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JP6807775B2 - 成膜方法及びプラズマ処理装置 - Google Patents
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Description

本発明は、成膜方法及びプラズマ処理装置に関する。
近年、半導体製造においてデバイスの寸法が微細になり、被処理体に形成されたホールやラインアンドスペース（Ｌ／Ｓ：Line and Space）の溝部のアスペクト比（Ａ／Ｒ：Aspect Ratio）が高くなっている。このような高いアスペクト比の凹部のトップの開口を塞ぐことなく、凹部の内部を所定の膜で埋めることが提案されている（例えば、特許文献１、２を参照）。
米国特許出願公開第２０１６／０３１４９６４号明細書 特表２０１５−５３０７４２号公報 特開２０１０−１５３８５９号公報 特開２００４−２２８５８１号公報
しかしながら、特にフルオロカーボンのガスから生成されたプラズマにより凹部の内部を成膜する場合、アスペクト比が高くなると凹部のトップの開口が塞がり、凹部の内部に空洞が生じ、凹部の内部を膜で充填させることは困難であった。
上記課題に対して、一側面では、本発明は、被処理体の凹部を所定の堆積物で埋めることを目的とする。
一の態様によれば、チャンバの内部を所定の圧力に保持し、被処理体を載置するステージを−２０℃以下の極低温に冷却したステージ上に設置する工程と、前記チャンバの内部に低蒸気圧材料のガスを含むガスを供給する工程と、供給した前記低蒸気圧材料のガスを含むガスからプラズマを生成し、該プラズマによって前記低蒸気圧材料から生成されるプリカーサを被処理体の凹部に堆積させる工程と、を有し、前記低蒸気圧材料のガスは、前記所定の圧力におけるＣ ４ Ｆ ８ の温度−蒸気圧曲線が示す温度と同じ温度又はそれ以上の温度にて蒸気圧になるガスであり、前記所定の圧力は５０ｍＴｏｒｒ（６．６７Ｐａ）以上から前記低蒸気圧材料のガスの温度−蒸気圧曲線にて示される蒸気圧以下までの範囲である、成膜方法が提供される。
一の側面によれば、被処理体の凹部を所定の堆積物で埋めることができる。
一実施形態に係るプラズマ処理装置の一例を示す図。 一実施形態に係る凹部の開口の閉塞を説明するための図。 一実施形態に係る被処理体のサンプルを説明するための図。 一実施形態に係る成膜方法の実験結果の一例を示す図。 一実施形態に係る成膜方法による膜の時間変化の実験結果の一例を示す図。 一実施形態に係る成膜方法による膜の時間変化の実験結果の一例を示すグラフ。 一実施形態に係る成膜方法による膜の温度依存の実験結果の一例を示す図。 一実施形態に係る成膜方法による膜の圧力依存の実験結果の一例を示す図。 一実施形態に係る成膜方法による膜のガス依存の実験結果の一例を示す図。 蒸気圧曲線を示す図。 一実施形態に係る成膜方法による膜のＬＦ依存の実験結果の一例を示す図。 一実施形態に係る成膜方法による添加ガスによる希釈の実験結果の一例を示す図。 一実施形態に係る成膜方法による膜の装置依存の実験結果の一例を示す図。 一実施形態に係る装置の概略構成を説明するための図。
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。
［プラズマ処理装置］
まず、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の構成の一例について、図１を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係るプラズマ処理装置の構成の一例を示す。本実施形態では、プラズマ処理装置として誘導結合型プラズマ(ＩＣＰ:Inductively Coupled Plasma)処理装置５を例に挙げて説明する。
この誘導結合型プラズマ処理装置５は、平面コイル形のＲＦアンテナを用いるプラズマ処理装置として構成されており、たとえばアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属製の円筒型真空チャンバ１０を有している。チャンバ１０は、保安接地されている。
チャンバ１０内の下部中央には、被処理基板としてたとえば半導体ウェハ（以下、「ウェハＷ」という。）を載置する円板状のステージ１２が高周波電極を兼ねる基板保持台として水平に配置されている。このステージ１２は、たとえばアルミニウムからなり、チャンバ１０の底から垂直上方に延びる絶縁性筒状支持部１４に支持されている。
絶縁性筒状支持部１４の外周に沿ってチャンバ１０の底から垂直上方に延びる導電性筒状支持部１６とチャンバ１０の内壁との間に環状の排気路１８が形成されている。排気路１８の上部または入口に環状のバッフル板２０が取り付けられ、底部に排気ポート２２が設けられている。チャンバ１０内のガスの流れをステージ１２上のウェハＷに対して軸対象に均一にするためには、排気ポート２２を円周方向に等間隔で複数設ける構成が好ましい。
各排気ポート２２には排気管２４を介して排気装置２６が接続されている。排気装置２６は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、チャンバ１０内のプラズマ処理空間を所望の真空度まで減圧することができる。チャンバ１０の側壁の外には、ウェハＷの搬入出口２７を開閉するゲートバルブ２８が取り付けられている。
