JP2019102807A - 保護膜形成方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、保護膜の形状を調整することができ、上方に厚く保護膜を成長させることができる保護膜形成方法を提供することを目的とする。【解決手段】基板の表面に複数の窪み形状が形成され、隣接する該複数の窪み形状間の平坦領域の表面上に保護膜を形成する保護膜形成方法であって、前記平坦領域の表面上に有機金属又は有機半金属の酸化膜を上方成長させる上方成長工程と、前記有機金属又は有機半金属の酸化膜の側面をエッチングし、横方向に成長した前記有機金属又は有機半金属の酸化膜を除去するエッチング工程と、を有する。【選択図】図１１

Description

本発明は、保護膜形成方法に関する。
従来から、シリコン層の表面にＬＯＣＯＳ酸化膜を形成し、シリコン層に不純物を注入して不純物領域を形成した後、シリコン層上にＳｉＮ層及びＳｉＯ２層を積層し、フォトリソグラフィ及びエッチングによりＳｉＮ層及びＳｉＯ２層に選択的に開口を形成し、これをマスクとしてＬＯＣＯＳ酸化膜及びシリコン層にトレンチを形成する半導体装置の製造方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
ところで、近年の微細化の進行により、コンタクトホールを所望のターゲットに対して正確に落とすことが困難になりつつある。また、ターゲットと同じ寸法のコンタクトホールを形成するためのマスクの作製も困難になりつつある。これらの問題を回避するためには、アライメントエラーが発生しても、所望の部分以外はエッチングされないような保護膜を形成する必要があるが、リソグラフィ精度の限界により、局所的に保護膜を残すことは非常に困難である。これらの問題を解決するため、所望の位置にのみ自己整合的に保護膜を形成できる手法の提供が望まれている。
リソグラフィを用いずに局所的に保護膜を形成する方法として、トレンチ等の複数の窪み形状の間の領域に選択的に成膜により保護膜を形成する保護膜形成方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。かかる特許文献２に記載された保護膜形成方法では、回転テーブルを用いたＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法において、回転テーブルを高速に回転させながらＡＬＤ成膜を行い、窪み内に原料ガスが入り込まない状態で成膜を行うことにより、非窪み形状形成領域にのみ局所的に成膜を行い、保護膜を形成している。これにより、リソグラフィを用いずに保護膜を形成することができ、微細化にも十分対応できる技術として期待されている。
特開２０１０−１０３２４２号公報 特開２０１７−１２０８８３号公報
しかしながら、保護膜の厚さをより厚くしたい場合、成膜を繰り返していると、上方のみならず横方向にも保護膜が成長し、窪み形状の開口の一部を覆うような形状に保護膜が形成されるおそれがある。また、今後の更なる微細化に対応するために、保護膜の形状を調整できる手法が期待される。
そこで、本発明は、保護膜の形状を調整することができ、上方に厚く保護膜を成長させることができる保護膜形成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保護膜形成方法は、基板の表面に複数の窪み形状が形成され、隣接する該複数の窪み形状間の平坦領域の表面上に保護膜を形成する保護膜形成方法であって、
前記平坦領域の表面上に有機金属又は有機半金属の酸化膜を上方成長させる上方成長工程と、
前記有機金属又は有機半金属の酸化膜の側面をエッチングし、横方向に成長した前記有機金属又は有機半金属の酸化膜を除去するエッチング工程と、を有する。
本発明によれば、横方向に膨らまず、上方に厚く成長した形状を有する保護膜を形成することができる。
本発明の実施形態に係る成膜装置を示す概略断面図である。 図１の成膜装置の真空容器内の構成を示す概略斜視図である。 図１の成膜装置の真空容器内の構成を示す概略平面図である。 図１の成膜装置の回転テーブルの同心円に沿った真空容器の概略断面図である。 図１の成膜装置の別の概略断面図である。 図１の成膜装置に設けられるプラズマ発生源を示す概略断面図である。 図１の成膜装置に設けられるプラズマ発生源を示す他の概略断面図である。 図１の成膜装置に設けられるプラズマ発生源を示す概略上面図である。 本発明の実施形態に係る保護膜形成方法の上方成長工程の一例を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る保護膜形成方法に適用可能な原料ガスの例を示した表である。 本実施形態に係る保護膜形成方法のエッチング工程の一連の工程の一例を示した図である。 第１の実施形態に係る保護膜形成方法の一例のシーケンス図である。 第１の実施形態に係る保護膜形成方法において、エッチングが強くなり過ぎてしまった場合の保護膜を示した図である。 第２の実施形態に係る保護膜形成方法の犠牲膜形成工程の一例を示した図である。 第２の実施形態に係る保護膜形成方法の一例のシーケンス図である。 実施例１に係る保護膜形成方法の上方成長工程後の実施結果を示した図である。 実施例１に係る保護膜形成方法のエッチング工程後の実施結果を示した図である。 実施例２に係る保護膜形成方法の実施結果を示した図である。 実施例３に係る保護膜形成方法の実施結果を示した図である。
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］
まず、本発明の実施形態に係る保護膜形成方法を実施するのに好適な成膜装置について説明する。本発明の実施形態に係る保護膜形成方法は、基板に供給するガスの種類を高速で切り替えることができれば、種々の成膜装置で実施可能であり、成膜装置の形態は問わない。ここでは、そのような基板に供給するガスの種類を高速に切り替える成膜処理が可能な成膜装置の一例について説明する。
図１から図３までを参照すると、成膜装置は、ほぼ円形の平面形状を有する扁平な真空容器１と、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回転テーブル２と、を備えている。真空容器１は、内部に収容したウエハの表面上に成膜処理を行うための処理室である。真空容器１は、有底の円筒形状を有する容器本体１２と、容器本体１２の上面に対して、例えばＯリングなどのシール部材１３（図１）を介して気密に着脱可能に配置される天板１１とを有している。
回転テーブル２は、中心部にて円筒形状のコア部２１に固定され、このコア部２１は、鉛直方向に伸びる回転軸２２の上端に固定されている。回転軸２２は真空容器１の底部１４を貫通し、下端が回転軸２２（図１）を鉛直軸回りに回転させる駆動部２３に取り付けられている。回転軸２２及び駆動部２３は、上面が開口した筒状のケース体２０内に収納されている。ケース体２０はその上面に設けられたフランジ部分が真空容器１の底部１４の下面に気密に取り付けられており、ケース体２０の内部雰囲気と外部雰囲気との気密状態が維持されている。
詳細は後述するが、本発明の実施形態に係る保護膜形成方法では、保護膜を上方成長させる際に、回転テーブル２を、１２０ｒｐｍ以上、例えば１２０ｒｐｍ〜３００ｒｐｍの範囲の所定速度で高速回転させる。よって、駆動部２３は、少なくとも１２０ｒｐｍ以上３００ｒｐｍ以下の範囲で回転テーブル２の高速回転が可能なように構成される。なお、一般的な成膜プロセスでは、回転テーブル２の回転速度は２０〜３０ｒｐｍ程度に設定される場合が多い。
また、詳細は後述するが、本実施形態に係る保護膜形成方法は、回転テーブルを１２０ｒｐｍよりも遅い回転速度、例えば６０ｒｐｍといった回転速度で回転させる工程も含む。よって、回転テーブル２は、低速回転も可能なように構成される。
