鎢膜的成膜方法
【專利摘要】本發明涉及鎢膜的成膜方法。[課題]即使進行器件的微細化、復雜化，通過使用氯化鎢氣體作為原料氣體的ALD法，也能夠以良好的嵌入性形成具有良好的密合性的鎢膜。[解決手段]具備如下工序：主鎢膜成膜工序：以間隔腔室內的吹掃的方式依次向腔室內供給氯化鎢氣體和還原氣體來形成主鎢膜；以及、初始鎢膜成膜工序：先于主鎢膜成膜工序，使氯化鎢氣體的供給量少于主鎢膜成膜工序，以間隔吹掃氣體的供給的方式依次向腔室內供給氯化鎢氣體和還原氣體，或者同時向腔室內供給氯化鎢氣體和還原氣體，從而在基底膜上形成初始鎢膜。
【專利說明】
鎢膜的成膜方法
技術領域
[0001]本發明涉及鎢膜的成膜方法。
【背景技術】
[0002]制造LSI時，MOSFET柵電極、與源電極/漏電極的接點、存儲器的字線等中廣泛使用了鎢。多層布線工序中，主要使用銅布線，但銅缺乏耐熱性，而且容易擴散，因此要求耐熱性的部分、擔心銅的擴散而導致電特性劣化的部分等中使用了鎢。
[0003 ]作為鎢的成膜處理，以前使用了物理氣相沉積(PVD)法，但在要求高的覆蓋率(階梯覆蓋率(step coverage))的部分中難以通過PVD法應對，因此，通過階梯覆蓋率良好的化學氣相沉積(CVD)法來進行成膜。
[0004]作為這樣的利用CVD法的鎢膜(CVD-鎢膜)的成膜方法，一般使用如下方法:作為原料氣體使用例如六氟化鎢(WF6)和還原氣體即出氣，在作為被處理基板的半導體晶圓上產生WF6+3H2—W+6HF的反應(例如專利文獻1、2)。
[0005]然而，使用WF6氣通過CVD形成鎢膜時，非常擔心對于半導體器件中的特別是柵電極、存儲器的字線等中WF6所含的氟將柵極絕緣膜還原而使電特性劣化。
[0006]作為不含有氟的CVD-W成膜時的原料氣體，已知有六氯化鎢(WCl6)(例如專利文獻
3、非專利文獻I)。氯也與氟同樣地具有還原性但反應性比氟弱，從而可以期待對電特性的不良影響少。
[0007]另外，近期，半導體器件的微細化日益推進，甚至據說能夠得到良好的階梯覆蓋率的CVD也變得難以嵌入至復雜形狀圖案，從得到更高的階梯覆蓋率的觀點出發，以間隔吹掃的方式依次供給原料氣體和還原氣體的原子層沉積(ALD)法受到關注。
[0008]現有技術文獻
[0009]專利文獻
[0010]專利文獻1:日本特開2003-193233號公報[0011 ] 專利文獻2:日本特開2004-273764號公報
[0012]專利文獻3:日本特開2006-28572號公報
[0013]非專利文獻
[0014]非專利文獻1:J.A.M.Ammerlaan et al.，“Chemical vapor deposit1n oftungsten by !^reduct1n of Wle',Applied Surface Science 53(1991),pp.24-29
【發明內容】
[0015]發明要解決的問題
[0016]然而，通過CVD、ALD形成鎢膜時，對于層間絕緣膜等氧化膜的密合力差且孵育時間也變長，因而難以成膜。因此，使用TiN膜那樣的Ti系材料膜作為基底膜。由此，實現密合性和嵌入性良好的鎢膜。
[0017]然而，伴隨著近期的器件的微細化、復雜化，即使使用TiN膜等基底膜也無法充分確保鎢膜的密合性和嵌入性。
[0018]因此，本發明的課題在于，提供鎢膜的成膜方法，即使器件微細化、復雜化也可以通過使用氯化鎢氣體作為原料氣體的ALD法，以良好的嵌入性形成具有良好的密合性的鎢膜。
[0019]用于解決問題的方案
[0020]本發明人等對即使設置基底膜也會由于器件的微細化和復雜化而使鎢膜的密合性和嵌入性降低的原因進行了調查。其結果，得到了其原因為以下方面的結論。即，氯化鎢氣體具有蝕刻構成TiN膜等基底膜的材料的性質，伴隨著器件的復雜化而鎢原料氣體的所需量增加時，TiN膜等基底膜的蝕刻量有增加的傾向，而且伴隨著器件的微細化，從布線的低電阻化的觀點出發，對基底膜進行薄膜化。因此，伴隨著器件的微細化或復雜化，殘留的基底膜的膜厚變得比用于確保鎢膜的密合性和嵌入性所需的膜厚還薄。
[0021]因此，進一步進行了研究的結果發現:通過先于利用ALD法的主鎢膜的成膜，在使具有蝕刻作用的WCl6氣的供給量少于主鎢膜成膜時的狀態下，利用CVD或ALD形成初始鎢膜，從而可以緩解對基底膜的蝕刻作用而確保基底膜所需的厚度，從而完成了本發明。
[0022]S卩，本發明提供鎢膜的成膜方法，其特征在于，其為使用作為鎢原料氣體的氯化鎢氣體和還原氯化鎢氣體的還原氣體對被處理基板形成鎢膜的成膜方法，所述被處理基板配置于保持在減壓氣氛下的腔室內且表面形成有基底膜，所述成膜方法具備如下工序:主鎢膜成膜工序:以間隔前述腔室內的吹掃的方式依次向前述腔室內供給前述氯化鎢氣體和前述還原氣體來形成主鎢膜；以及、初始鎢膜成膜工序:先于前述主鎢膜成膜工序，使前述氯化鎢氣體的供給量少于前述主鎢膜成膜工序，以間隔吹掃氣體的供給的方式依次向前述腔室內供給前述氯化鎢氣體和前述還原氣體，或者同時向前述腔室內供給前述氯化鎢氣體和前述還原氣體，從而在前述基底膜上形成初始鎢膜。
