JP6640160B2 - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents

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Description

本発明は、被処理基板の表面に処理ガスを供給して、成膜処理を行う技術に関する。
シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）は、半導体集積回路において、絶縁膜の他に、エッチングストッパ、サイドウォールスペーサ、あるいはチャネル領域に歪を発生させるストレスライナーなど、幅広い用途に使用されている。半導体製造工程において薄膜を成膜する場合、微細なパターンに対して良好な埋め込みを行うこと、膜質が良好であることに加え、配線のマイグレーションの抑制や半導体デバイスの立体化に伴う要請などから、成膜プロセスの低温化が要求されている。
しかしながら例えばアンモニアガスなどの窒化ガスは、高温処理を行わないと窒化されにくい。またプラズマにより窒化ガスを活性化することにより、比較的低温にてシリコン窒化膜を成膜することができるが、プラズマ成膜によりシリコン窒化膜を成膜しようとしたときに、ガスをプラズマ化するためのエネルギーにより、基板にダメージが入る問題がある。
特許文献１には、処理容器内に載置された基板に処理ガスを供給すると共に、処理容器内に紫外線を照射して、処理ガスを活性化して成膜する技術が記載されている。しかしながら紫外線が基板に照射されてしまうと、既に堆積されたシリコン窒化膜の結合が切れてしまう問題がある。また紫外線は処理容器に設けた透過窓を介して処理容器内に照射されるが、透過窓における処理容器内に露出する面にシリコン窒化膜が成膜されてしまい、処理容器内に照射される紫外線が阻害されるという課題もあった。
特開２０１０−１０３４８４号公報
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、基板へのダメージを抑え、低温で高品質なシリコン窒化膜を成膜する技術を提供することにある。
本発明の成膜装置は、シリコンを含む原料ガスと窒素を含む反応ガスとを反応させて基板上にシリコン窒化膜を成膜するための装置において、
真空雰囲気を形成するための処理容器と、
前記処理容器内に設けられた基板の載置部と、
前記処理容器内に原料ガスを供給するための原料ガス供給部と、
前記処理容器内に窒素を含む反応ガスを供給するための反応ガス供給部と、
前記反応ガス供給部から供給される反応ガスに水素ガスを混合する水素ガス供給部と、
前記反応ガスが前記原料ガスと反応する前に反応ガスと水素ガスとを混合した混合ガスを励起するための紫外線照射部と、を備え、
前記紫外線照射部の紫外線が前記載置部上の基板に照射されないように構成されていることを特徴とする。
本発明の成膜方法は、シリコンを含む原料ガスと窒素を含む反応ガスとを反応させて基板上にシリコン窒化膜を成膜する成膜方法において、
処理容器内の載置部に基板を載置する工程と、
次いで前記処理容器内を真空雰囲気とした状態で、処理容器内に原料ガスを供給する工程と、
前記反応ガスに水素ガスを混合する工程と、
前記反応ガスが前記原料ガスと反応する前に前記反応ガスと水素ガスとの混合ガスを紫外線により励起する工程と、
励起された混合ガスを前記処理容器内に供給する工程と、を含み、
前記紫外線が前記載置部上の基板に照射されないことを特徴とする。
本発明は、基板にシリコン窒化膜を成膜するにあたって、シリコンを含む原料ガスと反応する前の反応ガスを紫外線により励起している。このため活性化されたガス中の電子エネルギーが小さく基板へのダメージが抑えられる。そして紫外線が処理容器内の基板に照射されないように構成しているため、基板に紫外線が照射されることよるダメージを防ぐことができ、また紫外線照射窓に原料ガスと反応ガスとの反応生成物が付着することによる紫外線照射の阻害を避けることができる。
