JP6583081B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置製造用の基板の表面に形成された凹部に対して成膜処理を行って凹部を埋め込む技術に関する。
半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）に成膜を行う手法として、原料ガス及び反応ガスをウエハに対して順番に供給してウエハの表面に反応生成物の分子層（あるいは原子層）を堆積させて薄膜を得るＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法が知られている。回路パターンの凹凸が形成されたウエハに対してＡＬＤ法により成膜処理を行うと、凹凸形状に沿った膜（コンフォーマルな形状の膜）が成膜される。
一方、パターンが微細化し、パターン合わせにおいても高い精度が要求されていることなどから、コンタクトホールの形成法として自己整合型コンタクトホール形成法が用いられている。そして半導体デバイスの立体化が進んでいることから、例えばコンタクトホールや溝部が微細化しかつアスペクト比がより大きくなる傾向にある。このため例えば自己整合コンタクトホールに対してＡＬＤ法を用いてシリコン窒化膜により埋め込むプロセスを行うと、コンタクトホールに内にて埋め込み部分(シリコン窒化膜)にボイドやシームなどの空隙が形成されるおそれがある。
特許文献１には、アルミニウム層に形成された凹部内に、ＣＦ系のガス及びＣＨ系のガスを用いてフロロカーボン膜（ＣＦ膜）を成膜して埋め込むにあたり、埋め込みを途中で停止し、酸素ガスを用いてＣＦ膜をエッチングし、その後ＣＦ膜の埋め込み処理を行う技術が開示されている。この技術は、本発明のように成膜部位におけるインキュベーションタイムの差を考慮したものではない。
特開平１０−１４４６７５号公報（図２１）
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、基板の表面に形成された凹部パターンを埋めるように成膜するにあたって、凹部パターンを隙間なく埋める技術を提供することにある。
本発明の半導体装置の製造方法は、上面に第１の層の表面が露出していると共に前記第１の層に凹部が形成され、前記凹部の側壁が第２の層により被覆された半導体装置製造用の基板の上に処理ガスを供給して第３の層を形成し、当該第３の層により前記凹部を埋め込む前段工程と、
次に前記第３の層をエッチングし、前記第１の層の上面が露出すると共に凹部内に第３の層が残った状態でエッチングを停止するエッチング工程と、
その後、基板の上に処理ガスを供給して第３の層を形成し、当該第３の層により前記凹部を埋め込む後段工程と、を含み、
前記第１の層はシリコン酸化層であり、前記第２の層は窒化シリコン層であり、前記第３の層は窒化シリコン層であることと、
前記処理ガスを供給した時に、第１の層の表面におけるインキュベーションタイムが第２の層の表面におけるインキュベーションタイムよりも長いことと、を特徴とする。
本発明は、半導体装置製造用の基板の凹部の上面におけるインキュベーションタイムが凹部の側面におけるインキュベーションタイムよりも長い関係にある当該凹部を埋め込むにあたって、途中まで埋め込みを行った後、上面が露出した状態までエッチング（いわゆるエッチバック）を行い、その後埋め込みを続行している。従って、埋め込みの続行時には、凹部の上面と側面との間のインキュベーションタイムの差により、頂部の閉塞が起こりにくくなるので、空隙の発生が抑えられた埋め込み（成膜）を行うことができる。
ウエハの表面付近を示す縦断面図である。 ウエハの表面付近を示す縦断面図である。 ウエハの表面付近を示す縦断面図である。 ウエハの表面付近を示す縦断面図である。 ウエハの表面付近を示す縦断面図である。 ウエハの表面付近を示す縦断面図である。 ウエハの表面付近を示す縦断面図である。 成膜装置を示す平面図である。 成膜装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る基板処理システムを示す平面図である。 ウエハの他の例の表面付近を示す縦断面図である。 ウエハのさらに他の例の表面付近を示す縦断面図である。