回転テーブル２の表面部には、図２及び図３に示すように回転方向（周方向）に沿って複数（図示の例では５枚）の基板である半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）Ｗを載置するための円形状の凹部２４が設けられている。なお、図３には便宜上１個の凹部２４だけにウエハＷを示す。この凹部２４は、ウエハＷの直径よりも僅かに例えば４ｍｍ大きい内径と、ウエハＷの厚さにほぼ等しい深さとを有している。したがって、ウエハＷが凹部２４に収容されると、ウエハＷの表面と回転テーブル２の表面（ウエハＷが載置されない領域）とが同じ高さになる。凹部２４の底面には、ウエハＷの裏面を支えてウエハＷを昇降させるための例えば３本の昇降ピンが貫通する貫通孔（いずれも図示せず）が形成されている。
図２及び図３は、真空容器１内の構造を説明するための図であり、説明の便宜上、天板１１の図示を省略している。図２及び図３に示すように、回転テーブル２の上方には、各々例えば石英からなる反応ガスノズル３１、反応ガスノズル３２、反応ガスノズル３３、及び分離ガスノズル４１、４２が真空容器１の周方向（回転テーブル２の回転方向（図３の矢印Ａ））に互いに間隔をおいて配置されている。図示の例では、後述の搬送口１５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４１、反応ガスノズル３１、分離ガスノズル４２、反応ガスノズル３２及び反応ガスノズル３３がこの順番で配列されている。これらのノズル３１、３２、３３、４１、４２は、各ノズル３１、３２、３３、４１、４２の基端部であるガス導入ポート３１ａ、３２ａ、３３ａ、４１ａ、４２ａ（図３）を容器本体１２の外周壁に固定することにより、真空容器１の外周壁から真空容器１内に導入され、容器本体１２の半径方向に沿って回転テーブル２に対して水平に伸びるように取り付けられている。
本実施形態においては、図３に示されるように、反応ガスノズル３１は、配管１１０及び流量制御器１２０などを介して、原料ガスの供給源１３０に接続されている。反応ガスノズル３２は、配管１１１及び流量制御器１２１などを介して、酸化ガス（Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２、Ｏ２又はＯ３）供給源１３１に接続されている。更に、反応ガスノズル３３は、配管１１２及び流量制御器１２２などを介して、エッチングガス供給源１３２に接続されている。エッチングガスとしては、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、ＣＨ３Ｆ、ＣＨＦ３、Ｃｌ２、ＣｌＦ３、ＢＣｌ３、ＮＦ３等、フッ素系ガスを含むハロゲン系ガスを用いることができるが、エッチング可能なガスであれば、特に限定は無い。分離ガスノズル４１、４２は、いずれも不図示の配管及び流量制御バルブなどを介して、分離ガスの供給源（図示せず）に接続されている。分離ガスとしては、ヘリウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）などの希ガスや窒素（Ｎ２）ガスなどの不活性ガスを用いることができる。本実施形態では、分離ガスとしてＮ２ガスを用いる例を挙げて説明する。
反応ガスノズル３１から供給される原料ガスとしては、有機金属ガス又は有機半金属ガスのうちから、用途に応じて種々の有機金属ガス又は有機半金属ガスを用いることができる。
反応ガスノズル３１、３２、３３には、回転テーブル２に向かって開口する複数のガス吐出孔３５（図４参照）が、反応ガスノズル３１、３２、３３の長さ方向に沿って、例えば１０ｍｍの間隔で配列されている。反応ガスノズル３１の下方領域は、原料ガスをウエハＷに吸着させるための第１の処理領域Ｐ１となる。反応ガスノズル３２の下方領域は、第１の処理領域Ｐ１においてウエハＷに吸着した原料ガスを酸化する酸化ガスを供給し、原料ガスに含まれる有機金属又は有機半金属の酸化物の分子層を反応生成物として生成する第２の処理領域Ｐ２となる。なお、有機金属酸化物又は有機半金属酸化物の分子層が、成膜される保護膜を構成する。反応ガスノズル３３の下方領域は、第２の処理領域Ｐ２において酸化により生成した有機金属酸化物又は有機半金属酸化物（保護膜）を上方成長させた後、横方向に成長した不要な保護膜エッチングにより除去する第３の処理領域Ｐ３となる。図３に模式的に示されるように、第３の処理領域Ｐ３には、必要に応じてプラズマ発生器８０を設けてもよい。また、第２の処理領域Ｐ２において、活性化した酸素ガスを供給してもよく、例えば、熱酸化により活性化した酸素ガスを供給してもよいし、プラズマにより活性化した酸素ガスを供給してもよい。プラズマにより酸化ガスを活性化させる場合には、第２の処理領域Ｐ２にもプラズマ発生器を設けてもよい。
ここで、第１の処理領域Ｐ１は、原料ガスをウエハＷに吸着させる領域であるので、原料ガス吸着領域Ｐ１と呼んでもよいこととする。第２の処理領域Ｐ２は、ウエハＷの表面上に吸着した原料ガスを酸化する領域であるので、酸化領域Ｐ２と呼んでもよいこととする。また、第３の処理領域Ｐ３は、保護膜の側面をエッチングする領域であるので、エッチング領域Ｐ３と呼んでもよいこととする。
第３の処理領域Ｐ３の上方にプラズマ発生器８０を設けることは必須ではなく、例えば、エッチング力の十分に強いガス、例えばＣｌＦ３等をエッチングガスとして用いる場合には、プラズマ発生器８０を用いることなくエッチングを行うこともできる。よって、プラズマ発生器８０は、必要に応じて設けるようにしてよい。
このように、本発明の実施形態に係る保護膜形成方法は、種々の酸化工程及びエッチング工程を設けることができ、これに応じて、成膜装置の構成も種々の態様とすることができる。
なお、図３において、プラズマ発生器８０は、破線で簡略化して示されている。プラズマ発生器８０の詳細については後述する。
上述のように、反応ガスノズル３１から供給される原料ガスは、有機金属ガス又は有機半金属ガスである。原料ガスは、種々の有機金属ガス又は有機半金属ガスを用いることができ、形成する保護膜の種類に応じて選択される。例えば、有機金属ガスは、Ｈｉｇｈ−ｋ膜の成膜に用いられる有機金属ガスが用いられてもよい。有機金属ガスは、種々の有機金属を含むガスであってよく、例えば、ＴｉＯ２の保護膜を形成する場合には、ＴＤＭＡＴ（テトラキスジメチルアミノチタニウム）等の有機アミノチタニウムを含有するガスが選択される。また、有機半金属ガスは、有機シランガス、例えば、３ＤＭＡＳｉ等の有機アミノシランガスが用いられてもよい。これらの有機金属ガス又は有機半金属ガスを供給する場合には、必要に応じて、気化器等を用いて有機金属又は有機半金属を気化して有機金属ガス又は有機半金属ガスを生成し、キャリアガスを用いて生成された有機金属ガス又は有機半金属ガスを真空容器１内に供給する構成としてもよい。
また、反応ガスノズル３２から供給される酸化ガスとしては、供給された有機金属ガス又は有機半金属ガスと反応して有機金属酸化物を生成し得る酸化ガスであれば、種々の酸化ガスを用いることができるが、例えば、熱酸化により有機金属ガスを酸化する場合には、Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２、Ｏ２、Ｏ３等が選択される。
反応ガスノズル３３から供給されるエッチングガスとしては、有機金属酸化膜又は有機半金属酸化膜からなる保護膜をエッチングできる限り、種々のエッチングガスを選択することができるが、例えば、フッ素含有ガスを用いてもよい。フッ素含有ガスとしては、ＣＦ４、ＣｌＦ３等が挙げられる。プラズマ発生器８０を設けるか否かは、選択するエッチングガスに応じて定めてよいことは上述の通りである。
図２及び図３を参照すると、真空容器１内には２つの凸状部４が設けられている。凸状部４は、分離ガスノズル４１、４２とともに分離領域Ｄを構成するため、後述のとおり、回転テーブル２に向かって突出するように天板１１の裏面に取り付けられている。また、凸状部４は、頂部が円弧状に切断された扇型の平面形状を有し、本実施形態においては、内円弧が突出部５（後述）に連結し、外円弧が、真空容器１の容器本体１２の内周面に沿うように配置されている。
