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JP6545094B2 - 成膜方法及び成膜装置 - Google Patents

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Description

本発明は、成膜方法及び成膜装置に関する。
従来から、基板に形成された凹部の内面に所望の分布で水酸基を吸着させ、次いで有機アミノシランガスを水酸基が吸着した基板に供給して吸着させ、次いで酸化ガスを有機アミノシランガスが吸着した基板に供給し、シリコン酸化膜を凹部内に成膜する成膜方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
かかる成膜方法によれば、水酸基の吸着分布を制御することにより、所望の膜厚分布で成膜を行うことが可能となり、ボトムアップ性の高い成膜や、凹部の形状にコンフォーマルな成膜等を用途に応じて実施することができる。
特開２０１３−１３５１５４号公報
ところで、上述のようなボトムアップ性の高い成膜は、半導体集積回路の高密度化及び多様化により、シリコン酸化膜以外の成膜でも求められるようになってきた。
そこで、本発明は、シリコン酸化膜以外の成膜においても適用することができ、かつ簡素なプロセス及び装置により実現可能なボトムアップ性の高い成膜を行うことができる成膜方法及び成膜装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る成膜方法は、基板の表面に形成されている窪みパターンに底面側から膜を埋め込む成膜方法であって、
前記基板の表面及び前記窪みパターンの上部にプラズマにより活性化したハロゲン含有ガスを供給して吸着させ、吸着阻害基を形成するハロゲン含有ガス供給工程と、
前記窪みパターンを含む前記基板の表面に第１の反応ガスを供給し、前記基板の表面の前記吸着阻害基に吸着を阻害されない領域に前記第１の反応ガスを吸着させる第１の反応ガス供給工程と、
前記窪みパターンを含む前記基板の表面に前記第１の反応ガスと反応する第２の反応ガスを供給し、前記基板の表面に吸着した前記第１の反応ガスと前記第２の反応ガスとの反応生成物を生成することにより、該反応生成物の分子層を堆積させる第２の反応ガス供給工程と、を有する。
本発明の他の態様に係る成膜装置は、処理室と、
該処理室内に設けられ、表面上に基板を載置可能な基板載置領域を有する回転テーブルと、
該回転テーブル上に回転方向に沿って所定領域に設けられ、前記回転テーブル上に第１の反応ガスを供給可能な第１の反応ガス供給領域と、
前記回転テーブル上であって、該第１の反応ガス供給領域の前記回転方向下流側に設けられ、前記回転テーブル上に前記第１の反応ガスと反応して反応生成物を生成可能な第２の反応ガスを供給可能な第２の反応ガス供給領域と、
前記回転テーブル上であって、該第２の反応ガス供給領域の前記回転方向下流側に設けられ、前記回転テーブル上にハロゲン含有ガスを供給可能なハロゲン含有ガス供給領域と、
前記ハロゲン含有ガス供給領域に設けられた前記ハロゲン含有ガスをプラズマ化するプラズマ発生手段と、
前記回転テーブルより下方に設けられ、前記ハロゲン含有ガスにエッチング作用を生じさせない所定の温度に前記回転テーブルを加熱するヒータと、を有する。
本発明によれば、ボトムアップ性の高い埋め込み成膜を行うことができる。
本発明の実施形態に係る成膜装置を示す概略断面図である。 図１の成膜装置の真空容器内の構成を示す概略斜視図である。 図１の成膜装置の真空容器内の構成を示す概略平面図である。 図１の成膜装置の回転テーブルの同心円に沿った真空容器の概略断面図である。 図１の成膜装置の別の概略断面図である。 図１の成膜装置に設けられるプラズマ発生源を示す概略断面図である。 図１の成膜装置に設けられるプラズマ発生源を示す他の概略断面図である。 図１の成膜装置に設けられるプラズマ発生源を示す概略上面図である。 本発明の実施形態に係る成膜方法の一例の一連の工程を示した図である。図９（ａ）は、本発明の実施形態に係る成膜方法の成膜開始時のウエハＷの状態を示した図である。図９（ｂ）は、ハロゲン含有ガス供給工程の一例を示した図である。図９（ｃ）は、第１の反応ガス供給工程の一例を示した図である。図９（ｄ）は、第２の反応ガス供給工程の一例を示した図である。図９（ｅ）は、図９（ｄ）よりも更に成膜が進んだ状態を示した図である。 Ｔｉ−Ｆ基の表面残留性を示すための実験結果である。 吸着阻害基であるＨ基をウエハの表面上に形成し、成膜を行った場合の成膜開始時間を調べた実験結果である。
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。
［成膜装置］
始めに、本発明の実施形態に係る成膜装置について説明する。図１から図３までを参照すると、成膜装置は、ほぼ円形の平面形状を有する扁平な真空容器１と、真空容器１内に設けられ、真空容器１の中心に回転中心を有する回転テーブル２と、を備えている。真空容器１は、内部に収容したウエハの表面上に成膜処理を行うための処理室である。真空容器１は、有底の円筒形状を有する容器本体１２と、容器本体１２の上面に対して、例えばＯリングなどのシール部材１３（図１）を介して気密に着脱可能に配置される天板１１とを有している。
