(57)【要約】【課題】エッチングパターンがより微細化しても、エッチングの際のｗｉｇｇｌｉｎｇの発生を有効に抑制することができるハードマスク用膜を形成する方法および装置、ならびに半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】ハードマスク用膜を形成する方法は、基体上にエッチング対象膜が形成された基板を準備する工程と、基板上に、ハードマスク用膜を、初期の膜ストレスが引張りストレスとなり、かつ引張りストレスが当該膜の底面から上面にかけて単調増加するように、成膜パラメータを制御しつつ成膜する工程とを有する。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハードマスク用膜を形成する方法であって、
基体上にエッチング対象膜が形成された基板を準備する工程と、
前記基板上に、ハードマスク用膜を、初期の膜ストレスが引張りストレスとなり、かつ引張りストレスが当該膜の底面から上面にかけて単調増加するように、成膜パラメータを制御しつつ成膜する工程と、
を有する、方法。
【請求項２】
前記成膜する工程は、ＣＶＤにより行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記成膜する工程は、プラズマＣＶＤにより行われる、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記プラズマＣＶＤを行う際のプラズマは、マイクロ波プラズマである、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記成膜パラメータは、成膜ガス流量、圧力、プラズマ密度の少なくとも１種である、請求項３または請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ハードマスク用膜は、ＳｉＮ膜である、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
半導体装置の製造方法であって、
基体上にエッチング対象膜が形成された基板を準備する工程と、
前記基板上に、ハードマスク用膜を、初期の膜ストレスが引張りストレスとなり、かつ引張りストレスが当該膜の底面から上面にかけて単調増加するように、成膜パラメータを制御しつつ成膜する工程と、
前記ハードマスク用膜を所定パターンにエッチングし、ハードマスクを形成する工程と、
前記ハードマスクをマスクとして前記エッチング対象膜をエッチングする工程と、
を有する、方法。
【請求項８】
前記成膜する工程は、ＣＶＤにより行われる、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記成膜する工程は、プラズマＣＶＤにより行われる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記プラズマＣＶＤを行う際のプラズマは、マイクロ波プラズマである、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記成膜パラメータは、成膜速度、圧力、プラズマ密度の少なくとも１種である、請求項９または請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ハードマスク用膜は、ＳｉＮ膜である、請求項７から請求項１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
ハードマスク用膜を成膜する装置であって、
基板を収容する処理容器と、
前記処理容器内で基板を載置する載置台と、
前記載置台上の被処理基板を加熱する加熱部と、
前記処理容器の天壁から前記処理容器内にマイクロ波を導入するマイクロ波導入部と、
前記処理容器内に成膜に用いる成膜ガスを供給するガス供給部と、
前記処理容器内を排気する排気部と、
制御部と、
を有し、
前記マイクロ波により成膜ガスのプラズマを生成し、該プラズマにより前記ハードマスク用膜を成膜し、
前記制御部は、ハードマスク用膜の初期の膜ストレスが引張りストレスとなり、かつ引張りストレスが当該膜の底面から上面にかけて単調増加するように、成膜パラメータを制御する、装置。
【請求項１４】
前記マイクロ波導入部は、
マイクロ波を出力するマイクロ波出力部と、
前記マイクロ波出力部からマイクロ波が給電され、インピーダンス整合を行うチューナと、給電されたマイクロ波を放射するスロットを有する平面アンテナと、前記スロットから放射されたマイクロ波を透過するマイクロ波透過板とを有する複数のマイクロ波放射機構と、
を有する、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記成膜パラメータは、成膜ガス流量、圧力、プラズマ密度の少なくとも１種である、請求項１３または請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記成膜ガスは、窒素含有ガスおよびＳｉ原料ガスであり、ハードマスク用膜としてＳｉＮ膜を形成する、請求項１３から請求項１５のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ハードマスク用膜を形成する方法および装置、ならびに半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造プロセスにおいては、所定の膜をプラズマエッチングにより加工する工程が存在する。エッチングの際のマスクとしては、従来からフォトレジストが広く用いられている。しかしながら、パターンの微細化にともないレジストマスクの材料がエッチングガスやプラズマに対する耐性が低いものとなっており、エッチング終了時までパターンを維持することが困難となっている。そこで、エッチングによりレジストマスクのパターンをＳｉＮ膜等に転写して形成されるハードマスクが用いられている。
