(57)【要約】【課題】核形成ステップにより形成される成膜の均一化を図り、微細化されたコンタクトホールおよびビアホール内に埋め込まれる膜の均一化と高信頼性化を図ることができる半導体装置の製造方法および製造装置を提供すること。【解決手段】図１（ｂ）に示すように、第２ガス開閉バルブ１４、２４、ガス流量制御部１２、２２の開閉部Ｖ１２、Ｖ２２を開く前に、第１ガス開閉バルブ１３、２３の開閉部Ｖ１３、Ｖ２３を開いて、反応ガス配管１１、２１のａ領域に残留している反応ガスを真空排気機構４を動作させて、成膜反応室１、真空排気管３を介して除去する。その後で、反応ガスをガス流量制御部１２、２２を通して成膜反応室１に供給する。これによって、ａ領域に溜まった反応ガスによる突発流が抑制されて、核形成プロセスの膜形成が不要なパーティクルも発生なしに均一に行われ、微細化されたコンタクトホールおよびビアホール内に埋め込まれる膜の均一化と高信頼性化を図ることができる。【選択図】        図１
2005015904.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学的気相成長法を用いて成膜を行う成膜反応室と、該成膜反応室に反応性ガスを供給するガス配管と、前記ガス配管の経路に配置されたガス流量制御部とを備えた製造装置を用いて、半導体基板上に成膜を行う半導体装置の製造方法において、
前記成膜反応室内および該成膜反応室と前記ガス流量制御部との間の前記ガス配管内とから前記反応性ガスを除去するガス除去工程後、前記半導体基板を前記反応室に配置し、前記半導体基板上に成膜を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
化学的気相成長法を用いて成膜を行う成膜反応室と、該成膜反応室に反応性ガスを供給するガス配管と、前記ガス配管の経路に配置されたガス流量制御部と、前記成膜反応室から反応性ガスを排気する排気管と、該排気管に設けられた排気機構と、前記成膜反応室と前記ガス流量制御部との間の前記ガス配管に設けられた第１ガス開閉バルブと、該第１ガス開閉バルブとガス流量制御部を挟んで反対側に設けられた第２ガス開閉バルブとを備えた製造装置を用いて、半導体基板上に成膜を行う半導体装置の製造方法において、
前記第１開閉バルブを開き前記第２ガス開閉バルブを閉じ前記ガス流量制御部で前記反応ガス流を止めた状態で、前記排気機構により前記成膜反応室および前記反応室と前記ガス流量制御部との間のガス配管内の前記反応性ガスを除去することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
化学的気相成長法を用いて成膜を行う成膜反応室と、該成膜反応室に反応性ガスを供給するガス配管と、前記ガス配管の経路に配置されたガス流量制御部と、前記成膜反応室から反応性ガスを排気する排気管と、該排気管に設けられた排気機構と、前記成膜反応室と前記ガス流量制御部との間の前記ガス配管に設けられた第１ガス開閉バルブと、該第１ガス開閉バルブとガス流量制御部を挟んで反対側に設けられた第２ガス開閉バルブとを備えた製造装置を用いて、半導体基板上に成膜を行う半導体装置の製造方法において、
前記第１開閉バルブを開き前記第２ガス開閉バルブを閉じた状態で、前記排気機構により前記成膜反応室および前記反応室と第２ガス開閉バルブとの間のガス配管内の前記反応性ガスを除去することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
化学的気相成長法を用いて成膜を行う成膜反応室と、該成膜反応室に反応性ガスを供給するガス配管と、前記ガス配管の経路に配置されたガス流量制御部と、前記成膜反応室から反応性ガスを排気する排気管と、該排気管に設けられた排気機構と、前記成膜反応室と前記ガス流量制御部との間の前記ガス配管に設けられた第１ガス開閉バルブと、該第１ガス開閉バルブとガス流量制御部を挟んで反対側に設けられた第２ガス開閉バルブと、前記第１ガス開閉バルブと前記第２ガス開閉バルブとの間で前記ガス流量制御部と並列に設けられた第１バイパス用ガス配管と、該第１バイパス用ガス配管に設けられた第３ガス開閉バルブとを備えた製造装置を用いて、半導体基板上に成膜を行う半導体装置の製造方法において、
前記第１開閉バルブおよび第３開閉バルブを開き前記第２ガス開閉バルブを閉じ前記ガス流量制御部で前記反応ガス流を止めた状態で、前記排気機構により前記成膜反応室および前記反応室と第２ガス開閉バルブとの間のガス配管内の前記反応性ガスを除去することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記製造装置は、前記第１ガス開閉バルブと前記排気機構との間で前記成膜反応室と並列に第２バイパス用ガス配管と、該第２バイパス用ガス配管に設けられた第４ガス開閉バルブとを備え、
前記第１開閉バルブ、前記第３ガス開閉バルブおよび第４開閉バルブを開き前記第２ガス開閉バルブを閉じ前記ガス流量制御部で前記反応ガス流を止めた状態で、前記排気機構により前記成膜反応室および前記反応室と第２ガス開閉バルブとの間のガス配管内の前記反応性ガスを除去することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
化学的気相成長法を用いて成膜を行う成膜反応室と、該成膜反応室に反応性ガスを供給するガス配管と、前記ガス配管の経路に配置されたガス流量制御部と、前記成膜反応室から反応性ガスを排気する排気管と、該排気管に設けられた排気機構と、前記成膜反応室と前記ガス流量制御部との間の前記ガス配管に設けられた第１ガス開閉バルブと、該第１ガス開閉バルブとガス流量制御部を挟んで反対側に設けられた第２ガス開閉バルブと、前記第１ガス開閉バルブと前記排気機構との間で前記成膜反応室と並列に設けられた第２バイパス用ガス配管と、該第２バイパス用ガス配管に設けられた第４ガス開閉バルブとを備えた製造装置を用いて、半導体基板上に成膜を行う半導体装置の製造方法において、前記第１開閉バルブおよび第４開閉バルブを開き前記第２ガス開閉バルブを閉じ前記ガス流量制御部で前記反応ガス流を止めた状態で、前記排気機構により前記成膜反応室および前記反応室と第２ガス開閉バルブとの間のガス配管内の前記反応性ガスを除去することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
