JP6919350B2 - 基板処理方法及び基板処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、基板に窒化シリコン膜を形成する処理を含む技術に関する。
半導体装置の製造工程において、基板である半導体ウエハ（以下、ウエハと記載する）に窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を形成し、当該ＳｉＮ膜と被エッチング膜とがウエハの表面に露出した状態で、エッチングが行われる場合が有る。なお特許文献１にはＳｉ（シリコン）膜上にＳｉＮ膜を形成し、当該ＳｉＮ膜にＳｉ膜が露出するように凹部を形成し、この露出したＳｉ膜を酸化するためにプラズマ酸化処理を行うことについて記載されている。
特許第５２３１２３２号公報
上記の被エッチング膜としては例えばＴｉＮ（窒化チタン）膜である場合が有り、当該ＴｉＮ膜をエッチングするためのエッチングガスとしては例えば塩素系のガスが用いられる。しかし、そのように塩素系のガスを用いた場合、ＳｉＮ膜とＴｉＮ膜とのエッチングの選択比が比較的小さくなってしまうため、ＳｉＮ膜のエッチング耐性を大きくすることが求められている。
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、ハロゲンガスを用いて被エッチング膜と窒化シリコン膜とが露出する基板をエッチングするにあたり、窒化シリコン膜のエッチングを抑制することができる技術を提供することである。
本発明の基板処理方法は、基板に成膜用のガスを供給し、被エッチング膜に対して積層される窒化シリコン膜を形成する成膜工程と、
前記窒化シリコン膜の表面を酸化して酸化層を形成するための酸化ガスを前記基板に供給する酸化工程と、
前記被エッチング膜及び前記酸化層が前記基板の表面に露出した状態でハロゲンを含むエッチングガスを前記基板に供給し、当該被エッチング膜をエッチングするエッチング工程と、を備え、
前記酸化層を積層して形成するために、前記成膜工程及び酸化工程は繰り返し複数回行われることを特徴とする。
本発明の基板処理装置は、本発明の基板処理方法を実行するために、前記成膜工程、前記酸化工程、前記エッチング工程のうち、前記成膜工程及び前記酸化工程のみ行う基板処理装置において、
真空容器内に設けられ、前記基板を載置して公転させるための回転テーブルと、
前記回転テーブル上における第１の領域に、前記成膜用のガスでありシリコンを含む原料ガスを供給する原料ガス供給部と、
前記回転テーブル上において前記第１の領域に対して当該回転テーブルの回転方向に離れた第２の領域に、前記原料ガスを窒化して窒化シリコンを生成するための窒化ガスを供給する窒化ガス供給部と、
前記第１の領域の雰囲気と第２の領域の雰囲気とを分離するための分離機構と、
前記回転テーブル上に前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
前記原料ガス及び前記窒化ガスが前記回転テーブル上に供給された状態で前記基板が前記第１の領域と前記第２の領域とを繰り返し複数回通過した後に、前記酸化ガスが前記回転テーブル上に供給されるステップが繰り返し行われ、前記酸化層が積層して形成されるように制御信号を出力する制御部と、
を備えることを特徴とする。
本発明によれば、基板に窒化シリコン膜を形成した後、当該窒化シリコン膜の表面を酸化して酸化層を形成する。その後、被エッチング膜及び酸化層が前記基板の表面に露出した状態でハロゲンを含むエッチングガスを用いて被エッチング膜をエッチングすることで、当該エッチングガスによる窒化シリコン膜のエッチングを抑制することができる。
本発明の実施の形態に係る処理工程を示すウエハの縦断側面図である。 本発明の実施の形態に係る処理工程を示すウエハの縦断側面図である。 前記処理工程を行うためのシステムのブロック図である。 前記処理工程における成膜処理及び酸化処理を実施するための成膜装置の縦断側面図である。 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シャワーヘッドの縦断側面図である。 前記ガスシャワーヘッドの下面図である。 前記成膜装置の周方向に沿った概略縦断側面図である。 前記成膜処理中の前記成膜装置を示す平面図である。 前記酸化処理中の前記成膜装置を示す平面図である。 前記処理工程におけるエッチング処理を実施するためのエッチング装置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。
本発明の基板処理方法の一実施形態について、例えばＳｉにより構成される基板であるウエハＷの表面の縦断側面を示した図１、図２の工程図を参照しながら説明する。先ず、ウエハＷの表面をなすＳｉ層１１上にＴｉＮ（窒化チタン）膜１２が形成される（図１（ａ））。その後、ＴｉＮ膜１２上にＳｉＮ（窒化シリコン）膜１３が形成される（図１（ｂ））。なお、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。続いて、このＳｉＮ膜１３の表層が酸化されて、当該表層が限定的にＳｉＯＮにより構成された酸化層１４とされる（図１（ｃ））。
