JP2005303074A - Thin film deposition equipment, and thin film forming method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は薄膜形成装置および薄膜形成方法に関し、特に、絶縁膜を形成するための薄膜形成装置とその形成方法に関するものである。 The present invention relates to a thin film forming apparatus and a thin film forming method, and more particularly to a thin film forming apparatus for forming an insulating film and a forming method thereof.
超ＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit）に代表される半導体装置に適用されるトランジスタのゲート絶縁膜、あるいは、半導体基板上に形成されるそのようなトランジスタ等と配線層等との間に形成される層間絶縁膜等の絶縁膜には、高い絶縁耐圧が要求される。 A gate insulating film of a transistor applied to a semiconductor device typified by a super LSI (Large Scale Integrated Circuit), or an interlayer formed between such a transistor formed on a semiconductor substrate and a wiring layer. An insulating film such as an insulating film is required to have a high withstand voltage.
半導体装置の集積度が高くなるにしたがって、このような絶縁膜にはさらなる薄膜化が求められている。たとえばゲート絶縁膜には１．５ｎｍ以下の極薄い膜厚が要求されている。ゲート絶縁膜のように高い絶縁耐圧が必要とされる半導体装置においては、一般にシリコン基板を熱酸化することにより形成される熱酸化シリコン酸化膜が用いられている。 As the degree of integration of semiconductor devices increases, such insulating films are required to be further thinned. For example, the gate insulating film is required to have a very thin film thickness of 1.5 nm or less. In a semiconductor device that requires a high withstand voltage such as a gate insulating film, a thermally oxidized silicon oxide film formed by thermally oxidizing a silicon substrate is generally used.
しかしながら、この熱酸化処理は製造工程（プロセス）において比較的初期の段階で行なわなければならないため、半導体装置の任意の部分に熱酸化シリコン酸化膜を形成することができず、半導体装置の高集積化を図るうえで設計上の大きな制約となっている。 However, since this thermal oxidation treatment must be performed at a relatively early stage in the manufacturing process (process), a thermal silicon oxide film cannot be formed in an arbitrary portion of the semiconductor device, and the semiconductor device is highly integrated. This is a major design restriction in achieving this.
また、ポリシリコン膜やアモルファスシリコン膜を形成する場合には、これらの膜を形成した後で熱酸化処理を施すことができるものの、これらの膜は粒界をもつために表面の粗さが粗いという欠点がある。さらに、ポリシリコン膜では結晶粒ごとに面方位が異なるために、熱酸化すると酸化レートが結晶粒ごとにばらついてしまい、膜の表面の粗さがさらに増大してしまうことになる。 In addition, when a polysilicon film or an amorphous silicon film is formed, thermal oxidation treatment can be performed after these films are formed, but these films have grain boundaries and thus have a rough surface. There is a drawback. Further, since the plane orientation of the polysilicon film is different for each crystal grain, the thermal oxidation causes the oxidation rate to vary for each crystal grain, which further increases the roughness of the film surface.
そのため、ガラス基板を用いたＴＦＴデバイスなど、結晶シリコンを酸化してゲート絶縁膜を形成することができない半導体装置では、表面または界面の平坦な熱酸化膜を形成することができないという問題がある。 Therefore, a semiconductor device that cannot oxidize crystalline silicon and form a gate insulating film, such as a TFT device using a glass substrate, has a problem that a thermal oxide film having a flat surface or interface cannot be formed.
また、アモルファスシリコン膜の場合、熱酸化のために温度約６００℃以上のもとで加熱すると、アモルファスシリコン膜が結晶化してしまい、結局ポリシリコン膜の場合と同じ結果になってしまう。 In the case of an amorphous silicon film, when heated at a temperature of about 600 ° C. or higher for thermal oxidation, the amorphous silicon film crystallizes, and eventually the same result as in the case of a polysilicon film is obtained.
熱酸化処理は通常６００〜１１００℃のもとで行なわれるため、熱酸化を高誘電率膜を使用するプロセスへ適用することも困難である。さらに、ガラス基板を用いたＴＦＴデバイスなどの半導体装置では、ガラス基板に含まれる不純物が拡散してチャネルの移動度を低下させたり、ゲート絶縁膜に欠陥を形成してしまうため、熱酸化処理を施すことは困難である。 Since the thermal oxidation treatment is usually performed at a temperature of 600 to 1100 ° C., it is difficult to apply the thermal oxidation to a process using a high dielectric constant film. Further, in a semiconductor device such as a TFT device using a glass substrate, impurities contained in the glass substrate are diffused to reduce channel mobility or to form defects in the gate insulating film. It is difficult to apply.
一方、絶縁膜として層間絶縁膜に適用されるシリコン酸化膜は、一般にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって、シリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）を供給することによって形成される。そのため、任意の下地上にシリコン酸化膜を成長させることが可能である。また、温度としては室温程度〜約５００℃程度までの比較的低い温度のもとでシリコン酸化膜を成長させることができる。 On the other hand, a silicon oxide film applied to an interlayer insulating film as an insulating film is generally formed by supplying silicon (Si) and oxygen (O) by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Therefore, it is possible to grow a silicon oxide film on an arbitrary ground. Further, the silicon oxide film can be grown at a relatively low temperature ranging from about room temperature to about 500 ° C.
