トレンチの埋め込み方法および成膜システム
【課題】 トレンチの内部に酸化障壁となる膜を形成しなくても、トレンチの内部に埋め込まれた埋め込み材料に空隙が発生することを抑制することが可能なトレンチの埋め込み方法を提供すること。
【解決手段】 少なくともトレンチ６の側壁に酸化膜７が形成されている半導体基板１を加熱し、半導体基板１の表面にアミノシラン系ガスを供給して半導体基板１上にシード層８を形成し、シード層８が形成された半導体基板１を加熱し、シード層８の表面にモノシランガスを供給してシード層８上にシリコン膜９を形成し、シリコン膜９が形成された半導体基板１のトレンチ６を、焼成することで収縮する埋め込み材料１０を用いて埋め込み、トレンチ６を埋め込む埋め込み材料１０を、水及び／又はヒドロキシ基を含む雰囲気中で焼成するとともに、シリコン膜９、及びシード層８をシリコン酸化物に変化させる。
【解決手段】 少なくともトレンチ６の側壁に酸化膜７が形成されている半導体基板１を加熱し、半導体基板１の表面にアミノシラン系ガスを供給して半導体基板１上にシード層８を形成し、シード層８が形成された半導体基板１を加熱し、シード層８の表面にモノシランガスを供給してシード層８上にシリコン膜９を形成し、シリコン膜９が形成された半導体基板１のトレンチ６を、焼成することで収縮する埋め込み材料１０を用いて埋め込み、トレンチ６を埋め込む埋め込み材料１０を、水及び／又はヒドロキシ基を含む雰囲気中で焼成するとともに、シリコン膜９、及びシード層８をシリコン酸化物に変化させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、トレンチの埋め込み方法および成膜システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路装置は、その内部に微細なトレンチ構造を持つ。微細なトレンチ構造の典型的な例は、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）である。ＳＴＩは半導体素子の活性領域どうしを分離する素子分離領域であり、シリコン基板に微細なトレンチを形成し、この微細なトレンチの内部に絶縁物を埋め込むことで形成される。
【０００３】
埋め込まれる絶縁物としては、例えば、特許文献１に記載されているようにＳＯＤ（Ｓｐｉｎ−Ｏｎ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ）が知られており、特に、ＰＨＰＳ（ＰｅｒＨｙｄｒｏＰｏｌｙＳｉｌａｚａｎｅ：ＳｉＨ２ＮＨ）を主成分とする無機ポリマーが注目されている。ＰＨＰＳは、例えば、水蒸気雰囲気中で焼成されると、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）に変わる。反応式は、次の通りである。
ＳｉＨ２ＮＨ＋２Ｈ２Ｏ → ＳｉＯ２＋ＮＨ３＋２Ｈ２
しかし、ＰＨＰＳはシリコン酸化物に変化するときに収縮する。このため、微細なトレンチの内部に空隙が発生してしまう。
【０００４】
そこで、特許文献１はＰＨＰＳの収縮量を見越し、微細なトレンチの内部に膨張可能な膜を予め形成してから、ＰＨＰＳを埋め込む。膨張可能な膜はシリコン（Ｓｉ）膜である。特許文献１は、シリコン膜をシリコン酸化膜に変化させ、膨張させることで、ＰＨＰＳの収縮分を相殺し、微細なトレンチの内部に空隙が発生することを抑制する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７，１１２，５１３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、シリコン膜をシリコン酸化膜に変化させる工程、即ち、酸化工程が入る。このため、シリコン膜を形成する前に、酸素を通し難い酸化障壁となる膜を微細なトレンチの内部に形成する。酸化がシリコン基板に達することがないようにするためである。特許文献１では、酸化障壁となる膜はシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）である。
【０００７】
しかし、トレンチの微細化がさらに進展すると、膨張可能な膜に加えて、酸化障壁となる膜をトレンチの内部に形成することが難しくなったり、あるいは形成不可能になったりすることが予測される。
【０００８】
また、酸化障壁となる膜は、トレンチの内部にそのまま残る。埋め込まれる絶縁物と、酸化障壁となる膜とが異なる物質である場合には、これらの間にはバンドギャップ差が生じる。つまり、電荷をトラップしてしまうような構造が、トレンチの内部に形成されてしまう。もし、素子分離領域であるトレンチの内部に電荷がトラップされてしまうと、半導体集積回路装置の動作に支障を及ぼす可能性がある。
【０００９】
この発明は、上記事情に鑑みて為されたもので、トレンチの内部に酸化障壁となる膜を形成しなくても、トレンチの内部に埋め込まれた埋め込み材料に空隙が発生することを抑制することが可能なトレンチの埋め込み方法、及びこのトレンチの埋め込み方法を実施することが可能な成膜システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明の第１の態様に係るトレンチの埋め込み方法は、（１）トレンチが形成され、少なくとも前記トレンチの側壁に酸化膜が形成されている半導体基板を加熱し、前記半導体基板の表面にアミノシラン系ガスを供給して前記半導体基板上にシード層を形成する工程と、（２）前記シード層が形成された半導体基板を加熱し、前記シード層の表面にモノシランガスを供給して前記シード層上にシリコン膜を形成する工程と、（３）前記シリコン膜が形成された半導体基板の前記トレンチを、焼成することで収縮する埋め込み材料を用いて埋め込む工程と、（４）前記トレンチを埋め込む前記埋め込み材料を、水及び／又はヒドロキシ基を含む雰囲気中で焼成するとともに、前記シリコン膜、及び前記シード層をシリコン酸化物に変化させる工程とを含む。
【００１１】
この発明の第２の態様に係る成膜システムは、半導体基板に形成されたトレンチの埋め込みに使用される成膜システムであって、トレンチが形成され、少なくとも前記トレンチの側壁に酸化膜が形成されている半導体基板を加熱し、前記半導体基板の表面にアミノシラン系ガスを供給して前記半導体基板上にシード層を形成し、前記シード層が形成された半導体基板を加熱し、前記シード層の表面にモノシランガスを供給して前記シード層上にシリコン膜を形成する第１の処理室と、前記シリコン膜が形成された半導体基板の前記トレンチを、焼成することで収縮する埋め込み材料を用いて埋め込む第２の処理室と、前記トレンチを埋め込む前記埋め込み材料を、水及び／又はヒドロキシ基を含む雰囲気中で焼成するとともに、前記シリコン膜、及び前記シード層をシリコン酸化物に変化させる第３の処理室とを含む。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、トレンチの内部に酸化障壁となる膜を形成しなくても、トレンチの内部に埋め込まれた埋め込み材料に空隙が発生することを抑制することが可能なトレンチの埋め込み方法、及びこのトレンチの埋め込み方法を実施することが可能な成膜システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の第１の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法のシーケンスの一例を示す流れ図
【図２】図１に示すシーケンス中の半導体基板の状態を概略的に示す断面図
【図３】堆積時間とシリコン膜の膜厚との関係を示す図
【図４】図３中の破線枠Ａ内を拡大した拡大図
【図５】シード層及びシリコン膜を成膜することが可能な成膜装置の一例を概略的に示す断面図
【図６】この発明の第２の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法のシーケンスの一例を示す流れ図
【図７】この発明の第３の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法のシーケンスの一例を示す流れ図
【図８】第１の実施形態に従って成膜されたシリコン膜９を持つ半導体装置の内部構造を示す図面代用写真
【図９】第３の実施形態に従って成膜されたシリコン膜９を持つ半導体装置の内部構造を示す図面代用写真
【図１０】ジシランガスのみを用いて成膜されたシリコン膜９を持つ半導体装置の内部構造を示す図面代用写真
【図１１】シランガスのみを用いて成膜されたシリコン膜９を持つ半導体装置の内部構造を示す図面代用写真
【図１２】この発明の第３の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法のシーケンスの他例を示す流れ図
【図１３】成膜システムの第１例を概略的に示すブロック図
【図１４】成膜システムの第２例を概略的に示すブロック図
【図１５】成膜システムの第３例を概略的に示すブロック図
【図１６】成膜システムの第４例を概略的に示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本願発明者らは、トレンチの内部から酸化障壁となる膜を無くすことができないか、試行を重ねた。
【００１５】
膨張可能な膜はシリコン膜であり、シリコン膜は、一般的にジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を用いて成膜される。ジシランは平坦面への成膜には適しているが、ステップカバレッジが良くない。このため、ジシランを用いて成膜されたシリコン膜の、トレンチの側壁における膜厚は、シリコン基板の上面に比較して薄い。このようなシリコン膜を、シリコン基板の上面に形成されたシリコン膜が全て酸化される条件で酸化すると、トレンチの側壁からシリコン基板の内部へ酸化が進行してしまう。反対に、上記シリコン膜を、トレンチの側壁からシリコン基板の内部へ酸化が進行しない条件で酸化すると、シリコン基板の上面に、酸化しきれなかったシリコン膜が残ってしまう。
【００１６】
このような現状から、トレンチの内部に酸化障壁となる膜を形成し、トレンチ側壁からシリコン基板の内部へ酸化が進行することを抑制しつつ、シリコン基板の上面に形成されたシリコン膜を、全て酸化しきるようにしている。
【００１７】
膨張可能な膜、即ち、シリコン膜のステップカバレッジを改善するために、本願発明者らは、シリコン原料をジシランからモノシラン（ＳｉＨ４）に変更した。モノシランを用いて成膜したシリコン膜は、ジシランを用いて成膜したシリコン膜に比較してステップカバレッジが良い。
【００１８】
しかしながら、モノシランはジシランに比較してインキュベーション時間が長い。このため、膜厚を薄くしようとすると、アイランド状に成膜されてしまい膜にならない。
【００１９】
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、全図にわたり、共通の部分には共通の参照符号を付す。
【００２０】
（第１の実施形態）
図１は、この発明の第１の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法のシーケンスの一例を示す流れ図、図２Ａ〜図２Ｇは、図１に示すシーケンス中の半導体基板の状態を概略的に示す断面図である。
【００２１】
まず、図１中のステップ１に示すように、半導体基板にトレンチを形成する。
【００２２】
半導体基板にトレンチを形成する一例は、以下の通りである。
【００２３】
図２Ａに示すように、半導体基板、本例ではシリコン基板１の表面を熱酸化し、パッド酸化膜２を形成する。次いで、パッド酸化膜２上に窒化シリコンを堆積し、シリコン窒化膜３を形成する。次いで、シリコン窒化膜３上にフォトレジストを塗布し、フォトレジスト膜４を形成する。次いで、フォトリソグラフィ法を用いて、フォトレジスト膜４にトレンチ形成パターンに対応した窓５を形成する。
【００２４】
次に、図２Ｂに示すように、フォトレジスト膜４をマスクに用いて、シリコン窒化膜３、パッド酸化膜２、及びシリコン基板１を異方性エッチング、例えば、反応性イオンエッチングし、シリコン基板１にトレンチ６を形成する。
【００２５】
次に、図１中のステップ２に示すように、半導体基板の表面に酸化膜を形成する。
【００２６】
この工程は、図２Ｃに示すように、少なくともトレンチ６の側壁に露出したシリコン基板１の表面に、シリコン基板１よりも酸化が進行し難い膜を形成する工程である。本例では、酸化膜７を、少なくともトレンチ６の側壁に形成した。トレンチ６の側壁においては、酸化膜７はシリコン酸化物である。シリコン酸化物は、シリコンよりも酸化が進行し難い膜である。
【００２７】
また、本例では、酸化膜７を、ラジカル酸化法を用いて形成した。ラジカル酸化法によれば、図２Ｃに示すように、トレンチ６の側壁に露出したシリコン基板１の表面だけでなく、パッド酸化膜２やシリコン窒化膜３なども酸化することができる。即ち、シリコン基板１のトレンチ形成面側の表面全体を酸化でき、酸化膜７がシリコン基板１のトレンチ形成面側の全体に形成される。シリコン基板１のトレンチ形成面側の全体に酸化膜７が形成されていると、次に形成されるシード層は、酸化膜７上に形成することができる。シード層が窒化膜上及び酸化膜上の双方に同時に形成されると、シード層の次に形成されるシリコン膜の成長速度が、窒化膜上と酸化膜上とで相違が生じる可能性がある。この点、本例のように、シード層を酸化膜７上に形成されるようにしておけば、シリコン膜の成長速度の相違を小さくでき、ステップカバレッジの改善に役立つ。
【００２８】
次に、図１中のステップ３及び図２Ｄに示すように、酸化膜７上にシード層８を形成する。具体的には、酸化膜７が形成されたシリコン基板１を加熱し、加熱したシリコン基板１の表面にアミノシラン系ガスを流すことでシリコン基板１の表面上、本例では酸化膜７の表面上にシード層８を形成する。
【００２９】
アミノシラン系ガスの例としては、
ＢＡＳ（ブチルアミノシラン）
ＢＴＢＡＳ（ビスターシャリブチルアミノシラン）
ＤＭＡＳ（ジメチルアミノシラン）
ＢＤＭＡＳ（ビスジメチルアミノシラン）
ＴＤＭＡＳ（トリジメチルアミノシラン）、
ＤＥＡＳ（ジエチルアミノシラン）、
ＢＤＥＡＳ（ビスジエチルアミノシラン）、
ＤＰＡＳ（ジプロピルアミノシラン）、
ＤＩＰＡＳ（ジイソプロピルアミノシラン）
等を挙げることができる。本例では、ＤＩＰＡＳを用いた。
【００３０】
ステップ３における処理条件の一例は、
