JP4259247B2 - 成膜方法 - Google Patents
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Description
このようなシリコン窒化膜を用いた成膜方法の一例は例えば特許文献1等に開示されており、ここでシリコン窒化膜の従来の成膜方法の一例を説明する。図7はシリコン窒化膜を主体とするゲート絶縁膜の成膜プロセスの一例を示すフローである。まず、シリコンウエハ等の基板の表面を酸素等の雰囲気下でドライ酸化してベース膜を形成する。この時のプロセス温度は例えば700℃、膜厚は0.8nm程度である。またこのプロセス時間は例えば4〜6分程度である。
また上記のように表面窒化処理を行った場合には、シリコンウエハと絶縁層との界面も窒化される場合があり、この場合にはフラットバンド電圧がシフトしたり、或いはキャリアの移動度(モビリティ)が低下する等の問題もあった。
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、不純物の突き抜けを防止することが可能な絶縁層を形成することができる成膜方法を提供することにある。
このように、ジクロロシランよりなる原料ガスとアンモニアガスとを交互に複数回繰り返して流すことにより薄いシリコン窒化膜を積層形成し、これによりこの積層シリコン窒化膜の膜質が改善されて、不純物の突き抜けを大幅に抑制することができると共に、フラットバンド電圧のシフトの発生や移動度の劣化も防止することが可能となる。
また例えば請求項3に規定するように、前記積層工程においては、前記アンモニアガスは活性化されて前記処理容器内へ供給される。
また例えば請求項5に規定するように、前記積層工程と前記CVD成膜工程とを同じ前記処理容器内で連続的に行なう。
また例えば請求項6に規定するように、前記CVD成膜工程においては、シリコン系ガスと活性化されたアンモニアガスとが用いられる。
また例えば請求項7に規定するように、前記積層工程で形成した積層シリコン窒化膜に対して膜質改善のためのアニール処理を施すようにした。
また例えば請求項8に規定するように、前記CVD成膜工程で形成されたCVDシリコン窒化膜に対して膜質改善のためのアニール処理を施すようにした。
また例えば請求項9に規定するように、不純物のドープされた電極膜を形成する電極膜形成工程が行われる。
ジクロロシランよりなる原料ガスとアンモニアガスとを交互に複数回繰り返して流すことにより薄いシリコン窒化膜を積層形成し、これによりこの積層シリコン窒化膜の膜質が改善されて、不純物の突き抜けを大幅に抑制することができると共に、フラットバンド電圧のシフトの発生や移動度の劣化も防止することができる。
図1は本発明の熱処理装置の一例を示す構成図である。まずこの熱処理装置について説明する。図示するように、この熱処理装置2は下端が開放された円筒体状になされた処理容器4を有している。この処理容器4は、例えば耐熱性の高い石英を用いることができる。
この処理容器4の天井部には、開口された排気口6が設けられると共に、この排気口6に例えば直角に横方向へ屈曲された排気ノズル8が連設されている。そして、この排気ノズル8には、途中に圧力制御弁10や真空ポンプ12等が介設された排気系14が接続されており、上記処理容器4内の雰囲気を排気出来るようになっている。尚、処理態様によって、処理容器4内は真空雰囲気や略常圧の雰囲気にすることができる。
上記処理容器4の下端は、例えばステンレススチール製の筒体状のマニホールド16によって支持されており、このマニホールド16の下方より多数枚の被処理体としての半導体ウエハWを多段に載置した被処理体保持手段としての石英製のウエハボート18が昇降可能に挿脱自在になされている。上記処理容器4の下端と上記マニホールド16の上端との間には、Oリング等のシール部材20が介在されて、この部分の気密性を維持している。本実施例の場合において、このウエハボート18には、例えば50枚程度の直径が300mmのウエハWを略等ピ1チで多段に支持できるようになっている。
上記した回転軸28は、例えばボートエレベータ等の昇降機構34に支持されたアーム36の先端に取り付けられており、ウエハボート18及び蓋部26等を一体的に昇降できるようになされている。尚、上記テーブル24を上記蓋部26側へ固定して設け、ウエハボート18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。
まず、例えばシリコンウエハよりなる半導体ウエハWがアンロード状態で熱処理装置が待機状態の時には、処理容器4はプロセス温度より低い温度に維持されており、常温の多数枚、例えば50枚のウエハWが載置された状態のウエハボート18を処理容器4内にその下方より上昇させてロードし、蓋部26でマニホールド16の下端開口部を閉じることにより処理容器4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38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熱処理用のプロセス温度まで昇温して安定させ、その後、各処理工程を行なう毎に必要とされる所定の処理ガスを流量制御しつつガス導入手段42のガスノズル44A〜44Fから処理容器4内へ供給する。
