WO2023105894A1 - 窒化シリコン膜の成膜方法、成膜装置及び窒化シリコン膜 - Google Patents

窒化シリコン膜の成膜方法、成膜装置及び窒化シリコン膜 Download PDF

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nitride film
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優汰 安藤
晃 猪狩
直樹 森本
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Definitions

  • the present invention relates to a method for forming a silicon nitride film, a film forming apparatus, and a silicon nitride film.
  • a silicon nitride film of the above type is used as a hard mask, for example, in the manufacturing process of semiconductor devices. Silicon nitride films for such applications are required to have a relatively strong tensile stress (+300 MPa or more) within a predetermined refractive index range (for example, 2.0 ⁇ 0.2).
  • a film is formed by the CVD method (see, for example, Patent Document 1).
  • a silane-based gas containing hydrogen atoms is generally used as a raw material gas. For this reason, if hydrogen atoms are taken into the silicon nitride film to be formed, there is a problem that the semiconductor device is adversely affected.
  • a silicon nitride film can also be deposited by reactive sputtering.
  • a sputtering gas containing a rare gas and a nitrogen gas is introduced into a vacuum chamber having a vacuum atmosphere in which a silicon target and an object to be film-formed are arranged to face each other, and a negative potential is applied to the silicon target.
  • At least one of the flow ratio of the nitrogen gas to the sputtering gas and the potential applied to the silicon target is controlled, and the film is formed in a state where the surface of the silicon target is maintained in the metal mode. It is generally known that most silicon nitride films thus formed have compressive stress.
  • the present invention provides a silicon nitride film forming method, a film forming apparatus, and a silicon nitride film capable of forming a silicon nitride film having a relatively strong tensile stress by reactive sputtering. is the subject.
  • the present invention arranges a silicon target and an object to be film-formed in a vacuum chamber so as to face each other, introduces a sputtering gas containing nitrogen gas into the vacuum chamber in a vacuum atmosphere, and A silicon nitride film forming method for forming a silicon nitride film having a tensile stress on the surface of a film forming object placed in an electrically floating state by reactive sputtering by applying a negative potential to A film-forming object is set in a state in which no bias potential is applied, and the flow rate ratio of nitrogen gas to the sputtering gas and the silicon target are applied so that the surface of the silicon target is maintained in the transition mode between the metal mode and the compound mode.
  • the method is characterized by including a step of depositing ⁇ -type silicon nitride on the surface of the object to be film-formed by controlling at least one of the potentials.
  • a positive potential may be applied to the conductive member arranged around the film-forming target facing the plasma atmosphere generated in the vacuum chamber to maintain a non-applied state of the bias potential.
  • the film when a silicon nitride film is formed in a metal mode as in the conventional example, the film has a crystal structure of ⁇ -type silicon nitride ( ⁇ -Si 3 N 4 ).
  • the silicon target surface is maintained in the transition mode between the metal mode and the compound mode by appropriately controlling the film formation rate and flow rate, the film formed will be ⁇ -type silicon nitride ( ⁇ -Si 3 N 4 ), and such a ⁇ -type silicon nitride film has a tensile stress within a predetermined refractive index range. It was found that there was a dependence on the ratio. It is generally known that tensile stress is likely to occur if the deposited silicon nitride film has a columnar structure. It turned out not to be.
  • the inventors of the present application conducted extensive research, placed a conductive member around an object to be film-formed facing a plasma atmosphere generated in a vacuum chamber, and applied a positive potential to the conductive member during film formation by reactive sputtering. is applied, the deposited film becomes a columnar structure of ⁇ -type silicon nitride ( ⁇ -Si 3 N 4 ) and develops a relatively strong tensile stress (+300 MPa).
  • ⁇ -Si 3 N 4 ⁇ -type silicon nitride
  • the film-forming target is in a state where no bias potential is applied, and the flow rate ratio of nitrogen gas to the sputtering gas and A configuration was adopted in which at least one of the potentials applied to the silicon target was controlled to form the ⁇ -type silicon nitride film.
  • the "state in which no bias potential is applied" in the present invention does not only mean, for example, excluding the case where a bias potential is positively applied by an AC power source, and it does not mean that the charging of electrons in the plasma atmosphere is excluded.
  • Including a state in which the self-bias applied to the film-forming object can be reduced as much as possible, and applying a positive potential to the conductive member arranged around the film-forming object as long as the self-bias can be reduced. is not limited to A DC power supply, a high-frequency power supply, or an AC power supply can be used as the sputtering power supply, but it is preferable to use a DC power supply.
  • DC power When “DC power” is supplied from a DC power source, it includes the case where pulsed DC power is supplied.
  • controlling the potential applied to the silicon target means controlling the potential applied to the silicon target by controlling the power of the sputtering power supply connected to the silicon target, or controlling the potential applied to the silicon target.
  • Controlling the potential applied to the silicon target by constant current control of the current of the connected sputtering power source is also included, and is not limited to constant voltage control of the potential of the sputtering power source connected to the silicon target. .
  • a silicon nitride film having a relatively strong tensile stress can be formed by reactive sputtering.
