JPS59128206A - Apparatus for forming nitride film - Google Patents

Apparatus for forming nitride film

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JPS59128206A
JPS59128206A JP21083A JP21083A JPS59128206A JP S59128206 A JPS59128206 A JP S59128206A JP 21083 A JP21083 A JP 21083A JP 21083 A JP21083 A JP 21083A JP S59128206 A JPS59128206 A JP S59128206A
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JP
Japan
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inner tube
sample
tube
nitride film
gas
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JP21083A
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Japanese (ja)
Inventor
Atsuhiko Menju
毛受 篤彦
Masahiro Shibagaki
柴垣 正弘
Hiroshi Takeuchi
寛 竹内
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

PURPOSE:To obtain a good nitride film in a titled apparatus for directly nitriding Si or the like by using a double tube for the reaction, generating plasma only in the gap between an inner tube and an outer tube, reacting the formed nitride seed with a sample in the inner tube, and avoiding the damage of the sample caused by the bombardment of ions. CONSTITUTION:A gaseous NH3 for example, removed from an etching gas is introduced through a gas inlet 22 into a reaction tube 21 which is evacuated through an exhaust port 26. When a high-frequency electric power is supplied to a capacitive coupling electrode 25, a glow discharge is caused only in the gap between an outer tube 29 and an inner tube 30, and a discharge space 28 is formed. An activated nitride seed hereby formed by the glow discharge of NH3 is sent to the surface of a sample 36 on a boat 37 situated in the inner tube 30 through a hole 31 on the side of the inner tube 30. Then the sample 36 is heated to a high temp. by a heating source 32, and an Si3N4 film is formed by nitridation.

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、シリコン等を直接窒化して窒化膜を生成する
窒化膜形成装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Technical Field of the Invention] The present invention relates to a nitride film forming apparatus that generates a nitride film by directly nitriding silicon or the like.

〔発明の技術的背景とその間顯点〕[Technical background of the invention and highlights]

LSI素子は、年々高集積化の一途をたどっている。例
えば、MO8メモリーの代表的な例として、i)RAM
(ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリー)f:
見ると、16にビットから、64にビット、そして25
6にビットへと急速に展開しておp、xMピッ) DR
AMも数年光には発表されようとしている。このように
チップの太きさは略同じで、面密度になっていくため、
1)RAMのメモリセル部の面積はますます小さくなら
ざるを得ないが、その記憶容量も比例して減少すること
はオン・オフ時のSN比の間粗で避けねばならず。その
結果、記憶容量部を形成するMOSキャパシタの810
2膜の薄膜化が要求される。
LSI devices are becoming more and more highly integrated year by year. For example, as a typical example of MO8 memory, i) RAM
(Dynamic random access memory) f:
If you look, you'll see bits at 16, bits at 64, and then bits at 25.
DR
AM is also about to be announced in a few years. In this way, the thickness of the chips is approximately the same and the areal density increases, so
1) Although the area of the memory cell portion of a RAM is becoming smaller and smaller, a proportional decrease in its storage capacity must be avoided due to the poor signal-to-noise ratio between on and off. As a result, 810 of the MOS capacitor forming the storage capacitor section
Two films are required to be made thinner.

例えば、DRAMを例にとると8i0□の膜厚は、64
にビットでは現行400人に対し256にビットでは2
50入、そして1Mビットでは70kが必要とされる。
For example, taking DRAM as an example, the film thickness of 8i0□ is 64
In Bit, there are 256 people compared to the current 400 people.
50 inputs, and 70k is required for 1 Mbit.

