JP6980624B2 - 半導体装置の製造方法、基板処理方法、基板処理装置およびプログラム - Google Patents
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Description
(a)表面に凹部が形成された基板に対してシリコンと炭素とで構成される環状構造およびハロゲンを含む原料を供給する工程と、前記基板に対して窒化剤を供給する工程と、を非同時に行うサイクルを所定回数行うことで、前記凹部内を埋め込むように、前記環状構造および窒素を含む第1膜を形成する工程と、
(b)前記基板に対して第1酸化剤を供給することで、前記第1膜を、前記環状構造および酸素を含む第2膜に変換させる工程と、
(c)前記基板に対して第2酸化剤を供給することで、前記第2膜を、シリコンおよび酸素を含み炭素および窒素非含有の第3膜に変換させる工程と、
を行う技術が提供される。
以下、本発明の一実施形態について、図1〜図5を用いて説明する。
図1に示すように、処理炉202は加熱機構(温度調整部)としてのヒータ207を有する。ヒータ207は円筒形状であり、保持板に支持されることにより垂直に据え付けられている。ヒータ207は、ガスを熱で活性化(励起)させる活性化機構(励起部)としても機能する。
上述の基板処理装置を用い、半導体装置の製造工程の一工程として、表面にトレンチやホール等の凹部が形成された基板としてのウエハ200上に第1膜としてのSiCN膜を形成し、SiCN膜を第2膜としてのSiOC(N)膜に変換し、SiOC(N)膜を第3膜としてのSiO膜に変換するシーケンス例について、主に、図4、図6(A)〜図6(F)を用いて説明する。以下の説明において、基板処理装置を構成する各部の動作はコントローラ121により制御される。
表面に凹部が形成されたウエハ200に対して、SiとCとで構成される環状構造およびハロゲンとしてのClを含む原料としてTCDSCBガスを供給するステップ1と、ウエハ200に対して窒化剤としてNH3ガスを供給するステップ2と、を非同時に行うサイクルを所定回数行うことで、凹部内を埋め込むように、SiとCとで構成される環状構造およびNを含む第1膜を形成する成膜ステップ(図6(A)〜図6(C))と、
ウエハ200に対して、第1酸化剤としてH2Oガスを供給することで、第1膜を、SiとCとで構成される環状構造およびOを含む第2膜に変換させるH2Oアニールステップ(図6(D))と、
ウエハ200に対して、第2酸化剤としてプラズマ励起させたO2ガスを供給することで、第2膜を、SiおよびOを含みCおよびN非含有の第3膜に変換させるプラズマ酸化ステップ(図6(F))と、
を行う。
複数枚のウエハ200がボート217に装填(ウエハチャージ)される。その後、図1に示すように、複数枚のウエハ200を支持したボート217は、ボートエレベータ115によって持ち上げられて処理室201内へ搬入(ボートロード)される。この状態で、シールキャップ219は、Oリング220を介して反応管203の下端をシールした状態となる。
処理室201内、すなわち、ウエハ200が存在する空間が所望の圧力(真空度)となるように、真空ポンプ246によって真空排気(減圧排気)される。この際、処理室201内の圧力は圧力センサ245で測定され、この測定された圧力情報に基づきAPCバルブ244がフィードバック制御される。また、処理室201内のウエハ200が所望の処理温度となるように、ヒータ207によって加熱される。この際、処理室201内が所望の温度分布となるように、温度センサ263が検出した温度情報に基づきヒータ207への通電具合がフィードバック制御される。また、回転機構267によるウエハ200の回転を開始する。真空ポンプ246の稼働、ウエハ200の加熱および回転は、いずれも、少なくともウエハ200に対する処理が終了するまでの間は継続して行われる。
その後、以下のステップ1及びステップ2を順次実施する。
このステップでは、処理室201内に収容された、図6(A)に示すような表面に凹部が形成されたウエハ200に対して、原料としてTCDSCBガスを供給する。具体的には、バルブ243aを開き、ガス供給管232a内へTCDSCBガスを流す。TCDSCBガスは、MFC241aにより流量調整され、ノズル249aを介して処理室201内へ供給され、排気管231から排気される。このとき、ウエハ200に対してTCDSCBガスが供給される。このときバルブ243c,243dを開き、ガス供給管232c,232d内へN2ガスを流すようにしてもよい。
