JP7040257B2

JP7040257B2 - 成膜装置、及び成膜方法

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Publication number: JP7040257B2
Application number: JP2018084311A
Authority: JP
Inventors: 秀臣羽根; 健太郎大下; 志門大槻; 峻史小山; 寛晃池川
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2018-04-25
Filing date: 2018-04-25
Publication date: 2022-03-23
Anticipated expiration: 2038-04-25
Also published as: JP2019192793A

Description

本開示は、成膜装置、及び成膜方法に関する。

半導体装置の製造工程においては、表面に凹部が形成された半導体ウエハ（以下「ウエハ」ともいう）などの基板に対して成膜用のガスを供給し、当該ガスを反応させて前記凹部内に膜を形成する成膜処理を行う場合がある。

例えば特許文献１には、被処理基板に成膜原料を吸着させる第１工程と、ＮＨ_３ガスを供給して成膜原料を窒化させる第２工程と、を繰り返して凹部内に窒化膜を形成する窒化膜の形成方法が記載されている。この窒化膜の形成方法においては、第２工程を実施する際にＮＨ_３ガスの吸着を阻害する吸着阻害ガスとしてラジカル化したＨ_２ガスを供給する。吸着阻害ガスは、従来、トレンチの間口の方が底部よりも厚くなっていた膜厚を均一化して、凹部内に埋め込まれる窒化膜にボイドやシームが形成されることを抑える役割を果たす。

特開２０１７－１３９４５１号公報

本開示は、ケイ素及び酸素を含有する上層膜に形成され、シリコン下地が露出した凹部内に、側面よりも底部の方が厚い膜厚を有する窒化ケイ素膜を成膜する技術を提供する。

本開示の成膜装置は、基板に対して窒化ケイ素膜を成膜する成膜装置において、
真空容器内に設けられると共に、シリコン下地と、その上層側に積層され、ケイ素及び酸素を含有する上層膜とを含み、当該上層膜には底部側に前記シリコン下地を露出させ、開口幅が３０～５０ｎｍの範囲内、アスペクト比が５～１０の範囲内である凹部が形成されている構造体を含んだ基板が載置され、回転軸周りに回転して前記基板を公転させるための回転テーブルと、
前記回転テーブルに載置されて公転する基板に対し、ケイ素を含む原料ガスの供給が行われる原料ガス供給領域と、
前記原料ガス供給領域から雰囲気が区画されていると共に、前記原料ガス供給領域に対して回転テーブルの周方向に離れた位置に配置され、前記基板に原料ガスが吸着して形成される層を窒化する窒化ガスであるＮＨ _３ガス単独の供給が行われる窒化ガス供給領域と、
マイクロ波により前記窒化ガスを活性化するためのプラズマ発生部と、を備え、
前記原料ガスの吸着と前記窒化ガスによる前記窒化とを互いに続けて実施することを繰り返して前記窒化ケイ素膜を形成するにあたり、前記凹部の側面に成膜される窒化ケイ素膜の膜厚よりも、当該凹部の底部側に露出したシリコン下地上に成膜される窒化ケイ素膜の膜厚の方が厚い状態となる公転速度にて基板を公転させるように前記回転テーブルの回転速度が設定されていることを特徴とする。

本開示は、ケイ素及び酸素を含有する上層膜に形成され、シリコン下地が露出した凹部内に、側面よりも底部の方が厚い膜厚を有する窒化ケイ素膜を成膜することができる。

ウエハの処理の例を示す説明図である。実施形態に係る成膜装置の概略縦断側面図である。前記成膜装置の横断平面図である。成膜装置に設けられるガス給排気ユニットを下面側から見た平面図である。枚葉成膜装置を用いた成膜処理の一例を示すタイムチャートである。異なる材料に成膜されるＳｉＮ膜のインキュベーションタイムの違いを示す説明図である。

本開示に係る成膜装置１の実施形態について、図２の縦断側面図、図３の横断平面図を夫々参照しながら説明する。この成膜装置１は、シリコン基板である半導体ウエハＷの表面に、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）によってＳｉＮ膜を形成するものである。

ここで本例の成膜装置１にて処理されるウエハＷの構成、及び当該ウエハＷに対して実施される処理の例について図１を参照しながら説明しておく。
図１の（ａ）段階に示すように、ウエハＷは、シリコン基板であるシリコン下地６０１の表面に、ケイ素及び酸素を含有する上層膜であるＳｉＯ膜６０２が積層された構造となっている。このＳｉＯ膜６０２には凹部６００が形成され、当該凹部６００の底部には、シリコン下地６０１の上面が露出している。シリコン下地６０１と、凹部６００が形成されたＳｉＯ膜６０２との積層構造は、本例の構造体６に相当している。

上述の構造体６を含むウエハＷに対し、本例の成膜装置１を用いてＳｉＮ膜６０３を成膜する。この結果、同図の（ｂ）段階に示すように、凹部６００内を含むウエハＷの表面がＳｉＮ膜６０３によって覆われた状態となる。例えばＳｉＮ膜６０３は、エッチング処理時のハードマスクとして用いられる。

