JP2006511087A - 高品位低温窒化シリコン層を形成する方法および装置 - Google Patents

高品位低温窒化シリコン層を形成する方法および装置 Download PDF

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Abstract

窒化シリコン層を形成する方法が記載されている。この発明によれば、窒化シリコン層を形成するために、低い堆積温度（例えば、５５０℃未満）でシリコン／窒素含有原料ガスまたはシリコン含有原料ガスおよび窒素含有原料ガスを熱分解することによって、窒化シリコン層が堆積される。熱的に堆積された窒化シリコン層は次いで、処理済み窒化シリコン層を形成するために水素基で処理される。

Description

発明の背景
発明の分野
[0001]この発明は、薄層形成の分野に関するものであり、更に詳しくは窒化シリコン層を形成する方法および装置に関するものである。
関連技術の検討
[0002]今日の集積回路は、機能回路の中へ一緒に集積された、文字どおり何百万のトランジスターから作り上げられている。集積回路の計算能力または記憶性能を更に高めるために、ゲート長さおよびゲート酸化物厚さのようなトランジスターの形態寸法を更に縮小しなければならない。都合の悪いことに、トランジスターのゲート長さが継続的に縮小されると、トランジスターの電気的特性および電気的性能は、素子におけるドーパントの熱的再分布のために大きく変化することがある。このように、素子が更に縮小されると、集積回路を製造するために使用された熱量、すなわち個々の処理入力または堆積からの累積的熱入力および処理温度は、一貫性があり信頼度の高い素子の電気的性能を保証するために、減少しなければならない。更に、半導体デバイスを更に縮小するためには、素子を作るために使用される薄層は高い組成均一性および厚さ均一性で形成することができるものでなければならない。
[0003]トランジスターの形成に使用される１つの材料は窒化シリコンである。窒化シリコンの薄層は、半導体製造法では、従来、熱的化学気相成長法（ＣＶＤ）によって堆積される。例えば、窒化シリコンの層は、スペーサー層、エッチング停止層、ならびにキャパシターおよび層間絶縁膜として使用される。しかしながら、熱的化学気相成長法を利用する枚葉式反応炉の中で高品位窒化シリコン層を形成する現在の技術は、７５０℃よりも高い高堆積温度が必要であり、かつ／または、低温で低下した堆積速度があり、かつ、トランジスター製造について窒化シリコンの相当な堆積がないことになる。
[0004]加えて、窒化シリコン層が現行のプロセスおよび前駆体により低い温度でまたは高い堆積速度で堆積されると、層の特質は一般に好ましいものよりも低い。例えば、シラン、ジクロロシラン、ジシラン、ビス−テルブチルアミノシラン（ＢＴＢＡＳ）、およびヘキサクロロジシランを含む現行の窒化シリコン前駆体からは、低密度かつ高水素含有量のような所望の層特性より低い特性の層が作られた。ジシランおよびヘキサクロロジシランのＳｉ−Ｓｉ結合は弱いものであり、許容可能な堆積速度が可能であるものの、アンモニアのような窒素供給源とともに使用されると、低品位の薄膜特性（両者についての低密度および高水素含有量、およびジシランについての低品位のステップカバレージおよびマイクロローディング）かまたはほとんど手に負えない粒子生成（ヘキサクロロジシランについて）かのいずれかが引き起こされる。
[0005]したがって、必要であるのは、低下した堆積温度と製造可能な堆積速度とにおける熱的化学気相成長法（ＣＶＤ）による高品位の窒化シリコン層を形成する方法である。
本発明の概要
[0006]この発明は、一般に、窒化シリコン層のようなトランジスターのための誘電体層を形成する方法に関するものである。この発明によれば、窒化シリコン層は、シリコン／窒素含有原料ガスまたはシリコン含有原料ガスおよび窒素含有原料ガスを低下堆積温度で熱分解して窒化シリコン層を形成することによって堆積される。前駆体は、Ｓｉ−Ｎ結合、Ｓｉ−Ｃｌ結合、またはこれら双方の結合を有する化合物を備える。熱的に堆積された窒化シリコン層は次いで、水素基にさらされて、処理済み窒化シリコン層が形成される。１つ以上のＳｉ−Ｓｉ結合、Ｎ−Ｎ結合またはＮ＝Ｎ結合を有する前駆体が、低温で窒化シリコン層を堆積するために使用される。
[0007]この発明の１つの態様では、基板を５５０℃以下の温度まで加熱するステップと、シリコン窒素含有原料ガスまたはシリコン含有原料ガスおよび窒素含有原料ガスを熱分解して、その基板の表面に窒化シリコン層を堆積するステップと、その窒化シリコン層を水素基にさらすステップとを含む基板を処理する方法が提供される。
[0008]この発明の別の態様では、シリコン窒素含有原料ガス、またはシリコン含有原料ガスおよび窒素含有原料ガスを５５０℃未満の温度で熱分解して、窒化シリコン層を１００オングストローム／分よりも大きい堆積速度で１５０オングストローム未満の厚さまで堆積するステップと、堆積された窒化シリコン層を水素含有ガスのプラズマ分解によって形成された水素基にさらすステップとを含む窒化シリコン層を形成する方法が提供される。
[0009]この発明の別の態様では、シリコン窒素含有原料ガス、またはシリコン含有原料ガスおよび窒素含有原料ガスを熱分解することによってシリコン層を堆積するステップであって、シリコン含有原料ガスまたはシリコン窒素含有原料ガスが塩素および炭素を含むステップと、堆積された窒化シリコン層を水素含有ガスのプラズマ分解によって形成された水素基で処理することによって、処理済み窒化シリコン層を形成するステップとを含む窒化シリコン層を形成する方法が提供される。
[0010]この発明の別の態様では、シリコン窒素含有原料ガス、またはシリコン含有原料ガスおよび窒素含有原料ガスを熱分解することによって窒化シリコン層を堆積するステップであって、窒化シリコン層の堆積後に窒化シリコン層が１５原子％よりも大きい水素濃度と１０原子％よりも大きい炭素濃度とを有するステップと、堆積された窒化シリコン層を、窒化シリコン層が１０原子％未満の水素濃度と５原子％未満の炭素濃度とになるまで水素基で処理するステップとを含む窒化シリコン層を形成する方法が提供される。
[0011]この発明の別の態様では、窒化シリコン層を形成するための装置であって、基板を保持するためにチャンバーの中に設置された基板支持体と、この基板支持体の上に配置された基板を加熱するヒーターと、シリコン原料ガスおよび窒素原料ガスおよび／またはシリコン／窒素原料ガスを備える処理用ガス混合物を上記チャンバーの中へ供給するガス入口と、水素含有ガスから水素基を生成する手段と、この装置の作動を制御するプロセッサ／コントローラとを含んでおり、プロセッサ／コントローラが、上記基板支持体の上に配置された基板を５５０℃未満の温度まで加熱するための、かつ、シリコン含有原料ガスおよび窒素含有原料ガスまたはシリコン窒素含有原料ガスを上記チャンバーの中へ供給するとともに上記基板の上に窒化シリコン層を形成するために上記基板を加熱するための複数の命令と、窒化シリコン層を水素基で処理するための水素基を生成する手段を制御するための命令とを有する記憶部を有する装置が提供される。
発明の詳細な説明
[0017]この発明は、低下した堆積温度で形成することのできる高品位窒化シリコン層を形成することを目的とする。以下の説明では、この発明の完全な理解をもたらすために、堆積アニール設備のような多数の特定細部が説明されている。しかしながら、当業者はこの発明がこれらの特定細部によることなく実施されるということを認識する。他の例では、周知の半導体プロセスは、この発明を不必要に分かりにくくすることを避けるために、特に詳しく説明されていない。
[0018]熱的化学気相成長法（ＣＶＤ）によって５５０℃未満の低い堆積温度で高品位窒化シリコン層を形成する方法および装置が提供される。窒化シリコン層を堆積する方法の一例が、図１のフローチャートに一般的に示されている。図１のブロック１０２に記載されたように、この発明の第１ステップによれば、シリコン窒素含有原料ガス、またはシリコン含有原料ガスおよび窒素含有原料ガスを備える処理用ガス混合物が、約５００℃未満のような５５０℃以下の堆積温度（基板温度）でチャンバーの中において熱分解されて、窒化シリコン層が堆積される箇所からシリコン種と窒素種とが作成される。ここで、原料ガスは、熱的化学気相成長法（ＣＶＤ）によって５５０℃以下の低い堆積温度（すなわち、基板またはウェハーの温度）で少なくとも５０オングストローム／分、理想的には少なくとも１００オングストローム／分の堆積速度で窒化シリコン層を形成することができるように、選択される。
