JP6946248B2 - 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、半導体装置に形成されるパターンは微細化の傾向にある。例えば特許文献１では基板に形成された深溝の表面に薄膜を形成する。
半導体装置の微細化に伴い、深溝のアスペクト比が高くなる傾向にある。深溝の表面には、薄膜が形成される。そのような深溝に対しては、溝の上部から下部まで、膜の特性を均一にすることが求められている。膜の特性とは、例えば抵抗値や膜密度等である。
本技術は、アスペクト比の高い深溝に対しても、深溝の上部から下部において、特性が均一な膜を形成可能な技術を提供することを目的とする。
特開２０１７−６９４０７
少なくとも上部と下部とで構成される深溝を有する基板を、処理室内に備えられた基板支持部で支持し、前記処理室に、処理ガスを供給して前記深溝の内側表面に層を形成し、前記処理室で構成される処理空間の圧力を前記深溝の内側空間よりも低い圧力として、前記層を形成した際に前記内側空間に生成された副生成物を排出する技術を提供する。
アスペクト比の高い深溝に対しても、深溝の上部から下部において、特性が均一な膜を形成できる。
基板処理装置を説明する説明図である。 基板処理装置のコントローラを説明する説明図である。 基板の処理状態を説明する説明図である。 基板の処理状態を説明する説明図である。 基板の処理状態を説明する説明図である。 基板の処理状態を説明する説明図である。 基板の処理状態を説明する説明図である。 基板の処理状態を説明する説明図である。 基板の処理状態を説明する説明図である。 半導体装置の製造フローを説明する説明図である。 製造フローと、ガス流量、処理空間の圧力の関係を説明する説明図である。 半導体装置の製造フローを説明する説明図である。 製造フローと、ガス流量、処理空間の圧力の関係を説明する説明図である。
図1を用いて、深溝に薄膜を形成する基板処理装置２００の一例について説明する。
（チャンバ）
ここではチャンバを説明する。
基板処理装置２００はチャンバ２０２を有する。チャンバ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、チャンバ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。チャンバ２０２内には、基板としてのシリコン基板等の基板１００を処理する処理空間２０５と、基板１００を処理空間２０５に搬送する際に基板１００が通過する搬送空間２０６とが形成されている。チャンバ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。
下部容器２０２ｂの側面には、ゲートバルブ１４９に隣接した基板搬入出口１４８が設けられており、基板１００は基板搬入出口１４８を介して図示しない真空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。更に、下部容器２０２ｂは接地されている。
処理空間２０５を構成する処理室は、例えば後述する基板載置台２１２とシャワーヘッド２３０で構成される。処理空間２０５内には、基板１００を支持する基板支持部２１０が設けられている。基板支持部２１０は、基板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に内包された加熱源としてのヒータ２１３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、ヒータ２１３の温度を制御する温度制御部２２０が接続される。
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の支持部はチャンバ２０２の底壁に設けられた穴２１５を貫通しており、更には支持板２１６を介してチャンバ２０２の外部で昇降機構２１８に接続されている。昇降機構２１８を作動させてシャフト２１７及び基板載置台２１２を昇降させることにより、基板載置面２１１上に載置される基板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により覆われている。チャンバ２０２内は気密に保持されている。
基板載置台２１２は、基板１００の搬送時には、基板載置面２１１が基板搬入出口１４８に対向する位置まで下降し、基板１００の処理時には、図１で示されるように、基板１００が処理空間２０５内の処理位置となるまで上昇する。
具体的には、基板載置台２１２を基板搬送位置まで下降させた時には、リフトピン２０７の上端部が基板載置面２１１の上面から突出して、リフトピン２０７が基板１００を下方から支持するようになっている。また、基板載置台２１２を基板処理位置まで上昇させたときには、リフトピン２０７は基板載置面２１１の上面から埋没して、基板載置面２１１が基板１００を下方から支持するようになっている。
処理空間２０５の上部（上流側）には、シャワーヘッド２３０が設けられている。
シャワーヘッド２３０は、蓋２３１を有する。蓋２３１はフランジ２３２を有し、フランジ２３２は上部容器２０２ａ上に支持される。更に、蓋２３１は位置決め部２３３を有する。位置決め部２３３が上部容器２０２ａに勘合されることで、蓋２３１が固定される。
シャワーヘッド２３０は、バッファ空間２３４を有する。バッファ空間２３４は、蓋２３１と位置決め部２３２で構成される空間をいう。バッファ空間２３４と処理空間２０５は連通している。バッファ空間２３４に供給されたガスはバッファ空間内２３２で拡散し、処理空間２０５に均一に供給される。ここではバッファ空間２３４と処理空間２０５を別の構成として説明したが、それに限るものではなく、バッファ空間２３４を処理空間２０５に含めてもよい。
