JP4179311B2 - 成膜方法、成膜装置及び記憶媒体 - Google Patents
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Description
そこで、CVD法(Chemical Vapor Deposition)により不純物としてボロン(B)を添加して形成したシリコン窒化膜が、上記不純物の拡散係数や酸化バリヤ性を先のシリコン窒化膜と同等に維持しつつ、誘電率を非常に小さくして寄生容量を大幅に抑制することが可能な絶縁膜として提案されている(特許文献1)。
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べく創案されたものである。本発明の目的は、誘電率が非常に低く且つエッチング耐性が十分に大きな不純物含有シリコン窒化膜を形成することが可能な成膜方法、成膜装置及びこの成膜装置をコンピュータ制御するためのプログラムを記憶する記憶媒体を提供することにある。
このように、シラン系ガスと窒化ガスとを交互に供給すると共に、不純物含有ガスを前記シラン系ガスと同時に供給し、窒化ガスはプラズマにより活性化されるようにしたので、誘電率が非常に低く、且つエッチング耐性が十分に大きな不純物含有シリコン窒化膜を形成することができる。
また例えば請求項3に規定するように、前記窒化ガスは、前記処理容器内で高周波電力によって発生したプラズマによって活性化される。
また例えば請求項4に規定するように、前記窒化ガスの供給開始から所定の時間が経過した後に、前記高周波電力が印加される。
この場合、例えば請求項6に規定するように、前記窒化ガスが、前記シラン系ガス及び前記不純物含有ガスと同時供給される時には前記窒化ガスはプラズマにより活性化される。
また例えば請求項8に規定するように、前記窒化ガスは、前記処理容器内で高周波電力によって発生したプラズマによって活性化される。
また例えば請求項9に規定するように、前記窒化ガスを単独で供給する時には供給開始から所定の時間が経過した後に、前記高周波電力が印加される。
また例えば請求項10に規定するように、前記薄膜の成膜時の温度は、300℃〜700℃の範囲内である。
また例えば請求項12に規定するように、前記不純物含有ガスの供給量を制御することにより、前記被処理体上に形成される前記不純物含有シリコン窒化膜に所望のストレスを付与する。
また例えば請求項13に規定するように、前記不純物含有ガスの供給量は、前記ストレスが圧縮的なストレス(コンプレッシブストレス)になるように制御される。
また例えば請求項14に規定するように、前記不純物含有ガスの供給量は、前記ストレスが引っ張り的なストレス(テンサイルストレス)になるように制御される。
また例えば請求項15に規定するように、前記処理容器が、直径300mmの被処理体を複数枚処理することができる大きさの場合には、前記不純物含有ガスの供給量は1〜15sccmの範囲内である。
或いは、例えば請求項19に規定するように、前記活性化手段は、前記処理容器とは別体で形成されている。
請求項20に係る発明は、真空引き可能になされた縦型の筒体状の処理容器と、被処理体を複数段に保持して前記処理容器内に挿脱される保持手段と、前記処理容器の外周に設けられる加熱手段と、前記処理容器内へ成膜用のシラン系ガスを供給するシラン系ガス供給手段と、前記処理容器内へ窒化ガスを供給する窒化ガス供給手段と、前記処理容器内へBCl 3 、B 2 H 6 、BF 3 、B(CH 3 ) 3 よりなる群より選択される1以上のボロン含有ガスよりなる不純物含有ガスを供給する不純物含有ガス供給手段と、前記窒化ガスを活性化する活性化手段と、装置全体を制御する制御手段とを有する成膜装置を用いて薄膜を形成するに際して、請求項1乃至16のいずれか一項に記載の成膜方法を実施するように前記成膜装置を制御するプログラムを記憶する記憶媒体である。
第1の発明によれば、シラン系ガスと窒化ガスとを交互に供給すると共に、BCl 3 、B 2 H 6 、BF 3 、B(CH 3 ) 3 よりなる群より選択される1以上のボロン含有ガスよりなる不純物含有ガスを前記シラン系ガスと同時に供給し、窒化ガスはプラズマにより活性化されるようにしたので、誘電率が非常に低く、且つエッチング耐性が十分に大きな不純物含有シリコン窒化膜を形成することができる。
