JP2008047620A - プラズマ処理方法、及び、プラズマ処理装置 - Google Patents

プラズマ処理方法、及び、プラズマ処理装置 Download PDF

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Abstract

【課題】高い圧縮ストレスを有する窒化シリコン膜を成膜することのできるプラズマ処理方法、及び、プラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】シリコン及び水素を含有する原料ガスと窒素ガスとのプラズマにより、処理対象の基板に対して窒化シリコン膜を成長させるプラズマ処理方法において、窒化シリコン膜を成長させている間、原料ガス中の水素と窒素ガスの結合状態であるＮ−Ｈ結合を切断するためのイオンエネルギーを処理対象の前記基板に印加し、窒化シリコン膜の膜中に含まれるＮ−Ｈ結合量を低減させた。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ処理方法、及び、プラズマ処理装置に関する。
従来、プラズマＣＶＤ法は、半導体製造工場において、反応容器内に収納される半導体ウェハなどの被処理基板上に絶縁膜を形成するのによく用いられている。プラズマＣＶＤ法を用いる場合、被処理基板を載置するサセプタと、反応容器を構成するフェースプレートとの間にＲＦ電力を印加し、反応容器内にプラズマを生成させた状態にして絶縁膜形成用ガスを導入し、これにより被処理基板の表面上に絶縁膜が形成される。この方式のプラズマＣＶＤ装置は容量結合型プラズマＣＶＤ装置と呼ばれており、最も一般的なプラズマＣＶＤ装置である。このとき、絶縁膜は、膜剥がれや素子特性への影響が起こりにくいよう、２００ＭＰａ以下の圧縮応力膜であることが望ましい。このような技術の一例が下記特許文献１に開示されている。
下記特許文献１では、プラズマを５００Ｗ以下という低いＲＦ電力で生成し、絶縁膜を５００ｎｍ／ｍｉｎ以下という成膜速度で形成しており、これにより形成された絶縁膜の圧縮応力は、１００ＭＰａ程度となっている。トランジスタなどの素子間及び配線間の絶縁や、水分などの侵入を防止する目的で成膜を行う保護膜についても、膜の応力は２００ＭＰａ以下が要求されていた。
特許第３７２５１００号公報
ＬＳＩに用いられるＭＯＳ型トランジスタ（構造が金属(Metal)、酸化物(絶縁体)(Oxide)、半導体(Semiconductor) となっていることから、その三つの要素の名前をとってＭＯＳ型トランジスタと呼んでいる。）は、寸法の微細化によってトランジスタゲート部の面積が小さくなる事により寄生容量が小さくなり、これに伴い過渡応答による動作遅延が抑えられ、回路動作速度の向上につながっていた。ＬＳＩ開発はより微細な素子の実現を目指して激しい競争が続いている。しかし、トランジスタ構造に用いられているゲート酸化膜は、既に物理的限界近くにまで薄膜化され、素子間及び配線間の絶縁膜も薄膜化が進んできており、ＬＳＩ内部で生じるリーク電流が大幅に増大する事が消費電力の増加として問題となっている。この対策として電源電圧を低電圧化することが行われているが、単純に低電圧化するだけであれば、トランジシターの動作電流が小さくなり、動作速度の遅延を招く事となる。以上の問題点の対策の為には、小型化と共にＭＯＳ型トランジスタの動作電流を高める素子特性の改良が必要であり、この対策の一つとしてＭＯＳ型トランジスタのゲート部に歪を印加する技術が採用され始めている。これは、ＭＯＳ型トランジスタの電子及び正孔の通り道であるゲート部に歪を印加する事により、電子や空孔の移動度が高まる原理を利用している。４５nmノードのトランジスタに必要な応力は、２ＧＰａ〜３ＧＰａと予想されており、この応力をＭＯＳトランジスタのゲート部に印加する技術として、応力の高い窒化シリコン膜をＭＯＳトランジスタに成膜する技術が開発されている。
