JP2006511946A - 高品質の低温窒化シリコン膜を形成するための方法及び装置 - Google Patents

高品質の低温窒化シリコン膜を形成するための方法及び装置 Download PDF

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Abstract

窒化シリコン膜を形成する方法が記載される。本発明によれば、シリコン/窒素含有原料ガス又はシリコン含有原料ガスと窒素含有原料ガスを低堆積温度（例えば、５５０℃未満）で熱分解して窒化シリコン膜を形成することにより窒化シリコン膜が堆積される。次に、熱堆積された窒化シリコン膜を水素ラジカルで処理して処理した窒化シリコン膜を形成する。

Description

発明の背景
１．発明の分野
[0001]本発明は薄膜形成の分野に関し、更に詳細には低堆積温度と高堆積速度で窒化シリコン膜を形成するための方法及び装置に関する。
２．関連技術の検討
[0002]現代の集積回路は、機能回路内に共に集積化された文字通り何百万というトランジスタで作られている。集積回路の計算出力又は記憶容量を更に増加するために、ゲート長及びゲート酸化膜厚のようなトランジスタの特徴部サイズが更に縮小されなければならない。残念なことに、トランジスタゲート長が絶えず縮小されるにつれて、デバイス内のドーパントの熱再分配のためにトランジスタの電気的特性や性能が著しく変化し得る。そのように、デバイスが更に縮小するにつれて、集積回路を製造するために用いられるサーマルバジェットもデバイスの一致した信頼性のある電気性能を保証するために減少されなければならない。即ち、デバイス寸法が減少するにつれて、集積回路の薄膜を形成するために用いられる堆積温度やプロセス温度も低下されなければならない。６５ナノメートル技術以下のトランジスタ寸法を有する集積回路の製造には、５５０℃未満の堆積温度で形成することができる高品質の薄膜を必要とすると考えられる。
[0003]更に、半導体デバイスを更に縮小するために、デバイスを作るために用いられる薄膜は、組成や厚さが高い均一性で形成することができなければならない。厚さと組成が極めて均一な膜を形成するために、膜は、一般的には単一ウエハ堆積リアクタで形成されることを必要とする。単一ウエハリアクタにおいて製造可能時間量で薄膜を形成するために、堆積速度は少なくとも５０オングストローム毎分とすべきである。
[0004]熱化学気相堆積（ＣＶＤ）によって堆積される窒化シリコン薄膜は、半導体製造プロセス全体で用いられる。例えば、熱ＣＶＤ窒化シリコン膜は、スペーサ膜、エッチングストップ、及びキャパシタ及びインタポリ誘電体として用いられる。残念なことに、熱化学気相堆積を用いる単一ウエハリアクタにおいて高品質窒化シリコン膜を形成する現在の技術は、７５０℃より高い堆積温度を必要とし及び/又は更に低温での堆積速度は低い。たいていの窒化シリコン堆積プロセスにおいては、堆積温度が５５０℃未満まで下げられる場合には、堆積速度は著しく低下し、０になり得る。更に、窒化シリコン膜が低温又は高堆積速度で堆積される場合、膜の品質は、一般的には悪い。
[0005]従って、５５０℃以下の低温で５０オングストローム毎分より速い製造可能な堆積速度の熱化学気相堆積（ＣＶＤ）によって高品質の窒化シリコン膜を形成する方法が求められている。
本発明の概要
[0006]窒化シリコン膜を形成する方法が記載される。本発明によれば、窒化シリコン膜は、低堆積温度（例えば、５５０℃未満）でシリコン/窒素含有原料ガス、又はシリコン含有原料ガス及び窒素含有原料ガスを熱分解して窒化シリコン膜を形成することにより堆積される。その後、熱堆積した窒化シリコン膜は、水素ラジカルで処理されて処理された窒化シリコン膜を形成する。
本発明の詳細な説明
[0012]本発明は、低堆積温度で形成し得る高品質の窒化シリコン膜である。以下の記載においては、本発明の十分な理解を得るために堆積及びアニール装置のような多くの個々の詳細が示されている。しかしながら、当業者は本発明がこれらを個々に詳述せずに実施することができることを理解する。他の場合には、周知の半導体処理は本発明を不必要に不明瞭にすることを避けるために、特に詳述されていない。
[0013]本発明は、熱化学気相堆積（ＣＶＤ）によって５５０℃未満の低堆積温度で高品質の窒化シリコン膜を形成するための新規な方法及び装置である。窒化シリコン膜を堆積する方法の一例は、一般的には、図１のフローチャートに具体的に示されている。本発明の第一ステップによれば、図１のブロック１０２に示されるように、シリコン/窒素含有原料ガス又はシリコン含有原料ガスと窒素含有原料ガスを含むプロセスガス混合物は、５５０℃以下、理想的には５５０℃未満の堆積温度（基板温度）でチャンバ内で熱分解され、窒化シリコン膜が堆積されるシリコン化学種と窒素化学種を生成する。１種又は複数の原料ガスは、窒化シリコン膜が５５０℃以下の低堆積温度（即ち基板又はウエハ温度）で少なくとも５０オングストローム毎分、理想的には少なくとも１００オングストローム毎分の堆積速度で熱化学気相堆積によって形成することを可能にするように選ばれる。
[0014]低温で十分に高い堆積速度で熱化学気相堆積によって窒化シリコン膜を製造するために使用し得るシリコン含有原料ガス又はシリコン/窒素含有原料ガスは、例えば、ヘキサクロロジシラン（ＨＣＤ又はＳｉ2Ｃ16）及び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、ヘキサキス（Ｎ‐ピロリジノ）ジシランのような有機シリコン含有ガス、他の塩素化又は非塩素化アルキルアミノジシラン又はモノシランＲ2Ｎ‐Ｓｉ(Ｒ’2)‐Ｓｉx(Ｒ’2)y‐ＮＲ2（ｘ＝ｙ＝０又は１；Ｒ、Ｒ’＝Ｃl又はメチル又はエチル、又はイソプロピル、又は他のアルキル基、又は他のアルキルアミノ基、又はＮを含有する環式基、又はシリル基のあらゆる組合わせ）が含まれる。
[0015]本発明に従って低温で窒化シリコン膜を形成するために用いられるシリコン原料ガス（前駆物質）又はシリコン/窒素原料ガス（前駆物質）は、分子を低温で容易に分解させるために弱いシリコン‐シリコン単結合（即ち、Ｓｉ‐Ｓｉ単結合）を有する。更に、シリコン原料ガス又はシリコン/窒素原料ガスも、理想的には、弱い単結合を有する各シリコン原子に結合した塩素（Ｃｌ）原子及び/又は窒素（Ｎ）原子を有する。即ち、シリコン原料ガス又はシリコン/窒素原料ガスは、理想的には弱いＳｉ‐Ｓｉ単結合に連続するＳｉ‐Ｃｌ官能基及び/又はＳｉ‐Ｎ官能基を有する。このことは、特に適切な堆積速度で常に温度を下げるために改善されたステップカバレージとマイクロローディングに重要である。本発明の実施形態においては、シリコン原料ガス又はシリコン/窒素原料ガスは弱いシリコン‐シリコン単結合を有し、シリコン原子の各々のその他の３つの結合は窒素（Ｎ）原子又は塩素（Ｃｌ）原子のいずれかに結合し、理想的には窒素原子と塩素原子に結合する。本発明の実施形態においては、シリコン原料ガス又はシリコン/窒素原料ガスは有機基を含み、有機基は、理想的には、他のシリコン原子と単結合を有するシリコン原子に結合する窒素原子に結合する。或いは、有機基は他のシリコン原子と弱い単結合を有するシリコン原子に直接結合し得る。シリコン原料ガス又はシリコン/窒素原料ガスは理想的には対称分子である。
[0016]本発明に従って低温でシリコン窒素含有膜を堆積するために使用し得る窒素原料ガス又は前駆物質は、アンモニア（ＮＨ3）又はＮ2Ｈ4を含むが、これに限定されない。窒素原料ガスは、理想的には、低温で窒素原料ガスが容易に分解させることを可能にする弱い窒素‐窒素単結合（即ち、Ｎ‐Ｎ単結合）を含んでいる。更に、シリコン/窒素含有原料ガスがプロセスガス混合物に用いられる場合、ある量の窒素原料ガスが、典型的には、膜堆積中に堆積された膜の組成について可撓性制御のためのガス混合物に含まれる。