【０００３】
近時、半導体デバイスのスケーリング（微細化）にともない、配線幅が狭くなっており、ハードマスクを用いてエッチングした後、ハードマスクにｗｉｇｇｌｉｎｇ（ゆがみ、よれ）が発生することがある。
【０００４】
このようなｗｉｇｇｌｉｎｇは、ハードマスクの膜ストレスが原因で生じることが知られており、特許文献１では、ハードマスクの材料自体を膜ストレスが小さいものとすることが提案されている。
【０００５】
また、特許文献２には、ｗｉｇｇｌｉｎｇを防止するために、マスク側壁に保護膜を形成することが提案されている。
【０００６】
さらに、特許文献３には、複数のコントロールゲート群の高さｈと長さＬの比を調整してｗｉｇｇｌｉｎｇを防止する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１６−６６７１７号公報
【特許文献２】特開２０１２−１５３４３号公報
【特許文献３】特開２０１７−１６８８７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本開示は、エッチングパターンがより微細化しても、エッチングの際のｗｉｇｇｌｉｎｇの発生を有効に抑制することができるハードマスク用膜を形成する方法および装置、ならびに半導体装置の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示の一態様に係るハードマスク用膜の形成する方法は、基体上にエッチング対象膜が形成された基板を準備する工程と、前記基板上に、ハードマスク用膜を、初期の膜ストレスが引張りストレスとなり、かつ引張りストレスが当該膜の底面から上面にかけて単調増加するように、成膜パラメータを制御しつつ成膜する工程と、を有する。
【発明の効果】
【００１０】
本開示によれば、エッチングパターンがより微細化しても、エッチングの際のｗｉｇｇｌｉｎｇの発生を有効に抑制することができるハードマスク用膜を形成する方法および装置、ならびに半導体装置の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ｗｉｇｇｌｉｎｇを説明するための図である。
【図２】エッチング後のハードマスクに圧縮ストレスが生じている場合を説明するための図である。
【図３】エッチング後のハードマスクに引張りストレスが生じている場合を説明するための図である。
【図４Ａ】ハードマスク用膜の膜ストレスが膜内で一様な引張りストレスになる理想的状態を示す図である。
【図４Ｂ】一様な引張りストレスになるように制御した場合でも実際にはストレスのバラツキが生じている状態を示す図である。
【図５】一実施形態に係るハードマスク用膜の形成方法を示すフローチャートである。
【図６Ａ】一実施形態に係るハードマスク用膜の形成方法を示す工程断面図である。
【図６Ｂ】一実施形態に係るハードマスク用膜の形成方法を示す工程断面図である。
【図７】マイクロ波プラズマＣＶＤによりハードマスク用膜を成膜する際の、成膜速度と膜ストレスとの関係を示す模式図である。
【図８】マイクロ波プラズマＣＶＤによりハードマスク用膜を成膜する際の、圧力と膜ストレスとの関係を示す模式図である。
【図９】マイクロ波プラズマＣＶＤによりハードマスク用膜を成膜する際の、プラズマ密度と膜ストレスとの関係を示す模式図である。
【図１０Ａ】一実施形態に係るハードマスク用膜の形成方法により形成したハードマスク用膜の膜厚方向のストレス分布を示すグラフである。
【図１０Ｂ】一実施形態に係るハードマスク用膜の形成方法により形成したハードマスク用膜のストレス分布を模式的に示す図である。
【図１１】一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。
【図１２Ａ】一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図１２Ｂ】一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図１２Ｃ】一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図１２Ｄ】一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図１３】エッチング後のハードマスクの形状を説明するための図である。
【図１４】、一実施形態に係るハードマスク用膜の形成に好適な成膜装置の一例を模式的に示す図である。
【図１５】図１４の成膜装置のマイクロ波導入装置の構成を示す構成図である。
【図１６】図１４の成膜装置におけるマイクロ波放射機構を模式的に示す断面図である。
【図１７】図１４の成膜装置における処理容器の天壁部を模式的に示す底面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して実施形態について説明する。