処理空間２０５は、主に上部容器２０２ａ、基板処理ポジションにおける基板載置台２１２の上部構造で構成される。処理空間２０５を構成する構造を処理室と呼ぶ。なお、処理室は処理空間２０５を構成する構造であればよく、上記構造にとらわれないことは言うまでもない。
搬送空間２０６は、主に下部容器２０２ｂ、基板処理ポジションにおける基板載置台２１２の下部構造で構成される。搬送空間２０６を構成する構造を搬送室と呼ぶ。搬送室は処理室の下方に配される。なお、搬送室は搬送空間２０５を構成する構造であればよく、上記構造にとらわれないことは言うまでもない。
（ガス供給部）
続いてガス供給部を説明する。ガス供給部は処理ガスを供給する構成である。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。
第一ガス供給管２４３ａを含む第一ガス供給部２４３からは、処理ガスとして第一処理ガスが主に供給され、第二ガス供給管２４４ａを含む第二ガス供給部２４４からは、処理ガスとして第二処理ガスが主に供給される。第三ガス供給管２４５ａを含む第三ガス供給部２４５からは不活性ガスが供給される。
（第一ガス供給部）
第一ガス供給管２４３ａには、上流方向から順に、第一ガス供給源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。
第一ガス供給管２４３ａから、第一元素を含有するガス（以下、「第一処理ガス」）が、マスフローコントローラ２４３ｃ、バルブ２４３ｄ、共通ガス供給管２４２を介してシャワーヘッド２３０に供給される。
第一処理ガスは、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、例えばシリコン（Ｓｉ）である。すなわち、第一処理ガスは、例えば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。）ガスが用いられる。
第一ガス供給管２４３ａのバルブ２４３ｄよりも下流側には、第一不活性ガス供給管２４６ａの下流端が接続されている。第一不活性ガス供給管２４６ａには、上流方向から順に、不活性ガス供給源２４６ｂ、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）２４６ｃ、及び開閉弁であるバルブ２４６ｄが設けられている。
ここで、不活性ガスは、例えば、窒素（Ｎ２）ガスである。原料ガスのキャリアガス又は希釈ガスとして作用するものである。
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、第一ガス供給部２４３（シリコン含有ガス供給部ともいう）が構成される。
また、主に、第一不活性ガス供給管２４６ａ、マスフローコントローラ２４６ｃ及びバルブ２４６ｄにより第一不活性ガス供給部が構成される。なお、不活性ガス供給源２４６ｂ、第一ガス供給管２４３ａを、第一不活性ガス供給部に含めて考えてもよい。
更には、第一ガス供給源２４３ｂ、第一不活性ガス供給部を、第一ガス供給部２４３に含めて考えてもよい。
（第二ガス供給部）
第二ガス供給管２４４ａの上流には、上流方向から順に、反応ガス供給源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。反応ガスをプラズマ状態とする場合には、バルブ２４４ｄの下流にリモートプラズマユニット（ＲＰＵ）２４４ｅを設ける。
そして、第二ガス供給管２４４ａからは、反応ガスが、ＭＦＣ２４４ｃ、バルブ２４４ｄ、共通ガス供給管２４２を介して、シャワーヘッド２３０内に供給される。反応ガスをプラズマ状態とする場合には、ＲＰＵ２４４ｅによりプラズマ状態とされ、基板１００上に照射される。
反応ガスは、処理ガスの一つであり、例えば酸素ガスである。酸素ガスとしては、例えば酸素（Ｏ２）ガスが用いられる。
主に、第二ガス供給管２４４ａ、ＭＦＣ２４４ｃ、バルブ２４４ｄにより、反応ガス供給部２４４が構成される。なお、反応ガス供給部２４４は、反応ガス供給源２４４ｂ、ＲＰＵ２４４ｅ、後述する第二不活性ガス供給部を含めて考えてもよい。
第二ガス供給管２４４ａのバルブ２４４ｄよりも下流側には、第二不活性ガス供給管２４７ａの下流端が接続されている。第二不活性ガス供給管２４７ａには、上流方向から順に、不活性ガス供給源２４７ｂ、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）２４７ｃ、及び開閉弁であるバルブ２４７ｄが設けられている。そして、第二不活性ガス供給管２４７ａからは、不活性ガスが、ＭＦＣ２４７ｃ、バルブ２４７ｄ、第二ガス供給管２４４ａ、ＲＰＵ２４４ｅを介して、シャワーヘッド２３０内に供給される。
不活性ガスは、反応ガスのキャリアガス又は希釈ガスとして作用するものである。具体的には、例えば、窒素（Ｎ２）ガスを用いることができる。
主に、第二不活性ガス供給管２４７ａ、ＭＦＣ２４７ｃ、及びバルブ２４７ｄにより、二不活性ガス供給部が構成される。なお、第二不活性ガス供給部は、不活性ガス供給源２４７ｂ、第二ガス供給管２４３ａ、ＲＰＵ２４４ｅを含めて考えてもよい。また、第二不活性ガス供給部は、第二ガス供給部２４４に含めて考えてもよい。
（第三ガス供給部）
第三ガス供給管２４５ａには、上流方向から順に、第三ガス供給源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。
第三ガス供給管２４５ａから、パージガスとしての不活性ガスが、マスフローコントローラ２４５ｃ、バルブ２４５ｄ、共通ガス供給管２４２を介してシャワーヘッド２３０に供給される。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、第三ガス供給部２４５が構成される。
