JP3415491B2 - シリコン窒化膜の成膜方法 - Google Patents
シリコン窒化膜の成膜方法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はシリコン窒化膜を成
膜する成膜方法に関する。
膜する成膜方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】−般に、半導体集積デバイスを形成する
ために、そのデバイス中の絶縁膜としては、ＳｉＯ
2 （シリコン酸化膜）、ＰＳＧ（Phosho Silicate Glas
s ）、Ｐ（プラズマ）−ＳｉＯ、Ｐ（プラズマ）−Ｓｉ
Ｎ、ＳＯＧ（Spin On Glass ）、Ｓｉ3 Ｎ4 （シリコン
窒化膜）等が用いられる。中でも、シリコン窒化膜はそ
の絶縁性や、膜の強度が強いことから、デバイス中の例
えば、素子分離工程のマスクやゲート電極を覆う絶縁膜
として利用される。このような、シリコン窒化膜を半導
体ウェハ等の基板上に成膜する技術として、従来、成膜
ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ4 ）とアンモニア（ＮＨ
3 ）ガスを用いて熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Depositio
n ）により成膜する方法と、成膜ガスとしてジクロルシ
ラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2 ）とアンモニアガスを用いて熱Ｃ
ＶＤにより成膜する方法とが主に知られている。
ために、そのデバイス中の絶縁膜としては、ＳｉＯ
2 （シリコン酸化膜）、ＰＳＧ（Phosho Silicate Glas
s ）、Ｐ（プラズマ）−ＳｉＯ、Ｐ（プラズマ）−Ｓｉ
Ｎ、ＳＯＧ（Spin On Glass ）、Ｓｉ3 Ｎ4 （シリコン
窒化膜）等が用いられる。中でも、シリコン窒化膜はそ
の絶縁性や、膜の強度が強いことから、デバイス中の例
えば、素子分離工程のマスクやゲート電極を覆う絶縁膜
として利用される。このような、シリコン窒化膜を半導
体ウェハ等の基板上に成膜する技術として、従来、成膜
ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ4 ）とアンモニア（ＮＨ
3 ）ガスを用いて熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Depositio
n ）により成膜する方法と、成膜ガスとしてジクロルシ
ラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2 ）とアンモニアガスを用いて熱Ｃ
ＶＤにより成膜する方法とが主に知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ここで、前者のモノシ
ランとアンモニアガスを用いた成膜方法は、６００℃で
の成膜レートが２．５Å／ｍｉｎと比較的高くて良好で
あり、スループットを高めるために有効であるが、その
反面、ウェハ表面の段差等を円滑にする段差被覆性、す
なわちステップカバレジＢ／Ｔが８０％以下とそれ程高
くなく、また膜厚面内均一性Ｒ／２Ｘ’が５％以下とそ
れ程良好ではない。なお、ステップカバレジＢ／Ｔは、
半導体ウェハの表面に存在する凹凸のボトム（底部）と
トップ部（頂部）とにおける膜厚の比（百分率）であ
り、膜厚面内均一性は最大厚さＸmaxと最小厚さＸmin
の差を、その平均値Ｘ’で除算した値の１／２である。
ランとアンモニアガスを用いた成膜方法は、６００℃で
の成膜レートが２．５Å／ｍｉｎと比較的高くて良好で
あり、スループットを高めるために有効であるが、その
反面、ウェハ表面の段差等を円滑にする段差被覆性、す
なわちステップカバレジＢ／Ｔが８０％以下とそれ程高
くなく、また膜厚面内均一性Ｒ／２Ｘ’が５％以下とそ
れ程良好ではない。なお、ステップカバレジＢ／Ｔは、
半導体ウェハの表面に存在する凹凸のボトム（底部）と
トップ部（頂部）とにおける膜厚の比（百分率）であ
り、膜厚面内均一性は最大厚さＸmaxと最小厚さＸmin
の差を、その平均値Ｘ’で除算した値の１／２である。
【０００４】これに対して、後者のジクロルシランとア
ンモニアガスを用いる成膜方法は、ステップカバレジＢ
／Ｔが１００％に近く、膜厚面内均一性Ｒ／２Ｘ’も２
％以下と良好である。しかしながら、その成膜レートは
６００℃で０．５Å／ｍｉｎ程度と極めて低いために、
実際の半導体装置の製造ラインでの利用は困難である。
ただ、この成膜方法においても、成膜温度を７００〜７
６０℃の高温域に設定すれば、幾分改善される。しかし
ながら、前記したように半導体装置の微細化及び集積化
の程度が一層進んでデバイスの設計ルールがより厳しく
なってくると、前述したような７００〜７６０℃の高温
域で成膜処理を行なうと、ゲート電極を覆う絶縁膜とし
て使用した場合、下地に高温で劣化する材料、例えばＷ
やＴｉＳｉ2 、ＣｏＳｉ2 などのゲート材料があるデバ
イスでは、使用できないという問題がある。
ンモニアガスを用いる成膜方法は、ステップカバレジＢ
／Ｔが１００％に近く、膜厚面内均一性Ｒ／２Ｘ’も２
％以下と良好である。しかしながら、その成膜レートは
６００℃で０．５Å／ｍｉｎ程度と極めて低いために、
実際の半導体装置の製造ラインでの利用は困難である。
ただ、この成膜方法においても、成膜温度を７００〜７
６０℃の高温域に設定すれば、幾分改善される。しかし
ながら、前記したように半導体装置の微細化及び集積化
の程度が一層進んでデバイスの設計ルールがより厳しく
なってくると、前述したような７００〜７６０℃の高温
域で成膜処理を行なうと、ゲート電極を覆う絶縁膜とし
て使用した場合、下地に高温で劣化する材料、例えばＷ
やＴｉＳｉ2 、ＣｏＳｉ2 などのゲート材料があるデバ