化学的気相成長法を用いて成膜を行う成膜反応室と、該成膜反応室に反応性ガスを供給するガス配管と、前記ガス配管の経路に配置されたガス流量制御部と、前記成膜反応室から反応性ガスを排気する排気管と、該排気管に設けられた排気機構と、前記成膜反応室と前記ガス流量制御部との間の前記ガス配管に設けられた第１ガス開閉バルブと、該第１ガス開閉バルブとガス流量制御部を挟んで反対側に設けられた第２ガス開閉バルブと、前記第１ガス開閉バルブと前記第２ガス開閉バルブとの間で前記ガス流量制御部と並列に設けられた第１バイパス用ガス配管と、該第１バイパス用ガス配管に設けられた第３ガス開閉バルブとを備えたことを特徴とする半導体装置の製造装置。
【請求項８】
前記製造装置は、前記第１ガス開閉バルブと前記排気機構との間で前記成膜反応室と並列に設けられた第２バイパス用ガス配管と、該第２バイパス用ガス配管に設けられた第４ガス開閉バルブとを備えたことを特徴とする請求項７記載の半導体装置の製造装置。
【請求項９】
化学的気相成長法を用いて成膜を行う成膜反応室と、該成膜反応室に反応性ガスを供給するガス配管と、前記ガス配管の経路に配置されたガス流量制御部と、前記成膜反応室から反応性ガスを排気する排気管と、該排気管に設けられた排気機構と、前記成膜反応室と前記ガス流量制御部との間の前記ガス配管に設けられた第１ガス開閉バルブと、該第１ガス開閉バルブとガス流量制御部を挟んで反対側に設けられた第２ガス開閉バルブと、前記第１ガス開閉バルブと前記排気機構との間で前記成膜反応室と並列に設けられた第２バイパス用ガス配管と、該第２バイパス用ガス配管に設けられた第４ガス開閉バルブとを備えた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、半導体基板上に、化学的気相成長法を用いて、半導体基板上にタングステン膜などを形成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】
近年、半導体装置は、その高集積化に伴う配線の微細化、多層化が行われてきており、それら配線を接続するためのコンタクトホール（電極と半導体層との接続孔）やビアホール（多層配線同志を接続する接続孔）も微細化されてきている。
従来、こうしたコンタクトホール、並びにビアホールは、主にアルミニウム合金系のスパッタリング法により埋め込まれてきたが、微細化により、スパッタリング法では、コンタクトホール、並びにビアホールの埋め込みが不完全となり、コンタクトホールやビアホールで導通不良を起こしたり、この箇所での接続信頼性が低下する等の問題が生じるようになってきた。
【０００３】
そこで、微細化されたコンタクトホール、並びにビアホールを化学的気相成長法によってタングステン膜により埋め込み、その後、前面にわたり、エッチング、もしくは化学機械研磨法、すなわちＣＭＰ法によってエッチングすることにより、コンタクトホール、及びビアホールにのみタングステン膜を残存させるタングステンプラグプロセス形成技術が用いられてきている。
図８は、タングステン膜によるビアホールの埋め込み工程の一例を示す図で、同図（ａ）から同図（ｅ）は工程順に示す要部工程断面図である。
図１１は、従来の成膜装置の構成と成膜手順を示すシーケンスで、同図（ａ）は装置の構成図、同図（ｂ）はシーケンスを示す図、同図（ｃ）はガス流量の時間的な変化を示す図である。尚、同図（ｂ）は、各ガス開閉バルブ１３、２３、１４、２４の開閉部Ｖ１３、Ｖ２３、Ｖ１４、Ｖ２４とガス流量制御部１２、２２の開閉部Ｖ１２、Ｖ２２と真空排気機構４の開閉部Ｖ４の開閉のシーケンスを示し、同図（ｃ）は、Ｖ１３、Ｖ２３を開けた瞬間に発生する反応ガスの突発流を示す。
【０００４】
図８において、先ず、ウエハ５１（半導体基板）上に第１配線６１を形成し、全面に層間絶縁膜５２を形成する。その後、層間絶縁膜５２の下層に存在する第１配線６１と上層に形成される図示しない第２配線６２（同図（ｄ））との接続を行うため、所定の位置に開口部５６ｂを設けて、ビアホール（接続孔）を形成する。この開口部５６ｂの口径は１μｍ程度以上である（同図（ａ））。
つぎに、開口部５６ｂを含む層間絶縁膜５２の全面を覆うように、チタン（Ｔｉ）膜５３、窒化チタン（ＴｉＮ）膜５４を形成する。これらチタン膜５３と窒化チタン膜５４から構成される積層膜は、一般に密着層５５と呼ばれ、密着性の低い層間絶縁膜５２とこれから形成するタングステン膜の間に介在させることにより、密着性を改善し、タングステン膜の膜剥がれ（ピーリング）を防止するために設けられるものである（同図（ｂ））。
【０００５】
ここまでの工程を終わった段階で、図１１（ａ）の成膜反応室１に隣接された図示しない真空搬送室にウエハ５１を搬送し、真空搬送室を真空引きする。その後、既に真空引きされている成膜反応室１の支持台２にウエハ５１をセットする。
その後、六フッ化タングステンとモノシランによる反応を行なわせるために、第１ガス開閉バルブ１３、２３とガス流量制御部１２、２２の開閉部Ｖ１２、Ｖ２２と第２ガス開閉バルブ１４、２４を開けて六フッ化タングステンガスとモノシランガスを成膜反応室１に送る。成膜反応室１内において、六フッ化タングステン（ＷＦ６  ）とモノシラン（ＳｉＨ４  ）の還元反応により、前述のチタン膜５３と窒化チタン膜５４の積層された層上に、全面にわたり核形成による薄いタングステン膜６７を形成する（同図（ｃ））。
