JP2002134503A

JP2002134503A - 成膜方法及び装置

Info

Publication number: JP2002134503A
Application number: JP2000318051A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Tsukamoto; 俊之塚本; Seiya Urushizaki; 清也漆崎
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2000-10-18
Filing date: 2000-10-18
Publication date: 2002-05-10

Abstract

(57)【要約】【課題】基体上にＳｉＯＮ膜を確実に形成でき、その
成膜工程を簡略化できると共に、その際に基体に付与さ
れる熱負荷の増大を十分に抑制可能な成膜装置及び方法
を提供する。【解決手段】成膜装置１００は、ＳｉウェハＷａが収
容されるチャンバ２を有する熱処理部１に、活性種生成
部３０を介して原料ガス供給系４０が接続されたもので
ある。原料ガス供給系４０は、Ｎ₂Ｏガス及びＨｅガス
の各ガス源４１，４２を有している。これらの原料ガス
は、活性種生成部３０のアプリケータ３１内の空間Ｓｃ
に導入され、マイクロ波が照射される。これにより、プ
ラズマが形成されてＮ₂Ｏガスが励起叉は解離され、窒
素活性種及び酸素活性種を含む反応ガスＸが生成され
る。この反応ガスＸは、チャンバ２内の空間Ｓｂに供給
され、ＳｉウェハＷａ上のＳｉと反応し、ＳｉＯＮ膜が
形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、成膜方法及び装置
に関し、特に、ケイ素原子を含む基体上に、ケイ素原
子、酸素原子及び窒素原子を含む化合物から成る膜を形
成する成膜方法及び成膜装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＣＭＯＳデバイス等のゲート絶縁膜とし
ては、ゲート領域のシリコン（Ｓｉ）基層上に形成され
る二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）膜が一般に用いられてい
る。また、ＳｉＯ₂膜上に形成されるポリシリコン層に
ドープされたイオン、ホットキャリア等の移動を防止す
るために、ＳｉＯ₂膜の一部を窒化してＳｉＯＮ膜叉は
実質的に窒化ケイ素膜を形成する技術が多用されつつあ
る。

【０００３】図３（Ａ）〜（Ｃ）は、このような従来方
法の一例によりＳｉＯＮ膜を形成している状態を示す工
程図である。この例では、Ｓｉ基層６１から成るウェハ
を所定のチャンバ叉は電気炉（Furnace）内に収容し、
ＲＴＯ（Rapid Thermal Oxidation）プロセス、ＨＴＯ
（高温気相成長）プロセスといった熱酸化によってＳｉ
Ｏ₂膜６２を形成させる（図３（Ｂ）参照）。次いで、
このウェハを必要に応じて別のチャンバに収容し、ＲＰ
Ｎ（Remote Plasma Nitrization）プロセスを用いたラ
ンプ加熱等の高温窒化を施す。これにより、ＳｉＯ₂膜
６２の表層部が窒化され、ＳｉＯ₂領域６３ａとＳｉＯ
Ｎ領域６３ｂとを含むＳｉＯＮ膜６３が得られる（図３
（Ｃ）参照）。

【０００４】また、図４（Ａ）〜（Ｃ）は、従来方法の
他の例によりＳｉＯＮ膜を形成している状態を示す工程
図である。まず、上述したのと同様にして、Ｓｉ基層７
１から成るウェハ上に熱酸化によってＳｉＯ₂膜７２を
形成させる（図４（Ａ）及び（Ｂ）参照）。次いで、こ
のウェハを必要に応じて別のチャンバに収容し、アンモ
ニア（ＮＨ₃）ガス等を用いて高温窒化を施す。この場
合、窒素原子は、ＳｉＯ₂膜７２内を拡散し、主として
Ｓｉ基層７１とＳｉＯ₂膜７２との界面部に移動する傾
向にある。その結果、ＳｉＯ₂領域７３ａとＳｉＯＮ領
域７３ｂとを含むＳｉＯＮ膜７３が得られる（図４
（Ｃ）参照）。

【０００５】さらに、良質なＳｉＯ₂膜を形成させるの
に、Ｓｉ基層上に酸化二窒素（Ｎ₂Ｏ）を供給してＳｉ
基層の上層部を酸化する方法も挙げられる。図５（Ａ）
及び（Ｂ）は、このような従来方法の更に他の例により
ＳｉＯ₂膜を形成している状態を示す工程図である。こ
の方法では、Ｓｉ基層８１から成るウェハを所定のチャ
ンバに収容し、Ｎ₂ＯガスをＳｉ基層８１上に供給し、
ランプ加熱等による高温酸化によってＳｉＯ₂膜８２を
成膜する（図５（Ｂ）参照）。このＳｉＯ₂膜８２中に
は僅かながら窒素原子が含まれると考えられ、ＳｉＯＮ
膜とは言い難いものの、例えばＳｉＯ₂結晶中のダング
リングボンドの一部が窒素原子で終端されたような膜が
生じている可能性がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、熱酸化で成膜
したＳｉＯ₂膜６２，７２を窒化する方法では、Ｓｉ基
層６１，７１上にＳｉＯＮ膜６３，７３を成膜するのに
二工程必要であり、工程の簡略化による生産効率の向上
が望まれていた。また、ＲＴＯプロセス、ＨＴＯプロセ
ス等を用いて炉加熱やランプ加熱によってＳｉＯ₂膜６
２，７２，８２を形成させる際には、ウェハが約１００
０〜１１００℃程度の高温に曝される。よって、ウェハ
への入熱量つまり熱負荷が増大し、その熱応力による歪
みや残留応力がウェハに蓄積され、反り等の形状変形等
が生じるおそれがあった。さらに、Ｓｉ基層８１のＮ₂
Ｏ酸化によって得られるＳｉＯ₂膜は、目的が異なるも
のの、ＳｉＯＮ領域の形成が十分ではなかった。

