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TWI390612B - A tungsten film forming method, a film forming apparatus, a memory medium, and a semiconductor device - Google Patents

A tungsten film forming method, a film forming apparatus, a memory medium, and a semiconductor device Download PDF

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TWI390612B
TWI390612B TW095123889A TW95123889A TWI390612B TW I390612 B TWI390612 B TW I390612B TW 095123889 A TW095123889 A TW 095123889A TW 95123889 A TW95123889 A TW 95123889A TW I390612 B TWI390612 B TW I390612B
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tungsten film
tungsten
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processing container
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杉浦正仁
溝口泰隆
饗場康
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東京威力科創股份有限公司
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Description

鎢膜之形成方法、成膜裝置、記憶媒體及半導體裝置
本發明係關於一種在半導體晶圓等被處理體表面形成鎢膜的方法、成膜裝置、記憶媒體及半導體裝置。
一般而言，在半導體元件之製程中，係有在被處理體例如半導體晶圓(以下僅稱為「晶圓」)的表面形成金屬系膜的製程。例如當在晶圓表面形成配線圖案，或將配線間的凹部(通孔(via hole))或基板接觸用凹部(接觸孔(contact hole))嵌埋時形成金屬系膜。如上所述之金屬系膜可列舉例如使W(鎢)、WSi(鎢矽化物)、WN(鎢氮化物)、Ti(鈦)、TiN(鈦氮化物)、TiSi(鈦矽化物)等金屬或金屬化合物沈積而成的薄膜。
如上所述，金屬系膜係使用於配線等，因此儘可能以較低電阻為宜。由該觀點來看，例如鎢膜在上述金屬系膜之中尤其電阻率較小，成膜溫度亦較小即可，因此，大多用在嵌埋配線間的凹部或基板接觸用的凹部。
為了形成如上所述之鎢膜，一般而言係使用WF6 (六氟化鎢)作為金屬系原料氣體，將其藉由氫、矽烷、二氟矽烷等還原性氣體予以還原，藉此沈積鎢膜。此外，形成鎢膜時，係基於提升密接性、抑制與下層的配線金屬或基板間之反應等理由，首先，薄層且均勻地形成在晶圓表面形成有TiN膜或在Ti膜上形成有TiN膜的疊層膜(TiN/ Ti膜)等作為基底膜的阻障層，使上述鎢膜沈積在該阻障層上。
但是，當藉由鎢膜進行凹部等之嵌埋時，由於嵌埋性良好，因此主要使用還原性比矽烷弱的氫氣作為還原性氣體。如上所述使用氫氣作為還原性氣體時，會有產生火山狀突起物(volcano)、或在嵌埋孔(例如接觸孔)產生孔洞(void)的情形。
在此，在第10圖顯示火山狀突起物產生機制(mechanism)。依照第10A圖、第10B圖、第10C圖的順序，顯示反應進行的情形。根據第10圖可理解，氟的動作會大大影響火山狀突起物的產生，且於阻障層與氟反應而產生的TiF3 穿透上方的情形。具體而言，藉由未反應的WF6 氣體，使上述阻障層受到侵襲(attack)，使阻障層與氟反應，而產生以TiF3 為主體的鈦氟化物(參照第10A圖、第10B圖)。由於該鈦氟化物係呈體積膨脹，因此將阻障層朝上方穿透，而產生火山狀突起物(參照第10C圖)。
為了防止產生如上所述之火山狀突起物等，在沈積主要鎢膜前，形成初期鎢膜作為結核層，藉此在形成主要鎢膜時，進行遮蔽由WF6 氣體對基底阻障層之侵襲。上述初期鎢膜形成時，係必須快速去除上述未反應的WF6 氣體，同時必須抑制上述鎢膜中的氟濃度，以使鎢膜中所含有的氟不會與基底之阻障層直接反應。
以上述初期鎢膜的形成方法而言，已揭示一種將WF6 氣體與還原性B2 H6 (二硼烷)氣體，以在該等之間介有淨化步驟的方式交替供給的原子層沈積(ALD：Atomic Layered Deposition)的方法(參照例如專利文獻1)。以該方法所沈積的鎢膜係為低電阻，同時，鎢膜中的氟濃度變得較低，而可避免與基底金屬形成氟化合物。
