JP7466406B2 - 半導体装置の製造方法および成膜装置 - Google Patents

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Description

本開示の種々の側面および実施形態は、半導体装置の製造方法および成膜装置に関する。
例えば、下記特許文献１には、多層構造の半導体装置において、層間絶縁膜中にエアギャップを形成することにより、層間絶縁膜の比誘電率を小さくする技術が開示されている。この技術では、基板上の凹部に層間絶縁膜を埋め込む際に、凹部内に埋め込み不良となる空間（ボイド）を形成し、形成されたボイドがエアギャップとして利用される。
特開２０１２－５４３０７号公報
本開示は、幅が広い凹部よりも幅が狭い凹部の方に選択的に成膜することができる半導体装置の製造方法および成膜装置を提供する。
本開示の一側面は、半導体装置の製造方法であって、温度調整工程と、第１の積層工程とを含む。温度調整工程では、容器内に収容された、凹部が形成された基板の温度が、２００［℃］以上かつ２８０［℃］以下の範囲内の温度に調整される。第１の積層工程では、容器内にイソシアネートのガスおよびアミンのガスが供給されることにより、基板の凹部にポリ尿素膜が積層される。
本開示の種々の側面および実施形態によれば、幅が広い凹部よりも幅が狭い凹部の方に選択的に成膜することができる。
図１は、本開示の一実施形態における製造システムの一例を示すシステム構成図である。 図２は、本開示の一実施形態における成膜装置の一例を示す概略図である。 図３は、本開示の一実施形態におけるプラズマ処理装置の一例を示す概略図である。 図４は、本開示の一実施形態における加熱装置の一例を示す概略図である。 図５は、半導体装置の製造方法の一例を示すフローチャートである。 図６は、半導体装置の製造過程の一例を示す模式図である。 図７は、半導体装置の製造過程の一例を示す模式図である。 図８は、半導体装置の製造過程の一例を示す模式図である。 図９は、半導体装置の製造過程の一例を示す模式図である。 図１０は、半導体装置の製造過程の一例を示す模式図である。 図１１は、基板の温度に対するＤ／Ｒ（デポジションレート）および除去率の関係の一例を示す図である。
以下に、開示される半導体装置の製造方法および成膜装置の実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態により、開示される半導体装置の製造方法および成膜装置が限定されるものではない。
ところで、埋め込み不良として形成される空隙の形状および大きさは、凹部の幅や深さ等に依存する。例えば、凹部の幅が狭い場合、凹部の下部に大きな空隙が形成されるが、凹部の幅が広い場合、凹部の下部には空隙がほとんど形成されないことがある。また、凹部に形成される空隙の形状および大きさは、基板上での凹部の位置や半導体製造装置内での凹部の位置によってばらつくことがある。そのため、任意の形状の凹部に対して、所望の形状および大きさの空隙を形成することが難しい。
そこで、凹部を有する基板上に熱分解可能な有機材料を積層し、凹部の周囲の有機材料を除去し、凹部内の有機材料の上に封止膜を積層した後に、基板を加熱することで、熱分解した有機材料を封止膜を介して凹部から脱離させることが考えられる。これにより、凹部と封止膜との間に有機材料の形状に対応する形状のエアギャップを形成することができる。
ここで、基板上において、信号線やグランド線等の配線の間隔が狭い場所では、配線間の寄生容量を下げためにエアギャップが必要であるが、そのような場所では、エアギャップの幅に対する高さの比が大きくなる。そのため、エアギャップが形成された構造物の機械的な強度はそれほど低くならない。
その一方で、配線の間隔が広い場所では、エアギャップが形成されると、エアギャップの幅に対する高さの比が小さくなり、配線の間隔が狭い場所に形成されたエアギャップよりも、エアギャップが形成された構造物の機械的な強度が低下する。そもそも、配線の間隔が広い場所では、配線間にエアギャップを設けなくても誘電体膜を介在させる等により配線間の寄生容量を低減することができる場合が多い。このように、凹部の幅によっては、エアギャップが形成されることが好ましくない場合がある。
また、半導体装置の加工過程では、配線間隔が広い箇所を加工するために、配線間隔が狭い箇所に保護膜を形成する場合がある。そのような場合、全体的に保護膜が積層され、配線間隔が広い箇所から保護膜を選択的に除去することが考えられる。しかし、配線間隔が広い箇所に成膜される保護膜の量を抑えられれば、保護膜を成膜するための材料ガスの無駄な消費量を抑えることができる。
そこで、本開示は、幅が広い凹部よりも幅が狭い凹部の方に選択的に成膜することができる技術を提供する。
［製造システム１０の構成］
図１は、本開示の一実施形態における製造システム１０の一例を示すシステム構成図である。製造システム１０は、成膜装置２００－１、成膜装置２００－２、プラズマ処理装置３００、および加熱装置４００を備える。本実施形態における製造システム１０は、マルチチャンバータイプの真空処理システムである。製造システム１０は、成膜装置２００－１、成膜装置２００－２、プラズマ処理装置３００、および加熱装置４００を用いて、半導体装置に用いられる素子が形成される基板Ｗにエアギャップを形成する。成膜装置２００－１および成膜装置２００－２は、同様の構成である。なお、以下では、成膜装置２００－１および成膜装置２００－２のそれぞれを区別することなく総称する場合に成膜装置２００と記載する。
