(57)【要約】【課題】半導体デバイスおよびマスク部材として適用可能な、応力のないまたは低応力の窒化シリコン膜を提供することを目的とする。【解決手段】上記課題を解決するため、本発明は、基板１上に形成された非晶質の窒化シリコン膜におけるシリコンに対する窒素の原子数の組成比を１．１以上１．５以下とし、膜中における水素の原子割合を１０％以上１５％以下とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された非晶質の窒化シリコン膜におけるシリコンに対する窒素の組成比を１．１以上１．５以下とし、膜中における水素の原子量割合を５％以上２０％以下とした窒化シリコン膜。
【請求項２】
水素とシランと前記シランに対する流量比が１以上１０以下であるアンモニアとを原料ガスとして、水素を希釈ガスとして用いた高周波プラズマ化学気相成長法により、基板上に形成するようにした窒化シリコン膜の製造方法。
【請求項３】
原料ガスとしてシランとアンモニアと水素とを用い、前記原料ガスの全流量に対するアンモニアの流量を２％以上２０％以下として、高周波プラズマ化学気相成長法により、基板上に形成するようにした窒化シリコン膜の製造方法。
【請求項４】
絶縁膜または保護膜を有する機能デバイスにおいて、
前記絶縁膜または保護膜として請求項１に記載の窒化シリコン膜とした機能デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、応力のないまたは低応力窒化シリコン膜、およびその製造方法、ならびに機能デバイスに係り、更に詳しくは、例えば半導体デバイスにおける半導体層、抵抗層、ゲート絶縁膜、層間絶縁膜、保護膜として、あるいはＸ線露光装置、荷電粒子線露光装置におけるマスク構成材料として用いられる窒化シリコン膜、およびその製造方法、ならびに窒化シリコン膜を絶縁膜または保護膜として用いた機能デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体や金属からなる薄膜の作製技術および微細加工技術の発展を背景に、単結晶シリコンや化合物半導体を用いた集積回路、および非晶質半導体薄膜を用いたフラットパネルディスプレイデバイスや各種センサが、急速に普及している。
【０００３】
上述のような機能デバイスにおいて、ゲート絶縁膜、層間絶縁膜として窒化シリコン膜が広く用いられている。このような用途では、絶縁性、誘電性などの電気特性の他に、異種材料との密着性の高さが必要とされる。この密着性は、界面の組成の他に、窒化シリコン膜の応力が大きく影響を及ぼし、その応力が大きい場合、下地材料からの膜剥がれが発生する。これを防止するためには、窒化シリコン膜が低応力であることが不可欠となる。
【０００４】
一方、半導体素子の微細化が急速に進んでいる。半導体のプロセス技術においては、そのような微細パターンを有する素子の製造技術として、様々な露光技術が開発されている。その中で、サブミクロンルールの露光技術として、電子やイオンなどを用いた荷電粒子線露光やＸ線露光が注目されている。
【０００５】
このような露光技術では、荷電粒子線またはＸ線を成形するためにマスクが用いられるが、これらのマスクにはマスク材料あるいはメンブレンなどのマスクの構成材料として、または応力調整用膜として、窒化シリコン膜が用いられる。
【０００６】
特にメンブレンの場合の形態としては、自立膜として利用されることが多い。このような部材として窒化シリコン膜を適用するためには、それらの膜の応力がないまたは小さいことが不可欠となる。
【０００７】
シリコンウェハー上に加工形成されるシリコン半導体素子では、窒化シリコン膜は、通常ジクロロシランとアンモニアを原料とし、８００℃以上の高温下で減圧化学気相成長法により成膜される。このような製法による膜は、膜中に水素を含まず、シリコンと窒素が化学量論比で構成されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００３−９２４０９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような窒化シリコン膜は、強い引っ張り応力を示し、基板上で剥離しやすいという問題が生ずる。
【００１０】
また、このような強い引っ張り応力を緩和するために、窒化シリコン膜中の窒素に対するシリコンの量を増加させ、いわゆるシリコンリッチ組成にする手法が用いられている。しかしながら、応力は緩和できるものの、物性的には窒化シリコンとシリコンの中間の特性を持つため、例えば絶縁性やヤング率は本来の窒化シリコン膜とは異なる材料となる。
【００１１】
一方、例えば非晶質シリコン半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタなどの、ガラス基板上の半導体素子においては、５００℃以下の低温で形成可能なプラズマ化学気相成長法により成膜される。この場合原料ガスとして、シランあるいはジシランとアンモニアが用いられる。このように成膜された窒化シリコン膜においても、化学量論比をもつ膜では強い引っ張り応力を示すことが知られている。したがって、膜応力を低減するためには、上記の場合と同様、シリコンリッチ組成で用いられる。しかしながら、この場合絶縁性の低下等、絶縁膜として用いる場合には物性面での問題がでる。
【００１２】
