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JP7541466B2 - シリコン含有薄膜形成用組成物およびシリコン含有薄膜の形成方法 - Google Patents
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JP7541466B2 - シリコン含有薄膜形成用組成物およびシリコン含有薄膜の形成方法 - Google Patents

シリコン含有薄膜形成用組成物およびシリコン含有薄膜の形成方法 Download PDF

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Description

本発明は、シリコン含有薄膜形成用組成物およびシリコン含有薄膜の形成方法に関する。
シリコン窒化(SiN)膜やシリコン炭窒化膜のようなシリコン含有薄膜は、化学的に不活性な薄い不動態層を構成することができ、半導体デバイスの製作において必須の材料である。例えば、シリコン窒化膜は、薄膜トランジスタを形成する際、ゲート絶縁膜やサイドウォールスペーサー等に用いられる。
一般的なシリコン窒化膜の製造方法として、ジクロロシラン(DCS:Dichlorosilane)とアンモニア(NH)とを用いるホットウォール型低圧化学気相成長法(LPCVD:Low pressure chemical Vapor deposition)により、600~750℃の成膜温度で形成する方法が知られている。一方、Fin-FETなどの3次元トランジスタでは、チャネル材料をシリコンからシリコンゲルマニウム、ゲルマニウムへと変更することが求められており、上記ゲルマニウムの性質上、チャネル形成後のシリコン窒化膜の成膜温度は、500℃未満にすることが不可欠である。しかしながら、従来のシリコン窒化膜形成技術では、500℃未満の成膜温度で良質な膜質のシリコン窒化膜が得られていないのが実状である。
ところで、近年、微細化や高集積化が進み、集積回路の水平寸法、垂直寸法が縮小し続ける中で、Åオーダーの膜厚制御、ならびに良好なカバレッジ特性を有する薄膜形成技術が求められている。
一般的に、シリコン窒化膜の製造は、原料ガスのシリコン材料と反応ガスの窒化材料とを、それぞれ交互にチャンバへ供給して行う。チャンバ内では、基板表面に吸着した原料化合物が、熱エネルギーによって窒化反応ガスと化学反応を生じて薄膜が形成される。このように、原料ガスと反応ガスとを交互に供給して薄膜を形成する方法は、原子層堆積法(ALD:Atomic Layer Deposition)と呼ばれている。
ALD法には、反応ガスをプラズマ活性化させた状態で供給する、プラズマ援用方式がある。このプラズマ援用方式では、シリコン含有膜形成する際に成膜温度を低くできるメリットがあるが、下地基板へのダメージの影響が避けられない点、ステップカバレッジ良好でない点、といった大きなデメリットが存在する。そのため、プラズマを用いない成膜プロセスが望まれており、低い温度でも窒化反応が進行する成膜材料および成膜プロセスの開発が行われている。
非特許文献1および特許文献1には、ヘキサクロロジシラン(HCDS、SiCl)とアンモニア(NH)とを用いた、成膜温度400℃以下のシリコン窒化膜形成技術が開示されている。
一方、塩素フリーなシリコン材料として、ビスターシャリーブチルアミノシラン(BTBAS)のようなアミノシラン化合物が知られている。
特開2002-343793号公報
M.Tanaka et al.,J.Electrochem.Soc.147,2284(2000)
しかしながら、非特許文献1および特許文献1に記載の発明では、HCDSとNHを用いた場合、500℃未満の成膜温度では、HCDS由来の塩素が膜中に多く残留し、粗な膜が形成されるという課題がある。さらに、副生成物としてアンモニウム塩、具体的には塩化アンモニウム(NHCl)が生成しやすいことが知られおり、プロセス中の基板を汚染するだけでなく、排気配管の閉塞の要因となる。
また、アミノシラン化合物は、塩化アンモニウムが発生せず、膜中に塩素が残留しない材料として有望であるが、500℃未満の成膜温度ではシリコン窒化膜を形成できないという課題がある。
このように、化学気相成長法を用いたシリコン含有薄膜の形成において、従来の原料では、優れたシリコン含有薄膜が得られず、種々の要求に対して充分に応えることができていないのが実情であった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、化学気相成長法を用い、500℃未満の成膜温度で良質なシリコン含有薄膜を形成可能であり、副生成物の生成量が少ないシリコン含有薄膜形成用組成物およびシリコン含有薄膜の形成方法を提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を備える。
] 化学気相成長法によってシリコン含有薄膜を形成する際、シリコン含有原料として用いるシリコン含有薄膜形成用組成物であって、
下式11及び13で表されるクロロアミノジシラン化合物からなる群のうち、いずれか1種類以上を含むシリコン含有薄膜形成用組成物。

Figure 0007541466000001

Figure 0007541466000002

ただし、式11及び13中、R1、R2およびR3は、それぞれ独立して選択される、炭素数1~5の直鎖または分枝の飽和アルキル基である。
また、式11中、xおよびyは、1≦x+yを満たし、0~2の中から選択される整数である。
[2] 化学気相成長法によってシリコン含有薄膜を形成する、シリコン含有薄膜の形成方法であって、
シリコン含有原料として、[1]に記載のシリコン含有薄膜形成用組成物を用いる、シリコン含有薄膜の形成方法。
[3] 処理室内の被処理基材の表面温度を所要の温度に制御し、前記処理室内の前記被処理基材に、前記シリコン含有原料を供給するステップと、
前記処理室内の前記被処理基材に、窒素含有原料を供給するステップと、を含む、[2]に記載のシリコン含有薄膜の形成方法。
[4] 処理室内の被処理基材の表面温度を所要の温度に制御し、前記処理室内の前記被処理基材に、前記シリコン含有原料を供給するステップと、
前記シリコン含有原料の供給を停止するステップと、
前記処理室内の前記被処理基材に、窒素含有原料を供給するステップと、
前記窒素含有原料の供給を停止するステップと、を含むサイクルを繰り返す、[2]に記載のシリコン含有薄膜の形成方法。
[5] 前記サイクルが、前記処理室内に残留する前記シリコン含有原料を前記処理室内から除去するステップをさらに含む、[4]に記載のシリコン含有薄膜の形成方法。
[6] 前記サイクルが、前記処理室内に残留する前記窒素含有原料を前記処理室内から除去するステップをさらに含む、[4]又は[5]に記載のシリコン含有薄膜の形成方法。
[7] 前記サイクルが、前記処理室内の前記被処理基材に、前記シリコン含有原料とは異なる他のシリコン含有原料を供給するステップをさらに含む、[4]乃至[6]のいずれかに記載のシリコン含有薄膜の形成方法。
[8] 前記サイクルが、前記処理室内の前記被処理基材に、前記窒素含有原料とは異なる他の窒素含有原料を供給するステップをさらに含む、[4]乃至[7]のいずれかに記載のシリコン含有薄膜の形成方法。
[9] 前記窒素含有原料が、アンモニア、ヒドラジン、モノメチルヒドラジン、ジメチルヒドラジン、ターシャリーブチルヒドラジン、ジメチルアミン、モノメチルアミン、及びターシャリーブチルアミンからなる群から選択される1つ以上の窒素含有化合物を含む、[3]乃至[8]のいずれかに記載のシリコン含有薄膜の形成方法。
[10] 前記シリコン含有薄膜は、シリコン窒化膜又はシリコン炭窒化膜である、[2]乃至[9]のいずれかに記載のシリコン含有薄膜の形成方法。
[11] 処理室内の被処理基材の表面温度を、500℃未満の温度に制御する、[2]乃至[10]のいずれかに記載のシリコン含有薄膜の形成方法。
本発明のシリコン含有薄膜形成用組成物およびシリコン含有薄膜の形成方法によれば、化学気相成長法を用い、500℃未満の成膜温度で良質なシリコン含有薄膜を形成可能であり、副生成物の生成量が少ない。
本発明のシリコン含有薄膜の形成方法に適用可能な成膜装置の構成を模式的に示す系統図である。
本明細書において、式1で表される化合物を化合物1と記す。他の式で表される化合物も同様に記す。
本明細書における下記の用語の意味は以下の通りである。
「シリコン含有原料」とは、シリコン原子を2以上有するシリコン含有化合物を主成分として含むものであり、具体的には50%以上、好ましくは90%以上含むものを意味する。また、シリコン含有原料は、適切な範囲内で2種以上のシリコン含有化合物を含んでいてもよい。また、シリコン含有原料は、精製前の粗原料、シリコン含有化合物を合成する際に発生した副生成物、保管中に発生した副生成物を適切な範囲内で不純物として含んでいてもよい。
「窒素含有原料」とは、窒素原子を1以上有する窒素含有化合物を主成分とするものを意味する。また、窒素含有原料は、適切な範囲内で2種以上の窒素含有化合物を含んでいてもよい。また、窒素含有原料は、精製前の素原料、窒素含有化合物を合成する際に発生した副生成物、保管中に発生した副生成物を適切な範囲内で不純物として含んでいてもよい。
「シリコン含有薄膜」とは、Si原子を主成分として含み、膜中Si含有量が20atm%以上の被膜を意味する。また、シリコン含有薄膜は、適切な範囲内で膜中にN原子、O原子、C原子を含んでいてもよい。
「シリコン窒化膜」とは、Si原子とN原子とを主成分として含む被膜を意味する。また、シリコン窒化膜は、適切な範囲内で膜中にO原子やC原子を含んでいてもよい。具体的には、シリコン窒化膜は、膜中にO原子を0~30atm%含んでいてもよいし、C原子を0~30atm%含んでいてもよい。
「シリコン炭窒化膜」とは、Si原子とN原子とC原子とを主成分として含む被膜を意味する。また、シリコン炭窒化膜は、適切な範囲内で膜中にO原子を含んでいてもよい。具体的には、シリコン炭窒化膜は、膜中にO原子を0~30atm%含んでいてもよい。
数値範囲を示す「~」は、その前後に記載された数値を下限値および上限値として含むことを意味する。
<シリコン含有薄膜形成用組成物>
本発明は、化学気相成長法によってシリコン含有薄膜を形成する際、シリコン含有原料として用いるシリコン含有薄膜形成用組成物(以下、「本組成物」とも記す)である。
(クロロアミノジシラン化合物)
本組成物は、下式1で表されるクロロアミノジシラン化合物からなる群のうち、いずれか1種以上を含む。
SiCl-SiCl 式1
ただし、式1中、XおよびYは、NHR1、又はNR2R3のアルキルアミノ基である。
また、式1中、R1、R2およびR3は、それぞれ独立して選択される、炭素数1~5の直鎖または分枝の飽和アルキル基である。なお、炭素数5を超えた直鎖又は分枝の飽和アルキル基、環状飽和アルキルや環状不飽和アルキルの化合物は、固体であることが多く、液体であったとしても蒸気圧が低く、気化供給などのハンドリングが難しいため、薄膜形成用組成物に適さない。
[直鎖状アルキル基]
炭素数1~5の、直鎖の飽和アルキル基は、以下の通りである。
・炭素数1:「-CH
・炭素数2:「-CHCH」(以下、「-C」と記載することもある。)
・炭素数3:「-(CHCH」(以下、「-C」と記載することもある。)
・炭素数4:「-(CHCH」(以下、「-C」と記載することもある。)
・炭素数5:「-(CHCH」(以下、「-C11」と記載することもある。)
[分枝状アルキル基]
炭素数3~5の、分枝の飽和アルキル基は、以下の通りである。
・炭素数3:「-CH(CH
・炭素数4:「-CHCH(CH」、「-CH(CH)(C)」、「-C(CH
・炭素数5:「-(CHCH(CH」、「-CHCH(CH)CHCH」、「-CH(CH)(CHCH」、「-CH(CH)CH(CH」、「-CHC(CH」、「-C(CH(C)」、「-CH(C
ここで、式1中、R1として直鎖の飽和アルキル基を選択すると、分子内電荷に分極が生まれ、基板表面への物理吸着および化学吸着反応が起こりやすい効果が得られる。
また、式1中、R1として分枝の飽和アルキル基を選択すると、直鎖の飽和アルキル基と同様、分子内電荷に分極が生じるため、基板表面への化学吸着反応が起こりやすい効果が得られる。ただし、直鎖の飽和アルキル基よりも、分枝の飽和アルキル基の方が嵩高い基であるため、分解しやすい構造となる。したがって、より低温で化学吸着反応が生じやすくなる点で、分枝の飽和アルキル基の方が好ましい。
ここで、式1中、R2およびR3として直鎖の飽和アルキル基を選択すると、分子内電荷に分極が生まれ、基板表面への物理吸着および化学吸着反応が起こりやすい効果が得られる。
また、式2中、R2およびR3として分枝の飽和アルキル基を選択すると、直鎖の飽和アルキル基と同様、分子内電荷に分極が生じるため、基板表面への化学吸着反応が起こりやすい効果が得られる。ただし、直鎖の飽和アルキル基よりも、分枝の飽和アルキル基の方が嵩高い基であるため、分解しやすい構造となる。したがって、より低温で化学吸着反応が生じやすくなる点で、分枝の飽和アルキル基の方が好ましい。
