JP2003142481A

JP2003142481A - 窒化膜形成方法及び装置

Info

Publication number: JP2003142481A
Application number: JP2001335315A
Authority: JP
Inventors: Masaru Asechi; 大阿世知; Hiroshi Nishisato; 洋西里; Yuji Maeda; 祐二前田
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2001-10-31
Filing date: 2001-10-31
Publication date: 2003-05-16

Abstract

(57)【要約】【課題】ＣＶＤ法によって基体上に窒化膜を形成する
際に、成膜速度を格段に高めつつ、膜厚均一性を向上で
き、優れた成膜制御性の実現でき、更に基体への熱的な
影響を格別に軽減できる窒化膜形成方法及び装置を提供
する。【解決手段】本発明の窒化膜形成方法は、シリコンウ
ェハＷ上にシリコン窒化膜を形成する熱ＣＶＤ法であっ
て、まず、チャンバ２内のサセプタ５上にシリコンウェ
ハＷを載置し、その内部を所定の圧力とする。その後、
ガス供給部３０から、アンモニアガスとジシランガスと
を所定の流量比でチャンバ２内に供給し、チャンバ２内
の圧力を１０〜７０ｋＰａとする。そして、シリコンウ
ェハＷをヒーター５１によって加熱することにより、シ
リコンウェハＷ上にシリコン窒化膜を形成せしめる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化膜形成方法及
び装置に関し、詳しくは、化学的気相堆積（以下、「Ｃ
ＶＤ」という）法によって基体上に窒化膜を形成する窒
化膜形成方法及び窒化膜形成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子、半導体装置等の製造におい
ては、各種の機能膜や用途膜の形成が行われ、なかで
も、誘電体膜、絶縁膜、保護膜等は、特に薄膜とされる
傾向にある。近年、半導体装置等に対しては、これまで
以上の微細化、薄層化、或いは多層化が要求されてお
り、これらの薄膜についても更なる薄層化が熱望されて
いる。例えば、誘電体膜や保護膜としては、ＣＶＤ法等
によって形成されるＳｉ₃Ｎ₄等のシリコン窒化膜（Ｓｉ
_xＮ_y）が広く用いられており、微細化等に伴ってメモリ
素子等のセル容量を十分に確保する等のため、これらの
誘電体膜等の極薄化に加え、更なる膜厚均一性の向上が
大きな課題となっている。また、このような要求に加
え、生産性の向上等の観点から半導体ウェハの大口径化
が加速しており、従前のバッチ処理に比して枚葉式処理
による連続処理への移行が進んでいる。

【０００３】このような半導体ウェハ等の基体上にシリ
コン窒化膜を形成させる方法としては、モノシラン（Ｓ
ｉＨ₄）ガス、ジクロロシラン（ＳｉＣｌ₂Ｈ₂）等、及
び、アンモニア（ＮＨ₃）ガス、更に窒化酸化膜の形成
用に一酸化二窒素（Ｎ₂Ｏ）ガス、等を用いた熱ＣＶＤ
法、プラズマＣＶＤ法等が知られている。また、例え
ば、特開平１１−２１９９４７号公報、特開平９−２６
６２９０号公報、特開平７−２４９６１８号公報等に
は、シランガスの代りにジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）ガス等の
高次シランガスを用いる方法が開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、本発明者ら
の知見によれば、熱ＣＶＤ法による枚葉式の窒化膜形成
において、例えばモノシランガスを用いた場合には、成
膜速度ひいては処理効率の増大に限界があり、優れた膜
性状を維持しつつ今後予想される生産性の向上に十分に
対応できないおそれがあると懸念される。ここで、プロ
セス原料の改良等については、ジシランガスと一酸化二
窒素ガスとを用いて窒化酸化膜を堆積させる場合に成膜
速度が向上される可能性があることが従来より指摘され
ているところ、上記従来の公報等によれば通常の成膜温
度条件で成膜速度を向上させるのにジシランガスが有利
であるといった示唆等がない。

【０００５】そこで、本発明者らは、実用的な生産性の
向上手法を確立すべく、特に枚葉式の熱ＣＶＤ法におい
て、優れた膜特性を維持叉は改善しつつ、窒化膜の成膜
速度の向上が急務であると認識するに至った。そして、
このような知見に基づいて、従来方法を含め、窒化膜形
成プロセスの詳細な検討を行い、成膜速度等の向上に極
めて有利な原料ガス及び好適な成膜条件の目途を得た。
ところが、膜特性等について異なる観点から更に研究を
進めたところ、以下のような問題が生じ得ることを見出
した。

