JP2020017708A - シリコン窒化膜の成膜方法及び成膜装置 - Google Patents

シリコン窒化膜の成膜方法及び成膜装置 Download PDF

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Abstract

【課題】本開示は、埋め込みの最終段階でシームを発生させないシリコン窒化膜の成膜方法及び成膜装置を提供する。【解決手段】基板の表面に形成された窪み内に、ＡＬＤで底面及び側面からシリコン窒化膜を徐々に埋め込んでゆき、前記窪み内の中央部の隙間を狭めるように側面から中央に向かって薄膜を堆積させる工程と、前記側面から中央に向かって堆積した前記薄膜同士を繋げて前記中央の隙間を埋める直前の段階において、前記窪み内に第１の窒素ラジカルを吸着させる工程と、前記窪み内において、前記第１の窒素ラジカル上にシリコン含有ガスを物理吸着させる工程と、前記窪み内に第２の窒素ラジカルを供給し、前記シリコン含有ガスを前記第１の窒素ラジカルから脱離させるとともに、脱離した前記シリコン含有ガスと前記第２の窒素ラジカルとを反応させて前記中央の隙間を埋めるようにシリコン窒化膜を堆積させる工程と、を有する。【選択図】図１４

Description

本発明は、シリコン窒化膜の成膜方法及び成膜装置に関する。
従来から、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に記載のシリコン窒化膜の成膜方法では、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、窪みの表面を窒化して窪み内に吸着サイトを形成する工程と、基板に塩素含有ガスを供給し、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、を有する。そして、基板にシリコン含有ガスを供給し、窪み内の所定領域以外に残存した底部を含む吸着サイトにシリコン含有ガスを吸着させ、アンモニア含有ガスと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。
特許文献１に記載のシリコン窒化膜の成膜方法によれば、Ｖ字の断面形状を維持しつつ窪みへの埋め込みを行うことができ、ボトムアップ成膜によりボイドの発生を抑制することができる。
特開２０１８−１０９５０号公報
ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition、原子層堆積法）を用いてトレンチやビア等の窪みに埋め込み成膜を行う場合、窪みの側面から中央に向かって層状に成膜がなされるが、最後は対向する薄膜同士が繋がることにより隙間を埋めるので、ボイドの発生を抑制しても、シームが残る場合がある。
そこで、本開示は、埋め込みの最終段階でシームの発生を抑制することができるシリコン窒化膜の成膜方法及び成膜装置を提供する。
上記目的を達成するため、本開示の一態様に係るシリコン窒化膜の成膜法は、基板の表面に形成された窪み内に、ＡＬＤで底面及び側面からシリコン窒化膜を徐々に埋め込んでゆき、前記窪み内の中央部の隙間を狭めるように側面から中央に向かって薄膜を堆積させる工程と、
前記側面から中央に向かって堆積した前記薄膜同士を繋げて前記中央の隙間を埋める直前の段階において、前記窪み内に第１の窒素ラジカルを吸着させる工程と、
前記窪み内において、前記第１の窒素ラジカル上にシリコン含有ガスを物理吸着させる工程と、
前記窪み内に第２の窒素ラジカルを供給し、前記シリコン含有ガスを前記第１の窒素ラジカルから脱離させるとともに、脱離した前記シリコン含有ガスと前記第２の窒素ラジカルとを反応させて前記中央の隙間を埋めるようにシリコン窒化膜を堆積させる工程と、を有する。
本開示によれば、シームの発生を抑制しつつシリコン窒化膜を窪み内に埋め込むことができる。
本開示の実施形態に係る成膜装置を示す概略断面図である。 本開示の実施形態に係る成膜装置の真空容器内の構成を示す概略斜視図である。 本開示の実施形態に係る成膜装置の真空容器内の構成を示す概略平面図である。 本開示の実施形態に係る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。 本開示の実施形態に係る成膜装置の別の概略断面図である。 本開示の実施形態に係る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。 本開示の実施形態に係る成膜装置に設けられるプラズマ発生器を示す他の概略断面図である。 本開示の実施形態に係る成膜装置に設けられるプラズマ発生器を示す概略上面図である。 本開示の実施形態に係る成膜装置の一例を示す平面図である。 本開示の実施形態に係る成膜装置における第３の処理領域Ｐ３を説明するための一部断面図である。 シャワーヘッド部の下面の一例を示した平面図である。 アンモニアによる窒化を用いたシリコン窒化膜の成膜方法を説明するための図である。 窒素による窒化を用いたシリコン窒化膜の成膜方法を説明するための図である。 本開示の実施形態に係るシリコン窒化膜の成膜方法の一例の一連の工程を示した図である。 比較例に係る成膜方法の成膜結果を示した図である。 本実施形態に係る成膜方法を実施した実施例の成膜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］
