JP2021061348A - 基板処理方法及び基板処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】良好な埋め込み特性が得られる基板処理方法及び基板処理装置を提供する。【解決手段】凹部が形成された基板上に、シリコン含有ガスを供給して吸着層を形成する工程と、反応ガスのプラズマを生成して前記吸着層と反応させる工程と、を繰り返して、前記凹部に第1の絶縁膜を埋め込む工程と、エッチングガスのプラズマを生成して前記第1の絶縁膜をエッチングする工程と、を有し、前記吸着層と反応させる工程におけるプラズマの生成パラメータを制御して、エッチング後の前記凹部に埋め込まれた前記第1の絶縁膜の形状を制御する、基板処理方法。【選択図】図1

Description

本開示は、基板処理方法及び基板処理装置に関する。
例えば、基板に形成されたトレンチ等の凹部に膜を埋め込む基板処理装置が知られている。
特許文献1には、基板上に酸化シリコン膜を成膜する成膜ステップと、成膜ステップにおいて成膜された酸化シリコン膜をエッチングするエッチングステップと、を含み、成膜ステップとエッチングステップとが交互に繰り返される成膜方法が開示されている。
特開2012−199306号公報
一の側面では、本開示は、良好な埋め込み特性が得られる基板処理方法及び基板処理装置を提供する。
上記課題を解決するために、一の態様によれば、凹部が形成された基板上に、シリコン含有ガスを供給して吸着層を形成する工程と、反応ガスのプラズマを生成して前記吸着層と反応させる工程と、を繰り返して、前記凹部に第1の絶縁膜を埋め込む工程と、エッチングガスのプラズマを生成して前記第1の絶縁膜をエッチングする工程と、を有し、前記吸着層と反応させる工程におけるプラズマの生成パラメータを制御して、エッチング後の前記凹部に埋め込まれた前記第1の絶縁膜の形状を制御する、基板処理方法が提供される。
一の側面によれば、良好な埋め込み特性が得られる基板処理方法及び基板処理装置を提供することができる。
基板処理システムの構成例を示す概略図。 第1の処理装置の構成例を示す概略図。 第2の処理装置の構成例を示す概略図。 基板処理システムによる基板処理の一例を示すフローチャート。 第1の処理装置における動作の一例を示すタイムチャート。 第2の処理装置における動作の一例を示すタイムチャート。 第1成膜工程及びエッチング工程が処理された状態におけるウェハの断面図の一例。 各状態におけるウエハWの断面図の一例。
以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
〔基板処理システム〕
本実施形態に係る基板処理システムについて、図1を用いて説明する。図1は、基板処理システムの構成例を示す概略図である。
図1に示されるように、基板処理システムは、処理装置101〜104と、真空搬送室200と、ロードロック室301〜303と、大気搬送室400と、ロードポート501〜503と、全体制御部600と、を備える。
処理装置101〜104は、それぞれゲートバルブG11〜G14を介して真空搬送室200と接続されている。処理装置101〜104内は所定の真空雰囲気に減圧され、その内部にてウエハWに所望の処理を施す。一実施形態では、処理装置101は、ウエハWにSiN膜を形成する装置である。処理装置102は、処理装置101で形成されたSiN膜をエッチングする装置である。処理装置103は、処理装置102でエッチング処理されたウエハWにSiN膜を形成する装置である。処理装置104は、処理装置101〜103のいずれかと同じ装置であってもよく、別の処理を行う装置であってもよい。
真空搬送室200内は、所定の真空雰囲気に減圧されている。真空搬送室200には、減圧状態でウエハWを搬送可能な搬送機構201が設けられている。搬送機構201は、処理装置101〜104、ロードロック室301〜303に対して、ウエハWを搬送する。搬送機構201は、例えば2つの搬送アーム202a,202bを有する。
ロードロック室301〜303は、それぞれゲートバルブG21〜G23を介して真空搬送室200と接続され、ゲートバルブG31〜G33を介して大気搬送室400と接続されている。ロードロック室301〜303内は、大気雰囲気と真空雰囲気とを切り替えることができるようになっている。
大気搬送室400内は、大気雰囲気となっており、例えば清浄空気のダウンフローが形成されている。大気搬送室400内には、ウエハWのアライメントを行うアライナ401が設けられている。また、大気搬送室400には、搬送機構402が設けられている。搬送機構402は、ロードロック室301〜303、後述するロードポート501〜503のキャリアC、アライナ401に対して、ウエハWを搬送する。
ロードポート501〜503は、大気搬送室400の長辺の壁面に設けられている。ロードポート501〜503は、ウエハWが収容されたキャリアC又は空のキャリアCが取り付けられる。キャリアCとしては、例えばFOUP(Front Opening Unified Pod)を利用できる。
