石川県工業試験場

低温触媒CVD法による低応力窒化シリコン膜の形成

■機械金属部　高野昌宏
■（株）石川製作所　仁木敏一　室井進
■兵庫県立大　部家彰
■北陸先端大　大薗哲郎　梅本宏信　松村英樹
■電子情報部　米澤保人　南川俊治
■産総研　増田淳

研究の背景
窒化シリコン(SiNx)膜は半導体素子のゲート絶縁膜や有機EL素子の表面保護膜などへの応用が期待されている。Cat-CVD法では，原料ガスにSiH4とNH3を用いて,低温下でSiNx膜の堆積が可能である。しかしながら，SiNx膜は，一般的に高い応力が発生することが知られている。この応力は，膜のクラック，ストレスマイグレーションや有機ELなどの基板の損傷を引き起こす原因となる。
そこで，本研究では，最適なSiNx膜の形成条件を確立することを目的として，応力発生のメカニズムについて調査した。

研究内容
　 本報告では，原料ガスにSiH4，NH3，H2を用いてCat-CVD法により，SiNx膜を6インチSi基板上に堆積した。応力の発生メカニズムを明らかとするため，SiH4流量，基板温度，ガス圧をそれぞれ変化させて成膜を行い，膜の組成と応力を測定した。図1にSiH4流量を変化させたときの測定結果を示す。SiH4流量が増加するに従い，応力は圧縮方向に変化し，水素密度は増加した。一方，基板温度，ガス圧が高い場合は，引張方向に変化し，水素密度は減少した。これらの結果は，ガス(水素，アンモニア)の脱離反応に伴う膜の収縮により説明することができる。ガスの脱離反応は，基板温度，水素ラジカルによって促進されることから，基板温度，ガス圧が高い条件では，膜の水素密度の減少，引張応力の増加が起きたと考えられる。一方，SiH4流量が多い条件では，膜の堆積速度が早いことから，脱離反応が不十分であると考えられる。

（図１　堆積速度，水素密度，応力のSiH4流量依存性）

研究成果
　 低温触媒CVD法により形成したSiNx膜の最適な堆積条件を確立することを目的として，膜の組成と応力の関係を調べた。得られた結果は以下のとおりである。
(1)膜に生じる引張応力は，水素やアンモニアのガス脱離反応によって誘起される。
(2)水素ガスの脱離反応のみを効果的に促進させることにより，低応力かつ低水素密度のSiNx膜を形成できる堆積条件を明らかとした。

論文投稿
　 Japanese Journal of Applied Physics Vol. 44, No. 6A, 2005, p.4098-4102.