JPH036379A

JPH036379A - 化学気相成長装置

Info

Publication number: JPH036379A
Application number: JP13784489A
Authority: JP
Inventors: Yasuro Ikeda; 康郎池田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1989-05-31
Filing date: 1989-05-31
Publication date: 1991-01-11

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は半導体装置の製造装置に関する。

〔従来の技術］従来、シリコン窒化膜（ＳｉＮのあるいはシリコン酸化
窒化膜（ＳｉＯｘＮｙ）等を形成する化学気相成長法と
して代表的なものを挙げると、減圧化学気相成長法（減
圧ＣＶＤ法）、プラズマＣＶＤ法、光ＣＶＤ法などがあ
った。このうち、窒化活性種を利用し、比較的低温で、
窒化膜を形成できる方法としては、プラズマＣＶＤ法と
光ＣＶＤ法がある。

プラズマＣＶＤ法は、２００〜４５０℃の温度範囲で、
良好な膜が得られるため、最も盛んに利用されている方
法である。光ＣＶＤ法は２００℃でも成膜が起こり、デ
バイス特性の劣化も殆どない。

第３図に、従来の光化学気相成長装置の略構造断面図を
示す。本例では、反応室３１４は真空シールされており
、メカニカルブースターポンプ３１１とドライポンプ３
１２を用いて、３ＸＩＯ’Ｔｏｒｒまで排気することが
できる原料ガスとしては、アンモニアガスとモノシラン
が用いられている。アンモニアガスは、ストップバルブ
３０１　とマスフローコントローラー３０３で流量調節
され、モノシランはストップバルブ３０２とマスフロー
コントローラー３０４で流量調節される。２種類の原料
ガスは、反応室で混合される。窒化膜を被覆すべき基板
３０８は、ヒーター３１０と一体となったシリコンカー
バイド（ＳｉＣ）製のサセプタ３０９上に装着され、ｌ
ｏｏ℃〜８ｏ。

℃に保持されている。反応室３１４の基板と向い合う面
には、紫外線透過窓３０７があり、紫外線ランプ３０６
から放射される紫外光及び反射板３０５にて反射される
紫外光が基板３０８の表面に照射されている。また、図
中、３１３は排気口である。

〔発明が解決しようとする課題］第３図の装置では、アンモニアを分解するために、紫外
光が使われている。低圧水銀ランプ等の比較的入手しや
すい光源には、発光強度の大きいものは余りない。この
ため、成膜速度は１０〜１００人／ｍｉｎと小さな値に
制限される。また、アンモニアによる紫外光の吸収は比
較的大きいため、反応室３１４の紫外線透過窓３０７の
近くで、紫外光強度は急激に減少してしまう。実際、基
板３０８の表面に到達する紫外光強度は指数関数的に減
少するため、基板表面での反応には殆ど寄与しない。こ
のため、光照射による膜質の改善は余り期待できない。

以上のように、従来の光ＣＶＤ法では、成膜速度が紫外
光源の強度によって制限され、光照射による膜室改善も
殆どないという欠点があった。

また、従来のプラズマＣＶＤ法には、プラズマダメージ
による半導体デバイスの特性劣化をもたらすという欠点
があった。

〔発明の従来技術に対する相違点〕

上述した従来のプラズマ化学気相成長装置や光化学気相
成長装置に対し、本発明は、アンモニアプラズマを主反
応室とは別個に設けられた予備反応室で発生させ、アン
モニアプラズマ中の比較的安定な窒化活性種であるＮＨ
を高濃度で生成し、主反応室に導入し、基板表面付近で
紫外光の助力によって励起、分解し、高濃度のＮＨシラ
ンル。

窒素原子あるいは窒素ラジカルを基板表面に供給するこ
とで、原料ガスの分解並びに膜の堆積を低温でも可能に
する。また、基板表面に紫外光を照射する場合でも、Ｎ
Ｈの励起や分解による紫外光の消費は少なく、基板表面
でも紫外光の強度が低下しないため、光照射による膜質
の改善が十分性われ、良質な、シリコン窒化膜或いはシ
リコン酸化窒化膜等の形成を可能にできるという相違点
を有している。

３〔課題を解決するための手段〕前記目的を達成するため、本発明に係る化学気相成長装
置は、シリコン窒化膜（ＳｉＮＸ）あるいはシリコン酸
化窒化膜（ＳｉＯｘＮＹ）等を形成する化学気相成長装
置において、成膜を行う主反応室の前段に、該主反応室
内に給送されるアンモニア（ＮＨ３）あるいはビドラジ
ン（Ｎ２Ｈ４）等をプラズマ状態にする予備反応室を別
個独立に有し、前記予備反応室で生成された窒化活性種
ガスに紫外光を照射する紫外線光源を有するものである
。

本発明によれば、プラズマ発生器により予備反応室で発
生させるＮＨ反応種の濃度が高くでき、高濃度のＮＨシ
ランル、窒素原子あるいは窒素ラジカルを基板表面に供
給することができるため、成膜速度を大きくすることが
できる。また、基板表面付近まで、紫外光が到達するた
め、光照射による膜質改善が達成できる利点がある。

