JP5731841B2 - Method for forming silicon nitride film - Google Patents

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Description

本発明は、プラズマCVD装置を用いたシリコン窒化膜の形成方法に関する。   The present invention relates to a method for forming a silicon nitride film using a plasma CVD apparatus.

シリコン半導体を始めとする各種の電子デバイスの製造において、薄膜間における原子の拡散、水分や酸素といった大気成分の侵入を防止させることを目的としてシリコン窒化膜が、さらには光の反射を抑えることを目的として高屈折率を有するシリコン窒化膜が、幅広く使用されている。   In the manufacture of various electronic devices such as silicon semiconductors, silicon nitride films are used to suppress light reflection for the purpose of preventing the diffusion of atoms between thin films and the entry of atmospheric components such as moisture and oxygen. For the purpose, silicon nitride films having a high refractive index are widely used.

一般に、シリコン窒化膜は、炭素原子比率が低く、Siの組成に近い程、屈折率が高く、原子や大気成分のバリヤ性およびエッチング耐性も高いことが知られている。 In general, it is known that a silicon nitride film has a lower carbon atomic ratio, a higher refractive index, and a higher barrier property and etching resistance of atoms and atmospheric components, as it is closer to the composition of Si 3 N 4 .

ところで、シリコン窒化膜の形成方法としては、プラズマ励起化学気相法により、ジクロールシランとアンモニアとの混合ガスを700℃以上に加熱された成膜対象基板に供給することによって形成する方法が知られている。   By the way, as a method for forming a silicon nitride film, a method is known in which a mixed gas of dichlorosilane and ammonia is supplied to a film formation target substrate heated to 700 ° C. or higher by a plasma enhanced chemical vapor deposition method. It has been.

また、金属配線などを伴うパターン回路の形成された基板にシリコン窒化膜を形成する場合については、モノシランとアンモニアとの混合ガスを用い、形成温度を400℃程度とするプラズマ励起化学気相法を用いた形成方法が知られている(特許文献1)。   In the case of forming a silicon nitride film on a substrate on which a pattern circuit with metal wiring or the like is formed, a plasma enhanced chemical vapor deposition method using a mixed gas of monosilane and ammonia and a forming temperature of about 400 ° C. is used. The forming method used is known (Patent Document 1).

特許第33421643号公報Japanese Patent No. 33421633

しかしながら、特許文献1に記載の方法によってシリコン窒化膜の形成を行った場合、形成温度を400℃以下に低温化すると成膜されるシリコン窒化膜の吸湿性が急激に増加し、経時変化し易いという問題があった。   However, when the silicon nitride film is formed by the method described in Patent Document 1, when the formation temperature is lowered to 400 ° C. or lower, the hygroscopicity of the formed silicon nitride film increases rapidly and is likely to change over time. There was a problem.

このように、金属配線などを伴うパターン回路の形成された基板にシリコン窒化膜を形成する場合には、成膜温度を300℃以下、更に好適には200℃以下の低温環境とすることが望ましいが、そのような温度で安定したシリコン窒化膜を形成することは困難であった。   Thus, when a silicon nitride film is formed on a substrate on which a pattern circuit with metal wiring or the like is formed, it is desirable that the film forming temperature be a low temperature environment of 300 ° C. or lower, more preferably 200 ° C. or lower. However, it has been difficult to form a silicon nitride film that is stable at such temperatures.

また、モノシランの代わりに有機シランとアンモニアとを用いる方法もあるが、この方法により形成される膜は炭窒化膜(SiCN)となり、膜中の炭素含有量の調整を最適化できないと吸湿性が著しく高くなるという問題があった。   There is also a method using organic silane and ammonia instead of monosilane, but the film formed by this method is a carbonitride film (SiCN), and if the adjustment of the carbon content in the film cannot be optimized, the hygroscopic property is obtained. There was a problem that it was extremely high.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、プラズマCVD装置を用いてシリコン窒化膜を形成する際に、低温環境下(好ましくは300℃以下の形成温度)で膜特性に優れたシリコン窒化膜を形成することが可能なシリコン窒化膜の形成方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances. When forming a silicon nitride film using a plasma CVD apparatus, silicon having excellent film characteristics in a low temperature environment (preferably a forming temperature of 300 ° C. or lower). An object of the present invention is to provide a silicon nitride film forming method capable of forming a nitride film.

