JP6544232B2

JP6544232B2 - 成膜方法及び成膜装置

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Publication number: JP6544232B2
Application number: JP2015254324A
Authority: JP
Inventors: 紀明吹上; 孝行辛川; 昭博栗林; 小川　淳; 淳小川
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2015-12-25
Filing date: 2015-12-25
Publication date: 2019-07-17
Anticipated expiration: 2035-12-25
Also published as: US20170186606A1; JP2017118035A; US9892909B2

Description

本発明は、基板にシリコン窒化膜を形成する成膜方法及び成膜装置に関する。

半導体製造工程において、ホールや溝などのパターンが形成された下地膜を被覆するように、基板にＳｉＮ（窒化シリコン）膜を形成する成膜処理が行われる場合が有る。特許文献１には、そのようにＳｉＮ膜の成膜を行う成膜装置について記載されている。この成膜装置によれば、回転テーブル上に載置された基板が当該回転テーブルの回転によって、シリコンを含む原料ガスが供給される領域と、原料ガスを窒化するための窒化ガスがプラズマ化されて供給される領域と、を交互に繰り返し通過することで基板にＳｉＮ膜が形成される。

ＷＯ２０１３−１３７１１５号公報

ところで上記の下地膜としては、例えばＳＯＣ膜と呼ばれる、炭素を主成分とする炭素膜が用いられる場合が有る。しかし、そのように下地膜が炭素膜である場合、上記の窒化ガスとしてアンモニア（ＮＨ_３）ガスを用い、当該ＮＨ_３ガスをプラズマ化して処理を行うと、上記の炭素膜が比較的大きくエッチングされ、膜減り（膜厚の減少）が起きてしまう。このエッチングを防ぐために、プラズマ化したＮＨ_３ガスの代わりにプラズマ化した窒素（Ｎ_２）ガスを用いて処理を行うことが考えられる。しかし、Ｎ_２ガスがプラズマ化することで得られる活性種は比較的速く失活するため、当該活性種の多くが炭素膜のホール及び溝の下部側に到達しないおそれがある。その場合、パターンを形成する炭素膜の側壁に形成されるＳｉＮ膜について、当該側壁の上部側の膜厚に比べると下部側の膜厚が小さくなってしまう。このように、パターンが形成された炭素膜上にＳｉＮ膜を成膜するにあたり、良好なステップカバレッジを得ることが難しかった。

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、基板の表面へのダメージを抑えると共に、基板の表面に対して高い被覆性を有するようにシリコン窒化膜を成膜する技術を提供することである。

本発明の成膜方法は、真空容器内において基板にシリコン窒化膜を成膜する成膜方法について、
前記基板にシリコン原料のガスを供給して吸着させる第１の工程と、
次いで、アンモニアガスをプラズマ化されない状態で前記基板に供給して物理吸着させる第２の工程と、
然る後、プラズマを形成するためのプラズマ形成用ガスをプラズマ化して得られた活性種を前記基板に供給し、前記基板に物理吸着されたアンモニアと前記シリコン原料とを反応させて反応生成物の層を形成する第３の工程と、
前記第１の工程と、前記第２の工程と、前記第３の工程とからなるサイクルを複数回繰り返し、前記反応生成物の層を堆積させて前記シリコン窒化膜を成膜する工程と、
前記真空容器内に設けられる回転テーブルに前記基板を載置して当該基板を公転させる工程と、を含み、
前記第１の工程は、前記回転テーブル上の前記基板の通過領域における第１の処理部に前記シリコン原料のガスを供給する工程を含み、
前記第２の工程は、前記基板の通過領域において前記第１の処理部に対して前記回転テーブルの回転方向下流側に位置する第２の処理部に前記アンモニアガスをプラズマ化されない状態で供給する工程を含み、
前記第３の工程は、前記基板の通過領域において前記第２の処理部に対して前記回転テーブルの回転方向下流側に位置する第３の処理部に前記活性種を供給する工程を含み、
前記第１の処理部に対して前記第２の処理部及び前記第３の処理部を、ガスの混合を抑えるために分離する工程を備えることを特徴とする。

