JP2022109090A - 成膜方法及び成膜システム - Google Patents

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寿 加藤
Hisashi Kato
亨 石井
Toru Ishii
裕志 瀬下
Yuji Seshimo
雄一郎 佐瀬
Yuichiro Sase
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Abstract

【課題】高温でのプラズマ改質とアニールを組み合わせることにより、熱酸化膜と同程度に均質な膜質を有するシリコン酸化膜を成膜する。【解決手段】基板を６００℃以上の第１の温度に加熱した状態で、プラズマを用いたＡＬＤにより前記基板上にシリコン酸化膜を堆積させる工程と、前記シリコン酸化膜を堆積させる工程を終了させた後、前記シリコン酸化膜を、前記第１の温度よりも高い第２の温度でアニールする工程と、を有する。【選択図】図１５

Description

本開示は、成膜方法及び成膜システムに関する。
従来から、基板に形成される凹部の内面に所望の分布で水酸基を吸着させた後、第１の反応ガスを基板に供給し、その後第２の反応ガスを基板に供給し、第１の反応ガスと第２の反応ガスとを反応させて反応生成物を生成させ、反応生成物による膜を堆積させる成膜方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
かかる成膜方法においては、水酸基を生成する際に、プラズマを用いるが、プラズマはプロセス全体を低温で実施することを目的として使用される場合が多く、４００℃前後の温度でプラズマ工程を実施する場合が多かった。
特開２０１３－１３５１５４号公報
本開示は、高温でのプラズマ改質とアニールを組み合わせることにより、熱酸化膜と同程度に均質な膜質を有するシリコン酸化膜を成膜する。
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酸化膜の成膜方法は、基板を６００℃以上の第１の温度に加熱した状態で、プラズマを用いたＡＬＤにより前記基板上にシリコン酸化膜を堆積させる工程と、
前記シリコン酸化膜を堆積させる工程を終了させた後、前記シリコン酸化膜を、前記第１の温度よりも高い第２の温度でアニールする工程と、を有する。
本開示によれば、熱酸化膜と同程度の均一な膜質を有するシリコン酸化膜を成膜することができる。
本発明の実施形態による成膜装置を示す概略断面図である。 図１の成膜装置の真空容器内の構成を示す概略斜視図である。 図１の成膜装置の真空容器内の構成を示す概略平面図である。 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、当該真空容器に概略断面図である。 図１の成膜装置の別の概略断面図である。 図１の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。 図１の成膜装置に設けられるプラズマ発生源を示す他の概略断面図である。 図１の成膜装置に設けられるプラズマ発生源を示す概略上面図である。 本発明の実施形態による成膜方法を説明するための模式図である。 図９に引き続き、本発明の実施形態による成膜方法を説明するための他の模式図である。 アニール装置を設ける場合の全体構成の一例を示し図である。 実施例１の実施結果を示した図である。 実施例２の実施結果を示した図である。 実施例３の実施結果を示した図である。 実施例４の実施結果を示した図である。 実施例５の実施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、本発明の実施形態による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、この成膜装置は、ほぼ円形の平面形状を有する扁平な真空容器１と、この真空容器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、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。このケース体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、各々例えば石英からなる反応ガスノズル３１、反応ガスノズル３２、分離ガスノズル４１，４２、及びガス導入ノズル９２が真空容器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、ガス導入ノズル９２、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。これらのノズル９２、３１、３２、４１、４２は、各ノズル９２、３１、３２、４１、４２の基端部であるガス導入ポート９２ａ、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。
