JP2004047580A - Film-forming equipment - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide film-forming equipment for forming an oxide film, a nitride film or an oxynitride film on a semiconductor substrate at a low film-formation temperature without damaging the substrate. <P>SOLUTION: The film-forming equipment is provided with a dielectric window 14 introducing a micro-wave to chambers 11 and 31, a gas-dispersing plate 21 provided to be separated from the dielectric window 14 in the chambers 11 and 31 on the other face side of the dielectric window 14 and opening a plurality of circulation holes 21a, and a reaction gas supply source. A reaction gas is exposed on the surface wave of the microwave dissociated so as to produce an excitated species. The excitated species of the reaction gas is passed through the circulation holes 21a to form an oxide film, a nitride film or an oxynitride film on the substrate W installed in the downstream of the circulation holes 21a. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、成膜装置に関し、より詳細には、本発明は、半導体基板等にダメージを与えることなく、低い成膜温度で、半導体基板等を酸化、窒化もしくは酸窒化するのに有用な成膜装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の微細化はリニアースケーリング則に従って行われる。このため、微細化に伴ってゲート酸化膜は薄くなってきている。このゲート酸化膜にはホットエレクトロンと呼ばれる高速電子の衝突による信頼性低下を防ぐために窒素が添加されたゲート酸化膜を用いている。ゲート酸化膜は、特に、メモリーよりも論理回路で薄く、デザインルール１．３μｍ以降では、自然酸化膜厚の３ｎｍよりも薄くなろうとしている。ゲート酸化膜が薄くなると、トンネル電流が流れ易くなり、ゲート破壊等を生じ、半導体素子の歩留まりが大幅に低下することになる。
【０００３】
従来の方法では、ゲート酸化膜は、酸化炉と呼ばれる製造装置内において不活性ガスで希釈されたドライ酸素ガス雰囲気を用い、熱反応によって形成される。このため、成膜温度が８００〜１１００℃と高く、ゲート酸化膜とシリコン等の半導体基板との界面に熱応力を発生しやすい。
【０００４】
また、酸素ガスの反応力が弱く、高品質で緻密な膜ができないという欠点があり、３ｎｍ以下のより薄いゲート酸化膜を形成することが困難であった。
【０００５】
さらに、近年、ゲート酸化膜の代わりに、高誘電率絶縁膜の導入が進められている。その場合、半導体基板表面に窒化膜を形成し、半導体基板と高誘電率絶縁膜との間の反応を抑えようという検討がなされている。この場合にも、酸化の場合と同じような理由で成膜温度の低温化が求められている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記例で要求される成膜温度の低温化は、プラズマを用いた膜形成装置で解決し得る。
【０００７】
しかしながら、従来例で生成されるプラズマでは、エネルギー状態の高いイオン等が半導体基板の表面まで到達して、シリコン等の半導体基板表面がダメージを受けるという新たな問題が生じる。
【０００８】
特に、質量の大きな酸素や窒素イオンが高速されて、半導体基板の構成原子に衝突した場合、衝突を受けた原子が、結晶中の位置からズレてしまい、格子欠陥を生じ、その結果として界面準位を形成してしまう。
【０００９】
従来、プラズマを用いた成膜装置にＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）などを用いたリモートプラズマ装置がある。この装置においては、イオンが完全には取りきれない場合もあり、その上、解離された励起種の均一性も悪く、かつ、プラズマ密度が低いため十分に低温化できないという問題が発生する。
【００１０】
本発明は係る従来例の問題点に鑑みて創作されたものであり、シリコン等の半導体基板にダメージを与えること無く、低い成膜温度で、高品質で、緻密な酸化膜、酸窒化膜もしくは窒化膜を形成することができる成膜装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、チャンバと、２つの主面のうちの一方の面側から前記チャンバ内にマイクロ波を導入する誘電体窓と、前記誘電体窓の他方の面側のチャンバ内に該誘電体窓と離間して設けられ、複数の流通孔が開口されたガス分散板と、反応ガスの供給源と、前記誘電体窓の他方の面側と前記ガス分散板との間に設けられた、前記反応ガスの供給源と接続されて前記チャンバ内に前記反応ガスを導入するガス導入口と、前記ガス分散板の下流に設けられた基板載置台とを備え、前記表面波に前記反応ガスを曝して励起させ、前記励起した反応ガスを、前記流通孔を通過させて、該流通孔の下流に設置された基板表面に導き、前記励起した反応ガスによって前記基板表面を酸化、窒化もしくは酸窒化することにより前記基板表面に酸化膜、窒化膜もしくは酸窒化膜を形成する成膜装置によって解決する。
【００１２】
反応ガスの供給源として、酸素（Ｏ_２）、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）、又は水蒸気（Ｈ_２Ｏ）のうち少なくとも何れか一の供給源を用いることができる。或いは、窒素（Ｎ_２）、アンモニア（ＮＨ_３）、又はヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_３）のうち少なくとも何れか一の供給源を用いることができる。或いは、窒素（Ｎ_２）、アンモニア（ＮＨ_３）、又はヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_３）のうち少なくとも何れか一の供給源と、一酸化窒素（ＮＯ）、一酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ）、二酸化窒素（ＮＯ_２）、又は三酸化窒素（ＮＯ_３）のうち何れか一の供給源との組み合わせを用いることができる。更に、上記各ガスの供給源の他に、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、ネオン（Ｎｅ）、クリプトン（Ｋｒ）及びクセノン（Ｘｅ）のうち少なくとも何れか一の不活性ガスの供給源を備えてもよい。
【００１３】
この装置によれば、一方の面にマイクロ波を導入する誘電体窓を設けることで、誘電体窓の他方の面の表面近傍に好適に表面波を発生させることができる。マイクロ波の周波数の一例は、２．４５ＧＨｚである。この周波数を用いた場合、上記表面波近傍の励起した反応ガスから生成した電子密度が７．６×１０^１６ｍ^−３よりも大きいことが必要である。これより小さいと、マイクロ波が下流に侵入し、表面波が生成されない場合もある。
【００１４】
そのマイクロ波の表面波に反応ガスが曝されて励起し、該反応ガスの表面波プラズマが生成される。この表面波プラズマは、その電子密度が下流に行くにつれて急速に減衰するという特徴がある。表面波プラズマ中では反応ガス分子が解離し、原子状の反応ガスが生成され得るが、表面波プラズマの上記特徴により、下流においては原子状の反応ガスは生き残るものの、荷電粒子は殆ど残存しない。
【００１５】
本発明では、さらに、この表面波プラズマの電子密度が減衰した下流になおも残存する荷電粒子を除去すべく、該下流に複数の流通孔を形成したガス分散板が設けられている。ガス分散板は、一例として、上記誘電体窓の他方の面から下流方向に約５〜２０ｃｍ離れて設けられる。
【００１６】