〔実施例〕

次に、本発明について、図面を参照して説明する。

（実施例１）第１図は本発明の実施例１を表す縦断面図である。本実
施例は、原料ガスとして、アンモニア（ＮＨ３）とモノ
シラン（ＳｉＨ３）を用い、シリコン窒化膜の堆積を試
みた減圧光化学気相成長装置の例である。本例では、ス
トップバルブ＋０１及びマスフローコントローラー１０
３により流量調節されたアンモニアガスを予備反応室１
０７に導く。予備反応室１０７は石英製であり、その外
側には誘導コイル＋０６が巻回されている。誘導コイル
＋０６は高周波電源＋０５に接続されており、高周波電
源＋０５を作動させ、誘導コイル１０６に高周波を印加
すると、予備反応室＋０７内に、アンモニアプラズマが
発生するようになっている。アンモニアプラズマ中には
、Ｎ、。

ＮＨ，ＮＨ，２Ｈ，Ｈ，等の分子、原子やラジカル、あ
るいはイオンなど多種の反応活性種が発生している。こ
れらの反応活性種のうち、ＮＨ（ａ’Δ）は、３３秒以
上の寿命を持つことが知られている。本発明は、このＮ
Ｈ（ａ’Δ）を活性種導入管１１８を通して反応室ＩＩ
Ｉに導き、紫外線ランプ１０９がら放射される紫外光及
び反射板＋０８にて反射される紫外光が紫外線透過窓１
１０を通して、ＮＨ（ａ’Δ）を含むアンモニアガスに
照射され、ＮＨ（ａ’Δ）活性種を励起する。

この結果、ヒーター＋１４と一体になったサセプタ＋１
３上に置かれた基板＋１２上に、前記活性ガスが供給さ
れるとともに、ストップバルブ＋０２及びマスフローコ
ントローラー１０４により流量制御されたモノシランガ
スが供給され、シリコン窒化膜が成長する。図中、１１
５はメカニカルブースターポンプ、１１６はドライポン
プ、１１７は排気口である。

前述した従来の光ＣＶＤ法に比較して、本実施例では、
予備反応室１０７で発生させたプラズマによって、高濃
度の活性種を生じさせることができ、主反応室１１１内
での活性種濃度を大きくすることができる。また、ＮＨ
活性種を励起状態にするエネルギーは、アンモニアを分
解するエネルギーに比べて小さいので、紫外光強度の減
衰も少なく、膜質改善に十分な強度の紫外光が、基板表
面に到達することができる。以上の理由で、本実施例は
、プラズマ発生器により予備反応室で発生させるＮＨ反
応種の濃度が高くでき、高濃度のＮＨラジカル、窒素原
子あるいは窒素ラジカルを基板表面に供給することがで
きるため、成膜速度を大きくすることができる。また、
基板表面付近まで紫外光が到達するため、光照射による
膜質改善が達成できるという利点がある。

尚、本実施例は、原料ガスとして、モノシランを用いた
が、モノシラン以外のシリコン含有原料ガスを用いても
同様の結果が得られ、アンモニアの代わりに、ヒドラジ
ン等を用いても同様の結果が得られることはいうまでも
ない。

また、本実施例では、シリコン窒化膜の形成を試みたが
、シリコン酸化窒化膜の形成を目的として、アンモニア
ガス中に、小量の酸素ガス、笑気ガス、炭酸ガス、２酸
化窒素等を添加したり、アンモニアとは別に、酸素ガス
、笑気ガス、炭酸ガス、２酸化窒素等を反応室に導入し
たりしても、上記実施例と同様、成膜速度の増加や、膜
質の改善といった同様の結果が得られる。

（実施例２）第２図は本発明の実施例２を示す縦断面図である。本実
施例は原料ガスとして、アンモニアとモノシランとを用
いて、シリコン窒化膜の形成を試みた減圧化学気相成長
装置の例である。本例では、ストップバルブ２０１及び
マスフローコントローラー２０３によって流量調節され
たアンモニアガスを予備反応室２０９に導く。予備反応
室２０９は石英でできており、その内部に、平行平板型
電極２０８ａ、　２０８ｂが設けられている。平行平板
型電極２０８ａは、ブロッキングコンデンサ２０６を介
して高周波電源２０５に接続されており、電極２０８ｂ
は直接接地されている。高周波電源２０５を動作させ、
平行平板型電極２０８ａ、　２０８ｂの間に高周波を印
加すると、予備反応室２０９内に、アンモニアプラズマ
が発生する。予備反応室２０９内の圧力、アンモニアの
流量、高周波出力などを最適化することにより、ＮＨ活
性種の濃度を最大にすることができる。窒化活性種ＮＨ
を含むアンモニアガスは、ニードルバルブ２１０を経由
し、マニホールド２１１に導入される。マニホールド２
１１内には、紫外線ランプ２１２が並べられており、こ
の内部で、ＮＨ等の活性種が紫外光を吸収して励起状態
となる。励起状態になったＮＨ等は、マニホールド２１
１の下面に設けられた小孔２０７から、主反応室２１１
ａ内の基板２１３の表面に向かって吹き付けられる。基
板２１３は、ヒーター２１６と一体になったシリコンカ
ーバイドのサセプタ２１５上に置かれている。モノシラ
ンはストップバルブ２０２及びマスフローコントローラ
ー２０４で流量調節され、インジェクター２１４から基
板２１３に沿って流される。図中、２１７はメカニカル
ブースターポンプ、２１８はドライポンプ、２１９は排
気口である。