本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法に使用される半導体装置製造用の基板であるウエハＷの表面構造の一例について説明する。図１は半導体装置の製造工程の途中段階におけるウエハＷの表面構造を示す。この表面構造は第１の層に相当するシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）１００がエッチングされて凹部であるホール１０９が形成されている。そしてホール１０９の内側を含むＳｉＯ２膜１００の表面が窒化されて、第２の層に相当する窒化シリコン膜からなるバリア膜１０１が形成されている。窒化シリコン膜は、理論的には、Ｓｉ３Ｎ４で表わされるが、本願明細書では、「ＳｉＮ膜」と略記する。
その後、ウエハＷに向けて、例えばＣＦ４ガスを供給することで、バリア膜１０１がドライエッチングされる。これにより図２に示すようにウエハＷの表面及びホール１０９の底面に形成されたバリア膜１０１が除去されて、ＳｉＯ２膜１００が露出する。この時、ホール１０９の側面に形成されたバリア膜１０１は除去されずに残る。こうして形成されたコンタクトホールのアスペクト比（深さ／孔径）は、例えば１〜５０である。
続いてウエハＷを例えばＡＬＤにより成膜する成膜装置に搬入し、ウエハＷの表面にＳｉＮ膜を成膜する前段工程である１回目の成膜工程を行う。成膜装置においては、例えばウエハＷに向けて、シリコンを含むガス、例えばＤＣＳ（ジクロロシラン）と、ＮＨ３ガスをプラズマ化して得たプラズマ（アンモニアプラズマ）と、を交互に複数回供給する。これによりウエハＷの表面にＤＣＳが吸着し、次いでＤＣＳとアンモニアプラズマとが反応してＳｉＮの分子層が形成され、この分子層が順次積層されてＳｉＮ膜が成膜される。
しかしながらホール１０９が細くかつ深い構造の場合、即ちホール１０９のアスペクト比が大きい場合、ホール１０９を隙間なく埋め切る前にＳｉＮ膜１０２がホール１０９の上方を閉塞し、図３に示すようにホール１０９を埋めるＳｉＮ膜１０２にボイドやシームなどの隙間が形成されることがある。
続いて１回目の成膜工程を行ったウエハＷは、成膜装置から搬出され、例えば公知のウェットエッチングを行う液処理装置に搬入される。液処理装置に搬入されたウエハＷは、例えば１６０〜１６５℃に加熱されたリン酸液に浸漬される。エッチング処理の手法としては、スピンチャックにウエハＷを吸着させて回転させながら上方のノズルからエッチング液をウエハＷに供給する手法、あるいはエッチング層に複数枚のウエハＷを一括して浸漬する手法などが挙げられる。そしてエッチング停止のタイミングとしては、ＳｉＮ膜１０２の上面がホール１０９の開口面よりも低くなり、かつ空隙（例えばボイド）が露出している状態になるタイミングを上げることができる。
このように空隙が露出しているタイミングでエッチングを止めれば、後述の第２回目以降の成膜時に空隙が埋められ、空隙がなくなるまでエッチングする場合に比べてエッチング時間及び次工程の成膜時間が短くて済み処理効率が良い。図４はエッチング処理後のウエハＷの表面の状態を示し、ウエハＷ表面のＳｉＯ２膜１００が露出していると共に、ホール１０９に埋め込まれたＳｉＮ膜１０２の表面側の部分が除去されている。
エッチング工程を行ったウエハＷは、液処理装置から搬出され、例えば１回目の成膜工程に用いた成膜装置に搬入される。そしてＳｉＮ膜を成膜する２回目の成膜工程を行う。２回目の成膜工程においても、１回目の成膜工程と同様にＤＣＳと、ＮＨ３ガスをプラズマ化して得たプラズマ（アンモニアプラズマ）と、を交互に複数回供給する。
既述のエッチング工程後のウエハＷの表面においてＳｉＯ２膜１００の表面が露出しているので、ＳｉＮ膜が成膜される被成膜領域は、ＳｉＯ２膜１００の表面、バリア膜（ＳｉＮ膜）１０１及びホール１０９に埋め込まれたＳｉＮ膜１０２の表面である。これらの表面におけるＳｉＮの成膜に係るインキュベーションタイムは、ＳｉＯ２膜１００の方がバリア膜１０１及びＳｉＮ膜１０２よりも長い。インキュベーションタイムとは、成膜用の処理ガスを被処理表面に供給した時点から、薄膜の成膜が開始されるまでの時間である。インキュベーションタイムが発生する理由は、被処理表面と成膜種との関係において、膜の成長が起こる核が被処理表面に形成されることが必要な場合があり、処理ガスを被処理表面に供給した後、核の形成に時間を要することが挙げられる。