【０００６】すなわち、（１）モノシランガスを他のガ
スで単に代替した場合、所望の組成を有するシリコン窒
化膜、具体的には化学量論的にＳｉ₃Ｎ₄から殆どずれな
い組成を有する膜を得難い傾向にある。つまり、シリコ
ン窒化膜に対して良好なストイキオメトリーが達成され
難い。こうなると、窒化膜中に未反応のケイ素原子や、
Ｓｉ−Ｈ等の水素結合を有する分子が混入し、膜質の低
下、ピンホールやクラックの発生、残留応力の悪化等が
起こり易くなるおそれがあり、更なる薄膜化を図る上で
障害となってしまう。

【０００７】（２）また、シランガスを用いた従来の方
法で形成された窒化膜では、大口径化及び薄膜化に対し
て満足のいく膜厚均一性が必ずしも得られず、ガスを単
に高次シランガス等に代替した場合にも、特に顕著な改
善が認められない。

【０００８】（３）さらに、モノシランガスを用いた場
合には、成膜温度を例えば６５０℃程度以下とした場合
に、モノシランの分解が促進されず、実用上不都合な程
に成膜速度が低下してしまう。よって、ガス流量（分
圧）にもよるが、好ましくは８００℃以上の高温が必要
となり、その結果、熱履歴容量（サーマルバジェット）
が増大してしまいデバイス特性の悪化やウェハの形状変
化を招き易い。また、モノシランガスとアンモニアガス
とを用いて６５０℃程度よりも高温で成膜を行なうと、
条件によっては、窒化膜が多孔質（ポーラス）状の膜と
なり易く、機能膜として成立し難い。

【０００９】そこで、本発明は、このような事情に鑑み
てなされたものであり、化学的気相堆積法によって半導
体基板等の基体上に窒化膜を形成する際に、成膜速度を
格段に高めつつ、その膜厚の均一性を向上でき、しか
も、優れた成膜制御性の実現に加え、基体への熱的な影
響を格別に軽減できる窒化膜形成方法及び装置を提供す
ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明による窒化膜形成方法は、化学的気相堆積
（ＣＶＤ）法によって基体上に窒化膜を形成する方法で
あって、（ａ）基体上に、窒素原子を含む化合物から成
る第１のガスと、分子中にケイ素原子を少なくとも二つ
以上有する化合物、例えば、置換叉は未置換の高次シラ
ン類を含有して成る第２のガスとを、基体の周囲の圧力
が１０〜７０ｋＰａ（７５〜５３０Ｔｏｒｒ）、好まし
くは２０〜６０ｋＰａ、更に好ましくは３０〜５０ｋＰ
ａとなるように供給する（すなわち、このような圧力を
保持した状態でガス供給を行う）ガス供給工程と、
（ｂ）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。

【００１１】なお、「高次シラン類」とは、分子中にケ
イ素原子を少なくとも二つ以上有する水素化ケイ素、つ
まり、メタンを除くメタン列炭化水素の炭素をケイ素で
置換した分子形、より具体的にはジシラン、トリシラン
等の分子形を有するものを示す。また、「置換高次シラ
ン類」とは、高次シラン類分子を構成する水素原子が他
の原子、基、叉は原子団で置換されているものを示し、
これらを単独で或いは二種以上混合して用いることがで
きる。

【００１２】このように構成された窒化膜形成方法にお
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、主として窒素原
子及びケイ素原子を含むシリコン窒化膜が形成される。
このとき、従来のモノシランガスを用いた同等の温度条
件に比して、高次シラン類等の第２のガスを用いると、
各種の素反応の結果である窒化物生成反応の活性化エネ
ルギーが大きく、これにより特に反応律速領域での成膜
速度の向上が顕著になると考えられる。よって、成膜速
度の向上と成膜温度の低下とを両立できる。

【００１３】またこれは、ジシランの分解反応がモノシ
ランに比して低温で進行し易いことが一因と考えられ、
更には、アンモニアガスとの相互作用における各種素反
応の反応速度に関連する前指数因子が増大したり、或い
は活性錯合体が生成される遷移状態確率の変化、ダイナ
ミックス上のポテンシャルの変化等が好都合に作用する
結果とも推定される。但し、作用はこれらに限定されな
い。

【００１４】さらに、成膜速度が高められるので、例え
ば、適宜のドーパントがインプラントされた基体上に窒
化膜を形成する際の基体の加熱時間を短縮できる。よっ
て、基体への入熱量が軽減されてドーパントの拡散が十
分に抑制される。また、熱負荷が減少してサーマルバジ
ェットによる基体の形状変化も十分に抑制される。

【００１５】またさらに、本発明者らは、第１のガス及
び第２のガスとして、それぞれアンモニアガス及びジシ
ランガスを用いて種々の温度条件及び圧力条件でシリコ
ン窒化膜を基体上に成膜し、それらの屈折率を測定して
窒化膜組成を評価したところ、基体の周囲の圧力（成膜
に供したチャンバ内の圧力）が上述した圧力範囲つまり
１０〜７０ｋＰａであると、化学量論的に優れたＳｉ₃
Ｎ₄膜を確実に形成させ易くなることが確認された。ま
た、成膜速度が極めて高い条件において基体全体の膜厚
均一性が格段に向上されることも確認された。