回転テーブル２は、中心部にて円筒形状のコア部２１に固定され、このコア部２１は、鉛直方向に伸びる回転軸２２の上端に固定されている。回転軸２２は真空容器１の底部１４を貫通し、下端が回転軸２２（図１）を鉛直軸回りに回転させる駆動部２３に取り付けられている。回転軸２２及び駆動部２３は、上面が開口した筒状のケース体２０内に収納されている。ケース体２０はその上面に設けられたフランジ部分が真空容器１の底部１４の下面に気密に取り付けられており、ケース体２０の内部雰囲気と外部雰囲気との気密状態が維持されている。
回転テーブル２の表面部には、図２及び図３に示すように回転方向（周方向）に沿って複数（図示の例では５枚）の基板である半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）Ｗを載置するための円形状の凹部２４が設けられている。なお、図３には便宜上１個の凹部２４だけにウエハＷを示す。この凹部２４は、ウエハＷの直径よりも僅かに例えば４ｍｍ大きい内径と、ウエハＷの厚さにほぼ等しい深さとを有している。したがって、ウエハＷが凹部２４に収容されると、ウエハＷの表面と回転テーブル２の表面（ウエハＷが載置されない領域）とが同じ高さになる。凹部２４の底面には、ウエハＷの裏面を支えてウエハＷを昇降させるための例えば３本の昇降ピンが貫通する貫通孔（いずれも図示せず）が形成されている。
図２及び図３は、真空容器１内の構造を説明するための図であり、説明の便宜上、天板１１の図示を省略している。図２及び図３に示すように、回転テーブル２の上方には、各々例えば石英からなる反応ガスノズル３１、反応ガスノズル３２、反応ガスノズル３３、及び分離ガスノズル４１、４２が真空容器１の周方向（回転テーブル２の回転方向（図３の矢印Ａ））に互いに間隔をおいて配置されている。図示の例では、後述の搬送口１５から時計回り（回転テーブル２の回転方向）に、分離ガスノズル４１、反応ガスノズル３１、分離ガスノズル４２、反応ガスノズル３２及び反応ガスノズル３３がこの順番で配列されている。これらのノズル３１、３２、３３、４１、４２は、各ノズル３１、３２、３３、４１、４２の基端部であるガス導入ポート３１ａ、３２ａ、３３ａ、４１ａ、４２ａ（図３）を容器本体１２の外周壁に固定することにより、真空容器１の外周壁から真空容器１内に導入され、容器本体１２の半径方向に沿って回転テーブル２に対して水平に伸びるように取り付けられている。
本実施形態においては、図３に示されるように、反応ガスノズル３１は、配管１１０及び流量制御器１２０などを介して、第１の反応ガスの供給源１３０に接続されている。反応ガスノズル３２は、配管１１１及び流量制御器１２１などを介して、第２の反応ガスの供給源１３１に接続されている。更に、反応ガスノズル３３は、配管１１２及び流量制御器１２２などを介して、ハロゲン含有ガス（ＣｌＦ３、Ｆ２、ＮＦ３、ＣＦ４、ＢＣｌ３、ＨＣｌ等）の供給源１３２に接続されている。分離ガスノズル４１、４２は、いずれも不図示の配管及び流量制御バルブなどを介して、分離ガスの供給源（図示せず）に接続されている。分離ガスとしては、ヘリウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）などの希ガスや窒素（Ｎ２）ガスなどの不活性ガスを用いることができる。本実施形態では、Ｎ２ガスを用いる例を挙げて説明する。
反応ガスノズル３１、３２、３３には、回転テーブル２に向かって開口する複数のガス吐出孔３５が、反応ガスノズル３１、３２、３３の長さ方向に沿って、例えば１０ｍｍの間隔で配列されている。反応ガスノズル３１の下方領域は、第１の反応ガスをウエハＷに吸着させるための第１の処理領域Ｐ１となる。反応ガスノズル３２の下方領域は、第１の処理領域Ｐ１においてウエハＷに吸着した第１の反応ガスと反応する第２の反応ガスを供給し、反応生成物の分子層を生成する第２の処理領域Ｐ２となる。なお、反応生成物の分子層が、成膜される膜を構成する。反応ガスノズル３３の下方領域は、第２の処理領域Ｐ２において生成した反応生成物（膜）にハロゲン含有ガスを供給し、吸着阻害基を形成する第３の処理領域Ｐ３となる。ここで、第１の処理領域Ｐ１は、第１の反応ガス、つまり原料ガスを供給する領域であるので、第１の反応ガス供給領域Ｐ１又は原料ガス供給領域Ｐ１と呼んでもよいこととする。同様に、第２の処理領域Ｐ２は、第２の反応ガス、つまり原料ガスと反応して反応生成物を生成可能な反応ガスを供給する領域であるので、第２の反応ガス供給領域Ｐ２又は反応ガス供給領域Ｐ２と呼んでもよいこととする。また、第３の処理領域Ｐ３は、第３の反応ガス、つまりハロゲン含有ガスを供給する領域であるので、第３の反応ガス供給領域Ｐ３又はハロゲン含有ガス供給領域Ｐ３と呼んでもよいこととする。
なお、第３の処理領域Ｐ３の上方には、必要に応じてプラズマ発生器８０が設けられてもよい。図３において、プラズマ発生器８０は、破線で簡略化して示されている。プラズマ発生器８０の詳細については後述する。
なお、第１の反応ガスは、種々のガスであってよいが、一般的には、成膜される膜の原料となる原料ガスが選択される。例えば、金属酸化膜を成膜する場合には、金属酸化膜の金属元素を含む反応ガスが選択される。例えば、金属酸化膜の一種であるＴｉＯ２膜を成膜する場合には、Ｔｉを含むＴｉＣｌ４ガス等が選択される。
また、第２の反応ガスには、第１の反応ガスと反応して反応生成物を生成し得る反応ガスであれば、種々の反応ガスを用いることができるが、例えば、金属酸化膜を成膜する場合には酸化ガス、金属窒化膜を成膜する場合には窒化ガスが選択される。例えば、ＴｉＯ２膜を成膜する場合には、Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２等が選択され、ＴｉＮ膜を成膜する場合には、ＮＨ３等が選択される。