本発明の実施の形態にかかる成膜装置を示す縦断面図である。 紫外線照射部を示す断面図である。 評価試験用の成膜装置を示す縦断面図である。 評価用基板の加熱温度による成膜された膜の膜厚分布を説明する説明図である。 評価用基板の加熱温度による成膜された膜の膜厚分布を示す特性図である。 評価用基板の加熱温度による成膜された膜の屈折率を示す特性図である。 評価用基板の加熱温度による成膜された膜の膜厚分布を示す特性図である。 評価用基板の加熱温度による成膜された膜の屈折率を示す特性図である。 実施例１−１において成膜された膜の原子組成を示す特性図である。 実施例１−２において成膜された膜の原子組成を示す特性図である。 実施例１−３において成膜された膜の原子組成を示す特性図である。
本発明の実施の形態にかかる成膜装置について説明する。図１に示すように、成膜装置は、横断面形状が概略円形の真空チャンバである処理容器１を備えている。処理容器１の側面には、被処理基板である例えば直径３００ｍｍウエハＷの受け渡しを行うための搬入出口１２が設けられ、搬入出口１２には搬入出口１２を開閉するゲートバルブ１３が設けられている。
処理容器１の内部には、ウエハＷの載置部である円柱形状の載置台２が設けられている。また載置台２及び処理容器１の底面を貫通する貫通孔２２が周方向等間隔に３箇所に設けられている。貫通孔２２には、昇降機構２３により、載置台２の上面から突没するように設けられたウエハＷの受け渡し用の突き上げピン２４が設けられている。また突き上げピン２４の下部側は、処理容器１を気密にするためのベローズ２５により覆われている。この載置台２の内部には加熱部をなすヒータ２６が設けられており、載置台２に載置されるウエハＷが、例えば３５０℃に加熱されるようになっている。
処理容器１の底面には排気口１４が設けられている。排気口１４には排気管１５の一端が接続されており、排気管１５の他端側は排気口１４側から圧力調整１６バルブ、開閉バルブ１７が介設され、真空排気機構である真空排気部１８に接続されている。
処理容器１の天板部には、載置台２に載置されたウエハＷに向けてガスを供給するためのシャワーヘッド７が設けられている。シャワーヘッド７は、円筒形状に構成され、シャワーヘッド７内は、仕切り板７１により、窒素（Ｎ）を含む反応ガス、例えばアンモニア（ＮＨ３）ガスを拡散させるための上方側拡散室１０Ａと、シリコン（Ｓｉ）を含む原料ガス、例えば、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）ガスを拡散させるための下方側拡散室１０Ｂの上下２段に区画されている。
上方側拡散室１０Ａの天井部分には、上方側拡散室１０ＡにＮＨ３ガスを導入するためのＮＨ３ガス導入路５１の一端が接続されている。ＮＨ３ガス導入路５１の他端には、ＮＨ３ガス供給源５２が接続され、ＮＨ３ガス導入路５１には、ＮＨ３ガス供給源５２側から流量調整部Ｍ５１とバルブＶ５１とＮＨ３ガス導入路５１を流れるガスに紫外線を照射するための紫外線照射部３とがこの順で設けられている。
またＮＨ３ガス導入路５１におけるバルブＶ５１と紫外線照射部３との間には、ＮＨ３ガスと共に添加ガス、例えば水素（Ｈ２）ガスを導入するためのＨ２ガス導入路５３の一端が合流している。Ｈ２ガス導入路５３の他端には、Ｈ２ガス供給源５４が接続され、Ｈ２ガス導入路５３には、Ｈ２ガス供給源５４側から流量調整部Ｍ５３とバルブＶ５３とがこの順で設けられている。
上方側拡散室１０Ａの底面（仕切り板７１）には、下方側拡散室１０Ｂ内に設けられた連通路７４の上端部が開口している。連通路７４の下方側端部は、シャワーヘッド７の下面に、各連通路７４に対応するように形成されたＮＨ３ガス吐出孔７３に接続されている。従って上方側拡散室１０Ａ内のガスは、下方側拡散室１０Ｂ内に拡散せずに、処理容器１内に供給される。この例では、ＮＨ３ガス導入路５１、流量調整部Ｍ５１、バルブＶ５１、ＮＨ３ガス供給源５２、上方側拡散室１０Ａ、連通路７４及びＮＨ３ガス吐出孔７３は、反応ガスであるＮＨ３ガスを処理容器１内に供給する反応ガス供給部を構成している。
