JP2003243387A - シリコンウェハの窒化方法および窒化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡便な方法および簡素な構成で、シリコンウ
ェハにダメージを与えることがなく、大きな面積のシリ
コンウェハにＳｉＮ膜を生成することができる。 【解決手段】 シリコンウェハの窒化装置２１は、シリ
コンウェハ２２を内部空間２３に収容する処理容器２４
と、内部空間２３にＮＨ₃ガスを供給するガス供給手段
２５と、シリコンウェハ２２を加熱する加熱手段２７
と、内部空間２３に向けて紫外線を照射する紫外線照射
手段２８とを含んで構成される。窒化装置２１では、紫
外線の励起エネルギによってＮＨ₃ガスを解離してシリ
コンウェハ２２と反応させ、シリコンウェハ２２の表面
に絶縁膜として使用可能なＳｉＮ膜を生成することがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、集積回路の基板な
どに用いられるシリコンウェハの窒化方法および窒化装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】シリコンウェハは、ＬＳＩ（Large Scal
e Integration）などの半導体集積デバイスの基板とし
て用いられている。前述のようなデバイスに用いられる
シリコンウェハ基板の一形態として、たとえばＭＯＳＦ
ＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Trans
istor）があり、ＭＯＳＦＥＴのゲート部分および素子
分離部などには、絶縁膜の形成を必要とする。従来この
ような絶縁膜には、シリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）が多用
されている。一般的にＳｉＯ₂膜は、シリコンウェハを
熱酸化して形成される。シリコンウェハが熱酸化される
とき、熱酸化処理に伴いＳｉＯ₂膜はシリコンウェハ内
部にも成長するので、シリコンウェハの初期表面が若干
汚染されているような場合であっても、ＳｉＯ₂膜のシ
リコンウェハ内部への成長によって形成されるＳｉＯ₂
膜とシリコンとの界面の清浄性が保たれるという利点
が、ＳｉＯ₂膜多用の理由の一つである。

【０００３】しかしながら、ＳｉＯ₂膜は、以下に説明
する絶縁膜に求められる電子的性質を必ずしも充分に満
足するものではない。

【０００４】絶縁膜に求められる電子的性質とは、
（１）体積抵抗率が高いこと、（２）界面準位が小さい
こと、（３）固定電荷密度（トラップ密度）が小さいこ
と、（４）不純物の拡散を防止できることなどである。
すなわち、絶縁性能に優れ、正または負の電荷を捕捉し
にくくデバイスの増幅率に優れ、不純物の拡散を防止し
半導体性能の劣化を来さないという性質が求められる。

【０００５】ＳｉＯ₂膜は、緻密性に劣るので、異種材
料を積層したとき、異種材料の構成元素が不純物として
膜中を拡散し易く、不純物が基板内に侵入して半導体性
能を阻害する。また、ＳｉＯ₂膜は誘電率が４．０程度
であるので、たとえば前述したＭＯＳＦＥＴの絶縁膜と
してＳｉＯ₂膜を使用した場合、ＭＯＳＦＥＴのゲート
容量が小さくなるという問題がある。

【０００６】絶縁膜素材は、前述したような酸化物に限
定されるものではなく、窒化物によっても実現可能と考
えられる。たとえばシリコンを窒化して得られるシリコ
ン窒化膜（ＳｉＮ膜）は、緻密性に優れ不純物元素の拡
散防止性能が高いので、異種材料を積層しても異種材料
の構成元素が基板へ拡散侵入することを防止できる。ま
たＳｉＮ膜は、誘電率が７．５程度と高いので、たとえ
ば前述したＭＯＳＦＥＴの絶縁膜としてＳｉＮ膜を使用
した場合、ＭＯＳＦＥＴのゲート容量が大きくなり、電
気駆動力を大きくできるという利点がある。このような
ことから、ＳｉＮ膜が絶縁膜素材として注目されてい
る。

【０００７】ＳｉＮ膜をシリコンウェハの表面に成膜す
る技術として、たとえばアンモニアガス（ＮＨ₃）とモ
ノシランガス（ＳｉＨ₄）とを用いて熱化学気相成長
（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）させる方法、
またアンモニアガスとジクロルシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）
とを用いて熱ＣＶＤさせる方法などが知られている。し
かしながら熱ＣＶＤ法は、ＳｉＮ膜を成膜させるための
処理に長時間を要するという問題がある。このような問
題に対応する他の先行技術としてプラズマ窒化による成
膜方法がある。

【０００８】図８は従来技術であるプラズマ窒化法に用
いられるプラズマ窒化装置１の構成を簡略化して示す系
統図であり、図９は図８に示すプラズマ窒化装置による
プラズマ窒化法の概要を示す図である。

