JPH0817162B2 - 半導体デバイスの薄膜形成方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、半導体デバイスの薄膜形成方法および装
置に関するものであり、さらに詳細には、半導体デバイ
スにおける半導体基板または半導体基板上に形成された
絶縁膜などのような基体の上に中間層を介して化学的気
相成長（Chemical Vapor Deposition,以下CVDと称
す）法を用いて薄膜を形成する方法および装置に関する
ものである。

［従来の技術］ 従来、半導体デバイスの配線パターンは通常の場合、
アルミニウムを主原料に用いて形成されている。しかし
ながら、アルミニウムを主原料に用いた場合、パターニ
ング後の熱処理の際に、“ヒロック”と呼ばれる突起物
が成長し、配線の電気的短絡や層間絶縁膜の破壊の原因
となっていた。さらに、アルミニウムの融点は600℃程
度と低いことから、配線パターン形成後の熱処理を450
℃程度に抑えなければならず、製造上問題があった。

このため、最近では、アルミニウムに代わる配線材料
として、高融点金属や、あるいは高融点金属のシリサイ
ドが注目されている。このような材料の中でも、タング
ステン（W,融点:3370℃，比抵抗（バルク）:5.6μΩ・c
m）は、高融点低抵抗材料であり、積極的に開発が進め
られている。このようなＷ薄膜の形成方法としては、ス
テップカバレッジ（段差被覆性）の優れたCVD法が試み
られている。

CVD法に従いタングステン薄膜を形成する方法として
は、六弗化タングステン（WF₆）を、水素（H₂）または
シラン（SiH₄）で還元する方法がある。この方法の還元
反応式を以下の（１）および（２）式にそれぞれ示す。

WF₆（ｇ）＋3H₂（ｇ）→Ｗ（ｓ）＋6HF（ｇ） …（１） 2WF₆（ｇ）＋3SiH₄（ｇ）→ 2W（ｓ）＋3SiF₄（ｇ）＋6H₂（ｇ） …（２） ここで、（ｇ）および（ｓ）は、それぞれ気相および
固相の状態を示す。H₂で還元する方法は、SiH₄で還元す
る方法に比べて、ステップカバレッジに優れている。し
かしながら、H₂はSiH₄に比べて、WF₆を還元する能力が
低いので、H₂還元法の方が堆積速度が低く、核形成力も
低い。したがって、H₂還元法では、堆積温度を高くする
必要がある。しかしながら、堆積温度を高くすると、結
晶粒径の過度の増大を招く。さらに、核形成の困難さ
は、表面モホロジーの悪化や面内における膜厚の均一性
の悪化をもたらす。したがって、WF₆のH₂還元法による
Ｗ−CVDは通常は生産技術としては実現困難であった。

さらにＷ−CVDにおける困難には密着性があげられ
る。CVD法を用いて形成したＷ薄膜は、絶縁膜と密着力
が乏しい。このため、通常、基板または絶縁膜の上に中
間層を形成し、この中間層の上にＷ薄膜を形成してい
る。この中間層はＷ薄膜の密着を助ける役割を果たす。
このような中間層としては、たとえば、ポリシリコン
（Poly−Si）などのSi系材料、タングステンシリサイド
（WSI_X）などの高融点金属のシリサイド材料、およびチ
タンナイトライド（TiN）などの高融点金属の窒化物が
挙げられる。

しかしながら、ポリシリコンを用いた場合には、各コ
ンタクトの接合層に対応した不純物のドーピングが必要
となって、工程が複雑になるとともに、堆積させたＷ薄
膜の表面モホロジーが良好ではない。

タングステンシリサイドを用いた場合にも、Ｗ薄膜の
表面モホロジーは良好でない。

これらのポシリコンおよびタングステンシリサイドに
比較して、チタンナイトライドは、その上に堆積させた
Ｗ薄膜の表面モホロジーが良好であり、密着性が優れて
いるという利点がある。さらに、チタンナイトライド
は、Ｐ型およびＮ型の両極性コンタクト可能なバリアメ
タルとして機能するため、CVD−Ｗの下敷膜として優れ
た特性を有している。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このようなTiN中間層の上に、H₂還元
で従来のCVD法によるタングステン膜を形成させること
は非常に困難であった。特に、堆積速度、膜厚の均一
性、および表面モホロジーなどにおいて問題点を有して
いた。

特開昭63−250463号公報に、WF₆と不活性ガスの混合
ガスまたはWF₆ガスとH₂ガスの混合ガスを導入して、Ｗ
薄膜を所定の厚さまで堆積した後、WF₆を含んだガスと
シラン系の還元性ガスを導入し、シラン系の還元性ガス
でWF₆ガスを還元して金属薄膜を成長させる方法が開示
されている。WF₆ガスと不活性ガスとの混合ガスまたはW
F₆ガスとH₂ガスとの混合ガスとの導入により、初期に形
成されるＷ薄膜は、Ｎ型およびＰ型の双方の拡散層に良
好なコンタクト特性を有している。また、次の工程で、
WF₆ガスとシラン系の還元性ガスとにより堆積されるタ
ングステン膜は堆積速度が速く、厚膜化することができ
る。したがって、この公報に開示された方法に従えば、
リーク電流のないＮ型およびＰ型の双方に良好なコンタ
クト特性を有するタングステン配線を実現することがで
きる。

しかしながら、この公報に開示された方法で、TiN中
間層の上にタングステン膜を形成しても、シラン系還元
ガスによりWF₆ガスを還元しているため、H₂還元法のよ
うな優れたステップカバレッジを得ることができない。

この発明の目的は、H₂還元法でＷ膜を堆積しにくいTi
Nのような中間層であっても、堆積速度が速く、膜厚の
均一性がよく、さらに表面モホロジーを良好な薄膜を形
成することができる薄膜形成方法および装置を提供する
ことにある。

