特許 6573575 凹部の埋め込み方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6573575

(24)【登録日】2019年8月23日

(45)【発行日】2019年9月11日

(54)【発明の名称】凹部の埋め込み方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/318 20060101AFI20190902BHJP

   C23C 16/34 20060101ALI20190902BHJP

   C23C 16/455 20060101ALI20190902BHJP

   H01L 21/285 20060101ALI20190902BHJP

   H01L 21/28 20060101ALI20190902BHJP

   H01L 21/31 20060101ALI20190902BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/318 B

   C23C16/34

   C23C16/455

   H01L21/285 C

   H01L21/28 301R

   H01L21/31 C

【請求項の数】11

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2016-92452(P2016-92452)

(22)【出願日】2016年5月2日

(65)【公開番号】特開2017-201653(P2017-201653A)

(43)【公開日】2017年11月9日

【審査請求日】2018年10月17日

(73)【特許権者】

【識別番号】000219967

【氏名又は名称】東京エレクトロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099944

【弁理士】

【氏名又は名称】高山 宏志

(72)【発明者】

【氏名】清水 亮

【審査官】 佐藤 靖史

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−１０４６９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１３５１５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２８７９７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−１４２４６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１３−５２００２８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／３１８

Ｃ２３Ｃ １６／３４

Ｃ２３Ｃ １６／４５５

Ｈ０１Ｌ ２１／２８

Ｈ０１Ｌ ２１／２８５

Ｈ０１Ｌ ２１／３１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

表面に凹部が形成された被処理基板に対し、成膜しようとする窒化膜を構成する元素を含有する成膜原料ガスを吸着させる成膜原料ガス吸着工程と、前記吸着された成膜原料ガスを、窒化ガスを活性化することにより生成された窒化種により窒化させる窒化工程とを繰り返して凹部内に窒化膜を形成し、凹部を埋め込む凹部の埋め込み方法であって、
前記窒化膜を形成する期間の少なくとも一部を、被処理基板の表面に吸着可能な高分子材料を気相状態で供給し、前記凹部の上部に吸着させて、前記成膜原料ガスの吸着を阻害させ、前記凹部の底部から窒化膜を成長させるボトムアップ成長期間とすることを特徴とする凹部の埋め込み方法。

【請求項2】

前記窒化膜を形成する最初の期間を、前記高分子材料を供給せずに、前記成膜原料ガス吸着工程と、前記窒化工程を繰り返してコンフォーマルな窒化膜を形成するコンフォーマル窒化膜形成期間とし、その後の期間を前記ボトムアップ成長期間とすることを特徴とする請求項１に記載の凹部の埋め込み方法。

【請求項3】

前記ボトムアップ成長期間は、前記成膜原料ガス吸着工程、前記窒化工程、および前記高分子材料を前記凹部の上部に吸着させる高分子材料吸着工程をこの順に繰り返すことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の凹部の埋め込み方法。

【請求項4】

被処理基板の表面に形成された凹部に窒化膜を形成し、凹部を埋め込む凹部の埋め込み方法であって、
成膜しようとする窒化膜を構成する元素を含有する成膜原料ガスを吸着させる成膜原料ガス吸着工程と、前記吸着された成膜原料ガスを、窒化ガスを活性化することにより生成された窒化種により窒化させる窒化工程とを繰り返して凹部内にコンフォーマルな窒化膜を形成する第１段階と、
前記成膜原料ガス吸着工程と、前記窒化工程と、被処理基板の表面に吸着可能な高分子材料を気相状態で供給し、前記凹部の上部に吸着させる高分子材料吸着工程とを、この順に繰り返し、前記成膜原料ガスの吸着を阻害させ前記凹部の底部から窒化膜を成長させる第２段階と
を有することを特徴とする凹部の埋め込み方法。

【請求項5】

前記第２段階の後、前記成膜原料ガス吸着工程と、前記窒化工程とを繰り返してコンフォーマルな窒化膜を形成する第３段階をさらに有することを特徴とする請求項４に記載の凹部の埋め込み方法。

【請求項6】

前記高分子材料は、前記窒化工程によって被処理基板表面に形成されるＮＨ基に吸着することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の凹部の埋め込み方法。

【請求項7】

前記高分子材料は、エーテル結合を有する高分子材料であることを特徴とする請求項６に記載の凹部の埋め込み方法。

【請求項8】

前記エーテル結合を有する高分子材料は、グリム、ジグリム、およびトリグリムから選択された少なくとも１種であることを特徴とする請求項７に記載の凹部の埋め込み方法。

【請求項9】

前記成膜原料ガスはＳｉを含有し、前記窒化膜はシリコン窒化膜であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の凹部の埋め込み方法。

【請求項10】

前記成膜原料ガスは、ジクロロシラン、モノクロロシラン、トリクロロシラン、シリコンテトラクロライド、およびヘキサクロロジシランからなる群から選択された少なくとも一種であることを特徴とする請求項９に記載の凹部の埋め込み方法。

