JP6391355B2

JP6391355B2 - タングステン膜の成膜方法

Info

Publication number: JP6391355B2
Application number: JP2014163501A
Authority: JP
Inventors: 赤坂　泰志; 泰志赤坂; 隼史堀田; 康饗場
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2014-08-11
Filing date: 2014-08-11
Publication date: 2018-09-19
Anticipated expiration: 2034-08-11
Also published as: KR20160019366A; TWI716356B; CN105369213A; JP2016037656A; TW201619432A; KR101817833B1; US20160040287A1

Description

本発明は、タングステン膜の成膜方法に関する。

ＬＳＩを製造する際には、ＭＯＳＦＥＴゲート電極、ソース・ドレインとのコンタクト、メモリーのワード線等にタングステンが広く用いられている。多層配線工程では、銅配線が主に用いられているが、耐熱性に乏しい。タングステン配線は、特に、概ね５００℃以上の耐熱性を供給される部分、トランジスタに近く銅を用いると銅の拡散による電気特性の劣化が懸念される部分等に用いられる。

タングステンの成膜処理として、以前には物理的蒸着（ＰＶＤ）法が用いられていたが、高い被覆率（ステップカバレッジ）が要求される部分では、ＰＶＤ法では高いステップカバレッジに対応することが困難であること等の理由で、デバイスの微細化に十分対応可能な化学的蒸着（ＣＶＤ）法で成膜することが行われている。

このようなＣＶＤ法によるタングステン膜（ＣＶＤ−タングステン膜）の成膜方法としては、原料ガスとして例えば六フッ化タングステン（ＷＦ_６）および還元ガスであるＨ_２ガスを用い、ウエハ上でＷＦ_６＋３Ｈ_２→Ｗ＋６ＨＦの反応を生じさせる方法が一般的に用いられている（例えば、特許文献１，２）。

しかし、ＷＦ_６ガスを用いてＣＶＤ−タングステン膜を成膜する場合には、半導体デバイスにおける、特にゲート電極やメモリーのワード線などで、ＷＦ_６に含まれるフッ素がゲート絶縁膜を還元し、電気特性を劣化させることが強く懸念されており、このため、原料ガスとして、フッ素を含まない六塩化タングステン（ＷＣｌ_６）を用いてＣＶＤ−タングステン膜を成膜することが検討されている（例えば非特許文献１）。塩素も還元性を有するが、反応性はフッ素より弱く、電気特性に対する悪影響が少ないことが期待されている。

特開２００３−１９３２３３号公報特開２００４−２７３７６４号公報

J.A.M. Ammerlaan et al., "Chemical vapor deposition of tungsten by H2 reduction of WCl6", Applied Surface Science 53(1991), pp.24-29

ところで、近時、半導体デバイスの微細化が益々進み、良好なステップカバレッジが得られると言われているＣＶＤでさえも十分なステップカバレッジが得難くなっており、さらなる高いステップカバレッジを得る観点から、原料ガスと還元ガスとをパージを挟んでシーケンシャルに供給する原子層堆積（ＡＬＤ）法が注目されている。

しかしながら、原料ガスであるＷＣｌ_６ガスと、還元ガスであるＨ_２ガスとを用い、ＡＬＤ法によりタングステン膜を成膜する場合には、１サイクルあたりの堆積膜厚が薄くなり、所望の膜厚を堆積するのに時間がかかるという問題点がある。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、原料ガスとしてＷＣｌ_６ガスを用いてシーケンシャルなガス供給によりタングステン膜を形成する場合に、十分な堆積速度でタングステン膜を成膜することができるタングステン膜の成膜方法を提供することを課題とする。

本発明者らは、まず、原料ガスとしてＷＣｌ_６ガスを用いてＡＬＤ法によりタングステン膜を成膜した際に堆積速度が遅くなる原因について検討した。その結果、供給されたＷＣｌ_６ガスが、すでに成膜されているタングステン膜と反応し、ＷＣｌ_５、ＷＣｌ_４、ＷＣｌ_２などのサブクロライド（ＷＣｌｘ（ｘ＜６））が形成されてタングステン膜がエッチングされることが原因であると推測された。

