JP2021125610A - 成膜方法及び成膜装置 - Google Patents

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    • H01L21/31—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to form insulating layers thereon, e.g. for masking or by using photolithographic techniques; After treatment of these layers; Selection of materials for these layers
    • H01L21/3105—After-treatment
    • H01L21/311—Etching the insulating layers by chemical or physical means
    • H01L21/31105—Etching inorganic layers
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Abstract

【課題】良好な膜質のシリコン膜を高い生産性で形成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、Ｓｉ−Ｈ結合を切断することが可能な第１の温度に設定された真空容器内に、互いに離間した第１の処理領域と第２の処理領域とが周方向に沿って配置され、前記第１の処理領域と前記第２の処理領域を回転通過可能な回転テーブルの上に載置された基板の上にシリコン膜を成膜する成膜方法であって、前記基板が前記第１の処理領域を通過する際に、前記第１の温度よりも低い第２の温度に設定されたＳｉ２Ｈ６ガスを供給し、前記基板の表面上にＳｉＨ３の分子層を形成するステップと、前記基板が前記第２の処理領域を通過する際に、珪素及び塩素を含むガスを供給し、前記ＳｉＨ３の分子層のＳｉ−Ｈ結合を切断すると共に表面上にＳｉＣｌ３の分子層を形成するステップと、を含む成膜工程を有する。
【選択図】図８

Description

本開示は、成膜方法及び成膜装置に関する。
略円筒形の真空容器内で、基板の表面上にＳｉＨ３の分子層を形成するステップと、該分子層のＳｉ−Ｈ結合を切断して表面上にシリコン原子層のみを残すステップとを繰り返し、基板の上にシリコン膜を形成する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１４−８２４１９号公報
本開示は、良好な膜質のシリコン膜を高い生産性で形成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、Ｓｉ−Ｈ結合を切断することが可能な第１の温度に設定された真空容器内に、互いに離間した第１の処理領域と第２の処理領域とが周方向に沿って配置され、前記第１の処理領域と前記第２の処理領域を回転通過可能な回転テーブルの上に載置された基板の上にシリコン膜を成膜する成膜方法であって、前記基板が前記第１の処理領域を通過する際に、前記第１の温度よりも低い第２の温度に設定されたＳｉ２Ｈ６ガスを供給し、前記基板の表面上にＳｉＨ３の分子層を形成するステップと、前記基板が前記第２の処理領域を通過する際に、珪素及び塩素を含むガスを供給し、前記ＳｉＨ３の分子層のＳｉ−Ｈ結合を切断すると共に表面上にＳｉＣｌ３の分子層を形成するステップと、を含む成膜工程を有する。
本開示によれば、良好な膜質のシリコン膜を高い生産性で形成できる。
実施形態の成膜装置の一例を示す断面図 図１の成膜装置の内部構成の一例を示す斜視図 図１の成膜装置の内部構成の一例を示す上面図 回転テーブルの周方向に沿った真空容器の断面図 回転テーブルの半径方向に沿った真空容器の断面図 図１の成膜装置の第３の処理領域を説明するための図 実施形態の成膜方法の一例を示すフローチャート 実施形態の成膜方法の一例を示す工程断面図 コンフォーマル成膜工程の反応メカニズムを説明するための図（１） コンフォーマル成膜工程の反応メカニズムを説明するための図（２）
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〕
図１は、実施形態の成膜装置の一例を示す断面図である。図２は、実施形態の成膜装置の内部構成の一例を示す斜視図である。図３は、実施形態の成膜装置の内部構成の一例を示す上面図である。
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。図１に示されるように、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。
また、図１に示されるように、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、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、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の内部の雰囲気と外部の雰囲気との気密状態が維持されている。
