JP2019175975A - ボロン系膜の成膜方法および成膜装置 - Google Patents

ボロン系膜の成膜方法および成膜装置 Download PDF

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Abstract

【課題】ハードマスクとして好適な特性を有するボロン系膜を得ることができるボロン系膜の成膜方法および成膜装置を提供する。【解決手段】基板上にボロンを主体とするボロン系膜を形成するボロン系膜の成膜方法は、容量結合プラズマを用いたプラズマＣＶＤによりボロン系膜を成膜する成膜装置のチャンバ内に基板を搬入する第１工程と、チャンバ内にボロン含有ガスを含む処理ガスを供給する第２工程と、容量結合プラズマを生成するための高周波電力を印加する第３工程と、高周波電力により処理ガスのプラズマを生成して基板上にボロン系膜を成膜する第４工程とを含み、第３工程の高周波電力のパワーによりボロン系膜の膜応力を調整する。【選択図】図２

Description

本開示は、ボロン系膜の成膜方法および成膜装置に関する。
近時、半導体製造技術の発展により、半導体装置の微細化が進み、１４ｎｍ以下、さらには１０ｎｍ以下のものが出現している。また、さらなる半導体装置の集積化のために半導体素子を立体的に構築する技術が進められている。このため、半導体ウエハ上に形成する薄膜の積層数が増加し、例えば３次元ＮＡＮＤを用いたフラッシュメモリにおいては、酸化珪素（ＳｉＯ２）膜や窒化珪素（ＳｉＮ）膜等を含む、厚さが１μｍ以上の厚い積層膜をドライエッチングにより微細加工する工程が必要となっている。
微細加工を行うためのハードマスクとしては、従来、アモルファスシリコン膜やアモルファスカーボン膜が用いられているが、エッチング耐性が低い。したがって、これらの膜をハードマスクとして用いた場合は膜厚を厚くせざるを得ず、１μｍ以上もの厚い膜を形成する必要がある。
さらに次世代のハードマスク材料として、アモルファスシリコン膜やアモルファスカーボン膜よりもエッチング耐性が高いタングステン等の金属材料膜が検討されている。しかし、非常にエッチング耐性が高いタングステン膜等の金属材料膜は、ドライエッチング加工後の剥離やメタル汚染等への対策が難しい。
このため、アモルファスシリコン膜やアモルファスカーボン膜よりもドライエッチング耐性が高く、ＳｉＯ２膜等に対して高い選択比を有する新たなハードマスク材料としてボロン系膜が検討されている。特許文献１には、ＣＶＤにより成膜したボロン系膜をハードマスクとして使用できることが記載されている。
特表２０１３−５３３３７６号公報
本開示は、ハードマスクとして好適な特性を有するボロン系膜を得ることができるボロン系膜の成膜方法および成膜装置を提供する。
本開示の一態様に係るボロン系膜の成膜方法は、基板上にボロンを主体とするボロン系膜を形成するボロン系膜の成膜方法であって、容量結合プラズマを用いたプラズマＣＶＤによりボロン系膜を成膜する成膜装置のチャンバ内に基板を搬入する第１工程と、容量結合プラズマを生成するための高周波電力を印加する第２工程と、前記チャンバ内にボロン含有ガスを含む処理ガスを供給する第３工程と、前記高周波電力により前記処理ガスのプラズマを生成して基板上に前記ボロン系膜を成膜する第４工程とを含み、前記第２工程の高周波電力のパワーにより前記ボロン系膜の膜応力を調整する。
本開示によれば、ハードマスクとして好適な特性を有するボロン系膜を得ることができるボロン系膜の成膜方法および成膜装置が提供される。
一実施形態に係るボロン系膜の成膜方法を実施するための成膜装置の一例を示す断面図である。 一実施形態に係るボロン系膜の成膜方法を説明するためのフローチャートである。 容量結合プラズマＣＶＤにより成膜されたボロン膜のドライエッチング特性をアモルファスカーボン膜やアモルファスシリコン膜と比較して示す図である。 図１に示す容量結合プラズマＣＶＤ装置として構成される成膜装置によりＲＦパワーを変化させてボロン膜を成膜した際のＲＦパワーと膜応力との関係を示す図である。 図４の横軸のＲＦパワーを対数表示した図である。 プラズマ生成用ＲＦパワーを変化させて成膜したボロン膜のＦＴ−ＩＲ測定結果を示す図である。 プラズマ生成用ＲＦパワーが１０００Ｗおよび１００Ｗのときの、ボロン膜の膜厚と膜の表面粗さＲＭＳとの関係を示す図である。 プラズマ生成用ＲＦパワーと膜応力および成膜レートとの関係を示す図である。 