JP2021034407A - 成膜方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】後のエッチング工程によってシームが生じにくいシリコン酸化膜を凹部に埋め込むことができる技術を提供する。
【解決手段】本開示の一態様による成膜方法は、表面に凹部が形成された基板の上にアミノシランガスを吸着させるステップと、前記基板に酸化ガスを供給し、前記基板の上に吸着した前記アミノシランガスを酸化して前記基板の上にシリコン酸化膜を堆積させるステップと、前記シリコン酸化膜に窒素ガス及び水素ガスを含む混合ガスをプラズマにより活性化して供給し、前記シリコン酸化膜の改質処理を行うステップと、を有する。
【選択図】図９

Description

本開示は、成膜方法に関する。
第１の反応ガスを基板に吸着させるステップ、該第１の反応ガスと第２の反応ガスを反応させて基板に反応生成物を形成するステップ、水素含有ガスで生成されるプラズマを反応生成物に照射するステップを含む成膜方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１２−２５５２０３号公報
本開示は、後のエッチング工程によってシームが生じにくいシリコン酸化膜を凹部に埋め込むことができる技術を提供する。
本開示の一態様による成膜方法は、表面に凹部が形成された基板の上にアミノシランガスを吸着させるステップと、前記基板に酸化ガスを供給し、前記基板の上に吸着した前記アミノシランガスを酸化して前記基板の上にシリコン酸化膜を堆積させるステップと、前記シリコン酸化膜に窒素ガス及び水素ガスを含む混合ガスをプラズマにより活性化して供給し、前記シリコン酸化膜の改質処理を行うステップと、を有する。
本開示によれば、後のエッチング工程によってシームが生じにくいシリコン酸化膜を凹部に埋め込むことができる。
一実施形態の成膜装置の構成例を示す断面図 図１の成膜装置の真空容器内の構成を示す斜視図 図１の成膜装置の真空容器内の構成を示す平面図 図１の成膜装置の真空容器内に回転可能に設けられる回転テーブルの同心円に沿った当該真空容器の断面図 図１の成膜装置の別の断面図 図１の成膜装置に設けられるプラズマ発生源の断面図 図１の成膜装置に設けられるプラズマ発生源の別の断面図 図１の成膜装置に設けられるプラズマ発生源の上面図 一実施形態の成膜方法の流れを示す図 一実施形態の成膜方法を説明するための模式図 一実施形態の成膜方法のメカニズムの説明図（１） 一実施形態の成膜方法のメカニズムの説明図（２） 実施例１の実施結果を示す図 実施例２の実施結果を示す図
以下、添付の図面を参照しながら、本開示の限定的でない例示の実施形態について説明する。添付の全図面中、同一又は対応する部材又は部品については、同一又は対応する参照符号を付し、重複する説明を省略する。
（成膜装置）
一実施形態の成膜方法を実施するのに好適な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、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、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リング等のシール部材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に固定されている。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、その下端が回転軸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の表面には、図２及び図３に示されるように回転方向（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Ｗ」という）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。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に示されるように、回転テーブル２の上方には、例えば石英からなる反応ガスノズル３１，３２，３３及び分離ガスノズル４１，４２が真空容器１の周方向（図３の矢印Ａで示される回転テーブル２の回転方向）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、反応ガスノズル３３、分離ガスノズル４１、反応ガスノズル３１、分離ガスノズル４２及び反応ガスノズル３２がこの順に配列されている。これらの反応ガスノズル３１，３２，３３及び分離ガスノズル４１，４２の基端部であるガス導入ポート３１ａ，３２ａ，３３ａ，４１ａ，４２ａ（図３）は、容器本体１２の外周壁に固定されている。そして、反応ガスノズル３１，３２，３３及び分離ガスノズル４１，４２は、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る。