本発明の成膜装置は、基板にシリコン窒化膜を成膜する装置において、
真空容器内に設けられ、基板を公転させるための回転テーブルと、
前記回転テーブル上の基板の通過領域にシリコン原料のガスを供給するための第１の処理部と、
前記第１の処理部に対して前記回転テーブルの回転方向下流側に位置すると共に前記第１の処理部とは、ガスの混合を抑えるために分離され、前記基板の通過領域にアンモニアガスをプラズマ化されない状態で供給して当該基板に物理吸着させるための第２の処理部と、
前記第２の処理部に対して前記回転テーブルの回転方向下流側に位置すると共に前記第１の処理部とは、ガスの混合を抑えるために分離され、前記基板の通過領域にプラズマを形成するためのプラズマ形成用ガスをプラズマ化して得られる活性種を供給するための第３の処理部と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、シリコン原料のガスを基板に吸着させた後、アンモニアガスをプラズマ化されないように基板に供給して物理吸着させる。然る後、プラズマの活性種を基板に供給することでシリコン窒化膜を形成する。このようにシリコン窒化膜を形成することで、基板の表面に対してシリコン窒化膜が比較的高い被覆性を有するように形成されると共に、基板の表面へのダメージを抑えることができる。

本発明の成膜方法を実施するための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。前記成膜装置に設けられるガス給排気ユニットの縦断側面図である。前記ガス給排気ユニットの下面図である。前記成膜装置に設けられるガス供給ユニットの概略図である。成膜処理中のウエハの表面を示す模式図である。成膜処理中のウエハの表面を示す模式図である。成膜処理中のウエハの表面を示す模式図である。成膜処理中のウエハの表面を示す模式図である。成膜処理中のウエハの表面を示す模式図である。評価試験で処理されたウエハの概略縦断側面図である。比較試験で処理されたウエハの概略縦断側面図である。評価試験の結果を示すグラフ図である。

本発明の実施の形態に係る成膜装置１について、図１の縦断側面図、図２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、基板である半導体ウエハ（以下、ウエハと記載する）Ｗの表面に、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）によってＳｉＮ膜を形成する。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、Ｓｉ_３Ｎ_４が含まれる。

図中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１１Ａと、天板１１Ｂとにより構成されている。図中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である。図中１２Ａは、回転テーブル１２の裏面中央部を支持する支持部である。図中１３は回転機構であり、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５つの円形の凹部１４が設けられており、各凹部１４にウエハＷが収納される。つまり、回転テーブル１２の回転によって公転するように、各ウエハＷは回転テーブル１２に載置される。図１中１５はヒーターであり、真空容器１１の底部において同心円状に複数設けられ、上記の回転テーブル１２に載置されたウエハＷを加熱する。図２中１６は真空容器１１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。

上記の回転テーブル１２上には、ガス給排気ユニット２と、プラズマ形成ユニット３と、ガス供給ユニット４Ｂと、ガス供給ユニット４Ａとが、回転テーブル１２の回転方向上流側に向かい、当該回転方向に沿ってこの順に設けられている。以下、ガス給排気ユニット２について、縦断側面図である図３及び下面図である図４も参照しながら説明する。ガス給排気ユニット２は、平面視、回転テーブル１２の中心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おり、ガス給排気ユニット２の下面は、回転テーブル１２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２の下面には、原料ガス吐出口２１、排気口２２及びパージガス吐出口２３が開口している。原料ガス吐出口２１は、ガス給排気ユニット２の下面の周縁部よりも内側の扇状領域２４に多数、分散して配設されている。この原料ガス吐出口２１は、成膜処理時における回転テーブル１２の回転中に、ＳｉＮ膜を形成するためのＳｉ（シリコン）を含む原料ガスであるＤＣＳ（ジクロロシラン）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。なお、原料ガスとしてはＤＣＳに限られず、例えばＨＣＤ（六塩化二ケイ素）を用いてもよい。

この扇状領域２４においては、回転テーブル１２の中心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が設定されており、区域２４Ａに設けられる原料ガス吐出口２１、区域２４Ｂに設けられる吐出口２１、区域２４Ｃに設けられる原料ガス吐出口２１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２には互いに区画されたガス流路２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃが設けられている。各ガス流路２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの下流端は、各々上記の原料ガス吐出口２１として構成されている。

そして、ガス流路２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの各上流側は、各々配管を介してＤＣＳガスの供給源２６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２７が介設されている。ガス供給機器２７によって、ＤＣＳガス供給源２６から供給されるＤＣＳガスの各ガス流路２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ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２７以外の各ガス供給機器も、ガス供給機器２７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２２、パージガス吐出口２３について各々説明する。図の理解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に多数のドットを付して示している。排気口２２及びパージガス吐出口２３は、扇状領域２４を囲むと共に回転テーブル１２の上面に向かうように、ガス給排気ユニット２の下面の周縁部に環状に開口されており、パージガス吐出口２３が排気口２２の外側に位置している。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の吸着が行われる第１の処理部である原料ガス吸着領域Ｒ１を構成する。パージガス吐出口２３は、回転テーブル１２上にパージガスとしてＮ_２（窒素）ガスを吐出する。