プラズマ生成用ＲＦパワーが１００Ｗ、５００Ｗ、１０００Ｗのときの、圧力と膜応力との関係を示す図である。 図９の横軸の圧力を対数表示するとともに、１００Ｗのときの高圧側のプロットを加えた図である。 プラズマ生成用ＲＦパワーが１００Ｗ、５００Ｗ、１０００Ｗのときの、Ａｒガス希釈率（％）と膜応力との関係を示す図である。 圧力を変化させた場合の、ボロン膜のＦＴ−ＩＲ測定結果を示す図である。 Ａｒガス希釈率を変化させた場合の、ボロン膜のＦＴ−ＩＲ測定結果を示す図である。 バイアス用高周波パワーと膜応力の関係を示す図である。 バイアス用高周波パワーを変化させた場合の、ボロン膜のＦＴ−ＩＲ測定結果を示す図である。 ボロン系膜の成膜方法を実施するための成膜装置の他の例を示す断面図である。
以下、添付図面を参照して実施の形態について説明する。
＜経緯＞
最初に、本開示のボロン系膜の成膜方法に至った経緯について説明する。
ボロン系膜はドライエッチングによるパターニング工程におけるハードマスクとして有望視されており、従来、ＣＶＤにより成膜されている。ボロン系膜の中でも、特に、ボロン単独のボロン膜がハードマスクとして優れた特性を有することがわかっている。
一方、半導体装置の微細化および多層構造化につれてハードマスク材料は多様化・厚膜化が進んでおり、ドライエッチング特性の他に様々な膜特性が要求されている。例えば、ハードマスク材料膜の膜応力は、膜の密着性や基板であるウエハの反りなどの観点から重要な膜特性となっている。また、半導体装置の微細化にともない、膜自体の平坦性（ＲＭＳ：二乗平均粗さ）が重要視されており、ハードマスクとして表面粗さ（平坦性）がＲＭＳで１ｎｍ以下の膜が要求されつつある。
しかし、ＣＶＤにより成膜されたボロン系膜は、膜応力や平坦性が必ずしも十分ではなく、これらの特性が良好なボロン系膜が求められる。上記特許文献１には、ＣＶＤにより成膜したボロン系膜をハードマスクとして使用できることが記載されているものの、ハードマスク材料として求められる膜応力および表面平坦性が得られる成膜手法については開示されていない。
そこで、発明者らが検討した結果、容量結合プラズマＣＶＤ装置を用い、高周波電力のパワーを調整することにより、ボロン系膜の膜応力を調整できることが見出された。そして、高周波電力のパワーを５００Ｗ以下という、通常の容量結合プラズマＣＶＤ装置よりも低パワーにしてボロン系膜を成膜することにより、膜応力が小さくなり、さらに表面平坦性も良好となって、ハードマスクとして適したものとなることが見出された。
なお、本開示において、成膜対象であるボロン系膜は、ボロンを５０ａｔ．％以上有するボロンを主体とする膜であり、ボロンおよび不可避不純物からなるボロン膜であってもよいし、ボロンに意図的に窒素（Ｎ）、炭素（Ｃ）、珪素（Ｓｉ）等の他の元素を添加した膜であってもよい。ただし、高いエッチング耐性を得る観点からは、他の添加元素を含まないボロン膜が好ましい。以下の実施形態においては、ボロン系膜として添加元素を含まないボロン膜を用いた例について説明する。
＜成膜装置＞
図１は、一実施形態に係るボロン系膜の成膜方法を実施するための成膜装置の一例を示す断面図である。本例の成膜装置１００は、ボロン膜を成膜する容量結合プラズマＣＶＤ装置として構成される。
成膜装置１００は、チャンバ１０内に載置台（ステージ）２０とガスシャワーヘッド３０とを対向配置した平行平板型（容量結合型）のプラズマエッチング装置として構成される。載置台２０は下部電極として機能し、ガスシャワーヘッド３０は上部電極として機能する。成膜装置１００は、さらに、ガス供給機構４０、高周波電力供給装置５０、および制御部６０を有する。
チャンバ１０は、略円筒状を有し、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムで構成されており、電気的に接地されている。チャンバ１０の底面には排気口１１が形成されており、排気口１１は排気配管１２が接続されている。排気配管１２には、真空ポンプや圧力制御バルブ等からなる排気装置１３が接続されており、排気装置１３によってチャンバ１０内が排気されるとともに、チャンバ１０内を所定の圧力（真空度）に制御する。チャンバ１０の側壁には被処理基板である半導体ウエハＷ（以下単にウエハＷと記す）を搬入出するためのウエハ搬入出口１４が設けられており、ウエハ搬入出口１４はゲートバルブＧによって開閉される。そして、ゲートバルブＧを開放した状態で、チャンバ１０に対するウエハＷの搬入および搬出が行われる。
