JP2000340561A

JP2000340561A - 成膜方法

Info

Publication number: JP2000340561A
Application number: JP11145680A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kumagai; 武司熊谷; Atsushi Tohara; 淳志戸原; Kanako Saito; 加奈子齋藤; Takashi Chiba; 貴司千葉
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1999-05-25
Filing date: 1999-05-25
Publication date: 2000-12-08

Abstract

(57)【要約】【課題】膜自体のストレスを抑制して更なる微細化に
対応した絶縁膜としてのシリコン窒化膜を製造できる成
膜方法を提供する。【解決手段】シラン系ガスとアンモニアガスとを用い
て被処理体Ｗの表面にシリコン窒化膜を成膜する成膜方
法において、前記シラン系ガスと前記アンモニアガスと
の流量比を変化させることによって前記シリコン窒化膜
のストレスを制御する。これにより、更なる微細化に対
応した絶縁膜としてのシリコン窒化膜を製造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコン窒化膜を
成膜する成膜方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体集積デバイスを形成する
ために、そのデバイス中の絶縁膜としては、ＳｉＯ₂ 、
ＰＳＧ（ＰｈｏｓｐｈｏＳｉｌｉｃａｔｅＧｌａｓ
ｓ）、Ｐ（プラズマ）−ＳｉＯ、Ｐ（プラズマ）−Ｓｉ
Ｎ、ＳＯＧ（ＳｐｉｎＯｎＧｌａｓｓ）、Ｓｉ₃ Ｎ₄
（シリコン窒化膜）等が用いられる。中でも、Ｓｉ₃Ｎ₄
膜がその絶縁性が高く、且つ誘電率も高いことから、
デバイス中の例えばサイドウォール、キャパシタ膜、エ
ッチングストッパ等として多用される傾向にある。一般
に、半導体ウエハの表面にシリコン窒化膜を形成するに
は、成膜ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ₄ ）やジクロル
シラン（ＳｉＨ₂ Ｃｌ₂ ）等のシラン系ガスとアンモニ
ア（ＮＨ₃ ）ガスを用いて熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ
ＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により成膜する
方法が知られており、この成膜処理は、７００〜７６０
℃程度の高温域において行なわれる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、微細化の程
度がそれ程厳しくなかった従来の設計ルールの基では、
上述した後者の成膜方法は特に問題は生じなかったが、
最近のように微細化及び集積化の程度が一層進んでデバ
イスの設計ルールがより厳しくなってくると、不都合な
点が顕在化してきた。例えば、上述のようにデバイスの
設計ルールが厳しくなるにつれて、絶縁膜として用いて
いたシリコン窒化膜とその下地層との密着面積がより少
なくなり、その結果、膜自体のストレスにより下地層に
対するシリコン窒化膜の密着強度が低下してシリコン窒
化膜が剥がれて許容量以上の巨大なリーク電流が流れ
る、という問題があった。

【０００４】例えばシラン系ガスに対するアンモニアガ
スの流量比を５倍以上流して成膜された化学量論比３：
４（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）に近いシリコン窒化膜のストレスは１
×１０¹⁰ｄｙｎｅ／ｃｍ² 以上であった。上述の巨大な
リーク電流が流れる接合部は、例えば図４に示すように
シリコン基板よりなる半導体ウエハＷの表面上に、ゲー
ト酸化膜Ｇを介して形成したゲート電極ＧＥ全体を覆う
シリコン窒化膜絶縁層Ｉに見られ、この絶縁層Ｉとウエ
ハ表面との接合部Ｊにシリコン窒化膜絶縁層Ｉのストレ
スに起因する巨大なリーク電流が誘発されてしまう。本
発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解
決すべく創案されたものである。本発明の目的は、膜自
体のストレスを抑制して更なる微細化に対応した絶縁膜
としてのシリコン窒化膜を製造できる成膜方法を提供す
ることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者は、シリコン窒
化膜のストレスについて鋭意研究した結果、ストレスを
低減する一手法としては、シリコン窒化膜の屈折率を制
御すればよく、また、この屈折率を変化させる一手法と
しては、成膜ガスの流量比を制御すればよい、という知
見を得ることにより本発明に至ったものである。請求項
１に規定する発明は、シラン系ガスとアンモニアガスと
を用いて被処理体の表面にシリコン窒化膜を成膜する成
膜方法において、前記シラン系ガスと前記アンモニアガ
スとの流量比を変化させることによって前記シリコン窒
化膜のストレスを制御するようにする。

