JP2016153518A - Film deposition method and film deposition apparatus of carbon film - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、カーボン膜の成膜方法および成膜装置に関する。 The present invention relates to a carbon film forming method and a film forming apparatus.
次世代半導体材料の一つとしてカーボン(C)が注目されている。カーボン膜の成膜方法としては、特許文献1に記載されているようなプラズマCVD法、あるいは特許文献2に記載されているような熱CVD法が知られている。
Carbon (C) is attracting attention as one of the next-generation semiconductor materials. As a method for forming a carbon film, a plasma CVD method as described in
しかしながら、プラズマCVD法を用いてカーボン膜を成膜する場合には、成膜温度を低く抑えることができるが(特許文献1によれば150〜350℃)、段差被覆性が良好でない、という事情がある。このため、プラズマCVD法を用いたカーボン膜の成膜は、ラインパターンやホールパターンなどの凹凸を有する下地上への成膜には不向きである。 However, when a carbon film is formed using a plasma CVD method, the film forming temperature can be kept low (150 to 350 ° C. according to Patent Document 1), but the step coverage is not good. There is. For this reason, the film formation of the carbon film using the plasma CVD method is not suitable for the film formation on the base having the irregularities such as the line pattern and the hole pattern.
また、熱CVD法を用いてカーボン膜を成膜する場合には、プラズマCVD法に比較して、より良好な段差被覆性を得ることはできるが、成膜温度を高い温度(特許文献2によれば800〜1000℃)にしなければならない、という事情がある。このため、熱CVD法を用いたカーボン膜の成膜は、例えば、シリコンウエハに形成されるトランジスタへの熱履歴の観点から、半導体装置の上層部分のプロセスへの適用には適さない、という事情がある。 In addition, when a carbon film is formed using a thermal CVD method, better step coverage can be obtained as compared with the plasma CVD method, but the film forming temperature is set to a high temperature (see Patent Document 2). According to the circumstances, it must be set to 800 to 1000 ° C. For this reason, the film formation of the carbon film using the thermal CVD method is not suitable for application to the process of the upper layer portion of the semiconductor device, for example, from the viewpoint of the thermal history of the transistor formed on the silicon wafer. There is.
そこで、特許文献3に記載されているように、カーボン膜を成膜する際、炭化水素系カーボンソースガスとともに、このカーボンソースガスの熱分解温度を降下させる熱分解降下ガスを供給することで、従来の熱CVD法よりも低い温度でカーボン膜を成膜することが試みられている。
Therefore, as described in
特許文献3に記載されているように、炭化水素系カーボンソースガスとともに、このカーボンソースガスの熱分解温度を降下させる熱分解降下ガスを供給しながら、カーボン膜を成膜することで、従来の熱CVD法よりも低い温度でカーボン膜を成膜することができる。そのような熱分解降下ガスの一つが塩素(Cl2)ガスである。
As described in
しかし、熱分解降下ガスとしてCl2ガスを用いると、成膜されたカーボン膜中に塩素が取り込まれてしまう、という事情がある。カーボン膜中に取り込まれた塩素は、例えば、エッチング加工工程やアッシング除去工程等に代表される半導体装置の製造工程中においてCl2ガスとなり、処理室内に再放出されてしまう。Cl2ガスは、エッチングガスの一種である。このため、処理室内に再放出され、飛散したCl2ガスは、製造工程中の被処理体や、処理室の内壁や処理室内の構造物に対し、エッチングダメージ等の反応ダメージを及ぼすことが懸念される。 However, when Cl 2 gas is used as the pyrolysis descending gas, there is a situation that chlorine is taken into the carbon film formed. Chlorine taken into the carbon film becomes Cl 2 gas during the manufacturing process of a semiconductor device typified by, for example, an etching process or an ashing removal process, and is released again into the processing chamber. Cl 2 gas is a kind of etching gas. For this reason, there is a concern that the Cl 2 gas re-released and scattered into the processing chamber may cause reaction damage such as etching damage to the object to be processed in the manufacturing process, the inner wall of the processing chamber, and the structure in the processing chamber. Is done.
この発明は、カーボン膜の成膜に熱分解降下ガスとして塩素ガスを用いた場合であっても、製造工程中の被処理体や処理室に対し、反応ダメージを及ぼし難くすることが可能なカーボン膜の成膜方法およびその成膜方法を実施することが可能な成膜装置を提供する。 The present invention is a carbon that can hardly cause reaction damage to an object to be processed or a processing chamber in a manufacturing process even when chlorine gas is used as a pyrolysis-falling gas for forming a carbon film. A film forming method and a film forming apparatus capable of performing the film forming method are provided.
この発明の第1の態様に係るカーボン膜の成膜方法は、被処理体の被処理面上に、カーボン膜を成膜するカーボン膜の成膜方法であって、(1)前記被処理体に、炭化水素系カーボンソースガスと、前記炭化水素系カーボンソースガスの熱分解温度を降下させる塩素ガスとを供給し、成膜温度を、前記炭化水素系カーボンソースガス自体の熱分解温度よりも低い温度として前記被処理面上に前記カーボン膜を成膜する工程と、(2)前記カーボン膜が成膜された前記被処理体に、窒素ガス、又は水素ガス、又は窒素および水素を含むガスを供給し、熱処理温度を前記成膜温度以上として前記カーボン膜が成膜された前記被処理体を熱処理する工程と、を具備する。 A carbon film forming method according to a first aspect of the present invention is a carbon film forming method for forming a carbon film on a surface to be processed of the object to be processed. (1) The object to be processed The hydrocarbon-based carbon source gas and a chlorine gas that lowers the thermal decomposition temperature of the hydrocarbon-based carbon source gas are supplied, and the film-forming temperature is set higher than the thermal decomposition temperature of the hydrocarbon-based carbon source gas itself. Forming the carbon film on the surface to be treated at a low temperature; and (2) nitrogen gas, hydrogen gas, or a gas containing nitrogen and hydrogen on the object to be treated on which the carbon film is formed. And heat-treating the object to be processed on which the carbon film has been formed with a heat treatment temperature equal to or higher than the film formation temperature.
