JP2009246129A - Method for forming plasma cvd silicon nitride film and method for manufacturing semiconductor integrated circuit device - Google Patents
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Abstract
【課題】N−H結合を減少させることができ、N−H結合の量とSi−H結合の量とを合計した総膜中水素量を減らすことが可能なプラズマCVD窒化珪素膜の成膜方法を提供すること。
【解決手段】処理容器1内に、珪素含有ガスと、窒素及び水素含有ガスとを導入する工程と、マイクロ波を処理容器1内に放射し、処理容器1内に導入された珪素含有ガス及び窒素及び水素含有ガスをプラズマ化する工程と、プラズマ化された珪素含有ガス及び窒素及び水素含有ガスを、被処理基板Wの表面上に供給し、被処理基板Wの表面上に窒化珪素膜を成膜する工程と、を備え、窒化珪素膜の成膜条件を、処理温度を300℃以上600℃以下、珪素含有ガスと窒素及び水素含有ガスとの流量比を0.005以上0.015以下、マイクロ波パワーを0.5W/cm2以上2.045W/cm2以下、処理圧力を133.3Pa以上13333Pa以下とする。
【選択図】図1Deposition of a plasma CVD silicon nitride film capable of reducing N—H bonds and reducing the total amount of hydrogen in the total film, which is the sum of N—H bonds and Si—H bonds Providing a method.
A process for introducing a silicon-containing gas and a nitrogen- and hydrogen-containing gas into a processing container, a microwave radiated into the processing container, and a silicon-containing gas introduced into the processing container and A step of converting nitrogen- and hydrogen-containing gas into plasma, supplying plasma-converted silicon-containing gas and nitrogen- and hydrogen-containing gas onto the surface of the substrate W to be processed, and forming a silicon nitride film on the surface of the substrate W to be processed; Forming a silicon nitride film, the processing temperature is 300 ° C. or more and 600 ° C. or less, and the flow rate ratio between the silicon-containing gas and the nitrogen- and hydrogen-containing gas is 0.005 or more and 0.015 or less. the microwave power 0.5 W / cm 2 or more 2.045W / cm 2 or less, the process pressure and 133.3Pa than 13333Pa less.
[Selection] Figure 1
Description
この発明は、半導体集積回路装置における絶縁膜や保護膜として使用されるプラズマCVD窒化珪素膜を成膜するプラズマCVD窒化珪素膜の成膜方法と半導体集積回路装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a plasma CVD silicon nitride film forming method for forming a plasma CVD silicon nitride film used as an insulating film or a protective film in a semiconductor integrated circuit device, and a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device.
窒化珪素膜は、半導体集積回路装置における絶縁膜や保護膜等として使用されている。このような窒化珪素膜は、例えば、原料ガスとしてシラン(SiH4)などのシリコン含有化合物のガスと、窒素ガスやアンモニア等の窒素含有化合物のガスとを使用した減圧プラズマCVD法を用いることで成膜できることが知られている。減圧プラズマCVD法は、通常、処理圧力を1000mTorr(133.3Pa)以下として成膜処理するプラズマCVD法である。 Silicon nitride films are used as insulating films and protective films in semiconductor integrated circuit devices. Such a silicon nitride film is formed by using, for example, a low pressure plasma CVD method using a silicon-containing compound gas such as silane (SiH 4 ) as a source gas and a nitrogen-containing compound gas such as nitrogen gas or ammonia. It is known that a film can be formed. The low-pressure plasma CVD method is usually a plasma CVD method in which film formation is performed at a processing pressure of 1000 mTorr (133.3 Pa) or less.
シランガスと窒素ガスとを使用した減圧プラズマCVD法を用いて窒化珪素膜を成膜すると、Si−H結合は発生するものの、N−H結合が少ない膜が得られる。その代わり、窒素ガスがアンモニアガスよりも分解し難いために、制御が難しく、また、膜中に過剰Siが発生しやすい、という事情を抱えている。 When a silicon nitride film is formed using a low pressure plasma CVD method using silane gas and nitrogen gas, a film with few N—H bonds is obtained although Si—H bonds are generated. Instead, since nitrogen gas is harder to decompose than ammonia gas, it is difficult to control, and excess Si is likely to be generated in the film.
対して、シランガスとアンモニアガスとを使用した減圧プラズマCVD法では、窒素ガスを使用する場合に比較して反応が起りやすく、制御性も良い。しかしながら、窒化珪素膜中にSi−H結合に加えて多量のN−H結合が含有されてしまい、Si−H結合の量とN−H結合の量とを合計した総膜中水素量が、窒素ガスを使用して成膜された窒化珪素膜に比較して多くなりやすい、という事情を持つ。 On the other hand, in the low pressure plasma CVD method using silane gas and ammonia gas, the reaction is more likely to occur and controllability is better than when nitrogen gas is used. However, the silicon nitride film contains a large amount of N—H bonds in addition to the Si—H bond, and the total amount of hydrogen in the film, which is the sum of the amount of Si—H bonds and the amount of N—H bonds, Compared to a silicon nitride film formed using nitrogen gas, the amount tends to increase.
窒化珪素膜中の総膜中水素量が多くなると、膜中から水素が抜け出すことで発生する空孔が発生する確率が高まる。膜中に空孔が発生すると、例えば、電子トラップとなり、膜質の劣化を早め、半導体集積回路装置の寿命に大きな影響を及ぼす。 As the total amount of hydrogen in the silicon nitride film increases, the probability that vacancies are generated due to the escape of hydrogen from the film increases. When holes are generated in the film, for example, it becomes an electron trap, which accelerates deterioration of the film quality and greatly affects the life of the semiconductor integrated circuit device.
また、特許文献1には、窒化珪素膜中の水素濃度が、半導体デバイスの特性、例えば、トランジスタの閾値等を左右する一要因となることが記載されている。
特に、特許文献1においては、制御ゲート上に形成された窒化珪素膜中の水素濃度を、1.5×1021atoms/cm3〜2.6×1021atoms/cm3の範囲に制御しなければ、不揮発性メモリセルの閾値変動の抑制が困難であることが記載されている。
特許文献1には窒化珪素膜中の水素濃度が記載されているが、水素濃度が、Si−H結合に由来する水素濃度であるのか、N−H結合に由来する水素濃度であるのか、両者を合計した水素濃度であるのか一切明らかにしていない。
そもそも特許文献1に記載された窒化珪素膜は減圧CVD法を用いて成膜された熱CVD窒化珪素膜である。熱CVD窒化珪素膜はストイキオメトリが0.75の窒化珪素膜(Si3N4膜)である。特許文献1に記載された窒化珪素膜は、プラズマCVD法を用いて成膜されたプラズマCVD窒化珪素膜ではない。
In the first place, the silicon nitride film described in
対して、プラズマCVD窒化珪素膜はストイキオメトリが処理条件によって変化する窒化珪素膜(SiNx膜)である。プラズマCVD窒化珪素膜のストイキオメトリの一例は0.8以上である。このようなプラズマCVD窒化珪素膜は、熱CVD窒化珪素膜に比較して、Si−H結合やN−H結合が生じやすく、両者を合計した総膜中水素量が、熱CVD窒化珪素膜に比較して多くなりやすい傾向がある。 On the other hand, the plasma CVD silicon nitride film is a silicon nitride film (SiN x film) whose stoichiometry changes depending on processing conditions. An example of stoichiometry of the plasma CVD silicon nitride film is 0.8 or more. Such a plasma CVD silicon nitride film is more likely to generate Si—H bonds and N—H bonds than a thermal CVD silicon nitride film, and the total amount of hydrogen in the total of the two results in the thermal CVD silicon nitride film. There is a tendency to increase in comparison.
この発明は、N−H結合を減少させることができ、N−H結合の量とSi−H結合の量とを合計した総膜中水素量を減らすことが可能なプラズマCVD窒化珪素膜の成膜方法と、この成膜方法を用いた半導体集積回路装置の製造方法とを提供することを目的とする。 According to the present invention, the formation of a plasma CVD silicon nitride film capable of reducing N—H bonds and reducing the total amount of hydrogen in the total film, which is the sum of N—H bonds and Si—H bonds. It is an object of the present invention to provide a film method and a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device using the film formation method.
上記課題を解決するために、この発明の第1の態様に係るプラズマCVD窒化珪素膜の成膜方法は、マイクロ波励起プラズマを用いたプラズマCVD窒化珪素膜の成膜方法であって、処理容器内に、珪素含有ガスと、窒素及び水素含有ガスとを導入する工程と、マイクロ波を前記処理容器内に放射し、前記処理容器内に導入された前記珪素含有ガス及び前記窒素及び水素含有ガスをプラズマ化する工程と、前記プラズマ化された前記珪素含有ガス及び前記窒素及び水素含有ガスを、被処理基板の表面上に供給し、この被処理基板の表面上に窒化珪素膜を成膜する工程と、を備え、前記窒化珪素膜の成膜条件を、処理温度を300℃以上600℃以下、珪素含有ガスと窒素及び水素含有ガスとの流量比を0.005以上0.015以下、マイクロ波パワーを0.5W/cm2以上2.045W/cm2以下、処理圧力を133.3Pa以上13333Pa以下とする。 In order to solve the above-described problem, a plasma CVD silicon nitride film forming method according to a first aspect of the present invention is a plasma CVD silicon nitride film forming method using microwave-excited plasma, and a processing vessel A step of introducing a silicon-containing gas, a nitrogen- and hydrogen-containing gas, and a microwave is radiated into the processing vessel, and the silicon-containing gas and the nitrogen- and hydrogen-containing gas introduced into the processing vessel The plasma-containing silicon-containing gas and the nitrogen- and hydrogen-containing gas are supplied onto the surface of the substrate to be processed, and a silicon nitride film is formed on the surface of the substrate to be processed. A film forming condition of the silicon nitride film, a processing temperature of 300 ° C. to 600 ° C., a flow rate ratio of a silicon-containing gas to nitrogen and hydrogen-containing gas of 0.005 to 0.015, a microphone A wave power 0.5 W / cm 2 or more 2.045W / cm 2 or less, the process pressure and 133.3Pa than 13333Pa less.
この発明の第2の態様に係る半導体集積回路装置の製造方法は、絶縁膜上に、この絶縁膜とは異なる物質を含むエッチングストッパを形成する工程と、前記エッチングストッパの上方に、このエッチングストッパとは異なる物質を含む層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜上に、この層間絶縁膜とは異なる物質を含むハードマスクを形成する工程と、前記ハードマスクをエッチングマスクに用いて、前記層間絶縁膜に、溝又は孔を形成する工程と、を具備し、前記エッチングストッパ及び前記ハードマスクの少なくともいずれか一方が窒化珪素膜であり、前記窒化珪素膜の成膜条件を、処理温度を300℃以上600℃以下、珪素含有ガスと窒素及び水素含有ガスとの流量比を0.005以上0.015以下、マイクロ波パワーを0.5W/cm2以上2.045W/cm2以下、処理圧力を133.3Pa以上13333Pa以下とする。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device, comprising: forming an etching stopper containing a material different from the insulating film on the insulating film; and the etching stopper above the etching stopper. A step of forming an interlayer insulating film containing a material different from the above, a step of forming a hard mask containing a material different from the interlayer insulating film on the interlayer insulating film, and using the hard mask as an etching mask, Forming a groove or a hole in the interlayer insulating film, wherein at least one of the etching stopper and the hard mask is a silicon nitride film, and a film forming condition of the silicon nitride film is set at a processing temperature. 300 ° C. or more and 600 ° C. or less, the flow rate ratio of the silicon-containing gas and nitrogen and hydrogen-containing gas is 0.005 or more and 0.015 or less, and the microwave power is 5W / cm 2 or more 2.045W / cm 2 or less, the process pressure and 133.3Pa than 13333Pa less.