全体制御部600は、基板処理システムの各部を制御する。例えば、全体制御部600は、処理装置101〜104の動作、搬送機構201,402の動作、ゲートバルブG11〜G14,G21〜G23,G31〜G33の開閉、ロードロック室301〜303内の雰囲気の切り替え等を実行する。全体制御部600は、例えばコンピュータであってよい。
なお、基板処理システムの構成はこれに限られるものではない。基板処理システムは、複数のウエハWを1つの処理装置で処理する多枚葉装置を有する構成であってもよい、また、真空搬送室も多枚葉装置がゲートバルブを介して接続される構成であってもよく、複数の真空搬送装置が接続される構成であってもよい。
次に、処理装置101の構成例について説明する。処理装置101は、減圧状態の処理容器内でPE−ALD(Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition)法によりSiN膜を形成する第1の処理装置の一例である。図2は、処理装置101の構成例を示す概略図である。
図2に示されるように、処理装置101は、処理容器1と、載置台2と、シャワーヘッド3と、排気部4と、ガス供給機構5と、RF電力供給部8と、制御部9とを有している。
処理容器1は、アルミニウム等の金属により構成され、略円筒状を有している。処理容器1は、ウエハWを収容する。処理容器1の側壁にはウエハWを搬入又は搬出するための搬入出口11が形成され、搬入出口11はゲートバルブ12により開閉される。処理容器1の本体の上には、断面が矩形状をなす円環状の排気ダクト13が設けられている。排気ダクト13には、内周面に沿ってスリット13aが形成されている。排気ダクト13の外壁には、排気口13bが形成されている。排気ダクト13の上面には、絶縁体部材16を介して処理容器1の上部開口を塞ぐように天壁14が設けられている。排気ダクト13と絶縁体部材16との間はシールリング15で気密に封止されている。区画部材17は、載置台2(およびカバー部材22)が後述する処理位置へと上昇した際、処理容器1の内部を上下に区画する。
載置台2は、処理容器1内でウエハWを水平に支持する。載置台2は、ウエハWに対応した大きさの円板状に形成されており、支持部材23に支持されている。載置台2は、AlN等のセラミックス材料や、アルミニウムやニッケル合金等の金属材料で形成されており、内部にウエハWを加熱するためのヒータ21が埋め込まれている。ヒータ21は、ヒータ電源(図示せず)から給電されて発熱する。そして、載置台2の上面の近傍に設けられた熱電対(図示せず)の温度信号によりヒータ21の出力を制御することで、ウエハWが所定の温度に制御される。載置台2には、上面の外周領域及び側面を覆うようにアルミナ等のセラミックスにより形成されたカバー部材22が設けられている。
載置台2の底面には、載置台2を支持する支持部材23が設けられている。支持部材23は、載置台2の底面の中央から処理容器1の底壁に形成された孔部を貫通して処理容器1の下方に延び、その下端が昇降機構24に接続されている。昇降機構24により載置台2が支持部材23を介して、図2で示す処理位置と、その下方の二点鎖線で示すウエハWの搬送が可能な搬送位置との間で昇降する。支持部材23の処理容器1の下方には、鍔部25が取り付けられており、処理容器1の底面と鍔部25の間には、処理容器1内の雰囲気を外気と区画し、載置台2の昇降動作にともなって伸縮するベローズ26が設けられている。
処理容器1の底面の近傍には、昇降板27aから上方に突出するように3本(2本のみ図示)のウエハ支持ピン27が設けられている。ウエハ支持ピン27は、処理容器1の下方に設けられた昇降機構28により昇降板27aを介して昇降する。ウエハ支持ピン27は、搬送位置にある載置台2に設けられた貫通孔2aに挿通されて載置台2の上面に対して突没可能となっている。ウエハ支持ピン27を昇降させることにより、搬送機構(図示せず)と載置台2との間でウエハWの受け渡しが行われる。
シャワーヘッド3は、処理容器1内に処理ガスをシャワー状に供給する。シャワーヘッド3は、金属製であり、載置台2に対向するように設けられており、載置台2とほぼ同じ直径を有している。シャワーヘッド3は、処理容器1の天壁14に固定された本体部31と、本体部31の下に接続されたシャワープレート32とを有している。本体部31とシャワープレート32との間にはガス拡散空間33が形成されており、ガス拡散空間33には処理容器1の天壁14及び本体部31の中央を貫通するようにガス導入孔36が設けられている。シャワープレート32の周縁部には下方に突出する環状突起部34が形成されている。環状突起部34の内側の平坦面には、ガス吐出孔35が形成されている。載置台2が処理位置に存在した状態では、載置台2とシャワープレート32との間に処理空間38が形成され、カバー部材22の上面と環状突起部34とが近接して環状隙間39が形成される。