ＤＩＰＡＳ流量： ５００ｓｃｃｍ
処 理 時 間： １ｍｉｎ
処 理 温 度： ４００℃
処 理 圧 力： ５３．３Ｐａ（０．４Ｔｏｒｒ）
である。ステップ３の工程を、本明細書では以下プリフローと呼ぶ。
【００３１】
上記ステップ３は、モノシランを酸化膜７に吸着させやすくする工程である。ステップ３において、シード層８を形成すると記載しているが、実際にはほとんど成膜されることはない。シード層８の厚さは、好ましくは単原子層レベルの厚さ程度であることが良い。具体的なシード層８の厚さを言及すれば、０．１ｎｍ以上０．３ｎｍ以下であることが良い。
【００３２】
次に、図１中のステップ４及び図２Ｅに示すように、シード層８上にシリコン膜９を形成する。具体的には、シード層８が形成されたシリコン基板１を加熱し、加熱したシリコン基板１の表面にモノシランガスを流すことでシリコン基板１の表面上、本例ではシード層８の表面上にシリコン膜９を形成する。
【００３３】
ステップ４における処理条件の一例は、
モノシラン流量： ８００ｓｃｃｍ
処 理 時 間： ４ｍｉｎ
処 理 温 度： ５３５℃
処 理 圧 力： ６０Ｐａ（０．４５Ｔｏｒｒ）
である。
【００３４】
上記モノシラン流量、処理温度、および処理圧力の条件では、およそ３〜６ｍｉｎの処理時間（堆積時間）で、２〜１０ｎｍ程度の薄いアモルファスのシリコン膜９が形成される。シリコン膜９の厚さは、後に形成される埋め込み材料の縮小分を相殺するために、重要な役割を果たす。もちろん、相殺量はシード層８の微小な厚さとシリコン膜９の厚さとの合計値で決まるが、シード層８はモノシランの吸着を促進させるための層であり、ほとんど厚さがない。このため、相殺量のほとんどはシリコン膜９の膨張後の厚さが占めることになる。即ち、相殺量は、シリコン膜９の厚さでほぼ決まる。
【００３５】
次に、図１中のステップ５及び図２Ｆに示すように、トレンチ６を、焼成することで収縮する埋め込み材料１０を用いて埋め込む。具体的には、シリコン膜９が形成されたシリコン基板１の表面に、焼成することでシリコン酸化物に変化する液状の埋め込み材料１０を回転塗布してトレンチ６を埋め込む。
【００３６】
焼成することでシリコン酸化物に変化する材料の例としては、ＰＨＰＳ（ＰｅｒＨｙｄｒｏＰｏｌｙＳｉｌａｚａｎｅ：ＳｉＨ２ＮＨ）を主成分とする無機ポリマーを挙げることができる。
【００３７】
最後に、図１中のステップ６及び図２Ｇに示すように、トレンチ６を埋め込む埋め込み材料１０を、水及び／又はヒドロキシ基を含む雰囲気中で焼成するとともに、シリコン膜９、及びシード層８をシリコン酸化物１２に変化させる。具体的には、埋め込み材料１０が塗布されたシリコン基板１を、水及び／又はヒドロキシ基を含む雰囲気中で焼成して埋め込み材料１０をシリコン酸化物１１へ変化させるとともに、シリコン膜９、及びシード層８をシリコン酸化物１２に変化させる。
【００３８】
ステップ６における処理条件の一例は、
Ｈ２Ｏ 流量： １０ｌ／ｍｉｎ
処 理 時 間： ４５ｍｉｎ
処 理 温 度： ７５０℃
処 理 圧 力： ５３．３ｋＰａ（４００Ｔｏｒｒ）
である。
【００３９】
また、上記焼成処理の後、処理温度９５０℃、不活性ガス雰囲気、例えば、窒素ガス雰囲気中で熱処理し、シリコン酸化物１１を、より強固な埋め込み膜とするように、さらに焼成処理を続行しても良い。
【００４０】
また、上記焼成処理の前に、より低温である処理温度４００℃、水及び／又はヒドロキシ基を含む雰囲気中、例えば水蒸気雰囲気中で予備処理をしておいても良い。
【００４１】
埋め込み材料１０は、焼成されてシリコン酸化物１１に変化するときに収縮する。反対に、シリコン膜９及びシード層８は、シリコン酸化物１２に変化するときに膨張する。このように埋め込み材料１０の収縮分を、シリコン膜９及びシード層８を膨張分で相殺することで、トレンチ６の内部に空隙が発生することを抑制する。
【００４２】
空隙の発生をより良く抑制するためには、シリコン膜９の厚さ及びシード層８の厚さを、シリコン膜９の膨張量の２倍値とシード層８の膨張量の２倍値との合計値が、埋め込み材料１０の収縮量に一致するように設定されると良い。
【００４３】
さらに、シリコン膜９の膨張後の厚さの２倍値と、シード層８の膨張後の厚さの２倍値と、埋め込み材料１０の収縮後の厚さとの合計値は、トレンチ６の幅に一致するように設定されると良い。
【００４４】
これらのように設定されることで、トレンチ６の内部に空隙が発生することをより良く抑制することができる。
【００４５】
また、ステップ６は、シリコン膜９及びシード層８の酸化を兼ねる。このため、ステップ６における焼成時間は、シリコン膜９及びシード層８がちょうど、酸化しきる時間に設定されることが良い。
【００４６】
このように設定されることで、トレンチ６の側壁からシリコン基板１へ酸化が進行することを抑制することができる。
【００４７】
ここで、本例では、シリコン膜９の原料としてモノシランを用いている。このため、シリコン膜９のステップカバレッジは、原料としてジシランやトリシランなどの高次シランを用いる場合に比較して良い。
【００４８】
このため、シリコン膜９のトレンチ６の側壁における膜厚は、シリコン基板１の上面における膜厚とほぼ等しくすることができる。このため、トレンチ６の側壁上のシリコン膜９を酸化しきった時点で、シリコン基板１の上面におけるシリコン膜９を酸化しきることができる。
【００４９】
つまり、シリコン膜９のステップカバレッジを改善することで、トレンチ６の側壁からシリコン基板１へ酸化を進行させるような酸化をせずに済み、トレンチ６の内部から酸化障壁となる膜を無くすことができる。
【００５０】
ただし、シリコン膜９のステップカバレッジが改善されても、酸化条件によっては、トレンチ６の底部では酸化が進み難くなることもある。このような場合には、シリコン膜９及びシード層８が、シリコン基板１の上面上、及びトレンチ６の側壁上でちょうど、酸化しきる時間よりも多少長い時間をかけて、ステップ６を実行すると良い。このように酸化しきる時間よりも多少長い時間をかけて、シリコン膜９及びシード層８を過剰に酸化することで、トレンチ６の底部に未酸化のシリコン膜９及びシード層８が残らずに済む。
【００５１】
この場合、シリコン膜９の厚さが薄いほど、過剰な酸化時間を短く、即ち、酸化条件を弱くすることができる。このため、シリコン膜９の厚さは薄い方が良い。シリコン基板１へ酸化が進むことを、最小限度に抑えるためである。
【００５２】
このように、トレンチ６の底部に未酸化のシリコン膜９及びシード層８を残らないようにするために、シリコン膜９及びシード層８を過剰に酸化する場合には、シリコン膜９の厚さは、２ｎｍ〜５ｎｍ程度が良い。
【００５３】
また、モノシランはインキュベーション時間が長い、という事情については、シリコン基板１の表面、本例では酸化膜７の表面にアミノシラン系ガスをプリフローしてシード層８を形成した後、シリコン膜９を形成することで解消した。
【００５４】
図３に、堆積時間とシリコン膜９の膜厚との関係を示す。図３に示す結果は下地をシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）とした場合である。本例では酸化膜７に相当する。
【００５５】
本例で用いたプリフローにおける処理条件は、
ＤＩＰＡＳ流量： ２００ｓｃｃｍ
処 理 時 間： １ｍｉｎ
処 理 温 度： ４００℃
処 理 圧 力： １３３．３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）
である。
【００５６】
同じく本例で用いたシリコン膜９を成膜するための処理条件は、
モノシラン流量： ２００ｓｃｃｍ
堆 積 時 間： ３０ｍｉｎ／４５ｍｉｎ／６０ｍｉｎ
処 理 温 度： ５３０℃
処 理 圧 力： ５３．２Ｐａ（０．４Ｔｏｒｒ）
である。
【００５７】
シリコン膜９の膜厚は、堆積時間を３０ｍｉｎとしたとき、４５ｍｉｎとしたとき、及び６０ｍｉｎとしたときの３点で測定した。
【００５８】
図３中の線Ｉはプリフロー有りの場合、線IIはプリフロー無しの場合の結果を示している。線Ｉ、IIは、測定された３つの膜厚を最小二乗法で直線近似した直線であり、式は次の通りである。
【００５９】
線Ｉ：ｙ＝17.572ｘ−20.855 …（１）
線II：ｙ＝17.605ｘ−34.929 …（２）
図３に示すように、プリフロー有りの場合、プリフロー無しに比較してシリコン膜９の膜厚が増す傾向が明らかとなった。
【００６０】
上記（１）、（２）式をｙ＝０、即ち、シリコン膜９の膜厚を“０”としたとき、線Ｉ、IIと堆積時間との交点を求めたものを図４に示す。
【００６１】
なお、図４は図３中の破線枠Ａ内を拡大した拡大図である。
【００６２】
図４に示すように、下地がプリフロー有りのシリコン酸化膜のとき、シリコン膜９の堆積が処理開始から約１．２ｍｉｎ（ｘ≒１．１８９）から始まる。対して、下地がプリフロー無しのシリコン酸化膜のときには、シリコン膜９の堆積が処理開始から約２．０ｍｉｎ（ｘ≒１．９８４）から始まる。
【００６３】
このように、下地に対してアミノシラン系ガスのプリフローを行うことで、インキュベーション時間を、約２．０ｍｉｎから約１．２ｍｉｎに短縮することができる。この結果、薄い膜厚、例えば２ｎｍ〜１０ｎｍ程度の膜厚のシリコン膜９を、モノシランを用いて成膜することができる。
【００６４】
以上、この発明の第１の実施形態によれば、トレンチ６の内部に酸化障壁となる膜を形成しなくても、トレンチ６の内部に埋め込まれた埋め込み材料（シリコン酸化物１１、１２）に空隙が発生することを抑制することができる。
【００６５】
このため、第１の実施形態によれば、トレンチ６の微細化がさらに進展しても、トレンチ６を、空隙を発生させることなく埋め込むことができる、という利点を得ることができる。
【００６６】
また、第１の実施形態によれば、トレンチ６の内部に埋め込まれた材料は、酸化膜７も含めて全てシリコン酸化物となる。この構造による利点は、トレンチ６の内部が一種類の材料となるため、例えば、電荷をトラップしてしまうような構造がトレンチ６の内部に形成されることがない、ということである。このような構造は、半導体集積回路装置の更なる微細化にも有利である。
【００６７】
また、第１の実施形態によれば、酸化膜７が、ラジカル酸化法を用いて形成されたラジカル酸化膜である。ラジカル酸化膜は、熱酸化法を用いて形成した熱酸化膜よりも膜質を緻密にできる。即ち、ラジカル酸化膜は、熱酸化膜よりもさらに酸化が進行し難い膜である。したがって、酸化膜７をラジカル酸化膜とすることで、熱酸化膜に比較して、ステップ６における焼成中に、シリコン基板１へ酸化が進行することを、より抑制することができる、という利点を得ることができる。
【００６８】
また、ラジカル酸化法に代えて、プラズマ酸化法を用い、酸化膜７を、プラズマ酸化膜としても、同様の利点を得ることができる。
【００６９】
次に、上記シード層８及びシリコン膜９を成膜することが可能な成膜装置の一例を説明する。
【００７０】
図５は、シード層８及びシリコン膜９を成膜することが可能な成膜装置の一例を概略的に示す断面図である。
【００７１】
図５に示すように、成膜装置１００は、下端が開口された有天井の円筒体状の処理室１０１を有している。処理室１０１の全体は、例えば、石英により形成されている。処理室１０１内の天井には、石英製の天井板１０２が設けられている。処理室１０１の下端開口部には、例えば、ステンレススチールにより円筒体状に成形されたマニホールド１０３がＯリング等のシール部材１０４を介して連結されている。
【００７２】
マニホールド１０３は処理室１０１の下端を支持している。マニホールド１０３の下方からは、被処理体として複数枚、例えば、５０〜１００枚の半導体基板、本例では、シリコン基板１を多段に載置可能な石英製のウエハボート１０５が処理室１０１内に挿入可能となっている。これにより、処理室１０１内に被処理体、例えば、半導体基板、本例では、例えば、下地としてＳｉＯ２膜が予め堆積されたシリコン基板１が収容される。ウエハボート１０５は複数本の支柱１０６を有し、支柱１０６に形成された溝により複数枚のシリコン基板１が支持されるようになっている。
【００７３】
ウエハボート１０５は、石英製の保温筒１０７を介してテーブル１０８上に載置されている。テーブル１０８は、マニホールド１０３の下端開口部を開閉する、例えば、ステンレススチール製の蓋部１０９を貫通する回転軸１１０上に支持される。回転軸１１０の貫通部には、例えば、磁性流体シール１１１が設けられ、回転軸１１０を気密にシールしつつ回転可能に支持している。蓋部１０９の周辺部とマニホールド１０３の下端部との間には、例えば、Ｏリングよりなるシール部材１１２が介設されている。これにより処理室１０１内のシール性が保持されている。回転軸１１０は、例えば、ボートエレベータ等の昇降機構（図示せず）に支持されたアーム１１３の先端に取り付けられている。これにより、ウエハボート１０５および蓋部１０９等は、一体的に昇降されて処理室１０１内に対して挿脱される。
【００７４】
成膜装置１００は、処理室１０１内に、処理に使用するガスを供給する処理ガス供給機構１１４を有している。
【００７５】
処理ガス供給機構１１４は、アミノシラン系ガス供給源１１７、モノシランガス供給源１１８を含んでいる。
【００７６】
不活性ガス供給機構１１５は、不活性ガス供給源１２０を含んでいる。不活性ガスは、パージガス等に利用される。不活性ガスの一例は窒素（Ｎ２）ガスである。
【００７７】
アミノシラン系ガス供給源１１７は、流量制御器１２１ａ及び開閉弁１２２ａを介して、分散ノズル１２３に接続されている。分散ノズル１２３は石英管よりなり、マニホールド１０３の側壁を内側へ貫通して上方向へ屈曲されて垂直に延びる。分散ノズル１２３の垂直部分には、複数のガス吐出孔１２４が所定の間隔を隔てて形成されている。アミノシラン系ガスは、各ガス吐出孔１２４から水平方向に処理室１０１内に向けて略均一に吐出される。
【００７８】
モノシランガス供給源１１８は、流量制御器１２１ｂ及び開閉弁１２２ｂを介して、分散ノズル１２５に接続されている。分散ノズル１２５は石英管よりなり、マニホールド１０３の側壁を内側へ貫通して上方向へ屈曲されて垂直に延びる。分散ノズル１２５の垂直部分には、複数のガス吐出孔１２６が所定の間隔を隔てて形成されている。モノシランガスは、各ガス吐出孔１２６から水平方向に処理室１０１内に向けて略均一に吐出される。
【００７９】