この発明の第3の態様に係る半導体集積回路装置の製造方法は、半導体基板上に、この半導体基板と絶縁され、上部にキャップ層を備えたゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極をマスクに用いて、ソース/ドレイン領域形成用の不純物を前記半導体基板内に導入する工程と、前記ゲート電極の側壁上に、側壁スペーサを形成する工程と、を具備し、前記キャップ層及び前記側壁スペーサの少なくともいずれか一方が窒化珪素膜であり、前記窒化珪素膜の成膜条件を、処理温度を300℃以上600℃以下、珪素含有ガスと窒素及び水素含有ガスとの流量比を0.005以上0.015以下、マイクロ波パワーを0.5W/cm2以上2.045W/cm2以下、処理圧力を133.3Pa以上13333Pa以下とする。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device, comprising: forming a gate electrode on a semiconductor substrate that is insulated from the semiconductor substrate and having a cap layer thereon; and masking the gate electrode And a step of introducing impurities for forming source / drain regions into the semiconductor substrate, and a step of forming a side wall spacer on the side wall of the gate electrode, and the cap layer and the side wall spacer. At least one of them is a silicon nitride film, and the film formation conditions of the silicon nitride film are as follows: the processing temperature is 300 ° C. or more and 600 ° C. or less, and the flow ratio of the silicon-containing gas and the nitrogen- and hydrogen-containing gas is 0.005 or more. 0.015 or less, a microwave power of 0.5 W / cm 2 or more 2.045W / cm 2 or less, the process pressure and 133.3Pa than 13333Pa less.
この発明の第4の態様に係る半導体集積回路装置の製造方法は、半導体基板上に、この半導体基板と絶縁されたゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極をマスクに用いて、ソース/ドレイン領域形成用の不純物を前記半導体基板内に導入する工程と、前記半導体基板上に、前記ゲート電極を被覆し、前記ゲート電極下の前記半導体基板の部分にストレスを与えるストレスライナーを形成する工程と、を具備し、前記ストレスライナーが窒化珪素膜であり、前記窒化珪素膜の成膜条件を、処理温度を300℃以上600℃以下、珪素含有ガスと窒素及び水素含有ガスとの流量比を0.005以上0.015以下、マイクロ波パワーを0.5W/cm2以上2.045W/cm2以下、処理圧力を133.3Pa以上13333Pa以下とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device, comprising: forming a gate electrode insulated from a semiconductor substrate on a semiconductor substrate; and using the gate electrode as a mask to form a source / drain Introducing a region forming impurity into the semiconductor substrate; and forming a stress liner on the semiconductor substrate to cover the gate electrode and apply stress to a portion of the semiconductor substrate under the gate electrode; The stress liner is a silicon nitride film, the film forming conditions for the silicon nitride film are a processing temperature of 300 ° C. or higher and 600 ° C. or lower, and a flow rate ratio of a silicon-containing gas and nitrogen and hydrogen-containing gas is 0. .005 least 0.015 or less, the microwave power 0.5 W / cm 2 or more 2.045W / cm 2 or less, the process pressure 133.3Pa than 13333Pa less To.
この発明によれば、N−H結合を減少させることができ、N−H結合の量とSi−H結合の量とを合計した総膜中水素量を減らすことが可能なプラズマCVD窒化珪素膜の成膜方法と、この成膜方法を用いた半導体集積回路装置の製造方法とを提供できる。 According to the present invention, a plasma CVD silicon nitride film that can reduce N—H bonds and can reduce the total hydrogen amount in the total film, which is the sum of N—H bonds and Si—H bonds. And a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device using the film forming method.
以下、適宜添付図面を参照して本発明の実施の形態について具体的に説明する。 Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the accompanying drawings as appropriate.
(第1の実施形態)
図1は、この発明の第1の実施形態に係るプラズマCVD窒化珪素膜の成膜方法に利用することが可能なプラズマCVD装置の一例を示す断面図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a plasma CVD apparatus that can be used in the plasma CVD silicon nitride film forming method according to the first embodiment of the present invention.
図1に示すように、プラズマCVD装置100は、複数のスロットを有する平面アンテナであるRLSA(Radial Line Slot Antenna;ラジアルラインスロットアンテナ)にて、処理チャンバー(処理容器)1内にマイクロ波を放射して、プラズマを発生させるRLSAマイクロ波プラズマCVD装置として構成されている。
As shown in FIG. 1, the
プラズマCVD装置100は、気密に構成され、接地された略円筒状の処理チャンバー(処理容器)1を有している。処理チャンバー1の中で、被処理基板である半導体ウエハW上に、プラズマCVD窒化珪素膜が成膜される。処理チャンバー1の底壁1aの略中央部には円形の開口部1bが形成されており、底壁1aにはこの開口部1bと連通し、下方に向けて突出する排気室2が設けられている。
The
処理チャンバー1の内部には、ウエハWを水平に支持するためのAlN等のセラミックスからなるサセプタ(基板支持台)3が設けられている。サセプタ3は、排気室2の底部中央から上方に延びる円筒状のAlN等のセラミックスからなる支持部材4により支持されている。サセプタ3の外縁部にはウエハWをガイドするためのガイドリング5が設けられている。サセプタ3には抵抗加熱型のヒータ6が埋め込まれており、このヒータ6はヒータ電源6aから給電されることによりサセプタ3を加熱し、サセプタ3の熱でウエハWを加熱する。サセプタ3には熱電対6bが埋設されている。サセプタ3は、熱電対6bが検出した温度信号に基づいて、温度コントローラ(TC)6cにより、例えば、室温から1000℃までの範囲で温度制御される。また、サセプタ3には下部電極6dが埋め込まれており、マッチャー6eを介してRF電源6fに接続されている。
Inside the
排気室2は排気管2aに接続され、排気管2aには真空ポンプを含む排気装置2bが接続されている。排気装置2bは、ターボ分子ポンプ等の真空ポンプおよび圧力制御バルブ等を備えており、処理チャンバー1の内部を所定の減圧雰囲気に設定する。
The
処理チャンバー1の側壁部分には、ゲートバルブ9が設けられている。ゲートバルブ9を開閉することにより、処理チャンバー1は外界と連通されたり、外界から気密に遮断されたりする。ウエハWは、ゲートバルブ9を介して処理チャンバー1の内部に搬入出される。
A
処理チャンバー1の上部は開口部となっており、開口部を塞ぐようにマイクロ波導入部10が気密に配置される。マイクロ波導入部10は、サセプタ3の側から順に、マイクロ波透過板11、平面アンテナ部材12、遅波材13を備えている。
The upper part of the
マイクロ波透過板11は、処理チャンバー1上部の開口部に設けられた環状の支持部14上に、シール部材15を介して気密に配置される。マイクロ波透過板11は、マイクロ波を透過する誘電体、例えば、石英やAl2O3、AlN等のセラミックスから構成される。
The
平面アンテナ部材12は、マイクロ波透過板11の上方に設けられ、処理チャンバー1の開口部の上端に係止されている。平面アンテナ部材12は、例えば、表面が金または銀メッキされた銅板、又はアルミニウム板から構成され、マイクロ波を放射するための多数のスロット孔16が所定のパターンで貫通して形成されている。スロット孔16は、例えば、図2に示すように一対の長溝状をなす。典型的には隣接するスロット孔16どうしが、T字状に配置され、T字状に配置されたスロット孔16が複数個、同心円状に配置される。スロット孔16の長さや配列間隔は、マイクロ波の波長(λg)に応じて決定され、例えば、スロット孔16の間隔は、λg/4からλgとなるように配置される。なお、図2においては、同心円状に形成された隣接するスロット孔16どうしの間隔を、“Δr”で示している。スロット孔16の形状は、例えば、円形状、円弧状等の形状であってもよい。スロット孔16の配置についても、特に同心円状に限定されるものではなく、例えば、螺旋状、放射状に配置することもできる。
The
遅波材13は、平面アンテナ部材12の上に設けられる。遅波材13は、真空よりも大きい誘電率を有する誘電体、例えば、石英、Al2O3等のセラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂から構成され、真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、マイクロ波の波長を短くしてプラズマを調整する機能を有している。なお、平面アンテナ部材12とマイクロ波透過板11との間、及び平面アンテナ部材12と遅波材13との間は、それぞれ密着させてもよいし、離間させてもよい。
The
処理チャンバー1の上方には、平面アンテナ部材12、及び遅波材13を覆うように、カバー17が設けられている。カバー17は平面アンテナと扁平導波管とを形成し、マイクロ波が外に漏れないように、処理チャンバー1の上面上に、シール部材18を介して配置される。カバー17は、例えば、アルミニウムやステンレス鋼等の金属材から構成され、内部には冷却水流路17aが形成される。冷却水を冷却水流路17aに流すことでカバー17、遅波材13、平面アンテナ12、及びマイクロ波透過板11がそれぞれ冷却され、カバー17、遅波材13、平面アンテナ12、及びマイクロ波透過板11の変形及び破損が防止される。なお、カバー17は、アンテナ、処理チャンバーを介して接地されている。
A
カバー17の上壁の中央には開口部17bが形成されている。開口部17bには導波管18が接続されている。導波管18の端部には、モード変換器21、矩形導波管が接続され、マッチング回路19を介してマイクロ波発生装置20が接続される。マイクロ波発生装置20は、例えば、周波数2.45GHzのマイクロ波を発生させる。発生されたマイクロ波は、導波管18を介して平面アンテナ部材12へ伝搬される。マイクロ波の周波数としては、2.45GHz、8.35GHz、1.98GHz等も用いることができる。
An opening 17 b is formed in the center of the upper wall of the
導波管18は、カバー17の開口部17bから上方へ延出する断面円形状の同軸導波管18aと、同軸導波管18aの中心に延在し、平面アンテナ部材12の中心に接続固定される内導体18cと、同軸導波管18aの上端部にモード変換器21を介して接続された水平方向に延びる矩形導波管18bとを有している。モード変換器21は、矩形導波管18b内をTEモードで伝搬するマイクロ波を、TEMモードに変換して、内導体18cを介して平面アンテナ部材12へ放射状に効率よく均一に伝播される。
The
処理チャンバー1内の、サセプタ3とマイクロ波導入部10との間には、処理ガスを導入するためのシャワープレート22が水平に設けられている。シャワープレート22は、図3に示すように、格子状のガス流路23と、格子状のガス流路23に形成された多数のガス吐出孔24とを有している。格子状のガス流路23の間は空間部25となっており、ガス吐出孔24はガス流路23のサセプタ3側に形成されている。ガス流路23には処理チャンバー1の外側に延びるガス供給管26が接続される。ガス供給管26は、プラズマ処理のための処理ガスを供給するガス供給部27に接続される。
Between the
ガス供給部27は、処理ガスとして、珪素含有ガスを供給する珪素含有ガス供給源27aと、窒素及び水素含有ガスを供給する窒素及び水素含有ガス供給源27bとを備えている。ガス供給部27は、これらの処理ガスを、ガス供給管26、格子状のガス流路23、及格子状のガス流路23のサセプタ3側に形成されたガス吐出孔24を介して所定の流量で処理チャンバー1の内部のうち、シャワーヘッド22とサセプタ3との間の空間1cへ供給する。珪素含有ガスの一例はジシランであり、窒素及び水素含有ガスの一例はアンモニアである。
The
シャワープレート22とマイクロ波導入部10との間の処理チャンバー1の側壁には、環状のプラズマ生成用ガス導入部28が設けられている。プラズマ生成用ガス導入部28は、処理チャンバー1の内部に向かってプラズマ生成用ガスを吐出する吐出孔28aを複数備えている。プラズマ生成用ガス導入部28には、プラズマ生成用ガスを供給するガス供給管29に接続され、ガス供給管29は、プラズマ生成用ガスを供給するガス供給部30に接続される。
On the side wall of the
ガス供給部30は、プラズマ生成用ガスを供給するプラズマ生成用ガス供給源30aを備えている。ガス供給部30は、プラズマ生成用ガスを、ガス供給管29、ガス導入部28、及び吐出孔28aを介して所定の流量で処理チャンバー1の内部のうち、シャワーヘッド22とマイクロ波導入部10との間の空間1dへ供給する。プラズマ生成用ガスの一例はアルゴンである。
