JP6787813B2 - 半導体装置の製造方法、基板処理装置およびプログラム - Google Patents

半導体装置の製造方法、基板処理装置およびプログラム Download PDF

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Description

本発明は、半導体装置の製造方法、基板処理装置およびプログラムに関する。
近年、半導体装置は高集積化の傾向にある。それを実現する方法の一つとして、電極等を三次元的に配列する三次元構造が提案されている。このような半導体装置は、例えば特許文献１に開示されている。
特開２０１５−５０４６６
フラッシュメモリの三次元構造を形成する過程においては、絶縁膜と犠牲膜とを交互に積層する必要がある。ところが、絶縁膜と犠牲膜との熱膨張率の違い等の理由から、シリコンウエハにストレスがかかり、形成する過程において積層膜が破壊される現象がある。このような現象が半導体装置の特性の低下につながる恐れがある。
そこで本発明は、三次元構造のフラッシュメモリにおいても、良好な特性の半導体装置を形成可能な技術を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、絶縁膜が形成された基板が処理室内の基板載置部に載置された状態で、処理ガスを前記処理室に供給し、プラズマ生成部から前記処理室に第一電力を供給してプラズマ生成し、前記絶縁膜上に第一シリコン窒化層を形成し、前記プラズマ生成と並行してイオン制御部から前記処理室に第二電力を供給して、前記第一シリコン窒化層上に前記第一シリコン窒化層よりも応力の低い第二シリコン窒化層を形成する技術を提供する。
本発明に係る技術によれば、三次元構造のフラッシュメモリにおいても、良好な特性の半導体装置を形成可能な技術を提供することができる。
実施形態に係る半導体装置の製造フローを説明する説明図である。 実施形態に係るウエハの処理状態を説明する説明図である。 実施形態に係るウエハの処理状態を説明する説明図である。 実施形態に係るウエハの処理状態を説明する説明図である。 実施形態に係るウエハの処理状態を説明する説明図である。 実施形態に係るウエハの処理状態を説明する説明図である。 実施形態に係るウエハの処理状態を説明する説明図である。 実施形態に係るウエハの処理状態を説明する説明図である。 実施形態に係る基板処理装置を説明する説明図である。 実施形態に係る基板処理装置を説明する説明図である。 実施形態に係る基板処理装置を説明する説明図である。 実施形態に係る基板処理装置の動作を説明するタイミングチャートである。 実施形態に係るウエハの処理状態を説明する説明図である。 比較例に係るウエハの処理状態を説明する説明図である。 比較例に係るウエハの処理状態を説明する説明図である。
（第一の実施形態）
以下に本発明の実施形態について説明する。
図1を用いて、半導体装置の製造工程の一工程を説明する。この工程では、電極を三次元的に構成した三次元構造の半導体装置を形成する。この半導体装置は、図８に記載のように、基板としてのウエハ１００上に絶縁膜１０２と電極１１２とを交互に積層する積層構造を有する。以下に具体的なフローを説明する。
（Ｓ１０２）
第一絶縁膜形成工程Ｓ１０２について、図２を用いて説明する。図２は、ウエハ１００に形成する絶縁膜１０２を説明した図である。ウエハ１００は、共通ソースライン（ＣＳＬ、Ｃｏｍｍｏｎ Ｓｏｕｒｃｅ Ｌｉｎｅ）１０１が形成されている。絶縁膜１０２は第一絶縁膜とも呼ぶ。
ここではウエハ１００上に絶縁膜１０２を形成する。絶縁膜１０２はシリコン酸化（ＳｉＯ）膜で構成される。絶縁膜１０２は、ウエハ１００を所定温度に加熱すると共に、シリコン成分を主成分とするシリコン含有ガスと酸素成分を主成分とする酸素含有ガスとをウエハ１００上に供給し形成する。この処理は、一般的な装置で構成される酸化膜形成装置にて形成される。
（Ｓ１０４）
犠牲膜形成工程Ｓ１０４について、図３を用いて説明する。ここでは絶縁膜１０２上に犠牲膜１０４を形成する。犠牲膜１０４は、後述する犠牲膜除去工程Ｓ１１４にて除去されるものであり、絶縁膜１０２に対してエッチングの選択性を有するものである。エッチングの選択性を有するとは、エッチング液に晒された際、犠牲膜はエッチングされやすく、絶縁膜はエッチングされにくい性質を示す。
犠牲膜１０４は、例えばシリコン窒化（ＳｉＮ）膜で構成される。犠牲膜１０４は、ウエハ１００を所定温度に加熱すると共に、シリコン成分を主成分とするシリコン含有ガスと窒素成分を主成分とする窒素含有ガスとをウエハ１００上に供給し形成する。シリコン含有ガスは、後述するように例えば塩素等の不純物を含む。詳細は後述する。ところで、形成メカニズムの違いにより、犠牲膜形成工程Ｓ１０４におけるウエハ１００の加熱温度は絶縁膜形成工程Ｓ１０２と異なる。本工程にて使用するシリコン含有ガスと窒素含有ガスとをまとめて犠牲膜形成ガス、もしくは単に処理ガスと呼ぶ。
犠牲膜１０４を形成する際は、犠牲膜１０４の膜応力を絶縁膜１０２の膜応力に近づけるよう処理する。
