JP6388552B2 - 基板処理装置及び基板処理方法 - Google Patents

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Description

本発明は、基板処理装置及び基板処理方法に関する。
半導体デバイスの回路パターンの更なる微細化に伴い、半導体デバイスを構成する種々の膜についても、更なる薄膜化及び均一化が要求されている。このような要求に応える成膜方法として、第１の反応ガスを基板に供給して基板の表面に第１の反応ガスを吸着させ、次に第２の反応ガスを基板に供給して基板の表面に吸着した第１の反応ガスと第２の反応ガスを反応させることにより、反応生成物から構成される膜を基板に堆積する、いわゆる分子層堆積（ＭＬＤ：Molecular Layer Deposition）法、又は原子層堆積（ＡＬＤ：Atomic Layer deposition）法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
このような成膜方法によれば、反応ガスが（準）自己飽和的に基板の表面に吸着し得るため、高い膜厚制御性、優れた均一性、及び優れた埋め込み特性を実現することができる。
しかしながら、回路パターンの微細化に伴って、例えばトレンチ素子分離構造におけるトレンチは、ライン・スペース・パターンにおけるスペースのアスペクト比が大きくなるにつれて、ＭＬＤ法やＡＬＤ法においても、トレンチやスペースを埋め込むことが困難な場合がある。
例えば、３０ｎｍ程度の幅を有するスペースを酸化シリコン膜で埋め込もうとすると、狭いスペースの底部に反応ガスが進入し難いため、スペースを画成するライン側壁の上端部近傍での膜厚が厚くなり、底部側で膜厚が薄くなる傾向がある。そのため、スペースに埋め込まれた酸化シリコン膜にはボイドが生じる場合がある。そのような酸化シリコン膜が、例えば後続のエッチング工程においてエッチングされると、酸化シリコン膜の上面に、ボイドと連通する開口が形成されることがある。そうすると、そのような開口からボイドにエッチングガス（又はエッチング液）が進入して汚染が生じたり、又は、後のメタライゼーションの際にボイド中に金属が入り込み、欠陥が生じたりするおそれがある。
このような問題は、ＭＬＤ法やＡＬＤ法に限らず、化学的気相堆積（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法においても生じ得る。例えば、半導体基板に形成される接続孔を導電性物質の膜で埋め込んで、導電性の接続孔（いわゆるプラグ）を形成する際に、プラグ中にボイドが形成されてしまう場合がある。これを抑制するため、接続孔を導電性物質で埋め込む際に、接続孔の上部に形成される導電性物質のオーバーハング形状部をエッチバックにより除去する工程を繰り返して行うことにより、ボイドが抑制された導電性接続孔を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
しかしながら、特許文献２に記載された発明においては、導電性物質の膜の成膜とエッチバックとを異なる装置で行う必要があり、装置間での基板の搬送や、各装置内での処理条件の安定化に時間を要するため、スループットを向上できないという問題があった。
また、係る特許文献２に記載された問題を解決すべく、基板の表面に形成される凹形状パターンでのボイドの発生を低減しつつ、高いスループットで埋め込むことが可能な成膜装置及び成膜方法として、基板が載置される回転テーブルと、回転テーブルの基板載置面に対して成膜用の第１及び第２の反応ガスを供給可能な第１及び第２の反応ガス供給部と、第１及び第２の反応ガスが互いに反応して生成された反応生成物を改質する改質ガス及びエッチングするエッチングガスを活性化して供給する活性化ガス供給部とを含む成膜装置を用いて、同一処理室内で回転テーブルの回転により成膜、改質及びエッチングを順に繰り返す成膜方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特開２０１０−５６４７０号公報 特開２００３−１４２４８４号公報 特開２０１２−２０９３９４号公報
しかしながら、上述の特許文献３に記載の成膜方法では、基板面内でのエッチング量分布を十分に制御することができず、基板面内のエッチング均一性を確保することが困難であった。
そこで、本発明の一つの案では、基板面内でのエッチング量分布を制御することが可能な基板処理装置を提供することを目的とする。
一つの案では、真空容器内に回転可能に設けられ、基板を載置可能な回転テーブルと、前記回転テーブルの表面に第１の反応ガスを供給可能な第１の反応ガス供給部と、前記第１の反応ガス供給部から前記回転テーブルの周方向に離間して設けられ、前記回転テーブルの表面に前記第１の反応ガスと反応する第２の反応ガスを供給可能な第２の反応ガス供給部と、前記第１の反応ガス供給部及び前記第２の反応ガス供給部から前記回転テーブルの周方向に離間して設けられ、前記回転テーブルの表面に活性化されたフッ素含有ガスを供給可能な吐出部を含む活性化ガス供給部とを備え、前記活性化ガス供給部は、前記吐出部よりも上流側に設けられ、前記吐出部に前記フッ素含有ガスを供給可能な配管と、前記配管に設けられ、前記配管の内部に水素含有ガスを供給可能な１又は複数の水素含有ガス供給部と、前記配管を介して前記吐出部と接続され、前記フッ素含有ガスを活性化するプラズマ生成部と、を含み、前記水素含有ガス供給部は、前記吐出部と前記プラズマ生成部との間に設けられている、基板処理装置が提供される。