以下一面參照圖示，一面說明上述習知之鎢膜形成方法中各氣體的供給形態。第11A圖係顯示習知方法之各氣體供給形態之一例，第11B圖係顯示習知方法之各氣體供給形態之其他例。第11A圖係顯示上述ALD法之各氣體供給形態，係使用B2 H6 氣體作為還原性氣體之情形。第11B圖係使用SiH4 氣體作為還原性氣體之情形。第12圖係顯示藉由以第11圖所示之氣體供給形態所形成之鎢嵌埋嵌埋孔時之製程示意圖。
在此係以使用B2 H6 氣體作為還原性氣體之情形(參照第11A圖)為例加以說明。其中，分別以一定流量流通Ar氣體與N2 氣體作為載氣(carrier gas)或淨化氣體(purge gas)，製程壓力於所有處理期間均為一定。此外，在此所使用的晶圓M中，如第12A圖所示，在包含如接觸孔之嵌埋孔2內之內面的晶圓表面整體，形成有阻障層4。
首先，對於如第12A圖所示之晶圓M，將B2 H6 氣體與WF6 氣體交替分別以短時間反覆流通複數次，而形成初期鎢膜8。此時，在B2 H6 氣體供給步驟與WF6 氣體供給步驟之二步驟間，進行用以排除容器內之殘留氣體的淨化 製程。藉由WF6 氣體供給步驟，將吸附在晶圓表面的WF6 氣體分子層，藉由在下一步驟所供給的B2 H6 氣體予以還原，每交替供給1次，即使數原子層的鎢膜成長。藉由將其反覆任意次數，如第12B圖所示，形成所希望之膜厚的初期鎢膜8。
接著，同時供給WF6 氣體與H2 氣體，而進行主鎢膜形成製程，藉此如第12C圖所示，使主鎢膜10沈積而嵌埋嵌埋孔2。此外，以其他氣體供給形態而言，如第11B圖所示，亦可使用SiH4 (單矽烷)取代B2 H6 來進行(參照例如專利文獻2)。此時，亦可將最初的SiH4 氣體供給步驟的時間較之後的其他SiH4 氣體供給步驟延長進行，而同時進行使SiHx (0≦x<4)等分解中間體附著在晶圓表面之所謂的起始處理。
專利文獻1：日本專利特開2002-038271號公報
專利文獻2：日本專利特開2003-193233號公報
但是，今後隨著半導體元件更為微細化及動作速度的高速化，必須達到鎢膜的更低電阻化、比電阻較高之阻障層的薄膜化，以降低接觸(通孔)電阻。但是，上述之習知的鎢膜形成方法中，例如使用經薄膜化為5nm以下之膜厚的TiN膜作為阻障膜時，並無法抑制火山狀突起物(volcano)產生。
在此，在經薄膜化的TiN/Ti疊層膜上，如上所述形成初期鎢膜時，使用交替供給WF6 氣體與B2 H6 氣體的ALD法，於第13圖中顯示以實用的膜厚沈積主要鎢膜時的電子顯微鏡照片。由第13圖可知，因阻障層的薄膜化，而容易產生火山狀突起物。此時由於以習知方法所形成之初期鎢膜的膜質並無法充分遮蔽WF6 的侵襲之故，抑或亦有可能由於形成初期鎢膜時，已經發生基底阻障層的侵襲之故。
此外，交替供給WF6氣體與B2H6氣體的ALD法的情形下，雖亦有抑制基底阻障層之侵襲的可能性，但作為結核層的初期鎢膜係含有矽，而會產生在其上所沈積的主要鎢膜的電阻率會增大的不良情形。
但是，以往一般係在以上述鎢膜填滿接觸(導通)孔後藉由回蝕(Etch Back)予以平坦化，但基於更微細化、多層化，最近則大多採用以接觸孔嵌埋的後製程，藉由CMP處理予以平坦化的方法。另一方面，在採用上述交替供給WF6 氣體與B2 H6 氣體之ALD法的習知之初期鎢膜及主鎢膜的疊層膜中，其電阻率雖十分低，但相反地，會有與由TiN等構成之阻障層的密接性降低的傾向。因此，在習知之鎢膜形成製程後的製程中，施行如上所述之CMP處理，以削取鎢膜之不需要部分時，由於CMP裝置的研磨墊(pad)施加於晶圓的應力，研磨漿料(slurry)(研磨溶劑)會侵入鎢膜與阻障層的交界，而亦會有鎢膜由接觸孔脫離的問題。
本發明係鑑於前述之問題點所研創者，其目的為提供一種不僅可保持較小電阻率，尤其降低與基底阻障層之接合部分的氟濃度，以抑制火山狀突起物產生，還可提升與阻障層之密接性之鎢膜形成方法等。
為解決上述課題，根據本發明之某觀點，係提供一種鎢膜之形成方法，係在以可真空吸引的方式所構成的處理容器內，將鎢膜形成在被處理體之表面的方法，其特徵為具有：將含矽氣體供給至前述被處理體之製程；以及在該製程後供給含鎢氣體之含鎢氣體供給步驟、與供給未含矽之氫化合物氣體之氫化合物氣體供給步驟，係以使將惰性氣體供給至前述處理容器內的淨化步驟及/或將前述處理容器進行真空吸引的真空吸引步驟介於兩步驟之間的方式交替反覆執行，藉此形成第一鎢膜之製程。
根據上述之本發明，於形成鎢膜時，在初期鎢膜形成製程之前所進行的起始製程(前處理製程)中，係使用含矽氣體，在之後之初期鎢膜形成製程中，則係交替反覆供給含鎢氣體與未含矽之氫化合物氣體，藉此形成初期鎢膜，因此亦包含在之後所形成之主鎢膜，而可減小其電阻率。此外，降低在與作為鎢膜之基底的阻障層之接合部分的氟濃度，而可抑制氟朝阻障層擴散或穿透。結果，可抑制火山狀突起物等的產生，且可提升與基底之阻障層的密接性。