[0023]優選以形成前述初始媽膜時的前述腔室內的前述氯化媽氣體的分壓成為ITorr以下的方式供給前述氯化鎢氣體，更優選以形成前述初始鎢膜時的前述腔室內的前述氯化鎢氣體的分壓變為0.1Torr以下的方式供給前述氯化媽氣體。
[0024]形成前述初始媽膜時，優選使前述氯化媽氣體的供給量斜線上升(rampup)直至設定值。
[0025]將前述初始鎢膜的膜厚設為Inm以上。該情況下，優選根據形成前述主鎢膜時的氯化鎢氣體的供給量而改變前述初始鎢膜的膜厚。
[0026]前述初始鎢膜可以為使氯化鎢氣體的供給量不同而形成的2階段以上的膜。
[0027]前述初始鎢膜和前述主鎢膜的成膜處理時，優選的是，前述被處理基板的溫度為300 °C以上，前述腔室內的壓力為5Torr以上。
[0028]另外，作為前述氯化鎢，可以使用WCl6、WCl5、WCl4中的任一者。作為還原氣體，可以優選使用H2氣、SiH4氣、B2H6氣、NH3氣中的至少I種。
[0029]作為前述基底膜，可以使用具有鈦系材料膜或鎢化合物膜的基底膜。
[0030]另外，本發明提供一種存儲介質，其特征在于，其為存儲有在計算機上運轉且用于控制成膜裝置的程序的存儲介質，前述程序在執行時使計算機控制前述成膜裝置以進行上述鎢膜的成膜方法。
[0031]發明的效果
[0032]根據本發明，在形成有基底膜的被處理基板上形成鎢膜時，先于以間隔腔室內的吹掃的方式依次向腔室供給氯化鎢氣體和還原氣體來形成主鎢膜，使氯化鎢氣體的供給量少于前述主鎢膜成膜工序，從而形成初始鎢膜。形成初始鎢膜時的氯化鎢氣體的供給量少，因此對初始鎢膜本身的基底膜進行蝕刻的量少且形成氯化鎢氣體的供給量多的主鎢膜時，初始鎢膜對于基底膜起到作為氯化鎢氣體的阻隔的作用。因此，能夠通過初始鎢膜抑制基底膜的蝕刻。因此，即使在由于因器件的微細化導致布線低電阻化而基底膜被薄膜化的情況下、應對器件的復雜化而增加氯化鎢氣體的供給量的情況下，也可以殘留所需量的基底膜，以良好的嵌入性形成具有良好的密合性的鎢膜。
【附圖說明】
[0033]圖1為示出用于實施本發明的鎢膜的成膜方法的成膜裝置的一例的截面圖。
[0034]圖2為本發明的實施方式的鎢膜成膜方法的流程圖。
[0035]圖3為示意性示出本發明的本實施方式的鎢膜成膜方法的工序的工序截面圖。
[0036]圖4為示出在鎢膜的成膜初期作為基底膜的TiN膜產生蝕刻反應的區域的圖。
[0037]圖5為示出WCl6氣的供給時間與TiN膜的每I個循環的蝕刻量的關系的圖。
[0038]圖6為示出載氣(carriergas)N2流量與TiN膜的每I個循環的蝕刻量的關系的圖。
[0039]圖7為示出形成初始鎢膜時的循環數與在其上形成主鎢膜時的TiN膜的蝕刻量的關系的圖。
[0040]圖8為示出初始鎢膜的膜厚與TiN膜的蝕刻量的關系的圖，為示出初始鎢膜+主鎢膜中WCl6氣的供給量為通常的情況、初始鎢膜+主鎢膜中WCl6氣的供給量多的情況、僅初始鎢膜的情況的圖。
[0041 ]圖9為示出形成初始鎢膜和主鎢膜時的氣體供給順序的一例的圖。
[0042]圖10為示出形成初始鎢膜和主鎢膜時的氣體供給順序的其他例子的圖。
[0043]圖11為示出初始鎢膜的成膜中使WCl6氣斜線上升時的設置于WCl6氣供給配管的壓力計的壓力值的圖。
[0044]附圖標記說明
[0045]1:腔室
[0046]2:基座
[0047]3:噴頭
[0048]4:排氣部
[0049]5:氣體供給機構
[0050]6:控制部
[0051]51 =WCl6氣供給機構
[0052]52:第一 H2氣供給源
[0053]53:第二 H2氣供給源
[0054]54:第一 N2氣供給源
[0055]55:第二 N2氣供給源
[0056]61 =WCl6氣供給管線
[0057]62:第一 H2氣供給管線
[0058]63:第二 H2氣供給管線
[0059]66:第一連續N2氣供給管線
[0060]67:第一閃蒸吹掃管線[0061 ]68:第二連續N2氣供給管線
[0062]69:第二閃蒸吹掃管線
[0063]73、74、75、76、77、78、79、102、103:開閉閥
[0064]91:成I旲原料觸
[0065]100:成膜裝置
[0066]101:真空配管
[0067]W:半導體晶圓
【具體實施方式】
[0068]以下，參照附圖對本發明的實施方式進行具體說明。
[0069]<成膜裝置的例子>
[0070]圖1為示出本發明的鎢膜的成膜方法的實施中使用的成膜裝置的一例的截面圖。該成膜裝置構成為能夠進行ALD成膜和CVD成膜這兩者的成膜模式的裝置。
[0071 ]成膜裝置100具有:腔室I;基座2:其用于在腔室I內水平地支撐作為被處理基板的半導體晶圓(以下簡單記作晶圓)w;噴頭3:其用于向腔室I內以噴淋狀供給處理氣體;排氣部4:其對腔室I的內部進行排氣;處理氣體供給機構5:其對噴頭3供給處理氣體;和控制部
6o
