本発明は、基板にシリコン窒化膜を形成する成膜方法及び成膜装置に関する。

半導体製造工程において、ホールや溝などによって段部が形成された下地膜を被覆するように、基板にSiN(窒化シリコン)膜を形成する成膜処理が行われる場合が有る。このSiN膜は、基板の各部で均一性高い膜厚となるように形成されることが求められている。特許文献1には、ALD(Atomic Layer Deposition)によって、上記のSiN膜の成膜を下地膜上に行う成膜装置について記載されている。

WO2013−137115号公報

ところで上記のALDで成膜を行うにあたり、成膜ガスは基板の表面に供給されてから、当該基板の表面全体を被覆するように薄層を形成し、この薄層が成長を開始して膜が形成される。この成膜ガスが供給されてから薄層が形成されるまで(つまり、膜の形成が開始されるまで)の時間はインキュベーションタイムと呼ばれ、成膜が行われる基板の表面を構成する下地膜の種類に応じた時間となる。

ところで、互いに上下に積層された複数の種類の下地膜により段部が形成されると共に、これらの下地膜が基板の表面として露出している場合が有り、そのように下地膜が形成された基板に対して上記のSiN膜を形成することが検討されている。しかし、上記のように各下地膜間でインキュベーションタイムに差があることから、基板の面内においてSiN膜の膜厚の均一性を高くすることが難しいという問題があった。

本発明はこのような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、互いに種類が異なる第1の下地膜と第2の下地膜とが積層されると共に、これらの下地膜が表面に露出して段部を形成する基板に対してシリコン窒化膜を成膜するにあたり、基板の面内におけるシリコン窒化膜の膜厚のばらつきを抑えることができる技術を提供することである。

本発明の成膜方法は、互いに種類が異なる第1の下地膜と第2の下地膜とが積層されると共に表面に露出して形成された段部を備える基板に対して、前記段部を被覆するシリコン窒化膜を成膜する成膜方法において、 前記基板に前記第1の下地膜及び前記第2の下地膜を窒化するための窒素を含む下地膜窒化用ガスを供給し且つ前記基板をプラズマに曝すことで前記段部の表面を窒化して形成される窒化膜か、あるいは前記基板に第1のシリコンの原料ガスを供給することで形成されるシリコン含有膜により構成され、前記第1の下地膜の表面と前記第2の下地膜の表面とで前記シリコン窒化膜の成長を揃えるためのシード層を、前記段部を被覆するように形成する第1の工程と、 次いで、前記基板に第2のシリコンの原料ガスと、シリコンを窒化するためのシリコン窒化用ガスとを供給して、前記シード層に積層されるように前記シリコン窒化膜を形成する第2の工程と、 を備え、 前記シリコン窒化膜を第1のシリコン窒化膜とすると、前記第1の工程は、 前記第1のシリコンの原料ガスを前記基板に供給して吸着させる工程と、 前記シリコン窒化用ガスをプラズマ化されない状態で前記基板に供給して吸着させる工程と、 前記基板をプラズマに曝し、当該基板に吸着されたシリコン窒化用ガスと前記第1のシリコンの原料ガスとを反応させて前記シリコン含有膜である第2のシリコン窒化膜を形成する工程と、 を含むことを特徴とする。 本発明の他の成膜方法は、互いに種類が異なる第1の下地膜と第2の下地膜とが積層されると共に表面に露出して形成された段部を備える基板に対して、前記段部を被覆するシリコン窒化膜を成膜する成膜方法において、 前記基板に前記第1の下地膜及び前記第2の下地膜を窒化するための窒素を含む下地膜窒化用ガスを供給し且つ前記基板をプラズマに曝すことで前記段部の表面を窒化して形成される窒化膜か、あるいは前記基板に第1のシリコンの原料ガスを供給することで形成されるシリコン含有膜により構成され、前記第1の下地膜の表面と前記第2の下地膜の表面とで前記シリコン窒化膜の成長を揃えるためのシード層を、前記段部を被覆するように形成する第1の工程と、 次いで、前記基板に第2のシリコンの原料ガスと、シリコンを窒化するためのシリコン窒化用ガスとを供給して、前記シード層に積層されるように前記シリコン窒化膜を形成する第2の工程と、 を備え、 前記シード層は前記窒化膜により構成され、 当該シード層を形成する工程は、前記基板が格納される真空容器内の圧力を第1の圧力とした状態で、前記下地膜窒化用ガスをプラズマ化して形成された前記プラズマに前記第1の下地膜及び前記第2の下地膜を曝して窒化する工程を含み、 前記シリコン窒化膜を形成する工程は、前記真空容器内の圧力を前記第1の圧力よりも高い第2の圧力とするステップを含むことを特徴とする。

本発明の成膜装置は、互いに種類が異なる第1の下地膜と第2の下地膜とが積層されると共に表面に露出して形成された段部を備える基板に対して、前記段部を被覆するシリコン窒化膜を成膜する成膜装置において、 前記基板に前記第1の下地膜及び前記第2の下地膜を窒化するための窒素を含む下地膜窒化用ガスを供給する下地膜窒化用ガス供給部及び前記下地膜窒化用ガスにより前記段部の表面が窒化された窒化膜を形成するために当該基板の表面にプラズマを形成するプラズマ形成部、あるいは前記基板にシリコンの原料ガスを供給することでシリコン含有膜を形成するためのシリコン原料ガス供給部からなるシード層形成部と、 前記シリコン原料ガス供給部と、シリコンを窒化するためのシリコン窒化用ガスを前記基板に供給するシリコン窒化用ガス供給部とからなるシリコン窒化膜形成部と、 前記窒化膜あるいは前記シリコン含有膜からなり、前記第1の下地膜の表面と前記第2の下地膜の表面とで前記シリコン窒化膜の成長を揃えるためのシード層を、前記段部を被覆するように形成するステップと、 次いで前記シリコンの原料ガス及びシリコン窒化用ガスを前記基板に供給して前記シリコン窒化膜を形成するステップと、を実施するように制御信号を出力する制御部と、 を備え、 前記シリコン窒化膜を第1のシリコン窒化膜とすると、前記シード層を形成するステップは、 前記第1のシリコンの原料ガスを前記基板に供給して吸着させるステップと、 前記シリコン窒化用ガスをプラズマ化されない状態で前記基板に供給して吸着させるステップと、 前記基板をプラズマに曝し、当該基板に吸着されたシリコン窒化用ガスと前記第1のシリコンの原料ガスとを反応させて前記シリコン含有膜である第2のシリコン窒化膜を形成するステップと、 を含むことを特徴とする。 本発明の他の成膜装置は、互いに種類が異なる第1の下地膜と第2の下地膜とが積層されると共に表面に露出して形成された段部を備える基板に対して、前記段部を被覆するシリコン窒化膜を成膜する成膜装置において、 前記基板に前記第1の下地膜及び前記第2の下地膜を窒化するための窒素を含む下地膜窒化用ガスを供給する下地膜窒化用ガス供給部及び前記下地膜窒化用ガスにより前記段部の表面が窒化された窒化膜を形成するために当該基板の表面にプラズマを形成するプラズマ形成部、あるいは前記基板にシリコンの原料ガスを供給することでシリコン含有膜を形成するためのシリコン原料ガス供給部からなるシード層形成部と、 前記シリコン原料ガス供給部と、シリコンを窒化するためのシリコン窒化用ガスを前記基板に供給するシリコン窒化用ガス供給部とからなるシリコン窒化膜形成部と、 前記窒化膜あるいは前記シリコン含有膜からなり、前記第1の下地膜の表面と前記第2の下地膜の表面とで前記シリコン窒化膜の成長を揃えるためのシード層を、前記段部を被覆するように形成するステップと、 次いで前記シリコンの原料ガス及びシリコン窒化用ガスを前記基板に供給して前記シリコン窒化膜を形成するステップと、を実施するように制御信号を出力する制御部と、 を備え、 前記シリコン窒化膜を第1のシリコン窒化膜とすると、前記シード層を形成するステップは、 前記シリコンの原料ガスを前記基板に供給して吸着させるステップと、 前記シリコン窒化用ガスをプラズマ化されない状態で前記基板に供給して吸着させるステップと、 前記基板をプラズマに曝し、当該基板に吸着されたシリコン窒化用と前記シリコンの原料ガスとを反応させて前記シリコン含有膜である第2のシリコン窒化膜を形成するステップと、 を含むことを特徴とする。