【０００６】
つぎに、六フッ化タングステンと水素の還元反応成長により埋め込みタングステン膜６８を前記の核形成した薄い均一なタングステン膜６７上に形成する（同図（ｄ））。
つぎに、全面にわたり成膜されたタングステン膜６７、６８は、例えば、ドライエッチング技術により、平坦部での窒化チタン膜５４をストッパーとして、窒化チタン５４の表面が露出するまで、タングステン膜６７、６８を除去し、開口部５６ｂ内にのみタングステン膜６７、６８（タングステンプラグ）が残存する形とする。その後、上層の第２配線６２として、スパッタリング法により、アルミニウム合金系の膜を堆積し、周知のフォトリソグラフィ技術と、ドライエッチング技術を用いてアルミニウム合金系の膜と、窒化チタン膜５４、チタン膜５３を所定の形状に加工して、第２配線６２を形成する。尚、ドライエッチング技術の代わりに化学機械研磨法（ＣＭＰ）により、タングステン膜６８を平坦化する場合はストッパーとして前記のＴｉＮ膜５４の代わりに酸化膜（ＳｉＯ２  ）を用いる（同図（ｅ））。
【０００７】
前記の同図（ｃ）の工程で、通常、六フッ化タングステンと水素の還元反応成長に先立って、六フッ化タングステンとモノシランを用いた還元反応により、わずかにタングステン膜６７の成長を行うのは、例えば、前述のチタン膜５３と窒化チタン膜５４の積層された密着層５５上に、直接、六フッ化タングステンと水素を用いた還元反応のみによりタングステン膜（同図（ｄ）に相当するタングステン膜６８）の成長を行うと、タングステン膜の比抵抗は低くなるものの、成膜初期のある時間、タングステン膜の成長が開始せず、成長が停止した状態（いわゆるインキュベーションタイム）が発生することとなる。また、仮に、密着層５５上へのタングステン膜の成長が開始したとしても、タングステン膜は、密着層５５上の表面状態に非常に敏感な異常成長を伴い、島状に不均一な成長過程をたどることとなる。
【０００８】
これに対し、同図（ｃ）のように、六フッ化タングステンとモノシランを用いた還元反応では、微量のシリコンが、反応過程でタングステン膜６７中に含まれるために、比抵抗が高くなるものの、前述の密着層５５上には、極めて均一な膜形成を行うことが可能であるという特徴を有している。この結果、均一な膜成長が困難であった六フッ化タングステンと水素によるタングステン膜６８の成長は、六フッ化タングステンとモノシランを用いて密着層５５上に均一に形成されたわずかな膜厚のタングステン膜６７を下地とすることで、均一に進行させることが可能となる。
【０００９】
このため、六フッ化タングステンとモノシランによる還元反応は、一般に、タングステン膜の核形成ステップと呼ばれ、化学的気相成長法によるタングステン膜６８の成長過程にとって、非常に重要なステップとなっている。また、このタングステン膜６７の核形成ステップでは、ステップカバレッジ（被覆性）を、より改善するために、わずかに水素を添加し、成長させる場合もある。
その後、前記の同図（ｄ）のように、六フッ化タングステンガスと水素ガスを反応させて全面にわたりタングステン膜６８を成長させることで、均一に開口部５６ｂを埋めることができる。
【００１０】
また、別の例として、高いアスペクト比を有するコンタクトホールのステップカバレッジを向上させる導電性プラグの堆積として、ＣＶＤ法でＷＮ、ＴｉＮ、ＴａＮなどをコンタクトホールの側面にバリアメタルとして成膜し、その上にＷＦ６  、ＳｉＨ４  、Ｈ２  の反応性ガスを供給してタングステン核形成膜を成膜し、このタングステン核形成膜上にタングステン埋め込み膜を成膜する。この核形成膜工程および埋め込み膜工程は、ガス導入ステップおよびガス排気ステップを有し、双方のステップを交互に複数回繰り返すことにより、所望の膜厚にする方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００２−９３７４６号公報  図１
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
前述の図８で説明した化学的気相成長法によるタングステン膜の形成方法では、均一な膜形成を行うために、六フッ化タングステンと水素の還元反応に先立って行われる六フッ化タングステンとモノシランによるタングステン核形成ステップが重要となる。
とりわけ、近年、タングステン膜が埋め込まれるべきコンタクトホール、並びにビアホールは、微細化されてきており、六フッ化タングステンとモノシランによる核形成ステップで成長されるタングステン膜は、比抵抗が高いために、従来と同様な下地効果を確保しながら、一層の薄膜化を図り、微細コンタクトホール、並びにビアホールに占める膜厚の割合を低減する必要がある。
【００１３】
図９は、図８（ｄ）のＢ部拡大図である。図９に示すように、埋め込むべきコンタクトホール、並びにビアホールが比較的大きい場合（アスペクト比が小さい場合）、前述の核形成ステップにより成長させたタングステン膜６７がパーティクルの発生で成膜初期に不均一であっても、埋め込むタングステン膜６８の膜厚が厚いため、それを下地として成長するタングステン膜６８は成長につれて不均一性は目立たなくなり、問題になることはなかった。
この核形成ステップでのタングステン膜６７の不均一は次のようにして引き起こされる。
【００１４】
先ず、図８（ｃ）の工程開始前で成膜反応室１内を真空にした状態では、図１１のガス開閉バルブ１３、２３からガス流量制御部１２、２２の反応ガス配管１１、２１のａ領域、ガス流量制御部１２、２２からガス開閉バルブ１４、２４までの反応ガス配管１１、２１のｂ領域および反応ガス配管１１、２１のｃ領域に、各々、六フッ化タングステンとモノシランの反応ガスが封じ込められたままである。これは、前回行ったタングステン膜６８を形成する工程を終了した状態が、そのまま維持されているためである。