【０００９】プラズマ窒化装置１は、気密性を備える容
器２と、容器２内に対向して設けられる１対の電極３
ａ，３ｂと、電極３ａ，３ｂに高周波電界を付与する高
周波電源４と、１対の電極の一方３ａに載置されるシリ
コンウェハ５を加熱する加熱手段６と、前記容器２に接
続され容器２の内部空間７を低圧雰囲気にする真空ポン
プ８と、容器２の内部空間７に置換ガスである窒素ガス
（Ｎ₂）を供給する置換ガス供給手段９と、シリコンウ
ェハ５と反応させるガスであるアンモニアガス（Ｎ
Ｈ₃）を供給する反応ガス供給手段１０とを含んで構成
される。なおシリコンウェハ５と反応させるガスにはＮ
₂ガスが用いられても良く、また置換ガスにはＮ₂ガスに
代えてアルゴンガス（Ａｒ）が用いられても良い。

【００１０】図８および図９を参照して従来のプラズマ
窒化法の概要を以下に説明する。まず容器２内の一方の
電極３ａにシリコンウェハ５が載置された状態で、真空
ポンプ８によって、容器２の内部空間７を排気し、おお
よそ１０Ｔｏｒｒ程度の低圧雰囲気とする。

【００１１】置換ガス供給手段９は、Ｎ₂ガスを貯留す
るＮ₂ガス供給源１１と、Ｎ₂ガス供給源１１から供給さ
れるＮ₂ガスの圧力を調整する圧力調整弁１２と、Ｎ₂ガ
スの流量を調整する流量調整弁１３とを含み、反応ガス
供給手段１０は、ＮＨ₃ガスを貯留する反応ガス供給源
１４と、反応ガス供給源１４から供給されるＮＨ₃ガス
の圧力を調整する圧力調整弁１５と、ＮＨ₃ガスの流量
を調整する流量調整弁１６とを含んで構成される。また
加熱手段６は、一方の電極３ａに接して設けられるヒー
タ１７と、ヒータ１７に電力供給するとともにＯＮ−Ｏ
ＦＦ制御を行う制御電源１８とを含む。

【００１２】真空ポンプ８によって低圧雰囲気とされた
内部空間７に置換ガス供給手段９から圧力および流量の
調整されたＮ₂ガスが内部空間７に供給され、次いで真
空ポンプ８によるＮ₂ガスの排気が行われる。このＮ₂ガ
スの供給と真空ポンプによる排気とを所定回数繰返し、
容器２内の大気成分がＮ₂ガスに置換された後、反応ガ
ス供給手段１０から圧力および流量の調整されたＮＨ₃
ガスが内部空間７に供給される。

【００１３】ＮＨ₃ガスが内部空間７に供給されている
状態で、ヒータ１７に通電し一方の電極３ａを介してシ
リコンウェハ５を加熱する。さらに高周波電源４によっ
て電極３ａ，３ｂ間に電界を掛けてＮＨ₃ガスをイオン
と電子とに解離させ、いわゆるプラズマ１９を発生させ
る。プラズマ状態にあるイオンＮＨｘ⁺（ｘ：０〜
３），Ｈ⁺および中性活性種ＮＨｘ（ｘ：０〜２）とシ
リコンウェハ５とが反応してＳｉとＮＨ₂との結合した
膜が生成される。このうちＨは、経時にともなって膜外
へ拡散放出されてＳｉＮ膜となる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来のプラズ
マ窒化法には、以下のような問題がある。高周波電界の
付与によって発生するプラズマ１９中で励起されるエネ
ルギの範囲が広く、高エネルギ粒子も発生するので、高
エネルギ粒子によるシリコンウェハ５表面へのダメージ
が生じる。またシリコン（Ｓｉ）は、プラズマ中で目的
とする反応以外の多種の反応を生じるので、ＳｉＮ膜の
構造の緻密さを劣化させ所望の絶縁性能を得ることがで
きない恐れがある。

【００１５】また電極３ａ，３ｂ間に高周波電界を付与
するので、電極３ａ，３ｂが消耗し、その電極成分によ
って容器２の内壁がスパッタリングされて汚染される。
また単に電極の面積を大きくするだけでは広範囲に均一
なプラズマを発生させることが困難であるので、大きな
面積のシリコンウェハ表面に成膜することができず、直
径５０ｃｍ程度の大きさが限界である。さらに高周波電
源４およびその付帯設備は、大掛かりかつ高価な設備で
あり、装置の設置容積が広大化し製造コストも高くなる
という問題がある。

【００１６】本発明の目的は、簡便な方法および簡素な
構成で、シリコンウェハにダメージを与えることがな
く、大きな面積のシリコンウェハにＳｉＮ膜を生成する
ことのできるシリコンウェハの窒化方法および窒化装置
を提供することである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
シリコンウェハを処理容器の内部空間に収容し、シリコ
ンウェハが収容されている状態で前記処理容器の内部空
間にアンモニアガス（ＮＨ₃）を導入し、前記シリコン
ウェハを加熱し、前記処理容器の内部空間に向けて紫外
線を照射してシリコンウェハを窒化させることを特徴と
するシリコンウェハの窒化方法である。

