WO2023189758A1 - 基板処理方法、及び基板処理装置 - Google Patents
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Definitions
- the present disclosure relates to a substrate processing method and a substrate processing apparatus.
- a silicon-containing film is formed on a semiconductor wafer (hereinafter also referred to as "wafer"), which is a substrate.
- the silicon-containing film may be formed, for example, as a film that fills a recess formed on the surface of a wafer.
- Such a silicon-containing film is formed by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method by supplying a gas containing film raw materials to a wafer.
- Patent Document 1 describes that a step of depositing a microcrystalline silicon film and a step of performing hydrogen plasma treatment are alternately repeated.
- Patent Document 2 describes that the surface of a silicon germanium layer is subjected to hydrogen plasma treatment to segregate silicon.
- Patent Document 3 describes that hydrogen plasma treatment is performed on an n + amorphous silicon layer when manufacturing a thin film transistor array.
- the present disclosure provides a technique for increasing the thickness of a film to be processed, which is a silicon-containing film or a germanium film, by plasma treatment.
- the present disclosure provides a plasma processing step in which hydrogen plasma is formed in a processing container in which a substrate on which a silicon-containing film or germanium film to be processed is formed is stored, thereby increasing the thickness of the film to be processed. Be prepared.
- the film thickness of the film to be processed which is a silicon-containing film or a germanium film, can be increased by plasma treatment.
- FIG. 1 is a longitudinal side view of a wafer subjected to processing according to an embodiment of the present disclosure.
- FIG. 3 is a longitudinal side view of the wafer.
- FIG. 3 is a longitudinal side view of the wafer.
- FIG. 3 is a longitudinal side view of the wafer.
- FIG. 3 is a longitudinal side view of the wafer.
- FIG. 3 is a longitudinal side view of the wafer.
- FIG. 2 is a plan view showing an example of a substrate processing system that performs the processing.
- FIG. 2 is a longitudinal side view showing an example of a substrate processing apparatus provided in the substrate processing system.
- FIG. 7 is a plan view showing another example of the substrate processing system.
- FIG. 1 is a longitudinal side view of a wafer subjected to processing according to an embodiment of the present disclosure.
- FIG. 3 is a longitudinal side view of the wafer.
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- FIG. 7 is a longitudinal side view showing another example of the substrate processing apparatus.
- FIG. 7 is a plan view showing another example of the substrate processing apparatus.
- It is a graph diagram showing the results of an evaluation test.
- It is a graph diagram showing the results of an evaluation test.
- FIG. 2 is a schematic diagram of a wafer processed in an evaluation test. It is a graph diagram showing the results of an evaluation test. It is a graph diagram showing the results of an evaluation test. It is a graph diagram showing the results of an evaluation test. It is a graph diagram showing the results of an evaluation test. It is a graph diagram showing the results of an evaluation test. It is a graph diagram showing the results of an evaluation test.
- a substrate processing method of the present disclosure hydrogen plasma is formed in a processing container in which a wafer, which is a substrate, is stored, and plasma processing is performed to increase the thickness of a film to be processed on the surface of the wafer.
- the film to be processed is a silicon-containing film or a germanium film.
- the substrate processing method will be described below as a first embodiment in which an amorphous silicon film (a-Si film), which is a film to be processed, is embedded in a recess formed on the wafer surface.
- FIG. 1A is a longitudinal cross-sectional side view showing the surface layer of the wafer W before substrate processing.
- the wafer W before processing includes a lower layer film 11 made of an insulating film, and the lower layer film 11 in this example is made of a silicon film (Si film).
- a second recess 12 is formed in the lower film 11 to form, for example, a trench and a via hole.
- the second recess 12 is filled with the a-Si film 2 by performing the film forming process in two steps, and consists of steps S1 to S4.
- the wafer W is stored in a processing container in which a vacuum atmosphere is formed, and processing is performed by supplying gas into the processing container.
- a first film forming step S1 is performed on the wafer W described above.
- This step S1 is a CVD process in which a film forming gas containing silicon (Si) is supplied to the wafer W, for example.
- the a-Si film 2 is formed on the upper layer of the base film 11 (that is, the a-Si film 2 is formed so as to cover the base film 11), and the a-Si film 2 is formed in the second recess 12.
- An a-Si film 2 is deposited on the side walls and bottom (FIG. 1B).
- the recess formed by the a-Si film 2 by covering the second recess 12 is referred to as the first recess 21 to be distinguished from the second recess 12.
- the film forming gas include monosilane (SiH 4 ) gas, disilane (Si 2 H 6 ) gas, dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) gas, hexachlorodisilane ((SiCl 3 ) 2 ) gas, hexamethyldisilazane gas, Trisilylamine gas, bister-butylaminosilane gas, etc. can be used.
- an etching step S2 is performed.
- this step S2 in order to widen the opening of the first recess 21, an etching gas is supplied to etch the a-Si film 2.
- the reason for performing this step S2 is that when the depth of the first recess 21 is large relative to the opening width, that is, the aspect ratio is large, making it difficult for the film forming gas to reach the bottom of the first recess 21.
- the width of the side wall of the second recess 12 is shown to be uniform in the vertical direction, but the width on the upper side may be larger than the width on the lower side.
- This etching step S2 is a step for preventing the blockage.
- etching gas a halogen-containing gas such as HF, F 2 , HCl, Cl 2 , HBr, Br 2 , HI, I 2 or the like can be used. Since it is difficult for this etching gas to enter the bottom of the first recess 21, the side wall of the first recess 21 is etched to a larger extent as it goes upward. In this way, as schematically shown in FIG. 1C, a region 210 having, for example, a substantially V-shaped vertical cross section is formed in the upper part of the first recess 21 so that the opening becomes wider toward the top.
- the first recess 21 includes side walls 211 and 212 forming the first recess 21 below this region 210.
- the a-Si film forming process is restarted, and the first recess 21 is filled with the a-Si film 2. Since the opening of the first recess 21 is widened, the film-forming gas is spread all the way to the bottom of the first recess 21, and the a-Si film 2 is formed over the entire first recess 21.
- a region called a seam may be formed in the a-Si film 2.
- a seam is a joint between membranes, and is a place where the contact or adhesion between membranes is relatively low.
- the thickness of the side walls 211 and 212 increases, and the first recess 21 is closed as the side walls 211 and 212 come into contact with each other, but the contact portion of the side walls 211 and 212 Form a seam (indicated as 14 in the figure).
- the seam 14 is formed at a local position within the second recess 12 of the lower film 11 so as to extend in the depth direction of the second recess 12.
- the etching gas easily enters the deep part of the second recess 12 in the portion where the seam 14 is formed. Therefore, there is a problem that the portion of the second recessed portion 12 where the seam 14 is formed may have lower etching resistance than other portions. For this reason, there is a demand for embedding an a-Si film in the recess while suppressing the formation of seams.
- a plasma treatment step S3 is performed to increase the thickness of the a-Si film 2.
- This step S3 is performed by exposing the wafer W, which has undergone the above-described etching step S2 and is in the state shown in FIG. 1C, to hydrogen plasma (H 2 plasma). Note that the method of this embodiment was achieved by conducting evaluation tests to be described later and finding plasma processing conditions that can increase the thickness of the a-Si film.
- the a-Si film 2 is exposed to the formed H 2 plasma (indicated by an arrow in the figure), and the thickness of the a-Si film 2 increases. That is, the a-Si film 2 expands. As a result, in the first recess 21, the thicknesses of the left side wall 211 and the right side wall 212 increase, and these side walls 211 and 212 come into contact with each other, and furthermore come into close contact with each other. Due to such expansion of the film, the lower side of the second recess 22 formed by the lower layer film 11 is filled with the a-Si film 2. As will be explained later in the evaluation test, this phenomenon of film expansion is presumed to be caused by hydrogen atoms entering the a-Si film 2 during plasma treatment.
- the gap formed between the side walls 211 and 212 at the start of the plasma treatment step S3 is shown as 213.
- the gap 213 is closed by increasing the thickness of the a-Si film 2. Therefore, the gap 213 has a size that can be closed by increasing the thickness of the a-Si film 2.
- the first film forming step S1 the a-Si film 2 is formed so as to form the first recess 21 having such a size.
- a second film forming step S4 is performed.
- a process of supplying a film forming gas to the wafer W and filling the first recess 21 with the a-Si film 2 is performed. That is, the a-Si film 2 is filled into the upper side of the second recess 12 which is unfilled at the end of step S3. In this way, the a-Si film 2 is formed in the region of the first recess 21 other than the region filled by increasing the thickness of the a-Si film 2 in the plasma treatment step S3.
- the a-Si film 2 is formed by, for example, a CVD process using a film forming gas containing Si.
- a film forming gas containing Si for example, the same gas as in the first film-forming step S1 can be used.
- step S3 the a-Si film 2 is filled so that the side walls 211 and 212 are in close contact with each other, so that the depth direction of the second recess 22 described in FIG. 1D at the end of step S4 is The formation of a seam 14 that stretches out is prevented. Therefore, the a-Si film 2 in each part within the second recess 12 has a relatively strong film quality, and a decrease in etching resistance caused by the seam 14 described above is suppressed.
- Patent Documents 1 to 3 describe that H 2 plasma is used to terminate dangling bonds on the surface of a silicon layer or a silicon germanium layer. The purpose of this is to modify the amorphous component and reduce the leakage current on the surface of the a - Si layer.
- the substrate processing system 3 includes a loader module 31, a load lock module 32, a vacuum transfer module 33, and processing modules 41 to 46 including the substrate processing apparatus of the present disclosure.
- the loader module 31 includes a transfer mechanism 311 in a transfer chamber 310 whose interior is at atmospheric pressure, and the wafer W in the transfer container 30 placed on the load port 312 is The transport mechanism 311 transports it to the stage 321 of the load lock module 32.
- the load lock module 32 is configured such that its internal pressure can be changed between atmospheric pressure and vacuum pressure, and for the stage 321, the transport mechanism 311 and the vacuum module described below The wafer W is transferred by the vacuum transfer mechanism 331 of 33.
- the vacuum transfer module 33 is equipped with a transfer chamber 330 in a vacuum atmosphere, and connected to this transfer chamber 330 are, for example, six processing modules 41 to 46 that perform vacuum processing.
- processing modules 41 and 46 are film forming modules that carry out the first film forming process S1 or second film forming process S4, and processing modules 42 and 45 carry out the etching process S2.
- the etching module and processing modules 43 and 44 are each configured as a plasma processing module that performs the plasma processing step S3. In FIG. 3, steps S1 to S4 that are performed in the respective processing modules 41 to 46 are described.
- the transfer chamber 330 is provided with a vacuum transfer mechanism 331 composed of, for example, a multi-joint arm that can move back and forth.
- the wafer W is transferred between each of .
- Transfer ports each equipped with a gate valve G are provided at the connection portions of these modules 31, 32, 33, 41-46 to other modules.
- the substrate processing apparatus 5 includes a grounded processing container 51, and a wafer W transfer port 510 formed on a side wall of the processing container 51 is opened and closed by the gate valve G described above.
- One end of an exhaust pipe 52 is opened in the wall of the processing container 51, and an exhaust mechanism 53 provided at the other end of the exhaust pipe 52 evacuates the inside of the processing container 51 to a vacuum atmosphere at a desired pressure.
- a stage 54 on which a wafer W is placed is provided in the processing container 51, and an elevating pin 55 configured to be able to protrude and retract on the stage 54 connects the stage 54 to vacuum transfer.
- the wafer W is transferred to and from the mechanism 331.
- a heater 56 is embedded in the stage 54 and heats the wafer W to a set temperature during processing. Further, the stage 54 is provided with an electrode 57 for plasma formation, and the electrode 57 is grounded.
- a shower head 61 is provided on the ceiling of the processing container 51 with an insulating member 58 interposed therebetween.
- a high frequency power source 63 is connected to the shower head 61 via a matching box 62.
- the shower head 61 and the electrode 57 of the stage 54 are configured as parallel plate electrodes, and plasma is generated between the shower head 61 and the stage 54 by supplying high frequency power from the high frequency power source 63. can be formed.
- the shower head 61 is connected to an H 2 gas supply source 72 via a gas supply path 71 .
- a gas supply device 73 including a valve and a mass flow controller is interposed in the gas supply path 71, and supplies or cuts gas to the downstream side according to a control signal from a control section 100, which will be described later.