次いで同図の（ｃ）段階に示すように、ウエハＷの表面には、不図示の他の領域に形成された凹部などに埋め込まれる埋め込み材料６０４が成膜される。図１の（ｃ）段階には、埋め込み材料６０４としてＳｉＯ_２を成膜した例を示してある。

この後、同図の（ｄ）段階に示すように、不要な埋め込み材料６０４をドライエッチングなどの異方性エッチングにより除去する。このとき、ウエハＷの上面に形成されているＳｉＮ膜６０３や、凹部６００の底部に形成されたＳｉＮ膜６０３の一部は、ドライエッチングによって除去される。しかしながら、凹部６００の底部に形成されているＳｉＮ膜６０３が全て除去されると、シリコン下地６０１がドライエッチングによるダメージを受けてしまうおそれがあるという問題が新たに見出された。

以上に説明した課題に対応するため、本例の成膜装置１は、ウエハＷの上面や凹部６００の側面に形成されるＳｉＮ膜６０３の膜厚に比べて、凹部６００の底部に形成されるＳｉＮ膜６０３の膜厚が厚くなるように、不均一（non-conformal）な膜厚のＳｉＮ膜６０３を成膜する。このようなＳｉＮ膜６０３を成膜することにより、図１の（ｄ）段階に示すドライエッチングの際に凹部６００の底部にＳｉＮ膜６０３を残存させ、シリコン下地６０１を保護することが可能となる。

なお本明細書では、窒化ケイ素膜について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Ｓｉ_３Ｎ_４が含まれる。また、ＳｉＯ膜６０２を構成する酸化シリコンについてもＳｉ及びＯの化学量論比に関わらずＳｉＯと記載する。従ってＳｉＯとの記載には例えばＳｉＯ_２が含まれる。
以下、成膜装置１の構成について説明する。

成膜装置１の構成に関し、図中の符号１１は扁平な概ね円形の真空容器を示し、真空容器１１は側面及び底部を構成する容器本体１１Ａと、天板１１Ｂとにより構成されている。図中の符号１２は、真空容器１１内に水平に設けられる円形の回転テーブルを示している。図中の符号１２Ａは、回転テーブル１２の裏面中央を支持する支持部を示している。図中の符号１３は回転機構を示し、成膜処理中において支持部１２Ａを介して回転テーブル１２を、その周方向に平面視時計回りに回転させる。図中の符号Ｘは、回転テーブル１２の回転軸を表している。

回転テーブル１２の上面には、回転テーブル１２の周方向（回転方向）に沿って６つの円形の凹部１４が設けられており、各凹部１４に例えば１２インチウエハＷが収納される。つまり、回転テーブル１２の回転によって回転軸Ｘの周囲を公転するように、当該回転テーブル１２に各ウエハＷが載置される。図中の符号１５はヒーターを示し、ヒーター１５は真空容器１１の底部において同心円状に複数設けられ、回転テーブル１２に載置されたウエハＷを加熱する。図中の符号１６は真空容器１１の側壁に開口したウエハＷの搬送口を示し、搬送口１６は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。ウエハＷは、図示しない基板搬送機構により搬送され、搬送口１６を介して、真空容器１１の外部と凹部１４内との間で受け渡される。

回転テーブル１２上には、ガス給排気ユニット２（吸着領域Ｒ１）と、第１の改質領域Ｒ２と、反応領域Ｒ３と、第２の改質領域Ｒ４と、が、回転テーブル１２の回転方向の上流側から下流側に向かってこの順に設けられている。以下、ガス給排気ユニット２について、下面図である図４も参照しながら説明する。平面視したとき、ガス給排気ユニット２は、回転テーブル１２の中央側から周縁側に向かうにつれて回転テーブル１２の周方向に広がる扇状に形成されている。ガス給排気ユニット２の下面は、回転テーブル１２の上面と対向するように、当該上面と近接する位置に配置されている。

ガス給排気ユニット２の下面には、ガス吐出口２１、排気口２２及びパージガス吐出口２３が開口している。図中での識別を容易にするために、図４では、排気口２２及びパージガス吐出口２３を灰色に塗り潰して示してある。ガス吐出口２１は、ガス給排気ユニット２の下面の中央部に形成された扇状領域２４に多数配列されている。

このガス吐出口２１は、ＳｉＮ膜を形成するためのＳｉ（ケイ素）を含む原料ガスであるＤＣＳ（ジクロロシラン）ガスを下方側に向けてシャワー状に吐出する。回転テーブル１２上に載置された状態で公転する各ウエハＷが、前記扇状領域２４の下方側を通過すると、その表面全体に原料ガスが供給される。なお、シリコンを含む原料ガスとしてはＤＣＳに限られず、例えばヘキサクロロジシラン（ＨＣＤ）、テトラクロロシラン（ＴＣＳ）などを用いてもよい。

この扇状領域２４には、回転テーブル１２の中央側から回転テーブル１２の周縁側に向けて、３つの区域２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃが設定されている。各区域２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃに設けられるガス吐出口２１が、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２の内部には互いに区画された図示しないガス流路が設けられている。

互いに区画されたガス流路の各上流側は、各々、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を備えた配管を介してＤＣＳガスの供給源に接続されている。なお、ガス供給機器、配管及びＤＣＳガスの供給源は図示を省略する。