[0017]窒化シリコン膜が、低温で高堆積速度で堆積されるので、窒化シリコン膜は典型的には最初は膜の品質が悪い。即ち、“堆積されたままの”最初の窒化シリコン膜は、例えば、優位部分ののＳｉ‐Ｈ形を有する高全水素濃度（例えば、１５原子パ高いーセント以上より高い）、有機シリコン前駆物質が用いられる場合には高炭素濃度（例えば、１０原子パーセント以上）、塩素化シリコン前駆物質が用いられる場合には高塩素濃度（例えば１原子パーセント以上）、低屈折率（例えば１.８５未満）、高ウェットエッチング速度（例えば、バッファ酸化物エッチング（ＢＯＥ）のような酸化物エッチングを用いた酸化シリコンのエッチング速度の２倍を超える）を有する。
[0018]図１のブロック１０４に示される堆積されたままの窒化シリコン膜の品質を改善するために（例えば、全水素濃度を１０原子パーセント未満に低下させる又はＳｉ‐Ｈ形の部分を減少させる又は塩素濃度を、例えば、１原子パーセント未満に減少させる又は屈折率を１.９０より高くする又はウェットエッチング速度をＢＯＥのような酸化物エッチングを用いて酸化シリコンのエッチング速度、例えば、ほぼ同じ（１：１）にする）、膜は所定時間水素ラジカルで処理される。水素ラジカルは、例えば、プラズマ分解（インサイチュかリモートか）又はアンモニア（ＮＨ3）や水素（Ｈ2）のような水素含有ガスの“熱線”分解によって形成し得る。堆積されたままの窒化シリコン膜は、５×１０15原子/ｃｍ2‐１×１０17原子/ｃｍ2のフラックスで水素ラジカルを用いて処理されることができる。水素ラジカル処理の間、基板は４５０‐６００℃の間の低温に加熱処理される。十分な処理は、典型的には１５‐１２０秒以内に起こり得る。本発明のプロセスは、高品質の窒化シリコン膜を低堆積温度で製造可能な高堆積速度（例えば、５０オングストローム/ｍｉｎより速い）で熱化学気相堆積によって形成することを可能にする。堆積温度がデバイスのサーマルバジェットに劇的に影響せず又はドーパントの再分配を変えるのに十分に低い温度であることから、低堆積温度は半導体回路製造プロセスにおいてトランジスタ又は能動デバイス形成の後の適用又は位置で窒化シリコン膜を用いることを可能にする。窒化シリコン膜の高堆積速度は、プロセスを単一ウエハリアクタにおいて実施させることを可能にする。
[0019]本発明の実施形態に従って単一ウエハリアクタにおいて窒化シリコン膜を堆積及び処理する方法の一例は、図２のフローチャート２００で具体的に説明されている。第一ステップは、窒化シリコン膜を熱化学気相堆積によってウエハ又は基板上に堆積させるものである。窒化シリコン堆積プロセスの個々の例は、フローチャート２００のブロック２０１として図２に示され、フローチャート２００のステップ２０２‐２１０を含むことができる。窒化シリコン膜を堆積する際の第一ステップは、チャンバ内にウエハ又は基板を入れるものである。理想的には、窒化シリコン膜は、アプライドマテリアルズ社のＸgen Ｃhamberのような、ウエハを加熱するための抵抗加熱された基板支持体を有する減圧単一ウエハ冷却壁リアクタのチャンバ内で形成される。適したチャンバの一例は、図４に図示され具体的に説明されている。
[0020]一旦基板をチャンバ内に入れると、窒化シリコン膜を堆積するために用いられる堆積圧と温度が達成される。本発明の実施形態においては、窒化シリコン膜の堆積が生じる堆積圧は、１０‐３５０ｔｏｒｒである。堆積温度（即ち、ウエハ又は基板の温度）は、窒化シリコン膜を堆積するために用いられる個々のプロセスガス（例えばシリコン含有原料ガス及び窒素含有原料ガス）に左右される。ウエハ又は基板温度は、堆積プロセスの間、５５０℃以下、理想的には５５０℃未満、一般的には５５０‐４５０℃にある。次に、ブロック２０６に示されるように、プロセスガスは堆積チャンバ内に導入される。プロセスガス混合物は、少なくともシリコン含有原料ガス（即ち、窒化シリコン膜の堆積のためにシリコン原子又はシリコン含有中間体化学種を与えるために分解され得るガス）、窒素含有原料ガス（即ち、窒化シリコン膜堆積のために窒素原子又は窒素含有化学種の原料を与えるために熱分解され得るガス）を含んでいる。或いは、プロセスガス混合物は、単一分子から窒化シリコン膜のために窒素原子とシリコン原子又は窒素とシリコンの担持中間体化学種双方の原料を与えるシリコン/窒素原料ガスを含むことができる。シリコン/窒素原料ガスが用いられる場合、プロセスガス混合物は窒素原料ガス及び/又はシリコン原料ガスも含むことができ又は窒素とシリコンの原料を追加せずにシリコン/窒素原料ガスだけを含むことができる。
[0021]窒素含有原料ガスは、アンモニア（ＮＨ3）やヒドラジン（Ｎ2Ｈ4）を含むことができるが、これらに限定されない。本発明の実施形態においては、チャンバ内にシリコン原料ガスを供給する前に、窒素原料ガスが堆積チャンバ内に供給される。更に、本発明の実施形態においては、窒素原料ガスは、弱い窒素‐窒素単結合（即ち、Ｎ‐Ｎ単結合）を有する。
[0022]本発明に従って低温で窒化シリコン膜を形成するために用いられるシリコン原料ガス（前駆物質）又はシリコン/窒素原料ガス（前駆物質）は、分子を低温で容易に分解させることができる、弱いシリコン‐シリコン単結合（即ち、Ｓｉ‐Ｓｉ単結合）を有する。更に、シリコン原料ガス又はシリコン/窒素原料ガスは、理想的には、弱い単結合を有するシリコン原子の各々に結合される塩素（Ｃｌ）原子及び/又は窒素（Ｎ）原子を有する。即ち、シリコン原料ガス又はシリコン/窒素原料ガスは、理想的には、弱いＳｉ‐Ｓｉ単結合に連続するＳｉ‐Ｃｌ官能基及び/又はＳｉ‐Ｎ官能基を有する。このことは、特に、適切な堆積速度で常に温度を下げるために改善されたステップカバレージやマイクロローディングに重要である。本発明の実施形態においては、シリコン原料ガス又はシリコン/窒素原料ガスは、弱いシリコン‐シリコン単結合を有し、シリコン原子の各々のその他の３つの結合は窒素（Ｎ）原子又は塩素（Ｃｌ）原子のいずれかに結合し、理想的には窒素原子と塩素原子に結合されている。本発明の実施形態においては、シリコン原料ガス又はシリコン/窒素原料ガスは、有機基が、理想的には、他のシリコン原子と単結合を有するシリコン原子に結合される窒素原子に結合されている有機基を含んでいる。或いは、有機基は、他のシリコン原子と弱い単結合を有するシリコン原子に直接結合され得る。シリコン原料ガス又はシリコン/窒素原料ガスは、理想的には対称分子である。
[0023]本発明の実施形態においては、シリコン原料ガスはヘキサクロロジシラン（ＨＣＤ）である。窒化シリコン膜は、チャンバ内にＨＣＤ及びＮＨ3又はＮ2Ｈ4を供給することによって形成され得る。ＨＣＤが用いられる場合には、反応チャンバ内に導入される前にＮ2のような不活性キャリアガスと混合することができる。Ｎ2のようなキャリアガスが、反応せず、反応の堆積温度で熱分解せず、そのように反応に関与しないことは理解すべきである。本発明の実施形態においては、５００‐５０００ｓｃｃｍの窒素原料ガスが供給される一方で、ＨＣＤは１０‐２００ｓｃｃｍの速度で反応チャンバへ供給される。一実施例として、ＨＣＤ原料ガス及び窒素原料ガスの流量は、１：１〜１：１０００、理想的にはそれぞれ１：１〜１：５００である。そのようなプロセスは、５３０℃のウエハ温度、約８０オングストローム/ｍｉｎの堆積速度、４８０℃のウエハ温度、約５０オングストローム/ｍｉｎの堆積速度で窒化シリコン膜を形成することができる。