一態様によれば、基板面内でのエッチング量分布を制御することができる。
本発明の一実施形態に係る基板処理装置の概略断面図である。 本発明の一実施形態に係る基板処理装置の概略平面図である。 本発明の一実施形態に係る基板処理装置における分離領域を説明するための一部断面図である。 本発明の一実施形態に係る基板処理装置の他の断面を示す一部断面図である。 本発明の一実施形態に係る基板処理装置における第３の処理領域を説明するための一部断面図である。 本発明の一実施形態に係る基板処理装置の水素含有ガス供給部を説明するための概略斜視図（その１）である。 本発明の一実施形態に係る基板処理装置の水素含有ガス供給部を説明するための概略斜視図（その２）である。 エッチング工程における活性化ガス供給部の内部の気流速度のシミュレーション結果を示す図である。 ウエハ面内のエッチング量の測定結果を示す図である。
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。
（基板処理装置の構成）
本発明の一実施形態に係る基板処理装置について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る基板処理装置の概略断面図である。図２は、本発明の一実施形態に係る基板処理装置の概略平面図である。図３は、本発明の一実施形態に係る基板処理装置における分離領域を説明するための一部断面図である。図４は、本発明の一実施形態に係る基板処理装置の他の断面を示す一部断面図である。
本発明の一実施形態に係る基板処理装置は、図１及び図２に示すように、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リング等のシール部材１３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の表面には、図２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Ｗ」という。）を載置可能な円形状の凹部２４が設けられている。なお、図２では、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（例えば３００ｍｍ）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を凹部２４に載置すると、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。
回転テーブル２の上方には、図２に示すように、反応ガスノズル３１、３２、分離ガスノズル４１、４２及び活性化ガス供給部９０が配置されている。図示の例では、真空容器１の周方向に間隔をおいて、搬送口１５（後述）から時計回り（回転テーブル２の回転方向）に、活性化ガス供給部９０、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の順に配列されている。なお、反応ガスノズル３１は第１の反応ガス供給部の一例であり、反応ガスノズル３２は第２の反応ガス供給部の一例である。
反応ガスノズル３１、３２は、各々の基端部であるガス導入ポート３１ａ、３２ａが容器本体１２の外周壁に固定され、真空容器１の外周壁から真空容器１内に導入されている。そして、容器本体１２の半径方向に沿って回転テーブル２に対して反応ガスノズル３１、３２が平行に伸びるように取り付けられている。
分離ガスノズル４１、４２は、各々の基端部であるガス導入ポート４１ａ，４２ａが容器本体１２の外周壁に固定され、真空容器１の外周壁から真空容器１内に導入されている。そして、容器本体１２の半径方向に沿って回転テーブル２に対して分離ガスノズル４１、４２が平行に伸びるように取り付けられている。
活性化ガス供給部９０については後述する。
反応ガスノズル３１は、例えば石英からなり、不図示の配管及び流量調整器等を介して第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、例えば石英からなり、不図示の配管及び流量調整器等を介して、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調整バルブ等を介して、分離ガスの供給源（図示せず）に接続されている。
Ｓｉ含有ガスとしては、例えば有機アミノシランガスを用いることができ、酸化ガスとしては、例えばＯ３（オゾン）ガス、Ｏ２（酸素）ガスを用いることができる。分離ガスとしては、例えばＮ２（窒素）ガス、Ａｒ（アルゴン）ガスを用いることができる。