【００１３】
＜経緯＞
最初に、実施形態のハードマスク膜の形成方法に至った経緯について説明する。
ハードマスクとしては、ＳｉＮ膜等のシリコン系のものや、ＴｉＮ膜のようなメタル系のものが多用されている。
【００１４】
近時、半導体デバイスのスケーリング（微細化）にともない、配線幅が狭くなっており、ハードマスクを用いてエッチング対象膜をドライエッチングした際に、図１に示すように、残存するハードマスクＨＭの上端部分にｗｉｇｇｌｉｎｇが発生することがある。
【００１５】
このようなｗｉｇｇｌｉｎｇは、ハードマスクの膜ストレスがその上端で開放されることが原因で生じることが知られており、特許文献１では、ハードマスクの材料自体を膜ストレスが小さいものとすることが提案されている。また、製造条件等をコントロールすることによりハードマスクを構成する膜のバルクストレスを制御することも行われている。
【００１６】
しかし、最近では、デバイスの微細化が益々進み、エッチング後の膜の幅が非常に薄くなり、アスペクト比も高くなっている。このため、ハードマスク用膜の材料自体をストレスが小さいものとすることや、ハードマスク用膜のバルクストレス制御することだけでは、ｗｉｇｇｌｉｎｇを抑制することが困難となっている。
【００１７】
一方、上述したように、ｗｉｇｇｌｉｎｇはハードマスクを構成する膜の上端でストレスが開放することにより生じる。このため、以下に説明するように、引張りストレス（膜が収縮しようとするストレス）が生じているほうがｗｉｇｇｌｉｎｇ防止には有利である。
【００１８】
図２に示すように、エッチング後のハードマスクＨＭに圧縮ストレス（膜が膨張しようとするストレス）が生じている場合、ハードマスクＨＭを構成する膜は拡がろうとする。しかし、膜の底部は下地膜（基板）Ｓに拘束されて膨張は阻止され、膜の上端部分のみが拡がるため、上端部分にｗｉｇｇｌｉｎｇが生じる。これに対して、図３に示すように、エッチング後のハードマスクＨＭに引張りストレス（膜が収縮しようとするストレス）が生じている場合、膜は縮もうとする。しかし、ハードマスクを構成する膜の底部は下地膜（基板）Ｓに拘束されて収縮は阻止され、膜の上端部分では引っ張られるため、ｗｉｇｇｌｉｎｇは生じ難いと考えられる。このため、ハードマスクを構成する膜に、適度な引張り応力を付与することにより、エッチングパターンがより微細化しても、ｗｉｇｇｌｉｎｇの発生を抑制できると考えられる。
【００１９】
しかし、図４Ａに示すように、ハードマスク用膜Ｆの膜ストレスが膜内で一様な引張りストレス（Ｔ）になる理想的状態になるように制御しても、実際にはある程度のストレスのバラツキが生じてしまう。すなわち、実際のハードマスク用膜Ｆの膜中のストレス分布は、図４Ｂに示すように、一様な引張りストレス（Ｔ）ではない。具体的には、より強い引張りストレス（ＴＴ）の部分や、ストレスが存在しないニュートラル（０）の部分や、圧縮ストレス（Ｃ）の部分が存在する。この状態でハードマスク用膜Ｆをハードマスクとして用いて下地膜であるエッチング対象膜をエッチングする場合、ハードマスクのエッチング量はプロセスによって変化する。このため、図４Ｂに示すようにエッチング停止位置ＥＳも変化し、これにともなってエッチング停止位置ＥＳのストレスも変化する。パターンの幅が狭く、アスペクト比が大きくなると、エッチング停止位置ＥＳのストレスによっては、ｗｉｇｇｌｉｎｇが発生することがある。つまり、エッチングした後のハードマスクの上面領域のストレスが、その領域より深い領域のストレスよりも圧縮方向に向かう場合、上面領域は相対的に圧縮ストレスとなる。そのため、当該上面領域にｗｉｇｇｌｉｎｇが発生する可能性がある。
【００２０】
そこで、一実施形態では、ドライエッチングによりエッチングすべきエッチング対象膜の上にハードマスク用膜を成膜する際に、初期の膜ストレスが引張りストレスとなり、かつ引張りストレスが当該膜の底面から上面にかけて単調増加するように、成膜パラメータを制御しつつ成膜する。
【００２１】
このようなストレス分布を形成することにより、膜のどの部分も、それより深い部分よりも大きな引張りストレスを有する。このため、ハードマスク用膜をハードマスクとして用いてエッチング対象膜をエッチングした場合、ハードマスクのエッチングストップ位置にかかわらず、常にハードマスクの残存部分の上面側に引張り応力が作用するようになる。したがって、パターンがより微細化し、残存する部分の幅が薄く、かつその部分の形状のアスペクト比が高くなっても、ｗｉｇｇｌｉｎｇの発生を有効に抑制することができる。
【００２２】
＜ハードマスク用膜の形成方法＞
次に、一実施形態に係るハードマスク用膜の形成方法について説明する。
図５は一実施形態に係るハードマスク用膜の形成方法を示すフローチャート、図６Ａ〜６Ｂはその工程断面図である。
【００２３】
まず、基体１上にエッチング対象膜２が形成された基板３を準備する（ステップ１、図６Ａ）。
【００２４】
基体１は、特に限定されないが、シリコン等の半導体が典型例として例示される。この場合は、基板３は半導体ウエハであってよい。また、エッチング対象膜２は特に限定されないが、例えば、タングステン膜、ＧＳＴ（ＧｅＳｂＴｅ）膜、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜、カーボン膜、ＳｉＯ２膜、ＳｉＯＮ膜等が例示される。また、エッチング対象膜２は、複数以上の膜が積層された積層膜であってもよい。