該下流において反応ガスをこの流通孔に通すことで、荷電粒子は略完全に除去されて、反応に必要な原子状の反応ガスが基板上に導かれることが明らかとなった。これに加え、ガス分散板の流通孔を通すことで、原子状の反応ガスのエネルギを基底状態近くまで下げられることが判明した。エネルギが下がるので、高エネルギの原子状の反応ガスが基板に到達する際に生成し得る２次電子が低減され、２次電子によるダメージも低減される。
【００１７】
なお、ガス分散板は、表面波プラズマの電子密度が減衰した下流に設けられるため、運動エネルギの大きな荷電粒子と衝突して材料が飛散したり、プラズマにより加熱されてダメージを受けることが無い。
【００１８】
以上のように、本発明では、ガス中の荷電粒子が略完全に除去されると共に、原子状の反応ガス等のエネルギが下げられるので、基板載置台上のシリコン等の基板が荷電粒子によるダメージを受けることが無い。その上、この装置では、原子状の反応ガス等をマイクロ波の表面波により生成しており、熱分解により生成していないので、熱分解する場合よりも低温で形成することができる。
【００１９】
ゲート酸化膜は、一例として、反応ガス雰囲気の上記下流における圧力を１３．３〜１３，３００パスカル（Ｐａ）にし、上記ガス分散板を上記誘電体窓の他方の面から下流方向に約５〜２０ｃｍ離して配置することで形成される。
【００２０】
また、窒素を添加することにより、微量の窒素がシリコン酸化膜に取り込まれ、ホットエレクトロン効果を大幅に抑制し、ゲート酸化膜の信頼性を高める効果があることも明らかになった。
【００２１】
基板としては、シリコンのみではなく、シリコン上にゲルマニウム（Ｇｅ）やその他を形成したシリコンよりも高速のデバイスの実現が可能な半導体基板を用いてもよいし、ガラス基板上に堆積された半導体薄膜を用いることも可能である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
（１）本発明の実施の形態に係る成膜装置についての説明
図１は、本実施形態に係る成膜装置の断面図である。
【００２４】
図示の如く、この成膜装置１０は、上流側から導波管１２、プラズマ生成室筐体１１、反応室筐体３１、及びベース１７を備える。これらの間にはＯリングやガスケット等の封止部材１９が挟入されて、装置１０内が気密にされる。プラズマ生成室筐体１１及び反応室筐体３１は概略円筒形であり、その直径φは約２８０ｃｍである。なお、プラズマ生成室筐体１１等の直径は、この値に限定されず、所望の値に設計して良い。プラズマ生成室筐体１１及び反応室筐体３１内部がチャンバを構成する。
【００２５】
図示の如く、導波管１２はテーパー形状を有し、その広径側の開口端近傍に誘電体窓１４が設置されている。この誘電体窓１４は、好適にはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、石英（ＳｉＯ_２）等からなる材料が用いられる。
【００２６】
誘電体窓１４の下流にはリング状部材３５が設けられる。これら誘電体窓１４とリング状部材３５との間には、上記と同様の封止部材１９が挟入される。
【００２７】
リング状部材３５には、プラズマ生成室筐体１１の内部と反応ガス導入口１６とに連通するポケット３５ａが、リング状に一体化して刻設される。プラズマ生成室筐体１１の内面に表出するポケット３５ａの開口端がスリット２０である。反応ガスの供給源から反応ガス導入口１６に導入された反応ガスが、スリット２０からプラズマ生成室筐体１１内に供給される。図示の如く、ポケット３５ａは上向きに傾斜している。傾斜角を適宜選択することにより、表面波を強く生じせしめて反応ガスを効率良く励起したり、また、反応ガスの励起種の均一性を向上させることができる。
【００２８】
なお、チャンバ内への反応ガスの放出方法は上記に限定されない。反応ガスの放出口であるポケット３５ａはリング状に一体化して成るが、これに代えて、反応ガス導入口１６と連通する複数の開口部を列設しても良い。
【００２９】
更に下流に、シャワーヘッド（ガス分散板）２１が設けられている。このシャワーヘッド２１の平面図を図２に示す。シャワーヘッド２１は、図２に示すように、複数の流通孔２１ａがシャワーヘッド２１に開口される。なお、図では中央付近にのみ流通孔２１ａが形成されているが、これは図が煩雑になるからであり、実際には縁部付近にも形成されている。
【００３０】
この流通孔２１ａの孔径は約３ｍｍ程度である。但し、これは本発明がこの孔径に限定されるというのではない。孔径は、諸般の事情を鑑みて適切に設定して良い。シャワーヘッド２１の厚みは特に限定されないが、流通孔２１ａの孔径の約１．５倍程度が好適である。
【００３１】
また、流通孔２１ａの面内分布の仕方も限定されない。面内分布は、シャワーヘッド２１を通った反応ガスの流れが、シリコン基板（半導体基板）Ｗ上で一様になるように設定すればよい。図２の例では流通孔２１ａが面内に不均一に分布しているが、反応ガスの流れが一様になるのであれば、面内に均一に分布させても良い。
【００３２】
そして、図１に示すように、シャワーヘッド２１の更に下流には、シリコン等の半導体基板Ｗが載置されるステージ（基板載置台）３２が設けられる。このステージ３２内には電熱ヒータ３３が内蔵され、それによりシリコン基板Ｗが所望の温度に加熱される。また、ステージ３２は上下に移動可能なように設置されており、シリコン基板Ｗの高さ位置を調節することにより、最適なプロセス条件を見つけることができる。
【００３３】
反応室筐体３１の下側には排気配管１８が設けられ、更にこの排気配管１８は排気ポンプ１５に接続されている。排気ポンプ１５を動作させた状態で、排気配管１８の中途部にある開閉バルブ１３を開けることにより、プラズマ生成室筐体１１並びに反応室筐体３１の内部が所望の圧力に減圧される。
【００３４】
以下では、反応ガスとして酸素（Ｏ_２）を用い、希釈ガスとして不活性ガスであるアルゴン（Ａｒ）を用いる場合を例にして説明する。この場合はシリコンゲート酸化膜が形成される。反応ガス及び希釈ガスはともに、成膜装置１０の反応ガス導入口１６からプラズマ生成室に導入される。
【００３５】
使用に際しては、上記のガスが導入された状態で、マイクロ波を導入する。マイクロ波やガスの条件の一例を表１にまとめる。
【００３６】
【表１】

【００３７】
なお、表１における圧力とは、プラズマ生成室筐体３１内の雰囲気の圧力である。
【００３８】
表１に示す如く、本実施形態ではＴＭ０１モードの周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波が用いられる。係るマイクロ波は、導波管１２を伝搬し、誘電体窓１４の上流側の面１４ｂに略垂直に導入される。このマイクロ波は、誘電体窓１４を介して更に誘電体窓１４の下流側の面１４ａまで伝搬し、該面１４ａの近傍にある酸素とアルゴンを励起する。酸素とアルゴンは励起されてプラズマとなるが、このプラズマは高密度であり、その電子密度はマイクロ波の周波数（２．４５ＧＨｚ）により定まるカットオフ密度（７．６×１０^１６ｍ^−３）よりも大きい。従って、マイクロ波は、誘電体窓１４の面１４ａより下流には侵入せず、該面１４ａの近傍を横方向に伝搬する。かくして、誘電体窓の面１４ａの近傍に、マイクロ波の表面波が生成される。上述の酸素プラズマは、この表面波に曝されて励起されたものと言える。このプラズマは、一般に表面波プラズマとも称される。
【００３９】
次に、本願発明者が行った実験結果に基づき、上記を例証する。この実験では、酸素とアルゴンを供給している。装置１０内の酸素とアルゴンの合計圧力は１３３Ｐａであり、マイクロ波の電力は１ｋＷである。
【００４０】
実験により得られた酸素とアルゴンの混合ガスのプラズマの電子密度分布を図３に示す。図３の横軸は、誘電体窓の面１４ａからの下流方向距離（ｃｍ）であり、縦軸はプラズマの電子密度（×１０^１７ｃｍ^−３）である。
【００４１】
図３において、黒丸印（●）で示されるデータは、石英製の誘電体窓１４を用い、且つ表面波が立っていない状態（バルクモード）におけるプラズマの電子密度を示す。この場合、誘電体窓１４の近傍において電子密度がカットオフ密度よりも小さいので、マイクロ波が下流深くに侵入し、２０ｃｍの下流でもプラズマが生成されている。
【００４２】
一方、黒四角印（■）で示されるデータは、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）製の誘電体窓１４を用い、かつ表面波が立っている状態におけるプラズマの電子密度を示す。これより分かるように、誘電体窓１４の近傍（１ｃｍ付近）において、１．３８×１０^１７ｍ^−３という高密度の電子密度が得られる。
