JP2018010950A - シリコン窒化膜の成膜方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、Ｖ字の開口断面形状を形成しつつ、埋め込み特性の良好な埋め込み成膜を行うことが可能なシリコン窒化膜の成膜方法を提供することを目的とする。【解決手段】表面に窪みが形成された基板にアンモニア含有ガスを供給し、前記窪みの表面を窒化して前記窪み内に吸着サイトを形成する工程と、前記基板に塩素含有ガスを供給し、該塩素含有ガスを前記窪みの最上部から所定深さまでの所定領域に物理吸着させ、該所定領域に非吸着サイトを形成する工程と、前記基板にシリコン含有ガスを供給し、前記窪み内の前記所定領域以外に残存した底部を含む前記吸着サイトに前記シリコン含有ガスを吸着させ、前記アンモニア含有ガスと前記シリコン含有ガスとの反応によりシリコン窒化膜を成膜する工程と、を有する。【選択図】図１１

Description

本発明は、シリコン窒化膜の成膜方法に関する。
従来から、半導体基板上に形成されたトレンチ内部に酸化障壁膜を形成する工程と、酸化障壁膜上に膨張可能な膜を形成する工程と、焼成することで収縮する埋め込み材を用いて、トレンチを埋め込む工程と、を含み、酸化障壁膜を形成する工程が、トレンチ内部に第１のシード層を形成する工程と、第１のシード層上に窒化シリコン膜を形成する工程とを含み、酸化障壁膜上に膨張可能な膜を形成する工程が、窒化シリコン膜上に第２のシード層を形成する工程と、第２のシード層上にシリコン膜を形成する工程を含むトレンチの埋め込み方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
かかる特許文献１に記載のトレンチの埋め込み方法によれば、トレンチの微細化が更に進展しても、トレンチの内部に、膨張可能な膜及び酸化障壁となる膜を形成することが可能となる。
特開２０１２−１３８５０１号公報
しかしながら、特許文献１に記載されたような膨張可能な膜ではなく、配線用の微細なトレンチ等の窪みにシリコン窒化膜を、ボイドを発生させることなく、良好な埋め込み特性で埋め込みたい場合がある。このような場合には、窪みの形状に沿ったコンフォーマルな埋め込み成膜を行うだけでは不十分で、開口を塞がないようにＶ字の断面形状を維持しつつ窪み内にシリコン窒化膜を充填しないと、良好な埋め込み成膜を行うことができない場合がある。つまり、窪みが微細なため、コンフォーマルに埋め込み成膜を実施しているつもりでも、窪みの中段にボイドが存在する状態で開口を塞いでしまう場合がある。このような成膜では、上述のように、Ｖ字の開口断面形状を維持しつつ徐々に埋め込み成膜を行わないと、ボイドの発生を防ぐことができない。
そこで、本発明は、ボイドの発生を抑制し、埋め込み特性の良好な埋め込み成膜を行うことが可能なシリコン窒化膜の成膜方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る成膜方法は、表面に窪みが形成された基板にアンモニア含有ガスを供給し、前記窪みの表面を窒化して前記窪み内に吸着サイトを形成する工程と、
前記基板に塩素含有ガスを供給し、該塩素含有ガスを前記窪みの最上部から所定深さまでの所定領域に物理吸着させ、該所定領域に非吸着サイトを形成する工程と、
前記基板にシリコン含有ガスを供給し、前記窪み内の前記所定領域以外に残存した底部を含む前記吸着サイトに前記シリコン含有ガスを吸着させ、前記アンモニア含有ガスと前記シリコン含有ガスとの反応によりシリコン窒化膜を成膜する工程と、を有する。
本発明によれば、ボイドを抑制しつつ良好な埋め込み特性で窪み内にシリコン窒化膜を埋め込むことができる。
本発明の実施形態に係るＳｉＮ膜の成膜方法に適用可能な成膜装置の一例の概略縦断面図である。 成膜装置の一例の概略平面図である。 成膜装置の回転テーブルの同心円に沿った断面図である。 成膜装置のプラズマ発生部の一例の縦断面図である。 成膜装置のプラズマ発生部の一例の分解斜視図である。 成膜装置のプラズマ発生部に設けられる筐体の一例の斜視図である。 成膜装置のプラズマ発生部の一例の平面図である。 成膜装置のプラズマ発生部に設けられるファラデーシールドの一部を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るシリコン窒化膜の成膜方法の一例を示した図である。図９（ａ）は、窒化工程の一例を示した図である。図９（ｂ）は、非吸着サイト形成工程の一例を示した図である。 塩素と水素の電気陰性度の差を説明するための図である。図１０（ａ）は、代表的な元素の電気陰性度を示した図である。図１０（ｂ）は、塩素及び水素の電気陰性度を含む所定の元素の電気陰性度を示した一覧表である。図１０（ｃ）は、所定の原子間の結合エネルギーと電気陰性度の差を示した一覧表である。 本発明の実施形態に係るＳｉＮ膜の成膜方法の一例を示した図である。図１１（ａ）は、ウェハＷに形成された窪み１３０の一例を示した図である。図１１（ｂ）は、窒化工程の一例を示した図である。図１１（ｃ）は、非吸着サイト形成工程の一例を示した図である。図１１（ｄ）は、成膜工程の一例を示した図である。 塩素の吸着阻害効果を確認するために行った実験結果を示した図である。 塩素の流量と、シリコン含有ガスの吸着阻害効果との関係を説明するための図である。図１３（ａ）は、塩素の流量とＳｉＮ膜の膜厚の関係を示した図である。図１３（ｂ）は、塩素の流量とＳｉＮ膜のＹ軸上の膜厚を示した図である。 、図１３と同様の塩素の流量を変化させる実験を、表面にトレンチ状の窪み１３０が形成されたウェハＷに対して行った結果を示した図である。図１４（ａ）は、実験結果のＳＥＭ画像を示している。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）の結果をグラフで示した図である。 塩素の吸着が物理吸着であることを確認するために行った実験の結果を示した図である。 本発明の実施形態に係るＳｉＮ膜の成膜方法を、回転テーブル２の回転速度を変化させて実施した結果を示した図である。 図１６で説明した実施結果の窪みの埋め込み特性を示した図である。図１７（ａ）は、回転テーブル２の回転速度を変化させてウェハＷに形成されたトレンチへの埋め込み成膜を実施した結果のＳＥＭ画像を示した図である。図１７（ｂ）は、図１７（ａ）の結果をグラフ化して示した図である。
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。
＜成膜装置の構成＞
図１に、本発明の実施形態に係るシリコン窒化膜の成膜方法を実施するのに好適な成膜装置の一例の概略縦断面図を示す。また、図２に、本発明の実施形態に係るシリコン窒化膜の成膜方法を実施するのに好適な成膜装置の一例の概略平面図を示す。なお、図２では、説明の便宜上、天板１１の描画を省略している。
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置は、平面形状が概ね円形である真空容器１と、この真空容器１内に設けられ、真空容器１の中心に回転中心を有すると共にウェハＷを回転させるための回転テーブル２と、を備えている。
真空容器１は、回転テーブル２の後述する凹部２４に対向する位置に設けられた天板（天井部）１１と、容器本体１２とを備えている。また、容器本体１２の上面の周縁部には、リング状に設けられたシール部材１３が設けられている。そして、天板１１は、容器本体１２から着脱可能に構成されている。平面視における真空容器１の直径寸法（内径寸法）は、限定されないが、例えば１１００ｍｍ程度とすることができる。