そして、さらに検討した結果、このようなエッチングは、ＷＣｌ_６ガスを供給する際に、サブクロライド（ＷＣｌｘ（ｘ＜６））の生成を抑制することができるＣｌ_２ガスを同時に供給すること、および還元ガスを同時に供給することが有効であることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の第１の観点は、被処理基板が収容され、減圧雰囲気下に保持されたチャンバー内に、タングステン原料ガスとしてのＷＣｌ_６ガス、水素を含む還元性ガスからなる還元ガス、およびパージガスをシーケンシャルに供給して被処理基板の表面にタングステン膜を成膜するタングステン膜の成膜方法であって、前記ＷＣｌ _６ガスは、原料容器に収容された固体状のＷＣｌ _６を加熱し、前記原料容器にキャリアガスを供給することにより前記チャンバー内に供給され、前記ＷＣｌ_６ガスを供給する際に、同時にエッチング抑制ガスであるＣｌ_２ガスを供給することを特徴とするタングステン膜の成膜方法を提供する。

上記第１の観点において、前記チャンバー内に前記ＷＣｌ_６ガスおよび前記Ｃｌ_２ガスを供給する第１工程と、前記チャンバー内をパージする第２工程と、前記チャンバー内に前記還元ガスを供給する第３工程と、前記チャンバー内をパージする第４工程とにより、タングステン単位膜を形成し、前記第１工程から前記第４工程までを複数サイクル繰り返すことにより所望の厚さのタングステン膜を形成するように構成することができる。

また、前記キャリアガスの少なくとも一部としてＣｌ_２ガスを用いることにより、ＷＣｌ_６ガスと同時にＣｌ_２ガスを前記チャンバーへ供給する構成とすることができる。

本発明の第２の観点は、被処理基板が収容され、減圧雰囲気下に保持されたチャンバー内に、タングステン原料ガスとしてのＷＣｌ_６ガス、水素を含む還元性ガスからなる還元ガス、およびパージガスをシーケンシャルに供給して被処理基板の表面にタングステン膜を成膜するタングステン膜の成膜方法であって、前記ＷＣｌ _６ガスは、原料容器に収容された固体状のＷＣｌ _６を加熱し、前記原料容器にキャリアガスを供給することにより前記チャンバー内に供給され、前記ＷＣｌ_６ガスを供給する際に同時に前記還元ガスを供給するか、または前記還元ガスが前記チャンバーに存在している状態で前記ＷＣｌ_６ガスを供給することを特徴とするタングステン膜の成膜方法を提供する。

上記第２の観点において、前記チャンバー内に前記ＷＣｌ_６ガスおよび前記還元ガスを供給する第１工程と、前記チャンバー内をパージする第２工程と、前記チャンバー内に前記還元ガスを供給する第３工程と、前記チャンバー内をパージする第４工程とにより、タングステン単位膜を形成し、前記第１工程から前記第４工程までを複数サイクル繰り返すことにより所望の厚さのタングステン膜を形成するように構成することができる。

上記第１の観点および第２の観点のいずれにおいても、前記還元ガスとして、Ｈ_２ガス、ＳｉＨ_４ガス、Ｂ_２Ｈ_６ガス、ＮＨ_３ガスの少なくとも１種を用いることができる。

本発明によれば、タングステン原料ガスとしてのＷＣｌ_６ガス、水素を含む還元性ガスからなる還元ガス、およびパージガスをシーケンシャルに供給して被処理基板の表面にタングステン膜を成膜するにあたり、ＷＣｌ_６ガスと同時にＣｌ_２ガスを供給するか、または、ＷＣｌ_６ガスを供給する際に、還元ガスを同時に供給する、もしくはチャンバー内に還元ガスが存在している状態とするので、ＷＣｌ_６ガスの供給時におけるタングステン膜のエッチングを抑制することができ、十分に速い堆積速度でタングステン膜を成膜することができる。

本発明の第１の実施形態に係る成膜方法を実施するための成膜装置の一例を示す断面図である。第１の実施形態に係る成膜方法のガス供給シーケンスを示すタイミングチャートである。本発明の第１の実施形態に係る成膜方法を実施するための成膜装置の他の例を示す断面図である。本発明の第２の実施形態に係る成膜方法を実施するための成膜装置の一例を示す断面図である。第２の実施形態に係る成膜方法のガス供給シーケンスを示すタイミングチャートである。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について具体的に説明する。

＜第１の実施形態＞
まず第１の実施形態について説明する。
［成膜装置の例］
図１は本発明の第１の実施形態に係るタングステン膜の成膜方法を実施するための成膜装置の一例を示す断面図である。