【００１６】さらに、窒化膜中の水素濃度の深度分布及
び基体表面の残留応力の測定結果より、モノシランガス
を用いた同等の温度条件に比して、窒化膜への水素の混
入が十分に抑止されることが判明した。この点において
も、従来に比して成膜温度を低下させ得ることを確認し
た。

【００１７】ここで、上記圧力の好適範囲の下限値であ
る１０ｋＰａを下回ると、シリコン窒化膜におけるケイ
素原子の組成比（濃度）が高められ、過度にシリコンリ
ッチな膜が形成される傾向にある。これは、そのような
低圧条件下では、第２のガスであるジシランガスの分解
が過度に促進されることが要因の一つと考えられる。一
方、この圧力が７０ｋＰａを超えると、膜厚均一性、ス
テップカバレッジ、スループット等に劣る傾向にある。
場合によっては、マイクロローディングが発生するおそ
れもある。

【００１８】また、圧力値を１０〜７０ｋＰａの範囲内
の値に保持してシリコン窒化膜を形成せしめることによ
り、成膜温度（基体の加熱温度、基板温度）を７００℃
以下とした場合にも成膜速度の顕著な低下が防止され
る。これに対し、例えば従来のシランガスを用いた方法
では、７００℃以下での成膜速度の低下が顕著となる傾
向にある。さらに、先述したように、モノシランガス及
びアンモニアガスを用いた場合には、成膜温度を６３０
〜６５０℃以上に高めると、ポーラス状の窒化膜が得ら
れることがあって好ましくない。これに対し、本発明に
よる成膜条件においては、そのような不都合な点は認め
られなかった。

【００１９】また、より具体的には、先述した原料ガ
ス、つまり、ガス供給工程においては、第１のガスとし
てアンモニア（ＮＨ₃）ガスを用い、第２のガスとして
ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）を含有して成るガスを用いると好
ましい。こうすれば、上述した作用が特に有効に奏され
ると共に、前述の好適な圧力範囲内において、シリコン
窒化膜のストイキオメトリーを一層改善できる利点があ
る。また、アンモニアガス及びジシランガスともに工業
的に入手且つ利用し易い原料ガスであるので有用であ
る。

【００２０】さらに、基体加熱工程においては、基体
を、好ましくは６００℃以上、より好ましくは６００〜
７５０℃、特に好ましくは６３０〜７００℃の範囲内の
温度に加熱するとより好適である。シリコン窒化膜形成
時の基体の加熱温度すなわち成膜温度が６００℃を下回
ると、第１のガスとしてアンモニアガスを用いた場合
に、アンモニアが分解し難く、こうなると十分な成膜速
度を達成することが困難になる。

【００２１】また、アンモニアガスの分解が阻害される
と、気相反応に関与するアンモニアガス由来の活性種や
励起種の濃度が低下してしまい、シリコン窒化膜中のケ
イ素原子割合が不当に増大し、ストイキオメトリーが悪
化する傾向にある。さらに、成膜温度が６００℃未満で
あると、シリコン窒化膜中の水素濃度が増大する傾向が
あり、膜特性への影響が懸念される。そして、成膜温度
を７５０℃以下とした場合には、成膜速度の一層の向上
と相俟って、基体に与える熱負荷を十分に抑制できる利
点がある。

【００２２】またさらに、ガス供給工程においては、基
体の温度に基づいて第１のガスの供給流量と第２のガス
の供給流量との比を調整するように、第１のガス及び第
２のガスを基体上に供給すると有用である。

【００２３】本発明者らは、上述した良好なストイキオ
メトリーの達成度に対する成膜条件の影響を評価すべく
更に検討・研究を進めたところ、特に、第１のガスと第
２のガスとの流量比に依存してシリコン窒化膜の屈折率
が非線形的に急峻に変化する領域があることを確認し
た。この傾向はシランガスを用いた場合にも認められる
ものの、同等の温度条件ではその程度に顕著な差異があ
った。また、温度によって屈折率の絶対値が系統的に変
動することから、化学量論的に優れたＳｉ₃Ｎ₄膜を得る
には、成膜温度に応じて両ガスの流量比を厳密に制御す
ることが有利であるとの知見を得た。

【００２４】したがって、基体の温度に基づいて第１の
ガスの供給流量と第２のガスの供給流量との比を調整す
ることにより、良好な化学量論的組成比を有するシリコ
ン窒化膜を一層確実に形成させることが可能となる。ま
た、本発明における圧力範囲内においては、上述した両
ガスの供給流量比に対する屈折率の変化傾向の再現性が
高く、十分に安定した成膜制御が実現される。

