JP4903154B2 - 基板上に応力をもたせた物質を形成する方法 - Google Patents

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Description

相互参照
本出願は、２００４年１１月１６日に出願されたBalseanu氏等による「DEPOSITION AND TREATMENT OF TENSILE AND COMPRESSIVE STRESSED LAYERS」と題する米国仮出願第６０／６２８，６００号に基づく優先権を主張しており、その記載はそのままここに援用される。
背景
回路及びディスプレイを製造するための基板の処理において、基板は、典型的に、基板上へ物質を堆積させたり基板上の物質をエッチングしたりすることのできるエネルギーを付与された処理ガスに曝される。化学気相堆積（ＣＶＤ）プロセスにおいては、高周波電圧又はマイクロ波エネルギーで付勢された処理ガスが、ある層、コンタクトホールの充填物又はその他の選択堆積構造体となるような物質を基板上に堆積させるのに使用される。その堆積層は、例えば、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）及びその他のデバイスの如き能動的及び受動的デバイスを基板上に形成するため、エッチング又はその他の処理を受ける。ＭＯＳＦＥＴは、典型的には、ソース領域、ドレイン領域及びそのソース領域とドレイン領域との間のチャネル領域を有している。このＭＯＳＦＥＴデバイスにおいては、ソースとドレインとの間の通電を制御するため、チャネルの上方にゲート絶縁体によって分離されたゲート電極が形成されている。
このようなデバイスの性能は、例えば、供給電圧、ゲート絶縁体厚さ又はチャネル長さを減少させることによって改善することができる。しかしながら、このような従来の方法は、デバイスのサイズ及びスペーシングが更により小さくなっていくにつれて、マウンティングの問題に直面する。例えば、非常に小さなチャネル長さの場合には、ユニット当たりのトランジスタの数を増大させるためチャネル長さを減少させることによって得られる効果は、望ましくないキャリア速度飽和効果によって相殺されてしまう。ゲート絶縁体厚さを減少させることによって得られる、ゲート遅延の減少の如き同様の利点は、小さなデバイスでは、時間経過につれてトランジスタにダメージを与えてしまうことがあるような絶縁体を通しての電荷トンネリング及びゲート漏れ電流の増大のため、制約されてしまう。供給電圧を減少させると、動作電力レベルを低くすることができるが、このような減少も又、トランジスタのしきい値電圧によって制約される。
トランジスタ性能を高めるための比較的に新しく開発された方法では、堆積物質の原子格子に応力をもたせておくことにより、その物質自体の電気的特性を改善し、又は、応力をもたせた物質によって加えられる力で歪まされる下層又は上層物質の電気的特性を改善している。格子歪みにより、シリコンの如き半導体のキャリア移動度が増大され、それにより、それらの性能が改善される。例えば、内部圧縮又は引張り応力を有するトランジスタの構成部分物質の堆積によってトランジスタのチャネル領域に局在格子歪みを誘起させることができる。例えば、ゲート電極のケイ化物質のためのエッチストップ材料及びスペーサーとして使用される窒化シリコン物質は、トランジスタのチャネル領域に歪みを誘起させる応力をもたせた物質として堆積させることができる。堆積物質に望ましい応力のタイプは、応力をもたせられるべき物質の性質に依存している。例えば、ＣＭＯＳデバイスの製造においては、負チャネル（ＮＭＯＳ）ドープ領域は、正の引張り応力を有する引張り応力をもたせた物質で覆われ、一方、正チャネルＭＯＳ（ＰＭＯＳ）ドープ領域は、負の応力値を有する圧縮応力をもたせた物質で覆われる。
従って、引張り又は圧縮応力の如き所定のタイプの応力を有する応力をもたせた物質を形成することが望まれている。更に又、堆積物質に発生される応力のレベルを制御することが望まれている。また、基板に均一な局在応力又は歪みを生成するように、このような応力をもたせた物質を堆積することが望ましい。また、基板上の能動的又は受動的デバイス上にそれらデバイスにダメージを与えることなく応力をもたせた物質を形成することができるようなプロセスを提供することが望ましい。
概要
１つの態様では、応力をもたせた物質が基板上に形成される。基板が処理ゾーンに置かれ、その処理ゾーンに与えられたシリコン含有ガス及び窒素含有ガスを有する処理ガスのプラズマが形成される。窒素の如き希釈ガスを加えることもできる。その堆積直後のままの物質は、堆積窒化シリコン物質の応力を増大させるため、紫外線又は電子ビームに曝される。
基板上に応力をもたせた物質を堆積する別の方法では、基板が処理ゾーンに置かれ、第１の処理サイクルにおいて、処理ゾーンへ与えられる処理ガスのプラズマが維持される。その処理ガスは、シリコン含有ガス、及び窒素でない窒素含有ガスを有する第１の成分と、窒素を有する第２の成分とを有する。その後、第２の処理サイクルにおいて、処理ガスの第１の成分の流れを停止し、窒素を有する第２の成分のプラズマは維持しておく。所望数の処理サイクルに続いて、処理ガスを排出する。
基板上に応力をもたせた物質を堆積させる更に別の方法では、基板が、処理チャンバの電極によって境界が定められた処理ゾーンに置かれる。シリコン含有ガス及び窒素含有ガスを有する処理ガスがその処理ゾーンへ導入される。その処理ゾーンの境界を定めている電極端に電圧パルスを印加することにより、その処理ガスのパルス化プラズマが生成される。それら電圧パルスの各々は、デューティーサイクルを有しており、それら電圧パルスは、約２０ワットから約５００ワットまでの電力レベルで電極へ高い無線周波数の電圧を与えるものである。
基板上に応力をもたせた物質を形成する更に別の方法では、基板が、処理ゾーンに置かれ、シラン及びアンモニアを有する第１の成分と窒素を有する第２の成分とを含む処理ガスがその処理ゾーンへ導入され、その処理ガスのプラズマが形成される。処理ガスの第１の成分と処理ガスの第２の成分との体積流量比は、少なくとも約１：１０である。
別の態様では、処理ゾーンに基板を配置し、シラン及びアンモニアを含む処理ガスを処理ゾーンへ導入させ、その処理ガスのプラズマを生成することによって、基板上に応力をもたせた物質が形成される。シランとアンモニアとの体積流量比は、約１：１から約１：３までであり、少なくとも約５００ＭＰａの引張り応力を有する引張り応力をもたせた物質を堆積するに十分なほど低い。
更に別の態様では、基板を処理ゾーンに配置し、基板を約４５０℃から約５００℃までの温度に維持し、シリコン含有ガス及び窒素含有ガスを有する処理ガスを処理ゾーンへ導入し、処理ゾーンに処理ガスのプラズマを形成することによって、基板上に応力をもたせた物質が堆積させられる。
更に別の態様では、処理チャンバの電極によって境界を定められた処理ゾーンに基板を配置することによって、基板上に応力をもたせた物質が堆積させられる。シリコン含有ガス及び窒素含有ガスを有する処理ガスが、処理ゾーンへ導入され、処理ゾーンの境界を定めている電極端に高い無線周波数の電圧を印加することにより、処理ガスのプラズマが発生される。その高い無線周波数の電圧は、約３ＭＨｚから約６０ＭＨｚまでの範囲内の周波数で且つ約２００ワットより低い電力レベルで印加される。
更に別の態様では、基板支持体及びチャンバ壁部にある電極によって境界を定められた処理ゾーンに基板を配置し、チャンバ壁部に対して電気的浮動電位に基板支持体を維持することにより、基板上に応力をもたせた物質が堆積される。シリコン含有ガス及び窒素含有ガスを有する処理ガスが、処理ゾーンへ導入され、電極端に無線周波数の電圧を印加することにより、処理ガスのプラズマが発生される。
更に別の態様では、処理チャンバの基板支持体及びガス分配器における電極によって境界が定められた処理ゾーンに基板を配置することにより、基板上に応力をもたせた物質が堆積させられる。シリコン含有ガス及び窒素含有ガスを有する処理ガスが、ガス分配器を通して処理ゾーンへ導入させられる。負のＤＣバイアス電圧が、ガス分配器に印加され、処理ガスのプラズマが発生される。
更に別の態様では、処理チャンバの基板支持体及びガス分配器における電極によって境界が定められた処理ゾーンに基板を配置することにより、基板上に応力をもたせた物質が堆積させられる。正のＤＣバイアス電圧が、基板支持体に印加され、シリコン含有ガス及び窒素含有ガスを有する処理ガスがガス分配器を通して処理ゾーンへ導入され、処理ガスのプラズマが発生される。
更に別の態様では、堆積プロセスサイクル及びアニーリングプロセスサイクルを行うことにより、基板上に応力をもたせた物質が堆積させられる。堆積処理サイクルにおいて、処理ゾーンに基板を配置し、シリコン含有ガス及び窒素含有ガスを有する処理ガスを処理ゾーンへ導入させ、処理ガスのプラズマを発生させ、処理ゾーンから処理ガスを排出させることにより、基板上に応力をもたせた物質が堆積させられる。アニーリングプロセスサイクルにおいて、基板上の堆積された応力をもたせた物質が、少なくとも約４５０℃の温度まで加熱される。
別の態様では、処理ゾーンに基板を配置し、第１の処理ガス及び第２の処理ガスを処理ゾーンへ導入させ、第１の処理ガス及び第２の処理ガスのプラズマを発生させ、第１の処理ガス及び第２の処理ガスを処理ゾーンから排出させることにより、基板上に応力をもたせた物質が堆積させられる。第１の処理ガスは、第１の流量でもって処理ゾーンへ導入され、シリコン含有ガス及び窒素含有ガスを有する。第２の処理ガスは、第２の流量でもって処理ゾーンへ導入され、ＧｅＨ４、Ａｒ及びＨ２を有する。
更に別の態様では、基板を処理ゾーンに配置し、第１の成分及び第２の成分を有する処理ガスを処理ゾーンへ導入させ、処理ガスのプラズマを発生させ、チャンバから処理ガスを排出させることにより、基板上に応力をもたせた物質が堆積させられる。第１の成分は、第１の流量でもって処理ゾーンへ導入させられ、シリコン含有ガス及び窒素含有ガスを有する。第２の成分は、第２の流量でもって処理ゾーンへ導入させられ、ヘリウム又はアルゴンを有する。第２の成分と第１の成分との体積流量比は、少なくとも１：１である。
更に別の方法では、処理チャンバにおける電極によって境界を定められた処理ゾーンに基板を配置することにより、基板上に応力をもたせた物質が堆積させられる。（i）シリコン含有ガスを有する第１の成分、（ii）窒素及びアンモニアを有する第２の成分及び（iii）アルゴンを有する第３の成分、を有する処理ガスが、チャンバへ導入させられる。処理ガスのプラズマを発生させるため、低いＲＦの電圧が電極に印加される。この低いＲＦの電圧は、約１ＭＨｚより低い周波数を有する。
別の変形例では、チャンバにおける電極によって境界を定められた処理ゾーンに基板を配置することにより、基板上に応力をもたせた物質が堆積させられる。シリコン含有ガス及び窒素含有ガスを有する処理ガスが、処理ゾーンへ導入させられ、（i）約１ＭＨｚより低い周波数で且つ少なくとも約３００ワットの電力レベルでの低い無線周波数の電圧及び（ii）少なくとも約１０ＭＨｚの周波数で且つ少なくとも約３００ワットの電力レベルでの高い無線周波数の電圧を電極に印加することにより、処理ガスのプラズマが発生させられる。
別の変形例では、処理チャンバにおける電極によって境界を定められた処理ゾーンに基板を配置することにより、基板上に応力をもたせた物質が堆積させられる。シリコン含有ガス及び窒素含有ガスを有する処理ガスが、処理ゾーンへ導入させられ、（i）電極の間隔距離ｄＳを約１０．８ｍｍより小さく設定し、（ii）無線周波数電圧を電極に印加することによって、処理ガスのプラズマが発生させられる。少なくとも約１．５トールの圧力を設定するように処理ガスをチャンバから排出させ、これにより、圧縮応力をもたせた層が基板上に堆積させられるようにする。