本発明によれば、表面に露出した段部を構成する第1の下地膜及び第2の下地膜の各表面にシード層が形成され、このシード層に積層されるようにシリコン窒化膜が形成される。当該シード層によって第1の下地膜の表面と第2の下地膜の表面との間でシリコン窒化膜の成長が揃えられることにより、第1の下地膜の表面と第2の下地膜の表面との間で、シリコン窒化膜の膜厚の均一性を高くすることができる。

本発明の第1の実施形態に係る成膜装置の概略縦断側面図である。

前記成膜装置の横断平面図である。

前記成膜装置に設けられるガス給排気ユニットの縦断側面図である。

前記ガス給排気ユニットの下面図である。

前記成膜装置による処理前のウエハの表面の縦断側面図である。

前記成膜装置による処理中のウエハの表面の縦断側面図である。

前記成膜装置による処理中のウエハの表面の縦断側面図である。

前記成膜装置による処理中のウエハの表面の縦断側面図である。

前記成膜装置の状態を示す模式図である。

前記成膜装置の状態を示す模式図である。

本発明の第2の実施形態に係る成膜装置による処理前のウエハの表面の縦断側面図である。

前記成膜装置による処理中のウエハの表面の縦断側面図である。

前記成膜装置による処理中のウエハの表面の縦断側面図である。

前記成膜装置の状態を示す模式図である。

本発明の第3の実施形態に係る成膜装置による処理中のウエハの表面の縦断側面図である。

前記ウエハの表面の縦断側面図である。

前記成膜装置の状態を示す模式図である。

本発明により処理されるウエハの表面の縦断側面図である。

本発明により処理されるウエハの表面の縦断側面図である。

本発明により処理されるウエハの表面の縦断側面図である。

本発明の第4の実施形態に係る処理を示す成膜装置の模式図である。

本発明の第4の実施形態に係る処理を示す成膜装置の模式図である。

本発明の第4の実施形態に係る処理を示す成膜装置の模式図である。

本発明の第4の実施形態に係る処理を示す成膜装置の模式図である。

前記成膜装置による処理中のウエハの縦断側面図である。

前記成膜装置による処理中のウエハの縦断側面図である。

前記成膜装置による処理中のウエハの縦断側面図である。

前記成膜装置による処理中のウエハの縦断側面図である。

前記成膜装置による処理中のウエハの縦断側面図である。

評価試験の結果を示すグラフ図である。

評価試験の結果を示すグラフ図である。

評価試験の結果を示すウエハの縦断側面図である。

評価試験の結果を示すウエハの縦断側面図である。

評価試験の結果を示すウエハの縦断側面図である。

評価試験の結果を示すウエハの縦断側面図である。

評価試験の結果を示すウエハの縦断側面図である。

評価試験の結果を示すウエハの縦断側面図である。

(第1の実施形態) 本発明の第1の実施形態に係る成膜装置1について、図1の縦断側面図、図2の横断平面図を夫々参照しながら説明する。この成膜装置1は、基板である半導体ウエハ(以下、ウエハと記載する)ウエハBの表面に、ALD(Atomic Layer Deposition)によってSiN膜を形成する。このSiN膜は、例えばトランジスタのゲートとなるか、あるいはSiN膜の下層の膜に配線を埋め込むために当該下層膜をエッチングするためのパターンマスクとなる。

本明細書では、窒化シリコンについてSi及びNの化学量論比に関わらずSiNと記載する。従ってSiNという記載には、例えばSi₃N₄が含まれる。また、酸化シリコンについてもSi及びOの化学量論比に関わらずSiOと記載するので、このSiOの記載には例えばSiO₂が含まれる。また、成膜装置1は、上記のSiN膜の形成前にウエハBの表面を窒化処理し、SiN膜の形成開始のタイミングをウエハBの面内で揃えて当該SiN膜の膜厚を均一にするためのシード層を形成する。

図中11は扁平な概ね円形の真空容器(処理容器)であり、側壁及び底部を構成する容器本体11Aと、天板11Bとにより構成されている。図中12は、真空容器11内に水平に設けられる円形の回転テーブルである。図中12Aは、回転テーブル12の裏面中央部を支持する支持部である。図中13は回転機構であり、成膜処理中において支持部12Aを介して回転テーブル12を、その周方向に平面視時計回りに回転させる。図中Xは、回転テーブル12の回転軸を表している。

回転テーブル12の上面には、回転テーブル12の周方向(回転方向)に沿って6つの円形の凹部14が設けられており、各凹部14にウエハBが収納される。つまり、回転テーブル12の回転によって公転するように、各ウエハBは回転テーブル12に載置される。図1中15はヒーターであり、真空容器11の底部において同心円状に複数設けられ、上記の回転テーブル12に載置されたウエハBを加熱する。図2中16は真空容器11の側壁に開口したウエハBの搬送口であり、図示しないゲートバルブによって開閉自在に構成される。図示しない基板搬送機構により、ウエハBは搬送口16を介して、真空容器11の外部と凹部14内との間で受け渡される。

上記の回転テーブル12上には、ガス給排気ユニット2と、プラズマ形成ユニット3Aと、プラズマ形成ユニット3Bと、プラズマ形成ユニット3Cとが、回転テーブル12の回転方向上流側に向かい、当該回転方向に沿ってこの順に設けられている。これらのユニット2及び3A〜3Cは、シード層形成部及びシリコン窒化膜形成部を構成する。

以下、原料ガス供給部であるガス給排気ユニット2について、縦断側面図である図3及び下面図である図4も参照しながら説明する。ガス給排気ユニット2は、平面視、回転テーブル12の中心側から周縁側に向かうにつれて回転テーブル12の周方向に広がる扇状に形成されており、ガス給排気ユニット2の下面は、回転テーブル12の上面に近接すると共に対向している。

ガス給排気ユニット2の下面には、ガス吐出口21、排気口22及びパージガス吐出口23が開口している。ガス吐出口21は、ガス給排気ユニット2の下面の周縁部よりも内側の扇状領域24に多数、分散して配設されている。このガス吐出口21は、成膜処理時における回転テーブル12の回転中に、SiN膜を形成するためのSi(シリコン)を含む原料ガスであるDCS(ジクロロシラン)ガスを下方にシャワー状に吐出して、ウエハBの表面全体に供給する。なお、原料ガスとしてはDCSに限られず、例えばHCD(六塩化二ケイ素)を用いてもよい。