処理室１０１内の、分散ノズル１２３及び１２５と反対側の部分には、処理室１０１内を排気するための排気口１２９が設けられている。排気口１２９は処理室１０１の側壁を上下方向へ削りとることによって細長く形成されている。処理室１０１の排気口１２９に対応する部分には、排気口１２９を覆うように断面がコの字状に成形された排気口カバー部材１３０が溶接により取り付けられている。排気口カバー部材１３０は、処理室１０１の側壁に沿って上方に延びており、処理室１０１の上方にガス出口１３１を規定している。ガス出口１３１には、真空ポンプ等を含む排気機構１３２が接続される。排気機構１３２は、処理室１０１内を排気することで処理に使用した処理ガスの排気、及び処理室１０１内の圧力を処理に応じた処理圧力とする。
【００８０】
処理室１０１の外周には筒体状の加熱装置１３３が設けられている。加熱装置１３３は、処理室１０１内に供給されたガスを活性化するとともに、処理室１０１内に収容された被処理体、例えば、半導体基板、本例ではシリコン基板１を加熱する。
【００８１】
成膜装置１００の各部の制御は、例えばマイクロプロセッサ（コンピュータ）からなるコントローラ１５０により行われる。コントローラ１５０には、オペレータが成膜装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、成膜装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインターフェース１５１が接続されている。
【００８２】
コントローラ１５０には記憶部１５２が接続されている。記憶部１５２は、成膜装置１００で実行される各種処理をコントローラ１５０の制御にて実現するための制御プログラムや、処理条件に応じて成膜装置１００の各構成部に処理を実行させるためのプログラムすなわちレシピが格納される。レシピは、例えば、記憶部１５２の中の記憶媒体に記憶される。記憶媒体は、ハードディスクや半導体メモリであってもよいし、ＣＤ-ＲＯＭ、ＤＶＤ、フラッシュメモリ等の可搬性のものであってもよい。また、他の装置から、例えば専用回線を介してレシピを適宜伝送させるようにしてもよい。レシピは、必要に応じて、ユーザーインターフェース１５１からの指示等にて記憶部１５２から読み出され、読み出されたレシピに従った処理をコントローラ１５０が実行することで、成膜装置１００は、コントローラ１５０の制御のもと、所望の処理が実施される。
【００８３】
本例では、コントローラ１５０の制御のもと、上記第１の実施形態におけるシード層８及びシリコン膜９を形成する処理が順次実施される。
【００８４】
上記第１の実施形態におけるシード層８及びシリコン膜９は、図５に示すような成膜装置１００を用いることによって、１台の成膜装置で形成することができる。
【００８５】
また、もちろん、成膜装置としては図５に示すようなバッチ式に限らず、枚葉式の成膜装置であっても良い。
【００８６】
（第２の実施形態）
シード層８及びシリコン膜９を形成する処理条件によっては、埋め込み材料１０の焼成中、ガスを放出するようなシード層８及びシリコン膜９が形成されることがある。埋め込み材料１０の焼成中に、シード層８及びシリコン膜９がガスを放出してしまうと、トレンチ６の内部に埋め込まれた埋め込み材料に空隙が発生する。
【００８７】
第２の実施形態は、ガスを放出するようなシード層８及びシリコン膜９が形成された場合であっても、トレンチ６の内部に埋め込まれた埋め込み材料に空隙が発生することを抑制することが可能なトレンチの埋め込み方法を提供しようとするものである。
【００８８】
図６は、この発明の第２の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法のシーケンスの一例を示す流れ図である。
【００８９】
図６に示すように、第２の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法が、第１の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法と異なるところは、ステップ４とステップ５との間に、ステップ７で示されるように、シリコン膜９及びシード層８からガスを放出させる工程があることである。具体的には、シリコン膜９及びシード層８が形成されたシリコン基板１を加熱し、シリコン膜９及びシード層８からガスを放出させる。
【００９０】
ステップ７における処理条件の一例は、
Ｎ２ 流 量：５０００ｓｃｃｍ
処 理 時 間： ３０ｍｉｎ
処 理 温 度： ６００℃
処 理 圧 力：０〜６６６Ｐａ（０〜５Ｔｏｒｒ：サイクルパージ）
である。
【００９１】
処理圧力が０〜６６６Ｐａのうち、０Ｐａとは、処理室内の窒素ガスを引ききるということである。つまり、本ステップ７の一例は、処理室の内部への窒素ガス供給と、処理室の内部からの窒素ガス排気とを交互に繰り返す例である（サイクルパージ）。
【００９２】
このように、埋め込み材料１０を塗布する前に、シリコン膜９及びシード層８からガスを放出させておくことで、埋め込み材料１０の焼成中に、シード層８及びシリコン膜９がガスを放出しまうことを抑制できる。
【００９３】
したがって、たとえ、ガスを放出するようなシード層８及びシリコン膜９が形成されたとしても、トレンチ６の内部に埋め込まれた埋め込み材料に空隙が発生することを抑制することができる。
【００９４】
また、サイクルパージを圧力を変動させて行ったり、また、同時に温度の昇降を行いながら実施したりするとシリコン膜９にマイグレーションが発生することがある。そのため、事前にシリコン膜９の表面に自然酸化膜を形成しておくと良い。
【００９５】
シリコン膜９の表面に自然酸化膜を形成するためには、ステップ４とステップ５とをインサイチュで行う場合、ステップ４とステップ７の間に、シリコン膜９及びシード層８が形成されたシリコン基板１を、酸素に接触させる工程を設けると良い。
【００９６】
また、ステップ４とステップ５とをエクスサイチュで行う場合には、ステップ４とステップ７との間に、ステップ４を行う成膜装置から、ステップ７を行う回転塗布装置まで、シリコン膜９及びシード層８が形成されたシリコン基板１を、大気下で搬送するようにすると良い。
【００９７】
このようにシリコン膜９の表面に、あらかじめ自然酸化膜を形成しておくことで、ステップ７、即ち、ガスを放出させている間に、シリコン膜９にマイグレーションが発生することを抑制することができる。
【００９８】
（第３の実施形態）
第３の実施形態は、良好なステップカバレッジを維持したまま、シリコン膜９の膜厚を、さらに薄くしようとする例である。
【００９９】
シード層８は、シリコン膜９が形成される下地、例えば、酸化膜７の表面に、シリコンの核を均一に発生させ、モノシランを吸着させやすくするものである。ミクロな視点で考えてみると、シード層８のシリコンの核はアイランド状に均一に点在しているかも知れないし、核自体の平面的なサイズは極めて小さいものであるかも知れない。そのように考えると、核自体の平面的な大きさを大きくし、下地表面上で核が占める面積を大きくしてシード層８をアイランド状から平面である単層に限りなく近づける、あるいは究極的にはシード層８を平面である単層とし、シリコン膜９の成長を“核成長”から“単層成長”に近づけていけば、シード層８上には、良好なステップカバレッジを維持したまま、より膜厚の薄いシリコン膜９を形成することが可能となる。
【０１００】
この点を踏まえ、第３の実施形態では、シリコン膜９を形成する前に、シード層８を強化する工程を取り入れた。シード層８を強化することの具体例は、シード層８中のシリコンの核自体の平面的な大きさを大きくし、下地表面上で核が占める面積を大きくすることであり、上述の通り、究極的にはシード層８を単層とすることである。シード層８の強化の具体的な方法例は、モノシランを用いてシリコン膜９を成膜する前に、モノシランよりも薄膜成膜に好適であるモノシランよりも高次のシランを用いて、シード層８の表面にシリコンを薄く吸着させた。これにより、シード層８を強化する。
【０１０１】
以下、第３の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法の一例を説明する。
【０１０２】
図７は、この発明の第３の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法のシーケンスの一例を示す流れ図である。
【０１０３】
図７に示すように、第３の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法が、第１の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法と異なるところは、ステップ３とステップ４との間に、ステップ８で示されるように、シード層８を強化する工程があることである。具体的には、シード層８が形成されたシリコン基板１を加熱し、モノシランよりも高次のシランガス、本例ではジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）ガスを供給する。
【０１０４】
ステップ８における処理条件の一例は、
ジシラン流 量： ２００ｓｃｃｍ
処 理 時 間： ２ｍｉｎ
処 理 温 度： ４００℃
処 理 圧 力：１３３．３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）
である。
【０１０５】
図８は上記第１の実施形態に従って成膜されたシリコン膜９を持つ半導体装置の内部構造を示す図面代用写真（ＳＥＭ写真）、図９は本第３の実施形態に従って成膜されたシリコン膜９を持つ半導体装置の内部構造を示す図面代用写真（ＳＥＭ写真）である。
【０１０６】
図８に示すように、第１の実施形態では、サイドの膜厚４．５８ｎｍ〜４．６７ｎｍ、トップの膜厚４．６１ｎｍのシリコン膜９が、カバレッジ（ステップカバレッジ）９９％〜１０１％で成膜されていることが示されている。なお、カバレッジについては、シリコン膜９のトップの膜厚とサイドの膜厚２点（上部、下部）を示している。この点は、以下に示す図９〜図１１でも同様である。
【０１０７】
また、図９に示すように、第３の実施形態では、サイドの膜厚３．１５ｎｍ〜３．４０ｎｍ、トップの膜厚３．３０ｎｍのシリコン膜９が、カバレッジ（ステップカバレッジ）９５％〜１０３％で成膜されていることが示されている。
【０１０８】
このように、第３の実施形態によれば、モノシランを用いてシリコン膜９を成膜する前に、モノシランよりも高次のシランを用いて、シード層８の表面にシリコンを薄く吸着させることで、膜厚がより薄く、かつ、ステップカバレッジも良好なシリコン膜９を得ることができる。
【０１０９】
また、参考までに、図１０にジシランガスのみを用いて成膜されたシリコン膜９、図１１にシランガスのみを用いて成膜されたシリコン膜９を持つ半導体装置の内部構造を示す図面代用写真（ＳＥＭ写真）を示しておく。
【０１１０】
図１０に示すように、ジシランガスのみを用いた場合には、サイドの膜厚３．５５ｎｍ〜４．２３ｎｍ、トップの膜厚５．３３ｎｍのシリコン膜９を成膜することができるが、カバレッジ（ステップカバレッジ）については６７％〜７９％であり、良好なステップカバレッジが得られていない。
【０１１１】
また、図１１に示すように、シランガスのみを用いた場合には、１０６％〜１１０％と良好な結果が得られているが、シリコン膜９はアイランド状に成膜されており、膜厚７．１９ｎｍ〜７．９６ｎｍの膜厚範囲においては、単層にはなっていない。
【０１１２】
なお、本第３の実施形態と上記第１の実施形態とは、シリコン膜９に要求された膜厚に応じて使い分けられると良い。例えば、シリコン膜９に、ある程度膜厚は薄いが、極めて薄い膜厚が要求されない場合には、モノシラン及びモノシランよりも高次のシランの双方を使用しない第１の実施形態の方が製造コスト的に有利である。このため、第１の実施形態を選択すると良い。しかし、シリコン膜９に、第１の実施形態では成膜不可能な極めて薄い膜厚が要求された場合には、本第３の実施形態を選択すると良い。
このように第１の実施形態と本第３の実施形態とは、半導体装置の製造の分野において互いに共存することが可能である。
【０１１３】
また、図１２の流れ図に示すように、本第３の実施形態の他例とし、本第３の実施形態と上記第２の実施形態とを組み合わせて実施することも可能である。
【０１１４】
図１２に示すように、第３の実施形態と第２の実施形態とを組み合わせた場合にも、ステップ３とステップ４との間に、ステップ８で示されるシード層８を強化する工程が挿入されれば良い。
【０１１５】
また、第３の実施形態に従ってシード層８及びシリコン膜９を成膜することが可能な成膜装置としては、図５に示した成膜装置に、モノシランよりも高次のシラン、例えば、ジシランガス供給源を付加すれば良い。特に、図示はしないが、例えば、ジシランガス供給源は、モノシランガス供給源１１８とともに分散ノズル１２５に接続することで、処理室１０１内にジシランガスを供給されるように構成されれば良い。
【０１１６】
（第４の実施形態）
第４の実施形態は、第１〜第３の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法を実施することが可能な成膜システムの例に関する。
【０１１７】
（第１例）
図１３は、成膜システムの第１例を概略的に示すブロック図である。
【０１１８】
図１３に示すように、第１例に係る成膜システム２００ａは、搬送室２０１の周囲に、処理室２０２、２０３、２０４と、ロードロック室２０５とを備えている。搬送室２０１と、処理室２０２、２０３、２０４とは、それぞれゲートバルブＧ１〜Ｇ３を介して接続され、同じくロードロック室２０５とは、ゲートバルブＧ４を介して接続されている。
【０１１９】
第１の処理室２０２は成膜装置であり、ステップ３、４、即ち、シード層８及びシリコン膜９を形成する装置である。
【０１２０】
第１の処理室２０２においては、トレンチ６が形成され、少なくともトレンチ６の側壁に酸化膜７が形成されているシリコン基板１を加熱し、シリコン基板１の表面にアミノシラン系ガスを供給してシリコン基板１、本例では酸化膜７上にシード層８を形成し、シード層８が形成されたシリコン基板１を加熱し、シード層８の表面にモノシランガスを供給してシード層８上にシリコン膜９を形成する。
【０１２１】
第２の処理室２０３は回転塗布装置であり、ステップ５、即ち、埋め込み材料１０を塗布する装置である。
【０１２２】
