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JP3328645B2 - シリコン窒化膜の形成方法 - Google Patents
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JP3328645B2 - シリコン窒化膜の形成方法 - Google Patents

シリコン窒化膜の形成方法

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JP3328645B2 JP2000241221A JP2000241221A JP3328645B2 JP 3328645 B2 JP3328645 B2 JP 3328645B2 JP 2000241221 A JP2000241221 A JP 2000241221A JP 2000241221 A JP2000241221 A JP 2000241221A JP 3328645 B2 JP3328645 B2 JP 3328645B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術の分野】本発明は、ウェーハにシリ
コン窒化膜を形成するシリコン窒化膜の形成方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】シリコン窒化膜は、高い誘電率（high d
ielectric strength）と不純物拡散に優れたバリヤー特
性（barrier properties）及び優柔な化学的安定度（go
od chemical stability）を有するので、集積回路の製
造の際にゲート誘電膜（gate dielectries）、拡散マス
ク（diffusion masks）、及び保護膜として広く使用さ
れている。
【０００３】シリコン窒化膜の形成時は、通常、インキ
ュベーション時間（incubation time）を減らすため、
膜質の蒸着前にウェーハ上に形成された自然酸化膜（Ｓ
ｉＯ2）を窒化膜（Ｓｉ2Ｎ4）化するための前処理段階
としてＮＨ3処理工程を施す必要がある。このＮＨ3処理
は一般に高温（例えば７８０℃）／低圧（例えば、０．
０３Ｔｏｒｒ（４Ｐａ））の工程条件下で実施されてい
る。これは上述の温度よりも低い温度条件下で前処理作
業を実施すると、下部膜（例えば、自然酸化膜）の窒化
（nitridation）効果が低減し、シリコン窒化膜の形成
時に膜質の蒸着が良好に実施されないからである。
【０００４】図３は、ＮＨ3処理工程を含めた従来のシ
リコン窒化膜の形成時の工程条件変化を示した特性図で
ある。ここで、図３（ａ）は、時間帯別にチャンバ内の
温度変化を示した特性図であり、図３（ｂ）は、時間帯
別にチャンバ内の圧力変化を示した特性図である。これ
を参照して従来のシリコン窒化膜の形成方法を第４段階
に区分して説明する。
【０００５】第１段階（Ｉ）として、ウェーハをボート
に搭載した後、このボートを待機温度（例えば、５５０
℃）状態のＬＰ・ＣＶＤチャンバ内に入れる。このと
き、チャンバ内部の圧力は７６０Ｔｏｒｒ（１０１３０
０Ｐａ）を維持するようにセッティングされ、チャンバ
としては２．２５Ｔｏｒｒ（３００Ｐａ）以下で圧力制
御の可能に設計されたものが用いられる。
【０００６】第２段階（ＩＩ）として、チャンバ内に高
真空に形成するためにチャンバ内を低圧にポンピング
し、その内部温度を７８０℃まで上昇させる。チャンバ
内の温度が７８０℃まで上昇した状態で内部圧力がほぼ
真空になる程度まで低下すると、チャンバ内の残留ガス
（例えば、水蒸気）を外部に排出し、ＮＨ3処理に必要
な圧力に設定するためにチャンバ内の圧力を再び０．３
Ｔｏｒｒ（４０Ｐａ）まで上昇させる。この状態（７８
０℃の高温及び０．３Ｔｏｒｒ（４０Ｐａ）の低圧状
態）でＮＨ3処理を実施する。ＮＨ3処理が完了すると、
圧力を再び真空程度まで低下させ、チャンバ内の残留ガ
スを外部に排出し、シリコン窒化膜の形成に必要な温度
を合わせるためにチャンバ内の温度を徐々に低下させ
る。
【０００７】第３段階（ＩＩＩ）として、チャンバ内の
温度が６７０℃まで低下すると、シリコン窒化膜の形成
に必要な圧力を合わせるためにチャンバ内の圧力を０．
１８Ｔｏｒｒ（２４Ｐａ）まで上昇させる。この状態