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、ヒータユニット７が設けられている。ヒータユニット７は、環状の形状を有し、回転テーブル２の下方から、真空容器１内を一定の温度に保つ。本実施形態においては、真空容器１内が、Ｓｉ−Ｈ結合を切断できる所定の温度に保たれる。具体的には、Ｓｉ−Ｈ結合は５５０℃前後で切断されるので、ヒータユニット７は、真空容器１内が５５０℃前後、例えば５４０〜５８０℃、好ましくは５５０〜５７０℃の範囲内にあるように真空容器１内を加熱する。
図２及び図３に示されるように、回転テーブル２の表面には、回転方向（周方向）に沿って複数（図示の例では５枚）の基板を載置するための円形状の凹部２４が設けられている。本実施形態においては、基板として、半導体ウエハ（以下「ウエハＷ」という）が用いられた例を挙げて説明する。なお、図３には便宜上１個の凹部２４のみにウエハＷを示す。凹部２４は、ウエハＷの直径よりも僅かに例えば２ｍｍ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。なお、回転テーブル２の表面には、ウエハＷを載置するための凹部２４に代えて、回転テーブル２の周方向に沿って複数のウエハＷを載置するための載置台が設けられ、各載置台が回転テーブル２に対して回転可能に構成されていてもよい。
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、各々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、４３が真空容器１の周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から時計回りに、分離ガスノズル４３、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がこの順番で配列されている。反応ガスノズル３１、３２、３３は、基端部である導入ポート３１ａ、３２ａ、３３ａ（図３）を容器本体１２の外周壁に固定することで真空容器１の外周壁から真空容器１内に導入される。また、反応ガスノズル３１、３２、３３は、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て取り付けられている。分離ガスノズル４１、４２、４３は、基端部である導入ポート４１ａ、４２ａ、４３ａ（図３）を容器本体１２の外周壁に固定することで真空容器１の外周壁から真空容器１内に導入される。また、分離ガスノズル４１、４２、４３は、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て取り付けられている。
本実施形態においては、反応ガスノズル３１は、不図示の配管及び流量制御器等を介して、反応ガスとしてのジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）ガスの供給源（図示せず）に接続されている。また、反応ガスノズル３１は、不図示の配管及び流量制御器等を介して、アミノシラン系ガスとしてのジイソプロピルアミノシラン（ＤＩＰＡＳ）ガスの供給源（図示せず）に接続されている。反応ガスノズル３２は、不図示の配管及び流量制御器等を介して、反応ガスとしてのヘキサクロロジシラン（ＨＣＤ；Ｓｉ２Ｃｌ６）ガスの供給源（図示せず）に接続されている。反応ガスノズル３３は、不図示の配管及び流量制御器等を介して、エッチングガスとしての塩素（Ｃｌ２）ガスの供給源（図示せず）に接続されている。塩素ガスの供給源は、例えばプラズマにより塩素ガスの活性種（以下「塩素（Ｃｌ）ラジカル」という。）を生成し、生成した塩素ラジカルを反応ガスノズル３３に供給する。分離ガスノズル４１、４２、４３は、いずれも不図示の配管及び流量制御バルブ等を介して、分離ガスとしてのアルゴン（Ａｒ）ガスの供給源（図示せず）に接続されている。
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、Ｓｉ２Ｈ６ガスが分解したＳｉＨ３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に吸着されたＳｉＨ３からＨを脱離させると共にＨＣＤガスが分解したＳｉＣｌ３をウエハＷに吸着させるための第２の処理領域Ｐ２となる。また、回転テーブル２の周方向に沿って第２の処理領域Ｐ２から離間した領域であり、反応ガスノズル３３が設けられている領域は、異方性エッチングを行う第３の処理領域Ｐ３となる。
反応ガスノズル３３の上方には、該反応ガスノズル３３を上方から覆うと共に、回転テーブル２の回転方向（図３の矢印Ａ）における上流側及び下流側に拡がる扇形の整流板３５が設けられている。第３の処理領域Ｐ３の詳細については後述する。
第１の処理領域Ｐ１と第２の処理領域Ｐ２との間には、第１の分離領域Ｄ１が設けられる。第２の処理領域Ｐ２と第３の処理領域Ｐ３との間には、第２の分離領域Ｄ２が設けられる。第３の処理領域Ｐ３と第１の処理領域Ｐ１との間には、第３の分離領域Ｄ３が設けられる。