この電子密度はカットオフ密度よりも大きいので、マイクロ波が下流に侵入しなくなり、下流でプラズマが発生しなくなる。このことは、図３で電子密度が下流に行くにつれて急激に減衰していることから理解される。この例では、下流１０ｃｍ付近で電子密度がラングミューア・プローブ（不図示）の検出限界以下となり、解離した酸素イオンやアルゴンイオン（合計は電子数と等しい）が効率良く中性の原子状酸素に変換しているのが理解される。このように、表面波プラズマは、荷電粒子減衰特性が良く、原子状酸素等の生成に好適である。
【００４３】
本発明では、表面波プラズマのこの特性を利用して、プラズマが検出限界となった下流位置にシャワーヘッド２１（図１参照）を設ける。この位置では運動エネルギの大きなイオンが無いので、イオンとの衝突によりシャワーヘッド２１の表面から材料が飛散しない。しかも、この位置ではプラズマが殆ど発生していないので、シャワーヘッド２１がプラズマにより、衝撃を受け、或いは加熱されてダメージを受けるのが防がれる。
【００４４】
このシャワーヘッド２１は、誘電体窓１４の表面１４ａから下流約５〜２０ｃｍのところに配置される。但し、本発明がこの距離に限定されるというのではない。肝要なのは、表面波プラズマを使用することで下流域でのプラズマの発生を抑え、プラズマが殆ど発生しない下流位置にシャワーヘッド２１を設けるということである。
【００４５】
シャワーヘッド２１は反応ガスの流れを一様にするだけではない。反応ガスがシャワーヘッド２１を通過することで、反応ガス中の荷電粒子（イオンや電子等）が中性化されて除去されることが明らかとなった。荷電粒子が除去されるので、荷電粒子がシリコン等の半導体基板Ｗ上に到達した場合に起こり得るダメージを防ぐことができる。
【００４６】
シャワーヘッド２１の材料は特に限定されない。導体、半導体、及び絶縁体のいずれをシャワーヘッド２１に採用しても上記の利点が得られる。導体の一例は、アルミニウムである。
【００４７】
また、シャワーヘッド２１は接地しても良いし、電気的にフローティングの状態であってもよい。いずれの場合でも上記の利点を得ることができる。
【００４８】
ところで、上流で表面波プラズマが生成されている状態で、観測用ポート３４からシャワーヘッド２１の下流域を観測したところ、酸素原子の状態遷移に伴う発光は測定限界以下であった。このことは、シャワーヘッド２１の下流では原子状酸素が殆ど基底状態にあることを意味する。
【００４９】
しかも、シャワーヘッド２１により原子状酸素やアルゴンのエネルギが下げられるので、高エネルギの原子状酸素やアルゴンがシリコン基板Ｗに到達する際に運動エネルギー低減され、シリコン基板がダメージ等の発生を抑えることができる。
【００５０】
これらの効果を表２にまとめる。
【００５１】
【表２】

【００５２】
表２の「本発明」では、表１の条件に従って、１．８ｎｍ厚のゲート酸化膜が形成された。さらに表２では、８５０℃電気炉内で形成された１．８ｎｍと４．０ｎｍ膜厚のゲート酸化膜が比較してある。
【００５３】
表２の「ゲート絶縁破壊電圧」と「界面準位密度」の評価では、４枚の評価ウエハを用いた。各評価ウエハには、一対のＭＯＳダイオードから成る５０個のサンプルが形成されている。従って、サンプルの全数は２００個（＝４×５０）である。
【００５４】
その結果、電気炉内で形成された１．８ｎｍのゲート酸化膜においては、リーク電流が大きく、正確な絶縁破壊耐圧の測定が不可能であった。一方、本発明では、ゲート絶縁破壊耐圧の平均が４×１０^９ｋＶ／ｍであり、電気炉内で形成された４．０ｎｍのゲート酸化膜の平均２×１０^９ｋＶ／ｍより高い。
【００５５】
同様に、電気炉内で形成された１．８ｎｍのゲート酸化膜においては界面準位密度（Ｑ_ＳＳ）はリーク電流のために評価できなかった。一方、本発明における界面準位密度の平均は５×１０^１４／ｍ^２で、電気炉での４．０ｎｍ膜厚の界面準位密度の平均４×１０^１５／ｍ^２より大幅に小さい。
【００５６】
【表３】

【００５７】
反応ガスも酸素に限定しない。酸素以外にも、表３に挙げる酸化用ガスとして水蒸気（Ｈ_２Ｏ）や過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）も使用できるし、二つ以上を任意に混合した混合した酸化用ガスを用いることでも、酸化膜（シリコン含有膜）が形成される。なお、本発明で言う酸化膜とは、少なくとも酸素とシリコンとを含む膜を指し、該酸素とシリコンとの組成比は限定されない。
【００５８】
この例では、不活性ガスとして、アルゴン（Ａｒ）を用いているが、代わりにヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、クリプトン（Ｋｒ）及びクセンノン（Ｘｅ）のいずれか一の単体、或いはアルゴンを含む上記不活性ガスの単体のうち少なくとも何れか２以上の単体を含む混合ガスを用いてもよい。
【００５９】
この例では、反応ガスとして酸化用ガスを用い、または酸化用ガスに不活性ガスを添加したものを用いているが、それらのガスに窒素を含むガスを添加したもの、例えば表３に挙げる酸窒化用ガスを用い、又は酸窒化用ガスに不活性ガスを添加したものを用いてもよい。成膜装置はそれらのガスの供給源を備えることになる。
【００６０】
窒素を添加することによって、窒素含有ゲート酸化膜（酸窒化膜の一種）になりホットエレクトロンによる酸化膜ゲートの劣化を押さえることも可能になる。
【００６１】
更に、高誘電体絶縁膜の形成時に、半導体基板との間の反応を抑える目的から、半導体基板を窒化することも行われようとしている。この場合、表３に挙げる窒化用ガス、即ち、窒素（Ｎ_２）、アンモニア（ＮＨ_３）、又はヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_３）のうち少なくとも何れか一、又はこれらの窒素含有ガスに不活性ガスを添加したものが使用可能になる。成膜装置はそれらのガスの供給源を備えることになる。
【００６２】
更に、マイクロ波の導入方法も上記に限定されない。図４に示す如く、スリット３６ａが複数設けられた導波管３６を用い、マイクロ波を横方向に導入し、スリット３６ａを介してマイクロ波を誘電体窓１４に導入しても良い。
【００６３】
以上、本発明を詳細に説明したが、本発明は本実施形態に限られない。本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００６４】
例えば、上記ではシリコンなどの半導体基板を用いているが、これに代えてガラス基板上に堆積された半導体薄膜基板を用いても良い。ガラス基板は、耐熱性が悪く低温での形成プロセスが要求されているので、低温で成膜可能な本発明が好適に適用される。
【００６５】
（付記１）誘電体窓の一方の面にマイクロ波を導入することにより前記誘電体窓の他方の面の近傍に表面波を発生させ、反応ガスを前記表面波に曝して励起させ、前記励起した反応ガスを、流通孔を通過させて、該流通孔の下流に設置された基板に導き、前記励起した反応ガスによって前記基板表面を酸化、窒化もしくは酸窒化することにより前記基板表面に酸化膜、窒化膜もしくは酸窒化膜を形成することを特徴とする成膜方法。
【００６６】
（付記２）前記流通孔は、ガス分散板に形成された複数の開口であり、前記ガス分散板は前記誘電体窓の他方の面から下流方向に約５〜２０ｃｍ離れたところに設置されていることを特徴とする付記１記載の成膜方法。
【００６７】
（付記３）前記反応ガスの圧力が約１３．３〜１３，３００パスカル（Ｐａ）（１００Ｔｏｒｒ）であることを特徴とする付記１又は２記載の成膜方法。
【００６８】
（付記４）前記酸化膜を形成する際に用いる反応ガスは、酸素（Ｏ_２）、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）、又は水蒸気（Ｈ_２Ｏ）のうち少なくとも何れか一を含むものであることを特徴とする付記１乃至３の何れか一項に記載の成膜方法。
【００６９】
（付記５）前記窒化膜を形成する際に用いる反応ガスは、窒素（Ｎ_２）、アンモニア（ＮＨ_３）、又はヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_３）のうち少なくとも何れか一を含むものであることを特徴とする付記１乃至３の何れか一項に記載の成膜方法。
【００７０】
（付記６）前記酸窒化膜を形成する際に用いる反応ガスは、窒素（Ｎ_２）、アンモニア（ＮＨ_３）、又はヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_３）のうち少なくとも何れか一と、一酸化窒素（ＮＯ）、一酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ）、二酸化窒素（ＮＯ_２）、又は三酸化窒素（ＮＯ_３）のうち何れか一とを含むものであることを特徴とする付記１乃至３の何れか一項に記載の成膜方法。
【００７１】