[0024]本発明の実施形態においては、シリコン含有原料ガスは、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、ヘキサキス（Ｎ‐ピロリジノ）のような有機シリコン含有ガス、及び他の塩素化又は非塩素化アルキルアミノジシラン又はモノシランＲ2Ｎ‐Ｓｉ(Ｒ’2)‐Ｓｉx(Ｒ’2)y‐ＮＲ2（ｘ＝ｙ＝０又は１；Ｒ、Ｒ’＝Ｃｌ又はメチル、又はエチル、又はイソプロピル、又は他のアルキル基、又は他のアルキルアミノ基又はＮを含有する環式基、又はシリル基のあらゆる組合わせ）を含有する有機シリコン含有ガスである。適切な窒化シリコン膜は、１０‐１００ｓｃｃｍの流量の１,２‐ジクロロテトラキス（ジエチルアミノ）ジシラン、２００‐２０００ｓｃｃｍの流量の窒素原料ガスを用いて形成され得る。適切な窒化シリコン膜は、１０‐１００ｓｃｃｍの間の流量の１,２‐ジエチルテトラキス（ジエチルアミノ）ジシラン、２００‐２０００ｓｃｃｍの間の流量の窒素原料ガスから堆積し得る。そのようなプロセスは、ウエハ温度５３０℃、約８０オングストローム/ｍｉｎの堆積速度、ウエハ温度４８０℃、約５０オングストローム/ｍｉｎの堆積速度で窒化シリコン膜を形成することができる。
[0025]次に、フローチャート２００のブロック２０８に示されるように、加熱した基板又は基板支持体からの熱がシリコン/窒素原料ガス又はシリコン原料ガスと窒素原料ガスを熱分解させる。シリコン原料ガスの熱分解によって、シリコン原子又はシリコン含有中間体化学種が得られる。窒素原料ガスの熱分解によって、窒素原子又は窒素含有中間体化学種が得られる。シリコン/窒素原料ガスの熱分解によって、シリコン原子又はシリコン中間体化学種と窒素原子又は窒素中間体化学種双方を得ることができる。シリコン原子又はシリコン含有中間体化学種は、基板の表面上に窒化シリコン膜を堆積するために窒素原子又は窒素含有中間化学種と反応する。本発明においては、シリコン/窒素含有原料ガス又はシリコン原料ガス及び窒素原料ガスは、光子増強又はプラズマ増強のような追加のエネルギー源を援助せずに基板からの熱又は基板支持体からの熱のような熱エネルギーだけを用い熱分解されることが理解される。本発明の実施形態においては、窒化シリコン膜は、１０‐１５０オングストロームの厚さ、１２０オングストローム未満に堆積され、理想的には８０オングストローム未満が好ましい。更に厚い膜が所望される場合には、後に検討される厚い膜を堆積するために複数の堆積/水素ラジカル処理サイクルを使用し得る。
[0026]本発明の実施形態においては、ブロック２１０に示されるように、十分に厚い窒化シリコン膜の堆積後に、シリコン原料ガスと窒素原料ガスのフローが停止される。本発明の実施形態においては、窒化シリコンの堆積が完了したときに、任意により、ブロック２１０に記載されるように基板を窒素原料ガスで処理することができる。窒素原料ガスだけが約１０秒間反応チャンバに導入される。堆積ステップの最後に窒化シリコン膜に窒素原料ガスを用いて処理すると、基板上の未反応のシリコン部位が終了する。この操作は、窒化シリコン膜におけるＮ/Ｓｉ比の増加や水素（特にＳｉ‐Ｈ結合形）の減少が援助される。しかしながら、操作２１０は、本発明の良好な窒化シリコン膜を達成するのに必要ではない。
[0027]窒化シリコン膜を堆積するために本発明に用いられるプロセスガス混合物は、５５０℃未満の低堆積温度、理想的には５００℃未満の温度で少なくとも５０オングストローム毎分、理想的には１００オングストローム毎分より速い速度で窒化シリコン膜を熱化学気相堆積によって堆積させることを可能にする。
[0028]窒化シリコン膜は、高堆積速度及び/又は低堆積温度で堆積されるので、“堆積されたままの”窒化シリコン膜は品質が悪くなる傾向がある。即ち、“堆積されたままの”窒化シリコン膜は、１５原子パーセントより高い水素濃度、有意にはＳｉ‐Ｈ形で、１.８５未満の低い屈折率、高ウェットエッチング速度（例えば、バッファ酸化物エッチング（ＢＯＥ）のような酸化物エッチングを用いた酸化シリコンのエッチング速度の２倍を超える）である傾向がある。更に、塩素化及び/又は有機シリコン前駆物質が用いられる場合、更にその膜はそれぞれ１.０原子パーセントと１０原子パーセントより高い塩素濃度と炭素濃度であり得る。そのような悪い品質の窒化シリコン膜は、スペーサやインタポリ誘電体のような半導体デバイス製造において窒化シリコン膜の多くの適用に適していない。
[0029]本発明によれば、“堆積されたままの”窒化シリコン膜は、フローチャート２００のブロック２１２に示される“堆積されたままの”膜の質を改善するために所定の時間水素ラジカルで処理される。本発明の実施形態においては、窒化シリコン膜は、５×１０15原子/ｃｍ2‐１×１０17原子/ｃｍ2、理想的には約１×１０16原子/ｃｍ2のフラックスで水素ラジカルに晒される。本発明の実施形態においては、窒化シリコン膜は、基板を４５０‐６００℃の温度に基板を加熱しつつ１５‐１２０秒間水素ラジカルで処理される。水素ラジカル処理は、１００ミリトル〜５トルの圧力で起こり得る。
[0030]水素ラジカル処理に用いられる水素ラジカルは、あらゆる適切な方法で生成させることができる。本発明の実施形態においては、水素ラジカルは、十分多くの水素ラジカルを得るために分解され得る水素含有ガスのプラズマ分解によって形成される。水素ラジカルは、非常に活性化された中性の原子水素、帯電した水素イオン全ての水素化学種を含んでいる。適切な水素原料ガスは、アンモニア（ＮＨ3）、水素ガス（Ｈ2）を含んでいる。本発明の実施形態においては、水素原料ガスは、ＮＨ3とＨ2の混合物を含んでいる。本発明の実施形態においては、水素処理ガスは、ＮＨ3のみ又はＨ2のみを含んでいる。更に、本発明の実施形態においては、Ｎ2、Ａｒ又はＨｅのような不活性ガスは水素処理ガスと共に供給され得る。２００‐２０００ワットの電力でマイクロ波又は高周波電源を用いて水素ラジカルを供給するために水素含有ガスが解離され得ることが適切である。水素処理ガスのプラズマ分解は、インサイチュで又はリモートプラズマを用いて達成され得る。インサイチュプロセスにおいては、プラズマと水素ラジカルは、処理すべき窒化シリコン膜を有する基板が置かれる同一のチャンバ内で生成される。適切なプラズマチャンバの一実施例は、容量結合ＰＥＣＶＤ又は高密度プラズマＨＤＰチャンバを含んでいる。リモートプラズマ処理においては、水素ラジカルとプラズマは、処理すべき窒化シリコン膜を有する基板が置かれるチャンバから離れたチャンバ内でマイクロ波で生成される。リモートプラズマ処理においては、プラズマと水素ラジカルは、第一チャンバ（解離チャンバ又はキャビティ）において生成され、その後解離チャンバから処理すべき窒化シリコン膜を備えた基板を収容した第二チャンバにコンジットを通って流れ込む。あらゆる適切なリモートプラズマ生成リアクタ、例えば、Ａstex Ａstron、アプライドマテリアルズ社のリモートプラズマ窒化ＲＰＮソース、及び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）チャンバを使用し得るが、これらに限定されない。
[0031]本発明の実施形態においては、水素ラジカルは、“熱線“又はアンモニア（ＮＨ3）及び水素ガス（Ｈ2）又はその組合わせのような水素含有ガスの触媒分解によって形成される。“熱線”プロセスにおいては、タングステンフィラメントのような線又は触媒は、約１６００‐１８００℃の高温に加熱され、水素処理ガスがフィラメント上に供給される。加熱フィラメントが水素処理ガスのクラッキング又は分解を起こして水素ラジカルを形成させる。その後、水素ラジカルがフィラメントの下に位置した基板上に形成された窒化シリコン膜を処理する。フィラメントは高温であるが、処理プロセスの間、基板はまだ６００℃未満、好ましくは５５０℃未満の低温にしか加熱されていない。本発明の更に他の実施形態においては、誘起生成プラズマを水素ラジカルを生成するために用いることができる。
