JPS5973413A

JPS5973413A - 薄膜状絶縁材とその製造方法

Info

Publication number: JPS5973413A
Application number: JP18134082A
Authority: JP
Inventors: Koji Takei; 武井　弘次; Tsunekazu Iwata; 岩田　恒和; Masaru Igarashi; 賢五十嵐
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1982-10-18
Filing date: 1982-10-18
Publication date: 1984-04-25

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】本発明は窒化硅素とその製造方法に関するもので、よシ
具体、的には、特に半導体素子およびその集積回路、も
しくはジョセフノン素子およびその集積回路を構成する
絶縁材として使用するのに好適な無定形（非品性）窒化
硅素絶縁膜とその製造方法に関するものである。

従来、薄膜状窒化硅素は半導体素子製造への応用、つま
シ、拡散マスク、あるいはＭＩＳ素子の絶縁膜として使
用されてきた。また、かかる薄膜状窒化硅素の製造方法
として、熱窒化法、ＣＶＤ法、あるいはプラズマ・スパ
ッタ法が用いられてきた。しかし、窒化硅素薄膜の製造
温度は、熱窒化法の場合約１０００℃以上、またＣＶＤ
法の場合約７００℃以上と極めて高温であるため、耐熱
性の左い基板上には窒化硅素薄膜を形成できないという
欠点を有していた。一方、プラズマＣＶＤ法およびプラ
ズマ・スパレタ法の場合には、製造温度を室温に保持し
ても窒化硅素薄膜を製造することができ、耐熱性のない
基板上に窒化硅素膜を形成できる。そのため、この手法
は、例えば、ＬＳＩのパンシベーション膜形成などに適
用可能である。

しかし、同手法によ膜製造される窒化硅素膜は、その膜
形成条件によって膜質が大きく変化するため、条件の最
適化が難かしいど゛と、また、膜の緻密性に難点があり
、たとえば膜厚が約１［］ｎｍ以下の薄い膜においては
、ビレホール等の存在によシミ気絶練性が低下するとい
った欠点を有していた。

本発明の目的は、これらの欠点を除去し、耐熱性のない
基板上に緻密、かつ、電気絶縁性の良好な窒化硅素絶縁
薄膜を形成することにある。

このような目的を達成するために、本発明においては、
不活性ガスを使用するイオンビームによる基体上への硅
素のスパッタリング堆積と同時に該基板上への窒素イオ
ンまたは窒素原子を含むガスのイオンの照射を行なうこ
とにより、該基体上に実質的に無定形な窒化硅素膜を生
成するようにしたものである。

以下に本発明を実施例によって詳細に説明する。

実施例　１゜第１図は本発明の一実施ｇＡｊに用いる無定形窒化硅素
膜製造装置の説明図である。図において、１は真空容器
１．２は真空排気ポンプ、６はイオンビーム発生装置、
４はガス導入管、５はガス流量調節装置、６はガスボン
ベ、７はターゲット、８は基板である。

本実施例においては、ガスボンベ乙に内蔵されるガスは
、アルゴンガスと窒素ガスの混合ガス、モジくはアルゴ
ンガスとアンモニアガス等の窒素原子を含有するガスの
混合ガスであるが、アルコ゛ンガスのかわりにキセノン
あるいはクリプトン等の他の不活性ガスを用いてもよい
。また、ターゲット７は純度９９．９９９％の硅素板で
あるが、かわりに窒化硅素板（Ｓｉ３Ｎ４板）を用いて
もよい。

