説明

半導体装置の製造方法、及び基板処理装置

【課題】基板に形成された高いアスペクト比の素子分離溝でも、空洞の発生を抑制して当該溝中にシリコン絶縁膜を埋め込むこと。
【解決手段】高いアスペクト比の素子分離溝が形成された基板を処理室に搬入する基板搬入工程と、前記処理室を第一ガスであるヘキサメチルジシラザン(HMDS)含有ガス雰囲気にするシリコン含有ガス雰囲気工程と、前記処理室を第二ガスであるパージガス雰囲気にする第一パージガス雰囲気工程と、前記処理室を第三ガスである酸素ガスであってプラズマ状態の酸素含有ガス雰囲気にする酸素含有ガス雰囲気工程と、前記処理室を第二ガスであるパージガス雰囲気にする第二パージガス雰囲気工程と、前記シリコン含有ガス雰囲気工程、前記第一パージガス雰囲気工程、前記酸素含有ガス雰囲気工程、及び前記第二パージガス雰囲気工程を繰り返す工程と、を有する半導体装置の製造方法、及びそれを実現する基板処理装置である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体装置の製造方法、及び基板処理装置に関し、特に、高いアスペクト比の素子分離溝に絶縁膜としてシリコン酸化膜を埋め込む半導体装置の製造方法、及び基板処理装置に関する。
【背景技術】
【0002】
フラッシュメモリ、DRAM(Dynamic Random Access Memory)、SRAM(Static Random Access Memory)等のメモリデバイスや、ロジックデバイス等の半導体デバイスは、高集積化が求められ、それに伴って回路パターンの微細化が進められている。
【0003】
狭い面積に多くのデバイスを集積させるためには、デバイスのサイズを小さくして形成しなければならず、このためには、形成しようとするパターンの幅と間隔を小さくしなければならない。
【0004】
半導体デバイスの微細な溝の中に、絶縁膜を埋め込む場合、従来のCVD(Chemical Vapor Deposition)技術では溝の上の部分(入り口付近)の成膜速度が大きく、絶縁膜で溝の中が埋まる前に溝の入り口分部で閉じてしまい、溝の中に空洞が残ってしまう現象が生じる。
【0005】
この現象を解決するために種々の成膜方法が提案されている(例えば、特許文献1)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2010−87475号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、例えば、基板温度を高温(例えば800℃〜900℃)として、モノシラン(SiH)を用いて、SiOからなるシリコン酸化膜(絶縁膜)で溝を埋め込む方法(HTO:High Temperature Oxide)では、高いアスペクト比の溝の場合には、十分に埋め込むことができず、溝の中に空洞が残ってしまう現象が生じる。
【0008】
また、TEOS(Tetra Eth Oxy Silane;Si(OC)の熱分解で、SiOからなるシリコン酸化膜(絶縁膜)で溝を埋め込む方法では、ウエットエッチングレートが高く、十分な埋め込みが実現できない。
【0009】
そこで、本発明は、上記事情を鑑み、基板に形成された高いアスペクト比の素子分離溝でも、空洞の発生を抑制して当該溝中にシリコン絶縁膜を埋め込むことができる半導体装置の製造方法、及び基板処理装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の一態様によれば、
素子分離溝が形成された基板を処理室に搬入する基板搬入工程と、
前記処理室を第一ガスであるヘキサメチルジシラザン(HMDS)含有ガス雰囲気にするシリコン含有ガス雰囲気工程と、
前記処理室を第二ガスであるパージガス雰囲気にする第一パージガス雰囲気工程と、
前記処理室を第三ガスである酸素含有ガスであってプラズマ状態の酸素含有ガス雰囲気にする酸素含有ガス雰囲気工程と、
前記処理室を第二ガスであるパージガス雰囲気にする第二パージガス雰囲気工程と、
前記シリコン含有ガス雰囲気工程、前記第一パージガス雰囲気工程、前記酸素含有ガス雰囲気工程、及び前記第二パージガス雰囲気工程を繰り返す工程と、
を有する半導体装置の製造方法が提供される。
【0011】
本発明の他の一態様によれば、
処理室と、
前記処理室内に設けられ、素子分離溝が形成された基板を載置する基板載置部と、
前記処理室に、第一ガスであるヘキサメチルジシラザン(HMDS)含有ガスを供給する第一ガス供給部と、
前記処理室に、第二ガスであるパージガスを供給する第二ガス供給部と、
前記処理室に、第三ガスである酸素含有ガスを供給する第三ガス供給部と、
前記第三ガスである酸素含有ガスをプラズマ状態とするプラズマ生成部と、
前記処理室を前記第一ガスであるヘキサメチルジシラザン(HMDS)含有ガス雰囲気にするシリコン含有ガス雰囲気工程と、前記処理室を前記第二ガスであるパージガス雰囲気にする第一パージガス雰囲気工程と、前記処理室を前記第三ガスである酸素ガスであってプラズマ状態の酸素含有ガス雰囲気にする酸素含有ガス雰囲気工程と、前記処理室を第二ガスであるパージガス雰囲気にする第二パージガス雰囲気工程と、前記シリコン含有ガス雰囲気工程、前記第一パージガス雰囲気工程、前記酸素含有ガス雰囲気工程、及び前記第二パージガス雰囲気工程を繰り返す工程と、を実施するように、前記第一ガス供給部、前記第二ガス供給部、前記第三ガス供給部、及び前記プラズマ生成部を制御する制御部と、
を備える基板処理装置が提供される。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、基板に形成された高いアスペクト比の素子分離溝でも、空洞の発生を抑制して当該溝中にシリコン絶縁膜を埋め込むことができる半導体装置の製造方法、及び基板処理装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】図1は、第一実施形態に係る基板処理装置を示す概略構成図である。
【図2】図2は、第一実施形態に係る基板処理装置の一対の櫛形電極を示す平面図である。
【図3】図3は、第一実施形態に係る基板処理装置により行われる半導体装置の製造方法を示す処理シーケンスである。
