JP2004536960A

JP2004536960A - フッ素を含まないタングステン核生成によるｗ−ｃｖｄ

Info

Publication number: JP2004536960A
Application number: JP2002577939A
Authority: JP
Inventors: ピンジアン，; セシャリガングリ，; カール，エー．リタウ，; クリストファーマルカダル，; リンチェン，
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2001-03-28
Filing date: 2002-03-25
Publication date: 2004-12-09
Also published as: WO2002079537A2; WO2002079537A3; US20020190379A1

Abstract

本発明によれば、改善されたタングステン層を形成するための方法が提供される。一実施形態においては、基板上にタングステン層を堆積させるためのＣＶＤ法は、該基板上にＴｉＮ／Ｔｉ二重層を形成するステップと、該基板を基板処理チャンバの堆積領域内に配置するステップと、フッ素を含まないタングステン含有前駆物質とキャリアガスを該堆積領域内に導入して該ＴｉＮ／Ｔｉ二重層上にタングステン核生成層を形成するステップと、を含んでいる。該Ｔｉ層は、該ＴｉＮ層と該基板との間にある。タングステン核生成層が形成された後、タングステン含有材料と還元剤を含むプロセスガスが該堆積領域内に導入されてそのバルクタングステン層を形成する。一実施形態において、該フッ素を含まないタングステン含有前駆物質にはＷ(ＣＯ)_６が含まれ、該キャリアガスはアルゴンである。