イスでは、使用できないという問題がある。
【０００５】本発明は、以上のような問題点に着目し、
これを有効に解決すベく創案されたものであり、本発明
の目的は、成膜温度がある程度低くてもステップカバレ
ジ及び成膜レートが共に良好なシリコン窒化膜の成膜方
法を提供することにある。
これを有効に解決すベく創案されたものであり、本発明
の目的は、成膜温度がある程度低くてもステップカバレ
ジ及び成膜レートが共に良好なシリコン窒化膜の成膜方
法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の成膜方法は、被
処理体の表面に化学気相成長によってシリコン窒化膜を
成膜する成膜方法において、成膜ガスとして少なくとも
クロル非含有シランガスおよびクロル含有シランガスお
よびアンモニアガスを用い、これら３種のガスのうちア
ンモニアガスのみを所定時間供給した後、アンモニアガ
スを供給した状態でクロル非含有シランガスとクロル含
有シランガスとをほぼ同時に供給する。
処理体の表面に化学気相成長によってシリコン窒化膜を
成膜する成膜方法において、成膜ガスとして少なくとも
クロル非含有シランガスおよびクロル含有シランガスお
よびアンモニアガスを用い、これら３種のガスのうちア
ンモニアガスのみを所定時間供給した後、アンモニアガ
スを供給した状態でクロル非含有シランガスとクロル含
有シランガスとをほぼ同時に供給する。
【０００７】また、本発明の他の成膜方法は、被処理体
の表面に化学気相成長によってシリコン窒化膜を成膜す
る成膜方法において、成膜ガスとして少なくともクロル
非含有シランガスおよびクロル含有シランガスおよびア
ンモニアガスを用い、これら３種のガスのうち前記アン
モニアガスのみを所定時間供給した後、アンモニアガス
を供給した状態でクロル含有シランガスを所定時間供給
し、その後アンモニアガスとクロル含有シランガスとが
供給された状態でクロル非含有シランガスを供給する。
この場合、クロル非含有シランガスを供給して所定時間
経過後、クロル含有シランガスの供給を停止し、その後
前記３種のガスのうちアンモニアガスとクロル非含有シ
ランガスのみが供給された状態とする。
の表面に化学気相成長によってシリコン窒化膜を成膜す
る成膜方法において、成膜ガスとして少なくともクロル
非含有シランガスおよびクロル含有シランガスおよびア
ンモニアガスを用い、これら３種のガスのうち前記アン
モニアガスのみを所定時間供給した後、アンモニアガス
を供給した状態でクロル含有シランガスを所定時間供給
し、その後アンモニアガスとクロル含有シランガスとが
供給された状態でクロル非含有シランガスを供給する。
この場合、クロル非含有シランガスを供給して所定時間
経過後、クロル含有シランガスの供給を停止し、その後
前記３種のガスのうちアンモニアガスとクロル非含有シ
ランガスのみが供給された状態とする。
【０００８】また、本発明の成膜方法においては、前記
クロル非含有シランガスと前記クロル含有シランガスの
流量比は、３０：７０〜８０：２０の範囲内に設定する
こと、前記アンモニアガスの流量は、前記クロル比含有
シランガスと前記クロル含有シランガスとの合計流量の
１倍以上とすることが好ましい。また、前記クロル非含
有シランガスとしてモノシランガスを、前記クロル含有
シランガスとしてジクロルシランガスを用いることが好
ましい。
クロル非含有シランガスと前記クロル含有シランガスの
流量比は、３０：７０〜８０：２０の範囲内に設定する
こと、前記アンモニアガスの流量は、前記クロル比含有
シランガスと前記クロル含有シランガスとの合計流量の
１倍以上とすることが好ましい。また、前記クロル非含
有シランガスとしてモノシランガスを、前記クロル含有
シランガスとしてジクロルシランガスを用いることが好
ましい。
【０００９】本発明によれば、供給されたクロル非含有
シランガス、クロル含有シランガス、アンモニアガスの
３種のガスによるＣＶＤ法により、ステップカバレジに
優れるとともに、成膜レートの高い成膜が実現可能とな
る。
シランガス、クロル含有シランガス、アンモニアガスの
３種のガスによるＣＶＤ法により、ステップカバレジに
優れるとともに、成膜レートの高い成膜が実現可能とな
る。
【００１０】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。図１は本発明に係るシリコン窒化膜
の成膜装置の第１の実施形態の模式的な断面図である。
この成膜装置２は、内筒４と外筒６とよりなる石英製の
２重管構造の縦型の処理容器８を有している。前記内筒
４内の処理空間Ｓには、被処理体を保持するための保持
具としての石英製のウェハボート１０が収容されてお
り、このウェハボート１０には被処理体としての半導体
ウェハＷが所定のピッチで多段に保持される。前記ウェ
ハボート１０は、前記処理容器８の下方を開閉するキャ
ップ１２上に回転可能な保温筒１４を介して載置されて
おり、昇降可能なエレベータ１６により、前記処理容器
８内へその下方から挿脱可能になされている。前記処理
容器８の下端開口部は、例えばステンレス製のマニホー
ルド１８が接合されており、このマニホールド１８に
は、流量制御された各種の成膜ガスを前記処理容器８内
へ導入するためのガス供給系２０が設けられている。前
記ガス供給系２０は、シリコン窒化膜を成膜するために
３種類の成膜ガス、すなわちモノシランガス、ジクロル
シランガス及びアンモニアガスを用いており、前記マニ
ホールド１８には、モノシランガスを導入するモノシラ
ンガスノズル２２、ジクロルシランを導入するジクロル
シランガスノズル２４、及びそれぞれアンモニアガスを
導入する２本のアンモニアガスノズル２６Ａ，２６Ｂを
それぞれ貫通させて設けている。ここでは前記処理容器
８内のガス流れ方向の下流側（図中、上方）におけるア
ンモニア濃度が過度に減少することを阻止するために、