【図4】図4は、第一実施形態に係る基板処理装置により行われる半導体装置の製造方法により、基板に形成された素子分離溝内に埋め込まれるシリコン酸化膜の様子を示す模式図である。
【図5】図5は、従来の半導体装置の製造方法により、基板に形成された素子分離溝内に埋め込まれるシリコン酸化膜の様子を示す模式図である。
【図6】図6は、第二実施形態に係る基板処理装置を示す概略構成図である。
【図7】図7は、第二実施形態に係る基板処理装置のリモートプラズマユニットを示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明の一例である実施形態について図面を参照しつつ説明する。
(第一実施形態)
図1は、第一実施形態に係る基板処理装置を示す概略構成図である。図2は、第一実施形態に係る基板処理装置の一対の櫛形電極を示す平面図である。なお、図2は、図1のA−A矢視図に相当する図である。
【0015】
第一実施形態に係る基板処理装置11は、半導体装置の製造に使用される半導体製造装置であり、IC(Integrated Circuit)等の半導体装置の製造方法における処理工程、を実施する半導体装置の一例として構成されるものである。
【0016】
具体的には、第一実施形態に係る基板処理装置11は、高いアスペクト比の素子分離溝が形成された基板の当該素子分離溝内に、シリコン酸化膜を埋め込む処理工程を実施する半導体装置の一例として構成されるものである。
【0017】
なお、第一実施形態に係る基板処理装置11では、基板に対し成膜処理等を行う枚葉式の基板処理装置を採用した態様を説明するが、枚葉式の基板処理装置を前提としたものでなく、例えば、縦型のバッチ式の基板処理装置を使用してもよい。
【0018】
第一実施形態に係る基板処理装置11は、枚葉式のダウンフロー型プラズマ処理装置であり、例えば、図1に示すように、高いアスペクト比の素子分離溝が形成された基板111を処理するための処理室100を備える。
【0019】
処理室100の内部には、基板111を載置するためのサセプタ110(基板載置部)と、ガス供給部200から供給される各種ガスを処理室100内部に供給するためのシャワーヘッド120と、処理室内部に供給された各種ガスからプラズマを生成するための一対の櫛形電極130(プラズマ生成部)と、を備えている。
【0020】
処理室100の外部には、処理室100内部に各種ガスをシャワーヘッド120を経由して供給するためのガス供給部200と、処理室100内部に供給した各種ガスを排気するための排気部140と、処理室100内外に基板111を搬送するためのロボットを有する搬送室(不図示)と、を備えている。
【0021】
そして、第一実施形態に係る基板処理装置11は、装置内の各部を制御するためのコントローラ300(制御部)を備えている。
【0022】
以下、第一実施形態に係る基板処理装置11の主たる各部の詳細について説明する。
(処理室100)
処理室100は、密閉容器101内部に気密となるように構成されている。
【0023】
密閉容器101は、例えば、導電性材料(例えばアルミニウム等)により構成されている。そして、密閉容器101は、接地(アース)されている。
【0024】
密閉容器101の一方の側壁には、処理室100と接続した基板搬送口102が設けられている。基板搬送口102は、基板搬送口102を開閉するゲートバルブ103が設けられ、ゲートバルブ103を介して、基板111を搬送するための搬送室(不図示)と連結されている。
【0025】
密閉容器101の他方の側壁には、処理室100と接続した排気口104が設けられている。排気口104は、排気部140の排気管141の上流端と接続している。
(サセプタ110)
サセプタ110は、その基板載置面側がシャワーヘッド120(そのガス噴出し面側)と対向するようにして設けられている。
【0026】
サセプタ110には、図示しないが、基板111を昇降するための支持ピンと、基板111を所定温度に加熱するためのヒータと、等が備えられている。また、サセプタ110は、図示しないが、基板処理時及び基板搬送時にサセプタ110を所定位置に昇降させるための昇降装置と連結されている。
(シャワーヘッド120)
シャワーヘッド120は、そのガス噴出し面側がサセプタ110(その基板載置面側)と対向するようにして設けられている。
【0027】
シャワーヘッド120は、2つのガス導入ポート121、122が設けられている。ガス導入ポート121、122は、それぞれガス供給部200のガス供給管(HMDSガス供給管211、共通ガス供給管201)と接続している。
【0028】
シャワーヘッド120は、そのガス噴出し面に多数の孔123が設けられており、ガス供給部200からガス導入ポート121、122を経由して導入された各種ガスを多数の孔123からシャワー状に噴出させ、対向して配置されたサセプタ110(その基板載置面側)に供給できるように構成されている。
(一対の櫛形電極)
一対の櫛形電極130は、サセプタ110(その基板載置面)と対向するようにして設けられている。具体的には、一対の櫛形電極130は、サセプタ110(その基板載置面)とシャワーヘッド120(そのガス噴出し面)との間に、それぞれの面に対向するようにして設けられている。
【0029】
一対の櫛形電極130は、図2に示すように、導電性材料で構成され、互いの櫛形歯のように並んだ電極部が同一平面上で交互に入込むようにして配置されている。
【0030】
一対の櫛形電極130は、交流電力供給系131が接続されている。
【0031】
交流電力供給系131は、一対の櫛形電極130に対して、発振器132の出力する交流電力を整合器133を介して印加できるようになっている。交流電力の周波数は、数百(KHz)の低周波から13.56(MHz)などの高周波を用いる。交流電力を供給する経路の途中には絶縁トランス134が設けてあり、一対の櫛形電極130は、接地(アース)と絶縁された状態になっている。交流電力供給系には絶縁トランス134が設けてあるため、一対の櫛形電極130には180度位相の異なる電界を印加する構造となっている。
【0032】
