JP2019175885A - 成膜方法及び成膜装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】シリコンを含む原料ガスと、原料ガスを窒化する窒化ガスとを交互に基板に供給してシリコン含有窒化膜を成膜するにあたり、所望の応力を有するように当該シリコン含有窒化膜を形成すること。【解決手段】原料吸着工程と前記窒化工程とを交互に繰り返し行い、基板Ｗにシリコン含有窒化膜を形成する工程と、前記原料吸着工程及び前記窒化工程を行う前に、前記シリコン含有窒化膜の応力を設定する工程と、前記シリコン含有窒化膜の応力と前記プラズマ形成領域Ｒ１〜Ｒ３における窒化時間に対応するパラメータとの第１の対応関係、及び設定された前記シリコン含有窒化膜の応力に基づいた長さで前記窒化工程を行う窒化時間調整工程と、を含むように成膜処理を行う。【選択図】図３

Description

本発明は、基板にシリコン含有窒化膜を成膜する技術に関する。
半導体装置を形成するにあたり、半導体ウエハ（以下、ウエハと記載する）などの基板に窒化シリコン（ＳｉＮ）膜などのシリコン含有窒化膜がＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）によって形成される場合が有る。このＡＬＤを行う成膜装置としては、真空容器内に設けられる回転テーブルにウエハが載置され、当該回転テーブルの回転によって公転するウエハが、原料ガスが供給される雰囲気と、当該原料ガスと反応する反応ガスが供給される雰囲気とを繰り返し通過することで、成膜が行われるように構成される場合が有る。
上記のＳｉＮ膜の形成を含む具体的な処理工程の例を示すと、先ず下地膜上にＳｉＮ膜を形成し、このＳｉＮ膜に下地膜をエッチングするためのパターンを形成した後に、当該パターンをマスクとして下地膜をエッチングする処理が挙げられる。そのようにＳｉＮ膜に形成されるパターンとしては、その幅に対して高さが比較的大きいものとなる場合が有る。当該パターンはそのような形状を有することにより、ＳｉＮ膜が適切な膜応力を有するように形成されない場合には曲がったり倒れたりして、下地膜のエッチングを行うことができなくなってしまう懸念がある。そして上記の適切な膜応力は、下地膜の膜応力の影響を受けて変化する可能性が有る。つまり、下層膜のエッチングを確実に行うために、ＡＬＤにおいて成膜されるＳｉＮ膜の膜応力について調整可能とすることが求められている。
特許文献１にはシランガス、アンモニアガス及び水素ガスを同時に処理容器内に供給すると共に、マイクロ波によりこれらのガスをプラズマ化してガラス基板にＳｉＮ膜をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により成膜する装置について示されている。このマイクロ波のパワー及び水素の流量を各々制御することによってＳｉＮ膜の膜応力を制御し、ＳｉＮ膜におけるピンホールの発生を抑制するとされているが、上記のＡＬＤを行う装置について膜応力を所望の値に制御することができる技術が求められている。
特開２０１４−６０３７８号公報
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、シリコンを含む原料ガスと、原料ガスを窒化する窒化ガスとを交互に基板に供給してシリコン含有窒化膜を成膜するにあたり、所望の応力を有するように当該シリコン含有窒化膜を形成することができる技術を提供することである。
本発明の成膜方法は、真空容器の内部に設けられる載置台に基板を載置する工程と、
前記真空容器内にシリコンを含む原料ガスを供給して前記基板に吸着させる原料吸着工程と、
供給されたガスをプラズマ化して前記基板に供給するために前記真空容器内に設けられるプラズマ形成領域に窒化ガスを供給し、前記基板に吸着された原料ガスを窒化する窒化工程と、
前記原料吸着工程と前記窒化工程とを交互に繰り返し行い、前記基板にシリコン含有窒化膜を形成する工程と、
前記原料吸着工程及び前記窒化工程を行う前に、前記シリコン含有窒化膜の応力を設定する工程と、
前記シリコン含有窒化膜の応力と前記プラズマ形成領域における窒化時間に対応するパラメータとの第１の対応関係、及び設定された前記シリコン含有窒化膜の応力に基づいた長さで前記窒化工程を行う窒化時間調整工程と、
を含むことを特徴とする。
本発明の成膜装置は、内部に基板が載置される載置台を備える真空容器と、
前記真空容器内にシリコンを含む原料ガスを供給して前記基板に吸着させるための原料ガス供給部と、
供給されたガスをプラズマ化して前記基板に供給するために真空容器内に設けられるプラズマ形成領域と、
プラズマ形成領域に窒化ガスを供給し、前記基板に吸着された原料ガスを窒するための窒化ガス供給部と、
前記基板に前記原料ガスの供給とプラズマ化された前記窒化ガスの供給とが交互に繰り返し行われてシリコン含有窒化膜が形成されるように、制御信号を出力する制御部と、
前記シリコン含有窒化膜の応力と前記プラズマ形成領域における窒化時間に対応するパラメータとの第１の対応関係が記憶される記憶部と、
が設けられ、
