(57)【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、処理ガスを供給して被処理体の表面に金属タングステン膜を成膜する方法において、
前記処理ガスとして、
六フッ化タングステンガスと、
水素ガスと、
前記水素ガスよりも少ない量の、前記水素ガスよりも還元性に富む還元ガスとを用いると共に、
前記還元ガスの供給開始の時点は、前記六フッ化タングステンガス及び水素ガスの供給開始の時点よりも僅かに遅く設定されている、ことを特徴とする成膜方法。
【請求項２】
前記被処理体の温度は、被処理体表面上で２８０〜４２０℃の範囲内であることを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
【請求項３】
前記還元ガスの供給開始の時点は、前記六フッ化タングステンガス及び水素ガスの供給開始の時点よりも３〜６秒遅く設定されてい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】
前記還元ガスは、ＳｉＨ４ 、Ｓｉ２ Ｈ６ 、Ｂ２ Ｈ６ 、ＳｉＨ２ Ｃｌ２ 、ＰＨ３ のいずれかであ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】
被処理体の表面に金属タングステン膜を成膜する成膜装置において、真空引き可能になされた処理容器と、被処理体を保持する保持手段と、前記被処理体を加熱する加熱手段と、前記処理容器内へ処理ガスを供給するガス供給手段と、六フッ化タングステンガス源と、水素ガス源と、水素ガスよりも還元性に富む還元ガスを貯留する還元ガス源とを備え、前記還元ガスの供給開始の時点は、前記六フッ化タングステンガス及び水素ガスの供給開始の時点よりも僅かに遅くなるようにしたことを特徴とする成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属タングステン膜を成膜する成膜方法及び成膜装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体集積回路の製造工程にあっては、被処理体である半導体ウエハ表面に成膜処理、酸化拡散処理、エッチング処理等の各種の処理が繰り返し行なわれる。
そして、半導体集積回路の製造工程の途中における配線膜の形成やコンタクトホールやスルホール等の凹凸部の穴埋めには、微細化されても断線が生じ難く、膜付けが比較的容易で、しかも比抵抗も小さい金属タングステン膜が多用される傾向にある。
この金属タングステン膜の成膜方法としては、例えばタングステン金属含有の原料ガスとして六フッ化ガス（ＷＦ6 ）を用い、これを還元ガスであるＨ2 ガスで還元してタングステン膜を成膜する方法が一般的に知られている。この時の成膜温度は、一般的にはウエハ表面温度にて４４０℃以上に設定されている。この理由は、成膜温度が低いと膜内のストレスが大きくなって半導体ウエハ自体にそりが生じて変形したり、膜剥がれが生じたりし、また、成膜レートも小さくなってスループットも極端に低下するからである。一般的には載置台（サセプタ）の温度は、ウエハ温度よりも略２０℃程度高い。
【０００３】
ところが、近年の半導体集積回路の一層の微細化及び多層化の傾向により、熱拡散等の許容量も小さくなったので、回路製造途中の半導体ウエハを高い温度下に晒すことを避ける必要が生じ、このため、タングステン膜の成膜温度もウエハ表面温度にて４４０℃よりも低い温度、例えば４２０℃以下で行なうことが望まれている。
このような状況下において、例えば特開平４−７４８６５号公報等に開示されているように、還元ガスとしてＨ2 に代えて、Ｂ2 Ｈ6 （ジボラン）、ＳｉＨ4 （モノシラン）、ＰＨ3 （ホスフィン）等を用いるようにし、３００℃程度の低温域においてもある程度、特性の良好なタングステン膜を成膜するようにした方法が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平４−７４８６５号公報等に開示された方法では、確かに低温域において金属タングステン膜を成膜することはできるが、膜中のストレスはかなり大きく、また、依然として成膜レートもそれ程高くないという問題があった。