その後、この酸化層１４上にレジスト膜が形成され、当該レジスト膜が露光された後、現像されて、当該レジスト膜にレジストパターンが形成される。然る後、レジストパターンに沿ってＳｉＮ膜１３及び酸化層１４がエッチングされることによって、これらＳｉＮ膜１３及び酸化層１４に開口部１５が形成される。また、この開口部１５の形成の後か、あるいは開口部１５の形成に並行してレジスト膜が除去される（図２（ｄ））。この図２（ｄ）に示すように、開口部１５を介してＴｉＮ膜１２がウエハＷの表面に露出することで、ウエハＷの表面には酸化層１４及びＴｉＮ膜１２が共に露出した状態となる。ＳｉＮ膜１３及び酸化層１４は、被エッチング膜であるＴｉＮ膜１２をエッチングするためのマスクであり、従って、開口部１５は当該マスクに形成されるマスクパターンをなす。
然る後、Ｃｌ（塩素）系ガスがエッチングガスとしてウエハＷに供給され、ＴｉＮ膜１２がエッチングされて、当該ＴｉＮ膜１２に開口部１６が形成され、例えばＳｉ層１１が露出する（図２（ｅ））。Ｃｌ系のガスとはＣｌを含むガスであり、具体的には例えば、塩素（Ｃｌ２）、塩化水素（ＨＣｌ）、ジクロロシラン（ＤＣＳ）、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ４）、ヘキサクロロジシラン（Ｓｉ２Ｃｌ６）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）、三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）などである。
上記のようにＳｉＮ膜１３の表面部を酸化層１４とした上で、Ｃｌ系ガスによるＴｉＮ膜１２のエッチングを行う理由について詳しく説明する。ＳｉＮ膜１３を構成するＳｉとＮとの結合エネルギーは４．５ｅＶであり、ＳｉとＣｌとの結合エネルギーである４．２１ｅＶに近い値である。従って、仮に酸化層１４を形成せずに上記のエッチングガスをウエハＷに供給してＴｉＮ膜１２をエッチングする場合、ＳｉＮ膜１３中におけるＳｉとＮとの間の結合の切断、及びＳｉＮ膜１３中におけるＳｉとエッチングガス中のＣｌとの結合が比較的起りやすい。つまり、ＳｉＮ膜１３がＳｉＣｌ４となってウエハＷからエッチングされやすいということである。
しかし、酸化層１４であるＳｉＯＮにおけるＳｉとＯとの間の結合エネルギーは８．２９ｅＶであり、ＳｉとＣｌとの結合エネルギーである４．２１ｅＶより大きい。従って酸化層１４については上記のエッチングガスに含まれるＣｌとの反応性が低いため、当該酸化層１４はエッチングされ難い。従って、上記のように酸化層１４を形成することで、当該ＳｉＮ膜１３がエッチングされることを防ぎつつ、ＴｉＮ膜１２をエッチングすることができる。つまり、酸化層１４を形成することで、ＳｉＮ膜に対するＴｉＮ膜のエッチングの選択比を大きくすることができる。
なお、ＳｉＮ膜１３のすべてを酸化層１４としてもよい。ただし、酸化されることでＳｉＮの特性は変化する。一例を挙げると、フッ酸に対するエッチング耐性が低くなる。従って、ＳｉＮ膜としての特性を担保しつつ、エッチングガスによるエッチングを防ぐためには、上記のようにＳｉＮ膜１３の表層のみを酸化することが好ましい。例えば、図１に示すように酸化層１４の厚さをＬ１、酸化層１４を形成する前のＳｉＮ膜の膜厚をＬ２とすると、Ｌ１／Ｌ２≦１／３となるように処理を行うことが好ましい。
図３は、上記の一連の処理を行うシステム１０のブロック図である。システム１０は、成膜装置２、レジストパターン形成装置１７及びエッチング装置７により構成されており、ウエハＷはキャリアに格納された状態でこの順番に各装置を搬送されて処理を受ける。成膜装置２は、図１（ａ）〜図１（ｃ）で説明したＳｉＮ膜１３の形成と酸化層１４との形成を行う。レジストパターン形成装置１７は、ウエハＷにレジストの塗布によるレジスト膜の形成、露光処理、現像処理を順番に行い、既述したように酸化層１４上にレジストパターンを形成する。エッチング装置７は、図２（ｄ）、（ｅ）で説明したようにＳｉＮ膜１３及び酸化層１４のエッチング、レジスト膜の除去、ＴｉＮ膜１２のエッチングを行う。
続いて、成膜装置２について、図４の縦断側面図及び図５の横断平面図を参照しながら説明する。この成膜装置２は本発明の基板処理装置の一実施形態であり、上記のＳｉＮ膜１３の形成をＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）によって行う。図４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２１Ａと、天板２１Ｂとにより構成されている。図中２２は、真空容器２１内に水平に設けられる円形の回転テーブルである。図中２２Ａは、回転テーブル２２の裏面中央部を支持する支持部である。図中２３は回転機構であり、成膜処理中において支持部２２Ａを介して回転テーブル２２を、その周方向に平面視時計回りに回転させる。なお、図４中のＸは回転テーブル２２の回転軸を表している。
回転テーブル２２の上面には、回転テーブル２２の周方向（回転方向）に沿って６つの円形の凹部２４が設けられており、各凹部２４にウエハＷが収納される。つまり、回転テーブル２２の回転によって公転するように、各ウエハＷは回転テーブル２２に載置される。また、図４中１５はヒーターであり、真空容器２１の底部において同心円状に複数設けられ、回転テーブル２２に載置されたウエハＷを加熱する。図５中２６は真空容器２１の側壁に開口したウエハＷ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Ｗは搬送口２６を介して、真空容器２１の外部と凹部２４内との間で受け渡される。