前記制御部は、設定された前記シリコン含有窒化膜の応力と、前記第１の対応関係と、に基づいた長さで前記基板にプラズマ化された窒化ガスが供給されるように制御信号を出力することを特徴とする。
本発明によれば、シリコンを含む原料ガスとプラズマ化した窒化ガスとを交互に繰り返し基板に供給してシリコン含有窒化膜を形成するにあたり、シリコン含有窒化膜の応力と前記プラズマ形成領域における窒化時間に対応するパラメータとの第１の対応関係に基づいて窒化時間を調整するか、シリコン含有窒化膜の応力と前記プラズマ形成領域に供給する水素ガスの流量との第２の対応関係に基づいて水素ガスを供給する。それによって、所望の応力を有するようにシリコン含有窒化膜の応力を形成することができる。
本発明に係る成膜処理を含む一連の半導体装置の製造プロセスの説明図である。 本発明に係る成膜処理を含む一連の半導体装置の製造プロセスの説明図である。 本発明に係る成膜装置の縦断側面図である。 前記成膜装置の横断平面図である。 前記成膜装置に設けられるガス給排気ユニットの下面図である。 前記成膜装置において水素ガスが供給される改質領域を示す縦断側面図である。 前記成膜装置に設けられる制御部のブロック図である。 前記制御部のメモリに記憶されるデータを示すグラフ図である。 成膜処理時におけるガスの供給状態を示す説明図である。 成膜処理時におけるガスの供給状態を示す説明図である。 本発明に係る他の成膜装置を示す縦断側面図である。 評価試験におけるウエハの縦断側面を示す模式図である。
本発明に係る成膜処理を含むウエハＷへの一連の処理工程について、図１、図２を参照しながら説明する。図１、図２は、この処理工程におけるウエハＷの表面部の縦断側面図を示している。先ず、図１（ａ）について説明すると、図中１１はＳｉ（シリコン）層であり、このＳｉ層１１上には下層膜１２が積層されている。この下層膜１２は、例えばＳｉＮ膜及び酸化シリコン（ＳｉＯｘ）膜などが積層されて構成された膜であり、その上端部は例えばＳｉＯｘ膜によって構成されている。そして、下層膜１２上には、アモルファスＳｉ膜１３が形成されている。このアモルファスＳｉ膜１３には下層膜１２が露出するように溝１４が形成されることで、当該アモルファスＳｉ膜１３は上下に細長のパターンをなすように形成されている。
このようなアモルファスＳｉ膜１３及び下層膜１２を被覆し、ウエハＷの表面の凹凸に沿うように、薄膜であるＳｉＮ膜１５が形成される（図１（ｂ））。続いて、アモルファスＳｉ膜１３の上端部及び溝１４内の下層膜１２が露出するようにエッチングが行われ（図１（ｃ））、その後、アモルファスＳｉ膜１３が選択的にエッチングされて、縦断側面で見て上下に細長のＳｉＮ膜１５のパターンが形成される（図２（ｄ））。然る後、このＳｉＮ膜１５をマスクとして下層膜１２及びＳｉ層１１がエッチングされ、Ｓｉ層１１にパターンが形成される（図２（ｅ））。
続いて、本発明の実施形態に係る成膜装置１について、図３の縦断側面図、図４の横断平面図を夫々参照しながら説明する。この成膜装置１は、上記の処理工程のうち、図１（ｂ）で説明したＳｉＮ膜１５の形成をＡＬＤによって行う。なお、本明細書ではシリコン窒化膜について、Ｓｉ及びＮの化学量論比に関わらずＳｉＮと記載する。従ってＳｉＮという記載には、例えばＳｉ３Ｎ４が含まれる。また、この成膜装置１は形成されるＳｉＮ膜１５の応力を装置のユーザーが設定できるように構成されており、引張り（Tensile）応力を有するか、あるいは圧縮（Compressive）応力を有するように当該ＳｉＮ膜を形成することができる。なお、ＳｉＮ膜の応力の値が＋のときは引張り応力、−のときは圧縮応力を有する。
図中２１は扁平な概ね円形の真空容器（処理容器）であり、側壁及び底部を構成する容器本体２１Ａと、天板２１Ｂとにより構成されている。図中２２は、真空容器２１内に水平に設けられる円形の回転テーブルである。図中２２Ａは、回転テーブル２２の裏面中央部を支持する支持部である。図中２３は回転機構であり、成膜処理中において支持部２２Ａを介して回転テーブル２２を、その周方向に上側から見て時計回りに回転させる。図中Ｘは、回転テーブル２２の回転軸を表している。
回転テーブル２２の上面には、回転テーブル２２の周方向（回転方向）に沿って６つの円形の凹部２４が設けられており、各凹部２４にウエハＷが収納される。つまり、回転テーブル２２の回転によって公転するように、各ウエハＷは回転テーブル２２に載置される。図３中２５はヒーターであり、真空容器２１の底部において同心円状に複数設けられ、上記の回転テーブル２２に載置されたウエハＷを加熱する。図４中２６は真空容器２１の側壁に開口したウエハＷの搬送口であり、図示しないゲートバルブによって開閉自在に構成される。図示しない基板搬送機構により、ウエハＷは搬送口２６を介して、真空容器２１の外部と凹部２４内との間で受け渡される。
回転テーブル２２上には、ガス給排気ユニット３と、改質領域Ｒ１と、反応領域Ｒ２と、改質領域Ｒ３とが、回転テーブル２２の回転方向下流側に向かい、当該回転方向に沿ってこの順に設けられている。以下、ガス給排気ユニット３について、下面図である図５も参照しながら説明する。原料ガス供給部をなすガス給排気ユニット３は、平面視、回転テーブル２２の中央側から周縁側に向かうにつれて回転テーブル２２の周方向に広がる扇状に形成されており、ガス給排気ユニット３の下面は、回転テーブル２２の上面に近接すると共に対向している。