かかる課題を解決するため、
請求項1にかかる発明は、プラズマ発生手段として平行平板型電極により構成された容量結合型プラズマ源を備えたプラズマCVD装置を用いて、シリコン源となる原料ガスと窒素源となる原料ガスとの混合ガスを真空環境下でプラズマ化することにより、屈折率1.85以上のシリコン窒化膜を形成する方法であって、前記シリコン源として、テトラメチルジシラザンを用い、形成圧力を1〜100Paの範囲とし、プラズマ発生のための電力の電力密度を4〜5W/cmの範囲とし、前記テトラメチルジシラザンと前記窒素源となる原料ガスとの混合比を、流量比で1:100〜1:1000の範囲とすることを特徴とするシリコン窒化膜の形成方法である。
To solve this problem,
The invention according to claim 1 uses a plasma CVD apparatus provided with a capacitively coupled plasma source constituted by parallel plate electrodes as plasma generating means , using a source gas serving as a silicon source and a source gas serving as a nitrogen source. A method of forming a silicon nitride film having a refractive index of 1.85 or more by forming a mixed gas into a plasma in a vacuum environment, wherein tetramethyldisilazane is used as the silicon source, and the forming pressure is 1 to 100 Pa. The power density for generating plasma is in the range of 4 to 5 W / cm 2 , and the mixing ratio of the tetramethyldisilazane and the source gas serving as the nitrogen source is 1: 100 to 1 in terms of flow rate. : A method of forming a silicon nitride film, characterized in that the range is 1000.

請求項2にかかる発明は、形成温度を300℃以下とすることを特徴とする請求項1に記載のシリコン窒化膜の形成方法である。   The invention according to claim 2 is the method for forming a silicon nitride film according to claim 1, wherein the formation temperature is 300 ° C. or lower.

請求項3にかかる発明は、前記窒素源となる原料ガスとして、窒素ガスを用いることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のシリコン窒化膜の形成方法である。 The invention according to claim 3 is the method for forming a silicon nitride film according to claim 1 or 2 , wherein nitrogen gas is used as the source gas serving as the nitrogen source .

本発明のシリコン窒化膜の形成方法によれば、プラズマCVD装置を用いてシリコン窒化膜を形成する際に、300℃以下の形成温度で膜特性に優れたシリコン窒化膜を形成することができる。さらに、成膜条件を最適化することにより、屈折率1.85以上のシリコン窒化膜を形成することができる。   According to the method for forming a silicon nitride film of the present invention, when a silicon nitride film is formed using a plasma CVD apparatus, a silicon nitride film having excellent film characteristics can be formed at a forming temperature of 300 ° C. or lower. Furthermore, a silicon nitride film having a refractive index of 1.85 or more can be formed by optimizing the film formation conditions.

本発明の一実施形態であるシリコン窒化膜の形成方法に用いるプラズマCVD装置の例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the example of the plasma CVD apparatus used for the formation method of the silicon nitride film which is one Embodiment of this invention. 本発明の試験1の結果を示す図であり、シリコン源としてヘキサメチルジシラザンを用いて形成されたシリコン窒化膜の条件依存性を示すグラフである。It is a figure which shows the result of the test 1 of this invention, and is a graph which shows the condition dependence of the silicon nitride film formed using hexamethyldisilazane as a silicon source. 本発明の試験2の結果を示す図であり、シリコン源としてテトラメチルジシラザンを用いて形成されたシリコン窒化膜の条件依存性を示すグラフである。It is a figure which shows the result of the test 2 of this invention, and is a graph which shows the condition dependence of the silicon nitride film formed using tetramethyldisilazane as a silicon source. 本発明の試験3の結果を示す図であり、シリコン源としてテトラメチルジシラザンを用い、形成温度200℃で形成されたシリコン窒化膜の条件依存性を示すグラフである。It is a figure which shows the result of the test 3 of this invention, and is a graph which shows the condition dependence of the silicon nitride film formed at the formation temperature of 200 degreeC, using tetramethyldisilazane as a silicon source. 本発明の試験4の結果を示す図であり、シリコン源としてテトラメチルジシラザンを用い、形成温度300℃で形成されたシリコン窒化膜の条件依存性を示すグラフである。It is a figure which shows the result of the test 4 of this invention, and is a graph which shows the condition dependence of the silicon nitride film formed at the formation temperature of 300 degreeC, using tetramethyldisilazane as a silicon source. 本発明の試験5の結果を示す図であり、高屈折率の成膜条件で形成されたシリコン窒化膜の、成膜直後及び100時間経過後の赤外線吸収スペクトルを示す。It is a figure which shows the result of the test 5 of this invention, and shows the infrared absorption spectrum immediately after film-forming and after 100-hour progress of the silicon nitride film formed on the film-forming conditions of high refractive index.

以下、本発明を適用した一実施形態であるシリコン窒化膜の形成方法について、このシリコン窒化膜の形成方法を実施するためのプラズマCVD装置とともに、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。   Hereinafter, a silicon nitride film forming method according to an embodiment to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings together with a plasma CVD apparatus for carrying out the silicon nitride film forming method. In addition, in the drawings used in the following description, in order to make the features easy to understand, there are cases where the portions that become the features are enlarged for the sake of convenience, and the dimensional ratios of the respective components are not always the same as the actual ones. Absent.