【００２５】
次に、基板３上に、ハードマスク用膜４を、初期の膜ストレスが引張りストレスとなり、かつ引張りストレスが当該膜の底面から上面にかけて単調増加するように、成膜パラメータを制御しつつ成膜する（ステップ２、図６Ｂ）。
【００２６】
ハードマスク用膜４は、エッチング対象膜２をエッチングするためのハードマスクとして機能させるためのものであり、ハードマスクとなる膜であればよいが、ＳｉＮ膜、ＳｉＯ２膜、ＳｉＯＮ膜等が好適なものとして例示される。ＳｉＮ膜は、金属（Ａｌ等）を添加したものであってもよい。
【００２７】
この際の成膜方法は、特に限定されないが、ＣＶＤ法を好適に用いることができる。例えば、プラズマＣＶＤ法（ＰＥ−ＣＶＤ法）を用いることができる。また、プラズマＣＶＤ法で成膜する際のプラズマ源としてはマイクロ波プラズマ源を用いることができる。マイクロ波プラズマを用いることにより、比較的低温で成膜することができ、低電子温度で高密度のプラズマにより良好な膜質の膜を成膜することができる。例えば、ＳｉＮ膜の場合は、２５０〜５５０℃の範囲で成膜が行われ、４００℃以下の低温成膜が可能である。
【００２８】
このとき、成膜中に経時的に成膜パラメータ（プロセスパラメータ）を制御することにより、成膜するハードマスク用膜４の膜ストレスを制御することができる。例えば、マイクロ波プラズマＣＶＤで成膜する際には、図７に示すように、成膜速度を大きくする（成膜ガス流量を多くする）ことにより、引張りストレスが大きくなる傾向となる。また、図８に示すように、圧力を高くすることにより、引張りストレスが大きくなる傾向となる。さらに、図９に示すように、プラズマ密度（パワー）を下げることにより、引張りストレスが大きくなる傾向にある。したがって、成膜パラメータとして成膜速度、圧力、プラズマ密度の少なくとも１種を制御することにより膜ストレスを制御することができる。このような成膜パラメータによる膜ストレスの制御は、他のプラズマＣＶＤでも同様に行うことができる。
【００２９】
したがって、ハードマスク用膜４の成膜初期条件を膜ストレスが引張りストレスとなるような条件に設定し、上記成膜パラメータ（プロセスパラメータ）のうち少なくとも１種を、引張りストレスが単調増加するように制御する。例えば、初期の成膜条件からガス流量が漸次増加するような複数段階の処理レシピを用いて成膜を行う。
【００３０】
これにより、ハードマスク用膜を図１０Ａのような、ハードマスク用膜４の成膜初期の膜ストレスが引張りストレスとなり、当該膜の底面から上面にかけて引張りストレスが単調増加するストレス分布にすることができる。図１０Ｂはこのときの膜のストレス分布を模式的に示したものである。なお、図１０Ｂにおいて、「Ｔ」は引張りストレスを示し、「Ｔ」の数が多いほど引張りストレスが大きいことを表す。
【００３１】
＜半導体装置の製造方法＞
次に、以上のように形成されたハードマスク用膜４をハードマスクとして用いた半導体装置の製造方法について説明する。
図１１は一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャート、図１２はその工程断面図である。
【００３２】
まず、基体１上にエッチング対象膜２が形成された基板３を準備する（ステップ１１、図１２の（ａ））。次に、基板３上に、ハードマスク用膜４を、膜ストレスが引張りストレスとなるように、かつ引張りストレスが当該膜の底面から上面にかけて単調増加するように、成膜パラメータを制御しつつ成膜する（ステップ１２、図１２の（ｂ））。これらのステップ１１および１２は、上記ステップ１および２と同様である。
【００３３】
次に、例えば、フォトリソグラフィにより所定パターンを形成し、そのパターンをマスクとして、ハードマスク用膜４を所定パターンにドライエッチングし、ハードマスク５を形成する（ステップ１３、図１２の（ｃ））。
【００３４】
次に、ハードマスク５をマスクとして、エッチング対象膜２をドライエッチングする（ステップ１４、図１２の（ｄ））。このエッチングにより、所定パターンでハードマスク５およびエッチング対象膜２が残存し、残存部分６となる。
【００３５】
ステップ１３のハードマスク用膜４のエッチングとステップ１４のエッチング対象膜２のエッチングは連続して行ってもよい。
【００３６】
半導体デバイスのスケーリング（微細化）にともない、パターン幅が薄くなっている。このため、エッチング後のエッチング対象膜２およびハードマスク５の残存部分６は、図１３に示す幅Ｗが５〜３０ｎｍと薄く、高さＨは１０〜２００ｎｍである。幅Ｗが薄く高さＨが高くなると、薄幅かつ高アスペクト比となるため、従来は、ハードマスク５の上面部分にｗｉｇｇｌｉｎｇが生じやすかった。
【００３７】
これに対し、本実施形態では、ハードマスク用膜４は、その膜ストレスが引張りストレスとなるように、かつ、引張りストレスが当該膜の底面から表面にかけて単調増加するように成膜パラメータを制御して成膜されている。すなわち、ハードマスク用膜４には、膜厚方向に引張りストレスのグラディエーションが形成される。
【００３８】
このようなストレス分布を形成することにより、ハードマスク用膜４のどの部分も、それより深い部分よりも大きな引張りストレスを有する。このため、ハードマスク用膜４をハードマスク５として用いてエッチング対象膜２をエッチングした場合、ハードマスク５のエッチングストップ位置にかかわらず、常にハードマスク５の上面側に引張り応力が作用するようになる。したがって、パターンがより微細化し、エッチング後の残存部分の幅が薄く、かつその部分の形状のアスペクト比が高くなっても、引張りストレスによりｗｉｇｇｌｉｎｇの発生を有効に抑制することができる。