回転テーブル２２上には、ガス給排気ユニット３と、プラズマ形成ユニット４Ａと、プラズマ形成ユニット４Ｂと、プラズマ形成ユニット４Ｃと、が、回転テーブル２２の回転方向下流側に向かい、当該回転方向に沿ってこの順に設けられている。ガス給排気ユニット３は、ＳｉＮ膜１３を形成するための原料ガスであるＤＣＳガスをウエハＷに供給するユニットである。プラズマ形成ユニット４Ａ〜４Ｃは、回転テーブル２２上に供給されたプラズマ形成用ガスをプラズマ化してウエハＷにプラズマ処理を行うユニットである。プラズマ形成ユニット４Ｃは、ウエハＷに吸着されたＤＣＳガスを窒化してＳｉＮ膜１３を形成するためのプラズマ処理を行い、プラズマ形成ユニット４Ａ、４Ｂは、ＳｉＮ膜１３を改質するためのプラズマ処理を行う。また、これらプラズマ形成ユニット４Ａ〜４Ｃは、上記の酸化層１４を形成するためのプラズマ酸化処理も行う。
上記のガス給排気ユニット３の構成について、縦断側面図である図６及び下面図である図７も参照しながら説明する。ガス給排気ユニット３は、平面視、回転テーブル２２の中央側から周縁側に向かうにつれて回転テーブル２２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３の下面は、回転テーブル２２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３の下面には、吐出部をなすガス吐出口３１、排気口３２及びパージガス吐出口３３が開口している。図中での識別を容易にするために、図７では、排気口３２及びパージガス吐出口３３に多数のドットを付して示している。ガス吐出口３１は、ガス給排気ユニット３の下面の周縁部よりも内側の扇状領域３４に多数配列されている。このガス吐出口３１は、成膜処理時における回転テーブル２２の回転中にＤＣＳガスを下方にシャワー状に吐出して、ウエハＷの表面全体に供給する。
この扇状領域３４においては、回転テーブル２２の中央側から回転テーブル２２の周縁側に向けて、３つの区域３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃが設定されている。夫々の区域３４Ａ、区域３４Ｂ、区域３４Ｃに設けられるガス吐出口３１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３には互いに区画されたガス流路３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃが設けられている。各ガス流路３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃの下流端は、各々ガス吐出口３１として構成されている。
そして、ガス流路３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃの各上流側は、各々配管を介してＤＣＳガスの供給源３６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３７が介設されている。ガス供給機器３７によって、ＤＣＳガス供給源３６から供給されるＤＣＳガスの各ガス流路３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃにおける下流側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３７以外の各ガス供給機器も、ガス供給機器３７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３２及びパージガス吐出口３３について説明する。排気口３２及びパージガス吐出口３３は、扇状領域３４を囲むと共に回転テーブル２２の上面に向かうように、ガス給排気ユニット３の下面の周縁部に環状に開口しており、パージガス吐出口３３が排気口３２の外側に位置している。回転テーブル２２上における排気口３２の内側の領域は、ウエハＷの表面へのＤＣＳの吸着が行われる吸着領域Ｒ０を構成する。パージガス吐出口３３は、回転テーブル２２上にパージガスとして例えば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３１からの原料ガスの吐出、排気口３２からの排気及びパージガス吐出口３３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６中に矢印で示すように回転テーブル２２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２２の上面を排気口３２へと向かい、当該排気口３２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、吸着領域Ｒ０の雰囲気は外部の雰囲気から分離され、当該吸着領域Ｒ０に限定的に原料ガスを供給することができる。即ち、吸着領域Ｒ０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４Ａ〜４Ｃによって吸着領域Ｒ０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ＷにＡＬＤによる成膜処理を行うことができる。このようにガス給排気ユニット３は、原料ガスを回転テーブル２２に供給する原料ガス供給部と、吸着領域Ｒ０の雰囲気と吸着領域Ｒ０の外側の雰囲気とを分離する分離機構とを構成する。
図６中３３Ａ、３３Ｂは、各々ガス給排気ユニット３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３５Ａ〜３５Ｃに対しても各々区画されて設けられている。ガス流路３３Ａの上流端は排気口３２、ガス流路３３Ａの下流端は排気装置３８に夫々接続されており、この排気装置３８によって、排気口３２から排気を行うことができる。また、ガス流路３３Ｂの下流端はパージガス吐出口３３、ガス流路３３Ｂの上流端はＡｒガスの供給源３９に夫々接続されている。ガス流路３３ＢとＡｒガス供給源３９とを接続する配管には、ガス供給機器３０が介設されている。
