JPH02102533A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、半導体の絶縁膜および表面保護膜として窒
化シリコン換を基板に形成する半導体装置の製造方法に
関するものである。

〔従来の技術〕

第３図は、例えば月刊セミコンダクタ　ワールド（Ｓｅ
ｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｗｏｒｌｄ　）（１９８７年
１月号）１４７す豐」、図において、矢印（１０１）は
原料気体流で、例えば５ｉＨｎ−ＮＨｘ、（１６）は基
板である。高周波電源（１０２）は原料気体（１０１）
？プラズマ化する。排気口（１０３）は図示されない真
空ポンプによって排気される。ヒータ（１０１は基板（
１６）を加熱する。（１０５）は電極、（１０［）は反
応容器である。

以上の装置により、基板（１６）が設置された反応容器
（１０６）内に導入された原料気体（１０１）は、高周
波電源（１０２）を電極（１０５）に印加することによ
ってプラズマ化され、原料気体Ｓ　ｉＨａ　−ＮＨｓ（
１０１）の化学反応が促進され、通常、２５０〜４００
℃程度の比較的低いＶＡ度の基板（１６）上に窒化シリ
コン膜が形成される。

〔発明が解決しようとする味題〕

以上のような従来の半導体装置の製造方法では、相当量
の水素が窒化シリコン膜中に混入し、（１）吸湿性が大
きい、（１１）ち密な膜が得にくい、（ｌｉｉ）耐柴品
性が劣る、等の問題点があった。

なお、他の周知の熱ＣＶＤ法によって窒化シリコン膜を
形成すると、水素混入量は減少するが、基板温度が７５
０〜８５０℃と高いため、限られたプロセスにしか使え
ないという問題点があった、この発明は上記のような問
題点を解消するためＫなされたもので、水素ガス吟の不
純物の混入を無くすることができるとともＫ、３００℃
以下の低温で基板上Ｋｆｆｌ化シリコン換を形成するこ
とができる半導体装置の製造方法を得ることを目的とす
る。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る半導体装置の製造方法は、原材料として
シリコンと窒素のみを用い、しかも、これらの材料をイ
オン化させることにより、窒化シリコン膜を形成する。

〔作　用〕

この発明においては、原材料であるシリコンと窒素とが
イオン化されるので、シリコンの窒化反応が促進され、
水素等の不純物の混入の少ない窒化シリコン膜が、低い
基板温度で形成される。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例について第１図を参照して説
明する。図において、所定の真空度に保持される真空槽
（ｌｌは、真空排気系（２）Ｋよって槽内のガスが排気
される、真空槽（１）内の下方には密閉型のルツボ（３
）が設電されており、このルツボ（３）の上端には少な
くとも１つのノズル（４）が形成されている。ルツボ（
３）内には蒸着物質であるシリコン（５）が収容されて
いる。（６）はルツボ（３）を加熱する加熱用フィラメ
ントであり、熱シールド板（７）で囲まれている。（８
）はルツボ（３）のノズル（４）からシリコン（５）の
蒸気を噴出させて形成したクラスター（塊状原子集団）
を示している。ルツボ（３）、加熱用フィラメント（６
）および熱シールド板（７）Ｇてよって蒸気発生碑（９
）が形成されている。

電子ビームを放出するイオン化フィラメント（１０）の
内、外１１１１　Ｋは、それぞれイオン化フィラメント
（ｌＯ）からイオン化用電子を引出して加速する電子ビ
ーム引出し電極（１１）およびイオン化フィラメント（
１０）の熱を遮る熱シールド板（１２）が設けられてい
る。これらイオン化フィラメント（１０）、電子ビーム
引出し電極（１１）および熱シールド板（１２）Ｋよっ
て、クラスター（８）のイオン化手段（１３）が形成さ
れている。

（１４）はこのイオン化手段（１３）Ｋよって正電荷に
イオン化されたクラスターイオンを示しており、加速電
極（１５）はこのクラスターイオン（１４）を電界で加
速し、運動エネルギーを付与する。

（１６）は基板であり、（１７）はこの基板（１６）の
次面に形成された窒化シリコン蒸着薄膜を示している。

窒素ガスボンベ（１８）は流量８Ａ整パル７’（１９）
を介してパイプ（２０）により真空槽（１）に接続され
ている。これらガスボンベ（１８）、ｉ：ｔＦＩ１４整
バルブ（１９）およびパイプ（２０）Ｋよって窒素ガス
導入糸（２１）が形成されている。

第１交流電源（２２）は加熱用フィラメント（６）を加
熱する。第１直流電源（２３）はルツボ（３）の電位を
正にバイアスする。第２交流電源（２４）はイオン化フ
ィラメント（１０）を加熱する。第２直流電源（２５）
はイオン化フィラメント（１０）を負の電位にバイアス
する。第３直流電源（２６）はアーススする。これら第
１交流電源（２２）、第１直流電源（２３）、汗、２交
ｔＡｃＮ（ｋ（２４）、第２直流を源（２５）および第
３繭流電源（２６）Ｋよって電αｌ装置（２７）が形成
されている。（３８）はシリコン（５）のクラスターイ
オンビーム源全体ヲ示す。