排気口２２及びパージガス吐出口２３は、扇状領域２４を囲んだ状態で、ガス給排気ユニット２の下面の周縁に環状に開口している。また、パージガス吐出口２３は排気口２２の外側に位置するように配置されている。回転テーブル１２上における排気口２２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（原料ガス供給領域）Ｒ１を構成する。排気口２２には図示しない排気装置が接続され、パージガス吐出口２３には図示しないパージガス例えばＡｒ（アルゴン）ガスの供給源が接続されている。

成膜処理中において、ガス吐出口２１からの原料ガスの吐出、排気口２２からの排気、及びパージガス吐出口２３からのパージガスの吐出は並行して実施される。それによって、回転テーブル１２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１２の上面を排気口２２へと向かい、当該排気口２２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Ｒ１の雰囲気は外部の雰囲気から区画され、当該吸着領域Ｒ１に限定的に原料ガスを供給することができる。

この構成によれば、吸着領域Ｒ１に供給されるＤＣＳガスと、後述するプラズマ形成ユニット３Ｂによって吸着領域Ｒ１の外部に供給される反応ガス（ＮＨ_３ガスやＨ_２ガス）や当該ガスの活性種と、が混合されることを抑えることができる。この結果、公転するウエハＷの表面に、原料ガス（ＤＣＳガス）と反応ガスとを交互に供給することが可能となるので、ウエハＷに対してＡＬＤによる成膜処理を行うことができる。また、前記パージガスは吸着領域Ｒ１の下方側の雰囲気と、その外部の雰囲気とを区画する役割の他、ウエハＷに過剰に吸着したＤＣＳガスを除去する役割も有する。

吸着領域Ｒ１から区画された外部の雰囲気には、既述の第１の改質領域Ｒ２、反応領域Ｒ３及び第２の改質領域Ｒ４が設けられている。第１の改質領域Ｒ２、反応領域Ｒ３及び第２の改質領域Ｒ４には、夫々の領域に存在するガスを活性化するための第１のプラズマ形成ユニット３Ａ、第２のプラズマ形成ユニット３Ｂ、第３のプラズマ形成ユニット３Ｃが設けられている。第２のプラズマ形成ユニット３ＢはＮＨ_３ガスをプラズマ化するためのプラズマ発生部に相当する。なお、窒化ガスとしては、プラズマ化した窒素と水素との混合ガスを用いてもよい。

各プラズマ形成ユニット３Ａ～３Ｃを代表して、第２のプラズマ形成ユニット３Ｂの構成例について説明する。プラズマ形成ユニット３Ｂは、回転テーブル１２上に反応ガスを供給すると共に、この反応ガスにマイクロ波を供給して、回転テーブル１２上にプラズマを発生させる。図２に示すようにプラズマ形成ユニット３Ｂは、マイクロ波を供給するためのアンテナ３１を備えており、当該アンテナ３１は、誘電体板３２と金属製の導波管３３とを含む。

平面視したとき、誘電体板３２は、回転テーブル１２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１１の天板１１Ｂには上記の誘電体板３２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いる。当該貫通口の下端部の内周面は貫通口の中央部側へと若干突出して、支持部３４を形成している。上記の誘電体板３２はこの貫通口を上側から塞ぎ、回転テーブル１２に対向するように設けられ、誘電体板３２の周縁は支持部３４に支持されている。

導波管３３は誘電体板３２上に設けられており、回転テーブル１２の径方向に沿って延在する内部空間３５を備える。図２中の符号３６は、誘電体板３２に接するように設けられ、導波管３３の下部側を構成するスロット板を示し、スロット板３６は複数のスロット孔３６Ａを有している。なお、図３において、第２のプラズマ形成ユニット３Ｂでは、スロット孔３６Ａの記載を省略している。導波管３３は、回転テーブル１２の中央側の端部位置にて塞がれている。一方、導波管３３の回転テーブル１２の周縁側の端部には、マイクロ波発生器３７が接続されている。マイクロ波発生器３７は、例えば、約２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導波管３３に供給する。

図２、図３に示すように、第２のプラズマ形成ユニット３Ｂの下方側には、各々反応ガス（窒化ガス）であるＮＨ_３ガスを供給する反応ガスインジェクター４１１、４１２が設けられている。例えばこれらの反応ガスインジェクター４１１、４１２は、各々、平面視、扇形を成す誘電体板３２の径方向の辺に沿って設けられている。

これら反応ガスインジェクター４１１、４１２は、例えば先端側が閉じられた細長い管状体により構成さている。反応ガスインジェクター４１１、４１２は、真空容器１１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１２によって公転する各ウエハＷの通過領域と交差するように設けられている。また、反応ガスインジェクター４１１、４１２には、その長さ方向に沿って複数のガスの吐出口４０が互いに間隔を開けて形成されている。