載置台２０は、チャンバ１０の底部の中央部に設置され、その上に、ウエハＷが載置されるようになっている。載置台２０は金属材料で構成されている。載置台２０は、チャンバ１０の底面に配置された金属製の支持部材２１および絶縁部材２２を介して支持されている。また、載置台２０には抵抗加熱型のヒーター２３が埋め込まれており、このヒーター２３はヒーター電源２４から給電されることにより発熱し、それにより載置台２０を介してウエハＷが所定の温度に加熱される。
なお、載置台２０にはウエハ昇降ピン（図示せず）が静電チャックの表面に対し突没可能に設けられており、ウエハ昇降ピンを突出させた状態でウエハＷを受け渡しが行われるようになっている。
ガスシャワーヘッド３０は円板状をなし、チャンバ１０の上部に設けられた円環状のリッド１５に、絶縁体からなるシールドリング３５を介して嵌め込まれており、チャンバ１０の天井部を構成する。ガスシャワーヘッド３０は、図示するように電気的に接地してもよいし、可変直流電源を接続して所定の直流（ＤＣ）電圧が印加されるようにしてもよい。
ガスシャワーヘッド３０は、本体３１を有している。本体３１の内部には、ウエハＷよりも少し大きい円板状の主ガス拡散室３２と副ガス拡散室３３が２段に設けられている。主ガス拡散室３２は、中央部の第１ガス拡散室３２ａとエッジ部の円環状の第２ガス拡散室３２ｂとに分かれている。
本体３１の底部には、主ガス拡散室３２の第１ガス拡散室３２ａおよび第２ガス拡散室３２ｂからチャンバ１０内に臨むように多数の第１ガス吐出孔３６が形成されている。また、本体３１の底部には、副ガス拡散室３３からチャンバ１０内に臨むように多数の第２ガス吐出孔３７が形成されている。第１ガス吐出孔３６および第２ガス吐出孔３７は交互に形成されており、第２ガス吐出孔３７は、副ガス拡散室３２から、主ガス拡散室３１の第１ガス拡散室３１ａおよび第２ガス拡散室３１ｂ内の管部３８を通って本体３１の底部に達している。
ガス供給機構４０は、ボロン含有ガスを含む処理ガスを供給するためのものである。ボロン含有ガスとしては、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）ガス、三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）ガス、アルキルボランガス、デカボランガス等を挙げることができる。アルキルボランガスとしては、トリメチルボラン（Ｂ（ＣＨ３）３）ガス、トリエチルボラン（Ｂ（Ｃ２Ｈ５）３）ガスや、Ｂ（Ｒ１）（Ｒ２）（Ｒ３）、Ｂ（Ｒ１）（Ｒ２）Ｈ、Ｂ（Ｒ１）Ｈ２（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３はアルキル基）で表されるガス等を挙げることができる。これらの中ではＢ２Ｈ６ガスを好適に用いることができる。
また、処理ガスはプラズマ励起用の希ガスを含んでいる。さらにＨ２ガス等を含んでいてもよい。希ガスとしてはＨｅガスやＡｒガスなどが用いられる。以下では、ボロン含有ガスとしてＢ２Ｈ６ガス、希ガスとしてＡｒガスおよびＨｅガスを含む処理ガスを用いる場合を例にして説明する。
ガス供給機構４０は、Ｂ２Ｈ６ガス供給源４１と、Ｈｅガス供給源４２と、Ａｒガス供給源４３と、これらガス供給源からそれぞれ延びる配管４４、４５、および４６とを有する。配管４４にはマスフローコントローラのような流量制御器４４ａおよび開閉バルブ４４ｂが設けられ、配管４５には流量制御器４５ａおよび開閉バルブ４５ｂが設けられ、配管４６には流量制御器４６ａおよび開閉バルブ４６ｂが設けられている。Ｂ２Ｈ６ガス供給源４１から延びる配管４４、およびＨｅガス供給源４２から延びる配管４５は、配管４７に合流し、配管４７は第１分配配管４７ａおよび第２分配配管４７ｂに分岐している。第１分配配管４７ａおよび第２分配配管４７ｂには、それぞれ流量制御弁４８ａおよび４８ｂが設けられている。第１分配配管４７ａおよび第２分配配管４７ｂは、それぞれ、主ガス拡散室３２の第１ガス拡散室３２ａおよび第２ガス拡散室３２ｂに接続されている。これにより、Ｂ２Ｈ６ガスおよびＨｅガスが、所定の分配比で第１ガス拡散室３２ａおよび第２ガス拡散室３２ｂに分配され、ウエハＷの中央部と周辺部でＢ２Ｈ６ガスおよびＨｅガスの量を変化させることができる。一方、Ａｒガス供給源４３から延びる配管４６は、副ガス拡散室３３に接続され、ＡｒガスがウエハＷの全面に均等に吐出される。このように、ＨｅガスとＡｒガスとを別個の供給系統で供給することにより、ＨｅガスとＡｒガスの流量比を任意に調整することができる。