回転テーブル２が時計回りに回転することにより、凹部２４に載置されたウエハＷは、第１の処理領域Ｐ１、第１の分離領域Ｄ１、第２の処理領域Ｐ２、第２の分離領域Ｄ２、第３の処理領域Ｐ３及び第３の分離領域Ｄ３を連続的に順次通過することになる。このとき、真空容器１内がＳｉ−Ｈ結合を切断できる温度（５５０℃前後）に保たれた状態でウエハＷが第１の処理領域Ｐ１を通過した際、反応ガスノズル３１からＳｉ２Ｈ６ガスが供給され、熱分解したＳｉＨ３が分子層としてウエハＷの表面に吸着する。なお、ジシランガスは、４５０℃程度でＳｉＨ３に分解するので、本実施形態のような５５０℃前後の温度設定では、容易に分解する。ウエハＷの表面は、珪素（Ｓｉ）で形成されており、ウエハ表面のＳｉと、ジシランガスが分解したＳｉＨ３のＳｉ同士が吸着する。その後、回転テーブル２の回転により、ウエハＷは第１の分離領域Ｄ１に入り、表面がＡｒガスでパージされる。これにより、ＳｉＨ３分子層には余分な分子が付着せず、分子層の状態が保たれる。つまり、余分なＣＶＤ反応等も発生しない。次いで、更なる回転テーブル２の回転により、ウエハＷは第２の処理領域Ｐ２に入る。ウエハＷが第２の処理領域Ｐ２を通過した際、反応ガスノズル３２からＨＣＤガスが供給され、Ｓｉ−Ｈが切断されると共に熱分解したＳｉＣｌ３が分子層としてウエハＷの表面に吸着する。そして、回転テーブル２の更なる回転によりウエハＷは第２の分離領域Ｄ２に入り、パージガスが供給されて表面の塵等が除去される。更に回転テーブル２が回転し、第１の処理領域Ｐ１にウエハＷが入る際には、表面にはＳｉＣｌ３の分子層が形成され、塵等が表面から除去された状態であるので、再び同様のプロセスを繰返すことにより、シリコン膜をウエハＷの表面上に形成できる。
このような一連のプロセスを、回転テーブル２の回転により連続的に行うことにより、ウエハＷの表面上には、所望の厚さのシリコン膜を形成することが可能となる。このような成膜プロセスを行うべく本実施形態の成膜装置は構成されているが、以下、個々の構成要素についてより詳細に説明する。
図４は、第１の処理領域Ｐ１から第２の処理領域Ｐ２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。そのため、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（以下「第１の天井面４４」という。）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（以下「第２の天井面４５」という。）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４９が形成され、分離ガスノズル４２が溝部４９内に収容されている。別の二つの凸状部４にも同様に溝部４９が形成され、該溝部４９に分離ガスノズル４１、４３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４９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ガス吐出孔４２ｈが、分離ガスノズル４２の長さ方向に沿って、例えば２ｍｍの間隔で配列されている。また、図示は省略するが、分離ガスノズル４１、４３にも、分離ガスノズル４２と同様に、回転テーブル２に向かって開口する複数のガス吐出孔が、夫々分離ガスノズル４１、４３の長さ方向に沿って、例えば２ｍｍの間隔で配列されている。
第１の天井面４４は、狭隘な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のガス吐出孔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、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と空間４８２と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、第１の処理領域Ｐ１からのＳｉ２Ｈ６ガスと、第２の処理領域Ｐ２からのＨＣＤ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の処理領域Ｐ１からのＳｉ２Ｈ６ガスと、第２の処理領域Ｐ２からのＨＣＤ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Ｓｉ２Ｈ６ガスとＨＣＤガスとが混合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、供給する分離ガスの流量等を考慮し、分離空間Ｈの圧力を空間４８１、４８２の圧力よりも高くするのに適した高さに設定される。