図４は、反応ガスノズル３１から反応ガスノズル３２まで回転テーブル２の同心円に沿った真空容器１の断面を示している。図示のとおり、天板１１の裏面に凸状部４が取り付けられているため、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）とが存在する。天井面４４は、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、図示のとおり、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４２が溝部４３内に収容されている。もう一つの凸状部４にも同様に溝部４３が形成され、ここに分離ガスノズル４１が収容されている。また、高い天井面４５の下方の空間に反応ガスノズル３１、３２がそれぞれ設けられている。これらの反応ガスノズル３１、３２は、天井面４５から離間してウエハＷの近傍に設けられている。なお、図４に示すように、高い天井面４５の下方の右側の空間４８１に反応ガスノズル３１が設けられ、高い天井面４５の下方の左側の空間４８２に反応ガスノズル３２が設けられる。
また、凸状部４の溝部４３に収容される分離ガスノズル４１、４２には、回転テーブル２に向かって開口する複数のガス吐出孔４２ｈ（図４参照）が、分離ガスノズル４１、４２の長さ方向に沿って、例えば１０ｍｍの間隔で配列されている。
天井面４４は、狭い空間である分離空間Ｈを回転テーブル２に対して形成している。分離ガスノズル４２の吐出孔４２ｈからＮ２ガスが供給されると、このＮ２ガスは、分離空間Ｈを通して空間４８１及び空間４８２へ向かって流れる。このとき、分離空間Ｈの容積は空間４８１及び４８２の容積よりも小さいため、Ｎ２ガスにより分離空間Ｈの圧力を空間４８１及び４８２の圧力に比べて高くすることができる。すなわち、空間４８１及び４８２の間に圧力の高い分離空間Ｈが形成される。また、分離空間Ｈから空間４８１及び４８２へ流れ出るＮ２ガスが、第１の処理領域Ｐ１からの原料ガスと、第２の処理領域Ｐ２からの反応ガスとに対するカウンターフローとして働く。したがって、第１の処理領域Ｐ１からの原料ガスと、第２の処理領域Ｐ２からの第２の反応ガスとが分離空間Ｈにより分離される。よって、真空容器１内において原料ガスと反応ガスとが混合し、反応することが抑制される。
なお、回転テーブル２の上面に対する天井面４４の高さｈ１は、成膜時の真空容器１内の圧力、回転テーブル２の回転速度、供給する分離ガス（Ｎ２ガス）の供給量などを考慮し、分離空間Ｈの圧力を空間４８１及び４８２の圧力に比べて高くするのに適した高さに設定することが好ましい。
一方、天板１１の下面には、回転テーブル２を固定するコア部２１の外周を囲む突出部５（図２及び図３）が設けられている。この突出部５は、本実施形態においては、凸状部４における回転中心側の部位と連続しており、その下面が天井面４４と同じ高さに形成されている。
先に参照した図１は、図３のＩ−Ｉ’線に沿った断面図であり、天井面４５が設けられている領域を示している。一方、図５は、天井面４４が設けられている領域を示す断面図である。図５に示すように、扇型の凸状部４の周縁部（真空容器１の外縁側の部位）には、回転テーブル２の外端面に対向するようにＬ字型に屈曲する屈曲部４６が形成されている。この屈曲部４６は、凸状部４と同様に、分離領域Ｄの両側から反応ガスが侵入することを抑制して、両反応ガスの混合を抑制する。扇型の凸状部４は天板１１に設けられ、天板１１が容器本体１２から取り外せるようになっていることから、屈曲部４６の外周面と容器本体１２との間には僅かに隙間がある。屈曲部４６の内周面と回転テーブル２の外端面との隙間、及び屈曲部４６の外周面と容器本体１２との隙間は、例えば回転テーブル２の上面に対する天井面４４の高さと同様の寸法に設定されている。
容器本体１２の内周壁は、分離領域Ｄにおいては図４に示すように屈曲部４６の外周面と接近して垂直面に形成されているが、分離領域Ｄ以外の部位においては、図１に示すように例えば回転テーブル２の外端面と対向する部位から底部１４に亘って外方側に窪んでいる。以下、説明の便宜上、概ね矩形の断面形状を有する窪んだ部分を排気領域と記す。具体的には、第１の処理領域Ｐ１に連通する排気領域を第１の排気領域Ｅ１と記し、第２及び第３の処理領域Ｐ２、Ｐ３に連通する領域を第２の排気領域Ｅ２と記す。これらの第１の排気領域Ｅ１及び第２の排気領域Ｅ２の底部には、図１から図３に示すように、それぞれ、第１の排気口６１０及び第２の排気口６２０が形成されている。第１の排気口６１０及び第２の排気口６２０は、図１に示すように各々排気管６３０を介して真空排気手段である例えば真空ポンプ６４０に接続されている。また、真空ポンプ６４０と排気管６３０との間に、圧力制御器６５０が設けられる。
回転テーブル２と真空容器１の底部１４との間の空間には、図１及び図４に示すように加熱手段であるヒータユニット７が設けられ、回転テーブル２を介して回転テーブル２上のウエハＷが、プロセスレシピで決められた温度（例えば１５０℃）に加熱される。回転テーブル２の周縁付近の下方側には、回転テーブル２の上方空間から排気領域Ｅ１、Ｅ２に至るまでの雰囲気とヒータユニット７が置かれている雰囲気とを区画して回転テーブル２の下方領域へのガスの侵入を抑えるために、リング状のカバー部材７１が設けられている（図５）。このカバー部材７１は、回転テーブル２の外縁部及び外縁部よりも外周側を下方側から臨むように設けられた内側部材７１ａと、この内側部材７１ａと真空容器１の内壁面との間に設けられた外側部材７１ｂと、を備えている。外側部材７１ｂは、分離領域Ｄにおいて凸状部４の外縁部に形成された屈曲部４６の下方にて、屈曲部４６と近接して設けられ、内側部材７１ａは、回転テーブル２の外縁部下方（及び外縁部よりも僅かに外側の部分の下方）において、ヒータユニット７を全周に亘って取り囲んでいる。
ヒータユニット７が配置されている空間よりも回転中心寄りの部位における底部１４は、回転テーブル２の下面の中心部付近におけるコア部２１に接近するように上方側に突出して突出部１２ａをなしている。この突出部１２ａとコア部２１との間は狭い空間になっており、また底部１４を貫通する回転軸２２の貫通穴の内周面と回転軸２２との隙間が狭くなっていて、これら狭い空間はケース体２０に連通している。そしてケース体２０にはパージガスであるＮ２ガスを狭い空間内に供給してパージするためのパージガス供給管７２が設けられている。また真空容器１の底部１４には、ヒータユニット７の下方において周方向に所定の角度間隔で、ヒータユニット７の配置空間をパージするための複数のパージガス供給管７３が設けられている（図５には一つのパージガス供給管７３を示す）。また、ヒータユニット７と回転テーブル２との間には、ヒータユニット７が設けられた領域へのガスの侵入を抑えるために、外側部材７１ｂの内周壁（内側部材７１ａの上面）から突出部１２ａの上端部との間を周方向に亘って覆う蓋部材７ａが設けられている。蓋部材７ａは例えば石英で作製することができる。
また、真空容器１の天板１１の中心部には分離ガス供給管５１が接続されていて、天板１１とコア部２１との間の空間５２に分離ガスであるＮ２ガスを供給するように構成されている。この空間５２に供給された分離ガスは、突出部５と回転テーブル２との狭い隙間５０を介して回転テーブル２のウエハ載置領域側の表面に沿って周縁に向けて吐出される。空間５０は分離ガスにより空間４８１及び空間４８２よりも高い圧力に維持され得る。したがって、空間５０により、第１の処理領域Ｐ１に供給される有機金属ガスと第２の処理領域Ｐ２に供給される酸化ガスとが、中心領域Ｃを通って混合することが抑制される。すなわち、空間５０（又は中心領域Ｃ）は分離空間Ｈ（又は分離領域Ｄ）と同様に機能することができる。
さらに、真空容器１の側壁には、図２、図３に示すように、外部の搬送アーム１０と回転テーブル２との間で基板であるウエハ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は図示しないゲートバルブにより開閉される。また回転テーブル２におけるウエハ載置領域である凹部２４はこの搬送口１５に対向する位置にて搬送アーム１０との間でウエハＷの受け渡しが行われることから、回転テーブル２の下方側において受け渡し位置に対応する部位に、凹部２４を貫通してウエハＷを裏面から持ち上げるための受け渡し用の昇降ピン及びその昇降機構（いずれも図示せず）が設けられている。
