JP6640596B2 - 成膜方法 - Google Patents

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Description

本発明は、シリコン膜またはゲルマニウム膜またはシリコンゲルマニウム膜を成膜する成膜方法に関する。
半導体デバイスの製造プロセスにおいては、絶縁膜にホールやトレンチ等の凹部を形成し、その中にアモルファスシリコン膜等のシリコン膜を埋め込んで電極を形成する工程が存在する。シリコン膜の成膜処理には、一般的に化学蒸着法(CVD法)が用いられている(例えば、特許文献1、2)。
しかしながら、近時、デバイスの微細化が進んでおり、CVD法によりシリコン膜を深いホールやトレンチを埋め込む場合には、ステップカバレッジが悪く、ボイドが発生してしまう。電極として用いられるシリコン膜にボイドが発生すると、抵抗値を増大させてしまうため、極力ボイドのないシリコン膜が求められている。シリコン膜に限らず、ゲルマニウム膜やシリコンゲルマニウム膜も同様である。
これに対して、特許文献3には、ホールやトレンチ等の凹部にシリコン膜を形成した後、断面V字状にエッチングを行い、その後再びシリコンで埋め込む技術が提案されている。これにより、ボイドフリーの埋め込みを達成することができる。
特開昭63−29954号公報 特開平1−217956号公報 特開2015−45082号公報
しかしながら、上述のような、凹部にシリコン膜を形成した後、断面V字状にエッチングを行い、その後再びシリコンで埋め込む技術は、生産性が低く、プロセスが複雑で管理が難しいという問題がある。
したがって、本発明は、生産性の低下やプロセスの複雑化をもたらさずに、微細な凹部にボイドフリーでシリコン膜またはゲルマニウム膜またはシリコンゲルマニウム膜を成膜することができる成膜方法を提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明の第1の観点は、表面に微細凹部が形成された被処理基板に、CVD法により、シリコン膜、ゲルマニウム膜、またはシリコンゲルマニウム膜を成膜する成膜方法であって、処理容器内に微細凹部を有する被処理基板を配置する工程と、前記処理容器内に、成膜しようとする膜を構成する元素を含有する成膜ガス、および塩素含有化合物ガスを供給する工程とを有し、前記塩素含有化合物ガスは、シリコン系塩素含有化合物ガスまたはゲルマニウム系塩素含有化合物ガスであり、前記成膜ガスおよび前記塩素含有化合物ガスの合計に対する前記塩素含有化合物ガスの分圧比率は、0.01〜0.2(0.2は除く)であり、前記塩素含有化合物ガスにより、前記微細凹部の上部において前記成膜ガスの吸着を選択的に阻害し、前記微細凹部の底部で厚く、上部で薄い膜を成膜することを特徴とする成膜方法を提供する。
上記第1の観点において、前記成膜ガスとしては、シラン系ガスおよび/またはゲルマン系ガスを用いることができる。前記シラン系ガスとして、SiHガスまたはSiガスを好適に用いることができ、前記ゲルマン系ガスは、GeHガスまたはGeガスを好適に用いることができる。
記シリコン系塩素含有化合物ガスとしては、SiHClガス、SiHClガス、SiHClガス、SiClガス、SiClガスのいずれかを用いることができ、前記ゲルマニウム系塩素含有化合物ガスとしては、GeHClガス、GeHClガス、GeHClガス、GeClガス、GeClガスのいずれかを用いることができる。
本発明の第2の観点は、表面に微細凹部が形成された被処理基板に、CVD法により、シリコン膜を成膜する成膜方法であって、処理容器内に微細凹部を有する被処理基板を配置する工程と、前記処理容器内に、成膜ガスであるSiHガス、およびSiHガスの吸着を阻害するSiHClガスを供給する工程とを有し、前記SiH ガスおよび前記SiH Cl ガスの合計に対する前記SiH Cl ガスの分圧比率は、0.01〜0.2であり、前記SiHClガスにより、前記微細凹部の上部において前記SiHガスの吸着を選択的に阻害し、前記微細凹部の底部で厚く、上部で薄い膜を成膜することを特徴とする成膜方法を提供する。