【００１８】本発明に従えば、処理容器内を反応ガスで
あるＮＨ₃ガス雰囲気とし、処理容器内に載置されるシ
リコンウェハを所望の温度に加熱した状態で、処理容器
の内部空間に向けて紫外線を照射し、紫外線のエネルギ
によってＮＨ₃ガスをＮＨ₂とＨとに解離させ、解離によ
って生成される中性活性種ＮＨ₂とシリコンウェハとを
反応させて窒化させるという簡便な方法でＳｉＮ膜を生
成することができる。このような紫外線照射によれば、
広範な領域に均質なＮＨ₃ガスの解離状態を発現させる
ことができるので、大きな面積のシリコンウェハ表面を
一度に窒化しＳｉＮ膜を生成することができる。

【００１９】また請求項２記載の発明は、シリコンウェ
ハを処理容器の内部空間に収容し、シリコンウェハが収
容されている状態で前記処理容器の内部空間にヒドラジ
ン（Ｎ₂Ｈ₄）を導入し、前記シリコンウェハを加熱し、
前記処理容器の内部空間に向けて紫外線を照射してシリ
コンウェハを窒化させることを特徴とするシリコンウェ
ハの窒化方法である。

【００２０】本発明に従えば、請求項１記載の発明によ
る効果に加え、Ｎ₂Ｈ₄の解離活性化する紫外線の波長範
囲が広く、照射するべき紫外線の波長選択上の制約が緩
和されるので、一層簡便にシリコンウェハを窒化してＳ
ｉＮ膜を生成することができる。

【００２１】また請求項３記載の発明は、シリコンウェ
ハを処理容器の内部空間に収容し、シリコンウェハが収
容されている状態で前記処理容器の内部空間に有機ヒド
ラジンを導入し、前記シリコンウェハを加熱し、前記処
理容器の内部空間に向けて紫外線を照射してシリコンウ
ェハを窒化させることを特徴とするシリコンウェハの窒
化方法である。

【００２２】また請求項４記載の発明は、前記有機ヒド
ラジンは、モノメチルヒドラジン（ＣＨ₆Ｎ₂）、１，１
−ジメチルヒドラジン（Ｃ₂Ｈ₈Ｎ ₂）および１，２−ジ
メチルヒドラジン（Ｃ₂Ｈ₈Ｎ₂）からなる群より選択さ
れる１または複数であることを特徴とする。

【００２３】本発明に従えば、請求項１記載の発明によ
る効果に加え、有機ヒドラジンの解離活性化する紫外線
の波長範囲が広く、照射するべき紫外線の波長選択上の
制約が緩和されるので、一層簡便にシリコンウェハを窒
化してＳｉＮ膜を生成することができる。

【００２４】また請求項５記載の発明は、前記紫外線
は、波長が３００ｎｍ以下であることを特徴とする。

【００２５】本発明に従えば、窒化反応させるべきガス
を解離活性化させる紫外線の波長が、好適な範囲に選択
されるので、反応ガスの解離が一層活発に行われる。こ
のことによって、シリコンウェハ表面における窒化反応
が促進されるので、効率的なＳｉＮ膜の生成処理が実現
される。

【００２６】また請求項６記載の発明は、シリコンウェ
ハを内部空間に収容する処理容器と、前記処理容器の内
部空間にアンモニアガス（ＮＨ₃）を供給するガス供給
手段と、前記シリコンウェハを加熱する加熱手段と、前
記処理容器の内部空間に向けて紫外線を照射する紫外線
照射手段とを含むことを特徴とするシリコンウェハの窒
化装置である。

【００２７】本発明に従えば、シリコンウェハを内部空
間に収容する処理容器と、処理容器の内部空間にＮＨ₃
ガスを供給するガス供給手段と、シリコンウェハを加熱
する加熱手段と、処理容器の内部空間に向けて紫外線を
照射する紫外線照射手段という簡易な構成によってシリ
コンウェハ表面にＳｉＮ膜を生成することができる。こ
のような紫外線照射手段によれば、広範な領域に均質な
ＮＨ₃ガスの解離状態を発現させることができるので、
大きな面積のシリコンウェハ表面を一度に窒化しＳｉＮ
膜の生成が可能な装置を提供することができる。

【００２８】また請求項７記載の発明は、シリコンウェ
ハを内部空間に収容する処理容器と、前記処理容器の内
部空間にヒドラジン（Ｎ₂Ｈ₄）を供給するガス供給手段
と、前記シリコンウェハを加熱する加熱手段と、前記処
理容器の内部空間に向けて紫外線を照射する紫外線照射
手段とを含むことを特徴とするシリコンウェハの窒化装
置である。

