JP6807775B2 - 成膜方法及びプラズマ処理装置 - Google Patents
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Description
まず、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の構成の一例について、図1を参照しながら説明する。図1は、本実施形態に係るプラズマ処理装置の構成の一例を示す。本実施形態では、プラズマ処理装置として誘導結合型プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)処理装置5を例に挙げて説明する。
近年、半導体のデバイス寸法が微細になり、ウェハWに形成されたホールやラインアンドスペース(L/S)の溝部が高アスペクト比(A/R)になっている。アスペクト比が高くなる程、図2(a)に示すように、レジスト9のパターンにパターン化されたエッチング対象膜8の凹部を所定の膜で埋めることが難しくなる。つまり、図2(b)に示すように、エッチング対象膜8に形成された凹部の底部だけでなく、凹部のトップの開口に堆積物Rが堆積し、図2(c)に示すように、堆積物Rで開口が塞がって、所謂「ボイドV」といわれる空間が凹部に発生し、凹部を膜で充填することが困難になる。
図3に、本実施形態に係る成膜方法を実行するために使用される被処理体のサンプル例を示す。使用したサンプル例のうち、(a)「SiN L&S」のサンプルでは、疎密のあるパターン化されたSiN膜1がウェハW上に形成されている。SiN膜1にパターン化された凹部のアスペクト比は一律ではなく、アスペクト比が3〜5の凹部、アスペクト比が12の凹部、アスペクト比がそれ以外の値の凹部及び平面部Ftを有する。
次に、本実施形態に係る成膜方法を、誘導結合型プラズマ処理装置5にて実行した場合の実験1の結果について、図4を参照して説明する。実験1の成膜条件1は以下である。
チャンバ内圧力:100mT(13.3Pa)
ガス種:C4F6 300sccm
ステージ温度:−50℃
成膜時間:5sec
高周波HFのパワー:300W
高周波LFのパワー:0W
この実験の結果によれば、(a)「SiN L&S」、(b)「High A/R」、(c)「Organic L&S」のいずれのサンプルの場合においても、C4F6ガスから生成されたプラズマ中のプリカーサがサンプル上の凹部に堆積し、ボトムアップで成膜されるため、ボイドは発生していない。以下、本実施形態に係る成膜方法により成膜された膜(堆積物R)を、「流動性有機膜R」ともいう。つまり、本実験1によれば、図4(a)及び図4(b)に示すSiN膜1の場合であっても、図4(c)に示す有機膜3の場合であっても凹部を流動性有機膜Rで埋めることができることがわかる。
次に、「SiN L&S」のサンプルを用いて、流動性有機膜Rの成膜時間に応じた膜の変化の一例について、図5を参照して説明する。実験2の成膜条件2は以下である。
チャンバ内圧力:50mT(6.65Pa)
ガス種:C4F6 300sccm
ステージ温度:−50℃
高周波HFのパワー:300W
高周波LFのパワー:0W
この実験の結果を示す図5のうち、図5(a)は、成膜時間が2秒のときの成膜状態を示す。図5(a)の下図では、アスペクト比が12の凹部Fは流動性有機膜Rで充填されていることがわかる。
次に、本実施形態に係る成膜方法による膜の温度依存について、図7を参照して説明する。図7は、「SiN L&S」のサンプルを用いた場合の本実施形態に係る成膜方法による膜の温度依存の結果の一例を示す。実験3の成膜条件3は以下である。
チャンバ内圧力:50mT(6.65Pa)又は100mT(13.3Pa)
ガス種:C4F6のとき125sccm又は300sccm
IPA(イソプロピルアルコール:C3H8O)のとき75sccm
ステージ温度:−10℃、−20℃、−30℃、−40℃、−50℃