本発明によれば、表面に微細凹部が形成された被処理基板に、CVD法により、シリコン膜、ゲルマニウム膜、またはシリコンゲルマニウム膜を成膜するにあたり、処理容器内に、成膜しようとする膜を構成する元素を含有する成膜ガス、および塩素含有化合物ガスを供給し、塩素含有化合物ガスにより、微細凹部の上部において成膜ガスの吸着を選択的に阻害する。これにより、微細凹部の底部で厚く、上部で薄い、V字形状で膜形成を進行させることができ、凹部内にボイドやシームが存在しない状態の膜を埋め込むことが可能となる。
本発明の成膜方法を実施するための成膜装置の一例を示す縦断面図である。 本発明の成膜方法に用いられる半導体ウエハの構造の一例を示す断面図である。 従来のSiHガスのみを用いたCVD法によりアモルファスシリコン膜を成膜する際の微細凹部の成膜状況を説明するための図である。 成膜ガスであるSiHガスに塩素含有化合物ガスであるDCSガスを添加してアモルファスシリコン膜を成膜した場合の、DCSの分圧比率と堆積速度との関係を示す図である。 本発明の成膜方法の一例における成膜過程の状態を説明するための断面図である。 本発明の成膜方法の一例における成膜過程の状態を説明するための断面図であり、図5の状態からさらに成膜を進行させた状態を示す図である。 本発明の成膜方法の一例における成膜過程の状態を説明するための断面図であり、凹部の埋め込みを完了した状態を示す図である。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
本実施形態においては、凹部を有する被処理基板にアモルファスシリコン膜、ゲルマニウム膜、シリコンゲルマニウム膜を成膜する。
<成膜装置の一例>
図1は本発明の成膜方法を実施するための成膜装置の一例を示す縦断面図である。
成膜装置1は、天井部を備えた筒状の断熱体3と、断熱体3の内周面に設けられたヒータ4とを有する加熱炉2を備えている。加熱炉2は、ベースプレート5上に設置されている。
加熱炉2内には、例えば石英からなる、上端が閉じている外管11と、この外管11内に同心状に設置された例えば石英からなる内管12とを有する2重管構造をなす処理容器10が挿入されている。そして、上記ヒータ4は処理容器10の外側を囲繞するように設けられている。
上記外管11および内管12は、各々その下端にてステンレス等からなる筒状のマニホールド13に保持されており、このマニホールド13の下端開口部には、当該開口を気密に封止するためのキャップ部14が開閉自在に設けられている。
キャップ部14の中心部には、例えば磁気シールにより気密な状態で回転可能な回転軸15が挿通されており、回転軸15の下端は昇降台16の回転機構17に接続され、上端はターンテーブル18に固定されている。ターンテーブル18には、保温筒19を介して被処理基板である半導体ウエハ(以下単にウエハと記す)を保持する石英製のウエハボート20が載せられる。このウエハボート20は、例えば50〜150枚のウエハWを所定間隔のピッチで積み重ねて収容できるように構成されている。
そして、昇降機構(図示せず)により昇降台16を昇降させることにより、ウエハボート20を処理容器10内へ搬入搬出可能となっている。ウエハボート20を処理容器10内に搬入した際に、上記キャップ部14がマニホールド13に密接し、その間が気密にシールされる。
また、成膜装置1は、処理容器10内へ成膜ガスを導入する成膜ガス供給機構21と、処理容器10内へ成膜ガスの吸着を阻害するための塩素含有化合物ガスを導入する塩素含有化合物ガス供給機構22と、処理容器10内へパージガス等として用いられる不活性ガスを導入する不活性ガス供給機構23とを有している。
