JP5658118B2 - シリコン酸化膜の形成方法およびその形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、シリコン酸化膜の形成方法およびその形成装置に関する。

半導体装置等の製造工程では、シリコン基板上の層間絶縁膜にトレンチ、ホール形状の溝（コンタクトホール）を形成し、コンタクトホール内に層間絶縁膜としてのシリコン酸化膜を埋め込む工程がある。

一般に、層間絶縁膜は、例えば、モノシラン（ＳｉＨ_４）のようなシリコン化合物と過酸化水素とをＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって反応させて形成している（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１８８３３３号公報

ところで、半導体装置の微細化に伴い、シリコン酸化膜を埋め込む溝のアスペクト比を高くすることが求められており、アスペクト比が高くなると、シリコン酸化膜埋め込み時にボイドやシームが発生しやすくなるという問題がある。このため、アスペクト比が高くなってもボイドやシームの発生を抑制することができるシリコン酸化膜の形成方法が求められている。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、ボイドやシームの発生を抑制することができるシリコン酸化膜の形成方法およびその形成装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点にかかるシリコン酸化膜の形成方法は、
表面に溝が形成された被処理体の溝にシリコン酸化膜を形成するシリコン酸化膜の形成方法であって、
前記被処理体にシリコンプリカーサと過酸化水素とを含む成膜用ガスを供給して、前記被処理体の溝を埋め込むようにシリコン酸化膜を成膜する成膜工程を、備え、
前記シリコンプリカーサは、ＳｉＨ _３ Ｎ（ＣＨ（ＣＨ _３ ） _２ ） _２ である、ことを特徴とする。

前記被処理体を収容する反応室内に複数の被処理体を収容する収容工程をさらに備え、
前記成膜工程では、前記反応室内を１１３Ｐａ〜６６５０Ｐａに設定することが好ましい。

前記過酸化水素の流量は、前記シリコンプリカーサの流量の３倍〜２０倍であることが好ましい。

本発明の第２の観点にかかるシリコン酸化膜の形成装置は、
表面に溝が形成された被処理体の溝にシリコン酸化膜を形成するシリコン酸化膜の形成装置であって、
前記被処理体にシリコンプリカーサと過酸化水素とを含む成膜用ガスを供給して、前記被処理体の溝を埋め込むようにシリコン酸化膜を成膜する成膜手段を、備え、
前記シリコンプリカーサは、ＳｉＨ _３ Ｎ（ＣＨ（ＣＨ _３ ） _２ ） _２ である、ことを特徴とする。

前記被処理体を収容する反応室内に複数の被処理体を収容する収容手段をさらに備え、
前記成膜手段は、前記反応室内を１１３Ｐａ〜６６５０Ｐａに設定することが好ましい。

前記成膜手段は、前記過酸化水素の流量を前記シリコンプリカーサの流量の３倍〜２０倍に設定することが好ましい。

本発明によれば、ボイドやシームの発生を抑制することができる。

本発明の実施の形態の熱処理装置を示す図である。 図１の制御部の構成を示す図である。 本実施の形態のシリコン酸化膜の形成方法を説明するレシピを示した図である。 半導体ウエハの表面形状を示す図である。 半導体ウエハにシリコン酸化膜が形成された状態を示す図である。

以下、本発明のシリコン酸化膜の形成方法およびその形成装置について説明する。本実施の形態では、シリコン酸化膜の形成装置として、図１に示すバッチ式の縦型の熱処理装置を用いた場合を例に説明する。

図１に示すように、熱処理装置１は、長手方向が垂直方向に向けられた略円筒状の反応管２を備えている。反応管２は、内管３と、内管３を覆うとともに内管３と一定の間隔を有するように形成された有天井の外管４とから構成された二重管構造を有する。内管３及び外管４は、耐熱及び耐腐食性に優れた材料、例えば、石英により形成されている。

外管４の下方には、筒状に形成されたステンレス鋼（ＳＵＳ）からなるマニホールド５が配置されている。マニホールド５は、外管４の下端と気密に接続されている。また、内管３は、マニホールド５の内壁から突出するとともに、マニホールド５と一体に形成された支持リング６に支持されている。