ハロゲン含有ガスには、ハロゲン元素を含有する種々の反応ガスを用いることができるが、例えば、フッ素を含有するフッ素含有ガス、塩素を含有する塩素含有ガス等を用いることができる。ハロゲン含有ガスは、第１の反応ガス、つまり原料ガスがウエハに吸着するのを阻害する吸着阻害基をウエハの表面上に形成する役割を有する。例えば、ウエハの表面にビア、トレンチ等の窪みパターンが形成されている場合には、ウエハの表面及び窪みパターンの上部に吸着阻害基を形成することにより、窪みパターンの上部では膜厚が厚くならず、底面側の膜厚が厚くなり、ボトムアップ性の高い成膜が可能となる。吸着阻害基は、第１の反応ガス（原料ガス）と反応しない元素を含むガスである必要があり、金属酸化膜又は金属窒化膜を成膜する場合には、ハロゲン含有ガスを好適に用いることができる。
フッ素含有ガスとしては、例えば、ＣｌＦ３、Ｆ２、ＮＦ３、ＣＦ４等を用いることができる。また、塩素含有ガスとしては、例えば、ＢＣｌ３、ＨＣｌ等を用いることができる。また、その他のハロゲン含有ガスも用途に応じて適宜用いることができる。
なお、ウエハＷの表面にビア、トレンチ等の窪みパターンが形成されており、ハロゲン含有ガスを吸着阻害基形成のために供給する際、ハロゲン含有ガスが窪みパターンの底面にまで到達しないように、流量を所定流量以下に調整して供給する。つまり、ハロゲン含有ガスが窪みパターンの底部にまで到達してしまうと、窪みパターンの全表面について原料ガスの吸着が阻害されることになってしまい、ボトムアップ性の高い成膜という目的は達成されず、単にスループットを低下させるための供給になってしまうからである。よって、流量制御器９２を用いて、反応ガスノズル３３からのハロゲン含有ガスの供給が所定流量以下又は所定流量未満となるように流量制御を行う。
図２及び図３を参照すると、真空容器１内には２つの凸状部４が設けられている。凸状部４は、分離ガスノズル４１、４２とともに分離領域Ｄを構成するため、後述のとおり、回転テーブル２に向かって突出するように天板１１の裏面に取り付けられている。また、凸状部４は、頂部が円弧状に切断された扇型の平面形状を有し、本実施形態においては、内円弧が突出部５（後述）に連結し、外円弧が、真空容器１の容器本体１２の内周面に沿うように配置されている。
図４は、反応ガスノズル３１から反応ガスノズル３２まで回転テーブル２の同心円に沿った真空容器１の断面を示している。図示のとおり、天板１１の裏面に凸状部４が取り付けられているため、真空容器１内には、凸状部４の下面である平坦な低い天井面４４（第１の天井面）と、この天井面４４の周方向両側に位置する、天井面４４よりも高い天井面４５（第２の天井面）とが存在する。天井面４４は、頂部が円弧状に切断された扇型の平面形状を有している。また、図示のとおり、凸状部４には周方向中央において、半径方向に伸びるように形成された溝部４３が形成され、分離ガスノズル４２が溝部４３内に収容されている。もう一つの凸状部４にも同様に溝部４３が形成され、ここに分離ガスノズル４１が収容されている。また、高い天井面４５の下方の空間に反応ガスノズル３１、３２がそれぞれ設けられている。これらの反応ガスノズル３１、３２は、天井面４５から離間してウエハＷの近傍に設けられている。なお、図４に示すように、高い天井面４５の下方の右側の空間４８１に反応ガスノズル３１が設けられ、高い天井面４５の下方の左側の空間４８２に反応ガスノズル３２が設けられる。
また、凸状部４の溝部４３に収容される分離ガスノズル４１、４２には、回転テーブル２に向かって開口する複数のガス吐出孔４２ｈ（図４参照）が、分離ガスノズル４１、４２の長さ方向に沿って、例えば１０ｍｍの間隔で配列されている。
天井面４４は、狭隘な空間である分離空間Ｈを回転テーブル２に対して形成している。分離ガスノズル４２の吐出孔４２ｈからＮ２ガスが供給されると、このＮ２ガスは、分離空間Ｈを通して空間４８１及び空間４８２へ向かって流れる。このとき、分離空間Ｈの容積は空間４８１及び４８２の容積よりも小さいため、Ｎ２ガスにより分離空間Ｈの圧力を空間４８１及び４８２の圧力に比べて高くすることができる。すなわち、空間４８１及び４８２の間に圧力の高い分離空間Ｈが形成される。また、分離空間Ｈから空間４８１及び４８２へ流れ出るＮ２ガスが、第１の領域Ｐ１からの第１の反応ガスと、第２の領域Ｐ２からの第２の反応ガスとに対するカウンターフローとして働く。したがって、第１の領域Ｐ１からの第１の反応ガスと、第２の領域Ｐ２からの第２の反応ガスとが分離空間Ｈにより分離される。よって、真空容器１内において第１の反応ガスと第２の反応ガスとが混合し、反応することが抑制される。
なお、回転テーブル２の上面に対する天井面４４の高さｈ１は、成膜時の真空容器１内の圧力、回転テーブル２の回転速度、供給する分離ガス（Ｎ２ガス）の供給量などを考慮し、分離空間Ｈの圧力を空間４８１及び４８２の圧力に比べて高くするのに適した高さに設定することが好ましい。
一方、天板１１の下面には、回転テーブル２を固定するコア部２１の外周を囲む突出部５（図２及び図３）が設けられている。この突出部５は、本実施形態においては、凸状部４における回転中心側の部位と連続しており、その下面が天井面４４と同じ高さに形成されている。
先に参照した図１は、図３のＩ−Ｉ'線に沿った断面図であり、天井面４５が設けられている領域を示している。一方、図５は、天井面４４が設けられている領域を示す断面図である。図５に示すように、扇型の凸状部４の周縁部（真空容器１の外縁側の部位）には、回転テーブル２の外端面に対向するようにＬ字型に屈曲する屈曲部４６が形成されている。この屈曲部４６は、凸状部４と同様に、分離領域Ｄの両側から反応ガスが侵入することを抑制して、両反応ガスの混合を抑制する。扇型の凸状部４は天板１１に設けられ、天板１１が容器本体１２から取り外せるようになっていることから、屈曲部４６の外周面と容器本体１２との間には僅かに隙間がある。屈曲部４６の内周面と回転テーブル２の外端面との隙間、及び屈曲部４６の外周面と容器本体１２との隙間は、例えば回転テーブル２の上面に対する天井面４４の高さと同様の寸法に設定されている。