続いて、プラズマ化機構をなすプラズマ形成ユニット４Ｂについて、図４、図５を参照しながら説明する。プラズマ形成ユニット４Ｂは、後述するガスインジェクターから当該プラズマ形成ユニット４Ｂの下方に吐出されるプラズマ形成用のガスにマイクロ波を供給して、回転テーブル２２上にプラズマを発生させる。プラズマ形成ユニット４Ｂは、上記のマイクロ波を供給するためのアンテナ４１を備えており、当該アンテナ４１は、誘電体板４２と金属製の導波管４３とを含む。
誘電体板４２は、平面視回転テーブル２２の中央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２１の天板２１Ｂには上記の誘電体板４２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４４を形成している。上記の誘電体板４２はこの貫通口を上側から塞ぎ、回転テーブル２２に対向するように設けられており、誘電体板４２の周縁部は支持部４４に支持されている。
導波管４３は誘電体板４２上に設けられており、天板２１Ｂ上に延在する内部空間４５を備える。図中４６は、導波管４３の下部側を構成するスロット板であり、誘電体板４２に接するように設けられ、複数のスロット孔４６Ａを有している。導波管４３の回転テーブル２２の中央側の端部は塞がれており、回転テーブル２２の周縁部側の端部には、マイクロ波発生器４７が接続されている。マイクロ波発生器４７は、例えば、約２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導波管４３に供給する。
このマイクロ波は、スロット板４６のスロット孔４６Ａを通過して誘電体板４２に至り、ガスインジェクターから誘電体板４２の下方に供給されたプラズマ形成用ガスに供給され、当該誘電体板４２の下方に限定的にプラズマが形成されて、ウエハＷに処理が行われる。このように誘電体板４２の下方はプラズマ形成領域をなしており、Ｒ２として示す。なお、プラズマ形成ユニット４Ａ、４Ｃはプラズマ形成ユニット４Ｂと同様に構成されており、プラズマ形成ユニット４Ａ、４Ｃにおけるプラズマ形成領域Ｒ２に相当する領域は、プラズマ形成領域Ｒ１、Ｒ３として夫々示している。プラズマ形成領域Ｒ１〜Ｒ３は第２の領域に、上記の吸着領域Ｒ０は第１の領域に夫々相当する。
また、図５に示すように、回転テーブル２２の回転方向に見て、プラズマ形成領域Ｒ１の下流側の端部、プラズマ形成領域Ｒ２の上流側端部、プラズマ形成領域Ｒ３の下流側端部には夫々ガスインジェクター５１、５２、５３が設けられている。図８は成膜装置２の周方向に沿った概略縦断側面図であり、この図８も参照しながら説明する。なお、図８中の点線の矢印は、各ガスインジェクター５１〜５３から吐出されるガスの流れを示している。
ガスインジェクター５１、５２、５３は、例えば先端側が閉じられた細長い管状体として構成され、真空容器２１の側壁から中央部領域に向かって水平に伸び、回転テーブル２２上のウエハＷの通過領域と交差するように夫々設けられている。そして、ガスインジェクター５１、５２、５３には、その長さ方向に沿ってガスの吐出口５０が多数、横方向に開口している。回転テーブル２２の回転方向に見て、ガスインジェクター５１はプラズマ形成領域Ｒ１の上流側に向かうように当該プラズマ形成領域Ｒ１にガスを吐出し、ガスインジェクター５２はプラズマ形成領域Ｒ２の下流側に向かうように当該プラズマ形成領域Ｒ２にガスを吐出し、ガスインジェクター５３はプラズマ形成領域Ｒ３の上流側に向かうように当該プラズマ形成領域Ｒ３にガスを吐出する。
図５中５０１、５０２は、ガスインジェクター５１及びガスインジェクター５２に夫々接続される配管であり、その上流側は合流して合流配管５０３をなし、ガス供給機器５０４を介してＨ２（水素）ガス供給源５４に接続されている。また、合流配管５０３においてガス供給機器５０４の下流側には配管５０５の下流端が接続されており、配管５０５の上流端はガス供給機器５０６を介してＯ２（酸素）ガス供給源５５に接続されている。従って、ガスインジェクター５１、５２からは、Ｈ２ガス、Ｏ２ガスが各々吐出される。ガスインジェクター５１、５２から吐出されるＨ２ガスは、上記のＳｉＮ膜１３の改質を行うための改質用ガスであり、Ｏ２ガスは上記の酸化層１４を形成するための酸化ガスである。
図５中５１１はガスインジェクター５３に接続される配管であり、その上流側はガス供給機器５１２を介してＮＨ３ガス供給源５６に接続されている。このＮＨ３ガスは、ウエハＷに吸着したＤＣＳガスと窒化反応してＳｉＮを生成するための反応ガスである。また、配管５１１においてガス供給機器５１２の下流側には、配管５１３、５１４の下流端が接続されており、配管５１３の上流端はガス供給機器５１５を介してＯ２ガス供給源５５に接続されている。配管５１４の上流端はガス供給機器５１６を介してＨ２ガス供給源５４に接続されている。従って、ガスインジェクター５３からは、上記の酸化ガスであるＯ２ガス、上記の改質用ガスであるＨ２ガス、ＮＨ３ガスが各々吐出される。従って、ガスインジェクター５１〜５３はＯ２ガスを吐出する酸化ガス供給部として構成されており、ガスインジェクター５３についてはＮＨ３ガスを吐出する窒化ガス供給部としても構成されている。