そのガス出口をガスの流れ方向に沿って分散させて配置
した複数本、図示例では２本のアンモニアガスノズル２
６Ａ，２８Ｂとして形成している。すなわち、一方のア
ンモニアガスノズル２６Ａのガス出口は前記処理容器８
の底部近傍に配置し、他方のアンモニアガスノズル２６
Ｂのガス出口は前記処理容器８の高さ方向の略中央部に
位置している。なお、前記各ノズル２２，２４，２６Ａ
より供給される各成膜ガスは、内筒４内の処理空間Ｓを
上昇して途中で他方のアンモニアガスノズル２６Ｂより
導入された追加のアンモニアガスと合流し、天井部で下
方へ折り返して前記内筒４と外筒６との間隙内を流下し
て排出されることになる。
参照して説明する。図１は本発明に係るシリコン窒化膜
の成膜装置の第１の実施形態の模式的な断面図である。
この成膜装置２は、内筒４と外筒６とよりなる石英製の
２重管構造の縦型の処理容器８を有している。前記内筒
４内の処理空間Ｓには、被処理体を保持するための保持
具としての石英製のウェハボート１０が収容されてお
り、このウェハボート１０には被処理体としての半導体
ウェハＷが所定のピッチで多段に保持される。前記ウェ
ハボート１０は、前記処理容器８の下方を開閉するキャ
ップ１２上に回転可能な保温筒１４を介して載置されて
おり、昇降可能なエレベータ１６により、前記処理容器
８内へその下方から挿脱可能になされている。前記処理
容器８の下端開口部は、例えばステンレス製のマニホー
ルド１８が接合されており、このマニホールド１８に
は、流量制御された各種の成膜ガスを前記処理容器８内
へ導入するためのガス供給系２０が設けられている。前
記ガス供給系２０は、シリコン窒化膜を成膜するために
３種類の成膜ガス、すなわちモノシランガス、ジクロル
シランガス及びアンモニアガスを用いており、前記マニ
ホールド１８には、モノシランガスを導入するモノシラ
ンガスノズル２２、ジクロルシランを導入するジクロル
シランガスノズル２４、及びそれぞれアンモニアガスを
導入する２本のアンモニアガスノズル２６Ａ，２６Ｂを
それぞれ貫通させて設けている。ここでは前記処理容器
８内のガス流れ方向の下流側（図中、上方）におけるア
ンモニア濃度が過度に減少することを阻止するために、
そのガス出口をガスの流れ方向に沿って分散させて配置
した複数本、図示例では２本のアンモニアガスノズル２
６Ａ，２８Ｂとして形成している。すなわち、一方のア
ンモニアガスノズル２６Ａのガス出口は前記処理容器８
の底部近傍に配置し、他方のアンモニアガスノズル２６
Ｂのガス出口は前記処理容器８の高さ方向の略中央部に
位置している。なお、前記各ノズル２２，２４，２６Ａ
より供給される各成膜ガスは、内筒４内の処理空間Ｓを
上昇して途中で他方のアンモニアガスノズル２６Ｂより
導入された追加のアンモニアガスと合流し、天井部で下
方へ折り返して前記内筒４と外筒６との間隙内を流下し
て排出されることになる。
【００１１】前記各ノズル２２，２４，２６Ａ，２６Ｂ
は、それぞれガス配管４０，４２，４４，４６を介して
それぞれ図外のガス源に接続されている。また、前記モ
ノシラン及びジクロルシランはそれぞれ窒素をキャリア
ガスとして給送されるため、実際には各ガス源からはモ
ノシランガスと窒素ガスとの混合ガス、ジクロルシラン
ガスと窒素ガスとの混合ガスが供給される。また、前記
各ガス管４０，４２，４４，４６には、流量制御バルブ
５０，５２，５４，５６及びマスフローメータ６０，６
２，６４，６６が設けられており、制御装置７０が前記
各ガス配管４０，４２，４４，４６のマスフローメータ
６０，６２，６４，６６を監視しながら、前記各流量制
御バルブ５０，５２，５４，５６を制御することで、前
記各ガスの流量とその供給タイミングが制御されるよう
に構成されている。
は、それぞれガス配管４０，４２，４４，４６を介して
それぞれ図外のガス源に接続されている。また、前記モ
ノシラン及びジクロルシランはそれぞれ窒素をキャリア
ガスとして給送されるため、実際には各ガス源からはモ
ノシランガスと窒素ガスとの混合ガス、ジクロルシラン
ガスと窒素ガスとの混合ガスが供給される。また、前記
各ガス管４０，４２，４４，４６には、流量制御バルブ
５０，５２，５４，５６及びマスフローメータ６０，６
２，６４，６６が設けられており、制御装置７０が前記
各ガス配管４０，４２，４４，４６のマスフローメータ
６０，６２，６４，６６を監視しながら、前記各流量制
御バルブ５０，５２，５４，５６を制御することで、前
記各ガスの流量とその供給タイミングが制御されるよう
に構成されている。
【００１２】一方、前記外筒６の底部側壁には、真空ポ
ンプ等が接続される排気口２８が設けられる。また、前
記処理容器８の外周には断熱層３０が設けられており、
その内側には加熱手段として加熱ヒータ３２が設けら
れ、内側に位置するウェハＷを所定の温度に加熱するよ
うになっている。ここで、前記処理容器８の全体の大き
さは、例えば成膜すべきウェハＷのサイズを８インチ、
ウェハボート１０に保持されるウェハ枚数を１２０枚程
度（製品ウェハを１００枚程度、ダミーウェハ等を２０
枚程度）とすると、内筒４の直径は略２６０〜２７０ｍ
ｍ程度、外筒６の直径は略２７５〜２８５ｍｍ程度、処
理容器８の高さは略１０００ｍｍ程度である。
ンプ等が接続される排気口２８が設けられる。また、前
記処理容器８の外周には断熱層３０が設けられており、
その内側には加熱手段として加熱ヒータ３２が設けら
れ、内側に位置するウェハＷを所定の温度に加熱するよ
うになっている。ここで、前記処理容器８の全体の大き
さは、例えば成膜すべきウェハＷのサイズを８インチ、
ウェハボート１０に保持されるウェハ枚数を１２０枚程
度（製品ウェハを１００枚程度、ダミーウェハ等を２０
枚程度）とすると、内筒４の直径は略２６０〜２７０ｍ
ｍ程度、外筒６の直径は略２７５〜２８５ｍｍ程度、処
理容器８の高さは略１０００ｍｍ程度である。
【００１３】次に、以上のように構成された成膜装置を