【００３９】
また、このように、ハードマスク用膜４に引張りストレスのグラディエーションが形成されることにより、ハードマスク用膜４のバルク膜ストレス自体が比較的小さくても、ｗｉｇｇｌｉｎｇの抑制が可能である。このように大きなバルク膜ストレスが要求されないことにより、ハードマスク５の底面側に隣接するエッチング対象膜２に対する密着性要求条件の緩和が可能となる。
【００４０】
さらに、ハードマスク用膜４に引張りストレスのグラディエーションが形成されることにより、インテグレーションの都合に合わせて、バルク膜ストレスを調整することが可能となる。
【００４１】
さらにまた、ｗｉｇｇｌｉｎｇを抑制するためにバルク膜ストレスを大きくする必要がないため、ハードマスク用膜４の膜質パラメータ（例えば、膜密度、モジュラス等）に対するマージンが広がる。
【００４２】
＜成膜装置＞
次に、一実施形態に係るハードマスク用膜の形成に好適な成膜装置の例について説明する。本例の成膜装置は、小型のマイクロ波放射機構を複数有するマイクロ波プラズマ源を用いたマイクロ波プラズマ成膜装置として構成される。
【００４３】
図１４は、成膜装置の一例を模式的に示す断面図、図１５は図１４の成膜装置のマイクロ波導入装置の構成を示す構成図、図１６は図１４の成膜装置におけるマイクロ波放射機構を模式的に示す断面図、図１７は図１４の成膜装置における処理容器の天壁部を模式的に示す底面図である。
【００４４】
この成膜装置１００は、処理容器１０１と、載置台１０２と、ガス供給機構１０３と、排気装置１０４と、マイクロ波導入装置１０５と、制御部１０６とを備えている。
【００４５】
処理容器１０１は、成膜処理に際して基板Ｗを収容するものであり、例えばアルミニウムおよびその合金等の金属材料によって形成され、略円筒形状をなしている。処理容器１０１は、板状の天壁部１１１および底壁部１１３と、これらを連結する側壁部１１２とを有している。
【００４６】
天壁部１１１には、マイクロ波導入装置１０５の後述するマイクロ波放射機構が嵌め込まれる複数の開口部を有している。側壁部１１２は、処理容器１０１に隣接する搬送室（図示せず）との間で成膜を行う基板Ｗの搬入出を行うための搬入出口１１４を有している。搬入出口１１４はゲートバルブ１１５により開閉されるようになっている。
【００４７】
載置台１０２は、処理容器１０１の内部で基板Ｗを載置するためのものであり、円板状をなしており、ＡｌＮ等のセラミックスからなっている。載置台１０２は、処理容器１０１の底部中央から上方に延びる円筒状のＡｌＮ等のセラミックスからなる支持部材１２０により支持されている。
【００４８】
載置台１０２の外縁部には基板Ｗをガイドするためのガイドリング１８１が設けられている。ただし、ガイドリング１８１が存在しなくてもよく、また、ガイドリングが載置台１０２と一体となっていてもよい。また、載置台１０２の内部には、基板Ｗを昇降するための昇降ピン（図示せず）が載置台１０２の上面に対して突没可能に設けられている。
【００４９】
載置台１０２の内部には抵抗加熱型のヒータ１８２が埋め込まれており、このヒータ１８２はヒータ電源（図示せず）から給電されることにより載置台１０２を介してその上の基板Ｗを加熱する。また、載置台１０２には、熱電対（図示せず）が挿入されており、熱電対からの信号に基づいて、基板Ｗの加熱温度を、例えば２００〜６００℃の範囲の所定の温度に制御可能となっている。
【００５０】
載置台１０２内のヒータ１８２の上方には、基板Ｗと同程度の大きさの電極１８４が埋設されており、この電極１８４には、高周波バイアス電源１２２が電気的に接続されている。この高周波バイアス電源１２２から載置台１０２に、イオンを引き込むための高周波バイアスが印加される。なお、高周波バイアス電源１２２はプラズマ処理の特性によっては設けなくてもよい。
【００５１】
ガス供給機構１０３は、処理容器１０１内にハードマスク用膜を成膜するためのガスを処理容器内に供給するためのものである。ハードマスク用膜がＳｉＮ膜である場合、ガスとしては、Ｓｉ原料ガス、例えばＳｉＨ４ガス、窒素含有ガス、例えばＮ２ガス、ＮＨ３ガス、プラズマ生成ガス（励起ガス）としての希ガス、例えばＨｅガスを用いることができる。
【００５２】
ガス供給機構１０３は、第１のガス供給部１９１と、第２のガス供給部１９２と、第１のガス吐出部１９３と、第２のガス吐出部１９４と、第３のガス吐出部１９５とを有する。
【００５３】
第１のガス供給部１９１からは、プラズマ生成ガスや、高エネルギーで解離させたい成膜用ガス、例えばＮ２ガスが、第１のガス吐出部１９３に供給される。第１のガス供給部１９１は、配管２０１を介して、天壁部１１１内に設けられた第１のガス吐出部１９３に接続されている。
【００５４】
第１のガス吐出部１９３は、天壁部１１１の内部に設けられた、天壁部１１１の中心を中心とした円周状をなすガス拡散空間２０３と、ガス拡散空間から処理容器１０１内に至る複数のガス吐出孔２０４とを有する。天壁部１１１の上面にはガス導入部２０２が設けられ、ガス導入部２０２には、第１のガス供給部１９１から延びる配管２０１が接続されている。したがって、第１のガス吐出部１９３は、第１のガス供給部１９１から配管２０１を介して供給されたプラズマ生成ガスおよび高エネルギーで解離させたいガスを、天壁部１１１の直下位置に吐出する。