なお、反応ガスノズル３３の上方には、図３において、破線にて簡略化して示されるようにプラズマ発生源８０が設けられている。プラズマ発生源８０については後述する。
反応ガスノズル３１は、配管及び流量制御器等（図示せず）を介して、アミノシランガスの供給源（図示せず）に接続されている。アミノシランガスとしては、例えばＤＩＰＡＳ［ジイソプロピルアミノシラン］、３ＤＭＡＳ［トリスジメチルアミノシラン］ガス、ＢＴＢＡＳ［ビスターシャルブチルアミノシラン］を利用できる。
反応ガスノズル３２は、配管及び流量制御器等（図示せず）を介して、酸化ガスの供給源（図示せず）に接続されている。酸化ガスとしては、例えばオゾン（Ｏ３）ガスを利用できる。
反応ガスノズル３３は、不図示の配管及び流量制御器等（図示せず）を介して、改質ガスの供給源（図示せず）に接続されている。改質ガスとしては、例えばアルゴン（Ａｒ）ガス、窒素（Ｎ２）ガス、水素（Ｈ２）ガスを利用できる。
分離ガスノズル４１，４２は、いずれも配管及び流量制御バルブ等（図示せず）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、例えばＡｒガス、窒素（Ｎ２）ガスを利用できる。
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吐出孔３１ｈ，３２ｈ（図４）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、アミノシランガスをウエハＷに吸着させるためのアミノシランガス吸着領域Ｐ１となる。反応ガスノズル３２の下方領域は、アミノシランガス吸着領域Ｐ１においてウエハＷに吸着されたアミノシランガスを酸化させる酸化ガス供給領域Ｐ２となる。なお、図４には示されていない反応ガスノズル３３の構成については後述する。
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と共に分離領域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、一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４に示されるように、天板１１の裏面に凸状部４が取り付けられている。このため、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（第１の天井面４４）と、第１の天井面４４の周方向両側に位置する、第１の天井面４４よりも高い天井面（第２の天井面４５）とが存在する。第１の天井面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、溝部４３に分離ガスノズル４１が収容されている。また、第２の天井面４５の下方の空間に反応ガスノズル３１，３２が夫々設けられている。これらの反応ガスノズル３１，３２は、第２の天井面４５から離間してウエハＷの近傍に設けられている。図４に示されるように、凸状部４の右側の第２の天井面４５の下方の空間４８１に反応ガスノズル３１が設けられ、左側の第２の天井面４５の下方の空間４８２に反応ガスノズル３２が設けられている。
また、凸状部４の溝部４３に収容される分離ガスノズル４２には、回転テーブル２に向かって開口する複数の吐出孔４２ｈ（図４参照）が、分離ガスノズル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。また、もう一つの凸状部４の溝部４３に収容される分離ガスノズル４１にも同様に、回転テーブル２に向かって開口する複数の吐出孔４１ｈが、分離ガスノズル４１の長さ方向に沿って、例えば１０ｍｍの間隔で配列されている。
第１の天井面４４は、狭い空間である分離空間Ｈを回転テーブル２に対して形成する。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、Ａｒガスは分離空間Ｈを通して空間４８１，４８２へ向かって流れる。このとき、分離空間Ｈの容積は空間４８１，４８２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４８１，４８２の圧力に比べて高くできる。すなわち、空間４８１，４８２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４８１，４８２へ流れ出るＡｒガスが、アミノシランガス吸着領域Ｐ１からのアミノシランガスと、酸化ガス供給領域Ｐ２からの酸化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、アミノシランガス吸着領域Ｐ１からのアミノシランガスと、酸化ガス供給領域Ｐ２からの酸化ガスとが分離空間Ｈにより分離される。よって、真空容器１内においてアミノシランガスと酸化ガスとが混合し、反応することが抑制される。