しかし、S 102の薄膜化に伴い、その成膜の制御性
ばかりではなく、欠陥密度が大幅に増加し、8i0□膜
の耐電圧特性が急激に悪化する。この問題に対し、83
02のかわりに誘電率が約2倍のシリコン窒化膜(ここ
ではSr 3N 4膜)を用いることが考えられる。一
方、Si3N4ハ従来モノシラン(S x N4 )と
アンモニア(NE(、)を約850℃程度の温度で熱分
解し、気相成長(CVD)させて堆積させていた。しか
しこの方法では、Si基板上に薄い513N4#全形成
しても、(1)膜厚の制御が難しい、(2)Si上には
本来30人程度の自然酸化膜があf) 、MNOS 構
造ができ、C−V特性にヒステリシスが生じる。(3)
 813N4 S を界面の表面準位密度が10/cr
!ev以上になり、良好なMO8構造ができない、とい
った本質的な欠点があった。そこで最近、1200℃以
上の高温中でN2と8iとを直接反応させてSi上にS
i3N4膜を形成する試みがなされている。しかし、5
I02膜の場合は900〜1100Cで酸素又はスチー
ム等により、短時間で1ooo人程度のものが形成され
るのに対し、Si3N4膜の場合は11oOcでN2ガ
スにより、1時間Sit窒化しても50にの厚さしか得
られず、  1200℃の高温下でも100^以下でそ
れ以後窒化は殆んど進行しない。しかも膜厚は均一でな
く島状に形成されやすい。(例えば、j@Electr
ochemical Soc:5OLID8TATE 
5CIENC似WDTECHNOL(X)Y (Mar
ch 1978)の論文″Jery Th1nSili
con N1tride Films  by dir
ect ThermelReactive With 
Nitrogen’参照)。
However, as the S102 film becomes thinner, not only the controllability of the film formation but also the defect density increases significantly, and the withstand voltage characteristics of the 8i0□ film deteriorate rapidly. Regarding this problem, 83
It is conceivable to use a silicon nitride film (in this case, an Sr 3 N 4 film) having a dielectric constant of about twice that of Sr 3 N 4 instead of 02. On the other hand, Si3N4 has conventionally been deposited by thermally decomposing monosilane (S x N4) and ammonia (NE) at a temperature of about 850°C and then depositing it by vapor phase deposition (CVD). Even if a thin 513N4# is completely formed on the Si, (1) it is difficult to control the film thickness, (2) there is originally a natural oxide film of about 30% on the Si, an MNOS structure is formed, and the C-V characteristics are poor. hysteresis occurs. (3)
813N4 S with an interface surface state density of 10/cr
! ev or more, and there was an essential drawback that a good MO8 structure could not be formed. Therefore, recently, we have developed a method of directly reacting N2 and 8i at high temperatures of 1200°C or higher to form Sulfur on Si.
Attempts have been made to form i3N4 films. However, 5
In the case of I02 film, a film of about 100% is formed in a short time using oxygen or steam at 900 to 1100C, whereas in the case of Si3N4 film, even if Si nitrided for 1 hour with N2 gas at 1100C, 50% Even at a high temperature of 1200°C, the thickness is less than 100°C, and nitriding hardly progresses after that. Moreover, the film thickness is not uniform and is likely to be formed in an island shape. (For example, j@Electr
chemical Soc:5OLID8TATE
5CIENC similar WDTECHNOL(X)Y (Mar
ch 1978) paper “Jerry Th1nSili
con N1tride Films by dir
ect ThermelReactive With
Nitrogen').

このようなシリコンの直接窒化の主に低い成長速度の問
題に対し、昭和5岬春季第28回応用物理学会の講演会
において、グロー放電を用いたシリコン直接窒化方法が
報告された(伊藤隆司:29P−c−5)。この方法の
概略ゑ第1図を用いて説明する。
In order to solve the problem of mainly low growth rate of direct nitriding of silicon, a method of direct nitriding of silicon using glow discharge was reported at the 28th Spring Conference of the Japan Society of Applied Physics in 1932 (Takashi Ito: 29P-c-5). An outline of this method will be explained using FIG. 1.

石英管1の一方はふたつで、他方は排気系に接続される
。石英管1の中に5iCQコートしたサセプタ3に支持
されたSiウエノ・4が縦型に並べられている。一方、
石英管1の外側(大気)にはコイル5が巻かれておりR
F電源6が接続されている。
One of the quartz tubes 1 is two, and the other is connected to the exhaust system. Si wafers 4 supported by a susceptor 3 coated with 5iCQ are vertically arranged in a quartz tube 1. on the other hand,
A coil 5 is wound around the outside (atmosphere) of the quartz tube 1.
F power supply 6 is connected.