マニホールド５の下方には蓋体７が配置され、ボートエレベータ８により蓋体７は上下動可能に構成されている。そして、ボートエレベータ８により蓋体７が上昇すると、マニホールド５の下方側（炉口部分）が閉鎖され、ボートエレベータ８により蓋体７が下降すると、マニホールド５の下方側（炉口部分）が開口される。

蓋体７には、例えば、石英からなるウエハボート９が載置されている。ウエハボート９は、被処理体、例えば、半導体ウエハ１０が垂直方向に所定の間隔をおいて複数枚収容可能に構成されている。

反応管２の周囲には、反応管２を取り囲むように断熱体１１が設けられている。断熱体１１の内壁面には、例えば、抵抗発熱体からなる昇温用ヒータ１２が設けられている。この昇温用ヒータ１２により反応管２の内部が所定の温度に加熱され、この結果、半導体ウエハ１０が所定の温度に加熱される。

マニホールド５の側面には、成膜用ガスを供給する複数の処理ガス導入管が挿通（接続）されている。なお、図１では、成膜用ガスとしてのシリコンプリカーサを導入するシリコンプリカーサ導入管１３ａと、成膜用ガスとしての過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）を導入する過酸化水素導入管１３ｂとの２つの処理ガス導入管を描いている。シリコンプリカーサ導入管１３ａ及び過酸化水素導入管１３ｂは、内管３内を臨むように配設されている。例えば、図１に示すように、シリコンプリカーサ導入管１３ａ及び過酸化水素導入管１３ｂは、支持リング６より下方（内管３の下方）のマニホールド５の側面に挿通されている。

シリコンプリカーサ導入管１３ａは、図示しないマスフローコントローラ等を介して、図示しないシリコンプリカーサ供給源に接続されている。このため、シリコンプリカーサ供給源から、シリコンプリカーサ導入管１３ａを介して、所望量のシリコンプリカーサが反応管２内に供給される。シリコンプリカーサ導入管１３ａから供給されるシリコンプリカーサとしては、例えば、ＳｉＨ_３Ｎ（ＣＨ（ＣＨ_３）_２）_２がある。

また、過酸化水素導入管１３ｂは、図示しないマスフローコントローラ等を介して、図示しない過酸化水素供給源に接続されている。このため、過酸化水素供給源から、過酸化水素導入管１３ｂを介して、所望量の過酸化水素が反応管２内に供給される。

マニホールド５の側面には反応管２内のガスを排気するための排気口１４が設けられている。排気口１４は支持リング６より上方に設けられており、反応管２内の内管３と外管４との間に形成された空間に連通する。そして、内管３で発生した排ガス等が内管３と外管４との間の空間を通って排気口１４に排気される。

マニホールド５の側面の排気口１４の下方には、パージガス供給管１５が挿通されている。パージガス供給管１５には、図示しないパージガス供給源が接続されており、パージガス供給源からパージガス供給管１５を介して所望量のパージガス、例えば、窒素ガスが反応管２内に供給される。

排気口１４には排気管１６が気密に接続されている。排気管１６には、その上流側から、バルブ１７と、真空ポンプ１８とが介設されている。バルブ１７は、排気管１６の開度を調整して、反応管２内の圧力を所定の圧力に制御する。真空ポンプ１８は、排気管１６を介して反応管２内のガスを排気するとともに、反応管２内の圧力を調整する。

なお、排気管１６には、図示しないトラップ、スクラバー等が介設されており、反応管２から排気された排ガスを、無害化した後、熱処理装置１外に排気するように構成されている。

また、熱処理装置１は、装置各部の制御を行う制御部１００を備えている。図２に制御部１００の構成を示す。図２に示すように、制御部１００には、操作パネル１２１、温度センサ（群）１２２、圧力計（群）１２３、ヒータコントローラ１２４、ＭＦＣ制御部１２５、バルブ制御部１２６等が接続されている。

