JP2022063748A - 埋め込み方法及び成膜装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高品質で埋め込み特性の優れた金属酸化膜を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埋め込み方法は、基板の表面に形成された凹部に金属酸化膜を埋め込む方法であって、前記凹部に金属原料ガス及び酸化剤を供給して前記金属酸化膜を成膜する工程と、前記金属酸化膜にＳＯＣｌ２及び（ＣＯＣｌ）２の少なくとも１つを含むエッチングガスを供給して前記金属酸化膜の一部をエッチングする工程と、を有する。【選択図】図１
Description
本開示は、埋め込み方法及び成膜装置に関する。
トリメチルアルミニウムおよびジメチルアルミニウムハイドライドを含むアルミニウム含有組成物と、酸素原子を含む酸素含有化合物とを原料として、原子層堆積により、アルミニウム含有酸化物薄膜を成膜する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、反応器表面を被覆したＡｌ２Ｏ３膜をＢＣｌ３、ＣＯＣｌ２と反応させて揮発性生成物を作り、反応器から揮発性生成物を除去して、それにより反応器表面からＡｌ２Ｏ３膜を除去する技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。
本開示は、高品質で埋め込み特性の優れた金属酸化膜を形成できる技術を提供する。
本開示の一態様による埋め込み方法は、基板の表面に形成された凹部に金属酸化膜を埋め込む方法であって、前記凹部に金属原料ガス及び酸化剤を供給して前記金属酸化膜を成膜する工程と、前記金属酸化膜にＳＯＣｌ２及び（ＣＯＣｌ）２の少なくとも１つを含むエッチングガスを供給して前記金属酸化膜の一部をエッチングする工程と、を有する。
本開示によれば、高品質で埋め込み特性の優れた金属酸化膜を形成できる。
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。
〔金属酸化膜〕
高品質な金属酸化膜を凹部に埋め込むニーズがある。高品質な金属酸化膜は、例えば５００℃以上の高温プロセスにより成膜される。しかし、高温プロセスでは凹部に対する段差被覆性が悪化する傾向にあり、埋め込み特性が劣化する。
高品質な金属酸化膜を凹部に埋め込むニーズがある。高品質な金属酸化膜は、例えば５００℃以上の高温プロセスにより成膜される。しかし、高温プロセスでは凹部に対する段差被覆性が悪化する傾向にあり、埋め込み特性が劣化する。
そこで、本発明者らは、高品質で埋め込み特性の優れた金属酸化膜を形成する方法について鋭意検討した。その結果、金属酸化膜を成膜する工程と塩化チオニル［ＳＯＣｌ２］及び／又は塩化オキサリル［（ＣＯＣｌ）２］により金属酸化膜の一部をエッチングする工程とを含む埋め込み方法により、高品質で埋め込み特性の優れた金属酸化膜を形成できることを見出した。以下、詳細を説明する。
〔埋め込み方法〕
図１を参照し、実施形態の埋め込み方法の一例について説明する。実施形態の埋め込み方法は、基板の表面に形成された凹部に、成膜工程及びエッチング工程を含むサイクルを繰り返すことにより、凹部に酸化アルミニウム膜（Ａｌ２Ｏ３膜）を埋め込む方法である。
図１を参照し、実施形態の埋め込み方法の一例について説明する。実施形態の埋め込み方法は、基板の表面に形成された凹部に、成膜工程及びエッチング工程を含むサイクルを繰り返すことにより、凹部に酸化アルミニウム膜（Ａｌ２Ｏ３膜）を埋め込む方法である。