7はガス導入部であり、ここからNi(、N2+H2,
N2等のガスが供給される。い−i、NH3ガスが0,
1〜10 Torr程度になるように石英′び1内の圧
力を設定し、RF電源6から4QQI(Hzの高周波を
印加すると石英管1内にグロー放電8を生じ、Siウェ
ハ4が加熱される。この結果、窒素を含んだガスプラズ
マと茜温のSiウェハ4との間に反応が生じ、Srの直
接窒化が行われる。報告によれ14 Niイ、の流摺・
が1t/分、高周波′軍刀がIOJ包−Siウェハのン
:見変が1050℃条件で約150分で100人の度の
Sl aN 4膜が形成されている このようにグロー放電を用いることにより、比咬的低温
で、しかもよシ早く窒化が促進されることが確認されて
いる。しかしながら本方法では400KI(zの放電ヲ
用いていることからプラズマ内のイオン化エネルギーが
高くなシ、従って試料へのイオン衝撃が大きく、半導体
素子への照射横部が懸念される。また本方法はSiの加
熱と導入ガスのグロー数取との両方を同時に行うという
功妙な手段を用いているが、そのため窒化のパラメータ
が導入It F E力のみに依存し、窒化速度が限定さ
れると共に、N1(aなどのガスプラズマが石英管の5
L02を還元して酸化して酸素を生じ、これが膜中に混
入する危険性があり、上記報告中のデータの中にもこれ
が示されている。一方、本方法はプラズマ内に試料を配
置しているため、窒化機構が、プラズマ内の中性ラジカ
ル種で行なわれているのか、または上記イオンの高エネ
ルギー衝撃による援助なのかが明らかでなかったつ 一方R,P、14. Chang等は、最近前記した伊
藤等の方法とは異ったプラズマ中での8iの空化ついて
検討して報告をしている(R,P、N Chang、e
t al :Appl i、Phys、Leeft、3
6.999(1980))。
7 is a gas introduction part, from which Ni(, N2+H2,
A gas such as N2 is supplied. i-i, NH3 gas is 0,
When the pressure inside the quartz tube 1 is set to about 1 to 10 Torr and a high frequency of 4QQI (Hz) is applied from the RF power source 6, a glow discharge 8 is generated in the quartz tube 1, and the Si wafer 4 is heated. As a result, a reaction occurs between the nitrogen-containing gas plasma and the madder-temperature Si wafer 4, and direct nitridation of Sr is performed.
Using glow discharge in this way, a high-frequency IOJ package-Si wafer was produced at 1 t/min. It has been confirmed that nitriding is promoted more quickly at comparatively low temperatures. However, since this method uses a discharge of 400 KI (z), the ionization energy in the plasma is high, so the ion bombardment on the sample is large, and there is a concern that the lateral side of the semiconductor element may be irradiated. Although an ingenious means of simultaneously heating the Si and counting the glow of the introduced gas is used, the nitriding parameters depend only on the introduced ItFE force, which limits the nitriding rate. The gas plasma such as N1(a) is
There is a risk that L02 will be reduced and oxidized to produce oxygen, which will be mixed into the film, and this is also shown in the data reported above. On the other hand, since this method places the sample within the plasma, it is not clear whether the nitridation mechanism is carried out by neutral radical species within the plasma or whether it is assisted by the high-energy bombardment of the ions. On the other hand, R, P, 14. Chang et al. have recently investigated and reported on the emptying of 8i in plasma, which is different from the method of Ito et al. (R, P, N Chang, e.
tal: Appli, Phys, Leaf, 3
6.999 (1980)).

彼等は、平行平板型電極の一方口試料を載置し、磁場に
よりプラズマを集中させ、かつ直流電圧を試料に印加し
てSiの窒化を行っている。600′Cの低温でN2だ
けで50人の膜厚しか得られないのが、微量の4弗化炭
素(1〜2チ)をN2に添加することによシ数時間の窒
化で1oooA程度の膜厚が得られたと報告している。
They nitrided Si by placing a sample on one end of a parallel plate electrode, concentrating plasma using a magnetic field, and applying a DC voltage to the sample. At a low temperature of 600'C, a film thickness of only 50 mm can be obtained with N2 alone, but by adding a small amount of carbon tetrafluoride (1 to 2 T) to N2, a film thickness of about 100 A can be obtained in a few hours of nitriding. It is reported that the film thickness was obtained.

AE8分析によると膜中に多量の酸素原子が混入しオキ
シナイ゛ドライド膜であり、また弗素イオンあるいはラ
ジカルの影響により、  1000λ程度の穴が無数に
存在していると記されている。このように、N2中に弗
素原子を含むガスを添加してプラズマ化し、そのプラズ
マ中でSiを窒化することにより、窒化速度の増力口が
認められた。しかしながら、プラズマ中、特に弗素等の
ハロゲン原子がプラズマ中に存在していると、ハロゲン
イオンが試料をスパッタし、一部はインブラントされる
ことにより、エツチングされ、そのエツチングのされ方
はインブラントの効果により一様でない。更には、エツ
チングのみならず荷電粒子の影響により素子にダメージ
fK:あたえることは言うまでもない。
According to AE8 analysis, a large amount of oxygen atoms are mixed into the film, indicating that it is an oxynidride film, and that there are numerous holes of about 1000λ due to the influence of fluorine ions or radicals. In this way, by adding a gas containing fluorine atoms to N2 to form a plasma, and nitriding Si in the plasma, an increase in the nitriding rate was found. However, when halogen atoms such as fluorine are present in the plasma, the halogen ions sputter the sample, and some of them are imbued, resulting in etching. It is not uniform due to the effect of Furthermore, it goes without saying that damage fK is caused to the element not only by etching but also by the influence of charged particles.

そこで、本発明者らは、上記プラズマ中でSiあるいは
Si (−12の窒化を行う際に生じる問題点を解決す
るため、第2図に示す装置について検討した。
Therefore, the present inventors studied the apparatus shown in FIG. 2 in order to solve the problems that occur when nitriding Si or Si (-12) in the plasma.

すなわち、第2図において21は石英製反応管でありそ
の一方にガス導入口22が設けられている。
That is, in FIG. 2, 21 is a quartz reaction tube, one of which is provided with a gas inlet 22.