容器本体１２の内周壁は、分離領域Ｄにおいては図４に示すように屈曲部４６の外周面と接近して垂直面に形成されているが、分離領域Ｄ以外の部位においては、図１に示すように例えば回転テーブル２の外端面と対向する部位から底部１４に亘って外方側に窪んでいる。以下、説明の便宜上、概ね矩形の断面形状を有する窪んだ部分を排気領域と記す。具体的には、第１の処理領域Ｐ１に連通する排気領域を第１の排気領域Ｅ１と記し、第２及び第３の処理領域Ｐ２、Ｐ３に連通する領域を第２の排気領域Ｅ２と記す。これらの第１の排気領域Ｅ１及び第２の排気領域Ｅ２の底部には、図１から図３に示すように、それぞれ、第１の排気口６１０及び第２の排気口６２０が形成されている。第１の排気口６１０及び第２の排気口６２０は、図１に示すように各々排気管６３０を介して真空排気手段である例えば真空ポンプ６４０に接続されている。また、真空ポンプ６４０と排気管６３０との間に、圧力制御器６５０が設けられる。
なお、図２及び図３に示されるように、第２の処理領域Ｐ２と第３の処理領域Ｐ３との間に分離領域Ｈは設けられていないが、図３においては、プラズマ発生器８０として示された領域に、回転テーブル２上の空間を仕切る筐体が設けられる。かかる筐体は、プラズマ発生器８０の搭載領域ともなるが、プラズマ発生器８０が搭載されない場合であっても、第２の処理領域Ｐ２と第３の処理領域Ｐ３とを仕切る筐体は設けられることが好ましい。なお、この点の詳細については後述する。
回転テーブル２と真空容器１の底部１４との間の空間には、図１及び図５に示すように加熱手段であるヒータユニット７が設けられ、回転テーブル２を介して回転テーブル２上のウエハＷが、プロセスレシピで決められた温度（例えば２００℃）に加熱される。回転テーブル２の周縁付近の下方側には、回転テーブル２の上方空間から排気領域Ｅ１、Ｅ２に至るまでの雰囲気とヒータユニット７が置かれている雰囲気とを区画して回転テーブル２の下方領域へのガスの侵入を抑えるために、リング状のカバー部材７１が設けられている（図５）。このカバー部材７１は、回転テーブル２の外縁部及び外縁部よりも外周側を下方側から臨むように設けられた内側部材７１ａと、この内側部材７１ａと真空容器１の内壁面との間に設けられた外側部材７１ｂと、を備えている。外側部材７１ｂは、分離領域Ｄにおいて凸状部４の外縁部に形成された屈曲部４６の下方にて、屈曲部４６と近接して設けられ、内側部材７１ａは、回転テーブル２の外縁部下方（及び外縁部よりも僅かに外側の部分の下方）において、ヒータユニット７を全周に亘って取り囲んでいる。
ヒータユニット７が配置されている空間よりも回転中心寄りの部位における底部１４は、回転テーブル２の下面の中心部付近におけるコア部２１に接近するように上方側に突出して突出部１２ａをなしている。この突出部１２ａとコア部２１との間は狭い空間になっており、また底部１４を貫通する回転軸２２の貫通穴の内周面と回転軸２２との隙間が狭くなっていて、これら狭い空間はケース体２０に連通している。そしてケース体２０にはパージガスであるＮ２ガスを狭い空間内に供給してパージするためのパージガス供給管７２が設けられている。また真空容器１の底部１４には、ヒータユニット７の下方において周方向に所定の角度間隔で、ヒータユニット７の配置空間をパージするための複数のパージガス供給管７３が設けられている（図５には一つのパージガス供給管７３を示す）。また、ヒータユニット７と回転テーブル２との間には、ヒータユニット７が設けられた領域へのガスの侵入を抑えるために、外側部材７１ｂの内周壁（内側部材７１ａの上面）から突出部１２ａの上端部との間を周方向に亘って覆う蓋部材７ａが設けられている。蓋部材７ａは例えば石英で作製することができる。
なお、ヒータユニット７は、ウエハＷの表面に供給されたハロゲン含有ガスがエッチング作用を生じないような所定の温度以下にウエハＷを加熱する。つまり、ウエハＷを高温に加熱すると、ハロゲン含有ガスがエッチング作用を発現し、薄膜上に吸着せずに薄膜をエッチングしてしまい、成膜を妨げてしまうので、そのようなエッチング作用を生じさせない所定の温度に設定された上で、ウエハＷを加熱する。
また、真空容器１の天板１１の中心部には分離ガス供給管５１が接続されていて、天板１１とコア部２１との間の空間５２に分離ガスであるＮ２ガスを供給するように構成されている。この空間５２に供給された分離ガスは、突出部５と回転テーブル２との狭い隙間５０を介して回転テーブル２のウエハ載置領域側の表面に沿って周縁に向けて吐出される。空間５０は分離ガスにより空間４８１及び空間４８２よりも高い圧力に維持され得る。したがって、空間５０により、第１の処理領域Ｐ１に供給されるＴｉＣｌ４ガスと第２の処理領域Ｐ２に供給されるＨ２Ｏガスとが、中心領域Ｃを通って混合することが抑制される。すなわち、空間５０（又は中心領域Ｃ）は分離空間Ｈ（又は分離領域Ｄ）と同様に機能することができる。
さらに、真空容器１の側壁には、図２、図３に示すように、外部の搬送アーム１０と回転テーブル２との間で基板であるウエハＷの受け渡しを行うための搬送口１５が形成されている。この搬送口１５は図示しないゲートバルブにより開閉される。また回転テーブル２におけるウエハ載置領域である凹部２４はこの搬送口１５に臨む位置にて搬送アーム１０との間でウエハＷの受け渡しが行われることから、回転テーブル２の下方側において受け渡し位置に対応する部位に、凹部２４を貫通してウエハＷを裏面から持ち上げるための受け渡し用の昇降ピン及びその昇降機構（いずれも図示せず）が設けられている。
