JP2004103689A - System and method for depositing film - Google Patents

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JP2004103689A JP2002261044A JP2002261044A JP2004103689A JP 2004103689 A JP2004103689 A JP 2004103689A JP 2002261044 A JP2002261044 A JP 2002261044A JP 2002261044 A JP2002261044 A JP 2002261044A JP 2004103689 A JP2004103689 A JP 2004103689A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a semiconductor thin film depositing system and method for forming the gate insulating film of an FET, or the like, on a semiconductor wafer, or the like, in which the film is formed while eliminating defects and impurities by controlling the quantity of a material gas being supplied to a film deposition chamber such that the material gas is not supplied excessively nor deficiently. <P>SOLUTION: The system for depositing a thin film on the surface of a semiconductor comprises a means for supplying a material gas, a chamber for depositing a film through the chemical reaction of the material gas, and a means for exhausting the material gas in the film deposition chamber wherein a gas monitoring means is provided between the film deposition chamber and the exhausting means. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェハ等の単結晶基板にFET(電界効果型トランジスタ)のゲート絶縁膜などを形成するための半導体薄膜成膜装置および成膜方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体ウェハとしてのSi基板等に誘電率が大きな金属酸化物等を原料とする薄膜(例えばAl)を成膜させる技術として、酸化アルミニウムを直接積層して成膜を行う方法(例えば特許文献1)やALD(Atomic Layer Diposition)法がある。このALD法は、原料として例えばトリメチルアルミニウム(TMA:Al(CH)などがあり、水(HO)とを交互にSi基板上に吹き付けることにより、成膜を行うものである。
【0003】
一般に、半導体ウェハ上に成膜される薄膜の性質として、この薄膜上に蓄積される電荷量は、薄膜自身の誘電率(ε)およびウェハの面積(A)に比例し、薄膜自身の膜厚(d)に反比例することが知られている。そこで近年、ウェハの面積を微細化する傾向が強く、薄膜上に蓄積する電荷量を維持または増大させるために、膜厚を微小化する手段が行なわれている。しかしながら、膜厚の微小化には限界があり、そのため、誘電率がより高い性質の薄膜が必要となる。
【0004】
本発明の成膜装置および成膜方法の対象であるゲート絶縁膜とは、半導体ウェハ上に誘電率が大きい金属酸化物等の薄膜(High−k膜)を形成するものであり、膜厚をより小さく(薄く)しても半導体チップの品質を落とすことがなく、また、半導体チップの微細化を実現することができる。
【0005】
また、半導体ウェハとしてのSi基板上にゲート絶縁膜を成膜した後に、トランジスタ作成工程において行われる高温熱処理によって、Si基板とゲート絶縁膜が反応してしまい、Si基板とゲート絶縁膜の界面に誘電率の低いSiO膜(ε=3.9)やシリケート膜が界面層として存在してしまうことがある。このため、界面にあらかじめバリア層を形成しておくことで、トランジスタ作成工程において行われる高温熱処理を行っても、ウェハの界面に低誘電率の界面層が形成されることを防ぐことが一般的に行われている。
【0006】
従来行われている金属酸化物等のゲート絶縁膜形成方法を、図1を用いて説明する。図1において、1は半導体ウェハ(例えばSi基板)に原料ガスを吹き付け、薄膜を成膜するための成膜室、2は液体であるTMA(トリメチルアルミニウム)を収容した容器、3は水(HO)を収容した容器である。前記TMAおよび水は、キャリアガスとして2および3に注入されるArガスのバブリングによって気化され、成膜室1へと供給される。ここで、キャリアガスとしてのArガスは、流量計4,4によって流量制御され、その結果、成膜室1に供給されるTMAおよび水の量が制御されている。また、成膜室に供給され原料ガスの大部分は減圧手段5によって排出される。成膜室1には、一定温度(例えば300度程度)に加熱されたSi基板が水平に保持されており、供給された原料ガス(TMA、水)は前記Si基板に交互に吹き付けられる。図2は、ガス流量計4,4によって供給されるTMAおよび水の供給状態を表すグラフである。図2において、TMAおよび水の供給は、ON/OFFの切替えによって制御されているものとする。図2において、具体的には供給ONとなっている時間は約0.5秒、OFFとなっている時間は約1.0秒である。