成膜ガス供給機構21は、成膜ガス供給源25と、成膜ガス供給源25から成膜ガスを導く成膜ガス配管26と、成膜ガス配管26に接続され、マニホールド13の側壁下部を貫通して設けられた石英製の成膜ガスノズル26aとを有している。成膜ガス配管26には、開閉弁27およびマスフローコントローラのような流量制御器28が設けられており、成膜ガスを流量制御しつつ供給することができるようになっている。成膜ガスとしては、アモルファスシリコン膜を成膜する場合には、モノシラン(SiH)ガス、ジシラン(Si)ガス等のシラン系ガスを用いることができ、ゲルマニウム膜を成膜する場合には、モノゲルマン(GeH)ガス、ジゲルマン(Ge)ガス等のゲルマン系ガスを用いることができ、シリコンゲルマニウム膜を成膜する場合には、シラン系ガスとゲルマン系ガスとを用いることができる。
塩素含有化合物ガス供給機構22は、塩素含有化合物ガス供給源29と、塩素含有化合物ガス供給源29から塩素含有化合物ガスを導く塩素含有化合物ガス配管30と、塩素含有化合物ガス配管30に接続され、マニホールド13の側壁下部を貫通して設けられた塩素含有化合物ガスノズル30aとを有している。塩素含有化合物ガス配管30には、開閉弁31およびマスフローコントローラのような流量制御器32が設けられており、塩素化合物ガスを流量制御しつつ供給することができるようになっている。塩素含有化合物ガスとしては、モノクロロシラン(MCS;SiHCl)ガス、ジクロロシラン(DCS;SiHCl)ガス、トリクロロシラン(TCS;SiHCl)ガス、シリコンテトラクロライド(STC;SiCl)ガス、ヘキサクロロジシラン(HCD;SiCl)ガス等のシリコン系塩素含有化合物ガスや、モノクロロゲルマン(GeHCl)ガス、ジクロロゲルマン(GeHCl)ガス、トリクロロゲルマン(GeHCl)ガス、ゲルマニウムテトラクロライド(GeCl)ガス、ヘキサクロロジゲルマン(GeCl)ガス等のゲルマニウム系塩素含有化合物ガスを挙げることができる
不活性ガス供給機構23は、不活性ガス供給源33と、不活性ガス供給源33から不活性ガスを導く不活性ガス配管34と、不活性ガス配管34に接続され、マニホールド13の側壁下部を貫通して設けられた不活性ガスノズル34aとを有している。不活性ガス配管34には、開閉弁35およびマスフローコントローラのような流量制御器36が設けられている。不活性ガスとしては、Nガスや、Arガスのような希ガスを用いることができる。
またマニホールド13の側壁上部には、外管11と内管12との間隙から処理ガスを排出するための排気管38が接続されている。この排気管38は処理容器10内を排気するための真空ポンプ39に連結されており、また排気管38には圧力調整バルブ等を含む圧力調整機構40が設けられている。そして、真空ポンプ39で処理容器10内を排気しつつ圧力調整機構40で処理容器10内を所定の圧力に調整するようになっている。
この成膜装置1は制御部50を有している。制御部50は、成膜装置1の各構成部、例えばバルブ類、マスフローコントローラ、ヒータ電源、昇降機構等の駆動機構を制御するコンピュータ(CPU)と、オペレータが成膜装置1を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、成膜装置1の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインターフェースと、成膜装置1で実行される各種処理のパラメータや、処理条件に応じて成膜装置1の各構成部に処理を実行させるためのプログラムすなわち処理レシピ等が格納された記憶部とを有しており、必要に応じて、ユーザーインターフェースからの指示等にて任意の処理レシピを記憶部から呼び出してコンピュータに実行させる。これにより、コンピュータの制御下で、成膜装置1での所望の処理が行われる。
<成膜方法>