[0032]本発明の実施形態においては、“堆積されたままの”窒化シリコン膜は、膜の水素濃度を１０原子パーセント未満に減少させる及び/又はＳｉ‐Ｈ結合の部分を減少させる、屈折率を１.９より大きくする一定の時間、温度と圧力で水素ラジカルに晒される。有機シリコン原料ガスが用いられる場合には、膜中の炭素濃度が５原子パーセントより下がるまで膜を処理することができる。塩素化シリコン原料ガスが用いられる場合には、膜中の塩素濃度は１原子パーセントより下がるまで処理することができる。本発明の実施形態においては、窒化シリコン膜は、ウェットエッチング速度がＢＯＥを用いた酸化シリコンとほぼ同じになるまで処理される。
[0033]水素ラジカルが窒化シリコン膜を浸透できる距離は、低温プロセスによって、一般的には１００オングストローム未満、典型的には５０オングストローム未満に制限されるので、１５０オングストローム以下、好ましくは１００オングストローム以下の窒化シリコン膜が水素ラジカル処理前に形成される。更に厚い窒化シリコン膜が所望される場合、複数の堆積及び処理サイクルが使用し得る。例えば、３００オングストロームの窒化シリコン膜が所望される場合には、１００オングストロームの第一窒化シリコン膜を堆積させることができ、その後その窒化シリコン膜が水素ラジカルで処理される。次に、１００オングストロームの第二窒化シリコン膜が処理された窒化シリコン膜上に堆積させ、その後第二窒化シリコン膜が水素ラジカルで処理される。次に、１００オングストロームの第三窒化シリコン膜を第二窒化シリコン膜上に堆積させ、水素ラジカルで処理される。このようにして、高品質の窒化シリコン膜があらゆる所望の厚さに形成することができる。
[0034]本発明の窒化シリコン膜を形成する方法は、低熱供給を必要とする及び/又はシリコン基板に入れたドーパントの再分配を防止する半導体デバイスの製造に用いるのに理想的である。本発明の窒化シリコン膜の使用の一例は、側壁スペーサの製造にある。そのような適用においては、図３Ａに示される基板３００のような基板が得られる。基板３００は、単結晶シリコン基板又はその上にゲート絶縁層３０４が形成された膜３０２を含んでいる。横に向かい合った側壁を有するゲート電極３０６は、ゲート絶縁層上に形成される。典型的には、ソース/ドレイン先端又は拡張領域３１０はゲート電極３０６の横方向に向かい合った側壁と一直線に、シリコン基板３０２内に形成される。
[0035]次に、図３Ｂに示される本発明に従って形成される低温窒化シリコン膜は、図３００の基板上に全面に堆積される。窒化シリコン膜３１２の厚さは、製造されるトランジスタの物理特性に左右され、６５ｎｍ技術の場合、デバイスは、一般的には少なくとも２００オングストロームである。本発明によれば、窒化シリコン膜は、上記のように高堆積速度で低堆積温度を用いて堆積される。厚さが１００オングストローム以下、理想的には５０オングストローム未満の窒化シリコン層が最初に形成される。その後、窒化シリコン膜は、上記のように水素ラジカルでアニールされる。次に、必要ならば、第二窒化シリコン膜が水素ラジカル処理された第一窒化シリコン膜上に形成される。その後、第二窒化シリコン膜は、上記のように水素ラジカルで処理される。次に、第三窒化シリコン層が上記のように低温化学気相堆積によって堆積される。プロセスは、所望される全体の厚さを有する窒化シリコン膜３１２が形成されるまでこの方法が続けられる。ある使用の実施形態においては、堆積された又は成長した酸化シリコン層は、窒化シリコン層の前に形成されるので、窒化シリコン層の下になる。窒化シリコン層３１２が低温プロセスで形成され、低温において水素ラジカルで処理されるので、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中に本質的に移動せず基板３０２内に再分配させる。このようにして、製造されたデバイスの電気特性が一致する。
[0036]次に、図３Ｃに示されるように、十分に厚い窒化シリコン層３１２の形成後に、窒化シリコン３１２は、横に向かい合った側壁のゲート電極３０６に沿っている側壁スペーサ３１４を形成するように異方性エッチングすることができる。異方性エッチングプロセスは、ゲート電極３０６の側壁のような、垂直表面上の窒化シリコン層を残しつつ、ソース/ドレイン拡張部３１０及びゲート電極３０６の上面のような水平面から窒化シリコンを取り除く。側壁スペーサ３１４の形成後、深いソース/ドレイン領域３１６及び/又はソース/ドレイン領域上のシリサイド３１８の形成のような半導体デバイスの追加処理が起こり得る。側壁スペーサ３１４は、深いソース/ドレイン領域を隔離することを可能にし、チタンシリサイド又はコバルトシリサイドのようなシリサイドを当該技術において周知の自己整列プロセスにおいてソース/ドレイン領域上及びゲート電極の上面に形成させることを可能にする。
低温窒化シリコン膜を形成するための装置
[0037]本発明の窒化シリコン膜は、理想的には低圧熱化学気相堆積リアクタで形成される。適切なリアクタ４００の一例は、図４に示される。本発明の実施形態においては、水素ラジカル処理は、窒化シリコン膜を堆積するために用いたチャンバと同じチャンバ内で起こり得る。膜を堆積するために用いた同じチャンバ内で水素ラジカルで“堆積したままの”窒化シリコン膜を処理するために、リモートプラズマ供給源を低圧化学気相堆積リアクタに結合して水素ラジカル供給源をチャンバに供給することができる。低圧化学気相堆積リアクタ４００に結合したリモートプラズマ生成源８０１の一実施例は、図４にも示されている。リモートプラズマ発生器８０１を熱化学気相堆積リアクタ４００に結合すると、本発明の処理量を大幅に改善し、窒化シリコン堆積後に窒化シリコン層を水素ラジカルで直接処理させることを可能にする。更に、連続した堆積/処理サイクルが２００オングストロームより厚い窒化シリコン膜のように厚い窒化シリコン膜を形成するために用いられる場合、そのような装置はウエハ処理量を劇的に改善する。
[0038]図４は、リアクタ容器アセンブリ（リアクタ）４００を示す図である。図４は、リアクタ４００が、プロセスガス、前駆ガス、又は反応ガスがウエハ基板（図示せず）上にシリコンを含む膜を形成するために熱分解される反応チャンバ４０８を画成するチャンバ本体４０６を備えていることを示している。チャンバ本体４０６は、チャンバが１０〜約３５０Ｔｏｒｒの圧力を維持する材料から構成されている。一具体的実施形態としては、チャンバ本体４０６はアルミニウム合金材料から構成されている。チャンバ本体４０６は、チャンバ本体を冷却するように注入される温度制御された液体の通路４１０を備えている。温度制御された液体の通路を備えたリアクタ４００は、“冷却壁”リアクタと呼ばれる。チャンバ本体４０６を冷却すると、反応化学種の存在と高温によってチャンバ本体４０６を形成するために用いられる材料の腐食が防止される。
[0039]チャンバ本体４０６には、反応チャンバ４０８、チャンバリッド４２６、フェイスプレート（又はシャワーヘッド）４３０、ブロッカープレート４２８、抵抗加熱アセンブリ４０４が備えられている。抵抗加熱アセンブリ４０４は、ニッケルからできた加熱チューブ４１４の長さを通るリード線４１２を含んでいる。加熱チューブ４１４の端には、加熱ディスク４１６が焼結ＡＩＮから作られている。加熱ディスク４１６内には加熱コイル４１８が１つ以上のモリブデンから作られている。それらの線４１２とコイル４１８はロウ材によって結合され、互いに導電性がある。それらの線４１２は、ＡＩＮセラミックスリーブで熱隔離されている。コイル４１８は大抵の電気抵抗を与えるので、たいていの反応チャンバ４０８を加熱する。加熱ディスク４１６の端にポケット４２２と呼ばれる溝があり、ポケット４２２内にウエハ（図示せず）が配置される。
