JP4476313B2 - 成膜方法、成膜装置、および記憶媒体 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置を製造する際のマスクとしての多層レジストに用いられる、アモルファスカーボン膜を含む多層膜の成膜方法、成膜装置、およびそのような成膜方法を実行するプログラムを記憶した記憶媒体に関する。
半導体デバイスの製造プロセスにおいては、回路パターン形成のために、フォトリソグラフィ技術を用いてパターン形成されたレジストをマスクとしてプラズマエッチングを行っている。CDが45nmの世代では、微細化に対応してArFレジストが使用されるが、プラズマ耐性が弱いという問題がある。この問題を克服する技術として、ArFレジストの下にSiO膜とプラズマ耐性のあるレジストを積層したマスク(多層レジスト)を用いた方法も採用されているが、45nm以降の微細化世代ではArFレジストの膜厚が200nmと薄くなっており、このレジスト膜厚でプラズマエッチングできるSiO膜厚と、さらにこのSiO膜厚でプラズマエッチングできる下層レジストの膜厚の限界が300nmであり、被エッチング膜の膜厚に対して、十分なプラズマ耐性を確保することができず、高精度のエッチングを達成することができない。そのため、下層のレジスト膜の代わりに、より耐エッチング性の高い膜が求められている。そのような膜として、アモルファスカーボン膜を用いることが提案されている(特許文献1等)。また、このようなアモルファスカーボン膜の成膜は、従来、枚葉CVDで検討されている。
米国特許第7064078号公報
しかしながら、枚葉CVDではイニシャルコストが高く、生産性にも難がある。また、アモルファスカーボンは酸化による劣化が懸念され、その上に形成する膜を成膜する際に、アモルファスカーボン膜の膜質の維持が問題となる。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、アモルファスカーボン膜とSi系無機膜とを効率的にかつ生産性高く低コストで成膜することができ、しかもアモルファスカーボン膜の膜質劣化が生じ難い成膜方法、成膜装置、およびそのような成膜方法を実行するための制御プログラムが記憶された記憶媒体を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の第1の観点では、半導体デバイスを製造する際のエッチングマスクとして使用される多層レジスト構造に含まれるアモルファスカーボン膜とSi系無機膜の積層体を形成するための成膜方法であって、バッチ式縦型炉として構成される成膜装置の処理容器内にエッチング対象膜を有する複数枚の被処理体を垂直方向に間隔をおいて収容する工程と、次いで、前記処理容器内を第1の減圧圧力および第1の加熱温度に設定するとともに前記処理容器内にカーボンソースガスを含む第1の処理ガスを供給してCVDにより被処理体にアモルファスカーボン膜を成膜する工程と、次いで、前記第1の処理ガスを停止し、前記処理容器内を減圧状態に維持したまま前記処理容器内にパージガスを供給して前記処理容器内をパージする工程と、次いで、前記処理容器内を減圧状態に維持したまま前記処理容器内を第2の減圧圧力および第2の加熱温度に移行するとともに前記処理容器内に有機系シリコンソースガスと酸化ガスおよび窒化ガスのいずれかで構成される反応ガスとからなる第2の処理ガスを供給し、CVDにより前記複数の被処理体のアモルファスカーボン膜の上にSiO 膜、SiN膜、またはこれらの積層膜として構成されるSi系無機膜を成膜する工程とを有し、前記カーボン膜を成膜する際の前記第1の加熱温度は600〜800℃であり、前記Si系無機膜を成膜する工程は、前記有機系シリコンソースガスと前記反応ガスとを処理容器内のパージを挟んで交互的に処理容器内に供給することによりなされることを特徴とする成膜方法を提供する。
上記第1の観点において、前記カーボンソースガスとしては、エチレン(C)、メタン(CH)、エタン(C)、アセチレン(C)、ブチン(C)から選択されるガスを用いることができるアモルファスカーボン膜は熱CVDで成膜してもよいし、アモルファスカーボン膜の成膜の際に前記第1の処理ガスをプラズマ化してもよい。
上記Si系無機膜を成膜する際に、酸素含有ガスまたは窒素含有ガスをプラズマ化して供給するようにしてもよい。
機シリコンソースガスとしては、エトキシシランガスおよびアミノシランガスを好適に用いることができる。