  • the plasma generated in the vacuum chamber spreads and the discharge tends to become unstable.
  • the presence of the conductive member to which the positive potential is applied suppresses the expansion of the plasma, so that the discharge can be stabilized at all times.
  • the flow ratio of nitrogen gas to the sputtering gas is x (%)
  • the film formation rate of the silicon nitride film is y ( ⁇ /sec)
  • the step of depositing the ⁇ -type silicon nitride prior to the step of depositing the ⁇ -type silicon nitride, at least one of the flow rate ratio of the nitrogen gas to the sputtering gas and the potential applied to the silicon target is controlled to control the surface of the silicon target. It is preferable to include a pre-process of forming a seed layer of ⁇ -type silicon nitride on the surface of the film-forming object while maintaining the metal mode.
  • the formed silicon nitride film has a columnar structure with narrow gaps and uniform gaps and has a tensile stress of +400 MPa or more. confirmed.
  • the film forming apparatus of the present invention has a vacuum chamber in which a silicon target is installed, and an object to be film-formed is electrically connected to the silicon target in the vacuum chamber.
  • a stage held in a floating state a gas introduction means for introducing a sputtering gas containing nitrogen gas into a vacuum chamber having a vacuum atmosphere, and a sputtering power supply for applying a negative potential to a silicon target, and a stage in the vacuum chamber. and a DC power source for applying a positive potential to the conductive member.
  • the silicon nitride film of the present invention is characterized by being composed of ⁇ -type silicon nitride with a columnar structure and having a tensile stress stronger than +300 MPa in a refractive index range of 2.0 ⁇ 0.2.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a sputtering apparatus as a silicon nitride film deposition apparatus according to the present embodiment
  • FIG. 4A and 4B are views for explaining a method for forming a silicon nitride film according to the first embodiment
  • 8A and 8B are diagrams for explaining a method for forming a silicon nitride film according to a second embodiment;
  • the object to be film-formed is a silicon wafer (hereinafter referred to as “substrate Sw”)
  • the target is made of silicon of a predetermined purity
  • the substrate is formed by reactive sputtering using argon gas and nitrogen gas as sputtering gases.
  • the film forming apparatus of this embodiment is a so-called magnetron sputtering apparatus SM, and includes a vacuum chamber 1 grounded to the earth.
  • a vacuum pump 12 is connected to the vacuum chamber 1 via an exhaust pipe 11 so that the inside of the vacuum chamber 1 can be evacuated to a predetermined pressure (degree of vacuum).
  • a side wall of the vacuum chamber 1 is connected to a gas pipe 14 which communicates with gas sources of argon gas and nitrogen gas, respectively, and which is provided with mass flow controllers 13a and 13b.
  • the mass flow controllers 13a and 13b can control the flow rates of the argon gas and the nitrogen gas to introduce the sputtering gas into the vacuum chamber 1 at a predetermined flow rate ratio (the flow rate ratio of the nitrogen gas to the sputtering gas).
  • parts such as the mass flow controllers 13a and 13b and the gas pipe 14 constitute gas introduction means.
  • a stage 2 is provided in the vacuum chamber 1 .
  • the stage 2 includes a metal base 21 arranged inside the bottom surface of the vacuum chamber 1 via an insulator 21a, and a chuck plate 22 made of aluminum nitride or boron nitride, for example, provided on the base 21. have.
  • An electrode 22a for electrostatic chucking is incorporated in the chuck plate 22. By energizing the electrode 22a from a power supply for chucking (not shown), the substrate Sw placed with its film-forming surface facing upward is electrostatically attracted. can (hold) At this time, the substrate Sw is in an electrically floating state.
  • the chuck plate 22 is provided with a heating and cooling mechanism for the substrate Sw, although not shown and described, so that the substrate Sw can be adjusted to a predetermined temperature during film formation by reactive sputtering.
  • the vacuum chamber 1 is provided with a cathode unit Cu.
  • the cathode unit Cu includes a target 3 and a magnet unit 4 that is arranged above the target 3 and causes a leakage magnetic field to act on the space between the target 3 and the substrate Sw.
  • a backing plate 31 is bonded to the side of the target 3 facing away from the sputtering surface 3a. When the peripheral edge of the backing plate 31 is attached to the upper wall of the vacuum chamber 1 via an insulating member 32, the vacuum chamber 1 in a vacuum atmosphere is formed. Inside, the target 3 and the substrate Sw are concentrically arranged to face each other. An output from a sputtering power source Ps is connected to the target 3, and DC power having a negative potential (or pulsed DC power) can be applied.
  • an anti-adhesion plate 5 made of stainless steel or aluminum that surrounds the space between the substrate Sw and the target 3 to prevent adhesion of sputtered particles to the inner wall of the vacuum chamber 1.
  • the anti-adhesion plate 5 is composed of an upper anti-adhesion plate 51 suspended from the upper wall of the vacuum chamber 1 and a lower anti-adhesion plate 52 vertically movable by an elevating mechanism Du having a cylinder and a motor.
  • a cylindrical block 6 having a truncated conical contour is provided in the vacuum chamber 1 around the stage 2 .
  • the block body 6 is made of aluminum or copper and constitutes the conductive member of the present embodiment, and is installed via an insulator 61 installed inside the bottom surface of the vacuum chamber 1 .
  • the top of the block body 6 is flush with or below the upper surface (film formation surface) of the substrate Sw held by the stage 2, and at least a part of the outer cylinder surface is It directly faces the plasma atmosphere formed in the vacuum chamber 1 .
  • the form of the block body 6 is not limited to this, and it is not necessary to completely surround the periphery of the stage 2.