The
空間1dに供給されたプラズマ生成用ガスは、マイクロ波導入部10を介して空間1dに導入されたマイクロ波によりプラズマ化される。プラズマ化されたガスは、シャワープレート22の空間部25を通過して空間1cに供給され、空間1cにおいて、シャワープレート22のガス吐出孔24から吐出された処理ガスをプラズマ化する。
The plasma generating gas supplied to the
プラズマCVD装置100の各構成部は、制御部40によって制御される。制御部40は、CPUを備えたプロセスコントローラ41と、プロセスコントローラ41に接続されたユーザーインターフェース42及び記憶部43とを備えている。ユーザーインターフェース42は、工程管理者がプラズマCVD装置100を管理するためにコマンドの入力操作等を行なうキーボードや、プラズマCVD装置100の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等を備えている。記憶部43は、プラズマCVD装置100で実行される各種処理をプロセスコントローラ41の制御にて実現するための制御プログラム(ソフトウエア)や処理条件データ等が記録されたレシピを格納する。任意のレシピは、必要に応じ、ユーザーインターフェース42からの指示等にて記憶部43から呼び出され、プロセスコントローラ41において実行される。プロセスコントローラ41がレシピを実行することで、プラズマCVD装置100は、プロセスコントローラ41の制御のもと、所望の処理を行う。レシピは、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体、例えば、CD−ROM、ハードディスク、フレキシブルディスク、フラッシュメモリなどに格納された状態のものを利用したり、あるいは、他の装置から、例えば、専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。
Each component of the
このように構成されたプラズマCVD装置100は、例えば、以下のような手順でプラズマCVD法によりウエハW表面上に窒化珪素膜を堆積することができる。
The
まず、ゲートバルブ9を開にしてウエハWを処理チャンバー1の内部に搬入し、サセプタ3上に載置する。
First, the
次に、ガス供給部30からプラズマ生成用ガスを、吐出孔28aを介して処理チャンバー1のうち、空間1d内に導入しつつ、マイクロ波発生装置20からのマイクロ波を、マッチング回路19を経て、矩形導波管18b、モード変換器21、及び同軸導波管18aを順次通過させ、内導体18cを介して平面アンテナ部材12に供給する。平面アンテナ部材12に供給されたマイクロ波は、平面アンテナ部材12のスロット孔16から透過板11を介して処理チャンバー1のうち、空間1d内に放射される。プラズマ生成ガスは、放射されたマイクロ波により励起されてプラズマ化される。マイクロ波励起プラズマは、マイクロ波が多数のスロット孔16から放射されることにより、例えば、略1×1010〜5×1012/cm3の高密度で2eV以下の低電子温度プラズマとなる。プラズマ化されたガスは、シャワーヘッド22の空間部25を通過して空間1cに供給される。
Next, the plasma generation gas is introduced from the
次に、処理ガス供給部27から処理ガスを、ガス供給管26、格子状のガス流路23、及格子状のガス流路23のサセプタ3側に形成されたガス吐出孔24を介して所定の流量で処理チャンバー1の内部のうち、空間1c内に供給する。処理ガスは、格子状の空間部25を通過してきたプラズマ化されたガスにより励起されてプラズマ化される。ウエハW近傍では、例えば、略1.5eV以下の低電子温度プラズマとなる。このようにして形成されたプラズマは、下地膜へのイオン等によるプラズマダメージが少ないものである。そして、プラズマ中で処理ガスの解離が進み、例えば、SiH、NHなどの活性種の反応によって、窒化珪素SiNx(ここで、xは必ずしも化学量論的に決定されず、処理条件により異なる値をとる)の薄膜が堆積される。
Next, a processing gas is supplied from the processing
図1に示すプラズマCVD装置100を用いてプラズマCVD窒化珪素膜を成膜し、成膜されたプラズマCVD窒化珪素膜中の水素量(Si−H結合、N−H結合、及びSi−H結合とN−H結合との合計)の、処理温度依存性、珪素含有ガス流量依存性、マイクロ波パワー依存性、及び処理圧力依存性を、それぞれ測定した。この測定において使用した珪素含有ガスはジシラン、窒素及び水素含有ガスはアンモニアである。プラズマCVD窒化珪素膜の膜質の分析には、フーリエ変換赤外分光法(FT−IR)を用い、N−H結合に由来するスペクトルの強度、及びSi−H結合に由来するスペクトルの強度から、N−H結合の量、及びSi−H結合の量を求めた。また、求められたN−H結合の量とSi−H結合の量とを合計することにより総膜中水素量(total H)を求めた。
A plasma CVD silicon nitride film is formed using the
図4は水素量の処理温度依存性を示す図で、図4Aは処理条件を、図4Bは水素量と処理温度との関係を示している。 FIG. 4 is a diagram showing the treatment temperature dependence of the hydrogen amount, FIG. 4A shows the treatment conditions, and FIG. 4B shows the relationship between the hydrogen amount and the treatment temperature.
図4Aに示すように、処理条件は、処理温度をパラメータ(図中“−”で示す)とし、ジシラン(Si2H6)とアンモニア(NH3)との流量比を“5sccm/500sccm=0.01”、マイクロ波パワーを1.023W/cm2(2kW)、処理圧力を950mTorrとした。このような処理条件において、処理温度を300℃から600℃まで100℃ずつ変化させた。処理温度は、本例ではサセプタ3の加熱温度とした。
As shown in FIG. 4A, the processing conditions are such that the processing temperature is a parameter (indicated by “−” in the figure), and the flow ratio of disilane (Si 2 H 6 ) and ammonia (NH 3 ) is “5 sccm / 500 sccm = 0. .01 ", the microwave power was 1.023 W / cm 2 (2 kW), and the processing pressure was 950 mTorr. Under such processing conditions, the processing temperature was changed from 300 ° C. to 600 ° C. in steps of 100 ° C. The processing temperature is the heating temperature of the
図4Bに示すように、処理温度を300℃から400℃に変化させると、Si−H結合の量は緩やかな上昇傾向を示したのに対し、N−H結合の量は大きく減少した。Si−H結合とN−H結合との合計値(以下総膜中水素量(Total H)という)は、処理温度が300℃の場合に比較して400℃の場合のほうが大きく減少した。これは、供給律速領域のためN−Hが取り込まれ難くなる、と考えられる。 As shown in FIG. 4B, when the processing temperature was changed from 300 ° C. to 400 ° C., the amount of Si—H bonds showed a gradual increase, whereas the amount of N—H bonds was greatly reduced. The total value of Si—H bonds and N—H bonds (hereinafter referred to as the total hydrogen content in the film (Total H)) was greatly reduced when the processing temperature was 400 ° C. compared to 300 ° C. This is thought to be difficult for NH to be taken in due to the supply rate limiting region.
さらに、処理温度を400℃から500℃に変化させると、Si−H結合の量は、反対に大きな減少傾向を示し、N−H結合の量は緩やかに増加した。総膜中水素量は、N−H結合の量が緩やかに増加した反面、Si−H結合の量がN−H結合の増加量を上回る量で減少したため、処理温度が400℃の場合に比較して500℃の場合のほうが減少した。 Furthermore, when the treatment temperature was changed from 400 ° C. to 500 ° C., the amount of Si—H bonds showed a large decreasing tendency, and the amount of N—H bonds increased gradually. The total amount of hydrogen in the film was gradually increased as the amount of N—H bonds was increased, but the amount of Si—H bonds was decreased by an amount exceeding the increase amount of N—H bonds, so that compared with the case where the processing temperature was 400 ° C. In the case of 500 ° C., it decreased.
さらに、処理温度を500℃から600℃に変化させると、Si−H結合の量は、引き続き減少傾向を示した。N−H結合の量は、ほぼ変化がなく、飽和する傾向を示した。総膜中水素量は、処理温度が500℃の場合に比較して600℃の場合のほうが減少した。
これは、反応律速領域のため反応が進まず、N−Hが多く取り込まれない、と考えられる。このように、400℃以下では供給律速で、400℃を超えると反応律速と考えられる。
Furthermore, when the processing temperature was changed from 500 ° C. to 600 ° C., the amount of Si—H bonds continued to decrease. The amount of N—H bonds remained almost unchanged and showed a tendency to saturate. The total amount of hydrogen in the film was reduced when the treatment temperature was 600 ° C. compared to when the treatment temperature was 500 ° C.
This is thought to be because the reaction does not proceed because of the reaction rate limiting region, and a lot of NH is not taken up. Thus, it is considered that the rate is controlled at a temperature of 400 ° C. or lower, and the rate is controlled at a temperature exceeding 400 ° C.
総膜中水素量は、処理温度を高くするに連れて減少する傾向を示し、ほぼ処理温度が300℃以上600℃以下で1022(atoms/cc)のオーダーから、1021(atoms/cc)のオーダーまで減らすことが可能であることが確認された。 The total amount of hydrogen in the film has a tendency to decrease as the processing temperature is increased. From the order of 10 22 (atoms / cc) at a processing temperature of 300 ° C. to 600 ° C., 10 21 (atoms / cc). It was confirmed that it was possible to reduce to the order of.
図5は水素量の珪素含有ガス流量依存性を示す図で、図5Aは処理条件を、図5Bは水素量と珪素含有ガス流量との関係を示している。 FIG. 5 is a diagram showing the dependence of the amount of hydrogen on the flow rate of silicon-containing gas, FIG. 5A shows the processing conditions, and FIG. 5B shows the relationship between the amount of hydrogen and the flow rate of silicon-containing gas.
図5Aに示すように、珪素含有ガス、本例ではジシラン(Si2H6)の流量をパラメータ(図中“−”で示す)とし、処理温度(サセプタ3の温度)を500℃、アンモニア(NH3)の流量を1000sccm、マイクロ波パワーを1.023W/cm2(2kW)、処理圧力を1000mTorrとした。このような処理条件において、ジシランの流量を5sccm、10sccm、12.5sccm、及び15sccmと変化させ、ジシランとアンモニアとの流量比を0.005、0.01、0.0125、0.015と変化させた。 As shown in FIG. 5A, the flow rate of the silicon-containing gas, in this example, disilane (Si 2 H 6 ) is a parameter (indicated by “−” in the figure), the processing temperature (temperature of the susceptor 3) is 500 ° C., ammonia ( The flow rate of NH 3 ) was 1000 sccm, the microwave power was 1.023 W / cm 2 (2 kW), and the processing pressure was 1000 mTorr. Under such processing conditions, the flow rate of disilane is changed to 5 sccm, 10 sccm, 12.5 sccm, and 15 sccm, and the flow rate ratio of disilane to ammonia is changed to 0.005, 0.01, 0.0125, 0.015. I let you.