プラズマ形成領域Ｒ２とプラズマ形成領域Ｒ３との間には、分離領域６０が設けられている。この分離領域６０の天井面は、プラズマ形成領域Ｒ２及びプラズマ形成領域Ｒ３の各々の天井面よりも低く設定されている。分離領域６０は図５に示すように平面的に見て、回転テーブル２２の中央側から周縁側に向かうにつれて回転テーブル２２の周方向に広がる扇状に形成されており、その下面は回転テーブル２２の上面に対向すると共に近接し、分離領域６０と回転テーブル２２との間のコンダクタンスが抑えられている。
また、図５に示すように回転テーブル２２の外側であって、プラズマ形成領域Ｒ１の上流側端部、プラズマ形成領域Ｒ２の下流側端部及びプラズマ形成領域Ｒ３の上流側端部の各々に臨む位置には、第１の排気口６１、第２の排気口６２及び第３の排気口６３が夫々開口している。第１の排気口６１は、第１のガスインジェクター５１からプラズマ形成領域Ｒ１に吐出されたガスを排気する。第２の排気口６２は、ガスインジェクター５２から吐出されたプラズマ形成領域Ｒ２のガスを排気し、分離領域６０の回転方向上流側近傍に設けられている。第３の排気口６３は、ガスインジェクター５３から吐出されたプラズマ形成領域Ｒ３のガスを排気し、分離領域６０の回転方向下流側近傍に設けられている。
上記のように分離領域６０と回転テーブル２２との間の隙間のコンダクタンスが小さいため、ガスインジェクター５２から吐出されたＨ２ガスは、当該隙間を回転テーブル２２の回転方向下流へ流れることが抑制され、上記のように配置された第２の排気口６２から排気される。そして、そのようにコンダクタンスが小さいことから、ガスインジェクター５３から吐出されたＮＨ３ガス及びＨ２ガスについても当該隙間を回転テーブル２２の回転方向下流へ流れることが抑制されて、上記のように配置された第３の排気口６３から排気される。従って、ガスインジェクター５２、５３から吐出された各ガスは互いに混合されずに、第２の排気口６２、第３の排気口６３から夫々排気され、プラズマ形成領域Ｒ３におけるＮＨ３ガスの濃度の低下が抑制される。
図中６４は排気装置であり、真空ポンプなどにより構成され、排気管を介して第１の排気口６１、第２の排気口６２及び第３の排気口６３に接続されている。排気管に設けられる図示しない圧力調整部により各排気口６１〜６３による排気量が調整されることによって、真空容器２１内の真空度が調整される。
図４に示すように成膜装置２には、コンピュータからなる制御部２０が設けられており、制御部２０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２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２３による回転テーブル２２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３８、６４による排気量、マイクロ波発生器４７からのアンテナ４１へのマイクロ波の給断、ヒーター２５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２５への給電の制御は、即ちウエハＷの温度の制御であり、排気装置６４による排気量の制御は、即ち真空容器２１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、ＤＶＤ、メモリカードなどの記憶媒体に格納され、制御部２０にインストールされる。
以下、成膜装置２による処理について図９、図１０を参照しながら説明する。この図９、図１０では真空容器２１内に供給される各ガスの流れを点線の矢印により示している。また、図中の白抜きの矢印は、回転テーブル２２の回転方向を示している。先ず、基板搬送機構によってキャリアから取り出された６枚のウエハＷを、回転テーブル２２の各凹部２４に搬送する。このウエハＷは図１（ａ）に示したウエハＷである。そして、真空容器２１の搬送口２６に設けられるゲートバルブを閉鎖して、当該真空容器２１内を気密にする。凹部２４に載置されたウエハＷは、ヒーター２５によって例えば２００℃〜６００℃、具体的には例えば４５０℃以下、より具体的には例えば２５０℃に加熱される。そして、第１〜第３の排気口６１、６２、６３からの排気によって、真空容器２１内を所定の圧力の真空雰囲気にすると共に、回転テーブル２２が所定の回転数で回転する。
そして、ガスインジェクター５１、５２からＨ２ガスがプラズマ形成領域Ｒ１、Ｒ２に夫々供給され、ガスインジェクター５３からＮＨ３ガス及びＨ２ガスがプラズマ形成領域Ｒ３に供給される。このように各ガスが供給される一方で、マイクロ波発生器４７からマイクロ波が供給され、このマイクロ波によってプラズマ形成領域Ｒ１、Ｒ２にＨ２ガスのプラズマが、プラズマ形成領域Ｒ３にＮＨ３ガスのプラズマが夫々形成される。また、ガス給排気ユニット３においてはガス吐出口３１からＤＣＳガス、パージガス吐出口３３からＡｒガスが夫々吐出されると共に、排気口３２から排気が行われる。図９はこのように各部にガスが供給された状態を示している。
回転テーブル２２の回転によって、ウエハＷが吸着領域Ｒ０に位置するとＤＣＳガスが当該ウエハＷの表面に供給されて吸着される。引き続き回転テーブル２２が回転して、ウエハＷがプラズマ形成領域Ｒ３に至ると、プラズマに含まれるＮＨ３ガスの活性種がウエハＷに供給されてＤＣＳガスと反応し、図１（ｂ）で示したＳｉＮ膜１３が形成される。また、プラズマに含まれるＨ２ガスの活性種により、ＳｉＮ膜１３が改質される。さらに回転テーブル２２が回転して、ウエハＷがプラズマ形成領域Ｒ１、Ｒ２に至ると、プラズマに含まれるＨ２ガスの活性種により、さらにＳｉＮ膜１３が改質される。この改質について具体的に述べると、薄膜中に含まれるＤＣＳガスに由来する塩素成分をＨ２ガスの活性種の働きによって膜から脱離させ、より純粋な（緻密な）窒化膜となるようにしている。