排気部4は、処理容器1の内部を排気する。排気部4は、排気口13bに接続された排気配管41と、排気配管41に接続された真空ポンプや圧力制御バルブ等を有する排気機構42とを有する。処理に際しては、処理容器1内のガスがスリット13aを介して排気ダクト13に至り、排気ダクト13から排気配管41を通って排気機構42により排気される。
ガス供給機構5は、処理容器1内に処理ガスを供給する。ガス供給機構5は、プリカーサガス供給源51a、反応ガス供給源52a、Arガス供給源53a、Arガス供給源54aを有する。
プリカーサガス供給源51aは、ガス供給ライン51bを介してプリカーサガスを処理容器1内に供給する。なお、図2に示す例において、プリカーサガスとして、DCS(ジクロロシラン)ガスを用いる。ガス供給ライン51bには、上流側から流量制御器51c、貯留タンク51d及びバルブ51eが介設されている。ガス供給ライン51bのバルブ51eの下流側は、ガス供給ライン55を介してガス導入孔36に接続されている。プリカーサガス供給源51aから供給されるプリカーサガスは処理容器1内に供給される前に貯留タンク51dで一旦貯留され、貯留タンク51d内で所定の圧力に昇圧された後、処理容器1内に供給される。貯留タンク51dから処理容器1へのプリカーサガスの供給及び停止は、バルブ51eの開閉により行われる。このように貯留タンク51dへプリカーサガスを一旦貯留することで、比較的大きい流量のプリカーサガスを処理容器1内に安定して供給できる。
反応ガス供給源52aは、ガス供給ライン52bを介して反応ガスを処理容器1内に供給する。なお、図2に示す例において、反応ガスとして、NHガスを用いる。ガス供給ライン52bには、上流側から流量制御器52c及びバルブ52eが介設されている。ガス供給ライン52bのバルブ52eの下流側は、ガス供給ライン55を介してガス導入孔36に接続されている。反応ガス供給源52aから供給される反応ガスは処理容器1内に供給される。処理容器1への反応ガスの供給及び停止は、バルブ52eの開閉により行われる。
Arガス供給源53aは、ガス供給ライン53bを介してパージガスとしてのArガスを処理容器1内に供給する。ガス供給ライン53bには、上流側から流量制御器53c及びバルブ53eが介設されている。ガス供給ライン53bのバルブ53eの下流側は、ガス供給ライン51bに接続されている。Arガス供給源53aから供給されるArガスは処理容器1内に供給される。処理容器1へのArガスの供給及び停止は、バルブ53eの開閉により行われる。
Arガス供給源54aは、ガス供給ライン54bを介してパージガスとしてのArガスを処理容器1内に供給する。ガス供給ライン54bには、上流側から流量制御器54c及びバルブ54eが介設されている。ガス供給ライン54bのバルブ54eの下流側は、ガス供給ライン52bに接続されている。Arガス供給源54aから供給されるArガスは処理容器1内に供給される。処理容器1へのArガスの供給及び停止は、バルブ54eの開閉により行われる。
また、処理装置101は、容量結合プラズマ装置であって、載置台2が下部電極となり、シャワーヘッド3が上部電極となる。下部電極となる載置台2は、コンデンサ(図示せず)を介して接地されている。下部電極のリアクタンス(下部リアクタンス)は、コンデンサ容量の逆数で定まる。
上部電極となるシャワーヘッド3は、RF電力供給部8によって高周波電力(以下、「RFパワー」ともいう。)が印加される。RF電力供給部8は、給電ライン81、整合器82及び高周波電源83を有する。高周波電源83は、高周波電力を発生する電源である。高周波電力は、プラズマの生成に適した周波数を有する。高周波電力の周波数は、例えば450KHz〜100MHzの範囲内の周波数である。高周波電源83は、整合器82及び給電ライン81を介してシャワーヘッド3の本体部31に接続されている。整合器82は、高周波電源83の出力リアクタンスと負荷(上部電極)のリアクタンスを整合させるための回路を有する。なお、RF電力供給部8は、上部電極となるシャワーヘッド3に高周波電力を印加するものとして説明したが、これに限られるものではない。下部電極となる載置台2に高周波電力を印加する構成であってもよい。
制御部9は、例えばコンピュータであり、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、補助記憶装置等を備える。CPUは、ROM又は補助記憶装置に格納されたプログラムに基づいて動作し、処理装置101の動作を制御する。制御部9は、処理装置101の内部に設けられていてもよく、外部に設けられていてもよい。制御部9が処理装置101の外部に設けられている場合、制御部9は、有線又は無線等の通信手段によって、処理装置101を制御できる。
次に、処理装置102の構成例について説明する。処理装置102は、エッチング処理を施す第2の処理装置の一例である。図3は、処理装置102の構成例を示す概略図である。