図5Bに示すように、流量比を0.005から0.01に変化させると、Si−H結合の量は低いままほぼ変化しなかったのに対し、N−H結合の量は減少傾向を示した。総膜中水素量は、流量比が0.005の場合に比較して0.01の場合のほうが減少した。 As shown in FIG. 5B, when the flow rate ratio was changed from 0.005 to 0.01, the amount of Si—H bonds remained almost unchanged while the amount of N—H bonds tended to decrease. Indicated. The total amount of hydrogen in the film decreased when the flow rate ratio was 0.01 compared to when the flow rate ratio was 0.005.
さらに、流量比が0.0125、0.015となるようにジシランの割合を高め、アンモニアの割合を低くしていくと、Si−H結合の量は低いままほぼ変化しないが、N−H結合の量は、引き続き減少傾向を示した。総膜中水素量は、流量比が0.01の場合に比較して0.025の場合のほうが減少し、同じく流量比が0.125の場合に比較して0.015のほうが減少した。 Further, when the ratio of disilane is increased so that the flow rate ratio becomes 0.0125 and 0.015 and the ratio of ammonia is decreased, the amount of Si—H bonds remains low, but the N—H bonds are not changed. The amount of continued to show a downward trend. The total amount of hydrogen in the film was decreased when the flow ratio was 0.025 compared to 0.01 and when the flow ratio was 0.125 compared with 0.125.
このように、処理ガス中のジシランの割合を高め、アンモニアの割合を低くしていくと、Si−H結合の量はほぼ変化しないものの、N−H結合の量を減少でき、総膜中水素量を1×1022(atoms/cc)のオーダー以下に減らすことが可能であることが確認された。これは、供給律速領域にもっていけるから、と考えられる。 As described above, when the proportion of disilane in the processing gas is increased and the proportion of ammonia is decreased, the amount of N—H bonds can be reduced, although the amount of Si—H bonds is hardly changed. It was confirmed that the amount can be reduced to the order of 1 × 10 22 (atoms / cc) or less. This is thought to be because it can be brought into the supply rate-limiting region.
図6は水素量のマイクロ波パワー依存性を示す図で、図6Aは処理条件を、図6Bは水素量とマイクロ波パワーとの関係を示している。 FIG. 6 is a diagram showing the dependence of the amount of hydrogen on the microwave power, FIG. 6A shows the processing conditions, and FIG. 6B shows the relationship between the amount of hydrogen and the microwave power.
図6Aに示すように、マイクロ波パワーをパラメータ(図中“−”で示す)とし、処理温度(サセプタ3の温度)を500℃、ジシラン(Si2H6)の流量とアンモニア(NH3)の流量との流量比を5.5sccm/1000sccm=0.0055、処理圧力を1000mTorrとした。このような処理条件において、マイクロ波パワーを0.511W/cm2(1kW)、1.023W/cm2(2kW)、1.534W/cm2(3kW)と変化させた。 As shown in FIG. 6A, the microwave power is a parameter (indicated by “−” in the figure), the processing temperature (temperature of the susceptor 3) is 500 ° C., the flow rate of disilane (Si 2 H 6 ) and ammonia (NH 3 ). The flow rate ratio was 5.5 sccm / 1000 sccm = 0.0055, and the treatment pressure was 1000 mTorr. Under such processing conditions, the microwave power was changed to 0.511 W / cm 2 (1 kW), 1.023 W / cm 2 (2 kW), and 1.534 W / cm 2 (3 kW).
図6Bに示すように、マイクロ波パワーを0.511W/cm2(1kW)、1.023W/cm2(2kW)、1.534W/cm2(3kW)と高めていくと、Si−H結合の量は低いままほぼ変化しない代わりに、N−H結合の量が減少することが判明した。総膜中水素量は、マイクロ波パワーを0.511W/cm2(1kW)、1.023W/cm2(2kW)、1.534W/cm2(3kW)、…、と高めていくことで減少する。 As shown in FIG. 6B, when the microwave power is increased to 0.511 W / cm 2 (1 kW), 1.023 W / cm 2 (2 kW), and 1.534 W / cm 2 (3 kW), Si—H bonding is achieved. It has been found that the amount of N—H bonds is reduced, while the amount of N remains almost unchanged. The total amount of hydrogen in the film decreases as the microwave power is increased to 0.511 W / cm 2 (1 kW), 1.023 W / cm 2 (2 kW), 1.534 W / cm 2 (3 kW),. To do.
このように、マイクロ波パワーを、実用的には、0.5W/cm2以上2.045W/cm2((4kw)以下の範囲で、マイクロ波パワーを高めていくと、Si−H結合の量は低いままほぼ変化しないものの、N−H結合の量を減少でき、総膜中水素量を、1.4×1022(atoms/cc)のオーダー以下に減らすことが可能であることが確認された。これは、パワーを上げることで、プラズマ密度が上がり、より反応が進むため、と考えられる。 As described above, when the microwave power is practically increased in the range of 0.5 W / cm 2 to 2.045 W / cm 2 ( (4 kw)), Si—H bonding Although the amount remains almost unchanged, the amount of N—H bonds can be reduced, and the total amount of hydrogen in the film can be reduced to an order of 1.4 × 10 22 (atoms / cc) or less. This is thought to be because the plasma density increases and the reaction proceeds more by increasing the power.
図7は水素量の処理圧力依存性を示す図で、図7Aは処理条件を、図7Bは水素量と処理圧力との関係を示している。 FIG. 7 is a graph showing the processing pressure dependence of the hydrogen amount, FIG. 7A shows the processing conditions, and FIG. 7B shows the relationship between the hydrogen amount and the processing pressure.
図7Aに示すように、処理圧力をパラメータ(図中“−”で示す)とし、処理温度(サセプタ3の温度)を600℃、ジシラン(Si2H6)の流量とアンモニア(NH3)の流量との流量比を5sccm/500sccm=0.01、マイクロ波パワーを1.023W/cm2(2kW)とし、処理圧力を250mTorr、1000mTorr、2000mTorr、3000mTorrと変化させた。 As shown in FIG. 7A, the processing pressure is a parameter (indicated by “−” in the figure), the processing temperature (temperature of the susceptor 3) is 600 ° C., the flow rate of disilane (Si 2 H 6 ), and ammonia (NH 3 ). The flow rate ratio with respect to the flow rate was 5 sccm / 500 sccm = 0.01, the microwave power was 1.023 W / cm 2 (2 kW), and the processing pressure was changed to 250 mTorr, 1000 mTorr, 2000 mTorr, and 3000 mTorr.
図7Bに示すように、通常の減圧プラズマCVD法と同じように、チャンバー1内の処理圧力を1000mTorr(133.3Pa)以下とした場合には、N−H結合がSi−H結合よりも優勢であることが判明した。これは供給律速である。具体的には、図1に示したプラズマCVD装置100を用いると、処理圧力が1000mTorr以下の場合には、N−H結合の量が9×1021atomos/cc以上のオーダーとなるのに対して、Si−H結合の量は1×1021atomos/cc以下のオーダーにとどまる。総膜中水素量は、9×1021atomos/cc以上のオーダーである。
As shown in FIG. 7B, when the processing pressure in the
対して、処理圧力を、1000mTorr以上に上げてくるとSi−H結合が急激に増加するが、反対にN−H結合も急激に減少しだす傾向があることが判明した。これは反応律速である。しかも、N−H結合の減少分のほうが、Si−H結合の増加分より大きい。このため、両者の量を合計した総膜中水素量が減少に転じだす傾向が見いだされた。 On the other hand, when the processing pressure is increased to 1000 mTorr or more, the Si—H bond increases rapidly, but conversely, the N—H bond tends to decrease rapidly. This is reaction limited. Moreover, the decrease in N—H bonds is greater than the increase in Si—H bonds. For this reason, it was found that the total amount of hydrogen in the film, which was the sum of both, began to decrease.
さらに、処理圧力を上げていくと、アンモニアガスを使用して成膜したプラズマCVD窒化珪素膜であっても、N−H結合の量とSi−H結合の量とを均衡させることができる。また、処理圧力が、おおよそ1800mTorr(239.9Pa)付近でN−H結合の量とSi−H結合の量とが均衡する。このときの総膜中水素量は、8×1021atomos/ccのオーダー(本例では、おおよそ8.4×1021atomos/ccのオーダー)まで、さらに減少している。 Furthermore, as the processing pressure is increased, the amount of N—H bonds and the amount of Si—H bonds can be balanced even in the case of a plasma CVD silicon nitride film formed using ammonia gas. In addition, the amount of N—H bonds and the amount of Si—H bonds are balanced when the processing pressure is approximately 1800 mTorr (239.9 Pa). The total amount of hydrogen in the film at this time further decreases to the order of 8 × 10 21 atoms / cc (in this example, the order of approximately 8.4 × 10 21 atoms / cc).
さらに、処理圧力を1800mTorr以上に上げると、アンモニアガスを使用して成膜したプラズマCVD窒化珪素膜であっても、N−H結合の量がSi−H結合の量よりも少なくなるプラズマCVD窒化珪素膜を得ることができた。 Further, when the processing pressure is increased to 1800 mTorr or more, plasma CVD nitridation in which the amount of N—H bonds is smaller than the amount of Si—H bonds even in a plasma CVD silicon nitride film formed using ammonia gas. A silicon film could be obtained.
例えば、本例では、処理圧力を2000mTorr(266.6Pa)とすると、N−H結合の量が3×1021atomos/ccのオーダーで、Si−H結合の量が5×1021atomos/ccのオーダーのプラズマCVD窒化珪素膜を得ることができた。このときの総膜中水素量は、8×1021atomos/ccのオーダーまで、さらに減少している。 For example, in this example, when the processing pressure is 2000 mTorr (266.6 Pa), the amount of N—H bonds is on the order of 3 × 10 21 atoms / cc, and the amount of Si—H bonds is 5 × 10 21 atoms / cc. A plasma CVD silicon nitride film of the order of 10 nm was obtained. The total amount of hydrogen in the film at this time is further reduced to the order of 8 × 10 21 atoms / cc.
処理圧力を2000mTorr以上に上げると、N−H結合の減少傾向が続くが、Si−H結合の増加分が鈍化することが判明した。つまり、増加していたSi−H結合が飽和しだす。N−H結合の減少傾向が続きつつ、Si−H結合が飽和する、ということは、つまり、総膜中水素量を、さらに減少させることができる、ということである。本例では、処理圧力を3000mTorr(400Pa)とすると、N−H結合の量が1×1021atomos/ccのオーダーまで減少するが、Si−H結合の量が5×1021atomos/ccのオーダーでほとんど変化しなかった。このときの総膜中水素量は、6×1021atomos/ccのオーダーまで引き続き減少する。 When the processing pressure was increased to 2000 mTorr or more, it was found that the decrease in N—H bonds continued, but the increase in Si—H bonds slowed down. That is, the increased Si—H bond begins to be saturated. The fact that the Si—H bond is saturated while the N—H bond decreasing trend continues means that the amount of hydrogen in the total film can be further reduced. In this example, when the processing pressure is 3000 mTorr (400 Pa), the amount of N—H bonds decreases to the order of 1 × 10 21 atoms / cc, but the amount of Si—H bonds is 5 × 10 21 atoms / cc. Almost no change in order. At this time, the total amount of hydrogen in the film continues to decrease to the order of 6 × 10 21 atoms / cc.