【0007】
ここで、成膜室1内における半導体ウェハ(例えばSi基板)に原料ガスを吹き付けた際に生じる化学反応を式1に記す。
【式1】
Si−H+Al−(CH → Si−Al−(CH +CH
上記の式1において、Si−Hとは水素終端を施されたSi基板を表し、このH原子がTMAのCH基の1つと反応し、Si基板の表面にAl−(CHが結びついたことを表している。なお、上記の水素終端は、Si基板にHFなどの強酸を反応させることにより行うことができる。
【特許文献1】
特開2001−220294号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
図2に示すとおり、成膜室1にはTMAおよび水が交互に供給されているが、供給するガスの量については装置従事者が経験的に調節を行い、成膜室に供給する、ということが従来から行なわれていた。このため、ガスの供給量が適切でなかった場合、例えば原料ガスの供給量が不足した場合、Si基板上に形成される膜中に欠陥が生じてしまうことがあり、また、原料ガスが過剰に供給されるとSi基板上に形成される膜中に不純物が混入してしまうなどといった問題が生じる。こういった膜中に欠陥や不純物が存在している場合、薄膜の電気的特性が著しく低減するものである。
【0009】
図3はSi基板上に原料ガスが均一に吸着している様子と、不均一に吸着している様子を表す図である。図3の(1)において、10はSi基板、20はアルミにニウム原子、21は酸素原子を表しており、この状態ではSi基板上に原料ガスが均一に吸着していることがわかる。図3の(2)において、A部はTMAが不足したために欠陥が生じた状態、B部は成膜室1にTMAが過剰に入ったために生じた欠陥および不純物CHが混入した状態を表している。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記のような問題点を考慮してなされたもので、請求項1においては、原料ガスを供給するガス供給手段と、前記原料ガスを化学反応によって成膜する成膜室と、成膜室内の原料ガスを排気するための排気手段とからなる単結晶基板の表面上に薄膜を成膜するための装置であって、前記成膜室から排出されるガスをモニタリングするためのガスモニタリング手段を設けたことを特徴としている。また、前記ガスモニタリング手段がガス分析計であってもよく(請求項2)、ガス質量分析計であってもよい(請求項3)。
【0011】
また、請求項4においては、原料ガスを供給するガス供給手段と、前記原料ガスを化学反応によって成膜する成膜室と、成膜室内の原料ガスを排気するための排気手段とを用いて行う単結晶基板の表面上に薄膜を成膜するための成膜方法であって、前記成膜室から排出されるガスをモニタリングするためのガスモニタリング手段を設け、ガスモニタリング手段からの信号に応じて原料ガスの供給量を変化させることを特徴とする成膜方法を提言している。この場合、前記原料ガスの供給量の変化が、ガスの供給時間を制御して行われていてもよく(請求項5)、さらに、前記ガスモニタリング手段が分析計であってもよく(請求項6)、ガス質量分析計であってもよい(請求項7)。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態の1つについて説明する。図4は、本発明に関わる実施形態の一つであって、11は成膜室、12および13はそれぞれ液体であるTMAおよび水(HO)を収容した容器、14,14はキャリアガスとしてのArガスの流量を調節するための流量計である。成膜室に供給され原料ガスの大部分は排気手段(例えば減圧ポンプ)5によって排出される。
【0013】
16は成膜室に供給された原料ガスが排気手段5によって排出される経路に設置された、ガスモニタリング手段としてのガス分析計である。ここでは、実施形態の一つとしてガス質量分析計を用いているものとする。このガス質量分析計16は、水素終端を施されたSi基板上で、TMAが吸着する際に起きる次の式1の置換反応を検知するためのものである。ここでは、式1の置換反応が起こると、メタンCHが発生するため、このメタンCHをガスモニタリング手段(ガス質量分析計)16で検出する。
【0014】
このように、Si基板上でTMAが吸着した場合、置換反応が起き、メタンCHが発生するため、ガス質量分析計16でこのメタンの発生をモニタリングする。すなわち、メタンが発生している間はSi基板上で置換反応が行われていると考えられる。
【0015】
ゆえに、ガスモニタリング手段としてのガス分析計(ガス質量分析計)16が、メタンCHを連続的に検出し、成膜室11内にメタンCHが検出されなくなったとき(またはある一定の濃度以下になったとき)に、制御部17に信号を送信する。制御部17は、前記信号を受けて、ガス流量計14に信号を送信し、TMAガスの成膜室への供給を停止させる。これによって、成膜室内に供給されるTMAガスが過剰になることも不足することもなくなり、Si基板上に形成される膜中に生じる欠陥や不純物の混入を適切に防止することができる。
【0016】
次に、TMAガスを成膜室に供給した後に、HOガス(水蒸気)を成膜室に供給した際の置換反応を式2に表す。
【式2】
Si−Al−(CH +2HO  → Si−Al−(OH)  +2CH
式2では、TMAガス供給後の成膜室11内で、Si基板上で反応してSi−Al−(CHとなった分子に、水(HO)が反応し、Si−Al−(OH)を形成する様子を表している。
【0017】
さらに、Si−Al−(OH)同士が結合し、水(HO)を排出することで、Alを形成する。すなわち、式2の置換反応が繰り返し行なわれることによって、結果として緻密な均一かつ良質なAl膜がSi基板上に形成されることになる。また、このとき、式2から明らかなように、この置換反応が行なわれている間はメタン(CH)が発生するので、これをガス分析計16で連続的に検出することにより、上記の置換反応が終了したか否かを判断することができる。ガス分析計16でメタンCHが検出されなくなった時(あるいはある一定の濃度以下になったとき)に、制御部17に信号を送信し、ガス流量計14を用いてHOガス(水蒸気)の成膜室への供給を停止させる。