[0040]図４は、チャンバ本体４０８が更にリフターアセンブリ４３６を収容している図を示している。リフターアセンブリ４３６は、反応チャンバ４０８の内外にウエハ基板（図示せず）の移動を容易にする。リフターアセンブリ４３６は、ステッパモータであり得る。リフターアセンブリ４３６は、反応チャンバ４０８の内外にウエハ基板の移動を容易するために軸４０５に沿ってヒータアセンブリ４０４を上下移動させる。
[0041]基板又はウエハは、例えばロボット搬送機構（図示せず）によって挿入ポート４３４から反応チャンバ４０８に配置される。一実施形態においては、ロボット搬送機構は搬送ブレードに結合し、ロボット搬送機構が搬送ブレードを制御する。搬送ブレードは、反応チャンバ４０８内に、また、加熱ディスクアセンブリ４１６のポケット４２２上に基板を装填するための開口部から基板を挿入する。基板が装填されている場合、リフターアセンブリ４３６は、加熱ディスク４１６の表面が挿入ポート４３４の下にあるように軸４０５に沿って下位方向にヒータアセンブリ４０４と加熱ディスク４１６を下げる。加熱ディスク４１６が下げられた場合、基板は反応チャンバ４０８内に配置される。一旦基板が装填されると、挿入部４３４は密封され、リフターアセンブリ４３６はフェイスプレート４３０に対して上位（例えば、上向き）方向にヒータアセンブリ４０４と加熱ディスク４１６を移動又は前進させる。一実施形態の例として、ウエハ基板がフェイスプレート４３０から短い距離（例えば４００‐９００ミル）にある場合、その前進が停止する。
[0042]一例示的実施形態においては、堆積又は処理の準備ができた場合、ガスパネル４０１によって制御されたプロセスガス又は前駆ガスが反応チャンバ４０８内に導入される。ブロッカープレート４２８は、ガスフローをそれを通って適応させるために複数の穴（図示せず）を有する。プロセスガスは、最初にポート４２４、ブロッカープレート４２８、次にフェイスプレート４３８を通って反応チャンバ４０８に導入される。プロセスガスは、ポート４２４からブロッカープレート４２８の複数の穴、次にフェイスプレート４３０を通って分配される。フェイスプレート４３０は、反応チャンバ４０８内にプロセスガスを均一に分配させる。
[0043]基板は、例えば、ヒータアセンブリ４０４より下位（下部）に位置させることによってチャンバから取り出すことができる。リフターアセンブリ４３６の動作により、加熱アセンブリ４０４が下位方向に移動するにつれて、リフトピン４４２はコンタクトリフトプレート４４４と接触し、静止状態を維持し、最終的には下がっている加熱ディスク４１６から基板を分離するために加熱ディスク４１６の上面に伸びる。その後、搬送ブレードが開口部４３４を通って挿入され、基板と加熱ディスク４１６の間に配置される。その後、コンタクトリフトプレート４４４が下げられ、それによってリフトピン４４２を下げ、基板を搬送ブレード上に下げさせる。その後、基板を搬送ブレードによって挿入ポート４３４を通って取り出すことができる。
[0044]上記機構は、次の基板のために繰り返すことができる。適切なリフターアセンブリ４３６の詳細な記載は、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアルズ社から譲渡される、米国特許第５,７７２,７７３号に記載されている。
[0045]リアクタ４００は、また、反応チャンバ４０８内部の処理温度をモニターするために温度指示器（図示せず）を含んでいる。一例として、温度指示器は熱電対とすることができ、その熱電対は、加熱ディスク４１６の表面（又は加熱ディスク４１６によって支持される基板の表面）における温度についてデータを便利に得るように配置される。リアクタ４００においては、基板の温度は加熱ディスク４１６の温度より２０‐３０℃わずかに冷却される。
[0046]図４は、更に、反応チャンバ４０８が温度制御ライナ又は絶縁ライナ４０９に沿って並んでいることを示している。上述のように、チャンバ本体４０６は、冷却壁チャンバ効果を生じるように温度制御された液体の通路４１０を含んでいる。反応チャンバ４０８内部の反応温度は、６００℃以上の温度にすることができる。反応チャンバ４０８内で膜を形成するために用いられる化学においては、高温が反応チャンバ４０８のチャンバ本体４０６を容易に腐食させる。従って、チャンバ本体４０６は、水又はチャンバを冷却する他の冷却液のような温度制御された液体の通路４１０を備えている。このことは、チャンバ本体４０６を容易に腐食させるチャンバ本体４０６があまりに熱くなることを防止する。このような冷却壁チャンバに関連づけることができる問題は、鋭い温度低下を受ける傾向があるチャンバの冷却壁と密接に近接している反応チャンバ４０８内部領域が温度の急な降下を受ける傾向があることである。これらの領域での急な温度低下は、反応チャンバ４０８において形成されたシリコンを含む膜にとって望ましくない又は不都合である微粒子の形成又は凝結を促進させる。例えば、窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）膜を形成するための堆積プロセスにおけるＨＣＤ及びＮＨ3の反応は、典型的には、ＮＨ4Ｃｌの形成を引き起こす。ＮＨ4Ｃｌは、形成されるＳｉ3Ｎ4に対する汚染を防止するために洗浄を必要とする望ましくない塩の副生成物である。温度低下が約１５０℃より低くなる場合、ＮＨ4Ｃｌのような凝縮が生じる。これらのパーティクルは、チャンバ壁から取り除くことができる。取り除かれたパーティクルは、ウエハ基板上にパーティクル形成の核形成部位を形成する。一実施形態においては、反応チャンバ４０８は、望ましくない微粒子の凝縮を防止するために温度制御されたライン４０９と並べられる。
[0047]一実施形態においては、温度制御されたライナ４０９がチャンバ本体４０６の壁に沿ってわずかな物理的接触点だけを有するように温度制御されたライン４０９がチャンバ本体４０６の壁に結合される。（例えば、図４に示される接触点４５９を参照のこと）。温度制御されたライナ４０９とチャンバ本体４０６の壁との間の物理的接触を最少にすることは、伝導点を最少にすることによってチャンバ本体４０６における熱損失を最少にさせる。
[0048]パージガス（例えば、窒素）は、望ましくない堆積を防ぐために堆積中に反応チャンバ４０８の底面に供給することが可能である。
[0049]リアクタ４００は、また、１つ又は複数の圧力調節器に結合している。圧力調節器は、反応チャンバ４０８における圧力を設定し維持する。このような圧力調節器は、当該分野において既知である。例示的な実施形態に使用し得る圧力制御器は、約１０Ｔｏｒｒ〜約３５０Ｔｏｒｒの範囲のレベルで圧力維持をすることができなければならない。或いは、リアクタ４００は、ガス排気システム（図示せず）に結合することもでき、反応チャンバ４０８からガスを排気するために当該分野において周知である。ガス排気システム（例えば、スロットルバルブを含むことができる）は、反応チャンバ４０８における圧力を制御するために使用し得る。リアクタ４００は、また、反応チャンバ４０８内の処理圧力をモニタするセンサ（図示せず）に結合している。