成膜装置２００は、凹部が形成された基板Ｗを容器内に収容し、当該基板Ｗを予め定められた温度に加熱した状態で、容器内に材料ガスを供給することにより基板Ｗの表面に熱分解可能な有機材料を積層させる。本実施形態において、予め定められた温度は、例えば２００［℃］以上かつ２８０［℃］以下の範囲内の温度である。好ましくは、予め定められた温度は、例えば２２０［℃］以上かつ２５０［℃］以下の範囲内の温度であってもよい。また、本実施形態において、材料ガスは、例えばイソシアネートのガスおよびアミンのガスである。また、本実施形態において、熱分解可能な有機材料は、イソシアネートおよびアミンの重合により生成されたポリ尿素膜である。
プラズマ処理装置３００は、マイクロ波のプラズマを用いて、基板Ｗの凹部に成膜された有機材料の上に封止膜を積層させる。加熱装置４００は、基板Ｗを第１の温度よりも高い第２の温度に加熱することにより、封止膜の下層の有機材料を熱分解させ、封止膜の下層の有機材料を、封止膜を介して脱離させる。これにより、封止膜と凹部との間にエアギャップが形成される。
成膜装置２００－１、成膜装置２００－２、プラズマ処理装置３００、および加熱装置４００は、平面形状が七角形をなす真空搬送室１０１の４つの側壁にそれぞれゲートバルブＧを介して接続されている。真空搬送室１０１の他の３つの側壁には、３つのロードロック室１０２がゲートバルブＧ１を介して接続されている。３つのロードロック室１０２のそれぞれは、ゲートバルブＧ２を介して大気搬送室１０３に接続されている。
真空搬送室１０１内は、真空ポンプにより排気されて予め定められた真空度に保たれている。真空搬送室１０１内には、ロボットアーム等の搬送機構１０６が設けられている。搬送機構１０６は、成膜装置２００－１、成膜装置２００－２、プラズマ処理装置３００、加熱装置４００、およびそれぞれのロードロック室１０２の間で基板Ｗを搬送する。搬送機構１０６は、独立に移動可能な２つのアーム１０７ａおよび１０７ｂを有する。
大気搬送室１０３の側面には、基板Ｗを収容するキャリア（ＦＯＵＰ（Front-Opening Unified Pod）等）Ｃを取り付けるための複数のポート１０５が設けられている。また、大気搬送室１０３の側壁には、基板Ｗのアライメントを行うためのアライメント室１０４が設けられている。また、大気搬送室１０３内には清浄空気のダウンフローが形成される。
大気搬送室１０３内には、ロボットアーム等の搬送機構１０８が設けられている。搬送機構１０８は、それぞれのキャリアＣ、それぞれのロードロック室１０２、およびアライメント室１０４の間で基板Ｗを搬送する。
制御装置１００は、メモリ、プロセッサ、および入出力インターフェイスを有する。メモリには、プロセッサによって実行されるプログラム、および、各処理の条件を含むレシピ等が格納されている。プロセッサは、メモリから読み出したプログラムを実行し、メモリ内に記憶されたレシピに基づいて、入出力インターフェイスを介して、製造システム１０の各部を制御する。
［成膜装置２００の構成］
図２は、本開示の一実施形態における成膜装置２００の一例を示す概略図である。成膜装置２００は、容器２０９を有する。容器２０９は、下部容器２０１、排気ダクト２０２、支持構造体２１０、およびシャワーヘッド２３０を有する。
下部容器２０１は、アルミニウム等の金属により形成されている。排気ダクト２０２は、下部容器２０１の上部の周縁に設けられている。また、排気ダクト２０２の上には、環状の絶縁部材２０４が配置されている。シャワーヘッド２３０は、下部容器２０１の上方に設けられており、絶縁部材２０４に支持されている。下部容器２０１の略中央には、基板Ｗを載置する支持構造体２１０が設けられている。以下では、下部容器２０１、排気ダクト２０２、支持構造体２１０、およびシャワーヘッド２３０で囲まれた容器２０９内の空間を処理空間ＳPと定義する。
下部容器２０１の側壁には、基板Ｗの搬入および搬出を行うための開口部２０５が形成されている。開口部２０５は、ゲートバルブＧによって開閉される。排気ダクト２０２は、縦断面が中空の角型形状であり、下部容器２０１の上部の周縁に沿って円環状に延在している。排気ダクト２０２内の空間を排気空間ＳEと定義する。排気ダクト２０２には、排気ダクト２０２の延在方向に沿ってスリット状の排気口２０３が形成されている。排気口２０３は、支持構造体２１０に載置された基板Ｗの周縁に沿って、基板Ｗの領域の外側に配置され、処理空間ＳP内のガスを排気する。
排気ダクト２０２において、排気口２０３が形成された処理空間ＳP側の側壁は、排気シールドの一例である。本実施形態において、排気空間ＳE内の圧力は、排気シールドによって処理空間ＳP内の圧力よりも低く維持される。本実施形態において、処理空間ＳP内の圧力は、排気シールドによって、排気空間ＳE内の圧力よりも１［Ｔｏｒｒ］以上高い圧力に維持される。例えば、処理空間ＳP内の圧力は、例えば１［Ｔｏｒｒ］以上の圧力に維持され、排気空間ＳE内の圧力は、例えば０．１［Ｔｏｒｒ］以下の圧力に維持される。
