JP2002343792A - Film forming method and device thereof - Google Patents

Film forming method and device thereof

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JP2002343792A JP2001141996A JP2001141996A JP2002343792A JP 2002343792 A JP2002343792 A JP 2002343792A JP 2001141996 A JP2001141996 A JP 2001141996A JP 2001141996 A JP2001141996 A JP 2001141996A JP 2002343792 A JP2002343792 A JP 2002343792A
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暢男 東海
Yuji Maeda
祐二 前田
Fan Kegan
フアン ケガン
Jerry Tao
タオ ジェリー
Ann Sern
アン サーン
Steven A Chen
エイ チェン スティーブン
Iyaa Suriyanarayan
イヤー スリヤナラヤアン
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and a device for forming films by which the microloading of the film forming speed can be sufficiently improved while suppressing the decrease in the film forming speed when a film containing atoms of nitrogen is formed on a substrate by a CVD method. SOLUTION: The film forming method is a thermal CVD method by which a silicon nitride film is formed on a silicon wafer W. The silicon wafer W is placed on a susceptor 5 in a chamber 2, and NH3 gas and SiH4 gas are supplied into the chamber 2 at a specified flow rate from a gas supplying part 30 while the chamber 2 is depressurized. In this case, the supply and exhaust of the gases is controlled by a controller 80, MfC 31a, 32a and the like in such a way that the retention time of the gases on the silicon wafer W is 8-17 sec, for example. In this way, the generation of Si i-mer on the silicon wafer W is suppressed and the rate controllability of deposition reaction is increased.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、膜形成方法及び装
置に関し、詳しくは、化学的気相堆積(以下、「CV
D」という)法によって基体上に窒化膜等の窒素原子を
有する膜を形成する膜形成方法及び膜形成装置に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and an apparatus for forming a film, and more particularly, to a chemical vapor deposition (hereinafter referred to as "CV").
D)) and a film forming apparatus for forming a film having nitrogen atoms such as a nitride film on a substrate by a method.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体デバイスの製造に用いられる成膜
方法の一つとして、CVD法が広く知られている。一般
に、成膜対象であるシリコンウェハ等の基体上に素子パ
ターンが形成されている場合、パターンの疎密によって
表面積の大小が異なる。このような表面積が異なる領域
(部位)上に、例えば、誘電体膜、絶縁膜、保護膜等の
機能膜や用途膜をCVD法によって形成すると、場合に
よっては、表面積の大きな(パターン密度が密な)領域
における成膜速度の低下、つまり成膜速度の疎密依存性
(マイクロローディング)が顕著となることがある。
2. Description of the Related Art A CVD method is widely known as one of film forming methods used for manufacturing semiconductor devices. In general, when an element pattern is formed on a substrate such as a silicon wafer on which a film is to be formed, the size of the surface area varies depending on the density of the pattern. If, for example, a functional film such as a dielectric film, an insulating film, or a protective film or a use film is formed on a region (site) having a different surface area by a CVD method, a large surface area (a high pattern density) may be obtained in some cases. In some cases, the film deposition rate in the region (i.e., region) decreases, that is, the density dependence of the film deposition rate (microloading) becomes significant.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】このような成膜速度の
マイクロローディングに関し、本発明者らは、半導体デ
バイスの製造に適用される種々の成膜プロセスについて
詳細な検討を行ったところ、アンモニア(NH3)ガス
を窒素源としてシリコン窒化膜等の窒化膜を熱CVD法
によって形成する際に、パターン疎密による成膜速度の
差異が顕著となり得ることを見出した。このような現象
が生じると、成膜制御が困難になると共に、膜厚の均一
性に優れる所望の膜を得難くなってしまい、ひいては半
導体デバイスに対する要求性能を十分に達成できないお
それがある。
The present inventors have conducted detailed studies on various film forming processes applied to the manufacture of semiconductor devices with respect to such micro-loading at a film forming rate. It has been found that when a nitride film such as a silicon nitride film is formed by a thermal CVD method using an NH 3 ) gas as a nitrogen source, a difference in film formation rate due to pattern density may be remarkable. When such a phenomenon occurs, it becomes difficult to control the film formation, and it becomes difficult to obtain a desired film having excellent uniformity of the film thickness. As a result, the performance required for the semiconductor device may not be sufficiently achieved.

【0004】また、本発明者らの知見によれば、このよ
うな成膜速度のマクロローディングを防止するための方
法の一つとして、成膜反応を反応律速状態で実施する方
法が考えられる。しかし、そのための方策としては、極
端な減圧条件で成膜を実施する必要があり、これでは成
膜速度そのものが極度に低下してしまう懸念がある。こ
うなると、特に枚葉式のCVD装置を用いる場合に不都
合であり、極端な減圧状態で成膜を実施しなくてもマイ
クロローディングの発生を抑制できる代替手法が熱望さ
れていた。
According to the knowledge of the present inventors, as one of the methods for preventing such macro loading of the film formation rate, a method of performing the film formation reaction in a reaction-controlled state is considered. However, as a measure for this, it is necessary to perform film formation under extremely reduced pressure conditions, and there is a concern that the film formation speed itself may be extremely reduced. This is inconvenient, especially when a single-wafer CVD apparatus is used, and there has been a strong demand for an alternative method capable of suppressing the occurrence of microloading without performing film formation under an extremely reduced pressure.

【0005】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、CVD法によって基体上に窒素原子
を含む膜を形成する際に、成膜速度の低下を抑えること
ができると共に、成膜速度のマイクロローディングを十
分に改善することが可能な膜形成方法及び装置を提供す
ることを目的とする。
Accordingly, the present invention has been made in view of such circumstances, and when forming a film containing nitrogen atoms on a substrate by a CVD method, it is possible to suppress a decrease in the film forming rate and to form the film. An object of the present invention is to provide a film forming method and apparatus capable of sufficiently improving microloading of a film speed.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明者らは鋭意研究を行ったところ、CVD法に
おける基体上での種々の素反応で生成する反応中間体
(中間生成物)の種類及びその生成確率並びに反応の律
速状態と、成膜速度のマイクロローディング効果との間
に密接な関係があることを見出し、この知見に基づいて
更に研究を重ねた結果、本発明を完成するに至った。
Means for Solving the Problems In order to solve the above problems, the present inventors have conducted intensive studies and found that a reaction intermediate (intermediate product) formed by various elementary reactions on a substrate in the CVD method ), The formation probability thereof, and the rate-limiting state of the reaction, and the micro-loading effect of the deposition rate, have been found to have a close relationship, and as a result of further research based on this finding, the present invention has been completed. I came to.

【0007】すなわち、本発明による膜形成方法は、C
VD法によって基体上に窒素原子を有する膜を形成する
方法であって、(1)基体上に、NH3ガスを含有して
成る第1のガスと、この第1のガスと反応し得る第2の
ガスとを、第1のガス及び第2のガスの基体上における
滞留時間が所定の値となるように供給するガス供給工程
と、(2)基体を所定の温度に加熱する基体加熱工程と
を備える。
That is, the film forming method according to the present invention comprises:
A method for forming a film having nitrogen atoms on a substrate by a VD method, comprising the steps of: (1) forming a first gas containing an NH 3 gas on a substrate and a first gas capable of reacting with the first gas; A gas supply step of supplying the first gas and the second gas so that the residence time of the first gas and the second gas on the substrate becomes a predetermined value; and (2) a substrate heating step of heating the substrate to a predetermined temperature. And

【0008】このような構成の膜形成方法においては、
ガス供給工程で第1のガス及び第2のガスが基体上に供
給され、基体加熱工程で基体が所定温度に加熱される
と、基体の略直上で両ガスを構成する物質の気相反応が
生じる。これにより、基体上に窒素原子を含む膜が形成
される。このとき、気相反応においては、種々の反応中
間体が形成され、それらの種類や生成確率は、その反応
場における平衡条件や反応速度論的な支配因子によって
多様且つ微妙に変化すると推定される。
In the film forming method having such a structure,
When the first gas and the second gas are supplied onto the substrate in the gas supply step, and the substrate is heated to a predetermined temperature in the substrate heating step, a gas phase reaction of the substances constituting both gases substantially immediately above the substrate. Occurs. As a result, a film containing nitrogen atoms is formed on the substrate. At this time, in the gas phase reaction, various reaction intermediates are formed, and their types and production probabilities are presumed to vary variously and subtly depending on equilibrium conditions and reaction kinetic governing factors in the reaction field. .

【0009】このため、成膜条件の最適化は通常極めて
困難な場合が多く、特に、膜特性を十分に維持しつつ
も、成膜速度のマクロローディングだけを十分に改善す
るといった特異的な最適化方法は、従来においては存在
しなかった。これに対し、本発明者らは、ガス供給工程
において、原料ガスである第1のガス及び第2のガスの
基体上における滞留時間(レジデンスタイム;或いは、
通過時間)を所定の値とするようなプロセス制御が、極
めて有効であることを見出した。
For this reason, it is often extremely difficult to optimize the film forming conditions, and in particular, a specific optimum such as sufficiently improving only the macro loading of the film forming speed while sufficiently maintaining the film characteristics. The conversion method did not exist conventionally. On the other hand, the present inventors have found that in the gas supply step, the residence time of the first gas and the second gas as the source gas on the substrate (residence time; or
It has been found that process control for setting the passage time) to a predetermined value is extremely effective.