また、式1中、R1として炭素数が小さい飽和アルキル基を選択すると、炭素数が大きい飽和アルキル基と比べて分子量が小さい分子構造であるため、蒸気圧が高い化合物が得られる。なお、蒸気圧が高い材料の方が、低い材料よりも、気化供給などの取扱いが容易になる点で、好ましい。
一方、式1中、R1として炭素数が大きい飽和アルキル基を選択すると、炭素数が大きい飽和アルキル基であるほど、N原子に結合するH原子とR1の非対称性が高くなるため、分解しやすい構造となり、より低温で化学吸着反応が生じやすくなる点で、好ましい。
また、式1中、R2およびR3として炭素数が小さい飽和アルキル基を選択すると、大きい飽和アルキル基と比べ分子量が小さい分子構造であるため、蒸気圧が高い化合物が得られる。
なお、蒸気圧が高い材料の方が、低い材料よりも、気化供給などの取扱いが容易になる点で、好ましい。
一方、式1中、R2およびR3として炭素数が大きい飽和アルキル基を選択すると、炭素数が大きい飽和アルキル基であるほど、嵩高い基であるため、分解しやすい構造となるため、より低温で化学吸着反応が生じやすい。
また、式1中、R2およびR3として同一の飽和アルキル基を選択すると、対称性が高いため、分子内電荷の偏りが少なく、熱安定性が良好な化合物が得られる。
一方、式1中、R2およびR3として異なる飽和アルキル基を選択すると、非対称性が高くなるため、分解しやすい構造となり、より低温で化学吸着反応が生じやすい。
シリコン含有薄膜を形成する観点では、式1中、R1として、蒸気圧が高い効果が得られる「-(CHCH」や「-CH(CH」の飽和アルキル基を選択することが好ましく、より電荷の偏りが生まれ分解しやすく低温で化学吸着反応が生じやすい「-C(CH」、「-CH(CH)(C)」、「-C(CH(C)、「-CH(C」の飽和アルキル基を選択することがより好ましい。
シリコン含有薄膜を形成する観点では、式1中、R2およびR3として、蒸気圧が高い効果が得られる「-(CHCH」や「-CH(CH」の飽和アルキル基を選択することが好ましく、より電荷の偏りが生まれ分解しやすく低温で化学吸着反応が生じやすい「-C(CH」、「-CH(CH)(C)」、「-C(CH(C)、「-CH(C」の飽和アルキル基を選択することがより好ましい。
また、式1中、a、b、c、d、eおよびfは、以下の5つの式(1)~(5)を満たす整数である。
(1)a+b+c=3
(2)d+e+f=3
(3)1≦a+d≦4
(4)1≦b+e≦5
(5)0≦c+f≦4
ここで、式1中、aおよびdは、本化合物中の「Si-Cl」結合の数を示すものである。
化合物1中、「Si-Cl」結合の数が多い(すなわち、上式(3)に示す「a+d」が3または4である)と、「Si-Cl」結合が基板表面と衝突する確率が増加するため、吸着反応が生じやすくなる効果が得られる。
一方、化合物1中、「Si-Cl」結合の数が少ない(すなわち、上式(3)に示す「a+d」が1または2である)と、膜中にA(ハロゲン原子)が残留する割合が減少するため、膜質の良いシリコン含有薄膜が形成するという効果が得られる。そのため、「Si-Cl」結合の数が少ないほうが、より好ましい。
また、式1中、bおよびeは、本化合物中の「Si-X,Y(アルキルアミノ基)」結合の数を示すものである。
化合物1中、「Si-X,Y」結合の数が多い(すなわち、上式(4)に示す「b+e」が4または5である)と、化合物の熱安定性が向上する効果が得られる。
一方、化合物1中、「Si-X,Y」結合の数が少ない(すなわち、上式(4)に示す「b+e」が1または2である)と、「Si-X,Y」結合の数が多いものと比べ、立体障害が少なく化合物が分解しやすいため、より低温で化学吸着反応が生じやすくなる効果が得られる。
また、式1中、cおよびfは、本化合物中の「Si-H」結合の数を示すものである。
化合物1中、「Si-H」結合の数が多い(すなわち、上式(5)に示す「c+f」が3または4である)と、分子の立体障害の影響が緩和されるため、より低温で化学吸着反応が生じやすくなる効果が得られる。
一方、化合物1中、「Si-H」結合の数が少ない(すなわち、上式(5)に示す「c+f」が0または1である)と、膜中水素(H)量が低減する効果が得られる。ただし、より低温で薄膜を形成する観点では、「Si-H」結合の数が多いほうが、好ましい。
シリコン含有薄膜の形成に用いる場合、式1中、a、b、c、d、eおよびfとして、(a+d=4、b+e=2、c+f=0)の組み合わせを選択することが好ましい。この場合、シリコン含有薄膜中のCl(ハロゲン)の含有量が少なくでき、かつ、基板表面に対し吸着反応が生じやすい効果が得られる。また、シリコン含有薄膜の形成に用いる場合、式1中、a、b、c、d、eおよびfとして、(a+d=2、b+e=2、c+f=2)の組み合わせを選択することがより好ましい。この場合、シリコン含有薄膜中のCl(ハロゲン)の含有量を少なくでき、分子の立体障害の影響が緩和されるため、より低温で化学吸着しやすい効果が得られる。
化合物1は、化学気相成長法を用いたシリコン含有薄膜の形成に適用する場合、下式11~14で表されるクロロアミノジシラン化合物であることが好ましい。
Figure 0007541466000003
Figure 0007541466000004
Figure 0007541466000005
Figure 0007541466000006
ただし、化合物11~14中、R1、R2およびR3は、化合物1と同様に、それぞれ独立して選択される、炭素数1~5の直鎖または分枝の飽和アルキル基である。
また、化合物11,12中、xおよびyは、1≦x+yを満たし、0~2の中から選択される整数である。
化合物11は、下式111~116で表されるクロロアミノジシラン化合物であることがより好ましい。
Figure 0007541466000007
Figure 0007541466000008
Figure 0007541466000009
Figure 0007541466000010
Figure 0007541466000011
Figure 0007541466000012
なお、化合物111~116としては、x=y=1又はx=y=2であるクロロアミノジシラン化合物がより好ましい。
化合物12は、下式121~126で表されるクロロアミノジシラン化合物であることがより好ましい。
Figure 0007541466000013
Figure 0007541466000014
Figure 0007541466000015
Figure 0007541466000016
Figure 0007541466000017
Figure 0007541466000018
なお、化合物121~126としては、x=y=1又はx=y=2であるクロロアミノジシラン化合物がより好ましい。
化合物13は、下式131~136で表されるクロロアミノジシラン化合物であることがより好ましい。
Figure 0007541466000019
Figure 0007541466000020
Figure 0007541466000021
Figure 0007541466000022
Figure 0007541466000023
Figure 0007541466000024
化合物14は、下式141~146で表されるクロロアミノジシラン化合物であることがより好ましい。
Figure 0007541466000025
Figure 0007541466000026
Figure 0007541466000027
Figure 0007541466000028
Figure 0007541466000029
Figure 0007541466000030
(クロロアミノジシラン化合物の合成方法)
次に、本組成物に含まれる化合物1の合成方法について、以下に説明する。
具体的には、化合物11および化合物12の場合を一例として、以下に説明する。
化合物11および化合物12は、クロロジシラン化合物とアミン化合物とを原料として用い、下式2または下式3に示す反応によって、それぞれ合成する。
SiCl(3-c)-SiCl(3-f)+2(b+e)R1NH → SiCl(NHR1)-SiCl(NHR1)+(b+e)R1NH・HCl 式2
SiCl(3-c)-SiCl(3-f)+2(b+e)R2R3NH → SiCl(NR2R3)-SiCl(NHR2R3)+(b+e)R1NH・HCl 式3
ただし、式2および式3中、R1、R2およびR3は、それぞれ独立して選択される、炭素数1~5の直鎖または分枝の飽和アルキル基である。
また、a、b、c、d、eおよびfは、a+b+c=3、d+e+f=3、1≦a+d≦4、1≦b+e≦5、0≦c+f≦4で示される5つの式を満たす整数である。
式2または式3に示す反応に用いるクロロジシラン化合物は、特に限定されるものではない。このようなクロロジシラン化合物としては、ヘキサクロロジシラン(SiCl)およびテトラクロロジシラン(SiCl)等が挙げられる。
なお、式2または式3に示す反応に用いるクロロジシラン化合物としては、例示したクロロジシラン化合物のうち、いずれか1つを用いてもよいし、2以上の混合物を用いてもよい。
式2に示す反応に用いるアミン化合物は、特に限定されるものではない。このようなアミン化合物としては、R1NHが挙げられる。なお、R1は、炭素数1~5の直鎖または分枝の飽和アルキル基である。具体的には、tBuNH、(CHCHNH、CH(C)NH、CHNH、CNH、(CH(C)CNH、(CCHNH、(CH)(C)CHNH等が挙げられる。なお、アミン化合物としては、例示したもののうち、いずれか1つを用いてもよいし、2以上の混合物を用いてもよい。
また、式3に示す反応に用いるアミン化合物は、特に限定されるものではない。このようなアミン化合物としては、R2R3NHが挙げられる。なお、R2およびR3は、それぞれ独立した、炭素数1~5の直鎖または分枝の飽和アルキル基である。具体的には、((CHCH)NH、(CHNH、(CHNH、(CNH、CHNHC、(tBu)NH、tBuNHC、(CHCHNHC、CHNHC、tBuNHCH、(CHCHNHCH、CHNHCH等が挙げられる。なお、アミン化合物としては、例示したもののうち、いずれか1つを用いてもよいし、2以上の混合物を用いてもよい。
(シリコン含有薄膜形成用組成物)
本組成物は、式1で表されるクロロアミノジシラン化合物からなる群から選択される、いずれか1つまたは2以上のクロロアミノジシラン化合物、必要に応じて他の成分を含む。
他の成分としては、具体的には、DCS、BTBAS、HCDSなどシリコン原子を1以上含む他のシリコン材料;アンモニア(NH)、アミン類化合物、ヒドラジン類化合物などの窒素含有化合物;ヘリウム(He)、窒素(N)、アルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)、ネオン(dNe)などの不活性ガス;酸素(O)、水(HO)、オゾン(O)などの酸素含有化合物;水素等が挙げられる。
本組成物は、化合物1を50質量%以上含み、90質量%以上含むことが好ましく、99質量%以上含むことがより好ましい。本組成物中、化合物1の含有量が99質量%以上であると、膜中への局所的な不純物の混入を抑えることができ、成膜速度が安定するという効果を奏する。
以上説明したように、式1に示す、R1、R2およびR3が、それぞれ独立して選択される炭素数1~5の直鎖又は分枝の飽和アルキル基であるクロロアミノジシラン化合物(化合物1)は、蒸気圧が高く、常温常圧下で液体のシリコン含有化合物である。したがって、1種以上の化合物1を含む本組成物は、化学気相成長法によるシリコン含有薄膜を形成する際、シリコン含有原料として有用である。
<成膜装置>
次に、本発明のシリコン含有薄膜の形成方法に適用可能な成膜装置の構成について説明する。図1は、本発明のシリコン含有薄膜の形成方法に適用可能な成膜装置の構成を模式的に示す系統図である。
図1に示すように、成膜装置1は、反応場となる処理室2、処理室2内の被処理基材Pの表面温度を制御する温度制御装置3、処理室2にパージガスを供給するパージガス供給経路L1、処理室2内の雰囲気を排気する排気経路L2、シリコン含有原料ガスを供給する原料ガス供給経路L3、及び窒素含有原料ガスを供給する反応ガス供給経路L4を備える。
本発明のシリコン含有薄膜の形成方法に適用可能な成膜装置1は、化学気相成長法に適用可能であれば、特に限定されない。成膜装置1としては、CVD(Chemical Vapor Deposition)装置やALD(Atomic Layer Deposition)装置を用いることができる。