- the hydrogen plasma forming section in this example includes a shower head 61 that constitutes parallel plate electrodes and supplies H2 gas, an electrode 57 of the stage 54, and a high frequency power source 63.
- the film forming modules 41, 46 and etching modules 42, 45 other than the plasma processing modules 43, 44 will also be briefly explained, focusing on the differences from the plasma processing modules 43, 44. put. These film forming modules 41 and 46 and etching modules 42 and 45 are not provided with a high frequency power source 63 or an electrode 57 of the stage 54, so that plasma is not formed in the processing container 51. ing. Further, a gas supply source that supplies gas into the processing container 51 stores gas corresponding to the processing performed by each processing module. In the film forming modules 41 and 46, a film forming gas for an a-Si film is stored, and in the etching modules 42 and 45, an etching gas is stored. Except for these differences, the configuration is generally the same as that of the plasma processing modules 43 and 44, and while the wafer W on the stage 54 is heated to a set temperature in each processing chamber 51, each of the illustrated Processing can be performed by supplying gas to the wafer W.
- the substrate processing system 3 is provided with a control section 100 that is a computer, and this control section 100 is equipped with a program.
- the program includes instructions (each step) for processing and transporting the wafer W, and this program is stored in a storage medium such as a compact disk, hard disk, DVD, etc., and is stored in a control unit. Installed on 100.
- the control unit 100 outputs control signals to each part of the substrate processing system 3 according to the program, and controls the operation of each part.
- controlling the operations of the processing modules 41 to 46 includes controlling the temperature of the wafer W by supplying power to the heater 56 and controlling the supply and disconnection of gas into the processing chamber 51.
- control of plasma formation by turning on and off the high frequency power source 63 is also included.
- the wafer W is first transported in the order of transport container 30 ⁇ loader module 31 ⁇ load lock module 32 ⁇ vacuum transport module 33.
- the wafer W is transferred to the film forming module 41, and as described above, the first film forming step S1 is performed by supplying a film forming gas into the processing container 51.
- the wafer W transferred to the film forming module 41 is a wafer W on which a lower layer film 11 having a second recess 12 is formed, as shown in FIG. 1A.
- the heating temperature of the wafer W is 450 to 600°C, and the pressure inside the processing container 51 is It is 13.3 to 1333 Pa.
- the wafer W is transferred to the etching modules 42 and 45 via the vacuum transfer module 33, and as described above, the etching process S2 is performed by supplying etching gas into the processing container 51. .
- the heating temperature of the wafer W is 300 to 600° C.
- the pressure inside the processing container 51 is 1.3 to 13333 Pa.
- the wafer W is transferred to the plasma processing modules 43 and 44 via the vacuum transfer module 33, and the plasma processing step S3 described above is performed.
- H 2 gas is supplied to the processing container 51 to heat the wafer W to a temperature higher than 200° C. and lower than 500° C., and a power of 100 W or higher is supplied from the high frequency power source 63 to the shower head 61, for example.
- a large amount of power is supplied to form a capacitively coupled plasma.
- the pressure inside the processing container 51 is, for example, 6.7 to 667 Pa, more specifically, for example, 13.3 Pa (0.1 Torr)
- the H 2 plasma irradiation time is, for example, 5 to 60 minutes, and more specifically, 13.3 Pa (0.1 Torr). Specifically, for example, it is 30 minutes.
- the wafer W is transferred to the film forming module 46 via the vacuum transfer module 33, and as described above, a film forming gas is supplied into the processing container 51 to perform the second film forming step S4.
- the conditions for forming the a-Si film 2 in this step S4 are the same as those in the first film forming step S1.
- a series of steps S1 to S4 are carried out, and the wafer W with the a-Si film 2 embedded in the second recess 12 is transferred from the vacuum transfer module 33 to the load lock module 32 to the loader.
- the modules 31 are transported in this order and returned to the transport container 30. Since the inside of the vacuum transfer module 33 and the inside of each processing container 51 are maintained in a vacuum atmosphere, the wafer W is moved in the vacuum atmosphere and exposed to the air atmosphere while the above-described series of steps S1 to S4 are performed. are not exposed.
- the substrate processing system 3 it is possible to perform the steps S1 to S4 described above, and while suppressing the formation of the seam 14 in the first recess 21, the a-Si film 2 can be embedded with good filling properties.
- the wafer temperature is set to 200° C. or higher and lower than 500° C.
- An example of the temperature range is 300° C. as shown later, and it is possible to avoid setting the temperature at a relatively high temperature. By avoiding treatment at high temperatures in this way, changes in film quality due to thermal effects on the a-Si film 2 can be suppressed, and the film thickness can be increased.
- the wafer W since the wafer W is not exposed to the atmospheric atmosphere after performing the first film forming step S1 and before performing the second film forming step S4, the natural oxide film on the surface of the a-Si film 2 is The formation of is prevented. Therefore, there is an advantage that it is not necessary to carry out a process for removing the natural oxide film, which will be described later.
- the wafer W may be transported within the substrate processing system 3 so that the film formation in step S1 and the etching in step S2 are repeated. In that case, the plasma treatment in step S3 may be performed each time steps S1 and S2 are performed once, or step S3 may be performed once each time steps S1 and S2 are performed multiple times.
- ⁇ Second embodiment> Next, a second embodiment will be described.
- oxides formed on the surface of the a-Si film 2 facing into the first recess 21 are removed. Perform removal.
- This oxide is, for example, a natural oxide film formed when the wafer W is exposed to the atmosphere.
- This oxide removal process is performed before performing the plasma treatment process S3, and after performing the oxide removal process, the area around the wafer W is kept in a vacuum atmosphere until the second film formation process S4 is performed. will be held.
- FIG. 5 shows a substrate processing system 3A used in the processing of the second embodiment, and the substrate processing system 3A is configured substantially the same as the substrate processing system 3.
- the loader module 31 and loadlock module 32 of the substrate processing system 3A are configured similarly to those of the substrate processing system 3, so their illustration is omitted, and the vacuum module The vacuum module 33 and the processing modules 41 to 46 connected to the vacuum module 33 are extracted and shown.
- the wafer W on which the first film forming step S1 has been performed in an external device of the substrate processing system 3A is transferred to the substrate processing system 3A, and subsequent processing is performed.
- the substrate processing system 3A differs from the substrate processing system 3 in the number and types of processing modules provided.
- the vacuum transfer chamber 330 includes film forming modules 41 and 46 that perform the second film forming step S4, plasma processing modules 43 and 44, and a modification module that performs COR (Chemical Oxide Removal) processing. 47 and a heating module 48 that performs PHT (Post heat treatment) processing are connected.
- the alteration module 47 and the heating module 48 are modules that carry out the oxide removal process.
- the alteration module 47 adsorbs HF gas and ammonia (NH 3 ) gas to an oxide film (SiO 2 film) existing on the surface of the wafer W to alter its properties, and converts the oxide film (SiO 2 film) existing on the surface of the wafer W into ammonium fluorosilicate ((NH 4 ) 2 SiF). 6 ; AFS) processing (COR processing).
- the heating module 48 performs a PHT process to sublimate and remove AFS generated in the COR process by heating the wafer W in an inert gas atmosphere such as N2 gas.
- the alteration module 47 and heating module 48 are similar to the film forming modules 41 and 46, except that HF gas, NH 3 gas, and N 2 gas are supplied into the processing container 51, respectively. It is the composition.
- the wafer W on which the a-Si film 2 with the first recess 21 is formed is stored in the transport container 30 and loaded. It is placed on the port 312 and transported to the vacuum transport module 33 through the same route as in the first embodiment. Next, the wafer W is transported along a path from the alteration module 47 to the heating module 48, and the oxide (natural oxide film) formed on the surface of the first recess 21 is removed. Subsequently, the wafer W is sequentially transferred from plasma processing modules 43 and 44 to film forming modules 41 and 46 that carry out a second film forming process S4, and similarly to the first embodiment, a plasma processing process S3 is performed.
- a second film forming step S4 is performed. Thereafter, the wafer W is stored in the transport container 30 along the previously described route. After performing the oxide removal step, the wafer W is transported in a vacuum atmosphere until the second film forming step S4 is performed. Therefore, the area around the wafer W is kept in a vacuum atmosphere, and oxides are prevented from being formed on the surface of the a-Si film 2 again before the second film forming step S4.
- the etching step S2 for widening the opening of the first recess 21 is not performed, but it may be performed in the same manner as in the first embodiment.
- This etching step S2 can be performed using a device outside the substrate processing system 3.
- one of the processing modules of the substrate processing system 3 is configured as an etching module that performs the etching step S2, and after performing the oxide removal step and before performing the plasma processing step S3, the etching module performs the etching step S2. You may make it implement process S2.
- the a-Si film 2 during irradiation with H2 plasma is This prevents the entry of hydrogen from being obstructed by this oxide. Therefore, the thickness of the a-Si film 2 can be increased reliably. Furthermore, deterioration in film quality due to the presence of oxides can be suppressed.
- a film forming gas, an etching gas, and a purge gas such as nitrogen gas ( N2 gas) can be independently supplied to the shower head 61. It is composed of
- Step S4 is performed continuously. Furthermore, when switching between these steps S1 to S4, a purge gas is supplied into the processing container 51 to purge the processing container 51. In this way, by performing the series of steps S1 to S4 in the same processing container 51, in addition to obtaining the same effects as in the first embodiment, it is possible to omit the labor and time of transportation work. There are advantages.
- steps S1 to S4 only steps S2 and S3 are executed in the same processing container 51, or only S3 and S4 are executed in the same processing container 51. It's okay. In other words, a plurality of consecutive steps can be performed in the same processing container 51. If the pressure inside the processing container 51 and the temperature of the wafer W differ between processes, these parameters are changed as appropriate while the wafer W is being stored.
- FIG. 6 and 7 show a vertical heat treatment apparatus 8 that constitutes a substrate processing apparatus that executes steps S1 to S4.
- the vertical heat treatment apparatus 8 includes a vertical processing container 81 whose lower end is open, and a lid 83 that is movable up and down with respect to the opening.
- a wafer boat 82 capable of holding a plurality of wafers W in a shelf-like manner is carried into and out of the processing container 81 by being supported on a lid 83.
- a rotation mechanism 84 provided on the lid 83 rotates the wafer boat 82 during processing, and the wafers W mounted thereon rotate around the central axis.
- reference numeral 821 is a wafer W holding portion provided in the wafer boat 82. As shown in FIG.
- a hydrogen plasma forming section 9 is provided in the processing container 81 .
- the hydrogen plasma forming unit 9 includes a partition wall 91 that covers a vertically long opening 85 formed in a side wall of the processing container 81 from the outside of the processing container 81, and the partition wall 91 has a concave longitudinal section and a concave cross section. has been done.
- a pair of long and thin electrodes 92 facing each other are provided as parallel plate electrodes on the outer surfaces of both side walls of the partition wall 91, and are connected to a high frequency power source 93.
- an injector 94 is arranged inside the hydrogen plasma forming section 9, and H 2 gas is supplied from a gas supply source 971.
- H 2 gas is discharged from the discharge port 940 opened in multiple stages in the injector 94 .
- the H 2 gas is turned into plasma within the partition wall 91 by the action of the electrode 92, and is supplied to the wafers W at each height to perform plasma processing.
- An exhaust port 86 facing the opening 85 is formed in the side wall of the processing chamber 81, and the plasma H 2 gas is removed from the exhaust port 86.
- 95 is an exhaust mechanism for performing the exhaust.
- a heater 96 is provided around the outer periphery of the processing container 81, and the wafer W being processed is heated to a set temperature.
- injectors 871 and 872 are provided to sandwich the opening 85 from the left and right sides on the front side.
- each gas other than H 2 gas which does not require plasma conversion, is supplied to the wafer W at each height from the discharge ports 870 opened in multiple stages in the injectors 871 and 872, and is then discharged from the exhaust port 86. Exhausted.
- the steps S1 to S4 described above are performed by supplying the same type of gas and switching the same gas supply as in the apparatus of the other example 1 of the substrate processing apparatus. It will be implemented sequentially. Furthermore, the temperature of the wafer W and the power supplied by the high-frequency power source 93 in performing step S3 are set to be the same values as those described for the plasma processing module 43, for example. Further, the supply flow rate of H 2 gas is, for example, 100 sccm to 10,000 sccm, and more specifically, it can be set to, for example, 2,000 sccm, which is the same setting as the evaluation test described later.
