JP2021039975A - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】基板の表面に形成された凹部パターンを埋めるようにシリコン窒化膜を成膜するにあたって、凹部パターンを隙間なく埋めること。
【解決手段】
表面に凹部パターンが形成された基板にシリコン窒化膜を成膜する成膜方法において、前記基板を格納する処理容器内にシリコンを含む原料ガスと、前記原料ガスを窒化する窒化ガスとを各々供給して前記基板の表面に沿ってコンフォーマルなシリコン窒化膜を形成する工程と、前記処理容器内へのシリコン原料ガスの供給を停止した状態で、前記基板に前記シリコン窒化膜を整形するためのプラズマ化した整形用ガスを供給し、凹部パターンの底部側から上部側に向かって膜厚が薄くなるように前記シリコン窒化膜を収縮させる工程と、前記シリコン窒化膜を形成する工程と、前記シリコン窒化膜を収縮させる工程とを、交互に繰り返し行い、前記凹部パターンにシリコン窒化膜を埋め込む工程と、を含む。
【選択図】図８

Description

本開示は、成膜装置及び成膜方法に関する。
半導体装置の製造工程においては、例えば基板である半導体ウエハ（以下、ウエハ）に例えばＳｉ３Ｎ４（以下窒化シリコンあるいはＳｉＮと表示する）膜などの各種の膜が成膜される。この成膜処理は例えば原料ガスと反応ガスとを交互に複数回ウエハに供給するＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）などと呼ばれている手法によって行われる。ＡＬＤを行う成膜装置としては、例えば特許文献１に示すように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で構成される処理領域と、反応ガスが供給される雰囲気で構成される処理領域とを繰り返し通過するように構成される装置が知られている。また、これら原料ガスの雰囲気及び反応ガスの雰囲気の他に膜を改質する改質ガスが回転テーブル上に供給され、反応ガス、改質ガスが夫々供給される所定の領域が形成されている。さらにこれらの処理領域を区画するように分離ガスを供給する分離領域が形成されている。
このようなＳｉＮ膜を成膜するにあたっては、例えば特許文献１に示すようにウエハの表面に形成された窪みパターンを埋め込むようにＳｉＮ膜を成膜することがあり、窪みパターン内部にボイドやシームと呼ばれる隙間が発生しないように埋め込むこと求められている。
特開２０１９−３３２２９号公報
本開示は、このような事情に基づいてなされたものであり、基板の表面に形成された凹部パターンを埋めるようにシリコン窒化膜を成膜するにあたって、凹部パターンを隙間なく埋める技術を提供することにある。
本開示の成膜装置は、表面に凹部パターンが形成された基板に前記凹部パターンを埋め込むようにシリコン窒化膜を成膜する成膜方法において、
前記凹部パターンが形成された基板に基板の表面形状に沿ったコンフォーマルなシリコン窒化膜を成膜する工程と、
前記コンフォーマルなシリコン窒化膜が成膜された基板にプラズマを供給し、前記シリコン窒化膜を凹部パターンの底部側から上部側に向かって膜厚が薄くなるように収縮させる工程と、を含む。
基板の表面に形成された凹部パターンを埋めるようにシリコン窒化膜を成膜するにあたって、凹部パターンを隙間なく埋める技術を提供することにある。
本開示によれば、基板の表面に形成された凹部パターンを埋めるように成膜するにあたって、凹部パターンを隙間なく埋めることができる。
本開示の一実施の形態に係る成膜装置の一例を示す縦断側面図である。 前記成膜装置の一例を示す横断平面図である。 前記成膜装置に設けられるガス給排気ユニットの一例を示す縦断側面図である。 前記ガス給排気ユニットの一例を示す下面図である。 各処理領域において供給されるガスを示すタイムチャートである。 成膜処理が行われるウエハの表面部分の一例を示す断面図である。 コンフォーマルなＳｉＮ膜が成膜されたウエハの一例を示す断面図である。 ＳｉＮ膜を収縮させたウエハの一例を示す断面図である。 ２回目のコンフォーマルなＳｉＮ膜が成膜されたウエハの一例を示す断面図である。 ２回目のコンフォーマルなＳｉＮ膜を収縮させたウエハの一例を示す断面図である。 凹部パターンにＳｉＮ膜が埋め込まれたウエハの一例を示す断面図である。 表面が研磨されたウエハの一例を示す断面図である。 ボイドやシームを含むＳｉＮ膜が成膜されたウエハの表面を研磨した例を示す断面図である。 本開示の実施の形態の他の例に係る成膜装置を示す断面図である。