（６７０℃の低温及び０．１８Ｔｏｒｒ（２４Ｐａ）の
低圧状態）でシリコン窒化膜を形成する。
【０００８】第４段階（ＩＶ）として、シリコン窒化膜
の形成が完了すると、チャンバ内の圧力をほぼ真空まで
低下させ、チャンバ内の残留ガスを外部に排出する。そ
して、チャンバ内の温度を初期にセッティングした５５
０℃まで低下させ、内部圧力を７６０Ｔｏｒｒ（１０１
３００Ｐａ）まで上昇させ、窒化膜の形成工程を完了す
る。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような工程条件下でシリコン窒化膜を形成する場合、膜
質蒸着時に以下のような問題が発生する。シリコン窒化
膜の形成時は、通常、下部膜（例えば、ウェーハ上に形
成された自然酸化膜）の窒化を実施するために前処理段
階としてＮＨ3処理工程が進行されているが、前処理段
階をシリコン窒化膜が形成される温度（例えば、６７０
℃）で進行する場合、下部膜の窒化を所望の水準に至る
ようにすることができないことがある。そのため、窒化
膜の形成のときに膜質蒸着が好ましく実施されない。そ
の結果、現在は窒化効果を高めるためにＮＨ3処理を７
８０℃程度の高温で実施している。
【００１０】しかし、ＮＨ3処理を７８０℃の高温で実
施する場合、チャンバ内の温度を待機温度の５５０℃か
ら７８０℃まで高める過程において、チャンバ内に残留
したガス分子が活性化される。そのため、ＮＨ3処理前
にチャンバの内部を真空状態まで低くさせるのに必要な
ポンピング時間が長くなるだけでなく、ＮＨ3処理時の
温度（例えば、７８０℃）がシリコン窒化膜の形成時の
温度（例えば、６７０℃）よりも高く、チャンバ内の温
度を７８０℃から６７０℃に低下させるにも相当に長い
時間が要求されるため、シリコン窒化膜の形成時に全体
の工程に要する時間が長くなるという問題点が発生す
る。このような問題が発生する場合、工程時間ロスによ
る生産性の低下が生じ、これに対する改善策が至急要求
されている。
【００１１】そこで、本発明の目的は、ＮＨ3処理を高
圧／低温の工程条件下で実施することにより、窒化効果
が低下することなくＮＨ3処理時に必要な時間を削減
し、シリコン窒化膜の形成時に生じる時間的なロスを防
止し、生産性を向上するシリコン窒化膜の形成方法を提
供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め本発明のシリコン窒化膜の形成方法によると、酸化膜
が形成されたウェーハを高圧バルブを有するＬＰ・ＣＶ
Ｄチャンバ内に入れ、高圧／低温の条件下でＮＨ3処理
を実施する処理段階と、処理段階と同一の温度でシリコ
ン窒化膜を形成する段階とを含んでいる。このとき、処
理段階における低温条件は６７０±５０℃の範囲内に設
定され、処理段階における高圧条件は５〜３００Ｔｏｒ
ｒ（６６０Ｐａ〜４００００Ｐａ）に設定されている。
【００１３】上記のような条件下でシリコン窒化膜を形
成する場合、ＮＨ3処理が高圧／低温の条件下で実施さ
れるので、ＮＨ3処理前にチャンバ内部を真空にするま
でに必要なポンピング時間を従来よりも削減できる。ま
た、ＮＨ3処理段階の温度とシリコン窒化膜の形成段階
の温度とが同一であるので、ＮＨ3処理後のチャンバ内
の温度を低下させる必要がなく、シリコン窒化膜の形成
時に発生する時間的なロスを防止できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を示す
実施例について説明する。図１は、本発明の実施例によ
るＮＨ3処理工程を含むシリコン窒化膜の形成時の工程
条件変化を示した特性図である。図１（ａ）は、時間帯
別にチャンバ内の温度変化を示した特性図であり、図１
（ｂ）は、時間帯別にチャンバ内の圧力変化を示した特
性図である。これらを参照して本発明に係るシリコン窒
化膜の形成方法を第４段階に区部して説明する。
【００１５】第１段階（Ｉ）として、ウェーハをボート
に搭載した後、ボートを待機状態温度（例えば５５０
℃）状態のＬＰ・ＣＶＤチャンバ内に入れる。このと
き、チャンバ内の圧力は７６０Ｔｏｒｒ（１０１３００
Ｐａ）を維持するようにセッティングされ、チャンバと
しては１０００Ｔｏｒｒ（１３３３００Ｐａ）までの広
い範囲で圧力制御が可能に設計された高圧バルブを有す
るＬＰ・ＣＶＤチャンバが用いられる。高圧バルブを有
するＬＰ・ＣＶＤチャンバは膜質を蒸着するときに広く