[0072]腔室I由鋁等金屬構成且具有大致圓筒狀。在腔室I的側壁形成有用于輸入輸出晶圓W的輸入輸出口 11，輸入輸出口 11為能夠由閘閥12開閉。在腔室I的主體上設置有截面呈矩形狀的圓環狀的排氣管道13。排氣管道13沿著內周面形成有狹縫13a。另外，在排氣管道13的外壁形成有排氣口 13b。在排氣管道13的上表面以堵塞腔室I的上部開口的方式設置有頂壁14。頂壁14與排氣管道13之間被密封環15氣密地密封。
[0073]基座2呈與晶圓W對應的大小的圓板狀，由支撐構件23支撐。該基座2由氮化鋁(AlN)等陶瓷材料、鋁、鎳基合金等金屬材料構成，在內部埋入用于加熱晶圓W的加熱器21。加熱器21由加熱器電源(未作圖示)供電而發熱。而且，通過利用設置于基座2的上表面的晶圓載置面附近的熱電偶(未作圖示)的溫度信號控制加熱器21的功率，從而將晶圓W控制成規定的溫度。
[0074]在基座2以覆蓋晶圓載置面的外周區域和基座2的側面的方式設置有由氧化鋁等陶瓷形成的蓋構件22。
[0075]支撐基座2的支撐構件23從基座2的底面中央貫通被形成于腔室I的底壁的孔部而向腔室I的下方延伸，其下端與升降機構24連接，通過升降機構24，基座2借助支撐構件23可以在圖1所示的處理位置和其下方的用單點虛線所示的能夠輸送晶圓的輸送位置之間升降。另外，在支撐構件23的腔室I的下方位置安裝有凸緣部25，在腔室I的底面與凸緣部25之間，設置有將腔室I內的氣氛與外界氣體區分且伴隨著基座2的升降運轉而伸縮的波紋管
26 ο
[0076]在腔室I的底面附近，以從升降板27a向上方突出的方式設置有3根(僅圖示出2根)的晶圓支撐銷27。晶圓支撐銷27能夠通過設置于腔室I的下方的升降機構28借助升降板27a而升降，能夠插入被設置于位于輸送位置的基座2的貫通孔2a而相對于基座2的上表面突出或退回。如此，通過使晶圓支撐銷27升降，在晶圓輸送機構(未作圖示)與基座2之間進行晶圓W的交接。
[0077]噴頭3為金屬制，以與基座2相對的方式設置，具有與基座2大致相同的直徑。噴頭3具有:固定于腔室I的頂壁14的主體部31、和與主體部31下方連接的噴淋板32。在主體部31與噴淋板32之間形成有氣體擴散空間33，以貫通主體部31和腔室I的頂壁14的中央的方式設置的氣體導入孔36與該氣體擴散空間33連接。在噴淋板32的周緣部形成有向下方突出的環狀突起部34，在噴淋板32的環狀突起部34的內側的平坦面形成有氣體噴出孔35。
[0078]在基座2存在于處理位置的狀態下，在噴淋板32與基座2之間形成處理空間37，環狀突起部34與基座2的蓋構件22的上表面接近而形成有環狀間隙38。
[0079]排氣部4具備:與排氣管道13的排氣口13b連接的排氣配管41;和與排氣配管41連接的具有真空栗、壓力控制閥等的排氣機構42。在進行處理時，腔室I內的氣體通過狹縫13a而達到排氣管道13，從排氣管道13利用排氣部4的排氣機構42通過排氣配管41進行排氣。
[0080]處理氣體供給機構5具有:供給作為鎢原料氣體即氯化鎢的WCl6氣的WCl6氣供給機構51;供給作為主要還原氣體的出氣的第一出氣供給源52;供給作為添加還原氣體的H2氣的第二出氣供給源53;供給作為吹掃氣體的犯氣的第一犯氣供給源54和第二犯氣供給源55，進而具有:從WCl6氣供給源51延伸的WCl6氣供給管線61;從第一出氣供給源52延伸的第一 H2氣供給管線62;從第二出氣供給源53延伸的第二 H2氣供給管線63;從第一犯氣供給源54延伸且向WCl6氣供給管線61側供給N2氣的第一犯氣供給管線64;和從第二犯氣供給源55延伸且向第一 H2氣供給管線62側供給N2氣的第二他氣供給管線65。
[0081 ]第一 N2氣供給管線64分支為利用ALD法的成膜中時常供給N2氣的第一連續N2氣供給管線66、和僅吹掃工序時供給犯氣的第一閃蒸吹掃管線67。另外，第二 N2氣供給管線65分支為利用ALD法的成膜中時常供給N2氣的第二連續N2氣供給管線68、和僅吹掃工序時供給N2氣的第二閃蒸吹掃管線69。第一連續犯氣供給管線66以及第一閃蒸吹掃管線67與第一連接管線70連接;第一連接管線70與WCl6氣供給管線61連接。另外，第二 H2氣供給管線63、第二連續犯氣供給管線68以及第二閃蒸吹掃管線69與第二連接管線71連接，第二連接管線71與第一出氣供給管線62連接。WCl6氣供給管線61與第一 H2氣供給管線62合流至合流配管72，合流配管72與上述氣體導入孔36連接。
[0082]在WCl6氣供給管線61、第一H2氣供給管線62、第二 H2氣供給管線63、第一連續N2氣供給管線66、第一閃蒸吹掃管線67、第二連續犯氣供給管線68和第二閃蒸吹掃管線69的最下游側分別設置有ALD時用于切換氣體的開閉閥73、74、75、76、77、78、79。另外，在第一 H2氣供給管線62、第二 H2氣供給管線63、第一連續他氣供給管線66、第一閃蒸吹掃管線67、第二連續犯氣供給管線68和第二閃蒸吹掃管線69的開閉閥的上游側分別設置有作為流量控制器的質量流量控制器82、83、84、85、86、87。進而，在WCl6氣供給管線61和第一 H2氣供給管線62以能夠在短時間內供給所需的氣體的方式分別設置有緩沖罐80、81。