本開示の一実施の形態に係る成膜装置について、図１の縦断側面図、図２の横断平面図を参照しながら説明する。この成膜装置は、基板である半導体ウエハ（以下、ウエハと記載する）Ｗの表面に、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）によってＳｉＮ膜を形成するように構成されている。明細書では、窒化シリコンについて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。
成膜装置は、ウエハＷを格納する処理容器である扁平な概ね円形の真空容器１１を備え、真空容器１１は、側壁及び底部を構成する容器本体１１Ａと、天板１１Ｂとにより構成されている。真空容器１１内には、直径３００ｍｍのウエハＷを水平に載置する円形の回転テーブル１２が設けられている。図中１２Ａは、回転テーブル１２の裏面中央部を支持する支持部である。支持部１２Ａの下方には、回転機構１３が設けられ、回転テーブル１２は、成膜処理中において支持部１２Ａを介して鉛直軸周りに上方から見て時計回り方向に回転する。図中Ｘは、回転テーブル１２の回転軸を示す。
図２に示すように回転テーブル１２の上面には、回転テーブル１２の周方向（回転方向）に沿ってウエハＷの載置部である６つの円形の窪み部１４が設けられており、各窪み部１４にウエハＷが収納される。つまり各ウエハＷは、回転テーブル１２の回転によって公転するように回転テーブル１２に載置される。図１に戻って真空容器１１の底部における回転テーブル１２の下方には同心円状に複数のヒータ１５が設けられ、回転テーブル１２に載置されたウエハＷが加熱されるように構成されている。また図２に示すように真空容器１１の側壁には、ウエハＷの搬送口１６が開口しており、図示しないゲートバルブによって開閉自在に構成されている。真空容器１１内における搬送口１６に臨む位置は、ウエハＷの受け渡し位置となっており、当該受け渡し位置に対応する部位には、回転テーブル１２の下方側に窪み部１４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。そしてウエハＷは搬送口１６を介して、真空容器１１の外部に設けられた図示しない基板搬送機構により、受け渡し位置に搬送され、基板搬送機構と昇降ピンとの協働作用により、窪み部１４に受け渡される。
回転テーブル１２の上方には、図２に示すようにガス給排気ユニット２と、プラズマ形成ユニット３Ａ〜３Ｃとが、時計回り方向に、この順に設けられている。また真空容器１１における回転テーブル１２の外側の下方であって、プラズマ形成ユニット３Ｂの外側には排気口５１が開口しており、この排気口５１は真空排気部５０に接続されている。
ガス給排気ユニット２について、縦断側面図である図３及び下面図である図４も参照しながら説明する。ガス給排気ユニット２は、平面視、回転テーブル１２の中央側から周縁側に向かうにつれて回転テーブル１２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２の下面は、回転テーブル１２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２は例えばアルミニウムにより構成され、その下面には、ガス吐出口２１、排気口２２及びパージガス吐出口２３が開口している。図中での識別を容易にするために、図４では、排気口２２及びパージガス吐出口２３に多数のドットを付して示している。ガス吐出口２１は、ガス給排気ユニット２の下面の周縁部よりも内側の扇状領域２４に多数配列されている。このガス吐出口２１は、成膜処理時における回転テーブル１２の回転中にシリコンを含む原料ガスであるＤＣＳ（ジクロロシラン：ＳｉＨ２Ｃｌ２）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。