- the hydrogen gas plasma is formed as a capacitively coupled plasma in each of the sheet-type processing apparatus and the batch-type processing apparatus
- the present invention is not limited thereto.
- the process may be performed by forming inductively coupled plasma in the processing container.
- the temperature of the wafer W may be the same as, for example, in the case of processing with capacitively coupled plasma described above.
- the high frequency power is appropriately set so that the membrane expands.
- the film to be processed to increase the film thickness by H2 plasma is an a-Si film, which is a silicon-containing film
- other silicon-containing films or germanium film which has properties relatively similar to silicon
- the film thickness can be increased by applying H 2 plasma to the (Ge film) as well.
- the silicon-containing film is not limited to one having only silicon as a constituent, and may include, for example, a silicon germanium film (SiGe film), a silicon nitride film (SiN film), a silicon oxide film (SiO 2 film), etc. etc. can be exemplified.
- amorphous film made of non-crystalline silicon or germanium similar to an a-Si film hydrogen is easily injected into the film by H2 plasma irradiation, making it possible to increase the film thickness.
- H2 plasma irradiation it is conceivable that. That is, each of the SiGe film, SiN film, SiO 2 film, and Ge film described above is preferably an amorphous film.
- a silicon-containing film means a film containing silicon as a main component. In other words, this does not mean a film that inevitably contains silicon as an impurity.
- the method for forming the film to be processed using the CVD method has been described above, for example, if the film to be processed is a SiN film or a SiO 2 film, it may be formed using the ALD (Atomic Layer Deposition) method. can.
- ALD Atomic Layer Deposition
- the substrate processing apparatus in this case is the substrate processing apparatus 5 shown in FIG. 4, in which a processing container 51 contains a gas containing Si as a raw material gas, a gas containing N as a reaction gas, and a purge gas such as N 2 gas. , and can be supplied independently from each other.
- a wafer W on which a base film 11 including a second recess 12 is formed is carried into a processing container 51.
- SiN is formed by supplying a raw material gas and adsorbing it onto the wafer surface, supplying a purge gas and purging, and supplying a reaction gas to react with the raw material gas adsorbed on the wafer surface.
- the process of forming the SiN film, the process of supplying purge gas and purging, and the process of forming H 2 plasma in the processing chamber 51 to increase the thickness of the SiN film that is the film to be processed are alternately performed. repeat.
- the film to be processed can be formed while increasing its thickness.
- the plasma treatment may be performed every time the raw material gas adsorption step and the reaction gas reaction step are repeated multiple times. In other words, the plasma treatment is not limited to each time the adsorption step and the reaction step are performed.
- the second recess 12 is shown as being open at the top in FIG. 1 and the like, it is not limited to this.
- a protruding structure may be formed on the surface of the wafer W, and the second recess 12 may be formed in the side wall of the structure.
- the second recess 12 and the first recess 21 formed by covering the second recess 12 open laterally, and the method of the present disclosure It is also applicable to a process in which a recess that opens laterally is filled with a film to be processed. Therefore, the side walls forming the first recess 21 to be filled with the a-Si film 2 after plasma treatment are not limited to being arranged side by side from side to side, but may be arranged side by side vertically. It may be something that can be done.
- the substrate processing method of the present disclosure is not limited to the process of filling the first recess with the film to be processed, and the plasma processing step may be any process that increases the thickness of the film to be processed.
- the present invention may be applied to a process in which the film thickness is brought closer to a set film thickness by increasing the film thickness.
- the hydrogen concentration in the film to be processed changes depending on the wafer temperature due to H 2 plasma irradiation, the hydrogen concentration in the film can be adjusted in conjunction with increasing the film thickness. Therefore, for example, if the hydrogen concentration in the film is related to the stress in the film, the stress can be adjusted, and thus the plasma processing step may be applied to such processing.
- the grain size of the polysilicon film may change depending on the hydrogen concentration of the a-Si film.
- the plasma treatment step can be performed for the purpose of increasing the thickness of the a-Si film and controlling the grain size.
- evaluation test 1 Wafers W on which films of Example 1, Example 2, and Comparative Example 1, which will be described later, were formed were mounted on a wafer boat 82 and carried into a processing container 81, where an oxide removal process was performed.
- a plasma treatment step S3 is performed while changing the temperature of the wafer W and the magnitude of high-frequency power, and after this step S3, the film thickness of the a-Si film is measured by spectroscopic ellipsometry (SE). did.
- SE spectroscopic ellipsometry
- Example 1 A flat wafer (blanket wafer) with no recesses formed on its surface was heated to 530°C, and an a-Si film with a thickness of 60 nm was formed using SiH4 (monosilane) as the film forming gas. .
- Example 2 An a-Si film with a thickness of 60 nm was formed on a wafer on which a lower layer film made of a Si film with recesses was formed, with a liner film made of an SiO 2 film interposed therebetween.
- Comparative Example 1 A polysilicon film with a thickness of 60 nm was formed on a blanket wafer. The polysilicon film was formed by heating the a-Si film of Example 1 to 700° C. and performing a crystallization process.
- FIG. 8 shows the measurement results of the film thickness when plasma processing was performed with the high frequency power set at 500 W and the wafer temperature changed.
- the horizontal axis represents the temperature of the wafer W (° C.)
- the vertical axis represents the etching amount ( ⁇ ).
- the etching amount indicates the increase or decrease in film thickness; a positive value indicates a decrease in film thickness, a negative value indicates an increase in film thickness, and the larger the negative value, the greater the increase in film thickness. means.
- the data of Example 1 (a-Si film) is plotted as ⁇
- Comparative Example 1 polysilicon film
- Example 1 From the results of Example 1, it is recognized that the film thickness of the a-Si film changes depending on the wafer temperature in the plasma treatment step S3, and in the temperature range below 200 ° C., etching progresses and a decrease in film thickness is observed. It was observed that the lower the temperature, the greater the decrease. Furthermore, it was confirmed that the film thickness increases in a temperature range higher than 200°C (ie, 300°C, 500°C). As shown in the graph, the increase in film thickness at 300° C. was about 30 ⁇ . The data for heating at 500° C. is not plotted in the graph, but this is because peeling from the wafer W occurred as the film thickness increased.
- Comparative Example 1 show that even if the wafer temperature in plasma treatment step S3 is changed, the film thickness of the polysilicon film decreases due to plasma treatment, and the amount of decrease is almost constant regardless of the wafer temperature. Admitted.
- FIG. 9 shows the measurement results of the film thickness when plasma processing was performed with the wafer temperature set at 300° C. and the high frequency power changed.
- the horizontal axis represents high frequency power (W)
- the vertical axis represents etching amount ( ⁇ ).
- the data of Example 1 is plotted as ⁇
- the data of Comparative Example 2 is plotted as ⁇ .
- Example 1 From the results of Example 1, it was found that the thickness of the a-Si film changed depending on the change in the magnitude of the high frequency power in the plasma treatment step S3. At 100 W, the etching amount was approximately 0 ⁇ , and no increase in film thickness was confirmed, but at a power greater than 100 W (ie, 500 W), it was confirmed that the increase in film thickness was 30 ⁇ . As the radio frequency power increases, the ionization energy increases. As shown in Evaluation Test 2 later, the increase in film thickness involves the injection of hydrogen into the a-Si film, but in the case of 500 W, the activity of the hydrogen is high, and the formation of bonds between the hydrogen and Si. It is presumed that this promoted the increase in film thickness. On the other hand, the results of Comparative Example 1 show that even when the high-frequency power is greater than 100 W, the film thickness of the polysilicon film decreases due to plasma treatment, and the amount of decrease remains almost constant regardless of changes in the power. Ta.
- Example 2-1 The wafer of Example 2 (Example 2-1), which was subjected to plasma treatment under the conditions of a wafer temperature of 300°C and high frequency power of 500 W, and a wafer of Example 2, in which only the oxide removal process was performed and no plasma treatment was performed.
- Example 2-2 a cross-sectional image of the surface was obtained using a transmission electron microscope (TEM).
- TEM transmission electron microscope
- FIG. 10 A schematic diagram of a cross-sectional image of Example 2-1 is shown in FIG. 10.
- Example 2-1 and Example 2-2 the film thickness at each part of the upper part A1, A2, intermediate part B1, B2, and lower part C1, C2 of the a-Si film 24 was determined based on the TEM image. The detected results are shown below.
- Example 2-1 A1: 17.6nm, A2: 18.3nm, B1: 17.5nm, B2: 17.6nm, C1: 17.5nm, C2: 17.8nm
- Example 2-2 A1: 16.3nm, A2: 16.2nm, B1: 17.3nm, B2: 16.6nm, C1: 16.9nm, C2: 16.7nm
- Example 2-1 shows the film thickness after performing the plasma treatment step S3
- Example 2-2 shows the film thickness before performing the plasma treatment step S3. Since the film thickness was determined from a TEM image, there is some measurement error, but it is clear that the film thickness in Example 2-1 increases in all measurement sites compared to Example 2-2. .
- the thickness of the a-Si film can be increased by exposing the a-Si film to H 2 plasma. It can be seen that in order to increase the film thickness in this way, it is preferable to plasma-process the wafer W at a temperature higher than 200° C. and lower than 500° C. Furthermore, as shown in FIG. 8, as the temperature of the wafer W increases, the etching amount gradually decreases, and at 200°C, the etching amount is relatively small at 10 ⁇ , and at 300°C, it is 30 ⁇ , which is a relatively large increase in film thickness. Confirmed.
- the film thickness can be increased at a temperature of 250°C or higher between these 200°C and 300°C. That is, within the above temperature range, it is more preferable to set the temperature to 250° C. or higher, and even more preferably to set the temperature to 300° C. or higher, at which an increase in the film thickness was confirmed. Furthermore, considering that the etching amount was approximately 0 ⁇ when the high frequency power was set to 100 W, it is preferable to use a high frequency power higher than 100 W in order to increase the thickness of the a-Si film. It is more preferable to set the power to 500 W or more, at which an increase in the film thickness has been confirmed.
- the ranges of the temperature of the wafer W and the high-frequency power described above can be applied to each apparatus and each processing module that perform plasma processing described in the embodiments.
- Evaluation test 2 The wafer of Example 1 and the wafer of Comparative Example 1 were subjected to the oxide removal step in the same manner as in Evaluation Test 1, and then the plasma treatment step S3 was performed while changing the wafer temperature, and the wafer after this step S3 was The hydrogen concentration in the membrane to be treated was confirmed by secondary ion mass spectrometry (SIMS). The conditions other than the wafer temperature in the plasma treatment step S3 were the same as those in Evaluation Test 1, and the high frequency power was 500W.
- SIMS secondary ion mass spectrometry
- Example 1 Evaluation results of Example 1 Regarding the results of Example 1, the results for wafer temperatures of 200°C (dashed line), 300°C (solid line), and 500°C (dotted and dashed lines) are shown in FIG. 11A; ) and 160° C. (solid line) are shown in FIG. 11B, respectively. Furthermore, the case where the oxide removal step is performed and the plasma treatment step S3 is not performed is also shown in FIG. 11B as "No H 2 plasma (dashed line)".
- the horizontal axis represents the depth (nm) from the surface of the a-Si film, and the vertical axis represents the hydrogen concentration (number of atoms per cc).
- the hydrogen concentration in the film was higher than when it was not performed. Furthermore, when the wafer temperature is in the range of 100°C to 300°C, the higher the temperature, the higher the hydrogen concentration in the film. It was observed that the hydrogen concentration increased as the temperature increased. Further, at 100°C to 160°C, in a region 40 nm deep from the surface of the film, the hydrogen concentration is equivalent to that in the case where plasma treatment step S3 is not performed, but at 200°C, even in the region about 40 nm deep, the hydrogen concentration is It was observed that about 100 times as many hydrogen atoms were present as compared to the case where this was not carried out. Furthermore, at 300°C, the hydrogen concentration in the vertical direction of the film is almost constant from the surface of the a-Si film to a depth of around 60 nm, and a large amount of hydrogen is uniformly present in the vertical direction. was confirmed.