【００２９】本発明に従えば、請求項６記載の発明によ
る効果に加え、Ｎ₂Ｈ₄の解離活性化する紫外線の波長範
囲が広いので、紫外線照射手段の装置構成上の制約が緩
和され、一層簡易な構成の装置でシリコンウェハを窒化
し、ＳｉＮ膜を生成することができる。

【００３０】また請求項８記載の発明は、シリコンウェ
ハを内部空間に収容する処理容器と、前記処理容器の内
部空間に有機ヒドラジンを供給するガス供給手段と、前
記シリコンウェハを加熱する加熱手段と、前記処理容器
の内部空間に向けて紫外線を照射する紫外線照射手段と
を含むことを特徴とするシリコンウェハの窒化装置であ
る。

【００３１】本発明に従えば、請求項６記載の発明によ
る効果に加え、有機ヒドラジンの解離活性化する紫外線
の波長範囲が広いので、紫外線照射手段の装置構成上の
制約が緩和され、一層簡易な構成の装置でシリコンウェ
ハを窒化し、ＳｉＮ膜を生成することができる。

【００３２】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の一形態で
あるシリコンウェハの窒化装置２１の構成を簡略化して
示す図である。シリコンウェハの窒化装置２１（以後、
窒化装置２１と略称する）は、窒化される対象材である
シリコンウェハ２２を内部空間２３に収容する処理容器
２４と、処理容器２４の内部空間２３にアンモニアガス
（ＮＨ ₃）を供給するガス供給手段２５と、処理容器２
４の内部空間２３を減圧する真空ポンプ２６と、シリコ
ンウェハ２２を加熱する加熱手段２７と、処理容器２４
の内部空間２３に向けて紫外線を照射する紫外線照射手
段２８とを含む。

【００３３】処理容器２４は、たとえばステンレス鋼な
どからなる略直方体形状を有する中空の気密性を備える
チャンバーである。処理容器２４の天板２９部分には窓
３０が形成され、窓３０にはたとえばガラスなどの透光
性材料からなる窓封止部材３１が装着される。

【００３４】処理容器２４の一方の側壁３２には、排気
口３３が形成される。排気口３３には排気管路３４が接
続され、排気管路３４の排気口３３と反対側には真空ポ
ンプ２６が接続される。また一方の側壁３２には、反応
ガスであるＮＨ₃ガスを少量ずつ排出する排出口５１が
形成され、排出口５１には流量調整弁５２が接続され
る。処理容器２４の一方の側壁３２に対向する他方の側
壁３５には、ＮＨ₃ガスを処理容器２４の内部空間２３
に供給する供給口３６が形成され、供給口３６にはガス
供給手段２５が接続される。

【００３５】また処理容器２４内には、シリコンウェハ
２２を載置するためのステージ３７が設けられる。ステ
ージ３７は、加熱手段２７からの熱をシリコンウェハ２
２に伝導することができる。なお、図１では省略されて
いるけれども、処理容器２４には、シリコンウェハ２２
を出入させることの可能な開閉自在な扉が設けられる。

【００３６】紫外線照射手段２８は、ブラックライトの
ように紫外線のみを選択照射するものである必要はな
く、一般的に紫外線波長領域とされる３９０ｎｍ以下の
波長の紫外線を含んで照射できるものであれば良く、た
とえば紫外線と可視光とを含んで照射するものであって
も良い。紫外線照射手段２８は、処理容器２４に形成さ
れる窓３０部分の外方に設けられ、透光性材料からなる
窓封止部材３１を介して、処理容器２４の内部空間２３
に向けて紫外線照射可能なように構成される。

【００３７】ガス供給手段２５は、シリコンウェハ２２
との反応ガスであるＮＨ₃ガスを貯留するガス供給源３
８と、ガス供給源３８から処理容器２４に供給されるＮ
Ｈ₃ガスの流路でありガス流方向の下流側で前記供給口
３６に接続される供給管路４１と、ガス供給源３８と処
理容器２４との間の供給管路４１に設けられ、ＮＨ₃ガ
スの圧力を調整する圧力調整弁３９と、流量を調整する
流量調整弁４０とを含んで構成される。

【００３８】加熱手段２７は、ステージ３７の下面側に
接して設けられるヒータ４２と、ヒータ４２に電力を供
給するとともに電力供給のＯＮ−ＯＦＦ制御を行う制御
電源４３とを含む。この加熱手段２７によって、ステー
ジ３７を介してシリコンウェハ２２を所望の温度に加熱
する。制御電源４３は、たとえば予め与えられるプログ
ラムに従い通電時間制御によってシリコンウェハ２２の
温度制御を行う構成であっても良く、またたとえばステ
ージ３７のシリコンウェハ２２が載置される付近に温度
センサを設け、温度センサの検出出力を制御電源４３に
入力してフィードバック制御する構成であっても良い。

【００３９】前述したように構成される窒化装置２１に
よるシリコンウェハ２２の窒化方法について以下に説明
する。図２は、シリコンウェハ２２の窒化の手順を説明
するフローチャートである。