【0018】
このように、TMAガスおよびHOガスが、成膜室11内で行なわれている置換反応の進行度に応じて供給が制御されているため、成膜室11内に精度よくTMAガス,HOガスを供給することが可能となる。成膜室11へのArキャリアガスによるTMAガス、HOガス(水蒸気)の原料ガスの供給と、ガス分析計16で検出したメタンCHとの関係を図5に示す。
【0019】
図5は、TMAが供給されてSi基板上で置換反応が行なわれた際(式1参照)と、HOガス(水蒸気)が供給された際の置換反応が行なわれた際(式2参照)に検出されたメタンの量を、TMAガス、HOガス(水蒸気)の原料ガスの供給のON/OFFに併せてグラフに表示したものである。ここでも、原料ガスの供給ONする時間は0.5秒程度、供給をOFFする時間は1.0秒程度である。
【0020】
次に、TMAガスの供給が過剰になり、成膜室11での置換反応が適切に行なわれなかったことを検出する実施例を説明する。
【0021】
Si基板上で置換反応し、Si−Al−(CHとなった分子に、過剰供給されたAl−(CHがさらに置換される状態を式3に示す。
【式3】
Si−Al−(CH +Al−(CH → O−Al(CH)−Al(CH +C
【0022】
式3で生成されたSi−Al(CH)−Al(CHについて、さらに式4に示す置換反応が起きる。
【式4】
Si−Al(CH)−Al−(CH +2HO  → Si−Al(CH)−Al−(OH)  +2CH
【0023】
さらに、式4のSi−Al(CH)−Al−(OH)同士が結合し、水(HO)を排出することで、一部Alを形成するが、式4から明らかなように、本来Alを形成すべき膜について、メチル(CH)基が不純物として混入することになる。ゆえに、式3のような置換反応が起きる場合(すなわちTMAガスが過剰に供給される場合)、同時に発生するエタンCをガス分析計16によって検出することで、TMAガスが過剰に供給されていることを迅速に検出することが可能となる。エタンCをガス分析計16で検出した場合、制御部17へ信号が送信され流量計14を作動させ、TMAガスの供給を停止させる(OFFにする)ことでTMAの過剰供給を軽減できる。
【0024】
次に、Si基板とゲート絶縁膜との界面にバリア層を形成する場合の実施例について図6を用いて説明する。図6において、図4に記載の構成と同じであるものについては、同じ符号を付している。12,13はそれぞれ液化したTMA,水(HO)収容した容器、18は液化アンモニア(NH)を収容したボンベである。このボンベ18の弁を口開することで、気化したアンモニア(アンモニアガス)が成膜室11に供給される。この実施例では、Si基板とゲート絶縁膜の界面のバリア層としてSi膜を作成する場合を示す。
【0025】
式5に、水素終端を施したSi基板上にアンモニアガス(NH)を反応させた時の反応式を示す。
【式5】
Si−H +NH → Si−NH +H
【0026】
式5から明らかなように、Si基板上にバリア層としてのSi層を形成する前段階の反応として、Si−NHがSi基板上で形成される際に、水素ガス(H)が発生する。なお、このSi−NHのH原子がSi−Al(CH)のメチル基と置換され、結果としてSi層上にAl膜を形成することになる。
【0027】
すなわち、この置換反応が行なわれている間は水素ガス(H)が発生するので、これをガス分析計16で連続的にモニタリングすることにより、上記の置換反応が終了したか否かを判断することができる。ガス分析計16で水素ガス(H)が検出されなくなった時(あるいはある一定下の濃度以下になったとき)に、制御部17に信号を送信し、ボンベ18のバルブを閉じてアンモニアガス(NH)の成膜室への供給を停止させることで、均一かつ欠陥のないバリア層を極めて薄く形成することができる。このときのガスの供給状態と、発生したガスのモニタリング状況を、図7に示す。
【0028】
前述のような発生したガスの量に応じた供給ガスのON/OFFの切替えは、制御部17を用いて行われるが、これはパソコン(PC)等のハードウェアに限定されるものではなく、例えばガス分析計16内に組込まれた演算処理部などによって行うことも可能である。発生したガスの量に応じた供給ガスの切替えを行う最適なタイミングなどを記憶させたプログラムおよび/またはデータ等を制御部17等に記憶させておくことで、自動的に半導体ウェハ上に均一かつ欠陥のないゲート絶縁膜およびバリア層を形成していくことが可能となる。また、供給ガスのON/OFF制御は、流量計14などの供給量を変化可能に制御する手段で行われてもよいし、電磁弁やエア駆動バルブなどのようにガスの供給をON/OFFさせる手段で行なわれてもよい。
【0029】
さらに、本説明においては、実施例としてゲート絶縁膜にAlを、界面層にSi膜を、供給原料としてTMA,HO,NHガスを用いた例を示したが、本発明はこれらの実施例のみに限定されたものではない。例えば、ゲート絶縁膜として酸化ハフニウムHfOを形成する場合であるならば、原料ガスとしてHf(N(CHおよび水HOを用いるなどしてもよい。この場合であれば、原料ガスがSiウェハ上で置換反応する際に生じるガスはHN(CHであり、この発生ガスをガス分析計16で検出することで高品質なゲート絶縁膜を形成することが可能である。表1に、形成するゲート絶縁膜の種類と、その際に用いる原料ガスおよび発生するガスを対応させて示す。
【0030】
なお、ここで述べている単結晶基板とは、Si基板などの半導体ウェハのみに限定されるものではなく、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)や酸化マグネシウム(MgO)を材質とした基板も含まれるものである。
【0031】
