(57)【要約】【課題】  成膜温度がある程度低温である場合にも、不純物の含有率が低く、膜質の良好な窒化膜を形成できるようにする。【解決手段】  第１の原料ガスと、窒素を含む第２の原料ガスとを反応させて、試料基板に、窒化膜を形成する際に用いる成膜装置において、試料基板を収納する処理室と、処理室内に、第１の原料ガスを供給する第１の原料ガス供給口と、第２の原料ガスを供給する第２の原料ガス供給口とを備える。また、第２の原料ガス供給口には、第２の原料ガスを分解する触媒を備える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の原料ガスと、窒素を含む第２の原料ガスとを反応させて、試料基板に、窒化膜を形成する成膜装置であって、
前記試料基板を収納する処理室と、
前記処理室内に、前記第１の原料ガスを供給する第１の原料ガス供給口と、
前記処理室内に、前記第２の原料ガスを供給する第２の原料ガス供給口と、
を備え、
前記第２の原料ガス供給口は、前記第２の原料ガスを分解する触媒を含むことを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
前記触媒は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｗ、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、金属蒸着セラミック、Ｔａ、Ｖ、Ｔｉ、ＴｉＯ２のうちの少なくとも１種類の材料からなることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
【請求項３】
前記第１の原料ガスは、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＣｌ４、あるいは、Ｓｉ２Ｃｌ６であることを特徴とする請求項１または２に記載の成膜装置。
【請求項４】
前記第２の原料ガスは、ＮＨ３またはＮ２であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項５】
第１の原料ガスと、窒素を含む第２の原料ガスとを反応させて、試料基板に窒化膜を成膜する成膜方法において、
前記試料基板を載置した処理室内に、
前記処理室内に、前記第１の原料ガスを供給する第１の原料ガス供給工程と、
前記処理室内に、前記第２の原料ガスを供給する第２の原料ガス供給工程と、
を備え、
前記第２の原料ガス供給工程は、
前記第２の原料ガスを導入した後、前記第２の原料ガスを、触媒を介して分解する分解工程と、
前記分解した窒素原料ガスを、前記処理室内に供給する供給工程と、
を含むことを特徴とする成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は成膜装置及び成膜方法に関する。更に、具体的には、試料基板に、窒化膜を形成する際に用いられる成膜装置及び成膜方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の微細化、高性能化に伴い、半導体装置における薄膜形成においても、性能の良い、均一な薄膜形成の要求が大きくなっている。ところで、例えば、エッチストッパ膜等として用いられるＳｉＮ膜の形成には、一般に、ＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition;減圧ＣＶＤ）法による成膜法が用いられる。
【０００３】
ＬＰＣＶＤ法により、ＳｉＮ膜を形成する場合、成膜装置に設けられた１の導入口から、ＳｉＨ２Ｃｌ２等の原料ガスを供給し、他の導入口から、ＮＨ３等の窒素原料のガスを供給する。これにより、成膜装置内で、ＳｉＨ２Ｃｌ２とＮＨ３とが反応して、試料基板上にＳｉＮ膜が形成される。
【０００４】
また、窒化膜を形成する他の方法としては、触媒ＣＶＤ法を用いるものが提案されている。この方法では、各原料ガスを、加熱した触媒体表面と接触させることにより活性化させた後に導入して、熱ＣＶＤ法と同様の反応をさせる。この方法によれば、原料ガスの反応を、基板温度とは別に制御できるため、上述のような熱ＣＶＤ法による場合よりも低い基板温度にて、熱ＣＶＤ法と同質の膜を得ることができる。（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２０９１５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のように、ＬＰＣＶＤ法において成膜された窒化膜の内部には、ＨやＣｌ等の原料ガスに含まれる成分が、不純物として含まれる場合が多い。また、サーマルバジェット低減のため、窒化膜成膜の際の成膜温度をある程度低温とすることが必要となる場合がある。しかし、ＬＰＣＶＤ法において、成膜温度が低くなると、成膜された窒化膜内へのＨやＣｌ等の不純物は、更に増加してしまう。特に、成膜温度が低い場合、シリコン原料ガス等の原料ガスに対して、多量なＮＨ３を供給する必要がある。このため、特に、窒化膜のＨの含有率は高くなることが考えられる。ここで、窒化膜内に含まれるＨ等の不純物は、窒化膜のエッチング耐性を低下させ、また、リーク電流を増大させる等、膜質を劣化させる原因となるため問題である。
