JPS5869704A

JPS5869704A - 直接窒化法

Info

Publication number: JPS5869704A
Application number: JP16432081A
Authority: JP
Inventors: Akira Shintani; 新谷　昭; Takahisa Kusaka; 卓久日下; Masahiko Kogirima; 小切間　正彦; Hirokazu Matsubara; 松原　宏和
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1981-10-16
Filing date: 1981-10-16
Publication date: 1983-04-26

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】本発明は、半導体材料表面を窒化する方法に関するもの
である。

従来、半導体たとえばシリコン表面を直接窒化するには
、窒化しようとする半導体を１２００℃前後の高温下に
置き、高純度の窒素またはアンモニアガス、あるいはこ
れらのプラズマ状態にさらすことによって行われて来た
。このとき、窒素源の既形成窒化膜層を拡散することが
直接窒化膜形成の律速であり、膜形成速度は極めて遅い
ものとなっている。このため、高温下でも、厚い窒化膜
層を形成するには３時間以上の反応時間を必要とするも
のであった。それでも、１００Å以上の膜厚を得るのが
難しく、熱窒化法では５０Ｘ程度の膜厚が限界であった
。高温であること、長時間を要すること、十分な膜厚が
得られず、その制御性も困難であることなどは、半導体
プロセスにおいて、熱によるウニ・・の歪や拡散層の濃
度分布の非制御性あるいはテ・・イス特性の悪さなどを
招く欠点のあるものであった。

本発明の目的は、半導体材料片の表面を直接窒化する方
法における、上記のごとき従来技術の欠１１、を解消し
た直接窒化法を提供することにある。

本発明の直接窒化法の特徴とするところは、１個以上の
半導体材料片を高温下において窒素源にさらしてその表
面を窒化して窒化膜を形成する処理法において、被処理
材料片を負の電極として電界を印加することにある。こ
の場合窒素源の好ましいものは、高純度窒素まだはアン
モニアガスまたは“そわらの水素希釈のもの、あるいは
そ第１らのプラズマ状態のものであって、さらに好まし
いものは窒素とアンモニアの混合ガスあるいはそのプラ
ズマ状態のものである。また、被処理材料片を負の電極
とする際に、材料片の少なくとも上Ｆでそれぞれ複数個
の接触点を持つ材料片ホルダを用いることが好ましい。

このような本発明によるときは、反応ガスあるいはプラ
ズマ中の活性窒素源が既形成窒化膜層を１０００℃より
低い温度でも容易に拡散し、膜形成速度を速くすること
ができる。さらに、付帯効果として、反応ガスあるいは
そのプラズマ中に、微量存在し良質で均質な窒化膜形成
の妨げと々る酸素イオンの拡散を阻止するので、良質の
窒化膜を得ることができる。

以下に本発明を、実施例により図面を参照して、さらに
詳細に説明する。

実施例　１この実施例は窒素源に窒素のプラズマを用いた場合の実
施例である。

第１図は、本実施例に用いた窒化装置の概略説明図で、
図中電気炉部分は断面で示されている。

シリコン半導体プロセスにおける通常の洗浄を施した材
料片である試料ウェハ１をシリコン製試料ホルダ２上に
載せ、電気炉６内の定位置に置く。

温度は電気炉温度制御用熱電対で７００℃となるように
した。試料ホルダ２は、白金製のリード線で、電流計４
を介して直流定電圧電源５の負端子に接続し、一方、正
の端子はシリコン製の対向電極６に接続した。

本実施例では、窒素のプラズマを窒素源として用いるた
め、高周波が印加できるようにしてあり、その電源が７
で、電極が８．８である。周波数は１３、５６　Ｍｌｌ
ｚとシタ。

まず、矢印９の方向に排気し、残留酸素によるウー・・
１の酸素を避けるため、真空度を１０−４〜１Ｑ　”　
Ｔｏｒｒ　　に上げて後、電気炉６により温度上昇を開
始した。温度平衡に達した後、矢印１０の方向より窒素
を流し、圧力をＱ、　２　Ｔｏｒｒ　　に調節した。高
周波電源７を入れ、定電圧電源５により、ウェハ１が負
である２００■を印加し、１時間反応させた。