被処理基材Pは、表面の少なくとも一部にシリコン含有薄膜(以下、単に「薄膜」ともいう)を形成可能であれば、特に限定されない。被処理基材Pとしては、特に限定されないが、半導体ウエハ、樹脂、ガラスなどが挙げられる。具体的には、結晶シリコン(Si<100>またはSi<111>など)、酸化シリコン、歪みシリコン、SOI、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム、ドープされた又はドープされていないポリシリコン、ドープされた又はドープされていないシリコンウエハ、窒化シリコン、炭化シリコン、炭窒化シリコン、酸窒化シリコン、炭酸化シリコン、炭酸窒化シリコン、Cu、Al、Ru、Ta、W、Ti、Co、Zr、Hfなどの金属、TiN、TaN、WNなどの窒化金属、ZrO、HfO、TiO、TaO、WOなどの酸化金属、パターン形成された又はパターン形成されていないウエハなど、上記少なくとも1以上含まれる半導体ウエハ等を用いることができる。また、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリオレフィン系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、フッ素系樹脂、ポリエステル系樹脂などの樹脂を用いることができる。
シリコン含有薄膜は、シリコンを含むものであれば、特に限定されない。シリコン含有薄膜としては、シリコン窒化膜、シリコン炭窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜、シリコン膜、シリコン酸炭窒化膜が好ましく、シリコン窒化膜、及びシリコン炭窒化膜がより好ましく、シリコン窒化膜がさらに好ましい。
温度制御装置3は、処理室2内の被処理基材Pの表面温度を所要の温度に制御可能なものであれば、特に限定されない。温度制御装置3としては、ヒーターと、その制御装置とを用いることができる。
温度制御装置3は、処理室2内の被処理基材Pの表面温度を500℃未満に制御することができ、450℃以下に制御することがより好ましい。
パージガス供給経路L1は、処理室2内にパージガスを供給する。
パージガスは、特に限定されないが、ヘリウム(He)、アルゴン(Ar)などの希ガス、窒素(N)、水素(H)等を1つ以上用いることができる。
排気経路L2は、処理室2内のパージガス、原料ガス、及び反応ガス等を含む雰囲気ガスを処理室2内から排出して、処理室2内を減圧する。排気経路L2には、減圧ポンプ等の減圧装置4が配置されている。
原料ガス供給経路L3は、パージガス供給経路L1を介して処理室2内に原料ガスとしてシリコン含有化合物を含むシリコン含有原料を供給する。原料ガス供給経路L3には、液体のシリコン含有原料を貯留する原料容器5、気化器6及びキャリアガスの加熱器7が配置されている。
シリコン含有原料の供給方法は、特に限定されない。シリコン含有原料は、原料容器5の液相5Aから液体のシリコン含有原料(シリコン含有薄膜形成用組成物)を気化器6によって気化して供給することができる。また、気化器6を用いずに、原料容器5の気相5Bからシリコン含有原料の蒸気を供給することができる。なお、シリコン含有原料は、不活性ガス等のキャリアガスとともに処理室2内に供給してもよい。
また、キャリアガスによって原料容器5内をバブリングして、シリコン含有原料の蒸気をキャリアガスとともに処理室2内に供給してもよい。
なお、シリコン含有原料を供給する際、原料容器5を適宜加熱して、シリコン含有原料の蒸気圧を高くして供給してもよい。
シリコン含有原料としては、本発明のシリコン含有薄膜形成用組成物を用いることができる。
キャリアガスは、特に限定されないが、ヘリウム(He)、アルゴン(Ar)などの希ガス、窒素(N)、水素(H)等を1つ以上用いることができる。
反応ガス供給経路L4は、パージガス供給経路L1を介して処理室2内に反応ガスとして窒素含有原料を供給する。なお、窒素含有原料は、不活性ガス等のキャリアガスとともに処理室2内に供給してもよい。
窒素含有原料は、1以上の窒素含有化合物を含む。
窒素含有化合物としては、アンモニア、ヒドラジン、モノメチルヒドラジン、ジメチルヒドラジン、ターシャリーブチルヒドラジン、ジメチルアミン、モノメチルアミン、及びターシャリーブチルアミン等の窒素含有化合物を用いることができる。
キャリアガスは、特に限定されないが、ヘリウム(He)、アルゴン(Ar)などの希ガス、窒素(N)、水素(H)等を1つ以上用いることができる。
なお、本発明に適用可能な成膜装置1の構成は一例であり、これに限定されない。例えば、原料ガス供給経路L3は、処理室2内に複数種のシリコン含有化合物をシリコン含有原料として供給するため、複数の分岐経路を有する構成としてもよい。また、反応ガス供給経路L4は、処理室2内に複数種の窒素含有化合物を窒素含有原料として供給するため、複数の分岐経路を有する構成としてもよい。
<シリコン含有薄膜の形成方法>
本発明のシリコン含有薄膜の形成方法は、シリコン含有原料として本発明のシリコン含有薄膜形成用組成物を用いて、化学気相成長法によってシリコン含有薄膜を形成する方法である。
化学気相成長法としては、特に限定されないが、例えば、CVD、プラズマCVD、及びALD、プラズマALDが挙げられる。これらの中でも、CVD、ALDが好ましく、ALDがより好ましい。
シリコン含有薄膜としては、上述したように、シリコン窒化膜、シリコン炭窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜、シリコン膜、シリコン酸炭窒化膜が好ましく、シリコン窒化膜、及びシリコン炭窒化膜がより好ましく、シリコン窒化膜がさらに好ましい。
上述した成膜装置1を用いたシリコン含有薄膜の形成方法として、以下の方法1~方法4について、具体的に説明する。
(方法1)
先ず、処理室2内に搬送された基板(被処理基材)Pの表面温度を所要の温度に制御する。具体的には、温度制御装置3を用いて、基板Pの表面温度を500℃未満に制御する。制御温度としては、450℃以下がより好ましい。
次に、以下のステップを行う。
・ステップA:処理室2内の基板Pに、シリコン含有化合物を含む原料ガスを供給する。
・ステップB:処理室2内の基板Pに、窒素含有化合物を含む反応ガスを供給する。
ステップAでは、上述した化合物1からなる群のうち、いずれか1種、又は2種以上のクロロアミノジシラン化合物を含むシリコン含有薄膜形成用組成物を原料ガスとして用いる。
原料ガスは、シリコン含有薄膜形成用組成物以外に、上述したキャリアガスを共存ガスとして含んでもよい。
ステップBでは、上述した窒素含有化合物からなる群のうち、いずれか1種、又は2種以上の窒素含有化合物を含む窒素含有原料を反応ガスとして用いる。
反応ガスは、窒素含有原料以外に、上述したキャリアガスを共存ガスとして含んでもよい。
方法1では、基板P上の薄膜が所要の膜厚となるまでステップA及びステップBを行う。ステップAとステップBは、同時に行ってもよいし(CVD法)、交互に行ってもよい(ALD法)。
(方法2)
方法2は、ALD法によるシリコン窒化膜の形成方法である。
先ず、方法1と同様に、処理室2内に搬送された基板Pの表面温度を所要の温度に制御する。
次に、以下のステップを含むサイクルを行う。
・ステップA:処理室2内の基板Pに、シリコン含有化合物を含む原料ガスを供給する。
・ステップB:原料ガスの供給を停止し、処理室2内に残留する原料ガスを除去する。
・ステップC:処理室2内の基板Pに、窒素含有化合物を含む反応ガスを供給する。
・ステップD:反応ガスの供給を停止し、処理室2内に残留する反応ガスを除去する。
ステップAでは、処理室2内の基板Pに対して、真空下で原料ガスを供給する。原料ガスとしては、上述した方法1のステップAで示した原料ガスを適用できる。これにより、基板Pの表面とクロロアミノジシラン化合物との化学吸着反応が生じる。
ステップBでは、上述した化学吸着反応後に原料ガスの供給を停止し、処理室2内に残留する未反応のクロロアミノジシラン化合物を除去するためにパージを行う。
ステップCでは、処理室2内の基板Pに対して、真空下で反応ガスを供給する。反応ガスとしては、上述した方法1のステップBで示した反応ガスを適用できる。これにより、ステップAにおいて基板Pの表面に吸着したクロロアミノジシラン化合物を窒化させる。
ステップDでは、上述したクロロアミノジシラン化合物の窒化反応後に反応ガスの供給を停止し、処理室2内に残留する未反応の窒素含有化合物を除去するためにパージを行う。
なお、ステップB及びステップ2Dでは、ヘリウム(He)、窒素(N)、アルゴン(Ar)などの不活性ガスをパージガスとして適用できる。
方法2では、上述したサイクルを複数回(例えば、300サイクル)繰り返すことで、基板P上に所望の膜厚のシリコン窒化膜を形成できる。
なお、方法2では、上述したサイクルにおいてステップA~Dをこの順に行うが、直前のステップの完了後に次のステップを開始してもよいし、直前のステップが完了する前に次のステップを開始してもよいし、ステップB、Dのステップを省略してもよい。このように、一部のステップをオーバーラップさせたり、一部のステップを省略したりすることで、1サイクル当たりの時間を短縮できる。さらに、成膜速度が所要の速度となるように制御することができる。
(方法3)
先ず、方法1と同様に、処理室2内に搬送された基板Pの表面温度を所要の温度に制御する。
次に、以下のステップを含むサイクルを複数回繰り返して行う。
・ステップA:処理室2内に、シリコン含有化合物を含む第1原料ガスを供給する。
・ステップB:第1原料ガスの供給を停止し、残留する第1原料ガスを除去する。
・ステップC:処理室2内に、窒素含有化合物を含む第1反応ガスを供給する。
・ステップD:第1反応ガスの供給を停止し、残留する第1反応ガスを除去する。
・ステップC-2:処理室2内に、第1反応ガスとは異なる第2反応ガスを供給する。
・ステップD-2:第2反応ガスの供給を停止し、残留する第2反応ガスを除去する。
(方法4)
先ず、方法1と同様に、処理室2内に搬送された基板Pの表面温度を所要の温度に制御する。
次に、以下のステップを含むサイクルを複数回繰り返して行う。
・ステップA:処理室2内に、シリコン含有化合物を含む第1原料ガスを供給する。
・ステップB:第1原料ガスの供給を停止し、残留する第1原料ガスを除去する。
・ステップA-2:処理室2内に、第1原料ガスとは異なる第2原料ガスを供給する。
・ステップB-2:第2原料ガスの供給を停止し、残留する第2原料ガスを除去する。
・ステップC:処理室2内に、窒素含有化合物を含む第1反応ガスを供給する。
・ステップD:第1反応ガスの供給を停止し、残留する第1反応ガスを除去する。
方法3及び4では、第1原料ガスとして、上述した方法1のステップAで示した原料ガスを適用できる。また、第1反応ガスとして、上述した方法1のステップBで示した反応ガスを適用できる。
方法3では、第1反応ガスの窒素含有原料として用いたものとは異なる、いずれか1種、又は2種以上の窒素含有化合物を含む窒素含有原料を第2反応ガスとして用いる。この方法を用いることで、表面改質をしながら成膜できる、すなわちより緻密な膜を形成できる可能性がある。
第2反応ガスの窒素含有原料として用いる窒素含有化合物は、上述したアンモニア、ヒドラジン、モノメチルヒドラジン、ジメチルヒドラジン、ターシャリーブチルヒドラジン、ジメチルアミン、モノメチルアミン、及びターシャリーブチルアミンからなる群から選択してもよいし、これらの群以外から選択してもよい。第2反応ガスは、第1反応ガスと同様に、窒素含有化合物以外に共存ガスを含んでもよい。
方法4では、第1原料ガスのシリコン含有原料として用いたクロロアミノジシラン化合物とは異なる、いずれか1種、又は2種以上のシリコン含有化合物を含むシリコン含有原料を第2原料ガスとして用いる。この方法を用いることで、表面改質をしながら成膜できる、すなわちより緻密な膜を形成できる可能性がある。
第2原料ガスのシリコン含有原料として用いるシリコン含有化合物は、上述した化合物1からなる群から選択してもよいし、化合物1以外から選択してもよい。例えば、DCS、HCDS、BTBAS、SiHCl、SiCl、SiHCl、その他のアルキルアミノシラン、アルキルシランおよび、その他のクロロシラン化合物等、従来のシリコン含有薄膜形成に用いるシリコン含有化合物を用いてもよい。
第2原料ガスは、第1原料ガスと同様に、シリコン含有化合物以外に共存ガスを含んでもよい。
本発明のシリコン含有薄膜の形成方法としてALD法を適用する場合、上記方法2に示したように、1サイクル中に原料ガスを供給するステップ(以下、「第1ステップ」ともいう)と、反応ガスを供給するステップ(以下、「第2ステップ」ともいう)とを1つずつ含む、2ステップ反応によって成膜してもよいし、上記方法3及び4に示したように、1サイクル中に第1ステップ及び第2ステップのいずれか一方又は両方を2つ以上含む、3ステップ以上の反応によって成膜してもよい。
本発明のシリコン含有薄膜の形成方法は、2ステップ反応及び3ステップ以上の反応によって薄膜を成膜する際、少なくとも最初の第1ステップにおいて本発明のシリコン含有薄膜形成用組成物(すなわち、式1で表されるクロロアミノジシラン化合物からなる群のから選択された、いずれか1種又は2種以上のクロロアミノジシラン化合物を含む)を用いるため、良質なシリコン含有薄膜を形成できる。