23は高周波電源であり、これによシ13.56MNz
の高周波電力がマツチングボックス24を経て容量性結
合型電極25に供給される。この電極25は反応管21
の外側でガス導入口22の近傍に設装置される。一方、
温度制御可能な加熱源32例えば、ハロゲンランプまた
はヒーターが電極25よシ排気側の反応管21の周囲に
設置される。反応管21内の加熱源32の加熱領域35
に石英からなるボート37と、それに載置された試料3
6が位置している。反応管21は排気口26からポンプ
油逆流防止用液体窒素トラップ27を経てロータリーポ
ンプ(図示せず)で排気される。ここで、ガス導入口2
2からは例えばアンモニアガス(N)(3)が05〜5
−TOrr程度導入され、高周波電力がマツチングボッ
クス24により整合されて供給されると反応管21内の
電極25にはさまれた領域グロー放電が起シ放電部28
が形成される。他方、試料36は、その外側に設けられ
た加熱源32により加熱され、放電により生じた活性な
窒化膜と反応して窒化膜を形成する。この装置において
はグロー放電の起る領域28と試料の反応が起る領域と
が離隔しているため、試料上に高周波電界は直接かから
ない。しかし、この装置においても試料まで伸びた放電
部からのグローの影響によυ素子の電気的特性が劣化す
ることが判明した。
23 is a high frequency power supply, which generates 13.56MNz
The high frequency power is supplied to the capacitively coupled electrode 25 via the matching box 24. This electrode 25 is connected to the reaction tube 21
The device is installed near the gas inlet 22 on the outside of the gas inlet 22 . on the other hand,
A temperature-controllable heating source 32, such as a halogen lamp or a heater, is installed around the reaction tube 21 on the exhaust side of the electrode 25. Heating region 35 of heating source 32 in reaction tube 21
A boat 37 made of quartz and a sample 3 placed on it
6 is located. The reaction tube 21 is exhausted from the exhaust port 26 via a liquid nitrogen trap 27 for preventing pump oil backflow by a rotary pump (not shown). Here, gas inlet 2
From 2, for example, ammonia gas (N) (3) is 05-5
- TOrr is introduced, and when the high frequency power is matched and supplied by the matching box 24, a glow discharge occurs in the region sandwiched between the electrodes 25 in the reaction tube 21, and the discharge section 28
is formed. On the other hand, the sample 36 is heated by a heating source 32 provided outside thereof, and reacts with the active nitride film generated by the discharge to form a nitride film. In this device, the region 28 where glow discharge occurs and the region where reaction of the sample occurs are separated, so that no high frequency electric field is directly applied to the sample. However, even in this device, it was found that the electrical characteristics of the υ element deteriorated due to the influence of glow from the discharge section extending to the sample.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明は、斯≠Xる点に鑑み、試料をイオン衝醸によシ
損傷することなく、良質の窒化膜を生成し得る窒化膜形
成装置を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the fact that ≠

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

本発明は、少なくともアンモニアを含む混合ガスを高周
波電力によシ放電解離し、高温加熱した試料と反応させ
て窒化膜を形成する装置において反応管を二重構造とし
、その外管と内管との間隙にのみプラズマを発生させそ
れによって生じた活性な窒化膜を内管側面の孔よυ内管
内に導き内管内に配置され加熱された試料と反応させて
窒化膜を形成するようにしたものである。このように反
応管を構成することにより試料がプラズマ中でイオン衝
撃を受けることなく、良質な窒化膜を得ることができる
The present invention provides a reaction tube with a double structure in which a mixed gas containing at least ammonia is dissociated by discharge using high-frequency power and reacted with a sample heated to high temperature to form a nitride film, and the outer tube and the inner tube are separated from each other. Plasma is generated only in the gap, and the resulting active nitride film is guided into the inner tube through the hole on the side of the inner tube and reacts with the heated sample placed inside the inner tube to form a nitride film. It is. By configuring the reaction tube in this way, a high-quality nitride film can be obtained without the sample being bombarded with ions in the plasma.

〔発明の実施例〕[Embodiments of the invention]

以下実施例にもとすいて本発明の詳細な説明する。 The present invention will be described in detail below with reference to Examples.

第3図は本発明の一実施例の窒化膜形成装置の4’i#
成図である。ここで21は石英製反応管であり、一端に
ガス導入口22が設けべれ、他端は開閉自存なフタ33
で密閉され、その近傍に排気口26を有する外管29と
、側面に多数の孔31を有し、両端開放で外管29と同
心に配された内管30とからなっている。烏周波電詠2
3により13.56へlzの高周波電力がマツチングボ
ックス24を経て容量性結合型電極25に供給される。
FIG. 3 shows 4'i# of a nitride film forming apparatus according to an embodiment of the present invention.
It is a complete drawing. Here, 21 is a quartz reaction tube, one end of which has a gas inlet 22, and the other end a lid 33 that can be opened and closed.
It consists of an outer tube 29 which is sealed and has an exhaust port 26 near the outer tube 29, and an inner tube 30 which has a number of holes 31 on the side surface, is open at both ends, and is arranged concentrically with the outer tube 29. Karasuha Denei 2
3, high frequency power of 13.56 to 1z is supplied to the capacitively coupled electrode 25 via the matching box 24.