【０００７】
また、触媒ＣＶＤ法を用いた方法によれば、チャンバ内に原料ガスを導入する前に、触媒を用いて分解して活性化させる。従って、低温での成膜においても、窒化膜に含まれるＨ等の不純物の量を比較的少なくすることができる。しかし、原料ガスを共に分解して導入する為、反応速度が速く、ステップカバレージが低い。一般に、ＬＰＣＶＤ法において成膜した薄膜は、約９５%以上のステップカバレージを確保できるのに対して、触媒ＣＶＤ法により成膜した薄膜は、約７０〜９０%と小さい。更に、原料ガスを共に分解して導入した場合、導入口の出口付近で反応が起きてしまい、基板に充分に到達しないことが考えられ、この傾向は、原料ガスを２系統に分けずに導入した場合には、特に問題となるものと考えられる。従って、例えば、ゲート電極が形成された基板上にエッチングストッパ膜やサイドウォールとして窒化膜を形成する場合など、表面に凹凸を有する試料基板に薄膜を形成するような場合には、窒化膜の膜厚の均一性が低くなることが考えられるため、問題である。
【０００８】
従って、この発明は、以上のような問題を解決し、ステップカバレージを確保しつつ、低温で、不純物の含有率が低い窒化膜を形成できるように改良した成膜装置及び成膜方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明の成膜装置は、第１の原料ガスと、窒素を含む第２の原料ガスとを反応させて、試料基板に、窒化膜を形成する成膜装置であって、
前記試料基板を収納する処理室と、
前記処理室内に、前記第１の原料ガスを供給する第１の原料ガス供給口と、
前記処理室内に、前記第２の原料ガスを供給する第２の原料ガス供給口と、
を備え、
前記第２の原料ガス供給口は、前記第２の原料ガスを分解する触媒を含むものである。      
【００１０】
また、この発明の成膜方法は、第１の原料ガスと、窒素を含む第２の原料ガスとを反応させて、試料基板に窒化膜を成膜する成膜方法において、
前記試料基板を載置した処理室内に、
前記処理室内に、前記第１の原料ガスを供給する第１の原料ガス供給工程と、
前記処理室内に、前記第２の原料ガスを供給する第２の原料ガス供給工程と、
を備え、
前記第２の原料ガス供給工程は、
前記第２の原料ガスを導入した後、前記第２の原料ガスを、触媒を介して分解する分解工程と、
前記分解した窒素原料ガスを、前記処理室内に供給する供給工程と、
を含むものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明においては、処理室内に、第１の原料ガスと、窒素を含む第２の原料ガスとを供給して、これらのガスを反応させて窒化膜を形成する。ここで、窒素を含む第２の原料ガスについては、予め、触媒を用いて分解して活性化した後に導入する。従って、比較的低温での成膜が必要な場合にも、窒化膜に、不純物としてＨが含まれるのを抑えることができる。また、この方法によれば、成膜された膜のステップカバレージをある程度確保して、薄膜を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
【００１３】
実施の形態．
図１は、この発明の実施の形態における成膜装置１００を説明するための断面模式図である。
この実施の形態における成膜装置１００は、従来のＬＰＣＶＤ成膜装置に改良を加えたものである。
【００１４】
図１に示すように、成膜装置１００において、チャンバ２は、密閉可能な空間である。チャンバ２には、シリコン原料インジェクタ４と、ＮＨ３インジェクタ６とが設けられている。また、ＮＨ３インジェクタ６のガスの流通経路内には、触媒８が設けられている。触媒８は、Ｐｔからなり、Ｐｔは、電極（図示せず）に接続されている。また、チャンバ２の、インジェクタ４、６と対向する側の面には、排気口１０が設けられている。
チャンバ２内には、ボート１２が設けられている。成膜装置１００において、成膜を行う際には、ウェーハ１４がボート１２に、並べて配置される。
【００１５】
成膜装置１００において、触媒８は、Ｐｔに通電することにより、ＮＨ３インジェクタ６を通過するＮＨ３を電気的に分解することができる。即ち、成膜装置１００においては、ＮＨ３インジェクタ６からＮＨ３を導入する際には、Ｐｔに通電し、ＮＨ３を分解して活性状態にした後に、チャンバ２内に導入できるようになっている。
【００１６】
図２は、この実施の形態において、成膜装置１００により成膜を行う対象となる試料基板を説明知るための断面模式図である。