回転テーブル２の上面に対する第１の天井面４４の高さｈ１は、成膜の際の真空容器１内の圧力、回転テーブル２の回転速度、分離ガス（Ａｒガス）の流量等を考慮し、分離空間Ｈの圧力を空間４８１，４８２の圧力に比べて高くするのに適した高さに設定される。
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。突出部５は、一実施形態においては、凸状部４における回転中心の側の部位と連続しており、その下面が第１の天井面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、第２の天井面４５が設けられている領域を示している。一方、図５は、第１の天井面４４が設けられている領域を示す断面図である。図５に示されるように、扇型の凸状部４の周縁（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。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、アミノシランガスと酸化ガスとの混合を抑制する。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の上面に対する第１の天井面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、屈曲部４６の外周面と接近して垂直面に形成されている（図５）が、分離領域Ｄ以外の部位においては、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に亘って外方に窪んでいる（図１）。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Ｅと記す。具体的には、アミノシランガス吸着領域Ｐ１に連通する排気領域を第１の排気領域Ｅ１と記し、酸化ガス供給領域Ｐ２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に示されるように、夫々、第１の排気口６１及び第２の排気口６２が形成されている。第１の排気口６１及び第２の排気口６２は、図１に示されるように各々排気管６３を介して真空排気部である例えば真空ポンプ６４に接続されている。なお図１中、圧力制御器６５が示されている。
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に示されるように加熱部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の周縁付近の下方には、円環状のカバー部材７１が設けられている（図５）。カバー部材７１は、回転テーブル２の上方空間から第１の排気領域Ｅ１及び第２の排気領域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制する。カバー部材７１は、回転テーブル２の外縁及び外縁よりも外周側を下方から臨むように設けられた内側部材７１ａと、内側部材７１ａと真空容器１の内周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ている。内側部材７１ａは、回転テーブル２の外縁下方（及び外縁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の側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に突出して突出部１２ａをなしている。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の貫通孔の内周面と回転軸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は例えば石英により形成されている。
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。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のウエハ載置領域の側の表面に沿って周縁に向けて吐出される。隙間５０は分離ガスにより空間４８１，４８２よりも高い圧力に維持され得る。したがって、隙間５０により、アミノシランガス吸着領域Ｐ１に供給されるアミノシランガスと酸化ガス供給領域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、隙間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。
