JP2002289615A

JP2002289615A - 薄膜形成方法及び薄膜形成装置

Info

Publication number: JP2002289615A
Application number: JP2001087975A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Kato; 寿加藤; Kohei Fukushima; 講平福島; Tatsuo Nishida; 辰夫西田; Atsushi Endo; 篤史遠藤
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2001-03-26
Filing date: 2001-03-26
Publication date: 2002-10-04

Abstract

(57)【要約】【課題】ＬＰ−ＣＶＤ法を用いたシリコンウェハ表
面へのシリコンナイトライド薄膜の形成において、シリ
コンウェハ表面における薄膜膜厚の均一性を改善し、緻
密で高品質のシリコンナイトライド薄膜を得る。【解決手段】減圧下で加熱されたシリコンウェハ表面
に原料ガスを供給し熱分解によりシリコンウェハ表面に
シリコンナイトライド薄膜を形成するにあたり、シリコ
ンナイトライド薄膜形成用の処理ガスに水素ガスを添加
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、半導体シリコンウ
ェハ上にシリコンナイトライド薄膜を形成する方法及び
それに用いるための薄膜形成装置に関し、さらに詳しく
は、膜厚均一性に優れた成膜方法及びそのための装置に
関する

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体デバイスの製造工程にお
いては、微細な素子を多数作る必要から半導体ウエハ等
の被処理体上にシリコンナイトライドやシリコン酸化膜
などのシリコン系の薄膜を多数回成膜することは、すで
に知られている。特に、半導体製造プロセスでシリコン
ナイトライド薄膜がデバイス製造工程において採用され
るマスク等の材料として多用されている。従来、このシ
リコンナイトライド薄膜は、ジクロルシラン等を原料と
して用いた減圧ＣＶＤ法（ＬＰ−ＣＶＤ法）と呼ばれる
薄膜形成法により成膜する方法が一般的となっている。

【０００３】この方法は、複数の被処理シリコンウェハ
が配置された３９．９９Ｐａ（３００ｍＴｏｒｒ）程度
の圧力のチャンバー内でＳｉＨ_２Ｃｌ_２、ＮＨ_３等の反
応ガスを供給しながら、７５０℃程度の温度で加熱して
シリコンウェハ表面にシリコンナイトライド薄膜を形成
するものであり、常圧ＣＶＤ法と比較して、反応室内の
圧力が低いことにより、反応ガスの平均自由行程、拡散
係数が大きいことから基板内の膜厚均一性に優れている
方法として知られている。

【０００４】そして、この方法においては通常、図３に
示すような装置が用いられる。すなわち、２重管構造の
処理容器３１を使用し、内側チューブ３３の内側にウエ
ハボート３５に積載されたウエハＷを多数枚収容してお
き、この内側チューブ３３の内側下方より原料ガス供給
ノズル３６、３７を経由して処理ガスを導入してボート
領域に沿って下から上へ流し、反応生成物をウエハ表面
に堆積させる。処理ガスは、容器上部に達した後に、内
側チューブ３３と外側チューブ３２との間を上から下へ
流下して排気系３９より炉外へ排出されることになる。
ここでシリコンナイトライド膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）を成膜す
る場合について説明すると、処理ガスとしては２種類、
すなわちジクロルシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）とアンモニ
ア（ＮＨ _３）が使用され、下記の化学式（１）に示す反
応が行われる。３ＳｉＨ_２Ｃｌ_２＋４ＮＨ_３→Ｓｉ_３Ｎ_４＋６ＨＣｌ＋６Ｈ_２ ……（１）

【０００５】この成膜処理のシーケンスは、図２に示す
ように例えばアンモニアを先に所定量、例えば１０００
ＳＣＣＭ流し、５分経過後にジクロルシランを所定量、
例えば１００ＳＣＣＭ流し始めて成膜を行い、成膜中は
両気体を連続的に流してこの１サイクルの終了時に先に
ジクロルシランの供給を停止し、その後、例えば５分経
過後にアンモニアの供給を停止するようにしていた。
尚、ジクロルシラン供給中には必ずアンモニアを供給す
ることとした理由は、アンモニア不存在下でジクロルシ
ランのみ単独で供給されると異なった反応により異質の
成膜がウエハ表面に堆積してしまうからである。従来
は、このような工程によってシリコンナイトライド薄膜
を形成していた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、最終製品と
しての半導体デバイスの特性の安定化、すなわち所望の
電気的特性を得るために、成膜処理において膜厚の面内
均一性を向上させることが重要であることが知られてい
る。また、近年の半導体デバイスの集積度の向上および
大口径化により、デバイス製造プロセスにおいて各種膜
形成の精度向上が問われており、このシリコンナイトラ
イド薄膜においてもその膜厚の均一性の向上が求められ
ている。

