JP3881973B2 - 窒化シリコン膜の成膜方法 - Google Patents

Description

本発明は、窒化シリコン膜の成膜方法に関し、低温の処理温度であっても良好な膜質で且つ低ストレスな窒化シリコン膜が成膜できるように工夫したものである。

現在、半導体の製造では、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置を用いた成膜が知られている。誘導結合プラズマ（inductively coupled plasma；ＩＣＰ）型のプラズマＣＶＤ装置は、膜の材料となる原料ガスを容器内の成膜室の中に導入し、高周波アンテナにＲＦ電流（高周波電流）を流して、成膜室内に高周波の電磁波を入射してプラズマ状態にし、プラズマ中の活性粒子（励起原子または励起分子）によって基板表面の化学的な反応を促進して成膜を行う装置である。

半導体素子（例えばＤＲＡＭ）では、素子保護用膜として窒化シリコン（ＳｉＮ）を用いることがあり、この窒化シリコン（ＳｉＮ）は、ＩＣＰ型のプラズマＣＶＤ装置により成膜される。

窒化シリコンＳｉＮを成膜するには、従来では、ＩＣＰ型のプラズマＣＶＤ装置内に、原料ガスとしてアンモニア（ＮＨ₃）とシラン（ＳｉＨ₄）を成膜室内に供給しつつ、基板温度を３５０°Ｃ以上にして、ＲＦパワーを６Ｗ／ｓｃｃｍ以上としていた。
特開平９−４１１４７号公報

半導体素子の保護用膜として窒化シリコン（ＳｉＮ）を成膜するために、原料ガスとしてアンモニア（ＮＨ₃）を用いた場合には、原料であるアンモニア（ＮＨ₃）中に水素が含まれているため、成膜された保護用膜の膜中の水素含有率が多くなってしまい、保護用膜としての品質が低下していた。

また最近では、集積度の高いＤＲＡＭや、ＭＲＡＭや、ＦｅＲＡＭなどが開発されてきたが、これら高集積度ＤＲＡＭやＭＲＡＭやＦｅＲＡＭは熱に弱いため、処理温度が３００°Ｃ以下になるように要求されるようになってきている。このため、保護用膜を成膜するのに、低温（３００°Ｃ以下）で処理する必要がでてきたが、従来の手法では、かかる低温では良質な膜質を得ることができなかった。

本発明は、上記従来技術に鑑み、膜質が良好で、しかも、低温での処理で膜成形ができる窒化シリコン膜の成膜方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の構成は、誘導結合プラズマ型のプラズマＣＶＤ装置を用いて、成膜室内の基板上に窒化シリコン膜を成膜する成膜方法であって、
前記成膜室に供給する原料ガスとしてシランガスと窒素ガスを用い、
シランガスの供給流量に対して、窒素ガスの供給流量を10倍以上とし、ガスの総供給量に対する高周波パワーを３Ｗ／ｓｃｃｍ以上とし、基板温度を５０°Ｃ〜３００°Ｃとし、
更に、前記成膜室のうちで入射される電磁波が強い空間領域に前記窒素ガスを供給し、前記成膜室内に設置した基板の近傍の空間領域に前記シランガスを供給することを特徴とする。

また本発明の構成は、誘導結合プラズマ型のプラズマＣＶＤ装置を用いて、成膜室内の基板上に窒化シリコン膜を成膜する成膜方法であって、
前記成膜室に供給する原料ガスとしてシランガスと窒素ガスを用い、
シランガスの供給流量に対して、窒素ガスの供給流量を10倍以上とし、ガスの総供給量に対する高周波パワーを３Ｗ／ｓｃｃｍ以上とし、基板温度を５０°Ｃ〜３００°Ｃとし、
更に、前記成膜室のうちで入射される電磁波が強い空間領域に前記窒素ガスを供給し、前記成膜室内に設置した基板の近傍の空間領域に前記シランガスを供給し、
更に、成膜圧力を１０ｍＴｏｒｒ〜５０ｍＴｏｒｒとしたことを特徴とする。

また本発明の構成は、上記成膜方法において、励起ガスとしての不活性ガスを、シランガスと窒素ガスの総供給流量の２０％以下の流量で、前記成膜室内に供給することを特徴とする。