さらに、真空容器１の側壁には、図２及び図３に示されるように、外部の搬送アーム１０と回転テーブル２との間でウエハＷの受け渡しを行うための搬送口１５が形成されている。搬送口１５は、図示しないゲートバルブにより開閉される。回転テーブル２の下方には、ウエハＷの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、プラズマ発生源８０について説明する。図６は、図１の成膜装置に設けられるプラズマ発生源８０の断面図であり、回転テーブル２の半径方向に沿ったプラズマ発生源８０の断面を示す。図７は、図１の成膜装置に設けられるプラズマ発生源８０の別の断面図であり、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源８０の断面を示す。図８は、図１の成膜装置に設けられるプラズマ発生源８０の上面図である。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、プラズマ発生源８０は、フレーム部材８１と、ファラデー遮蔽板８２と、絶縁板８３と、アンテナ８５とを備える。フレーム部材８１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。ファラデー遮蔽板８２は、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。絶縁板８３は、ファラデー遮蔽板８２の底面上に配置される。アンテナ８５は、絶縁板８３の上方に支持され、略八角形の平面形状を有するコイル状に形成されている。
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、溝部に例えばＯ−リング等のシール部材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する。これにより、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、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に示されるように、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の上方にプラズマ処理領域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）における第１の天井面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、プラズマ処理領域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、一実施形態においては、図６に示されるように、Ａｒガスが充填されるアルゴンガス供給源９０と、Ｎ２ガスが充填される窒素ガス供給源９１と、Ｈ２ガスが充填される水素ガス供給源９２とが接続されている。アルゴンガス供給源９０、窒素ガス供給源９１及び水素ガス供給源９２から、対応する流量制御器９３、９４、９５により流量が制御されたＡｒガス、Ｎ２ガス及びＨ２ガスが、所定の流量比（混合比）でプラズマ処理領域Ｐ３に供給される。
また、反応ガスノズル３３には、その長手方向に沿って所定間隔（例えば１０ｍｍ）で複数の吐出孔３３ｈが形成されており、吐出孔３３ｈから前述のＡｒガス、Ｎ２ガス及びＨ２ガスが吐出される。吐出孔３３ｈは、図７に示されるように、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から供給される混合ガスは、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源８０よりも上流側に位置する第２の天井面４５の下方の空間から酸化ガスや分離ガスが、プラズマ処理領域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からのガスによりプラズマ処理領域Ｐ３内の圧力を容易に高く維持できる。これによっても、酸化ガスや分離ガスがプラズマ処理領域Ｐ３内へ流れ込むのが抑止される。
ファラデー遮蔽板８２は、金属等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に示されるように、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。
係るプラズマ発生源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。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を通してプラズマ処理領域Ｐ３内へ伝播する。磁界成分により、反応ガスノズル３３から所定の流量比（混合比）でプラズマ処理領域Ｐ３に供給される改質ガスからプラズマが発生する。このようにして発生するプラズマによれば、ウエハＷ上に堆積される薄膜への照射損傷や、真空容器１内の各部材の損傷等を低減できる。