また、本発明のシリコン含有薄膜の形成方法では、3ステップ以上の反応による成膜とすることで、基板表面構造を改質しながら薄膜を形成することができる。例えば、方法3でアンモニアを第2ステップに用いた際、窒化反応が不十分な反応サイトを第3ステップでヒドラジンを用いることで補うことができる可能性がある。ヒドラジンのみを用いる場合では、N-N結合の残留等の理由で粗な膜となる可能性がある。同様に、例えば、方法4でクロロアミノジシラン化合物を第1ステップに用いた際、より分子サイズの小さいジクロロシランを第2ステップで用いることで、吸着反応が不十分な反応サイトに到達することができ、吸着反応を補うことができる可能性がある。上記の理由により、3ステップ反応を用いることで、2ステップ反応による一般的な成膜よりもSiまたはNの割合を増加させることができ、より緻密で良質なシリコン含有薄膜を形成できる場合もある。
なお、方法1~4は、本発明のシリコン含有薄膜の形成方法の一例であり、これらに限定されない。例えば、上記方法1~4の他、様々な方法によって、クロロアミノジシラン化合物および窒素含有化合物を供給してもよい。
<シリコン含有薄膜の評価方法>
本発明のシリコン含有薄膜の形成方法によって得られた薄膜は、以下の方法により、膜質、成膜量、及び膜の緻密性を評価できる。
(膜質の評価)
薄膜の膜質は、市販の分光エリプソメトリー(例えば、SOPRA社製分光エリプソメーター、「GES5E」等)を用いた膜厚及び屈折率の測定値から評価できる。
例えば、シリコン含有薄膜がシリコン窒化膜の場合、屈折率が1.8~2.1の範囲内であるとき、一般的に良質なシリコン窒化膜であると評価できる。
一方、屈折率が1.8未満であるとき、シリコン窒化膜は粗な膜構造であると評価できる。なお、屈折率の数値が小さいほど、膜中に酸素成分が混入していることを意味する。
また、屈折率が1.6以下の場合には、一般的にシリコン酸化膜またはシリコン酸窒化膜の性質を示す。
なお、屈折率が1.8を超えている場合、膜中に炭素成分が含まれている場合があり、炭素成分の含有量が多いほど、屈折率の数値が大きくなる傾向がある。
(成膜量)
得られた膜厚から、1サイクルあたりの成膜量であるGPC(Growth per cycle)を算出できる。
(膜の緻密性)
膜の緻密性は、市販のフーリエ変換赤外分光光度計(FT-IR;例えば、パーキンエルマー社製フーリエ赤外分光光度計装置、「spectrum400」等)を用いた赤外吸収スペクトル測定の結果から評価できる。
赤外吸収スペクトル測定の結果、一般的に「Si-N」結合由来の振動が800~900cm-1付近に観測され、「Si-O」結合由来の振動が1000~1100cm-1付近に観測される。「Si-O」結合由来の振動が観測されないこと、そしてSiNの強度を測定することにより、膜の緻密性を評価できる。
ところで、シリコン含有化合物として既知の材料であるヘキサクロロジシラン(HCDS、SiCl)と、窒素含有化合物としてアンモニア(NH)とを用いてシリコン含有薄膜を形成した場合、500℃未満の成膜温度では、HCDS由来の塩素が膜中に多く残留して粗な膜が形成される。
以下に、その理由について説明する。
シリコン含有化合物及び窒素含有化合物として、HCDS及びNHを用いた場合、第1ステップにおける化学吸着反応(以下、「第1反応」ともいう)、及び第2ステップにおける窒化反応(以下、「第2反応」ともいう)ともに、以下に示す反応で薄膜を形成する。
なお、以下のΔHfは反応の生成熱、ΔEaは反応の活性化エネルギーをそれぞれ示す。
(第1反応)
=N-H(基板表面)+SiCl → =N-SiCl+HCl
ΔHf=+18kJ/mol、ΔEa=57kJ/mol
(第2反応)
=N-SiCl+5NH → =N-Si(NH+5HCl
ΔHf=+105kJ/mol、ΔEa=65kJ/mol
上記第1反応及び第2反応はいずれも吸熱反応であり、これらの吸熱反応が所定の膜厚となるまで繰り返される。
一方、上記第1反応及び第2反応の際に副生する塩化水素(HCl)は、以下に示すように、HCDSが吸着した基板表面(第1’反応)、及びNHが窒化した基板表面(第2’反応)とそれぞれ反応する場合がある。
(第1’反応)
=N-SiCl+HCl → =N-H+SiCl
ΔHf=-18kJ/mol、ΔEa=39kJ/mol
(第2’反応)
=N-Si(NH+HCl → =N-SiCl(NH+NH
ΔHf=-44kJ/mol、ΔEa=56kJ/mol
上記第1’反応及び第2’反応の活性化エネルギーΔEaは、上記第1反応及び第2反応の活性化エネルギーと比べて低いだけでなく、発熱反応を示す。
このため、上記第1反応及び第2反応の際に副生したHClが基板表面に衝突した場合、容易に第1’反応及び第2’反応が進行する。その結果、成膜された膜中には塩素が残留し、粗な膜が形成される。
特に、500℃未満の成膜温度では、上記第1反応及び第2反応が吸熱反応であるため、副生したHClと基板表面との反応が顕著に起こる。
また、上記第2反応は大きな吸熱反応であるため、500℃未満の低い熱エネルギーである場合、窒化反応が全て進行しないことがある。これによって、膜中に塩素が残留し、粗な膜を形成する一因となる。
一方、ビスターシャリーブチルアミノシラン(BTBAS)のようなアミノシラン化合物は、Si-Cl結合を含有しないため、膜中に塩素が残留しない。しかしながら、アミノシラン化合物は、基板表面に対する化学吸着反応の活性化エネルギー(ΔEa=130kJ/mol)が高いため、500℃未満の成膜温度では薄膜を形成できない。
上述したHCDSやBTBAS等の既知のシリコン含有化合物に対して、本発明のシリコン含有薄膜形成用組成物に含まれる、式1で示すクロロアミノジシラン化合物は、基板表面への吸着特性が良好であり、かつ大きな吸熱反応を生じないため、500℃未満の成膜温度であっても良質なシリコン窒化膜を形成できる。
例えば、本発明のシリコン含有薄膜形成用組成物に含まれるクロロアミノジシラン化合物が「SiCl(NHtBu)(化合物111)」の場合、第1反応はΔHf=+15kJ/mol、ΔEa=85kJ/mol、第2反応はΔHf=-15kJ/mol、ΔEa=120kJ/molである。第1反応ではHCDS/NHの場合の反応エネルギーと同等であり、第2反応では発熱反応であることから、本発明の化合物111がシリコン含有薄膜形成用のシリコン含有化合物として有望であることが示唆される。
なお、本発明の化合物11~14が有するアルキルアミノ基(以下、単に「置換基」と称することがある)は、上記第2反応において全て発熱反応を示すため、窒化反応が起こりやすい。
また、本発明の化合物11~14のうち、化合物111~113及び化合物121~123、131~133、141~143が、蒸気圧が高く、材料供給に優れるため、シリコン含有薄膜形成用のシリコン含有化合物として好ましい。
さらに、上記式1で示されるクロロアミノジシラン化合物(化合物1)は、HCDSと比べて1モル当たりのHCl生成量が少ない。したがって、本発明のシリコン含有薄膜形成用組成物は、配管閉塞の要因となるNHCl等の副生成物の生成量が少ないため、シリコン含有薄膜形成用のシリコン含有化合物として有用である。
更にまた、化合物11及び化合物12のうち、Si-Cl結合を1個又は2個含有するクロロアミノジシラン化合物が、1モルあたりのHClの生成量が少ないため、シリコン含有薄膜形成用のシリコン含有化合物としてより好ましい。
以上説明したように、本発明のシリコン含有薄膜形成用組成物、及びこれをシリコン含有原料として用いるシリコン含有薄膜の形成方法によれば、化学気相成長法において500℃未満の成膜温度で良質なシリコン含有薄膜を形成可能であり、副生成物の生成量が少ない。
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
以下に実施例を用いて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
<クロロアミノジシラン化合物の合成>
後述する例1~例36のシリコン窒化膜を形成する際、シリコン含有原料として用いるシリコン含有薄膜形成用組成物に含まれるクロロアミノジシラン化合物は、以下に示す手順によって合成した。
なお、合成したクロロアミノジシラン化合物は、以下の手法によって同定した。
[NMR測定]
NMR測定は、核磁気共鳴装置(日本電子社製、「JNM-ECS400」)を用いて行った。サンプル調整には、重水素化ベンゼン溶液を用いた。
[GC分析]
GC分析は、ガスクロマトグラフ(島津製作所社製、「GC-2014」)を用いて行った。検出器にはFIDを用いた。保持時間により、目的生成物、およびその純度を確認した。
(合成例1)
「SiCl(NHtBu)」の合成
-70℃に冷却した反応容器に、ジエチルエーテル900mLと、SiCl(20.35g、0.102mol、CAS No.:20536-16-7)とをフラスコに添加した。
よく撹拌されたこの溶液に、ジエチルエーテル100mLに溶かしたtBuNH(29.77g、0.41mol、CAS No.:13465-77-5)をゆっくり滴下した。徐々に室温まで昇温した後、8時間撹拌した。
減圧下でジエチルエーテルを留去後、ヘキサン1000mLを入れて抽出し、アミン塩酸塩をろ過によって取り除いた。
その後、-30℃で再結晶を行い、残留するヘキサンを留去することで、目的物であるSiCl(NHtBu)を6.40g得た。収率は23%であった。
なお、目的物は、NMRおよびGC分析によって確認した。GCにおける目的物の保持時間および純度は、それぞれ19min、88%であった。
(合成例2)
「SiCl(NHtBu)」(化合物111)の合成
-70℃に冷却した反応容器に、ジエチルエーテル900mLと、SiCl(24.79g、0.0922mol、CAS No.:13465-77-5)とをフラスコに添加した。
よく撹拌されたこの溶液に、ジエチルエーテル100mLに溶かした(tBu)NH(42.12g、0.738mol)をゆっくり滴下した。徐々に室温まで昇温した後、8時間撹拌した。
減圧下でジエチルエーテルを留去後、ヘキサン1000mLを入れて抽出し、アミン塩酸塩をろ過によって取り除いた。
その後、-30℃で再結晶を行い、残留するヘキサンを留去することで、目的物であるSiCl(NHtBu)を9.58g得た。収率は25%であった。
なお、目的物は、NMRおよびGC分析によって確認した。GCにおける目的物の保持時間および純度は、それぞれ19min、69%であった。
(合成例3)
「SiCl(NtBu」(化合物122)の合成
-70℃に冷却した反応容器に、ジエチルエーテル900mLと、SiCl(20.12g、0.100mol、CAS No.:20536-16-7)とをフラスコに添加した。
よく撹拌されたこの溶液に、ジエチルエーテル100mLに溶かした(tBu)NH(52.01g、0.402mol)をゆっくり滴下した。徐々に室温まで昇温した後、8時間撹拌した。
減圧下でジエチルエーテルを留去後、ヘキサン1000mLを入れて抽出し、アミン塩酸塩をろ過によって取り除いた。
その後、-30℃で再結晶を行い、残留するヘキサンを留去することで、目的物であるSiCl(NtBu2)を8.53g得た。収率は22%であった。
なお、目的物は、NMRおよびGC分析によって確認した。 GCにおける目的物の保持時間および純度は、それぞれ19min、82%であった。
(合成例4)
「SiCl(NtBu」(化合物122)の合成
-70℃に冷却した反応容器に、ジエチルエーテル900mLと、SiCl(20.22g、0.075mol、CAS No.:20536-16-7)とをフラスコに添加した。
よく撹拌されたこの溶液に、ジエチルエーテル100mLに溶かした(tBu)NH(77.75g、0.602mol)をゆっくり滴下した。徐々に室温まで昇温した後、8時間撹拌した。
減圧下でジエチルエーテルを留去後、ヘキサン1000mLを入れて抽出し、アミン塩酸塩をろ過によって取り除いた。
その後、-30℃で再結晶を行い、残留するヘキサンを留去することで、目的物であるSiCl(N(C(CHを9.63g得た。収率は20%であった。
なお、目的物は、NMRおよびGC分析によって確認した。GCにおける目的物の保持時間および純度の結果は、それぞれ21min、81%であった。
(合成例5)
「SiCl(NHtBu)」(化合物131)の合成
-70℃に冷却した反応容器に、ジエチルエーテル900mLと、SiCl(25.16g、0.094mol、CAS No.:13465-77-5)とをフラスコに添加した。
よく撹拌されたこの溶液に、ジエチルエーテル100mLに溶かしたtBuNH(27.44g、0.38mol)をゆっくり滴下した。徐々に室温まで昇温した後、8時間撹拌した。
減圧下でジエチルエーテルを留去後、ヘキサン1000mLを入れて抽出し、アミン塩酸塩をろ過によって取り除いた。
その後、-30℃で再結晶を行い、残留するヘキサンを留去することで、目的物であるSiCl(NHtBu)を7.29g得た。収率は23%であった。
なお、目的物は、NMRおよびGC分析によって確認した。GCにおける目的物の保持時間および純度は、それぞれ19min、60%であった。
(合成例6)
「SiCl(NtBu」(化合物141)の合成
-70℃に冷却した反応容器に、ジエチルエーテル900mLと、SiCl(25.23g、0.094mol)とをフラスコに添加した。
よく撹拌されたこの溶液に、ジエチルエーテル100mLに溶かした(tBu)NH(48.51g、0.375mol)をゆっくり滴下した。徐々に室温まで昇温した後、8時間撹拌した。