下方側拡散室１０Ｂの底面（シャワーヘッド７の下面）には、下方側拡散室１０Ｂと処理容器１とを連通するＳｉ２Ｈ６ガス吐出孔７２が全面に分散して設けられている。また図１に示すように下方側拡散室１０Ｂの天井部分（仕切り板７１）にはＳｉ２Ｈ６ガスを上方側拡散室１０Ａ内に拡散させずに、下方側拡散室１０Ｂに導入するためのＳｉ２Ｈ６ガス導入路６１の一端が接続されている。Ｓｉ２Ｈ６ガス導入路６１の他端側は、シャワーヘッド７の天板部を貫通し、Ｓｉ２Ｈ６ガス供給源６２に接続されている。またＳｉ２Ｈ６ガス導入路６１には、Ｓｉ２Ｈ６ガス供給源６２側から流量調整部Ｍ６１とバルブＶ６１とがこの順で設けられている。この例では、Ｓｉ２Ｈ６ガス導入路６１、流量調整部Ｍ６１、バルブＶ６１、Ｓｉ２Ｈ６ガス供給源６２、下方側拡散室１０Ｂ及びＳｉ２Ｈ６ガス吐出孔７２は、原料ガスであるＳｉ２Ｈ６ガスを処理容器１内に供給する原料ガス供給部を構成している。
紫外線照射部３について図２を参照して説明する。紫外線照射部３は、ＮＨ３ガス導入路５１の一部をなす管状の照射室３０を備え、ＮＨ３ガス供給源５２からＮＨ３ガス導入路５１に供給されるＮＨ３ガス及び、添加ガスであるＨ２ガスは、照射室３０を通過して、処理容器１側に流れるように構成されている。照射室３０には、石英製の紫外線照射窓３１が設けられている。また紫外線照射部３は、照射室３０の外部に設けられた、例えば主たる波長が１７２ｎｍの紫外線を照射するキセノンエキシマランプ３２を備え、キセノンエキシマランプ３２から照射される光が、紫外線照射窓３１を介して、照射室３０を流れるガスに照射されるように構成されている。主たる波長とは、スペクトルにおいて最大ピーク、あるいはその近傍に対応する波長を指している。
さらに図１に戻って成膜装置は制御部９を備えている。この制御部９は例えばコンピュータからなり、プログラム、メモリ、ＣＰＵを備えている。プログラムは、後述の作用説明における一連の動作を実施するようにステップ群が組み込まれており、プログラムに従って、各ガスの流量の調整、処理容器１内の圧力の調整などを行う。このプログラムは、コンピュータ記憶媒体、例えばフレキシブルディスク、コンパクトディスク、ハードディスク、光磁気ディスク等に収納され制御部９にインストールされる。
続いて本発明の実施の形態の作用について説明する。ウエハＷは、例えば図示しない外部の搬送アームと、突き上げピン２４との協働作用により載置台２上に載置される。これによりウエハＷは、例えば、３５０℃に加熱される。そしてゲートバルブ１３が閉じられ、処理容器１が密閉にされた後、真空排気を行い処理容器１内の圧力を１３３Ｐａに設定する。
次いで、バルブＶ６１を開き、Ｓｉ２Ｈ６ガス導入路６１から、シャワーヘッド７にＳｉ２Ｈ６ガスを例えば０．５ｓｃｃｍの流量で供給する。Ｓｉ２Ｈ６ガスは、シャワーヘッド７の下方側拡散室１０Ｂにて水平方向に拡散し、Ｓｉ２Ｈ６ガス吐出孔７２から処理容器１内に供給される。またバルブＶ５１及びＶ５３を開き、ＮＨ３ガスを１００ｓｃｃｍの流量、添加ガスであるＨ２ガスを３００ｓｃｃｍの流量で供給する。これによりＮＨ３ガスと、Ｈ２ガスと、は、混合された混合ガスとなり、紫外線照射部３に供給される。さらにＮＨ３ガス導入路５１からシャワーヘッド７に、さらにキセノンエキシマランプ３２によりＮＨ３ガス導入路５１に波長１７２ｎｍの紫外線を照射する。
これにより、シャワーヘッド７に導入される前の照射室３０を通過する混合ガスに含まれるＮＨ３ガス、即ちＳｉ２Ｈ６ガスと反応する前のＮＨ３ガスに紫外線が照射されて励起される、いわばリモート紫外線照射が行われる。そして励起されたＮＨ３ガスは、シャワーヘッド７の上方側拡散室１０Ａにて水平方向に拡散し、連通路７４を介して、ＮＨ３ガス吐出孔７３から処理容器１内に供給される。これにより処理容器１内においては、Ｓｉ２Ｈ６ガスと励起されたＮＨ３ガスとが反応し、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）となり、載置台２に載置されたウエハＷの表面に成膜される。