【０００７】すなわち、このようなＬＰ−ＣＶＤ法によ
り成膜されたシリコンナイトライド薄膜は、反応が進行
している間、反応炉上部と、反応炉下部において反応ガ
スの組成が異なってくるため、特に反応炉上部における
成膜された薄膜の面内膜厚均一性が低下するという問題
があった。すなわち、上記反応ガス組成においてシラン
系ガスは、供給ノズル近辺では適正な組成範囲にあった
としても、反応ガスの流路である下部から上部に至る過
程で次第に反応によって消費され、上部では、シラン系
ガスの分圧が低下することになる。その結果、上部にお
いて成膜されたシリコンナイトライド薄膜の膜厚面内均
一性が低下することとなる。

【０００８】本発明は、上記従来のＬＰ−ＣＶＤ法を用
いた半導体ウェハ基板表面へのシリコンナイトライド薄
膜の形成方法の問題点に鑑みてなされたものであり、簡
単な手段により膜厚均一性の優れた成膜法及びそのため
の成膜装置を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】第１の本発明は、処理容
器内に複数のシリコンウェハを載置し、加熱、減圧下で
処理ガスを供給しシリコンナイトライド薄膜を形成する
方法において、該処理ガスに水素ガスを添加することを
特徴とする薄膜形成方法である。

【００１０】上記処理ガスとしては、シラン系ガス及び
アンモニアガスが用いられる。また、該処理ガスに対し
て添加される上記水素ガスの添加量は、上記シラン系ガ
スに対して１〜２０００容量％の範囲であることが好ま
しい。

【００１１】本発明の薄膜形成方法によれば、成膜原料
ガスである処理ガスに、所定量の水素ガスを添加するこ
とにより、処理容器下部において、シラン系ガスの消費
が抑制され、処理容器上部においても十分な分圧のシラ
ン系ガスを確保することができる。その結果、従来最も
均一な膜厚の薄膜を形成することが困難であった処理容
器上部に配置されているシリコンウェハ表面において
も、シリコンウェハ表面において均一な膜厚を有する高
品質の薄膜を形成することができる。

【００１２】第２の本発明は、内部チューブ及び外部チ
ューブの二重管からなり気密封止が可能な処理容器と、
該処理容器の周囲に配置された加熱手段と、該処理容器
内部を減圧にするための排気手段と、該内部チューブ内
に挿脱可能に配置されるウェハボートと、該処理容器に
気密に装入された処理ガス供給ノズルと、該処理容器に
気密に装入された水素ガス供給ノズルとからなることを
特徴とする薄膜形成装置である。

【００１３】上記処理ガス供給ノズルは、シラン系ガス
供給ノズル及びアンモニアガス供給ノズルの２本のノズ
ルから構成することが好ましい。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る成膜方法及
びそのための装置の一実施の形態を添付図面に基づいて
詳述する。（成膜装置）まず、本発明の成膜方法を実施するための
縦型熱処理装置の構造について説明する。図１が、本発
明方法を実施するための縦型熱処理装置を示す断面図で
ある。図１に示すように、この縦型熱処理装置は、長手
方向が略垂直になされた円筒状の処理容器１を有してお
り、この処理容器１は、耐熱性材料、例えば石英や炭化
ケイ素セラミックスよりなる天井付きの外側チューブ２
と、この内側に所定の間隔だけ隔てて同心状に配置され
た例えば石英よりなる内側チューブ３とにより主に構成
され、２重管構造になっている。この処理容器１の外側
には、これを囲むように加熱用ヒータ４が設置されて熱
処理部を構成している。