（付記７）前記反応ガスに、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、ネオン（Ｎｅ）、クリプトン（Ｋｒ）及びクセノン（Ｘｅ）のうち少なくとも何れか一を添加することを特徴とする付記１乃至６の何れか一項に記載の成膜方法。
【００７２】
（付記８）前記基板は、半導体基板、又はガラス基板上に堆積された半導体薄膜であることを特徴とする付記１乃至請求項７の何れか一項に記載の成膜方法。
【００７３】
（付記９）チャンバと、２つの主面のうちの一方の面側から前記チャンバにマイクロ波を導入する誘電体窓と、前記誘電体窓の他方の面側のチャンバに該誘電体窓と離間して設けられ、複数の流通孔が開口されたガス分散板と、反応ガスの供給源と、前記誘電体窓の他方の面側と前記ガス分散板との間に設けられた、前記反応ガスの供給源と接続されて前記チャンバに前記反応ガスを導入するガス導入口と、前記ガス分散板の下流に設けられた基板載置台とを備え、前記表面波に前記反応ガスを曝して励起させ、前記励起した反応ガスを、前記流通孔を通過させて、該流通孔の下流に設置された基板表面に導き、前記励起した反応ガスによって前記基板表面を酸化、窒化もしくは酸窒化することにより前記基板表面に酸化膜、窒化膜もしくは酸窒化膜を形成することを特徴とする成膜装置。
【００７４】
（付記１０）前記ガス分散板は前記誘電体窓の他方の面から下流方向に約５〜２０ｃｍ離れたところに設置されていることを特徴とする付記９記載の成膜装置。
【００７５】
（付記１１）前記反応ガスの供給源は、酸素（Ｏ_２）、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）、又は水蒸気（Ｈ_２Ｏ）のうち少なくとも何れか一の供給源であることを特徴とする付記９又は１０記載の成膜装置。
【００７６】
（付記１２）前記反応ガスの供給源は、窒素（Ｎ_２）、アンモニア（ＮＨ_３）、又はヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_３）のうち少なくとも何れか一の供給源であることを特徴とする付記９又は１０記載の成膜装置。
【００７７】
（付記１３）前記反応ガスの供給源は、窒素（Ｎ_２）、アンモニア（ＮＨ_３）、又はヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_３）のうち少なくとも何れか一の供給源と、一酸化窒素（ＮＯ）、一酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ）、二酸化窒素（ＮＯ_２）、又は三酸化窒素（ＮＯ_３）のうち何れか一の供給源とであることを特徴とする付記９又は１０記載の成膜装置。
【００７８】
（付記１４）前記反応ガスの供給源の他に、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、ネオン（Ｎｅ）、クリプトン（Ｋｒ）及びクセノン（Ｘｅ）のうち少なくとも何れか一の不活性ガスの供給源を有することを特徴とする付記９乃至１３の何れか一項に記載の成膜装置。
【００７９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る成膜装置では、一方の主面からチャンバにマイクロ波を導入する誘電体窓と、誘電体窓から離間して、複数の流通孔を形成したガス分散板が設けられている。
【００８０】
これにより、好適に表面波プラズマを生成することができるとともに、表面波プラズマガス中から荷電粒子が略完全に除去され、かつそれにより生成した原子状の反応ガス等のエネルギが下げられるので、基板載置台上のシリコン等の基板が荷電粒子によるダメージを受けることが無い。その上、この装置では、原子状の反応ガス等をマイクロ波の表面波により生成しており、熱分解により生成していないので、熱分解する場合よりも低温で形成することができる。
【００８１】
さらに、誘電体窓近傍に生成する表面波プラズマの影響を受けないようにするため、ガス分散板を誘電体窓から離間して設けているので、ガス分散板がプラズマによりダメージを受けるのを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る形成装置の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る形成装置に使用されるシャワーヘッドの平面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る形成装置で生成された表面波プラズマの電子密度の下流方向への減衰特性を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態に係る成膜装置に適用可能なマイクロ波の別の導入方法を示す断面図である。
【符号の説明】
１０・・・成膜装置、
１１・・・プラズマ生成室筐体、
１２・・・導波管、
１３・・・開閉バルブ、
１４・・・誘電体窓、
１４ａ・・・誘電体窓の下流側の面、
１４ｂ・・・誘電体窓の上流側の面、
１５・・・排気ポンプ、
１６・・・反応ガス導入口、
１７・・・ベース、
１８・・・排気配管、
１９・・・封止部材、
２０・・・スリット、
２１・・・シャワーヘッド、
２１ａ・・・流通孔、
３１・・・反応室筐体、
３２・・・ステージ、
３３・・・電熱ヒータ、
３４・・・観測用ポート、
３５・・・リング状部材、
３５ａ・・・ポケット、
３６・・・水平導波管
３６ａ・・・スロット[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a film forming apparatus, and more particularly, to a film forming apparatus useful for oxidizing, nitriding, or oxynitriding a semiconductor substrate or the like at a low film forming temperature without damaging the semiconductor substrate or the like. It relates to a membrane device.
[0002]
[Prior art]
The miniaturization of semiconductor elements is performed according to the linear scaling rule. For this reason, the gate oxide film is becoming thinner with miniaturization. As the gate oxide film, a gate oxide film to which nitrogen is added is used in order to prevent a decrease in reliability due to collision of high-speed electrons called hot electrons. In particular, the gate oxide film is thinner in a logic circuit than a memory, and after the design rule of 1.3 μm, it is going to be thinner than the natural oxide film thickness of 3 nm. When the gate oxide film becomes thinner, a tunnel current easily flows, causing gate breakdown and the like, and the yield of the semiconductor element is largely reduced.
[0003]
In a conventional method, a gate oxide film is formed by a thermal reaction in a dry oxygen gas atmosphere diluted with an inert gas in a manufacturing apparatus called an oxidation furnace. For this reason, the film formation temperature is as high as 800 to 1100 ° C., and thermal stress is easily generated at the interface between the gate oxide film and the semiconductor substrate such as silicon.