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Abstract
シリコン含有膜あるいはゲルマニウム膜である被処理膜が表面に形成されたウエハを処理容器に格納し、当該処理容器内に水素プラズマを形成して、当該被処理膜の膜厚を増加させるプラズマ処理工程を実施する。
Description
本開示は、基板処理方法、及び基板処理装置に関する。
半導体デバイスの製造工程においては、基板である半導体ウエハ(以下、「ウエハ」ともいう)に、シリコン含有膜を成膜することが行われている。シリコン含有膜は、例えばウエハの表面に形成された凹部内を埋め込む膜として形成される場合がある。このようなシリコン含有膜は、膜原料を含むガスをウエハに供給して、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法により成膜される。
また、ウエハに形成した膜を水素プラズマに曝す場合がある。例えば特許文献1には、微結晶シリコン膜を堆積する工程と、水素プラズマ処理を施す工程とを交互に繰り返すことが記載されている。特許文献2には、シリコンゲルマニウム層の表面に水素プラズマ処理を施して、シリコンを偏析させることが記載されている。特許文献3には、薄膜トランジスタアレイを製造するにあたり、n+アモルファスシリコン層に水素プラズマ処理を行うことが記載されている。
本開示は、プラズマ処理により、シリコン含有膜あるいはゲルマニウム膜である被処理膜の膜厚を増加させる技術を提供する。
本開示は、シリコン含有膜あるいはゲルマニウム膜である被処理膜が表面に形成された基板が格納される処理容器内に水素プラズマを形成し、当該被処理膜の膜厚を増加させるプラズマ処理工程を備える。
本開示によれば、プラズマ処理により、シリコン含有膜あるいはゲルマニウム膜である被処理膜の膜厚を増加させることができる。
(第1の実施形態)
本開示の基板処理方法は、基板であるウエハが格納される処理容器内に水素プラズマを形成し、ウエハ表面の被処理膜の膜厚を増加させるプラズマ処理を行うものである。被処理膜としては、シリコン含有膜あるいはゲルマニウム膜が対象となる。その基板処理方法について、ウエハ表面に形成された凹部に被処理膜であるアモルファスシリコン膜(a―Si膜)を埋め込む処理を第1の実施形態として以下に記載する。
本開示の基板処理方法は、基板であるウエハが格納される処理容器内に水素プラズマを形成し、ウエハ表面の被処理膜の膜厚を増加させるプラズマ処理を行うものである。被処理膜としては、シリコン含有膜あるいはゲルマニウム膜が対象となる。その基板処理方法について、ウエハ表面に形成された凹部に被処理膜であるアモルファスシリコン膜(a―Si膜)を埋め込む処理を第1の実施形態として以下に記載する。
図1及び図2を参照して第1実施形態を説明するが、図1Dに関しては本実施形態の効果を説明するための比較例に関する処理を示すものとなっている。図1Aは、基板処理を行う前のウエハWの表層を示す縦断側面図である。処理前のウエハWは、絶縁膜よりなる下層膜11を備えており、この例における下層膜11はシリコン膜(Si膜)により構成されている。下層膜11には、例えばトレンチ及びビアホ―ルを構成するための第2の凹部12が形成されている。本実施形態では成膜処理を2回に分けて行うことで、この第2の凹部12にa―Si膜2を充填するものであり、工程S1~S4からなる。これらの各工程では真空雰囲気が形成された処理容器内にウエハWを格納し、当該処理容器内にガスを供給して処理を行う。
上記のウエハWに対して、先ず第1の成膜工程S1を実施する。この工程S1は例えばシリコン(Si)を含む成膜ガスを上記のウエハWに供給するCVD処理である。この工程S1の実施により、下地膜11の上層にa―Si膜2が形成され(つまり、下地膜11を被覆するようにa―Si膜2が形成され)、第2の凹部12においてはその側壁及び底部にa―Si膜2が堆積していく(図1B)。なお、図示及び説明の便宜上、第2の凹部12を被覆することでa―Si膜2がなす凹部を第1の凹部21として、当該第2の凹部12と区別している。
成膜ガスとしては、例えばモノシラン(SiH4)ガス、ジシラン(Si2H6)ガス、ジクロロシラン(SiH2Cl2)ガス、ヘキサクロロジシラン((SiCl3)2)ガス、ヘキサメチルジシラザンガス、トリシリルアミンガス、ビスタ―シャルブチルアミノシランガスなどを用いることができる。
成膜ガスとしては、例えばモノシラン(SiH4)ガス、ジシラン(Si2H6)ガス、ジクロロシラン(SiH2Cl2)ガス、ヘキサクロロジシラン((SiCl3)2)ガス、ヘキサメチルジシラザンガス、トリシリルアミンガス、ビスタ―シャルブチルアミノシランガスなどを用いることができる。
続いて、第1の成膜工程S1の後に、図1Cに示すように、エッチング工程S2を実施する。この工程S2は、第1の凹部21の開口を広げるために、エッチングガスを供給してa―Si膜2をエッチングするものである。この工程S2を行う理由を述べると、第1の凹部21について開口幅に対して深さが大きい、つまりアスペクト比が大きいことによって、第1の凹部21の底部に成膜ガスが到達しにくい場合が有る。また、図示した例では第2の凹部12の側壁の幅について縦方向に均一な大きさであるように示しているが、下側の幅に比べて上側の幅が大きい場合が有る。これらの場合には、第1の凹部21全体にa―Si膜2が充填される前に、当該第1の凹部21の開口部が当該a―Si膜2によって閉塞されてしまうおそれがある。このエッチング工程S2は、その閉塞を防ぐための工程である。
エッチングガスとしては、例えばHF、F2、HCl、Cl2、HBr、Br2、HI、I2等のハロゲン含有ガスを用いることができる。このエッチングガスについて、第1の凹部21の底部には進入しにくいので第1の凹部21の側壁は、上側ほど大きくエッチングされる。こうして、図1Cに模式的に示すように、第1の凹部21の上部に、上に向かうほど開口が広がるように、例えば縦断面形状が略V字状の領域210が形成される。第1の凹部21は、この領域210の下方に第1の凹部21をなす側壁211、212を備えている。
従来では、エッチング工程S2を実施した後、図1Dに示すように、a―Si膜の成膜処理を再開し、第1の凹部21にa―Si膜2を埋め込むことが行われていた。第1の凹部21は開口が広げられているので、第1の凹部21では底部まで成膜ガスが行き渡り、第1の凹部21全体にa―Si膜2が形成される。
しかしながら、この手法ではa―Si膜2にシ―ムと呼ばれる領域が形成されるおそれがある。シ―ムとは膜の継ぎ目部分であって、膜同士の接触性ないしは密着性が比較的低い箇所である。上記した成膜処理の再開によって側壁211、212の厚さは増加し、当該側壁211、212同士が互いに接することにより第1の凹部21が閉塞されるが、当該側壁211、212の接触部分がシ―ム(図中14として表示している)をなす。
しかしながら、この手法ではa―Si膜2にシ―ムと呼ばれる領域が形成されるおそれがある。シ―ムとは膜の継ぎ目部分であって、膜同士の接触性ないしは密着性が比較的低い箇所である。上記した成膜処理の再開によって側壁211、212の厚さは増加し、当該側壁211、212同士が互いに接することにより第1の凹部21が閉塞されるが、当該側壁211、212の接触部分がシ―ム(図中14として表示している)をなす。
従って、シ―ム14は下層膜11の第2の凹部12内の局所位置において、当該第2の凹部12の深さ方向に伸びるように形成される。後の工程にてエッチング処理を行うと、第2の凹部12内のうち、このシ―ム14が形成された部分についてはエッチングガスが当該第2の凹部12の深部へと進入しやすい。それ故に、第2の凹部12のうち、当該シ―ム14が形成された部分については他の部分に比べてエッチング耐性が低くなってしまうおそれが有るという課題があった。このようなことから、シ―ムの形成を抑えながら凹部内にa―Si膜を埋め込むことが求められている。
このため、本実施形態では、図2Aに示すように、a―Si膜2の膜厚を増加させるプラズマ処理工程S3を実施している。この工程S3は、上記したエッチング工程S2を実施して図1Cの状態となったウエハWを、水素プラズマ(H2プラズマ)に曝すことにより実施される。なお、本実施形態の手法は、後述する評価試験を行ない、a―Si膜の膜厚を増加させることができるプラズマ処理条件を見出したことにより成されたものである。
そのプラズマ処理条件が設定された上で形成されたH2プラズマ(図中に矢印として表示している)に曝され、a―Si膜2の膜厚が増加する。即ち、a―Si膜2が膨張する。それにより、第1の凹部21においては、左側の側壁211と右側の側壁212の膜厚が夫々増加していき、これら側壁211、212が接触、さらには密着する。このような膜の膨張により、下層膜11がなす第2の凹部22の下部側はa―Si膜2によって充填される。後に評価試験で説明するようにこの膜が膨張する現象は、プラズマ処理によって水素原子がa―Si膜2中に進入することで生じると推定される。
なお、プラズマ処理工程S3の開始時に側壁211、212間に形成されている間隙を213として示している。上記したようにプラズマ処理工程S3では、a―Si膜2の膜厚増加により当該間隙213を塞ぐため、この間隙213は、a―Si膜2の膜厚増加により閉塞することができる大きさに設定される。従って、第1の成膜工程S1では、このような大きさの第1の凹部21を形成するようにa―Si膜2が成膜される。
このようにしてプラズマ処理工程S3を実施した後、図2Cに示すように、第2の成膜工程S4を行う。この工程S4では、ウエハWに成膜ガスを供給して、第1の凹部21にa―Si膜2を充填させる処理が実施される。つまり、工程S3の終了時に未充填となっている第2の凹部12の上側にa―Si膜2を充填させる。こうして、第1の凹部21における、プラズマ処理工程S3にてa―Si膜2の膜厚増加により埋め込まれた部位以外の領域に対して、a―Si膜2が形成される。第2の成膜工程S4においても、a―Si膜2の形成は、例えばSiを含む成膜ガスを用いたCVD処理により行われる。成膜ガスとしては、例えば第1の成膜工程S1と同様のガスを用いることができる。
既述したように工程S3において側壁211、212同士が密着するようにa―Si膜2が充填されることで、工程S4の終了時において図1Dで述べた第2の凹部22の深さ方向に伸びるシ―ム14の形成が防止される。従って、第2の凹部12内の各部におけるa―Si膜2は比較的強固な膜質を備え、既述したシ―ム14に起因するエッチング耐性の低下が抑制される。なお、既述したように特許文献1~3には、H2プラズマにより、シリコン層やシリコンゲルマニウム層表面のダングリングボンドを終端することが記載されている。これにより、アモルファス成分の改質や、a―Si層表面のリ―ク電流の低減を図ることが目的とされており、これらの特許文献1~3には、H2プラズマの照射により膜厚が増加する等、本開示の技術を示唆することについては記載されていない。
<基板処理システム>
後に評価試験として詳しく述べるが、ウエハWをプラズマに曝す際の温度、プラズマを形成するための高周波電源に供給する電力について夫々適正な設定とすることで、プラズマ処理工程S3で述べたa―Si膜2の膜厚を上昇させることが可能である。以下、その適正な処理条件を設定可能であり、且つ上記の第1の成膜工程S1、エッチング工程S2、プラズマ処理工程S3、第2の成膜工程S4を行うことができる装置の一例である基板処理システム3について、図3の平面図を参照しながら説明する。基板処理システム3は、ロ―ダ―モジュ―ル31、ロ―ドロックモジュ―ル32、真空搬送モジュ―ル33、本開示の基板処理装置を含む処理モジュ―ル41~46を備えている。
後に評価試験として詳しく述べるが、ウエハWをプラズマに曝す際の温度、プラズマを形成するための高周波電源に供給する電力について夫々適正な設定とすることで、プラズマ処理工程S3で述べたa―Si膜2の膜厚を上昇させることが可能である。以下、その適正な処理条件を設定可能であり、且つ上記の第1の成膜工程S1、エッチング工程S2、プラズマ処理工程S3、第2の成膜工程S4を行うことができる装置の一例である基板処理システム3について、図3の平面図を参照しながら説明する。基板処理システム3は、ロ―ダ―モジュ―ル31、ロ―ドロックモジュ―ル32、真空搬送モジュ―ル33、本開示の基板処理装置を含む処理モジュ―ル41~46を備えている。