次に、以上の成膜装置を用いて行われる成膜方法について説明する。ここでは、原料ガスとしてSiHガスを用い、塩素含有化合物ガスとしてDCS(SiHCl)ガスを用いてアモルファスシリコンを成膜する場合を例にとって説明する。
本実施形態においては、被処理基板であるウエハWとして、図2に示すような、Si基体200上に絶縁膜(SiO膜)201が形成され、絶縁膜201に微細凹部202が所定パターンで形成された構造のものを準備する。微細凹部202はコンタクトホール等のホールまたはトレンチであり、その幅(径)は5〜100nm、高さは20〜10000nmであり、アスペクト比が4〜100程度の深いものである。例えば、幅または径:100nm、高さ:4000nm、アスペクト比:40である。
以上のようなウエハWをウエハボート20に例えば50〜150枚搭載しておくとともに、成膜装置1においては、ヒータ4によりウエハボート20のセンター部(上下方向の中央部)の温度を成膜に適した温度、例えば、470〜550℃になるように処理容器10内を加熱しておく。そして、ターンテーブル18に保温筒19を介してウエハWを搭載したウエハボート20を載置し、昇降台16を上昇させることにより、下方開口部から処理容器10内へウエハボート20を搬入する。
次いで、処理容器10内を0.1〜5Torr(13.3〜665Pa)の圧力に調整した後、成膜ガス供給源25から成膜ガス配管26を介して処理容器10(内管12)内に成膜ガスとして所定流量のSiHガスを供給し、塩素含有化合物ガス供給源29から塩素含有化合物ガス配管30を介して処理容器10(内管12)内に塩素含有化合物ガスとしてDCS(SiHCl)ガスを供給し、ウエハボート20を回転させつつ、470〜550℃でアモルファスシリコン膜の成膜を実施する。
従来は、SiHガスのみを用いたCVD法によりアモルファスシリコン膜を成膜していたが、ホールやトレンチ等の凹部の埋め込みの際には、一般的に凹部の表面から底部に向かってガス圧が低くなる傾向にあり、このような傾向は深いホールやトレンチを埋め込む場合に顕著となる。このため、深い凹部にアモルファスシリコン膜を成膜する場合には、ガス圧の高い表面付近では反応確率が高いため堆積速度が高いのに対し、ガス圧の低い底部では反応確率が低いため堆積速度が低くなる。このため、図3に示すように、微細で深い凹部202に成膜されるアモルファスシリコン膜203は、表面で厚く底部で薄くなり、ステップカバレッジが悪いものとなる。したがって、成膜が進行すると凹部202に埋め込んだアモルファスシリコン膜の内部にボイドが生成されてしまう。
これに対して、本例のように、成膜ガスであるSiHガスに塩素含有化合物ガスであるDCSガスを添加することにより、凹部202の上部において、成膜ガスであるSiHガスの吸着を選択的に阻害することができ、微細凹部202の底部では成膜が進行して、微細凹部202の底部で厚く、上部で薄い、V字形状のアモルファスシリコン膜を成膜することができる。このため、膜の内部のボイドの生成を極めて効果的に抑制することができる。
以下、この点について図4を参照して詳細に説明する。
図4は、SiHガスおよびDCSガスの分圧(流量)の合計に対するDCSガスの分圧比(流量比)と膜の堆積速度との関係を示す図である。なお、このときの成膜温度は510℃、ガスの圧力(SiHガスおよびDCSガスの合計圧力)は0.4Torrとした。
この図に示すように、DCSガスの分圧比が0、すなわち全てSiHガスの場合は、膜の堆積速度が0.4nm/minであるのに対し、DCSガスを添加することにより、膜の堆積速度が低くなり、DCSガスがSiHガスに対する吸着阻害効果を有することがわかる。塩素は、IV族元素との結合エネルギーが高いため、塩素含有化合物としてDCSガスを添加することにより、その分子中でClとIV族元素であるSiとが強固に結合し、SiHガスの吸着(SiとSiの結合)を阻害することができる。