【００４０】ステップａ１のスタートでは、窒化対象材
料であるシリコンウェハ２２が、処理容器２４に適した
大きさに準備されている状態であり、またＮＨ₃ガスは
まだ処理容器２４に供給されていない状態である。ステ
ップａ２では、処理容器２４内のステージ３７上にシリ
コンウェハ２２を載置する。シリコンウェハ２２の処理
容器２４内への収容は、前述した処理容器２４に設けら
れる扉を開閉して行われる。

【００４１】ステップａ３では、真空ポンプ２６によっ
て、処理容器２４の内部空間２３の空気を排気し、内部
空間２３の圧力を低圧にする。ステップａ４では、ガス
供給手段２５から処理容器２４の内部空間２３へＮＨ₃
ガスを供給する。このとき、供給するＮＨ₃ガスの圧力
が、装置周辺の大気圧よりも高くなるように調整する。
圧力調整弁３９に備わる圧力計を注視し、内部空間２３
の圧力がＮＨ₃ガスの調整圧力になった時点において、
排出口５１に接続される流量調整弁５２をわずかに開き
少量のＮＨ₃ガスを排出しながら、かつ常に内部空間２
３が装置周辺大気圧よりも高くなるようにＮＨ₃ガスの
圧力および流量を調整する。

【００４２】ステップａ５では、加熱手段２７によって
シリコンウェハ２２を所望の温度に加熱する。ステップ
ａ６では、紫外線照射手段２８によって紫外線を内部空
間２３に向けて照射する。

【００４３】図３は、紫外線照射によるシリコンウェハ
２２の窒化の概要を示す図である。図３を参照して紫外
線照射によるシリコンウェハ２２の窒化の概要を説明す
る。紫外線照射手段２８によって紫外線が内部空間２３
に照射されると、内部空間２３に存在するＮＨ₃ガスが
紫外線のエネルギによってＮＨ₂とＨとに解離する。解
離によって生成された中性活性種ＮＨ₂は、シリコンウ
ェハ２２の表面においてＳｉと反応しＮＨ₂との結合し
た膜が生成される。このうちＨは、経時にともなって膜
外へ拡散放出されてＳｉＮ膜となる。

【００４４】このような紫外線照射によるシリコンウェ
ハ２２の窒化においては、紫外線の単一励起エネルギを
利用するので、窒化条件の制御が容易になる。また処理
雰囲気中に高エネルギ粒子が存在しないので、シリコン
ウェハ２２にダメージを与えることがなく、さらにスパ
ッタリングが発生しないので、処理容器２４内が汚染さ
れることがない。

【００４５】再び図２に戻って、予め試験等によって求
められた所望の膜厚を得るために必要な時間が経過した
とき、ステップａ７へ進み、紫外線照射およびＮＨ₃ガ
スの供給を停止して、シリコンウェハ２２の窒化処理動
作を終了する。

【００４６】窒化装置２１は、紫外線照射手段に備わる
紫外線照射源を大きくすることによって、または複数の
紫外線照射源を並列して設けることによっても、広範な
領域に比較的均一な紫外線の照射強度を得ることができ
る。したがって、処理容器を大型化してもその内部空間
に反応ガスであるＮＨ₃ガスが、ほぼ均質な解離状態を
呈する領域を発現させることができる。すなわち紫外線
照射手段２８を備える窒化装置２１によれば、１度の機
会で大きな表面積を有するシリコンウェハ２２にＳｉＮ
の成膜処理をすることができる。

【００４７】図４は、本発明の実施の第２の形態である
窒化装置５５の構成を簡略化して示す図である。本実施
の形態の窒化装置５５は、実施の第１形態の窒化装置２
１と類似し、対応する部分については同一の参照符号を
付して説明を省略する。窒化装置５５において注目すべ
きは、シリコンウェハ２２との反応にヒドラジン（Ｎ ₂
Ｈ₄）を用いることである。したがって、窒化装置５５
のガス供給源５７には、Ｎ₂Ｈ₄が貯留される。

【００４８】さらに窒化装置５５に備わるガス供給手段
５６には、実施の第１形態のガス供給手段２５の構成に
加えて、キャリアガスであるアルゴンガス（Ａｒ）を貯
留するキャリアガス供給源５８と、キャリアガス供給源
５８からＮ₂Ｈ₄が貯留されるガス供給源５７に供給され
るＡｒガスの流路でありガス流方向下流側でガス供給源
５７に接続されるキャリアガス供給管路５９と、キャリ
アガス供給源５８とガス供給源５７との間のキャリアガ
ス供給管路５９に設けられ、Ａｒガスの圧力を調整する
圧力調整弁６０と、流量を調整する流量調整弁６１とを
含む。

