JP5175414B2

JP5175414B2 - 膜形成方法及び装置

Info

Publication number: JP5175414B2
Application number: JP2001195264A
Authority: JP
Inventors: 直毅日向
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2001-06-27
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2021-06-27
Also published as: JP2003017489A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、膜形成方法及び装置に関し、詳しくは、化学的気相堆積（以下、「ＣＶＤ」という）法により２．６〜９４ｋＰａの準大気圧条件下で基体上に薄膜を形成するいわゆるＳＡＣＶＤ（Sub-Atmospheric CVD）法を用いた膜形成方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体素子、半導体装置等に対しては、これまで以上の微細化、薄層化、及び多層化が要求されており、例えば、次世代の０．１８μｍ以降の設計ルールに対応したＵＳＬＩ製品では、更なる制御性の高度化及び多様化が熱望されている。このような状況下、特に絶縁膜、誘電体膜、保護膜等の各種機能膜や用途膜については、薄膜化の要求が厳しく、更に層間絶縁膜等に対しては、平坦化プロセスの容易化及び確実な特性維持を達成するための段差被覆性（Step Coverage）やギャップ埋め込み（Gap Fill）性が要望されている。
【０００３】
このような要求に応えるべく、最近では準大気圧の圧力条件を用いるＳＡＣＶＤ法による膜形成、例えば、ＴＥＯＳ（テトラエチルオルソシリケート；Si(OC₂H₅)₄）及びオゾン（Ｏ₃）を原料ガスとして用いた熱ＣＶＤ法が注目されており、今後の設計ルールに対応する半導体装置向けの層間絶縁膜、素子間分離用等のＢＰＳＧ膜等への適用が期待されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＣＶＤ法においては、一般に、成膜時の圧力が高くなる程、原料ガスの使用量が増大する傾向にある。また、原料ガスをチャンバ内に供給する際には、通常キャリアガスが必要であり、特に、ＴＥＯＳ等の有機シラン類を含む原料ガスを用いる場合には、キャリアガスとしてのＨｅガスが、原料ガスに比して多量に使用されることが多い。よって、原料ガスの増大に伴ってＨｅガスの使用量も増大せざるを得ない。
【０００５】
このＨｅガスは、成膜プロセス用としては、通常９９．９９９％（Five Nines）以上の純度のものが使われ、地域的な格差があるものの、一般に高価なガスである。よって、Ｈｅガスの使用量が増えると材料コストが顕著に増大してしまうといった不都合がある。また、Ｈｅガスの使用量が増えると、それを供給するための設備や機器の大規模化、更にはガスボンベ等の余剰（予備）部材の数量増加等が必要となり、加えて、それらの廃棄コスト、運用コスト等も高くなってしまう。つまり、単なる材料費の増加だけではなく、いわゆるＣＯＯ（Cost Of Ownership；コスト・オブ・オーナーシップ）の増大をも引き起こしてしまう。
【０００６】
また、本発明者の知見によれば、有機シラン類ガスを用いたＳＡＣＶＤ法による成膜では、成膜圧力を圧力範囲の上限値に近づけると、膜特性の向上が認められ得るものの、成膜速度が低下する傾向にあることが見出された。この作用機構の詳細は未だ明らかではないが、膜形成が行われている最表面に原料ガス起因の化学種から生成されるコポリマー等の高分子体が形成され、圧力が比較的高い条件において、その反応速度論的な生成確率、或いは分子量の増大が引き起こされることが一因と推定される。ただし、作用等はこれに限定されない。
【０００７】
このような成膜速度の低下が生じると、所定膜厚を得るための成膜時間を長くする必要があり、その結果、原料ガスの消費量が一層増大してしまい、これに伴ってＨｅガスを更に多量に使用しなければならなくなる。その結果、材料コストひいてはＣＯＯが更に増大してしまうといった問題が生じる。
【０００８】
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ＳＡＣＶＤ法による膜形成に際して、形成された膜の特性を良好に維持しつつ、材料コストの軽減を図ることができ、これによりＣＯＯの増大を十分に抑制或いは低減することができる膜形成方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明による膜形成方法は、ＣＶＤ法により２．６〜９４ｋＰａ（約２０〜約７００Ｔｏｒｒ）の準大気圧条件下で基体上にケイ素原子を含む膜を形成せしめる方法であって、（Ａ）基体上に、有機系シラン類を含む第１のガスと、オゾン（Ｏ₃）を含む第２のガスと、窒素（Ｎ₂）ガスを含む第３のガスとを供給するガス供給工程と、（Ｂ）基体を所定の温度に加熱する基体加熱工程とを備えることを特徴とする。
【００１０】
