JP2006245256A - Forming method of thin film - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、薄膜の形成方法であって、特に、原子層蒸着(Atomic Layer Deposition(ALD))法によりHigh−k材料からなる絶縁膜を形成する薄膜の形成方法に関する。 The present invention relates to a method for forming a thin film, and more particularly to a method for forming a thin film by which an insulating film made of a high-k material is formed by an atomic layer deposition (ALD) method.
デバイスの微細化に伴い、ゲート絶縁膜およびキャパシタ絶縁膜の材料としてHigh−k材料の開発が進められている。High−k材料からなる絶縁膜は、比誘電率が高いため、例えばゲート絶縁膜として用いた場合には、酸化シリコン(SiO2)を用いた場合よりも膜厚を数倍厚くしても、SiO2を用いた場合と同じゲート容量を得ることができるという利点がある。 With the miniaturization of devices, development of a High-k material as a material for a gate insulating film and a capacitor insulating film is underway. Since an insulating film made of a High-k material has a high relative dielectric constant, for example, when used as a gate insulating film, even if the film thickness is several times thicker than when silicon oxide (SiO 2 ) is used, There is an advantage that the same gate capacitance as that when SiO 2 is used can be obtained.
このようなHigh−k材料の成膜方法として、ALD法を用いる例が報告されている(例えば、特許文献1参照)。ALD法を用いてHigh−k材料を成膜することにより、絶縁膜の膜厚および組成の高度な制御が可能となる。 As such a high-k material film formation method, an example using the ALD method has been reported (for example, see Patent Document 1). By depositing a High-k material using the ALD method, it is possible to highly control the thickness and composition of the insulating film.
ここで、ALD法により、枚葉式装置を用いて、High−k材料である例えば金属シリケート膜を形成する例について説明する。この場合には、金属原子を含む原料ガスとシリコン原子を含む原料ガスとを処理チャンバー内に供給し、基板の処理表面に原料ガス成分を吸着させることで、金属原子およびシリコン原子の層を形成する。次いで、不活性ガスを処理チャンバー内に供給し、未反応の原料ガスをパージする。その後、酸化性ガスを処理チャンバー内に供給することで、処理表面に吸着した原料ガス成分と反応させて、金属原子またはシリコン原子と結合させた酸素原子の層を形成する。続いて、不活性ガスを処理チャンバー内に供給することで、未反応の酸化性ガスをパージする。そして、これらの工程を順次繰り返すことにより金属シリケート膜を形成する。 Here, an example of forming, for example, a metal silicate film, which is a high-k material, using a single-wafer apparatus by the ALD method will be described. In this case, a layer of metal atoms and silicon atoms is formed by supplying a source gas containing metal atoms and a source gas containing silicon atoms into the processing chamber and adsorbing the source gas components on the processing surface of the substrate. To do. Next, an inert gas is supplied into the processing chamber, and unreacted source gas is purged. Thereafter, an oxidizing gas is supplied into the processing chamber to react with the source gas component adsorbed on the processing surface to form a layer of oxygen atoms bonded to metal atoms or silicon atoms. Subsequently, an unreacted oxidizing gas is purged by supplying an inert gas into the processing chamber. Then, a metal silicate film is formed by sequentially repeating these steps.
上述したようなALD法は低温プロセスであるため、未反応の原料ガスや酸化性ガスが残留し易い。このため、残留した原料ガスに起因する膜中への不純物の残存を防ぐとともに、気相中での原料ガスと酸化性ガスの反応によるパーティクルの発生や、原料ガスまたは酸化性ガスの残留ガスとの反応による消費を防ぐために、上記パージ工程を5〜10秒間かけて行っている。 Since the ALD method as described above is a low temperature process, unreacted source gas and oxidizing gas are likely to remain. This prevents impurities from remaining in the film due to the remaining source gas, generates particles due to the reaction between the source gas and the oxidizing gas in the gas phase, and the residual gas of the source gas or oxidizing gas. In order to prevent consumption due to this reaction, the purge step is performed for 5 to 10 seconds.
このため、ALD法による薄膜の形成方法では、パージ時間がスループット向上の大きな障害となっている。 For this reason, in the method of forming a thin film by the ALD method, the purge time is a major obstacle to improving the throughput.
また、特に、トレンチキャパシタにおけるキャパシタ絶縁膜の成膜のように、処理表面が凹凸を有する場合には、不活性ガスによるパージを5〜10秒間行ったとしても、凹部内に入り込んだ未反応の原料ガスや酸化性ガスの除去は確実ではない。このため、残留した原料ガスに起因する膜中不純物によるトラップ準位を介したリーク電流が発生するという問題がある。また、残留した原料ガスと酸化性ガスの気相中での反応により、パーティクルが発生し、成膜装置が汚染されるという問題もある。さらには、残留した原料ガスまたは酸化性ガスとの気相中での反応により、供給した原料ガスや酸化性ガスが消費されてしまい、特に凹部の底面には、原料ガスや酸化性ガスが到達し難くなるため、カバレッジ性が悪くなる、という問題もある。 In particular, when the surface to be processed has irregularities, such as the formation of a capacitor insulating film in a trench capacitor, even if purging with an inert gas is performed for 5 to 10 seconds, unreacted that has entered the recesses. Removal of source gas and oxidizing gas is not certain. For this reason, there is a problem in that a leak current is generated through trap levels due to impurities in the film due to the remaining source gas. In addition, there is a problem that particles are generated due to a reaction in the gas phase between the remaining source gas and the oxidizing gas, and the film forming apparatus is contaminated. Furthermore, the supplied raw material gas or oxidizing gas is consumed due to the reaction in the gas phase with the remaining raw material gas or oxidizing gas. In particular, the raw material gas or oxidizing gas reaches the bottom surface of the recess. There is also a problem that coverage becomes worse because it becomes difficult to do so.