【0010】一例として、第2のガスとしてシラン系ガ
スであるモノシラン(SiH4)ガスを用いた場合につ
いて説明すると、第1のガス及び第2のガスの基体上で
の滞留時間が過度に小さいと、基体加熱工程における第
1のガスに含まれるNH3ガスの分解が不十分となる傾
向にある。こうなると、NH3ガスとSiH4ガスとの反
応確率が減少してしまい、NH3ガスよりも熱分解し易
いSiH4ガス同士叉はSiH4由来の化学種との反応に
よるSiアイマー(i−mer;Sij2)の生成確率
が相対的に高まる。
As an example, the case where a monosilane (SiH 4 ) gas which is a silane-based gas is used as the second gas will be described. The residence time of the first gas and the second gas on the substrate is excessively short. Then, the decomposition of the NH 3 gas contained in the first gas in the substrate heating step tends to be insufficient. In this case, the probability of reaction between the NH 3 gas and the SiH 4 gas is reduced, and the Si ionomer (i−) is formed by the reaction between the SiH 4 gas which is more easily thermally decomposed than the NH 3 gas or with the chemical species derived from SiH 4. mer; Si j H 2 ) is relatively increased.

【0011】その結果、SiH4ガスの消費が増大して
Si源が枯渇した状況となり、且つ、アイマーは一般に
活性が高く反応速度定数が大きいので、シリコン窒化膜
の成膜反応が供給律速側へ傾倒して行く。よって、基体
上のパターン密度が大きい部位(狭隘な部位)への原料
ガスの供給が遅れがちとなり、その部位での成膜速度が
相対的に低下してしまう。
As a result, the consumption of the SiH 4 gas increases and the Si source is depleted. In addition, since the eyemer is generally active and has a large reaction rate constant, the film formation reaction of the silicon nitride film is shifted toward the supply-limiting side. Go leaning. Therefore, the supply of the source gas to a portion having a large pattern density (a narrow portion) on the substrate tends to be delayed, and the film forming speed at that portion is relatively reduced.

【0012】一方、滞留時間が過度に大きくなると、N
3ガスの熱分解が進み、SiH4ガス同士叉はSiH4
由来の化学種との反応の一部が、NH3とSiH4との反
応に置換されるものの、アイマーの生成確率の増大も顕
著となり、結果として、アイマーの生成反応が支配的と
なって供給律速性が高まってしまう。したがって、この
場合にも成膜速度のマイクロローディングが生じ易くな
る。なお、作用は、これらに限定されるものではない。
On the other hand, if the residence time becomes excessively large, N
H 3 pyrolysis gas proceeds, SiH 4 gas between or the SiH 4
Although a part of the reaction with the derived chemical species is replaced by the reaction between NH 3 and SiH 4 , the increase in the probability of producing an eyemer also becomes remarkable, and as a result, the production reaction of the eyemer becomes dominant and the supply The rate control will increase. Therefore, also in this case, microloading of the film forming speed is likely to occur. The operation is not limited to these.

【0013】つまり、他の成膜条件に依存する可能性は
あるものの、第1のガス及び第2のガスの基体上におけ
る滞留時間には、好適な範囲が存在する。本発明では、
このよな有効な滞留時間が実現されるように、第1のガ
ス及び第2のガスを基体上に供給するので、アイマーの
生成が十分に抑制される。また、滞留時間を制御するこ
とによってアイマーの生成を抑えるので、基体の周囲を
極端な減圧条件とする必要がない。
That is, although there is a possibility that it depends on other film forming conditions, there is a suitable range for the residence time of the first gas and the second gas on the substrate. In the present invention,
Since the first gas and the second gas are supplied onto the substrate so as to realize such an effective residence time, the generation of an eyemer is sufficiently suppressed. In addition, since the generation of an eyemer is suppressed by controlling the residence time, it is not necessary to set an extremely reduced pressure around the substrate.

【0014】具体的には、上述の如く他の条件にも依る
ものの、ガス供給工程における滞留時間の所定値を、好
ましくは8〜17sec、より好ましくは12〜13s
ecの範囲内の値とすると好適である。滞留時間が上記
下限値未満であると、第1のガス中のNH3ガスの分解
が不十分となり、SiH4ガス等の第2のガスの構成成
分から生じるアイマーの生成確率が過度に高められる傾
向にある。他方、滞留時間が上記上限値を超えた場合に
も、成膜反応が供給律速状態となり易く不都合である。
More specifically, although depending on other conditions as described above, the predetermined value of the residence time in the gas supply step is preferably 8 to 17 seconds, more preferably 12 to 13 seconds.
It is preferable that the value be within the range of ec. When the residence time is less than the above lower limit, the decomposition of the NH 3 gas in the first gas becomes insufficient, and the generation probability of an eyemer generated from a component of the second gas such as the SiH 4 gas is excessively increased. There is a tendency. On the other hand, even when the residence time exceeds the above upper limit, the film forming reaction tends to be in a supply-limiting state, which is inconvenient.

【0015】また、ガス供給工程においては、上述の滞
留時間が所定値となるように、基体の周囲からの第1の
ガス及び第2のガスの排出速度を調整すると更に好まし
い。ここで、本発明における「滞留時間」は、下記式
(1); Rt=Vch/S …(1)、 で表すことができる。式中、Rtは滞留時間(sec)
を示し、Vchは基体上における第1のガス及び第2のガ
スが供給される所定の空間領域の容積(l)を示し、S
は当該空間領域からの第1のガス及び第2のガスを含む
全ガスの排出(排気)速度(l/sec)を示す。
In the gas supply step, it is more preferable to adjust the discharge rates of the first gas and the second gas from the periphery of the base so that the above-mentioned residence time becomes a predetermined value. Here, the “residence time” in the present invention can be represented by the following equation (1): Rt = V ch / S (1). Where Rt is the residence time (sec)
And V ch represents the volume (l) of a predetermined space region on the substrate to which the first gas and the second gas are supplied, and
Indicates a discharge (exhaust) rate (l / sec) of all gases including the first gas and the second gas from the space region.

【0016】通常、CVD法を用いた装置では、基体と
してのウェハ上にシャワーヘッド等から原料ガスが供給
されるようになっており、この場合の容積Vchは、具体
的にはシャワーヘッド等と基体との間の所定空間部の容
積とされ得る。したがって、排出速度Sの調整によって
滞留時間Rtを制御することにより、成膜が行われる装
置に依存することなく、アイマーの生成と供給律速性が
過度に高まることが防止される。
Normally, in an apparatus using the CVD method, a raw material gas is supplied from a shower head or the like onto a wafer as a substrate, and the volume V ch in this case is specifically determined by a shower head or the like. And the volume of the predetermined space between the substrate and the base. Therefore, by controlling the residence time Rt by adjusting the discharge speed S, it is possible to prevent the generation of the eyemer and the rate-determining of supply to be excessively increased without depending on the apparatus in which the film is formed.

【0017】更に具体的には、ガス供給工程において
は、基体上への第1のガス及び第2のガスの供給流量、
及び、基体の周囲の圧力の少なくとも何れか一方を調節
することにより、排出速度Sを調整すると一層好まし
い。
More specifically, in the gas supply step, the supply flow rates of the first gas and the second gas onto the substrate,
Further, it is more preferable to adjust the discharge speed S by adjusting at least one of the pressure around the substrate.

【0018】上記式(1)の排出速度Sは、下記式
(2); Q=P×S …(2)、 で表される関係を満たし得る。式中、Qは第1のガス及
び第2のガスを含む基体上へ供給される全ガスの全供給
流量(Torr・l/sec)を示し、Pは基体の周囲
の圧力(Torr)を示す。すなわち、調整が比較的簡
便な圧力P及び供給流量Qによって排出速度Sひいては
滞留時間Rtの調節・制御を行ない得る。よって、プロ
セス制御が煩雑になることが有効に抑止されると共に、
アイマー生成が抑制され、且つ、成膜反応が供給律速側
に過度に傾倒することが防止される。
The discharge speed S in the above equation (1) can satisfy the relationship expressed by the following equation (2): Q = P × S (2). In the formula, Q indicates a total supply flow rate (Torr · l / sec) of all gases supplied onto the substrate including the first gas and the second gas, and P indicates a pressure (Torr) around the substrate. . That is, the pressure P and the supply flow rate Q, which are relatively easy to adjust, can adjust and control the discharge speed S and thus the residence time Rt. Therefore, the complexity of process control is effectively suppressed, and
The formation of the eyemer is suppressed, and the film forming reaction is prevented from excessively tilting toward the supply-limiting side.