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、４００℃程度の低温域においても膜中のストレスがそれ程大きくなく、しかも成膜レートもそれ程低下させることなく金属タングステン膜を形成することができる成膜方法及び成膜装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、ＷＦ６ ガスを還元する還元ガスとしてＨ２ ガスの他に、一定の条件下で他の還元ガスも併せて用いることにより、低温域においても膜ストレスを小さくし、且つ成膜レートを比較的大きく維持することができる、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、真空引き可能になされた処理容器内にて、処理ガスを供給して被処理体の表面に金属タングステン膜を成膜する方法において、前記処理ガスとして、六フッ化タングステンガスと、水素ガスと、前記水素ガスよりも少ない量の、前記水素ガスよりも還元性に富む還元ガスとを用いると共に、前記還元ガスの供給開始の時点は、前記六フッ化タングステンガス及び水素ガスの供給開始の時点よりも僅かに遅く設定されているようにしたものである。
【０００６】
これにより、低温域においても膜ストレスが比較的小さな膜が形成でき、しかも成膜レートが比較的大きな成膜方法を提供することが可能となる。
この場合、請求項２に規定するように、例えば前記被処理体の温度は、被処理体表面上で２８０〜４２０℃の範囲内である。
また、請求項３に規定するように、例えば前記還元ガスの供給開始の時点は、前記六フッ化タングステンガス及び水素ガスの供給開始の時点よりも３〜６秒遅く設定されている。これにより、成膜開始時に、パーティクル発生の原因となるＷＦ６ ガスの気相反応の発生を抑制することが可能となる。
【０００７】
更に、請求項４に規定するように、例えば前記還元ガスは、ＳｉＨ４ 、Ｓｉ２ Ｈ６ 、Ｂ２ Ｈ６ 、ＳｉＨ２ Ｃｌ２ 、ＰＨ３ の内のいずれかである。
請求項５に規定する発明は、上記方法発明を実施するための成膜装置であり、すなわち被処理体の表面に金属タングステン膜を成膜する成膜装置において、真空引き可能になされた処理容器と、被処理体を保持する保持手段と、前記被処理体を加熱する加熱手段と、前記処理容器内へ処理ガスを供給するガス供給手段と、六フッ化タングステンガス源と、水素ガス源と、水素ガスよりも還元性に富む還元ガスを貯留する還元ガス源とを備え、前記還元ガスの供給開始の時点は、前記六フッ化タングステンガス及び水素ガスの供給開始の時点よりも僅かに遅くなるようにしたものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る成膜方法及び成膜装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係る成膜装置を示す断面構成図である。ここでは成膜装置として成膜ガスであるＷＦ6 を用いてタングステン膜を堆積させる枚葉式の成膜装置を例にとって説明する。この成膜装置２は、例えばアルミニウム等により円筒状或いは箱状に成形された処理容器４を有しており、この処理容器４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６上に、例えば断面Ｌ字状の保持部材８を介して被処理体としての半導体ウエハＷを載置して保持するための保持手段として載置台１０が設けられている。このリフレクタ６はランプ光を反射させる目的で、例えばアルミニウムで構成され、また、保持部材８は載置台１０を熱伝導から遮断する目的で熱伝導性の低い材料、例えば石英で構成されている。また、載置台１０は、厚さ１ｍｍ程度の例えばカーボン素材、ＡｌＮなどのアルミ化合物等により構成されている。
