JP2003168680A

JP2003168680A - 気相堆積方法及び装置

Info

Publication number: JP2003168680A
Application number: JP2001364835A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nishisato; 洋西里; Nobuo Tokai; 暢男東海; Yuji Maeda; 祐二前田
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2001-11-29
Filing date: 2001-11-29
Publication date: 2003-06-13

Abstract

(57)【要約】【課題】ＣＶＤ法によって窒化膜等の窒素原子を含む
膜を基体上に形成する際に、成膜温度の低下と成膜速度
の両方を達成でき、しかも、マイクロローディングを改
善できる気相堆積方法及び装置を提供する。【解決手段】ＣＶＤ装置１は、ウェハＷが収容される
チャンバ２に、ガス供給系３０が接続され、さらに、マ
イクロ波放電によるＲＰ方式の活性種生成部６０を介し
てガス供給系４０が接続されたものである。ガス供給系
４０のガス供給源４１から活性種生成部６０のアプリケ
ータ６１に供給されたＮＨ₃ガスは、マイクロ波放電に
よるプラズマで分解・解離され、ＮＨ₃ガス由来の活性
種が生成する。この活性種を含むガスは、ガス供給系３
０のガス供給源３２からのＳｉＨ₄ガスと混合された
後、チャンバ２内のウェハＷ上に供給され、ウェハＷの
加熱によってシリコン窒化膜が成膜される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気相堆積方法及び
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
含む膜を形成する気相堆積方法及び気相堆積装置に関す
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が広く
用いられており、微細化に伴ってメモリ素子のセル容量
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重要な課題となっ
ている。また、このような要求に加え、生産性の向上等
の観点から大口径の半導体ウェハの使用に対応すべく、
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】従来、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（ＳｉＨ
₄）ガス、ジクロロシラン（ＳｉＣｌ₂Ｈ₂）等、及び、
アンモニア（ＮＨ₃）ガス、更には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。これらのなか
でも、枚葉式熱ＣＶＤ法を用いた装置では、生産性を高
める観点からスループットの向上が熱望されており、こ
のためには良好な膜特性を維持しつつ成膜速度を増大さ
せることが急務である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような要求に対
し、本発明者らの知見によれば、例えば、ＳｉＨ₄ガス
とＮＨ₃ガスとを原料ガスとしてシリコン窒化膜を形成
する際に、その成膜速度を高める方法の一つとして、よ
り高い成膜温度で多流量のＮＨ₃ガスを使用することが
挙げられる。これは、熱ＣＶＤ法においては、基板上で
ＳｉＨ₄及びＮＨ₃を熱分解させ、生じた化学種の化学反
応によって基板上にシリコン窒化膜を得るので、両ガス
のうち８００℃を超える熱分解温度を有するＮＨ₃の分
解反応が成膜条件を決定する傾向にあることに依る。

【０００５】しかし、８００℃以上の高温熱工程を実施
した場合には、シリコン窒化膜の下層にドーパントがド
ープされている場合に、それらの拡散が顕著となって最
終的に製造される半導体デバイスの特性が劣化するおそ
れがある。また、熱履歴による基板の形状変化も懸念さ
れ、特に基板の大口径化に伴ってこのような形状変化の
発生を十分に抑える必要がある。さらに、ＳｉＨ₄ガス
及びＮＨ₃ガスから高温で成膜を行うと、条件によって
は、得られるシリコン窒化膜が多孔質（ポーラス）状の
膜となり易く、機能膜として成立し難いこともある。

【０００６】またさらに、本発明者の研究によれば、原
料ガスを多量に供給すべく、単にガス流量を増大させた
場合には成膜反応が結果として供給律速の状態となり、
段差部分を有する基板上に膜形成を行う際に、段差間隔
（ギャップ）の疎密によって成膜速度が不均一となり易
いことが認められた。こうなると、他の成膜条件を十分
に最適化する必要があり、プロセス制御が困難となる傾
向にある。

【０００７】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、ＣＶＤ法によって窒化膜等の窒
素原子を含む膜を基体上に形成する際に、成膜温度の低
下と成膜速度の両方を達成でき、しかも、成膜速度が不
均一となることを十分に防止しつつ良好な膜特性を有す
る膜を得ることが可能な気相堆積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】上記課題を解決するため
に、本発明による気相堆積方法は、ＣＶＤ法によって基
体上に窒素原子を含む膜を形成する方法であって、
（１）ＮＨ₃ガスを含有して成る第１のガスにエネルギ
ーを付与してＮＨ₃ガス由来の活性種を生成せしめる活
性種生成工程と、（２）基体上に、上記の活性種、及び
その活性種と反応し得る第２のガスを供給するガス供給
工程と、（３）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。