以下に、膜応力を近づける理由について、比較例である図１５を用いて説明する。図１５では、犠牲膜を犠牲膜１２０とし、膜応力を絶縁膜１０２に近づけない場合の例を示す。即ち、本工程を行わずに、絶縁膜１０２と犠牲膜１２０を交互に積層したものである。絶縁膜１０２は、下方から順に絶縁膜１０２（１）、絶縁膜１０２（２）、・・・、絶縁膜１０２（８）が構成されている。また、犠牲膜１２０は、下方から順に犠牲膜１２０（１）、犠牲膜１２０（２）、・・・、犠牲膜１２０（８）が構成されている。前述したように、絶縁膜１０２を形成する際は、ウエハ１００を所定温度に加熱すると共に、シリコン含有ガスと酸素含有ガスとをウエハ１００上に供給し形成する。また、犠牲膜１２０を形成する際は、ウエハ１００を、絶縁膜１０２とは異なる所定温度に加熱すると共に、シリコン含有ガスと窒素含有ガスとをウエハ１００上に供給し形成する。
ところで、一般的に、ＳｉＯ膜は圧縮応力が高く、ＳｉＮ膜は引張応力が高いことが知られている。即ち、ＳｉＯ膜とＳｉＮ膜は、膜応力に関して逆の特性を有する。これらの応力の性質は、膜が加熱された場合に顕著となる。
図１５においては、ＳｉＯ膜で構成される絶縁膜１０２の形成とＳｉＮ膜で構成される犠牲膜１２０の形成を繰り返して形成するが、一部の膜では絶縁膜１０２と犠牲膜１２０が同時に存在した状態でウエハ１００を加熱処理する。したがって絶縁膜１０２と犠牲膜１２０との間での応力差が顕著となり、例えば絶縁膜１０２と犠牲膜１２０との間で膜はがれ等が発生し、それが半導体装置の破壊や歩留まりの低下、特性の劣化につながる恐れがある。
犠牲膜１２０（５）を形成する際、ウエハ１００を、ＳｉＮ膜を形成する温度に加熱する。その際、犠牲膜１２０（５）よりも下方に設けられた絶縁膜１０２（１）から絶縁膜１０２（５）は圧縮応力が高くなり、犠牲膜１２０（１）から犠牲膜１２０（４）は引っ張り応力が高くなる。従って、絶縁膜１０２と犠牲膜１２０との間で応力差が発生する。その応力差は半導体装置の破壊等につながる恐れがある。
このような応力差を低減するために、本工程にて犠牲膜１０４の膜応力を絶縁膜１０２の膜応力に近づけるよう処理する。この処理方法の詳細は後述する。
（Ｓ１０６）
ここでは、上述の絶縁膜形成工程Ｓ１０２から犠牲膜形成工程Ｓ１０４の組み合わせが所定回数実施されたか否かを判断する。即ち、図４における絶縁膜１０２と犠牲膜１０４の組み合わせが所定数積層されたか否かを判断する。本実施形態においては、例えば８層とし、絶縁膜１０２を８層（絶縁膜１０２（１）から絶縁膜１０２（８））、犠牲膜１０４を８層（犠牲膜１０４（１）から犠牲膜１０４（８））を交互に形成する。なお、犠牲膜１０４は、下方から順に、犠牲膜１０４（１）、犠牲膜１０４（２）、・・・、犠牲膜１０４（８）が構成される。
所定回数実施していないと判断されたら、「ＮＯ」を選択し、第一絶縁膜形成工程Ｓ１０２に移行する。所定回数実施したと判断されたら、即ち所定層数形成されたと判断されたら、「ＹＥＳ」を選択し、第二絶縁膜形成工程Ｓ１０８に移行する。なお、ここでは絶縁膜１０２と犠牲膜１０４を８層ずつ形成した例を説明したが、それに限るものではなく、９層以上であってもよい。
（Ｓ１０８）
続いて第二絶縁膜形成工程Ｓ１０８について説明する。ここでは図４に記載の絶縁膜１０５を形成する。絶縁膜１０５は絶縁膜１０２と同様の方法で形成するものであり、最も上の犠牲膜１０４上に形成する。
（Ｓ１１０）
続いて図５を用いて、ホール形成工程Ｓ１１０を説明する。図５（ａ）は、図４と同様側面から見た図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の構成を上方から見た図である。なお、図５（ｂ）におけるα−α’における断面図が図５（ａ）に相当する。
ここでは、絶縁膜１０２、１０５と犠牲膜１０４の積層構造に対して、ホール１０６を形成する。図５（ａ）に記載のように、ホール１０６はＣＳＬ１０１を露出させるように形成される。ホール１０６は図５（ｂ）に記載のように絶縁膜１０５の面内に複数設けられる。
（Ｓ１１２）
続いて、図６を用いてホール充填工程Ｓ１１２を説明する。ここでは、Ｓ１１０で形成したホール１０６の内側を積層膜１０８等で充填する工程である。ホール１０６内には、外周側から順に保護膜１０７、ゲート電極間絶縁膜-電荷トラップ膜-トンネル絶縁膜の積層膜１０８、チャネルポリシリコン膜１０９、充填絶縁膜１１０が形成される。各膜は筒状に構成される。
例えば、保護膜１０７はＳｉＯやメタル酸化膜で構成され、ゲート電極間絶縁膜-電荷トラップ膜-トンネル絶縁膜の積層膜１０８はＳｉＯ-ＳｉＮ-ＳｉＯ膜で構成される。犠牲膜１０４を除去する際に積層膜１０８にダメージが入るのを避けるべく、ホール１０６の内壁表面に、保護膜１０７を設け保護している。
（Ｓ１１４）
続いて、図７を用いて犠牲膜除去工程Ｓ１１４を説明する。犠牲膜除去工程Ｓ１１４では、犠牲膜１０４をウエットエッチングで除去する。除去した結果、犠牲膜１０４が形成されていた位置に空隙１１１が形成される。ここでは、下方から順に、空隙１１１（１）、空隙１１１（２）、・・・、空隙１１１（８）が形成される。
（Ｓ１１６）
続いて図８を用いて導電膜形成工程Ｓ１１６を説明する。導電膜形成工程Ｓ１１６では、電極となる導電膜１１２を空隙１１１に形成する。導電膜は例えばタングステン等で構成される。ここでは、導電膜１１２は、下方から順に、導電膜１１２（１）、導電膜１１２（２）、・・・、導電膜１１２（８）が構成される。
