JP2012059834A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Tadashi Kitamura
匡史 北村
Hideji Itaya
秀治 板谷
Sadayoshi Horii
貞義 堀井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a semiconductor device capable of improving controllability of a composition ratio of a first metal element and a second metal element in a third metal oxide film during a formation of the third metal oxide film having the first metal element and the second metal element.SOLUTION: The method for manufacturing the semiconductor device comprises: a step for forming a first metal oxide film by performing at least one cycle comprising a step for supplying and exhausting a first raw material having a first metal element and a step for supplying and exhausting an oxidant; a step for forming a second metal oxide film by performing at least one cycle comprising a step for supplying and exhausting a second raw material having a second metal element and a step for supplying and exhausting an oxidant; and a step for forming a third metal oxide film by alternately performing their cycles by predetermined times. Raw materials that a film thickness formed per one cycle in the formation of the second metal oxide film is thinner than that in the formation of the first metal oxide film, is used for the first and the second raw materials.

Description

本発明は、基板上に金属酸化膜を形成する工程を有する半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device including a step of forming a metal oxide film on a substrate.

キャパシタ容量を維持しつつDRAMの微細化を進めるには、例えば、キャパシタ絶縁膜に用いられる高誘電率絶縁膜の膜厚を薄くするか、高誘電率絶縁膜の誘電率を増大させる必要がある。高誘電率絶縁膜の薄膜化は、キャパシタにおけるリーク電流の増大、デバイスにおける消費電力の増加、記憶保持能力の低下を招いてしまうことがある。そのため、より高い誘電率を有する高誘電率絶縁膜の登場が求められている。近年、高誘電率絶縁膜中に他の元素を添加することで誘電率を増大させる手法が研究されている。例えば、酸化ハフニウム(HfO)膜中に他の元素としてアルミニウム(Al)を添加することで、誘電率を増大させることができる。   In order to advance the miniaturization of the DRAM while maintaining the capacitor capacity, for example, it is necessary to reduce the film thickness of the high dielectric constant insulating film used for the capacitor insulating film or increase the dielectric constant of the high dielectric constant insulating film. . The thinning of the high dielectric constant insulating film may lead to an increase in leakage current in the capacitor, an increase in power consumption in the device, and a decrease in memory retention capability. Therefore, the appearance of a high dielectric constant insulating film having a higher dielectric constant is demanded. In recent years, methods for increasing the dielectric constant by adding other elements to the high dielectric constant insulating film have been studied. For example, the dielectric constant can be increased by adding aluminum (Al) as another element in the hafnium oxide (HfO) film.

HfO膜中にAlが添加されたHfAlO膜は、Hf(第1の金属元素)を含むHfO膜(第1の金属酸化膜)を形成する工程と、Al(第2の金属元素)を含む酸化アルミニウム(AlO)膜(第2の金属酸化膜)を形成する工程と、を交互に所定回数行うことで形成できる。HfAlO膜中のHfとAlとの組成比は、上述の各工程1回あたりに形成されるHfO膜及びAlO膜の膜厚により決定される。しかしながら、目標とする組成比によっては、組成比を自由に制御することは困難な場合があった。例えば、Hfに対するAlの組成比を数%以内に低減させるような微量組成制御を行うことは困難であった。   The HfAlO film in which Al is added to the HfO film includes a step of forming an HfO film (first metal oxide film) containing Hf (first metal element) and an oxidation containing Al (second metal element). The step of forming an aluminum (AlO) film (second metal oxide film) and the step of alternately performing a predetermined number of times can be performed. The composition ratio between Hf and Al in the HfAlO film is determined by the film thicknesses of the HfO film and the AlO film formed in each process described above. However, depending on the target composition ratio, it may be difficult to freely control the composition ratio. For example, it has been difficult to perform a trace composition control that reduces the composition ratio of Al to Hf within several percent.

そこで本発明は、第1の金属元素および第2の金属元素を含む第3の金属酸化膜を形成する際に、第3の金属酸化膜中の第1の金属元素及び第2の金属元素の組成比の制御性を向上させることが可能な半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。   Therefore, according to the present invention, when the third metal oxide film containing the first metal element and the second metal element is formed, the first metal element and the second metal element in the third metal oxide film are formed. It is an object to provide a method for manufacturing a semiconductor device capable of improving the controllability of the composition ratio.

本発明の一態様によれば、基板を収容した処理室内に、第1の金属元素を含む第1原料を供給し排気する工程と、酸化剤を供給し排気する工程と、を1サイクルとしてこのサイクルを少なくとも1回行うことで、前記基板上に前記第1の金属元素を含む第1の金属酸化膜を形成する工程と、前記処理室内に、第2の金属元素を含む第2原料を供給し排気する工程と、酸化剤を供給し排気する工程と、を1サイクルとしてこのサイクルを少なくとも1回行うことで、前記基板上に前記第2の金属元素を含む第2の金属酸化膜を形成する工程と、を交互に所定回数行うことで、前記基板上に前記第1の金属元素および前記第2の金属元素を含む第3の金属酸化膜を形成する工程を有し、前記第1原料および前記第2原料として、前記各金属酸化膜を同じ成膜モードで形成した場合に、前記第2の金属酸化膜を形成する工程における1サイクルあたりに形成する膜厚が、前記第1の金属酸化膜を形成する工程における1サイクルあたりに形成する膜厚よりも小さくなるような原料を用いる半導体装置の製造方法が提供される。   According to one embodiment of the present invention, the process of supplying and exhausting the first raw material containing the first metal element and the process of supplying and exhausting the oxidizing agent into the processing chamber containing the substrate are performed as one cycle. By performing the cycle at least once, a step of forming a first metal oxide film containing the first metal element on the substrate and supplying a second raw material containing the second metal element into the processing chamber The second metal oxide film containing the second metal element is formed on the substrate by performing this cycle at least once with the step of exhausting and the step of supplying and exhausting the oxidizing agent as one cycle. And a step of forming a third metal oxide film containing the first metal element and the second metal element on the substrate by alternately performing a predetermined number of times, the first material And each said metal oxide film as said 2nd raw material When formed in the same film formation mode, the film thickness formed per cycle in the step of forming the second metal oxide film is formed per cycle in the step of forming the first metal oxide film. A method of manufacturing a semiconductor device using a raw material that is smaller than the film thickness is provided.

本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、第1の金属元素および第2の金属元素を含む第3の金属酸化膜を形成する際に、第3の金属酸化膜中の第1の金属元素及び第2の金属元素の組成比の制御性を向上させることが可能となる。   According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, when forming the third metal oxide film containing the first metal element and the second metal element, the first metal in the third metal oxide film is formed. The controllability of the composition ratio of the element and the second metal element can be improved.

本発明の一実施形態にかかる基板処理装置の有するガス供給系の構成図である。It is a block diagram of the gas supply system which the substrate processing apparatus concerning one Embodiment of this invention has. 本発明の一実施形態にかかる基板処理工程のフロー図である。It is a flowchart of the substrate processing process concerning one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態にかかる基板処理装置のウェハ処理時における断面構成図である。It is a section lineblock diagram at the time of wafer processing of a substrate processing device concerning one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態にかかる基板処理装置のウェハ搬送時における断面構成図である。It is a section lineblock diagram at the time of wafer conveyance of a substrate processing device concerning one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態にかかるALD飽和モードでの第1原料供給、酸化剤供給およびALD飽和モードでの第2原料供給、酸化剤供給を交互に所定回数行う際のそれぞれの供給のタイミングを例示するタイミングチャートとしてのシーケンス図である。Examples of the timings of supplying each of a first raw material supply in an ALD saturation mode, an oxidant supply, a second raw material supply in an ALD saturation mode, and an oxidant supply alternately according to an embodiment of the present invention are performed a predetermined number of times. It is a sequence diagram as a timing chart. ALD飽和モードにおけるウェハ表面への原料ガス分子の吸着状態を示す概略図である。It is the schematic which shows the adsorption state of the raw material gas molecule to the wafer surface in ALD saturation mode. 膜厚が1.11ÅのHfO膜と膜厚が0.09ÅのAlO膜とをHfO、AlOの順に積層させて形成したHfAlO膜の断面概略図である。It is the cross-sectional schematic of the HfAlO film | membrane formed by laminating | stacking the HfO film | membrane with a film thickness of 1.11 ?, and the AlO film | membrane with a film thickness of 0.09? In order of HfO and AlO. 膜厚が1.11ÅのHfO膜と膜厚が0.09ÅのAlO膜とをHfO、HfO、AlOの順に積層させて形成したHfAlO膜の断面概略図である。It is the cross-sectional schematic of the HfAlO film | membrane formed by laminating | stacking the HfO film | membrane with a film thickness of 1.11 ?, and the AlO film | membrane with a film thickness of 0.09? In order of HfO, HfO, and AlO. 1サイクルあたりのHf原料供給時間と、1サイクルあたりに形成されるHfO膜の膜厚との関係(CVDモード)を示すグラフ図である。It is a graph which shows the relationship (CVD mode) of the Hf raw material supply time per cycle and the film thickness of the HfO film | membrane formed per cycle. 1サイクルあたりのHf原料供給時間と、1サイクルあたりに形成されるHfO膜の膜厚との関係(ALD飽和モード)を示すグラフ図である。It is a graph which shows the relationship (ALD saturation mode) of the Hf raw material supply time per cycle and the film thickness of the HfO film | membrane formed per cycle. サイクル数とその際形成されるAlO膜の膜厚との関係を示すグラフ図である。It is a graph which shows the relationship between the number of cycles and the film thickness of the AlO film | membrane formed in that case. 本発明の他の実施形態にかかる縦型装置の縦型処理炉の概略構成図であり、(a)は、処理炉部分を縦断面で示し、(b)は、処理炉部分を(a)のA−A線断面図で示す。It is a schematic block diagram of the vertical processing furnace of the vertical apparatus concerning other embodiment of this invention, (a) shows a processing furnace part with a longitudinal cross-section, (b) shows a processing furnace part (a). It is shown by the AA line sectional view.

まず、本発明の実施形態の説明に先立ち、発明者等が得た知見について説明する。   First, prior to the description of the embodiment of the present invention, knowledge obtained by the inventors will be described.

(微量組成制御に関する知見)
第3の金属酸化膜中の第1の金属元素及び第2の金属元素の組成比は、上述の各工程1回あたりに形成される第1の金属酸化膜の膜厚、及び第2の金属酸化膜の膜厚により決定される。
(Knowledge about trace composition control)
The composition ratio of the first metal element and the second metal element in the third metal oxide film is the film thickness of the first metal oxide film formed for each of the above steps, and the second metal It is determined by the thickness of the oxide film.

第1の金属酸化膜および第2の金属酸化膜の形成には、CVD(Chemical Vapor Deposition)法の他、膜厚を正確に制御するのに有効なALD(Atomic Layer Deposition)法が用いられている。ALD法を用いる場合、第1の金属酸化膜を形成する工程では、基板を収容した処理室内に第1の金属元素を含む第1原料と酸化剤とを交互に供給する工程(サイクル)を1回以上行う。また、第2の金属酸化膜を形成する工程では、基板を収容した処理室内に第2の金属元素を含む第2原料と酸化剤とを交互に供給する工程(サイクル)を1回以上行う。そして、第1の金属酸化膜を形成する工程におけるサイクルの実施回数と、第2の金属酸化膜を形成する工程におけるサイクルの実施回数と、をそれぞれ調整することにより、第1の金属酸化膜および第2の金属酸化膜の膜厚をそれぞれ所定の膜厚として、第3の金属酸化膜の組成を制御する。   For the formation of the first metal oxide film and the second metal oxide film, in addition to the CVD (Chemical Vapor Deposition) method, an ALD (Atomic Layer Deposition) method effective for accurately controlling the film thickness is used. Yes. In the case of using the ALD method, the step of forming the first metal oxide film includes a step (cycle) of alternately supplying the first raw material containing the first metal element and the oxidizing agent into the processing chamber containing the substrate. Do more than once. Further, in the step of forming the second metal oxide film, the step (cycle) of alternately supplying the second raw material containing the second metal element and the oxidizing agent into the processing chamber containing the substrate is performed one or more times. Then, by adjusting the number of executions of the cycle in the step of forming the first metal oxide film and the number of executions of the cycle in the step of forming the second metal oxide film, respectively, The thickness of the second metal oxide film is set to a predetermined thickness, and the composition of the third metal oxide film is controlled.

例えば、基板上にHf(ハフニウム)を含むHfO膜(酸化ハフニウム膜。以下、HfO膜ともいう)を形成する工程と、Al(アルミニウム)を含むAl膜(酸化アルミニウム膜。以下、AlO膜ともいう)を形成する工程と、を交互に所定回数行うこと
で、基板上にHfAlO(ハフニウムアルミネート)膜が形成される。なお、Hfが第1の金属元素に、Alが第2の金属元素に、HfO膜が第1の金属酸化膜に、AlO膜が第2の金属酸化膜に、HfAlO膜が第3の金属酸化膜に対応している。ALD法を用いる場合、HfO膜を形成する工程では、基板を収容した処理室内へのHf原料導入→Hf原料パージ→酸化剤導入→酸化剤パージを1サイクルとし、このサイクルを1回以上行う。また、AlO膜を形成する工程では、基板を収容した処理室内へのAl原料導入→Al原料パージ→酸化剤導入→酸化剤パージを1サイクルとし、このサイクルを1回以上行う。
For example, a step of forming an HfO 2 film (hafnium oxide film; hereinafter also referred to as an HfO film) containing Hf (hafnium) on the substrate, and an Al 2 O 3 film (aluminum oxide film; containing aluminum (Al)). The step of forming an AlO film) is alternately performed a predetermined number of times to form an HfAlO (hafnium aluminate) film on the substrate. Note that Hf is the first metal element, Al is the second metal element, HfO film is the first metal oxide film, AlO film is the second metal oxide film, and HfAlO film is the third metal oxide. Corresponds to the membrane. When the ALD method is used, in the step of forming the HfO film, one cycle is Hf source introduction into the processing chamber containing the substrate → Hf source purge → oxidant introduction → oxidant purge, and this cycle is performed once or more. Further, in the step of forming the AlO film, the Al source introduction into the processing chamber containing the substrate → Al source purge → oxidant introduction → oxidant purge is set as one cycle, and this cycle is performed once or more.

仮に、1サイクルあたりに形成されるHfO膜の膜厚、及び1サイクルあたりに形成されるAlO膜の膜厚が共に1Åである場合、HfAlO膜中におけるHfOとAlOとの組成比を1:1とするには、HfO膜を形成する工程におけるサイクルの実施回数、及びAlO膜を形成する工程におけるサイクルの実施回数を同じ回数とすればよい。例えば、HfO膜を形成する工程におけるサイクルの実施回数、及びAlO膜を形成する工程におけるサイクルの実施回数を共に1回とすればよい。そして、HfO膜を形成する工程とAlO膜を形成する工程とを交互にそれぞれ50回ずつ実施して、すなわち、HfO膜を形成する工程とAlO膜を形成する工程とを1セットとしてこのセットを50回実施して、HfO膜とAlO膜とをそれぞれ1Å程度の厚さで交互に積層させることで、HfOとAlOとの組成比が1:1であり、膜厚が100ÅであるようなHfAlO膜を形成することができる。   If the thickness of the HfO film formed per cycle and the thickness of the AlO film formed per cycle are both 1 mm, the composition ratio of HfO and AlO in the HfAlO film is 1: 1. In order to achieve this, the number of cycles executed in the step of forming the HfO film and the number of cycles executed in the step of forming the AlO film may be the same. For example, the number of cycles executed in the step of forming the HfO film and the number of cycles executed in the step of forming the AlO film may both be set to one. Then, the process of forming the HfO film and the process of forming the AlO film are alternately performed 50 times each, that is, the process of forming the HfO film and the process of forming the AlO film are set as one set. 50 times, the HfOO film and the AlO film are alternately stacked with a thickness of about 1 mm each, so that the composition ratio of HfO and AlO is 1: 1 and the film thickness is 100 mm. A film can be formed.

このように、HfO膜とAlO膜とをそれぞれ1Å程度の厚さで交互に積層させる場合には、HfO膜とAlO膜との間でHf及びAlが成膜途中に相互に拡散する。その結果、HfAlO膜の組成比が膜厚方向において均一となる。   As described above, when the HfO film and the AlO film are alternately stacked with a thickness of about 1 mm, Hf and Al diffuse between the HfO film and the AlO film during the film formation. As a result, the composition ratio of the HfAlO film becomes uniform in the film thickness direction.

しかしながら、目標とする第3の金属酸化膜の組成比によっては、第3の金属酸化膜の組成比の制御が困難となる場合があることを発明者等は突き止めた。例えば、1サイクルあたりに形成されるHfO膜の膜厚、及び1サイクルあたりに形成されるAlO膜の膜厚が共に1Åであり、HfOとAlOとの組成比が4:1であるようなHfAlO膜を形成する場合、HfO膜を形成する工程におけるサイクルの実施回数を4回とし、AlO膜を形成する工程におけるサイクルの実施回数を1回とし、膜厚が4ÅのHfO膜と、膜厚が1ÅのAlO膜とを交互に積層させることとなる。しかしながら、HfOとAlOとの組成比が19:1であるようなHfAlO膜を形成する場合には、HfO膜を形成する工程におけるサイクル数が増加し、目標となる組成比を維持することが困難となる。つまり、AlO膜の低濃度を目指すことは、HfO膜を形成する工程のサイクル数の増加、すなわちHfO膜の膜厚の増加につながり、HfO膜とAlO膜との間におけるHfO及びAlOの相互拡散が不十分となってしまい、HfAlO膜中におけるHfOとAlOとの組成比が膜厚方向において不均一となってしまう場合がある。かかる課題は、金属酸化膜を構成する複数の元素のうち1つの元素の組成比(比率)を数%以内、例えば1〜10%となるように制御する場合、すなわち微量組成制御を行う場合において、特に顕在化する。   However, the inventors have found that depending on the target composition ratio of the third metal oxide film, it may be difficult to control the composition ratio of the third metal oxide film. For example, HfAlO in which the thickness of the HfO film formed per cycle and the thickness of the AlO film formed per cycle are both 1 mm and the composition ratio of HfO and AlO is 4: 1. In the case of forming a film, the number of executions of the cycle in the step of forming the HfO film is four times, the number of executions of the cycle in the step of forming the AlO film is one, the HfO film having a thickness of 4 mm, and the film thickness is One AlO film is alternately laminated. However, when forming an HfAlO film in which the composition ratio of HfO and AlO is 19: 1, the number of cycles in the process of forming the HfO film increases, and it is difficult to maintain the target composition ratio. It becomes. That is, aiming at a low concentration of the AlO film leads to an increase in the number of cycles of the process of forming the HfO film, that is, an increase in the film thickness of the HfO film, and mutual diffusion of HfO and AlO between the HfO film and the AlO film. May become insufficient, and the composition ratio of HfO and AlO in the HfAlO film may become uneven in the film thickness direction. Such a problem arises when the composition ratio (ratio) of one element among a plurality of elements constituting the metal oxide film is controlled to be within a few percent, for example, 1 to 10%, that is, when a small amount of composition is controlled. , Especially manifest.