高周波電力供給装置５０は、載置台２０に２周波重畳の高周波電力を供給するものであり、プラズマ生成用の第１周波数の第１高周波電力を供給する第１高周波電源５２と、バイアス電圧印加用の、第１周波数よりも低い第２周波数の第２高周波電力を供給する第２高周波電源５４とを有する。第１高周波電源５２は、第１整合器５３を介して載置台２０に電気的に接続される。第２高周波電源５４は、第２整合器５５を介して載置台２０に電気的に接続される。第１高周波電源５２は、例えば、４０ＭＨｚの第１高周波電力を載置台２０に印加する。第２高周波電源５４は、例えば、３ＭＨｚの第２高周波電力を載置台２０に印加する。なお、第１高周波電力は、ガスシャワーヘッド３０に印加してもよい。
第１整合器５３は、第１高周波電源５２の内部（または出力）インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させるもので、チャンバ１０内にプラズマが生成されている時に第１高周波電源５２の出力インピーダンスと負荷インピーダンスが見かけ上一致するように機能する。第２整合器５５は、第２高周波電源５４の内部（または出力）インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させるもので、チャンバ１０内にプラズマが生成されているときに第２高周波電源５４の内部インピーダンスと負荷インピーダンスとが見かけ上一致するように機能する。
第１高周波電源５２からの高周波電力は、例えばパルス状にパワー変調して印加してもよい。パルスの周期は５〜４０ｋＨｚ程度が好ましい。
制御部６０は、成膜装置１００の各構成部、例えばバルブ類、流量制御器、第１高周波電源５２、第２高周波電源５４、排気装置１３、ヒータ電源２４からのヒータ２３への給電等を制御する。制御部６０は、ＣＰＵを有する主制御部と、入力装置、出力装置、表示装置、および記憶装置を有している。記憶装置には、成膜装置１００で実行される処理を制御するためのプログラム、すなわち処理レシピが格納された記憶媒体がセットされ、主制御部は、記憶媒体に記憶されている所定の処理レシピを呼び出し、その処理レシピに基づいて成膜装置１００に所定の処理を行わせるように制御する。
＜ボロン系膜の成膜方法＞
次に、以上のように構成される成膜装置１００において実施されるボロン系膜としてのボロン膜の成膜方法について図２のフローチャートを参照して説明する。
まず、ゲートバルブＧを開け、ウエハＷを成膜装置１のチャンバ１０内に搬入する（ステップ１）。そして、載置台２０に載置するとともにゲートバルブＧを閉じる。
載置台２０の温度は、５００℃以下、好ましくは６０〜５００℃、例えば３００℃に設定される。チャンバ１０を真空排気した後、チャンバ１０内に処理ガスを供給する（ステップ２）。処理ガスの供給は、最初に、ＡｒガスおよびＨｅガスをチャンバ１０内に流してサイクルパージを行い、その後Ｂ２Ｈ６ガスを供給することにより行う。サイクルパージの際には、ＡｒガスおよびＨｅガスによるチャンバ１０内の圧力を例えば４００ｍＴｏｒｒ程度としてウエハＷの温度を安定化させる。そして、Ｂ２Ｈ６ガスの供給は以下のように行われる。Ｈｅガスで希釈されたＢ２Ｈ６ガスをＢ２Ｈ６ガス正味で５〜５０ｓｃｃｍ、例えば３０ｓｃｃｍの流量になるように供給し、さらにＡｒガスおよび／またはＨｅガスを、合計で１００〜１０００ｓｃｃｍ、例えば４００ｓｃｃｍの流量でチャンバ１０内に供給する。これにより、チャンバ１０内の圧力を１００ｍＴｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒ（１３．３Ｐａ〜１３３３．３Ｐａ）に制御する。
そして、プラズマ生成用高周波電源５２から載置台２０にプラズマ生成用の第１の高周波電力を印加する（ステップ３）。このとき、後述するように高周波電力のパワーにより、ステップ４で成膜されるボロン系膜であるボロン膜の膜応力を調整する。第１の高周波電力により、上部電極であるガスシャワーヘッド３０と下部電極である載置台２０との間に高周波電界を形成し、処理ガスのプラズマを生成して容量結合プラズマＣＶＤによりボロン膜を成膜する（ステップ４）。このとき成膜されるボロン膜は、通常、アモルファスボロン（ａ−Ｂ）である。ボロン膜の成膜時間は、膜厚に応じて適宜設定される。