また、成膜装置には、図１に示されるように、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が設けられている。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。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いる。プログラムは、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、フレキシブルディスク等の媒体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）
一実施形態の成膜方法について、前述の成膜装置を用いてシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）を成膜する場合を例に挙げて説明する。図９は、一実施形態の成膜方法の流れを示す図である。図１０は、一実施形態の成膜方法を説明するための模式図である。一実施形態では、図１０（ａ）に示されるように、表面にトレンチＴが形成されたウエハＷのトレンチＴにシリコン酸化膜を埋め込み成膜する場合を例に挙げて説明する。なお、トレンチＴは、ウエハＷの表面Ｕに形成されている凹部の一例であり、トレンチＴの他、ビアホール等が形成されていてもよい。また、ウエハＷの表面にシリコン窒化膜等の下地膜が形成されていてもよい。
まず、ゲートバルブを開き、外部から搬送アーム１０により搬送口１５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。ウエハＷ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６４により到達可能真空度にまで真空容器１内を排気する。その後、分離ガスノズル４１、４２から分離ガスとしてＡｒガスを所定流量で吐出し、分離ガス供給管５１及びパージガス供給管７２からＡｒガスを所定流量で吐出する。また、圧力制御器６５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。
この後、反応ガスノズル３１からアミノシランガスを供給し、反応ガスノズル３２からＯ３ガスを供給する。また、反応ガスノズル３３からＡｒ／Ｎ２／Ｈ２ガスを供給し、プラズマ発生源８０のアンテナ８５に対して１３．５６ＭＨｚの周波数を有する高周波を例えば４０００Ｗの電力で供給する。これにより、プラズマ発生源８０と回転テーブル２との間のプラズマ処理領域Ｐ３においてプラズマが生成される。プラズマには、ＮＨ活性種や高エネルギー粒子が生成されている。
回転テーブル２の回転により、ウエハＷは、アミノシランガス吸着領域Ｐ１、分離領域Ｄ、酸化ガス供給領域Ｐ２、プラズマ処理領域Ｐ３及び分離領域Ｄをこの順に繰り返して通過する。アミノシランガス吸着領域Ｐ１において、図１０（ａ）に示されるように、ウエハＷの表面ＵやトレンチＴの内面にＳｉＨ３基が生成される（ステップＳ１１）。分離領域Ｄを通過した後、酸化ガス供給領域Ｐ２において、ウエハＷの表面ＵやトレンチＴの内面に生成されたＳｉＨ３基がＯ３ガス分子により酸化される（ステップＳ１２）。これにより、図１０（ｂ）に示されるように、トレンチＴの内面に沿って水酸基（ＯＨ基）が生成される。
次いで、プラズマ発生源８０のプラズマ処理領域Ｐ３にウエハＷが至ると、ウエハＷはＡｒ／Ｎ２／Ｈ２ガスにより生成されたプラズマに曝される（ステップＳ１３）。このとき、ＯＨ基の一部はプラズマに含まれるＮＨ活性種の衝突によりアミノ基（ＮＨ２基）に置換される。プラズマは、ウエハＷの表面Ｕや、トレンチＴの開口付近には到達するが、トレンチＴの底部付近までは到達し難い。このため、ウエハＷの表面ＵとトレンチＴの開口付近の側面とにおいて、比較的多量のＯＨ基がＮＨ２基に置換される。その結果、図１０（ｃ）に示されるように、トレンチＴの底部及び底部付近の側面においてＯＨ基の密度が高く、トレンチＴの開口及びウエハＷの表面Ｕに向かって密度が低くなるようにＯＨ基が分布する。
次いで、回転テーブル２の回転によりウエハＷがアミノシランガス吸着領域Ｐ１に再び至ると、反応ガスノズル３１から供給されるアミノシランガスの分子がウエハＷの表面ＵやトレンチＴの内面に吸着する。このとき、アミノシランガスの分子は、ＯＨ基に吸着され易く、ＮＨ２基に吸着されにくいため、図１０（ｄ）に示されるように、ＯＨ基の分布に従った分布でウエハＷの表面ＵやトレンチＴの内面に吸着する。すなわち、トレンチＴの内面に、トレンチＴの底部及び底部付近の側面において密度が高く、トレンチＴの開口に向かって密度が低くなるようにアミノシランガスの分子が吸着する。
続けて、ウエハＷが酸化ガス供給領域Ｐ２を通過する際、ウエハＷの表面ＵやトレンチＴの内面に吸着したアミノシランガスがＯ３ガスにより酸化され、シリコン酸化膜が更に成膜される。このとき、シリコン酸化膜の膜厚分布は、トレンチＴの内面に吸着したアミノシランガスの密度が反映される。すなわち、シリコン酸化膜は、トレンチＴの底部及び底部付近の側面において厚くなり、トレンチＴの開口に向かって薄くなっている。そして、アミノシランガスの酸化により生成されたＯＨ基がシリコン酸化膜の表面に吸着する。