なお、本発明における「有機系シラン類」とは、分子中の少なくとも一つの水素原子が有機官能基叉は有機未官能基で置換されたモノシラン叉は高次シランを示し、置換基としては、特に限定されず、例えば、アルキル基、アルキニル基、アルケニル基、アルコキシル基（アルコキシ基）、芳香環を有する基（アリール基、アラルキル基、アルキルアリール基等）等が挙げられる。これらの中では、膜として酸化膜を得る場合に、アルコキシル基等の酸素を含む基を有する有機系シラン類つまり有機オキシシラン類を用いると好ましい。特に、有用な有機オキシシランとしては、前出のＴＥＯＳの他、エチルトリエトキシシラン、アミルトリエトキシシラン等のエトキシシラン類が挙げられる。また、これらのガスは、単独で或いは二種以上混合して第１のガスとして用いることができる。
【００１１】
このような膜形成方法においては、ガス供給工程で少なくとも第１〜第３のガスを基体上に供給し、この状態で基体加熱工程を実施すれば、これらの原料ガスが基体の表面から熱エネルギーを付与され、熱ＣＶＤによる化学反応が基体の表面上で引き起こされる。これにより、ケイ素原子及び酸素原子を含むＳｉＯ₂等の酸化膜が基体上に形成される。
【００１２】
このとき、Ｎ₂ガスを含む第３のガスは、キャリアガスとして機能する。本発明者は、第３のガスとしてＮ₂ガスと従来から使用されているＨｅガスとの混合ガスを用いてＢＰＳＧ膜を成膜したところ、従来と略同等の段差被覆性及びギャップ埋め込み性が達成されることが確認された。また、同様の成膜処理を数千枚の基体（ウェハ）に対して実施したところ、膜厚の均一性及びドーパント（ホウ素、リン）の均一性に優れており、しかも十分な再現性が得られることが確認された。
【００１３】
ここで、より具体的には、ガス供給工程においては、第３のガスとして、ヘリウム（Ｈｅ）ガス及び窒素（Ｎ₂）ガスを含むガスを用い、且つ、ＨｅガスとＮ₂ガスとの流量比が好ましくは１０：９０〜８０：２０、より好ましくは２０：８０〜７０：３０となるように、第３のガスを基体上に供給することが望ましい。
【００１４】
この流量比が１０：９０未満であると、基体上の段差部上に形成させた酸化膜等に熱を印加してリフローさせたときに、その温度に依存するものの、平坦化が必ずしも十分な程度に達成され難いことがある。一方、この流量比が８０：２０を超えると、経済性を有意に改善させ得る程度にＨｅガスの使用量を軽減させ難い。
【００１５】
また、ガス供給工程が、基体の周囲の圧力を２．６〜９４ｋＰａの範囲内の第１の圧力に保持した状態で第１〜第３のガスを基体上に供給する第１ステップと、基体の周囲の圧力を第１の圧力と異なる第２の圧力に保持した状態で第１〜第３のガスを基体上に供給する第２ステップとを有すると好ましい。
【００１６】
上述したように、有機系シラン類ガスを原料ガス（反応ガス）とするＳＡＣＶＤ法では、高圧力条件下において成膜速度が低下する傾向にあると原料ガスの消費量の増大によってコストが高騰するおそれがある一方で、段差被覆性を向上させ、緻密且つ膜特性に優れた膜を得るには、成膜速度を過度に高めない方が好ましいことがある。
【００１７】
そこで、本発明のように、ガス供給ステップが、それぞれ圧力値の異なる第１ステップ及び第２ステップを有すれば、第１の圧力を比較的高圧条件として第１ステップを先に所定時間実施し、その後に、第２の圧力がより低圧条件である第２ステップを所定時間実施することが可能となる。こうすれば、第１ステップで膜特性により優れた言わばシード層のような薄膜が形成され、第２ステップにおいて、高い成膜速度で同種膜が積層される。しかも、第２ステップで薄膜上に堆積する物質は、その薄膜と同種の物質であるため、濡れ性に極めて優れたものとなり、段差部における埋め込み性の向上が図られる。すなわち、ガス供給工程においては、第１の圧力を第２の圧力よりも大きな値としたときに、第１ステップを第２ステップの前に実施すると好適であり。
【００１８】
さらに、本発明においては、先述の如く、ホウ素、リン等のドーパントを添加した場合に、形成された薄膜内でのそれらの均一性が十分に満足のいくものとなるので、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ、ＢＳＧ等の種々のドープトオキサイド膜の形成に有用である。つまり、具体的には、ガス供給工程においては、有機系リン化合物叉は有機系ホウ素化合物を含む第４のガスを基体上に供給しても好ましい。
【００１９】
また、本発明による膜形成装置は、本発明の膜形成方法を有効に実施するための装置であり、ＣＶＤ法により２．６〜９４ｋＰａの準大気圧条件下で基体上にケイ素原子を含む膜が形成されるものであって、（１）基体が収容されるチャンバと、（２）チャンバに接続されており、有機系シラン類を含む第１のガスを有する第１のガス供給源と、オゾンを含む第２のガスを有する第２のガス供給源と、窒素ガスを含む第３のガスを有する第３のガス供給源とを有するガス供給部と、（３）基体を所定の温度に加熱する基体加熱部とを備えることを特徴とする。
【００２０】
さらに、（４）チャンバ内の圧力が２．６〜９４ｋＰａの範囲内の第１の圧力となるように、且つ、チャンバ内の圧力が第１の圧力と異なる第２の圧力となるように、チャンバ内の圧力を調整する圧力制御部を更に備えると好ましい。或いは、ガス供給部が、有機系リン化合物叉は有機系ホウ素化合物を含む第４のガスを有する第４のガス供給源を更に有するものであっても好適である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。また、図面の寸法比率は、図示の比率に限られるものではない。
【００２２】
