JP4228150B2 - 成膜装置、成膜方法及び記憶媒体 - Google Patents
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Description
しかしながら、上述したような方法で形成されたシリコン窒化膜には、次のような問題があった。すなわち、最近の半導体集積回路、例えばCMOS等よりなるロジックデバイス等にあっては、動作速度の更なる高速化が求められていることから、移動度(モビリティ)をより大きくする必要がある。そのためには、上記ロジックデバイス等のCMOSトランジスタ等に適用されるシリコン窒化膜にあっては、トランジスタのチャネルの結晶格子を十分に広げる必要があることから、シリコン窒化膜の引っ張り応力をある程度以上の大きな値にしなければならない。
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、シリコン窒化膜を比較的低温で成膜することができ、しかも、膜中の引っ張り応力を十分に高くすることができる成膜装置、成膜方法及び成膜装置を制御するプログラムを記憶する記憶媒体を提供することにある。
これにより、シリコン窒化膜を比較的低温で成膜することができ、しかも、膜中の引っ張り応力を十分に高くすることができる。
また例えば請求項3に規定するように、前記活性化手段は、高周波電源と、該高周波電源に接続されたプラズマ電極とを有し、該プラズマ電極は前記ノズル収容部に設定される。
また例えば請求項4に規定するように、前記ノズル収容部の開口の近傍には、前記シラン系ガス供給手段のシラン系ガス供給ノズル部が設けられる。
また例えば請求項5に規定するように、前記シラン系ガス供給手段には、希釈ガスを供給するための希釈ガス供給系が接続される。
また例えば請求項7に規定するように、前記ハロゲン元素を含まないシラン系ガスは、モノシラン[SiH4 ]、ジシラン[Si2 H6 ]、トリシラン[Si3 H8 ]、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)、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、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。
また例えば請求項10に規定するように、前記ハロゲン元素を含まないシラン系ガスは、モノシラン[SiH 4 ]、ジシラン[Si 2 H 6 ]、トリシラン[Si 3 H 8 ]、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)、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以上のガスである。
また例えば請求項11に規定するように、前記窒化ガスは、アンモニア[NH 3 ]、窒素[N 2 ]、一酸化二窒素[N 2 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。
請求項12に係る発明は、請求項1乃至8のいずれか一項に記載の成膜装置を用いて、複数枚の被処理体を加熱しつつ所定の薄膜を形成するに際して、請求項9乃至11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、コンピュータに読み取り可能なプログラムを記憶する記憶媒体である。
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である。尚、ここではハロゲン元素を含まないシラン系ガスとしてモノシラン(SiH4 )と窒化ガスとしてアンモニアガスとを用いてシリコン窒化膜(SiN)を成膜する場合を例にとって説明する。
図示するように、この成膜装置2は、下端が開口された有天井の円筒体状の処理容器4を有している。この処理容器4の全体は、例えば石英により形成されており、この処理容器4は円筒体状の石英製の内筒6と、その外側に所定の間隔を隔てて同心円状に配置される石英製の外筒8とにより構成される。この内筒6内の天井には、石英製の天井板10が設けられて封止されている。上記外筒8は、内筒6よりも僅かに短くなされており、この外筒8の下端部は、内側へ屈曲されて内筒6の下端より少し上方に位置することろにて内筒外周に溶接されている。そして、この内筒6と外筒8との間は、後述するように排気路として形成される。
このウエハボート12は、石英製の保温筒14を介してテーブル16上に載置されており、このテーブル16は、上記内筒6の下端部である処理容器4の下端開口部を開閉する例えばステンレススチール製の蓋部18を貫通する回転軸20上に支持される。
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の周辺部と処理容器4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、容器内のシール性を保持している。
この処理容器4の下端部には、処理容器4内へ塩素などのハロゲン元素を含まないシラン系ガスを供給するシラン系ガス供給手段30と、窒化ガスを供給する窒化ガス供給手段32とが設けられる。そして、上記シラン系ガス供給手段30には、希釈ガスとして例えばH2 ガスを供給する希釈ガス供給系36が接続される。具体的には、上記シラン系ガス供給手段32は、上記処理容器4の下部の側壁を内側へ貫通して上方向へ屈曲されて延びる石英管よりなるシラン系ガス供給ノズル部34を有している。このシラン系ガスノズル部34は、ここでは2本設けられ、このノズル部34には、その長さ方向に沿って複数(多数)のガス噴射孔34Aが所定の間隔を隔てて形成されており、各ガス噴射孔34Aから水平方向に向けて略均一にモノシランと水素との混合ガスを噴射して層流状態で供給できるようになっている。