不活性ガス供給源２４５ｂから供給される不活性ガスは、基板処理工程では、チャンバ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。
主に、第一ガス供給部２４３、第二ガス供給部２４４、第三ガス供給部２４５をまとめてガス供給部と呼ぶ。なお、ガス供給部とは処理ガスを処理空間に供給する構成であればよく、プロセスに応じて第一ガス供給部２４３、第二ガス供給部２４４、第三ガス供給部２４５のいずれか、もしくはそれら一部の組み合わせを示すものである。
（排気部）
チャンバ２０２の雰囲気を排気する排気部は、処理空間２０５の雰囲気を排気する排気部２６１で主に構成される。
排気部２６１は、処理室に接続される排気管（第１排気管）２６１ａを有する。排気管２６１ａは、処理空間２０５に連通するよう設けられる。排気管２６１ａには、処理空間２０５内を所定の圧力に制御する圧力制御器であるＡＰＣ（ＡｕｔｏＰｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）２６１ｃ、処理空間２０５の圧力を計測する圧力検出部２６１ｄが設けられる。ＡＰＣ２６１ｃは開度調整可能な弁体（図示せず）を有し、後述するコントローラ２８０からの指示に応じて排気管２６１ａのコンダクタンスを調整する。また、排気管２６１ａにおいてＡＰＣ２６１ｃの上流側にはバルブ２６１ｂが設けられる。排気管２６１ａとバルブ２６１ｂ、ＡＰＣ２６１ｃ、圧力検出部２６１ｄをまとめて排気部２６１と呼ぶ。
排気管２６１ａの下流側には、ＤＰ（Ｄｒｙ Ｐｕｍｐ。ドライポンプ）２７８が設けられる。ＤＰ２７８は、排気管２６１ａを介して、処理空間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２に記載のように、演算部（ＣＰＵ）２８０ａ、一時記憶部２８０ｂ、記憶部２８０ｃ、送受信部２８０ｄを少なくとも有する。コントローラ２８０は、送受信部２８０ｄを介して基板処理装置２００の各構成に接続され、上位コントローラ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、その内容に応じて各構成の動作を制御する。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２７０から送受信部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。
（半導体装置の説明）
続いて、処理対象の半導体装置の一例を図３から図７を用いて説明する。処理対象の半導体装置は、積層タイプのメモリである。図４は、図３に記載のホール１０６に電荷トラップ膜等を充填させた状態の図である。図５は充填絶縁膜１１０等を充填させた状態の図である。図６は犠牲膜１０４を除去した状態であり、空隙１１１が形成された状態の図である。図７は空隙１１に金属膜１１２を充填させた図である。
最初に図３を用いて、本技術で処理する基板について説明する。図３（ａ）は基板１００に形成された膜の側断面図であり、図３（ｂ）は上方から見た図である。なお、図３（ｂ）のα―α’線における側断面図が図３（ａ）に相当する。
基板１００には、共通ソースライン（ＣＳＬ、Ｃｏｍｍｏｎ Ｓｏｕｒｃｅ Ｌｉｎｅ）１０１が形成されている。更に、基板１００上には絶縁膜１０２が形成される。絶縁膜１０２上には犠牲膜１０４が形成される。図３に記載のように、絶縁膜１０２と犠牲膜１０４は交互に積層される。具体的には、絶縁膜１０２（１）上には犠牲膜１０４（１）、絶縁膜１０２（２）、犠牲膜１０４（２）、…、絶縁膜１０２（８）、犠牲膜１０４（８）が形成される。犠牲膜１０４（８）上には、絶縁膜１０５を形成する。なお、ここでは絶縁膜１０２、犠牲膜１０４を８層形成する例を説明したが、それに限るものではなく、より多層にしてもよい。
絶縁膜１０２、犠牲膜１０４で構成される積層膜及び絶縁膜１０５には、深溝としてのホール１０６が形成される。ホール１０６は、底部において共通ソースライン１０１が露出するように構成される。ホール１０６は、図３（ｂ）に記載のように、基板１００の面方向に多数設けられる。ホール１０６の内壁には、保護膜１０７が形成されている。
続いて図４を用いて、ホール１０６に保護膜１０７、積層膜１０８を形成した状態を説明する。（ａ）は基板１００の状態を説明するものであり、（ｂ）は（ａ）における積層膜１０８を一部拡大した図である。
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はシリコン酸化膜やメタル酸化膜で構成される。改質犠牲膜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。
積層膜１０８は、ゲート電極間絶縁膜（ＳｉＯ2膜）１０８ａ、電荷トラップ膜(シリコン窒化膜ＳｉＮ)１０８ｂ、トンネル絶縁膜（ＳｉＯ2膜）１０８ｃで構成される。ゲート電極間絶縁膜１０８ａは保護膜１０７と電荷トラップ膜１０８ｂとの間に配される。トンネル絶縁膜１０８ｃは、電荷トラップ膜１０８ｂとチャネルポリシリコン膜１０９の間に配される。ゲート電極間絶縁膜１０８ａは、後述する交互供給法によって形成される。
続いて、図５を用いてホール１０６にチャネルポリシリコン膜１０９、充填絶縁膜１１０が形成された状態を説明する。積層膜１０８の表面には、チャネルポリシリコン膜１０９、充填絶縁膜１１０が形成される。チャネルポリシリコン膜１０９は筒状に構成される。このようにしてホール１０６内を充填する。
ホール１０６に充填後、エッチング処理により犠牲膜１０４を除去する。