ステージ１２には、第２の高周波電源３０が整合器３２および給電棒３４を介して電気的に接続されている。この第２の高周波電源３０は、ウェハＷに引き込むイオンのエネルギーを制御するために適した一定周波数（例えば４００ｋＨｚ）のバイアス引き込み用の高周波電力ＬＦを可変のパワーで出力できるようになっている。整合器３２は、第２の高周波電源３０側のインピーダンスと負荷（主にステージ、プラズマ、チャンバ）側のインピーダンスの間で整合をとるためのリアクタンス可変の整合回路を収容している。その整合回路の中に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。また、整合器３２と給電棒３４の間には、プラズマ生成中に第２の高周波電源３０からステージ１２にバイアス引き込み用の高周波電力を印加した場合に、実際にステージ１２に印加される電圧Ｖｐｐ（実際に印加される電圧の正弦波の振幅:peak-to-peak）、すなわち、ウェハＷに引き込むイオンエネルギーを測定するための電圧測定部（図示せず）を有する。
ステージ１２の上面には、ウェハＷを静電吸着力で保持するための静電チャック３６が設けられ、静電チャック３６の外周側にはウェハＷの周囲を環状に囲むフォーカスリング３８が設けられている。静電チャック３６は導電膜からなる電極３６ａを一対の絶縁膜３６ｂ，３６ｃの間に挟み込んだものであり、電極３６ａには高圧の直流電源４０がスイッチ４２および被覆線４３を介して電気的に接続されている。直流電源４０から供給される直流電流により、静電力でウェハＷを静電チャック３６上に吸着保持することができる。
ステージ１２の内部には、たとえば円周方向に延びる環状の冷媒室または冷媒流路４４が設けられている。この冷媒流路４４には、チラーユニットより配管４６，４８を介して所定温度の冷媒たとえば冷却水ｃｗが循環供給される。冷媒の温度によって静電チャック３６上のウェハＷの処理中の温度を制御できる。これと関連して、伝熱ガス供給部からの伝熱ガスたとえばＨeガスが、ガス供給管５０を介して静電チャック３６の上面とウェハＷの裏面との間に供給される。また、ウェハＷのローディング／アンローディングのためにステージ１２を垂直方向に貫通して上下移動可能なリフトピンおよびその昇降機構等も設けられている。
次に、この誘導結合型プラズマ処理装置５においてプラズマ生成に関係する各部の構成を説明する。チャンバ１０の天井には、ステージ１２から比較的大きな距離間隔を隔てて、たとえば石英板からなる円形の誘電体窓５２が気密に取り付けられている。この誘電体窓５２の上には、チャンバ１０またはステージ１２と同軸に、コイル状のＲＦアンテナ５４が水平に配置されている。このＲＦアンテナ５４は、好ましくは、たとえばスパイラルコイルまたは各一周内で半径一定の同心円コイルの形態を有しており、絶縁体からなるアンテナ固定部材によって誘電体窓５２の上に固定されている。
ＲＦアンテナ５４の一端には、第１の高周波電源５６の出力端子が整合器５８および給電線６０を介して電気的に接続されている。ＲＦアンテナ５４の他端は、アース線を介して電気的にグランド電位に接続されている。
第１の高周波電源５６は、高周波放電によるプラズマの生成に適した周波数（例えば２７ＭＨｚ以上）のプラズマ生成用の高周波ＨＦを可変のパワーで出力できるようになっている。整合器５８は、第１の高周波電源５６側のインピーダンスと負荷（主にＲＦアンテナ、プラズマ、補正コイル）側のインピーダンスとの間で整合をとるためのリアクタンス可変の整合回路を収容している。
チャンバ１０内の処理空間に所定のガスを供給するためのガス供給部は、誘電体窓５２より幾らか低い位置でチャンバ１０の側壁の中（または外）に設けられる環状のマニホールドまたはバッファ部６２と、円周方向に等間隔でバッファ部６２からプラズマ生成空間Ｓに臨む多数の側壁ガス吐出孔６４と、ガス供給源６６からバッファ部６２まで延びるガス供給管６８とを有している。ガス供給源６６は、流量制御器および開閉弁を含んでいる。
制御部７４は、たとえばマイクロコンピュータを含み、この誘導結合型プラズマ処理装置５内の各部たとえば排気装置２６、第２の高周波電源３０，第１の高周波電源５６、整合器３２，整合器５８、静電チャック用のスイッチ４２、ガス供給源６６、チラーユニット、伝熱ガス供給部等の個々の動作および装置全体の動作を制御する。
この誘導結合型プラズマ処理装置５において、成膜を行うには、先ずゲートバルブ２８を開状態にして加工対象のウェハＷをチャンバ１０内に搬入して、静電チャック３６の上に載置する。そして、ゲートバルブ２８を閉めてから、ガス供給源６６よりガス供給管６８、バッファ部６２および側壁ガス吐出孔６４を介して所定のガスを所定の流量および流量比でチャンバ１０内に導入し、排気装置２６によりチャンバ１０内の圧力を設定値にする。さらに、第１の高周波電源５６をオンにしてプラズマ生成用の高周波ＨＦを所定のＲＦパワーで出力させ、整合器５８，給電線６０を介してＲＦアンテナ５４に高周波ＨＦの電力を供給する。
一方、イオン引き込み制御用の高周波ＬＦのパワーを印加する場合には、第２の高周波電源３０をオンにして高周波電力ＬＦを出力させ、この高周波ＬＦのパワーを整合器３２および給電棒３４を介してステージ１２に印加する。イオン引き込み制御用の高周波ＬＦのパワーを印加しない条件の場合には、高周波のパワーを０Ｗにする。また、伝熱ガス供給部より静電チャック３６とウェハＷとの間の接触界面に伝熱ガスを供給するとともに、スイッチ４２をオンにして静電チャック３６の静電吸着力により伝熱ガスを上記接触界面に閉じ込める。