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（図３参照）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を参照すると、分離ガスノズル４１、４２と共に分離領域Ｄを構成する、天板１１の裏面から回転テーブル２に向かって突出する凸状部４が真空容器１に設けられている。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３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３に示すように、真空容器１内には、凸状部４によって、凸状部４の下面である平坦な低い第１の天井面４４と、この第１の天井面４４の周方向両側に位置する、第１の天井面４４よりも高い第２の天井面４５とが存在する。
第１の天井面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、この溝部４３内に分離ガスノズル４１が収容されている。また、高い第２の天井面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、第２の天井面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３に示すように、反応ガスノズル３１が設けられる、高い第２の天井面４５の下方の空間を空間４８１とし、反応ガスノズル３２が設けられる、高い第２の天井面４５の下方の空間を空間４８２とする。
第１の天井面４４は、回転テーブル２に対し、狭隘な空間である分離空間Ｈを形成している。分離空間Ｈは、第１の領域Ｐ１からのＳｉ含有ガスと、第２の領域Ｐ２からの酸化ガスとを分離することができる。具体的には、分離ガスノズル４２からＮ２ガスを吐出すると、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、空間４８１及び４８２に比べて容積の小さい分離空間ＨをＮ２ガスが流れるため、分離空間Ｈの圧力は空間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と４８２の間に圧力障壁が形成される。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、Ｓｉ含有ガスも酸化ガスも分離空間Ｈへ流入することは殆どできない。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。
一方、天板１１の下面には、図２に示すように、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、その下面が第１の天井面４４と同じ高さに形成されている。
なお、図２においては、説明の便宜上、第２の天井面４５よりも低くかつ分離ガスノズル４１、４２よりも高い位置にて容器本体１２が切断されているように、容器本体１２及びその内部を示している。
先に参照した図１は、図２のＩ−Ｉ'線に沿った断面図であり、第２の天井面４５が設けられている領域を示している一方、図４は、第１の天井面４４が設けられている領域を示す断面図である。
図４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の表面に対する第１の天井面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３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、矩形の断面形状を有する、この窪んだ部分を排気領域Ｅ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Ｅを第１の排気領域Ｅ１と記し、第２の処理領域Ｐ２に連通する排気領域Ｅ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、各々、第１の排気口６１及び第２の排気口６２が形成されている。第１の排気口６１及び第２の排気口６２は、図１に示すように、各々、排気管６３を介して真空排気手段である例えば真空ポンプ６４に接続されている。また、排気管６３には、圧力調整手段６５が設けられている。
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が設けることができ、回転テーブル２を介して回転テーブル２上のウエハＷを、プロセスレシピで決められた温度に加熱することができる。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。カバー部材７１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いる。