図６はエッチング処理によって犠牲膜１０４を除去した状態の図である。犠牲膜１０４が形成されていた場所には、深溝としての空隙１１１が形成される。空隙１１１は絶縁膜１０２と交互に配される。
図７は空隙１１１に金属膜１１２が埋め込まれた状態である。金属膜１１２は絶縁膜１０２と交互に積層される。
図４、図８、図９を用いて、深溝に形成される膜の特性を均一にする目的について説明する。
図４の１０８ｄは積層膜１０８の上部を示し、１０８ｅは積層膜１０８の下部を示す。上部１０８ｄはホール１０６の上方に形成された部分であり、下部１０８ｅはホール１０６の底部分に形成された部分である。
図８は電極間絶縁膜１０８ａを例にした説明図である。図８では、電極間絶縁膜１０８ａには、低密度部１１３と高密度部１１４とが存在している。低密度部１１３は膜組成密度が低い部分である。低密度部１１３はピンホールとも呼ばれる。高密度部１１４は所望の膜組成密度を満たした部分である。そして、低密度部１１３の膜組成密度は、高密度部１１４の膜密度よりも低くなっている。
前述のように電極間絶縁膜１０８ａは電荷トラップ膜１０８ｂに隣接する。つまり、図５においては、電極間絶縁膜１０８ａはＸＹ平面に隣接するよう配される。電極間絶縁膜１０８ａは、所定の膜組成密度があることによって電荷トラップ膜１０８ｂからのリーク電流を抑制しているが、膜組成密度が低い場合にはリーク電流が発生してしまう。すなわち、高密度部１１４ではリーク電流が発生しないものの、低密度部１１３ではリーク電流が発生する恐れがある。
また、電極間絶縁膜１０８ａに替わって、回路等に用いる金属膜であった場合について説明する。金属膜の場合、例えばＸＹ平面に隣接するよう絶縁膜が形成されている。したがって、金属膜中に流れる電荷はＸ軸方向に流れる。高密度部１１４と低密度部１１３とでは抵抗値が異なるため、電荷の流れる量が異なったり、あるいは電荷の流れが乱れたりする恐れがある。
このように膜組成密度のばらつきがあると、半導体装置の特性が低下する恐れがある。
続いて、図９を用いて深溝において膜特性がばらつく理由について説明する。
深溝に対して、後述する図１０に記載の交互供給法で膜を形成する場合、深溝中の空間（図９においてはホール１０６）に副生成物が発生する。ここでいう副生成物とは、例えば下地の膜に結合できなかったガスの余剰成分や、あるいはガスが反応した際に発生した、膜成分と異なる成分である。
交互供給法においては、第一処理ガス供給工程Ｓ２０２で第一処理ガスが余剰となって副生成物が発生する。第二処理ガス供給工程Ｓ２０６では、下地膜上に形成された第一処理ガスの前駆体と第二処理ガスとが反応する際に発生する。
ここで、副生成物がある状態で処理ガスを流した場合で形成される膜について考える。副生成物が存在する領域では下地膜と処理ガスとの間に副生成物が存在する。そのため、処理ガスが下地膜に付着しない場合や、副生成物を含む膜が形成される場合が考えられる。したがって、副生成物がある状態で処理ガスを流したとしても、組成密度の低い膜が形成されてしまう。
副生成物を深溝から除去するために、第一処理ガス供給工程Ｓ２０２の後に第一パージ工程Ｓ２０４を行ったり、あるいは第二処理ガス供給工程Ｓ２０６の後に第二パージ工程Ｓ２０８を行ったりしている。従来のパージ工程においては、処理室に不活性ガスを供給する。このパージ工程は、生産性の観点から、短時間で行われることが望ましい。
しかしながら、発明者による鋭意研究の結果、従来のパージ工程は深溝の上部で発生した副生成物を除去可能であるが、下部で発生した副生成物を除去することが困難であることを発見した。例えば、図９においては、ホール上部１０６ａの副生成物１１５ａは除去可能であるが、ホール下部１０６ｂの副生成物１１５ｂは除去が困難である。したがって、ホール上部と１０６ａとホール下部１０６ｂとでは、副生成物１１５の密度が異なってしまう。その結果、ホール上部１０６ａとホール下部１０６ｂとの間、例えばゲート電極間絶縁膜１０８ａとゲート電極間絶縁膜１０８ｂとの間で膜密度が異なり、その後の膜形成において不具合が生じる可能性がある。不具合とは、例えばリーク電流や膜密度のばらつきの発生による信頼性の低下が懸念される。
深溝の下部で生成された副生成物の除去が困難な理由として、次の理由が考えられる。
一つ目の理由は、従来のパージ工程におけるパージガスが、深溝の下部に届かないことである。
前述のように、パージ工程では不活性ガスが処理室に供給される。その際、パージガスの成分が深溝上部に侵入し、それが深溝上部に滞留した副生成物を押し出す。図９においては、副生成物１１５ａがパージガスによって押し出される。ところが、パージ工程を短時間で行う場合、深溝下部にはパージガスが届きにくい。深溝下部にパージガスを届かせるには、パージガスの流量を著しく増加するか、多くの時間をかける必要がある。しかしながら、生産性の観点から、パージ工程でパージガスの流量を著しく増加することや、多くの時間をかけることは望ましくない。
二つ目の理由は、深溝の上部の副生成物が、下部の副生成物の移動を邪魔することである。パージ工程では、前述のように不活性ガスが深溝に供給されるが、その際基板２００の表面にも不活性ガスが供給される。したがって、ガスの流れがある基板表面の圧力は、深溝内の圧力よりも低くなる。深溝から基板表面にガスの流れができるため、深溝の上部に存在する副生成物はその流れに乗って深溝から排出される。ところが、深溝の下部においては、図９の矢印１１６のように深溝下部の副生成物１１５ｂが移動しようとしても、上部の副生成物１１５ａが移動の邪魔をするために、下部では副生成物が残留してしまう。