ところが、ＣＶＤ法によって形成されるシリコン酸化膜は、熱酸化法によって形成される熱酸化シリコン酸化膜に比べると膜としての密度が比較的小さく、絶縁耐性が低いという問題がある。 However, a silicon oxide film formed by the CVD method has a problem that its density as a film is relatively small and insulation resistance is low as compared with a thermally oxidized silicon oxide film formed by a thermal oxidation method.
そのため、ＣＶＤ法によって形成されるシリコン酸化膜を何らかの方法により高密度化することができれば、設計上の制約がなくなって適用の自由度を高めることができ、また、高誘電率膜の下地膜としても適用することが可能になる。さらには、ＴＦＴデバイス等の半導体装置をはじめとして、他の半導体装置へも適用を展開することが可能になって、これらの半導体装置の高性能化を図ることができる。 Therefore, if the silicon oxide film formed by the CVD method can be densified by any method, there are no restrictions on design and the degree of freedom of application can be increased, and as a base film for a high dielectric constant film Can also be applied. Furthermore, the application can be expanded to other semiconductor devices including a semiconductor device such as a TFT device, and the performance of these semiconductor devices can be improved.
ＣＶＤ法によって形成されるシリコン酸化膜を高密度化する方法として、たとえば特許文献１には、塩酸（ＨＣｌ）と酸素（Ｏ2）の雰囲気のもとでアニールする方法が提案されている。すなわち、まず、化学気相成長装置にはＨＣｌを供給するための配管（ライン）が設けられて、シリコン酸化膜形成後に塩素と酸素が化学気相成長装置内に導入されることになる。その塩素と酸素の雰囲気のもとでシリコン酸化膜にアニール処理が施されることによって、シリコン酸化膜の高密度化が図られる。
しかしながら、上述した従来の方法では次のような問題点があった。まず、上述したアニール処理は温度約８００℃のもとで行なわれるため、低温処理が必要なプロセスには適用できないという問題があった。また、下地の酸化を防ぐことができないという問題があった。さらに、シリコン酸化膜の深さ方向に対して均一に高密度化できないという問題があった。そして、シリコン酸化膜の誘電率を上げることができても、絶縁耐性を向上するまでには至らないという問題があった。 However, the conventional method described above has the following problems. First, since the annealing process described above is performed at a temperature of about 800 ° C., there is a problem that it cannot be applied to a process that requires a low temperature process. Further, there is a problem that the oxidation of the base cannot be prevented. Furthermore, there is a problem that the density cannot be increased uniformly in the depth direction of the silicon oxide film. Even if the dielectric constant of the silicon oxide film can be increased, there is a problem that the insulation resistance cannot be improved.
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は下地の領域を酸化させることなく比較的低い温度で絶縁膜の高密度化を行なうための薄膜形成装置を提供することであり、他の目的はそのような絶縁膜の高密度化を行なうための薄膜形成方法を提供することである。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a thin film forming apparatus for increasing the density of an insulating film at a relatively low temperature without oxidizing the underlying region. Another object is to provide a thin film forming method for increasing the density of such an insulating film.
本発明に係る薄膜形成装置は、反応室と膜形成部とラジカル生成部と制御部と排気部とを備えている。反応室には所定の基板が収容される。膜形成部は反応室に収容された基板上に所定の絶縁膜を形成する。ラジカル生成部は反応室内に酸素ラジカルを生成し、膜形成部によって基板上に形成される絶縁膜に酸素ラジカル処理を施す。制御部は膜形成部とラジカル生成部の動作を制御する。排気部は反応室内を排気する。 The thin film forming apparatus according to the present invention includes a reaction chamber, a film forming unit, a radical generating unit, a control unit, and an exhaust unit. A predetermined substrate is accommodated in the reaction chamber. The film forming unit forms a predetermined insulating film on the substrate accommodated in the reaction chamber. The radical generating unit generates oxygen radicals in the reaction chamber, and performs oxygen radical treatment on the insulating film formed on the substrate by the film forming unit. The control unit controls operations of the film forming unit and the radical generating unit. The exhaust section exhausts the reaction chamber.
この構成によれば、膜形成部によって基板上に形成される絶縁膜に対し、ラジカル生成部により生成される酸素ラジカルによって酸素ラジカル処理が施されることで、酸化反応が進み比較的低い温度で絶縁膜の緻密化が図られてより密度の高い絶縁膜を容易に形成することができる。 According to this configuration, the insulating film formed on the substrate by the film forming unit is subjected to the oxygen radical treatment by the oxygen radical generated by the radical generating unit, so that the oxidation reaction proceeds and at a relatively low temperature. Since the insulating film is densified, a denser insulating film can be easily formed.
