(57)【要約】【課題】  抵抗率を小さくし、下地のバリヤ層との境界部分のフッ素濃度を低減し、バリヤ層との密着性を向上させることができるタングステン膜の形成方法を提供する。【解決手段】  真空引き可能になされた処理容器１４内にて被処理体Ｍの表面にタングステン膜を形成するに際して、前記被処理体にシリコン含有ガスを供給する工程と、該工程後にタングステン含有ガスを供給するタングステン含有ガス供給ステップとシリコンを含まない水素化合物ガスを供給する水素化合物ガス供給ステップとを、両ステップ間に前記処理容器内に不活性ガスを供給するパージステップ及び／又は前記処理容器を真空引きする真空引きステップを介在させて、交互に繰り返し実行することにより第一のタングステン膜７０を形成する工程とを有する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空引き可能になされた処理容器内にて被処理体の表面にタングステン膜を形成するに際して、
前記被処理体にシリコン含有ガスを供給する工程と、
該工程後にタングステン含有ガスを供給するタングステン含有ガス供給ステップとシリコンを含まない水素化合物ガスを供給する水素化合物ガス供給ステップとを、両ステップ間に前記処理容器内に不活性ガスを供給するパージステップ及び／又は前記処理容器を真空引きする真空引きステップを介在させて、交互に繰り返し実行することにより第一のタングステン膜を形成する工程と、
を有することを特徴とするタングステン膜の形成方法。
【請求項２】
前記第一のタングステン膜上に前記タングステン含有ガスと還元性ガスとを同時に供給することによりさらに第二のタングステン膜を形成する工程を有することを特徴とする請求項１記載のタングステン膜の形成方法。
【請求項３】
前記第一のタングステン膜形成工程と前記第二のタングステン膜形成工程は同一処理容器内で実行されることを特徴とする請求項２記載のタングステン膜形成方法。
【請求項４】
前記シリコン含有ガスは、モノシラン、ジシラン、有機シランより選択さ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タングステン膜形成方法。
【請求項５】
前記シリコンを含まない水素化合物ガスは、ジボランまたはホスフィンであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のタングステン膜形成方法。
【請求項６】
前記シリコンを含まない水素化合物ガスは、水素希釈シボランガスであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のタングステン膜形成方法。
【請求項７】
前記還元性ガスは、水素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タングステン膜形成方法。
【請求項８】
前記タングステン含有ガスは、ＷＦ６ であ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タングステン膜形成方法。
【請求項９】
前記被処理体の表面にはＴｉＮ膜を含むバリヤ層が形成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のタングステン膜形成方法。
【請求項１０】
前記第二のタングステン膜形成後にＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理にてコンタクトプラグを形成することを特徴とする請求項２に記載のタングステン膜形成方法。
【請求項１１】
真空引き可能になされた処理容器と、
被処理体を載置するための載置台と、
前記被処理体を加熱するための加熱手段と、
前記処理容器内に、少なくともシリコン水素含有ガスと、タングステン含有ガスと、シリコンを含まない水素化合物ガスとを供給するガス供給手段と、
前記被処理体にシリコン含有ガスを供給する工程と、該工程後にタングステン含有ガスを供給するタングステン含有ガス供給ステップとシリコンを含まない水素化合物ガスを供給する水素化合物ガス供給ステップとを、両ステップ間に前記処理容器内に不活性ガスを供給するパージステップ及び／又は前記処理容器を真空引きする真空引きステップを介在させて、交互に繰り返し実行することにより第一のタングステン膜を形成する工程と、を行うように制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする成膜装置。
【請求項１２】
真空引き可能になされた処理容器と、
被処理体を載置するための載置台と、
前記被処理体を加熱するための加熱手段と、
前記処理容器内に、少なくともシリコン水素含有ガスと、タングステン含有ガスと、シリコンを含まない水素化合物ガスとを供給するガス供給手段とを有する成膜装置を用いてタングステン膜を形成するに際して、
前記被処理体にシリコン含有ガスを供給する工程と、該工程後にタングステン含有ガスを供給するタングステン含有ガス供給ステップとシリコンを含まない水素化合物ガスを供給する水素化合物ガス供給ステップとを、両ステップ間に前記処理容器内に不活性ガスを供給するパージステップ及び／又は前記処理容器を真空引きする真空引きステップを介在させて、交互に繰り返し実行することにより第一のタングステン膜を形成する工程と、を行うように前記成膜装置を制御するプログラムを記憶する記憶媒体。