本実施形態のシリコン窒化膜の形成方法は、プラズマCVD装置を用いて、成膜用ガスを真空環境下でプラズマ化することにより、シリコン窒化膜を形成する方法である。図1に、本実施形態のシリコン窒化膜の形成方法に用いるプラズマCVD装置の例を示す。   The silicon nitride film forming method of this embodiment is a method of forming a silicon nitride film by using a plasma CVD apparatus to turn a film forming gas into a plasma in a vacuum environment. FIG. 1 shows an example of a plasma CVD apparatus used in the silicon nitride film forming method of this embodiment.

図1に示すように、プラズマCVD装置1は、高周波電力を印加してプラズマを発生させる平行平板型などのプラズマ発生手段(図示略)を備え、プラズマ雰囲気中で基板上にシリコン窒化膜などの薄膜を形成するためのチャンバー2と、成膜用ガスを構成するシリコン源となるテトラメチルジシラザンを含む原料ガスをチャンバー2内に送り込む第1導入管3と、成膜用ガスを構成する窒素源となる窒素ガス(N)をチャンバー2内に送り込む第2導入管4と、チャンバー2内のガスを排気する排気ポンプ5を備えた排気管6とから概略構成されている。 As shown in FIG. 1, the plasma CVD apparatus 1 includes a parallel plate type plasma generating means (not shown) that generates plasma by applying high-frequency power, and a silicon nitride film or the like is formed on the substrate in a plasma atmosphere. A chamber 2 for forming a thin film, a first introduction pipe 3 for feeding a raw material gas containing tetramethyldisilazane serving as a silicon source constituting the film forming gas into the chamber 2, and nitrogen constituting the film forming gas It is generally configured by a second introduction pipe 4 for sending nitrogen gas (N 2 ) as a source into the chamber 2 and an exhaust pipe 6 provided with an exhaust pump 5 for exhausting the gas in the chamber 2.

成膜用ガスは、シリコン源となる原料ガスと窒素源となる原料ガスとの混合ガスである。
ここで、本実施形態のシリコン窒化膜の形成方法は、シリコン源としてテトラメチルジシラザン((CHH−Si−NH−Si−(CHH)を用いることを特徴とする。これにより、300℃以下の形成温度で膜特性に優れたシリコン窒化膜を形成することができる。
The film-forming gas is a mixed gas of a source gas that becomes a silicon source and a source gas that becomes a nitrogen source.
Here, the silicon nitride film forming method of the present embodiment is characterized by using tetramethyldisilazane ((CH 3 ) 2 H—Si—NH—Si— (CH 3 ) 2 H) as a silicon source. . As a result, a silicon nitride film having excellent film characteristics can be formed at a formation temperature of 300 ° C. or lower.

窒素源となる原料ガスとしては、窒素ガス(N)を例示しているが、これに限定されるものではなく、アンモニアガス(NH)等の一般的な窒素源を用いることができる。
窒 素源として窒素ガスを用いる場合、高屈折率のシリコン窒化膜が得られやすくなるために好ましい。
As the raw material gas as a nitrogen source that although the nitrogen gas (N 2), is not limited to this, it is possible to use a general source of nitrogen such as ammonia gas (NH 3).
When nitrogen gas is used as the nitrogen source, it is preferable because a silicon nitride film having a high refractive index is easily obtained.

図1に示すプラズマCVD装置1によるシリコン窒化膜の成膜にあたっては、先ず、チャンバー2内にシリコン基板などの基板を配置する。次に、第1導入管3から質量流量計7を介して所定流量のテトラメチルジシラザンを含む原料ガスを、第2導入管4から質量流量計8を介して所定流量の窒素ガスを、それぞれチャンバー2内に導入する。次いで、所定の流量、温度及び圧力にチャンバー2内が安定化したことを確認した後、プラズマ発生手段を作動させて、プラズマCVD反応により基板上にシリコン窒化膜を形成する。なお、チャンバー2内のガスは排気ポンプ5により吸引されて排気管6から排出される。   In forming a silicon nitride film by the plasma CVD apparatus 1 shown in FIG. 1, first, a substrate such as a silicon substrate is placed in the chamber 2. Next, a raw material gas containing tetramethyldisilazane at a predetermined flow rate from the first introduction pipe 3 through the mass flow meter 7, and a nitrogen gas at a predetermined flow rate from the second introduction pipe 4 through the mass flow meter 8, respectively. Introduce into chamber 2. Next, after confirming that the inside of the chamber 2 is stabilized at a predetermined flow rate, temperature and pressure, the plasma generating means is operated to form a silicon nitride film on the substrate by plasma CVD reaction. The gas in the chamber 2 is sucked by the exhaust pump 5 and discharged from the exhaust pipe 6.