図3に示す処理装置102は、図2に示す処理装置101と比較して、ガス供給機構5に代えてガス供給機構6を有している点で異なっている。その他の点については処理装置101と同様であるので、重複する説明を省略し、処理装置101と異なる点を中心に説明する。
ガス供給機構6は、処理容器1内に処理ガスを供給する。ガス供給機構6は、エッチングガス供給源61a、Arガス供給源62aを有する。
エッチングガス供給源61aは、ガス供給ライン61bを介してエッチングガスを処理容器1内に供給する。なお、図3に示す例において、エッチングガスとして、NFガスを用いる。ガス供給ライン61bには、上流側から流量制御器61c及びバルブ61eが介設されている。ガス供給ライン61bのバルブ61eの下流側は、ガス供給ライン65を介してガス導入孔36に接続されている。エッチングガス供給源61aから供給されるNFガスは処理容器1内に供給される。処理容器1へのNFガスの供給及び停止は、バルブ61eの開閉により行われる。
Arガス供給源62aは、ガス供給ライン62bを介してArガスを処理容器1内に供給する。ガス供給ライン62bには、上流側から流量制御器62c及びバルブ62eが介設されている。ガス供給ライン62bのバルブ62eの下流側は、ガス供給ライン65を介してガス導入孔36に接続されている。Arガス供給源62aから供給されるArガスは処理容器1内に供給される。処理容器1へのArガスの供給及び停止は、バルブ62eの開閉により行われる。
次に、処理装置103の構成例について説明する。処理装置103は、減圧状態の処理容器内でPE−ALD法によりSiN膜を形成する第3の処理装置の一例である。処理装置103の構成は、図2に示す処理装置101と同様の構成を有している。このため、重複する説明を省略する。
次に、図1に示す基板処理システムによる基板処理の一例について説明する。図4は、基板処理システムによる基板処理の一例を示すフローチャートである。基板処理システムは、トレンチ等の凹部が形成されたウエハWにSiN膜を埋め込む。
ステップS101において、トレンチ等の凹部が形成されたウエハWにSiN膜を成膜する(第1成膜工程)。本工程は、例えば、処理装置101にて処理される。
処理装置101の動作の一例について、PE−ALDプロセスによりSiN膜を成膜する場合を例に図5を用いて説明する。図5は、第1の処理装置101における動作の一例を示すタイムチャートである。
図5に示されるPE−ALDプロセスは、プリカーサガスを供給する工程S201、パージする工程S202、反応ガスを供給する工程S203、RFパワーを印加する工程S204及びパージする工程S205を所定サイクル繰り返し、プリカーサガスと反応ガスを交互に供給してウエハWの上に所望の膜厚のSiN膜を形成するプロセスである。なお、図5では、1サイクルのみを示す。
プリカーサガスを供給する工程S201は、プリカーサガスを処理空間38に供給する工程である。プリカーサガスを供給する工程S201では、まず、バルブ53e,54eを開いた状態で、Arガス供給源53a,54aから、ガス供給ライン53b,54bを経てArガスを供給する。また、バルブ51eを開くことにより、プリカーサガス供給源51aからガス供給ライン51bを経てプリカーサガスを処理容器1内の処理空間38に供給する。このとき、プリカーサガスは、貯留タンク51dに一旦貯留された後に処理容器1内に供給される。これにより、プリカーサがウエハWの表面に吸着され、ウエハWの表面にプリカーサの吸着層が形成される。
パージする工程S202は、処理空間38の余剰のプリカーサガス等をパージする工程である。パージする工程S202では、ガス供給ライン53b,54bを介してのArガスの供給を継続した状態で、バルブ51eを閉じてプリカーサガスの供給を停止する。これにより、Arガス供給源53a,54aからガス供給ライン53b,54bを経てArガスを処理容器1内の処理空間38に供給する。これにより、処理空間38の余剰のプリカーサガス等をパージする。また、バルブ51eを閉じることにより、貯留タンク51dにプリカーサガスが充填される。
反応ガスを供給する工程S203は、反応ガスとしてのNHガスを供給する工程である。反応ガスを供給する工程S203では、ガス供給ライン53b,54bを介してのArガスの供給を継続した状態で、バルブ52eを開く。これにより、反応ガス供給源52aからガス供給ライン52bを経て反応ガスを処理空間38に供給する。
RFパワーを印加する工程S204は、反応ガスとして供給されているNHガスをプラズマ励起する工程である。RFパワーを印加する工程S204では、ガス供給ライン53b,54bを介してのArガスの供給及びガス供給ライン52bを介しての反応ガスの供給を継続した状態で、高周波電源83により、上部電極にRFを印加して、処理空間38にプラズマを生成する。これにより、ウエハWの表面の吸着層が窒化され、SiN膜を生成する。