発明者等は、上述の課題を解決する方法について鋭意研究を行った。その結果、CVD法やALD法により基板に対し2種類以上の金属酸化膜を形成する各成膜工程を、交互に所定回数行い、2種類以上の金属元素を含む所定組成の金属酸化膜を形成する場合、1サイクルあたりに形成される各金属酸化膜の膜厚が近いと、すなわち、各金属酸化膜の成膜レートが近いと、金属酸化膜全体における複数の金属元素のうち1つの金属元素の組成比を数%以内とするような微量組成制御を行うことは困難であると分かった。   The inventors have conducted intensive research on methods for solving the above-described problems. As a result, each film forming step for forming two or more types of metal oxide films on the substrate by the CVD method or the ALD method is alternately performed a predetermined number of times to form a metal oxide film having a predetermined composition containing two or more types of metal elements. When the thickness of each metal oxide film formed per cycle is close, that is, when the deposition rate of each metal oxide film is close, one metal element among a plurality of metal elements in the entire metal oxide film It was found difficult to control the composition of a trace amount so that the composition ratio is within a few percent.

これに対し発明者等は、鋭意研究の結果、成膜レートの大きく異なる2種類以上の原料を用い、1サイクルあたりに形成される2種類以上の金属酸化膜の膜厚を大きく異ならせることで、第3の金属酸化膜中の金属元素の組成比率の制御性を向上させることができる
と考えた。すなわち、成膜レートの大きく異なる2種類以上の原料を用いることで、組成比の最も大きい金属元素を含む金属酸化膜の1サイクルあたりに形成される膜厚と比べ、それよりも組成比の小さい金属元素を含む金属酸化膜の1サイクルあたりに形成される膜厚を、およそ1/5〜1/10とする。これにより、上述のような微量組成制御を実現することが可能であるとの知見を得た。
On the other hand, as a result of earnest research, the inventors have used two or more kinds of raw materials having greatly different film formation rates and greatly changed the thicknesses of two or more kinds of metal oxide films formed per cycle. It was considered that the controllability of the composition ratio of the metal element in the third metal oxide film can be improved. That is, by using two or more kinds of raw materials having greatly different film formation rates, the composition ratio is smaller than the film thickness formed per cycle of the metal oxide film containing the metal element having the largest composition ratio. The film thickness formed per cycle of the metal oxide film containing the metal element is about 1/5 to 1/10. Thereby, the knowledge that it was possible to implement | achieve the above trace composition control was acquired.

例えば、HfOとAlOとの組成比がおよそ10:1であるようなHfAlO膜を形成する場合、成膜レートの大きく異なる2種類以上の原料を用いることで、図7に示すように、1サイクルあたりに形成されるHfO膜(組成比の最も大きい金属元素を含む金属酸化膜)の膜厚が1.11Åとなり、1サイクルあたりに形成されるAlO膜(Hfよりも組成比の小さい金属元素を含む金属酸化膜)の膜厚が0.09Åとなるようにする。そして、HfO膜を形成する工程でのサイクルの実施回数、及びAlO膜を形成する工程でのサイクルの実施回数を共に1回とし、これらの工程を交互に所定回数行う。その結果、所定組成(HfO:AlO=10:1)の金属酸化膜が得られると共に、HfOとAlOとが成膜途中に相互拡散し、HfAlO膜の組成が基板面内方向、膜厚方向共に均一になる。なお、図7は、便宜上、HfOとAlOとが相互拡散する前の状態を示している。   For example, when an HfAlO film having a composition ratio of HfO and AlO of approximately 10: 1 is formed, by using two or more kinds of raw materials having greatly different film formation rates, as shown in FIG. The film thickness of the HfO film (metal oxide film containing the metal element with the largest composition ratio) formed around 1.11 mm is the AlO film (metal element with a composition ratio smaller than Hf) formed per cycle. The thickness of the metal oxide film is 0.09 mm. The number of cycles executed in the step of forming the HfO film and the number of cycles executed in the step of forming the AlO film are both set to one, and these steps are alternately performed a predetermined number of times. As a result, a metal oxide film having a predetermined composition (HfO: AlO = 10: 1) is obtained, and HfO and AlO are diffused in the middle of the film formation, so that the composition of the HfAlO film is in both the in-plane direction and the film thickness direction. It becomes uniform. FIG. 7 shows a state before HfO and AlO are interdiffused for convenience.

また、HfOとAlOとの組成比がおよそ20:1であるようなHfAlO膜を形成する場合、成膜レートの大きく異なる2種類以上の原料を用いることで、図8に示すように、1サイクルあたりに形成されるHfO膜(組成比の最も大きい金属元素を含む金属酸化膜)の膜厚が1.11Åとなり、1サイクルあたりに形成されるAlO膜(Hfよりも組成比の小さい金属元素を含む金属酸化膜)の膜厚が0.09Åとなるようにする。そして、HfO膜を形成する工程でのサイクルの実施回数を2回とし、AlO膜を形成する工程でのサイクルの実施回数を1回とし、これらの工程を交互に所定回数行う。その結果、所定組成(HfO:AlO=20:1)の金属酸化膜が得られると共に、HfOとAlOとが成膜途中に相互拡散し、HfAlO膜の組成が基板面内方向、膜厚方向共に均一になる。なお、図8は、便宜上、HfOとAlOとが相互拡散する前の状態を示している。   Further, when forming an HfAlO film having a composition ratio of HfO and AlO of approximately 20: 1, as shown in FIG. The film thickness of the HfO film (metal oxide film containing the metal element with the largest composition ratio) formed around 1.11 mm is the AlO film (metal element with a composition ratio smaller than Hf) formed per cycle. The thickness of the metal oxide film is 0.09 mm. Then, the number of executions of the cycle in the process of forming the HfO film is set to two, and the number of executions of the cycle in the process of forming the AlO film is set to one, and these processes are alternately performed a predetermined number of times. As a result, a metal oxide film having a predetermined composition (HfO: AlO = 20: 1) is obtained, and HfO and AlO are diffused during the film formation, so that the composition of the HfAlO film is in both the in-plane direction and the film thickness direction. It becomes uniform. FIG. 8 shows a state before HfO and AlO are interdiffused for convenience.

なお、発明者等は、上述のHfO膜の形成は、CVDモード或いはALD飽和モードのいずれを用いてもよく、AlO膜の形成は、ALD飽和モードを用いることが好ましいとの知見を得た。CVDモードとは、処理温度(基板温度)を原料ガスが自己分解する程度の温度として原料ガスを供給して成膜するモードをいう。また、ALD飽和モードとは、処理温度(基板温度)を原料ガスが自己分解しない程度の温度としつつ、基板上への原料ガス分子の吸着量が飽和状態(基板上への原料ガス分子の吸着が飽和し、セルフリミットが効いた状態)となるまで原料ガスを供給して成膜するモードをいう(図6参照)。CVDモードでは、比較的大きな成膜速度が得られるため、薄膜形成の所要時間を短縮させ、基板処理の生産性を向上させることが可能となる。また、ALD飽和モードでは、基板上への原料ガス分子の吸着が飽和するという現象を利用することで、極めて薄い薄膜を形成することができる。また、ALD飽和モードでは、基板上への原料ガス分子の吸着量が安定することから、1サイクルあたりに形成される薄膜の膜厚を安定させることができ、サイクル数を制御することで、形成される薄膜の膜厚を再現性よく調整することが可能となる。   The inventors have found that the above-described HfO film may be formed using either the CVD mode or the ALD saturation mode, and the AlO film is preferably formed using the ALD saturation mode. The CVD mode is a mode in which a film is formed by supplying a source gas with a processing temperature (substrate temperature) set to a temperature at which the source gas is self-decomposed. In addition, the ALD saturation mode is that the processing temperature (substrate temperature) is set to a temperature at which the source gas is not self-decomposed, and the amount of source gas molecules adsorbed on the substrate is saturated (adsorption of source gas molecules on the substrate). Is a mode in which a source gas is supplied until film formation occurs (see FIG. 6). In the CVD mode, a relatively high film formation rate can be obtained, so that the time required for forming a thin film can be shortened and the productivity of substrate processing can be improved. In the ALD saturation mode, an extremely thin thin film can be formed by utilizing the phenomenon that the adsorption of the source gas molecules on the substrate is saturated. In the ALD saturation mode, since the amount of raw material gas molecules adsorbed on the substrate is stable, the thickness of the thin film formed per cycle can be stabilized, and the number of cycles can be controlled by controlling the number of cycles. It becomes possible to adjust the film thickness of the thin film with good reproducibility.

本発明は、発明者らが見出した上記知見に基づくものである。   The present invention is based on the above findings found by the inventors.

<本発明の一実施形態>
以下に、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
<One Embodiment of the Present Invention>
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(1)基板処理装置の構成
まず、本実施形態にかかる基板処理装置の構成について、図3,4を参照しながら説明
する。図3は、本発明の一実施形態にかかる基板処理装置のウェハ処理時における断面構成図であり、図4は、本発明の一実施形態にかかる基板処理装置のウェハ搬送時における断面構成図である。
(1) Configuration of Substrate Processing Apparatus First, the configuration of the substrate processing apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a cross-sectional configuration diagram of the substrate processing apparatus according to one embodiment of the present invention during wafer processing, and FIG. 4 is a cross-sectional configuration diagram of the substrate processing apparatus according to one embodiment of the present invention during wafer transfer. is there.

(処理室)
図3,4に示すとおり、本実施形態にかかる基板処理装置は処理容器202を備えている。処理容器202は、例えば横断面が円形であり扁平な密閉容器として構成されている。また、処理容器202は、例えばアルミニウム(Al)やステンレス(SUS)などの金属材料により構成されている。処理容器202内には、基板としてのシリコンウェハ等のウェハ200を処理する処理室201が形成されている。
(Processing room)
As shown in FIGS. 3 and 4, the substrate processing apparatus according to this embodiment includes a processing container 202. The processing container 202 is configured as a flat sealed container having a circular cross section, for example. Moreover, the processing container 202 is comprised, for example with metal materials, such as aluminum (Al) and stainless steel (SUS). A processing chamber 201 for processing a wafer 200 such as a silicon wafer as a substrate is formed in the processing container 202.

処理室201内には、ウェハ200を支持する支持台203が設けられている。ウェハ200が直接触れる支持台203の上面には、例えば、石英(SiO)、カーボン、セラミックス、炭化ケイ素(SiC)、酸化アルミニウム(Al)、又は窒化アルミニウム(AlN)などから構成された支持板としてのサセプタ217が設けられている。また、支持台203には、ウェハ200を加熱する加熱手段(加熱源)としてのヒータ206が内蔵されている。なお、支持台203の下端部は、処理容器202の底部を貫通している。 A support table 203 that supports the wafer 200 is provided in the processing chamber 201. For example, quartz (SiO 2 ), carbon, ceramics, silicon carbide (SiC), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), or aluminum nitride (AlN) is formed on the upper surface of the support base 203 that the wafer 200 directly touches. A susceptor 217 is provided as a support plate. In addition, the support base 203 incorporates a heater 206 as a heating means (heating source) for heating the wafer 200. Note that the lower end portion of the support base 203 passes through the bottom portion of the processing container 202.

処理室201の外部には、支持台203を昇降させる昇降機構207bが設けられている。この昇降機構207bを作動させて支持台203を昇降させることにより、サセプタ217上に支持されるウェハ200を昇降させることが可能となっている。支持台203は、ウェハ200の搬送時には図4で示される位置(ウェハ搬送位置)まで下降し、ウェハ200の処理時には図3で示される位置(ウェハ処理位置)まで上昇する。なお、支持台203下端部の周囲は、ベローズ203aにより覆われており、処理室201内は気密に保持されている。   Outside the processing chamber 201, an elevating mechanism 207b for elevating the support base 203 is provided. The wafer 200 supported on the susceptor 217 can be moved up and down by operating the lifting mechanism 207 b to raise and lower the support base 203. The support table 203 is lowered to the position shown in FIG. 4 (wafer transfer position) when the wafer 200 is transferred, and is raised to the position shown in FIG. 3 (wafer processing position) when the wafer 200 is processed. The periphery of the lower end portion of the support base 203 is covered with a bellows 203a, and the inside of the processing chamber 201 is kept airtight.

また、処理室201の底面(床面)には、例えば3本のリフトピン208bが鉛直方向に立ち上がるように設けられている。また、支持台203(サセプタ217も含む)には、かかるリフトピン208bを貫通させる貫通孔208aが、リフトピン208bに対応する位置にそれぞれ設けられている。そして、支持台203をウェハ搬送位置まで下降させた時には、図4に示すように、リフトピン208bの上端部がサセプタ217の上面から突出して、リフトピン208bがウェハ200を下方から支持するようになっている。また、支持台203をウェハ処理位置まで上昇させたときには、図3に示すようにリフトピン208bはサセプタ217の上面から埋没して、サセプタ217がウェハ200を下方から支持するようになっている。なお、リフトピン208bは、ウェハ200と直接触れるため、例えば、石英やアルミナなどの材質で形成することが望ましい。   In addition, on the bottom surface (floor surface) of the processing chamber 201, for example, three lift pins 208b are provided so as to rise in the vertical direction. In addition, the support base 203 (including the susceptor 217) is provided with through holes 208a through which the lift pins 208b pass, at positions corresponding to the lift pins 208b. When the support table 203 is lowered to the wafer transfer position, as shown in FIG. 4, the upper ends of the lift pins 208b protrude from the upper surface of the susceptor 217, and the lift pins 208b support the wafer 200 from below. Yes. When the support table 203 is raised to the wafer processing position, as shown in FIG. 3, the lift pins 208b are buried from the upper surface of the susceptor 217, and the susceptor 217 supports the wafer 200 from below. In addition, since the lift pins 208b are in direct contact with the wafer 200, it is desirable to form the lift pins 208b with a material such as quartz or alumina.

(ウェハ搬送口)
処理室201(処理容器202)の内壁側面には、処理室201の内外にウェハ200を搬送するウェハ搬送口250が設けられている。ウェハ搬送口250にはゲートバルブ251が設けられており、ゲートバルブ251を開くことにより、処理室201内と搬送室(予備室)271内とが連通するようになっている。搬送室271は搬送容器(密閉容器)272内に形成されており、搬送室271内にはウェハ200を搬送する搬送ロボット273が設けられている。搬送ロボット273には、ウェハ200を搬送する際にウェハ200を支持する搬送アーム273aが備えられている。支持台203をウェハ搬送位置まで下降させた状態で、ゲートバルブ251を開くことにより、搬送ロボット273により処理室201内と搬送室271内との間でウェハ200を搬送することが可能となっている。処理室201内に搬送されたウェハ200は、上述したようにリフトピン208b上に一時的に載置される。なお、搬送室271のウェハ搬送口250が設けられた側と
反対側には、図示しないロードロック室が設けられており、搬送ロボット273によりロードロック室内と搬送室271内との間でウェハ200を搬送することが可能となっている。なお、ロードロック室は、未処理もしくは処理済のウェハ200を一時的に収容する予備室として機能する。
(Wafer transfer port)
On the inner wall side surface of the processing chamber 201 (processing container 202), a wafer transfer port 250 for transferring the wafer 200 into and out of the processing chamber 201 is provided. The wafer transfer port 250 is provided with a gate valve 251. By opening the gate valve 251, the processing chamber 201 and the transfer chamber (preliminary chamber) 271 communicate with each other. The transfer chamber 271 is formed in a transfer container (sealed container) 272, and a transfer robot 273 that transfers the wafer 200 is provided in the transfer chamber 271. The transfer robot 273 includes a transfer arm 273 a that supports the wafer 200 when the wafer 200 is transferred. By opening the gate valve 251 while the support table 203 is lowered to the wafer transfer position, the transfer robot 273 can transfer the wafer 200 between the processing chamber 201 and the transfer chamber 271. Yes. The wafer 200 transferred into the processing chamber 201 is temporarily placed on the lift pins 208b as described above. Note that a load lock chamber (not shown) is provided on the opposite side of the transfer chamber 271 from the side where the wafer transfer port 250 is provided, and the transfer robot 273 moves the wafer 200 between the load lock chamber and the transfer chamber 271. Can be transported. The load lock chamber functions as a spare chamber for temporarily storing unprocessed or processed wafers 200.

(排気系)
処理室201(処理容器202)の内壁側面であって、ウェハ搬送口250の反対側には、処理室201内の雰囲気を排気する排気口260が設けられている。排気口260には排気チャンバ260aを介して排気管261が接続されており、排気管261には、処理室201内を所定の圧力に制御するAPC(Auto Pressure Controller)等の圧力調整器262、原料回収トラップ263、及び真空ポンプ264が順に直列に接続されている。主に、排気口260、排気チャンバ260a、排気管261、圧力調整器262、原料回収トラップ263、真空ポンプ264により排気系(排気ライン)が構成される。
(Exhaust system)
An exhaust port 260 for exhausting the atmosphere in the processing chamber 201 is provided on the inner wall side surface of the processing chamber 201 (processing container 202) on the opposite side of the wafer transfer port 250. An exhaust pipe 261 is connected to the exhaust port 260 via an exhaust chamber 260a. The exhaust pipe 261 has a pressure regulator 262 such as an APC (Auto Pressure Controller) that controls the inside of the processing chamber 201 at a predetermined pressure. A raw material recovery trap 263 and a vacuum pump 264 are connected in series in this order. An exhaust system (exhaust line) is mainly configured by the exhaust port 260, the exhaust chamber 260a, the exhaust pipe 261, the pressure regulator 262, the raw material recovery trap 263, and the vacuum pump 264.

(ガス導入口)
処理室201の上部に設けられる後述のシャワーヘッド240の上面(天井壁)には、処理室201内に各種ガスを供給するガス導入口210が設けられている。なお、ガス導入口210に接続されるガス供給系の構成については後述する。
(Gas inlet)
A gas inlet 210 for supplying various gases into the processing chamber 201 is provided on the upper surface (ceiling wall) of a shower head 240 described later provided in the upper portion of the processing chamber 201. The configuration of the gas supply system connected to the gas inlet 210 will be described later.