この扇状領域24においては、回転テーブル12の中心側から回転テーブル12の周縁側に向けて、3つの区域24A、24B、24Cが設定されており、区域24Aに設けられるガス吐出口21、区域24Bに設けられるガス吐出口21、区域24Cに設けられるガス吐出口21の夫々に独立してDCSガスを供給できるように、ガス給排気ユニット2には互いに区画されたガス流路25A、25B、25Cが設けられている。各ガス流路25A、25B、25Cの下流端は、各々上記のガス吐出口21として構成されている。

そして、ガス流路25A、25B、25Cの各上流側は、各々配管を介してDCSガスの供給源26に接続されており、各配管にはバルブ及びマスフローコントローラにより構成されるガス供給機器27が介設されている。ガス供給機器27によって、DCSガス供給源26から供給されるDCSガスの各ガス流路25A、25B、25Cへの給断及び流量が制御される。なお、後述するガス供給機器27以外の各ガス供給機器も、ガス供給機器27と同様に構成され、下流側へのガスの給断及び流量を制御する。

続いて、上記の排気口22、パージガス吐出口23について各々説明する。図中での識別を容易にするために、図4では排気口22及びパージガス吐出口23に多数のドットを付して示している。排気口22及びパージガス吐出口23は、扇状領域24を囲むと共に回転テーブル12の上面に向かうように、ガス給排気ユニット2の下面の周縁部に環状に開口されており、パージガス吐出口23が排気口22の外側に位置している。回転テーブル12上における排気口22の内側の領域は、ウエハBの表面へのDCSの吸着が行われる原料ガス吸着領域R1を構成する。パージガス吐出口23は、回転テーブル12上にパージガスとしてAr(アルゴン)ガスを吐出する。

成膜処理中において、ガス吐出口21からの原料ガスの吐出、排気口22からの排気及びパージガス吐出口23からのパージガスの吐出が共に行われる。それによって、図3中に矢印で示すように回転テーブル12へ向けて吐出された原料ガス及びパージガスは、回転テーブル12の上面を排気口22へと向かい、当該排気口22から排気される。このようにパージガスの吐出及び排気が行われることにより、原料ガス吸着領域R1の雰囲気は外部の雰囲気から分離され、当該原料ガス吸着領域R1に限定的に原料ガスを供給することができる。即ち、原料ガス吸着領域R1に供給されるDCSガスと、後述するようにプラズマ形成ユニット3A〜3Cによって原料ガス吸着領域R1の外部に供給される各ガス及びガスの活性種と、が混合されることを抑えることができるので、後述するようにウエハBにALDによる成膜処理を行うことができる。また、このパージガスはそのように雰囲気を分離する役割の他にも、ウエハBに過剰に吸着したDCSガスを当該ウエハBから除去する役割も有する。

図3中23A、24Aは、各々ガス給排気ユニット2に設けられる互いに区画されたガス流路であり、上記の原料ガスの流路25A〜25Cに対しても各々区画されて設けられている。ガス流路23Aの上流端は、上記の排気口22に接続されている。ガス流路23Aの下流端は排気装置28に接続されており、この排気装置28によって、排気口22から排気を行うことができる。また、ガス流路24Aの下流端は、上記のパージガス吐出口23に接続されており、ガス流路24Aの上流端はArガスの供給源29に接続されている。ガス流路24AとArガス供給源29とを接続する配管には、ガス供給機器20が介設されている。

続いて、プラズマ形成部であるプラズマ形成ユニット3A〜3Cについて説明する。プラズマ形成ユニット3A〜3Cは各々同様に構成されており、ここでは代表して図1に示したプラズマ形成ユニット3Aについて説明する。プラズマ形成ユニット3Aは、プラズマ形成用ガスを回転テーブル12上に供給すると共に、このプラズマ形成用ガスにマイクロ波を供給して、回転テーブル12上にプラズマを発生させる。プラズマ形成ユニット3Aは、上記のマイクロ波を供給するためのアンテナ31を備えており、当該アンテナ31は、誘電体板32と金属製の導波管33とを含む。

誘電体板32は、平面視回転テーブル12の中心側から周縁側に向かうにつれて広がる概ね扇状に形成されている。真空容器11の天板11Bには上記の誘電体板32の形状に対応するように、概ね扇状の貫通口が設けられており、当該貫通口の下端部の内周面は貫通口の中心部側へと若干突出して、支持部34を形成している。上記の誘電体板32はこの貫通口を上側から塞ぎ、回転テーブル12に対向するように設けられており、誘電体板32の周縁部は支持部34に支持されている。

導波管33は誘電体板32上に設けられており、回転テーブル12の径方向に沿って延在する内部空間35を備える。図中36は、導波管33の下部側を構成するスロット板であり、誘電体板32に接するように設けられ、複数のスロット孔36Aを有している。導波管33の回転テーブル12の中心側の端部は塞がれており、回転テーブル12の周縁部側の端部には、マイクロ波発生器37が接続されている。マイクロ波発生器37は、例えば、約2.45GHzのマイクロ波を導波管33に供給する。

また、プラズマ形成ユニット3Aは、誘電体板32の下面側にプラズマ形成用ガスを各々供給する第1のガス吐出口41と、第2のガス吐出口42と、を備えている。プラズマ形成用ガス供給部であるこれらのガス吐出口41、42は、上記の誘電体板32の支持部34に、例えば真空容器11の周方向に沿って夫々複数設けられており、第1のガス吐出口41は、回転テーブル12の中心部側から周縁部側に向かってプラズマ形成用ガスを吐出し、第2のガス吐出口42は、回転テーブル12の周縁部側から中心側に向かって各々プラズマ形成用ガスを吐出する。

上記の導波管33に供給されたマイクロ波は、スロット板36のスロット孔36Aを通過して誘電体板32に至り、この誘電体板32の下方に吐出されたプラズマ形成用ガスに供給されて、誘電体板32の下方領域であるプラズマ形成領域R2に限定的にプラズマが形成される。また、プラズマ形成ユニット3B、3Cのプラズマ形成領域はR3、R4として夫々示しており、これらのプラズマ形成領域R3、R4においてもプラズマ形成領域R2と同様にプラズマが形成される。後述するように各領域R2〜R4に供給されるガスとしてはNH₃ガスが含まれ、従ってプラズマ形成ユニット3A〜3Cのガス吐出口41、42は窒化用ガス供給部を構成する。ところでプラズマ形成ユニット3A〜3Cについて補足しておくと、これらのユニットでは既述したガス給排気ユニット2で行われるようなパージガスの供給及び排気が行われない。従って、成膜装置1による処理中にプラズマ形成領域R2〜R4における各雰囲気は互いに分離されていない。

上記のプラズマ形成用ガスとしては、例えばH₂(水素)ガス及びNH₃(アンモニア)ガスが用いられる。図中43はH₂ガスの供給源であり、図中44はNH₃ガスの供給源である。第1のガス吐出口41及び第2のガス吐出口42は、ガス供給機器45を備えた配管系40を介してH₂ガス供給源43及びNH₃ガス供給源44に各々接続されている。この配管系40は、ガス供給源43から各ガス吐出口41、42へのH₂ガスの給断及び流量を各々制御でき、ガス供給源44から各ガス吐出口41、42へのNH₃ガスの給断及び流量を各々制御できるように構成されている。

また、図2に示すように、回転テーブル12の外側の下方で、真空容器11の底部には排気口51が開口しており、この排気口51には排気装置52が接続されている。排気装置52による排気口51からの排気量は調整自在であり、この排気量に応じた圧力の真空雰囲気が真空容器11内に形成される。上記のプラズマ形成ユニット3A〜3Cから吐出された各ガスは、排気口51から排気されて除去される。