回転テーブル２２の回転が続けられ、ウエハＷが吸着領域Ｒ０、プラズマ形成領域Ｒ１、プラズマ形成領域Ｒ２、プラズマ形成領域Ｒ３を順に繰り返し移動し、ＤＣＳガスの供給、Ｈ２ガスの活性種の供給、ＮＨ３ガス及びＨ２ガスの活性種の供給が繰り返し行われ、ＳｉＮが堆積することでＳｉＮ膜１３の膜厚が上昇すると共に改質が進行する。そしてＳｉＮ膜１３の膜厚（図１（ｂ）中のＬ２）が所望の大きさとなると、ガス給排気ユニット３における各ガスの吐出及び排気が停止する。その一方で、ガスインジェクター５１、５２からプラズマ形成領域Ｒ１、Ｒ２へのＨ２ガスの供給が停止すると共に、これらのガスインジェクター５１、５２からプラズマ形成領域Ｒ１、Ｒ２へＯ２ガスが供給される。また、ガスインジェクター５３からプラズマ形成領域Ｒ３へのＮＨ３ガス及びＨ２ガスの供給が停止すると共に、当該ガスインジェクター５３からプラズマ形成領域Ｒ３へＯ２ガスが供給される。図１０は、このように各部にガスが供給された状態を示している。このとき、ウエハＷは例えば２００℃〜６００℃、具体的には例えば４５０℃以下、より具体的には例えば２５０℃に加熱されている。
このようにプラズマ形成領域Ｒ１〜Ｒ３に供給されたＯ２ガスは、当該プラズマ形成領域Ｒ１〜Ｒ３に供給されるマイクロ波によってプラズマ化される。回転テーブル２２の回転によってウエハＷは、このＯ２ガスのプラズマに曝され、ＳｉＮ膜１３の表面が酸化されることで、図１（ｃ）で示した酸化層１４が形成される。酸化が進行して酸化層１４の厚さ（図１（ｃ）中のＬ３）が所定の厚さとなると、プラズマ形成領域Ｒ１〜Ｒ３へのＯ２ガスの供給及びマイクロ波の供給が各々停止する。然る後、ウエハＷは、基板搬送機構によって成膜装置２から搬出される。
ところで上記の成膜装置２による処理では、Ｏ２ガスのプラズマにより酸化層１４を形成しているが、この酸化層１４の形成はプラズマを用いずに行ってもよい。例えば、ヒーター２５によりウエハＷの温度を比較的高くした状態で、各ガスインジェクター５１〜５３からＯ２ガスを吐出し、ＳｉＮとＯ２とを反応させることで酸化層１４を形成することができる。また、酸化層１４の形成に用いる酸化ガスとしてはＳｉＮを酸化できるものであればよいのでＯ２ガスであることには限られず、Ｏ３（オゾン）ガスであってもよいし、ＮＯ（一酸化窒素）ガスであってもよい。また、上記のようにＳｉＮ膜１３の形成と酸化層１４の形成とを行った後、酸化層１４上にさらにＳｉＮ膜１３を形成し、このＳｉＮ膜１３の表面を酸化して酸化層１４としてもよい。つまり、上下方向に見て、ＳｉＮ膜１３、酸化層１４が交互に繰り返し積層される構成としてもよい。
ところで、ＳｉＮ膜１３及び酸化層１４の形成を行う装置としては上記の構成例には限られず、例えば真空容器２１内に設けられたステージにウエハＷを一枚ずつ搭載してガス処理を行う枚様式の装置であってもよい。また、縦方向に配列された複数枚のウエハＷを保持する基板保持具を格納する縦型の真空容器を備え、当該真空容器内に成膜用のガス、酸化ガスを夫々供給して一括して複数枚のウエハＷにガス処理を行うことができる装置を用いてＳｉＮ膜１３及び酸化層１４の形成を行ってもよい。さらに、ＳｉＮ膜１３の形成はＡＬＤで行うことに限られずＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）で行ってもよい。
また、ＳｉＮ膜１３の形成処理と酸化層１４の形成処理とは別々の真空容器２１内で行ってもよい。ただし、ＳｉＮ膜１３の形成後、酸化層１４の形成前にＳｉＮ膜の表面が大気雰囲気に曝されると、この大気雰囲気によってＳｉＮ膜１３の表面に緻密性の低い酸化層が形成されてしまうおそれが有り、そのような酸化層が形成されると、上記のようにＯ２のプラズマによる酸化処理を行っても緻密性の高い酸化層を形成できないおそれが有る。従って、ＳｉＮ膜１３の形成後、酸化層１４を形成するまではウエハＷを真空雰囲気から搬出しないことが好ましい。上記の成膜装置２は、そのように酸化層１４を形成するまで、ウエハＷが真空雰囲気から搬出されないため好ましい。なお、ＳｉＮ膜１３の形成後、真空雰囲気の搬送路を介して成膜装置２の真空容器２１とは別の真空容器にウエハＷを搬送して、搬送先の真空容器内で酸化処理を行ってもよい。
続いて、上記のエッチング装置７の一例を説明しておく。図７に示すエッチング装置７は、容量結合プラズマを形成してエッチング処理を行う。図中７１は接地された処理容器である。処理容器７１内は、排気機構７９によって内部が排気されることで、所望の圧力の真空雰囲気とされる。図中７２はウエハＷが載置される載置台であり、ウエハＷを加熱するための図示しないヒーターが埋設されている。載置台７２は、処理容器７１の底面上に電気的に接続されて配置されており、下部電極としての役割を果たし、アノード電極として機能する。
載置台７２の上方にはこの載置台７２の上面と対向するように、シャワーヘッド７３が設けられている。図中７４は絶縁部材であり、シャワーヘッド７３と処理容器７１とを絶縁する。シャワーヘッド７３には、プラズマ発生用の高周波電源７５が接続されており、シャワーヘッド７３はカソード電極として機能する。図中７６はガス供給部であり、既述の各膜のエッチングに用いられるエッチングガスを独立して、シャワーヘッド７３内に設けられる拡散空間７７に供給する。拡散空間７７に供給されたエッチングガスは、シャワーヘッド７３の吐出口からウエハＷに供給される。このようにウエハＷにエッチングガスが供給されるときに高周波電源７５がオンになり、電極間に電界が形成されてエッチングガスがプラズマ化することで、ウエハＷ表面における膜のエッチングが行われる。図２（ｅ）で説明したようにＴｉＮ膜１２をエッチングするときには、上記のガス供給部７６からエッチングガスとしてＣｌ（塩素）系のガスがシャワーヘッド７３に供給されて、処理が行われる。