真空容器１内の上面側における中央部には、真空容器１内の中心部領域Ｃにおいて互いに異なる処理ガス同士が混ざり合うことを抑制するために分離ガスを供給する、分離ガス供給管５１が接続されている。
回転テーブル２は、中心部にて概略円筒形状のコア部２１に固定されており、このコア部２１の下面に接続されると共に鉛直方向に伸びる回転軸２２に対して、鉛直軸周り、図２に示す例では時計回りに、駆動部２３によって回転自在に構成されている。回転テーブル２の直径寸法は、限定されないが、例えば１０００ｍｍ程度とすることができる。
回転軸２２及び駆動部２３は、ケース体２０に収納されており、このケース体２０は、上面側のフランジ部分が真空容器１の底面部１４の下面に気密に取り付けられている。また、このケース体２０には、回転テーブル２の下方領域にＡｒガス等をパージガス（分離ガス）として供給するためのパージガス供給管７２が接続されている。
真空容器１の底面部１４におけるコア部２１の外周側は、回転テーブル２に下方側から近接するようにリング状に形成されて突出部１２ａを為している。
回転テーブル２の表面部には、直径寸法が例えば３００ｍｍのウェハＷを載置するための円形状の凹部２４が基板載置領域として形成されている。この凹部２４は、回転テーブル２の回転方向に沿って、複数箇所、例えば５箇所に設けられている。凹部２４は、ウェハＷの直径よりも僅かに、具体的には１ｍｍ乃至４ｍｍ程度大きい内径を有する。また、凹部２４の深さは、ウェハＷの厚さにほぼ等しいか、又はウェハＷの厚さよりも大きく構成される。したがって、ウェハＷが凹部２４に収容されると、ウェハＷの表面と、回転テーブル２のウェハＷが載置されない領域の表面とが同じ高さになるか、ウェハＷの表面が回転テーブル２の表面よりも低くなる。なお、凹部２４の深さは、ウェハＷの厚さよりも深い場合であっても、あまり深くすると成膜に影響が出ることがあるので、ウェハＷの厚さの３倍程度の深さまでとすることが好ましい。
凹部２４の底面には、ウェハＷを下方側から突き上げて昇降させるための例えば後述する３本の昇降ピンが貫通する、図示しない貫通孔が形成されている。
図２に示すように、回転テーブル２における凹部２４の通過領域と対向する位置には、例えば石英からなる複数本、例えば５本のノズル３１、３２、３３、４１、４２が真空容器１の周方向に互いに間隔をおいて放射状に配置されている。これら各々のノズル３１、３２、３３、４１、４２は、回転テーブル２と天板１１との間に配置される。また、これら各々のノズル３１、３２、３３、４１、４２は、例えば真空容器１の外周壁から中心部領域Ｃに向かってウェハＷに対向して水平に伸びるように取り付けられている。
図２に示す例では、第１の処理ガスノズル３１から時計回り（回転テーブル２の回転方向）に、分離ガスノズル４２、第２の処理ガスノズル３２、第３の処理ガスノズル３３、分離ガスノズル４１がこの順番で配列されている。しかしながら、本実施形態に係る基板処理装置は、この形態に限定されず、回転テーブル２の回転方向は反時計回りであっても良く、この場合、第１の処理ガスノズル３１から反時計回りに、分離ガスノズル４２、第２の処理ガスノズル３２、第３の処理ガスノズル３３、分離ガスノズル４１がこの順番で配列されることになる。
第２の処理ガスノズル３２の上方側には、図２に示すように、第２のプラズマ処理用ガスノズル３２から吐出される窒化ガスをプラズマ化するために、プラズマ発生部８０が各々設けられている。プラズマ発生部８０については、後述する。窒化ガスには、例えば、アンモニア（ＮＨ３）含有ガスが用いられる。
なお、本実施形態においては、各々の処理領域に１つのノズルを配置する例を示したが、各々の処理領域に複数のノズルを配置する構成であっても良い。例えば、第２の処理ガスノズル３２は、複数のプラズマ処理用ガスノズルから構成され、アンモニア（ＮＨ３）ガスの他、アルゴン（Ａｒ）ガス、水素（Ｈ２）ガス等を各々供給する構成であっても良いし、１つのプラズマ処理用ガスノズルのみを配置し、アンモニアガス、アルゴンガス及び水素ガスの混合ガスを供給する構成であっても良い。
第１の処理ガスノズル３１は、シリコン含有ガス供給部をなしている。また、第２の処理ガスノズル３２は、窒化ガス供給部をなしており、第３の処理ガスノズル３３は、塩素含有ガス供給部をなしている。さらに、分離ガスノズル４１、４２は、各々分離ガス供給部をなしている。
各ノズル３１、３２、３３、４１、４２は、流量調整バルブを介して、図示しない各々のガス供給源に接続されている。
第１の処理ガスノズル３１は、シリコン窒化膜の原料ガスとなるシリコン含有ガスを供給する。用途に応じて種々のシリコン含有ガスを供給してよいが、例えば、ＤＣＳ（ＳｉＨ２Ｃｌ２、ジクロロシラン）ガス等のシラン系ガスを用いることができる。
第１の処理ガスノズル３１から供給されるシリコン含有ガスの例としては、ＤＣＳ［ジクロロシラン］、ＨＣＤ［ヘキサクロロジシラン］、ＤＩＰＡＳ［ジイソプロピルアミノシラン］、３ＤＭＡＳ［トリスジメチルアミノシラン］ガス、ＢＴＢＡＳ［ビスターシャルブチルアミノシラン］等が挙げられる。
第２の処理ガスノズル３２から供給される窒化ガスとしては、アンモニア含有ガスが挙げられ、アンモニアの他、アルゴン、水素等を含んでよい。窒化ガスは、十分な窒化力を得るため、プラズマにより活性化して供給することが好ましい。よって、図２に示されるように、第２の処理ガスノズル３２の上方には、プラズマ発生部８０が設けられている。このため、アンモニア含有ガスは、例えば、プラズマ化して供給するのに適したアルゴン、水素等とともに供給されることが好ましい。
第３の処理ガスノズル３３からは、塩素含有ガスが供給される。塩素含有ガスは、窒化されたウェハＷ又はシリコン窒化膜の表面に、非吸着サイトを形成するために供給される。具体的には、塩素含有ガスは、ウェハＷの表面にトレンチ、ビアホール等の窪みが形成されている場合に、窪みの上部に非吸着サイトを形成し、窪みの底面側から埋め込み成膜が進行するのを促進する役割を果たす。このような役割を果たすため、第３の処理ガスノズル３３から塩素含有ガスが供給されるが、供給されるガスは、塩素ガス単独であってもよいし、他の種類のガスとともに供給されてもよい。よって、第３の処理ガスノズル３３から供給される塩素含有ガスは、単独の塩素ガスと、塩素ガスと他の種類のガスとの混合ガスの双方を含む。
また、分離ガスノズル４１、４２から供給される分離ガスとしては、例えば窒素（Ｎ２）ガス、アルゴンガス等の不活性ガスが挙げられる。
上述したように、図２に示す例では、第１の処理ガスノズル３１から時計回り（回転テーブル２の回転方向）に、分離ガスノズル４２、第２の処理ガスノズル３２、第３の処理ガスノズル３３、分離ガスノズル４１がこの順番で配列されている。即ち、ウェハＷの実際の処理においては、第１の処理ガスノズル３１から供給されたシリコン含有ガスが供給されたウェハＷは、分離ガスノズル４２からの分離ガス、第２の処理ガスノズル３２からの窒化ガス、第３の処理ガスノズル３３からの塩素含有ガス、分離ガスノズル４１からの分離ガスの順番で、ガスに曝される。
これらのノズル３１、３２、３３、４１、４２の下面側（回転テーブル２に対向する側）には、上述の各ガスを吐出するためのガス吐出孔３４が回転テーブル２の半径方向に沿って複数箇所に例えば等間隔に形成されている。各ノズル３１、３２、３３、４１、４２の各々の下端縁と回転テーブル２の上面との離間距離が例えば１〜５ｍｍ程度となるように配置されている。