用いて行なわれる成膜方法について説明する。まず、未
処理の多数枚の半導体ウェハＷをウェハボート１０に所
定のピッチで多段に保持し、この状態でエレベータ１６
を上昇駆動することにより、ウェハボート１０を処理容
器８内へその下方より挿入し、処理容器８内を密閉す
る。前記処理容器８内は予め予熱されており、ウェハＷ
が挿入されたならば、加熱ヒータ３２への供給電圧を増
加してウェハＷを所定のプロセス温度まで昇温すると共
に、処理容器８内を真空引きする。そして、成膜初期時
にシリコン多結晶がウェハ表面に付着することを防止す
るために、まず、２つのアンモニアノズル２６Ａ，２８
Ｂからアンモニアガスを供給して処理容器８内をアンモ
ニアガス雰囲気に設定しておく。そして、処理容器８内
がアンモニア雰囲気になったならば、アンモニアガスの
供給を継続しながら、モノシランガスノズル２２及びジ
クロルシランガスノズル２４からそれぞれ流量制御され
たモノシランガス及びジクロルシランガスをキャリアガ
スである窒素ガスと共に処理容器８内へ導入し、成膜処
理を開始する。
用いて行なわれる成膜方法について説明する。まず、未
処理の多数枚の半導体ウェハＷをウェハボート１０に所
定のピッチで多段に保持し、この状態でエレベータ１６
を上昇駆動することにより、ウェハボート１０を処理容
器８内へその下方より挿入し、処理容器８内を密閉す
る。前記処理容器８内は予め予熱されており、ウェハＷ
が挿入されたならば、加熱ヒータ３２への供給電圧を増
加してウェハＷを所定のプロセス温度まで昇温すると共
に、処理容器８内を真空引きする。そして、成膜初期時
にシリコン多結晶がウェハ表面に付着することを防止す
るために、まず、２つのアンモニアノズル２６Ａ，２８
Ｂからアンモニアガスを供給して処理容器８内をアンモ
ニアガス雰囲気に設定しておく。そして、処理容器８内
がアンモニア雰囲気になったならば、アンモニアガスの
供給を継続しながら、モノシランガスノズル２２及びジ
クロルシランガスノズル２４からそれぞれ流量制御され
たモノシランガス及びジクロルシランガスをキャリアガ
スである窒素ガスと共に処理容器８内へ導入し、成膜処
理を開始する。
【００１４】このように、本発明にかかる成膜処理にお
いては、３種のガス、すなわちモノシランガスと、ジク
ロルシランガスと、アンニモアガスとが同時に供給され
て、ウェハＷの表面にシリコン窒化膜が熱ＣＶＤにより
堆積されることになる。成膜処理中においては、所定の
プロセス温度及びプロセス圧力に維持しておく。ここで
プロセス条件の一例としては、例えばプロセス温度は６
５０℃、プロセス圧力は０．３５Ｔｏｒｒ、モノシラン
ガスの流量は１００ｓｃｃｍ、ジクロルシランガスの流
量は１００ｓｃｃｍ、アンモニアガスの総流量は３００
ｓｃｃｍである。このように、３種のガスを同時に供給
してシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を形成するようにしたの
で、６５０℃以下の比較的に低いプロセス温度でも、ス
テップカバレジ及び成膜レートを共に高くすることがで
きる。
いては、３種のガス、すなわちモノシランガスと、ジク
ロルシランガスと、アンニモアガスとが同時に供給され
て、ウェハＷの表面にシリコン窒化膜が熱ＣＶＤにより
堆積されることになる。成膜処理中においては、所定の
プロセス温度及びプロセス圧力に維持しておく。ここで
プロセス条件の一例としては、例えばプロセス温度は６
５０℃、プロセス圧力は０．３５Ｔｏｒｒ、モノシラン
ガスの流量は１００ｓｃｃｍ、ジクロルシランガスの流
量は１００ｓｃｃｍ、アンモニアガスの総流量は３００
ｓｃｃｍである。このように、３種のガスを同時に供給
してシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を形成するようにしたの
で、６５０℃以下の比較的に低いプロセス温度でも、ス
テップカバレジ及び成膜レートを共に高くすることがで
きる。
【００１５】ここで、制御装置７０によりガス配管４
０，４２の流量制御バルブ５０，５２を制御してモノシ
ランガスとジクロルシランガスの流量比をコントロール
することにより、成膜するシリコン窒化膜のステップカ
バレジを制御することが可能である。すなわち、これら
のガスの流量比を調整することにより、所望のステップ
カバレジを得ることができる。例えば、図２はモノシラ
ンガスとジクロルシランガスとの流量比がステップカバ
レジと成膜レートに及ぼす影響を示すグラフであるが、
このグラフから明らかなように、成膜レートはモノシラ
ンガスの流量比を高めるに従って次第に高くなるが、ス
テップカバレジは逆にジクロルシランガスの流量比を高
めるに従って次第に高くなっている。換言すれば、これ
らの２種のシランガスの流量比をコントロールすること
により、所望する値のステップカバレジに制御すること
ができる。また、このグラフより判断すれば、現在のデ
バイスの設計ルールで望ましいとされるステップカバレ
ジ９０％以上及び成膜レート４Å／ｍｉｎ以上を共に満
足するためには、モノシランとジクロルシランの流量比
を３０：７０〜８０：２０の範囲内に設定するのが望ま
しい。
０，４２の流量制御バルブ５０，５２を制御してモノシ
ランガスとジクロルシランガスの流量比をコントロール
することにより、成膜するシリコン窒化膜のステップカ
バレジを制御することが可能である。すなわち、これら
のガスの流量比を調整することにより、所望のステップ
カバレジを得ることができる。例えば、図２はモノシラ
ンガスとジクロルシランガスとの流量比がステップカバ
レジと成膜レートに及ぼす影響を示すグラフであるが、
このグラフから明らかなように、成膜レートはモノシラ
ンガスの流量比を高めるに従って次第に高くなるが、ス
テップカバレジは逆にジクロルシランガスの流量比を高
めるに従って次第に高くなっている。換言すれば、これ