次いで、ウエハＷが再びプラズマ発生源８０のプラズマ処理領域Ｐ３に至ると、上述のとおり、トレンチＴの底部及び底部付近の側面においてＯＨ基の密度が高く、トレンチＴの開口に向かって密度が低くなるようにＯＨ基が分布する。
この後、上述のプロセスが繰り返されると、シリコン酸化膜はトレンチＴの底部から厚くなっていく。シリコン酸化膜が更に厚くなっていくと、ボイドができることなくトレンチＴがシリコン酸化膜で埋め込まれ、トレンチＴの埋め込みが完了する。
以上に説明したように、一実施形態の成膜方法によれば、プラズマ処理領域Ｐ３で行われるシリコン酸化膜１１１の改質処理において、改質ガスとしてＡｒ／Ｎ２／Ｈ２ガスをプラズマで活性化して供給する。これにより、後のエッチング工程によってシームが生じにくいシリコン酸化膜を成膜できる。なお、改質ガスとしてＡｒ／Ｎ２／Ｈ２ガスをプラズマで活性化して供給することにより、後のエッチング工程によってシームが生じにくいシリコン酸化膜を成膜できるメカニズム及び実施結果については後述する。
なお、上記の成膜方法では、Ａｒ／Ｎ２／Ｈ２ガスをプラズマにより活性化して供給し、シリコン酸化膜の改質処理を行う場合を示したが、改質処理に用いられる混合ガスはＮ２ガス及びＨ２ガスを含んでいれば、別の混合ガスであってもよい。例えば、Ａｒガスの代わりにＨｅガスを含むＨｅ／Ｎ２／Ｈ２ガスや、Ａｒガスに加えてＨｅガスを含むＡｒ／Ｈｅ／Ｎ２／Ｈ２ガスを用いることもできる。この場合でも、上記の成膜方法と同様に、プラズマにより活性化することにより、ＮＨ活性種が生成される。
（メカニズム）
改質ガスとしてＡｒ／Ｎ２／Ｈ２ガスをプラズマで活性化して供給することにより、後のエッチング工程によってシームが生じにくいシリコン酸化膜を成膜できるメカニズムについて説明する。
まず、プラズマ発生源８０で生成されるプラズマにより活性化される改質ガスについて説明する。一般的に、アミノシランガスを原料ガスとしてシリコン酸化膜を成膜する場合、ＯＨ基が吸着サイトとなり、ＯＨ基上にアミノシランガスは吸着する。しかしながら、ウエハＷの表面に凹部が形成され、該凹部に埋め込み成膜を行う場合、凹部の上部の開口を塞いで内部にボイドが形成されないようにするため、凹部の底面から徐々に上方に成膜が進行するボトムアップ成膜（Ｖ字成膜）が好まれる。
改質ガスとしてＨ２ガスとＯ２ガスの混合ガス（以下「Ｈ２／Ｏ２ガス」という。）をプラズマで活性化すると、良好な膜質の膜を成膜できるが、ウエハＷの上面にアミノシランガスの吸着サイトであるＯＨ基が形成される。そのため、ボトムアップ成膜が困難である。
ボトムアップ成膜を行うために、Ｈ２ガスを含まない改質ガス、例えばＡｒガスとＯ２ガスの混合ガス（以下「Ａｒ／Ｏ２ガス」という。）やＡｒガスとＮ２ガスの混合ガス（以下「Ａｒ／Ｎ２ガス」という。）が用いられる場合がある。しかしながら、改質ガスとしてＡｒ／Ｏ２ガスやＡｒ／Ｎ２ガスを用いると、後のエッチング工程において凹部内に埋め込まれたシリコン酸化膜の一部をエッチングする際、凹部内にシーム（継目）が生じる場合がある。
そこで、一実施形態では、Ｎ２ガスとＨ２ガスを含む混合ガス（以下「Ｎ２／Ｈ２ガス」という。）をプラズマで活性化して供給する改質処理を含む工程によりシリコン酸化膜を成膜して、ウエハＷの表面に形成された凹部内に充填する（埋め込む）。このように、改質処理においてＮ２／Ｈ２ガスを用いると、シリコン酸化膜の表面のＯＨ基（図１１（ａ）参照）は改質処理において供給されるＮＨ活性種によりＮＨ２基に置換される（図１１（ｂ）参照）。一方、改質処理においてＡｒ／Ｎ２ガスを用いると、シリコン酸化膜の表面のＯＨ基（図１２（ａ）参照）は改質処理においてＮ基に置換される（図１２（ｂ）参照）。
ここで、Ｓｉ−Ｎ結合の結合解離エネルギーは３０２ｋＪ／ｍｏｌであり、Ｓｉ−ＮＨ２結合の結合解離エネルギーは２８６ｋＪ／ｍｏｌであることから、Ｓｉ−ＮＨ２結合はＳｉ−Ｎ結合に比べてＯ３ガスによって置換されやすい。そのため、Ｓｉ−ＮＨ２結合にＯ３ガスが供給されると、Ｓｉ−ＮＨ２結合が切断されて隣接するＳｉ原子同士がＯ原子を介して化学結合（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合）を形成する（図１１（ｃ）参照）。このように膜中に物理結合による境界部分が生じにくいため、後のエッチング工程においてシームが生じることを抑制できると推定される。
一方、改質処理においてＡｒ／Ｎ２ガスを用いる場合、Ｓｉ−Ｎ結合にＯ３ガスが供給されると、隣接するＳｉ原子間においてＯ原子を介した化学結合が形成されにくい。そのため、膜中には、化学結合よりも結合力が弱いＯＨ基同士が隣接する物理結合による境界部分が生じる（図１２（ｃ）参照）。このように膜中に物理結合による境界部分が生じやすいため、後のエッチング工程において物理結合による境界部分が他の部分よりもエッチングされてシームが生じると推定される。