本発明の第2の観点では、半導体デバイスを製造する際のエッチングマスクとして使用される多層レジスト構造に含まれるアモルファスカーボン膜とSi系無機膜の積層体を形成するための成膜装置であって、真空保持可能な処理容器と、前記処理容器内でエッチング対象膜を有する複数枚の被処理体を複数段に保持する保持部材と、前記処理容器の外周に設けられた加熱装置と、前記処理容器内へアモルファスカーボン膜を成膜するための第1の処理ガスおよび前記処理容器内へSi系無機膜を成膜するための第2の処理ガスを供給するガス供給機構と、前記保持部材に保持させた複数枚の被処理体を前記処理容器内に収容させ、次いで、前記処理容器内を第1の減圧圧力および第1の加熱温度に設定するとともに前記処理容器内にカーボンソースガスを含む前記第1の処理ガスを供給してCVDにより被処理体にアモルファスカーボン膜を成膜し、次いで、前記第1の処理ガスを停止し、前記処理容器内を減圧状態に維持したまま前記処理容器内にパージガスを供給して前記処理容器内をパージし、次いで、前記処理容器内を減圧状態に維持したまま前記処理容器内を第2の減圧圧力および第2の加熱温度に移行するとともに前記処理容器内に有機系シリコンソースガスと酸化ガスおよび窒化ガスのいずれかで構成される反応ガスとからなる前記第2の処理ガスを供給し、CVDにより前記複数の被処理体のアモルファスカーボン膜の上にSiO 膜、SiN膜、またはこれらの積層膜として構成されるSi系無機膜を成膜するように制御し、前記カーボン膜を成膜する際の前記第1の加熱温度を600〜800℃に制御し、かつ、前記Si系無機膜を成膜する際に、前記有機系シリコンソースガスと前記反応ガスとを処理容器内のパージを挟んで交互的に処理容器内に供給するように制御する制御機構とを具備することを特徴とする成膜装置を提供する。
上記第2の観点において、前記アモルファスカーボン膜は熱CVDにより成膜されるようにしてもよく、また、前記アモルファスカーボン膜の成膜の際に、前記第1の処理ガスをプラズマ化して前記処理容器内に導入する機構をさらに具備してもよい。
また、前記Si系無機膜を成膜する際に、酸素含有ガスまたは窒素含有ガスをプラズマ化して前記処理容器内に導入する機構をさらに具備してもよい。
本発明の第3の観点では、コンピュータ上で動作し、成膜装置を制御するプログラムが記憶された記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、上記第1の観点の成膜方法が行われるように、コンピュータに前記成膜装置を制御させることを特徴とする記憶媒体を提供する。
本発明によれば、半導体デバイスを製造する際のエッチングマスクとして使用される多層レジスト構造に含まれるアモルファスカーボン膜とSi系無機膜の積層体を形成するにあたり、バッチ式縦型炉として構成される成膜装置を用い、処理容器内を減圧状態に保持してCVDにより被処理体にアモルファスカーボン膜を成膜し、引き続き同じ成膜装置によりCVDにより被処理体のアモルファスカーボン膜の上にSi系無機膜を成膜するので、極めて効率的にかつ生産性高く低コストでカーボン膜とSi系無機膜との積層構造を得ることができる。また、カーボン膜の成膜後、減圧状態を維持したまま、つまり真空を破ることなく連続してSi系無機膜の成膜を行うので、カーボン膜の膜質劣化が生じ難い。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
本実施形態では、多層レジストの最下層のカーボン膜およびその上に形成されるSi系膜をバッチ式の縦型炉を用いてin−situで成膜する例について説明する。
図1は本実施形態の成膜方法を実施するための成膜装置の一例を示す縦断面図、図2は図1の成膜装置を示す横断面図である。なお、図2においては、加熱装置を省略している。
成膜装置100は、バッチ式の縦型炉として構成されており、下端が開口された有天井の円筒体状の処理容器1を有している。この処理容器1の全体は、例えば石英により形成されており、この処理容器1内の天井には、石英製の天井板2が設けられて封止されている。また、この処理容器1の下端開口部には、例えばステンレススチールにより円筒体状に成形されたマニホールド3がOリング等のシール部材4を介して連結されている。
上記マニホールド3は処理容器1の下端を支持しており、このマニホールド3の下方から被処理体として多数枚、例えば50〜100枚の半導体ウエハWを多段に載置可能な石英製のウエハボート5が処理容器1内に挿入可能となっている。このウエハボート5は3本の支柱6を有し(図2参照)、支柱6に形成された溝により多数枚のウエハWが支持されるようになっている。
このウエハボート5は、石英製の保温筒7を介してテーブル8上に載置されており、このテーブル8は、マニホールド3の下端開口部を開閉する例えばステンレススチール製の蓋部9を貫通する回転軸10上に支持される。
そして、この回転軸10の貫通部には、例えば磁性流体シール11が設けられており、回転軸10を気密にシールしつつ回転可能に支持している。また、蓋部9の周辺部とマニホールド3の下端部との間には、例えばOリングよりなるシール部材12が介設されており、これにより処理容器1内のシール性を保持している。