第2の発明によれば、シラン系ガスとBCl 3 、B 2 H 6 、BF 3 、B(CH 3 ) 3 よりなる群より選択される1以上のボロン含有ガスよりなる不純物含有ガスとを同時に、且つ間欠的に供給し、前記窒化ガスを前記シラン系ガス及び不純物含有ガスと同時に供給すると共に、前記シラン系ガス及び不純物含有ガスの供給停止の期間の途中で前記窒化ガスを単独で供給し、前記窒化ガスを単独で供給する時に前記窒化ガスはプラズマにより活性化されるようにしたので、誘電率が非常に低く、且つエッチング耐性が十分に大きな不純物含有シリコン窒化膜を形成することができる。
図1は本発明の係る成膜装置の一例を示す縦断面構成図、図2は成膜装置(加熱手段は省略)を示す横断面構成図、図3は本発明の成膜方法の第1実施例における各種のガスの供給のタイミングとRF(高周波)の印加のタイミングを示すタイミングチャートである。尚、ここではシラン系ガスとしてジクロロシラン(DCS)を用い、窒化ガスとしてアンモニアガス(NH3 )を用い、不純物含有ガスとしてBCl3 ガスを用い、上記NH3 ガスをプラズマにより活性化して不純物としてボロンの含有(ドープ)されたボロン含有シリコン窒化膜(SiBN)を成膜する場合を例にとって説明する。
上記処理容器4の下端は、上記マニホールド8によって支持されており、このマニホールド8の下方より多数枚の被処理体としての半導体ウエハWを多段に載置した保持手段としての石英製のウエハボート12が昇降可能に挿脱自在になされている。本実施例の場合において、このウエハボート12の支柱12Aには、例えば50〜100枚程度の直径が300mmのウエハWを略等ピッチで多段に支持できるようになっている。
そして、この回転軸20の貫通部には、例えば磁性流体シール22が介設され、この回転軸20を気密にシールしつつ回転可能に支持している。また、蓋部18の周辺部とマニホールド8の下端部には、例えばOリング等よりなるシール部材24が介設されており、処理容器4内のシール性を保持している。
上記した回転軸20は、例えばボートエレベータ等の昇降機構(図示せず)に支持されたアーム26の先端に取り付けられており、ウエハボート12及び蓋部18等を一体的に昇降して処理容器4内へ挿脱できるようになされている。尚、上記テーブル16を上記蓋部18側へ固定して設け、ウエハボート12を回転させることなくウエハWの処理を行うようにしてもよい。
そして、上記処理容器4内を上方向に延びていく窒化ガス分散ノズル34は途中で処理容器4の半径方向外方へ屈曲されて、上記プラズマ区画壁56内の一番奥(処理容器4の中心より一番離れた部分)に位置され、この一番奥の部分に沿って上方に向けて起立させて設けられている。従って、高周波電源60がオンされている時に上記窒化ガス分散ノズル34のガス噴射孔34Aから噴射されたアンモニアガスはここで活性化されて処理容器4の中心に向けて拡散しつつ流れるようになっている。
そして上記プラズマ区画壁56の開口54の外側近傍、すなわち開口54の外側(処理容器4内)の両側には、上記シラン系ガス分散ノズル36と不純物含有ガス分散ノズル37とがそれぞれ片側ずつに起立させて設けられており、各ノズル36、37に設けた各ガス噴射孔36A、37Aより処理容器4の中心方向に向けてシラン系ガスとBCl3 ガスとをそれぞれ噴射し得るようになっている。
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プラズマによる成膜方法(いわゆるALD成膜)について説明する。ここでは成膜処理として、ウエハ表面に低温で間欠的にプラズマを用いて不純物としてボロン(B)が含有されたボロン含有シリコン窒化膜(SiBN)を形成する場合を例にとって説明する。すなわち、本発明方法の第1実施例では、上記シラン系ガスであるDCSガスと上記窒化ガスであるアンモニアガスとを交互に供給すると共に、上記不純物含有ガスである窒素ガスを上記シラン系ガス(DCSガス)と同時に供給し、上記窒化ガスはプラズマにより活性化させるようにしている。
まず、常温の多数枚、例えば50〜100枚の300mmサイズのウエハWが載置された状態のウエハボート12を予め所定の温度になされた処理容器4内にその下方より上昇させてロードし、蓋部18でマニホールド8の下端開口部を閉じることにより容器内を密閉する。
その理由は、次のように考えられる。すなわち、一般的にはシリコン窒化膜にボロンを添加するとエッチング耐性は劣化するが、上記実施例のように、NH3 ガスの供給時にプラズマでNH3 ガスを活性化させると窒化が促進される結果、Si−H結合が減少してエッチング耐性の強いSi−N結合が増加するからであると考えられる。