Description

【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、２００１年３月２８日出願の米国出願第６０/２７９,６０７号の非仮出願であり、この開示内容は本明細書に援用されている。
発明の背景
一部の集積回路（ＩＣ）構造を形成する際、一般的なステップとして、半導体基板上にタングステン堆積を行なう。例えば、半導体基板中に部分的に又は隣接した金属層間を電気的に接続するために、一般的にタングステンが用いられている。通常、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）層のような絶縁層中にある開口を通じてこれらの電気的コンタクトが実現される。
【０００２】
このようなコンタクトを形成するために用いられる方法の1つに、２ステップ堆積プロセスがある。前記プロセスにおいては、先ずタングステンヘキサカルボニル（Ｗ(ＣＯ)_６）を用いて、接着層を約５５０℃の温度で堆積させ、次いで六フッ化タングステン（ＷＦ_６）を水素還元することにより、更に厚いタングステン膜を堆積させる。このプロセスの不利な点は、今日の技術で用いられている誘導体基板は、４５０℃より高い温度に耐えられないという点である。
【０００３】
前記のようなコンタクトを形成するためのより一般的なもう1つの方法は、最初に窒化チタン−チタン（ＴｉＮ／Ｔｉ）二重層を開口に充填した後、タングステンを化学気相成長（ＣＶＤ）法によって開口に充填するという方法である。上部のＴｉＮ層は、拡散バリヤとして働き、タングステン堆積プロセス時に、六フッ化タングステン（ＷＦ_６）が、その下の層と反応しないようにしている。下部のＴｉ層は接着促進層として働く。
【０００４】
タングステン−ＣＶＤ（以後“Ｗ−ＣＶＤ”とする）法の1つでは、原料ガスとしてＷＦ_６と、例えば、Ｈ_２のような水素還元剤を用いる。この技術は、２つの主要なステップを含む。即ち、核生成とバルク堆積である。核生成ステップは、タングステン薄層を成長させるステップである。このタングステン薄層が後のタングステン膜の成長部位として働く。核生成ステップでは、ＷＦ_６とＨ_２に加えてプロセスガスが用いられる。このプロセスガスには、シラン（ＳｉＨ_４）が含まれるが、窒素（Ｎ_２）やアルゴン（Ａｒ）が含まれていてもよい。次いで、タングステン膜を形成させるために、バルク堆積ステップが用いられる。バルク堆積ガスは、ＷＦ_６、Ｈ_２、Ｎ_２及びＡｒの中から選ばれた２つ以上のガスを含む混合ガスである。
【０００５】
フッ素（Ｆ）は、ＴｉＮ／Ｔｉ二重層に対して高い拡散率を示す。例えば、Ｔｉ中のＤ_Ｆ（４４０℃）は、約１０^−１２ｃｍ^２/秒であり、１０秒で１００ｎｍの距離を拡散する。このフッ素の高拡散率のために、核生成とバルク堆積のステップにおいて、タングステン膜中に欠陥が形成される頻度が高くなる。フッ素がＴｉＮ層中へ拡散することにより、フッ素が下部Ｔｉ層と反応を起こし、タングステン膜中に“噴火口”として知られる欠陥を形成する可能性がある。更に、タングステン膜と基板との界面にフッ素混入があると、接触抵抗が増加してしまう。
【０００６】
核生成ステップにおいて、ＷＦ_６とＳｉＨ_４を堆積チャンバ内へ導入するタイミングは、慎重に制御されなければならない。ＳｉＨ_４よりも早くＷＦ_６が注入されると、タングステン膜中に噴火口が形成されてしまう恐れがあり、ＷＦ_６よりもＳｉＨ_４が早く注入されると、気相反応が起こり、タングステン膜表面に隆起が形成されて、ヘイズと呼ばれる状態となってしまう。従って、例えば、マスフローコントローラのような、ガス流量の制御機構は、ガス供給タイミングについて高度な精度を有していなければならず、また、操業中の長期間、高度なタイミング精度が維持されていなければならない。
【０００７】
従って、Ｗ−ＣＶＤプロセスにおいて、ＴｉＮ／Ｔｉ二重層中へのフッ素の侵入を最小限に抑えることと、核生成相において、ガス供給の厳密なタイミング合わせをしなくてもよい下層材料とが望まれている。
【発明の概要】
【０００８】
本発明によれば、改善されたタングステン層の形成方法が提供される。一実施形態では、基板上にタングステン層を堆積するＣＶＤ法には、基板上に窒化チタン／チタン（ＴｉＮ／Ｔｉ）二重層を形成するステップと、基板を基板処理チャンバ内の堆積領域内に配置するステップと、該堆積領域内にフッ素を含まないタングステン含有前駆物質とキャリアガスを導入してＴｉＮ／Ｔｉ二重層上にタングステン核生成層を形成させるステップと、が含まれている。Ｔｉ層は、ＴｉＮ層と基板の間に形成される。
【０００９】