さらに、第２のプラズマ形成ユニット３Ｂは、誘電体板３２の下面側に反応ガスであるＮＨ_３ガスを各々供給するガス吐出口４２を備えている。ガス吐出口４２は、上記の誘電体板３２の支持部３４に、例えば真空容器１１の側面側に周方向に沿って複数設けられている。これらのガス吐出口４２は、回転テーブルの周縁側から中央側に向かって各々反応ガスを吐出するように構成されている。この観点で、第２のプラズマ形成ユニット３Ｂの下方側の領域は、本例の窒化ガス供給領域に相当する。

図２、図３に示すように、例えば反応ガスインジェクター４１１、４１２は、ガス供給機器４３を備えた配管系を介してＮＨ_３ガス供給源４５に各々接続されている。またガス吐出口４２は、ガス供給機器４４を備えた配管系を介してＮＨ_３ガス供給源４５に各々接続されている。これらガス供給機器４３、４４は、ガス供給源４５から反応ガスインジェクター４１１、４１２及びガス吐出口４２へのＮＨ_３ガスの給断及び流量を各々制御できるように構成されている。なお、反応ガスインジェクター４１１、４１２、ガス吐出口４２は図示しないＡｒガスの供給源にも夫々接続されている。

反応領域Ｒ３に供給されるＮＨ_３ガスの流量が少なくなり過ぎると、後述する窒化処理の進行が遅くなり、成膜速度が小さくなる。またＮＨ_３ガスの供給量を多くし過ぎても、その量に見合う成膜速度が得られなくなり、コストの観点から得策ではない。更にまたこの実施形態ではＮＨ_３ガスの供給量を多くし過ぎると、第１の改質領域Ｒ２、第２の改質領域Ｒ４に拡散するＮＨ_３ガスの量が多くなり、膜の改質効果が低くなってしまう。このため、例えば反応領域Ｒ３に供給されるＮＨ_３ガスの流量は、０．０５リットル／分～４．０リットル／分が好ましい。

図３に示すように、回転テーブル１２の外方側であって、反応領域Ｒ３に臨む位置には排気口５１が設けられている。詳細には、排気口５１は、平面視、扇状である誘電体板３２の弧の中央に対応する位置であって、回転テーブル１２の外方側である真空容器１１（容器本体１１Ａ）の底部に上を向いて開口している。このように、排気口５１の開口部は、回転テーブル１２の下方側に位置している。
この排気口５１には排気装置５２が接続されている。排気装置５２による排気口５１からの排気量は調整自在であり、真空容器１１内には、この排気量に応じた圧力の真空雰囲気が形成される。

第１の改質領域Ｒ２には、第１のプラズマ形成ユニット３Ａが設けられ、第２の改質領域Ｒ４には、第３のプラズマ形成ユニット３Ｃが設けられている。ガス吐出口４２が設けられていない点を除いて、第１、第３のプラズマ形成ユニット３Ａ、３Ｃは、既述の第２のプラズマ形成ユニット３Ｂと同様に構成されている。

第１、第３のプラズマ形成ユニット３Ａ、３Ｃにより、夫々の改質領域Ｒ２、Ｒ４に存在する微量なＨ_２ガスが活性化される。この例では、第１及び第２の改質領域Ｒ２、Ｒ４に供給される微量なＨ_２ガスは、反応領域Ｒ３に供給されたＮＨ_３ガスが第２のプラズマ形成ユニット３Ｂにより励起されたことにより生成されるものである。

図２に示すように成膜装置１には、コンピュータからなる制御部１０が設けられており、制御部１０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１の各部に制御信号を送信して各部の動作を制御し、後述の成膜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１３による回転テーブル１２の回転速度、各ガス供給機器による各ガスの流量及び給断、排気装置５２による排気量、マイクロ波発生器３７からのアンテナ３１へのマイクロ波の給断、ヒーター１５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１５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５２による排気量の制御は、即ち真空容器１１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、光磁気ディスク、メモリカードなどの記憶媒体から制御部１０にインストールされる。

以下、成膜装置１による処理について説明する。先ず、外部の基板搬送機構によって、６枚のウエハＷを回転テーブル１２の各凹部１４に搬送する。次いで、ウエハＷの搬送口１６に設けられたゲートバルブを閉じて、真空容器１１内を気密にする。凹部１４に載置されたウエハＷは、ヒーター１５によって予め設定された温度に加熱される。そして、排気口５１からの排気量の調整によって、真空容器１１内を所定の圧力の真空雰囲気に設定すると共に、回転テーブル１２を例えば２～３０ｒｐｍの範囲内の２０ｒｐｍの回転速度で回転させる。吸着領域Ｒ１を最初に通過するウエハＷに着目すると、当該ウエハＷには、吸着領域Ｒ１にて供給されたＤＣＳガスが吸着する。

一方、反応領域Ｒ３では、第２のプラズマ形成ユニット３Ｂにおいて、反応ガスインジェクター４１１、４１２、ガス吐出口４２から、ＮＨ_３ガスを例えば合計１．０リットル／分の流量で吐出すると共に、Ａｒガスを合計１．０リットル／分の流量で吐出し、マイクロ波発生器３７からマイクロ波を供給する。導波管３３に供給されたマイクロ波は、スロット板３６のスロット孔３６Ａを通過して誘電体板３２に至り、この誘電体板３２の下方に吐出されたＮＨ_３ガスに供給されて、誘電体板３２の下方にてＮＨ_３ガスを活性化（励起）する。こうして、ＮＨ_３ガスが活性化されることにより、Ｎ（窒素）を含むラジカル等の活性種が生成する。