この状態で、六フッ化タングステンの第１、第２ガス開閉バルブ１３、１４の開閉部Ｖ１３、Ｖ１４と、モノシランの第１、第２ガス開閉バルブ２３、２４の開閉部Ｖ２３、Ｖ２４とガス流量制御部１２、２２の開閉部Ｖ１２、Ｖ２２を開け、六フッ化タングステンのガス流量制御部１２とモノシランのガス流量制御部２２により、ガス流量を制御しつつ、成膜反応室１内へ各反応ガスを供給し、タングステン膜の核形成ステップを行うと、Ｖ１３、Ｖ２３が開いた瞬間に反応ガス配管１１、２１のａ領域に封じ込められていた反応ガスが成膜反応室１へ突発的に流れ込むこととなる。この場合、六フッ化タングステンとモノシランの反応は、極めて活性であるために、急激な気相反応に伴うパーティクルの発生や、島状成長に伴う異常な核成長が発生してタングステン膜６７が不均一となる。
【００１５】
しかし、コンタクトホールやビアホールが大きい場合には、これに続く、六フッ化タングステンと水素のタングステン膜６８の成長に対する下地膜（タングステン膜６７）としては、これら不具合の影響が無視できる程度まで十分な厚膜化できる。
一方、コンタクトホールやビアホールが微細化されると、核形成ステップにより成長させたタングステン膜を不均一性が解消されるまで厚くすることができず、不均一のまま、その状態で埋め込みタングステン膜を成膜するために、図１０で示すように、不完全な埋め込みとなり、Ｃ部の開口部の上部が塞がれて、コンタクトホールやビアホールの底部では埋め込みタングステン膜６８が異常に薄くなり、配線の導通不良（配線抵抗の異常増大）を引き起こしたり、また、コンタクトホールやビヤホール内に空洞７１（巣）ができて第１配線６１と第２配線６２の接続部の信頼性が低下したりする。
【００１６】
この発明の目的は、前記の課題を解決して、核形成ステップにより形成される成膜の均一化を図り、微細化されたコンタクトホールおよびビアホール内に埋め込み膜の均一化と配線の高信頼性化を図ることができる半導体装置の製造方法および製造装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、化学的気相成長法を用いて成膜を行う成膜反応室と、該成膜反応室に反応性ガスを供給するガス配管と、前記ガス配管の経路に配置されたガス流量制御部とを備えた製造装置を用いて、半導体基板上に成膜を行う半導体装置の製造方法において、前記成膜反応室内および該成膜反応室と前記ガス流量制御部との間の前記ガス配管内とから前記反応性ガスを除去するガス除去工程後、前記半導体基板を前記反応室に配置し、前記半導体基板上に成膜を行うこととする。
【００１８】
また、化学的気相成長法を用いて成膜を行う成膜反応室と、該成膜反応室に反応性ガスを供給するガス配管と、前記ガス配管の経路に配置されたガス流量制御部と、前記成膜反応室から反応性ガスを排気する排気管と、該排気管に設けられた排気機構と、前記成膜反応室と前記ガス流量制御部との間の前記ガス配管に設けられた第１ガス開閉バルブと、該第１ガス開閉バルブとガス流量制御部を挟んで反対側に設けられた第２ガス開閉バルブとを備えた製造装置を用いて、半導体基板上に成膜を行う半導体装置の製造方法において、前記第１開閉バルブを開き前記第２ガス開閉バルブを閉じ前記ガス流量制御部で前記反応ガス流を止めた状態で、前記排気機構により前記成膜反応室および前記反応室と前記ガス流量制御部との間のガス配管内の前記反応性ガスを除去することとする。
【００１９】
また、化学的気相成長法を用いて成膜を行う成膜反応室と、該成膜反応室に反応性ガスを供給するガス配管と、前記ガス配管の経路に配置されたガス流量制御部と、前記成膜反応室から反応性ガスを排気する排気管と、該排気管に設けられた排気機構と、前記成膜反応室と前記ガス流量制御部との間の前記ガス配管に設けられた第１ガス開閉バルブと、該第１ガス開閉バルブとガス流量制御部を挟んで反対側に設けられた第２ガス開閉バルブとを備えた製造装置を用いて、半導体基板上に成膜を行う半導体装置の製造方法において、前記第１開閉バルブを開き前記第２ガス開閉バルブを閉じた状態で、前記排気機構により前記成膜反応室および前記反応室と第２ガス開閉バルブとの間のガス配管内の前記反応性ガスを除去することとする。
【００２０】
また、化学的気相成長法を用いて成膜を行う成膜反応室と、該成膜反応室に反応性ガスを供給するガス配管と、前記ガス配管の経路に配置されたガス流量制御部と、前記成膜反応室から反応性ガスを排気する排気管と、該排気管に設けられた排気機構と、前記成膜反応室と前記ガス流量制御部との間の前記ガス配管に設けられた第１ガス開閉バルブと、該第１ガス開閉バルブとガス流量制御部を挟んで反対側に設けられた第２ガス開閉バルブと、前記第１ガス開閉バルブと前記第２ガス開閉バルブとの間で前記ガス流量制御部と並列に設けられた第１バイパス用ガス配管と、該第１バイパス用ガス配管に設けられた第３ガス開閉バルブとを備えた製造装置を用いて、半導体基板上に成膜を行う半導体装置の製造方法において、前記第１開閉バルブおよび第３開閉バルブを開き前記第２ガス開閉バルブを閉じ前記ガス流量制御部で前記反応ガス流を止めた状態で、前記排気機構により前記成膜反応室および前記反応室と第２ガス開閉バルブとの間のガス配管内の前記反応性ガスを除去することとする。
【００２１】
また、前記製造装置は、前記第１ガス開閉バルブと前記排気機構との間で前記成膜反応室と並列に第２バイパス用ガス配管と、該第２バイパス用ガス配管に設けられた第４ガス開閉バルブとを備え、前記第１開閉バルブ、前記第３ガス開閉バルブおよび第４開閉バルブを開き前記第２ガス開閉バルブを閉じ前記ガス流量制御部で前記反応ガス流を止めた状態で、前記排気機構により前記成膜反応室および前記反応室と第２ガス開閉バルブとの間のガス配管内の前記反応性ガスを除去することとする。