本発明に係る薄膜形成方法は、膜形成工程とラジカル処理工程とを備えている。膜形成工程では、所定の基板上に、化学気相成長によりシリコン酸化膜が形成される。ラジカル処理工程では、膜形成工程において基板上に形成されたシリコン酸化膜に酸素ラジカル処理が施される。 The thin film formation method according to the present invention includes a film formation step and a radical treatment step. In the film forming step, a silicon oxide film is formed on a predetermined substrate by chemical vapor deposition. In the radical treatment step, oxygen radical treatment is performed on the silicon oxide film formed on the substrate in the film formation step.
この方法によれば、基板上に形成される絶縁膜に対し、酸素ラジカルによって酸素ラジカル処理が施されることで、酸化反応がさらに進み比較的低い温度で絶縁膜の緻密化が図られて、より密度の高い絶縁膜を容易に形成することができる。 According to this method, the insulating film formed on the substrate is subjected to oxygen radical treatment with oxygen radicals, so that the oxidation reaction further proceeds and the insulating film is densified at a relatively low temperature. A denser insulating film can be easily formed.
実施の形態１
本発明の実施の形態１に係る薄膜形成装置について説明する。図１に示すように、薄膜形成装置５０では、半導体基板７を収容して所定の薄膜を形成するための反応室２が設けられている。その反応室２内には、半導体基板７を保持するためのステージ３が配設されている。また、保持された半導体基板７を加熱するためのたとえば赤外線加熱機構１１が設けられている。
A thin film forming apparatus according to
薄膜を形成するための材料ガスを供給する材料ガス供給口として、反応室２の反応室壁１には、たとえばシラン系ガス導入口８ａと酸化性ガス導入口９ａが設けられている。シラン系ガス導入口８ａにはシラン系ガス供給源８が接続されて、所定流量のシラン系ガスが供給される。酸化性ガス導入口９ａには酸化性ガス供給源９が接続されて、所定流量の酸化性ガスが供給される。一方、反応室２内における反応後のガスを排気するために、反応室壁１には真空ポンプ１５に繋がる排気口１３が設けられている。なお、酸化性ガスとしては、後述するように成膜処理のために亜酸化窒素が用いられ、ラジカル処理のために酸素が用いられる。
As a material gas supply port for supplying a material gas for forming a thin film, a
さらに、薄膜形成装置５０では、半導体基板７上に形成される絶縁膜（シリコン酸化膜）にラジカル処理を施すために、マイクロを発生するマイクロ波発生部５と、発生したマイクロ波を反応室内に放射する、たとえばラジアルラインスロットアンテナのようなアンテナ部４とが設けられている。放射されたマイクロ波によってプラズマを生成するためのプラズマ生成ガスとして、たとえばアルゴンガスを導入するために、反応室壁１にはアルゴンガス導入口１０ａが設けられている。アルゴンガス導入口１０ａにはアルゴンガス供給源１０が接続されて、所定流量のアルゴンガスが供給される。また、このラジカル処理の際には、酸化性ガス導入口９ａから酸素が反応室２内に供給される。
Further, in the thin
そして、薄膜形成装置５０では、マイクロ波発生部５、赤外線加熱機構１１、シラン系ガス供給源８、酸化性ガス供給源９およびアルゴンガス供給源１０の一連の動作を制御するための制御部６が設けられている。
In the thin
次に、上述した薄膜形成装置５０による処理について具体的に説明する。まず、薄膜形成装置５０の反応室２内に半導体基板７が収容される。この状態では、図２に示すように、半導体基板７の表面には、まだ絶縁膜は形成されていない。次に、真空ポンプに１５により反応室２内が排気されて圧力０．２〜０．５Ｔｏｒｒ（２６．６〜６６．５Ｐａ）、ステージ温度３００〜５００℃のもとで、シラン系ガスとして流量３０〜３００ＳＣＣＭ（３０〜３００ｃｍ3／ｍｉｎ）のジクロルシラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2）、酸化性ガスとして流量５０〜３００ＳＣＣＭ（５０〜３００ｃｍ3／ｍｉｎ）の亜酸化窒素（Ｎ2Ｏ）が反応室２内に導入されて、半導体基板７に成膜処理が施される。
Next, the process by the thin
このとき、図３に示すように、ジクロルシランと亜酸化窒素とが反応して、半導体基板７の表面にはシリコン酸化膜３１が形成される。１回の成膜によって形成するシリコン酸化膜３１の膜厚としては、後述するラジカル処理を均一に行なう点から約２〜２０ｎｍ程度が好ましい。
At this time, as shown in FIG. 3, dichlorosilane and nitrous oxide react to form a
所定の膜厚のシリコン酸化膜３１が形成されてジクロルシランと亜酸化窒素の供給を止めた後に、マイクロ波周波数２．４５ＧＨｚ、電子エネルギ約１．１ｅＶ以下、ステージ温度３００〜５００℃のもとで、流量５０〜４０００ＳＣＣＭ（５０〜４０００ｃｍ3／ｍｉｎ）のアルゴンガスと流量５〜２０ＳＣＣＭ（５〜２０ｃｍ3／ｍｉｎ）の酸素が反応室２内に導入されて、時間約５〜１２０秒の酸素ラジカル処理が施される。
After the
このとき、マイクロ波発生部５により発生したマイクロ波は、アンテナ部４から反応室２内に放射される。反応室２内に放射されたマイクロ波によってアルゴンガスが励起されて、半導体基板７とアンテナ部４との間にアルゴンのプラズマ（図示せず）が生成される。アルゴンのプラズマが生成されることで酸素が励起されて、図４に示すように、酸素ラジカルが発生する。
At this time, the microwave generated by the
発生した酸素ラジカルは半導体基板７上に形成されたシリコン酸化膜３１の表面に到達して、その酸素ラジカルによってシリコン酸化膜３１が緻密化される。このようにして当初のシリコン酸化膜３１よりも密度のより高いシリコン酸化膜３１ａが形成されることになる。なお、シリコン酸化膜３１が緻密化されるモデル（メカニズム）については後述する。