反応領域Ｒ３では、ＮＨ_３ガスは、反応ガスインジェクター４１１、４１２及びガス吐出口４２から吐出されるので、ＮＨ_３ガスは反応領域Ｒ３内に満遍なく供給される。そして、反応領域Ｒ３にてＮＨ_３ガスのプラズマ化により生成したＮを含む活性種や、ＮＨ_３イオンの大部分は、反応領域Ｒ３において、回転テーブル１２の外側に設けられた排気口５１に向けて流れていく。この例では、真空容器１１内において、吸着領域Ｒ１の外側の、第１の改質領域Ｒ２、反応領域Ｒ３及び第２の改質領域Ｒ４からなる広い領域の雰囲気は、反応領域Ｒ３の外方に設けられた共通の排気口５１から排気される。

回転テーブル１２の回転によって、前述の吸着領域Ｒ１を最初に通過したウエハＷが反応領域Ｒ３を通過すると、ウエハＷの表面にＮを含むラジカル等の活性種が供給される。これによって、ウエハＷの表面に吸着しているＤＣＳの層と活性種とが反応して窒化ケイ素物が生成され、ＳｉＮの層が形成される。

また、第１の改質領域Ｒ２及び第２の改質領域Ｒ４では、これらの領域Ｒ２、Ｒ４に流れ込んだＮＨ_３ガスの活性種に対して各マイクロ波発生器３７からのマイクロ波が供給されることにより、微量なＨ_２が生成、プラズマ化する。この結果得られたＨ_２の活性種により、ＳｉＮの層中の未結合手にＨを結合させて終端させる処理や、ＳｉＮの層に含まれるＣｌとＨとを反応させて除去する処理などの改質処理を行い、緻密で不純物の含有量が少ないＳｉＮを得ることができる。

一方、排気口５１の下流側の排気管に設けられた不図示の圧力調節弁などを用いた排気量調節により、真空容器１１内は例えば６６．５～６６５Ｐａ（０．５～５Ｔｏｒｒ）の範囲内の圧力に維持される。この圧力制御を行うための圧力計は例えば前記排気管に設けられる。

上述の成膜装置１の作用により、前記ウエハＷが吸着領域Ｒ１、第１の改質領域Ｒ２、反応領域Ｒ３、第２の改質領域Ｒ４をこの順番に繰り返し通過し、ＳｉＮの層が堆積されることによりＳｉＮ膜６０３が形成される（図１の（ｂ）段階）。また、回転テーブル１２に載置された他のウエハＷについても同様に、各領域Ｒ１～Ｒ４を繰り返し通過することによってＳｉＮ膜６０３が形成される。

上述の成膜処理においては、ウエハＷの面内で均一な厚さを保ちつつＳｉＮが堆積してＳｉＮ膜６０３を形成するわけではない。例えば特開２０１８－２２７１６（以下、「先行出願」ともいう）には、予め形成したＳｉＮ膜、及びＳｉＯ_２膜を下地膜とし、その上面にＳｉＮ膜を成膜する際に、ＳｉＮ膜の形成が開始されるまでのインキュベーションタイムが相違することを利用して、膜厚の異なるＳｉＮ膜を形成可能であることが記載されている。当該先行出願では、この現象を利用し、異なる下地膜上へのＳｉＮ膜の成膜と、薄いＳｉＮ膜のエッチング除去とを繰り返すことにより、膜厚差の大きなＳｉＮ膜を成膜している。

後述の実施例に予備実験の結果を示すように、本開示では、図１の（ａ）段階の構造体６にＳｉＮ膜６０３の成膜を行う場合においても、シリコン下地６０１とＳｉＯ膜６０２との間でインキュベーションタイムが異なるという新たに見出した知見を利用している。また、両材料を比較すると、シリコン下地６０１よりもＳｉＯ膜６０２のインキュベーションタイムが長くなることが新たに分かった。

そこで、図１の（ａ）段階の構造体６に対してＳｉＮ膜６０３の成膜を行えば凹部６００の底部に露出しているシリコン下地６０１にて相対的にインキュベーションタイムが短くなる。一方、その他のＳｉＯ膜６０２ではシリコン下地６０１よりもインキュベーションタイムが長くなる。
そこでこのインキュベーションタイムの違いを利用すれば、いかなる条件下でＳｉＮ膜６０３の成膜を行ったとしても、成膜の開始が早い凹部６００の底部側の膜厚が厚くなり、凹部６００側面では膜厚が相対的に薄いＳｉＮ膜６０３が得られるようにも思える。

しかしながら、開口幅が５０ｎｍ以下程度、好適には５０～３０ｎｍ程度である凹部６００においては、１回のサイクル（ＤＣＳの供給期間（原料ガス供給工程）、及び窒化ガスの期間（窒化ガス供給工程））が長いと、このサイクル中に形成されるＳｉＮの層も厚くなる傾向がある。この場合には、比較的少ないサイクル数にて凹部６００内がＳｉＮで埋まってしまうおそれが生じる。従って、図１の（ｂ）段階に示した例の如く、凹部６００の底部と側面とで膜厚が異なるＳｉＮ膜６０３を成膜することは容易ではない。

