JP6690496B2 - 成膜方法及び成膜装置 - Google Patents

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Description

本発明は、基板にシリコン窒化膜を形成する成膜方法及び成膜装置に関する。
半導体製造工程において、ホールや溝などによって段部が形成された下地膜を被覆するように、基板にＳｉＮ（窒化シリコン）膜を形成する成膜処理が行われる場合が有る。このＳｉＮ膜は、基板の各部で均一性高い膜厚となるように形成されることが求められている。特許文献１には、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）によって、上記のＳｉＮ膜の成膜を下地膜上に行う成膜装置について記載されている。
ＷＯ２０１３−１３７１１５号公報
ところで上記のＡＬＤで成膜を行うにあたり、成膜ガスは基板の表面に供給されてから、当該基板の表面全体を被覆するように薄層を形成し、この薄層が成長を開始して膜が形成される。この成膜ガスが供給されてから薄層が形成されるまで（つまり、膜の形成が開始されるまで）の時間はインキュベーションタイムと呼ばれ、成膜が行われる基板の表面を構成する下地膜の種類に応じた時間となる。
ところで、互いに上下に積層された複数の種類の下地膜により段部が形成されると共に、これらの下地膜が基板の表面として露出している場合が有り、そのように下地膜が形成された基板に対して上記のＳｉＮ膜を形成することが検討されている。しかし、上記のように各下地膜間でインキュベーションタイムに差があることから、基板の面内においてＳｉＮ膜の膜厚の均一性を高くすることが難しいという問題があった。
本発明はこのような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、互いに種類が異なる第１の下地膜と第２の下地膜とが積層されると共に、これらの下地膜が表面に露出して段部を形成する基板に対してシリコン窒化膜を成膜するにあたり、基板の面内におけるシリコン窒化膜の膜厚のばらつきを抑えることができる技術を提供することである。
本発明の成膜方法は、互いに種類が異なる第１の下地膜と第２の下地膜とが積層されると共に表面に露出して形成された段部を備える基板に対して、前記段部を被覆するシリコン窒化膜を成膜する成膜方法において、
前記基板に前記第１の下地膜及び前記第２の下地膜を窒化するための窒素を含む下地膜窒化用ガスを供給し且つ前記基板をプラズマに曝すことで前記段部の表面を窒化して形成される窒化膜か、あるいは前記基板に第１のシリコンの原料ガスを供給することで形成されるシリコン含有膜により構成され、前記第１の下地膜の表面と前記第２の下地膜の表面とで前記シリコン窒化膜の成長を揃えるためのシード層を、前記段部を被覆するように形成する第１の工程と、
次いで、前記基板に第２のシリコンの原料ガスと、シリコンを窒化するためのシリコン窒化用ガスとを供給して、前記シード層に積層されるように前記シリコン窒化膜を形成する第２の工程と、
を備え、
前記シリコン窒化膜を第１のシリコン窒化膜とすると、前記第１の工程は、
前記第１のシリコンの原料ガスを前記基板に供給して吸着させる工程と、
前記シリコン窒化用ガスをプラズマ化されない状態で前記基板に供給して吸着させる工程と、
前記基板をプラズマに曝し、当該基板に吸着されたシリコン窒化用ガスと前記第１のシリコンの原料ガスとを反応させて前記シリコン含有膜である第２のシリコン窒化膜を形成する工程と、
を含むことを特徴とする。
本発明の他の成膜方法は、互いに種類が異なる第１の下地膜と第２の下地膜とが積層されると共に表面に露出して形成された段部を備える基板に対して、前記段部を被覆するシリコン窒化膜を成膜する成膜方法において、
前記基板に前記第１の下地膜及び前記第２の下地膜を窒化するための窒素を含む下地膜窒化用ガスを供給し且つ前記基板をプラズマに曝すことで前記段部の表面を窒化して形成される窒化膜か、あるいは前記基板に第１のシリコンの原料ガスを供給することで形成されるシリコン含有膜により構成され、前記第１の下地膜の表面と前記第２の下地膜の表面とで前記シリコン窒化膜の成長を揃えるためのシード層を、前記段部を被覆するように形成する第１の工程と、
次いで、前記基板に第２のシリコンの原料ガスと、シリコンを窒化するためのシリコン窒化用ガスとを供給して、前記シード層に積層されるように前記シリコン窒化膜を形成する第２の工程と、
を備え、
前記シード層は前記窒化膜により構成され、
当該シード層を形成する工程は、前記基板が格納される真空容器内の圧力を第１の圧力とした状態で、前記下地膜窒化用ガスをプラズマ化して形成された前記プラズマに前記第１の下地膜及び前記第２の下地膜を曝して窒化する工程を含み、
前記シリコン窒化膜を形成する工程は、前記真空容器内の圧力を前記第１の圧力よりも高い第２の圧力とするステップを含むことを特徴とする。
本発明の成膜装置は、互いに種類が異なる第１の下地膜と第２の下地膜とが積層されると共に表面に露出して形成された段部を備える基板に対して、前記段部を被覆するシリコン窒化膜を成膜する成膜装置において、
前記基板に前記第１の下地膜及び前記第２の下地膜を窒化するための窒素を含む下地膜窒化用ガスを供給する下地膜窒化用ガス供給部及び前記下地膜窒化用ガスにより前記段部の表面が窒化された窒化膜を形成するために当該基板の表面にプラズマを形成するプラズマ形成部、あるいは前記基板にシリコンの原料ガスを供給することでシリコン含有膜を形成するためのシリコン原料ガス供給部からなるシード層形成部と、
前記シリコン原料ガス供給部と、シリコンを窒化するためのシリコン窒化用ガスを前記基板に供給するシリコン窒化用ガス供給部とからなるシリコン窒化膜形成部と、
前記窒化膜あるいは前記シリコン含有膜からなり、前記第１の下地膜の表面と前記第２の下地膜の表面とで前記シリコン窒化膜の成長を揃えるためのシード層を、前記段部を被覆するように形成するステップと、
次いで前記シリコンの原料ガス及びシリコン窒化用ガスを前記基板に供給して前記シリコン窒化膜を形成するステップと、を実施するように制御信号を出力する制御部と、
を備え、
前記シリコン窒化膜を第１のシリコン窒化膜とすると、前記シード層を形成するステップは、
前記第１のシリコンの原料ガスを前記基板に供給して吸着させるステップと、
前記シリコン窒化用ガスをプラズマ化されない状態で前記基板に供給して吸着させるステップと、
前記基板をプラズマに曝し、当該基板に吸着されたシリコン窒化用ガスと前記第１のシリコンの原料ガスとを反応させて前記シリコン含有膜である第２のシリコン窒化膜を形成するステップと、
を含むことを特徴とする。
本発明の他の成膜装置は、互いに種類が異なる第１の下地膜と第２の下地膜とが積層されると共に表面に露出して形成された段部を備える基板に対して、前記段部を被覆するシリコン窒化膜を成膜する成膜装置において、
前記基板に前記第１の下地膜及び前記第２の下地膜を窒化するための窒素を含む下地膜窒化用ガスを供給する下地膜窒化用ガス供給部及び前記下地膜窒化用ガスにより前記段部の表面が窒化された窒化膜を形成するために当該基板の表面にプラズマを形成するプラズマ形成部、あるいは前記基板にシリコンの原料ガスを供給することでシリコン含有膜を形成するためのシリコン原料ガス供給部からなるシード層形成部と、
前記シリコン原料ガス供給部と、シリコンを窒化するためのシリコン窒化用ガスを前記基板に供給するシリコン窒化用ガス供給部とからなるシリコン窒化膜形成部と、
前記窒化膜あるいは前記シリコン含有膜からなり、前記第１の下地膜の表面と前記第２の下地膜の表面とで前記シリコン窒化膜の成長を揃えるためのシード層を、前記段部を被覆するように形成するステップと、
次いで前記シリコンの原料ガス及びシリコン窒化用ガスを前記基板に供給して前記シリコン窒化膜を形成するステップと、を実施するように制御信号を出力する制御部と、
を備え、
前記シリコン窒化膜を第１のシリコン窒化膜とすると、前記シード層を形成するステップは、
前記シリコンの原料ガスを前記基板に供給して吸着させるステップと、
前記シリコン窒化用ガスをプラズマ化されない状態で前記基板に供給して吸着させるステップと、
前記基板をプラズマに曝し、当該基板に吸着されたシリコン窒化用と前記シリコンの原料ガスとを反応させて前記シリコン含有膜である第２のシリコン窒化膜を形成するステップと、
を含むことを特徴とする。