続いて、犠牲膜形成工程Ｓ１０４で使用する基板処理装置２００および形成方法を説明する。基板処理装置２００に関しては図９、図１０、図１１を用いて説明する。形成方法については、図１２、図１３を用いて説明する。
（基板処理装置）
（処理容器）
図例のように、基板処理装置２００は、処理容器（容器）２０２を備えている。容器２０２は、例えば横断面が円形であり扁平な密閉容器として構成されている。また、容器２０２は、例えばアルミニウム（Ａｌ）やステンレス（ＳＵＳ）などの金属材料により構成されている。容器２０２内には、シリコンウエハ等のウエハ１００を処理する処理室２０５と、ウエハ１００を処理室２０５に搬送する際にウエハ１００が通過する搬送空間２０６とが形成されている。容器２０２は、上部容器２０２ａと下部容器２０２ｂで構成される。上部容器２０２ａと下部容器２０２ｂの間には仕切り板２０８が設けられる。処理室２０５は、後述する分散板２３４、基板載置台２１２等で構成されている。
下部容器２０２ｂの側面には、ゲートバルブ２０３に隣接した基板搬入出口２０４が設けられており、ウエハ１００は基板搬入出口２０４を介して図示しない搬送室との間を移動する。下部容器２０２ｂの底部には、リフトピン２０７が複数設けられている。
処理室２０５には、ウエハ１００を支持する基板支持部２１０が配される。基板支持部２１０は、ウエハ１００を載置する基板載置面２１１と、基板載置面２１１を表面に持つ基板載置台２１２、基板載置台２１２内に設けられた加熱源としてのヒータ２１３とバイアス電極２１５を主に有する。基板載置台２１２には、リフトピン２０７が貫通する貫通孔２１４が、リフトピン２０７と対応する位置にそれぞれ設けられている。ヒータ２１３には図示しないヒータ制御部が接続され、コントローラ２８０の指示によって所望の温度に加熱される。
バイアス電極２１５には、イオン制御部２５１の一構成である第一電力供給線２５１ａが電気的に接続される。第一電力供給線２５１ａには、上流から順に低周波電源２５１ｂ、整合器２５１ｃが設けられる。低周波電源２５１ｂはアース２５１ｄに接続される。
更には、バイアス電極２１５には、プラズマ生成部２５２の一構成である第一電力出力線２５２ｅが電気的に接続される。第一電力出力線２５２ｅには、ハイパスフィルタ（ｈｉｇｈ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ、以下ＨＰＦと呼ぶ。）２５２ｆが設けられる。ハイパスフィルタ２５２ｆはアース２５２ｄに接続される。
ここで、低周波とは例えば１から４００ＫＨｚ程度を示し、高周波とは１３．５６ＭＨｚ程度を示す。
基板載置台２１２は、シャフト２１７によって支持される。シャフト２１７は、処理容器２０２の底部を貫通しており、さらに処理容器２０２の外部で昇降部２１８に接続されている。シャフト２１７は処理容器２０２と絶縁されている。
昇降部２１８を作動させてシャフト２１７および基板載置台２１２を昇降させることにより、基板載置台２１２は、載置面２１１上に載置されるウエハ１００を昇降させることが可能となっている。なお、シャフト２１７下端部の周囲はベローズ２１９により覆われており、これにより処理室２０５内は気密に保持されている。
基板載置台２１２は、ウエハ１００の搬送時には、基板載置面２１１が基板搬入出口２０４に対向する位置まで下降し、ウエハ１００の処理時には、図９で示されるように、ウエハ１００が処理室２０５内の処理位置となるまで上昇する。
処理室２０５の上部（上流側）には、ガス分散機構としてのシャワーヘッド２３０が設けられている。シャワーヘッド２３０の蓋２３１には貫通孔２３１ａが設けられる。貫通孔２３１ａの内周には、絶縁体２３１ｃが設けられる。絶縁体２３１ｃにはガス導入孔２３１ｂが設けられ、ガス導入孔２３１ｂは共通ガスｄ管２４２と連通される。絶縁体２３１ｃは共通ガス供給管２４２と蓋２３１を電気的に絶縁する。
蓋２３１には、プラズマ生成部２５２の一構成である第二電力供給線２５２ａが接続される。第二電力供給線２５２ａには、上流から順に高周波電源２５２ｂ、整合器２５２ｃが設けられる。高周波電源２５２ｂはアース２５２ｄに接続される。
更に、蓋２３１には、第一電力出力線２５１ｅが接続される。第一電力出力線２５１ｅには、イオン制御部２５１の一部であるローパスフィルタ（ｌｏｗ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ、以下ＬＰＦと呼ぶ。）２５１ｆが設けられる。ＬＰＦ２５１ｆは、アース２５１ｄに接続される。
少なくとも第一電力供給線２５１ａ、整合器２５１ｃ、第一電力出力線２５１ｅをまとめてイオン制御部２５１と呼ぶ。イオン制御部２５１には、第一の電源である低周波電源２５１ｂ、ＬＰＦ２５１ｆのいずれか一つ、もしくはこれらの組み合わせを含めてもよい。
また、少なくとも第二電力供給線２５２ａ、整合器２５２ｃ、第一電力出力線２５２ｅをまとめてプラズマ生成部２５２と呼ぶ。プラズマ生成部２５２には、第二の電源である高周波電源２５２ｂ、ＨＰＦ２５２ｆのいずれか一つ、もしくはこれらの組み合わせを含めてもよい。
シャワーヘッド２３０は、ガスを分散させるための分散機構としての分散板２３４を備えている。この分散板２３４の上流側がバッファ空間２３２であり、下流側が処理室２０５である。分散板２３４には、複数の貫通孔２３４ａが設けられている。分散板２３４は、基板載置面２１１と対向するように配置されている。分散板２３４は例えば円盤状に構成される。貫通孔２３４ａは分散板２３４の全面にわたって設けられている。