なお、ガス導入ノズル９２の上方には、図３において、破線にて簡略化して示す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。
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などを介して、第１の反応ガスとしてのＳｉ（シリコン）含有ガスの供給源（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などを介して、第２の反応ガスとしての酸化ガスの供給源（図示せず）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、分離ガスとしての窒素（Ｎ２）ガスの供給源（図示せず）に接続されている。
本実施形態においては、Ｓｉ含有ガスとして有機アミノシランガスが用いられ、酸化ガスとしてＯ３（オゾン）ガスが用いられている。
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３３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、Ｓｉ含有ガスをウエハ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に吸着されたＳｉ含有ガスを酸化させる第２の処理領域Ｐ２となる。
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、説明の便宜上、図４に示すように、反応ガスノズル３１が設けられる、高い天井面４５の下方の空間を参照符号４８１で表し、反応ガスノズル３２が設けられる、高い天井面４５の下方の空間を参照符号４８２で表す。
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４１ｈ（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の吐出孔４２ｈからＮ２ガスが供給されると、このＮ２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、Ｎ２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Ｎ２ガスが、第１の領域Ｐ１からのＳｉ含有ガスと、第２の領域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、第１の領域Ｐ１からのＳｉ含有ガスと、第２の領域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Ｓｉ含有ガスと酸化ガスとが混合し、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（Ｎ２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の処理領域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。なお図１中、参照符号６５０は圧力制御器である。
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４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４５０℃）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Ｎ２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Ｎ２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Ｓｉ含有ガスと第２の処理領域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、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、プラズマ発生源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