【０００７】そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなさ
れたものであり、基体上にＳｉＯＮ膜等のケイ素原子、
酸素原子及び窒素原子を含む化合物から成る膜を確実に
形成でき、その成膜工程を簡略化できると共に、その際
に基体に付与させる熱負荷の増大を十分に抑制できる成
膜方法及び装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による成膜方法は、ケイ素原子を含む基体上
に、ケイ素原子、酸素原子及び窒素原子を含む化合物か
ら成る膜（例えば、ＳｉＯＮ膜）を形成せしめる方法で
あって、窒素原子及び酸素原子を含む化学種の活性種、
叉は、その化学種由来の活性種を基体上に供給する活性
種供給工程を備えることを特徴とする。

【０００９】このような成膜方法では、活性種供給工程
において、窒素原子及び酸素原子を含む化学種の活性種
つまり窒素原子及び酸素原子を含むラジカルやイオンと
いった活性種、叉は、その化学種由来の活性種つまり窒
素ラジカル（Ｎ^*）、窒素原子を含むラジカル、窒素イ
オン若しくは窒素原子を含むイオン、（以下、まとめて
「窒素活性種」という）、及び、酸素ラジカル
（Ｏ^*）、酸素原子を含むラジカル酸素、イオン若しく
は酸素原子を含むイオン（以下、まとめて「酸素活性
種」という）といった活性種が基体上に供給される。

【００１０】すなわち、基体上には、酸化因子としての
酸素活性種と窒化因子としての窒素活性種とが共に供給
される。基体がＳｉウェハ等の基板であれば、それらの
活性種から基体上のＳｉ−Ｓｉ結合にエネルギーが付与
されて両者が反応し、基体の表層部が、反応生成物とし
てのケイ素原子、酸素原子及び窒素原子を含む化合物へ
と変化する。

【００１１】このとき、酸化反応と窒化反応は競合する
が、酸化因子の方が窒化因子よりも反応性が高い傾向に
あり、酸化反応が優先してＳｉ−Ｏ結合の割合が高いＳ
ｉＯＮ膜（言わばＳｉＯ（Ｎ）膜；実質的にＳｉＯ₂等
の酸化膜）が形成され易い。これにより、酸素活性種が
窒素活性種よりも先に消費され、窒素活性種は酸化膜中
を内部へ移動する傾向にある。窒素活性種と一部の酸素
活性種は、やがて基体基層との界面部に達してＳｉと反
応する。このように界面部では窒素活性種の濃度が酸素
活性種よりも高く（窒素リッチな状態）なり、Ｓｉ−Ｎ
結合の割合が高められたＳｉＯＮ膜（言わばＳｉＮ
（Ｏ）膜；実質的にＳｉ₃Ｎ₄等の窒化膜）が形成され
る。ただし、作用はこれらの限定されない。

【００１２】こうして、全体として例えばＳｉＯＮ膜と
呼び得るようなケイ素原子、酸素原子及び窒素原子を含
む化合物から成る膜が、単一の成膜工程によって、基体
上に形成される。また、酸化因子及び窒化因子をそれぞ
れ酸素活性種及び窒素活性種といった活性種の形態で供
給するので、従来の熱酸化に比して低い成膜温度での膜
形成が可能となる。なお、本発明における「ラジカル」
には、励起種が含まれる。

【００１３】また、活性種供給工程が、化学種を含むガ
ス（原料ガス）を放電させて前記活性種を生成せしめる
活性種生成工程と、その放電が行われる場所（行われる
べき場所）に、そのガスつまりその化学種を含むガス
（原料ガス）を供給するガス供給工程とを有すると好ま
しい。この場合、ガス供給工程を実施して上記のガスを
放電が行われる（べき）場所に連続的に供給し、活性種
生成工程を実行してそのガスに含まれる化学種の活性種
等を生成させることが望ましい。

【００１４】このように活性種源として化学種を含むガ
スを用い、これを放電させると、ガスを含む雰囲気中に
プラズマが形成されるので、活性種の生成効率が十分に
高められる。このような放電形態としては、直流放電、
高周波放電、マイクロ波放電、ＥＣＲ放電、等の種々の
形態を用いることができる。なかでも、マイクロ波放電
によってプラズマを形成させると、低圧化と活性種の高
密度化とが達成され易く、成膜効率の向上が図られる。
また、活性種としてラジカルの寄与が高められる傾向に
あるので、絶縁膜等の薄膜化に極めて好適である。この
とき、プラズマが形成された領域に磁場を誘導すると、
放電効率がより高められるので一層好ましい。

【００１５】そこで、具体的には、活性種生成工程が、
マイクロ波を発生させるマイクロ波発生工程と、マイク
ロ波を上記ガスに照射してそのガスを放電させるマイク
ロ波照射工程とを有すると有用である。

【００１６】さらに、ガス供給工程においては、上記ガ
スとして、酸化二窒素（Ｎ₂Ｏ）、一酸化窒素（Ｎ
Ｏ）、三酸化二窒素（Ｎ₂Ｏ₃）、二酸化窒素（Ｎ
Ｏ₂）、五酸化二窒素（Ｎ₂Ｏ₅）、及び、三酸化窒素
（ＮＯ₃）のうち少なくとも一つの窒素酸化物ガスと、
不活性ガスとを用いとより好ましい。

【００１７】こうすれば、Ｈｅ等の不活性ガスの存在に
よって放電によるプラズマ形成が促進される。また、酸
化因子及び窒化因子源である窒素酸化物ガスの濃度調整
が平易となる。さらに、窒素酸化物ガスが構成元素とし
て窒素及び酸素以外の他の元素を含まないので、得られ
るＳｉＯＮ膜の純度が高められ、膜質叉は膜特性が向上
され、叉は、その膜質等を制御し易くなる。またさら
に、これらの窒素酸化物ガスのなかでは、工業上の利用
性、化学的な安定性、経済性及び化学量論的に好適な組
成比を有する点において、酸化二窒素（Ｎ₂Ｏ）ガスを
用いると特に好ましい。

【００１８】さらにまた、ガス供給工程においては、ガ
ス中の窒素酸化物ガスと不活性ガスとの割合が任意の所
定の値となるように、その窒素酸化物ガス及びその不活
性ガスの供給量をそれぞれ制御すると好適である。