[0083]WCl6氣供給機構51具有收納WCl6的成膜原料罐91 JCl6在常溫下為固體，在成膜原料罐91內收納有固體狀的WC16。在成膜原料罐91的周圍設置有加熱器91a，將罐91內的成膜原料加熱至適當的溫度，使WC16升華。上述WC16氣供給管線61從上方插入到罐91內。
[0084]另外，WC16氣供給機構51具有:從上方插入到成膜原料罐91內的載氣配管92;用于向載氣配管92供給作為載氣的犯氣的載氣他氣供給源93;與載氣配管92連接的作為流量控制器的質量流量控制器94;以及質量流量控制器94的下游側的開閉閥95a和95b;設置于WCl6氣供給管線61的成膜原料罐91的附近的開閉閥96a和96b;以及流量計97。在載氣配管92中，開閉閥95a設置于質量流量控制器94的正下方位置，開閉閥95b設置于載氣配管92的插入端側。另外，開閉閥96a和96b以及流量計97從WCl6氣供給管線61的插入端起以開閉閥96a、開閉閥96b、流量計97的順序配置。
[0085]以將載氣配管92的開閉閥95a與開閉閥95b之間的位置、與WCl6氣供給管線61的開閉閥96a與開閉閥96b之間的位置連接的方式設置有旁通配管98，旁通配管98中安裝有開閉閥99。而且，通過關閉開閉閥95b和96a、打開開閉閥99、95a和96b，可以將來自載氣N2氣供給源93的他氣經過載氣配管92、旁通配管98供給至WCl6氣供給管線61，從而吹掃WCl6氣供給管線61。
[0086]真空配管101的一端與WCl6氣供給管線61中的流量計97的下游位置連接，真空配管101的另一端與排氣配管41連接。在真空配管101的WCl6氣供給管線61附近位置和排氣配管41附近位置分別設置有開閉閥102和103。另外，在WCl6氣供給管線61中的真空配管101連接位置的下游側設置有開閉閥104。而且，通過在關閉開閉閥104、99、95a、95b的狀態下打開開閉閥102、103、96a、96b，可以將成膜原料罐91內通過排氣機構42進行真空排氣。
[0087]控制部6具有:具備控制各構成部、具體而言為閥、電源、加熱器、栗等的微處理器(計算機)的過程控制器;用戶界面;和存儲部。成膜裝置100的各構成部為與過程控制器電連接而被控制的構成。用戶界面與過程控制器連接，由操作員為了管理成膜裝置100的各構成部而進行指令的輸入操作等的鍵盤、使成膜裝置的各構成部的運行情況可視化而進行顯示的顯示器等形成。存儲部也與過程控制器連接，存儲部中存儲有:用于利用過程控制器的控制實現成膜裝置100中執行的各種處理的控制程序、用于根據處理條件而使成膜裝置100的各構成部執行規定的處理的控制程序即處理制程、各種數據庫等。處理制程存儲于存儲部中的存儲介質(未作圖示)。存儲介質可以為硬盤等固定地設置的介質，也可以為CDR0M、DVD、半導體存儲器等可移動的介質。另外，也可以從其他裝置借助例如專用電路適當傳輸制程。根據需要，由來自用戶界面的指示等將規定的處理制程從存儲部呼出而在過程控制器中執行，從而在過程控制器的控制下進行成膜裝置100中所期望的處理。
[0088]<成膜方法>
[0089]接著，對使用以上那樣構成的成膜裝置100進行的鎢膜的成膜方法的實施方式進行說明。
[0090](成膜方法的概要)
[0091 ]最初，對成膜方法的概要進行說明。
[0092]本實施方式的成膜方法應用于對在具有微細的凹部的絕緣膜的表面形成有TiN膜等基底膜的晶圓形成鎢膜的情況。
[0093]圖2為本實施方式的鎢膜成膜方法的流程圖，圖3為示意性示出本實施方式的鎢膜成膜方法的工序的工序截面圖。
[0094]最初，如圖3的(a)所示，準備在S12膜等絕緣膜201上形成有基底膜202的晶圓W(工序I)。此處，簡便起見，以平面狀描繪絕緣膜201和基底膜202，但實際上在絕緣膜201形成有微細且復雜形狀的凹部，沿著這樣的凹部形成基底膜202。
[0095]作為基底膜202，可以舉出:TiN膜、TiSiN膜、Ti硅化物膜、Ti膜、T1N膜、TiAlN膜等鈦系材料膜。另外，作為基底膜202，還可以舉出:WN膜、WSix膜、WSiN膜等鎢系化合物膜。另夕卜，通過將這些基底膜202設置于絕緣膜201上，可以以良好的密合性形成鎢膜。
[0096]使用TiN膜作為基底膜202、在其上通過ALD法形成鎢膜時，以間隔腔室I內的吹掃的方式依次向腔室I內供給作為氯化鎢氣體的WCl6氣和作為還原氣體的H2。上述情況下，如圖4所示那樣，成膜初期在基本未形成鎢膜的區域中或成膜量微小的區域中，WCl6氣直接供給至TiN膜，在TiN膜和WCl6氣之間產生以下(I)式所示的蝕刻反應。
[0097]TiN(s)+ffCl6(g)^TiCl4(g)+ffClx(g)...(I)
[0098]使用其他鈦系材料膜和鎢化合物膜作為基底膜202的情況也同樣地利用WCl6氣作為氯化鎢氣體進行蝕刻。