側壁ガス吐出孔６４より吐出された所定のガスは、誘電体窓５２の下の処理空間に均一に拡散する。ＲＦアンテナ５４を流れる高周波ＨＦの電流によって、磁力線が誘電体窓５２を貫通してチャンバ内のプラズマ生成空間Ｓを通過するようなＲＦ磁界がＲＦアンテナ５４の周りに発生し、このＲＦ磁界の時間的な変化によって処理空間の方位角方向にＲＦ誘導電界が発生する。そして、この誘導電界によって方位角方向に加速された電子が、供給されたガスの分子や原子と電離衝突を起こし、ドーナツ状のプラズマが生成される。このドーナツ状プラズマのラジカルやイオンは広い処理空間で四方に拡散し、ラジカルは等方向に降り注ぐようにして、イオンは直流バイアスに引っぱられるようにして、ウェハＷの上面（被処理面）に供給される。こうしてウェハＷの被処理面にプラズマの活性種が化学反応と物理反応をもたらし、被加工膜が所望のパターンにエッチングされる。
この誘導結合型プラズマ処理装置５は、上記のようにＲＦアンテナ５４に近接する誘電体窓５２の下で誘導結合のプラズマをドーナツ状に生成し、このドーナツ状のプラズマを広い処理空間内で分散させて、ステージ１２近傍（つまりウェハＷ上）でプラズマの密度を平均化するようにしている。ここで、ドーナツ状プラズマの密度は、誘導電界の強度に依存し、ひいてはＲＦアンテナ５４に供給される高周波ＨＦのパワー（より正確にはＲＦアンテナ５４を流れる電流）の大きさに依存する。すなわち、高周波ＨＦのパワーを高くするほど、ドーナツ状プラズマの密度が高くなり、プラズマの拡散を通じてステージ１２近傍でのプラズマの密度は全体的に高くなる。一方で、ドーナツ状プラズマが四方（特に径方向）に拡散する形態は主にチャンバ１０内の圧力に依存し、圧力を低くするほど、チャンバ１０の中心部にプラズマが多く集まって、ステージ１２近傍のプラズマ密度分布が中心部で盛り上がる傾向がある。また、ＲＦアンテナ５４に供給される高周波ＨＦのパワーやチャンバ１０内に導入される処理ガスの流量等に応じてドーナツ状プラズマ内のプラズマ密度分布が変わることもある。
ここで「ドーナツ状のプラズマ」とは、チャンバ１０の径方向内側（中心部）にプラズマが立たず径方向外側にのみプラズマが立つような厳密にリング状のプラズマに限定されず、むしろチャンバ１０の径方向内側より径方向外側のプラズマの体積または密度が大きいことを意味する。また、処理ガスに用いるガスの種類やチャンバ１０内の圧力の値等の条件によっては、ここで云う「ドーナツ状のプラズマ」にならない場合もある。
制御部７４は、図示しないＣＰＵ，ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を有し、ＲＡＭなどに記憶されたレシピに設定された手順に従い、本実施形態に係る誘導結合型プラズマ処理装置５の各部を制御し、これにより、本実施形態に係る成膜方法を制御する。
［ボイドの発生］
近年、半導体のデバイス寸法が微細になり、ウェハＷに形成されたホールやラインアンドスペース（Ｌ／Ｓ）の溝部が高アスペクト比（Ａ／Ｒ）になっている。アスペクト比が高くなる程、図２（ａ）に示すように、レジスト９のパターンにパターン化されたエッチング対象膜８の凹部を所定の膜で埋めることが難しくなる。つまり、図２（ｂ）に示すように、エッチング対象膜８に形成された凹部の底部だけでなく、凹部のトップの開口に堆積物Ｒが堆積し、図２（ｃ）に示すように、堆積物Ｒで開口が塞がって、所謂「ボイドＶ」といわれる空間が凹部に発生し、凹部を膜で充填することが困難になる。
そこで、以下に説明する本実施形態に係る誘導結合型プラズマ処理装置５及び該装置にて実行される成膜方法では、複数の実験結果から成膜条件を適正化し、これにより、高いアスペクト比の凹部において、トップの開口を塞がずにその内部を所定の膜で埋めることができるようにする。
［サンプル］
図３に、本実施形態に係る成膜方法を実行するために使用される被処理体のサンプル例を示す。使用したサンプル例のうち、（ａ）「ＳｉＮ Ｌ＆Ｓ」のサンプルでは、疎密のあるパターン化されたＳｉＮ膜１がウェハＷ上に形成されている。ＳｉＮ膜１にパターン化された凹部のアスペクト比は一律ではなく、アスペクト比が３〜５の凹部、アスペクト比が１２の凹部、アスペクト比がそれ以外の値の凹部及び平面部Ｆｔを有する。
（ｂ）「Ｈｉｇｈ Ａ／Ｒ」のサンプルでは、アスペクト比が１８の凹部が形成されたＳｉＮ膜１がウェハＷ上に形成されている。（ｃ）「Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌ＆Ｓ」のサンプルでは、アスペクト比が２のラインアンドスペースが形成されている。「Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌ＆Ｓ」のサンプルでは、下地膜はＳｉＯ２膜２であり、その上に有機膜３及びＳｉ−ＡＲＣ（Anti Reflective Coating：反射防止膜）４が積層されている。「Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌ＆Ｓ」のサンプルに形成された凹部のアスペクト比は２である。よって、本実施形態に係る成膜方法では、アスペクト比が２以上の各サンプルの凹部に対して成膜が行われる。
［実験１：成膜］
次に、本実施形態に係る成膜方法を、誘導結合型プラズマ処理装置５にて実行した場合の実験１の結果について、図４を参照して説明する。実験１の成膜条件１は以下である。