【００１５】上記外側チューブ２及び内側チューブ３
は、ステンレス等よりなるマニホールド１３によってそ
の下端部が支持されており、このマニホールド１３はベ
ースプレート１２に固定される。上記マニホールド１３
の下端部の開口部には、例えばステンレス等からなる円
板状のキャップ部１４が、図示しないＯリング等を介し
て気密封止可能に取り付けられている。このキャップ部
１４の中心部には、例えば磁性流体シールにより気密な
状態で回転可能な回転軸１７が挿通されており、この下
端は、例えば回転ベルト１８等を有する回転機構に連結
される。そして、この回転軸１７の上端は例えばスチー
ルよりなるターンテーブル１６が固定される。このター
ンテーブル１６上には例えば石英よりなる保温筒１５を
介して、多数枚例えば１００枚の被処理体、例えば半導
体ウエハＷが所定のピッチで収容された、例えば石英よ
りなるウエハボート５が搭載される。

【００１６】このウェハボート５に収容されるウエハの
内、下端部側のウエハはボトム（ＢＴＭ）側ウエハＷ
１、中央部側のウエハはセンタ（ＣＴＲ）側ウエハＷ
２、上端部側のウエハをトップ（ＴＯＰ）側ウエハＷ３
とそれぞれ称される。このウェハボート５全体は、図示
しない昇降機構、例えばボートエレベータにより容器内
へ、その下方より挿脱可能になされている。そして、上
記マニホールド１３の下部にはウエハボート５方向に向
けて折り曲げられたＬ字状の例えば石英からなる原料と
なるシラン系ガス供給用の第１の処理ガス供給ノズル
６、アンモニア供給用の第２の処理ガス供給ノズル７、
及び水素ガス供給用の第３のノズル８がそれぞれ貫通さ
れて気密に配設されている。これら各ノズル６、７、８
が、それぞれ図示しないガス供給系に接続されている。
図１においては、ノズル６と、ノズル７、８を処理容器
中の相対向する位置に配置した例を示したが、処理ガス
が処理容器中において均一に混合され反応が進行する形
態であれば図１の形状にとらわれることなく、これらの
ノズルは任意の位置に配置可能である。これらガス供給
系は、この処理装置全体の動作を制御する、例えばマイ
クロコンピュータ等よりなる制御部により流量等が制御
される。

【００１７】また、マニホールド１３には、途中に開閉
弁１０及び真空ポンプ１１を配設した真空排気系９が接
続されており、容器内を真空引きできるように構成され
ている。

【００１８】（成膜方法）次に、以上のように構成され
た処理装置を使用して行われる本発明の成膜方法を説明
する。まず、ウエハボート５にウェハを所要枚数積層載
置し、ヒータ４により成膜温度に加熱された処理容器１
内へロードする。次いで、ウェハボート５を回転駆動装
置を用いて等速度で回転させるとともに、真空排気系９
を稼働して容器内を真空引きする。処理容器内の圧力
は、０．１３３〜１３３Ｐａ（０．００１〜１Ｔｏｒ
ｒ）程度が望ましい。

【００１９】次いで、処理容器１に各処理ガスを供給す
る。各処理ガスの導入シーケンスは、図２に示す通りで
ある。すなわち、処理開始時には、アンモニアガスをノ
ズル７より所定量供給し、その間、シラン系ガス及び水
素ガスの供給は停止しておく。所定時間経過後、シラン
系ガス供給ノズル６及び水素ガス供給ノズル８を開放
し、処理ガスを定常供給して成膜を開始する。各ノズル
６、７、８から導入された処理ガスは、内側チューブ３
の内側を各ウエハＷと接触しつつウエハ領域を上昇し、
天井部に到った処理ガスは内側チューブ３と外側チュー
ブ２との間を流下して真空排気系９により排出される。

【００２０】そして、所定の時間、成膜を行った後、ア
ンモニアガスの供給は継続したまま、シラン系ガス及び
水素ガスの供給を停止する。次いで、アンモニアガスの
供給を停止した後、残留している処理ガスを大気と置換
し、処理容器を開放してシリコンウェハを取り出す。