【００２５】また、本発明による窒化膜形成装置は、本
発明による窒化膜形成方法を有効に実施するためのもの
であり、ＣＶＤ法によって基体上に窒化膜が形成される
装置であって、（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、窒素原子を含む
化合物から成る第１のガスを含む第１のガス供給源と、
分子中にケイ素原子を少なくとも二つ以上有する化合物
を含有して成る第２のガスの供給源とを有するガス供給
部と、（３）チャンバ内の圧力を１０〜７０ｋＰａ（７
５〜５３０Ｔｏｒｒ）の範囲内の値となるように調整す
る圧力調整部と、（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。

【００２６】

【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。

【００２７】図１は、本発明による窒化膜形成装置の好
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。窒化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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】さらに、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内の圧力を１０〜７０ｋＰａ
（７５〜５３０Ｔｏｒｒ）に維持可能な真空ポンプを有
する排気系７０（圧力調整部）が接続されている。

【００３１】また、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、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されており、両ガスが互いに反対面
側の領域へ混入しないようになっている。

【００３２】また、ガス供給部３０は、アンモニアガス
供給源３１（第１のガス供給源）、ジシランガス供給源
３２（第２のガス供給源）、キャリアガス叉は希釈ガス
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、アンモニアガス（第１のガ
ス）、ジシランガス（第２のガス）、及び、キャリアガ
ス叉は希釈ガスが、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。

【００３３】このように構成されたＣＶＤ装置１を用い
た本発明による窒化膜形成方法の一例について説明す
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、図示しない制御装置
（系）叉は手動で制御する。

【００３４】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、キャリアガス及び／叉は
希釈ガスをガス供給源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。

【００３５】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アンモニアガス及びジシラ
ンガスを、それぞれの供給源３１，３２から配管１０を
通してシャワーヘッド４へ供給する。このとき、チャン
バ２内の圧力を、１０〜７０ｋＰａ（７５〜５３０Ｔｏ
ｒｒ）、好ましくは２０〜６０ｋＰａ、更に好ましくは
３０〜５０ｋＰａとなるように調整する（ガス供給工
程）。

【００３６】このとき、両ガスの流量比は特に制限され
るものではないが、ジシランガスに対するアンモニアガ
スの供給流量の比を、例えば、後述の成膜温度（基板温
度）が６００℃においては１７０以上、成膜温度が７５
０℃においては２０〜１５０程度となるように、すなわ
ち、成膜温度に応じて両者の供給流量が所定値となるよ
うにＭＦＣ３１ａ，３２ｂを調節すると好適である。

【００３７】このようにガス供給口９から空間部Ｓａへ
導入された両ガスは、ブロッカープレート４３により分
散されて十分に混合され、複数の貫通孔４３ａを通して
空間部Ｓｂへ流出する。こうして空間部Ｓｂへ導入され
たアンモニアガス及びジシランガスの混合ガスは、フェ
イスプレート４５の貫通孔４５ａを通してシャワーヘッ
ド４の下方に流出し、シリコンウェハＷ上に供給され
る。

【００３８】一方、アンモニアガス及びジシランガスを
チャンバ２内へ供給すると共に、サセプタ５のヒーター
５１に電力を供給し、サセプタ５を介してシリコンウェ
ハＷが所定温度となるように加熱する。この場合、シリ
コンウェハＷの温度（基板温度、成膜温度）を、好まし
くは６００℃以上、より好ましくは６００〜７５０℃、
特に好ましくは６３０〜７００℃の範囲内の温度とする
（基体加熱工程）。これにより、シリコンウェハＷ上に
達したアンモニアガスとジシランガスとを反応させる。
シリコンウェハＷ上では、種々の素反応（熱化学反応）
が生じて複雑に関与し、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。

【００３９】このとき、ジシラン分子及びアンモニア分
子、それらの活性種、励起種、それらの励起誘導体等の
種々の化学種の分子間衝突によって、例えば、アイマ
ー、アミノシラン、シリレン系誘導体といった種々の中
間生成物が形成され、最終的にシリコンウェハＷ上にシ
リコン窒化膜が堆積形成される。このシリコン窒化膜の
形成を、所定時間、例えば数秒〜数百秒程度の間実施し
た後、ジシランガス及びアンモニアガスの供給を停止し
て成膜を終了する。次いで、必要に応じて、チャンバ２
内に残留するアンモニアガス及びジシランガスをパージ
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。

【００４０】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窒化膜形成方法によれば、シリコン
窒化膜を形成させるのに、ジシランガス等の高次シラン
類ガスを用いるので、従来のモノシランガスを用いた同
等の温度条件に比して、シリコンウェハＷ上で生じる各
種の素反応の結果である窒化物生成反応の活性化エネル
ギーが増大される。また、ジシランガスの分解反応がモ
ノシランに比して低温で進行し易く、更には、アンモニ
アガスとの相互作用における各種素反応の反応速度に関
連する前指数因子が増大したり、或いは活性錯合体が生
成される遷移状態確率の変化、ダイナミックス上のポテ
ンシャルの変化等が反応性の向上に寄与するといった作
用が奏されると考えられる。ただし、作用はこれらに限
定されない。