成膜工程では、図１（ａ）に示されるように、基板１００の表面に形成された凹部１１０にＡｌ原料ガス及び酸化剤を供給してＡｌ２Ｏ３膜１２０を成膜する。基板１００は、例えばシリコンウエハ等の半導体ウエハであってよい。凹部１１０は、例えばトレンチ、ビアであってよい。成膜工程では、例えば凹部１１０の開口が閉塞しないようにＡｌ２Ｏ３膜１２０を成膜する。成膜工程では、原子層堆積（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）によりＡｌ２Ｏ３膜１２０を成膜することが好ましい。すなわち、成膜工程では、Ａｌ原料ガスの供給、パージガスの供給、酸化剤の供給及びパージガスの供給をこの順に繰り返すことにより、凹部１１０にＡｌ２Ｏ３膜１２０を成膜することが好ましい。これにより、凹部１１０にＡｌ２Ｏ３膜１２０をコンフォーマルに成膜できるので、凹部１１０にＡｌ２Ｏ３膜１２０が埋め込まれたときにボイド、シーム等が発生しにくい。また、成膜工程では、基板を５００℃以上の高温に加熱することが好ましい。これにより、高品質なＡｌ２Ｏ３膜１２０を成膜できる。基板を５００℃以上の温度に加熱した状態で行うＡＬＤによる成膜では、Ａｌ原料ガスとして、例えばＡｌＣｌ３、（ＣＨ３）３Ａｌ２Ｃｌ３、ＥＡＤＣ［（ＣＨ３ＣＨ２）ＡｌＣｌ２］、ＤＥＡＣ［（ＣＨ３ＣＨ２）２ＡｌＣｌ］、ＥＡＳＣ［（ＣＨ３ＣＨ２）１．５ＡｌＣｌ１．５］、ＤＭＡＣ［（ＣＨ３）２ＡｌＣｌ］等のハロゲン含有Ａｌ原料ガスを利用できる。酸化剤としては、例えばＯ２ガス、Ｏ３ガス、Ｈ２Ｏガス、Ｈ２Ｏ２ガス、Ｈ２とＯ２の混合ガス、ＩＰＡ（isopropyl alcohol）ガスを利用できる。パージガスとしては、Ｎ２ガス、Ａｒガス等の不活性ガスを利用できる。
例えば、Ａｌ原料ガスとしてＤＭＡＣ［（ＣＨ３）２ＡｌＣｌ］、酸化ガスとしてＨ２Ｏガスを用いる場合、以下の式（Ａ）で表される化学反応によりＡｌ２Ｏ３膜１２０が成膜される。
（ＣＨ３）２ＡｌＣｌ＋Ｈ２Ｏ→Ａｌ２Ｏ３（ｓ）＋ＣＨ４（ｇ）＋ＨＣｌ（ｇ） （Ａ）
エッチング工程では、図１（ｂ）に示されるように、Ａｌ２Ｏ３膜１２０に塩化チオニル［ＳＯＣｌ２］及び塩化オキサリル［（ＣＯＣｌ）２］の少なくとも１つを含むエッチングガスを供給してＡｌ２Ｏ３膜１２０の一部をエッチングする。例えば、エッチング工程では、凹部１１０の開口を拡げるようにＡｌ２Ｏ３膜１２０を選択的にエッチングする。エッチング工程では、基板を成膜工程と同じ温度又は略同じ温度、例えば５００℃以上の高温に加熱することが好ましい。略同じ温度とは、同じ温度に対し、±５％の範囲の温度を意味する。ＳＯＣｌ２及び（ＣＯＣｌ）２は、５００℃以上の温度におけるＡｌ２Ｏ３膜１２０に対するエッチング速度が１ｎｍ／ｍｉｎ～１００ｎｍ／ｍｉｎである。そのため、エッチングガスとしてＳＯＣｌ２及び（ＣＯＣｌ）２を用いることで、成膜工程とエッチング工程の処理温度を変更することなく、制御性よくＡｌ２Ｏ３膜１２０の一部をエッチングできる。このように、エッチング工程では、５００℃以上の温度におけるＡｌ２Ｏ３膜１２０に対するエッチング速度が１ｎｍ／ｍｉｎ～１００ｎｍ／ｍｉｎとなるようなエッチングガスを用いることが好ましい。また、５ｎｍ／ｍｉｎ～５０ｎｍ／ｍｉｎとなるようなエッチングガスを用いることがより好ましい。また、ＳＯＣｌ２及び（ＣＯＣｌ）２は、５００℃未満の温度におけるＡｌ２Ｏ３膜１２０に対するエッチング速度が小さい。そのため、基板と比べて温度が低い処理容器の内壁に堆積した膜はほとんどエッチングされないので、処理容器の内壁からの堆積膜の剥離等によるパーティクルの発生を抑制できる。例えば、エッチングガスとしてＳＯＣｌ２ガスを用いる場合、以下の式（Ｂ）で表される化学反応によりＡｌ２Ｏ３膜１２０の一部をエッチングできる。
Ａｌ２Ｏ３＋ＳＯＣｌ２→ＡｌＣｌ３（ｇ）＋ＳＯ２（ｇ） （Ｂ）
以上に説明した実施形態の埋め込み方法によれば、基板１００の表面に形成された凹部１１０に、成膜工程及びエッチング工程を含むサイクルを繰り返すことにより、凹部１１０にＡｌ２Ｏ３膜１２０を埋め込む。そして、エッチング工程では、Ａｌ２Ｏ３膜１２０にＳＯＣｌ２及び（ＣＯＣｌ）２の少なくとも１つを含むエッチングガスを供給してＡｌ２Ｏ３膜の一部をエッチングする。これにより、高品質で埋め込み特性の優れた金属酸化膜を形成できる。
以上、図１を参照して、縦穴のみで構成される凹部１１０にＡｌ２Ｏ３膜１２０を埋め込む場合を説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば図２に示されるように、実施形態の埋め込み方法は、基板２００の表面に形成された凹部２１０が、基板２００の厚さ方向に延びる縦穴２１１と、縦穴２１１の側壁２１１ａから基板２００の表面に平行な方向に延びる横穴２１２とを含む場合にも適用できる。