始めに、本開示の実施形態に係る成膜装置について説明する。図１から図３までを参照すると、本実施形態に係る成膜装置は、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。
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、例えば反応ガスノズル３１、反応ガスノズル３２、シャワーヘッド９３、及び分離ガスノズル４１、４２が各々真空容器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及びシャワーヘッド９３がこの順番で配列されている。これらのノズル３１、３２、４１、４２は、各ノズル３１、３２、４１、４２の基端部であるガス導入ポート３１ａ、３２ａ、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。また、シャワーヘッド９３は、図示しない天板１１の上面にガス導入口（図示せず）が設けられる。なお、シャワーヘッド９３の構成の詳細については後述する。
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、１１１ａ、１１１ｂ及び流量制御器１２１ａ、１２１ｂなどを介して、アンモニアガスの供給源１３１ａ及び窒素ガスの供給源１３１ｂに接続されている。窒化ガスとして、アンモニアガスを用いるか又は窒素ガスを用いるかは、バルブ１４０〜１４３により切り替え可能に構成されている。更に、シャワーヘッド９３は、配管１１２及び流量制御器１２２などを介して、塩素ガス（Ｃｌ２）の供給源１３２に接続されている。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、Ａｒガスを用いる例を挙げて説明する。
反応ガスノズル３１、３２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が、反応ガスノズル３１、３２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窒化する窒化ガス（アンモニアガス又は窒素ガス）を供給し、窒化物の分子層を生成する第２の処理領域Ｐ２となる。なお、窒化物の分子層が、成膜される窒化膜を構成する。シャワーヘッド９３の下方領域は、第２の処理領域Ｐ２において生成した反応生成物（窒化膜）にプラズマにより活性化した塩素ガス、即ち塩素ラジカルを供給し、吸着阻害基を形成する第３の処理領域Ｐ３となる。ここで、第１の処理領域Ｐ１は、原料ガスを供給し、原料ガスをウエハに吸着させる領域であるので、原料ガス供給領域Ｐ１又は原料ガス吸着領域Ｐ１と呼んでもよいこととする。同様に、第２の処理領域Ｐ２は、原料ガスと反応して窒化物を生成可能な窒化ガスを供給し、原料ガスを窒化する領域であるので、窒化ガス供給領域Ｐ２又は窒化領域Ｐ２と呼んでもよいこととする。また、第３の処理領域Ｐ３は、塩素ガスを供給し、塩素ガスをウエハに吸着させる領域であるので、塩素ガス供給領域Ｐ３又は塩素ガス吸着領域Ｐ３と呼んでもよいこととする。
なお、第３の処理領域Ｐ３の上方には、必要に応じて、リモートプラズマ発生器９０が設けられる。また、第２の処理領域Ｐ２の上方にも、必要に応じて、プラズマ発生器８０を設ける。図３において、プラズマ発生器８０、９０は破線で簡略化して示されている。プラズマ発生器８０、９０の詳細については後述する。
なお、原料ガスとしては、シリコンを含有するガス、好ましくはシリコン及び塩素を含有するガスが選択される。例えば、原料ガスとしては、ジクロロシラン（ＤＣＳ、ＳｉＨ２Ｃｌ２）等のシリコン及び塩素を含有するガスが選択される。
窒化ガスとしては、Ｖ字の断面形状を維持しながら窪みへシリコン窒化膜を埋め込む際には、アンモニア（ＮＨ３）含有ガスが選択される。その後、窪み内に埋め込まれたシリコン窒化膜の中央部の隙間をシームレスに満たす場合には、窒素（Ｎ２）含有ガスが選択される。なお、窒化ガスは、アンモニア又は窒素の他、Ａｒ等のキャリアガスを含んでもよい。
シャワーヘッド９３から供給される塩素ガスは、第１の反応ガスノズル３１から供給される原料ガスがウエハに吸着するのを阻害する吸着阻害基からなる吸着阻害領域をウエハの表面上に形成する役割を有する。例えば、ウエハの表面にビア、トレンチ等の窪みパターンが形成されている場合には、ウエハの表面及び窪みパターンの上部に吸着阻害基からなる吸着阻害領域を形成することにより、窪みパターンの上部では膜厚が厚くならず、底面側の膜厚が厚くなり、ボトムアップ性の高い成膜が可能となる。原料ガスが窒化されることにより、ＮＨ２構造のアミノ基で終端し、原料ガスに対して吸着サイトを形成しているが、活性化した塩素が供給されると、ＮＨ２構造のＨ基がＣｌ基に置換されてしまう。上述のように、原料ガスが塩素を含有するガスであり、塩素同士は吸着しないため、塩素で終端化された箇所には原料ガスが吸着しない。このように、Ｃｌ基で終端された箇所は吸着阻害基として機能し、原料ガスの吸着を阻害する。なお、活性化した塩素ガスは、ウエハＷの表面及び窪みパターンの上部には容易に到達するので多く吸着するが、窪みパターンの下部及び底部には到達し難くなるので、窪みパターンの底部に接近するにつれて、Ｃｌ基の密度は小さくなる。よって、窪みパターンの上部及びウエハの表面には高密度に吸着阻害基が形成されるが、窪みパターンの下部（底部）には、吸着阻害基が低密度で形成される。これにより、原料ガスがウエハＷの表面及び上部により下部に多く吸着させることができ、窪みパターンの底部から成膜を開始するボトムアップ成膜が可能となる。なお、この点の詳細については後述する。なお、第３の反応ガスノズルから供給されるガスは、塩素ガスの他、Ａｒ等のキャリアガスを含んでよい。