上記の回転軸10は、例えばボートエレベータ等の昇降機構(図示せず)に支持されたアーム13の先端に取り付けられており、ウエハボート5および蓋部9等を一体的に昇降して処理容器1内に対して挿脱されるようになっている。なお、上記テーブル8を上記蓋部9側へ固定して設け、ウエハボート5を回転させることなくウエハWの処理を行うようにしてもよい。
また、成膜装置100は、第1ガス供給機構14と、第2ガス供給機構15と、第3ガス供給機構16とを有している。
第1ガス供給機構14は、処理容器1内へ酸素含有ガス、例えばOガスを供給する酸素含有ガス供給配管17と、処理容器1内へ窒素含有ガス、例えばNHガスを供給する窒素含有ガス供給配管18と、カーボンソースガスを供給するカーボンソースガス配管19と、配管パージのための不活性ガス、例えばNガスを供給するパージガス供給配管20とを有している。酸素含有ガス供給配管17には酸素含有ガス供給源17aが接続されており、配管17の途中にはマスフローコントローラのような流量制御器17bおよび開閉バルブ17cが介在されている。窒素含有ガス供給配管18には窒素含有ガス供給源18aが接続されており、配管18の途中には流量制御器18bおよび開閉バルブ18cが介在されている。カーボンソースガス供給配管19にはカーボンソースガス供給源19aが接続されており、配管19の途中には流量制御器19bおよび開閉バルブ19cが介在されている。パージガス供給配管20にはパージガス供給源20aが接続されており、配管20の途中には流量制御器20bおよび開閉バルブ20cが介在されている。酸素含有ガス供給配管17、窒素含有ガス供給配管18、およびパージガス供給配管19、およびパージガス供給配管20は、マニホールド3の側壁を内側へ貫通して上方向へ屈曲されて垂直に延びる石英管よりなるガス分散ノズル21に接続されている。このガス分散ノズル21の垂直部分には、複数のガス吐出孔21aが所定の間隔を隔てて形成されており、各ガス吐出孔21aから水平方向に処理容器1に向けて略均一にガスを吐出することができるようになっている。
第2ガス供給機構15は、処理容器1内へSiソースガスを供給するSiソースガス供給配管22を有している。Siソースガス供給配管22にはSiソースガス供給源22aが接続されており、配管22の途中には、流量制御器22bおよび開閉バルブ22cが介在されている。Siソースガス供給配管22は、マニホールド3の側壁を内側へ貫通して上方向へ屈曲されて垂直に延びる石英管よりなるガス分散ノズル24に接続されている。ここではガス分散ノズル24は2本設けられており(図2参照)、各ガス分散ノズル24には、その長さ方向に沿って複数のガス吐出孔24aが所定の間隔を隔てて形成されており、各ガス吐出孔24aから水平方向に処理容器1内に略均一にガスを吐出することができるようになっている。なお、このガス分散ノズル24は1本のみであってもよい。
第3ガス供給機構16は、処理容器1内へパージガスを供給するパージガス供給配管25を有している。パージガス配管25にはパージガス供給源25aが接続されており、配管25の途中には、流量制御器25bおよび開閉バルブ25cが介在されている。また、パージガス供給配管25は、マニホールド3の側壁を貫通して設けられたパージガスノズル26に接続されている。
上記処理容器1の側壁の一部には、供給されたガスのプラズマを生成するプラズマ生成機構30が形成されている。このプラズマ生成機構30は、上記処理容器1の側壁を上下方向に沿って所定の幅で削りとることによって上下に細長く形成された開口31をその外側より覆うようにして処理容器1の外壁に気密に溶接されたプラズマ区画壁32を有している。プラズマ区画壁32は、断面凹部状をなし上下に細長く形成され、例えば石英で形成されている。また、プラズマ生成機構30は、このプラズマ区画壁32の両側壁の外面に上下方向に沿って互いに対向するようにして配置された細長い一対のプラズマ電極33と、このプラズマ電極33に給電ライン34を介して接続され高周波電力を供給する高周波電源35とを有している。そして、上記プラズマ電極33に高周波電源35から例えば13.56MHzの高周波電圧を印加することにより酸素含有ガスのプラズマが発生し得る。なお、この高周波電圧の周波数は13.56MHzに限定されず、他の周波数、例えば400kHz等を用いてもよい。
上記のようなプラズマ区画壁32を形成することにより、処理容器1の側壁の一部が凹部状に外側へ窪ませた状態となり、プラズマ区画壁32の内部空間が処理容器1の内部空間に一体的に連通された状態となる。また、開口31は、ウエハボート5に保持されている全てのウエハWを高さ方向においてカバーできるように上下方向に十分に長く形成されている。
上記ガス分散ノズル21は、処理容器1内を上方向に延びていく途中で処理容器1の半径方向外方へ屈曲されて、上記プラズマ区画壁32内の最も奥の部分(処理容器1の中心から最も離れた部分)に沿って上方に向けて起立されている。このため、高周波電源35がオンされて両電極33間に高周波電界が形成された際に、ガス分散ノズル21のガス噴射孔21aから噴射された酸素ガスがプラズマ化されて処理容器1の中心に向けて拡散しつつ流れる。