図１に示すように、成膜装置１００は、気密に構成された略円筒状のチャンバー１を有しており、その中には被処理基板であるウエハＷを水平に支持するためのサセプタ２が、後述する排気室の底部からその中央下部に達する円筒状の支持部材３により支持された状態で配置されている。このサセプタ２は例えばＡｌＮ等のセラミックスからなっている。また、サセプタ２にはヒーター５が埋め込まれており、このヒーター５にはヒーター電源６が接続されている。一方、サセプタ２の上面近傍には熱電対７が設けられており、熱電対７の信号はヒーターコントローラ８に伝送されるようになっている。そして、ヒーターコントローラ８は熱電対７の信号に応じてヒーター電源６に指令を送信し、ヒーター５の加熱を制御してウエハＷを所定の温度に制御するようになっている。なお、サセプタ２には３本のウエハ昇降ピン（図示せず）がサセプタ２の表面に対して突没可能に設けられており、ウエハＷを搬送する際に、サセプタ２の表面から突出した状態にされる。また、サセプタ２は昇降機構（図示せず）により昇降可能となっている。

チャンバー１の天壁１ａには、円形の孔１ｂが形成されており、そこからチャンバー１内へ突出するようにシャワーヘッド１０が嵌め込まれている。シャワーヘッド１０は、後述するガス供給機構３０から供給された成膜原料ガスであるＷＣｌ_６ガスをチャンバー１内に吐出するためのものであり、その上部には、ＷＣｌ_６ガスおよびパージガスとしてＮ_２ガスを導入する第１の導入路１１と、還元ガスとしてのＨ_２ガスおよびパージガスとしてＮ_２ガスを導入する第２の導入路１２とを有している。

シャワーヘッド１０の内部には上下２段に空間１３、１４が設けられている。上側の空間１３には第１の導入路１１が繋がっており、この空間１３から第１のガス吐出路１５がシャワーヘッド１０の底面まで延びている。下側の空間１４には第２の導入路１２が繋がっており、この空間１４から第２のガス吐出路１６がシャワーヘッド１０の底面まで延びている。すなわち、シャワーヘッド１０は、成膜原料ガスとしてのＷＣｌ_６ガスと還元ガスであるＨ_２ガスとがそれぞれ独立して吐出路１５および１６から吐出するようになっている。

チャンバー１の底壁には、下方に向けて突出する排気室２１が設けられている。排気室２１の側面には排気管２２が接続されており、この排気管２２には真空ポンプや圧力制御バルブ等を有する排気装置２３が接続されている。そしてこの排気装置２３を作動させることによりチャンバー１内を所定の減圧状態とすることが可能となっている。

チャンバー１の側壁には、ウエハＷの搬入出を行うための搬入出口２４と、この搬入出口２４を開閉するゲートバルブ２５とが設けられている。また、チャンバー１の壁部には、ヒーター２６が設けられており、成膜処理の際にチャンバー１の内壁の温度を制御可能となっている。

ガス供給機構３０は、成膜原料であるＷＣｌ_６を収容する成膜原料タンク３１を有している。ＷＣｌ_６は常温では個体であり、成膜原料タンク３１内にはＷＣｌ_６が固体として収容されている。成膜原料タンク３１の周囲にはヒーター３１ａが設けられており、タンク３１内の成膜原料を適宜の温度に加熱して、ＷＣｌ_６を昇華させるようになっている。

成膜原料タンク３１には、上方からキャリアガスを供給するためのキャリアガス配管３２が挿入されている。キャリアガス配管３２にはＮ_２ガス供給源３３からＮ_２ガスが供給される。また、キャリアガス配管３２にはＣｌ_２ガス供給配管８１が接続されており、Ｃｌ_２ガス供給配管８１にはＣｌ_２ガス供給源８２からＣｌ_２ガスが供給される。したがって、成膜原料タンク３１には、キャリアガス配管３２を介してキャリアガスとしてＮ_２ガスおよびＣｌ_２ガスが供給されるようになっている。キャリアガス配管３２には、流量制御器としてのマスフローコントローラ３４およびその前後のバルブ３５が介装され、Ｃｌ_２ガス供給配管８１には、マスフローコントローラ８３およびその前後のバルブ８４が介装されている。これにより、キャリアガスとしてＮ_２ガスとＣｌ_２ガスが所望の流量比で供給することができる。キャリアガスとしてＣｌ_２ガスのみを供給してもよい。

また、成膜原料タンク３１内には原料ガスラインとなる原料ガス送出配管３６が上方から挿入されており、この原料ガス送出配管３６の他端はシャワーヘッド１０の第１の導入路１１に接続されている。原料ガス送出配管３６にはバルブ３７が介装されている。原料ガス送出配管３６には成膜原料ガスであるＷＣｌ_６ガスの凝縮防止のためのヒーター３８が設けられている。