また、この図から、膜の堆積速度は、DCSガスの分圧が低いところで急激に上昇していることがわかる。すなわち、DCSガスの分圧が低い領域では、SiHガスに対する吸着阻害効果が小さい。したがって、ガス分圧が低くなる微細凹部202の底部では、DCSガスの吸着阻害効果は急激に低下し、微細凹部202の上部で選択的にDCSガスの吸着阻害効果が得られるのである。
図4に示すように、DCSガスの分圧比(流量比)は、微細凹部202の上部で吸着阻害効果を得ることができる0.01以上が好ましいが、微細凹部202の底部では、吸着阻害効果が低下する範囲である必要がある。SiHガスとDCSガスを供給する際に、DCSガスの分圧比(流量比)が高すぎると微細凹部202の底部でもSiHガスの吸着が阻害されてしまう可能性があるため、SiHガスとDCSガスを供給する際のDCSガスの分圧比(流量比)は、0.01〜0.2の範囲が好ましい。
実際の成膜条件としては、以下のようなものを例示することができる。
ウエハ枚数:150枚
成膜温度:510℃
圧力:0.4Torr(53.2Pa)
SiHガス流量:500sccm
DCSガス流量:10sccm
DCSガスの分圧比(流量比):0.02
このように、本例においては、成膜ガスであるSiHガスと、SiHの吸着を阻害する塩素含有化合物ガスであるDCSガスを処理容器10内に供給して、ウエハWの微細凹部202の上部において選択的にSiHガスの吸着を阻害しつつアモルファスシリコン膜を成膜することができるので、成膜途中では、図5に示すように、微細凹部202の底部で厚く、上部で薄い、V字形状のアモルファスシリコン膜203となる。
このようなV字形状の膜形成が可能になることから、さらに成膜を継続するとアモルファスシリコン膜203は微細凹部202内でボトムアップ成長し、図6に示すように、側壁上部にも微細凹部202の間口が狭まらない程度にアモルファスシリコン膜203が成膜されていき、最終的に、図7に示すように、凹部202内にボイドが存在しない状態のアモルファスシリコン膜203を埋め込むことが可能となる。
このように、DCSガスのような塩素含有化合物ガスを添加するだけの簡易な手法により、生産性の低下やプロセスの複雑化をもたらさずに、微細でアスペクト比が高い凹部にボイドが存在しない状態でアモルファスシリコン膜を成膜することができる。
成膜終了後は、成膜ガスであるSiHガス、塩素含有化合物ガスであるDCSガスの供給を停止し、真空ポンプ39により排気管38を介して処理容器10内を排気するとともに、不活性ガス供給源33から不活性ガス配管34を介して処理容器10(内管12)内に不活性ガスを供給して処理容器10内をパージする。そして、処理容器10内を常圧に戻した後、昇降台16を下降させてウエハボート20を搬出する。
以上は、成膜ガスとしてSiHガスを用いて、アモルファスシリコン膜を成膜した例を示したが、アモルファスシリコン膜の成膜ガスとしては、上述したように、ジシラン(Si)ガス等、他のシラン系ガスを用いることもできる。Siガスを用いてアモルファスシリコン膜を成膜する場合の成膜温度は390〜410℃の範囲が好ましい。
また、上述したような塩素含有化合物の吸着阻害効果を利用した成膜は、アモルファスシリコン膜のようなシリコン膜の他に、ゲルマニウム膜やシリコンゲルマニウム膜を成膜にも適用することができる。ゲルマニウム膜を成膜する場合には、GeHガス、Geガス等のゲルマン系ガスを用いることができ、成膜温度は、250〜300℃の範囲が好ましい。シリコンゲルマニウム膜を成膜する場合には、SiHガス、Siガス等のシラン系ガスと、GeHガス、Geガス等のゲルマン系ガスとを用いることができ、成膜温度は、250〜450℃の範囲が好ましい。