上記の処理の結果、ウエノ・１の表面の窒化膜Ｃ平均膜
厚１０４．３人、屈折率１．９の膜を得ることができた
。

従来技術である、外部よりウエノ・に電界を印加しない
ときには、電気炉温度など他の成長条件を上記の処理条
件と全く同じにしだとき、得られる膜厚はｓｏＸ以下で
あった。

このようにして、本発明有効性が確認された。

なお、本実施例において、プラズマ密度をより高くすれ
ば、さらに膜厚を厚くできることは明らかである。

また、本実施例のその他の利点として、拡散炉方式を採
用しているので、複数枚のウエノ・も同時に処理するこ
とが可能である。

なお、上記の実施例においては、プラズマ発生用の高周
波の周波数を１３．５６　ＭＨｚとしたが、４Ｑ［１ｋ
Ｈ２以上のものも有効であることが確認された。

実施例　２この実施例は、窒素源に窒素とアンモニアの混合ガスの
プラズマを用いた場合である。

再び、第１図参照して説明する。この場合、矢印１０で
示されるものが、実施例１では窒素であったのに対し、
本実施例では窒素とアンモニアの混合ガスである点だけ
が異なる。

この実施例が実施例１の場合に比して、さらに有効であ
る点は、ウエノ・内に形成された窒化膜の膜厚分布の均
一化に有効である点である。

実施例１ｖこおける矢印１０の方向から窒素ガスを流し
、反応時の圧力をＱ、　２Ｔｏｒｒ　　に調節したのに
対し、本実施例においては窒素とアンモニアの混合ガス
を流し、反応時のアンモニア分圧ｏ、１５Ｔｎｒｒ、窒
素分圧Ｑ、Ｑ　５　’ｌ”ｏｒｒ　　とした以外の処理
条件は全く同一としだ。

その結果、得られたウェハにおける窒化膜の膜厚と屈折
率の分布は第２図に示すよう々良好なものであった。

本実施例の場合の比較例として、窒素のみ、アンモニア
のみを窒化源として用いたときの膜厚と屈折率の分布は
、それぞれ、第６図、第４図に示すように、本実施例に
おけるものに比し均一性に劣るものであった。なお、第
２．６．４図において、上段の数字が屈接率、下段の数
字が膜厚（Ｘ単位）である。ウェハの直径は７６．２１
１１ｍ　（３インチ）であり、数字の位置は直径の中心
と、それより２［］ｍｍずつ離れた９点である。

なお、上記の実施例１に準じた説明では、ウェハが１枚
に対応するものであるが、複数枚の場合も同様であシ、
また、希釈ガスとして水素があってもさしつかえないも
のである。

なお、アンモニアと窒素との混合ガスにおける、アンモ
ニアと窒素の混合割合について、多数の試験例について
試験を行ったところ、混合比の好ましい範囲は、分圧比
において、アンモニア１に対して窒素が１／１０〜１／
２である範囲が良いことがわかった。アンモニアと窒素
の混合比がこの範囲を越えたものは膜厚の分布が悪くな
るものであり、また、アンモニアに対して窒素が１／２
を越えたものは屈折率の分布も悪く々るものであった。

実施例　３本実施例は、被処理試料ウェハの少なくとも上下で複数
の電界印加用の接触点をもつ試料ホルダを用いて窒化膜
形成処理を行う場合のものである。

本実施例によれぽ、電界印加時のプラズマ分布を均一化
できるので、一層膜厚が均一で、かつ均質な窒化膜を得
ることを示す例である。

第７−は、本実施例における複数個の試料ウニ・・の表
面に同時に窒化膜を形成する窒化装置の概略説明図であ
る。

第７図に示す装置を用い、シリコン半導体プロセスにお
ける通常の洗浄を施した複数個の被窒化処理試料ウェハ
１１．１１、・・・・・・を本実施例におけるンリコン
製試料ホルダ１２．１２間に挾持し、反応管内の定位置
に置いた。試料ホルダ１２．１２の拡大断面図（直角方
向）が第８図に示しである。試料は電気炉１６によって
加熱した。温度は電気炉温度制御用熱雷対で７００℃に
セットするようにした。試料ホルダ１２．１２は白金の
リード線で電流計１４を介して直流定電圧電源１５の負
の端子に接続し、一方、正の端子はシリコン製の対向電
極１６に接続した。高周波電源１７とその電極１８．１
８により、矢印１４の方向から流れて来る窒素源の窒素
ガスをプラズマ化するようにしだ。本例で用いた周波数
は１３．５６　Ｍｌｌｚである。