この発明の第2の態様に係る成膜装置は、被処理体の被処理面上に、カーボン膜を成膜する成膜装置であって、前記カーボン膜が成膜される前記被処理面を有した前記被処理体を収容する処理室と、前記処理室内に、処理に使用するガスを供給する処理ガス供給機構と、前記処理室内に収容された前記被処理体を加熱する加熱装置と、前記処理ガス供給機構、および前記加熱装置を制御するコントローラと、を具備し、前記コントローラが、上記第1の態様に係るカーボン膜の成膜方法が実施されるように前記処理ガス供給機構、および前記加熱装置を制御する。 A film forming apparatus according to a second aspect of the present invention is a film forming apparatus for forming a carbon film on a surface to be processed of an object to be processed, the surface to be processed on which the carbon film is formed. A processing chamber for storing the target object, a processing gas supply mechanism for supplying a gas used for processing into the processing chamber, and a heating device for heating the target object stored in the processing chamber; The process gas supply mechanism, and a controller that controls the heating device, wherein the controller performs the carbon film formation method according to the first aspect, and the process gas supply mechanism, Control the heating device.
この発明によれば、カーボン膜の成膜に熱分解降下ガスとして塩素ガスを用いた場合であっても、製造工程中の被処理体や処理室に対し、反応ダメージを及ぼし難くすることが可能なカーボン膜の成膜方法およびその成膜方法を実施することが可能な成膜装置を提供できる。 According to the present invention, even when chlorine gas is used as a pyrolysis fall gas for forming a carbon film, it is possible to make it difficult to cause reaction damage to an object to be processed and a processing chamber during the manufacturing process. A carbon film forming method and a film forming apparatus capable of performing the film forming method can be provided.
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、全図にわたり、共通の部分には共通の参照符号を付す。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that common parts are denoted by common reference numerals throughout the drawings.
(第1の実施形態)
図1はこの発明の第1の実施形態に係るカーボン膜の成膜方法のシーケンスの一例を示す流れ図、図2A〜図2Cは図1に示すシーケンス中の被処理体の状態を概略的に示す断面図である。なお、図2A〜図2Cには、成膜装置の処理室が概略的に示されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a flowchart showing an example of a sequence of a carbon film forming method according to the first embodiment of the present invention, and FIGS. 2A to 2C schematically show states of objects to be processed in the sequence shown in FIG. It is sectional drawing. 2A to 2C schematically show a processing chamber of the film forming apparatus.
まず、図1のステップ1および図2Aに示すように、被処理体として、例えば、表面にシリコン酸化物膜2が形成されたシリコンウエハ(以下ウエハという)1を、成膜装置の処理室3内に搬入する。
First, as shown in
次に、図1のステップ2および図2Bに示すように、処理室3に、炭化水素系カーボンソースガスと、塩素(Cl2)ガスとを供給し、被処理体の被処理面上、本例ではシリコン酸化物膜2上にカーボン膜4を成膜する。Cl2ガスは、炭化水素系カーボンソースガスの熱分解温度を降下させる熱分解降下ガスである。熱分解降下ガスを用いない場合、カーボン膜4の成膜温度はおよそ800〜1000℃となる。しかし、熱分解降下ガス、例えば、Cl2ガスを用いると、カーボン膜4の成膜温度は、プラズマアシストが無い状態での炭化水素系カーボンソースガス単体の熱分解温度未満とすることができる。例えば、カーボン膜4の成膜温度は、約300℃以上600℃未満の範囲とすればよい。
Next, as shown in
また、本例においては、段差被覆性を良好とするために、カーボン膜4の成膜は、ノンプラズマの熱CVD法にて行われる。
In this example, in order to improve the step coverage, the
炭化水素系カーボンソースガスの例としては、
CnH2n+2
CmH2m
CmH2m−2
の少なくとも一つの分子式で表わされる炭化水素を含むガスを挙げることができる(ただし、nは1以上の自然数、mは2以上の自然数)。
As an example of hydrocarbon-based carbon source gas,
C n H 2n + 2
C m H 2m
C m H 2m-2
And a gas containing a hydrocarbon represented by at least one molecular formula (wherein n is a natural number of 1 or more and m is a natural number of 2 or more).
また、炭化水素系カーボンソースガスには、
ベンゼンガス(C6H6)
が含まれていてもよい。
The hydrocarbon-based carbon source gas includes
Benzene gas (C 6 H 6 )
May be included.
分子式CnH2n+2で表わされる炭化水素としては、
メタンガス(CH4)
エタンガス(C2H6)
プロパンガス(C3H8)
ブタンガス(C4H10:他の異性体も含む)
ペンタンガス(C5H12:他の異性体も含む)
などを挙げることができる。
As the hydrocarbon represented by the molecular formula C n H 2n + 2 ,
Methane gas (CH 4 )
Ethane gas (C 2 H 6 )
Propane gas (C 3 H 8 )
Butane gas (C 4 H 10 : includes other isomers)
Pentane gas (C 5 H 12 : includes other isomers)
And so on.