[0004]
Further, there is a drawback that a reactive force of oxygen gas is weak and a high-quality and dense film cannot be formed, and it is difficult to form a thinner gate oxide film having a thickness of 3 nm or less.
[0005]
Further, in recent years, introduction of a high dielectric constant insulating film instead of a gate oxide film has been promoted. In such a case, studies have been made to form a nitride film on the surface of the semiconductor substrate to suppress a reaction between the semiconductor substrate and the high dielectric constant insulating film. Also in this case, lowering of the film forming temperature is required for the same reason as in the case of oxidation.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Incidentally, the lowering of the film forming temperature required in the above example can be solved by a film forming apparatus using plasma.
[0007]
However, in the plasma generated in the conventional example, a new problem arises in that ions or the like having a high energy state reach the surface of the semiconductor substrate and damage the surface of the semiconductor substrate such as silicon.
[0008]
In particular, when high-mass oxygen or nitrogen ions are accelerated and collide with the constituent atoms of the semiconductor substrate, the collided atoms are displaced from the position in the crystal, causing lattice defects, and consequently the interface state Position.
[0009]
2. Description of the Related Art Conventionally, there is a remote plasma apparatus using ECR (Electron Cyclotron Resonance) as a film forming apparatus using plasma. In this apparatus, ions cannot be completely removed in some cases, and further, the uniformity of the dissociated excited species is poor, and the plasma density is low, so that the temperature cannot be sufficiently lowered.
[0010]
The present invention has been made in view of the problems of the related art, and does not damage a semiconductor substrate such as silicon, at a low film forming temperature, with high quality, a dense oxide film, an oxynitride film or It is an object to provide a film forming apparatus capable of forming a nitride film.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The above-mentioned problem is solved by providing a chamber, a dielectric window for introducing microwaves into the chamber from one of two main surfaces, and a dielectric window in the chamber on the other surface side of the dielectric window. A gas distribution plate that is provided apart from the window and has a plurality of flow holes opened, a supply source of the reaction gas, and is provided between the other surface side of the dielectric window and the gas distribution plate, A gas inlet connected to the reaction gas supply source for introducing the reaction gas into the chamber, and a substrate mounting table provided downstream of the gas dispersion plate; and Exposure to excite, pass the excited reaction gas through the flow holes, guide the substrate surface installed downstream of the flow holes, and oxidize, nitride or oxynitride the substrate surface with the excited reaction gas. By doing so, an oxide film and a nitride film are formed on the substrate surface. It solved by film forming apparatus for forming a film or oxynitride film.
[0012]
As a supply source of the reaction gas, oxygen (O ₂ ), Hydrogen peroxide (H ₂ O ₂ ) Or steam (H ₂ O) At least one of the sources can be used. Alternatively, nitrogen (N ₂ ), Ammonia (NH ₃ ) Or hydrazine (N ₂ H ₃ ) Can be used. Alternatively, nitrogen (N ₂ ), Ammonia (NH ₃ ) Or hydrazine (N ₂ H ₃ ), Nitrogen monoxide (NO), nitrous oxide (N ₂ O), nitrogen dioxide (NO ₂ ) Or nitric oxide (NO ₃ ) Can be used in combination with any one of the sources. Further, in addition to the above-mentioned gas supply sources, a supply source of at least one of helium (He), argon (Ar), neon (Ne), krypton (Kr) and xenon (Xe) is provided. May be provided.
[0013]
According to this device, by providing a dielectric window for introducing a microwave on one surface, a surface wave can be suitably generated near the surface of the other surface of the dielectric window. An example of the frequency of the microwave is 2.45 GHz. When this frequency is used, the electron density generated from the excited reaction gas in the vicinity of the surface wave is 7.6 × 10 ¹⁶ m ^-3 Must be larger than If it is smaller than this, the microwave may enter the downstream and a surface wave may not be generated.
[0014]
The reaction gas is exposed to and excited by the microwave surface wave, and a surface wave plasma of the reaction gas is generated. This surface wave plasma is characterized in that its electron density attenuates rapidly as it goes downstream. In the surface wave plasma, the reaction gas molecules can be dissociated and an atomic reaction gas can be generated. However, due to the above characteristics of the surface wave plasma, the atomic reaction gas survives but almost no charged particles remain downstream.
[0015]
In the present invention, a gas dispersion plate having a plurality of flow holes formed downstream of the surface wave plasma is provided in order to remove charged particles still remaining on the downstream side where the electron density of the surface wave plasma is attenuated. As an example, the gas dispersion plate is provided at a distance of about 5 to 20 cm downstream from the other surface of the dielectric window.
[0016]
By passing the reaction gas through the flow holes on the downstream side, the charged particles were almost completely removed, and it became clear that the atomic reaction gas required for the reaction was guided onto the substrate. In addition, it has been found that the energy of the atomic reaction gas can be reduced to near the ground state by passing through the flow holes of the gas dispersion plate. Since the energy is reduced, secondary electrons that can be generated when the high-energy atomic reaction gas reaches the substrate are reduced, and damage due to the secondary electrons is also reduced.
[0017]
Since the gas dispersion plate is provided downstream of the surface wave plasma where the electron density is attenuated, the gas dispersion plate does not collide with charged particles having a large kinetic energy to scatter the material or to be damaged by being heated by the plasma.
[0018]
As described above, in the present invention, the charged particles in the gas are almost completely removed, and the energy of the atomic reaction gas and the like is reduced, so that the substrate such as silicon on the substrate mounting table is damaged by the charged particles. I do not receive. In addition, in this apparatus, an atomic reaction gas or the like is generated by a microwave surface wave and is not generated by thermal decomposition, so that it can be formed at a lower temperature than in the case of thermal decomposition.
[0019]
As an example, the gate oxide film is set to a pressure of 13.3 to 13,300 Pascal (Pa) in the downstream of the reaction gas atmosphere, and the gas dispersion plate is moved downward by about 5 to 5 from the other surface of the dielectric window. It is formed by arranging 20 cm apart.
[0020]
It was also found that the addition of nitrogen causes a trace amount of nitrogen to be taken into the silicon oxide film, significantly suppressing the hot electron effect and improving the reliability of the gate oxide film.
[0021]
As the substrate, not only silicon but also a semiconductor substrate capable of realizing a device at a higher speed than silicon in which germanium (Ge) or the like is formed on silicon may be used, or a semiconductor thin film deposited on a glass substrate Can also be used.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0023]
(1) Description of a film forming apparatus according to an embodiment of the present invention
FIG. 1 is a sectional view of a film forming apparatus according to the present embodiment.
[0024]
As illustrated, the film forming apparatus 10 includes a waveguide 12, a plasma generation chamber housing 11, a reaction chamber housing 31, and a base 17 from the upstream side. A sealing member 19 such as an O-ring or a gasket is interposed between them to make the inside of the device 10 airtight. The plasma generation chamber housing 11 and the reaction chamber housing 31 are substantially cylindrical and have a diameter φ of about 280 cm. Note that the diameter of the plasma generation chamber housing 11 and the like is not limited to this value, and may be designed to a desired value. The interior of the plasma generation chamber housing 11 and the inside of the reaction chamber housing 31 constitute a chamber.
[0025]
As shown in the figure, the waveguide 12 has a tapered shape, and a dielectric window 14 is provided near an opening end on the wide diameter side. This dielectric window 14 is preferably made of alumina (Al ₂ O ₃ ), Aluminum nitride (AlN), quartz (SiO ₂ ) Is used.