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Ａｒガスが供給されると、このＡｒ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、Ａｒ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Ａｒガスが、第１の領域Ｐ１からの第１の反応ガスと、第２の領域Ｐ２からの第２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の領域Ｐ１からの第１の反応ガスと、第２の領域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内において第１の反応ガスと第２の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（Ａｒ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５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４００℃）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Ａｒ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Ａｒ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に供給される原料ガスと第２の処理領域Ｐ２に供給される窒化ガスとが、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に臨む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、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１１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２の処理領域Ｐ２には、突起部８１ｂを貫通した反応ガスノズル３２が延びている。反応ガスノズル３２には、本実施形態においては、図６に示すように、アンモニアガスが充填されるアンモニアガス供給源１３１ａが、流量制御器１２１ａを介して配管１１１ａ及び１１１により接続されている。同様に、反応ガスノズル３２には、窒素ガスが充填される窒素ガス供給源１３１ｂが、流量制御器１２１ｂを介して配管１１１ｂ及び１１１により並列に接続されている。アンモニアガスは、トレンチ等の窪みパターンの大半を埋め込むために用いられる。一方、窒素ガスは、埋め込みの最終段階、又は埋め込みの途中ではあるが、各深さレベルでの最終段階において、窪みパターンの中心付近に形成された隙間を、シームを抑制しつつ塞ぐために用いられる。よって、アンモニアガスの供給と窒素ガスの供給は、バルブ１４０〜１４４の開閉により切り替えられる。具体的には、アンモニアガスを反応ガスノズル３２に供給する場合にはバルブ１４０、１４１が開となり、バルブ１４２、１４３が閉となる。逆に、窒素ガスを反応ガスノズル３２に供給する場合には、バルブ１４２、１４３が開となり、バルブ１４０、１４１が閉となる。そして、流量制御器１２１ａにより流量制御されたアンモニアガス又は流量制御器１２１ｂにより流量制御された窒素ガスが、プラズマ発生器８０でプラズマ化され、所定の流量で第２の処理領域Ｐ２に供給される。
また、反応ガスノズル３２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から上述の塩素ガスが吐出される。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３２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２の処理領域Ｐ２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３２からの窒化ガスにより第２の処理領域Ｐ２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２の処理領域Ｐ２内へ流れ込むのが抑止される。
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を発生することができる。
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３２から第２の処理領域Ｐ２に供給される窒化ガスが活性化される。
次に、リモートプラズマ発生器９０について説明する。
図９は、プラズマ発生器８０、９０を搭載した本実施形態に係る成膜装置の一例を示した図である。図９に示されるように、本実施形態に係る成膜装置は、第２の処理領域Ｐ２にＩＣＰプラズマ（Inductively-Coupled Plasma、誘導結合型プラズマ）発生器８０が設けられており、第３の処理領域Ｐ３にリモートプラズマ発生器９０が設けられている。