このように、深溝下部で生成された副生成物は除去されにくい状況にある。そのため、深溝に形成される膜成分は、上部と下部とで不均一となってしまう。
そこで本実施形態においては、短時間のパージ工程においても、深溝下部の副生成物を除去するよう制御する。以下、具体例を説明する。
（基板処理工程）
図１０、図１１を用いて基板処理装置２００を用いた基板処理工程について説明する。図１０は処理フローを説明する図であり、図１１は各フローとガス流量、圧力との関係を示した図である。
本基板処理工程を行うことで、例えば深溝としてのホール１０６や空隙１１１に形成される薄膜の膜成分が均一となるようにする。なお、以下の説明において、基板処理装置２００を構成する各部の動作はコントローラ２８０により制御される。
本実施形態においては、図３のような保護膜１０７が形成された基板を処理室に搬入し、処理をして、ゲート電極間絶縁膜１０８ａを形成する工程を例にして説明する。
（基板搬入・載置工程）
基板搬入・載置工程を説明する。図１０においては、本工程の説明を省略する。
基板処理装置２００では基板載置台２１２を基板１００の搬送位置（搬送ポジション）まで下降させることにより、基板載置台２１２の貫通孔２１４にリフトピン２０７を貫通させる。その結果、リフトピン２０７が、基板載置台２１２表面よりも所定の高さ分だけ突出した状態となる。
続いて、ゲートバルブ１４９を開いて搬送空間２０６を真空搬送室（図示せず）と連通させる。そして、この真空搬送室から基板移載機（図示せず）を用いて基板１００を搬送空間２０６に搬入し、リフトピン２０７上に基板１００を移載する。これにより、基板１００は、基板載置台２１２の表面から突出したリフトピン２０７上に水平姿勢で支持される。このときの基板１００は図３のようにホール１０６に保護膜１０７が形成された状態である。
チャンバ２０２内に基板１００を搬入したら、基板移載機をチャンバ２０２の外へ退避させ、ゲートバルブ１４９を閉じてチャンバ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、基板載置面２１１上に基板１００を載置させ、さらに基板載置台２１２を上昇させることにより、前述した処理空間２０５内の処理位置（基板処理ポジション）まで基板１００を上昇させる。
基板１００が搬送空間２０６に搬入された後、処理空間２０５内の処理位置まで上昇したら、バルブ２６１ｂを開き、処理空間２０５とＡＰＣ２６１ｃの間を連通させる。ＡＰＣ２６１ｃは、排気管２６１ａのコンダクタンスを調整することで、処理空間２０５を所定の圧力（例えば１０−5〜１０−1Ｐａの高真空）に維持する。
基板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、基板１００の表面が所定の温度となるよう制御される。基板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５００℃以下である。この際、ヒータ２１３の温度は、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、温度制御部２２０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、深溝に薄膜を形成する具体的な方法を説明する。ここでは、例えばシリコン酸化膜で構成されるゲート電極間絶縁膜１０８ａを形成する例について、図１０、図１１を用いて説明する。図１０は基板１００の処理フローを示し、図１１は処理フローの各工程と、処理空間２０５に供給されるガスの流量、処理空間２０５の圧力を示す。
図１１においては、上から第一処理ガス、第一不活性ガス供給部から供給される不活性ガス、第二処理ガス、第二不活性ガス供給部から供給される不活性ガス、第三ガス供給部から供給される不活性ガス、それぞれの工程におけるガスの総供給量を示す。それぞれの縦軸は流量を示す。さらにその下には、処理空間２０５の圧力を示す。
基板１００を基板処理温度に昇温した後、基板１００を所定温度に保ちつつ加熱処理を伴う以下の基板処理を行う。すなわち、共通ガス供給管２４２、シャワーヘッド２３０を介して、処理ガスをチャンバ２０２内に配置されている基板１００の表面（処理面）に向けて供給し、基板１００を処理する。
以下、第一処理ガスとしてＤＣＳガスを用い、第二処理ガスとして酸素（Ｏ２）ガスを用いて、深溝にシリコン酸化膜を形成する例について説明する。ここでは、異なる処理ガスを交互に供給する交互供給処理を行う。
（第一処理ガス供給工程Ｓ２０２）
第一処理ガス供給工程Ｓ２０２を説明する。基板１００を加熱して所望とする温度に達すると、バルブ２４３ｄを開くと共に、ＤＣＳガスの流量が所定の流量となるように、マスフローコントローラ２４３ｃを調整する。なお、ＤＣＳガスの供給流量は、例えば１００ｓｃｃｍ以上８００ｓｃｃｍ以下である。
第一不活性ガス供給部からはＮ２ガスを供給する。第一不活性ガス供給部から供給される不活性ガスは、ＤＣＳガスのキャリアガスとして用いられる。このとき、第二不活性ガス供給部から不活性ガスを供給してもよい。第二不活性ガス供給部から供給される不活性ガスは、ガス供給管２４４ａにＤＣＳガスが侵入することを防ぐガスカーテンとしての役割を有する。
このときのガス流量は、図１１に記載のように、第一不活性ガス供給部から供給される不活性ガスの流量を１（任意単位）とした場合に、ＤＣＳガスは４、第二不活性ガス供給部から供給される不活性ガスを１とする。したがって、総流量は６となる。
バッファ空間２３４を介して処理空間２０５に供給されたＤＣＳガスは、熱によってシリコン成分等に分解され、基板１００上に供給される。供給されたシリコン成分が深溝の表面に接触することによって、表面に「第一元素含有層」としてのシリコン含有層が形成される。シリコン含有層は、形成する薄膜の前駆体に相当する。また、深溝の内側空間に、副生成物として余剰成分生成される。