本発明は、ALD法による薄膜形成工程のパージ効率を高めることで、原料ガスおよび酸化性ガスの残留を防止するとともに、パージ時間を短縮することを目的とする。 An object of the present invention is to increase the purge efficiency of the thin film formation process by the ALD method, thereby preventing the residual of the source gas and the oxidizing gas and reducing the purge time.
上述したような課題を解決するために、本発明の薄膜の形成方法は、ALD法による薄膜の形成方法において、次のような工程を順次行うものである。まず、第1工程では、金属原子およびシリコン原子の少なくとも一方を含む原料ガスを処理雰囲気に供給し、基板の処理表面に原料ガス成分を吸着させることで、金属原子およびシリコン原子の少なくとも一方を含む層を形成する。次に、第2工程では、不活性ガスを処理雰囲気に供給して、処理雰囲気の原料ガスをパージする工程を行う。次いで、第3工程では、酸化性ガスを処理雰囲気に供給し、基板の処理表面に吸着した原料ガス成分と反応させて酸素原子の層を形成する工程を行う。その後の第4工程では、不活性ガスを処理雰囲気に供給して、処理雰囲気の酸化性ガスをパージする工程を行い、第1工程から第4工程までを繰り返して行うことで、処理表面に薄膜を形成する。そして、第2工程および第4工程の少なくとも一方で、処理雰囲気内の圧力を一時的に変動させることを特徴としている。 In order to solve the above-described problems, the thin film forming method of the present invention sequentially performs the following steps in the thin film forming method by the ALD method. First, in the first step, a source gas containing at least one of metal atoms and silicon atoms is supplied to the processing atmosphere, and a source gas component is adsorbed on the processing surface of the substrate, thereby including at least one of metal atoms and silicon atoms. Form a layer. Next, in the second step, an inert gas is supplied to the processing atmosphere to purge the raw material gas in the processing atmosphere. Next, in a third step, an oxidizing gas is supplied to the processing atmosphere, and a step of forming a layer of oxygen atoms by reacting with the source gas component adsorbed on the processing surface of the substrate is performed. In the subsequent fourth step, a process of supplying an inert gas to the processing atmosphere and purging the oxidizing gas in the processing atmosphere is performed, and a thin film is formed on the processing surface by repeatedly performing the first to fourth steps. Form. The pressure in the processing atmosphere is temporarily changed in at least one of the second step and the fourth step.
このような薄膜の形成方法によれば、パージ工程中の処理雰囲気内の圧力を一時的に変動させることから、例えば処理表面への不活性ガスの供給量を一時的に増大させて、処理雰囲気内の圧力を一時的に加圧する場合には、処理表面が不活性ガスにより強く吹きつけられた状態となり、処理雰囲気から原料ガスや酸化性ガスが除去され易くなる。よってパージ効率が高められる。また、処理雰囲気を減圧する場合には、処理雰囲気からの原料ガスや酸化性ガスの排気が促進されるため、原料ガスや酸化性ガスが除去され易くなる。よってパージ効率が高められる。 According to such a method for forming a thin film, the pressure in the processing atmosphere during the purge process is temporarily changed. For example, the amount of inert gas supplied to the processing surface is temporarily increased to increase the processing atmosphere. When the inner pressure is temporarily increased, the processing surface is strongly blown by the inert gas, and the source gas and the oxidizing gas are easily removed from the processing atmosphere. Therefore, the purge efficiency is increased. Further, when reducing the processing atmosphere, the exhaust of the source gas and the oxidizing gas from the processing atmosphere is promoted, so that the source gas and the oxidizing gas are easily removed. Therefore, the purge efficiency is increased.
パージ効率が高められることで、原料ガスや酸化性ガスの残留が抑制されるため、原料ガスに起因する膜中の不純物濃度が低減され、不純物によるトラップ準位を介したリーク電流が抑制される。また、残留した原料ガスと酸化性ガスとの気相中での反応が防止されるため、パーティクルの発生が防止されるとともに、供給した原料ガスや酸化性ガスの気相中での消費が防止される。さらに、パージ効率が高められることで、パージ時間を短縮することができる。 By increasing the purge efficiency, the residual source gas and oxidizing gas are suppressed, so that the impurity concentration in the film caused by the source gas is reduced, and the leakage current through the trap level due to the impurities is suppressed. . In addition, since the reaction between the remaining source gas and oxidizing gas is prevented in the gas phase, generation of particles is prevented and consumption of the supplied source gas and oxidizing gas in the gas phase is also prevented. Is done. Furthermore, the purge time can be shortened by increasing the purge efficiency.
以上、説明したように、本発明の薄膜の形成方法によれば、リーク電流の増大が抑制されるため、製造するデバイスの歩留まりを向上させることができる。また、パーティクルの発生が防止されることで、成膜装置の汚染を防止することができる。さらに、気相中での原料ガスや酸化性ガスの消費が防止されるため、凹凸を有する処理表面の凹部の底部等にも十分に原料ガスや酸化性ガスを供給することができ、カバレッジ性を向上させることができる。また、パージ時間を短縮することができるため、スループットを向上させることができる。 As described above, according to the method for forming a thin film of the present invention, an increase in leakage current is suppressed, so that the yield of manufactured devices can be improved. Further, since the generation of particles is prevented, contamination of the film forming apparatus can be prevented. Furthermore, since the consumption of the source gas and the oxidizing gas in the gas phase is prevented, the source gas and the oxidizing gas can be sufficiently supplied to the bottom of the concave portion of the processing surface having unevenness, and the coverage property Can be improved. Further, since the purge time can be shortened, the throughput can be improved.
以下、本発明のALD法を用いた薄膜の形成方法に関わる実施の形態の一例について詳細に説明する。 Hereinafter, an example of an embodiment relating to a method for forming a thin film using the ALD method of the present invention will be described in detail.