成膜処理中において、原料ガス吐出口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が共に行われる。それによって、図３中に矢印で示すように回転テーブル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、原料ガス吸着領域Ｒ１の雰囲気は外部の雰囲気から分離され、当該原料ガス吸着領域Ｒ１に限定的に原料ガスを供給することができる。即ち、原料ガス吸着領域Ｒ１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３及びガス供給ユニット４Ａ、４Ｂによって原料ガス吸着領域Ｒ１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。また、このパージガスはそのように雰囲気を分離する役割の他にも、ウエハＷに過剰に吸着したＤＣＳガスを当該ウエハＷから除去する役割も有する。

図３中、２３Ａ、２４Ａは、各々ガス給排気ユニット２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２５Ａ〜２５Ｃに対しても各々区画されて設けられている。ガス流路２３Ａの上流端は、上記の排気口２２に接続されている。ガス流路２３Ａの下流端は排気装置２８に接続されており、この排気装置２８によって、排気口２２から排気を行うことができる。また、ガス流路２４Ａの下流端は、上記のパージガス吐出口２３に接続されており、ガス流路２４Ａの上流端はＮ_２ガスの供給源２９に接続されている。ガス流路２４ＡとＮ_２ガス供給源２９とを接続する配管には、ガス供給機器２０が介設されている。

続いて、プラズマ形成ユニット３について、図１を参照して説明する。プラズマ形成ユニット３は、プラズマ形成用ガスを回転テーブル１２上に供給すると共に、このプラズマ形成用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。プラズマ形成ユニット３は、上記のマイクロ波を供給するためのアンテナ３１を有しており、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。

誘電体板３２は、平面視回転テーブル１２の中心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ており、誘電体板３２の周縁部は支持部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。図中３６は、導波管３３の下部側を構成するスロット板であり、誘電体板３２に接するように設けられ、複数のスロット孔３６Ａを有している。導波管３３の回転テーブル１２の中心側の端部は塞がれており、回転テーブル１２の周縁部側の端部には、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。

また、プラズマ形成ユニット３は、誘電体板３２の下面側にプラズマ形成用ガスを各々供給する第１のガス吐出口４１と、第２のガス吐出口４２と、を備えている。これらガス吐出口４１、４２は、上記の誘電体板３２の支持部３４に例えば夫々複数設けられており、第１のガス吐出口４１は、回転テーブル１２の中心側から周縁部側に向かってプラズマ形成用ガスを吐出し、第２のガス吐出口４２は、回転テーブル１２の周縁部側から中心側に向かって各々プラズマ形成用ガスを吐出する。上記の導波管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プラズマ形成用ガスに供給されて、誘電体板３２の下方領域に限定的にプラズマが形成される。このプラズマが形成される領域は第３の処理部をなし、Ｒ２として図２に示している。

また、プラズマ形成用ガスとしては、この例では不活性ガスであるＡｒ（アルゴン）ガスと不活性ガスであるＮ_２ガスとの混合ガスが用いられる。図中４３はＡｒガスの供給源であり、図中４４はＮ_２（窒素）ガスの供給源である。第１のガス吐出口４１及び第２のガス吐出口４２は、ガス供給機器４５を備えた配管系４０を介してＡｒガス供給源４３、Ｎ_２ガス供給源４４に夫々接続されている。この配管系４０は、ガス供給源４３から各ガス吐出口４１、４２へのＡｒガスの給断及び流量を夫々個別に制御し、且つガス供給源４４から各ガス吐出口４１、４２へのＮ_２ガスの給断及び流量を夫々個別に制御できるように構成されている。

続いて、ガス供給ユニット４Ａ、４Ｂについて、概略図である図５を用いて説明する。ガス供給ユニット４Ａは、プラズマ形成ユニット３と略同様に構成されている。ただし、ガス供給ユニット４Ａにおいてはアンテナ３１へのマイクロ波の供給が行われず、従って、ガス供給ユニット４Ａの下方ではプラズマの形成が行われない。ガス供給ユニット４Ｂについては、ガス供給ユニット４Ａと同様に構成される。