【請求項１３】
請求項１０に規定する方法において形成されたコンタクトプラグを有することを特徴とする半導体装置。
【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タングステン膜を形成する方法、成膜装置、記憶媒体及び半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体デバイス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の凹部（ビアホール）や基板コンタクト用の凹部（コンタクトホール）を埋め込むためにＷ（タングステン）、ＷＳｉ（タングステンシリサイド）、ＷＮ（タングステンナイトライド）、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。そして、上記した各種の薄膜の内、抵抗率が小さく、膜付け温度も小さくて済む等の理由から上記配線間の凹部や基板コンタクト用の凹部の埋め込みにはタングステン膜が多用されている。この種のタングステン膜を形成するには、原料ガスとしてＷＦ６ （六フッ化タングステン）を用い、これを水素、シラン、ジフロルシラン等により還元することにより、タングステン膜を堆積させている。
【０００３】
上記タングステン膜を形成する場合には、密着性の向上、下層の配線金属又は基板との反応の抑制等の理由から、ウエハ表面にＴｉＮ膜、或いはＴｉ膜との積層膜（ＴｉＮ／Ｔｉ）が下地膜となるバリヤ層として薄く且つ均一に形成することが一般的に行われており、このバリヤ層上に上記タングステン膜を堆積させることになる。
【０００４】
ここで凹部等の埋め込みを行う場合には、埋め込み性を良好にするためにシランよりも還元性が弱い水素ガスが主として用いられるが、この際、未反応のＷＦ６ ガスにより上記バリヤ層がアタックされてバリヤ層とフッ素が反応してＴｉＦ３ を主体とするチタンフッ化物が生成され、このチタンフッ化物は体積的に膨張することから、この結果、バリヤ層を上方へ突き破ってボルケーノが発生したり、埋め込み穴にボイドが発生したりする場合がある。ここでボルケーノ発生のメカニズムを図１０に示す。本図からボルケーノの発生にはフッ素の挙動が大きく影響し、バリヤ層にてフッ素と反応してできたＴｉＦ３ が上方へ突き破る様子が理解できる。
【０００５】
上記ボルケーノ等の発生を防止するために、主たるタングステン膜を堆積する前に、核付け層として初期タングステン膜を形成し、主たるタングステン膜の形成時にＷＦ６ ガスによる下地バリヤ層に対するアタックを遮蔽することが行われている。上記初期タングステン膜の形成の際には上記未反応のＷＦ６ ガスを速やかに除去すると共に、タングステン膜に含有されるフッ素が直接下地バリヤ層と反応しないように上記タングステン膜中のフッ素濃度を抑制する必要がある。
上記初期タングステン膜の形成方法としては、ＷＦ６ ガスと還元性のジボランガス（Ｂ２ Ｈ６ ）とを、間にパージステップを挟んで交互に供給する原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒｅｄ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）の手法が開示されている（特許文献１）。この手法で堆積したタングステン膜は低抵抗であると共に、タングステン膜中のフッ素濃度が低くなり、下地金属とのフッ素化合物の形成を回避できるとされている。
【０００６】
図１１は従来のタングステン膜の形成方法における各ガスの供給形態の一例を示す図であり、上記ＡＬＤ法の各ガスの供給形態（ジボラン使用）が図１１（Ａ）に示されている。図１１（Ｂ）は還元性ガスとしてモノシランを用いた場合を示している。図１２は図１１に示すガスの供給形態で形成されるタングステンにより埋め込み穴を埋め込む時の工程を示す図である。ここでは還元性ガスとしてジボラン（図１１（Ａ））を用いた場合を例にとって説明する。また、キャリアガスやパージガスとしてＡｒとＮ２ ガスをそれぞれ一定の流量で流しており、全処理期間に亘ってプロセス圧力を一定にしている。
【０００７】
まず、図１２（Ａ）に示すように、コンタクトホールのような埋め込み穴２内の内面を含んだウエハ表面全体にバリヤ層４が形成されている半導体ウエハＭに対して、Ｂ２ Ｈ６ （ジボラン）ガスとＷＦ６ ガスとを、交互に短時間ずつ複数回繰り返して流して初期タングステン膜の形成を行う（図１２（Ｂ））。この場合、ジボランガス供給ステップとＷＦ６ ガス供給ステップの両ステップ間では容器内の残留ガスを排除するパージ工程を行う。ＷＦ６ ガス供給ステップにより、ウエハ表面に吸着したＷＦ６ ガス分子層を次ステップで供給するジボランガスにより還元し、１回の交互供給につき数原子層のタングステン膜を成長させる。これを任意の回数繰り返して所望の膜厚の初期タングステン膜を形成する。
【０００８】
次に、図１２（Ｃ）に示すように、ＷＦ６ ガスとＨ２ ガスとを同時に供給して主タングステン膜形成工程を行うことにより、図１２（Ｄ）に示すように主タングステン膜１０を堆積させて埋め込み穴２を埋め込む。また、他のガス供給形態としては図１１（Ｂ）に示すようにＢ２ Ｈ６ に代えてＳｉＨ４ （モノシラン）を用いることも行われている（特許文献２）。この場合、最初のＳｉＨ４ ガス供給ステップの時間を、それ以降の他のＳｉＨ４ ガス供給ステップより延長して行い、ウエハ表面にＳｉＨｘ（０≦ｘ＜４）などの分解中間体を付着させるいわゆるイニシエーション処理を兼ねることもできる。