(シャワーヘッド)
ガス導入口210と処理室201との間には、ガス分散機構としてのシャワーヘッド240が設けられている。シャワーヘッド240は、ガス導入口210から導入されるガスを分散させる分散板240aと、分散板240aを通過したガスをさらに均一に分散させて支持台203上のウェハ200の表面に供給するシャワー板240bと、を備えている。分散板240aおよびシャワー板240bには、複数の通気孔が設けられている。分散板240aは、シャワーヘッド240の上面及びシャワー板240bと対向するように配置されており、シャワー板240bは、支持台203上のウェハ200と対向するように配置されている。なお、シャワーヘッド240の上面と分散板240aとの間、および分散板240aとシャワー板240bとの間には、それぞれ空間が設けられており、かかる空間は、ガス導入口210から供給されるガスを分散させる第1バッファ空間(分散室)240c、および分散板240aを通過したガスを拡散させる第2バッファ空間240dとしてそれぞれ機能する。
(shower head)
A shower head 240 as a gas dispersion mechanism is provided between the gas inlet 210 and the processing chamber 201. The shower head 240 is a dispersion plate 240 a that disperses the gas introduced from the gas introduction port 210, and a shower plate that further uniformly disperses the gas that has passed through the dispersion plate 240 a and supplies it to the surface of the wafer 200 on the support table 203. 240b. The dispersion plate 240a and the shower plate 240b are provided with a plurality of vent holes. The dispersion plate 240 a is disposed so as to face the upper surface of the shower head 240 and the shower plate 240 b, and the shower plate 240 b is disposed so as to face the wafer 200 on the support table 203. Note that spaces are provided between the upper surface of the shower head 240 and the dispersion plate 240a, and between the dispersion plate 240a and the shower plate 240b, respectively, and the spaces are supplied from the gas inlet 210. Function as a first buffer space (dispersion chamber) 240c for dispersing the gas and a second buffer space 240d for diffusing the gas that has passed through the dispersion plate 240a.

(排気ダクト)
処理室201(処理容器202)の内壁側面には、段差部201aが設けられている。そして、この段差部201aは、コンダクタンスプレート204をウェハ処理位置近傍に保持するように構成されている。コンダクタンスプレート204は、内周部にウェハ200を収容する穴が設けられた1枚のドーナツ状(リング状)をした円板として構成されている。コンダクタンスプレート204の外周部には、所定間隔を開けて周方向に配列された複数の排出口204aが設けられている。排出口204aは、コンダクタンスプレート204の外周部がコンダクタンスプレート204の内周部を支えることができるよう、不連続に形成されている。
(Exhaust duct)
A step portion 201a is provided on the side surface of the inner wall of the processing chamber 201 (processing vessel 202). The step portion 201a is configured to hold the conductance plate 204 in the vicinity of the wafer processing position. The conductance plate 204 is configured as a single donut-shaped (ring-shaped) disk in which a hole for accommodating the wafer 200 is provided in the inner periphery. A plurality of discharge ports 204 a arranged in the circumferential direction with a predetermined interval are provided on the outer periphery of the conductance plate 204. The discharge port 204 a is formed discontinuously so that the outer periphery of the conductance plate 204 can support the inner periphery of the conductance plate 204.

一方、支持台203の外周部には、ロワープレート205が係止している。ロワープレート205は、リング状の凹部205bと、凹部205bの内側上部に一体的に設けられたフランジ部205aとを備えている。凹部205bは、支持台203の外周部と、処理室201の内壁側面との隙間を塞ぐように設けられている。凹部205bの底部のうち排気口260付近の一部には、凹部205b内から排気口260側へガスを排出(流通)させるプレート排気口205cが設けられている。フランジ部205aは、支持台203の
上部外周縁上に係止する係止部として機能する。フランジ部205aが支持台203の上部外周縁上に係止することにより、ロワープレート205が、支持台203の昇降に伴い、支持台203と共に昇降されるようになっている。
On the other hand, a lower plate 205 is locked to the outer peripheral portion of the support base 203. The lower plate 205 includes a ring-shaped concave portion 205b and a flange portion 205a provided integrally on the inner upper portion of the concave portion 205b. The recess 205 b is provided so as to close a gap between the outer peripheral portion of the support base 203 and the inner wall side surface of the processing chamber 201. A part of the bottom of the recess 205b near the exhaust port 260 is provided with a plate exhaust port 205c that exhausts (circulates) gas from the recess 205b to the exhaust port 260 side. The flange portion 205 a functions as a locking portion that locks on the upper outer periphery of the support base 203. When the flange portion 205 a is locked on the upper outer periphery of the support base 203, the lower plate 205 is moved up and down together with the support base 203 as the support base 203 is moved up and down.

支持台203がウェハ処理位置まで上昇したとき、ロワープレート205もウェハ処理位置まで上昇する。その結果、ウェハ処理位置近傍に保持されているコンダクタンスプレート204が、ロワープレート205の凹部205bの上面部分を塞ぎ、凹部205bの内部をガス流路領域とする排気ダクト259が形成されることとなる。なお、このとき、排気ダクト259(コンダクタンスプレート204及びロワープレート205)及び支持台203によって、処理室201内が、排気ダクト259よりも上方の処理室上部と、排気ダクト259よりも下方の処理室下部と、に仕切られることとなる。なお、コンダクタンスプレート204およびロワープレート205は、排気ダクト259の内壁に堆積する反応生成物をエッチングする場合(セルフクリーニングする場合)を考慮して、高温保持が可能な材料、例えば、耐高温高負荷用石英で構成することが好ましい。   When the support table 203 is raised to the wafer processing position, the lower plate 205 is also raised to the wafer processing position. As a result, the conductance plate 204 held in the vicinity of the wafer processing position closes the upper surface portion of the recess 205b of the lower plate 205, and the exhaust duct 259 having the gas passage region inside the recess 205b is formed. . At this time, due to the exhaust duct 259 (the conductance plate 204 and the lower plate 205) and the support base 203, the inside of the processing chamber 201 is above the processing chamber above the exhaust duct 259 and the processing chamber below the exhaust duct 259. It will be partitioned into a lower part. The conductance plate 204 and the lower plate 205 are made of materials that can be kept at a high temperature, for example, high temperature and high load resistance, in consideration of etching reaction products deposited on the inner wall of the exhaust duct 259 (self cleaning). Preferably, it is made of quartz for use.

ここで、ウェハ処理時における処理室201内のガスの流れについて説明する。まず、ガス導入口210からシャワーヘッド240の上部へと供給されたガスは、第1バッファ空間(分散室)240cを経て分散板240aの多数の孔から第2バッファ空間240dへと入り、さらにシャワー板240bの多数の孔を通過して処理室201内に供給され、ウェハ200上に均一に供給される。そして、ウェハ200上に供給されたガスは、ウェハ200の径方向外側に向かって放射状に流れる。そして、ウェハ200に接触した後の余剰なガスは、ウェハ200外周部に位置する排気ダクト259上、すなわち、コンダクタンスプレート204上を、ウェハ200の径方向外側に向かって放射状に流れ、コンダクタンスプレート204に設けられた排出口204aから、排気ダクト259内のガス流路領域内(凹部205b内)へと排出される。その後、ガスは排気ダクト259内を流れ、プレート排気口205cを経由して排気口260へと排気される。このようにガスを流すことで、処理室下部、すなわち、支持台203の裏面や処理室201の底面側へのガスの回り込みが抑制される。   Here, the flow of gas in the processing chamber 201 during wafer processing will be described. First, the gas supplied from the gas inlet 210 to the upper part of the shower head 240 enters the second buffer space 240d through the first buffer space (dispersion chamber) 240c through a large number of holes in the dispersion plate 240a, and further the shower. It passes through a large number of holes in the plate 240 b and is supplied into the processing chamber 201, and is uniformly supplied onto the wafer 200. The gas supplied onto the wafer 200 flows radially outward of the wafer 200 in the radial direction. Then, surplus gas after contacting the wafer 200 flows radially on the exhaust duct 259 located on the outer peripheral portion of the wafer 200, that is, on the conductance plate 204 toward the radially outer side of the wafer 200. Is discharged into the gas flow path region (in the recess 205b) in the exhaust duct 259. Thereafter, the gas flows through the exhaust duct 259 and is exhausted to the exhaust port 260 via the plate exhaust port 205c. By flowing the gas in this way, gas wraparound to the lower part of the processing chamber, that is, the back surface of the support base 203 or the bottom surface side of the processing chamber 201 is suppressed.

続いて、上述したガス導入口210に接続されるガス供給系の構成について、図1を参照しながら説明する。図1は、本発明の実施形態にかかる基板処理装置の有するガス供給系(ガス供給ライン)の構成図である。   Next, the configuration of the gas supply system connected to the gas inlet 210 described above will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a configuration diagram of a gas supply system (gas supply line) included in a substrate processing apparatus according to an embodiment of the present invention.

(液体原料供給系)
処理室201の外部には、第1の金属元素としてのHf(ハフニウム)を含む第1原料(以下、第1液体原料ともいう)としての有機金属液体原料(以下、Hf原料ともいう)を供給する第1液体原料供給源220hと、第2の金属元素としてのAl(アルミニウム)を含む第2原料(以下、第2液体原料ともいう)としての有機金属液体原料(以下、Al原料ともいう)を供給する第2液体原料供給源220aと、が設けられている。第1液体原料供給源220h、第2液体原料供給源220aは、内部に液体原料を収容(充填)可能なタンク(密閉容器)としてそれぞれ構成されている。
(Liquid raw material supply system)
An organometallic liquid source (hereinafter also referred to as a Hf source) as a first source (hereinafter also referred to as a first liquid source) containing Hf (hafnium) as a first metal element is supplied to the outside of the processing chamber 201. The first liquid source supply source 220h, and the organometallic liquid source (hereinafter also referred to as Al source) as the second source (hereinafter also referred to as second liquid source) containing Al (aluminum) as the second metal element. And a second liquid raw material supply source 220a. The first liquid raw material supply source 220h and the second liquid raw material supply source 220a are respectively configured as tanks (sealed containers) capable of containing (filling) the liquid raw material.

第1液体原料供給源220h、第2液体原料供給源220aには、圧送ガス供給管237h,237aがそれぞれ接続されている。圧送ガス供給管237h,237aの上流側端部には、図示しない圧送ガス供給源が接続されている。また、圧送ガス供給管237h,237aの下流側端部は、それぞれ第1液体原料供給源220h、第2液体原料供給源220a内の上部に存在する空間に連通しており、この空間内に圧送ガスを供給するようになっている。なお、圧送ガスとしては、液体原料とは反応しないガスを用いることが好ましく、例えばNガス等の不活性ガスが用いられる。 Pressure gas supply pipes 237h and 237a are connected to the first liquid source supply source 220h and the second liquid source supply source 220a, respectively. A pressure gas supply source (not shown) is connected to upstream ends of the pressure gas supply pipes 237h and 237a. Further, the downstream ends of the pressurized gas supply pipes 237h and 237a communicate with spaces existing in the upper portions of the first liquid raw material supply source 220h and the second liquid raw material supply source 220a, respectively. Gas is supplied. As the pressurized gas, it is preferable to use a gas that does not react with the liquid material, for example an inert gas such as N 2 gas is used.

また、第1液体原料供給源220h、第2液体原料供給源220aには、第1液体原料供給管211h、第2液体原料供給管211aがそれぞれ接続されている。ここで、第1液体原料供給管211h、第2液体原料供給管211aの上流側端部は、それぞれ第1液体原料供給源220h、第2液体原料供給源220a内に収容した液体原料内に浸されている。また、第1液体原料供給管211h、第2液体原料供給管211aの下流側端部は、液体原料を気化させる気化部としての気化器229h,229aにそれぞれ接続されている。なお、第1液体原料供給管211h、第2液体原料供給管211aには、液体原料の液体供給流量を制御する流量制御器としての液体流量コントローラ(LMFC)221h,221aと、液体原料の供給を制御する開閉弁としてのバルブvh1,va1と、がそれぞれ設けられている。なお、バルブvh1,va1は、それぞれ気化器229h,229aの内部に設けられている。   In addition, a first liquid source supply pipe 211h and a second liquid source supply pipe 211a are connected to the first liquid source supply source 220h and the second liquid source supply source 220a, respectively. Here, the upstream end portions of the first liquid source supply pipe 211h and the second liquid source supply pipe 211a are immersed in the liquid source accommodated in the first liquid source supply source 220h and the second liquid source supply source 220a, respectively. Has been. In addition, downstream end portions of the first liquid source supply pipe 211h and the second liquid source supply pipe 211a are connected to vaporizers 229h and 229a as vaporizers for vaporizing the liquid source, respectively. The first liquid source supply pipe 211h and the second liquid source supply pipe 211a are supplied with liquid flow rate controllers (LMFC) 221h and 221a as flow rate controllers for controlling the liquid supply flow rate of the liquid source and supply of the liquid source. Valves vh1 and va1 as opening / closing valves to be controlled are respectively provided. The valves vh1 and va1 are provided inside the vaporizers 229h and 229a, respectively.

上記構成により、バルブvh1,va1を開くとともに、圧送ガス供給管237h,237aから圧送ガスを供給することにより、第1液体原料供給源220h、第2液体原料供給源220aから気化器229h,229aへ液体原料を圧送(供給)することが可能となる。主に、第1液体原料供給源220h、圧送ガス供給管237h、第1液体原料供給管211h、液体流量コントローラ221h、バルブvh1により第1液体原料供給系(第1液体原料供給ライン)が構成され、主に、第2液体原料供給源220a、圧送ガス供給管237a、第2液体原料供給管211a、液体流量コントローラ221a、バルブva1により第2液体原料供給系(第2液体原料供給ライン)が構成される。   With the above configuration, the valves vh1 and va1 are opened and the pressurized gas is supplied from the pressurized gas supply pipes 237h and 237a, whereby the first liquid source supply source 220h and the second liquid source supply source 220a are supplied to the vaporizers 229h and 229a. The liquid raw material can be pumped (supplied). A first liquid source supply system (first liquid source supply line) is mainly configured by the first liquid source supply source 220h, the pressure gas supply pipe 237h, the first liquid source supply pipe 211h, the liquid flow rate controller 221h, and the valve vh1. The second liquid source supply system (second liquid source supply line) is mainly configured by the second liquid source supply source 220a, the pressurized gas supply pipe 237a, the second liquid source supply pipe 211a, the liquid flow rate controller 221a, and the valve va1. Is done.

(気化部)
液体原料を気化する気化部としての気化器229h,229aは、液体原料をヒータ23h,23aで加熱して気化させて原料ガスを発生させる気化室20h,20aと、この気化室20h,20a内へ液体原料を吐出するまでの流路である液体原料流路21h,21aと、液体原料の気化室20h,20a内への供給を制御する上述のバルブvh1,va1と、気化室20h,20aにて発生させた原料ガスを後述する第1原料ガス供給管213h、第2原料ガス供給管213aへ供給するアウトレットとしての原料ガス供給口22h,22aと、をそれぞれ有している。上述の第1液体原料供給管211h、第2液体原料供給管211aの下流側端部は、それぞれバルブvh1,va1を介して液体原料流路21h,21aの上流側端部に接続されている。液体原料流路21h,21aには、それぞれキャリアガス供給管24h,24aの下流側端部が接続されており、液体原料流路21h,21aを介して気化室20h,20a内にキャリアガスを供給するように構成されている。キャリアガス供給管24h,24aの上流側端部には、キャリアガスとしてのNガスを供給するNガス供給源230cが接続されている。キャリアガス供給管24h,24aには、Nガスの供給流量を制御する流量制御器としての流量コントローラ(MFC)225h,225aと、Nガスの供給を制御するバルブvh2,va2とが、それぞれ設けられている。主に、Nガス供給源230c、キャリアガス供給管24h,24a、流量コントローラ225h,225a、バルブvh2,va2によりキャリアガス供給系(キャリアガス供給ライン)が構成される。なお、気化器229h,229aはそれぞれ第1気化部、第2気化部として構成されている。
(Vaporization Department)
The vaporizers 229h and 229a serving as vaporizers for vaporizing the liquid raw material are vaporized chambers 20h and 20a for generating the raw material gas by heating the liquid raw material with the heaters 23h and 23a and into the vaporizing chambers 20h and 20a. In the liquid source channels 21h and 21a, which are channels until the liquid source is discharged, the above-described valves vh1 and va1 for controlling the supply of the liquid source into the vaporization chambers 20h and 20a, and the vaporization chambers 20h and 20a. It has source gas supply ports 22h and 22a as outlets for supplying the generated source gas to a first source gas supply pipe 213h and a second source gas supply pipe 213a, which will be described later. The downstream end portions of the first liquid raw material supply pipe 211h and the second liquid raw material supply pipe 211a are connected to the upstream end portions of the liquid raw material channels 21h and 21a via valves vh1 and va1, respectively. The liquid source channels 21h and 21a are connected to downstream ends of carrier gas supply pipes 24h and 24a, respectively, and supply carrier gas into the vaporization chambers 20h and 20a via the liquid source channels 21h and 21a. Is configured to do. Carrier gas supply pipe 24h, the upstream end of the 24a, the N 2 gas supply source 230c for supplying N 2 gas as a carrier gas is connected. Carrier gas supply pipe 24h, the 24a, the flow rate controller (MFC) 225h as a flow rate controller for controlling the supply flow rate of N 2 gas, and 225a, and the valve vh2, va2 for controlling the supply of N 2 gas, respectively Is provided. A carrier gas supply system (carrier gas supply line) is mainly configured by the N 2 gas supply source 230c, carrier gas supply pipes 24h and 24a, flow rate controllers 225h and 225a, and valves vh2 and va2. The vaporizers 229h and 229a are configured as a first vaporizer and a second vaporizer, respectively.

(原料ガス供給系)
上記の気化器229h,229aの原料ガス供給口22h,22aには、処理室201内に原料ガスを供給する第1原料ガス供給管213h、第2原料ガス供給管213aの上流側端部がそれぞれ接続されている。第1原料ガス供給管213h、第2原料ガス供給管213aの下流側端部は、合流するように一本化して原料ガス供給管213となり、原料ガス供給管213はガス導入口210に接続されている。第1原料ガス供給管213h、第2原料ガス供給管213aには、処理室201内への原料ガスの供給を制御するバルブvh3,va3がそれぞれ設けられている。
(Raw gas supply system)
The upstream side ends of the first source gas supply pipe 213h and the second source gas supply pipe 213a for supplying the source gas into the processing chamber 201 are respectively connected to the source gas supply ports 22h and 22a of the vaporizers 229h and 229a. It is connected. The downstream end portions of the first source gas supply pipe 213h and the second source gas supply pipe 213a are unified so as to join together to become the source gas supply pipe 213, and the source gas supply pipe 213 is connected to the gas inlet 210. ing. The first source gas supply pipe 213h and the second source gas supply pipe 213a are provided with valves vh3 and va3 for controlling the supply of the source gas into the processing chamber 201, respectively.

