JP3067940B2 - 窒化ケイ素薄膜の蒸着 - Google Patents

窒化ケイ素薄膜の蒸着

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は低圧力化学蒸着法を利用
した窒化ケイ素の蒸着に関するものである。
【０００２】特に、本発明は単一基板ないし枚葉形式の
蒸着チャンバー内における窒化ケイ素薄層の蒸着に関す
る。
【０００３】
【従来の技術】窒化ケイ素層の蒸着のための低圧力化学
蒸着法（ＬＰＣＶＤ）は周知である。しかし、このよう
な薄膜は回分式プロセスチャンバーでしか製造できず、
このチャンバーではおよそ３００ミリトールの十分な低
圧下でさえ１バッチ当たりおよそ１００枚の基板（シリ
コンウエファ）を処理できる程度である。蒸着速度も大
変低く、例えば毎分およそ３０乃至４０オングストロー
ム程度であり、一度に大量の基板を処理することで実生
産の経済性を達成している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、半導体基板
が、直径１５．２４乃至２０．３２センチメートル(6-8
inches)まで大型化し、そして１つの基板に作られるデ
ィバイスの数が増加するに従い、基板処理は次第に単一
基板ないし枚葉形式のチャンバーにおいて行われるよう
になっている。単一基板に対する処理は非常に小さな処
理チャンバー内で行うことができ、しかもその処理は良
好に制御されうる。更に、真空環境下から基板を取り出
さずに複数回の処理ステップを単一基板上で行うための
真空処理システムが開発された。このようなシステム
は、処理中に基板表面を汚染する粒子の数を減らす結果
を生じ、その結果、ディバイスの収率が改善される。こ
のような真空システムは種々の処理チャンバーに接続さ
れる中央ロボット移動チャンバーを含み、たとえば May
den らに付与された米国特許 4,951,601 号記載のアプ
ライドマテリアルズ５０００シリーズ処理システムであ
る。
【０００５】ここにおいて使用されるＬＰＣＶＤチャン
バーを図１を参照して説明する。単一基板形式反応器３
１は上壁３２、側壁３３及び底壁３４を持ち、それら
は、シリコンウエハのような単一の基板３５が中に装填
可能な反応器３１を画成する。基板３５はペデスタル若
しくはサスセプタ３６上に据えられ、これはモータ３７
によって回転され、円筒的に対称である基板３５に時間
平均的環境(time averaged environment) を与える。予
熱リング４０はチャンバー３０内で支持されウエハ３５
を囲む。ウエハ３５及び予熱リング４０は、反応器３１
の外側に据えられた複数の高輝度ランプ３８、３９から
の光によって加熱される。チャンバー３０の上壁３２及
び底壁３４は光に対して実質的に透過性があり、外部ラ
ンプ３８及び３９からの光を反応器３１に入れせしめサ
スセプタ３６、基板３５及び予熱リング４０を加熱せし
める。石英は上壁３２及び底壁３４のための有用な材料
であるが、その理由はそれが可視及び赤外周波数の光に
対して透過性を持つからであり、これは比較的高強度な
材料であるため上記の壁々に亘る大きな圧力差を支持す
ることができ、そしてそれはガス放出速度が低いからで
ある。
【０００６】蒸着の間、反応性ガス流はガス流入口３１
０より、予熱リングを通り、ここでガスは加熱され、基
板の表面を矢印４１の方向に通り、その上に所望の薄膜
を蒸着し、そして排気口３１１に流れる。ガス流入口３
１０はガスマニホールド（図示せず）と接続されてお
り、それは一種若しくは混合体のガスがこの流入口への
複数の管を通じて反応器に入るようにする。これらの管
の流入端の配置、これらの管の各々を通るガス濃度及び
／若しくは流速が選択され、処理の均一性を最適化する
反応ガスの流れと濃度プロファイルが作られる。基板の
回転及びランプ３８及び３９からの熱による熱勾配が反
応器３１内のガスの流れのプロファイルに深刻な影響を
与えるのだが、流れのプロファイルの支配的な形状は、
ガス流入口３１０より、予熱リング４０及び基板３５を
経て排気口３１１に至る層流になっている。
【０００７】単一基板ないし枚葉形式処理のチャンバー