用いられるチャンバであるので、ここでは説明を省略す
る。
【００１６】第２段階（ＩＩ）として、チャンバ内に高
真空状態を形成するためにチャンバの内部を低圧にポン
ピングし、その内部温度を６７０℃まで上昇させる。こ
こでは、一例としてチャンバ内の温度が６７０℃の場合
について示しているが、６７０±５０℃の範囲内で変更
可能である。チャンバ内の温度が６７０℃まで上がった
状態で内部の圧力がほぼ真空状態（０Ｐａ）まで低下す
ると、チャンバ内の残留ガス（例えば、水蒸気）を外部
に排出し、ＮＨ3処理に必要な圧力を維持するためにチ
ャンバ内の圧力を再び５．０Ｔｏｒｒ（６６０Ｐａ）ま
で上昇させる。この場合も、チャンバ内の圧力が５．０
Ｔｏｒｒ（６６０Ｐａ）の場合に限って図示している
が、５．０〜３００Ｔｏｒｒ（６６０Ｐａ〜４００００
Ｐａ）の範囲内で圧力を変更可能である。この状態（６
７０℃の低温及び５．０Ｔｏｒｒ（６６０Ｐａ）の高圧
状態）でＮＨ3処理を施す。ＮＨ3処理が完了すると、チ
ャンバ内の温度を６７０℃に維持したまま圧力だけを再
びほとんど真空（０Ｐａ）まで低くしチャンバ内の残留
ガスを外部に排出する。
【００１７】第３段階（ＩＩＩ）として、チャンバ内の
温度を６７０℃に維持したままシリコン窒化膜の形成時
に必要な圧力を維持するためにチャンバ内の圧力を０．
１８Ｔｏｒｒ（２４Ｐａ）まで上昇させる。この状態
（６７０℃の低温及び０．１８Ｔｏｒｒ（２４Ｐａ）の
低圧状態）でシリコン窒化膜を形成する。
【００１８】第４段階（ＩＶ）として、シリコン窒化膜
の形成が完了されると、チャンバ内の圧力をほぼ真空
（０Ｐａ）まで低下させチャンバ内の残留ガスを外部に
排出した後、チャンバ内の温度を初期にセッティングさ
れた５５０℃まで低下させ、圧力を７６０Ｔｏｒｒ（１
０１３００Ｐａ）まで上げることにより、窒化膜の形成
工程を完了する。
【００１９】このようにシリコン窒化膜を形成する場
合、ＮＨ3処理が低圧／高温の条件でない高圧／低圧条
件下で実施されるため、ＮＨ3処理前にチャンバ内部を
ほとんど真空状態の０Ｐａまで低くするに要するポンピ
ング時間を従来よりも削減することができる。これは、
ＮＨ3処理時に必要な温度が７８０℃から６７０±５０
℃まで低下することにより、低圧／高温の工程条件下で
ＮＨ3処理を施した場合と比べチャンバ内の残留ガス分
子の活性化を抑制することができるためである。また、
ＮＨ3処理のときに設定される温度条件とシリコン窒化
膜の形成のときに設定される温度条件が同一でるので、
ＮＨ3処理後にチャンバ内の温度を下げる必要がなく、
この過程で発生する時間的なロスも低減することができ
る。その結果、シリコン窒化膜の形成時に必要な総工程
進行時間を従来よりも顕著に減らすことにより、生産性
の向上を図ることができる。
【００２０】一実験の結果として、上記のような工程条
件下でシリコン窒化膜を形成した場合、従来の条件下で
窒化膜の形成工程を進行した場合と比べ７２分程度の時
間節減が図られる。また、上述のような工程条件下でＮ
Ｈ3処理を施した場合、７８０℃の高温で前処理を施し
た場合と同一または圧力に従ってはこれより高い窒化効
果が得られることが確認されたが、図２にはこれを立証
するための実験結果を示している。
【００２１】図２は、図３に示すような従来の工程条件
下でシリコン窒化膜を形成した場合と、図１に示すよう
な本実施例による工程条件下でシリコン窒化膜を形成し
た場合におけるシリコン窒化膜の蒸着率精度を比較して
示したグラフである。通常窒化精度はシリコン窒化膜の
蒸着率に比例するため、ここでは一例としてＮＨ3処理
時のチャンバ内の圧力変化に従うシリコン窒化膜の蒸着
率精度を比較評価した。
【００２２】前記グラフにおいて「ＲＥＦ．」で表示さ
れた部分は、０．３Ｔｏｒｒ（４０Ｐａ）の低圧及び７
８０℃の高温条件下でＮＨ3処理を実施した場合におけ
るシリコン窒化膜の蒸着程度を現し、他の部分は２．５
Ｔｏｒｒ（３３０Ｐａ）以上の高圧及び６７０℃の低温
条件下でＮＨ3処理が実施された場合のシリコン窒化膜
の蒸着精度を現したものである。
【００２３】ここで、参照符号ＴはＬＰ・ＣＶＤチャン
バ内のトップ部でのシリコン窒化膜の蒸着厚さを現し、
Ｃはチャンバ内のセンター部でのシリコン窒化膜の蒸着
厚さを現し、Ｂはチャンバ内のボトム部でのシリコン窒
化膜の蒸着厚さを現す。そして、Ｔ（Ｄ／Ｒ）はチャン