上記プラズマ区画壁32の外側には、これを覆うようにして例えば石英よりなる絶縁保護カバー36が取り付けられている。また、この絶縁保護カバー36の内側部分には、図示しない冷媒通路が設けられており、例えば冷却された窒素ガスを流すことにより上記プラズマ電極33を冷却し得るようになっている。
上記2本のガス分散ノズル24は、処理容器1の内側壁の上記開口31を挟む位置に起立して設けられており、このガス分散ノズル24に形成された複数のガス噴射孔24aより処理容器1の中心方向に向けてSiソースガスを吐出し得るようになっている。
一方、処理容器1の開口31の反対側の部分には、処理容器1内を真空排気するための排気口37が設けられている。この排気口37は処理容器1の側壁を上下方向へ削りとることによって細長く形成されている。処理容器1のこの排気口37に対応する部分には、排気口37を覆うように断面コ字状に成形された排気口カバー部材38が溶接により取り付けられている。この排気口カバー部材38は、処理容器1の側壁に沿って上方に延びており、処理容器1の上方にガス出口39を規定している。そして、このガス出口39から図示しない真空ポンプ等を含む真空排気機構により真空引きされる。また、この処理容器1の外周を囲むようにしてこの処理容器1およびその内部のウエハWを加熱する筒体状の加熱装置40が設けられている。
成膜装置100の各構成部の制御、例えば開閉バルブの開閉による各ガスの供給・停止、流量制御器によるガス流量の制御、および高周波電源35のオン・オフ制御、加熱装置40の制御等は例えばマイクロプロセッサ(コンピュータ)からなるコントローラ50により行われる。コントローラ50には、オペレータが成膜装置100を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、成膜装置100の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインターフェース51が接続されている。
また、コントローラ50には、成膜装置100で実行される各種処理をコントローラ50の制御にて実現するための制御プログラムや、処理条件に応じて成膜装置100の各構成部に処理を実行させるためのプログラムすなわちレシピが格納された記憶部52が接続されている。レシピは記憶部52の中の記憶媒体に記憶されている。記憶媒体は、ハードディスクや半導体メモリであってもよいし、CDROM、DVD、フラッシュメモリ等の可搬性のものであってもよい。また、他の装置から、例えば専用回線を介してレシピを適宜伝送させるようにしてもよい。
そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース51からの指示等にて任意のレシピを記憶部52から呼び出してコントローラ50に実行させることで、コントローラ50の制御下で、成膜装置100での所望の処理が行われる。
次に、以上のように構成された成膜装置を用いて行なわれる本実施形態に係る成膜方法について説明する。
本実施形態の成膜方法は、エッチング対象膜上に形成される多層レジストに適用可能である。すなわち、多層レジストは、図3に示すように、エッチング対象膜101上に、下から順に、アモルファスカーボン膜(a−C)102、ハードマスク層として形成されるSi系無機膜103、反射防止膜(BARC)104、レジスト膜(PR)105が形成されてなり、フォトリソグラフィによりレジスト膜105をパターン化し、このパターンをSi系無機膜103、アモルファスカーボン膜102に転写し、これら層をマスクとしてエッチング対象膜101をエッチングするものであり、本実施形態では、アモルファスカーボン膜102およびSi系無機膜103を成膜する。
Si系無機膜103としては、SiO膜、SiN膜、またはこれらの積層膜を好適に用いることができる。
本実施形態の成膜方法を実施するに際しては、図4のフローチャートに示すように、まず、常温において、例えば50〜100枚の半導体ウエハWが搭載された状態のウエハボート5を予め所定の温度に制御された処理容器1内にその下方から上昇させることによりロードし(ステップ1)、蓋部9でマニホールド3の下端開口部を閉じることにより処理容器1内を密閉空間とする。半導体ウエハWとしては、直径300mmのものが例示される。
そして処理容器1内を真空引きして所定のプロセス圧力に維持するととともに、加熱装置40への供給電力を制御して、ウエハ温度を上昇させてプロセス温度に維持し、ウエハボート5を回転させた状態で最初にアモルファスカーボン膜の成膜処理を開始する(ステップ2)。