【００２１】本発明においては、ＮＨ_３を０〜３０００
ＳＣＣＭ、シラン系ガスを０〜１００ＳＣＣＭ、Ｈ_２を
０〜２０００ＳＣＣＭの範囲で供給して用いることがで
きる。アンモニアとシラン系ガスとの割合は、２０：１
〜５０：１の範囲が好ましい。シラン系ガスの割合が高
いと、Ｓｉリッチな膜になるという問題があり、シラン
系ガスの割合が低いと均一性の悪化、成長速度の低下の
問題があり好ましくない。また、シラン系ガスと水素ガ
スの割合は、１００：１〜１：２０の範囲が望ましい。
水素ガスの割合が高いと、成長速度の低下の問題があ
り、水素ガスの割合が低いと均一性の悪化の問題があり
好ましくない。

【００２２】処理容器中の成膜温度は５００〜７６０℃
に、容器内圧力は１３．３〜６６．６５Ｐａ（０．１〜
０．５Ｔｏｒｒ）にそれぞれ設定することが望ましい。
本発明においては、約７０分間の成膜処理によって、約
７０〜１２０ｎｍのシリコンナイトライドの薄膜形成を
行うことができる。

【００２３】本発明においては、反応ガスであるシラン
系ガスとして、ジクロルシランの他に、ヘキサクロロジ
シラン、テトラクロロシランなどを用いることができ
る。このシラン系ガスは純粋希釈せずに用いることもで
きるし、不活性ガスで希釈して用いることもできる。か
かる希釈ガスとしては、窒素ガス、アルゴンガスなどが
適切である。また、アンモニアガスも、純粋なガスでも
よいが、上記希釈ガスで希釈しても差し支えない。さら
に、水素ガスについても同様に希釈して用いることがで
きる。

【００２４】また、上記実施例にあっては、シリコンナ
イトライドを成膜するために２種類の処理ガスを用いた
場合について説明したが、上記シリコンナイトライド形
成の反応系とは異なった反応系を採用するために処理ガ
ス供給ノズルの数を適宜増減した場合にも本発明を適用
し得るのは勿論である。また、本発明方法は、縦型成膜
装置のみならず、横型成膜装置等にも適用し得る。

【００２５】

【実施例】（実施例１および比較例１）図１に示す縦型
反応炉に、シリコンウェハを載置した支持体を収容し、
炉内の圧力を２６．６６Ｐａ（０．２Ｔｏｒｒ）に保持
した。また、温度を６００℃に維持した。反応ガスとし
ては、Ｓｉ_２Ｃｌ_６、ＮＨ_３、およびＨ_２ガスをそれぞ
れ３０ＳＣＣＭ、９００ＳＣＣＭ、および３００ＳＣＣ
Ｍの流量で供給ガスノズルから供給した。反応を７０分
間継続し、シリコンウェハ表面にシリコンナイトライド
薄膜を７０〜１００ｎｍ形成した。ウェハボートを取り
出し、ボート上部のウェハ、ボート中部のウェハ、およ
びボート下部のウェハそれぞれ１枚を取り出し、シリコ
ンナイトライド薄膜の面内均一性を測定した。その結
果、ボート上部のウェハにおいては±１．９８％、ボー
ト中部のウェハにおいては±１．１４％、およびボート
下部のウェハにおいては±１．４０％の面内均一度であ
った。

【００２６】一方、比較のために反応ガスに水素ガスを
添加せずに成膜を処理を行った。すなわち、成膜温度は
６００℃、炉内圧力２６．６Ｐａ（０．２Ｔｏｒｒ）に
維持し、反応ガスとしてＳｉ_２Ｃｌ_６、ＮＨ_３をそれぞ
れ３０ＳＣＣＭ、および９００ＳＣＣＭの流量で供給ガ
スノズルから供給し反応を７０分間行ない、シリコンナ
イトライド薄膜を７０〜１００ｎｍ形成した。その後、
上記実施例と同様にシリコンウェハのサンプルをとりだ
し、表面薄膜の面内均一性を測定した。その結果、ボー
ト上端部のウェハにおいては±２．８４％、ボート中央
部のウェハにおいては±１．７５％、およびボート下端
部のウェハにおいては±１．３６％の面内均一度であっ
た。以上の結果から、シリコンウェハの特にウェハボー
ト上端部のサンプルにおいて本願発明の方法によれば、
面内均一性が顕著に向上していることが判明した。