一実施形態では、フッ素を含まないタングステン含有前駆物質は、Ｗ(ＣＯ)_６を含んでいる。
【００１０】
他の実施形態では、核生成の間、チャンバ内に１種の前駆物質のみを導入する。これにより、従来のＷ−ＣＶＤプロセスにおけるガス供給時の厳密なタイミング合わせの必要が無くなる。
【００１１】
他の実施形態では、核生成層を形成させる間、堆積領域の圧力は、２Ｔｏｒｒ未満であり、温度は、２００℃〜４５０℃の間にある。
【００１２】
他の実施形態では、タングステン核形成の後、タングステン含有原料と還元剤を含むプロセスガスを堆積領域に導入し、バルクタングステン層を形成させる。
【００１３】
他の実施形態では、バルクタングステン層形成中のタングステン含有材料は、ＷＦ_６を含み、還元剤はＨ_２を含んでいる。
【００１４】
他の実施形態では、キャリアガスはアルゴンである。
【００１５】
本発明による方法に従って形成したタングステン核生成層では、タングステンバルク形成中にＷ膜の下部層にフッ素原子が深く侵入しないようにする。この方法は、従来の方法に比べてタングステン膜中に欠陥が形成される頻度を著しく低下させる。
【００１６】
本発明のこれらの実施形態及び他の実施形態、ならびに本発明の利点及び特徴は、以下の文章及び添付図面と併せて、より詳細に記載される。
【個々の実施形態の説明】
【００１７】
本発明の実施形態によれば、基板上におけるタングステン層の化学気相成長プロセスにおいては、タングステンヘキサカルボニル（Ｗ(ＣＯ)_６）のようなフッ素を含まない前駆物質を用いて、ＴｉＮ／Ｔｉ二重層上にタングステン核生成層を形成し、次いでタングステンバルク堆積が行なわれる。タングステン核生成層により、バルク堆積ステップにおけるフッ素の下層への侵入が大幅に減少され、従来の方法と比較して１０〜１００倍程度減少しうる。この減少によって、噴火口のような欠陥やＷ膜のヘイズ形成頻度が最小限に抑制されるとともに、フッ素原子により基板が攻撃されることが軽減される。更に、一実施形態では、核生成ステップの間、たった１つの前駆物質Ｗ(ＣＯ)_６のみが導入される。従って、ガス供給機構において、厳密なタイミング合わせの必要がなくなる。
【００１８】
本発明の実施形態によるＷ−ＣＶＤプロセスの記述とその結果形成される積層膜の記述に、図１と図２を用いる。図１は、Ｗ−ＣＶＤプロセスの簡易プロセスフロー図である。また図２は、図１のＷ−ＣＶＤプロセスを用いて形成した積層膜の断面図である。図１のプロセスフローと図２の積層膜は、図示するためのみのものであり、本発明の請求の範囲を制限するものではない。
【００１９】
プロセス１００において、ＴｉＮ／Ｔｉ二重層（図２中の２３０／２２０）は、従来の方法に従って、二酸化ケイ素又は金属のような基板２１０の上に形成される。次に、ステップ１１０で、基板が存在する堆積チャンバ内に、Ｗ(ＣＯ)_６前駆物質と、アルゴンのようなキャリアガスを導入することにより、タングステン核生成層２４０が形成される。タングステン核生成は、例えば、２Ｔｏｒｒ未満、好ましくは、５０ｍＴｏｒｒ未満の圧力で、また、例えば２００℃〜４５０℃の温度範囲、好ましくは、３７５℃〜４５０℃の温度範囲で行なわれる。このような条件下では、Ｗ(ＣＯ)_６は、タングステンと一酸化炭素に分解する。従って、ＴｉＮ層２３０上にタングステン２４０の薄膜が形成され、一酸化炭素は排気される。タングステン層２４０の厚みは、基板２１０の種類とデバイスの形に依存するが、５〜１００nmの範囲にあってもよい。一実施形態において、核生成層とＴｉＮ／Ｔｉ二重層は、２つの異なるチャンバ内で形成される。
【００２０】
次に、従来のバルク堆積ステップ１２０が施され、該ステップでは、Ｗと_６とＨ_２の混合ガスが堆積チャンバ内に導入され、タングステン膜２５０が形成される。Ｗ(ＣＯ)_６は、タングステン膜２５０の形成には使われない。何故ならば、Ｗ(ＣＯ)_６は、粉末状であり、高圧下では供給できないためである。低圧にすると、堆積速度が実用不可能なほど遅くなる。核生成１１０とバルク堆積１２０の２つのステップは、インサイチュウ又は真空破壊（即ち、基板を酸素に曝した状態）で行なわれる。
【００２１】
本発明者らは、バルク堆積ステップ１２０において、下層へのフッ素拡散に対するバリヤとして、核生成層２４０が非常に高い効果を示すことを見出した。これを図３と図４のグラフに示す。
【００２２】
図３と図４は、それぞれ、従来のＷ−ＣＶＤプロセスと本発明の典型的なＷ−ＣＶＤプロセスにおけるＷ膜と下層中へのフッ素拡散の程度を示したものである。どちらのＷ−ＣＶＤプロセスにおいても、下表に示す同様の条件を用いた。
【００２３】
【表１】