【０００９】このように構成された気相堆積方法におい
ては、活性種生成工程でＮＨ₃ガスを含む第１のガスに
エネルギーが付与されると、ＮＨ₃の分解、解離等が生
じ、ＮＨ₃ガス由来の化学的活性種が生じる。かかる活
性種としては、窒素原子及び水素原子の少なくともいず
れか一方を含むイオン種（電離種）、中性活性種（励起
種）等が挙げられる。次いで、ガス供給工程を実施し
て、これらのＮＨ₃ガス由来の活性種と、これらの活性
種と反応し得る（ＣＶＤ法における気相反応によって基
体上で反応する、又は、潜在的な反応性を有する）第２
のガスとを基体上に供給する。

【００１０】そして、ガス供給工程を実施しながら基体
加熱工程を実行すると、基体が所定温度に加熱され、第
２のガスの熱分解や熱解離が生じて第２のガス由来の活
性種が生じる。これらは、共に基体上に供給されたＮＨ
₃ガス由来の活性種と気相反応を生じ、窒素原子を含む
膜が基体上に堆積形成される。このように、ＮＨ₃ガス
を基体上で熱分解させずに、予め分解又は解離させた状
態（活性種）で第２のガスと共に供給するので、基体加
熱工程における基体温度（成膜温度）をＮＨ₃の分解温
度以上にする必要がない。よって、従来の熱ＣＶＤ法に
よる窒化膜等の成膜に比して、成膜温度を格段に下げる
ことができる。

【００１１】また、第２のガスとして例えばシラン系ガ
ス等のＮＨ₃よりも分解温度が低いガスを用いた場合、
従来は、ＮＨ₃の熱分解を行うために成膜温度を上げる
と、第２のガスの分解が過度に促進されてしまい、その
分解生成物又はそれらの反応生成物が窒化膜等の目的膜
の成膜を阻害することがあった。さらに、本発明者ら
は、ＳｉＨ₄ガスとＮＨ₃ガスとを用いたときに、上述し
た成膜速度の不均一性（マイクロローディング）を改善
すべく種々の検討を行ってきた。そのなかで、成膜速度
以外の条件をある所定条件とした状態で、シリコン窒化
膜の成膜反応を反応律速状態で実施すべく原料ガスの供
給流速を増大させたときに、マイクロローディングが十
分に改善されない現象が認められた。

【００１２】これは、ＳｉＨ₄ガスがＮＨ₃ガスよりも低
温で熱分解し易く、Ｓｉ_jＨ₂等のいわゆるアイマー（ｉ
−ｍｅｒ）といった中間体の生成確率が高められるため
に、ＳｉＨ₄の消費が激しくなり、原料ガスとしてのＳ
ｉＨ₄が枯渇してしまい、結果としてシリコン窒化膜の
成膜反応が供給律速状態となってしまうことによると考
えられる。これに対し、ＮＨ₃ガスを予め活性種の状態
とし、例えばＳｉＨ₄ガスと共に基体上に供給する本発
明では、供給流速を極度に高めなくても、ＳｉＨ₄ガス
の反応相手であるＮＨ₃由来の活性種の供給を任意に調
節できる。よって、ＳｉＨ₄ガスを過度に分解させなく
てもよい。この場合、上記のアイマーの生成が抑制され
る一方で、例えばアミノシラン（Ｓｉ（ＮＨ₂）₄）とい
ったアミノ中間体のようなケイ素（Ｓｉ）原子と窒素
（Ｎ）原子を含む中間体やその励起種が生成し易くな
る。

【００１３】また、アミノ中間体等は、基体上でのマイ
グレーションに優れ、基体上に定着又は被着し易い傾向
にある。よって、ＳｉＨ₄ガスといった第２のガスの枯
渇や減損が防止される。その結果、原料ガスの供給流速
及び成膜温度を過度に高めなくても、成膜反応を反応律
速状態に近づけることができる。逆に言えば、ＮＨ₃を
活性化させた状態（活性種）で基体上に供給することに
より、反応律速に近い反応状態においてＮＨ₃を反応過
程に取り込み易くなる。これにより、成膜速度のマクロ
ローディングを十分に解消し得る。なお、反応のメカニ
ズムは上述したものに限定されるものではない。