本発明によれば、表面に露出した段部を構成する第１の下地膜及び第２の下地膜の各表面にシード層が形成され、このシード層に積層されるようにシリコン窒化膜が形成される。当該シード層によって第１の下地膜の表面と第２の下地膜の表面との間でシリコン窒化膜の成長が揃えられることにより、第１の下地膜の表面と第２の下地膜の表面との間で、シリコン窒化膜の膜厚の均一性を高くすることができる。
本発明の第１の実施形態に係る成膜装置の概略縦断側面図である。 前記成膜装置の横断平面図である。 前記成膜装置に設けられるガス給排気ユニットの縦断側面図である。 前記ガス給排気ユニットの下面図である。 前記成膜装置による処理前のウエハの表面の縦断側面図である。 前記成膜装置による処理中のウエハの表面の縦断側面図である。 前記成膜装置による処理中のウエハの表面の縦断側面図である。 前記成膜装置による処理中のウエハの表面の縦断側面図である。 前記成膜装置の状態を示す模式図である。 前記成膜装置の状態を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る成膜装置による処理前のウエハの表面の縦断側面図である。 前記成膜装置による処理中のウエハの表面の縦断側面図である。 前記成膜装置による処理中のウエハの表面の縦断側面図である。 前記成膜装置の状態を示す模式図である。 本発明の第３の実施形態に係る成膜装置による処理中のウエハの表面の縦断側面図である。 前記ウエハの表面の縦断側面図である。 前記成膜装置の状態を示す模式図である。 本発明により処理されるウエハの表面の縦断側面図である。 本発明により処理されるウエハの表面の縦断側面図である。 本発明により処理されるウエハの表面の縦断側面図である。 本発明の第４の実施形態に係る処理を示す成膜装置の模式図である。 本発明の第４の実施形態に係る処理を示す成膜装置の模式図である。 本発明の第４の実施形態に係る処理を示す成膜装置の模式図である。 本発明の第４の実施形態に係る処理を示す成膜装置の模式図である。 前記成膜装置による処理中のウエハの縦断側面図である。 前記成膜装置による処理中のウエハの縦断側面図である。 前記成膜装置による処理中のウエハの縦断側面図である。 前記成膜装置による処理中のウエハの縦断側面図である。 前記成膜装置による処理中のウエハの縦断側面図である。 評価試験の結果を示すグラフ図である。 評価試験の結果を示すグラフ図である。 評価試験の結果を示すウエハの縦断側面図である。 評価試験の結果を示すウエハの縦断側面図である。 評価試験の結果を示すウエハの縦断側面図である。 評価試験の結果を示すウエハの縦断側面図である。 評価試験の結果を示すウエハの縦断側面図である。 評価試験の結果を示すウエハの縦断側面図である。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る成膜装置１について、図１の縦断側面図、図２の横断平面図を夫々参照しながら説明する。この成膜装置１は、基板である半導体ウエハ（以下、ウエハと記載する）ウエハＢの表面に、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）によってＳｉＮ膜を形成する。このＳｉＮ膜は、例えばトランジスタのゲートとなるか、あるいはＳｉＮ膜の下層の膜に配線を埋め込むために当該下層膜をエッチングするためのパターンマスクとなる。
本明細書では、窒化シリコンについてＳｉ及びＮの化学量論比に関わらずＳｉＮと記載する。従ってＳｉＮという記載には、例えばＳｉ３Ｎ４が含まれる。また、酸化シリコンについてもＳｉ及びＯの化学量論比に関わらずＳｉＯと記載するので、このＳｉＯの記載には例えばＳｉＯ２が含まれる。また、成膜装置１は、上記のＳｉＮ膜の形成前にウエハＢの表面を窒化処理し、ＳｉＮ膜の形成開始のタイミングをウエハＢの面内で揃えて当該ＳｉＮ膜の膜厚を均一にするためのシード層を形成する。
図中１１は扁平な概ね円形の真空容器（処理容器）であり、側壁及び底部を構成する容器本体１１Ａと、天板１１Ｂとにより構成されている。図中１２は、真空容器１１内に水平に設けられる円形の回転テーブルである。図中１２Ａは、回転テーブル１２の裏面中央部を支持する支持部である。図中１３は回転機構であり、成膜処理中において支持部１２Ａを介して回転テーブル１２を、その周方向に平面視時計回りに回転させる。図中Ｘは、回転テーブル１２の回転軸を表している。
回転テーブル１２の上面には、回転テーブル１２の周方向（回転方向）に沿って６つの円形の凹部１４が設けられており、各凹部１４にウエハＢが収納される。つまり、回転テーブル１２の回転によって公転するように、各ウエハＢは回転テーブル１２に載置される。図１中１５はヒーターであり、真空容器１１の底部において同心円状に複数設けられ、上記の回転テーブル１２に載置されたウエハＢを加熱する。図２中１６は真空容器１１の側壁に開口したウエハＢの搬送口であり、図示しないゲートバルブによって開閉自在に構成される。図示しない基板搬送機構により、ウエハＢは搬送口１６を介して、真空容器１１の外部と凹部１４内との間で受け渡される。
上記の回転テーブル１２上には、ガス給排気ユニット２と、プラズマ形成ユニット３Ａと、プラズマ形成ユニット３Ｂと、プラズマ形成ユニット３Ｃとが、回転テーブル１２の回転方向上流側に向かい、当該回転方向に沿ってこの順に設けられている。これらのユニット２及び３Ａ〜３Ｃは、シード層形成部及びシリコン窒化膜形成部を構成する。
以下、原料ガス供給部であるガス給排気ユニット２について、縦断側面図である図３及び下面図である図４も参照しながら説明する。ガス給排気ユニット２は、平面視、回転テーブル１２の中心側から周縁側に向かうにつれて回転テーブル１２の周方向に広がる扇状に形成されており、ガス給排気ユニット２の下面は、回転テーブル１２の上面に近接すると共に対向している。
ガス給排気ユニット２の下面には、ガス吐出口２１、排気口２２及びパージガス吐出口２３が開口している。ガス吐出口２１は、ガス給排気ユニット２の下面の周縁部よりも内側の扇状領域２４に多数、分散して配設されている。このガス吐出口２１は、成膜処理時における回転テーブル１２の回転中に、ＳｉＮ膜を形成するためのＳｉ（シリコン）を含む原料ガスであるＤＣＳ（ジクロロシラン）ガスを下方にシャワー状に吐出して、ウエハＢの表面全体に供給する。なお、原料ガスとしてはＤＣＳに限られず、例えばＨＣＤ（六塩化二ケイ素）を用いてもよい。
この扇状領域２４においては、回転テーブル１２の中心側から回転テーブル１２の周縁側に向けて、３つの区域２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃが設定されており、区域２４Ａに設けられるガス吐出口２１、区域２４Ｂに設けられるガス吐出口２１、区域２４Ｃに設けられるガス吐出口２１の夫々に独立してＤＣＳガスを供給できるように、ガス給排気ユニット２には互いに区画されたガス流路２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃが設けられている。各ガス流路２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの下流端は、各々上記のガス吐出口２１として構成されている。
そして、ガス流路２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの各上流側は、各々配管を介してＤＣＳガスの供給源２６に接続されており、各配管にはバルブ及びマスフローコントローラにより構成されるガス供給機器２７が介設されている。ガス供給機器２７によって、ＤＣＳガス供給源２６から供給されるＤＣＳガスの各ガス流路２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃへの給断及び流量が制御される。なお、後述するガス供給機器２７以外の各ガス供給機器も、ガス供給機器２７と同様に構成され、下流側へのガスの給断及び流量を制御する。
続いて、上記の排気口２２、パージガス吐出口２３について各々説明する。図中での識別を容易にするために、図４では排気口２２及びパージガス吐出口２３に多数のドットを付して示している。排気口２２及びパージガス吐出口２３は、扇状領域２４を囲むと共に回転テーブル１２の上面に向かうように、ガス給排気ユニット２の下面の周縁部に環状に開口されており、パージガス吐出口２３が排気口２２の外側に位置している。回転テーブル１２上における排気口２２の内側の領域は、ウエハＢの表面へのＤＣＳの吸着が行われる原料ガス吸着領域Ｒ１を構成する。パージガス吐出口２３は、回転テーブル１２上にパージガスとしてＡｒ（アルゴン）ガスを吐出する。