さらに、総膜中水素量は、例えば、ジシラン(Si2H6)の流量とアンモニア(NH3)の流量との流量比をSi−H結合の量が少なくなるように変える(流量比増大)、及び/又はマイクロ波パワーを上げると、6×1021atomos/cc以下に、減少させることができる。プラズマCVD窒化珪素膜は、膜中のSi−H結合がより少ない方がなお良い。 Further, the total amount of hydrogen in the film is changed, for example, by changing the flow rate ratio between the flow rate of disilane (Si 2 H 6 ) and the flow rate of ammonia (NH 3 ) so that the amount of Si—H bonds is reduced (flow rate ratio increase). And / or increase the microwave power, it can be reduced to 6 × 10 21 atoms / cc or less. A plasma CVD silicon nitride film is better with fewer Si—H bonds in the film.
このようなプラズマCVD窒化珪素膜の成膜方法によれば、窒化珪素膜を成膜する処理ガスである窒素含有ガスとして、窒素と水素とを含むガス、例えば、アンモニアガスを使用した、としても、処理圧力を1000mTorr(133.3Pa)以上とすることで、窒化珪素膜の膜中Si−H結合の量と膜中N−H結合の量とを合計した総膜中水素量が8.4×1021atoms/cc以下にできる低水素量のプラズマCVD窒化珪素膜を得ることができる。 According to such a plasma CVD silicon nitride film forming method, even if a gas containing nitrogen and hydrogen, for example, ammonia gas is used as a nitrogen-containing gas that is a processing gas for forming a silicon nitride film. By setting the processing pressure to 1000 mTorr (133.3 Pa) or higher, the total amount of hydrogen in the film, which is the sum of the amount of Si—H bonds in the silicon nitride film and the amount of N—H bonds in the film, is 8.4. × it is possible to obtain a low hydrogen content of the plasma CVD silicon nitride film can be below 10 21 atoms / cc.
ちなみに、処理圧力を1000mTorr以上とすることで、N−H結合の減少傾向を継続させつつ、Si−H結合については飽和させることができる傾向がある限り、処理圧力の上限は、例えば、100Torr(13333Pa)以下で良い。好ましくは10Torr(1333Pa)以下である。 Incidentally, by setting the processing pressure to 1000 mTorr or more, the upper limit of the processing pressure is, for example, 100 Torr (for example) as long as the Si—H bond tends to be saturated while the N—H bond decreasing tendency is continued. 13333 Pa) or less. The pressure is preferably 10 Torr (1333 Pa) or less.
さらに、珪素含有ガスと窒素及び水素含有ガスとの流量比を0.01以上0.015以下とする、及び/又はマイクロ波パワーをW/cm2以上2.045W/cm2以下とすると、膜中のSi−H結合がより少ないプラズマCVD窒化珪素膜を得ることができる。 Furthermore, the flow ratio of the silicon-containing gas and a nitrogen and hydrogen-containing gas and 0.01 to 0.015 or less, and / or microwave power when the W / cm 2 or more 2.045W / cm 2 or less, film A plasma CVD silicon nitride film with fewer Si—H bonds therein can be obtained.
しかも、本例の成膜方法に従って成膜されたプラズマCVD窒化珪素膜は、窒素と水素とを含むガスを使用して成膜するので、例えば、窒素ガスのみを用いてプラズマCVD窒化珪素膜を成膜する場合に比較して反応が起りやすく、制御性も良い。そのうえ、窒素と水素とを含むガスを使用して成膜されるプラズマCVD窒化珪素膜でありながらも、N−H結合の量を減らすことができる。さらにはN−H結合の量をSi−H結合の量以下とすることもできる。このことから、窒素と水素とを含むガスを使用して成膜されるプラズマCVD窒化珪素膜において懸念点であった、N−H結合が多量に含有されやすい、という事情も解消することもできた。このようなプラズマCVD窒化珪素膜の総膜中水素量の範囲を述べるならば、N−H結合の量とSi−H結合の量との合計値以下Si−H結合の量以上の範囲である。総膜中水素量が上記範囲にあれば、総膜中水素量が少ないプラズマCVD窒化珪素膜を得ることができる。 In addition, since the plasma CVD silicon nitride film formed according to the film forming method of this example is formed using a gas containing nitrogen and hydrogen, for example, the plasma CVD silicon nitride film is formed using only nitrogen gas. The reaction is more likely to occur and the controllability is better than in the case of film formation. In addition, although the plasma CVD silicon nitride film is formed using a gas containing nitrogen and hydrogen, the amount of N—H bonds can be reduced. Furthermore, the amount of N—H bonds can be made equal to or less than the amount of Si—H bonds. Therefore, the situation that a large amount of N—H bonds are likely to be contained in the plasma CVD silicon nitride film formed using a gas containing nitrogen and hydrogen can be solved. It was. If the range of the total amount of hydrogen in the plasma CVD silicon nitride film is described, the range is equal to or less than the sum of the amount of N—H bonds and the amount of Si—H bonds and equal to or greater than the amount of Si—H bonds. . If the total amount of hydrogen in the film is in the above range, a plasma CVD silicon nitride film having a small total amount of hydrogen in the film can be obtained.
総膜中水素量が少ないプラズマCVD窒化珪素膜では、膜中から水素が抜け出すことで発生する空孔が発生する確率が低くなる。よって、電子トラップが発生する確率が減り、膜質が劣化し難く、長い期間にわたって良い膜質を保つことができる、信頼性の高いプラズマCVD窒化珪素膜となる。このようなプラズマCVD窒化珪素膜は、半導体集積回路装置への適用に有利である。 In a plasma CVD silicon nitride film having a small total amount of hydrogen in the film, the probability that vacancies are generated due to the escape of hydrogen from the film is reduced. Therefore, the probability of occurrence of electron traps decreases, the film quality hardly deteriorates, and a highly reliable plasma CVD silicon nitride film that can maintain a good film quality for a long period of time is obtained. Such a plasma CVD silicon nitride film is advantageous for application to a semiconductor integrated circuit device.
このように、本発明方法を用いて低温で形成されたプラズマCVD窒化珪素膜によれば、N−H結合を減少させることができ、N−H結合の量とSi−H結合の量とを合計した総膜中水素量を減らすことが可能なプラズマCVD窒化珪素膜の成膜方法を提供できる。 Thus, according to the plasma CVD silicon nitride film formed at a low temperature using the method of the present invention, N—H bonds can be reduced, and the amount of N—H bonds and the amount of Si—H bonds can be reduced. A method for forming a plasma CVD silicon nitride film capable of reducing the total amount of hydrogen in the total film can be provided.
(第2の実施形態)
さらに、N−H結合の量とプラズマCVD窒化珪素膜の膜質との関係を調べてみた。膜質を示す指標には、エッチャントとして弗酸溶液を用いたときのエッチングレートを利用した。エッチングレートの算出には、エリプソメトリ法によりエッチング前の膜厚とエッチング終了後の膜厚との差を求め、単位時間当たりのエッチング量を算出するようにした。
(Second Embodiment)
Furthermore, the relationship between the amount of N—H bonds and the film quality of the plasma CVD silicon nitride film was examined. As an index indicating the film quality, an etching rate when a hydrofluoric acid solution was used as an etchant was used. For the calculation of the etching rate, the difference between the film thickness before etching and the film thickness after completion of etching was obtained by ellipsometry, and the etching amount per unit time was calculated.
図8は、プラズマCVD窒化珪素膜(SiNx)、減圧CVD窒化珪素膜(Si3N4)、熱酸化珪素膜(SiO2)、プラズマCVD酸化珪素膜(SiOx)、CVD酸化珪素膜(TEOS−SiO2)それぞれの弗酸溶液に対するエッチングレートを示す図である。 FIG. 8 shows a plasma CVD silicon nitride film (SiN x ), a low pressure CVD silicon nitride film (Si 3 N 4 ), a thermal silicon oxide film (SiO 2 ), a plasma CVD silicon oxide film (SiO x ), a CVD silicon oxide film ( TEOS-SiO 2) is a diagram showing an etching rate for each of hydrofluoric acid solution.
図8に示すように、プラズマCVD窒化珪素膜、本例ではマイクロ波プラズマCVD窒化珪素膜(1)、(2)が本実施形態に係る成膜方法に従って成膜された膜である。この膜には、N−H結合の量が1022atoms/ccオーダーの膜(1)と、1021atoms/ccオーダーの膜(2)との2種類を用意した。また、減圧CVD窒化珪素膜(3)、熱酸化珪素膜(4)、プラズマCVD酸化珪素膜(5)、CVD酸化珪素膜(6)は、それぞれ既存の成膜方法に従って成膜された膜である。これらの膜(3)乃至(6)は、膜(1)及び(2)に対する比較例として示されている。 As shown in FIG. 8, a plasma CVD silicon nitride film, in this example, a microwave plasma CVD silicon nitride film (1), (2) is a film formed according to the film forming method according to this embodiment. Two types of films were prepared: a film (1) with an N—H bond amount of the order of 10 22 atoms / cc and a film (2) with an order of 10 21 atoms / cc. Further, the low-pressure CVD silicon nitride film (3), the thermal silicon oxide film (4), the plasma CVD silicon oxide film (5), and the CVD silicon oxide film (6) are films formed according to existing film forming methods, respectively. is there. These films (3) to (6) are shown as comparative examples for the films (1) and (2).
膜(3)乃至(6)については、減圧CVD窒化珪素膜(3)が、純水で希釈した弗酸溶液(0.5%)に対して、エッチングレートが2.86A/min(0.286nm/min)であり、最も弗酸溶液に対するエッチング耐性が良い。エッチング耐性は、以下、熱酸化珪素膜(4)、プラズマCVD酸化珪素膜(5)、CVD酸化珪素膜(6)となり、比較例の中では、CVD酸化珪素膜(6)が最も弗酸溶液に対して良くエッチングされることが理解される。 With respect to the films (3) to (6), the low pressure CVD silicon nitride film (3) has an etching rate of 2.86 A / min (0.8 .0) with respect to a hydrofluoric acid solution (0.5%) diluted with pure water. 286 nm / min), and the etching resistance to the hydrofluoric acid solution is the best. In the following, the etching resistance is a thermal silicon oxide film (4), a plasma CVD silicon oxide film (5), and a CVD silicon oxide film (6). Among the comparative examples, the CVD silicon oxide film (6) is the most hydrofluoric acid solution. It can be seen that the film is well etched.
膜(1)はN−H結合の量が1022atoms/ccオーダーのプラズマCVD窒化珪素膜である。膜(1)は、弗酸溶液(0.5%)に対するエッチングレートが37.87A/min(3.787nm/min)であり、プラズマCVD酸化珪素膜(5)のエッチングレート40.35A/min(4.035nm/min)よりも弗酸溶液に対するエッチング耐性が良い、という結果を得ることができた。しかし、膜(1)の弗酸溶液に対するエッチング耐性は、減圧CVD窒化珪素膜(3)のそれには及ばない。 The film (1) is a plasma CVD silicon nitride film having an N—H bond amount of the order of 10 22 atoms / cc. The etching rate of the film (1) with respect to the hydrofluoric acid solution (0.5%) is 37.87 A / min (3.787 nm / min), and the etching rate of the plasma CVD silicon oxide film (5) is 40.35 A / min. As a result, the etching resistance to the hydrofluoric acid solution was better than (4.035 nm / min). However, the etching resistance of the film (1) to the hydrofluoric acid solution does not reach that of the low-pressure CVD silicon nitride film (3).