[0050]一実施形態においては、コントローラ又はプロセッサ/コントローラ９００は、センサから信号を受け取るためにチャンバ本体４０６に結合し、チャンバ圧力が表示される。プロセッサ/コントローラ９００は、また、窒素原料ガス、シリコン原料ガス、不活性及び/又はパージガスのフローを制御するためにガスパネルシステム４０１に結合することができる。プロセッサ９００は、反応チャンバ４０８内で望ましい圧力を調節又は維持するために１つ又は複数の圧力調節器と共に動作し得る。更に、プロセッサ/コントローラは、加熱ディスクの温度を制御することができるので、そこに載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は、本発明の窒化シリコン膜を形成するために上に示されたパラメータ内で、窒素原料ガスフロー、シリコン原料ガスフロー、不活性ガスフロー、また、チャンバ内の圧力、加熱ディスクの温度を制御するために読み取り可能なコンピュータフォーマットに命令の入っているメモリを含んでいる。例えば、５５０℃以下の温度に基板を加熱するための命令、５５０℃以下の温度に基板を加熱しつつ、シリコン原料ガス、及び窒素原料ガス及び/又はシリコン/窒素原料ガスをチャンバ４０８に供給するための命令、チャンバ４０８内の圧力を１０‐３５０Ｔｏｒｒに制御するための命令がプロセッサー/コントローラ９００のメモリに記憶される。
[0051]リアクタ４００の構成部品の材料は、露出した構成部品が本発明の高温処理と適合できなければならないように選択される。シリコンを含む膜を形成するために本発明の前駆物質又は反応化学種の熱分解は、６００℃程度までの反応チャンバ４０８内部の温度を必要とする。リアクタ４００の構成部品の材料は、そのような高温に耐えるタイプでなければならない。一実施形態においては、チャンバ本体４０６は、陽極酸化硬質アルミニウムと同じような耐腐食性金属から作られる。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。或いは、チャンバ本体４０６は、そこを通る温度制御された液体の通路４１０を含んでいる。温度制御された液体の通路は、通路がチャンバ本体４０６を冷却状態に維持するので、チャンバ本体４０６を非常に安価なアルミニウム合金又は他の適切な金属から作ることが可能になる。記載されたように、このことは、リアクタ４００がしばしば冷却壁リアクタと呼ばれる理由の一つである。冷却壁又は冷却されたチャンバ本体４０６上の望ましくない凝縮を防止するために、上記温度制御されたライナ４０９は、反応チャンバ４０８から放出された熱を吸収するとともに、膜形成適用に依存して少なくとも約１５０以上の温度、或いは少なくとも約２００℃以上の温度に温度制御されたライナ４０９の温度を保つ材料から作ることができる。一実施形態においては、温度制御されたライナ４０９は、望ましくない凝縮を防ぐのに十分な温度に維持される必要がある。
[0052]或いは、構成部品材料は、また、プロセスガス、及び洗浄化学薬品及び反応チャンバ４０８内に導入することができる前駆物質のような他の化学薬品と適合できるものにすべきである。一実施形態においては、加熱アセンブリ４０４の露出した表面は、材料がプロセスと適合できる種々の材料から構成されてもよい。例えば、この検討における例示的実施形態は、高温で適用すべき腐食性化学を必要とする。従って、加熱アセンブリの構成部品は、この環境に耐えなけばならない。一例としては、加熱アセンブリの構成部品は、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）のようなセラミック材で作られる。加熱アセンブリ４０４の加熱ディスク４１６も、窒化アルミニウム材料をから構成されてもよい。
[0053]一実施形態例においては、反応チャンバ４０８は、Ｎ2、Ｈｅ、Ａｒ又はその組合わせのような安定化ガスを用いて安定化させる。一例としては、反応チャンバ４０８に安定化ガスを放出させるガスパネルシステム４０１にマニホールドが含まれる。安定化ガスの流量は、５‐６リットルの容量を有するリアクタ４００の場合、１,０００ｓｃｃｍから１０,０００ｓｃｃｍの範囲にあり、好ましくは約２,０００ｓｃｃｍであり得る。
[0054]本発明の実施形態においては、リアクタ４００は、堆積チャンバ４０８に水素ラジカルを生成し供給するリモートプラズマ発生器８０１に結合されている。リモートプラズマ発生器８０１は、マイクロ波電源を用いてマイクロ波を生成するマグネトロン８０２を含んでいる。マグネトロン８０２は、好ましくは、１０,０００ワットの２.５Ｇｈｚのマイクロ波エネルギーでまで生成し得る。要求される電力量は、チャンバ４０８のサイズに依存（比例）することに留意すべきである。３００ｍｍウエハを処理するために用いられるアニールチャンバの場合、１０,０００ワットの電力は十分にちがいない。マイクロ波電源は装置８００内にプラズマを生成するために用いられるが、高周波（ＲＦ）のような他のエネルギー源が用いてもよい。
[0055]マグネトロン８０２は、インピーダンスマッチングを与えるためにアイソレータ及びダミーロード８０４に結合されている。ダミーロードは、マグネトロンヘッドに反射電力が行かないように反射された電力を吸収する。アイソレータ及びダミーロード８０４は、導波管８０６によって結合され、それはオートチューナ８０８にマイクロ波エネルギーを転送する。オートチューナ８０８は、電源に送られるマイクロ波エネルギーの反射電力を減少させるためにインピーダンスマッチングスタッブを駆動させる３つのステッパモータを用いるインピーダンスマッチングヘッドと分離検出器モジュールからなる。オートチューナ８０８は、コンジット８１２によってアプリケータキャビティ８１０内に供給し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キャビティ（又はチャンバ）の中心にマイクロ波エネルギーを集中させる。オートチューナーが好ましいが、マニュアルチューナーを使うこともできる。
[0056]アプリケータ８１０は、アプリケータ８１０内部に位置する石英プラズマチューブを通って下方に流れるにつれて、水素処理ガスからプラズマを生成するためにマグネトロンから受け取ったマイクロ波エネルギーを用いる。水素ラジカルを生成するために用いられるＨ2やＮＨ3のようなこれらに限定されない水素処理ガスのタンクのような供給源８１４は、マイクロ波アプリケータ８１０に結合している。或いは、アルゴン（Ａｒ）、又はヘリウム（Ｈｅ）のような不活性ガスの供給源は、アプリケータ８１０に結合することもできる。プリファイア水銀ランプは、処理ガスを部分的に電離させるためにプラズマチューブに紫外光を放射するために使用することができ、それにより、プラズマを点火させるマイクロ波エネルギーを容易に作ることができる。
[0057]マグネトロン８０２からのマイクロ波エネルギーは、本質的に３つの構成要素；本発明のためにすべてが“水素ラジカル”を構成する、電離した又は帯電した水素原子、電気的に中性の活性化された（反応性の）水素原子、水素含有中間化学種からなるプラズマに水素処理ガスを変換する。
[0058]アプリケータ８１０は、装置４００のリッドにボルト留めされ得る。濃縮プラズマ混合物は、チャンバ４０８にコンジット８１４を通って下方に流れる。水素ラジカルは、アニールすべき基板が位置するチャンバ４０８から分離又は離れている位置（チャンバ８１０）で生成されるので、水素ラジカルは、“離れて生成された”と言われる。
[0059]リモートプラズマ供給源８０１は、プロセッサ/コントローラ９００に結合され得る。プロセッサ/コントローラ９００は、読み取り可能なコンピュータフォーマットのメモリに記憶された命令を含むことができ、それは上記の水素ラジカル処理プロセスを達成するためにリモートプラズマ供給源８０１の動作を制御する。命令は、例えば、窒化シリコン膜を処理するために必要な５×１０15原子/ｃｍ2〜１×１０17原子/ｃｍ2のフラックスのような望ましい水素ラジカルフラックスを得るために水素プロセスガス流量と電力を制御する命令を含むことができ、加熱ディスクの温度（従ってウエハの温度）と水素ラジカル処理プロセス中のチャンバ４０８内の圧力を制御するための命令を含むこともできる。
[0060]更に、本発明は単一ウエハ装置を用いることに関して記載されているが、本発明の堆積プロセスと処理プロセスは、望まれるならば、本発明の範囲から逸脱しないようなセミバッチ又はチューブ型装置において行うことも可能である。