成膜処理中において、ガス吐出口２１からの原料ガスの吐出、排気口２２からの排気及びパージガス吐出口２３からのパージガスの吐出が共に行われる。それによって、図３中に矢印で示すように回転テーブル１２へ向けて吐出された原料ガス及びパージガスは、回転テーブル１２の上面を排気口２２へと向かい、当該排気口２２から排気される。このようにパージガスの吐出及び排気が行われることにより、原料ガス吸着領域Ｒ１の雰囲気は外部の雰囲気から分離され、当該原料ガス吸着領域Ｒ１に限定的に原料ガスを供給することができる。即ち、原料ガス吸着領域Ｒ１に供給されるＤＣＳガスと、後述するようにプラズマ形成ユニット３Ａ〜３Ｃによって原料ガス吸着領域Ｒ１の外部に供給される各ガス及びガスの活性種と、が混合されることを抑えることができるので、後述するようにウエハＢにＡＬＤによる成膜処理を行うことができる。また、このパージガスはそのように雰囲気を分離する役割の他にも、ウエハＢに過剰に吸着したＤＣＳガスを当該ウエハＢから除去する役割も有する。
図３中２３Ａ、２４Ａは、各々ガス給排気ユニット２に設けられる互いに区画されたガス流路であり、上記の原料ガスの流路２５Ａ〜２５Ｃに対しても各々区画されて設けられている。ガス流路２３Ａの上流端は、上記の排気口２２に接続されている。ガス流路２３Ａの下流端は排気装置２８に接続されており、この排気装置２８によって、排気口２２から排気を行うことができる。また、ガス流路２４Ａの下流端は、上記のパージガス吐出口２３に接続されており、ガス流路２４Ａの上流端はＡｒガスの供給源２９に接続されている。ガス流路２４ＡとＡｒガス供給源２９とを接続する配管には、ガス供給機器２０が介設されている。
続いて、プラズマ形成部であるプラズマ形成ユニット３Ａ〜３Ｃについて説明する。プラズマ形成ユニット３Ａ〜３Ｃは各々同様に構成されており、ここでは代表して図１に示したプラズマ形成ユニット３Ａについて説明する。プラズマ形成ユニット３Ａは、プラズマ形成用ガスを回転テーブル１２上に供給すると共に、このプラズマ形成用ガスにマイクロ波を供給して、回転テーブル１２上にプラズマを発生させる。プラズマ形成ユニット３Ａは、上記のマイクロ波を供給するためのアンテナ３１を備えており、当該アンテナ３１は、誘電体板３２と金属製の導波管３３とを含む。
誘電体板３２は、平面視回転テーブル１２の中心側から周縁側に向かうにつれて広がる概ね扇状に形成されている。真空容器１１の天板１１Ｂには上記の誘電体板３２の形状に対応するように、概ね扇状の貫通口が設けられており、当該貫通口の下端部の内周面は貫通口の中心部側へと若干突出して、支持部３４を形成している。上記の誘電体板３２はこの貫通口を上側から塞ぎ、回転テーブル１２に対向するように設けられており、誘電体板３２の周縁部は支持部３４に支持されている。
導波管３３は誘電体板３２上に設けられており、回転テーブル１２の径方向に沿って延在する内部空間３５を備える。図中３６は、導波管３３の下部側を構成するスロット板であり、誘電体板３２に接するように設けられ、複数のスロット孔３６Ａを有している。導波管３３の回転テーブル１２の中心側の端部は塞がれており、回転テーブル１２の周縁部側の端部には、マイクロ波発生器３７が接続されている。マイクロ波発生器３７は、例えば、約２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導波管３３に供給する。
また、プラズマ形成ユニット３Ａは、誘電体板３２の下面側にプラズマ形成用ガスを各々供給する第１のガス吐出口４１と、第２のガス吐出口４２と、を備えている。プラズマ形成用ガス供給部であるこれらのガス吐出口４１、４２は、上記の誘電体板３２の支持部３４に、例えば真空容器１１の周方向に沿って夫々複数設けられており、第１のガス吐出口４１は、回転テーブル１２の中心部側から周縁部側に向かってプラズマ形成用ガスを吐出し、第２のガス吐出口４２は、回転テーブル１２の周縁部側から中心側に向かって各々プラズマ形成用ガスを吐出する。
上記の導波管３３に供給されたマイクロ波は、スロット板３６のスロット孔３６Ａを通過して誘電体板３２に至り、この誘電体板３２の下方に吐出されたプラズマ形成用ガスに供給されて、誘電体板３２の下方領域であるプラズマ形成領域Ｒ２に限定的にプラズマが形成される。また、プラズマ形成ユニット３Ｂ、３Ｃのプラズマ形成領域はＲ３、Ｒ４として夫々示しており、これらのプラズマ形成領域Ｒ３、Ｒ４においてもプラズマ形成領域Ｒ２と同様にプラズマが形成される。後述するように各領域Ｒ２〜Ｒ４に供給されるガスとしてはＮＨ３ガスが含まれ、従ってプラズマ形成ユニット３Ａ〜３Ｃのガス吐出口４１、４２は窒化用ガス供給部を構成する。ところでプラズマ形成ユニット３Ａ〜３Ｃについて補足しておくと、これらのユニットでは既述したガス給排気ユニット２で行われるようなパージガスの供給及び排気が行われない。従って、成膜装置１による処理中にプラズマ形成領域Ｒ２〜Ｒ４における各雰囲気は互いに分離されていない。
上記のプラズマ形成用ガスとしては、例えばＨ２（水素）ガス及びＮＨ３（アンモニア）ガスが用いられる。図中４３はＨ２ガスの供給源であり、図中４４はＮＨ３ガスの供給源である。第１のガス吐出口４１及び第２のガス吐出口４２は、ガス供給機器４５を備えた配管系４０を介してＨ２ガス供給源４３及びＮＨ３ガス供給源４４に各々接続されている。この配管系４０は、ガス供給源４３から各ガス吐出口４１、４２へのＨ２ガスの給断及び流量を各々制御でき、ガス供給源４４から各ガス吐出口４１、４２へのＮＨ３ガスの給断及び流量を各々制御できるように構成されている。
また、図２に示すように、回転テーブル１２の外側の下方で、真空容器１１の底部には排気口５１が開口しており、この排気口５１には排気装置５２が接続されている。排気装置５２による排気口５１からの排気量は調整自在であり、この排気量に応じた圧力の真空雰囲気が真空容器１１内に形成される。上記のプラズマ形成ユニット３Ａ〜３Ｃから吐出された各ガスは、排気口５１から排気されて除去される。
図１に示すように成膜装置１には、コンピュータからなる制御部１０が設けられており、制御部１０にはプログラムが格納されている。このプログラムについては、成膜装置１の各部に制御信号を送信して各部の動作を制御し、後述の成膜処理が実行されるようにステップ群が組まれている。具体的には、回転機構１３による回転テーブル１２の回転数、各ガス供給機器による各ガスの流量及び給断、各排気装置２８、５２による排気量、マイクロ波発生器３７からのアンテナ３１へのマイクロ波の給断、ヒーター１５への給電などが、プログラムによって制御される。ヒーター１５への給電の制御は、即ちウエハＢの温度の制御であり、排気装置５２による排気量の制御は、即ち真空容器１１内の圧力の制御である。このプログラムは、ハードディスク、コンパクトディスク、光磁気ディスク、メモリカードなどの記憶媒体から制御部１０にインストールされる。
図５は、成膜装置１によって処理される前のウエハＢの表面の縦断側面図であり、図６〜図８は成膜装置１によって処理中のウエハＢの表面の縦断側面図である。図５に示すウエハＢについて説明すると、成膜装置１によって形成されるＳｉＮ膜の下地膜となるＳｉＯ膜６１、ＳｉＮ膜６２が上方に向けてこの順に積層されて設けられている。なお、成膜装置１にて形成されるＳｉＮ膜とＳｉＮ膜６２とは膜質が異なる。さらに、ウエハＢの表面には凹部６３が形成されており、凹部６３の底面はＳｉＮ膜６２の下端よりも低く位置するように形成されている。従って、段部を構成する凹部６３に関して、その側壁面はＳｉＯ膜６１及びＳｉＮ膜６２により構成され、その底面はＳｉＯ膜６１により構成されている。つまり、ＳｉＯ膜６１及びＳｉＮ膜６２が、ウエハＢの表面に露出した状態となっている。
以下、成膜装置１による処理について上記の図６〜図８と、真空容器１１内の各部でガスが供給される様子及びプラズマが形成される様子を模式的に示した図９、図１０とを参照しながら説明する。図９、図１０では各部から吐出されるガスを矢印で示している。先ず図５で説明したウエハＢを６枚、基板搬送機構によって回転テーブル１２の各凹部１４に搬送し、ウエハＢの搬送口１６に設けられるゲートバルブを閉鎖して、真空容器１１内を気密にする。凹部１４に載置されたウエハＢは、ヒーター１５によって所定の温度に加熱される。そして排気口５１からの排気によって、真空容器１１内が所定の圧力の真空雰囲気、例えば６６．５Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）〜６６５Ｐａ（５Ｔｏｒｒ）とされると共に、回転テーブル１２が例えば１０ｒｐｍ〜３０ｒｐｍで回転する。