【請求項11】

前記窒化ガスとしてＮＨ_３ガスを用いることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の凹部の埋め込み方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、凹部に対して窒化膜を埋め込む凹部の埋め込み方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体デバイスの製造シーケンスにおいては、シリコンウエハに代表される半導体ウエハに対して絶縁膜としてシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）等の窒化膜を成膜する成膜処理が存在する。このようなＳｉＮ膜の成膜処理には、化学蒸着法（ＣＶＤ法）が用いられている。

【0003】

トレンチ内にＣＶＤ法によりＳｉＮ膜（ＣＶＤ−ＳｉＮ）を埋め込む場合には、ボイドやシームが発生することがあるが、その場合には、ボイドやシームが発生した箇所までエッチバックして再度ＣＶＤ法によりＳｉＮ膜を形成する手法がとられていた。

【0004】

しかしながら、近時、デバイスの微細化が進み、ＣＶＤ−ＳｉＮではステップカバレッジが十分ではなく、上記手法によってもボイドやシームの発生を抑制することが困難になりつつある。

【0005】

ＣＶＤ法よりも良好なステップカバレッジで膜形成が可能な技術として原子層堆積法（ＡＬＤ法）が知られており（例えば特許文献１）、微細トレンチ内にＳｉＮ膜を埋め込む際にもＡＬＤ法が用いられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００６−３５１６８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、デバイスの微細化がさらに進み、ＡＬＤ法によってもＳｉＮ膜をボイドやシームを防止しつつ埋め込むことが困難になりつつある。

【0008】

したがって、本発明は、微細な凹部にボイドやシームを生じずに窒化膜を埋め込むことができる凹部の埋め込み方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するため、本発明の第１の観点は、表面に凹部が形成された被処理基板に対し、成膜しようとする窒化膜を構成する元素を含有する成膜原料ガスを吸着させる成膜原料ガス吸着工程と、前記吸着された成膜原料ガスを、窒化ガスを活性化することにより生成された窒化種により窒化させる窒化工程とを繰り返して凹部内に窒化膜を形成し、凹部を埋め込む凹部の埋め込み方法であって、前記窒化膜を形成する期間の少なくとも一部を、被処理基板の表面に吸着可能な高分子材料を気相状態で供給し、前記凹部の上部に吸着させて、前記成膜原料ガスの吸着を阻害させ、前記凹部の底部から窒化膜を成長させるボトムアップ成長期間とすることを特徴とする凹部の埋め込み方法を提供する。

【0010】

前記窒化膜を形成する最初の期間を、前記高分子材料を供給せずに、前記成膜原料ガス吸着工程と、前記窒化工程を繰り返してコンフォーマルな窒化膜を形成するコンフォーマル窒化膜形成期間とし、その後の期間を前記ボトムアップ成長期間とすることができる。前記ボトムアップ成長期間は、前記成膜原料ガス吸着工程、前記窒化工程、および前記高分子材料を前記凹部の上部に吸着させる高分子材料吸着工程をこの順に繰り返すことにより行うことができる。

【0011】

本発明の第２の観点は、被処理基板の表面に形成された凹部に窒化膜を形成し、凹部を埋め込む凹部の埋め込み方法であって、成膜しようとする窒化膜を構成する元素を含有する成膜原料ガスを吸着させる成膜原料ガス吸着工程と、前記吸着された成膜原料ガスを、窒化ガスを活性化することにより生成された窒化種により窒化させる窒化工程とを繰り返して凹部内にコンフォーマルな窒化膜を形成する第１段階と、前記成膜原料ガス吸着工程と、前記窒化工程と、被処理基板の表面に吸着可能な高分子材料を気相状態で供給し、前記凹部の上部に吸着させる高分子材料吸着工程とを、この順に繰り返し、前記成膜原料ガスの吸着を阻害させ前記凹部の底部から窒化膜を成長させる第２段階とを有することを特徴とする凹部の埋め込み方法を提供する。

【0012】

前記第２段階の後、前記成膜原料ガス吸着工程と、前記窒化工程とを繰り返してコンフォーマルな窒化膜を形成する第３段階をさらに有してもよい。

【0013】

上記第１の観点および第２の観点において、前記高分子材料は、前記窒化工程によって被処理基板表面に形成されるＮＨ基に吸着するものを用いることができる。このような高分子材料としては、エーテル結合を有する高分子材料を挙げることができ、前記エーテル結合を有する高分子材料として、グリム、ジグリム、およびトリグリムから選択された少なくとも１種を用いることができる。

【0014】

前記成膜原料ガスはＳｉを含有するものとし、前記窒化膜としてシリコン窒化膜とすることができる。前記成膜原料ガスとしては、ジクロロシラン、モノクロロシラン、トリクロロシラン、シリコンテトラクロライド、およびヘキサクロロジシランからなる群から選択された少なくとも一種を用いることができる。

【0015】

前記窒化ガスとしてＮＨ_３ガスを用いることができる。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、窒化膜を形成する期間の少なくとも一部を、被処理基板の表面に吸着可能な高分子材料を気相状態で供給し、前記凹部の上部に吸着させて、前記成膜原料ガスの吸着を阻害させ、前記凹部の底部から窒化膜を成長させるボトムアップ成長期間とするので、微細な凹部にボイドやシームを生じずに窒化膜を埋め込むことができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】ＮＨ基に吸着可能な高分子材料としてジグリムを用いた場合の状態を模式的に示す図である。

