JP2012079762A - Insulation film forming apparatus and formation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、絶縁膜形成装置及び方法に関する。 The present invention relates to an insulating film forming apparatus and method.
半導体デバイス等の半導体装置では、酸化珪素膜や窒化珪素膜等の絶縁膜が用いられており、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)装置等を用いて形成されている。 In a semiconductor device such as a semiconductor device, an insulating film such as a silicon oxide film or a silicon nitride film is used, and is formed using a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) apparatus or the like.
半導体デバイス製作に必要な段差を、絶縁膜の1つである窒化珪素膜(SiN膜)で被覆するとき、従来のプラズマCVD装置を用いた場合、図9(a)に示すような段差被覆性となる。具体的には、基板30に形成した高アスペクト比(例えば、10:1)のトレンチ31(段差)において、側壁部32でのSiN膜33の膜厚が薄くなり、その薄くなった部分での絶縁性能が悪くなる。側壁部32においてSiN膜33の膜厚が薄くなる理由は、成膜に寄与するガスが側壁32に付着していくため、トレンチ31の深い部分での側壁32では、成膜に寄与するガスの到達量が減るためである。又、図9(b)に示すように、ガスの側壁32への付着確率が高いほど、側壁32の膜厚が薄くなる性質を持つ。
When a step necessary for manufacturing a semiconductor device is covered with a silicon nitride film (SiN film) which is one of insulating films, when a conventional plasma CVD apparatus is used, the step coverage as shown in FIG. It becomes. Specifically, in the trench 31 (step) having a high aspect ratio (for example, 10: 1) formed in the
従来のプラズマCVD装置において、SiH4、N2、NH3を原料とする成膜方法の場合、絶縁性に優れたSiN膜を形成するためには、付着確率が高い励起種、例えば、SiH2(NH2)[付着確率:0.08]が多く発生する条件を用いる必要がある。しかしながら、前述したように、付着確率が高いガスほど側壁での膜厚が薄くなる性質を持ち、十分な段差被覆性を得ることはできない(後述する表1の従来例2参照)。 In a conventional plasma CVD apparatus, in the case of a film forming method using SiH 4 , N 2 , and NH 3 as raw materials, an excited species having a high adhesion probability, for example, SiH 2 is used to form a SiN film having excellent insulation. It is necessary to use a condition in which (NH 2 ) [adhesion probability: 0.08] occurs frequently. However, as described above, the gas having a higher adhesion probability has a property that the film thickness on the side wall becomes thinner, and sufficient step coverage cannot be obtained (refer to Conventional Example 2 in Table 1 described later).
一方、付着確率が低い励起種、例えば、SiH3[付着確率:0.05]を用いた場合には、段差被覆性は向上するが、膜組成がSiリッチとなり、絶縁性が低下する問題があった(後述する表1の従来例1参照)。 On the other hand, when an excited species having a low adhesion probability, for example, SiH 3 [adhesion probability: 0.05] is used, the step coverage is improved, but the film composition becomes Si-rich, resulting in a problem that the insulating property is lowered. (See Conventional Example 1 in Table 1 to be described later).
このように、従来のプラズマCVD装置における成膜方法では、段差被覆性と絶縁性を両立することが難しかった。 As described above, in the conventional film formation method in the plasma CVD apparatus, it is difficult to achieve both step coverage and insulation.
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、段差被覆性と共に絶縁性を向上させる絶縁膜形成装置及び方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an insulating film forming apparatus and method that improve the insulation as well as the step coverage.
上記課題を解決する第1の発明に係る絶縁膜形成装置は、
基板に形成された段差を被覆する絶縁膜を形成する絶縁膜形成装置において、
Siを含有する主原料ガスとSiを含有しない副原料ガスとを含めて、複数のガスを供給するガス供給手段と、
前記ガスのプラズマを生成するプラズマ生成手段と、
前記ガス供給手段及び前記プラズマ生成手段を制御する制御手段とを有し、
前記制御手段は、
前記ガス供給手段により、少なくとも前記主原料ガスを供給し、前記プラズマ生成手段により、プラズマ生成時の主な励起種より前記基板に対する付着確率が低い励起種を含むプラズマを生成し、当該プラズマを用いて前記段差へ前駆体膜を成膜する成膜工程を実施し、
前記成膜工程の後、前記ガス供給手段により前記副原料ガスを供給し、前記プラズマ生成手段により前記副原料ガスのプラズマを生成し、当該プラズマを用いて前記前駆体膜中のSiの組成比を減少させて絶縁膜とする組成比減少工程を実施することを特徴とする。
An insulating film forming apparatus according to a first invention for solving the above-mentioned problems is as follows.
In an insulating film forming apparatus for forming an insulating film covering a step formed on a substrate,
A gas supply means for supplying a plurality of gases, including a main source gas containing Si and a sub-source gas not containing Si;
Plasma generating means for generating plasma of the gas;
Control means for controlling the gas supply means and the plasma generation means,
The control means includes
At least the main raw material gas is supplied by the gas supply means, and the plasma generation means generates plasma containing excited species having a lower probability of adhesion to the substrate than the main excited species at the time of plasma generation, and uses the plasma A film forming step for forming a precursor film on the step,
After the film formation step, the auxiliary material gas is supplied by the gas supply unit, the plasma of the auxiliary material gas is generated by the plasma generation unit, and the composition ratio of Si in the precursor film is generated using the plasma. The composition ratio reducing step is performed by reducing the thickness of the insulating film.
上記課題を解決する第2の発明に係る絶縁膜形成装置は、
上記第1の発明に記載の絶縁膜形成装置において、
前記制御手段は、前記成膜工程と前記組成比減少工程とを交互に複数回実施することを特徴とする。
An insulating film forming apparatus according to a second invention for solving the above-mentioned problems is as follows.
In the insulating film forming apparatus according to the first invention,
The control means is characterized in that the film forming step and the composition ratio decreasing step are alternately performed a plurality of times.