此時，亦可復具有：將前述含鎢氣體與還原性氣體同時供給至前述第一鎢膜上，藉此形成第二鎢膜之製程。此外，前述第一鎢膜形成製程與前述第二鎢膜形成製程係例如在同一處理容器內執行。而且，前述含矽氣體係選自例如單矽烷、二矽烷、有機矽烷。
此外，前述未含矽之氫化合物氣體例如為二硼烷或膦。前述未含矽之氫化合物氣體例如為氫稀釋二硼烷氣體。前述還原性氣體例如為氫。前述含鎢氣體例如為WF6 。此外，在前述被處理體之表面形成有例如含TiN膜之阻障層。
為解決上述課題，根據本發明之其他觀點，係提供一種鎢膜之形成方法，其特徵為具有：在以可真空吸引的方式所構成的處理容器內，將含矽氣體供給至形成有接觸孔之被處理體之製程；在該製程後供給含鎢氣體之含鎢氣體供給步驟、與供給未含矽之氫化合物氣體之氫化合物氣體供給步驟，係以使將惰性氣體供給至前述處理容器內的淨化步驟及/或將前述處理容器進行真空吸引的真空吸引步驟介於兩步驟之間的方式交替反覆執行，藉此形成第一鎢膜之製程；將前述含鎢氣體與還原性氣體同時供給至前述第一鎢膜上，藉此再形成第二鎢膜而將前述接觸孔嵌埋之製程；以及在前述第二鎢膜形成後，在前述被處理體之表面施行化學機械研磨處理(CMP：Chemical Mechanical Polishing)，藉此形成接觸栓之製程。
為解決上述課題，根據本發明之其他觀點，係提供一 種成膜裝置，係具備：以可真空吸引的方式所構成的處理容器；設在前述處理容器內，且用以載置被處理體之載置台；用以加熱前述被處理體的加熱手段；在前述處理容器內，至少可供給含矽氫氣體、含鎢氣體與未含矽之氫化合物氣體的氣體供給手段；以及用以執行以下製程之控制部：在載置於前述載置台之被處理體的表面形成鎢膜時，藉由前述氣體供給手段，將含矽氣體供給至前述被處理體之製程；以及於該製程後藉由前述氣體供給手段供給含鎢氣體之含鎢氣體供給步驟、與藉由前述氣體供給手段供給未含矽之氫化合物氣體之氫化合物氣體供給步驟，係以使將惰性氣體供給至前述處理容器內的淨化步驟及/或將前述處理容器進行真空吸引的真空吸引步驟介在兩步驟之間的方式交替反覆執行，藉此形成第一鎢膜之製程。
為解決上述課題，根據本發明之其他觀點，係提供一種記憶媒體，係使用具備：以可真空吸引的方式所構成的處理容器；設在前述處理容器內，且用以載置被處理體之載置台；用以加熱前述被處理體的加熱手段；以及在前述處理容器內，至少可供給含矽氫氣體、含鎢氣體與未含矽之氫化合物氣體的氣體供給手段的成膜裝置，將用以對前述處理容器內之前述被處理體執行鎢膜形成處理的程式記憶在電腦的電腦可讀取記憶媒體，其特徵為：前述鎢膜形成處理係具有：藉由前述氣體供給手段，將含矽氣體供給至前述被處理體之製程；以及在該製程後藉由前述氣體供給手段供給含鎢氣體之含鎢氣體供給步驟、與藉由前述氣 體供給手段供給未含矽之氫化合物氣體之氫化合物氣體供給步驟，係以使將惰性氣體供給至前述處理容器內的淨化步驟及/或將前述處理容器進行真空吸引的真空吸引步驟介於兩步驟之間的方式交替反覆執行，藉此形成第一鎢膜之製程。
為解決上述課題，根據本發明之其他觀點，係提供一種半導體裝置，其特徵為具備藉由具有以下製程之方法所形成之接觸栓：在以可真空吸引的方式所構成的處理容器內，將含矽氣體供給至形成有接觸孔之被處理體的製程；於該製程後供給含鎢氣體之含鎢氣體供給步驟、與供給未含矽之氫化合物氣體之氫化合物氣體供給步驟，係以使將惰性氣體供給至前述處理容器內的淨化步驟及/或將前述處理容器進行真空吸引的真空吸引步驟介於兩步驟之間的方式交替反覆執行，藉此形成第一鎢膜之製程；將前述含鎢氣體與還原性氣體同時供給至前述第一鎢膜上，藉此再形成第二鎢膜而將前述接觸孔嵌埋之製程；以及在前述第二鎢膜形成後，在前述被處理體之表面施行化學機械研磨處理，藉此形成接觸栓之製程。
根據本發明，在形成鎢膜時，在初期鎢膜形成製程之前，進行供給含矽氣體之製程，在之後的初期鎢膜形成製程交替反覆供給含鎢氣體與未含矽之氫化合物氣體，藉此形成初期鎢膜，因此亦包含在之後所形成之主鎢膜，而可 減小其電阻率。此外，降低在與作為鎢膜之基底的阻障層之接合部分的氟濃度，而可抑制氟朝阻障層擴散或穿透。藉此方式，可抑制火山狀突起物等的產生，且可更加提升與基底之阻障層的密接性。
以下一面參照所附圖示，一面詳加說明本發明之較佳實施形態。其中，於本說明書及圖示中，關於具有實質上相同之功能構成的構成要素，係標註相同元件符號，且省略重複說明。
(成膜裝置的構成例)
第1圖係顯示可實施本發明實施形態之鎢膜形成方法的成膜裝置構成例之剖面構成圖。如第1圖所示，成膜裝置13係具有例如剖面呈大致圓筒狀的鋁製處理容器14。在處理容器14內之頂部，係隔介O型環(O-Ring)等密封構件18設有用以同時或選擇性地導入例如各種成膜氣體或惰性氣體等作為經流量控制之處理氣體的作為氣體供給手段的噴氣頭(shower head)部16，由設在該噴氣頭部16下面的複數個氣體噴射口20朝向處理空間S噴射成膜氣體。