図１は、本発明による膜形成装置の好適な一実施形態を模式的に示す水平断面図である。膜形成装置としてのＣＶＤ装置１は、断面が略方形状を成すメインフレームを有するトランスファーチャンバ２の三方の側壁に、シリコンウェハＷ（基体）が二枚同時に収容されるツインチャンバ３が結合され、残る一方の側壁に、ロードロックチャンバ６ａ，６ｂが内部に設けられたロードロック部６が結合されたものである。トランスファーチャンバ２内には、伸縮可能な二つのアーム部２１を有するウェハ搬送ロボット２３が設置されており、それらのアーム部２１の先端部にシリコンウェハＷが載置されて保持されるようになっている。また、各ツインチャンバ３は、シリコンウェハＷが載置されるサセプタ５を二基づつ有している。
【００２３】
図２は、図１に示すＣＶＤ装置１の要部を示す断面図（一部構成図）であり、断面図の部分は図１におけるII−II線断面を示すものである。同図において、ツインチャンバ３は、チャンバ筐体１１にチャンバ４が二基並設されたものである。各チャンバ４は、シリコンウェハＷが載置される上述のサセプタ５をそれぞれ有しており、各サセプタ５の上方には、中空の円盤状を成すシャワーヘッド部４０がそれぞれ設けられている。
【００２４】
また、サセプタ５は、Ｏリング、メタルシール等により、チャンバ４に気密に設けられると共に、図示しない可動機構により上下駆動可能に設けられている。この可動機構により、シリコンウェハＷとシャワーヘッド部４０との間隔が調整されるようになっている。さらに、サセプタ５にはヒーター５１（基体加熱部）が内設されており、これによりシリコンウェハＷが所望の所定温度に加熱される。
【００２５】
一方、シャワーヘッド部４０は、二基のチャンバ４に対して共通に設けられ且つ各チャンバ４に対してガス供給口９が設けられたベースプレートを上壁とする胴部４１と、複数の貫通孔が穿設された多孔板状を成すブロッカープレート４３及び同フェイスプレート４５とを有するものである。胴部４１は、ガス供給口９と連通する略円柱状の内部空間を形成する凹部を有しており、この凹部の下端側内周部にフェイスプレート４５の周縁部が結合されている。このフェイスプレート４５の上方には、ブロッカープレート４３がフェイスプレート４５と略平行に設置されており、胴部４１の上壁とブロッカープレート４３との間、及び、ブロッカープレート４３とフェイスプレート４５との間に、ガス供給口９と連通する空間が画成されている。
【００２６】
さらに、各チャンバ４の下部には、開口部７が設けられており、これらには、各チャンバ４の内部を減圧し、後述するガス供給部３０から各ガスの供給流量に応じて各チャンバ４内の圧力を２．６〜９４ｋＰａ（約２０〜約７００Ｔｏｒｒ）に維持可能な真空ポンプを有する排気系７０（圧力制御部）がバルブ系Ｖを介して接続されている。
【００２７】
このバルブ系としては、例えば、上流側（ツインチャンバ３側）に配置された二枚ブレード式のターボスロットルバルブと、下流側（排気系７０側）に配置されたアイソレーションバルブとから構成することができ、さらに、ゲートバルブを付加してもよい。また、排気系７０に用いる真空ポンプとしては、各チャンバ４内を準大気圧つまり上記の圧力範囲に保持可能な排気力容量を有していれば、特に限定されず、例えば、ドライポンプ付きターボ分子ポンプ等を例示できる。バルブ系Ｖ及び排気系７０をこのように構成すれば、シリコンウェハＷの処理時に各チャンバ４内の圧力を上記範囲の圧力に安定に制御し易い利点がある。
【００２８】
また、ツインチャンバ３には、ガス供給部３０が接続されている。このガス供給部３０は、ＴＥＯＳガス供給源３１（第１のガス供給源）、Ｏ₃ガス発生源３２（第２のガス供給源）、ＴＥＢ（トリエチルボレート；B(OC₂H₅)₃）ガス供給源３３（第４のガス供給源）、ＴＥＰＯ（トリエチルフォスヘート；P(OC₂H₅)₃）ガス供給源３４（第４のガス供給源）、Ｈｅガス供給源３５、及びＮ₂ガス供給源３６を有している。これらのうち、Ｈｅガス供給源３５及びＮ₂ガス供給源３６から第３のガス供給源が構成されている。
【００２９】
これらのガス供給源３１〜３６は、各ガスの供給流量を制御するＭＦＣ（質量流量コントローラ）３１ａ〜３６ａが設けられた配管１０を介して、各シャワーヘッド部４０のガス供給口９に接続されている。これらにより、ＴＥＯＳガス（第１のガス）、Ｏ₃ガス（第２のガス）、ＴＥＢガス（第４のガス）、ＴＥＰＯガス（第４のガス）、並びに、Ｈｅガス及びＮ₂ガスから成るキャリアガス（第３のガス）が、各チャンバ４のシャワーヘッド部４０内に導入され、それぞれのブロッカープレート４３及びフェイスプレート４５を介して各チャンバ４内に供給される。
【００３０】
また、配管１０には、遠隔プラズマ（リモートプラズマ）処理を採用したクリーニング系８が接続されている。このクリーニング系８は、配管１０側に配置されたリアクターキャビティ８１と、これにＭＦＣ８２ａを介して接続された、例えばＮＦ₃ガス等のフッ素原子を含有するガスの供給源８２を有している。リアクターキャビティ８１には、プラズマを生成するためのマイクロ波ジェネレータ（図示せず）が装備されており、ガス供給源８２から供給されたクリーニングガスとしてのＮＦ₃ガスが解離等してラジカル等の活性種が生じ、条件にもよるが主として中性活性種等がチャンバ４内に供給されるようになっている。
【００３１】
なお、図示を省略したが、シリコンウェハＷの表面側のチャンバ４内空間と裏面側のチャンバ４内空間とは、互いにガス封止されるようになっている。つまり、表面側にはガス供給部３０からシャワーヘッド部４０を通して原料ガス等が供給され、裏面側には図示しないバックサイドパージ系からパージガスが供給されるようにされており、両ガスが互いに反対面側の空間領域へ流入しないようになっている。
【００３２】
