(57)【要約】【課題】シリコン窒化膜を比較的低温で成膜することができ、しかも、膜中の引っ張り応力を十分に高くすることができる成膜装置を提供する。【解決手段】被処理体Ｗに対して所定の薄膜を形成するための成膜装置において、真空引き可能になされた縦型の筒体状の処理容器４と、被処理体を複数段に保持して前記処理容器内に挿脱される保持手段１２と、前記処理容器の外周に設けられる加熱手段６６と、前記処理容器内へハロゲン元素を含まないシラン系ガスを供給するシラン系ガス供給手段３０と、前記処理容器内へ窒化ガスを供給する窒化ガス供給手段３２と、前記窒化ガスをプラズマにより活性化する活性化手段５０と、前記シラン系ガスと窒化ガスとを同時に供給しつつ前記活性化手段により前記窒化ガスを活性化させるように制御する制御手段７０とを備える。【選択図】図１
2006303431.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体に対して所定の薄膜を形成するための成膜装置において、
真空引き可能になされた縦型の筒体状の処理容器と、
前記被処理体を複数段に保持して前記処理容器内に挿脱される保持手段と、
前記処理容器の外周に設けられる加熱手段と、
前記処理容器内へハロゲン元素を含まないシラン系ガスを供給するシラン系ガス供給手段と、
前記処理容器内へ窒化ガスを供給する窒化ガス供給手段と、
前記窒化ガスをプラズマにより活性化する活性化手段と、
前記シラン系ガスと窒化ガスとを同時に供給しつつ前記活性化手段により前記窒化ガスを活性化させるように制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
前記処理容器の側壁には、その外側へ凹部状に突出させて高さ方向に沿って形成した凹部状のノズル収容部が設けられると共に、該ノズル収容部の奥には前記窒化ガス供給手段の窒化ガス供給ノズル部が設けられ、前記ノズル収容部に対向する容器側壁には、前記処理容器内の雰囲気を排気するための排気口が設けられることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
【請求項３】
前記活性化手段は、高周波電源と、該高周波電源に接続されたプラズマ電極とを有し、該プラズマ電極は前記ノズル収容部に設定されることを特徴とする請求項２記載の成膜装置。
【請求項４】
前記ノズル収容部の開口の近傍には、前記シラン系ガス供給手段のシラン系ガス供給ノズル部が設けられることを特徴とする請求項２または３記載の成膜装置。
【請求項５】
前記シラン系ガス供給手段には、希釈ガスを供給するための希釈ガス供給系が接続されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項６】
前記希釈ガスは、Ｈ２ ガスとＮ２ ガスと不活性ガスとよりなる群より選択される１以上のガスであることを特徴とする請求項５記載の成膜装置。
【請求項７】
前記ハロゲン元素を含まないシラン系ガスは、モノシラン［ＳｉＨ４ ］、ジシラン［Ｓｉ２ Ｈ６ ］、トリシラン［Ｓｉ３ Ｈ８ ］、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）、ジシリルアミン（ＤＳＡ）、トリシリルアミン（ＴＳＡ）、ビスターシャルブチルアミノシラン（ＢＴＢＡＳ）よりなる群より選択される１以上のガスであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項８】
前記窒化ガスは、アンモニア［ＮＨ３ ］、窒素［Ｎ２ ］、一酸化二窒素［Ｎ２ Ｏ］、一酸化窒素［ＮＯ］よりなる群より選択される１以上のガスであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項９】
前記加熱手段による前記被処理体の温度は、２５０〜４５０℃の範囲内であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項１０】
前記処理容器内における前記ハロゲン元素を含まないシラン系ガスの分圧は２．１〜３．９Ｐａの範囲内であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項１１】
複数枚の被処理体が収容されて真空引き可能になされた縦型の筒体状の処理容器内で前記被処理体を加熱しつつ所定の薄膜を形成する成膜方法において、
前記処理容器内にハロゲン元素を含まないシラン系ガスとプラズマにより活性化された窒化ガスとを同時に供給して前記薄膜を形成するようにしたことを特徴とする成膜方法。
【請求項１２】