The generated oxygen radicals reach the surface of the
次に、酸素ラジカル処理により緻密化されたシリコン酸化膜３１ａ上に再び成膜処理を施すことによりシリコン酸化膜形成される。すなわち、アルゴンガスと酸素の供給を止めた後にジクロルシランと亜酸化窒素を導入し、上述した条件と同じ条件のもとで成膜処理を施すことによって、図５に示すように、シリコン酸化膜３１ａにさらにシリコン酸化膜３１が形成される。
Next, a silicon oxide film is formed by performing a film forming process again on the
次に、この成膜処理により形成されたシリコン酸化膜３１に酸素ラジカル処理が施される。すなわち、ジクロルシランと亜酸化窒素の供給を止めて、アルゴンガスと酸素を導入し、上述した条件と同じ条件のもとでラジカル処理を施すことによって、図６に示すように、シリコン酸化膜３１に酸素ラジカルが到達して緻密化されたシリコン酸化膜３１ａが形成される。
Next, oxygen radical treatment is performed on the
以下、シリコン酸化膜が所望の膜厚に達するまで上述した成膜処理と酸素ラジカル処理を交互に繰り返すことによって、膜厚方向に均一に緻密化されたシリコン酸化膜３１ａが形成されることになる。
Thereafter, the above-described film formation process and oxygen radical process are alternately repeated until the silicon oxide film reaches a desired film thickness, whereby a
次に、上述した酸素ラジカル処理を施して形成されるシリコン酸化膜について行なった膜質の評価について説明する。図７は、通常のＣＶＤ法によるシリコン酸化膜（点線）、酸素ラジカル処理を施したシリコン酸化膜（実線）および熱酸化膜（一点鎖線）についてそれぞれ測定された高輝度放射光を利用したＸ線反射率スペクトルを示すグラフである。なお、横軸は反射角度（２θ）、縦軸は反射率である。 Next, the evaluation of the film quality performed on the silicon oxide film formed by performing the above oxygen radical treatment will be described. FIG. 7 shows X-rays using high-intensity synchrotron radiation measured for a silicon oxide film (dotted line) obtained by a normal CVD method, a silicon oxide film subjected to oxygen radical treatment (solid line), and a thermal oxide film (one-dot chain line). It is a graph which shows a reflectance spectrum. The horizontal axis represents the reflection angle (2θ), and the vertical axis represents the reflectance.
図７に示すように、ＣＶＤ法によるシリコン酸化膜は他の膜に比べてスペクトルの振幅が大きく、振動波形が観測されていることがわかる。一方、酸素ラジカル処理を施したシリコン酸化膜では、スペクトルの振幅は小さくなって熱酸化膜のスペクトルとほぼ同じスペクトルが測定されていることがわかる。 As shown in FIG. 7, it can be seen that the silicon oxide film formed by the CVD method has a larger spectrum amplitude than the other films, and a vibration waveform is observed. On the other hand, in the silicon oxide film subjected to the oxygen radical treatment, it can be seen that the spectrum has a small amplitude and a spectrum almost the same as the spectrum of the thermal oxide film is measured.
次に、図８は、Ｘ線反射率スペクトルのシリコン酸化膜の密度の依存性のシミュレーションによって求められたグラフであり、実線はシリコン基板上に形成されたシリコン酸化膜の密度が２．３３（ｇ／ｃｍ3）の場合について、点線はシリコン酸化膜の密度が２．１２（ｇ／ｃｍ3）の場合についてそれぞれ求められたＸ線反射率スペクトルを示すグラフである。図８に示すように、シリコン酸化膜の密度が高くなってシリコン基板の密度に近づくと、Ｘ線反射率スペクトルは振幅が小さくなることがわかる。 Next, FIG. 8 is a graph obtained by simulation of the dependency of the X-ray reflectance spectrum on the density of the silicon oxide film, and the solid line indicates the density of the silicon oxide film formed on the silicon substrate is 2.33 ( In the case of g / cm 3 ), the dotted line is a graph showing the X-ray reflectivity spectrum respectively obtained for the case where the density of the silicon oxide film is 2.12 (g / cm 3 ). As shown in FIG. 8, it can be seen that the amplitude of the X-ray reflectance spectrum decreases as the density of the silicon oxide film increases and approaches the density of the silicon substrate.
