JP2019192733A - 処理装置及び埋め込み方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、一実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置100の断面図の一例を示す。マイクロ波プラズマ処理装置100は、ウェハWを収容する処理容器1を有する。マイクロ波プラズマ処理装置100は、マイクロ波によって処理容器1の天井面に形成される表面波プラズマにより、ウェハWに対して所定のプラズマ処理を行うプラズマ処理装置の一例である。所定のプラズマ処理としては、成膜処理及びエッチング処理が挙げられる。
次に、一実施形態に係る埋め込み方法の一例について、図2を参照して説明する。図2は、一実施形態に係る埋め込み方法の一例を示すフローチャートである。本フローチャートは、例えばマイクロ波プラズマ処理装置100の制御装置3において実行される。
上記に説明した構成のマイクロ波プラズマ処理装置100以外のプラズマ処理装置では、マイクロ波プラズマ処理装置100よりもプラズマの電子温度が高く、イオンエネルギーが高い。
<成膜条件:圧力>
一実施形態に係る成膜工程における成膜条件の適正化について説明する。最初に、圧力条件を可変にして、一実施形態に係る成膜工程を実行したときの実験結果の一例について図4を参照して説明する。図4は、一実施形態に係る成膜工程における圧力依存の実験結果の一例を示す図である。本実験では、処理容器1内の圧力を10Pa、20Pa、40Pa、80Paに制御する。本実験におけるその他の成膜条件を以下に示す。
ガス種 Ar、SiH4、N2
マイクロ波電力 3kW
バイアス電圧発生用の高周波電力 5W
なお、成膜条件におけるガス種に示すArとSiH4とN2との混合ガスは、SiとHとNとを含むガスの一例である。また、成膜条件におけるマイクロ波電力は3kWに限られず、3kW〜5kWの範囲であればよい。本体部10の天井壁を構成する円盤状の天板の直径φは458mmである。よって、マイクロ波電力を3kW〜5kWの範囲とすると、単位面積当たりのマイクロ波電力は、約1.821(W/cm2)〜約3.035(W/cm2)の範囲であればよい。
次に、一実施形態に係る成膜工程により成膜された膜質を示す一つの指標となるRI(Refractive Index)の評価結果について図5を参照して説明する。図5は、一実施形態に係るRIと成膜の結果との関係の一例を示す図である。RI値は、膜に光を照射したときの光の屈折率を示し、膜質を評価するときの手段の一つとして用いられる。本実施形態では、図5の低RI値は、RI値が2.5又はそれよりも小さい値を示し、高RI値は、RI値が2.7又はそれよりも大きい値を示す。本実験の成膜条件を以下に示す。
圧力 8Pa
ガス種 Ar、SiH4、N2
マイクロ波電力 3kW
バイアス電圧発生用の高周波電力 5W
1段目のRI値に対して2段目に示した実験結果の成膜パターンの断面のSideとTopとの比(=Side/Top)を3段目に示し、BottomとSideとの比(=Bottom/Side)を4段目に示す。
次に、バイアス電圧発生用の高周波電力(RF)を可変にして、一実施形態に係る成膜工程を実行したときの実験結果の一例について図6を参照して説明する。図6は、一実施形態に係る成膜工程におけるバイアス電圧発生用の電力依存の結果の一例を示す図である。本実験では、バイアス電圧発生用の高周波電力を0W、5W、10W、25Wに制御する。本実験におけるその他の成膜条件を以下に示す。
圧力 8Pa
ガス種 Ar、SiH4、N2
マイクロ波電力 3kW
以上の成膜条件では、高RI値のSiN膜20が形成されることが実験でわかっている。本実験の結果では、高RI値のSiN膜20を形成するように成膜条件が設定されているため、図6の最下段の膜厚に示すように、バイアス電圧発生用の電力がいずれの値であっても、凹部の側部に膜が形成され難く、凹部の底部から膜を堆積できる。