一対の櫛形電極130に、発振器132の出力する交流電力を整合器133を介して供給すると、一対の櫛形電極130周辺にプラズマが生成される。そして、絶縁トランス134によって一対の櫛形電極130を接地(アース)と絶縁することにより、一対の櫛形電極130の櫛形歯のように並んだ電極部にプラズマを集中して生成することができる。
【0033】
また、交流電力を印加する一対の櫛形電極130の間に基板111等の障害物が無いため、電極の構造と処理室100の圧力や供給ガスの種類で決まったある状態で安定して均一なプラズマの生成が実現できる。
【0034】
なお、プラズマによる基板111の処理の均一性は、一対の櫛形電極130の櫛形の歯の数を増減したり、一対の櫛形電極130と処理対象となる基板111との距離を調節することで実現できる。
【0035】
また、一対の櫛形電極130を誘電体カバーで覆うと、沿面放電により誘電体カバーの表面に均一なプラズマを比較的平坦に生成することができる。また、一対の櫛形電極130を誘電体カバーで覆うと、生成されるプラズマが櫛形電極130に直接接触しないため、櫛形電極130からの不純物の放出を抑制することができる。
【0036】
誘電体カバーの厚みは、サセプタ110(その基板載置面)と対向しない側よりも、サセプタ110(その基板載置面)と対向する側の厚みを厚くしてもよい。このようにすると、櫛形電極130では、サセプタ110(その基板載置面)側に強いプラズマが生成される易くなる。このため、櫛形電極130において、サセプタ110(その基板載置面)側、つまり処理対象である基板111側でプラズマが強く生成されプラズマ生成のための投入電力が効率的になる。また、基板111裏面へ不要な生成物の付着も抑制される。
(ガス供給部200)
ガス供給部200は、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)ガス供給ライン210(第一ガス供給部)と、パージガスとしての窒素ガス供給ライン220(第二ガス供給部)と、酸素ガス供給ライン230(第三ガス供給部)と、を備えている。
【0037】
なお、第一実施形態では、第二ガスであるパージガスとして窒素ガスを適用する態様を説明するが、これに限られず、窒素ガス以外に、その他の不活性ガスを適用してもよい。
【0038】
HMDSガス供給ライン210は、HMDSガス供給管211を有しており、HMDSガス供給管211の上流側から、HMDSガス供給源212と、HMDSガスの流量を制御するマスフローコントローラ213と、開閉バルブ214、処理室100内に供給するHMDSガスを一時的に蓄えるバッファタンク215と、開閉バルブ216と、が直列に設けられている。そして、HMDSガス供給管211の下流端は、シャワーヘッド120のガス導入ポート121と接続している。
【0039】
パージガスとしての窒素ガス供給ライン220は、共通ガス供給管201と共に、共通ガス供給管201の上流端で分岐するように窒素ガス供給管221を有しており、窒素ガス供給管221の上流端側から、窒素ガス供給源222と、窒素ガスの流量を制御するマスフローコントローラ223と、開閉バルブ224と、が直列に設けられている。そして、共通ガス供給管201の下流端は、シャワーヘッド120のガス導入ポート122と接続している。
【0040】
酸素ガス供給ライン230は、共通ガス供給管201と共に、共通ガス供給管201の上流端で分岐するように酸素ガス供給管231を有しており、酸素ガス供給管231の上流端側から、酸素ガス供給源232と、酸素ガスの流量を制御するマスフローコントローラ233と、開閉バルブ234と、が直列に設けられている。そして、共通ガス供給管201の下流端は、シャワーヘッド120のガス導入ポート122と接続している。
【0041】
ここで、HMDSガス供給ライン210のHMDSガス供給管211(開閉バルブ214及びバッファタンク215の間のHMDSガス供給管211)と、窒素ガス供給ライン220の窒素ガス供給管221(マスフローコントローラ223及び開閉バルブ224の間の窒素ガス供給管221)と、は、経路途中に開閉バルブ203が設けられた窒素ガス分岐供給管202で接続されている。この窒素ガス分岐供給管202を経由して窒素ガスがHMDSガス供給ライン210のバッファタンク215に供給される構造となっている。
【0042】
ガス供給部200は、各ガス供給ラインの各マスフローコントローラによる流量制御、及び各開閉バルブの開閉制御により、シャワーヘッド120内に各種ガスを導入し、処理室100内部に各種ガスをシャワーヘッド120を経由して供給するよう構成されている。
(排気部140)
排気部140は、密閉容器101の排気口104と接続した排気管141を有しており、排気管141には、その上流側から順に、圧力計(不図示)、可変コンダクタンスバルブ142、真空ポンプ143が設けられている。
【0043】
排気部140は、真空ポンプ143を作動させ、可変コンダクタンスバルブ142の開度を調節することで、処理室100内の圧力を調整可能なように構成されている。
(コントローラ300)
コントローラ300は、基板処理装置11の各部(例えば、密閉容器101のゲートバルブ103、一対の櫛形電極130の交流電力供給系131の発振器132及び整合器133、ガス供給部200の各ガス供給ラインの各マスフローコントローラ及び各開閉バルブ、排気部140の真空ポンプ143及び可変コンダクタンスバルブ142、その他各部(例えば、搬送室に内蔵されるロボットのアーム、サセプタ110のヒータ、昇降装置及び支持ピン等)に接続されている。
【0044】
コントローラ300は、基板処理装置11の各部の動作を制御するように構成されている。
【0045】
具体的には、コントローラ300は、図示しないが、CPU、各種メモリを、入出力インターフェース(I/O)を介して各々接続された構成となっている。そして、入出力インターフェース(I/O)には、基板処理装置11の各部が接続される。
【0046】
ここで、メモリには、処理(例えば、基板処理等)の制御プログラムと共に、各種テーブルデータ等も記憶されている。
【0047】
そして、メモリに記憶された制御プログラムは、CPUにより読み込まれて実行され、基板処理装置11の各部の動作を制御する。なお、制御プログラムは、外部の記録媒体により提供されてもよい。