[前駆体]
[0019]熱的化学気相成長法によって低い堆積温度で充分に高い堆積速度で窒化シリコン層を作成するために使用することができる原料ガスには、ビス−テルブチルアミノシラン（ＢＴＢＡＳ）またはヘキサクロロジシラン（ＨＣＤもしくはＳｉ２Ｃｌ６）のような１つ以上のＳｉ−Ｎ結合またはＳｉ−Ｃｌ結合を有する化合物が含まれる。更に、前駆体におけるＳｉ−Ｓｉ結合、Ｎ−Ｎ結合またはＮ＝Ｎ結合、Ｓｉ−Ｎ結合およびＳｉ−Ｃｌ結合の混合物、またはこれらの組み合わせの包含も好ましい。
[0020]Ｓｉ−Ｃｌ官能基（結合）およびＳｉ−Ｎ官能基（結合）の組み合わせは、適切な堆積速度でどんどん減少している温度についての改善されたステップカバレッジおよびマイクロローディングで特に観察された。Ｓｉ−Ｃｌ基の数はＳｉ−Ｎ基の数に関連して変えることができる。Ｓｉ−Ｃｌ結合およびＳｉ−Ｎ結合は、層特性および堆積特性に関して異なった効果を有するように思われ、また、Ｓｉ−Ｎ結合およびＳｉ−Ｃｌ結合の比率は層特性および堆積特性を釣り合わせるために使用することができる。
[0021]先に説明した好ましい結合構造を有する化合物には、一般的構造がある。
(I) ＮＲ２−Ｓｉ（Ｒ’２）−Ｓｉ（Ｒ’２）−ＮＲ２、（アミノ（ジ）シラン）、
(II) Ｒ３−Ｓｉ−Ｎ＝Ｎ＝Ｎ、（シリルアジ化物）、または
(III) Ｒ’３−Ｓｉ−ＮＲ−ＮＲ２、（シリルヒドラジン）。
[0022]先の一般的構造において、ＲおよびＲ’は、ハロゲン、１つ以上の二重結合を有する有機基、１つ以上の三重結合を有する有機基、脂肪族アルキル基、環状アルキル基、芳香族基、有機シリコン化合物基、アルキルアミノ基、またはＮもしくはＳｉおよびこれらの化合物を含有する環状基の群から選択された１つ以上の官能基を備える。
[0023]適切な官能基の例には、クロロ（Ｃｌ−）、メチル（−ＣＨ３）、エチル（−ＣＨ２ＣＨ３）、イソプロピル、トリメチルシリル、ピロリジン、およびこれらの組み合わせが含まれる。適切な化合物の例には、
１，２−ジエチル−テトラキス（ジエチルアミノ）ジシラン、
（ＣＨ２ＣＨ３（ＮＣＨ２ＣＨ３）２Ｓｉ）２
１，２−ジクロロ−テトラキス（ジエチルアミノ）ジシラン、
（Ｃｌ（ＮＣＨ２ＣＨ３）２Ｓｉ）２
ヘキサキス（Ｎ−ピロリジニオ）ジシラン、
（（Ｃ４Ｈ９Ｎ）３）Ｓｉ）２
１，１，２，２−テトラクロロ−ビス（ジ−トリメチルアミノ）ジシラン、
（Ｃｌ２（ＮＳｉ（ＣＨ３）３））Ｓｉ）２
１，１，２，２−テトラクロロ−ビス（ジ−イソプロピル）ジシラン、
（Ｃｌ２（Ｎ（Ｃ３Ｈ７）２））Ｓｉ）２
１，２−ジメチル−テトラキス（ジエチルアミノ）ジシラン、
（ＣＨ３（ＮＣＨ２ＣＨ３）２Ｓｉ）２
トリス（ジエチルアミノ）シランアジ化物、
（Ｎ（ＣＨ３）２）３ＳｉＮ３
トリメチルアミノシランアジ化物、
（ＣＨ３）３ＳｉＮ３
（２，２−ジメチルヒドラジン）ジメチルシラン、
（ＣＨ３）２ＳｉＨ−ＮＨ−Ｎ（ＣＨ３）２
およびこれらの組み合わせが含まれる。
[0024]シリコン−シリコン単結合（すなわち、Ｓｉ−Ｓｉ単結合）を有するシリコン原料ガス（前駆体）またはシリコン窒素原料ガス（前駆体）によって、分子が約５５０℃以下のような低温で分解しまたは分離することができる、ということが信じられている。
[0025]シリコン窒素含有層を堆積するために使用することのできる窒素原料ガスまたは前駆体には、限定されないが、アンモニア（ＮＨ３）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）、アジ化水素（ＨＮ３）、またはこれらの組み合わせが含まれる。窒素原料ガスには、低温で窒素原料ガスを分解するための窒素−窒素単結合（すなわち、Ｎ−Ｎ単結合）が含まれているのが理想的である。更に、シリコン窒素含有原料ガスが処理用ガス混合物の中で使用されるときには、いくらかの量の窒素原料ガスもまた、層の堆積の間に堆積層の組成にわたる適応性調整のためにガス混合物の中に含まれているのが典型的である。
[0026]適切なシリコン原料ガスまたはシリコン窒素原料ガスの混合物は、層における炭素および水素の含有量を最小限にするために修正変更することができる。この点において、Ｓｉ−Ｃ結合、Ｓｉ−Ｈ結合およびＮ−Ｈ結合は、前駆体結合組成の中で最小限にされる。
[0027]巧みに処理された前駆体を使用するＳｉＮＣＶＤの方法はここから説明される。このＣＶＤ処理には、ＳｉＮ層を化学量論的に作るために、いくらかであって最小ではない量のＮＨ３の添加もなお必要である。このことは、層の中へのＳｉおよびＮについての混和効率が異なる（相異なる運動障壁）ため、前駆体からの窒素の供給にもかかわらず、なお要件である。化学量論的窒化シリコン層には、温度とＲ基の選択とに左右されるが、場合によっては、なお１０％よりも大きいＨであるものの１０％よりも小さいＣが含有されている。％Ｈを下げるために、別の特許に詳しく説明されたように、更に後処理を採用することができる。アミノジシラン前駆体を使用する酸化物および酸窒化物の堆積については、Ｎ２Ｏのような酸化剤の添加が必要である。
[0028]この発明の実施形態にしたがって単一のウェハー反応炉の中で窒化シリコン層を堆積して処理する方法の例が、図２のフローチャート２００に図示されている。その第１ステップでは、熱的化学気相成長法によってウェハーまたは基板の上に窒化シリコン層を堆積する。窒化シリコン堆積処理の特定の例が、図２においてフローチャート２００のブロック２０１として説明されており、かつ、フローチャート２００のステップ２０２〜２１０を備える。窒化シリコン層を堆積する第１ステップでは、ウェハーまたは基板がチャンバーの中に配置される。理想的には、窒化シリコン層は、アプライドマテリアルズ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）社のエクスゲン（Ｘｇｅｎ）チャンバーのような、ウェハーを加熱するための加熱ずみ基板支持体がそれぞれ備わっている減圧型単一ウェハーコールドウォール反応炉のチャンバーの中で形成される。適切なチャンバーの一例は図4に示されかつ図解されている。
[0029]基板がチャンバーの中に配置されると、窒化シリコン層を堆積するために用いられる堆積圧力および温度がもたらされる。この発明の１つの実施形態では、窒化シリコン層の堆積が起きる堆積圧力は約１０トール（ｔｏｒｒ）〜約３５０トールである。堆積温度（すなわち、ウェハーまたは基板の温度）は、窒化シリコン層を堆積するために用いられる特定の処理用ガス（例えば、シリコン含有原料ガスおよび窒素含有原料ガス）に左右される。ウェハーまたは基板の温度は、５００℃未満のような５５０℃以下であり、一般には、堆積処理の間において約４５０℃〜約５５０℃である。
[0030]次に、ブロック２０６に説明されているように、処理用ガスが堆積チャンバーの中へ導入される。この処理用ガス混合物には、この明細書に記載されたように、少なくともシリコン含有原料ガス（すなわち、分解して、窒化シリコン層の堆積のためのシリコン原子またはシリコン含有中間種をもたらすことのできるガス）と窒素含有原料ガス（すなわち、熱分解されて、窒化シリコン層の堆積のための窒素原子または窒素含有種をもたらすガス）とが含まれる。あるいは、この処理用ガス混合物には、単一分子から、窒化シリコン層の形成のための窒素原子およびシリコン原子の双方の原料かまたは窒素シリコン含有中間種をもたらすシリコン／窒素原料ガスが含まれることもある。
[0031]シリコン窒素原料ガスが利用されるときには、処理用ガス混合物には窒素原料ガスおよび／またはシリコン原料ガスも含まれている可能性があり、または、窒素およびシリコンの付加的な原料のないシリコン／窒素がまさに含まれている可能性がある。この発明の１つの実施形態では、窒素原料ガスは、堆積チャンバーの中へシリコン原料ガスをもたらすのに先立って同チャンバーの中へもたらされる。あるいは、ヘリウムおよびアルゴンが含まれる希ガスのような不活性キャリヤガスを、窒素（Ｎ２）とともに、反応チャンバーの中へ導入してもよい。シリコン原料ガスおよび窒素原料ガスは、１：１〜約１：１０００の流量比、例えば約１：１〜約１：５００の流量比で処理チャンバーの中へ導入することができる。