排気ダクト２０２には、排気管２０６の一端が接続されている。排気管２０６の他端は、ＡＰＣ（Auto Pressure Controller）バルブ等の圧力調整バルブ２０７を介して真空ポンプ等を有する排気装置２０８に接続されている。圧力調整バルブ２０７は、制御装置１００によって制御され、処理空間ＳP内の圧力を予め設定された圧力に制御する。
排気ダクト２０２の側面およびシャワーヘッド２３０の上面には、ヒータ２５０ａが設けられており、下部容器２０１の上部には、ヒータ２５０ｂが埋め込まれている。ヒータ２５０ａは、排気ダクト２０２およびシャワーヘッド２３０を例えば２００［℃］に加熱する。また、ヒータ２５０ｂは、下部容器２０１の上面を例えば２００［℃］に加熱する。これにより、シャワーヘッド２３０、排気ダクト２０２、および下部容器２０１への反応副生成物（いわゆるデポ）の付着を抑制することができる。なお、排気管２０６、圧力調整バルブ２０７、および排気装置２０８においても、デポの付着を抑制するために、図示しないヒータにより、例えば１５０［℃］に加熱されている。
支持構造体２１０は、ステージ２１１および支持部２１２を有する。ステージ２１１は、例えばアルミニウム等の金属により構成され、上面に基板Ｗが載置される。支持部２１２は、例えばアルミニウム等の金属により筒状に構成され、ステージ２１１を下方から支持する。
ステージ２１１には、ステージヒータ２１４が埋め込まれている。ステージヒータ２１４は、供給された電力に応じてステージ２１１上に載置された基板Ｗを加熱する。ステージヒータ２１４に供給される電力は、制御装置１００によって制御される。ステージヒータ２１４は、加熱部の一例である。
また、ステージ２１１内には、冷媒が流通する流路２１５が形成されている。流路２１５には、配管２１６ａおよび配管２１６ｂを介して、図示しないチラーユニットが接続されている。チラーユニットによって予め定められた温度に調整された冷媒が配管２１６ａを介して流路２１５に供給され、流路２１５内を循環した冷媒が、配管２１６ｂを介してチラーユニットに戻される。流路２１５内を循環する冷媒によりステージ２１１が冷却される。チラーユニットは、制御装置１００によって制御される。
支持部２１２は、下部容器２０１の底部に形成された開口部を貫通するように下部容器２０１内に配置されている。支持部２１２は、昇降機構２４０の駆動により上下に昇降する。基板Ｗが搬入される際には、ゲートバルブＧが開けられ、昇降機構２４０の駆動により支持構造体２１０が下降し、開口部２０５を介して基板Ｗがステージ２１１上に載置される。そして、ゲートバルブＧが閉じられ、昇降機構２４０の駆動により支持構造体２１０が上昇し、基板Ｗへの成膜処理が実行される。また、基板Ｗが搬出される際には、昇降機構２４０の駆動により支持構造体２１０が下降し、ゲートバルブＧが開けられ、開口部２０５を介してステージ２１１上から基板Ｗが搬出される。
シャワーヘッド２３０は、拡散室２３１ａおよび拡散室２３１ｂを有する。拡散室２３１ａおよび拡散室２３１ｂは互いに連通していない。拡散室２３１ａおよび拡散室２３１ｂには、ガス供給部２２０が接続されている。具体的には、拡散室２３１ａには、配管２２５ａを介して、バルブ２２４ａ、ＭＦＣ（Mass Flow Controller）２２３ａ、気化器２２２ａ、および原料供給源２２１ａが接続されている。原料供給源２２１ａは、例えばイソシアネートの供給源である。気化器２２２ａは、原料供給源２２１ａから供給されたイソシアネートの液体を気化させる。ＭＦＣ２２３ａは、気化器２２２ａによって気化されたイソシアネートの蒸気の流量を制御する。バルブ２２４ａは、イソシアネートの蒸気の配管２２５ａへの供給および供給停止を制御する。
拡散室２３１ｂには、配管２２５ｂを介して、バルブ２２４ｂ、ＭＦＣ２２３ｂ、気化器２２２ｂ、および原料供給源２２１ｂが接続されている。原料供給源２２１ｂは、例えばアミンの供給源である。気化器２２２ｂは、原料供給源２２１ｂから供給されたアミンの液体を気化させる。ＭＦＣ２２３ｂは、気化器２２２ｂによって気化されたアミンの蒸気の流量を制御する。バルブ２２４ｂは、アミンの蒸気の配管２２５ｂへの供給および供給停止を制御する。
拡散室２３１ａは、複数の吐出口２３２ａを介して処理空間ＳPと連通しており、拡散室２３１ｂは、複数の吐出口２３２ｂを介して処理空間ＳPと連通している。配管２２５ａを介して拡散室２３１ａ内に供給されたイソシアネートの蒸気は、拡散室２３１ａ内を拡散し、吐出口２３２ａを介して処理空間ＳP内にシャワー上に吐出される。配管２２５ｂを介して拡散室２３１ｂ内に供給されたアミンの蒸気は、拡散室２３１ｂ内を拡散し、吐出口２３２ｂを介して処理空間ＳP内にシャワー上に吐出されるイソシアネートおよびアミンの蒸気は、吐出口２３２ａおよび吐出口２３２ｂを介して処理空間ＳP内に吐出された後、処理空間ＳP内において混合され、ステージ２１１に載置された基板Ｗの表面にポリ尿素膜を形成する。
［プラズマ処理装置３００］
図３は、本開示の一実施形態におけるプラズマ処理装置３００の一例を示す概略図である。プラズマ処理装置３００は、処理容器３０１およびマイクロ波出力装置３０４を備える。
処理容器３０１は、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウム等によって略円筒状に形成されており、内部に略円筒形状の処理空間Ｓを提供している。処理容器３０１は、保安接地されている。また、処理容器３０１は、側壁３０１ａおよび底部３０１ｂを有する。側壁３０１ａの中心軸を、軸線Ｚと定義する。底部３０１ｂは、側壁３０１ａの下端側に設けられている。底部３０１ｂには、排気用の排気口３０１ｈが設けられている。また、側壁３０１ａの上端部は開口している。