複数枚の被処理体が収容されて真空引き可能になされた縦型の筒体状の処理容器内で前記被処理体を加熱しつつ所定の薄膜を形成するようにした成膜装置を用いて成膜するに際して、
前記処理容器内にハロゲン元素を含まないシラン系ガスとプラズマにより活性化された窒化ガスとを同時に供給して前記薄膜を形成するように前記成膜装置を制御するプログラムを記憶する記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハ等の被処理体に薄膜を形成する成膜装置、成膜方法及びこの成膜装置をコンピュータ制御するプログラムを記憶する記憶媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体集積回路を製造するためにはシリコン基板等よりなる半導体ウエハに対して、成膜処理、エッチング処理、酸化処理、拡散処理、改質処理、自然酸化膜の除去処理等の各種の処理が行なわれる。これらの処理を特許文献１、２等に開示されている縦型の、いわゆるバッチ式の熱処理装置にて行う場合には、まず、半導体ウエハを複数枚、例えば２５枚程度収容できるカセットから、半導体ウエハを縦型のウエハボートへ移載してこれに多段に支持させる。このウエハボートは、例えばウエハサイズにもよるが３０〜１５０枚程度のウエハを載置できる。このウエハボートは、排気可能な処理容器内にその下方より搬入（ロード）された後、処理容器内が気密に維持される。そして、処理ガスの流量、プロセス圧力、プロセス温度等の各種のプロセス条件を制御しつつ所定の熱処理が施される。
【０００３】
ここで上記半導体集積回路の特性を向上させる要因の１つとして、集積回路中の絶縁膜の特性を向上させることは重要である。上記集積回路中の絶縁膜としては、一般的にはＳｉＯ２ 、ＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）、Ｐ（プラズマ）−ＳｉＯ、Ｐ（プラズマ）−ＳｉＮ、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）、Ｓｉ３ Ｎ４ （シリコン窒化膜）等が用いられる。そして、特にシリコン窒化膜は、絶縁特性がシリコン酸化膜より比較的良好なこと、及びエッチングストッパ膜や層間絶縁膜としても十分に機能することから多用される傾向にある。
【０００４】
半導体ウエハの表面に上述したような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 ）やヘキサクロロジシラン（Ｓｉ２ Ｃｌ６ ）、ビス  ターシャル  ブチルアミノシラン（ＢＴＢＡＳ）等のシラン系ガスを用いて熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により成膜する方法が知られている。具体的には、シリコン窒化膜を堆積する場合には、ＳｉＨ２ Ｃｌ２ ＋ＮＨ３ （特許文献１参照）或いはＳｉ２ Ｃｌ６ ＋ＮＨ３ 等のガスの組み合わせで熱ＣＶＤによりシリコン窒化膜を形成している。
【０００５】
ところで、最近にあっては半導体集積回路の更なる高集積化及び高微細化の要求が強くなされており、回路素子の特性の向上の上から半導体集積回路の製造工程における熱履歴も低温化することが望まれている。このような状況下において、いわゆるバッチ式の縦型の処理装置においても、ウエハをそれ程の高温に晒さなくても目的とする処理が可能なことから、原料ガス等を間欠的に供給しながら原子レベルで１層〜数層ずつ、或いは分子レベルで１層〜数層ずつ繰り返し成膜する方法が知られている（特許文献３、４等）。このような成膜方法は一般的にはＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）と称されている。
【０００６】
ここで従来の成膜方法としては、シラン系ガスであるジクロロシラン（以下、「ＤＣＳ」とも称す）と窒化ガスであるＮＨ３ ガスとを用いてシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を形成している。具体的には、処理容器内に、ＤＣＳとＮＨ３ ガスとを交互に間欠的に供給し、ＮＨ３ ガスを供給する時にＲＦ（高周波）を印加してプラズマを立て、窒化反応を促進するようにしている。
【０００７】
【特許文献１】特開平６−３４９７４号公報
【特許文献２】特開２００２−２８０３７８号公報
【特許文献３】特開平６−４５２５６号公報
【特許文献４】特開平１１−８７３４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上述のような従来のＡＬＤ法を用いた場合には、ウエハ温度をそれ程高温に晒すことなく比較的低温に維持しても、シリコン窒化膜を形成することができた。