操作パネル１２１は、表示画面と操作ボタンとを備え、オペレータの操作指示を制御部１００に伝え、また、制御部１００からの様々な情報を表示画面に表示する。

温度センサ（群）１２２は、反応管２内、シリコンプリカーサ導入管１３ａ内、過酸化水素導入管１３ｂ内、排気管１６内等の各部の温度を測定し、その測定値を制御部１００に通知する。
圧力計（群）１２３は、反応管２内、シリコンプリカーサ導入管１３ａ内、過酸化水素導入管１３ｂ内、排気管１６内等の各部の圧力を測定し、その測定値を制御部１００に通知する。

ヒータコントローラ１２４は、昇温用ヒータ１２を個別に制御するためのものであり、制御部１００からの指示に応答して、これらに通電してこれらを加熱し、また、これらの消費電力を個別に測定して、制御部１００に通知する。

ＭＦＣ制御部１２５は、シリコンプリカーサ導入管１３ａ、過酸化水素導入管１３ｂ及び、パージガス供給管１５に接続された図示しないマスフローコントローラ（ＭＦＣ）を制御して、これらに流れるガスの流量を制御部１００から指示された量にするとともに、実際に流れたガスの流量を測定して、制御部１００に通知する。

バルブ制御部１２６は、各管に配置されたバルブの開度を制御部１００から指示された値に制御する。

制御部１００は、レシピ記憶部１１１と、ＲＯＭ１１２と、ＲＡＭ１１３と、Ｉ／Ｏポート１１４と、ＣＰＵ１１５と、これらを相互に接続するバス１１６とから構成されている。

レシピ記憶部１１１には、セットアップ用レシピと複数のプロセス用レシピとが記憶されている。熱処理装置１の製造当初は、セットアップ用レシピのみが格納される。セットアップ用レシピは、各熱処理装置に応じた熱モデル等を生成する際に実行されるものである。プロセス用レシピは、ユーザが実際に行う熱処理（プロセス）毎に用意されるレシピであり、例えば、反応管２への半導体ウエハ１０のロードから、処理済みの半導体ウエハ１０をアンロードするまでの、各部の温度の変化、反応管２内の圧力変化、処理ガスの供給の開始及び停止のタイミングと供給量などを規定する。

ＲＯＭ１１２は、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ、ハードディスクなどから構成され、ＣＰＵ１１５の動作プログラム等を記憶する記録媒体である。
ＲＡＭ１１３は、ＣＰＵ１１５のワークエリアなどとして機能する。

Ｉ／Ｏポート１１４は、操作パネル１２１、温度センサ１２２、圧力計１２３、ヒータコントローラ１２４、ＭＦＣ制御部１２５、バルブ制御部１２６等に接続され、データや信号の入出力を制御する。

ＣＰＵ（Central Processing Unit)１１５は、制御部１００の中枢を構成し、ＲＯＭ１１２に記憶された制御プログラムを実行し、操作パネル１２１からの指示に従って、レシピ記憶部１１１に記憶されているレシピ（プロセス用レシピ）に沿って、熱処理装置１の動作を制御する。すなわち、ＣＰＵ１１５は、温度センサ（群）１２２、圧力計（群）１２３、ＭＦＣ制御部１２５等に反応管２内、シリコンプリカーサ導入管１３ａ内、過酸化水素導入管１３ｂ内、及び、排気管６内の各部の温度、圧力、流量等を測定させ、この測定データに基づいて、ヒータコントローラ１２４、ＭＦＣ制御部１２５、バルブ制御部１２６等に制御信号等を出力し、上記各部がプロセス用レシピに従うように制御する。
バス１１６は、各部の間で情報を伝達する。

次に、以上のように構成された熱処理装置１を用いたシリコン酸化膜の形成方法について説明する。なお、以下の説明において、熱処理装置１を構成する各部の動作は、制御部１００（ＣＰＵ１１５）により制御されている。また、各処理における反応管２内の温度、圧力、ガスの流量等は、前述のように、制御部１００（ＣＰＵ１１５）がヒータコントローラ１２４（昇温用ヒータ１２）、ＭＦＣ制御部１２５、バルブ制御部１２６等を制御することにより、例えば、図３に示すようなレシピに従った条件に設定される。