＜成膜条件１＞
チャンバ内圧力：１００ｍＴ（１３．３Ｐａ）
ガス種：Ｃ４Ｆ６ ３００ｓｃｃｍ
ステージ温度：−５０℃
成膜時間：５ｓｅｃ
高周波ＨＦのパワー：３００Ｗ
高周波ＬＦのパワー：０Ｗ
この実験の結果によれば、（ａ）「ＳｉＮ Ｌ＆Ｓ」、（ｂ）「Ｈｉｇｈ Ａ／Ｒ」、（ｃ）「Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌ＆Ｓ」のいずれのサンプルの場合においても、Ｃ４Ｆ６ガスから生成されたプラズマ中のプリカーサがサンプル上の凹部に堆積し、ボトムアップで成膜されるため、ボイドは発生していない。以下、本実施形態に係る成膜方法により成膜された膜（堆積物Ｒ）を、「流動性有機膜Ｒ」ともいう。つまり、本実験１によれば、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すＳｉＮ膜１の場合であっても、図４（ｃ）に示す有機膜３の場合であっても凹部を流動性有機膜Ｒで埋めることができることがわかる。
［実験２：膜の時間変化］
次に、「ＳｉＮ Ｌ＆Ｓ」のサンプルを用いて、流動性有機膜Ｒの成膜時間に応じた膜の変化の一例について、図５を参照して説明する。実験２の成膜条件２は以下である。
＜成膜条件２＞
チャンバ内圧力：５０ｍＴ（６．６５Ｐａ）
ガス種：Ｃ４Ｆ６ ３００ｓｃｃｍ
ステージ温度：−５０℃
高周波ＨＦのパワー：３００Ｗ
高周波ＬＦのパワー：０Ｗ
この実験の結果を示す図５のうち、図５（ａ）は、成膜時間が２秒のときの成膜状態を示す。図５（ａ）の下図では、アスペクト比が１２の凹部Ｆは流動性有機膜Ｒで充填されていることがわかる。
図５（ｂ）は、成膜時間が４秒のときの流動性有機膜Ｒの状態を示す。図５（ｂ）では、凹部Ｂ，Ｄには流動性有機膜Ｒが堆積しておらず、凹部Ｂ，Ｄよりも凹部Ａ，Ｃ，Ｅのホールに、さらに流動性有機膜Ｒがより多く堆積していることがわかる。凹部Ｇにも流動性有機膜Ｒが堆積していることがわかる。なお、この時点で、平面部Ｈには、流動性有機膜Ｒはほとんど堆積していない。
図５（ｃ）は、成膜時間が７秒のときの流動性有機膜Ｒの状態を示す。図５（ｃ）では、平面部Ｈにおいても、流動性有機膜Ｒの堆積が見られる。図５（ｄ）は、成膜時間が１０秒のときの流動性有機膜Ｒの状態を示す。図５（ｄ）では、凹部Ａ〜Ｇは流動性有機膜Ｒにより概ね充填され、平面部Ｈにおいても更に多くの流動性有機膜Ｒが堆積している。図５（ｅ）は、成膜時間が３０秒のときの流動性有機膜Ｒの状態を示す。図５（ｅ）では、すべての凹部及び平面部Ｈが流動性有機膜Ｒにより充填されている。
以上から、本実施形態に係る成膜方法によれば、Ｃ４Ｆ６ガスから生成されたプラズマ中のプリカーサの堆積により凹部を流動性有機膜Ｒで埋める。このとき、流動性有機膜Ｒは、凹部の底部からボトムアップで成長し、下から順に成膜されることがわかる。これにより、本実施形態に係る成膜方法では、ＳｉＮ膜１のトップの開口に堆積物が堆積し難いため、ボイドの発生を回避しながら、凹部を内部を流動性有機膜Ｒによって充填することができる。
また、本実施形態に係る成膜方法によれば、凹部の幅が細いホールから先に流動性有機膜Ｒが充填されることがわかる。図５に示すように、成膜時間が短いと凹部の幅が細いホールから順に流動性有機膜Ｒが充填され、完全に埋まっているホールと完全には埋まっていないホールがあり、均一性が悪い。しかし、成膜時間が長くなると凹部の幅が太いホールにも流動性有機膜Ｒが充填され、成膜時間が３０秒程度になるとすべてのホールが流動性有機膜Ｒによって埋まることがわかる。
また、凹部のアスペクト比が高くなるほど成膜速度が速くなることがわかる。さらに、ウェハＷの凹部Ａ〜Ｇにおける成膜速度は、ウェハＷの平面部Ｈにおける成膜速度よりも速いことがわかった。
図６は、図５の実験結果をグラフに示したものである。グラフの横軸は成膜時間（秒）、縦軸は堆積物の厚さ（ｎｍ）である。曲線Ｊは、図６の左側に示すアスペクト比が１２の細穴の膜厚の時間変化を示す。曲線Ｋは、アスペクト比が４．３の中間穴の膜厚の時間変化を示す。曲線Ｌは、アスペクト比が３．６の太穴の膜厚の時間変化を示す。曲線Ｍは、マスクとして機能するＳｉＮ膜１のトップ（上部）に堆積する堆積物の膜厚の時間変化を示す。曲線Ｎは、平面部（Open Area）に堆積する堆積物の膜厚の時間変化を示す。
図６の左側の断面図に示すように、ＳｉＮ膜１の底部の高さを０ｎｍとしたとき、ＳｉＮ膜１のトップの高さは１１０ｎｍである。このため、曲線Ｍが１１０ｎｍの厚さを示す時間帯では、ＳｉＮ膜１のトップに堆積物は堆積していない状態である。グラフを見ると、曲線Ｊ→曲線Ｋ→曲線Ｌの順に曲線が立ち上がる。つまり、曲線Ｊが示す細穴→曲線Ｋが示す中間穴→曲線Ｌが示す太穴の順に流動性有機膜Ｒが内部に充填されることがわかる。
また、曲線Ｍが示すＳｉＮ膜１のトップ（マスク上）の堆積物の厚さから、細穴、中間穴、太穴が充填された後、流動性有機膜ＲがＳｉＮ膜１のトップに堆積することがわかる。また、曲線Ｎが示す平面部は、細穴、中間穴及び太穴のすべてが流動性有機膜Ｒにて充填される成膜時間が１０秒よりも前に流動性有機膜Ｒが堆積し始めるが、平面部の成膜速度は、ＳｉＮ膜１のトップの成膜速度と概ね等しい。
［実験３：温度依存］
次に、本実施形態に係る成膜方法による膜の温度依存について、図７を参照して説明する。図７は、「ＳｉＮ Ｌ＆Ｓ」のサンプルを用いた場合の本実施形態に係る成膜方法による膜の温度依存の結果の一例を示す。実験３の成膜条件３は以下である。