ウニ・・表向の窒化処理は下記のように行った。

まず、矢印１９の方向より排気し、残留酸素によるウー
・・の酸化を避けるため、真空度を１０”−４〜１Ｑ　
　Ｔｏｒｒに上げた後、電気炉１６によりウェハを加熱
した。７００℃の温度平衡に達した後、矢印２０の方向
より窒素ガスを流し込み、圧力なＱ、　２　Ｔｏｒｒ　
　に調節した。この後、高周波電源１７を印加し、定電
圧電源１５によりウェハ１１．１１、・・・・・・に２
００Ｖ印加し、１時間窒化反応を行った。

その結果得られたウェハ表面の窒化膜の膜厚と屈折率の
分布は第９図に示すように良好な均一性のものであった
。第９図において上段の数字は屈折率、下段の数字は膜
厚（Ａ）である。ウェハの直径は７６．２ｍｍ（５イン
チ）であり、数字で示した位置は直径の中心と、それよ
り２Ｑｍｍずつ離れた９点である。

上記の本実施例に対し、本実施例によらないものである
、第５図に示すように、ウェハが線２２′において線状
で１箇所接触しているように載せたホルダ２２の場合、
および、第６図に示すように、ウェハ１１が２点６２．
６２において接触するように載せたホルダ６２の場合、
上記の実施例と同一の窒化処理によって得られたウェハ
における窒化膜の膜厚と屈折率の分布は、それぞれ第１
０図、第１１図に示すようなものであゲだ。数字の意味
および位置は第９図のものと全く同一である。

第９．１０．１１図の数値分布から、本実施例のものは
電界分布の均一化、プラズマの均一化により窒化膜の特
性値の分布の均一性が極めて良好であることが分かる。

なお、窒素源としてアンモニアを用いた場合も−［−記
と同様、良好な結果が得られた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例１および２に用いた窒化装置
の概略説明図である。第２図、第６図、第４図は、窒化処理によって得られた
窒化膜特性の分布を示す図であって、直径７６．２１ｎ
ｍ（３インチ）のウェハの中心、それより２０ｍｍずつ
離れた９点の各値を示したもので＜−Ｆ段が屈折率値、
下段が膜厚値（Ａ））、それぞれ実施例２による窒化源
が窒素とアンモニアの混合ガスのもの、窒化源が窒素の
みのもの、窒化源がアンモニアのみのものの場合である
。第５図はウェハを溝に立て線状で接触するホルダの斜視
図、第６図はウエノ・を２点で接触するホルダのウェハ
に平行な面による断面図である。第７図は実施例６に用いた窒化装置の概略説明図である
。第８図は実施例６に用いたホルダのウェハの平行な面に
よる断面図である。第９図、第１０図、第１１図は、いずれもウェハに形成
された窒化膜の特性の分布を示す図で、それぞれ実施例
３によるもの、ウエノ・のホルダが第５図のものである
以外は実施例６の処理法によったもの、ウェハのホルダ
が第６図のものである以外は実施例６の処理法によった
ものである。数字の意味および位置は第２．３．４図の
場合と同一である。　　　　□ １．１１・・・被窒化処理試料ウニ・・２．１２．２２
．３２・・・ホルダ６．１６・・・電気炉４．１４・・・電流計５．１５・・・直流定電圧電源６．１６・・・対向電極７．１７・・・高周波電源８．１８・・・高周波電極代理人弁理士　中村純之助１″１図１′−２図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）半導体材料片を高温下において窒素源にさらして
その表面に窒化膜を形成する処理法において、被処理材
料片を負の電極として電界を印加することを特徴とする
直接窒化法。
（２）　　前記の材料片は複数個の材料片である特許請
求の範囲第１項記載の直接窒化法。
（３）前記の窒素源は、高純度の窒素またはアンモニア
ガス、あるいはそれらのプラズマ状態のものである特許
請求の範囲第１項または第２項記載の直接窒化法。
（４）　　前記の窒素源は、窒素とアンモニアとの混合
ガスである特許請求の範囲第１項または第２項記載の直
接窒化法。
（５）前記の被処理材料片を負の電極とするのは、材料
片の少なくとも上下で、それぞれ複数個の接触点を持つ
材料片ホルダを用いることによるものである特許請求の
範囲第１項乃至第４項のいずれにか記載の直接窒化法。