【０００６】これにより、例えば絶縁膜として使用され
るシリコン窒化膜のストレスを略所望の値に設定するこ
とが可能となる。この場合、請求項２に規定するよう
に、前記流量比（アンモニアガス／シラン系ガス）は、
略０．２〜略１．５の範囲内に設定することにより、更
に厳しい設計ルールに対応したストレスの少ないシリコ
ン窒化膜を絶縁膜として提供することが可能となる。請
求項３に規定する発明は、シラン系ガスとアンモニアガ
スとを用いて被処理体の表面にシリコン窒化膜を成膜す
る成膜方法において、前記シリコン窒化膜の屈折率を変
化させることにより前記シリコン窒化膜のストレスを制
御する。これにより、例えば絶縁膜として使用されるシ
リコン窒化膜のストレスを略所望の値に設定することが
可能となる。この場合、請求項４に規定するように、前
記屈折率は、成膜温度が略６５０℃の近傍の時には、略
２．０〜略２．５の範囲内に設定することにより、更に
厳しい設計ルールに対応したストレスの少ないシリコン
窒化膜を絶縁膜として提供することが可能となる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る成膜方法の
一実施例を添付図面に基づいて詳述する。図１は本発明
に係る成膜方法を実施するための成膜装置の一例を示す
構成図である。この成膜装置２は、内筒４と外筒６とよ
りなる石英製の２重管構造の縦型処理容器８を有してい
る。上記内筒４内の処理空間Ｓには、被処理体を保持す
るための保持具としての石英製のウエハボート１０が収
容されており、このウエハボート１０には被処理体とし
ての半導体ウエハＷが所定のピッチで多段に保持され
る。このウエハボート１０は、処理容器８の下方を開閉
するキャップ１２上に回転可能になされた保温筒１４を
介して載置されており、昇降可能なエレベータ１６によ
り、処理容器８内へその下方から挿脱可能になされてい
る。処理容器８の下端開口部は、例えばステンレス製の
マニホールド１８が接合されており、このマニホールド
１８には、流量制御された各種の成膜ガスを処理容器８
内へ導入するためのガス供給系２０が設けられている。
具体的には、シリコン窒化膜を成膜するために２種類の
成膜ガス、すなわちシラン系ガスとしてのモノシランガ
スとアンモニアガスを用いているので、上記マニホール
ド１８には、シラン系ガスを導入するシラン系ノズル２
２及びアンモニアガスを導入するアンモニアノズル２６
Ａ、２６Ｂをそれぞれ貫通させて設けている。尚、シラ
ン系ガスとしてモノシランに混合させて或いはこれに代
えてジクロルシランを用いていもよい。ここでは処理容
器８内のガス流れ方向下流側（図中、上方）におけるア
ンモニア濃度が過度に減少することを阻止するために、
そのガス出口をガスの流れ方向に沿って分散させて配置
した複数本、図示例では２本のアンモニアノズル２６
Ａ、２６Ｂを設けている。すなわち、一方のアンモニア
ノズル２６Ａのガス出口は、処理容器８の底部近傍に配
置させ、他方のアンモニアノズル２６Ｂのガス出口は、
処理容器８の高さ方向の略中央部に位置させている。

【０００８】また、上記モノシランガスはキャリアガス
としてのＮ₂ ガスにより送られてくる。従って、各ノズ
ル２２、２６Ａより供給された各成膜ガスは、内筒４内
の処理空間Ｓを上昇して途中で他方のアンモニアノズル
２６Ｂより導入された追加のアンモニアガスと合流し、
天井部で下方へ折り返して内筒４と外筒６との間隙内を
流下して排出されることになる。また、外筒６の底部側
壁には、真空ポンプ等が接続される排気口２８が設けら
れる。また、処理容器８の外周には、断熱層３０が設け
られており、この内側には、加熱手段として加熱ヒータ
３２が設けられて内側に位置するウエハＷを所定の温度
に加熱するようになっている。ここで、処理容器８の全
体の大きさは、例えば成膜すべきウエハＷのサイズを８
インチ、ウエハボート１０に保持されるウエハ枚数を１
２０枚程度（製品ウエハを１００枚程度、ダミーウエハ
等を２０枚程度）とすると、内筒４の直径は略２６０〜
２７０ｍｍ程度、外筒６の直径は略２７５〜２８５ｍｍ
程度、処理容器８の高さは略１２８０ｍｍ程度である。