分子式CmH2mで表わされる炭化水素としては、
エチレンガス(C2H4)
プロピレンガス(C3H6:他の異性体も含む)
ブチレンガス(C4H8:他の異性体も含む)
ペンテンガス(C5H10:他の異性体も含む)
などを挙げることができる。
As the hydrocarbon represented by the molecular formula C m H 2m ,
Ethylene gas (C 2 H 4 )
Propylene gas (C 3 H 6 : includes other isomers)
Butylene gas (C 4 H 8 : includes other isomers)
Pentene gas (C 5 H 10 : includes other isomers)
And so on.
分子式CmH2m−2で表わされる炭化水素としては、
アセチレンガス(C2H2)
プロピンガス(C3H4:他の異性体も含む)
ブタジエンガス(C4H6:他の異性体も含む)
イソプレンガス(C5H8:他の異性体も含む)
などを挙げることができる。
As the hydrocarbon represented by the molecular formula C m H 2m-2 ,
Acetylene gas (C 2 H 2 )
Propin gas (C 3 H 4 : includes other isomers)
Butadiene gas (C 4 H 6 : includes other isomers)
Isoprene gas (C 5 H 8, including other isomers)
And so on.
本例では、炭化水素系カーボンソースガスとしてC5H8ガスを用いた。ステップ2の処理条件の一例は下記の通りである。
C5H8ガス流量: 100sccm
Cl2ガス流量: 25sccm
成 膜 温 度: 350℃
処 理 圧 力: 199.95Pa(1.5Torr)
処 理 時 間: 180min
(本明細書においては1Torrを133.3Paと定義する)
In this example, C 5 H 8 gas was used as the hydrocarbon-based carbon source gas. An example of the processing conditions of
C 5 H 8 gas flow rate: 100 sccm
Cl 2 gas flow rate: 25sccm
Deposition temperature: 350 ° C
Processing pressure: 199.95 Pa (1.5 Torr)
Processing time: 180min
(In this specification, 1 Torr is defined as 133.3 Pa.)
このような処理条件においては、シリコン酸化物膜2上に、膜厚20nm程度のカーボン膜4が成膜される。カーボン膜4の状態は、例えば、アモルファスである。そして、ウエハ1の被処理面の全体が、このようなカーボン膜4によって覆われる。
Under such processing conditions, a
次に、図1のステップ3および図2Cに示すように、処理室3の内部をパージした後、処理室にアニールガス、例えば、窒素(N2)ガス、又は水素(H2)ガス、又は窒素および水素を含むガス、例えばアンモニア(NH3)ガスを供給し、カーボン膜4が成膜され、ウエハ1の被処理面の全体がカーボン膜4によって覆われた被処理体、本例ではウエハ1を熱処理する。熱処理温度は、ステップ2に示したカーボン成膜における成膜温度よりも高い温度で行うことが好ましい。ステップ3の処理条件の一例は下記の通りである。
N2ガス流量: 1000sccm 又は
H2ガス流量: 1000sccm 又は
NH3ガス流量: 1000sccm
熱処理 温 度: 500℃
処 理 圧 力: 66.5Pa(0.5Torr)
処 理 時 間: 45min
Next, as shown in
N 2 gas flow rate: 1000 sccm or H 2 gas flow rate: 1000 sccm or NH 3 gas flow rate: 1000 sccm
Heat treatment temperature: 500 ° C
Processing pressure: 66.5 Pa (0.5 Torr)
Processing time: 45min
ステップ3の熱処理が終了することで、第1の実施形態に係るカーボン膜の成膜方法を用いたカーボン膜4の成膜が終了する。
When the heat treatment in
図3はカーボン膜4の膜組成を示す図である。図3には、
(a) ステップ3の熱処理無し(アニール無し)
(b) ウエハ1を処理室3から、外部に設けられた熱処理装置の処理室へと搬送し、熱処理装置の処理室内でN2ガスを用いてステップ3の熱処理を行った場合(アニール ex−situ500℃ N2)
(c) ウエハ1を成膜装置の処理室3内で、ステップ2に引き続きN2ガスを用いてステップ3の熱処理を行った場合(アニール in−situ500℃ N2)
(d) ウエハ1を成膜装置の処理室3内で、ステップ2に引き続きH2ガスを用いてステップ3の熱処理を行った場合(アニール in−situ500℃ H2)
(e) ウエハ1を成膜装置の処理室3内で、ステップ2に引き続きNH3ガスを用いてステップ3の熱処理を行った場合(アニール in−situ500℃ NH3)
の5つの場合が示されている。
FIG. 3 is a view showing the film composition of the
(a) No heat treatment in step 3 (no annealing)
(b) When the
(c) In the case where the
(d) In the case where the
(e) In the case where the
These five cases are shown.