本発明によれば、低温な処理温度であっても、良好な膜質で低ストレスな窒化シリコン膜を、迅速に（成膜速度を速くして）成膜することができる。

本発明の窒化シリコン膜の成膜方法では、ＩＣＰ型のプラズマＣＶＤ装置を用いて、シラン（ＳｉＨ₄）ガスと窒素（Ｎ₂）ガスを原料ガスとして、次のような成膜条件で窒化シリコン（ＳｉＮ）を成膜する。

（１）シラン（ＳｉＨ₄）ガスの供給流量に対して、窒素（Ｎ₂）ガスの供給流量を10倍以上とし、ガスの総供給量に対する高周波パワー（ＲＦパワー：成膜室に入射する電磁波のエネルギー）を３Ｗ／ｓｃｃｍ以上とし、基板温度を５０°Ｃ〜３００°Ｃとする。これにより、図１に例示する良好な膜質の窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を成膜することができる。同図は、成膜温度が２００℃、シランガス流量に対する窒素ガス流量の比（Ｎ₂／ＳｉＨ₄）が２０倍にてＳｉ−Ｈ結合が検知されていないＦＴＩＲ（赤外分光）特性図である。

（２）上記（１）の成膜条件に加えて、成膜圧力を１０ｍＴｏｒｒ〜５０ｍＴｏｒｒとする。これにより、後述するように、低ストレスな窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を成膜することができる。

（３）上記（１）の成膜条件に加えて、または上記（１），（２）の成膜条件に加えて、ＣＶＤ装置の成膜室のうちで入射される電磁波が強い空間領域に窒素（Ｎ₂）ガスを供給し、ＣＶＤ装置の成膜室に設置した基板の近傍の空間領域にシラン（ＳｉＨ₄）ガスを供給する。これにより、後述するように、分解しにくい窒素（Ｎ₂）ガスを効率良く分解することによりＳｉ−Ｎ反応を促進し、膜質の改善を達成することができる。

（４）上記（１）の成膜条件に加えて、または上記（１），（２）の成膜条件に加えて、または上記（１），（２），（３）の成膜条件に加えて、励起ガスとしてアルゴン（Ａｒ）やヘリウム（Ｈｅ）などの不活性ガスを、シラン（ＳｉＨ₄）ガスと窒素（Ｎ₂）ガスの総供給流量の２０％以下の流量で供給する。これにより、後述するように、原料ガスの分解をアシストして、成膜速度を向上させることができる。

ここで、本発明方法を実施するプラズマＣＶＤ装置を、図２を参照して説明する。

図２に示すように、基部１には円筒状のアルミニウム製の容器２が設けられ、容器２内に成膜室３が形成されている。容器２の上部には、電磁波を透過させる円形の天井板４が設けられ、容器２の中心における成膜室３にはウエハ支持台５が備えられている。ウエハ支持台５は半導体の基板６を静電的に吸着保持する円盤状の載置部７を有し、載置部７は支持軸８に支持されている。

載置部７には、バイアス電源９および静電電源１０が接続され、載置部７に低周波を発生させると共に静電気力を発生させる。ウエハ支持台５は全体が昇降自在もしくは支持軸８が伸縮自在とすることで、上下方向の高さが最適な高さに調整できるようになっている。

天井板４の上には、例えば、円形リング状の高周波アンテナ１１が配置され、高周波アンテナ１１には整合器１２を介して高周波電源１３が接続されている。高周波アンテナ１１に高周波電力を供給することにより電磁波が容器２の成膜室３に入射する。容器２内に入射された電磁波は、成膜質３内のガスをイオン化してプラズマを発生させる。

容器２には、シラン（ＳｉＨ₄）ガスを成膜室３内に供給するガス供給ノズル１４と、窒素（Ｎ₂）ガスを成膜室３内に供給するガス供給ノズル１５と、不活性ガス（アルゴンＡｒやヘリウムＨｅ）を成膜室３内に供給するためのガス供給ノズル１６が設けられている。

本例では、ガス供給ノズル１４〜１５の、高さ方向に関する配置位置は、ガス供給ノズル１５が最上段にあり、ガス供給ノズル１６が中段にあり、ガス供給ノズル１４が最下段にある。
これにより、ガス供給ノズル１５を介して供給される窒素（Ｎ₂）ガスが、成膜室３のうちで高周波アンテナ１１から入射される電磁波が強い空間領域、即ち、プラズマがより強く発生する空間領域に供給される。
また、ガス供給ノズル１４を介して供給されるシラン（ＳｉＨ₄）ガスが、成膜室３のうちで基板６近傍の空間領域に供給される。