このように、プラズマＣＶＤにより成膜されたボロン膜（アモルファスボロンａ−Ｂ）は、ドライエッチングの際にＳｉＯ２膜やＳｉＮ膜に対して高い選択比を有する。したがって、図３に示すように、ＣＦ系ガスをベースとして、Ａｒ、Ｏ２、Ｎ２、Ｈ２などのガスを適宜添加したガスでエッチングしたときに、従来ハードマスク材料として用いられているアモルファスカーボン膜（ａ−Ｃ）やアモルファスシリコン膜（ａ−Ｓｉ）よりもエッチング耐性が高い。そのため、ボロン膜をハードマスク等に適用することにより、半導体装置の製造が容易になる。
ハードマスク材料膜は、膜の密着性や基板であるウエハの反りなどの観点から膜応力が小さいことが要求され、また、半導体装置の微細化にともない、膜自体の平坦性（表面粗さ；例えば二乗平均粗さ（ＲＭＳ））が重要視されている。
ボロン膜のようなボロン系膜をＣＶＤにより成膜する場合、本実施形態のような容量結合プラズマＣＶＤ装置を用い、プラズマ生成用の高周波電力パワー（ＲＦパワー）を調整することにより、膜応力を調整することができる。
この点について詳細に説明する。
図４は、図１に示す容量結合プラズマＣＶＤ装置として構成される成膜装置によりＲＦパワーを変化させてボロン膜を成膜した際のＲＦパワーと膜応力との関係を示す図であり、図５は、横軸のＲＦパワーを対数表示したものである。他のプロセス条件は、温度：３００℃、圧力：５００ｍＴｏｒｒ（６６．７Ｐａ）、Ｂ２Ｈ６ガス（Ｂ２Ｈ６濃度：１５ｖｏｌ％ｉｎＨｅガス）流量：２００ｓｃｃｍ（Ｂ２Ｈ６ガス正味：３０ｓｃｃｍ、Ｈｅガス：１７０ｓｃｃｍ）、Ａｒガス流量：１００ｓｃｃｍ、Ｈｅガス流量：１００ｓｃｃｍ、電極間ギャップ２０ｍｍとした。なお、応力は負の方向が圧縮方向である。
これらの図に示すように、プラズマ生成用のＲＦパワーにより膜応力を調整することができる。容量結合プラズマＣＶＤによる成膜では、プラズマ生成のために一般的に１０００Ｗ以上のＲＦパワーが用いられるが、これらの図に示すように、ＲＦパワーが１０００Ｗ以上では膜応力が１ＧＰａ以上と大きな圧縮応力となる。これに対し、ＲＦパワーを小さくすると膜応力が小さくなり、５００Ｗ以下で膜応力が５００ＭＰａ以下とハードマスクとして適用可能な値となることがわかる。さらに、ＲＦパワーが１００Ｗ以下では膜応力が３００ＭＰａ以下とよりハードマスクとして好適な値となることが判明した。容量結合プラズマにおいて、このような低パワーでプラズマが生成され、しかも応力が小さい膜が形成されることは、従来予想されなかったことである。
このように、容量結合プラズマ生成用のＲＦパワーによりボロン系膜であるボロン膜の膜応力を調整することができ、ＲＦパワーが小さくなるほど膜応力が小さくなるメカニズムの検討結果について説明する。
ボロン原料としてのＢ２Ｈ６をプラズマにより解離させる際、プラズマの電子温度が低ければ、結合エネルギーが小さいＢＨ３やＢＨ２等の水素を含むラジカルが多く生成し、プラズマの電子温度が高ければＢＨ＋やＢ＋等のイオンが多く生成する。図６は、プラズマ生成用ＲＦパワーを変化させて成膜したボロン膜のＦＴ−ＩＲ測定結果を示す図である。図６から、プラズマ生成用ＲＦパワーが小さいほどＢ−Ｈ結合のピークが高くなっていることがわかる。すなわち、プラズマ生成用ＲＦパワーが小さいほどプラズマの電子温度が低くなり、膜中の水素量が増加し、Ｂ−Ｈ結合が増加する。膜中にＢ−Ｈ結合を多く含む膜はＨ終端されているため、膜構造緩和が起こりやすく膜応力が小さくなるものと考えられる。
また、このようにプラズマ生成用ＲＦパワーを小さくすることにより、膜の平坦性も良好になる。具体的には、ＲＦパワーが５００Ｗ以下ではボロン系膜の膜厚が１μｍと厚くなっても表面粗さＲＭＳが１ｎｍ程度の小さい値とすることができ、さらに１００Ｗ以下では表面粗さＲＭＳが０．５ｎｍ付近の極めて優れた平坦性を得ることができる。図７は、実際にプラズマ生成用ＲＦパワーが１０００Ｗおよび１００Ｗで成膜したときの、ボロン膜の膜厚と膜の表面粗さＲＭＳとの関係を示す図である。この図に示すようにＲＦパワーが１０００Ｗのときは、膜厚が１０００ｎｍ（１μｍ）以下でも表面粗さＲＭＳが２ｎｍ程度となっているのに対し、１００Ｗのときは、膜厚が１μｍでも表面粗さＲＭＳが０．５ｎｍ付近と極めて小さい値となることがわかる。具体的には、膜厚１．２μｍで表面粗さＲＭＳが０．６ｎｍと高い平坦性を保っている。また、図示してはいないが、ＲＦパワーが５００Ｗのときは、１０００Ｗのときと１００Ｗのときとの中間であり、膜厚が１μｍ程度で表面粗さＲＭＳが１ｎｍ程度と予想される。