そして、図７および図８にそれぞれ示されるグラフに基づいてＸ線反射率スペクトルを理論曲線にフィッティングし解析して求められた各シリコン酸化膜の密度の結果を図９に示す。図９に示すように、酸素ラジカル処理をＣＶＤ法によって形成されたシリコン酸化膜に施すことによってシリコン酸化膜の密度が熱酸化膜の密度と同レベルなって、膜の緻密化が図られていることが確認された。 FIG. 9 shows the result of the density of each silicon oxide film obtained by fitting the X-ray reflectance spectrum to the theoretical curve and analyzing it based on the graphs shown in FIGS. 7 and 8, respectively. As shown in FIG. 9, by applying oxygen radical treatment to the silicon oxide film formed by the CVD method, the density of the silicon oxide film becomes the same as the density of the thermal oxide film, and the film is densified. It was confirmed.
このように、ＣＶＤ法によって形成されたシリコン酸化膜に酸素ラジカル処理を施すことによって膜の緻密化を図ることができるのは次のように考えられる。図１０に示すように、まず、ＣＶＤ法によって形成されたシリコン酸化膜には、ＳｉとＳｉとの結合４１、ＳｉとＨとの結合（ＯＨ基４４）、ＳｉとＯＨとの結合（Ｈ基４３）、シリコンのダングリングボンド４２が含まれ、また、Ｈ2Ｏ分子４５が吸着しており、さらなる酸化反応を行なうことができる余地がある。
As described above, it is considered that the film can be densified by performing oxygen radical treatment on the silicon oxide film formed by the CVD method. As shown in FIG. 10, first, a silicon oxide film formed by a CVD method includes a
このようなシリコン酸化膜に酸素ラジカル処理を施すことによって、酸化反応がさらに進み、Ｓｉ−Ｏ結合に基づくネットワーク（構造）が再構築されてより緻密なネットワークが形成されると考えられる。シリコン酸化膜が緻密化すると、欠陥が減少するとともにＨ2Ｏ分子が吸着するサイトもなくなって、絶縁特性を劣化させる要因が減少すると考えられる。 By subjecting such a silicon oxide film to oxygen radical treatment, it is considered that the oxidation reaction further proceeds, and the network (structure) based on the Si—O bond is reconstructed to form a denser network. When the silicon oxide film is densified, it is considered that the number of defects is reduced and the sites where H 2 O molecules are adsorbed are eliminated, and the factors that deteriorate the insulating characteristics are reduced.
以上説明したように、本薄膜形成装置５０では、シリコン酸化膜３１の形成とそのシリコン酸化膜３１に対する酸素ラジカル処理を交互に繰り返すことによって、比較的低い温度で膜厚方向に均一に緻密化されたシリコン酸化膜３１ａを形成することができる。
As described above, in the thin
なお、上述した薄膜形成装置による処理として、成膜処理と酸素ラジカル処理とを交互に行う場合を例に挙げて説明したが、形成するシリコン酸化膜の膜厚として、１回の酸素ラジカル処理でシリコン酸化膜を緻密化することができる膜厚であれば、成膜処理と酸素ラジカル処理とを繰り返す必要はなく、それぞれ１回の成膜処理と酸素ラジカル処理とによってシリコン酸化膜を緻密化できる。 In addition, although the case where the film forming process and the oxygen radical process are alternately performed has been described as an example of the process by the thin film forming apparatus described above, the film thickness of the silicon oxide film to be formed is determined by one oxygen radical process. As long as the silicon oxide film can be densified, the film forming process and the oxygen radical process do not need to be repeated, and the silicon oxide film can be densified by a single film forming process and an oxygen radical process. .
たとえば、半導体集積回路に適用される薄膜トランジスタのゲート絶縁膜の膜厚としては１〜２ｎｍ、低温プロセスによるポリシリコンを適用した薄膜トランジスタのゲート絶縁膜の膜厚としては１〜１００ｎｍが想定されるので、これらの膜厚に応じて適切な成膜処理と酸素ラジカル処理を施すことによってシリコン酸化膜の緻密化を確実に図ることができる。 For example, the film thickness of the gate insulating film of the thin film transistor applied to the semiconductor integrated circuit is assumed to be 1 to 2 nm, and the film thickness of the gate insulating film of the thin film transistor using polysilicon by a low temperature process is assumed to be 1 to 100 nm. The silicon oxide film can be reliably densified by performing an appropriate film formation process and oxygen radical process according to these film thicknesses.
また、１回の酸素ラジカル処理を施す時間が長いほど酸素ラジカルがシリコン酸化膜中のより深い領域にまで拡散することから、シリコン酸化膜の膜厚と酸素ラジカル処理を施す時間とを考慮して、より効率的でかつ適切なシリコン酸化膜の緻密化を図ることができる。 In addition, since the oxygen radical diffuses into a deeper region in the silicon oxide film as the time for performing one oxygen radical treatment is longer, the thickness of the silicon oxide film and the time for performing the oxygen radical treatment are taken into consideration. Therefore, the silicon oxide film can be more efficiently and appropriately densified.