ロ―ダ―モジュ―ル31は、内部が大気圧である搬送室310内に搬送機構311を備えており、ロ―ドポ―ト312に載置された搬送容器30内のウエハWは、搬送機構311によりロ―ドロックモジュ―ル32のステ―ジ321に搬送される。
ロ―ドロックモジュ―ル32は、その内部の圧力を大気圧と真空圧力との間で変更自在に構成され、ステ―ジ321に対しては、前記搬送機構311及び、後述の真空モジュ―ル33の真空搬送機構331によりウエハWが受け渡される。
ロ―ドロックモジュ―ル32は、その内部の圧力を大気圧と真空圧力との間で変更自在に構成され、ステ―ジ321に対しては、前記搬送機構311及び、後述の真空モジュ―ル33の真空搬送機構331によりウエハWが受け渡される。
真空搬送モジュ―ル33は真空雰囲気である搬送室330を備えており、この搬送室330には、例えば6個の真空処理を実施する処理モジュ―ル41~46が接続されている。この例では、処理モジュ―ル41、46は第1の成膜工程S1又は第2の成膜工程S4を実施する成膜モジュ―ル、処理モジュ―ル42、45はエッチング工程S2を実施するエッチングモジュ―ル、処理モジュ―ル43、44は、プラズマ処理工程S3を実施するプラズマ処理モジュ―ルとして夫々構成されている。図3においては、夫々の処理モジュ―ル41~46に、実施される工程S1~S4を記載している。
搬送室330には、例えば前後に移動可能な多関節ア―ムによって構成された真空搬送機構331が設けられ、この真空搬送機構331により、ロ―ドロックモジュ―ル32と、処理モジュ―ル41~46の各々との間でウエハWが搬送される。これらモジュ―ル31、32、33、41~46の他のモジュールに対する接続部位には、夫々ゲ―トバルブGを備えた搬送口が設けられている。
<基板処理装置>
続いて、プラズマ処理モジュ―ル43、44をなす基板処理装置5の構成例について、図4の縦断側面図を参照して説明する。基板処理装置5は接地された処理容器51を備えており、処理容器51の側壁に形成されたウエハWの搬送口510が、上記のゲ―トバルブGにより開閉される。処理容器51の壁面には排気管52の一端が開口し、排気管52の他端に設けられる排気機構53により、処理容器51内が所望の圧力の真空雰囲気となるように排気される。
処理容器51内にはウエハWを載置するステ―ジ54が設けられており、当該ステ―ジ54上にて突没自在に構成された昇降ピン55により、当該ステ―ジ54と真空搬送機構331との間でウエハWが受け渡される。ステ―ジ54にはヒ―タ―56が埋設されており、処理中にウエハWを設定された温度に加熱する。また、ステ―ジ54にはプラズマ形成用の電極57が設けられており、当該電極57は接地されている。
続いて、プラズマ処理モジュ―ル43、44をなす基板処理装置5の構成例について、図4の縦断側面図を参照して説明する。基板処理装置5は接地された処理容器51を備えており、処理容器51の側壁に形成されたウエハWの搬送口510が、上記のゲ―トバルブGにより開閉される。処理容器51の壁面には排気管52の一端が開口し、排気管52の他端に設けられる排気機構53により、処理容器51内が所望の圧力の真空雰囲気となるように排気される。
処理容器51内にはウエハWを載置するステ―ジ54が設けられており、当該ステ―ジ54上にて突没自在に構成された昇降ピン55により、当該ステ―ジ54と真空搬送機構331との間でウエハWが受け渡される。ステ―ジ54にはヒ―タ―56が埋設されており、処理中にウエハWを設定された温度に加熱する。また、ステ―ジ54にはプラズマ形成用の電極57が設けられており、当該電極57は接地されている。
処理容器51の天井部には、絶縁部材58を介してシャワ―ヘッド61が設けられている。シャワ―ヘッド61には整合器62を介して高周波電源63が接続されている。シャワ―ヘッド61と、ステ―ジ54の電極57とは平行平板電極として構成されており、高周波電源63からの高周波電力の供給により、シャワ―ヘッド61とステ―ジ54との間にプラズマを形成することができる。
シャワ―ヘッド61は、ガス供給路71を介してH2ガスの供給源72に接続されている。ガス供給路71にはバルブ及びマスフロ―コントロ―ラを含むガス供給機器73が介設されており、後述する制御部100からの制御信号に従って下流側へのガスの給断を行う。プラズマ処理工程S3では、H2ガスが処理容器51内に供給されると共に、高周波電源63はオンとなり、既述したように処理容器51内にH2プラズマが形成されて、プラズマ処理工程S3が実行される。この例における水素プラズマ形成部は、平行平板電極を構成すると共に、H2ガスを供給するシャワ―ヘッド61と、ステ―ジ54の電極57、高周波電源63を含むものである。
シャワ―ヘッド61は、ガス供給路71を介してH2ガスの供給源72に接続されている。ガス供給路71にはバルブ及びマスフロ―コントロ―ラを含むガス供給機器73が介設されており、後述する制御部100からの制御信号に従って下流側へのガスの給断を行う。プラズマ処理工程S3では、H2ガスが処理容器51内に供給されると共に、高周波電源63はオンとなり、既述したように処理容器51内にH2プラズマが形成されて、プラズマ処理工程S3が実行される。この例における水素プラズマ形成部は、平行平板電極を構成すると共に、H2ガスを供給するシャワ―ヘッド61と、ステ―ジ54の電極57、高周波電源63を含むものである。
プラズマ処理モジュ―ル43、44以外の成膜モジュ―ル41、46、エッチングモジュ―ル42、45についても、プラズマ処理モジュ―ル43、44との差異点を中心に、簡単に説明しておく。これら成膜モジュ―ル41、46、エッチングモジュ―ル42、45については、高周波電源63やステ―ジ54の電極57が設けられておらず、処理容器51内にプラズマが形成されない構成となっている。また、処理容器51内にガスを供給するガス供給源には、各々の処理モジュ―ルで行う処理に応じたガスが貯留される。成膜モジュ―ル41、46においては、a―Si膜の成膜ガスが貯留され、エッチングモジュ―ル42、45においては、エッチングガスが貯留される。
これらの差異点を除いては、プラズマ処理モジュ―ル43、44と概ね同様の構成であり、各処理容器51内においてステ―ジ54上のウエハWを設定温度に加熱しつつ、例示した各ガスをウエハWに供給して処理を行うことができる。
これらの差異点を除いては、プラズマ処理モジュ―ル43、44と概ね同様の構成であり、各処理容器51内においてステ―ジ54上のウエハWを設定温度に加熱しつつ、例示した各ガスをウエハWに供給して処理を行うことができる。
図3に戻って説明すると、基板処理システム3にはコンピュ―タである制御部100が設けられており、この制御部100はプログラムを備えている。プログラムには、ウエハWの処理及び搬送が行われるように命令(各ステップ)が組み込まれており、このプログラムは、記憶媒体、例えばコンパクトディスク、ハ―ドディスク、DVD等に格納され、制御部100にインスト―ルされる。制御部100は当該プログラムにより基板処理システム3の各部に制御信号を出力し、各部の動作を制御する。例えば処理モジュ―ル41~46の動作の制御には、ヒ―タ―56への電力供給によるウエハWの温度制御、処理容器51内へのガスの給断の制御が含まれる。また、プラズマ処理モジュ―ル43、44については、高周波電源63のオンオフによるプラズマの形成の制御についても含まれる。
<基板処理方法>
続いて、基板処理システム3において実施される本開示の基板処理方法について簡単に説明する。ウエハWは、先ず、搬送容器30→ロ―ダ―モジュ―ル31→ロ―ドロックモジュ―ル32→真空搬送モジュ―ル33の順で搬送される。次いで、ウエハWは成膜モジュ―ル41に搬送され、既述のように、処理容器51内に成膜ガスを供給して第1の成膜工程S1が実施される。成膜モジュ―ル41に搬送されるウエハWは、図1Aに示すように、第2の凹部12を備えた下層膜11が形成されたウエハWである。この工程S1におけるa―Si膜2の成膜条件の一例を挙げると、成膜ガスとしてSiH4ガスを用いる場合には、ウエハWの加熱温度は450~600℃、処理容器51内の圧力は13.3~1333Paである。
続いて、基板処理システム3において実施される本開示の基板処理方法について簡単に説明する。ウエハWは、先ず、搬送容器30→ロ―ダ―モジュ―ル31→ロ―ドロックモジュ―ル32→真空搬送モジュ―ル33の順で搬送される。次いで、ウエハWは成膜モジュ―ル41に搬送され、既述のように、処理容器51内に成膜ガスを供給して第1の成膜工程S1が実施される。成膜モジュ―ル41に搬送されるウエハWは、図1Aに示すように、第2の凹部12を備えた下層膜11が形成されたウエハWである。この工程S1におけるa―Si膜2の成膜条件の一例を挙げると、成膜ガスとしてSiH4ガスを用いる場合には、ウエハWの加熱温度は450~600℃、処理容器51内の圧力は13.3~1333Paである。
次いで、ウエハWは、真空搬送モジュ―ル33を介してエッチングモジュ―ル42、45に搬送され、既述のように、処理容器51内にエッチングガスを供給してエッチング工程S2が実施される。この工程S2における処理条件の一例を挙げると、エッチングガスとしてCl2ガスを用いる場合には、ウエハWの加熱温度は300~600℃、処理容器51内の圧力は1.3~13333Paである。
この後、ウエハWは、真空搬送モジュ―ル33を介してプラズマ処理モジュ―ル43、44に搬送され、既述のプラズマ処理工程S3が実施される。この工程S3では、処理容器51にH2ガスを供給し、例えばウエハWを200℃よりも高い温度且つ500℃より低い温度に加熱すると共に、例えば高周波電源63からシャワ―ヘッド61に100Wよりも大きい電力を供給して、容量結合プラズマを形成する。このとき、処理容器51内の圧力は例えば6.7~667Paであり、より具体的には例えば13.3Pa(0.1Torr)、H2プラズマの照射時間は例えば5~60分であり、より具体的には例えば30分である。
続いて、ウエハWは、真空搬送モジュ―ル33を介して成膜モジュ―ル46に搬送され、既述のように処理容器51内に成膜ガスを供給して第2の成膜工程S4が実施される。この工程S4におけるa―Si膜2の成膜処理の条件は、第1の成膜工程S1と同様である。こうして、一連の工程S1~S4が実施され、第2の凹部12にa―Si膜2が埋め込まれたウエハWは、真空搬送モジュ―ル33→ロ―ドロックモジュ―ル32→ロ―ダ―モジュ―ル31の順で搬送されて、搬送容器30に戻される。真空搬送モジュ―ル33内及び各処理容器51内は真空雰囲気に保たれているため、上記した一連の工程S1~S4が実施される間、ウエハWは真空雰囲気中を移動し、大気雰囲気には曝されない。
以上に述べたように、基板処理システム3によれば既述した工程S1~S4を実施することができ、第1の凹部21内にシ―ム14の形成を抑制しつつ、a―Si膜2を良好な充填性をもって埋め込むことができる。
また、H2プラズマの照射により膜厚を増加させるにあたり、ウエハ温度は200℃以上であって500℃より低い温度に設定される。その温度範囲のうちの一例としては後に示すように300℃であって、比較的高温に設定することを避けることが可能である。そのように高温での処理を避けることで、a―Si膜2への熱影響による膜質の変化を抑えて、膜厚の増加を図ることができる。
さらに、基板処理システム3では、第1の成膜工程S1を実施後、第2の成膜工程S4を行うまでにウエハWは大気雰囲気に曝されないので、a―Si膜2表面における自然酸化膜の形成が防止される。このため、後述する当該自然酸化膜の除去処理を行わなくてもよい利点が有る。なお、工程S1の成膜、工程S2のエッチングが繰り返し行われるように基板処理システム3内でウエハWを搬送してもよい。その場合、工程S1、S2を1回行う度に工程S3のプラズマ処理を行ってもよいし、工程S1、S2を複数回行う度に工程S3を1回行うようにしてもよい。
また、H2プラズマの照射により膜厚を増加させるにあたり、ウエハ温度は200℃以上であって500℃より低い温度に設定される。その温度範囲のうちの一例としては後に示すように300℃であって、比較的高温に設定することを避けることが可能である。そのように高温での処理を避けることで、a―Si膜2への熱影響による膜質の変化を抑えて、膜厚の増加を図ることができる。