高周波HFのパワー:300W
高周波LFのパワー:0W
具体的には、図7(a)は、チャンバ内を100mTの圧力に維持し、C4F6ガスを300sccm供給したときの各温度における膜の状態を示す。これによれば、−10℃及び−20℃の場合にボイドVが発生し、ボトムアップの成膜は行われておらず、図2に示すような等方向の成膜が行われていることがわかる。一方、−30℃及び−50℃の場合には、凹部の底部から積み上げるように成膜されるため、ボイドVは発生せず、凹部の内部が流動性有機膜Rで埋められることがわかる。
次に、本実施形態に係る成膜方法による膜の圧力依存について、図8を参照して説明する。図8は、「SiN L&S」のサンプルを用いた場合の本実施形態に係る成膜方法による膜の圧力依存の結果の一例を示す。実験4の成膜条件4は以下である。
<成膜条件4>
チャンバ内圧力:10mT(1.33Pa)、30mT(4.00Pa)、50mT、100mT
ガス種:C4F6
ガス流量:300sccm
ステージ温度:−50℃
高周波HFのパワー:300W
高周波LFのパワー:0W
本実験の結果によれば、ステージ12を−50℃以下の極低温に保持した状態であって、C4F6ガスを供給した場合、図8(a)及び(b)に示すように、成膜時間が10secであり、チャンバ内圧力が10mTの場合及び30mTの場合にはボイドが発生した。一方、圧力の条件のみを変化させた図8(c)及び(d)では、成膜時間が10secであり、チャンバ内圧力が50mTの場合及び成膜時間が5secであり、チャンバ内圧力が100mTの場合のいずれにおいてもボイドは発生せず、凹部を流動性有機膜Rにより埋めることができた。以上から、ステージ12を−50℃以下の極低温に保持し、かつ、C4F6ガスを供給した場合には、チャンバ内圧力を50mT以上にすれば、ボトムアップの成膜が行われ、凹部を流動性有機膜Rにより埋めることができることがわかる。
次に、本実施形態に係る成膜方法による膜のガス依存について、図9を参照して説明する。図9は、「SiN L&S」のサンプルを用いた場合の本実施形態に係る成膜方法による膜のガス依存の結果の一例を示す。実験5の成膜条件5は以下である。
<成膜条件5>
チャンバ内圧力:50mT(C4F6、IPA、CH4、C4F8)、100mT(C4F6、CH3F、CF4、C4F8)
ガス種:C4F6、IPA(C3H8O)、CH4、CH3F、CF4、C4F8
ステージ温度:−50℃、−40℃、−30℃、−20℃、−10℃
高周波HFのパワー:300W
高周波LFのパワー:0W
本実験の結果によれば、C4F6ガス、IPA(C3H8O)ガス、C4F8ガスは、ボイドVが発生せず、凹部を流動性有機膜Rにより埋めることができた。C4F6ガスを使用したとき、ステージの温度を−20℃以下にすることで、凹部の底部から堆積するボトムアップの流動性有機膜Rの成膜が可能となる。IPA(C3H8O)ガスを使用したとき、ステージの温度を−40℃以下にすることで、ボトムアップの流動性有機膜Rの成膜が可能となる。C4F8ガスを使用したとき、ステージの温度を−30℃以下にすることで、ボトムアップの流動性有機膜Rの成膜が可能となる。
図10に蒸気圧曲線を示す。凹部の底部から堆積するボトムアップの流動性有機膜Rの成膜ができなかったCH4ガス、CH3Fガス、CF4ガスは、C4F8ガスの蒸気圧曲線よりも低い温度にて蒸気圧になるガスである。これに対して、ボトムアップの流動性有機膜Rの成膜に成功したC4F8、C4F6、イソプロピルアルコール(IPA)は、C4F8ガスの蒸気圧曲線が示す温度と同じ温度又はそれ以上の温度にて蒸気圧になる、所謂、「低蒸気圧材料のガス」である。
次に、本実施形態に係る成膜方法において、バイアス引き込み用の高周波LFのパワーの印加の有無による膜の状態の変化を示す実験6の結果について、図11を参照しながら説明する。図11は、本実施形態に係る成膜方法による膜のLF依存の結果の一例を示す。実験6の成膜条件6は以下である。