そして、プラズマ形成ユニット３Ａ〜３Ｃにおいて、第１のガス吐出口４１、第２のガス吐出口４２から各々所定の流量でＨ２ガスとＮＨ３ガスとの混合ガスが吐出されると共に、マイクロ波発生器３７からマイクロ波が供給される。このマイクロ波によってＨ２ガス及びＮＨ３ガスがプラズマ化し、図９に示すようにプラズマ形成領域Ｒ２〜Ｒ４にプラズマＰが各々形成される。回転テーブル１２の回転によって各ウエハＢがプラズマ形成領域Ｒ２〜Ｒ４を通過し、プラズマＰを構成する、ＮＨ３ガスから生じたＮ（窒素）を含むラジカルなどの活性種が各ウエハＢの表面に供給される。それによってウエハＢの表面に露出しているＳｉＯ膜６１及びＳｉＮ膜６２の表層が窒化され、シード層６４である窒化膜が形成される（図６）。
窒化が進行して各ウエハＢにおいてシード層６４が所定の厚さとなると、シード層６４の形成処理が終了する。ガス給排気ユニット２においてはガス吐出口２１、２４から原料ガスであるＤＣＳガス、パージガスであるＡｒガスが夫々所定の流量で吐出されると共に、排気口２２から排気が行われる。また、プラズマ形成領域Ｒ２〜Ｒ４においては、引き続きＨ２ガス及びＮＨ３ガスのプラズマＰが形成される。
このように各ガスの供給及びプラズマＰの形成が行われる一方で、真空容器１１内の圧力が所定の圧力例えば６６．５Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）〜６６５Ｐａ（５Ｔｏｒｒ）になる。図１０は、このように各ユニット２、３Ａ〜３Ｃにおいて、プラズマＰの形成を伴うガス供給またはプラズマＰの形成を伴わないガス供給が各々行われた状態を示している。
回転テーブル１２の回転によって、ウエハＢが原料ガス吸着領域Ｒ１に位置すると、シリコンを含む原料ガスとして上記のＤＣＳガスがシード層６４の表面に供給されて吸着される。引き続き回転テーブル１２が回転して、ウエハＢが原料ガス吸着領域Ｒ１の外側へ向けて移動し、ウエハＢの表面にパージガスが供給され、吸着された余剰のＤＣＳガスが除去される。
そして、ウエハＢは原料ガス吸着領域Ｒ１の外側に移動し、プラズマ形成領域Ｒ２〜Ｒ４に至ると、プラズマに含まれるＮＨ３ガスの活性種がウエハＢに供給されてＤＣＳガスと反応し、シード層６４上にＳｉＮの層が島状に形成される。
そして回転テーブル１２の回転によって、ウエハＢはプラズマ形成領域Ｒ２〜Ｒ４から、原料ガス吸着領域Ｒ１に向けて再度移動する。この後もウエハＢは、原料ガス吸着領域Ｒ１、プラズマ形成領域Ｒ２〜Ｒ４を順に繰り返し移動し、ＤＣＳガスの供給、ＮＨ３ガスの活性種の供給を順に繰り返して受け、各島状のＳｉＮの層が広がるように成長する。ここでシード層６４が形成されていることにより、ＳｉＯ膜６１の表面及びＳｉＮ膜６２の表面は概ね同様の性質を持っている。従って、ＳｉＯ膜６１上、ＳｉＮ膜６２上にてＳｉＮの層は各々略同様に成長し、その結果としてＳｉＯ膜６１上及びＳｉＮ膜６２上にこれらＳｉＮ膜６１全体、ＳｉＮ膜６２全体を被覆するＳｉＮの薄層６５が同時ないしは略同時に形成される（図７）。つまり、インキュベーションタイムがＳｉＯ膜６１とＳｉＮ膜６２との間で揃う。
その後も、回転テーブル１２の回転が続けられてウエハＢ表面にＳｉＮが堆積し、薄層６５が成長してＳｉＮ膜６６となる。即ち、ＳｉＮ膜６６の膜厚が上昇する。そして所望の膜厚のＳｉＮ膜６６が形成されると、例えばガス給排気ユニット２における各ガスの吐出及び排気と、プラズマ形成ユニット３Ａにおける各ガスの供給及びマイクロ波の供給と、プラズマ形成ユニット３Ｂ、３Ｃにおける各ガスの吐出と、が各々停止して成膜処理が終了する。成膜処理後のウエハＢは、搬送機構によって成膜装置１から搬出される。
上記の成膜装置１によれば、ウエハＢの表面の凹部６３を構成するように互いに積層されると共に当該ウエハＢの表面に露出したＳｉＯ膜６１及びＳｉＮ膜６２の表層を窒化処理してシード層６４を形成し、このシード層６４上にＡＬＤによってＳｉＮ膜６６を形成している。シード層６４上によってＳｉＯ膜６１及びＳｉＮ膜６２の表面の性質が揃い、ＳｉＯ膜６１上及びＳｉＮ膜６２上においてＳｉＮ膜６６が同様に成長する。その結果として、ＳｉＯ膜６１上及びＳｉＮ膜６２上においてＳｉＮ膜６６の膜厚が揃う。つまり、ウエハＢの面内の各部で膜厚の均一性が高くなるようにＳｉＮ膜６６を形成することができる。
また、シード層６４の形成時の真空容器１１内の圧力は、ＳｉＮ膜６６の形成時の真空容器１１内の圧力よりも低くなるように制御してもよい。これは、シード層６４の形成時にはＮを含む活性種が比較的自由に移動することで凹部６３に進入して底部に至り、より確実に凹部６３内にシード層６４が形成されるようにすると共に、ＳｉＮ膜６６の形成時には、各ガスが回転テーブル１２上から放散することを抑えることにより、単位時間あたりのＳｉＮ膜６６の膜厚の増加量を向上させるためである。
（第２の実施形態）
シード層は、上記のように異なる種類の下地膜の性質を揃えるためのものであり、このような役割を果たせばよいため、窒化膜であることには限られない。例えばＳｉ（シリコン）からなる分子層をＳｉＯ膜６１及びＳｉＮ膜６２の表面に形成してシード層としてもよい。以下、このＳｉのシード層を形成する第２の実施形態に係る成膜装置１について、第１の実施形態の成膜装置１との差異点を中心に説明する。
第２の実施形態の成膜装置１のガス給排気ユニット２のガス吐出口２１は、ＤＣＳガス供給源２６の他に、例えばシード層の形成用のＤＩＰＡＳ（ジイソプロピルアミノシラン）、ＢＴＢＡＳ（ビスターシャルブチルアミノシラン）、３ＤＭＡＳ（トリスジメチルアミノシラン）などの有機ケイ素化合物ガスを含む供給源にも配管系を介して接続される。そして、このガス給排気ユニット２の配管系は、当該配管系に設けられるガス供給機器２７によって、ＤＣＳガス、有機ケイ素化合物ガスが各々所望の流量でガス吐出口２１から供給できるように構成される。
以下、第２の実施形態の成膜装置１による処理について、ウエハＢの表面の縦断側面図である図１１〜図１３及び成膜装置１の模式図である図１４を参照して、第１の実施形態における処理との差異点を中心に説明する。図１１は、この成膜装置１で処理される前のウエハＢを示している。このウエハＢは、第１の実施形態の図５で説明したウエハＢと同様にＳｉＯ膜６１、ＳｉＮ膜６２及び凹部６３を備えている。図１１ではウエハＢの凹部６３の深さ、幅をＬ１、Ｌ２として夫々表示しており、アスペクト比であるＬ１／Ｌ２は、例えば３以上である。
先ず、第１の実施形態のシード層６４の形成処理と同様に、図１１で説明したウエハＢが既述の温度に加熱され、真空容器１１内が所定の圧力の真空雰囲気とされて、回転テーブル１２が回転する。そして、ガス給排気ユニット２において、ガス吐出口２１、２４から上記の有機ケイ素化合物ガス、パージガスであるＡｒガスが夫々所定の流量で吐出されると共に、排気口２２から排気が行われる。このとき、プラズマ形成ユニット３Ａ〜３Ｃにおいては、例えば各ガスの供給及びプラズマの形成が行われない。図１４は、このようにガス給排気ユニット２のみからガスの供給が行われた状態を示している。
回転テーブル１２が回転することで各ウエハＢが原料ガス吸着領域Ｒ１を通過し、当該原料ガス吸着領域Ｒ１に供給された有機ケイ素化合物ガスがＳｉＯ膜６１及びＳｉＮ膜６２の表面に吸着する。それによって図１２に示すようにシリコン膜であるシード層６７が、ＳｉＯ膜６１及びＳｉＮ膜６２の表面を被覆するように形成される（図１２）。なお、有機ケイ素化合物ガスは、第１の実施形態のＤＣＳガスと同様に、パージガスの供給と排気とによって原料ガス吸着領域Ｒ１に限定的に供給される。
有機ケイ素化合物ガスの吸着が進行してシード層６７が所定の厚さとなると、プラズマ形成ユニット３Ａ〜３ＣにおいてはＨ２ガス及びＮＨ３ガスの供給及び当該Ｈ２ガス及びＮＨ３ガスのプラズマＰの形成、ガス給排気ユニット２においては有機ケイ素化合物ガスの供給に代えたＤＣＳガスの供給が行われる。つまり、図１０で説明した第１の実施形態におけるＳｉＮ膜６６の形成処理と同様の処理が行われ、シード層６７上にＳｉＮ膜６６が形成される（図１３）。シード層６７が形成されているので、第１の実施形態と同様にＳｉＯ膜６１上とＳｉＮ膜６２上との間でインキュベーションタイムが揃い、ＳｉＮ膜６６が同時ないしは略同時に形成されて、成長を開始する。従って、当該ＳｉＮ膜６６は、第１の実施形態と同様にウエハＢ表面の各部で膜厚の均一性が高くなるように形成される。