図1に示すように成膜装置1には、コンピュータからなる制御部10が設けられており、制御部10にはプログラムが格納されている。このプログラムについては、成膜装置1の各部に制御信号を送信して各部の動作を制御し、後述の成膜処理が実行されるようにステップ群が組まれている。具体的には、回転機構13による回転テーブル12の回転数、各ガス供給機器による各ガスの流量及び給断、各排気装置28、52による排気量、マイクロ波発生器37からのアンテナ31へのマイクロ波の給断、ヒーター15への給電などが、プログラムによって制御される。ヒーター15への給電の制御は、即ちウエハBの温度の制御であり、排気装置52による排気量の制御は、即ち真空容器11内の圧力の制御である。このプログラムは、ハードディスク、コンパクトディスク、光磁気ディスク、メモリカードなどの記憶媒体から制御部10にインストールされる。

図5は、成膜装置1によって処理される前のウエハBの表面の縦断側面図であり、図6〜図8は成膜装置1によって処理中のウエハBの表面の縦断側面図である。図5に示すウエハBについて説明すると、成膜装置1によって形成されるSiN膜の下地膜となるSiO膜61、SiN膜62が上方に向けてこの順に積層されて設けられている。なお、成膜装置1にて形成されるSiN膜とSiN膜62とは膜質が異なる。さらに、ウエハBの表面には凹部63が形成されており、凹部63の底面はSiN膜62の下端よりも低く位置するように形成されている。従って、段部を構成する凹部63に関して、その側壁面はSiO膜61及びSiN膜62により構成され、その底面はSiO膜61により構成されている。つまり、SiO膜61及びSiN膜62が、ウエハBの表面に露出した状態となっている。

以下、成膜装置1による処理について上記の図6〜図8と、真空容器11内の各部でガスが供給される様子及びプラズマが形成される様子を模式的に示した図9、図10とを参照しながら説明する。図9、図10では各部から吐出されるガスを矢印で示している。先ず図5で説明したウエハBを6枚、基板搬送機構によって回転テーブル12の各凹部14に搬送し、ウエハBの搬送口16に設けられるゲートバルブを閉鎖して、真空容器11内を気密にする。凹部14に載置されたウエハBは、ヒーター15によって所定の温度に加熱される。そして排気口51からの排気によって、真空容器11内が所定の圧力の真空雰囲気、例えば66.5Pa(0.5Torr)〜665Pa(5Torr)とされると共に、回転テーブル12が例えば10rpm〜30rpmで回転する。

そして、プラズマ形成ユニット3A〜3Cにおいて、第1のガス吐出口41、第2のガス吐出口42から各々所定の流量でH₂ガスとNH₃ガスとの混合ガスが吐出されると共に、マイクロ波発生器37からマイクロ波が供給される。このマイクロ波によってH₂ガス及びNH₃ガスがプラズマ化し、図9に示すようにプラズマ形成領域R2〜R4にプラズマPが各々形成される。回転テーブル12の回転によって各ウエハBがプラズマ形成領域R2〜R4を通過し、プラズマPを構成する、NH₃ガスから生じたN(窒素)を含むラジカルなどの活性種が各ウエハBの表面に供給される。それによってウエハBの表面に露出しているSiO膜61及びSiN膜62の表層が窒化され、シード層64である窒化膜が形成される(図6)。

窒化が進行して各ウエハBにおいてシード層64が所定の厚さとなると、シード層64の形成処理が終了する。ガス給排気ユニット2においてはガス吐出口21、24から原料ガスであるDCSガス、パージガスであるArガスが夫々所定の流量で吐出されると共に、排気口22から排気が行われる。また、プラズマ形成領域R2〜R4においては、引き続きH₂ガス及びNH₃ガスのプラズマPが形成される。

このように各ガスの供給及びプラズマPの形成が行われる一方で、真空容器11内の圧力が所定の圧力例えば66.5Pa(0.5Torr)〜665Pa(5Torr)になる。図10は、このように各ユニット2、3A〜3Cにおいて、プラズマPの形成を伴うガス供給またはプラズマPの形成を伴わないガス供給が各々行われた状態を示している。

回転テーブル12の回転によって、ウエハBが原料ガス吸着領域R1に位置すると、シリコンを含む原料ガスとして上記のDCSガスがシード層64の表面に供給されて吸着される。引き続き回転テーブル12が回転して、ウエハBが原料ガス吸着領域R1の外側へ向けて移動し、ウエハBの表面にパージガスが供給され、吸着された余剰のDCSガスが除去される。

そして、ウエハBは原料ガス吸着領域R1の外側に移動し、プラズマ形成領域R2〜R4に至ると、プラズマに含まれるNH₃ガスの活性種がウエハBに供給されてDCSガスと反応し、シード層64上にSiNの層が島状に形成される。

そして回転テーブル12の回転によって、ウエハBはプラズマ形成領域R2〜R4から、原料ガス吸着領域R1に向けて再度移動する。この後もウエハBは、原料ガス吸着領域R1、プラズマ形成領域R2〜R4を順に繰り返し移動し、DCSガスの供給、NH₃ガスの活性種の供給を順に繰り返して受け、各島状のSiNの層が広がるように成長する。ここでシード層64が形成されていることにより、SiO膜61の表面及びSiN膜62の表面は概ね同様の性質を持っている。従って、SiO膜61上、SiN膜62上にてSiNの層は各々略同様に成長し、その結果としてSiO膜61上及びSiN膜62上にこれらSiN膜61全体、SiN膜62全体を被覆するSiNの薄層65が同時ないしは略同時に形成される(図7)。つまり、インキュベーションタイムがSiO膜61とSiN膜62との間で揃う。

その後も、回転テーブル12の回転が続けられてウエハB表面にSiNが堆積し、薄層65が成長してSiN膜66となる。即ち、SiN膜66の膜厚が上昇する。そして所望の膜厚のSiN膜66が形成されると、例えばガス給排気ユニット2における各ガスの吐出及び排気と、プラズマ形成ユニット3Aにおける各ガスの供給及びマイクロ波の供給と、プラズマ形成ユニット3B、3Cにおける各ガスの吐出と、が各々停止して成膜処理が終了する。成膜処理後のウエハBは、搬送機構によって成膜装置1から搬出される。

上記の成膜装置1によれば、ウエハBの表面の凹部63を構成するように互いに積層されると共に当該ウエハBの表面に露出したSiO膜61及びSiN膜62の表層を窒化処理してシード層64を形成し、このシード層64上にALDによってSiN膜66を形成している。シード層64上によってSiO膜61及びSiN膜62の表面の性質が揃い、SiO膜61上及びSiN膜62上においてSiN膜66が同様に成長する。その結果として、SiO膜61上及びSiN膜62上においてSiN膜66の膜厚が揃う。つまり、ウエハBの面内の各部で膜厚の均一性が高くなるようにSiN膜66を形成することができる。

また、シード層64の形成時の真空容器11内の圧力は、SiN膜66の形成時の真空容器11内の圧力よりも低くなるように制御してもよい。これは、シード層64の形成時にはNを含む活性種が比較的自由に移動することで凹部63に進入して底部に至り、より確実に凹部63内にシード層64が形成されるようにすると共に、SiN膜66の形成時には、各ガスが回転テーブル12上から放散することを抑えることにより、単位時間あたりのSiN膜66の膜厚の増加量を向上させるためである。