以上から、プラズマ生成用ＲＦパワーが小さくなることにより、膜応力が小さくなるとともに、膜の平坦性が良好になることが判明した。
図８は、プラズマ生成用ＲＦパワーと膜応力および成膜レートとの関係を示す図である。図８に示すように、ＲＦパワーが５００Ｗ以下、さらには１００Ｗ以下と小さくなることにより、膜応力とともに成膜レートも低下するが、実用上問題ないレベルであることがわかる。
ボロン系膜の膜応力は、圧力や不活性ガス中のＡｒガス濃度によっても変化する。プラズマ処理においては、一般的に、圧力が高いほど、また不活性ガスのＡｒ／Ｈｅ比が大きいほど、プラズマの電子温度が低くなるといわれている。上述したように、電子温度が低いと、膜中のＢ−Ｈ結合が増加し、膜構造緩和が起こりやすく膜応力が小さくなるため、圧力が高いほど、また不活性ガスのＡｒ／Ｈｅ比が大きいほど、膜応力が小さくなる。したがって、圧力や不活性ガス中のＡｒガス濃度によってボロン系膜の膜応力を調整することができる。
図９は、プラズマ生成用ＲＦパワーが１００Ｗ、５００Ｗ、１０００Ｗのときの、チャンバ内の圧力と膜応力との関係を示す図であり、図１０は、横軸の圧力を対数表示するとともに、１００Ｗのときの高圧側のプロットを加えたものである。他のプロセス条件は、温度：３００℃、Ｂ２Ｈ６ガス（Ｂ２Ｈ６濃度：１５ｖｏｌ％ｉｎＨｅガス）流量：２００ｓｃｃｍ（Ｂ２Ｈ６ガス正味：３０ｓｃｃｍ、Ｈｅガス：１７０ｓｃｃｍ）、Ａｒガス流量：１００ｓｃｃｍ、Ｈｅガス流量：１００ｓｃｃｍ、電極間ギャップ２０ｍｍとした。これらの図に示すように、成膜の際の圧力が高くなるほど膜応力が小さくなることが確認された。また、図１０に示すように、圧力が１Ｔｏｒｒ（１３３．３Ｐａ）以上では、膜応力がプラスに転じ、引っ張り応力を持つようになる。これらから、チャンバ内の圧力は３００ｍＴｏｒｒ（４０Ｐａ）〜３Ｔｏｒｒ（４００Ｐａ）、さらには５００ｍＴｏｒｒ（６６．７Ｐａ）〜１Ｔｏｒｒ（１３３．３Ｐａ）が好ましい。
図１１は、プラズマ生成用ＲＦパワーが１００Ｗ、５００Ｗ、１０００Ｗのときの、Ａｒガス希釈率（％）と膜応力との関係を示す図である。Ａｒガス希釈率（％）は、全プロセスガス流量（＝４００ｓｃｃｍ）に対するＡｒガス流量の比率である。Ａｒガス流量：０ｓｃｃｍ〜２００ｓｃｃｍとした。他のプロセス条件は、温度：３００℃、Ｂ２Ｈ６ガス（Ｂ２Ｈ６濃度：１５ｖｏｌ％ｉｎＨｅガス）流量：２００ｓｃｃｍ（Ｂ２Ｈ６ガス正味：３０ｓｃｃｍ、Ｈｅガス：１７０ｓｃｃｍ、圧力：５００ｍＴｏｒｒ、電極間ギャップ２０ｍｍとした。図１１に示すように、Ａｒガス希釈率が高くなるほど膜応力が小さくなることが確認された。
図１２および図１３は、それぞれ圧力を変化させた場合、およびＡｒガス希釈率を変化させた場合の、ボロン膜のＦＴ−ＩＲ測定結果を示す図である。これらの図に示すように、圧力が高いほど、また、Ａｒガス希釈率（全プロセスガス流量に対するＡｒガス流量比率）が高いほどＢ−Ｈピークが高くなっており、上記傾向が裏付けられた。
ボロン膜の応力は、バイアス電圧印加用の第２高周波電力のパワー（バイアス用高周波パワー）によっても変化する。図１４は、バイアス用高周波パワーと膜応力の関係を示す図である。このときの他の条件は、プラズマ生成用ＲＦパワー：５００Ｗ、温度：３００℃、圧力：５００ｍＴｏｒｒ、Ｂ２Ｈ６ガス（Ｂ２Ｈ６濃度：１５ｖｏｌ％ｉｎＨｅガス）流量：２００ｓｃｃｍ（Ｂ２Ｈ６ガス正味：３０ｓｃｃｍ、Ｈｅガス：１７０ｓｃｃｍ）、Ａｒガス流量：１００ｓｃｃｍ、Ｈｅガス流量：１００ｓｃｃｍ、電極間ギャップ２０ｍｍとした。図１４に示すように、バイアス用高周波パワーが大きくなってプラズマからのイオンの引き込み力が大きくなるほど膜応力が大きくなっており、膜応力を小さくする観点からバイアス用高周波電力を印加しないほうが好ましいことが確認された。
図１５は、バイアス用高周波パワーを変化させた場合の、ボロン膜のＦＴ−ＩＲ測定結果を示す図である。この図に示すように、バイアス用高周波パワーが大きくなるほどＢ−Ｈピークが小さくなっており、バイアス用高周波パワーが大きくなるほど膜中のＢ−Ｈ結合が減少し、膜応力が大きくなることが確認された。
このようにバイアス用高周波電力によりプラズマからイオンを引き込むことが膜応力を増加させる点を考慮すると、下部電極である載置台のインピーダンスを制御してプラズマからウエハへのイオンの作用を制御することで、膜応力を調整することが期待される。すなわち、下部電極である載置台のインピーダンスを、プラズマ中のイオンが載置台上のウエハから反発するように調整すれば、膜応力をより小さくできると考えられる。
