JP5922352B2 - 窒化膜の製造装置及びその製造方法、並びにその製造プログラム - Google Patents

窒化膜の製造装置及びその製造方法、並びにその製造プログラム Download PDF

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Description

本発明は、窒化膜の製造装置及びその製造方法、並びにその製造プログラムに関するものである。
半導体を用いた各種デバイスの開発と活用の勢いは未だその衰えを知らず、今後も重要な地位を占め続けることは疑いない。この半導体を用いたデイバス開発を支える主要な要素技術の１つが、酸化膜、窒化膜、又は酸窒化膜等のいわゆる薄膜の形成技術である。半導体構造の微細化が日進月歩で進められていく中で、膜質の向上とともに制御性の高い膜の形成を実現することは、この要素技術の発展には欠かせないものとなる。
これまで、多くの成膜技術が開示されてきた。例えば、平行平板型のプラズマＣＶＤ装置において、２種類の異なる周波数の電力を同時に印加することにより、形成される絶縁膜のチャージアップダメージを抑制又は防止する技術が既に開示されている（特許文献１）。
特開２００２−３６７９８６号公報
上述のとおり、半導体を用いた各種デバイスの開発においては、薄膜の形成技術としての膜質や制御性の向上が強く望まれる。
半導体構造が年々微細化されていく中では、その膜質の向上とともに、膜の形成によって生じ得る各種の応力（ストレスともいう。本出願では総称して「応力」という。）を適切に制御しなければ、そのデバイスの耐久性を含む信頼性等に少なからず影響することになる。特に、酸窒化膜や窒化膜（以下、本出願では総称して「窒化膜」という。）は、膜質としての有用性から広範に活用されているが、一方において、その膜の形成によって生じてしまう応力の制御が非常に困難であるという難点が存在する。
例えば、上述の先行技術において開示されている、平行平板型のプラズマＣＶＤ装置において２種類の異なる周波数の電力を同時に印加することによって形成される窒化膜は、チャージアップの問題が解決されたとしても、その窒化膜の応力の制御性が低いという問題は依然として解決されない。
本願発明者らは、プラズマＣＶＤ法によって形成される窒化膜に対して所望の屈折率又は堆積速度の均一性を得るためには、その窒化膜に引張応力又は圧縮応力が生じ易いことを認識していた。しかしながら、通常、それらの応力を無くすために成膜条件（例えば、窒化膜が形成される基板の温度やその基板が配置されるチャンバー内の圧力など）を変えると、所望の屈折率が得られなくなるという問題が生じる。逆に言えば、所望の応力の得るためだけに各種のプロセス条件の最適化を図ると、得られた窒化膜の屈折率や堆積速度の均一性が所望の数値範囲から外れている場合が多く、上述の全ての物性値やプロセス特性を得るためには、数多くの試行錯誤を経なければならなかった。
本発明は、窒化膜の物性（屈折率）及び／又はプロセス特性（堆積速度の分布の均一性）を所定の数値範囲内に収めるとともに、窒化膜の応力の制御性を格段に高める技術を提供することにより、有用性の高い窒化膜の形成技術の更なる向上に貢献するものである。
上述のように、所望の窒化膜を得ることが困難な状況の中で、発明者らは数多くの成膜条件に基づく窒化膜の応力、屈折率、及び堆積速度の均一性に対する実験と分析を行った結果、幾つかの興味深い相関性のある実験結果を得た。具体的には、例えば、プラズマを形成する際に与えられる、周波数が相対的に高い高周波電力の場合の窒化膜が圧縮応力を有している一方、その周波数が相対的に低い場合の窒化膜は引張応力を有していることが明らかとなった。更に分析を進めると、独立して印加される、相対的に高い周波数の高周波電力（以下、「第１高周波電力」ともいう。）と相対的に低い周波数の高周波電力（以下、「第２高周波電力」ともいう。）との印加時間の比を調整さえすれば、形成された窒化膜に対する所望の応力のみならず、所望の屈折率及びと堆積速度の均一性が確度高く得られることが判明した。本発明は上述のような着眼点と事実に基づいて創出された。
本発明の１つの窒化膜の製造装置は、チャンバー内に配置された基板上にプラズマＣＶＤ法によって窒化膜を形成する窒化膜の製造装置である。より具体的には、この窒化膜の製造装置は、窒化膜の形成のために独立に印加する相対的に高い周波数の第１高周波電力及び／又は相対的に低い周波数の第２高周波電力とを用いて得られる、所定の数値範囲内に収まった前述の窒化膜の屈折率の分布及び／又は前述の窒化膜の堆積速度の分布に基づいて、所望（応力が０の場合を含む）のその窒化膜の圧縮応力又は引張応力を得るための前述の第１高周波電力が印加される第１期間と前述の第２高周波電力が印加される第２期間とを算出する制御部を備えている。