特に、既述の先行出願の段落００６８～００９２、図１３、１４に記載の縦型バッチ式成膜装置を用い、ＡＬＤ法によりＳｉＮ膜を成膜する場合には、１回のサイクルが１分以上になる場合もある。このため、１サイクル中に形成されるＳｉＮの層の厚さも過大となり、短時間の成膜処理で凹部６００内がＳｉＮによって埋まってしまうおそれが高くなる。

これに対して、図３、図４に示す成膜装置１は、回転テーブル１２を回転させ、吸着領域Ｒ１、反応領域Ｒ３に各ウエハＷを通過させることにより、ＳｉＮの層を形成するので、１サイクルを短時間で実行することができる。この結果、１サイクルの間に形成されるＳｉＮの層を薄くして、凹部６００が開口した状態を維持しつつ、凹部６００内を含む構造体６の表面にＳｉＮ膜６０３を形成可能な膜厚制御を行うことができる。
ここで、本例の成膜装置１の場合には、ウエハＷに形成されている構造体６の部分が、吸着領域Ｒ１へと進入し始める時点から、当該吸着領域Ｒ１、反応領域Ｒ３を通過して、次に吸着領域Ｒ１へと進入する直前までの期間を１サイクルと定めることができる。

さらに、マイクロ波を利用して活性化されたＮＨ_３ガスに含まれる活性種は、容量結合プラズマと比較して、イオンよりもラジカルの割合が多い。ラジカルの活性種は反応性が穏やかなため、凹部６００の底部まで進入しやすい。この結果、凹部６００の底部に露出しているシリコン下地６０１の表面に対しても十分な活性種を供給することができる。

これに対して活性種中において、反応性の高いイオンの割合が多いと、凹部６００の入口で短時間に活性種が消費されてしまいやすくなる場合もある。この場合には、凹部６００の入口近傍で厚く、底部側で薄いＳｉＮ膜６０３が形成されてしまうおそれもある。

この観点では、アスペクト比が５以下程度、好適には５～１０程度である凹部６００では、マイクロ波を利用してＮＨ_３ガスをプラズマ化することが好ましい。なお、ラジカルの割合が多いＮＨ_３ガスのプラズマ化手法は、マイクロ波に限定されるものではない。例えばＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna、「ＲＬＳＡ」は登録商標）を用いてＮＨ_３ガスをプラズマ化してもよい。

以上に検討したように、本例の成膜装置１は、インキュベーションタイムの違いを利用し、凹部６００の底部に露出しているシリコン下地６０１に対し、凹部６００の側面を構成しているＳｉＯ膜６０２よりも厚い膜厚のＳｉＮ膜６０３を形成するのに適した成膜処理を行う。
この点、本例の成膜装置１は、凹部６００の側面に成膜されるＳｉＮ膜６０３の膜厚よりも、当該凹部６００の底部側に成膜されるＳｉＮ膜６０３の膜厚の方が厚い状態となる公転速度にて各ウエハＷを公転させるように、回転テーブル１２の回転速度が設定されている。

より詳細には、ウエハＷに形成されている構造体６が吸着領域Ｒ１に進入を開始した時点から、１回転するまでの時間（１サイクルの時間）が３０秒以下、好適には２～３０秒の範囲内の時間となるように回転速度が設定されている。前記１サイクルの時間を回転テーブル１２の回転速度に換算すると２ｒｐｍ以上、好適には２０～３０ｒｐｍの範囲となる。

上述の回転速度に設定された回転テーブル１２を回転させてウエハＷを公転させ、吸着領域Ｒ１におけるＤＣＳの吸着、反応領域Ｒ３におけるＤＣＳの窒化を繰り返し実施する。この動作により、インキュベーションタイムが短いシリコン下地６０１の上面側にて先にＳｉＮ膜６０３が形成され、次第に膜厚が厚くなっていく。この時点では、凹部６００の側面などＳｉＯ膜６０２の表面ではＳｉＮの層が島状に形成されている状態に留まり、ＳｉＯ膜６０２の前面を覆うＳｉＮ膜６０３にはなっていない状態と考えられる。

さらに成膜処理を継続すると、インキュベーションタイムが長いＳｉＯ膜６０２の表面にもＳｉＮ膜６０３が成膜され、次第に膜厚が厚くなっていく。このとき、凹部６００の底部側では既にシリコン下地６０１上にＳｉＮ膜６０３が形成されているので、凹部６００内では側面よりも底部側の方が膜厚の厚い状態を維持しながら各領域へのＳｉＮ膜６０３の成膜が継続される。

そして、凹部６００内に所望の膜厚のＳｉＮ膜６０３が形成され、且つ、凹部６００が開口した状態が維持されている、予め設定されたタイミングにて、ＤＣＳガスの供給を停止し成膜処理を完了する。なお、ウエハＷに吸着した未反応のＤＣＳを処理するため、ＤＣＳガスの供給停止後もしばらくの間、ＮＨ_３の供給、プラズマ化は継続してもよい。