【００１９】熱酸化を用いた従来の成膜方法では、一般
に、成膜温度の制御により膜厚の制御を行い易いもの
の、膜質に影響を及ぼす物性の制御は必ずしも十分では
ない傾向にある。これに対し、本発明では、窒素酸化物
ガス及び不活性ガスの供給量をそれぞれ（独立に）制御
して窒素酸化物ガスと不活性ガスとの割合を調整し、基
体上に供給される活性種と基体を構成するＳｉとの量比
を任意に調節できる。しかも、活性種による反応による
ので、温度への依存度合が大きな膜厚制御とは別に、膜
質等の制御性に優れる利点がある。

【００２０】また、本発明による成膜装置は、本発明の
成膜方法を有効に実施するための装置であり、ケイ素原
子を含む基体上に、ケイ素原子、酸素原子及び窒素原子
を含む化合物から成る膜が形成されるものであって、基
体が収容される第１のチャンバと、窒素原子及び酸素原
子を含む化学種の活性種、叉は、その化学種由来の活性
種を基体上に供給する活性種供給部とを備える。

【００２１】具体的には、活性種供給部が、化学種を含
むガスの放電により活性種が生成される活性種生成部
と、化学種を含むガスを活性種生成部に供給するガス供
給部とを有すると好適である。

【００２２】さらに、活性種生成部が、マイクロ波を発
生するマイクロ波発生源と、マイクロ波発生源に接続さ
れマイクロ波を導波する導波部と、この導波部、ガス供
給部及び第１のチャンバに接続された第２のチャンバと
を有するものであると好ましい。

【００２３】またさらに、ガス供給部が、酸化二窒素
（Ｎ₂Ｏ）、一酸化窒素（ＮＯ）、三酸化二窒素（Ｎ₂Ｏ
₃）、二酸化窒素（ＮＯ₂）、五酸化二窒素（Ｎ₂Ｏ₅）、
及び、三酸化窒素（ＮＯ₃）のうち少なくとも一つの窒
素酸化物ガスを含有する第１のガス源と、不活性ガスを
含有する第２のガス源とを有するものであると更に好ま
しい。

【００２４】加えて、ガス供給部が、（１）第１のガス
源と活性種生成部との間に設けられ窒素酸化物ガスの活
性種生成部への供給量を調整する第１の流量調整部と、
（２）第２のガス源と活性種生成部との間に設けられ不
活性ガスの活性種生成部への供給量を調整する第２の流
量調整部と、（３）第１及び第２の流量調整部に接続さ
れており、ガス中の窒素酸化物ガスと不活性ガスとの割
合が任意の所定の値となるように、第１及び第２の流量
調整部を制御する制御部とを備えるものであるとより好
ましい。この場合、具体的には、第１及び第２の流量調
整部による窒素酸化物ガス及び不活性ガスの供給量調整
が制御される。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
添付図面を参照して詳細に説明する。なお、同一の要素
には同一の符号を用いることとし、重複する説明は省略
する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限
り、図面に示す位置関係に基づくものとする。また、図
面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。

【００２６】図１は、本発明による成膜装置の好適な一
実施形態を示す構成図（一部断面図）である。成膜装置
１００は、ＳｉウェハＷａを温度制御しながら熱処理を
行う枚葉式急速加熱熱処理装置から成る熱処理部１に、
マイクロ波放電によるＲＰ（Remote Plasma）方式の活
性種生成部３０を介して、窒素酸化物ガスとしてのＮ₂
Ｏガス及び不活性ガスとしてのＨｅガスの各ガス源４
１，４２を有する原料ガス供給系４０（ガス供給部）が
接続されたものである。

【００２７】熱処理部１は、ベース部２ａ、側壁部２ｂ
及び蓋部２ｃで構成されたチャンバ２（第１のチャン
バ）を備えている。このチャンバ２内には、Ｓｉウェハ
Ｗａを支持するウェハ支持部材３が設置されている。ウ
ェハ支持部材３は、ベース部２ａにベアリング４を介し
て回転自在に取り付けられた円筒フレーム５と、この円
筒フレーム５の上端に設けられたリングフレーム６とか
ら成っている。また、リングフレーム６の内側縁部に
は、ＳｉウェハＷａのエッジ部が支持される支持用段部
６ａが形成されている。ここで、図１に示す如くＳｉウ
ェハＷａがウェハ支持部材３に支持された状態では、Ｓ
ｉウェハＷａの裏面側に、ベース部２ａとウェハ支持部
材３とＳｉウェハＷａとで囲まれた空間Ｓａが形成され
る。

【００２８】また、ベース部２ａの下部には、搬送ロボ
ット（図示せず）によりチャンバ２内に搬送されたＳｉ
ウェハＷａをウェハ支持部材３に支持させるためのリフ
ト部材７が設けられている。このリフト部材７は、ベー
ス部２ａを貫通してＳｉウェハＷａを持ち上げる複数本
の支持ピン８を有している。

【００２９】さらに、チャンバ２の蓋部２ｃの上方に
は、ウェハ支持部材３に支持されたＳｉウェハＷａを加
熱する複数の加熱ランプ９から成るランプ群９Ｇが配置
されている。蓋部２ｃには円形の窓部Ｌｗが設けられて
おり、加熱ランプ９の輻射熱が窓部Ｌｗを介してＳｉウ
ェハＷａに伝えられる。また、ベース部２ａには、Ｓｉ
ウェハＷａの温度を光学的に検出する温度センサ１０が
設けられている。この温度センサ１０は、ベース部２ａ
におけるウェハ支持部材３に囲まれた円形プレート１１
において、その中心と周縁の一部を含み且つ所定の角度
（例えば９０度）を有する略扇形のセンサ設置領域内に
複数組み込まれている。上述の空間Ｓａは、光学的に完
全な閉空間となっており、光学式の温度センサ１０によ
る空間Ｓａを利用してのＳｉウェハＷａの温度検出が支
障なく行える。