しかしながら、上述したような方法で形成されたシリコン窒化膜には、次のような問題があった。すなわち、最近の半導体集積回路、例えばＣＭＯＳ等よりなるロジックデバイス等にあっては、動作速度の更なる高速化が求められていることから、移動度（モビリティ）をより大きくする必要がある。そのためには、上記ロジックデバイス等のＣＭＯＳトランジスタ等に適用されるシリコン窒化膜にあっては、トランジスタのチャネルの結晶格子を十分に広げる必要があることから、シリコン窒化膜の引っ張り応力をある程度以上の大きな値にしなければならない。
【０００９】
しかしながら、上述したような従来の成膜方法で形成されたシリコン窒化膜は、膜中の引っ張り応力が十分には高くない、といった問題があった。特に、半導体集積回路の線幅の設計ルールが６５ｎｍ以下の場合には、上記した引っ張り応力は１．５ＧＰａ以上の値が要求されるが、上述した従来の成膜方法により形成されたシリコン窒化膜では、この要求を満たすことができなかった。
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、シリコン窒化膜を比較的低温で成膜することができ、しかも、膜中の引っ張り応力を十分に高くすることができる成膜装置、成膜方法及び成膜装置を制御するプログラムを記憶する記憶媒体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に係る発明は、被処理体に対して所定の薄膜を形成するための成膜装置において、真空引き可能になされた縦型の筒体状の処理容器と、前記被処理体を複数段に保持して前記処理容器内に挿脱される保持手段と、前記処理容器の外周に設けられる加熱手段と、前記処理容器内へハロゲン元素を含まないシラン系ガスを供給するシラン系ガス供給手段と、前記処理容器内へ窒化ガスを供給する窒化ガス供給手段と、前記窒化ガスをプラズマにより活性化する活性化手段と、前記シラン系ガスと窒化ガスとを同時に供給しつつ前記活性化手段により前記窒化ガスを活性化させるように制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする成膜装置である。
これにより、シリコン窒化膜を比較的低温で成膜することができ、しかも、膜中の引っ張り応力を十分に高くすることができる。
【００１１】
この場合、例えば請求項２に規定するように、前記処理容器の側壁には、その外側へ凹部状に突出させて高さ方向に沿って形成した凹部状のノズル収容部が設けられると共に、該ノズル収容部の奥には前記窒化ガス供給手段の窒化ガス供給ノズル部が設けられ、前記ノズル収容部に対向する容器側壁には、前記処理容器内の雰囲気を排気するための排気口が設けられる。
また例えば請求項３に規定するように、前記活性化手段は、高周波電源と、該高周波電源に接続されたプラズマ電極とを有し、該プラズマ電極は前記ノズル収容部に設定される。
また例えば請求項４に規定するように、前記ノズル収容部の開口の近傍には、前記シラン系ガス供給手段のシラン系ガス供給ノズル部が設けられる。
また例えば請求項５に規定するように、前記シラン系ガス供給手段には、希釈ガスを供給するための希釈ガス供給系が接続される。
【００１２】
また例えば請求項６に規定するように、前記希釈ガスは、Ｈ２ ガスとＮ２ ガスと不活性ガスとよりなる群より選択される１以上のガスである。
また例えば請求項７に規定するように、前記ハロゲン元素を含まないシラン系ガスは、モノシラン［ＳｉＨ４ ］、ジシラン［Ｓｉ２ Ｈ６ ］、トリシラン［Ｓｉ３ Ｈ８ ］、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）、ジシリルアミン（ＤＳＡ）、トリシリルアミン（ＴＳＡ）、ビスターシャルブチルアミノシラン（ＢＴＢＡＳ）よりなる群より選択される１以上のガスである。
また例えば請求項８に規定するように、前記窒化ガスは、アンモニア［ＮＨ３ ］、窒素［Ｎ２ ］、一酸化二窒素［Ｎ２ Ｏ］、一酸化窒素［ＮＯ］よりなる群より選択される１以上のガスである。
また例えば請求項９に規定するように、前記加熱手段による前記被処理体の温度は、２５０〜４５０℃の範囲内である。
【００１３】
また例えば請求項１０に規定するように、前記処理容器内における前記ハロゲン元素を含まないシラン系ガスの分圧は２．１〜３．９Ｐａの範囲内である。
請求項１１に係る発明は、複数枚の被処理体が収容されて真空引き可能になされた縦型の筒体状の処理容器内で前記被処理体を加熱しつつ所定の薄膜を形成する成膜方法において、前記処理容器内にハロゲン元素を含まないシラン系ガスとプラズマにより活性化された窒化ガスとを同時に供給して前記薄膜を形成するようにしたことを特徴とする成膜方法である。