[0032]この発明の１つの実施形態では、シリコン原料ガスはヘキサクロロジシラン（ＨＣＤ）である。窒化シリコン層は、ＨＣＤとＮＨ３またはＮ２Ｈ４とをチャンバーの中へ供給することによって形成することができる。ＨＣＤが利用されるときには、それは、反応チャンバーの中へ導入されるのに先立って、Ｎ２のような不活性キャリヤガスと混合される。ＨＣＤは１０〜２００ｓｃｃｍの速度で反応チャンバーの中へ供給され、窒素原料ガスは５００〜５０００ｓｃｃｍの速度で反応チャンバーの中へ供給される。１つの例では、ＨＣＤ原料ガスおよび窒素原料ガスはそれぞれ、１：１〜１：１０００の流量、理想的には１：１〜１：５００の流量を有する。このような処理によって、５３０℃のウェハー温度ではおよそ８０オングストローム／分の堆積速度で、また、４８０℃のウェハー温度ではおよそ５０オングストローム／分の堆積速度で、窒化シリコン層を形成することができる。
[0033]適切な窒化シリコン層は、１０〜１００ｓｃｃｍの流量による１，２−ジクロロ−テトラキス（ジエチルアミノ）ジシランと２００〜２０００ｓｃｃｍの流量による窒素原料ガスとを利用することで形成することができる。適切な窒化シリコン層は、１０〜１００ｓｃｃｍの流量による１，２−ジエチル−テトラキス（ジエチルアミノ）ジシランと２００〜２０００ｓｃｃｍの流量による窒素原料ガスとから堆積することができる。このような処理によって、５３０℃のウェハー温度では約８０オングストローム／分の堆積速度で、また、４８０℃のウェハー温度では約５０オングストローム／分の堆積速度で、窒化シリコン層を形成することができる。以下のような更に別の例は、アプライドマテリアルズ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）社のＳｉＮｇｅｎのような単一ウェハー低圧熱的ＣＶＤ装置における詳細な処理パラメーターであり、好ましくは前駆体である１，２−ジクロロ−テトラキス（ジエチルアミノ）ジシランを包含し、かつ、約５００℃のような４５０℃〜約６５０℃の基板温度と、約４０トール（ｔｏｒｒ）〜約２００トールのような約１０トール〜約３００トールのチャンバー圧力と、約５０〜約１００のような１０よりも大きいシリコン前駆体へのＮＨ３流量と、０．５ｇ／分のような約０．２〜約１．０ｇ／分のシリコン前駆体流量と、６０〜２００オングストローム／分、例えば１００オングストローム／分の堆積速度をもたらす約５００ミル（ｍｉｌ）〜１０００ミルのシャワーヘッドへのヒーター間隔とが含まれている。
[0034]相対的に、以下のものは、バッチ炉におけるＳｉＮＣＶＤプロセスの細部であり、ここでも、前駆体である１，２−ジクロロ−テトラキス（ジエチルアミノ）ジシランを包含するのが好ましく、また、約５００℃のような４５０℃〜約６５０℃の基板温度と、約０．４トール〜約１トールのような約０．１トール〜約２トールのチャンバー圧力と、約１〜約５のような１０よりも小さいシリコン前駆体へのＮＨ３流量と、５〜２０オングストローム／分、例えば１２オングストローム／分の堆積速度をもたらす、炉筒体積に左右されるシリコン前駆体流量とを含む。
[0035]次に、フローチャート２００のブロック２０８に説明されたように、加熱された基板または基板支持体からの熱によって、シリコン窒素原料ガスまたはシリコン原料ガスおよび窒素原料ガスが熱分解される。シリコン原料ガスの熱分解によって、シリコン原子またはシリコン含有中間種がもたらされる。窒素原料ガスの熱分解によって、窒素原子または窒素含有中間種がもたらされる。シリコン窒素原料ガスの熱分解によって、シリコン原子またはシリコン含有中間種と窒素原子または窒素含有中間種との双方がもたらされる。シリコン原子またはシリコン含有中間種は、窒素原子または窒素含有中間種と反応して、基板の表面に窒化シリコン層を堆積させる。この発明では、シリコン／窒素含有原料ガスまたはシリコン原料ガスおよび窒素原料ガスは、基板からの熱または基板支持体からの熱のような熱エネルギーだけを使用することによって、プラズマ遊離堆積処理と称される光子増強処理またはプラズマ増強処理のためのような付加的熱源によることなく熱分解される、ということを認識すべきである。この発明の１つの実施形態では、窒化シリコン層は、１２０オングストローム未満の厚さで、また、理想的には８０オングストローム未満の厚さで、１０〜１５０オングストロームの厚さに堆積される。より厚い層が必要であれば、第２、第３または他の複数の堆積／水素基処理サイクルを用いてより厚い層を堆積することができるが、これについては後に説明する。
[0036]この発明の１つの実施形態では、ブロック２１０に説明されたように、充分な厚さの窒化シリコン層が堆積されると、シリコン原料ガスおよび窒素原料ガスの流れが停止される。この発明の１つの実施形態では、窒化シリコンの堆積が終わると、基板は、ブロック２１０で説明されたように窒素原料ガスで、場合によって処理されてもよい。窒素原料ガスだけが約１０秒間、反応チャンバーの中へ導入される。堆積ステップの終わりにおける窒素原料ガスでの窒化シリコン層の処理は、基板における未反応シリコン部位で終わる。この操作によれば、窒化シリコン層におけるＮ／Ｓｉ比が増大して水素（特にＳｉ−Ｈ結合形態での）が減少するのが促進される。しかしながら、操作２１０はこの発明にしたがって良好な窒化シリコン層を達成するためには必要ではない。
[0037]窒化シリコン層を堆積するためにこの発明に利用される処理用ガス混合物によって、窒化シリコン層は、５５０℃未満、理想的には５００℃の低堆積温度において、少なくとも５０オングストローム／分、理想的には１００オングストローム／分を超える速度で熱的化学気相成長法によって堆積することができる。
[プラズマ処理]
[0038]堆積された窒化シリコン層は、層の品位を改善するために、所定時間だけ水素基で処理される。水素基は、チャンバーの内部において現場でまたは遠隔装置の中においてアンモニア（ＮＨ３）および水素（Ｈ２）のような水素含有ガスのプラズマ分解によって形成して、チャンバーへ供給することができる。堆積された窒化シリコン層は、水素基によって５×１０１５原子／ｃｍ２〜１×１０１７原子／ｃｍ２の流量で処理することができる。水素基による処理の間に、基板は、約４５０℃〜約６００℃の低い温度まで、かつ、約１００ミリトール〜約５トールのチャンバー圧で加熱される。充分な処理は典型的には、約１５〜約１２０秒で行われる。
[0039]この水素基処理のために用いられる水素基は任意の適切な方法で作ることができる。この発明の実施形態では、水素基は、充分な数の水素基をもたらすために分解することのできる水素含有ガスのプラズマ分解によって形成される。水素基には、高活性化中性水素原子を含む水素原子のすべての種と帯電水素イオンとが含まれる。適切な水素原料ガスにはアンモニア（ＮＨ３）および水素（Ｈ２）が含まれる。この発明の実施形態では、水素原料ガスにはＮＨ３およびＨ２の混合物が含まれる。この発明の１つの実施形態では、水素処理ガスには、ＮＨ３だけまたはＨ２だけが含まれる。更に、この発明の１つの実施形態では、Ｎ２、ＡｒまたはＨｅのような不活性ガスを、水素処理ガスとともに供給することができる。
[0040]水素含有ガスが適切に解離されて、２００〜２０００ワットの電力でマイクロ波または高周波の電源を利用する水素基がもたらされる。水素処理ガスのプラズマ分解は、現場でまたは遠隔プラズマを利用して達成することができる。現場処理では、プラズマおよび水素基は、処理される窒化シリコン層を有する基板が設置される同一のチャンバーの中で生成される。適切なプラズマチャンバーの例には、容量結合型ＰＥＣＶＤまたは高密度プラズマＨＤＰチャンバーが含まれる。遠隔プラズマ処理では、水素基およびプラズマは、処理される窒化シリコン層が備わっている基板が配置されるチャンバーから離れたあるチャンバーの中でマイクロ波によって生成される。遠隔プラズマ処理では、プラズマおよび水素基は、第１チャンバー（解離チャンバーまたはキャビティ）の中で生成され、その後、それらは、解離チャンバーから導管を通って、処理される窒化シリコン層の備わった基板が収容されている第２チャンバーの中へ流れる。任意の適切な遠隔プラズマ生成反応炉は、アステックスアストロン（Ａｓｔｅｘ Ａｓｔｒｏｎ）、上記アプライドマテリアルズ社の遠隔プラズマ窒化物形成ＲＰＮ源、およびアプライドマテリアルズ社の改良型ストリップパッシベーションプラス（ＡＳＰ）チャンバーのようなものを使用することができるが、これらに限定されない。