しかしながら、上記特許文献１に開示されているように、一般的な絶縁膜の圧縮応力は１００ＭＰａ程度であり、現在要求されている２〜３ＧＰａとは程遠い値である。
このことから、本発明は、高い圧縮応力を有する窒化シリコン膜を生成することのできるプラズマ処理方法、及び、プラズマ処理装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するための第１の発明（請求項１に対応）に係るプラズマ処理方法は、
シリコン及び水素を含有する原料ガスと窒素ガスとのプラズマにより、処理対象の基板に対して窒化シリコン膜を成長させるプラズマ処理方法において、
前記窒化シリコン膜を成長させている間、前記原料ガス中の水素と前記窒素ガスの結合状態であるＮ−Ｈ結合を切断するためのイオンエネルギーを処理対象の前記基板に印加し、前記窒化シリコン膜の膜中に含まれるＮ−Ｈ結合量を低減させる
ことを特徴とする。
上記の課題を解決するための第２の発明（請求項２に対応）に係るプラズマ処理方法は、第１の発明に係るプラズマ処理方法において、バイアスパワーを変化させてイオンエネルギーを変化させることを特徴とする。
上記の課題を解決するための第３の発明（請求項３に対応）に係るプラズマ処理方法は、第２の発明に係るプラズマ処理方法において、ＲＦパワーを変化させてイオンエネルギーを変化させることを特徴とする。
上記の課題を解決するための第４の発明（請求項４に対応）に係るプラズマ処理方法は、第２の発明又は第３の発明に係るプラズマ処理方法において、圧力を変化させてイオンエネルギーを変化させることを特徴とする。
上記の課題を解決するための第５の発明（請求項５に対応）に係るプラズマ処理方法は、第２の発明乃至第４の発明のいずれかに係るプラズマ処理方法において、圧力を変化させてイオンエネルギーを変化させることを特徴とする。
上記の課題を解決するための第６の発明（請求項６に対応）に係るプラズマ処理方法は 、第１の発明乃至第３の発明のいずれかに係るプラズマ処理方法において、シリコンを 含有する原料ガスの供給量に対し、窒素ガスの供給量を３倍以上とすることを特徴とす る。
上記の課題を解決するための第７の発明（請求項７に対応）に係るプラズマ処理装置は、
真空容器の内部にシリコン及び水素を含有する原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、
真空容器の内部に窒素ガスを供給する窒素ガス供給手段と、
前記真空容器の内の圧力を制御する圧力制御手段と、
前記真空容器の内部に前記原料ガスと前記窒素ガスにＲＦパワーを印加してプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、
前記真空容器の内部の下方に、処理対象となる基板を支持する加熱機能を有する支持手段と、
前記支持手段にバイアスパワーを印加するバイアスパワー印加手段と、
前記バイアスパワー印加手段の前記バイアスパワー、前記プラズマ発生手段の前記ＲＦパワー、前記圧力制御手段の前記圧力、及び、前記原料ガス供給手段と前記窒素ガス供給手段のガス供給量をそれぞれ制御するパラメータ制御手段と
を備え、
前記パラメータ制御手段で前記バイアスパワー、前記ＲＦパワー、前記圧力、及び、前記ガス供給量を制御することにより、窒化シリコン膜を成長させている間、前記原料ガス中の水素と前記窒素ガスの結合状態であるＮ−Ｈ結合を切断するためのイオンエネルギーを処理対象の前記基板に印加し、前記窒化シリコン膜の膜中に含まれるＮ−Ｈ結合量を低減させる
ことを特徴とする。
