(57)【要約】      （修正有）【課題】比較的低温で形成される窒化シリコン膜を提供すること。【解決手段】シリコン基板１６の低温窒化方法は、シリコンウェハ１６を真空チャンバ１４において加熱チャック２２の上に配置する工程と、シリコンウェハ１６を、ほぼ室温と４００℃との間の温度に維持する工程と、真空チャンバ１４に窒素含有ガスを導入する工程と、窒素含有ガスを、エキシマランプ１２を用いて窒素に解離して、窒素をシリコンウェハ１６上にフローする工程と、シリコンウェハ１６の少なくとも一部の上に、窒化シリコン層を形成する工程とを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板の低温窒化方法であって、
シリコンウェハを真空チャンバにおいて加熱チャックの上に配置する工程と、
該シリコンウェハを、ほぼ室温と４００℃との間の温度に維持する工程と、
該真空チャンバに窒素含有ガスを導入する工程と、
該窒素含有ガスを、エキシマランプを用いて窒素に解離して、該窒素を該シリコンウェハ上にフローする工程と、
該シリコンウェハの少なくとも一部の上に、窒化シリコン層を形成する工程と
を包含する、方法。
【請求項２】
前記真空チャンバを、約５ｍＴｏｒｒ〜２００ｍＴｏｒｒの間の圧力に維持する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記真空チャンバに窒素含有ガスを導入する工程は、約２ｓｃｃｍ〜５０ｓｃｃｍの間のガス流量を提供する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記維持する工程は、前記ウェハを前記真空チャンバにおいて窒素と接触した状態で約３０秒間〜３時間維持する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
約６Å〜５０Åの間の厚さを有するシリコンウェハ上に、約３０秒間〜３時間の期間で、窒化シリコン層を形成する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記窒素含有ガスは、Ｎ２、ＮＨ３、ＮＨ２、およびＮＨ、ならびにこれらの組合せからなるガスの群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記形成する工程は、前記窒化物層にわたって、正に帯電した界面を提供する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記配置する工程は、真空チャンバ内で上面に酸化シリコンの層を有するシリコンウェハを配置する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
シリコン基板の低温窒化方法であって、
シリコンウェハを真空チャンバにおいて加熱チャックの上に配置する工程と、
該シリコンウェハを、ほぼ室温と４００℃との間の温度に維持する工程と、
該真空チャンバに窒素含有ガスを導入する工程であって、該窒素含有ガスは、Ｎ２、ＮＨ３、ＮＨ２、およびＮＨ、ならびにこれらの組合せからなるガスの群から選択される、工程と、
該窒素含有ガスを、約１７２ｎｍの波長の光を生成するエキシマランプを用いて窒素に解離して、該窒素を該シリコンウェハ上にフローする工程と、
該シリコンウェハの少なくとも一部の上に、窒化シリコン層を形成する工程と
を包含する、方法。
【請求項１０】
約６Å〜５０Åの間の厚さを有するシリコンウェハ上に、約３０秒間〜３時間の期間で、窒化シリコン層を形成する工程を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記維持する工程は、前記ウェハを前記真空チャンバにおいて窒素と接触した状態で約３０秒間〜３時間維持する工程を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記真空チャンバを、約５ｍＴｏｒｒ〜２００ｍＴｏｒｒの間の圧力に維持する工程をさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記真空チャンバに窒素含有ガスを導入する工程は、約２ｓｃｃｍ〜５０ｓｃｃｍの間のガス流量を提供する工程を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記形成する工程は、前記窒化物層にわたって、正に帯電した界面を提供する工程を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記配置する工程は、真空チャンバ内で上面に酸化シリコンの層を有するシリコンウェハを配置する工程を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