しかる後、ＮＨ_３ガスの供給停止、電力の供給停止、各プラズマ形成ユニット３Ａ～３Ｃへの電力の供給停止、ヒーター１５によるウエハＷの加熱停止、及び回転テーブル１２の回転停止を行い、成膜処理を終了する。しかる後、搬入時とは反対の手順で、成膜処理後のウエハＷを順次搬出し、次回の成膜処理の対象となるウエハＷの搬入を待つ。

上記の成膜装置１によれば、以下の効果がある。回転テーブル１２の回転速度を調節することにより、ＡＬＤの１サイクル中に形成されるＳｉＮの層の厚さが過大になることを抑制できる。これにより、微小な凹部６００内に形成されるＳｉＮ膜６０３の膜厚を高精度で調整することが可能となる。この結果、シリコン下地６０１とＳｉＯ膜６０２とのインキュベーションタイムの違いを利用して、当該凹部６００内の側面よりも底部の方が厚い膜厚を有するＳｉＮ膜６０３を成膜することができる。

ここで、凹部６００内に、側面よりも底部の方が厚い膜厚を有するＳｉＮ膜６０３を成膜可能な装置は、図３、図４を用いて説明した成膜装置１の例に限定されない。例えば真空容器内に固定された載置台上に１枚のウエハＷを載置し、当該真空容器内にＤＣＳガスとＮＨ_３ガスの活性種とを切り替えて供給する枚葉式の成膜装置（不図示）を用いてもよい。

上述の枚葉式成膜装置を用いる場合には、図５に示すように、真空容器内に残存するガスを排出するため、各ガスの供給後にパージガスの供給が行われる。この場合には、「ＤＣＳガス供給（原料ガス供給工程）→パージガス供給→ＮＨ_３ガス供給（窒化ガス供給工程）→パージガス供給」が１サイクルとなる。

上述の１サイクルの時間が３０秒以下、好適には２～３０秒の範囲内の時間となるように各ガスを切り替えながら供給する。特に、枚葉式成膜装置は、真空容器内の容積を小さく抑えることができるので、短時間でのガスの切り替えが可能となる。これにより、微小な凹部６００内に形成されるＳｉＮ膜６０３の膜厚を高精度で調整することが可能であり、インキュベーションタイムの違いを利用し、成膜位置によって膜厚が異なるＳｉＮ膜６０３を凹部６００内に形成することができる。

また、上述の各実施の形態では、構造体６のシリコン下地としてシリコン基板、その上層膜としてＳｉＯ膜６０２が積層されている例を挙げて説明したが、他の構成の構造体６へのＳｉＮ膜６０３の成膜も可能である。例えば、シリコン下地６０１はエピタキシ成長させたシリコン膜であってもよい。また、上層膜としては、ケイ素、酸素に加え、炭素、窒素を含有するＳｉＯＣＮ膜を採用することもできる。
以上に検討したように、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。

（実験１）
シリコン下地６０１とＳｉＯ膜６０２との間のインキュベーションタイム違いを確認する予備実験を行った。
Ａ．実験条件
（参考例１－１）ベアシリコン（未加工のシリコン基板）に対し、縦型バッチ式成膜装置を用い、成膜時間を変化させてＡＬＤを実行し、形成されたＳｉＮ膜の膜厚を測定した結果から、インキュベーションタイムを推定した。
（参考例１－２）ベアシリコン上に成膜されたＳｉＯ_２の上面にＳｉＮ膜を成膜した点を除き、参考例１－１と同様の実験を行った。

Ｂ．実験結果
参考例１－１、１－２の結果を図６に示す。図６の横軸は、成膜時間［秒］を示し、縦軸はＳｉＮ膜の膜厚［Å］を示している。また、参考例１－１の結果を黒塗りの丸印でプロットし、参考例１－２の結果を白抜きの丸印でプロットしてある。

図６に示した結果によれば、参考例１－１（ベアシリコン）、参考例１－２（ＳｉＯ_２）のいずれの材料の上面に成膜されたＳｉＮ膜についても成膜時間に対して直線状に膜厚が増加する関係が確認された。そこで、参考例１－１、１－２について、各々、最小二乗法により成膜時間－膜厚の相関関係を示す直線を求め、この直線を外挿し膜厚がゼロとなる時間（相関直線と横軸との交点）をインキュベーションタイムとした。

この結果によれば、ベアシリコン（シリコン下地６０１に相当する）上に成膜されるＳｉＮ膜のインキュベーションタイムは、約１２秒であった。一方、ＳｉＯ_２（ＳｉＯ膜６０２に相当する）上に成膜されるＳｉＮ膜のインキュベーションタイムは、約１２９秒であった。従って、シリコン下地６０１は、ＳｉＯ膜６０２よりもインキュベーションタイムが短いので、同じ時間だけＳｉＮ膜６０３の成膜を行うと、シリコン下地６０１側の膜厚の方が厚くなるといえる。