一方、図２及び図３に示されるように、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が設けられている。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の外縁部には、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、第１の処理領域Ｐ１から第１の分離領域Ｄ１に反応ガスが侵入することを抑制して、ＣＶＤ反応の発生を抑制する。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の外周壁と容器本体１２との間には僅かに隙間がある。屈曲部４６の内周壁と回転テーブル２の外端面との隙間、及び屈曲部４６の外周壁と容器本体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、第１の分離領域Ｄ１、第２の分離領域Ｄ２及び第３の分離領域Ｄ３においては図５に示されるように屈曲部４６の外周壁と接近して垂直面に形成されている。一方、第１の分離領域Ｄ１、第２の分離領域Ｄ２及び第３の分離領域Ｄ３以外の部位においては、図１に示される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Ｅと表記する。具体的には、図３に示されるように、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と表記し、第２の処理領域Ｐ２及び第３の処理領域Ｐ３に連通する領域を第２の排気領域Ｅ２と表記する。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を介して真空ポンプ６４等の排気装置に接続されている。なお、排気管６３には、圧力制御器６５が介設されている。
図６は、図１の成膜装置の第３の処理領域Ｐ３を説明するための図である。図６に示されるように、反応ガスノズル３３には、該反応ガスノズル３３の下流側に向かって開口する複数のガス吐出孔３３ｈが、反応ガスノズル３３の長さ方向に沿って、例えば１０ｍｍの間隔で配列されている。これにより、反応ガスノズル３３のガス吐出孔３３ｈから吐出される塩素ラジカルは、図６の矢印Ｂで示されるように、回転テーブル２の回転方向に沿って流れる。
反応ガスノズル３３の下流側、より詳細には整流板３５の下流側に排気ダクト３４が設けられている。排気ダクト３４は、回転テーブル２の半径方向に沿って回転テーブル２よりも外側の位置から中心に向かって延びるように設けられている。排気ダクト３４には、該排気ダクト３４の上流側、すなわち、反応ガスノズル３３が設けられている側に向かって開口する複数の排気孔３４ｈが、排気ダクト３４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、排気ダクト３４の半径方向における外側には開口３４ａが形成されている。これにより、反応ガスノズル３３から供給された塩素ラジカルが回転テーブル２の回転方向に沿って流れてくるのを直接的に排気でき、横向きの平行流を維持できる。言い換えると、塩素ラジカルは、ウエハＷの表面に略平行に流れる。そのため、表面に凹部を有するウエハＷにおいては、凹部の内壁上部には塩素ラジカルが到達しやすいため塩素ラジカルによるエッチング作用が生じやすい。一方、凹部の内壁下部や底面には塩素ラジカルがほとんど到達しないため塩素ラジカルによるエッチング作用がほとんど生じない。その結果、凹部の内壁上部のＳｉＣｌ３の分子層が選択的に除去される。
再び図５を参照すると、図１でも説明したように、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、ヒータユニット７が設けられる。本実施形態に係る成膜装置においては、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、ウエハＷの表面上に形成されたＳｉＨ３の分子層のＳｉ−Ｈ結合を切断することが可能な温度（例えば５５０℃）に加熱される。回転テーブル２の周縁付近の下方には、カバー部材７１が設けられている。カバー部材７１は、リング形状を有し、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える。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の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の内周壁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、第１の分離領域Ｄ１及び第２の分離領域Ｄ２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ている。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に近い部位における底部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の貫通孔の内周壁と回転軸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。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、例えば石英で作製できる。
