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JP7018849B2 - 成膜方法及び成膜装置 - Google Patents

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Description

本開示は、成膜方法及び成膜装置に関する。
凹部に対して段差被覆性が悪いシリコン膜を成膜するニーズがある（例えば、特許文献１参照）。また、ジシランガスを用いて凹部にシリコン膜を成膜すると、凹部に対する段差被覆性が悪くなることが知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００１－２６７５３０号公報 特開２０１２－１３８６２７号公報
本開示は、凹部に対して所望の段差被覆性を有するシリコン膜を成膜することができる技術を提供する。
本開示の一態様による成膜方法は、表面に凹部を有する基板の上に所望の段差被覆性を有するシリコン膜を成膜する成膜方法であって、前記基板にシリコン含有ガスを供給し、前記凹部の側壁の下部よりも上部の膜厚が厚くなるようにシリコン膜を成膜する成膜工程と、前記基板にエッチングガスを供給し、前記シリコン膜の一部をコンフォーマルにエッチングするエッチング工程と、を有し、前記成膜工程及び前記エッチング工程を前記段差被覆性に応じて定められる回数行う。
本開示によれば、凹部に対して所望の段差被覆性を有するシリコン膜を成膜することができる。
成膜装置の構成例を示す概略図 図１の成膜装置の処理容器の説明図 成膜方法の一例を示すフローチャート 成膜方法の一例を示す工程断面図 繰り返し回数と段差被覆性との関係の一例を示すグラフ
以下、添付の図面を参照しながら、本開示の限定的でない例示の実施形態について説明する。添付の全図面中、同一又は対応する部材又は部品については、同一又は対応する参照符号を付し、重複する説明を省略する。
（成膜装置）
本開示の一実施形態に係る成膜方法を実施することができる成膜装置について、多数枚の基板に対して一括で熱処理を行うバッチ式の縦型熱処理装置を例に挙げて説明する。但し、成膜装置は、縦型熱処理装置に限定されるものではなく、種々の装置であってよい。例えば、成膜装置は、基板を１枚ずつ処理する枚葉式の装置であってもよい。また、例えば処理容器内の回転テーブルの上に配置した複数枚の基板を回転テーブルにより公転させ、原料ガスが供給される領域と、原料ガスと反応する反応ガスが供給される領域とを順番に通過させて基板上に成膜するセミバッチ式の装置であってもよい。
図１は、成膜装置の構成例を示す概略図である。図２は、図１の成膜装置の処理容器の説明図である。
図１に示されるように、成膜装置１は、基板である半導体ウエハ（以下「ウエハＷ」という。）を収容する処理容器３４を有する。
処理容器３４は、下端が開放された有天井の円筒形状の内管４４と、下端が開放されて内管４４の外側を覆う有天井の円筒形状の外管４６とを有する。内管４４及び外管４６は、石英等の耐熱性材料により形成されており、同軸状に配置されて二重管構造となっている。
内管４４の天井部は、例えば平坦になっている。内管４４の一側には、その長手方向（上下方向）に沿ってガス供給管を収容するノズル収容部４８が形成されている。例えば図２に示されるように、内管４４の側壁の一部を外側へ向けて突出させて凸部５０を形成し、凸部５０内をノズル収容部４８として形成している。ノズル収容部４８に対向させて内管４４の反対側の側壁には、その長手方向（上下方向）に沿って幅Ｌ１の矩形状の開口５２が形成されている。
開口５２は、内管４４内のガスを排気できるように形成されたガス排気口である。開口５２の長さは、ウエハボート３８の長さと同じであるか、又は、ウエハボート３８の長さよりも長く上下方向へそれぞれ延びるようにして形成されている。即ち、開口５２の上端は、ウエハボート３８の上端に対応する位置以上の高さに延びて位置され、開口５２の下端は、ウエハボート３８の下端に対応する位置以下の高さに延びて位置されている。