【0019】また、ガス供給工程においては、第2のガ
スの流量に対する第1のガスの流量の比が好ましくは3
00以上、より好ましくは300〜600、特に好まし
くは350〜550となるように、第1のガス及び第2
のガスを基体上に供給すると好適である。
In the gas supply step, the ratio of the flow rate of the first gas to the flow rate of the second gas is preferably 3
The first gas and the second gas are set so as to be not less than 00, more preferably 300 to 600, and particularly preferably 350 to 550.
Is preferably supplied onto the substrate.

【0020】本発明者らの研究によれば、第2のガスの
流量に対する第1のガスの流量の比(以下、「F1/F
2比」という)が300以上となるようなガス供給条件
下において、上述した滞留時間Rtの制御が特に有効に
機能することが判明した。すなわち、F1/F2比が3
00以上であると、第2のガスの構成成分から生じ得る
アイマーの抑制が十分に抑えられ、この場合にも、上述
した作用機構と同様な作用に起因すると考えられる滞留
時間Rtの最適範囲が存在する。
According to the study of the present inventors, the ratio of the flow rate of the first gas to the flow rate of the second gas (hereinafter referred to as “F1 / F”)
It has been found that the above-described control of the residence time Rt functions particularly effectively under a gas supply condition in which the “2 ratio” is 300 or more. That is, the F1 / F2 ratio is 3
When it is not less than 00, suppression of the eyemer that can be generated from the component of the second gas is sufficiently suppressed, and also in this case, the optimum range of the residence time Rt considered to be caused by the same action as the above-described action mechanism is set to Exists.

【0021】なお、F1/F2比が大き過ぎると、プロ
セスによっては、第1のガスに含まれるNH3ガスに比
して第2のガスの供給が不足し、マイクロローディング
が必ずしも十分に改善されないばかりか、成膜速度の低
下が顕著となることがあり得る。そこで、かかる場合に
は、第2の反応ガスの種類、成膜条件等にもよるが、F
1/F2比を600以下とすることにより、成膜速度の
低下が一層十分に防止される。
If the F1 / F2 ratio is too large, the supply of the second gas is insufficient compared to the NH 3 gas contained in the first gas depending on the process, and the microloading is not always sufficiently improved. Not only that, the deposition rate may be significantly reduced. Therefore, in such a case, although it depends on the type of the second reaction gas, the film formation conditions, and the like, F
By setting the 1 / F2 ratio to 600 or less, a decrease in the film formation rate can be prevented more sufficiently.

【0022】またさらに、先に例示したように、第2の
ガスがSiH4ガス等のシラン系ガスを含む場合には、
Siアイマーの生成が生じ易く、このSiアイマーは、
種々のアイマーのなかでも生成確率が比較的大きく且つ
反応性に富む反応中間体である。よって、第2のガスと
して、例えば、有機金属ガス、金属ハロゲン化物ガス等
を含む他のガスを使用する場合に比して、成膜速度のマ
イクロローディングが発現し易いことがある。したがっ
て、第2のガスとしてシラン系ガスを含むガスを用いた
ときに、本発明は極めて有用である。
Further, as described above, when the second gas contains a silane-based gas such as SiH 4 gas,
The formation of Si eyemers is likely to occur, and this Si
It is a reaction intermediate having a relatively high production probability and a high reactivity among various eyemers. Therefore, microloading of the film forming speed may be easily generated as compared with the case where another gas including an organic metal gas, a metal halide gas, or the like is used as the second gas. Therefore, the present invention is extremely useful when a gas containing a silane-based gas is used as the second gas.

【0023】また、本発明による膜形成装置は、本発明
の膜形成方法を有効に実施するための装置であり、CV
D法によって基体上に窒素原子を含む膜が形成されるも
のであって、(1)基体が収容されるチャンバと、
(2)このチャンバに接続されており、NH3ガスを含
有して成る第1のガスを含む第1のガス供給源と、第1
のガスと反応し得る第2のガスを含む第2のガス供給源
とを有するガス供給部と、(3)第1のガス及び第2の
ガスの基体上における滞留時間Rtが所定の値とされる
ように、チャンバへの第1のガス及び第2のガスの供
給、並びに、チャンバからの第1のガス及び第2のガス
の排出を調整する滞留時間調整部と、(4)基体を所定
の温度に加熱する基体加熱部とを備えることを特徴とす
る。
The film forming apparatus according to the present invention is an apparatus for effectively implementing the film forming method of the present invention,
A film containing a nitrogen atom is formed on the substrate by the method D, wherein (1) a chamber for accommodating the substrate;
(2) a first gas supply source connected to the chamber and including a first gas containing NH 3 gas;
A gas supply unit having a second gas supply source containing a second gas capable of reacting with the second gas, and (3) the residence time Rt of the first gas and the second gas on the substrate is a predetermined value. And a residence time adjusting unit for adjusting the supply of the first gas and the second gas to the chamber and the discharge of the first gas and the second gas from the chamber, and A substrate heating unit for heating to a predetermined temperature.

【0024】[0024]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
詳細に説明する。なお、同一の要素には同一の符号を付
し、重複する説明を省略する。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。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. Note that the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted. Unless otherwise specified, the positional relationship such as up, down, left, and right is based on the positional relationship shown in the drawings. Further, the dimensional ratios in the drawings are not limited to the illustrated ratios.

【0025】図1は、本発明による膜形成装置の好適な
一実施形態を模式的に示す断面図(一部構成図)であ
る。膜形成装置としてのCVD装置1は、シリコンウェ
ハW(基体)が収容されるチャンバ2にガス供給部30
が接続されたものである。チャンバ2は、シリコンウェ
ハWが載置されるサセプタ5を有しており、このサセプ
タ5の上方には、中空の円盤状を成すシャワーヘッド4
が設けられている。
FIG. 1 is a cross-sectional view (partial configuration diagram) schematically showing a preferred embodiment of a film forming apparatus according to the present invention. The CVD apparatus 1 as a film forming apparatus includes a gas supply unit 30 in a chamber 2 in which a silicon wafer W (base) is accommodated.
Are connected. The chamber 2 has a susceptor 5 on which a silicon wafer W is placed. Above the susceptor 5, a shower head 4 having a hollow disk shape is provided.
Is provided.

【0026】また、サセプタ5は、Oリング、メタルシ
ール等により、チャンバ2に気密に設けられると共に、
図示しない可動機構により上下駆動可能に設けられてい
る。この可動機構により、シリコンウェハWとシャワー
ヘッド4との間隔が調整されるようになっている。さら
に、サセプタ5にはヒーター51(基体加熱部)が内設
されており、これによりシリコンウェハWが所望の所定
温度に加熱される。
The susceptor 5 is hermetically provided in the chamber 2 by an O-ring, a metal seal, or the like.
It is provided so that it can be driven up and down by a movable mechanism (not shown). The distance between the silicon wafer W and the shower head 4 is adjusted by the movable mechanism. Further, a heater 51 (substrate heating unit) is provided in the susceptor 5, and thereby the silicon wafer W is heated to a desired predetermined temperature.

【0027】一方、シャワーヘッド4は、略円筒状を成
し且つガス供給口9が設けられたベースプレートを上壁
とする胴部41の下端部に、複数の貫通孔45aが穿設
された多孔板状のフェイスプレート45が結合されたも
のである。また、シャワーヘッド4の内部には、フェイ
スプレート45と略平行に、複数の貫通孔43aが穿設
された多孔板状のブロッカープレート43が設置されて
いる。そして、胴部41とブロッカープレート43によ
って空間部Saが画成されており、胴部41とフェイス
プレート45によって空間部Sbが画成されている。
On the other hand, the showerhead 4 has a substantially cylindrical shape and has a base plate provided with the gas supply port 9 as an upper wall. The lower end of the body 41 has a plurality of through holes 45a formed therein. The plate-like face plate 45 is combined. Inside the shower head 4, a blocker plate 43 in the form of a perforated plate having a plurality of through holes 43 a is provided substantially in parallel with the face plate 45. A space Sa is defined by the body 41 and the blocker plate 43, and a space Sb is defined by the body 41 and the face plate 45.

【0028】また、チャンバ2の下部には、開口部7が
設けられている。この開口部7には、チャンバ2の内部
を減圧し、ガス供給部30からの後述する各ガスの供給
流量に応じてチャンバ2内を所定の圧力値に維持可能な
真空ポンプを有する排気系70が接続されている。
An opening 7 is provided below the chamber 2. The opening 7 has an exhaust system 70 having a vacuum pump capable of reducing the pressure inside the chamber 2 and maintaining the inside of the chamber 2 at a predetermined pressure value in accordance with the supply flow rate of each gas described later from the gas supply unit 30. Is connected.