この発明の他の目的は、表面粗れが少なく、表面が平
滑な金属薄膜を形成することができる薄膜形成方法およ
び装置を提供することにある。

この発明のさらに他の目的は、薄膜形成工程中におけ
る発塵が少ない薄膜形成装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ この発明の薄膜形成方法は、基体上に形成された中間
層の上に化学的気相成長法により金属薄膜を形成する方
法であり、中間層の表面上に、薄膜を構成する金属のハ
ロゲン化物ガスを導入することによって、中間層の表面
を活性化する工程と、活性化した中間層の表面上にシラ
ン系ガスを導入することによって、中間層の表面に核を
形成する工程と、核を形成した中間層の表面上にハロゲ
ン化物ガスおよび還元性ガスを導入して、中間層の表面
上に金属薄膜を堆積する工程とを備えている。

この発明の好ましい１つの実施態様においては、金属
薄膜はＷ薄膜であり、ハロゲン化物ガスはWF₆ガスであ
り、シラン系ガスはSiH₄ガスである。

この好ましい実施態様において、中間層は、たとえば
TiN層である。

金属薄膜堆積工程において用いられる還元性ガスは、
H₂ガスが好ましい。

この発明において、中間層を介して金属薄膜が形成さ
れる基体は、半導体基板または半導体基板の上方に形成
された絶縁膜である。

［発明の作用効果］ この発明に従えば、第１ステップ処理により活性化さ
れた中間層の表面上にシラン系ガスを導入して、中間層
の表面に核を形成している。この核は、CVD法による還
元法を用いて金属薄膜を形成する際に、初期過程の金属
の核の形成を促進する。このため、この発明の方法に従
えば、堆積速度が速く、膜厚の均一性がよく、さらに表
面モホロジーの良好な金属薄膜を得ることができる。

この発明は、タングステン薄膜の形成において、特に
有用なものであるが、タングステン薄膜の形成にのみ限
定されるものではない。表１に示すように、タングステ
ン以外の金属に対してもこの発明は適用され得る。

この発明において、中間層は、TiN層に限定されるも
のではない。たとえば、TiW、高融点金属または高融点
金属のシリサイド、高融点の窒化物などが挙げられる。
特に、金属薄膜堆積の際表面触媒作用を示さないような
中間層に対して、この発明の利点がより大きなものとな
る。

核を形成させる際に用いるシラン系ガスとしては、Si
H₄ガス以外に、ジシラン（Si₂H₆）などのシラン系ガス
を用いることができる。

この発明に従う好ましい１つの局面（アスペクト）に
おいては、薄膜を構成する金属のハロゲン化物ガスは、
中間層の表面の近傍に薄膜を構成する金属の金属面を配
置した状態で導入される。この局面において、中間層の
表面近傍に金属面を配置する理由は、前記、第１のステ
ップにおいて中間層を活性化するとともに金属面とハロ
ゲン化物ガスとの間での不均化反応（dispropor tiona
te reaction）も核形成に寄与し得る様に利用するため
である。WF₆を用いるＷ薄膜の形成を例にすれば、以下
に示すような不均化反応である。

Ｗ＋WF₆→2WF₃↑ 上記の不均化反応で生成したガスWF₃は、中間層の表
面上に拡散し、中間層であるTiN層の上に吸着する。不
均化反応で生成するガスは、上記のWF₃以外にも、WF
_X（１≦ｘ≦5,整数）の組成のガスが生成し、同様にTiN
層上に吸着すると考えられる。

この前記、第１のステップ中、WF₆ガスは、中間層で
あるTiN層とも直接に反応し、核の前駆体となるような
物質、たとえばTiW、WN、TiF_XなどもTiN層上に生成する
ものと考えられる。

次の工程において導入されるシラン系ガスは、上記の
ようにしてTiN層に吸着したWF_XおよびTiNとWF₆との反応
生成物であるTiWなどと反応して、WSi_YなどのSi系の核
を析出する。このようにして析出した核の表面触媒作用
により、次の工程におけるWF₆とH₂の反応が進行し、Ｗ
薄膜の堆積が進行する。

この発明では、Ｗ薄膜堆積の表面触媒作用を示す核を
堆積反応開始に先立って注意深く、特別に中間層上に形
成させているため、堆積速度が速く、膜厚を均一にして
堆積させることができる。さらに、表面モホロジーの良
好なＷ薄膜を得ることができる。特に、中間層の表面の
上方に金属面を配置させる局面に従えば、不均化反応に
より生ずるWF_Xを、中間層の上に均一に吸着させること
ができ、核を中間層上に均一に析出させることができ
る。

この局面に従う装置では、中間層の表面の上方に、中
間層の表面に対向して配置される金属面部材と、この金
属面部材を支持するための面部材支持台とが備えられ
る。

面部材支持台には、金属面部材の温度を制御するため
のヒータが設けられることが好ましい。ヒータで金属面
部材の温度を制御することにより、導入されるハロゲン
化物ガスと金属面部材の金属との不均化反応を制御する
ことができる。

面部材支持台は、中間層の表面と金属面部材との間の
距離を調整できるように移動可能に設けられていること
が好ましい。このようにすることで不均化反応の結果発
生する前記の核前駆体の基板への拡散経路をより好まし
くは制御することが可能になる。

金属面部材は、基板に金属膜をコーティングしたもの
であってもよいし、バルクの金属板であってもよい。さ
らにこの金属面部材は前記の核前駆体の基板への拡散経
路をより好ましく制御するため、円型のみならず、大き
さ、形状ともに最適化することが望ましい。

この発明の他の局面に従う装置においては、中間層の
表面に前処理を施すための前処理室と、前処理された中
間層の表面上に金属薄膜を堆積するための、前処理室と
は別に設けられた堆積室とが備えられる。この他の局面
に従えば、堆積室の内面は、金属薄膜の堆積のための反
応に対して表面触媒作用を示さないような材料から形成
されている。