本実施例では、紫外線ランプ２１２はマニホールド２１
１の内部に収納されており、マニホールド２１１の下面
に開いている小孔２０７は非常に小さいため、モノシラ
ンガス或いは中間生成物が、主反応室２１１ａからマニ
ホールド２１１内に流入することは殆どない。よって、
従来の光ＣＶＤ法で常に問題となっていた「窓曇り」の
問題は生じない。そのうえ、予備反応室２０９内で発生
したアンモニアプラズマによって高濃度の窒化活性種が
生じ、これを再びマ１０二ホールド２１１内で光励起するため、高濃度のラジカ
ル等の活性反応種が供給される。このため、成膜速度は
従来のプラズマＣＶＤ法と同等の値が得られる。また、
基板表面には、プラズマも、紫外線も、照射されないた
め、いわゆるプラズマダメージや紫外線照射損傷の問題
もない。

また、本実施例では、シリコン窒化膜の形成を試みたが
、シリコン酸化窒化膜の形成を目的として、アンモニア
ガス中に、小量の酸素ガス、亜酸化窒素ガス、炭酸ガス
、２酸化窒素等を添加したり、アンモニアとは別に、酸
素ガス、亜酸化窒素ガス、炭酸ガス、２酸化窒素等を反
応ガスに導入したりしても、上記実施例と同様に成膜速
度の増加や膜質の改善といった同様の結果が得られる。

また、本実施例はマニホールド２１１とインジェクター
２１４との位置関係を制御することにより、基板表面付
近まで膜形成原料が隔離されたまま供給することができ
る。

また、多数の小孔２０７を有するシャワーインジェクタ
ーを用いたが、スリット状の隙間をもつ分散板集合体を
ガス供給ノズル（シャワーインジェクター）として用い
、膜形成原料を供給するようにしてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、シリコン窒化膜（ＳｉＮ
Ｘ）あるいはシリコン酸化窒化膜（ＳｉＯｘＮＹ）等を
形成する化学気相成長装置において、アンモニア（ＮＨ
３）あるいはヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）等をプラズマ状態
にする予備反応室を、成膜を行う主反応室とは別個に有
し、主反応室の直近或いは反応室の内部に紫外線光源を
有し、該予備反応室で生成された窒化活性種に紫外光が
照射できる構造を有するため、予備反応室に設けられた
プラズマ発生器により発生させるＮＨ活性種の濃度が高
くでき、高濃度のＮＨシランル、窒素原子あるいは窒素
ラジカＩＩルを基板表面に供給することができ、成膜速度を大きく
することができる。また、基板表面付近まで、紫外光が
到達するため、光照射による膜質改善が達成できる。以
上の理由で、本発明は良質なシリコン窒化膜（ＳｉＮＸ
）あるいはシリコン酸化窒化膜（ＳｉＯｘＮＹ）等を高
速に形成することを可能にする効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１を示す縦断面図、第２図は本
発明の実施例２を示す縦断面図、第３図は従来例を示す
縦断面図である。０１、１０２．２０１．２０２・・バルブ０３、１０４
．２０３．２０４・・マスフローコントローラー０５、
２０５・・・高周波電源　　１０６・・誘導コイル０７
、２０９・・・予備反応室　　１０８・・・反射板０９
・・・紫外線光源　　　　＋１０・・・紫外線透過窓１
１．２１１ａ＝・主反応室　　１１２，２１３＝一基板
１３、２１５・・・サセプタ　　　１１４，２１６・・
・ヒーター１１５．２１７・・メカニカルブースターポ
ンプ１１６、２１８・・・ドライポンプ　１１７，２１
９・排気口１２１１８・・・活性種導入管２０６・・・ブロッキングコンデンサ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）シリコン窒化膜（ＳｉＮ＿Ｘ）あるいはシリコン
酸化窒化膜（ＳｉＯ＿ＸＮ＿Ｙ）等を形成する化学気相
成長装置において、成膜を行う主反応室の前段に、該主
反応室内に給送されるアンモニア（ＮＨ＿３）あるいは
ビドラジン（Ｎ＿２Ｈ＿４）等をプラズマ状態にする予
備反応室を別個独立に有し、前記予備反応室で生成され
た窒化活性種ガスに紫外光を照射する紫外線光源を有す
ることを特徴とする化学気相成長装置。