この製造装置によれば、独立に印加する上述の第１高周波電力及び／又は第２高周波電力を用いて基板上に窒化膜を形成するときの窒化膜の屈折率の分布及び／又はその窒化膜の堆積速度の分布が所定の数値範囲内に収まる条件が把握された状況で、所望の応力（応力が０の場合を含む）を得るための第１期間と第２期間とが算出される。換言すれば、第１高周波電力のみ又は第２高周波電力のみの印加に限らず、第１高周波電力と第２高周波電力とがそれぞれ独立に印加されることにより形成された、いわば積層膜である場合であっても、所望の応力を得るための任意の第１期間と第２期間とが算出されたときに、確度高く、所定の数値範囲の窒化膜の屈折率の分布及び／又はその窒化膜の堆積速度が得られる。なお、付言すれば、この製造装置において第１高周波電力又は第２高周波電力のいずれかが単独で印加される場合は、第１期間又は第２期間が存在しないことになる。
そのため、上述の製造装置によれば、最終的に得たい窒化膜の応力を設定さえすれば、そのための第１期間と第２期間とが制御部によって算出されるだけでなく、その窒化膜の屈折率の分布及び／又はその窒化膜の堆積速度の分布は所定の数値範囲内に収めることができるという特筆すべき効果が得られる。
また、本発明の１つの窒化膜の製造方法は、チャンバー内に配置された基板上にプラズマＣＶＤ法によって窒化膜を形成する窒化膜の製造方法である。より具体的には、この窒化膜の製造方法は、窒化膜の形成のために独立に印加する相対的に高い周波数の第１高周波電力及び／又は相対的に低い周波数の第２高周波電力を用いて所定の数値範囲内に収まった前述の窒化膜の屈折率の分布及び／又は前述の窒化膜の堆積速度の分布を得る工程と、その窒化膜の屈折率の分布及び／又はその窒化膜の堆積速度の分布に基づいて、所望（応力が０の場合を含む）の前述の窒化膜の圧縮応力又は引張応力を得るための前述の第１高周波電力が印加される第１期間と前述の第２高周波電力が印加される第２期間とを算出する工程と、を含む。
この製造方法によれば、独立に印加する上述の第１高周波電力及び／又は第２高周波電力を用いて基板上に窒化膜を形成するときの窒化膜の屈折率の分布及び／又はその窒化膜の堆積速度の分布が所定の数値範囲内に収まる条件が把握された状況で、所望の応力（応力が０の場合を含む）を得るための第１期間と第２期間とが算出される。換言すれば、第１高周波電力のみ又は第２高周波電力のみの印加に限らず、第１高周波電力と第２高周波電力とがそれぞれ独立に印加されることにより形成された、いわば積層膜である場合であっても、所望の応力を得るための任意の第１期間と第２期間とが算出されたときに、確度高く、所定の数値範囲の窒化膜の屈折率の分布及び／又はその窒化膜の堆積速度が得られる。なお、付言すれば、この製造方法において第１高周波電力又は第２高周波電力のいずれかが単独で印加される場合は、第１期間又は第２期間が存在しないことになる。
そのため、上述の製造方法によれば、最終的に得たい窒化膜の応力を設定さえすれば、そのための第１期間と第２期間とを算出されるだけでなく、その窒化膜の屈折率の分布及び／又はその窒化膜の堆積速度の分布は所定の数値範囲内に収めることができるという特筆すべき効果が得られる。
また、本発明の１つの窒化膜の製造プログラムは、チャンバー内に配置された基板上にプラズマＣＶＤ法によって窒化膜を形成する窒化膜の製造プログラムである。より具体的には、この窒化膜の製造プログラムは、コンピューターに、窒化膜の形成のために独立に印加する相対的に高い周波数の第１高周波電力及び／又は相対的に低い周波数の第２高周波電力を用いて所定の数値範囲内に収まった前述の窒化膜の屈折率の分布及び／又は前記窒化膜の堆積速度の分布を取得させるステップと、前述の窒化膜の屈折率の分布及び／又はその窒化膜の堆積速度の分布に基づいて、所望（応力が０の場合を含む）の窒化膜の圧縮応力又は引張応力を得るための前述の第１高周波電力が印加される第１期間と前述の第２高周波電力が印加される第２期間とを算出させるステップと、を実行させる命令を含む。
この製造プログラムによれば、独立に印加する上述の第１高周波電力及び／又は第２高周波電力を用いて基板上に窒化膜を形成するときの窒化膜の屈折率の分布及び／又はその窒化膜の堆積速度の分布が所定の数値範囲内に収まる条件が把握された状況で、所望の応力（応力が０の場合を含む）を得るための第１期間及び第２期間の算出が実行される。換言すれば、第１高周波電力のみ又は第２高周波電力のみの印加に限らず、第１高周波電力と第２高周波電力とがそれぞれ独立に印加されることにより形成された、いわば積層膜である場合であっても、所望の応力を得るための任意の第１期間と第２期間とが算出されたときに、確度高く、所定の数値範囲の窒化膜の屈折率の分布及び／又はその窒化膜の堆積速度が得られる。なお、付言すれば、この製造プログラムにおいて第１高周波電力又は第２高周波電力のいずれかが単独で印加される場合は、第１期間又は第２期間が存在しないことになる。