金属薄膜がＷ薄膜である場合には、このような材料と
して、たとえば石英、SiC、またはセラミックなどが用
いられる。

金属薄膜がＷ薄膜である場合には、前処理は、たとえ
ば、WF₆ガスによる活性化処理とSiH₄ガスによる核形成
処理とを含む。この場合に、前処理室は、活性化処理の
ための前処理室と核形成のための前処理室とを別個に有
してもよい。

この他の局面の装置に従えば、堆積室の内面が金属薄
膜の堆積のための反応に対して表面触媒作用を示さない
材料から形成されているため、前処理室から移送されて
きた核形成済みの基体上以外の堆積室の内面には金属薄
膜が堆積しない。このため、堆積椎内における発塵が防
止される。このため、堆積室の内部は。常に清浄に保た
れ、歩留まりなどを向上させることができる。

［実施例］ 第1A図は、この発明の方法に従い、中間層の上に核が
形成された状態を示す断面図である。第1A図を参照し
て、TiN層１の上には、Si系核２が形成されている。こ
のSi系核２は、以下のようにして形成される。まず、Ti
N層１の上にWF₆ガスが導入される。このWF₆ガスは、TiN
層１の表面と反応し、TiN層１の表面を活性化させる。
次に、シラン系ガスをTiN層１上に導入し、TiN層１の表
面の反応物とシラン系ガスとを反応させて、Si系核２を
形成する。

第1B図は、この発明の方法に従い、核が形成された中
間層の上に金属薄膜を堆積させたときの初期の状態を示
す断面図である。第1B図を参照して、TiN層１の上には
均一な厚みで、Ｗ薄膜３が堆積されている。この発明に
従えば、TiN層１の上に多数のSi系核２が形成されてい
るので、核の密度が高い。このため、均一な厚みでＷ薄
膜３を形成させることができる。

第1C図は、この発明の方法に従い、核が形成された中
間層上に金属薄膜を堆積させた状態を示す断面図であ
る、第1C図を参照して、TiN層１上に堆積されたＷ薄膜
３は、均一な厚みで堆積されている。このため、Ｗ薄膜
３の表面は平滑化されている。

以上のように、この発明の従えば、TiN層１上に形成
するＷ薄膜３の厚みを均一にすることができ、その表面
を平滑化することができる。また、TiN層１の上にはＷ
薄膜堆積前に多くの核が存在しているため、堆積速度を
速くすることができる。

第2A図は、従来の方法に従い、前処理せずに中間層の
上に金属薄膜を形成させたときの初期の状態を示す断面
図である。第2A図を参照して、TiN層４の上にはＷ核５
が形成されている。従来の方法では、TiN層４の上に、
予めＷ薄膜堆積反応の表面触媒作用を示すような核が存
在していないため、この場合の核は堆積反応開始後の初
期段階にWF₆とH₂との直接の反応で析出する以外なく、
第2A図に示すような、低密度のＷ核５となって不均一に
析出する。析出したＷ核５が引き続くWF₆とH₂の反応に
表面触媒作用を示す核となって、この上にＷ薄膜が堆積
されていく。

第2B図は、従来の方法に従い、前処理せずに中間層の
上に金属薄膜を堆積せたときの状態を示す断面図であ
る。第2B図を参照して、TiN層４の上には、不均一な厚
みのＷ薄膜６が堆積されている。Ｗ薄膜析出の核となる
Ｗ核５が、第2A図に示すように不均一かつ低密度にTiN
層４の上に存在しているため、Ｗ薄膜６の厚みも不均一
となる。この結果、Ｗ薄膜６の表面は、荒れた状態とな
る。

第３図は、この発明に従い堆積される金属薄膜の膜厚
と堆積時間との関係を示す図である。第３図を参照し
て、実線はこの発明に従う方法のものを示しており、点
線は従来の方法によるものを示している。T₃、T₂、およ
びT₁は、それぞれ堆積温度を示しており、T₃＞T₂＞T₁の
関係である。堆積温度は、400〜600℃の範囲である。第
３図を参照して、従来の方法によれば、WF₆とH₂のガス
を導入し始めてから、実際にＷ薄膜の堆積が始まるまで
には、遅れ時間、すなわち誘導期間が存在している。こ
れは、TiN層表面が触媒として不活性であるため、WF₆と
H₂の直接の反応を結果生ずる触媒となり得るＷ核が所定
の密度および大きさとなり触媒作用を示すまでの間、時
間が必要であることを示している。これに対し、この発
明の方法に従えば、このような誘導期間がない。Ｗ薄膜
は、WF₆とH₂ガスを導入し始めてからすぐに堆積が始ま
る。これは、すでにTiN層の表面にSi系核が存在してお
り、このSi系核が触媒として活性であるためである。

第４図は、この発明の一実施例において使用する装置
を示す概略構成図である。第４図を参照して、反応容器
10内には、基板支持台11が設けられている。基板支持台
11の上には基板14が載せられている。この基板14は、そ
の表面にTiN層を中間層として有する基板である。基板
支持台11の表面には、Ｗ膜13が形成されている。このＷ
膜13は、直前までの処理において基板の上にＷ膜を堆積
させる間に、基板支持台11の表面にもＷ膜が堆積し、こ
の結果として生じた膜である。したがって、新しい基板
支持台を用いる場合には、その表面にＷ膜は存在しない
のであるが、本発明者等は基板支持台11の表面にＷ膜が
形成されている方がＷ膜堆積に有利であることを見出だ
している。これは前記の不均化反応が核形成過程に寄与
していることを示唆している。したがって、本発明者等
は新たな基板支持台を用いる場合には、基板を載置する
前に基板支持台11の表面にＷ膜を予め形成している。こ
のようにしてＷ膜を形成した基板支持台の上に基板を載
置して用いるようにしている。