図中４６はＮＨ_３（アンモニア）ガスの供給源である。ガス供給ユニット４Ａ、４Ｂの第１のガス吐出口４１及び第２のガス吐出口４２は、ガス供給機器４７を備えた配管系４８を介してＡｒガス供給源４３、ＮＨ_３ガス供給源４６に夫々接続されている。この配管系４８は、Ａｒガス供給源４３からガス供給ユニット４Ａ、４Ｂの第１のガス吐出口４１へのガスの給断及び流量、ＮＨ_３ガス供給源４６からガス供給ユニット４Ａ、４Ｂの第１のガス吐出口４１へのガスの給断及び流量、Ａｒガス供給源４３からガス供給ユニット４Ａ、４Ｂの第２のガス吐出口４２へのガスの給断及び流量、ＮＨ_３ガス供給源４６からガス供給ユニット４Ａ、４Ｂの第２のガス吐出口４２へのガスの給断及び流量を夫々個別に制御できるように構成されている。

ところでプラズマ形成ユニット３、ガス供給ユニット４Ａ、４Ｂについて補足しておくと、これらのユニットでは既述したガス給排気ユニット２で行われるようなパージガスの供給及び排気が行われない。従って、成膜処理中にプラズマ形成領域Ｒ２、ガス供給ユニット４Ａの下方領域、ガス供給ユニット４Ｂの下方領域の各雰囲気は互いに分離されていない。また、回転テーブル１２上においてガス供給ユニット４Ａ、４Ｂの下方側は、ウエハＷにＮＨ_３ガスを供給して物理吸着させるための第２の処理部をなす。

また、図２に示すように、回転テーブル１２の外側の下方で、真空容器１１の底部には排気口５１が開口しており、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、この排気量に応じた圧力の真空雰囲気が真空容器１１内に形成される。上記のガス供給ユニット４Ａ、４Ｂから吐出された各ガスは、排気口５１から排気される。また、プラズマ形成ユニット３により吐出されると共にプラズマ化され、その後に失活したガスも、排気口５１から除去される。

図１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２８、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による成膜処理について、ウエハＷの縦断側面の模式図である図６〜図１０も適宜参照しながら説明する。図６は成膜処理を行う直前のウエハＷを示しており、その表面には背景技術の項目で述べたＳＯＣ膜と呼ばれる炭素を主成分とする炭素膜６１が形成されている。つまり、ウエハＷの表面には炭素膜６１が露出している。そして、この炭素膜６１にはホール及び溝からなるパターン６２が形成されている。図中６３は、炭素膜６１の下層膜である。

この図６に示したウエハＷを５枚、基板搬送機構によって回転テーブル１２の各凹部１４に搬送した後、ウエハＷの搬送口１６に設けられるゲートバルブを閉鎖して、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、後述するようにアンモニアがウエハＷに供給されたときに物理吸着される温度になるように加熱される。この温度は、例えば１５０℃〜６５０℃であり、好ましくは４５０℃〜６５０℃である。そして排気口５１からの排気によって、真空容器１１内が所定の圧力の真空雰囲気とされると共に、回転テーブル１２が例えば１０ｒｐｍ〜３０ｒｐｍで回転する。

さらに、ガス給排気ユニット２においては、ガス吐出口２１、２４から原料ガスであるＤＣＳガス、パージガスであるＮ２ガスが夫々所定の流量で吐出されると共に、排気口２２から排気が行われる。また、プラズマ形成ユニット３においては、第１のガス吐出口４１、第２のガス吐出口４２から夫々所定の流量でＮ_２ガスとＡｒガスとの混合ガスであるプラズマ形成用ガスが吐出されると共に、マイクロ波発生器３７からマイクロ波が供給されて、プラズマ形成領域Ｒ２にプラズマが形成される。さらに、ガス供給ユニット４Ａ及び４Ｂにおいては、ガス吐出口４１、４２からＮＨ_３ガス及びＡｒガスの混合ガスが、夫々所定の流量で吐出される。

回転テーブル１２が回転することにより、ウエハＷが原料ガス吸着領域Ｒ１に位置すると、シリコンを含む原料ガスとして例えば上記のＤＣＳガスが当該ウエハＷの表面に供給されて吸着される。図７では、この吸着されたＤＣＳガスの分子を６４として示している。引き続き回転テーブル１２が回転して、ウエハＷが原料ガス吸着領域Ｒ１の外側へ向けて移動し、ウエハＷの表面にパージガスが供給され、吸着された余剰のＤＣＳガスが除去される。

