JP4396547B2 - 成膜方法、成膜装置及び記憶媒体 - Google Patents
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Description
しかしながら、上述したような従来の成膜方法では、上記のように膜質はかなり良好ではあるが、成膜温度がCVD成膜方法の場合と比較してかなり低いことから、プラズマにより反応を促進させるようにしているにもかかわらず、成膜レートがかなり低く、スループットが低い、という問題があった。
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、原料ガスを間欠的に供給して薄膜を堆積させる際に、その膜質を高く維持することができると共に、成膜レートを大幅に向上させることができる成膜方法、成膜装置及び記憶媒体を提供することにある。
このように、シラン系ガスよりなる原料ガスと窒化ガスよりなる支援ガスとを用いて被処理体の表面に薄膜を形成する際に、原料ガスと支援ガスとを同時に供給する同時供給工程と支援ガスを単独で供給する単独供給工程とを、間に間欠期間を挟んで交互に繰り返し行うと共に、単独供給工程の時に供給される支援ガスを活性化するようにしたので、その膜質を高く維持することができると共に、成膜レートを大幅に向上させることができる。
また例えば請求項3に規定するように、前記原料ガスの供給時と前記支援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。
また例えば請求項4に規定するように、前記薄膜の成膜時の温度は、180℃〜600℃未満の範囲内である。
また例えば請求項6に規定するように、前記原料ガスと前記支援ガスとを同時供給する時の前記原料ガスと前記支援ガスとの流量比は、1/10〜10倍の範囲内である。
また例えば請求項7に規定するように、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。
この場合、例えば請求項9に規定するように、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。
請求項11に係る発明によれば、真空引き可能になされた処理容器内にシラン系ガスよりなる原料ガスと窒化ガスと補助ガスとを用いて被処理体の表面に薄膜を形成する成膜方法において、前記原料ガスと前記補助ガスとを同時に供給する同時供給工程と前記窒化ガスを単独で供給する単独供給工程とを、間に間欠期間を挟んで交互に繰り返し行うと共に、前記同時供給工程の時に供給される前記補助ガスを活性化し、更に前記単独供給工程の時に供給される前記窒化ガスを活性化することを特徴とする成膜方法である。
このように、シラン系ガスよりなる原料ガスと窒化ガスと補助ガスとを用いて被処理体の表面に薄膜を形成する際に、原料ガスと補助ガスとを同時に供給する同時供給工程と窒化ガスを単独で供給する単独供給工程とを、間に間欠期間を挟んで交互に繰り返し行うと共に、同時供給工程の時に供給される補助ガスを活性化し、更に前記単独供給工程の時に供給される窒化ガスを活性化させるようにしたので、その膜質を高く維持することができると共に、成膜レートを更に大幅に向上させることができる。
また例えば請求項13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14に規定するように、前記窒化ガスの供給開始から前記窒化ガスの流量が安定化するまで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15に規定するように、前記原料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。
また例えば請求項16に規定するように、前記薄膜の成膜時の温度は、180℃〜600℃未満の範囲内である。
また例えば請求項18に規定するように、前記原料ガスと前記窒化ガスとを同時供給する時の前記原料ガスと前記窒化ガスとの流量比は、1/10〜10倍の範囲内である。
また例えば請求項19に規定するように、前記原料ガスはシラン系ガスである。
また例えば請求項20に規定するように、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。
また例えば請求項23に規定するように、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。
また例えば請求項24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26に係る発明は、真空引き可能になされた処理容器内に原料ガスと窒化ガスと補助ガスとを供給して被処理体の表面に薄膜を形成するようにした成膜装置を用いて薄膜を形成するに際して、請求項11乃至20のいずれか一項に記載の成膜方法を実行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ことを特徴とする記憶媒体である。