＜成膜条件３＞
チャンバ内圧力：５０ｍＴ（６．６５Ｐａ）又は１００ｍＴ（１３．３Ｐａ）
ガス種：Ｃ４Ｆ６のとき１２５ｓｃｃｍ又は３００ｓｃｃｍ
ＩＰＡ（イソプロピルアルコール：Ｃ３Ｈ８Ｏ）のとき７５ｓｃｃｍ
ステージ温度：−１０℃、−２０℃、−３０℃、−４０℃、−５０℃
高周波ＨＦのパワー：３００Ｗ
高周波ＬＦのパワー：０Ｗ
具体的には、図７（ａ）は、チャンバ内を１００ｍＴの圧力に維持し、Ｃ４Ｆ６ガスを３００ｓｃｃｍ供給したときの各温度における膜の状態を示す。これによれば、−１０℃及び−２０℃の場合にボイドＶが発生し、ボトムアップの成膜は行われておらず、図２に示すような等方向の成膜が行われていることがわかる。一方、−３０℃及び−５０℃の場合には、凹部の底部から積み上げるように成膜されるため、ボイドＶは発生せず、凹部の内部が流動性有機膜Ｒで埋められることがわかる。
図７（ｂ）は、チャンバ内を５０ｍＴの圧力に維持し、ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）ガスを７５ｓｃｃｍ供給したときの各温度における膜の状態を示す。ＩＰＡは、第２級アルコールの１種である。これによれば、−１０℃及び−３０℃の場合にボイドＶが発生し、等方向の成膜が行われていることがわかる。一方、−４０℃及び−５０℃の場合には、ボイドＶは発生せず、凹部は流動性有機膜Ｒで埋められていることがわかる。なお、−２０℃の場合の結果は得られていない。
図７（ｃ）は、チャンバ内を５０ｍＴの圧力に維持し、Ｃ４Ｆ６ガスを３００ｓｃｃｍ供給したときの各温度における膜の状態を示す。これによれば、−１０℃及の場合にボイドＶが発生し、等方向の成膜が行われていることがわかる。一方、−２０℃、−３０℃及び−５０℃の場合には、ボイドＶは発生せず、凹部は流動性有機膜Ｒで埋められていることがわかる。なお、−４０℃の場合の結果は得られていない。
図７（ｄ）は、チャンバ内を５０ｍＴの圧力に維持し、Ｃ４Ｆ６ガスを１２５ｓｃｃｍ供給したときの各温度における膜の状態を示す。これによれば、−１０℃及び−２０℃の場合にボイドＶが発生し、等方向の成膜が行われていることがわかる。一方、−３０℃の場合には、ボイドＶは発生せず、凹部は流動性有機膜Ｒで埋められていることがわかる。なお、−４０℃及び−５０℃の場合の結果は得られていない。
以上から、ガス種、圧力及びガス流量によって、凹部を流動性有機膜Ｒにより埋めることが可能な温度が異なることがわかる。少なくともチャンバ内を５０ｍの圧力に維持し、Ｃ４Ｆ６ガスを３００ｓｃｃｍ供給したときには、ステージ１２を−２０℃以下の極低温にて凹部を流動性有機膜Ｒにより埋めることができる。
［実験４：圧力依存］
次に、本実施形態に係る成膜方法による膜の圧力依存について、図８を参照して説明する。図８は、「ＳｉＮ Ｌ＆Ｓ」のサンプルを用いた場合の本実施形態に係る成膜方法による膜の圧力依存の結果の一例を示す。実験４の成膜条件４は以下である。
＜成膜条件４＞
チャンバ内圧力：１０ｍＴ（１．３３Ｐａ）、３０ｍＴ（４．００Ｐａ）、５０ｍＴ、１００ｍＴ
ガス種：Ｃ４Ｆ６
ガス流量：３００ｓｃｃｍ
ステージ温度：−５０℃
高周波ＨＦのパワー：３００Ｗ
高周波ＬＦのパワー：０Ｗ
本実験の結果によれば、ステージ１２を−５０℃以下の極低温に保持した状態であって、Ｃ４Ｆ６ガスを供給した場合、図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、成膜時間が１０ｓｅｃであり、チャンバ内圧力が１０ｍＴの場合及び３０ｍＴの場合にはボイドが発生した。一方、圧力の条件のみを変化させた図８（ｃ）及び（ｄ）では、成膜時間が１０ｓｅｃであり、チャンバ内圧力が５０ｍＴの場合及び成膜時間が５ｓｅｃであり、チャンバ内圧力が１００ｍＴの場合のいずれにおいてもボイドは発生せず、凹部を流動性有機膜Ｒにより埋めることができた。以上から、ステージ１２を−５０℃以下の極低温に保持し、かつ、Ｃ４Ｆ６ガスを供給した場合には、チャンバ内圧力を５０ｍＴ以上にすれば、ボトムアップの成膜が行われ、凹部を流動性有機膜Ｒにより埋めることができることがわかる。
［実験５：ガス依存］
次に、本実施形態に係る成膜方法による膜のガス依存について、図９を参照して説明する。図９は、「ＳｉＮ Ｌ＆Ｓ」のサンプルを用いた場合の本実施形態に係る成膜方法による膜のガス依存の結果の一例を示す。実験５の成膜条件５は以下である。
＜成膜条件５＞
チャンバ内圧力：５０ｍＴ（Ｃ４Ｆ６、ＩＰＡ、ＣＨ４、Ｃ４Ｆ８）、１００ｍＴ（Ｃ４Ｆ６、ＣＨ３Ｆ、ＣＦ４、Ｃ４Ｆ８）
ガス種：Ｃ４Ｆ６、ＩＰＡ（Ｃ３Ｈ８Ｏ）、ＣＨ４、ＣＨ３Ｆ、ＣＦ４、Ｃ４Ｆ８
ステージ温度：−５０℃、−４０℃、−３０℃、−２０℃、−１０℃
高周波ＨＦのパワー：３００Ｗ
高周波ＬＦのパワー：０Ｗ
本実験の結果によれば、Ｃ４Ｆ６ガス、ＩＰＡ（Ｃ３Ｈ8Ｏ）ガス、Ｃ４Ｆ８ガスは、ボイドＶが発生せず、凹部を流動性有機膜Ｒにより埋めることができた。Ｃ４Ｆ６ガスを使用したとき、ステージの温度を−２０℃以下にすることで、凹部の底部から堆積するボトムアップの流動性有機膜Ｒの成膜が可能となる。ＩＰＡ（Ｃ３Ｈ8Ｏ）ガスを使用したとき、ステージの温度を−４０℃以下にすることで、ボトムアップの流動性有機膜Ｒの成膜が可能となる。Ｃ４Ｆ８ガスを使用したとき、ステージの温度を−３０℃以下にすることで、ボトムアップの流動性有機膜Ｒの成膜が可能となる。