【0029】なお、図示を省略したが、シリコンウェハ
Wの表面側のチャンバ2内空間と裏面側のチャンバ2内
空間とは、互いにガス封止されるようになっている。す
なわち、表面側には上記ガス供給部30からシャワーヘ
ッド4を通して後述する原料ガス等が供給される一方
で、裏面側には図示しないバックサイドパージ系からパ
ージガスが供給されるようになっており、両ガスが互い
に反対面側の領域へ混入しないようにされている。
Although not shown, the space inside the chamber 2 on the front side of the silicon wafer W and the space inside the chamber 2 on the back side are gas-sealed with each other. That is, a raw material gas and the like to be described later are supplied to the front side from the gas supply unit 30 through the shower head 4, while a purge gas is supplied to the back side from a back side purge system (not shown). Both gases are prevented from entering the regions on the opposite surfaces.

【0030】また、ガス供給部30は、NH3ガス供給
源31(第1のガス供給源)、SiH4ガス供給源32
(第2のガス供給源)、キャリアガス叉は希釈ガス(以
下、「キャリアガス等」という)供給源33,34を有
している。これらの各ガス供給源31〜34は、各ガス
の供給流量を制御するMFC(質量流量コントローラ)
31a〜34aが設けられた配管10を介して、シャワ
ーヘッド4のガス供給口9に接続されている。これらに
より、NH3ガス(第1のガス)、SiH4ガス(第2の
ガス)、及びキャリアガス等が、シャワーヘッド4内に
導入され、ブロッカープレート43及びフェイスプレー
ト45を介してチャンバ2内に供給される。
The gas supply unit 30 includes an NH 3 gas supply source 31 (first gas supply source), a SiH 4 gas supply source 32
(A second gas supply source) and supply sources 33 and 34 for a carrier gas or a dilution gas (hereinafter, referred to as “carrier gas or the like”). Each of these gas supply sources 31 to 34 is an MFC (mass flow controller) for controlling the supply flow rate of each gas.
The shower head 4 is connected to the gas supply port 9 via a pipe 10 provided with 31a to 34a. As a result, NH 3 gas (first gas), SiH 4 gas (second gas), carrier gas, and the like are introduced into the shower head 4, and are introduced into the chamber 2 via the blocker plate 43 and the face plate 45. Supplied to

【0031】さらに、MFC31a〜34a、及び排気
系70は、電線によって制御部80に接続されている。
制御部80は、CPU等の演算装置と双方向伝送が可能
な入出力インターフェイス(共に図示せず)を有してお
り、MFC31a〜34aからのガス流量信号、及び排
気系70におけるガス排出速度(排気流量)が入出力イ
ンターフェイスを介して演算装置に入力され、これらの
値に基づいた制御信号が入出力インターフェイスを介し
てMFC31a〜34a及び排気系70へ出力され、ガ
ス供給流量及びガス排出速度の調整が行われる。このよ
うに、MFC31a,32a、排気系70、及び制御部
80から滞留時間調整部が構成されている。
Further, the MFCs 31a to 34a and the exhaust system 70 are connected to the control unit 80 by electric wires.
The control unit 80 has an input / output interface (both not shown) capable of bidirectional transmission with an arithmetic device such as a CPU, and controls the gas flow rate signals from the MFCs 31a to 34a and the gas discharge speed in the exhaust system 70 ( (Exhaust flow rate) is input to the arithmetic unit via the input / output interface, and control signals based on these values are output to the MFCs 31a to 34a and the exhaust system 70 via the input / output interface, and the gas supply flow rate and the gas discharge rate Adjustments are made. Thus, the MFCs 31a and 32a, the exhaust system 70, and the control unit 80 constitute a residence time adjusting unit.

【0032】かかる構成を有するCVD装置1を用いた
本発明による膜形成方法の一例について、以下に説明す
る。なお、CVD装置1の以下に述べる各動作は、自動
叉は操作者による操作に基づき、制御部80若しくは図
示しない他の制御系、叉は手動で制御する。
An example of the film forming method according to the present invention using the CVD apparatus 1 having such a configuration will be described below. The operations of the CVD apparatus 1 described below are controlled by the control unit 80 or another control system (not shown), or manually, based on an operation by an automatic or operator.

【0033】まず、チャンバ2内を真空ポンプにより減
圧する。この減圧下において、シリコンウェハWを、ロ
ードロックチャンバ、他のチャンバ、他のウェハ準備室
等の所定場所からチャンバ2内へと搬送し、サセプタ5
上に載置して収容する。次に、キャリアガス等をガス供
給源33,34から配管10を通してチャンバ2内へ供
給すると共に、チャンバ2内が所定の圧力となるように
圧力調整を行う。
First, the pressure in the chamber 2 is reduced by a vacuum pump. Under this reduced pressure, the silicon wafer W is transferred into the chamber 2 from a predetermined location such as a load lock chamber, another chamber, another wafer preparation chamber, etc.
Place on top and house. Next, a carrier gas or the like is supplied from the gas supply sources 33 and 34 into the chamber 2 through the pipe 10, and the pressure is adjusted so that the inside of the chamber 2 has a predetermined pressure.

【0034】チャンバ2内の圧力が所定値で安定した
後、成膜用の原料ガスとしてNH3ガス及びSiH4ガス
を、それぞれガス供給源31,32から配管10を通し
てシャワーヘッド4へ供給する(ガス供給工程)。この
状態で、ヒーター51を運転し、シリコンウェハWを所
定温度に加熱する(基体加熱工程)。これにより、シリ
コンウェハW上では、NH3ガス及びSiH4ガスが熱分
解叉は解離され、種々の化学的活性種が生じる。
After the pressure in the chamber 2 is stabilized at a predetermined value, NH 3 gas and SiH 4 gas are supplied as source gases for film formation from the gas supply sources 31 and 32 to the shower head 4 through the pipe 10 respectively ( Gas supply step). In this state, the heater 51 is operated to heat the silicon wafer W to a predetermined temperature (substrate heating step). Thus, on the silicon wafer W, the NH 3 gas and the SiH 4 gas are thermally decomposed or dissociated, and various chemically active species are generated.

【0035】これらの化学種は種々の素反応(熱化学反
応)に複雑に関与し、反応場の状態に応じた平衡及び律
速条件に応じた支配因子が生成され得る。素反応によっ
て生ずる反応生成物としては、例えば、上述のSiアイ
マー、更にはアミノシラン(Si(NH24)等の分子
中にSi原子及びN原子を含む中間体、シリレン系誘導
体といった種々の反応中間体が想定される。
These chemical species are involved in various elementary reactions (thermochemical reactions) in a complicated manner, and a governing factor depending on an equilibrium and a rate-determining condition depending on a state of a reaction field can be generated. Examples of the reaction product generated by the elementary reaction include various reactions such as the above-mentioned Si eyemer, an intermediate containing a Si atom and an N atom in a molecule such as aminosilane (Si (NH 2 ) 4 ), and a silylene derivative. Intermediates are envisioned.

【0036】ここで、本実施形態においては、SiH4
ガスに対するNH3ガスの流量比(F1/F2比)が、
好ましくは300以上、より好ましくは300〜60
0、更に好ましくは350〜550となるように、制御
部80によりMFC31a,32aを調節する。このF
1/F2比が300を下回ると、チャンバ2内における
SiH4ガスに対するNH3ガスの供給が少なくなり過ぎ
てしまい、Siアイマーの相対的な生成割合が顕著に増
大する傾向にある。こうなると、SiH4ガスの消費に
よる反応ガスの枯渇状態が生じてしまい、結果的に成膜
反応が供給律速側に傾く傾向となる。一方、F1/F2
比が600を超えると、NH3ガスに比してSiH4ガス
の供給量が当初から不足することによって、NH3ガス
とSiH4ガスとの反応確率が小さくなると共に、場合
によっては、成膜速度を十分に高め難くなる。
Here, in the present embodiment, SiH 4
The flow ratio of NH 3 gas to gas (F1 / F2 ratio)
Preferably 300 or more, more preferably 300 to 60
The control unit 80 adjusts the MFCs 31a and 32a so as to be 0, more preferably 350 to 550. This F
When the 1 / F2 ratio is less than 300, the supply of the NH 3 gas to the SiH 4 gas in the chamber 2 becomes too small, and the relative generation ratio of the Si eyer tends to increase significantly. In such a case, the reaction gas is depleted due to the consumption of the SiH 4 gas, and as a result, the film forming reaction tends to lean toward the supply-limiting side. On the other hand, F1 / F2
When the ratio exceeds 600, the supply rate of the SiH 4 gas is initially short compared to the NH 3 gas, so that the reaction probability between the NH 3 gas and the SiH 4 gas decreases, and in some cases, the film formation. It is difficult to increase the speed sufficiently.