<成膜条件6>
チャンバ内圧力:100mT
ガス種:C4F6
ステージ温度:−50℃
高周波HFのパワー:300W
高周波LFのパワー(400kHz):0W(Vpp=0V)、40W(Vpp=1000V)、100W(Vpp=1400V)
本実験の結果によれば、図11(a)に示す高周波LFのパワーが0Wの場合、ステージ12に印加される電圧Vppは0V、すなわちイオンエネルギーは0Vである。このとき、凹部にボトムアップで流動性有機膜Rが成膜されていることがわかる。つまり、高周波LFの電力を印加しない場合、凹部を流動性有機膜Rにより埋めることができる。
次に、本実施形態に係る成膜方法にて使用する低蒸気圧材料のガスに希釈ガスを添加した実験7の結果について、図12を参照しながら説明する。図12は、本実施形態に係る成膜方法にて使用する低蒸気圧材料のガスに、希釈ガスとしてArガスを添加した結果の一例を示す。本実験では、希釈ガスとしてArガスが使用されるが、これに限らない。例えば、希釈ガスとしては、Arガスの他、Heガス、Neガス又はXeガスのいずれかの不活性ガスを添加してもよい。
<成膜条件7>
チャンバ内圧力:100mT
ガス種:C4F6
希釈ガス:Ar
ステージ温度:−50℃
高周波HFのパワー:300W
高周波LFのパワー:0W
この実験では、「SiN L&S」のサンプル及び「Organic L&S」のサンプルを用いて実験を行った。これによれば、いずれのサンプルにおいても、ステージ温度が−50℃の極低温の場合、希釈度によっては、マスクのトップが閉塞し、ボイドVが発生することがわかる。具体的には、希釈度が1%及び10%の場合、等方向の成膜が行われ、ボイドVが発生している。一方、希釈度が50%、100%の場合、凹部の底部から流動性有機膜Rを積み上げるボトムアップの成膜が行われ、ボイドは発生していない。これによれば、希釈度が50%以下になると、Arガスの割合が増えてイオンによる影響が増すため、LF依存と同様にボトムアップの成膜を行うことができないことがわかる。
最後に、本実施形態に係る成膜方法を行うプラズマ処理装置の違いによる膜の状態の変化を示す実験8の結果について、図13及び図14を参照しながら説明する。図13は、本実施形態に係る成膜方法による膜の装置依存の結果の一例を示す。図14は、本実施形態に係る装置の概略構成を説明するための図である。実験8の各装置における成膜条件8−1,8−2,8−3は以下である。
<成膜条件8−1:図13(a)、(c)>
使用装置:ICP装置(誘導結合型プラズマ:図1参照)
チャンバ内圧力:50mT、100mT
ガス種:C4F6 300sccm
ステージ温度:−50℃
高周波HFのパワー:300W
高周波LFのパワー:0W
成膜時間:10sec、5sec
<成膜条件8−2:図13(b)>
使用装置:下部2周波CCP装置(容量結合型プラズマ:図14(a))
チャンバ内圧力:50mT
ガス種:C4F6 80sccm
ステージ温度:−50℃
高周波HFのパワー(100MHz):300W
高周波LFのパワー:0W
成膜時間:20sec
<成膜条件8−3:図13(d)>
使用装置:上下部2周波CCP装置(容量結合型プラズマ:図14(b))
チャンバ内圧力:100mT
ガス種:C4F6 150sccm
ステージ温度:−50℃
高周波HFのパワー(60MHz):300W
高周波LFのパワー:0W
成膜時間:20sec
各装置の構成について簡単に説明する。下部2周波CCP装置は、図14(a)に示すように、チャンバ110の内部にステージ120が設けられている。ステージ120の上面には、ウェハWを静電吸着力で保持するための静電チャック121が設けられ、静電チャック121の半径方向外側にウェハWの周囲を環状に囲むフォーカスリング122が設けられている。
10:チャンバ
12:ステージ