この電極25は、温度制御可能な加熱源32と同じく、
内管30内に位置したボート37上の試料36の周囲に
位置する。排気口26からボン油逆流防止用液体窒素ト
ラップ27を経てロータリーポンプ(図示せず)で排気
される。ここで34は真空ゲージである。
This electrode 25, like the temperature controllable heating source 32,
It is located around the sample 36 on a boat 37 located within the inner tube 30. The gas is exhausted from the exhaust port 26 via a liquid nitrogen trap 27 for preventing backflow of bottled oil by a rotary pump (not shown). Here, 34 is a vacuum gauge.

ガス導入口22から、例えばN製装置を通シエッチング
性ガス等を除いたアンモニアガス(NH3)が0.5〜
5 Torr程度導入され高周波電力が容量性結合型電
極25に供給されると外管29と内管30との間隙にの
みグロー放電が起り、放電部28’e形成する。放電部
28でアンモニアのグロー放電により活性な窒化膜が生
成されると、窒化膜は内管30の側面の孔31を経て試
料36の表面に達する。ここで試料は加熱源32により
高温に加熱されておす、窒化反応によY) Si3N4
膜が形成される。
From the gas inlet 22, ammonia gas (NH3) from which etching gas, etc. has been removed is passed through a device made of N, for example, at a rate of 0.5~
When approximately 5 Torr is introduced and high frequency power is supplied to the capacitively coupled electrode 25, glow discharge occurs only in the gap between the outer tube 29 and the inner tube 30, forming a discharge portion 28'e. When an active nitride film is generated by glow discharge of ammonia in the discharge section 28, the nitride film reaches the surface of the sample 36 through the hole 31 on the side surface of the inner tube 30. Here, the sample is heated to a high temperature by a heating source 32, and a nitriding reaction occurs (Y) Si3N4
A film is formed.

第4図は本実施例の装置により試料36としてシリコン
基板を用い、アンモニア(N)(3)100のガス流量
を220.8cc+M、、圧力を1.0 Torr、高
周波電力100W(反射波13−■)とし窒化時間を2
時間として、基板温度を変化させた時の窒化膜厚f:4
1で示したものである。なお本発明者らが最初に提案し
た第2図に示す装置により、同じ条件下で形成した窒化
膜厚を42で示した。この図かられかるように木兄・明
による窒化速度に大きな変化はない。他方、本実施例の
装置では反応管21の内管30内に試料36が位置し、
導入されたガスの放′−は内管30と外管29との間隙
に放電部28を形成するから試料がガスのプラズマに直
に接することなく良質の窒化膜を歩留シよく得ることが
できる。本実施例では反応管21も短く、このため装置
をコンパクトにまとめることができるが、電極25の外
側から、電極25を通して加熱しなければならないとい
う構造上の制約がある。
FIG. 4 shows the apparatus of this embodiment using a silicon substrate as a sample 36, a gas flow rate of 100 ammonia (N) (3) of 220.8 cc+M, a pressure of 1.0 Torr, and a high frequency power of 100 W (reflected wave 13- ■) and nitriding time is 2
Nitride film thickness f when changing substrate temperature as time: 4
This is shown in 1. The thickness of the nitride film formed under the same conditions using the apparatus shown in FIG. 2 originally proposed by the present inventors is indicated by 42. As can be seen from this figure, there is no significant change in the nitriding rate due to Kinoe and Akira. On the other hand, in the apparatus of this embodiment, the sample 36 is located in the inner tube 30 of the reaction tube 21,
Since the discharge of the introduced gas forms a discharge part 28 in the gap between the inner tube 30 and the outer tube 29, a high-quality nitride film can be obtained with a high yield without the sample coming into direct contact with the gas plasma. can. In this embodiment, the reaction tube 21 is also short, so that the apparatus can be made compact, but there is a structural restriction in that heating must be carried out from outside the electrode 25 through the electrode 25.

第5図は本発明の第2の実施例の♀化膜形成装置の構成
図である。21は二重管構造となった反応管であシ、特
に内管30は伊11面に多数の孔31を有し外管29と
回心に配されているが、ガス導入口22に近い端を閉じ
、個数は外管29と内管30との間隙を排気口26の手
前で閉じている。
FIG. 5 is a block diagram of a fertilized film forming apparatus according to a second embodiment of the present invention. Reference numeral 21 denotes a reaction tube with a double tube structure.In particular, the inner tube 30 has a large number of holes 31 on the 11th side, and is placed in alignment with the outer tube 29, but is close to the gas inlet 22. The ends are closed, and the gap between the outer tube 29 and the inner tube 30 is closed in front of the exhaust port 26.