アモルファスカーボン膜の成膜処理においては、カーボンソースガス供給源19aからカーボンソースガスライン19を介して所定のカーボンソースガスを処理容器1内に導入し、プラズマ生成機構30にてプラズマ化し、半導体ウエハWに形成された被エッチング膜上にプラズマCVDによりアモルファスカーボン膜を成膜する。この際に、パージガス供給配管25を介して希釈ガスとしてNガスを処理容器1内に導入してもよい。この際のプラズマ生成機構30における高周波電力の周波数およびパワーは、必要な反応性に応じて適宜設定すればよい。プラズマ化されたガスは反応性が高いため、成膜温度を低下させることが可能である。なお、プラズマ生成は必須ではなく、反応性が十分な場合には、熱CVDによる成膜であってもよい。
カーボンソースガスとしては、反応によりカーボンを成膜することができるものであればよく、典型的には炭化水素ガスを含む処理ガスを用いる。炭化水素ガスとしては、エチレン(C)、メタン(CH)、エタン(C)、アセチレン(C)、ブチン(C)等を用いることができ、炭化水素ガス以外のガスとしてはArガスのような不活性ガスや水素ガス等を用いることができる。
アモルファスカーボン膜を成膜する際のチャンバ内圧力は、6667〜66665Paが好ましい。また、アモルファスカーボン膜を成膜する際のウエハ温度(成膜温度)は、800℃以下が好ましく、600〜700℃がより好ましい。
このようにアモルファスカーボン膜を成膜した後、第3ガス供給機構16のパージガスライン25を介してパージガス供給源25aから処理容器1内にパージガスガスを導入し、処理容器1内をパージする(ステップ3)。
次いで、減圧状態を保ったまま、ガスの切り替えのみによりin−situでSi系無機膜の成膜を連続して行う(ステップ4)。
Si系無機膜の成膜に際しては、第2ガス供給機構15によりシリコンソースガスを処理容器1内に導入するとともに、第1ガス供給機構14から酸素含有ガスまたは窒素含有ガスを導入してSiO膜またはSiN膜を成膜する。
シリコンソースとしては、有機系シリコン、例えば、エトキシシランガスやアミノシランガスを用いることができる。エトキシシランとしては、例えば、TEOS(テトラエトキシシラン)を挙げることができる。アミノシランとしては、例えば、TDMAS(トリジメチルアミノシラン)、BTBAS(ビスターシャリブチルアミノシラン)、BDMAS(ビスジメチルアミノシラン)、BDEAS(ビスジエチルアミノシラン)、DMAS(ジメチルアミノシラン)、DEAS(ジエチルアミノシラン)、DPAS(ジプロピルアミノシラン)、およびBAS(ブチルアミノシラン)を挙げることができる。
Si系無機膜がSiO膜の場合には、上述したように酸素含有ガスを酸化剤として用いる。例えば、第1ガス供給機構14から酸素含有ガスをプラズマ生成機構30の内部空間に供給し、そこで酸素含有ガスを励起させてプラズマ化し、その酸素含有プラズマによりシリコンソースガスを酸化させてSiO膜を成膜する。
酸素含有ガスとしては、Oガス、NOガス、NOガス、HOガス、Oガスを挙げることができ、高い反応性を得る観点からこれらを上述のように高周波電界によりプラズマ化して酸化剤として用いる。その中でもOプラズマが好ましい。なお、Oガスを用いる場合には、それ自体の反応性が高いのでプラズマ化しなくても高い反応性が得られる。他の酸素含有ガスもプラズマ化は必須ではないが、高い反応性を得る観点からはプラズマすることが好ましい。
このSiO膜は、Siソースガスと酸素含有ガスとを同時に供給して成膜することもできるが、成膜温度を低下させる観点から、図5に示すように、Siソースガスを流してSiソースを吸着させる工程S1と、酸素含有ガスを処理容器1に供給してSiソースガスを酸化させる工程S2とを交互に繰り返し、これらの間で処理容器1内から処理容器1内に残留するガスをパージする工程S3を実施するMLD(Molecule Layered Deposition)の手法を採用することが好ましい。
具体的には、工程S1においては、上述したようなSiソースガスを第2ガス供給機構15のSiソースガス配管22およびガス分散ノズル24を介してガス吐出孔24aから処理容器1内にT1の期間供給する。これにより、半導体ウエハのアモルファスカーボン膜上にSiソースを吸着させる。このときの期間T1は1〜300secが例示される。また、この際の処理容器1内の圧力は、1.33〜3990Paが例示される。Siソースガスの流量は1〜5000mL/min(sccm)が例示される。
工程S2の酸素含有ガスを供給する工程においては、第1ガス供給機構14の酸素含有ガス供給配管17およびガス分散ノズル21を介して酸素含有ガスとして例えばOガスをガス吐出孔21aから吐出し、このとき、プラズマ生成機構30の高周波電源35をオンにして高周波電界を形成し、この高周波電界により酸素含有ガス、例えばOガスをプラズマ化する。そして、このようにプラズマ化された酸素含有ガスが処理容器1内に供給される。これにより、半導体ウエハWに吸着されたSiソースが酸化されてSiOが形成される。この処理の期間T2は1〜300secの範囲が例示される。また、この際の処理容器1内の圧力は1.33〜3990Paが例示され、酸素含有ガスの流量は半導体ウエハWの搭載枚数によっても異なるが、0.1〜30mL/min(sccm)が例示される。また、高周波電源35の周波数は13.56MHzが例示され、パワーとしては10〜1000Wが採用される。