【図2】凹部を埋め込む際に、コンフォーマルなＳｉＮ膜を成膜した後に、高分子材料を用いた手法によりＳｉＮ膜を成膜する場合を説明するための図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る凹部の埋め込み方法を説明するための工程断面図である。

【図4】本発明の一実施形態に係る凹部の埋め込み方法のうち、高分子材料を用いた第２段階の埋め込みの際のシーケンスを説明するための図である。

【図5】高分子材料を用いたＳｉＮのボトムアップ成長のメカニズムを説明するための図である。

【図6】本発明の一実施形態に係る凹部の埋め込み方法を実施するための成膜装置の第１例を概略的に示す水平断面図である。

【図7】本発明の一実施形態に係る凹部の埋め込み方法を実施するための成膜装置の第２例を概略的に示す水平断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
本発明においては、被処理基板の凹部にＡＬＤ法により窒化膜を埋め込む。本実施形態では窒化膜としてシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）を例にとって説明する。

【0019】

＜本実施形態における凹部の埋め込み方法の概略＞
本実施形態では、被処理基板に形成されたトレンチやホール等の凹部に対し、ＡＬＤ法によってＳｉＮ膜を埋め込む。

【0020】

ＡＬＤ法によりＳｉＮ膜を成膜する場合には、一般的に、成膜原料ガス（Ｓｉプリカーサ）としては、ジクロロシラン（ＤＣＳ；ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）等を用い、窒化の際にはＮＨ_３ガス等の窒化ガスをプラズマ等により活性化されて生成された窒化種を用いて、Ｓｉプリカーサの吸着→窒化種による窒化→Ｓｉプリカーサの吸着→・・・・・を繰り返す。この際、Ｓｉプリカーサの吸着および窒化種による窒化により、表面のダングリングボンドにはＮＨ基が結合されているため、Ｓｉプリカーサは、表面に存在するＮＨ基のＨとＣｌがリガンド交換し化学吸着する。

【0021】

このとき、単純なＡＬＤ法による成膜では、コンフォーマルに膜成長が生じ、凹部に埋め込んだＳｉＮ膜の内部にシームやボイドが生じる。このようなシームやボイドを抑制するためには、凹部の上部におけるＳｉプリカーサの吸着を阻害させ、凹部の底部におけるＳｉプリカーサの吸着のみを促進させることが有効である。

【0022】

そこで、本実施形態では、表面に存在する基、すなわちＮＨ基に吸着可能な高分子材料を用いて、被処理基板に形成された凹部の上部のみＳｉプリカーサの吸着を阻害する。つまり、高分子材料が表面に存在するＮＨ基に吸着すると、その吸着部分は次に供給されるＳｉプリカーサの吸着が阻害される。一方、このような高分子材料は、高分子なるがゆえに凹部の底部には到達し難く、底部ではＳｉプリカーサの吸着阻害効果を発揮し難いため、凹部の上部のみＳｉプリカーサの吸着阻害効果を発揮するのである。

【0023】

したがって、Ｓｉプリカーサの吸着→窒化種による窒化→Ｓｉプリカーサの吸着→・・・・・を繰り返してＳｉＮ膜を成膜する際に、上記のような高分子材料を気相状態で供給することにより、凹部上部へのＳｉプリカーサの吸着を阻害し、凹部の底部に選択的にＳｉプリカーサを吸着させて、底部からＳｉＮを成長させることができる。そして、ある程度成膜が進んだところで高分子材料の供給を停止することにより、凹部内の全体がＳｉＮ膜で埋め込まれる。このため、微細な凹部の間口を塞ぐことが防止され、内部にシームやボイドが形成されることなくＳｉＮ膜を埋め込むことができる。

【0024】

ＮＨ基に吸着可能な高分子材料としては、エーテル結合を有する高分子材料を挙げることができる。エーテル結合を有する高分子材料は、その中に含まれる酸素と、被処理基板の表面のＮＨ基との間で水素結合が生じ、被処理基板に吸着される。

【0025】

エーテル結合を有する高分子材料としては、以下の（１）式で示すグリム（１，２ジメトキシエタン（Ｃ_４Ｈ_１０Ｏ_２））、（２）式で示すジグリム（ジエチレングリコールジメチルエーテル（Ｃ_６Ｈ_１４Ｏ_３））、（３）式で示すトリグリム（トリエチレングリコールジメチルエーテル（Ｃ_８Ｈ_１８Ｏ_４））を好適に用いることができる。これらの中では、分子量が比較的大きく、イオン半径およびＣ−Ｏ−Ｃの結合角から計算した分子の大きさが１．２ｎｍ程度であり、かつ適度の蒸気圧を有するジグリムが特に好ましい。

【0026】

【化1】

【0027】

図１にＮＨ基に吸着可能な高分子材料としてジグリムを用いた場合の状態を模式的に示す。図１に示すように、凹部を有する被処理基板の表面のダングリングボンドにＮＨ基を結合させた状態で、ジグリムを気相状態で供給することにより、ジグリム中の酸素が弱い陰性（δ⁻）を帯び、ＮＨ基の水素が弱い陽性（δ^＋）を帯びて、これらが水素結合する。これにより、凹部の上部のＮＨ基の一部にジグリム分子が吸着した状態となる。これにより、凹部の上部ではＳｉプリカーサの吸着が阻害される。一方、ジグリムは分子が大きいため、微細な凹部（例えば幅１０ｎｍのトレンチや径が１０ｎｍのホール）において、底部への供給が妨げられ、底部ではＳｉプリカーサの吸着阻害は生じ難くなる。