そして、キャリアガス配管３２から成膜原料タンク３１内に供給されたキャリアガスであるＮ_２ガスおよびＣｌ_２ガスにより、成膜原料タンク３１内で昇華したＷＣｌ_６ガスが、原料ガス送出配管３６へ搬送され、第１の導入路１１を介してシャワーヘッド１０内に供給される。

また、原料ガス送出配管３６には、バイパス配管７４を介してＮ_２ガス供給源７１が接続されている。バイパス配管７４には流量制御器としてのマスフローコントローラ７２およびその前後のバルブ７３が介装されている。Ｎ_２ガス供給源７１からのＮ_２ガスは原料ガスライン側のパージガスとして用いられる。

なお、キャリアガス配管３２と原料ガス送出配管３６との間は、バイパス配管４８により接続されており、このバイパス配管４８にはバルブ４９が介装されている。キャリアガス配管３２および原料ガス送出配管３６におけるバイパス配管４８接続部分の下流側にはそれぞれバルブ３５ａ，３７ａが介装されている。そして、バルブ３５ａ，３７ａを閉じてバルブ４９を開くことにより、Ｎ_２ガス供給源３３からのＮ_２ガスを、キャリアガス配管３２、バイパス配管４８を経て、原料ガス送出配管３６をパージすることが可能となっている。なお、キャリアガスおよびパージガスとしては、Ｎ_２ガスに限らず、Ａｒガス等の他の不活性ガスであってもよい。

シャワーヘッド１０の第２の導入路１２には、Ｈ_２ガスラインとなる配管４０が接続されており、配管４０には、還元ガスであるＨ_２ガスを供給するＨ_２ガス供給源４２と、バイパス配管６４を介してＮ_２ガス供給源６１が接続されている。また、配管４０には流量制御器としてのマスフローコントローラ４４およびその前後のバルブ４５が介装され、バイパス配管６４には流量制御器としてのマスフローコントローラ６２およびその前後のバルブ６３が介装されている。Ｎ_２ガス供給源６１からのＮ_２ガスはＨ_２ガスライン側のパージガスとして用いられる。

還元ガスとしては、Ｈ_２ガスに限らず、水素を含む還元性のガスであればよく、Ｈ_２ガスの他に、ＳｉＨ_４ガス、Ｂ_２Ｈ_６ガス、ＮＨ_３ガス等を用いることもできる。これらのうち２つ以上のガスを用いてもよい。

この成膜装置１００は、各構成部、具体的にはバルブ、電源、ヒーター、ポンプ等を制御する制御部５０を有している。この制御部５０は、マイクロプロセッサ（コンピュータ）を備えたプロセスコントローラ５１と、ユーザーインターフェース５２と、記憶部５３とを有している。プロセスコントローラ５１には成膜装置１００の各構成部が電気的に接続されて制御される構成となっている。ユーザーインターフェース５２は、プロセスコントローラ５１に接続されており、オペレータが成膜装置１００の各構成部を管理するためにコマンドの入力操作などを行うキーボードや、成膜装置の各構成部の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなっている。記憶部５３もプロセスコントローラ５１に接続されており、この記憶部５３には、成膜装置１００で実行される各種処理をプロセスコントローラ５１の制御にて実現するための制御プログラムや、処理条件に応じて成膜装置１００の各構成部に所定の処理を実行させるための制御プログラムすなわち処理レシピや、各種データベース等が格納されている。処理レシピは記憶部５３の中の記憶媒体（図示せず）に記憶されている。記憶媒体は、ハードディスク等の固定的に設けられているものであってもよいし、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ、フラッシュメモリ等の可搬性のものであってもよい。また、他の装置から、例えば専用回線を介してレシピを適宜伝送させるようにしてもよい。

そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース５２からの指示等にて所定の処理レシピを記憶部５３から呼び出してプロセスコントローラ５１に実行させることで、プロセスコントローラ５１の制御下で、成膜装置１００での所望の処理が行われる。

［成膜方法］
次に、以上のように構成された成膜装置１００を用いて行われる第１の実施形態に係る成膜方法について説明する。

本実施形態では、例えば、熱酸化膜の表面、またはトレンチやホール等の凹部を有する層間絶縁膜の表面にバリアメタル膜が下地膜として形成されたウエハを用い、その表面にタングステン膜を成膜する。

