JP5634366B2 - 成膜装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、成膜装置及び半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置の分野などでは、微細な素子間のアイソレーションのために、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）構造が広く用いられている。ＳＴＩ構造のプロセスは、基板の表面にトレンチを形成する工程と、基板上に溶液を塗布することによりトレンチ内に溶液を埋め込む工程と、溶液を乾燥により固化して膜に変える工程と、を行う。

特開２００７―２７６９７号公報

乾燥時には体積収縮が生じ、溝部分の膜に凹みが生じる。このため、例えば特に溝肩部などにおいて膜厚が薄くなり、所望の膜厚を確保することが困難となる。

実施形態では、所望の膜厚を確保できる成膜装置及び半導体装置の製造方法を提供する。

実施形態にかかる成膜装置は、溝を有する基板に液体材料を供給して前記溝内に前記液体材料を埋め込み、液層を形成する塗布部と、前記液層を乾燥させて固化する乾燥部と、前記基板の上方に設けられ、前記乾燥中に前記液層の表面に音波を照射する音波照射部と、を備える。

第１実施形態にかかる成膜装置における塗布装置を示す説明図。 同成膜装置における乾燥装置を示す説明図。 同実施形態にかかる成膜方法のフローを示す工程図。 同実施形態にかかる塗布前後における基板の状態を示す説明図。 同実施形態にかかる乾燥前後における基板の状態を示す説明図。 第２実施形態にかかる成膜装置における乾燥装置を示す説明図。 第３実施形態にかかる成膜装置における乾燥装置を示す説明図。 成膜方法の一例における乾燥前後における基板の状態を示す説明図。

以下、本発明の一実施形態かかる成膜装置及び半導体装置の製造方法について図１乃至図４を参照して説明する。各図において説明のため、適宜構成を拡大、縮小または省略して示している。本実施形態にかかる半導体装置の製造方法は、トレンチ１０１ａを有する基板１０１上に絶縁膜を形成する成膜方法を備える。この実施形態では前処理工程で複数のトレンチ１０１ａ（溝）が形成された半導体基板１０１上に、絶縁膜として絶縁材料を塗布して溝を埋め込み形成する場合について説明する。

図１および図２に示すように、成膜装置１は、塗布装置１0と、乾燥装置２０と、これらの装置１０,２０に接続されて各部の動作を制御する制御部３０と、を備えている。

図１に示す塗布装置１０は、塗布チャンバ１１と、チャンバ１１内において基板１０１を回転可能に支持するステージ１２と、ステージ１２上に対向配置されるノズル１３ａを有する塗布ヘッド１３（塗布部）と、を有している。

図２に示す乾燥装置２０は、乾燥チャンバ２１と、チャンバ２１内において基板１０１を支持する支持部２２と、支持部２２に埋め込まれて基板１０１を加熱乾燥するヒータ２３（乾燥部）と、乾燥中に溶媒蒸気１０３を供給する蒸気供給ヘッド２４（蒸気供給部）と、蒸気の範囲を規制するためのドーム型のルーフ２５と、を備えている。

この乾燥装置２０では、支持部２２上に基板１０１を設置した状態で、ヒータ２３により乾燥を行うとともに、蒸気供給ヘッド２４から溶媒蒸気を噴射して乾燥時の液層１０２表面の流動性を改善する。

以下、図３を参照して本実施形態にかかる半導体装置の製造方法について説明する。成膜方法は、図３に示すように、塗布工程と、流動性改善工程と、乾燥工程と、を含んでいる。前処理段階として予め基板１０１の表面に複数のトレンチ１０１ａが形成されている。トレンチ１０１ａは例えば所定のパターンで形成された溝である。

塗布工程では、図４に示すように、基板１０１上に液体材料１０２ａを塗布して液層１０２を形成するとともにトレンチ１０１ａ内を液体材料１０２ａで埋め込む。

塗布工程は図１に示す塗布装置１０において、ステージ１２上に基板１０１を設置した状態で、塗布ヘッド１３の塗布ノズル１３ａから液体材料を吐出した後、ステージ１２を回転軸Ｃ１を中心として回転させることにより基板１０１上に液体材料１０２ａを供給し、基板１０１上に液層１０２を形成する。

この塗布工程により、基板１０１上に液体材料１０２ａで構成される液層１０２が形成されるとともに、トレンチ１０１ａ内に液体材料１０２ａが埋め込まれる。塗布工程後に基板１０１は乾燥装置２０に送られ、乾燥工程及び流動改善工程が行われる。

まず、塗布工程の直後に流動性改善工程として、本実施形態では基板１０１上の液層１０２表面に溶媒蒸気を噴射する溶媒蒸気噴射工程を行う。溶媒は液体材料１０２ａに溶けやすい溶媒を用いる。例えば絶縁材料の溶媒としてγ-ブチロラクトン、Ｎ-メチル-2-ピロリドンなどがあげられる。