減圧下でジエチルエーテルを留去後、ヘキサン1000mLを入れて抽出し、アミン塩酸塩をろ過によって取り除いた。
その後、-30℃で再結晶を行い、残留するヘキサンを留去することで、目的物であるSiCl(N(C(CHを9.38g得た。収率は22%であった。
なお、目的物は、NMRおよびGC分析によって確認した。GCにおける目的物の保持時間および純度は、それぞれ20min、64%であった。
<シリコン窒化膜の形成>
図1に示す成膜装置1を用い、ALD法により、下表1~3に示す原料及び成膜条件を用いて、比較例1~3、及び例1~46のシリコン窒化膜をそれぞれ形成(成膜)した。
なお、成膜したシリコン窒化膜は、以下に示す方法により、測定、評価した。結果を下表1~3にそれぞれ示す。
(測定方法・評価方法)
[膜厚]
分光エリプソメトリーを用いて測定した。
[屈折率]
分光エリプソメトリーを用いて測定した。
[赤外吸収スペクトル]
フーリエ変換赤外分光光度計を用い、検出器:TGS、分解能:4cm-1の条件によって、赤外吸収スペクトルを測定した。
[膜質の評価]
屈折率の測定値が1.8~2.1の範囲内であるとき、良質なシリコン窒化膜であると評価した。
一方、屈折率の測定値が1.8未満であるとき、シリコン窒化膜は粗な膜構造であると評価した。
[成膜量]
膜厚の測定値から、1サイクルあたりの成膜量であるGPC(Growth per cycle)を算出した。
[膜の緻密性]
測定した赤外吸収スペクトルの結果から、1000~1100cm-1付近の「Si-O」結合由来の振動、及び800~900cm-1付近の「Si-N」の結合由来の振動を確認した。
また、赤外吸収スペクトルから得られた「Si-N」結合由来のピーク強度を用い、比較例1に対する例1~43のSi-Nピーク強度比を算出して、膜の緻密性を評価した。
(比較例1)
[成膜条件]
・成膜温度(基板の表面温度):450℃
・シリコン含有化合物:ヘキサクロロジシラン(HCDS)
・窒素含有化合物:アンモニア(NH
・サイクルの繰り返し回数:300回
[サイクル]
・ステップ1:シリコン含有化合物を処理室内に10秒間供給し、基板表面に吸着させる。
・ステップ2:Nによるパージを10秒間行い、未反応のシリコン含有化合物を除去する。
・ステップ3:窒素含有化合物を処理室内に10秒間供給し、基板表面を窒化させる。
・ステップ4:Nによるパージを10秒間行い、未反応の窒素含有化合物を除去する。
[評価結果]
・GPC:0.10(Å/cycle)
・屈折率:1.48
・FT-IR:
Si-N振動のほかにSi-O振動が確認された。
数日間経過後のサンプルを測定した結果、Si-Nピーク強度が減少し、Si-Oピーク強度が増加した。これは、粗なシリコン窒化膜が形成されたことを示しており、さらに経時変化したことを示している。
(比較例2)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてビスターシャリーブチルアミノシラン(BTBAS)を用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いてシリコン窒化膜の成膜を行った。
[評価結果]
比較例2では、薄膜を形成せず、シリコン窒化膜を得ることができなかった。
(比較例3)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてクロロジイソプロピルアミノシランを用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.11(Å/cycle)
・屈折率:1.68
・Si-N振動のほかにSi-O振動が確認された。
数日間経過後のサンプルを測定した結果、Si-Nピーク強度が減少し、Si-Oピーク強度が増加した。これは、粗なシリコン窒化膜が形成されたことを示しており、さらに経時変化したことを示している。
(例1)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(NHC(CHを用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.40(Å/cycle)
・屈折率:2.02
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例1/比較例1):1.85
例1のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.85であり、比較例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例2)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(NHC(CHを用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.23(Å/cycle)
・屈折率:1.90
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例2/比較例1):1.63
例2のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.71であり、比較例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例3)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(NHCH(CHを用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.42(Å/cycle)
・屈折率:2.05
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例3/比較例1):1.90
例3のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.90であり、比較例1と比較して大幅にシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例4)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(NHCH(CHを用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.36(Å/cycle)
・屈折率:1.94
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例4/比較例1):1.66
例4のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.66であり、比較例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例5)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(NH(CH(CH))を用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.39(Å/cycle)
・屈折率:2.04
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例5/比較例1):1.88
例5のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.88であり、比較例1と比較して大幅にシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例6)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(NH(CH(CH))を用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.23(Å/cycle)
・屈折率:1.93
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例6/比較例1):1.68
例6のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.68であり、比較例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例7)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(NHC(CH(C))を用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.36(Å/cycle)
・屈折率:1.94
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例7/比較例1):1.70
例7のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.70であり、例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例8)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(NHC(CH(C))を用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.21(Å/cycle)
・屈折率:1.86
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例8/比較例1):1.55
例8のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.55であり、比較例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例9)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(NHCH(CH)(C))を用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.42(Å/cycle)
・屈折率:2.02
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例9/比較例1):1.85
例9のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.85であり、比較例1と比較して大幅にシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例10)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(NHCH(CH)(C))を用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.22(Å/cycle)
・屈折率:1.90
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例10/比較例1):1.63
例10のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.63であり、比較例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例11)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(NHCH(Cを用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.37(Å/cycle)
・屈折率:1.98
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例11/比較例1):1.77
例11のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.77であり、比較例1と比較して大幅にシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例12)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(NHCH(Cを用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.20(Å/cycle)
・屈折率:1.86
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例12/比較例1):1.55
例12のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.55であり、比較例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例13)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(N(C(CHを用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.21(Å/cycle)