（実施例）
一実施形態の成膜方法を実施し、実施結果の評価を行った実施例１について説明する。実施例１では、ウエハＷとして、表面にトレンチが形成されたシリコンウエハを用いた。
まず、前述の成膜装置の回転テーブル２の凹部２４内にシリコンウエハを載置し、分離ガスノズル４１、４２から分離ガスとしてＡｒガスを吐出し、分離ガス供給管５１及びパージガス供給管７２からＡｒガスを吐出した。また、圧力制御器６５により真空容器１内を予め設定した処理圧力に制御した。次いで、回転テーブル２を時計回りに回転させながらヒータユニット７によりシリコンウエハを処理温度に加熱した。
この後、反応ガスノズル３１からアミノシランガスを供給し、反応ガスノズル３２から酸化ガスを供給した。また、反応ガスノズル３３から改質ガスを供給し、プラズマ発生源８０のアンテナ８５に対して１３．５６ＭＨｚの周波数を有する高周波を供給した。
そして、回転テーブル２の回転により、シリコンウエハを、アミノシランガス吸着領域Ｐ１、分離領域Ｄ、酸化ガス供給領域Ｐ２、プラズマ処理領域Ｐ３及び分離領域Ｄをこの順に繰り返して通過させて、トレンチ内にシリコン酸化膜の埋め込みを行った。なお、実施例１では、トレンチ内の一部分にシリコン酸化膜が埋め込まれるように処理時間を調整した。
処理条件は以下である。
処理温度：４００℃
処理圧力：２４０Ｐａ
アミノシランガス：ジイソピロピルアミノシラン（ＤＩＰＡＳ）ガス
酸化ガス：Ｏ３ガス
改質ガス：Ａｒ／Ｏ２ガス、Ａｒ／Ｎ２ガス、Ａｒ／Ｎ２／Ｈ２ガス
高周波電力：４０００Ｗ
回転テーブル２の回転速度：２０ｒｐｍ
続いて、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）を用いて、トレンチ内の一部分に埋め込まれたシリコン酸化膜を観察することにより、シリコン酸化膜の段差被覆性を評価した。
図１３は、実施例１の実施結果を示す図であり、改質ガスの種類と段差被覆性との関係を示す。図１３中、横軸に改質ガスの種類を示し、縦軸にトレンチの高さ方向の上部（以下「ＴＯＰ」という。）に対する中央部（以下「ＭＩＤ」という。）の膜厚の割合［％］を示す。
図１３に示されるように、Ａｒ／Ｎ２／Ｈ２ガスを用いた場合、ＴＯＰに対するＭＩＤの膜厚の割合は、Ｎ２／Ｈ２ガスの流量比が１：１、１：２、１：３のいずれの場合でも、２５０〜３００％の範囲内であった。一方、Ａｒ／Ｏ２ガスを用いた場合、ＴＯＰに対するＭＩＤの膜厚の割合は、１００〜１５０％の範囲内であった。また、Ａｒ／Ｎ２ガスを用いた場合、ＴＯＰに対するＭＩＤの膜厚の割合は、１５０〜２００％の範囲内であった。
これらの結果から、Ａｒ／Ｎ２／Ｈ２ガスを用いることにより、Ａｒ／Ｏ２ガスやＡｒ／Ｎ２ガスを用いる場合と比較して、ＴＯＰに対するＭＩＤの膜厚の割合を高くできると言える。すなわち、Ａｒ／Ｎ２／Ｈ２ガスを用いることにより、Ａｒ／Ｏ２ガスやＡｒ／Ｎ２ガスを用いる場合と比較して、ボトムアップ成膜を促進できる。
次に、一実施形態の成膜方法を実施し、実施結果の評価を行った実施例２について説明する。実施例２では、実施例１と同様に、ウエハＷとして、表面にトレンチが形成されたシリコンウエハを用いた。
まず、前述の成膜装置の回転テーブル２の凹部２４内にシリコンウエハを載置し、分離ガスノズル４１、４２から分離ガスとしてＡｒガスを吐出し、分離ガス供給管５１及びパージガス供給管７２からＡｒガスを吐出した。また、圧力制御器６５により真空容器１内を予め設定した処理圧力に制御した。次いで、回転テーブル２を時計回りに回転させながらヒータユニット７によりシリコンウエハを処理温度に加熱した。
この後、反応ガスノズル３１からアミノシランガスを供給し、反応ガスノズル３２から酸化ガスを供給した。また、反応ガスノズル３３から改質ガスを供給し、プラズマ発生源８０のアンテナ８５に対して１３．５６ＭＨｚの周波数を有する高周波を供給した。
そして、回転テーブル２の回転により、シリコンウエハを、アミノシランガス吸着領域Ｐ１、分離領域Ｄ、酸化ガス供給領域Ｐ２、プラズマ処理領域Ｐ３及び分離領域Ｄをこの順に繰り返して通過させて、トレンチ内にシリコン酸化膜の埋め込みを行った。なお、実施例２では、トレンチ内にシリコン酸化膜が完全に埋め込まれるように処理時間を調整した。処理条件は、処理時間を除いて実施例１と同じである。
続いて、希フッ酸（ＤＨＦ：Diluted Hydrofluoric Acid）を用いたウエットエッチング法により、シリコンウエハの表面が露出するまでシリコン酸化膜をエッチングして除去した。
続いて、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）を用いて、トレンチ内に残存したシリコン酸化膜にシームが生じているかどうかを確認した。