また、工程S1と工程S2との間に行われる工程S3は、工程S1の後または工程S2の後に処理容器1内に残留するガスを除去して次の工程において所望の反応を生じさせる工程であり、処理容器1内を真空排気しつつ第3ガス供給機構16のパージガス供給配管25からパージガスノズル26を介してパージガスとして不活性ガス例えばNガスを供給することにより行われる。この工程S3の期間T3としては1〜300secが例示される。また、この際の処理容器1内の圧力は1.33〜3990Paが例示され、パージガス流量としては0.1〜30L/min(slm)が例示される。なお、この工程S3は処理容器1内に残留しているガスを除去することができれば、パージガスを供給せずに全てのガスの供給を停止した状態で真空引きを継続して行うようにしてもよい。ただし、パージガスを供給することにより、短時間で処理容器1内の残留ガスを除去することができる。
このようにMLDの手法により、300℃以下の低温でSiO膜を成膜することができ、条件を最適化することにより100℃以下の極低温でも成膜可能となる。したがって、アモルファスカーボン膜の成膜後に減圧状態を保ったままに成膜することと相俟って、アモルファスカーボン膜の成膜後にアモルファスカーボン膜の上に直接成膜してもアモルファスカーボン膜を酸化させるおそれはほとんどない。
もちろんSiソースガスと酸素含有ガスを同時に供給してSiO膜を成膜してもよい。この場合の処理容器1内の圧力は7〜1343Pa程度、Siソースガスの流量は1〜2000mL/min(sccm)程度、酸素含有ガスの流量は5〜5000mL/min(sccm)程度が例示される。ただし、この場合の成膜温度は400〜750℃程度の比較的高い温度が必要であるため、アモルファスカーボン膜を成膜後に減圧状態を保ったままSiO膜を成膜しても、酸素含有ガスによりアモルファスカーボン膜を酸化させるおそれがあるので、アモルファスカーボン膜の上にキャップ層としてSiN膜を形成することが好ましい。
Si系無機膜がSiN膜の場合には、上述したように窒化のために窒素含有ガスを用いる。例えば、第1ガス供給機構14から窒素含有ガスをプラズマ生成機構30の内部空間に供給し、そこで窒素含有ガスを励起させてプラズマ化し、その窒素含有プラズマによりシリコンソースガスを窒化させてSiN膜を成膜する。
窒素含有ガスとしては、NHガス、N、NO、NO、Nなどを挙げることができ、高い反応性を得る観点からこれらを上述のように高周波電界によりプラズマ化して用いる。その中でもNHガスが好ましい。窒素含有ガスのプラズマ化は必須ではないが、高い反応性を得る観点からはプラズマすることが好ましい。
このSiN膜は、Siソースガスと窒素含有ガスとを同時に供給して成膜することもできるが、成膜温度を低下させる観点から、図6に示すように、Siソースガスを流してSiソースを吸着させる工程S11と、窒素含有ガスを処理容器1に供給してSiソースガスを窒化させる工程S12とを交互に繰り返し、これらの間で処理容器1内から処理容器1内に残留するガスをパージする工程S13を実施するMLD(Molecule Layered Deposition)の手法を採用することが好ましい。
具体的には、工程S11においては、上述したようなSiソースガスを第2ガス供給機構15のSiソースガス配管22およびガス分散ノズル24を介してガス吐出孔24aから処理容器1内にT11の期間供給して、半導体ウエハのアモルファスカーボン膜上にSiソースを吸着させる。このときの条件は、SiO膜を成膜する際の上記工程S1の条件に準じて行われる。すなわち、期間T11は1〜300secが例示される。また、この際の処理容器1内の圧力は、1.33〜3990Paが例示される。Siソースガスの流量は1〜5000mL/min(sccm)が例示される。
工程S12の窒素含有ガスを供給する工程においては、第1ガス供給機構14の酸素含有ガス供給配管17およびガス分散ノズル21を介して窒素含有ガスとして例えばNHガスをガス吐出孔21aから吐出し、このとき、プラズマ生成機構30の高周波電源35をオンにして高周波電界を形成し、この高周波電界により窒素含有ガス、例えばNHガスをプラズマ化する。そして、このようにプラズマ化された窒素含有ガスが処理容器1内に供給される。これにより、半導体ウエハWに吸着されたSiソースが窒化されてSiNが形成される。この処理の期間T12は1〜300secの範囲が例示される。また、この際の処理容器1内の圧力は1.33〜3990Paが例示され、窒素含有ガスの流量は半導体ウエハWの搭載枚数によっても異なるが、100〜10000mL/min(sccm)が例示される。また、高周波電源35の周波数は13.56MHzが例示され、パワーとしては10〜1000Wが採用される。