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ている。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側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おり、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４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が接続されており、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との狭い空間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では、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。このため、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２及び図５から図７を参照しながら、活性化ガス供給部９０について説明する。図５は、本発明の一実施形態に係る基板処理装置における第３の処理領域Ｐ３を説明するための一部断面図である。図６及び図７は、発明の一実施形態に係る基板処理装置の水素含有ガス供給部９６を説明するための概略斜視図である。
活性化ガス供給部９０は、ウエハＷ上に成膜された膜に対して活性化されたフッ素含有ガスを供給し、その膜をエッチングする。活性化ガス供給部９０は、図２及び図５に示すように、プラズマ生成部９１と、エッチングガス供給管９２と、シャワーヘッド部９３と、配管９４と、水素含有ガス供給部９６とを備えている。なお、シャワーヘッド部９３は、吐出部の一例である。
プラズマ生成部９１は、エッチングガス供給管９２から供給されたフッ素含有ガスをプラズマ源により活性化する。プラズマ源としては、フッ素含有ガスを活性化することでＦ（フッ素）ラジカルを生成可能であれば、特に限定されるものではない。プラズマ源としては、例えば誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）、容量結合型プラズマ（ＣＣＰ：Capacitively Coupled Plasma）、表面波プラズマ（ＳＷＰ：Surface Wave Plasma）を用いることができる。
エッチングガス供給管９２は、その一端がプラズマ生成部９１と接続されており、プラズマ生成部９１にフッ素含有ガスを供給する。エッチングガス供給管９２の他端は、例えば開閉バルブ及び流量調整器を介してフッ素含有ガスが貯留されたエッチングガス供給源と接続されている。フッ素含有ガスとしては、ウエハＷに成膜された膜をエッチング可能なガスを用いることができる。具体的には、ＣＨＦ３（トリフルオロメタン）等のハイドロフルオロカーボン、ＣＦ４（四フッ化炭素）等のフルオロカーボン等、酸化シリコン膜をエッチングするフッ素含有ガス等を用いることができる。また、これらのフッ素含有ガスに、Ａｒガス、Ｏ２ガス等を適宜添加することができる。
シャワーヘッド部９３は、配管９４を介してプラズマ生成部９１と接続されており、プラズマ生成部９１で活性化されたフッ素含有ガスを真空容器１内に供給する部分である。シャワーヘッド部９３は、扇型の平面形状を有し、扇型の平面形状の外縁に沿うように形成された押圧部材９５によって下方側に向かって周方向に亘って押圧される。また、押圧部材９５が図示しないボルト等により天板１１に固定されることにより、真空容器１の内部雰囲気が気密状態とされる。天板１１に固定されたときのシャワーヘッド部９３の下面と回転テーブル２の上面との間隔は、例えば０．５ｍｍから５ｍｍ程度とすることができ、このシャワーヘッド部９３の下方領域が、例えばシリコン酸化膜をエッチングするための第３の処理領域Ｐ３となる。これにより、シャワーヘッド部９３を介して真空容器１内に供給される活性化されたフッ素含有ガスに含まれるＦラジカルが効率よくウエハＷに成膜された膜と反応する。
シャワーヘッド部９３には、回転テーブル２の角速度の違いに対応して回転中心側で少なく、外周側で多くなるように複数のガス吐出孔９３ａが設けられている。複数のガス吐出孔９３ａの個数としては、例えば数十〜数百個とすることができる。また、複数のガス吐出孔９３ａの直径としては、例えば０．５ｍｍから３ｍｍ程度とすることができる。シャワーヘッド部９３に供給された活性化されたフッ素含有ガスは、ガス吐出孔９３ａを通って回転テーブル２とシャワーヘッド部９３との間の空間に供給される。
配管９４は、シャワーヘッド部９３の上流側に設けられ、プラズマ生成部９１とシャワーヘッド部９３とを接続する。回転テーブル２の半径方向における配管９４の外周側には、水素含有ガス供給部９６が設けられている。
水素含有ガス供給部９６は、その一端が配管９４と接続されており、配管９４の内部に水素含有ガスを供給する。水素含有ガス供給部９６の他端は、例えば開閉バルブ及び流量調整器を介して水素含有ガス供給源と接続されている。
また、水素含有ガス供給部９６は、プラズマ生成部９１よりもシャワーヘッド部９３に近い位置に設けられていることが好ましい。これにより、配管９４の内部に供給される水素含有ガスがプラズマ生成部９１に逆流することを抑制できる。このため、プラズマ生成部９１においてＨ２プラズマが発生することを抑制することができる。結果として、プラズマ生成部９１を構成する金属による汚染（コンタミ）の抑制やプラズマ生成部９１を構成する機器の寿命の向上を図ることができる。また、回転テーブル２の中心側に供給される水素含有ガスの流量と、回転テーブル２の外周側に供給される水素含有ガスの流量との間に、容易に流量差を設けることができる。