  • An output 71 from a DC power supply 7 is also connected to the block body 6, and a positive potential is applied by the DC power supply 7 during film formation so that the block body 6 functions as an anode.
  • a film forming method according to the first embodiment using the sputtering apparatus SM will be described below.
  • the inside of the vacuum chamber 1 is evacuated.
  • the gas introduction means 13a, 13b, and 14 introduce a sputtering gas into the vacuum chamber 1 at a predetermined flow rate while maintaining a constant effective pumping speed. DC power having a negative potential is applied to the target 3 .
  • x (%) is the flow rate ratio of the nitrogen gas to the sputtering gas
  • y ( ⁇ /sec) is the deposition rate of the silicon nitride film
  • the following formula (1) is satisfied (that is, sputtering of the target 3
  • At least one of the nitrogen gas flow rate and the potential applied to the target 3 is controlled so that the surface 3a is maintained in the transition mode between the metal mode and the compound mode.
  • a DC power supply 7 applies a positive potential (for example, a range of 0 V to 100 V, preferably 30 V) to the block body 6 .
  • y 0.815x ⁇ 7.50
  • the terms such as “metal mode”, “compound mode” and “transition mode” are well-known items, and therefore detailed descriptions thereof are omitted here.
  • ⁇ -type silicon nitride having a columnar structure which is a reaction product of sputtered particles and nitrogen gas, is deposited to form a silicon nitride film Fn.
  • the flow rate ratio is preferably in the range of, for example, 25 to 35%, and the negative potential applied to the target 3 is For example, the range of 300 V to 600 V (input power is, for example, the range of 3.0 kW to 5.0 kW) is preferable. It was confirmed that the silicon nitride film Fn formed as described above has a tensile stress of +300 MPa or more in the refractive index range of 2.0 ⁇ 0.2. Moreover, it was confirmed that even if the integrated power to the target 3 increases, the spread of the plasma in the vacuum chamber 1 is suppressed and the discharge can be stabilized all the time.
  • the following experiment was conducted using the sputtering apparatus SM.
  • the negative potential of the DC power supplied to the target 3 was set to 550V (DC power is 4.5 kW), and the applied potential to the block body 6 was set to 30V.
  • the pressure in the vacuum chamber 1 is maintained at 1.0 ⁇ 0.1 Pa, the flow rate of the nitrogen gas is changed in the range of 27.63 to 29.49%, and the tensile stress of the silicon nitride film Fn and Refractive indices were measured for each, and the results are shown in FIG.
  • the flow rate of nitrogen gas was set to 25.67% while the pressure in the vacuum chamber 1 was maintained at 1.0 ⁇ 0.1 Pa from the first experiment, and applied to the target 3.
  • the tensile stress and refractive index of the silicon nitride film Fn were measured by changing the potential and thus the deposition rate in the range of 10.7 to 15.4 ⁇ /sec, and the results are shown in FIG.
  • the tensile stress of the silicon nitride film Fn depends on the nitrogen gas flow rate and the film formation rate. In this case, when the flow rate of nitrogen gas is 28.6% and the film formation rate is 19.5 ⁇ /sec, or when the film formation rate is 13.5 ⁇ /sec and the flow rate of nitrogen gas is 25.68% , the tensile stress of the silicon nitride film Fn reaches a maximum value at a refractive index of 2.03. 3N4 ) was confirmed to have a columnar structure . Further, when the results of the first experiment and the second experiment were subjected to regression analysis, as shown in FIG.
  • the refractive index is within the range of 2.0 ⁇ 0.2 It was found that a silicon nitride film Fn having a tensile stress of +300 MPa or more can be formed.
  • the potential applied to the target 3 was set to 560 V (DC power is 4.5 kW), the flow rate was set to 28.57%, and the potential applied to the block body 6 was set to 0 V. to +35 V, the current value (anode current) flowing through the block 6 and the current value (cathode current) flowing through the target 3 were measured, and the results are shown in FIG. According to this, as the positive potential applied to the block body 6 is increased, the cathodic current hardly changes, but the anodic current gradually increases. From this result, it can be inferred that by applying a positive potential to the block body 6, the electrons in the plasma are attracted to the block body 6, and the electrons charged to the substrate Sw during film formation are relatively reduced. .
  • the ratio of the flow rate of nitrogen gas to the sputtering gas and the silicon target are adjusted as in the first embodiment. 3 is controlled to maintain the surface of the silicon target 3 in the metal mode, a seed layer Ls of ⁇ -type silicon nitride is formed on the surface of the substrate Sw.
  • the film thickness d of the seed layer Ls of ⁇ -type silicon nitride may be appropriately set within a range in which nuclei of ⁇ -type silicon nitride are formed (for example, 7.5 nm ⁇ 5.0 nm).
  • the flow rate is 5 to 15% (preferably 10%)
  • the potential applied to the target 3 may be adjusted to a value that maintains the surface of the silicon target 3 in the metal mode.
  • the voltage is set in the range of 600 V (input power is 2.0 kW to 5.0 kW (preferably 3.5 kW)), and the block body 6 may be in a potential applied state or a potential non-applied state.
  • the ⁇ -type silicon nitride has a columnar structure with uniform gaps, and it is possible to form a silicon nitride film Fn having a tensile stress of +400 MPa or more in a refractive index range of 2.0 ⁇ 0.2. confirmed.
  • the present invention can also be applied to the case of forming a silicon nitride film using only nitrogen gas.
  • SM...Sputtering apparatus silicon nitride film deposition apparatus
  • Sw...Substrate film formation object
  • Fn...Silicon nitride film Ls...Seed layer, 1...Vacuum chamber, 13a, 13b...Mass flow controller (gas introduction means ), 14... Gas pipe (component of gas introduction means), 2... Stage, 3... Silicon target, Ps... Sputtering power supply, 6... Block (conductive member), 7... DC power supply.