【０００９】
この載置台１０の下方には、複数本、例えば３本のリフタピン１２が円形リング状の支持部材１４に対して上方へ起立させて設けられており、この支持部材１４を処理容器底部に貫通して設けられた押し上げ棒１６により上下動させることにより、上記リフタピン１２を載置台１０に貫通させて設けたリフタピン穴１８に挿通させてウエハＷを持ち上げ得るようになっている。
上記押し上げ棒１６の下端は、処理容器４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２０を介してアクチュエータ２２に接続されている。上記載置台１０の周縁部には、ウエハＷの周縁部を保持してこれを載置台１０側へ固定するために、例えばウエハの輪郭形状に沿った略リング状のセラミック製クランプリング２４が設けられている。このクランプリング２４は、上記保持部材８を遊嵌状態で貫通した支持棒２６を介して上記支持部材１４に連結されており、リフタピン１２と一体的に昇降するようになっている。ここで保持部材８と支持部材１４との間の支持棒２６にはコイルバネ２８が介設されており、クランプリング２４等の降下を助け、且つウエハのクランプを確実ならしめている。これらのリフタピン１２、支持部材１４及び保持部材８も石英等の熱線透過部材により構成されている。
【００１０】
また、載置台１０の直下の処理容器底部には、石英等の熱線透過材料よりなる透過窓３０がＯリング等のシール部材３２を介して気密に設けられている。この透過窓３０の下方には、透過窓３０を囲むように箱状の加熱室３８が設けられている。この加熱室３８内には加熱手段として複数個の加熱ランプ４０が反射鏡も兼ねる回転台４２に取り付けられており、この回転台４２は、回転軸を介して加熱室３８の底部に設けた回転モータ４４により回転される。従って、この加熱ランプ４０より放出された熱線は、ランプ用の透過窓３０を透過して載置台１０の下面を照射してこれを加熱し得るようになっている。
【００１１】
また、載置台１０の外周側には、多数の整流孔４６を有するリング状の整流板４８が、上下方向に環状に成形された支持コラム５０により支持させて設けられている。整流板４８の内周側には、クランプリング２４の外周部と接触してこの下方にガスが流れないようにするリング状の石英製アタッチメント５２が設けられる。整流板４８の下方の底部には排気口５４が設けられ、この排気口５４には図示しない真空ポンプに接続された排気路５６が接続されており、処理容器４内を所定の真空度に維持し得るようになっている。また、処理容器４の側壁には、ウエハを搬出入する際に開閉されるゲートバルブ５８が設けられる。
【００１２】
一方、上記載置台１０と対向する処理容器天井部には、処理ガス等を処理容器４内へ導入するためのガス供給手段としてシャワーヘッド部６０が設けられている。具体的には、このシャワーヘッド部６０は、例えばアルミニウム等により円形箱状に成形されたヘッド本体６２を有し、この天井部には例えば３つのガス導入口６４Ａ、６４Ｂ、６４Ｃが設けられている。
また、ヘッド本体６２の下部には、ヘッド本体６２内へ供給されたガスを処理空間Ｓへ放出するための多数のガス噴射孔６６が面内の略全体に配置されており、ウエハ表面に亘ってガスを放出するようになっている。そして、ヘッド本体６２内には、多数のガス分散孔６８を有する拡散板７０が配設されており、ウエハ面に、より均等にガスを供給するようになっている。
【００１３】