本発明の特徴、態様及び効果は、本発明の実施例を例示する添付図面、以下の説明及び特許請求の範囲の記載を参照するときより良く理解されよう。しかしながら、それら特徴の各々は本発明において一般的に使用されうるものであって、特定の図面のようにのみ使用されるものではなく、本発明は、それらの特徴の任意の組み合わせを含むものであることを理解されたい。
説明
本発明によって応力をもたせた物質を堆積させるために使用することのできる基板処理チャンバの１つの実施形態を、図１に概略的に例示している。本発明を例示するため典型的なチャンバが使用されているのであるが、当業者には明らかなように、その他のチャンバも使用することができる。従って、本発明の範囲は、ここに例示したようなチャンバの典型的な実施形態又はその他の構成部分に限定されるものではない。一般的に、チャンバ８０は、シリコンウエハの如き基板３２を処理するのに適当なプラズマ化学気相堆積（ＰＥ−ＣＶＤ）チャンバである。例えば、適当なチャンバは、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアルズ社によるProducer（商品名）ＳＥタイプのチャンバである。このチャンバ８０は、天井壁部８８、側壁部９２、底壁部９６を含み処理ゾーン１００を包囲する包囲壁部８４を備える。また、このチャンバ８０は、処理ゾーン１００の辺りの包囲壁部８４の少なくとも一部分を裏打ちするライナー（図示していない）を備えることができる。３００ｍｍシリコンウエハを処理するために、このチャンバは、典型的には、約２０，０００から約３０，０００ｃｍ３の容積を有し、より典型的には、約２４，０００ｃｍ３の容積を有する。
処理サイクル中に、基板支持体１０４が下降され、基板３２がロボットアームの如き基板搬送装置１０６によって入口ポート１１０を通して支持体１０４上に配置される。基板支持体１０４は、ローディング及びアンローディングのための下方位置と基板３２の処理のための調整可能な上方位置との間に移動できる。基板支持体１０４は、チャンバ８０へ導入された処理ガスからプラズマを発生させるための密閉形電極１０５を含むことができる。基板支持体１０４は、ヒーター１０７によって加熱することができる。このヒーター１０７は、電気抵抗加熱素子（図示されているような）であっても、加熱ランプ（図示していない）であっても、又は、プラズマ自体であってもよい。基板支持体１０４は、典型的には、基板３２を受け入れるための受入面を有し且つ電極１０５及びヒーター１０７をチャンバ環境から保護するセラミック構造体を備える。使用において、無線周波数（ＲＦ）電圧が電極１０５に印加され、直流（ＤＣ）電圧がヒーター１０７に印加される。基板支持体１０４における電極１０５は、基板３２を支持体１０４に対して静電的にクランプするのにも使用できる。また、基板支持体１０４は、支持体１０４上の基板３２の周辺を少なくとも部分的に取り囲む１つ又はそれ以上のリング（図示していない）を備えることができる。
基板３２が支持体１０４上に装填された後、支持体１０４は、ガス分配器１０８により近い処理位置へと上昇させられ、それらの間に所望の間隔ギャップ距離ｄｓが与えられるようにする。この間隔距離は、約２ｍｍから約１２ｍｍまででありうる。ガス分配器１０８は、基板３２に亘って均一に処理ガスを分散させるため処理ゾーン１００の上方に配置されている。ガス分配器１０８は、第１の処理ガス及び第２の処理ガスを、処理ゾーン１００内へ導入する前にはそれらガス流を混合せずに、２つの独立した流れとして別々に処理ゾーン１００へ分配するか、又は、処理ガスを予備混合してからその予備混合した処理ガスを処理ゾーン１００へ与えるようにすることができる。ガス分配器１０８は、処理ガスの通過を許容する孔１１２を有するフェイスプレート１１１を備える。このフェイスプレート１１１は、典型的には、電圧又は電位を印加でき、それにより、チャンバ８０における電極として作用しうるように金属で形成される。適当なフェイスプレート１１１は、陽極酸化コーティングを有するアルミニウムで形成される。基板処理チャンバ８０は、また、第１の処理ガス及び第２の処理ガスをガス分配器１０８へ分配するための第１のガス供給装置及び第２のガス供給装置１２４ａ、１２４ｂを備える。これらガス供給装置１２４ａ、ｂの各々は、ガス源１２８ａ、ｂ、１つ又はそれ以上のガス導管１３２ａ、ｂ、及び１つ又はそれ以上のガス弁１４４ａ、ｂを備える。例えば、１つの変形例では、第１のガス供給装置１２４ａは、ガス源１２８ａからの第１の処理ガスをガス分配器１０８の第１の入口１１０ａへと分配するための第１のガス導管１３２ａ及び第１のガス弁１４４ａを備えており、第２のガス供給装置１２４ｂは、第２のガス源１２８ｂからの第２の処理ガスをガス分配器１０８の第２の入口１１０ｂへと分配するための第２のガス導管１２８ｂ及び第２のガス弁１４４ｂを備える。
処理ガスは、この処理ガスからプラズマを形成するため、電磁エネルギー、例えば、高周波数電圧エネルギーを処理ガスへ結合することにより、付勢される。第１の処理ガスを付勢するため、（i）支持体１０４における電極１０５と（ii）ガス分配器１０８、天井壁部８８又はチャンバ側壁部９２でありうる第２の電極１０９との間に電圧が印加される。電極１０５、１０９の対に印加された電圧は、エネルギーを処理ゾーン１００における処理ガスへ容量的に結合させる。典型的には、電極１０５、１０９に印加される電圧は、無線周波数である。一般的に、無線周波数は、約３ｋＨｚから約３００ＧＨｚまでの範囲のものである。本応用例のためには、低い無線周波数は、約１ＭＨｚより小さいものであり、より好ましくは、例えば、約３００ｋＨｚの如く約１００ｋＨｚから１ＭＨｚまでのものである。また、本応用例のためには、高い無線周波数は、約３ＭＨｚから約６０ＭＨｚまでのものであり、より好ましくは、約１３．５６ＭＨｚのものである。選択された無線周波数電圧は、約１０Ｗから約１０００Ｗまでの電力レベルで第１の電極１０５へ印加され、第２の電極１０９は、典型的には、接地される。しかしながら、使用される特定の無線周波数範囲及び印加電圧の電力レベルは、堆積すべき応力をもたせた物質のタイプに依存している。
チャンバ８０は、また、消費した処理ガス及び副生物をチャンバ８０から除去し処理ゾーン１００における処理ガスの所定圧力を維持するためのガス排出装置１８２を備える。１つの変形例では、このガス排出装置１８２は、チャンバ８０内の処理ガスの圧力を制御するため、処理ゾーン１００からの消費処理ガスを受け入れるポンピングチャネル１８４、排出ポート１８５、スロットル弁１８６及び１つ又はそれ以上の排出ポンプ１８８を含む。排出ポンプ１８８は、ターボ分子ポンプ、深冷ポンプ、ラフィングポンプ及び１つより多い機能を有するコンビネーションポンプのうちの１つ又はそれ以上のものを含むことができる。チャンバ８０は、また、このチャンバ８０内へパージガスを分配するためのチャンバ８０の底壁部９６を貫通する入口ポート又はチューブ（図示していない）を備えることができる。パージガスは、典型的には、入口ポートから上方へ基板支持体１０４を越して環状ポンピングチャネルへと流れる。パージガスは、処理中に基板支持体１０４の表面及び他のチャンバの構成部分に対して望ましくない堆積付着が生じないようにするのに使用される。このパージガスは、また、処理ガスの流れを望ましい態様において調整するのに使用することができる。
チャンバ８０の活動性及び動作パラメータを制御するためコントローラ１９６も設けられる。このコントローラ１９６は、例えば、プロセッサ及びメモリを備えることができる。プロセッサは、メモリに記憶されたコンピュータプログラムの如きチャンバ制御ソフトウエアを実行する。このメモリは、ハードディスクドライブ、読取り専用メモリ、フラッシュメモリ又はその他のタイプのメモリであってよい。コントローラ１９６は、また、フロッピーディスクドライブ及びカードラックの如き他のコンポーネントを備えることができる。カードラックは、シングルボードコンピュータ、アナログ及びデジタル入力/出力ボード、インターフェイスボード及びステッパモータコントローラボードを含むことができる。チャンバ制御ソフトウエアは、特定のプロセスのタイミング、ガスの混合、チャンバ圧力、チャンバ温度、マイクロ波電力レベル、高周波電力レベル、支持位置及びその他のパラメータを指示する命令のセットを含む。
チャンバ８０は、また、例えば、基板支持体１０４内の第１の電極１０５及びチャンバ内の第２の電極１０９の如き種々なチャンバ構成部分へ電力を分配するための電力供給装置１９８を備える。電力をチャンバ電極１０５、１０９へ分配するため、電力供給装置１９８は、選択された無線周波数及び所望の選択可能な電力レベルを有する電圧を与える無線周波数電圧源を備える。電力供給装置１９８は、単一無線周波数電圧源又は高い無線周波数及び低い無線周波数の両方を与える複数の電圧源を含むことができる。この電力供給装置１９８は、また、ＲＦ整合回路を含むことができる。更に又、この電力供給装置１９８は、基板支持体１０４における静電チャックであることが多い電極へ静電荷を与えるための静電荷電源を備えることができる。基板支持体１０４内にヒーター１０７が使用されるとき、電力供給装置１９８は、また、そのヒーター１０７へ適当な制御可能な電圧を与えるヒーター電力源を含む。ＤＣバイアスをガス分配器１０８又は基板支持体１０４へ印加すべきときには、電力供給装置１９８は、また、ガス分配器１０８のフェイスプレート１１１の導電金属部分へ接続されるＤＣバイアス電圧源を含む。この電力供給装置１９８は、その他のチャンバ構成部分、例えば、チャンバのモータ及びロボットのための電力源を含むことができる。
基板処理チャンバ８０は、また、このチャンバ８０内の構成部分表面又は基板表面の如き表面の温度を検出するための熱電対又は干渉計の如き温度センサー（図示していない）を備える。この温度センサは、そのデータをチャンバコントローラ１９６へ転送することができ、そのチャンバコントローラ１９６は、その温度データを使用して、例えば、基板支持体１０４の抵抗加熱素子を制御することにより処理チャンバ８０の温度を制御することができる。
この典型的なチャンバ８０において、異なるタイプの応力をもたせた物質を堆積させることができる。普通に堆積される応力をもたせた物質の１つのタイプは、窒化シリコンからなるものである。ここで、窒化シリコンとは、シリコン−窒素（Ｓｉ-Ｎ）結合を有する物質を意味するもので、これら物質としては、シリコンオキシニトライド、シリコン−酸素−水素−窒素、及びシリコン、酸素、水素及び炭素ものその他の定比又は不定比組合せの如き物質がある。本発明を例示するため窒化シリコンの応力をもたせた物質を堆積させる典型的な方法について説明するのであるが、これらの方法は、応力をもたせた酸化シリコン、応力をもたせた絶縁体層及びその他のものを含むその他のタイプの物質を堆積させるのにも使用できるものであることを理解されたい。従って、本発明の範囲は、ここに説明する例示としての応力をもたせた窒化シリコンの実施形態に限定されるものではない。
以下に説明するように、処理パラメータを制御することにより、又は、堆積物質を処理することにより、堆積窒化シリコンの応力をもたせた物質の応力の両タイプ、即ち、引張りか又は圧縮かを設定することができ、また、その応力値を設定することができることが見出されている。処理パラメータについて、別々に説明し又はある特定の組合せにて説明するのであるが、本発明は、ここに説明する典型的な個々のもの又は組合せに限定されるものではなく、当業者には明らかなように、その他の個々のパラメータ又はパラメータの組合せもありうるものである。