ここでは、圧力検出部２６１ｄが処理空間２０５の圧力を検出し、それらの検出データをコントローラ２８０が受信する。コントローラ２８０は、マスフローコントローラ２４３ｃ、マスフローコントローラ２４６ｃ、マスフローコントローラ２４７ｃ、ＡＰＣ２６１ｃを制御して、処理空間２０５内の圧力が所定の範囲内となるよう制御する。
このとき処理空間２０５、搬送空間２０６のそれぞれの圧力を例えば５０〜３００Ｐａのうち、所定の値となるよう制御する。例えば、２５０Ｐａとする。
このような高圧で処理することで、ＤＣＳガスが深溝の底部まで到達可能となる。したがって、分解した状態で深溝の底部にシリコン成分を到達させることができ、その結果保護膜１０７の表面に、シリコン含有層を形成できる。
所定時間経過後、バルブ２４３ｄを閉じてＤＣＳガスの供給を停止する。
（第一パージ工程Ｓ２０４）
第一パージ工程Ｓ２０４を説明する。バルブ２４５ｄを開けて第三ガス供給管２４５ａからＮ２ガスを供給し、シャワーヘッド２３０および処理空間２０５および深溝中に存在する副生成物のパージを行う。それと並行して、第一不活性ガス供給管２４６ａ、第二不活性ガス供給管２４７ａから不活性ガスを供給する。
このときのガス流量は、図１１に記載のように、第一処理ガス供給工程Ｓ２０２における第一不活性ガス供給部から供給される不活性ガスの流量を１（任意単位）とした場合に、第二不活性ガス供給部から供給される不活性ガスを１とし、第三ガス供給部から供給される不活性ガスを２とする。したがって、総流量は４となる。
ここでは、第一処理ガス供給工程Ｓ２０２と同様に、圧力検出部２６１ｄが検出した検出データを元に、コントローラ２８０は、マスフローコントローラ２４５ｃ、マスフローコントローラ２４６ｃ、マスフローコントローラ２４７ｃ、ＡＰＣ２６１ｃを制御して、処理空間２０５の圧力を所定の圧力とする。
このとき、直前の成膜工程である第一処理ガス供給工程Ｓ２０２よりも少ない総流量にすると共に、処理空間２０５の圧力を第一処理ガス供給工程Ｓ２０２よりも低い圧力とする。このようにすることで、処理空間２０５の圧力、すなわち基板１００表面の圧力を深溝の下部よりも低い圧力にすることができる。次に、このような圧力とする理由を説明する。
前述のように、第一ガス供給工程Ｓ２０２では、深溝の内側空間の上部、下部それぞれに副生成物が生成され、従来のパージ工程では、上部に存在する副生成物が下部に存在する副生成物の移動を邪魔してしまう。そのため、下部に副生成物が残留する。
これに対して、本技術では処理空間２０５の圧力を深溝の内側空間よりも低くする。このようにすることで処理空間２０５と深溝の内側空間とで圧力差が生じるため、深溝から処理空間２０５へのガスの流れが形成される。このガスの流れにより、深溝上部に存在する副生成物が処理空間２０５内に排出される。
深溝上部の副生成物が少なくなるため、下部の副生成物の移動を阻害するものが少なくなり、下部の副生成物の排出を容易にする。
このようにして、深溝を有する基板を処理する場合であっても、深溝に残留する副生成物を排出できる。したがって、深溝中に、均一な組成の層を形成できる。
（第二処理ガス供給工程Ｓ２０６）
第二処理ガス供給工程Ｓ２０６を説明する。バルブ２４５ｄを閉じて第一パージ工程Ｓ２０４を終了させたら、バルブ２４４ｄを開けて、シャワーヘッド２３０を介して、処理空間２０５内に酸素ガスの供給を開始する。
第一不活性ガス供給部からはＮ２ガスを供給する。第一不活性ガス供給部から供給される不活性ガスは、酸素ガスがガス供給管２４３ａに侵入することを防ぐガスカーテンとしての役割を有する。第二不活性ガス供給部から供給される不活性ガスは、酸素ガスのキャリアガス、もしくは希釈ガスとして用いられる。
このときのガス流量は、図１１に記載のように、第一不活性ガス供給部から供給される不活性ガスの流量を１（任意単位）とした場合に、第二処理ガスである酸素ガスは４、第二不活性ガス供給部から供給される不活性ガスを１とする。したがって、総流量は６となる。
ここでは、圧力検出部２６１ｄが処理空間２０５の圧力を検出し、それらの検出データをコントローラ２８０が受信する。コントローラ２８０は、マスフローコントローラ２４４ｃ、マスフローコントローラ２４６ｃ、マスフローコントローラ２４７ｃ、ＡＰＣ２６１ｃを制御して、処理空間２０５内の圧力が所定の範囲内となるよう制御する。
このとき、酸素ガスの供給流量は、例えば１００ｓｃｃｍ以上６０００ｓｃｃｍ以下である。
酸素ガスはリモートプラズマユニット２４４ｅでプラズマ状態とされる。プラズマ状態の酸素ガスは、シャワーヘッド２３０を介して基板１００上に供給される。深溝に既に形成されているシリコン含有層が酸素ガスによって改質されることにより、シリコン元素および酸素元素を含有する層で構成される薄膜が形成される。
所定の時間経過後、バルブ２４４ｄを閉じ、酸素ガスの供給を停止する。
第二処理ガス供給工程Ｓ２０６においても、上記したＳ２０２と同様に、バルブ２６１ｂが開とされ、ＡＰＣ２６１ｃによって処理空間２０５の圧力が所定の圧力となるように制御される。
（第二パージ工程Ｓ２０８）
第二パージ工程Ｓ２０８を説明する。第一パージ工程Ｓ２０４と同様、第三ガス供給管２４５ａからＮ２ガスを供給し、シャワーヘッド２３０および処理空間２０５のパージを行う。
このときのガス流量は、図１１に記載のように、第一処理ガス供給工程Ｓ２０２における第一不活性ガス供給部から供給される不活性ガスの流量を１（任意単位）とした場合に、第二不活性ガス供給部から供給される不活性ガスを１とし、第三ガス供給部から供給される不活性ガスを２とする。したがって、総流量は４となる。