容量性結合型電極25は反応管21の外側でガス導入口
22の近傍に設置される。温度制御可能な加熱源32は
電極25よジ排気側の反応管21の周囲に設置される。
The capacitively coupled electrode 25 is installed outside the reaction tube 21 and near the gas inlet 22 . A temperature controllable heating source 32 is installed around the reaction tube 21 on the exhaust side of the electrode 25.

そして内管30内で加熱源32の加熱領域35に石英か
ら彦るボート37と、それに載置された試料36が位置
している。
A boat 37 made of quartz and a sample 36 placed thereon are located in the heating region 35 of the heat source 32 within the inner tube 30.

ガス魯入口22から例えば精製装置全通りエツチング性
ガス等を除いたアンモニアガスNH3が0.5〜5’I
’orr程度導入され高周波電力が、容量結合型電極2
5に供給されると反応管21の外管29と内管30との
間にグロー放電が起り、放電部28が形成される。放電
部28でアンモニアのグロー放電により活性な窒化膜が
生成されると、窒化膜は、内管30の側面の孔31f!
:経て試料36の表面に達する。ここで試料は加熱源3
2により高温に加執されており、試料表面に窒化反応に
より813N4膜が形成される。
From the gas inlet 22, for example, ammonia gas NH3 from which etching gas, etc. has been removed is passed through the entire purification device.
'orr high frequency power is introduced into the capacitively coupled electrode 2.
5, a glow discharge occurs between the outer tube 29 and the inner tube 30 of the reaction tube 21, and a discharge section 28 is formed. When an active nitride film is generated by glow discharge of ammonia in the discharge section 28, the nitride film forms the holes 31f! on the side surface of the inner tube 30!
: The surface of the sample 36 is reached. Here the sample is heating source 3
2, an 813N4 film is formed on the sample surface by a nitriding reaction.

この第2の実施例では、第1の実施例より反応管21は
長くなるが、電極と加熱源とが分離されることにより構
造上の制約が少なくなり、また内管30のガス導入口2
2側が閉じられることによりガスが直接内管30内に入
らないので放電が安宇する。
In this second embodiment, the reaction tube 21 is longer than the first embodiment, but there are fewer structural restrictions because the electrodes and the heating source are separated, and the gas inlet 2 of the inner tube 30 is
Since the second side is closed, gas does not directly enter the inner tube 30, so that discharge can be carried out safely.

ブ、傅6図は本発明の第2の実施例に示した装置により
、試料36としてシリコン基板を用い、アンモニア(N
f(3) 100%のガス流量を220SCC&J、圧
力全10’J’orr、高周波電力を100〜V(反射
波13W)、基板温度を1000℃とし、同時に多数枚
の試料ケ2時間窒化し時の試料36の位置と窒化膜厚と
の関係を示したものである。この図かられかるように試
料36の位I行がガス導入口22からはなれるに従って
電化IIQ厚は急激に薄くなる。これは活性な窒化膜の
濃度が低下するためと考えられる。
Figures 6 and 6 show ammonia (N
f(3) 100% gas flow rate is 220SCC&J, total pressure is 10'J'orr, high frequency power is 100~V (reflected wave 13W), substrate temperature is 1000℃, and many samples are nitrided for 2 hours at the same time. 3 shows the relationship between the position of the sample 36 and the nitride film thickness. As can be seen from this figure, as the I row of the sample 36 moves away from the gas inlet 22, the electrification IIQ thickness becomes thinner rapidly. This is considered to be due to a decrease in the concentration of the active nitride film.

第7図は本発明の第3の実施例の窒化1」・A形成装置
埒の構成図である。基本的構成は、第2の実施例の装置
と同一であるので詳細な説明は省くが、反応管21の内
管30の側面の孔30は前記第7図に示された膜厚比の
逆数に比例してガス導入口2から遠ざかる((つれて大
きくなるように形成されている。これによシ、ガス導入
口22近傍のガスの逆巻コンダクタンスが排気口26近
傍より小さくなり複数の試料36の周囲の窒化膜の密度
が一様となり均一な窒化1哩全形成することができる。
FIG. 7 is a block diagram of a nitriding 1/A forming apparatus according to a third embodiment of the present invention. The basic configuration is the same as the apparatus of the second embodiment, so a detailed explanation will be omitted. The inverse winding conductance of the gas in the vicinity of the gas inlet 22 becomes smaller than that in the vicinity of the exhaust port 26, and multiple samples The density of the nitride film around 36 becomes uniform, and uniform nitride film can be formed all over the area.