らの２種のシランガスの流量比をコントロールすること
により、所望する値のステップカバレジに制御すること
ができる。また、このグラフより判断すれば、現在のデ
バイスの設計ルールで望ましいとされるステップカバレ
ジ９０％以上及び成膜レート４Å／ｍｉｎ以上を共に満
足するためには、モノシランとジクロルシランの流量比
を３０：７０〜８０：２０の範囲内に設定するのが望ま
しい。
【００１６】図３はモノシランガスとジクロルシランガ
スの流量比を種々変えた時の成膜状態を示す模式図であ
り、図３（Ａ）はモノシランガスの流量が２００ｓｃｃ
ｍでジクロルシランガスの流量がゼロ、図３（Ｂ）はモ
ノシランガスの流量が１５０ｓｃｃｍでジクロルシラン
ガスの流量が５０ｓｃｃｍ、図３（Ｃ）はモノシランガ
スの流量が１００ｓｃｃｍでジクロルシランガスの流量
が１００ｓｃｃｍ、図３（Ｄ）はモノシランガスの流量
が５０ｓｃｃｍでジクロルシランガスの流量が１５０ｓ
ｃｃｍである。全てのプロセス温度は６５０℃、プロセ
ス圧力は０．３５Ｔｏｒｒであり、アンモニアガスの流
量は３００ｓｃｃｍである。なお、ステップカバレジは
前記したように、ウェハＷの表面に成膜されたシリコン
窒化膜３４のボトム部分の厚さＢとトップ部分の厚さＴ
の比Ｂ／Ｔの百分率で表わされ、このＢ／Ｔの値が大き
い程、ステップカバレジが良い。これから明らかなよう
に、図３（Ａ）のジクロルシランの流量がゼロ、すなわ
ちモノシランガスとアンモニアガスのみからなる従来と
同じ方法ではステップカバレジＢ／Ｔは５９％で良好で
はないが、図３（Ｂ）〜図３（Ｄ）に示すようにジクロ
ルシランの流量を増加させる程、ステップカバレジＢ／
Ｔは８７％、９４％及び１００％というように改善され
ている。また、プロセス温度のみを変えて、これを６０
０℃に設定して上述したと同様な成膜処理を行なったと
ころ、成膜レートが僅かに低下しただけで、ステップカ
バレジについては図３に示したと略同様な結果が得られ
た。
スの流量比を種々変えた時の成膜状態を示す模式図であ
り、図３（Ａ）はモノシランガスの流量が２００ｓｃｃ
ｍでジクロルシランガスの流量がゼロ、図３（Ｂ）はモ
ノシランガスの流量が１５０ｓｃｃｍでジクロルシラン
ガスの流量が５０ｓｃｃｍ、図３（Ｃ）はモノシランガ
スの流量が１００ｓｃｃｍでジクロルシランガスの流量
が１００ｓｃｃｍ、図３（Ｄ）はモノシランガスの流量
が５０ｓｃｃｍでジクロルシランガスの流量が１５０ｓ
ｃｃｍである。全てのプロセス温度は６５０℃、プロセ
ス圧力は０．３５Ｔｏｒｒであり、アンモニアガスの流
量は３００ｓｃｃｍである。なお、ステップカバレジは
前記したように、ウェハＷの表面に成膜されたシリコン
窒化膜３４のボトム部分の厚さＢとトップ部分の厚さＴ
の比Ｂ／Ｔの百分率で表わされ、このＢ／Ｔの値が大き
い程、ステップカバレジが良い。これから明らかなよう
に、図３（Ａ）のジクロルシランの流量がゼロ、すなわ
ちモノシランガスとアンモニアガスのみからなる従来と
同じ方法ではステップカバレジＢ／Ｔは５９％で良好で
はないが、図３（Ｂ）〜図３（Ｄ）に示すようにジクロ
ルシランの流量を増加させる程、ステップカバレジＢ／
Ｔは８７％、９４％及び１００％というように改善され
ている。また、プロセス温度のみを変えて、これを６０
０℃に設定して上述したと同様な成膜処理を行なったと
ころ、成膜レートが僅かに低下しただけで、ステップカ
バレジについては図３に示したと略同様な結果が得られ
た。
【００１７】このように、ステップカバレジが改良され
る理由は、以下のような理由によるものと思われる。す
なわち、ジクロルシランとアンモニアの反応により発生
する塩化水素（ＨＣｌ）が、半導体ウェハ表面と相互作
用することによりモノシランの分解種であるシリレシ
（ＳｉＨ2 ）やジクロルシランの分解種であるジクロル
シリレン（ＳｉＣｌ2 ）の付着確立を低下させることに
なり、これにより、ステップカバレジを改善することが
できると推測される。
る理由は、以下のような理由によるものと思われる。す
なわち、ジクロルシランとアンモニアの反応により発生
する塩化水素（ＨＣｌ）が、半導体ウェハ表面と相互作
用することによりモノシランの分解種であるシリレシ
（ＳｉＨ2 ）やジクロルシランの分解種であるジクロル
シリレン（ＳｉＣｌ2 ）の付着確立を低下させることに
なり、これにより、ステップカバレジを改善することが
できると推測される。
【００１８】また、モノシランとジクロルシランの総流
量に対するアンモニアガスの流量比とシニリコン窒化膜
膜中のシリコンの組成比との関係は、図４に示すように
表される。すなわち、シリコン窒化膜Ｓｉ3 Ｎ4 の化学
量論比はＳｉ：Ｎが３：４ととなるが、アンモニアガス
の流量比が少なくなると、当然のこととしてシリコン窒
化膜中のシリコンの含有量が多くなってシリコンリッチ
のシリコン窒化膜となる。所定の絶縁性を維持するため
には、Ｓｉの組成比を略０．５以下に設定する必要があ
るので、アンモニアガスの流量比は略１．０以上、好ま
しくは１．５以上とするのがよい。ただし、前述した各
ガスの流量は、単に一例を示したに過ぎず、各ガスの流
量比さえ維持しておれば、どのような大きさの或いはど
のような処理枚数の処理容器にも適用することができ
る。
量に対するアンモニアガスの流量比とシニリコン窒化膜
膜中のシリコンの組成比との関係は、図４に示すように
表される。すなわち、シリコン窒化膜Ｓｉ3 Ｎ4 の化学
量論比はＳｉ：Ｎが３：４ととなるが、アンモニアガス
の流量比が少なくなると、当然のこととしてシリコン窒
化膜中のシリコンの含有量が多くなってシリコンリッチ
のシリコン窒化膜となる。所定の絶縁性を維持するため
には、Ｓｉの組成比を略０．５以下に設定する必要があ
るので、アンモニアガスの流量比は略１．０以上、好ま
しくは１．５以上とするのがよい。ただし、前述した各
ガスの流量は、単に一例を示したに過ぎず、各ガスの流
量比さえ維持しておれば、どのような大きさの或いはど