このとき、直前の成膜工程である第二処理ガス供給工程Ｓ２０６よりも少ない総流量とするとともに、処理空間２０５の圧力を第二処理ガス供給工程Ｓ２０６よりも低い圧力とする。故に、第一パージ工程Ｓ２０４と同様に、深溝上部および下部に存在する副生成物を排出できる。従って、深溝の表面に、均一な組成の層を形成できる。
ここでは、圧力検出部２６１ｄが検出した検出データを元に、コントローラ２８０は、マスフローコントローラ２４５ｃ、マスフローコントローラ２４６ｃ、マスフローコントローラ２４７ｃ、ＡＰＣ２６１ｃを制御して、処理空間２０５の圧力を所定の圧力とする。
（判定Ｓ２１０）
判定Ｓ２１０を説明する。コントローラ２８０は、上記１サイクルを所定回数（ｎ ｃｙｃｌｅ）実施したか否かを判定する。
所定回数実施していないとき（Ｓ２１０でＮｏの場合）、第一処理ガス供給工程Ｓ２０２、パージ工程Ｓ２０４、第二処理ガス供給工程Ｓ２０６、パージ工程Ｓ２０８のサイクルを繰り返す。所定回数実施したとき（Ｓ２１０でＹｅｓの場合）、図１０に示す処理を終了する。
第一パージ工程Ｓ２０４、第二パージ工程Ｓ２０８で深溝下部の副生成物を排出しているので、均一な組成の層が連続した膜を形成できる。すなわち、均一な組成の膜を形成できる。
（基板搬出工程）
基板搬出工程では、基板載置台２１２を下降させ、基板載置台２１２の表面から突出させたリフトピン２０７上に基板１００を支持させる。これにより、基板１００は処理位置から搬送位置となる。その後、ゲートバルブ１４９を開き、アーム（不図示）を用いて基板１００をチャンバ２０２の外へ搬出する。
以上説明した技術により、アスペクト比の高い深溝に対しても、深溝の内側空間底部に副生成物を残留させず、深溝の表面に均一な組成の膜を形成できる。
尚、上述の実施形態では、第一処理ガスとしてシリコン含有ガスを用い、第二処理ガスとして酸素ガスを用い、深溝にシリコン酸化膜を形成する場合について説明したが、それに限るものではない。第一処理ガスとしては、分解容易な性質を有していればよく、例えばＨＣＤ（Ｓｉ２Ｃｌ６）やＴＤＭＡＳ（ＳｉＨ（Ｎ（ＣＨ３）２）３）であってもよい。また、第二処理ガスとしては、Ｏ２ガスに限るものではなく、オゾンやＨＯ等であってもよい。また第二元素は酸素に限らず、窒素であっても良い。特にオゾンの場合、それ単体で高いエネルギーを有するため、プラズマ状態にしなくてもよい。そのため、プラズマが失活するほど高圧とする場合は、オゾンを用いてもよい。
また、不活性ガスとしてＮ２ガスを例に説明したが、処理ガスと反応しないガスであればそれに限るものではない。例えばヘリウム（Ｈｅ）ガス、ネオン（Ｎｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス等の希ガスを用いることができる。
また、第一処理ガス供給工程Ｓ２０２では、第一不活性ガス供給部と第二不活性ガス供給部それぞれから供給される不活性ガスとを合わせて総流量として表現したが、第一処理ガスを含めた総流量であればよく、それに限るものではない。
また、第二処理ガス供給工程Ｓ２０４では、第一不活性ガス供給部と第二不活性ガス供給部それぞれから供給される不活性ガスとを合わせて総流量として表現したが、第二処理ガスを含めた総流量であればよく、それに限るものではない。
第一パージ工程Ｓ２０４、第二パージ工程Ｓ２０８では、第一不活性ガス供給部と第二不活性ガス供給部それぞれから供給される不活性ガスとを合わせて総流量として表現したが、不活性ガスの総流量であればよく、それに限るものではない。
（第二実施形態）
続いて第二実施形態について説明する。
第二実施形態では、パージ工程の動作が異なる。他の構成は第一実施形態と同様であるので説明を省略する。以下に、本実施形態のパージ工程の詳細を説明する。なお、本実施形態におけるパージ工程は、第一実施形態における第一パージ工程Ｓ２０４、第二パージ工程Ｓ２０８に相当する構成である。
本実施形態におけるパージ工程を、図１２、図１３を用いて説明する。
本実施形態のパージ工程は複数段階で行われる。具体的には、第一サブパージ工程Ｓ３０２と第二サブパージ工程Ｓ３０４が行われる。次に具体的な動作について説明する。
（第一サブパージ工程Ｓ３０２）
第一サブパージ工程Ｓ３０２を説明する。従来と同様に、処理空間２０５に不活性ガスを供給する。ここでは、第一不活性ガス供給部、第二不活性ガス供給部、第三ガス供給部から不活性ガスを供給し、処理空間２０５を高圧状態としている。
高圧状態とすることで、多くの不活性ガスが深溝上部に供給される。不活性ガスが深溝上部に滞留した副生成物に物理的にアタックし、副生成物を深溝外に吐き出す。
ここでは、例えば第一処理ガス供給工程Ｓ２０２よりも高い圧力とする。
よりよくは、基板に大量の不活性ガスを供給すると同時に処理空間２０５の雰囲気を排気することが望ましい。このようにすれば、深溝外に吐き出された副生成物を基板上に滞留させることがない。したがって、他の深溝に再び副生成物が入り込むことがない。
（第二サブパージ工程Ｓ３０４）
続いて第二サブパージ工程Ｓ３０４を説明する。第二サブパージ工程Ｓ３０４でも、処理空間２０５に不活性ガスを供給する。ここでは、第三ガス供給部からは不活性ガスの供給を停止し、第一不活性ガス供給部、第二不活性ガス供給部から不活性ガスを供給する。第三ガス供給部において不活性ガスの供給を停止する際は、バルブ２４５ｄを閉とする。
第一不活性ガス供給部、第二不活性ガス供給部から供給される不活性ガスの供給量を維持し、第三ガス供給部からの供給を停止するので、処理空間２０５の圧力は第一サブパージ工程Ｓ３０２よりも低くなる。