また、化学的気相成長法を用いて成膜を行う成膜反応室と、該成膜反応室に反応性ガスを供給するガス配管と、前記ガス配管の経路に配置されたガス流量制御部と、前記成膜反応室から反応性ガスを排気する排気管と、該排気管に設けられた排気機構と、前記成膜反応室と前記ガス流量制御部との間の前記ガス配管に設けられた第１ガス開閉バルブと、該第１ガス開閉バルブとガス流量制御部を挟んで反対側に設けられた第２ガス開閉バルブと、前記第１ガス開閉バルブと前記排気機構との間で前記成膜反応室と並列に設けられた第２バイパス用ガス配管と、該第２バイパス用ガス配管に設けられた第４ガス開閉バルブとを備えた製造装置を用いて、半導体基板上に成膜を行う半導体装置の製造方法において、  前記第１開閉バルブおよび第４開閉バルブを開き前記第２ガス開閉バルブを閉じ前記ガス流量制御部で前記反応ガス流を止めた状態で、前記排気機構により前記成膜反応室および前記反応室と第２ガス開閉バルブとの間のガス配管内の前記反応性ガスを除去することとする。
【００２２】
製造装置として、化学的気相成長法を用いて成膜を行う成膜反応室と、該成膜反応室に反応性ガスを供給するガス配管と、前記ガス配管の経路に配置されたガス流量制御部と、前記成膜反応室から反応性ガスを排気する排気管と、該排気管に設けられた排気機構と、前記成膜反応室と前記ガス流量制御部との間の前記ガス配管に設けられた第１ガス開閉バルブと、該第１ガス開閉バルブとガス流量制御部を挟んで反対側に設けられた第２ガス開閉バルブと、前記第１ガス開閉バルブと前記第２ガス開閉バルブとの間で前記ガス流量制御部と並列に設けられた第１バイパス用ガス配管と、該第１バイパス用ガス配管に設けられた第３ガス開閉バルブとを備えたものとする。
【００２３】
また、この製造装置は、前記第１ガス開閉バルブと前記排気機構との間で前記成膜反応室と並列に設けられた第２バイパス用ガス配管と、該第２バイパス用ガス配管に設けられた第４ガス開閉バルブとを備えたものとする。
また、化学的気相成長法を用いて成膜を行う成膜反応室と、該成膜反応室に反応性ガスを供給するガス配管と、前記ガス配管の経路に配置されたガス流量制御部と、前記成膜反応室から反応性ガスを排気する排気管と、該排気管に設けられた排気機構と、前記成膜反応室と前記ガス流量制御部との間の前記ガス配管に設けられた第１ガス開閉バルブと、該第１ガス開閉バルブとガス流量制御部を挟んで反対側に設けられた第２ガス開閉バルブと、前記第１ガス開閉バルブと前記排気機構との間で前記成膜反応室と並列に設けられた第２バイパス用ガス配管と、該第２バイパス用ガス配管に設けられた第４ガス開閉バルブとを備えたものとする。
〔作用〕
化学的気相成長法によるタングステン膜の成長では、核形成ステップで成長されるタングステン膜が重要となる。この核形成ステップでは、主に、六フッ化タングステンとモノシランによる還元反応を用いることにより、Ｔｉ、ＴｉＮの密着層上に、わずかにシリコンの含有したタングステン膜を成長させるが、このステップで用いられる六フッ化タングステンとモノシランガスは極めて反応性が高いために、急激な反応によるパーティクルの発生や異常成長の発生が起こりやすい、この急激な反応は、成膜反応室の直近のガス開閉バルブとガス流量制御部との間の短いガス配管内に残留した反応ガスがこの直近のガス開閉バルブが開いた時に、成膜反応室に瞬間的に流入（突発流）することにより引き起こされる。
【００２４】
そのため、この発明では、このガス配管内に残留した反応ガスを予め引き抜き、残留ガスが極めて少ない状態にしてから、成膜反応室にガス流量制御部を介して反応ガスを供給することで、突発流のない緩やかな成膜をする。
突発流のない緩やかな成膜をすることで、パーティクルの発生や異常成長の発生が抑制され、微細化されたコンタクトホールやビアホール内を均一なタングステン膜で埋め込むことができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。また、従来と同一の箇所には同一の符号を付した。
〔実施例１〕
図１は、この発明の第１実施例の半導体装置の製造装置と製造方法を説明する図であり、同図（ａ）は成膜装置の要部構成図、同図（ｂ）は製造手順を示すシーケンス図である。
同図（ａ）において、成膜装置は、第１系統の六フッ化タングステンの反応ガス配管１１（点線の範囲）、ガス流量制御部１２、第１ガス開閉バルブ１３（Ｖ１３）、第２ガス開閉バルブ１４（Ｖ１４）と、第２系統のモノシランの反応ガス配管２１（点線の範囲）、ガス流量制御部２２、第１ガス開閉バルブ２３（Ｖ２３）、第２ガス開閉バルブ２４（Ｖ２４）と、第１系統の反応ガス配管１１と第２系統の反応ガス配管１１、２１が接続した成膜反応室１、ウエハ５１を載せる支持台２、真空排気配管３および真空排気機構４から構成されている。ガス流量制御部１２、２２にはガス経路の開口度を調節する（完全に閉じた状態から全開までの状態を自由に設定して流量を調節する）開閉部Ｖ１２、Ｖ２２が設置されている。
【００２６】
同図（ａ）と同図（ｂ）を用いて成膜方法を説明する。ここでは、後述の図２（ｃ）の工程を中心に説明する。全体の製造工程については後述する。
図１（ｂ）のシーケンスに基づいて、第１ガス開閉バルブ１３、２３の開閉部Ｖ１３、Ｖ２３を開き、すでに開閉部Ｖ４が開き真空排気動作している真空排気機構４により、成膜反応室１、真空排気配管３を介して、反応ガス配管１１内に残留している六フッ化タングステンガスとシランガスを、第１ガス開閉バルブ１３、２３を経由してガス流量制御部１２、２２まで真空排気する。
その後、第１ガス開閉バルブ１３、２３の開閉部Ｖ１３、Ｖ２３を閉じ、成膜反応室１内に、図２（ｂ）の工程が終了したウエハ５１（半導体基板）を図示しない真空反応室を経由する。
【００２７】
つぎに、第１ガス開閉バルブ１３、１４の開閉部Ｖ１３、Ｖ２３と、第２ガス開閉バルブ１４、２４の開閉部Ｖ１４、Ｖ２４と、ガス流量制御部１２、２２の開閉部Ｖ１２、２２を開き、六フッ化タングステンガスとモノシランガスを第１系統１１と第２系統２１の反応ガス配管１１、２１を通して成膜反応室１へ送り、図２（ｃ）の工程に示すように、核形成のための薄膜のタングステン膜５７を密着層膜５５上へ形成する。