処理温度:200〜400℃、好ましくは250〜350℃
処理圧力:1〜20Torr(133〜2666Pa)
TCDSCBガス供給流量:1〜2000sccm
N2ガス供給流量(各ガス供給管):0〜10000sccm
各ガス供給時間:1〜120秒、好ましくは5〜60秒
が例示される。
ステップ1が終了した後、処理室201内のウエハ200、すなわち、ウエハ200上に形成された第1層に対して、窒化剤としてNH3ガスを供給する。具体的には、バルブ243b〜243dの開閉制御を、ステップ1におけるバルブ243a,243c,243dの開閉制御と同様の手順で行う。NH3ガスは、MFC241bにより流量調整され、ノズル249bを介して処理室201内へ供給され、排気管231から排気される。このとき、ウエハ200に対してNH3ガスが供給される。
処理温度:200〜400℃、好ましくは250〜350℃
処理圧力:1〜30Torr(133〜3999Pa)
NH3ガス供給流量:100〜10000sccm
ガス供給時間:1〜120秒
が例示される。他の処理条件は、ステップ1における処理条件と同様とする。
ステップ1およびステップ2を非同時に、すなわち、同期させることなく交互に行うサイクルを所定回数(n回、nは1以上の整数)行うことにより、ウエハ200上に、第1膜として、SiとCとで構成される環状構造およびNを含む膜であるSiCN膜が形成される。このSiCN膜は、Si、C、およびNを含みO非含有の膜となる。図6(C)に示すように、第1膜は、ウエハ200の表面に形成された凹部内を埋め込むように形成され、シームやボイドを有するSiCN膜となる。上述のサイクルは、複数回繰り返すのが好ましい。
成膜ステップが終了した後、ガス供給管232c,232dのそれぞれからN2ガスを処理室201内へ供給し、排気管231から排気する。これにより、処理室201内がパージされ、処理室201内に残留するガスや反応副生成物等が処理室201内から除去される。
成膜ステップが終了し、処理室201内のパージが終了した後、成膜処理後のウエハ200を処理室201内に収容した状態で、処理室201内のウエハ200、すなわち、ウエハ200上に形成された第1膜としてのSiCN膜に対して、第1酸化剤としてH2Oガスを供給する。具体的には、バルブ243e,243c,243dの開閉制御を、ステップ1におけるバルブ243a,243c,243dの開閉制御と同様の手順で行う。H2Oガスは、MFC241eにより流量調整され、ノズル249bを介して処理室201内へ供給され、排気管231から排気される。このとき、ウエハ200に対してH2Oガスが供給される。
処理温度:250〜600℃、好ましくは250〜500℃
処理圧力:1333〜101325Pa、好ましくは53329〜101325Pa
H2Oガス供給流量:100〜10000sccm
供給時間:10〜360分、好ましくは60〜360分
が例示される。他の処理条件は、ステップ1における処理条件と同様とする。
H2Oアニールステップが終了した後、H2Oアニール処理後のウエハ200を処理室201内に収容した状態で、処理室201内のウエハ200、すなわち、ウエハ200上に形成された第2膜に対してN2ガスを供給する。具体的には、N2ガスは、MFC241c,241dにより流量調整され、ノズル249a,249bを介してそれぞれ処理室201内へ供給され、排気管231から排気される。このとき、ウエハ200に対してN2ガスが供給される。
処理温度:300〜700℃、好ましくは400〜700℃
処理圧力:67〜101325Pa
N2ガス供給流量:1000〜5000sccm
供給時間:10〜120分
が例示される。