処理容器３４の下端は、例えばステンレス鋼により形成される円筒形状のマニホールド５４によって支持されている。マニホールド５４の上端にはフランジ部５６が形成されており、フランジ部５６上に外管４６の下端を設置して支持するようになっている。フランジ部５６と外管４６との下端との間にはＯリング等のシール部材５８を介在させて外管４６内を気密状態にしている。
マニホールド５４の上部の内壁には、円環状の支持部６０が設けられており、支持部６０上に内管４４の下端を設置してこれを支持するようになっている。マニホールド５４の下端の開口には、蓋体３６がＯリング等のシール部材６２を介して気密に取り付けられており、処理容器３４の下端の開口、即ち、マニホールド５４の開口を気密に塞ぐようになっている。蓋体３６は、例えばステンレス鋼により形成される。
蓋体３６の中央部には、磁性流体シール部６４を介して回転軸６６が貫通させて設けられている。回転軸６６の下部は、ボートエレベータよりなる昇降手段６８のアーム６８Ａに回転自在に支持されている。
回転軸６６の上端には回転プレート７０が設けられており、回転プレート７０上に石英製の保温台７２を介してウエハＷを保持するウエハボート３８が載置されるようになっている。従って、昇降手段６８を昇降させることによって蓋体３６とウエハボート３８とは一体として上下動し、ウエハボート３８を処理容器３４内に対して挿脱できるようになっている。ウエハボート３８は、多数枚のウエハＷを所定の間隔で保持する基板保持具である。
ガス供給手段４０は、マニホールド５４に設けられており、内管４４内へ成膜ガス、エッチングガス、パージガス等のガスを導入する。ガス供給手段４０は、複数（例えば３本）の石英製のガス供給管７６、７８、８０を有している。各ガス供給管７６、７８、８０は、内管４４内にその長手方向に沿って設けられると共に、その基端がＬ字状に屈曲されてマニホールド５４を貫通するようにして支持されている。
ガス供給管７６、７８、８０は、図２に示されるように、内管４４のノズル収容部４８内に周方向に沿って一列になるように設置されている。各ガス供給管７６、７８、８０には、その長手方向に沿って所定の間隔で複数のガス孔７６Ａ、７８Ａ、８０Ａが形成されており、各ガス孔７６Ａ、７８Ａ、８０Ａより水平方向に向けて各ガスを放出できるようになっている。所定の間隔は、例えばウエハボート３８に支持されるウエハＷの間隔と同じになるように設定される。また、高さ方向の位置は、各ガス孔７６Ａ、７８Ａ、８０Ａが上下方向に隣り合うウエハＷ間の中間に位置するように設定されており、各ガスをウエハＷ間の空間部に効率的に供給できるようになっている。一実施形態では、ガス供給管７６は成膜ガスを供給する成膜ガス供給部を構成し、ガス供給管７８はエッチングガスを供給するエッチングガス供給部を構成し、ガス供給管８０はパージガスを供給するパージガス供給部を構成する。成膜ガス、エッチングガス、及びパージガスは、流量が制御されて必要に応じて処理容器３４内に供給される。
マニホールド５４の上部の側壁であって、支持部６０の上方には、ガス出口８２が形成されており、内管４４と外管４６との間の空間部８４を介して開口５２より排出される内管４４内のガスを排気できるようになっている。ガス出口８２には、排気手段４１が設けられる。排気手段４１は、ガス出口８２に接続された排気通路８６を有しており、排気通路８６には、圧力調整弁８８及び真空ポンプ９０が順次介設されて、処理容器３４内を真空引きできるようになっている。
外管４６の外周側には、外管４６を覆うように円筒形状の加熱手段４２が設けられている。加熱手段４２は、処理容器３４内に収容されるウエハＷを加熱する。
成膜装置１の各部の動作は、例えばコンピュータ等の制御部９５により制御される。また、成膜装置１の各部の動作を行うコンピュータのプログラムは、記憶媒体９６に記憶されている。記憶媒体９６は、例えばフレキシブルディスク、コンパクトディスク、ハードディスク、フラッシュメモリ、ＤＶＤ等であってよい。
