JPH0258331A - 窒化シリコン薄膜の製造方法 - 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 本発明は、窒化シリコン薄膜の製造方法に関するもので
ある。

従来の技術 窒化シリコン薄膜は、ち密性がよく、耐湿性、耐アルカ
リイオン性に優れているため、半導体素子等のパッシベ
ーション膜やアモルファスシリコン薄膜トランジスタの
ゲート絶縁膜等によく用いられている。窒化シリコン薄
膜の形成方法としては、熱化学気相堆積法（熱ＣＶＤ法
）やスパッタリング法、高周波プラズマ化学気相堆積法
（プラズマＣＶＤ法）、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣ
Ｒ）プラズマＣＶＤ法、イオンビーム蒸着法などが用い
られている。

発明が解決しようとする課題 熱ＣＶＤ法では、非常に良好な窒化シリコン薄膜ができ
ているが、形成温度が８００″Ｃ前後と高温であるため
、集積回路のＡ１配線後の膜の形成やアモルファスシリ
コンのゲート絶縁膜として用いることは困難である。

スパッタリング法やプラズマＣＶＤ法、イオンビーム蒸
着法では、３００°Ｃ前後で窒化シリコン薄膜を形成す
ることが可能である。しかしながら、スパッタリング法
では、膜中にスパッタガスが混入するため良質の窒化シ
リコン薄膜は得られにくく、また、製膜中に基板に損傷
を与えるため、パッシベション膜やゲート絶縁膜として
は用いることはできない。

イオンビーム蒸着法ではイオンによるダメージが存在す
るため、バッシベション膜やデー１−ｆａｔ膜としては
用いることはできない。

プラズマＣＶＤ法では、５ｉＨｚガス等の危険なガスを
用いており、また、できた膜はＳｉとＮの結合は不完全
であり、しかも膜中には多量の水素が含まれており、そ
の水素量を制御するためには基板温度や放？■状態を変
える必要があり、このため、組成等膜質が変わるため水
素量の制御は難しい。

ＥＣＲプラズマＣＶＤ法は、基板加熱なしでも膜を作成
することができ、基板へ損傷をほとんど与えることなく
良質の窒化／リコン薄膜を作成することかできる。しか
しながら、５ｉＨａガス等の危険なガスを用いており、
またＮ　　Ｓ　ｉＨａを用いているため膜中には水素が
含まれ、その水素量の制御は芹、しい。

課題を解決するための手段 以」二のような課題を解決するために、本発明者らは、
窒素を含むガスおよび水素を含むガスの混合ガスを１つ
のマイクロ波、電子サイクロトロン共鳴吸収を利用した
プラズマ分解によって同時に励起するか、あるいは、窒
素を含むガスおよび水素を含むガスをそれぞれマイクロ
波、電子サイクロトロン共鳴吸収を利用したプラズマ分
解によって独立に励起して、基板上に前記励起した窒素
および水素プラズマを照射しながら同時に原料シリコン
を加熱蒸若することによって、膜中の水素量を容易に制
御しながら良好な窒化シリコン薄膜を形成できることを
見いだした。

窒素を含むガスとして窒素ガスあるいはアンモニアガス
あるいはこれらの混合ガスを用い、水素を含むガスとし
て水素ガスを用い、これら外部から導入する原料ガスの
導入量を真空装置内の圧力がｌＸ１０−’Ｔｏｒｒから
５Ｘ１０−３Ｔｏｒｒに保たれるように設定するとよい
。さらに望ましくは、基板を、基板の法線を軸として１
分間に１から５００回転の回転速度回転させるとよい。

また、基板に直流バイアス電圧をかけると、基板近傍の
プラズマ状態を制御することができ、窒化シリコン薄膜
の膜質を制御することができる。

作用 この方法により、Ｓ　ｓ　ＨＪガスを用いることなく、
低温で基板損傷の非常に少ないしかも水素■１を制御し
た窒化シリコン薄膜を低温で容易に作成することができ
るようになる。また、基板を回転させることによって、
均一でステップカバレージのよい膜を形成することがで
きる。

実施例 以下、図面に基づき本発明の代表的な実施例を示す。第
１図は本実施例で用いる第１の装置の概略図を示してい
る。１１が真空チャンバーであり、排気孔１２より真空
に排気される。導波管１３を通してマイクロ波発振器１
４からマイクロ波がプラズマ発生室１５へ導入される。