N2アニールステップが終了した後、N2アニール処理後のウエハ200を処理室201内に収容した状態で、処理室201内のウエハ200、すなわち、ウエハ200上に形成された水分除去後の第2膜に対してプラズマ励起させたO2ガス(O2 *)を供給する。具体的には、バルブ243f,243c,243dの開閉制御を、ステップ1におけるバルブ243a,243c,243dの開閉制御と同様の手順で行う。O2ガスは、MFC241fにより流量調整され、プラズマ発生機構270によりプラズマ励起されてノズル249bを介して処理室201内へ供給され、排気管231から排気される。このとき、ウエハ200に対してO2 *が供給される。
処理温度:室温(25℃)〜700℃、好ましくは室温(25℃)〜300℃
処理圧力:10〜1000Pa、好ましくは10〜500Pa
O2ガス供給流量:100〜10000sccm
N2ガス供給流量:0〜20000sccm
RF電力:50〜1000W
が例示される。
プラズマ酸化ステップが終了した後、ガス供給管232c,232dのそれぞれからN2ガスを処理室201内へ供給し、排気管231から排気する。これにより、処理室201内がパージされ、処理室201内に残留するガスや反応副生成物等が処理室201内から除去される(アフターパージ)。その後、処理室201内の雰囲気が不活性ガスに置換され(不活性ガス置換)、処理室201内の圧力が常圧に復帰される(大気圧復帰)。
その後、ボートエレベータ115によりシールキャップ219が下降され、反応管203の下端が開口されるとともに、処理済のウエハ200が、ボート217に支持された状態で、反応管203の下端から反応管203の外部に搬出(ボートアンロード)される。処理済のウエハ200は、反応管203の外部に搬出された後、ボート217より取り出される(ウエハディスチャージ)。
本実施形態によれば、以下に示す1つ又は複数の効果が得られる。
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。但し、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
処理温度:80〜450℃、好ましくは250〜450℃
処理圧力:70000〜100000Pa
H2O2ガス+H2Oガスの合計供給流量:1〜10sccm
O2ガス(キャリアガス)供給流量:0〜20000sccm
が例示される。なお、本ステップでは、H2OガスやO2ガスを非供給としてもよい。すなわち、本ステップでは、H2O2ガスを単独で供給してもよいし、O2ガスを非供給としてH2O2ガスとH2Oガスとを供給してもよいし、H2Oガスを非供給としてH2O2ガスとO2ガスとを供給してもよい。他の処理条件は、上述の実施形態における処理条件と同様とすることができる。
H2O2酸化ステップにおける処理温度:300〜450℃
すなわち、いずれの場合も処理温度を300℃以上とすることで、SiOC(N)膜中の水分を脱離させて除去することが可能となる。
サンプル1として、図1に示す基板処理装置を用い、図4に示す基板処理シーケンスにより、ウエハ上の凹部内にSiO膜を形成した。処理条件は、上述の実施形態における処理条件範囲内の所定の条件とした。サンプル1を作製する際、プラズマ酸化ステップ前とプラズマ酸化ステップ後のそれぞれの膜のSi,O,C,Nの原子濃度をX線光電子分光法(XPS)により測定した。図7(A)は、サンプル1のプラズマ酸化ステップ前の凹部内に形成された膜のSi,O,C,Nの原子濃度すなわち組成比を示す図である。図7(B)は、サンプル1のプラズマ酸化ステップ後の凹部内に形成された膜のSi,O,C,Nの原子濃度すなわち組成比を示す図である。
サンプル2を作製する際、H2O2酸化処理前と、H2O2酸化処理後のそれぞれの膜のSi,O,C,Nの原子濃度をXPSにより測定した。図7(C)は、サンプル2のH2O2酸化処理前の凹部内に形成された膜のSi,O,C,Nの原子濃度すなわち組成比を示す図である。図7(D)は、サンプル2のH2O2酸化処理後の凹部内に形成された膜のSi,O,C,Nの原子濃度すなわち組成比を示す図である。
以下、好ましい態様について付記する。
本発明の一態様によれば、
(a)表面に凹部が形成された基板に対してシリコンと炭素とで構成される環状構造およびハロゲンを含む原料を供給する工程と、前記基板に対して窒化剤を供給する工程と、を非同時に行うサイクルを所定回数行うことで、前記凹部内を埋め込むように、前記環状構造および窒素を含む第1膜を形成する工程と、