したがって、第一実施形態同様、処理空間２０５の圧力は深溝下部の圧力よりも低くなり、その結果深溝下部から処理空間２０５にかけて、ガス流れが形成される。本実施形態においては、第一サブパージ工程Ｓ３０２で深溝上部の副生成物を除去しているので、深溝下部に滞留した副生成物の移動を阻害するものがない。したがって、第一実施形態に比べ、より確実に深溝下部に存在する副生成物を除去できる。
ここで、本工程で第三ガス供給部２４５からの不活性ガス供給を停止する理由を説明する。第三ガス供給部２４５では、ガスの供給量をＭＦＣ２４５ｃ、バルブ２４５ｄを用いて制御している。
不活性ガスの流量を減らす方法として、ＭＦＣ２４５ｃを制御することが考えられる。ところが、不活性ガスの供給を停止する程度の量まで調整可能な高性能ＭＦＣは高額であり、さらには、例え実装できたとしても、圧力を調整するまでに時間がかかってしまう。
また、第三ガス供給部から不活性ガス供給しつつ、ＡＰＣ２６１ｃを制御して処理空間２０５の圧力を調整し、低圧とすることが考えられるが、こちらも圧力の調整に時間がかかる。
以上のような方法では、生産性が低下してしまう。
これに対して、本実施形態のように、バルブ２４５ｄを閉じる場合、短時間で処理空間２０５への不活性ガスの供給量を少なくできる。したがって、生産性を高くできる。
また、本工程では、少なくとも処理空間２０５の圧力を第一パージ工程３０２よりも低くできればよく、第一不活性ガス供給部、第二不活性ガス供給部からの不活性ガス供給を停止してもよい。
上述の実施形態では、基板上に主元素としてＳｉを含む膜を形成する例について説明したが、本発明はこのような態様に限定されない。すなわち、本発明は、Ｓｉの他、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ボロン（Ｂ）等の半金属元素を主元素として含む膜を基板上に形成する場合にも、好適に適用できる。また、本発明は、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属元素を主元素として含む膜を基板上に形成する場合にも、好適に適用できる。
１００ 基板
１０２ 絶縁膜
１０３ 犠牲膜
１０６ ホール
１１５ 副生成物
２００ 基板処理装置
２０５ 処理空間
２４３ 第一ガス供給部
２４４ 第二ガス供給部
２４５ 第三ガス供給部
２６１ 排気部

Claims (6)

  1. 少なくとも上部と下部とで構成される深溝を有する基板を、処理室内に備えられた基板支持部で支持する基板載置工程と、
    前記処理室に、処理ガスを供給して前記深溝の内側表面に層を形成する処理ガス供給工程と、
    前記処理室に連通され、バルブが設けられた少なくとも二本の不活性ガス供給管のうち、それぞれのバルブを開として前記処理室に不活性ガスを供給する第一サブパージ工程と、前記第一サブパージ工程の後、一方の前記不活性ガス供給管に設けられたバルブを開とし、他方の不活性ガス供給管に設けられたバルブを閉として、前記第一サブパージ工程の圧力よりも低い圧力とするよう、前記処理室に不活性ガスを供給する第二サブパージ工程とを行い、前記処理ガス供給工程にて前記深溝の内側空間に生成された副生成物を排出するパージ工程と
    を有する半導体装置の製造方法。
  2. 前記パージ工程では、不活性ガスを供給しつつ、前記処理室から雰囲気を排気する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記処理ガス供給工程における不活性ガス供給量は、前記パージ工程における不活性ガス供給量よりも少ない請求項１または請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記第一サブパージ工程では、前記処理室に不活性ガスを供給すると共に、前記処理室から雰囲気を排気する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 処理室内に備えられ、少なくとも上部と下部で構成される深溝を有する基板を載置する基板支持部と、
    前記処理室に処理ガスを供給するガス供給部と、
    前記処理室から雰囲気を排気する排気部と、
    前記処理室に連通され、バルブが設けられた少なくとも二本の不活性ガス供給管と、
    前記処理室に、処理ガスを供給して前記深溝の内側表面に層を形成する処理と、
    それぞれの前記バルブを開として前記処理室に不活性ガスを供給する処理と、その後、一方の前記バルブを開とし、他方の前記バルブを閉として、該処理の圧力よりも低い圧力とするよう、前記処理室に不活性ガスを供給する処理とを行い、前記層を形成する処理にて前記深溝の内側空間に生成された副生成物を排出するよう制御可能な制御部と
    を有する基板処理装置。
  6. 少なくとも上部と下部とで構成される深溝を有する基板を、処理室内に備えられた基板支持部で支持する手順と、
    前記処理室に、処理ガスを供給して前記深溝の内側表面に層を形成する手順と、
    前記処理室に連通され、バルブが設けられた少なくとも二本の不活性ガス供給管のうち、それぞれのバルブを開として前記処理室に不活性ガスを供給する第一手順と、その後、一方の前記不活性ガス供給管に設けられたバルブを開とし、他方の不活性ガス供給管に設けられたバルブを閉として、前記第一手順の圧力よりも低い圧力とするよう、前記処理室に不活性ガスを供給する第二手順とを行い、前記層を形成する手順にて前記深溝の内側空間に生成された副生成物を排出する手順と
    をコンピュータによって基板処理装置に実行させるプログラム。
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