第１の実施形態ではＮの活性種を用いて窒化処理を行うことでシード層を形成するが、凹部６３についてのアスペクト比が比較的大きい場合、Ｎの活性種が当該凹部６３内に進入し難く、凹部６３の下部側にてシード層が形成され難い。その観点から、図１１で説明したように凹部６３のアスペクト比が例えば３以上である場合には、第１の実施形態よりも第２の実施形態で処理を行うことがより好ましい。ただし、第１の実施形態によればプラズマ処理によりシード層６４を形成するため、プラズマによってＳｉＯ膜６１、ＳｉＮ膜６２の表面の異物が、これらの膜６１、６２から除去され、シード層の質を高くすることができるという利点が有る。なお、この第２の実施形態ではシード層６７を形成するにあたり、既述のように例示した有機ケイ素化合物ガスを用いているが、この有機ケイ素化合物ガスを用いる代わりにＳｉＮ膜６６の成膜に用いるＤＣＳガスを用いて、シード層６７を形成してもよい。ただし有機ケイ素化合物ガスはウエハＢへの吸着性が比較的高いため、当該ガスを用いることが好ましい。
（第２の実施形態の変形例）
上記の第２の実施形態でシード層６７を形成するにあたり、ガス給排気ユニット２で各ガスの供給及び排気を行うことに並行して、プラズマ形成ユニット３Ａ〜３Ｃにおいて、ＮＨ３ガス及びＨ２ガスの供給を行うと共にマイクロ波を供給してプラズマ形成領域Ｒ２〜Ｒ４にプラズマＰを形成してもよい。このプラズマＰによって、ウエハＢに吸着された有機ケイ素化合物を窒化する。つまり、上記のシリコン膜からなるシード層６７は窒化されたものであってもよい。この場合シード層６７はＳｉＮ膜であり、その上にＳｉＮ膜６６を積層することになる。ただし、このＳｉＮ膜６６は、例えば後述の物理吸着を利用したＡＬＤなどにより形成し、シード層６７とは異なる手法で形成され、膜質が異なるＳｉＮ膜である。
（第３の実施形態）
続いて第３の実施形態について、第２の実施形態との差異点を中心に説明する。この第３の実施形態の成膜装置１は、シード層としてＳｉＯ膜を形成する。この第３の実施形態の成膜装置１におけるプラズマ形成ユニット３Ａ〜３Ｃのガス吐出口４１、４２は、Ｈ２ガスの供給源４３及びＮＨ３ガスの供給源４４に加えて、Ｏ３（オゾン）ガスの供給源にも接続されるように配管系４０が構成されている。従って、プラズマ形成ユニット３Ａ〜３Ｃのガス吐出口４１、４２は酸化ガス供給部として構成される。そして、ガス供給機器４５によって、Ｈ２ガス、ＮＨ３ガス、Ｏ３ガスを各々所望の流量で、ガス吐出口４１、４２に各々供給することができるように、当該配管系４０が構成されている。
続いて第３の実施形態における処理について、ウエハＢの表面の縦断側面図である図１５、図１６及び成膜装置１の模式図である図１７を参照し、第２の実施形態の処理との差異点を中心に説明する。例えば図１２で説明したウエハＢが真空容器１１内にて既述の温度に加熱され、真空容器１１内が所定の圧力の真空雰囲気とされて、回転テーブル１２が回転する。そして、ガス給排気ユニット２において、第２の実施形態と同様に各ガスの供給と排気とが行われる一方、プラズマ形成ユニット３Ａ〜３Ｃにおいては、Ｏ３ガスが供給される。図１７は、このように各ユニット３Ａ〜３Ｃからガスの供給が行われた状態を示している。
回転テーブル１２が回転することで、各ウエハＢが原料ガス吸着領域Ｒ１を通過し、ウエハＢの表面には第２の実施形態で説明したように有機ケイ素化合物ガスが吸着する。その後、ウエハＢは領域Ｒ２〜Ｒ４を通過し、Ｏ３ガスによってウエハＢに吸着した有機ケイ素化合物が酸化され、ＳｉＯ膜であるシード層６８が、ＳｉＯ膜６１及びＳｉＮ膜６２の表面を被覆するように形成される（図１５）。
然る後、第２の実施形態と同様に、図１０で説明したＳｉＮ膜６６の成膜が行われる。シード層６８が形成されているので、第２の実施形態と同様にＳｉＯ膜６１上及びＳｉＮ膜６２上でＳｉＮ膜６６は同様に成長する。従って、当該ＳｉＮ膜６６は、第１の実施形態と同様にウエハＢ表面の各部で膜厚の均一性が高くなるように形成される。この第３の実施形態についても、シード層６８を形成するにあたり窒素によるプラズマを用いないため、第２の実施形態と同様、図１２で説明した凹部６３のアスペクト比が３以上のウエハＢに用いることに適している。
この第３の実施形態でシード層６８を形成した後、第２の実施形態の変形例として説明したようにプラズマ形成ユニット３Ａ〜３Ｃにおいて、ＮＨ３ガス及びＨ２ガスの供給を行うと共にマイクロ波を供給してプラズマ形成領域Ｒ２〜Ｒ４にプラズマＰを形成し、シード層６８の窒化処理を行ってもよい。つまりシード層は、窒化されたＳｉＯ膜であってもよい。
ところで、本発明は図５や図１１で説明した構造を有するウエハＢに適用することには限られない。具体的には段部として凹部が表面に形成されたウエハＢに限られず、段部として凸部が形成されたウエハＢに適用することができる。また、ＳｉＯ及びＳｉＮ以外の材質によって構成される下地膜にＳｉＮ膜６６を形成する場合にも適用することができる。例えば図１８には、Ｓｉ膜７１上に炭素（Ｃ）膜７２が積層された例を示している。Ｓｉ膜７１の平坦な表面から突出するように炭素膜７２が設けられることで上記の凸部が形成されている。従って、炭素膜７２の上面及び側面と、Ｓｉ膜７１の炭素膜７２に重なっていない領域とが、ウエハＢの表面として露出している。
このようなＳｉ膜７１及び炭素膜７２により構成されるウエハＢに対しても第１〜第３の実施形態に従って処理を行い、シード層を形成した後、ＳｉＮ膜６６を形成することで、Ｓｉ膜７１上と炭素膜７２上との間で当該ＳｉＮ膜６６のインキュベーションタイムに差が生じることを防ぎ、ＳｉＮ膜６６の膜厚のばらつきを抑えることができる。図１８では、このようにＳｉ膜７１及び炭素膜７２からなるウエハＢに対して第２の実施形態に従って、Ｓｉからなるシード層６７を形成した後、ＳｉＮ膜６６を形成した例を示している。
また、図１９ではＳｉＮ膜７３の表面が突出して突出部を形成し、この突出部上にＷ（タングステン）膜７４が積層され、さらにこのＷ膜７４上にＳｉＮ膜７５が積層されたウエハＢを示しており、ＳｉＮ膜７３、Ｗ膜７４、ＳｉＮ膜７５がウエハＢの表面として露出している。このようなウエハＢに対しても、第１〜第３の実施形態によって、シード層を形成した後、ＳｉＮ膜を形成することができる。
ただし、Ｗ膜７４はウエハＢから製造される半導体デバイスの導電路を構成する。シード層の厚さＨ１が大きすぎると、この導電路の特性が劣化してしまうことから、図中Ｈ１で示す、各実施形態によって成膜されるシード層の厚さは２ｎｍ以下が好ましく、１ｎｍ以下とすることがより好ましい。また、導電路の表面を窒化処理してしまうことで当該導電路の電気特性が劣化することが懸念されるため、このように導電路を構成する膜が露出したウエハＢを処理する場合、第２の実施形態及び第３の実施形態でシード層を形成することが好ましい。図１９に示した例では、第２の実施形態で説明したＳｉのシード層６７を形成した後、ＳｉＮ膜６６を形成した例を示している。
また、図２０ではＳｉＯ膜７６上にＳｉＯ膜６１が形成されたウエハＢを示している。このウエハＢには、側周面がＳｉＯ膜６１により、底面がＳｉ膜７６により夫々形成されるように凹部６３が形成されており、当該ＳｉＯ膜６１及びＳｉ膜７６がウエハＢの表面として構成されている。このような構成のウエハＢに対しても、第１〜第３の実施形態によって、シード層の形成後、ＳｉＮ膜を形成することができる。この図２０に示した例では、第２の実施形態に従ってＳｉのシード層６７を形成した後、ＳｉＮ膜６６を形成した例を示している。
上記の例では、ＡＬＤによりＳｉＮ膜を形成しているが、Ｓｉを含む原料ガスとアンモニアガスとを同時にウエハＢに供給して熱ＣＶＤによりＳｉＮ膜を形成する場合にも本発明を適用することができる。また、ＡＬＤによってＳｉＮ膜６６の成膜を行う場合、ウエハＢの温度を比較的低い温度、例えば１５０℃〜６５０℃とすると共に、プラズマ形成領域Ｒ４、Ｒ３においてはマイクロ波を供給しない、つまりプラズマを形成しないことによって、供給されたＮＨ３ガスがウエハＢに物理吸着されるようにし、プラズマ形成領域Ｒ２においては、例えばＮＨ３ガスを供給せずにＨ２ガスのみを供給してプラズマを形成するようにしてもよい。
その場合、原料ガス吸着領域Ｒ１ではＤＣＳガスが吸着され、プラズマ形成領域Ｒ４、Ｒ３（ただし、この処理例では上記のようにこの領域Ｒ４、Ｒ３においてプラズマは形成されない）ではＮＨ３ガスが物理吸着され、プラズマ形成領域Ｒ２では、プラズマの活性種が物理吸着されたＮＨ３ガスに作用して当該ＮＨ３ガスとＤＣＳガスとが反応し、ＳｉＮ膜が形成される。例えば、ＮＨ３ガスのプラズマによってダメージを受けやすい炭素膜が下地膜である場合に、このような処理が有効である。なお、アンモニアを物理吸着させるためにウエハＢを既述の比較的低い温度に加熱してＡＬＤを行い、且つ上記のシード層６４を形成しない場合、異なる下地膜間におけるインキュベーションタイムの差が比較的大きくなる。従って、各実施形態で説明したシード層６４を形成することが特に有効となる。