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Abstract

反応性スパッタリングにより比較的強い引張応力を持つ窒化シリコン膜を成膜することができる窒化シリコン膜の成膜方法を提供する。 真空チャンバ1内にシリコン製ターゲット3と成膜対象物Swとを対向配置し、真空雰囲気の真空チャンバ内に窒素ガスを含むスパッタガスを導入し、シリコン製ターゲットに負の電位を印加して、反応性スパッタリングにより電気的にフローティング状態で設置される成膜対象物の表面に、引張応力を持つ窒化シリコン膜を成膜する窒化シリコン膜の成膜方法において、成膜対象物をバイアス電位の非印加状態とし、シリコン製ターゲット表面が金属モードと化合物モードとの間の遷移モードに維持されるようにスパッタガスに対する窒素ガスの流量割合及びシリコン製ターゲットに印加する電位の少なくとも一方を制御して成膜対象物表面にβ型窒化ケイ素を堆積させる工程を含む。

Description

窒化シリコン膜の成膜方法、成膜装置及び窒化シリコン膜

 本発明は、窒化シリコン膜の成膜方法、成膜装置及び窒化シリコン膜に関する。

 上記種の窒化シリコン膜は、例えば、半導体デバイスの製造工程においてハードマスクとして利用される。このような用途の窒化シリコン膜には、所定の屈折率(例えば、2.0±0.2)の範囲内で比較的強い引張応力(+300MPa以上)を持つことが要求され、通常は、プラズマCVD法により成膜されている(例えば特許文献1参照)。プラズマCVD法により窒化シリコン膜を成膜する場合、原料ガスとして水素原子を含むシラン系ガスが一般に用いられる。このため、成膜される窒化シリコン膜中に水素原子が取り込まれると、半導体デバイスに悪影響を与えるという問題を招来する。

 他方で、反応性スパッタリングにより窒化シリコン膜を成膜することもできる。この場合、シリコン製ターゲットと成膜対象物とを対向配置した真空雰囲気の真空チャンバ内に希ガスと窒素ガスとを含むスパッタガスを導入し、シリコン製ターゲットに負の電位を印加し、このとき、スパッタガスに対する窒素ガスの流量割合及びシリコン製ターゲットに印加する電位の少なくとも一方を制御してシリコン製ターゲットの表面が金属モードに維持される状態で成膜される。このようにして成膜された窒化シリコン膜の大部分は、圧縮応力を持つことが一般に知られている。たとえ引張応力を持つ窒化シリコン膜が成膜できたとしても、上記プラズマCVD法により成膜したもの程の強い引張応力が得られない。然し、窒化シリコン膜の成膜に反応性スパッタリングを用いると、プラズマCVD法と比較して製造コストの低減が図れる等の利点がある。このことから、プラズマCVD法により成膜されるものと同等の引張応力を持つ窒化シリコン膜を反応性スパッタリングで成膜できる成膜方法の開発が望まれている。

特開2009-84639号公報

 本発明は、以上の点に鑑み、反応性スパッタリングにより比較的強い引張応力を持つ窒化シリコン膜を成膜することができる窒化シリコン膜の成膜方法、成膜装置及び窒化シリコン膜を提供することをその課題とするものである。

 上記課題を解決するために、本発明は、真空チャンバ内にシリコン製ターゲットと成膜対象物とを対向配置し、真空雰囲気の真空チャンバ内に窒素ガスを含むスパッタガスを導入し、シリコン製ターゲットに負の電位を印加して、反応性スパッタリングにより電気的にフローティング状態で設置される成膜対象物の表面に、引張応力を持つ窒化シリコン膜を成膜する窒化シリコン膜の成膜方法において、成膜対象物をバイアス電位の非印加状態とし、シリコン製ターゲット表面が金属モードと化合物モードとの間の遷移モードに維持されるようにスパッタガスに対する窒素ガスの流量割合及びシリコン製ターゲットに印加する電位の少なくとも一方を制御して成膜対象物表面にβ型窒化ケイ素を堆積させる工程を含むことを特徴とする。この場合、前記真空チャンバ内に発生させたプラズマ雰囲気を臨む前記成膜対象物の周囲に配置した導電性部材に、正電位を印加してバイアス電位の非印加状態を維持すればよい。