例えばＳｉ２Ｈ６ガスと反応する前のＮＨ３ガスに高周波を印加することによりＮＨ３ガスを励起させた場合には、ＮＨ３の活性種のエネルギーが大きくなり過ぎ、反応性が極めて高くなる。そのため活性化したＮＨ３が、活性化されていないＮＨ３と反応してしまい、ウエハＷに到達する前に失活してしまう。
これに対してＳｉ２Ｈ６ガスと反応する前のＮＨ３ガスを紫外線の照射により励起することで、ＮＨ３を適度に活性化することができる。このように構成することで、励起されたＮＨ３がウエハＷまで到達し、例えば３５０℃程度の低い加熱温度であっても、励起されたＮＨ３と、Ｓｉ２Ｈ６とが反応することより、ウエハＷに強度の高いシリコン窒化膜を成膜することができる。
上述の実施の形態によれば、処理容器１内に載置されたウエハＷにＳｉ２Ｈ６ガスと、ＮＨ３ガスとを供給して、ＳｉＮ膜を成膜するにあたって、ＮＨ３ガスに対して、Ｓｉ２Ｈ６ガスと反応する前に紫外線を照射するリモート紫外線照射を行い処理容器１内に供給している。そのため活性化したＮＨ３ガスとＳｉ２Ｈ６ガスとにより、低い加熱温度でウエハＷに高品質のシリコン窒化膜を成膜することができる。
さらに処理容器１内に導入される前のＮＨ３ガスに紫外線を照射するリモート紫外線処理としているため、ウエハＷに紫外線が照射されず、既に堆積したＳｉＮが紫外線にさらされて窒化膜の結合が切れてしまうことがない。またＮＨ３ガスに紫外線を照射するための紫外線照射部３をＮＨ３ガスを処理容器１に導入するＮＨ３ガス導入路５１に設け、励起したＮＨ３ガスと、Ｓｉ２Ｈ６ガスとを処理容器１内にて反応させている。そのため紫外線照射部３に設けられる紫外線照射窓３１に、Ｓｉ２Ｈ６ガスとＮＨ３ガスとの反応生成物が付着せず、紫外線照射の阻害を避けることができる。
また後述の実施例に示すようにウエハＷの処理雰囲気の温度を常温とした場合においてもＳｉＮ膜を成膜することができるが、ウエハＷの処理雰囲気の温度を２００℃以上とすることで窒素含有率の高いＳｉＮ膜を成膜することができる。さらに後述の実施例に示すようにウエハＷの処理雰囲気の温度を３００℃以上とすることで、屈折率が「２」程度に達することから、より高品質なＳｉＮ膜を得ることができると言える。さらに励起されていないＮＨ３ガスがシリコン含有ガスと反応する温度では、ＮＨ３ガスに紫外線を照射する必要がないことから、ウエハＷの処理雰囲気の温度は、６００℃未満となる。
本発明は、後述する評価試験で用いた構成の図３に示す成膜装置のように、ウエハＷが載置される処理容器の側方に反応ガスを供給する反応ガス供給部を設けた構成でも良い。なおウエハＷに対して紫外線が照射されないとは、ウエハＷに紫外線が届いたとしても、そのエネルギーが弱く、既に成膜されたＳｉＮ膜に歩留まりに影響する程度のダメージが発生しない場合も含まれる。従って例えば図３の構成とした場合、流路の内壁で紫外線が反射してウエハＷに届いたとしても、ウエハＷに紫外線が照射されていない状態として取り扱うものとする。
さらに本発明の原料ガスは、ジクロロシランガスやモノシランガス、あるいはジシラザンガスなどであってもよい。また反応ガスは、窒素ガス、ジアジンガスあるいはヒドラジンガスなどでも良い。
また反応ガスと共にＨ２ガスを流さない場合においてもＳｉＮ膜を成膜することはできるため効果はあるが、後述の実施例２に示すように反応ガスと共にＨ２ガスを流し、反応ガスとＨ２ガスとの混合ガスに紫外線を照射することにより、よりエッチング耐性の高いＳｉＮ膜を得ることができるためより一層好ましい。