具体的には、上記ノズル収容部42は、上記処理容器4の外筒8の側壁を上下方向に沿って所定の幅で削り取ることによって上下に細長い開口46を形成し、この開口46をその外側より覆うようにして断面凹部状になされた上下に細長い例えば石英製の区画壁48を外筒外壁に気密に溶接接合することにより、容器内と一体化するように形成されている。また同様に、内筒6の側壁も上記ノズル収容部42の開口46よりも大きく開口され、その開口端部は外側へ屈曲されて外筒8の内面に気密に溶接されている。これにより、この処理容器4の外筒8の側壁の一部を凹部状に外側へ突出させて窪ませることにより一側が処理容器4内へ開口されて連通されたノズル収容部42が形成されることになる。すなわちこのノズル収容部42の内部空間は、上記処理容器4内に一体的に連通された状態となっている。上記開口46は、ウエハボート12に保持されている全てのウエハWを高さ方向においてカバーできるように上下方向に十分に長く形成されている。
そして、この成膜装置2の全体の動作は、例えばコンピュータ等よりなる制御手段70により制御される。例えばこの制御手段70は、上記各ガスの流量やこの供給及び供給停止を制御したり、処理容器4内の圧力を制御したりする等、この装置全体の動作を制御する。そして、この制御手段70は上記制御を行うプログラムを記憶するためのフラッシュメモリやハードディスクやフロッピディスク等の記憶媒体72を有している。
まず、常温の多数枚、例えば50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で処理容器4の下端開口部を閉じることにより容器内を密閉する。
そして処理容器4内を真空引きして所定のプロセス圧力に維持すると共に、加熱手段66への供給電力を増大させることにより、ウエハ温度を上昇させてプロセス温度を維持し、ハロゲン元素を含まないシラン系ガスの一例であるモノシラン及びNH3 ガスをそれぞれシラン系ガス供給手段30及び窒化ガス供給手段32からそれぞれ同時に連続的に供給する。この際、流量の少ないモノシランガスはキャリアガスであるH2 ガスにより希釈されて供給される。これと同時に、活性化手段50によりプラズマ電極52A、52B間には、高周波電圧が印加されてNH3 ガスをプラズマ化してこれを活性化して容器中心側に供給される。そして、これにより回転しているウエハボート12に支持されているウエハWの表面にシリコン窒化膜を形成する。ここでハロゲン元素を含まないシラン系ガスを用いる理由は、塩素等のハロゲン元素が含まれると、塩化アンモニウムが発生し、これが処理容器4内や排気系内に付着してパーティクルの発生や排気管内の閉塞等の原因となるからである。
尚、上記プロセス温度に関しては、下地層に、温度に特に弱い薄膜、例えば融点が430℃程度のNiSi膜を含む場合には、プロセス温度は400℃以下に設定して、NiSi膜の特性劣化を防止する。
特にシリコン窒化膜の成膜後に、例えば350〜450℃程度の低温加熱を伴う紫外線照射処理を施すことにより、1.5GPの引っ張り応力を得ることができる。
特に、ここでは上記シリコン窒化膜に関して、コンタクトエッチストッパとして要求される6.5nm/min以下のエッチングレートを達成することができた。しかも本発明方法では、上述のようにウエハ上におけるシリコン窒化膜の膜厚の面内及び面間均一性も高く維持できるのみならず、排気系を詰まらせる原因となる反応副生成物をほとんど発生させることはなかった。
<比較例1>
この比較例1では、アンモニアプラズマによるNH3 *(活性種)を用いずに、反応エネルギーの供給を熱のみとし、SiH4 とNH3 を用いた熱CVD法及び熱ALD法でシリコン窒化膜をそれぞれ成膜した。
この結果、”SiH4 +NH3 →N3 Si−NH2 ”のような窒化反応のエネルギーは2eV程度と大きいので、要求される500℃以下の低温では上記両方法では成膜が困難であることが確認できた。
この比較例2では、プロセス温度500℃以下でプラズマにより活性化したNH3 ガスと、活性化していないSiH4 ガスとを間欠的に交互に供給してALD法を行った。
この結果、シリコン窒化膜の成膜はほとんど生じないことが確認できた。この理由は、プラズマにより発生したNH3 *によりウエハ表面を窒化すると、このウエハ表面に”−NH2 ”基が存在することになり、この”−NH2 ”基のN原子に対するSiH4 の吸着反応が500℃以下ではほとんど生じないからである。
この比較例3では、SiH4 ガスとNH3 ガスとを同時に供給し、且つ両ガスを共にプラズマ化して活性化し、生成した反応中間体や活性種を用いてプラズマCVD法により成膜を行った。
この結果、成膜に寄与する上記反応中間体や活性種がプラズマ発生部やその周辺に局在してその部分で多量に成膜が行われるので、膜厚の均一性が著しく低下し、好ましくないことが確認できた。
この比較例4では、プラズマにより活性化したSiH4 ガスと同じくプラズマにより活性化したNH3 ガスとを間欠的に交互に供給してALD法を行った。
この結果、プラズマ発生部や処理容器内やウエハ表面上にSiH4 *によるアモルファスSiが形成されるので、この成膜方法は不適当であることが確認できた。
以上、上記各比較例1〜4のいずれもシリコン窒化膜の形成に適していないことが確認できた。