次に、図６から図８までを参照しながら、必要に応じて設けられるプラズマ発生器８０について説明する。図６は、回転テーブル２の半径方向に沿ったプラズマ発生器８０の概略断面図であり、図７は、回転テーブル２の半径方向と直交する方向に沿ったプラズマ発生器８０の概略断面図であり、図８は、プラズマ発生器８０の概略を示す上面図である。図示の便宜上、これらの図において一部の部材を簡略化している。
図６を参照すると、プラズマ発生器８０は、高周波透過性の材料で作製され、上面から窪んだ凹部を有し、天板１１に形成された開口部１１ａに嵌め込まれるフレーム部材８１と、フレーム部材８１の凹部内に収容され、上部が開口した略箱状の形状を有するファラデー遮蔽板８２と、ファラデー遮蔽板８２の底面上に配置される絶縁板８３と、絶縁板８３の上方に支持され、略八角形の上面形状を有するコイル状のアンテナ８５とを備える。
天板１１の開口部１１ａは複数の段部を有しており、そのうちの一つの段部には全周に亘って溝部が形成され、この溝部に例えばＯ−リングなどのシール部材８１ａが嵌め込まれている。一方、フレーム部材８１は、開口部１１ａの段部に対応する複数の段部を有しており、フレーム部材８１を開口部１１ａに嵌め込むと、複数の段部のうちの一つの段部の裏面が、開口部１１ａの溝部に嵌め込まれたシール部材８１ａと接し、これにより、天板１１とフレーム部材８１との間の気密性が維持される。また、図６に示すように、天板１１の開口部１１ａに嵌め込まれるフレーム部材８１の外周に沿った押圧部材８１ｃが設けられ、これにより、フレーム部材８１が天板１１に対して下方に押し付けられる。このため、天板１１とフレーム部材８１との間の気密性がより確実に維持される。
フレーム部材８１の下面は、真空容器１内の回転テーブル２に対向しており、その下面の外周には全周に亘って下方に（回転テーブル２に向かって）突起する突起部８１ｂが設けられている。突起部８１ｂの下面は回転テーブル２の表面に近接しており、突起部８１ｂと、回転テーブル２の表面と、フレーム部材８１の下面とにより回転テーブル２の上方に空間（以下、第３の処理領域Ｐ３）が画成されている。なお、突起部８１ｂの下面と回転テーブル２の表面との間隔は、分離空間Ｈ（図４）における天井面４４の回転テーブル２の上面に対する高さｈ１とほぼ同じであって良い。
また、この第３の処理領域Ｐ３には、突起部８１ｂを貫通した反応ガスノズル３３が延びている。反応ガスノズル３３には、本実施形態においては、図６に示すように、エッチングが充填されるエッチングガス供給源１３２が、流量制御器１２２を介して配管１１２により接続されている。なお、図示していないが、Ａｒ等の希ガスを混合してもよく、この場合には、エッチングガスと希ガスが、所定の流量で混合され、混合ガスがプラズマ発生器８０によりプラズマ化されて第３の処理領域Ｐ３に供給される。
また、図７に示されるように、反応ガスノズル３３には、その長手方向に沿って所定の間隔（例えば１０ｍｍ）で複数の吐出孔３５が形成されており、吐出孔３５から上述のエッチングガスが吐出される。吐出孔３５は、図７に示すように、回転テーブル２に対して垂直な方向から回転テーブル２の回転方向の上流側に向かって傾いている。このため、反応ガスノズル３３から供給されるガスは、回転テーブル２の回転方向と逆の方向に、具体的には、突起部８１ｂの下面と回転テーブル２の表面との間の隙間に向かって吐出される。これにより、回転テーブル２の回転方向に沿ってプラズマ発生器８０よりも上流側に位置する天井面４５の下方の空間から反応ガスや分離ガスが、第３の処理領域Ｐ３内へ流れ込むのが抑止される。また、上述のとおり、フレーム部材８１の下面の外周に沿って形成される突起部８１ｂが回転テーブル２の表面に近接しているため、反応ガスノズル３３からのガスにより第３の処理領域Ｐ３内の圧力を容易に高く維持することができる。これによっても、反応ガスや分離ガスが第３の処理領域Ｐ３内へ流れ込むのが抑止される。本実施形態に係る保護膜形成方法においては、エッチング工程を行う際には、反応ノズル３１からの原料ガスの供給と反応ガスノズル３２からの酸化ガスの供給は停止しており、これらのガスの第３の処理領域Ｐ３への流入の可能性は低いが、残留する酸化ガスや、エッチング時も継続して供給される分離ガスの流入を確実に防止することができる。
このように、フレーム部材８１は、第３の処理領域Ｐ３を周囲から分離するための役割を担っている。よって、本発明の実施形態に係る成膜装置は、プラズマ発生器８０の全体を必ずしも備えていなくて良いが、第３の処理領域Ｐ３を第２の処理領域Ｐ２から区画し、第２の反応ガスの混入を防ぐため、フレーム部材８１を備えていることが好ましい。
ファラデー遮蔽板８２は、金属などの導電性材料から作製され、図示は省略するが接地されている。図８に明確に示されるように、ファラデー遮蔽板８２の底部には、複数のスリット８２ｓが形成されている。各スリット８２ｓは、略八角形の平面形状を有するアンテナ８５の対応する辺とほぼ直交するように延びている。
また、ファラデー遮蔽板８２は、図７及び図８に示すように、上端の２箇所において外側に折れ曲がる支持部８２ａを有している。支持部８２ａがフレーム部材８１の上面に支持されることにより、フレーム部材８１内の所定の位置にファラデー遮蔽板８２が支持される。
絶縁板８３は、例えば石英ガラスにより作製され、ファラデー遮蔽板８２の底面よりも僅かに小さい大きさを有し、ファラデー遮蔽板８２の底面に載置される。絶縁板８３は、ファラデー遮蔽板８２とアンテナ８５とを絶縁する一方、アンテナ８５から放射される高周波を下方へ透過させる。
アンテナ８５は、平面形状が略八角形となるように銅製の中空管（パイプ）を例えば３重に巻き回すことにより形成される。パイプ内に冷却水を循環させることができ、これにより、アンテナ８５へ供給される高周波によりアンテナ８５が高温に加熱されるのが防止される。また、アンテナ８５には立設部８５ａが設けられており、立設部８５ａに支持部８５ｂが取り付けられている。支持部８５ｂにより、アンテナ８５がファラデー遮蔽板８２内の所定の位置に維持される。また、支持部８５ｂには、マッチングボックス８６を介して高周波電源８７が接続されている。高周波電源８７は、例えば１３．５６ＭＨｚの周波数を有する高周波電力を発生させることができる。
このような構成を有するプラズマ発生器８０によれば、マッチングボックス８６を介して高周波電源８７からアンテナ８５に高周波電力を供給すると、アンテナ８５により電磁界が発生する。この電磁界のうちの電界成分は、ファラデー遮蔽板８２により遮蔽されるため、下方へ伝播することはできない。一方、磁界成分はファラデー遮蔽板８２の複数のスリット８２ｓを通して第３の処理領域Ｐ３内へ伝播する。この磁界成分により、反応ガスノズル３３から所定の流量比で第３の処理領域Ｐ３に供給されるエッチングガスが活性化される。
また、本実施形態による成膜装置には、図１に示すように、装置全体の動作のコントロールを行うためのコンピュータからなる制御部１００が設けられており、この制御部１００のメモリ内には、制御部１００の制御の下に、後述する保護膜形成方法を成膜装置に実施させるプログラムが格納されている。このプログラムは後述の保護膜形成方法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などの媒体１０２に記憶されており、所定の読み取り装置により記憶部１０１へ読み込まれ、制御部１００内にインストールされる。
なお、制御部１００は、回転テーブル２の回転速度も制御してよい。これにより、回転テーブル２の回転速度を、上述のような１２０ｒｐｍ以上又は１２０ｒｐｍ〜３００ｒｐｍといった高速回転や、６０ｒｐｍといった低速回転に設定できる。
また、制御部１００は、流量制御器１２１〜１２３も制御してよい。これにより、反応ガスノズル３１〜３３から供給される各ガスの流量を制御することができる。後述する上方成長工程と犠牲膜形成工程では、同じ原料ガス及び酸化ガスを供給しながらも、回転テーブル２の回転速度と原料ガスの流量を異ならせて、堆積の仕方、つまり膜の立体形状を異ならせる。このような制御を制御部１００が行うようにしてよい。
［保護膜形成方法］
＜第１の実施形態＞