(b)前記基板に対して第1酸化剤を供給することで、前記第1膜を、前記環状構造および酸素を含む第2膜に変換させる工程と、
(c)前記基板に対して第2酸化剤を供給することで、前記第2膜を、シリコンおよび酸素を含み炭素および窒素非含有の第3膜に変換させる工程と、
を有する半導体装置の製造方法、または、基板処理方法が提供される。
付記1に記載の方法であって、
前記第1膜はシームおよびボイドのうち少なくともいずれかを有し、(b)において前記第1膜を前記第2膜に変換させる際に生じさせる増膜により、前記シームおよび前記ボイドのうち少なくともいずれかを消滅させる。
付記1または2に記載の方法であって、
(a)を、前記原料に含まれる前記環状構造が保持される条件下で行い、
(b)を、前記第1膜に含まれる前記環状構造が保持される条件下で行い、
(c)を、前記第2膜に含まれる前記環状構造が破壊される条件下で行う。
付記1〜3のいずれか1項に記載の方法であって、好ましくは、
前記環状構造はSi−C結合を含み、
(a)を、前記原料に含まれるSi−C結合が保持される条件下で行い、
(b)を、前記第1膜に含まれるSi−C結合が保持される条件下で行い、
(c)を、前記第2膜に含まれるSi−C結合が切断される条件下で行う。
付記1〜4のいずれか1項に記載の方法であって、好ましくは、
(b)を第1条件下で行い、(c)を前記第1条件とは異なる第2条件下で行う。
付記1〜5のいずれか1項に記載の方法であって、好ましくは、
(b)を第1酸化条件下で行い、(c)を前記第1酸化条件下よりも酸化力が高くなる第2酸化条件下で行う。
付記1〜6のいずれか1項に記載の方法であって、好ましくは、
前記第2酸化剤は、前記第1酸化剤とは、分子構造(化学構造)が異なる。
付記1〜7のいずれか1項に記載の方法であって、好ましくは、
前記第2酸化剤は、同一条件下で酸化処理を行った場合に、前記第1酸化剤よりも、高い酸化力を有する。
付記1〜8のいずれか1項に記載の方法であって、好ましくは、
前記第1酸化剤は、H2Oガスを含み、
前記第2酸化剤は、プラズマ励起させたO2ガス、O3ガス、O3ガス+O2ガス、O2ガス+H2ガス、H2O2ガス、H2O2ガス+H2Oガス、H2O2ガス+H2Oガス+O2ガスのうち少なくともいずれかを含む。
付記1〜9のいずれか1項に記載の方法であって、好ましくは、
(b)では、前記第1膜に含まれる窒素を酸素に置換させ、
(c)では、前記第2膜に含まれる炭素、または、炭素および窒素を脱離させる。
付記1〜10のいずれか1項に記載の方法であって、好ましくは、
(b)では、前記第1膜に含まれる前記環状構造を保持しつつ、前記第1膜に含まれる窒素を酸素に置換させ、
(c)では、前記第2膜に含まれる前記環状構造を破壊しつつ、前記第2膜に含まれる炭素、または、炭素および窒素を脱離させる。
付記1〜11のいずれか1項に記載の方法であって、好ましくは、
前記環状構造はSi−C結合を含み、
(b)では、前記第1膜に含まれるSi−C結合を保持しつつ、前記第1膜に含まれる窒素を酸素に置換させ、
(c)では、前記第2膜に含まれるSi−C結合を切断しつつ、前記第2膜に含まれる炭素、または、炭素および窒素を脱離させる。
付記1〜12のいずれか1項に記載の方法であって、好ましくは、
前記第1膜は前記ハロゲンを更に含み、
(b)では、前記第1膜に含まれる前記ハロゲンを脱離させる。
付記1〜13のいずれか1項に記載の方法であって、好ましくは、
前記第2膜は水分を含み、
(d)前記第2膜に含まれる水分を脱離させる工程を更に有する。
付記14に記載の方法であって、好ましくは、
(a)、(b)、(d)を、この順に、同一処理室内で(in−situにて)行った後、(c)を行う。
付記14に記載の方法であって、好ましくは、
(c)および(d)を同時に行い、
(a)、(b)、(c)および(d)を、この順に、同一処理室内で(in−situにて)行う。
本発明の他の態様によれば、
基板が処理される処理室と、
前記処理室内の基板に対してシリコンと炭素とで構成される環状構造およびハロゲンを含む原料を供給する原料供給系と、
前記処理室内の基板に対して窒化剤を供給する窒化剤供給系と、
前記処理室内の基板に対して第1酸化剤を供給する第1酸化剤供給系と、