実施の形態２
ここでは、酸素ラジカルの生成が安定して行なわれる薄膜形成装置について説明する。図１１に示すように、薄膜形成装置５０では、反応室２内をアンテナ部４が位置するラジカル生成空間２ａと、半導体基板７が配置される成膜空間２ｂとに仕切る隔壁１２が配設されている。なお、これ以外の構成については図１に示す薄膜形成装置と同様なので、同一部材には同一符号を付しその説明を省略する。
Here, a thin film forming apparatus that stably generates oxygen radicals will be described. As shown in FIG. 11, in the thin
この隔壁１２には、ラジカル生成空間２ａで生成された酸素ラジカルが成膜空間２ｂへ向かって通過できる多数の孔１２ａが形成されている。その孔の大きさは、たとえば１ｍｍ〜１ｃｍ程度である。
The
次に、上述した薄膜形成装置による処理として、実施の形態１において説明した薄膜形成装置と同様に、成膜処理と酸素ラジカル処理を交互に施す場合について説明する。成膜処理では、シラン系ガスが成膜空間２ｂに導入されるとともに酸化性ガスがラジカル生成空間２ａに導入される一方、成膜空間２ｂが真空ポンプ１５により真空引きされる。
Next, as a process by the thin film forming apparatus described above, a case where a film forming process and an oxygen radical process are alternately performed as in the thin film forming apparatus described in
これにより、ラジカル生成空間２ａに導入された酸化性ガスは隔壁１２に設けられた孔１２ａを通過して成膜空間２ｂに到達する。成膜空間２ｂに到達した酸化性ガスとシラン系ガスとが反応して、シリコン酸化膜が半導体基板上に形成されることになる（図３を参照）。
As a result, the oxidizing gas introduced into the
一方、酸素ラジカル処理では、ラジカル生成空間２ａに導入されたアルゴンガスがマイクロ波によって励起されてプラズマが生成し、このアルゴンのプラズマによって酸素が励起されて酸素ラジカルが生成される。成膜空間２ｂが真空引きされていることによって、ラジカル生成空間２ａで生成された酸素ラジカルが隔壁１２に設けられた孔１２ａを通って成膜空間２ｂに到達する。成膜空間に到達した酸素ラジカルによって半導体基板７上に形成されたシリコン酸化膜に酸素ラジカル処理が施されて、シリコン酸化膜の緻密化が行なわれることになる（図４を参照）。
On the other hand, in the oxygen radical treatment, argon gas introduced into the
なお、酸素ラジカル処理では、隔壁１２が設けられていることにより、酸素ラジカルが半導体基板上に形成されたシリコン酸化膜に到達する確率（到達確率）が、隔壁がない場合と比べて低くなる。そのため、実施の形態１の場合と同レベルと酸素ラジカル処理を施そうとすれば、実施の形態１の場合よりもアルゴンガスおよび酸素の流量を多くする必要がある。
In the oxygen radical treatment, since the
上述した薄膜形成装置では、特に、成膜処理において、成膜空間２ｂを真空引きすることによってラジカル生成空間２ａから成膜空間２ｂへ向かう酸化性ガスの流れが形成されて、シラン系ガスと酸化性ガスとがラジカル生成空間２ａにおいて反応することが阻止される。
In the above-described thin film forming apparatus, in particular, in the film forming process, the
その結果、シリコン酸化膜がアンテナ部４等に堆積することがなくなって、酸素ラジカル処理の際に、アンテナ部４から放射されるマイクロ波によって酸素ラジカルが生成される効率が低下するのを抑制することができる。
As a result, the silicon oxide film is not deposited on the
実施の形態３
ここでは、形成されるシリコン酸化膜の膜厚に応じてシリコン酸化膜の下地の酸化を抑制してシリコン酸化膜の緻密化が効率的に行なわれる薄膜形成装置について説明する。図１２に示すように、薄膜形成装置５０では、まず、反応室２内をラジカル生成空間２ａと成膜空間２ｂとに仕切る隔壁１２が配設され、さらに、磁場発生部１６が設けられて、磁場発生部１６からステージ３および隔壁１２を経て再び磁場発生部１６に戻る磁場回路１７が形成されている。なお、これ以外の構成については図１に示す薄膜形成装置と同様なので、同一部材には同一符号を付しその説明を省略する。
Here, a thin film forming apparatus in which the silicon oxide film is efficiently densified by suppressing the oxidation of the base of the silicon oxide film according to the thickness of the silicon oxide film to be formed will be described. As shown in FIG. 12, in the thin
次に、上述した薄膜形成装置による処理について説明する。まず、酸素ラジカル処理では、前述したように、アルゴンガスがマイクロ波によって励起されてプラズマが生成し、そのプラズマによって酸素が励起されて酸素ラジカルが生成されることになる。その酸素ラジカル処理においては、酸素がプラズマに晒されることによって、酸素ラジカル以外に酸素イオンも生成されることがわかっている。 Next, processing by the above-described thin film forming apparatus will be described. First, in the oxygen radical treatment, as described above, argon gas is excited by microwaves to generate plasma, and oxygen is excited by the plasma to generate oxygen radicals. In the oxygen radical treatment, it is known that oxygen ions are generated in addition to oxygen radicals when oxygen is exposed to plasma.