塩素ガスを強くプラズマ化すると、薄膜をエッチングしてしまう場合がある。図６乃至８で説明したアンテナ８５を用いたＩＣＰプラズマ発生器８０は、高いプラズマ強度でプラズマを発生させるのに有効であるが、塩素の活性化は、プラズマよりも活性度が弱いラジカルを発生させる程度のプラズマ発生器を用いるようにしてもよい。リモートプラズマ発生器９０は、ＩＣＰプラズマ発生器８０よりも弱いプラズマを発生させるのに適している。よって、本実施形態に係る成膜装置では、第３の処理領域Ｐ３における塩素ガスの活性化をリモートプラズマ発生器９０で行う例について説明する。
図１０は、リモートプラズマ発生器９０を含む本実施形態に係る成膜装置の断面図である。
図１０に示されるように、リモートプラズマ発生器９０は、第３の処理領域Ｐ３において、回転テーブル２に対向して設けられる。リモートプラズマ発生器９０は、プラズマ生成部９１と、ガス供給管９２と、シャワーヘッド９３と、配管９４とを備えている。なお、シャワーヘッド９３は、塩素ガス吐出部の一例であり、例えば、シャワーヘッド９３の代わりに、ガスノズルが用いられてもよい。この場合には、プラズマ生成部９１をガスノズルに接続するように構成すればよい。
プラズマ生成部９１は、ガス供給管９２から供給された塩素ガスをプラズマ源により活性化する。プラズマ源としては、塩素ガスを活性化することが可能であれば、特に限定されるものではない。プラズマ源としては、例えば誘導結合型（ＩＣＰ）プラズマ、容量結合型プラズマ（ＣＣＰ：Capacitively Coupled Plasma）、表面波プラズマ（ＳＷＰ：Surface Wave Plasma）を用いることができる。
ガス供給管９２は、その一端がプラズマ生成部９１と接続されており、プラズマ生成部９１に塩素ガスを供給する。ガス供給管９２の他端は、例えば開閉バルブ及び流量調整器を介して塩素ガスが貯留された塩素ガス供給源１３２と接続されている。
シャワーヘッド９３は、配管９４を介してプラズマ生成部９１と接続されており、プラズマ生成部９１で活性化されたフッ素含有ガスを真空容器１内に供給する部分である。シャワーヘッド９３は、扇型の平面形状を有し、扇型の平面形状の外縁に沿うように形成された押圧部材９５によって下方側に向かって周方向に亘って押圧される。また、押圧部材９５が図示しないボルト等により天板１１に固定されることにより、真空容器１の内部雰囲気が気密状態とされる。天板１１に固定されたときのシャワーヘッド９３の下面と回転テーブル２の上面との間隔は、例えば０．５ｍｍから５ｍｍ程度とすることができる。
シャワーヘッド９３には、回転テーブル２の角速度の違いに対応して回転中心側で少なく、外周側で多くなるように複数のガス吐出孔９３ａが設けられている。複数のガス吐出孔９３ａの個数としては、例えば数十〜数百個とすることができる。また、複数のガス吐出孔９３ａの直径としては、例えば０．５ｍｍから３ｍｍ程度とすることができる。シャワーヘッド９３に供給された活性化された塩素ガスは、ガス吐出孔９３ａを通って回転テーブル２とシャワーヘッド９３との間の空間に供給される。
図１１は、シャワーヘッド９３の下面の一例を示した平面図である。図１１に示されるように、ガス吐出孔９３ａは、シャワーヘッド９３の下面９３ｂの周方向の中央に、半径方向に延在するように設けられてもよい。これにより、回転テーブル２の中心側から外周側に分散させて塩素ラジカルを供給することができる。
このように、リモートプラズマ発生器９０を用いて、塩素ラジカルをウエハＷに供給してもよい。なお、リモートプラズマ発生器９０を設けて塩素ラジカルを供給することは必須ではなく、必要に応じて設けるようにしてよい。つまり、例えば、塩素ガスをラジカル化することなく、そのまま供給して必要とされる吸着阻害効果が得られる場合には、リモートプラズマ発生器９０を特に設ける必要は無く、ガスノズル又はシャワーヘッド９３から塩素ガスをそのまま供給してもよい。
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、後述する成膜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成膜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。
［成膜方法］
次に、本開示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、本実施形態に係るシリコン窒化膜の成膜方法で用いるアンモニアによる窒化を用いたシリコン窒化膜の成膜方法と、窒素による窒化を用いたシリコン窒化膜の成膜方法の相違について説明する。
図１２は、アンモニアによる窒化を用いたシリコン窒化膜の成膜方法を説明するための図である。
図１２（ａ）は、基板が載置された状態を示した図である。
図１２（ｂ）は、アンモニアにより窒化した基板の表面を示した図である。図１２（ｂ）で示されるように、アンモニアを用いて窒化すると、ＮＨ２基（アミノ基）が基板の表面に形成される。ＮＨ２基は、シリコンに対する吸着サイトを形成するので、シリコン含有ガスに対する吸着サイトとなる。なお、図１２では、シリコン含有ガスとしてジクロロシラン（Dichlorosilane，ＳｉＨ２Ｃｌ２）を用いた場合を例に挙げて説明する。