次に、本発明の第１の実施形態による保護膜形成方法について上述の成膜装置を用いて行う場合を例に挙げて説明する。本実施形態に係る保護膜形成方法は、ウエハＷの表面に形成されたトレンチ等の複数の窪み形状の間の平坦面上に保護膜を堆積させ、上方に成長させる上方成長工程と、上方成長工程において、横方向にも成長してしまった余分な保護膜の側面をエッチングにより除去するエッチング工程とを有する。
まず、図９を用いて、上方成長工程について説明する。図９は、本発明の実施形態に係る保護膜形成方法の上方成長工程の一例を説明するための図である。
図９（ａ）は、本実施形態に係る保護膜形成方法で用いられるウエハＷの表面パターンの一例を示した図である。本実施形態では、ウエハＷとしてシリコンウエハを使用することとし、そのシリコンウエハには、図９（ａ）に示すように、複数のトレンチＴが形成されている。また、反応ガスノズル３１から有機アミノチタニウムガスが供給され、反応ガスノズル３２から酸化ガスとしてＨ２Ｏ２ガスが供給される例を挙げて説明する。エッチングガスとしては、ＣＦ４が用いられる例を挙げて説明するが、上方成長工程においては、反応ガスノズル３３からエッチングガスは供給されず、ガスの供給は停止した状態である。
先ず、図示しないゲートバルブを開き、外部から搬送アーム１０（図３）により搬送口１５（図２及び図３）を介してウエハＷを回転テーブル２の凹部２４内に受け渡す。この受け渡しは、凹部２４が搬送口１５に臨む位置に停止したときに凹部２４の底面の貫通孔を介して真空容器１の底部側から不図示の昇降ピンが昇降することにより行われる。このようなウエハＷの受け渡しを、回転テーブル２を間欠的に回転させて行い、回転テーブル２の５つの凹部２４内に夫々ウエハＷを載置する。
続いてゲートバルブを閉じ、真空ポンプ６４０により到達可能真空度にまで真空容器１内を排気した後、分離ガスノズル４１、４２から分離ガスであるＮ２ガスを所定の流量で吐出し、分離カス供給管５１及びパージガス供給管７２、７３からもＮ２ガスを所定の流量で吐出する。これに伴い、圧力制御手段６５０（図１）により真空容器１内を予め設定した処理圧力に制御する。次いで、回転テーブル２を時計回りに例えば１２０ｒｐｍ以上の高速の回転速度で回転させながらヒータユニット７によりウエハＷを例えば１５０℃に加熱する。なお、ここでは、回転テーブル２の回転速度を２４０ｒｐｍに設定した例を挙げて説明する。
この後、反応ガスノズル３１（図２及び図３）から有機アミノチタニウムガスを供給し、反応ガスノズル３２からＨ２Ｏ２ガスを供給する。Ｈ２Ｏ２は、加熱して活性化させた状態で供給する。また、有機アミノチタニウムガスは、有機アミノチタニウムを気化器で気化し、Ａｒをキャリアガスとして供給する。また、Ｈ２Ｏ２もＯ２をキャリアガスとして供給してもよい。
図９（ｂ）は、原料ガス吸着工程の一例を示した図である。回転テーブル２の回転により、ウエハＷは、第１の処理領域Ｐ１、分離領域Ｄ、第２の処理領域Ｐ２、第３の処理領域Ｐ３、及び分離領域Ｄをこの順に繰り返して通過する（図３参照）。第１の処理領域Ｐ１において、図９（ｂ）に示すように、ウエハＷの表面Ｕに有機アミノチタニウムガスの分子Ｍｔが吸着し、有機アミノチタニウムの分子層６１が形成される。ここで、有機アミノチタニウムガスの分子Ｍｔは、有機金属ガスであり、金属であるチタンの周囲に有機基が付着しており、分子Ｍｔの径が大きい。更に、回転テーブル２が高速で回転しているため、有機アミノチタニウムの分子Ｍｔは、トレンチＴの奥まで到達せず、ウエハの表面Ｕ上に吸着する。
図９（ｃ）、（ｄ）は、酸化工程の一例を示した図である。図９（ｃ）に示すように、分離領域Ｄを通過した後、第２の処理領域Ｐ２において、ウエハＷの表面Ｕに吸着した有機アミノチタニウムガスがＨ２Ｏ２ガス分子Ｍｏにより酸化され、図９（ｄ）に示すように、トレンチＴの上端のウエハＷの表面Ｕ上に酸化チタニウム（ＴｉＯ２）からなる保護膜６２が成膜される。
図９（ｅ）は、再度繰り返される原料ガス吸着工程の一例を示した図である。図９（ｅ）に示されるように、回転テーブル２の回転によりウエハＷが第１の処理領域Ｐ１に再び至ると、反応ガスノズル３１から供給される有機アミノチタニウムガスの分子ＭｔがウエハＷの表面Ｕに吸着する。このとき、有機アミノチタニウムガスの分子Ｍｔの粒径は、チタンに有機基が付着しているため比較的大きく、また、回転テーブル２が高速で回転しているため、トレンチＴの奥まで到達せず、ウエハＷの表面付近で吸着してしまう。
以下、回転テーブル２が高速で回転し続ける間、同様のプロセスが繰り返され、トレンチＴ同士の間のウエハＷの表面にＴｉＯ膜が堆積し、保護膜６２が形成される。
図９（ｆ）は、ウエハＷの表面にＴｉＯ膜が上方成長した状態を示した図である。図９（ｂ）〜（ｅ）で説明したプロセス（正確には図９（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）のサイクル）を繰り返すと、保護膜６２が上方成長し、ＴｉＯ膜の膜厚が増加する。
このように、分子径の大きい有機金属ガスを原料ガスとして反応ガスノズル３１から供給するとともに、回転テーブル２を１２０ｒｐｍ以上の高速で回転させることにより、トレンチＴ内には成膜を進行させず、トレンチＴの間の領域にのみ選択的に成膜を行い、局所的な保護膜６２を形成することができる。本実施形態では、有機アミノチタニウムを原料ガスとして用いた例を挙げたが、有機金属ガスは、一般的に分子径が大きいので、他の種類の有機金属ガスを用いて本実施形態に係る保護膜成膜方法を実施することも可能である。また更に、有機金属ガスのみならず、有機シランガス等の有機半金属ガスも、分子径が大きく、本実施形態に係る保護膜形成方法を実施することが可能である。
有機金属ガス及び有機半金属ガスは、一般的に分子径が大きいので、他の有機金属ガス又は有機半金属ガスを用いた場合にも本実施形態に係る保護膜形成方法を実施することができる。原料ガスには、例えば、高誘電体膜（High-k膜）を成膜するために用いられる有機金属ガス等が原料ガスとして用いられてもよく、例えば、トリ（ジメチルアミノ）シクロペンタジエニルジルコニウム（Ｃ１１Ｈ２３Ｎ３Ｚｒ）等のガスが用いられてもよい。その他、アルミニウム、ハフニウム、チタン等の金属又はシラン等の半金属を含む有機金属化合物を蒸発させた有機金属ガスが原料ガスとして用いられてもよい。
一般に、High-k膜を成膜する原料ガスとして用いられる有機金属化合物は、アミンを含む化合物であり、アミノ基（-NH2, -NHR, -NRR’）を含む。例えば、有機金属ガスが酸化ガスと反応して酸化する際、アミノ基が脱離し、有害ガスが発生してしまう。本実施形態に係る保護膜形成方法及び成膜装置では、アミノ基を十分に酸化し、有害ガスを無害化する処理を行うが、この点については後述する。但し、原料ガスは、上述のガスに限定されるものではなく、種々のガスを用いてよい。
図１０は、本発明の第１の実施形態に係る保護膜形成方法を適用可能な原料ガスの例を示した表である。このように、種々の有機金属ガス及び有機半金属ガスを用いて、保護膜の形成が可能である。なお、図１０は、飽くまで例に過ぎず、他の有機金属ガス及び有機半金属ガスを用いて本実施形態に係る保護膜形成方法を実施することが可能である。
図１１は、本実施形態に係る保護膜形成方法のエッチング工程の一連の工程の一例を示した図である。
図１１（ａ）は、エッチング工程を開始するときの保護膜６２の状態の一例を示した図である。上方成長工程における原料ガス吸着工程と酸化工程のサイクルを繰り返すと、保護膜６２は上方に成長するが、横方向（水平方向）にも成長し、トレンチＴの開口を塞ぐような形状となってくる。図１１（ａ）は、そのような保護膜６２がトレンチＴの開口を塞ぎ始めている状態を示している。このような状態になっても所定の膜厚に到達しない場合には、エッチング工程を実施する。
エッチング工程では、原料ガス及び酸化ガスの供給を停止し、反応ガスノズル３３からエッチングガスであるＣＦ４を供給する。なお、回転テーブル２は継続的に回転させ、分離ガスも分離ガスノズル４１、４２から継続的に供給する。