（成膜方法）
本開示の一実施形態に係る成膜方法について、上記の成膜装置１により、表面に凹部を有する基板の上に所望の段差被覆性を有するアモルファスシリコン膜（以下「シリコン膜」という。）を成膜する場合を例に挙げて説明する。以下の成膜方法は、制御部９５が成膜装置１の各部の動作を制御することにより実行される。図３は、成膜方法の一例を示すフローチャートである。図４は、成膜方法の一例を示す工程断面図である。
最初に、図４（ａ）に示されるように、表面に凹部１０２が形成された基板１０１を準備する。基板１０１は、例えばシリコンウエハ等の半導体ウエハであってよい。凹部１０２は、例えばトレンチ、ホールであってよい。
続いて、処理容器３４内に基板１０１を搬入する（搬入工程Ｓ１）。一実施形態では、まず、昇降手段６８により多数枚の基板１０１を保持したウエハボート３８を、処理容器３４内に搬入し、蓋体３６により処理容器３４の下端の開口部を気密に塞ぎ密閉する。続いて、排気手段４１により処理容器３４の内部の圧力が所定の圧力となるように真空引きを行い、加熱手段４２により基板１０１を加熱する。
続いて、処理容器３４内にガス供給管７６からシリコン含有ガスを供給し、図４（ｂ）に示されるように、凹部１０２の側壁１０２ａの下部よりも上部の膜厚が厚くなるようにシリコン膜１０３を成膜する（成膜工程Ｓ２）。一実施形態では、ウエハボート３８を回転させながら成膜工程Ｓ２を行う。成膜工程Ｓ２では、所望の面内均一性が得られるプロセス条件（ガス種、温度、圧力等）でシリコン膜１０３を成膜する。成膜工程Ｓ２では、凹部１０２が閉塞しないようにシリコン膜１０３を成膜することが好ましい。これにより、後述するエッチング工程Ｓ３を行う際、凹部１０２内にエッチングガスが入り込みやすく、コンフォーマルにエッチングされやすい。シリコン含有ガスは、凹部１０２の側壁１０２ａの下部よりも上部の膜厚が厚くなるようにシリコン膜１０３を成膜することができるガスであればよく、例えば分子式中に珪素（Ｓｉ）を２つ以上含む高次シラン系ガスであってよい。高次シラン系ガスとしては、例えばジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）ガス、トリシラン（Ｓｉ３Ｈ８）ガス、テトラシラン（Ｓｉ４Ｈ１０）ガスが挙げられる。成膜工程Ｓ２における基板温度は、例えば３００℃～５３０℃とすることができる。
続いて、処理容器３４内にガス供給管７８からエッチングガスを供給し、図４（ｃ）に示されるように、シリコン膜１０３の一部をコンフォーマルにエッチングする（エッチング工程Ｓ３）。これにより、シリコン膜１０３は、凹部１０２の側壁１０２ａの下部よりも上部の膜厚が厚い状態を維持しながらエッチングされる。そのため、凹部１０２には、段差被覆性（ステップカバレッジ）が１００％未満のシリコン膜１０３が形成される。なお、段差被覆性とは、側壁１０２ａの上部におけるシリコン膜１０３の膜厚に対する側壁１０２ａの下部におけるシリコン膜１０３の膜厚の割合（％）を意味する。即ち、側壁１０２ａの下部におけるシリコン膜１０３の膜厚と側壁１０２ａの上部におけるシリコン膜１０３の膜厚とが等しい場合、段差被覆性は１００％となる。また、側壁１０２ａの下部におけるシリコン膜１０３の膜厚が側壁１０２ａの上部におけるシリコン膜１０３の膜厚よりも相対的に薄い場合、段差被覆性は１００％未満となる。一方、側壁１０２ａの下部におけるシリコン膜１０３の膜厚が側壁１０２ａの上部におけるシリコン膜１０３の膜厚よりも相対的に厚い場合、段差被覆性は１００％よりも大きくなる。一実施形態では、ウエハボート３８を回転させながらエッチング工程Ｓ３を行う。エッチング工程Ｓ３では、凹部１０２の側壁１０２ａ及び底部１０２ｂが露出しないようにシリコン膜１０３をエッチングすることが好ましい。これにより、基板１０１の表面に下地が形成されている場合、下地のエッチングを防止できる。また、下地が特に絶縁膜などの場合、凹部１０２の側壁１０２ａ及び底部１０２ｂが露出すると、下地表面に吸着したエッチングガス成分によって次の成膜工程Ｓ２において成膜するシリコン膜１０３のラフネスが悪化する場合がある。エッチングガスは、シリコン膜１０３の一部をコンフォーマルにエッチングすることができるガスであればよく、例えば臭素含有ガス、ヨウ素含有ガスであってよい。臭素含有ガスとしては、例えば臭化水素（ＨＢｒ）ガス又は臭素（Ｂｒ２）ガスが挙げられる。ヨウ素含有ガスとしては、例えばヨウ化水素（ＨＩ）ガス又はヨウ素（Ｉ２）ガスが挙げられる。エッチング工程Ｓ３における基板温度は、例えば５００℃～６５０℃とすることができる。