この実施の形態においては、試料基板として、トランジスタが形成されたウェーハ１４を用いる。具体的に、図２を用いて説明する。
【００１７】
ウェーハ１４において、Ｓｉ基板２２には、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）２４が形成されている。また、ＳＴＩ２４により分離された領域には、拡散層２６が形成されている。拡散層２６に挟まれたチャネル領域上には、ゲート絶縁膜２８を介してゲート電極３０が形成されている。また、ゲート電極３０の両側には、サイドウォール３２が形成されている。また、ここでは、トランジスタは、サリサイド構造を有し、拡散層２６の表面とゲート電極３０上とにそれぞれ、ＮｉＳｉ層３４、３６が形成されている。
このように形成されたトランジスタ表面を覆うように、この実施の形態による成膜装置１００により、シリコン窒化膜３８が形成される。
【００１８】
以下、成膜装置１００を用いた成膜方法について、具体的に説明する。
まず、成膜装置１００のチャンバ２内のボート１２上に、ウェーハ１４を並べて載置する。ここで、ウェーハ１４は、上述したように、Ｓｉ基板２２上にゲート電極３０等が形成された状態である。
チャンバ２内の基板温度は約４５０℃以下に保つ。また、チャンバ内の圧力を、約１０Paとする。
【００１９】
この状態で、シリコン原料インジェクタ４から、シリコンの原料ガスとしてＳｉ２Ｃｌ６の導入を開始し、同時に、ＮＨ３インジェクタ６から、窒素の原料ガスとして、ＮＨ３の導入を開始する。ここで、Ｓｉ２Ｃｌ６の流入量は、約１０SCCMとし、ＮＨ３の流入量は、約５０SCCMとする。
導入が開始すると、Ｓｉ２Ｃｌ６は、そのままチャンバ２内に導入される。一方、ＮＨ３は、通電する触媒８を通過することにより、分解して活性化状態となり、この状態で、チャンバ２内に導入される。また、反応後の不要なガスは、排気口１０から排出される。
【００２０】
チャンバ２内の基板表面付近では、Ｓｉ２Ｃｌ６と、触媒８において分解された活性種であるＮ、ＮＨ、あるいは、ＮＨ２とが反応し、シリコン窒化膜３８がウェーハ１４表面に形成される。ここで形成されるシリコン窒化膜３８は、Ｓｉ３Ｎ４に近い組成を有する膜である。
【００２１】
シリコン窒化膜３８を膜厚約５０nmに形成した後、各インジェクタ４、６からの各原料ガスの供給を止め、成膜処理を終了する。その後、必要に応じて、ウェーハ１４上部に絶縁膜、配線層等を形成し、半導体装置が形成される。
【００２２】
以上のように、この実施の形態においては、成膜装置１００に、シリコンの原料ガスとして、Ｓｉ２Ｃｌ６を導入し、同時に、窒素の原料ガスとして、ＮＨ３を触媒８により分解して活性化状態にした後に導入する。これにより、比較的低温な処理であっても、Ｓｉ２Ｃｌ６と、ＮＨ３とを、充分に反応させることができる。これにより、Ｈ、Ｃｌ等の不純物の含有量が少なく、膜質の良好なシリコン窒化膜３８を形成することができる。
【００２３】
また、ここでは、触媒により活性化した状態で、窒素原料を導入する。従って、低温での処理においても、過剰な窒素原料ガス（ＮＨ３）の供給を必要としない。従って、チャンバ２内に、過剰なＨ、ＮＨ等が存在するのを抑えることができる。従って、不純物の含有量が少なく、膜質の良好なシリコン窒化膜３８を形成することができる。
【００２４】
また、ここでは、ＮＨ３を分解して供給することにより、ＮＨ等が活性化した状態でチャンバ２内に供給される。これにより、成膜中のシリコン窒化膜に、ＮＨが取り込まれた場合にも、この取り込まれたＮＨと、活性種であるＨとを反応させて、シリコン窒化膜から排出させる効果を得ることもできる。これにより、更に、不純物の含有量が少なく、膜質の良好なシリコン窒化膜３８を得ることができる。
【００２５】
また、この実施の形態においては、Ｓｉ２Ｃｌ６をチャンバ２内に供給し、ＮＨ３のみを分解して供給する。従って、成膜対象となるウェーハ１４上に、段差がある場合にも、ステップカバレージ良く、均一な膜厚のシリコン窒化膜３８を形成することができる。また、ここではシリコンの原料ガスであるＳｉ２Ｃｌ６は分解せずに供給している。従って、Ｓｉ２Ｃｌ６と分解されたＮＨ３とが、導入口の付近で反応してしまうのを抑えることができる。これにより、基板全面に、均一に、原料ガスを供給することができ、均一なシリコン窒化膜３８を形成することができる。
【００２６】
なお、この実施の形態においては、シリコンを供給する原料ガスとして、Ｓｉ２Ｃｌ６を用いる場合について説明した。これは、Ｓｉ２Ｃｌ６は、約３５０℃程度の低温で分解させることができるためである。しかし、この発明においては、シリコンの原料ガスはこれに限るものではなく、例えば、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＣｌ４等、他の材料であってもよい。また、この発明は、シリコン窒化膜以外の窒化膜を形成する場合にも適用することができる。その場合には、適宜その原料を含む原料ガスを供給するものであればよい。