このように構成されたＣＶＤ装置１を用いた本発明による膜形成方法の一例について説明する。なお、ＣＶＤ装置１の以下に述べる各動作は、自動叉は操作者による操作に基づき、図示しない制御装置（系）叉は手動で制御する。また、ここでは、ゲートが設けられたシリコンウェハＷ上にＢＰＳＧ膜を形成せしめる一方法を例示する。この方法は、例えば０．１８〜０．１３μｍの設計ルールに則ったＤＲＡＭ等の製造におけるＰＭＤ（Pre-Metal Dielectric）形成プロセスに特に有効な方法である。ただし、本発明はこの用途に限定されるものではない。
【００３３】
まず、排気系７０を運転して各チャンバ４内を所定の圧力に減圧する。この減圧下において、ウェハ搬送ロボット２３により、ロードロックチャンバ６ａ，６ｂに予め保持させておいたシリコンウェハＷを、トランスファーチャンバ２を介して所定のツインチャンバ３内へ搬送する。次いで、二枚のシリコンウェハＷをツインチャンバ３内に設けられた二基のチャンバ４内の各サセプタ５上に載置して収容する。次に、Ｈｅガス及びＮ₂ガスをガス供給源３５，３６から配管１０を通して両チャンバ４内へ供給すると共に、それぞれのチャンバ４の内部が上述した圧力範囲内（２．６〜９４ｋＰａの準大気圧）の所定値となるように圧力調整を行う。各チャンバ４内の圧力がその所定値で安定した後、以下に示す二段階の膜形成プロセスを実施する。
【００３４】
〔第１プロセス〕
まず、成膜用の原料ガスとしてＴＥＯＳガス、Ｏ₃ガス、ＴＥＢガス、及びＴＥＰＯガスを、それぞれの供給源３１〜３４から配管１０を通して各シャワーヘッド部４０へ供給する。このとき、各チャンバ４内の圧力（第１の圧力）を、好ましくは２６〜９４ｋＰａ（２００〜７００Ｔｏｒｒ）、より好ましくは４０〜８６ｋＰａ（３００〜６５０Ｔｏｒｒ）、更に好ましくは５３〜８０ｋＰａ（４００〜６００Ｔｏｒｒ）となるように調整する（第１ステップ）。
【００３５】
また、このときの各ガスの供給流量は、シリコンウェハＷの外径、シリコンウェハＷ上に形成されたゲート間隔（ギャップ幅）、成膜すべきＢＰＳＧ膜の膜厚等によって異なるものの、例えば、以下に示す流量範囲とすることができる。
〈第１プロセスにおけるガス供給流量〉
・ＴＥＯＳ：２００〜８００mg/min（mgm）
・ＴＥＢ：２０〜１００mg/min（mgm）
・ＴＥＰＯ：４０〜１５０mg/min（mgm）
・Ｏ₃：４０００〜２００００ml/min（sccm）
・Ｈｅ＋Ｎ₂：２０００〜２００００ml/min（sccm）
【００３６】
ここで、ＨｅガスとＮ₂ガスとの流量比が、好ましくは１０：９０〜８０：２０、より好ましくは２０：８０〜７０：３０となるように両ガスを供給するすると好適である。
【００３７】
このようにしてガス供給口９から各シャワーヘッド部４０の内空間へ導入された各ガスは、ブロッカープレート４３により分散されて十分に混合され、複数の貫通孔を通してブロッカープレート４３とフェイスプレート４５との間の空間へ流出する。この混合ガスは、フェイスプレート４５の複数の貫通孔を通してシャワーヘッド部４０の下方に流出し、サセプタ５上に載置されたシリコンウェハＷ上に供給される。
【００３８】
一方、これらのガスを各チャンバ４内へ供給すると共に、サセプタ５のヒーター５１に電力を供給し、サセプタ５を介してシリコンウェハＷが所定温度となるように加熱する。この場合、シリコンウェハＷの温度（基板温度、成膜温度）を、好ましくは３５０℃以上、より好ましくは４００〜５００℃、特に好ましくは４５０〜５００℃の範囲内の温度とする（基体加熱工程）。これにより、シリコンウェハＷ上に達した原料ガスを反応させる。
【００３９】
シリコンウェハＷの直上方では、種々の素反応（熱化学反応）が生じて複雑に関与し、反応場の状態に応じた平衡及び律速条件に応じた化学種（支配因子）が生成され、これらの化学種の反応によって種々の中間生成物が形成され、最終的にシリコンウェハＷ上にＢＰＳＧ膜が堆積形成される。上述したように、この第１プロセスの圧力条件は、比較的高い準大気圧条件であり、より圧力条件が低い後述する第２プロセスに比して成膜速度が比較的小さい。
【００４０】
本発明者の知見によれば、成膜圧力を高めた場合に成膜速度が低下するこのような現象は、有機シラン類ガスを用いたＳＡＣＶＤ法において、且つ、成膜圧力を準大気圧条件の上限値に近づける程顕著な傾向にある。また、成膜速度は低下するものの、ＢＰＳＧ膜等の膜特性が向上される傾向にある。
【００４１】
このメカニズムの詳細については、未解明な部分があるが、ＢＰＳＧ膜の形成が行われている最表面に原料ガス起因の化学種から生成されるコポリマー等の高分子体が形成され、本第１プロセスのように圧力が比較的高い条件において、その反応速度論的な生成確率、或いは分子量の増大が引き起こされるのではないかと推定される。その結果、例えば、見かけ上供給律速の状態が生起され、これにより、成膜速度が低下することが一因と考えられる。ただし、作用はこれに限定されない。
【００４２】
なお、第１プロセスで成膜させるＢＰＳＧ膜の膜厚は、特に制限はないものの、後述する第２プロセスで成膜されるＢＰＳＧ膜の下地層として十分な程度に厚く、且つ、上述の如く成膜速度が十分に高められない点を考慮すれば、極力薄い方が好ましい。また、ゲート間隔等にも依存するが、第１プロセスでは、一例として数百〜数千Å（数十〜数百ｎｍ）程度の厚さを有するＢＰＳＧ膜を形成させると好適である。次いで、成膜速度に応じて、上記の厚さのＢＰＳＧ膜が形成される間成膜を実施した後、以下に示す第２プロセスへ移行する。
【００４３】