続いて、成膜工程Ｓ２とエッチング工程Ｓ３の繰り返し回数が、設定回数に達したか否かを判定する（判定工程Ｓ４）。設定回数は、例えば所望の段差被覆性と、予め定められた段差被覆性と成膜工程Ｓ２及びエッチング工程Ｓ３の繰り返し回数との関係を示すデータに基づいて定められる。段差被覆性と成膜工程Ｓ２及びエッチング工程Ｓ３の繰り返し回数との関係を示すデータは、例えば予備実験等により成膜工程Ｓ２やエッチング工程Ｓ３の条件、成膜する膜の膜種や膜厚ごとに用意されるグラフや数式であってよい。また、所望の段差被覆性が得られるように、設定回数を定めることに加えて、複数回行われる成膜工程Ｓ２及びエッチング工程Ｓ３のうちの少なくともいずれかの工程において、繰り返しの途中で処理条件を微調整してもよい。具体的には、例えば複数回のうちの最後の回における成膜工程Ｓ２及びエッチング工程Ｓ３のうちの少なくともいずれかの工程において、処理条件を微調整することができる。処理条件としては、ガス供給量、処理時間、処理圧力等が挙げられる。
判定工程Ｓ４において、設定回数に達していない場合、成膜工程Ｓ２に戻り、成膜工程Ｓ２とエッチング工程Ｓ３とを繰り返す。このように成膜工程Ｓ２とエッチング工程Ｓ３とを設定回数に達するまで繰り返すことで、凹部１０２に対して所望の段差被覆性を有するシリコン膜１０３を成膜することができる。一方、判定工程Ｓ４において、設定回数に達した場合、処理を終了する。
なお、上記の例では、成膜工程Ｓ２とエッチング工程Ｓ３とを設定回数に達するまで繰り返して処理を終了する、言い換えると、最終工程がエッチング工程Ｓ３である場合を説明したが、例えば最終工程が成膜工程Ｓ２であってもよい。即ち、成膜工程Ｓ２とエッチング工程Ｓ３とを設定回数に達するまで繰り返し行った後、成膜工程Ｓ２を行って処理を終了してもよい。
ところで、ジシランガス等の高次シラン系ガスを用いたシリコン膜の成膜では、例えば成膜温度を高くしたり、圧力を高くしたりすることで凹部に対する段差被覆性を小さくすることができる。しかし、成膜温度を高くしたり、圧力を高くしたりすると、膜厚の面内均一性が悪化する虞がある。そのため、従来では、膜厚の面内均一性を維持した状態で凹部に対して所望の段差被覆性を有するシリコン膜を成膜することが困難であった。
一実施形態では、凹部１０２の側壁１０２ａの下部よりも上部の膜厚が厚くなるようにシリコン膜１０３を成膜する成膜工程Ｓ２と、シリコン膜１０３の一部をコンフォーマルにエッチングするエッチング工程Ｓ３とを所望の段差被覆性に応じて定められる回数行う。これにより、良好な面内均一性が得られるプロセス条件でシリコン膜１０３の成膜及びエッチングを行うと共に、成膜工程Ｓ２とエッチング工程Ｓ３の繰り返し回数を制御することで、凹部１０２に対して所望の段差被覆性を有するシリコン膜１０３を成膜できる。
（評価）
前述の一実施形態に係る成膜方法により、成膜工程Ｓ２とエッチング工程Ｓ３の繰り返し回数を０回、１回、２回に設定し、表面に凹部を有する基板の上にアモルファスシリコン膜を成膜した。そして、それぞれについて凹部に対するシリコン膜の段差被覆性を測定した。なお、繰り返し回数が０回とは、搬入工程Ｓ１と成膜工程Ｓ２とを行い、エッチング工程Ｓ３を行わなかった場合を意味する。
図５は、繰り返し回数と段差被覆性の繰り返し回数との関係の一例を示すグラフである。図５中、縦軸は段差被覆性（％）を示し、横軸は成膜工程Ｓ２とエッチング工程Ｓ３の繰り返し回数（回）を示す。