ガス給排気ユニット３の下面には、ガス吐出口３１、排気口３２及びパージガス吐出口３３が開口している。図中での識別を容易にするために、図５では、排気口３２及びパージガス吐出口３３に多数のドットを付して示している。ガス吐出口３１は、ガス給排気ユニット３の下面の周縁よりも内側の扇状領域３４に多数配列されている。このガス吐出口３１は、成膜処理時における回転テーブル２２の回転中に、ＳｉＮ膜を形成するためのＳｉ（シリコン）を含む原料ガスであるＤＣＳガスを下方にシャワー状に吐出して、ウエハＷの表面全体に供給する。なお、Ｓｉを含む原料ガスとしてはＤＣＳに限られず、例えばヘキサクロロジシラン（ＨＣＤ）、テトラクロロシラン（ＴＣＳ）などを用いてもよい。
この扇状領域３４においては、回転テーブル２２の中央側から回転テーブル２２の周縁側に向けて、３つの区域３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃが設定されている。区域３４Ａ、区域３４Ｂ、区域３４Ｃに設けられるガス吐出口３１の夫々に独立してＤＣＳガスを供給できるように、ガス給排気ユニット３には互いに区画された図示しないガス流路が設けられている。そして、これらのガス流路の上流側は、各ガス流路にＤＣＳガスを供給する図示しないガス供給源に接続されている。なお、このＤＣＳガスを供給するガス供給源及び、後述する各ガス供給源については、下流側へのガスの給断を制御するバルブ、下流側へのガスの流量を調整するマスフローコントローラなどが含まれる。
排気口３２及びパージガス吐出口３３は、扇状領域３４を囲むと共に回転テーブル２２の上面に向かうように、ガス給排気ユニット３の下面の周縁に環状に開口しており、パージガス吐出口３３が排気口３２の外側に位置している。回転テーブル２２上における排気口３２の内側の領域は、ウエハＷの表面へのＤＣＳの吸着が行われる吸着領域Ｒ０を構成する。排気口３２には図示しない排気装置が接続され、パージガス吐出口３３にはＡｒ（アルゴン）ガスなどの不活性ガスをパージガスとして当該パージガス吐出口３３に供給するガス供給部が接続されている。
成膜処理中において、ガス吐出口３１からの原料ガスの吐出、排気口３２からの排気及びパージガス吐出口３３からのパージガスの吐出が共に行われる。それによって、回転テーブル２２へ向けて吐出された原料ガス及びパージガスは、回転テーブル２２の上面を排気口３２へと向かい、当該排気口３２から排気される。このようにパージガスの吐出及び排気が行われることにより、吸着領域Ｒ０の雰囲気は外部の雰囲気から分離され、当該吸着領域Ｒ０に限定的に原料ガスを供給することができる。即ち、吸着領域Ｒ０に供給されるＤＣＳガスと、後述するようにプラズマ形成ユニット４Ａ〜４Ｃによって吸着領域Ｒ０の外部に供給されるガス及びガスの活性種と、が混合されることを抑えることができるので、ウエハＷにＡＬＤによる成膜処理を行うことができる。また、このパージガスはそのように雰囲気を分離する役割の他にも、ウエハＷに過剰に吸着したＤＣＳガスを当該ウエハＷから除去する役割も有する。
上記の改質領域Ｒ１、反応領域Ｒ２及び改質領域Ｒ３には、夫々の領域に存在するガスを活性化してプラズマを形成するためのプラズマ形成ユニット４Ａ、プラズマ形成ユニット４Ｂ、プラズマ形成ユニット４Ｃが設けられている。
以下、プラズマ形成ユニット４Ｂについて説明する。プラズマ形成ユニット４Ｂは、ガスを回転テーブル２２上に供給すると共に、このガスにマイクロ波を供給して、回転テーブル２２上にプラズマを発生させる。プラズマ形成ユニット４Ｂは、上記のマイクロ波を供給するためのアンテナ４１を備えており、当該アンテナ４１は、誘電体板４２と金属製の導波管４３とを含む。
誘電体板４２は、平面視回転テーブル２２の中央側から周縁側に向かうにつれて広がる概ね扇状に形成されている。真空容器２１の天板２１Ｂには上記の誘電体板４２の形状に対応するように、概ね扇状の貫通口が設けられており、当該貫通口の下端部の内周面は貫通口の中心部側へと若干突出して、支持部４４を形成している。上記の誘電体板４２はこの貫通口を上側から塞ぎ、回転テーブル２２に対向するように設けられており、誘電体板４２の周縁は支持部４４に支持されている。
導波管４３は誘電体板４２上に設けられており、回転テーブル２２の径方向に沿って延在する内部空間４５を備える。図中４６は、導波管４３の下部側を構成するスロット板であり、誘電体板４２に接するように設けられ、複数のスロット孔４６Ａを有している。なお、図４においてプラズマ形成ユニット４Ｂでは、スロット孔４６Ａを省略している。導波管４３の回転テーブル２２の中央側の端部は塞がれており、回転テーブル２２の周縁側の端部には、マイクロ波発生器４７が接続されている。マイクロ波発生器４７は、例えば、約２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導波管４３に供給する。導波管４３に供給されたマイクロ波は、スロット板４６のスロット孔４６Ａを通過して誘電体板４２に至り、この誘電体板４２の下方に吐出されたガスに供給されて、当該ガスをプラズマ化する。このようにプラズマが形成される誘電体板４２の下部側が、上記の反応領域Ｒ２をなす。従って、反応領域Ｒ２は回転テーブル２の中心側から周縁側へ向かうにつれて広がる概ね扇状の領域である。