バ内のトップ部におけるシリコン窒化膜の蒸着率（Å／
ｍｉｎ）を、Ｃ（Ｄ／Ｒ）はチャンバ内のセンター部に
おけるシリコン窒化膜の蒸着率、Ｂ（Ｄ／Ｒ）はチャン
バ内のボトム部におけるシリコン窒化膜の蒸着率をそれ
ぞれ示している。
【００２４】図２によると、低圧／高温の条件下ではシ
リコン窒化膜の蒸着率がゾーン別（例えば、トップ部セ
ンター部及びボトム部ごと）に（１．７、１．３、１．
１０）と測定されたが、温度を６７０℃、圧力を５Ｔｏ
ｒｒ（６６０Ｐａ）以上に高めると、ＲＥＦに対するシ
リコン窒化膜の蒸着率がこれらよりも高くなることがわ
かる。即ち、温度が６７０℃で同一であるという条件下
でチャンバ内の圧力を５Ｔｏｒｒ（６６０Ｐａ）である
場合はシリコン窒化膜のゾーン別の蒸着率が（１．８、
１．４、１．１６）となり、１０Ｔｏｒｒ（１３３０Ｐ
ａ）の場合はそれぞれ（１．８、１．４、１．２０）と
なった。
【００２５】以上の説明のように、図１に示すような本
実施例の工程条件化でシリコン窒化膜を蒸着した場合、
図３に示す従来のようなシリコン窒化膜を蒸着した場合
よりもその窒化効果が大きく現われることがわかる。
【００２６】シリコン窒化膜を形成するときに窒化効果
が大きくなると、半導体素子（特にキャパシタ）の製造
のときに既存よりも優れた誘電膜特性を確保することが
でき、誘電膜の薄膜化が可能であると同時に、キャパシ
タのＢＶ（Breakdown Voltage）特性を改善させること
ができるという付加的な効果も得られる。
【００２７】以上、実施例を通して本発明を具体的に説
明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の技術的
思想内で当分野の通常の知識によりその変形及び改良が
可能なのは当然のことである。
【００２８】
【発明の効果】以上、説明したように本発明によると、
シリコン窒化膜の形成のときにＮＨ3処理を高圧バルブ
を有するＬＰ・ＣＶＤチャンバ内で高圧／低温の条件下
で実施することにより、窒化効果の低下なしにシリコン
窒化膜の形成のとき必要な総工程時間を従来よりも顕著
に減少することができる。そして、工程時間ロスの発生
を防止し、生産性の向上を図ることができるという効果
がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例によるシリコン窒化膜の形成方
法によってシリコン窒化膜を形成する際の工程条件の変
化を示す図であって、（ａ）は温度変化、（ｂ）は圧力
変化を示す図である。
【図２】本発明の実施例によるシリコン窒化膜の形成方
法と従来のシリコン窒化膜形成方法とを比較し、異なる
条件下におけるシリコン窒化膜の蒸着率精度を示す図で
ある。
【図３】従来のシリコン窒化膜の形成方法によってシリ
コン窒化膜を形成する際の工程条件の変化を示す図であ
って、（ａ）は温度変化、（ｂ）は圧力変化を示す図で
ある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−283213（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−16763（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−172339（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/318

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 酸化膜が形成されたウェーハを高圧バル
    ブを有するＬＰ・ＣＶＤチャンバ内に入れ、高圧／低温
    条件下でＮＨ3処理を施す処理段階と、 前記処理段階と同一の温度でシリコン窒化膜を形成する
    段階と、 を含み、 前記処理段階における高圧条件は、６６０〜４００００
    Ｐａの範囲内に設定され、 前記処理段階における低温条件は、６７０±５０℃の範
    囲内に設定されている ことを特徴とするシリコン窒化膜
    の形成方法。
  2. 【請求項２】 前記酸化膜は、自然酸化膜であることを
    特徴とする請求項１に記載のシリコン窒化膜の形成方
    法。
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