第１の発明によれば、シリコン及び水素を含有する原料ガスと窒素ガスとのプラズマにより、処理対象の基板に対して窒化シリコン膜を成長させるプラズマ処理方法において、
前記窒化シリコン膜を成長させている間、前記原料ガス中の水素と前記窒素ガスの結合状態であるＮ−Ｈ結合を切断するためのイオンエネルギーを処理対象の前記基板に印加し、前記窒化シリコン膜の膜中に含まれるＮ−Ｈ結合量を低減させることにより、窒化シリコン膜を緻密な膜とすることを可能とし、窒化シリコン膜の圧縮ストレスを飛躍的に高めることができる。
第２の発明によれば、第１の発明による効果に加え、バイアスパワーを変化させてイオンエネルギーを変化させることにより、窒化シリコン膜の膜中のＮ−Ｈ結合量を効率良く低減させることができるため、窒化シリコン膜の圧縮ストレスを飛躍的に高めることができる。
第３の発明によれば、第２の発明による効果に加え、ＲＦパワーを変化させてイオンエネルギーを変化させることにより、供給している窒素の分解を確実に行うことができるため、窒化シリコン膜の膜中のＮ−Ｈ結合の量をより効率よく低減させることができる。これにより、窒化シリコン膜の膜中のＮ−Ｈ結合量を効率良く低減させることができるため、窒化シリコン膜の圧縮ストレスを飛躍的に高めることができる。
第４の発明によれば、第２の発明又は第３の発明による効果に加え、圧力を変化させてイオンエネルギーを変化させることにより、バイアスパワー印加時にイオン同士の衝突が減少し、イオンを効率よく基板表面に引き込むことができるため、窒化シリコン膜の膜中のＮ−Ｈ結合の量をより効率よく低減させることができる。これにより、窒化シリコン膜の膜中のＮ−Ｈ結合量を効率良く低減させることができるため、窒化シリコン膜の圧縮ストレスを飛躍的に高めることができる。
第５の発明によれば、第２の発明乃至第４の発明のいずれかによる効果に加え、ガス供給量を変化させてイオンエネルギーを変化させることにより、シリコンと窒素が結合する確率が向上するため、窒化シリコン膜の膜中のＮ−Ｈ結合の量をより効率よく低減させることができる。これにより、窒化シリコン膜の膜中のＮ−Ｈ結合量を効率良く低減させることができるため、窒化シリコン膜の圧縮ストレスを飛躍的に高めることができる。
第６の発明によれば、真空容器の内部にシリコン及び水素を含有する原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、真空容器の内部に窒素ガスを供給する窒素ガス供給手段と、真空容器の内の圧力を制御する圧力制御手段と、真空容器の内部の原料ガスと窒素ガスにＲＦパワーを印加してプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、真空容器の内部の下方に、処理対象となる基板を支持する加熱機能を有する支持手段と、支持手段にバイアスパワーを印加するバイアスパワー印加手段と、バイアスパワー印加手段のバイアスパワー、プラズマ発生手段のＲＦパワー、圧力制御手段の圧力、及び、原料ガス供給手段と窒素ガス供給手段のガス供給量をそれぞれ制御するパラメータ制御手段とを備え、パラメータ制御手段でバイアスパワー、ＲＦパワー、圧力、及び、ガス供給量を制御することにより、窒化シリコン膜を成長させている間、原料ガス中の水素と窒素ガスの結合状態であるＮ−Ｈ結合を切断するためのイオンエネルギーを処理対象の基板に印加し、窒化シリコン膜の膜中に含まれるＮ−Ｈ結合量を低減させることにより、窒化シリコン膜の膜中のＮ−Ｈ結合の量を低減させることができる。これにより、窒化シリコン膜の膜中のＮ−Ｈ結合量を効率良く低減させることができるため、窒化シリコン膜を緻密な膜とする事を可能とし、窒化シリコン膜の圧縮ストレスを飛躍的に高めることができる。