さらにプラズマ形成ユニット４Ｂは、誘電体板４２の支持部４４に設けられたガス吐出孔５１を備えている。ガス吐出孔５１は、例えば真空容器２１の周方向に沿って複数設けられており、回転テーブル２２の周縁側から中央側に向けて、反応領域Ｒ２にガスを吐出する。そして、この窒化ガス供給部を構成するガス吐出孔５１は配管系を介して、ＮＨ３ガスを供給するＮＨ３ガス供給源５２及びＡｒガスを供給するＡｒガス供給源５３に接続されており、これらＮＨ３ガス及びＡｒガスを吐出する。なお、ＮＨ３ガスは原料ガスを窒化するための窒化ガスであり、ＡｒガスはＮＨ３ガスをプラズマ化するためのガスである。つまり、プラズマ形成ユニット４Ｂは、反応領域Ｒ２でＮＨ３ガスをプラズマ化し、窒化処理を行うユニットである。
また、反応領域Ｒ２には、当該反応領域Ｒ２の近傍に設けられるガスインジェクター５４、５５からもＮＨ３ガス及びＡｒガスが供給される。これら窒化ガス供給部を構成するガスインジェクター５４、５５は、回転テーブル２２の回転方向上流側、回転方向下流側に夫々設けられている。なお、これ以降、回転方向上流側及び回転方向下流側と記載するときの回転方向とは、特に説明が無い限り回転テーブル２２の回転方向であるものとする。これらのガスインジェクター５４、５５は、真空容器２１の外側から反応領域Ｒ２の縁部に沿うように水平に伸び、その先端側が回転テーブル２２の中心部付近に位置すると共に当該先端側が閉鎖された細長の管として構成されている。そして、ガスインジェクター５４、５５の基端は配管系を介してＮＨ３ガス供給源５２、Ａｒガス供給源５３に夫々接続されている。ガスインジェクター５４、５５には、供給されたＮＨ３ガス及びＡｒガスを反応領域Ｒ２に向けて供給できるように、吐出孔５６がガスインジェクター５４、５５の長さ方向に沿って多数形成されている。
続いて、プラズマ形成ユニット４Ａ及びプラズマ形成ユニット４Ｃについて、プラズマ形成ユニット４Ｂとの差異点を中心に説明する。なお、プラズマ形成ユニット４Ａ、４Ｃは互いに同様に構成されており、図６には代表してプラズマ形成ユニット４Ａを示している。プラズマ形成ユニット４Ａ、４Ｃにおいては、回転テーブル２２の周縁側から中央側、中央側から周縁側に向けて各々ガスを供給することができるように、支持部４４にガス吐出孔５１が設けられている。各ガス吐出孔５１はＨ２（水素）ガスを供給するＨ２ガス供給源５７に接続されており、改質領域Ｒ１、Ｒ３には当該ガス吐出孔５１からＨ２ガスが供給される。このＨ２ガスにマイクロ波が供給されることで、当該Ｈ２ガスがプラズマ化される。プラズマ化されたＨ２ガスはＳｉＮ膜１５中の塩素に作用してこれを除去し、ＳｉＮ膜１５を改質する。従って、プラズマ形成ユニット４Ａ、４Ｂのガス吐出孔５１は、水素ガス供給部を構成する。
上記のように改質領域Ｒ１、Ｒ３及び既述の反応領域Ｒ２は、プラズマ形成領域として構成されており、原料ガスの供給領域である吸着領域Ｒ０に対して、回転方向に離れて設けられている。なお、これらの改質領域Ｒ１、反応領域Ｒ２及び改質領域Ｒ３間については、吸着領域Ｒ０とその外部領域との間のようなパージガスによる雰囲気の区画は行われていない。
また、図４に示すように例えば反応領域Ｒ２における回転テーブル２２の外側における真空容器２１の底部には、排気口５９が開口している。この排気口５９は真空ポンプなどの図示しない排気機構に接続されており、当該排気口５９からの排気量は調整自在とされる。
成膜装置２には、コンピュータからなる制御部６０が設けられている。図７は制御部６０の構成を示している。図中６１はバスである。図中６２は各種の演算を行うＣＰＵである。図中６３はプログラム格納部であり、プログラム６４が格納される。図中６５は、装置のユーザーが所望のＳｉＮ膜１５の応力を設定するための設定部であり、例えばタッチパネルやキーボードなどにより構成される。図中６６はメモリ（記憶部）であり、設定されたＳｉＮ膜１５の応力と、成膜装置１の処理パラメータとの対応関係が記憶されており、ＳｉＮ膜１５の応力が設定されると、この対応関係より当該応力に対応する処理パラメータが読み出され、読み出された処理パラメータに基づいて処理が行われる。
この処理パラメータは、成膜処理中における回転テーブル２２の回転数及び上記のＨ２ガスの供給源５７から改質領域Ｒ１、Ｒ３へのＨ２ガスの流量である。この例では、上記のＨ２ガスの流量については０及び０以外の所定の値から選択的に決まるので、処理パラメータとしてのＨ２ガスの流量とは、より詳しくはＨ２ガスの供給源５７から改質領域Ｒ１、Ｒ３へのＨ２ガスの供給の有無である。図８に示すグラフは、このメモリ６６に格納されるデータを示しており、実験を行うことにより取得されている。このグラフについて説明すると、横軸に回転テーブル２２の回転数（単位：ｒｐｍ）が、縦軸にＳｉＮ膜１５の応力（単位：ＧＰａ）が夫々設定されている。そして、改質領域Ｒ１、Ｒ３へのＨ２ガスの供給を行わない場合とＨ２ガスの供給を行う場合との夫々において、回転テーブル２２の回転数とＳｉＮ膜１５の応力との対応関係を示したものである。