図１１（ｂ）は、エッチング工程の一例を示した図である。エッチング工程では、エッチングガスの分子ＭｅがプラズマＰＬにより活性化され、保護膜６２の側面をエッチングし、横方向に成長した不要な保護膜６２を削り取って除去する。プラズマＰＬは必須ではないが、エッチングガスとしてＣＦ４を用いる場合には、プラズマで活性化させる方が好ましい。エッチング力の強いＣｌＦ３のようなガスを用いる場合には、プラズマが不要であることは上述の通りである。
エッチングガスの流量は低流量とし、例えば、ＣＦ４の流量を４０〜７０ｓｃｃｍ程度、例えば６０ｓｃｃｍに設定してもよい。これにより、保護膜６２の不要な部分のみをエッチングすることができる。回転テーブル２の回転速度は、上方成長工程よりも低下させ、６０〜９０ｒｐｍ程度とする。例えば、７５ｒｐｍに設定してもよい。このような調整を行うことにより、保護膜６２の側面を効果的にエッチングすることができる。なお、保護膜６２の上部もエッチングされるが、全体的に丸い形状をしているので、上部も平坦にエッチングを行うことができる。なお、エッチング時の回転テーブル２の回転速度は、プロセスにより大きく異なるので、プロセスに応じて適宜適切な速度を設定するようにしてよい。
図１１（ｃ）は、エッチング工程を終了した段階の一例を示した図である。エッチング工程により、保護膜６２の側面の不要部分が削れ、トレンチＴの開口を塞がない、ウエハＷの平坦面から上方に垂直に近い状態で成長した形状とすることができる。なお、上面もある程度エッチングされ、平坦面に近い状態とすることができる。
このように、上方成長工程を実施した後、エッチング工程を行うことにより、保護膜６２の形状を整えることができる。この後、図９で説明した上方成長工程を再び実施し、保護膜６２が横方向にも成長したらエッチング工程を実施する、というサイクルを繰り返すことにより、上方にのみ成長した厚い保護膜６２を形成することができ、種々のプロセスの要求に応えることができる。
図１２は、図９及び図１１で説明した第１の実施形態に係る保護膜形成方法の一例のシーケンス図である。図１２において、横軸は時間軸であり、原料ガス（Ti Precursor）、エッチングガス、酸化ガス、回転テーブル（サセプタとも呼ぶ）２の回転速度の経時変化が示されている。なお、原料ガス、エッチングガス及び酸化ガスについてはガスの供給状態のみを示し、回転テーブル２の回転速度については回転速度の値の変化も示している。
時刻ｔ０で回転テーブル２の回転が開始する。即ち、総てのウエハＷを回転テーブル２の凹部２４内に載置し終えたら、回転テーブル２を回転させる。
時刻ｔ１では、原料ガスと酸化ガスの供給を開始する。この時、エッチングガスの供給はまだ行わない。回転速度はＶ１、例えば、２４０ｒｐｍに設定する。時刻ｔ１から時刻ｔ２まで、この状態を維持する。時刻ｔ１〜ｔ２の期間が、上方成長工程に相当する。
時刻ｔ２において、原料ガス及び酸化ガスの供給を停止し、上方成長工程を終了する。この後、回転テーブル２の回転速度をＶ１からＶ２、例えば７５ｒｐｍに設定変更する。
時刻ｔ３において、エッチング工程を開始する。つまり、原料ガス及び酸化ガスが供給されていない状態で、エッチングガスの供給を開始し、エッチングを時刻ｔ４まで継続する。これにより、保護膜６２の形状が整えられ、トレンチＴの開口が塞がらない状態となる。
時刻ｔ５では回転テーブル２の回転を停止させているが、更に上方成長工程及びエッチング工程を繰り返してもよい。即ち、上方成長工程及びエッチング工程を１ループとし、これを複数ループ繰り返すことにより、所定の厚さまで保護膜６２を堆積させることができる。
このように、第１の実施形態に係る保護膜形成方法によれば、保護膜６２の側面形状を垂直に近い状態に整えつつ、保護膜６２を所定の厚さまで堆積させることができる。
＜第２の実施形態＞
図１３は、第１の実施形態に係る保護膜形成方法において、エッチングが強くなり過ぎてしまった場合の保護膜６２を示した図である。多くの場合は、第１の実施形態に係る保護膜形成方法で上方にのみ成長した保護膜６２を形成することができるが、トレンチＴのアスペクト比を含めた形状、保護膜６２の種類、要求される膜厚、エッチングガスの種類等の条件により、エッチングが強過ぎ、保護膜６２がトレンチＴの上端付近で局所的に大きく削れる場合が稀にある。エッチングの際、エッチングガスがトレンチＴの底面で反射して逆流し、トレンチＴの上端付近におけるエッチングガスの滞留割合が増加するためと考えられる。
このような場合には、上方成長工程の前に、保護膜６２を含めたウエハＷの表面の形状にコンフォーマルな犠牲膜を形成する工程を実施し、エッチング工程における犠牲膜を予め形成しておくと、トレンチＴの側面形状に沿って上方に成長する保護膜６２を形成することができる。
図１４は、第２の実施形態に係る保護膜形成方法の犠牲膜形成工程の一例を示した図である。
図１４（ａ）は、犠牲膜形成工程の一例を示した図である。まず、ウエハＷの表面上にコンフォーマルな犠牲膜６０を形成する。この場合、犠牲膜６０は、エッチングされない部分が残留することから、保護膜６２と同じ種類の膜であることが好ましい。つまり、第１の実施形態で説明したＴｉＯ２膜が保護膜６２の場合には、犠牲膜６０もＴｉＯ２膜とすることが好ましい。
犠牲膜６０は、全体を覆うように薄く形成すれば十分である。例えば、１〜２０ｎｍ程度の犠牲膜６０を成膜してもよい。このような成膜を行うためには、原料ガスをトレンチＴの奥まで到達させる必要があるので、回転テーブル２の回転速度を低下させるとともに、原料ガスの流量を増加させて成膜を行う。回転テーブルの回転速度は、上方成長工程よりも遅い範囲で適切な値に設定することができ、１２０ｒｐｍ未満の速度であれば、用途に応じて種々の値に設定することができる。例えば、上方成長工程で原料ガスであるＴＤＭＡＴのキャリアガスであるＡｒの流量を１００ｓｃｃｍ、回転テーブル２の回転速度を２４０ｒｐｍに設定した場合には、犠牲膜形成工程では、ＴＤＭＡＴのキャリアガスであるＡｒの流量を３００ｓｃｃｍと３倍にするとともに、回転テーブル２の回転速度を１／４の６０ｒｐｍに設定する。このような条件で成膜を行うと、同じ種類の原料ガスを用いながらも、ウエハＷの表面形状に沿ったコンフォーマルな膜を形成することができる。ＴＤＭＡＴのキャリアガスの流量は、実質的にＴＤＭＡＴの流量を示すが、例えば犠牲膜形成工程では、上方成長工程の原料ガスの流量の１．５〜１０倍に設定してもよく、２〜６倍に設定することが好ましく、２〜４倍に設定す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、上方成長工程における回転速度の１／２〜１／１０に設定してもよく、１／３〜１／５に設定することが好ましい。
図１４（ｂ）は、上方成長工程の一例を示した図である。上方成長工程では、犠牲膜６０の上に、第１の実施形態で説明したのと同様の方法で保護膜６２を形成する。
図１４（ｃ）は、エッチング工程の一例を示した図である。エッチング工程において、犠牲膜が存在しないと、エッチングガスがトレンチＴの上端付近で多くなってしまうが、犠牲膜６０がトレンチＴ内に存在するため、エッチングガスがトレンチＴ内の犠牲膜６０のエッチングに消費され、トレンチＴの上端付近に集中しなくなる。これにより、エッチングが均一化され、保護膜６２の側面をトレンチＴの側面に沿った形状に加工することができる。
このように、エッチングが局所的に強くなる傾向があるプロセスでは、上方成長工程の前に犠牲膜形成工程を実施し、犠牲膜６０を形成する。これにより、局所的なエッチングを防止し、略垂直な側面を有し、上方に成長した保護膜６２を形成することができる。
なお、図１４（ｃ）の後、保護膜６２を更に上方成長させる場合にも、上方成長工程を実施する前に犠牲膜形成工程を実施し、トレンチＴの内部と既に形成された保護膜６２の側面及び上面にコンフォーマルな犠牲膜６０を形成すれば、保護膜６２の膜厚が厚くなっても、形状を整えつつ保護膜６２を上方成長させることができる。
図１５は、第２の実施形態に係る保護膜形成方法の一例のシーケンス図である。図１２と同様に、横軸は時間であり、縦軸にある項目は図１２と同様である。
時刻ｔ０において、ウエハＷを載置した回転テーブル（サセプタ）が回転を開始する。
時刻ｔ１において、回転テーブル２の回転速度が設定速度Ｖ０に達したら、犠牲膜形成工程を開始する。具体的には、原料ガスであるＴＤＭＡＴの供給を開始するとともに、酸化ガスの供給も開始する。エッチングガスは未だ供給されずに停止状態である。