また基部１には容器２内を排気するための真空排気系（図示省略）に接続される排気口１７が設けられている。また、図示は省略したが、容器２には基板６の搬入、搬出口が設けられ、図示しない搬送室との間で基板６が搬入・搬出される。

上述したＩＣＰ型のプラズマＣＶＤ装置では、ウエハ支持台５の載置部７に基板６が載せられ、静電的に吸着される。そしてガス供給ノズル１４〜１６を介して、成膜室３内にシラン（ＳｉＨ₄）ガスと、窒素（Ｎ₂）ガスと、不活性ガス（アルゴンＡｒやヘリウムＨｅ）が供給される。また、高周波電源１３から高周波アンテナ１１に電力を供給して高周波の電磁波を発生させると共にバイアス電源９から載置部７に低周波電力を供給する。
このとき成膜条件を上述した（１）〜（４）とする。

これにより、成膜室３内の原料ガスが放電して一部がプラズマ状態となる。このプラズマは、原料ガス中の他の中性分子に衝突して更に中性分子を電離、あるいは励起する。こうして生じた活性な粒子は、基板６の表面に吸着して効率良く化学反応を起こし、堆積して、基板６上に、良好な膜質で低ストレスな窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を成膜することができる。

実施例１では、シラン（ＳｉＨ₄）ガスの供給流量に対して、窒素（Ｎ₂）ガスの供給流量を10倍以上とし、ガスの総供給量に対する高周波パワー（ＲＦパワー：成膜室に入射する電磁波のエネルギー）を３Ｗ／ｓｃｃｍ以上とし、基板温度を５０°Ｃ〜３００°Ｃとした。

このようにすることにより、良好な膜質の窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を成膜することができた。第一に水素を含むアンモニア（ＮＨ₃）ガスを使用せず、窒素（Ｎ₂）ガスを用いることにより水素量を減らしている。次に、Ｓｉ₃Ｎ₄反応に必要なＳｉＨ₄流量に対するＮ₂流量は、通常１：１で十分であるが、Ｎ₂流量をＳｉＨ₄流量の１０倍とすることによりＳｉ−Ｈ結合を抑制することができており、この多量のＳｉＨ₄＋Ｎ₂反応で必要な窒素（Ｎ₂）ガスの分解を促進するために十分なＲＦパワー（３Ｗ／ｓｃｃｍ以上）を印加することによりＳｉＮ反応を促進した結果、３００°Ｃ以下の温度領域でも良好な膜質を得ることができたのである。

窒化シリコン（ＳｉＮ）膜の膜質は、屈折率により判定することができ、屈折率が２．１に近いほど良好な膜質である。
図３は成膜温度（基板温度）を２００°Ｃとしたときにおける、各ＲＦパワーでの、屈折率と、シランガス流量に対する窒素ガス流量の比（Ｎ₂／ＳｉＨ₄）との関係を示す特性図である。また図４は成膜温度（基板温度）を３５０°Ｃとしたときにおける、各ＲＦパワーでの、屈折率と、シランガス流量に対する窒素ガス流量の比（Ｎ₂／ＳｉＨ₄）との関係を示す特性である。
図４から分かるように、基板温度が３５０°Ｃ程度の高温で成膜をすると、流量やＲＦパワーに依存することなく、良好な膜質の窒化シリコン（ＳｉＮ）膜の成膜ができる。
一方、図３から分かるように、基板温度が２００°のような低温条件では、シランガス流量に対する窒素ガス流量の比（Ｎ₂／ＳｉＨ₄）が１０以上で、ＲＦパワーを３Ｗ／ｓｃｃｍ以上とすることにより、良好な膜質の窒化シリコン（ＳｉＮ）膜の成膜ができることが判明した。

実施例２では、実施例１の成膜条件に加えて、成膜圧力を１０ｍＴｏｒｒ〜５０ｍＴｏｒｒとした。これにより、低ストレスな窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を成膜することができた。窒化シリコン膜のストレス許容値は、２５０Ｍｐａである。

図５はＳｉＮ膜のストレスと成膜圧力との関係を示す。図５から分かるように、成膜圧力を１０ｍＴｏｒｒ〜５０ｍＴｏｒｒとすれば、ストレスが２５０Ｍｐａ以下になることが判明した。この結果、良好な膜質を維持しつつ、さらに低ストレスな窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を成膜することができた。