そのため、上述の製造プログラムによれば、最終的に得たい窒化膜の応力を設定さえすれば、そのための第１期間と第２期間とを算出されるだけでなく、その窒化膜の屈折率の分布及び／又はその窒化膜の堆積速度の分布は所定の数値範囲内に収めることができるという特筆すべき効果が得られる。
加えて、本出願においては、上述の製造プログラムにより制御される制御部を備えた窒化膜の製造装置も１つの製造装置の例として開示される。
ところで、本出願において、上述の製造装置、製造方法、及び製造プログラムにおける「引張応力」とは、図１に示すように、基板２０上にある窒化膜９０ａが形成された状態で、膜が収縮する（図１の矢印９１ａの）方向の応力をいう。この応力により、基板２０の材質等によって程度の差はあるが、基板２０が矢印２１ａの方向に湾曲するように変形することになる。なお、一般的には、この方向の応力に対して「＋」（プラス）の数値が与えられる。他方、上述の製造装置、製造方法、及び製造プログラムにおける「圧縮応力」とは、図２に示すように、基板２０上にある窒化膜９０ｂが形成された状態で、膜が膨張する（図２の矢印９１ｂの）方向の応力をいう。この応力により、基板２０の材質等によって程度の差はあるが、基板２０が矢印２１ｂの方向に湾曲するように変形することになる。なお、一般的には、この方向の応力に対して「−」（マイナス）の数値が与えられる。
また、上述の製造装置、製造方法、及び製造プログラムにおいて、「所望の圧縮応力又は引張応力」には、応力が０（ゼロ）とは異なる値となる場合も含まれる。窒化膜単層を考慮した場合においては、上述の応力が生じない（つまり、「０（ゼロ）」となる）ことが好ましいが、他の膜（例えば、ある応力が既に生じている酸化膜）との積層膜が形成される際に、その積層膜全体として応力を生じさせないことが要求される場合がある。そのような場合においては、形成する窒化膜単層に対して敢えて引張応力又は圧縮応力を与えることも現実的に採用され得るためである。
本発明の１つの窒化膜の製造装置によれば、最終的に得たい窒化膜の応力を設定さえすれば、そのための第１期間と第２期間とが制御部によって算出されるだけでなく、その窒化膜の屈折率の分布及び／又はその窒化膜の堆積速度の分布は所定の数値範囲内に収めることができるという特筆すべき効果が得られる。また、本発明の１つの窒化膜の製造方法、又は本発明の１つの窒化膜の製造プログラムによれば、最終的に得たい窒化膜の応力を設定さえすれば、そのための第１期間と第２期間とを算出されるだけでなく、その窒化膜の屈折率の分布及び／又はその窒化膜の堆積速度の分布は所定の数値範囲内に収めることができるという特筆すべき効果が得られる。
本出願における引張応力の定義を示す概念図である。 本出願における圧縮応力の定義を示す概念図である。 本発明の１つの実施形態における窒化膜の製造装置の構成を示す一部断面図である。 本発明の１つの実施形態における第１高周波電力のみ及び第２高周波電力のみが印加された場合の、印加電力の変化に対する窒化シリコン膜の応力の変化を示すグラフである。 本発明の１つの実施形態における第１高周波電力のみ及び第２高周波電力のみが印加された場合の、チャンバー内圧力の変化に対する窒化シリコン膜の応力の変化を示すグラフである。 本発明の１つの実施形態における第１高周波電力のみ及び第２高周波電力のみが印加された場合の、チャンバー内に導入する２種類の反応性ガス（シラン（ＳｉＨ４）ガスとアンモニア（ＮＨ３）ガス）の流量比を１：１としたときの総流量の変化に対する窒化シリコン膜の応力の変化を示すグラフである。 本発明の１つの実施形態における第１高周波電力のみ及び第２高周波電力のみが印加された場合の、チャンバー内に導入する非反応性ガス（窒素（Ｎ２）ガス）の流量の変化に対する窒化シリコン膜の応力の変化を示すグラフである。 本発明の１つの実施形態における第１高周波電力のみ及び第２高周波電力のみが印加された場合の、基板温度の変化に対する窒化シリコン膜の応力の変化を示すグラフである。 本発明の１つの実施形態における第１期間と第２期間との比率を変動させた場合の応力の変化を示すグラフである。 本発明の１つの実施形態における第１期間と第２期間との比率を変動させた場合の、堆積速度と面内均一性（換言すれば、面内不均一性）の変化を示すグラフである。 本発明の１つの実施形態における第１期間と第２期間との比率を変動させた場合の、屈折率の変化を示すグラフである。 本発明の１つの実施形態における窒化膜の製造フローチャートである。 本発明の他の実施形態における第１期間と第２期間との比率を変動させた場合の応力の変化を示すグラフである。 本発明の他の実施形態における第１期間と第２期間との比率を変動させた場合の、堆積速度と面内均一性（換言すれば、面内不均一性）の変化を示すグラフである。 本発明の他の実施形態における第１期間と第２期間との比率を変動させた場合の、屈折率の変化を示すグラフである。
つぎに、本発明の実施形態を、添付する図面に基づいて詳細に述べる。尚、この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。また、図中、本実施形態の要素は必ずしもスケール通りに示していない。また、以下の各種ガスの流量は、標準状態の流量を示す。