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−０３８２７１号公報
【特許文献２】特開２００３−１９３２３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
今後、半導体デバイスの微細化及び動作速度の高速化にともない、コンタクト（ビア）抵抗を下げるためにタングステン膜の更なる低抵抗化及び比抵抗が比較的高いバリヤ層の薄膜化が要請されている。例えばバリヤ膜として５ｎｍ以下の膜厚に薄膜化されたＴｉＮ膜を用いると、従来のタングステン膜形成方法ではボルケーノ発生を抑制できなくなる。  薄膜化されたＴｉＮ／Ｔｉ積層膜上に、上述のように初期タングステン膜の形成に際して、ＷＦ６ とジボランとを交互供給するＡＬＤを使用し、主たるタングステン膜を実用的な膜厚で堆積した結果を図１３に示す。バリヤ層の薄膜化によってボルケーノが容易に発生することが解る。これは従来の方法で形成した初期タングステン膜の膜質では十分にＷＦ６ のアタックを遮蔽できないか、又は初期タングステン膜の形成時に既に下地バリヤ層のアタックが発生していた可能性もある。
【００１１】
また、ＷＦ６ とモノシランとを交互に供給するＡＬＤ法の場合は下地バリヤ層のアタックが抑制される可能性もあるが、核付け層としての初期タングステン膜はシリコンを含有し、この上に堆積する主たるタングステン膜の抵抗率が増大してしまうという不都合が生ずる。
【００１２】
さらに、従来はコンタクト（ビア）ホールの穴埋め後の平坦化にはエッチバックが一般的な手法であったが、更なる微細化、多層化により最近はコンタクトホール埋め込みの後工程でＣＭＰ処理による平坦化の手法が多用されるようになっている。
上述のＷＦ６ とジボランとを交互に供給するＡＬＤ法を用いた初期タングステン膜及び主タングステン膜との積層膜ではその抵抗率は十分低くなるもものの、その反面ＴｉＮ等よりなるバリヤ層との密着性が低下する特徴がある。タングステン膜形成工程後の工程でＣＭＰ処理を施してタングステン膜の不要部分を削り取る際に、ＣＭＰ装置のパッドがウエハに加える応力に起因して、スラリー（研磨溶剤）がタングステン膜とバリヤ層との境界に侵入して、タングステン膜がコンタクト穴から脱離してしまう問題があった。
【００１３】
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、抵抗率を小さく保ちつつ、特に、下地のバリヤ層との境界部分のフッ素濃度を低減し、ボルケーノの発生を抑制できるのみならず、バリヤ層との密着性を向上させることができるタングステン膜の形成方法、成膜装置、記憶媒体及び半導体装置を提供することにある。尚、以降、特に断りがない限り、ＡＬＤとはＷＦ６ とジボランを交互に供給するガス供給形態を示す。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
請求項１に係る発明は、真空引き可能になされた処理容器内にて被処理体の表面にタングステン膜を形成するに際して、前記被処理体にシリコン含有ガスを供給する工程と、該工程後にタングステン含有ガスを供給するタングステン含有ガス供給ステップとシリコンを含まない水素化合物ガスを供給する水素化合物ガス供給ステップとを、両ステップ間に前記処理容器内に不活性ガスを供給するパージステップ及び／又は前記処理容器を真空引きする真空引きステップを介在させて、交互に繰り返し実行することにより第一のタングステン膜を形成する工程と、を有することを特徴とするタングステン膜の形成方法である。
【００１５】
このように、タングステン膜を形成するに際して、イニシエーション工程ではシリコン含有ガスを用い、その後の初期タングステン膜形成工程では、タングステン含有ガスとシリコンを含まない水素化合物ガスとを交互に繰り返し供給することにより初期タングステン膜を形成するようにしたので、この後に形成される主タングステン膜も含めて、その抵抗率を小さくすることができる。またタングステン膜の下地であるバリヤ層との境界部分のフッ素濃度を低減して、バリヤ層のフッ素の拡散及び突き抜けを抑制することができる。この結果、ボルケーノの発生を抑制でき、下地のバリヤ層との密着性を向上することができる。
【００１６】
この場合、例えば請求項２に規定するように、前記第一のタングステン膜上に前記タングステン含有ガスと還元性ガスとを同時に供給することによりさらに第二のタングステン膜を形成する工程を有する。
また例えば請求項３に規定するように、前記第一のタングステン膜形成工程と前記第二のタングステン膜形成工程は同一処理容器内で実行される。
また例えば請求項４に規定するように、前記シリコン含有ガスは、モノシラン、ジシラン、有機シランより選択される。
【００１７】
また例えば請求項５に規定するように、前記シリコンを含まない水素化合物ガスは、ジボランまたはホスフィンである。
また例えば請求項６に規定するように、前記シリコンを含まない水素化合物ガスは、水素希釈シボランガスである。