のような処理枚数の処理容器にも適用することができ
る。
【００１９】さらに、成膜時に、制御装置７０によって
ガス配管４０，４２の流量制御バルブ５０，５２を制御
し、処理容器８に供給するモノシランガスとジクロルシ
ランガスの供給タイミングを制御してもよい。図５は供
給ガスタイミングがそれぞれ異なる例を示す図である。
図５（Ａ）は標準タイミングであり、前記した説明はこ
の供給タイミングに基づいており、先にアンモニアガス
を供給しておき、その次にモノシランガスとジクロルシ
ランガスを同時に供給し、かつ同時に供給を停止する。
また、図５（Ｂ）は、アンニモアガスを供給した後に、
先にジクロルシランガスを供給し、次いでモノシランガ
スを供給した後、これらガスの供給を同時に停止する。
また、図５（Ｃ）は、アンモニアガスを供給した後、先
にジクロルシランガスを供給し、かつこのジクロルシラ
ンガスの供給を停止する直前にモノシランガスを供給す
る。
ガス配管４０，４２の流量制御バルブ５０，５２を制御
し、処理容器８に供給するモノシランガスとジクロルシ
ランガスの供給タイミングを制御してもよい。図５は供
給ガスタイミングがそれぞれ異なる例を示す図である。
図５（Ａ）は標準タイミングであり、前記した説明はこ
の供給タイミングに基づいており、先にアンモニアガス
を供給しておき、その次にモノシランガスとジクロルシ
ランガスを同時に供給し、かつ同時に供給を停止する。
また、図５（Ｂ）は、アンニモアガスを供給した後に、
先にジクロルシランガスを供給し、次いでモノシランガ
スを供給した後、これらガスの供給を同時に停止する。
また、図５（Ｃ）は、アンモニアガスを供給した後、先
にジクロルシランガスを供給し、かつこのジクロルシラ
ンガスの供給を停止する直前にモノシランガスを供給す
る。
【００２０】このように各ガスの供給タイミングを相違
させることにより、図５（Ｂ）のタイミングでは、図５
（Ａ）の標準タイミングに対して、成膜初期のステップ
カバレジが良いため、カバレジが要求される構造に有利
であるが、成膜レートを高める上では若干不利になる。
また、図５（Ｃ）では、成膜初期はステップカバレジが
良く、その後は成膜レートが向上できることと、塩化ア
ンモニウムが発生し難いため、量産性に優れるが、トー
タル的にはステップカバレジの点で前者２つのものより
も若干不利になる。したがって、成膜に要求されるステ
ップカバレジと成膜レートに対応して任意の供給タイミ
ングに設定することが可能である。勿論、前記した供給
タイミングの他にも、別のタイミングで各ガスを供給す
るように制御装置を構成することも可能である。
させることにより、図５（Ｂ）のタイミングでは、図５
（Ａ）の標準タイミングに対して、成膜初期のステップ
カバレジが良いため、カバレジが要求される構造に有利
であるが、成膜レートを高める上では若干不利になる。
また、図５（Ｃ）では、成膜初期はステップカバレジが
良く、その後は成膜レートが向上できることと、塩化ア
ンモニウムが発生し難いため、量産性に優れるが、トー
タル的にはステップカバレジの点で前者２つのものより
も若干不利になる。したがって、成膜に要求されるステ
ップカバレジと成膜レートに対応して任意の供給タイミ
ングに設定することが可能である。勿論、前記した供給
タイミングの他にも、別のタイミングで各ガスを供給す
るように制御装置を構成することも可能である。
【００２１】図６（Ａ），（Ｂ）は本発明の第２の実施
形態の成膜装置の要部の模式的な縦断面図と水平断面図
である。この第２の実施形態では、処理容器８内におけ
る各ガスの分布を均一化するために、モノシランガス、
ジクロルシランガス、アンニモアガスの各配管４０，４
２，４４の端部をそれぞれ円環状に形成した上で、前記
ウェハボート１０の周囲領域、この第２の実施形態で
は、前記保温筒１４の周囲に配置し、かつ同図にガス配
管４０の一部のみを拡大図示するように各ガス配管の円
環状の部分に多数のノズル孔Ｈを開口してモノシランガ
スノズル２２’、ジクロルシランガスノズル２４’、ア
ンモニアガスノズル２６’をそれぞれ構成したものであ
る。このように、各ガスノズルを構成することで、各ガ
スノズル２２’，２４’，２６’から処理容器８内に供
給されるガスは、ウェハボート１０の周囲に均一に供給
されることになり、ウェハボート１０上の全てのウェハ
Ｗに対して均等な成膜が実現できる。なお、この場合、
第１の実施形態のように２つのアンモニアガスノズルを
設けなくとも、アンニモアガスの十分な均一性が確保で
きる。
形態の成膜装置の要部の模式的な縦断面図と水平断面図
である。この第２の実施形態では、処理容器８内におけ
る各ガスの分布を均一化するために、モノシランガス、
ジクロルシランガス、アンニモアガスの各配管４０，４
２，４４の端部をそれぞれ円環状に形成した上で、前記
ウェハボート１０の周囲領域、この第２の実施形態で
は、前記保温筒１４の周囲に配置し、かつ同図にガス配
管４０の一部のみを拡大図示するように各ガス配管の円
環状の部分に多数のノズル孔Ｈを開口してモノシランガ
スノズル２２’、ジクロルシランガスノズル２４’、ア
ンモニアガスノズル２６’をそれぞれ構成したものであ
る。このように、各ガスノズルを構成することで、各ガ
スノズル２２’，２４’，２６’から処理容器８内に供
給されるガスは、ウェハボート１０の周囲に均一に供給
されることになり、ウェハボート１０上の全てのウェハ
Ｗに対して均等な成膜が実現できる。なお、この場合、
第１の実施形態のように２つのアンモニアガスノズルを
設けなくとも、アンニモアガスの十分な均一性が確保で
きる。
【００２２】また、図７は本発明の第３の実施形態の成
膜装置の要部の断面図である。前記第１及び第２の各実
施形態では、モノシランガスノズル２２，２２’とジク
ロルシランガスノズル２４，２４’をそれぞれ個別に設
けて両ガスを処理容器８内で混合するようにしたが、こ