また、発生するガスを検出するガス分析計16として、ガス質量分析計を用いると、多種のガスをリアルタイムで迅速かつ正確に検出・定量ができるため、極めて有効である。ただし、ガス分析計16としては、赤外線ガス分析計や他の分析計のように、発生するガスを応答よく(迅速に)検出できる分析計であれば、特にガス質量分析計に限定されるものではない。
【0032】
【発明の効果】
以上に記載した本発明によれば、成膜室内で行われている薄膜(ゲート絶縁膜など)の形成において行われている反応の際に発生するガスを、ガス質量分析計などの分析計によって検出・測定することで、原料ガスの供給を適切に制御することができるため、基板上の膜内に欠陥や不純物を混入させることなく、均一かつ欠陥を有しない膜層を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の半導体ウェハ等の成膜装置の一般的な装置構成を表す図である。
【図2】原料ガスの供給ON/OFFを時間によって変化させているグラフを表す図である。
【図3】ウェハ上に成膜された原子の状態を表す図である。
【図4】本発明に関する成膜装置の構成の一実施例を表す図である。
【図5】本発明の成膜方法における原料ガスモニタリングの一実施例を表す図である。
【図6】本発明に関する成膜装置の構成のうち、バリア層を形成させる場合の一実施例を表す図である。
【図7】本発明の成膜方法において、バリア層を形成させる場合の原料モニタリングの一実施例を表す図である。
【符号の説明】
11…成膜装置、12…TMA、13…水、14…流量制御手段、15…排気手段、16…ガス分析計、17…制御部
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor thin film forming apparatus and method for forming a gate insulating film of an FET (field effect transistor) on a single crystal substrate such as a semiconductor wafer.
[0002]
[Prior art]
In recent years, as a technique for forming a thin film (for example, Al 2 O 3 ) using a metal oxide or the like having a large dielectric constant as a raw material on a Si substrate or the like as a semiconductor wafer, a method of directly laminating aluminum oxide to form a film ( For example, Patent Literature 1) and an ALD (Atomic Layer Deposition) method are available. In the ALD method, for example, trimethyl aluminum (TMA: Al (CH 3 ) 3 ) or the like is used as a raw material, and water (H 2 O) is alternately sprayed onto a Si substrate to form a film.
[0003]
Generally, as a property of a thin film formed on a semiconductor wafer, the amount of electric charge accumulated on the thin film is proportional to the dielectric constant (ε) of the thin film itself and the area (A) of the wafer, and the thickness of the thin film itself It is known that it is inversely proportional to (d). Therefore, in recent years, there has been a strong tendency to reduce the area of the wafer, and means for reducing the film thickness have been used in order to maintain or increase the amount of charge accumulated on the thin film. However, there is a limit to miniaturization of the film thickness, and therefore, a thin film having a higher dielectric constant is required.
[0004]
The gate insulating film which is a target of the film forming apparatus and the film forming method of the present invention is for forming a thin film (High-k film) such as a metal oxide having a large dielectric constant on a semiconductor wafer. Even if the semiconductor chip is made smaller (thinner), the quality of the semiconductor chip is not deteriorated, and miniaturization of the semiconductor chip can be realized.