電磁石１６によりプラズマ発生室１５に磁界が印加され
る。１７はガス導入口であり窒素、水素のガスが流量を
精密に制御して真空チャンバー１１に導入される。

プラズマ発生室１５中の磁界の強さを電子サイクロトロ
ン共鳴条件を満たすように設定することにより、解離度
の高いプラズマを発生することができる。例えば、マイ
クロ波の周波数が２．４５ＧＨｚの場合、磁界の強さが
８７５Ｇで電子サイクロトロン共」Ｄが起こる。発生し
たプラズマはプラズマ引出し窓１８を通過して基板ホル
ダ１９上の基板２０に照射される。原料シリコン２１は
蒸着源２２中に収容されており、例えば電子ビーム加熱
法により原料シリコン２１を加熱溶融して前記基板２０
上にシリコンを蒸若する。このようにして、基板表面上
あるいは基板近傍において、シリコンと窒素が反応して
基板２０上に窒化シリコン薄膜が形成される。

真空チャンバー内へ導入されるガスの導入量は、真空チ
ャンバー内の圧力がｌＸ１０−’Ｔｏｒｒから５Ｘ１０
−３Ｔｏ　ｒ　ｒに保たれるように設定することにより
、安定で高励起なプラズマを発生することができた。

窒素を含むガスとして窒素ガスを、水素を含むガスとし
て水素ガスを用いると、水素のガス分圧を変えることに
よって窒化シリコン薄膜中の水素量を、０％から数１０
％まで容易に制御できる。

そのため、例えば、第４図に示すように水素ガスのガス
分圧のみを変えることによって、窒化シリコン薄膜の光
学バンドギャップを変えることができた。また膜中のス
トレスも水素量が変わると変化した。

窒素ガスの分圧を変えることによって窒化シリコン薄膜
の組成比Ｎ／ＳｉをＯから１．３３まで自由に変えるこ
とができた。

窒素を含むガスとしてアンモニアガスを、水素を含むガ
スとして水素ガスを用いると、窒化シリコン薄膜中の水
素ｎをＯにすることはできないが、アンモニアガスは窒
素ガスに比べて励起され易くまたシリコンとよく反応す
るため、マイクロ波の電力を小さくすることができ、ま
たアンモニアガスの分圧を低くしてもストイキオメトリ
−（Ｎ／５ｉ＝１．３３）に近い膜を容易に得ることが
できた。

窒素を含むガスとして窒素ガスおよびアンモニアガスの
混合ガスを、水素を含むガスとして水素ガスを用いても
、良好な窒化シリコン薄膜を得ることができた。

窒化シリコン薄膜を堆積するときの基板温度は、通常の
プラズマＣＶＤ法では、３００″Ｃ前後に加熱する必要
があるが、本方式では、窒素及び水素が非常に高励起に
活性化しているため、基板温度が１５０°Ｃ以下でも非
常に良好な窒化シリコン薄膜を得ることができる。この
ため、プラスチック等の基板上にも窒化シリコン薄膜を
形成することができる。

基板を固定させておいても良好な窒化シリコン薄膜を形
成することができるが、窒素・水素プラズマ源とシリコ
ン蒸着源とが基板に対して非対称な位置に配置されてい
るため、より膜厚や組成比等の膜質が均一でしかも段差
部のステップカバレージの良い窒化シリコン薄膜を形成
するために、モータ２３にて基板２０を基板の法線を軸
として、１分間に１〜５００回転の回転速度で回転させ
ると良い。

基板とシリコン蒸着源および窒素・水素プラズマ源の配
置によって窒化シリコン薄膜の膜質が異なるが、基板と
シリコン蒸着源の配置は、加熱蒸発させる原料シリコン
と基板とを結ぶ線と基板の法線との間のなす角度が６０
度以下にするのが望ましい。

窒化シリコン薄膜の組成は原料シリコンの蒸発速度すな
わち基板へのシリコンの到着毒や、窒素ガスの導入量や
真空度、マイクロ波のパワー等で変えることができる。

窒化シリコン薄膜中の水素量は、導入する水素ガスの流
量を変えることによって容易に制御することができる。

また、第２図に示すように、直流電源２４を用い、基板
２０に直流のバイアス電圧を５００Ｖから一５００Ｖの
間で変化させて印可することによって、基板に飛来して
来るイオンや電子を制御できるため、窒化シリコン薄膜
の膜質をコントロールすることができる。