このように、反応ガス配管１１、２１のａ領域に残留している六フッ化タングステンガスとモノシランガスを除去した後、ガス流量制御部１２、２２を介して流量が制御された六フッ化タングステンガスとモノシランガスが成膜反応室１へ送られる。そのため、従来のように突発流が流れることがなく、緩やかな反応によりパーティクルのない下地膜であるタングステン膜５７を均一に薄く形成することができる。従って、その後の埋め込みのためのタングステン膜５８は微細化された開口部５６ａを空洞を発生させずに均一に埋めることができる。
【００２８】
核形成ステップによる薄いタングステン膜６７の形成において、パーティクルの発生を抑制し、膜を均一に成長させるためには、前記の六フッ化タングステンとモノシランの流量比は１：０．５程度が好ましい。
また、図１（ｂ）のｔ２とｔ３の間の時間が長い場合、ガス流量制御部１２、２２を経由して反応ガス配管１１のｂ領域の六フッ化タングステンガスとモノシランガスがａ領域にわずかに漏れてくる場合がある。そのため、Ｖ１２、Ｖ２２の開閉シーケンスで細線イで示すように、ガス流量制御部１２、２２の開閉部Ｖ１２、Ｖ２２を第１ガス開閉バルブ１３、２３の開閉部Ｖ１３、Ｖ２３と同時に全開して開いて、ガス流量制御部１２、２２を経由して第２ガス開閉バルブ１４、２４までのｂ領域まで真空排気してｂ領域からａ領域にわずかに漏れる残留した反応ガスを無くする。
【００２９】
ｂ領域からわずかに漏れてくる残留した反応ガスが無くなると、ａ領域の残留した残留ガス、すなわち、残留する六フッ化タングステンガスとモノシランガスを一層低減することができる。この場合は、ｂ領域に残留した六フッ化タングステンガスとモノシランガスが無くなった段階で、細線イで示すように、ガス流量制御部１２、２２の開閉部Ｖ１２、Ｖ２２を閉じる。
また、ガス流量制御部１２、２２の開口部度の調整をＰＩＤ（比例積分微分）制御により行う場合、所定の流量に達する前の初期段階で開閉部Ｖ１２、Ｖ２２の開口度（ガス通路の開口面積）がオーバーシュートすることがある（所定の開口面積より大きくなること）。このオーバーシュートがある場合でも、反応ガス配管１１、２１のｂ領域に残留した反応ガスを無くすると、Ｖ１４、Ｖ２４からｂ領域を経由して送られる反応ガスが、ガス流量制御部１２、２２に達するときには、開口度のオーバーシュートは終了しており、反応ガスを安定した所定の流量で成膜反応室１に供給できるので、パーティクルの発生や核形成ステップによる薄いタングステン膜５７の不均一な成長を防止できる。
【００３０】
また、図示しないが、六フッ化タングステンとモノシランの各反応ガスについて、同時に真空排気を行うことなく、一方の反応ガスにおける真空排気の終了後、他方の反応ガスにおける真空排気を行うと、成膜反応室１内における各反応ガスの混在が避けられ、不要な反応が発生しないため、パーティクルの発生を抑制できる。
さらに、各反応ガスの真空排気の間に、成膜反応室１内へアルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ２  ）等の不活性ガスを導入し、成膜反応室１内に残存する各反応ガスの置換を行うと、より各反応ガスの混在が低減され、処理時間も短縮することができる。
〔実施例２〕
図２は、この発明の第２実施例の半導体装置の製造方法を示す図であり、同図（ａ）から同図（ｅ）は工程順に示した要部工程断面図である。ここでは、タングステン膜によるビアホールの埋め込み工程の一例を示し、従来と異なるのは、口径の小さなビアホールにタングステン膜を埋め込む前工程の核形成プロセスである。
【００３１】
先ず、ウエハ５１上に第１配線６１を形成し、全面に層間絶縁膜５２を形成する。その後、層間絶縁膜５２の下層に存在する第１配線６１と上層に形成される図示しない第２配線６２（図２（ｄ））との接続を行うため、所定の位置に開口部５６ａを設けて、ビアホール（接続孔）を形成する。この開口部５６ａは、従来の開口部５６ｂの口径（１μｍ以上）と比べて小さく０．２μｍから０．５μｍ程度である（図２（ａ））。
つぎに、開口部５６ａを含む層間絶縁膜５２の全面を覆うように、チタン（Ｔｉ）膜５３、窒化チタン（ＴｉＮ）膜５４を形成する。これらチタン膜５３と窒化チタン膜５４から構成される積層膜は、一般に密着層５５と呼ばれ、密着性の低い層間絶縁膜５２とこれから形成するタングステン膜の間に介在させることにより、密着性を改善し、タングステン膜の膜剥がれ（ピーリング）を防止するために設けられるものである（図２（ｂ））。
【００３２】
ここまでの工程を終わった段階で、前記したように、第１ガス開閉バルブ１３、２３の開閉部Ｖ１３、Ｖ２３を開き、すでに動作している真空排気機構４により、成膜反応室１、真空排気配管３を介して、反応ガス配管１１、２１内に残留している六フッ化タングステンガスとモノシランガスを、第１ガス開閉バルブ１３、２３を経由してガス流量制御部１２、２２まで真空排気する。勿論、ガス流量制御部１２、２２の開閉部Ｖ１２、Ｖ２２を開けて第２ガス開閉バルブ１４、２４まで真空排気をしても構わない。この場合、反応ガス配管１１、２１のａ領域、ｂ領域の六フッ化タングステンガスとモノシランガスが排気されたらガス流量制御部１２、２２の開閉部Ｖ１２、Ｖ２２と第１ガス開閉バルブ１３、２３を閉じる。その後、図示しない真空搬送室で待機しているウエハ５１を図１の真空引きされている成膜反応室１内に搬送する。ここまでが核形成前の工程である。
【００３３】