上記構成により、気化器229h,229aにて液体原料を気化させて原料ガスを発生させるとともに、バルブvh3,va3を開くことにより、第1原料ガス供給管213h、第2原料ガス供給管213aから原料ガス供給管213を介して処理室201内へと原料ガスを供給することが可能となる。主に、第1原料ガス供給管213h、バルブvh3により、第1原料ガス供給系(第1原料ガス供給ライン)が構成され、主に、第2原料ガス供給管213a、バルブva3により、第2原料ガス供給系(第2原料ガス供給ライン)が構成される。また、第1液体原料供給系、第1気化部、第1原料ガス供給系により第1原料供給系(Hf原料供給系)が構成され、第2液体原料供給系、第2気化部、第2原料ガス供給系により第2原料供給系(Al原料供給系)が構成される。   With the above configuration, the raw material gas is generated by vaporizing the liquid raw material in the vaporizers 229h and 229a, and the raw material is supplied from the first raw material gas supply pipe 213h and the second raw material gas supply pipe 213a by opening the valves vh3 and va3. The source gas can be supplied into the processing chamber 201 through the gas supply pipe 213. The first source gas supply system (first source gas supply line) is mainly configured by the first source gas supply pipe 213h and the valve vh3, and the second source gas supply pipe 213a and the valve va3 mainly configure the second source gas supply system (first source gas supply line). A source gas supply system (second source gas supply line) is configured. The first liquid source supply system, the first vaporization unit, and the first source gas supply system constitute a first source supply system (Hf source supply system), and the second liquid source supply system, the second vaporization unit, the second source The source gas supply system constitutes a second source supply system (Al source supply system).

(酸化剤供給系)
また、処理室201の外部には、酸素(O)ガスを供給する酸素ガス供給源230oが設けられている。酸素ガス供給源230oには、第1酸素ガス供給管211oの上流側端部が接続されている。第1酸素ガス供給管211oの下流側端部には、プラズマにより酸素ガスから反応ガス(反応物)すなわち酸化剤としてのオゾン(O)ガスを生成させるオゾナイザ229oが接続されている。なお、第1酸素ガス供給管211oには、酸素ガスの供給流量を制御する流量制御器としての流量コントローラ(MFC)221oが設けられている。
(Oxidant supply system)
Further, an oxygen gas supply source 230o for supplying oxygen (O 2 ) gas is provided outside the processing chamber 201. The upstream end of the first oxygen gas supply pipe 211o is connected to the oxygen gas supply source 230o. The downstream end of the first oxygen gas supply pipe 211o is connected to an ozonizer 229o that generates a reaction gas (reactant), that is, ozone (O 3 ) gas as an oxidant from oxygen gas by plasma. The first oxygen gas supply pipe 211o is provided with a flow rate controller (MFC) 221o as a flow rate controller for controlling the supply flow rate of oxygen gas.

オゾナイザ229oのアウトレットとしてのオゾンガス供給口22oには、酸化剤供給管としてのオゾンガス供給管213oの上流側端部が接続されている。また、オゾンガス供給管213oの下流側端部は、原料ガス供給管213に合流するように接続されている。すなわち、オゾンガス供給管213oは、酸化剤(反応ガス)としてのオゾンガスを処理室201内に供給するように構成されている。なお、オゾンガス供給管213oには、処理室201内へのオゾンガスの供給を制御するバルブvo3が設けられている。   An upstream end of an ozone gas supply pipe 213o as an oxidant supply pipe is connected to an ozone gas supply port 22o as an outlet of the ozonizer 229o. The downstream end of the ozone gas supply pipe 213o is connected so as to join the source gas supply pipe 213. That is, the ozone gas supply pipe 213o is configured to supply ozone gas as an oxidizing agent (reactive gas) into the processing chamber 201. The ozone gas supply pipe 213o is provided with a valve vo3 that controls the supply of ozone gas into the processing chamber 201.

なお、第1酸素ガス供給管211oの流量コントローラ221oよりも上流側には、第2酸素ガス供給管212oの上流側端部が接続されている。また、第2酸素ガス供給管212oの下流側端部は、オゾンガス供給管213oのバルブvo3よりも上流側に接続されている。なお、第2酸素ガス供給管212oには、酸素ガスの供給流量を制御する流量制御器としての流量コントローラ(MFC)222oが設けられている。   The upstream end of the second oxygen gas supply pipe 212o is connected to the upstream side of the flow rate controller 221o of the first oxygen gas supply pipe 211o. The downstream end of the second oxygen gas supply pipe 212o is connected to the upstream side of the valve vo3 of the ozone gas supply pipe 213o. The second oxygen gas supply pipe 212o is provided with a flow rate controller (MFC) 222o as a flow rate controller for controlling the supply flow rate of oxygen gas.

上記構成により、オゾナイザ229oに酸素ガスを供給してオゾンガスを発生させるとともに、バルブvo3を開くことにより、処理室201内へオゾンガスを供給することが可能となる。なお、処理室201内へのオゾンガスの供給中に、第2酸素ガス供給管212oから酸素ガスを供給するようにすれば、処理室201内へ供給するオゾンガスを酸素ガスにより希釈して、オゾンガス濃度を調整することが可能となる。主に、酸素ガス供給源230o、第1酸素ガス供給管211o、オゾナイザ229o、流量コントローラ221o、オゾンガス供給管213o、バルブvo3、第2酸素ガス供給管212o、流量コントローラ222oにより酸化剤供給系(酸化剤供給ライン)が構成される。   With the above configuration, it is possible to supply ozone gas into the processing chamber 201 by supplying oxygen gas to the ozonizer 229o to generate ozone gas and opening the valve vo3. Note that if the oxygen gas is supplied from the second oxygen gas supply pipe 212o during the supply of the ozone gas into the processing chamber 201, the ozone gas supplied into the processing chamber 201 is diluted with the oxygen gas to obtain an ozone gas concentration. Can be adjusted. Mainly, an oxygen gas supply source 230o, a first oxygen gas supply pipe 211o, an ozonizer 229o, a flow rate controller 221o, an ozone gas supply pipe 213o, a valve vo3, a second oxygen gas supply pipe 212o, and a flow rate controller 222o are used to supply an oxidant (oxidation). Agent supply line).

(パージガス供給系)
また、処理室201の外部には、パージガスとしてのNガスを供給するNガス供給源230pが設けられている。Nガス供給源230pには、パージガス供給管214の上流側端部が接続されている。パージガス供給管214の下流側端部は、3本のライン、すなわち、第1パージガス供給管214h、第2パージガス供給管214a、第3パージガス供給管214oに分岐している。第1パージガス供給管214h、第2パージガス供給管214a、第3パージガス供給管214oの下流側端部は、第1原料ガス供給管213h、第2原料ガス供給管213a、オゾンガス供給管213oのバルブvh3,va3
,vo3の下流側にそれぞれ接続されている。なお、第1パージガス供給管214h、第2パージガス供給管214a、第3パージガス供給管214oには、Nガスの供給流量を制御する流量制御器としての流量コントローラ(MFC)224h,224a,224oと、Nガスの供給を制御するバルブvh4,va4,vo4とが、それぞれ設けられている。主に、Nガス供給源230p、パージガス供給管214、第1パージガス供給管214h、第2パージガス供給管214a、第3パージガス供給管214o、流量コントローラ224h,224a,224o、バルブvh4,va4,vo4によりパージガス供給系(パージガス供給ライン)が構成される。
(Purge gas supply system)
Further, at the outside of the processing chamber 201, N 2 gas supply source 230p supplying N 2 gas as a purge gas is provided. The upstream end of the purge gas supply pipe 214 is connected to the N 2 gas supply source 230p. The downstream end of the purge gas supply pipe 214 branches into three lines, that is, a first purge gas supply pipe 214h, a second purge gas supply pipe 214a, and a third purge gas supply pipe 214o. The downstream end portions of the first purge gas supply pipe 214h, the second purge gas supply pipe 214a, and the third purge gas supply pipe 214o are valves vh3 of the first source gas supply pipe 213h, the second source gas supply pipe 213a, and the ozone gas supply pipe 213o. , Va3
, Vo3, respectively. The first purge gas supply pipe 214h, the second purge gas supply pipe 214a, and the third purge gas supply pipe 214o include flow rate controllers (MFC) 224h, 224a, and 224o as flow rate controllers for controlling the supply flow rate of N 2 gas. , Valves vh4, va4, vo4 for controlling the supply of N 2 gas are provided, respectively. Mainly, N 2 gas supply source 230p, purge gas supply pipe 214, first purge gas supply pipe 214h, second purge gas supply pipe 214a, third purge gas supply pipe 214o, flow rate controllers 224h, 224a, 224o, valves vh4, va4, vo4. Thus, a purge gas supply system (purge gas supply line) is configured.

(ベント系)
また、第1原料ガス供給管213h、第2原料ガス供給管213a、オゾンガス供給管213oのバルブvh3,va3,vo3の上流側には、第1ベント管215h、第2ベント管215a、第3ベント管215oの上流側端部がそれぞれ接続されている。また、第1ベント管215h、第2ベント管215a、第3ベント管215oの下流側端部は合流するように一本化してベント管215となり、ベント管215は排気管261の原料回収トラップ263よりも上流側に接続されている。第1ベント管215h、第2ベント管215a、第3ベント管215oには、ガスの供給を制御するバルブvh5,va5,vo5がそれぞれ設けられている。
(Vent system)
Further, a first vent pipe 215h, a second vent pipe 215a, and a third vent are provided upstream of the valves vh3, va3, and vo3 of the first source gas supply pipe 213h, the second source gas supply pipe 213a, and the ozone gas supply pipe 213o. The upstream ends of the pipes 215o are connected to each other. In addition, the downstream end portions of the first vent pipe 215h, the second vent pipe 215a, and the third vent pipe 215o are unified so as to be merged into a vent pipe 215. The vent pipe 215 is a raw material recovery trap 263 of the exhaust pipe 261. It is connected to the upstream side. The first vent pipe 215h, the second vent pipe 215a, and the third vent pipe 215o are provided with valves vh5, va5, and vo5 for controlling gas supply, respectively.

上記構成により、バルブvh3,va3,vo3を閉じ、バルブvh5,va5,vo5を開くことで、第1原料ガス供給管213h、第2原料ガス供給管213a、オゾンガス供給管213o内を流れるガスを、処理室201内に供給することなく処理室201をバイパスさせ、処理室201外へとそれぞれ排気することが可能となる。   With the above configuration, by closing the valves vh3, va3, vo3 and opening the valves vh5, va5, vo5, the gas flowing in the first source gas supply pipe 213h, the second source gas supply pipe 213a, and the ozone gas supply pipe 213o The processing chamber 201 can be bypassed without being supplied into the processing chamber 201, and exhausted out of the processing chamber 201.

また、第1パージガス供給管214h、第2パージガス供給管214a、第3パージガス供給管214oのバルブvh4,va4,vo4よりも上流側であって流量コントローラ224h,224a,224oよりも下流側には、第4ベント管216h、第5ベント管216a、第6ベント管216oがそれぞれ接続されている。また、第4ベント管216h、第5ベント管216a、第6ベント管216oの下流側端部は合流するように一本化してベント管216となっている。ベント管216は、排気管261の原料回収トラップ263よりも下流側であって真空ポンプ264よりも上流側に接続されている。第4ベント管216h、第5ベント管216a、第6ベント管216oには、ガスの供給を制御するバルブvh6,va6,vo6がそれぞれ設けられている。   Further, upstream of the valves vh4, va4, vo4 of the first purge gas supply pipe 214h, the second purge gas supply pipe 214a, and the third purge gas supply pipe 214o and downstream of the flow rate controllers 224h, 224a, 224o, The fourth vent pipe 216h, the fifth vent pipe 216a, and the sixth vent pipe 216o are connected to each other. Further, the downstream end portions of the fourth vent pipe 216h, the fifth vent pipe 216a, and the sixth vent pipe 216o are unified so as to be a vent pipe 216. The vent pipe 216 is connected downstream of the raw material recovery trap 263 in the exhaust pipe 261 and upstream of the vacuum pump 264. The fourth vent pipe 216h, the fifth vent pipe 216a, and the sixth vent pipe 216o are provided with valves vh6, va6, and vo6 for controlling gas supply, respectively.

上記構成により、バルブvh4,va4,vo4を閉じ、バルブvh6,va6,vo6を開くことで、第1パージガス供給管214h、第2パージガス供給管214a、第3パージガス供給管214o内を流れるNガスを、処理室201内に供給することなく処理室201をバイパスさせ、処理室201外へとそれぞれ排気することが可能となる。なお、バルブvh3,va3,vo3を閉じ、バルブvh5,va5,vo5を開くことで、第1原料ガス供給管213h、第2原料ガス供給管213a、オゾンガス供給管213o内を流れるガスを、処理室201内に供給することなく処理室201をバイパスさせ、処理室201外へとそれぞれ排気する場合には、バルブvh4,va4,vo4を開くことにより、第1原料ガス供給管213h、第2原料ガス供給管213a、オゾンガス供給管213o内にNガスを導入して、各原料ガス供給管内をパージするように設定されている。また、バルブvh6,va6,vo6は、バルブvh4,va4,vo4と逆動作を行うように設定されており、Nガスを各原料ガス供給管内に供給しない場合には、処理室201をバイパスしてNガスを排気するようになっている。主に、第1ベント管215h、第2ベント管215a、第3ベント管215o、ベント管215、第4ベント管216h、第5ベント管216a、第6ベント管216o、ベント管216、バルブvh5,va5,vo5、バルブvh6,va6,vo6によりベント系(ベントライン)が
構成される。
With the above configuration, N 2 gas flowing in the first purge gas supply pipe 214h, the second purge gas supply pipe 214a, and the third purge gas supply pipe 214o by closing the valves vh4, va4, vo4 and opening the valves vh6, va6, vo6. Without being supplied into the processing chamber 201, the processing chamber 201 can be bypassed and exhausted out of the processing chamber 201. By closing the valves vh3, va3, vo3 and opening the valves vh5, va5, vo5, the gas flowing in the first source gas supply pipe 213h, the second source gas supply pipe 213a, and the ozone gas supply pipe 213o When the processing chamber 201 is bypassed without being supplied into the 201 and exhausted to the outside of the processing chamber 201, the first source gas supply pipe 213h and the second source gas are opened by opening the valves vh4, va4, and vo4. N 2 gas is introduced into the supply pipe 213a and the ozone gas supply pipe 213o, and the inside of each raw material gas supply pipe is purged. Further, the valves vh6, va6, vo6 are set so as to perform the reverse operation of the valves vh4, va4, vo4, and when the N 2 gas is not supplied into each source gas supply pipe, the processing chamber 201 is bypassed. N 2 gas is exhausted. Mainly, the first vent pipe 215h, second vent pipe 215a, third vent pipe 215o, vent pipe 215, fourth vent pipe 216h, fifth vent pipe 216a, sixth vent pipe 216o, vent pipe 216, valve vh5 A vent system (vent line) is constituted by va5, vo5 and valves vh6, va6, vo6.

(コントローラ)
なお、本実施形態にかかる基板処理装置は、基板処理装置の各部の動作を制御するコントローラ280を有している。コントローラ280は、ゲートバルブ251、昇降機構207b、搬送ロボット273、ヒータ206、圧力調整器(APC)262、気化器229h,229a、オゾナイザ229o、真空ポンプ264、バルブvh1〜vh6,va1〜va6,vo3〜vo6、液体流量コントローラ221h,221a、流量コントローラ225h,225a,224h,224a,221o,222o,224o等の動作を制御する。
(controller)
Note that the substrate processing apparatus according to the present embodiment includes a controller 280 that controls the operation of each unit of the substrate processing apparatus. The controller 280 includes a gate valve 251, an elevating mechanism 207b, a transfer robot 273, a heater 206, a pressure regulator (APC) 262, a vaporizer 229h and 229a, an ozonizer 229o, a vacuum pump 264, valves vh1 to vh6, va1 to va6, and vo3. ˜vo6, liquid flow rate controllers 221h and 221a, flow rate controllers 225h, 225a, 224h, 224a, 221o, 222o, 224o and the like are controlled.

(2)基板処理工程
続いて、本発明の実施形態にかかる半導体装置(デバイス)の製造工程の一工程として、上述の基板処理装置を用いてウェハ上に薄膜を形成する基板処理工程について、図2、図5を参照しながら説明する。図2は、本発明の一実施形態にかかる基板処理工程のフロー図である。また、図5は、本発明の一実施形態にかかるALD飽和モードでの第1原料供給、酸化剤供給およびALD飽和モードでの第2原料供給、酸化剤供給を交互に所定回数行う際のそれぞれの供給のタイミングを例示するタイミングチャートとしてのシーケンス図である。本実施形態では、成膜レートの大きく異なる2種類以上の原料、すなわち第1原料(第1液体原料)としてHf原料を用い、第2原料(第2液体原料)としてAl原料を用い、また、酸化剤としてオゾンガスを用い、ウェハ上に所望組成、例えばHfO:AlO=100:1〜10:1の範囲内の組成の第3の金属酸化膜としてのハフニウムアルミネート(HfAlO)膜を形成する例について説明する。すなわち、HfAlO膜を構成する複数の金属元素(Hf,Al)のうち、組成比の最も大きい第1の金属元素がHfであり、その第1の金属元素を含む第1の金属酸化膜がHfO膜であり、それ(Hf)よりも組成比の小さい第2の金属元素がAlであり、その第2の金属元素を含む第2の金属酸化膜がAlO膜である。なお、以下の説明において、基板処理装置を構成する各部の動作は、コントローラ280によって制御される。
(2) Substrate Processing Step Next, as a step of manufacturing the semiconductor device (device) according to the embodiment of the present invention, a substrate processing step of forming a thin film on a wafer using the above-described substrate processing apparatus will be described. 2 and will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a flowchart of a substrate processing process according to an embodiment of the present invention. Further, FIG. 5 illustrates the first raw material supply in the ALD saturation mode, the oxidant supply, the second raw material supply in the ALD saturation mode, and the oxidant supply alternately performed a predetermined number of times according to an embodiment of the present invention. It is a sequence diagram as a timing chart which illustrates the timing of supply of. In the present embodiment, two or more kinds of raw materials having greatly different film formation rates, that is, an Hf raw material is used as the first raw material (first liquid raw material), an Al raw material is used as the second raw material (second liquid raw material), An example of forming a hafnium aluminate (HfAlO) film as a third metal oxide film having a desired composition, for example, a composition in the range of HfO: AlO = 100: 1 to 10: 1, using ozone gas as an oxidant. Will be described. That is, of the plurality of metal elements (Hf, Al) constituting the HfAlO film, the first metal element having the largest composition ratio is Hf, and the first metal oxide film containing the first metal element is HfO. A second metal element having a composition ratio smaller than that (Hf) is Al, and a second metal oxide film containing the second metal element is an AlO film. In the following description, the operation of each part constituting the substrate processing apparatus is controlled by the controller 280.