本発明に係るプラズマ処理方法、及び、プラズマ処理装置について図１から図８を用いて説明する。図１は本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の構成図、図２は本発明の一実施形態に係るバイアスパワーと膜ストレスとの関係を示した図、図３はＦＴＩＲ特性例を示した図、図４は本発明の一実施形態に係る膜ストレスとＮＨ含有量の関係を示した図、図５は本発明の一実施形態に係るＮ２／ＳｉＨ４と膜ストレスとの関係を示した図、図６は本発明の一実施形態に係る成膜圧力と膜ストレスとの関係を示した図、図７は膜中Ｎ−Ｈ結合量とＳｉＮ膜ストレスとの関係を示した図、図８は電子衝突によるＣＨ４分子の解離性励起を示した図である。
図７にマグネトロンプラズマＣＶＤとプラズマＣＶＤ（容量結合型プラズマCVD）における、膜中Ｎ−Ｈ結合量とＳｉＮ膜ストレスとの関係を示す。ここで横軸は膜中のＮ−Ｈ結合量、縦軸はＳｉＮ膜のストレスを示す。また、縦軸のＳｉＮ膜のストレスは、０より大きい値は引っ張り方向のストレスを表し、０より小さい値は圧縮方向のストレスを表している。
図７に示すように、Ｎ−Ｈ結合が増加すると膜のストレスは引っ張り方向に強くなり、逆に、Ｎ−Ｈ結合が減少すると膜のストレスは圧縮方向に強くなることが分かる。すなわち、圧縮ストレスを高めるためには、ＳｉＮ膜中のＮ−Ｈ結合量を低減する事が非常に効果的である事が分かる。また、この傾向はマグネトロンプラズマＣＶＤとプラズマＣＶＤ（容量結合型プラズマＣＶＤ）で同じ傾向を示しており、プラズマ処置装置の種類にかかわらないということを示唆している。
上述の膜中のＮ−Ｈ結合量を低減する方法には、以下の４点が考えられる。
（１）Ｎ−Ｈ結合を持たない原料ガスの選定
（２）Ｎ−Ｈ結合をできるだけ分解するプラズマパワーの印加
（３）Ｎ−Ｈ結合エネルギーと同じイオンエネルギーを有するイオンをＮ−Ｈ結合に衝突させ効率的にＮ−Ｈ結合を切断
上記の方法のうち（１）、（２）については高密度型プラズマ処理装置を用いる事により実現可能である。（１）のガスの選定は、シリコンを含む原料ガスとしてはＬＳＩプロセスで最も実績の高いＳｉＨ４を、Ｎを含む原料ガスはＮＨ３が一般的であるが、ＮＨ３はＮ−Ｈ結合を有するため、Ｎ２ガスを利用する事が好ましい。容量結合型のプラズマＣＶＤ装置の高周波パワー（ＲＦパワー）は１kＷ以下でＮ２ガスを分解するにはパワー不足であるが、高密度型プラズマ処理装置は１ｋＷ以上の高周波電力を印加できるため、Ｎ２ガスを分解して用いる事ができる。
図８に電子衝突によるＣＨ４分子の解離性励起のデータを示す。ここで、横軸は電子の衝突エネルギー、縦軸は励起される水素原子の量を示す。図８に示すように、分子の結合を切る（Ｈを切る）ために必要な衝突エネルギーには、最適値が存在することが分かる。図８より、この最適値はおよそ１００ｅＶ付近となっていることが分かる。また、単純に衝突エネルギーが大きければより多くのＨを切ることができる訳ではないということも分かる。これは衝突エネルギーが高すぎる場合は基板内部に潜り込んでしまうためであると考えられる。これがイオンの場合、過剰の衝突エネルギーは、Ｓｉ−Ｎ結合まで切ってしまったり、スパッタリングによる膜の物理エッチングを引き起こしたりするなど、水素の結合を選択的に切る目的から大きく逸脱してしまう。また、過剰バイアスパワーは逆に水素イオンを引き込み、ＳｉＮ膜中のＮ−Ｈ結合量を増大させる可能性も考えられる。
ＳｉＮ膜の成膜処理中に水素を選択的に引き抜くためには、ＳｉＮ膜の成膜時におけるバイアスパワーの印加による、成膜対象である基板表面へのイオン引き込みの利用が適している。高密度型プラズマ処理装置では、微細なギャップへの埋め込み性能を高めるため、成膜時にバイアス電圧を印加してエッチングを成膜と同時に実施する技術があり、高密度型プラズマ処理装置でバイアス電圧を印加することは知られている。ただし、これはＳｉＯｘ成膜で使用されている技術である。