[0041]この発明の１つの実施形態では、水素基は、アンモニア（ＮＨ３）および水素ガス（Ｈ２）、またはこれらの混合体のような水素含有ガスの「ホットワイヤ」分解または触媒分解によって、形成される。「ホットワイヤ」処理では、タングステンフィラメントのようなワイヤまたは触媒がおよそ１６００〜１８００℃の高温まで加熱されて、水素処理ガスがフィラメントを覆って供給される。加熱されたフィラメントによって、水素処理ガスのクラッキングまたは熱分解が引き起こされて、水素基が形成される。次いで、水素基は、フィラメントの近傍に配置された基板の上に形成された窒化シリコン層を処理する。フィラメントは高温であるが、基板は、処理プロセスの間に６００℃未満の温度、好ましくは５５０℃未満の温度である低い温度までなお加熱される。この発明の更に別の実施形態では、水素基を生成するために誘導生成プラズマが利用される。
[0042]水素基が窒化シリコン層に浸透することのできる距離は、例えば、ＨＣＤ膜では約１００オングストロームに、そして典型的には例えば低温プロセスによってシラン膜では５０オングストロームに制限されるので、たかだか１５０オングストローム、好ましくはたかだか１００オングストロームの窒化シリコン層が、水素基処理に先立って形成される。より厚い窒化シリコン層が必要なときには、多数回の堆積処理サイクルを使用することができる。例えば、３００オングストロームの窒化シリコン層が必要であれば、まず、１００オングストロームの窒化シリコン層を堆積し、その後、その窒化シリコン層を水素基で処理する。次いで、処理された窒化シリコン層の上に第２の１００オングストローム窒化シリコン層を堆積し、その後、その第２窒化シリコン層を水素基で処理する。次いで、第２窒化シリコン層の上に第３の１００オングストローム窒化シリコン層を堆積し、その後、それを水素基で処理する。このようにして、高品位の窒化シリコン層を所望する任意の厚さに形成することができる。例えば、８秒間の水素基照射による３サイクルよりなる１８０オングストロームのＨＣＤのＣＶＤによれば、処理された１００オングストロームと処理されていない８０オングストロームとよりなる３層が表示される。
[0043]例えば、予備水素基処理による窒化シリコン層には、かなりの割合のＳｉ−Ｈがある１５原子％よりも大きい水素濃度、有機シリコン前駆体が用いられるときには１０原子％よりも大きい炭素濃度、塩素化シリコン前駆体が用いられるときには１原子％よりも大きい塩素濃度、１．８５未満の屈折率、および、緩衝酸化エッチング（ＢＯＥ）のような酸化エッチングを利用する酸化シリコンのエッチング速度の２倍よりも大きいウェットエッチング速度がある。このような窒化シリコン層は、スペーサーおよび補極誘電体のような、半導体デバイス製造における窒化シリコン層の多くの用途には適していないとみなされる。
[0044]処理済みの窒化シリコン層には、Ｓｉ−Ｈの割合が減少した１０原子％未満の水素濃度、例えば５原子％未満の炭素濃度、例えば１原子％未満の塩素濃度、例えば１．９０よりも大きい増大した屈折率、またはＢＯＥのような酸化エッチングを利用する酸化シリコンのエッチング速度とほぼ同じ（１：１）である減少したウェットエッチング速度があることが認められた。
[0045]この発明のプロセスによれば、低い堆積温度と製造可能に高い堆積速度（例えば５０オングストローム／分よりも大きい）とによる熱的気相成長法で高品位窒化シリコン層を形成することが可能になる。この低い堆積温度によれば、トランジスターまたは能動素子の形成の後における用途もしくは箇所で、窒化シリコン層を半導体回路製造プロセスに使用することができる。なぜならば、堆積温度は、十分に低いので、素子の熱量に劇的に影響を与えず、またはその中でドーパント分布を変更させないからである。窒化シリコン層の高堆積速度によって、プロセスを単一ウェハー反応炉において実施することができる。
〔製造〕
[0046]この発明に係る窒化シリコン層を形成する方法は、低い熱量が必要である半導体デバイスの製造および／またはシリコン基板中に配置されたドーパントの再分布の防止に用いられるのが理想的である。この発明に係る窒化シリコン層の使用の一実施例は、側壁スペーサーの製造である。このような用途では、図３Ａに示された基板３００のような基板がもたらされる。基板３００には、単結晶シリコン基板または表面に形成されたゲート絶縁層３０４のある層３０２が含まれている。このゲート絶縁層の上には、横断状対向側壁のあるゲート電極３０６が形成されている。典型的には、一対のソース／ドレインチップまたは拡張領域３１０が、ゲート電極３０６の横断状対向側壁に対して一直線にシリコン基板３０２の中に形成される。
[0047]次に、図３Ｂに示されたように、この発明によって形成された低温窒化シリコン層は、図の基板３００を覆って堆積されたブランケットである。窒化シリコン層３１２の厚さは、組み立てられるトランジスターの物理的特性に左右され、６５ｎｍの技術デバイスについては一般に、少なくとも２００オングストローム厚さである。この発明によれば、窒化シリコン層は、低堆積温度を利用して、先に説明したように高堆積速度で堆積される。１００オングストローム以下の厚さ、理想的には５０オングストローム未満の厚さのある窒化シリコン層が、まず形成される。この窒化シリコン層はその後、先に説明したように水素基でアニールされる。次に、必要であれば、水素基で処理された第１窒化シリコン層の上に第２窒化シリコン層が形成される。この第２窒化シリコン層はその後、先に説明したように、水素基で処理される。次に、先に説明したように、低温化学気相成長法によって第３窒化シリコン層が堆積される。この第３窒化シリコン層はその後、先に説明したように、水素基で処理される。この処理は、このようにして、所望の全体厚さのある窒化シリコン層３１２が形成されるまで続けられる。いくつかの使用実施形態では、堆積されまたは成長した酸化シリコン層が、窒化シリコン層に先立って形成され、したがって窒化シリコン層の下に存在する。窒化シリコン層３１２が低温プロセスで形成されて水素基で低温において処理されるので、ソース／ドレイン拡張部３１０を形成するドーパントは、窒化シリコン層の形成の間に基板３０２の内部で実質的に移動したりまたは再分布したりしない。このようにして、製造素子の電気的特性は一貫している。
[0048]次に、図３Ｃに示されたように、充分に厚い窒化シリコン層３１２の形成の後に、窒化シリコン層３１２は異方性エッチングされて、ゲート電極３０６の横断状対向側壁に沿って延びる側壁スペーサー３１４が形成される。異方性エッチング処理によって、窒化シリコン層は、ソース／ドレイン拡張部３１０のような水平面から除去され、また、ゲート電極３０６の頂部には、ゲート電極３０６の側壁のような垂直面に窒化シリコンが残される。側壁スペーサー３１４の形成の後に、深いソース／ドレイン領域３１６の形成および／またはそのソース／ドレイン領域の上におけるシリコン化合物３１８の形成のような半導体デバイスの追加処理を行うことができる。側壁スペーサー３１４は、深いソース／ドレイン領域を埋め合わせて、当分野において周知である自己整列処理でそのソース／ドレイン領域の上とゲート電極の頂部とにケイ化チタンまたはケイ化コバルトのようなシリコン化合物を形成することができる。
[装置]