ＳｉＯ２膜１００の表面においては、ＳｉＮの分子層が積層され始めるために必要な核が処理ガスの供給と同時に形成されるのではなく、少し遅れて形成される。一方、バリア膜１０１と成膜すべき膜（ＳｉＮ膜１０３）とは、化合物という観点では同種であることから、バリア膜１０１の表面には処理ガスの供給とほぼ同時にＳｉＮ膜１０３の成膜が行われる。バリア膜１０１及びＳｉＮ膜１０２の表面は成膜が進んでいるが、ＳｉＯ２膜１００の表面はまだ成膜が開始されていない様子を図５に模式的に示す。なお、図５ではバリア膜１０１及びＳｉＮ膜１０２上の成膜が進んでいる状態を強調して描いている。従って処理ガスを供給した後のあるタイミングでＳｉＮ膜１０３の膜厚を見ると、ＳｉＯ２膜１００の表面よりもホール１０９の内周面における膜厚の方が厚い。
従って、図５に示した状態からさらに成膜を行った時に図６に示すようにＳｉＯ２膜１００の表面側に形成されるホール１０９の上方の周囲から押し寄せるＳｉＮ膜１０３が、ホール１０９の上方を閉塞させる前に、ホール１０９の内部にＳｉＮ膜１０３を隙間なく埋めきることができる。
その後ウエハＷは、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により研磨されて、ＳｉＯ２膜１００の表面のＳｉＮ膜１０３が除去される。これにより図７に示すようにウエハＷの表面にＳｉＯ２膜１００が露出し、ホール１０９がＳｉＮ膜１０３（１０２）により埋め込まれた状態となる。
ウエハＷにＳｉＮ膜１０２、１０３を成膜する成膜装置の一例を挙げておく。成膜装置１０は、図８〜図９に示すように、扁平な円筒状の真空容器１１と、真空容器１１内に設けられ、周方向に沿って例えば５枚のウエハＷを載置する回転テーブル１２と、を備えている。回転テーブル１２には、回転機構１３が設けられ、回転テーブル１２は、鉛直軸周りに回転する。真空容器１１における回転テーブル１２のウエハＷの載置部分の下方には、回転テーブルに載置されたウエハＷを加熱するヒータ１５が設けられている。真空容器１１には、回転テーブル１２の回転方向に沿って、原料ガス供給領域Ｒ１及び窒化ガス供給領域Ｒ２が設けられている。
原料ガス供給領域Ｒ１における回転テーブル１２の上方は、ガス給排気部３が設けられている。ガス給排気部３における、中心側の領域はガスシャワーヘッド３１となっている。ガスシャワーヘッド３１は、例えば下方に向けて原料ガスであるＤＣＳガスを供給できるように構成されており、回転テーブル１２に載置されたウエハＷが原料ガス供給領域Ｒ１に位置すると、ＤＣＳガスが当該ウエハＷの表面に供給されて吸着される。またガス給排気部３の下面には、その周縁に沿って、環状の分離ガス吐出口３２が開口しており、さらに分離ガス吐出口３２と、ガスシャワーヘッド３１との間には、分離ガス吐出口３２に沿って環状の排気口３３が設けられている。分離ガス吐出口３２は、原料ガス供給領域Ｒ１の下方の周縁部に分離ガスであるアルゴン（Ａｒ）ガスを供給するように構成されている。また排気口３３は、ガスシャワーヘッド３１からウエハＷに向けて供給されたＤＣＳガスを排気すると共に、分離ガスを吸引して排気する。この排気口３３によるＤＣＳガスの排気と、分離ガス吐出口３２から分離ガスを吐出して、排気口３３に向かう流れを形成することにより、ＤＣＳガスが原料ガス供給領域Ｒ１の外へ流れないようになっている。なお図９中の３４はＤＣＳガス供給源、３５は分離ガス供給源、３６は排気手段である。
窒化ガス供給領域Ｒ２は、例えば２本のガスノズル４１からガスノズル４１挟まれた窒化ガス供給領域Ｒ２にＮＨ３ガスを供給すると共に、窒化ガス供給領域Ｒ２上方からマイクロ波を供給するように構成されている。なお図８中の４０はガス供給管、４２はＮＨ３ガス供給源、４４は流量調整部を示す。また図９中の２１は誘電体窓、２２は誘電体プレート、２３は導波管、２４はマイクロ波供給部を示す。そして窒化ガス供給領域Ｒ２にＮＨ３ガスを供給した後、マイクロ波が供給されてＮＨ３ガスがプラズマ化する。そして回転テーブル１２が回転し表面にＤＣＳが吸着したウエハＷが窒化ガス供給領域Ｒ２に進入すると、ウエハＷ表面に吸着したＤＣＳとアンモニアプラズマとが反応してＳｉＮの分子層が形成される。このようにウエハＷを載置した回転テーブル１２を回転させることにより、ウエハＷが各領域を交互に通過することにより、原料ガスの吸着、吸着した原料ガスの窒化が繰り返されてＳｉＮ層が積層されていく。