成膜に際しては、まず、ゲートバルブ２５を開け、搬送装置（図示せず）によりウエハＷを搬入出口２４を介してチャンバー１内に搬入し、ヒーター５により所定温度に加熱されたサセプタ２上に載置し、所定の真空度まで減圧した後、バルブ３７，３７ａおよび４５を閉じた状態とし、バルブ６３および７３を開き、Ｎ_２ガス供給源６１，７１からのＮ_２ガス（原料ガスライン側のパージガスおよびＨ_２ガスライン側のパージガス）をチャンバー１内に供給して圧力を上昇させ、サセプタ２上のウエハＷの温度を安定させる。そして、チャンバー１内が所定圧力に到達した後、以下のようにしてシーケンシャルなガス供給によりタングステン膜の成膜を行う。

図２は、第１の実施形態に係る成膜方法のガス供給シーケンスを示すタイミングチャートである。
最初に、Ｎ_２ガス供給源６１，７１からのＮ_２ガスを流したまま、バルブ３７，３７ａを開くことにより、キャリアガスであるＮ_２ガスおよびＣｌ_２ガスを成膜原料タンク３１内に供給し、これらにより成膜原料タンク３１内で昇華したＷＣｌ_６ガスをチャンバー１内に搬送する（ステップＳ１）。これにより、ウエハＷ表面にＷＣｌ_６が吸着される。このステップＳ１では、チャンバー１内に、ＷＣｌ_６ガスに加えてキャリアガスとして供給したＣｌ_２ガスも供給される。

次いで、バルブ３７，３７ａを閉じてＷＣｌ_６ガスおよびＣｌ_２ガスを停止し、パージガスであるＮ_２ガスのみがチャンバー１内に供給されている状態とし、チャンバー１内の余剰のＷＣｌ_６ガスをパージする（ステップＳ２）。

次いで、Ｎ_２ガス供給源６１，７１からのＮ_２ガスを流したまま、バルブ４５を開いてＨ_２ガス供給源４２から還元ガスであるＨ_２ガスをチャンバー１内に供給する（ステップＳ３）。これにより、ウエハＷ上に吸着したＷＣｌ_６が還元される。

次いで、バルブ４５を閉じてＨ_２ガスの供給を停止し、パージガスであるＮ_２ガスのみがチャンバー１内に供給されている状態とし、チャンバー１内の余剰のＨ_２ガスをパージする（ステップＳ４）。

以上のステップＳ１〜Ｓ４の１サイクルにより、薄いタングステン単位膜が形成される。そして、これらのステップを複数サイクル繰り返すことにより所望の膜厚のタングステン膜を成膜する。このときのタングステン膜の膜厚は、上記サイクルの繰り返し数により制御することができる。

以上のような第１の実施形態のガス供給シーケンスにより、ＡＬＤ法によるＷ膜成膜の堆積速度が遅いという問題を解消することができる。

以下その理由について説明する。
タングステン原料ガスとして用いるＷＣｌ_６には、サブクロライドとしてＷＣｌ_５等が存在するが、ＷＣｌ_６よりもＷＣｌ_５のほうが蒸気圧が高いことが報告されており（T.P.Chow and A.J.Steckl, "Plasma Etching of Refractory Gates for VLSI Applications", J.Electrochem.Soc.:SOLID-STATE SCIENCE AND TECHNOLOGY, Vol.131, No.10(1984), pp2325-2335の図１７を参照）、ＡＬＤ法におけるＷＣｌ_６ガス吸着工程では、ＷＣｌ_６ガスとＮ_２ガスのみが供給されるため、以下の（１）式の反応が生じて、それまでに堆積されたタングステン膜がエッチングされてしまう。
５ＷＣｌ_６（ｇ）＋Ｗ（ｓ）→６ＷＣｌ_５（ｇ）・・・（１）
このエッチング反応により、ＷＣｌ_６ガスを用いたＡＬＤ法によりタングステン膜を堆積した場合の見かけの堆積速度が遅くなってしまうのである。

一方、ＷＣｌ_６からサブクロライドであるＷＣｌ_５が生成される際の反応は、以下の（２）式に示すようなものである。
ＷＣｌ_６→ＷＣｌ_５＋（１／２）Ｃｌ_２・・・（２）
したがって、ＷＣｌ_６の分解を抑えてタングステンのエッチングを抑制するためには、（１／２）Ｃｌ_２ガスの分圧を上げればよい。

そこで、本実施形態では、ＷＣｌ_６ガスをチャンバー１内に供給する際にＣｌ_２ガスも供給して、ＷＣｌ_６の分解を抑制するのである。これにより、ＷＣｌ_６によるタングステンのエッチング反応が抑制されて、ＷＣｌ_６を成膜原料として用いて、十分に速い堆積速度でタングステン膜を成膜することができる。その結果、フッ素による電気特性の劣化のないタングステン膜を低コストで提供することができる。