[0049]この発明の窒化シリコン層は、低圧熱的化学気相成長反応炉の中で形成されるのが理想的である。適切な反応炉４００の一例は図４に図示されている。この発明の１つの実施形態では、水素基処理は窒化シリコン層を堆積するために使用されたのと同じチャンバーの中で行うことができる。同層を堆積するために使用されたのと同じチャンバーの中で「堆積された」窒化シリコン層を水素基により処理するために、遠隔プラズマ供給源を低圧化学気相成長反応炉に連結して、水素基の供給源をそのチャンバーへ供給することができる。低圧化学気相成長反応炉４００へ連結された遠隔プラズマ発生器８０１の一例もまた、図４に図示されている。遠隔プラズマ発生器８０１を熱的化学気相成長反応炉４００へ連結することによって、この発明の処理能力が大いに改善されるとともに、窒化シリコン堆積後に窒化シリコン層を水素基で直接処理することが可能になる。加えて、このような装置によれば、連続堆積／処理サイクルが用いられて、２００オングストロームよりも大きい窒化シリコン層のような厚い窒化シリコン層が形成されるときに、ウェハーの処理能力が劇的に改善される。
[0050]図４には、反応炉容器アセンブリー（反応炉）４００が図示されている。図４に図示されている反応炉４００は、処理用ガス、前駆体ガス、または反応ガスが熱分解されてウェハー基板（図示略）の上にシリコン包含層を形成する反応チャンバー４０８を画成するチャンバー本体４０６を備える。チャンバー本体４０６は、１０〜約３５０トールの圧力に耐えることができるであろう材料で構成されている。１つの典型的な実施形態では、チャンバー本体４０６はアルミニウム合金材料で構成されている。チャンバー本体４０６には、チャンバー本体４０６を冷却するために汲み上げられる温度制御流体に関する通路４１０が含まれている。温度制御流体用通路を装備する反応炉４００は、「コールドウォール」反応炉と称される。チャンバー本体４０６を冷却すると、反応種の存在と高温とに起因する、チャンバー本体４０６を形成するために使用された材料の腐食が防止される。
[0051]チャンバー本体４０６の中にあるものは、反応チャンバー４０８、チャンバー蓋４２６、フェースプレート（またはシャワーヘッド）４３０、ブロッカープレート４２８、および抵抗加熱アセンブリー４０４である。抵抗加熱アセンブリー４０４には導線４１２が含まれ、これはニッケルから作られたヒーター管４１４の全長に延びている。ヒーター管４１４の端部は焼結ＡｌＮから作られた加熱ディスク４１６である。加熱ディスク４１６の内部には、モリブデンから作られた１つ以上の加熱コイル４１８がある。導線４１２およびコイル４１８は、ブレージングによって接合されているとともに、そこにおいて導電性である。導線４１２は、ＡｌＮセラミック製スリーブ４２０で熱的に絶縁されている。コイル４１８によって、大部分の電気抵抗がもたらされ、したがって大部分の反応チャンバー４０８の加熱がもたらされる。加熱ディスク４１６の端部はポケット４２２と称されるくぼみであり、ポケット４２２の内部にはウェハー（図示略）が配置される。
[0052]図４には、チャンバー本体４０８にリフターアセンブリー４３６が更に内蔵されていることが図示されている。リフターアセンブリー４３６は、ウェハー基板（図示略）が反応チャンバー４０８の内部と外部との間で移動するのを促進する。リフターアセンブリー４３６はステッピングモーターであってよい。リフターアセンブリー４３６によって、ヒーターアセンブリー４０４が軸４０５に沿って上下に移動して、ウェハー基板が反応チャンバー４０８の内部と外部との間で移動するのが促進される。
[0053]基板またはウェハーは、例えばロボット搬送機構（図示略）によって、入口４３４を通して反応チャンバー４０８の中に配置される。１つの実施形態では、ロボット搬送機構は搬送ブレードに連結されており、そのロボット搬送機構により搬送ブレードが制御される。搬送ブレードによって基板が開口を通して挿入されて、基板が反応チャンバー４０８の中に入れられ、加熱ディスク４１６のポケット４２２の上に設置される。基板が設置されると、リフターアセンブリー４３６によって、ヒーターアセンブリー４０４および加熱ディスク４１６が軸４０５に沿って下位方向に下げられて、加熱ディスク４１６の表面が入口４３４よりも低くなる。加熱ディスク４１６が下げられると、基板が反応チャンバー４０８の中に配置される。基板が設置されると、入口４３４が封止されて、リフターアセンブリー４３６によって、ヒーターアセンブリー４０４および加熱ディスク４１６がフェースプレート４３０へ向かって上位の（例えば上方の）方向へ移動する。１つの代表的実施形態では、前進は、ウェハー基板がフェースプレート４３０から短い距離（例えば４００〜９００ミル（ｍｉｌ））に位置すると停止される。
[0054]１つの代表的実施形態では、堆積もしくは処理についての用意ができると、ガス制御盤４０１によって制御された処理用ガスまたは前駆体ガスが反応チャンバー４０８の中に導入される。ブロッカープレート４２８には、ガス流を収容するために複数の穴（図示略）がある。処理用ガスは、まず口部４２４を通して、次にブロッカープレート４２８を通して、その後、フェースプレート４３０を通して、反応チャンバー４０８の中に導入される。処理用ガスは、口部４２４からブロッカープレート４２８における複数の穴を通り、次いでフェースプレート４３０を通って、供給される。フェースプレート４３０によって、処理用ガスは、反応チャンバー４０８の中へ均等に供給される。
[0055]基板は、例えばヒーターアセンブリー４０４を下位へ移動させる（下げる）ことで、チャンバーから取り出すことができる。リフターアセンブリー４３６の作動によってヒーターアセンブリー４０４が下位方向へ移動すると、接触リフトプレート４４４に接触して静止し最終的にそこにとどまるリフトピン４４２が、加熱ディスク４１６が下げられると基板を加熱ディスク４１６から離すために、加熱ディスク４１６の上部表面の上方に延びる。その後、搬送ブレードが、開口４３４を通って挿入されて、基板と加熱ディスク４１６との間に置かれる。次いで、接触リフトプレート４４４が下げられ、それによって、リフトピン４４２が下げられ、基板が搬送ブレードの上に降ろされる。その後、基板は、搬送ブレードによって入口４３４から取り出すことができる。
[0056]先に記載された手順は、次の基板のために繰り返すことができる。１つの適切なリフターアセンブリー４３６の詳細な説明は、カリフォルニア州のサンタクララのアプライドマテリアルズインコーポレーテッド社（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｉｎｃ．）に付与された米国特許第５，７７２，７７３号に記載されている。
[0057]反応炉４００には、反応チャンバー４０８の内側の処理温度を監視するために温度表示器（図示略）も含まれている。１つの例では、この温度表示器は、加熱ディスク４１６の表面における（または、加熱ディスク４１６によって支持された基板の表面における）温度についてのデーターを都合よくもたらす熱電対であってよい。反応炉４００では、基板の温度は、加熱ディスク４１６の温度よりもわずかに、すなわち２０〜３０℃だけ低い。
[0058]図４には、反応チャンバー４０８が温度制御されたライナーまたは絶縁ライナー４０９で裏打ちされていることが図示されている。先に述べたように、チャンバー本体４０６には、コールドウォールチャンバー効果を作り出すために温度制御流体に関する通路４１０が含まれている。反応チャンバー４０８の内側の反応温度は、６００℃またはそれ以上であるように高い。反応チャンバー４０８の中に層を形成するために用いられる化学成分については、高温によって反応チャンバー４０８のチャンバー本体４０６がすぐに腐食する。それゆえ、チャンバー本体４０６には、チャンバー本体４０６を冷却する水または他の冷却液のような温度制御流体に関する通路４１０が装備される。これによって、チャンバー本体４０６が熱くなりすぎてチャンバー本体４０６がすぐに腐食されるのが防止される。そのようなコールドウォールチャンバーに関連すると思われる１つの問題は、チャンバーのコールドウォールの近位に近い反応チャンバー４０８の内側における領域が温度の急激な低下を受けがちであるということである。これらの領域における温度の急激な低下によって、反応チャンバー４０８に形成されたシリコン含有層にとって好ましくないかまたは不都合である粒子の形成または凝集が助長される。例えば、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）層を形成するための堆積処理におけるＨＣＤとＮＨ３との反応によって、典型的にはＮＨ４Ｃｌの形成が引き起こされる。ＮＨ４Ｃｌは形成されるＳｉ３Ｎ４への混入を防止するために洗浄が必要である塩副産物である。温度が約１５０℃低下すると、ＮＨ４Ｃｌのような混入が引き起こされる。これらの粒子はチャンバー壁から取り除かれるようになる。取り除かれた粒子によって、ウェハー基板の上に粒子形成のための核生成部位が形成される。１つの実施形態では、反応チャンバー４０８は、好ましくない粒子の凝集を防止するために、温度制御ライナー４０９で裏打ちされている。