【００４１】そして、これらにより、従来に比してシリ
コン窒化膜の成膜温度を低温化しつつ成膜速度を顕著に
高めることができる。したがって、シリコンウェハＷに
対するサーマルバジェットを改善でき、しかも窒化膜形
成の処理効率が向上され、ひいては生産性の向上を図る
ことが可能となる。また、シリコンウェハＷへの入熱量
を軽減できるので、ドーパントがインプラントされたシ
リコンウェハＷ上に窒化膜を形成する際に、それらの拡
散が抑制され、デバイス特性への悪影響を排除できる。
さらに、シリコンウェハＷの熱負荷を低減できるので、
基板（特に大口径基板）の形状変化を防止できる利点が
ある。

【００４２】さらに、ジシランガスを用いることによ
り、より大口径のシリコンウェハＷを用いた場合にも、
シリコン窒化膜の膜厚均一性を向上できる。よって、デ
バイスの微細化に伴う薄膜化の要求に対しても、優れた
膜特性及び平坦性を満足することができる。また、ジシ
ランガスを用いることにより、シリコンウェハＷに凹部
や段差等のデバイスパターンが設けられている場合にそ
れらのカバレッジ（被覆性）をも改善できる。

【００４３】またさらに、ジシランガス及びアンモニア
ガスをシリコンウェハＷ上に供給する際のチャンバ２内
圧力を、１０〜７０ｋＰａとするので、シリコン窒化膜
として化学量論的に優れた組成比を有するＳｉ₃Ｎ₄膜を
確実に形成させることができる。すなわち、チャンバ２
内の圧力を１０ｋＰａ未満とすると、ジシランガスの分
解が過度に促進され、シリコン窒化膜におけるケイ素原
子の組成比（濃度）が高められてシリコンリッチな膜と
なる傾向にある。一方、この圧力が７０ｋＰａを超える
と、膜厚均一性、ステップカバレッジ、スループット等
が低下する傾向にあり、場合によっては、成膜速度のマ
イクロローディング効果が生じることも考えられる。

【００４４】よって、チャンバ２内の圧力を１０〜７０
ｋＰａとすることにより、所望の特性を有するシリコン
窒化膜を達成でき、換言すれば、シリコン窒化膜の成膜
制御性を向上させることが可能となる。しかも、このよ
うな圧力条件下では、成膜温度を比較的高めて成膜速度
を上げた場合でも、シリコンウェハＷ全体の膜厚均一性
を十分に向上できる。さらにまた、従来のモノシランガ
スによる成膜温度よりも低い温度で成膜を行っても、シ
リコン窒化膜中の水素濃度の上昇を十分に抑止すること
もできる。

【００４５】また、この圧力範囲内とすれば、被覆性に
優れたシリコン窒化膜を得ることができる。一例とし
て、チャンバ２内の圧力を１．３ｋＰａ（１０Ｔｏｒ
ｒ）と４０ｋＰａ（３００Ｔｏｒｒ）とした場合、前者
に比して後者の場合に被覆性が改善されることが確認さ
れた。

【００４６】また、このような圧力条件とすれば、成膜
温度を低温下、例えば７００℃以下とした場合にも、従
来のシランガスを用いたときに見られたような成膜速度
の顕著な低下を防止できる。さらに、従来のモノシラン
ガス及びアンモニアガスを用いた場合には、成膜温度を
６３０〜６５０℃以上に高めるとポーラス状の窒化膜が
得られる傾向にあったのに対し、ジシランガスとアンモ
ニアガスとを原料ガスとして用い、且つ、上述の圧力条
件下で行う本発明の窒化膜形成方法は、そのような膜の
多孔質化を防止できる利点を有する。

【００４７】さらに、従来、低温での成膜にはプラズマ
系による成膜が行われる傾向にあったが、得られる膜は
コンプレッシブなストレスを有するものとなってしま
う。これに対し、本発明によれば、ＳｉＨ_x系ガスを用
いる場合に６００℃近傍の低温で成膜しても、テンサイ
ルストレスが達成される高い成膜速度（例えば、２００
Å／ｍｉｎを超えるレート）での成膜を実現できる。

【００４８】さらに、シリコンウェハＷを６００℃以上
に加熱した状態で成膜を行えば、アンモニアガスの分解
効率の低下を抑止できる。よって、成膜速度の低下を一
層防止できる。また、アンモニアガスの分解が阻害され
ることに起因するアンモニアガス由来の活性種や励起種
の濃度の低下を抑制できるので、シリコン窒化膜中のケ
イ素原子の割合が過度に増大することを防止できる。し
たがって、Ｓｉ₃Ｈ₄膜のストイキオメトリーの悪化を抑
えて、膜質制御をより行ない易くなる。