【００１４】さらに、従来では、Ｎ₂ガスやＮ₂Ｏガス等
の窒素酸化物を窒素源として気相反応によって窒化物を
基体上に堆積させる方法がある。この方法は、膜中の水
素濃度を低減すべく、分子中に水素原子を含まない物質
ガスを原料として用いる方法である。これを考慮すれ
ば、Ｎ₂ガス等をＮＨ₃ガスで代替することは適当ではな
いと考えられたが、本発明によって得られるシリコン窒
化膜は、従来のＮＨ₃ガス及びＳｉＨ₄ガスを用いた熱Ｃ
ＶＤ法によって形成したシリコン窒化膜と同等又はそれ
以上の膜質を有することが確認された。

【００１５】より具体的には、活性種生成工程におい
て、放電、例えば直流放電、高周波放電、マイクロ波放
電、ＥＣＲ放電、及びこれらの任意の組み合わせ等によ
りＮＨ ₃ガス由来の活性種を生成せしめると好ましい。
このとき、各種放電形態で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。

【００１６】放電によって第１のガスにエネルギーが付
与されると、第１のガスの一部が励起又は電離されてプ
ラズマが形成され、これによりＮＨ₃ガス由来の活性種
が高効率で生成される。また、上記各種の放電形態のな
かでは、放電効率及び活性種密度が高く且つ活性種のエ
ネルギー分布に優れる観点から、マイクロ波放電及び高
周波放電を用いると特に有用である。

【００１７】すなわち、活性種生成工程においては、第
１のガスにマイクロ波を照射することにより放電を生起
させるとより好適である。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、成膜効率の更なる向上が図られる。また、
基体上に供給される活性種としてラジカル（中性活性
種）の寄与が高められる傾向にあり、活性種に曝される
基体等の保護性が高められる。

【００１８】或いは、活性種生成工程においては、第１
のガスに高周波を印加することにより放電を生起させて
もより好適である。さらに、高周波放電としては、容量
結合型及び誘導結合型のいずれを用いてもよいが、誘導
結合型（インダクションカップリング）が特に好まし
い。

【００１９】より具体的には、ガス供給工程において
は、第２のガスとして、シラン系ガス、有機金属ガス、
又は、金属ハロゲン化物ガスを含有して成るガスを用い
た場合に、本発明は極めて有効である。第２のガスとし
てシラン系ガスを用いると、シリコン窒化膜が得られ、
例えばメチルアルミ等の有機金属ガスを用いれば窒化ア
ルミ膜等の金属窒化物膜が得られ、或いは、塩化タンタ
ル等の金属ハロゲン化物を使用すると窒化タンタル等の
金属窒化物膜が得られる。これらの第２のガスは、一般
に熱分解温度がＮＨ₃ガスよりも低い場合が多い。よっ
て、ＮＨ₃ガスを活性種化してからこれらの第２のガス
と共に基体上に供給すれば、成膜温度の低温化及び成膜
速度の高速化が実現される。

【００２０】また、その際の成膜温度つまり基体加熱工
程における基体の加熱温度としては、用いる第２のガス
の種類によって異なるものの、ＮＨ₃ガスの熱分解温度
未満、より好ましくは７５０℃以下、更に好ましくは６
００〜７００℃の範囲内の温度とすると一層好適であ
る。

【００２１】この成膜温度が７５０℃を超えると、場合
によっては、基体への熱負荷を十分に低減し難い傾向に
ある。また、例えばＳｉＨ₄ガス等を第２のガスとして
用いた場合に、第２のガスの熱分解が不都合な程に促進
されることがあり、こうなると、アイマーの生成を十分
に抑制できなかったり、得られた窒化膜等のストイキオ
メトリーの悪化を招くおそれがある。

【００２２】また、本発明の気相堆積装置は、本発明の
気相堆積方法を有効に実施するためのものであり、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装
置であって、（１）基体が収容されるチャンバと、
（２）チャンバに接続されており、そのチャンバ内にＮ
Ｈ₃ガス由来の活性種、及びその活性種と反応し得る第
２のガスを供給するガス供給部と、（３）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。

【００２３】具体的には、ガス供給部が、（i）ＮＨ₃ガ
スを含有して成る第１のガスが供給され、その第１のガ
スにエネルギーを付与するエネルギー付与手段が結合さ
れており、ＮＨ₃ガス由来の活性種が生成される活性種
生成部と、（ii）活性種生成部に接続されており第１の
ガスを含む第１のガス供給源と、（iii）第２のガスを
含む第２のガス供給源とを有するものであると好まし
い。さらに、エネルギー付与手段が第１のガスにマイク
ロ波を照射するものであると好適であり、或いは、エネ
ルギー付与手段が第１のガスに高周波を印加するもので
あっても好ましい。より具体的には、第２のガス供給源
が、第２のガスとして、シラン系ガス、有機金属ガス、
又は、金属ハロゲン化物ガスを含有して成るガスを含む
ものであると有用である。