第8図id本発明の第3の実施例の装置によシ、試料3
6としてシリコン基板を用い、アンモニア(N[(3)
100’%のガス流量を220SCCM、圧力? 1.
0’l’orr高周波可力を100W (反射波13ν
V)窒化時間2詩間の条件で同時に多数枚の試料を窒化
した時の試料の位置と窒化1j鋼厚の関係を温度をパラ
メーターとして示したものである。との図かられかるよ
うに、第3の実施例の装置により充分大きな窒化速度で
均一な窒化Wk影形成きることが確認された。
FIG. 8 id Sample 3 using the apparatus of the third embodiment of the present invention
A silicon substrate was used as 6, and ammonia (N[(3)
100'% gas flow rate 220SCCM, pressure? 1.
0'l'orr high frequency potential is 100W (reflected wave 13ν
V) The relationship between the position of the sample and the thickness of the nitrided 1j steel when a large number of samples were nitrided at the same time under conditions of two nitriding times is shown using temperature as a parameter. As can be seen from the figure, it was confirmed that the apparatus of the third embodiment could form a uniform nitrided Wk shadow at a sufficiently high nitriding rate.

第9図(5)は、上記第3の実施例に示した装置により
、シリコン基板を試料36としアンモニア(NH3)1
00%のガス流量を220 SCCM、圧力を1.QT
orr。
FIG. 9 (5) shows a sample of ammonia (NH3) 1 using a silicon substrate as a sample 36 using the apparatus shown in the third embodiment.
00% gas flow rate is 220 SCCM, pressure is 1. QT
orr.

高周波電力を100W(反射波13W)反応温度100
0℃の条件により形成した窒化膜100人 を用いた面
積4wn2のMISダイオードの耐圧分布を示したもの
である。第9図CB)は、第2図に示した装置1により
、同様な条件で形成した窒化膜xooAを用いた面積4
wn2の■Sダイオードの耐圧分布である。この図から
れかるように、反応管21を二重管構造とすることによ
り、耐圧の高い欠陥の少ない良質な窒化+IKが歩留り
よく得られることがわかる。
High frequency power 100W (reflected wave 13W) Reaction temperature 100
This figure shows the breakdown voltage distribution of a MIS diode with an area of 4wn2 using 100 layers of nitride film formed under conditions of 0°C. Figure 9 CB) shows an area 4 using a nitride film xooA formed under similar conditions using the apparatus 1 shown in Figure 2.
This is the breakdown voltage distribution of the ■S diode of wn2. As can be seen from this figure, by forming the reaction tube 21 into a double-tube structure, high-quality nitrided +IK with high breakdown voltage and few defects can be obtained with a high yield.