第１の処理ガスノズル３１の下方領域は、シリコン含有ガスをウェハＷに供給し、ウェハＷの表面に形成された窪み内全体に吸着させるための第１の処理領域Ｐ１である。また、第２の処理ガスノズル３２の下方領域は、ウェハＷの表面上に吸着したシリコン含有ガスと反応して反応生成物であるＳｉＮ膜を生成可能な窒化ガスをプラズマ化してウェハＷの表面上に供給し、ウェハＷの表面に形成された窪み内の表面全体にＳｉＮ膜を堆積させる（埋め込む）ための第２の処理領域Ｐ２である。第３の処理ガスノズル３３の下方領域は、窪み内上部のＳｉＮ膜上に非吸着サイトを形成すべく塩素含有ガスをウェハＷの表面に供給するための第３の処理領域Ｐ３となる。
図３に、本実施形態に係る基板処理装置の回転テーブルの同心円に沿った断面図を示す。なお、図３は、より詳細には、分離領域Ｄから第１の処理領域Ｐ１を経た分離領域Ｄまでの断面図である。
分離領域Ｄにおける真空容器１の天板１１には、概略扇形の凸状部４が設けられている。凸状部４は、天板１１の裏面に取り付けられており、真空容器１内には、凸状部４の下面である平坦な低い天井面４４（第１の天井面）と、この天井面４４の周方向両側に位置する、天井面４４よりも高い天井面４５（第２の天井面）とが形成される。
天井面４４を形成する凸状部４は、図２に示すように、頂部が円弧状に切断された扇型の平面形状を有している。また、凸状部４には、周方向中央において、半径方向に伸びるように形成された溝部４３が形成され、分離ガスノズル４１、４２がこの溝部４３内に収容されている。なお、凸状部４の周縁部（真空容器１の外縁側の部位）は、各処理ガス同士の混合を阻止するために、回転テーブル２の外端面に対向すると共に容器本体１２に対して僅かに離間するように、Ｌ字型に屈曲している。
第１の処理ガスノズル３１の上方側には、シリコン含有ガスをウェハＷに沿って通流させるために、且つ分離ガスがウェハＷの近傍を避けて真空容器１の天板１１側を通流するように、ノズルカバー２３０が設けられている。ノズルカバー２３０は、図３に示すように、第１の処理ガスノズル３１を収納するために下面側が開口する概略箱形のカバー体２３１と、このカバー体２３１の下面側開口端における回転テーブル２の回転方向上流側及び下流側に各々接続された板状体である整流板２３２とを備えている。なお、回転テーブル２の回転中心側におけるカバー体２３１の側壁面は、第１の処理ガスノズル３１の先端部に対向するように回転テーブル２に向かって伸び出している。また、回転テーブル２の外縁側におけるカバー体２３１の側壁面は、第１の処理ガスノズル３１に干渉しないように切り欠かれている。
次に、第２の処理ガスノズル３２の上方側に配置されるプラズマ発生部８０について、詳細に説明する。
図４に、本発明の実施形態に係るシリコン窒化膜の成膜方法に用いられる成膜装置のプラズマ発生部の一例の縦断面図を示す。また、図５に、プラズマ発生部の一例の分解斜視図を示す。さらに、図６に、プラズマ発生部に設けられる筐体の一例の斜視図を示す。
プラズマ発生部８０は、金属線等から形成されるアンテナ８３をコイル状に例えば鉛直軸回りに３重に巻回して構成されている。また、プラズマ発生部８０は、平面視で回転テーブル２の径方向に伸びる帯状体領域を囲むように、且つ回転テーブル２上のウェハＷの直径部分を跨ぐように配置されている。
アンテナ８３は、整合器８４を介して周波数が例えば１３．５６ＭＨｚ及び出力電力が例えば５０００Ｗの高周波電源８５に接続されている。そして、このアンテナ８３は、真空容器１の内部領域から気密に区画されるように設けられている。また、アンテナ８３と整合器８４及び高周波電源８５とを電気的に接続するための接続電極８６が設けられる。
図４及び図５に示すように、第２の処理ガスノズル３２の上方側における天板１１には、平面視で概略扇形に開口する開口部１１ａが形成されている。
開口部１１ａには、図４に示すように、開口部１１ａの開口縁部に沿って、この開口部１１ａに気密に設けられる環状部材８２を有する。後述する筐体９０は、この環状部材８２の内周面側に気密に設けられる。即ち、環状部材８２は、外周側が天板１１の開口部１１ａに臨む内周面１１ｂに対向すると共に、内周側が後述する筐体９０のフランジ部９０ａに対向する位置に、気密に設けられる。そして、この環状部材８２を介して、開口部１１ａには、アンテナ８３を天板１１よりも下方側に位置させるために、例えば石英等の誘導体により構成された筐体９０が設けられる。
図６は、プラズマ発生部８０の筐体の一例を示した図である。図６に示すように、筐体９０は、上方側の周縁部が周方向に亘ってフランジ状に水平に伸び出してフランジ部９０ａをなすと共に、平面視において、中央部が下方側の真空容器１の内部領域に向かって窪むように形成されている。
筐体９０は、この筐体９０の下方にウェハＷが位置した場合に、回転テーブル２の径方向におけるウェハＷの直径部分を跨ぐように配置されている。なお、環状部材８２と天板１１との間には、Ｏ−リング等のシール部材１１ｃが設けられる。
真空容器１の内部雰囲気は、環状部材８２及び筐体９０を介して気密に設定されている。具体的には、筐体９０を開口部１１ａ内に嵌め込み、次いで筐体９０の上面であって、筐体９０の接触部に沿うように枠状に形成された押圧部材９１によって筐体９０を下方側に向かって周方向に亘って押圧する。さらに、この押圧部材９１を図示しないボルト等により天板１１に固定する。これにより、真空容器１の内部雰囲気は気密に設定される。
なお、図２に示されるように、筐体９０は、第３の処理領域Ｐ３、つまり第３の処理ガスノズル３３の上方にも設けられる。第３の処理領域Ｐ３では、プラズマ発生部８０は設けられないが、第２の処理領域Ｐ２で窒化ガスが供給されており、第３の処理領域Ｐ３で塩素含有ガスを供給するため、異なる２種類のガスの混合を防ぐため、仕切を設ける意味で筐体９０のみ設ける。
図６に示すように、筐体９０の下面には、当該筐体９０の下方側の処理領域Ｐ２、Ｐ３の各々を周方向に沿って囲むように、回転テーブル２に向かって垂直に伸び出す突起部９２が形成されている。そして、この突起部９２の内周面、筐体９０の下面及び回転テーブル２の上面により囲まれた領域には、前述した第２の処理ガスノズル３２及び第３の処理用ガスノズル３３が収納されている。なお、第２の処理ガスノズル３２及び第３の処理ガスノズル３３の基端部（真空容器１の内壁側）における突起部９２は、第２の処理ガスノズル３２及び第３の処理ガスノズル３３の外形に沿うように概略円弧状に切り欠かれている。
図４に示すように、筐体９０の下方側には、突起部９２が周方向に亘って形成されている。シール部材１１ｃは、この突起部９２によって、プラズマに直接曝されず、即ち、プラズマ生成領域から隔離されている。そのため、プラズマ生成領域からプラズマが例えばシール部材１１ｃ側に拡散しようとしても、突起部９２の下方を経由して行くことになるので、シール部材１１ｃに到達する前にプラズマが失活することとなる。
筐体９０の上方側には、当該筐体９０の内部形状に概略沿うように形成された導電性の板状体である金属板例えば銅などからなる、接地されたファラデーシールド９５が収納されている。このファラデーシールド９５は、筐体９０の底面に沿うように水平に形成された水平面９５ａと、この水平面９５ａの外終端から周方向に亘って上方側に伸びる垂直面９５ｂと、を備えており、平面視で例えば概略六角形となるように構成されていても良い。