〔第２プロセス〕
第１プロセスに引き続き、各チャンバ４内の圧力値、及び各ガスの供給流量を変化させた状態で、第１プロセスで形成したＢＰＳＧ膜上に更にＢＰＳＧ膜を形成させる。このとき、ガス供給流量の切替えは、可能な限り短時間に行うことが好ましい。このための手段としては、配管１０にバイパスラインを設けたいわゆるダイバータを用いると好適である。具体的には、第１プロセスの実施中、叉は第１プロセスの終了前に、第２プロセスにおける所定のバイパスライン側に第２プロセスでの所望のガス流量で各ガスを流しておき、第１プロセスの終了時に、バイパスラインを流通している各ガスを配管１０へ流入させる。これは、バルブ制御（弁制御）等によって実施可能である。また、チャンバ４内の圧力切り換えは、排気系７０により実施できる。
【００４４】
この第２プロセスでは、各チャンバ４内の圧力（第２の圧力）を第１プロセスに比して小さくする。例えば、好ましくは２．６〜８０ｋＰａ（２０〜６００Ｔｏｒｒ）、より好ましくは６．７〜５３ｋＰａ（５０〜４００Ｔｏｒｒ）、特に好ましくは１３〜４０ｋＰａ（１００〜３００Ｔｏｒｒ）となるように調整する（第２ステップ）。また、シリコンウェハＷの温度は、第１プロセスにおけるのと同等の温度範囲内の温度に保持する（基体加熱工程）。
【００４５】
またさらに、このときの各ガスの供給流量は、シリコンウェハＷの外径、シリコンウェハＷ上に形成されたゲート間隔（ギャップ幅）、成膜すべきＢＰＳＧ膜の膜厚等によって異なるものの、例えば、以下に示す流量範囲とすることができる。
〈第２プロセスにおけるガス供給流量〉
・ＴＥＯＳ：８００〜２４００mg/min（mgm）
・ＴＥＢ：１２０〜３５０mg/min（mgm）
・ＴＥＰＯ：６０〜１８０mg/min（mgm）
・Ｏ₃：４０００〜２００００ml/min（sccm）
・Ｈｅ＋Ｎ₂：２０００〜２００００ml/min（sccm）
【００４６】
この第２プロセスにおいても、第１プロセスと同様に、ＨｅガスとＮ₂ガスとの流量比を好ましくは１０：９０〜８０：２０、より好ましくは２０：８０〜７０：３０となるように両ガスの供給流量を調節することが望ましい。このようにしてガス供給口９から各シャワーヘッド部４０の内空間へ導入された各ガスは、フェイスプレート４５からシャワーヘッド部４０の下方に流出し、サセプタ５上に載置されたシリコンウェハＷ上に供給される。
【００４７】
シリコンウェハＷ上では、第１プロセスと同様に、熱化学反応が生起され、第１プロセスで形成されたＢＰＳＧ膜上に更にＢＰＳＧが堆積する。先述したように、第２プロセスでは成膜圧力を第１プロセスに比して小さくし、これにより成膜速度が増大される。また、シリコンウェハＷ上に設けられているゲート上には第１プロセスで生成されたＢＰＳＧ膜が積層されているので、ゲート間のギャップは一層狭隘なものとなっているが、第１プロセスで形成させたＢＰＳＧ膜が濡れ性を改善できる下地膜として機能するので、段差被覆性及びギャップ埋め込み性が高められる。したがって、成膜速度が向上されつつ、ボイド等の発生が十分に防止される。
【００４８】
第２プロセスで成膜させるＢＰＳＧ膜の膜厚は、特に制限はなく、第１プロセスで成膜されたＢＰＳＧ膜との合計厚さが所望の必要な膜厚となるような時間、成膜を実施する。一例として、第２プロセスでは、数百〜数万Å（数十〜数千ｎｍ）程度の厚さを有するＢＰＳＧ膜を形成させると好適である。そして、成膜速度に応じて、このような厚さのＢＰＳＧ膜が形成される間成膜を実施した後、各ガスの供給を停止してＢＰＳＧ膜の成膜を終了する。
【００４９】
その後、必要に応じて各チャンバ４内に残存するガスをパージした後、ＢＰＳＧ膜が形成されたシリコンウェハＷに対して熱処理、例えばリフローを実施する。この熱処理によって、ＢＰＳＧ膜の平坦化が行われ、その後に更に配線層としての金属薄膜を形成せしめる。これらの熱処理や金属薄膜形成処理は、ＢＰＳＧ膜が形成された各シリコンウェハＷを別のツインチャンバ３内のチャンバ４内に移載して実施すると好適である。また、必要に応じてクリーニング系８を運転し、ＢＰＳＧ膜の成膜が行われた各チャンバ４内を、ＮＦ₃ガスを用いたリモートプラズマクリーニングによって穏和な条件で清浄化する。
【００５０】
このように構成されたＣＶＤ装置１及びそれを用いた本発明の膜形成方法によれば、ＴＥＯＳガス等の有機系シラン類ガスとＯ₃ガスとを原料ガス（反応ガス）とするＳＡＣＶＤ法による膜形成に際し、Ｈｅガスよりも格段に安価なＮ₂ガスとＨｅガスとの混合ガスをキャリアガスとして用いるので、キャリアガスとしてＨｅガスのみを用いていた従来に比して、高価なＨｅガスの使用量を低減できる。よって、キャリアガスの材料コストを低減できる。
【００５１】
特に、準大気圧条件でも比較的高い圧力で成膜を実施した場合には、先述の如く成膜速度が低下する傾向にあるので、キャリアガスの使用量は増大してしまい、高価なＨｅガスの材料コストが一層増大するのみならず、そのための設備費や余剰部材の増加、ひいてはＣＯＯが増大される。これに対し、本発明によれば、キャリアガスの一部にＮ₂ガスを用いるので、キャリアガスの使用量の増大に起因する経済性の悪化を軽減できる。また、これにより、設備費及び部材費の増大、及び、それらに伴う必要経費の増大を十分に抑止できる。したがって、ＣＯＯを十分に低く抑えることができる。
【００５２】