第N図(5)は第3の実施例に示した装置により試料3
6として100人程鹿の酸化)1ソのついたシリコン基
板を用いアンモニア(NH3) 100 %のガス流歇
を220 SCCM、圧力を1.OTo r r高周波
電力’e 100W(反射波13W)反応温度1000
℃の条件で2時間反応させて形成したMISダイオード
(面積0.1mm2)のC−■特性である。第N図(B
)は、第2図に示した装置により同様々条件、時間で形
成したMISダイオード(面和、1ヨ′)のC−■特性
である。この図かられかるように第2図に示した装置に
より得られたダイオードにはヒステリシスHがあり、基
材と窒化膜との界面不良があることがわかる。
Figure N (5) shows sample 3 obtained by the apparatus shown in the third embodiment.
Ammonia (NH3) 100% gas flow was applied at 220 SCCM and pressure was set to 1. OTo r r High frequency power 'e 100W (reflected wave 13W) Reaction temperature 1000
This is the C-■ characteristic of a MIS diode (area: 0.1 mm2) formed by reaction at .degree. C. for 2 hours. Figure N (B
) is the C-■ characteristic of a MIS diode (surface sum, 1 yo') formed using the apparatus shown in FIG. 2 under the same conditions and time. As can be seen from this figure, the diode obtained by the apparatus shown in FIG. 2 has hysteresis H, indicating that there is a defective interface between the base material and the nitride film.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上詳述したようにシリコン窒化膜を形成する装置にお
いて、反応管を本発明のごとくに二重構造とし、放電部
は外管と内管との間隙のみで形成し試料は内管内に配置
することにより、窒化すべき試料へのイオン衝撃の影響
を効果的に防止し、良質で均一な窒化膜が得られる。
As detailed above, in the apparatus for forming a silicon nitride film, the reaction tube has a double structure as in the present invention, the discharge part is formed only by the gap between the outer tube and the inner tube, and the sample is placed in the inner tube. By doing so, the influence of ion bombardment on the sample to be nitrided can be effectively prevented, and a high quality and uniform nitride film can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は従来の直接窒化による窒化膜形成装置の構成図
。 第2図は、本発明者らが検討したグロー放電の領域と、
試料の反応が起る領域を離陪した窒化膜形成装置の構成
図。 第3図は、本発明の第1の実施例の構成図。 第4図は、第1の実施例の装置での反応温度との関係を
示す特性図。 第5図は、本発明の第2の実施例の構成図。 第6図は、第2の実施例の装置でのシリコン窒化+j[
y、厚と試料の位置との関係を示す特性図。 第7図は、本発明の第3の実剣例の構成図。 第8図(伏、第3の実施例の装置でのシリコン窒化膜厚
と試料の装置との関係を反応温度をパラメーターとして
示す特性図。 第9図は、シリコン窒化膜の耐圧分布を示す特膜のC−
■特性を示す特性図である。なお第9図、O 第N図において(5)は本発明の第3の実施例の装置に
よ!ll得た窒化膜の特性であす、(B)は本発明を実
施していない。第2図の装置により得た窒化膜の特性で
ある。 21・・・反応管、22 ・ガス導入口、25・・・容
量性結合型電極、26・・・排気口、28・・・放電部
、29・・・外管、30・・・内管、31・・・内管側
面の孔、32・・・温度制御可能な加熱源、36・・・
試料、37・・−ボート代理人 弁理士 則近 憲佑(
ほか1名)軍 1 図 〒2 図 ウェファ−Q机漫 策 7図 1Qg    28(J    3攻fl    44
;dJウェファ−のa置 第 7 図 ム 7針クタウン宅i  CMv/c次ン 軍lO図 (わ CrATE  BIAS  リ (V)TlO図 (B
) c7ATE BIAS Vl(V)
FIG. 1 is a block diagram of a conventional nitride film forming apparatus by direct nitriding. Figure 2 shows the glow discharge area studied by the inventors, and
FIG. 2 is a configuration diagram of a nitride film forming apparatus in which a region where a sample reaction occurs is separated. FIG. 3 is a configuration diagram of the first embodiment of the present invention. FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship with reaction temperature in the apparatus of the first example. FIG. 5 is a configuration diagram of a second embodiment of the present invention. FIG. 6 shows silicon nitridation +j[
y, a characteristic diagram showing the relationship between thickness and sample position. FIG. 7 is a configuration diagram of a third example of an actual sword of the present invention. Figure 8 (lower side) is a characteristic diagram showing the relationship between the silicon nitride film thickness and the sample equipment in the apparatus of the third embodiment using the reaction temperature as a parameter. Figure 9 is a characteristic diagram showing the breakdown voltage distribution of the silicon nitride film. C- of the membrane
■It is a characteristic diagram showing characteristics. Note that (5) in FIGS. 9 and 0 and N is based on the apparatus of the third embodiment of the present invention! (B) shows the characteristics of the obtained nitride film. This is a characteristic of a nitride film obtained by the apparatus shown in FIG. 21... Reaction tube, 22 - Gas inlet, 25... Capacitively coupled electrode, 26... Exhaust port, 28... Discharge section, 29... Outer tube, 30... Inner tube , 31... Hole on the side surface of the inner tube, 32... Temperature controllable heating source, 36...
Sample, 37...Boat agent and patent attorney Kensuke Norichika (
1 other person) Army 1 Figure 〒2 Figure wafer-Q strategy 7 Figure 1Qg 28 (J 3 attack fl 44
; dJ wafer a position Figure 7 M7 stitch town house i CMv/c next army lO diagram (WCrATE BIAS ri (V) TlO diagram (B
) c7ATE BIAS Vl(V)

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)少なくともアンモニアガスを含むガスを高周波′
曖力等で放電解離させてシリコン窒化膜を形成する装置
において、反応管は、外管と、その内側に配置された@
B面に有孔の内管との二取措昔にて構成され、かつ放電
部は当該外管と内管の間隙のみで形成され、窒化膜は前
記内管側面の孔より内管内に達し、当該内管内に配置武
された試料に、グロー放雷にさらされることなく窒化膜
を形成することを特許とする窒化膜形成装置。
(1) High frequency gas containing at least ammonia gas
In an apparatus that forms a silicon nitride film by discharge dissociation using an air force, etc., the reaction tube consists of an outer tube and an @
The inner tube has holes on the B side, and the discharge part is formed only in the gap between the outer tube and the inner tube, and the nitride film reaches into the inner tube through the hole on the side surface of the inner tube. , a nitride film forming apparatus patented for forming a nitride film on a sample placed in the inner tube without being exposed to glow lightning.
(2)内゛9側内の穴のガス通過面積を変えることによ
り、ガス導入口近傍のガスの通過コンダクタンスを排気
口近傍より小さくした事を特徴とする特許請求の範囲第
1項記載の窒化膜形成装置。
(2) Nitriding according to claim 1, characterized in that the gas passage conductance near the gas inlet is made smaller than that near the exhaust port by changing the gas passage area of the hole in the inner 9 side. Film forming device.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02175879A (en) * 1988-12-27 1990-07-09 Tel Sagami Ltd Chemical vapor growth method

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02175879A (en) * 1988-12-27 1990-07-09 Tel Sagami Ltd Chemical vapor growth method

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