側壁３０１ａの上端部には誘電体窓３０７が設けられており、側壁３０１ａの上端部の開口は、誘電体窓３０７によって上方から塞がれている。誘電体窓３０７の下面は、処理空間Ｓに面している。誘電体窓３０７と側壁３０１ａの上端部との間にはＯリング３０６が配置されている。
処理容器３０１内には、ステージ３０２が設けられている。ステージ３０２は、軸線Ｚの方向において誘電体窓３０７と対向するように設けられている。ステージ３０２と誘電体窓３０７の間の空間が処理空間Ｓである。ステージ３０２の上には、基板Ｗが載置される。
ステージ３０２は、基台３０２ａおよび静電チャック３０２ｃを有する。基台３０２ａは、例えばアルミニウム等の導電性の材料により略円盤状に形成されている。基台３０２ａは、基台３０２ａの中心軸が軸線Ｚに略一致するように処理容器３０１内に配置されている。
基台３０２ａは、導電性の材料により形成され、軸線Ｚに沿う方向に延伸する筒状支持部３２０によって支持されている。筒状支持部３２０の外周には、導電性の筒状支持部３２１が設けられている。筒状支持部３２１は、筒状支持部３２０の外周に沿って処理容器３０１の底部３０１ｂから誘電体窓３０７へ向かって延びている。筒状支持部３２１と側壁３０１ａとの間には、環状の排気路３２２が形成されている。
排気路３２２の上部には、厚さ方向に複数の貫通穴が形成された環状のバッフル板３２３が設けられている。バッフル板３２３の下方には上述した排気口３０１ｈが設けられている。排気口３０１ｈには、排気管３３０を介して、ターボ分子ポンプ等の真空ポンプや自動圧力制御弁等を有する排気装置３３１が接続されている。排気装置３３１により、処理空間Ｓを予め定められた真空度まで減圧することができる。
基台３０２ａは、高周波電極としても機能する。基台３０２ａには、給電棒３４２およびマッチングユニット３４１を介して、ＲＦバイアス用のＲＦ信号を出力するＲＦ電源３４０が電気的に接続されている。ＲＦ電源３４０は、基板Ｗに引き込まれるイオンのエネルギーを制御するのに適した予め定められた周波数（例えば、１３．５６［ＭＨｚ］）のバイアス電力をマッチングユニット３４１および給電棒３４２を介して基台３０２ａに供給する。
マッチングユニット３４１は、ＲＦ電源３４０側のインピーダンスと、主に電極、プラズマ、処理容器３０１といった負荷側のインピーダンスとの間で整合をとるための整合器を収容している。整合器の中には自己バイアス生成用のブロッキングコンデンサが含まれている。
基台３０２ａの上面には、静電チャック３０２ｃが設けられている。静電チャック３０２ｃは、基板Ｗを静電気力によって吸着保持する。静電チャック３０２ｃは、略円盤状の外形を有し、ヒータ３０２ｄが埋め込まれている。ヒータ３０２ｄには、配線３５２およびスイッチ３５１を介してヒータ電源３５０が電気的に接続されている。ヒータ３０２ｄは、ヒータ電源３５０から供給される電力によって、静電チャック３０２ｃ上に載置された基板Ｗを加熱する。基台３０２ａ上には、エッジリング３０２ｂが設けられている。エッジリング３０２ｂは、基板Ｗおよび静電チャック３０２ｃを囲むように配置されている。エッジリング３０２ｂは、フォーカスリングと呼ばれることもある。
基台３０２ａの内部には、流路３０２ｇが形成されている。流路３０２ｇには、図示しないチラーユニットから配管３６０を介して冷媒が供給される。流路３０２ｇ内に供給された冷媒は、配管３６１を介してチラーユニットに戻される。チラーユニットによって温度が制御された冷媒が基台３０２ａの流路３０２ｇ内を循環することにより、基台３０２ａの温度が制御される。基台３０２ａ内を流れる冷媒と、静電チャック３０２ｃ内のヒータ３０２ｄとによって、静電チャック３０２ｃ上の基板Ｗの温度が制御される。本実施形態において、基板Ｗの温度は、２００［℃］以下（例えば１５０［℃］）に制御される。
また、ステージ３０２には、Ｈｅガス等の伝熱ガスを、静電チャック３０２ｃと基板Ｗとの間に供給するための配管３６２が設けられている。
マイクロ波出力装置３０４は、処理容器３０１内に供給された処理ガスを励起するためのマイクロ波を出力する。マイクロ波出力装置３０４は、例えば２．４［ＧＨｚ］の周波数のマイクロ波を発生させる。
マイクロ波出力装置３０４は、導波管３０８を介してモード変換器３０９に接続されている。モード変換器３０９は、マイクロ波出力装置３０４から出力されたマイクロ波のモードを変換し、モードが変換されたマイクロ波を同軸導波管３１０を介してアンテナ３０５に供給する。
同軸導波管３１０は、外側導体３１０ａおよび内側導体３１０ｂを含む。外側導体３１０ａおよび内側導体３１０ｂは、略円筒形状を有しており、外側導体３１０ａおよび内側導体３１０ｂの中心軸が軸線Ｚに略一致するようにアンテナ３０５の上部に配置されている。
アンテナ３０５は、冷却ジャケット３０５ａ、誘電体板３０５ｂ、およびスロット板３０５ｃを含む。スロット板３０５ｃは、導電性を有する金属によって略円板状に形成されている。スロット板３０５ｃは、スロット板３０５ｃの中心軸が軸線Ｚに一致するように誘電体窓３０７の上面に設けられている。スロット板３０５ｃには、複数のスロット穴が形成されている。複数のスロット穴は、２つ一組となって、スロット板３０５ｃの中心軸の周りに配列されている。