上部容器２０２ａはフランジを有し、フランジ上に絶縁性の支持ブロック２３３が載置され、固定される。支持ブロック２３３はフランジを有し、フランジ上には分散板２３４が載置され、固定される。更に、蓋２３１は支持ブロック２３３の上面に固定される。支持ブロック２３３によって、蓋２３１と上部容器２０２ａが絶縁される。
（ガス供給部）
蓋２３１に設けられたガス導入孔２３１ｂと連通するよう、蓋２３１には共通ガス供給管２４２が接続される。図１０に記載のように、共通ガス供給管２４２には、第一ガス供給管２４３ａ、第二ガス供給管２４４ａ、第三ガス供給管２４５ａが接続されている。
（第一ガス供給系）
第一ガス供給管２４３ａには、上流方向から順に、第一ガス源２４３ｂ、流量制御器（流量制御部）であるマスフローコントローラ（ＭＦＣ）２４３ｃ、及び開閉弁であるバルブ２４３ｄが設けられている。
第一ガス源２４３ｂは第一元素を含有する第一ガス（「第一元素含有ガス」とも呼ぶ。）源である。第一元素含有ガスは、原料ガス、すなわち、処理ガスの一つである。ここで、第一元素は、シリコン（Ｓｉ）である。すなわち、第一元素含有ガスは、シリコン含有ガスである。具体的には、シリコン含有ガスとして、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２。ＤＣＳとも呼ぶ）やヘキサクロロジシラン（Ｓｉ２Ｃｌ６。ＨＣＤＳとも呼ぶ。）ガスが用いられる。
主に、第一ガス供給管２４３ａ、マスフローコントローラ２４３ｃ、バルブ２４３ｄにより、第一ガス供給系２４３（シリコン含有ガス供給系ともいう）が構成される。
（第二ガス供給系）
第二ガス供給管２４４ａには、上流方向から順に、第二ガス源２４４ｂ、流量制御器（流量制御部）であるマスフローコントローラ（ＭＦＣ）２４４ｃ、及び開閉弁であるバルブ２４４ｄが設けられている。
第二ガス源２４４ｂは第二元素を含有する第二ガス（以下、「第二元素含有ガス」とも呼ぶ。）源である。第二元素含有ガスは、処理ガスの一つである。なお、第二元素含有ガスは、反応ガスとして考えてもよい。
ここで、第二元素含有ガスは、第一元素と異なる第二元素を含有する。第二元素としては、例えば、窒素（Ｎ）である。本実施形態では、第二元素含有ガスは、例えば窒素含有ガスであるとする。具体的には、窒素含有ガスとして、アンモニア（ＮＨ３）ガスが用いられる。
主に、第二ガス供給管２４４ａ、マスフローコントローラ２４４ｃ、バルブ２４４ｄにより、第二ガス供給系２４４（反応ガス供給系ともいう）が構成される。
第二ガス供給管２４４ａであって、バルブ２４４ｄの下流には、ガス供給管２４７ａが接続される。ガス供給管２４７ａには、上流からアシストガス源２４７ｂ、マスフローコントローラ２４７ｃ、バルブ２４７ｄが設けられる。アシストガスとしては、例えば、アルゴン（Ａｒ）等、分子サイズの大きいガスが用いられる。ガス供給管２４７ａ、マスフローコントローラ２４７ｃ、バルブ２４７ｄをまとめてアシストガス供給部と呼ぶ。なお、アシストガス供給部に、アシストガス源２４７ｂを含めても良い。また、第二ガス供給部２４４に、アシストガス供給部を含めても良い。
（第三ガス供給系）
第三ガス供給管２４５ａには、上流方向から順に、第三ガス源２４５ｂ、流量制御器（流量制御部）であるマスフローコントローラ（ＭＦＣ）２４５ｃ、及び開閉弁であるバルブ２４５ｄが設けられている。
第三ガス源２４５ｂは不活性ガス源である。不活性ガスは、例えば、窒素（Ｎ２）ガスである。
主に、第三ガス供給管２４５ａ、マスフローコントローラ２４５ｃ、バルブ２４５ｄにより、第三ガス供給系２４５が構成される。
不活性ガス源２４５ｂから供給される不活性ガスは、基板処理工程では、容器２０２やシャワーヘッド２３０内に留まったガスをパージするパージガスとして作用する。
なお、第一ガス供給系、第二ガス供給系、第三ガス供給系のいずれか、もしくはその組み合わせを処理ガス供給部と呼ぶ。
（排気系）
容器２０２の雰囲気を排気する排気系を説明する。容器２０２には、処理室２０５に連通するよう、排気管２６２が接続される。排気管２６２には、処理室２０５内を所定の圧力に制御する圧力制御器であるＡＰＣ（ＡｕｔｏＰｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）２６６が設けられる。ＡＰＣ２６６は開度調整可能な弁体（図示せず）を有し、コントローラ２８０からの指示に応じて排気管２６２のコンダクタンスを調整する。また、排気管２６２においてＡＰＣ２６６の上流側にはバルブ２６７が設けられる。排気管２６２とバルブ２６７、ＡＰＣ２６６をまとめて排気系と呼ぶ。
更に、ＤＰ（Ｄｒｙ Ｐｕｍｐ。ドライポンプ）２６９が設けられる。ＤＰ２６９は、排気管２６２を介して処理室２０５の雰囲気を排気する。
（コントローラ）