また、本実施の形態では、被処理体としての半導体ウエハ１０の表面には、図４に示すように、コンタクトホールを形成するための溝５１が形成されており、この溝５１を埋め込むように、シリコン酸化膜が形成される。

まず、反応管２（内管３）内を所定の温度、例えば、図３（ａ）に示すように、室温（ＲＴ：例えば、２５℃）に設定する。また、図３（ｃ）に示すように、パージガス供給管１５から内管３（反応管２）内に所定量の窒素を供給する。次に、図４（ａ）に示す半導体ウエハ１０が収容されているウエハボート９を蓋体７上に載置する。そして、ボートエレベータ８により蓋体７を上昇させ、半導体ウエハ１０（ウエハボート９）を反応管２内にロードする（ロード工程）。

続いて、図３（ｃ）に示すように、パージガス供給管１５から内管３内に所定量の窒素を供給するとともに、反応管２内を所定の温度、例えば、図３（ａ）に示すように、ＲＴに設定する。また、反応管２内のガスを排出し、反応管２を所定の圧力、例えば、図３（ｂ）に示すように、４０００Ｐａ（３０Ｔｏｒｒ）に減圧する。そして、反応管２内をこの温度及び圧力で安定させる（安定化工程）。

反応管２内の温度は、２０℃〜１００℃であることが好ましく、２０℃〜４０℃であることがさらに好ましい。また、反応管２内の圧力は、１３．３Ｐａ〜１３３００Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ〜１００Ｔｏｒｒ）であることが好ましく、１１３Ｐａ〜６６５０Ｐａ（０．８５Ｔｏｒｒ〜５０Ｔｏｒｒ）であることがさらに好ましい。反応管２内の温度及び圧力をかかる範囲にすることにより、シリコン酸化膜を形成するシラノールの流動性が向上するためである。

反応管２内が所定の圧力および温度で安定すると、パージガス供給管１５からの窒素の供給を停止する。そして、反応管２内に成膜用ガスを供給する。具体的には、過酸化水素導入管１３ｂから所定量、例えば、図３（ｄ）に示すように、３００ｓｃｃｍの過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）を供給するとともに、シリコンプリカーサ導入管１３ａから反応管２内に所定量、例えば、図３（ｅ）に示すように、２５ｓｃｃｍのＳｉＨ_３Ｎ（ＣＨ（ＣＨ_３）_２）_２を供給する（成膜工程）。

例えば、反応管２内に過酸化水素が供給されると、溝５１が形成された半導体ウエハ１０上に過酸化水素が吸着する。そして、過酸化水素が吸着した半導体ウエハ１０にＳｉＨ_３Ｎ（ＣＨ（ＣＨ_３）_２）_２が供給されると、半導体ウエハ１０上にシラノールが形成される。このように、成膜工程により、溝５１が形成された半導体ウエハ１０上にシラノールが形成され、このシラノールが脱水縮合反応することにより、半導体ウエハ１０上にシリコン酸化膜が形成される。

ここで、過酸化水素の流量は、５ｓｃｃｍ〜１０００ｓｃｃｍであることが好ましく、１５０ｓｃｃｍ〜６００ｓｃｃｍであることがさらに好ましい。また、ＳｉＨ_３Ｎ（ＣＨ（ＣＨ_３）_２）_２の流量は、５ｓｃｃｍ〜１０００ｓｃｃｍであることが好ましく、１５ｓｃｃｍ〜２００ｓｃｃｍであることがさらに好ましい。かかる範囲にすることにより、流動性に優れたシラノールが形成されるためである。

また、過酸化水素の流量は、ＳｉＨ_３Ｎ（ＣＨ（ＣＨ_３）_２）_２の流量の３倍〜２０倍であることが好ましく、５倍〜１５倍であることがさらに好ましい。かかる範囲とすることにより、シラノールの流動性がさらに向上するためである。