ここで、シリコン源となるテトラメチルジシラザンを含む原料ガスは、テトラメチルジシラザンが低蒸気圧の液化ガスであるため、強制気化装置によってテトラメチルジシラザン単体で供給することが望ましいが、ヘリウムガスでバブリングし、ヘリウムガスに同伴させて供給しても良い。   Here, since the raw material gas containing tetramethyldisilazane as a silicon source is a liquefied gas having a low vapor pressure, tetramethyldisilazane is preferably supplied by tetramethyldisilazane alone by a forced vaporizer, The gas may be bubbled and supplied with helium gas.

また、チャンバー2内に導入する混合ガス(成膜用ガス)は、テトラメチルジシラザンを含む原料ガスと窒素源となる原料ガスとの混合比を、流量比で1:100〜1:1000の範囲とすることが好ましい。   Moreover, the mixed gas (film-forming gas) introduced into the chamber 2 has a flow rate ratio of 1: 100 to 1: 1000 as a mixing ratio of a source gas containing tetramethyldisilazane and a source gas serving as a nitrogen source. It is preferable to be in the range.

上記流量比が1:100未満であると、形成される膜中の窒素濃度が低くなるために好ましくはない。一方、上記流量比が1:1000を超えると、成膜速度が著しく低下するため、好ましくはない。
これに対して、上記流量比が上記範囲内であると、高い成膜速度条件を適用して経時変化のない膜を形成できるために好ましい。
If the flow rate ratio is less than 1: 100, the nitrogen concentration in the formed film becomes low, which is not preferable. On the other hand, when the flow rate ratio exceeds 1: 1000, the film formation rate is remarkably reduced, which is not preferable.
On the other hand, when the flow rate ratio is within the above range, it is preferable because a film that does not change with time can be formed by applying a high deposition rate condition.

形成温度(成膜温度)は特に限定されるものではないが、シリコン源としてテトラメチルジシラザンを用いることにより低温環境下での成膜を達成することが可能である。具体的には、形成温度を300℃以下、あるいは200℃以下の条件を用いても、バリヤ性やエッチング耐性といった膜特性に優れたシリコン窒化膜を形成することができる。   The formation temperature (film formation temperature) is not particularly limited, but it is possible to achieve film formation in a low temperature environment by using tetramethyldisilazane as a silicon source. Specifically, a silicon nitride film having excellent film characteristics such as barrier properties and etching resistance can be formed even when the formation temperature is 300 ° C. or lower or 200 ° C. or lower.

形成圧力は、1〜100Paの範囲で安定化させることが好ましい。形成圧力が1Pa未満であると、放電電圧が著しく増加し、異常放電を生じ易くなるために好ましくはない。一方、形成圧力が100Paを超えると、膜中の炭素濃度が増加し、低屈折率化するため、好ましくはない。
これに対して、形成圧力が上記範囲内であると、プラズマ放電の制御性を確保しつつ優れた膜特性を得られるために好ましい。
The forming pressure is preferably stabilized in the range of 1 to 100 Pa. When the forming pressure is less than 1 Pa, the discharge voltage is remarkably increased and abnormal discharge is likely to occur, which is not preferable. On the other hand, if the forming pressure exceeds 100 Pa, the carbon concentration in the film increases and the refractive index is lowered, which is not preferable.
On the other hand, when the formation pressure is within the above range, it is preferable because excellent film characteristics can be obtained while ensuring controllability of plasma discharge.

プラズマ発生手段としては、例えば、行平板型電極により構成された容量結合型プラズマ源を用い、電力密度を4〜5W/cmの範囲で印加する。
また、印加電力は、13.56MHzなどの高周波帯が望ましく、これに数100kHzから2MHzの低周波を合成しても良い。
なお、高周波電力の印加方法は容量結合型に限定されるものではなく、誘導結合型など、他の方式を用いることも出来る。
The plasma generating means, for example, using a capacitively coupled plasma source configured by a flat row plate electrodes, applying a power density in the range of 4~5W / cm 2.
The applied power is preferably a high frequency band such as 13.56 MHz, and a low frequency of several hundred kHz to 2 MHz may be combined with this.
Note that the method of applying high-frequency power is not limited to the capacitive coupling type, and other methods such as an inductive coupling type can also be used.

本実施形態のシリコン窒化膜の形成方法において、成膜ガスをテトラメチルジシラザンと窒素ガスとの混合ガスとし、テトラメチルジシラザンと窒素ガスとの混合比を流量比で1:100〜1:1000の範囲とするとともに、形成圧力を1〜100Paの範囲となるように成膜条件を調整することにより、300℃以下の形成温度でシリコン窒化膜を形成した場合であっても、屈折率1.85以上かつエッチング耐性、ガスバリア性が高いシリコン窒化膜を形成することができる。なお、屈折率の測定には、一般的な測定装置(例えば、SOPRA社製エリプソメトリー装置等)を用いることができる。   In the method for forming a silicon nitride film of the present embodiment, the film forming gas is a mixed gas of tetramethyldisilazane and nitrogen gas, and the mixing ratio of tetramethyldisilazane and nitrogen gas is 1: 100 to 1: Even when the silicon nitride film is formed at a forming temperature of 300 ° C. or lower by adjusting the film forming conditions so that the forming pressure is in the range of 1 to 100 Pa, the refractive index is 1 It is possible to form a silicon nitride film having a thickness of .85 or more and high etching resistance and gas barrier properties. For the measurement of the refractive index, a general measuring apparatus (for example, an ellipsometer manufactured by SOPRA) can be used.