 ここで、上記従来例のように金属モードで窒化シリコン膜を成膜すると、成膜されたものはα型窒化ケイ素(α-Si)の結晶構造となる。一方、成膜レートや流量割合を適宜制御してシリコン製ターゲット表面を金属モードと化合物モードとの間の遷移モードに維持すれば、成膜されたものはβ型窒化ケイ素(β-Si)の結晶構造となり、このようなβ型窒化ケイ素膜が所定の屈折率の範囲にて引張応力を持つこと、言い換えると、窒化シリコン膜の応力は成膜レートとスパッタガスに対する窒素ガスの流量割合とに依存性があることが判った。また、成膜された窒化シリコン膜が柱状構造を持っていると、引張応力が生じ易いことが一般に知られているが、遷移モードに維持しただけでは、窒化シリコン膜が隙間の揃った柱状構造とならないことが判明した。

 本願発明者は、鋭意研究を重ね、真空チャンバ内に発生させたプラズマ雰囲気を臨む成膜対象物の周囲に導電性部材を配置し、反応性スパッタリングによって成膜する間、導電性部材に正電位を印加すると、成膜されたものは、柱状構造のβ型窒化ケイ素(β-Si)となり、比較的強い引張応力(+300MPa)を発現することを知見した。これは、通常、成膜対象物がシリコンウエハである場合や、成膜対象物の表面が電気抵抗の相対的に高い窒化ケイ素で覆われてくると、プラズマ雰囲気中の電子が帯電して成膜対象物には所謂セルフバイアス(バイアス電位)が加わる状態となり、このような状態では、シリコン製ターゲットから飛散するスパッタ粒子がより高いエネルギーを持って成膜対象物に到達(衝突)することで、柱状構造が損なわれる一方で、成膜対象物の周囲に導電性部材があると、電子の帯電が緩和(抑制)されて成膜対象物に加わるセルフバイアスが低減されることによるものと考えられる。

 そこで、本発明では、成膜対象物をバイアス電位の非印加状態とし、シリコン製ターゲット表面が金属モードと化合物モードとの間の遷移モードに維持されるようにスパッタガスに対する窒素ガスの流量割合及びシリコン製ターゲットに印加する電位の少なくとも一方を制御してβ型窒化シリコン膜を成膜する構成を採用した。本発明にいう「バイアス電位の非印加状態」には、例えば、交流電源により積極的にバイアス電位を印加する場合を除く、ということだけを意味するものではなく、プラズマ雰囲気中の電子の帯電を緩和して成膜対象物に加わるセルフバイアスを可及的に低くできる状態を含み、セルフバイアスを低くできるのであれば、成膜対象物の周囲に配置した導電性部材に正電位を印加するものに限られない。なお、スパッタ電源としては直流電源、高周波電源、交流電源を採用することができるが、直流電源を採用することが好ましい。直流電源から「直流電力」を投入する場合、パルス状の直流電力を投入する場合も含む。また、「シリコン製ターゲットに印加する電位を制御する」とは、シリコン製ターゲットに接続されたスパッタ電源の電力を制御することでシリコン製ターゲットに印加する電位を制御することや、シリコン製ターゲットに接続されたスパッタ電源の電流を定電流制御することでシリコン製ターゲットに印加する電位を制御することも含み、シリコン製ターゲットに接続されたスパッタ電源の電位を定電圧制御するということに限られない。これにより、反応性スパッタリングにより比較的強い引張応力を持つ窒化シリコン膜を成膜することができる。また、成膜中、真空チャンバ内に設置される防着板表面などに窒化シリコンが付着、堆積してくると、真空チャンバ内に発生させたプラズマが拡がって放電が不安定になり易いが、本発明では、正電位が印加された導電性部材があることで、プラズマの拡がりが抑制されて放電を常時安定させることができる。

 本発明においては、成膜レートと流量割合の依存性に関する発明実験に基づく回帰分析から、前記スパッタガスに対する窒素ガスの流量割合をx(%)、前記窒化シリコン膜の成膜レートをy(Å/sec)とし、次式(1)を満たすように、窒素ガスの流量割合及びシリコン製ターゲットに印加する電位の少なくとも一方を制御すれば、+300MPa以上の引張応力を持つ窒化シリコン膜が成膜できることが確認された。

  y=0.815x-7.50・・・(1)

 また、本発明においては、前記β型窒化ケイ素を堆積させる工程に先立って、前記スパッタガスに対する窒素ガスの流量割合及び前記シリコン製ターゲットに印加する電位の少なくとも一方を制御してシリコン製ターゲットの表面が金属モードに維持される状態で成膜対象物表面にα型窒化ケイ素のシード層を形成する前工程を含むことが好ましい。これにより、α型窒化ケイ素の種結晶上にβ型窒化ケイ素が堆積することで、成膜された窒化シリコン膜が狭い隙間で且つ隙間の揃った柱状構造で+400MPa以上の引張応力を持つことが確認された。