[0005]
In addition, after a gate insulating film is formed on a Si substrate as a semiconductor wafer, a high-temperature heat treatment performed in a transistor forming process causes the Si substrate and the gate insulating film to react with each other. An SiO 2 film (ε = 3.9) or a silicate film having a low dielectric constant may be present as an interface layer. Therefore, by forming a barrier layer in advance at the interface, it is common to prevent the formation of an interface layer having a low dielectric constant at the interface of the wafer even when the high-temperature heat treatment performed in the transistor forming process is performed. Has been done.
[0006]
A conventional method of forming a gate insulating film of a metal oxide or the like will be described with reference to FIG. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a film forming chamber for spraying a source gas onto a semiconductor wafer (for example, a Si substrate) to form a thin film, 2 denotes a container containing liquid TMA (trimethyl aluminum), and 3 denotes water (H). 2 O). The TMA and water are vaporized by bubbling Ar gas injected into 2 and 3 as a carrier gas and supplied to the film forming chamber 1. Here, the flow rate of the Ar gas as a carrier gas is controlled by the flow meters 4 and 4, and as a result, the amounts of TMA and water supplied to the film formation chamber 1 are controlled. Most of the raw material gas supplied to the film forming chamber is discharged by the pressure reducing means 5. In the film forming chamber 1, a Si substrate heated to a constant temperature (for example, about 300 degrees C.) is horizontally held, and a supplied source gas (TMA, water) is alternately blown onto the Si substrate. FIG. 2 is a graph showing a supply state of TMA and water supplied by the gas flow meters 4 and 4. In FIG. 2, it is assumed that the supply of TMA and water is controlled by ON / OFF switching. In FIG. 2, specifically, the supply ON time is about 0.5 seconds, and the supply OFF time is about 1.0 seconds.
[0007]
Here, the chemical reaction that occurs when a source gas is blown onto a semiconductor wafer (for example, a Si substrate) in the film forming chamber 1 is described by Equation 1.
(Equation 1)
Si—H + Al— (CH 3 ) 3 → Si—Al— (CH 3 ) 2 + CH 4 }
In the above formula 1, Si-H represents a hydrogen-terminated Si substrate, and this H atom reacts with one of the CH 3 groups of TMA, and Al— (CH 3 ) 2 is formed on the surface of the Si substrate. It represents the connection. Note that the above-described hydrogen termination can be performed by reacting a strong acid such as HF with the Si substrate.
[Patent Document 1]
JP 2001-220294 A
[Problems to be solved by the invention]
As shown in FIG. 2, TMA and water are alternately supplied to the film formation chamber 1, but the amount of gas to be supplied is adjusted empirically by an apparatus worker and supplied to the film formation chamber. This has been done in the past. For this reason, when the supply amount of the gas is not appropriate, for example, when the supply amount of the source gas is insufficient, a defect may occur in a film formed on the Si substrate, and when the source gas is Is supplied to the substrate, there is a problem that impurities are mixed in a film formed on the Si substrate. When defects or impurities are present in such a film, the electrical characteristics of the thin film are significantly reduced.
[0009]
FIG. 3 is a diagram illustrating a state in which the source gas is uniformly adsorbed on the Si substrate and a state in which the source gas is non-uniformly adsorbed. In (1) of FIG. 3, reference numeral 10 denotes a Si substrate, 20 denotes an aluminum atom in aluminum, and 21 denotes an oxygen atom. In this state, it can be seen that the source gas is uniformly adsorbed on the Si substrate. In FIG. 3B, part A indicates a state in which a defect occurs due to insufficient TMA, and part B indicates a state in which a defect and an impurity CH 3 are mixed due to an excessive amount of TMA entering the film forming chamber 1. ing.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in view of the above problems, and in claim 1, a gas supply means for supplying a source gas, a film forming chamber for forming a film of the source gas by a chemical reaction, An apparatus for forming a thin film on a surface of a single crystal substrate, comprising an exhaust unit for exhausting a source gas in a film forming chamber, and a gas for monitoring a gas discharged from the film forming chamber. It is characterized by providing monitoring means. Further, the gas monitoring means may be a gas analyzer (claim 2) or a gas mass spectrometer (claim 3).
[0011]
In claim 4, a gas supply means for supplying a source gas, a film forming chamber for forming a film of the source gas by a chemical reaction, and an exhaust means for exhausting the source gas in the film forming chamber are used. A film forming method for forming a thin film on a surface of a single crystal substrate, comprising a gas monitoring means for monitoring a gas discharged from the film forming chamber, and responding to a signal from the gas monitoring means. To change the supply amount of the raw material gas. In this case, the supply amount of the source gas may be changed by controlling the gas supply time (claim 5), and the gas monitoring means may be an analyzer (claim 5). 6), It may be a gas mass spectrometer (claim 7).