上記課題を解決する第3の発明に係る絶縁膜形成装置は、
上記第1又は第2の発明に記載の絶縁膜形成装置において、
更に、前記基板にバイアスを印加するバイアス印加手段を有し、
前記制御手段は、
前記組成比減少工程において、前記バイアス印加手段により前記基板へバイアスを印加することを特徴とする。
An insulating film forming apparatus according to a third invention for solving the above-mentioned problems is as follows.
In the insulating film forming apparatus according to the first or second invention,
Furthermore, bias application means for applying a bias to the substrate,
The control means includes
In the composition ratio decreasing step, a bias is applied to the substrate by the bias applying means.
上記課題を解決する第4の発明に係る絶縁膜形成装置は、
上記第3の発明に記載の絶縁膜形成装置において、
前記制御手段は、
前記組成比減少工程の前に、
前記ガス供給手段により希ガスを供給し、前記バイアス印加手段により前記基板へバイアスを印加し、前記プラズマ生成手段により前記希ガスのプラズマを生成し、当該プラズマを用いて前記前駆体膜をスパッタエッチするスパッタエッチ工程を実施することを特徴とする。
An insulating film forming apparatus according to a fourth invention for solving the above-mentioned problems is as follows.
In the insulating film forming apparatus according to the third invention,
The control means includes
Before the composition ratio reduction step,
A rare gas is supplied by the gas supply means, a bias is applied to the substrate by the bias application means, a plasma of the rare gas is generated by the plasma generation means, and the precursor film is sputter etched using the plasma. A sputter etch process is performed.
上記課題を解決する第5の発明に係る絶縁膜形成装置は、
上記第3の発明に記載の絶縁膜形成装置において、
前記制御手段は、
前記組成比減少工程の後に、
前記ガス供給手段により希ガスを供給し、前記バイアス印加手段により前記基板へバイアスを印加し、前記プラズマ生成手段により前記希ガスのプラズマを生成し、当該プラズマを用いて前記絶縁膜をスパッタエッチするスパッタエッチ工程を実施することを特徴とする。
An insulating film forming apparatus according to a fifth invention for solving the above-mentioned problems is as follows.
In the insulating film forming apparatus according to the third invention,
The control means includes
After the composition ratio reduction step,
A rare gas is supplied by the gas supply means, a bias is applied to the substrate by the bias application means, a plasma of the rare gas is generated by the plasma generation means, and the insulating film is sputter etched using the plasma. A sputter etch process is performed.
上記課題を解決する第6の発明に係る絶縁膜形成装置は、
上記第1〜第5のいずれか1つの発明に記載の絶縁膜形成装置において、
前記絶縁膜が窒化珪素膜である場合、
前記主原料ガスとしてSiH4を用い、
前記副原料ガスとしてNH3又はN2の少なくとも一方を用い、
前記付着確率が低い励起種としてSiH3を生成することを特徴とする。
An insulating film forming apparatus according to a sixth invention for solving the above-described problems is as follows.
In the insulating film forming apparatus according to any one of the first to fifth inventions,
When the insulating film is a silicon nitride film,
SiH 4 is used as the main source gas,
Using at least one of NH 3 or N 2 as the auxiliary source gas,
SiH 3 is generated as an excited species having a low adhesion probability.
上記課題を解決する第7の発明に係る絶縁膜形成方法は、
基板に形成された段差を被覆する絶縁膜を形成する絶縁膜形成方法において、
Siを含有する主原料ガスとSiを含有しない副原料ガスのうち、少なくとも前記主原料ガスを供給し、プラズマ生成時の主な励起種より前記基板に対する付着確率が低い励起種を含むプラズマを生成し、当該プラズマを用いて前記段差へ前駆体膜を成膜する成膜工程と、
前記成膜工程の後、前記副原料ガスを供給し、前記副原料ガスのプラズマを生成し、当該プラズマを用いて前記前駆体膜中のSiの組成比を減少させて絶縁膜とする組成比減少工程とを有することを特徴とする。
An insulating film forming method according to a seventh invention for solving the above-described problems is as follows.
In an insulating film forming method for forming an insulating film covering a step formed on a substrate,
Supplying at least the main source gas out of the main source gas containing Si and the auxiliary source gas not containing Si, and generating plasma containing excited species having a lower adhesion probability to the substrate than the main excited species at the time of plasma generation And a film forming step of forming a precursor film on the step using the plasma,
After the film forming step, the auxiliary material gas is supplied, plasma of the auxiliary material gas is generated, and the composition ratio of Si in the precursor film is reduced by using the plasma to form an insulating film. And a reduction process.
上記課題を解決する第8の発明に係る絶縁膜形成方法は、
上記第7の発明に記載の絶縁膜形成方法において、
前記成膜工程と前記組成比減少工程とを交互に複数回実施することを特徴とする。
An insulating film forming method according to an eighth invention for solving the above-described problems is as follows.
In the insulating film forming method according to the seventh invention,
The film forming step and the composition ratio decreasing step are alternately performed a plurality of times.
上記課題を解決する第9の発明に係る絶縁膜形成方法は、
上記第7又は第8の発明に記載の絶縁膜形成方法において、
前記組成比減少工程において、前記基板へバイアスを印加することを特徴とする。
An insulating film forming method according to a ninth invention for solving the above-described problems is as follows.
In the insulating film forming method according to the seventh or eighth invention,
In the composition ratio reduction step, a bias is applied to the substrate.
上記課題を解決する第10の発明に係る絶縁膜形成方法は、
上記第9の発明に記載の絶縁膜形成方法において、
希ガスを供給し、前記基板へバイアスを印加し、前記希ガスのプラズマを生成し、当該プラズマを用いて前記前駆体膜をスパッタエッチするスパッタエッチ工程を更に有し、
前記組成比減少工程の前に前記スパッタエッチ工程を実施することを特徴とする。
An insulating film forming method according to a tenth invention for solving the above-mentioned problems is as follows.
In the insulating film forming method according to the ninth invention,
A sputter etch step of supplying a rare gas, applying a bias to the substrate, generating a plasma of the rare gas, and sputter-etching the precursor film using the plasma;
The sputter etching process is performed before the composition ratio decreasing process.