具体的には、成膜工程では、図２（ａ）に示されるように、基板２００の表面に形成された凹部２１０にＡｌ原料ガス及び酸化剤を供給してＡｌ２Ｏ３膜２２０を成膜する。エッチング工程では、図２（ｂ）に示されるように、Ａｌ２Ｏ３膜２２０に塩化チオニル［ＳＯＣｌ２］及び塩化オキサリル［（ＣＯＣｌ）２］の少なくとも１つを含むエッチングガスを供給してＡｌ２Ｏ３膜２２０の一部をエッチングする。そして、成膜工程及びエッチング工程を含むサイクルを繰り返すことにより、凹部２１０にＡｌ２Ｏ３膜２２０を埋め込むことができる。
〔成膜装置〕
図３を参照し、実施形態の埋め込み方法を実施する成膜装置の一例について説明する。実施形態の成膜装置は、原子層堆積（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）法による成膜及び化学的気相成長（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法による成膜が実施可能な装置として構成されている。
図３を参照し、実施形態の埋め込み方法を実施する成膜装置の一例について説明する。実施形態の成膜装置は、原子層堆積（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）法による成膜及び化学的気相成長（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法による成膜が実施可能な装置として構成されている。
成膜装置は、処理容器１、載置台２、シャワーヘッド３、排気部４、ガス供給部５、制御部６等を備える。
処理容器１は、アルミニウム等の金属により構成され、略円筒状を有する。処理容器１は、内部に基板Ｗを収容する。基板Ｗは、例えば半導体ウエハであってよい。処理容器１の側壁には、基板Ｗを搬入又は搬出するための搬入出口１１が形成されている。搬入出口１１は、ゲートバルブ１２により開閉される。処理容器１の本体の上には、断面が矩形状をなす円環状の排気ダクト１３が設けられている。排気ダクト１３には、内周面に沿ってスリット１３ａが形成されている。排気ダクト１３の外壁には、排気口１３ｂが形成されている。排気ダクト１３の上面には、処理容器１の上部開口を塞ぐように天壁１４が設けられている。排気ダクト１３と天壁１４との間は、シールリング１５で気密に封止されている。
載置台２は、処理容器１内で基板Ｗを水平に支持する。載置台２は、基板Ｗよりも大きい円板状を有し、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミックス材料や、アルミニウムやニッケル合金等の金属材料で構成されている。載置台２の内部には、基板Ｗを加熱するためのヒータ２１が埋め込まれている。ヒータ２１は、ヒータ電源（図示せず）から給電されて発熱する。そして、載置台２の上面の近傍に設けられた熱電対（図示せず）の温度信号によりヒータ２１の出力を制御することにより、基板Ｗが所定の温度に制御される。載置台２には、上面の外周領域及び側面を覆うようにアルミナ等のセラミックスにより形成されたカバー部材２２が設けられている。
載置台２は、支持部材２３に支持されている。支持部材２３は、載置台２の底面中央から処理容器１の底壁に形成された孔部を貫通して処理容器１の下方に延び、その下端が昇降機構２４に接続されている。載置台２は、昇降機構２４により、図３で示す処理位置と、その下方の二点鎖線で示す基板Ｗの搬送が可能な搬送位置との間で昇降する。支持部材２３の処理容器１の下方には、鍔部２５が取り付けられている。処理容器１の底面と鍔部２５との間には、ベローズ２６が設けられている。ベローズ２６は、処理容器１内の雰囲気を外気と区画し、載置台２の昇降動作にともなって伸縮する。
処理容器１の底面近傍には、昇降板２７ａから上方に突出するように３本（２本のみ図示）のウエハ支持ピン２７が設けられている。ウエハ支持ピン２７は、処理容器１の下方に設けられた昇降機構２８により昇降板２７ａを介して昇降する。ウエハ支持ピン２７は、搬送位置にある載置台２に設けられた貫通孔２ａに挿通されて載置台２の上面に対して突没可能となっている。ウエハ支持ピン２７を昇降させることにより、搬送ロボット（図示せず）と載置台２との間で基板Ｗの受け渡しが行われる。