内において実用可能な蒸着速度で半導体基板上に均一で
薄い窒化ケイ素膜を蒸着できることが望ましい。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び作用】我々は、蒸着の
間比較的高い圧力を保持することにより実用可能な速度
において単一基板ないし枚葉形式チャンバー内で化学蒸
着法により、薄く、非常に均一な正規組成の窒化ケイ素
膜を蒸着できることを見出した。この膜は非常に均一な
組成と厚さを持ち、これは全く予期しないことであっ
た。
【０００９】
【実施例】図１を参照しながら上で述べたように、窒化
ケイ素は単一基板ないし枚葉形式チャンバー内の半導体
基板の上に蒸着されうる。約５から１００トールの圧力
を用いることにより、求める窒化ケイ素の蒸着速度及び
均一性を得る。正規組成の窒化ケイ素を形成するために
用いられるガスは、シラン、ジシラン及びジクロロシラ
ン；アンモニア；及び随意、例えば水素、窒素、アルゴ
ン及びヘリウムを含むキャリアガスを含む。圧力及び温
度の条件を変化させることにより、蒸着速度が変化さ
れ、蒸着される窒化ケイ素の求める膜の厚みのための実
用可能な蒸着速度を得ることができる。以下の具体例(E
xamples)を参照しつつ本発明は更に説明されるが、本発
明はここで記述される詳細に限定されるものではない。
【００１０】具体例１−３ 以上に記述されたように直径１５０ミリメートルのシリ
コンウエハはＬＰＣＶＤチャンバー中に置かれ、圧力は
２５トールに調節された。２３０ｓｃｃｍのジクロロシ
ラン、１０００ｓｃｃｍのアンモニア及び９０００ｓｃ
ｃｍの水素キャリアガスのガス流が開始した時、ウエハ
の温度は摂氏７５０度に上昇していた。蒸着は、実施例
１及び２の場合は１分間、実施例３の場合は６分間継続
された。
【００１１】図２は具体例１におけるウエハ上に蒸着さ
れた薄い窒化ケイ素膜の厚さ図(thickness map) であ
る。図２に示されたように４９点が測定された。平均厚
さは１７３．０５＋／−３．１８オングストロームであ
り、膜の優れた均一性及び毎分約１７５オングストロー
ムの蒸着速度が示された。
【００１２】図３は具体例２におけるウエハ上に蒸着さ
れた薄い窒化ケイ素膜の厚さ図である。再び図３に示さ
れたように４９点が測定された。平均厚さは１８５．５
２＋／−３．５７オングストロームであり、再び膜の優
れた均一性が示された。蒸着速度は毎分約１８５オング
ストロームであった。
【００１３】図４は具体例３におけるウエハ上に蒸着さ
れた厚めの窒化ケイ素膜の厚さ図である。平均厚さは９
９４．６３＋／−１５．３９オングストロームであり、
毎分約１６５オングストロームの蒸着速度において膜の
優れた均一性が達成された。エリプソメータ(ellipsome
ter)により測定されたこの膜の屈折率は１．９８８であ
り、正規組成な膜が得られたことが示された。
【００１４】標準的な半導体ディバイスの処理に従い、
本発明での薄い窒化ケイ素膜は、ケイ素基板、酸化ケイ
素の上に蒸着され、又は酸化ケイ素層の間に挟まれるこ
とができる。窒化ケイ素の蒸着前の基板の特別な前処理
は要さないが、しかし単結晶ケイ素であれ多結晶ケイ素
であれケイ素の上に直接窒化ケイ素膜を蒸着する前に
は、天然の酸化ケイ素は取り除いておくことが望まし
い。これは、窒化ケイ素の蒸着のための同じチャンバー
内若しくは多チャンバー真空処理システムにおける別の
チャンバー内のいずれにおいて、標準的な予洗浄エッチ
ング処理により遂行されるだろう。
【００１５】処理パラメータの幾つかは、窒化ケイ素膜
の求める厚さを得るために必要に応じて変化され得る。
蒸着の間温度は摂氏約６５０度から８５０度で変化され
得る。例えば、蒸着速度は蒸着温度を摂氏約８００度ま
で上げることにより増加されるが、およそ約３００オン
グストロームの厚さを持つ厚めの膜を単一基板ないし枚
葉形式処理チャンバー内で実用可能な速度で蒸着しよう
とする場合、この温度は望ましい。圧力もまた蒸着速度
の変化に対し影響を与えることができる；一般に、圧力
が上昇すれば蒸着速度は上昇する。 ここでの窒化ケイ
素膜は独立のＬＰＣＶＤチャンバー内で蒸着されること