(基板処理方法)
次に、第一実施形態に係る基板処理装置11により実施される第一実施形態に係る半導体装置の製造方法(基板処理方法)について説明する。つまり、制御プログラムにより実行される第一実施形態に係る半導体装置の製造方法(基板処理方法)について説明する。
【0048】
第一実施形態に係る半導体装置の製造方法(基板処理方法)では、第一実施形態に係る基板処理装置11により、高いアスペクト比の素子分離溝が形成された基板111を処理室100に搬入する基板搬入工程(図3のステップS301)と、処理室100を第一ガスであるヘキサメチルジシラザン(HMDS)含有ガス雰囲気にするシリコン含有ガス雰囲気工程(図3のステップS302)と、処理室100を第二ガスであるパージガス雰囲気にする第一パージガス雰囲気工程(図3のステップS304)と、処理室100を第三ガスである酸素ガスであってプラズマ状態の酸素含有ガス雰囲気にする酸素含有ガス雰囲気工程(図3のステップS306)と、処理室100を第二ガスであるパージガス雰囲気にする第二パージガス雰囲気工程(図3のステップS308)と、シリコン含有ガス雰囲気工程、第一パージガス雰囲気工程、酸素含有ガス雰囲気工程、及び第二パージガス雰囲気工程を繰り返す工程(図3のステップS210)と、が行われる。
【0049】
具体的には、図3に示すように、第一実施形態に係る半導体装置の製造方法(基板処理方法)は、各ステップを経て行われる。
【0050】
なお、以下の説明において、第一実施形態に係る基板処理装置11の各部の動作は、コントローラ300により制御される。
(基板搬入工程)
まず、ステップS301では、高いアスペクト比の素子分離溝が形成された基板111を処理室100に搬入する。
【0051】
具体的には、例えば、排気部140において、真空ポンプ143を作動させ、可変コンダクタンスバルブ142の開度を調整し、処理室100内が所定の圧力以下の減圧状態となるように制御する。
【0052】
次に、図示しない搬送室を処理室100とほぼ同じ減圧状態とし、ゲートバルブ103を開き、処理室100内の気密を保持した状態で、サセプタ110に設けた支持ピン(不図示)と搬送室に内蔵されたロボットのアームとの協働により、基板111をサセプタ110上に搬送する。
【0053】
なお、基板処理を連続で行う際には、処理の終わった基板111を処理室100から先に搬出した後に、未処理の基板111をサセプタ110上に搬送する。
【0054】
ここで、サセプタ110に内蔵したヒータ(不図示)により、基板111の搬送前、サセプタ110を事前に所定温度まで加熱しておき。基板111が搬送され、基板111がサセプタ110上に載置された後、基板111を所定温度(処理温度)まで加熱する。
(シリコン含有ガス雰囲気工程)
次に、ステップS302では、処理室100を第一ガスであるヘキサメチルジシラザン(HMDS)含有ガス雰囲気にする。
【0055】
具体的には、例えば、HMDSガス供給ライン210においてマスフローコントローラ213により流量を制御しつつ開閉バルブ214を開けることで、また、窒素ガス供給ライン220においてマスフローコントローラ223により流量を制御しつつ開閉バルブ203を開ける。これにより、一旦、HMDSガス及び窒素ガスをバッファタンク215に供給し、所定のタンク圧力となるまで貯留して、開閉バルブ214及び開閉バルブ203を閉める。
【0056】
そして、開閉バルブ216を開けることで、バッファタンク215に貯蔵されたHMDS含有ガス(HMDSガスと窒素ガスとの混合ガス)を一気に放出し、シャワーヘッド120を経由して、処理室100内に供給する。バッファタンク215に貯蔵されたHMDSガスを一気に放出することにより、短時間でHMDS含有ガスを処理室100内に供給できる。
【0057】
HMDS含有ガスを処理室100内に供給することにより、当該処理室100内をHMDS含有ガス雰囲気にする。
【0058】
処理室100内がHMDS含有ガス雰囲気になると、HMDSが1分子層(又は原子層)レベルで基板111表面(その分離溝の壁面を含む)に吸着して堆積する。
【0059】
ここで、シリコン含有ガス雰囲気工程S302の諸条件の一例としては、例えば、以下の通りである。
・処理室100内の温度:150℃
・処理室100内の圧力:10Torr
・HMDSガスの供給量:0.1g
・HMDSガスの供給時間:2秒
(第一パージガス雰囲気工程)
次に、ステップS304では、処理室100を第二ガスであるパージガス雰囲気にする。
【0060】
具体的には、例えば、HMDSガス供給ライン210の開閉バルブ216を閉めて、HMDS含有ガスの供給と停止する。
【0061】
次に、排気部140において、真空ポンプ143で排気させながら、可変コンダクタンスバルブ142の開度を調整し、処理室100内のHMDS含有ガスを排気する。
【0062】
次に、窒素ガス供給ライン220において、マスフローコントローラ223により流量を制御しつつ開閉バルブ224を開けることで、シャワーヘッド120を経由して、パージガスである窒素ガスを処理室100内に供給し、当該処理室100内を窒素ガス雰囲気にする。
【0063】
これにより、処理室100内に残留する不要なHMDSガスを窒素ガスでパージ(除去)できる。
【0064】
なお、パージガスである窒素ガスの処理室100への供給と、排気部140による供給した窒素ガスの処理室100からの排気と、を短時間で繰り返すと、パージ(除去)が短縮される。
【0065】
ここで、第一パージガス雰囲気工程S304の諸条件の一例としては、例えば、以下の通りである。
・窒素ガスの供給時間(HMDSガス除去時間):2秒
(酸素含有ガス雰囲気工程)
次に、ステップS306では、処理室100を第三ガスである酸素ガスであってプラズマ状態の酸素含有ガス雰囲気にする。
【0066】
具体的には、例えば、窒素ガス供給ライン220の開閉バルブ224を閉めて、窒素ガスの供給を停止する。
【0067】
次に、酸素ガス供給ラインにおいて、マスフローコントローラ233により流量を制御しつつ開閉バルブ234を開けることで、シャワーヘッド120を経由して、酸素ガスを処理室100内に供給し、当該処理室100内を酸素ガス雰囲気にする。