基板処理装置２００は、基板処理装置２００の各部の動作を制御するコントローラ２８０を有している。コントローラ２８０は、図１１に記載のように、演算部（ＣＰＵ）２８０ａ、一時記憶部２８０ｂ、記憶部２８０ｃ、Ｉ／Ｏポート２８０ｄを少なくとも有する。コントローラ２８０は、Ｉ／Ｏポート２８０ｄを介して基板処理装置２００の各構成に接続され、上位装置２７０や使用者の指示に応じて記憶部２８０ｃからプログラムやレシピを呼び出し、その内容に応じてイオン制御部２５１やプラズマ生成部２５２等の各構成の動作を制御する。送受信制御は、例えば演算部２８０ａ内の送受信指示部２８０ｅが行う。なお、コントローラ２８０は、専用のコンピュータとして構成してもよいし、汎用のコンピュータとして構成してもよい。例えば、上述のプログラムを格納した外部記憶装置（例えば、磁気テープ、フレキシブルディスクやハードディスク等の磁気ディスク、ＣＤやＤＶＤ等の光ディスク、ＭＯ等の光磁気ディスク、ＵＳＢメモリ（ＵＳＢ Ｆｌａｓｈ Ｄｒｉｖｅ）やメモリカード等の半導体メモリ）２８２を用意し、外部記憶装置２８２を用いて汎用のコンピュータにプログラムをインストールすることにより、本実施形態に係るコントローラ２８０を構成することができる。また、コンピュータにプログラムを供給するための手段は、外部記憶装置２８２を介して供給する場合に限らない。例えば、インターネットや専用回線等の通信手段を用いても良いし、上位装置２８０から受信部２８３を介して情報を受信し、外部記憶装置２８２を介さずにプログラムを供給するようにしてもよい。また、キーボードやタッチパネル等の入出力装置２８１を用いて、コントローラ２８０に指示をしても良い。
なお、記憶部２８０ｃや外部記憶装置２８２は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体として構成される。以下、これらを総称して、単に記録媒体ともいう。なお、本明細書において記録媒体という言葉を用いた場合は、記憶部２８０ｃ単体のみを含む場合、外部記憶装置２８２単体のみを含む場合、または、その両方を含む場合がある。
続いて、図１における犠牲膜形成工程Ｓ１０４の詳細について説明する。
（犠牲膜形成工程Ｓ１０４）
以下、第一の処理ガスとしてＨＣＤＳガスを用い、第二の処理ガスとしてアンモニア（ＮＨ３）ガスを用いて、犠牲膜１０４を形成する例について説明する。犠牲膜は、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）で構成される。
容器２０２内に絶縁膜１０２が形成されたウエハ１００を搬入したら、ゲートバルブ２０３を閉じて容器２０２内を密閉する。その後、基板載置台２１２を上昇させることにより、基板載置台２１２に設けられた基板載置面２１１上にウエハ１００を載置させる。さらに基板載置台２１２を上昇させることにより、前述した処理室２０５内の処理位置（基板処理ポジション）までウエハ１００を上昇させる。
ウエハ１００を基板載置台２１２の上に載置する際は、基板載置台２１２の内部に埋め込まれたヒータ２１３に電力を供給し、ウエハ１００の表面が所定の温度となるよう制御される。ウエハ１００の温度は、例えば室温以上８００℃以下であり、好ましくは、室温以上であって７００℃以下である。この際、ヒータ２１３の温度は、図示しない温度センサにより検出された温度情報に基づいてコントローラ２８０が制御値を抽出し、図示しない温度制御部によってヒータ２１３への通電具合を制御することによって調整される。
続いて、ガス供給部、イオン制御部２５１、プラズマ生成部２５２それぞれの動作の関連について、図１２記載のタイミングチャートを用いて説明する。更に、図１３を用いて、図１２における動作タイミングとの基板の処理状態との関係を説明する。
なお、図１２では、各部品が稼動している状態を網掛け部分で示す。例えば、第一ガス供給系２４３において網掛けされている箇所では、第一ガス供給系２４３のマスフローコントローラ２４３ｃ等を制御して、処理室２０５に第一ガスを供給すること示す。第二ガス供給系２４４は、第二ガス供給系２４４のマスフローコントローラ２４４ｃ等を制御して、処理室２０５に第二ガスを供給することを示す。第三ガス供給系２４５においては第三ガス供給系２４５のマスフローコントローラ２４５ｃ等を制御して、処理室２０５に不活性ガスを供給することを示す。高周波電源２５２ｂにおいて網掛けされている箇所では、高周波電源２５２ｂを稼動させ、処理室２０５に高周波電力を供給している状態を示す。低周波電源２５１ｂにおいて網掛けされている箇所では、低周波電源２５１ｂを稼動させ、処理室２０５に低周波電力を供給している状態を示す。なお、高周波電源２５２ｂを稼動させる状態をプラズマ生成部が稼動させる状態とし、低周波電源２５１ｂが稼動する状態をイオン制御部が稼動する状態とも呼ぶ。本実施形態においては、高周波電力を第一電力とも呼び、低周波電力を第二電力とも呼ぶ。
図１３はウエハ１００の処理状態を説明する図である。（ａ）は図３と同内容の図であり、（ｂ）は（ａ）の一部分を拡大した図である。具体的には、絶縁膜１０２と犠牲膜１０４の一部を拡大した図である。なお、（ｂ）におけるシリコン窒化層１０３（ｎ１）、シリコン窒化層１０３（ｎ２）、シリコン窒化層１０３（ｎ３）は犠牲膜１０４を構成する層を示したものである。即ち、犠牲膜１０４は、複数のシリコン窒化層１０３で構成される。なお、ここでは３層を用いて説明したが、それに限るものではない。シリコン窒化層１０３（ｎ）は第一シリコン窒化層、シリコン窒化層１０３（ｎ２）は第二シリコン窒化層、シリコン窒化層１０３（ｎ３）は第三シリコン窒化層とも呼ぶ。