【０００９】次に、以上のように構成された成膜装置を
用いて行なわれる本発明方法について説明する。まず、
未処理の多数枚の半導体ウエハＷをウエハボート１０に
所定のピッチで多段に保持させ、この状態でエレベータ
１６を上昇駆動することにより、ウエハボート１０を処
理容器８内へその下方より挿入し、処理容器８内を密閉
する。この処理容器８内は予め予熱されており、上述の
ようにウエハＷが挿入されたならば、加熱ヒータ３２へ
の供給電圧を増加してウエハＷを所定のプロセス温度ま
で昇温すると共に、処理容器８内を真空引きする。そし
て、成膜初期時にシリコン多結晶がウエハ表面に付着す
ることを防止するために、まず、２つのアンモニアノズ
ル２６Ａ、２６Ｂからアンモニアガスを供給して処理容
器８内をアンモニアガス雰囲気に設定しておく。

【００１０】そして、このように処理容器８内がアンモ
ニア雰囲気になったならば、アンモニアガスの供給を継
続して更に、シラン系ノズル２２から流量制御されたモ
ノシランガスをキャリアガスＮ₂ ガスと共に処理容器８
内へ導入し、成膜処理を開始する。この成膜処理におい
ては、２つのガス、すなわちモノシランガスとアンモニ
アガスとが同時に供給されて、ウエハ表面にシリコン窒
化膜が堆積されることになる。成膜処理中においては、
所定のプロセス温度及びプロセス圧力に維持しておく。
ここでプロセス条件の一例としては、例えばプロセス温
度は６５０℃、プロセス圧力は０．３５Ｔｏｒｒであ
る。

【００１１】ここで、供給するモノシランガスの流量と
アンモニアガスの流量の比を変えることにより、堆積さ
れたシリコン窒化膜の屈折率、ひいてはこのストレスを
コントロールすることが可能となる。この点について、
図２を参照して詳しく説明する。図２はモノシランガス
に対するアンモニアガスの流量比と屈折率との関係を示
すグラフである。成膜条件に関しては、プロセス温度が
６５０℃、プロセス圧力が０．３５Ｔｏｒｒであり、モ
ノシランガスの流量を２００ｓｃｃｍに固定してアンモ
ニアガスの総流量を種々変更している。

【００１２】このグラフから明らかなように、アンモニ
アガスの供給量が少ない時（シリコン窒化膜がシリコン
リッチの状態）においては、屈折率は略２．５の近傍に
なって高くなっており、それからアンモニアガスの供給
量を増加するに従って、屈折率は急激に低下している。
そして、アンモニアガスの流量比が略２．５程度の時に
は、シリコン窒化膜は化学量論比３：４（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）
に近くなってその時の屈折率である２．０近傍となる。
このように、モノシランの流量に対するアンモニアガス
の流量比を０．２〜２．５の範囲で変化させることによ
り、シリコン窒化膜の屈折率を略２．０〜２．５の範囲
内で制御することが可能となる。換言すれば、シリコン
窒化膜中の窒素元素を少なくしてシリコンリッチの組成
にすれば、その分だけ屈折率を大きくすることができ
る。

【００１３】この場合、後述するように、より厳しい設
計ルールにおける膜ストレスに対する屈折率の許容範囲
は略２．０５〜２．５であり、これを満足するには、ア
ンモニアガスの流量比を０．２〜１．５程度の範囲内に
設定してシリコンリッチのシリコン窒化膜を形成するの
がよい。また、図３は上記結果に基づいてシリコン窒化
膜の屈折率を種々変更した時のシリコン窒化膜のストレ
スの変化を示すグラフである。ここでは前述のようにモ
ノシランガスの流量に対するアンモニアガスの流量比を
種々変更してシリコン窒化膜の屈折率を２〜２．５程度
まで変化させている。

【００１４】この時のプロセス条件に関しては、プロセ
ス圧力は、０．３５Ｔｏｒｒ、プロセス温度は６５０℃
と６８０℃の２種類について行なっている。このグラフ
から明らかなように、屈折率を大きくする程、すなわち
シリコン窒化膜中のシリコンリッチの状態を強くする
程、シリコン窒化膜中のストレスが略直線的に減少して
いるのが判明する。すなわち、シリコン窒化膜の屈折率
を変化させることによって、このシリコン窒化膜のスト
レスを制御することが可能となる。また、プロセス温度
を上げる程、ストレスを下げることができるが、過度に
温度を上げ過ぎると、この成膜プロセスを行なう以前に
他の膜中にドープされた不純物等の拡散状態が変化して
素子特性が劣化するので、６８０℃よりもプロセス温度
を上げることは好ましくない。また、プロセス温度の下
限は、シリコン窒化膜が形成できる限界値、例えば５３
０℃程度である。