犠牲膜形成工程における回転テーブル２の回転速度Ｖ０は、時刻ｔ３から開始する上方成長工程における回転速度Ｖ１よりも小さな値に設定される。回転速度は、例えば０．５〜８０ｒｐｍの範囲であってもよく、例えば６０ｒｐｍに設定してもよい。
また、原料ガスの流量は、例えば、上方成長工程における流量の２〜６倍に設定し、例えば、３倍程度に設定してもよい。
時刻ｔ２で原料ガス及び酸化ガスの供給を終了し、犠牲膜形成工程を終了する。上述のように、犠牲膜６０は、余分なエッチングガスを消費させ、エッチングガスの分布を均一化させるために形成される膜であるから、全体に薄く形成すれば十分であり、例えば、１〜５ｎｍ形成すれば十分である。
時刻ｔ３〜ｔ６では、第１の実施形態と同様の上方成長工程及びエッチング工程を実施する。エッチング工程においては、トレンチＴの内部、保護膜６２が既に堆積している場合にはその側面及び上面にエッチングガスが消費され、トレンチＴの上端付近にエッチングガスが集中することを防止することができ、局所的な過度のエッチングを防止することができる。これにより、トレンチＴの側面に沿った側面を有する保護膜６２を形成することができる。
図１５のｔ７では、回転テーブル２の回転速度がゼロまで低下しているが、これをＶ０まで低下させ、犠牲膜形成工程を再び実施し、所定の膜厚になるまで保護膜６２を形成してもよい。つまり、図１５の時刻ｔ１〜ｔ７を１ループとし、所定の膜厚に到達するまで複数ループを繰り返すようにしてもよい。
このように、第２の実施形態に係る保護膜形成方法によれば、局所的な過度のエッチングを防止し、トレンチＴの側面に沿った略垂直な側面を有する保護膜６２を上方成長させることができ、良好な形状を有する保護膜６２を厚く形成することができる。
また、第２の実施形態においては、犠牲膜形成工程と上方成長工程の原料ガスの種類を同一としたが、犠牲膜６０が膜質に悪影響を与えないものであれば、上方成長工程で形成する保護膜６２と異なる種類の犠牲膜６０を形成することも可能である。しかしながら、ガスの種類が増えるとプロセスが複雑化し、更にＴｉＯ２膜に異なる成分が含まれることになるので、犠牲膜６０と保護膜６２は同一種類の膜とすることが好ましい。
なお、回転テーブル２の回転速度は、上方成長工程においては、１２０〜３００ｒｐｍに設定されるが、これらは原料ガスの種類によっても左右される。例えば、ＴＤＭＡＴを用いてＴｉＯ２の保護膜を形成する場合、回転テーブル２の回転速度は、２００〜２８０ｒｐｍに設定されることが好ましく、２２０〜２６０ｒｐｍに設定されることがより好ましい。例えば、実施形態で説明したように、回転テーブル２の回転速度を２４０ｒｐｍに設定してもよい。
また、有機シランガス等の有機半金属ガスを原料ガスに用いる場合、上方成長工程における回転テーブル２の回転速度は、有機金属ガスを原料ガスに用いる場合よりも、高速に設定されることが好ましい。例えば、有機シランガス等の有機半金属ガスを原料ガスに用いる場合、回転テーブル２の回転速度は１５０〜３００ｒｐｍに設定されることが好ましく、２００〜３００ｒｐｍに設定されることがより好ましい。
回転テーブル２の回転速度は、原料ガス、ウエハＷの表面に形成されたトレンチＴ、ホール等の開口幅等に応じて、１２０ｒｐｍ以上の範囲で、適宜適切な値が設定されてよい。現在の所、回転テーブル２の回転速度の機械的限界が３００ｒｐｍであるため、３００ｒｐｍを上限として説明しているが、回転テーブル２が３００ｒｐｍよりも高速、例えば、４００ｒｐｍ、５００ｒｐｍといった高速回転が可能になれば、もっと高速に回転テーブル２の回転速度を設定してもよい。
また、ウエハＷの表面に形成されるパターンも、トレンチ以外に、複数のホールが形成されたパターンや、トレンチとホールの双方が一緒に形成されたパターンであってもよく、窪みパターン同士の間の領域であれば、保護膜６２を形成することは可能である。
なお、上述の実施形態では、酸化工程では熱酸化処理を行い、その後、プラズマエッチング処理を行う例を挙げて説明したが、熱酸化ではなくプラズマ酸化を行ってもよいし、エッチングに必ずしもプラズマを用いなくてもよいことも上述の通りである。酸化及びエッチングの方法及び装置は、用途により種々の方法及び装置を用いることができる。
このように、酸化工程及びエッチング工程については、用途に応じて、種々の選択が可能である。
また、第１及び第２の実施形態においては、回転テーブル２を用いた成膜装置による保護膜形成方法の例を示したが、高速にガスの供給切り替えが可能であれば、回転テーブル２を用いなくても本実施形態に係る保護膜形成方法を実施することは可能である。この場合、回転テーブル２が１回転する度に一連の工程が一度ずつ行われるので、１回転で、一連の原料吸着工程、酸化工程、プラズマ処理工程及び原料吸着工程と酸化工程との間のパージ工程、プラズマ処理工程と原料吸着工程との間のパージ工程が１回ずつ行われることになる。１２０ｒｐｍの場合は、１分間に１２０周期、６０ｒｐｍの場合は１分間に６０周期、７５ｒｐｍの場合には１分間に７５回ずつ各工程が行われるとして換算すればよい。
例えば、１つのチャンバ内を区分しておらず、１枚のウエハＷを載置するサセプタを処理室内に設け、サセプタを回転させながら、又は回転させずに、処理室内に供給するガスの種類を順次切り替えていく成膜装置を用いる場合にも、本実施形態の周期で処理室内に供給するガスの種類を順次切り替え、上方成長工程及びエッチング工程、更に必要に応じて犠牲膜形成工程を１ループとしてこのループを複数回繰り返す成膜を行えば、同様の保護膜を形成することができる。
また、本実施形態に係る保護膜形成方法は、複数枚のウエハＷをウエハボートと呼ばれるウエハ保持具に、鉛直方向に所定間隔を空けて積載保持し、５０〜１００枚を処理容器内に搬入し、処理容器を加熱し、ウエハボートを回転させながら処理容器内に供給するガスを順次切り替えてゆく、いわゆる縦型熱処理装置にも適用可能である。この場合も、ウエハＷの保持方法が異なるだけであり、供給するガスの切り替えにより、保護膜を形成することが可能である。
このようなガスの切り替えは、本実施形態における制御部１００に対応する制御部を各装置が備え、制御部がそのようなガスの切り替え制御を行うことにより実施可能である。
本実施形態においては、制御部１００が回転テーブル２の回転、原料ガス、酸化ガス、エッチングガス等のガスの供給を制御しているので、制御部１００が回転テーブル２の回転速度、原料ガス、酸化ガス、エッチングガス等の各ガスの流量と供給タイミングをレシピに従って制御することにより、本実施形態に係る保護膜形成方法を実施することができる。
［実施例］
次に、本発明を実施した実施例について説明する。
図１６は、実施例１に係る保護膜形成方法の上方成長工程後の実施結果を示した図である。実施例１においては、上述の回転テーブル式の成膜装置を用いて、第１の実施形態に係る保護膜形成方法を実施した。回転テーブル２上のウエハＷの温度を１５０℃、真空容器１内の圧力を１．８Ｔｏｒｒ、回転テーブル２の回転速度を２４０ｒｐｍに設定した。また、原料ガスにはＴＤＭＡＴを用い、気化器を用いて気化するとともに、キャリアガスであるＡｒの流量を１００ｓｃｃｍに設定した。また、酸化剤としてＨ２Ｏ２を用い、流量１．６５ｇ／ｍｉｎで供給し、キャリアガスにＯ２を用いてその流量を５０００ｓｃｃｍに設定した。
このような条件で上方成長工程を実施した所、図１６に示されるように、隣接するトレンチ同士の間の平坦面上に保護膜６２が形成された。この保護膜６２は、上方にも大きく成長しているが、横方向にも成長し、トレンチＴの開口の一部を塞いでいる。
図１７は、実施例１に係る保護膜形成方法のエッチング工程後の実施結果を示した図である。エッチングの条件は、エッチングガスとしてＣＦ４を用い、６０ｓｃｃｍの流量でキャリアガスとともに供給した。キャリアガスにはＡｒを用い、その流量を１００００ｓｃｃｍに設定した。また、プラズマ発生器８０の出力は２０００Ｗに設定した。また、エッチング時における回転テーブル２の回転速度は７５ｒｐｍに設定した。