そして、ここでは金属タングステン膜を成膜するために必要なガスとして、３つのガスが用いられる。この３つのガスとは、タングステン金属含有ガスとしてのＷＦ6 ガスと、Ｈ2 ガスと、このＨ2 ガスよりも還元性に富む還元ガス、例えばＳｉＨ4 である。具体的には、シャワーヘッド部６０の第１のガス導入口６４Ａには、流れるガス流量を制御するマスフローコントローラＭＦ１を途中に介設したガス通路７２が接続され、このガス通路７２の他端には、ＷＦ6 ガスを貯留するＷＦ6 ガス源７４が接続されている。また、第２のガス導入口６４Ｂには、マスフローコントローラＭＦ２を途中に介設したガス通路７６が接続され、このガス通路７６の他端には、Ｈ2 ガスを貯留するＨ2 ガス源７８が接続される。更に、第３のガス導入口６４Ｃには、マスフローコントローラＭＦ３を途中に介設したガス通路８０が接続され、このガス通路８０の他端には、ＳｉＨ4 ガスを貯留するＳｉＨ4 ガス源８２が接続されている。そして、ＷＦ6 ガスのキャリアガスには例えばＡｒガスを用いるため、上記ＷＦ6 用のガス通路７２の途中には、マスフローコントローラＭＦ４を介してＡｒガス源８４が接続される。また、Ｈ2 ガス及びＳｉＨ4 ガスのキャリアガスには共に例えばＮ2 ガスを用いるため、上記Ｈ2 ガス用のガス通路７６の途中には、マスフローコントローラＭＦ５を介してＮ2 ガス源８６が接続され、また、ＳｉＨ4 用のガス通路８０の途中には、マスフローコントローラＭＦ６を介して上記Ｎ2 ガス源８６が接続されている。
【００１４】
次に、以上のように構成された成膜装置を用いて行なわれる成膜方法について説明する。
まず、処理容器４の側壁に設けたゲートバルブ５８を開いて搬送アーム（図示せず）により処理容器４内にウエハＷを搬入し、リフタピン１２を押し上げることによりウエハＷをリフタピン１２側に受け渡す。そして、リフタピン１２を、押し上げ棒１６を下げることによって降下させ、ウエハＷを載置台１０上に載置すると共に更に押し上げ棒１６を下げることによってウエハＷの周縁部をクランプリング２４で押圧してこれを固定する。
【００１５】
次に、処理ガス源から処理ガスとしてＷＦ6 （原料ガス），ＳｉＨ4，Ｈ2 の 各ガスを、キャリアガスであるＡｒやＮ2 と共にシャワーヘッド部６０へ流量制御しつつ所定量ずつ供給して混合し、これをヘッド本体６２の下面のガス噴射孔６６から処理容器４内へ略均等に供給する。これと同時に、排気口５４から内部雰囲気を吸引排気することにより処理容器４内を所定の真空度に設定し、且つ載置台１０の下方に位置する加熱ランプ４０を回転させなが駆動し、熱エネルギを放射する。
放射された熱線は、ランプ用の透過窓３０を透過した後、載置台１０の裏面を照射してこれを加熱する。この載置台１０は、前述のように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Ｗを迅速に所定の温度まで加熱することができる。供給された混合ガスは所定の化学反応を生じ、成膜条件に応じて例えばタングステン膜がウエハ表面に堆積し、形成されることになる。
【００１６】
ここで成膜時のプロセス条件としては、プロセス温度に関しては、従来のプロセス温度、例えばウエハ表面温度にて４４０℃よりも低い温度、例えばウエハ表面温度にて２８０〜４２０℃の範囲内に設定する。尚、プロセス温度がウエハ表面温度にて２８０℃より低くなると成膜自体が生じなくなる。また、プロセス温度がウエハ表面温度にて４２０℃よりも高いと、堆積膜の特性があまり好ましくなくなる。プロセス圧力は、例えば８０Ｔｏｒｒ程度である。また、各ガスの流量は、例えばＷＦ6 ガスが５０ｓｃｃｍ程度、ＳｉＨ4 ガスが２０ｓｃｃｍ程度、Ｈ2 ガスが２０００ｓｃｃｍ程度である。ここでＨ2 ガスよりも還元性に富むＳｉＨ4 ガスの流量は、Ｈ2 ガスの流量よりも、例えば遥かに少なくする。この理由は、ウエハＷの表面全体に金属タングステン膜を堆積させる、いわゆるブランケット成膜を行なうためである。
【００１７】
この時の成膜装置の主要部の大きさは、半導体ウエハＷのサイズが８インチであり、処理容器４の内径は略５０〜６０ｃｍ程度、処理容器４の天井部と載置台１０（整流板４８）との間の距離Ｌ１が略８ｃｍ程度、シャワーヘッド部６０の下面と載置台１０との間の距離Ｌ２が略７ｃｍ程度である。