ここでもっとも重要なことは、エッチングに必要なバイアスパワーは直径２００ｍｍのウェハの場合であっても３ｋＷに達し、衝突エネルギーについては一般的にスパッタ効率の高い２００ｅＶ付近に設定される。このような条件をＳｉＮ膜の成膜に単に適用しても、図２からも明らかなように、最適なＳｉ−ＨやＮ−Ｈ結合の減少を引き起こすことはできない。つまり、従来の高密度型プラズマＣＶＤ装置の基本仕様では、水素結合を切る目的でのバイアスパワーの適用は知られていなかった。
以下、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の構成について説明する。図１に本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の構成図を示す。図１に示すように、プラズマ処理装置１は、高い真空度を維持できる真空容器１０を備えている。この真空容器１０は、筒状容器１１の上部に天井板１２を取り付けることで外気から密閉された空間を形成することができる。
真空容器１０には、真空容器１０の内部を真空状態に維持する真空装置１３が設置されている。天井板１２の上部にはプラズマ１４を生成させるＲＦアンテナ１５が設置されている。このＲＦアンテナ１５には、整合器１６を介して高周波電源であるＲＦ電源１７が接続されている。すなわち、ＲＦ電源１７から供給されたＲＦパワーはＲＦアンテナ１５によりプラズマ１４に供給される。
筒状容器１１の側壁の上部には、成膜する膜の原料となる原料ガスを真空容器１０内に供給する原料ガス供給ノズル１８が設置されている。本実施形態では、原料ガスとして、ＳｉＨ４を供給する。さらに、筒状容器１１の側壁の上部には、Ｎ２を真空容器１０内に供給するＮ２供給ノズル１９が設置されている。これにより、真空容器１０の内部上方には、ＳｉＨ４とＮ２とのプラズマ１４が生成されることとなる。
筒状容器１１内の下方には、成膜対象である基板２０を保持するウェハ支持台２１が設置されている。このウェハ支持台２１は、基板２０を載置する載置部２２と、この載置部２２を支持する支持軸２３とにより構成されている。載置部２２の内部には加熱のためのヒータ２４が設置されている。これにより、プラズマ処理中の基板２０の温度を所望の温度に制御することができる。基板がシリコンウェハの場合、熱膨張係数はＳｉＮよりもシリコンの方が大きい為、処理中温度が高いほど常温に戻る際の収縮量の違いで圧縮側に応力が発生するが、処理温度の上限はＬＳＩの適用部位で決まっている。例えば、配線工程の後に処理する場合、配線材料への影響を考慮して４００℃以下が一般的な処理温度となっている。トランジスタの特性改善目的で成膜するトランジスタ近傍のＳｉＮ膜は４００℃〜５００℃が一般的である。
載置部２２には、基板２０に対しバイアス電圧を印加できるようにコンデンサ２５及び整合器２６を介してバイアス電源２７が接続されている。これにより、基板２０の表面にプラズマ１４中からイオンを引き込むことができる。さらに、載置部２２には、基板２０を静電気力で保持できるように静電電源２８が接続されている。静電電源２８へのＲＦ電源１７やバイアス電源２７のパワーが回り込まないように、ローパスフィルター(ＬＰＦ)２９を介して載置部２２に接続している。
また、バイアス電源２７のバイアスパワーと、ＲＦ電源１７のＲＦパワーと、真空装置１３の圧力と、原料ガス供給ノズル１８及びＮ２ガス供給ノズル１９のガス供給量とをそれぞれ制御することが可能なパラメータ制御装置（図示省略）が設置されている。
本実施形態においては、パラメータ制御装置によりバイアスパワー、ＲＦパワー、圧力、及び、ガス供給量の各パラメータをそれぞれ制御することで、高い圧縮応力を有する窒化シリコン膜を生成した。以下、本実施形態に係るプラズマ処理方法について詳述する。