Ｉ 引張り応力をもたせた物質
説明によって限定されることなく、より高い応力値を有する窒化シリコンの応力をもたせた物質が、堆積窒化シリコン物質における正味の水素含量又はシリコン−水素結合（Ｓｉ-Ｈ結合）の両を減少させることにより得られることが見出されている。堆積物質における水素含量をより低くすると、結果的に、堆積直後のままの窒化シリコン物質におけるＳｉ-Ｈ結合の量が検出しうる程度により小さくなり、堆積物質の引張り応力値をより高くすることができると考えられる。更に又、ここに説明するように、堆積物質の水素含量をより低くするため、幾つかの異なる堆積処理パラメータ、堆積物質の処理、又はそれらの組合せを使用することができることも見出されている。
引張り応力をもたせた窒化シリコン物質を堆積させるため、チャンバへ導入される処理ガスは、シリコン含有ガスを含む第１の成分及び窒素含有ガスを含む第２の成分からなる。そのシリコン含有ガスは、例えば、シラン、ジシラン、トリメチルシリル（ＴＭＳ）、トリス（ジメチルアミノ）シラン（ＴＤＭＡＳ）、ビス（第三ブチルアミノ）シラン（ＢＴＢＡＳ）、ジクロロシラン（ＤＣＳ）及びそれらの組合せでもよい。例えば、適当なシランの流量は、約５sccｍから約１００sccｍまでである。窒素含有ガスは、例えば、アンモニア、窒素及びそれらの組合せでもよい。適当なアンモニアの流量は、約１０sccｍから約２００sccｍまでである。処理ガスは、また、はるかにより大きな体積量にて反応ガス成分を与える希釈ガスでもよい。この希釈ガスは、また、希釈剤としても作用し、また、少なくとも部分的に反応窒素含有ガス、例えば、約５０００sccｍから約３０，０００sccｍまでの流量の窒素としても作用することができる。この処理ガスは、また、シリコンオキシニトライド物質を堆積させるときには、酸素含有ガスの如き付加的なガス、例えば、酸素を含むことができる。特に指定しない限り、これらのプロセスにおいては、典型的なガス圧力は、約３トールから約１０トールであり、基板温度は、約３００℃から６００℃であり、電極間隔は、約５ｍｍ（２００ミル）から約１２ｍｍ（６００ミル）であり、ＲＦ電力レベルは、約５ワットから約１００ワットである。
より高い温度
本発明の第１の態様では、堆積中により高い基板温度を維持することにより、堆積窒化シリコン物質における水素含量をより低くすることができることが見出されている。例えば、図３は、堆積物質の応力値に対する基板温度の効果を示している。約４００℃の最も低い評価温度では、堆積膜は、８００ＭＰａよりわずかに高い引張り応力値を示した。処理温度を増大すると、引張り応力値は増大した。例えば、約４５０℃のより高い温度で堆積された物質の場合には１１００ＭＰａの引張り応力値が測定され、約５５０℃の最も高い評価処理温度で堆積された物質の場合には１２００ＭＰａの引張り応力値が測定された。従って、処理温度を増大すると、堆積物質の引張り応力値がより高くなっている。その上、堆積物質に対してなされたフーリエ変換赤外線（ＦＴＩＲ）分光分析法によれば、堆積処理温度が増大するにつれて、堆積物質のＮ-Ｈ及びＳｉ-Ｎ結合の両者に対するピーク波レベルが減少され、Ｓｉ-Ｎ及びＮ-Ｈ結合の長さも減少することを示す。Ｓｉ-Ｈ結合は、温度が高くなるにつれてピーク波レベルが増大するという反対の傾向を示す。従って、堆積温度がより高くなると、堆積物質内の水素含量がより低くなり、これら、典型的には、Ｓｉ-Ｈ結合のレベルが減少し、且つ所望のＳｉ-Ｎ結合のレベルがより高くなることにより識別される。
しかしながら、基板堆積温度は、基板３２上の他の物質が損傷することなく露出されうる最大温度によって制限される。例えば、基板上に既にケイ化ニッケルを含むケイ化物質上に応力をもたせた窒化シリコン物質が堆積されるときには、基板３２の温度は、少なくとも約５００℃より低く、より典型的には、約４８０℃に維持される。何故ならば、ケイ化物質は、５００℃を越える温度に対して露出させられると、これらのより高い温度でケイ化物質内のＮｉが凝集させられることにより損傷させられ、例えば、ケイ化物質の抵抗率が望ましくない程に増大させられてしまうことがあるからである。従って、ケイ化ニッケル物質上に引張り応力をもたせた窒化シリコンを堆積させるのに適当な温度範囲は、約４５０℃から約５００℃までである。
高温アニールを伴う低温堆積
別の実施形態では、比較的に低い温度で基板３２上に物質を堆積し、続いて、比較的により高い温度でその堆積物質を急速に熱アニーリングすると、引張り応力値が更に増大させられることが見出された。適当な低温堆積処理は、約４２０℃より低い温度でなされ、続いて、その堆積温度より高いアニーリング温度でアニーリングするものである。この低温堆積処理のための適当な温度範囲は、約１００℃から約４００℃である。そのアニーリング処理のための適当な温度は、少なくとも約４５０℃であり、好ましくは、約４００℃から６００℃である。高温アニール処理は、基板自体の下層の融点又は熱劣化により制限される。この低温堆積は、基板の全熱露出を減少させ、高温での急速熱アニーリング処理は、膜のＨ含量を減少させ、その結果、堆積膜の引張り応力が増大されると考えられる。
シラン/アンモニア比
化学気相堆積反応に使用される反応ガス成分の比を制御することにより、堆積物質における水素含量をより低くすることもできる。例えば、窒化シリコンの堆積において、シリコン含有ガスと窒素含有ガスとの比により、堆積層の応力値を制御できることが見出されている。基板３２上に高い引張り応力をもたせた窒化シリコン物質を堆積させる１つの典型的な処理では、チャンバ８０へ導入される処理ガスは、シラン（ＳｉＨ４）を含むシリコン含有ガス成分、アンモニア（ＮＨ３）を含む窒素含有ガス成分、及び窒素（Ｎ２）を含む希釈ガス成分を含む。
図４Ａ及び図４Ｂは、引張り応力値及び膜厚さ均一性に対するＮＨ３及びＳｉＨ４の流量の効果の例を示している。その処理条件として、Ｎ２流量は、２０，０００sccｍであり、圧力は、６トールであり、電力レベルは、３０ワットであり、温度は、４３０℃であり、電極間隔は、１２ｍｍ（４８０ミル）である。図４Ａにおいて、ＮＨ３の流量は、５００sccｍに維持され、一方、ＳｉＨ４の流量は、２５sccｍから５０sccｍまで変化される。引張り応力値は、ＮＨ３の流量の増大につれて、約５０sccｍでの９００ＭＰａより少し低い応力値から約５００sccｍの流量での１０５０ＭＰａを越えた応力値まで減少することが分かる。堆積層の厚さ均一性は、ＮＨ３の流量の増大につれて、約５０sccｍの流量での０．６％より低い均一性から約５００sccｍの流量での約１．６％の均一性まで増大する。図４Ｂは、ＮＨ３の流量を５０sccｍから５００sccｍまで変化させて堆積された物質及びＳｉＨ４の流量を２５sccｍと一定として堆積した物質について測定された引張り応力値を示している。引張り応力値は、ＳｉＨ４の流量を増大するにつれて、約２５sccｍのＳｉＨ４の流量での約１０８０ＭＰａの応力値から約５０sccｍの流量での９８０ＭＰａより少し低い応力値まで減少することが分かる。厚さ均一性百分率は、ＳｉＨ４ガスの流量の増大につれて、ＳｉＨ４の約２５sccｍでの約０．５％の均一性百分率から約５０sccｍの流量での約１．２％の均一性百分率まで増大する。
図５Ａから図５Ｄは、引張り応力値、屈折率、堆積割合及び厚さ均一性に対するＳｉＨ４及びＮＨ３の流量の効果の例を示している。これらの図は、一般的に、ＳｉＨ４とＮＨ３との比が低い程、引張り応力値がより高くなることを例示している。図５Ａは、Ｎ/ＮＨリッチ環境を与えるＳｉＨ４の流量に対してＳｉ/ＳｉＨリッチ環境を与えるＳｉＨ４の流量を増大していく場合の引張り応力値及び屈折率に対する影響を示している。一般的に、引張り応力値は、約２１sccｍのＳｉＨ４の流量までは増大し、その後、減少していき、一方、屈折率は、一般的には、ＳｉＨ４の流量の増大につれて増大する。図５Ｂは、ＮＨ３のより低い流量（Ｓｉ/ＳｉＨリッチ環境）に対してＮＨ３の流量を増大していく（Ｎ/ＮＨリッチ環境）場合のものを示しており、測定引張り応力値及び屈折率共に、ＮＨ３の約２００sccｍで実質的に一定値とされている。図５Ｃは、ＳｉＨ４の流量を約４０sccｍの流量まで増大していくにつれて堆積割合が全体として増大していき、均一性が減少していき、その後均一性が増大していることを示している。図５Ｄは、ＮＨ３の流量がしていくにつれて堆積割合が全体として減少していくことを示し、一方、ＮＨ３の約４００sccｍの流量までは均一性百分率が増大するが、その後その均一性百分率は実質的に横ばいとされることを示している。
図６Ａ及び図６Ｂは、前述した処理条件の場合における堆積割合、厚さ均一性（％）、引張り応力値及び屈折率に対するＳｉＨ４及びＮＨ３の全流量の効果を示している。図６Ａは、その全流量が増大するにつれて厚さ均一性が全体として増大し、一方、堆積割合は、約１５０sccｍの全流量までは増大し、その後は減少することを示している。図６Ｂは、全流量が増大するにつれて引張り応力値が全体として減少し、屈折率は、ＳｉＨ４及びＮＨ３の全流量の増大につれて全体として増大することを示しており、ＳｉＨ４及びＮＨ３の全流量の増大による引張り応力値及び屈折率に対する効果を示している。
従って、ＮＨ３に対するＳｉＨ４の流量の比を減少させていくと、より高い引張り応力値を有する物質を堆積させることができる。この結果として、アンモニアに対するシランの体積流量の比を十分に低く選択することにより、例えば、少なくとも約５００ＭＰａの引張り応力値を有する引張り応力をもたせた物質を堆積させることができる。好ましくは、アンモニアに対するシランの比率は、約１：１から約１：３までであり、より好ましくは、約１：２である。適当な組成は、２５sccｍの体積流量のシランと５０sccｍの体積流量のアンモニアとからなる。
窒素希釈ガス
十分大きな体積において前述した処理ガスへ、窒素からなる希釈ガス成分を加えることもできる。この窒素希釈ガスは、他の処理ガス成分と比べて非常に大きな体積をもって使用されるので、希釈ガスと称するが、窒素は、実際には、希釈剤及び反応ガスの両者として作用するものである。堆積中にチャンバ内の希釈ガスの体積の他のガス成分に対する比を制御することにより、堆積物質における水素含量をより低くすることができる。
堆積物質の堆積割合及び引張り応力値に対するＮ２の流量の効果を図７に示している。Ｎ２の流量を増大していくにつれて、堆積割合は、全体として、約５００sccｍのＮ２の流量での２００オングストローム/分よりわずかに低い割合から約３３，５００sccｍのＮ２の流量での約１２５オングストローム/分の堆積割合まで減少していく。５００sccｍのＮ２の流量での堆積物質の引張り応力値は、約８００ＭＰａと比較的に低かった。Ｎ２の流量を増大していくと、引張り応力値は、約５０００sccｍの流量で１００ＭＰａより大きく、また、１０，０００sccｍで１１００ＭＰａより大きいというように、増大していく。約２０，０００sccｍから約２５，０００sccｍまでのＮ２の流量で、約１２００ＭＰａの最も高い引張り応力値が得られた。Ｎ２の２５，０００sccｍより高い、即ち、３３，５００sccｍの流量レベルで、堆積物質の引張り応力値は、１２００ＭＰａより低い値へと減少し始める。従って、約２５，０００sccｍの本チャンバ容積の場合には、約２０，０００sccｍから約２５，０００sccｍまでのＮ２の流量で、最も高い引張り応力値が得られた。従って、引張り応力をもたせた物質の場合には、Ｎ２の如き希釈ガスの単位チャンバ容積当たりの流量は、約０．８から約１までであった。