また例えば請求項７に規定するように、前記還元性ガスは、水素である。
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、ＷＦ６ である。
また例えば請求項９に規定するように、前記被処理体の表面にはＴｉＮ膜を含むバリヤ層が形成されている。
また例えば請求項１０に規定するように、前記第二のタングステン膜形成後にＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理にてコンタクトプラグを形成する。
【００１８】
請求項１１に係る発明は、真空引き可能になされた処理容器と、被処理体を載置するための載置台と、前記被処理体を加熱するための加熱手段と、前記処理容器内に、少なくともシリコン水素含有ガスと、タングステン含有ガスと、シリコンを含まない水素化合物ガスとを供給するガス供給手段と、前記被処理体にシリコン含有ガスを供給する工程と、該工程後にタングステン含有ガスを供給するタングステン含有ガス供給ステップとシリコンを含まない水素化合物ガスを供給する水素化合物ガス供給ステップとを、両ステップ間に前記処理容器内に不活性ガスを供給するパージステップ及び／又は前記処理容器を真空引きする真空引きステップを介在させて、交互に繰り返し実行することにより第一のタングステン膜を形成する工程と、を行うように制御する制御部と、を備えたことを特徴とする成膜装置である。
【００１９】
請求項１２に係る発明は、真空引き可能になされた処理容器と、被処理体を載置するための載置台と、前記被処理体を加熱するための加熱手段と、前記処理容器内に、少なくともシリコン水素含有ガスと、タングステン含有ガスと、シリコンを含まない水素化合物ガスとを供給するガス供給手段とを有する成膜装置を用いてタングステン膜を形成するに際して、前記被処理体にシリコン含有ガスを供給する工程と、該工程後にタングステン含有ガスを供給するタングステン含有ガス供給ステップとシリコンを含まない水素化合物ガスを供給する水素化合物ガス供給ステップとを、両ステップ間に前記処理容器内に不活性ガスを供給するパージステップ及び／又は前記処理容器を真空引きする真空引きステップを介在させて、交互に繰り返し実行することにより第一のタングステン膜を形成する工程と、を行うように前記成膜装置を制御するプログラムを記憶する記憶媒体である。
請求項１３に係る発明は、前記請求項１０に規定する方法において形成されたコンタクトプラグを有することを特徴とする半導体装置である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係るタングステン膜の形成方法、成膜装置、記憶媒体及び半導体装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
タングステン膜を形成するに際して、イニシエーション工程ではシリコン含有ガスを用い、その後の初期タングステン膜形成工程では、タングステン含有ガスとシリコンを含まない水素化合物ガスとを交互に繰り返し供給することにより初期タングステン膜を形成するようにしたので、この後に形成される主タングステン膜も含めて、その抵抗率を小さくすることができる。またタングステン膜の下地であるバリヤ層との境界部分のフッ素濃度を低減して、バリヤ層のフッ素の拡散及び突き抜けを抑制することができる。この結果、ボルケーノの発生を抑制でき、下地のバリヤ層との密着性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、本発明に係るタングステン膜の形成方法、成膜装置、記憶媒体及び半導体装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係るタングステン膜の形成方法を実施する成膜装置の一例を示す断面構成図、図２は各ガスの供給態様を示す図、図３は半導体ウエハの表面に堆積されるタングステン膜の工程を示す模式図である。
まず、本発明方法を実施する成膜装置について説明すると、この成膜装置１３は、例えば断面が略円筒形状のアルミニウム製の処理容器１４を有している。この処理容器１４内の天井部には流量制御された処理ガスとして例えば各種の成膜ガスや不活性ガス等を、同時に、或いは選択的に導入するためのガス供給手段としてのシャワーヘッド部１６がＯリング等のシール部材１８を介して設けられており、この下面に設けた多数のガス噴射口２０から処理空間Ｓに向けて成膜ガスを噴射するようになっている。
【００２２】
このシャワーヘッド部１６内には、複数の拡散孔を有する１枚、或いは複数枚の拡散板を設けて、ここに導入されたガスの拡散を促進するようにした構造のものもあるし、或いは内部を複数の区画室に分割し、それぞれ別々に導入したガスを別々に処理空間Ｓへ噴射するようにした構造のものもあり、いずれにしても使用するガス種に応じて適切な構造のシャワーヘッド部を用いる。また、ここでは一例としてＢ２ Ｈ６ ガス、ＷＦ６ ガス、ＳｉＨ４ ガス、Ｈ２ ガス、Ｎ２ ガス、Ａｒガス等が用いられるが、各ガスはそれぞれマスフローコントローラのような流量制御器（図示せず）で流量が個別に制御され、またその供給の開始及び停止も制御されるようになっている。尚、上記Ｂ２ Ｈ６ ガスとしては、例えばＨ２ ベースガスの５％希釈Ｂ２ Ｈ６ ガスが用いられる。
【００２３】