20:バッフル板
26:排気装置
30:第2の高周波電源
36:静電チャック
40:直流電源
44:冷媒室
52:誘電体窓
54:RFアンテナ
56:第1の高周波電源
64:側壁ガス吐出孔
66:ガス供給源
74:制御部
Claims (12)
- チャンバの内部を所定の圧力に保持し、被処理体を載置するステージを−20℃以下の極低温に冷却したステージ上に設置する工程と、
前記チャンバの内部に低蒸気圧材料のガスを含むガスを供給する工程と、
供給した前記低蒸気圧材料のガスを含むガスからプラズマを生成し、該プラズマによって前記低蒸気圧材料から生成されるプリカーサを被処理体の凹部に堆積させる工程と、
を有し、
前記低蒸気圧材料のガスは、前記所定の圧力におけるC 4 F 8 の温度−蒸気圧曲線が示す温度と同じ温度又はそれ以上の温度にて蒸気圧になるガスであり、
前記所定の圧力は50mTorr(6.67Pa)以上から前記低蒸気圧材料のガスの温度−蒸気圧曲線にて示される蒸気圧以下までの範囲である、成膜方法。 - 前記低蒸気圧材料のガスは、炭素含有ガスである、
請求項1に記載の成膜方法。 - 前記低蒸気圧材料のガスは、C4F8、C4F6、イソプロピルアルコール(IPA)のいずれかである、
請求項1又は2に記載の成膜方法。 - 前記成膜する工程は、前記低蒸気圧材料から生成されるプリカーサを被処理体に形成された凹部の底部から堆積させ、被処理体上に流動性膜を成膜する、
請求項1〜3のいずれか一項に記載の成膜方法。 - 前記凹部のアスペクト比は、2以上である、
請求項4に記載の成膜方法。 - 被処理体に形成された凹部のアスペクト比が高くなるほど、前記プリカーサの堆積により成膜する成膜速度が速くなる、
請求項1〜5のいずれか一項に記載の成膜方法。 - 前記凹部の上部に堆積する流動性膜の成膜は、前記凹部の内部への流動性膜の充填が完了してから始まる、
請求項1〜6のいずれか一項に記載の成膜方法。 - 被処理体に形成された凹部における成膜速度は、被処理体の平面部における成膜速度よりも速い、
請求項1〜7のいずれか一項に記載の成膜方法。 - 前記チャンバの内部にプラズマ生成用の高周波電力を印加し、かつ、イオンエネルギーが0V以上1000V以下になるようにバイアス引き込み用の高周波電力を印加する工程を有する、
請求項1〜8のいずれか一項に記載の成膜方法。 - 前記低蒸気圧材料のガスを含むガスは、不活性ガスを含み、
前記不活性ガスと前記低蒸気圧材料のガスとの総流量に対する前記低蒸気圧材料のガスの流量の割合は、50%以下である、
請求項1〜9のいずれか一項に記載の成膜方法。 - 前記成膜方法は、誘導結合型プラズマ処理装置、プラズマ生成用の高周波電力を上部電極側に印加する容量結合型プラズマ処理装置、マイクロ波プラズマ処理装置及びリモートプラズマ装置のいずれかにより実行される、
請求項1〜10のいずれか一項に記載の成膜方法。 - 被処理体を載置するステージと、ガスを供給するガス供給部と、制御部とを有するプラズマ処理装置であって、
前記制御部は、
チャンバの内部を所定の圧力に保持し、−20℃以下の極低温に冷却した前記ステージの上に被処理体を設置する工程と、
前記ガス供給部から前記チャンバの内部に低蒸気圧材料のガスを含むガスを供給する工程と、
供給した前記低蒸気圧材料のガスを含むガスからプラズマを生成し、該プラズマによって前記低蒸気圧材料から生成されるプリカーサを被処理体の凹部に堆積させる工程と、を制御し、
前記低蒸気圧材料のガスは、前記所定の圧力におけるC 4 F 8 の温度−蒸気圧曲線が示す温度と同じ温度又はそれ以上の温度にて蒸気圧になるガスであり、
前記所定の圧力は50mTorr(6.67Pa)以上から前記低蒸気圧材料のガスの温度−蒸気圧曲線にて示される蒸気圧以下までの範囲である、
プラズマ処理装置。
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