水素含有ガスとしては、例えばＨ２（水素）ガスとＡｒガスとの混合ガス（以下「Ｈ２／Ａｒガス」という。）を用いることができる。また、Ｈ２ガスの供給流量としては、例えば１ｓｃｃｍ以上５０ｓｃｃｍ以下とすることができ、Ａｒガスの供給流量としては、例えば５００ｓｃｃｍ以上１０ｓｌｍ以下とすることができる。
なお、図５及び図６の例では、一つの水素含有ガス供給部９６が回転テーブル２の半径方向における配管９４の外周側に設けられているが、本発明はこの点において限定されるものではない。水素含有ガス供給部９６は、例えば図７に示すように、回転テーブル２の回転方向における配管９４の前方又は後方に設けられていてもよい。また、配管９４に複数の水素含有ガス供給部９６が設けられていてもよい。
また、基板処理装置には、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が設けられている。この制御部１００のメモリ内には、制御部１００の制御の下に、後述する基板処理方法を基板処理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装置の動作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等の記憶部１０１から制御部１００内にインストールされる。
（基板処理方法）
本発明の一実施形態に係る基板処理装置を用いた基板処理方法の一例について説明する。以下では、ウエハＷ上に形成された凹形状パターンの１つであるビア内にＳｉＯ２膜を形成する方法を例として説明する。なお、第１の反応ガスとしてＳｉ含有ガス、第２の反応ガスとして酸化ガス、フッ素含有ガスとしてＣＦ４とＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガス（以下「ＣＦ４／Ａｒ／Ｏ２ガス」という。）を用いる場合を例として説明する。
まず、図示しないゲートバルブを開き、図２に示すように、外部から搬送アーム１０により搬送口１５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内に各々ウエハＷを載置する。
続いてゲートバルブを閉じ、真空ポンプ６４により真空容器１内を引き切りの状態にした後、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、分離ガス供給管５１及びパージガス供給管７２、７３からＮ２ガスを所定の流量で吐出する。これに伴い、圧力調整手段６５により真空容器１内を予め設定した処理圧力に調整する。次いで、回転テーブル２を時計回りに例えば６０ｒｐｍ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４５０℃に加熱する。
次に、成膜工程を実行する。成膜工程では、反応ガスノズル３１からはＳｉ含有ガスを供給し、反応ガスノズル３２からは酸化ガスを供給する。また、活性化ガス供給部９０からは、何もガスを供給しない。
ウエハＷが第１の処理領域Ｐ１を通過したときに、原料ガスであるＳｉ含有ガスが反応ガスノズル３１から供給されてウエハＷの表面に吸着する。表面にＳｉ含有ガスが吸着したウエハＷは、回転テーブル２の回転により分離ガスノズル４２を有する分離領域Ｄを通過してパージされた後、第２の処理領域Ｐ２に入る。第２の処理領域Ｐ２では、反応ガスノズル３２から酸化ガスが供給され、Ｓｉ含有ガスに含まれるＳｉ成分が酸化ガスにより酸化され、反応生成物であるＳｉＯ２がウエハＷの表面に堆積する。
第２の処理領域Ｐ２を通過したウエハＷは、分離ガスノズル４１を有する分離領域Ｄを通過してパージされた後、再び第１の処理領域Ｐ１に入る。そして、反応ガスノズル３１からＳｉ含有ガスが供給され、Ｓｉ含有ガスがウエハＷの表面に吸着する。
以上、回転テーブル２を複数回連続的に回転させながら、フッ素含有ガスを真空容器１内に供給することなく、第１の反応ガス及び第２の反応ガスを真空容器１内に供給する。これにより、ウエハＷの表面に反応生成物であるＳｉＯ２が堆積し、ＳｉＯ２膜（シリコン酸化膜）が成膜される。
必要に応じて、所定の膜厚までＳｉＯ２膜が成膜された後、反応ガスノズル３１からはＳｉ含有ガスの供給を停止し、反応ガスノズル３２からは酸化ガスを供給し続け、回転テーブル２の回転を継続することにより、ＳｉＯ２膜の改質処理を行うようにしてもよい。
成膜工程を実行することにより、凹形状パターンの１つであるビア内にＳｉＯ２膜が成膜される。最初にビア内に形成されるＳｉＯ２膜は、凹形状に沿った断面形状を有する。
次に、エッチング工程を実行する。エッチング工程では、ＳｉＯ２膜が、Ｖ字の断面形状にエッチングされる。エッチング工程は、具体的には、以下のように実行される。
図２に示すように、反応ガスノズル３１、３２からのＳｉ含有ガス及び酸化ガスの供給を停止し、Ｎ２ガスをパージガスとして供給する。回転テーブル２は、エッチングに適した温度、例えば６００℃程度に設定される。また、回転テーブル２の回転速度は、例えば６０ｒｐｍに設定される。この状態で、活性化ガス供給部９０のシャワーヘッド部９３からＣＦ４／Ａｒ／Ｏ２ガスを供給し、水素含有ガス供給部９６から例えば予め設定した流量のＨ２／Ａｒガスを供給することで、エッチング処理が開始される。