以上説明したように、本実施形態のシリコン窒化膜の形成方法によれば、プラズマCVD装置を用いてシリコン窒化膜を形成する際に、シリコン源としてテトラメチルジシラザンを用いることにより、300℃以下の形成温度で膜特性に優れたシリコン窒化膜を形成することができる。   As described above, according to the method for forming a silicon nitride film of this embodiment, when forming a silicon nitride film using a plasma CVD apparatus, tetramethyldisilazane is used as a silicon source, so that it is 300 ° C. or lower. A silicon nitride film having excellent film characteristics can be formed at the formation temperature.

さらに、成膜ガスをテトラメチルジシラザンと窒素ガスとの混合ガスとし、テトラメチルジシラザンと窒素ガスとの混合比を流量比で1:100〜1:1000の範囲とするとともに、形成圧力を1〜100Paの範囲となるように成膜条件を最適化することにより、300℃以下の形成温度で屈折率1.85以上のシリコン窒化膜を形成することができる。   Further, the film forming gas is a mixed gas of tetramethyldisilazane and nitrogen gas, the mixing ratio of tetramethyldisilazane and nitrogen gas is in the range of 1: 100 to 1: 1000 in flow rate ratio, and the forming pressure is By optimizing the film formation conditions so as to be in the range of 1 to 100 Pa, a silicon nitride film having a refractive index of 1.85 or more can be formed at a formation temperature of 300 ° C. or less.

以下、具体例を示す。
[試験1]
アプライドマテリアルズ社製プラズマCVD装置(Precision5000,DxL,電極面積:123cm)を用い、成膜ガスとしてヘキサメチルジシラザン(HMDS)と窒素ガスとの混合ガスを用いてシリコン窒化膜を形成した。
Specific examples are shown below.
[Test 1]
Using a plasma CVD apparatus (Precision 5000, DxL, electrode area: 123 cm 2 ) manufactured by Applied Materials, a silicon nitride film was formed using a mixed gas of hexamethyldisilazane (HMDS) and nitrogen gas as a film forming gas.

形成条件(成膜条件)は、ヘキサメチルジシラザンの流量を1sccm、成膜温度を200℃、圧力を0.5Torr、電極間距離を7.6mmに固定した。そして、窒素ガスの流量を250〜350sccmの範囲で、放電電力を400〜600Wの範囲でそれぞれ変化させた。形成されたシリコン窒化膜の屈折率と窒素ガス流量及び放電電力との関係を図2に示す。   The formation conditions (film formation conditions) were a hexamethyldisilazane flow rate of 1 sccm, a film formation temperature of 200 ° C., a pressure of 0.5 Torr, and a distance between electrodes of 7.6 mm. The flow rate of nitrogen gas was changed in the range of 250 to 350 sccm, and the discharge power was changed in the range of 400 to 600 W. The relationship between the refractive index of the formed silicon nitride film, the nitrogen gas flow rate, and the discharge power is shown in FIG.

図2に示すように、シリコン源にヘキサメチルジシラザン(HMDS)を用いて形成されたシリコン窒化膜は、本条件範囲において得られる最高屈折率が1.82であり、屈折率1.85以上とはならないことを確認した。   As shown in FIG. 2, the silicon nitride film formed using hexamethyldisilazane (HMDS) as the silicon source has a maximum refractive index of 1.82 and a refractive index of 1.85 or more. It was confirmed that it would not be.

また、図2に示すように、窒素ガス流量の高流量側及び低放電電力側に屈折率増加傾向が確認できるが、窒素ガス流量を増やし過ぎると圧力を低く保てなくなるために好ましくない。一方、放電電力を低くし過ぎると基板上に形成される膜の厚さが不均一になるため、好ましくない。   Moreover, as shown in FIG. 2, although the refractive index increase tendency can be confirmed on the high flow rate side and the low discharge power side of the nitrogen gas flow rate, if the nitrogen gas flow rate is increased too much, the pressure cannot be kept low, which is not preferable. On the other hand, if the discharge power is too low, the thickness of the film formed on the substrate becomes non-uniform, which is not preferable.