【００２４】
図３及び図４において、左の縦軸は、フッ素濃度を表わし、横軸はタングステン膜表面を開始点とした拡散深さを表わし、右の縦軸は、２次イオン強度を表わす。図３に示すように、フッ素濃度は、ＴｉＮ／Ｔｉ二重層中において約２×１０^２０原子／ｃｃで最高となり、それから徐々に減少して、ＳｉＯ_２層中で約１×１０^１７原子／ｃｃとなる。Ｔｉ層とＳｉＯ_２層の接合部におけるフッ素濃度は、約１×１０^１９原子／ｃｃである。しかし、図４においては、核生成層がフッ素侵入に対して強力なバリヤを形成している結果、Ｗ膜中のフッ素濃度のピークは、Ｗ膜とＴｉＮ／Ｔｉ二重層の接合部付近で約２×１０^１８原子／ｃｃにまで減少し、更に、ＳｉＯ_２層に達する前までに約３×１０^１７原子／ｃｃにまで減少する。従って、ＴｉＮ／Ｔｉ二重層中のフッ素濃度は、１／２０だけ減少し、ＴｉＮ／Ｔｉ層とＳｉＯ_２層との接合部において、約１／１０よりも減少する。
【００２５】
従って、核生成層２４０（図２）は、ＴｉＮ層２３０と共に、バルク堆積プロセスにおけるフッ素原子の侵入に対して強力なバリヤを形成する。Ｔｉ層２２０に達するフッ素原子が少なくなると、Ｔｉ層とフッ素が反応する程度が著しく減少する。従って、タングステン膜中に欠陥が形成される頻度が最小限に抑制される。更に、フッ素原子により基板が攻撃されることが減少する。また、核生成段階１１０では、複数のプロセスガスを導入する場合は、厳密なタイミング合わせが必要であったが、Ｗ(ＣＯ)_６前駆物質１つのみを用いる実施形態においては、厳密なタイミング合わせの必要がない。タングステン層のステップカバレージに対して、不利な点は見出されていない。即ち、タングステン層ステップカバレージは、少なくとも従来プロセスと同程度であることが分かっている。
【００２６】
上記に示したプロセスパラメータは、アプライドマテリアルズ（Applied Materials）製の２００ｍｍＷ×Ｚチャンバを用いて抵抗加熱下で行なわれるある特定の堆積プロセスに対して最適化されている。個別のタングステン堆積への応用に対してプロセスパラメータを変化させることに加えて、これらのプロセスパラメータが、一部はチャンバに依存し、異なる設計及び／又は異なる体積のチャンバが用いられる場合には、これらのプロセスパラメータを変化させることは当業者であれば理解できることである。
【００２７】
上記堆積プロセスの実施に適応した典型的なＣＶＤチャンバの１つであるＣＶＤチャンバ３０の垂直断面図を図５に示す。チャンバ３０は、エンクロージャ１６を形成するチャンバボディ１４を含んでいる。ペデスタル２２は、リフト機構２４上に載置されており、堆積処理においてウエハ１２を保持するのに適したものとなっている。設置された前記ウエハ１２は、ガス混合と分配アセンブリ３０である。アセンブリ３０は、チャンバボディ１４上に載置された面板３２と、面板３２上に載置された散乱板３４と、散乱板３４上に載置された混合フィクスチュア３６とを含んでいる。チャンバ３０のこれらと他の構成要素は、一般的に譲渡された２００１年４月２８日出願の、“化学気相成長チャンバ”と称する同時係属特許出願第６０/２８７,２８０号に見られ、その開示内容は本明細書に全体で援用されている。
【００２８】
他の特徴及び利点のうち、チャンバ１０とその構成要素は、半導体ウエハ１２周辺のプロセスガスの流れを非常に均一でかつ予測可能なものとすることができ、またウエハ１２の加熱を非常に均一でかつ予測可能なものとすることができ、従って、高品質、高収率の化学気相成長が実現する。チャンバ１０は、タングステンヘキサカルボニルプロセスガスを用いたタングステン化学気相成長に特に適しているが、それに限定されるものではない。
【００２９】
上記の記述は、本発明の説明のためのものであり、本発明を限定するものではない。例えば、上記温度と圧力の範囲は、単に説明のために限定したものに過ぎず、他のプロセス温度と圧力の値を用いることも可能である。従って、本発明の範囲は、上記の記述を参照して決定されるべきでなく、その代わり、本発明と均等な発明の全範囲に沿った添付の特許請求の範囲を参照して決定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態によるＷ−ＣＶＤの簡単なプロセスフロー図である。
【図２】図１のＷ−ＣＶＤプロセスにより形成した積層膜の断面図である。
【図３】従来のＷ−ＣＶＤプロセスにおける、Ｗ膜と下層中へのフッ素拡散のプロファイルを示したグラフである。
【図４】本発明の典型的なＷ−ＣＶＤプロセスにおける、Ｗ膜と下層中へのフッ素拡散のプロファイルを示したグラフである。
【図５】本発明のＷ−ＣＶＤプロセスを実施するために適した（但し、これに制限されるものではない）典型的なＣＶＤチャンバの垂直断面概略図である。