(第1実施形態)
本実施形態では、半導体装置の製造方法において、ディープトレンチ型のトレンチキャパシタのキャパシタ絶縁膜を、ALD法により形成する例について説明する。キャパシタ絶縁膜としては、High−k材料であるハフニウムシリケート(HfSiOx)膜を形成することとする。ここで、ALD法によるハフニウムシリケート膜の形成方法を説明するにあたり、この成膜に用いるALD装置について、図1の構成図を用いて説明する。
(First embodiment)
In the present embodiment, an example in which a capacitor insulating film of a deep trench type trench capacitor is formed by an ALD method in a method for manufacturing a semiconductor device will be described. As the capacitor insulating film, a hafnium silicate (HfSiO x ) film that is a high-k material is formed. Here, in describing a method for forming a hafnium silicate film by the ALD method, an ALD apparatus used for the film formation will be described with reference to the configuration diagram of FIG.
<ALD装置>
この図に示すように、ALD装置10は、枚葉式の装置であって、被処理基板Sの成膜処理を行う処理チャンバー11を備えている。処理チャンバー11には、例えばその底部に、被処理基板Sを載置保持するステージ12が配置されており、ステージ12には被処理基板Sを加熱するためのヒーター(図示省略)が設けられている。また、この処理チャンバー11の例えば下方側には、余剰なガスおよび反応生成物を除去するための排気管13が接続されている。この排気管13には、真空ポンプ14が接続されており、真空ポンプ14と処理チャンバー11との間に、開度を調整可能なバルブ13aが設けられている。この真空ポンプ14を作動させることで、処理チャンバー11内は減圧可能に構成されている。
<ALD equipment>
As shown in this figure, the
また、この処理チャンバー11の例えば上方側には、ガス毎に設けられた複数のガス供給管が接続されており、処理チャンバー11内に構成されている。なお、ここでの図示は省略するが、処理チャンバー11内には、供給されたガスがステージ12上に載置保持された被処理基板Sの全域に供給されるように、ステージ12と対向する状態で、シャワーヘッド状の拡散板が設けられていることとする。
A plurality of gas supply pipes provided for each gas are connected to, for example, the upper side of the processing chamber 11, and are configured in the processing chamber 11. Although illustration is omitted here, the processing chamber 11 faces the
上述した複数のガス供給管は、ここでは、ハフニウムシリケート膜を形成することから、Hf原子を含むテトラキス(メチルエチルアミノ)ハフニウム(Hf[N(CH3)(C2H5)]4)を供給する原料ガス供給管15と、Si原子を含むテトラキス(メチルエチルアミノ)シリコン(Si[N(CH3)(C2H5)]4)を供給する原料ガス供給管16と、例えばオゾンからなる酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給管17とを備えている。また、上記の他に、後述するように、パージ工程で不活性ガスを供給する不活性ガス供給管18を備えていることとする。
Here, the plurality of gas supply pipes form a hafnium silicate film, so that tetrakis (methylethylamino) hafnium (Hf [N (CH 3 ) (C 2 H 5 )] 4 ) containing Hf atoms is used. A source
原料ガス供給管15は、上述したように、一端は処理チャンバー11に接続され、他端はHf原子を含む原料ガスが貯留されたボンベ15aに接続されている。また、ボンベ15aと処理チャンバー11との間には、ボンベ15a側から流量調節器15bおよび開閉自在なバルブ15cが設けられていることとする。
As described above, the source
また、原料ガス供給管16は、一端が処理チャンバー11に接続され、他端はSi原子を含む原料ガスが貯留されたボンベ16aに接続されている。原料ガス供給管16も原料ガス15と同様に構成されており、ボンベ16a側から流量調節器16bおよび開閉自在なバルブ16cが設けられている。
The source
また、酸化性ガス供給管17は、一端が処理チャンバー11に接続され、他端は酸素(O2)ガスが貯留されたボンベ17aに接続されている。酸化性ガス供給管17には、ボンベ17a側から順にオゾンガス生成器17b、流量調節器17cとバルブ17dが設けられている。ボンベ17aから酸化性ガス供給管17に供給された酸素ガスはオゾンガス生成器17bに導入されることで、一部がO3ガスとなり、O2ガスとともに処理チャンバー11内に供給される。
The oxidizing
さらに、不活性ガス供給管18は、一端が処理チャンバー11に接続され、他端は例えばアルゴン(Ar)等の不活性ガスが貯留されたボンベ18aに接続されている。また、処理チャンバー11とボンベ18aとの間には、流量調節器18bと開閉自在なバルブ18cが設けられている。
Further, the inert
これらのガス供給管のうち、原料ガス供給管15、16および酸化性ガス供給管17は、処理チャンバー11内のステージ12上に載置保持された基板Sの表面にガスを供給するため、処理チャンバー11の上方に接続されることが好ましい。また、不活性ガス供給管18についても、処理表面付近に残存する未反応の原料ガスや酸化性ガスを除去するため、処理チャンバー11の上方に接続されることが好ましく、特に、本実施形態では、後述するように、不活性ガス供給管18を加圧状態とし、基板Sの処理表面に不活性ガスを吹き付けることから、処理チャンバー11の上方に接続されることが好ましい。
Among these gas supply pipes, the source
なお、ここでの図示は省略するが、上述した各ガス供給管の各ボンベ15a、16a、17a、18aは開閉自在なバルブをそれぞれ備えており、このバルブまたは処理チャンバー11側のバルブ15c、16c、17d、18cにより、処理チャンバー11への各ガスの供給のオンオフを制御可能であることとする。
Although not shown here, the
<薄膜の形成方法>
次に、上述したようなALD装置10を用いたハフニウムシリケート膜の形成方法について説明する。
<Method for forming thin film>
Next, a method for forming a hafnium silicate film using the
まず、ハフニウムシリケート膜からなるキャパシタ絶縁膜を形成する基板について説明する。図2に示すように、例えば単結晶シリコンからなる基板21には、例えばSiNからなるハードマスク22をマスクに用いたエッチングにより形成されたディープ型のトレンチ23が設けられていることとする。このトレンチ23の下部の内壁には、固相拡散法により設けられた下部電極(図示省略)が形成されている。
First, a substrate on which a capacitor insulating film made of a hafnium silicate film is formed will be described. As shown in FIG. 2, a substrate 21 made of, for example, single crystal silicon is provided with a deep trench 23 formed by etching using, for example, a