この扇状領域２４においては、ガス吐出口２１の夫々にＤＣＳガスを供給できるように、ガス給排気ユニット２にはガス流路２５が設けられている。そして、ガス流路２５の上流側は、配管を介してＤＣＳガスの供給源２６に接続されており、各配管にはマスフローコントローラにより構成される流量調整部２７及びバルブＶ２７が介設されている。
続いて、上記の排気口２２及びパージガス吐出口２３について説明する。排気口２２及びパージガス吐出口２３は、扇状領域２４（図４参照）を囲むと共に回転テーブル１２の上面に対向するように、ガス給排気ユニット２の下面の周縁部に環状に開口しており、パージガス吐出口２３が排気口２２の外側に位置している。回転テーブル１２上における排気口２２の内側の領域は、ウエハＷの表面へのＤＣＳの吸着が行われる原料ガス供給領域である吸着領域Ｒ０を構成する。パージガス吐出口２３は、回転テーブル１２上にパージガスとして例えばＡｒ（アルゴン）ガスを吐出する。
図３中の２３Ａは、各々ガス給排気ユニット２に設けられる互いに区画されたガス流路である。ガス流路２３Ａの上流端は排気口２２、ガス流路２３Ａの下流端は排気装置２８に夫々接続されており、この排気装置２８によって、排気口２２から排気を行うことができる。また、ガス流路２３Ｂの下流端はパージガス吐出口２３、ガス流路２３Ｂの上流端はＡｒガスの供給源２９に夫々接続されている。ガス流路２３ＢとＡｒガス供給源２９とを接続する配管３０には、流量調整部２０及びバルブＶ２０が介設されている。
成膜処理中において、ガス吐出口２１からの原料ガスの吐出、排気口２２からの排気及びパージガス吐出口２３からのパージガスの吐出が共に行われる。それによって、図３中に矢印で示すように回転テーブル１２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１２の上面を排気口２２へと向かい、当該排気口２２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。
続いてプラズマ形成ユニット３Ａ〜３Ｃについて説明する。プラズマ形成ユニット３Ａ、３Ｂにおいては、下面側にプラズマ形成用ガスとしてＨ２ガスが供給される。またプラズマ形成ユニット３Ｃにおいては、下面側にプラズマ形成用ガスとして原料ガスを窒化する窒化ガスであるアンモニア（ＮＨ３）ガス及び水素（Ｈ２）ガスが供給されることを除いてほぼ同様に構成されている。Ｈ２ガスは整形用ガスに相当する。ここではプラズマ形成ユニット３Ｃについて説明する。プラズマ形成ユニット３Ｃは、回転テーブル１２の中心側から外周側に向かうにつれて広がる概ね扇状に形成されている。図１に示すようにプラズマ形成ユニット３Ａは、マイクロ波を供給するためのアンテナ３１を備えており、当該アンテナ３１は、誘電体板３２と金属製の導波管３３とを備えている。
導波管３３は誘電体板３２上に設けられており、回転テーブル１２の径方向に沿って延在する内部空間３５を備える。導波管３３の下部側には、誘電体板３２に接するように複数のスロット孔３６Ａを備えたスロット板が設けられている。導波管３３には、マイクロ波発生器３７が接続されており、例えば、約２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導波管３３に供給する。
また、プラズマ形成ユニット３Ａは、誘電体板３２の下面側にプラズマ形成用ガスを各々供給するガス吐出孔４１と、ガス吐出孔４２と、を備えている。ガス吐出孔４１は、回転テーブル１２の中心部側から外周部側に向かってプラズマ形成用ガスを吐出し、ガス吐出孔４２は、回転テーブル１２の外周部側から中心側に向かって、例えばＨ２ガス及びＮＨ３ガスの混合ガスが吐出される。図中４３はＨ２ガスの供給源であり、図中４４はＮＨ３ガスの供給源である。ガス吐出孔４１及びガス吐出孔４２は、ガス供給機器４５を備えた配管系４０を介してＨ２ガス供給源４３及びＮＨ３ガス供給源４４に各々接続されている。このプラズマ形成ユニット３Ｃは、導波管３３に供給されたマイクロ波がスロット板３６のスロット孔３６Ａを通過し、この誘電体板３２の下方に吐出されたプラズマ形成用ガスであるＮＨ３及びＨ２の混合ガスをプラズマ化する。またプラズマ形成ユニット３ＣはＮＨ３ガスの供給を停止し、Ｈ２ガスのみをプラズマ化できるように構成されている。またプラズマ形成ユニット３Ａ、３Ｂは、誘電体板３２の下方に吐出されたプラズマ形成用ガスがＨ２ガスであることを除いてプラズマ形成ユニット３Ｃと同様に構成されている。プラズマ形成ユニット３Ａ〜３Ｃの下方は、夫々処理領域Ｒ１〜Ｒ３に相当する。