なお、このように、ＷＣｌ_６ガスを供給する際にキャリアガスとしてＣｌ_２ガスを用いることによりＣｌ_２ガスを供給する手法は、従来行われていない新規な方法である。また、このようにＷＣｌ_６ガスの供給と同時にＣｌ_２ガスを供給することによりＣｌ_２ガス分圧を上げてタングステン膜のエッチングを抑制する手法は、成膜手法を問わず有効である。

（成膜条件）
この際の成膜条件は、特に限定されないが、以下の条件が好適である。
ウエハ温度（サセプタ表面温度）：４００〜６００℃
チャンバー内圧力：１〜８０Ｔｏｒｒ（１３３〜１０６４０Ｐａ）
キャリアガス流量（Ｎ_２＋Ｃｌ_２）：１００〜２０００ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）
（ＷＣｌ_６ガス供給量として、５〜１００ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ））
Ｃｌ_２ガス流量：１〜１００ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）
ステップＳ１の時間（１回あたり）：０．０１〜５ｓｅｃ
Ｈ_２ガス流量：５００〜５０００ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）
ステップＳ３の時間（１回あたり）：０．１〜５ｓｅｃ
ステップＳ２、Ｓ４の時間（パージ）（１回あたり）：０．１〜５ｓｅｃ
成膜原料タンクの加温温度：１３０〜１７０℃

なお、還元ガスとしては、水素を含む還元性のガスであればよく、Ｈ_２ガスの他に、ＳｉＨ_４ガス、Ｂ_２Ｈ_６ガス、ＮＨ_３ガス等を用いることができ、これらを用いた場合にも同様の条件で好ましい成膜を行うことができる。膜中の不純物をより低減して低抵抗値を得る観点からは、Ｈ_２ガスを用いることが好ましい。

また、Ｃｌ_２ガスはＷＣｌ_６ガスのキャリアガスとしてではなく、別ラインを介して供給してもよい。その例を図３に示す。図３の成膜装置１００′では、キャリアガス配管３２に配管８１を接続する代わりに、原料ガス送出配管３６にＣｌ_２ガス供給配管９１を接続し、Ｃｌ_２ガス供給源９２からＣｌ_２ガス供給配管９１にＣｌ_２ガスを供給するようにしている。これにより、原料ガス送出配管３６に送出されたＷＣｌ_６ガスとともにＣｌ_２ガスがチャンバー１に供給される。Ｃｌ_２ガス供給配管９１には、マスフローコントローラ９３およびその前後のバルブ９４が介装されている。図３の成膜装置の他の構成は、図１の成膜装置１００と同じである。

＜第２の実施形態＞
次に第２の実施形態について説明する。
［成膜装置の例］
図４は本発明の第２の実施形態に係るタングステン膜の成膜方法を実施するための成膜装置の一例を示す断面図である。図４の成膜装置１０１は、Ｃｌ_２ガス供給配管８１およびＣｌ_２ガス供給源８２が設けられていない。したがって、ＷＣｌ_６ガスのキャリアガスとしてはＮ_２ガスのみが用いられる。成膜装置１０１は、この点以外は図１の成膜装置１００と全く同一の構成を有している。したがって、この点以外には図１と同一の符号を付して装置構成の説明は省略する。

［成膜方法］
次に、以上のように構成された成膜装置１０１を用いて行われる第２の実施形態に係る成膜方法について説明する。

本実施形態においても、第１の実施形態と同様、例えば、熱酸化膜の表面、またはトレンチやホール等の凹部を有する層間絶縁膜の表面にバリアメタル膜が下地膜として形成されたウエハを用い、その表面にタングステン膜を成膜する。

本実施形態においても、成膜に際しては、まず、ゲートバルブ２５を開け、搬送装置（図示せず）によりウエハＷを搬入出口２４を介してチャンバー１内に搬入し、ヒーター５により所定温度に加熱されたサセプタ２上に載置し、所定の真空度まで減圧した後、バルブ３７，３７ａおよび４５を閉じた状態とし、バルブ６３および７３を開き、Ｎ_２ガス供給源６１，７１からのＮ_２ガス（原料ガスライン側のパージガスおよびＨ_２ガスライン側のパージガス）をチャンバー１内に供給して圧力を上昇させ、サセプタ２上のウエハＷの温度を安定させる。そして、チャンバー１内が所定圧力に到達した後、以下のようにしてシーケンシャルなガス供給によりタングステン膜の成膜を行う。