また、ＡＬＤを行う際にウエハＢを６５０℃よりも高い温度とし、各プラズマ形成ユニット３Ａ〜３Ｃではプラズマの形成を行わずにＮＨ３ガスの供給を行い、原料ガス吸着領域Ｒ１においてウエハＢに吸着されたシリコンとユニット３Ａ〜３Ｃから供給されたＮＨ３ガスとを熱により反応させて、ＳｉＮ膜を形成してもよい。つまり、ＳｉＮ膜の形成はプラズマ処理によって行うことに限られない。なお、上記の各処理例ではプラズマを形成するためにＨ２ガスを用いているがそのようにＨ２ガスを用いることには限られず、例えばＡｒガスを用いるようにしてもよい。また、既述した各実施形態及び膜の構成例は、適宜変更すること及び互いに組み合わせることができる。例えば、図１８〜図２０で示した炭素膜、Ｓｉ膜、Ｗ膜で構成された各膜構造は、ＳｉＯ膜６１、ＳｉＮ膜６２によって構成されたものであってもよい。
（第４の実施形態）
第４の実施形態では、一例として図２０で説明したＳｉ膜７６上にＳｉＯ膜６１が積層され、これらの膜７６、６１が露出するように凹部６３が形成されたウエハＢに対して処理を行う。この第４の実施形態の処理の概要を説明すると、先ず、ＳｉＯ膜６１及びＳｉ膜７６の表面を窒化して窒化膜を形成する。さらにこの窒化膜上にＳｉ膜７６とＳｉＯ膜６１との間でのインキュベーションタイムの差が比較的小さくなる処理条件でＳｉＮ膜（説明の便宜上、下層側ＳｉＮ膜とする）を形成する。その後、下層側ＳｉＮ膜とは異なる処理条件で、下層側ＳｉＮ膜よりも膜質が良好なＳｉＮ膜（説明の便宜上、上層側ＳｉＮ膜とする）を形成する。窒化膜及び下層側ＳｉＮ膜（第２のシリコン窒化膜）が、ＳｉＯ膜６１及びＳｉ膜７６との間で上層側ＳｉＮ膜（第１のシリコン窒化膜）のインキュベーションタイムの差を抑制するシード層をなす。上層側ＳｉＮ膜は、第１の実施形態のＳｉＮ膜６６に相当する。
この第４の実施形態で用いられる成膜装置１は、上記のシャワーヘッドをなすガス給排気ユニット２についてガス吐出口２１からＤＣＳガスとＡｒガスとを互いに切り替えて吐出することができるように構成されている。また、プラズマ形成ユニット３Ａ〜３Ｃについては、Ｈ２ガス供給源４３の代わりにＡｒガス供給源２９に接続され、第１のガス吐出口４１及び第２のガス吐出口４２からはＨ２ガスの代わりにＡｒガスが吐出される。これらの差異点を除いて、第４の実施形態の成膜装置１は、第１の実施形態の成膜装置１と同様に構成されている。
成膜装置１の動作を示す図２１〜図２４と、当該ウエハＢの縦断側面図である図２５〜図２９とを参照しながら、第１の実施形態における処理との差異点を中心に説明する。先ず、ウエハＢが真空容器１１内に搬入されて、後のステップＳ３でＮＨ３ガスをウエハＷに物理吸着させることができる温度である１５０℃〜６５０℃、例えば４９５℃に加熱されると共に、真空容器１１内の圧力が例えば１．２×１０２Ｐａ（０．９Ｔｏｒｒ）とされ、回転テーブル１２が回転する。そして、ガス給排気ユニット２において、各ガス吐出口２１及びパージガス吐出口２３からのＡｒガスの吐出と、排気口２２からの排気とが行われる。その一方で、下地膜窒化用ガス供給部であるプラズマ形成ユニット３Ｂのガス吐出口４１、４２から下地膜窒化用ガスであるＮＨ３ガスが吐出される。ただし、このＮＨ３ガスへのマイクロ波の供給は行われない（図２１）。
ウエハＢがプラズマ形成ユニット３Ｂの下方を通過する際に、ＮＨ３ガスが当該ウエハＢの表面に吸着される。なお、図２５ではＮＨ３ガスの分子を７７として示している。そして、ウエハＢがガス給排気ユニット２の下方を通過する際に、当該ウエハＢの表面を流れるＡｒガスによって、ウエハＢに吸着されていなかったり、ウエハＢから脱離したＮＨ３ガスについては、当該ウエハＢの表面からパージされる（ステップＳ１）。図２６は、このようにパージが行われた状態を示している。
続いて、プラズマ形成部をなすプラズマ形成ユニット３Ｂのガス吐出口４１、４２から、ＮＨ３ガスの代わりにＡｒガスが吐出される。そして、プラズマ形成領域Ｒ３にマイクロ波が供給され、当該プラズマ形成領域Ｒ３にＡｒガスのプラズマが形成される（図２２）。ガス給排気ユニット２の下方ではステップＳ１と同様に、引き続き余剰のＮＨ３ガスのパージが行われる。その一方で、プラズマ形成領域Ｒ３の下方においては、ＡｒガスのプラズマによってウエハＢに吸着されたＮＨ３ガスの分子７７が活性化されて、ラジカルなどの活性種が生じる。この活性種によって、図２７に示すように凹部６３の表面を構成するＳｉＯ及びＳｉが窒化されて窒化膜７８が形成される（ステップＳ２）。なお、この窒化には、ＳｉＯ膜６１、Ｓｉ膜７６の表面に存在する水酸基がアミノ基に置換されることが含まれる。
その後、真空容器１１内の圧力が６．６７×１０２Ｐａ（５．０Ｔｏｒｒ）に上昇し、シリコン原料ガス供給部をなすガス給排気ユニット２においてはガス吐出口２１からＡｒガスの代わりにＤＣＳガスが吐出される。その一方で、プラズマ形成ユニット３Ａ、３Ｃのガス吐出口４１、４２からＮＨ３ガスが吐出される。プラズマ形成領域Ｒ３においては引き続きＡｒガスのプラズマが形成される（図２３）。このように各ガスの供給とプラズマの形成とが行われることで、回転テーブル１２により移動するウエハＢの表面には、先ずＤＣＳガスが供給されて吸着され、次いでプラズマ化されていない状態のＮＨ３ガスが供給されて物理吸着され、然る後、吸着されたＮＨ３ガスがＡｒガスのプラズマに曝されて活性化される。活性化されたＮＨ３ガスは、ラジカルなどの活性種を生じてＤＣＳガスと反応し、窒化膜７８に積層されるようにＳｉＮの薄層が形成される。回転テーブル１２の回転により、ウエハＢに対してこの一連の処理が繰り返し行われることで、ＳｉＮの薄層が堆積して、下層側ＳｉＮ膜７９が形成される（図２８、ステップＳ３）。
然る後、プラズマ形成ユニット３Ａ、３Ｃのガス吐出口４１、４２からのＮＨ３ガスの吐出が停止すると共にプラズマ形成領域Ｒ２、Ｒ４へのマイクロ波の供給が停止する。そして、真空容器１１内の圧力が、２．１３×１０２Ｐａ（１．６Ｔｏｒｒ）に低下し、窒化用ガス供給部及びシリコン窒化膜形成部をなすプラズマ形成ユニット３Ｂのガス吐出口４１、４２からはＡｒガスとＮＨ３ガスとの混合ガスが吐出され、プラズマ形成領域Ｒ３に供給されるマイクロ波によって、この混合ガスのプラズマが形成される（図２４）。
このように各ガスの供給とプラズマの形成とが行われることで、回転テーブル１２により移動するウエハＢの表面にはＤＣＳガスの分子が吸着され、この吸着された分子がＮＨ３ガス及びＡｒガスのプラズマによって窒化され、下層側ＳｉＮ膜７９に積層されるようにＳｉＮの薄層が形成される。回転テーブル１２の回転により、ウエハＢに対してこの吸着と窒化とが繰り返し行われることで、ＳｉＮの薄層が堆積して上層側ＳｉＮ膜８１が形成される（図２９、ステップＳ４）。
上層側ＳｉＮ膜８１が所定の厚さになると、各ユニット２及び３Ａ〜３Ｃによる各ガスの供給とプラズマの形成とが停止し、成膜処理が終了する。この第４の実施形態によれば、窒化膜７８及び下層側ＳｉＮ膜７９を形成することによって、上層側ＳｉＮ膜８１が、ＳｉＯ膜６１上とＳｉ膜７６上との間で均一性高く成長する。従って、ＳｉＯ膜６１上とＳｉ膜７６上との間で上層側ＳｉＮ膜８１の膜厚に差が生じることを防ぐことができる。なお、後述の評価試験で示すように下層側ＳｉＮ膜７９は上層側ＳｉＮ膜８１に比べてエッチング時の耐性が低いので、上層側ＳｉＮ膜８１の膜厚を比較的大きくするために、下層側ＳｉＮ膜７９は、例えば２０Å以下の膜厚となるように形成される。
上記のステップＳ３で形成される下層側ＳｉＮ膜７９について、ＳｉＯ膜６１上とＳｉ膜７６上との間でインキュベーションタイムの差が抑制されると考えられる理由について説明する。理由の一つとしては、上記のステップＳ３では、ＮＨ３ガスをウエハＢの表面に吸着させてからプラズマに曝して活性化させることで、ウエハＢに吸着されているＤＣＳに対してＮＨ３ガスの活性種が効率的に反応していることによると考えられる。また、他の理由としては、ステップＳ３ではステップＳ４よりも真空容器１１内の圧力が高く設定されているため、ウエハＢの表面においてＤＣＳガスの分子が吸着されやすいことによると考えられる。なお、上記のステップＳ３ではプラズマ形成ユニット３ＡからもＮＨ３ガスを吐出し、Ａｒプラズマに曝されたウエハＢが、ＤＣＳガスが供給される前に当該ユニット３ＡによってＮＨ３ガスの供給を受けるように処理が行われているが、このユニット３ＡによるＮＨ３ガスの供給は行われなくてもよい。