【0037】また、MFC31a,32aの調節によっ
てF1/F2比を調整するだけでなく、NH3ガス及び
SiH4ガスの供給流量、更には制御部80によってM
FC33a,34aを調節してチャンバ2内への全ガス
供給流量を調整する。チャンバ2への全ガス供給流量
Q、チャンバ2内の圧力P、及びチャンバ2からのガス
排出速度Sは、前出の下記式(2); Q=P×S …(2)、 で表される関係を満たす。よって、圧力Pに応じて全ガ
ス供給流量Qを調整することにより、チャンバ2からの
ガス排出速度Sを簡便に制御することが可能となる。
Further, not only the F1 / F2 ratio is adjusted by adjusting the MFCs 31a and 32a, but also the supply flow rates of the NH 3 gas and the SiH 4 gas, and
The FCs 33a and 34a are adjusted to adjust the total gas supply flow rate into the chamber 2. The total gas supply flow rate Q to the chamber 2, the pressure P in the chamber 2, and the gas discharge speed S from the chamber 2 are represented by the following formula (2); Q = P × S (2) Satisfy the relationship. Therefore, by adjusting the total gas supply flow rate Q according to the pressure P, the gas discharge speed S from the chamber 2 can be easily controlled.

【0038】さらに、チャンバ2からのガス排出速度S
と、NH3ガス、SiH4ガス、及びキャリアガス等のシ
リコンウェハW上での滞留時間Rtは、前出の下記式
(1); Rt=Vch/S …(1)、 で表される関係を満たす。
Further, the gas discharge speed S from the chamber 2
And the residence time Rt of the NH 3 gas, the SiH 4 gas, the carrier gas, and the like on the silicon wafer W are represented by the following equation (1); Rt = V ch / S (1) Satisfy the relationship.

【0039】ここで、CVD装置1でシリコンウェハW
を処理する際の容積Vchは、より厳密には、下記式
(3); Vch=π×(r+ra2×H …(3)、 で表すことができる。式中、rはシリコンウェハWの半
径を示し、Hはフェイスプレート45の下面45fとシ
リコンウェハWの上面Wfとの距離を示し、raは50
mmである。すなわち、容積Vchは、図1に破線斜線で
示す空間部Vの容積を表す。なお、半径r及び距離Hの
単位は、式(3)の左辺及び右辺の単位系が整合するよ
うに随時定められる。
Here, the silicon wafer W is
Volume V ch when processing is more precisely, the following formula (3); V ch = π × (r + r a) 2 × H ... (3), can be represented by. Wherein, r is shown the radius of the silicon wafer W, H represents the distance between the top surface Wf of the lower surface 45f and the silicon wafer W of the face plate 45, r a is 50
mm. That is, the volume V ch represents the volume of the space V indicated by the hatched broken line in FIG. The units of the radius r and the distance H are determined as needed so that the unit systems on the left side and the right side of Expression (3) match.

【0040】したがって、チャンバ2内の空間部Vの容
積Vchに応じてガス排出速度Sを適宜調節することによ
り、滞留時間Rtを所望の時間に調整することができ
る。より具体的には、滞留時間Rtとしては、式(1)
による定義において好ましくは8〜17sec(より厳
密には、例えば8.4〜19.6sec)、より好まし
くは12〜13sec(より厳密には、例えば12.2
〜12.8sec)とする。空間部VにおけるNH3
ス及びSiH4ガスの滞留時間Rtがこの範囲内の値と
されると、Siアイマーの生成が抑制され、SiH4
スの浪費が防止されると共に、アミノシラン等のSi原
子及びN原子を含む中間体の生成割合が増大する。よっ
て、シリコンウェハW上での成膜反応の供給律速性が抑
えられる一方で、反応律速性が高められる。
Therefore, the residence time Rt can be adjusted to a desired time by appropriately adjusting the gas discharge speed S according to the volume Vch of the space V in the chamber 2. More specifically, as the residence time Rt, the equation (1)
8 to 17 sec (more strictly, for example, 8.4 to 19.6 sec), more preferably 12 to 13 sec (more strictly, for example, 12.2 sec.)
1212.8 sec). When the residence time Rt of the NH 3 gas and the SiH 4 gas in the space portion V is set to a value within this range, generation of Si immers is suppressed, waste of the SiH 4 gas is prevented, and Si atoms such as aminosilane are removed. And the production ratio of intermediates containing N atoms is increased. Therefore, while the supply rate control of the film forming reaction on the silicon wafer W is suppressed, the reaction rate control is enhanced.

【0041】また、このようなアミノシラン等の中間体
は、シリコンウェハW上でのマイグレーションに優れ、
シリコンウェハW上に定着叉は被着し易い傾向にある。
よって、成膜速度の低下を十分に防止できる。さらに、
滞留時間Rtの上記好適範囲は、第2のガスとしてSi
4ガスを用いた場合に制限されるものではないもの
の、本実施形態の反応系(NH3ガスとSiH4ガス)に
特に有効である。
The intermediate such as aminosilane is excellent in migration on the silicon wafer W,
It tends to be fixed or adhered on the silicon wafer W.
Therefore, it is possible to sufficiently prevent a reduction in the film formation rate. further,
The preferred range of the residence time Rt is as follows.
Although not limited to using H 4 gas, it is particularly effective for the reaction system of this embodiment (NH 3 gas and SiH 4 gas).

【0042】さらに、滞留時間Rtの上記好適範囲は、
先述のF1/F2比を300以上とした場合に極めて有
用である。つまり、F1/F2比を高めると反応場にお
けるNH3ガスの濃度が高められ、NH3ガスとSiH4
ガスとの平均的な平衡反応(種々の素反応の合計)がア
ミノシラン等の中間体の生成側にシフトする傾向にある
が、例えば‘ガス流速’が速すぎて滞留時間Rtが過度
に短縮された場合、反応の供給律速性が緩和され難くな
る。これは、NH3ガス濃度が高められるにも拘わら
ず、NH3ガスの分解が不十分となってしまい、相対的
にSiアイマーの生成割合が増大することが一因と推定
される。但し、作用はこれに限定されない。
Further, the preferred range of the residence time Rt is as follows:
This is extremely useful when the aforementioned F1 / F2 ratio is 300 or more. That is, when the F1 / F2 ratio is increased, the concentration of NH 3 gas in the reaction field is increased, and NH 3 gas and SiH 4
The average equilibrium reaction with gas (the sum of various elementary reactions) tends to shift toward the formation of intermediates such as aminosilane, but, for example, the 'gas flow rate' is too fast and the residence time Rt is excessively shortened. In such a case, it is difficult to reduce the supply rate control of the reaction. This is presumed to be due to the fact that, despite the increased NH 3 gas concentration, the decomposition of the NH 3 gas is insufficient, and the generation ratio of Si eyemers is relatively increased. However, the operation is not limited to this.

【0043】次いで、このようなガス供給及びシリコン
ウェハWの加熱を所定時間実施することにより、シリコ
ンウェハW上にシリコン窒化膜が堆積成長する。その
後、チャンバ2へのNH3ガス及びSiH4ガスの供給を
停止して成膜を終了する。それから、必要に応じてチャ
ンバ2内に残留するガスをパージした後、シリコン窒化
膜が形成されたシリコンウェハWをチャンバ2の外部へ
搬出する。
Next, by performing such gas supply and heating of the silicon wafer W for a predetermined time, a silicon nitride film is deposited and grown on the silicon wafer W. Thereafter, the supply of the NH 3 gas and the SiH 4 gas to the chamber 2 is stopped, and the film formation is completed. Then, after purging the gas remaining in the chamber 2 as necessary, the silicon wafer W on which the silicon nitride film is formed is carried out of the chamber 2.

【0044】このように構成されたCVD装置1及びそ
れを用いた本発明の膜形成方法によれば、NH3ガス及
びSiH4ガスのシリコンウェハW上の空間部Vにおけ
る滞留時間Rtが所望の好適な値となるように、NH3
ガス、SiH4ガス、キャリアガス等をチャンバ2内に
供給することにより、Siアイマーの生成を抑制し、シ
リコン窒化膜の成膜反応の反応律速性を高めることがで
きる。よって、シリコンウェハW上に素子パターン等の
段差部が設けられている場合にも、成膜速度の疎密依存
性つまりマイクロローディングが生じてしまうことを十
分に抑制できる。
According to the CVD apparatus 1 thus configured and the film forming method of the present invention using the same, the residence time Rt of the NH 3 gas and the SiH 4 gas in the space V on the silicon wafer W is set to a desired value. NH 3
By supplying a gas, a SiH 4 gas, a carrier gas, and the like into the chamber 2, the generation of Si immers can be suppressed, and the rate control of the film formation reaction of the silicon nitride film can be increased. Therefore, even when a stepped portion such as an element pattern is provided on the silicon wafer W, it is possible to sufficiently suppress the sparse and dense dependence of the deposition rate, that is, the occurrence of microloading.