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。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との狭い空間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。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Ｓｉ２Ｈ６ガス及び第２の処理領域Ｐ２に供給されるＨＣＤガスが、中心領域Ｃを通って混ざり合うことが抑制される。すなわち、空間５０（又は中心領域Ｃ）は、分離空間Ｈ（又は第１の分離領域Ｄ１、第２の分離領域Ｄ２、第３の分離領域Ｄ３）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、ゲートバルブ（図示せず）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には、搬送口１５に対向する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。よって、回転テーブル２の下方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。
また、本実施形態の成膜装置には、図１に示されるように、制御部１００が設けられる。制御部１００は、成膜装置の各部を制御する。制御部１００は、例えばコンピュータ等であってよい。また、成膜装置の各部の動作を行うコンピュータのプログラムは、記憶媒体に記憶されている。記憶媒体は、例えばフレキシブルディスク、コンパクトディスク、ハードディスク、フラッシュメモリ、ＤＶＤ等であってよい。
〔成膜方法〕
実施形態の成膜方法について、前述の成膜装置を用いて行う場合を例に挙げて説明する。図７は、実施形態の成膜方法の一例を示すフローチャートである。実施形態の成膜方法は、シード層形成工程Ｓ１０、コンフォーマル成膜工程Ｓ２０及びボトムアップ成膜工程Ｓ３０を有する。
図８は、実施形態の成膜方法の一例を示す工程断面図である。実施形態では、ウエハＷとしてシリコンウエハを使用し、該シリコンウエハの表面にはトレンチ、ビアホール等の凹部が形成されている。また、凹部にはコンフォーマルにシリコン酸化膜が形成されているものとする。また、反応ガスノズル３１からＤＩＰＡＳガス又はＳｉ２Ｈ６ガスが供給され、反応ガスノズル３２からＨＣＤガスが供給され、反応ガスノズル３３からＣｌ２ガスが供給される例を挙げて説明する。また、Ｃｌ２ガスは、リモートプラズマによりラジカル化され、塩素ラジカルとして供給されるものとする。
まず、制御部１００は、ゲートバルブ（図示せず）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の底部側から昇降ピン（図示せず）が昇降することにより行われる。制御部１００は、このような受け渡しを、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、制御部１００は、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、制御部１００は、分離ガスノズル４１、４２、４３から分離ガスであるＡｒガスを所定の流量で吐出し、分離ガス供給管５１及びパージガス供給管７２からもＡｒガスを所定の流量で吐出する。これに伴い、制御部１００は、圧力制御器６５（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、制御部１００は、回転テーブル２を時計回りに例えば５〜２０ｒｐｍ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５５０℃に加熱する。
続いて、制御部１００は、シード層形成工程Ｓ１０を実行する。シード層形成工程Ｓ１０では、制御部１００は、第１の処理領域Ｐ１の反応ガスノズル３１からＤＩＰＡＳガスを供給する。シード層形成工程Ｓ１０では、回転テーブル２の回転によりウエハＷが第１の処理領域Ｐ１を通過する際にＤＩＰＡＳガスがウエハＷに供給される。これにより、図８（ａ）に示されるように、凹部８０１に形成されたシリコン酸化膜８０２の表面にＤＩＰＡＳガスが吸着してシード層８０３が形成される。シード層８０３を形成することで、インキュベーション時間を短くして成膜時間を短縮できる。なお、シード層形成工程Ｓ１０では、シリコン酸化膜８０２の表面にシード層８０３が形成されるまで回転テーブル２を所定の回数だけ回転させ、シード層８０３が形成された段階で終了し、ＤＩＰＡＳガスの供給を停止する。回転テーブル２は、ウエハＷを載置した状態で回転を継続する。なお、シード層形成工程Ｓ１０は必須ではなく、必要に応じて行うようにしてよい。
続いて、制御部１００は、コンフォーマル成膜工程Ｓ２０を実行する。コンフォーマル成膜工程Ｓ２０では、制御部１００は、第１の処理領域Ｐ１の反応ガスノズル３１からＳｉ２Ｈ６ガスを供給し、第２の処理領域Ｐ２の反応ガスノズル３２からＨＣＤガスを供給する。コンフォーマル成膜工程Ｓ２０では、回転テーブル２の回転によりウエハＷが第１の処理領域Ｐ１を通過する際に、第１の温度よりも低い第２の温度に設定されたＳｉ２Ｈ６ガスがウエハＷに供給され、シード層８０３の表面上にＳｉＨ３の分子層が形成される。また、ウエハＷが第２の処理領域Ｐ２を通過する際に、ＨＣＤガスがウエハＷに供給され、ＳｉＨ３の分子層のＳｉ−Ｈ結合が切断され、表面上にＳｉＣｌ３の分子層が形成される。このように、回転テーブル２の回転によりウエハＷが第１の処理領域Ｐ１及び第２の処理領域Ｐ２を繰り返し通過することにより、図８（ｂ）に示されるように、シリコン酸化膜８０２の上にシリコン膜８０４がコンフォーマルに成膜される。