まず、(a)の場合、カーボン膜4中にはCl原子が約12.6%含有されている。
First, in the case of (a), the
これに対し、(b)〜(e)の場合にはカーボン膜4中のCl原子が約2.0〜5.0%に低下した。具体的には(b)の場合にはカーボン膜4中のCl原子が約5.0%、(c)の場合にはカーボン膜4中のCl原子が約4.4%に低下した。
On the other hand, in the cases (b) to (e), the Cl atoms in the
また、(b)と(c)との結果から、ステップ3は、成膜装置とは異なる外部に設けた熱処理装置の処理室で行っても、成膜装置の処理室で行っても、どちらでもCl原子の低減効果が得られることが分かった。
Further, from the results of (b) and (c),
さらに、(d)と(e)との結果から、ステップ3に用いるアニールガスは、N2ガスに限らず、H2ガスやNH3ガスであっても、N2ガスと同様にCl原子の低減効果が得られることが分かった。具体的には(d)の場合にはカーボン膜4中のCl原子が約3.9%、(e)の場合にはカーボン膜4中のCl原子が約2.0%に低下した。(e)のように、NH3ガスを用いた場合には、カーボン膜4中に窒素原子(N)が新たに取り込まれることになるが、カーボン膜4としては、支障はない。
Further, from the result of (d) and (e), the annealing gas used in
具体的なカーボン膜4の膜組成は、以下の通りである。
(a) 炭素(C)73.9% 水素(H)12.7% 塩素(Cl)12.6%
酸素(O)0.8%
(b) 炭素(C)79.2% 水素(H)11.3% 塩素(Cl)5.0%
酸素(O)4.5%
(c) 炭素(C)77.7% 水素(H)13.3% 塩素(Cl)4.4%
酸素(O)4.6%
(d) 炭素(C)78.0% 水素(H)13.9% 塩素(Cl)3.9%
酸素(O)4.2%
(e) 炭素(C)75.6% 水素(H)16.7% 塩素(Cl)2.0%
酸素(O)2.9% 窒素(N)2.8%
The specific film composition of the
(a) Carbon (C) 73.9% Hydrogen (H) 12.7% Chlorine (Cl) 12.6%
Oxygen (O) 0.8%
(b) Carbon (C) 79.2% Hydrogen (H) 11.3% Chlorine (Cl) 5.0%
Oxygen (O) 4.5%
(c) Carbon (C) 77.7% Hydrogen (H) 13.3% Chlorine (Cl) 4.4%
Oxygen (O) 4.6%
(d) Carbon (C) 78.0% Hydrogen (H) 13.9% Chlorine (Cl) 3.9%
Oxygen (O) 4.2%
(e) Carbon (C) 75.6% Hydrogen (H) 16.7% Chlorine (Cl) 2.0%
Oxygen (O) 2.9% Nitrogen (N) 2.8%
なお、カーボン膜4中には微量のO原子が含まれているが、このO原子は、成膜装置に搬送する際の大気環境下においてウエハ1の被処理面に吸着したO原子や、被処理面に存在するシリコン酸化物膜2に含まれたO原子に由来するものと考えられる。また、ステップ3の熱処理をしない場合と、ステップ3の熱処理をした場合とでは、後者のほうがカーボン膜4中のO原子の含有量が多くなる傾向が観測された。これは、ステップ3の熱処理によってカーボン膜4中からCl原子が抜けたため、カーボン膜4中O原子の比率が相対的に高まったもの、と考えることができる。
The
このような第1の実施形態に係るカーボン膜の成膜方法であると、プラズマアシストを用いない熱CVD法でありながらも、炭化水素系カーボンソースガスとともにCl2ガスを供給してカーボン膜4の成膜を行う。このため、炭化水素系カーボンソースガス自体の熱分解温度、例えば、800℃未満の350℃という低い成膜温度で、カーボン膜4を成膜することができる。
In the carbon film forming method according to the first embodiment, the
したがって、まず、第1の実施形態によれば、プラズマアシストを用いることがなく、段差被覆性が良好で、かつ、従来の熱CVD法よりも低い温度でカーボン膜を成膜することが可能なカーボン膜の成膜方法が得られる。 Therefore, first, according to the first embodiment, plasma assist is not used, the step coverage is good, and the carbon film can be formed at a temperature lower than that of the conventional thermal CVD method. A carbon film forming method is obtained.
さらに、第1の実施形態によれば、カーボン膜4の成膜工程に連続してステップ3に示したように、処理室3内にN2ガス、又はH2ガス、又は窒素および水素を含むガス、例えばNH3ガスを供給し、カーボン膜4が成膜されたウエハ1を熱処理する。この熱処理により、カーボン膜4中に約12〜13%程度で取り込まれていたCl原子は、膜の外部に再放出される。このため、熱処理を施した後のカーボン膜4では、Cl原子の含有量を減少させることができる。
Furthermore, according to the first embodiment, as shown in
このようなCl原子の含有量が減少されたカーボン膜4によれば、このカーボン膜4が成膜されたウエハ1をエッチング加工する際や、カーボン膜4をアッシング除去する際に、カーボン膜4中からCl2ガスとなって再放出されるCl原子を減少できる、という利点を得ることができる。
According to the