第２の処理室２０３においては、シリコン膜９及びシード層８が形成されたシリコン基板１のトレンチ６を、焼成することで収縮する埋め込み材料１０を用いて埋め込む。そのような埋め込み材料１０の一例は、ＰＨＰＳである。ＰＨＰＳは焼成されることでシリコン酸化物に変化するとともに収縮する。
【０１２３】
第３の処理室２０４は熱処理装置であり、ステップ６、即ち、トレンチ６を埋め込む埋め込み材料１０を、水及び／又はヒドロキシ基を含む雰囲気中で焼成するとともに、シリコン膜９、及び前記シード層８をシリコン酸化物１２に変化させる。
【０１２４】
第３の処理室２０４においては、具体的には、埋め込み材料１０が塗布されたシリコン基板１を、水及び／又はヒドロキシ基を含む雰囲気中で焼成して埋め込み材料１０、シリコン膜９、及びシード層８をシリコン酸化物１１、１２に変化させる。
【０１２５】
ロードロック室２０５は圧力変換装置であり、搬送室２０１内の圧力と、ほぼ大気圧の圧力との間で圧力を変換する装置である。ロードロック室２０５はゲートバルブＧ５を備えており、ゲートバルブＧ５を介してシリコン基板１（シリコンウエハ）の搬入出が行われる。ゲートバルブＧ５は、図示せぬ搬送路、又は図示せぬローダーモジュールに接続される。
【０１２６】
搬送室２０１の内部には搬送装置２０６が配置されている。搬送装置２０６は、搬送室２０１と、処理室２０２〜２０４、及びロードロック室２０５との間で、シリコン基板１の受け渡しを行う。
【０１２７】
第１の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法は、成膜システム２００ａを用いて、シリコン基板１を、ロードロック室２０５から搬送室２０１を介して第１の処理室２０２、第２の処理室２０３、第３の処理室２０４の順で搬送させていくことにより、実施することができる。
【０１２８】
（第２例）
図１４は、成膜システムの第２例を概略的に示すブロック図である。
【０１２９】
図１４に示すように、第２例に係る成膜システム２００ｂが成膜システム２００ａと異なるところは、第４の処理室２０７を、さらに備えていることである。第４の処理室２０７は、ゲートバルブＧ６を介して搬送室２０１に接続されている。
【０１３０】
第４の処理室２０７は熱処理装置であり、ステップ７、即ち、シリコン膜９及びシード層８からガスを放出させる装置である。
【０１３１】
第４の処理室２０７においては、第１の処理室２０２で処理されたシリコン基板１を加熱し、シリコン膜９及びシード層８からガスを放出させる。
【０１３２】
第２の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法は、成膜システム２００ｂを用いて、シリコン基板１を、ロードロック室２０５から搬送室２０１を介して第１の処理室２０２、第４の処理室２０７、第２の処理室２０３、第３の処理室２０４の順で搬送させていくことにより、実施することができる。
【０１３３】
（第３例）
図１５は、成膜システムの第３例を概略的に示すブロック図である。
【０１３４】
図１５に示すように、第３例に係る成膜システム２００ｃが成膜システム２００ｂと異なるところは、第５の処理室２０８を、さらに備えていることである。第５の処理室２０８は、ゲートバルブＧ７を介して搬送室２０１に接続されている。
【０１３５】
第５の処理室２０８は気相処理装置であり、ステップ７を行う前に、シリコン膜９の表面に自然酸化膜を形成する装置である。
【０１３６】
第５の処理室２０８においては、第１の処理室２０２で処理されたシリコン基板１を酸素に接触させる。
【０１３７】
第２の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法において、シリコン膜９の表面に自然酸化膜を形成する場合、成膜システム２００ｃを用いることで、シリコン基板１を、ロードロック室２０５、搬送室２０１、第１の処理室２０２、第５の処理室２０８、第４の処理室２０７、第２の処理室２０３、第３の処理室２０４の順で搬送させていくことにより、インサイチュで実施することができる。
【０１３８】
（第４例）
図１６は、成膜システムの第４例を概略的に示すブロック図である。
【０１３９】
図１６に示すように、第４例に係る成膜システム２００ｄが成膜システム２００ｃと異なるところは、第５の処理室２０８に代えて、シリコン基板１を大気下で搬送する搬送路２０９を備えていることである。
【０１４０】
搬送路２０９の一端はゲートバルブＧ９を介して第１のロードロック室２１０に接続され、第１のロードロック室２１０はゲートバルブＧ１０を介して第１の処理室２０２に接続されている。
【０１４１】
また、搬送路２０９の他端はゲートバルブＧ１１を介して第２のロードロック室２１１に接続され、第２のロードロック室２１１はゲートバルブＧ１２を介して搬送室２０１に接続されている。
【０１４２】
搬送路２０９には搬送装置２１２が配置されている。搬送装置２１２は、成膜システム２００ｄの外部から搬送されてきたシリコン基板１を第１のロードロック室２１０に搬入し、第１のロードロック室２１０から搬出されたシリコン基板１を第２のロードロック室２１１に搬入する。また、第２のロードロック室２１１から搬出されたシリコン基板１を成膜システム２００ｄの外部に搬送する。
【０１４３】
第２の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法において、シリコン膜９の表面に自然酸化膜を形成する場合、成膜システム２００ｄを用いることで、シリコン基板１を、第１のロードロック室２１０、第１の処理室２０２、第１のロードロック室２１０、搬送路２０９、第２のロードロック室２１１、搬送室２０１、第４の処理室２０７、第２の処理室２０３、第３の処理室２０４の順で搬送させていくことにより、エクスサイチュで実施することができる。
【０１４４】
以上、この発明をいくつかの実施形態に従って説明したが、この発明は、上記いくつかの実施形態に限定されることは無く、種々変形可能である。
【０１４５】
例えば、上記実施形態においては、処理条件を具体的に例示したが、処理条件は、上記具体的な例示に限られるものではない。
【０１４６】
この発明による利点である、酸化障壁をトレンチ６の内部に形成しなくても、埋め込み材料への空隙の発生を抑制できることは、アミノシラン系ガスを用いてシリコン基板１の表面をプリフローし、シリコン基板１の表面にシード層８を形成した後、モノシランガスをシード層８上に供給して熱分解させることで、シリコン膜９を形成する、という構成を具備することで、ステップカバレッジが良くなることで得られるものである。
【０１４７】
したがって、処理条件は、上記実施形態に記載した具体的な例示に限られるものではなく、トレンチ６の大きさ、処理室の容積変化等に応じて、上記利点を損なわない範囲で変更できることはもちろんである。
【０１４８】
また、上記実施形態に記載したトレンチの埋め込み方法は、微細なトレンチ６を、空隙を発生させることなく埋め込むことができるものであるから、半導体装置の製造プロセスに用いられることが好適である。
【０１４９】
また、トレンチとしては、特に、半導体装置の内部の素子分離領域に使用されることが好適である。
【０１５０】
また、シード層８は、厚くすると、半導体装置の微細化を損なうことになる。第３の実施形態においても説明した通りであるが、シード層８は、シリコンの核を均一に発生させ、モノシランを吸着させやすくするものである。このため、シード層８の厚さは薄いことが望ましく、好ましくは単原子層レベルの厚さ程度であることが良い。具体的なシード層８の厚さを言及すれば、上述した通りであるが、０．１ｎｍ以上０．３ｎｍ以下であることが良い。
【０１５１】
また、埋め込み材料１０の一例として回転塗布法によって塗布される材料、具体的にはＰＨＰＳを例示した。しかし、埋め込み材料１０としては回転塗布法によって塗布される材料に限られるものではなく、ＣＶＤ法を用いて形成された膜であっても良い。
【０１５２】
例えば、ＣＶＤ法を用いて形成した膜、例えば、シリコン酸化膜であっても、例えば、膜質を強固とするために焼成（熱処理）すると、ＰＨＰＳと同様に収縮する。
【０１５３】
このように焼成することで収縮するような膜であれば、ＰＨＰＳ以外の膜であっても、本発明の実施形態は有効に適用することができる。
【０１５４】
その他、この発明はその要旨を逸脱しない範囲で様々に変形することができる。
【符号の説明】
【０１５５】
１…シリコン基板、６…トレンチ、７…酸化膜、８…シード層、９…シリコン膜、１０…埋め込み材料、１１、１２…シリコン酸化物
【技術分野】
【０００１】
この発明は、トレンチの埋め込み方法および成膜システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路装置は、その内部に微細なトレンチ構造を持つ。微細なトレンチ構造の典型的な例は、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）である。ＳＴＩは半導体素子の活性領域どうしを分離する素子分離領域であり、シリコン基板に微細なトレンチを形成し、この微細なトレンチの内部に絶縁物を埋め込むことで形成される。
【０００３】
埋め込まれる絶縁物としては、例えば、特許文献１に記載されているようにＳＯＤ（Ｓｐｉｎ−Ｏｎ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ）が知られており、特に、ＰＨＰＳ（ＰｅｒＨｙｄｒｏＰｏｌｙＳｉｌａｚａｎｅ：ＳｉＨ２ＮＨ）を主成分とする無機ポリマーが注目されている。ＰＨＰＳは、例えば、水蒸気雰囲気中で焼成されると、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）に変わる。反応式は、次の通りである。
ＳｉＨ２ＮＨ＋２Ｈ２Ｏ → ＳｉＯ２＋ＮＨ３＋２Ｈ２
しかし、ＰＨＰＳはシリコン酸化物に変化するときに収縮する。このため、微細なトレンチの内部に空隙が発生してしまう。
【０００４】
そこで、特許文献１はＰＨＰＳの収縮量を見越し、微細なトレンチの内部に膨張可能な膜を予め形成してから、ＰＨＰＳを埋め込む。膨張可能な膜はシリコン（Ｓｉ）膜である。特許文献１は、シリコン膜をシリコン酸化膜に変化させ、膨張させることで、ＰＨＰＳの収縮分を相殺し、微細なトレンチの内部に空隙が発生することを抑制する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７，１１２，５１３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、シリコン膜をシリコン酸化膜に変化させる工程、即ち、酸化工程が入る。このため、シリコン膜を形成する前に、酸素を通し難い酸化障壁となる膜を微細なトレンチの内部に形成する。酸化がシリコン基板に達することがないようにするためである。特許文献１では、酸化障壁となる膜はシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）である。
【０００７】
しかし、トレンチの微細化がさらに進展すると、膨張可能な膜に加えて、酸化障壁となる膜をトレンチの内部に形成することが難しくなったり、あるいは形成不可能になったりすることが予測される。
【０００８】
また、酸化障壁となる膜は、トレンチの内部にそのまま残る。埋め込まれる絶縁物と、酸化障壁となる膜とが異なる物質である場合には、これらの間にはバンドギャップ差が生じる。つまり、電荷をトラップしてしまうような構造が、トレンチの内部に形成されてしまう。もし、素子分離領域であるトレンチの内部に電荷がトラップされてしまうと、半導体集積回路装置の動作に支障を及ぼす可能性がある。
【０００９】
この発明は、上記事情に鑑みて為されたもので、トレンチの内部に酸化障壁となる膜を形成しなくても、トレンチの内部に埋め込まれた埋め込み材料に空隙が発生することを抑制することが可能なトレンチの埋め込み方法、及びこのトレンチの埋め込み方法を実施することが可能な成膜システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明の第１の態様に係るトレンチの埋め込み方法は、（１）トレンチが形成され、少なくとも前記トレンチの側壁に酸化膜が形成されている半導体基板を加熱し、前記半導体基板の表面にアミノシラン系ガスを供給して前記半導体基板上にシード層を形成する工程と、（２）前記シード層が形成された半導体基板を加熱し、前記シード層の表面にモノシランガスを供給して前記シード層上にシリコン膜を形成する工程と、（３）前記シリコン膜が形成された半導体基板の前記トレンチを、焼成することで収縮する埋め込み材料を用いて埋め込む工程と、（４）前記トレンチを埋め込む前記埋め込み材料を、水及び／又はヒドロキシ基を含む雰囲気中で焼成するとともに、前記シリコン膜、及び前記シード層をシリコン酸化物に変化させる工程とを含む。
【００１１】
この発明の第２の態様に係る成膜システムは、半導体基板に形成されたトレンチの埋め込みに使用される成膜システムであって、トレンチが形成され、少なくとも前記トレンチの側壁に酸化膜が形成されている半導体基板を加熱し、前記半導体基板の表面にアミノシラン系ガスを供給して前記半導体基板上にシード層を形成し、前記シード層が形成された半導体基板を加熱し、前記シード層の表面にモノシランガスを供給して前記シード層上にシリコン膜を形成する第１の処理室と、前記シリコン膜が形成された半導体基板の前記トレンチを、焼成することで収縮する埋め込み材料を用いて埋め込む第２の処理室と、前記トレンチを埋め込む前記埋め込み材料を、水及び／又はヒドロキシ基を含む雰囲気中で焼成するとともに、前記シリコン膜、及び前記シード層をシリコン酸化物に変化させる第３の処理室とを含む。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、トレンチの内部に酸化障壁となる膜を形成しなくても、トレンチの内部に埋め込まれた埋め込み材料に空隙が発生することを抑制することが可能なトレンチの埋め込み方法、及びこのトレンチの埋め込み方法を実施することが可能な成膜システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の第１の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法のシーケンスの一例を示す流れ図
【図２】図１に示すシーケンス中の半導体基板の状態を概略的に示す断面図