溶媒蒸気噴射工程は図２に示す乾燥装置２０において、支持部２２上に基板１０１を設置した状態で、蒸気供給ヘッド２４のノズルから溶媒蒸気を液層１０２の表面に噴射することにより液層１０２の表面において流動性を改善させる。このとき、支持部２２を回転軸Ｃ２を中心として回転させることにより液層１0２上に均一に蒸気を供給することができる。

また、図５に示すように、溶媒蒸気噴射工程を行いながら、加熱工程として、乾燥装置２０のヒータ２３を作動させ、基板１０１を加熱することにより液体材料１０２ａを固化する。このとき制御部３０の制御によりヒータ２３の温度を段階的に変化させる。例えばはじめは低温加熱とし、段階的に高温に変化させるように制御する。このように低温から高温へ段階的に温度を変えて乾燥することにより溶剤の揮発速度を遅らせることで、体積収縮時に薄膜部分が形成されにくくなる。

乾燥中に溶媒蒸気噴射により、液層１０２の表面１０２ｂにおいて、液体材料１０２ａの濃度が低下し、粘性が低下する。このため液層１０２の表面１０２ｂの部分で流動性が高まり、表面１０２ｂは固化しにくい状態となる。乾燥中にこの溶媒蒸気噴射工程により液層１０２の乾燥速度を表面において低下させることで、液層１０２は内側（下側）の部分から固化していくことになる。

この乾燥工程及び流動改善工程により、図５に示すように、液体材料１０２ａが固化し、絶縁材料の膜１０４が成膜される。このとき、加熱乾燥に伴い液体材料１０２ａが揮発し、体積収縮が生じる。体積収縮により、トレンチ１０１ａでは膜１０４の表面１０４ａに凹み１０４ｂが形成される場合があるが、溶媒蒸気噴射を行うことにより、表面の液体材料が流動しながら乾燥することにより、膜厚の均整化が図れる。このため、先に表面から固化する場合に比べ、材料が均整化しながら固化するため、特に薄膜化しやすいトレンチ１０１ａの溝肩部１０１ｃにおいても厚みが確保でき、薄膜部分が形成されにくくなる。さらに基板１０１を回転させながら流動性改善工程及び乾燥工程を行うことで蒸気を均一に供給し、乾燥速度も均一となる。

図８に比較対象例として、トレンチ２０１ａを有する基板２０１に液体材料２０２を塗布する塗布工程後に、流動改善工程を行わずに、乾燥工程を行った場合の基板２０１の状態を示す。この場合には、液層２０２ａの表面における流動性が低いため、乾燥工程において速い段階で液層２０２の表面から固化する。このため乾燥後成膜される酸化膜２０４の表面には図５に示す本実施形態の凹み１０４ｂよりも深い（大きい）凹み２０４ｂが形成され、特に段差となる溝肩部２０１ｃでは膜厚が薄くなる。

本実施形態にかかる成膜装置及び半導体装置の製造方法（成膜方法）によれば、溶媒蒸気噴射工程により流動性を改善しながら乾燥を行うことにより、乾燥時の体積収縮を制御してレべリングを行い、表面を凹みにくくすることで、膜厚を確保することが可能となる。特に薄膜化しやすいトレンチ１０１ａの溝肩部１０１ｃなどの段差部分においても膜厚を確保できるため、絶縁不良等の不都合を回避できる。このため、過量に液体材料１０２ａを塗布する必要がなくなる。

[第２実施形態]
以下、本発明の第２実施形態にかかる成膜装置及び半導体装置の製造方法（成膜方法）について図６を参照して説明する。第２実施形態では、流動性改善工程として、蒸気噴射の代わりに音波照射ヘッド２６（音波照射部）にて音波照射を行う工程以外については第１実施形態と同様であるため、共通する説明を省略する。

第２実施形態にかかる成膜装置１は、図６に示すように、乾燥装置２０のチャンバ２１内に、音波照射ヘッド２６を備えている。この乾燥装置２０では、支持部２２上に基板１０１を設置した状態で、ヒータ２３により乾燥を行うとともに、音波照射ヘッド２６から音波を液層１０２の表面に照射することで乾燥時の液層１０２表面の流動性を改善する。

本実施形態においても上記第１実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、体積収縮により、トレンチ１０１ａでは膜１０４の表面１０４ａに凹み１０４ｂが形成される場合があるが、音波照射を行うことにより、表面の液体材料が流動しながら乾燥することにより、膜厚の均整化が図れる。このため、先に表面から固化する場合に比べ、材料が均整化しながら固化するため、特に薄膜化しやすいトレンチ１０１ａの溝肩部１０１ｃにおいても厚みが確保でき、薄膜部分が形成されにくくなる。さらに基板１０１を回転させながら流動性改善工程及び乾燥工程を行うことで音波を均一に供給するとともに遠心力により液体材料102ａが均整化される。