この処理ガスは処理容器4内を上昇しつつ、回転しているウエハボート18に収容されているウエハWと接触してウエハ表面に対して熱処理が施されることになる。そして、この処理ガス、或いは反応により生成したガスは処理容器4の天井部の排気口6から系外へ排気されることになる。
まず、例えばシリコンウエハよりなる半導体ウエハWの表面にSiO2 膜或いはSiON膜よりなるベース膜50を形成する(図2(A)参照)。次に、このベース膜50上に本発明の特徴的な積層工程により、すなわち気相反応ではなく吸着反応により薄いシリコン窒化膜を複数積層してなる積層シリコン窒化膜52を形成する(図2(B)参照)。具体的には、この積層工程では、後述するように、例えば400〜550℃程度の比較的低温のプロセス温度下において原料ガスとアンモニアガスとを交互に複数回繰り返し流すことにより行う。
また上記図2(A)に示すベース膜形成工程、図2(B)に示す積層シリコン窒化膜を形成する積層工程、図2(C)に示すCVDシリコン窒化膜形成工程及び図2(D)に示す電極形成工程は、図1に示すような1つの熱処理装置内で連続的に行われることになる。ただし、この上記電極形成工程は、別の熱処理装置で行なうようにしてもよい。
ここで上記ベース膜形成工程(図2(A))からCVDシリコン窒化膜形成工程(図2(D))までのフローを図3を参照して説明する。図3は絶縁層の形成工程のプロセス温度の変化を示す図である。
図3(A)に示すように、まずベース膜形成工程では、プロセス温度は例えば700℃程度に設定されており、処理ガスとして例えばO2 ガスを流し、必要に応じてN2 ガスも流してドライ酸化、又はH2 ガスとO2 ガスより水蒸気を発生させてウエット酸化を行なう。シリコンウエハWの表面にSiO2 膜、或いはNH3 、NO、N2 O等を更に添加してSiON膜よりなるベース膜50(図2(A)参照)を形成する。このベース膜50の厚さは0.8nm程度である。図1においては、H2 、NO、N2 Oのガスノズルの記載は省略している。
次に、電極膜を形成するために、ウエハ温度を500〜700℃の範囲内に維持したまま、SiH4 ガスとB2 H6 ガスとを同時に処理容器4内に流してボロンがドープされたポリシリコン膜を電極膜として形成する(図2参照)。この場合、CVD成膜工程とこの電極膜形成工程とのウエハ温度を同一に設定すれば、ウエハ温度の昇降温に要する時間を省略することができる。
図示するように、ここでは原料ガスとしてDCSガスを用い、窒化ガスとしてNH3 ガスを用い、またパージガスとしてN2 ガスを用いている。そして、ここでは1つのサイクルが例えば6つのステップS1〜S6により形成されている。尚、処理中においては、処理容器4内は連続的に真空引きされている。
次にS2において全てのガスの供給を停止して真空引きを継続することにより、処理容器4内に残留するDCSガスを排気してベース圧まで低下させる。このS2の期間は例えば4分程度である。
次にS4において、NH3 ガスを流して、このNH3 ガスをウエハ表面に付着しているDCSガス分子と反応させることによって、薄い、例えば1分子相当の厚さのシリコン窒化膜(SiN)を形成する。この時、必要に応じてN2 ガスを流してもよい。この時のNH3 ガスの流量は1000sccm程度である。またこのS4の期間は4.5分程度である。尚、この工程では処理容器4内へはNH3 ガスよりもDCSガスを先に供給する。その方がよりインキュベーションタイムを短くできるからである。
次にS6においてN2 ガスを流して処理容器4内に残留するNH3 ガスを完全に排気するパージ工程を行う。この時のN2 ガスの流量は例えば10000sccm程度である。またこのS6の期間は1分程度である。これにより、1サイクルの薄膜形成処理が完了することになる。これ以降は上記したS1〜S6よりなる1サイクルを複数回繰り返し行って1分子レベルの厚さのシリコン窒化膜を複数層に亘って積層形成することになる。
またDCSガスやNH3 ガスの一回の供給期間の長さは形成すべき膜厚にもよるが、1〜20分程度が望ましく、20分より長く行っても膜厚が飽和してそれ以上厚くならないので、スループット向上の観点より望ましくない。
また図示例では、原料ガス(DCS)の供給ステップとNH3 ガスの供給ステップとの間で、全ガスの供給を停止して真空引きを行なう真空引き工程と、N2 ガス供給しつつ真空引きするパージ工程との両工程を行なうようにしているが、これに限定されず、これらの真空引き工程とパージ工程の内の少なくともいずれか一方の工程を行なうようにしてもよい。