(基板搬入工程(S1)、基板載置工程(S2))
まず、昇降機構207bを作動させ、支持台203を、図4に示すウェハ搬送位置まで下降させる。そして、ゲートバルブ251を開き、処理室201と搬送室271とを連通させる。そして、搬送ロボット273により搬送室271内から処理室201内へ処理対象のウェハ200を搬送アーム273aで支持した状態で搬入する(S1)。処理室201内に搬入したウェハ200は、サセプタ217の上面から突出しているリフトピン208b上に一時的に載置される。搬送ロボット273の搬送アーム273aが処理室201内から搬送室271内へ戻ると、ゲートバルブ251が閉じられる。
(Substrate loading step (S1), Substrate placing step (S2))
First, the elevating mechanism 207b is operated to lower the support table 203 to the wafer transfer position shown in FIG. Then, the gate valve 251 is opened to allow the processing chamber 201 and the transfer chamber 271 to communicate with each other. Then, the wafer 200 to be processed is loaded from the transfer chamber 271 into the processing chamber 201 by the transfer robot 273 while being supported by the transfer arm 273a (S1). The wafer 200 carried into the processing chamber 201 is temporarily placed on lift pins 208b protruding from the upper surface of the susceptor 217. When the transfer arm 273a of the transfer robot 273 returns from the processing chamber 201 to the transfer chamber 271, the gate valve 251 is closed.

続いて、昇降機構207bを作動させ、支持台203を、図3に示すウェハ処理位置まで上昇させる。その結果、リフトピン208bはサセプタ217の上面から埋没し、ウェハ200はサセプタ217上に載置される(S2)。   Subsequently, the elevating mechanism 207b is operated to raise the support table 203 to the wafer processing position shown in FIG. As a result, the lift pins 208b are buried from the upper surface of the susceptor 217, and the wafer 200 is placed on the susceptor 217 (S2).

(圧力調整工程(S3)、昇温工程(S4))
続いて、圧力調整器(APC)262により、処理室201内の圧力が所定の処理圧力となるように制御する(S3)。また、ヒータ206に供給する電力を調整し、ウェハ200温度を昇温させ、ウェハ200の表面温度が所定の処理温度となるように制御する(S4)。
(Pressure adjustment step (S3), temperature rise step (S4))
Subsequently, the pressure regulator (APC) 262 controls the pressure in the processing chamber 201 to be a predetermined processing pressure (S3). Further, the power supplied to the heater 206 is adjusted, the temperature of the wafer 200 is increased, and control is performed so that the surface temperature of the wafer 200 becomes a predetermined processing temperature (S4).

なお、基板搬入工程(S1)、基板載置工程(S2)、圧力調整工程(S3)、昇温工程(S4)、および、後述する基板搬出工程(S15)においては、真空ポンプ264を
作動させつつ、バルブvh3,va3,vo3を閉じ、バルブvh4,va4,vo4を開くことで、処理室201内にNガスを常に流しておく。これにより、ウェハ200上へのパーティクルの付着を抑制することが可能となる。なお、真空ポンプ264は、少なくとも基板搬入工程(S1)から後述の基板搬出工程(S15)までの間は、常に作動させた状態とする。
In the substrate loading step (S1), the substrate placing step (S2), the pressure adjusting step (S3), the temperature raising step (S4), and the substrate unloading step (S15) described later, the vacuum pump 264 is operated. Meanwhile, the valves vh3, va3, and vo3 are closed and the valves vh4, va4, and vo4 are opened, so that the N 2 gas always flows into the processing chamber 201. Thereby, adhesion of particles on the wafer 200 can be suppressed. The vacuum pump 264 is always operated at least from the substrate loading step (S1) to the substrate unloading step (S15) described later.

工程S1〜S4と並行して、第1液体原料(Hf原料)を気化させた第1原料ガス(Hf原料ガス)を生成(予備気化)させておく。すなわち、バルブvh3を閉じたまま、バルブvh2を開き気化器229hへキャリアガスを供給しつつ、バルブvh1を開くとともに、圧送ガス供給管237hから圧送ガスを供給して、第1液体原料供給源220hから気化器229hへ第1液体原料を圧送(供給)し、気化器229hにて第1液体原料を気化させて第1原料ガスを生成させておく。この予備気化工程では、真空ポンプ264を作動させつつ、バルブvh3を閉じたまま、バルブvh5を開くことにより、第1原料ガスを処理室201内に供給することなく処理室201をバイパスして排気しておく。なお、本実施形態では、第1液体原料(Hf原料)として、例えばHf(MMP)を用いる。 In parallel with the steps S1 to S4, a first source gas (Hf source gas) obtained by vaporizing the first liquid source (Hf source) is generated (preliminarily vaporized). That is, while the valve vh3 is closed, the valve vh2 is opened and the carrier gas is supplied to the carburetor 229h, the valve vh1 is opened, and the pressurized gas is supplied from the pressurized gas supply pipe 237h. The first liquid source is pumped (supplied) to the vaporizer 229h, and the first liquid source is vaporized in the vaporizer 229h to generate the first source gas. In this preliminary vaporization step, while the vacuum pump 264 is operated and the valve vh3 is closed, the valve vh5 is opened to bypass the process chamber 201 and supply the first source gas into the process chamber 201. Keep it. In the present embodiment, for example, Hf (MMP) 4 is used as the first liquid source (Hf source).

また、このとき、第2液体原料(Al原料)を気化させた第2原料ガス(Al原料ガス)も生成(予備気化)させておく。すなわち、バルブva3を閉じたまま、バルブva2を開き気化器229aへキャリアガスを供給しつつ、バルブva1を開くとともに、圧送ガス供給管237aから圧送ガスを供給して、第2液体原料供給源220aから気化器229aへ第2液体原料を圧送(供給)し、気化器229aにて第2液体原料を気化させて第2原料ガスを生成させておく。この予備気化工程では、真空ポンプ264を作動させつつ、バルブva3を閉じたまま、バルブva5を開くことにより、第2原料ガスを処理室201内に供給することなく処理室201をバイパスして排気しておく。なお、本実施形態では、第2液体原料(Al原料)として、例えばAl(MMP)を用いる。 At this time, a second raw material gas (Al raw material gas) obtained by vaporizing the second liquid raw material (Al raw material) is also generated (preliminarily vaporized). That is, while the valve va3 is closed, the valve va2 is opened and the carrier gas is supplied to the vaporizer 229a, the valve va1 is opened, and the pressurized gas is supplied from the pressurized gas supply pipe 237a. The second liquid source is pumped (supplied) to the vaporizer 229a, and the second liquid source is vaporized by the vaporizer 229a to generate a second source gas. In this preliminary vaporization step, while the vacuum pump 264 is operated, the valve va5 is opened while the valve va3 is closed, thereby bypassing the processing chamber 201 and exhausting it without supplying the second source gas into the processing chamber 201. Keep it. In the present embodiment, for example, Al (MMP) 3 is used as the second liquid source (Al source).

さらに、このとき、酸化剤(反応ガス)としてのオゾンガスも生成させておくことが好ましい。すなわち、酸素ガス供給源230oからオゾナイザ229oへ酸素ガスを供給して、オゾナイザ229oにてオゾンガスを生成させておく。この際、真空ポンプ264を作動させつつ、バルブvo3を閉じたまま、バルブvo5を開くことにより、オゾンガスを処理室201内に供給することなく処理室201をバイパスして排気しておく。   Further, at this time, it is preferable to generate ozone gas as an oxidizing agent (reactive gas). That is, oxygen gas is supplied from the oxygen gas supply source 230o to the ozonizer 229o, and ozone gas is generated in the ozonizer 229o. At this time, while operating the vacuum pump 264, the valve vo5 is opened while the valve vo3 is closed, thereby bypassing and exhausting the processing chamber 201 without supplying ozone gas into the processing chamber 201.

気化器229h,229aにて第1原料ガス、第2原料ガスを安定した状態で生成させたり、あるいはオゾナイザ229oにてオゾンガスを安定した状態で生成させたりするには所定の時間を要する。すなわち、原料ガスやオゾンガスの生成初期は原料ガスやオゾンガスが不安定な状態で供給される。このため、本実施形態では、第1原料ガス、第2原料ガス、オゾンガスを予め生成させておくことで安定供給可能な状態としておき、バルブvh3,vh5,va3,va5,vo3,vo5の開閉を切り替えることにより、第1原料ガス、第2原料ガス、オゾンガスの流路を切り替える。その結果、バルブの切り替えにより、処理室201内への第1原料ガス、第2原料ガス、オゾンガスの安定した供給を迅速に開始あるいは停止できるようになり、好ましい。   It takes a predetermined time for the vaporizers 229h and 229a to generate the first source gas and the second source gas in a stable state, or to generate the ozone gas in a stable state using the ozonizer 229o. That is, the raw material gas and the ozone gas are supplied in an unstable state at the initial generation of the raw material gas and the ozone gas. For this reason, in this embodiment, the first source gas, the second source gas, and the ozone gas are generated in advance so that they can be stably supplied, and the valves vh3, vh5, va3, va5, vo3, and vo5 are opened and closed. By switching, the flow paths of the first source gas, the second source gas, and the ozone gas are switched. As a result, it is possible to quickly start or stop the stable supply of the first source gas, the second source gas, and the ozone gas into the processing chamber 201 by switching the valve, which is preferable.

<HfAlO膜形成工程>
(第1原料供給工程(S5))
続いて、バルブvh4,vh5を閉じ、バルブvh3を開いて、処理室201内への第1原料ガスの供給を開始する。第1原料ガスは、シャワーヘッド240により分散されて処理室201内のウェハ200上に均一に供給される。余剰な第1原料ガスは、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。なお、処理室201内への第1原料ガスの供給時には、第2原料ガス供給管213aおよびオゾンガス供給管213o内への第
1原料ガスの侵入を防止するように、また、処理室201内における第1原料ガスの拡散を促すように、バルブva4,vo4は開いたままとし、処理室201内にNガスを常に流しておくことが好ましい。
<HfAlO film formation process>
(First raw material supply step (S5))
Subsequently, the valves vh4 and vh5 are closed, the valve vh3 is opened, and the supply of the first source gas into the processing chamber 201 is started. The first source gas is dispersed by the shower head 240 and is uniformly supplied onto the wafer 200 in the processing chamber 201. Excess first source gas flows through the exhaust duct 259 and is exhausted to the exhaust port 260. Note that when the first source gas is supplied into the processing chamber 201, the first source gas is prevented from entering the second source gas supply pipe 213a and the ozone gas supply pipe 213o. It is preferable to keep the valves va4 and vo4 open so as to promote the diffusion of the first source gas, and to always allow the N 2 gas to flow into the processing chamber 201.

バルブvh3を開き、第1原料ガスの供給を開始した後、所定時間が経過したら、バルブvh3を閉じ、バルブvh4,vh5を開いて、処理室201内への第1原料ガスの供給を停止する。また、同時に、バルブvh1を閉じて、気化器229hへの第1液体原料の供給も停止する。   When a predetermined time has elapsed after opening the valve vh3 and starting the supply of the first source gas, the valve vh3 is closed and the valves vh4 and vh5 are opened to stop the supply of the first source gas into the processing chamber 201. . At the same time, the valve vh1 is closed and the supply of the first liquid raw material to the vaporizer 229h is also stopped.

(パージ工程(S6))
バルブvh3を閉じ、処理室201内への第1原料ガスの供給を停止した後は、バルブvh4,va4,vo4は開いたままとし、処理室201内へのNガスの供給を継続して行う。Nガスは、シャワーヘッド240を介して処理室201内に供給され、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。このようにして、処理室201内をNガスによりパージし、処理室201内に残留している第1原料ガスを除去する。
(Purge process (S6))
After the valve vh3 is closed and the supply of the first source gas into the processing chamber 201 is stopped, the valves vh4, va4, and vo4 are kept open, and the supply of N 2 gas into the processing chamber 201 is continued. Do. The N 2 gas is supplied into the processing chamber 201 through the shower head 240, flows in the exhaust duct 259, and is exhausted to the exhaust port 260. In this way, the inside of the processing chamber 201 is purged with N 2 gas, and the first source gas remaining in the processing chamber 201 is removed.

(酸化剤供給工程(S7))
処理室201内のパージが完了したら、バルブvo4,vo5を閉じ、バルブvo3を開いて、処理室201内への酸化剤としてのオゾンガスの供給を開始する。オゾンガスは、シャワーヘッド240により分散されて処理室201内のウェハ200上に均一に供給される。余剰なオゾンガスや反応副生成物は、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。なお、処理室201内へのオゾンガスの供給時には、第1原料ガス供給管213h、第2原料ガス供給管213a内へのオゾンガスの侵入を防止するように、また、処理室201内におけるオゾンガスの拡散を促すように、バルブvh4,va4は開いたままとし、処理室201内にNガスを常に流しておくことが好ましい。
(Oxidant supply step (S7))
When the purge in the processing chamber 201 is completed, the valves vo4 and vo5 are closed, the valve vo3 is opened, and supply of ozone gas as an oxidant into the processing chamber 201 is started. The ozone gas is dispersed by the shower head 240 and is uniformly supplied onto the wafer 200 in the processing chamber 201. Excess ozone gas and reaction byproducts flow through the exhaust duct 259 and are exhausted to the exhaust port 260. When ozone gas is supplied into the processing chamber 201, the ozone gas is prevented from entering the first source gas supply pipe 213h and the second source gas supply pipe 213a, and the ozone gas is diffused in the processing chamber 201. It is preferable to keep the valves vh4 and va4 open so that N 2 gas always flows into the processing chamber 201.

バルブvo3を開き、オゾンガスの供給を開始した後、所定時間が経過したら、バルブvo3を閉じ、バルブvo4,vo5を開いて、処理室201内へのオゾンガスの供給を停止する。   When a predetermined time has elapsed after opening the valve vo3 and starting the supply of ozone gas, the valve vo3 is closed, the valves vo4 and vo5 are opened, and the supply of the ozone gas into the processing chamber 201 is stopped.

(パージ工程(S8))
バルブvo3を閉じ、処理室201内へのオゾンガスの供給を停止した後は、バルブvh4,va4,vo4は開いたままとし、処理室201内へのNガスの供給を継続して行う。Nガスは、シャワーヘッド240を介して処理室201内に供給され、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。このようにして、処理室201内をNガスによりパージし、処理室201内に残留しているオゾンガスや反応副生成物を除去する。
(Purge process (S8))
After the valve vo3 is closed and the supply of ozone gas into the processing chamber 201 is stopped, the valves vh4, va4, and vo4 are kept open, and the supply of N 2 gas into the processing chamber 201 is continued. The N 2 gas is supplied into the processing chamber 201 through the shower head 240, flows in the exhaust duct 259, and is exhausted to the exhaust port 260. In this manner, the inside of the processing chamber 201 is purged with N 2 gas, and ozone gas and reaction byproducts remaining in the processing chamber 201 are removed.

(サイクル工程(S9))
そして、工程S5〜S8までを1サイクルとしてこのサイクルを所定サイクル、例えば1サイクル行うことにより、ウェハ200上に第1の金属酸化膜としての酸化ハフニウム(HfO)膜を形成する。
(Cycle step (S9))
Then, the steps S5 to S8 are set as one cycle, and this cycle is performed for a predetermined cycle, for example, one cycle, thereby forming a hafnium oxide (HfO) film as a first metal oxide film on the wafer 200.

なお、このとき、ウェハ200の温度はヒータ206により所定の処理温度、例えば140〜450℃、好ましくは200〜300℃となるように制御され、処理室201内の圧力は圧力調整器262により所定の処理圧力、例えば50〜800Pa、好ましくは100〜800Paとなるように制御される。また、第1液体原料としてのHf(MMP)の供給流量は、液体流量コントローラ221hにより所定の供給流量、例えば0.01〜0.2g/minとなるように制御され、酸化剤としてのOガスの供給流量は、流量コントローラ221oにより所定の供給流量、例えば200〜5000sccmとなるよ
うに制御される。
At this time, the temperature of the wafer 200 is controlled to be a predetermined processing temperature, for example, 140 to 450 ° C., preferably 200 to 300 ° C. by the heater 206, and the pressure in the processing chamber 201 is predetermined by the pressure regulator 262. For example, 50 to 800 Pa, preferably 100 to 800 Pa. Further, the supply flow rate of Hf (MMP) 4 as the first liquid source is controlled to be a predetermined supply flow rate, for example, 0.01 to 0.2 g / min by the liquid flow rate controller 221h. The supply flow rate of the three gases is controlled by the flow rate controller 221o so as to be a predetermined supply flow rate, for example, 200 to 5000 sccm.

また、このとき、HfO膜形成工程1回あたりに形成するHfO膜の膜厚は、HfAlO膜の組成に従った膜厚とする。例えば、HfAlO膜の組成をHfO:AlO=100:1〜10:1の範囲内の組成とするには、HfO膜形成工程(工程S5〜S9)1回あたりに形成するHfO膜の膜厚を1〜10Åとし、後述するAlO膜形成工程(S10〜S13)1回あたりに形成するAlO膜の膜厚を0.1Åとする。   At this time, the thickness of the HfO film formed per HfO film formation step is set to a thickness according to the composition of the HfAlO film. For example, in order to set the composition of the HfAlO film within the range of HfO: AlO = 100: 1 to 10: 1, the film thickness of the HfO film formed per HfO film formation step (steps S5 to S9) is set to The thickness of the AlO film formed per time is set to 0.1 mm.

(第2原料供給工程(S10))
続いて、バルブva4,va5を閉じ、バルブva3を開いて、処理室201内への第2原料ガスの供給を開始する。第2原料ガスは、シャワーヘッド240により分散されて処理室201内のウェハ200上に均一に供給される。余剰な第2原料ガスは、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。なお、処理室201内への第2原料ガスの供給時には、第1原料ガス供給管213hおよびオゾンガス供給管213o内への第2原料ガスの侵入を防止するように、また、処理室201内における第2原料ガスの拡散を促すように、バルブvh4,vo4は開いたままとし、処理室201内にNガスを常に流しておくことが好ましい。
(Second raw material supply step (S10))
Subsequently, the valves va4 and va5 are closed, the valve va3 is opened, and the supply of the second source gas into the processing chamber 201 is started. The second source gas is dispersed by the shower head 240 and is uniformly supplied onto the wafer 200 in the processing chamber 201. Excess second source gas flows in the exhaust duct 259 and is exhausted to the exhaust port 260. When supplying the second source gas into the processing chamber 201, the second source gas is prevented from entering the first source gas supply pipe 213h and the ozone gas supply pipe 213o. It is preferable to keep the valves vh4 and vo4 open so as to promote the diffusion of the second source gas, and to always allow the N 2 gas to flow into the processing chamber 201.