そして、ウエハＷは原料ガス吸着領域Ｒ１の外側に移動し、ガス供給ユニット４Ａの下方領域、ガス供給ユニット４Ｂの下方領域を順に通過して、ウエハＷの表面には、これらガス供給ユニット４Ａ、４ＢからＮＨ_３ガスが供給され、ＮＨ_３ガスの分子が物理吸着する。図８では、このように物理吸着されたＮＨ_３の分子を６５として示している。上記のようにプラズマはプラズマ形成領域Ｒ２に限定的に形成されるため、ここでウエハＷに供給されるＮＨ_３ガスは、プラズマ化されていない状態のＮＨ_３ガスである。

さらに回転テーブル１２が回転して、ウエハＷがプラズマ形成領域Ｒ２に移動すると、プラズマを構成するガスの活性種（図９中６６として表示）がウエハＷの表面に接触して、ウエハＷに物理吸着されたＮＨ_３ガスとＤＣＳガスとが反応し、図１０に示すようにウエハＷの表面の炭素膜６１を被覆するように、ＳｉＮからなる薄層６７が形成される。

なお、上記のようにウエハＷにＮＨ３は物理吸着しているため、活性種の接触前においては、ウエハＷ表面でＮＨ_３とＤＣＳとの化学反応は起きておらず、ウエハＷに供給された活性種の作用によって物理吸着されたＮＨ_３にエネルギーが与えられてＤＣＳとの反応し、ＳｉＮが形成されると考えられる。このようにウエハＷの表面に供給される活性種としては、プラズマ形成用ガスとしてプラズマ形成領域Ｒ２に供給されるＮ_２ガス及びＡｒガスがプラズマ化することで発生する活性種である。ただし、活性種には、ＮＨ_３ガスの活性種が含まれていてもよい。つまり、ガス供給ユニット４Ａ、４Ｂから供給されたＮＨ_３ガスが、プラズマ形成領域Ｒ２に進入してプラズマ化して活性種となり、ウエハＷの表面に供給されてもよい。従って、この場合にはＮＨ_３ガスもプラズマ形成用ガスを構成することになる。

そして、回転テーブル１２が回転し、ウエハＷはプラズマ形成領域Ｒ２から、原料ガス吸着領域Ｒ１に向けて再度移動する。この後もウエハＷは、原料ガス吸着領域Ｒ１、ガス供給ユニット４Ａ、４Ｂの下方領域、プラズマ形成領域Ｒ２を順に繰り返し移動する。それによって、ＤＣＳガスの吸着、ＮＨ_３ガスの物理吸着、及びプラズマ形成用ガスから生じた活性種の供給によるＳｉＮの薄層６７の形成からなる一連の工程がウエハＷに対して繰り返し行われ、形成された薄層６７が堆積される。そのように薄層６７が堆積することによって、ＳｉＮ膜が形成されると共にＳｉＮ膜の膜厚が増加する。

そして、所望の膜厚のＳｉＮ膜が形成されると、例えばガス給排気ユニット２における各ガスの吐出及び排気と、プラズマ形成ユニット３における各ガスの供給及びマイクロ波の供給と、ガス供給ユニット４Ａ、４Ｂにおける各ガスの吐出と、が各々停止し、成膜処理が終了する。成膜処理後のウエハＷは、搬送機構によって成膜装置１から搬出される。なお、このように形成されたＳｉＮ膜は、例えばこの成膜処理後にエッチングによってその形状が加工され、下層膜６３をエッチングするためのマスクとして用いられる。

上記の成膜装置１を用いた成膜処理によれば、ＤＣＳガスをウエハＷの表面に吸着させた後、プラズマ化していないＮＨ_３ガスをウエハＷに物理吸着させ、ウエハＷの表面をプラズマ形成用ガスから生じた活性種と接触させることにより、ＤＣＳとＮＨ_３とを反応させて、ＳｉＮの薄層を形成し、当該薄層を積層してＳｉＮ膜を形成している。このように物理吸着されたＮＨ_３ガスを活性化させることで窒化を行うため、多量のＮＨ_３ガスの活性種が存在する雰囲気にウエハＷを曝すことを防ぐことができるので、炭素膜６１がエッチングされて当該炭素膜６１の膜厚が減少することを抑えることができる。また、後述の評価試験で示すように、この成膜処理によって形成されるＳｉＮ膜は、炭素膜６１に対するカバレッジが良好なことが確認されている。また、ウエハＷの温度を６５０℃よりも高い温度にし、ウエハＷに吸着されたＤＣＳとウエハＷに供給したＮＨ_３ガスとを化学反応させてＳｉＮ膜を形成する、つまり活性種の作用によらずにＳｉＮ膜を形成する処理に比べて、上記の成膜装置１における処理によれば、ＳｉＮ膜の膜質を良好なものとすることができる。膜質が良好とは、具体的には膜中に不純物が少なく、膜が緻密な構造を持つことである。これは、活性種が物理吸着されたＮＨ_３に作用する際に、ウエハＷ表面に存在する不純物を叩き出し、ウエハＷ表面から除去するためであると考えられる。膜質を良好なものとすることで、エッチングする際におけるＳｉＮ膜の形状を良好なものとすることができる。