【００２７】（実施例２および比較例２）次に、成膜さ
れたシリコンナイトライド薄膜の膜質を調べるために、
湿式エッチング速度を測定した。すなわち、実施例１と
同等の方法で成膜したシリコンウェハで、ウェハボート
の中央部において成膜されたサンプル１枚について、１
％ＨＦ溶液を用いた湿式エッチングにより、エッチング
速度を測定した。その結果、ウェハボートの中央部にお
けるシリコンウェハ表面のシリコンナイトライド薄膜の
エッチング速度は、３．３５ｎｍ／ｍｉｎであった。比
較のため、水素ガスを添加せずに成膜した上記比較例１
で得たシリコンウェハについてもエッチング速度を測定
した。その結果は、３．６２ｎｍ／ｍｉｎであった。以
上の結果から、本発明の方法によれば、水素ガスを反応
ガスに添加することにより、水素ガスを添加しない成膜
法と比較してより緻密で質の高い膜が生成していること
が判明した。エッチング条件は、１％ＨＦ水溶液中に９
分間浸漬した後のエッチング除去されたシリコンナイト
ライド薄膜の量を測定することによって行った。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、シリコンウェハ表面に
シリコンナイトライド薄膜を形成するにあたって、原料
ガスに水素ガスを添加するという簡単な手段によりシリ
コンナイトライド薄膜の面内均一性に優れた薄膜が形成
され、その結果、縦型反応炉上部においても膜厚面内均
一性に優れた薄膜が得られると同時に、その膜質も湿式
エッチングにおいてもエッチングレートが低く、緻密な
膜が得られるという顕著な効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明において用いることができる縦型の成
膜装置の概略図である。

【図２】本発明の成膜方法を示すシーケンス図であ
る。

【図３】従来の成膜法において用いられている縦型の
成膜装置の概略図である。

【符号の説明】

１、３１・・・処理容器２、３２・・・外側チューブ３、３３・・・内側チューブ４、３４・・・加熱用ヒータ５、３５・・・ウェハボート６、３６・・・第１の処理ガス供給ノズル７、３７・・・第２の処理ガス供給ノズル８・・・水素ガス供給ノズル９、３９・・・真空排気系１０・・・開閉弁１１・・・真空ポンプ１２・・・ベースプレート１３・・・マニホールド１４・・・キャップ部１５・・・保温筒１６・・・ターンテーブル１７・・・回転軸１８・・・回転ベルト

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者西田辰夫東京都港区赤坂五丁目３番６号ＴＢＳ放送センター東京エレクトロン株式会社内 (72)発明者遠藤篤史東京都港区赤坂五丁目３番６号ＴＢＳ放送センター東京エレクトロン株式会社内Ｆターム(参考） 4K030 AA03 AA06 AA13 AA17 BA40 CA04 CA12 EA06 FA10 GA13 JA06 KA23 5F033 RR06 SS01 SS02 SS13 WW04 XX00 5F045 AA06 AB33 AC05 AC12 AD10 AE19 AF03 BB02 BB17 DP19 EC02 EE13 EE18 EF08 5F058 BC08 BF04 BF23 BF30 BF37 BJ01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】本発明は、処理容器に複数のシリコンウェ
ハを載置し、加熱、減圧下で処理ガスを供給してシリコ
ンウェハ表面にシリコンナイトライド薄膜を形成する方
法において、該処理ガスに水素ガスを添加することを特
徴とする薄膜形成方法。
【請求項２】上記処理ガスが、シラン系ガス及びアンモ
ニアガスの混合ガスであることを特徴とする請求項１記
載の薄膜形成方法。
【請求項３】上記水素ガスの添加量が、上記シラン系ガ
スに対して１〜２０００容量％の範囲であることを特徴
とする請求項１もしくは請求項２に記載の薄膜形成方
法。
【請求項４】内部チューブ及び外部チューブの二重管か
らなり気密封止が可能な処理容器と、該処理容器内部を
減圧にするための排気手段と、該処理容器の周囲に配置
された加熱手段と、該内部チューブ内に挿脱可能に配置
されるウェハボートと、該処理容器に気密に装入された
処理ガス供給ノズルと、該処理容器に気密に装入された
水素ガス供給ノズルとからなることを特徴とする薄膜形
成装置。
【請求項５】上記処理ガスノズルが、シラン系ガス供給
ノズル及びアンモニアガス供給ノズルの２本のノズルか
らなることを特徴とする請求項４記載の薄膜形成装置。