パージする工程S205は、処理空間38の余剰の反応ガス等をパージする工程である。パージする工程S205では、ガス供給ライン53b,54bを介してのArガスの供給を継続した状態で、バルブ52eを閉じて反応ガスの供給を停止する。また、高周波電源83により、上部電極にRFを印加することを停止する。これにより、Arガス供給源53a,54aからガス供給ライン53b,54bを経てArガスを処理容器1内の処理空間38に供給する。これにより、処理空間38の余剰の反応ガス等をパージする。
以上のサイクルを繰り返すことで、ウエハWにSiN膜を成膜する。
ここで、ステップS101におけるDCSガスとNHガスを用いたSiN膜の成膜条件の好ましい範囲を以下に示す。
温度:250〜600℃
圧力:0.5〜10Torr
DCSガス流量:10〜100cc/サイクル
NHガス流量:500〜10000sccm
Arガス流量:500〜10000sccm
工程S201時間:0.05〜2.0秒
工程S202時間:0.1〜2.0秒
工程S203時間:0.5〜2.0秒
工程S204時間:1.0〜6.0秒
工程S205時間:0.1〜2.0秒
RFパワー:50〜1000W
下部リアクタンス:−300〜100Ω
図4に戻り、ステップS102において、ウエハWに形成されたSiN膜をエッチングする(エッチング工程)。本工程は、例えば、処理装置102にて処理される。
処理装置102の動作の一例について、エッチング処理を施す場合を例に図6を用いて説明する。図6は、第2の処理装置102における動作の一例を示すタイムチャートである。
図6に示されるエッチングプロセスは、ガスランプ工程S301、ガス安定化工程S302、NFガス供給工程S303、エッチング工程S304、NFガス停止工程S305及びパージ工程S306を有する。
ガスランプ工程S301は、バルブ62eを開くことにより、Arガス供給源62aから、ガス供給ライン62bを経てArガスを処理容器1内の処理空間38に供給する。
ガス安定化工程S302は、ガス供給ライン62bを介してのArガスの供給を継続した状態で、処理空間38に供給するArガスを安定化させる。
NFガス供給工程S303は、ガス供給ライン62bを介してのArガスの供給を継続した状態で、バルブ61eを開くことにより、エッチングガス供給源61aから、ガス供給ライン61bを経てNFガスを処理容器1内の処理空間38に供給する。
エッチング工程S304は、ガス供給ライン62bを介してのArガスの供給及びガス供給ライン61bを介してのNFガスの供給を継続した状態で、高周波電源83により、上部電極にRFを印加して、処理空間38にプラズマを生成する。これにより、ウエハWのSiN膜にエッチング処理を施す。
NFガス停止工程S305は、ガス供給ライン62bを介してのArガスの供給を継続した状態で、バルブ61eを閉じてNFガスの供給を停止する。また、高周波電源83により上部電極にRFを印加することを停止する。これにより、処理空間38内のNFガスは、排気部4に排気される。
パージ工程S306は、バルブ62eを閉じてArガスの供給を停止する。これにより、処理空間38内のガスは、排気部4に排気され、処理空間38内の圧力が減少する。
以上の処理を行うことで、ウエハWに成膜されたSiN膜をエッチングする。これにより、後述する図8(b)に示すように、SiN膜をV字状に開口する形状とすることができる。
ここで、ステップS102におけるエッチング処理条件の好ましい範囲を以下に示す。
温度:100〜600℃
圧力:0.5〜10.0Torr
NFガス流量:5〜500sccm
Arガス流量:1000〜10000sccm
工程S301時間:0.0〜10.0秒
工程S302時間:0.0〜60.0秒
工程S303時間:0.5〜10.0秒
工程S305時間:0.0〜60.0秒
工程S306時間:0.0〜60.0秒
RFパワー:10〜500W
なお、工程S301、S302は省いてもよく、S305、S306はどちらか片方を省いてもよい。
図4に戻り、ステップS103において、エッチング処理されたウエハWにSiN膜を成膜する。本工程は、例えば、処理装置103にて処理される。なお、処理装置103における成膜処理は、ステップS101における処理装置101の場合と同様であり、重複する説明を省略する。これにより、後述する図8(c)に示すように、V字状に開口する形状にSiN膜を埋め込むことができる。
ここで、ステップS103におけるDCSガスとNHガスを用いたSiN膜の成膜条件の好ましい範囲を以下に示す。
温度:250〜600℃
圧力:0.5〜10.0Torr
DCSガス流量:10〜100cc/サイクル
NHガス流量:500〜10000sccm
Arガス流量:500〜10000sccm
工程S201時間:0.05〜2.0秒
工程S202時間:0.1〜2.0秒
工程S203時間:0.5〜2.0秒
工程S204時間:1.0〜6.0秒
工程S205時間:0.1〜2.0秒
RFパワー:50〜1000W
下部リアクタンス:−300〜100Ω
なお、成膜工程、エッチング工程、成膜工程でSiN膜を成膜するものとして説明したが、これに限られるものではなく、改質処理等を挟んでもよい。更に、エッチング工程と成膜工程を複数回繰り返してウエハWに処理を施してもよい。また、前処理として表面改質処理や後処理としてアニール処理を施してもよい。