第1の実施形態による具体的なCl原子の含有量は、図3中の(b)〜(e)に示したように約2%以上5%以下の範囲となる。カーボン膜4中のCl原子の含有量が、約2%以上5%以下の範囲とすれば、たとえ、カーボン膜4からCl原子が再放出されたとしても、エッチング加工工程やアッシング除去工程のような製造工程中にあるウエハ1や、これらの工程を行う処理室の内壁や処理室内の構造物に対し、エッチングダメージ等の反応ダメージを及ぼす可能性を軽減することが可能である。故に、ステップ3に示した熱処理は、カーボン膜4中のCl原子の含有量が2%以上5%以下の範囲となる条件に設定して行われることが好ましい。
The specific Cl atom content according to the first embodiment is in the range of about 2% or more and 5% or less as shown in (b) to (e) of FIG. If the Cl atom content in the
また、ステップ3に示した熱処理は、ウエハ1の被処理面の全体がカーボン膜4で覆われた状態で行われることがよい。ウエハ1の被処理面の全体をカーボン膜4で覆うことで、熱処理の間、ウエハ1の被処理面、即ち製造工程中の構造体が外界に露出しなくなる。このため、カーボン膜4中からCl原子が再放出されたとしても、製造工程中の構造体が再放出されたCl原子の影響を受けてしまう可能性を軽減することができる。
The heat treatment shown in
また、ステップ3における熱処理温度であるが、上述したように、ステップ2に示したカーボン成膜における成膜温度よりも高い温度で行うことが好ましい。具体的には、カーボン膜4の成膜温度は300℃以上600℃未満である。したがって、ステップ3における熱処理温度は300℃を超える温度とされることが好ましい。ステップ3における熱処理温度の上限は、例えば、600℃以下である。600℃を超えると、カーボン膜4の低温成膜の利点が損なわれやすくなるためである。ステップ3における熱処理温度は、300℃を超え600℃以下の範囲の中で、適宜、成膜温度よりも高い温度が選択されることが好ましい。ただし、ステップ3における熱処理温度についても、ステップ2における成膜温度と同様に低温化されることが望ましい。熱処理温度の上限はCl原子の再放出に支障がない範囲内で、なるべく低く抑えることがよい。このような観点からの一例を挙げるとすれば、例えば、ステップ2における成膜温度が300℃〜400℃の範囲であったとすれば、ステップ3における熱処理温度の上限は、500℃以下である。
The heat treatment temperature in
また、ステップ2に示したカーボン膜の成膜と、ステップ3に示した熱処理とは、図2A〜図2Bに示したように、成膜装置の処理室内にて連続して行ってもよいし(インサイチュ)、図3に示した(b)の場合のように、ステップ2は成膜装置の処理室内にて、ステップ3は成膜装置とは別に設けられた熱処理装置の処理室内にて行ってもよい(エクスサイチュ)。ただし、ウエハ1の温度が搬送可能温度に下がるまでの待ち時間や熱処理装置の処理室の温度が熱処理温度まで上がるまでの待ち時間、並びに成膜装置から熱処理装置までの搬送時間等を考慮すると、エクスサイチュで行うよりは、インサイチュで行うほうがスループット的には有利である。
Further, the carbon film formation shown in
このような第1の実施形態に従ってCl2ガスによって低温成膜され、Cl原子の含有量が、例えば、2%以上5%以下に制御されたカーボン膜4は、成膜装置の処理室内にて成膜した後、別の基板処理装置、例えば、エッチング装置に搬送され、エッチング装置の処理室内にてエッチング加工される膜として有効に利用することができる。また、アッシング装置に搬送され、アッシング装置の処理室内にてアッシング除去される膜としても有効に利用することができる。
The
もちろん、Cl原子の含有量が、例えば、2%以上5%以下に制御されたカーボン膜4は、成膜装置にて成膜した後、同じ成膜装置の処理室内で連続して、例えば、エッチング加工される膜としても有効に利用することができる。さらには、同じ成膜装置の処理室内でカーボン膜4の成膜処理と、カーボン膜4のエッチング処理とを繰り返し行うようにしてもよい。
Of course, the
このように第1の実施形態に係るカーボン膜の成膜方法によれば、カーボン膜の成膜に熱分解降下ガスとして塩素ガスを用いた場合であっても、製造工程中のウエハ1や、ウエハ1に処理を施す処理室内の内壁や、処理室内にある構造物に対し、エッチングダメージ等の反応ダメージを及ぼし難くなるカーボン膜4が得られる、という利点を得ることができる。
As described above, according to the method for forming a carbon film according to the first embodiment, even when chlorine gas is used as the pyrolysis fall gas for forming the carbon film, the
(第2の実施形態)
第2の実施形態は、第1の実施形態に係るカーボン膜の成膜方法を実施することが可能な成膜装置の一例に関する。
(Second Embodiment)
The second embodiment relates to an example of a film forming apparatus capable of performing the carbon film forming method according to the first embodiment.
図4はこの発明の第2の実施形態に係る縦型バッチ式成膜装置の一例を概略的に示す断面図である。 FIG. 4 is a sectional view schematically showing an example of a vertical batch type film forming apparatus according to the second embodiment of the present invention.