誘電体板３０５ｂは、石英等の誘電体材料によって略円盤状に形成されている。誘電体板３０５ｂは、誘電体板３０５ｂの中心軸が軸線Ｚに略一致するようにスロット板３０５ｃ上に配置されている。冷却ジャケット３０５ａは、誘電体板３０５ｂ上に設けられている。
冷却ジャケット３０５ａは、表面に導電性を有する材料により形成されており、内部には流路３０５ｅが形成されている。流路３０５ｅ内には、図示しないチラーユニットから冷媒が供給される。冷却ジャケット３０５ａの上部表面には、外側導体３１０ａの下端が電気的に接続されている。また、内側導体３１０ｂの下端は、冷却ジャケット３０５ａおよび誘電体板３０５ｂの中央部分に形成された開口を通って、スロット板３０５ｃに電気的に接続されている。
同軸導波管３１０内を伝搬したマイクロ波は、誘電体板３０５ｂ内を伝搬して、スロット板３０５ｃに形成された複数のスロット穴から誘電体窓３０７に伝搬する。誘電体窓３０７に伝搬したマイクロ波は、誘電体窓３０７の下面から処理空間Ｓ内に放射される。
同軸導波管３１０の内側導体３１０ｂの内側には、ガス管３１１が設けられている。スロット板３０５ｃの中央部には、ガス管３１１が通過可能な貫通穴３０５ｄが形成されている。ガス管３１１は、内側導体３１０ｂの内側を通って延在しており、ガス供給部３１２に接続されている。
ガス供給部３１２は、基板Ｗに封止膜を積層するための処理ガスをガス管３１１に供給する。ガス供給部３１２は、ガス供給源３１２ａ、バルブ３１２ｂ、および流量制御器３１２ｃを含む。ガス供給源３１２ａは、封止膜を成膜するための処理ガスの供給源である。処理ガスには、窒素含有ガス、シリコン含有ガス、および希ガスが含まれる。本実施形態において、窒素含有ガスは、例えばＮＨ3ガスまたはＮ2ガスであり、シリコン含有ガスは、例えばＳｉＨ4ガスであり、希ガスは、例えばＨｅガスまたはＡｒガスである。
バルブ３１２ｂは、ガス供給源３１２ａからの処理ガスの供給および供給停止を制御する。流量制御器３１２ｃは、例えばマスフローコントローラ等であり、ガス供給源３１２ａからの処理ガスの流量を制御する。
誘電体窓３０７内には、インジェクタ３１３が設けられている。インジェクタ３１３は、ガス管３１１を介して供給された処理ガスを、誘電体窓３０７に形成された貫通穴３０７ｈを介して処理空間Ｓ内に噴射する。処理空間Ｓ内に噴射された処理ガスは、誘電体窓３０７を介して処理空間Ｓ内に放射されたマイクロ波によって励起される。これにより、処理空間Ｓ内で処理ガスがプラズマ化され、プラズマに含まれるイオンおよびラジカル等により、基板Ｗに封止膜が積層される。本実施形態において、封止膜は、例えばシリコン窒化膜である。
［加熱装置４００の構成］
図４は、本開示の一実施形態における加熱装置４００の一例を示す概略図である。加熱装置４００は、容器４０１、排気管４０２、供給管４０３、載置台４０４、ランプハウス４０５、および赤外線ランプ４０６を有する。
容器４０１内には、基板Ｗが載置される載置台４０４が設けられている。基板Ｗが載置される載置台４０４の面と対向する位置には、ランプハウス４０５が設けられている。ランプハウス４０５内には、赤外線ランプ４０６が配置されている。
容器４０１内には、供給管４０３を介して不活性ガスが供給される。本実施形態において、不活性ガスは、例えばＮ2ガスである。
載置台４０４上に基板Ｗが載置された状態で、供給管４０３を介して容器４０１内に不活性ガスが供給される。そして、赤外線ランプ４０６を点灯させることにより、凹部に有機材料が積層された基板Ｗが例えば２８０［℃］より高い温度に加熱される。本実施形態において、基板Ｗは、例えば５００［℃］に加熱される。基板Ｗの凹部に積層されたポリ尿素膜が２８０［℃］より高い温度に達すると、ポリ尿素膜がイソシアネートとアミンとに解重合する。そして、解重合したイソシアネートおよびアミンのガスは、封止膜を介して凹部から脱離する。
［エアギャップの形成方法］
図５は、半導体装置の製造方法の一例を示すフローチャートである。例えば、搬送機構１０６によって、例えば図６に示されるような、異なる幅の凹部６１および凹部６２が形成された基板Ｗが成膜装置２００内に搬入されることにより、図５に例示された処理が開始される。図６の例では、凹部６２の幅Ｗ２は、凹部６１の幅Ｗ１よりも広い。
まず、成膜装置２００により、温度調整工程が実行される（Ｓ１０）。ステップＳ１０では、ステージ２１１内のステージヒータ２１４と、ステージ２１１の流路２１５内を流れる冷媒とによって、ステージ２１１上に載置された基板Ｗの温度が２００［℃］以上かつ２８０［℃］以下の範囲内の温度（例えば２５０［℃］）に調整される。
次に、成膜装置２００により、第１の積層工程が実行される（Ｓ１１）。ステップＳ１１では、処理空間ＳP内にイソシアネートのガスおよびアミンのガスが供給される。これにより、基板Ｗ上にポリ尿素膜６３が積層される。２００［℃］以上かつ２８０［℃］以下の範囲では、ポリ尿素は重合と解重合とが共存し、ポリ尿素膜６３は流動性を有する。そのため、凹部６１の側壁に付着したポリ尿素膜６３は凹部６１の底に流れ込み、凹部６２の側壁に付着したポリ尿素膜６３が凹部６２の底に流れ込む。例えば、基板Ｗの表面に厚さＤのポリ尿素膜６３が積層された場合、例えば図７に示されるように、凹部６１の底には、厚さＤよりも厚い厚さＤ１のポリ尿素膜６３が積層され、凹部６２の底には、厚さＤよりも厚い厚さＤ２のポリ尿素膜６３が積層される。