【００５５】
第２のガス供給部１９２からは、過剰解離を抑制したい成膜ガス、例えばＳｉ原料であるＳｉＨ４ガスが、第２のガス吐出部１９４および第３のガス吐出部１９５に供給される。
【００５６】
第２のガス吐出部１９４は、天壁部１１１から下方に延びる複数のノズル２０６を有している。複数のノズル２０６は天壁部１１１の中心を中心とした円周上に等間隔で設けられている。図１７ではノズル２０６が６個の例を示しているが、ノズル２０６の個数は６個に限らず、例えば、３個であっても、１２個であってもよい。ノズル２０６内には、ガス流路２０７が設けられており、ガス流路２０７はノズル２０６の下端部で水平方向に屈曲し、ノズル２０６の側壁下部にガス吐出口（図示せず）が設けられている。各ノズル２０６は、配管２０５を介して第２のガス供給部１９２に接続されている。したがって、第２のガス吐出部１９４は、第２のガス供給部１９２から配管２０５を介して供給された過剰解離を抑制したいガスを天壁部１１１と載置台１０２の間の所定の高さ位置に吐出する。
【００５７】
なお、第２のガス吐出部１９４としては、ノズル２０６を用いる場合に限らず、複数の天壁部１１１から垂下する複数（例えば６本）の柱を設け、これら柱の底部を、リング状の構造物でつなぎ、その構造物の底面に多数のガス吐出孔を設けたリングシャワーであってもよい。
【００５８】
第３のガス吐出部１９５は、処理容器１０１の側壁部１１２内の天壁部１１１と載置台１０２の間の高さ位置に周方向に沿ってリング状に形成されたガス拡散空間２１１を有している。ガス拡散空間２１１は配管２０９を介して第２のガス供給部１９２に接続されている。ガス拡散空間２１１からは、側壁部１１２の内周面に至る複数のガス吐出孔２１２が延びており、複数のノズル２１３が複数のガス吐出孔２１２の各々に接続されている。したがって、第３のガス吐出部１９５は、第２のガス供給部１９２から配管２０９を介して供給された過剰解離を抑制したいガスを、外側から天壁部１１１と載置台１０２の間の所定の高さ位置に吐出する。
【００５９】
排気装置１０４は底壁部１１３に接続された排気管１１６に設けられ、真空ポンプと圧力制御バルブを備えている。排気装置１０４の真空ポンプにより排気管１１６を介して処理容器１０１内が排気される。処理容器１０１内の圧力は圧力制御バルブにより制御される。
【００６０】
マイクロ波導入装置１０５は、処理容器１０１内にプラズマを生成させるためのマイクロ波を発生させるとともに、処理容器１０１内にマイクロ波を導入するためのものである。マイクロ波導入装置１０５は、処理容器１０１の上部に設けられ、処理容器１０１内に電磁波（マイクロ波）を導入してマイクロ波プラズマを生成するプラズマ生成手段として機能する。
【００６１】
マイクロ波導入装置１０５は、図１４に示すように、処理容器１０１の天壁部１１１と、マイクロ波出力部１３０と、アンテナユニット１４０とを有する。天壁部１１１は天板として機能する。また、マイクロ波出力部１３０は、マイクロ波を生成するとともに、マイクロ波を複数の経路に分配して出力する。アンテナユニット１４０は、マイクロ波出力部１３０から出力されたマイクロ波を処理容器１０１に導入する。
【００６２】
マイクロ波出力部１３０は、図１５に示すように、マイクロ波電源１３１と、マイクロ波発振器１３２と、アンプ１３３と、分配器１３４とを有している。マイクロ波発振器１３２はソリッドステートであり、例えば、８６０ＭＨｚでマイクロ波を発振（例えば、ＰＬＬ発振）させる。なお、マイクロ波の周波数は、８６０ＭＨｚに限らず、２．４５ＧＨｚ、８．３５ＧＨｚ、５．８ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等、７００ＭＨｚから１０ＧＨｚの範囲のものを用いることができる。アンプ１３３は、マイクロ波発振器１３２によって発振されたマイクロ波を増幅する。分配器１３４は、アンプ１３３によって増幅されたマイクロ波を複数の経路に分配するもので、入力側と出力側のインピーダンスを整合させながらマイクロ波を分配する。
【００６３】
アンテナユニット１４０は、図１５に示すように、複数のアンテナモジュール１４１を含んでいる。複数のアンテナモジュール１４１は、それぞれ、分配器１３４によって分配されたマイクロ波を処理容器１０１内に導入する。複数のアンテナモジュール１４１の構成は全て同一である。各アンテナモジュール１４１は、分配されたマイクロ波を主に増幅して出力するアンプ部１４２と、アンプ部１４２から出力されたマイクロ波を処理容器１０１内に放射するマイクロ波放射機構１４３とを有する。
【００６４】
アンプ部１４２は、位相器１４５と、可変ゲインアンプ１４６と、メインアンプ１４７と、アイソレータ１４８とを有する。位相器１４５は、マイクロ波の位相を変化させる。可変ゲインアンプ１４６は、メインアンプ１４７に入力されるマイクロ波の電力レベルを調整する。メインアンプ１４７は、ソリッドステートアンプとして構成される。アイソレータ１４８は、後述するマイクロ波放射機構１４３のアンテナ部で反射されてメインアンプ１４７に向かう反射マイクロ波を分離する。
【００６５】
図１４に示すように、複数のマイクロ波放射機構１４３は、天壁部１１１に設けられている。また、マイクロ波放射機構１４３は、図１６に示すように、同軸管１５１と、給電部１５５と、チューナ１５４と、アンテナ部１５６を有する。