＜第１の実施形態＞
図３は、本実施形態の窒化膜（具体的には、窒化シリコン膜（ＳｉＮ））の製造装置１００の構成を示す一部断面図である。本図面は概略図であるため、公知のガス供給機構の一部や排気機構の一部を含む周辺装置は省略されている。
図３に示すように、本実施形態の窒化膜の製造装置１００は、平行平板型のプラズマＣＶＤ装置であり、大きく分類すれば、チャンバー３０と、複数のガスボンベ３２ａ，３２ｂ，３２ｃと、コンピューター６０に接続する制御部３９とを備えている。また、公知の搬送機構（図示しない）によって搬送された基板（本実施形態では、シリコン基板）２０は、チャンバー３０の中央付近に設けられたステージ３１に載置される。基板２０及びチャンバー３０内は、チャンバー３０の外壁に備え付けられたヒーター３４ａ，３４ｂにより加熱される。また、チャンバー３０には、シラン（ＳｉＨ４）ガスのガスボンベ３２ａがガス流量調整器３３ａを介して接続されており、アンモニア（ＮＨ３）ガスのガスボンベ３２ｂがガス流量調整器３３ｂを介して接続されており、さらに、窒素（Ｎ２）ガスのガスボンベ３２ｃがガス流量調整器３３ｃを介して接続されている。また、本実施形態では、窒化シリコン膜（ＳｉＮ膜）を形成するための例を示すため、酸素（Ｏ２）ガスのガスボンベを図示していないが、例えば、酸窒化シリコン膜（ＳｉＯＮ膜）を形成するために、上記各ボンベに加えて亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）ガスのガスボンベがチャンバー３０に接続されることは、他の採用し得る一態様である。
シラン（ＳｉＨ４）ガスのガスボンベ３２ａ、アンモニア（ＮＨ３）ガスのガスボンベ３２ｂ及び窒素（Ｎ２）ガスのガスボンベ３２ｃから送り込まれたガスは、最終的には同一の経路を通ってチャンバー３０に到達する。なお、本実施形態においてシラン（ＳｉＨ４）ガス及びアンモニア（ＮＨ３）ガスは、いわゆる反応性ガスであり、窒素（Ｎ２）ガスは非反応性ガスである。ここで、本出願における分類としては、窒素（Ｎ２）ガスは「非反応性ガス」に属するが、その一部が反応に寄与する可能性を否定されない。つまり、窒素（Ｎ２）ガスは、代表的には、反応性ガスの希釈や、チャンバー３０内に導入するガスの全体としての適切な流量を維持するために用いられるが、その一部が反応に寄与する可能性も存在する。なお、他の非反応性ガスには、アルゴン（Ａｒ）が含まれる。
加えて、本実施形態の窒化膜の製造装置１００は、相対的に高い周波数（本実施形態では、１３．５６ＭＨｚ）の高周波電力を印加する第１高周波電源３６ａと、相対的に低い周波数（本実施形態では、３８０ｋＨｚ）の高周波電力を印加する第２高周波電源３６ｂと、それらの一方を選択して印加するためのスイッチ４０とを備えている。第１高周波電源３６ａ又は第２高周波電源３６ｂは、シャワーヘッドガス導入部３５に高周波電力を印加することにより、シャワーヘッド導入部３５から吐出した上述のガスをプラズマ化する。その結果、生成されたプラズマが、ステージ３１上の基板２０に到達することによって、基板２０上に窒化シリコン膜７０が形成される。
なお、シャワーヘッドガス導入部３５は、リング状のシール材Ｓによってチャンバー３０とは電気的に絶縁されている。また、ステージ３１もリング状のシール材Ｓによってチャンバー３０とは電気的に絶縁されている。また、このチャンバー３０内を減圧し、かつプロセス後に生成されるガスを排気するため、チャンバー３０には真空ポンプ３７が排気流量調整器３８を介して接続されている。さらに、このチャンバー３０からの排気流量は排気流量調整器３８により変更される。上述の第１高周波電源３６ａ、第２高周波電源３６ｂ、スイッチ４０、ガス流量調整器３３ａ，３３ｂ、液体流量調整器３３ｃ、ヒーター３４ａ，３４ｂ、及び排気流量調整器３８は、制御部３９により制御される。
[実施例（予備的実験）]
次に、チャンバー３０における窒化膜の形成プロセスについて説明する。本実施形態では、チャンバー３０内の基板２０上に窒化シリコン膜７０が形成される。具体的なプロセスの一例を示すと、チャンバー３０内の圧力が５０〜２００Ｐａとなるまで、シラン（ＳｉＨ４）ガスが５〜５０ｓｃｃｍ、及びアンモニア（ＮＨ３）ガスが５〜５０ｓｃｃｍ供給される。また、本実施形態では、前述の２種類のガスに加えて、窒素（Ｎ２）ガスが５００〜２０００ｓｃｃｍ供給される。
次に、ステージ３１の温度が１５０℃〜３５０℃になるまでヒーター３４が加熱される。ここで、基板２０の温度を安定化させるため、６０秒以上待機する。その後、シャワーヘッドガス導入部３５には、第１高周波電源３６ａ又は第２高周波電源３６ｂにより、３０Ｗ〜４００Ｗの第１高周波電力及び／又は３０Ｗ〜４００Ｗの第２高周波電力が印加される。本実施形態では、上記のプラズマ条件による酸化膜形成プロセスが、約１０〜約１００分間行われる。上記のプロセス条件が採用されると、基板２０上に、約０．１〜約１μｍの厚みを持つ窒化シリコン膜７０が形成される。