【図３】堆積時間とシリコン膜の膜厚との関係を示す図
【図４】図３中の破線枠Ａ内を拡大した拡大図
【図５】シード層及びシリコン膜を成膜することが可能な成膜装置の一例を概略的に示す断面図
【図６】この発明の第２の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法のシーケンスの一例を示す流れ図
【図７】この発明の第３の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法のシーケンスの一例を示す流れ図
【図８】第１の実施形態に従って成膜されたシリコン膜９を持つ半導体装置の内部構造を示す図面代用写真
【図９】第３の実施形態に従って成膜されたシリコン膜９を持つ半導体装置の内部構造を示す図面代用写真
【図１０】ジシランガスのみを用いて成膜されたシリコン膜９を持つ半導体装置の内部構造を示す図面代用写真
【図１１】シランガスのみを用いて成膜されたシリコン膜９を持つ半導体装置の内部構造を示す図面代用写真
【図１２】この発明の第３の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法のシーケンスの他例を示す流れ図
【図１３】成膜システムの第１例を概略的に示すブロック図
【図１４】成膜システムの第２例を概略的に示すブロック図
【図１５】成膜システムの第３例を概略的に示すブロック図
【図１６】成膜システムの第４例を概略的に示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本願発明者らは、トレンチの内部から酸化障壁となる膜を無くすことができないか、試行を重ねた。
【００１５】
膨張可能な膜はシリコン膜であり、シリコン膜は、一般的にジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を用いて成膜される。ジシランは平坦面への成膜には適しているが、ステップカバレッジが良くない。このため、ジシランを用いて成膜されたシリコン膜の、トレンチの側壁における膜厚は、シリコン基板の上面に比較して薄い。このようなシリコン膜を、シリコン基板の上面に形成されたシリコン膜が全て酸化される条件で酸化すると、トレンチの側壁からシリコン基板の内部へ酸化が進行してしまう。反対に、上記シリコン膜を、トレンチの側壁からシリコン基板の内部へ酸化が進行しない条件で酸化すると、シリコン基板の上面に、酸化しきれなかったシリコン膜が残ってしまう。
【００１６】
このような現状から、トレンチの内部に酸化障壁となる膜を形成し、トレンチ側壁からシリコン基板の内部へ酸化が進行することを抑制しつつ、シリコン基板の上面に形成されたシリコン膜を、全て酸化しきるようにしている。
【００１７】
膨張可能な膜、即ち、シリコン膜のステップカバレッジを改善するために、本願発明者らは、シリコン原料をジシランからモノシラン（ＳｉＨ４）に変更した。モノシランを用いて成膜したシリコン膜は、ジシランを用いて成膜したシリコン膜に比較してステップカバレッジが良い。
【００１８】
しかしながら、モノシランはジシランに比較してインキュベーション時間が長い。このため、膜厚を薄くしようとすると、アイランド状に成膜されてしまい膜にならない。
【００１９】
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、全図にわたり、共通の部分には共通の参照符号を付す。
【００２０】
（第１の実施形態）
図１は、この発明の第１の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法のシーケンスの一例を示す流れ図、図２Ａ〜図２Ｇは、図１に示すシーケンス中の半導体基板の状態を概略的に示す断面図である。
【００２１】
まず、図１中のステップ１に示すように、半導体基板にトレンチを形成する。
【００２２】
半導体基板にトレンチを形成する一例は、以下の通りである。
【００２３】
図２Ａに示すように、半導体基板、本例ではシリコン基板１の表面を熱酸化し、パッド酸化膜２を形成する。次いで、パッド酸化膜２上に窒化シリコンを堆積し、シリコン窒化膜３を形成する。次いで、シリコン窒化膜３上にフォトレジストを塗布し、フォトレジスト膜４を形成する。次いで、フォトリソグラフィ法を用いて、フォトレジスト膜４にトレンチ形成パターンに対応した窓５を形成する。
【００２４】
次に、図２Ｂに示すように、フォトレジスト膜４をマスクに用いて、シリコン窒化膜３、パッド酸化膜２、及びシリコン基板１を異方性エッチング、例えば、反応性イオンエッチングし、シリコン基板１にトレンチ６を形成する。
【００２５】
次に、図１中のステップ２に示すように、半導体基板の表面に酸化膜を形成する。
【００２６】
この工程は、図２Ｃに示すように、少なくともトレンチ６の側壁に露出したシリコン基板１の表面に、シリコン基板１よりも酸化が進行し難い膜を形成する工程である。本例では、酸化膜７を、少なくともトレンチ６の側壁に形成した。トレンチ６の側壁においては、酸化膜７はシリコン酸化物である。シリコン酸化物は、シリコンよりも酸化が進行し難い膜である。
【００２７】
また、本例では、酸化膜７を、ラジカル酸化法を用いて形成した。ラジカル酸化法によれば、図２Ｃに示すように、トレンチ６の側壁に露出したシリコン基板１の表面だけでなく、パッド酸化膜２やシリコン窒化膜３なども酸化することができる。即ち、シリコン基板１のトレンチ形成面側の表面全体を酸化でき、酸化膜７がシリコン基板１のトレンチ形成面側の全体に形成される。シリコン基板１のトレンチ形成面側の全体に酸化膜７が形成されていると、次に形成されるシード層は、酸化膜７上に形成することができる。シード層が窒化膜上及び酸化膜上の双方に同時に形成されると、シード層の次に形成されるシリコン膜の成長速度が、窒化膜上と酸化膜上とで相違が生じる可能性がある。この点、本例のように、シード層を酸化膜７上に形成されるようにしておけば、シリコン膜の成長速度の相違を小さくでき、ステップカバレッジの改善に役立つ。
【００２８】
次に、図１中のステップ３及び図２Ｄに示すように、酸化膜７上にシード層８を形成する。具体的には、酸化膜７が形成されたシリコン基板１を加熱し、加熱したシリコン基板１の表面にアミノシラン系ガスを流すことでシリコン基板１の表面上、本例では酸化膜７の表面上にシード層８を形成する。
【００２９】
アミノシラン系ガスの例としては、
ＢＡＳ（ブチルアミノシラン）
ＢＴＢＡＳ（ビスターシャリブチルアミノシラン）
ＤＭＡＳ（ジメチルアミノシラン）
ＢＤＭＡＳ（ビスジメチルアミノシラン）
ＴＤＭＡＳ（トリジメチルアミノシラン）、
ＤＥＡＳ（ジエチルアミノシラン）、
ＢＤＥＡＳ（ビスジエチルアミノシラン）、
ＤＰＡＳ（ジプロピルアミノシラン）、
ＤＩＰＡＳ（ジイソプロピルアミノシラン）
等を挙げることができる。本例では、ＤＩＰＡＳを用いた。
【００３０】
ステップ３における処理条件の一例は、
ＤＩＰＡＳ流量： ５００ｓｃｃｍ
処 理 時 間： １ｍｉｎ
処 理 温 度： ４００℃
処 理 圧 力： ５３．３Ｐａ（０．４Ｔｏｒｒ）
である。ステップ３の工程を、本明細書では以下プリフローと呼ぶ。
【００３１】
上記ステップ３は、モノシランを酸化膜７に吸着させやすくする工程である。ステップ３において、シード層８を形成すると記載しているが、実際にはほとんど成膜されることはない。シード層８の厚さは、好ましくは単原子層レベルの厚さ程度であることが良い。具体的なシード層８の厚さを言及すれば、０．１ｎｍ以上０．３ｎｍ以下であることが良い。
【００３２】
次に、図１中のステップ４及び図２Ｅに示すように、シード層８上にシリコン膜９を形成する。具体的には、シード層８が形成されたシリコン基板１を加熱し、加熱したシリコン基板１の表面にモノシランガスを流すことでシリコン基板１の表面上、本例ではシード層８の表面上にシリコン膜９を形成する。
【００３３】
ステップ４における処理条件の一例は、
モノシラン流量： ８００ｓｃｃｍ
処 理 時 間： ４ｍｉｎ
処 理 温 度： ５３５℃
処 理 圧 力： ６０Ｐａ（０．４５Ｔｏｒｒ）
である。
【００３４】
上記モノシラン流量、処理温度、および処理圧力の条件では、およそ３〜６ｍｉｎの処理時間（堆積時間）で、２〜１０ｎｍ程度の薄いアモルファスのシリコン膜９が形成される。シリコン膜９の厚さは、後に形成される埋め込み材料の縮小分を相殺するために、重要な役割を果たす。もちろん、相殺量はシード層８の微小な厚さとシリコン膜９の厚さとの合計値で決まるが、シード層８はモノシランの吸着を促進させるための層であり、ほとんど厚さがない。このため、相殺量のほとんどはシリコン膜９の膨張後の厚さが占めることになる。即ち、相殺量は、シリコン膜９の厚さでほぼ決まる。
【００３５】
次に、図１中のステップ５及び図２Ｆに示すように、トレンチ６を、焼成することで収縮する埋め込み材料１０を用いて埋め込む。具体的には、シリコン膜９が形成されたシリコン基板１の表面に、焼成することでシリコン酸化物に変化する液状の埋め込み材料１０を回転塗布してトレンチ６を埋め込む。
【００３６】
焼成することでシリコン酸化物に変化する材料の例としては、ＰＨＰＳ（ＰｅｒＨｙｄｒｏＰｏｌｙＳｉｌａｚａｎｅ：ＳｉＨ２ＮＨ）を主成分とする無機ポリマーを挙げることができる。
【００３７】
最後に、図１中のステップ６及び図２Ｇに示すように、トレンチ６を埋め込む埋め込み材料１０を、水及び／又はヒドロキシ基を含む雰囲気中で焼成するとともに、シリコン膜９、及びシード層８をシリコン酸化物１２に変化させる。具体的には、埋め込み材料１０が塗布されたシリコン基板１を、水及び／又はヒドロキシ基を含む雰囲気中で焼成して埋め込み材料１０をシリコン酸化物１１へ変化させるとともに、シリコン膜９、及びシード層８をシリコン酸化物１２に変化させる。
【００３８】
ステップ６における処理条件の一例は、
Ｈ２Ｏ 流量： １０ｌ／ｍｉｎ
処 理 時 間： ４５ｍｉｎ
処 理 温 度： ７５０℃
処 理 圧 力： ５３．３ｋＰａ（４００Ｔｏｒｒ）
である。
【００３９】
また、上記焼成処理の後、処理温度９５０℃、不活性ガス雰囲気、例えば、窒素ガス雰囲気中で熱処理し、シリコン酸化物１１を、より強固な埋め込み膜とするように、さらに焼成処理を続行しても良い。
【００４０】
また、上記焼成処理の前に、より低温である処理温度４００℃、水及び／又はヒドロキシ基を含む雰囲気中、例えば水蒸気雰囲気中で予備処理をしておいても良い。
【００４１】
埋め込み材料１０は、焼成されてシリコン酸化物１１に変化するときに収縮する。反対に、シリコン膜９及びシード層８は、シリコン酸化物１２に変化するときに膨張する。このように埋め込み材料１０の収縮分を、シリコン膜９及びシード層８を膨張分で相殺することで、トレンチ６の内部に空隙が発生することを抑制する。
【００４２】
空隙の発生をより良く抑制するためには、シリコン膜９の厚さ及びシード層８の厚さを、シリコン膜９の膨張量の２倍値とシード層８の膨張量の２倍値との合計値が、埋め込み材料１０の収縮量に一致するように設定されると良い。
【００４３】
さらに、シリコン膜９の膨張後の厚さの２倍値と、シード層８の膨張後の厚さの２倍値と、埋め込み材料１０の収縮後の厚さとの合計値は、トレンチ６の幅に一致するように設定されると良い。
【００４４】
これらのように設定されることで、トレンチ６の内部に空隙が発生することをより良く抑制することができる。
【００４５】
また、ステップ６は、シリコン膜９及びシード層８の酸化を兼ねる。このため、ステップ６における焼成時間は、シリコン膜９及びシード層８がちょうど、酸化しきる時間に設定されることが良い。
【００４６】
このように設定されることで、トレンチ６の側壁からシリコン基板１へ酸化が進行することを抑制することができる。
【００４７】
ここで、本例では、シリコン膜９の原料としてモノシランを用いている。このため、シリコン膜９のステップカバレッジは、原料としてジシランやトリシランなどの高次シランを用いる場合に比較して良い。
【００４８】
このため、シリコン膜９のトレンチ６の側壁における膜厚は、シリコン基板１の上面における膜厚とほぼ等しくすることができる。このため、トレンチ６の側壁上のシリコン膜９を酸化しきった時点で、シリコン基板１の上面におけるシリコン膜９を酸化しきることができる。
【００４９】
つまり、シリコン膜９のステップカバレッジを改善することで、トレンチ６の側壁からシリコン基板１へ酸化を進行させるような酸化をせずに済み、トレンチ６の内部から酸化障壁となる膜を無くすことができる。
【００５０】
ただし、シリコン膜９のステップカバレッジが改善されても、酸化条件によっては、トレンチ６の底部では酸化が進み難くなることもある。このような場合には、シリコン膜９及びシード層８が、シリコン基板１の上面上、及びトレンチ６の側壁上でちょうど、酸化しきる時間よりも多少長い時間をかけて、ステップ６を実行すると良い。このように酸化しきる時間よりも多少長い時間をかけて、シリコン膜９及びシード層８を過剰に酸化することで、トレンチ６の底部に未酸化のシリコン膜９及びシード層８が残らずに済む。
【００５１】
この場合、シリコン膜９の厚さが薄いほど、過剰な酸化時間を短く、即ち、酸化条件を弱くすることができる。このため、シリコン膜９の厚さは薄い方が良い。シリコン基板１へ酸化が進むことを、最小限度に抑えるためである。
【００５２】
このように、トレンチ６の底部に未酸化のシリコン膜９及びシード層８を残らないようにするために、シリコン膜９及びシード層８を過剰に酸化する場合には、シリコン膜９の厚さは、２ｎｍ〜５ｎｍ程度が良い。
【００５３】
また、モノシランはインキュベーション時間が長い、という事情については、シリコン基板１の表面、本例では酸化膜７の表面にアミノシラン系ガスをプリフローしてシード層８を形成した後、シリコン膜９を形成することで解消した。
【００５４】
図３に、堆積時間とシリコン膜９の膜厚との関係を示す。図３に示す結果は下地をシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）とした場合である。本例では酸化膜７に相当する。
【００５５】
本例で用いたプリフローにおける処理条件は、
ＤＩＰＡＳ流量： ２００ｓｃｃｍ
処 理 時 間： １ｍｉｎ
処 理 温 度： ４００℃
処 理 圧 力： １３３．３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）
である。
【００５６】
同じく本例で用いたシリコン膜９を成膜するための処理条件は、