ところで例えばＨＣＤＳガスとプラズマ状態のＮＨ３ガスを用いて犠牲膜１０４を形成する場合、処理室２０５では、分解されたＨＣＤＳガスとプラズマ状態のＮＨ３ガスが存在する。即ち、処理室２０５にはＳｉ、塩素（Ｃｌ）、窒素（Ｎ）、水素（Ｈ）の各成分が混合した状態で存在する。この中で、主にＳｉと窒素が結合することで、ＳｉＮ膜で構成される犠牲膜１０４が形成される。
犠牲膜１０４を形成する際、処理室２０５内には主成分であるＳｉとＮのほかに、不純物としての塩素（Ｃｌ）、水素（Ｈ）の各成分が同時に存在する。従って、ＳｉＮ膜が形成される過程では、ＳｉがＣｌやＨと結合したり、Ｓｉと結合したＮがＣｌやＨと結合したりしてしまう。それらはＳｉＮ膜中に入り込む。発明者による鋭意研究の結果、不純物との結合が引張応力の一因であることを見出した。
前述のように、犠牲膜１０４の引張応力は絶縁膜１０２との応力差につながるものである。そこで本実施形態においては、犠牲膜１０４を形成する際、引張応力を絶縁膜１０２の膜応力に近づけるようにする。具体的には、図１３のように、少なくとも薄いシリコン窒化層１０３（ｎ１）と厚いシリコン窒化層１０３（ｎ２）を形成すると共に、応力に対して支配的なシリコン窒化層１０３（ｎ２）の引張応力を絶縁膜１０２の膜応力に近づける。
以下に具体的内容を説明する。
（Ｓ２０１）
ここでは、絶縁膜１０２と接触する面に、シリコン窒化層１０３（ｎ１）を形成する。
ウエハ１００が所定の温度に維持されたら、第一ガス供給系２４３からＨＣＤＳガスを処理室２０５に供給すると共に、第二ガス供給系２４４からＮＨ３ガスを供給する。
次に、処理室２０５内が所定の圧力に到達したら、プラズマ生成部２５２は処理室２０５内に高周波の供給を開始する。具体的には、高周波電源２５２ｂを稼動させ、電力を供給する。処理室２０５内の処理ガスの一部が電離してプラズマ状態とされる。プラズマ状態となったＨＣＤＳガスとＮＨ３ガスは互いに処理室２０５内で反応し、絶縁膜１０２上に供給される。
高周波の供給開始から所定時間経過したら、図１３に記載のように、絶縁膜２０２上に反応物が堆積し、緻密なシリコン窒化層１０３（ｎ１）が形成される。シリコン窒化層１０３（ｎ１）は第一のシリコン窒化層とも呼ぶ。
シリコン窒化層１０３（ｎ１）は、犠牲膜の応力に影響が無い程度の厚みとし、少なくともシリコン窒化層１０３（ｎ２）よりも薄い膜である。
（Ｓ２０２）
所定時間経過し、シリコン窒化層１０３（ｎ１）が形成されたら、プラズマ生成部２５２からの高周波供給を維持しつつ、イオン制御部２５１は低周波電源２５１ｂを稼動させ、処理室２０５内に低周波の供給を開始する。
処理ガスは、高周波によって高密度のプラズマ状態にされると共に、低周波によってプラズマ中のイオンがウエハ１００に照射される。
プラズマ状態とされたガスのうち、主にＳｉと窒素が結合して絶縁膜１０２上に供給されることで、シリコン窒化層１０３（ｎ２）が形成される。それと並行して、不純物結合が、処理室２０５内に発生する。この不純物結合は、シリコン窒化層１０３（ｎ２）中に取り込まれる恐れがある。なお、不純物結合には、例えば、ＳｉとＣｌが結合したＳｉ-Ｃｌ結合、ＳｉとＨが結合したＳｉ-Ｈ結合、Ｓｉ-ＮとＣｌが結合したＳｉ-ＮＣｌ結合、Ｓｉ-ＮとＨが結合したＳｉ-ＮＨ結合、等の少なくともいずれかを有する。
しかしながら、本工程においては、低周波によって、窒素等のイオン成分が形成過程のシリコン窒化層１０３（ｎ２）中の、不純物結合等に供給され、結合を切断する。それらの結合が切断されることで、圧縮性の応力を有するシリコン窒化層１０３（ｎ２）が形成される。
更には、高周波によって高密度のプラズマ状態とされ、更には低周波によって窒素イオンがウエハ１００に照射されるので、Ｓ２０１のような高周波のみに比べて膜形成レートを高めることができる。従って、シリコン窒化層１０３（ｎ２）を早期に形成することが可能となる。
また、より良くは、Ｓ２０２では処理ガスにアルゴン（Ａｒ）等の不純物結合の切断をアシストするアシストガスを含めてもよい。Ａｒは窒素に比べ分子サイズが大きいため、シリコン窒化層１０３（ｎ２）を形成する際に発生した不純物結合の結合部の切断を促進できる。このとき、応力を調整するために、アルゴンの供給量を調整してもよい。調整する際は、マスフローコントローラ２４７ｃやバルブ２４７ｄを調整する。例えば、応力を低くする場合はアルゴンの供給量を増やし、応力を高くする場合はアルゴンの供給量を減らすよう調整する。
このようにして、不純物との結合を切断することで、シリコン窒化層１０３（ｎ２）の膜応力である引張応力を低減させる。
ところで、本工程では不純物との結合だけでなく、Ｓｉ−Ｎ結合も切断する可能性がある。仮に切断されると、膜密度が低下したり、エッチングレートが高くなったりするなど、膜質が悪くなることが考えられる。しかしながら、図７に記載のように、犠牲膜１０４は後の犠牲膜除去工程Ｓ１１４にて除去されるので、膜質が悪くなっても問題がない。
より良くは、低周波の供給は、パルス状に供給することが望ましい。これは、低周波をかけ続けることで窒素等の高エネルギーのイオンや電子がウエハ１００に常に衝突して反応が起こるため、シリコン窒化層１０３（ｎ２）の温度が急激に上昇し、他の膜に影響を及ぼす可能性があるためである。パルス状に供給することで、常に反応することを防止し、シリコン窒化層１０３（ｎ２）の温度上昇を抑制できる。