請求項１２に係る発明は、複数枚の被処理体が収容されて真空引き可能になされた縦型の筒体状の処理容器内で前記被処理体を加熱しつつ所定の薄膜を形成するようにした成膜装置を用いて成膜するに際して、前記処理容器内にハロゲン元素を含まないシラン系ガスとプラズマにより活性化された窒化ガスとを同時に供給して前記薄膜を形成するように前記成膜装置を制御するプログラムを記憶する記憶媒体である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の成膜装置、成膜方法及び記憶媒体によれば、シリコン窒化膜を比較的低温で成膜することができ、しかも、膜中の引っ張り応力を十分に高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明に係る成膜装置の一例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明の係る成膜装置の一例を示す縦断面構成図、図２は成膜装置（加熱手段は省略）を示す横断面構成図である。尚、ここではハロゲン元素を含まないシラン系ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ４ ）と窒化ガスとしてアンモニアガスとを用いてシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を成膜する場合を例にとって説明する。
図示するように、この成膜装置２は、下端が開口された有天井の円筒体状の処理容器４を有している。この処理容器４の全体は、例えば石英により形成されており、この処理容器４は円筒体状の石英製の内筒６と、その外側に所定の間隔を隔てて同心円状に配置される石英製の外筒８とにより構成される。この内筒６内の天井には、石英製の天井板１０が設けられて封止されている。上記外筒８は、内筒６よりも僅かに短くなされており、この外筒８の下端部は、内側へ屈曲されて内筒６の下端より少し上方に位置することろにて内筒外周に溶接されている。そして、この内筒６と外筒８との間は、後述するように排気路として形成される。
【００１６】
上記内筒６の下端は、図示しないベースによって支持されており、この内筒６の下方より多数枚の被処理体としての半導体ウエハＷを多段に載置した保持手段としての石英製のウエハボート１２が昇降可能に挿脱自在になされている。本実施例の場合において、このウエハボート１２の支柱１２Ａには、多数の支持溝（図示せず）が形成されており、例えば３０枚程度の直径が３００ｍｍのウエハＷを略等ピッチで多段に支持できるようになっている。尚、支柱１２Ａに石英製のリング状の支持台を設け、この支持台にウエハＷを支持させるようにしてもよい。
このウエハボート１２は、石英製の保温筒１４を介してテーブル１６上に載置されており、このテーブル１６は、上記内筒６の下端部である処理容器４の下端開口部を開閉する例えばステンレススチール製の蓋部１８を貫通する回転軸２０上に支持される。
そして、この回転軸２０の貫通部には、例えば磁性流体シール２２が介設され、この回転軸２０を気密にシールしつつ回転可能に支持している。また、蓋部１８の周辺部と処理容器４の下端部には、例えばＯリング等よりなるシール部材２４が介設されており、容器内のシール性を保持している。
【００１７】
上記した回転軸２０は、例えばボートエレベータ等の昇降機構２６に支持されたアーム２８の先端に取り付けられており、ウエハボート１２及び蓋部１８等を一体的に昇降して処理容器４内へ挿脱できるようになされている。尚、上記テーブル１６を上記蓋部１８側へ固定して設け、ウエハボート１２を回転させることなくウエハＷの処理を行うようにしてもよい。
この処理容器４の下端部には、処理容器４内へ塩素などのハロゲン元素を含まないシラン系ガスを供給するシラン系ガス供給手段３０と、窒化ガスを供給する窒化ガス供給手段３２とが設けられる。そして、上記シラン系ガス供給手段３０には、希釈ガスとして例えばＨ２ ガスを供給する希釈ガス供給系３６が接続される。具体的には、上記シラン系ガス供給手段３２は、上記処理容器４の下部の側壁を内側へ貫通して上方向へ屈曲されて延びる石英管よりなるシラン系ガス供給ノズル部３４を有している。このシラン系ガスノズル部３４は、ここでは２本設けられ、このノズル部３４には、その長さ方向に沿って複数（多数）のガス噴射孔３４Ａが所定の間隔を隔てて形成されており、各ガス噴射孔３４Ａから水平方向に向けて略均一にモノシランと水素との混合ガスを噴射して層流状態で供給できるようになっている。