図１に示すように成膜装置には、コンピュータからなる制御部１０が設けられており、制御部１０にはプログラムが格納されている。このプログラムについては、成膜装置の各部に制御信号を送信して各部の動作を制御し、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。具体的には、回転機構１３による回転テーブル１２の回転数、ヒータ１５への給電などが、プログラムによって制御される。このプログラムは、ハードディスク、コンパクトディスク、光磁気ディスク、メモリカードなどの記憶媒体から制御部１０にインストールされる。
続いて本開示に係る成膜装置の作用について説明する。図５は、吸着領域Ｒ０及び各処理領域Ｒ１〜Ｒ３におけるガスの供給のオンオフ、供給されているガスの種類及びプラズマ形成ユニット３Ａ〜３Ｃのオンオフを示すタイムチャートである。
先ず、図示しない外部の基板搬送機構によって６枚のウエハＷが、回転テーブル１２の各窪み部１４に昇降ピンと基板搬送機構との協働作用により受け渡される。図６は、回転テーブル１２に受け渡されるウエハＷの表面部分の構造の一例を示す断面図である。成膜処理が行われるウエハＷには、シリコン基板１００に溝状の凹部パターン１０１が形成されている。この凹部パターン１０１は、線幅１０ｎｍ〜５０ｎｍ、深さ２０ｎｍ〜１０００ｎｍに形成され、凹部パターン１０１の幅は、ウエハＷの表面から凹部パターン１０１の底部まで均一な幅で形成されている。
なお以下明細書中において、ウエハＷの表面とは、凹部パターン１０１の内面を含まないものとする。またシリコン基板１００に形成された溝状の部分を「凹部パターン１０１」と呼び、凹部パターン１０１の内周面にＳｉＮ膜１０２を成膜して残る溝状の隙間部分を「凹部１０３」と呼ぶものとする。さらに本例では、ウエハＷにＳｉＮ膜１０２を複数回に分けて成膜するが、１回目の成膜工程にて成膜されるＳｉＮ膜１０２をＳｉＮ膜１０２Ａとし、２回目の成膜工程にて成膜されるＳｉＮ膜１０２をＳｉＮ膜１０２Ｂとする。
各窪み部１４にウエハＷが受け渡されると、真空容器１の搬送口１６に設けたゲートバルブを閉じて、当該真空容器１内を気密にする。窪み部１４に載置されたウエハＷは、ヒータ７によって例えば２５０℃以上、より具体的には５５０℃に加熱される。そして、排気口５１からの排気によって、真空容器１内が例えば２ｔｏｒｒ（２６６．６Ｐａ）の圧力の真空雰囲気にされると共に、回転テーブル１２が時計回りに例えば１ｒｐｍ〜６０ｒｐｍで回転する。
そして図５に示すようにＨ２ガスが処理領域Ｒ１、Ｒ２に夫々供給され、ＮＨ３ガス及びＨ２ガスが処理領域Ｒ３に供給される。このように各ガスが供給される一方で、各プラズマ形成ユニット３Ａ〜３Ｃによって各処理領域Ｒ１〜Ｒ３に夫々マイクロ波が供給される。このマイクロ波によって処理領域Ｒ１、Ｒ２にＨ２ガスのプラズマが夫々形成され、処理領域Ｒ３にＨ２ガス及びＮＨ３ガスのプラズマが形成される。また、ガス給排気ユニット２においてはガス吐出口２１からＤＣＳガス、パージガス吐出口２３からＡｒガスが夫々吐出されると共に、排気口２２から排気が行われる。
そして回転テーブル１２を回転させて各ウエハＷを公転させることより、ウエハＷが吸着領域Ｒ０に位置するとＤＣＳガスが当該ウエハＷの表面に供給されて吸着される。更に回転テーブル１２が回転して、処理領域Ｒ３に至ると、ウエハＷ上に吸着されているＤＣＳとＮＨ３とが反応して反応生成物であるＳｉＮが生成される。そして本例では、ウエハＷが処理領域Ｒ１〜Ｒ３の下方を通過するときに、ウエハＷにＨ２ガスがプラズマ化して形成された水素の活性種が供給され、ウエハＷ上に残っているＣｌ（塩素）が取り除かれる。このように回転テーブル１２の回転が続けることでウエハＷが吸着領域Ｒ０、及び処理領域Ｒ１〜Ｒ３を順に、繰り返し複数回通過し、ウエハＷの表面にＳｉＮが堆積して当該ＳｉＮ膜１０２の膜厚が増大する。