その酸素イオンは電荷を有しているために、そのクーロン力によって酸素ラジカルよりもシリコン酸化膜のより深い領域にまで到達すると考えられ、シリコン酸化膜の下地の領域を酸化してしまうおそれがある。そのため、酸素ラジカル処理では、シリコン酸化膜の下地の領域が酸化されるのを防止する観点から、酸素イオンをシリコン酸化膜の下地の領域にまで到達するのを阻止することが望ましい。 Since the oxygen ions have a charge, the Coulomb force is considered to reach a deeper region of the silicon oxide film than the oxygen radicals, which may oxidize the underlying region of the silicon oxide film. . Therefore, in the oxygen radical treatment, it is desirable to prevent oxygen ions from reaching the underlying region of the silicon oxide film from the viewpoint of preventing the underlying region of the silicon oxide film from being oxidized.
そこで、上述した薄膜形成装置では発生した酸素イオンを中性化する。すなわち、まず、磁場発生部１６および磁場回路１７により、図１２に示すように、半導体基板７の表面に垂直方向（法線方向）にたとえば磁束密度０．１〜１Ｔ程度の磁場Ｂを発生させる。磁場Ｂが発生することで、図１３に示すように、ラジカル生成空間２ａで生成した酸素イオンは、サイクロトロン運動を行ないながら半導体基板７の表面に到達することになる。
Therefore, in the thin film forming apparatus described above, the generated oxygen ions are neutralized. That is, first, as shown in FIG. 12, the
酸素イオンがサイクロトロン運動をすることで、半導体基板７の表面に到達するまでの行程が大幅に増大し、その行程の間に酸素イオンが電子等と衝突するなどして電気的に中性になる。このようにして酸素イオンが中性化されることで、シリコン酸化膜の下地の領域にまで到達することが阻止される。
As the oxygen ions make a cyclotron motion, the process until reaching the surface of the
これにより、処理として成膜処理と酸素ラジカル処理を交互に繰り返す処理を施す場合等のように、１回の成膜処理において形成されるシリコン酸化膜の膜厚が比較的薄い場合には、磁場発生部１６と磁場回路１７を動作させて酸素イオンを中和させ、実質的に酸素ラジカルだけでシリコン酸化膜を緻密化することにより、シリコン酸化膜の下地の領域が酸化されるのを阻止することができる。
As a result, when the film thickness of the silicon oxide film formed in one film forming process is relatively thin, such as when performing a process of alternately repeating the film forming process and the oxygen radical process as a process, the magnetic field The
一方、処理として、成膜処理と酸素ラジカル処理とを交互に繰り返してシリコン酸化膜の膜厚方向を均一に緻密化させるよりは、１回の成膜処理によって比較的厚いシリコン酸化膜を形成して厚膜化を優先させる処理を施す場合も想定される。 On the other hand, as a process, a relatively thick silicon oxide film is formed by a single film forming process, rather than alternately repeating a film forming process and an oxygen radical process to uniformly densify the film thickness direction of the silicon oxide film. It is also assumed that processing for giving priority to thickening is performed.
このような場合には、図１４に示すように、磁場発生部１６と磁場回路１７を動作させることなく酸素イオンもシリコン酸化膜に到達させてもよい。酸素イオンがシリコン酸化膜の緻密化に寄与できるのであれば、酸素ラジカルとともに効率的にシリコン酸化膜を緻密化することができ、また、膜厚も比較的厚いことでシリコン酸化膜の下地の領域を酸化させることもないからである。
In such a case, as shown in FIG. 14, oxygen ions may also reach the silicon oxide film without operating the
このように、上述した薄膜形成装置では、処理の態様に応じて磁場発生部および磁場回路のオンオフ動作を切り換えることにより、シリコン酸化膜の下地の領域を酸化することなく効率的なシリコン酸化膜の緻密化を図ることができる。 As described above, in the thin film forming apparatus described above, an efficient silicon oxide film can be formed without oxidizing the underlying region of the silicon oxide film by switching the on / off operation of the magnetic field generator and the magnetic field circuit according to the processing mode. Densification can be achieved.
なお、上述した薄膜形成装置では、プラズマを生成する方法としてマイクロ波をアンテナ部によって反応室内に放射させる方法を例に挙げて説明したが、酸素を励起させるプラズマを生成することができれば、これに限られるものではなく、たとえば平行平板に交流電場を印加させることによってプラズマ（Radio Frequency）を生成させてもよい。 In the above-described thin film forming apparatus, the method of radiating microwaves into the reaction chamber by the antenna unit has been described as an example of the method of generating plasma. However, if plasma that excites oxygen can be generated, For example, plasma (Radio Frequency) may be generated by applying an alternating electric field to parallel plates.