[0099]圖5為示出WCl6氣的供給時間與TiN膜的每I個循環的蝕刻量的關系的圖；圖6為示出載氣N2流量與TiN膜的每I個循環的蝕刻量的關系的圖。由此可知，隨著WCl6的供給時間和載氣N2流量增加，TiN膜的蝕刻量變多。即可知，作為鎢原料的氯化鎢的供給量越增加，作為基底膜的TiN膜的蝕刻量越增加。
[0100]因此，由于器件的凹部復雜化而鎢原料氣體的所需量增加，因此有基底膜202的蝕刻量增加的傾向。另外，伴隨著器件的微細化的布線的低電阻化的觀點出發，基底膜202的膜厚薄膜化成為5nm以下例如3nm左右。因此，伴隨著器件的微細化和復雜化，在基底膜202上直接形成通常的鎢膜時，由于基底膜202被蝕刻，因此殘留的基底膜202的厚度變得比為了確保鎢膜的密合性和嵌入性所需的膜厚(例如Inm)還薄。因此，無法密合性良好地形成鎢膜，嵌入性也變差。
[0101]因此，本實施方式中，如圖3的(b)所示那樣，在基底膜202上，在減少WCl6氣的供給量的狀態下形成初始鎢膜203(工序2)，然后，如圖3的(c)所示那樣，在使WCl6氣的供給量上升至所需量的狀態下在初始鎢膜203上形成主鎢膜204(工序3)。
[0102]S卩，初始鎢膜203以使蝕刻基底膜202的WCl6氣的供給量少于形成主鎢膜204時的供給量的方式進行成膜。
[0103]如此，形成初始鎢膜203時的WCl6氣的供給量少，因此，初始鎢膜203本身蝕刻基底膜202的量少并且在形成WCl6氣的供給量多的主鎢膜204時，初始鎢膜203對基底膜202起到作為WCl6氣的阻隔的作用。因此，能夠通過初始鎢膜203抑制基底膜202的蝕刻。
[0104]參照圖7說明該情況。圖7示出形成初始鎢膜時的循環數與在其上形成主鎢膜時的TiN膜的蝕刻量的關系。初始鎢膜成膜時的WCl6氣的供給量為3SCCm(分壓:0.02Torr)，主鎢膜成膜時的WCl6氣的供給量為30SCCm(分壓:ITorr)。另外，TiN膜的膜厚為3nm。如圖7所示那樣，在形成初始鎢膜的狀態下，TiN膜的蝕刻量為0.6nm，沒有初始鎢膜時，TiN膜的蝕刻量也變為2.35nm。與此相對，可以確認，隨著初始鎢膜的循環數(S卩，膜厚)增加，TiN膜的蝕刻量減少，循環數為120次(膜厚3nm左右)以上時可以使T iN膜的蝕刻量為I nm以下。
[0105]對于主鎢膜204，為了得到良好的嵌入性而必須使階梯覆蓋率良好。因此，必須以間隔腔室I內的吹掃的方式依次供給WCl6氣和出氣，通過ALD法或基于其的順序進行成膜。
[0106]另一方面，對于初始鎢膜203，僅通過使WCl6氣供給量少于形成主鎢膜204時，也能夠同樣地以間隔腔室I內的吹掃的方式依次供給WCl6氣和H2氣，通過ALD法或基于其的順序進行成膜。然而，初始鎢膜203是為了抑制由WCl6氣導致的基底膜202的蝕刻而形成的，不要求主鎢膜204那樣的嵌入性，因此，也可以同時向腔室I內供給WCl6氣和H2氣而通過CVD法成膜。
[0107]形成初始鎢膜203時的WCl6氣的供給量優選為能夠充分抑制TiN膜等基底膜202的蝕刻的量。WCl6氣的供給量本身的適合范圍根據腔室I的大小等而變化，因此作為WCl6氣的供給量的指標，優選使用腔室I內的WCl6氣的分壓;從充分抑制基底膜202的蝕刻的觀點出發，WCl6氣的分壓優選為ITorr(133.3Pa)以下，更優選為0.1Torr(13.33Pa)以下。進而，形成初始鎢膜203時，在其成膜初始，優選將WCl6氣的供給量從最少的量增大至規定量。由此，可以進一步減少由WCl6氣導致蝕刻基底膜202的蝕刻量。為了使WCl6氣的供給量斜線上升，也可以使成膜原料罐或配管的壓力斜線上升。
[0108]初始鎢膜203的厚度也取決于形成主鎢膜204時的WCl6氣的供給量(分壓)，優選為Inm以上。形成主鎢膜204時的WCl6氣的供給量(分壓)變多時，WCl6氣對于基底膜202的作用變大，因此隨著供給量增加而必須加厚初始鎢膜203的厚度。
[0109]參照圖8說明該情況。圖8示出初始鎢膜的膜厚與TiN膜的蝕刻量的關系，示出初始鎢膜+主鎢膜中WCl6氣的供給量為通常的情況、初始鎢膜+主鎢膜中WCl6氣的供給量多的情況、僅初始鎢膜的情況。初始鎢膜成膜時的WCl6氣的供給量為3sccm(分壓:0.02Torr)，主鎢膜成膜時的WCl6氣的供給量在“供給量通常”下為30sCCm(分壓:ITorr)。另外，在高供給量下為50SCCm(分壓:2Torr)。另外，TiN膜的膜厚為3nm。如圖8所示那樣，確認到為了使TiN膜的蝕刻量為Inm以下而所需的初始鎢膜的厚度，在WCl6氣的供給量為通常的情況下為3nm，而WCl6氣在高供給量下為5nm，由于形成主鎢膜時的WCl6氣的供給量增加而必須加厚初始鎢膜。
[0110]但是，從金屬布線嵌入性的觀點出發，初始鎢膜203的厚度優選為1nm以下。