図7は、第1成膜工程S101及びエッチング工程S102が処理された状態におけるウエハWの断面図の一例である。ここでは、トレンチ構造の凹部パターンが表面に形成されたウエハWに対して、図4に示す第1成膜工程S101及びエッチング工程S102を行った。また、図7において、(a)(b)(c)は、下部電極のリアクタンスを−264Ωとした場合であり、(d)(e)(f)は、下部電極のリアクタンスを−36Ωとした場合である。即ち、(a)(b)(c)は下部リアクタンスを低リアクタンスとした場合であり、(d)(e)(f)は下部リアクタンスを高リアクタンスとした場合である。また、(a)(d)は、RFパワーを100Wとした場合であり、(b)(e)は、RFパワーを300Wとした場合であり、(c)(f)は、RFパワーを500Wとした場合である。また、(a)〜(f)において、エッチング工程S102は、同一の処理を施した。
第1成膜工程S101のプラズマにより窒化する工程S204において、NFおよびArに起因するイオンがSiN膜に入射する。ここで、下部リアクタンスを高くすることにより、SiN膜に入射するNFおよびArに起因するイオンのエネルギが高くなる。下部リアクタンスを低くすることにより、SiN膜に入射するNFおよびArに起因するイオンのエネルギが低くなる。また、RFパワーを高くすることにより、SiN膜に入射するNFおよびArに起因するイオンのエネルギが高くなる。RFパワーを低くすることにより、SiN膜に入射するNFおよびArに起因するイオンのエネルギが低くなる。図7に示すように、プラズマにより窒化する工程S204におけるNFおよびArに起因するイオンの入射エネルギによって、エッチング処理後における開口形状が異なる。
下部リアクタンスを低リアクタンスとする(コンデンサの容量を小さくする)ことにより、SiN膜をV字状に開口する形状にすることができる。図7(a)〜(c)と図7(d)〜(f)とを対比すると、図7(a)〜(c)の方が、上部形状がV字状に開口していることがわかる。また、RFパワーを小さくすることにより、SiN膜をV字状に開口する形状にすることができる。図7(a)(d)と図7(b)(e)と図7(c)(f)とを対比すると、図7(a)(d)が、上部形状がV字状に開口していることがわかる。
このように、第1成膜工程S101のプラズマにより窒化する工程S204におけるプロセス条件を調整することにより、エッチング工程S102におけるプロセス条件を変更せずに、エッチング処理後における開口形状を制御することができる。
即ち、第1成膜工程S101のプラズマにより窒化する工程S204におけるNFおよびArに起因するイオンの入射エネルギを大きくすることで、トレンチ構造の凹部肩部(トレンチ構造の上面と凹部の側面との間の角部)に形成されるSiN膜に入射するNFおよびArに起因するイオンのエネルギが大きくなる。これにより、トレンチ構造の凹部肩部に形成されるSiN膜の膜質の改質を促進し、凹部肩部に形成されるSiN膜のエッチング耐性が高くなる。よって、エッチング工程S102において、凹部肩部に形成されるSiN膜のエッチングが抑制され、略矩形状の開口が形成される。
これに対し、第1成膜工程S101のプラズマにより窒化する工程S204におけるNFおよびArに起因するイオンの入射エネルギを小さくすることで、トレンチ構造の凹部肩部に形成されるSiN膜に入射するNFおよびArに起因するイオンのエネルギが小さくなる。これにより、トレンチ構造の凹部肩部に形成されるSiN膜の膜質の改質が抑制され、凹部肩部に形成されるSiN膜のエッチング耐性が低くなる。よって、エッチング工程S102において、凹部肩部に形成されるSiN膜が好適にエッチングされ、V字状に開口する形状が形成される。
図8は、各状態におけるウエハWの断面図の一例である。ここでは、トレンチ構造の凹部パターンが表面に形成されたウエハWに対して、図4に示す第1成膜工程S101、エッチング工程S102、及び第2成膜工程S103を行った。図8(a)(d)が第1成膜工程S101終了時を、図8(b)(e)がエッチング工程S102終了時を、図8(c)(f)が第2成膜工程S103終了時をそれぞれ示す。また、(a)(b)(c)は、第1成膜工程S101のステップS204におけるNFおよびArに起因するイオンの入射エネルギを小さくした場合(以下、本実施例ともいう。)を示し、(d)(e)(f)は、第1成膜工程S101のステップS204におけるNFおよびArに起因するイオンの入射エネルギを大きくした場合(以下、参考例ともいう。)を示す。
図8(a)及び(d)に示すように、第1成膜工程S101終了時において、本実施例及び参考例のいずれにおいても、基板の形状を維持する形でSiN膜が閉塞している。