１つの実施形態では、窒素の流量に対するシラン及びアンモニアの組合せ体積流量の比は、堆積物質に最適な引張り応力を与えるため、少なくとも約１：１０に維持される。例えば、シラン及びアンモニアの組合せ体積流量が７５sccｍであるとき、窒素の体積流量は、少なくとも約７５００sccｍ、より典型的には、約１０，０００sccｍから約２０，０００sccｍであるべきである。このような説明によって制限されることなく、処理ガスの窒素含量をより高くすることにより、水素含量がより低くなり、その結果として、堆積物質の引張り応力がより高くなると考えられる。処理ガスにおける希釈剤窒素の量をより多くすると、シリコン及び窒素プラズマ種が実際にガス相として留まる時間が増大し、それにより、堆積物質にシリコン−窒素（Ｓｉ-Ｎ）結合が形成される可能性が増大し、その物質に形成されるＳｉ-Ｈ結合の数が減少させられる。
ガス圧力範囲
図８は、チャンバ内の処理ガス圧力を増大することによる、その結果生ずる堆積物質の引張り応力値及び屈折率に対する効果を示している。一般的に、約４トールと８トールとの間では、堆積物質に誘起される引張り応力値は、１１００ＭＰａ辺りで比較的にフラットに留まる（ライン（ａ））。６トールの圧力レベルで、最も高い引張り応力が与えられ、一方、６トールより低い圧力及び６トールより高い圧力で、より低い引張り応力値が与えられる。８トールを越えるガス圧力では、引張り応力値は、実質的に減少する。また、屈折率は、ガス圧力を増大させていくと、約７トールの圧力まではより高くなり、その後、屈折率は減少する。従って、ガス圧力は、約４トールから約８トールまでが好ましい。
高いＲＦの電圧の低電力レベル
高い無線周波数の電圧を電極１０５に印加し第２の電極１０９を接地することにより、処理ガスからプラズマが形成される。高い無線周波数とは、約３ＭＨｚから約６０ＭＨｚまでの範囲内の周波数である。処理ガスからプラズマを発生することによってＣＶＤ反応を活性化すると、熱的に活性化されるＣＶＤ処理に比較して、比較的により低い温度処理とすることができるので、一般的に効果的である。ここに記載の実施例では、１３．５６ＭＨｚの周波数で高い無線周波数の電圧が電極１０５、１０９へ印加される。
引張り応力をもたせた窒化シリコン物質を堆積する場合には、実質的に高い周波数の電圧のみが電極１０５に印加される。３００ｋＨｚの周波数の如き約１ＭＨｚより小さい低い無線周波数は、電極には印加されない。何故ならば、堆積中に電極に印加される低い周波数の電圧の電力レベルを増大していくと、不所望に低い引張り応力値を有する物質が堆積させられてしまうことが、実験的に確かめられたからである。例えば、図９は、異なる電力レベルで電極１０５、１０９端に印加される低い無線周波数の電圧を使用して堆積させられた窒化シリコン物質の測定引張り応力値を示している。図示されるように、１０ワットより低い電力レベルで低いＲＦの電圧にて発生されたプラズマでもって堆積させられた窒化シリコン物質は、８００ＭＰａよりわずかに低い本質的にフラットな引張り応力値を有する結果となった。この低いＲＦの電圧の電力レベルを増大していくと、より低い引張り応力値を有する膜が堆積させられる結果となった。例えば、約１５ワットの電力レベルで印加される低い周波数の電圧を使用して堆積させられた物質は、約６００ＭＰａより小さな応力値を示し、４０ワットのより高い電力レベルで堆積させられた物質は、約−１００ＭＰａの負の圧縮応力値を示した。従って、引張り応力をもたせた物質を堆積させる場合には、実質的に高いＲＦの電圧のみが電極１０５、１０９端に印加され、低いＲＦの電圧は印加されなかった。
更に又、高いＲＦの電圧は、比較的に低い電力レベルで印加されるべきであることも確認された。図１０Ａ及び図１０Ｂは、高い無線周波数の電力レベルを増大していくときの、堆積物質の堆積割合、物質厚さ均一性、引張り応力値及び屈折率に対する効果を例示している。図１０Ａは、１５０ワットの電力レベルまで堆積割合が増大し、１５０ワットの電力レベルまで均一性百分率が減少することを示している。図１０Ｂは、高い周波数の電力レベルを増大していくにつれて、引張り応力値及び屈折率が減少していくことを示している。チャンバ電極１０５、１０９に印加される高いＲＦの電圧の電力レベルは、堆積される物質の引張り応力値を減少させてしまうようなエネルギーを付与されたプラズマ種による基板３２への衝撃を減ずるに十分に低くなければならないと考えられる。しかしながら、高いＲＦの電圧の電力レベルは、低過ぎてはならず、さもないと、プラズマが不安定となってしまい、従って、電力は、安定なプラズマを生成するに十分に高くなければならない。これらの要件に基づいて、印加される高いＲＦの電圧の電力レベルは、約２００ワットより低いのが好ましく、より好ましくは、約１０ワットから約１００ワットまでである。
前述した処理条件によれば、１００ＭＰａから１０００ＭＰａまでというような従来得られた引張り応力値よりも相当に高い１．２ＧＰａを越えた引張り応力値を有する引張り応力をもたせた窒化シリコン物質が堆積させられた。シランとアンモニアとの選択された体積流量比、高い希釈ガス含量、高い処理温度及びチャンバ電極への高い無線周波数の電圧の印加の処理条件の組合せの結果として、堆積直後のままの窒化シリコン物質における水素含量をより低くすることができ、このように堆積直後のままの窒化シリコン物質における水素含量が低い程、より高い引張り応力値が得られと考えられる。
基板支持体に対する浮動電位
基板を支持する基板支持体を浮動電位に維持することによっても、堆積物質の引張り応力値を改善することができ、特に、高いＲＦの電力レベルのところでより大きい値に改善される。例えば、表Ｉは、基板３２より下方の支持体１０４へ印加される高いＲＦの電圧の高い電力レベルでより高い引張り応力値が得られたことを示している。高い無線周波数は、１３．５６ＭＨｚであり、電力レベルは、２００ワットを超えていた。高いＲＦの電圧の高い電力レベルとすると一般的には堆積物質の引張り応力は低くなるのであるが、基板支持体１０４に浮動電位を印加すると、その引張り応力値が改善され、１．１ＧＰａを越えた引張り応力値が与えられる。
Figure 0004903154
この変形例では、基板支持体は、絶縁体コーティングを有する金属ブロック、静電チャック、及び埋込抵抗加熱素子を有する金属ブロックを含む前述した構造体のうちの任意のものでありうる。
ＤＣバイアス電圧印加
基板３２のイオン衝撃を更に減少させ、それにより、堆積物質の引張り応力値を増大させるために、ガス分配器１０８又は基板支持体１０４へＤＣ（直流）バイアス電圧を印加することができる。このＤＣバイアス電圧は、荷電されたプラズマ種の基板へ向かう加速度を減少させるように働く。ＤＣバイアス電圧をガス分配器１０８に印加するため、電力供給装置２００は、ガス分配器のフェイスプレート１１１に電気的に接続されるＤＣバイアス電圧源を含む。典型的には、基板３２のイオン衝撃を減少させるためガス分配器１０８へ負のＤＣバイアス電圧が印加される。ガス分配器１０８へ印加される適当な負のＤＣバイアス電圧レベルは、約２００ボルトより低く、より好ましくは、約２５ボルトから約１００ボルトまでである。
基板３２のイオン衝撃を減少させるため基板支持体１０４へ印加されるＤＣバイアスは、典型的には、正のＤＣバイアス電圧である。この正のＤＣバイアス電圧は、基板３２に向かって進むプラズマ種に加えられる正味の加速電圧を減少させ、それにより、基板３２を衝撃するプラズマ種の運動エネルギーを減少させる。基板支持体１０４に印加される適当な正のＤＣバイアス電圧レベルは、少なくとも約２５ボルトであり、より好ましくは、約５０ボルトから約１００ボルトまでである。
窒素プラズマ処理サイクル
更に又、堆積窒化シリコン膜を窒素プラズマ処理サイクルでもって処理することにより、堆積直後のままの窒化シリコン物質の応力値を更に増大させることが見出されている。このような処理サイクルは、堆積プロセスを２つの処理サイクルを有するように変更することにより行うことができる。第１の処理サイクル、即ち、堆積処理サイクルにおいて、シリコン含有ガス及び窒素含有ガスを含む第１の成分と、希釈窒素ガスを含む第２の成分とで構成された処理ガスが、チャンバ内へ導入され、チャンバ電極に高い周波数の電圧を印加することにより、その処理ガスからプラズマが形成される。第２の処理サイクル、即ち、窒素プラズマ処理サイクルにおいて、シリコン含有ガス及び窒素含有ガスを含む処理ガスの第１の成分の流れを遮断又は実質的に停止し、一方、希釈窒素ガスを含む第２の成分の流れはそのまま継続させ、プラズマを形成するために電極に印加された高い周波数の電圧も又維持する。これらの２つの処理サイクルを、窒化シリコン物質の堆積中多数回繰り返す。
再び、この説明によって限定されることなく、この窒素プラズマサイクルは、堆積窒化シリコンにおける水素含量を更に減少させると考えられる。この窒素プラズマサイクルは、堆積物質からシリコン−水素結合を排除することにより、堆積窒化シリコン物質におけるシリコン−窒素結合の形成を促進させるものと考えられる。しかしながら、窒素プラズマ処理は堆積窒化シリコン膜の薄い表面領域に影響を及ぼすだけであるので、窒素プラズマ処理が堆積膜の実質的に全厚さに入り込むことができるように十分に薄い窒化シリコンの膜を基板上に堆積させるだけの短い堆積処理サイクルの後に窒素処理サイクルを行うようにする。もし、窒化シリコン膜の全厚さが堆積されてしまった後に窒素プラズマ処理を行ったのでは、堆積物質の薄い表面領域のみしか適切に処理されないであろう。
この変更堆積プロセスは、所望の膜厚さとするために、堆積サイクルと、それに続くプラズマ処理サイクルとを、十分な回数だけ繰り返すものである。例えば、各々が第１の堆積サイクル及び第２の窒素プラズマ処理サイクルからなる２０回の処理サイクルを含む堆積プロセスにより、５００オングストロームの厚さを有する引張り応力をもたせた窒化シリコン物質が堆積させられた。各堆積サイクルは、約２秒から約１０秒までの間行われ、より典型的には、約５秒間行われ、各窒素プラズマ処理サイクルは、約１０秒から約３０秒までの間行われ、より典型的には、２０秒間行われた。その結果堆積された引張り応力をもたせた窒化シリコン物質は、５００オングストロームの厚さを有し、その堆積物質の引張り応力値は、窒素プラズマ処理によって１．４ＧＰａまで増大された。これは、堆積直後のままの窒化シリコン物質の引張り応力が１０％から２５％まで改善されたことを示している。
Figure 0004903154
表IIは、堆積中の基板温度を増大した場合及び複数の窒素プラズマ処理サイクルを行った場合/行わなかった場合の堆積窒化シリコン物質の引張り応力の改善を示している。ベースライン（単一物質）窒化シリコン膜が、窒素プラズマ処理サイクルを行わずに前述した処理条件を使用した単一堆積処理サイクルにて堆積された。このベースライン膜は、基板温度を４００℃から５００℃まで増大させるにつれて、引張り応力が１ＧＰａから約１．３５ＧＰａまで増大されることを示した。ＮＰＴ（窒素プラズマ処理）膜が、複数の堆積及び窒素プラズマ処理サイクルでもって堆積された。ここで、ＮＰＴ（１）は、２０秒の窒素プラズマ処理サイクルに相当し、ＮＰＴ（２）は、１０秒の窒素プラズマ処理サイクルに相当する。両方のＮＰＴ膜とも、引張り応力が、窒素プラズマ処理でもってベースライン膜より増大しており、また、基板温度につれて増大していることが分かる。