以上説明したように、本薄膜形成装置ではＣＶＤ法によって形成されるシリコン酸化膜に酸素ラジカル処理を施すことで、比較的低い温度のもとでシリコン酸化膜の密度を熱酸化膜の密度とほぼ同じ密度にすることができて、たとえばガラス基板を用いたＴＦＴデバイス等のゲート絶縁膜等など、従来では熱酸化処理を施すことができなかったデバイスへの展開を図ることができる。 As described above, in this thin film forming apparatus, the silicon oxide film formed by the CVD method is subjected to oxygen radical treatment, so that the density of the silicon oxide film is substantially equal to the density of the thermal oxide film at a relatively low temperature. The density can be made the same, and for example, it can be developed into a device that could not be subjected to thermal oxidation treatment conventionally, such as a gate insulating film of a TFT device using a glass substrate.
１ 反応室壁、２ 反応室、２ａ ラジカル生成空間、２ｂ 成膜空間、３ ステージ、４ アンテナ部、５ マイクロ波発生部、６ 制御部、７ 半導体基板、８ シラン系ガス供給源、８ａ シラン系ガス導入口、９ 酸化性ガス供給源、９ａ 酸化性ガス導入口、１０ アルゴンガス供給源、１０ａ アルゴンガス導入口、１１ 赤外線加熱機構、１２ 隔壁、１３ 排気口、１５ 真空ポンプ、１６ 磁場発生部、１７ 磁場回路、３１，３１ａ シリコン酸化膜、５０ 薄膜形成装置。
1 reaction chamber wall, 2 reaction chamber, 2a radical generation space, 2b film formation space, 3 stage, 4 antenna unit, 5 microwave generation unit, 6 control unit, 7 semiconductor substrate, 8 silane gas supply source, 8a silane system Gas inlet, 9 Oxidizing gas supply source, 9a Oxidizing gas inlet, 10 Argon gas supply source, 10a Argon gas inlet, 11 Infrared heating mechanism, 12 Bulkhead, 13 Exhaust port, 15 Vacuum pump, 16
Claims (10)
前記反応室に収容された基板上に、所定の絶縁膜を形成するための膜形成部と、
前記反応室内に酸素ラジカルを生成し、前記膜形成部によって前記基板上に形成される絶縁膜に酸素ラジカル処理を施すためのラジカル生成部と、
前記膜形成部と前記ラジカル生成部の動作を制御するための制御部と、
前記反応室内を排気するための排気部と
を備えた、薄膜形成装置。 A reaction chamber containing a predetermined substrate;
A film forming portion for forming a predetermined insulating film on the substrate accommodated in the reaction chamber;
A radical generating unit for generating oxygen radicals in the reaction chamber, and performing an oxygen radical treatment on an insulating film formed on the substrate by the film forming unit;
A control unit for controlling operations of the film forming unit and the radical generation unit;
A thin film forming apparatus comprising an exhaust part for exhausting the reaction chamber.
前記反応室内に酸素を導入するための酸素導入部と、
前記反応室内に導入された酸素を励起させるためのプラズマ生成部と
を含む、請求項１記載の薄膜形成装置。 The radical generator is
An oxygen introduction part for introducing oxygen into the reaction chamber;
The thin film forming apparatus according to claim 1, further comprising a plasma generation unit for exciting oxygen introduced into the reaction chamber.
前記反応室内に所定の原料を供給するための原料供給部と、
前記反応室内に供給された原料を反応させて基板上に絶縁膜を形成するための加熱部と
を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の薄膜形成装置。 The film forming part
A raw material supply unit for supplying a predetermined raw material into the reaction chamber;
The thin film formation apparatus in any one of Claims 1-3 containing the heating part for making the raw material supplied in the said reaction chamber react and forming an insulating film on a board | substrate.
前記ラジカル生成部は前記ラジカル生成空間の側に設けられ、
前記排気部は前記成膜空間の側に設けられた、請求項１〜６のいずれかに記載の薄膜形成装置。 The film forming part is provided on the film forming space side,
The radical generation unit is provided on the radical generation space side,
The thin film forming apparatus according to claim 1, wherein the exhaust unit is provided on the film formation space side.
前記制御部は前記磁場形成部の動作を制御する機能を有する、請求項１〜７のいずれかに記載の薄膜形成装置。 A magnetic field forming unit for preventing oxygen ions generated in the radical generation space from reaching the surface of the substrate in the film formation space;
The thin film forming apparatus according to claim 1, wherein the control unit has a function of controlling an operation of the magnetic field forming unit.
前記膜形成工程において前記基板上に形成された前記シリコン酸化膜に、酸素ラジカル処理を施すためのラジカル処理工程と
を備えた、薄膜形成方法。 A film forming step of forming a silicon oxide film on a predetermined substrate by chemical vapor deposition;
A thin film forming method comprising: a radical treatment step for performing oxygen radical treatment on the silicon oxide film formed on the substrate in the film formation step.
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