上記のような作用によってＳｉＮ膜が形成されるので、プラズマを形成してウエハＷに活性種を発生させるためにプラズマ形成領域Ｒ２に供給するプラズマ形成用ガスとしては、上記の実施形態で説明したようにＡｒガスとＮ_２との混合ガスであってもよいし、そのようなガスである代わりに例えばＡｒガスとＮＨ_３ガスとの混合ガスであってもよい。さらに、プラズマ形成用ガスとしてはヘリウム（Ｈｅ）ガスを用いることができる。Ｈｅガス単体をプラズマ形成用ガスとして用いてもよいし、Ｈｅガスと他のガスとの混合ガスをプラズマ形成用ガスとして用いてもよい。

（評価試験）
評価試験１として、上記の成膜装置１を用いて上記の実施形態で説明したようにウエハＷに成膜処理を行った。この成膜処理時の処理条件を以下に記載すると、ウエハＷの温度は４３５℃、回転テーブル１２の回転数は３０ｒｐｍ、真空容器１１内の圧力は２６７Ｐａ（２Ｔｏｒｒ）、マイクロ波発生器３７への供給電力は２５００Ｗである。また、ガス給排気ユニット２のガス流路２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃへ供給するＤＣＳガスの流量は、夫々５５ｓｃｃｍ、５１０ｓｃｃｍ、１４５ｓｃｃｍとした。また、発明の実施の形態では説明を省略したが、ガス給排気ユニット２のガス流路２５Ａについては供給されるＤＣＳガスの流量が比較的小さい場合においても、安定して原料ガス吐出口２１からガスを吐出させることができるように、Ａｒガス供給源に接続されている。この評価試験では、当該Ａｒガスを９０ｓｃｃｍでガス流路２５Ａに供給し、ＡｒガスとＤＣＳガスとの混合ガスを、ガス流路２５Ａに接続される原料ガス吐出口２１から吐出した。

プラズマ形成ユニット３の第１のガス吐出口４１へ供給するガスの流量については、Ａｒガスが１６６７ｓｃｃｍ、Ｎ２ガスが１００ｓｃｃｍである。プラズマ形成ユニット３の第２のガス吐出口４２へ供給するガスの流量については、Ａｒガスが１６６７ｓｃｃｍ、Ｎ_２ガスが１００ｓｃｃｍである。ガス供給ユニット４Ａ及び４Ｂの第１のガス吐出口４１については、Ａｒガスを３３３３ｓｃｃｍ、ＮＨ_３ガスを６０ｓｃｃｍで供給した。つまり、ガス供給源４３から３３３３ｓｃｃｍで供給されたＡｒガス及びガス供給源４６から６０ｓｃｃｍで供給されたＮＨ_３ガスが、ガス供給ユニット４Ａの第１のガス吐出口４１、ガス供給ユニット４Ｂの第１のガス吐出口４１に各々分配されるように供給した。

ガス供給ユニット４Ａ及び４Ｂの第２のガス吐出口４２については、Ａｒガスを３３３３ｓｃｃｍ、ＮＨ_３ガスを１０００ｓｃｃｍで供給した。つまり、ガス供給源４３から３３３３ｓｃｃｍで供給されたＡｒガス及びガス供給源４６から１０００ｓｃｃｍで供給されたＮＨ_３ガスが、ガス供給ユニット４Ａの第２のガス吐出口４１、ガス供給ユニット４Ｂの第２のガス吐出口４１に各々分配されるように供給した。