【００１５】最近のより厳しい設計ルールにおけるスト
レスの許容範囲は略５×１０⁹ ｄｙｎｅ／ｃｍ² 程度で
あるので、これを満足するには、成膜温度が６５０℃近
傍の時には屈折率の許容範囲は略２．２〜２．４の範囲
内に設定するのが好ましい。また、成膜温度が６８０℃
の時には屈折率の許容範囲は略２．１〜２．４の範囲内
に設定するのが好ましい。尚、前述したように化学量論
比３：４（Ｓｉ₃ Ｎ₄）のシリコン窒化膜のストレスは
略１．０×１０¹⁰ｄｙｎｅ／ｃｍ² 程度である。尚、シ
リコン窒化膜の組成をシリコンリッチの状態にする程、
このシリコン窒化膜自体の絶縁性が低下してリーク電流
が次第に増加する傾向となるが、前述したようなアンモ
ニアガスの流量比及び屈折率の範囲内では、絶縁性は十
分に維持されていた。

【００１６】前述したバッチ式の処理容器は、単に一例
を示したに過ぎず、ガスの流量比や屈折率さえ維持して
おれば、どのような大きさの或いはどのような処理枚数
の処理容器にも本発明方法を適用することができる。ま
た、ここでは処理容器が２重管構造の成膜装置について
説明したが、単管構造の成膜装置にも適用することがで
きる。更に、本発明方法は上述したような一度に多数枚
の半導体ウエハについて成膜処理できるバッチ式の成膜
装置に限定されず、処理容器内の載置台（支持具）に半
導体ウエハを載置してランプ加熱或いはヒータ加熱によ
り一枚ずつ成膜処理する枚葉式の成膜装置にも適用する
ことができる。また、被処理体としては、半導体ウエハ
に限定されず、ＬＣＤ基板、ガラス基板等にも適用する
ことができる。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の成膜方法
によれば、次のように優れた作用効果を発揮することが
できる。シラン系ガスとアンモニアガスの流量比を変化
させることにより、或いは膜自体の屈折率を変化させる
ことにより、シリコン窒化膜のストレスを制御して、所
望する値に設定することができる。従って、シリコン窒
化膜のストレスを制御して所望の範囲内に設定すること
により、より厳しい設計ルール下においても密着性に優
れ、しかも膜剥がれを防止できるシリコン窒化膜を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る成膜方法を実施するための成膜装
置の一例を示す構成図である。

【図２】モノシランガスに対するアンモニアガスの流量
比と屈折率との関係を示すグラフである。

【図３】シリコン窒化膜の屈折率を種々変更した時のシ
リコン窒化膜のストレスの変化を示すグラフである。

【図４】半導体ウエハの表面上にゲート酸化膜を介して
形成したゲート電極全体を覆うシリコン窒化膜絶縁層を
示す図である。

【符号の説明】

２成膜装置４内筒６外筒８処理容器１０ウエハボート（保持具）２０ガス供給系２２シラン系ノズル２６Ａ，２６Ｂアンモニアノズル３４シリコン窒化膜Ｗ半導体ウエハ（被処理体）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者齋藤加奈子岩手県江刺市岩谷堂字松長根52番地東京エレクトロン東北株式会社東北事業所内 (72)発明者千葉貴司岩手県江刺市岩谷堂字松長根52番地東京エレクトロン東北株式会社東北事業所内Ｆターム(参考） 4K030 AA06 AA13 AA18 BA40 CA04 CA12 JA05 JA06 JA10 LA01 LA11 LA15 5F058 BA04 BC08 BF04 BF23 BF30 BF37 BJ01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シラン系ガスとアンモニアガスとを用い
て被処理体の表面にシリコン窒化膜を成膜する成膜方法
において、前記シラン系ガスと前記アンモニアガスとの
流量比を変化させることによって前記シリコン窒化膜の
ストレスを制御するようにしたことを特徴とする成膜方
法。
【請求項２】前記流量比（アンモニアガス／シラン系
ガス）は、略０．２〜略１．５の範囲内に設定すること
を特徴とする成膜方法。
【請求項３】シラン系ガスとアンモニアガスとを用い
て被処理体の表面にシリコン窒化膜を成膜する成膜方法
において、前記シリコン窒化膜の屈折率を変化させるこ
とにより前記シリコン窒化膜のストレスを制御するよう
にしたことを特徴とする成膜方法。
【請求項４】前記屈折率は、成膜温度が略６５０℃の
近傍の時には、略２．０〜略２．５の範囲内に設定する
ことを特徴とする請求項３記載の成膜方法。