 また、上記課題を解決するために、本発明の成膜装置は、シリコン製ターゲットが設置される真空チャンバを有し、真空チャンバ内にシリコン製ターゲットに対向させて成膜対象物を電気的にフローティング状態で保持するステージと、真空雰囲気の真空チャンバ内に窒素ガスを含むスパッタガスを導入するガス導入手段と、シリコン製ターゲットに負の電位を印加するスパッタ電源とを備え、真空チャンバ内でステージの周囲に位置させて設けられる導電性部材と、導電性部材に正電位を印加する直流電源とを備えることを特徴とする。そして、本発明の窒化シリコン膜は、柱状構造のβ型窒化ケイ素で構成され、屈折率が2.0±0.2の範囲にて+300MPaより強い引張応力を持つことを特徴とする。

本実施形態の窒化シリコン膜の成膜装置としてのスパッタリング装置の構成を示す模式図。 第1実施形態の窒化シリコン膜の成膜方法を説明する図。 本発明の効果を確認する実験結果を示すグラフ。 本発明の効果を確認する実験結果を示すグラフ。 本発明の効果を確認する実験結果を示すグラフ。 本発明の効果を確認する実験結果を示すグラフ。 (a)及び(b)は、第2実施形態の窒化シリコン膜の成膜方法を説明する図。

 以下、図面を参照して、成膜対象物をシリコンウエハ(以下「基板Sw」という)、ターゲットを所定純度のシリコン製とし、スパッタガスとしてアルゴンガスと窒素ガスとを用いて反応性スパッタリングにより基板Sw表面に窒化シリコン膜を成膜する場合を例に、本発明の窒化シリコン膜の成膜方法、成膜装置及び窒化シリコン膜の実施形態を説明する。以下において、上、下といった方向を示す用語は、図1を基準とする。

 図1を参照して、本実施形態の成膜装置は所謂マグネトロンスパッタリング装置SMであり、アース接地された真空チャンバ1を備える。真空チャンバ1には、排気管11を介して真空ポンプ12が接続され、真空チャンバ1内を所定圧力(真空度)に真空排気することができる。真空チャンバ1の側壁には、アルゴンガスと窒素ガスとのガス源に夫々連通し、マスフローコントローラ13a,13bが介設されたガス管14が接続されている。そして、各マスフローコントローラ13a,13bで流量制御してアルゴンガスと窒素ガスとのスパッタガスが所定の流量割合(スパッタガスに対する窒素ガスの流量割合)で真空チャンバ1内に導入することができる。本実施形態では、マスフローコントローラ13a,13b、ガス管14といった部品がガス導入手段を構成する。

 真空チャンバ1内にはステージ2が設けられている。ステージ2は、真空チャンバ1の底面内側に絶縁体21aを介して配置される金属製の基台21と、基台21上に設けられる、例えば窒化アルミニウム製または窒化ボロン製のチャックプレート22とを有する。チャックプレート22には静電チャック用の電極22aが組み込まれ、図外のチャック用電源から電極22aに通電することで、その成膜面を上に向けて載置された基板Swを静電吸着(保持)することができる。このとき、基板Swは電気的にフローティング状態となる。チャックプレート22には、特に図示して説明しないが、基板Swの加熱冷却機構が設けられ、反応性スパッタリングによる成膜中に、基板Swを所定温度に調整することができる。

 また、真空チャンバ1にはカソードユニットCuが設けられている。カソードユニットCuは、ターゲット3と、ターゲット3の上方に配置されてターゲット3と基板Swとの間の空間に漏洩磁場を作用させる磁石ユニット4とを備える。ターゲット3のスパッタ面3aと背向する側にはバッキングプレート31が接合され、バッキングプレート31の周縁部を、絶縁部材32を介して真空チャンバ1の上壁に取り付けると、真空雰囲気の真空チャンバ1内でターゲット3と基板Swとが同心状に対向配置されるようになっている。ターゲット3には、スパッタ電源Psからの出力が接続され、負の電位を持つ直流電力(またはパルス状の直流電力)を投入することができる。真空チャンバ1内にはまた、基板Swとターゲット3との間の空間を囲繞して真空チャンバ1の内壁へのスパッタ粒子の付着を防止するステンレスやアルミニウム製の防着板5が設けられている。防着板5は、真空チャンバ1の上壁に吊設される上部防着板51と、シリンダやモータを備える昇降機構Duによって上下方向に移動自在な下部防着板52とで構成される。