【0028】

ジグリム等のＮＨ基に吸着可能な高分子材料の供給タイミングは、特に限定されないが、凹部の上部へのＳｉプリカーサの吸着を阻害して、凹部の底部からＳｉＮ膜を成膜させる観点からは、窒化処理後、Ｓｉプリカーサの供給前に高分子材料を供給することが好ましい。具体的には、Ｓｉプリカーサを供給した後窒化処理を行って、表面のダングリングボンドにＮＨ基が結合された状態とし、その後、高分子材料の供給、Ｓｉプリカーサの供給、窒化処理を行う。すなわち、Ｓｉプリカーサの吸着→窒化処理→高分子材料の吸着→Ｓｉプリカーサの吸着→窒化処理→高分子材料の吸着→Ｓｉプリカーサの吸着→・・・・・・を繰り返すことが好ましい。

【0029】

また、凹部底部へのジグリム等の高分子材料の到達をより確実に抑制するためには、凹部の間口をより狭くしてから高分子材料を供給することが好ましい。そのためには、図２（ａ）に示すように、最初、凹部２が形成された被処理基板１に対し、高分子材料を用いずにコンフォーマルにＳｉＮ膜３を形成して凹部２の間口を狭くし、その後、図２の（ｂ）に示すように、ジグリム等の高分子材料４を凹部２の上部に吸着させた状態で成膜を行えばよい。これにより高分子材料の底部への到達が確実に抑制され、図２（ｃ）に示すように、ＳｉＮ膜３を底部からＶ字状に成長させることができる。

【0030】

＜本実施形態の凹部の埋め込み方法の具体例＞
以下、本実施形態の凹部の埋め込み方法の具体例について、図３の工程断面図を参照して説明する。

【0031】

最初に、絶縁膜１１を有し、絶縁膜１１に微細凹部として微細トレンチ１２が形成され、微細トレンチ１２の内壁にライナー膜１３が形成された半導体ウエハ（以下単にウエハと記す）Ｗを準備し（図３（ａ））、ＳｉＮ膜の形成を開始する。

【0032】

成膜の初期には、微細トレンチ１２の間口が狭くなっていないため、高分子材料を利用した埋め込みに先立って、第１段階として、コンフォーマルなＳｉＮ膜の成膜を行い、図３（ｂ）に示すように、初期埋め込み層としてコンフォーマルＳｉＮ膜２１が形成される。

【0033】

コンフォーマルＳｉＮ膜２１の形成は、上述したように、Ｓｉプリカーサを供給してＳｉプリカーサを吸着させる工程と、窒化種により窒化する工程とを交互に繰り返すことにより行われる。このときの温度は１５０〜６００℃の範囲、圧力は１３〜６６５Ｐａの範囲が好ましい。

【0034】

Ｓｉプリカーサとしては、Ｃｌを含有したものが好ましく、ジクロロシラン（ＤＣＳ；ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）を好適に用いることができる。ＤＣＳの他、モノクロロシラン（ＭＣＳ；ＳｉＨ_３Ｃｌ）、トリクロロシラン（ＴＣＳ；ＳｉＨＣｌ_３）、シリコンテトラクロライド（ＳＴＣ；ＳｉＣｌ_４）、ヘキサクロロジシラン（ＨＣＤ；Ｓｉ_２Ｃｌ_６）等を用いることができる。

【0035】

また、窒化処理の際の窒化ガスとしては、ＮＨ_３ガスを好適に用いることができる。ＮＨ_３ガスにＨ_２ガスを加えてもよい。また、Ｎ_２ガスとＨ_２ガスを用いてもよい。さらにＡｒガスのような不活性ガスを加えてもよい。いずれの場合も、これらのガスをプラズマ生成手段等により活性化する。これにより、窒化種を生成する。このときのプラズマ生成手段は特に限定されない。また、プラズマ生成手段に限定されず、窒化に適用可能な窒化種が生成可能な活性化手段であればよい。

【0036】

Ｓｉプリカーサの吸着と窒化処理との間には、不活性ガスによるパージ等の残留ガス除去処理が行われる。

【0037】

コンフォーマルＳｉＮ膜２１がある程度の厚さになり、微細トレンチ１２の間口が狭くなってきた時点、例えば間口が２〜８ｎｍ程度になった時点で、本実施形態の埋め込み方法による第２段階の埋め込みに移行し、コンフォーマルＳｉＮ膜２１の上に、第２段階の埋め込み層として、図３（ｃ）に示すようなＶ字状のボトムアップＳｉＮ膜２２を成膜する。

【0038】

この第２段階の埋め込みにおいては、図４に示すように、Ｓｉプリカーサ（例えばＤＣＳ）を供給して吸着させる工程（ステップＳ１）、窒化ガス（例えばＮＨ_３）を用いた窒化種による窒化処理を行う工程（ステップＳ２）、ＮＨ基に吸着可能な高分子材料（例えばジグリム）を供給して吸着させる工程（ステップＳ３）をこの順で複数回繰り返す。