【0068】
そして、この雰囲気下で、一対の櫛形電極130に対して、交流電力供給系131により、発振器132の出力する高周波電力を整合器133及び絶縁トランス134を介して印加する。
【0069】
これにより、一対の櫛形電極130の周辺(その櫛形の電極部)でプラズマ(具体的には、酸素プラズマ(イオンと電子の混合体)と電気的に中性な活性種)が生成され、これらが拡散して、処理室100内がプラズマ状態の酸素ガス雰囲気となる。
【0070】
そして、基板111表面(その分離溝の壁面を含む)に1分子層(又は原子層)レベルで付着したHMDSの堆積膜が、生成したプラズマ(具体的には、酸素プラズマ(イオンと電子の混合体)と電気的に中性な活性種)に晒されることにより酸化され、1分子層(又は原子層)レベルのシリコン酸化膜(SiO膜)が形成される。
【0071】
ここで、酸素含有ガス雰囲気工程S306の諸条件の一例としては、例えば、以下の通りである。
・処理室100内の温度:150℃
・処理室100内の圧力:40Pa
・酸素ガス供給量:0.2slm
・一対の櫛形電極130に印加する高周波電力(RF電力):400W
・一対の櫛形電極130の放電時間:2秒
(第二パージガス雰囲気工程)
次に、ステップS308では、処理室100を第二ガスであるパージガス雰囲気にする。
【0072】
具体的には、例えば、酸素ガス供給ライン230の開閉バルブ234を閉めて、酸素含有ガスの供給と停止する。そして、一対の櫛形電極130に対する交流電力供給系131による高周波電力印加を停止し、プラズマの生成を停止する。
【0073】
次に、排気部140において、真空ポンプ143を作動させ、可変コンダクタンスバルブ142の開度を調整し、処理室100内の酸素含有ガスを排気する。
【0074】
次に、窒素ガス供給ライン220において、マスフローコントローラ223により流量を制御しつつ開閉バルブ224を開けることで、シャワーヘッド120を経由して、パージガスである窒素ガスを処理室100内に供給し、当該処理室100内を窒素ガス雰囲気にする。
【0075】
これにより、処理室100内に残留する不要な酸素ガス(プラズマ状態の酸素ガス)を窒素ガスでパージ(除去)できる。
【0076】
なお、パージガスである窒素ガスの処理室100への供給と、排気部140による供給した窒素ガスの処理室100からの排気と、を短時間で繰り返すと、パージ(除去)が短縮される。
【0077】
ここで、パージガス雰囲気工程S308の諸条件の一例としては、例えば、以下の通りである。
・窒素ガスの供給時間(酸素ガス除去時間):2秒
(繰り返し工程)
次に、ステップS310では、シリコン含有ガス雰囲気工程(ステップS302)、第一パージガス雰囲気工程(ステップS304)、酸素含有ガス雰囲気工程(ステップS306)、及び第二パージガス雰囲気工程(ステップS308)を一サイクルとして何回実施したかを判定する。本サイクルの実施が所定の回数未満であれば、ステップS302に戻り、再び、シリコン含有ガス雰囲気工程(ステップS302)、第一パージガス雰囲気工程(ステップS304)、酸素含有ガス雰囲気工程(ステップS306)、及び第二パージガス雰囲気工程(ステップS308)を繰り返す。
【0078】
そして、ステップS310で、上記サイクルの実施が所定の回数行われたと判定した場合、ステップS312に進み、基板搬出工程を行う。
【0079】
ステップS312では、上記サイクル(各工程)を繰り返すことにより、基板111表面(その分離溝の壁面を含む)に対して、各サイクル(各工程)毎に、1分子層(又は原子層)レベルで、HMDSの堆積・その酸化によるシリコン酸化膜の形成が繰り返し行われ、所望の厚みのシリコン酸化膜が形成される。つまり、基板111に形成された素子分離溝内では、その壁面に各サイクル毎にシリコン酸化膜が積層されていくことにより、埋め込まれることとなる。
【0080】
なお、本繰り返し工程は、一回サイクルで、0.7Åまで程度のHMDSの堆積・その酸化によるシリコン酸化膜の形成を行うことができる。つまり、成膜速度が、0.7Å/サイクルで実現できる。
(基板搬出工程)
次に、ステップS312では、基板111を処理室100(サセプタ110)から搬出する。そして、基板処理を終了する。
【0081】
なお、基板処理を連続して行う場合、ステップS301に戻り、基板搬入工程を行い、再び、基板処理を行う。
(第一実施形態に係る基板処理装置(半導体装置の製造方法)作用)
以上説明した第一実施形態に係る基板処理装置(半導体装置の製造方法)では、シリコン含有ガス雰囲気工程(図3のステップS302)、第一パージガス雰囲気工程(図3のステップS304)、酸素含有ガス雰囲気工程(図3のステップS306)、及び第二パージガス雰囲気工程(図3のステップS308)を一サイクルとして、本サイクルを所望の回数で繰り返し行う(繰り返し工程(図3のステップS310))。
【0082】
本サイクルでは、1分子層(又は原子層)レベルで、HMDSの堆積・その酸化によるシリコン酸化膜の形成が繰り返し行われる。このため、本サイクルを繰り返し行うことにより、1分子層(又は原子層)レベルの膜厚のシリコン酸化膜が積層されていくことにより、所望の膜厚のシリコン酸化膜が形成される。
【0083】
つまり、基板111に形成された素子分離溝内では、その壁面において、1分子層(又は原子層)レベルの膜厚のシリコン酸化膜が本サイクル毎に積層されていき、素子分離溝内がシリコン酸化膜で埋め込まれる。
【0084】
ここで、シリコン含有ガス雰囲気工程(ステップS302)では、基板111に形成された素子分離溝内では、その壁面にHMDSが吸着・堆積して、これを酸化する工程を繰り返すことで、膜厚が増加して行くが、結果として溝の底部側の膜厚が厚くなる。つまり、溝の上部側の壁面よりも溝の底部側の膜厚が厚くなる。これは、溝の中ではプラズマに近い側の側面において、プラズマ或いは高エネルギーの活性種の作用を強く受けるためである。
【0085】