図１２（ｃ）は、シリコン含有ガス吸着工程の一例を示した図である。シリコン含有ガス吸着工程では、ジクロロシランがＮＨ２基上に吸着する。ＮＨ２基は、シリコン含有ガスに対して吸着サイトを形成するので、ジクロロシランは、ＮＨ２基に吸着する。また、その際、ＨＣｌが生成されて気化して抜けてゆく。
図１２（ｄ）は、アンモニアによる窒化工程の一例を示した図である。ここでは、アンモニア、水素及びアルゴンからなる混合ガスを用いてアンモニアプラズマによりジクロロシランを窒化した例を示す。吸着サイトであるＮＨ２基に吸着したジクロロシランは、アンモニアプラズマの供給により、アンモニアと反応し、窒化シリコンとなる。これにより、シリコン窒化膜が堆積する。また、この時、ＨＣｌが気化して抜ける。また、この時の窒化はアンモニアプラズマによるので、シリコン窒化膜は同時に改質処理され、表面には吸着サイトであるＮＨ２基が形成される。
図１２（ｅ）は、吸着サイト形成工程の一例を示した図である。アンモニアプラズマの供給により、シリコン窒化膜の表面にＮＨ２基からなる吸着サイトが形成される。
そして、図１２（ｂ）〜（ｅ）を１サイクルとし、この１サイクルを複数回繰り返すことにより、シリコン窒化膜が成膜される。
以上が、窪みの埋め込みに用いられるシリコン窒化膜の成膜方法である。
図１３は、窒素による窒化を用いたシリコン窒化膜の成膜方法を説明するための図である。
図１３（ａ）は、基板が載置された状態を示した図である。
図１３（ｂ）は、窒素により窒化した基板の表面を示した図である。図１３（ｂ）で示されるように、窒素を用いて窒化すると、Ｎ基（窒素ラジカル）が基板の表面に形成される。Ｎ基は、シリコンに対する化学的な吸着サイトは形成しないが、シリコン含有ガスが物理吸着することが可能なサイトを形成する。例えば、物理吸着可能サイトと呼んでもよい。なお、図１３においても、シリコン含有ガスとしてジクロロシラン（Dichlorosilane，ＳｉＨ２Ｃｌ２）を用いた場合を例に挙げて説明する。
図１３（ｃ）は、シリコン含有ガス物理吸着工程の一例を示した図である。シリコン含有ガス物理吸着工程では、ジクロロシランがＮ基上に物理吸着する。物理吸着なので、化学的な結合とは異なり、何らかのエネルギーを加えると、吸着が解けてしまう程度の吸着力である。
図１３（ｄ）は、窒素による窒化工程の一例を示した図である。ここでは、窒素及びアルゴンからなる混合ガスを用いて窒素プラズマ（窒素ラジカル）によりジクロロシランを窒化した例を示す。Ｎ基に物理吸着したジクロロシランは、窒素プラズマの供給により吹き飛ばされ、Ｎ基から脱離してしまう。これにより、ジクロロシランが浮遊した状態となる。
図１３（ｅ）は、シリコン窒化膜堆積工程の一例を示した図である。浮遊したジクロロシランには、窒素プラズマが継続して供給され、ジクロロシランと窒素プラズマが反応し、シリコン窒化膜が生成される。そして、シリコン窒化膜が基板上に堆積する。この時の反応は、ＡＬＤではなく、基板よりも上方の空間で反応が発生し、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）に近い反応である。空中で窒化シリコンが反応生成物として生成し、それが基板上に堆積するという反応である。ＡＬＤによりトレンチ、ビア等の窪みパターンを埋め込むと、側壁面から中央に向かって徐々に薄膜が堆積（成長）するため、最後の中央部では、対向する薄膜同士が中央で接合する際、どうしてもシームが発生してしまう。しかしながら、ＣＶＤ反応の場合、側壁からの成長ではなく、空中で発生して落下する挙動であるから、薄膜の成長の方向性が無く、隙間内で形成されて隙間内に堆積する。よって、薄膜同士の接続という挙動が無く、上から下への堆積だけなので、シームの発生を抑制しつつ薄膜を堆積させることができる。よって、このような成膜を窪みパターンの埋め込みの最終段階に用いれば、シームの発生を抑制しつつ窪みを最後まで埋め込むことができる。
このように、窒素による成膜は、シームレスな成膜を行うのに非常に適した方法であることが分かる。なお、図１３（ｂ）〜（ｅ）を１サイクルとし、この１サイクルを複数回繰り返すことにより、シリコン窒化膜が成膜される。
以上が、窪みの埋め込みを終了する際の最終段階に用いられるシリコン窒化膜の成膜方法である。
このようなアンモニアを用いたシリコン窒化膜の成膜と、窒素を用いたシリコン窒化膜の成膜とを組み合わせて本実施形態に係るシリコン窒化膜の成膜方法は行われる。
図１４は、本開示の実施形態に係るシリコン窒化膜の成膜方法の一例の一連の工程を示した図である。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１４（ａ）に示すように、トレンチＴが形成されている。
反応ガスノズル３１からは、シリコン含有ガスとしてジクロロシラン（ＤＣＳ、ＳｉＨ２Ｃｌ２）が供給され、反応ガスノズル３２から窒化ガスとしてアンモニア（ＮＨ３）が供給され、シャワーヘッド９３から塩素（Ｃｌ２）ガスが供給される例を挙げて説明する。また、プラズマ発生器８０、９０は双方とも搭載され、アンモニアガス及び塩素ガスの双方とも活性化され、アンモニアプラズマ及び塩素ラジカルとして供給される場合を例に挙げて説明する。