【００３０】また、チャンバ２の側壁部２ｂには、ガス
供給口１２とガス排出口１３とが対向して設けられてい
る。ガス供給口１２には、チャンバ２内におけるＳｉウ
ェハＷａ裏面側の空間Ｓａの外部であるＳｉウェハＷａ
表面側の空間Ｓｂに、後述する反応ガスＸを供給する活
性種生成部３０のアプリケータ３１（後述）が接続され
ている。一方、ガス排出口１３には、空間Ｓｂ内のガス
をチャンバ２の外部に排出するためのガス排出系５０が
配管を介して接続されている。このガス排出系５０は、
減圧ポンプ及びチャンバ２内の圧力を検出する圧力セン
サ（共に図示せず）を有している。

【００３１】さらに、ベース部２ａの円形プレート１１
には、ガス供給口１６及びガス排出口１７が設けられて
いる。ガス供給口１６には、空間Ｓａ内に、所定のガス
Ｇｋ、例えば、酸素（Ｏ₂）ガスと窒素ガス（Ｎ₂ガス）
との混合ガス、Ｏ₂ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスとの混
合ガス等を供給するためのガス供給管１８が接続され、
ガス排出口１７には、空間Ｓａ内のガスＧｋをチャンバ
２の外部に排出するためのガス排出管１９が接続されて
いる。

【００３２】またさらに、円形プレート１１の周縁部に
おけるセンサ設置領域を含む部位には、断面Ｌ字型の突
起片２０が設けられ、この突起片２０の内側にガス供給
口１６が形成されている。また、円形プレート１１にお
いてその中心からガス供給口１６の反対側に僅かにずれ
た位置にガス排出口１７が形成され、ガス供給口１６と
ガス排出口１７との間にセンサ設置領域が設けられた構
成となっている。これにより、ガス供給口１６から導入
されたガスＧｋは、円形プレート１１におけるセンサ設
置領域全範囲の上方を通ってガス排出口１７から排出さ
れる。

【００３３】また、活性種生成部３０は、原料ガスＧｒ
が導入されるガス供給口３１ａが設けられた空間Ｓｃを
有するアプリケータ３１（第２のチャンバ）を備えてい
る。このアプリケータ３１は、ガス供給口３１ａに対向
する位置に活性種等を含む反応ガスＸが流通可能なガス
排出口３１ｂが設けられており、配管を介して、空間Ｓ
ｃとチャンバ２の空間Ｓｂとが連通するようにチャンバ
２に結合されている。さらに、アプリケータ３１には、
その外胴を貫通するように、略中空管状のマイクロ波ガ
イド３２（導波部）が接続されており、その端部が空間
Ｓｃの隔壁に当設されている。

【００３４】また、マイクロ波ガイド３２の他端部に
は、マグネトロンを有するマイクロ波発生部３６（マイ
クロ波発生源）が設けられている。このマイクロ波発生
部３６によって所定の周波数のマイクロ波が発生し、こ
のマイクロ波は、マイクロ波ガイド３２内を導波してア
プリケータ３１の空間Ｓｃ内に導入される。これによ
り、空間Ｓｃ内に導入された原料ガスＧｒにマイクロ波
が照射され、マイクロ波放電によるプラズマが形成され
て原料ガス由来の活性種を含む反応ガスＸが生成され
る。さらに、マイクロ波ガイド３２の一部の周囲には、
マイクロ波出力のマッチングをとるチューナー３３、マ
イクロ波の反射波を受けるダミーロード３４、及び、マ
イクロ波の出力検出を行う出力検出部３５が設置されて
いる。

【００３５】また、原料ガス供給系４０は、上述の如
く、窒素酸化物ガスとしてのＮ₂Ｏガスが貯留されるガ
ス源４１（第１のガス源）と、不活性ガスとしてのＨｅ
ガスが貯留されるガス源４２（第２のガス源）とを備え
ている。これらのガス源４１，４２は、それぞれＭＦＣ
（マスフローコントローラ）４３（第１の流量調整部）
及びＭＦＣ４４（第２の流量調整部）が設けられた配管
を介して、アプリケータ３１のガス供給口３１ａに接続
されている。こうして、Ｎ₂Ｏガス及びＨｅガスを含む
原料ガスＧｒがアプリケータ３１内へ供給されるように
なっている。このように、活性種生成部３０及び原料ガ
ス供給系４０から活性種供給部が構成されている。

【００３６】さらに、ＭＦＣ４３，４４は、制御部３８
に電線ケーブルを介して接続されている。制御部３８
は、ＣＰＵ３８ａとこれに接続され且つ双方向伝送が可
能な入出力インターフェイス３８ｂを有している。これ
により、ＭＦＣ４３，４４からの流量信号が入出力イン
ターフェイス３８ｂを介してＣＰＵ３８ａに入力され、
ＣＰＵ３８ａからの制御信号が入出力インターフェイス
３８ｂを介してＭＦＣ４３，４４へ出力されるようにな
っている。

【００３７】このように構成された成膜装置１００及び
これを用いた本発明による成膜方法の一例について、図
１並びに図２（Ａ）及び（Ｂ）を参照して説明する。図
２（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明による成膜方法の一例に
よってＳｉウェハＷａ上にＳｉＯＮ膜を成膜している状
態を示す工程図である。

【００３８】まず、内部が不活性ガス等で置換された熱
処理部１のチャンバ２内に、搬送ロボット（図示せず）
を用いて成膜処理対象のＳｉウェハＷａを搬送する。Ｓ
ｉウェハＷａは、Ｓｉ基層１０１を有しており（図２
（Ａ）参照）、このＳｉウェハＷａとしては、予め希フ
ッ酸等の洗浄剤で表面を洗浄したものを用いることが望
ましい。次に、チャンバ２内及びアプリケータ３１内を
封止した状態でガス排出系５０のポンプを運転し、チャ
ンバ２内及びアプリケータ３１内を減圧する。なお、以
降の成膜処理プロセスにおいては、ガス排出系５０を常
時運転して所定の減圧状態を維持する。チャンバ２内が
所定の圧力となった時点で、リフト部材７により複数の
支持ピン８を上昇させてＳｉウェハＷａを持ち上げ、そ
の後、支持ピン８を下降させてＳｉウェハＷａをウェハ
支持部材３のリングフレーム６上に載置する。