在該噴氣頭部16內係設有1張或複數張具有複數個擴散孔的擴散板，有形成促進導入於該擴散板之氣體擴散的構造，或者有將內部分割成複數個分隔室，以將分別各 自導入的氣體個別朝處理空間S噴射的構造，任一構造均按照所使用的氣體種類來使用適當構造的噴氣頭部。此外，在此以其一例而言，係採用B2 H6 (二硼烷)氣體、WF6 氣體、SiH4 (單矽烷)氣體、H2 氣體、N2 氣體、Ar氣體等，但各氣體係分別以如質量流量控制器(mass flow controller)的流量控制器(未圖示)個別控制流量，而且亦控制該各氣體之供給的開始及停止。其中，上述B2 H6 氣體例如係採用以H2 作為稀釋氣體(基本氣體(base gas))而稀釋為5%的B2 H6 氣體。
在該處理容器14內，係在由處理容器底部豎立的圓筒狀反射器(reflector)22上設置載置台26，以經由例如3個L字形的保持構件24(在第1圖中僅標記2個)來載置作為被處理體的晶圓M。
在該載置台26的下方，係使複數個(例如3個)L字形的頂料銷(lifter pin)28(圖例中僅標記2個)往上方豎立而設，該頂料銷28基部係插通形成於上述反射器22的緃長插通孔(未圖示)，而與環形構件30共通連接。接著，藉由將該環形構件30貫穿於處理容器底部而設的推上棒32上下運動，藉此使上述頂料銷28插通於貫穿設置於載置台26的頂料銷孔34，而可將晶圓M升起。
在上述推上棒32之容器底部的貫穿部，為了於處理容器14中保持內部的密閉狀態，係介設有可伸縮的伸縮管36，該推上棒32的下端係連接於致動器38。
此外，在處理容器14底部的周緣部係設有排氣口40 ，在該排氣口40係連接有依序介設壓力控制閥42及真空泵44的真空排氣系46，得以將處理容器14內進行真空吸引(vacuum drawing)至預定的真空度為止。此外，在處理容器14的側壁係設有於搬出搬入晶圓M時所開閉的閘閥(gate valve)48。
此外，在載置台26正下方的容器底部，係隔介O型環等密封構件50，以密閉方式設有由石英等熱射線透過材料所構成的透過窗51，在其下方係以包圍透過窗51的方式設置箱狀的加熱室52。在該加熱室52內係將作為加熱手段之例如複數個加熱燈54安裝在亦兼為反射鏡的旋轉台56，該旋轉台56係透過旋轉軸，藉由設在加熱室52底部的旋轉馬達58予以旋轉。因此，由該加熱燈54釋放出的熱射線係透過透過窗51而照射較薄之載置台26的下面，並將其加熱，此外，得以間接性加熱該載置台26上的晶圓M。其中，以加熱手段而言，亦可在載置台26設置電阻加熱器來加熱晶圓M，以取代上述加熱燈。
接著，為了控制該成膜裝置13整體動作，設置例如由微電腦等所構成的控制部60。藉由該控制部60，進行各種氣體的供給開始及其停止、流量控制、晶圓溫度控制及壓力控制等成膜處理所需的一連串控制。此外，該控制部60係具有由例如軟碟(floppy disk，註冊商標)或快閃記憶體等構成的記憶媒體62，該記憶媒體62係用以記憶供控制上述裝置整體動作，以執行後述之鎢膜形成處理等之用的程式。
(成膜裝置之動作例)
接著，就上述所構成之成膜裝置的動作例加以說明。如上所述，成膜裝置13的各動作係根據記憶在記憶媒體62的程式來進行。首先，打開設在處理容器14側壁的閘閥48，藉由未圖示之搬送臂，將晶圓M搬入處理容器14內，藉由推上頂料銷28，而在頂料銷28側受授晶圓M。接著，藉由下降推上棒32，使頂料銷28降下，而將晶圓M載置於載置台26上。例如第3A圖所示，在該晶圓M表面係利用前製程，亦包含嵌埋孔72內面，已形成有如TiN/Ti膜之阻障層74作為基底膜。該阻障層74並非侷限於如上述TiN/Ti膜之疊層構造，亦可為例如TiN膜的單層構造。
接著，由未圖示之處理氣體源，將作為處理氣體之預定的成膜氣體或惰性氣體等，以後述之氣體供給態樣，分別以預定量供給至作為氣體供給手段的噴氣頭部16，由下面的氣體噴射口20將該氣體大致均等地供給至處理容器14內。與此同時，由排氣口40進行內部環境的抽吸排氣，藉此將處理容器14內進行真空吸引為所希望的壓力，而且一面使位於載置台26下方之加熱手段的各加熱燈54旋轉，一面予以驅動，而放射出熱能量。
經放射的熱射線在透過透過窗51之後，照射載置台26的背面，以將其加熱。如前所述，該載置台26非常薄，例如為1mm左右，因此可迅速加熱，從而可將載置於其上的晶圓M迅速加熱至預定的溫度。所供給的成膜氣體 係產生預定的化學反應，而使鎢膜薄膜沈積形成於晶圓整個表面。
(鎢膜形成方法的具體例)
接著，一面參照圖示，一面說明本實施形態之鎢膜形成方法(鎢膜形成處理)及各氣體供給態樣之具體例。第2圖係顯示各氣體之供給態樣圖，第3圖係顯示在晶圓M表面形成鎢膜之過程的模式圖。第2圖所示之氣體供給態樣中，係在一連串的成膜步驟之間，連續性對處理容器14內進行真空吸引，同時以一定流量(或視需要改變流量)連續性供給例如Ar、N2 氣體來作為惰性氣體，而且視需要供給N2 氣體作為殘留在容器內之成膜氣體的淨化氣體(purge gas)。
本實施形態之鎢膜形成方法(鎢膜形成處理)係以以下順序依序進行：在形成初期鎢膜之前，進行作為前處理製程之起始製程；形成作為第一鎢膜之初期鎢膜的初期鎢膜形成製程；在該初期鎢膜形成製程之後，形成作為第二鎢膜之主鎢膜的主鎢膜形成製程。