この結果、シリコン窒化膜の成膜レートが高くなり、且つ活性種の寿命も長くなって、この活性種がウエハの中心部にまで十分に届くので膜厚の面内均一性も向上させることができる。
更には、上記プラズマ電極52A、52Bの付いたノズル収容部42を複数個隣り合うようにして並列させて設けるようにしてもよい。
また、処理容器4は内筒6と外筒8よりなる2重管構造に限定されず、単管構造の処理容器を用いるようにしてもよい。
また、ここでは活性化手段50として高周波電源54を用いたが、これに代えて、例えば2.45GHz等のマイクロ波を用いてプラズマを立て、NH3 ガスを活性化するようにしてもよい。
また、上記実施例では、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、セラミックス基板等にも本発明を適用することができる。
4 処理容器
6 内筒
8 外筒
12 ウエハボート(保持手段)
30 シラン系ガス供給手段
32 窒化ガス供給手段
34 シラン系ガス供給ノズル部
36 希釈ガス供給系
38 窒化ガス供給ノズル部
42 ノズル収容部
50 活性化手段
52A,52B プラズマ電極
54 高周波電源
66 加熱手段
70 制御手段
72 記憶媒体
W 半導体ウエハ(被処理体)
Claims (12)
- 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、
前記処理容器内へハロゲン元素を含まない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、
前記窒化ガスをプラズマにより活性化する活性化手段と、
前記被処理体の温度を250〜450℃の範囲内に維持し、前記シラン系ガスと窒化ガスとを同時に供給しつつ前記活性化手段により前記窒化ガスを活性化させると共に、前記ハロゲン元素を含まないシラン系ガスの分圧を2.1〜3.9Paの範囲内に維持するように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。 - 前記処理容器の側壁には、その外側へ凹部状に突出させて高さ方向に沿って形成した凹部状のノズル収容部が設けられると共に、該ノズル収容部の奥には前記窒化ガス供給手段の窒化ガス供給ノズル部が設けられ、前記ノズル収容部に対向する容器側壁には、前記処理容器内の雰囲気を排気するための排気口が設けられることを特徴とする請求項1記載の成膜装置。
- 前記活性化手段は、高周波電源と、該高周波電源に接続されたプラズマ電極とを有し、該プラズマ電極は前記ノズル収容部に設定されることを特徴とする請求項2記載の成膜装置。
- 前記ノズル収容部の開口の近傍には、前記シラン系ガス供給手段のシラン系ガス供給ノズル部が設けられることを特徴とする請求項2または3記載の成膜装置。
- 前記シラン系ガス供給手段には、希釈ガスを供給するための希釈ガス供給系が接続されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の成膜装置。
- 前記希釈ガスは、H2 ガスとN2 ガスと不活性ガスと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5記載の成膜装置。
- 前記ハロゲン元素を含まないシラン系ガスは、モノシラン[SiH4 ]、ジシラン[Si2 H6 ]、トリシラン[Si3 H8 ]、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)、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以上のガスであることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の成膜装置。
- 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7のいずれか一項に記載の成膜装置。
- 複数枚の被処理体が収容されて真空引き可能になされた縦型の筒体状の処理容器内で前記被処理体を加熱しつつ所定の薄膜を形成する成膜方法において、
前記被処理体の温度を250〜450℃の範囲内に維持し、前記処理容器内にハロゲン元素を含まないシラン系ガスとプラズマにより活性化された窒化ガスとを同時に供給すると共に前記ハロゲン元素を含まないシラン系ガスの分圧を2.1〜3.9Paの範囲内に維持するようにして前記薄膜を形成するようにしたことを特徴とする成膜方法。 - 前記ハロゲン元素を含まないシラン系ガスは、モノシラン[SiH 4 ]、ジシラン[Si 2 H 6 ]、トリシラン[Si 3 H 8 ]、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)、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以上のガスであることを特徴とする請求項9に記載の成膜方法。
- 前記窒化ガスは、アンモニア[NH 3 ]、窒素[N 2 ]、一酸化二窒素[N 2 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9又は10に記載の成膜方法。
- 請求項1乃至8のいずれか一項に記載の成膜装置を用いて、複数枚の被処理体を加熱しつつ所定の薄膜を形成するに際して、
請求項9乃至11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、コンピュータに読み取り可能なプログラムを記憶する記憶媒体。
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