寸だ、基板８は熱酸化シリコンウエノ・一基板であるが
、ガラス基板等の他の絶縁体基板、金属基板、半導体基
板、あるいは有機高分子材基板であってもよい。

次に、上記装置を動作させるには、まず、真空容器１の
内部を真空排気ポンプ２によシ排気する。

しかる後、ガス流量調節装置５を操作し、所定量のガス
をイオンビーム発生装置６に連続供給する。

ここで、ガスの所定量とは、たとえば、排気速度が毎秒
約１００１の能力をもつ真空排気ポンプを用いた場合、
毎分約５ｃｍ３程度を上限とする値である。次に、イオ
ンビーム発生装置６を作動させることによシ、供給ガス
のイオンビームがターゲット７の面上に照射され、ター
ゲット７を構成する材料（硅素）がスパッタリング効果
により原子状となって飛散し、その一部がターゲット７
と対向する基板８の面上に付着する。これと同時に、供
給ガスのイオンビーム中に含まれる窒素イオンもしくは
アンモニアイオン等の窒素原子を含有するイオンの一部
が基板８０面上に到達するので、窒素イオンの場合は、
Ｓｉ＋±ｘＮ”＋ｘｅ　　−＋ＳｉＮｘ２また、アンモニアイオンの場合は、Ｓｉ＋ｘＮＨ３＋ｘ
ｅ−→Ｓ　＋　Ｎｘ十了ｘ　Ｈ２なる化学反応式で代表
的に示されるように、基板８の面上には窒化硅素が生成
、堆積する。

本発明は、このような製造方法であるから、従来のプラ
ズマＣＶＤ法ある区はプラズマ・スパッタリング法では
放電が持続しないために膜堆積が困婁となる約、Ｉ　Ｘ
　１０　　Ｐａ以下の圧力においても容易に窒化硅素膜
を製造できる。その結果としては、基板８に飛来する硅
素原子が飛行中に残留ガスと衝突する回数が減少し、そ
れに伴なう硅素原子の運動エネルギーの低下が抑止され
る。そのため、数ｅＶ以上の高い運動エネルギーを持っ
た硅素原子が基板上に到達し、膜の細：密化が促進され
る。このことにより、約ｌＸ１０　　Ｐａ以上の圧力に
おいて製造される窒化硅素膜よりもさらに緻密な膜が形
成される。

以下に、上記した製造方法による無定形窒化硅素からな
る絶縁膜の製造例について説明する。

（１）　　上記した製造方法において、アルゴンと窒素
の体積混合比が１０対１の混合ガスを用い、イオンビー
ム発生装置３におけるイオンビームの加速電圧を５ｋＶ
とし、製造圧力を２Ｘ１０’Ｐａに、また、基板温度を
５０℃に設定して、２００分間、スパッタリング堆積を
行なったとζろ、基板８上に厚さが約３３　ｎｍの非晶
状の窒化硅素膜が生成した。この膜中に含まれる硅素お
よび窒素の原子百分率はそれぞれ約９５係および約５％
であった。この膜の色調はやや金属光沢を示し、電気抵
抗率は約１０Ω・ｃｍであったい。

（２）　　アルゴンと窒素ガスの体積混合比が５対１で
ある点を除いて、製造例（１）と同一条件で窒化硅素膜
を製造した。基板上に厚さが約３Ｑ　ｎｍの非晶状窒化
硅素膜が形成された。この膜中に含まれる硅素および窒
素の原子百分率は、それぞれ約９０チおよび約１０％で
あった。この膜の色調はほとんど透明であシ、製造例（
１）で見られたような金属光沢は見られない。また、電
気抵抗率は約１０３Ω・ｃｍであった。

（３）　　アルゴンと窒素ガスの体積混合比が２対１で
ある点を除いて、製造例（１）と同一条件で窒化硅素膜
を製造した。基板８上には厚さが約６０ｎｍの非晶状窒
化硅素膜が形成された。この膜中に含まれる硅素および
窒素の原子百分率は、それぞれ、約８０％〜および約２
０９ｂであった。この膜の色調は透明であシ、電気抵抗
本は少なくとも１０６Ω・ｃｍ　　以上であった。