図７に本実施形態に係るプラズマ発生部の一例の平面図を示し、図８に本実施形態に係るプラズマ発生部に設けられるファラデーシールドの一部を示す斜視図を示す。
回転テーブル２の回転中心からファラデーシールド９５を見た場合の右側及び左側におけるファラデーシールド９５の上端縁は、各々、右側及び左側に水平に伸び出して支持部９６を為している。そして、ファラデーシールド９５と筐体９０との間には、支持部９６を下方側から支持すると共に筐体９０の中心部領域Ｃ側及び回転テーブル２の外縁部側のフランジ部９０ａに各々支持される枠状体９９が設けられている。
アンテナ８３によって生成した電界がウェハＷに到達する場合、ウェハＷの内部に形成されているパターン（電気配線等）が電気的にダメージを受けてしまう場合がある。そのため、図８に示すように、水平面９５ａには、アンテナ８３において発生する電界及び磁界（電磁界）のうち電界成分が下方のウェハＷに向かうことを阻止すると共に、磁界をウェハＷに到達させるために、多数のスリット９７が形成されている。
スリット９７は、図７及び図８に示すように、アンテナ８３の巻回方向に対して直交する方向に伸びるように、周方向に亘ってアンテナ８３の下方位置に形成されている。ここで、スリット９７は、アンテナ８３に供給される高周波に対応する波長の１／１００００以下程度の幅寸法となるように形成されている。また、各々のスリット９７の長さ方向における一端側及び他端側には、これらスリット９７の開口端を塞ぐように、接地された導電体等から形成される導電路９７ａが周方向に亘って配置されている。ファラデーシールド９５においてこれらスリット９７の形成領域から外れた領域、即ち、アンテナ８３の巻回された領域の中央側には、当該領域を介してプラズマの発光状態を確認するための開口部９８が形成されている。なお、前述した図２においては、簡単のために、スリット９７を省略しており、スリット９７の形成領域例を、一点鎖線で示している。
図５に示すように、ファラデーシールド９５の水平面９５ａ上には、ファラデーシールド９５の上方に載置されるプラズマ発生部８１ａ、８１ｂとの間の絶縁性を確保するために、厚み寸法が例えば２ｍｍ程度の石英等から形成される絶縁板９４が積層されている。即ち、プラズマ発生部８１ａ、８１ｂは、各々、筐体９０、ファラデーシールド９５及び絶縁板９４を介して真空容器１の内部（回転テーブル２上のウェハＷ）を臨むように配置されている。
なお、第３の処理領域Ｐ３においては、図５に示す筐体９０のみが設けられ、プラズマ発生部８０を含めた筐体９０より上方の部品は設けなくてよい。
再び、本実施形態に係る基板処理装置の他の構成要素について、説明する。
回転テーブル２の外周側において、回転テーブル２よりも僅かに下位置には、図２に示すように、カバー体であるサイドリング１００が配置されている。サイドリング１００の上面には、互いに周方向に離間するように例えば２箇所に排気口６１、６２が形成されている。別の言い方をすると、真空容器１の床面には、２つの排気口が形成され、これら排気口に対応する位置におけるサイドリング１００には、排気口６１、６２が形成されている。
本明細書においては、排気口６１、６２のうち一方及び他方を、各々、第１の排気口６１、第２の排気口６２と呼ぶ。ここでは、第１の排気口６１は、分離ガスノズル４２と、この分離ガスノズル４２に対して、回転テーブルの回転方向下流側に位置する第１のプラズマ発生部８１ａとの間に形成されている。また、第２の排気口６２は、第２のプラズマ発生部８１ｂと、このプラズマ発生部８１ｂよりも回転テーブル２の回転方向下流側の分離領域Ｄとの間に形成されている。
第１の排気口６１は、第１の処理ガスや分離ガスを排気するためのものであり、第２の排気口６２は、プラズマ処理用ガスや分離ガスを排気するためのものである。これら第１の排気口６１及び第２の排気口６２は、各々、バタフライバルブ等の圧力調整部６５が介設された排気管６３により、真空排気機構である例えば真空ポンプ６４に接続されている。
前述したように、中心部領域Ｃ側から外縁側に亘って筐体９０を配置しているため、プラズマ処理領域Ｐ２、Ｐ３に対して回転テーブル２の回転方向上流側から通流してくるガスは、この筐体９０によって排気口６２に向かおうとするガス流が規制されてしまうことがある。そのため、筐体９０よりも外周側におけるサイドリング１００の上面には、ガスが流れるための溝状のガス流路１０１（図１及び図２参照）が形成されている。
天板１１の下面における中央部には、図１に示すように、凸状部４における中心部領域Ｃ側の部位と連続して周方向に亘って概略リング状に形成されると共に、その下面が凸状部４の下面（天井面４４）と同じ高さに形成された突出部５が設けられている。この突出部５よりも回転テーブル２の回転中心側におけるコア部２１の上方側には、中心部領域Ｃにおいて各種ガスが互いに混ざり合うことを抑制するためのラビリンス構造部１１０が配置されている。
前述したように筐体９０は中心部領域Ｃ側に寄った位置まで形成されているので、回転テーブル２の中央部を支持するコア部２１は、回転テーブル２の上方側の部位が筐体９０を避けるように回転中心側に形成されている。そのため、中心部領域Ｃ側では、外縁部側よりも、各種ガス同士が混ざりやすい状態となっている。そのため、コア部２１の上方側にラビリンス構造を形成することにより、ガスの流路を稼ぎ、ガス同士が混ざり合うことを防止することができる。
より具体的には、ラビリンス構造部１１０は、回転テーブル２側から天板１１側に向かって垂直に伸びる壁部と、天板１１側から回転テーブル２に向かって垂直に伸びる壁部とが、各々周方向に亘って形成されると共に、回転テーブル２の半径方向において交互に配置された構造を有する。ラビリンス構造部１１０では、例えば第１の処理ガスノズル３１から吐出されて中心部領域Ｃに向かおうとする第１の処理ガスは、ラビリンス構造部１１０を乗り越えていく必要がある。そのため、中心部領域Ｃに向かうにつれて流速が遅くなり、拡散しにくくなる。結果として、処理ガスが中心部領域Ｃに到達する前に、中心部領域Ｃに供給される分離ガスにより、処理領域Ｐ１側に押し戻されることになる。また、中心部領域Ｃに向かおうとする他のガスについても、同様にラビリンス構造部１１０によって中心部領域Ｃに到達しにくくなる。そのため、処理ガス同士が中心部領域Ｃにおいて互いに混ざり合うことが防止される。
一方、分離ガス供給管５１からこの中心部領域Ｃに供給された分離ガスは、周方向に勢いよく拡散しようとするが、ラビリンス構造部１１０を設けているため、ラビリンス構造部１１０を乗り越えるうちに流速が抑えられていく。この場合、窒素ガスは、例えば回転テーブル２と突起部９２との間の極めて狭い領域へも侵入しようとするが、ラビリンス構造部１１０により流速が抑えられているので、例えば搬送アーム１０の進退領域等の比較的広い領域へと流れていく。そのため、筐体９０の下方側への窒素ガスの流入が抑えられる。
回転テーブル２と真空容器１の底面部１４との間の空間には、図１に示すように、加熱機構であるヒータユニット７が設けられている。ヒータユニット７は、回転テーブル２を介して回転テーブル２上のウェハＷを例えば室温〜７６０℃程度に加熱することができる構成となっている。なお、図１において、ヒータユニット７の側方側にカバー部材７１ａ設けられており、ヒータユニット７の上方には、ヒータユニット７の上方側を覆う覆い部材７ａが設けられている。また、真空容器１の底面部１４には、ヒータユニット７の下方側において、ヒータユニット７の配置空間をパージするためのパージガス供給管７３が、周方向に亘って複数個所に設けられている。