また、膜(2)、即ち、N−H結合の量が1021atoms/ccオーダー、本例では3.43×1021atoms/ccのプラズマCVD窒化珪素膜については、弗酸溶液(0.5%)に対するエッチングレートが0.77A/min(0.077nm/min)であり、減圧CVD窒化珪素膜(3)のエッチングレート2.86A/min(0.286nm/min)よりも一桁、弗酸溶液に対するエッチング耐性が良い、という結果を得ることができた。 Further, for the film (2), that is, the plasma CVD silicon nitride film having an N—H bond amount of the order of 10 21 atoms / cc, in this example 3.43 × 10 21 atoms / cc, a hydrofluoric acid solution (0. 5%) is an etching rate of 0.77 A / min (0.077 nm / min), which is an order of magnitude higher than the etching rate 2.86 A / min (0.286 nm / min) of the low-pressure CVD silicon nitride film (3), The result that the etching resistance with respect to a hydrofluoric acid solution was good was able to be obtained.
このように、N−H結合の量が1021atoms/ccオーダー以下のプラズマCVD窒化珪素膜は、減圧CVD窒化珪素膜(3)よりも弗酸溶液に対するエッチング耐性が良い。このような性質を持つ膜は、例えば、次に説明するような半導体集積回路装置の内部構造体への適用に有利である。 Thus, the plasma CVD silicon nitride film having an N—H bond amount of the order of 10 21 atoms / cc or less has better etching resistance to the hydrofluoric acid solution than the low-pressure CVD silicon nitride film (3). A film having such properties is advantageous for application to an internal structure of a semiconductor integrated circuit device as described below, for example.
(適用例1)
適用例1は、N−H結合の量が1021atoms/ccオーダー以下のプラズマCVD窒化珪素膜を、エッチングストッパ及びハードマスクに利用した例である。
(Application example 1)
Application Example 1 is an example in which a plasma CVD silicon nitride film having an N—H bond amount of the order of 10 21 atoms / cc or less is used as an etching stopper and a hard mask.
図9A乃至図9Cは適用例1に係る半導体集積回路装置の製造方法を主要な製造工程順に示す断面図である。 9A to 9C are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to Application Example 1 in the order of main manufacturing steps.
まず、図9Aに示すように、半導体ウエハ(図示せず)上に、例えば、層間絶縁膜のような絶縁膜201を形成する。次いで、絶縁膜201上に、エッチングストッパ202を形成する。エッチングストッパ202にはプラズマ窒化珪素膜が利用され、このプラズマ窒化珪素膜の成膜条件は、上述したように処理温度を300℃以上600℃以下、好ましくは500℃以下の低温で、珪素含有ガス、例えばジシランと窒素及び水素含有ガス、例えばアンモニアとの流量比を0.005以上0.015以下、マイクロ波パワーを0.5W/cm2以上2.045W/cm2以下、処理圧力を133.3Pa以上13333Pa以下とする。好ましくは、1333Pa以下とする。このような成膜条件とすることにより、N−H結合の量が1021atoms/ccオーダー以下のプラズマCVD窒化珪素膜を用いたエッチングストッパ202を形成することができる。次いで、エッチングストッパ202上に、層間絶縁膜203を形成する。層間絶縁膜203には、例えば、酸化珪素膜よりも誘電率が低い周知の低誘電率絶縁膜が用いられて良い。次いで、層間絶縁膜203上に、ハードマスク204を形成する。ハードマスク204には、エッチングストッパ202と同様に、プラズマ窒化珪素膜が利用される。また、ハードマスク204となるプラズマ窒化珪素膜の成膜条件は、エッチングストッパ202と同様に、処理温度を300℃以上600℃以下、好ましくは500℃以下の低温で、珪素含有ガス、例えばジシランと窒素及び水素含有ガス、例えばアンモニアとの流量比を0.005以上0.015以下、マイクロ波パワーを0.5W/cm2以上2.045W/cm2以下、処理圧力を133.3Pa以上13333Pa以下とする。好ましくは、1333Pa以下とする。このような成膜条件とすることにより、N−H結合の量が1021atoms/ccオーダー以下のプラズマCVD窒化珪素膜を用いたハードマスク202を形成することができる。次いで、ハードマスク204上に、ホトレジストからなるマスクパターン、例えば、配線材料を埋め込むための溝や、配線どうしを接続するための孔に対応した開孔を持つマスクパターン205を形成する。
First, as shown in FIG. 9A, an insulating
次いで、図9Bに示すように、マスクパターン205をマスクに用いて、ハードマスク204をエッチングする。
Next, as shown in FIG. 9B, the
次いで、図9Cに示すように、マスクパターン205を除去した後、ハードマスク204をエッチングのマスクに用いて層間絶縁膜203をエッチングし、層間絶縁膜203に、配線材料を埋め込むための溝、又は配線どうしを接続するための孔206を形成する。層間絶縁膜203のエッチングは、エッチングストッパ202が露出するまで続けられ、エッチングストッパ202が露出したところでエッチング速度が低下し、事実上、エッチングは停止する。
Next, as shown in FIG. 9C, after removing the
低温で、N−H結合の量が1021atoms/ccオーダー以下のプラズマCVD窒化珪素膜はエッチング耐性が良いので、エッチングを停止させるためのエッチングストッパ202や、層間絶縁膜203等の半導体集積回路の内部構造体を加工する際にエッチングのマスクとして用いられるハードマスク204等に好適である。
A plasma CVD silicon nitride film having an N—H bond amount of the order of 10 21 atoms / cc or less at a low temperature has good etching resistance. Therefore, a semiconductor integrated circuit such as an
また、上記プラズマCVD窒化珪素膜のエッチング耐性は、図8に示したように、減圧プラズマCVD窒化珪素膜(Si3N4)よりも良いので、減圧プラズマCVD窒化珪素膜をエッチングストッパ202やハードマスク204に用いた場合に比較して、膜厚をさらに薄くすることもできる。エッチングストッパ202やハードマスク204の膜厚を薄くできると、例えば、成膜時間やエッチング時間を短縮することでき、スループットの向上に役立つ。また、半導体集積回路装置のうち、垂直方向の内部構造体を薄くすることができるので、今後さらに進展すると考えられる半導体集積回路装置の多層構造化にも有利になる。
Further, the etching resistance of the plasma CVD silicon nitride film is better than that of the low pressure plasma CVD silicon nitride film (Si 3 N 4 ) as shown in FIG. Compared with the case of using the
なお、適用例1においては、エッチングストッパ202及びハードマスク204の双方に実施形態に係るプラズマCVD窒化珪素膜を用いたが、双方に用いる必要は必ずしもなく、いずれか一方に用いるようにしても良い。
In Application Example 1, the plasma CVD silicon nitride film according to the embodiment is used for both the
(適用例2)
適用例2は、N−H結合の量が1021atoms/ccオーダー以下のプラズマCVD窒化珪素膜を、セルフアラインコンタクト構造におけるキャップ層及び側壁スペーサに利用した例である。
(Application example 2)
Application Example 2 is an example in which a plasma CVD silicon nitride film having an N—H bond amount of the order of 10 21 atoms / cc or less is used for a cap layer and a sidewall spacer in a self-aligned contact structure.
図10A乃至図10Dは適用例2に係る半導体集積回路装置の製造方法を主要な製造工程順に示す断面図である。 10A to 10D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to Application Example 2 in order of main manufacturing steps.
図10Aに示すように、半導体ウエハW(本例ではシリコンウエハ)を熱酸化し、ゲート絶縁膜301となる熱酸化珪素膜を形成し、ゲート絶縁膜301となる熱酸化珪素膜上に、ゲート電極302となる、例えば、導電性のポリシリコン膜を形成する。次いで、ゲート電極302となるポリシリコン膜上に、キャップ層303を形成する。キャップ層303には、実施形態に係るプラズマCVD窒化珪素膜が用いられ、成膜条件は、処理温度を300℃以上600℃以下、好ましくは500℃以下の低温で、珪素含有ガス、例えばジシランと窒素及び水素含有ガス、例えばアンモニアとの流量比を0.005以上0.015以下、マイクロ波パワーを0.5W/cm2以上2.045W/cm2以下、処理圧力を133.3Pa以上13333Pa以下とする。好ましくは、1333Pa以下とする。このような成膜条件とすることにより、N−H結合の量が1021atoms/ccオーダー以下のプラズマCVD窒化珪素膜を用いたキャップ層303を形成することができる。次いで、キャップ層303上に、ホトレジストからなる図示せぬゲートパターンを形成し、ゲートパターンをマスクに用いて、キャップ層303、ポリシリコン膜、熱酸化膜を順次エッチングして、上部にキャップ層303を備えたゲート電極302を形成する。次いで、ゲート電極302をマスクに用いて、ウエハW内に、ウエハWとは異なる導電型のソース/ドレイン領域304形成用の不純物を導入する。
As shown in FIG. 10A, a semiconductor wafer W (silicon wafer in this example) is thermally oxidized to form a thermally oxidized silicon film that becomes the
次に、図10Bに示すように、ソース/ドレイン領域304及びゲート電極302上に、側壁スペーサ305となる絶縁膜を形成する。側壁スペーサ305となる絶縁膜には、実施形態に係るプラズマCVD窒化珪素膜が用いられ、成膜条件は、処理温度を300℃以上600℃以下、好ましくは500℃以下の低温で、珪素含有ガス、例えばジシランと窒素及び水素含有ガス、例えばアンモニアとの流量比を0.005以上0.015以下、マイクロ波パワーを0.5W/cm2以上2.045W/cm2以下、処理圧力を133.3Pa以上13333Pa以下とする。好ましくは、1333Pa以下とする。次いで、側壁スペーサ305となる絶縁膜を異方性エッチングし、キャップ層303及びゲート電極302の側壁上に側壁スペーサ305を形成する。このようにして、N−H結合の量が1021atoms/ccオーダー以下のプラズマCVD窒化珪素膜を用いた側壁スペーサ305を形成することができる。
Next, as illustrated in FIG. 10B, an insulating film to be the
次に、図10Cに示すように、キャップ層303、ソース/ドレイン領域304、側壁スペーサ305上に、層間絶縁膜306を形成する。層間絶縁膜306には、例えば、酸化珪素膜よりも誘電率が低い周知の低誘電率絶縁膜が用いられて良い。次いで、層間絶縁膜306上に、ホトレジストからなるソース/ドレイン領域304に達するコンタクト孔パターン(図示せず)を形成し、コンタクト孔パターンをマスクに用いて、層間絶縁膜306をエッチングし、コンタクト孔307を形成する。本例のコンタクト孔307は、キャップ層303及び側壁スペーサ305上にかかっており、コンタクト孔307は、ゲート電極302を被覆するキャップ層303及び側壁スペーサ305、即ち、ゲート電極302間の空間に対して自己整合的に形成される、いわゆる、セルフアラインコンタクト構造である。
Next, as illustrated in FIG. 10C, an
次に、図10Dに示すように、コンタクト孔307を導電物308で埋め込むことで、適用例2に係る構造体が形成される。
Next, as illustrated in FIG. 10D, the
このように、本発明の方法で、低温で形成したN−H結合の量が1021atoms/ccオーダー以下のプラズマCVD窒化珪素膜はエッチング耐性が良いので、コンタクト孔307を、ゲート電極302間の空間に対して自己整合的に形成する際の、ゲート電極302上を被覆するキャップ層303や、側壁スペーサ305にも好適である。
As described above, the plasma CVD silicon nitride film in which the amount of N—H bonds formed at a low temperature by the method of the present invention is on the order of 10 21 atoms / cc or less has good etching resistance. Therefore, the
(第3の実施形態)
さらに、N−H結合の量とプラズマCVD窒化珪素膜のストレスとの関係を調べてみた。ストレスの測定には、KLA−Tencor社製FLX−2320を用いた。
(Third embodiment)
Furthermore, the relationship between the amount of N—H bonds and the stress of the plasma CVD silicon nitride film was examined. For measurement of stress, FLX-2320 manufactured by KLA-Tencor was used.