(第2の実施形態) シード層は、上記のように異なる種類の下地膜の性質を揃えるためのものであり、このような役割を果たせばよいため、窒化膜であることには限られない。例えばSi(シリコン)からなる分子層をSiO膜61及びSiN膜62の表面に形成してシード層としてもよい。以下、このSiのシード層を形成する第2の実施形態に係る成膜装置1について、第1の実施形態の成膜装置1との差異点を中心に説明する。

第2の実施形態の成膜装置1のガス給排気ユニット2のガス吐出口21は、DCSガス供給源26の他に、例えばシード層の形成用のDIPAS(ジイソプロピルアミノシラン)、BTBAS(ビスターシャルブチルアミノシラン)、3DMAS(トリスジメチルアミノシラン)などの有機ケイ素化合物ガスを含む供給源にも配管系を介して接続される。そして、このガス給排気ユニット2の配管系は、当該配管系に設けられるガス供給機器27によって、DCSガス、有機ケイ素化合物ガスが各々所望の流量でガス吐出口21から供給できるように構成される。

以下、第2の実施形態の成膜装置1による処理について、ウエハBの表面の縦断側面図である図11〜図13及び成膜装置1の模式図である図14を参照して、第1の実施形態における処理との差異点を中心に説明する。図11は、この成膜装置1で処理される前のウエハBを示している。このウエハBは、第1の実施形態の図5で説明したウエハBと同様にSiO膜61、SiN膜62及び凹部63を備えている。図11ではウエハBの凹部63の深さ、幅をL1、L2として夫々表示しており、アスペクト比であるL1/L2は、例えば3以上である。

先ず、第1の実施形態のシード層64の形成処理と同様に、図11で説明したウエハBが既述の温度に加熱され、真空容器11内が所定の圧力の真空雰囲気とされて、回転テーブル12が回転する。そして、ガス給排気ユニット2において、ガス吐出口21、24から上記の有機ケイ素化合物ガス、パージガスであるArガスが夫々所定の流量で吐出されると共に、排気口22から排気が行われる。このとき、プラズマ形成ユニット3A〜3Cにおいては、例えば各ガスの供給及びプラズマの形成が行われない。図14は、このようにガス給排気ユニット2のみからガスの供給が行われた状態を示している。

回転テーブル12が回転することで各ウエハBが原料ガス吸着領域R1を通過し、当該原料ガス吸着領域R1に供給された有機ケイ素化合物ガスがSiO膜61及びSiN膜62の表面に吸着する。それによって図12に示すようにシリコン膜であるシード層67が、SiO膜61及びSiN膜62の表面を被覆するように形成される(図12)。なお、有機ケイ素化合物ガスは、第1の実施形態のDCSガスと同様に、パージガスの供給と排気とによって原料ガス吸着領域R1に限定的に供給される。

有機ケイ素化合物ガスの吸着が進行してシード層67が所定の厚さとなると、プラズマ形成ユニット3A〜3CにおいてはH₂ガス及びNH₃ガスの供給及び当該H₂ガス及びNH₃ガスのプラズマPの形成、ガス給排気ユニット2においては有機ケイ素化合物ガスの供給に代えたDCSガスの供給が行われる。つまり、図10で説明した第1の実施形態におけるSiN膜66の形成処理と同様の処理が行われ、シード層67上にSiN膜66が形成される(図13)。シード層67が形成されているので、第1の実施形態と同様にSiO膜61上とSiN膜62上との間でインキュベーションタイムが揃い、SiN膜66が同時ないしは略同時に形成されて、成長を開始する。従って、当該SiN膜66は、第1の実施形態と同様にウエハB表面の各部で膜厚の均一性が高くなるように形成される。

第1の実施形態ではNの活性種を用いて窒化処理を行うことでシード層を形成するが、凹部63についてのアスペクト比が比較的大きい場合、Nの活性種が当該凹部63内に進入し難く、凹部63の下部側にてシード層が形成され難い。その観点から、図11で説明したように凹部63のアスペクト比が例えば3以上である場合には、第1の実施形態よりも第2の実施形態で処理を行うことがより好ましい。ただし、第1の実施形態によればプラズマ処理によりシード層64を形成するため、プラズマによってSiO膜61、SiN膜62の表面の異物が、これらの膜61、62から除去され、シード層の質を高くすることができるという利点が有る。なお、この第2の実施形態ではシード層67を形成するにあたり、既述のように例示した有機ケイ素化合物ガスを用いているが、この有機ケイ素化合物ガスを用いる代わりにSiN膜66の成膜に用いるDCSガスを用いて、シード層67を形成してもよい。ただし有機ケイ素化合物ガスはウエハBへの吸着性が比較的高いため、当該ガスを用いることが好ましい。

(第2の実施形態の変形例) 上記の第2の実施形態でシード層67を形成するにあたり、ガス給排気ユニット2で各ガスの供給及び排気を行うことに並行して、プラズマ形成ユニット3A〜3Cにおいて、NH₃ガス及びH₂ガスの供給を行うと共にマイクロ波を供給してプラズマ形成領域R2〜R4にプラズマPを形成してもよい。このプラズマPによって、ウエハBに吸着された有機ケイ素化合物を窒化する。つまり、上記のシリコン膜からなるシード層67は窒化されたものであってもよい。この場合シード層67はSiN膜であり、その上にSiN膜66を積層することになる。ただし、このSiN膜66は、例えば後述の物理吸着を利用したALDなどにより形成し、シード層67とは異なる手法で形成され、膜質が異なるSiN膜である。

(第3の実施形態) 続いて第3の実施形態について、第2の実施形態との差異点を中心に説明する。この第3の実施形態の成膜装置1は、シード層としてSiO膜を形成する。この第3の実施形態の成膜装置1におけるプラズマ形成ユニット3A〜3Cのガス吐出口41、42は、H₂ガスの供給源43及びNH₃ガスの供給源44に加えて、O₃(オゾン)ガスの供給源にも接続されるように配管系40が構成されている。従って、プラズマ形成ユニット3A〜3Cのガス吐出口41、42は酸化ガス供給部として構成される。そして、ガス供給機器45によって、H₂ガス、NH₃ガス、O₃ガスを各々所望の流量で、ガス吐出口41、42に各々供給することができるように、当該配管系40が構成されている。

続いて第3の実施形態における処理について、ウエハBの表面の縦断側面図である図15、図16及び成膜装置1の模式図である図17を参照し、第2の実施形態の処理との差異点を中心に説明する。例えば図12で説明したウエハBが真空容器11内にて既述の温度に加熱され、真空容器11内が所定の圧力の真空雰囲気とされて、回転テーブル12が回転する。そして、ガス給排気ユニット2において、第2の実施形態と同様に各ガスの供給と排気とが行われる一方、プラズマ形成ユニット3A〜3Cにおいては、O₃ガスが供給される。図17は、このように各ユニット3A〜3Cからガスの供給が行われた状態を示している。

回転テーブル12が回転することで、各ウエハBが原料ガス吸着領域R1を通過し、ウエハBの表面には第2の実施形態で説明したように有機ケイ素化合物ガスが吸着する。その後、ウエハBは領域R2〜R4を通過し、O₃ガスによってウエハBに吸着した有機ケイ素化合物が酸化され、SiO膜であるシード層68が、SiO膜61及びSiN膜62の表面を被覆するように形成される(図15)。