前記処理室内の基板に対して第2酸化剤を供給する第2酸化剤供給系と、
前記処理室内において、付記1の各処理(各工程)を行わせるように、前記原料供給系、前記窒化剤供給系、前記第1酸化剤供給系、および前記第2酸化剤供給系を制御するよう構成される制御部と、
を有する基板処理装置が提供される。
本発明のさらに他の態様によれば、
基板処理装置の処理室内において、付記1の各手順(各工程)をコンピュータによって前記基板処理装置に実行させるプログラム、または、該プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体が提供される。
Claims (19)
- (a)表面に凹部が形成された基板に対してシリコンと炭素とで構成される環状構造およびハロゲンを含む原料を供給する工程と、前記基板に対して窒化剤を供給する工程と、を非同時に行うサイクルを所定回数行うことで、前記凹部内を埋め込むように、前記環状構造および窒素を含む第1膜を形成する工程と、
(b)前記基板に対して第1酸化剤を供給することで、前記第1膜を、前記環状構造および酸素を含む第2膜に変換させる工程と、
(c)前記基板に対して第2酸化剤を供給することで、前記第2膜に含まれる炭素を脱離させて、前記第2膜を、シリコンおよび酸素を含み炭素および窒素非含有の第3膜に変換させる工程と、
を有する半導体装置の製造方法。 - 前記第1膜はシームおよびボイドのうち少なくともいずれかを有し、(b)において前記第1膜を前記第2膜に変換させる際に生じさせる増膜により、前記シームおよび前記ボイドのうち少なくともいずれかを消滅させる請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- (a)を、前記原料に含まれる前記環状構造が保持される条件下で行い、
(b)を、前記第1膜に含まれる前記環状構造が保持される条件下で行い、
(c)を、前記第2膜に含まれる前記環状構造が破壊される条件下で行う請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記環状構造はSi−C結合を含み、
(a)を、前記原料に含まれるSi−C結合が保持される条件下で行い、
(b)を、前記第1膜に含まれるSi−C結合が保持される条件下で行い、
(c)を、前記第2膜に含まれるSi−C結合が切断される条件下で行う請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 - (b)を第1条件下で行い、(c)を前記第1条件とは異なる第2条件下で行う請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- (b)を第1酸化条件下で行い、(c)を前記第1酸化条件下よりも酸化力が高くなる第2酸化条件下で行う請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2酸化剤は、前記第1酸化剤とは、分子構造が異なる請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2酸化剤は、同一条件下で酸化処理を行った場合に、前記第1酸化剤よりも、高い酸化力を有する請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1酸化剤は、H 2 Oガスを含み、
前記第2酸化剤は、プラズマ励起させたO 2 ガス、O 3 ガス、O 3 ガス+O 2 ガス、O 2 ガス+H 2 ガス、H 2 O 2 ガス、H 2 O 2 ガス+H 2 Oガス、H 2 O 2 ガス+H 2 Oガス+O 2 ガスのうち少なくともいずれかを含む請求項1〜8のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 - (b)では、前記第1膜に含まれる窒素を酸素に置換させ、
(c)では、前記第2膜に含まれる炭素、または、炭素および窒素を脱離させる請求項1〜9のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 - (b)では、前記第1膜に含まれる前記環状構造を保持しつつ、前記第1膜に含まれる窒素を酸素に置換させ、