実施例３では、実施例１，２に示す成膜条件で、図２に示すＣＶＤ装置を用いることにより、シラン（ＳｉＨ₄）ガスに対してガス供給量が10倍以上となっている窒素（Ｎ₂）ガスを、成膜室３のうちで高周波アンテナ１１から入射される電磁波が強い空間領域、即ち、プラズマがより強く発生する空間領域に供給する。このため多量で且つ分解しにくい
窒素（Ｎ₂）ガスを効率良く分解することができる。
また、シラン（ＳｉＨ₄）ガスが基板６近傍の空間領域に供給されるため、基板６の近傍にてＳｉ−Ｎ反応が行われる。
この両方の効果が相乗して、Ｓｉ−Ｎ反応が促進し、膜質の改善を達成することができる。

実施例４では、実施例１，２，３に示す成膜条件に加えて、励起ガスとしてアルゴン（Ａｒ）やヘリウム（Ｈｅ）などの不活性ガスを、シラン（ＳｉＨ₄）ガスと窒素（Ｎ ₂ ）ガスの総供給流量の２０％以下の流量で供給した。不活性ガスはプラズマ化しやすいので、原料ガスであるシラン（ＳｉＨ₄）ガス及び窒素（Ｎ ₂ ）ガスの分解をアシストして、成膜速度を向上させることができるのである。

本発明は、高集積度ＤＲＡＭやＭＲＡＭやＦｅＲＡＭ半導体素子に、保護用膜として窒化シリコン（ＳｉＮ）を成膜するのに利用することができる。しかも、良好な膜質で成膜速度を上げることができる。

成膜温度が２００℃、シランガス流量に対する窒素ガス流量の比（Ｎ₂／ＳｉＨ₄）が２０倍にてＳｉ−Ｈ結合が検知されていないＦＴＩＲ（赤外分光）特性図である。 ＩＣＰ型のＣＶＤ装置を示す構成図である。 成膜温度が２００°Ｃのときの、屈折率と、シランガス流量に対する窒素ガス流量の比（Ｎ₂／ＳｉＨ₄）との関係を示す特性図である。 成膜温度が３５０°Ｃのときの、屈折率と、シランガス流量に対する窒素ガス流量の比（Ｎ₂／ＳｉＨ₄）との関係を示す特性図である。 ＳｉＮ膜のストレスと成膜圧力との関係を示す特性図である。

符号の説明

１ 基部
２ 容器
３ 成膜室
４ 天井板
５ ウエハ支持台
６ 基板
７ 載置部
８ 支持軸
９ バイアス電源
１０ 静電電源
１１ 高周波アンテナ
１２ 整合器
１３ 高周波電源
１４ ガス供給ノズル
１５ ガス供給ノズル
１６ ガス供給ノズル
１７ 排気口

Claims (3)

1. 誘導結合プラズマ型のプラズマＣＶＤ装置を用いて、成膜室内の基板上に窒化シリコン膜を成膜する成膜方法であって、
   前記成膜室に供給する原料ガスとしてシランガスと窒素ガスを用い、
   シランガスの供給流量に対して、窒素ガスの供給流量を10倍以上とし、ガスの総供給量に対する高周波パワーを３Ｗ／ｓｃｃｍ以上とし、基板温度を５０°Ｃ〜３００°Ｃとし、
   更に、前記成膜室のうちで入射される電磁波が強い空間領域に前記窒素ガスを供給し、前記成膜室内に設置した基板の近傍の空間領域に前記シランガスを供給することを特徴とする窒化シリコン膜の成膜方法。
2. 誘導結合プラズマ型のプラズマＣＶＤ装置を用いて、成膜室内の基板上に窒化シリコン膜を成膜する成膜方法であって、
   前記成膜室に供給する原料ガスとしてシランガスと窒素ガスを用い、
   シランガスの供給流量に対して、窒素ガスの供給流量を10倍以上とし、ガスの総供給量に対する高周波パワーを３Ｗ／ｓｃｃｍ以上とし、基板温度を５０°Ｃ〜３００°Ｃとし、
   更に、前記成膜室のうちで入射される電磁波が強い空間領域に前記窒素ガスを供給し、前記成膜室内に設置した基板の近傍の空間領域に前記シランガスを供給し、
   更に、成膜圧力を１０ｍＴｏｒｒ〜５０ｍＴｏｒｒとしたことを特徴とする窒化シリコン膜の成膜方法。
3. 請求項１または請求項２において、
   励起ガスとしての不活性ガスを、シランガスと窒素ガスの総供給流量の２０％以下の流量で、前記成膜室内に供給することを特徴とする窒化シリコン膜の成膜方法。

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