その際、回転テーブル２が低速で回転しているので、ＳｉＯ２膜はＶ字の断面形状にエッチングされる。ビア内のＳｉＯ２膜をＶ字形状にエッチングすることにより、最上部の開口が広い孔をＳｉＯ２膜に形成することができ、次の成膜の際に底部までＳｉＯ２膜を埋め込むことができ、ボトムアップ性が高く、ボイドが発生し難い成膜を行うことができる。
ところで、エッチング工程においてＳｉＯ２膜に対してエッチングを行う際、ウエハＷ面内における回転中心側と外周側との間でエッチング量が異なることがある。そして、ウエハＷ面内におけるエッチング量が異なると、ウエハＷ面内のエッチング均一性を確保することが困難である。
しかしながら、本発明の一実施形態に係る基板処理装置は、活性化ガス供給部９０がシャワーヘッド部９３よりも上流側に設けられ、シャワーヘッド部９３にフッ素含有ガスを供給可能な配管９４と、配管９４に設けられ、配管９４の内部に水素含有ガスを供給可能な１又は複数の水素含有ガス供給部９６とを含む。
係る水素含有ガス供給部９６から配管９４の内部に供給される水素含有ガスは、プラズマ生成部９１から配管９４及びシャワーヘッド部９３に供給されたフッ素含有ガスに含まれるＦラジカルと反応してＨＦ（フッ化水素）を生成する。このため、配管９４及びシャワーヘッド部９３に供給されたフッ素含有ガスに含まれるＦラジカルの量が減少し、Ｆラジカル主体のエッチング反応をＣＦラジカル主体のエッチング反応に調整可能となる。
ここで、Ｆラジカルと比較してＣＦラジカルは、ＳｉＯ２膜をＳｉＮ膜やＳｉに比べて選択的にエッチングする特性を有している。このため、水素含有ガス供給部９６を備える本実施形態に係る基板処理装置では、ＳｉＯ２膜のみを選択的にエッチングすることが可能となる。
また、配管９４に設けられる水素含有ガス供給部９６の位置や水素含有ガス供給部９６から供給される水素含有ガスの流量を調整することで、シャワーヘッド部９３から回転テーブル２とシャワーヘッド部９３との間の空間に供給されるＦラジカルの濃度の面内分布を制御することができる。結果として、ウエハＷ面内でのエッチング量分布を制御することができる。
なお、水素含有ガス供給部９６から供給される水素含有ガス流量の調整は、予め設定した流量となるように、制御部１００によって制御されてもよく、オペレータによって制御されてもよい。
以上、回転テーブル２を複数回連続的に回転させながら、第１の反応ガス及び第２の反応ガスを真空容器１内に供給することなく、フッ素含有ガス及び水素含有ガスを真空容器１内に供給する。これにより、ＳｉＯ２膜がエッチングされる。
次に、再び前述した成膜工程を実行する。成膜工程では、エッチング工程でＶ字状にエッチングされたＳｉＯ２膜上に更にＳｉＯ２膜が成膜され、膜厚が増加する。Ｖ字状にエッチングされたＳｉＯ２膜上に成膜されるため、成膜の際に入口が塞がれず、ＳｉＯ２膜の底部から膜を堆積することができる。
次に、再び前述したエッチング工程を実行する。エッチング工程では、ＳｉＯ２膜がＶ字形状にエッチングされる。
以上に説明した成膜工程とエッチング工程とを必要な回数だけ交互に繰り返し、ＳｉＯ２膜内にボイドが発生しないようにしながら、ビアを埋め込んでゆく。これらの工程の繰り返し回数は、ビア等の凹形状パターンのアスペクト比を含めた形状に応じて、適切な回数とすることができる。例えばアスペクト比が大きい場合、繰り返し回数は多くなる。また、トレンチよりもビアの方が、繰り返し回数が多くなることが推定される。
なお、本実施形態においては、成膜工程とエッチング工程とを繰り返し、ウエハＷの表面に形成された凹形状パターンに埋め込み成膜を行う例について説明したが、本発明はこの点において限定されるものではない。
例えば、予め表面に膜が形成されたウエハＷを搬入し、エッチング工程のみを行うようにしてもよい。
また、例えば回転テーブル２を複数回連続的に回転させながら、第１の反応ガス、第２の反応ガス、フッ素含有ガス及び水素含有ガスを真空容器１内に同時に供給し、回転テーブル２が１回転する間に、成膜工程とエッチング工程とを１回ずつ行ってもよい。さらに、成膜工程とエッチング工程とを１回ずつ行うサイクルを複数回繰り返してもよい。
（実施例）
次に、本発明の一実施形態に係る基板処理装置を用いて、シミュレーションと実験を行った。
図８は、エッチング工程における活性化ガス供給部９０の内部の気流速度のシミュレーション結果を示す図である。具体的には、エッチングガス供給管９２からプラズマ生成部９１及び配管９４を介してシャワーヘッド部９３にＣＦ４／Ａｒ／Ｏ２ガスを供給し、回転テーブル２の半径方向における配管９４の外周側（図中の左方向）に設けられた水素含有ガス供給部９６から配管９４の内部にＨ２／Ａｒガスを供給した場合のシャワーヘッド部９３の内部及び配管９４の内部の気流速度のシミュレーション結果である。