この処理容器１４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２２上に、例えばＬ字状の３本の保持部材２４（図１では２本のみ記す）を介して被処理体としての半導体ウエハＭを載置するための載置台２６が設けられている。
この載置台２６の下方には、複数本、例えば３本のＬ字状のリフタピン２８（図示例では２本のみ記す）が上方へ起立させて設けられており、このリフタピン２８の基部は、上記リフレクタ２２に形成した縦長挿通孔（図示せず）を挿通して、リング部材３０に共通に接続されている。そして、このリング部材３０を処理容器底部に貫通して設けられた押し上げ棒３２により上下動させることにより、上記リフタピン２８を載置台２６に貫通させて設けたリフタピン孔３４に挿通させてウエハＭを持ち上げ得るようになっている。
【００２４】
上記押し上げ棒３２の容器底部の貫通部には、処理容器１４において内部の気密状態を保持するために伸縮可能なベローズ３６が介設され、この押し上げ棒３２の下端はアクチュエータ３８に接続されている。
また、処理容器１４の底部の周縁部には、排気口４０が設けられ、この排気口４０には圧力制御弁４２及び真空ポンプ４４を順次介設した真空排気系４６が接続されており、処理容器１４内を所定の真空度まで真空引きし得るようになっている。また、処理容器１４の側壁には、ウエハＭを搬出入する際に開閉されるゲートバルブ４８が設けられる。
【００２５】
また、載置台２６の直下の容器底部には、石英等の熱線透過材料よりなる透過窓４８がＯリング等のシール部材５０を介して気密に設けられており、この下方には、透過窓４８を囲むように箱状の加熱室５２が設けられている。この加熱室５２内には加熱手段として例えば複数の加熱ランプ５４が反射鏡も兼ねる回転台５６に取り付けられており、この回転台５６は、回転軸を介して加熱室５２の底部に設けた回転モータ５８により回転される。従って、この加熱ランプ５４より放出された熱線は、透過窓４８を透過して薄い載置台２６の下面を照射してこれを加熱し、更にこの載置台２６上のウエハＭを間接的に加熱し得るようになっている。加熱手段として上記加熱ランプに代えて、載置台２６に抵抗加熱ヒータを設けてウエハＭを加熱するようにしてもよい。
【００２６】
そして、この成膜装置１３の全体の動作を制御するために例えばマイクロコンピュータ等よりなる制御部６０が設けられている。この制御部６０により、各種ガスの供給開始、その停止、流量制御、ウエハの温度制御及び圧力制御等の成膜処理に必要な一連の制御が行われる。また、この制御部６０は、上記した装置全体の動作を制御するためのプログラムを記憶するための例えばフロッピディスクやフラッシュメモリ等よりなる記憶媒体６２を有している。
【００２７】
次に、以上のように構成された成膜装置を用いて行われる本発明方法について説明する。上述したように、以下に説明する各動作は、上記記憶媒体６２に記憶されたプログラムに基づいて行われる。
まず、処理容器１４の側壁に設けたゲートバルブ４８を開いて図示しない搬送アームにより処理容器１４内にウエハＭを搬入し、リフタピン２８を押し上げることによりウエハＭをリフタピン２８側に受け渡す。そして、リフタピン２８を、押し上げ棒３２を下げることによって降下させ、ウエハＭを載置台２６上に載置する。このウエハＭの表面には、埋め込み穴２の内面も含めて前工程にてすでに下地膜としてＴｉＮ／Ｔｉ膜のようなバリヤ層４が形成されている（図３（Ａ）参照）。このバリヤ層４は、ＴｉＮ膜の単層構造の場合もある。
【００２８】
次に、図示しない処理ガス源から処理ガスとして所定の成膜ガスや不活性ガス等を、後述するようなガス供給態様でガス供給手段であるシャワーヘッド部１６へ所定量ずつ供給して、これを下面のガス噴射口２０から処理容器１４内へ略均等に供給する。これと同時に、排気口４０から内部雰囲気を吸引排気することにより処理容器１４内を所望する圧力に真空引きしつつ、且つ載置台２６の下方に位置する加熱手段の各加熱ランプ５４を回転させながら駆動し、熱エネルギを放射する。
放射された熱線は、透過窓４８を透過した後、載置台２６の裏面を照射してこれを加熱する。この載置台２６は、前述のように例えば１ｍｍ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Ｍを迅速に所定の温度まで加熱することができる。供給された成膜ガスは所定の化学反応を生じ、タングステン膜の薄膜がウエハ表面の全面に堆積して形成されることになる。
【００２９】
ここで、図２を参照して各ガスの供給態様を具体的に説明する。
図２に示すガス供給態様において、不活性ガスとして例えばＡｒ、Ｎ２ ガスが、流量を一定にして、或いは必要に応じて流量を変えながら、連続的に供給されて、またＮ２ ガスが、容器内に残留する成膜ガスのパージガスとして必要に応じて供給される。また、同様に、処理容器１４内も、一連の工程の間、連続的に真空引きされている。
【００３０】