【0039】

ステップＳ１およびステップＳ２を行うことにより、微細トレンチ１２の内面およびトレンチ１２が存在しない部分の表面のダングリングボンドにＮＨ基が結合した状態となっており、その後ステップ３の高分子材料（例えばジグリム）の供給を行うことにより、図５に示すように、微細トレンチ１２内面の上部およびトレンチ１２が存在しない部分の表面に存在するＮＨ基に高分子材料１４が吸着する。このとき、微細トレンチ１２の間口が狭くなっているので、分子の大きさが大きい高分子材料１４は、微細トレンチ１２の底部まで到達し難く、微細トレンチ１２の底部のＮＨ基には高分子材料１４はほとんど吸着しない。このため、微細トレンチ１２の上部では、高分子材料１４の存在により次に供給されるＳｉプリカーサ１５の吸着が妨げられ、ＳｉＮ膜の成膜は抑制されるが、高分子材料１４がほとんど吸着しない微細トレンチ１２の底部では、次に供給されるＳｉプリカーサ１５の吸着が妨げられず、ＳｉＮ膜の成膜が進行する。

【0040】

すなわち、微細トレンチ１２の上部ではＳｉプリカーサの吸着量が少なく成膜が阻害されるのに対し、微細トレンチ１２の底部にはＳｉプリカーサが吸着され、成膜が進行する。したがって、微細トレンチ１２の底部からＳｉＮをボトムアップ成長させることができる。このため、微細トレンチ１２の間口が閉塞することなく、コンフォーマルＳｉＮ膜２１上に、図３（ｃ）に示すようなＶ字状のボトムアップＳｉＮ膜２２が形成される。

【0041】

なお、微細トレンチ１２の形状によっては、第１段階を省略して、成膜初期段階から第２段階の埋め込みを行ってもよい。

【0042】

このようにしてボトムアップＳｉＮ膜２２による埋め込みがある程度進んだところで、高分子材料の供給を停止して、Ｓｉプリカーサの供給および窒化処理を継続することにより、ボトムアップ成膜の際に残存した中央のＶ字状溝２２ａを埋めるようにコンフォーマルＳｉＮ膜２３が形成され、微細トレンチ１２へのＳｉＮ膜の埋め込みが完了する（図３（ｄ））。

【0043】

このように、本実施形態では、微細トレンチ内の底部からＳｉＮを成長させ、ボトムアップ成膜することができるので、ＣＶＤ法や通常のＡＬＤ法では困難であった、シームやボイドを存在させずに微細トレンチにＳｉＮ膜を埋め込むことが可能になる。

【0044】

＜成膜装置＞
次に、上記実施形態に係る凹部の埋め込み方法を実施するための成膜装置の例について説明する。

【0045】

（成膜装置の第１例）
図６は本発明の一実施形態に係る凹部の埋め込み方法を実施するための成膜装置の第１例を概略的に示す断面図である。

【0046】

本例の成膜装置１００は、平行平板電極に高周波電界を形成することによりプラズマを形成しつつＡＬＤ法によりＳｉＮ膜を成膜する枚葉式成膜装置として構成される。

【0047】

この成膜装置１００は、略円筒状の処理容器３１を有している。処理容器３１の底部には、ウエハＷを載置するウエハ載置台３２が設けられている。ウエハ載置台３２内には、ウエハＷを加熱するための加熱ヒータ３３が設けられている。ウエハ載置台３２は導電体部分を有しており、平行平板電極の下部電極として機能する。

【0048】

処理容器３１の天壁には、絶縁部材３４を介して平行平板電極の上部電極としても機能するシャワーヘッド３５が設けられている。シャワーヘッド３５は内部にガス拡散空間３６が設けられており、シャワーヘッド３５の下面には多数のガス吐出孔３７が形成されている。処理容器３１の天壁中央には、ガス導入孔３８が形成されており、このガス導入孔３８を介してガス拡散空間３６にガスが導入され、ガス吐出孔３７から処理容器３１内にガスが吐出されるようになっている。

【0049】

シャワーヘッド３５には、整合器３９ａを介してプラズマを生成するための高周波電源３９が接続されている。高周波電源３９からシャワーヘッド３５に高周波電力が供給されることにより、シャワーヘッド３５とウエハ載置台３２との間に高周波電界が形成され、それにより処理容器３１内にプラズマが生成される。

【0050】

成膜装置１００は、上記ガス導入孔３８からシャワーヘッド３５にガスを供給するためのガス供給機構４０を有している。ガス供給機構４０は、Ｓｉプリカーサ、例えばＤＣＳガスを供給するＳｉプリカーサ供給源４１と、窒化ガス、例えばＮＨ_３ガスを供給する窒化ガス供給源４２と、高分子材料、例えばジグリムを供給する高分子材料供給源４３と、不活性ガス、例えばＡｒガスを供給する不活性ガス供給源４４とを有し、さらに、これらにそれぞれ接続する第１配管４５、第２配管４６、第３配管４７、第４配管４８と、これら配管が合流する合流配管４９とを有している。合流配管４９は、シャワーヘッド３５のガス導入部３８に接続されている。