ができ、又は、望ましくはこのようなチャンバーは多チ
ャンバー真空処理システムの１つであるのがよい。この
場合では、この発明の処理チャンバーは、側壁にそこで
移動する基板を中央移動チャンバーからＬＰＣＶＤチャ
ンバーに出し入れするための口を設けている。
【００１６】ここでの発明は単一基板ないし枚葉形式の
チャンバーに関して記述してきたが、装置や設計の変形
は当業者によって行うことができ、それはここに含まれ
ることを意味する。
【００１７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は単一基板
ないし枚葉形式処理チャンバー内において、実用可能な
蒸着速度で半導体基板上に均一かつ薄い窒化ケイ素膜を
蒸着することができる。
【００１８】
【図面の簡単な説明】
【図１】薄い窒化ケイ素膜を蒸着するために用いられる
単一基板ないし単葉形式チャンバーの部分的に概略化し
た断面図である。
【図２】この発明に従って蒸着された膜の厚さ測定を説
明する厚さ図である。
【図３】この発明に従って蒸着された膜の厚さ測定を説
明する厚さ図である。
【図４】この発明に従って蒸着された膜の厚さ測定を説
明する厚さ図である。
【符号の説明】
３０…チャンバー、３１…単一基板ないし単葉形式反応
器、３２…上壁、３３…側壁、３４…底壁、３５…単一
基板、３６…受けまたはサスセプタ、３７…モータ、３
８及び３９…外部ランプ、４０…予熱リング、４１…ガ
ス流の方向、３１０…ガス流入口、３１１…排気口。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マハリンガム ヴェンカテサン アメリカ合衆国， カリフォルニア州 95130， サン ノゼ， パークウェス ト ドライヴ 4749 (56)参考文献 特開 昭63−314827（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−113921（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/31 H01L 21/318

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 単一基板ないし枚葉形式の低圧力化学蒸
    着チャンバー内で、単一の基板の上に窒化ケイ素薄膜を
    蒸着する方法であって、 ａ）前記チャンバーの中で単一基板を支持する工程と、 ｂ）上記圧力を約５乃至約１００トール(Torr)に調節し
    上記基板を摂氏約６５０乃至約８５０度に加熱する工程
    と、 ｃ）シランとアンモニアとを備える先行ガス混合体が前
    記チャンバー中を通過する工程とを備え、もって一様な
    厚みの正規組成の(stoichiometric)窒化ケイ素薄膜を前
    記基板上に蒸着する方法。
  2. 【請求項２】 前記圧力が約２５トールである請求項１
    記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記ガス混合体が更にキャリアガスを含
    む請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記キャリアガスが水素、窒素、アルゴ
    ン及びヘリウムから成る群より選ばれる請求項３記載の
    方法。
  5. 【請求項５】 前記シランがシラン、ジシラン及びジク
    ロロシランから成る群より選ばれる請求項１記載の方
    法。
  6. 【請求項６】 前記ガス混合体がおよそ、約２３０ｓｃ
    ｃｍのジクロロシラン、約１０００ｓｃｃｍのアンモニ
    ア及びキャリアガスとして約９０００ｓｃｃｍの水素を
    備える請求項５記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記蒸着は、少なくとも１００オングス
    トロームの厚さに窒化ケイ素薄膜が蒸着されるまで継続
    される請求項５記載の方法。
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