに限定されず、ガラス基板、ＬＣＤ基板等にも本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明方法を実施するためのクラスタツール装置を示す概略構成図である。
【図２】成膜の過程を示す工程図である。
【図３】成膜工程を示すフローチャートである。
【図４】タングステン膜の形成工程におけるガスの供給状態を示す図である。
【図５】本発明の変形例の成膜の過程を示す工程図である。
【図６】図５に示す成膜過程を説明するフローチャートである。
【図７】本発明の変形例におけるタングステン膜の形成工程のガス供給形態を示す図である。
【図８】埋め込み穴に対する従来の埋め込み方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３０】
２  半導体ウエハ（被処理体）
１４  クラスタツール装置
１６  成膜プラズマ装置
１８  成膜装置
２８  プラズマ発生器
３０  加熱ランプ群
３２  チタン膜
３４  チタンナイトライド膜
３６  タングステン膜
３８  第２のタングステン膜
【図１】
2008060603.tif 000003
【図２】
2008060603.tif 000004
【図３】
2008060603.tif 000005
【図４】
2008060603.tif 000006
【図５】
2008060603.tif 000007
【図６】
2008060603.tif 000008
【図７】
2008060603.tif 000009
【図８】
2008060603.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成19年10月31日(2007.10.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板にバリヤ膜とタングステン膜からなる積層膜を形成する方法において、
前記半導体基板の表面におけるチタン膜を形成するチタン膜形成工程と、
前記チタン膜の表面を窒化して前記バリヤ膜として所定の膜厚の窒化チタン膜を形成する窒化工程と、
前記半導体基板に還元ガスとタングステン含有ガスとを供給すると共に前記還元ガスと前記タングステン含有ガスのうち少なくとも前記還元ガスを間欠的に複数回繰り返し供給し、前記チタン膜がダメージを受けないプロセス温度で第１のタングステン膜を形成する第１のタングステン膜形成工程と、
前記半導体基板に還元ガスとＷＦ６ ガスとを同時に供給し、第２のタングステン膜を形成する第２のタングステン膜形成工程とを有することを特徴とする成膜方法。
【請求項２】
前記窒化工程では、前記半導体基板にＮＨ３ ガス或いはＮ２ ガスを供給し、プラズマの存在下で前記チタン膜の表面をプラズマ窒化することを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
【請求項３】
前記タングステン含有ガスはＷＦ６ ガスであり、前記第１のタングステン膜形成工程では前記半導体基板に前記還元ガスと前記ＷＦ６ ガスとを交互に間欠的に複数回繰り返し供給することを特徴とする請求項１又は２記載の成膜方法。
【請求項４】
前記所定の膜厚に対応させて前記プロセス温度を設定することを特徴とする請求項３記載の成膜方法。
【請求項５】
前記プロセス温度は２５０〜３５０℃程度であることを特徴とする請求項４記載の成膜方法。
【請求項６】
前記所定の膜厚の下限値は５０Å程度であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の成膜方法。
【請求項７】
前記第１のタングステン膜形成工程では、最初と最後に前記半導体基板に還元ガスを供給することを特徴とする請求項３乃至６のいずれかに記載の成膜方法。
【請求項８】
前記タングステン含有ガスはフッ素を含まない有機金属ガスであることを特徴とする請求項１又は２記載の成膜方法。
【請求項９】
前記有機金属ガスはＷ（ＣＯ）６ ガスであることを特徴とする請求項８記載の成膜方法。
【請求項１０】
前記プロセス温度は３５０〜４５０℃程度であることを特徴とする請求項９記載の成膜方法。
【請求項１１】
前記所定の膜厚の下限は２５Å程度であることを特徴とする請求項９又は１０記載の成膜方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