源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源８０の概略断面図であり、図８は、プラズマ発生源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、プラズマ発生源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、内部空間Ｓ）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、この内部空間Ｓには、突起部８１ｂを貫通したガス導入ノズル９２が延びている。ガス導入ノズル９２には、本実施形態においては、図６に示すように、アルゴン（Ａｒ）ガスが充填されるアルゴンガス供給源９３ａと、酸素（Ｏ２）ガスが充填される酸素ガス供給源９３ｂと、アンモニア（ＮＨ３）ガスが充填されるアンモニアガス供給源９３ｃとが接続されている。アルゴンガス供給源９３ａ、酸素ガス供給源９３ｂ、及びアンモニアガス供給源９３ｃから、対応する流量制御器９４ａ、９４ｂ、及び９４ｃにより流量制御されたＡｒガス、Ｏ２ガス、及びＮＨ３ガスが、所定の流量比（混合比）で内部空間Ｓに供給される。
また、ガス導入ノズル９２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９２ｈが形成されており、吐出孔９２ｈから上述のＡｒガス等が吐出される。吐出孔９２ｈ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、ガス導入ノズル９２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源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、内部空間Ｓ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、ガス導入ノズル９２からのガスにより内部空間Ｓ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内部空間Ｓ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。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を通して内部空間Ｓ内へ伝播する。この磁界成分により、ガス導入ノズル９２から所定の流量比（混合比）で内部空間Ｓに供給されるＡｒガス、Ｏ２ガス、及びＮＨ３ガス等の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内の各部材の損傷などを低減することができる。
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、本発明の実施形態による成膜方法について上述の成膜装置を用いて行う場合を例にとり説明する。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９（ａ）に示すように、トレンチＴが形成されている。本実施形態に係る成膜方法は、ウエハのトレンチＴの有無に関わらず適用することができるが、本実施形態においては、ウエハＷの表面にトレンチＴが形成されている例を挙げて説明する。
反応ガスノズル３１からアミノシランガス、例えば３ＤＭＡＳ（トリス（ジメチルアミノ）シランガス）が供給され、反応ガスノズル３２から酸化ガスとしてＯ３ガスが供給され、ガス導入ノズル９２からＡｒガス、Ｏ２ガス及びＨ２の混合ガス（以下、Ａｒ／Ｏ２／Ｈ２ガスと記す）が供給されることとする。
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Ｎ２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からもＮ２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６００℃に加熱する。
従来、プラズマプロセスは低温で行うのが一般的であり、３００℃～４５０℃の温度範囲で行われる場合が多かった。それ以上高い温度の場合には、温度を６５０℃以上の高温にし、熱酸化によるプロセスを用いて、プラズマを用いない場合が多かった。つまり、低温プラズマか高温熱酸化のいずれかが選択されていた。