【００３９】次に、制御部３８からＭＦＣ４３，４４に
所定の流量設定信号（制御信号）を伝送し、ガス源４
１，４２からのＮ₂Ｏガス及びＨｅガスの供給を開始す
る。これにより、アプリケータ３１内の空間Ｓｃ内に、
Ｎ₂Ｏガス及びＨｅガスが混合されて成る原料ガスＧｒ
を連続的に導入する（ガス供給工程）。また、それと共
に、マイクロ波発生部３６を運転してマイクロ波を発生
させる（マイクロ波発生工程）。マイクロ波は、マイク
ロ波ガイド３２内を導波し、チューナー３３によって出
力及び周波数の整合（マッチング）及び調整が施された
後、空間Ｓｃを画成する隔壁を介して空間Ｓｃ内へ導入
される。このとき、マイクロ波の出力は出力検出部３５
で検出され、この検出信号に基づいてマイクロ波の出力
が適正値（設定値）となるようにフィードバック制御を
行ってもよい。

【００４０】なお、アプリケータ３１内に導入されたマ
イクロ波の一部は、特に導入初期にアプリケータ３１内
で反射されてマイクロ波ガイド３２内を逆流するおそれ
があるが、このような反射波はダミーロード３４で受波
され、マイクロ波発生部３６へ流入することが防止され
る。

【００４１】空間Ｓｃ内に導入されたマイクロ波は、原
料ガスＧｒに照射される（マイクロ波照射工程）。これ
により、空間Ｓｃ内においてマイクロ波放電が生じ、プ
ラズマが形成される。原料ガスＧｒ中のＮ₂Ｏガスの少
なくとも一部は、励起叉は解離されてＮ₂Ｏガス由来の
活性種が生じる（活性種生成工程）。このような活性種
としては、例えば、窒素イオン、酸素イオン、酸化窒素
イオン等のイオン性活性種、及び、Ｎ^*、Ｏ^*、ＮＯ^*、
Ｎ₂ ^*、Ｎ₂Ｏ^*ラジカル等の励起種叉は中性活性種といっ
た窒素活性種及び酸素活性種が生成されると考えられ
る。ただし、作用はこれに特定されるものではない。

【００４２】そして、これらの窒素活性種及び酸素活性
種を含む反応ガスＸが生成し、アプリケータ３１からチ
ャンバ２内のガス供給口１２を通して空間Ｓｂ内へ供給
される。このように、ガス供給工程及び活性種生成工程
から活性種供給工程が構成されている。また、この反応
ガスＸは、ＳｉウェハＷａ周辺を流通し、一部がガス排
出口１３からガス排出系５０へ排気される。こうして、
空間Ｓｂ内におけるＳｉウェハＷａの表面全体は、反応
ガスＸひいては反応ガスＸに含まれる窒素活性種及び酸
素活性種に曝される。

【００４３】ここで、アプリケータ３１の空間Ｓｃ内で
生成された反応ガスＸ中には、イオン性活性種成分や電
子等が含まれているが、それらは、アプリケータ３１か
らチャンバ２に至る自由行程において再結合し、叉は、
エネルギーロスによって消費される。よって、空間Ｓｂ
に達した反応ガスＸ中の活性種は、励起種等の中性活性
種の含有割合が高められたものとなり得る。

【００４４】一方、チャンバ２内の空間Ｓａ内に、ガス
供給管１８を通してガスＧｋを連続的に供給する。この
際には、制御部３８によりガスＧｋのＭＦＣ（図示せ
ず）に流量設定信号を伝送し、所定の流量でガスＧｋを
供給してもよい。ガスＧｋは、ガス供給口１６から空間
Ｓａ内を流通し、ガス排出口１７から排出される。この
とき、空間Ｓａ内は、ＳｉウェハＷａの自重により実質
的に閉状態に維持されているため、空間Ｓａ内のガスＧ
ｋが空間Ｓｂに漏出するおそれは殆ど無い。

【００４５】また、このとき、空間Ｓａ内に供給される
ガスＧｋの流量を空間Ｓａから排出されるガスＧｋの流
量よりも少なくなるように、空間ＳａからのガスＧｋの
排出流量を調整する。これにより、ウェハ支持部材３と
ＳｉウェハＷａとの間に形成された僅かな間隙を通っ
て、空間Ｓｂ内の反応ガスＸが空間Ｓａ内に流れ込み、
強制的な流体の閉空間が形成される。

【００４６】次いで、上述の反応ガスＸ及びガスＧｋの
供給と略同時に、駆動手段（図示せず）によりウェハ支
持部材３を回転駆動させてＳｉウェハＷａを回転させる
と共に、複数の加熱ランプ９を点灯させる。これによ
り、ＳｉウェハＷａの温度を室温から徐々に且つ急速に
上昇させる。

【００４７】ＳｉウェハＷａの温度が所定温度に達する
と、Ｓｉ基層１０１上において窒素活性種及び酸素活性
種との相互作用が生じる。具体的には、Ｓｉ基層１０１
を構成するＳｉ結晶のＳｉ−Ｓｉ結合が活性種からエネ
ルギーを付与されて解離し、Ｓｉ原子と窒素原子及び酸
素原子との結合反応、つまり窒化反応及び酸化反応が競
合して起る。このとき、酸化因子の方が窒化因子よりも
反応性が高い傾向にあり、酸化反応が窒化反応よりも優
先して進行し得る。よって、Ｓｉ基層１０１には、結合
対象のＳｉ原子が多量に存在するため、酸化反応は酸素
活性種の供給律速となり、ＳｉＯ₂の薄膜が先ず形成さ
れ得る。