またプロセス圧力は13Pa(0.1Torr)〜1330Pa(10Torr)の範囲内、好ましくは40Pa(0.3Torr)〜266Pa(2Torr)の範囲内であり、例えば吸着工程では1Torr、プラズマを用いる窒化工程では0.3Torrである。プロセス圧力が13Paよりも小さい場合には、成膜レートが実用レベル以下になり、また1330Paよりも大きい場合には、プラズマが十分に立たなくなってしまう。
<BCl3 ガスの流量と誘電率との関係>
まず最初にBCl3 の流量とSiBN膜の誘電率との関係を検討した。図4はBCl3 ガスの流量と誘電率との関係を示すグラフである。プロセス温度は、550℃、600℃及び630℃の3種類について行った。またBCl3 ガスは0〜8sccmまで変化させている。
図4に示すように、プロセス温度に関係なく、BCl3 ガスの流量を増加する程、すなわちSiBN膜中のボロン濃度を高くするに従って、誘電率が低下しており、この結果、ボロン濃度が高い程、誘電率が小さくなって寄生容量を低下できることが確認できた。尚、誘電率の好ましい値は5以下である。
図5はSiBN膜の屈折率と誘電率との関係を示すグラフであり、このグラフより屈折率が2から1.7程度へ小さくなる程、誘電率は7から4程度へ小さくなる関係を有している。
<屈折率とエッチングレートとの関係>
図6は屈折率とエッチングレートとの関係を示すグラフである。ここでは3種類のエッチング液、すなわち純水[DIW]、希硫酸溶液[SPM](H2 SO4 :H2 O2 =4:1)及び希フッ酸溶液[DHF](HF:H2 O=1:99)を用いた。
尚、DIWについては60℃で20分のエッチング処理を行い、SPMについては100℃で2分のエッチング処理を行い、DHFについては23℃で5分のエッチング処理を行い、それぞれ1分間で削られるエッチングレートを求めた。また図中に、各エッチング液に対する耐性の許容上限値を示した。すなわち、DHFに対する許容上限値は20Å/min、SPMに対する許容上限値は10Å/min、DIWに対する許容上限値は5Å/minである。
図7はBCl3 の流量とエッチングレートとの関係を示すグラフである。ここでは図6に示す場合と同じ3種類のエッチング液、すなわち純水[DIW]、希硫酸溶液[SPM]、希フッ酸溶液[DHF]を用いている。従って、各流量について3つのエッチングレートが対応して記載されており、それぞれ左から右に向かってDIWに対するエッチングレート、SPMに対するエッチングレート、DHFに対するエッチングレートの順で記載されている。
また図中の右側には、基準値としてCVDにより形成されたSiN膜(ボロンはノンドープ)のエッチングレートを記載している。尚、図中の左側のBCl3 が”0”sccmの場合は、ALD法により成膜されたSiN膜(ボロンはノンドープ)のエッチングレートを示すことになる。
次に本発明方法の第2実施例について説明する。
図8は本発明の成膜方法の第2実施例における各種のガスの供給のタイミングとRF(高周波)の印加のタイミングを示すタイミングチャート、図9は第1及び第2実施例における成膜レートと改善率を示すグラフである。
図3に示した第1実施例においては、DCSガスとBCl3 ガスとを同時に間欠供給する場合において、これらの両ガスの供給休止期間の途中でNH3 ガスを単独で供給するようにしているが、この第2実施例では、NH3 ガスを上記単独供給に加え、DCSガスとBCl3 ガスの同時供給の時もこのNH3 ガスを同時に加えるようにしている。その他の点については、第1実施例の場合と全く同じである。
上記のように、DCSガス及びBCl3 ガスの両ガスの供給と同時にNH3 ガスも供給することにより、上記DCSガス及びBCl3 ガスのウエハ表面への吸着が促進されるので、ボロン(B)のドーピング量も増加して成膜速度(成膜レート)を上げることができる。
またNH3 ガスをDCSガス及びBCl3 ガスと同時に供給する際にも、このNH3 ガスをプラズマにより活性化するようにしてもよい(図8(D)中で一点鎖線で示す)。これによれば、DCSガス及びBCl3 ガスのウエハ表面への吸着をより促進させることができるので、その分、成膜レートを更に向上させることができる。
図9から明らかなように、ウエハボート中のウエハ載置位置を示すTOP(上段)、CTR(中段)及びBTM(下段)の各位置において、成膜レートは第1実施例よりも第2実施例の方が全て高くなっており、成膜レート(Å/サイクル)が改善されていることが確認できた。具体的な成膜レートの改善率(増加率)は、TOPの位置で161%、CTRの位置で161%、BTMの位置で152%であり、全てのウエハ載置位置において成膜レートを大幅に増加して高い改善率を得られることが確認できた。