【００４９】ガス供給源５７に接続されるキャリアガス
供給管路５９の先端部は、貯留容器であるガス供給源５
７の容器底面付近まで延び、ガス供給源５７にＮ₂Ｈ₄が
貯留されるとき、液状のＮ₂Ｈ₄に没するように構成され
る。

【００５０】このことによって、Ａｒガスをガス供給源
５７に貯留される液状のＮ₂Ｈ₄中に送給し、Ｎ₂Ｈ₄をＡ
ｒガスでバブリングして気化させることができる。この
ようにして気化されたＮ₂Ｈ₄は、キャリアガスであるＡ
ｒガスとともに供給管路４１を流過して処理容器２４の
内部空間２３に供給される。このときキャリアガスの圧
力および流量を調整することによって、処理容器２４内
の雰囲気圧力が減圧または常圧などのいずれであっても
シリコンウェハ２２との反応系を構成することができ
る。

【００５１】なお、Ｎ₂Ｈ₄の気化は、本実施の形態に示
すようなキャリアガスによるバブリングに限定されるも
のではなく、ガス供給手段および処理容器などをＮ₂Ｈ₄
の沸点以上の温度に保持することによっても実現でき
る。窒化装置５５のその他の各部については、実施の第
１形態の窒化装置２１と構成を同じくするので説明を省
略する。

【００５２】Ｎ₂Ｈ₄を用いたシリコンウェハ２２の窒化
の手順は、先の図２に示すフローチャートのステップａ
４において、ＮＨ₃ガスを処理容器内に供給することに
代えて気化されたＮ₂Ｈ₄を処理容器２４内へ供給する点
が異なるのみであるので説明を省略する。

【００５３】図５は、本発明の実施の第３の形態である
窒化装置６５の構成を簡略化して示す図である。本実施
の形態の窒化装置６５は、実施の第２形態の窒化装置５
５と類似し、対応する部分については同一の参照符号を
付して説明を省略する。窒化装置６５において注目すべ
きは、シリコンウェハ２２との反応に有機ヒドラジンを
用いることである。したがって、ガス供給源５７には、
有機ヒドラジンであるモノメチルヒドラジン（ＣＨ
₆Ｎ₂）、１，１−ジメチルヒドラジン（Ｃ₂Ｈ₈Ｎ₂）お
よび１，２−ジメチルヒドラジン（Ｃ₂Ｈ₈Ｎ₂）からな
る群より選択される１または複数が貯留され、ガス供給
手段５６によって有機ヒドラジンが、処理容器２４の内
部空間２３に供給される。窒化装置６５のその他の各部
については、実施の第２形態の窒化装置５５と構成を同
じくするので説明を省略する。

【００５４】また有機ヒドラジンを用いたシリコンウェ
ハ２２の窒化の手順は、先の図２に示すフローチャート
のステップａ４において、ＮＨ₃ガスを処理容器内に供
給することに代えて有機ヒドラジンを処理容器２４内へ
供給する点が異なるのみであるので説明を省略する。

【００５５】（実施例）以下に本発明の実施例を説明す
る。窒化装置２１を準備し、直径：７．６ｃｍ、厚み：
０．３ｍｍの寸法を有するシリコンウェハにＳｉＮ成膜
処理を行った。反応ガスその他の成膜処理に使用した条
件を表１に示す。

【００５６】

【表１】

【００５７】紫外線の照射時間を変化させてシリコンウ
ェハ表面にＳｉＮ成膜処理を行い、ＳｉＮ膜生成の有無
およびその膜厚を、ＸＰＳ（X-ray PhotoelectoronSpec
troscopy）によって測定した。なお、ＸＰＳにより測定
した膜厚は、絶縁膜の厚みの表示に広く用いられている
エリプソメトリによる膜厚に換算した。

【００５８】図６はＳｉＮ成膜処理後のＸＰＳによるシ
リコンウェハ表面の元素の結合状態の分析結果を示す図
であり、図７はＸＰＳによるＳｉＮ膜の膜厚測定結果を
示す図である。図６では、横軸に結合エネルギ、縦軸に
光電子検出強度を採り分析結果を示す。図６中のライン
６６がＸＰＳによる分析結果であり、ライン６６は、Ｓ
ｉＮの結合エネルギである１０３ｅＶに明瞭なピーク波
形を呈する。このことからシリコンウェハには、ＳｉＮ
膜の生成されていることが確認できた。

【００５９】図７では、横軸に処理時間、縦軸に膜厚を
採り膜厚測定結果を示す。図６中、黒丸印は、シリコン
ウェハを６００℃に加熱して成膜処理した場合の膜厚測
定結果を示し、黒三角印は、シリコンウェハを４００℃
に加熱して成膜処理した場合の膜厚測定結果を示す。