 真空チャンバ1内には、ステージ2の周囲に位置させて切頭円錐状の輪郭を持つ筒状のブロック体6が設けられている。ブロック体6は、アルミニウムや銅製で本実施形態の導電性部材を構成するものであり、真空チャンバ1の底面内側に設置した絶縁体61を介して設置されている。ブロック体6の設置状態では、ブロック体6の頂部がステージ2で保持される基板Swの上面(成膜面)と面一かまたはこれより下方に位置し、その外筒面の少なくとも一部が真空チャンバ1内に形成されるプラズマ雰囲気を直接臨むようになっている。なお、ブロック体6の形態は、これに限定されるものではなく、また、ステージ2の周囲を完全に囲っている必要もなく、例えば、円弧状の輪郭を持つ複数の板材を同一円周上に配置して構成することができる。ブロック体6にはまた、直流電源7からの出力71が接続され、成膜時には、直流電源7により正電位が印加されてアノードとして機能するようにしている。以下に、上記スパッタリング装置SMを用いた第1実施形態の成膜方法を説明する。

 ステージ2に基板Swを載置して静電吸着させた後、真空チャンバ1内を真空排気する。真空チャンバ1内が所定圧力に達すると、一定の実効排気速度を維持したまま真空チャンバ1内に、ガス導入手段13a,13b,14によりスパッタガスを所定の流量割合で導入し、スパッタ電源Psによりターゲット3に負の電位を持つ直流電力を投入する。このとき、スパッタガスに対する窒素ガスの流量割合をx(%)、前記窒化シリコン膜の成膜レートをy(Å/sec)とし、次式(1)を満たすように(つまり、ターゲット3のスパッタ面3aが金属モードと化合物モードとの間の遷移モードに維持されるように)、窒素ガスの流量割合及びターゲット3に印加する電位の少なくとも一方を制御する。加えて、直流電源7によりブロック体6に正電位(例えば、0V~100Vの範囲、好ましくは、30V)を印加する。

  y=0.815x-7.50・・・(1)

 なお、「金属モード」、「化合物モード」及び「遷移モード」といった用語自体は、広く知られた事項であるため、ここでは、詳細な説明を省略する。

 これにより、基板Swとターゲット3との間の空間にプラズマ雰囲気が形成され、プラズマ中の希ガスのイオンによりターゲット3がスパッタリングされ、ターゲット3から所定の余弦則に従いスパッタ粒子が飛散し、図2に示すように、スパッタ粒子と窒素ガスとの反応生成物である柱状構造のβ型窒化ケイ素が堆積されて窒化シリコン膜Fnが成膜される。なお、真空チャンバ1内に発生されたプラズマ雰囲気の放電安定性を保つためには、流量割合としては、例えば、25~35%の範囲が好ましく、また、ターゲット3に印加する負の電位としては、例えば、300V~600Vの範囲(投入電力は、例えば、3.0kW~5.0kWの範囲)が好ましい。そして、上記のようにして成膜された窒化シリコン膜Fnは、2.0±0.2の屈折率の範囲にて+300MPa以上の引張応力を持つことが確認された。しかも、ターゲット3への積算電力が増加しても、真空チャンバ1内でのプラズマの拡がりが抑制されて常時放電を安定にできることが確認された。

 上記効果を確認するため、上記スパッタリング装置SMを用いて以下の実験を行った。第1実験では、スパッタ条件として、ターゲット3に投入する直流電力が持つ負の電位をを550V(直流電力は4.5kW)、ブロック体6への印加電位を30Vに設定した。そして、真空チャンバ1内の圧力が1.0±0.1Paに維持される状態で窒素ガスの流量割合を27.63~29.49%の範囲で変化させ、窒化シリコン膜Fnの引張応力及び屈折率を夫々測定し、その結果を図3に示す。また、第2実験として、第1実験から真空チャンバ1内の圧力が1.0±0.1Paに維持される状態で窒素ガスの流量割合を25.67%に設定し、ターゲット3に印加する電位、ひいては、成膜レートを10.7~15.4Å/secの範囲で変化させ、窒化シリコン膜Fnの引張応力及び屈折率を夫々測定し、その結果を図4に示す。

 第1実験、第2実験の結果から、窒化シリコン膜Fnの引張応力が窒素ガスの流量割合及び成膜レートに依存することが判る。この場合、窒素ガスの流量割合が28.6%、成膜レートが19.5Å/secのとき、または、成膜レートが13.5Å/sec、窒素ガスの流量割合が25.68%のとき、2.03の屈折率にて窒化シリコン膜Fnの引張応力が極大値となることが判り、公知の結晶構造解析やSEM像から、成膜されたものは、β型窒化ケイ素(β-Si)の結晶構造で柱状構造を持つことが確認された。また、第1実験、第2実験の結果を回帰分析したところ、図5に示すように、流量割合をx(%)、成膜レートをy(Å/sec)としたときに、y=0.815x-7.50が成立し、これを満たすように流量割合(%)とターゲット3に印加する電位との少なくとも一方を制御すれば、屈折率が2.0±0.2の範囲にて+300MPa以上の引張応力を持つ窒化シリコン膜Fnを成膜できることが判った。