この状態の基板21の表面に、例えば0.1%のフッ化水素(HF)溶液を用いて、洗浄処理を行うことで、トレンチ23の内壁面に形成された自然酸化膜(SiO2膜)を除去する。その後、800℃で窒化処理を行うことで、トレンチ23の内壁面にシリコン窒化層(図示省略)を形成する。この工程は、基板21への酸素拡散抑制のために行うものであり、シリコン窒化層は1nm以下の膜厚で形成されることとする。これにより、トレンチ23の内壁はアミノ(NH2)基の水素原子(H)で終端された状態となる。 A natural oxide film (SiO 2 film) formed on the inner wall surface of the trench 23 by performing a cleaning process on the surface of the substrate 21 in this state using, for example, a 0.1% hydrogen fluoride (HF) solution. Remove. Thereafter, a nitridation process is performed at 800 ° C. to form a silicon nitride layer (not shown) on the inner wall surface of the trench 23. This step is performed for suppressing oxygen diffusion to the substrate 21, and the silicon nitride layer is formed with a film thickness of 1 nm or less. As a result, the inner wall of the trench 23 is terminated with a hydrogen atom (H) of an amino (NH 2 ) group.
この状態の基板21を、図1を用いて説明したALD装置10の処理チャンバー11内のステージ12上に載置保持する。すなわち、図1の被処理基板Sが基板21となる。そして、ALD法により、基板21のトレンチ23の内壁を覆う状態で、ハードマスク22上に、ハフニウムシリケート膜からなるキャパシタ絶縁膜を形成する。
The substrate 21 in this state is placed and held on the
本発明では、パージ工程中に一時的に処理雰囲気の圧力を変動させることから、このキャパシタ絶縁膜の形成について、図3のフローチャートに基づくとともに、図4に示す処理チャンバー11内の圧力変動のグラフを用いて説明する。なお、ここでの処理チャンバー11内の圧力が、処理雰囲気の圧力に相当する。この成膜に用いるALD装置の各構成については、図1に示すものとする。また、各工程における各ガスの総流量は、特に記載のない限り一定であることとする。 In the present invention, since the pressure of the processing atmosphere is temporarily changed during the purge process, the formation of this capacitor insulating film is based on the flowchart of FIG. 3 and the graph of the pressure fluctuation in the processing chamber 11 shown in FIG. Will be described. Note that the pressure in the processing chamber 11 here corresponds to the pressure in the processing atmosphere. Each configuration of the ALD apparatus used for the film formation is shown in FIG. In addition, the total flow rate of each gas in each process is constant unless otherwise specified.
まず、ステージ12を加熱することで基板21の温度を300℃〜400℃に設定するとともに、処理チャンバー11内の圧力を例えば266Paに設定する(図4)。そして、基板21の温度が安定した状態となった後、原料ガス供給管15からハフニウム(Hf)原子を含有する原料ガス(Hf[N(CH3)(C2H5)]4)を供給するとともに、原料ガス供給管16からシリコン(Si)原子を含有する原料ガス(Si[N(CH3)(C2H5)]4)を5秒間供給する(S101)。
First, the temperature of the substrate 21 is set to 300 ° C. to 400 ° C. by heating the
これにより、トレンチ23の内壁面における終端のNH2基のHが原料ガス成分である、Hf[N(CH3)(C2H5)]3またはSi[N(CH3)(C2H5)]3に置換されて窒素原子(N)に化学的に吸着する。このため、トレンチ13の内壁面にHf原子またはSi原子からなる層が形成され、反応生成物としてN-エチルメチルアミン(C2H5NHCH3)が生じる。
As a result, H in the NH 2 group at the end of the inner wall surface of the trench 23 is a source gas component, Hf [N (CH 3 ) (C 2 H 5 )] 3 or Si [N (CH 3 ) (C 2 H 5 )] Substituted by 3 and chemically adsorbed on the nitrogen atom (N). For this reason, a layer composed of Hf atoms or Si atoms is formed on the inner wall surface of the
なお、ここでは、Hf原子を含有する原料ガスとSi原子を含有する原料ガスとを同一工程で供給することとするが、Hf原子を含有する原料ガスとSi原子を含有する原料ガスのうちの一方を先に供給してもよい。例えば先にHf原子を含有する原料ガスを供給する場合には、次に、パージ工程、酸化性ガス供給工程、パージ工程を順次行った後、Si原子を含有する原料ガスを供給して、パージ工程、酸化性ガス供給工程、パージ工程を順次行う。これにより、Hf酸化物の層とSi酸化物の層とが交互にラミネート状に形成される。 Here, the source gas containing Hf atoms and the source gas containing Si atoms are supplied in the same step, but the source gas containing Hf atoms and the source gas containing Si atoms are the same. One may be supplied first. For example, when the source gas containing Hf atoms is supplied first, the purge process, the oxidizing gas supply process, and the purge process are sequentially performed, and then the source gas containing Si atoms is supplied and purged. A process, an oxidizing gas supply process, and a purge process are sequentially performed. As a result, the Hf oxide layer and the Si oxide layer are alternately formed in a laminate.