シャワーヘッド３は、処理容器１内に処理ガスをシャワー状に供給する。シャワーヘッド３は、例えば金属材料により形成され、載置台２に対向して配置されている。シャワーヘッド３は、載置台２とほぼ同じ直径を有する。シャワーヘッド３は、本体部３１及びシャワープレート３２を含む。本体部３１は、天壁１４の下面に固定されている。シャワープレート３２は、本体部３１の下に接続されている。本体部３１とシャワープレート３２との間には、ガス拡散空間３３が形成されている。ガス拡散空間３３には、天壁１４及び本体部３１の中央を貫通するようにガス導入孔３６が設けられている。シャワープレート３２の周縁部には、下方に突出する環状突起部３４が形成されている。シャワープレート３２における環状突起部３４の内側の平坦面には、多数のガス吐出孔３５が形成されている。
載置台２が処理位置に移動した状態では、載置台２とシャワープレート３２との間に処理空間３７が形成され、カバー部材２２の上面と環状突起部３４とが近接して環状隙間３８が形成される。
排気部４は、処理容器１の内部を排気する。排気部４は、排気配管４１及び排気機構４２を含む。排気配管４１は、排気口１３ｂに接続されている。排気機構４２は、排気配管４１に接続されており、真空ポンプ、圧力制御バルブ等を含む。排気機構４２は、排気ダクト１３及び排気配管４１を介して、処理容器１内のガスを排気する。
ガス供給部５は、シャワーヘッド３に各種のガスを供給する。ガス供給部５は、ガス源５１及びガスライン５２を含む。ガス源５１は、例えば各種の処理ガスの供給源、マスフローコントローラ、バルブ（いずれも図示せず）を含む。各種の処理ガスは、前述の実施形態の埋め込み方法において用いられるＡｌ原料ガス、酸化剤及びエッチングガスを含む。各種のガスは、ガス源５１からガスライン５２及びガス導入孔３６を介してガス拡散空間３３に導入される。
制御部６は、成膜装置の各部を制御することにより、例えば前述した埋め込み方法を実施する。制御部６は、例えばコンピュータであってよい。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。
次に、成膜装置の動作の一例について、前述の図１及び図２に示される実施形態の埋め込み方法を実施する場合を説明する。
まず、制御部６は、ゲートバルブ１２を開いて搬送機構（図示せず）により、表面に凹部を有する基板Ｗを処理容器１内に搬送し、載置台２に載置する。基板Ｗは、表面を上に向けて水平に載置される。制御部６は、搬送機構を処理容器１内から退避させた後、ゲートバルブ１２を閉じる。次いで、制御部６は、載置台２のヒータ２１により基板Ｗを所定の温度に加熱し、排気機構４２により処理容器１内を所定の圧力に調整する。
次いで、制御部６は、成膜装置の各部を制御して、前述の実施形態の埋め込み方法を実施する。すなわち、制御部６は、排気部４、ガス供給部５等を制御して、成膜工程及びエッチング工程を含むサイクルを繰り返すことにより、凹部にＡｌ２Ｏ３膜を埋め込む。
基板Ｗの表面に形成された凹部にＡｌ２Ｏ３膜が埋め込まれた後、制御部６は、処理容器１内への基板Ｗの搬入とは逆の手順で、基板Ｗを処理容器１から搬出する。
なお、上記の実施形態において、Ａｌ原料ガスは金属原料ガスの一例であり、Ａｌ２Ｏ３膜は金属酸化膜の一例である。
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。
上記の実施形態では、金属酸化膜としてＡｌ２Ｏ３膜を成膜する場合を説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、金属酸化膜は、ＨｆＯ２膜、ＺｒＯ２膜等のＨｉｇｈ－ｋ膜であってもよい。例えば、ＨｆＯ２膜を成膜する場合、金属原料ガスとしては例えばＨｆＣｌ４を利用できる。また例えば、ＺｒＯ２膜を成膜する場合、金属原料ガスとしては例えばＺｒＣｌ４ガスを利用できる。ＳＯＣｌ２及び（ＣＯＣｌ）２は、５００℃以上の温度におけるＨｆＯ２膜及びＺｒＯ２膜に対するエッチング速度が１ｎｍ／ｍｉｎ～１００ｎｍ／ｍｉｎである。そのため、エッチングガスとしてＳＯＣｌ２及び（ＣＯＣｌ）２を用いることで、Ａｌ２Ｏ３膜の場合と同様に、成膜工程とエッチング工程の処理温度を変更することなく、制御性よくＨｆＯ２膜及びＺｒＯ２膜の一部をエッチングできる。