バルブva3を開き、第2原料ガスの供給を開始した後、所定時間が経過したら、バルブva3を閉じ、バルブva4,va5を開いて、処理室201内への第1原料ガスの供給を停止する。また、同時に、バルブva1を閉じて、気化器229aへの第2液体原料の供給も停止する。   After the valve va3 is opened and the supply of the second source gas is started, when a predetermined time has elapsed, the valve va3 is closed, the valves va4 and va5 are opened, and the supply of the first source gas into the processing chamber 201 is stopped. . At the same time, the valve va1 is closed and the supply of the second liquid raw material to the vaporizer 229a is also stopped.

(パージ工程(S11))
バルブva3を閉じ、処理室201内への第2原料ガスの供給を停止した後は、バルブvh4,va4,vo4は開いたままとし、処理室201内へのNガスの供給を継続して行う。Nガスは、シャワーヘッド240を介して処理室201内に供給され、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。このようにして、処理室201内をNガスによりパージし、処理室201内に残留している第2原料ガスを除去する。
(Purge process (S11))
After the valve va3 is closed and the supply of the second source gas into the processing chamber 201 is stopped, the valves vh4, va4, and vo4 are kept open and the supply of N 2 gas into the processing chamber 201 is continued. Do. The N 2 gas is supplied into the processing chamber 201 through the shower head 240, flows in the exhaust duct 259, and is exhausted to the exhaust port 260. In this way, the inside of the processing chamber 201 is purged with N 2 gas, and the second source gas remaining in the processing chamber 201 is removed.

(酸化剤供給工程(S12))
処理室201内のパージが完了したら、バルブvo4,vo5を閉じ、バルブvo3を開いて、処理室201内への酸化剤としてのオゾンガスの供給を開始する。オゾンガスは、シャワーヘッド240により分散されて処理室201内のウェハ200上に均一に供給される。余剰なオゾンガスや反応副生成物は、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。なお、処理室201内へのオゾンガスの供給時には、第1原料ガス供給管213h、第2原料ガス供給管213a内へのオゾンガスの侵入を防止するように、また、処理室201内におけるオゾンガスの拡散を促すように、バルブvh4,va4は開いたままとし、処理室201内にNガスを常に流しておくことが好ましい。
(Oxidant supply step (S12))
When the purge in the processing chamber 201 is completed, the valves vo4 and vo5 are closed, the valve vo3 is opened, and supply of ozone gas as an oxidant into the processing chamber 201 is started. The ozone gas is dispersed by the shower head 240 and is uniformly supplied onto the wafer 200 in the processing chamber 201. Excess ozone gas and reaction byproducts flow through the exhaust duct 259 and are exhausted to the exhaust port 260. When ozone gas is supplied into the processing chamber 201, the ozone gas is prevented from entering the first source gas supply pipe 213h and the second source gas supply pipe 213a, and the ozone gas is diffused in the processing chamber 201. It is preferable to keep the valves vh4 and va4 open so that N 2 gas always flows into the processing chamber 201.

バルブvo3を開き、オゾンガスの供給を開始した後、所定時間が経過したら、バルブvo3を閉じ、バルブvo4,vo5を開いて、処理室201内へのオゾンガスの供給を停止する。   When a predetermined time has elapsed after opening the valve vo3 and starting the supply of ozone gas, the valve vo3 is closed, the valves vo4 and vo5 are opened, and the supply of the ozone gas into the processing chamber 201 is stopped.

(パージ工程(S13))
バルブvo3を閉じ、処理室201内へのオゾンガスの供給を停止した後は、バルブvh4,va4,vo4は開いたままとし、処理室201内へのNガスの供給を継続して行う。Nガスは、シャワーヘッド240を介して処理室201内に供給され、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。このようにして、処理室201内をNガスによりパージし、処理室201内に残留しているオゾンガスや反応副生成物を除去
する。
(Purge process (S13))
After the valve vo3 is closed and the supply of ozone gas into the processing chamber 201 is stopped, the valves vh4, va4, and vo4 are kept open, and the supply of N 2 gas into the processing chamber 201 is continued. The N 2 gas is supplied into the processing chamber 201 through the shower head 240, flows in the exhaust duct 259, and is exhausted to the exhaust port 260. In this manner, the inside of the processing chamber 201 is purged with N 2 gas, and ozone gas and reaction byproducts remaining in the processing chamber 201 are removed.

そして、工程S10〜S13までを1サイクルとしてこのサイクルを1サイクル行うことにより、ウェハ200上に形成されている酸化ハフニウム(HfO)膜上に第2の金属酸化膜としての酸化アルミニウム(AlO)膜を形成する。   Then, the steps S10 to S13 are set as one cycle, and this cycle is performed for one cycle, whereby an aluminum oxide (AlO) film as a second metal oxide film is formed on the hafnium oxide (HfO) film formed on the wafer 200. Form.

(サイクル工程(S14))
そして、工程S5〜S13までを1サイクルとしてこのサイクルを所定サイクル、例えば1サイクル行うことにより、ウェハ200上に、HfO膜とAlO膜との積層構造を形成する。すなわちHfO膜形成工程(工程S5〜S9)とAlO膜形成工程(S10〜S13)とを交互に所定回数、例えばそれぞれ1回ずつ行うことにより、ウェハ200上にHfO膜とAlO膜との積層構造を形成する。そして、HfO膜とAlO膜との間でHf及びAlが成膜途中に相互に拡散することにより、ウェハ200上に、第3の金属酸化膜としてのハフニウムアルミネート(HfAlO)膜が形成される。
(Cycle step (S14))
Then, the steps S5 to S13 are set as one cycle, and this cycle is performed for a predetermined cycle, for example, one cycle, thereby forming a stacked structure of the HfO film and the AlO film on the wafer 200. That is, the HfO film forming process (steps S5 to S9) and the AlO film forming process (S10 to S13) are alternately performed a predetermined number of times, for example, once each, thereby forming a laminated structure of the HfO film and the AlO film on the wafer 200. Form. Then, Hf and Al diffuse between the HfO film and the AlO film during the film formation, so that a hafnium aluminate (HfAlO) film as a third metal oxide film is formed on the wafer 200. .

なお、このとき、ウェハ200の温度はヒータ206により所定の処理温度、例えば140〜450℃、好ましくは200〜300℃となるように制御され、処理室201内の圧力は圧力調整器262により所定の処理圧力、例えば50〜800Pa、好ましくは100〜800Paとなるように制御される。すなわち、本実施形態では、AlO膜形成工程におけるウェハ200の温度、処理室201内の圧力が、HfO膜形成工程におけるウェハ200の温度、処理室201内の圧力と、それぞれ同一となるように制御している。なお、Alの微量組成制御(Hfに対するAlの添加量を微量、例えば10%以下に抑える制御)の制御性を高くすることを優先する場合、ウェハ200の温度は、AlO膜の成膜レートが低くなる低温側、例えば140〜200℃とするのがよい。なお、ウェハ200の温度をHfO膜形成工程とAlO膜形成工程とで変えることも可能であり、その場合に、Alの微量組成制御を優先させることを考慮すると、AlO膜形成工程におけるウェハ温度は140〜300℃、好ましくは140〜200℃とするのがよい。なお、処理室201内の圧力も、HfO膜形成工程とAlO膜形成工程とで変えることも可能である。また、第2液体原料としてのAl(MMP)の供給流量は、液体流量コントローラ221aにより所定の供給流量、例えば0.01〜0.2g/minとなるように制御され、酸化剤としてのOガスの供給流量は、流量コントローラ221oにより所定の供給流量、例えば200〜5000sccmとなるように制御される。 At this time, the temperature of the wafer 200 is controlled to be a predetermined processing temperature, for example, 140 to 450 ° C., preferably 200 to 300 ° C. by the heater 206, and the pressure in the processing chamber 201 is predetermined by the pressure regulator 262. For example, 50 to 800 Pa, preferably 100 to 800 Pa. That is, in the present embodiment, the temperature of the wafer 200 and the pressure in the processing chamber 201 in the AlO film forming process are controlled to be the same as the temperature of the wafer 200 and the pressure in the processing chamber 201 in the HfO film forming process, respectively. is doing. When priority is given to increasing the controllability of Al composition control (control that suppresses the amount of Al added to Hf to a small amount, for example, 10% or less), the temperature of the wafer 200 depends on the deposition rate of the AlO film. It is good to set it as the low temperature side which becomes low, for example, 140-200 degreeC. It is possible to change the temperature of the wafer 200 between the HfO film forming step and the AlO film forming step. In this case, considering that priority is given to controlling the trace composition of Al, the wafer temperature in the AlO film forming step is It is good to set it as 140-300 degreeC, Preferably it is 140-200 degreeC. Note that the pressure in the processing chamber 201 can also be changed between the HfO film forming step and the AlO film forming step. The supply flow rate of Al (MMP) 3 as the second liquid source is controlled to be a predetermined supply flow rate, for example, 0.01 to 0.2 g / min by the liquid flow rate controller 221a, and O as the oxidant. The supply flow rate of the three gases is controlled by the flow rate controller 221o so as to be a predetermined supply flow rate, for example, 200 to 5000 sccm.

また、このとき、AlO膜形成工程1回あたりに形成するAlO膜の膜厚は、HfO膜形成工程1回あたりに形成するHfO膜の膜厚を基準として、HfAlO膜の組成に従った膜厚とする。例えば、HfAlO膜の組成をHfO:AlO=100:1〜10:1の範囲内の組成とするには、HfO膜形成工程1回あたりに形成するHfO膜の膜厚を1〜10Åとし、AlO膜形成工程1回あたりに形成するAlO膜の膜厚を0.1Åとする。   At this time, the film thickness of the AlO film formed per AlO film forming process is a film thickness according to the composition of the HfAlO film with reference to the film thickness of the HfO film formed per HfO film forming process. And For example, in order to set the composition of the HfAlO film within the range of HfO: AlO = 100: 1 to 10: 1, the film thickness of the HfO film formed per HfO film formation process is set to 1 to 10 mm, and AlO The film thickness of the AlO film formed per film forming step is 0.1 mm.

なお、AlO膜形成工程と並行して、第1原料ガスを生成(予備気化)させておく。また、次のHfO膜形成工程と並行して、第2原料ガスを生成(予備気化)させておく。   In parallel with the AlO film forming step, the first source gas is generated (preliminary vaporization). In parallel with the next HfO film forming step, the second source gas is generated (preliminary vaporization).

以上のように、工程S5〜S9までのHfO膜形成工程と、工程S10〜S13までのAlO膜形成工程とを交互に所定回数行うことにより、ウェハ200上にハフニウムアルミネート(HfAlO)膜を形成する。この際、HfO膜形成工程1回あたりに形成するHfO膜の膜厚と、AlO膜形成工程1回あたりに形成するAlO膜の膜厚とをそれぞれ制御することで、HfAlO膜を構成する複数の金属元素(Hf,Al)の組成比を自由に制御する。また、成膜レートの大きく異なる2種類以上の原料を用いることで、HfO膜形成工程1回あたりに形成するHfO膜の膜厚と、AlO膜形成工程1回あたりに形成するAlO膜の膜厚と、を大きく異ならせる。これにより、HfAlO膜を構成する複数
の元素(Hf,Al)のうち、Hfに対するAlの比率を例えば数%以内に低減させるような微量組成制御を行う。また、HfAlO膜の組成を、膜厚方向(深さ方向)においてもウェハ200面内方向においても均一となるようにすることができる。
As described above, the hafnium aluminate (HfAlO) film is formed on the wafer 200 by alternately performing the HfO film forming process from steps S5 to S9 and the AlO film forming process from steps S10 to S13 a predetermined number of times. To do. At this time, by controlling the film thickness of the HfO film formed per HfO film forming process and the film thickness of the AlO film formed per AlO film forming process, a plurality of HfAlO films are formed. The composition ratio of the metal element (Hf, Al) is freely controlled. In addition, by using two or more kinds of raw materials having greatly different film formation rates, the film thickness of the HfO film formed per HfO film formation process and the film thickness of the AlO film formed per AlO film formation process. And make a big difference. As a result, among the plurality of elements (Hf, Al) constituting the HfAlO film, a small amount composition control is performed so as to reduce the ratio of Al to Hf within, for example, several percent. Further, the composition of the HfAlO film can be made uniform both in the film thickness direction (depth direction) and in the wafer 200 in-plane direction.

(基板搬出工程(S15))
その後、上述した基板搬入工程(S1)、基板載置工程(S2)に示した手順とは逆の手順により、所望膜厚・組成のHfAlO膜を形成した後のウェハ200を処理室201内から搬送室271内へ搬出して、本実施形態にかかる基板処理工程を完了する。なお、その後、ウェハ200上に形成されたHfAlO膜に対しアニール(熱処理)を施すことで、HfO膜とAlO膜との間でのHf及びAlの相互拡散はより一層促進され、HfAlO膜の組成は、膜厚方向においてもウェハ面内方向においてもより一層均一なものとなる。
(Substrate unloading step (S15))
Thereafter, the wafer 200 after the HfAlO film having a desired film thickness and composition is formed from the inside of the processing chamber 201 by a procedure reverse to the procedure shown in the substrate loading step (S1) and the substrate placing step (S2). It is carried out into the transfer chamber 271 and the substrate processing process according to this embodiment is completed. After that, annealing (heat treatment) is performed on the HfAlO film formed on the wafer 200, so that the mutual diffusion of Hf and Al between the HfO film and the AlO film is further promoted, and the composition of the HfAlO film is increased. Is more uniform both in the film thickness direction and in the wafer in-plane direction.

なお、HfO膜形成工程はCVDモードまたはALD飽和モードにて行う。   Note that the HfO film forming step is performed in a CVD mode or an ALD saturation mode.

HfO膜形成工程をCVDモードにて行う場合には、処理温度(ウェハ200の温度)を第1原料ガスが自己分解する程度の温度、例えば300℃となるように制御する。この場合、第1原料供給工程(S5)においては、第1原料ガスが自己分解し、ウェハ200上に例えば1〜5Å程度のHfを含む膜であるHfO膜が形成(堆積)される。酸化剤供給工程(S7)においては、オゾンガスにより、ウェハ200上に形成された1〜5Å程度のHfO膜からC、H等の不純物が除去される。   When the HfO film forming process is performed in the CVD mode, the processing temperature (the temperature of the wafer 200) is controlled to a temperature at which the first source gas is self-decomposed, for example, 300 ° C. In this case, in the first raw material supply step (S5), the first raw material gas is self-decomposed, and an HfO film, which is a film containing about 1 to 5% Hf, is formed (deposited) on the wafer 200. In the oxidant supply step (S7), impurities such as C and H are removed from the HfO film of about 1 to 5 mm formed on the wafer 200 by ozone gas.

HfO膜形成工程をCVDモードにて行う場合、上述の工程S5〜S8で構成されるサイクルを1サイクル行い、第1原料供給工程(S5)における第1原料ガスの供給時間を制御することで、形成されるHfO膜の膜厚を調整することができる。CVDモードでは、比較的大きな成膜速度が得られるため、HfO膜形成工程の所要時間を短縮させ、基板処理の生産性を向上させることが可能となる。なお、HfO膜形成工程1回あたりに形成されるHfO膜の膜厚(成膜速度)は、第1原料ガスの供給時間だけでなく、第1原料ガスの供給流量、ウェハ200の温度、処理室201内の圧力(第1原料ガスの分圧)等を変化させることにより調整可能することも可能である。   When performing the HfO film formation step in the CVD mode, by performing one cycle of the above-described steps S5 to S8 and controlling the supply time of the first source gas in the first source supply step (S5), The film thickness of the HfO film to be formed can be adjusted. In the CVD mode, since a relatively high film formation rate can be obtained, the time required for the HfO film formation process can be shortened, and the productivity of the substrate processing can be improved. Note that the film thickness (deposition rate) of the HfO film formed per HfO film formation step is not limited to the supply time of the first source gas, but also the supply flow rate of the first source gas, the temperature of the wafer 200, and the processing. It is also possible to adjust by changing the pressure in the chamber 201 (partial pressure of the first source gas) or the like.

HfO膜形成工程をALD飽和モードにて行う場合には、処理温度(ウェハ200の温度)を第1原料ガスが自己分解しない程度の温度、例えば200℃となるように制御する。この場合、第1原料供給工程(S5)においては、第1原料ガス分子はウェハ200上に吸着する。そしてこのとき、第1原料ガス分子の吸着量が飽和状態となるまで第1原料ガスの供給を行う。係る様子を図6に示す。図6に示すように、第1原料供給工程(S5)では、ウェハ200上への第1原料ガス分子の吸着量が飽和し、セルフリミットの効いた状態(第1原料ガス分子がそれ以上吸着することの出来ない状態)になってから第1原料ガスの供給を停止している。その後、酸化剤供給工程(S7)においては、ウェハ200上に吸着した第1原料ガス分子とオゾンガスとが反応することにより、ウェハ200上にALD飽和モードの飽和膜厚である1Å程度のHfO膜が形成される。このとき、オゾンガスにより、HfO膜中に混入しようとするC、H等の不純物が脱離する。   When the HfO film forming process is performed in the ALD saturation mode, the processing temperature (the temperature of the wafer 200) is controlled to a temperature at which the first source gas does not self-decompose, for example, 200 ° C. In this case, the first source gas molecules are adsorbed on the wafer 200 in the first source supply step (S5). At this time, the first source gas is supplied until the adsorption amount of the first source gas molecules is saturated. This is shown in FIG. As shown in FIG. 6, in the first raw material supply step (S5), the adsorption amount of the first raw material gas molecules on the wafer 200 is saturated and the self-limit is effective (the first raw material gas molecules are further absorbed). The supply of the first source gas has been stopped since it has become impossible to do so. Thereafter, in the oxidant supply step (S7), the first source gas molecules adsorbed on the wafer 200 react with ozone gas, so that an HfO film having a saturation film thickness of about 1 mm on the wafer 200 is obtained. Is formed. At this time, impurities such as C and H to be mixed into the HfO film are desorbed by the ozone gas.