[試験2]
成膜ガスのシリコン源をヘキサメチルジシラザン(HMDS)からテトラメチルジシラザン(TMDS)に変更した以外は試験1と同じ条件でシリコン窒化膜を形成し、成膜評価を実施した。形成されたシリコン窒化膜の屈折率と窒素ガス流量及び放電電力との関係を図3に示す。
[Test 2]
A silicon nitride film was formed under the same conditions as in Test 1 except that the silicon source of the film formation gas was changed from hexamethyldisilazane (HMDS) to tetramethyldisilazane (TMDS), and film formation was evaluated. FIG. 3 shows the relationship between the refractive index of the formed silicon nitride film, the nitrogen gas flow rate, and the discharge power.

図3に示すように、シリコン源としてテトラメチルジシラザン(TMDS)を用いて形成されたシリコン窒化膜は、本条件範囲において得られる最高屈折率が1.90であることを確認した。また、放電電力については、電力密度(放電電力/電極面積)が4〜5W/cmの時に屈折率が1.85以上となり、これよりも低い条件および高い条件では屈折率の低下が認められた。 As shown in FIG. 3, the silicon nitride film formed using tetramethyldisilazane (TMDS) as the silicon source was confirmed to have a maximum refractive index of 1.90 obtained in this condition range. As for the discharge power, the refractive index is 1.85 or more when the power density (discharge power / electrode area) is 4 to 5 W / cm 2 , and a decrease in the refractive index is observed under lower and higher conditions. It was.

ところで、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)及びテトラメチルジシラザン(TMDS)の分子構造は、以下の通りである。
ヘキサメチルジシラザン: (CH−Si−NH−Si−(CH
テトラメチルジシラザン: (CHH−Si−NH−Si−(CH
By the way, the molecular structures of hexamethyldisilazane (HMDS) and tetramethyldisilazane (TMDS) are as follows.
Hexamethyldisilazane: (CH 3) 3 -Si- NH-Si- (CH 3) 3
Tetramethyldisilazane: (CH 3) 2 H- Si-NH-Si- (CH 3) 2 H

また、表1にヘキサメチルジシラザン(HMDS)及びテトラメチルジシラザン(TMDS)の分子内結合エネルギー(単位:kJ/mol)を示す。

Figure 0005731841
Table 1 shows the intramolecular binding energy (unit: kJ / mol) of hexamethyldisilazane (HMDS) and tetramethyldisilazane (TMDS).
Figure 0005731841

表1に示すように、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)とテトラメチルジシラザン(TMDS)との間には、結合解離エネルギーに優位差は認められない。一方、分子構造については、テトラメチルジシラザンは、シリコン原子(Si)に結合した水素原子(H)とメチル基(−CH)とが隣接しており、メタン(CH)としてガス化する。このため、シリコン源としてテトラメチルジシラザン(TMDS)を用いて形成されたシリコン窒化膜の組成は低炭素成分となり、高屈折率化しているものと考えられる。 As shown in Table 1, there is no significant difference in bond dissociation energy between hexamethyldisilazane (HMDS) and tetramethyldisilazane (TMDS). On the other hand, regarding the molecular structure, tetramethyldisilazane is gasified as methane (CH 4 ), in which a hydrogen atom (H) bonded to a silicon atom (Si) and a methyl group (—CH 3 ) are adjacent to each other. . For this reason, it is considered that the composition of the silicon nitride film formed using tetramethyldisilazane (TMDS) as the silicon source has a low carbon component and a high refractive index.

同様の効果から、高屈折率を有するシリコン窒化膜を形成する際のシリコン源としては、より低メチル化のシラザンを用いることが有利と考えられる。しかしながら、テトラメチルジシラザンよりも低メチル化のジシラザン化合物は、材料自体の安定性が低く、常温保管状態で重合反応を引き起こすため、安定した使用が出来ないという問題がある。   From the same effect, it is considered advantageous to use a lower methylated silazane as a silicon source when forming a silicon nitride film having a high refractive index. However, a disilazane compound having a lower methylation than tetramethyldisilazane has a problem that the stability of the material itself is low and a polymerization reaction is caused in a room temperature storage state, so that it cannot be used stably.

[試験3]
成膜ガスとしてテトラメチルジシラザン(TMDS)と窒素ガスとの混合ガスを用いた。形成条件(成膜条件)としては、窒素ガスの流量を300sccm、成膜温度を200℃、電極間距離を7.6mmに固定した。そして、変動因子として放電電力を400〜600W、形成圧力を1〜1.5Torr、テトラメチルジシラザン(TMDS)の流量を1〜3sccmの範囲でそれぞれ変化させ、形成されたシリコン窒化膜の条件依存性を評価した。図4に測定結果を示す。
[Test 3]
A gas mixture of tetramethyldisilazane (TMDS) and nitrogen gas was used as the film forming gas. As formation conditions (film formation conditions), the flow rate of nitrogen gas was fixed at 300 sccm, the film formation temperature was 200 ° C., and the distance between the electrodes was fixed at 7.6 mm. Then, the discharge power is changed to 400 to 600 W, the forming pressure is set to 1 to 1.5 Torr, and the flow rate of tetramethyldisilazane (TMDS) is changed in the range of 1 to 3 sccm as variable factors, and the dependency on the condition of the formed silicon nitride film Sex was evaluated. FIG. 4 shows the measurement results.