[0111]初始鎢膜203可以以使WCl6氣的供給量變化的多階段的膜的形式構成。減少WCl6氣的供給量時，階梯覆蓋率低，因此在復雜形狀的凹部產生無法充分形成膜的部分。對于該部分，為了極力抑制主鎢膜204成膜時的WCl6氣的進攻，作為初始鎢膜203，可以使用:最大限度減少WCl6氣的供給量的第一階段后、進行使WCl6氣供給量增加的第二階段而得到的初始鎢膜;或進行進一步增大WCl6氣的供給量的第3階段以后而得到的初始鎢膜。
[0112]需要說明的是，作為初始鎢膜203和主鎢膜204的成膜中使用的氯化鎢，優選WCl6,除此之外還可以使用WCl5、WCl4。它們也顯示出與WCl6基本相同的行為。另外，與WCl6同樣地為蝕刻TiN膜等基底膜202的氣體，初始鎢膜203有效地發揮作用。另外，使用WCl5、WCl4作為氯化鎢氣體時，初始鎢膜203優選的厚度和優選的分壓也與使用WCl6的情況同樣。
[0113]另外，作為還原氣體，不限定于出氣，只要為包含氫的還原性的氣體即可，除了H2氣之外，還可以使用SiH4氣、B2H6氣、NH3氣等。也可以供給H2氣、SiH4氣、B2H6氣和NH3氣中的2種以上。另外，也可以使用這些以外的其他還原氣體例如PH3氣、SiH2Cl2氣。從進一步降低膜中的雜質而得到低電阻值的觀點出發，優選使用H2氣。
[0114]作為吹掃氣體、載氣，可以使用N2氣、Ar氣等非活性氣體。
[0115]形成初始鎢膜203和主鎢膜204時的晶圓溫度優選為300°C以上。另外，腔室內壓力優選為20?100Torr(2666?13330Pa)。
[0116]<使用圖1的成膜裝置的具體的順序>
[0117]接著，對使用了圖1的成膜裝置的情況下具體的順序進行說明。
[0118]首先，在使基座2下降至輸送位置的狀態下打開閘閥12，通過輸送裝置(未作圖示)，如圖3的(a)所示那樣，將在絕緣膜201上形成有TiN膜那樣的基底膜202的晶圓W借助輸入/輸出口 11輸入至腔室I內，載置于通過加熱器21加熱至規定溫度的基座2上，使基座2上升至處理位置，將腔室I內抽真空直至規定的真空度，并且關閉開閉閥104、95a、95b、99，打開開閉閥102、103、96a，96b，借助真空配管101對成膜原料罐91內也同樣地進行抽真空，然后打開開閉閥76和開閉閥78，關閉開閉閥73、74、75、77、79，從第一 N2氣供給源54和第二 N2氣供給源55經過第一連續N2氣供給管線66和第二連續N2氣供給管線68向腔室I內供給N2氣使壓力上升，使基座2上的晶圓W的溫度穩定。
[0119]然后，腔室I內達到規定壓力，然后關閉開閉閥102、103，打開開閉閥104、95a、95b，提高成膜原料罐91內的壓力，使作為鎢原料的WCl6氣為能夠供給的狀態。
[0120]在該狀態下，按以下所述那樣的有順序的方式供給作為成膜原料氣體的WCl6氣、作為還原氣體的出氣、作為吹掃氣體的犯氣，如上述那樣，使WCl6氣的供給量(分壓)變化，從而連續地進行初始鎢膜203的成膜和主鎢膜204的成膜。
[0121 ]圖9為示出形成初始鎢膜203和主鎢膜204時的氣體供給順序的一例的圖。
[0122]最初，在打開開閉閥76和開閉閥78的狀態下，從第一他氣供給源54和第二N2氣供給源55經過第一連續N2氣供給管線66和第二連續N2氣供給管線68持續供給犯氣，進而打開開閉閥73和開閉閥75，從而從WCl6氣供給機構51經過WCl6氣供給管線61向腔室I內的處理空間37供給WCl6氣，并且經過從第二出氣供給源53延伸的第二H2氣供給管線63，向腔室I內供給作為添加還原氣體的H2氣(添加H2氣)(步驟SI)。此時，WCl6氣在緩沖罐80中暫時儲存后向腔室I內供給。
[0123]通過該步驟SI，使WC16吸附于晶圓W表面。此時，由于同時添加的H2的存在而將WC16活化。
[0124]接著，在借助第一連續N2氣供給管線66和第二連續N2氣供給管線68繼續供給N2氣的狀態下，關閉開閉閥73、75而停止WCl6氣和出氣，并且打開開閉閥77、79，從第一閃蒸吹掃管線67和第二閃蒸吹掃管線69也供給犯氣(閃蒸吹掃犯氣)，通過大流量的N2氣對處理空間37的剩余的WCl6氣等進行吹掃(步驟S2)。
[0125]接著，關閉開閉閥77、79而停止來自第一閃蒸吹掃管線67和第二閃蒸吹掃管線69的犯氣，在繼續借助第一連續犯氣供給管線66和第二連續N2氣供給管線68的犯氣的供給不變的狀態下，打開開閉閥74，從第一出氣供給源52經過第一出氣供給管線62向處理空間37供給作為主要還原氣體的出氣(主要出氣)(步驟S3) ο此時，H2氣在緩沖罐81中暫時儲存后向腔室I內供給。
[0126]通過該步驟S3，吸附于晶圓W上的WCl6被還原。此時的主要H2氣的流量設為充分產生還原反應的量，以比步驟SI的添加出氣的流量多的流量進行供給。
[0127]接著，在借助第一連續N2氣供給管線66和第二連續N2氣供給管線68繼續供給N2氣的狀態下，關閉開閉閥74而停止來自第一出氣供給管線62的出氣的供給，并且打開開閉閥77、79，從第一閃蒸吹掃管線67和第二閃蒸吹掃管線69也供給犯氣(閃蒸吹掃他氣)，與步驟S2同樣地，通過大流量的N2氣，對處理空間37的剩余的H2氣進行吹掃(步驟S4)。