また、Ｓ２０２のように少なくとも低周波を供給する際は、高周波電源２５２ｂから供給する高周波の電力をＳ２０１よりも大きくすることが望ましい。電力を大きくすることで、分解を促進することができるので、膜形成レートを更に向上させることができるので、より早くシリコン窒化層１０３（ｎ２）を形成することができる。
なお、図１３においては、絶縁膜１０２の第一層上に犠牲膜１０４を形成する例を用いて説明したが、これに限るものではなく、第二層以上でもよい。例えば、図６における犠牲膜１０４（５）、１０４（７）等で本工程を用いてもよい。
（Ｓ２０３）
Ｓ２０２にて所定時間経過したら、プラズマ生成部２５２は高周波の供給を維持しつつ、イオン制御部２５１は低周波の供給を停止する。高周波によってプラズマ状態とされた処理ガスは、シリコン窒化層１０３（ｎ２）上にシリコン窒化層１０３（ｎ３）を形成する。シリコン窒化層１０３（ｎ３）はシリコン窒化層１０３（ｎ１）と同様の性質であり、犠牲膜の応力に影響が無い程度の厚みとし、少なくともシリコン窒化層１０３（ｎ２）よりも薄い膜であり、応力の低い膜とする。なお、シリコン窒化層１０３（ｎ３）の上部には、図４に記載のように、絶縁膜１０２が形成される。
（Ｓ２０４）
Ｓ２０３にて所定時間経過したら、処理ガスの供給、高周波電力の供給を停止すると共に、第三ガス供給系から不活性ガスを供給して、処理室の雰囲気を排気する。排気後、ウエハ１００は搬出され、図示しない絶縁膜形成装置に移動され、犠牲膜１０４上に絶縁膜１０２が形成される。
このように、シリコン窒化層１０３（ｎ２）の圧縮応力を低減させた犠牲膜１０４を形成することで、図４から図６のように絶縁膜１０２と犠牲膜１０４を交互に積層したとしても、応力差等に起因する半導体装置の破壊や歩留まりの低下を抑制することができる。
ところで、シリコン窒化層（ｎ１）、シリコン窒化層１０３（ｎ２）、シリコン窒化層１０３（ｎ３）で構成される犠牲膜１０４は、図６に記載のように、上下に絶縁膜１０２が構成される。
絶縁膜１０２には酸素成分が混入しており、ウエハ１００を加熱した場合、酸素成分が移動することが考えられる。特にシリコン窒化層１０３（ｎ２）のように結合を切断した膜に対しては、移動した酸素成分が浸透しやすいことが考えられる。
そこで、本実施形態においては、下方の絶縁膜１０２とシリコン窒化層１０３（ｎ２）の間に、緻密な窒化層であるシリコン窒化層１０３（ｎ１）を形成する。ここで、緻密な窒化層とは結合度が高い窒化層をいう。結合度が高いとは、主要成分であるＳｉとＮの結合や、不純物結合の結合が多い状態を示す。即ち、シリコン窒化層１０３（ｎ２）よりも結合度が高い状態を示す。このような場合、シリコン窒化層１０３（ｎ１）が壁となるため、シリコン窒化層１０３（ｎ１）下方に設けられた絶縁膜１０２の酸素成分がシリコン窒化層（ｎ２）に移動することを防ぐ。
また、本実施形態においては、上方の絶縁膜１０２とシリコン窒化層１０３（ｎ２）の間に、緻密な窒化層であるシリコン窒化層１０３（ｎ３）を形成する。シリコン窒化層１０３（ｎ３）が壁となるため、シリコン窒化層１０３（ｎ３）上方に設けられた絶縁膜１０２の酸素成分がシリコン窒化層１０３（ｎ２）に移動することを防ぐ。
このように積層膜全体の応力を低減する役割であるシリコン窒化層１０３（ｎ２）の膜密度が低く酸化しやすい状態であることから、絶縁膜１０２とシリコン窒化層１０３（ｎ２）の間に緻密なシリコン窒化層１０３（ｎ１）やシリコン窒化層１０３（ｎ２）を形成するのがよい。
仮に、本実施形態と異なり、シリコン窒化層１０３（ｎ１）やシリコン窒化層１０３（ｎ２）を形成しない場合を考える。この場合、犠牲膜１０４に絶縁膜１０２の酸素成分が浸透し、犠牲膜１０４が酸化してしまう。この酸化は意図的ではないので、不均一に酸化することが考えられる。
ところで、一般的に知られているように、シリコン窒化層が酸化するとエッチングレートが低くなったり、誘電率が上昇したりしてしまう。このような状態でデバイスを製造した場合、例えば次のような問題が発生する。犠牲膜除去工程Ｓ１１４にて犠牲膜１０４をエッチングしようとしても、酸化された一部の犠牲膜１０４をエッチングできないため、エッチング量のばらつきが起きる恐れがある。
これについて、比較例である図１４を用いて説明する。図１４（ａ）は、酸化された犠牲膜１０４をエッチングした後の状態の図である。図１４（ｂ）は図１４（ａ）の一部を拡大した図であり、前述のエッチング量のばらつきを説明する図である。このように、エッチング量のばらつきが起きると、図１４（ｂ）に記載のように、絶縁膜１０２の上下に犠牲膜１０４の酸化部分が残留してしまう。
犠牲膜１０４の酸化部分のばらつきとは、水平方向における高さのばらつきである。例えば絶縁膜１０２（４）（もしくは残留した犠牲膜１０４（４））と絶縁膜１０４（５）（もしくは残留した犠牲膜１０４（５））との間の距離ｈ１、ｈ２のばらつきをいう。もしくは、垂直方向におけるばらつきである。例えば絶縁膜１０２（４）（もしくは残留した犠牲膜１０４（４））との距離ｈ１と、絶縁膜１０２（３）（もしくは残留した犠牲膜１０４（３））と絶縁膜１０２（４）（もしくは残留した犠牲膜１０４（４））との距離ｈ３のばらつきをいう。このような状態でデバイスを製造した場合、導電膜１１２間で、電気的容量や抵抗値等の特性のばらつきが発生する。