れに代えて、１つのノズルをモノシランガスとジクロル
シランガスのノズルとして共用するようにしてもよい。
すなわち、この第３の実施形態では、処理容器８に対し
ては、アンニモアガスノズル２６Ａ，２６Ｂの他に、１
つの共用ノズル２８を配設しておき、前記共用ノズル２
８のガス配管４８の途中に混合バルブ６８を配設し、こ
の混合バルブ６８によってそれぞれ流量制御されたモノ
シランガスとジクロルシランガスを混合し、前記共用ノ
ズル２８から処理容器８内に供給するようにする。これ
により、ノズル数が低減でき、モノシランガス或いはジ
クロルシランガスを選択的に用いていた従来の処理装置
をそのままの形で利用することも可能となる。なお、こ
の第３の実施形態においても、第２の実施形態のような
円環状のノズルを採用することが可能である。
膜装置の要部の断面図である。前記第１及び第２の各実
施形態では、モノシランガスノズル２２，２２’とジク
ロルシランガスノズル２４，２４’をそれぞれ個別に設
けて両ガスを処理容器８内で混合するようにしたが、こ
れに代えて、１つのノズルをモノシランガスとジクロル
シランガスのノズルとして共用するようにしてもよい。
すなわち、この第３の実施形態では、処理容器８に対し
ては、アンニモアガスノズル２６Ａ，２６Ｂの他に、１
つの共用ノズル２８を配設しておき、前記共用ノズル２
８のガス配管４８の途中に混合バルブ６８を配設し、こ
の混合バルブ６８によってそれぞれ流量制御されたモノ
シランガスとジクロルシランガスを混合し、前記共用ノ
ズル２８から処理容器８内に供給するようにする。これ
により、ノズル数が低減でき、モノシランガス或いはジ
クロルシランガスを選択的に用いていた従来の処理装置
をそのままの形で利用することも可能となる。なお、こ
の第３の実施形態においても、第２の実施形態のような
円環状のノズルを採用することが可能である。
【００２３】なお、前記各実施形態では処理容器が２重
管構造の成膜装置について説明したが、単管構造の成膜
装置にも適用することができる。また、ウェハ載置部に
はしご型ボートを使ったが、膜均一性向上のためリング
型ボートを使用してもよい。また更に、本発明は上述し
たような一度に多数枚の半導体ウェハについて成膜処理
できるバッチ式の成膜装置に限定されず、処理容器内の
載置台（支持具）に半導体ウェハを載置してランプ加熱
或いはヒ−タ加熱により一枚ずつ成膜処理する枚葉式の
成膜装置にも適用することができる。また、被処理体と
しては、半導体ウェハに限定されず、ＬＣＤ基板、ガラ
ス基板等にも適用することができる。
管構造の成膜装置について説明したが、単管構造の成膜
装置にも適用することができる。また、ウェハ載置部に
はしご型ボートを使ったが、膜均一性向上のためリング
型ボートを使用してもよい。また更に、本発明は上述し
たような一度に多数枚の半導体ウェハについて成膜処理
できるバッチ式の成膜装置に限定されず、処理容器内の
載置台（支持具）に半導体ウェハを載置してランプ加熱
或いはヒ−タ加熱により一枚ずつ成膜処理する枚葉式の
成膜装置にも適用することができる。また、被処理体と
しては、半導体ウェハに限定されず、ＬＣＤ基板、ガラ
ス基板等にも適用することができる。
【００２４】さらに、本発明にかかる成膜技術では、前
記した実施形態に記載のように、反応ガスとしてモノシ
ランガスとジクロルシランガスを用いる場合に限られる
ものではなく、クロル非含有シランガスと、クロル含有
シランガスを用いてシリコン窒化膜を成膜する場合にも
適用できるため、本発明の成膜装置は、前記クロル非含
有シランガスとクロル含有シランガスを使用する成膜装
置として構成することも可能である。
記した実施形態に記載のように、反応ガスとしてモノシ
ランガスとジクロルシランガスを用いる場合に限られる
ものではなく、クロル非含有シランガスと、クロル含有
シランガスを用いてシリコン窒化膜を成膜する場合にも
適用できるため、本発明の成膜装置は、前記クロル非含
有シランガスとクロル含有シランガスを使用する成膜装
置として構成することも可能である。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
クロル非含有シランガス、クロル含有シランガス、及び
アンモニアガスを所要のタイミングで処理容器内に供給
してＣＶＤ法によりシリコン窒化膜を成膜することによ
り、従来の成膜温度と比較して低温域でのＣＶＤ法によ
っても、高い成膜レートおよびステップカバレジのシリ
コン窒化膜を成膜することが可能となり、高信頼性の半
導体装置を高スループットで製造することが可能とな
る。
クロル非含有シランガス、クロル含有シランガス、及び
アンモニアガスを所要のタイミングで処理容器内に供給
してＣＶＤ法によりシリコン窒化膜を成膜することによ
り、従来の成膜温度と比較して低温域でのＣＶＤ法によ
っても、高い成膜レートおよびステップカバレジのシリ
コン窒化膜を成膜することが可能となり、高信頼性の半
導体装置を高スループットで製造することが可能とな
る。
【図１】本発明に係る成膜装置の第１の実施形態の模式
的な断面図である。
的な断面図である。
【図２】モノシランとジクロルシランとの流量比がステ
ップカバレジと成膜レートに及ぼす影響を示すグラフで
ある。
ップカバレジと成膜レートに及ぼす影響を示すグラフで
ある。
【図３】モノシランとジクロルシランとの流量比を変え
た時の成膜状態を示す模式図である。
た時の成膜状態を示す模式図である。
【図４】アンモニアの流量に対するモノシランとジクロ
ルシランの総流量の比がシリコン窒化膜中のシリコンの
組成比に及ぼす影響を示すグラフである。
ルシランの総流量の比がシリコン窒化膜中のシリコンの
組成比に及ぼす影響を示すグラフである。
【図５】各ガスの供給タイミングを示すタイミング図で
ある。
ある。
【図６】本発明の第２の実施形態の要部の模式的な断面
図である。
図である。