この状態で、酸素含有ガス雰囲気工程(ステップS306)において、HMDSの堆積膜の酸化を行うと、素子分離溝の上部側よりも溝の底部側方が、膜厚が厚いシリコン酸化膜が形成される。そして、上記サイクルを繰りして、シリコン酸化膜の積層を繰り返すと、図3に示すように、素子分離溝内において、断面形状がテーパー状となるように、シリコン酸化膜が形成されることとなる(図4中、112は、例えば、アスペクト比10(溝幅3000nm/溝幅300nm)の素子分離溝、113はシリコン酸化膜を示す)。
【0086】
このため、上記サイクルを繰りして、素子分離溝内を埋め込むように、シリコン酸化膜を積層していっても、先に、素子分離溝の上部側のみシリコン酸化膜で埋め込まれることが防止される。
【0087】
したがって、第一実施形態に係る基板処理装置11(半導体装置の製造方法)では、基板111に形成された高いアスペクト比の素子分離溝でも、空洞(ボイド)の発生を抑制して、つまりボイドフリーで当該溝中にシリコン絶縁膜を埋め込むことができる。
【0088】
ここで、高いアスペクト比の素子分離溝とは、溝深さ/溝幅=10以上のアスペクト比の素子分離溝である。
【0089】
なお、図5に示すように、素子分離溝の上部側の壁面と溝の底部側とにおいて、同等の膜厚でシリコン酸化膜が形成されると、アスペクト比の高い素子分離溝の場合、先に、素子分離溝の上部側のみシリコン酸化膜で埋め込まれる可能性があり、素子分離溝の底部側に空洞の発生が発生する可能性がある(図5中、112はアスペクト比10(溝幅3000nm/溝幅300nm)の素子分離溝、113はシリコン酸化膜を示す)。
【0090】
また、第一実施形態に係る基板処理装置11(半導体装置の製造方法)では、シリコン含有ガス雰囲気工程(図3のステップ302)において、第一ガスであるヘキサメチルジシラザン(HMDS)含有ガス(第一実施形態ではHMDSガス及び窒素ガスの混合ガス)をバッファタンク215に貯蔵した後、バッファタンク215から第一ガスであるヘキサメチルジシラザン(HMDS)含有ガスを処理室100に供給している。
【0091】
これにより、HMDS含有ガスを一気に放出できることから、短時間でHMDS含有ガスを処理室100内に供給できる。
[第二実施形態]
図6は、第二実施形態に係る基板処理装置を示す概略構成図である。図7は、第二実施形態に係る基板処理装置のリモートプラズマユニット(プラズマ生成部)を示す概略構成図である。
【0092】
第二実施形態に係る基板処理装置12は、リモートプラズマ型プラズマ処理装置であり、図6に示すように、酸素ガス供給ライン230において、酸素ガス供給管231の上流端側から、酸素ガス供給源232と、酸素ガスの流量を制御するマスフローコントローラ233と、開閉バルブ234と、プラズマ生成部としてのリモートプラズマユニット235と、開閉バルブ236と、が直列に設けられて構成されている。
【0093】
つまり、第二実施形態に係る基板処理装置12は、第一実施形態に対して、処理室100内部に設けた一対の櫛形電極130に代えて、処理室100外部にリモートプラズマユニット235を設けた点が異なる。そして、第二実施形態に係る基板処理装置12は、この点以外、第一実施形態と同様な構成である。
【0094】
ここで、リモートプラズマユニット235は、図7に示すように、プラズマ生成室240と、プラズマ生成室240内の雰囲気(酸素ガス雰囲気)と隔離されるように設けられたプラズマ生成源241(例えば棒状電極等)と、備えている。
【0095】
プラズマ生成源241は、交流電力供給系251が接続されている。
【0096】
交流電力供給系251は、プラズマ生成源241に対して、発振器252の出力する交流電力を整合器253を介して印加できるようになっている。交流電力の周波数は、数(KHz)の低周波から13.56(MHz)などの高周波を用いる。交流電力を供給する経路の途中には絶縁トランス254が設けてあり、プラズマ生成源241は、接地(アース)と絶縁された状態になっている。交流電力供給系には絶縁トランス254が設けてあるため、プラズマ生成源241には180度位相の異なる電界を印加する構造となっている。
【0097】
プラズマ生成源241に、交流電力供給系251により、発振器252の出力する交流電力を整合器253を介して供給すると、プラズマ生成源241によりプラズマ生成室240内の酸素ガスをプラズマ状態とする、つまりプラズマ(具体的には、酸素プラズマ(イオンと電子の混合体)と電気的に中性な活性種)が生成される。
【0098】
そして、酸素ガス供給ライン230は、生成されたプラズマ(具体的には、酸素プラズマ(イオンと電子の混合体)と電気的に中性な活性種)のうち、電気的に中性な活性種が、シャワーヘッド120を経由して処理室100内に供給して、基板111を処理する構成となっている。
【0099】
第二実施形態に係る基板処理装置12により実施される第一実施形態に係る半導体装置の製造方法(基板処理方法)では、処理室100を第三ガスである酸素ガスであって活性状態の酸素含有ガス雰囲気にする酸素含有ガス雰囲気工程(図3のステップS306)として、次の処理が実施される。なお、本処理以外は、第一実施形態と同様である。
【0100】
具体的には、例えば、窒素ガス供給ライン220の開閉バルブ224を閉めて、窒素ガスの供給と停止する。
【0101】
次に、酸素ガス供給ラインにおいて、マスフローコントローラ233により流量を制御しつつ開閉バルブ234を開けることで、リモートプラズマユニット235のプラズマ生成室240に供給する。
【0102】
次に、このプラズマ生成室240の酸素ガス雰囲気下で、リモートプラズマユニット235の交流電力供給系251において、プラズマ生成源241に対して、発振器252の出力する高周波電力を整合器253及び絶縁トランス254を介して印加する。
【0103】
これによりプラズマ生成室240内の酸素ガスをプラズマ状態となり、プラズマ(具体的には、酸素プラズマ(イオンと電子の混合体)と電気的に中性な活性種)が生成される。
【0104】
次に、酸素ガス供給ラインにおいて、開閉バルブ236を開くと、電気的に中性な活性種が、シャワーヘッド120を経由して処理室100内に供給され、処理室100内が活性状態の酸素ガス雰囲気(具体的には、酸素ガスのプラズマの電子で活性化された電気的に中性な活性種が含まれる雰囲気)とする。
【0105】