ここで、本実施形態において、ステップＳ１１において基板Ｗ上に積層されるポリ尿素膜６３の厚さＤは、凹部６１よりも幅が広い凹部６２の幅Ｗ２の１／４以下の厚さである。また、凹部６１の容積に対する凹部６１の側壁の面積の比と、凹部６２の容積に対する凹部６２の側壁の面積の比とは異なる。図７の例では、凹部６１の容積に対する凹部６１の側壁の面積の比は、凹部６２の容積に対する凹部６２の側壁の面積の比よりも小さい。そのため、凹部６１の側壁から凹部６１の底に流れ込んだポリ尿素膜６３の厚さＤ１は、凹部６２の側壁から凹部６２の底に流れ込んだポリ尿素膜６３の厚さＤ２よりも厚くなる。図７の例では、厚さＤ１と厚さＤ２との差は、ΔＤである。なお、凹部６１および凹部６２の周囲の基板Ｗ上には、例えば図７に示されるように、厚さＤのポリ尿素膜６３が残存している。
次に、成膜装置２００により、除去工程が実行される（Ｓ１２）。ステップＳ１２では、ステージ２１１上に載置された基板Ｗの温度が２００［℃］以上かつ２８０［℃］以下の範囲内の温度（例えば２５０［℃］）に維持された状態で、処理空間ＳP内へのガスの供給が停止される。これにより、ポリ尿素膜６３の上面から基板Ｗの温度および加熱時間に応じた深さまでのポリ尿素膜６３が熱分解され、基板Ｗから脱離する。本実施形態では、厚さＤ２以上のポリ尿素膜６３が熱分解されるように、基板Ｗの温度および加熱時間が調整される。これにより、例えば図８に示されるように、凹部６２の底に流れ込んだポリ尿素膜６３と、凹部６１および凹部６２の周囲の基板Ｗ上に残存していたポリ尿素膜６３とが除去される。凹部６１内においても、凹部６１の底に流れ込んだ厚さＤ１のポリ尿素膜６３の一部が熱分解されるため、凹部６１の底には厚さＤ１よりも薄い厚さＤ３のポリ尿素膜６３が残る。そして、基板Ｗは、搬送機構１０６によって成膜装置２００から搬出され、プラズマ処理装置３００内に搬入される。
次に、プラズマ処理装置３００により、第２の積層工程が実行される（Ｓ１３）。ステップＳ１３では、マイクロ波のプラズマを用いて、基板Ｗ上に封止膜が積層される。これにより、例えば図９に示されるように、基板Ｗの凹部６１内のポリ尿素膜６３上に封止膜６４が積層される。そして、基板Ｗは、搬送機構１０６によってプラズマ処理装置３００から搬出され、加熱装置４００内に搬入される。
次に、加熱装置４００によって脱離工程が実行される（Ｓ１４）。ステップＳ１４では、基板Ｗが、加熱装置４００によって例えば３００［℃］以上の温度（例えば５００［℃］）に加熱される。これにより、封止膜６４の下層のポリ尿素膜６３が熱分解され、封止膜６４を介して脱離する。これにより、例えば図１０に示されるように、凹部６１内において、封止膜６４の下に、ポリ尿素膜６３の形状に対応したエアギャップ６５が形成される。そして、基板Ｗは、搬送機構１０６によって加熱装置４００から搬出され、本フローチャートに示された処理が終了する。
［温度、圧力、およびＤ／Ｒの関係］
図１１は、基板Ｗの温度に対するＤ／Ｒ（デポジションレート）および除去率の関係の一例を示す図である。図１１に示された実験では、基板Ｗが収容された成膜装置２００の処理空間ＳP内において、イソシアネートのガスおよびアミンのガスの分圧は、それぞれ０．１［Ｔｏｒｒ］である。また、除去率とは、基板Ｗの温度に対して、１００［ｎｍ］の膜厚のポリ尿素膜６３が１分間に減少する膜厚を％で表したものである。
ポリ尿素膜６３を基板Ｗ上に積層させる場合、例えば図１１の点線で示されるように、基板Ｗの温度が高くなると、ポリ尿素膜６３のＤ／Ｒは小さくなる傾向が見られる。また、基板Ｗの温度が１８０［℃］以上ではポリ尿素膜６３のＤ／Ｒの低下が徐々に緩やかになっており、Ｄ／Ｒの低下は約２［ｎｍ／ｍｉｎ］で止まっている。
一方、基板Ｗの温度が高くなると、例えば図１１の破線で示されるように、ポリ尿素膜６３の除去率は大きくなる傾向が見られる。また、除去率の傾向を見ると、ポリ尿素膜６３の除去は、基板Ｗの温度が２００［℃］付近から始まっている。即ち、基板Ｗの温度が２２０［℃］以上では、ポリ尿素膜６３の一部で解重合が始まっており、ポリ尿素膜６３は、流動性を帯びた状態であると考えられる。
また、図１１を参照すると、基板Ｗの温度が２６０［℃］付近では、ポリ尿素膜６３の除去率が約２［％／ｍｉｎ］となっており、初期の膜厚が１００［ｎｍ］では、単位時間当たりのポリ尿素膜６３の除去量は約２［ｎｍ／ｍｉｎ］となる。基板Ｗの温度が２６０［℃］付近では、ポリ尿素膜６３のＤ／Ｒが約２［ｎｍ／ｍｉｎ］であるため、基板Ｗの温度が２６０［℃］より高くなると、基板Ｗ上でポリ尿素膜６３の膜厚が増加しないと考えられる。そのため、ポリ尿素膜６３の成膜は、基板Ｗの温度が２２０［℃］以上かつ２６０［℃］以下の範囲内の温度で行われることが好ましい。
なお、図１１の実験は、イソシアネートのガスおよびアミンのガスの分圧がそれぞれ０．１［Ｔｏｒｒ］で行われた。しかし、イソシアネートのガスおよびアミンのガスの分圧が高くなると、Ｄ／Ｒが高くなり、除去率が低くなる傾向がある。そのため、イソシアネートのガスおよびアミンのガスの分圧がそれぞれ１［Ｔｏｒｒ］になると、基板Ｗの温度が２８０［℃］でもポリ尿素膜６３の除去率が２［％／ｍｉｎ］以上となると考えられる。