モノシラン流量： ２００ｓｃｃｍ
堆 積 時 間： ３０ｍｉｎ／４５ｍｉｎ／６０ｍｉｎ
処 理 温 度： ５３０℃
処 理 圧 力： ５３．２Ｐａ（０．４Ｔｏｒｒ）
である。
【００５７】
シリコン膜９の膜厚は、堆積時間を３０ｍｉｎとしたとき、４５ｍｉｎとしたとき、及び６０ｍｉｎとしたときの３点で測定した。
【００５８】
図３中の線Ｉはプリフロー有りの場合、線IIはプリフロー無しの場合の結果を示している。線Ｉ、IIは、測定された３つの膜厚を最小二乗法で直線近似した直線であり、式は次の通りである。
【００５９】
線Ｉ：ｙ＝17.572ｘ−20.855 …（１）
線II：ｙ＝17.605ｘ−34.929 …（２）
図３に示すように、プリフロー有りの場合、プリフロー無しに比較してシリコン膜９の膜厚が増す傾向が明らかとなった。
【００６０】
上記（１）、（２）式をｙ＝０、即ち、シリコン膜９の膜厚を“０”としたとき、線Ｉ、IIと堆積時間との交点を求めたものを図４に示す。
【００６１】
なお、図４は図３中の破線枠Ａ内を拡大した拡大図である。
【００６２】
図４に示すように、下地がプリフロー有りのシリコン酸化膜のとき、シリコン膜９の堆積が処理開始から約１．２ｍｉｎ（ｘ≒１．１８９）から始まる。対して、下地がプリフロー無しのシリコン酸化膜のときには、シリコン膜９の堆積が処理開始から約２．０ｍｉｎ（ｘ≒１．９８４）から始まる。
【００６３】
このように、下地に対してアミノシラン系ガスのプリフローを行うことで、インキュベーション時間を、約２．０ｍｉｎから約１．２ｍｉｎに短縮することができる。この結果、薄い膜厚、例えば２ｎｍ〜１０ｎｍ程度の膜厚のシリコン膜９を、モノシランを用いて成膜することができる。
【００６４】
以上、この発明の第１の実施形態によれば、トレンチ６の内部に酸化障壁となる膜を形成しなくても、トレンチ６の内部に埋め込まれた埋め込み材料（シリコン酸化物１１、１２）に空隙が発生することを抑制することができる。
【００６５】
このため、第１の実施形態によれば、トレンチ６の微細化がさらに進展しても、トレンチ６を、空隙を発生させることなく埋め込むことができる、という利点を得ることができる。
【００６６】
また、第１の実施形態によれば、トレンチ６の内部に埋め込まれた材料は、酸化膜７も含めて全てシリコン酸化物となる。この構造による利点は、トレンチ６の内部が一種類の材料となるため、例えば、電荷をトラップしてしまうような構造がトレンチ６の内部に形成されることがない、ということである。このような構造は、半導体集積回路装置の更なる微細化にも有利である。
【００６７】
また、第１の実施形態によれば、酸化膜７が、ラジカル酸化法を用いて形成されたラジカル酸化膜である。ラジカル酸化膜は、熱酸化法を用いて形成した熱酸化膜よりも膜質を緻密にできる。即ち、ラジカル酸化膜は、熱酸化膜よりもさらに酸化が進行し難い膜である。したがって、酸化膜７をラジカル酸化膜とすることで、熱酸化膜に比較して、ステップ６における焼成中に、シリコン基板１へ酸化が進行することを、より抑制することができる、という利点を得ることができる。
【００６８】
また、ラジカル酸化法に代えて、プラズマ酸化法を用い、酸化膜７を、プラズマ酸化膜としても、同様の利点を得ることができる。
【００６９】
次に、上記シード層８及びシリコン膜９を成膜することが可能な成膜装置の一例を説明する。
【００７０】
図５は、シード層８及びシリコン膜９を成膜することが可能な成膜装置の一例を概略的に示す断面図である。
【００７１】
図５に示すように、成膜装置１００は、下端が開口された有天井の円筒体状の処理室１０１を有している。処理室１０１の全体は、例えば、石英により形成されている。処理室１０１内の天井には、石英製の天井板１０２が設けられている。処理室１０１の下端開口部には、例えば、ステンレススチールにより円筒体状に成形されたマニホールド１０３がＯリング等のシール部材１０４を介して連結されている。
【００７２】
マニホールド１０３は処理室１０１の下端を支持している。マニホールド１０３の下方からは、被処理体として複数枚、例えば、５０〜１００枚の半導体基板、本例では、シリコン基板１を多段に載置可能な石英製のウエハボート１０５が処理室１０１内に挿入可能となっている。これにより、処理室１０１内に被処理体、例えば、半導体基板、本例では、例えば、下地としてＳｉＯ２膜が予め堆積されたシリコン基板１が収容される。ウエハボート１０５は複数本の支柱１０６を有し、支柱１０６に形成された溝により複数枚のシリコン基板１が支持されるようになっている。
【００７３】
ウエハボート１０５は、石英製の保温筒１０７を介してテーブル１０８上に載置されている。テーブル１０８は、マニホールド１０３の下端開口部を開閉する、例えば、ステンレススチール製の蓋部１０９を貫通する回転軸１１０上に支持される。回転軸１１０の貫通部には、例えば、磁性流体シール１１１が設けられ、回転軸１１０を気密にシールしつつ回転可能に支持している。蓋部１０９の周辺部とマニホールド１０３の下端部との間には、例えば、Ｏリングよりなるシール部材１１２が介設されている。これにより処理室１０１内のシール性が保持されている。回転軸１１０は、例えば、ボートエレベータ等の昇降機構（図示せず）に支持されたアーム１１３の先端に取り付けられている。これにより、ウエハボート１０５および蓋部１０９等は、一体的に昇降されて処理室１０１内に対して挿脱される。
【００７４】
成膜装置１００は、処理室１０１内に、処理に使用するガスを供給する処理ガス供給機構１１４を有している。
【００７５】
処理ガス供給機構１１４は、アミノシラン系ガス供給源１１７、モノシランガス供給源１１８を含んでいる。
【００７６】
不活性ガス供給機構１１５は、不活性ガス供給源１２０を含んでいる。不活性ガスは、パージガス等に利用される。不活性ガスの一例は窒素（Ｎ２）ガスである。
【００７７】
アミノシラン系ガス供給源１１７は、流量制御器１２１ａ及び開閉弁１２２ａを介して、分散ノズル１２３に接続されている。分散ノズル１２３は石英管よりなり、マニホールド１０３の側壁を内側へ貫通して上方向へ屈曲されて垂直に延びる。分散ノズル１２３の垂直部分には、複数のガス吐出孔１２４が所定の間隔を隔てて形成されている。アミノシラン系ガスは、各ガス吐出孔１２４から水平方向に処理室１０１内に向けて略均一に吐出される。
【００７８】
モノシランガス供給源１１８は、流量制御器１２１ｂ及び開閉弁１２２ｂを介して、分散ノズル１２５に接続されている。分散ノズル１２５は石英管よりなり、マニホールド１０３の側壁を内側へ貫通して上方向へ屈曲されて垂直に延びる。分散ノズル１２５の垂直部分には、複数のガス吐出孔１２６が所定の間隔を隔てて形成されている。モノシランガスは、各ガス吐出孔１２６から水平方向に処理室１０１内に向けて略均一に吐出される。
【００７９】
処理室１０１内の、分散ノズル１２３及び１２５と反対側の部分には、処理室１０１内を排気するための排気口１２９が設けられている。排気口１２９は処理室１０１の側壁を上下方向へ削りとることによって細長く形成されている。処理室１０１の排気口１２９に対応する部分には、排気口１２９を覆うように断面がコの字状に成形された排気口カバー部材１３０が溶接により取り付けられている。排気口カバー部材１３０は、処理室１０１の側壁に沿って上方に延びており、処理室１０１の上方にガス出口１３１を規定している。ガス出口１３１には、真空ポンプ等を含む排気機構１３２が接続される。排気機構１３２は、処理室１０１内を排気することで処理に使用した処理ガスの排気、及び処理室１０１内の圧力を処理に応じた処理圧力とする。
【００８０】
処理室１０１の外周には筒体状の加熱装置１３３が設けられている。加熱装置１３３は、処理室１０１内に供給されたガスを活性化するとともに、処理室１０１内に収容された被処理体、例えば、半導体基板、本例ではシリコン基板１を加熱する。
【００８１】
成膜装置１００の各部の制御は、例えばマイクロプロセッサ（コンピュータ）からなるコントローラ１５０により行われる。コントローラ１５０には、オペレータが成膜装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、成膜装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインターフェース１５１が接続されている。
【００８２】
コントローラ１５０には記憶部１５２が接続されている。記憶部１５２は、成膜装置１００で実行される各種処理をコントローラ１５０の制御にて実現するための制御プログラムや、処理条件に応じて成膜装置１００の各構成部に処理を実行させるためのプログラムすなわちレシピが格納される。レシピは、例えば、記憶部１５２の中の記憶媒体に記憶される。記憶媒体は、ハードディスクや半導体メモリであってもよいし、ＣＤ-ＲＯＭ、ＤＶＤ、フラッシュメモリ等の可搬性のものであってもよい。また、他の装置から、例えば専用回線を介してレシピを適宜伝送させるようにしてもよい。レシピは、必要に応じて、ユーザーインターフェース１５１からの指示等にて記憶部１５２から読み出され、読み出されたレシピに従った処理をコントローラ１５０が実行することで、成膜装置１００は、コントローラ１５０の制御のもと、所望の処理が実施される。
【００８３】
本例では、コントローラ１５０の制御のもと、上記第１の実施形態におけるシード層８及びシリコン膜９を形成する処理が順次実施される。
【００８４】
上記第１の実施形態におけるシード層８及びシリコン膜９は、図５に示すような成膜装置１００を用いることによって、１台の成膜装置で形成することができる。
【００８５】
また、もちろん、成膜装置としては図５に示すようなバッチ式に限らず、枚葉式の成膜装置であっても良い。
【００８６】
（第２の実施形態）
シード層８及びシリコン膜９を形成する処理条件によっては、埋め込み材料１０の焼成中、ガスを放出するようなシード層８及びシリコン膜９が形成されることがある。埋め込み材料１０の焼成中に、シード層８及びシリコン膜９がガスを放出してしまうと、トレンチ６の内部に埋め込まれた埋め込み材料に空隙が発生する。
【００８７】
第２の実施形態は、ガスを放出するようなシード層８及びシリコン膜９が形成された場合であっても、トレンチ６の内部に埋め込まれた埋め込み材料に空隙が発生することを抑制することが可能なトレンチの埋め込み方法を提供しようとするものである。
【００８８】
図６は、この発明の第２の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法のシーケンスの一例を示す流れ図である。
【００８９】
図６に示すように、第２の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法が、第１の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法と異なるところは、ステップ４とステップ５との間に、ステップ７で示されるように、シリコン膜９及びシード層８からガスを放出させる工程があることである。具体的には、シリコン膜９及びシード層８が形成されたシリコン基板１を加熱し、シリコン膜９及びシード層８からガスを放出させる。
【００９０】
ステップ７における処理条件の一例は、
Ｎ２ 流 量：５０００ｓｃｃｍ
処 理 時 間： ３０ｍｉｎ
処 理 温 度： ６００℃
処 理 圧 力：０〜６６６Ｐａ（０〜５Ｔｏｒｒ：サイクルパージ）
である。
【００９１】
処理圧力が０〜６６６Ｐａのうち、０Ｐａとは、処理室内の窒素ガスを引ききるということである。つまり、本ステップ７の一例は、処理室の内部への窒素ガス供給と、処理室の内部からの窒素ガス排気とを交互に繰り返す例である（サイクルパージ）。
【００９２】
このように、埋め込み材料１０を塗布する前に、シリコン膜９及びシード層８からガスを放出させておくことで、埋め込み材料１０の焼成中に、シード層８及びシリコン膜９がガスを放出しまうことを抑制できる。
【００９３】
したがって、たとえ、ガスを放出するようなシード層８及びシリコン膜９が形成されたとしても、トレンチ６の内部に埋め込まれた埋め込み材料に空隙が発生することを抑制することができる。
【００９４】
また、サイクルパージを圧力を変動させて行ったり、また、同時に温度の昇降を行いながら実施したりするとシリコン膜９にマイグレーションが発生することがある。そのため、事前にシリコン膜９の表面に自然酸化膜を形成しておくと良い。
【００９５】
シリコン膜９の表面に自然酸化膜を形成するためには、ステップ４とステップ５とをインサイチュで行う場合、ステップ４とステップ７の間に、シリコン膜９及びシード層８が形成されたシリコン基板１を、酸素に接触させる工程を設けると良い。
【００９６】
また、ステップ４とステップ５とをエクスサイチュで行う場合には、ステップ４とステップ７との間に、ステップ４を行う成膜装置から、ステップ７を行う回転塗布装置まで、シリコン膜９及びシード層８が形成されたシリコン基板１を、大気下で搬送するようにすると良い。
【００９７】
このようにシリコン膜９の表面に、あらかじめ自然酸化膜を形成しておくことで、ステップ７、即ち、ガスを放出させている間に、シリコン膜９にマイグレーションが発生することを抑制することができる。
【００９８】
（第３の実施形態）
第３の実施形態は、良好なステップカバレッジを維持したまま、シリコン膜９の膜厚を、さらに薄くしようとする例である。
【００９９】
シード層８は、シリコン膜９が形成される下地、例えば、酸化膜７の表面に、シリコンの核を均一に発生させ、モノシランを吸着させやすくするものである。ミクロな視点で考えてみると、シード層８のシリコンの核はアイランド状に均一に点在しているかも知れないし、核自体の平面的なサイズは極めて小さいものであるかも知れない。そのように考えると、核自体の平面的な大きさを大きくし、下地表面上で核が占める面積を大きくしてシード層８をアイランド状から平面である単層に限りなく近づける、あるいは究極的にはシード層８を平面である単層とし、シリコン膜９の成長を“核成長”から“単層成長”に近づけていけば、シード層８上には、良好なステップカバレッジを維持したまま、より膜厚の薄いシリコン膜９を形成することが可能となる。
【０１００】