図９及び図１０を参照し、コンフォーマル成膜工程Ｓ２０の反応メカニズムについて説明する。
図９は、コンフォーマル成膜工程Ｓ２０の反応メカニズムを説明するための図であり、第１の処理領域Ｐ１で行われるＳｉＨ３分子層堆積ステップの一例を示した図である。図９（ａ）に示されるＳｉＣｌ３分子層が形成されたウエハＷにＳｉ２Ｈ６ガスが供給されると、図９（ｂ）に示されるように、ウエハＷの表面においてＳｉ−Ｃｌ結合が切断され、Ｓｉ２Ｈ６が熱分解したＳｉＨ３分子層のＳｉ原子が吸着して結合し始める。そして、図９（ｃ）に示されるように、ウエハＷの表面にＳｉＨ３分子層が形成される。つまり、いわゆるＡＬＤ法又はＭＬＤ法によりＳｉＨ３分子層がウエハＷの表面上に形成される。なお、このような反応は、一般的にはＡＬＤ法と呼ばれているが、ＳｉＨ３は化学的には原子ではなく分子であるので、本実施形態においては分子層と表現し、ＡＬＤ法とＭＬＤ法とを厳密に区別せずにＡＬＤ法又はＭＬＤ法と包括的に表現している。
この反応は、一般的には、４５０℃前後の雰囲気下で、ベアシリコンが存在し、シリコン同士が直接結合できる条件でのみ発生する反応である。実施形態の成膜装置では、真空容器１内の温度は５５０℃前後に設定されているから、通常のプロセスではこのＡＬＤ反応は起こりえない。しかしながら、実施形態の成膜方法では、反応ガスノズル３１から供給するＳｉ２Ｈ６ガスを常温で供給する。常温は、２０〜３０℃の範囲内の温度にあり、一般的には２５℃前後である。よって、常温のＳｉ２Ｈ６ガスをウエハＷに向けて至近距離で供給することにより、ウエハＷの表面近傍の温度を瞬間的に低下させることができ、４５０℃の温度条件を瞬間的に作り出している。なお、図４に示されるように、第１の処理領域Ｐ１においては、第２の天井面４５は第１の分離領域Ｄ１及び第２の分離領域Ｄ２の第１の天井面４４よりも高いが、反応ガスノズル３１は分離ガスノズル４２とほぼ同じ高さであり、ウエハＷの表面に近い距離である。よって、反応ガスノズル３１から供給されるＳｉ２Ｈ６ガスは、周囲の雰囲気と同じ温度となる前にウエハＷの表面に到達し、本来的には４５０℃前後の雰囲気下でのみ発生する分子層堆積反応（ＭＬＤ）を発生させている。
また、真空容器１内の温度である５５０℃は、Ｓｉ２Ｈ６ガスを供給した場合、本来的にはＣＶＤ反応が発生してしまう温度である。よって、たとえＳｉＨ３がウエハＷの表面に吸着したとしても、その上にＣＶＤ反応によりＳｉＨ３膜が堆積してしまうおそれがある。しかしながら、実施形態の成膜方法においては、回転テーブル２が回転することにより、余分なＣＶＤ反応を発生させることなく第１の分離領域Ｄ１へとＳｉＨ３分子層が表面上に吸着したウエハＷが移動する。第１の分離領域Ｄ１では、狭い空間内でＡｒのパージガスが供給され、Ｓｉ２Ｈ６ガスの流入を防ぐ構成となっているから、ＳｉＨ３分子層の表面上に、更にＣＶＤ反応によりＳｉＨ３膜が堆積することを防ぐことができる。
つまり、実施形態の成膜方法においては、第１の処理領域Ｐ１で、ウエハＷの表面付近で瞬間的に分子層堆積反応が発生する条件を作り出してＳｉＨ３の分子層を形成し、形成後は余分なＣＶＤ反応が発生しないうちに第１の分離領域Ｄ１へと回転移動する。このような常温のＳｉ２Ｈ６ガスの供給と、回転移動を適切に組み合わせた処理を行うことで、Ｓｉ−Ｈ結合の切断が可能な高温の雰囲気下においても、それよりも低温の雰囲気下でのみ発生するＳｉＨ３の分子層堆積反応を発生させ、ＳｉＨ３分子層を形成できる。
また、第１の処理領域Ｐ１は、前述のような分子層堆積反応によりＳｉＨ３分子層を形成することから、分子層堆積領域、ＳｉＨ３吸着領域、ＡＬＤ領域等と呼んでもよい。
なお、実施形態においては、常温のＳｉ２Ｈ６ガスを供給する例を挙げて説明するが、Ｓｉ−Ｈ結合の切断が可能な５５０℃よりも低い温度であれば、他の温度でＳｉ２Ｈ６ガスを供給してもよい。例えば、０〜５０℃の範囲で、条件に応じた適切なガス供給温度を設定できる。
また、第１の分離領域Ｄ１においては、図４及び図５で説明した構造により、第１の処理領域Ｐ１からのＳｉ２Ｈ６ガスの流入を防ぐことができ、ウエハＷは、Ａｒ等のパージガスが表面に供給された状態で第１の分離領域Ｄ１を通過する。
図１０は、コンフォーマル成膜工程Ｓ２０の反応メカニズムを説明するための図であり、第２の処理領域Ｐ２で行われるＳｉＣｌ３分子層堆積ステップの一例を示した図である。図１０（ａ）に示されるＳｉＨ３の分子層が形成されたウエハＷにＳｉ２Ｃｌ６ガスが供給されると、図１０（ｂ）に示されるようにウエハＷの表面においてＳｉ−Ｈ結合が切断され、Ｓｉ２Ｃｌ６が熱分解したＳｉＣｌ３分子層のＳｉ原子が吸着して結合し始める。そして、図１０（ｃ）に示されるように、ウエハＷの表面にＳｉＣｌ３分子層が形成される。つまり、いわゆるＡＬＤ法又はＭＬＤ法によりＳｉＣｌ３分子層がウエハＷの表面上に形成される。
第２の分離領域Ｄ２においては、図４及び図５で説明した第１の分離領域Ｄ１の構造と同じ構造により、第２の処理領域Ｐ２からのＨＣＤガスの流入を防ぐことができ、ウエハＷは、Ａｒ等のパージガスが表面に供給された状態で第２の分離領域Ｄ２を通過する。