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 shows an embodiment according to the present invention, in which 11 is a film forming chamber, 12 and 13 are containers containing liquid TMA and water (H 2 O), respectively, and 14 and 14 are carrier gases. It is a flow meter for adjusting the flow rate of Ar gas as a gas. Most of the source gas supplied to the film forming chamber is exhausted by an exhaust unit (for example, a decompression pump) 5.
[0013]
Reference numeral 16 denotes a gas analyzer as a gas monitoring means, which is provided in a path through which the raw material gas supplied to the film forming chamber is exhausted by the exhaust means 5. Here, it is assumed that a gas mass spectrometer is used as one of the embodiments. The gas mass spectrometer 16 is for detecting a substitution reaction of the following formula 1 that occurs when TMA is adsorbed on a hydrogen-terminated Si substrate. Here, when the substitution reaction of Formula 1 occurs, methane CH 4 is generated, and this methane CH 4 is detected by the gas monitoring means (gas mass spectrometer) 16.
[0014]
As described above, when TMA is adsorbed on the Si substrate, a substitution reaction occurs and methane CH 4 is generated. Therefore, the generation of this methane is monitored by the gas mass spectrometer 16. That is, it is considered that the substitution reaction is being performed on the Si substrate while methane is being generated.
[0015]
Thus, gas analyzer as the gas monitoring means (Gas mass spectrometer) 16, methane CH 4 continuously detects, when the methane CH 4 is no longer detected in the film forming chamber 11 (or of a certain concentration (When it becomes the following), a signal is transmitted to the control unit 17. Upon receiving the signal, the control unit 17 transmits a signal to the gas flow meter 14 to stop supplying the TMA gas to the film formation chamber. As a result, the TMA gas supplied into the film formation chamber does not become excessive or insufficient, and it is possible to appropriately prevent defects and impurities from occurring in the film formed on the Si substrate.
[0016]
Next, the substitution reaction when the H 2 O gas (water vapor) is supplied to the film formation chamber after the TMA gas is supplied to the film formation chamber is expressed by Equation 2.
[Equation 2]
Si—Al— (CH 3 ) 2 + 2H 2 O → Si—Al— (OH) 2 + 2CH 4 }
In Equation 2, in the film forming chamber 11 after the supply of the TMA gas, water (H 2 O) reacts with molecules that have reacted on the Si substrate to become Si—Al— (CH 3 ) 2, and Si— This shows how Al- (OH) 2 is formed.
[0017]
Further, Si—Al— (OH) 2 is bonded to each other, and water (H 2 O) is discharged to form Al 2 O 3 . That is, by repeatedly performing the substitution reaction of Formula 2, a dense, uniform and high-quality Al 2 O 3 film is formed on the Si substrate. Further, at this time, as is apparent from Equation 2, since methane (CH 4 ) is generated while the substitution reaction is being performed, the methane (CH 4 ) is continuously detected by the gas analyzer 16 to obtain the above-mentioned value. It can be determined whether or not the substitution reaction has been completed. When methane CH 4 is no longer detected by the gas analyzer 16 (or when the concentration becomes lower than a certain level), a signal is transmitted to the controller 17, and the H 2 O gas (water vapor) is The supply to the film formation chamber in step (1) is stopped.
[0018]
As described above, since the supply of the TMA gas and the H 2 O gas is controlled in accordance with the degree of progress of the substitution reaction performed in the film forming chamber 11, the TMA gas and the H 2 O gas are accurately stored in the film forming chamber 11. H 2 O gas can be supplied. FIG. 5 shows a relationship between the supply of the source gas of the TMA gas and the H 2 O gas (steam) by the Ar carrier gas to the film formation chamber 11 and the methane CH 4 detected by the gas analyzer 16.
[0019]
FIG. 5 shows a case where the substitution reaction is performed on the Si substrate by supplying TMA (see Equation 1) and a case where the substitution reaction is performed when H 2 O gas (water vapor) is supplied (see Equation 2). The amount of methane detected in (1) is shown in a graph together with ON / OFF of the supply of the source gas such as TMA gas and H 2 O gas (steam). Also in this case, the supply gas supply ON time is about 0.5 seconds, and the supply OFF time is about 1.0 seconds.
[0020]
Next, a description will be given of an embodiment for detecting that the supply of the TMA gas becomes excessive and the substitution reaction in the film forming chamber 11 is not properly performed.