シリコン基板の低温窒化方法であって、
シリコンウェハを真空チャンバにおいて加熱チャックの上に配置する工程と、
該シリコンウェハを、ほぼ室温と４００℃との間の温度に維持する工程と、
窒化物層にわたって正に帯電した界面を提供する工程と、
該真空チャンバに窒素含有ガスを導入する工程と、
該窒素含有ガスを、エキシマランプを用いて窒素に解離して、該窒素を該シリコンウェハ上にフローする工程と、
該シリコンウェハの少なくとも一部の上に、窒化シリコン層を形成する工程と
を包含する、方法。
【請求項１７】
前記窒素含有ガスは、Ｎ２、ＮＨ３、ＮＨ２、およびＮＨ、ならびにこれらの組合せからなるガスの群から選択される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記真空チャンバを、約５ｍＴｏｒｒ〜２００ｍＴｏｒｒの間の圧力に維持する工程をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
約６Å〜５０Åの間の厚さを有するシリコンウェハ上に、約３０秒間〜３時間の期間で、窒化シリコン層を形成する工程を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記維持する工程は、前記ウェハを前記真空チャンバにおいて窒素と接触した状態で約３０秒間〜３時間維持する工程を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記真空チャンバに窒素含有ガスを導入する工程は、約２ｓｃｃｍ〜５０ｓｃｃｍの間のガス流量を提供する工程を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
前記配置する工程は、真空チャンバ内で上面に酸化シリコンの層を有するシリコンウェハを配置する工程を含む、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン上の集積回路の製造、具体的には、集積回路内に低温で高品質の窒化シリコンを形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱成長窒化シリコン膜は、従来のＩＣ製造においては殆ど用いられてこなかった。これは、窒化シリコン膜を形成するために必要な温度が、ＳｉＯ２形成のために必要な温度よりも高く、より高い温度は、ＳｉＯ２層の損傷の原因となり得るからである。その代わり、低圧化学気相成長（ＬＰＣＶＤ）またはプラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）窒化シリコン膜のいずれかが代表的に用いられ得る（例えば、非特許文献１）。窒化シリコンは、化学量論的Ｓｉ３Ｎ４組成物の近傍に堆積される場合、高密度および良好な拡散バリア性質を示す。良好な高品質の、薄い、例えば、１ｎｍ〜１００ｎｍの間の窒化シリコン層が所望される場合がある。一例として、ｐ型ゲートからチャネル領域へのホウ素の拡散を防ぐ、酸化シリコンゲート誘電体の上部スタックとして所望される場合がある。他の例として、例えば、二酸化シリコン層の下のエッチングストップとして所望される場合がある。
【０００３】
ＬＰＣＶＤ技術は、窒化シリコンを、７００℃〜９００℃の温度で、ＳｉＨ４およびＮＨ３を用いて速い堆積速度で堆積する。速い堆積速度のため、この技術は、マスキングおよび拡散を防止する用途において非常に有用になる。しかし、速い堆積速度によって、膜は、室温まで冷却されたときに高い度合いの応力がかけられる。ＰＥＣＶＤ技術はまた、約２７５℃〜４００℃の間の温度で速い堆積速度を有する。ＰＥＣＶＤによって形成される膜は、その中に大量の水素が混ざり、ＬＰＣＶＤ膜よりも速いウェットエッチング速度を有する。他の代替例は、窒化シリコンを、プラズマ状態でシリコンターゲットおよび窒素を用いて、反応性スパッタリングを行うことである（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】米国特許第６，２７４，５１０号明細書
【非特許文献１】Ｓ．Ｋ．Ｇａｎｄｈｉ著、ＶＬＳＩ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ：Ｓｉｌｉｃｏｎ  ａｎｄ  Ｇａｌｌｉｕｍ  Ａｒｓｅｎｉｄｅ、２ｎｄ  ｅｄ．、１９９４年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