次に、ガス流量比及びバイアス電圧発生用の高周波電力を可変にして、一実施形態に係る成膜工程を実行したときの実験結果の一例について図7を参照して説明する。図7は、一実施形態に係るガス流量比とバイアス電圧発生用の電力(RF)を可変に制御したときの成膜の結果の一例を示す図である。本実験におけるその他の成膜条件を以下に示す。
圧力 8Pa
ガス種 SiH4、H2
マイクロ波電力 3kW
図7の行は、SiH4とN2のガス流量比(=SiH4/N2)を示す。図7の列は、バイアス電圧発生用の高周波電力(RF)を示す。ガス流量比とバイアス電圧発生用の高周波電力を変化させたときの成膜パターンを(a)〜(n)で示す。
<エッチング条件:圧力>
次に、一実施形態に係るエッチング工程におけるエッチング条件の適正化について説明する。最初に、エッチングの圧力依存の結果の一例について図8を参照して説明する。図8は、一実施形態に係る圧力を可変に制御したときのエッチングの結果の一例を示す図である。本実験では、成膜工程においてSiN膜が形成されているウェハWに対してエッチング工程を実行する。その際、処理容器1内の圧力を2Pa、4Pa、10Pa、20Pa、30Paに制御する。本実験におけるその他のエッチング条件を以下に示す。
圧力 8Pa
ガス種 H2又はArとH2の混合ガス
マイクロ波電力 2W
バイアス電圧発生用の高周波電力 200W
なお、エッチング条件におけるガス種に示すH2ガスは、Hを含むガスの一例である。また、ガス種に示すArとH2の混合ガスは、HとArとを含むガスの一例である。また、エッチング工程におけるマイクロ波電力は、2Wに制御されることに限られず、成膜工程時に制御するマイクロ波電力よりも低い電力に制御すればよい。
次に、ガス流量比を変えて一実施形態に係るエッチング工程を実行したときの実験結果の一例について図9を参照して説明する。図9は、一実施形態に係るエッチングにおけるガス流量比とエッチング結果の一例を示す図である。本実験におけるその他のエッチング条件を以下に示す。
圧力 8Pa
ガス種 Ar、H2
マイクロ波電力 2W
バイアス電圧発生用の高周波電力 200W
本実験では、上記エッチング条件でエッチング工程を実行し、以下の成膜条件で成膜工程を実行することを5回繰り返し行った。
圧力 8Pa
ガス種 Ar、SiH4、H2
マイクロ波電力 3000W
バイアス電圧発生用の高周波電力 5W
左の成膜パターンは、Initial(初期状態の凹部)のとき、すなわち、SiN膜が成膜された状態である。Initialに対してエッチング工程を実行したときのガス流量比と成膜パターンとの関係について説明する。中央の成膜パターンは、エッチング工程におけるArとH2のガス流量比が10/1の場合にエッチングされた凹部の状態を示す。また、右の成膜パターンは、ArとH2のガス流量比が10/12の場合にエッチング工程によりエッチングされた凹部の状態を示す。これによれば、中央の成膜パターンでは、凹部のエッチング形状が垂直にならずに、開口を狭くするオーバーハングが発生している。
次に、バイアス電圧発生用の高周波電力を可変にして、一実施形態に係るエッチング工程を実行したときの実験結果の一例について図10を参照して説明する。図10は、一実施形態に係るバイアス電圧発生用の電力を可変に制御したときのエッチングの結果の一例を示す図である。本実験では、バイアス電圧発生用の高周波電力を50W、100W、200W、300Wに制御する。本実験におけるその他のエッチング条件を以下に示す。
圧力 8Pa
ガス種 ArとH2の混合ガス