[0021]
Equation 3 shows a state in which the excessively supplied Al- (CH 3 ) 3 is further substituted by the molecules that have undergone a substitution reaction on the Si substrate and have become Si-Al- (CH 3 ) 2 .
[Equation 3]
Si—Al— (CH 3 ) 2 + Al— (CH 3 ) 3 → O—Al (CH 3 ) —Al (CH 3 ) 2 + C 2 H 6 }
[0022]
With respect to the Si—Al (CH 3 ) —Al (CH 3 ) 2 generated in Formula 3, the substitution reaction shown in Formula 4 further occurs.
(Equation 4)
Si—Al (CH 3 ) —Al— (CH 3 ) 2 + 2H 2 O → Si—Al (CH 3 ) —Al— (OH) 2 + 2CH 4 }
[0023]
Further, Si—Al (CH 3 ) —Al— (OH) 2 of Formula 4 is bonded to each other and water (H 2 O) is discharged to partially form Al 2 O 3. As is evident, in the film where Al 2 O 3 is to be formed, methyl (CH 3 ) groups are mixed as impurities. Therefore, when the substitution reaction as shown in Formula 3 occurs (that is, when the TMA gas is excessively supplied), the ethane C 2 H 6 generated at the same time is detected by the gas analyzer 16 so that the TMA gas is excessively supplied. Can be quickly detected. When ethane C 2 H 6 is detected by the gas analyzer 16, a signal is transmitted to the control unit 17, the flow meter 14 is operated, and the supply of TMA gas is stopped (turned off) to reduce the excessive supply of TMA. it can.
[0024]
Next, an embodiment in which a barrier layer is formed at the interface between the Si substrate and the gate insulating film will be described with reference to FIG. 6, the same components as those shown in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals. Numerals 12 and 13 denote containers containing liquefied TMA and water (H 2 O), respectively, and numeral 18 denotes a cylinder containing liquefied ammonia (NH 3 ). By opening the valve of the cylinder 18, vaporized ammonia (ammonia gas) is supplied to the film forming chamber 11. In this embodiment, a case is described in which an Si 3 N 4 film is formed as a barrier layer at the interface between a Si substrate and a gate insulating film.
[0025]
Equation 5 shows a reaction equation when ammonia gas (NH 3 ) is reacted on a hydrogen-terminated Si substrate.
(Equation 5)
Si—H + NH 3 → Si—NH 2 + H 2
[0026]
As is apparent from Equation 5, as a reaction before the formation of the Si 3 N 4 layer as the barrier layer on the Si substrate, when Si—NH 2 is formed on the Si substrate, hydrogen gas (H 2 ) Occurs. The H atom of Si—NH 2 is replaced by the methyl group of Si—Al (CH 3 ), and as a result, an Al 2 O 3 film is formed on the Si 3 N 4 layer.
[0027]
That is, since hydrogen gas (H 2 ) is generated while the substitution reaction is being performed, the hydrogen gas (H 2 ) is continuously monitored by the gas analyzer 16 to determine whether or not the substitution reaction has been completed. can do. When hydrogen gas (H 2 ) is no longer detected by the gas analyzer 16 (or when the concentration becomes lower than a certain lower level), a signal is transmitted to the control unit 17, the valve of the cylinder 18 is closed, and the ammonia gas is By stopping the supply of (NH 3 ) to the deposition chamber, a uniform and defect-free barrier layer can be formed extremely thin. FIG. 7 shows the supply state of the gas and the monitoring state of the generated gas at this time.
[0028]
The switching of supply gas ON / OFF according to the amount of generated gas as described above is performed using the control unit 17, but this is not limited to hardware such as a personal computer (PC). For example, it can be performed by an arithmetic processing unit or the like incorporated in the gas analyzer 16. By storing a program and / or data in which the optimum timing for switching the supply gas in accordance with the amount of generated gas is stored in the control unit 17 or the like, it is automatically and uniformly stored on the semiconductor wafer. Defect-free gate insulating films and barrier layers can be formed. Further, the ON / OFF control of the supply gas may be performed by a means for controlling the supply amount such as a flow meter 14 so as to be changeable, or the ON / OFF of the supply of the gas such as a solenoid valve or an air drive valve. It may be carried out by means for causing it to.
[0029]
Furthermore, in the present description, an example was described in which Al 2 O 3 was used for the gate insulating film, a Si 3 N 4 film was used for the interface layer, and TMA, H 2 O, and NH 3 gas were used as the raw materials as an example. However, the present invention is not limited to only these examples. For example, in the case of forming hafnium oxide HfO 2 as a gate insulating film, Hf (N (CH 3 ) 2 ) 4 and water H 2 O may be used as source gases. In this case, the gas generated when the source gas undergoes the substitution reaction on the Si wafer is HN (CH 2 ) 2 , and the generated gas is detected by the gas analyzer 16 to form a high-quality gate insulating film. It is possible to form. Table 1 shows the type of the gate insulating film to be formed, the source gas used at that time, and the generated gas in association with each other.