図4に示すように、縦型バッチ式成膜装置(以下成膜装置という)100は、有天井の円筒状の外壁101と、外壁101の内側に設けられ、円筒状の内壁102とを備えている。外壁101および内壁102は、例えば、石英製であり、内壁102の内側を、被処理体、本例では複数のウエハ1を収容し、収容された複数のウエハ1に対して一括した成膜処理を施す処理室3とする。処理室3の内部において、上記第1の実施形態において説明したカーボン膜の成膜方法が、複数のウエハ1に対し、一括して実施される。
As shown in FIG. 4, a vertical batch type film forming apparatus (hereinafter referred to as a film forming apparatus) 100 includes a cylindrical
外壁101と内壁102とは環状空間104を隔てつつ水平方向に沿って互いに離れており、各々の下端部において、ベース材105に接合されている。内壁102の上端部は、外壁101の天井部から離隔されており、処理室3の上方が環状空間104に連通されるようになっている。処理室3の上方に連通される環状空間104は排気路となる。処理室3に供給され、拡散されたガスは、処理室3の下方から処理室3の上方へと流れて、環状空間104に吸引される。環状空間104の、例えば、下端部には排気管106が接続されており、排気管106は、排気装置107に接続されている。排気装置107は図示せぬ真空ポンプ等を含んで構成され、処理に使用したガスを処理室3の内部から排気し、また、処理室3の内部の圧力を処理に適切な圧力となるように調節する。
The
外壁101の外側には、加熱装置108が、処理室3の周囲を取り囲むように設けられている。加熱装置108は、処理室3の内部の温度を処理に適切な温度となるように調節し、被処理体、本例では複数のウエハ1を加熱する。
A
処理室3の下方はベース材105に設けられた開口109に連通している。開口109には、例えば、ステンレススチールにより円筒状に成形されたマニホールド110がOリング等のシール部材111を介して連結されている。マニホールド110の下端部は開口となっており、この開口を介してボート112が処理室3の内部に挿入される。ボート112は、例えば、石英製であり、複数本の支柱113を有している。支柱113には、図示せぬ溝が形成されており、この溝により、複数枚の被処理基板が一度に支持される。これにより、ボート112は、被処理基板として複数枚、例えば、50〜150枚のウエハ1を多段に載置することができる。複数のウエハ1を載置したボート112が、処理室3の内部に挿入されることで、処理室3の内部には、複数のウエハ1を収容することができる。
A lower portion of the
ボート112は、石英製の保温筒114を介してテーブル115の上に載置される。テーブル115は、例えば、ステンレススチール製の蓋部116を貫通する回転軸117上に支持される。蓋部116は、マニホールド110の下端部の開口を開閉する。蓋部116の貫通部には、例えば、磁性流体シール118が設けられ、回転軸117を気密にシールしつつ回転可能に支持している。また、蓋部116の周辺部とマニホールド110の下端部との間には、例えば、Oリングよりなるシール部材119が介設され、処理室3の内部のシール性を保持している。回転軸117は、例えば、ボートエレベータ等の昇降機構(図示せず)に支持されたアーム120の先端に取り付けられている。これにより、ウエハボート112および蓋部116等は、一体的に鉛直方向に昇降されて処理室3に対して挿脱される。
The
成膜装置100は、処理室3の内部に、処理に使用するガスを供給する処理ガス供給機構130を有している。
The
本例の処理ガス供給機構130は、炭化水素系カーボンソースガス供給源131a、Cl2ガス供給源131b、不活性ガス供給源131c、およびアニールガス供給源131dを含んでいる。本例では、炭化水素系カーボンソースガスにはC5H8ガスが、不活性ガスにはN2ガスが、アニールガスにはN2ガス、又はH2ガス、又はNH3ガスが用いられている。なお、不活性ガスは、ステップ2およびステップ3前後のパージに用いられるパージガスや、また、ステップ2における希釈ガスとして用いることができる。また、不活性ガスとしてN2ガスを、アニールガスとしてN2ガスを選択した場合には、ガス供給源をそれぞれ一つにまとめ、ガス供給源を不活性ガスとアニールガスとで共用するようにしてもよい。
The processing
炭化水素系カーボンソースガス供給源131aは、流量制御器(MFC)132aおよび開閉弁133aを介してガス供給口134aに接続されている。同様に、Cl2ガス供給源131bは流量制御器(MFC)132bおよび開閉弁133bを介してガス供給口134bに接続され、不活性ガス供給源131cは流量制御器(MFC)132cおよび開閉弁133cを介してガス供給口134cに接続されている。アニールガス供給源131dは流量制御器(MFC)132dおよび開閉弁133dを介してガス供給口134dに接続されている。ガス供給口134a〜134dはそれぞれ、マニホールド110の側壁を水平方向に沿って貫通するように設けられ、供給されたガスを、マニホールド110の上方にある処理室3の内部に向けて拡散させる。
The hydrocarbon-based carbon source
成膜装置100には制御部150が接続されている。制御部150は、例えば、マイクロプロセッサ(コンピュータ)からなるプロセスコントローラ151を備えており、成膜装置100の各構成部の制御は、プロセスコントローラ151が行う。プロセスコントローラ151には、ユーザーインターフェース152と、記憶部153とが接続されている。
A
ユーザーインターフェース152は、オペレータが成膜装置100を管理するためにコマンドの入力操作等を行うためのタッチパネルディスプレイやキーボードなどを含む入力部、および成膜装置100の稼働状況を可視化して表示するディスプレイなどを含む表示部を備えている。
The user interface 152 includes an input unit including a touch panel display and a keyboard for an operator to perform command input operations in order to manage the
記憶部153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151の制御にて実現するための制御プログラムや、成膜装置100の各構成部に処理条件に応じた処理を実行させるためのプログラムを含んだ、いわゆるプロセスレシピが格納される。プロセスレシピは、記憶部153の中の記憶媒体に記憶される。記憶媒体は、ハードディスクや半導体メモリであってもよいし、CD-ROM、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、プロセスレシピは、他の装置から、例えば専用回線を介して適宜伝送させるようにしてもよい。
The
プロセスレシピは、必要に応じてユーザーインターフェース152からのオペレータの指示等にて記憶部153から読み出され、読み出されたプロセスレシピに従った処理をプロセスコントローラ151が実行することで、成膜装置100は、プロセスコントローラ151の制御のもと、要求された処理を実行する。本例では、成膜装置100は、プロセスコントローラ151の制御のもと、上記第1の実施形態において説明したカーボン膜の成膜方法に従った処理を実行する。
The process recipe is read from the
上記第1の実施形態に係るカーボン膜の成膜方法は、例えば、図4に示すような縦型バッチ式成膜装置100によって実施することができる。
The carbon film forming method according to the first embodiment can be implemented by, for example, a vertical batch type
(第3の実施形態)
第3の実施形態は、第1の実施形態に係るカーボン膜の成膜方法に従って成膜されたカーボン膜に好適な一適用例に関する。本一適用例はアスペクト比が大きい、例えば、アスペクト比が“5”以上になるような縦長の深い開孔もしくは溝の形成に使用されるカーボン膜の例である。
(Third embodiment)
The third embodiment relates to an application example suitable for a carbon film formed according to the carbon film forming method according to the first embodiment. This application example is an example of a carbon film that is used for forming a vertically long deep hole or groove having a large aspect ratio, for example, an aspect ratio of “5” or more.