[0059]１つの実施形態では、温度制御ライナー４０９は、温度制御ライナー４０９だけがチャンバー本体４０６の壁に沿って２〜３の物理的接触箇所（例えば、図４に図示された接触箇所４５９を参照）を有するように、チャンバー本体４０６の壁に連結されている。温度制御ライナー４０９とチャンバー本体４０６の壁との物理的接触を最小限にすると、最小化される接触箇所によってチャンバーへの熱損失が最小になる。
[0060]堆積の間における不要な堆積を防止するために、パージガス（例えば窒素）を反応チャンバー４０８の底部の中へ送り込むことができる。
[0061]反応炉４００は、圧力調整器または調整器（図示略）にも連結されている。圧力調整器によれば、反応チャンバー４０８の中に圧力が設定されるとともに維持される。このような圧力調整器は当分野において既知である。代表的な実施形態のために使用することのできる圧力調整器は、圧力を約１０トール〜約３５０トールの範囲における水準に維持することのできるものでなければならない。あるいは、反応炉４００は、ガスを反応チャンバー４０８の外へ送り出すために当分野において周知であるガス送り出しシステム（図示略）に連結されていてもよい。このガス送り出しシステム（例えば、スロットルバルブが含まれていてもよい）は、反応チャンバー４０８の中における圧力を制御するためにも使用することができる。反応炉４００は、反応チャンバー４０８の内部における処理圧力を監視するセンサー（図示略）にも連結されている。
[0062]１つの実施形態では、チャンバー圧力を表示するセンサーからの信号を受信するために、チャンバー本体４０６にコントローラまたはプロセッサ／コントローラ９００が連結されている。プロセッサ／コントローラ９００は、窒素原料ガス、シリコン原料ガス、および不活性かつ／またはパージガスの流れを制御するために、ガス制御盤４０１システムにも連結されている。プロセッサ９００は、反応チャンバー４０８の内部における所望の圧力を調整しまたは維持するために、圧力調整器または調整器とともに作動することができる。更に、プロセッサ／コントローラは、加熱ディスクの温度を、またそれゆえ、その上に配置された基板の温度を制御することができる。プロセッサ／コントローラ９００には、この発明によって窒化シリコン層を形成するために、窒素原料ガス流、シリコン原料ガス流および不活性ガス流をチャンバーの中における圧力と加熱ディスクの温度とともに、先に記載されたパラメーターの範囲内で制御するための、コンピューター読み取り可能フォーマットに命令が収納されている記憶部が含まれている。例えば、プロセッサ／コントローラ９００の記憶部に保存されているのは、基板を５５０℃以下の温度まで加熱するための命令と、基板を５５０℃以下の温度まで加熱する間にシリコン原料ガス、および窒素原料ガスおよび／またはシリコン／窒素原料ガスをチャンバー４０８の中へ供給するための命令と、チャンバー４０８の内部における圧力を１０〜３５０トールに制御するための命令とである。
[0063]反応炉４００の中における構成要素についての材料は、露出した構成要素がこの発明の高温処理と適合するものでなければならないように、選択されている。この発明の前駆体または反応種の熱分解には、窒化シリコン層を形成するために、反応チャンバー４０８の内側における温度が６００℃の高さにまでなることが必要である。反応炉４００の中における構成要素についての材料は、そのような高温に耐える種類のものであるべきである。１つの実施形態では、チャンバー本体４０６は、硬質の陽極酸化アルミニウムのような耐食金属から作られている。このようなタイプのアルミニウムはしばしば高価である。これに代えて、チャンバー本体４０６には、通過する温度制御流体のための通路４１０が含まれていてもよい。温度制御流体のための通路があれば、チャンバー本体４０６をごく安価なアルミニウム合金または他の適切な金属から作ることができるが、その理由は、通路４１０によってチャンバー本体４０６が冷却状態に維持されるからである。上記のように、これは、反応炉４００がコールドウォール反応炉と称されることが多い理由の１つである。コールドウォールまたは冷却されたチャンバー本体４０６の上における望ましくない凝集を防止するために、先に説明した温度制御ライナー４０９は、反応チャンバー４０８から放射された熱を吸収するであろう材料から作ることができるとともに、温度制御ライナー４０９の温度は、層形成の用途に左右されるが、少なくとも約１５０℃すなわち１５０℃よりも大きく、または代わりに、少なくとも約２００℃すなわち２００℃よりも大きく維持することができる。１つの実施形態では、温度制御ライナー４０９は、望ましくない凝集を防止するために充分である温度に保持される必要がある。
[0064]加えて、構成要素の材料は、反応チャンバー４０８の中へ導入される処理用ガスと洗浄用化学物質や前駆体のような他の化学物質とも適合すべきである。１つの実施形態では、加熱アセンブリー４０４の露出表面は、材料がこの処理に適合することを条件とするさまざまな材料から構成することができる。例えば、この考察における代表的な実施形態では、高温で適用される腐食性化学物質が必要である。したがって、加熱アセンブリーの構成要素はこの環境に耐えなければならない。１つの例では、加熱アセンブリーの構成要素は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のようなセラミック材料から作られている。加熱アセンブリー４０４の加熱ディスク４１６もまた、窒化アルミニウム材料を備えることができる。
[0065]１つの代表的実施形態では、反応チャンバー４０８は、Ｎ２、Ｈｅ、Ａｒ、またはこれらの組み合わせのような安定化ガスを使用して安定化される。１つの例では、ガス制御盤システム４０１の中に、安定化ガスを反応チャンバー４０８の中へ放出するマニホールドが含まれている。安定化ガスには、１，０００ｓｃｃｍ〜１０，０００ｓｃｃｍの範囲にある流速、好ましくは５〜６リットルの容量のある反応炉４００について約２，０００ｓｃｃｍの流速がある。
[0066]この発明の１つの実施形態では、反応炉４００は、水素基を生成するとともにこれを堆積チャンバー４０８へ供給する遠隔プラズマ生成器８０１に連結されている。遠隔プラズマ生成器８０１には、マイクロ波供給源でマイクロ波を生成するマグネトロン８０２が含まれている。マグネトロン８０２は、２．５ギガヘルツ（Ｇｈｚ）のマイクロ波エネルギーを１０，０００ワット（ｗａｔｔ）まで生成するものであるのが好ましい。必要とされる電力の量はチャンバー４０８の寸法に依存する（比例する）、ということに留意すべきである。３００ｍｍのウェハーを処理するために使用されるアニールチャンバーについては、１０，０００ワットの電力で充分である。装置８００においてプラズマを生成するためにマイクロ波供給源が使用されるが、高周波（ＲＦ）のような他のエネルギー供給源を使用することもできる。
[0067]マグネトロン８０２は、インピーダンス整合のために設けられる絶縁体擬似負荷８０４へ連結されている。擬似負荷は反射電力がマグネトロンヘッドへまったく到達しないように、反射電力を吸収する。絶縁体擬似負荷８０４は、マイクロ波エネルギーを自動同調器８０８へ移送する導波管８０６に連結されている。自動同調器８０８は、インピーダンス整合用ヘッドと、電源へ向けられたマイクロ波エネルギーの反射電力を減少させるための３つのステッピングモーター駆動インピーダンス整合用スタッブが使用されている分離検出器モジュールとからなる。自動同調器８０８は、導管８１２によりアプリケーターキャビティ８１０の中へ送り込まれた水素処理ガスによってエネルギーが吸収されるように、マイクロ波アプリケーターキャビティ（またはチャンバー）８１０の中心の中にマイクロ波エネルギーを集中させる。自動同調器が好ましいが、手動同調器を用いることもできる。