以上のようＫＪｆｋ成された装置によって窒化シリコン
映を形成するには、まず、真空槽（１）をＩ　Ｘ　１０
−６＋ｎｎＨｐ程度の真空度になるまで真空排気系（２
）によって排気する。加熱用フィラメント（６）から放
出された電子を第１＠流＠源（２３）から印加される電
界忙よって加速し、この加速された電子をルツボ（３）
に慟突させ、ルツボ（３）内の蒸気圧が数ｍｍＨｙにな
るｍ度まで加熱する。この加熱によってルツボ（３）内
のシリコン（５）は蒸発し、ノズル（４）から真空槽（
１１中に噴射される。このシリコン（５）の蒸気は、ノ
ズル（４）を通過する際、ルツボ（３）と真空槽（１）
との圧勢 力走による１ＰＡ膨張によつ℃過冷却状態と１ふり、１
００ないし１０００＆ｌ程匿の原子か結合してクラスタ
ー（８）と呼ばれる塊状原子集団となる。このクラスタ
ー（８）は、イオン化フイラメ７　）　−（１０）から
放出された電子ビームによって一部がイオン化されるこ
とにより、クラスターイオン（１４）となる。

このクラスターイオン（１４）は、イオン化されていな
い中性のクラスター（８）と共に加速電極Ｃ１５）で形
成される電界によって加速制御され、基板（１６）表面
に衝突する。

一方、窒素ガス導入系（２１）から導入された窒素ガス
は真空槽（１）の内部全体に分散しているが。

そのうち、基板（１６）付近に存在する窒素ガスは、シ
リコン（５）のクラスター（８）およびクラスターイオ
ン（１４）と反応して窒化シリコン膜（１７）として基
板（１６）面に形成される。また、イオン化手段（１３
）付近に存在する窒素ガスはシリコン（５）と同様に一
部がイオン化され、加速されて基板（１６）へ到達する
。このとき、このイオン化された窒素ガスは基板（１６
）の付近あるいは基板面上に存在するシリコン（５）の
クラスター（８）およびクラスターイオン（１４）と活
発に反応して窒化シリコン換（１７）の形成促進に大き
く寄与する。

なお、各直流電源の機能は次のとおりである。

第１直流電源（２３）は、加熱用フィラメント（６）に
対してルツボ（３）の電位を正にバイアスし、加熱用フ
ィラメント（６）から放出された熱電子をルツボ（３）
Ｋ衝突させる。第２直流電源（２５）は、電子ビーム引
出し電極（１１）に対して、第２交流電源（２４）で加
熱されたイオン化フイラメン）　（１０）を負の電位に
バイアスし、イオン化フィラメント（１０）から放出さ
れた熱電子を電子ビーム引出し電極（１１）内部に引き
出す。第３丘流電源（２６）は、アース電位にある加速
電極（１５）に対して電子ビーム引出し電極（１１）お
よびルツボ（３）を正の電位にバイアスする。

次に、他の実施例について第２図を参照して説明する。

第２図は窒素ガスイオンビーム源（３９）を使用した場
合を示している。なお、符号（１）〜（２０）は第１図
と全く同一であり、同様に動作する。蒸気発生源（９）
およびイオン化手段（１３）は基板（１６）に対して斜
め下方に配置されている。また、電源装置の図示は省略
しである。

図において、真空槽（１）内に内部槽（２８）が股看さ
れており、この内部槽（２８）内にパイプ（２０）の先
端に接続された、窒素ガスのガス噴射ノズル（２９）が
配置されている。（３０）は内部槽（２８）内に設けら
れて電子ビームを放出する電子ビーム放出手段、例えば
フィラメントであり、第２を子ビーム引出し電極（３１
）は、電子ビーム放出手段（３０）から放出された電子
ビームを引出す。電界シールド板（３２）は、電子ビー
ム放出手段（３０）および第２電子ビーム引出し電極（
３１）を囲み、ガス噴射ノズル（２９）からの窒素ガス
の通路となる部位に設けられている。第２加速電極（３
３）は、電界シールド板（３２）内で形成された窒素ガ
スイオンを加速する。ガスボンベ（１８）％ｉ　ｔ　ｆ
Ａ　Ｍパルプ（１９）、パイプ（２０）、ガス噴射ノズ
ル（２９）、によって窒素ガス導入（２１Ａ）が形成さ
れている。

第３交流電源（３４）は、電子ビーム放出手段（３０）
を加熱する。第４直流電源（３５）は、第２電子ビーム
引出し電極（３１）を電子ビーム放出手段（３０）Ｋ対
して正の電位にバイアスする。第５直流電源（３６）は
、第２加速電極（３３）を電子ビーム放出手段（３０）
および第２電子ビーム引出し電極（３１に対して負の電
位にバイアスする。これら第３交流電源（３４）、第４
直流電源（３５）および第５直流電源（３６）Ｋよって
第２電源装置（３））が形成されている。（３９）は窒
素ガスイオンビーム源全体を示す。