Ｈ２ガスの供給を行う場合、回転テーブル２２の回転数が３ｒｐｍ〜２０ｒｐｍの範囲において、回転テーブル２２の回転数が大きいほどＳｉＮ膜１５の応力が大きくなる。Ｈ２ガスの供給を行わない場合、回転テーブル２２の回転数が３ｒｐｍ〜５ｒｐｍの範囲においては回転テーブル２２の回転数が大きいほどＳｉＮ膜１５の応力が小さくなり、回転テーブル２２の回転数が５ｒｐｍ〜２０ｒｐｍにおいては、回転テーブル２２の回転数が大きいほどＳｉＮ膜１５の応力が大きくなる。また、ウエハＷの回転数が任意の値であるときには、Ｈ２ガスを供給しない場合よりもＨ２ガスを供給した場合の方が、ＳｉＮ膜１５の応力は大きくなる。
そして、このグラフによれば回転テーブル２２の回転数を３ｒｐｍ〜２０ｒｐｍの範囲内で調整すること、及び改質領域Ｒ１、Ｒ３へのＨ２ガスの供給の有無を選択することにより、ＳｉＮ膜１５の応力について−０．８ＧＰａ〜０．０８ＧＰａの範囲内で変更できることが分かる。つまり、−０．８ＧＰａ〜０．０８ＧＰａの範囲内で所望の応力を有するＳｉＮ膜１５を形成するにあたり、このグラフに基づいて、回転テーブル２２の回転数とＨ２ガス供給源５７から改質領域Ｒ１、Ｒ３へのＨ２ガスの供給の有無と、について決定することができる。なお、ＳｉＮ膜１５の応力が設定されたときに、その設定された応力を得るための回転テーブル２２の回転数が、このグラフから２つ設定し得る場合が有るが、その場合は例えば高い方、低い方のうちのいずれの値に設定するかを予め決めておく。なお、回転テーブル２２の回転数を変化させることでＳｉＮ膜１５の応力が変化するのは、ウエハＷがプラズマ化したＮＨ３ガスに曝される時間、つまりＡＬＤの一回のサイクルにおいて窒化処理が行われる窒化時間が変化することによるものと考えられる。成膜装置２では、回転テーブル２２の回転数を調整することで、この窒化時間を調整する。
続いて、上記のプログラム６４について説明する。このプログラム６４については、成膜装置２の各部に制御信号を送信してその動作を制御し、後述の成膜処理が実行されるようにステップ群が組まれている。具体的に、回転機構２３による回転テーブル２２の回転数、各ガス供給部による各ガスの流量及び給断、排気口５９による排気量、マイクロ波発生器４７からのアンテナ４１へのマイクロ波の給断、ヒーター２５への給電などが、プログラム６４によって制御される。ヒーター２５への給電の制御は、ウエハＷの温度の制御であり、排気口５９による排気量の制御は、即ち真空容器２１内の圧力の制御である。
上記のプログラム６４による回転テーブル２２の回転数についての制御は、設定部６５から設定されたＳｉＮ膜１５の応力と上記の図８に示したグラフとに基づいて行われる。同様に、Ｈ２ガス供給源５７からのＨ２ガスの供給についても設定部６５から設定されたＳｉＮ膜１５の応力と上記の図８に示したグラフとに基づいて行われる。このプログラム６４は、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、ＤＶＤなどの記憶媒体に格納された状態で、プログラム格納部６２に収納されて制御部６０にインストールされる。
以下、成膜装置２により行われる成膜処理について説明する。先ず、ユーザーが設定部６５からＳｉＮ膜１５の応力について所望の値を設定すると、制御部６０は、この設定値と図８のグラフとに基づいて、回転テーブル２２の回転数及びＨ２ガス供給源５７から改質領域Ｒ１、Ｒ３へのＨ２ガスの供給の有無について決定する。ここでは、改質領域Ｒ１、Ｒ３へのＨ２ガスの供給が行われるように決定されたものとして説明する。
続いて、その表面が図１（ａ）に示した構成とされたウエハＷが６枚、図示しない基板搬送機構によって回転テーブル２２の各凹部２４に搬送されると、ウエハＷの搬送口２６に設けられるゲートバルブが閉鎖されて、真空容器２１内が気密とされる。凹部２４に載置されたウエハＷは、ヒーター２５によって所定の温度に加熱される。そして、排気口５９からの排気によって、真空容器２１内が所定の圧力の真空雰囲気とされ、回転テーブル２２が既述のように決定された回転数で回転する。続いて、ガス給排気ユニット３から各ガスの供給及び排気が行われることによって、回転テーブル２２上の吸着領域Ｒ０に限定的にＤＣＳガスが供給される。また、プラズマ形成ユニット４Ａ、４Ｂ、４Ｃの各吐出孔５１、及びガスインジェクター５４、５５から各ガスが供給されると共に、改質領域Ｒ１、Ｒ３及び反応領域Ｒ２にマイクロ波が供給される。それによって、改質領域Ｒ１、Ｒ３にはＨ２ガスのプラズマが、反応領域Ｒ２にはＡｒガス及びＮＨ３ガスのプラズマが、夫々形成される。図９はそのように各ガスが形成されて、成膜が行われるときの状態を示している。なお図中２０の矢印は回転テーブル２２の回転方向を示している。