図１１は、異なる窒素プラズマ処理プロセス条件について電極１０５、１０９に印加される高いＲＦの電圧の電力レベルを増大させることによる堆積物質の引張り応力値に対する影響を示している。第１のプロセス（Ａ）は、７秒間の堆積ステージと、それに続く４０秒のプラズマ処理ステージとを含み、これらを２０サイクル繰り返すものである。第２のプロセス（Ｂ）は、５秒間の堆積ステージと、それに続く４０秒間のプラズマ処理とを含み、これらを３０サイクル繰り返すものである。第３のプロセス（Ｃ）は、４秒間のプラズマ安定化ステージと、５秒間の堆積と、４０秒間のプラズマ処理とを含み、これらを３０サイクル繰り返すものである。第１のプロセス及び第３のプロセスによると、高い無線周波数が４０ワットより少し高い電力レベルに設定されたときに、最も高い引張り応力が得られ、その引張り応力値は、そのピークレベルの各側で減少する。第３のプロセスによると、引張り応力値は、電力レベルの増大につれて、０ワットの電力での１０００ＭＰａより少し高い引張り応力値から１００ワットでの９００ＭＰａまでだんだんと減少する。従って、窒素プラズマ/堆積処理のためには、２０ワットから６０ワットまでの電力レベルが選択された。
図１２は、異なる堆積処理及び異なる窒素プラズマ処理サイクルの下で堆積された層について得られた引張り応力値及び屈折率を示している。上のラインは、測定された引張り応力値を示し、下のラインは、測定された屈折率を示している。これらのプロセスは、堆積のみのプロセス、ＲＦ電力なしでの効果を見るための４０秒パージを行う、即ち、熱衝撃のみのプロセス、２０秒パージの次に２０秒プラズマステップを行うプロセス、４０秒プラズマステップを行うプロセス、２０秒プラズマステップの次に２０秒パージを行うプロセス、３秒高速パージの次に２０秒プラズマステップを行うプロセス、３秒ポンピング及び２０秒プラズマステップを行うプロセス及び３秒高速パージ及び１０秒プラズマステップを行うプロセスであった。３秒ポンピング、２０秒プラズマ及び３秒高速パージ、１０秒プラズマプロセスで最も高い引張り応力値が得られた。堆積のみ及び１０秒パージプロセスの場合に、最も低い引張り応力値が測定された。一般的に、得られる応力値は、１０秒より長いプラズマ処理持続時間で最大となり飽和する。しかしながら、それら応力値は、ポンプダウンサイクルを加えたときには、２０秒よりも長い処理持続時間としても飽和しない。
図１３は、堆積物質の引張り応力値に対するＮ２プラズマ処理の持続時間の効果を示している。その引張り応力値は、約１０秒の処理持続時間に達するまでは増大し、その後、引張り応力値は、飽和するようであり、それよりはそれほど大きくはならない。屈折率は、処理時間の増大につれてわずかに増大していく。図１４は、３秒高速パージ及び３秒ポンピングを有するプロセスについての引張り応力値に対する処理持続時間の効果を示している。図１４における引張り応力値は、約２０秒までの処理時間についてでも、図１３のものほどに飽和しないようである。
高いＲＦの電圧でのパルス化プラズマ
チャンバ８０の電極１０５、１０９に印加される無線周波数電圧をパルス化することにより、より高い応力値を有する応力をもたせた物質を堆積させることができる。このパルス化プラズマによると、堆積物質に亘って堆積厚さ及び応力値をより均一とすることもできた。引張り応力をもたせた膜の堆積の場合には、パルス化堆積プロセスのために高い無線周波数の電圧が使用される。処理ガスは、前述したようにシリコン含有ガス及び窒素含有ガスを含む。例えば、シリコン含有ガスは、シランを含むことができ、窒素含有ガスは、アンモニアを含むことができ、任意で、窒化シリコンからなる応力をもたせた層を堆積させるために窒素を加えることができる。窒化シリコンの如き特定の物質を例示の実施例として挙げたのであるが、パルス化ＣＶＤ法によりその他の応力をもたせた物質も又堆積させることができ、従って、本発明の範囲は、この例示の実施例に限定されるものではないことを理解されたい。
チャンバ内の処理ゾーンを境界付ける電極端に無線周波数電圧の電圧パルスを印加することにより、処理ガスのパルス化プラズマが発生される。これら電圧パルスの各々は、パルス持続時間（Ｔ１）とパルス周期（Ｔ２）との比であるデューティーサイクルを有している。パルス化波形において、パルス持続時間は、（ａ）最初の遷移中に、パルス振幅がその最終振幅の特定部分（レベル）に達する時と、（ｂ）最後の遷移にて、パルス振幅がその同じレベルへと降下する時と、の間の間隔である。一般的に、最終振幅の５０％ポイントの間の間隔が、パルス持続時間を決定又は定めるのに普通に使用される。好ましくは、電圧パルスは、長方形パルスであるが、例えば、正方形又は正弦波パルスの如き他の形状でもよい。そのパルス化ＲＦ電力は、約１００ワットから約５００ワットまでの電力レベルで与えられる。選択される電力レベルは、比較的に高い。何故ならば、高電力レベルにて、ＳｉＨ４及びＮＨ３は、より完全に解離し、従って、堆積膜の全水素含量が減少させられると考えられるからである。
電圧パルスのデューティーサイクルは、また、応力をもたせた堆積層の応力のタイプ及びレベルを制御するため制御することができる。応力をもたせた堆積膜の応力のレベルを与えるのに、異なるパルスタイプ、無線周波数レベル、電力レベル及び比Ｔ２/Ｔ１を選択することができる。一般的に、より小さなデューティーサイクルを使用することにより、より高い引張り応力値を得ることができた。より小さなデューティーサイクルは、パルス持続時間（Ｔ１）を減少し及び／又はパルス周期（Ｔ２）を増大するか、又はその逆とすることにより得られる。好ましくは、デューティーサイクルは、約６０％より小さくする。デューティーサイクルの範囲は、約１０％から約５０％までが好ましく、より好ましくは、約２０％からである。このようなデューティーサイクルの場合には、パルス周波数は、１０Ｈｚから１０００Ｈｚまでの範囲である。１つの好ましい実施形態では、デューティーサイクルは、パルス持続時間が４ｍs（例えば、１μs）であり、パルス周期が２０ｍs（例えば、４μs）であるような５０Ｈｚのパルス列の場合２０％（例えば、０．２５）である。
パルス化プラズマ処理においては、約３ＭＨｚから約６０ＭＨｚまでの範囲内の周波数を有する高いＲＦの電圧が、電極１０５、１０９端に印加された。この高いＲＦの電圧は、約１００ワットから約１０００ワットまでの電力レベルで印加された。適当な処理ガスは、前述したような流量でのシラン、アンモニア、窒素及び任意でアルゴンを含む。
紫外線露出
堆積直後のままの窒化シリコン物質の引張り応力は、その堆積物質を紫外線又は電子ビームの如き適当なエネルギービームに対して露出させて処理することにより、更に増大させることができる。紫外線及び電子ビーム露出は、堆積物質の水素含量を更に減少させるのに使用できると考えられる。エネルギービーム露出は、そのＣＶＤチャンバ自身内又は別のチャンバにおいて行うことができる。例えば、応力をもたせた堆積物質を有する基板を、ＣＶＤ処理チャンバ内で紫外線又は電子ビーム放射線に対して露出させることができる。このような実施形態では、その露出源は、シールドによってＣＶＤ反応から保護されるか、又は、処理ガスの流れの後でチャンバ内にその露出源を導入することによってＣＶＤ反応から保護されうる。紫外線又は電子ビームは、応力をもたせた物質を堆積させるためのＣＶＤ反応中にＣＶＤ堆積チャンバ内にあるままの基板に対して付与することがきる。この変形例では、堆積反応中の紫外線又は電子ビーム露出により、形成される不所望の結合が分裂され、それにより、応力をもたせた堆積物質の応力値が高められると考えられる。
図２は、基板３２を紫外線に対して露出させ又は電子ビーム処理するために使用できる露出チャンバ２００の典型的な実施形態を示している。図示の変形例では、チャンバ２００は、露出源２０４から遠い解放位置と、露出源２０４に近接する引き上げ位置との間で移動できそれらの間の間隔を調整できるようにした基板支持体１０４を含む。基板支持体１０４は、チャンバ２０４内に基板３２を支持する。基板３２を露出チャンバ２００へ挿入したり基板３２を露出チャンバ２００から取り出したりする間は、基板支持体１０４は、ローディング位置へ移動され、その後、窒化シリコン堆積物質を有する基板３２を紫外線又は電子ビームに対して露出させる間は、支持体１０４は、露出レベルを最大とする引き上げ位置へと上昇させられる。チャンバ２００は、更に、基板３２の露出中に基板３２を所望の温度まで加熱するのに使用される抵抗素子の如きヒーター２０６を備える。露出チャンバ２００内へガスを導入するためのガス入口２０８が設けられており、チャンバ２００からガスを排出させるためのガス出口２１０が設けられている。
露出チャンバ２００は、更に又、紫外線又は電子ビームの如き適当なエネルギービームを与える露出源２０４を含む。適当な紫外線源は、単一紫外波長又は広帯域紫外波長を放射することができる。適当な単一波長紫外線源は、１７２ｎｍ又は２２２ｎｍの単一紫外波長を与えるエクサイマー紫外線源である。適当な広帯域源は、約２００ｎｍから約４００ｎｍまでの波長を有する紫外線を発生する。適当な紫外線源は、米国のFusion Company又は米国のNordson Companyから手に入れることができる。応力をもたせた窒化シリコン物質を、電気的に刺激されるとき特定の波長を放射するガスを含むランプによって発生される他の波長を有する紫外線に対して露出させることもできる。例えば、適当な紫外線ランプは、１７２ｎｍの波長を有する紫外線を発生するＸｅガスを含むものでよい。他の変形例では、水銀ランプは、２４３ｎｍの波長で放射し、重水素は、１４０ｎｍの波長で放射し、ＫｒＣｌ２は、２２２ｎｍの波長で放射する。また、１つの変形例では、各々が励起時に特性波長の放射線を放出することのできるガスの混合物をランプ内へ導入することにより、応力をもたせた堆積物質の応力値を変更するように特別に調整された紫外線を発生させることもできる。それらガスの相対濃度を変えることにより、所望の波長のすべてを同時に露出させるため、その放射線源からの出力の波長内容を選択することができ、それにより、必要な露出時間を最小とすることができる。紫外線の波長及び強度を選択することにより、堆積される窒化シリコン物質の所定の引張り応力値を得ることができる。
ＣＶＤ堆積チャンバ８０及び露出チャンバ２００は、また、単一ロボットアームによって提供されるマルチチャンバ処理プラットホーム（図示していない）上に統合して設けることもできる。露出チャンバ２００の露出源２０４及び支持体、基板支持体１０４、モータ、弁又は流量コントローラ、ガス分配システム、スロットル弁、高周波電力供給装置及びヒーター２０６を含むＣＶＤ堆積チャンバ８０の構成部分、及び統合処理システムのロボットアームは、すべて、適当な制御ラインを経てシステムコントローラによって制御することができる。そのシステムコントローラは、このコントローラの制御の下で適当なモータによって移動される基板支持体及びスロットル弁の如き移動可能な機械的アセンブリの位置を決定するため、光学的センサからのフィードバックに頼るものである。
前述した露出チャンバ２００での露出処理の場合、前述した堆積プロセスのうちのいずれかによる窒化シリコン物質又は当業分野にて知られたその他の堆積プロセスによる窒化シリコン物質を有する基板が、露出チャンバ２００内へ挿入され、下降位置にある基板支持体１０４上に置かれる。それから、基板支持体１０４は、引き上げ位置へと上昇させられ、支持体の任意のヒーター２０６が付勢され、露出源２０４が活性化される。露出中、基板と支持体との間の熱移送割合を改善するため、露出チャンバ２００を通してヘリウムの如きガスを循環させることができる。その他のガスを使用することもできる。放射線露出の期間の後、露出源２０４は、不活性とされ、基板支持体１０４は、解放位置へと下降させられる。それから、露出され応力をもたせた窒化シリコン物質を有する基板は、露出チャンバ２００から取り出される。