【００４８】その後、酸素活性種及び窒素活性種は、Ｓ
ｉ基層１０１を内部へ拡散していく。このとき、拡散律
速状態が支配的になると推定されるが、酸素活性種が豊
富に存在する状態では、酸素反応が優先的に進行する。
こうして、Ｓｉ基層１０１の表層部には、Ｓｉ−Ｏ結合
の割合が高いＳｉＯＮ領域（言わばＳｉＯ（Ｎ）膜；実
質的にＳｉＯ₂等の酸化膜）１０２ａが形成される。

【００４９】Ｓｉ基層１０１内部へ流入していった酸素
活性種は徐々に消費され、やがて、その割合が窒素活性
種に比して有意に減少する。換言すれば、酸素活性種が
窒素活性種よりも先に消費され、窒素活性種がＳｉＯＮ
領域１０２ａ中を更に内部へ移動し、ＳｉＯＮ領域１０
２ａとＳｉ基層１０１との界面部に到達する。こうなる
と、窒素活性種が供給律速となり、窒素活性種とＳｉ原
子との結合が生じる。これにより、ＳｉＯＮ領域１０２
ａとＳｉ基層１０１との間に、Ｓｉ−Ｎ結合の割合が高
められたＳｉＯＮ領域（言わばＳｉＮ（Ｏ）膜；実質的
にＳｉ₃Ｎ₄等の窒化膜）１０２ｂが形成される。

【００５０】こうして、Ｓｉ基層１０１上に、ＳｉＯＮ
領域１０２ａ，１０２ｂから成るＳｉＯＮ膜１０２が形
成（成膜）されたウェハＷｂを得る（図２（Ｂ）参
照）。このＳｉＯＮ膜１０２は、組成比が均一ではなく
全体としてＳｉＯＮ膜と呼び得るような膜である。ただ
し、ＳｉＯＮ膜１０２の生成機構及び活性種の作用機構
は、上記のメカニズムに限定されるものではない。

【００５１】一方、空間ＳａにおけるＳｉウェハＷａ表
面には、自然酸化膜であるシリコン亜酸化物（ＳｉＯ）
の昇華を抑え得るＳｉＯ₂膜が形成される。こうして、
その後の工程におけるウェハＷｂの裏面の保護が可能と
なる。次いで、所定時間経過した後、ウェハＷｂの回転
を停止させ、複数の加熱ランプ９の熱出力を所定のウェ
ハ搬出温度となるように制御すると共に、制御部３８か
らＭＦＣ４３，４４に流量ゼロ信号を伝送し、アプリケ
ータ３１内への原料ガスＧｒの供給を停止する。ウェハ
Ｗｂの温度が搬出可能な温度まで下降した後、図示しな
い搬送ロボットによりウェハＷｂをチャンバ２の外部に
搬出する。

【００５２】ここで、以上説明した成膜処理において、
アプリケータ３１内へ供給するＮ₂ＯガスとＨｅガスと
の混合割合は、特に限定されるものではないが、Ｎ₂Ｏ
ガスが約３０ｖｏｌ％以上含まれると成膜速度が十分に
高められるので好ましい。ただし、極く薄いＳｉＯＮ膜
１０２を形成させる場合には、成膜速度が大き過ぎて所
望の膜厚を得難いおそれがあるので、あえて成膜速度を
抑えるために、Ｎ₂Ｏガスの混合割合を好ましくは３０
ｖｏｌ％未満、より好ましくは０．１〜２０ｖｏｌ％、
特に好ましくは０．５〜５ｖｏｌ％とすると好適であ
る。こうすれば、膜厚の均一性に優れたＳｉＯＮの極薄
膜を形成し易い利点がある。

【００５３】Ｎ₂Ｏガスの混合比をこのような好適な範
囲内の値とするには、制御部３８によりＭＦＣ４３，４
４を制御してガス源４１，４２からのＮ₂Ｏガス及びＨ
ｅガスのアプリケータ３１への供給流量を適宜調整する
ことにより達成できる。また、Ｎ₂Ｏガス及びＨｅガス
の混合比（割合）を調整することにより、Ｓｉ基層１０
１上に供給される窒素活性種及び酸素活性種とＳｉとの
量比を任意に調節できる。これにより、ＳｉＯＮ膜１０
２の膜質を制御することが可能となる。

【００５４】また、アプリケータ３１内の原料ガスの全
圧としては、好ましくは０．１〜２０Ｔｏｒｒ（０．０
１３〜２．７ｋＰａ）、より好ましくは０．１〜２Ｔｏ
ｒｒ（０．０１３〜０．２７ｋＰａ）とされる。さら
に、マイクロ波の周波数としては、好ましくは略２．４
５ＧＨｚ、その出力は、好ましくは２．５〜３．５ｋ
Ｗ、より具体的には略３．０ｋＷであると好適である。

【００５５】またさらに、ＳｉウェハＷａの温度（成膜
温度）としては、反応ガスＸの濃度等にもよるが、好ま
しくは、４５０〜９００℃、より好ましくは５５０〜７
５０℃であると好適である。このように、従来の熱酸化
における成膜温度（例えば１０００〜１１００℃程度）
に比して十分に低い温度条件でＳｉＯＮ膜１０２の形成
が可能となる。

【００５６】さらに、反応ガスＸの空間Ｓｂ内の全圧
は、好ましくは０．１〜２０Ｔｏｒｒ（０．０１３〜
２．７ｋＰａ）、より好ましくは０．１〜２Ｔｏｒｒ
（０．０１３〜０．２７ｋＰａ）であると好適である。
この圧力が上記下限値未満であると、十分な成膜速度
（反応効率）が得られない程に反応ガスＸ中の活性種濃
度が低下する傾向にある。これに対し、上記圧力が上記
上限値を超えても、成膜速度の低下が顕著となる場合が
ある。これは、活性種の相互作用による失活が一因であ
ると推定される。