【００４９】またさらに、成膜温度を６００℃以上にす
れば、シリコン窒化膜中の水素濃度の増大を一層抑制で
きるので、膜質の低下、ピンホールやクラックの発生、
残留応力の悪化等をより一層防止できる。さらにまた、
成膜温度を７５０℃以下とした場合には、成膜速度の一
層の向上と相俟って、シリコンウェハＷに与える熱の影
響を更に軽減することが可能となる。

【００５０】さらにまた、シリコンウェハＷの加熱温度
（成膜温度）に基づいてアンモニアガスの供給流量とジ
シランガスの供給流量との比を適宜調整すれば、良好な
ストイキオメトリーを一層確実に達成でき、成膜制御性
を更に向上できる。そして、このような成膜制御性の向
上により、例えば誘電体膜としてシリコン窒化膜を用い
る場合に、これまで以上の低誘電率を良好に発現させる
ことができ、半導体装置製造における寄生容量の低減を
十分に図り得る。

【００５１】なお、第２のガスとしては、他の高次シラ
ン類を用いてもよく、ジシランガス等の高次シラン類を
含むものであれば、モノシランガスとの混合ガスとして
用いても構わず、さらには、これらを単独で叉は二種以
上混合して用いることもできる。また、第１のガスとし
ては、アンモニアガスの他に、ヒドラジン、モノメチル
ヒドラジン等のアルキルヒドラジン、或いは、それらの
誘導体を用いてもよい。

【００５２】

【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。

【００５３】〈実施例１〉図１に示すＣＶＤ装置１と同
様の構成を有する窒化膜形成装置を使用し、原料ガスと
してアンモニアガス及びジシランガスを用い、上述した
本発明の窒化膜形成方法と同様にして、種々の成膜条件
下でシリコンベアウェハ上にシリコン窒化膜を形成し
た。なお、これらの条件が異なる成膜処理を、まとめて
実施例１とする。

【００５４】〈比較例１〉図１に示すＣＶＤ装置１と同
様の構成を有する窒化膜形成装置を使用し、原料ガスと
してアンモニアガス及びモノシランガスを用い、種々の
成膜条件下でシリコンベアウェハ上にシリコン窒化膜を
形成した。なお、これらの条件が異なる成膜処理を、ま
とめて比較例１とする。

【００５５】〈成膜速度及び膜性状等の測定〉まず、実
施例及び比較例で得たシリコン窒化膜の膜厚を測定し
た。この膜厚測定は、周辺部３ｍｍ排除、４９点円形測
定条件において行った。また、膜厚均一性として、膜厚
平均値に対する標準偏差（１σ％）を算出した。さら
に、得られた膜厚測定結果に基づいて、成膜速度を求め
た。またさらに、エリプソメータ（Ellipsometer：ＫＬ
Ａ−Ｔｅｎｃｏｒ社製、ＵＶ１２８０ＳＥ、使用波長２
５０〜７５０ｎｍ）を用い、成膜後のウェハ表面の９箇
所に対して屈折率ＲＩの測定を行い、それらの測定値の
平均値を算出した。

【００５６】測定結果の例を成膜条件と共に表１に併せ
て示す。なお、表中、「距離Ｄ」とは、図１に示すフェ
イスプレート４５の下端と、シリコンウェハＷの上面と
の垂直距離Ｄを示す。また、「ＢＰ」とあるのは、シリ
コンウェハの裏面側に供給したバックサイドパージガス
を示す。

【００５７】

【表１】

【００５８】これらの結果より、ジシランガスを用いた
本発明の窒化膜形成方法に係る実施例１の成膜後ウェハ
（以下、「試料」という）である試料１は、同じ成膜温
度であった比較例１の試料２に比して成膜速度が格段に
向上されることが確認された。また、成膜温度が５０℃
高い比較例１の試料１に比しても２０％程度成膜速度が
向上されることが判明した。さらに、実施例１の試料２
は、６００℃という低温処理であったものの、実用に供
し得る成膜速度が達成されることも判明した。

【００５９】また、実施例１のシリコン窒化膜は、膜厚
均一性に優れており、例えば、実施例１の試料１では
１．５％が達成され、比較例１の試料に比して膜厚均一
性が格別に向上されることが確認された。さらに、理想
的なＳｉ₃Ｎ₄膜の屈折率が略２．００であることを踏ま
えて屈折率の測定結果に着目すると、本発明の実施例１
によれば良好なストイキオメトリーが達成されることも
確認された。加えて、表面残留応力（ストレス）の過度
の増大も認められなかった。

【００６０】次いで、実施例１及び比較例１で成膜処理
した複数のウェハにおける成膜速度及び屈折率の傾向に
ついて、より系統的な評価を試みた。図２は、原料ガス
として用いたシランガス叉はジシランガスの供給流量
（ｓｃｃｍ；ｍｌ／ｍｉｎ）に対する成膜速度（Å／ｍ
ｉｎ）の変化を示すグラフである。