続いて本発明の半導体装置の製造方法を実施する半導体装置の製造システムである基板処理システムの一例を示す。図１０に示すように基板処理システムは、ウエハＷにＳｉＮ膜を成膜するための真空処理システム９を備えている。真空処理システム９は、既述の成膜装置１０を備え、ウエハＷを収納したキャリアＣが載置されるキャリア載置部９１を備えており、キャリア載置部９１に載置されたキャリアＣから取り出されたウエハＷは、常圧搬送室９２、ロードロック室９３及び真空搬送室９４を介して成膜装置１０に搬入される。なお図１０中の９５、及び９６は夫々常圧搬送室９２及び真空搬送室９４に設けられた搬送アームであり、９７は、ゲートバルブである。
また基板処理システムは、ウエハＷに成膜されたＳｉＮ膜をエッチングする液処理システム８を備えている。液処理システム８は、キャリア載置部８１と、搬送アーム８３を備えた受け渡し部８２と、液処理部８４と、を備えている。液処理部８４は、例えばウエハＷを、エッチング液である加熱されたリン酸の貯留された液槽に浸漬してＳｉＮ膜１０２をエッチングするエッチング部、ウエハＷに付着したリン酸を洗浄する洗浄部などを備えている。キャリア載置部８１において、キャリアＣから取り出されたウエハＷは、搬送アーム８３を介して液処理部８４に受け渡され、液処理後にキャリアＣに戻される。
また基板処理システムは、例えば天井搬送機構３００を備えている。天井搬送機構３００は、天井に沿って配置されたガイドレール３０１とキャリアＣを搬送する搬送部３０２とを備えている。
さらに基板処理システムは、液処理システム８、真空処理システム９及び天井搬送機構３００を各々制御するコントローラ２０２、２０３及び２０４を備えており、各コントローラ２０２、２０３及び２０４は、上位制御部である上位コンピュータ２００により指示される。上位コンピュータ２００は、例えば図２に示すウエハＷに対して、真空処理システム９にて、１回目のＳｉＮ膜１０２の成膜処理を行う工程、次いで液処理システム８にて、ＳｉＮ膜１０２膜のエッチング処理を行う工程、その後真空処理システム９に戻し、２回目のＳｉＮ膜１０３の成膜処理を行う工程を順次実施するためのプログラムを備えている。
上述の実施形態では、ＳｉＯ２膜１００に形成された凹部１０９に対して、例えばＡＬＤによりＳｉＮ膜１０２の成膜を行って埋め込みを行った後、例えばウェットエッチングによりＳｉＮ膜１０２を、ウエハＷ表面のＳｉＯ２膜１００が露出するまでエッチングした後、再度ＳｉＮ膜１０３の埋め込み処理（成膜処理）を行っている。既に詳述したように、ＳｉＮ膜１０３の成膜に係るインキュベーションタイム（処理ガス供給時から成膜開始までの遅れ時間）は、ＳｉＯ２膜１００の方がバリア膜１０１よりも長い。このため、エッチング後の再度のＳｉＮ膜１０３の埋め込み処理においては、ＳｉＯ２膜１００の上面側から凹部１０９の上方にＳｉＮ膜１０３が押し寄せる前に凹部１０９内にＳｉＮ膜１０３が埋め込まれるので、ボイドやシームなどの空隙の発生を抑えることができる。
また上述の実施の形態においては、エッチング工程と、その後の成膜工程とを１回ずつ行っているが、例えばホール１０９のアスペクト比がかなり大きいなどの事情により各工程が一回の場合には、空隙が生じるおそれがある場合には、２回目の成膜工程を行った後、エッチング工程と、その後の成膜工程と、を１回以上繰り返してもよい。
さらに半導体装置製造用の基板の他の例について説明する。図１１に示すように例えば１回目の成膜処理を行う前のウエハＷとして、第１の層となるＳｉＯ２膜１００が第２の層となるシリコン層１０４の表面に成膜され、ＳｉＯ２膜１００からシリコン層１０４まで貫通するようにホール１０９が形成された構成が挙げられる。このようなウエハＷにおいては、ホール１０９における大部分の側面は、シリコンとなっている。そのため例えばＳｉＮによりホールを埋めるように成膜する場合には、シリコンとＳｉＯ２とのインキュベーションタイムの差を利用してホール１０９にＳｉＮを埋め込むことができるため、本発明を適用することができる