[0128]對于以上的步驟SI?S4，在短時間內進行I個循環，從而形成薄的鎢單位膜，重復多個循環的這些步驟的循環，從而形成所期望的膜厚的初始鎢膜203和主鎢膜204。此時的初始鎢膜203和主鎢膜204的膜厚可以根據上述循環的重復數來控制。
[0129]步驟SI時，與WCl6氣同時地從第二H2氣供給管線63供給添加還原氣體使WCl6氣活化，從而容易產生后續的步驟S3時的成膜反應，可以維持高的階梯覆蓋率且加厚每I個循環的沉積膜厚而增大成膜速度。此時的出氣的供給量必須為能夠抑制CVD反應且維持ALD反應的程度，優選為100?500sCCm(mL/分鐘)。需要說明的是，如圖10所示那樣，也可以在步驟S2?S4的期間時常供給來自第二 H2氣供給管線63的添加出氣。由此，供給WCl6氣時，供給作為添加還原氣體的添加H2氣，可以使WCl6氣活化。從抑f|jiJCVD反應且維持ALD反應的觀點出發，此時的H2氣的供給量優選為10?500sCCm(mL/分鐘)。但是，即使不存在添加H2氣也能夠良好地產生成膜反應的情況下，也可以不供給添加H2氣。
[0130]以上的順序中，在步驟SI?S4之間，從第一連續N2氣供給管線66、第二連續犯氣供給管線68至WCl6氣供給管線61和第一 H2氣供給管線62時常流通作為吹掃氣體的犯氣，且在步驟SI和步驟S3中，間歇地供給WCl6氣和H2氣，因此可以使處理空間37的氣體的置換效率良好。另外，步驟S2和步驟S4中的處理空間37的吹掃時，也附加來自第一閃蒸吹掃管線67和第二閃蒸吹掃管線69的他氣，因此可以使處理空間37中的氣體的置換效率更良好。由此，可以使鎢單位膜的膜厚控制性良好。
[0131]圖1的成膜裝置中，在WCl6氣供給管線61和第一H2氣供給管線62中分別設有緩沖罐80和81，因此容易在短時間內供給WCl6氣和出氣，即便在I個循環短的情況下，也可以容易在步驟SI和S3中供給所需量的WCl6氣和H2氣。
[0132]形成初始鎢膜203時，從進一步減少由WCl6氣導致蝕刻基底膜202的蝕刻量的觀點出發，如上述那樣，在該成膜初期，優選將步驟SI中的WCl6氣的供給量從最少的量斜線上升至規定量，此時，緩慢增加向成膜原料罐91供給的載氣即N2氣的量，從而使成膜原料罐91和WCl6氣供給配管61的壓力斜線上升。圖11為設置于WCl6氣供給配管61的壓力計97的壓力值，如該圖所示那樣，在初始鎢膜203的成膜初期，使壓力計97的值緩慢上升，在100秒左右時作為設定值。
[0133]需要說明的是，如上述那樣，初始鎢膜203不要求主鎢膜204那樣的嵌入性，因此可以通過CVD法進行成膜。該情況下，可以同時進行來自WCl6氣供給配管61的WCl6氣的供給和來自第一出氣供給管線62的出氣的供給。
[0134]?成膜條件
[0135]以下，示出初始鎢膜203和主鎢膜204的優選成膜條件。
[0136](I)初始鎢膜203
[0137]i)ALD
[0138]壓力:20?100Torr(2666?13330Pa)
[0139 ] 溫度:300 °C以上(更優選450?600 °C)
[0140] WC16氣流量:0.I?10sccm(mL/分鐘)
[0141 ](載氣流量:I?1000sccm(mL/分鐘))
[0142]WCl6氣分壓(已述):lTorr( 133.3Pa)以下(更優選0.lTorr( 13.33Pa)以下)
[0143]主要H2氣流量:10?5000sccm(mL/分鐘)
[0144]連續供給N2氣流量:10?10000sccm(mL/分鐘)
[0145](第一和第二連續N2氣供給管線66、68)
[0146]閃蒸吹掃N2氣流量:100?100000sccm(mL/分鐘)
[0147](第一和第二閃蒸吹掃管線67、69)
[0148]步驟SI的時間(每I次):0.0I?5秒
[0149]步驟S3的時間(每I次):0.I?5秒
[0150]步驟S2、S4的時間(吹掃)(每I次):0.I?5秒
[0151 ]步驟SI的添加H2氣供給時間(每I次):0.01?0.3秒
[0152]成膜原料罐的加溫溫度:130?190°C
[0153]ii)CVD
[0154]壓力:20?100Torr(2666?13330Pa)
[0155]溫度:300°C以上(優選450 ?600°C)
[0156]WC16氣流量:0.I?10sccm(mL/分鐘)
[0157](載氣流量:1?1000sccm(mL/分鐘))
[0158]WCl6氣分壓(已述):lTorr( 133.3Pa)以下(優選0.lTorr( 13.33Pa)以下)
[0159]主要H2氣流量:10?5000sccm(mL/分鐘)
[0160]N2 氣流量:10 ?10000sccm(mL/分鐘)
[0161](2)主鎢膜 204
[0162]壓力:5?50Torr(666.5?6665Pa)
[0163]溫度:300°C以上(優選450 ?600°C)
[0164]WC16 氣流量:3 ?60sccm(mL/分鐘)