【００６６】
同軸管１５１は、筒状をなす外側導体１５２および外側導体１５２内に外側導体１５２と同軸状に設けられた内側導体１５３を有し、それらの間がマイクロ波伝送路となる。
【００６７】
給電部１５５は、アンプ部１４２からの増幅されたマイクロ波をマイクロ波伝送路に給電するもので、同軸ケーブルにより、外側導体１５２の上端部の側方から増幅されたマイクロ波をマイクロ波伝送路に導入する。給電部１５５は、例えば、給電アンテナによりマイクロ波を放射することによりマイクロ波伝送路にマイクロ波電力を給電する。給電されたマイクロ波電力は、アンテナ部１５６に向かって伝播する。
【００６８】
アンテナ部１５６は、同軸管１５１からのマイクロ波を処理容器１０１内に放射するものであり、同軸管１５１の下端部に設けられている。アンテナ部１５６は、内側導体１５３の下端部に接続された平面アンテナ１６１と、平面アンテナ１６１の上面側に配置された遅波材１６２と、平面アンテナ１６１の下面側に配置されたマイクロ波透過板１６３とを有している。
【００６９】
平面アンテナ１６１は、円板状をなし、上下に貫通するように形成されたスロット１６１ａを有している。スロット１６１ａの形状は、マイクロ波が効率良く放射されるように適宜設定される。スロット１６１ａには誘電体が挿入されていてもよい。
【００７０】
マイクロ波透過板１６３は天壁部１１１に嵌め込まれており、その下面は処理容器１０１の内部空間に露出している。マイクロ波透過板１６３は誘電体で構成されマイクロ波をＴＥモードで効率的に放射することができるような形状をなしている。そして、マイクロ波透過板１６３を透過したマイクロ波は、処理容器１０１内の空間にプラズマを生成する。
【００７１】
遅波材１６２は、真空よりも大きい誘電率を有する材料によって形成されており、その厚さによりマイクロ波の位相を調整することができ、マイクロ波の放射エネルギーが最大となるようにすることができる。
【００７２】
遅波材１６２およびマイクロ波透過板１６３を構成する材料としては、例えば、石英やセラミックス、ポリテトラフルオロエチレン樹脂等のフッ素系樹脂、ポリイミド樹脂等を用いることができる。
【００７３】
チューナ１５４は、スラグチューナを構成しており、図１６に示すように、２つのスラグ１７１ａ、１７１ｂと、アクチュエータ１７２と、アクチュエータ１７２を制御するチューナコントローラ１７３とを有している。スラグ１７１ａ、１７１ｂは、同軸管１５１のアンテナ部１５６よりも基端部側（上端部側）の部分に配置されている。アクチュエータ１７２は、スラグ１７１ａ、１７１ｂをそれぞれ独立して駆動する。
【００７４】
スラグ１７１ａ，１７１ｂは、板状かつ環状をなし、セラミックス等の誘電体材料で構成され、同軸管１５１の外側導体１５２と内側導体１５３の間に配置されている。また、アクチュエータ１７２は、例えば、内側導体１５３の内部に設けられた、それぞれスラグ１７１ａ，１７１ｂが螺号する２本のねじを回転させることによりスラグ１７１ａ，１７１ｂを個別に駆動する。そして、チューナコントローラ１７３からの指令に基づいて、アクチュエータ１７２によって、スラグ１７１ａ，１７１ｂを上下方向に移動させる。チューナコントローラ１７３は、終端部のインピーダンスが５０Ωになるように、スラグ１７１ａ，１７１ｂの位置を調整する。
【００７５】
メインアンプ１４７と、チューナ１５４と、平面アンテナ１６１とは近接配置している。そして、チューナ１５４と平面アンテナ１６１とは集中定数回路を構成し、かつ共振器として機能する。平面アンテナ１６１の取り付け部分には、インピーダンス不整合が存在するが、チューナ１５４によりプラズマ負荷に対して直接チューニングするので、プラズマを含めて高精度でチューニングすることができる。このため、平面アンテナ１６１における反射の影響を解消することができる。
【００７６】
図１７に示すように、本例では、マイクロ波放射機構１４３は７本設けられており、これらに対応するマイクロ波透過板１６３は、均等に六方最密配置になるように配置されている。すなわち、７つのマイクロ波透過板１６３のうち１つは、天壁部１１１の中央に配置され、その周囲に、他の６つのマイクロ波透過板１６３が配置されている。これら７つのマイクロ波透過板１６３は隣接するマイクロ波透過板が等間隔になるように配置されている。また、ガス供給機構１０３における第２のガス吐出部１９４における複数（本例では６個）のノズル２０６は、中央のマイクロ波透過板の周囲を囲むように配置されている。第１のガス吐出部１９３の複数（本例では１２個）のガス吐出孔２０４も同様に、中央のマイクロ波透過板の周囲を囲むように配置されている。なお、マイクロ波放射機構１４３の本数は７本に限るものではない。
【００７７】
制御部１０６は、典型的にはコンピュータからなり、成膜装置１００の各部を制御するようになっている。制御部１０６は成膜装置１００のプロセスシーケンスおよび制御パラメータであるプロセスレシピを記憶した記憶部や、入力手段およびディスプレイ等を備えており、選択されたプロセスレシピに従って所定の制御を行うことが可能である。
【００７８】
このように構成される成膜装置１００により上記実施形態に従ってハードマスク用膜を形成するに際しては、まず、基板Ｗとして例えばシリコン等の半導体基体上にエッチング対象膜が形成された半導体ウエハを搬入し、載置台１０２の上に載置する。