ここで埋め込み穴への従来の埋め込み方法を図８を参照して説明すると、図中、符号２は被処理体としての半導体ウエハであり、３はコンタクトホールを形成するための絶縁膜である。このウエハ２の表面に埋め込み穴としてのコンタクトホール４が形成されている。そして、ホール底部の例えば拡散層との間で電気的導通を図るためにコンタクトホール４内にまず、図８（Ａ）に示すようにオーミックコンタクトを図るために例えばＴｉＣｌ４ ガスとＨ２ ガスとを用いてチタン膜６をＰ−ＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等により薄く形成する。次に、このウエハＷを別の熱ＣＶＤ装置へ移載し、図８（Ｂ）に示すようにＴｉＣｌ４ ガスとＮＨ３ ガスとを用いて熱ＣＶＤによりＴｉＮ（チタンナイトライド）膜８を薄く形成する。
次に、このウエハＷを別の熱ＣＶＤ装置へ移載し、図８（Ｃ）に示すようにＷＦ６ ガスとＳｉＨ４ ガス或いはＨ２ ガス、またはこの両者のガスを用いてＷ（タングステン）膜１０を形成し、コンタクトホール４内を埋め込む。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明者等は、タングステン膜を形成する際に、比較的低温のプロセス温度で成膜できるタングステン膜形成工程を用いることにより、ＴｉＮ膜等のバリヤ層は比較的薄くでき、しかも、この比較的薄いバリヤ層は、Ｔｉ膜を形成した処理容器内でＴｉ膜形成工程後にプラズマ窒化処理を連続的に施すことにより容易に形成できる、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、半導体基板にバリヤ膜とタングステン膜からなる積層膜を形成する方法において、前記半導体基板の表面におけるチタン膜を形成するチタン膜形成工程と、前記チタン膜の表面を窒化して前記バリヤ膜として所定の膜厚の窒化チタン膜を形成する窒化工程と、前記半導体基板に還元ガスとタングステン含有ガスとを供給すると共に前記還元ガスと前記タングステン含有ガスのうち少なくとも前記還元ガスを間欠的に複数回繰り返し供給し、前記チタン膜がダメージを受けないプロセス温度で第１のタングステン膜を形成する第１のタングステン膜形成工程と、前記半導体基板に還元ガスとＷＦ６ ガスとを同時に供給し、第２のタングステン膜を形成する第２のタングステン膜形成工程とを有することを特徴とする成膜方法である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
この場合、例えば前記タングステン膜形成工程の後に、還元ガスとタングステン含有ガスとを同時に供給して前記タングステン膜形成工程よりも高いプロセス温度で第２のタングステン膜を形成する第２のタングステン膜形成工程を行うようにすれば、高いプロセス温度の分、成膜速度も速くなり、タングステン膜形成のための工程を効率的に行うことが可能となる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
例えば請求項２に規定するように、前記窒化工程では、前記半導体基板にＮＨ３ ガス或いはＮ２ ガスを供給し、プラズマの存在下で前記チタン膜の表面をプラズマ窒化する。
また、例えば請求項３に規定するように、前記タングステン含有ガスはＷＦ６ ガスであり、前記第１のタングステン膜形成工程では前記半導体基板に前記還元ガスと前記ＷＦ６ ガスとを交互に間欠的に複数回繰り返し供給する。
また、例えば請求項４に規定するように、前記所定の膜厚に対応させて前記プロセス温度を設定する。
また、例えば請求項５に規定するように、前記プロセス温度は２５０〜３５０℃程度である。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
また、例えば請求項６に規定するように、前記所定の膜厚の下限値は５０Å程度である。
また、例えば請求項７に規定するように、前記第１のタングステン膜形成工程では、最初と最後に前記半導体基板に還元ガスを供給する。
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フッ素を含まない有機金属ガスである。