上記課題を解決する第11の発明に係る絶縁膜形成方法は、
上記第9の発明に記載の絶縁膜形成方法において、
希ガスを供給し、前記基板へバイアスを印加し、前記希ガスのプラズマを生成し、当該プラズマを用いて前記絶縁膜をスパッタエッチするスパッタエッチ工程を更に有し、
前記組成比減少工程の後に前記スパッタエッチ工程を実施することを特徴とする。
An insulating film forming method according to an eleventh invention for solving the above problem is as follows:
In the insulating film forming method according to the ninth invention,
A sputter etch step of supplying a rare gas, applying a bias to the substrate, generating a plasma of the rare gas, and sputter-etching the insulating film using the plasma;
The sputter etching process is performed after the composition ratio decreasing process.
上記課題を解決する第12の発明に係る絶縁膜形成方法は、
上記第7〜第11のいずれか1つの発明に記載の絶縁膜形成方法において、
前記絶縁膜が窒化珪素膜である場合、
前記主原料ガスとしてSiH4を用い、
前記副原料ガスとしてNH3又はN2の少なくとも一方を用い、
前記付着確率が低い励起種としてSiH3を生成することを特徴とする。
An insulating film forming method according to a twelfth invention for solving the above-described problem is
In the insulating film forming method according to any one of the seventh to eleventh inventions,
When the insulating film is a silicon nitride film,
SiH 4 is used as the main source gas,
Using at least one of NH 3 or N 2 as the auxiliary source gas,
SiH 3 is generated as an excited species having a low adhesion probability.
第1、第7の発明によれば、段差を被覆する絶縁膜として、段差被覆性と良好な絶縁性を両立する絶縁膜を形成することができる。 According to the first and seventh inventions, an insulating film having both step coverage and good insulating properties can be formed as the insulating film covering the step.
第2、第8の発明によれば、段差の側壁において、所望の膜厚の絶縁膜を形成することができる。 According to the second and eighth inventions, an insulating film having a desired thickness can be formed on the side wall of the step.
第3、第9の発明によれば、組成比減少工程において、その反応速度を促進して、時間短縮を図ることができる。 According to the third and ninth inventions, in the composition ratio reduction step, the reaction rate can be promoted to shorten the time.
第4、第10の発明によれば、成膜の過程において、段差の入口付近の閉塞を防止して、段差被覆性を更に向上させることができ、又、スパッタエッチ工程後の組成比減少工程において、時間短縮を図ることができる。 According to the fourth and tenth aspects of the present invention, in the film forming process, blockage near the entrance of the step can be prevented, and the step coverage can be further improved, and the composition ratio decreasing step after the sputter etching step The time can be shortened.
第5、第11の発明によれば、成膜の過程において、段差の入口付近の閉塞を防止して、段差被覆性を更に向上させることができる。 According to the fifth and eleventh aspects, blockage in the vicinity of the step entrance can be prevented in the film forming process, and the step coverage can be further improved.
第6、第12の発明によれば、段差を被覆する絶縁膜として、段差被覆性がよく、絶縁性も高い窒化珪素膜を形成することができる。 According to the sixth and twelfth inventions, a silicon nitride film having good step coverage and high insulation can be formed as the insulating film covering the steps.
以下、図1〜図8を参照して、本発明に係る絶縁膜形成装置及び形成方法の実施形態について説明を行う。 Hereinafter, embodiments of an insulating film forming apparatus and a forming method according to the present invention will be described with reference to FIGS.
(実施例1)
図1は、本発明に係る絶縁膜形成装置の実施形態の一例を示す概略構成図である。
本実施例の絶縁膜形成装置は、所謂、プラズマCVD装置である。具体的には、図1に示すように、金属製の円筒状の真空チャンバ1の内部が処理室2として構成されるものであり、真空チャンバ1の上部開口部には、絶縁材料からなる円板状の天井板3が、上部開口部を閉鎖するように配設されている。又、真空チャンバ1の下部には支持台4及び支持台4を保持する下部支持台10が備えられ、半導体材料からなる基板5(例えば、Siウェハ)が支持台4の上面に載置される。真空チャンバ1は、例えば、アルミニウム等の金属から構成されて、その内壁がアルマイト処理されており、又、天井板3は、例えば、アルミナ等のセラミクスにより構成されている。
Example 1
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of an embodiment of an insulating film forming apparatus according to the present invention.
The insulating film forming apparatus of this embodiment is a so-called plasma CVD apparatus. Specifically, as shown in FIG. 1, the inside of a metal
天井板3の上方には、例えば、複数の円形リングからなる高周波アンテナ6が配置されており、高周波アンテナ6には整合器7を介して、数百kHz〜数百MHzの周波数の高周波(RF)電源8が接続されている(プラズマ生成手段)。又、真空チャンバ1には、処理室2内に所望の複数のガスを導入する複数のガスノズル9が設けられている(ガス供給手段)。
A high-
又、基板5を支持する支持台4には、電極部11が設けられており、電極部11には整合器12を介して低周波(LF)電源13が接続されている。低周波電源13は、高周波電源8より低い周波数を電極部11に印加し、基板5にバイアス電力を印加できるようになっている(バイアス印加手段)。なお、図示は省略しているが、支持台4には、静電チャック機構も設けられており、静電チャック用電源からの給電により、基板5を支持台4表面に吸着保持できるようになっている。加えて、図示は省略しているが、本実施例の絶縁膜形成装置は、上述したプラズマ生成手段、ガス供給手段、バイアス印加手段を制御する制御装置(制御手段)も備えている。
An
上記構成の絶縁膜形成装置では、高周波アンテナ6にRFパワーを供給することにより、天井板3を介して電磁波が真空チャンバ1に入射され、ガスノズル9を介して真空チャンバ1内に導入されたプロセスガスが、入射された電磁波によりプラズマ化されている。そして、プラズマ化されたプロセスガスを用いて、基板5上に薄膜を形成している。例えば、SiN膜を成膜する場合には、シラン(SiH4)、アンモニア(NH3)、窒素(N2)等のプロセスガスが用いられる。
In the insulating film forming apparatus configured as described above, by supplying RF power to the high-
なお、上記構成の絶縁膜形成装置は一例であり、後述する本実施例の絶縁膜形成方法を実施できるプラズマCVD装置であれば、他の構成でもよく、例えば、プラズマ生成手段やガス供給手段等は様々な態様の構成が適用可能である。 The insulating film forming apparatus having the above configuration is an example, and any other structure may be used as long as it is a plasma CVD apparatus capable of performing the insulating film forming method of the present embodiment described later. For example, a plasma generating unit, a gas supplying unit, etc. Various configurations can be applied.