【００１８】
また上記窒化ガス供給手段３２は、上記処理容器４の下部側壁を内側へ貫通して上方向へ屈曲されて延びる石英管よりなる窒化ガス供給ノズル部３８を有している。この窒化ガス供給ノズル部３８には、その長さ方向に沿って複数（多数）のガス噴射孔３８Ａが所定の間隔を隔てて形成されており、各ガス噴射孔３８Ａから水平方向に向けて略均一にプラズマによって活性化されるＮＨ３ ガスを噴射して供給できるようになっている。また更に、この処理容器４の下部側壁には、必要に応じて処理容器４内へＮ２ ガスを供給するＮ２ ガスノズル４０が設けられる。ここで、上記各ガス、すなわちモノシラン、Ｈ２ ガス、ＮＨ３ ガス、Ｎ２ ガスは、図示しないマスフローコントローラのような流量制御器によりそれぞれ流量制御可能になされている。
【００１９】
そして、上記処理容器４の側壁の一部には、その高さ方向に沿ってノズル収容部４２が形成されると共に、このノズル収容部４２に対向する処理容器４の反対側には、この内部雰囲気を真空排気するために処理容器４の内筒６の側壁を、例えば上下方向へ削り取ることによって形成した細長い排気口４４が設けられている。
具体的には、上記ノズル収容部４２は、上記処理容器４の外筒８の側壁を上下方向に沿って所定の幅で削り取ることによって上下に細長い開口４６を形成し、この開口４６をその外側より覆うようにして断面凹部状になされた上下に細長い例えば石英製の区画壁４８を外筒外壁に気密に溶接接合することにより、容器内と一体化するように形成されている。また同様に、内筒６の側壁も上記ノズル収容部４２の開口４６よりも大きく開口され、その開口端部は外側へ屈曲されて外筒８の内面に気密に溶接されている。これにより、この処理容器４の外筒８の側壁の一部を凹部状に外側へ突出させて窪ませることにより一側が処理容器４内へ開口されて連通されたノズル収容部４２が形成されることになる。すなわちこのノズル収容部４２の内部空間は、上記処理容器４内に一体的に連通された状態となっている。上記開口４６は、ウエハボート１２に保持されている全てのウエハＷを高さ方向においてカバーできるように上下方向に十分に長く形成されている。
【００２０】
そして、上記処理容器４内を上方向に延びて行く上記窒化ガス供給ノズル部３８は途中で処理容器４の半径方向外方へ屈曲されて、上記ノズル収容部４２内の一番奥（処理容器４の中心より一番離れた部分）に位置され、この一番奥の部分に沿って上方に向けて起立させて設けられている。また、上記２本のシラン系ガス供給ノズル部３４は、上記開口４６の近傍、すなわち開口４６の両サイドであって外筒８の内側に起立させて設けられている。
【００２１】
そして、上記ノズル収容部４２に、ＮＨ３ ガスをプラズマにより活性化するための活性化手段５０が設けられている。具体的には、この活性化手段５０は、細長い一対のプラズマ電極５２Ａ、５２Ｂを有している。この細長いプラズマ電極５２Ａ、５２Ｂは、上記区画壁４８の両側壁の外側面に、その長さ方向（上下方向）に沿って互いに対向するようにして設けられると共に、このプラズマ電極５２Ａ、５２Ｂにはプラズマ発生用の高周波電源５４が配線５６を介して接続されており、上記プラズマ電極５２Ａ、５２Ｂに例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を印加することにより上記ＮＨ３ ガスをプラズマ化してこのガスを活性化し得るようになっている。尚、この高周波電圧の周波数は１３．５６ＭＨｚに限定されず、他の周波数、例えば４００ｋＨｚ等を用いてもよい。また上記配線５６の途中にはインピーダンス整合を図るマッチング回路５８が介設されている。従って、上記したように、上記窒化ガス供給ノズル部３８のガス噴射孔３８Ａから噴射されたアンモニアガスはここでプラズマにより分解、或いは活性化されて処理容器４の中心に向けて拡散しつつ流れることになる。そして上記区画壁４８の外側には、これを覆うようにして例えば石英よりなる絶縁保護カバー６０が取り付けられている。
【００２２】
一方、上記ノズル収容部４２に対向させて設けた排気口４４の外側には、内筒６と外筒８との間に形成された排気路６０となっており、この排気路６０は、処理容器４の上方のガス出口６４より図示しない真空ポンプ等を介設した真空排気系により真空引きされる。そして、この処理容器４の外周を囲むようにしてこの処理容器４及びこの内部のウエハＷを加熱する筒体状の加熱手段６６が設けられている。