[0026]
A ring-shaped member 35 is provided downstream of the dielectric window 14. The sealing member 19 similar to the above is inserted between the dielectric window 14 and the ring-shaped member 35.
[0027]
In the ring-shaped member 35, a pocket 35 a communicating with the inside of the plasma generation chamber housing 11 and the reaction gas inlet 16 is integrally formed in a ring shape. An opening end of the pocket 35 a exposed on the inner surface of the plasma generation chamber housing 11 is a slit 20. A reaction gas introduced from a supply source of the reaction gas into the reaction gas inlet 16 is supplied from the slit 20 into the plasma generation chamber housing 11. As shown, the pocket 35a is inclined upward. By appropriately selecting the tilt angle, a surface wave can be strongly generated to efficiently excite the reaction gas, and the uniformity of excited species of the reaction gas can be improved.
[0028]
Note that the method of releasing the reaction gas into the chamber is not limited to the above. The pocket 35a serving as the reaction gas discharge port is integrally formed in a ring shape. Alternatively, a plurality of openings communicating with the reaction gas introduction port 16 may be provided.
[0029]
Further downstream, a shower head (gas dispersion plate) 21 is provided. FIG. 2 shows a plan view of the shower head 21. As shown in FIG. 2, the shower head 21 has a plurality of circulation holes 21 a opened in the shower head 21. In the figure, the flow holes 21a are formed only in the vicinity of the center, but this is because the figure becomes complicated, and the flow holes 21a are actually formed near the edges.
[0030]
The diameter of the flow hole 21a is about 3 mm. However, this does not mean that the present invention is limited to this pore size. The hole diameter may be appropriately set in consideration of various circumstances. The thickness of the shower head 21 is not particularly limited, but is preferably about 1.5 times the diameter of the flow hole 21a.
[0031]
In addition, the manner of distribution of the flow holes 21a in the plane is not limited. The in-plane distribution may be set so that the flow of the reaction gas through the shower head 21 is uniform on the silicon substrate (semiconductor substrate) W. Although the flow holes 21a are unevenly distributed in the plane in the example of FIG. 2, they may be uniformly distributed in the plane as long as the flow of the reaction gas is uniform.
[0032]
As shown in FIG. 1, a stage (substrate mounting table) 32 on which a semiconductor substrate W such as silicon is mounted is provided further downstream of the shower head 21. An electric heater 33 is built in the stage 32, and thereby the silicon substrate W is heated to a desired temperature. The stage 32 is installed so as to be able to move up and down, and by adjusting the height position of the silicon substrate W, it is possible to find the optimum process conditions.
[0033]
An exhaust pipe 18 is provided below the reaction chamber housing 31, and the exhaust pipe 18 is connected to the exhaust pump 15. By opening the on-off valve 13 in the middle of the exhaust pipe 18 with the exhaust pump 15 operating, the pressure inside the plasma generation chamber housing 11 and the inside of the reaction chamber housing 31 is reduced to a desired pressure.
[0034]
In the following, oxygen (O ₂ ) Will be described as an example in which argon (Ar), which is an inert gas, is used as a diluent gas. In this case, a silicon gate oxide film is formed. Both the reaction gas and the dilution gas are introduced from the reaction gas inlet 16 of the film forming apparatus 10 into the plasma generation chamber.
[0035]
At the time of use, microwaves are introduced with the above-mentioned gas introduced. Table 1 summarizes examples of microwave and gas conditions.
[0036]
[Table 1]

[0037]
In addition, the pressure in Table 1 is the pressure of the atmosphere in the plasma generation chamber housing 31.
[0038]
As shown in Table 1, in this embodiment, a microwave having a frequency of 2.45 GHz in the TM01 mode is used. The microwave propagates through the waveguide 12 and is introduced substantially perpendicularly to the surface 14 b on the upstream side of the dielectric window 14. The microwave further propagates through the dielectric window 14 to the surface 14a on the downstream side of the dielectric window 14, and excites oxygen and argon near the surface 14a. Oxygen and argon are excited to form a plasma, and this plasma has a high density, and its electron density is determined by a cutoff density (7.6 × 10 4) determined by a microwave frequency (2.45 GHz). ¹⁶ m ^-3 ) Bigger than. Therefore, the microwave does not penetrate downstream from the surface 14a of the dielectric window 14, but propagates in the lateral direction near the surface 14a. Thus, a microwave surface wave is generated near the surface 14a of the dielectric window. It can be said that the above-described oxygen plasma is excited by being exposed to the surface wave. This plasma is also commonly referred to as surface wave plasma.
[0039]
Next, the above will be exemplified based on the results of experiments performed by the inventor of the present application. In this experiment, oxygen and argon were supplied. The total pressure of oxygen and argon in the device 10 is 133 Pa, and the microwave power is 1 kW.
[0040]
FIG. 3 shows the electron density distribution of the plasma of the mixed gas of oxygen and argon obtained by the experiment. The horizontal axis in FIG. 3 represents the distance (cm) in the downstream direction from the surface 14a of the dielectric window, and the vertical axis represents the electron density (× 10 ¹⁷ cm ^-3 ).
[0041]
In FIG. 3, data indicated by black circles (●) indicate the electron density of the plasma when the dielectric window 14 made of quartz is used and no surface wave is generated (bulk mode). In this case, since the electron density is lower than the cut-off density in the vicinity of the dielectric window 14, the microwave penetrates deep downstream, and plasma is generated even 20 cm downstream.
[0042]
On the other hand, data indicated by black squares (■) ₂ O ₃ 3) shows the electron density of plasma in a state where a dielectric window 14 made of) is used and a surface wave is standing. As can be seen, in the vicinity of the dielectric window 14 (around 1 cm), 1.38 × 10 ¹⁷ m ^-3 High electron density is obtained.
Since this electron density is higher than the cut-off density, the microwave does not enter the downstream and no plasma is generated downstream. This can be understood from the fact that the electron density is rapidly attenuated as it goes downstream in FIG. In this example, the electron density becomes less than the detection limit of the Langmuir probe (not shown) in the vicinity of 10 cm downstream, and dissociated oxygen ions and argon ions (total is equal to the number of electrons) are efficiently converted to neutral atomic oxygen. It is understood that it is converting. As described above, the surface wave plasma has good charged particle attenuation characteristics and is suitable for generating atomic oxygen and the like.
[0043]
In the present invention, utilizing this characteristic of the surface wave plasma, the shower head 21 (see FIG. 1) is provided at a downstream position where the plasma reaches the detection limit. Since there is no ion having a large kinetic energy at this position, the material does not scatter from the surface of the shower head 21 due to collision with the ion. Moreover, since almost no plasma is generated at this position, it is possible to prevent the shower head 21 from being shocked or heated by the plasma and damaged by the plasma.
[0044]
The shower head 21 is arranged at a position about 5 to 20 cm downstream from the surface 14 a of the dielectric window 14. However, the present invention is not limited to this distance. What is important is that the use of surface wave plasma suppresses the generation of plasma in the downstream region, and the shower head 21 is provided at a downstream position where almost no plasma is generated.
[0045]
The shower head 21 does not only make the flow of the reaction gas uniform. It has been clarified that when the reaction gas passes through the shower head 21, the charged particles (ions, electrons, etc.) in the reaction gas are neutralized and removed. Since the charged particles are removed, damage that may occur when the charged particles reach the semiconductor substrate W such as silicon can be prevented.
[0046]
The material of the shower head 21 is not particularly limited. The above advantages can be obtained by using any one of a conductor, a semiconductor, and an insulator for the showerhead 21. One example of a conductor is aluminum.