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Ａｒ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Ａｒ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５ｒｐｍ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４００℃に加熱する。回転テーブル２の回転速度は、用途に応じて種々の回転速度に設定することができる。また、プラズマ発生器８０、９０も作動させる。
図１４（ａ）は、アンモニアプラズマ窒化工程の一例を示した図である。まず、反応ガスノズル３２からアンモニアガスを供給し、プラズマ発生器８０でアンモニアプラズマを生成する。これにより、トレンチＴ内が窒化され、表面にＮＨ２基１１０が形成される。ＮＨ２基は、ジクロロシランに対する吸着サイトとなる。
図１４（ｂ）は、吸着阻害領域形成工程の一例を示した図である。アンモニアプラズマ窒化工程の後は、シャワーヘッド９３から塩素ラジカルを供給する。塩素ラジカルは、リモートプラズマ発生器９０により生成される。回転テーブル２の回転により、第３の処理領域Ｐ３をウエハＷが通過することにより、トレンチＴ内のＮＨ２基１１０上に塩素ラジカルが供給される。塩素ラジカルは、Ｈ基と反応してＨＣｌを生成するとともに、Ｈ基と置換してＣｌ基終端を形成する。かかるＣｌ基は、塩素含有ガスに対しては、吸着阻害基として機能し、吸着阻害領域１２０を形成する。ここで、塩素ラジカルは、ウエハＷの表面Ｓ、トレンチＴの上部には容易に到達するが、トレンチＴの奥、つまり底部付近の下部にはあまり多くは到達しない。トレンチＴのアスペクト比は高いので、多くの塩素ラジカルは、トレンチＴの奥に到達する前にＨ基と置換してしまう。よって、ウエハＷの表面Ｓ及びトレンチＴの上部には高密度で吸着阻害基であるＣｌ基が形成され、吸着阻害領域１２０が形成されるが、トレンチＴの下部にはＮＨ２構造のＨ基が多く残存し、Ｃｌ基の密度は低くなる。
図１４（ｃ）は、原料ガス吸着工程の一例を示した図である。図１４（ｃ）に示されるように、ウエハＷが分離領域Ｄを通過してパージガスが供給されてパージされた後、第１の処理領域Ｐ１を通過することにより、ジクロロシラン１３０が供給される。ジクロロシラン１３０は、吸着阻害基であるＣｌ基が存在する吸着阻害領域１２０にはあまり吸着せず、吸着阻害領域１２０以外の領域に多く吸着する。よって、トレンチＴ内の底面付近にジクロロシラン１３０が多く吸着し、ウエハＷの表面Ｓ及びトレンチＴの上部にはあまりジクロロシラン１３０が吸着しない。つまり、トレンチＴの底部付近に原料ガスであるジクロロシラン１３０が高密度で吸着し、トレンチＴの上部及びウエハＷの表面上にはジクロロシラン１３０が低密度で吸着する。
図１４（ｄ）は、シリコン窒化膜堆積工程の一例を示した図である。図１４（ｄ）に示されるように、ウエハＷが分離領域Ｄを通過してパージガスが供給されてパージされた後、第２の処理領域Ｐ２を通過することにより、アンモニアプラズマが供給される。ここで、アンモニアガスは、例えば、アンモニア、窒素及びアルゴンを含む混合ガスとして供給されてもよい。アンモニアプラズマの供給により、トレンチＴ内に吸着したジクロロシラン１３０と供給されたアンモニアプラズマとが反応し、シリコン窒化膜の分子層が反応生成物として形成される。ここで、ジクロロシランは、トレンチＴの底部付近に多く吸着しているので、トレンチＴ内の底部付近に多くシリコン窒化膜が形成される。よって、図１４（ｄ）に示されるようなボトムアップ性の高い埋め込み成膜が可能となる。
次いで、ウエハＷが回転テーブル２の回転により第３の処理領域Ｐ３を通過すると、再び図１４（ｂ）に示した状態となり、吸着阻害基であるＣｌ基がトレンチＴ内の上部及びウエハＷの表面に吸着し、吸着阻害領域１２０が形成される。
以下、各反応ガスを供給しながら回転テーブル２を繰り返し回転させることにより、図１４（ｂ）〜図１４（ｄ）に示したサイクルが繰り替えされ、トレンチＴの開口部が塞がれない状態で、底面側からシリコン窒化膜が堆積する。そして、図１４（ｄ）に示されるように、Ｖ字の断面を形成しつつ、開口部を塞がないボトムアップ性に高いシリコン窒化膜１４０の成膜を行うことができる。これにより、ボイド等を発生させることなく高品質なシリコン窒化膜１４０の埋め込み成膜を行うことができる。
このように、本発明の実施形態に係る成膜方法によれば、塩素ラジカルをトレンチＴの上部に供給して吸着阻害領域１２０を形成しつつＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法による成膜を行うことにより、ボトムアップ性の高い選択的な成膜を行うことができる。
なお、ＮＨ３は、必ずしもプラズマにより活性化されて供給される必要は無く、窒化が可能であれば、プラズマ化されずに供給されてもよい。
また、本実施形態においては、図１４（ａ）において、ウエハＷの表面Ｓ及びトレンチＴの内面をアンモニアプラズマにより窒化して吸着サイト１１０を形成したが、最初から下地膜としてシリコン窒化膜やシリコン酸化膜が形成されている場合には、図１４（ａ）の窒化工程を行わずに、図１４（ｂ）の吸着阻害領域形成工程から開始するようにしてもよい。
図１４（ｂ）〜（ｄ）の工程を１サイクルとしてこのサイクルを繰り返し、Ｖ字を形成しつつトレンチＴ内にシリコン窒化膜を埋め込んでゆく。これにより、トレンチＴの側壁から中央に向かって、また、底面から上部に向かってシリコン窒化膜が堆積し、成長してゆく。