真空容器１の側壁には、図２に示すように、搬送アーム１０と回転テーブル２との間においてウェハＷの受け渡しを行うための搬送口１５が形成されている。この搬送口１５は、ゲートバルブＧより気密に開閉自在に構成されている。
回転テーブル２の凹部２４は、この搬送口１５に臨む位置にて搬送アーム１０との間でウェハＷの受け渡しが行われる。そのため、回転テーブル２の下方側の受け渡し位置に対応する箇所には、凹部２４を貫通してウェハＷを裏面から持ち上げるための図示しない昇降ピン及び昇降機構が設けられている。
また、本実施形態に係る基板処理装置には、装置全体の動作を制御するためのコンピュータからなる制御部１２０が設けられている。この制御部１２０のメモリ内には、後述の基板処理を行うためのプログラムが格納されている。このプログラムは、装置の各種動作を実行するようにステップ群が組まれており、ハードディスク、コンパクトディスク、光磁気ディスク、メモリカード、フレキシブルディスク等の記憶媒体である記憶部１２１から制御部１２０内にインストールされる。
＜シリコン窒化膜の成膜方法＞
次に、本発明の実施形態に係るシリコン窒化膜の成膜方法について説明する。まず、上述の成膜装置を用いないプロセスにも適用可能な、本実施形態に係るシリコン窒化膜の成膜方法の原理について説明する。但し、説明は、上述の成膜装置との関係を述べながら説明する。
図９は、本発明の実施形態に係るシリコン窒化膜の成膜方法の一例を示した図である。図９（ａ）は、窒化工程の一例を示した図である。窒化工程では、ウェハＷに窒化ガスが供給され、基板表面、又は基板表面に既にＳｉＮ膜が成膜されている場合にはＳｉＮ膜表面の窒化が行われる。窒化ガスは、図９（ａ）においては、ＮＨ３とＡｒの混合ガス、即ちアンモニア含有ガスが用いられている。なお、窒化工程は、成膜対象の表面を窒化し、ＮＨ２基を表面に形成できれば、窒化方法は問わないが、プラズマにより窒化ガスを活性化して供給してもよい。上述の成膜装置では、第２の処理領域Ｐ２にて、第２の処理ガスノズル３２からＮＨ３／Ａｒが供給され、プラズマ発生部８０により活性化されてウェハＷの表面に供給される。かかる窒化工程により、表面にシリコン含有ガスの吸着サイトが形成される。
図９（ｂ）は、非吸着サイト形成工程の一例を示した図である。非吸着サイト形成工程では、ウェハＷの表面に塩素含有ガスを供給し、塩素ガスのＮＨ２基への物理吸着により、部分的にシリコン含有ガスの非吸着サイトを形成する。ここで、塩素ガスのＮＨ２基への物理吸着は、ＮＨ２基の先端にある水素Ｈと塩素Ｃｌとの電気陰性度の差によるイオン的な吸着である。
図１０は、塩素と水素の電気陰性度の差を説明するための図である。図１０（ａ）は、代表的な元素の電気陰性度を示した図である。図１０（ａ）において、横軸は族、縦軸は周期、鉛直軸は電気陰性度の大きさを示している。図１０（ａ）に示されるように、各元素は、種々の電気陰性度を有する。
図１０（ｂ）は、塩素及び水素の電気陰性度を含む所定の元素の電気陰性度を示した一覧表である。図１０（ｂ）に示されるように、塩素の電気陰性度は３．０であり、水素の電気陰性度は２．１であるので、両者の電気陰性度の差は０．９である。
図１０（ｃ）は、所定の原子間の結合エネルギーと電気陰性度の差を示した一覧表である。図１０（ｂ）で説明した通り、Ｈ−Ｃｌ間の電気陰性度の差は０．９であり、Ｓｉ−Ｆ間の２．２、Ｓｉ−Ｏ間の１．７よりは小さいが、Ｓｉ−Ｈ間の０．３よりは大きい値である。よって、あまり強くは無いが、ある程度の吸引力で吸着している、というレベルにあると考えられる。
図９（ｂ）に戻る。図９（ｂ）に示されるように、非吸着サイト形成工程では、水素に塩素が物理吸着する状態となる。なお、塩素の吸着は総てのＮＨ２基に行う訳ではなく、所定の領域にのみ選択的に行われる。ＮＨ２基が平坦面上に形成されていると、そのような選択的な非吸着サイトの形成は困難であるが、ウェハＷの表面に形成されたトレント、ビアホール等の窪みに埋め込み成膜を行う場合には、塩素は必ずしも窪みの奥まで到達せず、窪みの上部にのみ非吸着サイトを形成することが可能となる。なお、この点の詳細については後述する。
また、非吸着サイド形成工程は、上述の成膜装置を用いる場合には、第３の処理領域Ｐ３において、第３の処理ガスノズル３３から塩素含有ガスが供給されることにより行われる。図９（ｂ）においては、Ｃｌ２／Ａｒの混合ガスが供給された例が示されている。また、非吸着サイト形成工程では、物理吸着により塩素ガスをＮＨ２基に吸着させるため、プラズマは用いないのが一般的である。上述の成膜装置においても、第３の処理領域Ｐ３ではプラズマ発生部８０を設けていない。
図９（ｃ）は、成膜工程の一例を示した図である。成膜工程では、ウェハＷにシリコン含有ガスが供給される。シリコン含有ガスは、吸着サイトであるＮＨ２基に吸着し、非吸着サイトであるＣｌ２が吸着した領域には吸着しない。よって、選択的にシリコン含有ガスの吸着が行われる。吸着したシリコン含有ガスは、ＨＣｌが抜け、化学反応により表面上に堆積し、ＳｉＮ膜が成膜される。なお、シリコン含有ガスは、図９（ｃ）においては、ＤＣＳが用いられた例が挙げられている。
成膜工程は、上述の成膜装置では、第１の処理領域Ｐ１にて、第１の処理ガスノズル３１からシリコン含有ガスが供給されることにより行われる。また、ＮＨ２基に物理吸着した塩素は、あまり強い吸着ではないので、徐々に吸着が解けて減少してゆき、消滅してしまう。例えば、上述の成膜装置では、ウェハＷが分離領域Ｄを通過し、分離ガスが供給されてパージされた段階で吹き飛ばされて消滅する場合が多い。
図９（ａ）〜（ｃ）に示した窒化工程、非吸着サイド形成工程、成膜工程を順次繰り返すことにより、徐々にＳｉＮ膜が堆積し、成膜が進行することになる。
このようなウェハＷへのガスの供給が可能であれば、処理室内に、時間の経過とともに切り替えて供給することにより、本実施形態に係る成膜方法を実施することができる。よって、本実施形態に係る成膜方法は、上述の成膜装置に限らず、種々の成膜装置で実施可能である。
図１１は、図９及び図１０で説明した成膜方法の原理を用いて、ウェハＷの表面に形成された窪みに埋め込みを行う成膜方法の一例を示した図である。
図１１（ａ）は、ウェハＷに形成された窪み１３０の一例を示した図である。図１１（ａ）に示されるように、ウェハＷの表面には、トレンチ、ビアホール等の窪み１３０が形成されている。窪み１３０は、一般的には、何らかのパターンを形成するように構成されている。ウェハＷの窪み１３０内も含めた表面には、例えば、ＯＨ基が形成されている。
図１１（ｂ）は、窒化工程の一例を示した図である。窒化工程においては、ウェハＷの表面に窒化ガスが供給され、窪み１３０内全体を含むウェハＷの表面が窒化される。窒化工程により、ウェハＷの窪み１３０内を含む表面全体にＮＨ２基が形成される。
図１１（ｃ）は、非吸着サイト形成工程の一例を示した図である。非吸着サイト形成工程では、ウェハＷの表面に塩素含有ガスが供給され、塩素ガスが窪み１３０の表面から所定深さの上部の範囲に吸着する。上述のように、ＮＨ２基のＨにＣｌが物理吸着し、一時的に非吸着サイトが形成される。なお、塩素の深さ方向の吸着は、上述の成膜装置であれば、回転テーブル２の回転速度、塩素含有ガスの流量等により調整可能である。つまり、長時間に亘り塩素含有ガスが供給されれば、塩素ガスは窪み１３０の底面まで吸着してしまい、窪み１３０の上部にのみ非吸着サイトを形成することができなくなるが、塩素含有ガスが供給されている時間を適度に短くすることにより、窪み１３０の上部にのみ塩素ガスが物理吸着する状態を作り出すことができる。なお、これは、ガスの切り替えにより本実施形態に係る成膜方法を行う場合も同様であり、ガスの切り替え時間を調整することにより、窪み１３０の上部にのみ塩素が物理吸着する状態を作り出すことができる。