次に、図６から図８までを参照しながら、必要に応じて設けられるプラズマ発生器８０について説明する。図６は、回転テーブル２の半径方向に沿ったプラズマ発生器８０の概略断面図であり、図７は、回転テーブル２の半径方向と直交する方向に沿ったプラズマ発生器８０の概略断面図であり、図８は、プラズマ発生器８０の概略を示す上面図である。図示の便宜上、これらの図において一部の部材を簡略化している。
図６を参照すると、プラズマ発生器８０は、高周波透過性の材料で作製され、上面から窪んだ凹部を有し、天板１１に形成された開口部１１ａに嵌め込まれるフレーム部材８１と、フレーム部材８１の凹部内に収容され、上部が開口した略箱状の形状を有するファラデー遮蔽板８２と、ファラデー遮蔽板８２の底面上に配置される絶縁板８３と、絶縁板８３の上方に支持され、略八角形の上面形状を有するコイル状のアンテナ８５とを備える。
天板１１の開口部１１ａは複数の段部を有しており、そのうちの一つの段部には全周に亘って溝部が形成され、この溝部に例えばＯ−リングなどのシール部材８１ａが嵌め込まれている。一方、フレーム部材８１は、開口部１１ａの段部に対応する複数の段部を有しており、フレーム部材８１を開口部１１ａに嵌め込むと、複数の段部のうちの一つの段部の裏面が、開口部１１ａの溝部に嵌め込まれたシール部材８１ａと接し、これにより、天板１１とフレーム部材８１との間の気密性が維持される。また、図６に示すように、天板１１の開口部１１ａに嵌め込まれるフレーム部材８１の外周に沿った押圧部材８１ｃが設けられ、これにより、フレーム部材８１が天板１１に対して下方に押し付けられる。このため、天板１１とフレーム部材８１との間の気密性がより確実に維持される。
フレーム部材８１の下面は、真空容器１内の回転テーブル２に対向しており、その下面の外周には全周に亘って下方に（回転テーブル２に向かって）突起する突起部８１ｂが設けられている。突起部８１ｂの下面は回転テーブル２の表面に近接しており、突起部８１ｂと、回転テーブル２の表面と、フレーム部材８１の下面とにより回転テーブル２の上方に空間（以下、第３の処理領域Ｐ３）が画成されている。なお、突起部８１ｂの下面と回転テーブル２の表面との間隔は、分離空間Ｈ（図４）における天井面１１の回転テーブル２の上面に対する高さｈ１とほぼ同じであって良い。
また、この第３の処理領域Ｐ３には、突起部８１ｂを貫通した反応ガスノズル３３が延びている。反応ガスノズル３３には、本実施形態においては、図６に示すように、ＴｉＣｌ４等のハロゲン含有ガスが充填されるハロゲン含有ガス供給源１３２が、流量制御器１２２を介して配管１１２により接続されている。流量制御器１２２により流量制御されたハロゲン含有ガスが、所定の流量で第３の処理領域Ｐ３に供給される。なお、プラズマ発生器８０を用い、ハロゲン含有ガスをプラズマ化して供給する場合には、ハロゲン含有ガスは、ウエハＷの窪みパターンの底部にまでは到達し難いので、通常の流量で供給することができる。
また、反応ガスノズル３３には、その長手方向に沿って所定の間隔（例えば１０ｍｍ）で複数の吐出孔３５が形成されており、吐出孔３５から上述のハロゲン含有ガス等が吐出される。吐出孔３５は、図７に示すように、回転テーブル２に対して垂直な方向から回転テーブル２の回転方向の上流側に向かって傾いている。このため、反応ガスノズル３３から供給されるガスは、回転テーブル２の回転方向と逆の方向に、具体的には、突起部８１ｂの下面と回転テーブル２の表面との間の隙間に向かって吐出される。これにより、回転テーブル２の回転方向に沿ってプラズマ発生器８０よりも上流側に位置する天井面４５の下方の空間から反応ガスや分離ガスが、第３の処理領域Ｐ３内へ流れ込むのが抑止される。また、上述のとおり、フレーム部材８１の下面の外周に沿って形成される突起部８１ｂが回転テーブル２の表面に近接しているため、反応ガスノズル３３からのガスにより第３の処理領域Ｐ３内の圧力を容易に高く維持することができる。これによっても、反応ガスや分離ガスが第３の処理領域Ｐ３内へ流れ込むのが抑止される。
このように、フレーム部材８１は、第３の処理領域Ｐ３を第２の処理領域Ｐ２から分離するための役割を担っている。よって、本発明の実施形態に係る成膜装置は、プラズマ発生器８０の全体を必ずしも備えていなくて良いが、第３の処理領域Ｐ３を第２の処理領域Ｐ２から区画し、第２の反応ガスの混入を防ぐため、フレーム部材８１を備えているものとする。
ファラデー遮蔽板８２は、金属などの導電性材料から作製され、図示は省略するが接地されている。図８に明確に示されるように、ファラデー遮蔽板８２の底部には、複数のスリット８２ｓが形成されている。各スリット８２ｓは、略八角形の平面形状を有するアンテナ８５の対応する辺とほぼ直交するように延びている。
また、ファラデー遮蔽板８２は、図７及び図８に示すように、上端の２箇所において外側に折れ曲がる支持部８２ａを有している。支持部８２ａがフレーム部材８１の上面に支持されることにより、フレーム部材８１内の所定の位置にファラデー遮蔽板８２が支持される。
絶縁板８３は、例えば石英ガラスにより作製され、ファラデー遮蔽板８２の底面よりも僅かに小さい大きさを有し、ファラデー遮蔽板８２の底面に載置される。絶縁板８３は、ファラデー遮蔽板８２とアンテナ８５とを絶縁する一方、アンテナ８５から放射される高周波を下方へ透過させる。