回転テーブル２２の回転により、ウエハＷは、吸着領域Ｒ０、改質領域Ｒ１、反応領域Ｒ２、改質領域Ｒ３を順に繰り返し移動し、当該ウエハＷから見ると、ＤＣＳガスの供給、Ｈ２ガスの活性種の供給、ＮＨ３ガスの活性種の供給、Ｈ２ガスの活性種の供給が順に繰り返される。この結果、ウエハＷの表面に島状のＳｉＮの層が改質されながら、広がるように成長する。その後も、回転テーブル２２の回転が続けられてウエハＷ表面にＳｉＮが堆積し、薄層が成長してＳｉＮ膜１５となり、ＳｉＮ膜１５の膜厚が上昇する。そして、図１（ｂ）に示したように所望の膜厚のＳｉＮ膜１５が形成されると、例えばガス給排気ユニット３における各ガスの吐出及び排気が停止し、ガス吐出孔５１及びガスインジェクター５４、５５からの各ガスの供給と、改質領域Ｒ１、Ｒ３及び反応領域Ｒ２へのマイクロ波の供給とが停止して成膜処理が終了する。成膜処理後のウエハＷは、基板搬送機構によって成膜装置１から搬出される。
ユーザーが設定部６５からＳｉＮ膜１５の応力について所望の値を設定した結果、Ｈ２ガス供給源５７から改質領域Ｒ１、Ｒ３へのＨ２ガスの供給が行われないとして決定された場合の成膜処理についても説明しておく。この場合は、そのようにＨ２ガスの供給が行われないことを除いて、Ｈ２ガスの供給が行われるように決定された場合と同様の成膜処理が行われる。図１０は、そのようにＨ２ガスの供給が行われずに成膜処理が行われるときの状態を示している。なお、このようにＨ２ガスが供給されないときにも改質領域Ｒ１、Ｒ３にはマイクロ波が供給される。そして、改質領域Ｒ１、Ｒ３に微量に存在するＨ２ガスがプラズマ化され、ウエハＷがこの改質領域Ｒ１、Ｒ３を通過するときには改質が行われると考えられる。
この成膜装置１によれば、設定された応力に応じて回転テーブル２２の回転数及び改質領域Ｒ１、Ｒ３へのＨ２ガスの供給の有無が決定され、当該設定された応力を有するようにＳｉＮ膜１５を成膜することができる。従って、このＳｉＮ膜１５が図２（ｄ）に示したように縦長のパターンを形成する状態となったときに、屈曲したり倒れたりすることを抑制することができる。結果として、図２（ｅ）に示したＳｉＮ膜１５をマスクとするＳｉ層１１のエッチング処理が異常になることを防ぐことができ、ウエハＷから製造される半導体装置の歩留りの低下を抑制することができる。
ところで、ＳｉＮ膜１５の応力と回転テーブル２２の回転数との対応関係を第１の対応関係とすると、上記のメモリ６６には８に実線のグラフとして示すＨ２ガスが供給されるときの第１の対応関係と、図８に点線のグラフとして示すＨ２ガスが供給されないときの第１の対応関係との両方が記憶されている。しかし、これらのうちのいずれか一方のみの第１の対応関係が記憶されていてもよい。つまり、成膜処理時において改質領域Ｒ１、Ｒ３にＨ２ガスが供給されるか否かが、ユーザーによるＳｉＮ膜１５の応力の設定に関わらずに予め決められた装置構成とされ、当該ＳｉＮ膜１５の応力の設定に応じて回転テーブル２２の回転数のみが決められる構成とされてもよい。ただし、回転数とＨ２ガスの供給の有無との両方が決められる装置構成とすることで、ＳｉＮ膜１５の応力の設定可能な範囲を大きくすることができ、既述したようにＳｉＮ膜１５がtensile応力またはcompressive応力を有することができるように構成することができるため好ましい。
さらに、成膜装置１はユーザーによるＳｉＮ膜１５の応力の設定に関わらずに予め決められた回転数で成膜処理を行うように構成され、ユーザーによる膜の応力の設定によってＨ２ガスの供給の有無のみが決められる構成とされてもよい。例えば、成膜処理時に回転テーブル２２は２０ｒｐｍで回転するように決められているものとする。そして、メモリ６６には、このように２０ｒｐｍで回転する場合におけるＨ２ガスを供給するとき、Ｈ２ガスを供給しないとき夫々のＳｉＮ膜の応力について記憶されている。そして、ユーザーが設定部６５から設定した応力に近い値の応力となるようにＨ２ガスの供給の有無が決められるようにしてもよい。つまり、Ｈ２ガスの供給の有無と形成されるＳｉＮ膜の応力との対応関係を第２の対応関係とすると、図７などで既述した構成例では第１の対応関係、第２の対応関係の両方がメモリ６６に含まれているが、第２の対応関係のみが含まれるようにしてもよい。
また、上記の装置の構成例では、図８のグラフのデータがメモリ６６に含まれているものとしたが、そのような構成とされることには限られない。例えば、成膜装置１とは異なる場所に表示される図８のグラフから、ユーザーがＳｉＮ膜１５の応力が所望の値となる回転テーブル２２の回転数とＨ２ガスの供給の有無とを読み出して、設定するようにしてもよい。また、上記の処理例では、改質領域Ｒ１、Ｒ３に供給するＨ２ガスの流量について、所望の膜応力が得られるように第１の流量と、当該第１の流量より大きい第２の流量とが切り替えられるようにされ、第１の流量は０とされている。しかし、そのように第１の流量については０とすることには限られず、０以外の量であってもよい。
さらに本発明の成膜装置は、成膜装置２のように真空容器２１内に複数のウエハＷを格納して一括で処理するバッチ式の成膜装置として構成することには限られず、図１１に示すように真空容器２１にウエハＷを１枚のみ格納して処理する枚葉式の成膜装置７として構成されてもよい。この成膜装置７について、成膜装置２との差異点を中心に説明する。なお、この成膜装置７について、既述の成膜装置１と共通の機能を有する構成要素には、成膜装置２で用いた符号と共通の符号を付して示している。