図11は、プラズマCVD窒化珪素膜のストレスとN−H結合の量との関係を示す図である。 FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the stress of the plasma CVD silicon nitride film and the amount of N—H bonds.
図11に示すように、N−H結合の量が1022atoms/ccオーダーのプラズマCVD窒化珪素膜、本例では、1.32×1022atoms/ccのプラズマCVD窒化珪素膜のストレスは、1496MPaの引張ストレスを持つ。 As shown in FIG. 11, the stress of the plasma CVD silicon nitride film having an N—H bond amount of the order of 10 22 atoms / cc, in this example, the plasma CVD silicon nitride film of 1.32 × 10 22 atoms / cc is It has a tensile stress of 1496 MPa.
反対に、N−H結合の量が1021atoms/ccオーダーのプラズマCVD窒化珪素膜、本例では、3.43×1021atoms/ccのプラズマCVD窒化珪素膜のストレスは、−1099MPaの圧縮ストレスを持つ。 On the contrary, the stress of the plasma CVD silicon nitride film having an N—H bond amount of the order of 10 21 atoms / cc, in this example, the plasma CVD silicon nitride film of 3.43 × 10 21 atoms / cc is a compression of −1099 MPa. Have stress.
このように、プラズマCVD窒化珪素膜からN−H結合の量が減るにつれて、膜のストレスは、引張ストレスから圧縮ストレスの方向にシフトする傾向が確認された。 Thus, it was confirmed that the stress of the film tends to shift from the tensile stress to the compressive stress as the amount of N—H bonds decreases from the plasma CVD silicon nitride film.
さらに、プラズマCVD窒化珪素膜を、窒化用の処理ガスとして窒素及び水素含有ガス(例えば、アンモニアガス)を用いて成膜した場合と、窒化用の処理ガスとして水素を含まない窒素ガスを用いて成膜した場合とで、成膜された膜の段差被覆性を調べてみた。 Further, a plasma CVD silicon nitride film is formed using nitrogen and hydrogen-containing gas (for example, ammonia gas) as a nitriding process gas, and a nitrogen gas not containing hydrogen is used as a nitriding process gas. The step coverage of the formed film was examined when the film was formed.
図12はアンモニアガスを用いて成膜したプラズマCVD窒化珪素膜の段差被覆性を示す断面図、図13は窒素ガスを用いて成膜したプラズマCVD窒化珪素膜の段差被覆性を示す断面図である。なお、図13は参考例である。 12 is a cross-sectional view showing the step coverage of a plasma CVD silicon nitride film formed using ammonia gas, and FIG. 13 is a cross-sectional view showing the step coverage of a plasma CVD silicon nitride film formed using nitrogen gas. is there. FIG. 13 is a reference example.
図12に示すように、窒素及び水素含有ガス、本例ではアンモニアガスを用いて成膜したプラズマCVD窒化珪素膜400NH3は、段差側面上の膜厚(Side)と段差上面上の膜厚(Top)との比“Side/Top”が約91%であり、段差底面上の膜厚(Btm)と段差上面上の膜厚(Top)との比“Btm/Top”が約97%であり、おおよそ90%以上の段差被覆率を得ることができた。なお、本例における成膜条件は、処理温度400℃、ジシランとアンモニアとの流量比5sccm/500sccm、マイクロ波パワー1.023W/cm2(2kW)、処理圧力1000mTorrである。
As shown in FIG. 12, the plasma CVD
対して、図13に示すように、窒素ガスを用いて成膜したプラズマCVD窒化珪素膜400N2は、比“Side/Top”が約30%であり、比“Btm/Top”が約38%であり、段差被覆率は、おおむね30〜40%であった。なお、本例における成膜条件は、処理温度500℃、ジシランと窒素との流量比1sccm/1200sccm、マイクロ波パワー1.023W/cm2(2kW)、処理圧力20mTorrである。
On the other hand, as shown in FIG. 13, the plasma CVD
このように、この発明の実施形態に係る低温で成膜したプラズマCVD窒化珪素膜は、窒化用の処理ガスとして窒素及び水素含有ガスを用いることで、窒化用の処理ガスとして窒素ガスを用いる場合に比較して、段差被覆性を良好にできることが確認された。このような段差被覆性の測定結果から、第1の実施形態においても述べたが、プラズマCVD窒化珪素膜を、窒素及び水素含有ガスを使用して成膜することで、例えば、窒素ガスのみを用いてプラズマCVD窒化珪素膜を成膜する場合に比較して反応が起りやすく、制御性も良くなるということを、改めて確認することができた。 As described above, the plasma CVD silicon nitride film formed at a low temperature according to the embodiment of the present invention uses nitrogen and hydrogen-containing gas as the nitriding processing gas, and uses nitrogen gas as the nitriding processing gas. It was confirmed that the step coverage can be improved as compared with. From the measurement result of the step coverage, as described in the first embodiment, the plasma CVD silicon nitride film is formed using nitrogen and hydrogen-containing gas, for example, only nitrogen gas is used. It was confirmed again that the reaction easily occurs and the controllability is improved as compared with the case of using the plasma CVD silicon nitride film.
このように、プラズマCVD窒化珪素膜を、窒素及び水素含有ガスを使用して成膜すると、段差被覆性が良く、また、N−H結合の量を1022atoms/ccオーダー以上から1021atoms/ccオーダー以下へ減らしていくことで、膜のストレスに、引張ストレス及び圧縮ストレスのいずれかを選択して与えることができる。さらに、N−H結合の量が1021atoms/ccオーダー以下であるプラズマCVD窒化珪素膜は、膜のストレスとして引張ストレス、又は圧縮ストレスのいずれかを選択することができる。このような性質を持つ膜は、例えば、次に説明するような半導体集積回路装置の内部構造体への適用に有利である。 As described above, when the plasma CVD silicon nitride film is formed using nitrogen and hydrogen-containing gas, the step coverage is good, and the amount of N—H bonds is increased from the order of 10 22 atoms / cc to 10 21 atoms. By reducing it to less than / cc order, either tensile stress or compressive stress can be selected and applied to the film stress. Further, a plasma CVD silicon nitride film having an N—H bond amount of the order of 10 21 atoms / cc or less can select either tensile stress or compressive stress as the film stress. A film having such properties is advantageous for application to an internal structure of a semiconductor integrated circuit device as described below, for example.
(適用例3)
適用例3は、この発明の実施形態に係るプラズマCVD窒化珪素膜を、トランジスタのチャネルにストレスを与え、電荷の移動度を改善するストレスライナーに利用した例である。
(Application example 3)
Application Example 3 is an example in which the plasma CVD silicon nitride film according to the embodiment of the present invention is used as a stress liner that applies stress to a channel of a transistor and improves charge mobility.
図14A及び図14Bは適用例3に係る半導体集積回路装置の製造方法を主要な製造工程順に示す断面図である。 14A and 14B are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to Application Example 3 in the order of main manufacturing steps.
図14Aに示すように、半導体ウエハW(本例ではシリコンウエハ)の表面を熱酸化し、ゲート絶縁膜401となる熱酸化珪素膜を形成し、ゲート絶縁膜401となる熱酸化珪素膜上に、ゲート電極402となる、例えば、導電性のポリシリコン膜を形成する。次いで、ゲート電極402となるポリシリコン膜上に、ホトレジストからなる図示せぬゲートパターンを形成し、ゲートパターンをマスクに用いて、ポリシリコン膜、熱酸化膜を順次エッチングしてゲート電極402を形成する。次いで、ゲート電極402をマスクに用いて、ウエハW内に、ウエハWとは異なる導電型のソース/ドレイン領域403形成用の不純物を導入する。
As shown in FIG. 14A, the surface of a semiconductor wafer W (in this example, a silicon wafer) is thermally oxidized to form a thermal silicon oxide film that becomes the
次に、図14Bに示すように、ソース/ドレイン領域403及びゲート電極402上に、ストレスライナー404を形成する。ストレスライナー404となる絶縁膜には、実施形態に係るプラズマCVD窒化珪素膜が用いられ、成膜条件は、処理温度を300℃以上600℃以下、好ましくは、500℃以下の低温で珪素含有ガス、例えばジシランと窒素及び水素含有ガス、例えばアンモニアとの流量比を0.005以上0.015以下、マイクロ波パワーを0.5W/cm2以上2.045W/cm2以下、処理圧力を133.3Pa以上13333Pa以下とする。好ましくは、1333Pa以下とする。このような成膜条件とすることでN−H結合の量が1021atoms/ccオーダー以下のプラズマCVD窒化珪素膜を用いたストレスライナー404を形成することができる。
Next, as shown in FIG. 14B, a
N−H結合の量が1021atoms/ccオーダー以下のプラズマCVD窒化珪素膜は、図11に示したように、引張ストレス、又は圧縮ストレスのいずれかのストレスを選択して持たせることができる。例えば、N−H結合の量が1×1022atoms/ccに限りなく近い場合には、おおよそ1250MPaの引張ストレスを与えることができ、N−H結合の量を、おおよそ6.5×1021atoms/cc以下とすると、反対に圧縮ストレスを与えることができる。例えば、N−H結合の量が3.43×1021atoms/ccの場合には、おおよそ−1099MPaの圧縮ストレスを与えることができる。 As shown in FIG. 11, the plasma CVD silicon nitride film having an N—H bond amount of the order of 10 21 atoms / cc or less can selectively have either a tensile stress or a compressive stress. . For example, when the amount of N—H bonds is infinitely close to 1 × 10 22 atoms / cc, a tensile stress of approximately 1250 MPa can be applied, and the amount of N—H bonds is approximately 6.5 × 10 21. On the contrary, if it is atoms / cc or less, compressive stress can be applied. For example, when the amount of N—H bonds is 3.43 × 10 21 atoms / cc, a compressive stress of approximately −1099 MPa can be applied.
このように、N−H結合の量を1021atoms/ccオーダー以下に制御したプラズマCVD窒化珪素膜を、ストレスライナー404に用いることで、チャネルに引張ストレスを与えること、又はチャネルに圧縮ストレスを与えることのいずれかを選択することができる。
As described above, by using the plasma CVD silicon nitride film in which the amount of N—H bonds is controlled to the order of 10 21 atoms / cc or less for the
例えば、プラズマCVD窒化珪素膜中のN−H結合の量を6.5×1021atoms/ccを超え1×1022atoms/cc未満にした場合には、ストレスライナー404は引張ストレスを持つので、チャネルに引張ストレスを与えることができる。チャネルに引張ストレスを与えると、電子の移動度が向上するので、Nチャネル型のMOSFET又はMISFETに有効に適用することができる。
For example, when the amount of N—H bonds in the plasma CVD silicon nitride film is more than 6.5 × 10 21 atoms / cc and less than 1 × 10 22 atoms / cc, the
また、例えば、プラズマCVD窒化珪素膜中のN−H結合の量を6.5×1021atoms/cc未満とした場合には、ストレスライナー404は反対に圧縮ストレスを持つようになり、チャネルに圧縮ストレスを与えることができる。チャネルに圧縮ストレスを与えると、反対に正孔の移動度が向上するので、Pチャネル型のMOSFET又はMISFETに有効に適用することができる。
For example, when the amount of N—H bonds in the plasma CVD silicon nitride film is less than 6.5 × 10 21 atoms / cc, the
チャネルに圧縮ストレスを与える場合には、プラズマCVD窒化珪素膜中のN−H結合の量は6.5×1021atoms/cc未満であれば良い。1020atoms/ccオーダーでも良く、下限はない。ただし、あえて下限を設定するならば、1×1020atoms/cc以上であろう。 When compressive stress is applied to the channel, the amount of N—H bonds in the plasma CVD silicon nitride film may be less than 6.5 × 10 21 atoms / cc. It may be on the order of 10 20 atoms / cc, and there is no lower limit. However, if the lower limit is set intentionally, it will be 1 × 10 20 atoms / cc or more.