アンテナ８５は、平面形状が略八角形となるように銅製の中空管（パイプ）を例えば３重に巻き回すことにより形成される。パイプ内に冷却水を循環させることができ、これにより、アンテナ８５へ供給される高周波によりアンテナ８５が高温に加熱されるのが防止される。また、アンテナ８５には立設部８５ａが設けられており、立設部８５ａに支持部８５ｂが取り付けられている。支持部８５ｂにより、アンテナ８５がファラデー遮蔽板８２内の所定の位置に維持される。また、支持部８５ｂには、マッチングボックス８６を介して高周波電源８７が接続されている。高周波電源８７は、例えば１３．５６ＭＨｚの周波数を有する高周波を発生することができる。
このような構成を有するプラズマ発生器８０によれば、マッチングボックス８６を介して高周波電源８７からアンテナ８５に高周波電力を供給すると、アンテナ８５により電磁界が発生する。この電磁界のうちの電界成分は、ファラデー遮蔽板８２により遮蔽されるため、下方へ伝播することはできない。一方、磁界成分はファラデー遮蔽板８２の複数のスリット８２ｓを通して第３の処理領域Ｐ３内へ伝播する。この磁界成分により、反応ガスノズル３３から所定の流量比で第３の処理領域Ｐ３に供給されるハロゲン含有ガスが活性化される。但し、ハロゲン含有ガスの供給は、ハロゲン含有ガスをウエハＷの窪みパターンの上部に吸着させ、窪みパターンの上部に吸着阻害基を発生することを意図しており、膜のエッチングを意図していない。よって、ハロゲン含有ガスのプラズマ化は、Ｆ含有ガス等にエッチング作用を発生させない範囲で行う。このようにして発生するプラズマによれば、ウエハＷの表面に形成されたビア、トレンチ等の窪みパターンの上部に吸着して原料ガスに対する吸着阻害基を形成し、吸着阻害基により原料ガスの吸着が妨げられない底部側からの成膜を行うことができる。
また、本実施形態による成膜装置には、図１に示すように、装置全体の動作のコントロールを行うためのコンピュータからなる制御部１００が設けられており、この制御部１００のメモリ内には、制御部１００の制御の下に、後述する成膜方法を成膜装置に実施させるプログラムが格納されている。このプログラムは後述の成膜方法を実行するようにステップ群が組まれており、ハードディスク、コンパクトディスク、光磁気ディスク、メモリカード、フレキシブルディスクなどの媒体１０２に記憶されており、所定の読み取り装置により記憶部１０１へ読み込まれ、制御部１００内にインストールされる。
なお、制御部１００は、ヒータユニット７の設定温度、反応ガスノズル３３に供給するハロゲン含有ガスの流量を調整する流量制御器１２２も制御してよい。これにより、ヒータユニット７の温度を、ハロゲン含有ガスにエッチング作用を生じさせない所定温度に設定できるとともに、ハロゲン含有ガスがウエハＷの窪みパターンの底面まで到達せず、窪みパターンの上部に留まって吸着するような流量でハロゲン含有ガスを供給することができる。
［成膜方法］
次に、図９を用いて、本発明の実施形態に係る成膜方法について上述の成膜装置を用いて行う場合を例にとり説明する。図９は、本発明の実施形態に係る成膜方法の一例の一連の工程を示した図である。図９（ａ）は、本発明の実施形態に係る成膜方法の成膜開始時のウエハＷの状態を示した図である。
本実施形態では、ウエハＷとしてシリコンウエハを使用することとし、そのシリコンウエハには、図９（ａ）に示すように、トレンチＴが形成されている。トレンチＴ内及びウエハＷの表面Ｕには、ＴｉＯ２の薄膜が微量形成されている。なお、反応ガスノズル３１からＴｉＣｌ４が供給され、反応ガスノズル３２から酸化ガスとしてＨ２Ｏが供給され、反応ガスノズル３３からＣｌＦ３が供給される例を挙げて説明する。また、プラズマ発生器８０は搭載していないか、搭載していても使用しない場合を例に挙げて説明する。
先ず、図示しないゲートバルブを開き、外部から搬送アーム１０（図３）により搬送口１５（図２及び図３）を介してウエハＷを回転テーブル２の凹部２４内に受け渡す。この受け渡しは、凹部２４が搬送口１５に臨む位置に停止したときに凹部２４の底面の貫通孔を介して真空容器１の底部側から不図示の昇降ピンが昇降することにより行われる。このようなウエハＷの受け渡しを、回転テーブル２を間欠的に回転させて行い、回転テーブル２の５つの凹部２４内に夫々ウエハＷを載置する。
続いてゲートバルブを閉じ、真空ポンプ６４０により到達可能真空度にまで真空容器１内を排気した後、分離ガスノズル４１、４２から分離ガスであるＮ２ガスを所定の流量で吐出し、分離カス供給管５１及びパージガス供給管７２、７３からもＮ２ガスを所定の流量で吐出する。これに伴い、圧力制御手段６５０（図１）により真空容器１内を予め設定した処理圧力に制御する。次いで、回転テーブル２を時計回りに例えば３０ｒｐｍの回転速度で回転させながらヒータユニット７によりウエハＷを例えば１２０℃に加熱する。回転テーブル２の回転速度は、用途に応じて種々の回転速度に設定することができる。上述のように、ウエハＷの温度は、ＣｌＦ３がエッチング作用を生じない所定温度以下とする必要があり、好ましくは２５０℃以下に設定する。ウエハＷの温度は、更に好ましくは１５０℃以下に設定される。本実施形態では、ウエハＷの温度を１２０℃に設定している。
この後、反応ガスノズル３１（図２及び図３）からＴｉＣｌ４ガスを供給し、反応ガスノズル３２からＨ２Ｏのガスを供給する。また、反応ガスノズル３３からＣｌＦ３ガスを供給する。
回転テーブル２の回転により、ウエハＷは、第３の処理領域Ｐ３、分離領域Ｄ、第１の処理領域Ｐ１、分離領域Ｄ、第２の処理領域Ｐ２をこの順に繰り返して通過する（図３参照）。なお、回転テーブル２の回転により、各領域Ｐ１〜Ｐ３、Ｄから処理が開始されるウエハＷが各々存在するが、説明の便宜上、第３の処理領域Ｐ３からウエハＷが通過したと考えて説明する。