図２に示すガス供給態様のように、本発明方法は、シリコン含有ガスを供給するイニシエーション工程と、このイニシエーション工程後に、タングステン含有ガスを供給するタングステン含有ガス供給ステップとシリコンを含まない水素化合物ガスを供給する水素化合物ガス供給ステップとを、両ステップ間に上記処理容器内の雰囲気（残留ガス）を排気または置換するパージステップを介在させて交互に繰り返し行うことにより第一のタングステン膜である初期タングステン膜を形成する初期タングステン膜形成工程と、この初期タングステン膜形成工程後に、上記タングステン含有ガスと還元性ガスとを同時に供給することにより第二のタングステン膜である主タングステン膜を形成する主タングステン膜形成工程とを、この順序で順次行うようになっている。
【００３１】
また上記パージステップは、各工程を移行する際にも行われ、容器内に残留する成膜ガスを排気するようになっている。ここでは、タングステン含有ガスとしてはＷＦ６ ガスを用い、シリコン含有ガスとしてはＳｉＨ４ ガスを用い、シリコンを含まない水素化合物ガスとしてはＢ２ Ｈ６ ガスを用いている。また一連の工程の間、容器内は連続的に真空引きされると共に、Ｎ２ ガスやＡｒガスをキャリアガスまたはパージガスとして流しており、これらのガス供給は、パージステップにおける略中間期間Ｔ４において完全に停止し、この時は真空引きのみが継続的に行われて容器内の残留ガスが略完全に排除される。従って、この期間Ｔ４では容器内圧力が最も低下する。
【００３２】
まず、イニシエーション工程では、上述したように、シリコン含有ガスとしてＳｉＨ４ ガスをある程度の時間だけ連続的に供給して流す。これにより、ウエハＭのバリヤ層４の表面に、Ｓｉ−、ＳｉＨ−、ＳｉＨｘ （０≦ｘ＜４）等の分解中間体６を付着させる。このイニシエーション処理により、ＴｉＮ膜等よりなるバリヤ層４の表面の電気陰性度が改善されて、後続する成膜ガス等の吸着性が改善される。このイニシエーション工程では、これに後続する初期タングステン膜形成工程におけるプロセス圧力よりも高く設定し、例えば１０６６６Ｐａ（８０Ｔｏｒｒ）程度に設定する。また、ＳｉＨ４ ガスの流量は３００ｍｍウエハの場合は例えば７００ｓｃｃｍ程度に設定する。また、このイニシエーション工程の時間はＳｉＨ４ ガスの流量と分圧に依存し、例えば１５ｓｅｃ程度行う。またこのプロセス温度は、３００〜４００℃の範囲内の例えば３５０℃で行う。このプロセス温度は、最後の主タングステン膜形成工程まで、例えば変えることなく同一に設定することができる。
【００３３】
このイニシエーション工程を終了したならば、次に、初期タングステン膜形成工程へ移行する。この初期タングステン膜形成工程では上述したように、ＷＦ６ ガスとＢ２ Ｈ６ ガスとをこの順序で複数間交互に短時間ずつ繰り返し供給し、且つ両ガスの供給ステップ間では直前に供給したガスを容器内から排除するパージステップを行う。このパージステップの際には、パージガスとして例えば不活性ガスであるＮ２ ガスを供給することにより、残留ガスの排除を促進するのがよい。
ＷＦ６ ガス供給ステップでウエハ表面に吸着したＷＦ６ ガス分子層を次ステップで供給するジボランガスにより還元して、１回の交互供給につき数原子層のタングステン膜を成長させる。これを任意の回数繰り返して所望の膜厚の初期タングステン膜７０を形成する。
【００３４】
この時、ＷＦ６ ガスの流量は、３００ｍｍウエハの場合は例えば１６０ｓｃｃｍ程度に設定する。尚、ＷＦ６ ガスを流す時には、Ｎ２ ガスやＡｒガスをキャリアガスとして用いるのがよい。またＢ２ Ｆ６ ガスの流量は例えば１０００ｓｃｃｍ程度に設定する。この際に、Ａｒをキャリアガスとして用いる。また、ここではＨ２ をベースガスとして５％に希釈したＢ２ Ｈ６ ガスを使用している。その理由は、Ｂ２ Ｈ６ は不安定なガスであり、容易に重合して安定なデカボランとなる。そして、この生成したデカボラン微粒子が供給ラインの経路で凝集し、安定供給ができなくなったり、また、パーティクルの発生も懸念される。従って、このような理由より、Ｂ２ Ｈ６ ガスは重合を抑制するＨ２ をベースガスとしてボンベに希釈／充填され、ガス供給に使用される。そして、プロセス圧力は、上記イニシエーション工程の場合よりも遥かに低い例えば１０００Ｐａ以下が好ましい。また、或るＷＦ６ ガス供給ステップから次のＷＦ６ ガス供給ステップまでの期間を１サイクルとし、必要に応じて数サイクルから数十サイクル程度の処理を行う。
【００３５】
ここでＷＦ６ ガス供給ステップの時間Ｔ１は１．５ｓｅｃ程度、Ｂ２ Ｆ６ ガス供給ステップの時間Ｔ２は３ｓｅｃ程度、パージステップの時間Ｔ３は１．５ｓｅｃ程度であるが、これらの時間は特に限定されない。また、この時の１サイクル当たりの成膜レートは、プロセス条件によっても異なるが、例えば０．７〜１．２ｎｍ程度であり、通常は初期タングステン膜の膜厚は６〜７ｎｍに設定する。
【００３６】
以上のようにして、初期タングステン膜形成工程が終了したならば、次に、主タングステン膜形成工程へ移行する。ここではＷＦ６ ガスと還元性ガスであるＨ２ ガスとを同時に供給して、高い成膜レートでＣＶＤ法により主タングステン膜１０を堆積させ、埋め込み穴２を完全に埋め込む（図３（Ｅ）及び図３（Ｆ））。
この時のＷＦ６ ガスの流量は、３００ｍｍウエハの場合は、例えば２００〜３５０ｓｃｃｍ程度であり、またＨ２ ガスの流量は例えば２２００ｓｃｃｍ程度である。またプロセス圧力は１０６６６Ｐａ程度である。またこの時の成膜レートは、プロセス条件にもよるが、例えば１７０〜２４０ｎｍ／ｍｉｎ程度である。
【００３７】