請求項1乃至10及び25に係る発明によれば、シラン系ガスよりなる原料ガスと窒化ガスよりなる支援ガスとを用いて被処理体の表面に薄膜を形成する際に、原料ガスと支援ガスとを同時に供給する同時供給工程と支援ガスを単独で供給する単独供給工程とを、間に間欠期間を挟んで交互に繰り返し行うと共に、単独供給工程の時に供給される支援ガスを活性化するようにしたので、その膜質を高く維持することができると共に、成膜レートを大幅に向上させることができる。
請求項11乃至24及び26に係る発明によれば、シラン系ガスよりなる原料ガスと窒化ガスと補助ガスとを用いて被処理体の表面に薄膜を形成する際に、原料ガスと補助ガスとを同時に供給する同時供給工程と窒化ガスを単独で供給する単独供給工程とを、間に間欠期間を挟んで交互に繰り返し行うと共に、同時供給工程の時に供給される補助ガスを活性化し、更に前記単独供給工程の時に供給される窒化ガスを活性化させるようにしたので、その膜質を高く維持することができると共に、成膜レートを更に大幅に向上させることができる。
<第1実施例>
図1は本発明の係る成膜装置の第1実施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を示すタイミングチャートである。尚、ここでは原料ガスとしてシラン系のガスであるジクロロシラン(DCS)を用い、支援ガスとして窒化ガスの1つであるアンモニアガス(NH3 )を用い、このNH3 ガスをプラズマにより活性化してシリコン窒化膜(SiN)を成膜する場合を例にとって説明する。
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支援ガス分散ノズル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支援ガス分散ノズル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2本の原料ガス分散ノズル36が起立させて設けられており、これに設けた各ガス噴射孔36Aより処理容器4の中心方向に向けてシラン系ガスを噴射し得るようになっている。
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、上述のように吸着工程でDCSガスとNH3 ガスとを同時に流すことにより、通常のALD成膜方法における吸着工程でDCSガスを単独で流す場合と比較して、ウエハ表面に吸着するDCSガス分子が、同時に供給されるNH3 ガスにより一部が不完全に窒化されるので、吸着量が飽和せずにDCSガス分子の吸着が進み、その結果、DCSガスの吸着量が従来方法の場合よりも多量になる。そして、その後のステップでプラズマにより活性化されたNH3 ガスにより不完全な反応部分が完全に反応されて成膜レートが高い状態で窒化膜が形成される。
またDCSガスとNH3 ガスとを同時に流す吸着工程における両ガスの流量比[DCS/NH3 ]は1/10〜10程度の範囲内に設定する。ここでNH3 ガスの流量比が少な過ぎると、このNH3 ガスを同時に供給した効果がなくなり、また、NH3 ガスの流量比が多過ぎると、成膜自体が生じなくなってしまう。
図4はシリコン窒化膜の膜厚データを示すグラフ、図5はシリコン窒化膜の1サイクル当たりの成膜レートを示すグラフ、図6はシリコン窒化膜の膜厚の面内均一性を示すグラフ、図7はシリコン窒化膜の赤外線回析による結果を示すグラフである。尚、各図中の”トップ”、”センタ”及び”ボトム”はウエハボート中の半導体ウエハの位置を示す。本発明方法の第1実施例においては、NH3 ガスの供給量を1000sccm(1slm)の場合と、500sccm(0.5slm)の場合の2種類の成膜処理を行っている。また、ここでの成膜サイクルは全て160回行っている。
図4に示すように、膜厚に関しては従来方法の場合には、ウエハ位置に関係なく、150Å程度であるのに対して、本発明方法の第1実施例の場合には、共に200Å程度であり、従来方法と比較して、かなり厚いシリコン窒化膜を堆積できることが確認された。
また図6に示すように、膜厚の面内均一性に関しては、従来方法の場合には±3.5〜4.5%程度であるのに対して、本発明の場合には±3.0〜4.0%程度であり、従来方法よりも少し改善されて良好な結果を示していることが確認できた。
また図7に示すように、膜質の赤外線回析に関しては、従来方法の場合には、波数2200程度の位置で輝度に”Si−H結合”の存在を示すピークP1が出現しており、膜質がやや劣化していることを示しているのに対して、本発明方法の第1実施例の場合には、略全体的に平坦であって良好な膜質であることを示していることが確認できた。
ここで窒化ガスとしてNH3 ガスの他にN2 ガスを用いることができるが、図3に示す方法において実際に、NH3 ガスに替えてN2 ガスを用いて窒化膜を成膜したところ、その成膜レートは0.1nm/サイクルであったが、図8に示す方法において実際に、NH3 ガスに替えてN2 ガスを用いて窒化膜を成膜したところ、その成膜レートは0.5nm/サイクルであり、成膜レートを大幅に向上できることが確認できた。