図４は、本実施形態において上述の第１高周波電力のみ及び第２高周波電力のみが印加された場合の、印加電力の変化に対する窒化シリコン膜７０の応力の変化を示すグラフである。なお、このときのシラン（ＳｉＨ４）ガスの流量は５ｓｃｃｍであり、アンモニア（ＮＨ３）ガスの流量は５ｓｃｃｍであった。また、このときの窒素（Ｎ２）ガスの流量は、２０００ｓｃｃｍであり、チャンバー内圧力は５０Ｐａであった。また、基板温度は２５０℃であった。
図４に示すように、大変興味深いことに、窒化シリコン膜７０の応力は、上述の第１高周波電力のみが印加された場合と上述の第２高周波電力のみが印加された場合とでは、調査された範囲の全てに渡って互いに逆向きの応力が生じることが明らかとなった。
また、図５は、本実施形態において上述の第１高周波電力のみ及び第２高周波電力のみが印加された場合の、チャンバー内圧力の変化に対する窒化シリコン膜７０の応力の変化を示すグラフである。なお、このときのシラン（ＳｉＨ４）ガスの流量は５ｓｃｃｍであり、アンモニア（ＮＨ３）ガスの流量は５ｓｃｃｍであった。また、このときの窒素（Ｎ２）ガスの流量は、２０００ｓｃｃｍであり、基板温度は２５０℃であった。
図５に示すように、窒化シリコン膜７０の応力は、上述の第１高周波電力のみが印加された場合と上述の第２高周波電力のみが印加された場合とでは、少なくとも圧力が１００Ｐａ以下の範囲においては互いに逆向きの応力が生じることが明らかとなった。また、１００Ｐａを超える範囲においても、それらの応力には（たとえ同じ向きの応力であっても）大きな差が生じていることが確認された。
また、図６は、本実施形態において上述の第１高周波電力のみが印加された場合の、チャンバー内に導入する２種類の反応性ガス（シラン（ＳｉＨ４）ガスとアンモニア（ＮＨ３）ガス）の流量比を１：１としたときの総流量の変化に対する窒化シリコン膜７０の応力の変化を示すグラフである。なお、このときの窒素（Ｎ２）ガスの流量は、２０００ｓｃｃｍであり、チャンバー内圧力は５０Ｐａであった。また、基板温度は２５０℃であった。
図６に示すように、窒化シリコン膜７０の応力は、上述の第１高周波電力のみが印加された場合と上述の第２高周波電力のみが印加された場合とでは、少なくとも総流量が４０ｓｃｃｍ以下の範囲においては互いに逆向きの応力が生じることが明らかとなった。また、４０ｓｃｃｍを超える範囲においても、それらの応力には（たとえ同じ向きの応力であっても）大きな差が生じていることが確認された。
また、図７は、本実施形態において上述の第１高周波電力のみが印加された場合の、チャンバー内に導入する非反応性ガス（窒素（Ｎ２）ガス）の流量の変化に対する窒化シリコン膜７０の応力の変化を示すグラフである。なお、このときのシラン（ＳｉＨ４）ガスの流量は５ｓｃｃｍであり、アンモニア（ＮＨ３）ガスの流量は５ｓｃｃｍであった。また、このときのチャンバー内圧力は５０Ｐａであり、基板温度は２５０℃であった。
図７に示すように、窒化シリコン膜７０の応力は、上述の第１高周波電力のみが印加された場合と上述の第２高周波電力のみが印加された場合とでは、調査された範囲の全てに渡って互いに逆向きの応力が生じることが明らかとなった。
また、図８は、本実施形態において上述の第１高周波電力のみ及び第２高周波電力のみが印加された場合の、基板温度の変化に対する窒化シリコン膜７０の応力の変化を示すグラフである。なお、このときのシラン（ＳｉＨ４）ガスの流量は５ｓｃｃｍであり、アンモニア（ＮＨ３）ガスの流量は５ｓｃｃｍであった。また、このときの窒素（Ｎ２）ガスの流量は、２０００ｓｃｃｍであり、チャンバー内圧力は５０Ｐａであった。
図８に示すように、窒化シリコン膜７０の応力は、上述の第１高周波電力のみが印加された場合と上述の第２高周波電力のみが印加された場合とでは、少なくとも基板温度が３００℃以下の範囲においては互いに逆向きの応力が生じることが確認された。また、３００℃を超える範囲においても、それらの応力には（たとえ同じ向きの応力であっても）大きな差が生じていることが確認された。
加えて、本実施形態においては、上述の第１高周波電力のみが印加された場合の窒化シリコン膜７０の屈折率は約１．８〜約２．２であった。また、その膜の堆積速度の平均値は約１０〜約５０ｎｍ／ｍｉｎ．であり、その膜の堆積速度の不均一性は、±１〜±１０％であった。他方、上述の第２高周波電力のみが印加された場合の窒化シリコン膜７０の屈折率は約１．７〜約２であった。また、その膜の堆積速度の平均値は約１０〜約５０ｎｍ／ｍｉｎ．であり、その膜の堆積速度の不均一性は、±５％以下、より具体的には、±１％以上±５％以下であった。
[実施例１]