然る後、第2の実施形態と同様に、図10で説明したSiN膜66の成膜が行われる。シード層68が形成されているので、第2の実施形態と同様にSiO膜61上及びSiN膜62上でSiN膜66は同様に成長する。従って、当該SiN膜66は、第1の実施形態と同様にウエハB表面の各部で膜厚の均一性が高くなるように形成される。この第3の実施形態についても、シード層68を形成するにあたり窒素によるプラズマを用いないため、第2の実施形態と同様、図12で説明した凹部63のアスペクト比が3以上のウエハBに用いることに適している。

この第3の実施形態でシード層68を形成した後、第2の実施形態の変形例として説明したようにプラズマ形成ユニット3A〜3Cにおいて、NH₃ガス及びH₂ガスの供給を行うと共にマイクロ波を供給してプラズマ形成領域R2〜R4にプラズマPを形成し、シード層68の窒化処理を行ってもよい。つまりシード層は、窒化されたSiO膜であってもよい。

ところで、本発明は図5や図11で説明した構造を有するウエハBに適用することには限られない。具体的には段部として凹部が表面に形成されたウエハBに限られず、段部として凸部が形成されたウエハBに適用することができる。また、SiO及びSiN以外の材質によって構成される下地膜にSiN膜66を形成する場合にも適用することができる。例えば図18には、Si膜71上に炭素(C)膜72が積層された例を示している。Si膜71の平坦な表面から突出するように炭素膜72が設けられることで上記の凸部が形成されている。従って、炭素膜72の上面及び側面と、Si膜71の炭素膜72に重なっていない領域とが、ウエハBの表面として露出している。

このようなSi膜71及び炭素膜72により構成されるウエハBに対しても第1〜第3の実施形態に従って処理を行い、シード層を形成した後、SiN膜66を形成することで、Si膜71上と炭素膜72上との間で当該SiN膜66のインキュベーションタイムに差が生じることを防ぎ、SiN膜66の膜厚のばらつきを抑えることができる。図18では、このようにSi膜71及び炭素膜72からなるウエハBに対して第2の実施形態に従って、Siからなるシード層67を形成した後、SiN膜66を形成した例を示している。

また、図19ではSiN膜73の表面が突出して突出部を形成し、この突出部上にW(タングステン)膜74が積層され、さらにこのW膜74上にSiN膜75が積層されたウエハBを示しており、SiN膜73、W膜74、SiN膜75がウエハBの表面として露出している。このようなウエハBに対しても、第1〜第3の実施形態によって、シード層を形成した後、SiN膜を形成することができる。

ただし、W膜74はウエハBから製造される半導体デバイスの導電路を構成する。シード層の厚さH1が大きすぎると、この導電路の特性が劣化してしまうことから、図中H1で示す、各実施形態によって成膜されるシード層の厚さは2nm以下が好ましく、1nm以下とすることがより好ましい。また、導電路の表面を窒化処理してしまうことで当該導電路の電気特性が劣化することが懸念されるため、このように導電路を構成する膜が露出したウエハBを処理する場合、第2の実施形態及び第3の実施形態でシード層を形成することが好ましい。図19に示した例では、第2の実施形態で説明したSiのシード層67を形成した後、SiN膜66を形成した例を示している。

また、図20ではSiO膜76上にSiO膜61が形成されたウエハBを示している。このウエハBには、側周面がSiO膜61により、底面がSi膜76により夫々形成されるように凹部63が形成されており、当該SiO膜61及びSi膜76がウエハBの表面として構成されている。このような構成のウエハBに対しても、第1〜第3の実施形態によって、シード層の形成後、SiN膜を形成することができる。この図20に示した例では、第2の実施形態に従ってSiのシード層67を形成した後、SiN膜66を形成した例を示している。

上記の例では、ALDによりSiN膜を形成しているが、Siを含む原料ガスとアンモニアガスとを同時にウエハBに供給して熱CVDによりSiN膜を形成する場合にも本発明を適用することができる。また、ALDによってSiN膜66の成膜を行う場合、ウエハBの温度を比較的低い温度、例えば150℃〜650℃とすると共に、プラズマ形成領域R4、R3においてはマイクロ波を供給しない、つまりプラズマを形成しないことによって、供給されたNH₃ガスがウエハBに物理吸着されるようにし、プラズマ形成領域R2においては、例えばNH₃ガスを供給せずにH₂ガスのみを供給してプラズマを形成するようにしてもよい。

その場合、原料ガス吸着領域R1ではDCSガスが吸着され、プラズマ形成領域R4、R3(ただし、この処理例では上記のようにこの領域R4、R3においてプラズマは形成されない)ではNH₃ガスが物理吸着され、プラズマ形成領域R2では、プラズマの活性種が物理吸着されたNH₃ガスに作用して当該NH₃ガスとDCSガスとが反応し、SiN膜が形成される。例えば、NH₃ガスのプラズマによってダメージを受けやすい炭素膜が下地膜である場合に、このような処理が有効である。なお、アンモニアを物理吸着させるためにウエハBを既述の比較的低い温度に加熱してALDを行い、且つ上記のシード層64を形成しない場合、異なる下地膜間におけるインキュベーションタイムの差が比較的大きくなる。従って、各実施形態で説明したシード層64を形成することが特に有効となる。

また、ALDを行う際にウエハBを650℃よりも高い温度とし、各プラズマ形成ユニット3A〜3Cではプラズマの形成を行わずにNH3ガスの供給を行い、原料ガス吸着領域R1においてウエハBに吸着されたシリコンとユニット3A〜3Cから供給されたNH₃ガスとを熱により反応させて、SiN膜を形成してもよい。つまり、SiN膜の形成はプラズマ処理によって行うことに限られない。なお、上記の各処理例ではプラズマを形成するためにH2ガスを用いているがそのようにH2ガスを用いることには限られず、例えばArガスを用いるようにしてもよい。また、既述した各実施形態及び膜の構成例は、適宜変更すること及び互いに組み合わせることができる。例えば、図18〜図20で示した炭素膜、Si膜、W膜で構成された各膜構造は、SiO膜61、SiN膜62によって構成されたものであってもよい。

(第4の実施形態) 第4の実施形態では、一例として図20で説明したSi膜76上にSiO膜61が積層され、これらの膜76、61が露出するように凹部63が形成されたウエハBに対して処理を行う。この第4の実施形態の処理の概要を説明すると、先ず、SiO膜61及びSi膜76の表面を窒化して窒化膜を形成する。さらにこの窒化膜上にSi膜76とSiO膜61との間でのインキュベーションタイムの差が比較的小さくなる処理条件でSiN膜(説明の便宜上、下層側SiN膜とする)を形成する。その後、下層側SiN膜とは異なる処理条件で、下層側SiN膜よりも膜質が良好なSiN膜(説明の便宜上、上層側SiN膜とする)を形成する。窒化膜及び下層側SiN膜(第2のシリコン窒化膜)が、SiO膜61及びSi膜76との間で上層側SiN膜(第1のシリコン窒化膜)のインキュベーションタイムの差を抑制するシード層をなす。上層側SiN膜は、第1の実施形態のSiN膜66に相当する。

この第4の実施形態で用いられる成膜装置1は、上記のシャワーヘッドをなすガス給排気ユニット2についてガス吐出口21からDCSガスとArガスとを互いに切り替えて吐出することができるように構成されている。また、プラズマ形成ユニット3A〜3Cについては、H₂ガス供給源43の代わりにArガス供給源29に接続され、第1のガス吐出口41及び第2のガス吐出口42からはH₂ガスの代わりにArガスが吐出される。これらの差異点を除いて、第4の実施形態の成膜装置1は、第1の実施形態の成膜装置1と同様に構成されている。