熱成長窒化シリコン膜は、従来のＩＣ製造においては殆ど用いられてこなかった。これは、窒化シリコン膜を形成するために必要な温度が、ＳｉＯ２形成のために必要な温度よりも高く、より高い温度は、ＳｉＯ２層の損傷の原因となり得るからである。しかし、窒化シリコンは、化学量論的Ｓｉ３Ｎ４組成物の近傍に堆積される場合、高密度および良好な拡散バリア性質を示すため、ｐ型ゲートからチャネル領域へのホウ素の拡散を防ぐ、酸化シリコンゲート誘電体の上部スタック、または二酸化シリコン層の下のエッチングストップといった、良好な高品質の、薄い（例えば、１ｎｍ〜１００ｎｍの間）窒化シリコン層が所望される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（発明の要旨）
シリコン基板の低温窒化方法は、シリコンウェハを真空チャンバにおいて加熱チャックの上に配置する工程と、該シリコンウェハを、ほぼ室温と４００℃との間の温度に維持する工程と、該真空チャンバに窒素含有ガスを導入する工程と、該窒素含有ガスを、エキシマランプを用いて窒素に解離して、該窒素を該シリコンウェハ上にフローする工程と、該シリコンウェハの少なくとも一部の上に、窒化シリコン層を形成する工程とを含む。
【０００６】
本発明の目的は、集積回路において用いられる高品質窒化シリコン膜を提供することである。
【０００７】
本発明の他の目的は、比較的低温で形成される窒化シリコン膜を提供することである。
【０００８】
本発明のこの要旨および目的は、本発明の性質についてのおおまかな理解を可能にするために提供される。本発明のより完全な理解は、以下の本発明の好適な実施形態の詳細な説明を図面と共に参照することによって得ることができる。
【０００９】
本発明のシリコン基板の低温窒化方法は、シリコンウェハを真空チャンバにおいて加熱チャックの上に配置する工程と、該シリコンウェハを、ほぼ室温と４００℃との間の温度に維持する工程と、該真空チャンバに窒素含有ガスを導入する工程と、該窒素含有ガスを、エキシマランプを用いて窒素に解離して、該窒素を該シリコンウェハ上にフローする工程と、該シリコンウェハの少なくとも一部の上に、窒化シリコン層を形成する工程とを包含し、それにより上記目的が達成される。
【００１０】
前記真空チャンバを、約５ｍＴｏｒｒ〜２００ｍＴｏｒｒの間の圧力に維持する工程をさらに含んでもよい。
【００１１】
前記真空チャンバに窒素含有ガスを導入する工程は、約２ｓｃｃｍ〜５０ｓｃｃｍの間のガス流量を提供する工程を含んでもよい。
【００１２】
前記維持する工程は、前記ウェハを前記真空チャンバにおいて窒素と接触した状態で約３０秒間〜３時間維持する工程を含んでもよい。
【００１３】
約６Å〜５０Åの間の厚さを有するシリコンウェハ上に、約３０秒間〜３時間の期間で、窒化シリコン層を形成する工程を含んでもよい。
【００１４】
前記窒素含有ガスは、Ｎ２、ＮＨ３、ＮＨ２、およびＮＨ、ならびにこれらの組合せからなるガスの群から選択されてもよい。
【００１５】
前記形成する工程は、前記窒化物層にわたって、正に帯電した界面を提供する工程を含んでもよい。
【００１６】
前記配置する工程は、真空チャンバ内で上面に酸化シリコンの層を有するシリコンウェハを配置する工程を含んでもよい。
【００１７】
本発明のシリコン基板の低温窒化方法は、シリコンウェハを真空チャンバにおいて加熱チャックの上に配置する工程と、該シリコンウェハを、ほぼ室温と４００℃との間の温度に維持する工程と、該真空チャンバに窒素含有ガスを導入する工程であって、該窒素含有ガスは、Ｎ２、ＮＨ３、ＮＨ２、およびＮＨ、ならびにこれらの組合せからなるガスの群から選択される、工程と、該窒素含有ガスを、約１７２ｎｍの波長の光を生成するエキシマランプを用いて窒素に解離して、該窒素を該シリコンウェハ上にフローする工程と、該シリコンウェハの少なくとも一部の上に、窒化シリコン層を形成する工程とを包含し、それにより上記目的が達成される。
【００１８】
約６Å〜５０Åの間の厚さを有するシリコンウェハ上に、約３０秒間〜３時間の期間で、窒化シリコン層を形成する工程を含んでもよい。
【００１９】
前記維持する工程は、前記ウェハを前記真空チャンバにおいて窒素と接触した状態で約３０秒間〜３時間維持する工程を含んでもよい。
【００２０】
前記真空チャンバを、約５ｍＴｏｒｒ〜２００ｍＴｏｒｒの間の圧力に維持する工程をさらに含んでもよい。
【００２１】
前記真空チャンバに窒素含有ガスを導入する工程は、約２ｓｃｃｍ〜５０ｓｃｃｍの間のガス流量を提供する工程を含んでもよい。
【００２２】
前記形成する工程は、前記窒化物層にわたって、正に帯電した界面を提供する工程を含んでもよい。
【００２３】
前記配置する工程は、真空チャンバ内で上面に酸化シリコンの層を有するシリコンウェハを配置する工程を含んでもよい。
【００２４】