また、ここで重要な点は、上記３種類のガスを同時に処理容器４内へ導入して成膜を開始するのではなく、ＷＦ6 ガスとＨ2 ガスとを予め流して処理容器４内へ供給しておいて、両ガスの供給が開始された時点よりも、少なくとも３秒程度遅くＳｉＨ4 の供給を開始するように供給開始点に時間差を設ける。この理由は、上記３種類のガスを同時に処理容器４内へ供給すると、ＷＦ6 ガスが還元作用の強いＳｉＨ4 ガスにより気相中で直ちに還元されて、いわゆる気相反応が生じてしまい、処理空間Ｓ中にパーティクルとなるタングステン粒子が浮遊して存在する状態になるからである。尚、ＷＦ6 ガスとＨ2 ガスを供給しただけでは、ここではプロセス温度が低いので、膜はほとんど堆積しない。
【００１８】
また、ＷＦ6 ガスとＳｉＨ4 ガスのみを供給した場合には（Ｈ2 ガスを供給しない場合）、上述のような気相反応が生じてしまい、パーティクルが発生してしまう。
上述のように、水素ガスよりも還元性に富むＳｉＨ4 ガスを、水素ガスに対して僅かな量だけ添加して金属タングステン膜を成膜することにより、ウエハ表面温度にて２８０〜４２０℃程度の低温域で成膜処理を行なっても、成膜レートをある程度高く維持でき、また、堆積した膜中のストレスも低く維持することができる。
ここで、図１に示した装置を用いてＷＦ6 ガスとＳｉＨ4 の流量比を種々変更して金属タングステン膜を成膜した時の成膜レート及び膜ストレスを測定したので、その評価結果について説明する。
【００１９】
図２はプロセス条件とその時の成膜レート及びパーティクルの有無の表を示す図、図３は図２に示す結果を表したグラフ、図４はプロセス条件とその時の膜ストレスの表を示す図、図５は図４に示す結果を表したグラフである。
ここでは、ＷＦ6 ガスの流量を５０ｓｃｃｍに固定し、ＳｉＨ4 ガスの流量を０〜４０ｓｃｃｍまで変化させている。また、プロセス温度はウエハ表面温度にて３５０〜３９０℃まで変化させている。尚、Ｈ2 ガスの流量は２０００ｓｃｃｍに固定しており、プロセス圧力は８０Ｔｏｒｒである。図２及び図３から明らかなように、シランガスの流量比を増加する程、及び温度を上げる程、成膜レートが高くなって行くことが判明する。ただし、ＷＦ6 ガスとＳｉＨ4 ガスの流量比が５０：３０を超えてＳｉＨ4 ガスの流量が多くなると、パーティクルが発生して好ましくない。また、ＳｉＨ4 ガスの添加量が少な過ぎると成膜レートも低過ぎてしまう。従って、パーティクルの有無や成膜レートを考慮すると、ＷＦ6 ／ＳｉＨ4 の流量比は、略５０／１０〜５０／３０の範囲内、好ましくは５０／２０の近傍であることが判明する。
【００２０】
また、図４及び図５から明らかなように、膜中のストレスに関しては、プロセス温度が高くなる程、また、ＳｉＨ4 ガスの供給量が多くなる程、膜中のストレスが低下して行くことが判明する。特に、プロセス温度をウエハ表面温度にて４４０℃程度にして成膜を行なう従来の成膜方法による膜中のストレスが略１．４×１０10ｄｙｎｅ／ｃｍ2 （膜厚５５００Å）程度なので、ＳｉＨ4 ガスを少量添加することにより、従来の成膜温度を大幅に下げる（略６０℃）ことが可能であることが判明する。
【００２１】
次に、ＷＦ6 ガス及びＨ2 ガスの供給開始に対して、ＳｉＨ4 ガスの供給開始を遅らせることについての評価を行なったので、その評価結果について説明する。
図６は各ガスの供給開始のタイミングを示す図、図７はプロセス圧力と気相反応に移行した時の関係及びパーティクル量を示す図である。
図６（Ａ）は遅れなし、すなわち３種類のガスを同時に供給した時のタイミングを示し、図６（Ｂ）は遅れあり、すなわちＳｉＨ4 ガスの供給開始をΔｔ秒だけ遅らせた時のタイミングを示している。尚、ここではΔｔを３〜６秒に設定した。また、ＳｉＨ4 ガスの供給量は４ｓｃｃｍ、ＷＦ6 ガスの供給量は１５ｓｃｃｍ、Ｈ2 ガスの供給量は１８００ｓｃｃｍであり、プロセス温度はウエハ表面温度にて３９０℃である。