[0061]本発明の代替実施形態においては、低温窒化シリコン堆積プロセスは、図５に示されるクラスタツール５００のようなクラスタツールで行うことができる。クラスタツール５００は、それに含まれるロボットのようなウエハハンドラ５０４を有する真空搬送チャンバ５０２を含んでいる。ロードロック又は一組のロードロック５０６は、ウエハをロボット５０４によってクラスタツール５００の内外に移動させること可能にする真空ドアを通って搬送チャンバ５０２に結合している。アプライドマテリアルズ社のＸｇｅｎ単一ウエハ、冷却壁、抵抗ヒータを有する熱化学気相堆積リアクタのような窒化シリコン堆積リアクタ５０８が密封可能なドアによって搬送チャンバ５０２に結合されている。また、図５に示される水素ラジカル処理チャンバ５００が密封可能なドアによって搬送チャンバ５０２に結合されている。水素ラジカル処理チャンバは、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）チャンバのようなプラズマチャンバ、アプライドマテリアルズ社のリモートプラズマ窒化ＲＰＮチャンバのようなリモートチャンバ、又は“熱線”チャンバであり得る。典型的には、搬送チャンバ５０２は減圧で保持され、Ｎ2のような不活性周囲を含有する。このようにして、、ウエハを酸化周囲又は汚染物質に晒さずに、ウエハを第一チャンバ（例えば、窒化シリコン堆積チャンバ５０８）から第二チャンバ（例えば、水素ラジカル処理チャンバ）に、その逆にも搬送することができる。クラスタツール５００は、窒化シリコン堆積リアクタ５００の動作を制御する上記プロセッサ/コントローラ９００、上記窒化シリコン膜を堆積するとともに上記水素ラジカルで窒化シリコン膜を処理する水素ラジカル処理チャンバ５１０を含むこともできる。
[0062]使用の際、図３Ａに示されるウエハのようなウエハ又は基板は、ロボット５０４によってロードロック５０６からチャンバ本体５０２内に運ばれる。ウエハは、窒化シリコン堆積チャンバ５０８に搬送され、その間のドアを密封し、低堆積温度プロセスで窒化シリコン膜がその上に形成される。一旦その上に窒化シリコン膜が形成されると、ウエハは窒化シリコン堆積チャンバ５０８からロボット５０４によって取り出され、ロボット５０４によって水素ラジカル処理チャンバ５１０に運ばれる。その後、水素ラジカル処理チャンバ５１０と搬送チャンバ５０２間のドアは密封され、窒化シリコン膜が上記のように水素ラジカルに晒される。更に厚い窒化シリコン膜が所望される場合には、ウエハはチャンバ５１０から取り出すことができ、更に窒化シリコンを堆積するために窒化シリコン堆積チャンバ５０８に戻される。ウエハがもう一度窒化シリコン堆積チャンバ５１０から取り出され、水素ラジカル処理チャンバ５１０に戻され、もう一度水素ラジカルで処理される。ウエハは所望の厚さと品質の窒化シリコン膜が得られるまで連続して堆積チャンバ５０８と処理チャンバ５１０間を搬送することができる。一旦十分な厚さの窒化シリコン層が形成されると、ウエハはクラスタツール５００から取り出される。
[0063]このように、低堆積温度で高品質の窒化シリコン膜を堆積及び処理するための方法及び装置を記載してきた。
図１は、本発明の窒化シリコン膜を形成する方法を示したフローチャートの図である。 図２は、本発明の実施形態の窒化シリコン膜を形成する方法を示したフローチャートの図である。 図３Ａは、本発明の窒化シリコン膜から形成された側壁スペーサを有する半導体デバイスを形成する方法の断面図である。 図３Ｂは、本発明の窒化シリコン膜から形成された側壁スペーサを有する半導体デバイスを形成する方法の断面図である。 図３Ｃは、本発明の窒化シリコン膜から形成された側壁スペーサを有する半導体デバイスを形成する方法の断面図である。 図４は、本発明の窒化シリコン膜を形成するために使用し得る装置の図である。 図５は、本発明の窒化シリコンを形成するために使用し得るクラスタツールの図である。
符号の説明
３００…基板、３０２…シリコン基板、３０４…ゲート誘電体層、３０６…ゲート電極、３１０…ソース/ドレイン先端又は拡張領域、３１２…窒化シリコン膜、３１４…側壁スペーサ、３１６…深いソース/ドレイン領域、４００…リアクタ、４０４…抵抗加熱アセンブリ、４０５…軸、４０６…チャンバ本体、４０８…反応チャンバ、４０９…ライナ、４１２…リード線、４１４…ヒータチューブ、４１６…加熱ディスク、４１８…加熱コイル、４２０…セラミックスリーブ、４２２…ポケット、４２６…チャンバリッド、４２８…ブロッカープレート、４３０…フェイスプレート、４３４…挿入ポート、４３６…リフターアセンブリ、４４２…リフトピン、４４４…コンタクトリフトプレート、４５９…、５００…クラスタツール、５０２…搬送チャンバ、５０４…ロボット、５０６…ロードロック、５０８…リアクタ、５１０…水素ラジカル処理チャンバ、８０１…リモートプラズマ発生器、８０２…マグネトロン、８０４…アイソレータ及びダミーロード、８０６…導波管、８０８…オートチューナ、８１０…アプリケータキャビティ、８１２…コンジット、８１４…ソース、９００…プロセッサ/コントローラ。

Claims (45)

  1. 窒化シリコン膜を形成する方法であって、
    基板を５５０℃以下の温度に加熱するステップと、
    シリコン/窒素含有原料ガス又はシリコン含有原料ガスと窒素含有原料ガスを熱分解して前記基板を５５０℃以下の温度に加熱しつつ前記基板上に窒化シリコン膜を形成させるステップと、
    前記窒化シリコン膜を水素ラジカルで処理するステップと、
    を含む、前記方法。
  2. 前記水素ラジカル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記載の方法。
  3. 前記水素含有原料ガスがアンモニア（ＮＨ3）を含んでいる、請求項２記載の方法。
  4. 前記水素含有原料ガスが更に水素ガス（Ｈ2）を含んでいる、請求項３記載の方法。
  5. 前記水素含有原料ガスがＨ2を含んでいる、請求項２記載の方法。
  6. 窒素ガス（Ｎ2）、アルゴン（Ａｒ）及びヘリウム（Ｈｅ）からなる群より選ばれた不活性ガスが前記水素含有原料ガスと共に供給される、請求項５記載の方法。
  7. 前記原料ガスの前記プラズマ分解が、前記窒化シリコン膜が水素ラジカルで処理される該チャンバから離れたチャンバ内で生じる、請求項２記載の方法。
  8. 前記窒化シリコン膜の前記水素ラジカルによる前記処理が１００ｍＴｏｒｒ〜５Ｔｏｒｒの圧力で生じる、請求項１記載の方法。
  9. 前記窒化シリコン膜の塩素濃度が、前記膜の処理前に１.０原子％より高く、前記膜の処理後に１.０原子％未満である、請求項１記載の方法。
  10. 前記窒化シリコン膜の炭素濃度が、前記膜の処理前に１０原子％より高く、前記膜の処理後に５原子％未満である、請求項１記載の方法。
  11. 前記熱分解温度が５００℃未満である、請求項１記載の方法。
  12. 前記窒化シリコン膜が毎分１００オングストロームより速い堆積速度で形成される、請求項１記載の方法。
  13. 前記窒化シリコン膜が、前記水素ラジカルで処理する前に１５０オングストロームの厚さに形成される、請求項１記載の方法。
  14. 前記窒化シリコン膜の水素濃度が、前記水素ラジカル処理前に１５原子％より高い、請求項１記載の方法。
  15. 前記シリコン含有原料ガス又は前記シリコン/窒素含有原料ガスが、第二シリコン原子に単結合で結合した第一シリコン原子、前記第一シリコン原子に結合した塩素（Ｃｌ）原子又は窒素（Ｎ）原子、前記第二シリコン原子に結合した塩素原子又は窒素原子を含んでいる、請求項１記載の方法。