一方、ＣＨ４ガス、ＣＨ３Ｆガスは、ボイドＶが発生してしまい、凹部を流動性有機膜Ｒにより埋めることはできなかった。ＣＨ４ガス及びＣＨ３Ｆガスを使用したとき、ステージの温度を−５０℃にしても、ボトムアップの流動性有機膜Ｒの堆積は行われなかった。また、ＣＦ４ガスを使用したとき、ステージの温度を−５０℃にしても、堆積物がなく、成膜されなかった。
（低蒸気圧材料）
図１０に蒸気圧曲線を示す。凹部の底部から堆積するボトムアップの流動性有機膜Ｒの成膜ができなかったＣＨ４ガス、ＣＨ３Ｆガス、ＣＦ４ガスは、Ｃ４Ｆ８ガスの蒸気圧曲線よりも低い温度にて蒸気圧になるガスである。これに対して、ボトムアップの流動性有機膜Ｒの成膜に成功したＣ４Ｆ８、Ｃ４Ｆ６、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）は、Ｃ４Ｆ８ガスの蒸気圧曲線が示す温度と同じ温度又はそれ以上の温度にて蒸気圧になる、所謂、「低蒸気圧材料のガス」である。
実験１〜５の結果から、本実施形態に係る成膜方法は、チャンバ１０の内部を所定の圧力に保持した状態でウェハＷを−２０℃以下の極低温に冷却したステージ上に設置する工程と、チャンバ１０の内部に低蒸気圧材料のガスを含むガスを供給する工程とを含む。また、本実施形態に係る成膜方法は、供給した前記低蒸気圧材料のガスを含むガスからプラズマを生成し、該プラズマによって前記低蒸気圧材料から生成されるプリカーサによりウェハＷの上に成膜する工程を含む。これによれば、凹部の底部から堆積するボトムアップの流動性有機膜Ｒの成膜が可能となる。このとき、チャンバ１０の内部の圧力は、５０ｍＴ（６．６７Ｐａ）以上であり、かつ、低蒸気圧材料のガスの蒸気圧曲線にて示される蒸気圧以下であることが好ましい。
また、「低蒸気圧材料のガス」は、炭素含有ガスであってもよい。、炭素含有ガスとは、具体的には、Ｃ４Ｆ８、Ｃ４Ｆ６、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）のいずれかであってもよい。これにより、本実施形態に係る成膜方法によれば、低蒸気圧材料から生成されるプリカーサをウェハＷに形成された凹部の底部から積み上げ、ウェハＷ上に流動性有機膜を成膜することができる。
［実験６：ＬＦ依存］
次に、本実施形態に係る成膜方法において、バイアス引き込み用の高周波ＬＦのパワーの印加の有無による膜の状態の変化を示す実験６の結果について、図１１を参照しながら説明する。図１１は、本実施形態に係る成膜方法による膜のＬＦ依存の結果の一例を示す。実験６の成膜条件６は以下である。
＜成膜条件６＞
チャンバ内圧力：１００ｍＴ
ガス種：Ｃ４Ｆ６
ステージ温度：−５０℃
高周波ＨＦのパワー：３００Ｗ
高周波ＬＦのパワー（４００ｋＨｚ）：０Ｗ（Ｖｐｐ＝０Ｖ）、４０Ｗ（Ｖｐｐ＝１０００Ｖ）、１００Ｗ（Ｖｐｐ＝１４００Ｖ）
本実験の結果によれば、図１１（ａ）に示す高周波ＬＦのパワーが０Ｗの場合、ステージ１２に印加される電圧Ｖｐｐは０Ｖ、すなわちイオンエネルギーは０Ｖである。このとき、凹部にボトムアップで流動性有機膜Ｒが成膜されていることがわかる。つまり、高周波ＬＦの電力を印加しない場合、凹部を流動性有機膜Ｒにより埋めることができる。
次に、図１１（ｂ）に示す高周波ＬＦのパワーが４０Ｗの場合、ステージ１２に印加される電圧Ｖｐｐは１０００Ｖ、すなわちイオンエネルギーは１０００Ｖである。このとき、凹部にボトムアップで流動性有機膜Ｒが成膜されていることがわかる。
一方、図１１（ｃ）に示す高周波ＬＦのパワーが１００Ｗの場合、ステージ１２に印加される電圧Ｖｐｐは１４００Ｖ、すなわちイオンエネルギーは１４００Ｖであるが、ボイドＶが発生し、凹部がボトムアップで流動性有機膜Ｒにより埋められていないことがわかる。
以上から、本実施形態に係る成膜方法では、チャンバ１０の内部にプラズマ生成用の高周波ＨＦのパワーを印加し、かつ、イオンエネルギーが１０００Ｖより高くなるようなバイアス引き込み用の高周波電力を印加すると、プラズマ中のイオンの作用によりＳｉＮ膜１のトップにも等方向に成膜され、ボイドＶが発生する可能性があることがわかる。よって、チャンバ１０の内部にプラズマ生成用の高周波ＨＦのパワーを印加し、かつ、バイアス引き込み用の高周波ＬＦのパワーは印加しない、又は、イオンエネルギーが１０００Ｖ以下になるような高周波ＬＦのパワーを印加することが好ましい。
［実験７：希釈ガスの添加］
次に、本実施形態に係る成膜方法にて使用する低蒸気圧材料のガスに希釈ガスを添加した実験７の結果について、図１２を参照しながら説明する。図１２は、本実施形態に係る成膜方法にて使用する低蒸気圧材料のガスに、希釈ガスとしてＡｒガスを添加した結果の一例を示す。本実験では、希釈ガスとしてＡｒガスが使用されるが、これに限らない。例えば、希釈ガスとしては、Ａｒガスの他、Ｈｅガス、Ｎｅガス又はＸｅガスのいずれかの不活性ガスを添加してもよい。
図１２に示す実験７では、Ｃ４Ｆ６ガスをＡｒガスにて希釈し、チャンバ１０の内部に供給する。図１２（ａ）〜（ｄ）のそれぞれの希釈度は、１％、１０％、５０％、１００％である。希釈度が１％の場合、ＡｒガスとＣ ４ Ｆ ６ ガスとの総流量に対するＣ４Ｆ６ガスの流量の割合は１％となる。希釈度が１００％の場合、ＡｒガスとＣ ４ Ｆ ６ ガスとの総流量に対するＣ４Ｆ６ガスの流量の割合は１００％となり、この場合、低蒸気圧材料のガス（ここでは、Ｃ４Ｆ６ガス）にＡｒガスは含まれない。希釈度が１％の場合の成膜時間は３００ｓｅｃ、希釈度が１０％の場合の成膜時間は３０ｓｅｃ、希釈度が５０％の場合の成膜時間は１２０ｓｅｃ、希釈度が１００％の場合の成膜時間は５ｓｅｃである。その他の実験７の成膜条件７は以下である。