HfO膜形成工程をALD飽和モードで行う場合、ウェハ200上への第1原料ガス分子の吸着が飽和するという現象を利用することで、極めて薄いHfO膜を形成することができる。また、上述したように、ウェハ200上への第1原料ガス分子の吸着量が飽和してから第1原料ガスの供給を停止しているため、第1原料供給工程(S5)終了時におけるウェハ200上への第1原料ガス分子の吸着量を安定させることができ、1サイクルあたりに形成されるHfO膜の膜厚を安定させることが可能となる。そして、上述の工程S5〜S8で構成されるサイクルのサイクル数を制御することで、形成されるHfO膜
の膜厚を再現性よく調整することが可能となる。例えば、上述のサイクルを3サイクル行うことでHfO膜の膜厚を再現性よく、例えば3Å(=1Å/サイクル×3サイクル)とすることができ、上述のサイクルを4サイクル行うことでHfO膜の膜厚を再現性よく、例えば4Å(=1Å/サイクル×4サイクル)とすることができる。
When the HfO film formation step is performed in the ALD saturation mode, an extremely thin HfO film can be formed by utilizing the phenomenon that the adsorption of the first source gas molecules on the wafer 200 is saturated. Further, as described above, since the supply of the first source gas is stopped after the adsorption amount of the first source gas molecules on the wafer 200 is saturated, the wafer at the end of the first source supply step (S5). It is possible to stabilize the amount of the first source gas molecules adsorbed on 200 and to stabilize the film thickness of the HfO film formed per cycle. And it becomes possible to adjust the film thickness of the HfO film | membrane formed with sufficient reproducibility by controlling the cycle number of the cycle comprised by the above-mentioned process S5-S8. For example, the film thickness of the HfO film can be improved with good reproducibility by performing the above-described cycle for 3 cycles, for example, 3 mm (= 1 cm / cycle × 3 cycles). The film thickness can be set to, for example, 4 mm (= 1 cm / cycle × 4 cycles) with good reproducibility.

また、AlO膜形成工程はALD飽和モードにて行う。   The AlO film forming step is performed in the ALD saturation mode.

AlO膜形成工程をALD飽和モードにて行う場合には、処理温度(ウェハ200の温度)を第2原料ガスが自己分解しない程度の温度、例えば200℃となるように制御する。この場合、第2原料供給工程(S10)においては、第2原料ガス分子はウェハ200上に吸着する。そしてこのとき、第2原料ガス分子の吸着量が飽和状態となるまで第2原料ガスの供給を行う。係る様子を図6に示す。図6に示すように、第2原料供給工程(S10)では、ウェハ200上への第2原料ガス分子の吸着量が飽和し、セルフリミットの効いた状態(第2原料ガス分子がそれ以上吸着することの出来ない状態)になってから第2原料ガスの供給を停止している。その後、酸化剤供給工程(S12)においては、ウェハ200上に吸着した第2原料とオゾンガスとが反応することにより、ウェハ200上にALD飽和モードの飽和膜厚である例えば0.1Å程度のAlO膜が形成される。このとき、オゾンガスにより、AlO膜中に混入しようとするC、H等の不純物が脱離する。   When the AlO film forming process is performed in the ALD saturation mode, the processing temperature (the temperature of the wafer 200) is controlled to a temperature at which the second source gas does not self-decompose, for example, 200 ° C. In this case, the second source gas molecules are adsorbed on the wafer 200 in the second source supply step (S10). At this time, the second source gas is supplied until the adsorption amount of the second source gas molecules is saturated. This is shown in FIG. As shown in FIG. 6, in the second raw material supply step (S10), the amount of adsorption of the second raw material gas molecules on the wafer 200 is saturated and the self-limit is effective (the second raw material gas molecules are further adsorbed). The supply of the second raw material gas has been stopped since it has become impossible to do so. After that, in the oxidant supply step (S12), the second raw material adsorbed on the wafer 200 reacts with ozone gas, so that AlO on the wafer 200 has an ALD saturation mode saturated film thickness of, for example, about 0.1 mm. A film is formed. At this time, impurities such as C and H to be mixed into the AlO film are desorbed by the ozone gas.

AlO膜形成工程をALD飽和モードにて行う場合、上述したように、極めて薄いAlO膜を形成することができる。また、1サイクルあたりに形成されるAlO膜の膜厚を安定させることが可能となる。なお、本実施形態では、上述の工程S10〜S13で構成されるサイクルを1回だけ実施する例について説明したが、このサイクルのサイクル数を制御することも可能であり、これにより、形成されるAlO膜の膜厚を再現性よく調整することが可能となる。   When the AlO film forming step is performed in the ALD saturation mode, an extremely thin AlO film can be formed as described above. In addition, the thickness of the AlO film formed per cycle can be stabilized. In this embodiment, the example in which the cycle composed of the above-described steps S10 to S13 is performed only once has been described. However, the number of cycles in this cycle can also be controlled, thereby forming the cycle. It becomes possible to adjust the thickness of the AlO film with good reproducibility.

(3)本実施形態にかかる効果
本実施形態によれば、以下に示す1つ又はそれ以上の効果を奏する。
(3) Effects According to this Embodiment According to this embodiment, one or more effects described below are exhibited.

本実施形態によれば、HfO膜形成工程とAlO膜形成工程とを交互に所定回数行うことにより、所望膜厚のハフニウムアルミネート(HfAlO)膜を形成する。これにより、HfAlO膜の組成比の制御性を向上させることが出来る。すなわち、HfO膜形成工程1回あたりに形成するHfO膜の膜厚と、AlO膜形成工程1回あたりに形成するAlO膜の膜厚とをそれぞれ調整することで、HfAlO膜を構成する複数の金属元素(Hf,Al)の組成比を自由に制御することが可能となる。なお、HfO膜形成工程1回あたりに形成するHfO膜の膜厚は、上述の工程S5〜S8を1サイクルとしてこのサイクルの実施回数を調整することで制御できる。また、AlO膜形成工程1回あたりに形成するAlO膜の膜厚は、上述の工程S10〜S13を1サイクルとしてこのサイクルの実施回数を調整することで制御出来る。   According to this embodiment, a hafnium aluminate (HfAlO) film having a desired film thickness is formed by alternately performing the HfO film forming process and the AlO film forming process a predetermined number of times. Thereby, the controllability of the composition ratio of the HfAlO film can be improved. That is, by adjusting the thickness of the HfO film formed per HfO film formation process and the thickness of the AlO film formed per AlO film formation process, a plurality of metals constituting the HfAlO film is adjusted. It becomes possible to freely control the composition ratio of the elements (Hf, Al). The film thickness of the HfO film formed per HfO film forming process can be controlled by adjusting the number of times this cycle is performed with the above-described steps S5 to S8 as one cycle. The thickness of the AlO film formed per AlO film forming step can be controlled by adjusting the number of times this cycle is performed with the above-described steps S10 to S13 as one cycle.

本実施形態によれば、成膜レートの大きく異なる2種類以上の原料を用いることで、HfO膜形成工程1回あたりに形成するHfO膜と、AlO膜形成工程1回あたりに形成するAlO膜の膜厚と、を大きく異ならせ、これにより、HfAlO膜を構成する複数の元素(Hf,Al)のうち、Hfに対するAlの比率を例えば数%以内に低減させるような微量組成制御を行うことが可能となる。例えば、第1液体原料(Hf原料)としてHf(MMP)を、第2液体原料(Al原料)としてAl(MMP)を用いることで、HfO膜形成工程1回あたりに形成するHfO膜の膜厚を例えば1.0〜10.0Åとなるように制御しつつ、AlO膜形成工程1回あたりに形成するAlO膜の膜厚を例えば0.1Åとなるように制御する。これにより、HfAlO膜中におけるHfに対するAlの組成比を、例えば1〜10%(HfO:AlO=10:1〜100:1)に低減させるような
微量組成制御を行うことが出来る。
According to the present embodiment, by using two or more kinds of raw materials having greatly different film formation rates, an HfO film formed per HfO film formation process and an AlO film formed per AlO film formation process are formed. By making the film thickness greatly different, it is possible to perform a trace composition control that reduces the ratio of Al to Hf, for example, within several percent of the plurality of elements (Hf, Al) constituting the HfAlO film. It becomes possible. For example, by using Hf (MMP) 4 as the first liquid source (Hf source) and Al (MMP) 3 as the second liquid source (Al source), the HfO film to be formed per HfO film formation step is used. While controlling the film thickness to be, for example, 1.0 to 10.0 mm, the film thickness of the AlO film formed per AlO film forming step is controlled to be, for example, 0.1 mm. As a result, it is possible to perform a trace composition control that reduces the Al composition ratio to Hf in the HfAlO film, for example, to 1 to 10% (HfO: AlO = 10: 1 to 100: 1).

本実施形態によれば、HfAlO膜の組成の均一性を、HfAlO膜の膜厚方向(深さ方向)においてもウェハ200の面内方向においてもそれぞれ向上させることが可能となる。例えば、上述の微量組成制御を行う場合であっても、AlO膜形成工程1回あたりに形成するAlO膜の膜厚を0.1Åと薄くすることで、HfO膜形成工程1回あたりに形成するHfO膜の膜厚を、積層されたHfO膜とAlO膜との間でのHf及びAlの相互拡散が妨げられない程度の厚さ、例えば1.0〜10Åの厚さとすることができる。これにより、積層されたHfO膜とAlO膜との間でのHf及びAlの相互拡散を促すことができ、HfAlO膜の組成の均一性を、HfAlO膜の膜厚方向(深さ方向)においてもウェハ200の面内方向においてもそれぞれ向上させることが出来る。   According to the present embodiment, the uniformity of the composition of the HfAlO film can be improved both in the film thickness direction (depth direction) of the HfAlO film and in the in-plane direction of the wafer 200. For example, even in the case where the above-described trace composition control is performed, the thickness of the AlO film formed per AlO film forming process is reduced to 0.1 mm to form the HO film forming process once. The film thickness of the HfO film can be set to a thickness that does not prevent interdiffusion of Hf and Al between the stacked HfO film and the AlO film, for example, a thickness of 1.0 to 10 mm. Thereby, mutual diffusion of Hf and Al between the laminated HfO film and the AlO film can be promoted, and the uniformity of the composition of the HfAlO film can be improved even in the film thickness direction (depth direction) of the HfAlO film. It can also be improved in the in-plane direction of the wafer 200, respectively.

本実施形態によれば、HfAlO膜を構成する複数の金属元素(Hf,Al)のうち組成比の小さい方の金属元素であるAlを含むAlO膜は、ALD飽和モードにて形成する。ALD飽和モードでは、ウェハ200上への第2原料ガス分子の吸着が飽和するという現象を利用することで、極めて薄い(例えば0.1Å程度)AlO膜を形成することができる。AlO膜形成工程1回あたりに形成するAlO膜の膜厚を、極めて薄くすることで、上述の微量組成制御を容易に実現することが可能となる。また、ウェハ200上への第2原料ガスの吸着量が飽和してから第2原料ガスの供給を停止するため、第2原料ガス供給工程(S10)終了時におけるウェハ200上への第2原料ガスの吸着量を安定させることができ、1サイクルあたりに形成されるAlO膜の膜厚を安定させることが可能となる。そして、上述の工程S10〜S13で構成されるサイクルのサイクル数を制御することで、形成されるAlO膜の膜厚を再現性よく調整することが可能となる。そして、HfAlO膜の組成を安定させ、基板処理の品質を向上させることが出来る。   According to this embodiment, the AlO film containing Al, which is the metal element having the smaller composition ratio among the plurality of metal elements (Hf, Al) constituting the HfAlO film, is formed in the ALD saturation mode. In the ALD saturation mode, an extremely thin (for example, about 0.1 mm) AlO film can be formed by utilizing the phenomenon that the adsorption of the second source gas molecules on the wafer 200 is saturated. By making the thickness of the AlO film formed per AlO film forming process extremely thin, the above-described trace composition control can be easily realized. Further, since the supply of the second source gas is stopped after the adsorption amount of the second source gas on the wafer 200 is saturated, the second source material on the wafer 200 at the end of the second source gas supply step (S10). The amount of gas adsorption can be stabilized, and the film thickness of the AlO film formed per cycle can be stabilized. And it becomes possible to adjust the film thickness of the AlO film | membrane formed with sufficient reproducibility by controlling the cycle number of the cycle comprised by the above-mentioned process S10-S13. Then, the composition of the HfAlO film can be stabilized and the quality of the substrate processing can be improved.

本実施形態によれば、HfAlO膜を構成する複数の金属元素(Hf,Al)のうち組成比の大きい方の金属元素であるHfを含むHfO膜は、CVDモードもしくはALD飽和モードにて形成する。HfO膜形成工程をCVDモードにて行う場合、比較的大きな成膜速度が得られため、HfO膜形成工程の所要時間を短縮させ、基板処理の生産性を向上させることが可能となる。また、HfO膜形成工程をALD飽和モードで行う場合、上述したように、ウェハ200上への第1原料ガスの吸着量が飽和してから第1原料ガスの供給を停止するため、第1原料供給工程(S5)終了時におけるウェハ200上への第1原料ガスの吸着量を安定させることができ、1サイクルあたりに形成されるHfO膜の膜厚を安定させることが可能となる。そして、上述の工程S5〜S8で構成されるサイクルのサイクル数を制御することで、形成されるHfO膜の膜厚を再現性よく調整することが可能となる。そして、HfAlO膜の組成を安定させ、基板処理の品質を向上させることが出来る。   According to the present embodiment, the HfO film containing Hf, which is the metal element having the larger composition ratio among the plurality of metal elements (Hf, Al) constituting the HfAlO film, is formed in the CVD mode or the ALD saturation mode. . When the HfO film forming process is performed in the CVD mode, a relatively large film forming speed can be obtained, so that the time required for the HfO film forming process can be shortened and the substrate processing productivity can be improved. Further, when the HfO film forming process is performed in the ALD saturation mode, as described above, the supply of the first source gas is stopped after the adsorption amount of the first source gas on the wafer 200 is saturated. The adsorption amount of the first source gas onto the wafer 200 at the end of the supplying step (S5) can be stabilized, and the film thickness of the HfO film formed per cycle can be stabilized. And it becomes possible to adjust the film thickness of the HfO film | membrane formed with sufficient reproducibility by controlling the cycle number of the cycle comprised by the above-mentioned process S5-S8. Then, the composition of the HfAlO film can be stabilized and the quality of the substrate processing can be improved.

本実施形態によれば、HfO膜形成工程におけるウェハ200の温度と、AlO膜形成工程におけるウェハ200の温度とを、同一温度とすることができる。すなわち、工程S5〜S8までを1サイクルとしてこのサイクルを所定サイクル行うサイクル工程(S9)と、工程S10〜S13までの工程とを、同一の温度(例えば250〜300℃)で行うことができる。係る場合、基板処理中における温度調整時間(待ち時間)の発生を回避させ、基板処理の生産性を向上させることが可能となる。   According to the present embodiment, the temperature of the wafer 200 in the HfO film forming process and the temperature of the wafer 200 in the AlO film forming process can be set to the same temperature. That is, a cycle step (S9) in which steps S5 to S8 are defined as one cycle and this cycle is performed for a predetermined cycle, and steps S10 to S13 can be performed at the same temperature (for example, 250 to 300 ° C.). In such a case, it is possible to avoid the occurrence of temperature adjustment time (waiting time) during the substrate processing and to improve the substrate processing productivity.

本実施形態によれば、HfO膜形成工程における処理室201内の圧力と、AlO膜形成工程における処理室201内の圧力とを、同一圧力とすることができる。すなわち、工程S5〜S8までを1サイクルとしてこのサイクルを所定サイクル行うサイクル工程(S9)と、工程S10〜S13までの工程とを、同一の圧力(例えば100〜800Pa)で行うことができる。係る場合、基板処理中における圧力調整時間(待ち時間)の発生を
回避させ、基板処理の生産性を向上させることが可能となる。
According to this embodiment, the pressure in the processing chamber 201 in the HfO film forming step and the pressure in the processing chamber 201 in the AlO film forming step can be set to the same pressure. That is, a cycle step (S9) in which steps S5 to S8 are defined as one cycle and this cycle is performed for a predetermined cycle, and steps S10 to S13 can be performed at the same pressure (for example, 100 to 800 Pa). In such a case, it is possible to avoid the occurrence of pressure adjustment time (waiting time) during the substrate processing and improve the productivity of the substrate processing.

本実施形態によれば、酸化剤供給工程(S7)においては、オゾンガスにより、CVDモードで形成したHfO膜からC、H等の不純物を除去させたり、ALD飽和モードで形成するHfO膜中に混入しようとするC、H等の不純物を脱離させたりすることができる。また、酸化剤供給工程(S12)においては、オゾンガスにより、ALD飽和モードで形成するAlO膜中に混入しようとするC、H等の不純物を脱離させることができる。その結果、HfAlO膜の膜質を向上させることが出来る。   According to the present embodiment, in the oxidant supply step (S7), impurities such as C and H are removed from the HfO film formed in the CVD mode by ozone gas, or mixed in the HfO film formed in the ALD saturation mode. Impurities such as C and H to be eliminated can be eliminated. Further, in the oxidant supply step (S12), impurities such as C and H which are to be mixed into the AlO film formed in the ALD saturation mode can be desorbed by ozone gas. As a result, the film quality of the HfAlO film can be improved.

<本発明の他の実施形態>
以上、本発明の実施形態を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
<Other Embodiments of the Present Invention>
As mentioned above, although embodiment of this invention was described concretely, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, It can change variously in the range which does not deviate from the summary.

例えば、上述の実施形態では、第1の金属元素がHfであり、第2の金属元素がAlである場合について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されない。すなわち、第1の金属元素がZr(ジルコニウム)、Ti(チタン)、Al(アルミニウム)、La(ランタン)、Si(シリコン)、Nb(ニオブ)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)、Ta(タンタル)、Y(イットリウム)のいずれかであり、第2の金属元素がHf(ハフニウム)、Zr(ジルコニウム)、Ti(チタン)、Al(アルミニウム)、La(ランタン)、Si(シリコン)、Nb(ニオブ)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)、Ta(タンタル)、Y(イットリウム)のいずれかである場合にも好適に適用可能である。例えば、第1の金属元素がZrであり、第2の金属元素がAlであり、第3の金属酸化膜としてZrAlO(ジルコニウムアルミネート)膜を形成する場合についても好適に適用できる。   For example, in the above-described embodiment, the case where the first metal element is Hf and the second metal element is Al has been described. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment. That is, the first metal element is Zr (zirconium), Ti (titanium), Al (aluminum), La (lanthanum), Si (silicon), Nb (niobium), Sr (strontium), Ba (barium), Ta ( Tantalum) or Y (yttrium), and the second metal element is Hf (hafnium), Zr (zirconium), Ti (titanium), Al (aluminum), La (lanthanum), Si (silicon), Nb (Niobium), Sr (strontium), Ba (barium), Ta (tantalum), and Y (yttrium) are also suitably applicable. For example, the present invention can also be suitably applied to a case where the first metal element is Zr, the second metal element is Al, and a ZrAlO (zirconium aluminate) film is formed as the third metal oxide film.

また、上述の実施形態では、2種類の金属元素により構成される金属酸化膜の組成比を制御する例について説明したが、本発明は3種類以上の金属元素により構成される金属酸化膜の組成比を制御する場合にも適用できる。   In the above-described embodiment, the example of controlling the composition ratio of the metal oxide film composed of two kinds of metal elements has been described. However, the present invention describes the composition of the metal oxide film composed of three or more kinds of metal elements. It can also be applied when controlling the ratio.