さらに、基板処理システム3では、第1の成膜工程S1を実施後、第2の成膜工程S4を行うまでにウエハWは大気雰囲気に曝されないので、a―Si膜2表面における自然酸化膜の形成が防止される。このため、後述する当該自然酸化膜の除去処理を行わなくてもよい利点が有る。なお、工程S1の成膜、工程S2のエッチングが繰り返し行われるように基板処理システム3内でウエハWを搬送してもよい。その場合、工程S1、S2を1回行う度に工程S3のプラズマ処理を行ってもよいし、工程S1、S2を複数回行う度に工程S3を1回行うようにしてもよい。
<第2の実施形態>
続いて、第2の実施形態について説明する。この実施形態の処理では、第1の成膜工程S1によりa―Si膜2が形成されたウエハWにおいて、第1の凹部21内に臨むa―Si膜2の表面に形成される酸化物の除去を行う。この酸化物は例えばウエハWが大気に曝されることで形成される自然酸化膜である。この酸化物除去工程は、プラズマ処理工程S3を行うまでに行われ、当該酸化物除去工程を行った後は、第2の成膜工程S4を行うまで、ウエハWの周囲を真空雰囲気に保つことが行われる。
続いて、第2の実施形態について説明する。この実施形態の処理では、第1の成膜工程S1によりa―Si膜2が形成されたウエハWにおいて、第1の凹部21内に臨むa―Si膜2の表面に形成される酸化物の除去を行う。この酸化物は例えばウエハWが大気に曝されることで形成される自然酸化膜である。この酸化物除去工程は、プラズマ処理工程S3を行うまでに行われ、当該酸化物除去工程を行った後は、第2の成膜工程S4を行うまで、ウエハWの周囲を真空雰囲気に保つことが行われる。
図5は、第2の実施形態の処理に用いられる基板処理システム3Aであり、当該基板処理システム3Aは基板処理システム3と略同様に構成されている。基板処理システム3Aのロ―ダ―モジュ―ル31及びロ―ドロックモジュ―ル32については基板処理システム3のそれらのモジュ―ルと同様に構成されているので表示を省略しており、真空モジュ―ル33と、当該真空モジュ―ル33に接続された処理モジュ―ル41~46と、を抜き出して示している。この第2の実施形態では、基板処理システム3Aの外部装置にて第1の成膜工程S1が実施されたウエハWを当該基板処理システム3Aに搬送し、以降の処理が行われる。基板処理システム3Aは、設けられる処理モジュ―ルの数及び種類について基板処理システム3と異なる。真空搬送室330には、第2の成膜工程S4を実施する成膜モジュ―ル41、46と、プラズマ処理モジュ―ル43、44と、COR(Chemical Oxide Removal)処理を行う変質モジュ―ル47と、PHT(Post heat treatment)処理を行う加熱モジュ―ル48と、が接続されている。
変質モジュ―ル47及び加熱モジュ―ル48が酸化物除去工程を実施するモジュ―ルである。変質モジュ―ル47は、例えばウエハWの表面に存在する酸化膜(SiO2膜)に、HFガスとアンモニア(NH3)ガスを吸着させて変質させ、ケイフッ化アンモニウム((NH4)2SiF6;AFS)とする処理(COR処理)を実施するように構成される。また、加熱モジュ―ル48は例えばN2ガスなどの不活性ガス雰囲気でウエハWを加熱することによって、COR処理にて生成された、AFSを昇華させて除去するPHT処理を実施する。これら変質モジュ―ル47、加熱モジュ―ル48については、HFガス及びNH3ガス、N2ガスを夫々処理容器51内に供給することを除いて、成膜モジュ―ル41、46と同様の構成である。
この実施形態におけるウエハWの搬送経路について述べると、図1Bで示したように第1の凹部21を備えたa―Si膜2が形成されたウエハWは搬送容器30に収納されてロ―ドポ―ト312に載置され、第1の実施形態と同様の経路で真空搬送モジュ―ル33に搬送される。次いで、ウエハWは、変質モジュ―ル47→加熱モジュ―ル48の経路で搬送されて、第1の凹部21の表面に形成された酸化物(自然酸化膜)の除去が行われる。続いて、ウエハWはプラズマ処理モジュ―ル43、44→第2の成膜工程S4を実施する成膜モジュ―ル41、46に順次搬送され、第1の実施形態と同様にプラズマ処理工程S3と第2の成膜工程S4が実施される。この後、ウエハWは、既述の経路にて搬送容器30に収納される。酸化物除去工程を行った後、第2の成膜工程S4を行うまで、ウエハWは真空雰囲気で搬送される。このため、ウエハWの周囲は真空雰囲気に保たれ、第2の成膜工程S4にて行う前に、a―Si膜2の表面に再び酸化物が形成されることが防止される。
この第2の実施形態では、第1の凹部21の開口を広げるためのエッチング工程S2を実施しないが、第1の実施形態と同じく実施してもよい。このエッチング工程S2は、基板処理システム3の外部の装置にて行うことができる。また、基板処理システム3の処理モジュ―ルの一つを当該エッチング工程S2を実施するエッチングモジュ―ルとして構成し、酸化物除去工程を行った後、プラズマ処理工程S3を行うまでに、当該エッチング工程S2を実施するようにしてもよい。
この第2の実施形態によれば、酸化物除去工程によりa―Si膜2表面の酸化物を除去した後にプラズマ処理工程を実施しているので、H2プラズマ照射時のa―Si膜2への水素の進入がこの酸化物によって妨げられることが防止される。従って、a―Si膜2の膜厚増加を確実に行うことができる。また、酸化物の存在による膜質の低下を抑えることができる。
<基板処理装置の他の例1>
基板処理装置は、第1の成膜工程S1と、エッチング工程S2と、プラズマ処理工程S3と、第2の成膜工程S4と、を1つの処理容器51内にて実施する構成であってもよい。この実施形態は、図4に示す基板処理装置5において、シャワ―ヘッド61に成膜ガスとエッチングガスと、パ―ジガスである例えば窒素ガス(N2ガス)と、が独立して供給できるように構成される。
基板処理装置は、第1の成膜工程S1と、エッチング工程S2と、プラズマ処理工程S3と、第2の成膜工程S4と、を1つの処理容器51内にて実施する構成であってもよい。この実施形態は、図4に示す基板処理装置5において、シャワ―ヘッド61に成膜ガスとエッチングガスと、パ―ジガスである例えば窒素ガス(N2ガス)と、が独立して供給できるように構成される。
そして、処理容器51内に成膜ガス、エッチングガス、H2ガス、成膜ガスを切り替えて供給して、第1の成膜工程S1、エッチング工程S2、プラズマ処理工程S3、第2の成膜工程S4を連続して実施する。また、これら工程S1~S4の切り替え時には、処理容器51内にパ―ジガスを供給して、処理容器51内のパ―ジを行う。このように、一連の工程S1~S4を同一の処理容器51にて実施することによって、第1の実施形態と同様の効果を得られることに加えて、搬送作業の手間や時間を省略できるという利点がある。なお、工程S1~S4のうち、工程S2、S3のみが同一の処理容器51内で実行されるようにしたり、S3、S4のみが同一の処理容器51内で実行されるようにしたりするようにしてもよい。つまり、続けて行われる複数の工程を、同じ処理容器51内にて行うようにすることができる。処理容器51内の圧力、ウエハWの温度について工程間で異なる場合は、これらのパラメ―タについてウエハWの格納中に適宜変更する。
<基板処理装置の他の例2>
既述した各工程について、ウエハWを1枚ずつ処理する枚様式の処理装置(処理モジュ―ル)を用いて行うように示したが、複数のウエハWに一括して処理を行うバッチ式の処理装置を用いて行うようにしてもよい。図6及び図7には、工程S1~S4を実行する基板処理装置をなす縦型熱処理装置8を示している。縦型熱処理装置8は、下端が開口する縦型の処理容器81と、当該開口に対して昇降可能な蓋体83と、を備える。複数のウエハWを棚状に保持可能なウエハボ―ト82が、蓋体83上に支持されることで処理容器81に対して搬入出される。また、蓋体83に設けられる回転機構84によって、処理中にウエハボ―ト82は回転し、搭載されるウエハWは中心軸回りに回転する。なお図7中、符号821はウエハボ―ト82に設けられるウエハWの保持部である。
既述した各工程について、ウエハWを1枚ずつ処理する枚様式の処理装置(処理モジュ―ル)を用いて行うように示したが、複数のウエハWに一括して処理を行うバッチ式の処理装置を用いて行うようにしてもよい。図6及び図7には、工程S1~S4を実行する基板処理装置をなす縦型熱処理装置8を示している。縦型熱処理装置8は、下端が開口する縦型の処理容器81と、当該開口に対して昇降可能な蓋体83と、を備える。複数のウエハWを棚状に保持可能なウエハボ―ト82が、蓋体83上に支持されることで処理容器81に対して搬入出される。また、蓋体83に設けられる回転機構84によって、処理中にウエハボ―ト82は回転し、搭載されるウエハWは中心軸回りに回転する。なお図7中、符号821はウエハボ―ト82に設けられるウエハWの保持部である。
処理容器81には水素プラズマ形成部9が設けられている。水素プラズマ形成部9は、処理容器81の側壁に形成された縦長の開口部85を当該処理容器81の外側から覆う区画壁91を備え、区画壁91は縦断面及び横断面が各々凹状に形成されている。区画壁91の両側壁の外側面には、互いに対向する細長い一対の電極92が平行平板電極として設けられ、高周波電源93に接続されている。また、水素プラズマ形成部9内にはインジェクタ94が配置されており、ガス供給源971からH2ガスが供給される。そして、当該インジェクタ94にて多段に開口した吐出口940からH2ガスが吐出される。電極92の作用によって区画壁91内にてそのH2ガスはプラズマ化され、各高さのウエハWに供給されてプラズマ処理が行われる。
処理容器81の側壁には開口部85に対向する排気口86が形成され、プラズマ化されたH2ガスは当該排気口86から除去される。図中95は当該排気を行うための排気機構である。処理容器81の外周にはヒ―タ―96が設けられており、処理中のウエハWは設定された温度に加熱される。また、処理容器81内において開口部85、排気口86のうち開口部85が設けられる側を前方側とすると、当該前方側で開口部85を左右から挟むインジェクタ871、872が設けられる。ガス供給源972から、プラズマ化を必要としないH2ガス以外の各ガスが、当該インジェクタ871、872にて多段に開口した吐出口870から各高さのウエハWに供給され、排気口86から排気される。
この縦型熱処理装置8においても、基板処理装置の他の例1とした装置と同じ種類のガスの供給、及び同様のガスの供給の切替えが行われることで、既述した工程S1~S4が順次、実施される。また、工程S3を行うにあたってのウエハWの温度、及び高周波電源93による供給電力については、例えばプラズマ処理モジュ―ル43で説明した値と同じ値となるように設定される。また、H2ガスの供給流量としては例えば100sccm~10000sccmであり、より具体的には例えば後述の評価試験と同じ設定の2000sccmとすることができる。
ところで、枚様式処理装置、バッチ式処理装置の各々について水素ガスのプラズマは容量結合型プラズマとして形成するように示してきたが、それには限られない。例えば誘導結合型のプラズマとして処理容器内に形成して処理を行ってもよい。その場合、ウエハWの温度については例えばこれまでに述べた容量結合プラズマで処理する場合と同じ温度とすればよい。高周波電力については膜が膨張するように適宜設定する。
また、H2プラズマにより膜厚を増加させる被処理膜として、シリコン含有膜であるa―Si膜であるものと説明したが、他のシリコン含有膜や、シリコンに比較的性質が類似するゲルマニウム膜(Ge膜)に対しても同様にH2プラズマを作用させて膜厚を増加させることができると考えられる。つまり、シリコン含有膜としてはシリコンのみを構成成分とするものであることに限られず、他には例えばシリコンゲルマニウム膜(SiGe膜)、シリコン窒化膜(SiN膜)、シリコン酸化膜(SiO2膜)等が例示できる。特に、a―Si膜と同様の非結晶性のシリコンやゲルマニウムにより構成されるアモルファス膜であれば、H2プラズマの照射により、水素が膜に注入されやすく、膜厚の増加を図ることができると考えられる。つまり、上記したSiGe膜、SiN膜、SiO2膜、Ge膜について、各々アモルファス膜であることが好ましい。ところで、シリコン含有膜とはシリコンを主な構成成分として含む膜の意味である。つまり、不純物として不可避的にシリコンが含まれた膜を意味するものではない。