またＮＨ３ガスに照射する紫外線は、主たる波長が１０５〜２２０ｎｍであることが好ましい。この反応ガスに照射する紫外線は、使用する反応ガスの吸光スペクトルの示す吸光度が突発的に高くなるピークが現れる波長を選択するようにすればよい。本発明の実施の形態では、紫外線照射部３にキセノンエキシマランプ３２を用いているが、エキシマランプに充填するガスを変えることにより紫外線の主たる波長を変更することができる。例えばＡｒを用いたエキシマランプとしたときには、主たる波長を１２６ｎｍに変更することができ、Ｋｒを用いたエキシマランプとすることで主たる波長を１４６ｎｍに変更することができる。このように使用する反応ガスの種類に合わせてエキシマランプに充填するガスを変更するようにしてもよい。
また紫外線照射部３は、反応ガスの吸光スペクトルの示す吸光度が突発的に高くなるピークを複数含むように設定された広範囲の波長域に亘る波長の紫外線を照射するように構成されていてもよい。このように反応ガスに広範囲の波長域に亘る波長の紫外線を照射する紫外線照射部３であっても同様に効果がある。
また紫外線照射部３から照射される紫外線を反応ガス導入路に導入する紫外線照射窓３１は、例えばフッ化リチウム（ＬｉＦ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）で構成されていてもよい。紫外線照射部３から照射される紫外線は紫外線照射窓３１を透過して、反応ガス導入路に導入されるように構成されているが、紫外線照射窓３１は、その材質により、透過する紫外線の波長域が異なり、特に紫外線の波長域の短波長側は、紫外線照射窓３１の材質により制限されやすい。ＬｉＦ、ＭｇＦ２及びＣａＦ２が透過することのできる紫外線の波長域の短波長側の限界値は、１０５、１１０及び１５０ｎｍとなっている。実施の形態で示した石英（ＳｉＯ２）が透過することのできる紫外線の波長域の短波長側の限界値は、１５５ｎｍであることから、紫外線照射窓３１をＬｉＦ、ＭｇＦ２、またはＣａＦ２で構成することで、反応ガスに照射することができる紫外線の波長域を広くすることができる。
またシリコンを窒化するための窒化ガスにＮＨ３ガスを用いるときには、ＳｉＮ膜を得るために原料ガスとして塩素系のガスが用いられることが多い。しかしその場合には、ＳｉＮ膜中に塩素が取り込まれ、改質処理を別個に行ってＣｌを除去するようにしている。上述の実施の形態では、塩素系のガスを用いずに低温で高品質のＳｉＮ膜を成膜することができる点においても有利である。
また本発明は、原料ガスと、反応ガスとを交互に複数回供給して、ウエハＷへの原料ガスの吸着と、その原料ガスと反応ガスとの反応を繰り返して、例えば１分子層ずつＳｉＮを堆積し、ＳｉＮ膜を成膜するいわゆるＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法に適用してもよい。
［実施例］
本発明の実施の形態の効果を検証するために以下の試験を行った。図３は評価試験用の成膜装置を示す。図３に示すように評価試験用の成膜装置は、例えば真空容器で構成された反応室１０１を備え、反応室１０１内には、例えば長さ６ｃｍの帯型形状の評価用基板１００を載置する載置台２００が設けられている。また載置台２００には、図示しないヒータが埋設されており、載置台に載置された基板、例えば評価用基板を１００℃から４５０℃の間の所定の設定温度で加熱できるように構成されている。反応室１０１における評価用基板１００の長さ方向一端側の側面には、図１に示したＮＨ３ガス導入路５１の下流側端部が接続されている。またＮＨ３ガス導入路５１には、図１に示したＮＨ３ガス導入路５１と同様にキセノンエキシマランプ３２を用いた紫外線照射部３００が介設され、反応室１０１にＮＨ３ガスを導入するためのＮＨ３ガス導入路５１を流れるガスにキセノンエキシマランプ３２により紫外線を照射するように設けられている。なお図３に示した評価用の成膜装置においては、紫外線照射部３００におけるキセノンエキシマランプ３２紫外線が照射される位置に窓部３３が形成され、窓部３３を通過する紫外線の強度を検出する紫外線測定部３４が設けられている。