具體而言，如第2圖所示之氣體供給態樣所示，利用例如起始製程，將含矽氣體供給至晶圓上。在該起始製程之後，在初期鎢膜形成製程供給含鎢氣體之含鎢氣體供給步驟、與供給未含矽之氫化合物氣體之氫化合物氣體供給步驟，係以使將前述處理容器內的環境(殘留氣體)進行排氣或置換的淨化步驟介於兩步驟之間的方式交替反覆執 行，藉此形成初期鎢膜。接著，以主鎢膜形成製程同時供給前述含鎢氣體與還原性氣體，藉此形成主鎢膜。
其中，上述淨化步驟亦在轉換各製程時進行，且排出殘留在容器內的成膜氣體。在此係使用WF6 氣體作為含鎢氣體，使用SiH4 氣體作為含矽氣體，使用B2 H6 氣體作為未含矽之氫化合物氣體。此外，在一連串製程之間，容器內係連續性進行真空吸引，同時，將N2 氣體或Ar氣體作為載氣(carrier gas)或淨化氣體流通，該等之氣體供給係於淨化步驟中大致中間期間T4內完全停止，此時係僅繼續進行真空吸引，而將容器內的殘留氣體大致完全排除。因此，在該期間T4內，容器內壓力最為降低。以下更加具體說明起始製程、初期鎢膜形成製程、主鎢膜形成製程。
(起始製程)
首先，對於第3圖所示之晶圓M，執行起始製程(起始處理)作為前處理製程。在起始製程中，如上所述，係以某程度的時間連續性供給流通SiH4 氣體作為含矽氣體。藉此方式，如第3B圖所示，使Si-、SiH-、SiHx (0≦x≦4)等分解中間體76附著在晶圓M的阻障層74表面。藉由該起始製程，使由TiN膜等構成的阻障層74表面的陰電性(electronegativity)獲得改善，且使後續之成膜氣體等的吸附性獲得改善。
起始製程中之處理條件例如設定如下。亦即，製程壓 力(處理室內壓力)係設定為高於在起始製程後續之初期鎢膜形成製程中的製程壓力，例如設定為10666Pa(80Torr)左右。此外，SiH4 氣體的流量，當為300mm晶圓的情形時，係例如設定為700sccm左右。此外，起始製程之處理時間係取決於SiH4 氣體的流量與分壓。例如設定為15sec左右。此外製程溫度係設定在300℃至400℃的範圍內。例如設定為350℃。製程溫度直到最後的主鎢膜形成製程為止，例如可設定為相同，而無須改變。
(初期鎢膜形成製程)
接著執行初期鎢膜形成製程。在初期鎢膜形成製程中，如上所述，以以下順序每隔短時間交替反覆供給WF6 氣體與B2 H6 氣體，而且在兩氣體的供給步驟之間，進行由容器內排除之前所供給之氣體的淨化步驟。進行該淨化步驟時，最好係供給例如作為惰性氣體的N2 氣體作為淨化氣體，藉此促進排除殘留氣體。
在WF6 氣體供給步驟中，將吸附於晶圓表面的WF6 氣體分子層藉由下一步驟所供給的B2 H6 氣體予以還原，隨著進行1次的交替供給，使數原子層的鎢膜成長。將其重覆任意次數，如第3C圖所示，形成所希望膜厚的初期鎢膜80。
此時WF6 氣體的流量，當為300mm晶圓的情形時，係設定為例如160sccm左右。其中，當流通WF6 氣體時，係以使用N2氣體或Ar氣體作為載氣為佳。此外，B2 H6 氣體的流量設定為例如1000sccm左右。此時，亦可使用Ar作為載氣。
其中，在此係使用將H2 作為淨化氣體而稀釋為5%的B2 H6 氣體。其理由如下所示。亦即，B2 H6 氣體為不安定氣體，容易聚合而形成安定的十硼烷(decaborane)。接著，該所生成的十硼烷微粒子會在供給線的路徑發生凝集，而無法安定供給，或者亦有產生微塵(particle)的情形。因此，最好B2 H6 氣體係將用以抑制聚合的H2 作為淨化氣體進行稀釋而充填於鋼瓶之後，再使用於氣體供給。接著，製程壓力係以遠低於上述起始製程之情形為佳，例如1000Pa以下。此外，將由某WF6 氣體供給步驟至下一個WF6 氣體供給步驟為止的期間設為1週期，視需要進行由數週期至數十週期程度的處理。
在此，WF6 氣體供給步驟(含鎢氣體供給步驟)的時間T1係1.5sec左右，B2 H6 氣體供給步驟(氫化合物氣體供給步驟)的時間T2係3sec左右。此外，淨化步驟的時間T3係1.5sec左右。其中，該等時間並非受到限定者。此外，此時之平均一週期的成膜率亦依製程條件而異，例如為0.7至1.2nm左右，一般初期鎢膜的膜厚係設定為6至7nm。如此一來，若初期鎢膜形成製程已結束，接著即移至主鎢膜形成製程。
(主鎢膜形成製程)
接著執行主鎢膜形成製程。主鎢膜形成製程係同時供 給例如WF6 氣體與作為還原性氣體的H2 氣體，以較高的成膜率，藉由CVD法使主鎢膜82沈積，如第3D圖所示，將嵌埋孔72完全嵌埋。此時的WF6 氣體的流量，當為300nm晶圓的情形時，例如為200至350sccm左右，而且H2 氣體的流量例如為2200sccm左右。此外，製程壓力係10666Pa左右。而且此時之成膜率雖依製程條件而異，但例如為170至240nm/min左右。