図９（ｂ）は、ハロゲン含有ガス供給工程の一例を示した図である。図９（ｂ）に示されるように、第３の処理領域Ｐ３をウエハＷが通過することにより、トレンチＴ内の薄膜層Ｌ上にＣｌＦ３が供給され、薄膜層Ｌ上に吸着する。このとき、ＣｌＦ３の流量は、ウエハＷの表面Ｕ及びトレンチＴ内の上部にはＣｌＦ３が到達して吸着するが、トレンチＴの底面にまでは吸着しない程度の所定流量以下に設定される。これにより、トレンチＴの上部（開口部側）及びウエハＷの表面には吸着阻害基Ｔｉ−Ｆが形成されるが、トレンチＴ内の底面付近には吸着阻害基Ｔｉ−Ｆは形成されない。
図９（ｃ）は、第１の反応ガス供給工程の一例を示した図である。図９（ｃ）に示されるように、ウエハＷが分離領域Ｄを通過してパージガスが供給されてパージされた後、第１の処理領域Ｐ１を通過することにより、ＴｉＣｌ４ガスが供給される。ＴｉＣｌ４ガスは、吸着阻害基Ｔｉ−Ｆが存在する領域にはあまり吸着せず、吸着阻害基Ｔｉ−Ｆの存在しない領域に多く吸着する。よって、トレンチＴ内の底面付近にＴｉＣｌ４が多く吸着する。
図９（ｄ）は、第２の反応ガス供給工程の一例を示した図である。図９（ｄ）に示されるように、ウエハＷが分離領域Ｄを通過してパージガスが供給されてパージされた後、第２の処理領域Ｐ２を通過することにより、ＴｉＣｌ４と反応して反応生成物ＴｉＯ２を生成するＨ２Ｏガスが供給される。Ｈ２Ｏガスの供給により、トレンチＴ内に吸着したＴｉＣｌ４と供給されたＨ２Ｏとが反応し、ＴｉＯ２膜の分子層が反応生成物として形成される。ここで、ＴｉＣｌ４は、トレンチＴの底部付近に多く吸着しているので、トレンチＴ内の亭部付近に多くＴｉＯ２膜が形成される。よって、図９（ｄ）に示されるようなボトムアップ性の高い埋め込み成膜が可能となる。
次いで、ウエハＷが第３の処理領域Ｐ３を通過すると、再び図９（ｂ）に示した状態となり、吸着阻害基Ｔｉ−ＦがトレンチＴ内の上部及びウエハＷの表面に吸着する。
以下、各反応ガスを供給しながら回転テーブル２を繰り返し回転させることにより、図９（ｂ）〜図９（ｄ）に示したサイクルが繰り替えされ、トレンチＴの開口部が塞がれない状態で、底面側からＴｉＯ２膜が堆積する。
図９（ｅ）は、図９（ｄ）よりも更に成膜が進んだ状態を示した図である。図９（ｅ）に示されるように、ＴｉＯ２膜にＶ字の断面を形成しつつ、開口部を塞がないボトムアップ性に高い成膜を行うことができる。そして、最終的には、シームレスな膜でトレンチＴを埋め込むことができ、ボイド等を発生させることなく高品質な埋め込み成膜を行うことができる。
このように、本発明の実施形態に係る成膜方法によれば、ハロゲン含有ガスをトレンチＴの上部に供給して吸着阻害基を形成しつつＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法による成膜を行うことにより、ボトムアップ性の高い選択的な成膜を行うことができる。
なお、本実施形態では、ハロゲン含有ガスにＣｌＦ３を用いた例を挙げて説明したが、既に説明したように、Ｆ２、ＮＦ３、ＣＦ４、ＢＣｌ３、ＨＣｌ等を用いても良いことは言うまでも無い。また、第２の反応ガスも、Ｈ２Ｏの他、Ｈ２Ｏ２等を用いてもよいし、他の酸化ガスを用いてもよい。更に、窒化膜を成膜する場合には、ＮＨ３等の窒化ガスを用いてもよい。また、第１の反応ガスも、ＴｉＣｌ４の他、用途に応じて種々の原料ガスを用いることができる。
また、本実施形態では、プラズマ発生器８０を使用しない例を挙げて説明したが、ハロゲン含有ガスがエッチング作用を発現しない範囲で、プラズマを使用することも当然に可能である。この場合には、ウエハＷの温度を若干高くしたプロセスにも適用可能である。
［変形例］
今まで、吸着阻害基を生成するために、ハロゲン含有ガスをウエハＷに供給した実施形態について説明したが、Ａｒ／Ｈ２の混合ガスをプラズマ化して供給しても同様の効果を得ることができる。つまり、Ｈ基が吸着阻害基として機能し、ＴｉＣｌ４等の原料ガスの吸着を阻害することができ、ボトムアップ成膜を行うことが可能である。かかる成膜方法を実施するためには、プラズマ発生器８０を搭載、起動するとともに、反応ガスノズル３３からＡｒ／Ｈ２の混合ガスをプラズマ化して供給し、トレンチＴ内の上部にＨ基を吸着阻害基として吸着させ、ＡＬＤ法による成膜を行えばよい。
［実験結果］
次に、本発明の実効性を示す実験結果について説明する。
図１０は、Ｔｉ−Ｆ基の表面残留性を示すための実験結果である。本実験では、吸着阻害基であるＴｉ−Ｆ基をウエハＷのトレンチＴ内に生成したときに、ＴｉＦ４が蒸発して吸着阻害基としての役割を果たせるか否かを確認した。
図１０に示されるように、ＴｉＦ４の蒸気圧はＴｉＣｌ４よりも低く、成膜圧力及びその１／１０、１／１００の圧力においても蒸発温度は高い。よって、フッ素含有ガスをウエハＷに供給した場合、吸着阻害基Ｔｉ−Ｆは蒸発せずにウエハＷの表面に残留し、吸着阻害基としての役割を適切に果たすことができる。
図１１は、吸着阻害基であるＨ基をウエハＷの表面上に形成し、成膜を行った場合の成膜開始時間を調べた実験結果である。図１１に示されるように、Ｈ基が形成された特性線Ｂは、原点付近（サイクル０付近）において、表面にＯＨ基（吸着基）が吸着した特性線Ａよりも成膜開始時間が遅れており、成膜の開始が阻害されていることが分かる。このように、吸着阻害基をウエハＷの表面に形成することにより、成膜を阻害することができる。この性質を利用し、本発明の実施形態に示したように、トレンチＴの上部に吸着阻害基を形成すれば、上部における成膜を阻害し、ボトムアップ性の高い成膜を行うことができる。