[0047]
Further, the shower head 21 may be grounded or may be electrically floating. In any case, the above advantages can be obtained.
[0048]
By the way, when the downstream region of the shower head 21 was observed from the observation port 34 in a state where the surface wave plasma was generated upstream, the emission accompanying the state transition of the oxygen atoms was below the measurement limit. This means that the atomic oxygen is almost in the ground state downstream of the shower head 21.
[0049]
In addition, since the energy of atomic oxygen or argon is reduced by the shower head 21, the kinetic energy of high-energy atomic oxygen or argon when it reaches the silicon substrate W is reduced, and the occurrence of damage to the silicon substrate can be suppressed. Can be.
[0050]
Table 2 summarizes these effects.
[0051]
[Table 2]

[0052]
In "Invention" of Table 2, a 1.8-nm-thick gate oxide film was formed under the conditions of Table 1. Further, Table 2 compares 1.8 nm and 4.0 nm thick gate oxide films formed in an electric furnace at 850 ° C.
[0053]
In the evaluation of “gate breakdown voltage” and “interface state density” in Table 2, four evaluation wafers were used. Fifty samples composed of a pair of MOS diodes are formed on each evaluation wafer. Therefore, the total number of samples is 200 (= 4 × 50).
[0054]
As a result, in the 1.8 nm gate oxide film formed in the electric furnace, the leak current was large, and it was impossible to measure the dielectric breakdown voltage accurately. On the other hand, in the present invention, the average of the gate dielectric breakdown voltage is 4 × 10 ⁹ kV / m and an average of 2 × 10 4 gate oxide films of 4.0 nm formed in an electric furnace. ⁹ higher than kV / m.
[0055]
Similarly, in a 1.8 nm gate oxide film formed in an electric furnace, the interface state density (Q _SS ) Could not be evaluated due to leakage current. On the other hand, the average of the interface state density in the present invention is 5 × 10 ¹⁴ / M ² In the electric furnace, the average of the interface state densities of the 4.0 nm-thick film was 4 × 10 ^Fifteen / M ² Significantly smaller.
[0056]
[Table 3]

[0057]
The reaction gas is not limited to oxygen. In addition to oxygen, steam (H ₂ O) and hydrogen peroxide (H ₂ O ₂ ) Can also be used, and an oxide film (silicon-containing film) can be formed by using a mixed oxidizing gas in which two or more are mixed arbitrarily. Note that an oxide film in the present invention refers to a film containing at least oxygen and silicon, and there is no limitation on the composition ratio of oxygen and silicon.
[0058]
In this example, argon (Ar) is used as the inert gas. Instead of helium (He), neon (Ne), krypton (Kr) and xenon (Xe), or argon is used instead. A mixed gas containing at least any two or more of the above-mentioned inert gases may be used.
[0059]
In this example, an oxidizing gas is used as a reaction gas, or a gas obtained by adding an inert gas to the oxidizing gas is used. However, a gas obtained by adding a gas containing nitrogen to such a gas, for example, an acid listed in Table 3 is used. A gas for nitriding or a gas obtained by adding an inert gas to a gas for oxynitriding may be used. The film forming apparatus is provided with a supply source of those gases.
[0060]
By adding nitrogen, it becomes a nitrogen-containing gate oxide film (a kind of oxynitride film), which makes it possible to suppress deterioration of the oxide film gate due to hot electrons.
[0061]
Further, in order to suppress a reaction between the semiconductor substrate and the semiconductor substrate during the formation of the high dielectric insulating film, the semiconductor substrate is going to be nitrided. In this case, the nitriding gas listed in Table 3, namely, nitrogen (N ₂ ), Ammonia (NH ₃ ) Or hydrazine (N ₂ H ₃ ), Or those obtained by adding an inert gas to these nitrogen-containing gases. The film forming apparatus is provided with a supply source of those gases.
[0062]
Further, the method of introducing microwaves is not limited to the above. As shown in FIG. 4, a microwave may be introduced in a horizontal direction using a waveguide 36 provided with a plurality of slits 36a, and the microwave may be introduced into the dielectric window 14 through the slit 36a.
[0063]
As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail, this invention is not limited to this embodiment. The present invention can be implemented with various modifications without departing from the spirit thereof.
[0064]
For example, although a semiconductor substrate such as silicon is used in the above description, a semiconductor thin film substrate deposited on a glass substrate may be used instead. Since the glass substrate has poor heat resistance and requires a low-temperature forming process, the present invention capable of forming a film at a low temperature is suitably applied.
[0065]
(Supplementary Note 1) A microwave is introduced into one surface of the dielectric window to generate a surface wave in the vicinity of the other surface of the dielectric window, and the reaction gas is exposed to the surface wave to be excited. The reaction gas thus passed is passed through the flow hole, guided to the substrate installed downstream of the flow hole, and the substrate surface is oxidized, nitrided or oxynitrided by the excited reaction gas, thereby forming an oxide film on the substrate surface. Forming a nitride film or an oxynitride film.
[0066]
(Supplementary Note 2) The flow holes are a plurality of openings formed in a gas dispersion plate, and the gas dispersion plate is installed at a position of about 5 to 20 cm away from the other surface of the dielectric window in a downstream direction. 3. The film forming method according to claim 1, wherein
[0067]
(Supplementary note 3) The film forming method according to Supplementary note 1 or 2, wherein the pressure of the reaction gas is about 13.3 to 13,300 Pascal (Pa) (100 Torr).
[0068]
(Supplementary Note 4) The reaction gas used for forming the oxide film is oxygen (O 2 ₂ ), Hydrogen peroxide (H ₂ O ₂ ) Or steam (H ₂ 4. The film forming method according to any one of supplementary notes 1 to 3, wherein at least one of O) is included.
[0069]
(Supplementary Note 5) The reaction gas used for forming the nitride film is nitrogen (N ₂ ), Ammonia (NH ₃ ) Or hydrazine (N ₂ H ₃ 4. The film forming method according to any one of supplementary notes 1 to 3, wherein at least one of the above methods is included.
[0070]
(Supplementary Note 6) The reaction gas used for forming the oxynitride film is nitrogen (N ₂ ), Ammonia (NH ₃ ) Or hydrazine (N ₂ H ₃ ), Nitric oxide (NO), nitrous oxide (N ₂ O), nitrogen dioxide (NO ₂ ) Or nitric oxide (NO ₃ 4. The film forming method according to any one of supplementary notes 1 to 3, characterized in that the method includes any one of the following.
[0071]
(Supplementary note 7) Supplementary notes 1 to 3, wherein at least one of helium (He), argon (Ar), neon (Ne), krypton (Kr), and xenon (Xe) is added to the reaction gas. 7. The film forming method according to any one of 6.
[0072]
(Supplementary note 8) The film forming method according to any one of Supplementary notes 1 to 7, wherein the substrate is a semiconductor substrate or a semiconductor thin film deposited on a glass substrate.
[0073]
(Supplementary Note 9) A chamber, a dielectric window for introducing microwaves into the chamber from one of the two main surfaces, and a dielectric window separated from the chamber on the other surface side of the dielectric window. A gas dispersion plate provided with a plurality of flow holes, a supply source of a reaction gas, and the reaction gas provided between the other surface side of the dielectric window and the gas dispersion plate. A gas introduction port connected to the supply source for introducing the reaction gas into the chamber, and a substrate mounting table provided downstream of the gas dispersion plate, and exposing the reaction gas to the surface wave to excite the surface gas. Passing the excited reaction gas through the flow holes, guiding the substrate surface provided downstream of the flow holes, and oxidizing, nitriding or oxynitriding the substrate surface with the excited reaction gas. Oxide film, nitride film or Film forming apparatus and forming a nitride film.