さらに反応室１０１には、載置台２００に載置された評価用基板１００の中心部に向けて原料ガスを供給するためのＳｉ２Ｈ６ガス供給ノズル６４が形成され、Ｓｉ２Ｈ６ガス供給ノズル６４には、図１に示したＳｉ２Ｈ６ガス導入路６１の下流側端部が接続されている。また反応室１０１には、反応室１０１内の雰囲気を排気するための排気口１４が形成されている。排気口１４には、排気管１５の一端側が接続され、排気管１５の他端側には、真空排気部１８が接続されている。
［予備試験］
先ず実施例の説明を行う前に、評価試験用の成膜装置の特性を調べる予備試験について説明する。予備試験として、評価試験用の成膜装置を用いて、評価用基板１００に成膜処理を行い、評価用基板１００の加熱温度（評価用基板１００の加熱温度）に対して、評価用基板１００に成膜される膜の膜厚分布を調べた。
上述の評価試験用の成膜装置において、成膜処理における評価用基板１００の温度を常温（２５℃）、１００℃、２００℃、３００℃、３５０℃、４００℃及び４５０℃に設定して成膜を行った。成膜処理を行うにあたって、反応室１０１内の圧力を１３３Ｐａに設定し、ＮＨ３ガスを４０ｓｃｃｍ、Ｓｉ２Ｈ６ガスを０．５ｓｃｃｍ、の流量で６０分供給した。
成膜処理後の各評価用基板１００の表面におけるＮＨ３ガスの供給側の端部から、１ｃｍ、２ｃｍ、３ｃｍ、４ｃｍ及び５ｃｍの距離の５地点において、各々成膜された膜の膜厚と、当該地点の膜の屈折率と、を調べた。各地点の膜厚の測定及び各地点の膜の屈折率の測定は、分光エリプソメーターを用いた。
図３に示した評価用の成膜装置においては、評価用基板１００の加熱温度によりＳｉＮの膜厚の分布が異なる。図４（ａ）、４（ｂ）は、評価用の成膜装置を用い、評価用基板１００の温度を常温（２５℃）及び３５０℃に設定して成膜したときの時の、評価用基板１００の膜厚分布を模式的に示している。図４（ａ）に示すように評価用基板１００の温度を常温に設定して成膜した場合には評価用基板１００の中心部付近の位置（評価用基板１００におけるＮＨ３ガスの供給側から３ｃｍの位置）の膜厚が厚くなっていた。また図４（ｂ）に示すように評価用基板１００の温度を３５０℃に設定して成膜した場合には、ＮＨ３ガスの供給側を手前側とすると、評価用基板１００の中心部よりも、奥側の位置の膜厚が厚くなる傾向にあった。
図５、７は、評価用基板１００の温度に対応する成膜された膜の膜厚分布を示す特性図である。また図６、８は、評価用基板１００の温度に対応する成膜された膜の屈折率を示す特性図である。各図５、７では、横軸に評価用基板１００におけるＮＨ３ガスの供給側の端部からの距離、縦軸に成膜された膜の膜厚をとっている。なお評価用基板１００の温度を２５℃に設定した場合において、ＮＨ３ガスの供給側の端部から、１ｃｍの位置はほとんど成膜されていなかったため、図７、図８中の膜厚及び屈折率の記載を省略した。
図５に示すように評価用基板１００の温度を３５０℃〜４５０℃に設定した場合においては、評価用基板１００におけるＮＨ３ガスの供給側の端部からほぼ４ｃｍの位置の膜厚が最も厚くなっていた。また膜の屈折率は、評価用基板１００の表面におけるＮＨ３ガスの供給側の端部からほぼ４ｃｍの位置の膜厚が高く「２」程度の値になっていた。図７に示すように評価用基板１００の温度が１００〜３００℃においては、評価用基板１００の表面におけるＮＨ３ガスの供給側の端部からほぼ３ｃｍの位置（評価用基板１００の中心部）の膜厚が最も厚くなっていた。
そのため評価試験用の成膜装置により成膜処理を行うにあたって、評価用基板１００の温度が３００℃以下では、評価用基板１００の中心部付近がより成膜されやすく、評価用基板１００の温度が３５０℃以上では、評価用基板１００の中心部よりも奥側にずれた位置が、より成膜されやすいと言える。従って以下の実施例においては、成膜処理における評価用基板１００の設定温度に従って、成膜される膜の膜厚が厚い位置を選択して測定位置とする。