なお、シミュレーション条件は、以下のとおりとした。すなわち、真空容器１内の圧力を２Ｔｏｒｒ、回転テーブル２の温度を８０℃とした。また、エッチングガス供給管９２のＣＦ４ガス流量を１０ｓｃｃｍ、Ａｒガス流量を２ｓｌｍ、Ｏ２ガス流量を３０ｓｃｃｍとし、水素含有ガス供給部９６のＨ２ガス流量を２０ｓｃｃｍとした。
係る条件下で、水素含有ガス供給部９６から供給されるＡｒガス流量を２ｓｌｍ又は４ｓｌｍに変化させたときのシャワーヘッド部９３の内部及び配管９４の内部の気流速度についてシミュレーションを行った。
図８（ａ）は、水素含有ガス供給部９６から供給されるＡｒガス流量を２ｓｌｍとしたときのシミュレーション結果を示す図である。図８（ｂ）は、水素含有ガス供給部９６から供給されるＡｒガス流量を４ｓｌｍとしたときのシミュレーション結果を示す図である。
図８（ａ）及び（ｂ）において、領域Ｚ１の気流速度が最も大きく、領域Ｚ２、領域Ｚ３、領域Ｚ４、領域Ｚ５、領域Ｚ６、領域Ｚ７、領域Ｚ８、領域Ｚ９、領域Ｚ１０の順に気流速度が大きいことを示している。
図８（ａ）及び（ｂ）を参照すると、水素含有ガス供給部９６から供給されるＡｒガス流量が大きくなると、シャワーヘッド部９３の内部において、回転テーブル２の回転中心側（図８中の右側）における気流速度が、回転テーブル２の外周側（図８中の左側）における気流速度よりも大きくなっている。すなわち、水素含有ガス供給部９６のＡｒガス流量を大きくすることで、水素含有ガス供給部９６が設けられた側と反対側における領域のＨ２体積割合を大きくすることができるため、当該領域のＦラジカルの量を減少させることができる。結果として、当該領域のＳｉＯ２膜のエッチング量を小さくすることができる。
図９は、ウエハＷ面内のエッチング量の測定結果を示す図である。具体的には、回転テーブル２に載置されたウエハＷに対して、エッチングガス供給管９２からプラズマ生成部９１及び配管９４を介してシャワーヘッド部９３にＣＦ４／Ａｒ／Ｏ２ガスを供給し、回転テーブル２の半径方向における配管９４の外周側に設けられた水素含有ガス供給部９６から配管９４の内部にＨ２／Ａｒガスを供給した場合のウエハＷ面内のエッチング量［ｎｍ］の測定結果である。
なお、エッチング条件は、以下のとおりとした。すなわち、真空容器１内の圧力を１．８Ｔｏｒｒ、回転テーブル２の温度を４００℃、回転テーブル２の回転速度を６０ｒｐｍとした。また、エッチングガス供給管９２のＣＦ４ガス流量を１０ｓｃｃｍ、Ａｒガス流量を２ｓｌｍ、Ｏ２ガス流量を３０ｓｃｃｍとし、水素含有ガス供給部９６のＡｒガス流量を４ｓｌｍとした。
係る条件下で、水素含有ガス供給部９６から供給されるＨ２ガス流量を０ｓｃｃｍ、５ｓｃｃｍ又は２０ｓｃｃｍに変化させたときのウエハＷ面内のエッチング量について測定を行った。また、Ｈ２ガス流量が０ｓｃｃｍのときのエッチング時間を６０ｓ、Ｈ２ガス流量が５ｓｃｃｍのときのエッチング時間を１２０ｓ、Ｈ２ガス流量が２０ｓｃｃｍのときのエッチング時間を１２０ｓとした。なお、Ｈ２ガス流量が０ｓｓｃｍのときにエッチング時間を１２０ｓとしたときの結果を示していないが、エッチング量とエッチング時間との間には一般的に比例関係があることから、ウエハＷ面内のエッチング量の分布については、エッチング時間を６０ｓとしたときの結果と同様の結果になると推測される。
図９（ａ）は、水素含有ガス供給部９６から供給されるＨ２ガス流量を０ｓｌｍとしたときのウエハＷ面内のエッチング量の測定結果を示す図である。図９（ｂ）は、水素含有ガス供給部９６から供給されるＨ２ガス流量を５ｓｃｃｍとしたときのウエハＷ面内のエッチング量の測定結果を示す図である。図９（ｃ）は、水素含有ガス供給部９６から供給されるＨ２ガス流量を２０ｓｃｃｍとしたときのウエハＷ面内のエッチング量の測定結果を示す図である。また、図９（ａ）から（ｃ）において、上側が回転テーブル２の回転中心側を表し、下側が回転テーブル２の外周側を表す。
図９（ａ）から（ｃ）において、領域Ｚ１のエッチング量が最も大きく、領域Ｚ２、領域Ｚ３、領域Ｚ４、領域Ｚ５、領域Ｚ６、領域Ｚ７、領域Ｚ８、領域Ｚ９、領域Ｚ１０の順にエッチング量が大きいことを示している。
水素含有ガス供給部９６からＨ２ガスを供給していない場合、図９（ａ）に示すように、ウエハＷ面内のエッチング量は、回転テーブル２の回転中心側で大きく、外周側で小さくなっている。
これに対して、水素含有ガス供給部９６からＨ２ガスを５ｓｃｃｍの流量で供給した場合、図９（ｂ）に示すように、ウエハＷ面内のエッチング量は、Ｈ２ガスを供給しない場合と比較して、回転テーブル２の回転中心側と中央部分との間の差異が小さくなっている。
また、水素含有ガス供給部９６からＨ２ガスを２０ｓｃｃｍの流量で供給した場合、図９（ｃ）に示すように、ウエハＷ面内のエッチング量は、回転テーブル２の回転中心側で小さく、外周側で大きくなっており、図９（ａ）の場合とは逆の傾向を示している。
すなわち、水素含有ガス供給部９６から供給されるＨ２ガスの流量を調整することで、ウエハＷ面内のエッチング量を制御することができる。
以上に説明したように、本発明の一実施形態に係る基板処理装置及び基板処理方法によれば、基板面内でのエッチング量分布を制御することができる。
以上、基板処理装置及び基板処理方法を実施例によって説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。