如上所述，當主鎢膜形成製程結束時，即由成膜裝置取出晶圓M，對該晶圓M施加CMP(化學機械研磨)處理，藉此如第3E圖所示使平面平坦化，將多餘的鎢膜與阻障層去除，而形成接觸栓83。接著，在這之後，係進行預定的處理，以製造半導體元件(半導體裝置)。
(鎢膜電阻率的評估)
接著，一面與藉由習知方法所形成之鎢膜整體電阻率相比較，一面說明關於藉由上述之本發明方法所形成之含有初期鎢膜與主鎢膜的鎢膜整體電阻率進行評估的結果。第4圖係顯示藉由本發明方法所形成之鎢膜整體電阻率的曲線圖y1。此外，在第4圖中亦一併記載藉由習知方法所形成之鎢膜整體電阻率的曲線圖y2。在此，以本發明方法而言，其一例如上所述，係執行：供給SiH4 氣體所進行的起始製程；交替供給WF6 氣體與B2 H6 氣體所進行的ALD之初期鎢膜形成製程；連續進行主鎢膜形成製程的方法。此外，以習知方法而言，係執行連續進行：如上所述 交替供給WF6 氣體與B2 H6 氣體所進行的ALD之初期鎢膜形成製程；以及主鎢膜形成製程的方法。其中，如上所述初期鎢膜的厚度為6至7nm左右，因此第4圖所示之橫軸的厚度幾乎即形成主鎢膜的厚度。
由該曲線圖y1、y2可知，本發明方法及習知方法均為厚度愈增加，電阻率愈降低，但在相同厚度的部分中，相較於習知方法，本發明方法係恒常降低1至3 μ Ω cm左右，結果當以本發明方法形成初期鎢膜時，係確認可使沈積於該鎢膜之上的主鎢膜的電阻率降低。其理由可考慮如下。亦即，成為主鎢膜82之結核層(nucleation layer)的初期鎢膜82係藉由供給SiH4 氣體所進行的起始製程而形成非晶質(amorphous)，該狀態亦會對於主鎢膜82的成長造成影響。可推論出該主鎢膜82的晶粒大小(grain size)(結晶粒徑)係維持高於以習知方法形成的主鎢膜10，且電阻率下降。
為了檢證該情形，使主鎢膜沈積在已改變結晶性的初期鎢膜，以SEM(電子顯微鏡)觀察主鎢膜的剖面。第5A圖、第5B圖係分別以本發明方法與習知方法形成之初期鎢膜的X射線繞射分析(XRD)結果、及各個主鎢膜之剖面SEM照片。其中，在第5圖中，為了易於理解，將局部模式圖併記在各剖面SEM照片的下側。第5A圖係顯示習知方法的標準製程，第5B圖係顯示本發明方法之改善製程。
此外，於第5A圖、第5B圖的XRD結果中，Si(200) 、Si(400)係顯示基板之結晶性的峰值，α(110)、α(200)係顯示初期鎢膜之結晶性的峰值。藉此，使用本發明方法之製程時，初期鎢膜的α(200)會消失，α(110)會變寬，而接近非晶質狀態。接著，
由以ALD形成的初期鎢膜的XRD結果可知，初期鎢膜愈為非晶質，主鎢膜的晶粒(grain)愈大。一般可知鎢膜的晶粒愈大，電阻率愈降低，因此，與使用習知方法之標準製程的情形相比較，使用本發明方法之改善製程，可使鎢膜整體的電阻率降低。
(氟濃度的評估)
接著，說明關於鎢膜與阻障層之接合部分中的氟濃度評估結果。第6圖係藉由SIMS(2次離子質量分析法)測定形成有鎢膜之晶圓深度方向中的氟濃度分布的結果。在此為了瞭解接合部分之氟濃度的差，將初期鎢膜形成厚度約為實際5倍左右，來進行其評估。
其中，在本評估中之初期鎢膜形成製程中，在WF6 氣體與B2 H6 氣體之交替供給步驟間的淨化步驟中係將淨化氣體流量及壓力設為一定。由該第6圖可明白確認，於鎢膜與阻障層的接合部分中，本發明方法的氟濃度係比習知方法低1位數左右，而顯示良好的結果。
在此，在第8A圖、第8B圖中顯示藉由光學顯微鏡觀察基板整面的火山狀突起物(volcano)產生狀態的圖示代用照片。第8A圖係藉由習知方法所處理之晶圓的情形， 第8B圖係藉由本發明方法所處理之晶圓的情形。第8A圖、第8B圖中，為了易於理解本發明之效果，而併記模式圖。第8A圖、第8B圖中，黑點表示火山狀突起物的產生，由此可知在習知方法的情形下(第8A圖)會產生複數個火山狀突起物，但在本發明方法(第8B圖)的情形下幾乎不會產生火山狀突起物，而可確認本發明方法的有效性。
如上所述，藉由SiH4 起始處理，可減低鎢膜與阻障層之接合部分的氟濃度，因而可抑制氟發生朝阻障層擴散或穿透的情形，且亦可阻止火山狀突起物等的產生。
接著，對於在初期鎢膜形成製程中因淨化氣體供給形態所引起之初期鎢膜中的氟濃度變化進行評估。在上述評估中，利用初期鎢膜形成製程中WF6 氣體與B2 H6 氣體的交替供給步驟間的淨化步驟，將Ar氣體及N2 氣體的流量設為一定，但於淨化步驟大致中間期間T4(參照第2圖)，完全停止供給該等氣體，僅進行真空吸引，而將處理容器內的壓力急遽降下。藉由該方法，使殘留氣體的排除效率大幅提升，抑制WF6 氣體與B2 H6 氣體的氣相反應，而在晶圓表面使更為完全的WF6 氣體吸附與B2 H6 氣體的還原反應繼續。第7圖係顯示與習知的淨化方法相比較，以上述方法所形成之初期鎢膜中的氟濃度分布。由該第7圖可知，與習知方法相比較，初期鎢膜中的氟濃度降低2位數以上，具有極大的效果。
如上所述，在初期鎢膜形成製程前，施加用以供給 SiH4 氣體的起始製程，藉此雖可降低鎢膜與阻障層接合部分的氟濃度，但更進一步藉由改變初期鎢膜形成製程中的淨化氣體供給形態，亦可減低初期鎢膜中的氟濃度已可確認。藉由本發明方法，預測可進一步抑制火山狀突起物產生。