この点を踏まえ、第３の実施形態では、シリコン膜９を形成する前に、シード層８を強化する工程を取り入れた。シード層８を強化することの具体例は、シード層８中のシリコンの核自体の平面的な大きさを大きくし、下地表面上で核が占める面積を大きくすることであり、上述の通り、究極的にはシード層８を単層とすることである。シード層８の強化の具体的な方法例は、モノシランを用いてシリコン膜９を成膜する前に、モノシランよりも薄膜成膜に好適であるモノシランよりも高次のシランを用いて、シード層８の表面にシリコンを薄く吸着させた。これにより、シード層８を強化する。
【０１０１】
以下、第３の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法の一例を説明する。
【０１０２】
図７は、この発明の第３の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法のシーケンスの一例を示す流れ図である。
【０１０３】
図７に示すように、第３の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法が、第１の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法と異なるところは、ステップ３とステップ４との間に、ステップ８で示されるように、シード層８を強化する工程があることである。具体的には、シード層８が形成されたシリコン基板１を加熱し、モノシランよりも高次のシランガス、本例ではジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）ガスを供給する。
【０１０４】
ステップ８における処理条件の一例は、
ジシラン流 量： ２００ｓｃｃｍ
処 理 時 間： ２ｍｉｎ
処 理 温 度： ４００℃
処 理 圧 力：１３３．３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）
である。
【０１０５】
図８は上記第１の実施形態に従って成膜されたシリコン膜９を持つ半導体装置の内部構造を示す図面代用写真（ＳＥＭ写真）、図９は本第３の実施形態に従って成膜されたシリコン膜９を持つ半導体装置の内部構造を示す図面代用写真（ＳＥＭ写真）である。
【０１０６】
図８に示すように、第１の実施形態では、サイドの膜厚４．５８ｎｍ〜４．６７ｎｍ、トップの膜厚４．６１ｎｍのシリコン膜９が、カバレッジ（ステップカバレッジ）９９％〜１０１％で成膜されていることが示されている。なお、カバレッジについては、シリコン膜９のトップの膜厚とサイドの膜厚２点（上部、下部）を示している。この点は、以下に示す図９〜図１１でも同様である。
【０１０７】
また、図９に示すように、第３の実施形態では、サイドの膜厚３．１５ｎｍ〜３．４０ｎｍ、トップの膜厚３．３０ｎｍのシリコン膜９が、カバレッジ（ステップカバレッジ）９５％〜１０３％で成膜されていることが示されている。
【０１０８】
このように、第３の実施形態によれば、モノシランを用いてシリコン膜９を成膜する前に、モノシランよりも高次のシランを用いて、シード層８の表面にシリコンを薄く吸着させることで、膜厚がより薄く、かつ、ステップカバレッジも良好なシリコン膜９を得ることができる。
【０１０９】
また、参考までに、図１０にジシランガスのみを用いて成膜されたシリコン膜９、図１１にシランガスのみを用いて成膜されたシリコン膜９を持つ半導体装置の内部構造を示す図面代用写真（ＳＥＭ写真）を示しておく。
【０１１０】
図１０に示すように、ジシランガスのみを用いた場合には、サイドの膜厚３．５５ｎｍ〜４．２３ｎｍ、トップの膜厚５．３３ｎｍのシリコン膜９を成膜することができるが、カバレッジ（ステップカバレッジ）については６７％〜７９％であり、良好なステップカバレッジが得られていない。
【０１１１】
また、図１１に示すように、シランガスのみを用いた場合には、１０６％〜１１０％と良好な結果が得られているが、シリコン膜９はアイランド状に成膜されており、膜厚７．１９ｎｍ〜７．９６ｎｍの膜厚範囲においては、単層にはなっていない。
【０１１２】
なお、本第３の実施形態と上記第１の実施形態とは、シリコン膜９に要求された膜厚に応じて使い分けられると良い。例えば、シリコン膜９に、ある程度膜厚は薄いが、極めて薄い膜厚が要求されない場合には、モノシラン及びモノシランよりも高次のシランの双方を使用しない第１の実施形態の方が製造コスト的に有利である。このため、第１の実施形態を選択すると良い。しかし、シリコン膜９に、第１の実施形態では成膜不可能な極めて薄い膜厚が要求された場合には、本第３の実施形態を選択すると良い。
このように第１の実施形態と本第３の実施形態とは、半導体装置の製造の分野において互いに共存することが可能である。
【０１１３】
また、図１２の流れ図に示すように、本第３の実施形態の他例とし、本第３の実施形態と上記第２の実施形態とを組み合わせて実施することも可能である。
【０１１４】
図１２に示すように、第３の実施形態と第２の実施形態とを組み合わせた場合にも、ステップ３とステップ４との間に、ステップ８で示されるシード層８を強化する工程が挿入されれば良い。
【０１１５】
また、第３の実施形態に従ってシード層８及びシリコン膜９を成膜することが可能な成膜装置としては、図５に示した成膜装置に、モノシランよりも高次のシラン、例えば、ジシランガス供給源を付加すれば良い。特に、図示はしないが、例えば、ジシランガス供給源は、モノシランガス供給源１１８とともに分散ノズル１２５に接続することで、処理室１０１内にジシランガスを供給されるように構成されれば良い。
【０１１６】
（第４の実施形態）
第４の実施形態は、第１〜第３の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法を実施することが可能な成膜システムの例に関する。
【０１１７】
（第１例）
図１３は、成膜システムの第１例を概略的に示すブロック図である。
【０１１８】
図１３に示すように、第１例に係る成膜システム２００ａは、搬送室２０１の周囲に、処理室２０２、２０３、２０４と、ロードロック室２０５とを備えている。搬送室２０１と、処理室２０２、２０３、２０４とは、それぞれゲートバルブＧ１〜Ｇ３を介して接続され、同じくロードロック室２０５とは、ゲートバルブＧ４を介して接続されている。
【０１１９】
第１の処理室２０２は成膜装置であり、ステップ３、４、即ち、シード層８及びシリコン膜９を形成する装置である。
【０１２０】
第１の処理室２０２においては、トレンチ６が形成され、少なくともトレンチ６の側壁に酸化膜７が形成されているシリコン基板１を加熱し、シリコン基板１の表面にアミノシラン系ガスを供給してシリコン基板１、本例では酸化膜７上にシード層８を形成し、シード層８が形成されたシリコン基板１を加熱し、シード層８の表面にモノシランガスを供給してシード層８上にシリコン膜９を形成する。
【０１２１】
第２の処理室２０３は回転塗布装置であり、ステップ５、即ち、埋め込み材料１０を塗布する装置である。
【０１２２】
第２の処理室２０３においては、シリコン膜９及びシード層８が形成されたシリコン基板１のトレンチ６を、焼成することで収縮する埋め込み材料１０を用いて埋め込む。そのような埋め込み材料１０の一例は、ＰＨＰＳである。ＰＨＰＳは焼成されることでシリコン酸化物に変化するとともに収縮する。
【０１２３】
第３の処理室２０４は熱処理装置であり、ステップ６、即ち、トレンチ６を埋め込む埋め込み材料１０を、水及び／又はヒドロキシ基を含む雰囲気中で焼成するとともに、シリコン膜９、及び前記シード層８をシリコン酸化物１２に変化させる。
【０１２４】
第３の処理室２０４においては、具体的には、埋め込み材料１０が塗布されたシリコン基板１を、水及び／又はヒドロキシ基を含む雰囲気中で焼成して埋め込み材料１０、シリコン膜９、及びシード層８をシリコン酸化物１１、１２に変化させる。
【０１２５】
ロードロック室２０５は圧力変換装置であり、搬送室２０１内の圧力と、ほぼ大気圧の圧力との間で圧力を変換する装置である。ロードロック室２０５はゲートバルブＧ５を備えており、ゲートバルブＧ５を介してシリコン基板１（シリコンウエハ）の搬入出が行われる。ゲートバルブＧ５は、図示せぬ搬送路、又は図示せぬローダーモジュールに接続される。
【０１２６】
搬送室２０１の内部には搬送装置２０６が配置されている。搬送装置２０６は、搬送室２０１と、処理室２０２〜２０４、及びロードロック室２０５との間で、シリコン基板１の受け渡しを行う。
【０１２７】
第１の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法は、成膜システム２００ａを用いて、シリコン基板１を、ロードロック室２０５から搬送室２０１を介して第１の処理室２０２、第２の処理室２０３、第３の処理室２０４の順で搬送させていくことにより、実施することができる。
【０１２８】
（第２例）
図１４は、成膜システムの第２例を概略的に示すブロック図である。
【０１２９】
図１４に示すように、第２例に係る成膜システム２００ｂが成膜システム２００ａと異なるところは、第４の処理室２０７を、さらに備えていることである。第４の処理室２０７は、ゲートバルブＧ６を介して搬送室２０１に接続されている。
【０１３０】
第４の処理室２０７は熱処理装置であり、ステップ７、即ち、シリコン膜９及びシード層８からガスを放出させる装置である。
【０１３１】
第４の処理室２０７においては、第１の処理室２０２で処理されたシリコン基板１を加熱し、シリコン膜９及びシード層８からガスを放出させる。
【０１３２】
第２の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法は、成膜システム２００ｂを用いて、シリコン基板１を、ロードロック室２０５から搬送室２０１を介して第１の処理室２０２、第４の処理室２０７、第２の処理室２０３、第３の処理室２０４の順で搬送させていくことにより、実施することができる。
【０１３３】
（第３例）
図１５は、成膜システムの第３例を概略的に示すブロック図である。
【０１３４】
図１５に示すように、第３例に係る成膜システム２００ｃが成膜システム２００ｂと異なるところは、第５の処理室２０８を、さらに備えていることである。第５の処理室２０８は、ゲートバルブＧ７を介して搬送室２０１に接続されている。
【０１３５】
第５の処理室２０８は気相処理装置であり、ステップ７を行う前に、シリコン膜９の表面に自然酸化膜を形成する装置である。
【０１３６】
第５の処理室２０８においては、第１の処理室２０２で処理されたシリコン基板１を酸素に接触させる。
【０１３７】
第２の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法において、シリコン膜９の表面に自然酸化膜を形成する場合、成膜システム２００ｃを用いることで、シリコン基板１を、ロードロック室２０５、搬送室２０１、第１の処理室２０２、第５の処理室２０８、第４の処理室２０７、第２の処理室２０３、第３の処理室２０４の順で搬送させていくことにより、インサイチュで実施することができる。
【０１３８】
（第４例）
図１６は、成膜システムの第４例を概略的に示すブロック図である。
【０１３９】
図１６に示すように、第４例に係る成膜システム２００ｄが成膜システム２００ｃと異なるところは、第５の処理室２０８に代えて、シリコン基板１を大気下で搬送する搬送路２０９を備えていることである。
【０１４０】
搬送路２０９の一端はゲートバルブＧ９を介して第１のロードロック室２１０に接続され、第１のロードロック室２１０はゲートバルブＧ１０を介して第１の処理室２０２に接続されている。
【０１４１】
また、搬送路２０９の他端はゲートバルブＧ１１を介して第２のロードロック室２１１に接続され、第２のロードロック室２１１はゲートバルブＧ１２を介して搬送室２０１に接続されている。
【０１４２】
搬送路２０９には搬送装置２１２が配置されている。搬送装置２１２は、成膜システム２００ｄの外部から搬送されてきたシリコン基板１を第１のロードロック室２１０に搬入し、第１のロードロック室２１０から搬出されたシリコン基板１を第２のロードロック室２１１に搬入する。また、第２のロードロック室２１１から搬出されたシリコン基板１を成膜システム２００ｄの外部に搬送する。
【０１４３】
第２の実施形態に係るトレンチの埋め込み方法において、シリコン膜９の表面に自然酸化膜を形成する場合、成膜システム２００ｄを用いることで、シリコン基板１を、第１のロードロック室２１０、第１の処理室２０２、第１のロードロック室２１０、搬送路２０９、第２のロードロック室２１１、搬送室２０１、第４の処理室２０７、第２の処理室２０３、第３の処理室２０４の順で搬送させていくことにより、エクスサイチュで実施することができる。
【０１４４】
以上、この発明をいくつかの実施形態に従って説明したが、この発明は、上記いくつかの実施形態に限定されることは無く、種々変形可能である。
【０１４５】
例えば、上記実施形態においては、処理条件を具体的に例示したが、処理条件は、上記具体的な例示に限られるものではない。
【０１４６】
この発明による利点である、酸化障壁をトレンチ６の内部に形成しなくても、埋め込み材料への空隙の発生を抑制できることは、アミノシラン系ガスを用いてシリコン基板１の表面をプリフローし、シリコン基板１の表面にシード層８を形成した後、モノシランガスをシード層８上に供給して熱分解させることで、シリコン膜９を形成する、という構成を具備することで、ステップカバレッジが良くなることで得られるものである。
【０１４７】
したがって、処理条件は、上記実施形態に記載した具体的な例示に限られるものではなく、トレンチ６の大きさ、処理室の容積変化等に応じて、上記利点を損なわない範囲で変更できることはもちろんである。
【０１４８】
また、上記実施形態に記載したトレンチの埋め込み方法は、微細なトレンチ６を、空隙を発生させることなく埋め込むことができるものであるから、半導体装置の製造プロセスに用いられることが好適である。
【０１４９】
また、トレンチとしては、特に、半導体装置の内部の素子分離領域に使用されることが好適である。
【０１５０】
また、シード層８は、厚くすると、半導体装置の微細化を損なうことになる。第３の実施形態においても説明した通りであるが、シード層８は、シリコンの核を均一に発生させ、モノシランを吸着させやすくするものである。このため、シード層８の厚さは薄いことが望ましく、好ましくは単原子層レベルの厚さ程度であることが良い。具体的なシード層８の厚さを言及すれば、上述した通りであるが、０．１ｎｍ以上０．３ｎｍ以下であることが良い。
【０１５１】