次に、本実施例の絶縁膜形成方法について説明する。
本実施例においては、半導体デバイスにおける高アスペクト比の段差(例えば、トレンチ等)に対して、段差被覆性と良好な絶縁性を両立する絶縁膜を形成するため、概略して、次のような工夫を行っている。具体的には、まず、上記構成の絶縁膜形成装置において、絶縁膜の形成に用いる主原料ガス(Si含有)と副原料ガス(Si非含有)から、基板表面に対する付着確率が低い励起種を含むプラズマを生成し、当該プラズマを用いて成膜を行うことで、段差への段差被覆性の良い前駆体膜を形成している。その後、副原料ガスのプラズマを用いて、形成した前駆体膜をプラズマ処理し、前駆体膜からSiの組成比を減少させることにより、絶縁性の高い絶縁膜としている。
Next, the insulating film forming method of this embodiment will be described.
In this embodiment, in order to form an insulating film that achieves both step coverage and good insulation for a step with a high aspect ratio in a semiconductor device (for example, a trench), the following outline is given. I'm doing some ingenuity. Specifically, first, in the insulating film forming apparatus having the above-described configuration, excited species having a low adhesion probability to the substrate surface are selected from the main source gas (containing Si) and the auxiliary source gas (containing no Si) used for forming the insulating film. A precursor film having good step coverage with respect to a step is formed by generating plasma containing the plasma and performing film formation using the plasma. Thereafter, the formed precursor film is subjected to plasma processing using the plasma of the auxiliary material gas, and the Si composition ratio is reduced from the precursor film, thereby forming an insulating film having high insulating properties.
以降、一例として、段差をトレンチ(アスペクト比=10:1)とし、絶縁膜を窒化珪素膜(SiN膜)とする場合について、図2のタイムチャート、図3の断面図を参照して、本実施例の絶縁膜形成方法を詳細に説明する。なお、図3(a)には、基板5に深さ10μm、幅1μmで形成したトレンチ20を例示しているが、段差は、トレンチに限らず、他の形状の段差でもよく、又、絶縁膜も、窒化珪素膜に限らず、例えば、酸化珪素膜(SiO膜)や酸化窒化珪素膜(SiON膜)等でもよい。
Hereinafter, as an example, the case where the step is a trench (aspect ratio = 10: 1) and the insulating film is a silicon nitride film (SiN film) is described with reference to the time chart of FIG. 2 and the cross-sectional view of FIG. The method for forming the insulating film of the example will be described in detail. FIG. 3A illustrates the
本実施例の絶縁膜形成方法においては、まず、成膜工程を実施している。
この成膜工程では、ガスノズル9を用いて、SiN膜の形成に用いるSiH4ガス(主原料ガス)とNH3ガス(副原料ガス)とを供給し、プラズマ生成手段(高周波アンテナ6、整合器7、高周波電源8)を用いて、主な励起種であるSiH2(NH2)[0.08]より基板5に対する付着確率が低い励起種であるSiH3[付着確率:0.05]を生成すると共に、この励起種を主な励起種より多く含むようにプラズマを生成し、当該プラズマを用いてトレンチ20へ前駆体膜22を成膜する(図2及び図3(a)、(b)参照)。
In the insulating film forming method of this embodiment, first, a film forming process is performed.
In this film forming process, a
このとき、付着確率が低い励起種SiH3を多く含むプラズマを生成することが重要であり、励起種SiH3を多く生成できれば、後述する表1に示すように、SiH4ガスだけ供給してもよい。又、NH3ガスに換えて、N2ガスを供給するようにしてもよいし、NH3ガスと共にN2ガスを供給するようにしてもよい。 At this time, it is important to generate a plasma containing a large amount of excited species SiH 3 having a low adhesion probability. If a large amount of excited species SiH 3 can be generated, even if only SiH 4 gas is supplied as shown in Table 1 described later. Good. Further, in place of the NH 3 gas, may be supplied with N 2 gas, may be supplied with N 2 gas with NH 3 gas.
この成膜工程では、付着確率が低い励起種SiH3を含むプラズマを用いているので、トレンチ20の深い部分の側壁21において、成膜に寄与する励起種SiH3の到達量の減少を抑制することができ、その結果、側壁21に成膜される前駆体膜22の膜厚の減少も抑制することになり、段差被覆性を向上させることができる(図3(a)、(b)参照)。しかしながら、この前駆体膜22は、膜組成がSiリッチであり(特に、SiH4ガスだけ供給して成膜した場合)、その状態のままでは絶縁性が高くない。
In this film forming process, plasma containing excited species SiH 3 having a low adhesion probability is used, so that a decrease in the amount of excited species SiH 3 contributing to film formation on the
そこで、本実施例の絶縁膜形成方法においては、成膜工程の後、窒化工程(組成比減少工程)を実施している。
この窒化工程では、ガスノズル9を用いて、副原料ガスであるNH3ガス(又はN2ガス)を供給し、プラズマ生成手段(高周波アンテナ6、整合器7、高周波電源8)を用いて、NH3ガス(又はN2ガス)のプラズマを生成し、当該プラズマを用いて前駆体膜22中のSiの組成比を減少させてSiN膜23としている(図2及び図3(c)参照)。つまり、段差被覆性はよいが、絶縁性が高くない前駆体膜22を、NH3ガス(又はN2ガス)のプラズマで窒化することにより、Siの組成比を減少させて、段差被覆性がよく、絶縁性も高いSiN膜23としている。
Therefore, in the insulating film forming method of this embodiment, a nitriding process (composition ratio decreasing process) is performed after the film forming process.