以上のように、主タングステン膜形成工程が終了したならば、このウエハＭを成膜装置から取り下し、これにＣＭＰ（化学機械研磨）処理をかけることにより、図３（Ｇ）に示すように平面を平坦化して余分なタングステン膜やバリヤ層を除去し、コンタクトプラグ７３を形成することになる。これ以降は、所定の処理が行われて半導体デバイス（半導体装置）が製造されることになる。
【００３８】
まず、初期タングステン膜と主タングステン膜とを含むタングステン膜全体の抵抗率について評価を行ったので、その評価結果について説明する。
図５は初期タングステン膜と主タングステン膜とを含むタングステン膜全体の抵抗率を示すグラフである。ここでは比較のために従来方法で形成されたタングステン膜全体の抵抗率を併せて記載している。
尚、前述したように初期タングステン膜の厚さは６〜７ｎｍ程度であり、図４に示す横軸の厚さはほとんど主タングステン膜の厚さとなっている。
【００３９】
このグラフから明らかなように、本発明方法及び従来方法は、共に厚さが増加する程、抵抗率が低下しているが、同一厚さの部分では従来方法よりも本発明方法の方が常に１〜３μΩｃｍ程度低くなっており、この結果、本発明方法で初期タングステン膜を形成した場合には、この上に堆積する主タングステン膜の抵抗率を低下させることができることが確認できた。
この理由は、主タングステン膜１０の核付け層となる初期タングステン膜７０がＳｉＨ４ イニシエーションによりアモルファス（非晶質）となり、この状態が主タングステン膜１０の成長にも影響を与える。この主タングステン膜１０のグレインサイズ（結晶粒径）が、従来方法で形成した主タングステン膜よりも高く維持されて抵抗率が下がる、と推論される。
【００４０】
これを検証するために結晶性を変えた初期タングステン膜に主タングステン膜１０を堆積させ、主タングステン膜の断面をＳＥＭ（電子顕微鏡）で観察した。図５は本発明方法と従来方法で形成した初期タングステン膜のＸ線回折分析（ＸＲＤ）結果と、それぞれの初期タングステン膜の断面ＳＥＭ写真である。図５では理解を容易にするために部分的な模式図を併記している。図５（Ａ）は従来方法（従来プロセス）を示し、図５（Ｂ）は本発明プロセス（改善プロセス）を示している。ＡＬＤにより形成した初期タングステン膜のＸＲＤ結果から初期タングステン膜がアモルファスになるほど主タングステン膜のグレイン（結晶粒）が大きくなることがわかる。ここでＳｉ（２００）、Ｓｉ（４００）は基板の結晶性を示すピークであり、α（１１０）、α（２００）が初期タングステン膜の結晶性を示すピークである。本発明プロセスを用いると初期タングステン膜は、α（２００）が消失し、α（１１０）がブロードになり、アモルファス状態に近づいていることが理解できる。また、一般的に、タングステン膜はグレインサイズが大きくなるほど抵抗率が下がることが知られている。
【００４１】
次に、タングステン膜とバリヤ層との境界部分におけるフッ素濃度について評価を行ったので、その評価結果について説明する。
図６はタングステン膜が形成された半導体ウエハの深さ方向におけるフッ素濃度の分布をＳＩＭＳ（２次イオン質量分析法）により測定した結果である。ここでは境界部分のフッ素濃度の差を明瞭にするために実際よりも約５倍ほど初期タングステン膜を厚く形成してその評価を行っている。
【００４２】
尚、本評価における初期タングステン膜形成工程ではＷＦ６ とＢ２ Ｈ６ 交互供給ステップ間のパージステップではパージガス流量及び圧力を一定としている。この図６から明らかなように、タングステン膜とバリヤ層の境界部分において、本発明方法のフッ素濃度は従来方法の場合よりも１桁程度低く、良好な結果を示していることが確認できた。
【００４３】
図８は基板全面のボルケーノ発生の状態を光学顕微鏡により観察した図面代用写真である。尚、図８においては、本発明の効果の理解を容易にするために模式図を併記してある。図８中において、黒点はボルケーノの発生を示しており、これによれば、従来方法の場合（図８（Ａ））にはボルケーノが多数発生しているが、本発明方法（図８（Ｂ））の場合にはボルケーノがほとんど発生しておらず、本発明方法の有効性が確認できた。
【００４４】
このように、ＳｉＨ４ イニシエーション処理によって、タングステン膜とバリヤ層との境界部分のフッ素濃度を低減できるので、その分、バリヤ層側へフッ素が拡散したり、突き抜けが発生することを抑制してボルケーノ等の発生も阻止することができる。
【００４５】
次に初期タングステン膜形成工程でのパージガス供給形態による、初期タングステン膜中のフッ素濃度変化について評価を行った。
上述の評価では初期タングステン膜形成工程におけるＷＦ６ とＢ２ Ｈ６ 交互供給ステップ間のパージステップにてＡｒ及びＮ２ ガス流量を一定としたが、これらのガス供給をパージステップ略中間Ｔ４（図２参照）において完全に停止し、真空引きのみとし、処理容器内の圧力を急激に下げる。この方法により残留ガスの排除効率が大きく向上し、ＷＦ６ ガスとＢ２ Ｈ６ ガスの気相反応を抑制し、ウエハ表面でより完全なＷＦ６ ガス吸着とＢ２ Ｈ６ ガスによる還元反応を継続させる。
図７は従来のパージ方法と比較して上述の方法で形成した初期タングステン膜中のフッ素濃度分布を示す。この図７から従来の方法に比較して初期タングステン膜中のフッ素濃度は２桁以上下がり極めて大きな効果があることがわかる。
【００４６】