【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。

【００２５】図１は、本発明による気相堆積装置の好適
な一実施形態を模式的に示す構成図（一部断面図）であ
る。気相堆積装置としての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、ガス供給系
３０が接続され、さらに、マイクロ波放電によるＲＰ
（Remote Plasma）方式の活性種生成部６０を介してガ
ス供給系４０が接続されたものである。このように、ガ
ス供給系３０，４０及び活性種生成部６０からガス供給
部が構成されている。

【００２６】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。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。

【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。

【００２８】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、ガス供給系３０，４０からの後述する各ガ
スの供給流量に応じてチャンバ２内の圧力を所定の圧力
に維持可能な真空ポンプを有する排気系（図示せず）が
接続されている。

【００２９】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系３０，４０からシャ
ワーヘッド４を通して後述する活性種を含む原料ガスが
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空間領域へ混入しないようになっ
ている。

【００３０】またさらに、ガス供給系３０は、ＳｉＨ₄
ガス供給源３２（第２のガス供給源）、及びヘリウム
（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）といったキャリアガス又は
希釈ガス（以下、単に「キャリアガス」という）のガス
供給源３４を有している。これらのガス供給源３２，３
４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）３２ａ，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の入口側に設置
されたガス混合器１２に接続されている。

【００３１】一方、活性種生成部６０は、ガス供給系４
０から供給される後述の原料ガスＧｒが導入されるガス
供給口６１ａが設けられた空間部Ｓｃを有するアプリケ
ータ６１を備えている。このアプリケータ６１のガス供
給口６１ａに対向する位置には、配管１１の一方端が接
続されたガス排出口６１ｂが設けられており、配管１１
の他方端がガス混合器１２に接続されている。これによ
り、アプリケータ６１の空間部Ｓｃとチャンバ２のシャ
ワーヘッド４内の空間部Ｓａ，Ｓｂとが連通するよう
に、活性種生成部６０とチャンバ２とが接続されてい
る。さらに、アプリケータ６１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６２が接続さ
れており、その端部が空間部Ｓｃの隔壁に当接されてい
る。

【００３２】また、マイクロ波ガイド６２の他端部に
は、マグネトロンを有するマイクロ波発生部６６が設け
られている。このマイクロ波発生部６６から発生する所
定周波数のマイクロ波は、マイクロ波ガイド６２内を導
波してアプリケータ６１の空間部Ｓｃ内に導入される。
これにより、空間部Ｓｃ内に導入された原料ガスＧｒに
マイクロ波が照射されるようになっている。さらに、マ
イクロ波ガイド６２の一部の周囲には、マイクロ波出力
のマッチング整合を行うためのチューナー６３、マイク
ロ波の反射波を受けるダミーロード６４、及び、マイク
ロ波の出力検出を行う出力検出部６５が設置されてい
る。

【００３３】他方、活性種生成部６０に接続されたガス
供給系４０は、ＮＨ₃ガス供給源４１（第１のガス供給
源）、及び、ＨｅやＡｒ等のキャリアガスのガス供給源
４２を有するものである。これらのガス供給源４１，４
２は、それぞれＭＦＣ４１ａ，４２ａが設けられた配管
を介してアプリケータ６１のガス供給口６１ａに接続さ
れている。また、ＭＦＣ４１ａ，４２ａ、及び、前述の
ＭＦＣ３２ａ，３４ａは、電線ケーブルによって制御部
６８に接続されている。

【００３４】この制御部６８は、ＣＰＵ６８ａ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６８ｂを有している。これにより、ＭＦＣ４１ａ，４
２ａ，３２ａ，３４ａからの流量信号が入出力インター
フェイス６８ｂを介してＣＰＵ６８ａに入力され、ＣＰ
Ｕ６８ａからの制御信号が入出力インターフェイス６８
ｂを介してＭＦＣ４１ａ，４２ａ，３２ａ，３４ａへ出
力される。

【００３５】このように構成されたＣＶＤ装置１を用い
た本発明による気相堆積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、自動又は
操作者による操作に基づき、図示しない制御装置（系）
又は手動で制御する。

【００３６】まず、チャンバ２及びアプリケータ６１を
封止した状態で排気系を運転し、チャンバ２及びアプリ
ケータ６１の内部を減圧する。なお、以降の成膜処理プ
ロセスにおいては、排気系を常時運転して所定の減圧状
態を維持する。次いで、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。