ところで、Ｎ₂ガスは、一般に不活性なガスとして有用されているものの、Ｈｅのような希ガスに比べれば全く反応性がないわけではなく、当然分子量も異なり、特に熱ＣＶＤのような活性種を生起させて化学反応によってシリコンウェハＷ上に成膜を行う際に、原料ガスとして用いた場合の挙動、化学量論的叉は反応速度論的な影響、更には成膜されたＢＰＳＧ膜等の膜特性へ与える影響等の詳細については、これまでのところ明らかになっていなかった。
【００５３】
これに対し、本発明者の研究によれば、前述したＮ₂ガスとＨｅガスとの混合ガスを用いたＢＰＳＧ膜の成膜に際し、従来のＨｅガスのみをキャリアガスとして用いたのと略同等の段差被覆性及びギャップ埋め込み性が達成されることが確認された。また、同様の成膜処理を数千枚の基体（ウェハ）に対して実施したところ、後述する実施例で詳述するように、膜厚の均一性及びドーパント（ホウ素、リン）の均一性に優れており、しかも十分な再現性が得られることが確認された。
【００５４】
しかしながら、ＢＰＳＧ膜が形成されたシリコンウェハＷについてリフロー工程を実施したところ、ゲートが設けられた段差部分の平坦性（或いはリフローカバレッジ）に関し、Ｈｅガスのみを用いた場合と、Ｎ₂ガスを混合した場合とで若干の差異が認められた。
【００５５】
これらに鑑みると、Ｎ₂ガスを含むキャリアガスを用いた本発明によれば、十分に優れたＢＰＳＧ膜の成膜を実施でき、この点において十分な成膜特性を発現できるものの、ＢＰＳＧ膜の生成機構が、Ｈｅのみを用いた従来と厳密には異なることが推認される。また、本発明者の更なる研究によれば、Ｎ₂ガスを用いたときとＨｅガスを用いた場合とでは、ＢＰＳＧの生成に際して形成される反応中間体としての高分子体（ポリマー）構造が異なる可能性がある。この差異の詳細は未だ明らかになっていないが、このような反応機構の微差が、膜特性に不都合な影響を与えない程度に膜質を変化させる一因と推定される。ただし、作用、メカニズムについては、これらに限定されるものではない。
【００５６】
また、二段階の成膜プロセス、つまり比較的高圧の条件下で第１プロセスを実施し、膜質により優れたＢＰＳＧ膜を形成した後、第１プロセスよりも高圧条件の第２プロセスを引き続き実施してより高い成膜速度で同種のＢＰＳＧ膜を形成するので、膜特性に優れたＢＰＳＧ膜を高い成膜効率で形成することが可能となる。さらに、第１プロセスで形成させたＢＰＳＧ膜が、第２プロセスで生成するＢＰＳＧの濡れ性改善膜となり、ゲート間のギャップ埋め込み性を一層向上させることができる。
【００５７】
またさらに、第１プロセス及び第２プロセスにおいて、ＨｅガスとＮ₂ガスとの流量比を好ましくは１０：９０〜８０：２０、より好ましくは２０：８０〜７０：３０とするので、ＢＰＳＧ膜に対して熱工程を実施した後の平坦性をより高めることができるとともに、経済性及びＣＯＯを十分に改善できる利点がある。すなわち、この流量比が１０：９０未満であると、リフロー時の印加温度に依るものの、ＢＰＳＧ膜の平坦化が必ずしも十分な程度に達成され難いことがある。一方、この流量比が８０：２０を超えると、ＨｅガスのＮ₂ガスによる置換量が十分ではなく、経済性を有意に改善させ難い傾向にある。
【００５８】
なお、上述した本発明の実施形態においては、第１のガスとしては、ＴＥＯＳガスに限られず、例えば、エチルトリエトキシシラン、アミルトリエトキシシラン等のエトキシシラン類といった他の有機系シラン類を用いてもよい。また、ＴＥＢガス、ＴＥＰＯガスといった第４のガスを用いなくてもよい。さらに、膜形成装置としては、ＣＶＤ装置１のようなツインチャンバ３を有するものに限られず、モノチャンバから成るＣＶＤチャンバ、或いはそのＣＶＤチャンバメインフレームに備えるシステムとしても構わない。さらにまた、成膜プロセスを二段階で実施しなくてもよく、単一のプロセスつまり成膜圧力を二段階に変化させないプロセスでＢＰＳＧ膜等を形成させてもよく、或いは、三段階以上の多段階プロセスを実施しても構わない。
【００５９】
【実施例】
以下、本発明に係る具体的な実施例について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００６０】
〈実施例１〉
図１に示すＣＶＤ装置１と同様の構成を有する膜形成装置（Applied Materials 社製；Producer（登録商標）をベースとした装置）を準備した。この装置を使用し、キャリアガスとしてＨｅガスとＮ₂ガスとの混合ガス（流量比５０：５０）を用いた先述したのと同様な二段階の成膜プロセスにより、シリコンウェハ上にＢＰＳＧ膜を形成させた。このシリコンウェハは、シリコン基層上に形成されたＳｉＯ₂層上に複数のゲート（ギャップ間隔：０．０３５μｍ、アルペクト比：７．７）が設けられたものであり、０．１３μｍの設計ルールに準拠したＤＲＡＭに相当するものである。
【００６１】
実施例１における成膜条件を表１に示す。なお、表中の「スペーシング」とは、シャワーヘッド部のフェイスプレート下面とシリコンウェハウェハ上面との間隔を示す。また、実施例１でＢＰＳＧ膜を形成したシリコンウェハの断面をＳＥＭ観察したところ、十分なギャップ埋め込み性を達成できることが確認された。
また、ボイドの発生も認められなかった。
【００６２】
〈実施例２〉
シリコンウェハとして、シリコン基層上に形成された約１００ｎｍ厚のＳｉＯ₂層上に厚さ約５００ｎｍのポリシリコンから成るゲートが設けられたものを用いたこと、及び、成膜を単一プロセスで実施したこと以外は実施例１と同様にしてＢＰＳＧ膜を形成した。成膜条件を表１に併せて示す。
【００６３】
〈実施例３〉
ＨｅガスとＮ₂ガスとの流量比を３３：６７としたこと以外は、実施例２と同様にしてシリコンウェハ上にＢＰＳＧ膜を形成した。成膜条件を表１に併せて示す。