（４）　　スパッタリング堆積時間が２０分であるとと
、および基板上にあらかじめ金属層（ニオブ層）を形成
しておくことを除いては、上記製造例（６）と同一条件
で窒化硅素膜を製造した。上記金属層上には厚さ約３ｎ
ｍの窒化硅素膜が形成された。さらに、この膜の上に金
属層にニオブ層）を蒸着法により形成し、約１０００μ
ｍの面積をもつＭＩＭ接合（金属層、絶縁体層、金属層
の順に積層されてなる接合）を作製したところ、接合抵
抗値は１０　　Ω以上を示し、金属層間の短絡は生じ々
いことが確認された。

上記の製造例（１）、（２５、（３）によれば、窒化硅
素膜中の窒素の原子百分率が約１０％に満たカい場合に
は、その電気抵抗率が窒素を含有しない非晶状硅素膜の
電気抵抗率と同程度であって、絶縁膜としては不適当で
あることを示している。さらに、前記膜中の窒素の原子
百分率が約１ｏ％以上の場合では、その電気抵抗率は、
窒素を含有しない非晶状硅素膜の電気抵抗率の少なくと
も約１００倍以上であり、窒素の原子百分率が化学量論
組成の窒化硅素（Ｓｉ３Ｎ４）における５７チに満たな
いものであっても、絶縁膜として・機能しうろことを示
している。

また、製造例（４）は、膜厚が約３ｎｍと極めて薄い窒
化硅素膜においてすら、ピンボールのない緻密な絶縁膜
が実現されたことを如実に示したものであり、従来の手
法をもって、これを実現することは極めて困難であった
ことから、本発明の有効性が示されている。

本発明の有効性は、上記した点に止まらず、品質の一定
した窒化硅素膜が製造される点にも現われている。これ
は、膜製造中の圧力を約１Ｑ’Ｐａ以下に保持すること
により、堆積膜中に取シ込まれる不純物量を低減させる
ことができるので、膜品質のばらつきが減少するためで
ある。

実施例　２゜第２図は本発明の他の実施例に用いる無定形窒化硅素膜
製造装置の説明図である。図において、記号１〜８は第
１図の場合ど°同じものを示す。９は第２のイオンビー
ム発生装置、１ｏは第２のガス導入管、１１は第２のガ
ス流量調節装置、１２は第２のガスボンベである。ここ
で、第１のガスボンベ乙に内蔵されるガスはアルゴンガ
スであるが、キセノンやクリプトン等の他の不活性ガス
であってもよい。また、第２のガスボンベ１２に内蔵さ
れるガスは窒素ガスであるが、アンモニアガス等の窒素
原子を含む他種のガスであってもよい。また、ターゲッ
ト７は純度９９．９９９％の硅素板であるが、窒化硅素
板（８１３Ｎ４板）であってもよい。

まだ、基板８は熱酸化シリコンウェハー基板であるが、
ガラス基板等の他の絶縁体基板、金属基板、半導体基板
、あるいは有機高分子材基板であってもよい。

次に、この装置を動作させるには、まず、真空容器１の
内部を真空排気ポンプ２によシ排気する。

しかる後、第１のガス流量調節装置５を操作し、所定量
のガスを第１のイオンビーム発生装置６に連続供給する
。ここで、ガスの所定量とは、たとえば、真空排気ポン
プ２の排気速度が毎秒約１００４である場合、毎分約５
ｃｍ３程度を上限とする値である。また、第２のガス流
量調節装置１１を操作し、所定量のガスを第２のイオン
ビーム発生装置９に連続供給する。この場合゛のガス供
給量は、たとえば、真空排気ポンプ２の排気速度が毎秒
約１００１である場合、毎分約５　ｃｍ　　程度を上限
とする値である。次に、第１のイオンビーム発生装置６
および第２のイオンビーム発生装置９を同時に作動させ
ることによシ、アルゴンガスのイオンビームがターゲッ
ト７の面上に照射され、ターゲット７を構成する材料（
硅素）がスパッタリング効果により原子状となって飛散
し、その一部がターゲット７と対向する基板８０面上に
付着する。