【００３７】次に、制御部６８からＭＦＣ４２ａ，３４
ａの少なくともいずれか一方に流量調節信号を送出し、
ガス供給源３４及び／又はガス供給源４２から配管１
０，１１を通してチャンバ２内へキャリアガスを供給す
ると共に、チャンバ２内及びアプリケータ６１内が所定
の圧力となるように圧力調整を行う。

【００３８】チャンバ２内の圧力が所定値で安定した
後、制御部６８からＭＦＣ３２ａ，３４ａに所定の成膜
レシピに従った流量設定信号を伝送し、ガス供給源３
２，３４からチャンバ２内へＳｉＨ₄ガス及びキャリア
ガスの供給を開始すると共に、ガス供給源４１，４２か
らアプリケータ６１内へＮＨ₃ガス及びキャリアガスの
供給を開始する。

【００３９】ガス供給系４０からのＮＨ₃ガスとキャリ
アガスとは、アプリケータ６１の前段で混合され、原料
ガスＧｒとしてアプリケータ６１内へ連続的に供給され
る。それと共に、マイクロ波発生部６６を運転してマイ
クロ波を発生させる。マイクロ波は、マイクロ波ガイド
６２内を導波し、チューナー６３によって出力及び周波
数の整合及び調整が施された後、空間部Ｓｃを画成する
隔壁を介して空間部Ｓｃ内へ導入される。また、マイク
ロ波の出力を出力検出部６５で検出し、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】このとき、アプリケータ６１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６
１内で反射されてマイクロ波ガイド６２内を逆流するこ
とがあるが、このように生じた反射波はダミーロード６
４で受波され、マイクロ波発生部６６へ流入することが
防止される。

【００４１】アプリケータ６１の空間部Ｓｃ内に導入さ
れたマイクロ波は原料ガスＧｒに照射され、空間部Ｓｃ
内においてマイクロ波放電が生じ、これによりプラズマ
が形成される。原料ガスＧｒ中のＮＨ₃ガスの少なくと
も一部は、励起又は解離されてＮＨ₃ガス由来の活性種
が生じる（活性種生成工程）。かかる活性種としては、
例えば、窒素イオン、水素化窒素イオン等のイオン性活
性種、及び、Ｎ^*、ＮＨ^*、ＮＨ₂ ^*、ＮＨ₃ ^*ラジカル等の
励起種又は中性活性種、等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ＮＨ₃ガス由来の活性種
を含む反応ガスＸが生成し、アプリケータ６１から配管
１１を通してガス混合器１２へ送出される。このとき、
反応ガスＸ中に含まれるイオン性活性種や電子等の荷電
成分は、アプリケータ６１からガス混合器１２に至る行
程において再結合し、又は、エネルギー損失によって消
費される傾向にある。よって、ガス混合器１２に到達し
た反応ガスＸ中の活性種は、励起種等の中性活性種の含
有割合が比較的高められたものとなる。

【００４３】反応ガスＸは、ガス混合器１２において、
ガス供給系３０からのＳｉＨ₄ガス及びキャリアガスと
混合され、ガス供給口９からシャワーヘッド４内の空間
部Ｓａ内に流入する。空間部Ｓａへ導入された活性種を
含む原料ガスは、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へ流出し、更にフェイスプレート４５の複数の貫
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（ガス供給工程）。

【００４４】このように、ＮＨ₃ガス由来の活性種及び
ＳｉＨ₄ガスをシリコンウェハＷ上に供給しながら、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ＮＨ₃ガスの熱分解温度未満、
より好ましくは７５０℃以下、特に好ましくは６００〜
７００℃の範囲内の温度とする（基体加熱工程）。

【００４５】これにより、シリコンウェハＷ上に達した
ＳｉＨ₄ガスの熱解離、熱分解等が生じると共に、ＮＨ₃
ガス由来の活性種の活性（化学的な反応性）が十分に保
持される。シリコンウェハＷ上では、これらの化学種の
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。

【００４６】これらの素反応によって生ずる反応生成物
としては、例えば、アイマー、アミノシラン等の言わば
アミノ中間体、シリレン系誘導体といった種々の反応中
間体が形成される。このとき、本発明の気相堆積方法に
おいては、ＮＨ₃ガスがアプリケータ６１内で予め分
解、活性化されて活性種の状態でシリコンウェハＷ上に
供給されるので、従来のＳｉＨ₄ガスとＮＨ₃ガスとを供
給していた場合に比して、ＮＨ₃ガスよりもＳｉＨ₄ガス
が過剰に分解されることに起因するアイマーの生成が抑
制される一方で、Ｓｉ原子及びＮ原子を含むアミノ中間
体等の生成が促進される。