上述したように原料ガスを供給した後、この処理チャンバー11内にArからなる不活性ガスを5秒間供給して未反応の原料ガスをパージする(S102)。このパージにより、上記反応生成物も除去される。そして、後述するように、次工程で行う酸化性ガスの供給は、例えば532Paで行うことから、この5秒間のパージ工程中に、排気管13のバルブ13aの開度を調整し、処理チャンバー11内の圧力が532Paに到達するようにする(図4)。なお、ここでは、Arからなる不活性ガスを用いることとしたが、ヘリウム(He)、ネオン(Ne)、窒素(N2)、水素(H2)等の他の不活性ガスを用いてもよい。なお、本発明では、窒素(N2)、水素(H2)も不活性ガスに含まれることとする。
After supplying the source gas as described above, an inert gas composed of Ar is supplied into the processing chamber 11 for 5 seconds to purge the unreacted source gas (S102). This purge also removes the reaction product. As will be described later, since the supply of the oxidizing gas performed in the next process is performed at 532 Pa, for example, the opening degree of the
次いで、処理チャンバー11内に例えばO3からなる酸化性ガスを、O2をキャリアガスとして5秒間供給する(S103)。この際、後述するように、次のパージ工程(S104)で一時的な加圧工程を挿入するため、O3ガス供給工程(S103)中は、例えば不活性ガス供給管18に接続されたボンベ18aのバルブ(図示省略)は開放し、バルブ18cを閉めることで、不活性ガス供給管18内を加圧状態にしておくこととする。
Next, an oxidizing gas made of, for example, O 3 is supplied into the processing chamber 11 for 5 seconds using O 2 as a carrier gas (S103). At this time, as will be described later, in order to insert a temporary pressurizing step in the next purging step (S104), for example, a cylinder connected to the inert
上述したように、O3ガスが基板21の処理表面に供給されることで、トレンチ23の内壁面に吸着された原料ガス成分(Hf[N(CH3)(C2H5)]3,Si[N(CH3)(C2H5)]3))のメチルエチルアミノ基(N(CH3)(C2H5))が酸素(O)原子にそれぞれ置換される。これにより、トレンチ23の内壁面に、Hf原子およびSi原子に吸着した状態のO原子の層が形成され、Hf酸化物とSi酸化物とを含む層が形成された状態となる。また、この際、反応生成物として、N−エチルメチルアミン(C2H5NHCH3)が生じる。 As described above, when the O 3 gas is supplied to the processing surface of the substrate 21, the source gas components (Hf [N (CH 3 ) (C 2 H 5 )] 3 , adsorbed on the inner wall surface of the trench 23 are obtained. The methylethylamino group (N (CH 3 ) (C 2 H 5 )) of Si [N (CH 3 ) (C 2 H 5 )] 3 )) is substituted with an oxygen (O) atom, respectively. As a result, a layer of O atoms adsorbed on Hf atoms and Si atoms is formed on the inner wall surface of the trench 23, and a layer containing Hf oxide and Si oxide is formed. At this time, N-ethylmethylamine (C 2 H 5 NHCH 3 ) is generated as a reaction product.
なお、ここでは、酸化性ガスとしてO3を用いることとしたが、原料ガス成分と反応してO原子の層を形成可能な化合物であればよく、過酸化水素(H2O2)、水(H2O)または重水(D2O)であってもよい。 Here, O 3 is used as the oxidizing gas, but any compound that can form a layer of O atoms by reacting with the raw material gas components may be used. Hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), water It may be (H 2 O) or heavy water (D 2 O).
次に、処理チャンバー11内にArからなる不活性ガスを5秒間供給して、未反応の酸化性ガスをパージする(S104)。このパージにより、上記反応生成物も除去される。この際、処理チャンバー11内の圧力を一時的に変動させる工程を挿入する。本実施形態では、処理チャンバー11内の圧力を一時的に加圧することとする。この一時的な加圧工程とは、例えば1秒間の間に、200Pa以上加圧した後、元の圧力に近い圧力まで戻す工程を指す。 Next, an inert gas composed of Ar is supplied into the processing chamber 11 for 5 seconds to purge unreacted oxidizing gas (S104). This purge also removes the reaction product. At this time, a step of temporarily changing the pressure in the processing chamber 11 is inserted. In the present embodiment, the pressure in the processing chamber 11 is temporarily increased. This temporary pressurizing step refers to a step of, for example, returning to a pressure close to the original pressure after pressurizing 200 Pa or more in one second.
本実施形態では、上述したO3ガス供給工程(S103)で、ボンベ18aのバルブは開放し、バルブ18cのみを閉じた状態としておくことから、不活性ガス供給管18に充満されたArが処理チャンバー11内に高い流量で供給され、処理チャンバー11内が一時的に加圧状態となる。ここでは、例えば、処理チャンバー11内の圧力を一時的に約2倍、すなわち532Paから1064Pa程度まで上昇させる(図4)。これにより、Arガスが基板21の処理表面、すなわち、トレンチ23の内壁面を含むハードマスク22上に吹き付けられ、トレンチ23内部の未反応の原料ガスや酸化性ガスがパージされて、除去される。その後、Arガスの供給は、設定された流量に収まるため、処理チャンバー11内の圧力も532Paまで低下する(図4)。
In the present embodiment, since the valve of the
次いで、後述するように、次工程で行う原料ガスの供給は、例えば266Paで行うことから、このパージ工程(S104)中に、排気管13のバルブ13aの開度を調整し、処理チャンバー11内の圧力を266Paに到達するようにすることとする(図4)。なお、ここでは、不活性ガスとしてArを用いることとしたが、上述した1回目のパージ工程と同様に、He、Ne、N2、H2等を用いることが可能である。
Next, as will be described later, since the supply of the source gas performed in the next step is performed at 266 Pa, for example, the opening degree of the
なお、ここでは、パージ工程(S104)中にのみ一時的な加圧工程を挿入することとしたが、原料ガスの供給工程(S101)後のパージ工程(S102)でも同様の一時的な加圧工程を挿入してもよい。ただし、パージ工程(S102)において、一時的な加圧工程を行う場合には、パージ効率は高められるものの、O原子が結合していない状態のHf原子およびSi原子はパージにより離脱し易いため、Hf原子またはSi原子の成膜レートが低減する。このため、酸化性ガスの供給工程(S103)後のパージ工程(S104)中にのみ加圧工程を挿入することが好ましい。 Here, the temporary pressurization process is inserted only during the purge process (S104), but the same temporary pressurization is performed in the purge process (S102) after the source gas supply process (S101). A process may be inserted. However, in the purge step (S102), when performing a temporary pressurization step, although the purge efficiency is improved, Hf atoms and Si atoms in a state where O atoms are not bonded are easily separated by purge, The film formation rate of Hf atoms or Si atoms is reduced. For this reason, it is preferable to insert the pressurizing step only during the purge step (S104) after the oxidizing gas supply step (S103).