【００５７】また、チャンバ２外へ搬出したウェハＷｂ
を、所定の他のチャンバ内に収容し、例えば、ＳｉＯＮ
膜１０２上にポリシリコン膜を堆積させ、必要に応じて
キャリアをドープし、更にその上にタングステン膜等の
メタル膜を形成せしめ、更にハードマスク等を所定のパ
ターンで積層し、所定のエッチングを施した後、マスク
を除去することにより、ゲート電極を形成できる。

【００５８】このように構成された成膜装置１００及び
本発明による成膜方法によれば、ＳｉウェハＷａのＳｉ
基層１０１上に、窒化因子としての窒素活性種と、酸化
因子としての酸素活性種とが共にしかも同時に供給さ
れ、全体としてＳｉＯＮが形成されたＳｉＯＮ膜１０２
が成膜される。よって、ＳｉウェハＷａから、単一の成
膜工程により、ＳｉＯＮ膜１０２が形成されたウェハＷ
ｂを得ることが可能となる。したがって、熱酸化で成膜
したＳｉＯ₂膜を窒化する従来に比して、工程数を削減
でき、これによりデバイスの製造工程を簡略化して生産
効率を向上できる。

【００５９】また、Ｓｉ基層１０１とＳｉＯＮ膜１０２
の界面部に窒素リッチなＳｉＯＮ領域１０２ｂ領域が形
成されるので、例えば、ＳｉＯＮ膜１０２上にキャリア
がドープされたポリシリコン膜が積層された場合でも、
そのポリシリコン膜からＳｉ基層１０１へのホットキャ
リア等の移動を十分に防止できる。さらに、これによ
り、ＳｉＯＮ膜１０２の膜厚をより薄くでき、例えば、
ゲート絶縁膜の更なる薄層化を図ることができる。その
結果、デバイスの更なる微細化に大きく寄与できる。

【００６０】さらに、ＳｉＯＮ膜１０２を形成する酸化
反応及び窒化反応を、酸素活性種及び窒素活性種からの
エネルギー付与によって行うので、従来の熱酸化に比し
て有意に低い成膜温度での膜形成が可能となる。よっ
て、ＲＴＯやＨＴＯプロセスを用いてＳｉＯ₂膜を形成
させる従来に比して、ＳｉウェハＷａへの入熱量（熱負
荷）が格別に低減できる。したがって、ウェハＷｂに熱
応力による歪みや残留応力が蓄積されることを十分に抑
制できる。その結果、ウェハＷｂに反り等の形状変形、
形状変化等が生じることを十分に防止できる。

【００６１】また、アプリケータ３１内において、マイ
クロ波放電によるプラズマ形成で窒素活性種及び酸素活
性種を生成させ、これをチャンバ２内に導入するので、
低圧でのプラズマ形成によって活性種濃度を十分に高め
ることができ、活性種を高濃度でＳｉウェハＷａ上に供
給できる。よって、成膜速度を一層向上できる。さら
に、チャンバ２の空間Ｓｂ内では、中性活性種の比率が
高められるので、Ｓｉ基層１０１やチャンバ２の内壁等
に与えるダメージを十分に軽減できる。

【００６２】さらにまた、本発明による成膜装置は、例
えば、Applied Materials社製の成膜装置（RTP XE CENT
URA（登録商標））等のＲＰＮ機能を有する装置に適用
することが可能であり、或いは、そのような装置をベー
スに構成することも簡易である。

【００６３】なお、上述した本発明の実施形態において
は、Ｎ₂Ｏガスの代りに、他の窒素酸化物ガス、例え
ば、一酸化窒素（ＮＯ）、三酸化二窒素（Ｎ₂Ｏ₃）、二
酸化窒素（ＮＯ₂）、五酸化二窒素（Ｎ₂Ｏ₅）、及び、
三酸化窒素（ＮＯ₃）のうち少なくとも一つのガスを用
いることも可能である。これらは、単独で叉は二種以上
混合して使用してもよい。これらの窒素酸化物ガスのな
かでは、工業上の利用性、化学的な安定性、経済性及び
化学量論的に好適な組成比を有する点において、酸化二
窒素（Ｎ₂Ｏ）ガスが特に好ましい。

【００６４】また、放電形態としては、直流グロー放
電、直流アーク放電（プラズマジェット）、容量結合型
又は誘導結合型の高周波グロー放電、ＥＣＲ放電、マイ
クロ波ＥＣＲ放電等を用いてもよい。このとき、マイク
ロ波ＥＣＲ放電のようにプラズマが形成された領域に磁
場を誘導すると放電効率がより高められる。

【００６５】さらに、Ｎ₂ＯガスとＨｅガスとをガス供
給口３１ａの直前で混合せずに、両ガスをガス供給口３
１ａから独立にアプリケータ３１へ導入して空間Ｓｃ内
で混合するようにしてもよい。またさらに、チャンバ２
内に空間Ｓａを形成すること、及び／又は、ガスＧｋを
空間Ｓａに供給して流通させることは必ずしも必要な
い。この場合、ウェハ支持部材３の代りに通常のサセプ
タを用いてＳｉウェハＷａを支持してもよく、加熱ラン
プ９の代りにこのサセプタにヒーター等の加熱源を設け
ても構わない。さらにまた、空間ＳａにガスＧｋを供給
しない場合には、ＳｉウェハＷａをウェハ支持部材３に
載置してから、チャンバ２内を減圧してもよい。

【００６６】加えて、本発明による成膜装置及び方法
は、ゲート絶縁膜の形成に限定されるものではなく、Ｓ
ｉＯＮ膜等のケイ素原子、酸素原子及び窒素原子を含む
絶縁膜の形成、及び、そのような絶縁膜を有する半導体
装置（デバイス）の製造に広く適用できるものである。

【００６７】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の成膜方法及
び装置によれば、基体上にＳｉＯＮ膜等のケイ素原子、
酸素原子及び窒素原子を含む化合物から成る膜を確実に
形成でき、その成膜工程を簡略化できる。また、その際
に、基体に付与させる熱負荷の増大を十分に抑制するこ
とができ、これにより基体の形状変形等を十分に防止で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による成膜装置の好適な実施形態を示す
構成図（一部断面図）である。