またホール１０９の内面を除くウエハＷの表面のバリア膜１０１を除去して、ウエハＷ表面のＳｉＯ２膜１００を露出させるにあたっては、ＣＭＰを用いてもよい。ＣＭＰの場合には、ウエハＷの表面を研磨により除去するため図１２に示すようにホール１０９の内側の底面のバリア膜１０１も残すことができる。そのため続いて１回目の成膜工程においてＳｉＮ膜１０２を成膜したときにホール１０９の内部の底面おいて、バリア膜１０１に積層されるためＳｉＮの膜厚が速やかに厚くなる。ボイドやシームなどの空隙は、ホール１０９の側面から成長するＳｉＮ膜同士の間に形成されるため、ホール１０９の底面から積層されるＳｉＮ膜の厚さが厚くなると、空隙がホール１０９の深い位置に形成されにくくなる。そのためエッチング工程にてホール１０９を埋めたＳｉＮ膜１０２のエッチングを少なくすることができる。
またＳｉＮ膜１０２をエッチングするエッチング工程は、例えばＣＦ４、ＮＦ３、ＣＨ２Ｆ２、Ｃ４Ｆ８、Ｃ４Ｆ６、Ｃ３Ｆ８及びＣＨＦ３などのガスを用いたドライエッチングにより行ってもよく、この場合には、図１０の真空処理システム９の真空搬送室９４にドライエッチングを行うエッチングモジュール（真空容器内にドライエッチングを行うための設備、機器を設けたモジュール）を接続してもよい。このような真空処理システム９によれば、成膜装置１０とエッチングモジュール（エッチング装置）との間において、真空搬送室９４の搬送アーム９６がウエハＷの受け渡しを行うので成膜→エッチング→成膜を行った後、さらにエッチング→成膜を１回以上行う場合であっても高いスループットで実施することができる。
さらに成膜装置は、例えば１枚のウエハＷを真空容器内に載置して処理を行う枚葉式の成膜装置でも良い。あるいはウエハＷに原料ガスと、反応ガスとを供給して、ウエハＷの表面に分子層（あるいは原子層）を積層するＣＶＤ（chemical vapor deposition）法を行う成膜装置でもよい。
８ 液処理システム
９ 真空処理システム
１０ 成膜装置
１００ ＳｉＯ２膜
１０１ バリア膜
１０２ １回目のＳｉＮ膜
１０３ ２回目のＳｉＮ膜
１０９ 溝部
２００ 上位コンピュータ
２０２〜２０４ コンピュータ
３００ 天井搬送機構
Ｗ ウエハ

Claims (4)

  1. 上面に第１の層の表面が露出していると共に前記第１の層に凹部が形成され、前記凹部の側壁が第２の層により被覆された半導体装置製造用の基板の上に処理ガスを供給して第３の層を形成し、当該第３の層により前記凹部を埋め込む前段工程と、
    次に前記第３の層をエッチングし、前記第１の層の上面が露出すると共に凹部内に第３の層が残った状態でエッチングを停止するエッチング工程と、
    その後、基板の上に処理ガスを供給して第３の層を形成し、当該第３の層により前記凹部を埋め込む後段工程と、を含み、
    前記第１の層はシリコン酸化層であり、前記第２の層は窒化シリコン層であり、前記第３の層は窒化シリコン層であることと、
    前記処理ガスを供給した時に、第１の層の表面におけるインキュベーションタイムが第２の層の表面におけるインキュベーションタイムよりも長いことと、を特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記エッチング工程は、凹部内における第３の層に前段工程時に形成された空隙が露出している状態でエッチングを停止することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記エッチング工程は、エッチング液である、加熱したリン酸溶液を基板に接触させる工程であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記後段工程を行った後、前記エッチング工程及び前記後段工程を少なくとも１回繰り返すことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
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