図4に示すように、本条件範囲において得られる最高屈折率は1.83であり、屈折率1.85以上とはならないことを確認した。この結果より、シリコン源としてヘキサメチルジシラザン(HMDS)を用いた場合であっても、成膜条件を最適化しない限り高屈折率のシリコン窒化膜は形成されないことが明らかとなった。   As shown in FIG. 4, it was confirmed that the maximum refractive index obtained in this condition range was 1.83, and the refractive index was not 1.85 or more. From this result, it was found that even when hexamethyldisilazane (HMDS) was used as the silicon source, a silicon nitride film having a high refractive index was not formed unless the film formation conditions were optimized.

[試験4]
形成温度を300℃に変更した以外は試験3と同じ条件でシリコン窒化膜を形成し、成膜評価を実施した。形成されたシリコン窒化膜の条件依存性の評価結果を図5に示す。
[Test 4]
A silicon nitride film was formed under the same conditions as in Test 3 except that the formation temperature was changed to 300 ° C., and the film formation was evaluated. FIG. 5 shows the evaluation results of the condition dependency of the formed silicon nitride film.

図5に示すように、形成温度を300℃として形成されたシリコン窒化膜は、本条件範囲において得られる最高屈折率が2.07であることを確認した。
また、本試験で形成したシリコン窒化膜は、形成温度200℃で形成したシリコン窒化膜(試験3)と比較して、全体的に高屈折率となることを確認した。
As shown in FIG. 5, it was confirmed that the silicon nitride film formed at the formation temperature of 300 ° C. has a maximum refractive index of 2.07 obtained in this condition range.
Further, it was confirmed that the silicon nitride film formed in this test had a high refractive index as a whole as compared with the silicon nitride film formed at a formation temperature of 200 ° C. (Test 3).

[試験5]
窒素源として、窒素ガスとアンモニアとを用いた場合の比較を行った。表2に、成膜条件および得られたシリコン窒化膜の屈折率を示す。なお、窒素源としてアンモニアを用いる場合、キャリアガスとして窒素ガスを用いた(表2参照)
[Test 5]
Comparison was made when nitrogen gas and ammonia were used as the nitrogen source. Table 2 shows the film forming conditions and the refractive index of the obtained silicon nitride film. When ammonia was used as the nitrogen source, nitrogen gas was used as the carrier gas (see Table 2).

Figure 0005731841
Figure 0005731841

表2に示すように、窒素源としてアンモニアを用いる場合よりも窒素を用いた方が相対的に屈折率は高くなることが確認できた。したがって、屈折率が高いシリコン窒化膜を形成するためには、窒素源としては窒素ガスを用いることが望ましい。   As shown in Table 2, it was confirmed that the refractive index was relatively higher when nitrogen was used than when ammonia was used as the nitrogen source. Therefore, in order to form a silicon nitride film having a high refractive index, it is desirable to use nitrogen gas as the nitrogen source.

[試験6]
シリコン源としてテトラメチルジシラザン(TMDS)を用いて形成されたシリコン窒化膜について、経時変化の有無を確認した。
[Test 6]
The silicon nitride film formed using tetramethyldisilazane (TMDS) as the silicon source was checked for changes with time.

先ず、高屈折率のシリコン窒化膜の形成条件としては、テトラメチルジシラザン(TMDS)の流量を1sccm、窒素ガスの流量を300sccm、成膜温度を200℃、電極間距離を7.6mm、放電電力を540W、形成圧力を0.5Torrとした。
これに対して、低屈折率のシリコン窒化膜の形成条件としては、テトラメチルジシラザン(TMDS)の流量を5sccm、窒素ガスの流量を750sccm、成膜温度を200℃、電極間距離を7.6mm、放電電力を500W、形成圧力を3Torrとした。
First, the conditions for forming a high refractive index silicon nitride film are as follows: the flow rate of tetramethyldisilazane (TMDS) is 1 sccm, the flow rate of nitrogen gas is 300 sccm, the deposition temperature is 200 ° C., the distance between the electrodes is 7.6 mm, and the discharge is performed. The power was 540 W and the forming pressure was 0.5 Torr.
On the other hand, the formation conditions of the low refractive index silicon nitride film are as follows: the flow rate of tetramethyldisilazane (TMDS) is 5 sccm, the flow rate of nitrogen gas is 750 sccm, the deposition temperature is 200 ° C., and the distance between the electrodes is 7. The discharge power was 500 W and the forming pressure was 3 Torr.