【００６０】シリコンウェハを６００℃に加熱して成膜
処理した場合、処理時間を３０ｍｉｎ以上にすることに
よって、エリプソメトリ換算膜厚で約５０Åの厚みのＳ
ｉＮ膜が生成された。ＳｉＮ膜厚は、処理時間が３０ｍ
ｉｎ以上では飽和し、処理時間を増加しても得られる厚
みは、エリプソメトリ換算膜厚で約５０Åとほぼ一定で
あった。またシリコンウェハを４００℃に加熱して成膜
処理した場合、処理時間を２００ｍｉｎ以上にすること
によって、エリプソメトリ換算膜厚で約４０Åの厚みの
ＳｉＮ膜が生成された。シリコンウェハの加熱温度が４
００℃の場合、６００℃の場合に比べて得られるＳｉＮ
膜厚は若干薄いけれども、約４０Åの厚みは絶縁膜とし
て使用するには充分な厚みである。

【００６１】このように窒化装置２１を用いたシリコン
ウェハの窒化方法によって、シリコンウェハの表面に絶
縁膜として使用できる充分な厚みを有するＳｉＮ膜を生
成することができた。

【００６２】以上に述べたように、本実施の形態では、
紫外線照射手段２８は、処理容器２４の外方に設けら
れ、窓封止部材３１を介して処理容器２４の内部空間２
３に紫外線を照射するように構成されるけれども、これ
に限定されることなく、紫外線照射手段が処理容器の内
方に設けられ、処理容器には窓が形成されず内部空間に
紫外線を直接照射する構成であっても良い。

【００６３】また窒化装置２１，５５，６５は、反応ガ
スを処理容器２４から少量ずつ排出しながらシリコンウ
ェハ２２の窒化処理を行うように構成されるけれども、
これに限定されることなく、反応ガスを処理容器の内部
空間に封じ切りで窒化処理を行うように構成されても良
く、また循環手段が設けられて反応ガスを循環使用する
ように構成されても良い。このように反応ガスを封じ切
りまたは循環使用するときは、反応ガスの使用圧力を装
置周辺大気圧よりも高くする必要はなく、反応ガスによ
る低圧雰囲気下で窒化処理されても良い。

【００６４】

【発明の効果】本発明によれば、処理容器内を反応ガス
であるＮＨ₃ガス雰囲気とし、処理容器内に載置される
シリコンウェハを所望の温度に加熱した状態で、処理容
器の内部空間に向けて紫外線を照射し、紫外線のエネル
ギによってＮＨ₃ガスをＮＨ₂とＨとに解離させ、解離に
よって生成される中性活性種ＮＨ₂とシリコンウェハと
を反応させて窒化させるという簡便な方法でＳｉＮ膜を
生成することができる。このような紫外線照射によれ
ば、広範な領域に均質なＮＨ₃ガスの解離状態を発現さ
せることができるので、大きな面積のシリコンウェハ表
面を一度に窒化しＳｉＮ膜を生成することができる。

【００６５】またシリコンウェハとの反応にＮ₂Ｈ₄を用
いる本発明によれば、前述した効果に加え、Ｎ₂Ｈ₄が解
離活性化する紫外線の波長範囲が広く、照射するべき紫
外線の波長選択上の制約が緩和されるので、一層簡便に
シリコンウェハを窒化してＳｉＮ膜を生成することがで
きる。

【００６６】またシリコンウェハとの反応に有機ヒドラ
ジンを用いる本発明によれば、前述した効果に加え、有
機ヒドラジンが解離活性化する紫外線の波長範囲が広
く、照射するべき紫外線の波長選択上の制約が緩和され
るので、一層簡便にシリコンウェハを窒化してＳｉＮ膜
を生成することができる。

【００６７】また本発明によれば、窒化反応させるべき
ガスを解離活性化させる紫外線の波長が、好適な範囲に
選択されるので、反応ガスの解離が一層活発に行われ
る。このことによって、シリコンウェハ表面における窒
化反応が促進されるので、効率的なＳｉＮ膜の生成処理
が実現される。

【００６８】また本発明によれば、シリコンウェハを内
部空間に収容する処理容器と、処理容器の内部空間にＮ
Ｈ₃ガスを供給するガス供給手段と、シリコンウェハを
加熱する加熱手段と、処理容器の内部空間に向けて紫外
線を照射する紫外線照射手段という簡易な構成によって
シリコンウェハ表面にＳｉＮ膜を生成することができ
る。このような紫外線照射手段によれば、広範な領域に
均質なＮＨ₃ガスの解離状態を発現させることができる
ので、大きな面積のシリコンウェハ表面を一度に窒化し
ＳｉＮ膜の生成が可能な装置を提供することができる。

【００６９】またガス供給手段によりＮ₂Ｈ₄が供給され
る本発明によれば、前述した効果に加え、Ｎ₂Ｈ₄の解離
活性化する紫外線の波長範囲が広いので、紫外線照射手
段の装置構成上の制約が緩和され、一層簡易な構成の装
置でシリコンウェハを窒化し、ＳｉＮ膜を生成すること
ができる。