その後、原料ガスの供給工程(S101)からパージ工程(S104)までを複数回繰り返して行う。この繰り返し回数は、例えば原料ガスの供給工程(S101)からパージ工程(S104)を1回行うことで、成膜される薄膜の膜厚を予め調べておき、その膜厚と成膜したい膜厚とに基づき算出する。そして、算出された回数分、上記工程を繰り返し、所定の膜厚に成膜されているかどうかを判定する。この結果、所定の膜厚に成膜されていれば終了し、所定の膜厚以下であれば、再度上記工程を繰り返して行う。 Thereafter, the source gas supply step (S101) to the purge step (S104) are repeated a plurality of times. The number of repetitions is, for example, that the film thickness of the thin film to be formed is checked in advance by performing the source gas supply process (S101) to the purge process (S104) once, and the film thickness and the film thickness to be formed. Based on and. Then, the above process is repeated for the calculated number of times, and it is determined whether or not the film is formed with a predetermined film thickness. As a result, if the film is formed to a predetermined film thickness, the process is terminated. If the film thickness is equal to or smaller than the predetermined film thickness, the above process is repeated.
これにより、図5に示すように、トレンチ23の内壁面を覆う状態で、ハードマスク22上に、所望の膜厚のハフニウムシリケートからなるキャパシタ絶縁膜24が形成される。その後、アンモニアガス(NH3)を処理チャンバー11内に供給して、熱処理を施し、キャパシタ絶縁膜24の窒化処理を行う。
As a result, as shown in FIG. 5, a capacitor insulating film 24 made of hafnium silicate having a desired film thickness is formed on the
この後の工程は、通常のトレンチキャパシタの形成方法と同様に行うこととする。すなわち、トレンチ23を埋め込む状態で、キャパシタ絶縁膜24上に、例えばポリシリコンからなる上部電極(図示省略)を形成することで、トレンチキャパシタを形成する。 The subsequent steps are performed in the same manner as in a normal trench capacitor forming method. That is, a trench capacitor is formed by forming an upper electrode (not shown) made of, for example, polysilicon on the capacitor insulating film 24 in a state where the trench 23 is embedded.
このような薄膜の形成方法によれば、パージ工程(S104)中にArガスの供給量を一時的に増大させて、加圧することで処理雰囲気内の圧力を変動することから、処理雰囲気から未反応の原料ガスや酸化性ガスおよび反応生成物が除去され易くなる。これにより、パージ効率を高めることができるため、膜中の原料ガスに起因する炭素(C)、水素(H)等の不純物の濃度が低減される。したがって、不純物によるトラップ準位を介したリーク電流が抑制され、製造するデバイスの歩留まりを向上させることができる。 According to such a method for forming a thin film, the pressure in the processing atmosphere is changed by temporarily increasing the supply amount of Ar gas during the purging step (S104) and applying pressure. The raw material gas, oxidizing gas, and reaction product of the reaction are easily removed. Thereby, since the purge efficiency can be increased, the concentration of impurities such as carbon (C) and hydrogen (H) due to the source gas in the film is reduced. Therefore, leakage current through the trap level due to impurities is suppressed, and the yield of devices to be manufactured can be improved.
また、残留した原料ガスと酸化性ガスとの気相中での反応が防止されるため、パーティクルの発生が防止できることから、ALD装置10の汚染を防止することができる。さらに、気相中での反応が防止されることで、供給する原料ガスや酸化性ガスの気相中での消費が防止されることから、トレンチ23の底面にも原料ガスおよび酸化性ガスを供給することができ、カバレッジ性が向上する。
Further, since the reaction between the remaining raw material gas and the oxidizing gas in the gas phase is prevented, the generation of particles can be prevented, so that the contamination of the
さらに、パージ効率が高められることで、従来10秒間行っていたパージ工程(S104)を例えば5秒間に短縮することができる。したがって、スループットを向上させることができる。 Further, the purge efficiency is increased, so that the purge process (S104) that has been conventionally performed for 10 seconds can be shortened to, for example, 5 seconds. Therefore, throughput can be improved.
なお、本実施形態では、一時的な加圧工程を1回挿入することとしたが、複数回挿入してもよい。挿入回数が多いほど、パージ効率をより高めることができる。この場合、2回目以降の加圧工程では、流量調節器18cによりArガス流量を一時的に増大させることとする。ただし、この加圧工程は、数秒間のパージ工程で実施可能な範囲の回数で行うこととする。
In the present embodiment, the temporary pressurizing step is inserted once, but may be inserted a plurality of times. The greater the number of insertions, the higher the purge efficiency. In this case, in the second and subsequent pressurization steps, the Ar gas flow rate is temporarily increased by the
また、本実施形態は、枚葉式のALD装置を用いた例について説明したが、複数枚のウエハを一度に処理するバッチ式装置であっても本発明は適用可能である。この場合には、枚葉式のALD装置と比べて複数枚のウエハを一度に処理する分、パージ時間を長くとれるため、複数回の加圧工程を挿入することが好ましい。 In the present embodiment, an example using a single-wafer type ALD apparatus has been described. However, the present invention can be applied to a batch type apparatus that processes a plurality of wafers at a time. In this case, it is preferable to insert a plurality of pressurizing steps because the purge time can be increased by processing a plurality of wafers at a time as compared with a single wafer type ALD apparatus.