成膜装置７の真空容器２１内には、ウエハＷを載置する載置台７１が設けられ、当該載置台７１に対しては、バイアス用の高周波電力（例えば１３．５６ＭＨｚ）を印加するための高周波電源７２が、マッチングユニット７３を介して接続されている。載置台７１にはヒーター２５が設けられており、載置台７１に載置されたウエハＷを加熱する。真空容器２１の天井部はマイクロ波供給部７４として構成されており、マイクロ波発生器４７にて発生させた、例えば２．４５ＧＨｚのＴＥモードのマイクロ波を、導波管７５を介してモード変換器７６へ供給し、ＴＥＭモードへと変換した後、同軸導波管７７、スロット孔４６Ａが形成されたスロット板４６、及び真空容器２１の天井面をなす誘電体板４２を介して真空容器２１内に供給する。それによって、真空容器２１内に供給される各ガスをプラズマ化することができる。
例えばＮＨ３ガス及びＨ２ガスは、モード変換器７６及び同軸導波管７７内に形成されたガス供給ライン７８を用いて真空容器２１内へと導入される。また、例えばＤＣＳガス、Ａｒガスは、ガス供給管７９を介して真空容器２１内に供給される。このＡｒガスについては、ＮＨ３ガスをプラズマ化する他に、真空容器２１内をパージするパージガスとしても用いられる。なお、図中ＤＣＳガスの供給部を８１として示しており、図中８２は、排気口５９に接続される排気機構である。
成膜装置７に設けられる制御部６０のメモリ６６には、ＳｉＮ膜１５の応力と、ＡＬＤの１サイクルにおける窒化時間との対応関係が、真空容器２１内にＨ２ガスを供給する場合と、真空容器２１内にＨ２ガスを供給しない場合との各々について記憶される。このＡＬＤの１サイクルにおける窒化時間とは、成膜装置２においてウエハＷが上記の反応領域Ｒ２を通過するために要する時間であり、従って上記の回転テーブル２２の回転数に所定の係数を乗じることで算出することができる。つまり、この成膜装置７におけるメモリ６６には、成膜装置２のメモリ６６に対応するデータが格納されている。
成膜装置７において成膜処理をするにあたっては、成膜装置２により成膜処理を行う場合と同様に、ユーザーによりＳｉＮ膜１５の応力が入力され、メモリ６６に記憶された既述のデータに基づいてＨ２ガスの供給を行うか否か、及び既述の窒化時間について決定される。H２ガスの供給を行うと決定された場合には真空容器２１内へのＤＣＳガス供給、パージガス（Ａｒガス）供給、Ｈ２ガス供給、パージガス供給、ＮＨ３ガス供給及びＡｒガス供給、パージガス供給、Ｈ２ガス供給、パージガス供給からなるサイクルが繰り返し行われ、所望の膜厚のＳｉＮ膜１５が形成される。Ｈ２ガスの供給時、ＮＨ３ガス及びＡｒガスの供給時においては、各々真空容器２１内にマイクロ波が供給され、これらのガスがプラズマ化される。
その一方で、H２ガスを供給しないと決定された場合には真空容器２１内へのＤＣＳガス供給、パージガス（Ａｒガス）供給、ＮＨ３ガス供給及びＡｒガス供給、パージガス供給からなるサイクルが繰り返し行われ、所望の膜厚のＳｉＮ膜１５が形成される。ＮＨ３ガス及びＡｒガスの供給時においては、真空容器２１内にマイクロ波が供給され、これらのガスがプラズマ化される。Ｈ２ガスを供給すると決定された場合、供給しないと決定された場合共に、ＮＨ３ガス及びＡｒガスを供給する時間、つまり上記の窒化時間は、既述のように決定された時間となるように制御される。
ところで本発明は、既述した実施形態に限られず、既述した実施形態は適宜組み合わせたり、変更したりことができる。例えば、成膜装置２で反応領域Ｒ２、改質領域Ｒ１、Ｒ３は既述の例に限られず、時計回りに改質領域Ｒ１、Ｒ３、反応領域Ｒ２の順で並んでいてもよい。さらに上記の成膜装置２における、Ｈ２ガスやＮＨ３ガスをプラズマ化する手法について、マイクロ波を利用する例に限定されず、アンテナを用いて誘導結合型のプラズマ（ＩＣＰ：Inductively coupled plasma）を発生させてもよい。また、成膜装置２により成膜するシリコン含有窒化膜としてはＳｉＮ膜に限られず、例えばＳｉＣＮ膜（炭素含有シリコン窒化膜）などであってもよい。このＳｉＣＮ膜を成膜するには、例えば反応領域Ｒ２にメタンなどの炭素を含有するガスを供給するノズルを設け、ＮＨ３ガス、Ａｒガスと共にその炭素含有ガスを反応領域Ｒ２に供給すると共に当該反応領域Ｒ２でこれらのガスのプラズマ化を行えばよい。
（評価試験）
以下、本発明に関連して行われた評価試験について説明する。
（評価試験１）
複数のウエハＷに対して図１（ａ）〜図２（ｄ）で説明した一連の処理を行い、ＳｉＮ膜１５にパターンを形成した。このＳｉＮ膜１５については、成膜装置２を用いてウエハＷ毎に異なる応力を有するように成膜しており、具体的に当該応力が＋５０ＭＰａ、−２００ＭＰａとなるように成膜を行った。そして、ＳｉＮ膜１５のパターン形成後のウエハＷを、ＤＨＦ（希釈されたフッ化水素酸）を用いて洗浄し、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）を用いて各ウエハＷの縦断側面を撮像した。