また、工程S11と工程S12との間に行われる工程S13は、上記工程S3とほぼ同等の条件で行われる。
このようにMLDの手法により、300℃以下の低温でSiN膜を成膜することができ、条件を最適化することにより100℃以下の極低温でも成膜可能となる。
もちろんSiソースガスと窒素含有ガスを同時に供給してSiN膜を成膜してもよい。この場合の処理容器1内の圧力は7〜1343Pa程度、Siソースガスの流量は1〜2000mL/min(sccm)程度、窒素含有ガスの流量は5〜5000mL/min(sccm)程度が例示される。ただし、この場合の成膜温度は400〜800℃程度の比較的高い温度が必要である。
以上のように、半導体ウエハを複数枚搭載して一度に処理するバッチ式の装置により、アモルファスカーボン膜と、ハードマスク層として用いるSi系無機膜とを、減圧状態を保ったままin−situで連続的に成膜することにより、酸化によるアモルファスカーボン膜の劣化を生じさせずに、高効率でかつ生産性高く低コストで成膜することができる。
次に、実際に本発明の方法でアモルファスカーボン膜とSiO膜を連続して成膜した結果について説明する。
まず、図1に示す装置に50枚の半導体ウエハを装入し、まず、エチレンガスを2000mL/min(sccm)、Nガスを250mL/min(sccm)の流量で処理容器内に導入し、処理容器内のガス圧力を46550Pa、温度を700℃として、半導体ウエハに形成されたSiO膜の上にアモルファスカーボン膜を成膜した。
その後、処理容器内を減圧状態に保ったまま、アモルファスカーボン膜成膜に用いたガスを処理容器および配管からパージガスによりパージし、SiO膜の成膜を行った。この際に、Si含有ガスとしてTEOSを用い、酸素含有ガスとしてOガスを用いて、これらをパージ工程を挟んで100〜200回繰り返して行った。
この際の成膜条件は、以下のとおりとした。
成膜ガス
TEOS:250mL/min(sccm)
:10mL/min(sccm)
チャンバ内圧力:200Pa
温度:600℃
その結果、アモルファスカーボン膜については、平均成膜レートが3.77nm/min、面内膜厚ばらつきが±7.51%、ウエハ間の膜厚ばらつきが±1.77%となり、SiO膜については、平均成膜レートが0.8nm/min、面内膜厚ばらつきが±2%以下、ウエハ間の膜厚ばらつきが±2%以下となった。
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、多層レジストの最下層のアモルファスカーボン膜およびその上のSi系無機膜の成膜に本発明を用いた例について示したが、必ずしもこのような用途に限らず適用可能である。また、上記実施形態ではアモルファスカーボン膜を成膜したが、カーボン膜はアモルファスに限るものではない。さらに上記実施形態では、被処理基板として半導体ウエハを例示したが、これに限らず、液晶表示装置(LCD)に代表されるフラットパネルディスプレイ(FPD)用のガラス基板等、他の基板にも適用可能である。
本発明は、多層レジストの最下層およびその上の層の成膜に好適である。
本発明の成膜方法を実施するための成膜装置の一例を示す縦断面図。 本発明の成膜方法を実施するための成膜装置の一例を示す横断面図。本発明の一実施形態に係るアモルファスカーボン膜の成膜方法に適用可能な成膜装置の一例を示す断面図。 本発明の成膜方法が適用される多層レジスト膜を示す断面図。 本発明の一実施形態に係る成膜方法の工程を示すフローチャート。 本発明の成膜方法の一実施形態において、SiO膜の成膜の際のガスの供給のタイミングの一例を示すタイミングチャート。 本発明の成膜方法の他の実施形態において、SiN膜の成膜の際のガスの供給のタイミングの一例を示すタイミングチャート。
符号の説明
5;ウエハボート(供給手段)
14;酸素含有ガス供給機構
15;Siソースガス供給機構
16;パージガス供給機構
21;酸素含有ガス分散ノズル
24;Siソースガス分散ノズル
30;プラズマ生成機構
33;プラズマ電極
35;高周波電源
40;加熱装置
100;成膜装置
101;エッチング対象膜
102;アモルファスカーボン膜
103;Si系無機膜
104;反射防止膜
105;レジスト膜
W;半導体ウエハ(被処理体)

Claims (11)

  1. 半導体デバイスを製造する際のエッチングマスクとして使用される多層レジスト構造に含まれるアモルファスカーボン膜とSi系無機膜の積層体を形成するための成膜方法であって、
    バッチ式縦型炉として構成される成膜装置の処理容器内にエッチング対象膜を有する複数枚の被処理体を垂直方向に間隔をおいて収容する工程と、
    次いで、前記処理容器内を第1の減圧圧力および第1の加熱温度に設定するとともに前記処理容器内にカーボンソースガスを含む第1の処理ガスを供給してCVDにより被処理体にアモルファスカーボン膜を成膜する工程と、