＜成膜条件７＞
チャンバ内圧力：１００ｍＴ
ガス種：Ｃ４Ｆ６
希釈ガス：Ａｒ
ステージ温度：−５０℃
高周波ＨＦのパワー：３００Ｗ
高周波ＬＦのパワー：０Ｗ
この実験では、「ＳｉＮ Ｌ＆Ｓ」のサンプル及び「Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌ＆Ｓ」のサンプルを用いて実験を行った。これによれば、いずれのサンプルにおいても、ステージ温度が−５０℃の極低温の場合、希釈度によっては、マスクのトップが閉塞し、ボイドＶが発生することがわかる。具体的には、希釈度が１％及び１０％の場合、等方向の成膜が行われ、ボイドＶが発生している。一方、希釈度が５０％、１００％の場合、凹部の底部から流動性有機膜Ｒを積み上げるボトムアップの成膜が行われ、ボイドは発生していない。これによれば、希釈度が５０％以下になると、Ａｒガスの割合が増えてイオンによる影響が増すため、ＬＦ依存と同様にボトムアップの成膜を行うことができないことがわかる。
以上から、低蒸気圧材料のガスを含むガスは不活性ガスを含んでもよく、その場合、不活性ガスの流量に対する低蒸気圧材料のガスの流量の割合は、５０％以上にすることが好ましいことがわかる。
［実験８：装置依存］
最後に、本実施形態に係る成膜方法を行うプラズマ処理装置の違いによる膜の状態の変化を示す実験８の結果について、図１３及び図１４を参照しながら説明する。図１３は、本実施形態に係る成膜方法による膜の装置依存の結果の一例を示す。図１４は、本実施形態に係る装置の概略構成を説明するための図である。実験８の各装置における成膜条件８−１，８−２，８−３は以下である。
＜成膜条件８−１：図１３（ａ）、（ｃ）＞
使用装置：ＩＣＰ装置（誘導結合型プラズマ：図１参照）
チャンバ内圧力：５０ｍＴ、１００ｍＴ
ガス種：Ｃ４Ｆ６ ３００ｓｃｃｍ
ステージ温度：−５０℃
高周波ＨＦのパワー：３００Ｗ
高周波ＬＦのパワー：０Ｗ
成膜時間：１０ｓｅｃ、５ｓｅｃ
＜成膜条件８−２：図１３（ｂ）＞
使用装置：下部２周波ＣＣＰ装置（容量結合型プラズマ：図１４（ａ））
チャンバ内圧力：５０ｍＴ
ガス種：Ｃ４Ｆ６ ８０ｓｃｃｍ
ステージ温度：−５０℃
高周波ＨＦのパワー（１００ＭＨｚ）：３００Ｗ
高周波ＬＦのパワー：０Ｗ
成膜時間：２０ｓｅｃ
＜成膜条件８−３：図１３（ｄ）＞
使用装置：上下部２周波ＣＣＰ装置（容量結合型プラズマ：図１４（ｂ））
チャンバ内圧力：１００ｍＴ
ガス種：Ｃ４Ｆ６ １５０ｓｃｃｍ
ステージ温度：−５０℃
高周波ＨＦのパワー（６０ＭＨｚ）：３００Ｗ
高周波ＬＦのパワー：０Ｗ
成膜時間：２０ｓｅｃ
各装置の構成について簡単に説明する。下部２周波ＣＣＰ装置は、図１４（ａ）に示すように、チャンバ１１０の内部にステージ１２０が設けられている。ステージ１２０の上面には、ウェハＷを静電吸着力で保持するための静電チャック１２１が設けられ、静電チャック１２１の半径方向外側にウェハＷの周囲を環状に囲むフォーカスリング１２２が設けられている。
チャンバ１０の内壁とステージ１２０の側壁の間には、環状の排気路が形成され、この排気路の上部または入口に環状のバッフル板１３０が取り付けられている。ステージ１２０には、第１の高周波電源１４０と第２の高周波電源１５０が接続されている。第１の高周波電源１４０は、例えば１００ＭＨｚのプラズマ生成用の高周波ＨＦのパワーを印加する。第２の高周波電源１５０は、例えば４００ｋＨｚのバイアス引き込み用の高周波ＬＦのパワーを印加する。ステージ１２０と対向するチャンバ１１０の天井部は、上部電極１６０として機能する。
図１４（ｂ）に示す上下部２周波ＣＣＰ装置は、図１４（ａ）に示す下部２周波ＣＣＰ装置とほぼ同一構成を有し、第１の高周波電源１４０の配置のみ異なる。つまり、上下部２周波ＣＣＰ装置では、第１の高周波電源１４０は、上部電極１６０に接続されている。第１の高周波電源１４０は、例えば６０ＭＨｚのプラズマ生成用の高周波ＨＦのパワーを印加する。
図１３に戻り、この実験の結果によれば、図１３（ａ）及び（ｃ）に示すように、ＩＣＰ装置を使用した場合、チャンバ内圧力を５０ｍＴ及び１００ｍＴのいずれに設定した場合においても、ボトムアップで凹部に流動性有機膜Ｒが成膜されることがわかる。また、図１３（ｄ）に示すように、上下部２周波ＣＣＰ装置を使用した場合、ボトムアップで凹部に流動性有機膜Ｒが成膜されることがわかる。
一方、図１３（ｂ）に示すように、下部２周波ＣＣＰ装置を使用した場合、ボイドＶが発生し、凹部が流動性有機膜Ｒにより埋まっていないことがわかる。これは、下部２周波ＣＣＰ装置を使用した場合、高周波ＨＦのパワーをステージ１２０側に印加しているため、ステージ１２０側のウェハＷ近くにプラズマが生成される。このため、ウェハＷに対してプラズマ中のイオンの作用（バイアス）が加わり易くなる。これにより、プラズマ中のイオンの作用によりＳｉＮ膜１のトップにも等方向に成膜され、ボイドＶが発生し、凹部が流動性有機膜Ｒにより埋まらなかったと考えられる。
これに対して、ＩＣＰ装置及び上下部２周波ＣＣＰ装置を使用した場合、上部電極１６０側にプラズマが生成される。これにより、下部２周波ＣＣＰ装置よりも、ウェハＷに対してプラズマ中のイオンの作用（バイアス）が加わり難くなっているため、ボイドＶが発生せず、ボトムアップで凹部に流動性有機膜Ｒが成膜されたと考えられる。