上記した電子の移動度を高めるためには、不純物含有シリコン窒化膜にストレスを与えるのが好ましいが、この場合、ストレスには引っ張り的なストレス(テンサイルストレス)と圧縮的なストレス(コンプレッシブストレス)とがある。
すなわち、上記第1及び第2実施例において、前記不純物含有ガスの供給量を制御することにより、前記被処理体上に形成される前記不純物含有シリコン窒化膜に所望のストレスを付与することができる。
この場合、不純物含有ガスの供給量を、特定の領域に適宜変化させることによって、不純物含有シリコン窒化膜に付与するストレスの種類を、コンプレッシブストレスとテンサイルストレスとのいずれかに設定することができる。
図11(A)はプロセス温度が550℃の場合を示し、図11(B)はプロセス温度が630℃の場合を示す。また図11において、縦軸の”+”側はテンサイルストレスを示し、”−”側はコンプレッシブストレスを示す。この時のDCSガスの流量は1000sccm、NH3 ガスの流量は1000sccmである。
尚、上述したプロセス温度及びガス流量は、それぞれ単に一例を示したに過ぎず、必要に応じてそれぞれ種々変更して最適なストレスの大きさ及びストレスの種類(方向)を選択することができる。
また、上記各実施例では、窒化ガスとしてNH3 ガスを用いたが、これに限定されず、アンモニア[NH3 ]、窒素[N2 ]、一酸化二窒素[N2 O]、一酸化窒素[NO]よりなる群より選択される1以上のガスを用いることができる。
また、上記各実施例では、不純物含有ガスとしてBCl3 ガスを用いたが、これに限定されず、BCl3 、B2 H6 、BF3 、B(CH3 )3 よりなる群より選択される1以上のガスを用いることができる。
また被処理体としては、半導体ウエハに限定されず、ガラス基板、LCD基板、セラミック基板等にも本発明を適用することができる。
4 処理容器
12 ウエハボート(供給手段)
28 窒化ガス供給手段
30 シラン系ガス供給手段
31 不純物含有ガス供給手段
32 パージガス供給手段
34 窒化ガス分散ノズル
36 シラン系ガス分散ノズル
37 不純物含有ガス分散ノズル
48 制御手段
50 活性化手段
58 プラズマ電極
60 高周波電源
70 加熱手段
W 半導体ウエハ(被処理体)
Claims (20)
- 真空引き可能になされた処理容器内に、シラン系ガスと窒化ガスとBCl 3 、B 2 H 6 、BF 3 、B(CH 3 ) 3 よりなる群より選択される1以上のボロン含有ガスよりなる不純物含有ガスとを供給して被処理体の表面に不純物含有シリコン窒化膜よりなる薄膜を形成する成膜方法において、
前記シラン系ガスと前記窒化ガスとを交互に供給すると共に、前記不純物含有ガスを前記シラン系ガスと同時に供給し、前記窒化ガスはプラズマにより活性化されることを特徴とする成膜方法。 - 前記シラン系ガスの供給時と前記窒化ガスの供給時との間の間欠期間には、前記処理容器内は少なくとも不活性ガスパージされていること、或いは全てのガスの供給が停止されて真空引きされていることを特徴とする請求項1記載の成膜方法。
- 前記窒化ガスは、前記処理容器内で高周波電力によって発生したプラズマによって活性化されることを特徴とする請求項1または2記載の成膜方法。
- 前記窒化ガスの供給開始から所定の時間が経過した後に、前記高周波電力が印加されることを特徴とする請求項3記載の成膜方法。
- 真空引き可能になされた処理容器内に、シラン系ガスと窒化ガスとBCl 3 、B 2 H 6 、BF 3 、B(CH 3 ) 3 よりなる群より選択される1以上のボロン含有ガスよりなる不純物含有ガスとを供給して被処理体の表面に不純物含有シリコン窒化膜よりなる薄膜を形成する成膜方法において、
前記シラン系ガスと前記不純物含有ガスとを同時に、且つ間欠的に供給し、前記窒化ガスを前記シラン系ガス及び不純物含有ガスと同時に供給すると共に、前記シラン系ガス及び不純物含有ガスの供給停止の期間の途中で前記窒化ガスを単独で供給し、前記窒化ガスを単独で供給する時に前記窒化ガスはプラズマにより活性化されることを特徴とする成膜方法。 - 前記窒化ガスが、前記シラン系ガス及び前記不純物含有ガスと同時供給される時には前記窒化ガスはプラズマにより活性化されることを特徴とする請求項5記載の成膜方法。
- 前記3種類のガスの同時供給時と前記窒化ガスの単独供給時との間の間欠期間には、前記処理容器内は少なくとも不活性ガスパージされていること、或いは全てのガスの供給が停止されて真空引きされていることを特徴とする請求項5または6記載の成膜方法。