このように、成膜用ガスに過酸化水素とＳｉＨ_３Ｎ（ＣＨ（ＣＨ_３）_２）_２とを用いているので、形成されたシラノールの流動性が向上する。このため、このシラノールが脱水縮合反応して形成されるシリコン酸化膜が溝５１全体に形成され、溝５１のアスペクト比が高くなっても、ボイドやシームの発生を抑制することができる。

続いて、シリコンプリカーサ導入管１３ａからのＳｉＨ_３Ｎ（ＣＨ（ＣＨ_３）_２）_２の供給を停止するとともに、過酸化水素導入管１３ｂからの過酸化水素の供給を停止する。次に、図３（ｃ）に示すように、パージガス供給管１５から内管３内に所定量の窒素を供給するとともに、反応管２内を所定の温度、例えば、図３（ａ）に示すように、室温（ＲＴ）に設定する。また、反応管２内のガスを排出し、反応管２を常圧に戻す（パージ工程）。なお、反応管２内のガスを確実に排出するために、反応管２内のガスの排出及び窒素ガスの供給を複数回繰り返すことが好ましい。そして、ボートエレベータ８により蓋体７を下降させることにより、半導体ウエハ１０（ウエハボート９）を反応管２内からアンロードする（アンロード工程）。これにより、シリコン酸化膜の形成方法が終了する。

次に、本発明のシリコン酸化膜の形成方法の効果を確認するため、図３に示すレシピに従い、図４に示す半導体ウエハ１０上にシラノールを形成、脱水縮合反応させることにより、半導体ウエハ１０上にシリコン酸化膜を形成した。形成したシリコン酸化膜の断面を走査型電子顕微鏡 (Scanning Electron Microscope)で撮影した写真を図５に示す。

図５に示すように、形成されたシリコン酸化膜は、半導体ウエハ１０の溝５１全体に形成され、ボイドやシームが発生していないことが確認できた。このため、本実施の形態のシリコン酸化膜の形成方法により、ボイドやシームの発生を抑制することが確認できた。

以上説明したように、本実施の形態によれば、成膜用ガスに過酸化水素とＳｉＨ_３Ｎ（ＣＨ（ＣＨ_３）_２）_２を用いているので、形成されるシラノールの流動性が向上し、シラノールが脱水縮合反応して形成されるシリコン酸化膜が溝５１全体に形成される。このため、溝５１のアスペクト比が高くなっても、ボイドやシームの発生を抑制するシリコン酸化膜を形成することができる。

なお、本発明は、上記の実施の形態に限られず、種々の変形、応用が可能である。以下、本発明に適用可能な他の実施の形態について説明する。

上記実施の形態では、成膜工程において、反応管２内に過酸化水素とＳｉＨ_３Ｎ（ＣＨ（ＣＨ_３）_２）_２とを同時に供給した場合を例に本発明を説明したが、例えば、過酸化水素導入管１３ｂから反応管２内に過酸化水素を供給した後、シリコンプリカーサ導入管１３ａから反応管２内にＳｉＨ_３Ｎ（ＣＨ（ＣＨ_３）_２）_２を供給してもよい。この場合、溝５１が形成された半導体ウエハ１０の表面に過酸化水素が吸着された後に、ＳｉＨ_３Ｎ（ＣＨ（ＣＨ_３）_２）_２が供給されるので、形成されるシラノールの流動性をさらに向上させることができる。また、上記実施の形態では、シリコンプリカーサにＳｉＨ_３Ｎ（ＣＨ（ＣＨ_３）_２）_２を用いた場合を例に本発明を説明したが、シリコンプリカーサはＳｉＨ_３Ｎ（ＣＨ（ＣＨ_３）_２）_２に限定されるものではない。

上記実施の形態では、熱処理装置として、二重管構造のバッチ式縦型熱処理装置を用いた場合を例に本発明を説明したが、例えば、本発明を単管構造のバッチ式熱処理装置に適用することも可能である。また、枚葉式熱処理装置に適用することも可能である。