In this nitriding step, NH 3 gas (or N 2 gas), which is an auxiliary material gas, is supplied using a
そして、段差被覆性が良好な成膜工程、絶縁性が良好な窒化工程を交互に少なくとも1回以上実施して、トレンチ20の側壁21における膜厚が所望の膜厚となるSiN膜23を形成することになる(図3(d)参照)。上述した工程を経ることにより、段差被覆性がよく、絶縁性も高い所望の膜厚のSiN膜23を成膜することができる。
Then, a film forming process with good step coverage and a nitriding process with good insulation are alternately performed at least once to form a
本実施例のプロセス条件のいくつかを後述する表1の実験例1〜3に例示して説明する。1回の成膜工程は2秒であり、この間に0.1nmの膜厚の前駆体膜22が成膜される。又、表1の実験例1〜3に示すように、成膜工程におけるRFパワーの条件を、各々、0.5kW、1.5kW、4kWとし、ガス流量比[NH3/(SiH4+NH3)]を、各々、0以上0.2以下、0以上0.35以下、0以上0.5以下とした。なお、実験例1〜3では、ガス流量比を変更する際には、SiH4ガス=60sccmの流量に固定し、NH3ガスの流量を変更した。
Some of the process conditions of the present embodiment are illustrated and described in Experimental Examples 1 to 3 in Table 1 described later. One film formation process takes 2 seconds, and a
又、1回の窒化工程は180秒であり、NH3ガス(又はN2ガス)のプラズマで前駆体膜22の窒化を行った。このときのRFパワーの条件は、成膜工程における条件と同様でよいし、適宜変更してもよい。又、NH3ガス(又はN2ガス)の流量の条件は、成膜工程において使用していれば、そのままの流量でもよいが、SiH4ガスのみだった場合には、NH3ガス(又はN2ガス)を適宜な流量で供給する必要がある。なお、同等の条件の場合、NH3ガスのプラズマで窒化できる膜厚は0.3nmであり、N2ガスのプラズマで窒化できる膜厚は0.5nmであり、N2ガスの方がNH3ガスよりも窒化できる膜厚が厚い。
One nitridation step is 180 seconds, and the
トレンチ内壁の膜厚について、本実施例の実験例1〜3と従来例1、2とを比較する。このとき、トレンチ20が形成されたパターン基板を用い、本実施例の実験例1〜3も従来例1、2も、共に、基板5の表面における膜厚が30nmとなるように成膜した。本実施例の実験例1〜3の場合、上記成膜工程及び窒化工程を交互に60〜100回程度繰り返し行って成膜している。そして、成膜により得られた膜の断面構造を調べてみると、従来例では、基板5の表面から4μmの深さの側壁21において、5nmの膜厚であるのに対して(図3(d)の点線24、表1の従来例2参照)、本実施例では、基板5の表面から4μmの深さの側壁21において、7nmの膜厚であり、段差被覆性がよいことが確認できた(図3(d)、表1の実験例1〜3参照)。
With respect to the film thickness of the inner wall of the trench, Experimental Examples 1 to 3 of this example and Conventional Examples 1 and 2 are compared. At this time, using the pattern substrate on which the
又、絶縁性についても比較したところ(平面基板にSiN膜を成膜して膜抵抗を評価)、本実施例の場合、いずれも1×1014Ω・mであり、表1に示す従来例1、2と比較して、絶縁性も高いことが確認できた(表1の実験例1〜3、従来例1、2参照)。 In addition, when the insulating properties were compared (film resistance was evaluated by forming a SiN film on a flat substrate), in the case of this example, all were 1 × 10 14 Ω · m, and the conventional examples shown in Table 1 were used. It was confirmed that the insulating properties were higher than those of 1 and 2 (see Experimental Examples 1 to 3 and Conventional Examples 1 and 2 in Table 1).
なお、表1には、本実施例の実験例1〜3、従来例1、2と共に、比較例1、2として、本実施例の成膜工程のみでの成膜、即ち、本実施例の窒化工程がない成膜も行っており、この成膜により得られた膜についても、段差被覆性、絶縁性を評価した。比較例1、2においても、従来例1、2と同様に、段差被覆性と良好な絶縁性は両立していない。これに対して、本実施例では、実験例1〜3に示すように、段差被覆性と良好な絶縁性が両立可能である。 In Table 1, as well as Experimental Examples 1 to 3 and Conventional Examples 1 and 2 of this example, and Comparative Examples 1 and 2, film formation only in the film forming process of this example, that is, of this example Film formation without a nitriding step was also performed, and the step coverage and insulating properties of the film obtained by this film formation were also evaluated. In Comparative Examples 1 and 2, similarly to Conventional Examples 1 and 2, the step coverage and good insulation are not compatible. On the other hand, in this embodiment, as shown in Experimental Examples 1 to 3, both step coverage and good insulation can be achieved.
(実施例2)
本実施例は、上記実施例1を前提とするものである。従って、実施例1と重複する説明、例えば、絶縁膜形成装置の構成や絶縁膜形成方法(成膜工程、窒化工程)の基本的な部分等は省略して、本実施例の説明を行う。
(Example 2)
This embodiment is based on the first embodiment. Therefore, the description of the present embodiment will be described with the description overlapping with that of the first embodiment, for example, the configuration of the insulating film forming apparatus and the basic portion of the insulating film forming method (film forming process, nitriding process) are omitted.