図１５は、Ａ：圧縮膜（４５sccｍＳｉＨ４/６００sccｍＮＨ３/２０００sccｍＨｅ/３０ＷＨＦ/３０ＷＬＦ/２．５Ｔ/４８０ミル/４３０Ｃ）及びＢ：引張り膜（７５sccｍＳｉＨ４/１６００sccｍＮＨ３/５０００sccｍＮ２/５０ＷＨＦ/５ＷＬＦ/６Ｔ/４８０ミル/４３０Ｃ）を含む異なる処理条件で堆積された物質の引張り応力値に対する紫外線処理の効果を示す棒グラフである。４００℃で５分及び１０分の異なる広帯域ＵＶ処理時間が使用された。すべての堆積物質について、紫外線露出により、引張り応力値が増大され、最も低い引張り応力値を有する物質、即ち、物質Ａ及びＢについて最大の改善が見られた。Ａ及びＢの引張り応力のレベルは、約-１５００ＭＰａから約-１３００ＭＰａの辺りまで増大した。物質Ｃ及びＤも増大した。従って、紫外線処理により、堆積物質の引張り応力値を増大させることができる。
窒化シリコン堆積物質を紫外線又は電子ビームに対して露出させることにより、堆積物質の水素含量を減少させ、それにより、その物質の引張り応力値を増大させることができることが確認された。紫外線に対して露出させることにより、望まれない化学結合をより望ましい化学結合に置き換えることができると考えられる。例えば、露出において与えられるＵＶ放射線の波長を選択して、この波長を吸収するＳｉ-Ｈ及びＮ-Ｈ結合の如き望まれない水素結合を分裂させることができる。このとき、残留するシリコン原子は、有効窒素原子と結合して、所望のＳｉ-Ｎ結合を形成する。例えば、図１６は、堆積直後のままの状態における応力をもたせた窒化シリコン物質（堆積直後のままの膜：実線）及び紫外線で処理した後の応力をもたせた窒化シリコン物質（処理後の膜：点線）のフーリエ変換された赤外線スペクトル（ＦＴＩＲ）を示している。このＦＴＩＲスペクトルから、紫外線で処理した後には、Ｎ-Ｈストレッチピーク及びＳｉ-Ｈストレッチピークの両方のサイズが相当に減少し、一方、Ｓｉ-Ｎストレッチピークのサイズが増大していることが分かる。このことは、紫外線処理後の窒化シリコン物質に含まれるＮ-Ｈ結合及びＳｉ-Ｈ結合がより少なくなり、そこに含まれる、堆積物質の引張り応力を増大するのに望ましいＳｉ-Ｎ結合の数が増大されていることを実証している。
図１７Ａから図１７Ｅは、堆積直後のままの窒化シリコン物質の引張り応力値が、異なる時間期間の紫外線露出処理を受けたとき、どのように改善されるかを示している。図１７Ａの窒化シリコン物質は、次の処理条件、即ち、シランの６０sccｍ流量、アンモニアの９００sccｍ流量、窒素の１０，０００sccｍ流量、６トール処理ガス圧力、１００ワットの電極電力レベル、及び１１ｍｍ（４３０ミル）の電極間隔でもって堆積させられたものである。堆積された窒化シリコン膜の引張り応力は、堆積直後のままの状態で測定されたときは、約７００ＭＰａであった。ｘ軸におけるポイントラベル０から６の各々は、それぞれ、０分（堆積された直後）、１０分、３０分、４５分、１時間、２時間及び３時間の異なる紫外線処理時間に対応している。四面体でラベル付けされたラインの堆積直後のままの窒化シリコン物質（処理１）は、広帯域紫外線源に対して露出されたものであり、一方、正方形でラベル付けされたラインの堆積直後のままの窒化シリコン物質（処理２）は、１７２ｎｍの単一波長紫外線源に対して露出されたものである。広帯域紫外線源の方が、単一波長紫外線源と比べて、堆積物質の引張り応力を増大させることが確認された。
一般的に、紫外線処理時間を増大していくにつれて、堆積直後のままの膜の引張り応力も７００ＭＰａの元の値から約１．６ＧＰａを越える値まで増大していく。図１７Ｂ及び図１７Ｃの窒化シリコン物質は、図１７Ｂのサンプルがシランの６０sccｍ流量、アンモニアの６００sccｍ流量及び１５０ワットの電極電力レベルを使用して堆積させられ、図１７Ｃのサンプルがシランの６０sccｍ流量、アンモニアの３００sccｍ流量及び１５０ワットの電極電力レベルを使用して堆積させられている以外は、図１７Ａに示したサンプルと同じ条件で堆積させられたものである。図１７Ｂ及び図１７Ｃにおいて、堆積直後のままの物質は、広帯域紫外線でのみ処理され、図示されるように、８又は９セグメントに相当する異なる時間間隔であるが、処理時間が０分から３時間まで変化されたものである。得られた最良の結果が、図１７Ｃに示されており、ここでは、堆積直後のままの窒化シリコン物質の引張り応力は、ほぼ３時間の紫外線露出の後では、８００ＭＰａから１．８ＧＰａまで増大されており、これは、元の引張り応力値のほとんど２倍であった。
図１７Ｄに示す堆積物質は、シランの６０sccｍ流量、アンモニアの９００sccｍ流量、窒素の１０，０００sccｍ流量、１００ワットの電極電力、７トールの圧力及び１１ｍｍの間隔を使用して堆積させられたものである。ライン（ａ）は、約２００ｎｍから４００ｎｍまでのＵＶ波長を与えるヒュージョンＨ ＵＶ光源で処理されたものであり、ライン（ｂ）は、約１７２ｎｍのＵＶ波長を与えるエクサイマーＵＶ源で処理されたものである。両方の処理の場合、引張り応力は、約５０秒の紫外線露出の後で、約８００ＭＰａ（堆積直後のままの窒化シリコンの場合）から、それぞれ１．８ＧＰａ及び１．４ＧＰａまで増大させられている。図１７Ｅのサンプルは、シランの６０sccｍ流量、アンモニアの３００sccｍ流量、窒素の１０，０００sccｍ流量、１５０ワットの電極電力、６トールの圧力及び１１ｍｍの間隔を使用して堆積させられたものである。この堆積物質が、ヒュージョンＨ源で処理された。前のように、この堆積直後のままの窒化シリコン物質の引張り応力は、ほぼ５０秒の処理後では、約７００ＭＰａから１．６ＧＰａまで増大させられた。
また、紫外線露出の効果は、堆積処理中に処理ガスに対して最適範囲内で希釈ガス含量を与えることにより高められることが確認された。これは、堆積物質における窒素−水素結合の数を減少させるようにしてなされた。典型的には、窒素−水素結合を紫外線処理によって除去することは、シリコン−水素結合を紫外線処理によって除去することより難しいことである。従って、希釈ガス流量を約５０００sccｍから約１５，０００sccｍまで、より好ましくは、約１０，０００sccｍまでの範囲へ減少させたわずかに異なる処理条件で堆積させられた窒化シリコン物質に対して、その後、紫外線露出を行った。シラン及びアンモニア堆積流量比は、約１：２から約１：１５であり、より好ましくは、約１：１０であった。
電子ビーム露出
堆積直後のままの窒化シリコン物質を、露出装置２００において電子ビームに対して露出させることにより処理することもできる。電子ビームの適当な源である露出源２０４は、例えば、堆積物質に亘って走査されるライン電子源又はLivesay氏への米国特許第５，００３，１７８号明細書に開示されたような大面積電子ビーム露出システムでもよい。米国特許第５，００３，１７８号明細書の記載は、ここにそのまま援用される。この電子ビーム露出は、堆積物質の実質的に全面積を電子ビーム放射でフラッド露出又は走査することによって行われる。堆積物質は、その物質の全幅及び厚さをカバーするに十分な電子ビーム状態の下で均一な大面積の電子ビーム源からの電子ビーム放射を受けるのが好ましい。約４平方インチから約２５６平方インチまでの面積をカバーする電子ビームで露出を行うのが好ましい。
電子ビーム露出条件は、加えられる全照射量、堆積物質に加えられる電子ビームエネルギー及び電子ビーム電流密度に依存している。１つの変形例では、電子ビーム露出は、約１０−５トールから約１０−２トールまでの真空中で且つ約１００℃から約４００℃までの範囲内の基板温度でもって行われる。露出エネルギーは、約０．１ｋｅＶから約１００ｋｅＶまでの範囲内であり、電子ビーム電流は、典型的には、約１ｍＡから約１００ｍＡまでである。電子ビームドーズは、約１μＣ/ｃｍ２から約１００，０００μＣ/ｃｍ２までの範囲内である。選択されるドーズ及びエネルギーは、処理すべき堆積物質の厚さに比例する。一般的に、電子ビーム露出は、約０．５分から約１０分までである。電子ビームによって与えられる電子の照射エネルギーは、また、堆積窒化シリコン物質に所定の応力値が得られるように選択される。
図１８は、ＡからＦとしてラベル付けした異なる処理条件で堆積させられた物質の電子ビームにより処理前及び処理後の引張り応力値を示すグラフである。この実施例では、応力をもたせた物質を堆積させるのに使用された処理条件ＡからＦは、次のようであった。
Ａ：ＬＰＣＶＤ ＢＴＢＡＳ/ＮＨ３/Ｎ２/650Ｃ/300ミリトール
Ｂ：25sccｍ ＳｉＨ４/50sccｍ ＮＨ３/20000sccｍ Ｎ２/480ミル/430Ｃ/6Ｔ/45ＷＨＦ
Ｃ：25sccｍ ＳｉＨ４/50sccｍ ＮＨ３/20000sccｍ Ｎ２/480ミル/200Ｃ/6Ｔ/45ＷＨＦ
Ｄ：25sccｍ ＳｉＨ４/50sccｍ ＮＨ３/20000sccｍ Ｎ２/480ミル/200Ｃ/6Ｔ/45ＷＨＦ
続いて18000sccｍ Ｎ２/4.2トールでもって10分間400Ｃでアニーリング
Ｅ：50sccｍ ＳｉＨ４/50sccｍ ＮＨ３/20000sccｍ Ｎ２/480ミル/200Ｃ/6Ｔ/45ＷＨＦ
Ｆ：50sccｍ ＳｉＨ４/50sccｍ ＮＨ３/20000sccｍ Ｎ２/480ミル/200Ｃ/6Ｔ/45ＷＨＦ
続いて18000sccｍ Ｎ２/4.2トールでもって10分間400Ｃでアニーリング
電子ビーム処理は、２００から１５００までの照射量を与えるように、４ＫＶで６ｍＡの電流でもって４００℃の基板温度で行われた。
一般的に、引張り応力値は、電子ビーム処理でもって増大された。その増大は、より低い処理前引張り応力値を有する物質程著しかった。例えば、Ｃとラベル付けした堆積物質の場合には、その引張り応力値は、処理前のほぼ２００ＭＰａから電子ビーム処理後の約８００ＭＰａまで増大した。Ｅとラベル付けした堆積物質の引張り応力は、処理前の約２００ＭＰａから電子ビーム処理後の約１２００ＭＰａを越える値まで増大した。従って、電子ビーム処理は、堆積物質の引張り応力値を増大させるのに使用することができる。
１つの変形例では、堆積物質の化学気相堆積及び電子ビーム表面処理は、化学気相堆積チャンバ、電子ビーム照射チャンバ及び化学気相堆積チャンバから電子ビーム照射チャンバへ基板を移送するためのロボットを有するクラスタツールにて行われる。化学気相堆積チャンバ、電子ビーム照射チャンバにおける処理及び化学気相堆積チャンバから電子ビーム照射チャンバへの移送は、真空状態を維持しながら行われる。
II 圧縮応力をもたせた物質
基板上に圧縮応力をもたせた物質を堆積させるため、又は、堆積中又は堆積後にその圧縮応力値を増大させるように物質を処理するため、堆積プロセス及び処理条件を調整することもできる。説明により制限されることなく、堆積物質により多くのＳｉ-Ｎ結合を持たせＳｉ-Ｈ結合及びＮ-Ｈ結合を減少させてより高い膜密度を達成するようにＲＦ衝撃を増大することにより、より高い圧縮応力値を有する応力をもたせた窒化シリコン物質を得ることができることが見出されている。堆積温度及びＲＦ電力をより高くすることにより、堆積物質の圧縮応力レベルが改善された。また、プラズマ種の運動エネルギーレベルをより高くすることにより、堆積物質の圧縮応力レベルをより高くすることができた。プラズマイオン及び中性粒子の如きエネルギーを付与されたプラズマ種の衝撃により、膜密度が増大されるので、堆積物質に圧縮応力が発生されるものと考えられる。
引張り応力をもたせた物質の場合のように、圧縮応力をもたせた窒化シリコン物質を堆積させるのに使用される処理ガスも又、前述したようなシリコン含有ガス及び窒素含有ガスを含む。また、無線周波数のタイプ及び電力レベル、ガス流量及び圧力、基板温度及びその他の同様のプロセスの如き一般的な堆積処理条件は、別に特定しない限り、引張り応力をもたせた物質の堆積のために使用されたものとほぼ同じである。