このような下部電極側のインピーダンスを制御する機構として、特開２００４−９６０６６号公報に記載されたものを挙げることができる。図１６はこのようなインピーダンスを制御する機構を備えた成膜装置の一例を示す断面図である。この成膜装置１００′は、図１の成膜装置１００に、バイアス電圧印加用の第２高周波電源５４の給電ラインに、可変インピーダンス手段７０と、インピーダンス制御部７１とを加えたものである。可変インピーダンス手段７０は、上部電極であるガスシャワーヘッド３０から見たインピーダンスを変化させることが可能なものであり、インピーダンス制御部７１は、可変インピーダンス手段７０のインピーダンスを制御するためのものである。可変インピーダンス手段７０は、例えば、第２高周波電源５４の給電ラインに直列に設けられた固定コイルと可変コンデンサーを有している。インピーダンス制御部７１により可変インピーダンス手段７０のインピーダンスを、イオンが下部電極である載置台２０から反発するように制御することにより、ボロン膜の膜応力を小さくすることができる。
以上のように、本実施形態によれば、容量結合プラズマＣＶＤによりボロン系膜（ボロン膜）を成膜する際に、プラズマ生成用のＲＦパワーを調整することにより膜応力を調整する。具体的には、ＲＦパワーを従来ほとんど用いられていない５００Ｗ以下、さらには１００Ｗ以下の小さい値にすることにより、ボロン系膜（ボロン膜）の膜応力を小さくする。これにより、従来ハードマスク材料として用いられていたａ−Ｃやａ−Ｓｉよりもエッチング選択比が高いという特性を維持しつつ、膜応力が小さくハードマスク材料に適したいボロン系膜（ボロン膜）を得ることができる。また、ＲＦパワーを小さくすることにより、膜の表面粗さも小さくすることができる。このように、本実施形態により、優れた特性のボロン系膜（ボロン膜）を得ることができる。
また、成膜時のチャンバ内の圧力、Ａｒガス濃度（Ａｒ流量／全プロセスガス流量）、バイアス用高周波パワー等の他のプロセスパラメータによっても膜応力を調整することができ、これらを調整することにより膜応力を最適化することができる。
＜他の適用＞
以上、実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
例えば、上記実施形態では、主にボロン膜について説明したが、本発明の原理上、ボロンに他の添加元素を意図的に加えたボロン系膜、例えばボロンリッチなＢＮ膜やボロンリッチなＢＣ膜であってもよい。
また、上記実施形態で説明した成膜装置は例示に過ぎず、容量結合プラズマＣＶＤ装置であればよく、例えば、プラズマ生成用の高周波電力を上部電極に印加する等、種々の構成を有する成膜装置を用いることができる。
１０；チャンバ
２０；載置台
３０；ガスシャワーヘッド
４０；ガス供給機構
５０；高周波電力供給装置
６０；制御部
１００；成膜装置
Ｗ；半導体ウエハ（被処理基板）

Claims (21)

  1. 基板上にボロンを主体とするボロン系膜を形成するボロン系膜の成膜方法であって、
    容量結合プラズマを用いたプラズマＣＶＤによりボロン系膜を成膜する成膜装置のチャンバ内に基板を搬入する第１工程と、
    前記チャンバ内にボロン含有ガスを含む処理ガスを供給する第２工程と、
    容量結合プラズマを生成するための高周波電力を印加する第３工程と、
    前記高周波電力により前記処理ガスのプラズマを生成して基板上に前記ボロン系膜を成膜する第４工程と
    を含み、
    前記第３工程の高周波電力のパワーにより前記ボロン系膜の膜応力を調整する、ボロン系膜の成膜方法。
  2. 前記第３工程は、５００Ｗ以下のパワーの高周波電力を印加する、請求項１に記載のボロン系膜の成膜方法。
  3. 前記第３工程は、１００Ｗ以下のパワーの高周波電力を印加する、請求項２に記載のボロン系膜の成膜方法。
  4. 前記第４工程の際の前記チャンバ内の圧力により前記ボロン系膜の膜応力を調整する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のボロン系膜の成膜方法。
  5. 前記チャンバ内の圧力は、３００ｍＴｏｒｒ（４０Ｐａ）〜３Ｔｏｒｒ（４００Ｐａ）の範囲である、請求項４に記載のボロン系膜の成膜方法。
  6. 前記チャンバ内の圧力は、５００ｍＴｏｒｒ（６６．７Ｐａ）〜１Ｔｏｒｒ（１３３．３Ｐａ）の範囲である、請求項５に記載のボロン系膜の成膜方法。