成膜装置1の動作を示す図21〜図24と、当該ウエハBの縦断側面図である図25〜図29とを参照しながら、第1の実施形態における処理との差異点を中心に説明する。先ず、ウエハBが真空容器11内に搬入されて、後のステップS3でNH3ガスをウエハWに物理吸着させることができる温度である150℃〜650℃、例えば495℃に加熱されると共に、真空容器11内の圧力が例えば1.2×10²Pa(0.9Torr)とされ、回転テーブル12が回転する。そして、ガス給排気ユニット2において、各ガス吐出口21及びパージガス吐出口23からのArガスの吐出と、排気口22からの排気とが行われる。その一方で、下地膜窒化用ガス供給部であるプラズマ形成ユニット3Bのガス吐出口41、42から下地膜窒化用ガスであるNH₃ガスが吐出される。ただし、このNH₃ガスへのマイクロ波の供給は行われない(図21)。

ウエハBがプラズマ形成ユニット3Bの下方を通過する際に、NH₃ガスが当該ウエハBの表面に吸着される。なお、図25ではNH3ガスの分子を77として示している。そして、ウエハBがガス給排気ユニット2の下方を通過する際に、当該ウエハBの表面を流れるArガスによって、ウエハBに吸着されていなかったり、ウエハBから脱離したNH₃ガスについては、当該ウエハBの表面からパージされる(ステップS1)。図26は、このようにパージが行われた状態を示している。

続いて、プラズマ形成部をなすプラズマ形成ユニット3Bのガス吐出口41、42から、NH₃ガスの代わりにArガスが吐出される。そして、プラズマ形成領域R3にマイクロ波が供給され、当該プラズマ形成領域R3にArガスのプラズマが形成される(図22)。ガス給排気ユニット2の下方ではステップS1と同様に、引き続き余剰のNH₃ガスのパージが行われる。その一方で、プラズマ形成領域R3の下方においては、ArガスのプラズマによってウエハBに吸着されたNH₃ガスの分子77が活性化されて、ラジカルなどの活性種が生じる。この活性種によって、図27に示すように凹部63の表面を構成するSiO及びSiが窒化されて窒化膜78が形成される(ステップS2)。なお、この窒化には、SiO膜61、Si膜76の表面に存在する水酸基がアミノ基に置換されることが含まれる。

その後、真空容器11内の圧力が6.67×10²Pa(5.0Torr)に上昇し、シリコン原料ガス供給部をなすガス給排気ユニット2においてはガス吐出口21からArガスの代わりにDCSガスが吐出される。その一方で、プラズマ形成ユニット3A、3Cのガス吐出口41、42からNH₃ガスが吐出される。プラズマ形成領域R3においては引き続きArガスのプラズマが形成される(図23)。このように各ガスの供給とプラズマの形成とが行われることで、回転テーブル12により移動するウエハBの表面には、先ずDCSガスが供給されて吸着され、次いでプラズマ化されていない状態のNH₃ガスが供給されて物理吸着され、然る後、吸着されたNH₃ガスがArガスのプラズマに曝されて活性化される。活性化されたNH₃ガスは、ラジカルなどの活性種を生じてDCSガスと反応し、窒化膜78に積層されるようにSiNの薄層が形成される。回転テーブル12の回転により、ウエハBに対してこの一連の処理が繰り返し行われることで、SiNの薄層が堆積して、下層側SiN膜79が形成される(図28、ステップS3)。

然る後、プラズマ形成ユニット3A、3Cのガス吐出口41、42からのNH₃ガスの吐出が停止すると共にプラズマ形成領域R2、R4へのマイクロ波の供給が停止する。そして、真空容器11内の圧力が、2.13×10²Pa(1.6Torr)に低下し、窒化用ガス供給部及びシリコン窒化膜形成部をなすプラズマ形成ユニット3Bのガス吐出口41、42からはArガスとNH₃ガスとの混合ガスが吐出され、プラズマ形成領域R3に供給されるマイクロ波によって、この混合ガスのプラズマが形成される(図24)。

このように各ガスの供給とプラズマの形成とが行われることで、回転テーブル12により移動するウエハBの表面にはDCSガスの分子が吸着され、この吸着された分子がNH₃ガス及びArガスのプラズマによって窒化され、下層側SiN膜79に積層されるようにSiNの薄層が形成される。回転テーブル12の回転により、ウエハBに対してこの吸着と窒化とが繰り返し行われることで、SiNの薄層が堆積して上層側SiN膜81が形成される(図29、ステップS4)。

上層側SiN膜81が所定の厚さになると、各ユニット2及び3A〜3Cによる各ガスの供給とプラズマの形成とが停止し、成膜処理が終了する。この第4の実施形態によれば、窒化膜78及び下層側SiN膜79を形成することによって、上層側SiN膜81が、SiO膜61上とSi膜76上との間で均一性高く成長する。従って、SiO膜61上とSi膜76上との間で上層側SiN膜81の膜厚に差が生じることを防ぐことができる。なお、後述の評価試験で示すように下層側SiN膜79は上層側SiN膜81に比べてエッチング時の耐性が低いので、上層側SiN膜81の膜厚を比較的大きくするために、下層側SiN膜79は、例えば20Å以下の膜厚となるように形成される。

上記のステップS3で形成される下層側SiN膜79について、SiO膜61上とSi膜76上との間でインキュベーションタイムの差が抑制されると考えられる理由について説明する。理由の一つとしては、上記のステップS3では、NH₃ガスをウエハBの表面に吸着させてからプラズマに曝して活性化させることで、ウエハBに吸着されているDCSに対してNH₃ガスの活性種が効率的に反応していることによると考えられる。また、他の理由としては、ステップS3ではステップS4よりも真空容器11内の圧力が高く設定されているため、ウエハBの表面においてDCSガスの分子が吸着されやすいことによると考えられる。なお、上記のステップS3ではプラズマ形成ユニット3AからもNH3ガスを吐出し、Arプラズマに曝されたウエハBが、DCSガスが供給される前に当該ユニット3AによってNH3ガスの供給を受けるように処理が行われているが、このユニット3AによるNH₃ガスの供給は行われなくてもよい。

ところで、上記のステップS1、S2を行うことで窒化膜78を形成する代わりに、上記の第1の実施形態の図6で説明した手法と同様の手法で窒化膜を形成してもよい。具体的に説明すると、プラズマ形成ユニット3Bのプラズマ形成領域R3にNH₃ガス及びArガスを供給すると共にマイクロ波を供給し、これらのガスをプラズマ化する。そして、このプラズマにウエハBを曝すことで窒化膜を形成することができる。

また、上記のステップS1、S2では、ウエハBに吸着したNH3ガスを活性化させることでSiO膜61及びSi膜76を効率良く窒化させて窒化膜78を形成することができる。また、ステップS1、S2ではArガスによるパージを行うことで余剰のNH3ガスをウエハBから除去し、吸着されたNH₃ガスがより確実にプラズマに曝され、より効率良く窒化が行われるようにしている。 ところで、ステップS1、S2で下地膜であるSiO膜、Si膜を窒化するためにNH₃ガスを用いたが、使用するガスとしてはNH3ガスに限られず、N₂(窒素)ガスなどであってもよい。また、ステップS3の下層側SiN膜79の形成を行わず、ステップS1、S2の終了後、ステップS4を行い、窒化膜78に直接積層されるように上層側SiN膜81を形成してもよい。つまり、シード層が窒化膜78のみによって構成されていてもよい。