(第2実施形態)
本実施形態では、パージ工程中に一時的な減圧工程を挿入する例について、図3のフローチャートに基づくとともに、図6に示す処理チャンバー11内の圧力変動のグラフを用いて説明する。なお、パージ工程(S104)以外は、第1実施形態と同様の方法で行うこととする。また、成膜に用いるALD装置の構成は図1に示すものとする。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, an example in which a temporary depressurization step is inserted during the purge step will be described based on the flowchart of FIG. 3 and using a graph of pressure fluctuation in the processing chamber 11 shown in FIG. Note that, except for the purge step (S104), the same method as in the first embodiment is performed. The configuration of the ALD apparatus used for film formation is shown in FIG.
この場合には、図6に示すように、パージ工程(S104)において、Arガスを5秒間供給するが、この5秒間のパージ工程(S104)中に、真空ポンプ14を作動させた状態で、排気管13のバルブ13aの開度を連続的に変化させて、処理チャンバー11内の圧力を、前工程である酸化性ガスの供給工程(S103)の処理チャンバー11内の圧力532Paから、次の原料ガスの供給工程(S101)における圧力266Paまで減圧する。
In this case, as shown in FIG. 6, Ar gas is supplied for 5 seconds in the purge step (S104), and the
そして、さらに、このパージ工程(S104)中に、一時的に処理チャンバー11内の圧力を変動させる工程を挿入する。本実施形態では、処理チャンバー11内の圧力を一時的に減圧することとする。この一時的な減圧工程とは、例えば1秒間の間に、200Pa以上減圧した後、元の圧力に近い圧力まで戻す工程を指す。具体的には、不活性ガス供給管18のバルブ18cを閉めることによりArガスの供給を遮断する。これにより、処理チャンバー11内の圧力が66Paまで一時的に減圧される。次いで、バルブ18cを開けてArガスを再び供給する。この際、上述したように、処理チャンバー11内を徐々に減圧するようにバルブ13aの開度を変動させて、処理チャンバー11内の圧力を400Pa程度まで上昇させる。
Further, a step of temporarily changing the pressure in the processing chamber 11 is inserted during the purge step (S104). In the present embodiment, the pressure in the processing chamber 11 is temporarily reduced. This temporary depressurization step refers to a step of depressurizing 200 Pa or more for 1 second and then returning to a pressure close to the original pressure. Specifically, the supply of Ar gas is shut off by closing the
続いて、バルブ18cを閉めることによりArガスの供給を遮断することで、再び処理チャンバー11内を一時的に66Paまで減圧した後、バルブ18cを開けてArガスを供給する。この際、上述したように、処理チャンバー11内を徐々に減圧するようにバルブ13aの開度を変動させて、処理チャンバー11内の圧力を、次工程に行う原料ガスの供給工程(S101)の圧力266Paまで上昇させる。その後、原料ガスの供給工程(S101)からパージ工程(S104)までを繰り返して行うことで、所望の膜厚のハフニウムシリケート膜を形成する。この後の工程は第1実施形態と同様に行うこととする。
Subsequently, the supply of Ar gas is shut off by closing the
このような薄膜の形成方法によれば、パージ工程(S104)中に一時的な減圧工程を2回挿入することで、処理チャンバー11内のガスの排気が促進されるため、未反応の原料ガスや酸化性ガスが除去され易くなり、パージ効率が高められる。これにより、第1実施形態と同様の効果を奏することができる。 According to such a method for forming a thin film, the temporary depressurization step is inserted twice during the purge step (S104), so that the exhaust of the gas in the processing chamber 11 is promoted. And the oxidizing gas are easily removed, and the purge efficiency is increased. Thereby, there can exist an effect similar to 1st Embodiment.
なお、ここでは、酸化性ガス供給工程(S103)後のパージ工程(S104)中にのみ一時的な減圧工程を挿入することとしたが、原料ガスの供給工程(S101)後のパージ工程(S102)中に同様の減圧工程を挿入してもよい。ただし、このパージ工程(S102)において、一時的な減圧工程を行う場合には、第1実施形態でも説明したように、パージ効率は高められるが、Hf原子またはSi原子の成膜レートが低減するため、酸化性ガスの供給工程(S103)後のパージ工程(S104)中にのみ減圧工程を挿入することが好ましい。 Here, the temporary pressure reduction step is inserted only in the purge step (S104) after the oxidizing gas supply step (S103), but the purge step (S102) after the source gas supply step (S101). ) A similar decompression step may be inserted. However, in the purge step (S102), when a temporary pressure reduction step is performed, the purge efficiency is increased as described in the first embodiment, but the deposition rate of Hf atoms or Si atoms is reduced. Therefore, it is preferable to insert the decompression step only during the purge step (S104) after the oxidizing gas supply step (S103).
なお、本実施形態では、一時的な減圧工程を2回挿入することとしたが、1回でもよく、3回以上であってもよい。挿入回数が多いほど、パージ効率をより高めることができる。ただし、この減圧工程は、数秒間のパージ工程で実施可能な範囲の回数で行うこととする。 In the present embodiment, the temporary decompression step is inserted twice, but it may be performed once or three or more times. The greater the number of insertions, the higher the purge efficiency. However, this depressurization step is performed in the number of times that can be performed in a purge step of several seconds.