本実施形態に係るプラズマ処理方法では、高密度プラズマ処理装置に低出力のバイアス電源を採用し、Ｎ−Ｈ結合を切るために必要な最適バイアスを求めるべく、ＳｉＮ膜の圧縮ストレスの改善実験を実施した。バイアス電源は３００ｍｍ仕様の装置でも５００Ｗ電源で十分となる。
図２に本発明の一実施形態に係るバイアスパワーと膜ストレスとの関係を示す。ここで、横軸をバイアスパワー（Ｗ）、縦軸を膜中ストレス（ＭＰａ）とする。また、実験は上述した本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置において行い、直径２００ｍｍのウェハを使用し、成膜条件は、ＳｉＨ４＝５０ｓｃｃｍ、Ｎ２＝１００ｓｃｃｍ、ＲＦパワー＝２０００Ｗ、処理温度２５０℃、圧力＝２Ｐａ以下とした。
図２に示すように、ＳｉＮ膜の圧縮ストレスの改善実験により、膜ストレスは、僅か７５Ｗのバイアスパワーを印加することにより、飛躍的に改善されることが確認された。さらに、バイアスパワーをより高くすると圧縮ストレスは低下してゆくことも確認された。また、バイアスパワーが４５Ｗから１４０Ｗの間では、膜ストレスは−２０００ＭＰａ以上となり、この範囲内であれば高い圧縮ストレスが得られるということが確認された。高密度プラズマ処理装置の通常の使用条件下では、バイアスパワーは５００ｗから３０００Ｗ付近に設定するため、このようなバイアス条件を見出すことは非常に困難である。
なお、印加するバイアスパワーは、ウェハの単位面積あたりのバイアスパワーが同じであればよい。換言すると、ウェハの単位面積あたりのバイアスパワーが同じになるようにバイアスパワーを印加しさえすればどのようなウェハの径であっても上記の条件を適用することが可能である。このため、直径が３００ｍｍのウェハの場合、３００Ｗ程度までが有効な値であるということができる。
また、ＳｉＮ膜中のＮ−Ｈ結合量は、ＦＴＩＲ（フーリエ変換赤外分光光度計）計測により求めることができる。図３にＦＴＩＲ特性例を示す。図３に示すように、Ｎ−Ｈ結合のピークを確認することができる。
ここで、バイアスパワーを変更して、実際にストレス値の制御を行った際の圧縮ストレスと膜中のＮ−Ｈ含有量との関係を測定した。図４に本発明の一実施形態に係る膜ストレスとＮＨ含有量の関係を示す。ここで、横軸をＳｉＮ膜のストレス（ＧＰａ）、縦軸をＮＨ含有量（１０20／ｃｍ3）とした。図４に示すように、僅か数百Ｗ以下の低いバイアス電圧を印加することにより、Ｎ−Ｈ結合量が低減し、圧縮ストレスを高めることができていることが確認された。
次に、ＳｉＨ４の供給量に対するＮ２の供給量の比率であるガス流量比率と膜ストレスとの関係についても測定した。図５にＮ２／Ｓｉ４と膜ストレスとの関係を示す。ここで、横軸をＮ２／ＳｉＨ４、縦軸をＳｉＮ膜のストレス（ＭＰａ）とした。図５に示すように、Ｎ２の供給量は、ＳｉＨ４の供給量に対し３倍以上の比率で添加すると良いことが分かる。
次に、成膜時の圧力と膜ストレスとの関係についても測定した。図６に本発明の一実施形態に係る成膜時の圧力と膜ストレスとの関係を示す。ここで、横軸を成膜時の圧力（ｍＴｏｒｒ）、縦軸をＳｉＮ膜のストレス（ＭＰａ）とした。図６に示すように、圧縮ストレスを高めるためには成膜時の圧力は低いほど良い。そして、ＳｉＮ膜のストレスを−３０００Ｍｐａ以上、すなわち、圧縮ストレスを３ＧＰａ以上とするためには、成膜時の圧力は１５ｍＴｏｒｒ以下、すなわち、２Ｐａ以下とすれば良いことが分かる。
これらのことから、高い圧縮ストレスを有するＳｉＮを形成するための条件として、供給するガス種はＳｉＨ４とＮ２とし、ＲＦパワーは２０００Ｗ以上とし、バイアスパワーは４５から３００Ｗとし、Ｎ２の供給量は、ＳｉＨ４の供給量に対し３倍以上の比率で添加し、圧力は２Ｐａ以下とするとよいという結論が得られた。