上記いずれの場合にも成膜ガスの吸着を阻害するための塩素含有化合物ガスとしてはDCSガスが好ましいが、上述したように、MCS(SiHCl)ガス、TCS(SiHCl)ガス、STC(SiCl)ガス、HCD(SiCl)ガス等の他のシリコン系塩素含有化合物ガスや、GeHClガス、GeHClガス、GeHClガス、GeClガス、GeClガス等のゲルマニウム系塩素含有化合物ガスを用いることができる。これらは、分子中にClとIV族元素との結合が存在しているため、成膜ガスの吸着を阻害する効果が高い。
<他の適用>
以上、本発明の実施形態について説明したが、この発明は、上記の実施形態に限定されることはなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。
例えば、上記実施形態では、本発明の方法を縦型のバッチ式装置により実施した例を示したが、これに限らず、横型のバッチ式装置や枚葉式装置等の他の種々の成膜装置により実施することもできる。
また、成膜ガスの吸着を抑制する塩素含有化合物ガスとして、シリコン系塩素含有化合物ガスおよびゲルマニウム系塩素含有化合物を例示したが、これら以外の塩素含有化合物ガスを適用することもできる。
1;成膜装置
2;加熱炉
4;ヒータ
10;処理容器
20;ウエハボート
21;成膜ガス供給機構
22;塩素含有化合物ガス供給機構
38;排気管
39;真空ポンプ
50;制御部
200;Si基体
201;絶縁膜
202;凹部(トレンチまたはホール)
203;アモルファスシリコン膜
W;半導体ウエハ(被処理基板)

Claims (5)

  1. 表面に微細凹部が形成された被処理基板に、CVD法により、シリコン膜、ゲルマニウム膜、またはシリコンゲルマニウム膜を成膜する成膜方法であって、
    処理容器内に微細凹部を有する被処理基板を配置する工程と、
    前記処理容器内に、成膜しようとする膜を構成する元素を含有する成膜ガス、および塩素含有化合物ガスを供給する工程と
    を有し、
    前記塩素含有化合物ガスは、シリコン系塩素含有化合物ガスまたはゲルマニウム系塩素含有化合物ガスであり、
    前記成膜ガスおよび前記塩素含有化合物ガスの合計に対する前記塩素含有化合物ガスの分圧比率は、0.01〜0.2(0.2は除く)であり、
    前記塩素含有化合物ガスにより、前記微細凹部の上部において前記成膜ガスの吸着を選択的に阻害し、前記微細凹部の底部で厚く、上部で薄い膜を成膜することを特徴とする成膜方法。
  2. 前記成膜ガスは、シラン系ガスおよび/またはゲルマン系ガスであることを特徴とする請求項1に記載の成膜方法。
  3. 前記シラン系ガスは、SiHガスまたはSiガスであり、前記ゲルマン系ガスは、GeHガスまたはGeガスであることを特徴とする請求項2に記載の成膜方法。
  4. 前記シリコン系塩素含有化合物ガスは、SiHClガス、SiHClガス、SiHClガス、SiClガス、SiClガスのいずれかであり、前記ゲルマニウム系塩素含有化合物ガスは、GeHClガス、GeHClガス、GeHClガス、GeClガス、GeClガスのいずれかであることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の成膜方法。
  5. 表面に微細凹部が形成された被処理基板に、CVD法により、シリコン膜を成膜する成膜方法であって、
    処理容器内に微細凹部を有する被処理基板を配置する工程と、
    前記処理容器内に、成膜ガスであるSiHガス、およびSiHガスの吸着を阻害するSiHClガスを供給する工程と
    を有し、
    前記SiH ガスおよび前記SiH Cl ガスの合計に対する前記SiH Cl ガスの分圧比率は、0.01〜0.2であり、
    前記SiHClガスにより、前記微細凹部の上部において前記SiHガスの吸着を選択的に阻害し、前記微細凹部の底部で厚く、上部で薄い膜を成膜することを特徴とする成膜方法。
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