【0045】また、滞留時間Rtを8〜17secの範
囲内の値に保持叉は維持すれば、Siアイマーの生成を
十分に且つ確実に抑制でき、反応律速性を確実に高める
ことができる。よって、成膜速度のマイクロローディン
グを一層改善することが可能となる。さらに、チャンバ
2内を極度に減圧にしなくてもマイクロローディングを
改善できるので、成膜速度の低下を抑止できる。よっ
て、シリコン窒化膜の成膜に際し、処理速度の低下に起
因するスループット及び生産性の悪化を抑止でき、殊
に、CVD装置1のような枚葉式の成膜チャンバを用い
た処理に好適である。
If the residence time Rt is kept or maintained at a value in the range of 8 to 17 seconds, the generation of Si immers can be sufficiently and reliably suppressed, and the reaction rate-determining property can be surely enhanced. Therefore, it is possible to further improve the microloading of the film forming speed. Further, since the microloading can be improved without extremely reducing the pressure in the chamber 2, a decrease in the film forming speed can be suppressed. Therefore, in forming the silicon nitride film, it is possible to suppress a decrease in throughput and productivity due to a decrease in processing speed, and it is particularly suitable for a process using a single-wafer type film forming chamber such as the CVD apparatus 1. is there.

【0046】またさらに、滞留時間Rtの調節制御を、
空間部Vの容積Vchに応じたガス排出速度Sの調整によ
って実施し、このガス排出速度Sの調整を、チャンバ2
内の圧力Pに応じた全ガス供給流量Qの調節によって実
施するので、煩雑な処理や手間がかからず、プロセス制
御を簡便に行なうことが可能となる。そして、かかる簡
便な制御操作によって成膜速度を低下させることなくマ
イクロローディングの改善を実現できるので、従来に比
して成膜制御性を格段に向上できる。
Further, the control for adjusting the residence time Rt is
The adjustment is performed by adjusting the gas discharge speed S according to the volume Vch of the space V, and the adjustment of the gas discharge speed S is performed in the chamber 2.
Since the adjustment is performed by adjusting the total gas supply flow rate Q according to the internal pressure P, the process control can be easily performed without complicated processing and labor. Then, since the microloading can be improved without lowering the film forming speed by such a simple control operation, the film forming controllability can be remarkably improved as compared with the related art.

【0047】さらにまた、通常、チャンバ形状、シリコ
ンウェハWの寸法形状、原料ガスの種類、目的とする膜
厚保、膜質、膜の種類、等により、シリコンウェハWの
半径r及び図1に示す距離Hが異なることが多い。この
ため、チャンバ、ウェハ、プロセス等に依って空間部V
の容積Vchが変動することが多い。これに対し、本発明
では、ガス排出速度Sを調節することで、滞留時間Rt
を所望に制御できる。したがって、CVD装置1を用い
た膜形成方法によれば、チャンバ、ウェハ、プロセス等
に対する依存性が殆ど無く、汎用性に極めて優れた成膜
プロセスを実現できる。
Further, usually, the radius r of the silicon wafer W and the distance shown in FIG. H is often different. Therefore, depending on the chamber, wafer, process, etc., the space V
Volume V ch of is often fluctuate. On the other hand, in the present invention, the residence time Rt is adjusted by adjusting the gas discharge speed S.
Can be controlled as desired. Therefore, according to the film forming method using the CVD apparatus 1, it is possible to realize a film forming process having extremely excellent versatility, having almost no dependence on a chamber, a wafer, a process and the like.

【0048】また、SiH4ガスの流量に対するNH3
スの流量の比(F1/F2比)を300以上とすること
により、SiH4分子間叉はSiH4分子由来の活性種間
の衝突確率が低下する一方で、NH3分子とSiH4
子、叉はそれらの活性種間の衝突確率が十分に高められ
る。その結果、Siアイマーの生成が更に抑制されてS
iH4ガスの浪費が抑えられると共に、マイグレーショ
ンや定着性に富むアミノシランといった中間体の生成確
率が増大する。
[0048] Further, with the NH 3 gas flow rate ratio of (F1 / F2 ratio) over 300 to the flow rate of SiH 4 gas, SiH 4 intermolecular or the collision probability between the active species derived from SiH 4 molecules On the other hand, the probability of collision between NH 3 molecules and SiH 4 molecules or their active species is sufficiently increased. As a result, the formation of Si eyemers is further suppressed and S
iH 4 with waste gases is suppressed, generation probability of the intermediate increases such aminosilane rich migration and fixability.

【0049】したがって、成膜速度の低下をより確実に
抑止できると共に、供給律速状態が解消され易くなって
マイクロローディングを一層改善できる。このとき、滞
留時間Rtを上述の好適な範囲内の値とすれば、NH3
ガスの熱分解が促進されるので、成膜速度のマイクロロ
ーディングの抑止効果を更に向上できる。
Therefore, a reduction in the film forming speed can be more reliably suppressed, and the supply-controlled state is easily eliminated, so that the microloading can be further improved. At this time, if the residence time Rt is set to a value within the above preferable range, NH 3
Since the thermal decomposition of the gas is promoted, the effect of suppressing the microloading of the deposition rate can be further improved.

【0050】なお、上述した実施形態において、第2の
ガスとしては、SiH4ガスに限定されず、他のシラン
系ガス、例えば、ジシラン(Si26)ガス等の高次シ
ラン類、SiCl22ガス等のハロゲン化シラン系ガス
等を、単独で、叉は二種以上混合して用いてもよい。ま
た、これらのシラン系ガス以外の成膜材料ガス、例え
ば、メチルアルミ等の有機金属ガス、塩化タンタル等の
金属ハロゲン化物ガス等を用いた場合にも本発明は有効
である。
In the above-described embodiment, the second gas is not limited to the SiH 4 gas, but may be another silane-based gas, for example, higher silanes such as disilane (Si 2 H 6 ) gas, or SiCl 4 gas. A halogenated silane-based gas such as 2 H 2 gas or the like may be used alone or as a mixture of two or more. The present invention is also effective when a film forming material gas other than these silane-based gases, for example, an organic metal gas such as methylaluminum or a metal halide gas such as tantalum chloride is used.

【0051】[0051]

【実施例】以下、本発明に係る具体的な実施例について
説明するが、本発明はこれらに限定されるものではな
い。
EXAMPLES Hereinafter, specific examples according to the present invention will be described, but the present invention is not limited to these examples.

【0052】〈実施例1〜3〉図1に示すCVD装置1
と同様の構成を有する膜形成装置を使用し、原料ガスと
してNH3ガス及びSiH4ガスを用い、上述した本発明
の膜形成方法と同様にして滞留時間Rtを制御し、素子
パターンが形成された8インチ径(直径200mm)の
シリコンウェハ上にシリコン窒化膜を形成した。このと
き、成膜温度(基体加熱温度)を750℃、及び、チャ
ンバ内圧力を200、300、400Torrとし、各
圧力値においてSiH4ガスの供給流量を種々変化させ
て成膜を行った。主な成膜条件を表1に示す。
Embodiments 1 to 3 CVD apparatus 1 shown in FIG.
Using a film forming apparatus having the same configuration as described above, using NH 3 gas and SiH 4 gas as source gases, controlling the residence time Rt in the same manner as the above-described film forming method of the present invention, and forming an element pattern. A silicon nitride film was formed on a silicon wafer having a diameter of 8 inches (200 mm in diameter). At this time, the film formation temperature (substrate heating temperature) was set to 750 ° C., and the chamber pressure was set to 200, 300, and 400 Torr, and the film was formed by changing the supply flow rate of the SiH 4 gas at each pressure value. Table 1 shows the main film forming conditions.

【0053】なお、表1中の「N2(BP)」は、バック
サイドパージガスとして供給したN2ガスの流量を示
す。また、[SiH4分圧]は、N2(BP)を除く全ガス
圧に対するSiH4ガスの分圧を示し、[F1/F2
比]は、上述の如くNH3ガスに対するSiH4ガスの流
量の比を示す。
Note that "N 2 (BP)" in Table 1 indicates the flow rate of N 2 gas supplied as a backside purge gas. [SiH 4 partial pressure] indicates a partial pressure of SiH 4 gas with respect to the total gas pressure except N 2 (BP), and [F1 / F2
Ratio] indicates the ratio of the flow rate of the SiH 4 gas to the NH 3 gas as described above.

【0054】〈実施例4〉シリコンウェハとして直径3
00mmのものを用い、成膜温度を800℃、チャンバ
内圧力を240Torrとし、各ガスの供給流量等を表
2に示す条件としたこと以外は、実施例1と同様にして
シリコン窒化膜の成膜を行った。なお、表2中の「全ガ
ス流量」は、N2(BP)を除くガスの供給流量の合計を
示す。
Example 4 A silicon wafer having a diameter of 3
A silicon nitride film was formed in the same manner as in Example 1 except that a film having a thickness of 00 mm was used, the film forming temperature was set to 800 ° C., the pressure in the chamber was set to 240 Torr, and the supply flow rate of each gas was set to the conditions shown in Table 2. The membrane was made. The “total gas flow rate” in Table 2 indicates the total gas supply flow rate excluding N 2 (BP).