非吸着サイト形成工程により、窪み１３０の上端から所定深さまでの範囲の上端部にのみ非吸着サイトを形成し、それよりも下方にはＮＨ２基の吸着サイトを残すことができる。
図１１（ｄ）は、成膜工程の一例を示した図である。成膜工程においては、ウェハＷの表面にシリコン含有ガスが供給され、吸着サイトにシリコン含有ガスが吸着し、化学反応によりシリコン窒化膜が生成され、堆積する。上述のように、窪み１３０内の上部の所定領域には非吸着サイトが形成されているが、それ以外の領域は吸着サイトであるＮＨ２基が形成されているので、シリコン窒化膜は、窪み１３０内の上部には成膜されず、底面を含む下部にのみ成膜される。よって、図１１（ｄ）の下段に示すように、窪み１３０内の底面部を含む下部が厚く、上部が薄いボトムアップ成膜を行うことができる。
なお、図１１（ｄ）においては、シリコン含有ガスとして、ＤＣＳを用いた例を示している。
図１１（ｂ）〜（ｄ）に示した窒化工程、非吸着サイト形成工程及び成膜工程を繰り返すことにより、図１１（ｄ）の下段に示すように、Ｖ字の断面形状を有する開口形状を維持しつつ、埋め込み特性の良好な成膜を行うことができる。これにより、ボイドやシームの発生を抑制しつつ窪み１３０を埋め込むことができ、ステップカバレージ（段差被覆性、埋め込み特性）の良好な埋め込み成膜を行うことができる。
次に、本発明の実施形態に係る成膜方法を創作するまでに行った実験及び実施例について説明する。
図１２は、塩素の吸着阻害効果を確認するために行った実験結果を示した図である。塩素の吸着阻害効果を確認するため、塩素を供給しないＳｉＮ成膜プロセスと、塩素を供給するＳｉＮ成膜プロセスを実施し、両者を比較した。なお、塩素を供給しないＳｉＮ成膜プロセスは、非吸着サイト形成工程を設けない成膜プロセスを意味し、塩素を供給するＳｉＮ成膜プロセスとは、図９乃至１１で説明した本発明の実施形態に係るＳｉＮ成膜プロセスである。
なお、実験は、上述の回転テーブル式のＡＬＤ成膜装置を用いて、５００℃のウェハ温度、０．７５Ｔｏｒｒの圧力、回転テーブル２の回転速度５ｒｐｍの条件下で行った。また、シリコン含有ガスとしては、ＤＣＳ１０００ｓｃｃｍとキャリアガスのＮ２ガス５００ｓｃｃｍを供給した。窒化ガスは、Ａｒ／ＮＨ３の混合ガスをそれぞれ２０００／３００ｓｃｃｍで供給し、プラズマ発生部８０の出力は５ｋＷとした。また、塩素含有ガスは、Ａｒ／Ｃｌ２の混合ガスをそれぞれ２０００／３００ｓｃｃｍの流量で供給した。上述のように、塩素含有ガスの供給では、プラズマは使用しなかった。また、成膜時間は４２００秒である。
図１２において、横軸は成膜時間（秒）、縦軸はＳｉＮ膜の厚さ（ｎｍ）を示し、特性Ａが塩素供給なし、特性Ｂが塩素供給ありの条件である。なお、ウェハＷの表面に窪み１３０は形成されておらず、平坦面上への成膜を行った。図１２に示される通り、塩素を供給しない特性Ａよりも、塩素を供給した特性Ｂの膜厚が大幅に小さくなっており、塩素にＤＣＳの吸着を阻害する効果があることが示された。
図１３は、塩素の流量と、シリコン含有ガスの吸着阻害効果との関係を説明するための図である。供給する塩素の流量を変化させ、成膜されるＳｉＮ膜の膜厚及び面内均一性がどのような影響を受けるかについて実験を行った。なお、実験条件は、塩素ガス以外の条件は、図１２で説明した条件と同様である。また、塩素ガスは、ともに供給されるＡｒは２０００ｓｃｃｍで一定とし、０、６、１０、５０、３００ｓｃｃｍと変化させて実験を行った。
図１３（ａ）は、塩素の流量とＳｉＮ膜の膜厚の関係を示した図である。図１３（ａ）に示されると取り、塩素の流量を増加させるにつれてＳｉＮ膜の膜厚が小さくなっており、塩素の流量が多い程、デポジション・レートは低下することが示された。
図１３（ｂ）は、塩素の流量とＳｉＮ膜のＹ軸上（回転テーブルの半径方向に平行で、ウェハＷの中心を通る軸）の膜厚を示した図である。また、塩素の流量が０、６、１０、５０、３００ｓｃｃｍの場合を、特性Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅで各々示している。図１３（ｂ）に示される通り、回転テーブル２の外周側では、塩素を供給したＢ〜Ｅでは総てＤＣＳの吸着を阻害する効果が見られるが、それは膜厚３ｍｍ程度までであり、それより厚い膜厚では、効果が発揮されず、回転テーブル２の中心側の位置では、塩素の流量が少なくなるにつれて膜厚が大きくなっている。しかしながら、塩素の流量が３００ｓｃｃｍの場合には、Ｙ軸上の総てにおいて３ｍｍ前後の膜厚が保たれており、十分な吸着阻害効果と面内均一性が得られている。
このように、図１３の実験結果によれば、供給する塩素の流量が大きい程、デポジション・レートは低下することが示された。
図１４は、図１３と同様の塩素の流量を変化させる実験を、表面にトレンチ状の窪み１３０が形成されたウェハＷに対して行った結果を示した図である。なお、形成されたトレンチは、開口幅が２５０ｎｍ、深さが２１００ｎｍであり、アスペクト比が８．４であった。また、塩素の流量が５０ｓｃｃｍの場合については、実験を行わず、塩素の流量が０、６、１０、３００ｓｃｃｍの場合の結果について示してある。
図１４（ａ）は、実験結果のＳＥＭ画像を示している。図１４（ａ）において、トレンチの断面を深さ方向に沿って上端からＴＯＰ／Ｔ−Ｓｉｄｅ、ＣＴＲ−Ｔ、ＣＴＲ−Ｂ、ＢＴＭの４つの領域に区分して示している。なお、ＣＴＲ−Ｔは深さ０．６μｍの位置、ＣＴＲ−Ｂは深さ１．２μｍの位置、ＢＴＭは深さ２．０μｍの位置を示している。
塩素流量が０、６、１０、３００ｓｃｃｍの各例において、窪み１３０の上端付近のウェハＷの平坦面の表面（ＴＯＰ）の膜厚を１００％とし、これに対して、Ｔ−Ｓｉｄｅ、ＣＴＲ−Ｔ、ＣＴＲ−Ｂ、ＢＴＭが何％の膜厚を有するかを示している。
図１４（ａ）において、塩素を供給しない場合には、トレンチ内の膜厚はいずれも１００％未満であり、しかもトレンチの底面に近付く程膜厚は小さくなっている。よって、上端の開口部を塞ぎやすい成膜結果となっている。
一方、塩素を６ｓｃｃｍの流量で供給した場合は、ＢＴＭは９９％で１００％よりやや薄くなっているものの、ＣＴＲ−Ｂで１０３％と上端付近表面よりも厚く成膜され、ＣＴＲ−Ｔ、Ｔ−Ｓｉｄｅでは９６％、９７％とこれよりも薄く成膜されている。よって、Ｖ字断面形状の開口を有する埋め込み特性の良好な成膜状態となっている。
同様に、塩素を１０ｓｃｃｍの流量で供給した場合は、ＢＴＭは９９％で１００％よりやや薄くなっているものの、ＣＴＲ−Ｂで１０８％、ＣＴＲ−Ｔで１０９％と上端付近表面よりもかなり厚く成膜され、Ｔ−Ｓｉｄｅでは１００％とこれよりも薄く成膜されている。よって、６ｓｃｃｍの実施例程ではないものの、Ｖ字断面形状の開口を有する埋め込み特性の良好な成膜状態となっていると言える。
塩素を３００ｓｃｃｍの流量で供給した場合には、ＢＴＭが８８％、ＣＴＲ−Ｂ及びＣＴＲ−Ｔが９０％、Ｔ−Ｓｉｄｅが７８％と、全体的に膜厚が薄いが、ＢＴＭ、ＣＴＲ−Ｂ及びＣＴＲ−ＴよりもＴ−Ｓｉｄｅが薄く成膜され、Ｖ字断面形状に近い状態となっていると言える。