一方、イソシアネートのガスおよびアミンのガスの分圧が低くなると、Ｄ／Ｒが低くなり、除去率が高くなる傾向がある。そのため、イソシアネートのガスおよびアミンのガスの分圧がそれぞれ０．０１［Ｔｏｒｒ］になると、基板Ｗの温度が２００［℃］でもポリ尿素膜６３の流動化が始まると考えられる。
従って、ポリ尿素膜６３の成膜は、基板Ｗの温度が２００［℃］以上かつ２８０［℃］以下の範囲内の温度で行われることが好ましい。また、イソシアネートのガスおよびアミンのガスの分圧は、それぞれ０．０１［Ｔｏｒｒ］以上かつ１［Ｔｏｒｒ］以下の範囲内の圧力であることが好ましい。
また、基板Ｗの温度が低い場合、ポリ尿素膜６３の流動性が低いため、幅の狭い凹部６１ではポリ尿素膜６３にボイドが残る場合がある。ポリ尿素膜６３内にボイドが残ると、ボイドの大きさによっては、ポリ尿素膜６３の上面の高さがばらつく。これにより、ポリ尿素膜６３の上に形成される封止膜６４の高さがばらつき、ポリ尿素膜６３が除去された後のエアギャップ６５の大きさがばらつく。そのため、ポリ尿素膜６３内にボイドが発生しないように、基板Ｗの温度は２２０［℃］以上であることがより好ましい。
また、基板Ｗの温度が２８０［℃］付近では、除去率が高いため、予め定められた膜厚のポリ尿素膜６３の成膜に時間がかかる。そのため、スループット向上の観点では、基板Ｗの温度は２５０［℃］以下であることがより好ましい。即ち、ポリ尿素膜６３の成膜は、基板Ｗの温度が２２０［℃］以上かつ２５０［℃］以下の範囲内の温度で行われることがより好ましい。
以上、実施形態について説明した。上記したように、本実施形態における半導体装置の製造方法は、温度調整工程と、第１の積層工程とを含む。温度調整工程では、成膜装置２００の容器２０９内に収容された、凹部が形成された基板Ｗが、２００℃以上かつ２８０℃以下の範囲内の温度に調整される。第１の積層工程では、容器２０９内にイソシアネートのガスおよびアミンのガスが供給されることにより、基板Ｗの凹部にポリ尿素膜６３が積層される。これにより、幅が広い凹部６２よりも幅が狭い凹部６１の方に選択的にポリ尿素膜６３を積層することができる。
また、上記した実施形態における半導体装置の製造方法は、第２の積層工程と、脱離工程とを含む。第２の積層工程では、凹部に積層されたポリ尿素膜６３上に封止膜６４が積層される。脱離工程では、基板Ｗの温度が２８０［℃］よりも高い温度に調整されることにより、封止膜６４の下層のポリ尿素膜６３が熱分解され、封止膜６４の下層のポリ尿素膜６３が、封止膜６４を介して脱離することにより、封止膜６４と凹部との間にエアギャップ６５が形成される。これにより、予め定められた形状のエアギャップ６５を効率よく形成することができる。
また、上記した実施形態における温度調整工程では、基板Ｗの温度が、２２０［℃］以上かつ２５０［℃］以下の範囲内の温度に調整される。これにより、予め定められた形状のエアギャップ６５を効率よく形成することができる。
また、上記した実施形態における第１の積層工程では、イソシアネートのガスおよびとアミンのガスの分圧は、それぞれ０．０１［Ｔｏｒｒ］以上かつ１［Ｔｏｒｒ］以下の範囲内の圧力に調整される。これにより、幅が広い凹部６２よりも幅が狭い凹部６１の方に選択的にポリ尿素膜６３を積層することができる。
また、上記した実施形態における成膜装置は、容器２０９と、ガス供給部２２０と、ステージヒータ２１４と、制御装置１００とを備える。容器２０９には、凹部が形成された基板Ｗが収容される。ガス供給部２２０は、容器２０９内にイソシアネートのガスとアミンのガス供給する。ステージヒータ２１４は、基板Ｗを加熱する。制御装置１００は、温度調整工程と、積層工程とを実行する。制御装置１００は、温度調整工程において、容器２０９内に収容された基板Ｗの温度が２００［℃］以上かつ２８０［℃］以下の範囲内の温度に調整されるようにステージヒータ２１４を制御する。制御装置１００は、積層工程において、容器２０９内にイソシアネートのガスおよびアミンのガスが供給されるようにガス供給部２２０を制御することにより、基板Ｗの凹部にポリ尿素膜６３を積層する。これにより、幅が広い凹部６２よりも幅が狭い凹部６１の方に選択的にポリ尿素膜６３を積層することができる。
また、上記した実施形態における成膜装置２００は、容器２０９内のガスを排気する排気ダクト２０２と、基板Ｗが晒されている容器２０９内の空間である処理空間ＳPと、ガス供給部２２０内の空間である排気空間ＳEとの間に設けられた排気シールドとを備える。排気シールドは、排気空間ＳE内の圧力を処理空間ＳP内の圧力よりも低く維持する。例えば、排気シールドは、処理空間ＳP内の圧力を排気空間ＳE内の圧力よりも１［Ｔｏｒｒ］以上高い圧力に維持する。これにより、ガス供給部２２０の側壁へのデポの付着を抑制することができる。
［その他］
なお、本願に開示された技術は、上記した実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。
例えば、上記した実施形態では、第１の積層工程と除去工程とで処理空間ＳP内の圧力は同一であるが、処理空間ＳP内の圧力が０．０１［Ｔｏｒｒ］～１［Ｔｏｒｒ］の範囲に含まれる圧力であれば、第１の積層工程と除去工程とで処理空間ＳP内の圧力は異なっていてもよい。例えば、処理空間ＳP内の圧力が０．０１［Ｔｏｒｒ］～１［Ｔｏｒｒ］の範囲に含まれる圧力であれば、第１の積層工程における処理空間ＳP内の圧力は、除去工程における処理空間ＳP内の圧力より多少高くてもよい。この場合、第１の積層工程におけるＤ／Ｒを高めることができると共に、除去工程におけるリセスレートを高めることができ、処理時間を短縮することができる。