【0051】

第１配管４５には、開閉バルブ４５ａおよびマスフローコントローラのような流量制御器４５ｂが設けられており、第２配管４６には、開閉バルブ４６ａおよび流量制御器４６ｂが設けられており、第３配管４７には、開閉バルブ４７ａおよび流量制御器４７ｂが設けられており、第４配管４８には、開閉バルブ４８ａおよび流量制御器４８ｂが設けられている。

【0052】

処理容器３１の側壁下部には、排気口５０が設けられており、排気口５０には排気配管５１が接続されている。排気配管５１には、処理容器３１内の圧力を制御するための自動圧力制御バルブ（ＡＰＣ）５２と、真空ポンプ５３とが接続されている。そして、真空ポンプ５３により処理容器３１内が排気され、成膜処理中、自動圧力制御バルブ（ＡＰＣ）５２の開度を調整することにより処理容器３１内の圧力が調整される。

【0053】

また、処理容器３１の側壁の排気口５０の反対側には、隣接する真空搬送室（図示せず）に対してウエハＷを搬入出するための搬入出口５４およびそれを開閉するためのゲートバルブ５５が設けられている。

【0054】

成膜装置１００は、さらに制御部５６を有している。制御部５６は、成膜装置１００の各構成部、例えばバルブ類、流量制御器であるマスフローコントローラ、ヒータ電源、高周波電源等を制御する、ＣＰＵを有する主制御部と、キーボードやマウス等の入力装置、出力装置、表示装置、記憶装置とを有している。制御部５６の主制御部は、記憶装置に処理レシピが記憶された記憶媒体をセットすることにより、記憶媒体から呼び出された処理レシピに基づいて成膜装置１００に所定の動作を実行させる。

【0055】

次に、以上のように構成される成膜装置１００により、被処理基板に形成された微細トレンチ等の微細凹部内にＳｉＮ膜を成膜する際の動作について説明する。以下の処理動作は制御部５６における記憶部の記憶媒体に記憶された処理レシピに基づいて実行される。

【0056】

まず、処理容器３１内を所定の圧力に調整した後、ゲートバルブ５５を開放して、搬送手段（図示せず）によって搬入出口５４を介して隣接する真空搬送室（図示せず）からウエハＷを搬入し、ウエハ載置台３２上に載置させる。搬送手段を処理容器３１から退避させた後、ゲートバルブ５５を閉じる。

【0057】

この状態で、パージガスとして不活性ガス、例えばＡｒガスを処理容器３１内に供給し、真空ポンプ５３により排気しつつ自動圧力制御バルブ（ＡＰＣ）５２により処理容器３１内を０．１〜５Ｔｏｒｒ（１３．３〜６６７Ｐａ）程度の圧力に調整し、ヒータ３３によりウエハＷを１５０〜６００℃の範囲の所定温度に制御する。

【0058】

上述の第１段階のコンフォーマルＳｉＮ膜を行う場合には、不活性ガスを流したまま、開閉バルブ４５ａおよび開閉バルブ４６ａの操作により、Ｓｉプリカーサ、例えばＤＣＳガスの供給と、窒化ガス、例えばＮＨ_３ガスの供給とを繰り返すとともに、ＮＨ_３ガスの供給に同期して高周波電源３９から高周波電力を印加する。これにより、Ｓｉプリカーサの吸着と、窒化種による窒化処理とを交互に繰り返して第１段階のコンフォーマルＳｉＮ膜を微細凹部内に成膜する。

【0059】

上記第１段階により微細凹部の間口を所定の幅まで狭めた後、または微細凹部の初期の幅が狭い場合は初期段階から、上述した本実施形態の第２段階の埋め込みを行う。第２段階では、不活性ガスを流したまま、開閉バルブ４５ａ、開閉バルブ４６ａ、および開閉バルブ４７ａの操作により、Ｓｉプリカーサ、例えばＤＣＳガスの供給と、窒化ガス、例えばＮＨ_３ガスの供給と、高分子材料、例えばジグリムの供給とをこの順で繰り返し行うとともに、ＮＨ_３ガスの供給に同期して高周波電源３９から高周波電力を印加する。これにより、Ｓｉプリカーサの吸着と、窒化種による窒化処理と、高分子材料の吸着とが交互に繰り返し行われ、第２段階のＳｉＮ膜が成膜される。

【0060】

この際に、上述したように、ジグリム等の高分子材料は、間口の狭い凹部の上部に吸着するが、分子が大きいため底部には到達し難い。このためＳｉプリカーサは凹部の上部において吸着が妨げられ、凹部の底部からＳｉＮをボトムアップ成長させてＶ字状にＳｉＮ膜を成膜することができる。このため、凹部の間口が閉塞することがなく、シームやボイドを存在させずに凹部を埋め込むことができる。

【0061】

その後、開閉バルブ４７ａを閉じて高分子材料の供給を停止し、第１段階の操作と同様の操作で、Ｓｉプリカーサの吸着と、窒化種による窒化処理とによる成膜を行ってＶ字状溝を埋める。