図１４（ｂ）は、図１４（ａ）の結果をグラフで示した図である。図１４（ｂ）に示される通り、塩素の流量が６ｓｃｃｍ、１０ｓｃｃｍの場合には、ＴＯＰ、Ｔ−ＳｉｄｅよりもＣＴＲ−Ｂの膜厚が大きくなり、埋め込み特性の良好な成膜がなされている。一方、塩素を供給しない場合には、底面から上端に向かって膜厚が少しずつ厚くなっており、コンフォーマルではあるが、埋め込み特性はあまり良くなく、Ｖ字断面形状は形成されていない。
塩素の流量が３００ｓｃｃｍの場合には、Ｔ−ＳｉｄｅよりもＣＴＲ−Ｔ、ＣＴＲ−Ｂ、ＢＴＭの膜厚が大きく、ややＶ字断面形状となっているが、底面側の膜厚が低下し、埋め込み特性が良好ではない状態である。
このように、図１４の実施例によれば、成膜中に塩素を供給し、かつ塩素の流量を調整することにより、成膜時のＶ字断面形状及び埋め込み特性を適切に向上させることができることが示された。
図１５は、塩素の吸着が物理吸着であることを確認するために行った実験の結果を示した図である。図１５に係る実験では、本実施形態に係る１サイクル中で塩素を供給する工程を有するプロセスと、ＳｉＮ膜をまず成膜してしまい、その後に塩素を供給し、そしてまたＳｉＮ膜を成膜し、その後に塩素を供給するという、ＳｉＮ成膜と塩素供給を２ステップで行う２ステッププロセスとを行った。
図１５において、左側のＮｏｒｍａｌが本実施形態に係る成膜方法、右側の２Ｓｔｅｐが２ステップの成膜方法の実施結果である。なお、成膜条件は、ウェハ温度が５００℃、処理室内の圧力が０．７５Ｔｏｒｒ、回転速度は５ｒｐｍである。本実施形態に係る成膜方法では、今までの成膜条件と同様であるが、２ステップの成膜方法では、成膜ステップでは、シリコン含有ガスとして、ＤＣＳ／Ｎ２（キャリアガス）を各々１０００／５００ｓｃｃｍで供給し、窒化ガスとしてＡｒ／ＮＨ３を２０００／３００ｓｃｃｍで供給し、１サイクル１２０秒を３５サイクル繰り返した。なお、プラズマの出力は５ｋＷであった。
また、塩素供給ステップは、Ａｒ／Ｃｌ２の混合ガスを２０００／６ｓｃｃｍ、プラズマを発生させずに供給した。２秒のサイクルと、４秒のサイクルの２パターンを、各々３５サイクル繰り返した。１２０秒成膜、２秒塩素供給を１サイクルとし、３５サイクル繰り返す２ステッププロセスと、１２０秒成膜、４秒塩素供給を１サイクルとし、３５サイクル繰り返す２ステッププロセスの双方を実施した。
図１５に示されるように、実施形態の塩素を６ｓｃｃｍ供給する成膜方法のみ膜厚が低下しているが、本実施例から塩素供給ステップ（非吸着サイト形成工程）を無くしたプロセスと、２ステップのプロセスは、ほぼ同様の膜厚となった。これは、２ステッププロセスを実施しても、塩素を供給しないプロセスと同じ効果しか無かったことを意味する。つまり、２ステッププロセスで塩素をウェハＷに供給しても、シリコン含有ガスの吸着阻害効果は得られないことを意味する。これは、塩素を供給しても、塩素供給ステップと成膜ステップとの間のパージガス（分離ガス）の供給で塩素が吹き飛ばされていることを意味する。つまり、塩素の吸着は、化学反応による吸着ではなく、一時的に吸着しているに過ぎない物理的吸着であることを意味する。よって、塩素の供給により、成膜は一時阻害されるが、飽くまで一時的な阻害であり、次にシリコン含有ガスが供給される際にシリコン含有ガスを阻害する機能しか有しない。よって、非吸着サイトの形成領域（窪み１３０内の深さ）を制御することにより、全体の成膜は阻害することなく、一時的な阻害により、Ｖ字断面形状を形成しながら埋め込み成膜を行うことが可能となる。
本発明の実施形態に係る成膜方法は、このような塩素ガスの物理的吸着を巧みに利用して開口を塞がない埋め込み特性の良好な成膜を実現していると言える。
図１６は、本発明の実施形態に係るＳｉＮ膜の成膜方法を、回転テーブル２の回転速度を変化させて実施した結果を示した図である。成膜条件は、今までと同様であり、ウェハ温度５００℃、真空容器１内の圧力が０．７５Ｔｏｒｒである。また、シリコン含有ガスは、ＤＣＳ／Ｎ２（キャリアガス）を１０００／５００ｓｃｃｍで供給し、窒化ガスＡｒ／ＮＨ３を２０００／６ｓｃｃｍで供給した。プラズマ発生部８０の出力は５ｋＷであった。また、塩素含有ガスは、Ａｒ／Ｃｌ２を２０００／６ｓｃｃｍの流量で供給した。回転テーブル２の回転速度を５、１５、３０、６０ｒｐｍに変化させ、４２００秒間成膜を行った。
図１６に示されるように、回転テーブル２の回転速度が高い程、デポジション・レートは増加することが分かる。
図１７は、図１６で説明した実施結果の窪みの埋め込み特性を示した図である。図１７（ａ）は、図１６で説明した条件で、回転テーブル２の回転速度を変化させてウェハＷに形成されたトレンチへの埋め込み成膜を実施した結果のＳＥＭ画像を示した図である。なお、各実施例において、ＴＯＰの膜厚を１００％とし、それを基準としてＴ−Ｓｉｄｅ、ＣＲＴ−Ｔ、ＣＲＴ−Ｂ、ＢＴＭの膜厚を示している点は、図１４（ａ）における説明と同様である。
図１７（ａ）において、回転速度が５ｒｐｍの場合、ＢＴＭが９９％とＴＯＰとほぼ同様の膜厚となり、ＣＴＲ−Ｂが１０３％とＴＯＰよりも厚い膜厚となっている。更に、ＣＴＲ−Ｔ、Ｔ−Ｓｉｄｅはそれぞれ９６％、９７％であり、下部よりも薄い膜厚となっている。よって、回転速度が５ｒｐｍの実施例では、Ｖ字断面形状を有する埋め込み特性の良好な成膜を行うことができた。
一方、回転テーブル２の回転速度が１５、３０、６０ｒｐｍの実施例では、ＢＴＭ、ＣＴＲ−Ｂ、ＣＴＲ−Ｔの膜厚が、いずれもＴ−Ｓｉｄｅの膜厚よりも薄く、Ｖ字形状断面を形成しつつ埋め込み成膜を行うことはできなかった。
図１７（ｂ）は、図１７（ａ）の結果をグラフ化して示した図である。図１７（ｂ）に示される通り、回転テーブル２の回転速度が５ｒｐｍの実施例では、膜厚が厚く、かつ底部側の方が上部側よりも膜厚が厚く、良好な埋め込み特性が得られている。一方、回転テーブル２の回転速度が１５、３０、６０ｒｐｍの場合には、底面側の埋め込み特性が必ずしも良好ではなく、５ｒｐｍの結果と比較して、必ずしも良好な埋め込み特性は得られなかった。
このように、良好な埋め込み特性を実現するためには、回転テーブル２の回転速度を適切に調整する方が好ましく、回転速度は、１５ｒｐｍよりも低い値が好ましく、例えば５ｒｐｍ、６ｒｐｍといった回転速度が適切であることが示された。
次に、図９及び図１１を主に用いて、上述の回転テーブル式の成膜装置を用いた本発明の実施形態に係るＳｉＮ膜の成膜方法について、ウェハＷの搬送等の動作も含めて説明する。
先ず、上述した基板処理装置へのウェハＷの搬入に際しては、先ず、ゲートバルブＧを開放する。そして、回転テーブル２を間欠的に回転させながら、図示しない搬送アームにより搬送口１５を介して回転テーブル２上に載置する（図２参照）。なお、ウェハＷの表面には、トレンチ、ビアホール等の窪み１３０が形成されている。
次いで、ゲートバルブＧを閉じて、ヒータユニット７により、ウェハＷを所定の温度に加熱する。続いて、第１の処理ガスノズル３１からシリコン含有ガスを所定の流量で吐出すると共に、第２の処理ガスノズル３２からは窒化ガスを所定の流量で吐出する。また、第３の処理ガスノズル３３からは、所定の流量で塩素含有ガスを供給する。
そして、圧力調整部６５により真空容器１内を所定の圧力に調整する。また、プラズマ発生部８０では、アンテナ８３に対して、所定の出力の高周波電力を印加する。