本実施例では、実施例1で説明した窒化工程において、バイアス印加手段(電極部11、整合器12、低周波電源13)を用いて、基板5にバイアスを印加している。基板5にバイアスを印加することにより、プラズマ中のイオンや電子を基板5へ照射するようにしており、成膜工程で得られた前駆体膜22にエネルギーを与えることで、窒化反応を促進している。
In the present embodiment, a bias is applied to the
図4は、LF=0W、即ち、基板5にバイアスを印加しない場合の窒化速度を1とし、各LFパワーにおける窒化速度を規格化したグラフである。図4に示すように、LF=30W、60W、180Wの場合、LF=0Wの場合よりも窒化速度が速いことがわかる。一方、LF=250Wの場合、LF=0Wの場合と同等の窒化速度であり、LF=300Wの場合、LF=0Wの場合よりも窒化速度が遅くなっている。これは、LFパワーが大きくなると、スパッタエッチ量が増えて、窒化速度に寄与しなくなってくるためである。従って、LFパワーとしては、スパッタエッチ量の影響が小さい、250W以下が望ましい。このように、窒化工程において、基板5にバイアスを印加することにより、窒化速度を速くすることができ、窒化時間、換言すれば、窒化工程の時間を短縮することができる。例えば、LF=30Wの場合、窒化速度はLF=0Wの場合の約1.1倍であり、10%程度の時間短縮が可能である。
FIG. 4 is a graph obtained by standardizing the nitriding rate at each LF power, assuming that LF = 0 W, that is, the nitriding rate is 1 when no bias is applied to the
なお、図4において評価した基板は300mm(30cm)径である。従って、基板の径が異なる場合には、上記の250Wを基板面積当たりのLFパワー密度(W/cm2)に換算し(約0.35W/cm2となる。)、このようなLFパワー密度以下となるようなバイアスパワーを、基板径(基板面積)に応じて印加すればよい。 Note that the substrate evaluated in FIG. 4 has a diameter of 300 mm (30 cm). Therefore, when the diameter of the substrate are different, in terms of the above 250W to the LF power density (W / cm 2) per substrate area (approximately 0.35W / cm 2.), Such LF power density A bias power as described below may be applied according to the substrate diameter (substrate area).
(実施例3)
本実施例も、上記実施例1を前提とするものである。従って、実施例2と同様に、実施例1と重複する説明は省略して、本実施例の説明を行う。なお、本実施例は、実施例2を前提としてもよい。
(Example 3)
This embodiment is also based on the first embodiment. Therefore, as in the second embodiment, the description overlapping with the first embodiment is omitted, and the present embodiment will be described. Note that the present embodiment may be based on the second embodiment.
本実施例では、実施例1で説明した成膜工程と窒化工程の間にスパッタエッチ工程を追加している。具体的には、図5のタイムチャートに示すように、成膜工程の終了後、窒化工程を実施する前に、スパッタエッチ工程を実施している。これは、成膜工程及び窒化工程を複数回繰り返す場合でも同様である。 In this embodiment, a sputter etch process is added between the film forming process and the nitriding process described in the first embodiment. Specifically, as shown in the time chart of FIG. 5, the sputter etch process is performed after the film formation process and before the nitriding process. This is the same even when the film forming process and the nitriding process are repeated a plurality of times.
このスパッタエッチ工程では、ガスノズル9を用いて、希ガス、例えば、Ar等を供給し、バイアス印加手段(電極部11、整合器12、低周波電源13)を用いて、基板5にバイアスを印加し、プラズマ生成手段(高周波アンテナ6、整合器7、高周波電源8)を用いて、希ガスのプラズマを生成し、当該プラズマを用いて成膜工程で得られた前駆体膜22のスパッタエッチを行っている。
In this sputter etching process, a rare gas such as Ar is supplied using a
図5に示す各工程について、図6を参照して説明する。実施例1で説明した成膜工程を用いて、トレンチ20に前駆体膜22を成膜する(図6(a)参照)。この成膜工程では、付着確率が低い励起種SiH3を含むプラズマを用いているが、それでも、トレンチ20の入口付近の前駆体膜22にはオーバーハング部分22aが形成されてしまう。更に段差被覆性を向上させるためには、このオーバーハング部分22aが小さい(膜厚が薄い)方がよい。
Each step shown in FIG. 5 will be described with reference to FIG. The
そこで、本実施例においては、成膜工程の終了後にスパッタエッチ工程を実施することにより、希ガス、例えば、Arガスのプラズマを用いてオーバーハング部分22aをスパッタエッチしており、これにより、オーバーハング部分22aを除去し、トレンチ20の入口付近の閉塞を防止するようにしている(図6(b)参照)。このスパッタエッチ工程は、スパッタエッチ量を大きくするために、上記実施例2とは異なり、LFパワーも大きくしており、例えば、LF=1500Wとしている。このようなLFパワーを用いることにより、プラズマ中のイオンや電子を基板5へより多く照射し、スパッタエッチ量を大きくしている。但し、スパッタエッチにより削るオーバーハング部分22aは薄いため、そのスパッタエッチ時間は長くなくてよく、例えば、0.1秒程度でよい。
Therefore, in the present embodiment, the overhang portion 22a is sputter-etched using a rare gas, for example, Ar gas plasma, by performing a sputter etch process after the film formation process is completed. The hang portion 22a is removed to prevent the vicinity of the entrance of the trench 20 (see FIG. 6B). In this sputter etch process, in order to increase the sputter etch amount, unlike the second embodiment, the LF power is also increased, for example, LF = 1500 W. By using such LF power, more ions and electrons in the plasma are irradiated onto the
その後、実施例1で説明した窒化工程を用いて、トレンチ20に成膜した前駆体膜22の窒化を行い、SiN膜23としている(図6(c)参照)。そして、成膜工程、スパッタエッチ工程及び窒化工程を、この順序で少なくとも1回以上実施して、トレンチ20の側壁21における膜厚が所望の膜厚となるSiN膜23を形成する(図6(d)参照)。
Thereafter, using the nitriding step described in the first embodiment, the
上述した工程を経ることにより、トレンチ20の側壁21における膜厚が更に厚くなるため、段差被覆性が更によくなり、絶縁性も高い所望の膜厚のSiN膜23を成膜することができる。特に、本実施例の場合、窒化工程の前にスパッタエッチ工程を実施するので、窒化工程で窒化する膜厚が薄くなるため、窒化工程における時間短縮が可能となる。
By passing through the process mentioned above, since the film thickness in the
(実施例4)
本実施例も、上記実施例1を前提とするものである。従って、実施例2と同様に、実施例1と重複する説明は省略して、本実施例の説明を行う。なお、本実施例も、実施例2を前提としてもよい。又、本実施例は、実施例3の変形例に該当する。
Example 4
This embodiment is also based on the first embodiment. Therefore, as in the second embodiment, the description overlapping with the first embodiment is omitted, and the present embodiment will be described. This embodiment may also be based on the second embodiment. Further, this embodiment corresponds to a modification of the third embodiment.