(密接性的評估)
接著，就鎢膜與阻障層的密接性，根據JIS cross cut法(JIS k5400)進行評估後的結果加以說明。第9A圖、第9B圖係顯示將由ALD所得初期鎢膜與主鎢膜的疊層膜沈積於阻障層上，以評估密接性的結果的示意圖。第9A圖係按每一藉由JIS將剝離程度進行分類後之等級的基準，第9B圖係顯示本發明方法(改善)與習知方法之鎢膜的剝離結果。密接性的評估方法係根據上述之JIS，將鎢膜沈積後，以鑽石筆(diamond pen)以縱橫按棋盤狀形成預定刻痕，且在其上貼上規定的透明膠帶(scotch tape)，而一起剝下。將其剝離的比例與JIS基準值相比較，來決定密接性的等級。
根據該結果可判別出藉由使用SiH4 起始處理，初期鎢膜及主鎢膜均大幅提升密接性。亦即，當為習知方法的情形時，剝離比率在僅為初期鎢膜時係為35至65%(1B)，當含有主鎢膜時，則為65至100%(0B)，密接性非常差。
相對於此，當為本發明方法的情形時可確認：剝離比 率在僅為初期鎢膜時係為5%(1B)以下，當含有主鎢膜時，則為35至65%(4B)，藉由本發明，可大幅改善密接性。該密接性改善的理由可預想為：或許存在於初期鎢膜與阻障層之界面的氟原子或該氟原子與阻障層反應而產生的氟化合物，為作為阻障層之TiN膜與鎢膜之密接受阻的原因，由於上述界面氟的降低，而恢復原本的TiN-W(鎢)的密接性。此外，如上所述，可改善密接性的結果，例如如第3E圖所示，即使進行CMP處理，亦可防止所使用的溶劑浸入內部的接合部分，結果，可防止鎢膜從接觸栓脫離等問題產生。
以上，一面參照所附圖示，一面說明本發明之較佳實施形態，惟本發明並非限定於相關例子自不待言。清楚可知若為熟習該技術領域者於申請專利範圍所記載的範圍內，在各種變更例或修正例可得以思及，且了解關於該等當然亦屬於本發明之技術範圍。
例如，在上述實施形態中，係使用單矽烷作為含矽氫氣體，惟並非限定於此，亦可使用二矽烷等矽氫化合物或三甲基矽烷((CH3 )3 SiH)等有機矽烷。
此外，在上述實施形態中，使用二硼烷作為未含矽的氫化合物氣體，惟並非限定於此，亦可使用膦等強力還原性氣體。此外，以含鎢氣體而言，並未限定為WF6 ，亦可使用有機鎢來源氣體。
產業利用可能性
本發明係可適用於在半導體晶圓等被處理體表面形成鎢膜的方法、成膜裝置、記憶媒體及半導體裝置。
13‧‧‧成膜裝置
14‧‧‧處理容器
16‧‧‧噴氣頭部(氣體供給手段)
18‧‧‧密封構件
20‧‧‧氣體噴射口
22‧‧‧反射器
24‧‧‧保持構件
26‧‧‧載置台
28‧‧‧頂料銷
30‧‧‧環形構件
32‧‧‧推上棒
34‧‧‧頂料銷孔
36‧‧‧伸縮管
38‧‧‧致動器
40‧‧‧排氣口
42‧‧‧壓力控制閥
44‧‧‧真空泵
46‧‧‧真空排氣系
48‧‧‧閘閥
50‧‧‧密封構件
51‧‧‧透過窗
52‧‧‧加熱室
54‧‧‧加熱燈(加熱手段)
56‧‧‧旋轉台
58‧‧‧旋轉馬達
60‧‧‧控制部
62‧‧‧記憶媒體
72‧‧‧嵌埋孔
74‧‧‧阻障層
76‧‧‧分解中間體
80‧‧‧初期鎢膜(第一鎢膜)
82‧‧‧主鎢膜(第二鎢膜)
83‧‧‧接觸栓
M‧‧‧晶圓(被處理體)
S‧‧‧處理空間
第1圖係顯示用以實施本發明實施形態之鎢膜形成方法的成膜裝置之一例的剖面構成圖。
第2圖係顯示於同實施形態中形成鎢膜時之各氣體的供給態樣圖。
第3A圖係用以說明在晶圓表面形成鎢膜之製程的模式圖。
第3B圖係用以說明在晶圓表面形成鎢膜之製程的模式圖。
第3C圖係用以說明在晶圓表面形成鎢膜之製程的模式圖。
第3D圖係用以說明在晶圓表面形成鎢膜之製程的模式圖。
第3E圖係用以說明在晶圓表面形成鎢膜之製程的模式圖。
第4圖係顯示含有初期鎢膜與主鎢膜之鎢膜整體電阻率的曲線圖。
第5A圖係顯示習知方法之含有初期鎢膜與主鎢膜之鎢膜整體電阻率的曲線圖。
第5B圖係顯示本發明方法之含有初期鎢膜與主鎢膜之鎢膜整體電阻率的曲線圖。
第6圖係顯示形成有鎢膜之晶圓深度方向中的氟濃度分布曲線圖。
第7圖係顯示形成有鎢膜之晶圓深度方向中的氟濃度分布的第2曲線圖。
第8A圖係顯示藉由習知方法所得之火山狀突起物之產生的有無的圖示代用照片。
第8B圖係顯示藉由本發明方法所得之火山狀突起物之產生的有無的圖示代用照片。
第9A圖係顯示評估藉由習知方法而形成在阻障層上之初期鎢膜與主鎢膜之疊層膜的密接性時的評估結果圖。
第9B圖係顯示評估藉由本發明方法而形成在阻障層上之初期鎢膜與主鎢膜之疊層膜的密接性時的評估結果圖。
第10A圖係用以說明火山狀突起物產生機制的模式圖。
第10B圖係用以說明火山狀突起物產生機制的模式圖。
第10C圖係用以說明火山狀突起物產生機制的模式圖。
第11A圖係顯示習知之鎢膜形成方法中各氣體供給形態之一例圖。
第11B圖係顯示習知之鎢膜形成方法中各氣體供給形態之另一例圖。
第12A圖係用以說明藉由以第11A圖所示氣體供給 形態所形成之鎢來嵌埋嵌埋孔時之製程的模式圖。