[0165](載氣流量:100?2000sccm(mL/分鐘))
[0166]WCl6 氣分壓:0.5?10Torr(66.7?1333Pa)
[0167]主要H2 氣流量:2000 ?8000sccm(mL/分鐘)
[0168]添加H2氣流量(已述):100?500sccm(mL/分鐘)
[0169]連續供給N2氣流量:100?500sccm(mL/分鐘)
[0170](第一和第二連續N2氣供給管線66、68)
[0171 ]閃蒸吹掃N2氣流量:500?3000sccm(mL/分鐘)
[0172](第一和第二閃蒸吹掃管線67、69)
[0173]步驟SI的時間(每I次):0.0I?5秒
[0174]步驟S3的時間(每I次):0.1?5秒
[0175]步驟S2、S4的時間(吹掃)(每I次):0.I?5秒
[0176]步驟SI的添加H2氣供給時間(每I次):0.01?0.3秒
[0177]成膜原料罐的加溫溫度:130?170°C
[0178]<實施方式的效果>
[0179]根據本實施方式，在形成有基底膜202的晶圓W上形成鎢膜時，先于使用以WCl6氣為代表的氯化鎢氣體和以H2氣為代表的還原氣體通過ALD法或基于其的方法形成主鎢膜204，使氯化鎢氣體的供給量低于主鎢膜成膜工序，通過ALD法或CVD法形成初始鎢膜203。形成初始鎢膜203時的氯化鎢氣體的供給量少，因此，初始鎢膜203本身對基底膜202進行蝕刻的量少、并且在形成氯化鎢氣體的供給量多的主鎢膜204時，初始鎢膜203對基底膜202起到作為氯化鎢氣體的阻隔的作用。因此，通過初始鎢膜203能夠抑制基底膜202的蝕刻。因此，即使在由于因器件的微細化導致布線低電阻化而基底膜202被薄膜化的情況下、應對器件的復雜化而增加氯化鎢氣體的供給量的情況下，也可以殘留所需量的基底膜202，以良好的嵌入性形成具有良好的密合性的鎢膜。
[0180]<其他應用>
[0181]以上，對本發明的實施方式進行了說明，但本發明不限定于上述實施方式，可以進行各種變形。例如，上述實施方式中，作為被處理基板以半導體晶圓為例進行了說明，半導體晶圓可以為娃，也可以為GaAs、SiC、GaN等化合物半導體，進而，不限定于半導體晶圓，也可以將本發明應用于液晶顯示裝置等FPD(平板顯示器)中使用的玻璃基板、陶瓷基板等。
【主權項】
1.一種鎢膜的成膜方法，其特征在于，其為使用作為鎢原料氣體的氯化鎢氣體和還原氯化鎢氣體的還原氣體對被處理基板形成鎢膜的成膜方法，所述被處理基板配置于保持在減壓氣氛下的腔室內且表面形成有基底膜， 所述成膜方法具備如下工序: 主鎢膜成膜工序:以間隔所述腔室內的吹掃的方式，依次向所述腔室內供給所述氯化鎢氣體和所述還原氣體來形成主鎢膜；以及 初始鎢膜成膜工序:先于所述主鎢膜成膜工序，使所述氯化鎢氣體的供給量少于所述主鎢膜成膜工序，以間隔吹掃氣體的供給的方式依次向所述腔室內供給所述氯化鎢氣體和所述還原氣體，或者同時向所述腔室內供給所述氯化鎢氣體和所述還原氣體，從而在所述基底膜上形成初始鎢膜。2.根據權利要求1所述的鎢膜的成膜方法，其特征在于，以形成所述初始鎢膜時的所述腔室內的所述氯化媽氣體的分壓成為I Torr以下的方式供給所述氯化媽氣體。3.根據權利要求2所述的鎢膜的成膜方法，其特征在于，所述氯化鎢氣體的分壓為0.1Torr以下。4.根據權利要求1?權利要求3中任一項所述的鎢膜的成膜方法，其特征在于，形成所述初始鎢膜時，使所述氯化鎢氣體的供給量斜線上升直至設定值。5.根據權利要求1?權利要求4中任一項所述的鎢膜的成膜方法，其特征在于，將所述初始鎢膜的膜厚設為Inm以上。6.根據權利要求5所述的鎢膜的成膜方法，其特征在于，根據形成所述主鎢膜時的氯化鎢氣體的供給量而改變所述初始鎢膜的膜厚。7.根據權利要求1?權利要求6中任一項所述的鎢膜的成膜方法，其特征在于，所述初始鎢膜為使氯化鎢氣體的供給量不同而形成的2階段以上的膜。8.根據權利要求1?權利要求7中任一項所述的鎢膜的成膜方法，其特征在于，所述初始鎢膜和所述主鎢膜的成膜處理時，所述被處理基板的溫度為300°C以上，所述腔室內的壓力為5Torr以上。9.根據權利要求1?權利要求8中任一項所述的鎢膜的成膜方法，其特征在于，所述氯化鎢為WCl6、WCl5、WCl4中的任一者。10.根據權利要求1?權利要求9中任一項所述的鎢膜的成膜方法，其特征在于，所述還原氣體為H2氣、SiH4氣、B2H6氣、NH3氣中的至少I種。11.根據權利要求1?權利要求10中任一項所述的鎢膜的成膜方法，其特征在于，所述基底膜的膜厚為5nm以下。12.根據權利要求1?權利要求11中任一項所述的鎢膜的成膜方法，其特征在于，所述基底膜具有鈦系材料膜或鎢化合物膜。
【文檔編號】C23C16/455GK106011777SQ201610176793
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年3月25日
【發明人】鈴木健二, 前川浩治, 堀田隼史
【申請人】東京毅力科創株式會社