上記のように成膜処理されたウエハＷの縦断側面を示す画像をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）によって取得した。図１１は、取得された画像を模式図として表したものである。この図１１に示されるように、炭素膜６１上には各部の膜厚が比較的均一性高いＳｉＮ膜６８が形成されていた。つまり、パターンを形成する炭素膜６１の側壁の上部側と下部側との間におけるＳｉＮ膜６８の膜厚差が抑えられている。また、炭素膜６１は十分な膜厚を有していた。つまり、炭素膜６１のエッチングが抑えられていた。この試験結果から、本発明の効果が確認された。

続いて、比較試験１について示す。比較試験１では、ガス供給ユニット４Ａ、４ＢからＮＨ_３ガスとＡｒガスとの混合ガスを吐出する代わりに、Ａｒガスのみを吐出するように成膜装置１を用いて成膜処理を行った。この比較試験１では、そのように吐出されるガスの種類の違いを除いては、上記の発明の実施形態と同様に成膜処理を行った。

図１２は、この比較試験１の成膜処理によって得られたウエハＷの縦断側面の模式図である。この図１２に示すように、炭素膜６１の側壁の下部側に形成されるＳｉＮ膜６８の膜厚は、側壁の上部側に形成されるＳｉＮ膜６８の膜厚に比べて小さい。発明が解決しようとする課題の項目で述べたように、本発明はこのような問題を解消するためになされたものである。

評価試験２
評価試験２−１として試験用の真空容器内にウエハＷを収納し、ウエハＷの温度を４８５℃とし、真空容器内の圧力が２６７Ｐａ（２Ｔｏｒｒ）になるように排気を行った。そして、真空容器内のウエハＷに対してＡＬＤによるＳｉＮ膜の成膜を行った。具体的には、ＤＣＳガスの供給、パージガスの供給、ＮＨ_３ガスの供給、パージガスの供給、プラズマ化したＡｒガスの供給をこの順番で実施するサイクルを２００回繰り返して成膜を行った。１サイクルにおいて、ＮＨ_３ガスの供給とプラズマ化したＡｒガスの供給との間におけるパージガスの供給は１２秒間行い、他の各ガス供給については６秒間行った。成膜後にウエハＷの膜厚を測定した。

評価試験２−２として、１回のサイクルにおけるＮＨ_３ガスの供給時間を３０秒にしたことを除いて、評価試験２−１と同様の条件でウエハＷにＳｉＮ膜を成膜し、膜厚を測定した。評価試験２−３として、プラズマ化したＡｒガスの供給を行う代わりにプラズマ化していない状態のＡｒガスの供給を行ったことを除いて、評価試験２−１と同様の条件でウエハＷにＳｉＮ膜を成膜し、膜厚を測定した。

図１３の棒グラフは、評価試験２−１〜２−３において各々測定されたＳｉＮ膜の膜厚を示しており、評価試験２−１の膜厚は３９．０Å、評価試験２−２の膜厚は６４．５Å、評価試験２−３の膜厚は６．３Åであった。このように評価試験２−１に比べて１サイクル中におけるＮＨ_３ガスの供給時間が長い評価試験２−２では膜厚が大きい。また、プラズマの活性種の供給が行われていない評価試験２−３については、プラズマの活性種の供給が行われる評価試験２−１、２−２よりも膜厚が小さい。この評価試験２の結果から、発明の実施の形態で説明したように、ウエハＷに供給されたＮＨ_３ガスはウエハＷ表面のＤＣＳと化学反応しておらず物理吸着している状態であり、プラズマの活性種の作用によって当該化学反応が起きて成膜が行われることが推測される。

評価試験３
評価試験３として発明の実施の形態で説明した成膜装置１を用いてウエハＷにＳｉＮの成膜処理を複数回行った。各成膜処理において、ウエハＷの温度は４５０℃、真空容器１１内の圧力は２６７Ｐａ（２Ｔｏｒｒ）、マイクロ波発生器３７の出力は２５００Ｗに設定した。そして、各成膜処理ではプラズマ形成領域Ｒ２にプラズマ形成用ガスとして、ＮＨ_３ガスと他のガスとの混合ガスを供給しており、他のガスについては成膜処理毎に変更した。具体的には他のガスとしてＡｒガスまたはＨｅガスを用いた。ＮＨ_３ガスの流量は７５０ｓｃｃｍ、他のガスの流量は４０００ｓｃｃｍとした。