図10の行はマイクロ波電力の大きさの目安を示し、上段の成膜パターンでは、エッチング工程のマイクロ波電力が成膜工程のマイクロ波電力よりも低いことを示す。中段の成膜パターンでは、エッチング工程のマイクロ波電力が成膜工程のマイクロ波電力と同程度であることを示す。下段の成膜パターンでは、エッチング工程のマイクロ波電力が成膜工程のマイクロ波電力よりも高いことを示す。
RI値はSiN膜20の絶縁性と関連し、2.0〜3.0の範囲であることが好ましい。しかし、埋め込まれたSiN膜20に高い絶縁性が求められるときと、それ程高い絶縁性は求められない場合がある。
成膜工程とエッチング工程との繰り返しや、成膜工程と窒化工程とエッチング工程との繰り返しにより凹部に埋め込んだSiN膜20に対して、トリートメントするトリートメント工程を有してもよい。トリートメント工程は、成膜工程、窒化工程、エッチング工程を行うマイクロ波プラズマ処理装置100と同一装置で行われる。
ガス種 Ar/H2
ガス流量比 Ar/H2=10/1
圧力 10Pa
マイクロ波電力 4kW
バイアス電圧発生用の高周波電力 200W
トリートメント時間 60s
上記トリートメント条件に基づきポリシリコン膜にトリートメント工程を実行した結果を図14に示す。これによれば、図14の(a)の最左に示す表面粗さRaが2.63nmの状態から、上記のプラズマトリートメントを実行することにより、図14の(b)に示す0.21nmの状態まで、Si膜の表面を滑らかにすることができた。
2 マイクロ波プラズマ源
3 制御装置
11 載置台
14 高周波バイアス電源
20 SiN膜
21 構造体
22 ガス供給源
30 マイクロ波出力部
40 マイクロ波伝送部
43a 周縁マイクロ波導入部
43b 中央マイクロ波導入部
44 マイクロ波伝送路
50 マイクロ波放射機構
60 ガス供給孔
100 マイクロ波プラズマ処理装置
121,131 誘電体天板
122,132 スロット
123、133 誘電体層
140 インピーダンス調整部材
U プラズマ生成空間
Claims (20)
- 処理容器内にマイクロ波電力を印加するマイクロ波電力印加部と、
前記処理容器内の基板を載置する載置台にバイアス電圧発生用の高周波電力を印加する高周波電力印加部を有し、
ガスを供給するガス供給部と、
制御部と、を有し、
前記制御部は、予め定められた成膜条件に基づきマイクロ波電力及びバイアス電圧発生用の高周波電力を印加し、SiとHとNとを含むガスを供給してマイクロ波プラズマによる成膜処理を行い、予め定められたエッチング条件に基づきHを含むガス又はHとArとを含むガスを供給してマイクロ波プラズマによるエッチング処理を行うことを繰り返し、基板上に形成された凹部へのSiN膜の埋め込みを制御する、処理装置。 - 前記制御部は、前記成膜処理及び前記エッチング処理において前記処理容器内の圧力を10Pa以下に制御する、
請求項1に記載の処理装置。 - 前記制御部は、前記成膜処理では前記マイクロ波電力を1.821(W/cm2)〜3.035(W/cm2)の範囲内に制御し、前記エッチング処理では前記成膜処理において印加するマイクロ波電力よりも低い電力に制御する、
請求項1又は2に記載の処理装置。 - 前記制御部は、前記成膜処理において供給する前記バイアス電圧発生用の高周波電力を0.007074(W/cm2)〜0.1415の範囲内に制御し、
前記エッチング処理において供給する前記バイアス電圧発生用の高周波電力を02829(W/cm2)〜0.7074(W/cm2)の範囲内に制御する、
請求項1〜3のいずれか一項に記載の処理装置。 - 前記制御部は、前記SiとHとNとを含むガスとしてSiH4とN2との混合ガスを供給する、
請求項1〜4のいずれか一項に記載の処理装置。 - 前記制御部は、前記Hを含むガスとしてH2ガスを供給する又は前記HとArとを含むガスとしてH2とArとの混合ガスを供給する、
請求項1〜5のいずれか一項に記載の処理装置。 - 前記制御部は、前記H2とArとの混合ガスを供給する場合、H2の流量をArの流量よりも多く供給するように制御する、