また、以上においては、被処理膜をCVD法にて形成する手法について説明したが、例えば被処理膜がSiN膜、SiO2膜の場合には、ALD(Atomic Layer Deposition)法により形成することができる。例えばSiN膜を枚様式の基板処理装置にて形成する場合について簡単に説明する。この場合の基板処理装置は、図4に示す基板処理装置5において、処理容器51に、原料ガスであるSiを含むガスと、反応ガスであるNを含むガスと、パ―ジガス例えばN2ガスと、を互いに独立して供給できる構成とする。
この例における基板処理の一例を示すと、例えば第2の凹部12を備えた下地膜11が形成されたウエハWを処理容器51内に搬入する。そして、原料ガスを供給してウエハ表面に吸着させる工程と、パ―ジガスを供給してパ―ジする工程と、反応ガスを供給してウエハ表面に吸着された原料ガスと反応させてSiNを形成する工程と、パ―ジガスを供給してパ―ジする工程と、処理容器51内にH2プラズマを形成し、被処理膜であるSiN膜の膜厚を増加させる工程と、を交互に繰り返す。このようにALD法とプラズマ処理工程を組み合わせて実施することにより、被処理膜を膜厚の増加を図りながら形成することができる。なお、原料ガスの吸着工程及び反応ガスによる反応工程を複数回繰り返す度にプラズマ処理を行ってもよい。つまり、吸着工程及び反応工程を1回行う度にプラズマ処理を行うことには限られない。
ところで、図1等で第2の凹部12は上方が開口するように示したが、そうであることに限られない。ウエハWの表面上に突出する構造体が形成され、その構造体の側壁に第2の凹部12が形成されていてもよい。つまり、第2の凹部12及び当該第2の凹部12を被覆することで形成される第1の凹部21としては、横方向に向かって開口するものであって、本開示の手法は、そのように横方向に開口する凹部に被処理膜を充填させる処理にも適用可能である。従って、プラズマ処理後にa―Si膜2による埋め込みを行う対象となる第1の凹部21をなす側壁は、左右に並んで設けられるものであることに限定されるものではなく、上下に並んで設けられるものであってもよい。
さらにまた、本開示の基板処理方法は、第1の凹部に被処理膜を充填する処理に限られず、プラズマ処理工程は、被処理膜の膜厚を増加させる処理であればよい。例えば膜厚を増加させることにより設定された膜厚に近付ける処理に適用してもよい。
また、ウエハ温度に応じて、H2プラズマ照射により被処理膜の膜中の水素濃度が変化することから、膜厚の増加と合わせて、膜中の水素濃度の調整を行うことができる。従って、例えば膜中の水素濃度と膜の応力とが関連する場合には、応力の調節を行うことができるため、プラズマ処理工程をこのような処理に適用してもよい。
さらに、a―Si膜に対して高温で結晶化処理を行うことによってポリシリコン膜が形成できるが、a―Si膜の水素濃度によってポリシリコン膜のグレインサイズが変化する場合がある。この場合にはプラズマ処理工程をa―Si膜の膜厚増加とグレインサイズの制御を目的として実施することができる。
また、ウエハ温度に応じて、H2プラズマ照射により被処理膜の膜中の水素濃度が変化することから、膜厚の増加と合わせて、膜中の水素濃度の調整を行うことができる。従って、例えば膜中の水素濃度と膜の応力とが関連する場合には、応力の調節を行うことができるため、プラズマ処理工程をこのような処理に適用してもよい。
さらに、a―Si膜に対して高温で結晶化処理を行うことによってポリシリコン膜が形成できるが、a―Si膜の水素濃度によってポリシリコン膜のグレインサイズが変化する場合がある。この場合にはプラズマ処理工程をa―Si膜の膜厚増加とグレインサイズの制御を目的として実施することができる。
なお、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更、及び/または組み合わせがなされてもよい。
〔評価試験〕
以下、本技術に関連して行われた評価試験について説明する。この評価試験は、図6、図7で述べた基板処理装置8を用いて実施した。但し、ウエハWに供給可能なガスの種類は試験の内容に合わせて図6、図7で説明した例から変更している。
(評価試験1)
ウエハボ―ト82に後述する実施例1、実施例2、比較例1の膜が形成されたウエハWを搭載して処理容器81に搬入し、酸化物除去工程を実施した。引き続いて、ウエハWの温度及び高周波電力の大きさを変えてプラズマ処理工程S3を実施し、この工程S3後、分光偏光解析法(SE:spectroscopic ellipsometry)により、a―Si膜の膜厚を測定した。実施例1、実施例2、比較例1、酸化物除去工程及びプラズマ処理工程S3の条件を以下に示す。
以下、本技術に関連して行われた評価試験について説明する。この評価試験は、図6、図7で述べた基板処理装置8を用いて実施した。但し、ウエハWに供給可能なガスの種類は試験の内容に合わせて図6、図7で説明した例から変更している。
(評価試験1)
ウエハボ―ト82に後述する実施例1、実施例2、比較例1の膜が形成されたウエハWを搭載して処理容器81に搬入し、酸化物除去工程を実施した。引き続いて、ウエハWの温度及び高周波電力の大きさを変えてプラズマ処理工程S3を実施し、この工程S3後、分光偏光解析法(SE:spectroscopic ellipsometry)により、a―Si膜の膜厚を測定した。実施例1、実施例2、比較例1、酸化物除去工程及びプラズマ処理工程S3の条件を以下に示す。
実施例1:表面に凹部が形成されておらず平坦なウエハ(ブランケットウエハ)を530℃に加熱し、成膜ガスとしてSiH4(モノシラン)を用いて、膜厚60nmのa―Si膜を形成した。
実施例2:凹部を備えたSi膜よりなる下層膜が形成されたウエハに、SiO2膜よりなるライナ―膜を介して膜厚60nmのa―Si膜を形成した。
比較例1:ブランケットウエハに、膜厚60nmのポリシリコン膜を形成した。ポリシリコン膜は実施例1のa―Si膜を700℃に加熱して結晶化処理を行うことにより形成した。
実施例2:凹部を備えたSi膜よりなる下層膜が形成されたウエハに、SiO2膜よりなるライナ―膜を介して膜厚60nmのa―Si膜を形成した。
比較例1:ブランケットウエハに、膜厚60nmのポリシリコン膜を形成した。ポリシリコン膜は実施例1のa―Si膜を700℃に加熱して結晶化処理を行うことにより形成した。
(酸化物除去工程)
COR処理:ウエハ温度75℃~80℃、処理容器内圧力26.7Pa(0.2Torr)の下、処理容器81にHFガス1200sccm、NH3ガス300sccmを供給して、5分間処理を行った。
PHT処理:処理容器81にN2ガスを供給してパ―ジしながら、300℃に加熱して、AFSの昇華処理を行った。
(プラズマ処理工程)
PHT処理後、ウエハWの温度を100℃~500℃の範囲内の設定された温度に調節し、処理容器81内にH2ガス2000sccmを供給すると共に、高周波電力を100Wあるいは500Wに設定して、プラズマ処理工程S3を30分間実施した。このときの処理容器内圧力は13.3Pa(0.1Torr)とした。
COR処理:ウエハ温度75℃~80℃、処理容器内圧力26.7Pa(0.2Torr)の下、処理容器81にHFガス1200sccm、NH3ガス300sccmを供給して、5分間処理を行った。
PHT処理:処理容器81にN2ガスを供給してパ―ジしながら、300℃に加熱して、AFSの昇華処理を行った。
(プラズマ処理工程)
PHT処理後、ウエハWの温度を100℃~500℃の範囲内の設定された温度に調節し、処理容器81内にH2ガス2000sccmを供給すると共に、高周波電力を100Wあるいは500Wに設定して、プラズマ処理工程S3を30分間実施した。このときの処理容器内圧力は13.3Pa(0.1Torr)とした。
(評価結果1)
高周波電力を500Wに設定し、ウエハ温度を変えてプラズマ処理を行った場合の膜厚の測定結果について図8に示す。図8中、横軸はウエハWの温度(℃)、縦軸はエッチング量(Å)である。エッチング量は膜厚の増減量を示すものであり、正の値が膜厚の減少、負の値が膜厚の増加を夫々示し、負の値が大きいほど、膜厚の増加量が大きいことを意味する。この図8において、実施例1(a―Si膜)のデ―タは△でプロットし、比較例1(ポリシリコン膜)のデ―タは○でプロットしている。
高周波電力を500Wに設定し、ウエハ温度を変えてプラズマ処理を行った場合の膜厚の測定結果について図8に示す。図8中、横軸はウエハWの温度(℃)、縦軸はエッチング量(Å)である。エッチング量は膜厚の増減量を示すものであり、正の値が膜厚の減少、負の値が膜厚の増加を夫々示し、負の値が大きいほど、膜厚の増加量が大きいことを意味する。この図8において、実施例1(a―Si膜)のデ―タは△でプロットし、比較例1(ポリシリコン膜)のデ―タは○でプロットしている。
実施例1の結果から、プラズマ処理工程S3におけるウエハ温度によって、a―Si膜の膜厚が変化することが認められ、200℃以下の温度帯ではエッチングが進行し、膜厚の減少が見られ、低温ほど減少量が大きいことが認められた。また、200℃より高い温度帯(即ち300℃、500℃)では膜厚が増加することが確認された。グラフに示すように300℃では膜厚の増加量が約30Åであった。500℃で加熱したデ―タについてはグラフ中にプロットしていないが、これは膜厚が増加したことでウエハWからの剥がれが発生したためである。
一方、比較例1の結果では、プラズマ処理工程S3におけるウエハ温度を変えても、ポリシリコン膜の膜厚は、プラズマ処理により減少し、その減少量はウエハ温度によらずほぼ一定であることが認められた。
一方、比較例1の結果では、プラズマ処理工程S3におけるウエハ温度を変えても、ポリシリコン膜の膜厚は、プラズマ処理により減少し、その減少量はウエハ温度によらずほぼ一定であることが認められた。
(評価結果2)
ウエハ温度を300℃に設定し、高周波電力を変えてプラズマ処理を行った場合の膜厚の測定結果について、図9に示す。図中横軸は高周波電力(W)、縦軸はエッチング量(Å)である。この図においても、実施例1のデ―タは△でプロットし、比較例2のデ―タは○でプロットしている。
ウエハ温度を300℃に設定し、高周波電力を変えてプラズマ処理を行った場合の膜厚の測定結果について、図9に示す。図中横軸は高周波電力(W)、縦軸はエッチング量(Å)である。この図においても、実施例1のデ―タは△でプロットし、比較例2のデ―タは○でプロットしている。
実施例1の結果から、プラズマ処理工程S3における高周波電力の大きさの変化によって、a―Si膜の膜厚が変化することが認められた。100Wではエッチング量が略0Åとなって膜厚の増加は確認されなかったが、100Wより大きい電力(即ち500W)では膜厚の増加量が30Åとなることが確認された。高周波電力が大きくなると、イオン化エネルギ―が増大する。後の評価試験2で示すように、膜厚の増加にはa―Si膜への水素の注入が関与するが、500Wの場合はその水素の活性が高く、その水素とSiとの結合の形成が促進され、膜厚の増加に寄与したものと推察される。
一方、比較例1の結果では、高周波電力を100Wより大きくしても、ポリシリコン膜の膜厚はプラズマ処理により減少し、その減少量は電力の変化によらずほぼ一定であることが認められた。
一方、比較例1の結果では、高周波電力を100Wより大きくしても、ポリシリコン膜の膜厚はプラズマ処理により減少し、その減少量は電力の変化によらずほぼ一定であることが認められた。
(評価結果3)
ウエハ温度300℃、高周波電力500Wの条件にてプラズマ処理を行なった実施例2のウエハ(実施例2―1)と、酸化物除去工程のみを実施し、プラズマ処理は行わない実施例2のウエハ(実施例2―2)について、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)により表面の断面画像を取得した。実施例2―1の断面画像の模式図を図10として示す。図10中では、Si膜よりなる下層膜22、SiO2膜よりなるライナ―膜23、ライナ―膜23上のa―Si膜を24として夫々示している。実施例2―1と、実施例2―2について、a―Si膜24の上部A1、A2、中間部B1、B2、下方部C1、C2の夫々の部位における膜厚を、TEM画像に基づいて検出した結果を次に示す。