つぎに、ガス開閉バルブ１３、２３を再度開いて、六フッ化タングステンガスとモノシランガスをそれぞれのガス流量制御部１２、２２でガス流量を制御して成膜反応室１に送る。成膜反応室１内において、タングステン膜５７を、六フッ化タングステン（ＷＦ６  ）とモノシラン（ＳｉＨ４  ）の還元反応により、前述のチタン膜５３と窒化チタン膜５４の積層された層上に、全面にわたり核形成による薄いタングステン膜５７を形成する。反応ガス配管１１、２１と成膜反応室１内を真空排気しているので、反応ガス配管１１、２１からの突発的なガスの流入（突発流）がなく、成膜反応室１内における各反応ガスの混在が避けられ、不要な反応が発生しないため、パーティクルの発生が防止できて、核形成によるタングステン膜５７が均一に形成される（図２（ｃ））。
【００３４】
つぎに、六フッ化タングステンと水素の還元反応成長により埋め込みタングステン膜５８を前記の核形成した薄い均一なタングステン膜５７上に形成する。このように、パーティクルのない均一な核形成によるタンクステン膜上に埋め込みタングステン膜を形成するため、０．２〜０．５μｍ程度の直径の微細化されたコンタクトホールやビアホール（開口部５６ａ）でも均一に埋めることができる。尚、この場合、水素の供給は、水素ガス配管を図１（ａ）の装置に追加して行う（図２（ｄ））。
つぎに、全面にわたり成膜されたタングステン膜５７、５８は、例えば、ドライエッチング技術により、平坦部での窒化チタン膜５４をストッパーとして、窒化チタン５４の表面が露出するまで、タングステン膜５７、５８を除去し、開口部５６ａ内にのみタングステン膜５７、５８（タングステンプラグ）が残存する形とする。その後、上層の第２配線６２として、スパッタリング法により、アルミニウム合金系の膜を堆積し、周知のフォトリソグラフィ技術と、ドライエッチング技術を用いてアルミニウム合金系の膜と、窒化チタン膜５４、チタン膜５３を所定の形状に加工して、第２配線６２を形成する。尚、ドライエッチング技術の代わりに化学機械研磨法（ＣＭＰ）により、タングステン膜５８を平坦化する場合はストッパーとして前記のＴｉＮ膜５４の代わりに酸化膜（ＳｉＯ２  ）を用いる（同図（ｅ））。
【００３５】
図３は、図２（ｄ）のＡ部拡大図である。図中の点線の５８ａはタングステン膜５８の形成の途中段階であり、５８ｂは形成終了時の状態を示す。薄いタングステン膜５７の形成時にパーティクルや、不均一な膜成長が発生しないため、その後に埋め込むタングステン膜５８の形成が均一に行われ、開口部５６ａに空洞ができることがない。また、図示しないが、核成長の薄いタングステン膜５７が均一に成長するため、埋め込むタングステン膜５８の形成が均一に行われる。
このように、空洞がなく、均一に埋め込むタングステン５８を成長させることができるので、微細化されたコンタクトホールやビアホールを介して接続する第１配線と第２配線を接続するプラグ（接続部）の接続抵抗を低くでき、また、プラグの信頼性を高めることができる。
〔実施例３〕
図４は、この発明の第３実施例の半導体装置の製造装置と製造方法を説明する図である。
【００３６】
図１との違いは、ガス流量制御部１２、２２をバイパス（迂回）するバイパス用ガス配管１５、２５とこの配管経路にバイパス用ガス開閉バルブ１６、２６を設けた点である。
ガス配管１１、２１は温度制御されているが、ガス配管１１、２１の温度が下がり反応ガスが液化する場合がある。より具体的には、六フッ化タングステンは常温において液化ガスであり、完全な温度制御が不可能なガス流量制御部１２、２２やガス開閉バルブで液化する場合がある。この液化したものがガス流量制御部１２、２２の経路に付着し経路を詰まらせることがある。よって、できるだけガス流量制御部１２、２２に反応ガスを通さずに行うことが望ましい。
【００３７】
本実施例は、排気の際に反応ガスがガス流量制御部１２、２２を通さずに排気される場合である。
図４のバイパス用ガス開閉バルブ１６、２６を第１ガス開閉バルブ１３、２３と同時に開くことで、図２（ｃ）の予備段階で、反応ガス配管１１、２１のｂ領域に存在する六フッ化タングステンガスとモノシランガスをＶ１２、Ｖ２２を閉じた状態でもバイパス用ガス配管１５、２５を介してに抜き取ることができる。つまり、ガス流量制御部１２、２２を経由することなく、ｂ領域の六フッ化タングステンガスとモノシランガスを排気できる。この方法では、成膜する際に反応ガスを成膜反応室１に送る場合のみガス流量制御部１２、２２が使われるので、ガス流量制御部１２、２２内の経路が詰まる頻度を減らすことができる。これは製造工程の短縮と低コスト化に繋がる。
【００３８】
成膜する前に、六フッ化タングステンガスとモノシランガスがａ領域およびｂ領域に存在しないため、ガス配管１１、２１のａ領域内に封じ込められた反応ガスが成膜反応室１内へ突発的に流れ込むことを防止でき第１実施例の開閉部Ｖ１２、２２を開いて排気する場合と同様にパーティクルの発生や不均一な膜成長を抑制することができる。
また、第１実施例で説明したように、六フッ化タングステンとモノシランの各反応ガスについて、同時に真空排気を行うことなく、一方の反応ガスにおける真空排気の終了後、他方の反応ガスにおける真空排気を行うか、あるいは、各反応ガスの真空排気の間に、成膜反応室１内へ不活性ガスを導入し、成膜反応室１内に残存する各反応ガスの置換を行うと、成膜反応室１内における各反応ガスの混在を避けることができるため、第１実施例と同様な効果が得られる。
〔実施例４〕
図５は、この発明の第４実施例の半導体装置の製造装置と製造方法を説明する図である。
【００３９】
図１との違いは、成膜反応室１をバイパス（迂回）するバイパス用ガス配管１７、２７とこの配管経路にバイパス用ガス開閉バルブ１８、２８を設けた点である。
このバイパス用ガス開閉バルブ１８、２８を開くことで、成膜反応室１を経由することなく、反応ガス配管１１、２１のａ領域に存在する六フッ化タングステンガスおよびモノシランガスを図２（ｃ）の予備段階で効率よく抜き取ることができる。そのため、ａ領域に残留する六フッ化タングステンガスとモノシランガスを低減できる。また、排気時間も短縮できるため製造コストを低減できる。