このように、本実施形態に係るプラズマ処理方法によれば、シリコンを含有する原料ガスと窒素ガスとのプラズマにより、処理対象の基板に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理方法において、窒化シリコン膜の処理時にバイアスパワーを印加し、窒化シリコン膜の膜中のＮ−Ｈ結合量を低減させることにより、窒化シリコン膜の膜中のＮ−Ｈ結合の量を低減させることができる。また、窒化シリコン膜の膜中のＮ−Ｈ結合の量を低減させることにより、窒化シリコン膜の圧縮ストレスを飛躍的に高めることができる。
また、バイアスパワーを直径２００ｍｍあたり４５Ｗから１４０Ｗとし、バイアスパワーを変化させてイオンエネルギーを変化させることにより、窒化シリコン膜の膜中のＮ−Ｈ結合を効率よく切断することができる。これにより、窒化シリコン膜の膜中のＮ−Ｈ結合の量を低減させることができるため、窒化シリコン膜の圧縮ストレスを飛躍的に高めることができる。
また、ＲＦパワーを直径２００ｍｍあたり２ｋＷ以上とし、ＲＦパワーを変化させてイオンエネルギーを変化させることにより、供給している窒素の分解を確実に行うことができるため、より効率よく窒化シリコン膜の膜中のＮ−Ｈ結合の量を低減させることができる。
また、圧力を２Ｐａ以下とし、圧力を変化させてイオンエネルギーを変化させることにより、バイアスパワー印加時にイオン同士の衝突が減少するため、イオンを効率よく基板表面に引き込むことができ、Ｎ−Ｈ結合を効率よく切断することができる。
また、シリコンを含有する原料ガスの供給量に対し、窒素ガスの供給量を３倍以上とし、ガス供給量を変化させてイオンエネルギーを変化させることにより、シリコンと窒素が結合する確率が向上するため、窒化シリコン膜の膜中のＮ−Ｈ結合の量を低減させることができる。
また、本実施形態に係るプラズマ処理装置によれば、真空容器１０の内部にシリコン及び水素を含有する原料ガスを供給する原料ガス供給ノズル１８と、真空容器１０の内部に窒素ガスを供給するＮ２供給ノズル１９と、真空容器１０の内の圧力を制御する真空装置１３と、真空容器１０の内部の原料ガスと窒素ガスにＲＦパワーを印加してプラズマを発生させるＲＦアンテナ１５、及び、ＲＦ電源１７等と、真空容器１０の内部の下方に、処理対象となる基板２０を支持する加熱機能を有する載置部２２と、載置部２２にバイアスパワーを印加するバイアス電源２７と、バイアス電源２７のバイアスパワー、ＲＦアンテナ１５、及び、ＲＦ電源１７等のＲＦパワー、真空装置１３の圧力、及び、原料ガス供給ノズル１８とＮ２供給ノズル１９のガス供給量をそれぞれ制御するパラメータ制御装置とを備え、パラメータ制御装置でバイアスパワー、ＲＦパワー、圧力、及び、ガス供給量を制御することにより、窒化シリコン膜を成長させている間、原料ガス中の水素と窒素ガスの結合状態であるＮ−Ｈ結合を切断するためのイオンエネルギーを処理対象の基板２０に印加し、窒化シリコン膜の膜中に含まれるＮ−Ｈ結合量を低減させることにより、窒化シリコン膜の膜中のＮ−Ｈ結合の量を低減させることができる。これにより、窒化シリコン膜の膜中のＮ−Ｈ結合量を効率良く低減させることができるため、窒化シリコン膜を緻密な膜とする事を可能とし、窒化シリコン膜の圧縮ストレスを飛躍的に高めることができる。