そして吸着領域Ｒ０、処理領域Ｒ１〜Ｒ３に各ガスの供給が開始されてから回転テーブル１２が例えば１分間回転し、ウエハＷに形成されたＳｉＮ膜が所望の膜厚になると、ガス給排気ユニット２における各ＤＣＳガスの吐出を停止する。このＤＣＳガスが停止した時点において、ウエハＷにおいては、図７に示すように凹部パターン１０１の内面及びウエハＷの表面に、ウエハＷの表面形状に沿った均一な膜厚の１回目のＳｉＮ膜１０２Ａ（コンフォーマルなＳｉＮ膜１０２）が形成されている。なおこの時点では、ウエハＷ表面の凹部パターン１０１の上端は、ウエハＷ表面に成膜されたＳｉＮ膜１０２Ａにより塞がれずに開口している。１回目のＳｉＮ膜１０２Ａの膜厚が均一であることから凹部パターン１０１内にＳｉＮ膜１０２Ａを形成して残る隙間部分である凹部１０３の形状もウエハＷの表面から凹部１０３の底部まで均一な幅である。
ついでＤＣＳガスの供給を停止した状態で、Ｈ２ガスを各処理領域Ｒ１〜Ｒ３に供給する。さらに処理領域Ｒ１〜Ｒ３にマイクロ波を供給し、Ｈ２ガスを活性化してプラズマ化する。この状態で回転テーブル１２を例えば１ｒｐｍ〜１２０ｒｐｍの回転速度で回転させる。
これによりウエハＷに形成されたＳｉＮ膜１０２ＡにＨ２ガスのプラズマが供給される。既述のようにＳｉＮ膜にＨ２ガスのプラズマを供給したときには、ＳｉＮ膜１０２Ａが改質されて、膜中に含まれるＣｌが離脱するが、Ｃｌが十分に離脱した後も、さらにＨ２ガスのプラズマの供給を継続すると、ＳｉＮ膜１０２Ａ中の成分の離脱が進み、膜密度が高まると共に、徐々に膜厚が薄くなる。
ここでＨ２ガスのプラズマは、比較的失活しやすい傾向にある。そのため凹部１０３の残るウエハＷにＨ２ガスのプラズマを供給したときに、凹部１０３におけるウエハＷの表面に近くの浅い位置の部位は、十分に活性化されたＨ２ガスのプラズマが供給されやすくなる。一方、凹部１０３における深い位置の部位においては、Ｈ２ガスのプラズマが深い位置に到達するまでに失活してしまい活性化されたＨ２ガスのプラズマが供給されにくくなる。
従って図８に示すように、凹部パターン１０１内に成膜されたＳｉＮ膜１０２Ａのうち、ウエハＷの表面近くの浅い位置の部位は、凹部パターン１０１における深い位置の部位に比べてＨ２ガスのプラズマによる成分の離脱が進みやすく、膜密度が高まり膜厚が薄くなる傾向にある。そして凹部１０３における底部側から上部側に向かって膜厚が薄くなるようにＳｉＮ膜１０２Ａが収縮（シュリンク）することで、図８に示すようにウエハＷの表面に近い位置ほど隙間の幅が広く、深くなるに従い隙間の幅が狭い凹部１０３になる。
このように凹部１０３のウエハＷの表面側の膜厚を薄くし、隙間の幅を広くした後、図５のタイムチャートに示すようにガス給排気ユニット２から吸着領域Ｒ０にＤＣＳガスを供給する。さらに各処理領域Ｒ２、Ｒ３にＨ２ガス、処理領域Ｒ１にＮＨ３ガス及びＨ２ガスを供給し、処理領域Ｒ１〜Ｒ３にプラズマを発生させる。この状態にて回転テーブル１２を、上記のＳｉＮ膜１０２Ａの成膜処理を行ったときと同様の回転速度で、同様の時間、回転させる。つまり、１回目の成膜処理（ＳｉＮ膜１０２Ａの成膜処理）と同様の成膜処理を再度行う。これにより凹部１０３が形成されたウエハＷの表面形状に沿って２回目の成膜処理によるＳｉＮ膜１０２Ｂがコンフォーマルに成膜される（図９）。
そしてＳｉＮ膜１０２Ｂを成膜した後、ガス給排気ユニット２におけるＤＣＳガスの供給を停止し、Ｈ２ガスを処理領域Ｒ１〜Ｒ３に供給すると共に処理領域Ｒ１〜Ｒ３にマイクロ波を供給して、Ｈ２ガスを活性化してプラズマ化する。この状態で回転テーブル１２を上記のＳｉＮ膜１０２Ａの収縮処理を行ったときと同様の回転速度で、同様の時間、回転させる。つまり、１回目の収縮処理（ＳｉＮ膜１０２Ａの収縮処理）と同様の収縮処理を再度行う。これによりウエハＷに再度Ｈ２ガスのプラズマが供給され、ＳｉＮ膜１０２Ｂについても凹部１０３の底部側よりもウエハＷの表面側ほど膜厚が薄くなるように収縮される（図１０）。このようにコンフォーマルなＳｉＮ膜１０２の成膜する工程と、ウエハＷにＨ２ガスのプラズマを供給して、ＳｉＮ膜１０２を収縮させる工程と、を以降も繰り返し行う。それにより、凹部パターン１０１におけるＳｉＮ膜１０２を埋め込みが進行する。