第12B圖係用以說明藉由以第11A圖所示氣體供給形態所形成之鎢來嵌埋嵌埋孔時之製程的模式圖。
第12C圖係用以說明藉由以第11A圖所示氣體供給形態所形成之鎢來嵌埋嵌埋孔時之製程的模式圖。
第13圖係顯示藉由習知技術將鎢膜沈積時之火山狀突起物產生狀況的電子顯微鏡照片。
72‧‧‧嵌埋孔
74‧‧‧阻障層
76‧‧‧分解中間體
80‧‧‧初期鎢膜(第一鎢膜)
82‧‧‧主鎢膜(第二鎢膜)
83‧‧‧接觸栓
M‧‧‧晶圓(被處理體)

Claims (12)

  1. 一種鎢膜之形成方法，係在以可真空吸引的方式所構成的處理容器內，將鎢膜形成在被處理體之表面者，其特徵為具有：將含矽氣體供給至前述被處理體之製程；以及在該製程後，供給含鎢氣體之含鎢氣體供給步驟、與供給未含矽之氫化合物氣體之氫化合物氣體供給步驟，係以使惰性氣體供給至前述處理容器內的淨化步驟及/或對前述處理容器進行真空吸引的真空吸引步驟介於兩步驟之間的方式交替反覆執行，藉此形成第一鎢膜之製程。
  2. 如申請專利範圍第1項之鎢膜之形成方法，其中，另具有：將前述含鎢氣體與還原性氣體同時供給至前述第一鎢膜上，藉此形成第二鎢膜之製程。
  3. 如申請專利範圍第2項之鎢膜之形成方法，其中，前述第一鎢膜形成製程與前述第二鎢膜形成製程係在同一處理容器內執行。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之鎢膜之形成方法，其中，前述含矽氣體係選自單矽烷、二矽烷、有機矽烷。
  5. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之鎢膜之形成方法，其中，前述未含矽之氫化合物氣體係二硼烷或膦。
  6. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之鎢膜之形成方法，其中，前述未含矽之氫化合物氣體係氫稀釋二硼烷氣體。
  7. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之鎢膜之形成方法，其中，前述還原性氣體係氫。
  8. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之鎢膜之形成方法，其中，前述含鎢氣體係WF6 。
  9. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之鎢膜之形成方法，其中，在前述被處理體之表面形成有含TiN膜之阻障層。
  10. 一種鎢膜之形成方法，其特徵為具有：在以可真空吸引的方式所構成的處理容器內，將含矽氣體供給至形成有接觸孔之被處理體之製程；在該製程後，供給含鎢氣體之含鎢氣體供給步驟、與供給未含矽之氫化合物氣體之氫化合物氣體供給步驟，係以使惰性氣體供給至前述處理容器內的淨化步驟及/或對前述處理容器進行真空吸引的真空吸引步驟介於兩步驟之間的方式交替反覆執行，藉此形成第一鎢膜之製程；將前述含鎢氣體與還原性氣體同時供給至前述第一鎢膜上，藉此再形成第二鎢膜而將前述接觸孔嵌埋之製程；以及在前述第二鎢膜形成後，在前述被處理體之表面施行化學機械研磨處理，藉此形成接觸栓之製程。
  11. 一種成膜裝置，其特徵為具備： 以可真空吸引的方式所構成的處理容器；設在前述處理容器內，用以載置被處理體之載置台；用以加熱前述被處理體的加熱手段；在前述處理容器內，至少可供給含矽氫氣體、含鎢氣體與未含矽之氫化合物氣體的氣體供給手段；以及用以執行以下製程之控制部：在載置於前述載置台之被處理體的表面形成鎢膜時，藉由前述氣體供給手段，將含矽氣體供給至前述被處理體之製程；以及於該製程後，藉由前述氣體供給手段供給含鎢氣體之含鎢氣體供給步驟、與藉由前述氣體供給手段供給未含矽之氫化合物氣體之氫化合物氣體供給步驟，係以使惰性氣體供給至前述處理容器內的淨化步驟及/或對前述處理容器進行真空吸引的真空吸引步驟介在兩步驟之間的方式交替反覆執行，藉此形成第一鎢膜之製程。
  12. 一種記憶媒體，係記憶有程式，該程式為使用成膜裝置，使電腦執行對上述處理容器內之上述被處理體的鎢膜形成處理者。該成膜裝置具備：以可真空吸引的方式所構成的處理容器；設在前述處理容器內，且用以載置被處理體之載置台；用以加熱前述被處理體的加熱手段；以及在前述處理容器內，至少可供給含矽氫氣體、含鎢氣體與未含矽之氫化合物氣體的氣體供給手段；其特徵為：前述鎢膜形成處理係具有：藉由前述氣體供給手段，將含矽氣體供給至前述被處理體之製程；以及 在該製程後，藉由前述氣體供給手段供給含鎢氣體之含鎢氣體供給步驟、與藉由前述氣體供給手段供給未含矽之氫化合物氣體之氫化合物氣體供給步驟，係以使惰性氣體供給至前述處理容器內的淨化步驟及/或對前述處理容器進行真空吸引的真空吸引步驟介於兩步驟之間的方式交替反覆執行，藉此形成第一鎢膜之製程。
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