第２の分離領域Ｄ２を通過したウエハＷは、第３の処理領域Ｐ３に回転移動する。このとき、第３の処理領域Ｐ３においては塩素ラジカルが供給されていないため、エッチング反応は生じない。
第３の処理領域Ｐ３を通過したウエハＷは、第３の分離領域Ｄ３に回転移動する。第３の分離領域Ｄ３においては、Ａｒ等のパージガスがウエハＷの表面に供給され、シリコン原子層の表面に余分な塵等が堆積するのが防止される。
第３の分離領域Ｄ３を通過したウエハＷは、回転テーブル２の更なる回転により、表面にＳｉＣｌ３分子層が形成された状態で、再び第１の処理領域Ｐ１に入り、前述の分子層堆積法によるＳｉＨ３分子層の形成が行われ、以下同様のプロセスが繰返される。そして、回転テーブル２を複数回連続して回転させることにより、前述のシリコン成膜プロセスが繰返され、所望の厚さのシリコン膜をコンフォーマルに形成できる。
このように、コンフォーマル成膜工程Ｓ２０によれば、Ｓｉ−Ｈ結合の切断が可能な真空容器１内の温度設定、これよりも低い温度のジシランガスの供給、回転テーブル２の回転によるＣＶＤ反応の発生防止を適切に組み合わせる。これにより、真空容器１内の温度を一定に維持し、高い生産性でＡＬＤ法を利用した均一性の高いシリコン膜を形成できる。
また、コンフォーマル成膜工程Ｓ２０によれば、Ｓｉ２Ｈ６ガスとＨＣＤガスを異なる領域（第１の処理領域Ｐ１、第２の処理領域Ｐ２）から同時に流し、回転テーブル２が１回転する間に、ＳｉＨ３分子層の形成とＳｉＣｌ３分子層の形成を夫々実行する。すなわち、回転テーブル２が１回転する間に、Ｓｉを含む分子層の形成を２回実行する。これにより、第２の処理領域Ｐ２にＨＣＤガスを流さない場合に比べて半分の時間でＡＬＤ法を利用したシリコン膜を形成できる。
なお、前述の説明において、真空容器１内の温度が５５０℃前後である例を挙げて説明したが、本開示はこれに限定されない。真空容器１内の温度はＳｉ−Ｈ結合の切断が発生する温度にヒータユニット７が設定されていればよいので、例えば５４０〜５８０℃の範囲でＳｉ−Ｈ結合の切断が発生する所定の温度に設定することが可能である。
続いて、制御部１００は、ボトムアップ成膜工程Ｓ３０を実行する。ボトムアップ成膜工程Ｓ３０では、制御部１００は、第１の処理領域Ｐ１の反応ガスノズル３１からＳｉ２Ｈ６ガス、第２の処理領域Ｐ２の反応ガスノズル３２からＨＣＤガス、第３の処理領域Ｐ３の反応ガスノズル３３から塩素ラジカルを夫々供給する。
ボトムアップ成膜工程Ｓ３０では、回転テーブル２の回転によりウエハＷが第１の処理領域Ｐ１を通過する際に、第１の温度よりも低い第２の温度に設定されたＳｉ２Ｈ６ガスがウエハＷに供給され、基板の表面上にＳｉＨ３の分子層が形成される。
また、ウエハＷが第２の処理領域Ｐ２を通過する際に、ＨＣＤガスがウエハＷに供給され、ＳｉＨ３の分子層のＳｉ−Ｈ結合が切断され、図８（ｃ）に示されるように、表面上にＳｉＣｌ３原子層８０５が形成される。
また、ウエハＷが第３の処理領域Ｐ３を通過する際に、反応ガスノズル３３から塩素ラジカルがウエハＷに供給される。このとき、塩素ラジカルはウエハＷの上面及び凹部８０１の上部には容易に到達して多くのＳｉＣｌ３原子層８０５をエッチングして除去する。一方、凹部８０１の奥は深いので、凹部８０１の底面までは塩素ラジカルは到達せず、凹部８０１の底面のＳｉＣｌ３原子層８０５はほとんどエッチングされない。これにより、図８（ｄ）に示されるように、凹部８０１の底面及び内壁下部のＳｉＣｌ３原子層８０５は残存し、凹部８０１の内壁上部のＳｉＣｌ３原子層８０５が選択的に除去される。
そして、回転テーブル２の回転により、ウエハＷが第１の処理領域Ｐ１、第２の処理領域Ｐ２及び第３の処理領域Ｐ３を繰り返し通過すると、図８（ｅ）に示されるように、凹部８０１内にＶ字の断面形状を有し、ボトムアップ成長したシリコン膜８０６が堆積する。これにより、凹部８０１の上部の開口は塞がれず、ボイドやシームが形成され難い状態を維持しながら凹部８０１を埋め込むことができる。また、ＳｉＨ３の分子層の形成と、ＳｉＨ３の分子層のＳｉ−Ｈ結合の切断及びＳｉＣｌ３の分子層の形成とを繰返すことでシリコン膜８０６が形成されるので、緻密で膜密度の高いシリコン膜８０６を形成できる。
また、ボトムアップ成膜工程Ｓ３０では、反応ガスノズル３３から供給される塩素ラジカルは、回転テーブル２の表面におけるウエハＷが載置されない領域にも容易に到達するため、回転テーブル２の表面に堆積した膜がエッチングにより除去される。これにより、回転テーブル２のクリーニングサイクルを長くできるので、生産性が向上する。
なお、ボトムアップ成膜工程Ｓ３０では、第３の処理領域Ｐ３の反応ガスノズル３３から塩素ラジカルを間欠的に供給してもよい。例えば、回転テーブル２が所定の回数だけ回転するごとに第３の処理領域Ｐ３から塩素ラジカルを供給することで、シリコン膜がエッチングされる量を抑制して成膜速度を高めることができる。
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。