ここで上記のように成膜処理の間に収縮処理を挟んで行う理由について説明する。例えばこの収縮処理が行われず、成膜処理が比較的長い時間行われて凹部パターン１０１を埋め込むとする。その場合は、ＳｉＮ膜１０２を成膜が進行すると凹部パターン１０１内に残る凹部１０３は徐々に細くなる。この時凹部１０３の幅が狭くなるに従い、ガスが凹部１０３内に進入しにくくなる。これによりウエハＷの表面や、凹部パターン１０１の上端側においてはＳｉＮ膜１０２が成長するが、凹部パターン１０１の底部側においてはＳｉＮ膜１０２が成膜されにくくなることがある。この結果凹部パターン１０１の底部側を埋め切る前に、凹部パターン１０１の上端がＳｉＮ膜１０２により閉じてしまうことある。この場合には凹部パターン１０１に埋め込むＳｉＮ膜１０２内にボイドやシームと呼ばれる隙間が形成されてしまう。
しかし本実施の形態では、ＳｉＮ膜１０２の成膜処理を行った後、次にＳｉＮ膜１０２の成膜処理を行う前に、先に形成したＳｉＮ膜１０２について上部側の方が下部側よりも収縮率が大きくなるように整形している。従って次のＳｉＮ膜１０２の成膜処理において、凹部１０３の上端側が広くなるため成膜ガスであるＤＣＳガスや、窒化ガスであるＮＨ３ガスのプラズマが凹部１０３内に進入しやすくなる。そのため凹部パターン１０１の上端側の幅は、凹部パターン１０１の底部側の幅よりも狭くなり難い。そのため、先の成膜処理と同じく次の成膜処理でもコンフォーマルなＳｉＮ膜１０２を成膜することができ、凹部１０３の上端側が底部側に先行して塞がれてしまうことを抑制しながら、凹部パターン１０１にＳｉＮ膜１０２成膜することができる。従って、凹部パターン１０１内におけるＳｉＮ膜１０２の埋め込みを進行させるにあたり、上記のＳｉＮ膜１０２内のボイドやシームの形成を防ぐことができる。
上記の成膜処理と収縮処理との繰り返しが予め決められた回数行われ、凹部パターン１０１にＳｉＮ膜１０２の埋め込みが完了すると（図１１）、成膜装置を停止し、外部の基板搬送装置によりウエハＷを搬出する。そして成膜装置から搬出されたウエハＷは、例えば研磨装置に搬送されて、図１２に示すようにウエハＷの表面が研磨される。凹部パターン１０１に埋め込んだＳｉＮ膜１０２中にボイドやシームなどの隙間がある場合には、研磨を行いウエハＷの上面のＳｉＮ膜１０２を除去したときに、図１３に示すように当該隙間がウエハＷの表面に凹部１０４として露出してしまうことがある。
更にその後ウエハＷは、例えばウェットエッチング装置に搬送されて、ウェットエッチング処理が行われるが、凹部１０４が露出している場合には、エッチング液が凹部１０４内に進入してしまい、当該凹部１０４を形成するＳｉＮ膜１０２の壁部が浸食されてしまうことがある。本実施の形態に係る成膜方法においては、ＳｉＮ膜１０２中のボイドやシームの発生を抑制できることから、成膜処理後に研磨工程及びウェットエッチング工程を行った場合に、このようなＳｉＮ膜１０２のエッチングを抑制することができる。
上述の実施の形態は、凹部パターン１０１が形成されたウエハＷにコンフォーマルなＳｉＮ膜１０２を成膜する工程と、ウエハＷにプラズマを供給して凹部１０３の断面形状がＶ字型になるようにＳｉＮ膜１０２を収縮させる工程と、を繰り返している。そのため凹部パターン１０１に埋め込まれるＳｉＮ膜１０２中の隙間の発生を抑制することができ、埋め込み性を良好にすることができる。
本実施の形態では、ウエハＷにＳｉＮ膜１０２を成膜工程において、ウエハＷをＤＣＳガス、ＮＨ３ガスのプラズマを順に供給してＳｉＮ膜１０２を成膜し、さらにＨ２ガスのプラズマを供給してＳｉＮ膜１０２の改質を行っている。つまり、成膜処理時においても収縮処理時と同じくＨ２プラズマがウエハＷに供給されている。ただし、この成膜処理時にはＳｉＮ膜が成膜しつつ供給されているため、Ｈ２プラズマについてのＳｉＮ膜１０２に対して既述の収縮処理時で説明した形状に収縮させる作用は抑えられ、既述のように成膜処理時にはコンフォーマルなＳｉＮ膜１０２として成膜される。