請求項6に記載の処理装置。 - 前記制御部は、前記成膜処理と前記エッチング処理の間にて窒化処理を行い、前記窒化処理においてマイクロ波電力及びバイアス電圧発生用の高周波電力を印加し、Nを含むガスを供給してマイクロ波プラズマによる窒化処理を行う、
請求項1〜7のいずれか一項に記載の処理装置。 - 前記制御部は、基板上に形成された凹部へのSiN膜の埋め込み後、Hを含むガスを供給し、マイクロ波プラズマによる前記SiN膜のトリートメント処理を行う、
請求項1〜8のいずれか一項に記載の処理装置。 - 前記制御部は、Hを含むガスとしてH2とArとの混合ガスを供給し、Arの流量をH2の流量よりも多く供給するように制御して前記トリートメント処理を行う、
請求項9に記載の処理装置。 - 基板上に形成された前記凹部のアスペクト比は、7.5以上である、
請求項1〜10のいずれか一項に記載の処理装置。 - 前記制御部は、前記SiN膜のRI値が2.5〜2.7の範囲になるように前記成膜条件及び前記エッチング条件を制御する、
請求項1〜11のいずれか一項に記載の処理装置。 - 予め定められた成膜条件に基づきSiとHとNとを含むガスを供給し、処理容器内の基板を載置する載置台にバイアス電圧発生用の高周波電力を印加し、前記処理容器内にマイクロ波電力を印加してマイクロ波プラズマによる成膜処理を行う成膜工程と、
予め定められたエッチング条件に基づきHを含むガス又はHとArとを含むガスを供給し、処理容器内の基板を載置する載置台にバイアス電圧発生用の高周波電力を印加し、前記処理容器内にマイクロ波電力を印加してマイクロ波プラズマによるエッチング処理を行うエッチング工程と、
を繰り返し実行し、基板上に形成された凹部へのSiN膜の埋め込みを行う、埋め込み方法。 - 前記成膜工程では、前記成膜条件のうち前記処理容器内の圧力は10Pa以下であり、前記マイクロ波電力は3kW〜5kWであり、バイアス電圧発生用の高周波電力は5W〜100Wであり、前記SiとHとNとを含むガスはSiH4とN2との混合ガスである、
前記エッチング工程では、前記エッチング条件のうち前記処理容器内の圧力は10Pa以下であり、前記マイクロ波電力は前記成膜処理において供給するマイクロ波電力よりも低い電力であり、バイアス電圧発生用の高周波電力は200W〜500Wであり、前記Hを含むガスとしてH2ガスを供給するか又は前記HとArとを含むガスとしてH2とArとの混合ガスを供給する、
請求項13に記載の埋め込み方法。 - 前記エッチング工程では、前記H2とArとの混合ガスを供給する場合、H2の流量はArの流量よりも多く供給する、
請求項14に記載の埋め込み方法。 - 前記成膜工程及び前記エッチング工程は、同一の処理装置の処理容器内で行われる、
請求項13〜15のいずれか一項に記載の埋め込み方法。 - 前記成膜処理と前記エッチング処理の間に、マイクロ波電力及びバイアス電圧発生用の高周波電力を印加し、Nを含むガスを供給してマイクロ波プラズマによる窒化工程を行う、
請求項13〜16のいずれか一項に記載の埋め込み方法。 - 基板上に形成された凹部へのSiN膜の埋め込み後、Hを含むガスを供給し、マイクロ波プラズマにより前記SiN膜をトリートメントする後処理ステップを行う、
請求項13〜17のいずれか一項に記載の埋め込み方法。 - 前記後処理ステップは、Hを含むガスとしてH2とArとの混合ガスを供給し、Arの流量をH2の流量よりも多く供給する、
請求項18に記載の埋め込み方法。 - 前記後処理ステップは、前記成膜工程及び前記エッチング工程と同一の処理装置の処理容器内で行われる、
請求項18又は19のいずれか一項に記載の埋め込み方法。
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