次に、上述の各種の興味深い結果を踏まえ、発明者らは、本実施形態の窒化膜の製造装置１００を用いて、基板２０上に、第１高周波電力のみを印加することによって形成される窒化シリコン膜と、第２高周波電力のみを印加することによって形成される窒化シリコン膜とを、いわば積層することにより、窒化シリコン膜７０ａを製造した。この際に、発明者らは、前述のそれぞれの高周波電力の処理時間の比を変えたときの、窒化膜の応力、窒化膜の屈折率、及び窒化膜の堆積速度の依存性を調査した。以下、第１高周波電力が印加される期間を「第１期間」といい、第２高周波電力が印加される期間を「第２期間」という。
図９は、第１期間と第２期間との比率を変動させた場合の応力の変化を示すグラフである。図９に示すように、第２期間の比率が増加するにつれて、ほぼ直線状に応力が引張応力（＋）から圧縮応力（−）に変化することが明らかとなった。これは、第１期間と第２期間との比率を変動させることにより、第１高周波電力のみを印加する場合に得られる応力の数値と第２高周波電力のみを印加する場合に得られる応力の数値との間における、任意の所望の応力を得ることが可能であることを示している。
ところで、第１期間と第２期間との比率と窒化シリコン膜７０ａの物性との相関性について調査を進めると、さらに興味深い知見が得られた。具体的には、以下の通りである。
図１０は、本実施形態における第１期間と第２期間との比率を変動させた場合の、平均堆積速度と面内不均一性（換言すれば、堆積速度のバラツキ）の変化を示す。また、図１１は、本実施形態における第１期間と第２期間との比率を変動させた場合の、窒化シリコン膜７０ａの屈折率の変化を示すグラフである。
図１０及び図１１に示すように、堆積速度、面内不均一性、及び屈折率は、いずれも第１期間と第２期間との比率に依らずに、ほぼ一定の値を示すことが確認された。
したがって、図１０及び図１１に示す結果に図９の結果を併せると、所望の応力を得るために任意の第１期間と第２期間とを導き出したとしても、所定の数値範囲の窒化膜の屈折率の分布及び／又はその窒化膜の堆積速度が得られることになる。
上述のような成果を得たことにより、本実施形態の窒化膜の製造装置１００の制御部３９は、独立に印加する第１高周波電力及び／又は第２高周波電力とを用いて得られる、所定の数値範囲内に収まった窒化シリコン膜７０ａの屈折率の分布及び／又は窒化シリコン膜７０ａの堆積速度の分布（より詳細には、堆積速度の基板面内の分布）に基づいて、所望（応力が０の場合を含む）の窒化シリコン膜７０ａの圧縮応力又は引張応力を得るための第１期間と第２期間とを算出する機能を備える。より具体的には、例えば、上述の各種の予備的実験の諸々のデータに基づいて得られた図９乃至図１１に相当するデータを記憶した制御部３９は、窒化膜の製造プロセスにおいて要求される膜の応力の値が与えられると、最終的に形成される窒化膜の応力がその所望の応力になるように第１期間と第２期間とを算出する。そして、本実施形態では、制御部３９は、上述のとおり、第１高周波電源３６ａ、第２高周波電源３６ｂ、スイッチ４０、及び／又はガス流量調整器３３ａ，３３ｂ等を制御することにより、基板２０上に所望の応力を有するとともに、所望の範囲内の屈折率及び／又は堆積速度となる窒化シリコン膜７０ａを製造することになる。
ところで、既に述べたとおり、制御部３９はコンピューター６０に接続されている。このコンピューター６０は、上述の各プロセスを実行するための窒化膜の製造プログラムにより、上述の各プロセスを監視し、又は統合的に制御する。また、特に言及するまでもなく、制御部３９は、上述の第１期間及び第２期間の算出するための記録部及び演算部（図示しない）を備えている。以下に、具体的な製造フローチャートを示しながら、窒化膜の製造プログラムを説明する。尚、本実施形態では、上述の製造プログラムがコンピューター６０内のハードディスクドライブ、又はコンピューター６０に設けられた光ディスクドライブ等に挿入される光ディスク等の公知の記録媒体に保存されているが、この製造プログラムの保存先はこれに限定されない。例えば、この製造プログラムの一部又は全部は、本実施形態における制御部３９内に保存されていてもよい。また、この製造プログラムは、ローカルエリアネットワークやインターネット回線等の公知の技術を介して上述の各プロセスを監視し、又は制御することもできる。また、制御部３９の代わりに、コンピューター６０が、上述の第１期間及び第２期間の算出するための記録部及び演算部（図示しない）を備えている態様も、採用し得る他の一態様である。
まず、本実施形態についての窒化膜の製造プログラムを説明する。図１２は、本実施形態における窒化膜の製造フローチャートである。
図１２に示すとおり、まず、ステップＳ１０１において、基板２０がチャンバー２０内に導入される。その後、プラズマＣＶＤ装置において一般的に行われているプロセス、例えば、所定の圧力になるまでの排気、及びステージ３１の加熱及び待機等が行われる。次に、ステップＳ１０２において、最終的に得たい窒化膜の応力の値が入力される。そうすると、本実施形態では、ステップＳ１０３において、上述の各種の予備的実験の諸々のデータに基づいて得られた図９乃至図１１に相当するデータを記憶した制御部３９が、ステップＳ１０２において要求された応力の値になるように第１期間と第２期間とを算出する。