【００６４】
〈実施例４〉
キャリアガスとして、ＨｅガスとＮ₂ガスとの混合ガスの代りにＮ₂ガスのみを使用したこと以外は、実施例２と同様にしてシリコンウェハ上にＢＰＳＧ膜を形成した。成膜条件を表１に併せて示す。
【００６５】
〈比較例１〉
キャリアガスとして、ＨｅガスとＮ₂ガスとの混合ガスの代りにＨｅガスのみを使用したこと以外は、実施例２と同様にしてシリコンウェハ上にＢＰＳＧ膜を形成した。成膜条件を表１に併せて示す。
【００６６】
【表１】

【００６７】
〈リフロー試験〉
実施例２〜４及び比較例１でＢＰＳＧ膜を形成したシリコンウェハを、Ｎ₂雰囲気において温度８５０℃で２０分間のリフローを実施した。その後、各ウェハの断面ＳＥＭ観察を行い、リフロー実施後の各ＢＰＳＧ膜のリフローカバレッジを測定した。
【００６８】
図３は、リフローカバレッジの指標θを示す模式図である。図３において、シリコン基層１００に形成されたＳｉＯ₂層１０１上にポリシリコン層１０２が設けられたものが基体としてのシリコンウェハであり、リフローによってＢＰＳＧ膜１０３の平坦化が図られる。ここで、リフロー後のＢＰＳＧ膜の傾斜稜線における直線部の仮想延長線Ｓａとシリコン基層表面と平行な直線Ｓｂとの交差鋭角θ（°）をリフローカバレッジの指標とした。
【００６９】
図４（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ実施例２、実施例３、実施例４、及び比較例１でＢＰＳＧ膜を形成したシリコンウェハの断面を示すＳＥＭ写真に指標θの測定結果等を重ねて表示したものである。その結果、リフローカバレッジの指標θは、比較例１が２８．８°、実施例２が３２．０°、実施例３が３６．１８°、実施例４が３７．８７°であった。いずれの指標θも過度に大きくなく、リフローカバレッジに優れることが判明した。また、これらの中では、Ｈｅのみを用いた比較例１のθが一番小さく、Ｎ₂ガスの割合が増える程θが大きくなる傾向が確認された。
【００７０】
〈実施例５及び膜性状測定試験〉
実施例１と同様の条件により、実施例１で用いたものと同じシリコンウェハ２７１４枚に対してＢＰＳＧ膜の成膜（いわゆるマラソン試験）を実施した。成膜後、それらのシリコンウェハのＢＰＳＧ膜の性状として、膜厚測定、並びに、膜中のドーパントであるホウ素（Ｂ）及びリン（Ｐ）の濃度を測定した。
【００７１】
膜厚測定は、Tencor社製の Prometrix UV-1250 を使用し、周辺部３ｍｍ排除及び４９点円形測定条件、並びに、周辺部５ｍｍ排除及び９点円形測定条件にて、第１プロセス及び第２プロセスでそれぞれ形成した各膜並びに膜全体について実施した。得られた測定結果から膜厚の平均値、ウェハ内の膜厚均一性（Within wafer stack uniformity）、及び、ウェハ間の膜厚再現性（均一性：Wafer-to-wafer stack uniformity）を以下の方法により算出した。また、膜厚値と成膜時間とから成膜速度の算出も行った。
【００７２】
（１）膜厚平均値
周辺部３ｍｍ排除及び４９点円形測定条件による全測定値の平均値を算出した。
【００７３】
（２）ウェハ内の膜厚均一性
周辺部５ｍｍ排除及び９点円形測定条件の測定結果から、まず、膜厚範囲＝（膜厚最大値−膜厚最小値）を各ウェハについて算出し、次に、これらの膜厚範囲の平均値を算出し、次いで、この膜厚範囲の平均値を上記（１）で得た膜厚平均値×２で除し百分率で表した値を、ウェハ内の膜厚均一性（WIW-%）とした。
【００７４】
（３）ウェハ間の膜厚再現性
周辺部５ｍｍ排除及び９点円形測定条件の測定結果から、まず、各ウェハの膜厚平均値を算出し、次いで、それらの膜厚範囲＝（膜厚最大値−膜厚最小値）を算出し、次に、この膜厚範囲を上記（１）で得た膜厚平均値×２で除し百分率で表した値を、ウェハ間の膜厚再現性（WTW-%）とした。
【００７５】
また、ドーパント（Ｂ，Ｐ）濃度は、Nicolet社製の FT-IR装置を使用し、周辺部１０ｍｍ排除及び５点円形測定条件にて、第１プロセス及び第２プロセスでそれぞれ形成した各膜に対して実施した。得られた測定結果からドーパント濃度の平均値、ウェハ内のドーパント濃度均一性（Within wafer stack uniformity）、及び、ウェハ間のドーパント濃度再現性（均一性：Wafer-to-wafer stack uniformity）を以下の方法により算出した。
【００７６】
（４）ドーパント濃度平均値
ホウ素及びリンのそれぞれについて、全測定値の平均値を算出した。
【００７７】
（５）ウェハ内のドーパント濃度均一性
まず、ホウ素及びリンの濃度範囲＝（濃度最大値−濃度最小値）を各ウェハについて算出し、次に、これらの濃度範囲の平均値を算出し、次いで、この濃度範囲の平均値を上記（４）で得た濃度平均値×２で除し百分率で表した値を、ウェハ内のホウ素及びリン濃度均一性（WIW-%）とした。
【００７８】
（６）ウェハ間のドーパント濃度再現性
まず、各ウェハのホウ素及びリン濃度の平均値を算出し、次いで、それらの濃度範囲＝（濃度最大値−濃度最小値）を算出し、次に、この濃度範囲を上記（４）で得た濃度平均値×２で除し百分率で表した値を、ウェハ間のホウ素及びリン濃度再現性（WTW-%）とした。
【００７９】
それぞれの結果をまとめて表２に示す。また、デバイス製造におけるＢＰＳＧ膜への要求値の一例を併せて表２に示す。この結果より、本発明によれば、数千枚に及ぶ成膜において、極めて優れた処理安定性を達成でき、膜厚及びドーパント濃度について十分な均一性及び再現性を実現できることが判明した。