本発明のシリコン基板の低温窒化方法は、シリコンウェハを真空チャンバにおいて加熱チャックの上に配置する工程と、該シリコンウェハを、ほぼ室温と４００℃との間の温度に維持する工程と、窒化物層にわたって正に帯電した界面を提供する工程と、該真空チャンバに窒素含有ガスを導入する工程と、該窒素含有ガスを、エキシマランプを用いて窒素に解離して、該窒素を該シリコンウェハ上にフローする工程と、該シリコンウェハの少なくとも一部の上に、窒化シリコン層を形成する工程とを包含し、それにより上記目的が達成される。
【００２５】
前記窒素含有ガスは、Ｎ２、ＮＨ３、ＮＨ２、およびＮＨ、ならびにこれらの組合せからなるガスの群から選択されてもよい。
【００２６】
前記真空チャンバを、約５ｍＴｏｒｒ〜２００ｍＴｏｒｒの間の圧力に維持する工程をさらに含んでもよい。
【００２７】
約６Å〜５０Åの間の厚さを有するシリコンウェハ上に、約３０秒間〜３時間の期間で、窒化シリコン層を形成する工程を含んでもよい。
【００２８】
前記維持する工程は、前記ウェハを前記真空チャンバにおいて窒素と接触した状態で約３０秒間〜３時間維持する工程を含んでもよい。
【００２９】
前記真空チャンバに窒素含有ガスを導入する工程は、約２ｓｃｃｍ〜５０ｓｃｃｍの間のガス流量を提供する工程を含んでもよい。
【００３０】
前記配置する工程は、真空チャンバ内で上面に酸化シリコンの層を有するシリコンウェハを配置する工程を含んでもよい。
【発明の効果】
【００３１】
本発明により、比較的低温で形成される窒化シリコン膜を提供することができ、高品質窒化シリコン膜を用いた集積回路を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本明細書に開示した本発明の方法は、シリコンを窒化シリコンに変換するため、窒素ラジカルを用いる。本発明の方法はまた、上面の酸化物を置換し、酸化シリコンの少なくとも一部を窒化シリコンに変換することによって、成長済みの酸化物層上に薄い窒化物層を形成し得る。窒化シリコン層が比較的低温で形成され得るので、固有の応力レベルは大幅に低減される。これは、プラズマにおいて生成されるラジカルを用いて行われることが報告されている（Ｋ．Ｗａｔａｎａｂｅらによる「Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  ｔｈｅ  ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  ｎｉｔｒｏｇｅｎ  ｉｎ  ｕｌｔｒａｔｈｉｎ  ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ  ｆｉｌｍｓ  ｆｏｒｍｅｄ  ｂｙ  ｕｓｉｎｇ  ｏｘｙｇｅｎ  ａｎｄ  ｎｉｔｒｏｇｅｎ  ｒａｄｉｃａｌｓ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７６、２９４０（２０００））。本発明の方法において、これは、大量のシリコン損傷を引き起こし得るプラズマ放電なしに行われ得る。この技術の不利な点は、５ｎｍまでの厚さが適切であり、より厚い膜を成長させることはより高い温度が用いられない限り不可能に近いということである。
【００３３】
本発明の方法は、窒化シリコンに変換されるシリコン層、または酸化シリコン層の表面の上または近傍に、大量の窒素ラジカルを生成する。ラジカルは、ＮＨ３の光分解によって生成される。ここで用いられる光源は、１７２ｎｍの波長、すなわち７．２１ｅＶのエネルギーで効率的に放射するＸｅ２エキシマランプである。ＮＨ２−Ｈの結合エネルギーは４．８ｅＶであり、Ｎ−Ｈの結合エネルギーは３．３ｅＶであり、ＮＨ−Ｈはこれらの値の間であることが予測され、エキシマランプのフォトンエネルギーは、アンモニア内の窒素を水素原子から切断するには十分である。ＮＨ３、ＮＨ２、ＮＨ、およびＮのイオン化ポテンシャルは、それぞれ、１０．２ｅＶ、１１．４ｅＶ、１３．１ｅＶ、および１４．５ｅＶであり、気相におけるイオンの形成は起こりそうもない。
【００３４】
本発明の方法において用いられる装置全体を、参照符号１０を付けて図１に示す。１７２ｎｍの波長の光を発するエキシマランプ１２は、酸化されるシリコンウェハ１６の表面の上の真空チャンバ１４内に配置される。エキシマランプ１２は、キセノンベースのランプであり、手頃な価格で市販されている。このようなランプのうちの１つとして、Ｏｓｒａｍ  Ｓｙｌｖａｎｉａ製のＸｅｒａｄｅｘ（登録商標）ランプがある。
【００３５】
窒素含有ガス、例えば、ＮＨ３の安定したフローが、吸気口１８を介してチャンバ１４に導入される。チャンバ１４における圧力は、スロットルバルブ２０によって制御される。スロットルバルブ２０は、チャンバとポンプシステムとの間に位置する。ウェハ１６は、加熱チャック２２上に位置する。チャック２２の温度は、約４００℃まで上昇させることができる。ウェハとチャックとの間の熱連結は、良好ではないので、チャック温度が４００℃に設定される場合、実際のウェハ温度は２５０℃よりも低くなり得る。チャンバ圧は、約５ｍＴｏｒｒ〜２００ｍＴｏｒｒの間の範囲で制御される。ＮＨ３の流量は、約２ｓｃｃｍ〜５０ｓｃｃｍの間で調節される。