また、例えば請求項９に規定するように、前記有機金属ガスはＷ（ＣＯ）６ ガスである。
また、例えば請求項１０に規定するように、前記プロセス温度は３５０〜４５０℃程度である。
また、例えば請求項１１に規定するように、前記所定の膜厚の下限は２５Å程度である。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
本発明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。
本発明によれば、低温のプロセス温度によるタングステン膜の形成工程を用いることで、バリヤ層として十分な膜厚を得るために従来行われた熱ＣＶＤによるＴｉＮ膜の形成工程を省略することが可能となる。従って、スルーホールやコンタクトホール等の埋め込み穴の埋め込み操作の工程数を削減して、この効率化を図ることができる。また、成膜工程数も減少した分、処理装置も少なくでき、設備コストを削減できる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
上記窒化工程におけるプロセス温度は、直前のチタン膜形成工程の場合と同じ、例えば６００〜６５０℃程度、プロセス圧力は５００〜１０００Ｐａ程度である。また、各ガス流量については、ＮＨ３ ガスが５００〜３０００ｓｃｃｍ程度、Ａｒガスが５００〜３０００ｓｃｃｍ程度である。この時のチタンナイトライド膜３４の厚さは、バリヤ層として機能する厚さ、例えば５０Å程度である。このチタンナイトライド膜３４の厚さの下限値は、後述する熱ＣＶＤ処理によるタングステン膜の成膜時にバリヤ層として機能し得る最小の厚さであり、従来では例えば２００Å程度である。上記厚さ５０Åは、従来方法で必要とされた、例えば２００Åよりも遥かに薄いので、上述のようにチタン膜３２の表面の窒化処理により容易に、且つ短時間で形成することができる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
このようにして、チタン膜表面の窒化工程が完了したならば、次に、この成膜プラズマ装置１６内のウエハＷを、他方の熱ＣＶＤ装置である成膜装置１８へ移載し、タングステン膜形成工程へ移行する（Ｓ３）。ここで重要な点は、タングステン膜の成膜処理は、上記バリヤ層であるＴｉＮ膜３４の膜厚に鑑みて比較的低温で行う、という点である。
このように、比較的低温でタングステン膜を形成するために、ここでは還元ガスとタングステン含有ガスとを交互に間欠的に１回或いは複数回繰り返して供給してタングステン膜３６の成膜を行う（Ｓ４）。
具体的には、図４に示すように、還元ガスであるＳｉＨ４ ガスとタングステン含有ガスであるＷＦ６ ガスとを短時間ずつ交互に間欠的に繰り返して供給する。この際、ＳｉＨ４ ガスの１回の供給期間Ｔ１は例えば０．５〜５．０秒程度、ＷＦ６ ガスの１回の供給期間Ｔ２は例えば０．５〜５．０秒程度、間欠期間Ｔ３は例えば０．５〜３．０秒程度である。ＳｉＨ４ ガスやＷＦ６ ガスの供給時には、キャリアガスとして例えばＡｒ、Ｎ２ 等も供給し、間欠期間にはキャリアガスを、或いは別のガスをパージガスとして流しておく。尚、上記各期間Ｔ１〜Ｔ３は単に一例を示したに過ぎず、これらに限定されない。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
上記各実施例においては、タングステン膜を形成する際には、タングステン含有ガスとして常にＷＦ６ ガスを用いた場合を例にとって説明したが、これに限定されず、他のタングステン含有ガスとしてフッ素（Ｆ）を含まない有機金属ガス、例えばＷ（ＣＯ）６ （ヘキサカルボニルタングステン）、（Ｃ５ Ｈ５ ）２ ＷＨ２ （ビスシクロペンタジエニルタングステン）、Ｗ２[Ｎ（ＣＨ３ ）２ ］ ６（ヘキサキスジメチルアミドジタングステン）等を用いることができる。
このようなフッ素を含まないタングステン含有ガスを用いた場合には、フッ素ガスのアタックによる下地層の損傷を考慮しないで済むので、バリヤ層であるＴｉＮ膜を前記各実施例で説明した場合と同等、或いはこれよりも更に薄くできるのでＴｉＮ膜の膜厚の下限値は、例えば２５Å程度まで小さくすることができ、従来行われていた熱ＣＶＤによるＴｉＮ膜の形成工程を省略することが可能となる。