【００８０】
【表２】

【００８１】
〈経済性評価〉
実施例１の第２プロセスのみを用いてＢＰＳＧ膜を成膜したケース１、及び、キャリアガスとしてＨｅガスのみを用いたこと以外はケース１と同様にＢＰＳＧ膜を成膜したケース２を実施し、これらのケースにおける原料ガスのコストを実算した。なお、各ガスの実勢価格は日本国における平均的な数値を使用した。その結果、本発明による膜形成方法を用いたケース１の原料ガスコストは、従来の方法を用いたケース２の原料ガスコストの約３５％であった。これより、本発明によれば、従来に比して経済性を格段に改善できることが確認された。
【００８２】
〈ＣＯＯ評価〉
上記ケース１及び２によるＢＰＳＧ膜の成膜を実製造ラインに適用した場合のＣＯＯを推算した。ここで、ＣＯＯの算出にあたっては、下記式（１）；
【００８３】
【数１】

で表される定義式を用いた。式中、Ｅｃは“装置コスト”（Equipment cost）を示し、Ｓｗｃは“再使用・廃棄コスト”（Scrap and waste cost）を示し、Ｏｃは“運用コスト”（Operating cost）を示し、Ｅtpは装置のスループットを示し、Ｒｑは“良品割合（歩留まり）”（Rate of quality ）を示し、Ａは“装置の利用時間”（Available time）を示す。
【００８４】
その結果、本発明による膜形成方法を用いたケース１のＣＯＯは、従来の方法を用いたケース２のＣＯＯの約４０％であった。これより、本発明によれば、従来に比して、原料コスト等の経済性の改善のみならず、ＣＯＯをも十分に低減できることが確認された。
【００８５】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明による膜形成方法及びその装置によれば、ＳＡＣＶＤ法によるＢＰＳＧ膜等の膜形成に際して、形成された膜の特性を良好に維持しつつ、材料コストの軽減を図ることができると共に、これによりＣＯＯの増大を十分に抑制或いは低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による膜形成装置の好適な一実施形態を模式的に示す水平断面図である。
【図２】図１に示すＣＶＤ装置１の要部を示す断面図（一部構成図）である。
【図３】リフローカバレッジの指標θを示す模式図である。
【図４】図４（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ実施例２、実施例３、実施例４、及び比較例１でＢＰＳＧ膜を形成したシリコンウェハの断面を示すＳＥＭ写真に指標θの測定結果等を重ねて表示したものである。
【符号の説明】
１…ＣＶＤ装置（膜形成装置）、４…チャンバ、５…サセプタ、２３…ウェハ搬送ロボット、３０…ガス供給部、３１…ガス供給源（第１のガス供給源）、３２…ガス発生源（第２のガス供給源）、３３，３４…ガス供給源（第４のガス供給源）、３５，３６…ガス供給源（第３のガス供給源）、４０…シャワーヘッド部、５１…ヒーター（基体加熱部）、７０…排気系（圧力制御部）、Ｗ…シリコンウェハ（基体）。

Claims

化学的気相堆積法により２．６〜９４ｋＰａの準大気圧条件下で、基体上にケイ素原子を含む膜を形成する膜形成方法であって、前記基体上に、有機系シラン類を含む第１のガスと、オゾン（Ｏ_３）を含む第２のガスと、窒素（Ｎ_２）ガスを含む第３のガスとを供給するガス供給工程と、前記基体を所定の温度に加熱する基体加熱工程と、を備え、
前記基体の周囲の圧力を、２．６〜９４ｋＰａの範囲内の第１の圧力に保持した状態で、前記第１〜第３のガスを該基体上に供給する第１ステップと、
前記基体の周囲の圧力を、前記第１の圧力より小さい第２の圧力に保持した状態で、前記第１〜第３のガスを該基体上に供給する第２ステップと、を有し、
前記第３のガスとして、ヘリウム（Ｈｅ）ガス及び窒素（Ｎ _２）ガスを含むガスを用い、且つ、該ヘリウム（Ｈｅ）ガスと該窒素（Ｎ _２）ガスとの流量比が、１０：９０〜８０：２０となるように、該第３のガスを前記基体上に供給することを特徴とする膜形成方法。
前記ガス供給工程において、有機系リン化合物叉は有機系ホウ素化合物を含む第４のガスを前記基体上に供給する、ことを特徴とする請求項１に記載の膜形成方法。
化学的気相堆積法により、２．６〜９４ｋＰａの準大気圧条件下で、基体上にケイ素原子を含む膜が形成される膜形成装置であって、前記基体が収容されるチャンバと、前記チャンバに接続されており、有機系シラン類を含む第１のガスを有する第１のガス供給源と、オゾンを含む第２のガスを有する第２のガス供給源と、窒素ガスを含む第３のガスを有する第３のガス供給源と、を有するガス供給部と、前記基体を所定の温度に加熱する基体加熱部とを備え、前記ガス供給部は、
前記基体の周囲の圧力を、２．６〜９４ｋＰａの範囲内の第１の圧力に保持した状態で、前記第１〜第３のガスを該基体上に供給し、所定の時間経過後、前記基体の周囲の圧力を、前記第１の圧力より小さい第２の圧力に保持した状態で、前記第１〜第３のガスを該基体上に供給し、
前記第３のガスとして、ヘリウム（Ｈｅ）ガス及び窒素（Ｎ _２）ガスを含むガスを、該ヘリウム（Ｈｅ）ガスと該窒素（Ｎ _２）ガスとの流量比が１０：９０〜８０：２０となるように、該第３のガスを前記基体上に供給することを特徴とする膜形成装置。
前記ガス供給部が、有機系リン化合物叉は有機系ホウ素化合物を含む第４のガスを有する第４のガス供給源を更に有するものである、ことを特徴とする請求項３に記載の膜形成装置