基板支持台11内には、基板を加熱するためのヒータ12
が設けられている。反応容器10の一方側には原料ガスを
導入するための導入口15が設けられている。反応容器10
の他方側には排気口16が設けられている。WF₆ガス導入
による活性化処理（以下これを「第１ステップ処理」と
いう）においては、この導入口15からWF₆ガスをキャリ
アガスとなる不活性ガスとともに反応容器10内に導入す
る。基板14のTiN層表面を活性化した後は、排気口16か
ら排気する。次に、SiH₄ガスによる核形成処理（以下こ
れを「第２ステップ処理」という）においては、SiH₄ガ
スをキャリアガスとなる不活性ガスとともに反応容器10
内に導入し、基板14のTiN層の表面に核を形成される。
その後、排気口16から排気する。

次に、WF₆ガスおよびH₂ガスを導入口15から、反応容
器10内に導入し、基板14のTiN層の上にＷ薄膜を堆積さ
せる。堆積後、反応容器10内のガスは排気口16から排気
する。

第４図に示すような装置を用いて、Ｗ薄膜を堆積させ
た。450℃、0.2Torrの条件下で、WF₆ガスを300SCCM、キ
ャリアガスとしてのArガスを500SCCMのガス流量で120秒
間導入して、TiN層の表面を活性化させる第１ステップ
処理を行なった。

次に、WF₆ガスの導入を止め、反応容器10内を排気口1
6から真空引きしてWF₆ガスを除去した。この際、SiH₄ガ
スを100SCCM、Arガスを500SCCMのガス流量で120秒間反
応容器10内に導入し、活性化したTiN層の表面にシリコ
ン系の核を形成する第２ステップ処理を行なった。

次に、SiH₄ガスの導入を止め、チャンバ内を0.8Tor
r、450℃に保持し、Arガスを100SCCMのガス流量で導入
するとともに、WF₆ガスおよびH₂ガスをそれぞれ300SCC
M、300SCCMのガス流量で300秒間導入した。TiN層上に
は、H₂還元法により、約4000ÅのＷ薄膜が形成された。

以上のＷ薄膜の形成条件を表２にまとめて示す。

得られたＷ薄膜の厚みを、断面SEM観察により測定し
た。測定は、６インチの基板の中央付近で行なった。

第５図は、TiN層の上にＷ薄膜を堆積したときの膜厚
と堆積時間との関係を示す図である。TiN層は、Si基板
の上に形成した熱酸化膜（SiO₂）5000Åの上、またはＰ
型Si基板の上に反応性スパッタ法を用いて堆積させ、引
続いて800℃窒素雰囲気中で30秒間熱処理を施して形成
したものである。

第５図においては、従来の方法に従い、第１ステップ
処理および第２ステップ処理を行なわずに、直接WF₆ガ
スとH₂ガスを供給してＷ薄膜を形成した従来例、および
第１ステップ処理のみを施した後Ｗ薄膜を堆積させて比
較例の結果を併せて示す。前処理および薄膜形成条件は
表２に示したとおりである。

第５図には、本発明例を●、従来例を■、比較例を▲
で表わした。第５図に示されるように、従来例および比
較例のものは、WF₆ガスおよびH₂ガスを導入してもＷ膜
の堆積が起こらない誘導期間が約７分間存在している。
これは、薄膜堆積を可能とする核が形成されるのに要す
る時間であると考えられる。このため、TiNはＷの核が
形成しにくい材料であることがこの例からも容易に推測
される。これに対して、本発明例によるものは、WF₆ガ
スおよびH₂ガスを導入した後すぐにほとんど誘導期間な
しでＷ膜の堆積が開始されている。この結果、膜厚4000
ÅのＷ膜を表２に示した条件で得るのに、従来の方法で
は約12分要するに対し、この発明に従えば約５分で形成
することができる。

Ｗ薄膜堆積時間が５分経過した後のシート抵抗マップ
を測定した。第６図は、この発明に従って得られた薄膜
のシート抵抗マップを示す平面図である。第７図は、第
１のステップ処理および第２のステップ処理を行なわな
い従来例の薄膜のシート抵抗マップを示う平面図であ
る。第８図は、第１のステップ処理のみを施した場合の
薄膜のシート抵抗マップを示す図である。第９図は、第
２ステップ処理のみを施した比較例の金属薄膜のシート
抵抗マップを示す平面図である。

第６図〜第９図において、線は、抵抗値の等高線を示
している。第７図〜第９図において中央部のハッチング
を付した部分は、実質的にＷ薄膜がほとんど形成されて
いない。

第６図に示されるように、この発明に従い形成された
Ｗ薄膜は、膜厚が６インチ基板全面にわたって均一化さ
れている。これに対し、比較例および従来例のＷ薄膜
は、周辺部にはＷ薄膜が形成されているが、中央部には
膜が堆積していない。堆積時間を増していくと、周辺か
ら中央へ堆積領域が進むが、初期の均一性が反映される
ため、これらの従来例および比較例のものでは均一な膜
を形成することができない。

第10図は、この発明に従う一実施例において第１ステ
ップ処理した後の中間層表面上の蛍光Ｘ線分析した際の
TiおよびＷシグナル強度の処理温度依存性を示す図であ
る。第10図に示すような種々の温度で第１ステップ処理
を行ない、得られた中間層の表面を螢光Ｘ線を用いて評
価し、TiおよびＷシグナル強度を測定した。第10図を参
照して、300℃以下の温度、すなわち選択CVD−Ｗの形成
温度領域では、TiおよびＷの強度はほとんど変化がな
い。しかしながら、400℃以上の温度、すなわち本発明
で問題としているブランケットCVD−Ｗの形成温度領域
では、Ｗの強度が急激に増加している。これは、第１ス
テップ処理中にTiNとWF₆が反応していることを示してい
る。