図５は、第２の実施形態に係る成膜方法のガス供給シーケンスを示すタイミングチャートである。
最初に、Ｎ_２ガス供給源６１，７１からのＮ_２ガスを流したまま、バルブ３７，３７ａを開くことにより、キャリアガスであるＮ_２ガスを成膜原料タンク３１内に供給し、このキャリアガスにより成膜原料タンク３１内で昇華したＷＣｌ_６ガスをチャンバー１内に搬送し、さらに、バルブ４５を開いてＨ_２ガス供給源４２から所定流量のＨ_２ガスをチャンバー１内に供給する（ステップＳ１１）。これにより、ウエハＷ表面にＷＣｌ_６が吸着される。

次いで、バルブ３７，３７ａおよびバルブ４５を閉じてＷＣｌ_６ガスおよびＨ_２ガスを停止し、パージガスであるＮ_２ガスのみがチャンバー１内に供給されている状態とし、チャンバー１内の余剰のＷＣｌ_６ガスおよびＨ_２ガスをパージする（ステップＳ１２）。

次いで、Ｎ_２ガス供給源６１，７１からのＮ_２ガスを流したまま、バルブ４５を開いてＨ_２ガス供給源４２からＨ_２ガスを還元ガスとしてチャンバー１内に供給する（ステップＳ１３）。これにより、ウエハＷ上に吸着したＷＣｌ_６が還元される。

次いで、バルブ４５を閉じてＨ_２ガスの供給を停止し、パージガスであるＮ_２ガスのみがチャンバー１内に供給されている状態とし、チャンバー１内の余剰のＨ_２ガスをパージする（ステップＳ１４）。

以上のステップＳ１１〜Ｓ１４の１サイクルにより、薄いタングステン単位膜が形成される。そして、これらのステップを複数サイクル繰り返すことにより所望の膜厚のタングステン膜を成膜する。このときのタングステン膜の膜厚は、上記サイクルの繰り返し数により制御することができる。

以上のような第２の実施形態のガス供給シーケンスによっても、ＡＬＤ法によるＷ膜成膜の堆積速度が遅いという問題を解消することができる。
すなわち、ＡＬＤ法におけるＷＣｌ_６ガス吸着工程では、ＷＣｌ_６ガスとＮ_２ガスのみが供給されるため、上記（１）式に示すように、タングステン膜のエッチング反応が生じるが、ＷＣｌ_６ガスとともに還元ガスとして用いるＨ_２ガスを供給することにより、タングステン生成反応が生じ、タングステン膜のエッチングを防ぐことができる。このため、ＷＣｌ_６を成膜原料として用いて、十分に速い堆積速度でタングステン膜を成膜することができる。その結果、フッ素による電気特性の劣化のないタングステン膜を低コストで提供することができる。

ステップＳ１１におけるＨ_２ガスの流量は、タングステンのエッチング反応を有効に抑制することができる程度であればよく、ステップＳ１３の際のＷＣｌ_６ガスを還元するためのＨ_２ガスよりも少ない流量でよい。

（成膜条件）
この際の成膜条件は、特に限定されないが、以下の条件が好適である。
ウエハ温度（サセプタ表面温度）：４００〜６００℃
チャンバー内圧力：１〜８０Ｔｏｒｒ（１３３〜１０６４０Ｐａ）
キャリアガス流量：１００〜２０００ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）
（ＷＣｌ_６ガス供給量として、５〜１００ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ））
ステップＳ１１の際のＨ_２ガス流量：１〜５００ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）
ステップＳ１１の時間（１回あたり）：０．０１〜５ｓｅｃ
ステップＳ１３の際のＨ_２ガス流量：５００〜５０００ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）
ステップＳ１３の時間（１回あたり）：０．１〜５ｓｅｃ
ステップＳ１２、Ｓ１４の時間（パージ）（１回あたり）：０．１〜５ｓｅｃ
成膜原料タンクの加温温度：１３０〜１７０℃

なお、ＷＣｌ_６ガスと同時にＨ_２ガスを供給する代わりに、チャンバー１内にＨ_２ガスが残留した状態でＷＣｌ_６ガスを供給するようにしてもよい。また、本実施形態においても、還元ガスとしては、水素を含む還元性のガスであればよく、Ｈ_２ガスの他に、ＳｉＨ_４ガス、Ｂ_２Ｈ_６ガス、ＮＨ_３ガス等を用いることができ、これらを用いた場合にも同様の条件で好ましい成膜を行うことができる。膜中の不純物をより低減して低抵抗値を得る観点からは、Ｈ_２ガスを用いることが好ましい。ＷＣｌ_６ガスと同時に供給するガスもＨ_２ガスに限らず、水素を含む還元性のガスであればよい。ＷＣｌ_６ガスと同時に供給するガスは、還元ガスとして用いたガスと同じガスを用いることが好ましいが、水素を含む還元性のガスであれば、還元ガスとして用いたガスと異なっていてもよい。