次に、成膜されたシリコン窒化膜について、成膜直後と成膜から100時間大気中に保管した後の状態について、屈折率の測定及び赤外吸収スペクトルの測定を行った。表3に、それぞれのシリコン窒化膜の屈折率の測定結果を示す。また、図6に、高屈折率の成膜条件で形成されたシリコン窒化膜の、成膜直後及び100時間経過後の赤外線吸収スペクトルを示す。   Next, with respect to the formed silicon nitride film, the refractive index and the infrared absorption spectrum were measured immediately after the film formation and after being stored in the atmosphere for 100 hours after the film formation. Table 3 shows the measurement results of the refractive index of each silicon nitride film. FIG. 6 shows infrared absorption spectra of a silicon nitride film formed under a high refractive index film formation condition immediately after film formation and after 100 hours have elapsed.

Figure 0005731841
Figure 0005731841

表3に示すように、高屈折率及び低屈折率となるそれぞれの成膜条件で形成されたシリコン窒化膜では、いずれも屈折率の経時変化が観測されないことがわかった。   As shown in Table 3, it was found that no change in refractive index with time was observed in the silicon nitride films formed under the respective film forming conditions having a high refractive index and a low refractive index.

図6に示すように、高屈折率の成膜条件で形成されたシリコン窒化膜における、成膜直後及び成膜後100時間経過後の赤外線吸収スペクトルのいずれにおいても、吸湿が発生した場合に出現するSi−OHに帰属される吸収が観測されないことを確認した。したがって、本発明のシリコン窒化膜の形成方法によって形成されたシリコン窒化膜は、経時変化しない膜質であることが確認された。   As shown in FIG. 6, in a silicon nitride film formed under a film formation condition with a high refractive index, it appears when moisture absorption occurs both in the infrared absorption spectrum immediately after film formation and after 100 hours after film formation. It was confirmed that no absorption attributed to Si-OH was observed. Therefore, it was confirmed that the silicon nitride film formed by the silicon nitride film forming method of the present invention has a film quality that does not change with time.

以上説明したように、本発明のシリコン窒化膜の形成方法によれば、屈折率が1.85以上かつ耐性、バリヤ性が高いシリコン窒化膜を形成可能であることが確認された。   As described above, according to the method of forming a silicon nitride film of the present invention, it was confirmed that a silicon nitride film having a refractive index of 1.85 or more, high resistance, and high barrier properties can be formed.

1・・・プラズマCVD装置
2・・・チャンバー
3・・・第1導入管
4・・・第2導入管
5・・・排気ポンプ
6・・・排気管
7・・・質量流量計
8・・・質量流量計
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Plasma CVD apparatus 2 ... Chamber 3 ... 1st introduction pipe 4 ... 2nd introduction pipe 5 ... Exhaust pump 6 ... Exhaust pipe 7 ... Mass flow meter 8 ....・ Mass flow meter

Claims (3)

プラズマ発生手段として平行平板型電極により構成された容量結合型プラズマ源を備えたプラズマCVD装置を用いて、シリコン源となる原料ガスと窒素源となる原料ガスとの混合ガスを真空環境下でプラズマ化することにより、屈折率1.85以上のシリコン窒化膜を形成する方法であって、
前記シリコン源として、テトラメチルジシラザンを用い、
形成圧力を1〜100Paの範囲とし、
プラズマ発生のための電力の電力密度を4〜5W/cmの範囲とし、
前記テトラメチルジシラザンと前記窒素源となる原料ガスとの混合比を、流量比で1:100〜1:1000の範囲とすることを特徴とするシリコン窒化膜の形成方法。
Using a plasma CVD apparatus equipped with a capacitively coupled plasma source composed of parallel plate electrodes as plasma generating means , a mixed gas of a source gas serving as a silicon source and a source gas serving as a nitrogen source is plasmad in a vacuum environment. A method of forming a silicon nitride film having a refractive index of 1.85 or more,
Tetramethyldisilazane is used as the silicon source,
The forming pressure is in the range of 1 to 100 Pa,
The power density of power for generating plasma is in the range of 4 to 5 W / cm 2 ,
A method for forming a silicon nitride film, wherein a mixing ratio of the tetramethyldisilazane and the source gas serving as the nitrogen source is in a range of 1: 100 to 1: 1000 in flow rate ratio.
形成温度を300℃以下とすることを特徴とする請求項1に記載のシリコン窒化膜の形成方法。   The method for forming a silicon nitride film according to claim 1, wherein the formation temperature is 300 ° C. or lower. 前記窒素源となる原料ガスとして、窒素ガスを用いることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のシリコン窒化膜の形成方法。   3. The method of forming a silicon nitride film according to claim 1, wherein nitrogen gas is used as a source gas serving as the nitrogen source.
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