 次に、第3実験として、第1実験から、ターゲット3に印加する電位を560V(直流電力は4.5kW)、流量割合を28.57%に設定し、ブロック体6に印加する電位を0Vから+35Vまでの範囲で変化させてブロック体6を流れる電流値(アノード電流)とターゲット3を流れる電流値(カソード電流)とを測定し、その結果を図6に示す。これによれば、ブロック体6に対して印加する正電位を高くしていくと、カソード電流は殆ど変化しないものの、アノード電流は次第に大きくなり、約30Vを超えると、殆ど変化しないことが見て取れる。この結果から、ブロック体6に正電位を印加することで、プラズマ中の電子がブロック体6へと引き寄せられ、相対的に成膜中の基板Swに帯電する電子が減少すると推測することができる。

 以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術思想の範囲を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。図7を参照して、第2実施形態の成膜方法では、上記第1実施形態のように、β型窒化ケイ素を堆積させる工程に先立って、スパッタガスに対する窒素ガスの流量割合及びシリコン製ターゲット3に印加する電位の少なくとも一方を制御してシリコン製ターゲット3の表面が金属モードに維持される状態で基板Sw表面にα型窒化ケイ素のシード層Lsを形成する前工程が設けられる。この場合、α型窒化ケイ素のシード層Lsの膜厚dは、α型窒化ケイ素の核が形成される範囲(例えば、7.5nm±5.0nm)で適宜設定すればよい。このとき、流量割合は5~15%(好ましくは10%)、ターゲット3に印加する電位は、シリコン製ターゲット3の表面が金属モードに維持される値に調整されれば良く、例えば、300V~600Vの範囲(投入電力は、2.0kW~5.0kW(好ましくは3.5kW))に設定され、また、ブロック体6は、電位印加状態または電位非印加状態であってもよい。これによれば、β型窒化ケイ素は、隙間の揃った柱状構造になり、屈折率が2.0±0.2の範囲にて+400MPa以上の引張応力を持つ窒化シリコン膜Fnを成膜できることが確認された。また、スパッタガスとして希ガスと窒素ガスとを用いる場合を例に説明したが、窒素ガスのみを用いて窒化シリコン膜を成膜する場合にも本発明は適用することができる。

 SM…スパッタリング装置(窒化シリコン膜の成膜装置)、Sw…基板(成膜対象物)、Fn…窒化シリコン膜、Ls…シード層、1…真空チャンバ、13a,13b…マスフローコントローラ(ガス導入手段の構成要素)、14…ガス管(ガス導入手段の構成要素)、2…ステージ、3…シリコン製ターゲット、Ps…スパッタ電源、6…ブロック体(導電性部材)、7…直流電源。

Claims (6)


  1.  真空チャンバ内にシリコン製ターゲットと成膜対象物とを対向配置し、真空雰囲気の真空チャンバ内に窒素ガスを含むスパッタガスを導入し、シリコン製ターゲットに負の電位を印加して、反応性スパッタリングにより電気的にフローティング状態で設置される成膜対象物の表面に、引張応力を持つ窒化シリコン膜を成膜する窒化シリコン膜の成膜方法において、

     成膜対象物をバイアス電位の非印加状態とし、シリコン製ターゲット表面が金属モードと化合物モードとの間の遷移モードに維持されるようにスパッタガスに対する窒素ガスの流量割合及びシリコン製ターゲットに印加する電位の少なくとも一方を制御して成膜対象物表面にβ型窒化ケイ素を堆積させる工程を含むことを特徴とする窒化シリコン膜の成膜方法。

  2.  前記真空チャンバ内に発生させたプラズマ雰囲気を臨む前記成膜対象物の周囲に配置した導電性部材に、正電位を印加してバイアス電位の非印加状態を維持することを特徴とする請求項1記載の窒化シリコン膜の成膜方法。

  3.  前記スパッタガスに対する窒素ガスの流量割合をx(%)、前記窒化シリコン膜の成膜レートをy(Å/sec)とし、次式(1)を満たすように、流量割合及び前記シリコン製ターゲットに印加する電位の少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項1または請求項2記載の窒化シリコン膜の成膜方法。

      y=0.815x-7.50・・・(1)

  4.  前記β型窒化ケイ素を堆積させる工程に先立って、前記スパッタガスに対する窒素ガスの流量割合及び前記シリコン製ターゲットに印加する電位の少なくとも一方を制御してシリコン製ターゲットの表面が金属モードに維持される状態で成膜対象物表面にα型窒化ケイ素のシード層を形成する前工程を含むことを特徴とする請求項1~請求項3のいずれか1項記載の窒化シリコン膜の成膜方法。

  5.  シリコン製ターゲットが設置される真空チャンバを有し、真空チャンバ内にシリコン製ターゲットに対向させて成膜対象物を電気的にフローティング状態で保持するステージと、真空雰囲気の真空チャンバ内に窒素ガスを含むスパッタガスを導入するガス導入手段と、シリコン製ターゲットに負の電位を印加するスパッタ電源とを備える窒化シリコン膜の成膜装置において、

     真空チャンバ内でステージの周囲に位置させて設けられる導電性部材と、導電性部材に正電位を印加する直流電源とを備えることを特徴とする窒化シリコン膜の成膜装置。

  6.  柱状構造のβ型窒化ケイ素で構成され、屈折率が2.0±0.2の範囲にて+300MPaより強い引張応力を持つことを特徴とする窒化シリコン膜。
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