これに対して、本実施形態のように、Ｓ２０１にて絶縁膜１０２上に緻密なシリコン窒化層１０３（ｎ１）を形成することで、犠牲膜１０４のシリコン窒化層１０３（ｎ１）、シリコン窒化層１０３（ｎ２）の酸化を抑制することができる。
更には、Ｓ２０３にて、シリコン窒化層１０３（ｎ２）上に緻密なシリコン窒化層１０３（ｎ３）を形成することで、直上の絶縁膜１０２（例えば、シリコン窒化層１０３（ｎ３）が犠牲膜１０４（２）の一部である場合、犠牲膜１０４（２）と接する絶縁膜１０２（３）示す。）からの酸素成分移動を抑制することができる。従って、犠牲膜１０４、特にシリコン窒化層１０３（ｎ２）の酸化を抑制することができる。なお、緻密な窒化層とは、シリコン窒化層１０３（ｎ１）と同様に、結合度が高い窒化層をいう。即ち、シリコン窒化層１０３（ｎ２）よりも結合度が高い状態を示す。
また、本実施形態においては、犠牲膜１０４を３つの層に分けて形成したが、それ以上の層でもよい。
また、本実施形態においては、絶縁膜と犠牲膜の熱膨張率差により、半導体装置の破壊が起きる例について説明したが、それに限るものではない。例えば、図５に記載のホール１０６を形成した際に、絶縁膜または犠牲膜の膜応力の問題から、半導体装置の破壊が起きる恐れがある。しかしながら、上記実施形態のように、絶縁膜の膜応力を低減、あるいは犠牲膜の膜応力を低減することで、ホール１０６を形成した際の半導体装置の破壊を防ぐことができる。
また、本実施形態におけるＳ２０１、Ｓ２０２、Ｓ２０３それぞれにおいては、犠牲膜を形成する際、二つのガスを同時に処理室に供給して形成したが、それに限るものではなく、例えば交互にガスを供給する交互供給処理を行い、絶縁膜１０２上で膜を形成しても良い。具体的には、絶縁膜１０２上にＨＣＤＳガスを供給してシリコンを主とする層を形成し、その後アンモニアを供給して分解して、シリコンを主とする層と反応させ、ＳｉＮ層を形成しても良い。より良くは、緻密な膜が求められているＳ２０１では上記の交互供給処理を行い、高い成膜レートが求められているＳ２０２では上記実施例のように同時に処理室に供給して形成しても良い。ここでは、ＨＣＤＳガス、ＮＨ３ガスのいずれか、もしくは両方を活性化させ、反応を促進してもよい。
また、本実施形態では、イオン制御部２５１の一構成として低周波電源を用いたが、イオン成分を引き寄せられればそれに限るものではなく、例えば高周波電源でもよい。ただし、各電源の性質上、高周波電源に比べ低周波電源のほうがイオンを大きく移動させるよう制御することが可能であるので、低周波を用いることが望ましい。
なお、図４等では絶縁膜１０２と犠牲膜１０４を交互に８層形成したが、それに限るものではなく、８層よりも多くの層であっても良い。層が増えるほど応力の影響を受けやすいので、それに応じて本実施形態で説明した技術がより有効となる。
１００ ウエハ（基板）
１０２ 絶縁膜
１０４ 犠牲膜
２００ 基板処理装置

Claims (5)

  1. 酸素成分を含む第一の絶縁膜が形成された基板が処理室内の基板載置部に載置された状態で、処理ガスを前記処理室に供給する工程と、
    プラズマ生成部から前記処理室に第一電力を供給してプラズマ生成し、前記絶縁膜上に第一シリコン窒化層を形成する工程と、
    前記プラズマ生成と並行してイオン制御部から前記処理室に第二電力を供給して、前記第一シリコン窒化層上に前記第一シリコン窒化層よりも応力の低い第二シリコン窒化層を形成する工程と、
    前記記第二シリコン窒化層を形成する工程の後、前記プラズマ生成部から前記第一電力を供給した状態で、前記イオン制御部からの第二電力の供給を停止して、前記第二シリコン窒化層上に、第三シリコン窒化層を形成し、前記第一シリコン窒化層と前記第二シリコン窒化層と前記第三シリコン窒化層とを有する犠牲膜を形成する工程と
    前記犠牲膜上に酸素成分を含む第二の絶縁膜を形成する工程と、
    前記犠牲膜を除去して空隙を形成する工程と、
    前記空隙に導電膜を形成する工程と
    を有する半導体装置の製造方法。
  2. 前記第一シリコン窒化層を形成する工程では、前記プラズマ生成部が前記処理室に高周波電力を供給し、前記第二シリコン窒化層を形成する工程では、前記プラズマ生成部が前記処理室に高周波電力を供給すると共に、前記イオン制御部が前記処理室に低周波電力を供給する請求項１記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記イオン制御部は低周波電源を有し、前記低周波電源は、パルス状に低周波を供給するよう構成される請求項１または請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記処理ガスはアルゴンを含む請求項１から請求項３に記載のうち、いずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記第二シリコン窒化層を形成する際の前記第一電力の大きさは、前記第一シリコン窒化層を形成する際の前記第一電力よりも大きくなるよう構成される請求項１から請求項４のうち、いずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。








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