第11図は、この発明に従う一実施例における第１ステ
ップ処理および第２ステップ処理をした後の中間層表面
のESCA（Electron Spectroscopy for Chemical Ana
lysis）による分析結果を示す図である。第11図におい
て、ａは第１ステップ処理を施した後のTiN層表面のス
ペクトルを示しており、ｂは第１ステップ処理を施した
後に120秒間H₂ガスを導入したTiN層表面のスペクトルを
示している。ｃはこの発明に従い第１ステップ処理を施
した後120秒間SiH₄ガスを導入して第２ステップ処理を
施したTiN層表面のスペクトルを示している。第11図の
ｃに見られるように、この発明に従い第１ステップ処理
および第２ステップ処理を行なったTiN層表面には、Si
のピークが観察されている。これに対し、比較のａおよ
びｂのものではこのようなSiのピークが観察されていな
い。第１ステップ処理することにより、ＷがTiN層の表
面に導入されることは、第10図および第11図のａから明
らかである。しかしながら、第１ステップ処理したのみ
では、第８図に示されるように、この発明の効果は発揮
されない。したがって、第１のステップ処理により、Ti
N層の上にＷが導入されるだけでは不十分であり、この
第１ステップ処理の後に第２ステップ処理が施されて、
SiがTiN層の表面に導入されることが必要である。この
ようにして導入されたSi系の核が、Ｗ薄膜形成の初期過
程の核形成を促進しているものと考えられるのである。
そしてこの発明に従えば、誘導期間が存在せずにＷ薄膜
を堆積することができる。これは、とりもなおさずにこ
のSi系の物質が、Ｗ薄膜形成のための核形成に有効に作
用したためと考えられる。

以上のように、この実施によれば、Ｗ薄膜を堆積させ
る前に、まずWF₆ガスを導入してTiN表面を活性化させ、
続いてSiH₄ガスを導入し、TiN表面上にSi系の核を形成
する。このようなSi系の核形成によって、Ｗ膜の堆積の
際の誘導期間がなくなり、膜厚の均一性が良好となり、
さらに表面モホロジーの良好なＷ薄膜が得られる。

この発明に従えば、TIN層のようなＷ−CVDの困難な中
間層の上にも、良好なＷ薄膜を形成することができる。
本発明者らは、さらに、この発明の第１のステップ処理
において、WF₆とTiNとの反応のみならず、WF₆とＷとの
反応が核形成に関与し得ることを見出した。J.R.Creigh
tonの“Amechanism for Selectivity Loss during
Tungsten CVD"J.Electrochem.Soc.,Vol.136,No.1,Ja
nuary 1989,P.271は、WF₆の基板Si還元等による選択タ
ングステンCVD系における絶縁膜上での選択性の喪失の
一因が記載されている。この文献によると、コンタクト
ホール内に形成されたＷとWF₆の不均化反応によってWF_X
が発生し、このWF_Xが絶縁膜上に吸着して核になるた
め、タングステンの選択性が低下すると記載されてい
る。本発明者等は、このようなＷとWF₆との不均化反応
が、この発明が対象とするブランケットＷ−CVD系にお
ける中間層上への核形成においても関与し得ることを見
出だした。この発明の好ましい１つの局面に従えば、中
間層の表面の近傍に基体上に堆積する金属と同じ金属面
を配置した状態で、ハロゲン化物ガスを導入している。
中間層表面の近傍に金属面を配置するのは、この金属面
とハロゲン化物ガスとの間で生じる不均化反応を基体上
核形成に利用する意図によるものである。このような不
均化反応によって生じたガスが中間層の表面に吸着し核
の前駆体となるのである。前記の第４図に示すような装
置の用いた実施例の方法では、基板支持台11の表面に形
成されたタングステン膜13がこのような不均化反応に関
与しているものと思われる。基板支持台11表面のタング
ステン膜13とWF₆とは不均化反応を起こし、その結果生
じたWF_Xが基板14上のTiN層の表面に吸着して、核または
核の前駆体になるものと考えられる。したがって、第４
図に示すような装置の場合には、基板14の周囲からこの
ような不均化反応により生じるWF_Xガスが導入される。
この結果、基板14の周囲の部分にWF_Xガスが吸着され核
となる。第６図〜第９図を参照して、第４図に示す装置
を用いた場合に、基板の周囲においてＷ薄膜の厚みが厚
くなるのは、このような不均化反応により生じるWF_Xの
吸着が原因しているものと考えられる。本発明者等は、
このようなWF_Xの吸着が中間層の表面において均一に行
なわれるように、中間層の表面上方に金属面部材を対向
して配置することを見出だした。このようにすれば、従
来装置とは異なりWF_Xの中間層表面への供給方向の自由
度が増大し、制御性が向上する。

この発明の他の局面に従う装置では、中間層の表面に
前処理を施すための前処理室と、金属薄膜を堆積するた
めの堆積室とを別々に備えており、堆積室の内面は、金
属薄膜の堆積のための反応に対して表面触媒作用を示さ
ないような材料から形成されている。

第12図は、この発明の他の局面に従う実施例の装置を
示す概略構成図である。第12図を参照して、反応容器
は、WF₆前処理室21、SiH₄前処理室22およびＷ膜堆積室2
3の３つに分けられている。WF₆前処理室21内には、基板
台24が設けられている。この基板台24の上には基板25が
載せられている。この基板25の上方には金属面部材30と
してのタングステンの板材が設けられており、これは面
部材支持台31によって支持されている。面部材支持台31
は制御性の向上のため上下動可能なように設けられてい
る。面部材支持台31内にはヒータ32が設けられている。
WF₆前処理室21には、WF₆ガスとキャリアガスの混合ガス
を導入するための導入口27が設けられている。またWF₆
前処理室21内のガスを外部に排出するための排気口28が
設けられている。

WF₆前処理室21に隣接して、SiH₄前処理室22が設けら
れている。このSiH₄前処理室22内には基板台33が設けら
れている。基板台33内には、基板台33上に載せられる基
板を加熱するためのヒータ34が設けられている。SiH₄前
処理室22には、SiH₄とキャリアガスの混合ガスを導入す
るための導入口35が設けられている。SiH₄前処理室22に
は、また排気口36が設けられている。WF₆前処理室21とS
iH₄前処理室22との間には移送用ドア37が設けられてい
る。