前述の実施形態では、活性化ガス供給部９０におけるプラズマ生成部９１が配管９４を介してシャワーヘッド部９３の上方に設けられている形態について説明した。しかし、プラズマ生成部９１を設ける位置としては、ウエハＷ上に成膜された膜に対して活性化されたフッ素含有ガスを供給することができる位置であれば特に限定されず、例えばシャワーヘッド部９３の内部、シャワーヘッド部９３の下方であってもよい。
１ 真空容器
２ 回転テーブル
３１、３２ 反応ガスノズル
９０ 活性化ガス供給部
９３ シャワーヘッド部
９３ａ ガス吐出孔
９４ 配管
９６ 水素含有ガス供給部
１００ 制御部
Ｗ ウエハ

Claims (9)

  1. 真空容器内に回転可能に設けられ、基板を載置可能な回転テーブルと、
    前記回転テーブルの表面に第１の反応ガスを供給可能な第１の反応ガス供給部と、
    前記第１の反応ガス供給部から前記回転テーブルの周方向に離間して設けられ、前記回転テーブルの表面に前記第１の反応ガスと反応する第２の反応ガスを供給可能な第２の反応ガス供給部と、
    前記第１の反応ガス供給部及び前記第２の反応ガス供給部から前記回転テーブルの周方向に離間して設けられ、前記回転テーブルの表面に活性化されたフッ素含有ガスを供給可能な吐出部を含む活性化ガス供給部と
    を備え、
    前記活性化ガス供給部は、
    前記吐出部よりも上流側に設けられ、前記吐出部に前記フッ素含有ガスを供給可能な配管と、
    前記配管に設けられ、前記配管の内部に水素含有ガスを供給可能な１又は複数の水素含有ガス供給部と、
    前記配管を介して前記吐出部と接続され、前記フッ素含有ガスを活性化するプラズマ生成部と、
    を含み、
    前記水素含有ガス供給部は、前記吐出部と前記プラズマ生成部との間に設けられている、
    基板処理装置。
  2. 前記水素含有ガス供給部は、前記プラズマ生成部よりも前記吐出部に近い位置に設けられている、
    請求項１に記載の基板処理装置。
  3. 前記第１の反応ガスはシリコン含有ガスであり、
    前記第２の反応ガスは酸化ガスであり、
    請求項１又は２に記載の基板処理装置。
  4. 前記活性化ガス供給部により前記回転テーブルの表面に供給される前記フッ素含有ガスの分布に基づいて、前記水素含有ガス供給部から供給される前記水素含有ガスの流量を制御する制御部を更に有する、
    請求項１乃至３のいずれか一項に記載の基板処理装置。
  5. 前記制御部は、
    前記基板の表面に成膜のみを行うときには、前記第１の反応ガス供給部及び前記第２の反応ガス供給部から前記第１の反応ガス及び前記第２の反応ガスを各々供給すると共に、前記活性化ガス供給部からの前記フッ素含有ガスの供給を停止し、
    前記基板の表面に形成された膜のエッチングのみを行うときには、前記第１の反応ガス供給部及び前記第２の反応ガス供給部からの前記第１の反応ガス及び前記第２の反応ガスの供給を停止すると共に、前記活性化ガス供給部及び前記水素含有ガス供給部から前記フッ素含有ガス及び前記水素含有ガスを各々供給する、
    請求項４に記載の基板処理装置。
  6. 真空容器内に設けられた回転テーブルの表面に基板を載置し、回転テーブルを回転させながらフッ素含有ガスを真空容器内に供給し、前記基板の表面に形成された膜をエッチングするエッチング工程を含む基板処理方法であって、
    前記エッチング工程は、前記回転テーブルの表面にフッ素含有ガスを供給すると共に、前記フッ素含有ガスを前記回転テーブルの表面に供給するガス吐出孔を含む吐出部よりも上流側から水素含有ガスを供給する工程を含み、
    前記回転テーブルの表面に供給される前記フッ素含有ガスの分布に基づいて、前記水素含有ガスの流量を変化させる、
    基板処理方法。
  7. 前記回転テーブルを回転させながら、第１の反応ガスと、前記第１の反応ガスと反応する第２の反応ガスとを前記真空容器内に供給し、前記基板の表面に膜を形成する成膜工程を更に有する、
    請求項６に記載の基板処理方法。
  8. 前記成膜工程は、前記回転テーブルを複数回連続的に回転させながら、前記フッ素含有ガスを前記真空容器内に供給することなく、前記第１の反応ガス及び前記第２の反応ガスを前記真空容器内に供給する工程を含み、
    前記エッチング工程は、前記回転テーブルを複数回連続的に回転させながら、前記第１の反応ガス及び前記第２の反応ガスを前記真空容器内に供給することなく、前記フッ素含有ガス及び前記水素含有ガスを前記真空容器内に供給する工程を含む、
    請求項７に記載の基板処理方法。
  9. 前記回転テーブルを複数回連続的に回転させながら、前記第１の反応ガス、前記第２の反応ガス、前記フッ素含有ガス及び前記水素含有ガスを前記真空容器内に同時に供給し、前記回転テーブルが１回転する間に、前記成膜工程と前記エッチング工程とを１回ずつ行うサイクルを複数回繰り返す、
    請求項７に記載の基板処理方法。
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