本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の構成図である。 本発明の一実施形態に係るバイアスパワーと膜ストレスとの関係を示した図である。 ＦＴＩＲ特性例を示した図である。 本発明の一実施形態に係る膜ストレスとＮＨ含有量の関係を示した図である。 本発明の一実施形態に係るＮ２／ＳｉＨ４と膜ストレスとの関係を示した図である。 本発明の一実施形態に係る成膜圧力と膜ストレスとの関係を示した図である。 膜中Ｎ−Ｈ結合量とＳｉＮ膜ストレスとの関係を示した図である。 電子衝突によるＣＨ４分子の解離性励起を示した図である。
符号の説明
１ プラズマ処理装置
１０ 真空容器
１１ 筒状容器
１２ 天井板
１３ 真空装置
１４ プラズマ
１５ ＲＦアンテナ
１６，２６ 整合器
１７ ＲＦ電源
１８ 原料ガス供給ノズル
１９ Ｎ２供給ノズル
２０ 基板
２１ ウェハ支持台
２２ 載置部
２３ 支持軸
２４ ヒータ
２５ コンデンサ
２７ バイアス電源
２８ 静電電源
２９ ローパスフィルター（ＬＰＦ）

Claims (6)

  1. シリコン及び水素を含有する原料ガスと窒素ガスとのプラズマにより、処理対象の基板に対して窒化シリコン膜を成長させるプラズマ処理方法において、
    前記窒化シリコン膜を成長させている間、前記原料ガス中の水素と前記窒素ガスの結合状態であるＮ−Ｈ結合を切断するためのイオンエネルギーを処理対象の前記基板に照射し、前記窒化シリコン膜の膜中に含まれるＮ−Ｈ結合量を低減させる
    ことを特徴とするプラズマ処理方法。
  2. 請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
    処理対象の前記基板に印加するバイアスパワーを変化させてイオンエネルギーを変化させる
    ことを特徴とするプラズマ処理方法。
  3. 請求項２に記載のプラズマ処理方法において、
    プラズマを生成する為に印加するＲＦパワーを変化させてイオンエネルギーを変化させる
    ことを特徴とするプラズマ処理方法。
  4. 請求項２又は請求項３に記載のプラズマ処理方法において、
    圧力を変化させてイオンエネルギーを変化させる
    ことを特徴とするプラズマ処理方法。
  5. 請求項２乃至請求項４のいずれかに記載のプラズマ処理方法において、
    ガス供給量を変化させてイオンエネルギーを変化させる
    ことを特徴とするプラズマ処理方法。
  6. 真空容器の内部にシリコン及び水素を含有する原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、
    真空容器の内部に窒素ガスを供給する窒素ガス供給手段と、
    前記真空容器の内の圧力を制御する圧力制御手段と、
    前記真空容器の内部の前記原料ガスと前記窒素ガスにＲＦパワーを印加してプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、
    前記真空容器の内部の下方に、処理対象となる基板を支持する加熱機能を有する支持手段と、
    前記支持手段にバイアスパワーを印加するバイアスパワー印加手段と、
    前記バイアスパワー印加手段の前記バイアスパワー、前記プラズマ発生手段の前記ＲＦパワー、前記圧力制御手段の前記圧力、及び、前記原料ガス供給手段と前記窒素ガス供給手段のガス供給量をそれぞれ制御するパラメータ制御手段と
    を備え、
    前記パラメータ制御手段で前記バイアスパワー、前記ＲＦパワー、前記圧力、及び、前記ガス供給量を制御することにより、窒化シリコン膜を成長させている間、前記原料ガス中の水素と前記窒素ガスの結合状態であるＮ−Ｈ結合を切断するためのイオンエネルギーを処理対象の前記基板に印加し、前記窒化シリコン膜の膜中に含まれるＮ−Ｈ結合量を低減させる
    ことを特徴とするプラズマ処理装置。
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