[0030]
The single crystal substrate described here is not limited to a semiconductor wafer such as a Si substrate, but includes a substrate made of strontium titanate (SrTiO 3 ) or magnesium oxide (MgO). It is.
[0031]
Also, if a gas mass spectrometer is used as the gas analyzer 16 for detecting generated gas, various kinds of gases can be detected and quantified quickly and accurately in real time, which is extremely effective. However, the gas analyzer 16 is particularly limited to a gas mass spectrometer as long as it is an analyzer that can detect generated gas with good response (rapidly), such as an infrared gas analyzer or another analyzer. is not.
[0032]
【The invention's effect】
According to the present invention described above, a gas generated during a reaction performed in forming a thin film (eg, a gate insulating film) performed in a deposition chamber is analyzed by an analyzer such as a gas mass spectrometer. By detecting and measuring, the supply of the source gas can be appropriately controlled, so that a uniform and defect-free film layer can be formed without introducing defects or impurities into the film on the substrate. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a general apparatus configuration of a conventional film forming apparatus for a semiconductor wafer or the like.
FIG. 2 is a graph showing a graph in which supply ON / OFF of a source gas is changed with time.
FIG. 3 is a diagram illustrating a state of atoms formed on a wafer.
FIG. 4 is a diagram illustrating an embodiment of a configuration of a film forming apparatus according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of source gas monitoring in the film forming method of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating an embodiment in which a barrier layer is formed in the configuration of the film forming apparatus according to the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of material monitoring when forming a barrier layer in the film forming method of the present invention.
[Explanation of symbols]
11: film forming apparatus, 12: TMA, 13: water, 14: flow control means, 15: exhaust means, 16: gas analyzer, 17: control unit

Claims (7)

原料ガスを供給するガス供給手段と、前記原料ガスを化学反応によって成膜する成膜室と、成膜室内の原料ガスを排気するための排気手段とからなる単結晶基板の表面上に薄膜を成膜するための装置であって、前記成膜室から排出されるガスをモニタリングするためのガスモニタリング手段を設けたことを特徴とする成膜装置。A thin film is formed on the surface of a single crystal substrate including a gas supply means for supplying a source gas, a film formation chamber for forming a film of the source gas by a chemical reaction, and an exhaust means for exhausting the source gas in the film formation chamber. An apparatus for forming a film, wherein a gas monitoring means for monitoring a gas discharged from the film forming chamber is provided. 請求項1に記載の成膜装置であって、前記ガスモニタリング手段がガス分析計であることを特徴とする成膜装置。2. The film forming apparatus according to claim 1, wherein said gas monitoring means is a gas analyzer. 請求項1に記載の成膜装置であって、前記ガスモニタリング手段がガス質量分析計であることを特徴とする成膜装置。2. The film forming apparatus according to claim 1, wherein said gas monitoring means is a gas mass spectrometer. 原料ガスを供給するガス供給手段と、前記原料ガスを化学反応によって成膜する成膜室と、成膜室内の原料ガスを排気するための排気手段とを用いて行う単結晶基板の表面上に薄膜を成膜するための成膜方法であって、前記成膜室から排出されるガスをモニタリングするためのガスモニタリング手段を設け、ガスモニタリング手段からの信号に応じて原料ガスの供給量を変化させることを特徴とする成膜方法。A gas supply unit for supplying a source gas, a film forming chamber for forming a film of the source gas by a chemical reaction, and an exhaust unit for exhausting the source gas in the film formation chamber. A film forming method for forming a thin film, wherein a gas monitoring means for monitoring a gas discharged from the film forming chamber is provided, and a supply amount of a source gas is changed according to a signal from the gas monitoring means. A film forming method characterized by performing the following. 請求項4に記載の成膜方法であって、前記原料ガスの供給量の変化が、ガスの供給時間を制御して行われることを特徴とする成膜方法。5. The film forming method according to claim 4, wherein the supply amount of the source gas is changed by controlling a gas supply time. 6. 請求項4または5に記載の成膜方法であって、前記ガスモニタリング手段がガス分析計であることを特徴とする成膜方法。The film forming method according to claim 4, wherein the gas monitoring unit is a gas analyzer. 請求項5に記載の成膜方法であって、前記ガス分析計がガス質量分析計であることを特徴とする成膜方法。The film forming method according to claim 5, wherein the gas analyzer is a gas mass spectrometer.
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