【００４０】
また、このような構成とすることにより、各反応ガス配管内に残留する反応ガスは、成膜反応室１内を介することなく、直接、真空排気配管３を通して、真空排気機構４により真空排気することが可能となるため、成膜反応室１内において、各反応ガスが混在することによる不要な反応を防止することができる。
〔実施例５〕
図６は、この発明の第５実施例の半導体装置の製造装置と製造方法を説明する図である。
図１との違いは、ガス流量制御部１２、２２をバイパス（迂回）するバイパス用ガス配管１５、２５とこの配管経路にバイパス用ガス開閉バルブ１６、２６を設け、さらに成膜反応室１をバイパスするバイパス用ガス配管１７、２７とこの配管経路にバイパス用ガス開閉バルブ１８、２８を設けた点である。
【００４１】
この構成とすることで、第３実施例、第４実施例の効果を併せ持ち、各反応ガス配管１１、２１内に残留する反応ガスは、成膜反応室１を介することなく、直接、真空排気配管３を通して、真空排気機構４により真空排気することで、突発流が防止され、また、成膜反応室１内において、各反応ガスが混在することによる不要な反応を回避することができて、パーティクルの発生を抑制することができる。また、成膜反応室１内における各反応ガスの混在を防止する各ステップが不要となるため、処理時間を短縮することが可能で、スループットを向上させることができる。
【００４２】
前記の実施例は六フッ化タングステンガスとモノシランガスを用いたタングステン膜５７を形成することを例として挙げたが、同様の方法でモノシランガスを用いてポリシリコン膜を形成する場合にも適用できる。この場合は、図７に示すように、本発明を適用する反応ガス配管としては１本（１系統）である。
このように、反応ガスの種類の数に相当した本数のガス配管（ガス系統）を設置し、前記と同様に成膜させる前にガス配管内の反応ガスを除去し、その後、ガス流量制御部を経由した反応ガスを成膜反応室に送り、半導体基板上へ成膜することで、微細化されたコンタクトホールやビアホール内を均一で高い信頼性の埋め込み膜で充填することができる。
【００４３】
【発明の効果】
この発明によれば、化学的気相成長法を用いた成膜方法において、ガス配管に残留した反応ガスを予め除去することで、反応過程で発生するパーティクルの発生を防止し、核形成ステップにより形成される成膜の均一化を図り、微細化されたコンタクトホールおよびビアホール内に埋め込まれる膜の均一化と高信頼性化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例の半導体装置の製造装置と製造方法を説明する図であり、（ａ）は成膜装置の要部構成図、（ｂ）は製造手順を示すシーケンス図
【図２】この発明の第２実施例の半導体装置の製造方法を示す図であり、（ａ）から（ｅ）は工程順に示した要部工程断面図
【図３】図２（ｄ）のＡ部拡大図
【図４】この発明の第３実施例の半導体装置の製造装置と製造方法を説明する図
【図５】この発明の第４実施例の半導体装置の製造装置と製造方法を説明する図
【図６】この発明の第５実施例の半導体装置の製造装置と製造方法を説明する図
【図７】ポリシリコン膜を形成する場合の半導体装置の製造装置（１系統）の図
【図８】従来のタングステン膜によるビアホールの埋め込み工程の一例を示す図で、（ａ）から（ｅ）は工程順に示す要部工程断面図
【図９】図８（ｄ）のＢ部拡大図
【図１０】従来方法で成膜した図
【図１１】従来の半導体装置の製造装置の製造装置と製造方法を説明する図であり、（ａ）は成膜装置の要部構成図、（ｂ）は製造手順を示すシーケンス図
【符号の説明】
１    成膜反応室
２    支持台
３    真空排気管
４    真空排気機構
１１    反応ガス配管（第１系統）
１２    ガス流量制御部（第１系統）
１３    第１ガス開閉バルブ（第１系統）
１４    第２ガス開閉バルブ（第１系統）
１５    バイパス用ガス配管（第１系統）
１６    バイパス用ガス開閉バルブ（第１系統）
１７    バイパス用ガス配管（第１系統）
１８    バイパス用ガス開閉バルブ（第１系統）
２１    反応ガス配管（第２系統）
２２    ガス流量制御部（第２系統）
２３    第１ガス開閉バルブ（第２系統）
２４    第２ガス開閉バルブ（第２系統）
２５    バイパス用ガス配管（第２系統）
２６    バイパス用ガス開閉バルブ（第２系統）
２７    バイパス用ガス配管（第２系統）
２８    バイパス用ガス開閉バルブ（第２系統）
５１    ウエハ
５２    層間絶縁膜
５３    Ｔｉ（チタン）膜
５４    ＴｉＮ（窒化チタン）膜
５５    密着層
５６    コンタクトホール／ビアホール
５６ａ  開口部
５７    タングステン膜（核形成）
５８    タングステン膜（埋め込み）
５８ａ、５８ｂ  タングステン膜（形成過程）
６１    第１配線
６２    第２配線
Ｖ４      真空排気機構の開閉部
Ｖ１２      ガス流量制御部の開閉部（第１系統）
Ｖ１３    第１ガス開閉バルブの開閉部（第１系統）
Ｖ１４    第２ガス開閉バルブの開閉部（第１系統）
Ｖ１６    バイパス用ガス開閉バルブの開閉部（第１系統）
Ｖ１８    バイパス用ガス開閉バルブの開閉部（第１系統）
Ｖ２２      ガス流量制御部の開閉部（第２系統）
Ｖ２３    第１ガス開閉バルブの開閉部（第２系統）
Ｖ２４      第２ガス開閉バルブの開閉部（第２系統）
Ｖ２６    バイパス用ガス開閉バルブの開閉部（第２系統）
Ｖ２８    バイパス用ガス開閉バルブの開閉部（第２系統）
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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