ところで、上記のステップＳ１、Ｓ２を行うことで窒化膜７８を形成する代わりに、上記の第１の実施形態の図６で説明した手法と同様の手法で窒化膜を形成してもよい。具体的に説明すると、プラズマ形成ユニット３Ｂのプラズマ形成領域Ｒ３にＮＨ３ガス及びＡｒガスを供給すると共にマイクロ波を供給し、これらのガスをプラズマ化する。そして、このプラズマにウエハＢを曝すことで窒化膜を形成することができる。
また、上記のステップＳ１、Ｓ２では、ウエハＢに吸着したＮＨ３ガスを活性化させることでＳｉＯ膜６１及びＳｉ膜７６を効率良く窒化させて窒化膜７８を形成することができる。また、ステップＳ１、Ｓ２ではＡｒガスによるパージを行うことで余剰のＮＨ３ガスをウエハＢから除去し、吸着されたＮＨ３ガスがより確実にプラズマに曝され、より効率良く窒化が行われるようにしている。
ところで、ステップＳ１、Ｓ２で下地膜であるＳｉＯ膜、Ｓｉ膜を窒化するためにＮＨ３ガスを用いたが、使用するガスとしてはＮＨ３ガスに限られず、Ｎ２（窒素）ガスなどであってもよい。また、ステップＳ３の下層側ＳｉＮ膜７９の形成を行わず、ステップＳ１、Ｓ２の終了後、ステップＳ４を行い、窒化膜７８に直接積層されるように上層側ＳｉＮ膜８１を形成してもよい。つまり、シード層が窒化膜７８のみによって構成されていてもよい。
この第４の実施形態も適宜変更したり、既述した各例と組み合わせることができる。例えば、ＳｉＯ膜６１及びＳｉ膜７６からなる積層膜に対して処理を行う代わりに、図１１、図１８、図１９で示した各種の積層膜に対して処理を行うことができる。また、Ａｒガスの代わりに例えばＨ２ガスを用いて各ステップＳ１〜Ｓ４を行うことができる。また、上記の例ではステップＳ３、Ｓ４ではシリコンの原料ガスとしていずれもＤＣＳガスを供給しているが、ステップＳ３、Ｓ４で互いに種類が異なる原料ガスを使用してもよい。例えばステップＳ３、Ｓ４の一方はＤＣＳガスの代わりに上記のＨＣＤガスを用いてもよい。また、ステップＳ３、Ｓ４ではプラズマ形成用ガスとしてＡｒガスを用いているが、例えばＨ２ガスなどのプラズマの形成を行うことができる他のガスを用いてもよい。プラズマ形成用ガスについても、シリコンの原料ガスと同様に、各ステップで互いに異なる種類のガスを使用することができる。
（評価試験）
本発明に関連して行われた評価試験について説明する。
〔評価試験１〕
第４の実施形態における下層側ＳｉＮ膜７９の効果を確認するための試験を行った。評価試験１−１として、表面がＳｉにより構成されたウエハＢについて、ステップＳ１〜Ｓ４を実行し、下層側ＳｉＮ膜７９上に上層側ＳｉＮ膜８１を形成した。ウエハＢ毎にステップＳ４を行う時間、即ち上層側ＳｉＮ膜８１を成膜する成膜時間を変更し、当該成膜時間と上層側ＳｉＮ膜８１の膜厚との関係を取得した。また、評価試験１−２として表面がＳｉＯにより構成されたウエハを用いた他は、評価試験１−１と同様の試験を行った。
評価試験１−３として、表面がＳｉにより構成されたウエハＢについて、ステップＳ１、Ｓ２、Ｓ４を行った。つまり、下層側ＳｉＮ膜７９の成膜は行わずに上層側ＳｉＮ膜８１を成膜した。ウエハＢ毎に上層側ＳｉＮ膜８１の成膜時間を変更し、当該成膜時間と上層側ＳｉＮ膜８１の膜厚との関係を取得した。また、評価試験１−４として、表面がＳｉＯにより構成されたウエハを用いた他は、評価試験１−３と同様の試験を行った。
図３０のグラフは、評価試験１−１〜評価試験１−４の結果を示すグラフである。グラフの横軸は上層側ＳｉＮ膜８１の成膜時間（単位：秒）を示し、グラフの縦軸は、上層側ＳｉＮ膜８１の膜厚（単位：Å）を示している。評価試験１−１、１−２、１−３、１−４の測定結果を、黒い四角、白抜きの四角、三角、丸の各プロットで夫々表示している。さらに、評価試験１−１の各プロットを結ぶ線及びその延長線を点線で、評価試験１−２の各プロットを結ぶ線及びその延長線を実線で、評価試験１−３の各プロットを結ぶ線及びその延長線を一点鎖線で、評価試験１−４の各プロットを結ぶ線及びその延長線を二点鎖線で、夫々示している。
図３１のグラフは、図３０のグラフの成膜時間が０秒〜１５０秒となる領域を拡大して示している。この図３１のグラフより、膜厚が０Åであるとき、評価試験１−１と評価試験１−２との成膜時間の差は１２．１秒であり、評価試験１−３と評価試験１−４との成膜時間の差は４２．０秒である。このように下層側ＳｉＮ膜７９を形成した評価試験１−１と評価試験１−２との膜厚の差の方が、下層側ＳｉＮ膜７９を形成していない評価試験１−３と評価試験１−４との膜厚の差よりも小さいことから、下層側ＳｉＮ膜７９を形成した方が、インキュベーションタイムの差を小さくすることができることが分かる。
また、この評価試験１で形成された下層側ＳｉＮ膜７９と上層側ＳｉＮ膜８１とを、フッ酸と純水との混合液を用いて６０秒間ウエットエッチングし、エッチングレートを測定した。この混合液中のフッ酸と純水との割合は、フッ酸１ｍＬに対して純水１００ｍＬである。下層側ＳｉＮ膜７９のエッチングレートは２４．６Å／分であり、上層側ＳｉＮ膜８１のエッチングレートは３．６Å／分であった。既述のようにＳｉＮ膜は、下層膜をエッチングするためのマスクとして使用される場合が有るため、エッチングレートが低いことが好ましい。従って、上記の第４の実施形態で説明したように、下層側ＳｉＮ膜７９の膜厚はインキュベーションタイムの差を抑制することができる範囲で比較的小さくすることが有効である。
〔評価試験２〕
評価試験２−１として、ＳｉからなるウエハＢにＮＨ３ガスを供給して、表面の水酸基を除去し、窒化膜８２を形成した。ただし、このＮＨ３ガスはプラズマ化していない。そして、窒化膜８２の形成後、上記の第４の実施形態のステップＳ４を行い、上層側ＳｉＮ膜８１を成膜し、各膜の膜厚を測定した。また、評価試験２−２として、ＳｉＯからなるウエハＢを用いた他は、評価試験２−１と同様の試験を行った。
評価試験２−３として、評価試験２−１と同様にＳｉからなるウエハＢにＮＨ３ガスを供給して窒化膜８２を形成した後、第４の実施形態のステップＳ３、Ｓ４を行い、下層側ＳｉＮ膜７９、上層側ＳｉＮ膜８１を形成した。そして各膜の膜厚を測定した。また、評価試験２−４として、ＳｉＯからなるウエハＢを用いた他は、評価試験２−３と同様の試験を行った。さらに、評価試験２−５として、ＳｉからなるウエハＢに第４の実施形態のステップＳ１〜Ｓ４を行い、窒化膜７８、下層側ＳｉＮ膜７９、上層側ＳｉＮ膜８１を形成し、各膜の膜厚を測定した。また、評価試験２−６として、ＳｉＯからなるウエハＢを用いた他は、評価試験２−５と同様の試験を行った。
図３２〜図３７は、評価試験２−１〜２−６にて処理されたウエハＢの縦断側面図であり、各膜の横には当該膜の膜厚を示している。評価試験２−１では、Ｓｉ表面の自然酸化膜８３の膜厚が７Å、窒化膜８２の膜厚が０．９Å、上層側ＳｉＮ膜８１の膜厚が４２．１Åであった。評価試験２−２では、窒化膜８２の膜厚が１．９Å、上層側ＳｉＮ膜８１の膜厚が１９．１Åであった。評価試験２−３では、自然酸化膜８３の膜厚が７Å、窒化膜８２の膜厚が０．９Å、下層側ＳｉＮ膜７９の膜厚が１７．２Å、上層側ＳｉＮ膜８１の膜厚が４２．１Åであった。評価試験２−４では、窒化膜８２の膜厚が０Å、下層側ＳｉＮ膜７９の膜厚が０．１Å、上層側ＳｉＮ膜の膜厚８１が２９．４Åであった。評価試験２−５では、自然酸化膜８３の膜厚が７Å、窒化膜７８の膜厚が１．２Å、下層側ＳｉＮ膜７９の膜厚が１４．１Å、上層側ＳｉＮ膜８１の膜厚が２７．７Åであった。評価試験２−６では、窒化膜７８の膜厚が０Å、下層側ＳｉＮ膜７９の膜厚が６．７Å、上層側ＳｉＮ膜８１の膜厚が３０．０Åであった。
評価試験２−１、２−２では、上層側ＳｉＮ膜８１の膜厚の差が２３Åと比較的大きいが、評価試験２−３、２−４における上層側ＳｉＮ膜８１の膜厚の差は４．５Åであり、評価試験２−５、２−６における上層側ＳｉＮ膜８１の膜厚の差は２．２Åである。このように評価試験２からは、シード層を形成することで、下地膜の材質が異なることによる上層側ＳｉＮ膜８１の膜厚の差を抑制することができることが確認された。つまり本発明の効果が確認された。また、第４の実施形態のステップＳ３のＳｉＮ膜７９の形成を行うことで、上記の上層側ＳｉＮ膜８１の膜厚の差を抑制することができるが、ステップＳ１、Ｓ２の窒化膜７８の形成を行うことで、さらに上層側ＳｉＮ膜８１の膜厚の差を抑制することができることが確認された。
Ｂ ウエハ
Ｒ１ 原料ガス吸着領域
Ｒ２〜Ｒ４ プラズマ形成領域
１ 成膜装置
１０ 制御部
１１ 真空容器
１２ 回転テーブル
２ ガス給排気ユニット