圧縮応力をもたせた窒化シリコン物質を堆積するためには、チャンバへ導入される処理ガスは、シリコン含有ガスを含む第１の成分及び窒素含有ガスを含む第２の成分を含む。シリコン含有ガスは、例えば、シラン、ジシラン、トリメチルシリル（ＴＭＳ）、トリス（ジメチルアミノ）シラン（ＴＤＭＡＳ）、ビス（第三ブチルアミノ）シラン（ＢＴＢＡＳ）、ジクロロシラン（ＤＣＳ）及びそれらの組合せでありうる。例えば、適当なシランの流量は、約１０sccｍから約２００sccｍまでである。窒素含有ガスは、例えば、アンモニア、窒素及びそれらの組合せでありうる。適当なアンモニアの流量は、約５０sccｍから約６００sccｍまでである。処理ガスは、また、反応ガス成分よりはるかに多い体積にて与えられる希釈ガスを含むことができる。希釈ガスは、また、希釈剤として及び少なくとも部分的に反応窒素含有ガス、例えば、約５００sccｍから約２０，０００sccｍまでの流量での窒素としての両者の作用を果たすことができる。含みことのできる他のガスとしては、例えば、約１００sccｍから約５，０００sccｍまでの流量でのヘリウム又はアルゴンの如き不活性ガスがある。処理ガスは、また、シリコンオキシニトライド物質を堆積させるときには、酸素含有ガス、例えば、酸素の如き付加的ガスを含むことができる。別に特定しない限り、これらのプロセスにおいては、電極電力レベルは、典型的には、約１００ワットから約４００ワットまでに維持され、電極間隔は、約５ｍｍ（２００ミル）から約１２ｍｍ（６００ミル）までであり、処理ガス圧力は、約１トールから約４トールまでであり、基板温度は、約３００℃から約６００℃までである。
アルゴン、ヘリウム付加
圧縮応力をもたせた物質を堆積させるための１つの好ましいガスは、シリコン含有ガス及び窒素含有ガスからなる第１の成分及びアルゴン又はヘリウムの如き不活性ガスからなる第２の成分を含む。第１の成分に対する第２の成分の体積流量比をより高くすると、体積物質の圧縮応力値がより高くなった。これは、不活性ガス成分がプラズマ密度を増大させ、従って、イオン衝撃を増大させ、膜の全Ｈ含量を減少させるように作用するからであると考えられる。１つの好ましい組成として、処理ガスは、（ｉ）シランの如きシリコン含有ガス及びアンモニア及び窒素の如き窒素含有ガスからなる第１の成分と、（ｉｉ）アルゴン又はヘリウムからなる第２の成分と、を含む。第１の成分に対する第２の成分の比は、少なくとも１：１であり、より好ましくは、約１：４より小さい。一般的には、処理ガスについて使用された圧力は、約６トールから１０トールまでであった。基板の温度は、約４００℃と５５０℃との間に維持された。電極間隔は、約７．６ｍｍから約１５．２ｍｍ（３００ミルから６００ミル）までに維持された。
図１９Ａから図１９Ｄは、堆積物質の圧縮応力値、堆積割合、厚さ均一性及び屈折率のそれぞれに対する窒素に対するアルゴン流量比の効果を示している。この実施例では、応力をもたせた物質を堆積させるのに使用された処理条件は、表IIIの条件４に示すようなものであった。一般的には、Ｎ２に対するＡｒの比を増大すると、圧縮応力値がより高くなり（絶対応力値がより高くなることによって立証されるように）、堆積割合及び堆積物質の厚さが減少され、屈折率が増大される。圧縮応力及び厚さ均一性レベルの減少は、窒素に対するアルゴンの比が約１のところで横ばいとなり始める。アルゴンと窒素との比を１：１から３：１へと増大する場合、圧縮応力値は、約-２．３６ＧＰａから約-２．３８ＧＰａへとわずかだけ増大した。従って、窒素に対するアルゴンの流量比が少なくとも１：１、より好ましくは、約１：１から約３：１までのとき、堆積物質の圧縮応力値が最適となることが確認された。典型的には、アルゴンの流量は、約１０００sccｍから約１０，０００sccｍまでであり、窒素の流量は、約１０００sccｍから約２０，０００sccｍまでであった。アルゴンの代わりにヘリウムを、同じ体積流量比にて使用しても同じ結果を得ることができると考えられる。
圧縮：低いＲＦの電圧でのＳｉＨ４、Ｎ２、ＮＨ３及びＡｒ
この実施形態では、使用された処理ガスは、（ｉ）シランの如きシリコン含有ガスからなる第１の成分、（ｉｉ）窒素及びアンモニアからなる第２の成分、及び（ｉｉｉ）アルゴンからなる第３の成分を含んだ。シラン及びアンモニアが使用されたときには、以下の表IIIに示されるように、アンモニアに対するシランの体積流量比を高くすることにより、堆積物質の圧縮応力値をより高くすることができることが見出された。ＳｉＨ４/ＮＨ３の体積流量比を高くすることによって、プラズマ安定性をより良好なものとすることができ、それにより、堆積均一性を高め応力レベルをより高くすることができることも見出された。一般的に、アンモニアに対するシランの流量比は、少なくとも約０．２であり、より好ましくは、約０．２５から約３までであった。シランの流量は、典型的には、約１０sccｍから約１００sccｍまでであり、アンモニアの流量は、約２０sccｍから約３００sccｍまでであった。窒素の流量は、１０００sccｍであり、アルゴンの流量は、３０００sccｍであった。
堆積物質の圧縮応力は、約１ＭＨｚより低い周波数、より好ましくは、約１００ＫＨｚから１ＭＨｚまでの周波数、又は更に言えば約３００ＫＨｚの周波数を有する低いＲＦの電圧を電極に印加して処理ガスのプラズマを発生させることによって、更に高められた。この低いＲＦの電圧により、基板へのイオン衝撃が増大させられ高密度の膜とされ堆積物質び付加的な圧縮応力が生成された。この実施形態では、この低い無線周波数の電圧の適当な電力レベルは、約５０ワットから約３００ワットまでであった。
低いＲＦ及び高いＲＦの組合せ
堆積中又は堆積後の堆積物質に対するエネルギーを付与されたプラズマ種の衝撃は、チャンバ電極端に印加される高い周波数の電圧の周波数範囲及び電力レベルを選択することによっても増大させることができる。低い無線周波数の電力及び高い無線周波数の電力を組み合わせて使用することにより、堆積物質の圧縮応力値をより高くすることができることが確認された。１つの実施例では、高い圧縮応力値を得るための最適な低い無線周波数は、約１ＭＨｚより低い周波数、より好ましくは、約１００ＫＨｚから１ＭＨｚの周波数、更に言えば、約３００ＫＨｚの周波数であることが見出された。前述した低い無線周波数と組み合わせて使用される最適な高い無線周波数レベルは、約１０ＭＨｚから約２７ＭＨｚまで、より好ましくは、約１３．５ＭＨｚであった。
低い無線周波数の電力レベル及び高い無線周波数の電力レベルの組合せ印加により、最も高い圧縮応力値が発生されることが見出された。低いＲＦの電圧及び高いＲＦの電圧の両方の電力レベルをより高くすることにより、圧縮応力値が更に高められた。低いＲＦの電圧については、その電力レベルは、少なくとも約５０ワットとすべきであり、より好ましくは、約１００ワットから約４００ワットまでとすべきである。高いＲＦの電圧の適当な電力レベルは、少なくとも約１００ワット、より好ましくは、約２００ワットから約５００ワットまでであった。
小さい間隔ギャップ及び低いガス圧力
第１の電極１０５と第２の電極１０９との間の間隔距離ｄＳを、基板３２を衝撃するプラズマ種の運動エネルギーを相当に増大させるに十分小さく設定することにより、基板３２上に圧縮応力をもたせた物質を形成することができる。例えば、第１の電極１０５が基板支持体１０４であり、第２の電極１０９がガス分配器１０８であるときには、これら２つの電極１０５、１０９の間の間隔は、チャンバ内の基板支持体１０４の高さを調整することにより設定される。好ましくは、これら電極の間隔距離ｄＳは、約２５ｍｍより小さく、より好ましくは、少なくとも約１１ｍｍである。電極の間隔に加えて、チャンバ内の処理ガスのガス圧力をより高いレベルに設定することによっても、チャンバ８０におけるプラズマイオン衝撃エネルギーを更に増大させることができる。間隔を小さくしガス圧力をより高くすることにより、チャンバにおけるプラズマ種のイオン衝撃エネルギーが増大され、それにより、圧縮応力を有する物質が堆積させられると考えられる。適当な処理ガス圧力は、少なくとも約５トールであり、より好ましくは、約１．５トールから約３．５トールまでである。
表IIIは、圧縮応力をもたせた物質を堆積させるのに使用される処理パラメータのセットを例示している。処理ガス組成、流量及びその他の変数は、前の実施例と同じである。これらのパラメータは、適当な温度、ＳｉＨ４、ＮＨ３、Ｎ２及びＡｒの流量、高い無線周波数の電力レベル、低い無線周波数の電力レベル、電極間隔及び処理ガス圧力を含み、窒化シリコン物質の堆積プロセスの種々な実施形態に対して適当なものである。その結果生じた堆積割合、均一性、屈折率、応力値及びプラズマ安定性も示されている。
Figure 0004903154
III 応力をもたせた物質を有するＭＯＳＦＥＴの製造
１つの典型的な応用例として、図２０の概略横断面図に例示されているようなＭＯＳＦＥＴ構造体３９２の製造において、引張り又は圧縮応力をもたせた窒化シリコン物質が基板３２上に形成される。堆積され処理された窒化シリコン物質２０の比較的に高い内部応力は、トランジスタ２４のチャネル領域２８に歪みを誘起する。この誘起された歪みにより、チャネル領域２８におけるキャリア移動度が改善され、それにより、例えば、トランジスタ２４の飽和電流を増大させることによる如きトランジスタ性能の改善がなされる。この窒化シリコン物質２０は、ＭＯＳＦＥＴ２４内の、例えば、エッチストップ物質として等の他の用途も有している。高い応力をもたせた窒化シリコン物質２０は、これに限定されるわけではないが、バイポーラ接合トランジスタ、キャパシタ、センサ及びアクチュエータ等の他のトランジスタの如き他の構造体においても有用である。基板は、シリコンウエハであるか、又は、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、砒化ガリウム及びそれらの組合せの如き他の物質で形成されたものでもよい。また、基板３２は、ディスプレイの製造に使用されるガラスの如き絶縁体でもよい。
図２０に例示されたトランジスタ２４は、ｎ形半導体を形成するようにグループＶＡの元素を基板３２にドープすることにより形成されたソース領域及びドレイン領域３６、４０を有する負チャネル又はｎ-チャネルＭＯＳＦＥＴ（ＮＭＯＳ）である。このＮＭＯＳトランジスタでは、基板３２は、ソース領域及びドレイン領域３６、４０の外側では、ｐ形半導体を形成するようにグループIIIＡの元素でドープされている。ＮＭＯＳチャネル領域については、上層の応力をもたせた窒化シリコン物質は、引張り応力を有するように形成されている。
別の変形例では、ＭＯＳＦＥＴトランジスタ２４は、ｐ形半導体を形成するようにグループIIIＡの元素を基板にドープすることにより形成されるソース領域及びドレイン領域を有する正チャネル又はｐ-チャネルＭＯＳＦＥＴ（ＰＭＯＳ）（図示していない）からなる。ＰＭＯＳトランジスタでは、このトランジスタ２４は、ｎ形半導体からなる基板３２からなってもよいし、又は、ｐ形半導体からなる基板３２に形成したｎ形半導体からなるウエル領域を有するようなものでもよい。ＰＭＯＳチャネル領域は、圧縮応力をもたせた窒化シリコン物質で覆われる。