    次いで、前記第1の処理ガスを停止し、前記処理容器内を減圧状態に維持したまま前記処理容器内にパージガスを供給して前記処理容器内をパージする工程と、
    次いで、前記処理容器内を減圧状態に維持したまま前記処理容器内を第2の減圧圧力および第2の加熱温度に移行するとともに前記処理容器内に有機系シリコンソースガスと酸化ガスおよび窒化ガスのいずれかで構成される反応ガスとからなる第2の処理ガスを供給し、CVDにより前記複数の被処理体のアモルファスカーボン膜の上にSiO 膜、SiN膜、またはこれらの積層膜として構成されるSi系無機膜を成膜する工程とを有し、
    前記カーボン膜を成膜する際の前記第1の加熱温度は600〜800℃であり、
    前記Si系無機膜を成膜する工程は、前記有機系シリコンソースガスと前記反応ガスとを処理容器内のパージを挟んで交互的に処理容器内に供給することによりなされることを特徴とする成膜方法。
  2. 前記カーボンソースガスは、エチレン(C)、メタン(CH)、エタン(C)、アセチレン(C)、ブチン(C)から選択されるガスであることを特徴とする請求項1に記載の成膜方法。
  3. アモルファスカーボン膜は熱CVDにより成膜することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の成膜方法。
  4. アモルファスカーボン膜の成膜の際に前記第1の処理ガスをプラズマ化することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の成膜方法。
  5. 酸素含有ガスまたは窒素含有ガスをプラズマ化して供給することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の成膜方法。
  6. 前記有機系シリコンソースガスは、エトキシシランガスまたはアミノシランガスであることを特徴とする請求項から請求項のいずれか1項に記載の成膜方法。
  7. 半導体デバイスを製造する際のエッチングマスクとして使用される多層レジスト構造に含まれるアモルファスカーボン膜とSi系無機膜の積層体を形成するための成膜装置であって、
    真空保持可能な処理容器と、
    前記処理容器内でエッチング対象膜を有する複数枚の被処理体を複数段に保持する保持部材と、
    前記処理容器の外周に設けられた加熱装置と、
    前記処理容器内へアモルファスカーボン膜を成膜するための第1の処理ガスおよび前記処理容器内へSi系無機膜を成膜するための第2の処理ガスを供給するガス供給機構と、
    前記保持部材に保持させた複数枚の被処理体を前記処理容器内に収容させ、次いで、前記処理容器内を第1の減圧圧力および第1の加熱温度に設定するとともに前記処理容器内にカーボンソースガスを含む前記第1の処理ガスを供給してCVDにより被処理体にアモルファスカーボン膜を成膜し、次いで、前記第1の処理ガスを停止し、前記処理容器内を減圧状態に維持したまま前記処理容器内にパージガスを供給して前記処理容器内をパージし、次いで、前記処理容器内を減圧状態に維持したまま前記処理容器内を第2の減圧圧力および第2の加熱温度に移行するとともに前記処理容器内に有機系シリコンソースガスと酸化ガスおよび窒化ガスのいずれかで構成される反応ガスとからなる前記第2の処理ガスを供給し、CVDにより前記複数の被処理体のアモルファスカーボン膜の上にSiO 膜、SiN膜、またはこれらの積層膜として構成されるSi系無機膜を成膜するように制御し、前記カーボン膜を成膜する際の前記第1の加熱温度を600〜800℃に制御し、かつ、前記Si系無機膜を成膜する際に、前記有機系シリコンソースガスと前記反応ガスとを処理容器内のパージを挟んで交互的に処理容器内に供給するように制御する制御機構と
    を具備することを特徴とする成膜装置。
  8. 前記アモルファスカーボン膜は熱CVDにより成膜される請求項7に記載の成膜装置。
  9. 前記アモルファスカーボン膜の成膜の際に、前記第1の処理ガスをプラズマ化して前記処理容器内に導入する機構をさらに具備することを特徴とする請求項に記載の成膜装置。
  10. 前記Si系無機膜を成膜する際に、酸素含有ガスまたは窒素含有ガスをプラズマ化して前記処理容器内に導入する機構をさらに具備することを特徴とする請求項7から請求項9のいずれか1項に記載の成膜装置。
  11. コンピュータ上で動作し、成膜装置を制御するプログラムが記憶された記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、請求項1から請求項のいずれかの成膜方法が行われるように、コンピュータに前記成膜装置を制御させることを特徴とする記憶媒体。
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