以上の構成でなる装置により、まず、真空排気糸（２）
によって高真空に保たれた真空槽（１）内Ｋ、ガスボン
ベ（１Ｂ）と真空槽（１）との間に設けられている流量
調整バルブ（１９）を調整することにより、窒素ガスを
ガス噴射ノズル（２９）から導入し、真空槽（１）内の
ガス圧を１０−５〜１０　”　ｍｍＨ２程度になるよう
に調整する。このとき、内部槽（２Ｂ）内のガス圧はさ
らに高く保たれる。一方、第３交流電源（３４）Ｋよっ
て２０００℃程度に加熱された電子ビーム放出手段（３
０）から、ガス噴射ノズル（２９）の下流に設けられて
いる第２電子ビーム引出し電極（３１）に電子ビームが
放出されるように第４直流電ｋ（３５）Ｋよってバイア
ス電圧を印加し、０．５Ａ〜４Ａ程度の電子を放出させ
て窒素ガスを励起、解離もしくはイオン化して非常に活
性化された状態とする。電子ビーム放出手段（３０）は
電界シールド板（３２）と同電位であるため、放出され
た電子ビームは電界シールド板（３２）内に閉じ込めら
れ、特に窒素ガス通路近傍Ｋｍ中する。従って、窒素ガ
スの励起、解離もしくはイオン化が高効率で行われる。

次いで、ルツボ（３）内の蒸気圧が数ｍｍＨｐになる温
度まで加熱用フィラメント（６）でルツボ（３）を加熱
すると、シリコン（５）は蒸発してノズル（４）から噴
射される。この噴射するシリコン（５）の蒸気もしくは
クラスター（８）は、イオン化フィラメント（１ｏ）か
ら放出された電子によって一層イオン化されてクラスタ
ーイオン（１４）となり　ｇｌ加速電極（１５）〔（以
下加速電極（１５）を第１加速電極（１５）とする〕で
形成される電界による加速を受けることＫより、イオン
化されていないシリコン（５）の蒸気もしくはクラスタ
ー（８）と共Ｋ、基板（１６）に衝突される。

１方、基板（１６）およびその付近には励起、解離もし
くはイオン化された窒素ガスが存在し、シリコン（５）
の蒸気もしくはクラスター（８）と衝突して反応が進行
し、化合物の窒化シリコンｌ［（１７）が基板（１６）
Ｋ形成される。また、第１加速電極（１５）および第２
加速電極（３３）Ｋ、第３直流電源（２６）および第５
直流電源（３６）によってそれぞれ０〜数ｋＶ程度の電
圧を印加すると、上述したクラスターイオン（１４）お
よびイオン化された窒素ガスは加速されて基板（１６）
に到達する。従って、このときの加速電圧を独立に変え
ることＫよって、基板（１６）Ｋ噴射される窒素ガスイ
オン韮ヒ＜シリコン（５）の蒸気もしくはクラスター（
８）の運動エネルギーを独立圧制御することが可能であ
る。

これＫより、基板（１６）上に形成される窒化シリコン
膜の結晶性や付着力などの膜質をコントロールすること
ができる。

なお、上述した実施例では、電子ビーム放出手段（３０
）と電界シールド板（３２）とを同電位とした場合につ
いて説明したが、電子ビーム放出手段（３０）Ｋ対して
電界シールド板（３２−）を負の電位にバイアスしても
よく、この場合、電子ビーム放出中ＩＱ（３（１）から
放出される電子ビームがさらに窒素ガスの通路に集中し
、ガスの活性化が一層促進されることになる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、原材料としてシリコ
ンと窒素のみを用いたので、水素等の不純物混入の少な
い良質な窒化シリコン膜な得られる効果がある。また、
シリコンおよび窒素をイオン化しているので、窒化反応
が促進でき、従って低い基板温度で、大きな成膜速度で
窒化シリコン膜を形成できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に供する装置の立断面図、
第２図は他の実施例に供する装置の立断面図、第３図は
従来の半導体装置の製造方法に供するｉｔの立断面図で
ある。 （１）・・真空槽、（５）・・シリコン、（ｓｌ−・シ
リコンのクラスター　（１４）・・シリコンのクラスタ
ーイオン、（１６）・・基板、（１７）・・窒化シリコ
ン膜、（２１）・・窒素ガス導入系、（３８’ｌ−・ク
ラスターイオンビーム源、（３９）・・窒ｘカｘイオン
ビーム源。 なお、各図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。 代理人　　曾　我　道　照　、′・層・昂１図 真Ｔ櫂 ５リフシ クラスター 蟇板 １ｒイと、ジノコシＭ１ 窒壽フ゛ス導入屁 嶌２図 平成 １月１１日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体基板が配置され窒素ガスを所定の分圧に保った真
   空槽内にて、クラスターイオンビーム法によって発生さ
   せたシリコン蒸気を前記窒素ガスと反応させて、前記半
   導体基板を形成する半導体装置の製造方法。