＜半導体装置＞
上記第１の実施形態または上記第２の実施形態のタングステン膜の成膜方法を、ＭＯＳＦＥＴゲート電極、ソース・ドレインとのコンタクト、メモリーのワード線等に用いられるタングステン膜の成膜に用いて半導体装置を製造することにより、高特性の半導体装置を効率よく低コストで製造することができる。

＜他の適用＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、被処理基板として半導体ウエハを例にとって説明したが、半導体ウエハはシリコンであっても、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＧａＮなどの化合物半導体でもよく、さらに、半導体ウエハに限定されず、液晶表示装置等のＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）に用いるガラス基板や、セラミック基板等にも本発明を適用することができる。

１；チャンバー
２；サセプタ
５；ヒーター
１０；シャワーヘッド
３０；ガス供給機構
３１；成膜原料タンク
３２；キャリアガス配管
３３，６１，７１；Ｎ_２ガス供給源
３６；原料ガス送出配管
４２；Ｈ_２ガス供給源
５０；制御部
５１；プロセスコントローラ
５３；記憶部
８１，９１；Ｃｌ_２ガス供給配管
８２，９２；Ｃｌ_２ガス供給源
１００、１００′、１０１；成膜装置
Ｗ；半導体ウエハ

Claims

被処理基板が収容され、減圧雰囲気下に保持されたチャンバー内に、タングステン原料ガスとしてのＷＣｌ_６ガス、水素を含む還元性ガスからなる還元ガス、およびパージガスをシーケンシャルに供給して被処理基板の表面にタングステン膜を成膜するタングステン膜の成膜方法であって、
前記ＷＣｌ _６ガスは、原料容器に収容された固体状のＷＣｌ _６を加熱し、前記原料容器にキャリアガスを供給することにより前記チャンバー内に供給され、前記ＷＣｌ_６ガスを供給する際に、同時にエッチング抑制ガスであるＣｌ_２ガスを供給することを特徴とするタングステン膜の成膜方法。
前記チャンバー内に前記ＷＣｌ_６ガスおよび前記Ｃｌ_２ガスを供給する第１工程と、
前記チャンバー内をパージする第２工程と、
前記チャンバー内に前記還元ガスを供給する第３工程と、
前記チャンバー内をパージする第４工程と
により、タングステン単位膜を形成し、
前記第１工程から前記第４工程までを複数サイクル繰り返すことにより所望の厚さのタングステン膜を形成することを特徴とする請求項１に記載のタングステン膜の成膜方法。
前記キャリアガスの少なくとも一部としてＣｌ_２ガスを用いることにより、ＷＣｌ_６ガスと同時にＣｌ_２ガスを前記チャンバーへ供給することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のタングステン膜の成膜方法。
被処理基板が収容され、減圧雰囲気下に保持されたチャンバー内に、タングステン原料ガスとしてのＷＣｌ_６ガス、水素を含む還元性ガスからなる還元ガス、およびパージガスをシーケンシャルに供給して被処理基板の表面にタングステン膜を成膜するタングステン膜の成膜方法であって、
前記ＷＣｌ _６ガスは、原料容器に収容された固体状のＷＣｌ _６を加熱し、前記原料容器にキャリアガスを供給することにより前記チャンバー内に供給され、前記ＷＣｌ_６ガスを供給する際に同時に前記還元ガスを供給するか、または前記還元ガスが前記チャンバーに存在している状態で前記ＷＣｌ_６ガスを供給することを特徴とするタングステン膜の成膜方法。
前記チャンバー内に前記ＷＣｌ_６ガスおよび前記還元ガスを供給する第１工程と、
前記チャンバー内をパージする第２工程と、
前記チャンバー内に前記還元ガスを供給する第３工程と、
前記チャンバー内をパージする第４工程と
により、タングステン単位膜を形成し、
前記第１工程から前記第４工程までを複数サイクル繰り返すことにより所望の厚さのタングステン膜を形成することを特徴とする請求項４に記載のタングステン膜の成膜方法。
前記還元ガスは、Ｈ_２ガス、ＳｉＨ_４ガス、Ｂ_２Ｈ_６ガス、ＮＨ_３ガスの少なくとも１種であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のタングステン膜の成膜方法。