本実施例では、図7のタイムチャートに示すように、実施例1で説明した窒化工程の終了後に、スパッタエッチ工程を実施している。つまり、実施例3とは、スパッタエッチ工程を追加する順序が異なっている。これは、成膜工程及び窒化工程を複数回繰り返す場合でも同様である。 In this embodiment, as shown in the time chart of FIG. 7, the sputter etch process is performed after the nitriding process described in the first embodiment is completed. That is, the order of adding the sputter etch process is different from that of the third embodiment. This is the same even when the film forming process and the nitriding process are repeated a plurality of times.
又、本実施例のスパッタエッチ工程でも、希ガス(例えば、Ar等)を供給し、基板5にバイアスを印加し、希ガスのプラズマを生成しているが、実施例3とは異なり、当該プラズマを用いて窒化工程後に得られたSiN膜23のスパッタエッチを行っている。
Also, in the sputter etch process of the present embodiment, a rare gas (for example, Ar) is supplied and a bias is applied to the
図7に示す各工程について、図8を参照して説明する。実施例1で説明した成膜工程を用いて、トレンチ20に前駆体膜22を成膜し(図8(a)参照)、その後、実施例1で説明した窒化工程を用いて、トレンチ20に成膜した前駆体膜22の窒化を行い、SiN膜23としている(図8(b)参照)。
Each step shown in FIG. 7 will be described with reference to FIG. The
この成膜工程では、付着確率が低い励起種SiH3を含むプラズマを用いているが、それでも、トレンチ20の入口付近の前駆体膜22にはオーバーハング部分22aが形成されてしまい、窒化工程では、その前駆体膜22の窒化を行っているため、トレンチ20の入口付近にはオーバーハング部分23aが形成されてしまう。更に段差被覆性を向上させるためには、このオーバーハング部分23aが小さい(膜厚が薄い)方がよい。
In this film forming process, plasma containing excited species SiH 3 having a low adhesion probability is used. However, an overhang portion 22a is still formed in the
そこで、本実施例においては、窒化工程の終了後にスパッタエッチ工程を実施することにより、希ガス、例えば、Arガスのプラズマを用いてオーバーハング部分23aをスパッタエッチしており、これにより、オーバーハング部分23aを除去し、トレンチ20の入口付近の閉塞を防止するようにしている(図8(c)参照)。ここでも、スパッタエッチにより削るオーバーハング部分23aは薄いため、そのスパッタエッチ時間は長くなくてよく、例えば、0.1秒程度でよい。
Therefore, in the present embodiment, the
そして、成膜工程、窒化工程及びスパッタエッチ工程を、この順序で少なくとも1回以上実施して、トレンチ20の側壁21における膜厚が所望の膜厚となるSiN膜23を形成する(図8(d)参照)。上述した工程を経ることにより、トレンチ20の側壁21における膜厚が更に厚くなるため、段差被覆性が更によくなり、絶縁性も高い所望の膜厚のSiN膜23を成膜することができる。
Then, the film forming process, the nitriding process, and the sputter etching process are performed at least once in this order to form the
本発明は、半導体装置に適用するものであり、特に、アスペクト比が高い段差を被覆する絶縁膜として好適である。 The present invention is applied to a semiconductor device, and is particularly suitable as an insulating film covering a step having a high aspect ratio.
5 基板
6 高周波アンテナ
7 整合器
8 高周波電源
9 ガスノズル
11 電極部
12 整合器
13 低周波電源
20 トレンチ
21 側壁
22 前駆体膜
22a オーバーハング部
23 SiN膜
23a オーバーハング部
DESCRIPTION OF
Claims (12)
Siを含有する主原料ガスとSiを含有しない副原料ガスとを含めて、複数のガスを供給するガス供給手段と、
前記ガスのプラズマを生成するプラズマ生成手段と、
前記ガス供給手段及び前記プラズマ生成手段を制御する制御手段とを有し、
前記制御手段は、
前記ガス供給手段により、少なくとも前記主原料ガスを供給し、前記プラズマ生成手段により、プラズマ生成時の主な励起種より前記基板に対する付着確率が低い励起種を含むプラズマを生成し、当該プラズマを用いて前記段差へ前駆体膜を成膜する成膜工程を実施し、
前記成膜工程の後、前記ガス供給手段により前記副原料ガスを供給し、前記プラズマ生成手段により前記副原料ガスのプラズマを生成し、当該プラズマを用いて前記前駆体膜中のSiの組成比を減少させて絶縁膜とする組成比減少工程を実施することを特徴とする絶縁膜形成装置。 In an insulating film forming apparatus for forming an insulating film covering a step formed on a substrate,
A gas supply means for supplying a plurality of gases, including a main source gas containing Si and a sub-source gas not containing Si;
Plasma generating means for generating plasma of the gas;
Control means for controlling the gas supply means and the plasma generation means,
The control means includes
At least the main raw material gas is supplied by the gas supply means, and the plasma generation means generates plasma containing excited species having a lower probability of adhesion to the substrate than the main excited species at the time of plasma generation, and uses the plasma A film forming step for forming a precursor film on the step,
After the film formation step, the auxiliary material gas is supplied by the gas supply unit, the plasma of the auxiliary material gas is generated by the plasma generation unit, and the composition ratio of Si in the precursor film is generated using the plasma. An insulating film forming apparatus is characterized in that a composition ratio reducing step is performed in which the composition ratio is reduced to form an insulating film.
前記制御手段は、前記成膜工程と前記組成比減少工程とを交互に複数回実施することを特徴とする絶縁膜形成装置。 In the insulating film forming apparatus according to claim 1,
The said control means implements the said film-forming process and the said composition ratio reduction process alternately several times, The insulating film formation apparatus characterized by the above-mentioned.