そして、トレンチＴ内の中央の隙間が非常に小さくなり、埋め込みの最終段階に入った場合には、図１４（ｅ）、（ｆ）の隙間充填工程を実施する。なお、隙間充填工程を実施する際には、シャワーヘッド９３からの塩素ラジカルの供給を停止する。また、反応ガスノズル３２から供給されるガスをアンモニアガスから窒素ガスに切り替える。具体的には、アンモニアガス供給源１３１ａからの供給を、窒素ガス供給源１３１ｂに切り替える。切り替えは、バルブ１４０、１４１が開、バルブ１４２、１４３が閉となっていたのを、バルブ１４０、１４１を閉、バルブ１４２、１４３を開に切り替えればよい。
図１４（ｅ）は、シリコン含有ガス吸着工程の一例を示した図である。シリコン含有ガス吸着工程では、図１４（ｃ）と同様に、第１の処理領域Ｐ１にてジクロロシラン１３０が供給され、シリコン窒化膜１４０の表面に吸着する。
図１４（ｆ）は、窒素プラズマ窒化工程の一例を示した図である。窒素プラズマ窒化工程では、窒素プラズマによるジクロロシラン１３０の窒化を行い、シリコン窒化膜１４０を堆積させる。ここで、図１３で説明したように、窒素プラズマによる窒化の場合、シリコン窒化膜の表面にＮ基が形成される。
次に、図１４（ｅ）、（ｆ）を１サイクルとしてこのサイクルを複数回繰り返すが、２回目のシリコン含有ガス吸着工程では、Ｎ基にジクロロシランが物理吸着する。よって、２回目の窒素プラズマ窒化工程では、ジクロロシランが窒素プラズマにより吹き飛ばされ、ジクロロシランが中央の隙間に浮遊した状態で窒素プラズマと反応し、浮遊した状態で生成した窒化シリコンがシリコン窒化膜１４０上に堆積し、隙間を埋めてゆく。よって、側面からの成長ではなく、隙間内でＣＶＤ的に生成された窒化シリコンが堆積する。これにより、壁面同士の接合により形成されるシームが形成されず、シームレスで隙間を充填することができる。
図１４（ｅ）、（ｆ）のサイクルは、中央の隙間を充填するまで行う。このような２段階のプロセスを行うことにより、Ｖ字の断面形状を維持しつつ埋め込み成膜を行ってボイドの発生を防ぎ、最終段階でシームレスな成膜で中央の隙間を塞ぐことができ、ボイドレスかつシームレスの高品質な埋め込み成膜を行うことができる。
図１４（ｇ）は、トレンチＴをシリコン窒化膜１４０で完全に埋め込んだ状態を示した図である。図１４（ｇ）に示されるように、ボイドレス及びシームレスでシリコン窒化膜の埋め込み成膜を行うことができる。
なお、図１４（ｅ）、（ｆ）のシームレス成膜は、トレンチＴの埋め込みの最終段階だけでなく、トレンチＴを埋め込んでいる途中に行ってもよい。例えば、各深さのレベルにおいて、その深さにおける中央部の隙間を塞ぐ段階で、シームレス成膜を行うようにしてもよい。即ち、トレンチＴの深さを複数段階に分割し、各深さの最終段階で図１４（ｅ）、（ｆ）のシームレス成膜を行うようにしてもよい。
なお、本実施形態においては、前半の埋め込み成膜を、塩素ラジカルを用いてＶ字形状を維持しながら埋め込み成膜を行う例を挙げて説明したが、ボイドレスな成膜が可能であれば、前半の成膜は他の成膜方法を採用してもよい。
また、前半の埋め込み成膜について、吸着阻害ガスとして塩素ガスを用い、シリコン含有ガスとしてシリコン及び塩素を含有するガスを用いる例を挙げて説明したが、シリコン含有ガスに対して吸着阻害領域１２０を形成できるガスの組み合わせであれば、上述の実施形態の組み合わせに限定される訳ではない。即ち、塩素同士の関係だけでなく、そのような反発し合う元素同士の組み合わせであれば、シリコン含有ガス及び吸着阻害ガスも種々の組み合わせとすることができる。
また、本実施形態においては、吸着阻害ガスは吸着阻害ラジカル、窒化ガスはプラズマガスとして供給する例を挙げて説明したが、吸着阻害と窒化という目的を果たせる場合には、プラズマ発生器８０、９０を必ずしも用いなくてもよい。
このように、本実施形態に係るシリコン窒化膜の成膜方法では、用途に応じて種々の形態を採用することができ、ボイドレスかつシームレスでシリコン窒化膜をトレンチＴ等の窪みに埋め込むことができる。
［実施例］
次に、本実施形態に係るシリコン窒化膜の成膜方法を実施した実施例の実施結果について説明する。
図１５は、前半のＶ字形状を維持する成膜のみで最後まで埋め込んだ比較例に係る成膜方法の成膜結果を示した図である。図１５に示されるように、比較例に係る成膜方法では、ボイドは発生していないが、中央部にシームが形成されてしまうことが示されている。
図１６は、本実施形態に係る成膜方法を実施した実施例の成膜結果を示した図である。図１６に示されるように、ボイドも発生していないし、中央部におけるシームの発生が図１５よりも非常に小さくなっており、綺麗に埋め込み成膜がなされたことを示している。
このように、本実施例によれば、本実施形態に係るシリコン窒化膜の成膜方法によりボイドレスかつシームレスでシリコン窒化膜の埋め込み成膜を行うことができることが示された。
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
４ 凸状部
５ 突出部
７ ヒータユニット
１１ 天板
１２ 容器本体
１５ 搬送口
２４ 凹部
３１、３２ 反応ガスノズル
４１、４２ 分離ガスノズル
８０、９０ プラズマ発生器
９１ プラズマ生成部
９３ シャワーヘッド
１３１ａ アンモニアガス供給源