そして、基板111表面(その分離溝の壁面を含む)に1分子層(又は原子層)レベルで付着したHMDSの堆積膜が、生成した電気的に中性な活性種に晒されることにより酸化され、1分子層(又は原子層)レベルのシリコン酸化膜(SiO膜)が形成される。
【0106】
ここで、酸素含有ガス雰囲気工程S306の諸条件の一例としては、例えば、以下の通りである。
・処理室100内の温度:150℃
・処理室100内の圧力:10Pa
・酸素ガス供給量:0.5slm以下
・リモートプラズマユニット235のプラズマ生成源241に印加する高周波電力(RF電力):400W
・リモートプラズマユニット235のプラズマ生成源241の放電時間:2秒
なお、第二実施形態に係る基板処理装置12(半導体装置の製造方法)において、シリコン含有ガス雰囲気工程(図3のステップS302)、第一パージガス雰囲気工程(図3のステップS304)、酸素含有ガス雰囲気工程(図3のステップS306)、及び第二パージガス雰囲気工程(図3のステップS308)を一サイクルとして、これを繰り返す繰り返し工程は、一回サイクルで、1.0Åまで程度のHMDSの堆積・その酸化によるシリコン酸化膜の形成を行うことができる。つまり、成膜速度が、1.0Å/サイクルで実現できる。
【0107】
以上説明した第二実施形態に係る基板処理装置12(半導体装置の製造方法)でも、第一実施形態と同様に、基板111に形成された高いアスペクト比の素子分離溝でも、空洞の発生を抑制して当該溝中にシリコン絶縁膜を埋め込むことができる。
【0108】
一方で、第二実施形態に係る基板処理装置12(半導体装置の製造方法)では、酸素含有ガス雰囲気工程(ステップS306)において、電気的に中性な活性種のみのプラズマに晒してHMDSの堆積膜の酸化するのに対して、第一実施形態では、酸素プラズマと電気的に中性な活性種との双方のプラズマに晒してHMDSの堆積膜の酸化する。
【0109】
このため、第二実施形態の基板処理装置12(半導体装置の製造方法)では、第一実施形態に比べ、酸素プラズマによる基板111のダメージが抑制される。
【0110】
また、第二実施形態に係る基板処理装置12(半導体装置の製造方法)では、例えば、第一実施形態ではシリコン酸化膜の成膜速度が0.7Å/サイクル程度であるのに対して、シリコン酸化膜の成膜速度を1.0Å/サイクルであることから、第一実施形態に比べ、短時間でのシリコン絶縁膜の埋め込みが実現できる。
[その他]
なお、上記各実施形態に係る基板処理装置(半導体装置の製造方法)では、原料であるHMDSガスが他の原料に比べ安価に入手することができ、また、HMDSの堆積膜の酸化する手段としてオゾンを使用しないため、高価なオゾナイザを必要としないことから、低コスト化も実現される。
【0111】
また、上記各実施形態に係る基板処理装置(半導体装置の製造方法)は、素子分離溝内のシリコン酸化膜の埋め込み(つまりトレンチアイソレーションの埋め込み)の他、TSV(Through Silicon Via/シリコン貫通孔用ホール)におけるシリコン酸化膜(絶縁膜)の埋め込みにも有効に適用できる。
[本発明の好ましい態様]
以下に、本発明の好ましい態様について付記する。
(付記1)
本発明の好ましい一態様によれば、
高いアスペクト比の素子分離溝が形成された基板を処理室に搬入する基板搬入工程と、
前記処理室を第一ガスであるヘキサメチルジシラザン(HMDS)含有ガス雰囲気にするシリコン含有ガス雰囲気工程と、
前記処理室を第二ガスであるパージガス雰囲気にする第一パージガス雰囲気工程と、
前記処理室を第三ガスである酸素含有ガスであってプラズマ状態の酸素含有ガス雰囲気にする酸素含有ガス雰囲気工程と、
前記処理室を第二ガスであるパージガス雰囲気にする第二パージガス雰囲気工程と、
前記シリコン含有ガス雰囲気工程、前記第一パージガス雰囲気工程、前記酸素含有ガス雰囲気工程、及び前記第二パージガス雰囲気工程を繰り返す工程と、
を有する半導体装置の製造方法が提供される。
(付記2)
付記1の半導体装置の製造方法において、好ましくは、前記シリコン含有ガス雰囲気工程では、前記第一ガスであるヘキサメチルジシラザン(HMDS)含有ガスをバッファタンクに貯蔵した後、前記バッファタンクから前記第一ガスであるヘキサメチルジシラザン(HMDS)含有ガスを前記処理室に供給する。
(付記3)
付記1又は2の半導体装置の製造方法において、好ましくは、前記シリコン含有ガス雰囲気工程ではヘキサメチルジシラザン(HMDS)を1分子層(又は原子層)レベルで成膜し、前記酸素含有ガス雰囲気工程では成膜したヘキサメチルジシラザン(HMDS)を酸化する。
(付記4)
付記1〜3のいずれか半導体装置の製造方法において、好ましくは、前記酸素含有ガス雰囲気工程では、酸素含有ガスのプラズマ化により生成された酸素プラズマ及び電気的に中性な活性種の双方を利用して、成膜したヘキサメチルジシラザン(HMDS)を酸化する。
(付記5)
付記4の半導体装置の製造方法において、好ましくは、前記酸素含有ガス雰囲気工程では、処理室内部に設けられた一対の電極により、酸素含有ガスをプラズマ化する。
(付記6)
付記5の半導体装置の製造方法において、好ましくは、一対の電極が一対の櫛形電極である。
(付記7)
付記1〜3のいずれかの半導体装置の製造方法において、好ましくは、前記酸素含有ガス雰囲気工程では、電気的に中性な活性種のみを利用して、成膜したヘキサメチルジシラザン(HMDS)を酸化する。
(付記8)
付記7のいずれかの半導体装置の製造方法において、好ましくは、前記酸素含有ガス雰囲気工程では、処理室外部に設けられたリモートプラズマユニットにより、酸素含有ガスをプラズマ化する。
(付記9)
本発明の好ましい一態様によれば、
処理室と、
前記処理室内に設けられ、高いアスペクト比の素子分離溝が形成された基板を載置する基板載置部と、
前記処理室に、第一ガスであるヘキサメチルジシラザン(HMDS)含有ガスを供給する第一ガス供給部と、
前記処理室に、第二ガスであるパージガスを供給する第二ガス供給部と、
前記処理室に、第三ガスである酸素含有ガスを供給する第三ガス供給部と、
前記第三ガスである酸素含有ガスをプラズマ状態とするプラズマ生成部と、