【００６１】図中、黒塗菱形のシンボルは、実施例１に
おいて成膜温度７５０℃で成膜した試料のデータを示
し、直線Ｅ１ａは、それらを最小自乗フィッティングし
て得られた目安線を示す。また、黒塗丸のシンボルは、
実施例１において成膜温度６００℃で成膜した試料のデ
ータを示し、直線Ｅ２ａは、それらを最小自乗フィッテ
ィングして得られた目安線を示す。さらに、黒塗三角の
シンボルは、比較例１において成膜温度８００℃で成膜
した試料のデータを示し、直線Ｃ１ａは、それらを最小
自乗フィッティングして得られた目安線を示す。

【００６２】これらの結果より、実施例１及び比較例１
ともに、各成膜温度における成膜速度は、シランガス叉
はジシランガスの図示供給流量範囲において略直線的な
増加傾向を示すことが確認された。また、８００℃でシ
ランガスを用いた場合に比して、７５０℃でジシランガ
スを用いた場合の方が、同一の供給流量に対して軒並み
成膜速度の向上が認められた。

【００６３】図３は、実施例１及び比較例１における成
膜温度に対する成膜速度の変化を示すグラフである。同
図において、成膜速度の自然対数値を縦軸として採用し
た。また、図中、曲線Ｅαは、原料ガスとしてジシラン
ガスを２０（ｓｃｃｍ）及びアンモニアガスを３０００
（ｓｃｃｍ）用いたときの結果を滑らかに結んだ目安線
である。また、曲線Ｅβは、原料ガスとしてジシランガ
スを２０（ｓｃｃｍ）及びアンモニアガスを４０００
（ｓｃｃｍ）用いたときの結果を滑らかに結んだ目安線
である。さらに、曲線Ｃは、原料ガスとしてシランガス
を５０（ｓｃｃｍ）及びアンモニアガスを３０００（ｓ
ｃｃｍ）用いたときの結果を滑らかに結んだ目安線であ
る。

【００６４】これらの結果より、実施例１の試料は、図
示温度範囲において成膜温度の低下と共に成膜速度が対
数的に緩やかに減少するのに対し、比較例１の試料は６
５０℃を下回る辺りから急激な成膜速度の低下が認めら
れた。また、実施例１においては、同一温度における成
膜速度がジシランガスとアンモニアガスとの供給流量比
によって鋭敏に変化する傾向が示唆される。

【００６５】図４は、シランガス叉はジシランガスの供
給流量に対するアンモニアガスの供給流量の比の値（以
下、「供給流量比」という）に対する屈折率ＲＩの変化
を示すグラフである。図中、黒塗菱形のシンボルは、実
施例１において成膜温度７５０℃で成膜した試料のデー
タを示し、直線Ｅ１ｂは、それらを滑らかに結んだ目安
線を示す。また、黒塗丸のシンボルは、実施例１におい
て成膜温度６００℃で成膜した試料のデータを示し、直
線Ｅ２ｂは、それらを滑らかに結んだ目安線を示す。さ
らに、黒塗三角のシンボルは、比較例１において成膜温
度８００℃で成膜した試料のデータを示し、直線Ｃ１ｂ
は、それらを滑らかに結んだ目安線を示す。

【００６６】これらの結果より、実施例１及び比較例１
共に、供給流量比の増大つまりアンモニアガスの割合が
増えるにつれて、成膜されたシリコン窒化膜が呈する屈
折率は略一定値を示すことが理解される。また、実施例
１と比較例１、さらには、成膜温度によって、その一定
値（絶対値）が異なることが確認された。これより、成
膜温度に応じて供給流量比を調整するように制御すれ
ば、良好な化学量論的組成比のシリコン窒化膜を形成さ
せ易いことが判明した。

【００６７】さらに、供給流量比が小さい領域では、シ
リコンリッチな状態からストイキオメトリーな状態への
変化率が大きく、図中のデータに限ると、温度にも依存
するがジシランガスを用いた実施例１の方が、シランガ
スを用いた比較例１に比して屈折率の変動率が急峻とな
る傾向が認められた。よって、本発明においては、成膜
温度に応じた供給流量比の調整がより有効であるとこが
確認された。

【００６８】次に、図５（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ実
施例１における成膜温度７５０℃で得た試料１、実施例
１における成膜温度６００℃で得た試料２、及び、比較
例１における成膜温度８００℃で得た試料１のシリコン
窒化膜表面を二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）で測定
して得た水素濃度及びケイ素濃度の深度分布を示すグラ
フである。