上述のように初期タングステン膜形成工程前にＳｉＨ４ イニシエーション処理の工程を加えることによりタングステン膜とバリヤ層境界部分のフッ素濃度が低減できるが、更に初期タングステン膜形成工程でのパージガス供給形態を変えることにより初期タングステン膜中のフッ素濃度も低減できることが確認できた。本発明方法によれば更にボルケーノ発生を抑制できると予想される。
【００４７】
また、タングステン膜とバリヤ層との密着性について、ＪＩＳ  ｃｒｏｓｓ  ｃｕｔ法（ＪＩＳ  ｋ５４００）に基づいて評価を行った。図９にバリヤ層上にＡＬＤによる初期タングステン膜と主タングステン膜との積層膜を堆積し、密着性を評価した結果を示す。図９（Ａ）はＪＩＳにより剥離の程度を分類したクラス毎の基準を示し、図９（Ｂ）は本願発明方法（改善）と従来方法のタングステン膜の剥離結果を示す。密着性の評価方法は、上記したＪＩＳに基づいており、タングステン膜を堆積後にダイヤモンドペンで縦横に碁盤状に所定の傷を付け、その上に規定のスコッチテープを貼り、一気に剥がす。その剥がれの割合をＪＩＳ基準値と比較し、密着性のクラスを決定する。
【００４８】
この結果、ＳｉＨ４ イニシエーション処理を用いることにより、初期タングステン膜及び主タングステン膜ともに密着性は大きく向上することが判明した。すなわち、従来方法の場合には、剥離比率は初期タングステン膜だけの時は３５〜６５％（１Ｂ）、主タングステン膜を含めると６５〜１００％（０Ｂ）であり、かなり密着性が劣っていた。
【００４９】
これに対して、本発明の場合には、剥離比率は初期タングステン膜だけの時は５％（１Ｂ）以下、主タングステン膜を含めると３５〜６５％（４Ｂ）であり、本発明によればかなり密着性を改善できることを確認することができた。この密着性の改善の理由は、恐らくは界面に存在するフッ素原子またはバリヤ層と反応して生成したフッ素化合物がＴｉＮとタングステン膜の密着を阻害する原因であり、界面フッ素の低減により、本来のＴｉＮ−Ｗ（タングステン）の密着性を回復したと予想される。
またこのように、密着性を改善できる結果、例えば図３（Ｇ）に示すようにＣＭＰ処理を行っても、使用する溶剤が内部の境界部分に侵入することを防止でき、この結果、タングステン膜がコンタクトホールから脱離してしまう等の問題が発生することを回避することができる。
尚、上記実施例では、シリコン水素含有ガスとしてモノシランを用いたが、これに限定されず、ジシランなどのシリコン水素化合物やトリメチルシラン（（ＣＨ３ ）３ ＳｉＨ）などの有機シランを用いることができる。
【００５０】
また、上記実施例では、シリコンを含まない水素化合物ガスとしてジボランを用いたが、これに限定されず、ホスフィンなどの強力な還元性ガスを用いることができる。
更には、タングステンガス含有ガスとしてはＷＦ６ ガスに限定されず、有機タングステンソースガスも用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に係るタングステン膜の形成方法を実施する成膜装置の一例を示す断面構成図である。
【図２】各ガスの供給態様を示す図である。
【図３】半導体ウエハの表面に堆積されるタングステン膜の工程を示す模式図である。
【図４】初期タングステン膜と主タングステン膜とを含むタングステン膜全体の抵抗率を示すグラフである。
【図５】初期タングステン膜と主タングステン膜とを含むタングステン膜全体の抵抗率を示すグラフである。
【図６】タングステン膜が形成された半導体ウエハの深さ方向におけるフッ素濃度の分布を示すグラフである。
【図７】タングステン膜が形成された半導体ウエハの深さ方向におけるフッ素濃度の分布を示す第２のグラフである。
【図８】ボルケーノの発生の有無を示す図面代用写真である。
【図９】バリヤ層上にＡＬＤにより形成された初期タングステン膜と主タングステン膜との積層膜の密着性を評価したときの評価結果を示す図である。
【図１０】ボルケーノ発生のメカニズムを示す図である。
【図１１】従来のタングステン膜の形成方法における各ガスの供給形態の一例を示す図である。
【図１２】図１１に示すガスの供給形態で形成されるタングステンにより埋め込み穴を埋め込む時の工程を示す図である。
【図１３】従来技術によりタングステン膜を堆積した時のボルケーノの発生状況を示す電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００５２】
２  埋め込み穴
４  バリヤ層
６  分解中間体
１０  主タングステン膜（第二のタングステン膜）
１３  成膜装置
１４  処理容器
１６  シャワーヘッド部（ガス供給手段）
２６  載置台
４６  真空排気系
５４  加熱ランプ（加熱手段）
６０  制御部
６２  記憶媒体
７０  初期タングステン膜（第一のタングステン膜）
Ｍ  半導体ウエハ（被処理体）
【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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【図１２】
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【図１３】
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