これと同時に、第２のイオンビーム発生装置９で発生し
た窒素ガスのイオンビームが基板８の面上に照射され、
基板８０面上に窒化硅素が生成、堆積する。

このような製造方法であるから、実施例１で説明した効
果に加えて、イオン化、かつ、加速された活性な窒素分
子を基板面上゛た輸送できるので、実施例１の場合より
もさらに低い圧力で窒素含有量の大きい窒イユ硅素膜を
製造できる。その結果とじて、よシ緻密で、かつ、よシ
ミ気絶練性の良好な窒化硅素膜が得られる。

以下に上記の方法を用いた窒化硅素膜の他の製造例を示
す。

上記した製造方法において、アルゴンガス供給量と窒素
ガス供給量の比率を５：１とし、製造圧力を８ｘ１０　
　Ｐａとし、第１のイオンビーム発生装置６におけるイ
オンビームの加速電圧を５ｋＶとし、第２のイオンビー
ム発生装置９における加速電圧を８００ｖとし、基板温
度を５０℃に設定し、２００分間、装置を動作させたと
ころ、厚さが約２０　ｎｍの非晶状窒化硅素膜が形成さ
れた。この膜中に含まれる硅素および窒素の原子百分率
は、それぞれ、６０チおよび４０チであシ、実施例１の
場合よシもさらに窒素含有量の大きな窒化硅素膜が形成
されたことは明らかである。また、この膜の電気抵抗率
は少なくとも１０６Ω・ｃｍ以上であって、良好な電気
絶縁性をもつことが示された。なお、膜中の窒素量が原
子百分率で４０チをこえると安定な窒化硅素膜は得られ
ない。

以上説明したように、本発明を用い、ると、緻密な窒化
硅素膜を低温に保持した物質の表面に形成できるので、
たとえば、耐熱性のない半導体素子やＬＳＩの保護膜と
して、あるいは、素子製造プロセスにおいて拡散マスク
として、これを利用できるという利点がある。

さらに、本発明により製造される窒化硅素膜はその厚さ
が数ｎｍであっても、ピンホールのない緻密なものであ
るから、ＭＮＯ８素子用窒化膜として、あるいはトンネ
ル型ジョセフソン素子のバリヤ膜としても好適なもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、それぞれ、本発明の実施に用い
る窒化硅素膜製造装置の説明図である。図において、１・・・真空容器　　　　　２・・・真空排気ポンプ６
．９・・・イオンビーム発生装置４．１０・・・ガス導入管５．１１・・・ガス流量調節装置６．１２・・・ガスボンベ　７・・・ターゲット“８・
・・基板特許出願人　　日本電信電話公社代理人弁理士　　中村純之助

Claims

【特許請求の範囲】

（１）実質的に無定形な窒化硅素からなる薄膜状絶縁材
において、該絶縁材中の硅素の原子百分率が９０ｅＩｂ
以下で、かつ、４０チ以上の範囲にあシ、窒素の原子百
分率が１０チ以上で、かつ、６０％以下の範囲にある（
ただし、前記百分率は前記絶縁材中の硅素と窒素の原子
の総数に基づくものである）ことを特徴とする薄膜状絶
縁材。
（２）不活性ガスと窒素ガスとの混合ガス、もしくは、
不活性ガスとアンモニアガス等の窒素原子を含むガスと
の混合ガスを使用するイオンビーム・スパッタリング堆
積法によシ、基体上に実質的に無定形な窒化硅素膜を生
成する工程を含むことを特徴とする薄膜状絶縁材の製造
方法。
（３）不活性ガスを使用するイオンビーム・スパッタリ
ングにより基体上に実質的に無定形な窒化硅素膜を堆積
すると同時に該基体上に窒素イオンもしくはアンモニア
ガス等の窒素原子を含むガス状化合物のイオンからなる
荷電粒子ビームを照射することにより該基体上に実質的
に無定形な窒化シ硅素膜を生成する工程を含むことを特徴とする薄膜状絶
縁材の製造方法。