図１２の模式図は、上記のように撮像されたウエハＷの縦断側面を示しており、上段がＳｉＮ膜１５の応力を＋５０ＭＰａとしたときの縦断側面図、下段がＳｉＮ膜１５の応力を−２００ＭＰａとしたときの縦断側面図である。この図１２から明らかなように応力が＋５０ＭＰａであるＳｉＮ膜１５のパターンは傾き、倒れが生じている。しかし応力が−２００ＭＰａであるＳｉＮ膜１５のパターンは、そのような傾き、倒れが生じていない。従って、ＳｉＮ膜１５の応力を適切なものとすることによって、当該パターンの傾き、倒れを抑制することが可能なことが推定される。
Ｒ０ 吸着領域
Ｒ１、Ｒ３ 改質領域
Ｒ２ 反応領域
Ｗ ウエハ
１５ ＳｉＮ膜
２ 成膜装置
２１ 回転テーブル
２３ 回転機構
３ ガス給排気ユニット
４Ａ、４Ｂ、４Ｃ プラズマ形成ユニット
６０ 制御部

Claims (8)

  1. 真空容器の内部に設けられる載置台に基板を載置する工程と、
    前記真空容器内にシリコンを含む原料ガスを供給して前記基板に吸着させる原料吸着工程と、
    供給されたガスをプラズマ化して前記基板に供給するために前記真空容器内に設けられるプラズマ形成領域に窒化ガスを供給し、前記基板に吸着された原料ガスを窒化する窒化工程と、
    前記原料吸着工程と前記窒化工程とを交互に繰り返し行い、前記基板にシリコン含有窒化膜を形成する工程と、
    前記原料吸着工程及び前記窒化工程を行う前に、前記シリコン含有窒化膜の応力を設定する工程と、
    前記シリコン含有窒化膜の応力と前記プラズマ形成領域における窒化時間に対応するパラメータとの第１の対応関係、及び設定された前記シリコン含有窒化膜の応力に基づいた長さで前記窒化工程を行う窒化時間調整工程と、
    を含むことを特徴とする成膜方法。
  2. 前記窒化時間調整工程の代わりに、前記シリコン含有窒化膜の応力と前記プラズマ形成領域に供給する水素ガスの流量との第２の対応関係、及び設定された前記シリコン含有窒化膜の応力に基づいた流量で前記プラズマ形成領域に水素ガスを供給する水素ガス流量調整工程を含むことを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
  3. 前記窒化時間調整工程及び前記水素ガス流量調整工程の両方を含むことを特徴とする請求項１または２記載の成膜方法。
  4. 前記第２の対応関係は、
    前記プラズマ形成領域へ供給する水素ガスの流量が０または０以外の流量から選択されるように設定されていることを特徴とする請求項２または３記載の成膜方法。
  5. 前記載置台である回転テーブルを回転させることで前記基板を公転させる工程が含まれ、
    前記原料吸着工程は、前記プラズマ形成領域から前記回転テーブルの回転方向に離れた原料ガスの供給領域に対して公転する前記基板を通過させる工程を含み、
    前記窒化工程は、前記プラズマ形成領域に対して、公転する前記基板を通過させる工程を含み、
    前記窒化時間に対応するパラメータは、前記回転テーブルの回転数であることを特徴とする請求項４記載の成膜方法。
  6. 内部に基板が載置される載置台を備える真空容器と、
    前記真空容器内にシリコンを含む原料ガスを供給して前記基板に吸着させるための原料ガス供給部と、
    供給されたガスをプラズマ化して前記基板に供給するために真空容器内に設けられるプラズマ形成領域と、
    前記プラズマ形成領域に窒化ガスを供給し、前記基板に吸着された原料ガスを窒化するための窒化ガス供給部と、
    前記基板に前記原料ガスの供給とプラズマ化された前記窒化ガスの供給とが交互に繰り返し行われてシリコン含有窒化膜が形成されるように、制御信号を出力する制御部と、
    前記シリコン含有窒化膜の応力と前記プラズマ形成領域における窒化時間に対応するパラメータとの第１の対応関係が記憶される記憶部と、
    を備え、
    前記制御部は、予め設定された前記シリコン含有窒化膜の応力と、前記第１の対応関係と、に基づいた長さで前記基板にプラズマ化された窒化ガスが供給されるように制御信号を出力することを特徴とする成膜装置。
  7. 前記第１の対応関係が記憶される記憶部が設けられる代りに、
    前記プラズマ形成領域に水素ガスを供給する水素ガス供給部と、
    前記シリコン含有窒化膜の応力と前記プラズマ形成領域に供給する水素ガスの流量との第２の対応関係が記憶された記憶部と、が設けられ、
    前記制御部は、予め設定された前記シリコン含有窒化膜の応力と、前記第２の対応関係と、に基づいた流量で前記プラズマ形成領域に水素ガスが供給されるように制御信号を出力することを特徴とする請求項６記載の成膜装置。
  8. 前記記憶部には、第１の対応関係及び第２の対応関係が記憶され、
    前記制御部は、設定された前記シリコン含有窒化膜の応力に基づいた長さで前記基板にプラズマ化された窒化ガスが供給され、且つ設定された前記シリコン含有窒化膜の応力に基づいた流量で前記プラズマ形成領域に水素ガスが供給されるように制御信号を出力することを特徴とする請求項６または７記載の成膜装置。
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