また、埋め込み材料１０の一例として回転塗布法によって塗布される材料、具体的にはＰＨＰＳを例示した。しかし、埋め込み材料１０としては回転塗布法によって塗布される材料に限られるものではなく、ＣＶＤ法を用いて形成された膜であっても良い。
【０１５２】
例えば、ＣＶＤ法を用いて形成した膜、例えば、シリコン酸化膜であっても、例えば、膜質を強固とするために焼成（熱処理）すると、ＰＨＰＳと同様に収縮する。
【０１５３】
このように焼成することで収縮するような膜であれば、ＰＨＰＳ以外の膜であっても、本発明の実施形態は有効に適用することができる。
【０１５４】
その他、この発明はその要旨を逸脱しない範囲で様々に変形することができる。
【符号の説明】
【０１５５】
１…シリコン基板、６…トレンチ、７…酸化膜、８…シード層、９…シリコン膜、１０…埋め込み材料、１１、１２…シリコン酸化物
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１） トレンチが形成され、少なくとも前記トレンチの側壁に酸化膜が形成されている半導体基板を加熱し、前記半導体基板の表面にアミノシラン系ガスを供給して前記半導体基板上にシード層を形成する工程と、
（２） 前記シード層が形成された半導体基板を加熱し、前記シード層の表面にモノシランガスを供給して前記シード層上にシリコン膜を形成する工程と、
（３） 前記シリコン膜が形成された半導体基板の前記トレンチを、焼成することで収縮する埋め込み材料を用いて埋め込む工程と、
（４） 前記トレンチを埋め込む前記埋め込み材料を、水及び／又はヒドロキシ基を含む雰囲気中で焼成するとともに、前記シリコン膜、及び前記シード層をシリコン酸化物に変化させる工程と
を含むことを特徴とするトレンチの埋め込み方法。
【請求項２】
前記（２）工程と前記（３）工程との間に、
（５） 前記シリコン膜及び前記シード層が形成された半導体基板を加熱し、前記シリコン膜及び前記シード層からガスを放出させる工程
を、さらに含むことを特徴とする請求項１に記載のトレンチの埋め込み方法。
【請求項３】
前記（２）工程と前記（３）工程とをインサイチュで行う場合、
前記（２）工程と前記（５）工程との間に、
（６） 前記シリコン膜及び前記シード層が形成された半導体基板を、酸素に接触させる工程
を、さらに含むことを特徴とする請求項２に記載のトレンチの埋め込み方法。
【請求項４】
前記（２）工程と前記（３）工程とをエクスサイチュで行う場合、
前記（２）工程と前記（５）工程との間に、
（７） 前記シリコン膜及び前記シード層が形成された半導体基板を、大気下で搬送する工程
を、さらに含むことを特徴とする請求項２に記載のトレンチの埋め込み方法。
【請求項５】
前記（１）工程と前記（２）工程との間に、
（６） 前記シード層が形成された半導体基板を加熱し、前記シード層の表面にモノシランよりも高次のシラン系ガスを供給する工程
を、さらに含むことを特徴とする請求項１から請求項４いずれか一項に記載のトレンチの埋め込み方法。
【請求項６】
前記シリコン膜及び前記シード層は、前記シリコン酸化物に変化するときに膨張し、
前記シリコン膜の膨張量の２倍値と、前記シード層の膨張量の２倍値との合計値が、前記埋め込み材料の収縮量に一致するように、前記シリコン膜の厚さ及び前記シード層の厚さが設定されることを特徴とする請求項１から請求項５いずれか一項に記載のトレンチの埋め込み方法。
【請求項７】
前記シリコン膜の膨張後の厚さの２倍値と、前記シード層の膨張後の厚さの２倍値と、前記埋め込み材料の収縮後の厚さとの合計値が、前記トレンチの幅に一致するように設定されることを特徴とする請求項６に記載のトレンチの埋め込み方法。
【請求項８】
前記シリコン膜の厚さが、前記シード層の厚さよりも厚く設定されることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のトレンチの埋め込み方法。
【請求項９】
前記アミノシラン系ガスが、
ＢＡＳ（ブチルアミノシラン）
ＢＴＢＡＳ（ビスターシャリブチルアミノシラン）
ＤＭＡＳ（ジメチルアミノシラン）
ＢＤＭＡＳ（ビスジメチルアミノシラン）
ＴＤＭＡＳ（トリジメチルアミノシラン）
ＤＥＡＳ（ジエチルアミノシラン）
ＢＤＥＡＳ（ビスジエチルアミノシラン）
ＤＰＡＳ（ジプロピルアミノシラン）、及び
ＤＩＰＡＳ（ジイソプロピルアミノシラン）
の少なくとも一つを含むガスから選ばれることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のトレンチの埋め込み方法。
【請求項１０】
前記トレンチの側壁に形成された酸化膜が、
前記トレンチが形成された半導体基板をラジカル酸化、又はプラズマ酸化して形成されることを特徴とする請求項１から請求項９いずれか一項に記載のトレンチの埋め込み方法。
【請求項１１】
前記トレンチの埋め込み方法が、半導体装置の製造プロセスに用いられることを特徴とする請求項１から請求項１０いずれか一項に記載のトレンチの埋め込み方法。
【請求項１２】
前記トレンチが、前記半導体装置の内部の素子分離領域に使用されることを特徴とする請求項１１に記載のトレンチの埋め込み方法。
【請求項１３】
半導体基板に形成されたトレンチの埋め込みに使用される成膜システムであって、
トレンチが形成され、少なくとも前記トレンチの側壁に酸化膜が形成されている半導体基板を加熱し、前記半導体基板の表面にアミノシラン系ガスを供給して前記半導体基板上にシード層を形成し、前記シード層が形成された半導体基板を加熱し、前記シード層の表面にモノシランガスを供給して前記シード層上にシリコン膜を形成する第１の処理室と、
前記シリコン膜が形成された半導体基板の前記トレンチを、焼成することで収縮する埋め込み材料を用いて埋め込む第２の処理室と、
前記トレンチを埋め込む前記埋め込み材料を、水及び／又はヒドロキシ基を含む雰囲気中で焼成するとともに、前記シリコン膜、及び前記シード層をシリコン酸化物に変化させる第３の処理室と
を含むことを特徴とする成膜システム。
【請求項１４】
前記第１の処理室で処理された半導体基板を加熱し、前記シリコン膜及び前記シード層からガスを放出させる第４の処理室を、さらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の成膜システム。
【請求項１５】
前記第１の処理室で処理された半導体基板を、前記第４の処理室に収容する前に、前記シリコン膜及び前記シード層が形成された半導体基板を、酸素に接触させる第５の処理室を、さらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の成膜システム。
【請求項１６】
前記第１の処理室で処理された半導体基板を、前記第４の処理室に収容する前に、前記シリコン膜及び前記シード層が形成された半導体基板を、大気下で搬送する搬送路を、さらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の成膜システム。
【請求項１７】
前記第１の処理室に、前記モノシランガスよりも高次のシランガスを供給する高次のシランガス供給源が、さらに接続されていることを特徴とする請求項１３から請求項１６のいずれか一項に記載の成膜システム。
【請求項１】
（１） トレンチが形成され、少なくとも前記トレンチの側壁に酸化膜が形成されている半導体基板を加熱し、前記半導体基板の表面にアミノシラン系ガスを供給して前記半導体基板上にシード層を形成する工程と、
（２） 前記シード層が形成された半導体基板を加熱し、前記シード層の表面にモノシランガスを供給して前記シード層上にシリコン膜を形成する工程と、
（３） 前記シリコン膜が形成された半導体基板の前記トレンチを、焼成することで収縮する埋め込み材料を用いて埋め込む工程と、
（４） 前記トレンチを埋め込む前記埋め込み材料を、水及び／又はヒドロキシ基を含む雰囲気中で焼成するとともに、前記シリコン膜、及び前記シード層をシリコン酸化物に変化させる工程と
を含むことを特徴とするトレンチの埋め込み方法。
【請求項２】
前記（２）工程と前記（３）工程との間に、
（５） 前記シリコン膜及び前記シード層が形成された半導体基板を加熱し、前記シリコン膜及び前記シード層からガスを放出させる工程
を、さらに含むことを特徴とする請求項１に記載のトレンチの埋め込み方法。
【請求項３】
前記（２）工程と前記（３）工程とをインサイチュで行う場合、
前記（２）工程と前記（５）工程との間に、
（６） 前記シリコン膜及び前記シード層が形成された半導体基板を、酸素に接触させる工程
を、さらに含むことを特徴とする請求項２に記載のトレンチの埋め込み方法。
【請求項４】
前記（２）工程と前記（３）工程とをエクスサイチュで行う場合、
前記（２）工程と前記（５）工程との間に、
（７） 前記シリコン膜及び前記シード層が形成された半導体基板を、大気下で搬送する工程
を、さらに含むことを特徴とする請求項２に記載のトレンチの埋め込み方法。
【請求項５】
前記（１）工程と前記（２）工程との間に、
（６） 前記シード層が形成された半導体基板を加熱し、前記シード層の表面にモノシランよりも高次のシラン系ガスを供給する工程
を、さらに含むことを特徴とする請求項１から請求項４いずれか一項に記載のトレンチの埋め込み方法。
【請求項６】
前記シリコン膜及び前記シード層は、前記シリコン酸化物に変化するときに膨張し、
前記シリコン膜の膨張量の２倍値と、前記シード層の膨張量の２倍値との合計値が、前記埋め込み材料の収縮量に一致するように、前記シリコン膜の厚さ及び前記シード層の厚さが設定されることを特徴とする請求項１から請求項５いずれか一項に記載のトレンチの埋め込み方法。
【請求項７】
前記シリコン膜の膨張後の厚さの２倍値と、前記シード層の膨張後の厚さの２倍値と、前記埋め込み材料の収縮後の厚さとの合計値が、前記トレンチの幅に一致するように設定されることを特徴とする請求項６に記載のトレンチの埋め込み方法。
【請求項８】
前記シリコン膜の厚さが、前記シード層の厚さよりも厚く設定されることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のトレンチの埋め込み方法。
【請求項９】
前記アミノシラン系ガスが、
ＢＡＳ（ブチルアミノシラン）
ＢＴＢＡＳ（ビスターシャリブチルアミノシラン）
ＤＭＡＳ（ジメチルアミノシラン）
ＢＤＭＡＳ（ビスジメチルアミノシラン）
ＴＤＭＡＳ（トリジメチルアミノシラン）
ＤＥＡＳ（ジエチルアミノシラン）
ＢＤＥＡＳ（ビスジエチルアミノシラン）
ＤＰＡＳ（ジプロピルアミノシラン）、及び
ＤＩＰＡＳ（ジイソプロピルアミノシラン）
の少なくとも一つを含むガスから選ばれることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のトレンチの埋め込み方法。
【請求項１０】
前記トレンチの側壁に形成された酸化膜が、
前記トレンチが形成された半導体基板をラジカル酸化、又はプラズマ酸化して形成されることを特徴とする請求項１から請求項９いずれか一項に記載のトレンチの埋め込み方法。
【請求項１１】
前記トレンチの埋め込み方法が、半導体装置の製造プロセスに用いられることを特徴とする請求項１から請求項１０いずれか一項に記載のトレンチの埋め込み方法。
【請求項１２】
前記トレンチが、前記半導体装置の内部の素子分離領域に使用されることを特徴とする請求項１１に記載のトレンチの埋め込み方法。
【請求項１３】
半導体基板に形成されたトレンチの埋め込みに使用される成膜システムであって、
トレンチが形成され、少なくとも前記トレンチの側壁に酸化膜が形成されている半導体基板を加熱し、前記半導体基板の表面にアミノシラン系ガスを供給して前記半導体基板上にシード層を形成し、前記シード層が形成された半導体基板を加熱し、前記シード層の表面にモノシランガスを供給して前記シード層上にシリコン膜を形成する第１の処理室と、
前記シリコン膜が形成された半導体基板の前記トレンチを、焼成することで収縮する埋め込み材料を用いて埋め込む第２の処理室と、
前記トレンチを埋め込む前記埋め込み材料を、水及び／又はヒドロキシ基を含む雰囲気中で焼成するとともに、前記シリコン膜、及び前記シード層をシリコン酸化物に変化させる第３の処理室と
を含むことを特徴とする成膜システム。
【請求項１４】
前記第１の処理室で処理された半導体基板を加熱し、前記シリコン膜及び前記シード層からガスを放出させる第４の処理室を、さらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の成膜システム。
【請求項１５】
前記第１の処理室で処理された半導体基板を、前記第４の処理室に収容する前に、前記シリコン膜及び前記シード層が形成された半導体基板を、酸素に接触させる第５の処理室を、さらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の成膜システム。
【請求項１６】
前記第１の処理室で処理された半導体基板を、前記第４の処理室に収容する前に、前記シリコン膜及び前記シード層が形成された半導体基板を、大気下で搬送する搬送路を、さらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の成膜システム。
【請求項１７】
前記第１の処理室に、前記モノシランガスよりも高次のシランガスを供給する高次のシランガス供給源が、さらに接続されていることを特徴とする請求項１３から請求項１６のいずれか一項に記載の成膜システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
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【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−４９５０９（Ｐ２０１２−４９５０９Ａ）
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４４７３３（Ｐ２０１１−１４４７３３）
【出願日】平成２３年６月２９日（２０１１．６．２９）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２９日（２０１１．６．２９）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
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