図5A〜図5Hは、半導体装置の製造工程中における被処理体の状態を概略的に示す断面図である。 5A to 5H are cross-sectional views schematically showing the state of the object to be processed during the manufacturing process of the semiconductor device.
まず、図5Aに示すように、ウエハ1上にはシリコン酸化物膜2が形成され、シリコン酸化物膜2上にはハードマスク層5が形成されている。ハードマスク層5は、例えば、ホトリソグラフィ法を用いて形成され、設計された開孔パターンもしくは溝パターンに対応した窓6を備えている。このようなハードマスク層5をマスクに用いて、シリコン酸化物膜2を、例えば、RIE法を用いて異方性エッチングし、シリコン酸化物膜2の表面に、窓6に対応した凹部7を形成する。
First, as shown in FIG. 5A, a
次に、図5Bに示すように、ハードマスク層5および凹部7が形成されたシリコン酸化物膜2の表面を被処理面とし、この被処理面上に、第1の実施形態に係るカーボン膜の成膜方法に従って、被処理面の全体を薄く被覆するカーボン膜4−1を成膜する。
Next, as shown in FIG. 5B, the surface of the
次に、図5C〜図5Dに示すように、ハードマスク層5をマスクに用いて、シリコン酸化物膜2を、例えば、RIE法を用いて異方性エッチングする。この際、被処理面の全体を薄く被覆するカーボン膜4−1は、異方性エッチングの開始当初、図5Cに示すように、被処理面に対して水平方向に存在する部分はエッチングされるが(図5C)、被処理面に対して垂直方向に存在する部分は、窓6および凹部7の側面に側壁状に残る。異方性エッチングを続行することで、シリコン酸化物膜2に対して異方性エッチングが進み、凹部7は深くなっていく。やがて、図5Dに示すように、窓6および凹部7の側面に側壁状に残っていたカーボン薄膜4−1もエッチングされ、消失する。この異方性エッチング工程は、例えば、カーボン膜の成膜装置とは別に設けられた異方性エッチング装置の処理室内にて行われるが、もちろん、成膜と異方性エッチングとの双方を行える基板処理装置であれば、同一の処理室内で行われてもよい。
Next, as shown in FIGS. 5C to 5D, the
次に、カーボン膜4−1が消失したら、図5Eに示すように、再度、ハードマスク層5および凹部7が形成されたシリコン酸化物膜2の表面を被処理面とし、この被処理面上に、第1の実施形態に係るカーボン膜の成膜方法に従って、被処理面の全体を薄く被覆するカーボン膜4−2を成膜する。
Next, when the carbon film 4-1 disappears, as shown in FIG. 5E, the surface of the
次に、図5F〜図5Gに示すように、ハードマスク層5をマスクに用いて、シリコン酸化物膜2を、例えば、RIE法を用いて異方性エッチングする。この際にも、カーボン膜4−1と同様に、カーボン膜4−2は被処理面に対して垂直方向に存在する部分が側壁状に残り(図5F)、異方性エッチングが進むにつれて側壁状に残っていたカーボン薄膜4−2も消失していく(図5G)。
Next, as shown in FIGS. 5F to 5G, the
このように、カーボン薄膜の成膜と、被処理面に対する異方性エッチングとを繰り返すことで、図5Hに示すように、アスペクト比が大きく、縦長で深い凹部7が、シリコン酸化物膜2中に形成される。
As described above, by repeating the formation of the carbon thin film and the anisotropic etching with respect to the surface to be processed, as shown in FIG. 5H, the aspect ratio is large, and the vertically long and
このように深い凹部7を形成しようとする場合、一気に異方性エッチングを行ってしまうと、凹部7の断面形状が“弓なり”になる現象が発生する(このような現象を以下“ボウイング”という)。このような“ボウイング”の発生を抑制するために、薄いカーボン膜4−1で被覆し、薄いカーボン膜4−1が消失したら、再度、薄いカーボン膜4−2で被覆する。このようなカーボン膜の成膜と、被処理面に対する異方性エッチングとを繰り返すことで、凹部7の側面が過剰にエッチングされてしまうことを抑制でき、ほぼ垂直に近い側面形状を持つ凹部7を、シリコン酸化物膜2中に形成することができる。
When the
このような凹部7の形成工程を含む半導体装置の製造方法では、薄いカーボン膜4−1や4−2がエッチングされて消失するたびに、膜中からCl原子がCl2ガスとなって再放出されていく。再放出されたCl2ガスは、その製造工程中、例えば、むき出しになったシリコン酸化物膜2の表面や、あるいはハードマスク層5に対してエッチングダメージなどの反応ダメージを及ぼす可能性がある。たとえ、再放出されたCl2ガスは、極微量であったとしても、例えば、“1”μm以下にまで微細化された構造を有した半導体装置では、大きな影響を及ぼす可能性がある。
In the method of manufacturing a semiconductor device including the step of forming the
これに対し、第1の実施形態に係るカーボン膜の成膜方法は、Cl2ガスを用いて低温成膜したカーボン膜であったとしても、膜中のCl含有量を、例えば、2%以上5%以下に制御できる。このため、再放出されるCl2ガスは、ステップ3の熱処理をしない場合に比較して1/2以下に減らすことができる。このようなカーボン膜の成膜方法は、例えば、“1”μm以下にまで微細化された構造を有した半導体装置の製造に使用されるカーボン膜の成膜方法として有用である。
On the other hand, even if the carbon film forming method according to the first embodiment is a carbon film formed at low temperature using Cl 2 gas, the Cl content in the film is, for example, 2% or more. It can be controlled to 5% or less. For this reason, the re-released Cl 2 gas can be reduced to ½ or less compared with the case where the heat treatment in
以上、この発明を第1〜第3の実施形態に従って説明したが、この発明は、上記第1〜第3の実施形態に限定されることは無く、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。 As mentioned above, although this invention was demonstrated according to 1st-3rd embodiment, this invention is not limited to the said 1st-3rd embodiment, A various deformation | transformation is possible in the range which does not deviate from the meaning. is there.