- 前記窒化ガスは、前記処理容器内で高周波電力によって発生したプラズマによって活性化されることを特徴とする請求項5乃至7のいずれか一項に記載の成膜方法。
- 前記窒化ガスを単独で供給する時には供給開始から所定の時間が経過した後に、前記高周波電力が印加されることを特徴とする請求項5乃至8のいずれか一項に記載の成膜方法。
- 前記薄膜の成膜時の温度は、300℃〜700℃の範囲内であることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか一項に記載の成膜方法。
- 前記薄膜の成膜時の圧力は、13Pa(0.1Torr)〜1330Pa(10Torr)の範囲内であることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか一項に記載の成膜方法。
- 前記不純物含有ガスの供給量を制御することにより、前記被処理体上に形成される前記不純物含有シリコン窒化膜に所望のストレスを付与するようにしたことを特徴とする請求項1乃至11のいずれか一項に記載の成膜方法。
- 前記不純物含有ガスの供給量は、前記ストレスが圧縮的なストレス(コンプレッシブストレス)になるように制御されることを特徴とする請求項12記載の成膜方法。
- 前記不純物含有ガスの供給量は、前記ストレスが引っ張り的なストレス(テンサイルストレス)になるように制御されることを特徴とする請求項12記載の成膜方法。
- 前記処理容器が、直径300mmの被処理体を複数枚処理することができる大きさの場合には、前記不純物含有ガスの供給量は1〜15sccmの範囲内であることを特徴とする請求項12乃至14のいずれか一項に記載の成膜方法。
- 前記シラン系ガスは、ジクロロシラン(DCS)、ヘキサクロロジシラン(HCD)、モノシラン[SiH4 ]、ジシラン[Si2 H6 ]、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)、テトラクロロシラン(TCS)、ジシリルアミン(DSA)、トリシリルアミン(TSA)、ビスターシャルブチルアミノシラン(BTBAS)よりなる群より選択される1以上のガスであり、前記窒化ガスは、アンモニア[NH3 ]、窒素[N2 ]、一酸化二窒素[N2 O]、一酸化窒素[NO]よりなる群より選択される1以上のガスであることを特徴とする請求項1乃至15のいずれか一項に記載の成膜方法。
- 被処理体に対して所定の薄膜を形成するための成膜装置において、
真空引き可能になされた縦型の筒体状の処理容器と、
前記被処理体を複数段に保持して前記処理容器内に挿脱される保持手段と、
前記処理容器の外周に設けられる加熱手段と、
前記処理容器内へ成膜用のシラン系ガスを供給するシラン系ガス供給手段と、
前記処理容器内へ窒化ガスを供給する窒化ガス供給手段と、
前記処理容器内へBCl 3 、B 2 H 6 、BF 3 、B(CH 3 ) 3 よりなる群より選択される1以上のボロン含有ガスよりなる不純物含有ガスを供給する不純物含有ガス供給手段と、
前記窒化ガスを活性化する活性化手段と、
請求項1乃至16のいずれか一項に記載の成膜方法を実施するように装置全体を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする成膜装置。 - 前記活性化手段は、前記処理容器に一体的に組み込まれていることを特徴とする請求項17記載の成膜装置。
- 前記活性化手段は、前記処理容器とは別体で形成されていることを特徴とする請求項17記載の成膜装置。
- 真空引き可能になされた縦型の筒体状の処理容器と、
被処理体を複数段に保持して前記処理容器内に挿脱される保持手段と、
前記処理容器の外周に設けられる加熱手段と、
前記処理容器内へ成膜用のシラン系ガスを供給するシラン系ガス供給手段と、
前記処理容器内へ窒化ガスを供給する窒化ガス供給手段と、
前記処理容器内へBCl 3 、B 2 H 6 、BF 3 、B(CH 3 ) 3 よりなる群より選択される1以上のボロン含有ガスよりなる不純物含有ガスを供給する不純物含有ガス供給手段と、
前記窒化ガスを活性化する活性化手段と、
装置全体を制御する制御手段とを有する成膜装置を用いて薄膜を形成するに際して、
請求項1乃至16のいずれか一項に記載の成膜方法を実施するように前記成膜装置を制御するプログラムを記憶する記憶媒体。
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