この第4の実施形態も適宜変更したり、既述した各例と組み合わせることができる。例えば、SiO膜61及びSi膜76からなる積層膜に対して処理を行う代わりに、図11、図18、図19で示した各種の積層膜に対して処理を行うことができる。また、Arガスの代わりに例えばH₂ガスを用いて各ステップS1〜S4を行うことができる。また、上記の例ではステップS3、S4ではシリコンの原料ガスとしていずれもDCSガスを供給しているが、ステップS3、S4で互いに種類が異なる原料ガスを使用してもよい。例えばステップS3、S4の一方はDCSガスの代わりに上記のHCDガスを用いてもよい。また、ステップS3、S4ではプラズマ形成用ガスとしてArガスを用いているが、例えばH₂ガスなどのプラズマの形成を行うことができる他のガスを用いてもよい。プラズマ形成用ガスについても、シリコンの原料ガスと同様に、各ステップで互いに異なる種類のガスを使用することができる。

(評価試験) 本発明に関連して行われた評価試験について説明する。 〔評価試験1〕 第4の実施形態における下層側SiN膜79の効果を確認するための試験を行った。評価試験1−1として、表面がSiにより構成されたウエハBについて、ステップS1〜S4を実行し、下層側SiN膜79上に上層側SiN膜81を形成した。ウエハB毎にステップS4を行う時間、即ち上層側SiN膜81を成膜する成膜時間を変更し、当該成膜時間と上層側SiN膜81の膜厚との関係を取得した。また、評価試験1−2として表面がSiOにより構成されたウエハを用いた他は、評価試験1−1と同様の試験を行った。

評価試験1−3として、表面がSiにより構成されたウエハBについて、ステップS1、S2、S4を行った。つまり、下層側SiN膜79の成膜は行わずに上層側SiN膜81を成膜した。ウエハB毎に上層側SiN膜81の成膜時間を変更し、当該成膜時間と上層側SiN膜81の膜厚との関係を取得した。また、評価試験1−4として、表面がSiOにより構成されたウエハを用いた他は、評価試験1−3と同様の試験を行った。

図30のグラフは、評価試験1−1〜評価試験1−4の結果を示すグラフである。グラフの横軸は上層側SiN膜81の成膜時間(単位:秒)を示し、グラフの縦軸は、上層側SiN膜81の膜厚(単位:Å)を示している。評価試験1−1、1−2、1−3、1−4の測定結果を、黒い四角、白抜きの四角、三角、丸の各プロットで夫々表示している。さらに、評価試験1−1の各プロットを結ぶ線及びその延長線を点線で、評価試験1−2の各プロットを結ぶ線及びその延長線を実線で、評価試験1−3の各プロットを結ぶ線及びその延長線を一点鎖線で、評価試験1−4の各プロットを結ぶ線及びその延長線を二点鎖線で、夫々示している。

図31のグラフは、図30のグラフの成膜時間が0秒〜150秒となる領域を拡大して示している。この図31のグラフより、膜厚が0Åであるとき、評価試験1−1と評価試験1−2との成膜時間の差は12.1秒であり、評価試験1−3と評価試験1−4との成膜時間の差は42.0秒である。このように下層側SiN膜79を形成した評価試験1−1と評価試験1−2との膜厚の差の方が、下層側SiN膜79を形成していない評価試験1−3と評価試験1−4との膜厚の差よりも小さいことから、下層側SiN膜79を形成した方が、インキュベーションタイムの差を小さくすることができることが分かる。

また、この評価試験1で形成された下層側SiN膜79と上層側SiN膜81とを、フッ酸と純水との混合液を用いて60秒間ウエットエッチングし、エッチングレートを測定した。この混合液中のフッ酸と純水との割合は、フッ酸1mLに対して純水100mLである。下層側SiN膜79のエッチングレートは24.6Å/分であり、上層側SiN膜81のエッチングレートは3.6Å/分であった。既述のようにSiN膜は、下層膜をエッチングするためのマスクとして使用される場合が有るため、エッチングレートが低いことが好ましい。従って、上記の第4の実施形態で説明したように、下層側SiN膜79の膜厚はインキュベーションタイムの差を抑制することができる範囲で比較的小さくすることが有効である。

〔評価試験2〕 評価試験2−1として、SiからなるウエハBにNH3ガスを供給して、表面の水酸基を除去し、窒化膜82を形成した。ただし、このNH3ガスはプラズマ化していない。そして、窒化膜82の形成後、上記の第4の実施形態のステップS4を行い、上層側SiN膜81を成膜し、各膜の膜厚を測定した。また、評価試験2−2として、SiOからなるウエハBを用いた他は、評価試験2−1と同様の試験を行った。

評価試験2−3として、評価試験2−1と同様にSiからなるウエハBにNH3ガスを供給して窒化膜82を形成した後、第4の実施形態のステップS3、S4を行い、下層側SiN膜79、上層側SiN膜81を形成した。そして各膜の膜厚を測定した。また、評価試験2−4として、SiOからなるウエハBを用いた他は、評価試験2−3と同様の試験を行った。さらに、評価試験2−5として、SiからなるウエハBに第4の実施形態のステップS1〜S4を行い、窒化膜78、下層側SiN膜79、上層側SiN膜81を形成し、各膜の膜厚を測定した。また、評価試験2−6として、SiOからなるウエハBを用いた他は、評価試験2−5と同様の試験を行った。

図32〜図37は、評価試験2−1〜2−6にて処理されたウエハBの縦断側面図であり、各膜の横には当該膜の膜厚を示している。評価試験2−1では、Si表面の自然酸化膜83の膜厚が7Å、窒化膜82の膜厚が0.9Å、上層側SiN膜81の膜厚が42.1Åであった。評価試験2−2では、窒化膜82の膜厚が1.9Å、上層側SiN膜81の膜厚が19.1Åであった。評価試験2−3では、自然酸化膜83の膜厚が7Å、窒化膜82の膜厚が0.9Å、下層側SiN膜79の膜厚が17.2Å、上層側SiN膜81の膜厚が42.1Åであった。評価試験2−4では、窒化膜82の膜厚が0Å、下層側SiN膜79の膜厚が0.1Å、上層側SiN膜の膜厚81が29.4Åであった。評価試験2−5では、自然酸化膜83の膜厚が7Å、窒化膜78の膜厚が1.2Å、下層側SiN膜79の膜厚が14.1Å、上層側SiN膜81の膜厚が27.7Åであった。評価試験2−6では、窒化膜78の膜厚が0Å、下層側SiN膜79の膜厚が6.7Å、上層側SiN膜81の膜厚が30.0Åであった。

評価試験2−1、2−2では、上層側SiN膜81の膜厚の差が23Åと比較的大きいが、評価試験2−3、2−4における上層側SiN膜81の膜厚の差は4.5Åであり、評価試験2−5、2−6における上層側SiN膜81の膜厚の差は2.2Åである。このように評価試験2からは、シード層を形成することで、下地膜の材質が異なることによる上層側SiN膜81の膜厚の差を抑制することができることが確認された。つまり本発明の効果が確認された。また、第4の実施形態のステップS3のSiN膜79の形成を行うことで、上記の上層側SiN膜81の膜厚の差を抑制することができるが、ステップS1、S2の窒化膜78の形成を行うことで、さらに上層側SiN膜81の膜厚の差を抑制することができることが確認された。

B ウエハ R1 原料ガス吸着領域 R2〜R4 プラズマ形成領域 1 成膜装置 10 制御部 11 真空容器 12 回転テーブル 2 ガス給排気ユニット 3A〜3C プラズマ形成ユニット