また、上記特許文献１には、窒化シリコン膜を成膜する際に、キャリアガスとしてＮ２とＨ２とを用い、キャリアガス中のＨ２流量割合を２５〜７５％にすることで低応力にすることができるという報告がなされている。
【００１３】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、半導体デバイスおよびマスク部材として適用可能な応力のないまたは低応力の窒化シリコン膜、およびその製造方法、ならびにこの窒化シリコン膜を絶縁膜として用いた機能デバイスを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、基板上に形成された窒化シリコン膜が非晶質で、かつ組成比（窒素／シリコン）が１．１以上１．５以下であって、膜中の水素量が原子量割合で１０％以上１５％以下である窒化シリコン膜を提供する。
【００１５】
本発明によると、シリコンと窒素の原子数の組成比が化学量論比に近い組成（Ｎ／Ｓｉ＝１．１〜１．５）の窒化シリコン膜は、高い絶縁性などの良好な物性値を示す。また、膜中に原子割合で多くの水素を含有している（５％〜２０％）ことで、窒素−水素結合を持つことに起因する応力の緩和が実現できる。さらに、水素の含有量を制御することにより、応力がない膜あるいは所望の引っ張りから圧縮の低応力の膜を容易に得ることができる。
【００１６】
また本発明では、基板上に、原料ガスとしてシランとアンモニアおよび水素を用い、シランに対するアンモニアの流量比（アンモニア／シラン）が１から１０、かつ希釈ガスが水素であって、高周波プラズマ化学気相成長法により形成される窒化シリコン膜の製造方法を提供する。
【００１７】
本発明によると、高周波プラズマ化学気相成長法で成膜し、その原料ガスであるアンモニアとシランの流量比を化学量論比より大きい１〜１０とすることで、化学量論比に近い窒化シリコン膜を得ることができ、さらに膜中水素量を原子割合で少なくても１０％以上含有する膜が得られる。すなわち、窒素−水素結合含有に起因した応力の緩和ができる。
【００１８】
更にまた、本発明は、基板上に、原料ガスとしてシランとアンモニアおよび水素を用い、全流量に対するアンモニアの流量が２％以上２０％以下であって、高周波プラズマ化学気相成長法により形成される窒化シリコン膜の製造方法を提供する。
【００１９】
本発明によると、原料ガスとしてシラン、アンモニアおよび水素を用いた高周波プラズマ化学気相成長法により窒化シリコン膜を成膜する際に、全流量に対するアンモニアの流量を２％〜２０％とすることにより、膜中水素量を原子割合で少なくても５％以上含有する膜を得ることができ、もって、窒素−水素結合含有に起因した応力を緩和できる。また、アンモニア量を可変することにより、所望の応力をもつ窒化シリコン膜を得ることができる。更にこの窒化シリコン膜を絶縁膜として用いた機能デバイスを得ることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る窒化シリコン膜およびその製造方法について説明する。
【００２１】
図１は、本発明の実施の形態に係る窒化シリコン膜の一例を示す立面図である。図１において、基板１上に応力のないまたは低応力窒化シリコン膜２が形成されている。
【００２２】
基板１としては、特に規定は不要であるが、シリコンウェハー、石英基板、ガラス基板、セラミックス基板、金属基板等を用いる。
【００２３】
低応力窒化シリコン膜は、Ｘ線回折で顕著なピークが得られない非晶質であって、窒素／シリコン組成比が１．１以上１．５以下で、膜中における水素の原子割合が５％以上２０％以下としている。
【００２４】
窒素／シリコン組成比が１．１未満である場合には、シリコンリッチの膜２となり、絶縁性等の窒化シリコン固有の物性が得られない。一方、窒素／シリコン組成比が１．５より大きい膜２は、作製不能である。
【００２５】
また、膜２中における水素量の原子割合が５％未満の場合には、膜２中の水素量による応力制御が不能である。一方、膜２中における水素量の原子割合が２０％より多い膜２は作製不能である。
【００２６】
次に、以上説明した本発明の実施の形態に係る窒化シリコン膜の製造方法について説明する。
【００２７】
本発明の実施の形態に係る窒化シリコン膜２は、高周波プラズマ化学気相成長法により、基板１上に、原料ガスとしてシランとアンモニアと水素を用い、シランに対するアンモニアの流量比（アンモニア／シラン）を１以上１０以下とする。ここで、この流量比が１未満である場合には、生成する窒化シリコン膜２の組成がシリコンリッチとなり、窒化シリコン固有の物性が得られない。一方、この流量比が１０より大きい場合には、膜２の密度が極端に低下し、固有の物性が得られない上、非常にもろく実用的な膜は得られない。
【００２８】
あるいは、本発明の実施の形態に係る窒化シリコン膜２は、基板１上に、原料ガスとしてシランとアンモニアと水素を用い、原料ガスの全流量に対するアンモニアの流量が２％以上２０％以下の条件で、高周波プラズマ化学気相成長法により形成する。
【００２９】
ここで、アンモニア流量が２％未満である場合には、シリコンリッチの膜となり、窒化シリコン固有の物性が得られない。一方、流量比が２０％より大きい場合には、膜２の密度が極端に低下し、固有の物性が得られない上、非常にもろく実用的な膜は得られない。