  16. 前記シリコン含有原料ガス又は前記シリコン/窒素含有原料ガスが第二シリコン原子に単結合で結合した第一シリコン原子を含み、前記シリコン原子の各々のその他の３つの結合が窒素原子か又は塩素原子のいずれかに結合されている、請求項１記載の方法。
  17. 前記シリコン原料ガス又は前記シリコン/窒素原料ガスが、第二シリコン原子との単結合を有する第一シリコン原子に結合した窒素原子に結合した有機基を含んでいる、請求項１記載の方法。
  18. 前記シリコン含有原料ガス又は前記シリコン/窒素含有原料ガスが、塩素化又は非塩素化有機アミノ‐ジ又はモノ‐シランＲ2Ｎ‐Ｓｉ(Ｒ’2)‐Ｓｉx(Ｒ’2)y‐ＮＲ2（ｘ＝ｙ＝０又は１；Ｒ、Ｒ’＝Ｃｌ又はメチル、又はエチル、又はイソプロピル、又は他のアルキル基、又は他のアルキルアミノ基、又はＮを有する環式基、又はシリル基のあらゆる組合わせ）を含んでいる、請求項１記載の方法。
  19. 前記シリコン含有原料ガス又は前記シリコン/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、及びヘキサキス（Ｎ‐ピロリジニオ）ジシランからなる群より選ばれる、請求項１８記載の方法。
  20. 前記シリコン含有原料ガスがヘキサクロロジシラン（ＨＣＤ）である、請求項１記載の方法。
  21. シリコン/窒素含有原料ガス又はシリコン含有原料ガスと窒素含有原料ガスを熱分解することにより前記処理した窒化シリコン膜上に第二窒化シリコン膜を形成させるステップと、
    前記第二窒化シリコン膜を水素ラジカルで処理するステップと、
    を更に含む、請求項１記載の方法。
  22. シリコン/窒素含有原料ガス又はシリコン含有原料ガスと窒素含有原料ガスを熱分解することにより前記処理した第二窒化シリコン膜上に第三窒化シリコン膜を形成させるステップと、
    前記第三窒化シリコン膜を水素ラジカルで処理するステップと、
    を更に含む、請求項２１記載の方法。
  23. 前記窒化シリコン膜が５×１０15原子/ｃｍ2‐１×１０17原子/ｃｍ2のフラックスにおいて水素ラジカルで処理される、請求項１記載の方法。
  24. 前記窒化シリコン膜を前記水素ラジカルで処理しつつ該圧力が１００ｍＴｏｒｒ‐５Ｔｏｒｒである、請求項２３記載の方法。
  25. 前記窒化シリコン膜を形成しつつ前記チャンバ内の該圧力が１０‐３５０Ｔｏｒｒである、請求項１記載の方法。
  26. 前記堆積した窒化シリコン膜が１５‐１２０秒間処理される、請求項１記載の方法。
  27. 前記窒化シリコン堆積膜が４５０‐６００℃の温度において水素ラジカルで処理される、請求項１記載の方法。
  28. 前記窒化シリコン膜を処理した後に、前記窒化シリコン膜の水素濃度が１０原子％未満である、請求項１４記載の方法。
  29. 前記窒化シリコン膜を水素ラジカルで処理する前に、前記窒化シリコン膜の屈折率が１.８５未満である、請求項１記載の方法。
  30. 前記窒化シリコン膜を水素ラジカルで処理した後に、前記窒化シリコン膜の屈折率が１.９０以上である、請求項２９記載の方法。
  31. 前記窒化シリコン膜を水素ラジカルで処理する前に、前記窒化シリコン膜のエッチング速度が緩衝化酸化物エッチングを用いた酸化シリコンの２倍を超える、請求項１記載の方法。
  32. 前記窒化シリコン膜を水素ラジカルで処理した後に、前記窒化シリコン膜のエッチング速度が緩衝化酸化物エッチングを用いた酸化シリコンの該エッチング速度とほぼ同じである、請求項３１記載の方法。
  33. 窒化シリコン膜を形成する方法であって、
    シリコン/窒素含有原料ガス又はシリコン含有原料ガスと窒素含有原料ガスを５５０℃未満の温度で１００オングストローム毎分より速い堆積速度で熱分解することにより窒化シリコン膜を１５０オングストローム未満の厚さまで堆積させるステップと、
    前記堆積した窒化シリコン膜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ラジカルで処理して処理した窒化シリコン膜を形成させるステップと、
    を含む、前記方法。
  34. 前記シリコン含有原料ガス又は前記シリコン/窒素含有原料ガスが有機ジ‐又はモノ‐シラン又は有機アミノ‐ジ又はモノ‐シランからなる群より選ばれる、請求項３３記載の方法。
  35. 前記水素含有原料ガスがアンモニア（ＮＨ3）を含んでいる、請求項３３記載の方法。
  36. 前記水素含有原料ガスが水素ガス（Ｈ2）を含んでいる、請求項３３記載の方法。
  37. 前記水素含有原料ガスがアンモニア（ＮＨ3）と水素（Ｈ2）を含んでいる、請求項３３記載の方法。
  38. 前記堆積した窒化シリコン膜が５×１０15原子/ｃｍ2‐１×１０17原子/ｃｍ2のフラックスにおいて水素ラジカルで処理される、請求項３３記載の方法。
  39. 前記堆積した窒化シリコン膜を水素ラジカルで処理する前に、前記窒化シリコン膜の水素濃度が有意にはＳｉ‐Ｈ形で１５原子％より高く、前記堆積した窒化シリコン膜を水素ラジカルで処理した後に、前記処理した窒化シリコン膜の水素濃度が１０％未満であり、Ｓｉ‐Ｈ結合がかなり減少している、請求項３３記載の方法。
  40. 前記プラズマ分解が、前記窒化シリコン膜が水素ラジカルで処理される前記チャンバから離れたチャンバ内で生じる、請求項３３記載の方法。
  41. 前記窒化シリコン膜が、堆積させる同一チャンバ内で処理される、請求項３３記載の方法。
  42. 窒化シリコン膜を形成する方法であって、
    シリコン/窒素含有原料ガス又はシリコン含有原料ガスと窒素含有原料ガスを熱分解することによりシリコン膜を堆積させるステップであって、前記シリコン含有原料ガス又は前記シリコン/窒素含有原料ガスが塩素、炭素を含んでいる、前記ステップと、
    前記堆積した窒化シリコン膜を水素含有ガスのプラズマ分解により形成された水素ラジカルで処理して処理した窒化シリコン膜を形成させるステップと、
    を含む、前記方法。
  43. 窒化シリコン膜を形成する方法であって、
    シリコン/窒素含有原料ガス又はシリコン含有原料ガスと窒素含有原料ガスを熱分解することにより窒化シリコン膜を堆積させるステップであって、前記窒化シリコン膜を堆積した後に、前記窒化シリコン膜の水素濃度が１５原子％より高く、炭素濃度が１０原子％より高い、前記ステップと、
    前記堆積した窒化シリコン膜を、前記窒化シリコン膜の水素濃度が１０原子％未満且つ炭素濃度が５原子％未満になるまで水素ラジカルで処理するステップと、
    を含む、前記方法。
  44. 前記窒化シリコン膜の塩素濃度が前記膜を処理する前に１.０原子％、前記膜を処理した後に１.０原子％未満である、請求項４３記載の方法。
  45. 窒化シリコン膜を形成するための装置であって、
    基板を保持するためのチャンバ内に位置する基板支持体と、
    前記基板支持体上に載置された基板を加熱するためのヒータと、
    シリコン原料ガスと窒素原料ガス及び/又はシリコン/窒素原料ガスを含むプロセスガス混合物を前記チャンバへ供給するためのガス流入口と、
    水素含有ガスから水素ラジカルを生成させるための手段と、
    前記装置の動作を制御するためのプロセッサ/コントローラであって、前記プロセッサ/コントローラが、前記基板支持体上に載置された基板を５５０℃未満の温度に加熱するためと、シリコン含有原料ガスと窒素含有原料ガス又はシリコン/窒素含有原料ガスを前記基板を加熱しつつ前記チャンバへ供給するための複数の命令と、前記窒化シリコン膜を水素ラジカルで処理するために水素ラジカルを生成させる前記手段を制御するための命令と、を有するメモリを含んでいる、前記プロセッサ/コントローラと、
    を備えている、前記装置。
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