【００３６】
エキシマランプ１２は、１７２ｎｍの波長で放射する。このＸｅエキシマランプは、手頃な価格で市販されている。本発明の方法の開発において、Ｏｓｒａｍ  Ｓｙｌｖａｎｉａ製のＸｅｒａｄｅｘ（登録商標）ランプが用いられた。６Å〜５０Åの間の厚さを有する窒化シリコンの層が、本発明の方法および装置を用いて、約３０秒〜３時間の間の時間で成長され得る。
【００３７】
ウェハ表面の直接照射によって、光電子、および窒化プロセスに関与し得る帯電した表面が生成され得る。シリコンの仕事関数は、５ｅＶよりも低く、電子は２．２ｅＶを超える運動エネルギーを有し得る。低エネルギー電子の電子付着は、非常に安定した、負に帯電した種、例えば、ＮＨ２−を生成し得る。基板の表面上に吸着した分子はまた、窒化物層成長においても役割を果たし得る。Ｊ．Ｊｏｓｅｐｈらによって報告されているように（Ａ  ｋｉｎｅｔｉｃｓ  ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  ｐｌａｓｍａ  ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｉｌｉｃｏｎ，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．  Ｂ１０  ６１１（１９９２））、１９４８年にＣａｂｒｅｒａおよびＭｏｔｔによって提案された酸化金属モデルと同様に、正に帯電した界面が負のイオンを引き付ける、成長中の誘電体層にわたって電界を印加することが、膜の成長に役立ち得る。
【００３８】
観測される膜成長速度は、Ｃａｂｒｅｒａ−Ｍｏｔｔにより予測されるように、または、熱成長モデルから予測されるようには、放物線状関数をたどらない。図２に、室温、すなわち、名目上１５℃のチャンバにおいて、２３５℃のウェハ温度に対応する４００℃のチャック温度で、５０ｍＴｏｒｒのチャンバ圧で、観測された成長速度を示す。本発明の方法を用いると、５０Åよりも厚い膜の成長には、３時間よりも長い時間がかかり、その厚さにしては、過度な長さに近い。
【００３９】
窒化物のような特性のテストでは、高温での拡散防止に効果がある。これは、１８分間の１０００℃でのドライ酸化の間、酸化を防ぐことで示される。露出したシリコンウェハは、酸化されて、１９ｎｍの二酸化シリコン層が生成される。約１．２ｎｍの窒化物によって酸素が効率的に遮断され、形成される酸化物は２．０ｎｍ未満である。これは、図３に、室温および４００℃のチャック温度での窒化プロセスについて、示されている。高温での窒化物の方が、１．０ｎｍ以下の領域における拡散防止においては効率的であることが分かる。
【００４０】
ＮＨ３ではなくＮ２を用いて窒化されたサンプルの１つを図２および３に示す。Ｎ２は、ＮＨ３の代替品として見込みがある。
【００４１】
エキシマランプ技術の進歩によって、別の波長を用いることも可能になる。他のエキシマは、１２６ｎｍ、１４６ｎｍ、２２２ｎｍ、および３０８ｎｍの光を生成するが、１７２ｎｍのＸｅ２と比較するとそれほど効率的ではない。
【００４２】
ランプの形状は、基板の周りにリングを形成するように変更されてもよいし、基板に対して異なる向きに位置されるように変更されてもよい。様々なランプの形が可能であり、このプロセスが機能するために様々な位置に置かれ得る。
【００４３】
以上、シリコンの低温窒化の方法およびシステムが開示された。さらなる変更および改善が、添付の特許請求の範囲で定義されるような本発明の範囲内で為され得ることが理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１は、低温窒化を達成するために用いられる装置の模式図である。
【図２】図２は、室温および４００℃のチャック温度での窒化シリコン層の成長速度を表す図である。
【図３】図３は、熱成長の防止における、窒化物層の効率を表す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０  装置
１２  エキシマランプ
１４  真空チャンバ
１６  シリコンウェハ
１８  吸気口
２０  スロットルバルブ
２２  加熱チャック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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