しかしながら、本実施形態に係る成膜方法では、６００℃以上という高温でプラズマプロセスを行う。これにより、プラズマプロセスで行われる膜の改質を促進することができる。即ち、プラズマによる酸化ガスの活性化に加えて、熱酸化の効果を得ることができる。なお、温度は、６００℃以上であれば種々の温度に設定できるが、本実施形態においては、高温プラズマプロセスに加えて成膜後にアニールプロセスを実施するため、７５０℃未満、好ましくは７００℃以下の範囲内で設定することが好ましい。
この後、反応ガスノズル３１（図２及び図３）からシリコン含有ガスとしてアミノシランガス、例えば３ＤＭＡＳを供給し、反応ガスノズル３２から酸化ガスとしてＯ３ガスを供給する。また、ガス導入ノズル９２から改質ガスとしてＡｒ／Ｏ２／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１４００Ｗの電力で供給する。これにより、プラズマ発生源８０（図６）と回転テーブル２との間の内部空間Ｓにおいて酸素プラズマが生成される。この酸素プラズマ中には、酸素イオンや酸素ラジカルなどの活性種や、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、第１の処理領域Ｐ１、分離領域Ｄ、第２の処理領域Ｐ２、内部空間Ｓ（の下方の領域）、及び分離領域Ｄをこの順に繰り返して通過する（図３参照）。
図９（ｂ）に示すように、第１の処理領域Ｐ１において、ウエハＷの表面ＵやトレンチＴの内面に有機アミノシランガスの分子Ｍｓが吸着し、有機アミノシランの分子層６１が形成される。
図９（ｃ）に示すように、分離領域Ｄを通過した後、第２の処理領域Ｐ２において、ウエハＷの表面ＵやトレンチＴの内面に吸着したアミノシランガスがＯ３ガス分子Ｍｏにより酸化される。
これにより、図９（ｄ）に示すように、トレンチＴの内面に沿ってシリコン酸化膜６２が成膜される。アミノシランガスが酸化される際には、副生成物としてＯＨ基Ｈｙが生成され、生成されたＯＨ基Ｈｙはシリコン酸化膜６２の表面に吸着することとなる。
なお、３ＤＭＡＳガスは、６００℃の温度でもＣＶＤ反応が発生せず、ＡＬＤプロセスを実施できるので、本実施形態においては好適に用いることができる。
ウエハＷが、第１の処理領域Ｐ１、分離領域Ｄ、及び第２の処理領域Ｐ２を通過した後には、図９（ｄ）に示すように、ウエハＷの表面ＵやトレンチＴの内面にはシリコン酸化膜６２が成膜され、このシリコン酸化膜６２の表面にはＯＨ基Ｈｙが吸着している。
次いで、図１０（ａ）に示すように、ウエハＷが内部空間Ｓに至り、ウエハＷが酸素プラズマＰｌに曝される。ここで、シリコン酸化膜６２の酸化が促進され、膜質が向上する。また、図１０（ａ）に示すように、酸素プラズマＰｌ中には水素含有ガスから生成されたＯＨ基Ｈｙが含まれている。このため、酸素プラズマＰｌにより生成されたＯＨ基Ｈｙがシリコン酸化膜６２の表面上に均一に吸着し得る。
このため、図１０（ｂ）に示すように、ウエハＷが第１の処理領域Ｐに再び至ると、反応ガスノズル３１からの有機アミノシランガスの分子ＭｓもまたトレンチＴの内面において均一に吸着する。
よって、図１０（ｃ）に示すように、吸着した有機アミノシランガスがＯ３ガスにより酸化されて成膜されるシリコン酸化膜６２もトレンチＴの内面において均一に成膜され得る。
このようなシーケンスを繰り返し、図１０（ｄ）に示すようにトレンチＴにシリコン酸化膜６２が充填されてゆく。
図１０（ｅ）のように、トレンチＴにシリコン酸化膜６２が最終的に充填され、トレンチＴの埋め込みが完了する。
ここで堆積したシリコン酸化膜は、４００℃の低温プラズマで成膜を行った場合よりもウェットエッチングレートが低く、品質の良い膜である。
しかしながら、このレベルは、従来の低温プラズマプロセスにより成膜よりは膜質が向上しているものの、熱酸化により生成されたシリコン酸化膜と比較すると、膜質が依然劣っている場合が多い。即ち、熱酸化膜と比較すると、酸化が不十分である場合が多々ある。
よって、本実施形態に係る成膜方法では、トレンチＴを埋め込んだ後、アニールを行ってシリコン酸化膜６２を加熱処理する。アニールは、成膜温度よりも高い温度で行う。即ち、成膜温度が６００℃の場合には、アニール温度は６００℃を超える温度で行う。しかしながら、成膜温度とアニール温度が５０℃以下では、アニールを実施しても大きな効果が得られない場合が多いので、成膜温度よりも１００℃以上高い温度に設定してアニールを行うことが好ましく、更に好ましくは成膜温度よりも１５０℃以上高い温度でアニールを行うことが好ましく、成膜温度よりも２００℃以上高い温度でアニールを行うことが一層好ましい。