ウエハ温度300℃、高周波電力500Wの条件にてプラズマ処理を行なった実施例2のウエハ(実施例2―1)と、酸化物除去工程のみを実施し、プラズマ処理は行わない実施例2のウエハ(実施例2―2)について、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)により表面の断面画像を取得した。実施例2―1の断面画像の模式図を図10として示す。図10中では、Si膜よりなる下層膜22、SiO2膜よりなるライナ―膜23、ライナ―膜23上のa―Si膜を24として夫々示している。実施例2―1と、実施例2―2について、a―Si膜24の上部A1、A2、中間部B1、B2、下方部C1、C2の夫々の部位における膜厚を、TEM画像に基づいて検出した結果を次に示す。
(実施例2―1)
A1:17.6nm、A2:18.3nm、B1:17.5nm、B2:17.6nm、C1:17.5nm、C2:17.8nm
(実施例2―2)
A1:16.3nm、A2:16.2nm、B1:17.3nm、B2:16.6nm、C1:16.9nm、C2:16.7nm
実施例2―1はプラズマ処理工程S3を実施した後の膜厚、実施例2―2はプラズマ処理工程S3を実施する前の膜厚である。TEM画像から求めた膜厚であるため、多少の測定誤差は存在するが、実施例2―1は実施例2―2に比べて、全ての測定部位において膜厚が増加することが明らかである。
A1:17.6nm、A2:18.3nm、B1:17.5nm、B2:17.6nm、C1:17.5nm、C2:17.8nm
(実施例2―2)
A1:16.3nm、A2:16.2nm、B1:17.3nm、B2:16.6nm、C1:16.9nm、C2:16.7nm
実施例2―1はプラズマ処理工程S3を実施した後の膜厚、実施例2―2はプラズマ処理工程S3を実施する前の膜厚である。TEM画像から求めた膜厚であるため、多少の測定誤差は存在するが、実施例2―1は実施例2―2に比べて、全ての測定部位において膜厚が増加することが明らかである。
以上のように、この評価試験1の結果からa―Si膜をH2プラズマに曝すことで、当該a―Si膜の膜厚を上昇させることができることが確認された。そして、そのように膜厚を上昇させるにあたって、200℃より高く500℃より低い範囲内の温度にてウエハWをプラズマ処理することが好ましいことが分かる。また、図8に示したようにウエハWの温度が高くなるにつれてエッチング量が次第に減少し、200℃では10Åと比較的小さいエッチング量となり、300℃では30Åと、比較的大きい膜厚の上昇が確認されている。そのことを考慮すれば、これら200℃と300℃との間の250℃以上の温度であれば膜厚を上昇させることができると考えられる。つまり、上記の温度範囲のうち、250℃以上とすることがより好ましく、膜厚の上昇が確認された300℃以上とすることがさらに好ましい。また、高周波電力については100Wに設定した場合にエッチング量が略0Åであったことから考えると、a―Si膜の膜厚を上昇させるためには100Wよりも大きい高周波電力とすることが好ましく、当該膜厚の上昇が確認された500W以上にすることがより好ましい。以上に述べたウエハWの温度及び高周波電力の範囲を、実施形態で説明したプラズマ処理を行う各装置及び各処理モジュ―ルに適用することができる。
(評価試験2)
実施例1のウエハ、比較例1のウエハについて、評価試験1と同様に、酸化物除去工程を実施した後、ウエハ温度を変えてプラズマ処理工程S3を実施し、この工程S3後のウエハについて、二次イオン質量分析(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により被処理膜中の水素濃度を確認した。プラズマ処理工程S3におけるウエハ温度以外の条件は、評価試験1と同様であり、高周波電力は500Wとした。
実施例1のウエハ、比較例1のウエハについて、評価試験1と同様に、酸化物除去工程を実施した後、ウエハ温度を変えてプラズマ処理工程S3を実施し、この工程S3後のウエハについて、二次イオン質量分析(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により被処理膜中の水素濃度を確認した。プラズマ処理工程S3におけるウエハ温度以外の条件は、評価試験1と同様であり、高周波電力は500Wとした。
(実施例1の評価結果)
実施例1の結果について、ウエハ温度が200℃(破線)、300℃(実線)、500℃(一点鎖線)については図11Aに、ウエハ温度が100℃(二点鎖線)、120℃(一点鎖線)、160℃(実線)については図11Bに夫々示す。また、酸化物除去工程を実施し、プラズマ処理工程S3を実施しない場合についても、図11Bに「H2プラズマ無(破線)」として合わせて示す。図11A、11B中、横軸はa―Si膜の表面からの深さ(nm)、縦軸は水素濃度(1cc当りの原子数)を示している。
実施例1の結果について、ウエハ温度が200℃(破線)、300℃(実線)、500℃(一点鎖線)については図11Aに、ウエハ温度が100℃(二点鎖線)、120℃(一点鎖線)、160℃(実線)については図11Bに夫々示す。また、酸化物除去工程を実施し、プラズマ処理工程S3を実施しない場合についても、図11Bに「H2プラズマ無(破線)」として合わせて示す。図11A、11B中、横軸はa―Si膜の表面からの深さ(nm)、縦軸は水素濃度(1cc当りの原子数)を示している。
この結果、プラズマ処理工程S3を実施した場合には、実施しない場合に比べて、膜中の水素濃度が高くなることが確認された。また、ウエハ温度が100℃~300℃の範囲では、温度が高くなる程、膜中の水素濃度が高くなること、100℃~200℃の範囲では、膜を垂直方向で見ると、表面に近い程水素濃度が高くなることが認められた。さらに、100℃~160℃では、膜の表面から40nm深い領域では、プラズマ処理工程S3を実施しない場合と同等の水素濃度になるものの、200℃では前記40nm程度深い領域においても、プラズマ処理工程S3を実施しない場合に比べて約100倍の水素原子が存在することが認められた。さらに、300℃では、a―Si膜の表面から、深さが60nm付近に至るまで、膜の垂直方向における水素濃度がほぼ一定であり、当該垂直方向において一様に多くの水素が存在することが確認された。
このように、a―Si膜を水素プラズマに曝すことにより、a―Si膜中に水素が注入されることが確認できた。但し、評価試験1の結果も踏まえれば、ウエハ温度が100℃~200℃の範囲では、a―Si膜中に水素が注入されるものの膜厚は減少し、300℃以上の温度帯においては膜厚が増加している。その300℃では100℃~200℃の温度帯に比べて、膜の深い領域における水素濃度が高い。それにより、膜の表層から比較的深い領域に亘って多くの水素が存在している。このことから、300℃で処理したウエハWについては膜の垂直方向において一様に膜の膨張が起きたことで、結果として膜厚が大きく増加したものと推察される。
なお、500℃のデ―タでは、a―Si膜の垂直方向において水素濃度が一様であるものの、300℃に比べると、水素濃度が低いことがわかる。既述のように、500℃では膜の膨張が大きくなり過ぎて、膜剥がれが生じた。その際に膜が粉砕し、膜中の水素が放出されたと考えられる。
なお、500℃のデ―タでは、a―Si膜の垂直方向において水素濃度が一様であるものの、300℃に比べると、水素濃度が低いことがわかる。既述のように、500℃では膜の膨張が大きくなり過ぎて、膜剥がれが生じた。その際に膜が粉砕し、膜中の水素が放出されたと考えられる。
(比較例1の評価結果)
比較例1の結果について、ウエハ温度が200℃(破線)、300℃(実線)、500℃(一点鎖線)については図12Aに、ウエハ温度が100℃(二点鎖線)、120℃(一点鎖線)、160℃(実線)については図12Bに夫々示す。また、酸化物除去工程を実施し、プラズマ処理工程S3を実施しない場合(H2プラズマ無)についても、図12Bに破線にて合わせて示す。
この結果、ポリシリコン膜においても、プラズマ処理工程S3を実施した場合には、実施しない場合に比べて、膜中の水素濃度が高くなるものの、a―Si膜に比べて水素濃度が低いことが確認された。
比較例1の結果について、ウエハ温度が200℃(破線)、300℃(実線)、500℃(一点鎖線)については図12Aに、ウエハ温度が100℃(二点鎖線)、120℃(一点鎖線)、160℃(実線)については図12Bに夫々示す。また、酸化物除去工程を実施し、プラズマ処理工程S3を実施しない場合(H2プラズマ無)についても、図12Bに破線にて合わせて示す。
この結果、ポリシリコン膜においても、プラズマ処理工程S3を実施した場合には、実施しない場合に比べて、膜中の水素濃度が高くなるものの、a―Si膜に比べて水素濃度が低いことが確認された。
このように、ポリシリコン膜においても、水素プラズマに曝すことによって、ある程度膜中に水素が注入されるものの、a―Si膜に比べると水素の注入量が少ない。ポリシリコン膜は、a―Si膜を加熱して形成された、a―Si膜より緻密な膜であるため、水素が注入しにくく、評価試験1の結果からも明らかなように、膜厚の増加に結びつかないものと推察される。
以上の評価試験2の結果から水素原子について膜の表層から比較的深い領域に亘って浸透させることが膜厚を上昇させる上で有効であることが分かる。結晶構造を持つ膜よりもアモルファス性(非晶質性)の膜の方がプラズマ処理によって、水素原子が浸透しやすいと考えられるので、この評価試験2からは実施形態で述べたようにアモルファス膜を水素プラズマ処理の対象とすることが好ましいことが推定される。
W ウエハ
S3 プラズマ処理工程
2 被処理膜(アモルファスシリコン膜)
51、81 処理容器
S3 プラズマ処理工程
2 被処理膜(アモルファスシリコン膜)
51、81 処理容器
Claims (10)
- シリコン含有膜あるいはゲルマニウム膜である被処理膜が表面に形成された基板が格納される処理容器内に水素プラズマを形成し、当該被処理膜の膜厚を増加させるプラズマ処理工程を備える基板処理方法。
- 前記プラズマ処理工程は、前記基板を200℃より高い温度に加熱して前記水素プラズマに曝す工程である請求項1記載の基板処理方法。
- 前記水素プラズマは容量結合プラズマであり、
前記プラズマ処理工程は、平行平板電極に100Wよりも大きい電力を供給して当該容量結合プラズマを形成する工程を含む請求項1記載の基板処理方法。 - 前記被処理膜は、アモルファス膜である請求項1記載の基板処理方法。
- 前記被処理膜は、アモルファスシリコン膜である請求項4記載の基板処理方法。
- 前記被処理膜は第1の凹部を形成し、
前記プラズマ処理工程は、前記第1の凹部をなす側壁同士が接するように前記被処理膜の膜厚を上昇させる工程である請求項1記載の基板処理方法。 - 表面に第2の凹部を形成する下層膜が形成された前記基板に成膜ガスを供給して、当該下層膜を被覆すると共に前記第1の凹部をなすように前記被処理膜を形成する第1の成膜工程と、
続いて前記プラズマ処理工程を行った後、前記基板に前記成膜ガスを供給して前記被処理膜を当該第1の凹部に充填させる第2の成膜工程と、
を備える請求項6記載の基板処理方法。 - 前記第1の成膜工程を行った後、前記プラズマ処理工程を行うまでに、
前記被処理膜の表面の酸化物を除去する酸化物除去工程と、
前記酸化物除去工程を行った後、前記第2の成膜工程を行うまで、前記基板の周囲を真空雰囲気に保つ工程と、
を含む請求項7記載の基板処理方法。 - 前記第1の成膜工程の後、前記プラズマ処理工程を行うまでに、前記第1の凹部の開口を広げるためにエッチングガスを供給して前記被処理膜をエッチングするエッチング工程が行われる請求項7記載の基板処理方法。
- シリコン含有膜あるいはゲルマニウム膜である被処理膜が表面に形成された基板を格納する処理容器と、
当該被処理膜の膜厚が増加するように、前記処理容器内に水素プラズマを形成する水素プラズマ形成部と、
を備える基板処理装置。
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2022
- 2022-03-29 JP JP2022054122A patent/JP2023146756A/ja active Pending
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2023
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