・屈折率:1.88
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例13/比較例1):1.59
例13のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.59であり、比較例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例14)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(N(C(CHを用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.09(Å/cycle)
・屈折率:1.83
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例14/比較例1):1.50
例14のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.50であり、比較例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例15)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(N(CH(CHを用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.22(Å/cycle)
・屈折率:1.90
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例15/比較例1):1.63
例15のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.63であり、比較例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例16)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(N(CH(CHを用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.10(Å/cycle)
・屈折率:1.85
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例16/比較例1):1.54
例16のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.54であり、比較例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例17)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(N((CH(CH))を用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.20(Å/cycle)
・屈折率:1.91
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例17/比較例1):1.64
例17のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.64であり、比較例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例18)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(N((CH(CH))を用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.07(Å/cycle)
・屈折率:1.84
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例18/比較例1):1.52
例18のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.52であり、比較例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例19)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(N(C(CH(C))を用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.18(Å/cycle)
・屈折率:1.82
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例19/比較例1):1.48
例19のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.48であり、比較例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例20)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(N(C(CH(C))(C))を用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.05(Å/cycle)
・屈折率:1.80
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例20/比較例1):1.44
例20のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.44であり、例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例20)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(N(CH(CH)(C))を用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.19(Å/cycle)
・屈折率:1.87
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例21/比較例1):1.57
例21のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.57であり、比較例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例22)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(N(CH(CH)(C))を用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.10(Å/cycle)
・屈折率:1.82
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例22/比較例1):1.48
例22のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.48であり、比較例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例23)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(N(CH(Cを用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.16(Å/cycle)
・屈折率:1.83
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例23/比較例1):1.50
例23のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.50であり、比較例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例24)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(N(CH(Cを用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.06(Å/cycle)
・屈折率:1.82
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例24/比較例1):1.48
例24のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.48であり、比較例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例25)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(NHC(CHを用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.33(Å/cycle)
・屈折率:1.82
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例25/比較例1):1.48
例25のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.48であり、比較例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例26)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(NHCH(CH)2を用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.35(Å/cycle)
・屈折率:1.84
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例26/比較例1):1.52
例26のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.52であり、比較例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例27)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(NH(CH(CH))を用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.32(Å/cycle)
・屈折率:1.83
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例27/比較例1):1.50
例27のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.50であり、比較例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例28)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(NC(CH(C))を用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.30(Å/cycle)
・屈折率:1.80
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例28/比較例1):1.44
例28のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.44であり、比較例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例29)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(NHCH(CH)(C))を用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.34(Å/cycle)
・屈折率:1.82
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例29/比較例1):1.48
例29のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.48であり、比較例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例30)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(NHCH(Cを用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.33(Å/cycle)
・屈折率:1.81
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例30/比較例1):1.46