[0074]
(Supplementary note 10) The film forming apparatus according to supplementary note 9, wherein the gas dispersion plate is installed at a distance of about 5 to 20 cm downstream from the other surface of the dielectric window.
[0075]
(Supplementary Note 11) The supply source of the reaction gas is oxygen (O ₂ ), Hydrogen peroxide (H ₂ O ₂ ) Or steam (H ₂ 11. The film forming apparatus according to claim 9 or 10, wherein the film forming apparatus is at least one of the supply sources of O).
[0076]
(Supplementary Note 12) The supply source of the reaction gas is nitrogen (N ₂ ), Ammonia (NH ₃ ) Or hydrazine (N ₂ H ₃ 11), wherein the film forming apparatus is at least one of the supply sources.
[0077]
(Supplementary Note 13) The supply source of the reaction gas is nitrogen (N ₂ ), Ammonia (NH ₃ ) Or hydrazine (N ₂ H ₃ ), Nitrogen monoxide (NO), nitrous oxide (N ₂ O), nitrogen dioxide (NO ₂ ) Or nitric oxide (NO ₃ 11. The film forming apparatus according to claim 9 or 10, wherein the film forming apparatus is any one of the supply sources.
[0078]
(Supplementary Note 14) Supply of at least one inert gas of helium (He), argon (Ar), neon (Ne), krypton (Kr), and xenon (Xe) in addition to the supply source of the reaction gas. 14. The film forming apparatus according to any one of supplementary notes 9 to 13, further comprising a source.
[0079]
【The invention's effect】
As described above, in the film forming apparatus according to the present invention, the dielectric window for introducing microwaves into the chamber from one main surface, and the gas distribution plate formed with a plurality of flow holes spaced apart from the dielectric window Is provided.
[0080]
As a result, it is possible to suitably generate the surface wave plasma, and the charged particles are almost completely removed from the surface wave plasma gas, and the energy of the generated atomic reaction gas or the like is reduced. The substrate such as silicon on the mounting table is not damaged by the charged particles. In addition, in this apparatus, an atomic reaction gas or the like is generated by a microwave surface wave and is not generated by thermal decomposition, so that it can be formed at a lower temperature than in the case of thermal decomposition.
[0081]
Furthermore, since the gas dispersion plate is provided apart from the dielectric window in order to prevent the influence of the surface wave plasma generated near the dielectric window, the gas dispersion plate is prevented from being damaged by the plasma. be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a forming apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view of a shower head used in the forming apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing the attenuation characteristics of the electron density of the surface wave plasma generated by the forming apparatus according to the embodiment of the present invention in the downstream direction.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing another method for introducing microwaves applicable to the film forming apparatus according to the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 ... film forming apparatus
11 ... plasma generation chamber housing
12 ... waveguide,
13 ... open / close valve,
14 ... dielectric window,
14a: surface on the downstream side of the dielectric window,
14b ... surface on the upstream side of the dielectric window,
15 ... exhaust pump,
16 ... reaction gas inlet
17 ... base,
18 ... exhaust pipe,
19 ... sealing member,
20 ... slit,
21 ... shower head,
21a: circulation hole,
31 ... reaction chamber housing
32 ... stage,
33 ... electric heater,
34 ... port for observation
35 ... a ring-shaped member,
35a ... pocket,
36 Horizontal waveguide
36a ... slot

Claims (6)

チャンバと、
２つの主面のうちの一方の面側から前記チャンバにマイクロ波を導入する誘電体窓と、
前記誘電体窓の他方の面側のチャンバに該誘電体窓と離間して設けられ、複数の流通孔が開口されたガス分散板と、
反応ガスの供給源と、
前記誘電体窓の他方の面側と前記ガス分散板との間に設けられた、前記反応ガスの供給源と接続されて前記チャンバに前記反応ガスを導入するガス導入口と、
前記ガス分散板の下流に設けられた基板載置台とを備え、
前記表面波に前記反応ガスを曝して励起させ、前記励起した反応ガスを、前記流通孔を通過させて、該流通孔の下流に設置された基板表面に導き、前記励起した反応ガスによって前記基板表面を酸化、窒化もしくは酸窒化することにより前記基板表面に酸化膜、窒化膜もしくは酸窒化膜を形成することを特徴とする成膜装置。A chamber;
A dielectric window for introducing microwaves into the chamber from one of the two main surfaces,
A gas dispersion plate provided in the chamber on the other surface side of the dielectric window so as to be separated from the dielectric window, and having a plurality of flow holes opened;
A source of reaction gas,
A gas inlet provided between the other surface side of the dielectric window and the gas dispersion plate and connected to a supply source of the reaction gas to introduce the reaction gas into the chamber,
A substrate mounting table provided downstream of the gas dispersion plate,
The reaction gas is exposed to the surface wave to excite it, the excited reaction gas is passed through the flow hole, and guided to the surface of a substrate installed downstream of the flow hole, and the substrate is excited by the excited reaction gas. A film forming apparatus, wherein an oxide film, a nitride film, or an oxynitride film is formed on the substrate surface by oxidizing, nitriding, or oxynitriding the surface. 前記ガス分散板は前記誘電体窓の他方の面から下流方向に約５〜２０ｃｍ離れたところに設置されていることを特徴とする請求項２記載の成膜装置。3. The film forming apparatus according to claim 2, wherein the gas dispersion plate is installed at a position about 5 to 20 cm away from the other surface of the dielectric window in a downstream direction. 前記反応ガスの供給源は、酸素（Ｏ_２）、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）、又は水蒸気（Ｈ_２Ｏ）のうち少なくとも何れか一の供給源であることを特徴とする請求項１又は２記載の成膜装置。The supply source of the reaction gas is at least one of oxygen (O ₂ ), hydrogen peroxide (H ₂ O ₂ ), and water vapor (H ₂ O). Or the film forming apparatus according to 2. 前記反応ガスの供給源は、窒素（Ｎ_２）、アンモニア（ＮＨ_３）、又はヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_３）のうち少なくとも何れか一の供給源であることを特徴とする請求項１又は２記載の成膜装置。The supply source of the reaction gas is at least one of nitrogen (N ₂ ), ammonia (NH ₃ ), and hydrazine (N ₂ H ₃ ). Film forming equipment. 前記反応ガスの供給源は、窒素（Ｎ_２）、アンモニア（ＮＨ_３）、又はヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_３）のうち少なくとも何れか一の供給源と、一酸化窒素（ＮＯ）、一酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ）、二酸化窒素（ＮＯ_２）、又は三酸化窒素（ＮＯ_３）のうち何れか一の供給源とであることを特徴とする請求項１又は２記載の成膜装置。The source of the reaction gas is at least one of nitrogen (N ₂ ), ammonia (NH ₃ ), or hydrazine (N ₂ H ₃ ), and nitrogen monoxide (NO) or nitrous oxide. The film forming apparatus according to claim 1, wherein the source is one of (N ₂ O), nitrogen dioxide (NO ₂ ), and nitrogen trioxide (NO ₃ ). 前記反応ガスの供給源の他に、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、ネオン（Ｎｅ）、クリプトン（Ｋｒ）及びクセノン（Ｘｅ）のうち少なくとも何れか一の不活性ガスの供給源を有することを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の成膜装置。In addition to the source of the reaction gas, a source of an inert gas of at least one of helium (He), argon (Ar), neon (Ne), krypton (Kr), and xenon (Xe) is provided. The film forming apparatus according to claim 1, wherein:

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