また、上述した第1実施形態および第2実施形態では、ALD法によりハフニウムシリケート膜を形成する例について説明したが、本発明はこれに限定されず、アルミニウムシリケート、ジルコニウムシリケート膜等の他の金属シリケート膜であってもよく、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム等の金属酸化膜であってもよい。 In the first embodiment and the second embodiment described above, the example in which the hafnium silicate film is formed by the ALD method has been described. However, the present invention is not limited to this, and other metals such as an aluminum silicate film and a zirconium silicate film are used. It may be a silicate film or a metal oxide film such as hafnium oxide, aluminum oxide, zirconium oxide or the like.
さらに、第1実施形態および第2実施形態では、原料ガスの供給工程(S101)と酸化性ガスの供給工程(S103)とで処理チャンバー11内の圧力を変えているが、圧力は例えば532Paで一定としてもよい。この場合には、一時的な圧力の変動工程を除く全ての工程が同じ圧力で行われる。 Furthermore, in the first embodiment and the second embodiment, the pressure in the processing chamber 11 is changed in the source gas supply step (S101) and the oxidizing gas supply step (S103), but the pressure is, for example, 532 Pa. It may be constant. In this case, all the processes except the temporary pressure fluctuation process are performed at the same pressure.
また、第1実施形態および第2実施形態では、トレンチキャパシタのトレンチ内にキャパシタ絶縁膜を形成する例について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、フィン型またはクラウン型の凹凸を有する下部電極を覆う状態でキャパシタ絶縁膜を形成する場合であっても、適用可能である。また、シリコン基板上にHigh−k材料からなるゲート絶縁膜を形成する場合であっても、平板上にキャパシタ絶縁膜を形成する場合であっても適用可能である。上述した中でも、本発明の薄膜形成方法によれば、カバレッジ性を向上させることができるため、トレンチ型、フィン型またはクラウン型のキャパシタの製造工程においてキャパシタ絶縁膜を形成する場合のように、凹凸を有する処理表面に薄膜を形成する場合に好適に用いることができる。 In the first embodiment and the second embodiment, the example in which the capacitor insulating film is formed in the trench of the trench capacitor has been described. However, the present invention is not limited to this, and the fin-type or crown-type unevenness is formed. The present invention is applicable even when the capacitor insulating film is formed so as to cover the lower electrode. Further, the present invention can be applied even when a gate insulating film made of a high-k material is formed on a silicon substrate or when a capacitor insulating film is formed on a flat plate. Among the above, according to the thin film forming method of the present invention, the coverage can be improved, so that the unevenness as in the case of forming the capacitor insulating film in the manufacturing process of the trench type, fin type or crown type capacitor can be performed. It can be suitably used when a thin film is formed on the treated surface having
21…基板、23…トレンチ、24…キャパシタ絶縁膜 21 ... Substrate, 23 ... Trench, 24 ... Capacitor insulating film
Claims (6)
不活性ガスを前記処理雰囲気に供給し、当該処理雰囲気の前記原料ガスをパージする第2工程と、
酸化性ガスを前記処理雰囲気に供給し、前記基板の処理表面に吸着した前記原料ガス成分と反応させて酸素原子の層を形成する第3工程と、
不活性ガスを前記処理雰囲気に供給し、当該処理雰囲気の前記酸化性ガスをパージする第4工程とを有し、
前記第1工程から前記第4工程までを繰り返して行うことで、前記処理表面に薄膜を形成する原子層蒸着法を用いた薄膜の形成方法において、
前記第2工程および前記第4工程の少なくとも一方に、処理雰囲気の圧力を一時的に変動させる工程を挿入する
ことを特徴とする薄膜の形成方法。 A first step of forming a layer containing at least one of metal atoms and silicon atoms by supplying a source gas containing at least one of metal atoms and silicon atoms to the processing atmosphere and adsorbing the source gas component on the processing surface of the substrate. When,
A second step of supplying an inert gas to the processing atmosphere and purging the source gas in the processing atmosphere;
A third step of supplying an oxidizing gas to the processing atmosphere and reacting with the source gas component adsorbed on the processing surface of the substrate to form a layer of oxygen atoms;
A fourth step of supplying an inert gas to the processing atmosphere and purging the oxidizing gas in the processing atmosphere;
In the method of forming a thin film using an atomic layer deposition method in which a thin film is formed on the treated surface by repeatedly performing the first step to the fourth step,
A method of forming a thin film, wherein a step of temporarily changing the pressure of a processing atmosphere is inserted into at least one of the second step and the fourth step.
前記処理雰囲気の圧力を一時的に変動させる工程は、処理表面への不活性ガスの供給量を一時的に増大させて、加圧することにより行う
ことを特徴とする薄膜の形成方法。 The method for forming a thin film according to claim 1,
The method of temporarily changing the pressure of the processing atmosphere is performed by temporarily increasing the amount of inert gas supplied to the processing surface and pressurizing the thin film.
前記処理雰囲気の圧力を一時的に変動させる工程は、一時的に減圧することにより行う
ことを特徴とする薄膜の形成方法。 The method for forming a thin film according to claim 1,
The method of forming a thin film, wherein the step of temporarily changing the pressure of the processing atmosphere is performed by temporarily reducing the pressure.
前記第4工程でのみ、前記処理雰囲気の圧力を一時的に変動させる
ことを特徴とする薄膜の形成方法。 The method for forming a thin film according to claim 1,
Only in the fourth step, the pressure of the processing atmosphere is temporarily changed.
前記処理表面は凹凸を有している
ことを特徴とする薄膜の形成方法。 The method for forming a thin film according to claim 1,
The method for forming a thin film, wherein the treatment surface has irregularities.
枚葉式装置を用いて、前記薄膜を形成する
ことを特徴とする薄膜の形成方法。
The method for forming a thin film according to claim 1,
A method of forming a thin film, comprising: forming the thin film using a single-wafer apparatus.
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