【図２】図２（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明による成膜方
法の一例によってＳｉウェハ上にＳｉＯＮ膜を成膜して
いる状態を示す工程図である。

【図３】図３（Ａ）〜（Ｃ）は、従来方法の一例により
ＳｉＯＮ膜を形成している状態を示す工程図である。

【図４】図４（Ａ）〜（Ｃ）は、従来方法の他の例によ
りＳｉＯＮ膜を形成している状態を示す工程図である。

【図５】図５（Ａ）及び（Ｂ）は、従来方法の更に他の
例によりＳｉＯ₂膜を形成している状態を示す工程図で
ある。

【符号の説明】１…熱処理部、２…チャンバ（第１のチャンバ）、９…
加熱ランプ、３０…活性種生成部（活性種供給部）、３
１…アプリケータ（第２のチャンバ）、３２…マイクロ
波ガイド（導波部）、３６…マイクロ波発生部（マイク
ロ波発生源）、３８…制御部、４０…原料ガス供給系
（ガス供給部、活性種供給部）、４１，４２…ガス源、
１００…成膜装置、１０１…Ｓｉ基層、１０２…ＳｉＯ
Ｎ膜、Ｇｒ…原料ガス、Ｗａ…Ｓｉウェハ（基体）、Ｗ
ｂ…ウェハ、Ｘ…反応ガス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０５Ｈ 1/24 Ｈ０５Ｈ 1/24 (72)発明者塚本俊之千葉県成田市新泉14−３野毛平工業団地内アプライドマテリアルズジャパン株式会社内 (72)発明者漆崎清也千葉県成田市新泉14−３野毛平工業団地内アプライドマテリアルズジャパン株式会社内Ｆターム(参考） 4K030 BA35 CA04 CA12 FA02 JA06 KA30 KA41 5F045 AA09 AA16 AB34 AC11 AD08 AD09 AD10 AD11 AD12 AD13 AE19 AE21 AE23 AF03 BB10 DP04 EB13 EE04 EE12 EE14 EH18 EK12 EM02 EM07 EM10 GB05 GB15 5F058 BF62 BF64 BF72 BJ01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ケイ素原子を含む基体上に、ケイ素原
子、酸素原子及び窒素原子を含む化合物から成る膜を形
成せしめる成膜方法であって、窒素原子及び酸素原子を含む化学種の活性種、叉は、該
化学種由来の活性種を前記基体上に供給する活性種供給
工程を備える、ことを特徴とする成膜方法。
【請求項２】前記活性種供給工程は、前記化学種を含むガスを放電させて前記活性種を生成せ
しめる活性種生成工程と、前記放電が行われる場所に前記ガスを供給するガス供給
工程と、を有することを特徴とする請求項１記載の成膜
方法。
【請求項３】前記活性種生成工程は、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生工程と、前記マイクロ波を前記ガスに照射して該ガスを放電させ
るマイクロ波照射工程と、を有することを特徴とする請
求項２記載の成膜方法。
【請求項４】前記ガス供給工程においては、前記ガス
として、酸化二窒素（Ｎ₂Ｏ）、一酸化窒素（ＮＯ）、
三酸化二窒素（Ｎ₂Ｏ₃）、二酸化窒素（ＮＯ₂）、五酸
化二窒素（Ｎ₂Ｏ₅）、及び、三酸化窒素（ＮＯ₃）のう
ち少なくとも一つの窒素酸化物ガスと、不活性ガスとを
用いる、ことを特徴とする請求項２叉は３に記載の成膜
方法。
【請求項５】前記ガス供給工程においては、前記ガス
中の前記窒素酸化物ガスと前記不活性ガスとの割合が任
意の所定の値となるように、該窒素酸化物ガス及び該不
活性ガスの供給量をそれぞれ制御する、ことを特徴とす
る請求項４記載の成膜方法。
【請求項６】ケイ素原子を含む基体上に、ケイ素原
子、酸素原子及び窒素原子を含む化合物から成る膜が形
成される成膜装置であって、前記基体が収容される第１のチャンバと、窒素原子及び酸素原子を含む化学種の活性種、叉は、該
化学種由来の活性種を前記基体上に供給する活性種供給
部と、を備えることを特徴とする成膜装置。
【請求項７】前記活性種供給部は、前記化学種を含むガスの放電により前記活性種が生成さ
れる活性種生成部と、前記化学種を含むガスを前記活性種生成部に供給するガ
ス供給部と、を有するものである、ことを特徴とする請
求項６記載の成膜装置。
【請求項８】前記活性種生成部は、マイクロ波を発生するマイクロ波発生源と、前記マイクロ波発生源に接続され前記マイクロ波を導波
する導波部と、前記導波部、前記ガス供給部及び前記第１のチャンバに
接続された第２のチャンバと、を有するものである、こ
とを特徴とする請求項７記載の成膜装置。
【請求項９】前記ガス供給部は、酸化二窒素（Ｎ₂Ｏ）、一酸化窒素（ＮＯ）、三酸化二
窒素（Ｎ₂Ｏ₃）、二酸化窒素（ＮＯ₂）、五酸化二窒素
（Ｎ₂Ｏ₅）、及び、三酸化窒素（ＮＯ₃）のうち少なく
とも一つの窒素酸化物ガスを含有する第１のガス源と、不活性ガスを含有する第２のガス源と、を有するもので
ある、ことを特徴とする請求項７叉は８に記載の成膜装
置。
【請求項１０】前記ガス供給部は、前記第１のガス源と前記活性種生成部との間に設けられ
前記窒素酸化物ガスの該活性種生成部への供給量を調整
する第１の流量調整部と、前記第２のガス源と前記活性種生成部との間に設けられ
前記不活性ガスの該活性種生成部への供給量を調整する
第２の流量調整部と、前記第１及び第２の流量調整部に接続されており、前記
ガス中の前記窒素酸化物ガスと前記不活性ガスとの割合
が任意の所定の値となるように、該第１及び第２の流量
調整部を制御する制御部と、を備えるものである、こと
を特徴とする請求項９記載の成膜装置。