[第３実施形態]
以下、本発明の第３実施形態にかかる成膜装置及び半導体装置の製造方法（成膜方法）について図７を参照して説明する。第３実施形態では、流動性改善工程として、蒸気噴射の代わりに均し装置２７（均整部）により液層１０２の表面の均整化を行う点以外については第１実施形態と同様であるため、共通する説明を省略する。

第３実施形態にかかる成膜装置１は、図７に示すように、乾燥装置２０のチャンバ２１内に、均し装置２７を備えている。均し装置２７はブレード２７ａを備え、このブレード２７ａを液層１０２の表面に押し付けながら基板１０１を回転軸Ｃ２を中心に回転させる。なお、均し装置２７側を回転させてもよい。この乾燥装置２０では、支持部２２上に基板１０１を設置した状態で、ヒータ２３により乾燥を行うとともに、ブレード２７ａを液層１０２の表面に押し付けながら相対的に回転（相対移動）させることによりブレード２７ａ及び回転による遠心力により液体材料１０２ａを均整化することができる。

本実施形態においても上記第１実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、体積収縮により、トレンチ１０１ａでは膜１０４の表面１０４ａに凹み１０４ｂが形成される場合があるが、均し装置２７により均整化を行うことにより、表面の液体材料が流動しながら乾燥することにより、膜厚の均整化が図れる。このため、先に表面から固化する場合に比べ、材料が均整化しながら固化するため、特に薄膜化しやすいトレンチ１０１ａの溝肩部１０１ｃにおいても厚みが確保でき、薄膜部分が形成されにくくなる。さらに基板１０１を回転させながら流動性改善工程及び乾燥工程を行うことで遠心力により液体材料102ａを均整化することができる。

なお本発明は上記実施形態に限られるものではなく、変形して実施可能である。例えば上記各実施形態においては乾燥装置２０として加熱乾燥を行う例を示したが、これに限られるものではなく、例えば減圧乾燥により乾燥することとしてもよい。この場合にも減圧レベルを段階的に上げるように制御することにより乾燥速度を遅らせて表面固化速度を制御することにより凹みを小さくすることができ、膜厚を確保することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］ 溝を有する基板に液体材料を供給して前記溝内に前記液体材料を埋め込み、液層を形成する塗布部と、
前記溶液層を乾燥させて固化する乾燥部と、
前記乾燥中に前記液層の表面に蒸気を照射する蒸気供給部と、を備えることを特徴とする成膜装置。
［２］ 溝を有する基板に液体材料を供給して前記溝内に前記液体材料を埋め込み、液層を形成する塗布部と、
前記液層を乾燥させて固化する乾燥部と、
前記乾燥中に前記液層の表面に音波を照射する音波照射部と、を備えることを特徴とする成膜装置。
［３］ 溝を有する基板に液体材料を供給して前記溝内に前記液体材料を埋め込み、液層を形成する塗布部と、
前記液層を乾燥させて固化する乾燥部と、
前記乾燥中に前記液層の表面に当接して相対移動することにより前記表面を均整化する均整部と、を備えることを特徴とする成膜装置。
［４］ 前記乾燥は、段階的に温度を変化させながら加熱により乾燥することを特徴とする［１］乃至［３］のいずれか記載の成膜装置。
［５］ 溝を有する基板に液体材料を塗布して前記溝内に前記液体材料を埋め込み前記基板上に液層を形成し、
前記液層を乾燥させて固化するとともに、前記乾燥中に前記液層の表面に蒸気を照射して前記液層の流動性を制御することを特徴とする半導体装置の製造方法。

１…成膜装置、１0…塗布装置、１１…塗布チャンバ、１２…ステージ、１３ａ…ノズル
１３…塗布ヘッド（塗布部）、２０…乾燥装置、２１…乾燥チャンバ、２２…支持部、２３…ヒータ（乾燥部）、２４…蒸気供給ヘッド（蒸気供給部）、２５…ルーフ、２６…音波照射ヘッド（音波照射部）、２７…均し装置（均整部）、２７ａ…ブレード、３０…制御部、１０１ａ…トレンチ、１０１…半導体基板、１０１ｃ…溝肩部、１０２…液層、１０２ａ…液体材料、１０２ｂ…表面、１０３…溶媒蒸気、１０４…絶縁膜、１０４ａ…表面。

Claims (4)

1. 溝を有する基板に液体材料を供給して前記溝内に前記液体材料を埋め込み、液層を形成する塗布部と、
   前記液層を乾燥させて固化する乾燥部と、
   前記基板の上方に設けられ、前記乾燥中に前記液層の表面に音波を照射する音波照射部と、を備えることを特徴とする成膜装置。
2. 前記乾燥は、段階的に温度を変化させながら加熱により乾燥することを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
3. 前記基板を回転可能に支持するステージをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
4. 溝を有する基板に液体材料を供給して前記溝内に前記液体材料を埋め込み前記基板上に液層を形成し、
   前記液層を乾燥させて固化するとともに、前記乾燥中に前記液層の表面に前記基板の上方から音波を照射して前記液層の流動性を制御することを特徴とする半導体装置の製造方法。

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