また、上記した実施形態において、製造システム１０は、成膜装置２００－１、成膜装置２００－２、プラズマ処理装置３００、および加熱装置４００を備えるが、開示の技術はこれに限られない。製造システム１０は、成膜装置２００、プラズマ処理装置３００、および加熱装置４００のうち、少なくともいずれか１つを複数備えていてもよい。特に、製造システム１０は、他の装置に比べて処理に時間を要する装置の数を多く備えることが好ましい。これにより、処理のボトルネックを低減することができる。
また、上記した実施形態では、重合体の膜の一例として尿素結合を有するポリ尿素膜が用いられたが、重合体の膜としては、尿素結合以外の結合を有する重合体が用いられてもよい。尿素結合以外の結合を有する重合体としては、例えば、ウレタン結合を有するポリウレタン等が挙げられる。ポリウレタンは、例えば、アルコール基を有するモノマーとイソシアネート基を有するモノマーとを共重合させることにより合成することができる。また、ポリウレタンは、予め定められた温度に加熱されることにより、アルコール基を有するモノマーとイソシアネート基を有するモノマーとに解重合する。
なお、今回開示された実施形態は全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。実に、上記した実施形態は多様な形態で具現され得る。また、上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその趣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。
ＳP 処理空間
ＳE 排気空間
Ｗ 基板
Ｗ１ 幅
Ｗ２ 幅
１０ 製造システム
１００ 制御装置
１０１ 真空搬送室
１０２ ロードロック室
１０３ 大気搬送室
１０４ アライメント室
１０５ ポート
１０６ 搬送機構
１０８ 搬送機構
２００ 成膜装置
２０１ 下部容器
２０２ 排気ダクト
２０３ 排気口
２０９ 容器
２１０ 支持構造体
２１１ ステージ
２１４ ステージヒータ
２２０ ガス供給部
２３０ シャワーヘッド
２５０ ヒータ
３００ プラズマ処理装置
３０１ 処理容器
３０２ ステージ
３０２ａ 基台
３０２ｂ エッジリング
３０２ｃ 静電チャック
３０２ｄ ヒータ
３０４ マイクロ波出力装置
３０７ 誘電体窓
３１０ 同軸導波管
３１１ ガス管
３１２ ガス供給部
３３１ 排気装置
３４０ ＲＦ電源
４００ 加熱装置
６１ 凹部
６２ 凹部
６３ ポリ尿素膜
６４ 封止膜
６５ エアギャップ

Claims (6)

  1. 容器内に収容された、凹部が形成された基板の温度を、２２０［℃］以上かつ２５０［℃］以下の範囲内の温度に調整する温度調整工程と、
    前記容器内にイソシアネートのガスおよびアミンのガスを供給することにより、前記基板の凹部にポリ尿素膜を積層する第１の積層工程と
    を含む半導体装置の製造方法。
  2. 前記凹部に積層された前記ポリ尿素膜上に封止膜を積層する第２の積層工程と、
    前記基板の温度を２８０［℃］より高い温度に調整することにより、前記封止膜の下層の前記ポリ尿素膜を解重合させ、前記封止膜の下層の前記ポリ尿素膜を、前記封止膜を介して脱離させることにより、前記封止膜と前記凹部との間にエアギャップを形成する脱離工程と
    を含む請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記第１の積層工程では、
    前記イソシアネートのガスおよび前記アミンのガスの分圧は、それぞれ０．０１［Ｔｏｒｒ］以上かつ１［Ｔｏｒｒ］以下の範囲内の圧力に調整される請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 凹部が形成された基板が収容される容器と、
    前記容器内にイソシアネートのガスとアミンのガスを供給するガス供給部と、
    前記基板を加熱する加熱部と、
    制御部と
    を備え、
    前記制御部は、
    前記容器内に収容された前記基板の温度を、２２０［℃］以上かつ２５０［℃］以下の範囲内の温度に調整するように前記加熱部を制御する温度調整工程と、
    前記容器内に前記イソシアネートのガスおよび前記アミンのガスを供給するように前記ガス供給部を制御することにより、前記基板の凹部にポリ尿素膜を積層する積層工程と
    を実行する成膜装置。
  5. 前記容器内のガスを排気する排気ダクトと、
    前記基板が晒されている前記容器内の空間である処理空間と、前記排気ダクト内の空間である排気空間との間に設けられた排気シールドと
    を備え、
    前記排気シールドは、
    前記排気空間内の圧力を前記処理空間内の圧力よりも低く維持する請求項４に記載の成膜装置。
  6. 前記処理空間内の圧力は、前記排気シールドによって、前記排気空間内の圧力よりも１［Ｔｏｒｒ］以上高い圧力に維持される請求項５に記載の成膜装置。
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