なお、本実施形態に係る成膜方法を実行するプラズマ処理装置は、誘導結合型プラズマ処理装置（ＩＣＰ装置）及びプラズマ生成用の高周波電力を上部電極側に印加する容量結合型プラズマ処理装置（上下部２周波ＣＣＰ装置）に限らず、マイクロ波プラズマ処理装置及びリモートプラズマ装置のいずれかであってもよい。
以上に説明したように、本実施形態に係る成膜方法によれば、成膜条件を適正化することにより、被処理体の凹部を所定の堆積物で埋めることができる。
以上、成膜方法及びプラズマ処理装置を上記実施形態により説明したが、本発明にかかる成膜方法及びプラズマ処理装置は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
例えば本明細書では、被処理体の一例としてウェハＷを挙げて説明したが、被処理体はこれに限らず、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＦＰＤ（Flat Panel Display）に用いられる各種基板や、フォトマスク、ＣＤ基板、プリント基板であっても良い。
５：誘導結合型プラズマ処理装置
１０：チャンバ
１２：ステージ
２０：バッフル板
２６：排気装置
３０：第２の高周波電源
３６：静電チャック
４０：直流電源
４４：冷媒室
５２：誘電体窓
５４：ＲＦアンテナ
５６：第１の高周波電源
６４：側壁ガス吐出孔
６６：ガス供給源
７４：制御部

Claims (12)

  1. チャンバの内部を所定の圧力に保持し、被処理体を載置するステージを−２０℃以下の極低温に冷却したステージ上に設置する工程と、
    前記チャンバの内部に低蒸気圧材料のガスを含むガスを供給する工程と、
    供給した前記低蒸気圧材料のガスを含むガスからプラズマを生成し、該プラズマによって前記低蒸気圧材料から生成されるプリカーサを被処理体の凹部に堆積させる工程と、
    を有し、
    前記低蒸気圧材料のガスは、前記所定の圧力におけるＣ ４ Ｆ ８ の温度−蒸気圧曲線が示す温度と同じ温度又はそれ以上の温度にて蒸気圧になるガスであり、
    前記所定の圧力は５０ｍＴｏｒｒ（６．６７Ｐａ）以上から前記低蒸気圧材料のガスの温度−蒸気圧曲線にて示される蒸気圧以下までの範囲である、成膜方法。
  2. 前記低蒸気圧材料のガスは、炭素含有ガスである、
    請求項１に記載の成膜方法。
  3. 前記低蒸気圧材料のガスは、Ｃ４Ｆ８、Ｃ４Ｆ６、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）のいずれかである、
    請求項１又は２に記載の成膜方法。
  4. 前記成膜する工程は、前記低蒸気圧材料から生成されるプリカーサを被処理体に形成された凹部の底部から堆積させ、被処理体上に流動性膜を成膜する、
    請求項１〜３のいずれか一項に記載の成膜方法。
  5. 前記凹部のアスペクト比は、２以上である、
    請求項４に記載の成膜方法。
  6. 被処理体に形成された凹部のアスペクト比が高くなるほど、前記プリカーサの堆積により成膜する成膜速度が速くなる、
    請求項１〜５のいずれか一項に記載の成膜方法。
  7. 前記凹部の上部に堆積する流動性膜の成膜は、前記凹部の内部への流動性膜の充填が完了してから始まる、
    請求項１〜６のいずれか一項に記載の成膜方法。
  8. 被処理体に形成された凹部における成膜速度は、被処理体の平面部における成膜速度よりも速い、
    請求項１〜７のいずれか一項に記載の成膜方法。
  9. 前記チャンバの内部にプラズマ生成用の高周波電力を印加し、かつ、イオンエネルギーが０Ｖ以上１０００Ｖ以下になるようにバイアス引き込み用の高周波電力を印加する工程を有する、
    請求項１〜８のいずれか一項に記載の成膜方法。
  10. 前記低蒸気圧材料のガスを含むガスは、不活性ガスを含み、
    前記不活性ガスと前記低蒸気圧材料のガスとの総流量に対する前記低蒸気圧材料のガスの流量の割合は、５０％以下である、
    請求項１〜９のいずれか一項に記載の成膜方法。
  11. 前記成膜方法は、誘導結合型プラズマ処理装置、プラズマ生成用の高周波電力を上部電極側に印加する容量結合型プラズマ処理装置、マイクロ波プラズマ処理装置及びリモートプラズマ装置のいずれかにより実行される、
    請求項１〜１０のいずれか一項に記載の成膜方法。
  12. 被処理体を載置するステージと、ガスを供給するガス供給部と、制御部とを有するプラズマ処理装置であって、
    前記制御部は、
    チャンバの内部を所定の圧力に保持し、−２０℃以下の極低温に冷却した前記ステージの上に被処理体を設置する工程と、
    前記ガス供給部から前記チャンバの内部に低蒸気圧材料のガスを含むガスを供給する工程と、
    供給した前記低蒸気圧材料のガスを含むガスからプラズマを生成し、該プラズマによって前記低蒸気圧材料から生成されるプリカーサを被処理体の凹部に堆積させる工程と、を制御し、
    前記低蒸気圧材料のガスは、前記所定の圧力におけるＣ ４ Ｆ ８ の温度−蒸気圧曲線が示す温度と同じ温度又はそれ以上の温度にて蒸気圧になるガスであり、
    前記所定の圧力は５０ｍＴｏｒｒ（６．６７Ｐａ）以上から前記低蒸気圧材料のガスの温度−蒸気圧曲線にて示される蒸気圧以下までの範囲である、
    プラズマ処理装置。
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