SiH₄前処理室22に隣接して、Ｗ膜堆積室23が設けられ
ている。Ｗ膜堆積室23内には基板台38が設けられてい
る。基板台38内には、その上に載せられる基板を加熱す
るためのヒータ39が設けられている。Ｗ膜堆積室23に
は、WFS₆ガスとH₂ガスを導入するための導入口40が設け
られている。またＷ膜堆積室23には、室内のガスを排気
するための排気口41が設けられている。SiH₄前処理室22
とＷ膜堆積室23との間には移送用ドア42が設けられてい
る。Ｗ膜堆積室23の内面は、Ｗ膜の堆積のための反応に
対して表面触媒作用を示さないような材料から形成され
ている。このような材料としては、たとえば石英、Si
C、またはセラミックなどを用いることができる。

WF₆前処理室21には、ロードロック機構44が設けられ
ている。ロードロック機構44とWF₆前処理室21の間には
ロードドア29が設けられている。Ｗ膜堆積室23には、ロ
ードロック機構45が設けられている。ロードロック機構
45とＷ膜堆積室23との間にはアンロートドア43が設けら
れている。

第12図においては、基板15を移送させるための機構が
図示されていないが、これらは通常用いられている移送
機構を用いることができる。

TiN層を上述の実施例のようにしてSi基板上に形成し
た基板25を、まずロードロック機構44中に入れ所定の条
件にした後、ロードドア29を通りWF₆前処理室21内の基
板台24の上に載せる。WF₆前処理室21には、導入口27か
らWF₆ガスがキャリアガスとともに導入される。導入さ
れたWF₆ガスは、基板25のTiN層と反応し、上述のような
反応生成物を表面上に形成する。これとともに、WF₆ガ
スは、基板25上方に設けられている金属面部材30のＷと
不均化反応を起こし、WF_Xを生成する。このWF_Xは、基板
25のTiN層の表面上に吸着される。これらによってTiN層
表面上に核の前駆体となる物質が吸着される。このとき
の基板の温度はヒータ26によって調整することができ
る。また基板25の温度とは別に、金属面部材30を支持す
る面部材支持台31内にはヒータ32が設けられているた
め、このヒータ32によって金属面部材30の温度を制御す
ることができ、これによって不均化反応のコントロール
をすることができる。前記第４図の装置において第１ス
テップ中のWF₆とTiNの反応温度とWF₆とＷ（基体支持台
上に堆積したもの）の不均化反応温度は同一であった
が、本実施例ではそれぞれの反応に最適な温度を独立に
設定できる。第１ステップ処理後は排気口28から室内の
ガスを排気し、第１のステップ処理後の基板25が空気に
触れないように移送用ドア37を通り次のSiH₄前処理室22
に送られる。

SiH₄前処理室22内では、導入口35よりSiH₄ガスがキャ
リアガスとともに導入される。このSiH₄ガスにより、基
板25のTiN表面上の核前駆体が、Si系の核となる。この
ような第２のステップ処理後、室内のガスは排気口36に
より外部に排気される。このようにして核形成された基
板は、移送用ドア42を通り、（触媒活性を維持するた
め）空気に触れないようにして、次のＷ膜堆積室23に送
られる。

Ｗ膜堆積室23では、WF₆ガスとH₂ガスが導入口40から
導入される。これによって、WF₆ガスがH₂ガスによって
還元され、基板25のTiN中間層の表面上にＷ膜が堆積さ
れる。TiN層の表面にはすでにSi系の核が形成されてい
るため、WF₆のH₂還元は容易に進行し緻密にＷ膜を堆積
することができ、また短時間で堆積することができる。
このＷ膜堆積室23の内面は、Ｗ膜の形成反応に表面触媒
作用を示さないような石英、SiC、またはセラミックス
などが用いられている。このため、Ｗ膜堆積室23内の内
面には、発塵の原因となるＷ膜が堆積せず、したがって
常にＷ膜堆積室23内を清浄に保つことができる。

Ｗ膜を堆積した後の基板は、アンロードドア43を通り
ロードロック機構45に送られる。

この実施例の装置では、WF₆前処理室21内において、
基板25の上方に不均化反応用の金属面部材30が設けられ
ている。基板25のTiN層の表面に対向して金属面部材30
が設けられているため、金属面部材30とWF₆ガスとの不
均化反応により生じるWF_Xは、TiN層表面上に制御されな
がら均一に吸着される。このため、第４図に示す装置を
用いた場合のように、周囲の部分のみWF_Xが吸着される
ことはなくなる。TiN層の表面に均一にWF_Xが吸着される
ことにより、基板面における核密度の分布が均一にな
り、この上に堆積されるＷ膜の厚みも内面において均一
になる。核密度が高くかつ均一に分布する結果として、
堆積されるＷ膜の表面平滑性も良好なものとなる。

Ｗ膜堆積室23の内面はＷ膜形成反応に対して表面触媒
作用を有しない材料により構成されている。このため反
応室の内面にＷ膜が堆積することがなく、もしも内面に
Ｗが堆積した場合、これが剥離して発生する塵を著しく
低減することができる。第４図に示すような装置を用い
た場合、反応容器10の内面特に基板支持台11上に形成さ
れたＷ膜上に新たにＷ膜が堆積する。このＷ膜は、基板
上にＷ膜を形成する処理毎に厚くなる。このため、タン
グステン膜形成の回数を重ねるにつれて壁面からＷがは
がれ、これが塵となる。第４図の装置においては反応容
器内Ｗは前記のように重要な役割を演ずるのであるが同
時に発塵源でもあるのである。このような塵の発生のた
めに、頻繁に反応容器内をクリーニングすることが必要
となり稼働率の低下を招く。第12図に示すような装置で
は、このような塵の発生を防止しているため、容器内の
クリーニングが不要になり、稼働率を高めることができ
る。