【0062】

微細凹部の埋め込みが終了したら、処理容器３１内の圧力調整を行い、ゲートバルブ５５を開放して、搬送手段（図示せず）によって搬入出口５４を介して隣接する真空搬送室（図示せず）へウエハＷを搬出する。

【0063】

（成膜装置の第２例）
図７は本発明の一実施形態に係る凹部の埋め込み方法を実施するための成膜装置の第２例を概略的に示す水平断面図である。

【0064】

本例の成膜装置２００は、円筒状をなす処理容器６１を有しており、処理容器６１内には、複数枚、例えば、５枚のウエハＷを載置するターンテーブル６２が設けられている。ターンテーブル６２は、例えば時計回りに回転される。

【0065】

処理容器６１の周壁には、隣接する真空搬送室（図示せず）からウエハＷを搬入出するための搬入出口６３が設けられており、搬入出口６３はゲートバルブ６４により開閉されるようになっている。
処理容器６１内の搬入出口６３に対応する部分は搬入出部６５となっており、この搬入出部６５において、ターンテーブル６２上へのウエハＷの搬入およびターンテーブル６２上のウエハＷの搬出が行われる。

【0066】

処理容器６１内は、ターンテーブル６２の回転領域に沿って、搬入出部６５を除いて６つのエリアに分かれている。すなわち、搬入出部６５側から、時計回りに設けられた、第１処理エリア７１、第２処理エリア７２、および第３処理エリア７３、ならびに搬入出部６５と第１処理エリア７１との間、第１処理エリア７１と第２処理エリア７２との間、第２処理エリア７２と第３処理エリア７３との間にそれぞれ設けられた、第１分離エリア８１、第２分離エリア８２、および第３分離エリア８３に分かれている。そして、ターンテーブル６２が回転することによって、ウエハＷはこれら６つのエリアを順番に通過する。第１〜第３分離エリア８１〜８３は、第１〜第３処理エリア７１〜７３のガス雰囲気を分離する機能を有している。

【0067】

第１処理エリア７１、第２処理エリア７２、および第３処理エリア７３には、それぞれターンテーブル６２上のウエハＷに処理ガスを吐出する第１処理ガスノズル７４、第２処理ガスノズル７５、および第３処理ガスノズル７６が処理容器６１の径方向に沿って放射状に設けられている。

【0068】

また、第３処理エリアには、第３処理ガスノズル７６から吐出された処理ガスをプラズマ化するためのプラズマ生成機構７７が設けられている。プラズマ生成機構７７は、例えば、ターンテーブル６２上のウエハの通過領域を含む空間を囲繞するように設けられ、高周波透過部材で形成された筐体と、筐体の上に形成された高周波アンテナとを有し、高周波アンテナに高周波電力が供給されることにより、筐体内の空間へ誘導結合プラズマが生成され、第３処理ガスノズル７６から供給された処理ガスがプラズマ化される。

【0069】

また、第１分離エリア８１、第２分離エリア８２、および第３分離エリアには、それぞれターンテーブル６２上のウエハＷに不活性ガスを吐出する第１不活性ガスノズル８４、第２不活性ガスノズル８５、および第３不活性ガスノズル８６が処理容器６１の径方向に沿って放射状に設けられている。そして、これらノズルから不活性ガスが吐出されることにより、ガス雰囲気が分離されるとともに、ウエハＷに残留したガスが除去される。

【0070】

処理容器６１の底部には、３つの排気口８７、８８および８９が形成されている。これら排気口８７、８８および８９を介して処理容器６１内が排気される。

【0071】

成膜装置２００においては、第１処理ガスノズル７４から気相状の高分子材料、例えばジグリムが供給され、第２処理ガスノズル７５からＳｉプリカーサ、例えばＤＣＳガスが供給され、第３処理ガスノズル７６から窒化ガス、例えばＮＨ_３ガスが供給される。したがって、第１処理エリア７１は高分子材料供給エリアとなり、第２処理エリア７２はＳｉプリカーサ供給エリアとなり、第３処理エリア７３は窒化エリアとなる。

【0072】

成膜装置２００は制御部９０を有している。制御部９０は、第１の例の成膜装置１００の制御部５６と同様に構成されている。

【0073】

なお、図７では、高分子材料供給源、Ｓｉプリカーサ供給源、窒化ガス供給源、不活性ガス供給源、これらに接続された配管、および流量制御器、開閉バルブ等を省略しているが、これらは成膜装置１００と同様に設けられている。また、ターンテーブル６２内には加熱装置が設けられている。さらに、排気口８７、８８、８９には排気管が接続され、排気管には圧力調整バルブおよび真空ポンプを有する排気機構が設けられている。

【0074】

次に、以上のように構成される成膜装置２００により、被処理基板に形成された微細トレンチ等の微細凹部内にＳｉＮ膜を成膜する際の動作について説明する。以下の処理動作は制御部９０における記憶部の記憶媒体に記憶された処理レシピに基づいて実行される。

【0075】

最初に、処理容器６１内を所定の圧力に調整した後、ゲートバルブ６４を開放して、搬送手段（図示せず）によって搬入出口６３を介して隣接する搬送室（図示せず）から複数枚、例えば５枚のウエハＷを、順次搬入し、ターンテーブル６２上に載置する。そして、排気機構により、処理容器６１内を０．１〜５Ｔｏｒｒ（１３〜６６７Ｐａ）に調圧する。そしてターンテーブル６２は加熱装置（図示せず）により加熱され、ターンテーブル６２を介してウエハＷが１５０〜６００℃の所定温度に加熱される。