その後、ステップＳ１０４において、制御部３９によって算出された、換言すれば設定された第１期間と第２期間に基づいて、制御部３９が、第１高周波電源３６ａ、第２高周波電源３６ｂ、スイッチ４０、及び／又はガス流量調整器３３ａ，３３ｂ等を制御することにより、基板２０上に窒化膜を形成する。ここで、例えば、第１期間と第２期間とを１回ずつ実行するだけでは形成できない程度の厚い膜厚を得たい場合には、前述の第１期間と第２期間とが複数回繰り返され得る。
最後に、ステップＳ１０５において、プロセスの終了後に基板２０がチャンバー３０から取り出される。上述のとおり、ステップＳ１０１乃至ステップＳ１０６が実行されることにより、所望の応力を有するとともに、所望の範囲内の屈折率及び／又は堆積速度となる窒化膜が得られる。
＜その他の実施形態＞
ところで、上述の実施形態では、主として窒化シリコン膜の製造装置及びその製造方法、並びにその製造プログラムについて説明したが、上述の実施形態は、酸窒化膜（例えば、酸窒化シリコン膜）に対しても適用できる。酸窒化膜も、狭義の窒化膜と同様に、形成された膜に対して圧縮応力や引張応力が生じる場合が一般的であり、その応力の制御を行いつつ、屈折率や堆積速度の分布を制御することは非常に困難である。しかしながら、上述の実施形態を酸窒化膜に適用することにより、上述の実施形態の効果と同等、又は少なくとも一部の効果が奏され得る。
例えば、図１３は、図９に相当する、酸窒化シリコン膜における第１期間と第２期間との比率を変動させた場合の応力の変化を示すグラフである。図１３に示すように、酸窒化シリコン膜を製造する場合であっても、横軸が０％から１００％に至るまで、ほぼ右肩下がりに応力が下降していることが確認できる。
また、図１４は、図１０に相当する、酸窒化シリコン膜における第１期間と第２期間との比率を変動させた場合の、平均堆積速度と面内不均一性（換言すれば、堆積速度のバラツキ）の変化を示す。また、図１５は、図１１に相当する、酸窒化シリコン膜における第１期間と第２期間との比率を変動させた場合の、酸窒化シリコン膜の屈折率の変化を示すグラフである。
図１３乃至図１５に示されるように、窒化シリコン膜と同様に、酸窒化シリコン膜の応力の制御を行いつつ、酸窒化シリコン膜の屈折率や堆積速度の分布を制御することは可能である。したがって、上述のとおり、酸窒化シリコン膜においても、上述の実施形態が適用できる。
なお、上述の実施例１においては、第１高周波電力のみを印加することによって形成される窒化シリコン膜と、第２高周波電力のみを印加することによって形成される窒化シリコン膜とを、１層ずつ積層した窒化シリコン膜７０ａを採用したが、本実施例の窒化シリコン膜７０ａは、これに限定されない。既に述べたとおり、例えば、第１高周波電力のみを印加する第１期間と第２高周波電力のみを印加する第２期間とが複数回ずつ交互に設けられることも他の採用し得る一態様である。第１期間と第２期間とが複数回繰り返されることにより、最終的に形成される窒化シリコン膜の物性について全体としての均質化が図られるため、そのような態様はむしろ好ましいといえる。さらに、比較的短い時間としての第１期間と第２期間とが複数回ずつ交互に設けられることによって薄膜を多数回積層することにより、例えば、その後にエッチング処理を施す際に、エッチング速度等の一定性が得られやすいという効果も奏され得る。
加えて、上述の各実施形態では、制御部３９が排気流量調整器３８等に直接接続されていたが、上述の各実施形態の態様は、そのような構成に限定されない。例えば、制御部３９が、ローカルエリアネットワークやインターネット回線等の公知の技術を介して、いわば間接的に、排気流量調整器３８等と接続されている態様も上述の各実施形態の他の採用し得る一態様に含まれ得る。また、本出願における「制御部」は、制御部３９のうち、第１期間と第２期間を算出する演算機能を、制御部３９とは別個の演算部に発揮させる態様をも含む。そして、その演算部を窒化膜の製造装置１００に上述のごとく直接的又は間接的に接続する態様も、他の採用され得る一態様である。また、上述の各実施形態では、第１期間と第２期間とが、代表的には制御部３９によって算出されているが、その算出主体も限定されない。例えば、上述の予備的実験に基づいて窒化シリコン膜の製造装置１００の管理者や作業者等が算出した第１期間と第２期間を、制御部３９又はコンピューター６０に入力して記憶させることによって窒化シリコン膜を製造する態様も、上述の製造工程に含まれ得る。