【００４７】そして、これらの中間体から、最終的にシ
リコンウェハＷ上にシリコン窒化膜が堆積成長する。次
いで、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、チャンバ２へのＳｉＨ₄ガ
スの供給、及び、アプリケータ６１へのＮＨ₃ガスの供
給を停止して成膜を終了する。その後、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。

【００４８】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気相堆積方法によれば、ＮＨ₃ガス
を予めアプリケータ６１内でプラズマによって分解・解
離して活性種を生じせしめ、このＮＨ₃ガス由来の活性
種をＳｉＨ₄ガスと共にシリコンウェハＷ上に供給して
シリコン窒化膜を形成するので、シリコンウェハＷの加
熱温度（成膜温度）をＮＨ₃の分解温度以上にする必要
がない。よって、従来のＮＨ₃ガスとＳｉＨ₄ガスとを共
にガスの状態でシリコンウェハＷ上に供給して熱ＣＶＤ
法でシリコン窒化膜を成膜するのに比して、成膜温度を
格段に低下させることができる。

【００４９】したがって、シリコンウェハＷの基層や所
定の層がドーパントを含む場合に、それらの拡散を十分
に抑制でき、ひいては最終的に製造される半導体デバイ
スの特性劣化を防止できる。また、シリコンウェハＷへ
印加される熱履歴を格段に軽減できるので、シリコンウ
ェハＷの形状変化の発生を抑止できる。これは、シリコ
ンウェハＷの大口径化に際して極めて好都合である。さ
らに、成膜温度を低下させることができるので、シリコ
ン窒化膜が多孔質（ポーラス）状の膜となることを防止
でき、良好な機能を発現できる機能膜としてのシリコン
窒化膜を確実に形成できる。その結果、歩留まりの低下
を防止して生産性の悪化を抑制できる。

【００５０】またさらに、ＮＨ₃ガス由来の活性種とＳ
ｉＨ₄ガスとの反応によってアイマーの生成が抑えられ
ので、ＳｉＨ₄ガスが過剰に消費されることを防止で
き、反応ガスの枯渇状態を解消できる。よって、シリコ
ン窒化膜の成膜反応が、供給律速状態から反応律速状態
へ傾倒するので、ＳｉＨ₄ガス等の原料ガスの供給流速
を過度に高めなくても成膜速度のマイクロローディング
を改善できる。また、アイマーの生成が抑えられるだけ
でなく、Ｓｉ原子とＮ原子を含む中間体（アミノ中間体
等）の生成が促進される。このアミノ中間体等は、シリ
コンウェハＷ上でのマイグレーション、更にはシリコン
ウェハＷ上への定着性又は被着性に優れるので、成膜速
度のマイクロローディングを一層改善できる。

【００５１】さらにまた、ＳｉＨ₄ガスの過剰消費によ
る枯渇を防止できること、及び、原料ガスの供給流速
（すなわち供給量）を小さくできることにより、原料ガ
スの使用量を低減できる。よって、材料コストを軽減し
て経済性を向上できる。また、ＮＨ₃ガスを活性種供給
用の原料ガスとして用いても、得られるシリコン窒化膜
中の水素濃度の上昇を十分に抑制できる。よって、水素
濃度の増大によるシリコン窒化膜の膜質の低下、ピンホ
ールやクラックの発生、残留応力の悪化等のおそれを防
止できる。

【００５２】さらに、ＮＨ₃ガスの分解・解離をマイク
ロ波放電で生起されるプラズマによって行うので、低圧
化を達成しつつ放電効率及び活性種密度がより高められ
る。よって、エネルギー使用量の低減による経済性の向
上、及び、成膜効率の増大による生産性の向上を図るこ
とができる。またさらに、シリコンウェハＷ上に供給さ
れるラジカル（中性活性種）の割合がイオン性活性種や
電子に比して高められるので、シリコンウェハＷ上に形
成された膜の損耗（エッチング）を十分に防止できる。
これにより、シリコン窒化膜の薄膜化に極めて好適であ
る。また、チャンバ２内の部材の損耗をも抑制できる利
点がある。

【００５３】加えて、本発明によれば、上述の如く成膜
時の低温化を達成でき、具体的にはＮＨ₃ガスの熱分解
温度未満とすることができる。また、より好ましくは成
膜温度を７５０℃以下、更に好ましくは６００〜７００
℃の範囲内の温度とした場合には、シリコンウェハＷの
熱負荷を更に十分に低減できる。また、ＳｉＨ₄ガスの
熱分解が過度に進行することを十分に防止できる。よっ
て、アイマーの生成を一層抑制してマイクロローディン
グを更に改善できると共に、生産性及び経済性をより向
上できる。さらに、シリコン窒化膜におけるストイキオ
メトリーを向上して所望の膜質を有するシリコン窒化膜
を得易くなり、或いは、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実現でき、
半導体装置製造における寄生容量の低減を図り得る。