【0076】

上述の第１段階のコンフォーマルＳｉＮ膜を行う場合には、第１処理ガスノズル７４からの高分子材料の供給は行わず、第２処理ガスノズル７５からＳｉプリカーサ、例えばＤＣＳガスを吐出し、第３処理ガスノズル７６から窒化ガス、例えばＮＨ_３ガスを吐出してこれをプラズマ生成機構７７によりプラズマ化することにより窒化種を生成する。そして、第１〜第３不活性ガスノズル８４〜８６から不活性ガスを吐出した状態で、ターンテーブル６２を回転させる。これにより、ウエハＷにはＳｉプリカーサ、不活性ガス、窒化種、および不活性ガスが順次供給され、ＡＬＤ法を基本とした成膜手法により第１段階のコンフォーマルＳｉＮ膜が微細凹内に成膜される。

【0077】

上記第１段階により微細凹部の間口を所定の幅まで狭めた後、または微細凹部の初期の幅が狭い場合は初期段階から、上述した本実施形態の第２段階の埋め込みを行う。第２段階では、第１処理ガスノズル７４から高分子材料、例えばジグリムを吐出し、第２処理ガスノズル７５からＳｉプリカーサ、例えばＤＣＳガスを吐出し、第３処理ガスノズル７６から窒化ガス、例えばＮＨ_３ガスを吐出してプラズマ生成機構７７によりプラズマ化することにより窒化種を生成する。そして、第１〜第３不活性ガスノズル８４〜８６から不活性ガスを吐出した状態で、ターンテーブル６２を回転させる。これにより、表面にＮＨ基を有するウエハＷに対し、高分子材料、不活性ガス、Ｓｉプリカーサ、不活性ガス、窒化種、および不活性ガスが順次供給され、ウエハＷ上では、Ｓｉプリカーサの吸着と、窒化種による窒化処理と、高分子材料の吸着とが交互に繰り返し行われ、第２段階のＳｉＮ膜が成膜される。

【0078】

この際に、上述したように、ジグリム等の高分子材料は、間口の狭い凹部の上部に吸着するが、分子が大きいため底部には到達し難い。このためＳｉプリカーサは凹部の上部において吸着が妨げられ、凹部の底部からＳｉＮをボトムアップ成長させてＶ字状にＳｉＮ膜を成膜することができる。このため、凹部の間口が閉塞することがなく、シームやボイドを存在させずに凹部を埋め込むことができる。

【0079】

その後、高分子材料の供給を停止し、第１段階の操作と同様の操作で、Ｓｉプリカーサの吸着と、窒化種による窒化処理とによる成膜を行ってＶ字状溝を埋める。

【0080】

微細凹部の埋め込みが終了したら、処理容器６１内の圧力調整を行い、ゲートバルブ６４を開放して、搬送手段（図示せず）によって搬入出口６３を介して隣接する真空搬送室（図示せず）へウエハＷを搬出する。

【0081】

＜他の適用＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、この発明は、上記の実施形態に限定されることはなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。

【0082】

例えば、上記実施形態では、Ｓｉプリカーサと、窒化種と、高分子材料を用いてシリコン窒化膜を形成する場合を例にとって説明したが、これに限らず、例えば、ＴｉＣｌ_４ガスのようなＴｉプリカーサと、窒化種と、高分子材料を用いてＴｉＮ膜を形成する場合や、ＢＣｌ_３ガスのようなＢプリカーサと、窒化種と、高分子材料を用いてＢＮ膜を成膜する場合や、ＷＣｌ_６ガスのようなＷプリカーサと、窒化種と、高分子材料を用いてＷＮ膜を成膜する場合等、他の窒化膜を埋め込む場合にも適用することができる。

【0083】

また、成膜装置についても例示したものに限らず、種々の成膜装置を用いることができる。

【符号の説明】

【0084】

１；被処理基板
２；凹部
３；ＳｉＮ膜
４，１４；高分子材料
１１；絶縁膜
１２；微細トレンチ
１３；ライナー膜
１５；Ｓｉプリカーサ
２１，２３；コンフォーマルＳｉＮ膜
２２；ボトムアップＳｉＮ膜
２２ａ；Ｖ字溝
３１；処理容器
３２；ウエハ載置台
３３；ヒータ
３５；シャワーヘッド
３９；高周波電源
４０；ガス供給機構
４１；Ｓｉプリカーサ供給源
４２；窒化ガス供給源
４３；高分子材料供給源
４４；不活性ガス供給源
５１；排気配管
５２；自動圧力制御バルブ（ＡＰＣ）
５３；真空ポンプ
５６；制御部
６１；処理容器
６２；ターンテーブル
６５；搬入出部
７１；第１処理エリア（高分子材料供給エリア）
７２；第２処理エリア（Ｓｉプリカーサ供給エリア）
７３；第３処理エリア（窒化エリア）
７７；プラズマ生成機構
１００，２００；成膜装置
Ｗ；半導体ウエハ（被処理基板）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】