さらに、プラズマ生成手段として上述の実施形態では平行平板型（ＣＣＰ；Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）を用いたが、本発明はこれに限定されない。他の高密度プラズマ、例えば、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）やＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｐｌａｓｍａ）を用いても本発明の効果を得ることができる。
なお、上述の各実施形態の開示は、それらの実施形態の説明のために記載したものであって、本発明を限定するために記載したものではない。加えて、各実施形態の他の組合せを含む本発明の範囲内に存在する変形例もまた、特許請求の範囲に含まれるものである。
２０ 基板
３１ ステージ
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ ガスボンベ
３３ａ，３３ｂ，３３ｃ ガス流量調整器
３０ チャンバー
３６ａ 第１高周波電源
３６ｂ 第２高周波電源
３７ 真空ポンプ
３８ 排気流量調整器
３９ 制御部
３４ａ，３４ｂ ヒーター
３５ シャワーヘッドガス導入部
４０ スイッチ
７０，７０ａ，９０ａ，９０ｂ 窒化膜
１００ 窒化膜の製造装置

Claims (10)

  1. チャンバー内に配置された基板上にプラズマＣＶＤ法によって窒化膜を形成する窒化膜の製造装置であって、
    前記窒化膜の形成のために独立に印加する相対的に高い周波数の第１高周波電力及び／又は相対的に低い周波数の第２高周波電力とを用いて得られる、所定の数値範囲内に収まった前記窒化膜の屈折率の分布及び／又は前記窒化膜の堆積速度の分布に基づいて、かつ、前記第１高周波電力が印加される第１期間と前記第２高周波電力が印加される第２期間との比率に基づいて、所望（応力が０の場合を含む）の前記窒化膜の圧縮応力又は引張応力を得るための前記第１期間と前記第２期間とを算出する制御部を備えた、
    窒化膜の製造装置。
  2. 前記制御部が、前記第１期間と前記第２期間とを交互に設けるように制御する、
    請求項１に記載の窒化膜の製造装置。
  3. 前記所定の数値範囲は、前記窒化膜の屈折率の分布及び／又は前記窒化膜の堆積速度の分布の不均一性が、±５％以下となる範囲である、
    請求項１又は請求項２に記載の窒化膜の製造装置。
  4. 前記所定の数値範囲内に収まった前記窒化膜の屈折率及び／又は前記窒化膜の堆積速度の分布が、前記基板の温度、前記チャンバー内の圧力、前記チャンバー内に導入される反応性ガスの流量、及び前記チャンバー内に導入される非反応性ガスの流量の群から選択される少なくとも１つの値を変動させることにより得られる、
    請求項１又は請求項２に記載の窒化膜の製造装置。
  5. チャンバー内に配置された基板上にプラズマＣＶＤ法によって窒化膜を形成する窒化膜の製造方法であって、
    前記窒化膜の形成のために独立に印加する相対的に高い周波数の第１高周波電力及び／又は相対的に低い周波数の第２高周波電力を用いて所定の数値範囲内に収まった前記窒化膜の屈折率の分布及び／又は前記窒化膜の堆積速度の分布を得る工程と、
    前記窒化膜の屈折率の分布及び／又は前記窒化膜の堆積速度の分布に基づいて、かつ、前記第１高周波電力が印加される第１期間と前記第２高周波電力が印加される第２期間との比率に基づいて、所望（応力が０の場合を含む）の前記窒化膜の圧縮応力又は引張応力を得るための前記第１期間と前記第２期間とを算出する工程と、を含む、
    窒化膜の製造方法。
  6. 前記第１期間と前記第２期間とが交互に設けられる、
    請求項５に記載の窒化膜の製造方法。
  7. 前記所定の数値範囲は、前記窒化膜の屈折率の分布及び／又は前記窒化膜の堆積速度の分布の不均一性が、±５％以下となる範囲である、
    請求項５又は請求項６に記載の窒化膜の製造方法。
  8. チャンバー内に配置された基板上にプラズマＣＶＤ法によって窒化膜を形成する窒化膜の製造プログラムであって、コンピューターに、
    前記窒化膜の形成のために独立に印加する相対的に高い周波数の第１高周波電力及び／又は相対的に低い周波数の第２高周波電力を用いて所定の数値範囲内に収まった前記窒化膜の屈折率の分布及び／又は前記窒化膜の堆積速度の分布を取得させるステップと、
    前記窒化膜の屈折率の分布及び／又は前記窒化膜の堆積速度の分布に基づいて、かつ、前記第１高周波電力が印加される第１期間と前記第２高周波電力が印加される第２期間との比率に基づいて、所望（応力が０の場合を含む）の前記窒化膜の圧縮応力又は引張応力を得るための前記第１期間と前記第２期間とを算出させるステップと、を実行させる命令を含む、
    窒化膜の製造プログラム。
  9. 請求項８に記載の窒化膜の製造プログラムを記録した記録媒体。
  10. 請求項８又は請求項９に記載の窒化膜の製造プログラムにより制御される制御部を備えた、
    窒化膜の製造装置。
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