そして、この成膜装置２の全体の動作は、例えばコンピュータ等よりなる制御手段７０により制御される。例えばこの制御手段７０は、上記各ガスの流量やこの供給及び供給停止を制御したり、処理容器４内の圧力を制御したりする等、この装置全体の動作を制御する。そして、この制御手段７０は上記制御を行うプログラムを記憶するためのフラッシュメモリやハードディスクやフロッピディスク等の記憶媒体７２を有している。
【００２３】
次に、以上のように構成された成膜装置２を用いて行なわれるプラズマ処理方法について説明する。ここではプラズマ処理として、ウエハ表面にプラズマＣＶＤによりシリコン窒化膜を形成する場合を例にとって説明する。
まず、常温の多数枚、例えば５０枚の３００ｍｍサイズのウエハＷが載置された状態のウエハボート１２を予め所定の温度になされた処理容器４内にその下方より上昇させてロードし、蓋部１８で処理容器４の下端開口部を閉じることにより容器内を密閉する。
そして処理容器４内を真空引きして所定のプロセス圧力に維持すると共に、加熱手段６６への供給電力を増大させることにより、ウエハ温度を上昇させてプロセス温度を維持し、ハロゲン元素を含まないシラン系ガスの一例であるモノシラン及びＮＨ３ ガスをそれぞれシラン系ガス供給手段３０及び窒化ガス供給手段３２からそれぞれ同時に連続的に供給する。この際、流量の少ないモノシランガスはキャリアガスであるＨ２ ガスにより希釈されて供給される。これと同時に、活性化手段５０によりプラズマ電極５２Ａ、５２Ｂ間には、高周波電圧が印加されてＮＨ３ ガスをプラズマ化してこれを活性化して容器中心側に供給される。そして、これにより回転しているウエハボート１２に支持されているウエハＷの表面にシリコン窒化膜を形成する。ここでハロゲン元素を含まないシラン系ガスを用いる理由は、塩素等のハロゲン元素が含まれると、塩化アンモニウムが発生し、これが処理容器４内や排気系内に付着してパーティクルの発生や排気管内の閉塞等の原因となるからである。
【００２４】
具体的には、ＮＨ３ ガスはノズル収容部４２内に設けた窒化ガス供給ノズル部３８の各ガス噴射孔３８Ａから水平方向へ噴射され、また、モノシランガスはシラン系ガス供給ノズル３４の各ガス噴射孔３４Ａから水平方向へ同時に且つ連続的に噴射され、両ガスが反応してシリコン窒化膜が形成される。この際、高周波電源５４からの高周波電圧が、両プラズマ電極５２Ａ、５２Ｂ間に印加されている。従って、上記窒化ガス供給ノズル部３８のガス噴射孔３８Ａより噴出されたＮＨ３ ガスが、高周波電圧が印加されているプラズマ電極５２Ａ、５２Ｂ間に流れ込み、ここでプラズマ化されて活性化し、例えばＮ＊、ＮＨ＊、ＮＨ２ ＊、ＮＨ３ ＊（記号＊はラジカルであることを示す）等のラジカル（活性種）を発生させる。このラジカルはノズル収容部４２の開口４６より処理容器４内の中心方向に向けて放出されて拡散して、ウエハＷの相互間に層流状態で流れて行くことになる。そして、上記各ラジカルはウエハＷの表面に付着しているモノシランガスの分子と反応して上記したようにシリコン窒化膜を形成することになる。
【００２５】
ここでプロセス条件に関しては、プロセス温度（ウエハ温度）は２５０〜４５０℃の範囲内、例えば３００℃程度、プロセス圧力は５ｍＴｏｒｒ（０．７Ｐａ）〜１Ｔｏｒｒ（１３３Ｐａ）の範囲内、例えば５０ｍＴｏｒｒ（７Ｐａ）程度である。モノシランの流量は５〜２００ｓｃｃｍ、例えば３０ｓｃｃｍ程度、Ｈ２ ガスの流量は５０〜４００ｓｃｃｍ、例えば１００ｓｃｃｍ程度、ＮＨ３ ガスの流量は１００〜１０００ｓｃｃｍの範囲内、例えば３００ｓｃｃｍ程度である。ＲＦ（高周波）パワーは例えば５０ワットで、その周波数は１３．５６ＭＨｚである。ウエハ枚数は３００ｍｍサイズのウエハを２５枚程度である。この時の成膜レートは０．５〜１ｎｍ／ｍｉｎ程度である。
尚、上記プロセス温度に関しては、下地層に、温度に特に弱い薄膜、例えば融点が４３０℃程度のＮｉＳｉ膜を含む場合には、プロセス温度は４００℃以下に設定して、ＮｉＳｉ膜の特性劣化を防止する。
【００２６】
以上のようにして形成されたシリコン窒化膜は、比較的低温で成膜することができ、しかもその膜中の引っ張り応力が、従来の成膜方法によって形成されたシリコン窒化膜よりもかなり高くすることができる。結果的に、このシリコン窒化膜をＣＭＯＳ等のトランジスタに適用した場合、このトランジスタのチャネルの結晶格子を十分に広げることができ、移動度を高めて高速動作が可能な集積回路を形成することができる。従って、特に線幅の設計ルールがより厳しくなっても、これに対応した半導体集積回路を作成することが可能となる。この場合、シリコン窒化膜中の引っ張り応力を適正な値、例えば１．４ＧＰａ以上を維持しつつウエハ面内の膜厚の均一性を高く維持するには、成膜時のウエハ温度を２５０〜４５０℃の範囲に設定するのが好ましく、また、モノシランの分圧を２．１〜３．９Ｐａの範囲内に設定するのがよい。