なお、上記の実施形態では、第２の処理領域Ｐ２に供給される反応ガスとしてＨＣＤガスを例に挙げて説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、ＨＣＤガスに代えて、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ４）ガス等の珪素及び塩素を含むガスを用いてもよい。
また、上記の実施形態では、第３の処理領域Ｐ３に供給されるエッチングガスとして塩素ガスを例に挙げて説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、塩素ガスに代えて、フッ素（Ｆ２）ガス、トリフルオロメタン（ＣＨＦ３）ガスを用いてもよい。Ｆ２ガスやＣＨＦ３ガスは、リモートプラズマによりラジカル化され、フッ素ラジカルとして供給される。
１ 真空容器
２ 回転テーブル
Ｄ１ 第１の分離領域
Ｐ１ 第１の処理領域
Ｐ２ 第２の処理領域
Ｐ３ 第３の処理領域
Ｗ ウエハ

Claims (12)

  1. Ｓｉ−Ｈ結合を切断することが可能な第１の温度に設定された真空容器内に、互いに離間した第１の処理領域と第２の処理領域とが周方向に沿って配置され、前記第１の処理領域と前記第２の処理領域を回転通過可能な回転テーブルの上に載置された基板の上にシリコン膜を成膜する成膜方法であって、
    前記基板が前記第１の処理領域を通過する際に、前記第１の温度よりも低い第２の温度に設定されたＳｉ２Ｈ６ガスを供給し、前記基板の表面上にＳｉＨ３の分子層を形成するステップと、
    前記基板が前記第２の処理領域を通過する際に、珪素及び塩素を含むガスを供給し、前記ＳｉＨ３の分子層のＳｉ−Ｈ結合を切断すると共に表面上にＳｉＣｌ３の分子層を形成するステップと、
    を含む成膜工程を有する、成膜方法。
  2. 前記成膜工程では、前記ＳｉＨ３の分子層を形成するステップと前記ＳｉＣｌ３の分子層を形成するステップとを含む複数回のサイクルを実行する、
    請求項１に記載の成膜方法。
  3. 前記珪素及び塩素を含むガスは、ＨＣＤガスである、
    請求項１又は２に記載の成膜方法。
  4. 前記成膜工程の前に、前記基板の表面にシード層を形成する工程を更に有する、
    請求項１乃至３のいずれか一項に記載の成膜方法。
  5. 前記シード層を形成する工程は、アミノシラン系ガスを前記基板の表面に供給する処理を含む、
    請求項４に記載の成膜方法。
  6. 前記第１の処理領域と前記第２の処理領域との間に、前記第１の処理領域と前記第２の処理領域とを分離する第１の分離領域が設けられ、
    前記成膜工程は、前記ＳｉＨ３の分子層を形成するステップの後、前記基板に前記第１の分離領域を通過させて前記基板の表面にパージガスを供給し、ＳｉＨ３のＣＶＤ反応の発生を抑制するステップを更に含む、
    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、前記回転テーブルに対して回転可能である、
    請求項１乃至６のいずれか一項に記載の成膜方法。
  8. 前記回転テーブルの周方向に沿って前記第２の処理領域から離間して配置される第３の処理領域を有し、
    前記基板の表面には凹部が形成されており、
    前記成膜工程の後に実行される埋め込み工程を更に有し、
    前記埋め込み工程は、
    前記ＳｉＨ３の分子層を形成するステップと、
    前記ＳｉＣｌ３の分子層を形成するステップと、
    前記基板が前記第３の処理領域を通過する際に、前記ＳｉＣｌ３の分子層を異方性エッチングして前記凹部の内壁上部の前記ＳｉＣｌ３の分子層を選択的に除去するステップと、
    を含む、
    請求項１乃至７のいずれか一項に記載の成膜方法。
  9. 前記埋め込み工程では、前記ＳｉＨ３の分子層を形成するステップと前記ＳｉＣｌ３の分子層を形成するステップとを含む複数回のサイクルを実行し、前記複数回のサイクルの少なくとも一部が前記ＳｉＣｌ３の分子層を選択的に除去するステップを含む、
    請求項８に記載の成膜方法。
  10. 前記異方性エッチングは、塩素ラジカル又はフッ素ラジカルを供給することにより実行される、
    請求項９に記載の成膜方法。
  11. 前記塩素ラジカル又は前記フッ素ラジカルは、前記基板の表面に略平行に供給される、
    請求項１０に記載の成膜方法。
  12. Ｓｉ−Ｈ結合を切断することが可能な第１の温度に設定された真空容器と、
    前記真空容器内に設けられ、基板が載置されると共に回転可能な回転テーブルと、
    前記真空容器内に、周方向に沿って設けられ、前記第１の温度よりも低い第２の温度でＳｉ２Ｈ６ガスを供給し、前記回転テーブルの回転により前記基板が通過した際に、前記基板の凹部にＳｉＨ３の分子層を形成する第１の処理領域と、
    前記第１の処理領域と周方向に離間して設けられ、前記回転テーブルの回転により前記基板が通過した際に、珪素及び塩素を含むガスを供給し、前記ＳｉＨ３の分子層のＳｉ−Ｈ結合を切断すると共に表面上にＳｉＣｌ３の分子層を形成する第２の処理領域と、
    を備える、成膜装置。
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