ただし、ＴｉＮ膜１２をエッチングするにあたっては、Ｃｌ系のガスの代わりに、Ｆ（フッ素）を含むＳＦ６（六フッ化硫黄）、Ｃ４Ｆ８（オクタフルオロシクロブタン）、ＣＦ４（四フッ化炭素）などのＦ系のガスや、Ｂｒ（臭素）を含むＨＢｒ（臭化水素）などのＢｒ系のガスについても用いることができる。そして、これらのＦ系のガス及びＢｒ系のガスをエッチングガスとして用いる場合も、上記のように酸化層１４を形成することでＳｉＮ膜１３のエッチングを抑えることができる。従って、エッチングガスとしては、ハロゲン単体あるいはハロゲン化合物を含むハロゲンガスを用いることができる。なお、ハロゲン単体あるいはハロゲン化合物を含むとは、これらのハロゲン単体やハロゲン化合物を不純物として含むという意味では無く、主成分として含むという意味である。
また、ＴｉＮ膜１２を被エッチング膜としてエッチングする例を示したが、被エッチング膜としてはハロゲン単体あるいはハロゲン化合物によってエッチングされる膜であればよく、例えばＴｉＮの代わりにＴａＮ（窒化タンタル）が被エッチング膜であってもよい。なお、被エッチング膜のエッチングは、エッチングガスをプラズマ化せずに行ってもよい。
ところで、ＳｉＮ膜１３としては、例えばホウ素や炭素など、Ｓｉ及びＮ以外の元素が添加されたものであってもよい。従って、当該ＳｉＮ膜１３を酸化して形成される酸化層１４についても、これらホウ素や炭素を含んでいてもよい。
なお、上記のようにＴｉＮ膜１２のエッチングを行うにあたり、ＳｉＮ膜１３の下方にＴｉＮ膜１２が位置していることには限られない。ＴｉＮ膜１２がＳｉＮ膜１３上に位置してウエハＷの表面に露出し、ＴｉＮ膜１２に開口部が形成され、当該開口部を介してＳｉＮ膜１３が露出する構成を有するウエハＷに対してエッチングを行い、ＴｉＮ膜１２を除去するような場合においても本発明を適用することができる。つまり開口部を介して露出するＳｉＮ膜１３の表面を酸化しておくことで、ＳｉＮ膜１３がエッチングされることを防ぐことができる。この場合、酸化はＴｉＮ膜を成膜する前に行ってもよいし、ＴｉＮ膜１２に開口部を形成してＳｉＮ１３を露出させた後に行ってもよい。なお、本発明は以上に述べた実施形態に限定されるものではなく、各実施形態は適宜変更したり組み合わせたりすることが可能である。
［評価試験］
以下、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
評価試験１として上記の成膜装置２を用いて、図９で説明したように各ガスの供給及びプラズマの形成を行い、ウエハＷにＳｉＮ膜１３を形成した。然る後、図１０で説明したように各ガスの供給及びプラズマの形成を行い、ＳｉＮ膜１３の表面を酸化処理した。そして、ＳｉＭＳ（二次イオン質量分析法）により、ウエハＷの表面からの各深さにおける酸素濃度を測定した。また比較試験１として、評価試験１と同様にＳｉＮ膜１３を形成し、図１０で説明した酸化処理を行わずに評価試験１と同様にＳＩＭＳを行い、酸素濃度を測定した。
図１２のグラフは、評価試験１の結果を実線で、比較試験１の結果を点線で夫々示している。グラフの縦軸は酸素濃度（単位：atoms／cm３）を示している。この縦軸において、隣接する目盛りと目盛りとの間の酸素濃度の量は、各目盛り間において同じであり、上側の目盛りほど酸素濃度が大きいことを示す。また、上側の目盛りほど酸素濃度が大きいことを示している。グラフの横軸は、ウエハＷの表面からの深さ（単位：ｎｍ）を示している。グラフに示されるように、深さが０ｎｍより大きく２０ｎｍ以下の範囲において、酸素濃度について評価試験１の方が大きい。従って、この評価試験１からはＯ２ガスのプラズマにＳｉＮ膜１３を曝すことで、ＳｉＮ膜１３の表面は酸化され、酸化層１４を形成することができることが確認された。
・評価試験２
評価試験２としてＴｉＮ膜１２が表面に形成されたウエハＷに、ＴｉＮ膜１２の一部のみが被覆されるように複数の試験片を置き、図１１に示したものと同様のエッチング装置を用いて、ＴｉＮ膜１２が１０ｎｍエッチングされるようにプラズマエッチング処理を行い、各試験片のエッチング量を測定した。さらに、各試験片について、エッチング選択比を測定した。このエッチング選択比は、試験片のエッチング量／ＴｉＮ膜１２のエッチング量（＝１０ｎｍ）である。
上記の複数の試験片のうちの４つを試験片１〜４とする。試験片１の表面は、成膜装置２によりウエハＷを２５０℃に加熱して処理を行うことで形成されたＳｉＮ膜１３により構成されている。ただし、このＳｉＮ膜１３の表面には酸化層１４が形成されていない。試験片２の表面は、成膜装置２によりウエハＷを２５０℃に加熱して処理を行うことで形成されたＳｉＮ膜１３により構成されており、このＳｉＮ膜１３の表面には酸化層１４が形成されている。試験片３の表面は、成膜装置２によりウエハＷを４５０℃に加熱して処理を行うことで形成されたＳｉＮ膜１３により構成されている。このＳｉＮ膜１３の表面には、試験片１と同様に酸化層１４が形成されていない。試験片４の表面は、ウエハＷを５５０℃に加熱してＣＶＤを行うことで成膜したＳｉＮ膜１３により構成されている。
上記のプラズマエッチング処理条件について述べると、使用したエッチングガスはＣｌ２ガスとＡｒガスとの混合ガスである。エッチング処理中の処理容器７１内の圧力は１０ｍＴｏｒｒである。また、高周波電源７５への供給電力は１３５ＭＷであり、ウエハＷの加熱温度は４０℃であり、エッチング処理時間は１５秒である。