第３図は本実施例で用いる第２の装置の概略図を示して
いる。１１が真空チャンバーであり、排気孔１２より真
空に排気される。プラズマ発生室は２つ仔り、それは１
５及び２５であり、それぞれに導波管、マイクロ波発振
器、電磁石が取り付けられている。各々独立に導波管１
３．３３を通してマイクロ波発振器１４．３４からマイ
クロ波がプラズマ発生室１５．３５へそれぞれ導入され
る。電磁石１８．３６によりプラズマ発生室１５．３５
にそれぞれ磁界が印加される。１７および３７はガス導
入口でありガスの流量を精密に制御してプラズマ発生室
１５．３５にそれぞれ導入される。例えば、プラズマ発
生室１５には窒素ガスをプラズマ発生室３５には水素ガ
スを導入する。プラズマ発生室１５．３５中の磁界の強
さを電子サイクロトロン共鳴条件を溝たすように設定す
ることにより、解離度の高いプラズマを発生することが
できる。発生したプラズマはプラズマ引出し窓１８．３
８を通過して基板ホルダ１９上の基板２０に照射される
。原料シリコン２１は蒸若源２２中に収容されており、
例えば電子ビーム加熱法により原料シリコン２１を加熱
溶融して前記基板２０上にシリコンを蒸着する。このよ
うにして、基板表面上あるいは基板近傍において、シリ
コンと窒素が反応して基板２０上に窒化シリコン薄膜が
形成される。

この方法では、窒素プラズマおよび水素プラズマはそれ
ぞれ独立に制御できるため、窒化シリコン薄膜の組成及
び水素量を第１の実施例よりもより精密にまた容易に制
御することができる。

発明の効果 本発明の効果として次のようなものがある。

５ｉＨａガスは爆発性のある非常に危険なガスで、取り
扱いが難しい上、排ガスを処理するための装置が別に必
要であるが、本発明では５ｉＨａガスを用いていないた
め危険がなく無公害であり排ガス処理装置を必要としな
い。

室温近くの低温で窒化シリコン薄膜を作成できるため、
基板と窒化シリコン薄膜の熱膨張係数の差による応力の
発生を・膵臓することができ、また、基板加熱のために
要しだ昇温と降温に要する時間が必要でないため生産性
が向上する。また、低融点あるいは低軟化点であるプラ
スチックやポリカーボネイトなどの有機基板上にも作成
することができるため用途が広がる。

窒化ンリコン膜中のストレスの大きさを膜中に存在する
水素量で制御できるため、基板を変えてもストレスの非
常に少ない膜を作成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図および第３図は、本発明により窒化シリ
コン薄膜を作成するための装置の概略図、第４図は本発
明により作成した窒化ンリコン薄膜の光学バンドギャッ
プと、水素量との関係を示す図である。 １１・・・・・・真空チャンバー　１２・・・・・・ｔ
Ｊｌ°気孔、　１３・・・・・・導波管、１４・・・・
・・マイクロ波発振器、１５プラズマ発生室、１６・・
・・・・電磁石、１７・・・・・・ガス導入口、１８・
・・・・・プラズマ引出し窓、１９・・・・・・基板ホ
ルダ、２０・・・・・・基板、２１・・・・・・原料シ
リコン、２２・・・・・・蒸発源、２３・・・・・・モ
ーター　２４・・・・・・直流電源　３３・・・・・・
導波管、３４・・・・・・マイクロ波発振器、３５プラ
ズマ発生室、３６・・・・・・電磁石、３７・・・・・
・ガス導入口、３８・・・・・・プラズマ引出し窓。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒素を含むガスおよび水素を含むガスの混合ガス
   を１つのマイクロ波、電子サイクロトロン共鳴吸収を利
   用したプラズマ分解によって同時に励起し、基板上に前
   記励起した窒素プラズマおよび励起した水素プラズマを
   照射しながら同時に原料シリコンを加熱蒸着することを
   特徴とする窒化シリコン薄膜の製造方法。
2. （２）窒素を含むガスおよび水素を含むガスをそれぞれ
   マイクロ波、電子サイクロトロン共鳴吸収を利用したプ
   ラズマ分解によって独立に励起し、基板上に前記励起し
   た窒素プラズマおよび励起した水素プラズマを照射しな
   がら同時に原料シリコンを加熱蒸着することを特徴とす
   る窒化シリコン薄膜の製造方法。
3. （３）窒素を含むガスとして窒素ガス又はアンモニアガ
   スあるいはこれらの混合ガスを、水素を含むガスとして
   水素ガスを用いることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項又は第２項記載の窒化シリコン薄膜の製造方法。
4. （４）基板を１５０℃以下の温度に保持して堆積するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載の
   窒化シリコン薄膜の製造方法。
5. （５）基板を基板の法線を軸として、１分間に１〜５０
   ０回転の回転速度で回転させることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項又は第２項記載の窒化シリコン薄膜の製
   造方法。
6. （６）加熱蒸発させる原料シリコンと基板を結ぶ線と基
   板の法線との間のなす角度が６０度以下であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載の窒化シ
   リコン薄膜の製造方法。
7. （７）基板に、５００Ｖから−５００Ｖの直流バイアス
   電圧をかけることを特徴とする特許請求の範囲第１項又
   は第２項記載の窒化シリコン薄膜の製造方法。