上記のように成膜処理と収縮処理とを繰り返し行うが、この繰り返しのうちの１回の収縮処理においては、既述のように膜が整形されるように例えばウエハＷにＨ２ガスのプラズマを１分以上供給することが好ましい。なお後続の成膜処理において、ガスを凹部１０３に進入させやすくする観点から凹部パターン１０１の底部側のＳｉＮ膜１０２の膜厚に比べて、ウエハＷの表面近くのＳｉＮ膜１０２の膜厚が０．２ｎｍ以上薄くなるように収縮させることが好ましい。つまり凹部１０３内において最も収縮率が高い位置の膜厚と最も収縮率が低い位置との膜厚差が、そのように０．２ｎｍ以上となるように１回の収縮処理を行うことが好ましい。また成膜処理と収縮処理との繰り返しのうちの１回の成膜処理において、コンフォーマルなＳｉＮ膜１０２は、２ｎｍ以上の膜厚で成膜することが好ましい。
なおコンフォーマルなＳｉＮ膜１０２とは、凹部パターン１０１内の深さ位置に関わらず膜厚が凡そ均一な膜であればよく、凹部パターン１０１内の深さ位置ごとのＳｉＮ膜１０２の膜厚が、最も膜厚が厚い部位の膜厚をｔｍａｘ、最も膜厚が薄い部位の膜厚をｔｍｉｎとしたときに、膜厚の比（ｔｍｉｎ／ｔｍａｘ）が０．９以上であれば、コンフォーマルなＳｉＮ膜１０２と見做すことができる。
ところで上記の収縮処理は、プラズマについて凹部パターン１０１の下部側に比べて上部側への作用が大きくなる処理条件にすればよい。そのためには、成膜処理に用いているＮＨ３ガスのプラズマに比べて失活するまでの時間が短いガスのプラズマを用いることが好ましい。
そして、上記の凹部パターン１０１の下部側に比べて上部側への作用が大きくなるようにする収縮処理の処理条件としては、既述のように収縮処理においてプラズマ化するガスを成膜処理で用いるプラズマ化するガスとは異なる種類のものとすることに限られない。例えば収縮処理時において処理領域Ｒ１〜Ｒ３に、成膜処理時にて処理領域Ｒ１〜Ｒ３に供給したガスと同じガスを供給してプラズマ化する。ただし、成膜処理時と収縮処理時とで、マイクロ波発生器３７から導波管３３に供給する電力を異なる値にすることで、上記の収縮作用が得られるようにしてもよい。そのように電力を変更する場合は、例えば成膜処理時よりも収縮処理時における上記の電力を大きくする。
また、このように成膜処理時と収縮処理時とで供給電力を変更する代わりに真空容器１内の圧力を変更してもよい。具体的に、成膜処理時よりも収縮処理時の圧力を高くする。ただし、圧力を変更する場合にはその変更に時間を要することになるなどの問題がある。従って、上記のように成膜処理時と収縮処理時とで異なるガス種を用いることが装置構成を簡素にすると共にスループットを高くする上で好ましい。なお、このように供給電力や圧力を変更する場合も収縮処理時には、吸着領域Ｒ０へのＤＣＳガスの供給は停止するものとする。
また本開示に係る成膜方法を、処理容器内に１枚のみ格納されたウエハＷに処理を行う装置、つまり枚葉装置によって行ってもよい。この枚葉装置である成膜装置は、例えば図１４に示すように処理容器２００を備え、処理容器２００内にはウエハＷを略水平に保持するための載置台２０３が支持柱２０４を介して設けられている。処理容器２００の側面に設けられた２０１は、ウエハＷの搬入出口であり、２０２は、ゲートバルブである。処理容器２００には、排気管２０５を介して真空排気部２０６が接続されている。
また処理容器２００の天井面には、ウエハＷに向けてガスを供給するための金属製のシャワーヘッド２０７が絶縁部材２０８を介して設けられている。シャワーヘッド２０７にはＤＣＳガス供給部２１１、ＮＨ３ガス供給部２１２、Ｈ２ガス供給部２１３が接続され載置台２０３に載置されたウエハＷに向けて各ガスを供給できるように構成されている。またシャワーヘッド２０７には、整合器２１０を介して高周波供給源２０９が接続され。処理容器２００内に高周波電界を形成できるように構成されている。このような成膜装置においてもウエハＷにＳｉＮ膜１０２を成膜した後、Ｈ２ガスのプラズマを供給することができるため同様の効果を得ることができる。なお上記のコンフォーマルなＳｉＮ膜１０２を形成することができれば、ＤＣＳガス、ＮＨ３ガスを同時に処理容器２００内に供給して、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）による成膜処理を行ってもよい。また、理容器２００内に供給したＮＨ３ガスをプラズマ化せずに成膜処理を行ってもよい。
以上に検討したように、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。