[0068]アプリケーター８１０は、水素処理ガスがアプリケーター８１０の内側に配置された石英プラズマ管を通って流下するときにその水素処理ガスからプラズマを作り出すために、マグネトロン８０２から受けたマイクロ波エネルギーを使用する。Ｈ２およびＮＨ３のようなものがあるがこれらに限定されない水素基を生成する水素処理ガスのタンクのような供給源８１４が、マイクロ波アプリケーター８１０に連結されている。加えて、アルゴン（Ａｒ）またはヘリウム（Ｈｅ）のような不活性ガスの供給源もまた、アプリケーター８１０に連結することができる。処理用ガスを一部イオン化し、それによって、マイクロ波エネルギーがプラズマに着火しやすくするために、発火前水銀ランプを使用して、プラズマ管の中へ紫外線を照射することができる。
[0069]マグネトロン８０２からのマイクロ波エネルギーによって、水素処理ガスは、この発明についてすべてが「水素基」を構成する、イオン化されまたは帯電した水素原子、活性化された（反応性の）電気的に中性の水素原子、および中間水素含有種の、基本的に３つの成分からなるプラズマに変換される。
[0070]アプリケーター８１０は、装置４００の蓋にボルト留めすることができる。集中されたプラズマ混合物は導管８１４を通って下流側へチャンバー４０８まで流れる。水素基は、アニールされる基板が配置されるチャンバー４０８から隔てられたまたは遠く離れた箇所（チャンバー８１０）で生成されるので、水素基は「遠く離れて生成された」ものであると称される。
[0071]遠隔プラズマ供給源８０１はプロセッサ／コントローラ９００に連結することができる。プロセッサ／コントローラ９００には、記憶部にコンピューター読み取り可能フォーマットで保存された命令が含まれていてもよく、プロセッサ／コントローラ９００は、遠隔プラズマ供給源８０１の作動を制御して、先に説明された水素基処理プロセスを達成する。これらの命令には例えば、５×１０１５原子／ｃｍ２〜１×１０１７原子／ｃｍ２のような、窒化シリコン層を処理するために必要な所望の水素基流動率を得るために、水素処理ガスの流速を制御する命令が含まれ、また、加熱ディスクの温度（したがって、ウェハーの温度）を制御するための命令や、水素基処理プロセスの間にチャンバー４０８の内部における圧力を制御するための命令が含まれる。
[0072]加えて、この発明は単一ウェハー装置の利用に関して説明されてきたが、この発明の堆積および処理のプロセスは、必要であれば、この発明の範囲から逸脱することなく、半バッチ型または管型の装置において実施することもできる。
[0073]この発明の代替の実施形態では、図５に示されたようにクラスター工具５００のようなクラスター工具で、低温窒化シリコン堆積プロセスを実施することができる。クラスター工具５００には、封止可能な搬送チャンバー５０２が含まれ、この搬送チャンバー５０２には、その中に収容されたロボットのようなウェハーハンドラー５０４を有する。ウェハーをロボット５０４によってクラスター工具５００の中へ入れたりまたは外側へ出したりするために、ロードロックまたは一対のロードロック５０６が、封止可能なドアによって搬送チャンバー５０２に連結されている。封止可能なドアによって搬送チャンバー５０２に連結されているのは、抵抗ヒーターを有する、アプライドマテリアルズ社のエクスゲン単一ウェハー、コールドウォール、熱的化学気相成長反応炉のような窒化シリコン堆積反応炉５０８である。また、封止可能なドアによって搬送チャンバー５０２に連結されているのは、図５に示されたような水素基処理チャンバー５１０である。この水素基処理チャンバーは例えば、アプライドマテリアルズ社のアドバンストストリップパッシベーションプラス（ＡＳＰ）チャンバーのようなプラズマチャンバー、アプライドマテリアルズ社のリモートプラズマニトライデーションＲＰＮチャンバーのような遠隔プラズマチャンバー、または「ホットワイヤ」チャンバーであってよい。典型的には、搬送チャンバー５０２は、減少した圧力に保持されているとともに、Ｎ２のような不活性環境で構成されている。このようにすることで、ウェハーは、酸化環境または汚染物質にさらされることなく、１つのチャンバー（例えば、窒化シリコン堆積チャンバー５０８）から第２のチャンバー（例えば、水素基処理チャンバー）へ、またはこの逆に、搬送することができる。クラスター工具５００には、窒化シリコン堆積反応炉５００の作動を制御するために、先に説明されたようなプロセッサ／コントローラ９００と、先に説明されたような窒化シリコン層を堆積するためと先に説明されたような水素基で窒化シリコン層を処理するために、水素基処理チャンバー５１０とがまた、含まれていてもよい。
[0074]使用に際して、図３Ａに示されたウェハーのようなウェハーまたは基板が、ロボット５０４によって、ロードロック５０６から搬送チャンバー５０２の中に入れられる。ウェハーは、窒化シリコン堆積チャンバー５０８、その間に封止されたドア、および低堆積温度プロセスでその上に形成された窒化シリコン層の中へ搬送される。その上に窒化シリコン層が形成されると、ウェハーは、ロボット５０４によって窒化シリコン堆積チャンバー５０８から取り出されて、ロボット５０４によって水素基処理チャンバー５１０の中へ入れられる。その後、水素基処理チャンバー５１０と搬送チャンバー５０２との間のドアが封止されて、窒化シリコン層が先に説明されたように水素基にさらされる。より厚い窒化シリコン層が必要であれば、付加的な窒化シリコンを堆積するために、ウェハーは、チャンバー５１０から取り出して窒化シリコン堆積チャンバー５０８の中へ戻すことができる。ウェハーは、再び窒化シリコン堆積チャンバー５０８から取り出されて、水素基処理チャンバー５１０の中へ戻され、再び水素基で処理される。ウェハーは、所望の厚さおよび品位の窒化シリコン層が得られるまで、堆積チャンバー５０８と処理チャンバー５１０との間で連続的に搬送することができる。実質的に厚い窒化シリコン層が形成されると、ウェハーはクラスター工具５００から取り外される。
[0075]このように、低い堆積温度で高品位の窒化シリコン層を堆積しかつ処理するための方法および装置が説明された。
窒化シリコン層を形成する方法の一実施形態を示しているフローチャートである。 窒化シリコン層を形成する方法の一実施形態を示しているフローチャートである。 窒化シリコン層から形成された側壁スペーサーを有する半導体デバイスを形成する方法の一実施形態の断面模式図である。 窒化シリコン層から形成された側壁スペーサーを有する半導体デバイスを形成する方法の一実施形態の断面模式図である。 窒化シリコン層から形成された側壁スペーサーを有する半導体デバイスを形成する方法の一実施形態の断面模式図である。 窒化シリコン層を形成するために使用することのできる装置の一実施形態の断面模式図である。 図５は、窒化シリコン層を形成するために使用することのできるクラスター用具の一実施形態の平面図である。
符号の説明
３００…基板、３０２…層、３０４…ゲート絶縁層、３０６…ゲート電極、３１０…ソース／ドレイン拡張部、３１２…窒化シリコン層、３１４…側壁スペーサー、３１６…ソース／ドレイン領域、４００…反応炉、４０１…ガス制御盤、４０４…ヒーターアセンブリー、４０６…チャンバー本体、４０８…反応チャンバー、４０９…温度制御ライナー、４１０…通路、４１２…導線、４１４…ヒーター管、４１６…加熱ディスク、４１８…加熱コイル、４２０…スリーブ、４２２…ポケット、４２４…口部
４２６…蓋、４２８…ブロッカープレート、４３０…フェースプレート、４３４…入口、４３６…リフターアセンブリー、４４２…リフトピン、４４４…接触リフトプレート、５００…クラスター工具。

Claims (31)

  1. 基板を処理する方法であって、
    基板を５５０℃以下の温度まで加熱するステップと、
    シリコン窒素含有原料ガスまたはシリコン含有原料ガスおよび窒素含有原料ガスを熱分解して、その基板の表面に窒化シリコン層を堆積するステップと、
    その窒化シリコン層を水素基にさらすステップと
    を含む方法。
  2. 水素基が、水素含有原料ガスのプラズマ分解によって形成される、請求項１に記載の方法。
  3. 水素含有原料ガスが、アンモニア（ＮＨ３）、水素ガス（Ｈ２）、またはアンモニア（ＮＨ３）と水素ガス（Ｈ２）との混合物を備える、請求項２に記載の方法。