成膜後、他のガスとしてＡｒガスを用いた複数のウエハＷのうちの１つについてはアニール処理を行わずにエッチングを行い、他の１つについてはアニール処理を行った後にエッチングを行った。このようにＡｒガスを用いた試験のうち、アニール処理を行わないものについては評価試験３−１、アニール処理を行ったものについては評価試験３−２とする。他のガスとしてＨｅガスを用いた複数のウエハＷのうちの１つについてはアニール処理を行わずにエッチングを行い、他の１つについてはアニール処理を行った後にエッチングを行った。このようにＨｅガスを用いた試験のうち、アニール処理を行わないものについては評価試験３−３、アニール処理を行ったものについては評価試験３−４とする。そして、これら評価試験３−１〜３−４でエッチングされたウエハＷについて、エッチングレートを調べた。このエッチングレートが低いほど、成膜されたＳｉＮ膜の膜質が良好であることを意味する。

評価試験３−１のエッチングレートは７．４Å／分、評価試験３−２のエッチングレートは３．２Å／分、評価試験３−３のエッチングレートは７．５Å／分、評価試験３−４のエッチングレートは３．８Å／分であった。この結果から、プラズマ形成用ガスとしてＨｅガスとＮＨ_３ガスとの混合ガスを使用した場合もＡｒガスとＮＨ_３ガスとの混合ガスを使用した場合も成膜を行うことができるが、ＡｒガスとＮＨ_３ガスとの混合ガスを使用した方が、より膜質が良好な膜を形成できることが分かる。

Ｗウエハ
Ｒ１原料ガス吸着領域
Ｒ２プラズマ形成領域
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
３プラズマ形成ユニット
４Ａ、４Ｂガス供給ユニット
６６活性種

Claims

真空容器内において基板にシリコン窒化膜を成膜する成膜方法について、
前記基板にシリコン原料のガスを供給して吸着させる第１の工程と、
次いで、アンモニアガスをプラズマ化されない状態で前記基板に供給して物理吸着させる第２の工程と、
然る後、プラズマを形成するためのプラズマ形成用ガスをプラズマ化して得られた活性種を前記基板に供給し、前記基板に物理吸着されたアンモニアと前記シリコン原料とを反応させて反応生成物の層を形成する第３の工程と、
前記第１の工程と、前記第２の工程と、前記第３の工程とからなるサイクルを複数回繰り返し、前記反応生成物の層を堆積させて前記シリコン窒化膜を成膜する工程と、
前記真空容器内に設けられる回転テーブルに前記基板を載置して当該基板を公転させる工程と、を含み、
前記第１の工程は、前記回転テーブル上の前記基板の通過領域における第１の処理部に前記シリコン原料のガスを供給する工程を含み、
前記第２の工程は、前記基板の通過領域において前記第１の処理部に対して前記回転テーブルの回転方向下流側に位置する第２の処理部に前記アンモニアガスをプラズマ化されない状態で供給する工程を含み、
前記第３の工程は、前記基板の通過領域において前記第２の処理部に対して前記回転テーブルの回転方向下流側に位置する第３の処理部に前記活性種を供給する工程を含み、
前記第１の処理部に対して前記第２の処理部及び前記第３の処理部を、ガスの混合を抑えるために分離する工程を備えることを特徴とする成膜方法。
前記活性種は、窒素ガス、アンモニアガス及びヘリウムガスのうちの少なくともいずれかの活性種を含むことを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
前記活性種を基板に供給する工程は、前記窒素ガス及びアンモニアガスの少なくとも一方とアルゴンガスとをプラズマ化する工程を含むことを特徴とする請求項２記載の成膜方法。
前記シリコン窒化膜は、前記基板の表面に炭素膜のパターンが露出した基板に、当該炭素膜を被覆するように形成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の成膜方法。
前記第２の工程は、前記アンモニアガスを物理吸着させるために前記基板を１５０℃〜６５０℃に加熱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１つに記載の成膜方法。
基板にシリコン窒化膜を成膜する装置において、
真空容器内に設けられ、基板を公転させるための回転テーブルと、
前記回転テーブル上の基板の通過領域にシリコン原料のガスを供給するための第１の処理部と、
前記第１の処理部に対して前記回転テーブルの回転方向下流側に位置すると共に前記第１の処理部とは、ガスの混合を抑えるために分離され、前記基板の通過領域にアンモニアガスをプラズマ化されない状態で供給して当該基板に物理吸着させるための第２の処理部と、
前記第２の処理部に対して前記回転テーブルの回転方向下流側に位置すると共に前記第１の処理部とは、ガスの混合を抑えるために分離され、前記基板の通過領域にプラズマを形成するためのプラズマ形成用ガスをプラズマ化して得られる活性種を供給するための第３の処理部と、を備えたことを特徴とする成膜装置。