特にシリコン窒化膜の成膜後に、例えば３５０〜４５０℃程度の低温加熱を伴う紫外線照射処理を施すことにより、１．５ＧＰの引っ張り応力を得ることができる。
【００２７】
また上述したように、比較的低温で成膜することができることから、下地層として熱に弱い材料を用いた場合、その下地層の熱ダメージを抑制することができるのみならず、素子形成時に絶縁膜として併用されることのあるＳｉＯ２ 膜よりもそのエッチングレートが非常に小さくすることができ、ＳｉＯ２ 膜に対するエッチング時の選択性も大きくすることができる。
特に、ここでは上記シリコン窒化膜に関して、コンタクトエッチストッパとして要求される６．５ｎｍ／ｍｉｎ以下のエッチングレートを達成することができた。しかも本発明方法では、上述のようにウエハ上におけるシリコン窒化膜の膜厚の面内及び面間均一性も高く維持できるのみならず、排気系を詰まらせる原因となる反応副生成物をほとんど発生させることはなかった。
【００２８】
また本発明方法では、成膜ガスを連続して供給するようにしたので、従来の成膜方法のように成膜ガスを間欠的に供給して成膜する、いわゆるＡＬＤ成膜方法と比較して、成膜レートを大幅に向上させることができる。例えば従来のＡＬＤ成膜方法では成膜レートは１〜２Å／ｍｉｎ程度であったが、本発明方法では成膜レートは５〜１０Å／ｍｉｎ程度まで大幅に向上させることができる。
【００２９】
ここで上記したような本発明方法以外の他の成膜方法について検討を行ったので、その検討結果について説明する。
＜比較例１＞
この比較例１では、アンモニアプラズマによるＮＨ３ ＊（活性種）を用いずに、反応エネルギーの供給を熱のみとし、ＳｉＨ４ とＮＨ３ を用いた熱ＣＶＤ法及び熱ＡＬＤ法でシリコン窒化膜をそれぞれ成膜した。
この結果、”ＳｉＨ４ ＋ＮＨ３ →Ｎ３ Ｓｉ−ＮＨ２ ”のような窒化反応のエネルギーは２ｅＶ程度と大きいので、要求される５００℃以下の低温では上記両方法では成膜が困難であることが確認できた。
【００３０】
＜比較例２＞
この比較例２では、プロセス温度５００℃以下でプラズマにより活性化したＮＨ３ ガスと、活性化していないＳｉＨ４ ガスとを間欠的に交互に供給してＡＬＤ法を行った。
この結果、シリコン窒化膜の成膜はほとんど生じないことが確認できた。この理由は、プラズマにより発生したＮＨ３ ＊によりウエハ表面を窒化すると、このウエハ表面に”−ＮＨ２ ”基が存在することになり、この”−ＮＨ２ ”基のＮ原子に対するＳｉＨ４ の吸着反応が５００℃以下ではほとんど生じないからである。
【００３１】
＜比較例３＞
この比較例３では、ＳｉＨ４ ガスとＮＨ３ ガスとを同時に供給し、且つ両ガスを共にプラズマ化して活性化し、生成した反応中間体や活性種を用いてプラズマＣＶＤ法により成膜を行った。
この結果、成膜に寄与する上記反応中間体や活性種がプラズマ発生部やその周辺に局在してその部分で多量に成膜が行われるので、膜厚の均一性が著しく低下し、好ましくないことが確認できた。
【００３２】
＜比較例４＞
この比較例４では、プラズマにより活性化したＳｉＨ４ ガスと同じくプラズマにより活性化したＮＨ３ ガスとを間欠的に交互に供給してＡＬＤ法を行った。
この結果、プラズマ発生部や処理容器内やウエハ表面上にＳｉＨ４ ＊によるアモルファスＳｉが形成されるので、この成膜方法は不適当であることが確認できた。
以上、上記各比較例１〜４のいずれもシリコン窒化膜の形成に適していないことが確認できた。
【００３３】
また、本発明方法では、モノシランの供給量が非常に少ないことから、キャリアガスの機能を有する希釈ガスを用いて均一拡散化を図っている。この場合、上記希釈ガスとしてはＨ２ ガスの他に、Ｎ２ ガスやＨｅガス、Ａｒガス、Ｎｅガス等の不活性ガスを用いることができる。この場合、希釈ガスとしては成膜レートの向上及びウエハ面内の膜厚の均一性の向上を考慮すると、Ｈ２ ガスが好ましい。この理由は、Ｈ２ ガスは質量が最も軽く、且つ衝突断面積が最も小さいことから、振動励起状態にある活性化アンモニア分子が、Ｈ２ ガスを希釈ガスとして用いた時にＨ２ ガスと衝突する確率が最も少なくなって失活する量が少なくなり、アンモニアの活性種を有効にシリコン窒化膜の成膜に寄与させることができるからである。
この結果、シリコン窒化膜の成膜レートが高くなり、且つ活性種の寿命も長くなって、この活性種がウエハの中心部にまで十分に届くので膜厚の面内均一性も向上させることができる。
【００３４】