例えば、６００℃で成膜を行った場合、７００℃以上の温度でアニールを行うことが好ましく、７５０℃以上の温度でアニールを行うことが更に好ましく、８００℃以上の温度でアニールを行うことが一層好ましい。
アニール処理は、真空容器１内で行ってもよいし、別のアニール装置内で行ってもよい。真空容器１内で行う場合には、ヒータユニット７の温度を６００℃を超える温度、例えば８００℃に設定して加熱することになる。
しかしながら、プラズマ処理を行う成膜装置においては、そのようなアニールレベルの高温を想定して装置を製造していない場合も多い。そのような場合には、真空容器１からウエハＷを取り出し、アニール装置に移送してアニール処理を行う。
［成膜システム］
図１１は、アニール装置を設ける場合の成膜システムの全体構成の一例を示し図である。図１１（ａ）は、成膜装置及びアニール装置の全体構成の一例を示した図である。
図１１（ａ）に示されるように、クラスター型の成膜装置に、本実施形態に係る成膜装置１２０と、アニール装置１４０が配置されている。また、成膜装置１２０とアニール装置１４０との間に、搬送ステーション１３０が設けられている。成膜処理が終了したウエハＷは、搬送ステーション１３０を介してアニール装置１４０に搬送される。そして、アニール装置で加熱処理される。
図１１（ｂ）は、アニール装置の一例を示した断面図である。図１１（ｂ）に示されるように、複数枚のウエハＷを処理容器１４１内に積載し、ヒータ１４２で加熱することにより、ウエハＷをアニールすることができる。アニール後は、搬送ステーション１３０を介してウエハＷを搬出すればよい。
このように、成膜装置１２０とアニール装置１４０とを近隣に配置し、搬送ステーション１３０のような搬送手段を用いてウエハＷを成膜装置１２０からアニール装置１４０に移送し、アニール処理を行えばよい。
このような処理を行うことにより、ウエハＷ上のシリコン酸化膜６２を熱酸化膜と同程度の均一な品質とすることができる。
［実施例］
以下、本実施形態に係る成膜方法を実施した実施例について説明する。
［実施例１］
図１２は、実施例１の結果を示した図である。実施例１においては、平坦面上にＡＬＤでシリコン酸化膜を成膜した場合において、４００℃の低温プラズマと６００℃の高温プラズマとで膜質を比較した。
図１２の左側が６００℃で３ＤＭＡＳをシリコン含有ガスとして用いてＡＬＤを行った結果を示しており、右側が４００℃でＤＩＰＡＳ（di-isopropylamino silane、ジイソプロピルアミノシラン）をシリコン含有ガスとして用いてＡＬＤを行った結果を示している。
図１２において、ＰＤＡと記載されているのは、Post Deposition Anneal であり、成膜後のアニールという意味である。また、縦軸はウェットエッチングレート［Å／ｍｉｎ］を示しており、成膜後にウェットエッチングを行い、エッチングレートが低ければより高密度で高品質な膜であることを意味する。条件としては、ウエハＷの平坦面上にＡＬＤ成膜を実施した例を示しており、プラズマのガスはＡｒ／Ｏ２／Ｈ３の混合ガスを用いた。圧力は１．２［Ｔｏｒｒ］、回転テーブル２の回転速度は２０［ｒｐｍ］である。
成膜後のアニール無し同士で比較すると、６００℃の高温プラズマプロセスの方が、プラズマなし、４０００Ｗの高周波出力とした場合のいずれにおいても４００℃の低温プラズマプロセスよりもエッチングレートが低い。よって、従来の４００℃の低温プラズマよりも、６００℃の高温プラズマの方が膜質が良いことが示された。
また、７５０℃の成膜後アニールを行った場合、プラズマプロセスを行わない場合は、４００℃のプロセスの方がエッチングレートが低いが、高温プラズマと低温プラズマとの比較においては、やはり高温プラズマと成膜後アニールの併用の方が、低温プラズマと成膜後アニールよりもエッチングレートが低くなっていることが分かる。
このように、６００℃で行う高温プラズマは、４００℃で行う低温プラズマよりも、成膜後アニールがある場合もない場合も、膜質が良好であることが示された。
［実施例２］
図１３は、実施例２の結果を示した図である。実施例２においては、窪みパターンが形成されたウエハＷにＡＬＤでシリコン酸化膜を成膜した場合において、４００℃の低温プラズマと６００℃の高温プラズマとで膜質を比較した。成膜条件は実施例１と同様であるが、トレンチＴの深さに応じてエッチングレートを測定している。測定点は、左から、トップ、トップから５０ｎｍの深さ、トップから２００ｎｍの深さ、トップから５００ｎｍの深さ、トップから１０００ｎｍの深さ、トップから２０００ｎｍの深さ、トップから３０００ｎｍの深さ、トップから５０００ｎｍの深さ、トップから７０００ｎｍの深さの点である。