【００３０】
（実施例１）
次に、上述したような製造方法によって製造した本発明の実施の形態に係る窒化シリコン膜２の具体例について図１および図２を用いて説明する。
【００３１】
まず、図１に示すように、４インチで厚み５２５μｍの単結晶シリコン基板１上に、高周波プラズマ化学気相成長装置を用いて、窒化シリコン膜２を成膜した。
【００３２】
高周波プラズマ化学気相成長条件は次の通りである。
原料ガス：シラン（５ｓｃｃｍ）、アンモニア（２〜２０ｓｃｃｍ）、水素（２００〜３００ｓｃｃｍ）。
反応圧力：１３３（１Ｔｏｒｒ）。
高周波パワー：１８０Ｗ  。
【００３３】
基板温度：４００℃  。
【００３４】
膜厚：２００ｎｍ。
【００３５】
また、作製した窒化シリコン膜２を反跳粒子検出法により組成分析した膜中水素含有量と応力（基板の反り変化より評価）との関係を図２に示す。これより、水素量に対して応力が変化することがわかる。
【００３６】
次に、薄膜Ｘ線回折法により、結晶性を評価した結果、顕著なピークは認められず、非晶質であることがわかった。また、ヘリウムイオンビームを用いてラザフォード後方散乱分析法（ＲＢＳ法）ならびに反跳粒子検出法（ＥＲＤＡ法）により組成分析を行った結果、窒素／シリコン組成比＝１．３３、水素の原子割合＝１３％であった。更に、この作製した窒化シリコン膜２の応力を基板１の反りで測定したところ０ＭＰａであり応力はなかった。このように、本発明の実施の形態の製造方法によって製造した窒化シリコン膜２は応力がないかまたは極めて低応力となる。
【００３７】
（実施例２）
次に、窒化シリコン膜を薄膜トランジスタに用いた場合について、図３を用いて説明する。図３は、窒化シリコン膜２を用いた薄膜トランジスタの一例を示す立断面図である。
【００３８】
すなわち、図３に示すような薄膜トランジスタを作成する場合には、まず絶縁基板１１上に、ＭｏあるいはＡｌをスパッタにより成膜し、フォトレジスト工程によりパターニングを行い、ゲート電極１２を作成する。
【００３９】
次に、プラズマＣＶＤを用いて、窒化シリコンからなるゲート絶縁膜１３、半導体膜１４（非晶質シリコン）、オーミックコンタクト膜１５（ｎ＋非晶質シリコン）を連続成膜し、フォトレジスト工程により孤立アイランドパターンを形成する。この孤立アイランドパターンは、図３に示す半導体膜１４およびオーミックコンタクト膜１５に相当する。なお、この場合における窒化シリコン膜の成膜条件は、実施例１の高周波プラズマ化学気相成長条件と同じである。
【００４０】
更に、ソース／ドレイン電極１６としてスパッタによりＣｒを成膜し、フォトレジスト工程によりパターニングを行う。更に、ソース／ドレイン電極１６としてスパッタによりＣｒ、Ａｌを連続成膜し、フォトレジスト工程によりパターニングを行う。
【００４１】
次に、ソース／ドレイン電極１６をマスクとしてドライエッジ装置を用いて、チャネルを形成するためにチャネル部のｎ＋非晶質シリコンを除去して、図３に示すような薄膜トランジスタを作成する。
【００４２】
上述したような方法によって、窒化シリコン膜の応力による基板の反りなどのない良好な薄膜トランジスタを作成することができる。なお、電極材料については、本発明の実施の形態に限定されるものではなく、他の金属であっても用いることができる。更に、チャネル部を保護するための保護膜の成膜にも、本発明の窒化シリコン膜を同様な方法で成膜することができる。
【００４３】
以上、本発明の好適な実施の形態について、添付図面を参照しながら説明したが、本発明はかかる構成に限定されない。特許請求の範囲の発明された技術的思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例および修正例に想到し得るものであり、それら変更例および修正例についても本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００４４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によると、基板上に形成される窒化シリコン膜の結晶性、組成を制御することで、あるいは、その製造における原料ガス比および流量条件を制御することで、応力がないかまたは低応力の窒化シリコン膜を得ることが可能となる。
【００４５】
その結果、半導体デバイスや半導体製造の際のマスク部材として、膜剥がれあるいはメンブレンのたわみ、割れ等のない、良好な素子、製法技術を得ることができる。
【００４６】
更に、この窒化シリコン膜を機能デバイスの絶縁膜として用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る窒化シリコン膜の一例を示す立面図。
【図２】窒化シリコン膜を反跳粒子検出法により組成分析した膜中水素含有量と応力との関係を示す図。
【図３】窒化シリコン膜を用いた薄膜トランジスタの一例を示す立断面図。
【符号の説明】
１…基板、２…窒化シリコン膜、１１…絶縁基板、１２…ゲート電極、１３…ゲート絶縁膜、１４…半導体膜、１５…オーミックコンタクト膜、１６…ソース／ドレイン電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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