更に、前記基板にバイアスを印加するバイアス印加手段を有し、
前記制御手段は、
前記組成比減少工程において、前記バイアス印加手段により前記基板へバイアスを印加することを特徴とする絶縁膜形成装置。 In the insulating film forming apparatus according to claim 1 or 2,
Furthermore, bias application means for applying a bias to the substrate,
The control means includes
In the composition ratio decreasing step, a bias is applied to the substrate by the bias applying means.
前記制御手段は、
前記組成比減少工程の前に、
前記ガス供給手段により希ガスを供給し、前記バイアス印加手段により前記基板へバイアスを印加し、前記プラズマ生成手段により前記希ガスのプラズマを生成し、当該プラズマを用いて前記前駆体膜をスパッタエッチするスパッタエッチ工程を実施することを特徴とする絶縁膜形成装置。 In the insulating film forming apparatus according to claim 3,
The control means includes
Before the composition ratio reduction step,
A rare gas is supplied by the gas supply means, a bias is applied to the substrate by the bias application means, a plasma of the rare gas is generated by the plasma generation means, and the precursor film is sputter etched using the plasma. An insulating film forming apparatus that performs a sputter etching process.
前記制御手段は、
前記組成比減少工程の後に、
前記ガス供給手段により希ガスを供給し、前記バイアス印加手段により前記基板へバイアスを印加し、前記プラズマ生成手段により前記希ガスのプラズマを生成し、当該プラズマを用いて前記絶縁膜をスパッタエッチするスパッタエッチ工程を実施することを特徴とする絶縁膜形成装置。 In the insulating film forming apparatus according to claim 3,
The control means includes
After the composition ratio reduction step,
A rare gas is supplied by the gas supply means, a bias is applied to the substrate by the bias application means, a plasma of the rare gas is generated by the plasma generation means, and the insulating film is sputter etched using the plasma. An insulating film forming apparatus that performs a sputter etching process.
前記絶縁膜が窒化珪素膜である場合、
前記主原料ガスとしてSiH4を用い、
前記副原料ガスとしてNH3又はN2の少なくとも一方を用い、
前記付着確率が低い励起種としてSiH3を生成することを特徴とする絶縁膜形成装置。 In the insulating film forming apparatus according to any one of claims 1 to 5,
When the insulating film is a silicon nitride film,
SiH 4 is used as the main source gas,
Using at least one of NH 3 or N 2 as the auxiliary source gas,
An insulating film forming apparatus, wherein SiH 3 is generated as an excited species having a low adhesion probability.
Siを含有する主原料ガスとSiを含有しない副原料ガスのうち、少なくとも前記主原料ガスを供給し、プラズマ生成時の主な励起種より前記基板に対する付着確率が低い励起種を含むプラズマを生成し、当該プラズマを用いて前記段差へ前駆体膜を成膜する成膜工程と、
前記成膜工程の後、前記副原料ガスを供給し、前記副原料ガスのプラズマを生成し、当該プラズマを用いて前記前駆体膜中のSiの組成比を減少させて絶縁膜とする組成比減少工程とを有することを特徴とする絶縁膜形成方法。 In an insulating film forming method for forming an insulating film covering a step formed on a substrate,
Supplying at least the main source gas out of the main source gas containing Si and the auxiliary source gas not containing Si, and generating plasma containing excited species having a lower adhesion probability to the substrate than the main excited species at the time of plasma generation And a film forming step of forming a precursor film on the step using the plasma,
After the film forming step, the auxiliary material gas is supplied, plasma of the auxiliary material gas is generated, and the composition ratio of Si in the precursor film is reduced by using the plasma to form an insulating film. An insulating film forming method comprising: a reducing step.
前記成膜工程と前記組成比減少工程とを交互に複数回実施することを特徴とする絶縁膜形成方法。 The insulating film forming method according to claim 7,
The method for forming an insulating film, wherein the film forming step and the composition ratio decreasing step are alternately performed a plurality of times.
前記組成比減少工程において、前記基板へバイアスを印加することを特徴とする絶縁膜形成方法。 In the insulating film formation method according to claim 7 or 8,
In the composition ratio reduction step, a bias is applied to the substrate.
希ガスを供給し、前記基板へバイアスを印加し、前記希ガスのプラズマを生成し、当該プラズマを用いて前記前駆体膜をスパッタエッチするスパッタエッチ工程を更に有し、
前記組成比減少工程の前に前記スパッタエッチ工程を実施することを特徴とする絶縁膜形成方法。 In the insulating film formation method according to claim 9,
A sputter etch step of supplying a rare gas, applying a bias to the substrate, generating a plasma of the rare gas, and sputter-etching the precursor film using the plasma;
An insulating film forming method, wherein the sputter etching step is performed before the composition ratio reducing step.
希ガスを供給し、前記基板へバイアスを印加し、前記希ガスのプラズマを生成し、当該プラズマを用いて前記絶縁膜をスパッタエッチするスパッタエッチ工程を更に有し、
前記組成比減少工程の後に前記スパッタエッチ工程を実施することを特徴とする絶縁膜形成方法。 In the insulating film formation method according to claim 9,
A sputter etch step of supplying a rare gas, applying a bias to the substrate, generating a plasma of the rare gas, and sputter-etching the insulating film using the plasma;
An insulating film forming method, wherein the sputter etching process is performed after the composition ratio decreasing process.
前記絶縁膜が窒化珪素膜である場合、
前記主原料ガスとしてSiH4を用い、
前記副原料ガスとしてNH3又はN2の少なくとも一方を用い、
前記付着確率が低い励起種としてSiH3を生成することを特徴とする絶縁膜形成方法。 In the insulating film formation method according to any one of claims 7 to 11,
When the insulating film is a silicon nitride film,
SiH 4 is used as the main source gas,
Using at least one of NH 3 or N 2 as the auxiliary source gas,
A method of forming an insulating film, wherein SiH 3 is generated as an excited species having a low adhesion probability.
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