ウェハＷの表面では、回転テーブル２の回転によって第２の処理領域Ｐ２において、プラズマ発生部８０により活性化された窒化ガスが第２の処理ガスノズル３２からウェハＷの表面に供給され、窪み１３０も含めてウェハＷの表面全体が窒化される。これにより、ウェハＷの表面にＮＨ２基の吸着サイトが形成される。
ウェハＷは次に、回転テーブル２の回転により、第３の処理領域Ｐ３を通過する。第３の処理領域Ｐ３では、第３の処理ガスノズル３３から供給された塩素含有ガスがウェハＷの表面に供給され、窪み１３０の上部の所定領域に塩素が物理吸着し、非吸着サイトが窪み１３０の上部の所定領域に形成される。なお、上部の所定領域は、ウェハＷの平坦面から所定深さを有する窪み１３０内の上部領域である。上部の所定領域の所定深さは、塩素の供給流量及び回転テーブル２の回転速度により調整される。なお、塩素の流量は例えば０ｓｃｃｍより大きく１０ｓｃｃｍ以下の範囲が好ましく、０ｓｃｃｍより大きく６ｓｃｃｍ以下の範囲と、５ｓｃｃｍ以上１０ｓｃｃｍ以下の範囲がより好ましい。また、塩素の流量は、５ｓｃｃｍ以上６ｓｃｃｍ以下の範囲にあることが更に好ましい。
また、回転テーブル２の回転速度は、０ｒｐｍより高く１５ｒｐｍ未満であることが好ましく、０ｒｐｍより高く６ｐｍ以下の範囲又は５ｒｐｍ以上１５ｒｐｍ未満の範囲であることがより好ましい。また、回転テーブル２の回転速度は、５ｒｐｍ以上６ｒｐｍであることが更に好ましい。
ウェハＷは次に、回転テーブル２の回転により、分離領域Ｄを通過する。分離領域Ｄでは、分離ガスノズル４１から供給された分離ガスにより、ウェハＷの表面がパージされ、清浄化される。なお、分離ガスは、例えば、窒素ガス又はアルゴンガスであってもよい。
ウェハＷは次に、回転テーブル２の回転により、第１の処理領域Ｐ１を通過する。第１の処理領域Ｐ１では、第１の処理ガスノズル３１から供給されたシリコン含有ガスがウェハＷの表面に供給され、窪み１３０内の底面付近を含む吸着サイト（ＮＨ２基）に吸着し、化学反応により反応生成物であるＳｉＮの分子層が窪み１３０の下部に堆積する。
次にウェハＷは、回転テーブル２の回転により、分離領域Ｄを通過する。分離領域Ｄでは、ウェハＷの表面に分離ガスが供給され、ウェハＷの表面が清浄化される。
回転テーブル２の回転を続けることにより、ウェハＷ表面の窒化による吸着サイトの形成（窒化工程）、窪み１３０内の上部の所定領域での非吸着サイトの形成（非吸着サイト形成工程）、ウェハＷの表面のパージ（パージ工程）、シリコン含有ガスの吸着サイトへの吸着及び反応生成物の生成（成膜工程）、ウェハＷの表面のパージ（パージ工程）が周期的に複数回行われる。そして、窪み１３０内にＶ字断面形状を形成しつつ埋め込み成膜が行われ、ＳｉＮ膜が窪み１３０内に埋め込まれてゆく。窪み１３０の上端の開口を塞がず、Ｖ字形状を維持しつつ埋め込み成膜が行われるので、ボイドやシームの発生を抑制しつつ窪み１３０をＳｉＮ膜で埋め込むことができる。
このように、本発明の実施形態に係るＳｉＮ膜の成膜方法によれば、良好なパターン上の埋め込み特性を達成しつつ埋め込み成膜を行うことができ、高品質の成膜を行うことができる。
以上、本発明の好ましい実施形態及び実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施形態及び実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施形態及び実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
１ 真空容器
２ 回転テーブル
１１ 天板
１２ 容器本体
３１、３２、３３ 処理ガスノズル
３４ ガス吐出孔
４１、４２ 分離ガスノズル
８０ プラズマ発生部
８３ アンテナ
８４ 整合器
８５ 高周波電源
９０ 筐体
９５ ファラデーシールド
９７ スリット
９８ 開口部
１２０ 制御部
１２１ 記憶部
１３０ 窪み

Claims (10)

  1. 表面に窪みが形成された基板にアンモニア含有ガスを供給し、前記窪みの表面を窒化して前記窪み内に吸着サイトを形成する工程と、
    前記基板に塩素含有ガスを供給し、該塩素含有ガスを前記窪みの最上部から所定深さまでの所定領域に物理吸着させ、該所定領域に非吸着サイトを形成する工程と、
    前記基板にシリコン含有ガスを供給し、前記窪み内の前記所定領域以外に残存した底部を含む前記吸着サイトに前記シリコン含有ガスを吸着させ、前記アンモニア含有ガスと前記シリコン含有ガスとの反応によりシリコン窒化膜を成膜する工程と、を有するシリコン窒化膜の成膜方法。
  2. 前記物理吸着は、塩素イオンの水素原子に対する電気陰性度の高さを利用した吸着である請求項１に記載のシリコン窒化膜の成膜方法。
  3. 前記窪み内に吸着サイトを形成する工程は、プラズマを用いて行われる請求項１又は２に記載のシリコン窒化膜の成膜方法。
  4. 前記所定領域に非吸着サイトを形成する工程は、プラズマを用いずに行われる請求項１乃至３のいずれか一項に記載のシリコン窒化膜の成膜方法。
  5. 前記窪み内に吸着サイトを形成する工程と、前記所定領域に非吸着サイトを形成する工程と、前記シリコン窒化膜を成膜する工程は、順次繰り返される請求項１乃至４のいずれか一項に記載のシリコン窒化膜の成膜方法。
  6. 前記窪み内に吸着サイトを形成する工程と、前記所定領域に非吸着サイトを形成する工程と、前記シリコン窒化膜を成膜する工程は、前記窪みを前記シリコン窒化膜で充填するまで順次繰り返される請求項５に記載のシリコン窒化膜の成膜方法。
  7. 前記所定領域に非吸着サイトを形成する工程と前記シリコン窒化膜を成膜する工程との間、及び前記シリコン窒化膜を成膜する工程と前記窪み内に吸着サイトを形成する工程との間には、前記基板にパージガスを供給する第１及び第２のパージ工程をそれぞれ更に有する請求項５又は６に記載のシリコン窒化膜の成膜方法。
  8. 前記窪み内に吸着サイトを形成する工程と、前記所定領域に非吸着サイトを形成する工程と、前記シリコン窒化膜を成膜する工程は、処理室内に設けられた回転テーブル上に前記基板を周方向に沿って載置し、該回転テーブルの回転方向に沿って離間して配置され、前記窪み内に吸着サイトを形成する工程を実施可能な窒化領域、前記所定領域に非吸着サイトを形成する工程を実施可能な非吸着サイト形成領域、及び前記シリコン窒化膜を成膜する工程を実施可能な吸着反応領域を、前記基板が前記回転テーブルの回転により順次通過することにより行われる請求項７に記載のシリコン窒化膜の成膜方法。
  9. 前記非吸着サイト形成領域と前記吸着反応領域との間、及び前記吸着反応領域と前記窒化領域との間には、前記第１及び第２のパージ工程を実施可能な第１及び第２のパージ領域がそれぞれ設けられ、前記基板が前記回転テーブルの回転により前記窒化領域、前記非吸着サイト形成領域、前記第１のパージ領域、前記吸着反応領域、前記第２のパージ領域を順次通過することにより、前記窪み内に吸着サイトを形成する工程、前記所定領域に非吸着サイトを形成する工程、前記第１のパージ工程、前記シリコン窒化膜を成膜する工程、前記第２のパージ工程が順次行われる請求項８に記載のシリコン窒化膜の成膜方法。
  10. 前記非吸着サイトが形成される前記所定領域の前記所定深さは、前記塩素含有ガスの流量及び前記回転テーブルの回転速度の調整により調整される請求項８又は９に記載のシリコン窒化膜の成膜方法。
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