(c)では、前記第2膜に含まれる前記環状構造を破壊しつつ、前記第2膜に含まれる炭素、または、炭素および窒素を脱離させる請求項1〜10のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記環状構造はSi−C結合を含み、
(b)では、前記第1膜に含まれるSi−C結合を保持しつつ、前記第1膜に含まれる窒素を酸素に置換させ、
(c)では、前記第2膜に含まれるSi−C結合を切断しつつ、前記第2膜に含まれる炭素、または、炭素および窒素を脱離させる請求項1〜11のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第1膜は前記ハロゲンを更に含み、
(b)では、前記第1膜に含まれる前記ハロゲンを脱離させる請求項1〜12のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第2膜は水分を含み、
(d)前記第2膜に含まれる水分を脱離させる工程を更に有する請求項1〜13のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 - (a)、(b)、(d)を、この順に、同一処理室内で行った後、(c)を行う請求項14に記載の半導体装置の製造方法。
- (c)および(d)を同時に行い、
(a)、(b)、(c)および(d)を、この順に、同一処理室内で行う請求項14に記載の半導体装置の製造方法。 - (a)表面に凹部が形成された基板に対してシリコンと炭素とで構成される環状構造およびハロゲンを含む原料を供給する工程と、前記基板に対して窒化剤を供給する工程と、を非同時に行うサイクルを所定回数行うことで、前記凹部内を埋め込むように、前記環状構造および窒素を含む第1膜を形成する工程と、
(b)前記基板に対して第1酸化剤を供給することで、前記第1膜を、前記環状構造および酸素を含む第2膜に変換させる工程と、
(c)前記基板に対して第2酸化剤を供給することで、前記第2膜に含まれる炭素を脱離させて、前記第2膜を、シリコンおよび酸素を含み炭素および窒素非含有の第3膜に変換させる工程と、
を有する基板処理方法。 - 基板が処理される処理室と、
前記処理室内の基板に対してシリコンと炭素とで構成される環状構造およびハロゲンを含む原料を供給する原料供給系と、
前記処理室内の基板に対して窒化剤を供給する窒化剤供給系と、
前記処理室内の基板に対して第1酸化剤を供給する第1酸化剤供給系と、
前記処理室内の基板に対して第2酸化剤を供給する第2酸化剤供給系と、
前記処理室内において、(a)表面に凹部が形成された基板に対して前記原料を供給する処理と、前記基板に対して前記窒化剤を供給する処理と、を非同時に行うサイクルを所定回数行うことで、前記凹部内を埋め込むように、前記環状構造および窒素を含む第1膜を形成する処理と、(b)前記基板に対して前記第1酸化剤を供給することで、前記第1膜を、前記環状構造および酸素を含む第2膜に変換させる処理と、(c)前記基板に対して前記第2酸化剤を供給することで、前記第2膜に含まれる炭素を脱離させて、前記第2膜を、シリコンおよび酸素を含み炭素および窒素非含有の第3膜に変換させる処理と、を行わせるように、前記原料供給系、前記窒化剤供給系、前記第1酸化剤供給系、および前記第2酸化剤供給系を制御することが可能なよう構成される制御部と、
を有する基板処理装置。 - 基板処理装置の処理室内において、
(a)表面に凹部が形成された基板に対してシリコンと炭素とで構成される環状構造およびハロゲンを含む原料を供給する手順と、前記基板に対して窒化剤を供給する手順と、を非同時に行うサイクルを所定回数行うことで、前記凹部内を埋め込むように、前記環状構造および窒素を含む第1膜を形成する手順と、
(b)前記基板に対して第1酸化剤を供給することで、前記第1膜を、前記環状構造および酸素を含む第2膜に変換させる手順と、
(c)前記基板に対して第2酸化剤を供給することで、前記第2膜に含まれる炭素を脱離させて、前記第2膜を、シリコンおよび酸素を含み炭素および窒素非含有の第3膜に変換させる手順と、
をコンピュータによって前記基板処理装置に実行させるプログラム。
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