本発明の実施の形態にかかる制御部１００は、専用のシステムによらず、通常のコンピュータシステムを用いて実現可能である。例えば、汎用コンピュータに、上述の処理を実行するためのプログラムを格納した記録媒体（フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭなど）から当該プログラムをインストールすることにより、上述の処理を実行する制御部１００を構成することができる。

そして、これらのプログラムを供給するための手段は任意である。上述のように所定の記録媒体を介して供給できる他、例えば、通信回線、通信ネットワーク、通信システムなどを介して供給してもよい。この場合、例えば、通信ネットワークの掲示板（ＢＢＳ）に当該プログラムを掲示し、これをネットワークを介して搬送波に重畳して提供してもよい。そして、このように提供されたプログラムを起動し、ＯＳの制御下で、他のアプリケーションプログラムと同様に実行することにより、上述の処理を実行することができる。

本発明は、シリコン酸化膜の形成方法およびその形成装置に有用である。

１ 熱処理装置
２ 反応管
３ 内管
４ 外管
５ マニホールド
６ 支持リング
７ 蓋体
８ ボートエレベータ
９ ウエハボート
１０ 半導体ウエハ
１１ 断熱体
１２ 昇温用ヒータ
１３ａ シリコンプリカーサ導入管
１３ｂ 過酸化水素導入管
１４ 排気口
１５ パージガス供給管
１６ 排気管
１７ バルブ
１８ 真空ポンプ
５１ 溝
１００ 制御部
１１１ レシピ記憶部
１１２ ＲＯＭ
１１３ ＲＡＭ
１１４ Ｉ／Ｏポート
１１５ ＣＰＵ
１１６ バス
１２１ 操作パネル
１２２ 温度センサ
１２３ 圧力計
１２４ ヒータコントローラ
１２５ ＭＦＣ制御部
１２６ バルブ制御部

Claims (6)

1. 表面に溝が形成された被処理体の溝にシリコン酸化膜を形成するシリコン酸化膜の形成方法であって、
   前記被処理体にシリコンプリカーサと過酸化水素とを含む成膜用ガスを供給して、前記被処理体の溝を埋め込むようにシリコン酸化膜を成膜する成膜工程を、備え、
   前記シリコンプリカーサは、ＳｉＨ _３ Ｎ（ＣＨ（ＣＨ _３ ） _２ ） _２ である、ことを特徴とするシリコン酸化膜の形成方法。
2. 前記被処理体を収容する反応室内に複数の被処理体を収容する収容工程をさらに備え、
   前記成膜工程では、前記反応室内を１１３Ｐａ〜６６５０Ｐａに設定する、ことを特徴とする請求項１に記載のシリコン酸化膜の形成方法。
3. 前記過酸化水素の流量は、前記シリコンプリカーサの流量の３倍〜２０倍である、ことを特徴とする請求項１または２に記載のシリコン酸化膜の形成方法。
4. 表面に溝が形成された被処理体の溝にシリコン酸化膜を形成するシリコン酸化膜の形成装置であって、
   前記被処理体にシリコンプリカーサと過酸化水素とを含む成膜用ガスを供給して、前記被処理体の溝を埋め込むようにシリコン酸化膜を成膜する成膜手段を、備え、
   前記シリコンプリカーサは、ＳｉＨ _３ Ｎ（ＣＨ（ＣＨ _３ ） _２ ） _２ である、ことを特徴とするシリコン酸化膜の形成装置。
5. 前記被処理体を収容する反応室内に複数の被処理体を収容する収容手段をさらに備え、
   前記成膜手段は、前記反応室内を１１３Ｐａ〜６６５０Ｐａに設定する、ことを特徴とする請求項４に記載のシリコン酸化膜の形成装置。
6. 前記成膜手段は、前記過酸化水素の流量を前記シリコンプリカーサの流量の３倍〜２０倍に設定する、ことを特徴とする請求項４または５に記載のシリコン酸化膜の形成装置。