【００７９】
次いで、処理容器１０１内の圧力および基板温度を所定の値に制御し、マイクロ波プラズマＣＶＤによりハードマスク用膜を形成する。本例では、ハードマスク用膜としてＳｉＮ膜を形成する。
【００８０】
成膜に際しては、第１のガス供給部１９１から、プラズマ生成ガスであるＨｅガスを第１のガス吐出部１９３に供給し、複数のガス吐出孔２０４から処理容器１０１の天壁部１１１の直下領域に吐出する。それとともに、マイクロ波導入装置１０５のマイクロ波出力部１３０から複数に分配して出力されたマイクロ波を、アンテナユニット１４０の複数のアンテナモジュール１４１に導き、これらのマイクロ波放射機構１４３から放射させ、プラズマを着火させる。
【００８１】
各アンテナモジュール１４１では、マイクロ波は、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ１４７で個別に増幅され、各マイクロ波放射機構１４３に給電され、同軸管１５１を伝送されてアンテナ部１５６に至る。その際に、マイクロ波は、チューナ１５４のスラグ１７１ａおよびスラグ１７１ｂによりインピーダンスが自動整合される。このため、マイクロ波は、電力反射が実質的にない状態で、チューナ１５４からアンテナ部１５６の遅波材１６２を経て平面アンテナ１６１のスロット１６１ａから放射される。そして、マイクロ波は、さらにマイクロ波透過板１６３を透過し、プラズマに接するマイクロ波透過板１６３の表面（下面）を伝送されて表面波を形成する。各アンテナ部１５６からのマイクロ波電力が処理容器１０１内で空間合成され、天壁部１１１の直下領域にＨｅガスによる表面波プラズマが生成される。
【００８２】
そして、プラズマが着火したタイミングで、窒素含有ガスである例えばＮ２ガスまたはＮＨ３ガスを、第１のガス供給部１９１から供給し、第１のガス吐出部１９３から吐出する。また、Ｓｉ原料ガスである例えばＳｉＨ４ガスを、第２のガス供給部１９２から供給し、第２のガス吐出部１９４および第３のガス供給部１９５から吐出する。これにより窒素含有ガスとＳｉ原料ガスとがプラズマにより励起されて反応し、基板Ｗ上にＳｉＮ膜が形成される。窒素含有ガスは、処理容器１０１の天壁部１１１の直下領域に吐出されるため、表面波プラズマにより十分に解離し、Ｓｉ原料ガスは表面波プラズマから離れた位置に供給されて過剰解離が抑制される。
【００８３】
このとき、窒化膜を、膜ストレスが、当該膜のいずれの部分も引張りストレスとなり、引張りストレスが当該膜の底面から上面にかけて単調増加するようにプロセスパラメータを制御する。このときのプロセスパラメータとしては、窒素含有ガスおよび／またはＳｉ原料ガスの流量、圧力、マイクロ波パワー等を挙げることができる。これらのプロセスパラメータの少なくとも一種を成膜中に変化させる。例えば、窒素含有ガスおよび／またはＳｉ原料ガスの流量が漸次増加するような複数段階の処理レシピを用いて成膜を行う。
【００８４】
本例の成膜装置１００では、大型のアイソレータや合成器が不要となり、コンパクトな装置構成で、反射の影響を確実に解消して高精度のプラズマ制御が可能となる。また、マイクロ波プラズマを用いることにより、成膜温度（基板温度）を４００℃以下に低温化することができ、かつ低電子温度で高密度のプラズマにより良好な膜質の膜を成膜することができる。
【００８５】
＜他の適用＞
以上、実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は、全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、添付の特許請求の範囲およびその主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。
【００８６】
例えば、上記実施形態ではハードマスク用膜の形成にマイクロ波プラズマＣＶＤ成膜装置を用いたが、これに限らず、他のプラズマＣＶＤ成膜装置であっても、プラズマを用いないＣＶＤ成膜装置であってもよい。また、ＣＶＤに限らず、ＡＬＤやＰＶＤ等、他の成膜手法であってもよい。
【００８７】
また、上記実施形態では、成膜装置として枚葉式の装置を用いた例を示したが、複数の基板を一度に処理するバッチ式装置やセミバッチ式装置であってもよい。
【符号の説明】
【００８８】
１；基体
２；エッチング対象膜
３；基板
４；ハードマスク用膜
５；ハードマスク
６；残存部分
１００；成膜装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
2020017606.tif 000009
【図６Ｂ】
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【図７】
2020017606.tif 000011
【図８】
2020017606.tif 000012
【図９】
2020017606.tif 000013
【図１０Ａ】
2020017606.tif 000014
【図１０Ｂ】
2020017606.tif 000015
【図１１】
2020017606.tif 000016
【図１２Ａ】
2020017606.tif 000017
【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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