ここで、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）中の引っ張り応力についてウエハ温度やモノシランの分圧の最適化を図る実験を行ったので、その実験の評価について説明する。図３はＳｉＮ膜中引っ張り応力及びウエハ面内膜厚均一性に対するウエハ温度及びモノシランの分圧の関係を示すグラフである。図３（Ａ）は、ＳｉＮ膜中引っ張り応力及びウエハ面内膜厚均一性とウエハ温度との関係を示すグラフ、図３（Ｂ）は、ＳｉＮ膜中引っ張り応力及びウエハ面内膜厚均一性とＳｉＨ４ 分圧との関係を示すグラフである。尚、図３（Ａ）の成膜条件に関しては、成膜温度は可変、成膜圧力は１３Ｐａ、ＳｉＨ４ 流量は１１３ｓｃｃｍ、Ｈ２ 流量は８７ｓｃｃｍ、ＮＨ３ 流量は３００ｓｃｃｍ、ＲＦパワーは５０ワット、ＲＦ周波数は１３．５６ＭＨｚである。また図３（Ｂ）の成膜条件に関しては、成膜温度は３００℃、成膜圧力は１３Ｐａ、ＳｉＨ４ 流量は可変、ＳｉＨ４ ＋Ｈ２ 流量は２００ｓｃｃｍ、ＮＨ３ 流量は３００ｓｃｃｍ、ＲＦパワーは５０ワット、ＲＦ周波数は１３．５６ＭＨｚである。
【００３５】
図３（Ａ）に示すように、ＳｉＮ膜中引っ張り応力はウエハ温度の上昇に伴って少しずつ増加しているのに対して、ウエハ面内膜厚均一性は、３５０℃付近が最小値となって、これよりウエハ温度が低くなっても、或いは高くなっても面内膜厚均一性は増加している。従って、引っ張り応力の下限値を１．４ＧＰａとし、且つ面内膜厚均一性の上限値を±３．５％とすると、両者の要求を満たすには、ウエハ温度を２５０〜４５０℃の範囲に設定することが好ましいことが確認できた。
【００３６】
また図３（Ａ）に示すように、ＳｉＮ膜中引っ張り応力はウエハ温度の上昇に伴って少しずつ増加し、ウエハ面内膜厚均一性はウエハ温度の上昇に伴って急激に増加している。従って、上記したと同様に、引っ張り応力の下限値を１．４ＧＰａとし、且つ面内膜厚均一性の上限値を±３．５％とすると、両者の要求を満たすには、モノシランの分圧を２．１〜３．９Ｐａの範囲内に設定することが好ましいことが確認できた。
【００３７】
尚、上記装置例にあっては、シラン系ガス供給ノズル部３４は、上記開口４６の両側に２本設けて、ＮＨ３ ガスの活性種との混合を促進させるようにしたが、これに限定されず、これを１本設けるようにしてもよい。
更には、上記プラズマ電極５２Ａ、５２Ｂの付いたノズル収容部４２を複数個隣り合うようにして並列させて設けるようにしてもよい。
また、処理容器４は内筒６と外筒８よりなる２重管構造に限定されず、単管構造の処理容器を用いるようにしてもよい。
また、ここでは活性化手段５０として高周波電源５４を用いたが、これに代えて、例えば２．４５ＧＨｚ等のマイクロ波を用いてプラズマを立て、ＮＨ３ ガスを活性化するようにしてもよい。
【００３８】
また上記実施例では、ハロゲン元素を含まないシラン系ガスとしてモノシランを用いたが、これに限定されず、モノシラン［ＳｉＨ４ ］、ジシラン［Ｓｉ２ Ｈ６ ］、トリシラン［Ｓｉ３ Ｈ８ ］、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）、ジシリルアミン（ＤＳＡ）、トリシリルアミン（ＴＳＡ）、ビスターシャルブチルアミノシラン（ＢＴＢＡＳ）よりなる群より選択される１以上のガスを用いることができる。
また、上記実施例では、窒化ガスとしてＮＨ３ ガスを用いたが、これに限定されず、アンモニア［ＮＨ３ ］、窒素［Ｎ２ ］、一酸化二窒素［Ｎ２ Ｏ］、一酸化窒素［ＮＯ］よりなる群より選択される１以上のガスを用いることができる。
また被処理体としては、半導体ウエハに限定されず、ガラス基板、ＬＣＤ基板、セラミックス基板等にも本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の係る成膜装置の一例を示す縦断面構成図である。
【図２】成膜装置を示す横断面構成図である
【図３】ＳｉＮ膜中引っ張り応力及びウエハ面内膜厚均一性に対するウエハ温度及びモノシランの分圧の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４０】
２  成膜装置
４  処理容器
６  内筒
８  外筒
１２  ウエハボート（保持手段）
３０  シラン系ガス供給手段
３２  窒化ガス供給手段
３４  シラン系ガス供給ノズル部
３６  希釈ガス供給系
３８  窒化ガス供給ノズル部
４２  ノズル収容部
５０  活性化手段
５２Ａ，５２Ｂ  プラズマ電極
５４  高周波電源
６６  加熱手段
７０  制御手段
７２  記憶媒体
Ｗ  半導体ウエハ（被処理体）
【図１】
2006303431.tif 000003
【図２】
2006303431.tif 000004
【図３】
2006303431.tif 000005