例30のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.46であり、比較例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例31)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(N(C(CHを用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.19(Å/cycle)
・屈折率:1.77
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例31/比較例1):1.39
例31のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.39であり、比較例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例32)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(N(CH(CHを用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.20(Å/cycle)
・屈折率:1.79
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例32/比較例1):1.43
例32のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.43であり、比較例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例33)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(N((CH(CH))を用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.18(Å/cycle)
・屈折率:1.79
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例33/比較例1):1.43
例33のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.43であり、例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例34)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(N(C(CH(C))を用いた以外は、例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.16(Å/cycle)
・屈折率:1.75
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例34/比較例1):1.35
例34のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.35であり、比較例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例35)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(N(CH(CH)(C))を用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.17(Å/cycle)
・屈折率:1.78
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例35/比較例1):1.41
例35のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.41であり、比較例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例36)
[成膜条件]
シリコン含有化合物として、HCDSに換えてSiCl(N(CH(Cを用いた以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.14(Å/cycle)
・屈折率:1.76
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例36/比較例1):1.37
例36のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.37であり、比較例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
Figure 0007541466000031
(評価結果1)
例1~36のシリコン窒化膜では、赤外吸収スペクトルを測定した結果、いずれもSi-O振動は検出されず、きれいなSi-N振動を確認できた。したがって、例1~36のシリコン窒化膜は、いずれも良質なSiN膜であることを確認した。
(評価結果2)
例1~26のうち、同一の置換基を含む化合物同士をそれぞれ比較して、各種置換基の数と膜質との関係を評価した。
例1~26では、いずれも良質なシリコン窒化膜が形成されたが、置換基の数が増加するにつれて、GPC、屈折率、及びSi-N強度比が減少した。これらは、各種置換基の分子構造が大きく、上述した化学吸着反応(第1反応)及び窒化反応(第2反応)において立体障害の影響があったことが原因と考えられる。
以上の結果から、成膜温度500℃未満で良質なシリコン窒化膜を形成する上で、シリコン含有化合物として、置換基による立体障害の影響が少ないクロロアミノジシラン化合物(例3、5、7、9、11、13、27~32)を用いることが好ましいことを確認した。
(評価結果3)
例1~38の結果を比較して、本発明のシリコン含有薄膜形成用組成物に含まれるクロロアミノジシラン化合物が有する置換基の種類の影響を評価した。
結果、「-NH(tBu)」基≧「-NHCH(CH」基≧「-NH(CHCH」基≧「-N(CH(CH」基≧「-N((C)CH」基の順で、良質なシリコン窒素化膜が形成されることを確認した。これは、置換基の各分子構造による立体障害の影響が原因と考えられる。
以上の結果より、式12で表されるクロロアミノジシラン化合物(化合物12)と比べて、式11で表されるクロロアミノジシラン化合物(化合物11)の方が分子構造による立体障害の影響が少なく、良質なシリコン窒化膜が形成されることを確認した。
(評価結果4)
例1~24の結果と例25~36の結果とを比較して、本発明のシリコン含有薄膜形成用組成物に含まれるクロロアミノジシラン化合物が有する塩素の数の影響を評価した。
結果、塩素数が4個の化合物よりも、2個の化合物の方が良質なシリコン窒素化膜が形成されることを確認した。これは、膜中に残留する塩素および、副生成する塩化水素の影響が原因と考えられる。
以上の結果より、式13および14で表されるクロロアミノジシラン化合物と比べて、式11および12で表されるクロロアミノジシラン化合物の方が、膜中に残留する塩素および、副生成する塩化水素の影響が少なく、良質なシリコン窒化膜が形成されることを確認した。
(評価結果5)
比較例3の結果と例17の結果とを比較して、クロロアミノシラン化合物とクロロアミノジシラン化合物との違いを評価した。どちらの化合物も、Si原子一つに対して一つのジイソプロピルアミノ基を有するが、クロロアミノジシラン化合物の方が、良質な膜を速い成膜速度で形成した。
比較例3のシリコン窒化膜では未反応のSi-H結合の残留が多くなるのに対し、例17のシリコン窒化膜ではSi-Si結合を有しており、その結合が切れてSi-N-Si結合になる場合、切れずに残る場合のいずれにおいても、膜中に残るSi-H結合よりもSi又はNの膜中の割合が増えるため、緻密で良質な膜が得られることが原因と考えられる。
また、化合物1mol当たりから生じるSi-N結合の数および分子の大きさから、成膜速度はクロロアミノジシラン化合物の方が大きくなったと考えられる。
(評価結果6)
HCDSをシリコン含有化合物とし、NHを窒素含有化合物としてそれぞれ用い、450~700℃の成膜温度で数十回のALD法による成膜実験を行った。
成膜実験後、成膜装置1の排出経路L2における減圧装置(減圧ポンプ)4の後段側の排気配管を開放したところ、塩化アンモニウムによる配管閉塞が確認された。
これに対して、例3~38の成膜条件により、数十回のALD法による成膜実験を行った後、減圧装置(減圧ポンプ)4の後段側の排気配管を開放したところ、塩化アンモニウムが堆積していないことを確認した。
(例37)
[成膜条件]
窒素含有化合物として、アンモニア(NH)に換えてヒドラジン(NHNH)を用いた以外は、上述した例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.64(Å/cycle)
・屈折率:2.07
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例37/比較例1):2.02
例37のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が2.02であり、比較例1と比較して大幅にシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例38)
[成膜条件]
窒素含有化合物として、アンモニア(NH)に換えてモノメチルヒドラジン(NHNH(CH))を用いた以外は、例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.53(Å/cycle)
・屈折率:2.10
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例38/比較例1):1.95
例38のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.95であり、比較例1と比較してシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例39)
[成膜条件]
窒素含有化合物として、ヒドラジン(NHNH)とアンモニア(NH)との混合原料を用いた以外は、例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.61(Å/cycle)
・屈折率:1.99
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例39/比較例1):2.01
例39のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が2.01であり、比較例1と比較して大幅にシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例40)
[成膜条件]
窒素含有化合物として、モノメチルヒドラジン(NHNH(CH))とアンモニア(NH)との混合原料を用いた以外は、例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.49(Å/cycle)
・屈折率:2.04
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例40/比較例1):1.90
例40のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.90であり、比較例1と比較して大幅にシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例41)
[成膜条件]
成膜温度を400℃に変更した以外は、例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.27(Å/cycle)
・屈折率:1.96
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例43/比較例1):1.58
例41のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.58であり、比較例1と比較して、50℃低温になっているのにも関わらず、シリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例42)
[成膜条件]
成膜温度を350℃に変更した以外は、例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.17(Å/cycle)
・屈折率:1.86
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例44/比較例1):1.51
例42のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.51であり、比較例1と比較して、100℃低温になっているのにも関わらず、シリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例43)