また、この発明の実施形態に係るプラズマCVD窒化珪素膜は、窒化用の処理ガスとして窒素及び水素含有ガス、例えば、アンモニアを使用するので段差被覆性が良い。例えば、図12を参照して説明したように、おおよそ90%以上の段差被覆率を得ることができる。このような膜は、ストレスライナーへの適用に好適である。例えば、ストレスライナーの段差被覆性が悪いと、ストレスライナーのうち、ゲート電極上の部分が特に厚くなってしまい、ゲート電極の高さが増して半導体ウエハ表面上の凹凸が大きくなりやすい。これは、例えば、ゲート電極間を層間絶縁膜で埋め込み難くなる、という事情を招く。しかしながら、ストレスライナーを、段差被覆率が良い、例えば、90%以上の段差被覆率を持つ膜で形成すると、ストレスライナーのうち、ゲート電極上の部分が特に厚くなってしまうような事情が解消される。よって、半導体ウエハ表面上の凹凸が大きくなることを抑制でき、例えば、ゲート電極間を層間絶縁膜で埋め込み易くなる、という利点も得ることができる。 In addition, the plasma CVD silicon nitride film according to the embodiment of the present invention has good step coverage because nitrogen and a hydrogen-containing gas such as ammonia are used as the nitriding process gas. For example, as described with reference to FIG. 12, a step coverage of approximately 90% or more can be obtained. Such a film is suitable for application to a stress liner. For example, if the step coverage of the stress liner is poor, the portion of the stress liner on the gate electrode becomes particularly thick, and the height of the gate electrode increases and the unevenness on the surface of the semiconductor wafer tends to increase. This leads to a situation in which, for example, it becomes difficult to fill the space between the gate electrodes with an interlayer insulating film. However, if the stress liner is formed of a film having a good step coverage, for example, a film having a step coverage of 90% or more, the situation where the portion of the stress liner on the gate electrode becomes particularly thick is solved. The Therefore, it is possible to prevent the unevenness on the surface of the semiconductor wafer from becoming large, and for example, it is possible to obtain an advantage that the gap between the gate electrodes can be easily filled with the interlayer insulating film.
以上、この発明を、いくつかの実施形態を参照して述べたが、この発明は上記実施形態に限られるものではなく、種々の変形が可能である。 While the present invention has been described with reference to some embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made.
例えば、珪素含有ガスとしてジシランを使用したが、ジシランの他、シランやTSA等も使用することができる。また、窒素及び水素含有ガスとしてはアンモニアを使用したが、窒素と水素とを含有し、かつ、珪素含有ガスとともに供給することで窒化珪素膜を成膜できるものでれば使用することが可能である。 For example, although disilane was used as the silicon-containing gas, silane, TSA, or the like can be used in addition to disilane. In addition, although ammonia was used as the nitrogen and hydrogen containing gas, it can be used as long as it contains nitrogen and hydrogen and can form a silicon nitride film by supplying it with the silicon containing gas. is there.
また、上記実施形態では、プラズマCVD装置として、マイクロ波プラズマCVD装置を例示したが、プラズマCVD装置であれば、マイクロ波プラズマCVD装置に限られることもない。 Moreover, although the microwave plasma CVD apparatus was illustrated as a plasma CVD apparatus in the said embodiment, if it is a plasma CVD apparatus, it will not be restricted to a microwave plasma CVD apparatus.
また、上記実施形態では、マイクロ波プラズマCVD装置として、シャワーヘッド型のマイクロ波プラズマCVD装置を例示したが、シャワーヘッド型以外のマイクロ波プラズマCVD装置も利用することができる。 Moreover, in the said embodiment, although the shower head type microwave plasma CVD apparatus was illustrated as a microwave plasma CVD apparatus, microwave plasma CVD apparatuses other than a shower head type can also be utilized.
1…処理チャンバー(処理容器)、2…排気室、3…サセプタ(基板支持台)、4…支持部、5…ガイドリング、6…ヒータ、7…バッフルプレート、8…支柱、9…ゲートバルブ、10…マイクロ波導入部、11…マイクロ波透過板、12…平面アンテナ部材、13…遅波材、14…環状の支持部、15…シール部材、16…スロット孔、17…シールドカバー、18…導波管、19…マッチング回路、20…マイクロ波発生装置、21…モード変換器、22…シャワーヘッド、23…ガス流路、24…ガス吐出孔、25…空間部、26…ガス供給管、27…ガス供給部、28…プラズマ生成用ガス導入部、29…ガス供給管、30…ガス供給部、40…制御部、41…プロセスコントローラ、42…ユーザーインターフェース、43…記憶部、100…プラズマCVD装置、201…絶縁膜、202…エッチングストッパ、203…層間絶縁膜、204…ハードマスク、205…ホトレジスト、206…溝又は孔、301…ゲート絶縁膜、302…ゲート電極、303…キャップ層、304…ソース/ドレイン領域、305…側壁スペーサ、306…層間絶縁膜、307…コンタクト孔、308…導電物、401…ゲート絶縁膜、402…ゲート電極、403…ソース/ドレイン領域、404…ストレスライナー。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
処理容器内に、珪素含有ガスと、窒素及び水素含有ガスとを導入する工程と、
マイクロ波を前記処理容器内に放射し、前記処理容器内に導入された前記珪素含有ガス及び前記窒素及び水素含有ガスをプラズマ化する工程と、
前記プラズマ化された前記珪素含有ガス及び前記窒素及び水素含有ガスを、被処理基板の表面上に供給し、この被処理基板の表面上に窒化珪素膜を成膜する工程と、を備え、
前記窒化珪素膜の成膜条件を、処理温度を300℃以上600℃以下、珪素含有ガスと窒素及び水素含有ガスとの流量比を0.005以上0.015以下、マイクロ波パワーを0.5W/cm2以上2.045W/cm2以下、処理圧力を133.3Pa以上13333Pa以下とすることを特徴とするプラズマCVD窒化珪素膜の成膜方法。 A method for forming a plasma CVD silicon nitride film using microwave-excited plasma,
Introducing a silicon-containing gas and a nitrogen- and hydrogen-containing gas into the processing vessel;
Radiating microwaves into the processing vessel, and plasmatizing the silicon-containing gas and the nitrogen- and hydrogen-containing gas introduced into the processing vessel;
Supplying the plasma-containing silicon-containing gas and the nitrogen- and hydrogen-containing gas onto the surface of the substrate to be processed, and forming a silicon nitride film on the surface of the substrate to be processed.
The silicon nitride film is formed under the following conditions: the processing temperature is 300 ° C. or more and 600 ° C. or less, the flow rate ratio between the silicon-containing gas and nitrogen and hydrogen-containing gas is 0.005 or more and 0.015 or less, and the microwave power is 0.5 W. / Cm 2 or more and 2.045 W / cm 2 or less, and the processing pressure is 133.3 Pa or more and 13333 Pa or less.
前記エッチングストッパの上方に、このエッチングストッパとは異なる物質を含む層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜上に、この層間絶縁膜とは異なる物質を含むハードマスクを形成する工程と、
前記ハードマスクをエッチングマスクに用いて、前記層間絶縁膜に、溝又は孔を形成する工程と、を具備し、
前記エッチングストッパ及び前記ハードマスクの少なくともいずれか一方が窒化珪素膜であり、
前記窒化珪素膜の成膜条件を、処理温度を300℃以上600℃以下、珪素含有ガスと窒素及び水素含有ガスとの流量比を0.005以上0.015以下、マイクロ波パワーを0.5W/cm2以上2.045W/cm2以下、処理圧力を133.3Pa以上13333Pa以下とすることを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。 Forming an etching stopper containing a material different from the insulating film on the insulating film;
Forming an interlayer insulating film containing a material different from the etching stopper above the etching stopper;
Forming a hard mask containing a material different from the interlayer insulating film on the interlayer insulating film;
Forming a groove or a hole in the interlayer insulating film using the hard mask as an etching mask, and
At least one of the etching stopper and the hard mask is a silicon nitride film,
The silicon nitride film is formed under the following conditions: the processing temperature is 300 ° C. or more and 600 ° C. or less, the flow rate ratio between the silicon-containing gas and nitrogen and hydrogen-containing gas is 0.005 or more and 0.015 or less, and the microwave power is 0.5 W. / Cm 2 or more and 2.045 W / cm 2 or less, and a processing pressure is set to 133.3 Pa or more and 13333 Pa or less.
前記ゲート電極をマスクに用いて、ソース/ドレイン領域形成用の不純物を前記半導体基板内に導入する工程と、
前記ゲート電極の側壁上に、側壁スペーサを形成する工程と、を具備し、
前記キャップ層及び前記側壁スペーサの少なくともいずれか一方が窒化珪素膜であり、
前記窒化珪素膜の成膜条件を、処理温度を300℃以上600℃以下、珪素含有ガスと窒素及び水素含有ガスとの流量比を0.005以上0.015以下、マイクロ波パワーを0.5W/cm2以上2.045W/cm2以下、処理圧力を133.3Pa以上13333Pa以下とすることを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。 On the semiconductor substrate, forming a gate electrode insulated from the semiconductor substrate and provided with a cap layer on the top;
Introducing a source / drain region impurity into the semiconductor substrate using the gate electrode as a mask;
Forming a sidewall spacer on the sidewall of the gate electrode,
At least one of the cap layer and the sidewall spacer is a silicon nitride film,
The silicon nitride film is formed under the following conditions: the processing temperature is 300 ° C. or more and 600 ° C. or less, the flow rate ratio between the silicon-containing gas and nitrogen and hydrogen-containing gas is 0.005 or more and 0.015 or less, and the microwave power is 0.5 W. / Cm 2 or more and 2.045 W / cm 2 or less, and a processing pressure is set to 133.3 Pa or more and 13333 Pa or less.
前記ゲート電極をマスクに用いて、ソース/ドレイン領域形成用の不純物を前記半導体基板内に導入する工程と、
前記半導体基板上に、前記ゲート電極を被覆し、前記ゲート電極下の前記半導体基板の部分にストレスを与えるストレスライナーを形成する工程と、を具備し、
前記ストレスライナーが窒化珪素膜であり、
前記窒化珪素膜の成膜条件を、処理温度を300℃以上600℃以下、珪素含有ガスと窒素及び水素含有ガスとの流量比を0.005以上0.015以下、マイクロ波パワーを0.5W/cm2以上2.045W/cm2以下、処理圧力を133.3Pa以上13333Pa以下とすることを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。 Forming a gate electrode insulated from the semiconductor substrate on the semiconductor substrate;
Introducing a source / drain region impurity into the semiconductor substrate using the gate electrode as a mask;
Forming a stress liner on the semiconductor substrate, covering the gate electrode and applying stress to a portion of the semiconductor substrate under the gate electrode;
The stress liner is a silicon nitride film;
The silicon nitride film is formed under the following conditions: the processing temperature is 300 ° C. or more and 600 ° C. or less, the flow rate ratio between the silicon-containing gas and nitrogen and hydrogen-containing gas is 0.005 or more and 0.015 or less, and the microwave power is 0.5 W. / Cm 2 or more and 2.045 W / cm 2 or less, and a processing pressure is set to 133.3 Pa or more and 13333 Pa or less.
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