以上、本発明の好ましい実施形態及び実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施形態及び実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施形態及び実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
１ 真空容器
２ 回転テーブル
４ 凸状部
５ 突出部
７ ヒータユニット
１１ 天板
１２ 容器本体
１５ 搬送口
２４ 凹部
３１〜３３ 反応ガスノズル
４１、４２ 分離ガスノズル
８０ プラズマ発生器
１２０〜１２２ 流量制御器
１３０〜１３２ ガス供給源
Ｐ１〜Ｐ３ 処理領域
Ｗ ウエハ
Ｔ トレンチ

Claims (15)

  1. 基板の表面に形成されている窪みパターンに底面側から膜を埋め込む成膜方法であって、
    前記基板の表面及び前記窪みパターンの上部にプラズマにより活性化したハロゲン含有ガスを供給して吸着させ、吸着阻害基を形成するハロゲン含有ガス供給工程と、
    前記窪みパターンを含む前記基板の表面に第１の反応ガスを供給し、前記基板の表面の前記吸着阻害基に吸着を阻害されない領域に前記第１の反応ガスを吸着させる第１の反応ガス供給工程と、
    前記窪みパターンを含む前記基板の表面に前記第１の反応ガスと反応する第２の反応ガスを供給し、前記基板の表面に吸着した前記第１の反応ガスと前記第２の反応ガスとの反応生成物を生成することにより、該反応生成物の分子層を堆積させる第２の反応ガス供給工程と、を有する成膜方法。
  2. 前記基板の温度は、前記ハロゲン含有ガスがエッチング作用を生じない所定の温度以下に設定されている請求項１に記載の成膜方法。
  3. 前記所定の温度は、２５０℃である請求項２に記載の成膜方法。
  4. 前記所定の温度は、１５０℃である請求項２に記載の成膜方法。
  5. 前記ハロゲン含有ガスは、前記窪みパターンの底面に到達しない所定の流量で供給される請求項１乃至４のいずれか一項に記載の成膜方法。
  6. 前記ハロゲン含有ガスは、フッ素を含むガスである請求項１乃至５のいずれか一項に記載の成膜方法。
  7. 前記吸着阻害基は、フッ素基が形成される請求項５又は６に記載の成膜方法。
  8. 前記第１の反応ガスは、チタン含有ガスである請求項１乃至７のいずれか一項に記載の成膜方法。
  9. 前記チタン含有ガスはＴｉＣｌ４であり、
    前記膜はＴｉＯ２である請求項８に記載の成膜方法。
  10. 前記基板は、回転テーブル上に周方向に沿って配置され、
    該回転テーブル上に前記周方向に沿ってハロゲン含有ガス供給領域と、第１の反応ガス供給領域と、第２の反応ガス供給領域とが回転方向に沿って互いに離間して配置され、
    前記回転テーブルが前記回転方向に回転することにより、前記ハロゲン含有ガス供給工程と、前記第１の反応ガス供給工程と、前記第２の反応ガス供給工程とを、順次繰り返して前記分子層を堆積させる請求項１乃至９のいずれか一項に記載の成膜方法。
  11. 前記ハロゲン含有ガス供給領域と前記第１の反応ガス供給領域との間、及び前記第１の反応ガス供給領域と前記第２の反応ガス供給領域との間には、パージガスを前記基板の表面に供給するパージガス供給領域が設けられ、
    前記ハロゲン含有ガス供給工程と前記第１の反応ガス供給工程との間、及び前記第１の反応ガス供給工程と前記第２の反応ガス供給工程との間には、パージガス供給工程が設けられた請求項１０に記載の成膜方法。
  12. 処理室と、
    該処理室内に設けられ、表面上に基板を載置可能な基板載置領域を有する回転テーブルと、
    該回転テーブル上に回転方向に沿って所定領域に設けられ、前記回転テーブル上に第１の反応ガスを供給可能な第１の反応ガス供給領域と、
    前記回転テーブル上であって、該第１の反応ガス供給領域の前記回転方向における下流側に設けられ、前記回転テーブル上に前記第１の反応ガスと反応して反応生成物を生成可能な第２の反応ガスを供給可能な第２の反応ガス供給領域と、
    前記回転テーブル上であって、該第２の反応ガス供給領域の前記回転方向における下流側に設けられ、前記回転テーブル上にハロゲン含有ガスを供給可能なハロゲン含有ガス供給領域と、
    前記ハロゲン含有ガス供給領域に設けられた前記ハロゲン含有ガスをプラズマ化するプラズマ発生手段と、
    前記回転テーブルより下方に設けられ、前記ハロゲン含有ガスにエッチング作用を生じさせない所定の温度に前記回転テーブルを加熱するヒータと、を有する成膜装置。
  13. 前記ハロゲン含有ガス供給領域と前記第１の反応ガス供給領域との間、及び前記第１の反応ガス供給領域と前記第２の反応ガス供給領域との間に設けられ、前記回転テーブル上にパージガスを供給可能なパージガス供給領域を有する請求項１２に記載の成膜装置。
  14. 前記基板の表面に窪みパターンが形成されているときに、
    前記ハロゲン含有ガス供給領域において、前記ハロゲン含有ガスが前記窪みパターンの底面まで到達しない流量に調節し前記ハロゲン含有ガスを供給可能な流量調整手段を更に有する請求項１２又は１３に記載の成膜装置。
  15. 前記ハロゲン含有ガス供給領域を前記第２の反応ガス供給領域から区画する側壁を有するフレーム部材を備えた請求項１２乃至１４のいずれか一項に記載の成膜装置。
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