図１３では、棒グラフにより各試験片のエッチング量を、丸のプロットでエッチング選択比について夫々示している。この図１３から明かなように、酸化層１４を形成した試験片２については、酸化層１４を形成していない試験片１、３、４よりも試験片のエッチング量が小さく、エッチング選択比が大きい。酸化層１４の有無についてのみ異なる試験片１、２を比較すると、試験片２のエッチング選択比は、試験片１のエッチング選択比の２７倍であった。なお、この評価試験２では、上記の試験片１〜４以外にも、ホウ素、炭素、酸素のうちの１つまたは複数の元素が添加され、酸化層は形成していないＳｉＮ膜を試験片として用いて上記のエッチング量、エッチング選択比を取得しており、これらの試験片のエッチング量よりも試験片２のエッチング量は小さく、また、これらの試験片のエッチング選択比よりも試験片２のエッチング選択比が大きかった。従って、この評価試験２からは、酸化層１４を形成することでＳｉＮ膜１３のエッチングを抑制することができるという本発明の効果が確認された。
・評価試験３
評価試験３として、ウエハＷにＳｉＮ膜１３、酸化層１４の形成を行い、評価試験２で説明したエッチングを行った。このエッチングを行う前、行った後で夫々ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）により、ウエハＷの縦断側面を撮像した。また、比較試験３として、ウエハＷにＳｉＮ膜１３の形成を行い、酸化層１４を形成せずに評価試験２で説明したエッチングを行った。この比較試験３においてもエッチングの前後で夫々ＴＥＭによりウエハＷの縦断側面を撮像した。
評価試験３のウエハＷについて、エッチング前はＳｉＮ膜１３の厚さが２０．３ｎｍであり、エッチング後はＳｉＮ膜１３の厚さは１９．８ｎｍであった。また、エッチング前においてはＳｉＮ膜１３上には酸化層１４が形成されていることが確認された。比較試験３のウエハＷについて、エッチング前はＳｉＮ膜１３の厚さが２２．３ｎｍであり、エッチング後はＳｉＮ膜１３の厚さが１６．４ｎｍであった。このように評価試験３のウエハＷは、比較試験３のウエハＷに比べてＳｉＮ膜１３のエッチング量が抑制されており、この評価試験３からも本発明の効果が確認された。
Ｗ ウエハ
１２ ＴｉＮ膜
１３ ＳｉＮ膜
１４ 酸化層
２ 成膜装置
２０ 制御部
２１ 真空容器
２２ 回転テーブル
３ ガス給排気ユニット
４Ａ〜４Ｃ プラズマ形成ユニット
５１〜５３ ガスインジェクター

Claims (7)

  1. 基板に成膜用のガスを供給し、被エッチング膜に対して積層される窒化シリコン膜を形成する成膜工程と、
    前記窒化シリコン膜の表面を酸化して酸化層を形成するための酸化ガスを前記基板に供給する酸化工程と、
    前記被エッチング膜及び前記酸化層が前記基板の表面に露出した状態でハロゲンを含むエッチングガスを前記基板に供給し、当該被エッチング膜をエッチングするエッチング工程と、を備え、
    前記酸化層を積層して形成するために、前記成膜工程及び酸化工程は繰り返し複数回行われることを特徴とする基板処理方法。
  2. 前記窒化シリコン膜は、前記被エッチング膜をエッチングするためのマスクであることを特徴とする請求項１記載の基板処理方法。
  3. 前記エッチングガスは、塩素系ガスであることを特徴とする請求項１または２記載の基板処理方法。
  4. 前記被エッチング膜は窒化チタン膜である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基板処理方法。
  5. 前記酸化ガスは酸素ガスであり、
    前記酸化工程は、プラズマ化した前記酸素ガスを前記基板に供給する工程を含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の基板処理方法。
  6. 請求項１ないし５のいずれか一つに記載の基板処理方法を実行するために前記成膜工程、前記酸化工程、前記エッチング工程のうち、前記成膜工程及び前記酸化工程のみ行う基板処理装置において、
    真空容器内に設けられ、前記基板を載置して公転させるための回転テーブルと、
    前記回転テーブル上における第１の領域に、前記成膜用のガスでありシリコンを含む原料ガスを供給する原料ガス供給部と、
    前記回転テーブル上において前記第１の領域に対して当該回転テーブルの回転方向に離れた第２の領域に、前記原料ガスを窒化して窒化シリコンを生成するための窒化ガスを供給する窒化ガス供給部と、
    前記第１の領域の雰囲気と第２の領域の雰囲気とを分離するための分離機構と、
    前記回転テーブル上に前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
    前記原料ガス及び前記窒化ガスが前記回転テーブル上に供給された状態で前記基板が前記第１の領域と前記第２の領域とを繰り返し複数回通過した後に、前記酸化ガスが前記回転テーブル上に供給されるステップが繰り返し行われ、前記酸化層が積層して形成されるように制御信号を出力する制御部と、
    を備えることを特徴とする基板処理装置。
  7. 前記回転テーブル上に供給された前記酸化ガスをプラズマ化して前記基板に供給するためのプラズマ化機構が設けられていることを特徴とする請求項６記載の基板処理装置。
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