左側の欄の、６００℃の高温プラズマで成膜後アニールがない場合と、４００℃の低温プラズマで成膜後アニールがない場合とを比較すると、６００℃の高温プラズマの方が、エッチングレートが低い値となっており、膜質が良いことを示している。
また、右側の７５０℃の成膜後アニールを実施した場合においても、やはり６００℃の高温プラズマプロセスの方が４００℃の低温プラズマプロセスのエッチングレートよりも低くなっており、良質な膜であることが示されている。
このように、実施例２によれば、平坦面上の成膜と同様に、窪みパターン内への成膜においても、６００℃の高温プラズマプロセスの方が、４００℃の低温プラズマプロセスよりも膜質が良好であることが示された。
［実施例３］
図１４は、実施例３の実施結果を示した図である。図１４においては、熱酸化膜との比較において、成膜後アニールの温度によりエッチングレートがどのように変化するかを示している。熱酸化膜のエッチングレートは、左端に示すように１として正規化している。
成膜後のアニールが、７５０℃で６０分の実施では４．８であり、８００℃で６０分の実施では３．７である。また、８５０℃で６０分の実施では２．４である。これらは、プラズマプロセスを行わなかった場合の結果であり、アニールの特性を示している。アニールのみでは、２．４が最も低い値であり、熱酸化膜の１とは開きがある。しかしながら、図１４の最も右側に示すように、６００℃の高温プラズマプロセスを併用して８５０℃の成膜後アニールを行うと、エッチングレートが１．３まで低下し、熱酸化膜にかなり近づく。
このように、実施例３によれば、高温プラズマプロセスと成膜後アニールとを併用すると、熱酸化膜のレベルの膜質にまでシリコン酸化膜の膜質を向上できることが示された。
［実施例４］
図１５は、実施例４の実施結果を示した図である。実施例４においては、実施例３と同様に熱酸化膜のエッチングレートを１とし、６００℃の高温プラズマプロセスにおいて、高周波電源の出力がどのような影響を与えるかを調べた。
図１５において、最も左側は熱酸化膜のエッチングレートである。次のグラフは、成膜後のアニールを行わずに高周波電源の出力を徐々に上げていった例を示している。プラズマをオフとしていた場合、７．２だったエッチングレートが、高周波電力の出力を３０００Ｗにした所、１．３まで低下した、また、５０００Ｗまで増加させても、１．３でエッチングレートは変わらなかった。
次いで、成膜後のアニールを７５０℃で実施した場合、プラズマなしではエッチングレートが５．５であった。プラズマなしで成膜後のアニールの温度を８００℃に上げると、４．２まで低下した。そして、アニールの温度を８５０℃まで上げると、エッチングレートは２．５まで低下した。次いで、成膜後アニールを８５０℃のまま、プラズマの高周波電源の出力を３０００Ｗとして６００℃の高温プラズマプロセスを実施した所、１．２までエッチングレートが低下した。更に、高周波電源の出力を５０００Ｗまで増加させた所、１．１まで低下し、熱酸化膜のエッチングレートに極めて近くなった。
このように、実施例４によれば、６００℃の高温プラズマプロセスと成膜後のアニールの温度を上げていき、８５０℃まで持っていくと、熱酸化膜のレベルの膜質を実現できることが示された。
［実施例５］
図１６は、実施例５の実施結果を示した図である。実施例５においては、成膜後のアニールの効果と高温プラズマの効果を測定した。
図１６（ａ）は、プラズマを発生させずに、成膜後のアニールの効果測定を行った例である。図１６（ａ）に示されるように、アニールなしではエッチングレートは非常に高いが、８００℃で成膜後にアニールを行った場合、８５０℃で成膜後にアニールを行った場合には、エッチングレートが大きく低下したことが示されている。また、パターンが形成されたウエハについて測定を行っており、測定点は、トップ、トップから５０ｎｍの深さ、トップから１５０ｎｍの深さ、トップから１６００－２０００ｎｍの深さの底面側の４点で行った。
図１６（ａ）において、破線の３ｎｍ／ｍｉｎのエッチングレートは熱酸化膜のエッチングレートであり、これよりも低くなると合格ラインである。図１６（ａ）に示される通り、成膜後のアニールのみでは、熱酸化膜の基準まで到達することはできなかった。
図１６（ｂ）は、５０００Ｗの高周波電源の出力で高温プラズマプロセスを行った場合を示した図である。まず、図１６（ｂ）に示されるように、高温プラズマプロセスを導入した段階で、エッチングレートはかなり低下する。しかしながら、合格ラインはトップのみ到達で、他の測定点では到達していない。