  4. 窒化シリコン層が、水素基により、５×１０１５原子／ｃｍ２〜１×１０１７原子／ｃｍ２の流動率で処理される、請求項１に記載の方法。
  5. シリコン含有原料ガスまたはシリコン／窒素含有原料ガスが、Ｓｉ−Ｓｉ結合、Ｎ＝Ｎ結合、Ｎ−Ｎ結合、またはこれらの組み合わせの群から選択された化学結合を有する化合物を含む、請求項１に記載の方法。
  6. 水素含有原料ガスが、窒素ガス（Ｎ２）、アルゴン（Ａｒ）およびヘリウム（Ｈｅ）からなる群から選択された不活性ガスを更に備える、請求項２に記載の方法。
  7. 原料ガスのプラズマ分解が、窒化シリコン層が水素基で処理されるチャンバーから物理的に遠い箇所で起きる、請求項２に記載の方法。
  8. 窒化シリコン層が、その窒化シリコン層が水素基にさらされた後に、１．０原子％未満の塩素濃度を有する、請求項１に記載の方法。
  9. 窒化シリコン層が、その窒化シリコン層が水素基にさらされた後に、５原子％未満の炭素濃度を有する、請求項１に記載の方法。
  10. 熱分解温度が５００℃未満である、請求項１に記載の方法。
  11. 窒化シリコン層が、１００オングストローム／分を超える堆積速度で形成される、請求項１に記載の方法。
  12. シリコン含有原料ガスまたはシリコン／窒素含有原料ガスが、単結合によって第２シリコン原子に結合された第１シリコン原子と、第１シリコン原子および第２シリコン原子に結合された少なくとも塩素（Ｃｌ）原子または窒素（Ｎ）原子を含む、請求項１に記載の方法。
  13. 有機基が窒素原子に結合されている、請求項１２に記載の方法。
  14. シリコン含有原料ガスまたはシリコン／窒素含有原料ガスが、Ｒ２Ｎ−Ｓｉ（Ｒ’２）−Ｓｉ（Ｒ’２）−ＮＲ２、Ｒ３−Ｓｉ−Ｎ３、Ｒ’３−Ｓｉ−ＮＲ−ＮＲ２の構造を有する群から選択された化合物を含んでおり、ここで、ｙが１以上であり、ＲおよびＲ’が、ハロゲン、１つ以上の二重結合を有する有機基、１つ以上の三重結合を有する有機基、脂肪族アルキル基、環状アルキル基、芳香族基、有機ケイ素基、アルキルアミノ基、またはＮもしくはＳｉを含有する環状基、およびこれらの組み合わせの群から選択された１つ以上の官能基を備える、請求項５に記載の方法。
  15. ＲおよびＲ’が、クロロ、メチル、エチル、イソプロピル、トリメチルシリル、ピロリジン、およびこれらの組み合わせの群から選択された１つ以上の官能基を備える、請求項１４に記載の方法。
  16. シリコン含有原料ガスまたはシリコン／窒素含有原料ガスが、１，２−ジエチル−テトラキス（ジエチルアミノ）ジシラン、１，２−ジクロロ−テトラキス（ジエチルアミノ）ジシラン、およびヘキサキス（Ｎ−ピロリジニオ）ジシラン、１，１，２，２−テトラクロロ−ビス（ジ−トリメチルアミノ）ジシラン、１，１，２，２−テトラクロロ−ビス（ジ−イソプロピル）ジシラン、１，２−ジメチル−テトラキス（ジエチルアミノ）ジシラン、トリス（ジエチルアミノ）シランアジ化物、トリメチルアミノシランアジ化物、（２，２−ジメチルヒドラジン）ジメチルシラン、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１５に記載の方法。
  17. シリコン窒素含有原料ガス、またはシリコン含有原料ガスおよび窒素含有原料ガスを熱分解することによって、処理済み窒化シリコン層の上に第２窒化シリコン層を堆積するステップと、
    その第２窒化シリコン層を水素基にさらすステップと
    を更に含む、請求項１に記載の方法。
  18. シリコン窒素含有原料ガス、またはシリコン含有原料ガスおよび窒素含有原料ガスを熱分解することによって、処理済み第２窒化シリコン層の上に第３窒化シリコン層を堆積するステップと、
    その第３窒化シリコン層を水素基にさらすステップと
    を更に含む、請求項１７に記載の方法。
  19. 窒化シリコンが堆積された層が、水素基によって４５０℃〜６００℃の温度で処理される、請求項１に記載の方法。
  20. 窒化シリコン層が処理された後に、窒化シリコン層が、１０原子％未満の水素濃度、その窒化シリコン層が水素基へさらされた後の１．９０以上の屈折率、緩衝酸化エッチングを利用する酸化シリコンのエッチングとほぼ同一のエッチング速度、またはこれらの組み合わせを有する、請求項１に記載の方法。
  21. 窒化シリコン層を形成する方法であって、
    シリコン窒素含有原料ガスまたはシリコン含有原料ガスおよび窒素含有原料ガスを５５０℃未満の温度で熱分解して、窒化シリコン層を１００オングストローム／分よりも大きい堆積速度で１５０オングストローム未満の厚さまで堆積するステップと、
    堆積された窒化シリコン層を水素含有ガスのプラズマ分解によって形成された水素基にさらすステップと
    を含む方法。
  22. シリコン含有原料ガスまたはシリコン窒素含有原料ガスが、オルガノ−ジ−シランもしくはオルガノ−モノ−シランまたはオルガノアミノ−ジ−シランもしくはオルガノアミノ−モノ−シランからなる群から選択される、請求項２１に記載の方法。
  23. 水素含有原料ガスが、アンモニア（ＮＨ３）、水素ガス（Ｈ２）、またはアンモニア（ＮＨ３）と水素ガス（Ｈ２）との混合物を含む、請求項２１に記載の方法。
  24. 堆積された窒化シリコン層が、５×１０１５原子／ｃｍ２〜１×１０１７原子／ｃｍ２の流動率を有する水素基で処理される、請求項２１に記載の方法。
  25. 堆積された窒化シリコン層を水素基で処理し、処理された窒化シリコン層が、１０％未満の水素濃度と、堆積された窒化シリコン層が水素基にさらされた後に実質的に減少したＳｉ−Ｈ結合とを有する、請求項２１に記載の方法。
  26. プラズマ分解が、窒化シリコン層が、水素基で処理されるチャンバーから遠いものである、請求項２１に記載の方法。
  27. 窒化シリコン層が、それが堆積されるのと同一のチャンバーの内部で処理される、請求項２１に記載の方法。
  28. 窒化シリコン層を形成する方法であって、
    シリコン窒素含有原料ガスまたはシリコン含有原料ガスおよび窒素含有原料ガスを熱分解することによってシリコン層を堆積するステップであって、シリコン含有原料ガスまたはシリコン窒素含有原料ガスが塩素および炭素を含むステップと、
    堆積された窒化シリコン層を水素含有ガスのプラズマ分解によって形成された水素基で処理することによって、処理済み窒化シリコン層を形成するステップと
    を含む方法。
  29. 窒化シリコン層を形成する方法であって、
    シリコン窒素含有原料ガスまたはシリコン含有原料ガスおよび窒素含有原料ガスを熱分解することによって窒化シリコン層を堆積するステップであって、窒化シリコン層の堆積後に窒化シリコン層が１５原子％よりも大きい水素濃度と１０原子％よりも大きい炭素濃度とを有するステップと、
    堆積された窒化シリコン層を、窒化シリコン層が１０原子％未満の水素濃度と５原子％未満の炭素濃度とになるまで水素基で処理するステップと
    を含む方法。
  30. 窒化シリコン層が、堆積された窒化シリコン層が水素基にさらされた後に、１．０原子％未満の塩素濃度を有する、請求項２９に記載の方法。
  31. 窒化シリコン層を形成する装置であって、
    基板を保持するためにチャンバーの中に設置された基板支持体と、
    この基板支持体の上に配置された基板を加熱するヒーターと、
    シリコン原料ガスおよび窒素原料ガスおよび／またはシリコン／窒素原料ガスを備える処理用ガス混合物を前記チャンバーの中へ供給するガス入口と、
    水素含有ガスから水素基を生成する手段と、
    この装置の作動を制御するプロセッサ／コントローラと、を備え、
    プロセッサ／コントローラが、前記基板支持体の上に配置された基板を５５０℃未満の温度まで加熱するための、かつ、シリコン含有原料ガスおよび窒素含有原料ガスまたはシリコン窒素含有原料ガスを前記チャンバーの中へ供給するとともに前記基板の上に窒化シリコン層を形成するために前記基板を加熱するための複数の命令と、窒化シリコン層を水素基で処理するための水素基を生成する手段を制御するための命令とを有する記憶部を含む、前記窒化シリコン層形成装置。
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