また支援ガスである窒化ガスとしてNH3 ガス、或いはN2 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。
更に、成膜に用いる支援ガスとしては、窒化ガスに替えて、酸化性ガスを用いるようにしてもよい。
次に本発明の成膜装置及び成膜方法の第2実施例について説明する。
図9は本発明に係る成膜装置の第2実施例を示す縦断面構成図、図10は本発明方法の第2実施例における各種のガスの供給のタイミングを示すタイミングチャートである。尚、図1に示す第1実施例の構成部分と同一構成部分については同一符号を付してその説明を省略する。
尚、上記ガス分散ノズル82を共用しないで、これと並ぶようにして補助ガス用のガス分散ノズルを設けるようにしてもよい。そして、ここでは補助ガスとして、窒素ガス、酸化窒素ガス及び希ガスの内のいずれかを用いることができ、実際には窒素ガス(N2 )または希ガスの内のアルゴンガス(Ar)が用いられる。
このように、補助ガスを加えて活性化させることにより、この時に同時に供給される原料ガスが上記補助ガスの活性種によって分解が促進されることになり、この結果、シリコン窒化膜の成膜レートを向上させることができる。
この場合、特に、補助ガスとしてN2 ガスを用いた場合には、上記原料ガスの分解を促進できるのみならず、窒素の活性種とシリコンの活性種とが直接化合してSiNが直ちに形成されるので、シリコン窒化膜の成膜レートを更に向上させることができる。
また窒化ガスであるNH3 ガスの供給時にRF電源をオンにしてプラズマを立てるが、この場合、先の第1実施例のようにNH3 ガスの供給期間の全期間に亘ってプラズマを立てるようにしてもよいし、図10に示すようにNH3 ガスの供給開始から所定の時間Δtが経過した後に、プラズマを立てるようにしてもよい。この所定の時間ΔtとはNH3 ガスの流量が安定するまでの時間であり、例えば5秒程度である。
図11は本発明方法の第2実施例に基づいて形成された薄膜の成膜レートと成膜レート改善率を示すグラフである。図11(A)は1サイクル当たりの成膜レートを示し、図11(B)はその時の従来方法に対する成膜レートの改善率を示している。
ここでは従来方法としては、図12において説明した従来方法を用いており、第2実施例では補助ガスとしてN2 ガスを用いた場合とArガスを用いた場合を示している。
また成膜レートの改善率については、図11(B)に示すように、Arガスを用いた第2実施例の場合には150〜300%程度まで増加しており、N2 ガスを用いた第2実施例の場合には300〜500%程度まで増加しており、共に成膜レートを更に大幅に向上できることが確認できた。
また補助ガスとして用いる希ガスとしてはArガスに限定されず、He、Ne、Kr、Xe等を用いることができる。
また補助ガスとして用いる酸化窒素としては、一酸化二窒素[N2 O]、一酸化窒素[NO]、二酸化窒素[NO2 ]等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、ガラス基板やLCD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 支援ガス供給手段
30 原料ガス供給手段
32 パージガス供給手段
34 支援ガス分散ノズル
36 原料ガス分散ノズル
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
80 窒化ガス供給手段
84 補助ガス供給手段
W 半導体ウエハ(被処理体)
Claims (26)
- 真空引き可能になされた処理容器内にシラン系ガスよりなる原料ガスと窒化ガスよりなる支援ガスとを用いて被処理体の表面に薄膜を形成する成膜方法において、
前記原料ガスと前記支援ガスとを同時に供給する同時供給工程と前記支援ガスを単独で供給する単独供給工程とを、間に間欠期間を挟んで交互に繰り返し行うと共に、前記単独供給工程の時に供給される前記支援ガスを活性化するようにしたことを特徴とする成膜方法。 - 真空引き可能になされた処理容器内にシラン系ガスよりなる原料ガスと窒化ガスよりなる支援ガスとを用いて被処理体の表面に薄膜を形成する成膜方法において、
前記原料ガスと前記支援ガスとを同時に供給する同時供給工程と前記支援ガスを単独で供給する単独供給工程とを、間に間欠期間を挟んで交互に繰り返し行うと共に、前記同時供給工程と前記単独供給工程の時に供給される前記支援ガスを活性化することを特徴とする成膜方法。 - 前記原料ガスの供給時と前記支援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または2記載の成膜方法。
- 前記薄膜の成膜時の温度は、180℃〜600℃未満の範囲内である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。
- 前記薄膜の成膜時の圧力は、27Pa(0.2Torr)〜1330Pa(10Torr)の範囲内であ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方法。