８００℃の０成膜後アニールを行うと、トップ以外の３点は合格ラインに到達した。次いで、成膜後アニールの温度を８５０℃まで上げると、全ての測定点で合格ラインをクリアすることができた。
このように、実施例５によれば、５０００Ｗという高出力で高温プラズマプロセスを行い、アニールを８５０℃といった高温に設定すれば、熱酸化膜のレベルよりも良好な膜質のシリコン酸化膜を成膜することが可能であることが示された。
以上説明した通り、本実施形態に係る成膜方法によれば、６００℃以上の高温プラズマプロセスでＡＬＤを実施し、それよりも高い温度で成膜後にアニールを行うことにより、熱酸化膜のレベルの膜質にまでシリコン酸化膜の膜質を向上させることができる。
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、上述した実施形態及び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、１０・・・搬送アーム、１１・・・天板、１２・・・容器本体、１５・・・搬送口、２１・・・コア部、２４・・・凹部（基板載置部）、３１，３２・・・反応ガスノズル、４１，４２・・・分離ガスノズル、４３・・・溝部、４４・・・（低い）天井面、４５・・・（高い）天井面、５１・・・分離ガス供給管、６１０，６２０・・・排気口、６４０・・・真空ポンプ、７１・・・パージガス供給管、８０・・・プラズマ発生源、８３・・・ファラデー遮蔽板、８５・・・コイル、８７・・・高周波電源、９２・・・ガス導入ノズル、Ｃ・・・中心領域、Ｄ・・・分離領域、Ｅ１，Ｅ２・・・排気領域、Ｓ・・・内部空間、Ｍｓ・・・有機アミノシランガス（第１の反応ガス）の分子、Ｍｏ・・・オゾンガス（第２の反応ガス）の分子、Ｈｙ・・・ＯＨ基、Ｔ・・・トレンチ、Ｗ・・・ウエハ

Claims (9)

  1. 基板を６００℃以上の第１の温度に加熱した状態で、プラズマを用いたＡＬＤにより前記基板上にシリコン酸化膜を堆積させる工程と、
    前記シリコン酸化膜を堆積させる工程を終了させた後、前記シリコン酸化膜を、前記第１の温度よりも高い第２の温度でアニールする工程と、を有するシリコン酸化膜の成膜方法。
  2. 前記シリコン酸化膜を堆積させる工程は、
    前記基板にシリコン含有ガスを吸着させる工程と、
    前記基板に第１の酸化ガスを供給して前記基板に吸着した前記シリコン含有ガスを酸化し、前記シリコン酸化膜を前記基板上に堆積させる工程と、
    前記シリコン酸化膜にプラズマにより活性化した第２の酸化ガスを供給し、前記シリコン酸化膜を改質する工程と、を含み、
    前記基板に前記シリコン含有ガスを吸着させる工程、前記シリコン酸化膜を前記基板上に堆積させる工程及び前記シリコン酸化膜を改質する工程を繰り返す請求項１に記載のシリコン酸化膜の成膜方法。
  3. 前記第２の温度は、前記第１の温度よりも５０℃以上高い温度である請求項２に記載のシリコン酸化膜の成膜方法。
  4. 前記第１の温度は７００℃未満の温度であり、
    前記第２の温度は７５０℃以上の温度である請求項２又は３に記載のシリコン酸化膜の成膜方法。
  5. 前記第１の酸化ガスはオゾンであり、
    前記第２の酸化ガスは酸素を含む請求項２～４のいずれか一項に記載のシリコン酸化膜の成膜方法。
  6. 前記第２の酸化ガスは、酸素と水素を含む混合ガスである請求項５に記載のシリコン酸化膜の成膜方法。
  7. 前記シリコン含有ガスは、アミノシランガスである請求項２～６のいずれか一項に記載のシリコン酸化膜の成膜方法。
  8. 前記アミノシランガスは、トリス（ジメチルアミノ）シランガスである請求項７に記載のシリコン酸化膜の成膜方法。
  9. 処理室と、
    前記処理室内に設けられ、基板を載置可能な回転テーブルと、
    前記回転テーブル内に設けられ、前記基板を６００℃以上の温度に加熱可能なヒータと、
    前記回転テーブルにシリコン含有ガスを供給可能なシリコン含有ガス供給部と、
    前記回転テーブルに酸化ガスを供給可能な酸化ガス供給部と、
    前記回転テーブルに水素と酸素を含む混合ガスを供給可能な混合ガス供給手段と、
    前記混合ガスをプラズマにより活性化するプラズマ発生器と、を含む成膜装置と、
    前記成膜装置から成膜処理後の前記基板を搬送可能な搬送ステーションと、
    前記搬送ステーションにより搬入された前記成膜処理後の前記基板をアニールするアニール装置と、を含む成膜システム。
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