３Ａ〜３Ｃ プラズマ形成ユニット

Claims (11)

  1. 互いに種類が異なる第１の下地膜と第２の下地膜とが積層されると共に表面に露出して形成された段部を備える基板に対して、前記段部を被覆するシリコン窒化膜を成膜する成膜方法において、
    前記基板に前記第１の下地膜及び前記第２の下地膜を窒化するための窒素を含む下地膜窒化用ガスを供給し且つ前記基板をプラズマに曝すことで前記段部の表面を窒化して形成される窒化膜か、あるいは前記基板に第１のシリコンの原料ガスを供給することで形成されるシリコン含有膜により構成され、前記第１の下地膜の表面と前記第２の下地膜の表面とで前記シリコン窒化膜の成長を揃えるためのシード層を、前記段部を被覆するように形成する第１の工程と、
    次いで、前記基板に第２のシリコンの原料ガスと、シリコンを窒化するためのシリコン窒化用ガスとを供給して、前記シード層に積層されるように前記シリコン窒化膜を形成する第２の工程と、
    を備え、
    前記シリコン窒化膜を第１のシリコン窒化膜とすると、前記第１の工程は、
    前記第１のシリコンの原料ガスを前記基板に供給して吸着させる工程と、
    前記シリコン窒化用ガスをプラズマ化されない状態で前記基板に供給して吸着させる工程と、
    前記基板をプラズマに曝し、当該基板に吸着されたシリコン窒化用ガスと前記第１のシリコンの原料ガスとを反応させて前記シリコン含有膜である第２のシリコン窒化膜を形成する工程と、
    を含むことを特徴とする成膜方法。
  2. 前記第２の工程は、プラズマ形成用ガスと前記シリコン窒化用ガスとをプラズマ化して得られた活性種を基板に供給することを含むことを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
  3. 前記第１の工程は、第２の工程よりも前記基板が格納される真空容器内の圧力を高く設定して行われることを特徴とする請求項１または２記載の成膜方法。
  4. 前記シード層は前記窒化膜により構成され、
    当該シード層を形成する工程は、
    前記基板に前記下地膜窒化用ガスを供給して吸着させる下地膜窒化用ガスの吸着工程と、
    続いて、前記基板をプラズマに曝して吸着した前記下地膜窒化用ガスを活性化させて前記窒化膜を形成する窒化膜形成工程と、
    を含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の成膜方法。
  5. 前記下地膜窒化用ガスの吸着工程を行った後、前記窒化膜形成工程を行う前に、前記基板にパージガスを供給する工程を含むことを特徴とする請求項４記載の成膜方法。
  6. 前記シード層は、前記窒化膜と、当該窒化膜に積層される前記第２のシリコン窒化膜と、により構成されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一つに記載の成膜方法。
  7. 互いに種類が異なる第１の下地膜と第２の下地膜とが積層されると共に表面に露出して形成された段部を備える基板に対して、前記段部を被覆するシリコン窒化膜を成膜する成膜方法において、
    前記基板に前記第１の下地膜及び前記第２の下地膜を窒化するための窒素を含む下地膜窒化用ガスを供給し且つ前記基板をプラズマに曝すことで前記段部の表面を窒化して形成される窒化膜か、あるいは前記基板に第１のシリコンの原料ガスを供給することで形成されるシリコン含有膜により構成され、前記第１の下地膜の表面と前記第２の下地膜の表面とで前記シリコン窒化膜の成長を揃えるためのシード層を、前記段部を被覆するように形成する第１の工程と、
    次いで、前記基板に第２のシリコンの原料ガスと、シリコンを窒化するためのシリコン窒化用ガスとを供給して、前記シード層に積層されるように前記シリコン窒化膜を形成する第２の工程と、
    を備え、
    前記シード層は前記窒化膜により構成され、
    当該シード層を形成する工程は、前記基板が格納される真空容器内の圧力を第１の圧力とした状態で、前記下地膜窒化用ガスをプラズマ化して形成された前記プラズマに前記第１の下地膜及び前記第２の下地膜を曝して窒化する工程を含み、
    前記シリコン窒化膜を形成する工程は、前記真空容器内の圧力を前記第１の圧力よりも高い第２の圧力とする工程を含むことを特徴とする成膜方法。
  8. 前記シード層は前記シリコン含有膜により構成され、
    前記段部は凹部であり、当該凹部のアスペクト比は３以上であることを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
  9. 前記シード層の厚さは、２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一つに記載の成膜方法。
  10. 互いに種類が異なる第１の下地膜と第２の下地膜とが積層されると共に表面に露出して形成された段部を備える基板に対して、前記段部を被覆するシリコン窒化膜を成膜する成膜装置において、
    前記基板に前記第１の下地膜及び前記第２の下地膜を窒化するための窒素を含む下地膜窒化用ガスを供給する下地膜窒化用ガス供給部及び前記下地膜窒化用ガスにより前記段部の表面が窒化された窒化膜を形成するために当該基板の表面にプラズマを形成するプラズマ形成部、あるいは前記基板にシリコンの原料ガスを供給することでシリコン含有膜を形成するためのシリコン原料ガス供給部からなるシード層形成部と、
    前記シリコン原料ガス供給部と、シリコンを窒化するためのシリコン窒化用ガスを前記基板に供給するシリコン窒化用ガス供給部とからなるシリコン窒化膜形成部と、
    前記窒化膜あるいは前記シリコン含有膜からなり、前記第１の下地膜の表面と前記第２の下地膜の表面とで前記シリコン窒化膜の成長を揃えるためのシード層を、前記段部を被覆するように形成するステップと、
    次いで前記シリコンの原料ガス及びシリコン窒化用ガスを前記基板に供給して前記シリコン窒化膜を形成するステップと、を実施するように制御信号を出力する制御部と、
    を備え、
    前記シリコン窒化膜を第１のシリコン窒化膜とすると、前記シード層を形成するステップは、
    前記シリコンの原料ガスを前記基板に供給して吸着させるステップと、
    前記シリコン窒化用ガスをプラズマ化されない状態で前記基板に供給して吸着させるステップと、
    前記基板をプラズマに曝し、当該基板に吸着されたシリコン窒化用ガスと前記シリコンの原料ガスとを反応させて前記シリコン含有膜である第２のシリコン窒化膜を形成するステップと、
    を含むことを特徴とする成膜装置。
  11. 互いに種類が異なる第１の下地膜と第２の下地膜とが積層されると共に表面に露出して形成された段部を備える基板に対して、前記段部を被覆するシリコン窒化膜を成膜する成膜装置において、
    前記基板が格納され、内部の圧力を変更可能な真空容器と、
    前記基板に前記第１の下地膜及び前記第２の下地膜を窒化するための窒素を含む下地膜窒化用ガスを供給する下地膜窒化用ガス供給部及び前記下地膜窒化用ガスにより前記段部の表面が窒化された窒化膜を形成するために当該基板の表面にプラズマを形成するプラズマ形成部、あるいは前記基板にシリコンの原料ガスを供給することでシリコン含有膜を形成するためのシリコン原料ガス供給部からなるシード層形成部と、
    前記シリコン原料ガス供給部と、シリコンを窒化するためのシリコン窒化用ガスを前記基板に供給するシリコン窒化用ガス供給部とからなるシリコン窒化膜形成部と、
    前記窒化膜あるいは前記シリコン含有膜からなり、前記第１の下地膜の表面と前記第２の下地膜の表面とで前記シリコン窒化膜の成長を揃えるためのシード層を、前記段部を被覆するように形成するステップと、
    次いで前記シリコンの原料ガス及びシリコン窒化用ガスを前記基板に供給して前記シリコン窒化膜を形成するステップと、を実施するように制御信号を出力する制御部と、
    を備え、
    前記シード層は前記窒化膜により構成され、
    前記シード層を形成するステップは、前記真空容器内の圧力を第１の圧力とした状態で、前記下地膜窒化用ガスをプラズマ化して形成された前記プラズマに前記第１の下地膜及び前記第２の下地膜を曝して窒化するステップを含み、
    前記シリコン窒化膜を形成するステップは、前記真空容器内の圧力を前記第１の圧力よりも高い第２の圧力とするステップを含むことを特徴とする成膜装置。
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