（実験２）
成膜装置１を用い、ウエハＷに形成された構造体６に対してＳｉＮ膜６０３を成膜し、凹部６００内の膜厚を調べた。
Ａ．実験条件
（実施例２）図１の（ａ）段階に記載の構造体６を含むウエハＷに対し、図３、図４を用いて説明した成膜装置１を用いてＳｉＮ膜６０３の成膜処理を行った。ウエハＷは、ベアシリコン（シリコン下地６０１）上にＳｉＯ_２膜（ＳｉＯ膜６０２）を成膜したものを用いた。このウエハＷには、構造体６として開口幅３０ｎｍ、アスペクト比５のラインアンドスペースパターンが形成されている。隣り合うライン間に形成されたスペース部分が凹部６００に相当している。１サイクルの時間は３秒（回転テーブル１２の回転速度は２０ｒｐｍ）、ウエハＷの加熱温度は４９５℃に設定して、ＡＬＤによる成膜処理を約４００秒間実施した。

Ｂ．実験結果
実施例２に凹部６００の側面、及び底部に形成されたＳｉＮ膜６０３の膜厚、及び「底部／側面」の膜厚比を表１に示す。
（表１）

表１に記載の実験結果によれば、実施の形態に係る成膜装置１を用いることにより、凹部６００の底部の方が、側面よりも２０％厚いＳｉＮ膜６０３を成膜することができた。なお、凹部６００の底部に露出したシリコン下地６０１の表面の一部は、ラインアンドスペースパターンの形成プロセスに起因するＳｉＯ_２によって覆われた状態となっていた。従って、このＳｉＯ_２を除去した状態で、ＳｉＮ膜６０３の成膜を行えば、凹部６００の底部側の膜厚がより厚くなって、側壁側のＳｉＮ膜６０３との膜厚差をより大きくすることができると考えられる。

Ｗウエハ
Ｒ１吸着領域
Ｒ３反応領域
１成膜装置
１１真空容器
１２回転テーブル
２給排気ユニット
３Ｂ第２のプラズマ形成ユニット
４１１、４１２
反応ガスインジェクター
４２ガス吐出口
５１排気口
６構造体
６００凹部
６０１シリコン下地
６０２ＳｉＯ膜
６０３ＳｉＮ膜

Claims

基板に対して窒化ケイ素膜を成膜する成膜装置において、
真空容器内に設けられると共に、シリコン下地と、その上層側に積層され、ケイ素及び酸素を含有する上層膜とを含み、当該上層膜には底部側に前記シリコン下地を露出させ、開口幅が３０～５０ｎｍの範囲内、アスペクト比が５～１０の範囲内である凹部が形成されている構造体を含んだ基板が載置され、回転軸周りに回転して前記基板を公転させるための回転テーブルと、
前記回転テーブルに載置されて公転する基板に対し、ケイ素を含む原料ガスの供給が行われる原料ガス供給領域と、
前記原料ガス供給領域から雰囲気が区画されていると共に、前記原料ガス供給領域に対して回転テーブルの周方向に離れた位置に配置され、前記基板に原料ガスが吸着して形成される層を窒化する窒化ガスであるＮＨ _３ガス単独の供給が行われる窒化ガス供給領域と、
マイクロ波により前記窒化ガスを活性化するためのプラズマ発生部と、を備え、
前記原料ガスの吸着と前記窒化ガスによる前記窒化とを互いに続けて実施することを繰り返して前記窒化ケイ素膜を形成するにあたり、前記凹部の側面に成膜される窒化ケイ素膜の膜厚よりも、当該凹部の底部側に露出したシリコン下地上に成膜される窒化ケイ素膜の膜厚の方が厚い状態となる公転速度にて基板を公転させるように前記回転テーブルの回転速度が設定されていることを特徴とする成膜装置。
前記構造体が、前記原料ガス供給領域へと進入し始める時点から、当該原料ガス供給領域、前記窒化ガス供給領域を通過して、次に前記原料ガス供給領域へと進入する直前までの期間を１サイクルとしたとき、
前記回転テーブルは、前記１サイクルの時間が３０秒以下となるように回転速度が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
基板に対して窒化ケイ素膜を成膜する成膜方法において、
シリコン下地と、その上層側に積層され、ケイ素及び酸素を含有する上層膜とを含み、当該上層膜には底部側に前記シリコン下地を露出させ、開口幅が３０～５０ｎｍの範囲内、アスペクト比が５～１０の範囲内である凹部が形成されている構造体を含んだ基板に対し、ケイ素を含む原料ガスを供給する原料ガス供給工程と、前記原料ガスが供給された基板に対し、当該原料ガスが吸着して形成される層を窒化するための、マイクロ波によりプラズマ化された窒化ガスであるＮＨ _３ガスを単独で供給する窒化ガス供給工程と、を互いに続けて実施することを繰り返して前記窒化ケイ素膜を形成することと、
前記原料ガス供給工程及び窒化ガス供給工程を含む１サイクルの実施時間は、前記凹部の側面に成膜される窒化ケイ素膜の膜厚よりも、当該凹部の底部側に露出したシリコン下地上に成膜される窒化ケイ素膜の膜厚の方が厚い状態となる時間に設定されることと、を特徴とする成膜方法。
前記１サイクルの時間が３０秒以下であることを特徴とする請求項３に記載の成膜方法。