- 前記原料ガスと前記支援ガスとを同時供給する時の前記原料ガスと前記支援ガスとの流量比は、1/10〜10倍の範囲内であることを特徴とする請求項1乃至5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6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原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、
前記処理容器内へ支援ガスを供給する支援ガス供給手段と、
前記支援ガスを活性化する活性化手段と、
請求項1乃至7のいずれか一項に記載の成膜方法を実行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8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8記載の成膜装置。
- 真空引き可能になされた処理容器内にシラン系ガスよりなる原料ガスと窒化ガスと補助ガスとを用いて被処理体の表面に薄膜を形成する成膜方法において、
前記原料ガスと前記補助ガスとを同時に供給する同時供給工程と前記窒化ガスを単独で供給する単独供給工程とを、間に間欠期間を挟んで交互に繰り返し行うと共に、前記同時供給工程の時に供給される前記補助ガスを活性化し、更に前記単独供給工程の時に供給される前記窒化ガスを活性化することを特徴とする成膜方法。 - 前記補助ガスは、窒素ガス、酸化窒素ガスまたは希ガスであることを特徴とする請求項11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11または12記載の成膜方法。
- 前記窒化ガスの供給開始から前記窒化ガスの流量が安定化するまで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13記載の成膜方法。
- 前記原料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11乃至14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、180℃〜600℃未満の範囲内であることを特徴とする請求項11乃至15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、27Pa(0.2Torr)〜1330Pa(10Torr)の範囲内であることを特徴とする請求項11乃至16のいずれか一項に記載の成膜方法。
- 前記原料ガスと前記窒化ガスとを同時供給する時の前記原料ガスと前記窒化ガスとの流量比は、1/10〜10倍の範囲内であることを特徴とする請求項11乃至17のいずれか一項に記載の成膜方法。
- 前記原料ガスはシラン系ガスであることを特徴とする請求項11乃至18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19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原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、
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、
前記処理容器内へ補助ガスを供給する補助ガス供給手段と、
前記窒化ガスと前記補助ガスとを活性化する活性化手段と、
請求項11乃至20のいずれか一項に記載の成膜方法を実行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。 - 前記補助ガスは、窒素ガス、酸化窒素ガスまたは希ガスであることを特徴とする請求項21記載の成膜装置。
- 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21または22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21または22記載の成膜装置。
- 真空引き可能になされた処理容器内に原料ガスと支援ガスとを供給して被処理体の表面に薄膜を形成するようにした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7のいずれか一項に記載の成膜方法を実行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。 - 真空引き可能になされた処理容器内に原料ガスと窒化ガスと補助ガスとを供給して被処理体の表面に薄膜を形成するようにした成膜装置を用いて薄膜を形成するに際して、
請求項11乃至20のいずれか一項に記載の成膜方法を実行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ことを特徴とする記憶媒体。
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