図8(b)及び(e)に示すように、エッチング工程S102終了時において、トレンチ構造凹部の上端が開放される。ここで、図8(b)に示す開口形状は、開口側が大きく開くV字状に開口する形状を形成することができる。これに対し、図8(e)に示す開口形状は、トレンチ構造の凹部肩部のSiN膜がせり出した形状を有している。
図8(f)に示すように、参考例の第2成膜工程S103終了時においては、SiN膜の埋め込みによってボイドが形成されている。これに対し、図8(c)に示すように、本実施例の第2成膜工程S103終了時においては、ボイドがないSiN膜の埋め込みを行うことができる。
以上、本実施形態に係る基板処理システムによれば、第1成膜工程S101におけるプロセス条件を調整することにより、エッチング工程S102終了時の開口部分の形状を開口側が大きく開くV字状に開口する形状にすることができる。これにより、第2成膜工程S103において、SiN膜を埋め込む際、良好な埋め込み特性が得られ、ボイドのないSiN膜を成膜することができる。
また、第2成膜工程S103においては、第1成膜工程S101と同じプロセス条件を用いてSiN膜を成膜してもよい。
また、第2成膜工程S103においては、第1成膜工程S101とは異なるプロセス条件を用いてSiN膜を成膜してもよい。具体的には、第2成膜工程S103におけるステップS204におけるSiN膜に入射するNFおよびArに起因するイオンのエネルギを、第1成膜工程S101におけるステップS204におけるSiN膜に入射するNFおよびArに起因するイオンのエネルギよりも大きくする。例えば、RFパワーを高くしてもよい。また、下部電極を高リアクタンスとしてもよい。図7に示すように、高RFパワー、高リアクタンスとすることにより、エッチング耐性の高いSiN膜とすることができる。これにより、ボイドのないSiN膜を埋め込むことができるとともに、トレンチ構造に埋め込むSiN膜の表面をエッチング耐性の高いSiN膜とすることができる。
以上、処理装置101〜103による本実施形態の成膜方法について説明したが、本開示は上記実施形態等に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本開示の要旨の範囲内において、種々の変形、改良が可能である。
処理装置101〜103は、真空搬送室200を介して搬送されるものとして説明したが、これに限られるものではない。処理装置101〜103間は大気搬送で搬送される構成であってもよい。
また、第1成膜工程S101及び第2成膜工程S103を1つの処理装置101で行う構成としてもよい。また、第1成膜工程S101から第2成膜工程S103を1つの処理装置101で行う構成としてもよい。
また、下部電極のコンデンサは可変コンデンサとしてもよい。これにより、1つの処理装置で下部電極のリアクタンスを変更することができる。また、下部電極のコンデンサは可変コイルを組み合わせたLC回路としてもよい。これにより、下部電極のリアクタンスを変更することができる。
また、図5に示すSiN膜の成膜処理において、ウエハWの表面にプリカーサを吸着させた後、改質処理を施してもよい。例えば、処理空間38内に水素含有ガスのプラズマを生成して、プリカーサの吸着層を水素ラジカルにより改質する工程を更に有してもよい。これにより、吸着されたプリカーサを改質して、成膜性能を向上させることができる。また、図5に示すSiN膜の成膜処理において、ウエハWの表面を窒化させた後、改質処理を施してもよい。例えば、処理空間38内に水素含有ガスのプラズマを生成して、プリカーサの吸着層を水素ラジカルにより改質する工程を更に有してもよい。これにより、吸着されたプリカーサを改質して、成膜性能を向上させることができる。
また、入射するイオンのエネルギを制御する方法として、RFパワーを制御する方法及び下部リアクタンスを制御する方法を例に説明したが、これに限られるものではない。例えば、処理空間38内の圧力を制御することにより、入射するイオンのエネルギを制御してもよい。また、下部電極にバイアスを加えることにより入射するイオンのエネルギを制御してもよい。また、下部電極および/または上部電極にDC(Direct Current)電圧を印加するDC電力供給部を備え、パルスでDC電圧を印加することにより、入射するイオンのエネルギを制御してもよい。また、印加するDC電圧波形を制御して、入射するイオンのエネルギを制御してもよい。また、複数の周波数の高周波電力を位相制御して重畳したTVW(Tailored voltage waveform)の高周波電力を供給することによりイオンのエネルギを制御してもよい。
プリカーサガスはDCSとし、反応ガスをNHガスとして説明したが、これに限られるものではない。プリカーサガスとして、SiHガス、TSA(trisilylamine)ガス、ハロゲンを含むシリコン系ガス、アミノシランガス、等のシリコン含有ガスを用いてもよい。反応ガスとして、NHガス、Nガス、等のガスを用いてもよい。また、プリカーサガスとしてSiHガス用いる場合、反応ガスとしてNガスを用いてもよい。また、第2成膜工程S103においてプラズマを使用せず、熱によるALDによりSiN膜を形成してもよい。この場合、反応ガスとしてNH、ヒドラジン、ヒドラジン誘導体等のガスを用いてもよい。