またエッチング耐性の高い高品質のＳｉＮ膜の屈折率は、凡そ「２」程度である。図６、８に示すように評価用基板の屈折率は、評価用基板１００の表面におけるＮＨ３ガスの供給側の端部から３ｃｍ〜４ｃｍ程度の位置において、「２」に近い値を示しており、評価試験用の成膜装置により、品質の高いＳｉＮ膜が成膜されていると言える。
上述の評価試験用の成膜装置を用いて成膜したときの成膜された膜の厚さ方向の原子組成及び膜の屈折率について調べた。
［実施例１−１］
評価用基板１００の加熱温度を４００℃に設定し、反応室１０１内の圧力を１３３Ｐａに設定し、ＮＨ３ガスを１００ｓｃｃｍ、Ｈ２ガスを３００ｓｃｃｍ、Ｓｉ２Ｈ６ガスを０．５ｓｃｃｍの流量で６０分供給して実施の形態に示した成膜処理を行った例を実施例１−１とした。
［実施例１−２］
評価用基板１００の加熱温度を３５０℃に設定し、ＮＨ３ガスの流量を７８ｓｃｃｍとしたことを除いて実施例１−１と同様に成膜処理を行った例を実施例１−２とした。
［実施例１−３］
評価用基板１００の加熱温度を２００℃に設定したことを除いて実施例１−２と同様に成膜処理を行った例を実施例１−３とした。
実施例１−１〜１−３の各々において評価用基板１００に成膜した膜について膜の厚さ方向の原子組成及び膜の屈折率について調べた。各実施例において、膜の表面から深さ方向の原子組成及び膜の屈折率測定を行う測定位置は、設定温度と、予備試験における膜厚分布と、により設定した。従って実施例１−１、１−２については、評価用基板１００の中心部付近の位置（評価用基板におけるアンモニアガスの供給側の端部から４ｃｍの位置）、実施例１−３については、評価用基板１００におけるＮＨ３ガスの供給側の端部から３ｃｍの位置とした。原子組成の測定についてはＸＰＳ（Ｘ線光電子分光法）を用いシリコン（Ｓｉ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、炭素（Ｃ）について夫々測定した。屈折率の測定には、分光エリプソメーターを用いた。
図９〜１１は、夫々実施例１−１〜１−３における測定地点に成膜された膜の原子組成を示し、横軸に膜の深さ方向の位置、縦軸に各原子の組成比を示す特性図である。図９〜１１に示すように実施例１−１、１−２及び１−３のいずれにおいてもＳｉＮとの組成比率が大きく、ＳｉＮが成膜されていることが分かる。また実施例１−１、１−２及び１−３における成膜された膜の屈折率は、夫々２．０６５、１．８８１及び２．０４４であった。既述のように高品質のシリコン窒化膜の屈折率は、２程度であることから、実施例１−１〜１−３により高品質のＳｉＮ膜が成膜されていると言える。
また成膜される膜のエッチング耐性を検証する為、以下の実施例に従い評価用基板に成膜処理を行い、ＤＨＦ（希フッ酸）溶液によるエッチング速度を調べた。
［実施例２−１］
評価用基板の加熱温度を４００℃に設定し、反応室１０１内の圧力を１３３Ｐａに設定し、ＮＨ３ガスを１００ｓｃｃｍ、Ｈ２ガスを３００ｓｃｃｍ、Ｓｉ２Ｈ６ガスを１．０ｓｃｃｍの流量で６０分供給して実施の形態に示した成膜処理を行った例を実施例２−１とした。
［実施例２−２〜２−４］
供給したガスの流量比を後述の表１に示すように設定した他は実施例２−１と同様に処理を行った例を夫々実施例２−２〜２−４とした。
実施例２−１〜２−４の各々において評価用基板に成膜処理を行った。その後評価用基板を０．５％ＤＨＦに浸してエッチングを行い、エッチング速度を調べた。表１は、この結果を示し、実施例２−１〜２−４におけるＮＨ３ガス、Ｈ２ガス及びＳｉ２Ｈ６ガスの供給流量に対するエッチング速度を示す。
［表１］
Figure 0006640160