１３１ｂ 窒素ガス供給源
Ｐ１〜Ｐ３ 処理領域
Ｗ ウエハ

Claims (10)

  1. 基板の表面に形成された窪み内に、ＡＬＤで底面及び側面からシリコン窒化膜を徐々に埋め込んでゆき、前記窪み内の中央部の隙間を狭めるように側面から中央に向かって薄膜を堆積させる工程と、
    前記側面から中央に向かって堆積した前記薄膜同士を繋げて前記中央の隙間を埋める直前の段階において、前記窪み内に第１の窒素ラジカルを吸着させる工程と、
    前記窪み内において、前記第１の窒素ラジカル上にシリコン含有ガスを物理吸着させる工程と、
    前記窪み内に第２の窒素ラジカルを供給し、前記シリコン含有ガスを前記第１の窒素ラジカルから脱離させるとともに、脱離した前記シリコン含有ガスと前記第２の窒素ラジカルとを反応させて前記中央の隙間を埋めるようにシリコン窒化膜を堆積させる工程と、を有するシリコン窒化膜の成膜方法。
  2. 前記シリコン窒化膜を堆積させる工程は、ＣＶＤにより行われる請求項１に記載のシリコン窒化膜の成膜方法。
  3. 前記シリコン含有ガスを物理吸着させる工程と、前記中央の隙間を埋めるようにシリコン窒化膜を堆積させる工程は、前記中央の隙間を完全に埋めるまで繰り返される請求項１又は２に記載のシリコン窒化膜の成膜方法。
  4. 前記側面から中央に向かって薄膜を堆積させる工程は、前記窪み内の上部に前記シリコン含有ガスの吸着を阻害する吸着阻害ガスを吸着させ、前記シリコン含有ガスに対する吸着阻害領域を前記窪み内の上部に形成する工程と、
    前記窪み内に前記シリコン含有ガスを供給し、前記窪み内の前記吸着阻害領域以外の領域に前記シリコン含有ガスを吸着させる工程と、
    前記窪み内にアンモニアガスを供給し、前記窪み内に吸着した前記シリコン含有ガスと前記アンモニアガスとを反応させ、シリコン窒化膜の分子層を前記窪み内に堆積させる工程と、
    前記吸着阻害領域を前記窪み内の上部に形成する工程、前記吸着阻害領域以外の領域に前記シリコン含有ガスを吸着させる工程及び前記シリコン窒化膜の分子層を前記窪み内に堆積させる工程を周期的に繰り返す工程と、を有する請求項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. 前記アンモニアガスは、プラズマ化されたアンモニアプラズマとして前記窪み内に供給される請求項４に記載のシリコン窒化膜の成膜方法。
  6. 前記吸着阻害ガスはプラズマにより活性化された吸着阻害基である請求項５に記載のシリコン窒化膜の成膜方法。
  7. 前記吸着阻害ガスを活性化するプラズマはリモートプラズマであり、
    前記第１の窒素ラジカル、前記第２の窒素ラジカル及び前記アンモニアプラズマは、誘導結合型プラズマを用いて生成される請求項６に記載のシリコン窒化膜の成膜方法。
  8. 前記シリコン含有ガスは塩素を含有するガスであり、
    前記吸着阻害ガスは塩素ガスである請求項４乃至７のいずれか一項に記載のシリコン窒化膜の成膜方法。
  9. 前記側面から中央に向かって薄膜を堆積させる工程、前記窪み内に第１の窒素ラジカルを吸着させる工程、前記第１の窒素ラジカル上にシリコン含有ガスを物理吸着させる工程及び前記中央の隙間を埋めるようにシリコン窒化膜を堆積させる工程を１サイクルとし、
    前記窪み内を総て埋め込むまで、前記窪みの深さ範囲に応じて複数サイクル行われる請求項１乃至８のいずれか一項に記載のシリコン窒化膜の成膜方法。
  10. 処理室と、
    該処理室内に設けられ、上面に径方向に沿って基板を載置可能な基板載置領域を有する回転テーブルと、
    該回転テーブルの上方に、前記回転テーブルの回転方向に沿って設けられ、前記回転テーブル上にシリコン含有ガスを吸着させることが可能なシリコン含有ガス吸着領域と、
    該シリコン含有ガス吸着領域の前記回転テーブルの回転方向下流側に設けられ、前記回転テーブル上にアンモニアプラズマ又は窒素プラズマを供給可能な窒化領域と、
    該窒化領域の前記回転テーブルの回転方向下流側、かつ前記シリコン含有ガス吸着領域の上流側に設けられ、前記回転テーブル上に前記シリコン含有ガスの吸着を阻害する吸着阻害ガスを吸着させることが可能な吸着阻害ガス吸着領域と、
    表面に窪みが形成された基板が前記基板載置領域上に載置された前記回転テーブルを回転させながら、前記窒化領域で前記基板に前記アンモニアプラズマを供給して前記窪み内を窒化する処理と、前記吸着阻害ガス吸着領域で前記窪み内の上部に前記吸着阻害ガスを吸着させ、前記シリコン含有ガスに対する吸着阻害領域を形成する処理と、前記シリコン含有ガス吸着領域で前記窪み内の前記吸着阻害領域以外の領域に前記シリコン含有ガスを吸着させる処理と、を周期的に繰り返して前記窪み内に、中央部に隙間を有するＶ字の断面形状を有するシリコン窒化膜の成膜を行う成膜工程と、
    前記回転テーブルを回転させながら前記シリコン含有ガス吸着領域で前記窪み内の表面に前記シリコン含有ガスを物理吸着させる処理と、前記窒化領域で前記窪み内に前記窒素プラズマを供給し、物理吸着した前記シリコン含有ガスを解離させるとともに前記窒素プラズマと反応させ、中央部の前記隙間にシリコン窒化膜を満たすシームレス工程と、を実施する制御部と、を有する成膜装置。
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