Claims

基板上にタングステン層を形成するための化学気相成長法であって、
該基板を堆積領域内に配置するステップと、
該基板上に窒化チタン／チタン（ＴｉＮ／Ｔｉ）二重層を形成し、該Ｔｉ層が該ＴｉＮ層と該基板との間にあるステップと、
フッ素を含まないタングステン含有前駆物質と、キャリアガスとを該堆積領域内に導入し、タングステン核生成層が該ＴｉＮ／Ｔｉ二重層上に形成されるステップと、
を含む、前記方法。
タングステン含有原料と還元剤を含むプロセスガスを該堆積領域内に導入してバルクタングステン層を形成するステップ、
を更に含む、請求項１記載の方法。
該フッ素を含まないタングステン含有前駆物質がＷ(ＣＯ)_６を含んでいる、請求項１記載の方法。
該堆積領域内に１つだけの前駆物質が導入されて該タングステン核生成層を形成する、請求項３記載の方法。
該前駆物質を導入するステップが２Ｔｏｒｒ未満の圧力で２００℃〜４５０℃の範囲にある温度で行われる、請求項３記載の方法。
該前駆物質を導入するステップが５０ｍＴｏｒｒ未満の圧力で３７５℃〜４０℃の範囲にある温度で行われる、請求項３記載の方法。
前記タングステン含有原料がＷＦ_６を含み、該還元剤がＨ_２を含んでいる、請求項２記載の方法。
請求項１記載の方法に従って製造された集積回路。
該ガスを導入するステップと該前駆物質を導入するステップがインサイチュウ又は真空破壊で行われる、請求項２記載の方法。
該キャリアガスがアルゴンである、請求項１記載の方法。
基板上にタングステン層を形成するための化学気相成長法であって、
該基板上に窒化チタン／チタン（ＴｉＮ／Ｔｉ）二重層を形成し、該Ｔｉ層が該ＴｉＮ層と該基板との間にあるステップと、
Ｗ(ＣＯ)_６前駆物質とキャリアガスを用いて該ＴｉＮ／Ｔｉ二重層上にタングステン核生成層を形成ステップと、
バルクタングステン膜を形成するステップと、
を含む、前記方法。
該バルクタングステン膜を形成するステップが、
タングステン含有原料と還元剤を含むプロセスガスを、該基板が存在する堆積領域内に導入する工程、
を含んでいる、請求項１１記載の方法。
該タングステン核生成層を形成するステップが５０ｍＴｏｒｒ未満の圧力と３７５℃〜４５０℃の範囲にある温度で行われる、請求項１１記載の方法。
該タングステン核生成層が１つだけの前駆物質Ｗ(ＣＯ)_６を用いて形成される、請求項１１記載の方法。
該キャリアガスがアルゴンである、請求項１１記載の方法。