表１に示すようにＮＨ３ガスに混合するＨ２ガスの流量を２００ｓｃｃｍにした場合には、エッチングレートは１０．３ｎｍ／分であったが、Ｈ２ガスの流量を３００ｓｃｃｍにした場合には、エッチングレートは１５．５ｎｍ／分であった。この値は、いずれもＮＨ３ガスにＨ２ガスを添加しない場合と比べて良好な値であった。Ｓｉ２Ｈ６ガスの流量を増やすことによりエッチングレートが下がり、Ｓｉ２Ｈ６ガスの流量を０．５ｓｃｃｍとすることでエッチングレートを４．９ｎｍ／分まで下げることができた。さらにいずれの実施例においてもシリコン酸化膜と同等か、それ以上のエッチング耐性を示しており、本発明の成膜方法によりエッチング耐性の高い高品質なシリコン窒化膜を成膜することができると言える。
１ 処理容器
２ 載置台
３ 紫外線照射部
７ シャワーヘッド
９ 制御部
１０Ａ 上方側拡散室
１０Ｂ 下方側拡散室
１４ 排気口
２６ ヒータ
５１ ＮＨ３ガス導入路
６１ Ｓｉ２Ｈ６ガス導入路
Ｗ ウエハ

Claims (9)

  1. シリコンを含む原料ガスと窒素を含む反応ガスとを反応させて基板上にシリコン窒化膜を成膜するための装置において、
    真空雰囲気を形成するための処理容器と、
    前記処理容器内に設けられた基板の載置部と、
    前記処理容器内に原料ガスを供給するための原料ガス供給部と、
    前記処理容器内に窒素を含む反応ガスを供給するための反応ガス供給部と、
    前記反応ガス供給部から供給される反応ガスに水素ガスを混合する水素ガス供給部と、
    前記反応ガスが前記原料ガスと反応する前に反応ガスと水素ガスとを混合した混合ガスを励起するための紫外線照射部と、を備え、
    前記紫外線照射部の紫外線が前記載置部上の基板に照射されないように構成されていることを特徴とする成膜装置。
  2. 前記紫外線照射部は、反応ガスと水素ガスとを混合した混合ガスを前記処理容器内に導入するためのガス導入路に紫外線を照射するように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
  3. 前記紫外線照射部から照射される紫外線の主たる波長は、反応ガス供給部により供給される反応ガスの吸収スペクトルとなる波長に対応して選択されることを特徴とする請求項１または２に記載の成膜装置。
  4. 前記反応ガスは、アンモニアガスであり、前記紫外線照射部から照射される紫外線の主たる波長は１０５ｎｍ以上２２０ｎｍ以下の長さであることを特徴とする請求項３に記載の成膜装置。
  5. 前記紫外線照射部はキセノンエキシマランプにより構成されることを特徴とする請求項４に記載の成膜装置。
  6. 前記紫外線照射部から照射される紫外線が反応ガスが照射される前に透過する紫外線照射窓を備え、
    前記紫外線照射窓は、ＳｉＯ２、ＬｉＦ、ＭｇＦ２及びＣａＦ２のいずれかにより構成されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の成膜装置。
  7. 成膜処理を行う処理雰囲気の温度は、２５℃〜６００℃であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の成膜装置。
  8. 成膜処理を行う処理雰囲気の温度は、２００〜６００℃であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の成膜装置。
  9. シリコンを含む原料ガスと窒素を含む反応ガスとを反応させて基板上にシリコン窒化膜を成膜する成膜方法において、
    処理容器内の載置部に基板を載置する工程と、
    次いで前記処理容器内を真空雰囲気とした状態で、処理容器内に原料ガスを供給する工程と、
    前記反応ガスに水素ガスを混合する工程と、
    前記反応ガスが前記原料ガスと反応する前に前記反応ガスと水素ガスとの混合ガスを紫外線により励起する工程と、
    励起された混合ガスを前記処理容器内に供給する工程と、を含み、
    前記紫外線が前記載置部上の基板に照射されないことを特徴とする成膜方法。
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