【００６９】これらの結果より、７５０℃でジシランガ
スを用いた実施例１の試料１は、成膜温度が５０℃高い
８００℃でシランガスを用いた比較例１の試料１に比し
て、同等の表面水素濃度レベルを示すことが判明され
た。通常、成膜温度が数十℃低い場合には、表面の水素
濃度は激増する傾向にあるが、本発明によれば、従来に
比して５０℃低い温度において同等の水素濃度レベルが
達成されるという顕著な効果が確認された。また、６０
０℃でジシランガスを用いた場合には、７５０℃に比し
て水素濃度レベルは増大するものの、実用上問題となる
ようなレベルではないことが確認された。

【００７０】〈実施例２〉基体としてシリコンベアウェ
ハの代りに、表面に段差を有するパターンが形成された
シリコンウェハを用いたこと以外は、実施例１と同様に
して基体上にシリコン窒化膜を形成した。

【００７１】〈比較例２〉チャンバ内圧力を１０Ｔｏｒ
ｒとしたこと以外は、実施例２と同様にして基体上にシ
リコン窒化膜を形成した。

【００７２】実施例２及び比較例２で得た成膜試料につ
いて、断面の顕微鏡観察を実施した。その結果、本発明
による実施例２の成膜条件で成膜した場合、優れたステ
ップカバレッジが達成されることが確認された。また、
比較例２で得た場合にも、ステップカバレッジの点にお
いては、十分な被覆性を有することが確認された。さら
に、実施例２で得たシリコン窒化膜は、表面の平滑性に
優れており、また、ポーラス状の膜とはならないことも
確認された。

【００７３】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明による窒化膜
形成方法及びその装置によれば、ＣＶＤ法によって半導
体基板等の基体上に窒化膜（シリコン窒化膜）を形成す
る際に、その成膜速度を格段に高めることができると共
に、膜厚の均一性を向上することも可能となる。しか
も、優れた成膜制御性を十分に実現できることに加え、
基体への熱的な影響を格別に軽減することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による窒化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。

【図２】原料ガスとして用いたシランガス叉はジシラン
ガスの供給流量（ｓｃｃｍ；ｍｌ／ｍｉｎ）に対する成
膜速度（Å／ｍｉｎ）の変化を示すグラフである。

【図３】実施例１及び比較例１における成膜温度に対す
る成膜速度の変化を示すグラフである。

【図４】供給流量比に対する屈折率ＲＩの変化を示すグ
ラフである。

【図５】図５（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ実施例１にお
ける成膜温度７５０℃で得た試料１、実施例１における
成膜温度６００℃で得た試料２、及び、比較例１におけ
る成膜温度８００℃で得た試料１のシリコン窒化膜表面
をＳＩＭＳで測定して得た水素濃度及びケイ素濃度の深
度分布を示すグラフである。

【符号の説明】

１…ＣＶＤ装置（窒化膜形成装置）、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…アンモニアガス供給源（第１のガス供給源）、３
２…ジシランガス供給源（第２のガス供給源）、５１…
ヒーター（基体加熱部）、７０…排気系（圧力調整
部）、Ｗ…シリコンウェハ（基体）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者阿世知大千葉県成田市新泉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)発明者西里洋千葉県成田市新泉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Ｆターム(参考） 4K030 AA06 AA13 BA40 FA10 JA05 JA09 JA10 KA24 5F045 AA07 AB33 AC01 AC07 AC12 AC15 AD10 AD11 AE25 AF03 BB09 CB04 CB05 DP03 DQ10 5F058 BA20 BC08 BF04 BF23 BF30

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】化学的気相堆積法によって基体上に窒化
膜を形成する窒化膜形成方法であって、前記基体上に、窒素原子を含む化合物から成る第１のガ
スと、分子中にケイ素原子を少なくとも二つ以上有する
化合物を含有して成る第２のガスとを、該基体の周囲の
圧力が１０〜７０ｋＰａ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窒化膜形成方法。
【請求項２】前記ガス供給工程においては、前記第１
のガスとしてアンモニア（ＮＨ₃）ガスを用い、前記第
２のガスとしてジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）を含有して成るガ
スを用いる、ことを特徴とする請求項１記載の窒化膜形
成方法。
【請求項３】前記基体加熱工程においては、前記基体
を６００℃以上、の温度に加熱する、ことを特徴とする
請求項１叉は２に記載の窒化膜形成方法。
【請求項４】前記ガス供給工程においては、前記基体
の温度に基づいて前記第１のガスの供給流量と前記第２
のガスの供給流量との比を調整するように、該第１のガ
ス及び該第２のガスを該基体上に供給する、ことを特徴
とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の窒化膜形成
方法。
【請求項５】化学的気相堆積法によって基体上に窒化
膜が形成される窒化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、窒素原子を含む化合物
から成る第１のガスを含む第１のガス供給源と、分子中
にケイ素原子を少なくとも二つ以上有する化合物を含有
して成る第２のガスの供給源とを有するガス供給部と、前記チャンバ内の圧力を１０〜７０ｋＰａの範囲内の値
となるように調整する圧力調整部と、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窒化膜形成装置。