前記処理室を前記第一ガスであるヘキサメチルジシラザン(HMDS)含有ガス雰囲気にするシリコン含有ガス雰囲気工程と、前記処理室を前記第二ガスであるパージガス雰囲気にする第一パージガス雰囲気工程と、前記処理室を前記第三ガスである酸素ガスであってプラズマ状態の酸素含有ガス雰囲気にする酸素含有ガス雰囲気工程と、前記処理室を第二ガスであるパージガス雰囲気にする第二パージガス雰囲気工程と、前記シリコン含有ガス雰囲気工程、前記第一パージガス雰囲気工程、前記酸素含有ガス雰囲気工程、及び前記第二パージガス雰囲気工程を繰り返す工程と、を実施するように、前記第一ガス供給部、前記第二ガス供給部、前記第三ガス供給部、及び前記プラズマ生成部を制御する制御部と、
を備える基板処理装置が提供される。
(付記10)
付記9の基板処理装置において、好ましくは、第一ガス供給部には、前記第一ガスであるヘキサメチルジシラザン(HMDS)含有ガスを貯蔵した後、前記処理室に供給するバッファタンクを備える。
(付記11)
付記9又は10の基板処理装置において、好ましくは、プラズマ生成部は、前記基板載置部の基板載置面と対向する位置に設けられている。
(付記12)
付記11の基板処理装置において、好ましくは、プラズマ生成部は、一対の電極である。
(付記13)
付記12の基板処理装置において、好ましくは、一対の電極は一対の櫛形電極である。
(付記14)
付記9又は10の基板処理装置において、好ましくは、プラズマ生成部は、処理室外部に設けられたリモートプラズマユニットである。
【0112】
以上、本発明の種々の典型的な実施形態を説明してきたが、本発明はそれらの実施の形態に限定されない。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。
【符号の説明】
【0113】
11、12 基板処理装置
100 処理室
101 密閉容器
102 基板搬送口
103 ゲートバルブ
104 排気口
110 サセプタ
111 基板
120 シャワーヘッド
121、122 ガス導入ポート
123 孔
130 櫛形電極
131 交流電力供給系
132 発振器
133 整合器
134 絶縁トランス
140 排気部
141 排気管
142 可変コンダクタンスバルブ
143 真空ポンプ
200 ガス供給部
201 共通ガス供給管
202 窒素ガス分岐供給管
203 開閉バルブ
210 HMDSガス供給ライン
211 HMDSガス供給管
212 HMDSガス供給源
213 マスフローコントローラ
214 開閉バルブ
215 バッファタンク
216 開閉バルブ
220 窒素ガス供給ライン
221 窒素ガス供給管
222 窒素ガス供給源
223 マスフローコントローラ
224 開閉バルブ
230 酸素ガス供給ライン
231 酸素ガス供給管
232 酸素ガス供給源
233 マスフローコントローラ
234 開閉バルブ
235 リモートプラズマユニット
236 開閉バルブ
240 プラズマ生成室
241 プラズマ生成源
251 交流電力供給系
252 発振器
253 整合器
254 絶縁トランス
300 コントローラ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
素子分離溝が形成された基板を処理室に搬入する基板搬入工程と、
前記処理室を第一ガスであるヘキサメチルジシラザン(HMDS)含有ガス雰囲気にするシリコン含有ガス雰囲気工程と、
前記処理室を第二ガスであるパージガス雰囲気にする第一パージガス雰囲気工程と、
前記処理室を第三ガスである酸素含有ガスであってプラズマ状態の酸素含有ガス雰囲気にする酸素含有ガス雰囲気工程と、
前記処理室を第二ガスであるパージガス雰囲気にする第二パージガス雰囲気工程と、
前記シリコン含有ガス雰囲気工程、前記第一パージガス雰囲気工程、前記酸素含有ガス雰囲気工程、及び前記第二パージガス雰囲気工程を繰り返す工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
【請求項2】
前記シリコン含有ガス雰囲気工程において、前記第一ガスであるヘキサメチルジシラザン(HMDS)含有ガスをバッファタンクに貯蔵した後、前記バッファタンクから前記第一ガスであるヘキサメチルジシラザン(HMDS)含有ガスを前記処理室に供給する請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項3】
処理室と、
前記処理室内に設けられ、素子分離溝が形成された基板を載置する基板載置部と、
前記処理室に、第一ガスであるヘキサメチルジシラザン(HMDS)含有ガスを供給する第一ガス供給部と、
前記処理室に、第二ガスであるパージガスを供給する第二ガス供給部と、
前記処理室に、第三ガスである酸素含有ガスを供給する第三ガス供給部と、
前記第三ガスである酸素含有ガスをプラズマ状態とするプラズマ生成部と、
前記処理室を前記第一ガスであるヘキサメチルジシラザン(HMDS)含有ガス雰囲気にするシリコン含有ガス雰囲気工程と、前記処理室を前記第二ガスであるパージガス雰囲気にする第一パージガス雰囲気工程と、前記処理室を前記第三ガスである酸素ガスであってプラズマ状態の酸素含有ガス雰囲気にする酸素含有ガス雰囲気工程と、前記処理室を第二ガスであるパージガス雰囲気にする第二パージガス雰囲気工程と、前記シリコン含有ガス雰囲気工程、前記第一パージガス雰囲気工程、前記酸素含有ガス雰囲気工程、及び前記第二パージガス雰囲気工程を繰り返す工程と、を実施するように、前記第一ガス供給部、前記第二ガス供給部、前記第三ガス供給部、及び前記プラズマ生成部を制御する制御部と、
を備える基板処理装置。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図5】
image rotate

【図6】
image rotate

【図7】
image rotate


【公開番号】特開2013−55240(P2013−55240A)
【公開日】平成25年3月21日(2013.3.21)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−192888(P2011−192888)
【出願日】平成23年9月5日(2011.9.5)
【出願人】(000001122)株式会社日立国際電気 (5,007)
【Fターム(参考)】