【0055】〈実施例5〉シリコンウェハとして直径3
00mmのものを用い、成膜温度を800℃、チャンバ
内圧力を300Torrとし、各ガスの供給流量等を表
2に示す条件としたこと以外は、実施例1と同様にして
シリコン窒化膜の成膜を行った。
Example 5 A silicon wafer having a diameter of 3 was used.
A silicon nitride film was formed in the same manner as in Example 1 except that a film having a thickness of 00 mm was used, the film forming temperature was set to 800 ° C., the chamber pressure was set to 300 Torr, and the supply flow rate of each gas was set to the conditions shown in Table 2. The membrane was made.

【0056】〈実施例6〉チャンバ内圧力を170To
rrとし、各ガスの供給流量等を表2に示す条件とした
こと以外は、実施例5と同様にしてシリコン窒化膜の成
膜を行った。
<Embodiment 6> The pressure in the chamber was set to 170 To.
A silicon nitride film was formed in the same manner as in Example 5 except that rr was set as the supply flow rate of each gas and the conditions shown in Table 2.

【0057】〈参考例1〉シリコンウェハとして直径3
00mmのものを用い、成膜温度を800℃、チャンバ
内圧力を275Torrとし、各ガスの供給流量等を表
2に示す条件としたこと以外は、実施例1と同様にして
シリコン窒化膜の成膜を行った。
Reference Example 1 A silicon wafer having a diameter of 3
A silicon nitride film was formed in the same manner as in Example 1 except that a film having a thickness of 00 mm was used, the film forming temperature was set to 800 ° C., the pressure in the chamber was set to 275 Torr, and the supply flow rate of each gas was set to the conditions shown in Table 2. The membrane was made.

【0058】〈成膜速度のマイクロローディングの評
価〉実施例1〜6及び参考例1によりシリコン窒化膜を
形成せしめたシリコンウェハについて、素子パターンの
疎密が異なる部位におけるシリコン窒化膜の膜厚を断面
SEM観察によって測長した。これらの膜厚実測値から
成膜速度のマイクロローディング効果を評価した。図2
は、成膜速度のマイクロローディングの評価指標に係る
シリコンウェハの断面状態を示す摸式図であり、シリコ
ン窒化膜を成膜している状態の一例を概略的に示す図で
ある。
<Evaluation of Micro-Loading of Film Deposition Rate> With respect to the silicon wafer on which the silicon nitride film was formed according to Examples 1 to 6 and Reference Example 1, the film thickness of the silicon nitride film at the portion where the density of the element pattern was different was changed. The length was measured by SEM observation. The microloading effect of the film formation rate was evaluated from the measured values of these film thicknesses. FIG.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a cross-sectional state of a silicon wafer according to an evaluation index of microloading of a film forming speed, and is a diagram schematically showing an example of a state in which a silicon nitride film is formed.

【0059】同図において、成膜前のシリコンウェハ
は、酸化膜102及びゲート部103で構成されるパタ
ーンがシリコン基層101上に形成されたものであり、
その上にシリコン窒化膜104が成膜される。また、領
域Aは、パターン密度が疎な部位(言わばオープンスペ
ース)であり、領域Bは、パターン密度が密な部位であ
る。
In the figure, a silicon wafer before film formation has a pattern composed of an oxide film 102 and a gate portion 103 formed on a silicon base layer 101.
A silicon nitride film 104 is formed thereon. The area A is a part with a low pattern density (open space), and the area B is a part with a high pattern density.

【0060】そして、成膜速度のマイクロローディング
を下記式(4); LE=(Da−Db)/Da×100 …(4)、 で表される指標を用いて評価した。式中、LEは成膜速
度のマイクロローディング効果を表す指標(%)を示
し、Daはパターン密度が疎な部位に堆積したシリコン
窒化膜部104aの厚さを示し、Dbはパターン密度が
密な部位に堆積したシリコン窒化膜部104bの厚さを
示す。この指標LEが小さいほどマクロローディングの
程度が小さく、成膜性に優れることを示すものである。
Then, the microloading of the film formation rate was evaluated using an index represented by the following formula (4): LE = (Da−Db) / Da × 100 (4) In the equation, LE indicates an index (%) indicating the microloading effect of the film forming rate, Da indicates the thickness of the silicon nitride film portion 104a deposited on a portion having a low pattern density, and Db indicates the thickness of the silicon nitride film portion 104a having a high pattern density. The thickness of the silicon nitride film portion 104b deposited on the portion is shown. The smaller the index LE is, the smaller the degree of macro loading is, which indicates that the film forming property is excellent.

【0061】各実施例及び参考例で得たシリコンウェハ
についての評価結果を表1及び2に併せて示す。また、
図3は、実施例1〜3で成膜を施したシリコンウェハに
ついて評価した指標LEのSiH4ガス分圧に対する変
化を示すグラフである。図3中、菱形、四角形、及び三
角形で示すシンボルは、それぞれ実施例1〜3の結果を
示し、同図中の各曲線は、それぞれの結果に対して高次
関数を最小自乗フィッティングして得た目安線を示す。
さらに、図4は、実施例4で成膜を施したシリコンウェ
ハについて評価した指標LEの全ガス流量に対する変化
を示すグラフである。
Tables 1 and 2 also show the evaluation results of the silicon wafers obtained in each of the examples and the reference examples. Also,
FIG. 3 is a graph showing a change in the index LE evaluated with respect to the SiH 4 gas partial pressure for the silicon wafers formed in Examples 1 to 3. In FIG. 3, symbols indicated by diamonds, squares, and triangles indicate the results of Examples 1 to 3, respectively, and each curve in FIG. 3 is obtained by performing a least-squares fitting of a higher-order function to each result. Indicates a reference line.
FIG. 4 is a graph showing a change in the index LE with respect to the total gas flow rate evaluated for the silicon wafer on which the film was formed in Example 4.

【0062】[0062]

【表1】 [Table 1]

【0063】[0063]

【表2】 [Table 2]

【0064】これらの結果より、各実施例で得たシリコ
ンウェハにおける指標LEは、十分に小さい値を示すこ
とが確認された。また、参考例1(Rtが6.87se
c)及び実施例4のうち全ガス流量が7slm(Rtが
19.83sec)における指標LEと、他の実施例に
おける指標LEとの比較より、滞留時間Rtを8〜17
secの間に調整・制御した場合の優位性が確認され
た。特に、実施例5では指標LEが13%と飛躍的に改
善され、殊に実施例6では指標LEとして11.4%が
達成された。これらより、本発明によればマイクロロー
ディングの抑制効果を格段に向上できることが理解され
る。また、実施例1〜5と実施例6との比較より、滞留
時間Rtを上述の好適な範囲に維持しつつチャンバ内の
圧力を低下させると、マイクロローディングの改善に極
めて有効であることが確認された。
From these results, it was confirmed that the index LE of the silicon wafer obtained in each example shows a sufficiently small value. Reference Example 1 (Rt was 6.87 sec)
c) From the comparison between the index LE in the total gas flow rate of 7 slm (Rt is 19.83 sec) in Example 4 and the index LE in the other examples, the residence time Rt was 8 to 17;
The advantage in the case of adjustment and control during the second was confirmed. In particular, in Example 5, the index LE was dramatically improved to 13%, and particularly in Example 6, 11.4% was achieved as the index LE. From these, it is understood that according to the present invention, the effect of suppressing microloading can be significantly improved. From the comparison between Examples 1 to 5 and Example 6, it was confirmed that reducing the pressure in the chamber while maintaining the residence time Rt in the above-described preferable range is extremely effective in improving microloading. Was done.

【0065】さらに、図3に示す傾向より、マイクロロ
ーディングの改善には、SiH4ガス分圧、換言すれば
NH3ガスに対するSiH4ガスの流量の比(F1/F2
比)を350〜550とした場合の更なる優位性が確認
された。またさらに、図4に示す実施例4の結果から
は、全ガス流量に対しても最適な範囲が存在することが
示唆される。
Further, from the tendency shown in FIG. 3, in order to improve the microloading, the SiH 4 gas partial pressure, in other words, the ratio of the flow rate of the SiH 4 gas to the NH 3 gas (F1 / F2
Ratio) of 350 to 550, further superiority was confirmed. Furthermore, the results of Example 4 shown in FIG. 4 suggest that there is an optimum range for the entire gas flow rate.

【0066】[0066]

【発明の効果】以上説明した通り、本発明による膜形成
方法及びその装置によれば、基体上に供給される第1の
ガス及び第2のガスの滞留時間が所定の値となるように
原料ガスの供給制御を行うことにより、CVD法によっ
て基体上に窒素原子を含む膜を形成する際に、成膜速度
の低下を抑えつつ、成膜速度のマイクロローディングを
十分に改善することが可能となる。
As described above, according to the film forming method and the apparatus according to the present invention, the raw materials are controlled so that the residence time of the first gas and the second gas supplied onto the substrate becomes a predetermined value. By controlling the gas supply, it is possible to sufficiently improve the microloading of the film formation rate while suppressing a decrease in the film formation rate when forming a film containing nitrogen atoms on the substrate by the CVD method. Become.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明による膜形成装置の好適な一実施形態を
模式的に示す断面図(一部構成図)である。
FIG. 1 is a cross-sectional view (a partial configuration diagram) schematically illustrating a preferred embodiment of a film forming apparatus according to the present invention.