[成膜条件]
・成膜温度(基板の表面温度):450℃
・シリコン含有化合物:SiHCl(NHtBu)
・窒素含有化合物:NH、NHNH
・サイクルの繰り返し回数:300回
[サイクル]
・ステップ1:シリコン含有化合物を処理室内に10秒間供給する。
・ステップ2:Nによるパージを10秒間行い、未反応のシリコン含有化合物を除去する。
・ステップ3:NH(第1反応ガス)を処理室内に10秒間供給する。
・ステップ4:Nによるパージを10秒間行い、未反応のNHを除去する。
・ステップ5:NHNH(第2反応ガス)を処理室内に10秒間供給する。
・ステップ6:Nによるパージを10秒間行い、未反応のNHNHを除去する。
[評価結果]
・GPC:0.52(Å/cycle)
・屈折率:2.06
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例43/比較例1):2.03
例43のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が2.03であり、比較例1と比較して大幅にシリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
Figure 0007541466000032
(評価結果7)
表2に示すように、例37~40は、窒素含有原料として用いた窒素含有化合物が例1とはそれぞれ異なる。例1の結果と、例37~40の結果とを比較して、異なる窒素含有化合物を含む窒素含有原料を用いた場合の成膜量および膜質を評価した。
例37に示すように、窒素含有化合物としてヒドラジン(NHNH)を用いた場合、アンモニア(NH)を用いた場合と比較して、GPCが大きく向上し、緻密性も向上した。これは、ヒドラジン類化合物の高い反応性が寄与したと考えられる。
また、例38に示すように、窒素含有化合物としてモノメチルヒドラジン(NHNH(CH))を用いた場合、アンモニア(NH)を用いた場合と比較して、GPCおよび屈折率が向上し、緻密性がわずかに減少した。これは、モノメチルヒドラジン中のメチル基により、緻密な膜構造形成がわずかに阻害されることが原因と考えられる。しかしながら、モノメチルヒドラジンは、メチル基を含有するため、膜中の炭素量を適宜制御できる利点がある。
また、例39及び例40に示すように、窒素含有化合物として2以上の窒素含有化合物の混合物を用いた場合も、例37及び例38と同様の効果が得られることを確認した。特に、アンモニア(NH)とヒドラジン類化合物との混合物は、危険性の高いヒドラジン類化合物の濃度を下げる点で有効である。
以上説明したように、シリコン窒化膜を成膜する際の窒素含有化合物としてヒドラジン類化合物を用いた場合、アンモニアを用いた場合と比較して緻密性、成膜量、及び屈折率のいずれか1つ以上が向上するため、有効であることを確認した。
また、シリコン含有化合物としてSiCl(NHC(CH以外の、式1に示すクロロアミノジシラン化合物を用いた場合も、例1及び例37~40と同様の傾向であることを確認した。
また、窒素含有化合物として、その他のヒドラジン類化合物、及びアミン類化合物を用いた場合も、窒素含有化合物としてアンモニアを単独で用いた場合と比較して、成膜量が向上することを確認した。
(評価結果8)
例41及び例42は、シリコン含有原料として用いたシリコン含有化合物が例1とは異なる。
また、例41及び例42は、成膜温度が比較例1及び例1とは異なる。
比較例1、例1、例41及び例42の比較により、クロロアミノジシラン化合物とアンモニア(NH)とを用いた成膜の温度依存性を評価した。
表2に示すように、例3、例41及び例42を比較すると、成膜温度が低温になるにつれて、GPC、屈折率、緻密性が減少する傾向であった。しかしながら、比較例1との比較では、例3、例41及び例42のいずれも良好な成膜量、膜質、緻密性が得られることを確認した。本結果より、式1に示すクロロアミノジシラン化合物は、350℃の低温領域においても、シリコン含有薄膜形成用組成物に含まれるシリコン含有化合物として有望な材料であることを確認した。
なお、350℃よりも低い成膜温度で成膜した場合において、比較例1と比較した結果、良質なシリコン窒化膜が形成されたことを確認した。
また、SiCl(NHC(CH以外の、式1に示すクロロアミノジシラン化合物を用いた場合も、同様の傾向が得られることを確認した。
さらに、窒素含有化合物としてアンモニア以外のその他の窒素含有化合物を用いた場合も、同様の傾向が得られることを確認した。特に、窒素含有原料としてヒドラジン類化合物を用いた場合、アンモニアを用いた場合と比較して、GPC、緻密性が向上することを確認した。
(評価結果9)
例1は、窒素含有化合物に含まれる窒素含有化合物として、アンモニア(NH)を単独で用いた例(2ステップ反応)である。
例37は、窒素含有化合物に含まれる窒素含有化合物として、ヒドラジン(NHNH)を単独で用いた例(2ステップ反応)である。
例43は、反応ガスとして、アンモニア(NH)を含む窒素含有化合物からなる第1反応ガスと、ヒドラジンを含む窒素含有化合物からなる第2反応ガスとを交互に供給する例(3ステップ反応)である。
例1、例37及び例43の結果を比較して、3ステップ反応(第2反応ガスの供給)について評価した。
表2に示すように、例43に示す3ステップ反応は、例3及び例37に示す2ステップ反応と比較して、同等以上の良好なシリコン窒化膜が形成されることを確認した。特に、シリコン窒化膜の緻密性は2ステップ反応と比較して向上したため、第2反応ガスの供給による効果を確認した。
なお、シリコン含有化合物として、SiCl(NHC(CH以外の式1に示すクロロアミノジシラン化合物を用いた場合も、同様の傾向が得られることを確認した。
また、第2反応ガスとして、その他の窒素含有化合物を用いた場合も、同様の傾向が得られることを確認した。その中でも、特にヒドラジン類化合物を用いた場合、GPC、緻密性が良好であることを確認した。
(例44)
[成膜条件]
成膜温度を550℃に変更した以外は、比較例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.15(Å/cycle)
・屈折率:1.90
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例44/比較例1):1.64
例44のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.64であり、比較例1(成膜温度450℃)と比較して、成膜温度100℃上げることで、シリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
(例45)
[成膜条件]
成膜温度を550℃に変更した以外は、例1と同じ成膜条件を用いて成膜を行った。
[評価結果]
・GPC:0.80(Å/cycle)
・屈折率:2.05
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例45/比較例1):2.10
例45のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が2.10であり、例1(成膜温度450℃)と比較して、成膜温度100℃上げることで、シリコン窒化膜の緻密性が向上することを確認した。
Figure 0007541466000033
(評価結果10)
比較例1、例1、例44及び例45の結果を比較して、成膜温度500℃以上における成膜量および膜質を評価した。成膜温度は、450℃と比較して550℃の方が、GPC、屈折率、緻密性が向上することを確認した。
比較例1と例44とを比較すると、原料ガスに含まれるシリコン含有化合物がHCDSの場合、成膜温度を550℃とすることにより、大きく膜質が改善されることを確認した。
また、表3に示すように、例44と例45とを比較すると、原料ガスに含まれるシリコン含有化合物がSiCl(NHC(CHの場合のほうが、より良質なシリコン窒化膜が形成されることを確認した。
なお、シリコン含有原料としてSiCl(NHC(CH以外の式1に示すクロロアミノジシラン化合物を用いた場合も、同様の傾向が得られることを確認した。
以上説明したように、式1に示すクロロアミノジシラン化合物は、成膜温度500℃以上の高温領域においても、シリコン含有薄膜形成用組成物に含まれるシリコン含有化合物として有望な材料であることを確認した。
(例46)
[成膜条件]
・成膜温度(基板の表面温度):450℃
・シリコン含有化合物:SiCl(NHtBu)
・窒素含有化合物:NH
・処理時間:30分間
[成膜方法]
下記のようにシリコン含有化合物および窒素含有化合物を供給し、CVD法により成膜した。
・ステップ1:SiHCl(NHtBu)を処理室内に供給する。
・ステップ2:NHを処理室内に供給する。
[評価結果]
・成膜量:20(Å/min)
・屈折率:2.02
・膜厚30nmにおけるSi-Nピーク強度比(例49/比較例1):1.88
例49のシリコン窒化膜は、Si-Nピーク強度比が1.88であり、CVD法による成膜においても、良質なシリコン窒化膜を得ることを確認した。
なお、シリコン含有薄膜形成用組成物に含まれるシリコン含有化合物として、SiCl(NHtBu)以外の、式1に示すクロロアミノジシラン化合物を用いた場合も同様に、良質なシリコン窒化膜が形成されることを確認した。
1・・・成膜装置
2・・・処理室
3・・・温度制御装置
4・・・減圧装置
5・・・原料容器
6・・・気化器
7・・・加熱器
P・・・被処理基材(基板)
L1・・・パージガス供給経路
L2・・・排気経路
L3・・・原料ガス供給経路
L4・・・反応ガス供給経路

Claims (11)

  1. 化学気相成長法によってシリコン含有薄膜を形成する際、シリコン含有原料として用いるシリコン含有薄膜形成用組成物であって、
    下式11及び13で表されるクロロアミノジシラン化合物からなる群のうち、いずれか1種類以上を含むシリコン含有薄膜形成用組成物。
    Figure 0007541466000034

    Figure 0007541466000035

    ただし、式11及び13中、R1、R2およびR3は、それぞれ独立して選択される、炭素数1~5の直鎖または分枝の飽和アルキル基である。
    また、式11中、xおよびyは、1≦x+yを満たし、0~2の中から選択される整数である。
  2. 化学気相成長法によってシリコン含有薄膜を形成する、シリコン含有薄膜の形成方法であって、
    シリコン含有原料として、請求項1に記載のシリコン含有薄膜形成用組成物を用いる、シリコン含有薄膜の形成方法。
  3. 処理室内の被処理基材の表面温度を所要の温度に制御し、前記処理室内の前記被処理基材に、前記シリコン含有原料を供給するステップと、
    前記処理室内の前記被処理基材に、窒素含有原料を供給するステップと、を含む、請求項2に記載のシリコン含有薄膜の形成方法。
  4. 処理室内の被処理基材の表面温度を所要の温度に制御し、前記処理室内の前記被処理基材に、前記シリコン含有原料を供給するステップと、
    前記シリコン含有原料の供給を停止するステップと、
    前記処理室内の前記被処理基材に、窒素含有原料を供給するステップと、
    前記窒素含有原料の供給を停止するステップと、を含むサイクルを繰り返す、請求項2に記載のシリコン含有薄膜の形成方法。
  5. 前記サイクルが、前記処理室内に残留する前記シリコン含有原料を前記処理室内から除去するステップをさらに含む、請求項4に記載のシリコン含有薄膜の形成方法。
  6. 前記サイクルが、前記処理室内に残留する前記窒素含有原料を前記処理室内から除去するステップをさらに含む、請求項4又は5に記載のシリコン含有薄膜の形成方法。
  7. 前記サイクルが、前記処理室内の前記被処理基材に、前記シリコン含有原料とは異なる他のシリコン含有原料を供給するステップをさらに含む、請求項4乃至6のいずれか一項に記載のシリコン含有薄膜の形成方法。
  8. 前記サイクルが、前記処理室内の前記被処理基材に、前記窒素含有原料とは異なる他の窒素含有原料を供給するステップをさらに含む、請求項4乃至7のいずれか一項に記載のシリコン含有薄膜の形成方法。
  9. 前記窒素含有原料が、アンモニア、ヒドラジン、モノメチルヒドラジン、ジメチルヒドラジン、ターシャリーブチルヒドラジン、ジメチルアミン、モノメチルアミン、及びターシャリーブチルアミンからなる群から選択される1つ以上の窒素含有化合物を含む、請求項3乃至8のいずれか一項に記載のシリコン含有薄膜の形成方法。
  10. 前記シリコン含有薄膜は、シリコン窒化膜又はシリコン炭窒化膜である、請求項2乃至9のいずれか一項に記載のシリコン含有薄膜の形成方法。
  11. 処理室内の被処理基材の表面温度を、500℃未満の温度に制御する、請求項2乃至10のいずれか一項に記載のシリコン含有薄膜の形成方法。
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