第12図に示す装置では、１枚ずつ基板を処理するタイ
プの枚葉式装置としたが、この発明に従う装置は、バッ
チ処理式の装置でもよい。

WF₆およびSiH₄のキャリアガスとしては、Ar、He、お
よびN₂等の不活性ガスを用いることができる。第12図に
示す装置では、面部材支持台31に金属面部材30を温度制
御するためのヒータ32が設けられている。このため、金
属面部材30のみを独自に温度制御することができる。第
４図に示す装置の場合には、基板支持台11の表面にタン
グステン膜13が設けられており、このタングステン膜13
の温度も制御しようとすれば、その上の基板14の温度も
同時に変化するおそれがある。

この発明の他の局面に従えば、不均化反応のための金
属面部材を別個に設けているので、この金属面部材の形
状は、その大きさおよび基板との距離ならびに設置箇所
等種々調整することができ、基板面内へのWF_Xの吸着の
分布をコントロールすることができる。

第12図に示す装置では、３つの部屋に分けた構成を示
したが、２つに分離された構成であってもよい。たとえ
ば、WF₆前処理室と、SiH₄前処理室とを兼用し、１つの
前処理室としてもよい。この場合、第１ステップ処理を
終了したら、室内のガスをすべて排気し、次いで第２ス
テップ処理を行なう。この場合、通常の前処理温度で
は、SiH₄の熱分解は起こらないので、不均化反応用の金
属面部材の上にSi膜の堆積は起こらない。

別の方法としては、SiH₄前処理室とＷ膜堆積室とを兼
用し、１つにしてもよい。この場合、WF₆前処理室で、
第１ステップ処理を終了した後、基板をＷ膜堆積室に移
し、まず第２ステップ処理を施す。この場合、通常のブ
ランケットＷ−CVDの温度では、Ｗ膜堆積室内にSi膜の
堆積は行なわれない。室内のガスをすべて排気した後、
WF₆およびH₂ガスをキャリアガスとともに導入して、Ｗ
膜の堆積を行なう。

以上の説明では、WF₆をH₂ガスにより還元する方法に
ついてのみ説明したが、この発明の方法および装置は、
WF₆をSiH₄ガスで還元するブランケットＷ−CVD法にも適
用することができる。

第13図は、この発明に従い形成される金属薄膜が応用
される一例の半導体デバイスを示す断面図である。第13
図を参照して、50はSi基板、51,52および53は不純物拡
散層、55および56はワードライン、54はフィールドシー
ルドプレート、58はポリSiストレージノード、59はポリ
Siセルプレート、60および61は層間絶縁膜、62はプラ
グ、63はTiN層、64はCVD−Ｗをエッチングして得られる
Ｗプラグ、65はTiN層、66はＷ膜、67はＷビットライ
ン、68は層間絶縁膜、69はAl配線を示している。

このようなDRAMのメモリセルにおいて、この発明の方
法により形成されるＷ膜は、TiN層63の上に形成される
Ｗプラグ64や、TiN層65上に形成されるＷ膜66の形成に
適用することができる。

［発明の種々の態様］ この発明の種々の態様を、以下に述べる。

（１） 基体上に形成された中間層の上に化学的気相成
長法により金属薄膜を形成する、半導体デバイスの薄膜
形成方法であって、 前記中間層の表面上に前記薄膜を構成する金属のハロ
ゲン化物ガスを導入することによって前記中間層の表面
を活性化する工程と、 前記活性化した中間層の表面上にシラン系ガスを導入
することによって、前記中間層の表面に核を形成する工
程と、 前記核を形成した中間層の表面上に前記ハロゲン化物
ガスおよび還元性ガスを導入して、前記中間層の表面上
に前記金属薄膜を堆積する工程とを備える、半導体デバ
イスの薄膜形成方法。

（２） 前記金属薄膜はＷ薄膜を含み、前記ハロゲン化
物ガスがWF₆を含み、前記シラン系ガスがSiH₄を含む、
上記（１）の方法。

（３） 前記中間層がTiN層を含む、上記（２）の方
法。

（４） 前記金属薄膜堆積工程が、還元性ガスとしてH₂
ガスを用いる工程を備える、上記（１）の方法。

（５） 前記金属薄膜堆積工程が、還元性ガスとしてSi
H₄ガスを用いる工程を備える、上記（１）の方法。

（６） 前記基体が半導体基板である、上記（１）の方
法。

（７） 前記基体が半導体基板の上方に形成された絶縁
膜である、上記（１）の方法。

（８） 基体上に形成された中間層の上に化学的気相成
長法により金属薄膜を形成する、半導体デバイスの薄膜
形成方法であって、 前記中間層の表面の近傍に前記薄膜を構成する金属と
同種の金属面を配置した状態で、前記薄膜を構成する金
属のハロゲン化物ガスを導入することによって、前記中
間層の表面を活性化する工程と、 前記活性化した中間層の表面上にシラン系ガスを導入
することによって、前記中間層の表面に核を形成する工
程と、 前記核を形成した中間層の表面上に前記ハロゲン化物
ガスおよび還元性ガスを導入して、前記中間層の表面上
に前記金属薄膜を堆積する工程とを備える、半導体デバ
イスの薄膜形成方法。

（９） 前記金属薄膜がＷ薄膜を含み、前記ハロゲン化
物ガスがWF₆を含み、前記シラン系ガスがSiH₄を含む、
上記（８）の方法。

（10） 前記中間層がTiN層を含む、上記（９）の方
法。

（11） 前記金属薄膜堆積工程が、還元性ガスとしてH₂
ガスを用いる工程を備える、上記（８）の方法。

（12） 前記金属薄膜堆積工程が、還元性ガスとしてSi
H₄ガスを用いることを備える、上記（８）の方法。

（13） 前記基体が半導体基板である、上記（８）の方
法。

（14） 前記基体が半導体基板の上方に形成された絶縁
膜である、上記（８）の方法。

（15） 上記（８）の方法を実施するための装置であっ
て、 前記中間層の表面の上方に中間層の表面に対向して配
置される金属面部材と、 前記金属面部材を支持するための面部材支持台とを備
える、半導体デバイスの薄膜形成装置。