【００５４】ここで、図３（Ａ）及び（Ｂ）は、ウェハ
上にシリコン窒化膜を形成したときの成膜特性（膜厚の
面内分布）を等高線（等厚線）で示す図である。図３
（Ａ）は、以下の条件下、ＲＰ方式によって活性化した
ＮＨ₃ガスを使用する本発明を適用して成膜を行った結
果の一例を示す。・ＮＨ₃流量：６６ｓｃｃｍ（ＲＰ）＋２０００ｓｃｃ
ｍ・ＲＰ出力：３０００Ｗ・Ａｒ流量：３０００ｓｃｃｍ・ＳｉＨ₄流量：１０ｓｃｃｍ・チャンバ内圧：５０Ｔｏｒｒ・成膜温度（ヒーター温度）：７００℃ ・シャワーヘッド／ウェハ間隔：５５０ｍｉｌｓ・成膜時間：６０ｓｅｃ

【００５５】一方、図３（Ｂ）は、ＲＰ方式によって活
性化したＮＨ₃ガスの供給を行わずＮＨ₃流量を２０００
ｓｃｃｍとしたこと（よって、ＲＰ出力は０Ｗ）以外
は、図３（Ａ）における上記条件と同様にして成膜を行
った一例を示す。

【００５６】両図において、"＋"は膜厚の平均値より厚
いことを意味し、"−"は膜厚の平均値より薄いことを意
味する。尚、両図の平均膜厚は略同じである。また、等
高線の１目盛りの間隔は２Åである。これらの比較よ
り、ＲＰによって活性化させたＮＨ₃ガスを供給するこ
とにより、ウェハ中央部の膜厚が増大しており、成膜速
度の向上が認められた。なお、膜厚増加が中央部に偏っ
た結果となっているが、これは、ＮＨ₃ガス由来の活性
種のウェハ側への流出条件が十分に最適化されていなか
ったためと推測される。

【００５７】図２は、本発明による気相堆積装置の好適
な他の実施形態を模式的に示す構成図（一部断面図）で
ある。ＣＶＤ装置２０（気相堆積装置）は、活性種生成
部６０の代りにプラズマ形成部２１を備えること以外は
図１に示すＣＶＤ装置１と同様に構成されたものであ
る。このプラズマ形成部２１は、配管１３の一部の周囲
に配置されており、図示しないインピーダンス整合器を
介して高周波電源２３へ接続されている。また、プラズ
マ形成部２１内には、配管１３の周囲を捲回する誘導結
合型（インダクションカップリング）の高周波コイル
（図示せず）が設けられている。このようにプラズマ形
成部２１と高周波電源２３とから活性種生成部が構成さ
れている。

【００５８】このような構成を有するＣＶＤ装置２０に
おいては、ＮＨ₃ガス及びキャリアガスが配管１３を通
してプラズマ形成部２１へ導入される。このとき、プラ
ズマ形成部２１内には、高周波電源２３からの電力供給
によって放電が生起されプラズマが形成される。これに
より、ＮＨ₃ガスが分解・解離されて活性種が生じ（活
性種生成工程）、活性種を含む反応ガスが配管１３を通
してガス混合器１２に供給される。一方、ＳｉＨ₄ガス
及びキャリアガスが、ガス供給系３０からガス混合器１
２内に供給され、ＮＨ₃ガス由来の活性種と混合され
る。この混合ガスは、シャワーヘッド４を通してシリコ
ンウェハＷ上へ供給され（ガス供給工程）、熱化学反応
によってシリコンウェハＷ上にシリコン窒化膜が形成さ
れる。

【００５９】このようなＣＶＤ装置２０及びそれを用い
た本発明の気相堆積方法によっても、シリコン窒化膜を
成膜する際の低温化、成膜速度の高速化、マイクロロー
ディングの改善を有効に実現できる。なお、主な作用に
ついては、先述したＣＶＤ装置１によって奏される作用
と同等であるので、ここでの説明は省略する。

【００６０】なお、上述した各実施形態においては、第
２のガスはＳｉＨ₄ガスに限られず、例えば、ジシラン
（Ｓｉ₂Ｈ₆）ガス、ＳｉＣｌ₂Ｈ₂ガス等の他のシラン系
ガス、メチルアルミ等の有機金属ガス、又は、塩化タン
タル等の金属ハロゲン化物ガスを用いてもよい。これら
の場合、シリコン窒化膜の他に、窒化アルミ膜等の金属
窒化物膜、窒化タンタル等の金属窒化物膜を得ることが
できる。また、マイクロ波放電、又は容量結合型の高周
波放電の代りに、他の放電形態、つまり、直流放電、容
量結合型の高周波放電、マイクロ波放電、ＥＣＲ放電等
を適用しても構わない。さらに、キャリアガスのガス供
給源３４，４２は、必ずしも必要ではない。