例えば、上記実施形態においては、処理条件を具体的に例示したが、処理条件は、上記具体的な例示に限られるものではない。 For example, in the above embodiment, the processing conditions are specifically exemplified, but the processing conditions are not limited to the above specific examples.
また、上記実施形態においては、縦型バッチ式成膜装置を用いてカーボン膜を成膜する例を示したが、もちろん枚葉式成膜装置を用いることも可能であるし、縦型以外のバッチ式成膜装置を用いることも可能である。特に、カーボン膜の成膜と異方性エッチングとを同じ処理室内で行う場合には、枚葉式成膜装置や、縦型以外のバッチ式成膜装置が好適に選択される。 In the above embodiment, an example of forming a carbon film using a vertical batch type film forming apparatus has been shown. Of course, it is possible to use a single wafer type film forming apparatus, and a batch type other than the vertical type. It is also possible to use a film forming apparatus. In particular, when the carbon film formation and the anisotropic etching are performed in the same processing chamber, a single wafer type film forming apparatus or a batch type film forming apparatus other than the vertical type is preferably selected.
その他、この発明はその要旨を逸脱しない範囲で様々に変形することができる。 In addition, the present invention can be variously modified without departing from the gist thereof.
1…シリコン基板、2…シリコン酸化物膜、3…処理室、4、4−1、4−2…カーボン膜、5…ハードマスク層、6…窓、7…凹部
DESCRIPTION OF
Claims (13)
(1) 前記被処理体に、炭化水素系カーボンソースガスと、前記炭化水素系カーボンソースガスの熱分解温度を降下させる塩素ガスとを供給し、成膜温度を、前記炭化水素系カーボンソースガス自体の熱分解温度よりも低い温度として前記被処理面上に前記カーボン膜を成膜する工程と、
(2) 前記カーボン膜が成膜された前記被処理体に、窒素ガス、又は水素ガス、又は窒素および水素を含むガスを供給し、熱処理温度を前記成膜温度以上として前記カーボン膜が成膜された前記被処理体を熱処理する工程と、
を具備することを特徴とするカーボン膜の成膜方法。 A carbon film forming method for forming a carbon film on a surface to be processed of a target object,
(1) A hydrocarbon-based carbon source gas and a chlorine gas that lowers the thermal decomposition temperature of the hydrocarbon-based carbon source gas are supplied to the object to be processed, and the film-forming temperature is set to the hydrocarbon-based carbon source gas. Forming the carbon film on the surface to be treated as a temperature lower than its own thermal decomposition temperature;
(2) Nitrogen gas, hydrogen gas, or a gas containing nitrogen and hydrogen is supplied to the object to be processed on which the carbon film has been formed, and the carbon film is formed with a heat treatment temperature equal to or higher than the film formation temperature. Heat treating the processed object, and
A method of forming a carbon film, comprising:
前記カーボン膜の成膜は、ノンプラズマの熱CVD法にて行うことを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか一項に記載のカーボン膜の成膜方法。 The film formation temperature is a temperature lower than the thermal decomposition temperature in the absence of plasma assist of the hydrocarbon-based carbon source gas alone,
9. The carbon film forming method according to claim 1, wherein the carbon film is formed by a non-plasma thermal CVD method.
CnH2n+2
CmH2m
CmH2m−2
の少なくとも一つの分子式で表わされる炭化水素を含むガスから選ばれること(ただし、nは1以上の自然数、mは2以上の自然数)を特徴とする請求項1から請求項9のいずれか一項に記載のカーボン膜の成膜方法。 The hydrocarbon-based carbon source gas is
C n H 2n + 2
C m H 2m
C m H 2m-2
10. A gas containing a hydrocarbon represented by at least one molecular formula of (wherein n is a natural number of 1 or more and m is a natural number of 2 or more). A method for forming a carbon film as described in 1.
前記カーボン膜が成膜される前記被処理面を有した前記被処理体を収容する処理室と、
前記処理室内に、処理に使用するガスを供給する処理ガス供給機構と、
前記処理室内に収容された前記被処理体を加熱する加熱装置と、
前記処理ガス供給機構、および前記加熱装置を制御するコントローラと、を具備し、
前記コントローラが、請求項1から請求項11のいずれか一項に記載のカーボン膜の成膜方法が実施されるように前記処理ガス供給機構、および前記加熱装置を制御することを特徴とする成膜装置。 A film forming apparatus for forming a carbon film on a surface to be processed of an object to be processed,
A processing chamber containing the object to be processed having the surface to be processed on which the carbon film is formed;
A processing gas supply mechanism for supplying a gas used for processing into the processing chamber;
A heating device for heating the object to be processed accommodated in the processing chamber;
A controller for controlling the processing gas supply mechanism and the heating device,
The controller controls the processing gas supply mechanism and the heating device so that the carbon film forming method according to any one of claims 1 to 11 is performed. Membrane device.
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