また従来方法よりも低い400〜550℃の比較的低い温度で積層シリコン窒化膜を形成するので。シリコンウエハ表面との界面に窒素があまり拡散して行かずに窒化され難くなり、このため、キャリアの移動度も高く維持するこみとができ、またフラットバンド電圧のシフトも抑制することができる。
曲線Aで示す従来方法では、900℃でNH3 存在下で表面窒化処理をした後、600℃でCVDによりシリコン窒化膜を堆積してゲート絶縁層を形成した(図7参照)。これに対して、曲線B1で示す本発明方法では、550℃で積層工程を行った後に600℃でCVDによりシリコン窒化膜を堆積してゲート絶縁層を形成した。曲線B2で示す本発明方法では、550℃で積層工程を行った後に760℃でCVDによりシリコン窒化膜を堆積してゲート絶縁層を形成した。
図6は積層工程におけるサイクル数とCVDシリコン窒化膜を形成する時のインキュベーションタイムとの関係を示すグラフである。図中、特性X1、X2は積層工程におけるプロセス温度が450℃、特性Y1、Y2は積層工程におけるプロセス温度が500℃、特性Z1、Z2は積層工程におけるプロセス温度が550℃である。また特性X1、Y1、Z1は積層工程におけるNH3 ガス供給時のプロセス圧力が7.6Torr、特性X2、Y2、Z2は積層工程におけるNH3 ガス供給時のプロセス圧力が38Torrである。
更に、上記各実施例においては、原料ガスとしてDCSを用いた場合を例にとって説明したが、これに替えて、ヘキサクロロジシラン(HCD)やテトラクロロシラン(TCS)等のシリコン系ガスを用いることもできる。
このようにNH3 ガスを活性化する方法としては、例えば特開平5−251391号公報や特開2002−280378号公報で開示されているように、プラズマを用いてNH3 ガスを活性化し、この活性化状態のNH3 ガスをウエハWが位置する処理容器内に導入するようにすればよい。
また、ここではゲート絶縁層を形成する場合を例にとって説明したが、他の絶縁層、例えばキャパシタ絶縁層を形成する場合にも本発明を適用し得る。
52 積層シリコン窒化膜
54 CVD絶縁層
56 ゲート絶縁層
58 電極膜
W 半導体ウエハ(被処理体)
Claims (9)
- 表面にSiO2 膜、或いはSiON膜よりなるベース膜が形成されている複数枚の被処理体に成膜を施す方法において、
前記複数枚の被処理体を、所定の間隔を隔てて多段に収容した処理容器内にジクロロシランよりなる原料ガスとアンモニアガスとを交互に複数回繰り返し供給して前記原料ガスの供給時のプロセス圧力を13.3〜1333Pa(0.1〜10Torr)の範囲内に設定すると共に、前記アンモニアガスの供給時のプロセス圧力を1013〜13330Pa(7.6〜100Torr)の範囲内に設定し、400〜550℃の範囲内のプロセス温度にて前記ベース膜上に薄いシリコン窒化膜を積層するように成膜する積層工程を有することを特徴とする成膜方法。 - 前記原料ガスの供給期間と前記アンモニアガスの供給期間との間には、不活性ガスによるパージ工程と全てのガスの供給を停止しつつ真空引きを行なう真空引き工程の内の少なくともいずれか一方の工程が行われることを特徴とする請求項1記載の成膜方法。
- 前記積層工程においては、前記アンモニアガスは活性化されて前記処理容器内へ供給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。
- 前記積層工程の後に、CVD処理が可能な600〜760℃の範囲内のプロセス温度下にてCVDによりシリコン窒化膜を形成するCVD成膜工程を行うようにしたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の成膜方法。
- 前記積層工程と前記CVD成膜工程とを同じ前記処理容器内で連続的に行なうことを特徴とする請求項4記載の成膜方法。
- 前記CVD成膜工程においては、シリコン系ガスと活性化されたアンモニアガスとが用いられることを特徴とする請求項4または5記載の成膜方法。
- 前記積層工程で形成した積層シリコン窒化膜に対して膜質改善のためのアニール処理を施すようにしたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の成膜方法。
- 前記CVD成膜工程で形成されたCVDシリコン窒化膜に対して膜質改善のためのアニール処理を施すようにしたことを特徴とする請求項4乃至6のいずれか一項に記載の成膜方法。
- 更に不純物のドープされた電極膜を形成する電極膜形成工程が行われることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一項に記載の成膜方法。
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