【図2】成膜速度のマイクロローディングの評価指標に
係るシリコンウェハの断面状態を示す摸式図であり、シ
リコン窒化膜を成膜している状態の一例を概略的に示す
図である。
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a cross-sectional state of a silicon wafer according to an evaluation index of microloading of a film forming speed, schematically illustrating an example of a state in which a silicon nitride film is formed.

【図3】実施例1〜3で成膜を施したシリコンウェハに
ついて評価した指標LEのSiH4ガス分圧に対する変
化を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing a change in an index LE with respect to a partial pressure of a SiH 4 gas, which is evaluated for silicon wafers on which films are formed in Examples 1 to 3.

【図4】図4は、実施例4で成膜を施したシリコンウェ
ハについて評価した指標LEの全ガス流量に対する変化
を示すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing a change in an index LE evaluated with respect to a total gas flow rate for a silicon wafer on which a film is formed in Example 4.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…CVD装置(膜形成装置)、2…チャンバ、4…シ
ャワーヘッド、5…サセプタ、30…ガス供給部、31
…NH3ガス供給源(第1のガス供給源)、32…Si
4ガス供給源(第2のガス供給源)、31a,32a
…MFC(滞留時間調整部)、51…ヒーター(基体加
熱部)、70…排気系(滞留時間調整部)、80…制御
部(滞留時間調整部)、W…シリコンウェハ(基体)。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... CVD apparatus (film forming apparatus), 2 ... chamber, 4 ... shower head, 5 ... susceptor, 30 ... gas supply part, 31
... NH 3 gas supply source (first gas supply source), 32 ... Si
H 4 gas supply source (second gas supply source), 31a, 32a
... MFC (residence time adjustment unit), 51 ... heater (substrate heating unit), 70 ... exhaust system (residence time adjustment unit), 80 ... control unit (residence time adjustment unit), W ... silicon wafer (substrate).

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 東海 暢男 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 前田 祐二 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 ケガン フアン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95054, サンタ クララ,バウアーズ アベニュー 3050 アプライド マテリア ルズ インコーポレイテッド内 (72)発明者 ジェリー タオ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95054, サンタ クララ,バウアーズ アベニュー 3050 アプライド マテリア ルズ インコーポレイテッド内 (72)発明者 サーン アン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95054, サンタ クララ,バウアーズ アベニュー 3050 アプライド マテリア ルズ インコーポレイテッド内 (72)発明者 スティーブン エイ チェン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95054, サンタ クララ,バウアーズ アベニュー 3050 アプライド マテリア ルズ インコーポレイテッド内 (72)発明者 スリヤナラヤアン イヤー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95054, サンタ クララ,バウアーズ アベニュー 3050 アプライド マテリア ルズ インコーポレイテッド内 Fターム(参考) 4K030 AA06 AA13 BA40 CA04 CA12 EA11 FA10 HA15 JA05 JA09 JA10 JA11 JA12 5F045 AA06 AB33 AC01 AC12 AD11 AD12 AE25 AF03 DP03 EE02 EE04 EE12 EE17 EF05 EK07 EM10 GB06 GB15 5F058 BA20 BC08 BF04 BF23 BF30 BG02 BG03 BG04 BG10 BJ01 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Nobuo Tokai 14-3 Shinzumi, Narita-shi, Chiba Applied Materials Japan Co., Ltd. (72) Inventor Yuji Maeda 14-3 Noizumi, Shin-izumi, Narita-shi, Chiba Within the Applied Materials Japan Co., Ltd. (72) Inventor Kegan Juan 95054, Santa Clara, California, USA, Bowers Avenue 3050 Within Applied Materials, Inc. (72) Inventor Jerry Tao, 95054, California, Santa Clara, USA Bowers Avenue 3050 Applied Materials Inside Luz Inc. (72) Inventor Sir Ann United States of America California State 95054, Santa Clara, Bowers Ave 3050 Applied Materials, Inc. Incorporated (72) Inventor Stephen Achen United States of America California 95054, Santa Clara, Bauer's Avenue 3050 Applied Material Inside F-term (reference) 4K030 AA06 AA13 BA40 CA04 CA12 EA11 FA10 HA15 JA05 JA09 JA10 JA11 JA12 5F045 AA06 AB33 AC01 AC12 AD11 AD12 AE25 EF03 EE07 EE02 AF03 DP03 EE17 GB06 GB15 5F058 BA20 BC08 BF04 BF23 BF30 BG02 BG03 BG04 BG10 BJ01

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 化学的気相堆積法によって基体上に窒素
原子を有する膜を形成する膜形成方法であって、 前記基体上に、アンモニアガスを含有して成る第1のガ
スと、該第1のガスと反応し得る第2のガスとを、該第
1のガス及び該第2のガスの該基体上における滞留時間
が所定の値となるように供給するガス供給工程と、 前記基体を所定の温度に加熱する基体加熱工程と、を備
えることを特徴とする膜形成方法。
1. A film forming method for forming a film having nitrogen atoms on a substrate by a chemical vapor deposition method, comprising: a first gas containing an ammonia gas on the substrate; A gas supply step of supplying a second gas capable of reacting with the first gas so that a residence time of the first gas and the second gas on the substrate becomes a predetermined value; A substrate heating step of heating to a predetermined temperature.
【請求項2】 前記ガス供給工程においては、 前記滞留時間の前記所定値を8〜17secの範囲内の
値とする、ことを特徴とする請求項1記載の膜形成方
法。
2. The film forming method according to claim 1, wherein in the gas supply step, the predetermined value of the residence time is set to a value within a range of 8 to 17 seconds.
【請求項3】 前記ガス供給工程においては、 前記滞留時間が前記所定値となるように、前記基体の周
囲からの前記第1のガス及び前記第2のガスの排出速度
を調整する、ことを特徴とする請求項1叉は2に記載の
膜形成方法。
3. In the gas supply step, the discharge speed of the first gas and the second gas from the periphery of the base is adjusted so that the residence time becomes the predetermined value. The film forming method according to claim 1 or 2, wherein:
【請求項4】 前記ガス供給工程においては、 前記基体上への前記第1のガス及び前記第2のガスの供
給流量、及び、前記基体の周囲の圧力の少なくとも何れ
か一方を調節することにより、前記排出速度を調整す
る、ことを特徴とする請求項3記載の膜形成方法。
4. In the gas supply step, at least one of a supply flow rate of the first gas and the second gas onto the substrate and a pressure around the substrate is adjusted. 4. The film forming method according to claim 3, wherein the discharge speed is adjusted.
【請求項5】 前記ガス供給工程においては、前記第2
のガスの流量に対する前記第1のガスの流量の比が30
0以上となるように、該第1のガス及び該第2のガスを
前記基体上に供給する、ことを特徴とする請求項1〜4
のいずれか一項に記載の膜形成方法。
5. In the gas supply step, the second gas is supplied.
The ratio of the flow rate of the first gas to the flow rate of the first gas is 30.
5. The method according to claim 1, wherein the first gas and the second gas are supplied onto the base so that the value is 0 or more.
The film formation method according to any one of the above.
【請求項6】 前記第2のガスとしてシラン系ガスを含
むガスを用いる、ことを特徴とする請求項1〜5のいず
れか一項に記載の膜形成方法。
6. The film forming method according to claim 1, wherein a gas containing a silane-based gas is used as the second gas.
【請求項7】 化学的気相堆積法によって基体上に窒素
原子を含む膜が形成される膜形成装置であって、 前記基体が収容されるチャンバと、 前記チャンバに接続されており、チャンバに接続されて
おり、アンモニアガスを含有して成る第1のガスを含む
第1のガス供給源と、該第1のガスと反応し得る第2の
ガスを含む第2のガス供給源とを有するガス供給部と、 前記第1のガス及び前記第2のガスの前記基体上におけ
る滞留時間が所定の値とされるように、前記チャンバへ
の該第1のガス及び該第2のガスの供給、並びに、該チ
ャンバからの該第1のガス及び該第2のガスの排出を調
整する滞留時間調整部と、 前記基体を所定の温度に加熱する基体加熱部と、を備え
ることを特徴とする膜形成装置。
7. A film forming apparatus for forming a film containing nitrogen atoms on a substrate by a chemical vapor deposition method, comprising: a chamber for accommodating the substrate; a chamber connected to the chamber; A first gas supply connected to and including a first gas containing ammonia gas, and a second gas supply including a second gas capable of reacting with the first gas; A gas supply unit, and a supply of the first gas and the second gas to the chamber such that a residence time of the first gas and the second gas on the substrate is a predetermined value. And a residence time adjusting unit for adjusting the discharge of the first gas and the second gas from the chamber; and a substrate heating unit for heating the substrate to a predetermined temperature. Film forming equipment.
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