【００７０】またガス供給手段により有機ヒドラジンが
供給される本発明によれば、前述した効果に加え、有機
ヒドラジンの解離活性化する紫外線の波長範囲が広いの
で、紫外線照射手段の装置構成上の制約が緩和され、一
層簡易な構成の装置でシリコンウェハを窒化し、ＳｉＮ
膜を生成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態であるシリコンウェハの
窒化装置２１の構成を簡略化して示す図である。

【図２】シリコンウェハ２２の窒化の手順を説明するフ
ローチャートである。

【図３】紫外線照射によるシリコンウェハ２２の窒化の
概要を示す図である。

【図４】本発明の実施の第２の形態である窒化装置５５
の構成を簡略化して示す図である。

【図５】本発明の実施の第３の形態である窒化装置６５
の構成を簡略化して示す図である。

【図６】ＳｉＮ成膜処理後のＸＰＳによるシリコンウェ
ハ表面の元素の結合状態の分析結果を示す図である。

【図７】ＸＰＳによるＳｉＮ膜の膜厚測定結果を示す図
である。

【図８】従来技術であるプラズマ窒化法に用いられるプ
ラズマ窒化装置１の構成を簡略化して示す系統図であ
る。

【図９】図８に示すプラズマ窒化装置１によるプラズマ
窒化法の概要を示す図である。

【符号の説明】

２１，５５，６５ 窒化装置 ２２ シリコンウェハ ２３ 内部空間 ２４ 処理容器 ２５，５６ ガス供給手段 ２６ 真空ポンプ ２７ 加熱手段 ２８ 紫外線照射手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 棚田 裕介 京都府京都市左京区松ヶ崎御所海道町 京 都工芸繊維大学内 Ｆターム(参考） 5F058 BC08 BF64 BF78 BG01 BG02 BG03 BG10

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコンウェハを処理容器の内部空間に
   収容し、 前記シリコンウェハが収容される前記処理容器の内部空
   間にアンモニアガス（ＮＨ₃）を導入し、 前記シリコンウェハを加熱し、 前記処理容器の内部空間に向けて紫外線を照射してシリ
   コンウェハを窒化させることを特徴とするシリコンウェ
   ハの窒化方法。
2. 【請求項２】 シリコンウェハを処理容器の内部空間に
   収容し、 シリコンウェハが収容されている状態で前記処理容器の
   内部空間にヒドラジン（Ｎ₂Ｈ₄）を導入し、 前記シリコンウェハを加熱し、 前記処理容器の内部空間に向けて紫外線を照射してシリ
   コンウェハを窒化させることを特徴とするシリコンウェ
   ハの窒化方法。
3. 【請求項３】 シリコンウェハを処理容器の内部空間に
   収容し、 シリコンウェハが収容されている状態で前記処理容器の
   内部空間に有機ヒドラジンを導入し、 前記シリコンウェハを加熱し、 前記処理容器の内部空間に向けて紫外線を照射してシリ
   コンウェハを窒化させることを特徴とするシリコンウェ
   ハの窒化方法。
4. 【請求項４】 前記有機ヒドラジンは、 モノメチルヒドラジン（ＣＨ₆Ｎ₂）、１，１−ジメチル
   ヒドラジン（Ｃ₂Ｈ₈Ｎ ₂）および１，２−ジメチルヒド
   ラジン（Ｃ₂Ｈ₈Ｎ₂）からなる群より選択される１また
   は複数であることを特徴とする請求項３記載のシリコン
   ウェハの窒化方法。
5. 【請求項５】 前記紫外線は、 波長が３００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１
   〜４のいずれかに記載のシリコンウェハの窒化方法。
6. 【請求項６】 シリコンウェハを内部空間に収容する処
   理容器と、 前記処理容器の内部空間にアンモニアガス（ＮＨ₃）を
   供給するガス供給手段と、 前記シリコンウェハを加熱する加熱手段と、 前記処理容器の内部空間に向けて紫外線を照射する紫外
   線照射手段とを含むことを特徴とするシリコンウェハの
   窒化装置。
7. 【請求項７】 シリコンウェハを内部空間に収容する処
   理容器と、 前記処理容器の内部空間にヒドラジン（Ｎ₂Ｈ₄）を供給
   するガス供給手段と、 前記シリコンウェハを加熱する加熱手段と、 前記処理容器の内部空間に向けて紫外線を照射する紫外
   線照射手段とを含むことを特徴とするシリコンウェハの
   窒化装置。
8. 【請求項８】 シリコンウェハを内部空間に収容する処
   理容器と、 前記処理容器の内部空間に有機ヒドラジンを供給するガ
   ス供給手段と、 前記シリコンウェハを加熱する加熱手段と、 前記処理容器の内部空間に向けて紫外線を照射する紫外
   線照射手段とを含むことを特徴とするシリコンウェハの
   窒化装置。