図１７に示されるように、トレンチ間のウエハＷの平坦面上にほぼトレンチの側面に沿って上方に成長した保護膜６２が形成されている。このように、実施例１によれば、第１の実施形態に係る保護膜形成方法により、トレンチの側面に沿って略垂直に上方に成長する保護膜６２を形成できることが示された。
図１８は、実施例２に係る保護膜形成方法の実施結果を示した図である。実施例２においては、各工程のプロセス条件は実施例１と同一である。実施例２においても、第１の実施形態に係る保護膜形成方法を実施したが、上方成長工程及びエッチング工程からなる保護膜堆積工程を４回繰り返した。つまり、上方成長工程とエッチング工程を１ループとし、これを４ループ実施した。
図１８（ａ）は、実施例２に係る保護膜形成方法の保護膜堆積工程の１ループ後の実施結果である。図１８（ａ）に示される通り、保護膜６２の上端部がやや横方向に膨らんでいるが、全体としては良好な形状を有した保護膜６２が形成されている。
図１８（ｂ）は、実施例２に係る保護膜形成方法の保護膜堆積工程の４ループ後の実施結果である。４ループ後には、保護膜６２の根元のトレンチＴの上端付近の側面が大きく削れてしまい、くびれが形成された状態となった。１ループの膜厚の要求の場合、何ら問題無いが、更に厚い膜厚を要求された場合、エッチング工程におけるエッチングガスのエッチング力が強過ぎると、図１８（ｂ）のような局所的な過度にエッチングが発生する場合が稀にある。
このような場合には、第２の実施形態に係る保護膜形成方法により、局所的な過度のエッチングを防止することができる。
図１９は、実施例３に係る保護膜形成方法の実施結果を示した図である。実施例３においては、第２の実施形態に係る保護膜形成方法を実施した。実施例３において、上方成長工程及びエッチング工程については、実施例１、２と同一の実施条件とした。犠牲膜形成工程においても、ＴＤＭＡＴを原料ガスとし、酸化ガスをＨ２Ｏ２としている点は、実施例１、２と同一である。また、ウエハＷの温度、真空容器１内の圧力も実施例１、２と同一とした。回転テーブル２の回転速度については、６０ｒｐｍとし、上方成長工程の２４０ｒｐｍの１／４とした。また、原料ガスであるＴＤＭＡＴの流量については、キャリアガスＡｒの流量を３００ｓｃｃｍとし、上方成長工程における１００ｓｃｃｍの３倍とした。また、酸化ガスについては、上方成長工程と同一とした。このように、犠牲膜形成工程においては、上方成長工程よりも回転速度を低下させ、原料ガスの流量を増加させた設定とした。
図１９（ａ）は、実施例３に係る保護膜形成方法の保護膜堆積工程の１ループ後の実施結果である。この段階では、実施例２の図１８（ａ）と同じ実施段階であるので、同一の結果が得られている。
図１９（ｂ）は、実施例３に係る保護膜形成方法の保護膜堆積工程の４ループ後の実施結果である。４ループ後には、保護膜６２の上方がやや横方向にも成長しているものの、トレンチの上端部付近における過度のエッチングによるくびれは消滅した。このように、犠牲膜形成工程を設けることにより、エッチングによる影響を調整することができ、保護膜６２の形状を調整することができることが示された。更に種々の条件を調整することにより、保護膜６２の上部の横方向の成長を除去することも可能である。
このように、実施例３によれば、第２の実施形態に係る保護膜形成方法によれば、保護膜６２の形状を調整しつつ、更に厚い膜厚の保護膜６２を形成することが可能であることが示された。
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
７ ヒータユニット
１１ 天板
１２ 容器本体
１５ 搬送口
２４ 凹部
３１〜３３ 反応ガスノズル
４１、４２ 分離ガスノズル
６０ 犠牲膜
６２ 保護膜
８０ プラズマ発生器
１３０〜１３２ ガス供給源
Ｐ１〜Ｐ３ 処理領域
Ｗ ウエハ
Ｔ トレンチ

Claims (16)

  1. 基板の表面に複数の窪み形状が形成され、隣接する該複数の窪み形状間の平坦領域の表面上に保護膜を形成する保護膜形成方法であって、
    前記平坦領域の表面上に有機金属又は有機半金属の酸化膜を上方成長させる上方成長工程と、
    前記有機金属又は有機半金属の酸化膜の側面をエッチングし、横方向に成長した前記有機金属又は有機半金属の酸化膜を除去するエッチング工程と、を有する保護膜形成方法。
  2. 前記上方成長工程の前に、前記エッチング工程における犠牲膜を前記基板の表面にコンフォーマルに形成する犠牲膜形成工程を更に有する請求項１に記載の保護膜形成方法。
  3. 前記犠牲膜形成工程、前記上方成長工程及び前記エッチング工程を繰り返し、前記有機金属又は有機半金属の酸化膜を所定の厚さまで上方成長させる請求項２に記載の保護膜形成方法。
  4. 前記犠牲膜は、前記平坦領域上の前記有機金属又は有機半金属の酸化膜と同一種類の酸化膜である請求項３に記載の保護膜形成方法。
  5. 前記犠牲膜形成工程及び前記上方成長工程は、前記基板の表面に前記有機金属又は有機半金属を含有する原料ガスを吸着させる原料ガス吸着工程と、前記基板の表面に吸着した原料ガスを酸化ガスにより酸化して前記有機金属又は有機半金属の酸化膜を堆積させる酸化工程とを繰り返す酸化膜堆積工程を有する請求項４に記載の保護膜形成方法。
  6. 前記酸化ガスは、加熱又はプラズマにより活性化されたＨ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２、Ｏ２又はＯ３である請求項５に記載の保護膜形成方法。
  7. 前記エッチング工程は、プラズマにより活性化されたエッチングガスを前記基板の表面に供給することにより行われる請求項５に記載の保護膜形成方法。
  8. 前記上方成長工程における前記酸化膜堆積工程の繰り返し周期は、前記犠牲膜形成工程における前記酸化膜堆積工程の繰り返し周期よりも短い請求項７に記載の保護膜形成方法。
  9. 前記上方成長工程における前記酸化膜堆積工程の繰り返し周期は、１分間に１２０回以上であり、
    前記犠牲膜形成工程における前記酸化膜堆積工程の繰り返し周期は、１分間に８０回以下である請求項８に記載の保護膜形成方法。
  10. 前記基板は、処理室内に設けられた回転テーブル上に周方向に沿って配置され、
    該回転テーブルより上方に、該回転テーブルの該周方向に沿って前記原料ガスを前記基板の表面に吸着させる吸着領域、前記基板の表面に吸着した前記原料ガスを酸化する酸化領域、及び前記酸化膜の側面をエッチングするエッチング領域が互いに離間して設けられ、
    前記犠牲膜形成工程では、前記回転テーブルを８０ｒｐｍ以下の回転速度で回転させ、前記基板に前記吸着領域及び前記酸化領域を順次通過させることにより、前記原料ガス吸着工程及び前記酸化工程を１分間に８０回以下の繰り返し周期で行い、
    前記上方成長工程では、前記回転テーブルを１２０ｒｐｍ以上の回転速度で回転させ、前記基板に前記吸着領域及び前記酸化領域を順次通過させることにより、前記原料ガス吸着工程及び前記酸化工程を１分間に１２０回以下の繰り返し周期で行い、
    前記エッチング工程は、前記原料ガス及び前記酸化ガスの供給を停止させるとともに前記活性化されたエッチングガスを供給しながら、前記回転テーブルを所定の回転速度で回転させ、前記エッチング領域を所定の周期で通過させることにより行われる請求項９に記載の保護膜形成方法。
  11. 前記犠牲膜形成工程の前記原料ガス吸着工程において供給される前記原料ガスの流量は、前記上方成長工程の前記原料ガス吸着工程において供給される前記原料ガスの流量よりも大きい請求項８に記載の保護膜形成方法。
  12. 前記有機金属の酸化膜は、Ｈｉｇｈ−ｋ膜である請求項１に記載の保護膜形成方法。
  13. 前記有機金属は、有機アミノチタニウムである請求項１に記載の保護膜形成方法。
  14. 前記有機アミノチタニウムは、テトラキスジメチルアミノチタニウムである請求項１３に記載の保護膜形成方法。
  15. 前記有機半金属は、有機シランである請求項１に記載の保護膜形成方法。
  16. 前記窪み形状は、トレンチである請求項１に記載の保護膜形成方法。
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