【００２７】
また、この実施の形態においては、窒素を供給する原料ガスとして、ＮＨ３を用いる場合について説明した。しかし、この発明において、窒素を供給する原料ガスは、これに限るものではなく、例えばＮ２等、他の窒素を含むガスであってもよい。ここで、例えば、必ずしもこれに限定するものではないが、ＮＨ３を用いる場合、触媒の温度は、約１２００℃程度とすることが好ましい。一方、Ｎ２を用いる場合には、約２４００℃程度とすることが好ましい。従って、Ｎ２の場合には、より高温となるため、触媒からのコンタミの発生を考慮する必要がある。しかしながら、Ｎ２を用いる場合、原料中にＨ（水素）が含まれず、ＮＨ４Ｃｌ（塩化アンモニウム）等の副生成物を発生しない。従って、排気口等の排気系の閉塞を抑えることができ、装置のメンテナンスの負担を軽減することができる。
【００２８】
また、この実施の形態においては、触媒として、Ｐｔに通電させたものを用いる場合について説明した。しかし、この発明において触媒は、Ｐｔに限るものではなく、Ｐｄ、Ａｕ、Ｗ、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、金属蒸着セラミック、Ｔａ、Ｖ、Ｔｉ、ＴｉＯ２等、他の金属等に通電させて、窒素の原料ガスを分解するものであってもよい。また、このように、金属に通電させたものに限るものでもなく、他の化学的な触媒により分解するもの等であってもよい。
【００２９】
また、この実施の形態においては、成膜温度を約４５０℃とする場合について説明した。これは、ウェーハ１４に形成されたＮｉＳｉ層３４、３６の析出を抑えるため、約５００℃以下の低温での処理が好ましいためである。しかし、この発明において、成膜温度は、この温度に限るものではない。温度等の条件は、形成する窒化膜に要求される膜質、試料基板となるウェーハ１４に形成された膜や配線の材料等を考慮して、適宜決定しうるものである。
【００３０】
また、この発明において、圧力や原料ガスの流量等の条件も、この実施の形態において説明した条件に限るものではない。これらは、成膜する窒化膜の膜厚や要求される膜質、ウェーハ１４の状態等を考慮して適宜決定し得るものである。
【００３１】
また、実施の形態においては、試料基板として、トランジスタが形成されたウェーハ１４を用いて、ゲート電極３０、サイドウォール３２等を覆うシリコン窒化膜３８を形成する場合について説明した。しかし、この発明は、このような窒化膜の形成に限るものではなく、例えば、サイドウォール３２を形成するための窒化膜の成膜に適用するなど、他の様々な試料基板に窒化膜を形成する場合に適用することができる。
【００３２】
また、実施の形態１においては、ボート１２を有する枚葉式の成膜装置１００について説明した。しかし、この発明において、成膜装置１００は、枚葉式に限るものではなく、バッチ式のもの等であってもよい。また、この発明において、その他の部分の成膜装置の構造についても、この実施の形態において説明したものに限るものではなく、この発明の範囲内で、適宜選択し得るものである。
【００３３】
なお、例えば、この実施の形態において、ウェーハ１４、チャンバ２は、それぞれ、個の発明の「試料基板」、「処理室」に該当する。また、例えば、この実施の形態において、Ｓｉ２Ｃｌ６、ＮＨ３は、それぞれ、この発明の「第１の原料ガス」、「第２の原料ガス」に該当し、シリコン原料インジェクタ４、ＮＨ３インジェクタ６は、それぞれ、「第１の原料ガス供給口」、「第２の原料ガス供給口」に該当する。
【００３４】
また、例えば、この実施の形態において、Ｓｉ２Ｃｌ６を供給することにより、この発明の「第１の原料ガス供給工程」が実行され、ＮＨ３を供給することにより、「第２の原料ガス供給工程」が実行される。また、例えば、ＮＨ３が触媒８を通過することにより、「分解工程」が実行され、触媒８を通過したＮＨ３が、チャンバ２内に供給されることにより、「供給工程」が実施される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】この発明の実施の形態における成膜装置を説明するための模式図である。
【図２】この発明の実施の形態における試料基板を説明するための断面模式図である。
【符号の説明】
【００３６】
１００  成膜装置
２  チャンバ
４  シリコン原料インジェクタ
６  ＮＨ３インジェクタ
８  触媒
１０  排気口
１２  ボート
１４  ウェーハ
２２  Ｓｉ基板
２４  ＳＴＩ
２６  拡散層
２８  ゲート絶縁膜２８
３０  ゲート電極
３２  サイドウォール
３４  ＮｉＳｉ層
３６  ＮｉＳｉ層
３８  シリコン窒化膜
【図１】
2005197446.tif 000003
【図２】
2005197446.tif 000004