101〜104 処理装置
200 真空搬送室
W ウエハ
1 処理容器
2 載置台
3 シャワーヘッド
4 排気部
9 制御部
5,6 ガス供給機構
51a プリカーサガス供給源
52a 反応ガス供給源
53a Arガス供給源
54a Arガス供給源
61a エッチングガス供給源
62a Arガス供給源
8 RF電力供給部(高周波電力供給部)
83 高周波電源

Claims (13)

  1. 凹部が形成された基板上に、シリコン含有ガスを供給して吸着層を形成する工程と、反応ガスのプラズマを生成して前記吸着層と反応させる工程と、を繰り返して、前記凹部に第1の絶縁膜を埋め込む工程と、
    エッチングガスのプラズマを生成して前記第1の絶縁膜をエッチングする工程と、を有し、
    前記吸着層と反応させる工程におけるプラズマの生成パラメータを制御して、エッチング後の前記凹部に埋め込まれた前記第1の絶縁膜の形状を制御する、
    基板処理方法。
  2. 前記吸着層と反応させる工程における前記吸着層に入射するイオンのエネルギを制御する、
    請求項1に記載の基板処理方法。
  3. 前記プラズマの生成パラメータは、プラズマを生成するための高周波電力、前記基板を載置する下部電極のリアクタンス、処理空間内の圧力のうち少なくとも1つを含む、
    請求項1または請求項2に記載の基板処理方法。
  4. 前記第1の絶縁膜をエッチングする工程の後に、
    前記基板上に、シリコン含有ガスを供給して吸着層を形成する工程と、反応ガスのプラズマを生成して前記吸着層と反応させる工程と、を繰り返して、前記凹部に第2の絶縁膜を埋め込む工程を更に有する、
    請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の基板処理方法。
  5. 前記第2の絶縁膜を埋め込む工程は、前記第1の絶縁膜よりもエッチング耐性の高い前記第2の絶縁膜を埋め込む、
    請求項4に記載の基板処理方法。
  6. 前記第2の絶縁膜を埋め込む工程における前記吸着層と反応させる工程における前記吸着層に入射するイオンのエネルギは、
    前記第1の絶縁膜を成膜する工程における前記吸着層と反応させる工程における前記吸着層に入射するイオンのエネルギよりも高くなるように、プラズマの生成パラメータを制御する、
    請求項4または請求項5に記載の基板処理方法。
  7. 前記第1の絶縁膜を成膜する工程は、
    水素含有ガスのプラズマを生成して前記吸着層を改質する工程を更に有する、
    請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の基板処理方法。
  8. 前記第1の絶縁膜を埋め込む工程と、前記第1の絶縁膜をエッチングする工程は、大気暴露させずに処理される、
    請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載の基板処理方法。
  9. 前記第1の絶縁膜を埋め込む工程と、前記第1の絶縁膜をエッチングする工程は、同一の処理装置で処理される、
    請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載の基板処理方法。
  10. 前記第1の絶縁膜は、SiO、SiNのうち、少なくとも何れか一つを含む、
    請求項1乃至請求項9のいずれか1項に記載の基板処理方法。
  11. 前記シリコン含有ガスは、DCSガス、SiHガス、TSA(trisilylamine)ガスのうち、少なくとも何れか一つを含む、
    請求項1乃至請求項10のいずれか1項に記載の基板処理方法。
  12. 前記反応ガスは、NHガス、Nガス、ヒドラジン、ヒドラジン誘導体ガスのうち、少なくとも何れか一つを含む、
    請求項1乃至請求項11のいずれか1項に記載の基板処理方法。
  13. 基板を載置する載置台を有する処理容器と、
    前記処理容器にガスを供給するガス供給源と、
    高周波電力を印加して前記処理容器内にプラズマを生成する高周波電力供給部と、
    制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    凹部が形成された前記基板上に、シリコン含有ガスを供給して吸着層を形成する工程と、反応ガスのプラズマを生成して前記吸着層と反応させる工程と、を繰り返して、前記凹部に第1の絶縁膜を埋め込む工程と、
    エッチングガスのプラズマを生成して前記第1の絶縁膜をエッチングする工程と、を有し、
    前記吸着層と反応させる工程におけるプラズマの生成パラメータを制御して、エッチング後の前記凹部に埋め込まれた前記第1の絶縁膜の形状を制御する、
    基板処理装置。
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