上記の実施形態では、エッチングガスとして塩化チオニル［ＳＯＣｌ２］及び塩化オキサリル［（ＣＯＣｌ）２］を用いる場合を説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、エッチングガスとして、Ｃｌ２ガス、ＢＣｌ３ガス、ＣｌＦ３ガスを用いることができる。
上記の実施形態では、成膜装置が基板を１枚ずつ処理する枚葉式の装置である場合を説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、成膜装置は複数の基板に対して一度に処理を行うバッチ式の装置であってもよい。また、例えば成膜装置は処理容器内の回転テーブルの上に配置した複数の基板を回転テーブルにより公転させ、第１のガスが供給される領域と第２のガスが供給される領域とを順番に通過させて基板に対して処理を行うセミバッチ式の装置であってもよい。
上記の実施形態では、成膜装置がプラズマ生成部を有していない装置である場合を説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、成膜装置は、プラズマ生成部を有する装置であってもよい。
１ 処理容器
５ ガス供給部
６ 制御部
５ ガス供給部
６ 制御部
Claims (11)
- 基板の表面に形成された凹部に金属酸化膜を埋め込む方法であって、
前記凹部に金属原料ガス及び酸化剤を供給して前記金属酸化膜を成膜する工程と、
前記金属酸化膜にＳＯＣｌ２及び（ＣＯＣｌ）２の少なくとも１つを含むエッチングガスを供給して前記金属酸化膜の一部をエッチングする工程と、
を有する、埋め込み方法。 - 前記成膜する工程と前記エッチングする工程とは、同じ温度又は略同じ温度で行われる、
請求項１に記載の埋め込み方法。 - 前記成膜する工程と前記エッチングする工程とを繰り返す、
請求項１又は２に記載の埋め込み方法。 - 前記成膜する工程及び前記エッチングする工程において、前記基板を５００℃以上に加熱する、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の埋め込み方法。 - 前記成膜する工程において、原子層堆積により前記金属酸化膜を成膜する、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の埋め込み方法。 - 前記凹部は、前記基板の厚さ方向に延びる縦穴を含む、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の埋め込み方法。 - 前記凹部は、前記縦穴の側壁から前記基板の表面に平行な方向に延びる横穴を含む、
請求項６に記載の埋め込み方法。 - 前記金属酸化膜は、Ｈｉｇｈ－ｋ膜である、
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の埋め込み方法。 - 前記金属原料ガスは、金属及びハロゲンを含む、
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の埋め込み方法。 - 前記金属は、アルミニウムであり、
前記金属酸化膜は、酸化アルミニウム膜である、
請求項９に記載の埋め込み方法。 - 処理容器と、
前記処理容器内に金属原料ガス、酸化剤及びエッチングガスを供給するガス供給部と、
制御部と、
を備え、
前記エッチングガスは、ＳＯＣｌ２及び（ＣＯＣｌ）２の少なくとも１つを含み、
前記制御部は、
表面に凹部が形成された基板を前記処理容器内に収容する工程と、
前記凹部に前記金属原料ガス及び前記酸化剤を供給して金属酸化膜を成膜する工程と、
前記金属酸化膜に前記エッチングガスを供給して前記金属酸化膜の一部をエッチングする工程と、
を実施するように前記ガス供給部を制御するよう構成される、
成膜装置。
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