【００６１】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明による気相堆
積方法及びその装置によれば、原料ガスであるＮＨ₃ガ
スを分解・解離して活性種として基体上に供給するの
で、ＣＶＤ法によって窒化膜等の窒素原子を含む膜を基
体上に形成する際に、成膜温度の低下と成膜速度の両方
を達成できる。しかも、成膜速度が不均一となること
（マイクロローディング）を十分に防止しつつ良好な膜
特性を有する膜を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による気相堆積装置の好適な一実施形態
を模式的に示す構成図（一部断面図）である。

【図２】本発明による気相堆積装置の好適な他の実施形
態を模式的に示す構成図（一部断面図）である。

【図３】図３（Ａ）及び（Ｂ）は、ウェハ上にシリコン
窒化膜を形成したときの成膜特性（膜厚の面内分布）を
等高線（等厚線）で示す図である。

【符号の説明】

１，２０…ＣＶＤ装置（気相堆積装置）、２…チャン
バ、４…シャワーヘッド、５…サセプタ、１２…ガス混
合器、２１…プラズマ形成部（活性種生成部）、２３…
高周波電源（活性種生成部）、３０，４０…ガス供給系
（ガス供給部）、３２…ガス供給源（第２のガス供給
源）、４１…ガス供給源（第１のガス供給源）、５１…
ヒーター（基体加熱部）、６０…活性種生成部、６１…
アプリケータ、Ｗ…シリコンウェハ（基体）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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Ｆターム(参考） 5F045 AA09 AB33 AC01 AC05 AC12 AC16 AC17 AD10 AE23 AF03 BB09 DP03 DQ10 EE06 EH14

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素
原子を含む膜を形成する気相堆積方法であって、アンモニアガスを含有して成る第１のガスにエネルギー
を付与して該アンモニアガス由来の活性種を生成せしめ
る活性種生成工程と、前記活性種、及び該活性種と反応し得る第２のガスを前
記基体上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気相堆積方法。
【請求項２】前記活性種生成工程においては、放電に
より前記アンモニアガス由来の活性種を生成せしめる、
ことを特徴とする請求項１記載の気相堆積方法。
【請求項３】前記活性種生成工程においては、前記第
１のガスにマイクロ波を照射することにより前記放電を
生起させる、ことを特徴とする請求項２記載の気相堆積
方法。
【請求項４】前記活性種生成工程においては、前記第
１のガスに高周波を印加することにより前記放電を生起
させる、ことを特徴とする請求項２記載の気相堆積方
法。
【請求項５】前記ガス供給工程においては、前記第２
のガスとして、シラン系ガス、有機金属ガス、又は、金
属ハロゲン化物ガスを含有して成るガスを用いる、こと
を特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の気相
堆積方法。
【請求項６】前記基体加熱工程においては、前記基体
を７５０℃以下の温度に加熱する、ことを特徴とする請
求項１〜５のいずれか一項に記載の気相堆積方法。
【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気相堆積装置であって、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、該チャンバ内にアンモ
ニアガス由来の活性種、及び該活性種と反応し得る第２
のガスを供給するガス供給部と、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気相堆積装置。
【請求項８】前記ガス供給部が、アンモニアガスを含有して成る第１のガスが供給され、
該第１のガスにエネルギーを付与するエネルギー付与手
段が結合されており、該アンモニアガス由来の活性種が
生成される活性種生成部と、前記活性種生成部に接続されており前記第１のガスを含
む第１のガス供給源と、前記第２のガスを含む第２のガス供給源と、を有するも
のである、ことを特徴とする請求項７記載の気相堆積装
置。
【請求項９】前記エネルギー付与手段が前記第１のガ
スにマイクロ波を照射するものである、ことを特徴とす
る請求項７又は８に記載の気相堆積装置。
【請求項１０】前記エネルギー付与手段が前記第１の
ガスに高周波を印加するものである、ことを特徴とする
請求項７又は８に記載の気相堆積装置。
【請求項１１】前記第２のガス供給源が、前記第２の
ガスとして、シラン系ガス、有機金属ガス、又は、金属
ハロゲン化物ガスを含有して成るガスを含むものであ
る、ことを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項に
記載の気相堆積装置。