図５に示されるように、繰り返し回数が０回、１回、２回の場合の段差被覆性は、それぞれ７２．５％、６２．９％、４６．１％であった。このことから、繰り返し回数を調整することにより、段差被覆性を制御できることが分かる。例えば、所望の段差被覆性が５０％である場合、言い換えると、段差被覆性が５０％のアモルファスシリコン膜を成膜したい場合、繰り返し回数を、段差被覆性が５０％に最も近い回数である２回に調整すればよい。
今回開示された実施形態はすべ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、変更されてもよい。
上記の実施形態では、基板がウエハである場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、基板はフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ：Flat Panel Display)用の大型基板、ＥＬ素子又は太陽電池用の基板であってもよい。
３４ 処理容器
７６ ガス供給管
７８ ガス供給管
９５ 制御部
１０１ 基板
１０２ 凹部
１０２ａ 側壁
１０２ｂ 底部
１０３ シリコン膜

Claims (10)

  1. 表面に凹部を有する基板の上に所望の段差被覆性を有するシリコン膜を成膜する成膜方法であって、
    前記基板にシリコン含有ガスを供給し、前記凹部の側壁の下部よりも上部の膜厚が厚くなるようにシリコン膜を成膜する成膜工程と、
    前記基板にエッチングガスを供給し、前記シリコン膜の一部をコンフォーマルにエッチングするエッチング工程と、
    を有し、
    前記成膜工程及び前記エッチング工程を前記段差被覆性に応じて定められる回数行う、
    成膜方法。
  2. 前記成膜工程では、前記凹部が閉塞しないように前記シリコン膜を成膜する、
    請求項１に記載の成膜方法。
  3. 前記エッチング工程では、前記凹部の側壁及び底部が露出しないように前記シリコン膜をエッチングする、
    請求項１又は２に記載の成膜方法。
  4. 前記シリコン含有ガスは、分子式中に珪素を２つ以上含む高次シラン系ガスである、
    請求項１乃至３のいずれか一項に記載の成膜方法。
  5. 前記高次シラン系ガスは、ジシランガスである、
    請求項４に記載の成膜方法。
  6. 前記エッチングガスは、臭素含有ガス又はヨウ素含有ガスである、
    請求項１乃至５のいずれか一項に記載の成膜方法。
  7. 前記臭素含有ガスは、臭化水素ガス又は臭素ガスであり、
    前記ヨウ素含有ガスは、ヨウ化水素ガス又はヨウ素ガスである、
    請求項６に記載の成膜方法。
  8. 前記凹部は、トレンチ又はホールである、
    請求項１乃至７のいずれか一項に記載の成膜方法。
  9. 前記成膜工程及び前記エッチング工程を前記段差被覆性に応じて定められる回数行った後、更に前記成膜工程を行う、
    請求項１乃至８のいずれか一項に記載の成膜方法。
  10. 表面に凹部を有する基板の上に所望の段差被覆性を有するシリコン膜を成膜する成膜装置であって、
    前記基板を収容する処理容器と、
    前記処理容器内にシリコン含有ガスを供給する成膜ガス供給部と、
    前記処理容器内にエッチングガスを供給するエッチングガス供給部と、
    制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、
    前記基板にシリコン含有ガスを供給し、前記凹部の側壁の下部よりも上部の膜厚が厚くなるようにシリコン膜を成膜する成膜工程と、
    前記基板にエッチングガスを供給し、前記シリコン膜の一部をコンフォーマルにエッチングするエッチング工程と、
    を前記段差被覆性に応じて定められる回数行う、
    成膜装置。
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