（16） 前記面部材支持台に、前記金属面部材の温度を
制御するためのヒータが設けられている、上記（15）の
装置。

（17） 前記面部材支持台が、前記中間層の表面との間
の距離を調整できるように移動可能に設けらている、上
記（15）の装置。

（18） 前記金属面部材が金属に金属膜をコーティング
したものである、上記（15）の装置。

（19） 前記金属面部材が、バルクの金属板である、上
記（15）の装置。

（20） 基体上に形成された中間層の上に化学的気相成
長法により金属薄膜を形成するための装置であって、 前記中間層の表面に前処理を施すための前処理室と、 前記前処理された中間層の表面上に前記金属薄膜を堆
積するための、前記前処理室とは別に設けられた堆積室
とを備え、 前記堆積室の内面が前記金属薄膜の堆積のための反応
に対して表面触媒作用を示さないような材料から形成さ
れている、半導体デバイスの薄膜形成装置。

（21） 前記金属薄膜はＷ薄膜を含み、前記前処理がWF
₆ガスによる活性化処理とSiH₄ガスによる核形成処理と
を含む、上記（20）の装置。

（22） 前記前処理室が、活性化処理のための前処理室
と核形成のための前処理室とを別個に有する、上記（2
1）の装置。

（23） 前記触媒作用を示さない材料が、石英、SiC、
およびセラミックスからなる群より選ばれる少なくとも
１種の材料である、上記（21）の装置。

【図面の簡単な説明】

第1A図は、この発明の方法に従い中間層の上に核が形成
された状態を示す断面図である。 第1B図は、この発明の方法に従い、核が形成された中間
層の上に金属薄膜を堆積させたときの初期の状態を示す
断面図である。 第1C図は、この発明の方法に従い、核が形成された中間
層の上に金属薄膜を堆積させた状態を示す断面図であ
る。 第2A図は、従来の方法に従い、前処理せずに中間層の上
に金属薄膜を形成させたときの初期の状態を示す断面図
である。 第2B図は、従来の方法に従い、前処理せずに中間層の上
に金属薄膜を堆積させたときの状態を示す断面図であ
る。 第３図は、この発明に従い堆積される金属薄膜の膜厚と
堆積時間との関係を示す図である。 第４図は、この発明の一実施例において使用する装置を
示す概略構成図である。 第５図は、この発明に従う一実施例における金属薄膜の
膜厚と堆積時間との関係を示す図である。 第６図は、この発明に従う一実施例の金属薄膜のシート
抵抗マップを示す平面図である。 第７図は、従来の方法に従い得られる金属薄膜のシート
抵抗マップを示す平面図である。 第８図は、第１ステップ処理のみを施した比較の金属薄
膜のシート抵抗マップを示す平面図である。 第９図は、第２ステップ処理のみを施した比較の金属薄
膜のシート抵抗マップを示す平面図である。 第10図は、この発明に従う一実施例において第１ステッ
プ処理した後の中間層表面上のTiおよびＷシグナル強度
の処理温度依存性を示す図である。 第11図は、この発明に従う一実施例における第１ステッ
プ処理および第２ステップ処理した後の中間層表面のES
CAによる分析結果を示す図である。 第12図は、この発明の他の局面に従う実施例の装置を示
す概略構成図である。 第13図は、この発明の従い形成される金属薄膜が応用さ
れる一例の半導体デバイスを示す断面図である。 図において、１はTiN層、２はSi系核、３はＷ薄膜、10
は反応容器、11は基板支持台、12はヒータ、13はタング
ステン膜、14は基板、15は導入口、16は排気口、21はWF
₆前処理室、22はSiH₄前処理室、23はＷ膜堆積室、24は
基板台、25は基板、26はヒータ、30は金属面部材、31は
面部材支持台、32はヒータ、33は基板台、34はヒータ、
38は基板台、39はヒータ、63はTiN層、64はＷプラグ、6
5はTiN層、66はＷ膜、67はＷビットラインを示す。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−237116（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−118525（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−172572（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−239526（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−250463（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−79446（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−73717（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−17866（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−170424（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−185023（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基体上に形成された中間層の上に化学的気
   相成長法により金属薄膜を形成する、半導体デバイスの
   薄膜形成方法であって、 前記中間層の表面上に前記薄膜を構成する金属のハロゲ
   ン化物ガスを導入することによって前記中間層の表面を
   活性化する工程と、 前記活性化した中間層の表面上にシラン系ガスを導入す
   ることによって、前記中間層の表面に核を形成する工程
   と、 前記核を形成した中間層の表面上に前記ハロゲン化物ガ
   スおよび還元性ガスを導入して、前記中間層の表面上に
   前記金属薄膜を堆積する工程とを備える、半導体デバイ
   スの薄膜形成方法。
2. 【請求項２】基体上に形成された中間層の上に化学的気
   相成長法により金属薄膜を形成する、半導体デバイスの
   薄膜製造方法であって、 前記中間層の表面の上方に前記薄膜を構成する金属の金
   属面を配置した状態で、前記薄膜を構成する金属のハロ
   ゲン化物ガスを導入することによって、前記中間層の表
   面を活性化する工程と、 前記活性化した中間層の表面上にシラン系ガスを導入す
   ることによって、前記中間層の表面に核を形成する工程
   と、 前記核を形成した中間層の表面上に前記ハロゲン化物ガ
   スおよび還元性ガスを導入して、前記中間層の表面上に
   前記金属薄膜を堆積する工程とを備える、半導体デバイ
   スの薄膜形成方法。
3. 【請求項３】基体上に形成された中間層の上に化学的気
   相成長法により金属薄膜を形成するための装置であっ
   て、 前記中間層の表面に前処理を施すための前処理室と、 前記前処理された中間層の表面上に前記金属薄膜を堆積
   するための、前記前処理室とは別に設けられた堆積室と
   を備え、 前記堆積室の内面が前記金属薄膜の堆積のための反応に
   対して表面触媒作用を示さないような材料から形成され
   ている、半導体デバイスの薄膜形成装置。