図１４は、実施例２の実施結果を示す図であり、トレンチ内に埋め込まれたシリコン酸化膜のエッチング前後の断面を示すＳＥＭ像である。図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は、それぞれ改質ガスとしてＡｒ／Ｏ２ガス（Ｏ２ガス供給量：７５ｓｃｃｍ）を用いたときのエッチング前後のＳＥＭ画像である。図１４（ｃ）及び図１４（ｄ）は、それぞれ改質ガスとしてＡｒ／Ｎ２ガス（Ｎ２ガス供給量：５０ｓｃｃｍ）を用いたときのエッチング前後のＳＥＭ画像である。図１４（ｅ）及び図１４（ｆ）は、それぞれ改質ガスとしてＡｒ／Ｎ２／Ｈ２ガス（Ｎ２ガス供給量：５０ｓｃｃｍ、Ｈ２ガス供給量：１００ｓｃｃｍ）を用いたときのエッチング前後のＳＥＭ画像である。なお、図１４のＳＥＭ画像では、シームが生じている部分に仮想線（破線）を付している。
まず、トレンチ内へのシリコン酸化膜の埋め込み特性について検討する。図１４（ａ）、図１４（ｃ）及び図１４（ｅ）に示されるように、改質ガスとしてＡｒ／Ｏ２ガス、Ａｒ／Ｎ２ガス及びＡｒ／Ｎ２／Ｈ２ガスを用いた場合、ボイド、シーム等を生じさせることなくトレンチ内にシリコン酸化膜を埋め込むことができた。すなわち、改質ガスとして、上記のいずれのガスを用いても良好な埋め込み特性が得られると言える。
次に、埋め込み後のエッチングによる影響について検討する。図１４（ｆ）に示されるように、改質ガスとしてＡｒ／Ｎ２／Ｈ２ガスを用いた場合、トレンチ内に埋め込まれたシリコン酸化膜にシームは生じなかった。一方、図１４（ｂ）に示されるように、改質ガスとしてＡｒ／Ｏ２ガスを用いた場合、トレンチ内に埋め込まれたシリコン酸化膜には大きなシームが生じていた。また、図１４（ｄ）に示されるように、改質ガスとしてＡｒ／Ｎ２ガスを用いた場合、トレンチ内に埋め込まれたシリコン酸化膜には小さなシームが生じていた。すなわち、改質ガスとしてＡｒ／Ｎ２／Ｈ２ガスを用いることにより、埋め込み後のエッチングによってシームが生じにくいシリコン酸化膜をトレンチ内に埋め込むことができると言える。
今回開示された実施形態はすべ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、添付の請求の範囲及びその趣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。
１ 真空容器
２ 回転テーブル
Ｐ１ アミノシランガス吸着領域
Ｐ２ 酸化ガス供給領域
Ｐ３ プラズマ処理領域
Ｄ 分離領域

Claims (8)

  1. 表面に凹部が形成された基板の上にアミノシランガスを吸着させるステップと、
    前記基板に酸化ガスを供給し、前記基板の上に吸着した前記アミノシランガスを酸化して前記基板の上にシリコン酸化膜を堆積させるステップと、
    前記シリコン酸化膜に窒素ガス及び水素ガスを含む混合ガスをプラズマにより活性化して供給し、前記シリコン酸化膜の改質処理を行うステップと、
    を有する、
    成膜方法。
  2. 前記改質処理を行うステップでは、ＮＨ活性種を生成する、
    請求項１に記載の成膜方法。
  3. 前記窒素ガスの供給量に対する前記水素ガスの供給量の比は、１〜３の範囲内である、
    請求項１又は２に記載の成膜方法。
  4. 前記アミノシランガスを吸着させるステップ、前記シリコン酸化膜を堆積させるステップ及び前記改質処理を行うステップは、繰り返し行われる、
    請求項１乃至３のいずれか一項に記載の成膜方法。
  5. 前記アミノシランガスを吸着させるステップ、前記シリコン酸化膜を堆積させるステップ及び前記改質処理を行うステップは、前記凹部に前記シリコン酸化膜が充填されるまで繰り返される、
    請求項１乃至４のいずれか一項に記載の成膜方法。
  6. 前記アミノシランガスを吸着させるステップと前記シリコン酸化膜を堆積させるステップとの間、及び前記改質処理を行うステップと前記アミノシランガスを吸着させるステップとの間には、前記基板に第１のパージガス及び第２のパージガスを供給するステップが各々設けられている、
    請求項１乃至５のいずれか一項に記載の成膜方法。
  7. 前記基板は、真空容器内に設けられた回転テーブル上の周方向に沿って配置され、
    前記真空容器内の前記回転テーブルの上方には、前記回転テーブルの回転方向に沿ってアミノシランガス吸着領域と、第１の分離領域と、酸化ガス供給領域と、プラズマ処理領域と、第２の分離領域とが設けられ、前記回転テーブルを回転させることにより前記アミノシランガスを吸着させるステップ、前記第１のパージガスを供給するステップ、前記シリコン酸化膜を堆積させるステップ、前記改質処理を行うステップ及び前記第２のパージガスを供給するステップが繰り返される、
    請求項６に記載の成膜方法。
  8. 前記基板の表面には、シリコン窒化膜からなる下地膜が予め形成されている、
    請求項１乃至７のいずれか一項に記載の成膜方法。
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