この図示の変形例では、トランジスタ２４は、シャロートレンチ分離として知られる技法である、基板３２上のトランジスタ２４又はトランジスタ２４の群の間の分離を行うためのトレンチ４４を備えている。このトレンチ４４は、典型的には、エッチング処理によってソース領域及びドレイン領域３６、４０の前に形成される。このトレンチ４４には、例えば、オキサイド/オキシニトライド雰囲気における急速熱酸化によって、このトレンチ４４の鋭い隅部（及びその他のどこかの部分）を取り巻くようなトレンチ側壁ライナー物質（図示していない）が形成されることがある。１つの変形例では、トレンチ４４には、引張り応力を有する物質４６が充填されることがあり、これは、また、チャネル領域２８へ引張り応力を与えるのに使用される。このトレンチ物質４６の堆積は、Ｏ３/テトラエトキシ（ＴＥＯＳ）ベース減圧化学気相堆積（ＳＡＣＶＤ）プロセスを使用することを含めて高アスペクト比プロセス（ＨＡＲＰ）を使用して行うことができる。過剰のトレンチ物質４６は、例えば、化学機械研磨によって除去することができる。
トランジスタは、ソース領域及びドレイン領域３６、４０の間のチャネル領域２８の上にゲート酸化物物質４８及びゲート電極５２を備える。図示の変形例では、トランジスタ２４は、また、ソース領域及びドレイン領域３６、４０並びにゲート電極５２の上にケイ化物物質５６を備える。このケイ化物物質５６は、下層のソース領域及びドレイン領域４０及びゲート電極５２に比べて高い導電性を有しており、金属コンタクト５４を通してのトランジスタ２４への及びトランジスタ２４からの電気信号の転送を容易なものとしている。使用される物質及び形成プロセスに依存して、ケイ化物物質５６は、引張り応力を有し、チャネル領域２８に引張り歪みを生ぜしめることができる。図示したトランジスタは、また、ケイ化物物質５６を形成するためのケイ化処理中にケイ化物物質５６を分離させておくためゲート電極５２の対向側壁部６８に配設されるスペーサー６０及び酸化物パッド物質６４を備える。ケイ化中に、連続金属物質（図示していない）が、酸化物含有ソース領域及びドレイン領域３６、４０及びゲート電極５２並びに窒化物含有スペーサー６０の上に堆積させられる。その金属は、ソース領域及びドレイン領域３６、４０及びゲート電極５２における下層シリコンと反応して、金属-シリコン合金ケイ化物物質を形成するが、スペーサー６０における窒化物物質とはあまり反応しない。従って、スペーサー６０は、ケイ化物物質５６における金属合金に影響を与えずに、上層の未反応の金属をエッチングによって取り除くことができるようにしている。
チャネル領域２８の長さは、ゲート酸化物物質４８の長さよりも短い。ソース領域３６のエッジとドレイン領域４０もエッジとの間で測定されたチャネル領域２８の長さは、約９０ｎｍ又はそれより短く、例えば、約９０ｎｍから約１０ｎｍまででもよい。チャネル領域２８の長さがより短くなるにつれて、ハローとしても知られているインプラント７２がチャネル領域２８内へと逆ドープされ、電荷キャリアがソース領域３６からドレイン領域４０へと、また、その逆に制御しえない形でホッピングするのを阻止する。
図２０に示す変形例では、窒化シリコン物質２０が、ケイ化物物質５６の上方に形成されている。窒化シリコン物質２０は、典型的には、チャネル領域２８へ歪みを与えると共に、コンタクトエッチストップとして作用する。この窒化シリコン物質２０は、圧縮応力から引張り応力までに亘る応力値を有するようにして堆積させることができる。窒化シリコン物質２０の応力を選択することにより、トランジスタ２４のチャネル領域２８に与えられる歪みのタイプを選択することができる。
窒化シリコン物質２０の形成に続いて、プリメタル絶縁体物質とも称される絶縁体物質７６を、窒化シリコン物質２０上に堆積させることができる。この絶縁体物質７６は、例えば、ホウリン珪酸ガラス、リン珪酸ガラス、ホウ珪酸ガラス、とりわけ、リン珪酸ガラスであってよい。絶縁体物質７６は、ＳＡＣＶＤに関連してＯ３/ＴＥＯＳを含むＨＡＲＰを使用して形成することができる。また、この絶縁体物質７６は、チャネル領域２８に引張り歪みを生ぜしめる引張り応力を有するものとすることもできる。
本発明の典型的な実施形態について示し説明したのであるが、当業者は、本発明を組み入れ且つ本発明の範囲内に入るその他の実施形態を考え出すことができよう。例えば、堆積膜を処理するのに、赤外線又は可視光の選択された波長の如き他の放射線処理を使用することもできる。また、異なる放射線露出を組み合わせて使用することもできる。更に又、用語「下方」、「上方」、「底部」、「上部」、「上に」、「下に」、「第１の」、「第２の」及びその他の相対的又は位置的用語は、図に示した典型的な実施形態に関してのものであり、互いに置き換えることができるものである。従って、特許請求の範囲は、これら実施形態に限定されるものではない。
ＰＥ−ＣＶＤ堆積チャンバである基板処理チャンバの１つの実施形態の概略図である。 窒化シリコン物質を適当なエネルギービーム源に対して露出させるのに適当な露出チャンバの概略図である。 基板温度の増大に伴う堆積物質の測定引張り応力値を示すグラフである。 堆積物質の引張り応力値及び厚さ均一性に対するＳｉＨ４及びＮＨ３の流量の効果の例を示すグラフである。 堆積物質の引張り応力値及び厚さ均一性に対するＳｉＨ４及びＮＨ３の流量の効果の例を示すグラフである。 堆積物質の引張り応力値、屈折率、堆積割合及び厚さ均一性に対するＳｉＨ４及びＮＨ３の流量の効果の例を示すグラフである。 堆積物質の引張り応力値、屈折率、堆積割合及び厚さ均一性に対するＳｉＨ４及びＮＨ３の流量の効果の例を示すグラフである。 堆積物質の引張り応力値、屈折率、堆積割合及び厚さ均一性に対するＳｉＨ４及びＮＨ３の流量の効果の例を示すグラフである。 堆積物質の引張り応力値、屈折率、堆積割合及び厚さ均一性に対するＳｉＨ４及びＮＨ３の流量の効果の例を示すグラフである。 ＳｉＨ４及びＮＨ３の流量を増大する場合における堆積物質の堆積割合、均一性、引張り応力値及び屈折率の変化を示すグラフである。 ＳｉＨ４及びＮＨ３の流量を増大する場合における堆積物質の堆積割合、均一性、引張り応力値及び屈折率の変化を示すグラフである。 堆積物質の堆積割合及び引張り応力値に対するＮ２流量の効果を示すグラフである。 処理ガス圧力を増大する場合における堆積窒化シリコンの引張り応力値の変化を示すグラフである。 低い無線周波数の電圧を異なる電力レベルで電極に印加することによって堆積される窒化シリコンの引張り応力値の変化を示すグラフである。 チャンバ電極に印加される高い無線周波数の電圧の電力レベルを増大する場合における堆積物質の堆積割合、物質厚さ均一性、引張り応力値及び屈折率への効果を示すグラフである。 チャンバ電極に印加される高い無線周波数の電圧の電力レベルを増大する場合における堆積物質の堆積割合、物質厚さ均一性、引張り応力値及び屈折率への効果を示すグラフである。 高いＲＦの電圧の電力レベルを増大する場合における異なる窒素プラズマ処理プロセスサイクルに対する測定引張り応力を示すグラフである。 異なる堆積及び窒素プラズマ処理プロセスサイクルの下で堆積される層について得られる引張り応力値及び屈折率を示すグラフである。 Ｎ２処理時間につれての堆積物質の引張り応力値の変化を示すグラフである。 異なるパージ及びポンプサイクルを有するプロセスについての引張り応力値に対するＮ２プラズマ処理時間の効果を示すグラフである。 紫外線露出時間を増大する場合における異なる処理条件（Ａ及びＢ）で堆積された物質の引張り応力値の変化を示す棒グラフである。 堆積直後のままの状態（実線）における応力をもたせた窒化シリコン物質のフーリエ変換赤外線（ＦＴＩＲ）スペクトル（堆積直後のままのものについては実線で示す）及び紫外線で処理した後の応力をもたせた窒化シリコン物質のフーリエ変換赤外線（ＦＴＩＲ）スペクトル（処理された膜については点線で示す）を示すグラフである。 単一波長紫外線露出（処理１）及び広帯域紫外線露出（処理２）の両者について、紫外線露出時間につれての堆積窒化シリコン物質の引張り応力の増大を示すグラフである。 紫外線露出時間につれての堆積窒化シリコン物質の引張り応力の増大を示すグラフである。 紫外線露出時間につれての堆積窒化シリコン物質の引張り応力の増大を示すグラフである。 紫外線露出時間につれての堆積窒化シリコン物質の引張り応力の増大を示すグラフである。 紫外線露出時間につれての堆積窒化シリコン物質の引張り応力の増大を示すグラフである。 異なる処理条件で堆積された物質の電子ビーム露出による引張り応力の増大を示すグラフである。 アルゴンと窒素との体積流量比を増大する場合における堆積物質の圧縮応力値、堆積割合、厚さ均一性及び屈折率の変化を示すグラフである。 アルゴンと窒素との体積流量比を増大する場合における堆積物質の圧縮応力値、堆積割合、厚さ均一性及び屈折率の変化を示すグラフである。 アルゴンと窒素との体積流量比を増大する場合における堆積物質の圧縮応力値、堆積割合、厚さ均一性及び屈折率の変化を示すグラフである。 アルゴンと窒素との体積流量比を増大する場合における堆積物質の圧縮応力値、堆積割合、厚さ均一性及び屈折率の変化を示すグラフである。 引張り応力をもたせた窒化シリコン物質を上層に堆積させたトランジスタ構造を部分的に示す基板の概略横断面図である。
符号の説明
２０…窒化シリコン物質、２４…トランジスタ、２８…チャネル領域、３２…基板、３６…ソース領域、４０…ドレイン領域、４４…トレンチ、４６…引張り応力を有する物質、４８…ゲート酸化物物質、５２…ゲート領域、５４…金属コンタクト、５６…ケイ化物物質、６０…スペーサー、６４…酸化物パッド物質、６８…対向側壁部、７６…絶縁体物質、８０…基板処理チャンバ、８４…包囲壁部、８８…天井壁部、９２…側壁部、９６…底壁部、１００…処理ゾーン、１０４…基板支持体、１０５…密閉形電極、１０６…基板搬送装置、１０７…ヒーター、１０８…ガス分配器、１０９…第２の電極、１１０ａ…第１の入口、１１０ｂ…第２の入口、１１１…フェイスプレート、１１２…孔、１２４ａ…第１のガス供給装置、１２４ｂ…第２のガス供給装置、１２８ａ…第１のガス源、１２８ｂ…第２のガス源、１３２ａ…第１のガス導管、１３２ｂ…第２のガス導管、１４４ａ…第１のガス弁、１４４ｂ…第２のガス弁、１８２…ガス排出装置、１８４…ポンピングチャネル、１８５…排出ポート、１８６…スロットル弁、１８８…排出ポンプ、１９６…コントローラ、１９８…電力供給装置、２００…露出チャンバ、２０４…露出源、２０６…ヒーター、２０８…ガス入口、２１０…ガス出口

Claims (2)

  1. 基板上に応力をもたせた物質を形成する方法において、
    （ａ）（i）上記基板を第１の処理ゾーンに置き、
    （ii）上記処理ゾーンへシリコン含有ガス及び窒素含有ガスを含む処理ガスを導入し、
    （iii）上記処理ガスのプラズマを発生させ、もってＳｉ−Ｎ結合を含む堆積物質が形成されるようにし、
    （iv）上記処理ゾーンから上記処理ガスを排出させる、
    ことによって上記基板上に物質を堆積させるステップと、
    （ｂ）上記Ｓｉ−Ｎ結合を含む堆積物質の引張り応力値を増大させるステップであって、上記堆積物質を、１７２ｎｍ又は２２２ｎｍの単一波長源又は２００ｎｍ〜４００ｎｍの広帯域源からの紫外線に露出させるステップを含む、前記引張り応力値を増大させるステップと、
    を備え、
    上記ステップ（ｂ）は、
    （１）上記堆積物質を広帯域紫外線に露出させる段階、及び
    （２）上記堆積物質の引張り応力値を所定の範囲とするため上記紫外線の波長及び強度を選択する段階、
    のうちの少なくとも１つを含む、
    前記方法。
  2. 上記処理ガスは、ＳｉＨ4、ＮＨ3及びＮ2を含み、もって前記堆積され応力をもたせた物質が窒化シリコンを含むようにする、請求項１に記載の方法。
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