  7. 前記処理ガスは、ボロン含有ガスと希ガスとを含む、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のボロン系膜の成膜方法。
  8. 前記希ガスはＨｅガスおよび／またはＡｒガスからなり、ＨｅガスとＡｒガスの比率により前記ボロン系膜の膜応力を調整する、請求項７に記載のボロン系膜の成膜方法。
  9. 前記第４工程は、前記基板を載置する載置台に印加する高周波電力によるバイアス電圧によりプラズマからの前記載置台へのイオンの引き込みを制御して前記ボロン系膜の膜応力を調整する、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のボロン系膜の成膜方法。
  10. 前記第４工程は、前記基板を載置する載置台のインピーダンスにより前記載置台上の基板へのプラズマからのイオンの作用を制御して前記ボロン系膜の膜応力を調整する、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のボロン系膜の成膜方法。
  11. 前記第４工程は、前記基板を載置する載置台のインピーダンスをプラズマ中のイオンが載置台上の基板から反発するように調整して前記ボロン系膜の膜応力を調整する、請求項１０に記載のボロン系膜の成膜方法。
  12. 前記ボロン系膜は、ボロンと不可避的不純物とからなるボロン膜である、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のボロン系膜の成膜方法。
  13. 前記ボロン含有ガスとしてＢ２Ｈ６ガスを用いる、請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載のボロン系膜の成膜方法。
  14. 基板上にボロンを主体とするボロン系膜を成膜する成膜装置であって、
    基板を収容するチャンバと、
    前記チャンバ内で基板を支持する載置台として機能する下部電極と、
    前記載置台と対向して設けられた上部電極と、
    前記チャンバ内にボロン含有ガスを含む処理ガスを供給するガス供給機構と、
    前記下部電極と前記上部電極との間に高周波電界を形成する高周波電力印加手段と、
    前記高周波電力印加手段からの高周波電力のパワーを制御して前記ボロン系膜の膜応力を調整する制御部と
    を有し、
    前記下部電極と前記上部電極との間の高周波電界により生成された前記処理ガスのプラズマによりボロン系膜を成膜する、ボロン系膜の成膜装置。
  15. 前記制御部は、前記高周波電力印加手段からの高周波電力のパワーを５００Ｗ以下に制御する、請求項１４に記載のボロン系膜の成膜装置。
  16. 前記制御部は、前記高周波電力印加手段からの高周波電力のパワーを１００Ｗ以下に制御する、請求項１５に記載のボロン系膜の成膜装置。
  17. 前記制御部は、前記チャンバ内の圧力を制御して前記ボロン系膜の膜応力を調整する、請求項１４から請求項１６のいずれか１項に記載のボロン系膜の成膜装置。
  18. 前記ガス供給機構は、前記ボロン含有ガスとしてＢ２Ｈ６ガスを供給する、請求項１４から請求項１７のいずれか１項に記載のボロン系膜の成膜装置。
  19. 前記ガス供給機構は、前記ボロン含有ガスと、希ガスであるＨｅガスおよび／またはＡｒガスとを供給し、前記制御部は、ＨｅガスとＡｒガスの比率を制御して前記ボロン系膜の膜応力を調整する、請求項１４から請求項１８のいずれか１項に記載のボロン系膜の成膜装置。
  20. 前記載置台に高周波電力を印加し、前記載置台上の前記基板にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加用高周波電源をさらに有し、
    前記制御部は、前記バイアス電圧によりプラズマからの前記載置台へのイオンの引き込みを制御して前記ボロン系膜の膜応力を調整する、請求項１４から請求項１９のいずれか１項に記載のボロン系膜の成膜装置。
  21. 前記載置台のインピーダンスを調整するインピーダンス調整手段をさらに有し、
    前記制御部は、載置台のインピーダンスにより前記載置台上の基板へのプラズマからのイオンの作用を制御して前記ボロン系膜の膜応力を調整する、請求項１４から請求項２０のいずれか１項に記載のボロン系膜の成膜装置。
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