【００２２】
図７に示すように、遅れなしの場合には、プロセス圧力が低くてもパーティクルが発生しているのみならず、プロセス圧力が３０Ｔｏｒｒで気相反応へ移行しているが、遅れありの場合には、プロセス圧力が４０Ｔｏｒｒで初めてパーティクルが発生し（１７個）、プロセス圧力が６０Ｔｏｒｒで気相反応へ移行している。このことは、ＳｉＨ4 ガスの供給開始を遅らせた方が、パーティクルの発生を抑制でき、また、プロセス圧力を高くできること、すなわちその分成膜レート上げることができることを示しており、より好ましいことが判明する。尚、遅延時間Δｔを３秒よりも短くした時には、評価結果は遅延なしの場合と略同じであった。
上記実施例では、Ｈ2 ガスよりも還元性に富む還元ガスとしてＳｉＨ4 ガスを用いたが、他に、例えばＳｉ2 Ｈ6 ガス、Ｂ2 Ｈ6 ガス、ＳｉＨ2 Ｃｌ2 ガス、ＰＨ3 ガス等を用いることができる。
【００２３】
尚、ここでは８インチウエハ対応の成膜装置を例にとって説明したが、６インチウエハ或いは１２インチウエハ対応等の成膜装置にも適用することができる。この場合には、各種のガス流量は増減するが、ガス種間の流量比は上記実施例で説明したと同じ態様となるのは勿論である。
また、ここでは加熱手段として加熱ランプを用いた装置を例にとって説明したが、これに限定されず、載置台に加熱ヒータを内蔵した抵抗加熱ヒータを用いた装置にも適用できる。
また、成膜装置の種類としては、半導体ウエハを１枚ずつ処理する枚葉式の成膜装置に限定されず、保持手段としてのウエハボートに所定のピッチで支持させた２５枚程度の多数枚のウエハを例えば縦型の石英製の処理容器内で同時に成膜処理する、いわゆるバッチ式の成膜装置にも適用することができる。
更には、被処理体としては、半導体ウエハに限定されず、ＬＣＤ基板、ガラス基板にも適用することができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の成膜方法及び成膜装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
本発明によれば、金属タングステン膜を成膜するに際して、六フッ化タングステンガスと、水素ガス、この水素ガスよりも還元性に富む還元ガスを用いることにより、例えばウエハ表面温度にて２８０〜４２０℃の範囲内の比較的低温域においてもある程度高い成膜レートで堆積できしかも、膜中のストレスも低く維持することができる。
また、還元ガスの供給の開始時点を、他のガスの供給の開始時点よりも僅かに例えば少なくとも３秒程度遅くすることにより、パーティクルの発生を抑制でき、しかも気相反応へ移行するプロセス圧力も高い方向へ推移させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る成膜装置を示す断面構成図である。
【図２】プロセス条件とその時の成膜レート及びパーティクルの有無の表を示す図である。
【図３】図２に示す結果を表したグラフである。
【図４】プロセス条件とその時の膜ストレスの表を示す図である。
【図５】図４に示す結果を表したグラフである。
【図６】各ガスの供給開始のタイミングを示す図である。
【図７】プロセス圧力と気相反応に移行した時の関係及びパーティクル量を示す図である。
【符号の説明】
２  成膜装置
４  処理容器
１０  載置台（保持手段）
３０  透過窓
４０  加熱ランプ
６０  シャワーヘッド部（ガス供給手段）
６２  ヘッド本体
６４Ａ、６４Ｂ、６４Ｃ  ガス導入口
７４  ＷＦ6 ガス源
７８  Ｈ2 ガス源
８２  ＳｉＨ4 ガス源
Ｗ  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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