１０１ 凹部パターン
１０２ ＳｉＮ膜
１０３ 凹部
Ｗ ウエハ

Claims (9)

  1. 表面に凹部パターンが形成された基板にシリコン窒化膜を成膜する成膜方法において、
    前記基板を格納する処理容器内にシリコンを含む原料ガスと、前記原料ガスを窒化する窒化ガスとを各々供給して前記基板の表面に沿ってコンフォーマルなシリコン窒化膜を形成する工程と、
    前記処理容器内へのシリコン原料ガスの供給を停止した状態で、前記基板に前記シリコン窒化膜を整形するためのプラズマ化した整形用ガスを供給し、凹部パターンの底部側から上部側に向かって膜厚が薄くなるように前記シリコン窒化膜を収縮させる工程と、
    前記シリコン窒化膜を形成する工程と、前記シリコン窒化膜を収縮させる工程とを、交互に繰り返し行い、前記凹部パターンにシリコン窒化膜を埋め込む工程と、
    を含む成膜方法。
  2. 前記窒化ガスは、プラズマ化した窒化ガスであり、前記プラズマ化した整形用ガスとガスの種類が異なる請求項１記載の成膜方法。
  3. 前記整形用ガスは水素ガスを含む請求項２記載の成膜方法。
  4. 窒化ガスはプラズマ化したアンモニアガスであり、
    プラズマ化した整形用ガスは、プラズマ化したアンモニアガスよりも失活するまでの時間が短いガスを含む請求項２または３記載の成膜方法。
  5. 前記シリコン窒化膜を成膜する工程は、シリコン窒化膜を２ｎｍ以上の膜厚で成膜し、
    前記シリコン窒化膜を収縮させる工程は、前記凹部パターンの上部側においてシリコン窒化膜が収縮する膜厚が、前記凹部パターンの底部側においてシリコン窒化膜が収縮する膜厚よりも０．２ｎｍ以上大きい請求項１ないし４のいずれか一項に記載の成膜方法。
  6. 表面に凹部パターンが形成された基板にシリコン窒化膜を成膜する成膜装置において、
    前記基板が載置される載置部が内部に設けられた処理容器と、
    前記載置部に載置された基板にシリコンを含む原料ガスを供給する原料ガス供給部と、
    前記載置部に載置された基板に前記原料ガスを窒化する窒化ガスを供給する窒化ガス供給部と、
    前記基板に前記シリコン窒化膜を整形するための整形用ガスを供給する整形用ガス供給部と、
    前記処理容器内に供給されたガスをプラズマ化するプラズマ形成機構と、
    前記処理容器内に前記原料ガスと、前記窒化ガスとを各々供給して前記基板の表面に沿ってコンフォーマルな前記シリコン窒化膜を形成するステップと、前記処理容器内へのシリコン原料ガスの供給を停止した状態で前記処理容器内に前記整形用ガスを供給すると共に当該整形用ガスをプラズマ化して前記凹部パターンの底部側から上部側に向かって膜厚が薄くなるように前記シリコン窒化膜を収縮させるステップと、前記シリコン窒化膜を形成するステップと前記シリコン窒化膜を収縮させるステップとを交互に繰り返し行い、前記凹部パターンに前記シリコン窒化膜を埋め込むステップと、を実行するための制御信号を出力する制御部と、を含む成膜装置。
  7. 前記載置部は、載置された基板を公転させる回転テーブルであり、
    前記回転テーブル上に回転テーブルの回転方向に沿って、原料ガスが供給される第１の処理領域と、当該第１の処理領域とは雰囲気が分離され、前記窒化ガス及び前記整形用ガスが供給される第２の処理領域と、が互いに離間して配置され、
    前記プラズマ形成機構は前記第２の処理領域における前記窒化ガス及び前記整形用ガスをプラズマ化し、
    前記シリコン窒化膜を形成するステップは、前記原料ガスと、プラズマ化した窒化ガスとを前記第１の処理領域、前記第２の処理領域に夫々供給しながら前記基板を公転させるステップであり、
    前記シリコン窒化膜を収縮させるステップは、プラズマ化した整形用ガスを前記第２の処理領域に供給するステップである請求項６に記載の成膜装置
  8. 前記プラズマ化した窒化ガスは、前記プラズマ化した整形用ガスとはガスの種類が異なる請求項７記載の成膜方法。
  9. 前記整形用ガスは、水素ガスを含む請求項８記載の成膜方法。
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