【図７】本発明の第３の実施形態の要部の模式的な断面
図である。
図である。
２ 成膜装置
４ 内筒
６ 外筒
８ 処理容器
１０ ウェハボート（保持具）
２０ ガス供給系
２２，２２’ モノシランノズル
２４，２４’ ジクロルシランノズル
２６Ａ，２６Ｂ，２６’ アンモニアノズル
２８ 排気口
３０ 断熱層
３２ ヒータ（加熱手段）
３４ シリコン窒化膜
４０，４２，４４，４６，４８ ガス配管
５０，５２，５４，５６ 流量制御バルブ
６０，６２，６４，６６ マスフローメータ
６８ 混合バルブ
フロントページの続き
(72)発明者 熊谷 武司
岩手県江刺市岩谷堂字松長根52番地 東
京エレクトロン東北株式会社 東北事業
所内
(72)発明者 戸原 淳志
岩手県江刺市岩谷堂字松長根52番地 東
京エレクトロン東北株式会社 東北事業
所内
(72)発明者 津田 俊武
東京都港区赤坂五丁目３番６号 東京エ
レクトロン株式会社内
(56)参考文献 特開 昭61−198734（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 21/31
H01L 21/318
Claims (6)
- 【請求項１】 被処理体の表面に化学気相成長によって
シリコン窒化膜を成膜する成膜方法において、成膜ガス
として少なくともクロル非含有シランガスおよびクロル
含有シランガスおよびアンモニアガスを用い、前記３種
のガスのうち前記アンモニアガスのみを所定時間供給し
た後、前記アンモニアガスを供給した状態で前記クロル
非含有シランガスと前記クロル含有シランガスとをほぼ
同時に供給することを特徴とするシリコン窒化膜の成膜
方法。 - 【請求項２】 被処理体の表面に化学気相成長によって
シリコン窒化膜を成膜する成膜方法において、成膜ガス
として少なくともクロル非含有シランガスおよびクロル
含有シランガスおよびアンモニアガスを用い、前記３種
のガスのうち前記アンモニアガスのみを所定時間供給し
た後、前記アンモニアガスを供給した状態で前記クロル
含有シランガスを所定時間供給し、その後前記アンモニ
アガスと前記クロル含有シランガスとが供給された状態
で前記クロル非含有シランガスを供給することを特徴と
するシリコン窒化膜の成膜方法。 - 【請求項３】 前記クロル非含有シランガスを供給して
所定時間経過後、前記クロル含有シランガスの供給を停
止し、その後前記３種のガスのうち前記アンモニアガス
と前記クロル非含有シランガスのみが供給された状態と
なることを特徴とする請求項２に記載のシリコン窒化膜
の成膜方法。 - 【請求項４】 前記クロル非含有シランガスと前記クロ
ル含有シランガスの流量比は、３０：７０〜８０：２０
の範囲内に設定することを特徴とする請求項１ないし３
のいずれかに記載のシリコン窒化膜の成膜方法。 - 【請求項５】 前記アンモニアガスの流量は、前記クロ
ル非含有シランガスと前記クロル含有シランガスとの合
計流量の１倍以上としたことを特徴とする請求項１ない
し４のいずれかに記載のシリコン窒化膜の成膜方法。 - 【請求項６】 前記クロル非含有シランガスはモノシラ
ンガスであり、前記クロル含有シランガスはジクロルシ
ランガスであることを特徴とする請求項１ないし５のい
ずれかに記載のシリコン窒化膜の成膜方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17785699A JP3415491B2 (ja) | 1999-06-24 | 1999-06-24 | シリコン窒化膜の成膜方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17785699A JP3415491B2 (ja) | 1999-06-24 | 1999-06-24 | シリコン窒化膜の成膜方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001007097A JP2001007097A (ja) | 2001-01-12 |
| JP3415491B2 true JP3415491B2 (ja) | 2003-06-09 |
Family
ID=16038294
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP17785699A Expired - Fee Related JP3415491B2 (ja) | 1999-06-24 | 1999-06-24 | シリコン窒化膜の成膜方法 |
Country Status (1)
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| JP (1) | JP3415491B2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| JP3836329B2 (ja) * | 2001-03-28 | 2006-10-25 | 株式会社東芝 | 半導体装置の製造方法 |
| JP4609098B2 (ja) | 2004-03-24 | 2011-01-12 | 東京エレクトロン株式会社 | 被処理体の酸化方法、酸化装置及び記憶媒体 |
| JP2009135230A (ja) * | 2007-11-29 | 2009-06-18 | Nuflare Technology Inc | 気相成長膜形成装置および気相成長膜形成方法 |
| JP6489478B2 (ja) * | 2015-03-19 | 2019-03-27 | 新日本無線株式会社 | 半導体装置の製造方法 |
-
1999
- 1999-06-24 JP JP17785699A patent/JP3415491B2/ja not_active Expired - Fee Related
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