また、上述の実施形態では、基板処理装置として1度に1枚の基板を処理する枚葉式の装置を用いて成膜する例について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されない。例えば、基板処理装置として1度に複数枚の基板を処理するバッチ式の縦型装置を用いて成膜するようにしてもよい。以下、この縦型装置について説明する。   Moreover, although the above-mentioned embodiment demonstrated the example which forms into a film using the single-wafer | sheet-fed apparatus which processes one board | substrate at a time as a substrate processing apparatus, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment. For example, the film may be formed using a batch type vertical apparatus that processes a plurality of substrates at a time as the substrate processing apparatus. Hereinafter, this vertical apparatus will be described.

図12は、本実施形態で好適に用いられる縦型装置の縦型処理炉の概略構成図であり、(a)は、処理炉302部分を縦断面で示し、(b)は、処理炉302部分を図12(a)のA−A線断面図で示す。   FIG. 12 is a schematic configuration diagram of a vertical processing furnace of a vertical apparatus preferably used in the present embodiment. FIG. 12A shows a processing furnace 302 portion in a vertical cross section, and FIG. 12B shows a processing furnace 302. The portion is shown by a cross-sectional view along the line AA in FIG.

図12(a)に示されるように、処理炉302は加熱手段(加熱機構)としてのヒータ307を有する。ヒータ307は円筒形状であり、保持板としてのヒータベース(図示せず)に支持されることにより垂直に据え付けられている。   As shown in FIG. 12A, the processing furnace 302 has a heater 307 as a heating means (heating mechanism). The heater 307 has a cylindrical shape and is vertically installed by being supported by a heater base (not shown) as a holding plate.

ヒータ307の内側には、ヒータ307と同心円状に反応管としてのプロセスチューブ303が配設されている。プロセスチューブ303は、例えば石英(SiO)や炭化シリコン(SiC)等の耐熱性材料からなり、上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に形成されている。プロセスチューブ303の筒中空部には処理室301が形成されており、基板としてのウェハ200を、後述するボート317によって水平姿勢で垂直方向に多段に整列した状態で収容可能に構成されている。 Inside the heater 307, a process tube 303 as a reaction tube is disposed concentrically with the heater 307. The process tube 303 is made of a heat-resistant material such as quartz (SiO 2 ) or silicon carbide (SiC), and has a cylindrical shape with the upper end closed and the lower end opened. A processing chamber 301 is formed in a cylindrical hollow portion of the process tube 303 so that wafers 200 as substrates can be accommodated in a state of being aligned in multiple stages in a vertical posture in a horizontal posture by a boat 317 described later.

プロセスチューブ303の下方には、プロセスチューブ303と同心円状にマニホール
ド309が配設されている。マニホールド309は、例えばステンレス等からなり、上端及び下端が開口した円筒形状に形成されている。マニホールド309は、プロセスチューブ303に係合しており、プロセスチューブ303を支持するように設けられている。なお、マニホールド309とプロセスチューブ303との間には、シール部材としてのOリング320aが設けられている。マニホールド309がヒータベースに支持されることにより、プロセスチューブ303は垂直に据え付けられた状態となっている。プロセスチューブ303とマニホールド309とにより反応容器が形成される。
A manifold 309 is disposed below the process tube 303 concentrically with the process tube 303. The manifold 309 is made of, for example, stainless steel and is formed in a cylindrical shape with an upper end and a lower end opened. The manifold 309 is engaged with the process tube 303 and is provided to support the process tube 303. An O-ring 320a as a seal member is provided between the manifold 309 and the process tube 303. Since the manifold 309 is supported by the heater base, the process tube 303 is vertically installed. A reaction vessel is formed by the process tube 303 and the manifold 309.

マニホールド309には、第1ガス導入部としての第1ノズル333aと、第2ガス導入部としての第2ノズル333bとが、マニホールド309の側壁を貫通するように接続されている。第1ノズル333aと第2ノズル333bは、それぞれ水平部と垂直部とを有するL字形状であり、水平部がマニホールド309に接続され、垂直部がプロセスチューブ303の内壁とウェハ200との間における円弧状の空間に、プロセスチューブ303の下部より上部の内壁に沿ってウェハ200の積載方向に向かって立ち上がるように設けられている。第1ノズル333a、第2ノズル333bの垂直部の側面には、ガスを供給する供給孔である第1ガス供給孔348a、第2ガス供給孔348bがそれぞれ設けられている。この第1ガス供給孔348a、第2ガス供給孔348bは、それぞれ下部から上部にわたって同一の開口面積を有し、更に同じ開口ピッチで設けられている。   A first nozzle 333 a as a first gas introduction part and a second nozzle 333 b as a second gas introduction part are connected to the manifold 309 so as to penetrate the side wall of the manifold 309. Each of the first nozzle 333a and the second nozzle 333b has an L shape having a horizontal portion and a vertical portion, the horizontal portion is connected to the manifold 309, and the vertical portion is between the inner wall of the process tube 303 and the wafer 200. It is provided in an arc-shaped space so as to rise from the lower part of the process tube 303 along the inner wall above the process tube 303 in the loading direction of the wafer 200. A first gas supply hole 348a and a second gas supply hole 348b, which are supply holes for supplying gas, are provided on the side surfaces of the vertical portions of the first nozzle 333a and the second nozzle 333b, respectively. The first gas supply hole 348a and the second gas supply hole 348b have the same opening area from the lower part to the upper part, and are provided at the same opening pitch.

第1ノズル333a、第2ノズル333bに接続されるガス供給系は、上述の実施形態と同様である。ただし、本実施形態では、第1ノズル333aに原料ガス供給管213が接続され、第2ノズル333bにオゾンガス供給管213oが接続される点が、上述の実施形態と異なる。すなわち、本実施形態では、原料ガス(第1原料ガス、第2原料ガス)と、オゾンガスとを、別々のノズルにより供給する。なお、さらに各原料ガスを別々のノズルにより供給するようにしてもよい。   The gas supply system connected to the first nozzle 333a and the second nozzle 333b is the same as in the above-described embodiment. However, the present embodiment is different from the above-described embodiment in that the source gas supply pipe 213 is connected to the first nozzle 333a and the ozone gas supply pipe 213o is connected to the second nozzle 333b. That is, in this embodiment, source gas (first source gas, second source gas) and ozone gas are supplied by separate nozzles. In addition, you may make it supply each raw material gas with a separate nozzle.

マニホールド309には、処理室301内の雰囲気を排気する排気管331が設けられている。排気管331には、圧力検出器としての圧力センサ345及び圧力調整器としてのAPC(Auto Pressure Controller)バルブ342を介して、真空排気装置としての真空ポンプ346が接続されており、圧力センサ345により検出された圧力情報に基づきAPCバルブ342を調整することで、処理室301内の圧力が所定の圧力(真空度)となるよう真空排気し得るように構成されている。なお、APCバルブ342は弁を開閉して処理室301内の真空排気・真空排気停止ができ、更に弁開度を調整して処理室301内の圧力を調整することができるよう構成されている開閉弁である。   The manifold 309 is provided with an exhaust pipe 331 that exhausts the atmosphere in the processing chamber 301. A vacuum pump 346 as an evacuation device is connected to the exhaust pipe 331 through a pressure sensor 345 as a pressure detector and an APC (Auto Pressure Controller) valve 342 as a pressure regulator. By adjusting the APC valve 342 based on the detected pressure information, the processing chamber 301 is configured to be evacuated so that the pressure in the processing chamber 301 becomes a predetermined pressure (degree of vacuum). Note that the APC valve 342 is configured to open and close the valve to evacuate / stop evacuation in the processing chamber 301, and to adjust the valve opening to adjust the pressure in the processing chamber 301. Open / close valve.

マニホールド309の下方には、マニホールド309の下端開口を気密に閉塞可能な炉口蓋体としてのシールキャップ319が設けられている。シールキャップ319は、マニホールド309の下端に垂直方向下側から当接されるようになっている。シールキャップ319は、例えばステンレス等の金属からなり、円盤状に形成されている。シールキャップ319の上面には、マニホールド309の下端と当接するシール部材としてのOリング320bが設けられている。シールキャップ319の処理室301と反対側には、後述するボート317を回転させる回転機構367が設置されている。回転機構367の回転軸355は、シールキャップ319を貫通して、ボート317に接続されており、ボート317を回転させることでウェハ200を回転させるように構成されている。シールキャップ319は、プロセスチューブ303の外部に配置された昇降機構としてのボートエレベータ315によって、垂直方向に昇降されるように構成されており、これによりボート317を処理室301内に対し搬入搬出することが可能となっている。   Below the manifold 309, a seal cap 319 is provided as a furnace port lid that can airtightly close the lower end opening of the manifold 309. The seal cap 319 is brought into contact with the lower end of the manifold 309 from the lower side in the vertical direction. The seal cap 319 is made of a metal such as stainless steel and is formed in a disk shape. On the upper surface of the seal cap 319, an O-ring 320b is provided as a seal member that contacts the lower end of the manifold 309. On the opposite side of the seal cap 319 from the processing chamber 301, a rotation mechanism 367 for rotating a boat 317 described later is installed. A rotation shaft 355 of the rotation mechanism 367 passes through the seal cap 319 and is connected to the boat 317, and is configured to rotate the wafer 200 by rotating the boat 317. The seal cap 319 is configured to be moved up and down in a vertical direction by a boat elevator 315 as an elevating mechanism disposed outside the process tube 303, and thereby the boat 317 is carried into and out of the processing chamber 301. It is possible.

基板保持具としてのボート317は、例えば石英や炭化珪素等の耐熱材料からなり、複
数枚のウェハ200を水平姿勢でかつ互いに中心を揃えた状態で整列させて多段に保持するように構成されている。なお、ボート317の下部には、例えば石英や炭化珪素等の耐熱材料からなる断熱部材318が設けられており、ヒータ307からの熱がシールキャップ319側に伝わりにくくなるように構成されている。プロセスチューブ303内には、温度検出器としての温度センサ363が設置されており、温度センサ363により検出された温度情報に基づきヒータ307への通電具合を調整することにより、処理室301内の温度が所定の温度分布となるように構成されている。温度センサ363は、第1ノズル333a及び第2ノズル333bと同様に、プロセスチューブ303の内壁に沿って設けられている。
The boat 317 as a substrate holder is made of a heat-resistant material such as quartz or silicon carbide, and is configured to hold a plurality of wafers 200 in a horizontal posture and in a state where the centers are aligned with each other and held in multiple stages. Yes. A heat insulating member 318 made of a heat resistant material such as quartz or silicon carbide is provided at the lower part of the boat 317 so that heat from the heater 307 is not easily transmitted to the seal cap 319 side. A temperature sensor 363 as a temperature detector is installed in the process tube 303, and the temperature in the processing chamber 301 is adjusted by adjusting the power supply to the heater 307 based on the temperature information detected by the temperature sensor 363. Is configured to have a predetermined temperature distribution. The temperature sensor 363 is provided along the inner wall of the process tube 303, similarly to the first nozzle 333a and the second nozzle 333b.

制御部(制御手段)であるコントローラ380は、APCバルブ342、ヒータ307、温度センサ363、真空ポンプ346、回転機構367、ボートエレベータ315、バルブvh1〜vh6、va1〜va6、vo3〜vo6、液体流量コントローラ221h,221a、流量コントローラ224h,224a,221o,222o,224o,225h,225a等の動作を制御する。   A controller 380 as a control unit (control means) includes an APC valve 342, a heater 307, a temperature sensor 363, a vacuum pump 346, a rotation mechanism 367, a boat elevator 315, valves vh1 to vh6, va1 to va6, vo3 to vo6, and a liquid flow rate. Operations of the controllers 221h and 221a, flow rate controllers 224h, 224a, 221o, 222o, 224o, 225h, 225a and the like are controlled.

次に、上記構成にかかる縦型装置の処理炉302を用いて、半導体装置の製造工程の一工程として、ウェハ200上に薄膜を形成する基板処理工程について説明する。なお、以下の説明において、縦型装置を構成する各部の動作は、コントローラ380により制御される。   Next, a substrate processing step of forming a thin film on the wafer 200 as one step of the semiconductor device manufacturing process using the processing furnace 302 of the vertical apparatus according to the above configuration will be described. In the following description, the operation of each part constituting the vertical apparatus is controlled by the controller 380.

複数枚のウェハ200をボート317に装填(ウェハチャージ)する。そして、図12(a)に示すように、複数枚のウェハ200を保持したボート317を、ボートエレベータ315によって持ち上げて処理室301内に搬入(ボートロード)する。この状態で、シールキャップ319はOリング320bを介してマニホールド309の下端をシールした状態となる。   A plurality of wafers 200 are loaded into the boat 317 (wafer charge). Then, as shown in FIG. 12A, the boat 317 holding the plurality of wafers 200 is lifted by the boat elevator 315 and loaded into the processing chamber 301 (boat loading). In this state, the seal cap 319 is in a state of sealing the lower end of the manifold 309 via the O-ring 320b.

処理室301内が所望の圧力(真空度)となるように、真空ポンプ346によって処理室301内を真空排気する。この際、処理室301内の圧力を圧力センサ345で測定して、この測定された圧力に基づき、APCバルブ342をフィードバック制御する。また、処理室301内が所望の温度となるように、ヒータ307によって加熱する。この際、処理室301内が所望の温度分布となるように、温度センサ363が検出した温度情報に基づきヒータ307への通電具合をフィードバック制御する。続いて、回転機構367によりボート317を回転させることで、ウェハ200を回転させる。   The inside of the processing chamber 301 is evacuated by a vacuum pump 346 so that the inside of the processing chamber 301 has a desired pressure (degree of vacuum). At this time, the pressure in the processing chamber 301 is measured by the pressure sensor 345, and the APC valve 342 is feedback-controlled based on the measured pressure. In addition, heating is performed by the heater 307 so that the inside of the processing chamber 301 has a desired temperature. At this time, feedback control of the power supply to the heater 307 is performed based on the temperature information detected by the temperature sensor 363 so that the inside of the processing chamber 301 has a desired temperature distribution. Then, the wafer 200 is rotated by rotating the boat 317 by the rotation mechanism 367.

その後、例えば上述の実施形態と同様に、工程S5〜S9までのHfO膜形成工程と、工程S10〜S13までのAlO膜形成工程と、を交互に所定回数行う工程(S14)を実施することにより、ウェハ200上に所望膜厚のハフニウムアルミネート(HfAlO)膜を形成する。   After that, for example, similarly to the above-described embodiment, by performing the step (S14) of alternately performing the HfO film forming step from steps S5 to S9 and the AlO film forming step from steps S10 to S13 a predetermined number of times. Then, a hafnium aluminate (HfAlO) film having a desired film thickness is formed on the wafer 200.

その後、ボートエレベータ315によりシールキャップ319を下降させて、マニホールド309の下端を開口させるとともに、所望膜厚のHfAlO膜が形成された後のウェハ200を、ボート317に保持させた状態でマニホールド309の下端からプロセスチューブ303の外部に搬出(ボートアンロード)する。その後、処理済のウェハ200をボート317より取り出す(ウェハディスチャージ)。   Thereafter, the seal cap 319 is lowered by the boat elevator 315 to open the lower end of the manifold 309, and the wafer 200 after the HfAlO film having a desired film thickness is formed is held in the boat 317 in the state of the manifold 309. Unload from the lower end of the process tube 303 (boat unload). Thereafter, the processed wafer 200 is taken out from the boat 317 (wafer discharge).

以下に、本発明の実施例について説明する。   Examples of the present invention will be described below.

(CVDモードによるHfO膜の成膜)
まず、ウェハを収容した処理室内へのHf原料導入→Hf原料パージ→酸化剤導入→酸化剤パージを1サイクルとし、このサイクルを1回以上行うことでウェハ上にHfO膜を形成した。図9に、1サイクルあたりのHf原料供給時間と、1サイクルあたりに形成されるHfO膜の膜厚(成膜速度)との関係を示す。図9の横軸は1サイクルあたりのHf原料供給時間(sec)を示しており、縦軸は1サイクルあたりに形成されるHfO膜の膜厚(Å/Cycle)を示している。成膜条件としては、各ステップにおけるウェハ温度を450℃とし、各ステップにおける処理室内圧力を100Paとし、Hf原料としてHf(MMP)を用い、酸化剤としてOを用い、Hf(MMP)の供給流量を0.05g/minとし、Oガスの供給流量を2000sccmとし、Hf原料の供給時間を14〜30秒の範囲で変化させた。
(HfO film formation by CVD mode)
First, Hf raw material introduction into the processing chamber containing the wafer → Hf raw material purge → oxidant introduction → oxidant purge was made one cycle, and this cycle was performed once or more to form an HfO film on the wafer. FIG. 9 shows the relationship between the Hf raw material supply time per cycle and the film thickness (deposition rate) of the HfO film formed per cycle. The horizontal axis in FIG. 9 indicates the Hf raw material supply time (sec) per cycle, and the vertical axis indicates the film thickness (Å / Cycle) of the HfO film formed per cycle. As the film forming conditions, the wafer temperature in each step is 450 ° C., the pressure in the processing chamber in each step is 100 Pa, Hf (MMP) 4 is used as the Hf raw material, O 3 is used as the oxidizing agent, and Hf (MMP) 4 is used. The supply flow rate of 0.05 g / min, the supply flow rate of O 3 gas was 2000 sccm, and the supply time of the Hf raw material was changed in the range of 14 to 30 seconds.

この図から、ウェハ温度が450℃である場合、1サイクルあたりのHf原料供給時間が14秒であれば、1サイクルあたりに形成されるHfO膜の膜厚は7.27Å程度となり、1サイクルあたりのHf原料供給時間が30秒であれば、1サイクルあたりに形成されるHfO膜の膜厚は10.5Å程度となることが分かる。このように、Hf(MMP)をウェハ温度450℃で用いた成膜は、1サイクルあたりに形成されるHfO膜の膜厚がHf原料の供給時間の経過と共に変化するため、ALD飽和モードではなく、CVDモードであることが分かる。そして、ウェハ温度450℃では、1サイクルあたりのHf原料供給時間によって、1サイクルあたりに形成されるHfO膜の膜厚を少なくとも7.27〜10.5Åの範囲で制御できることが分かる。 From this figure, when the wafer temperature is 450 ° C., if the Hf raw material supply time per cycle is 14 seconds, the film thickness of the HfO film formed per cycle is about 7.27 mm. If the Hf raw material supply time is 30 seconds, the film thickness of the HfO film formed per cycle is about 10.5 mm. Thus, in the film formation using Hf (MMP) 4 at a wafer temperature of 450 ° C., the film thickness of the HfO film formed per cycle changes with the passage of the supply time of the Hf raw material. It turns out that it is CVD mode. It can be seen that at a wafer temperature of 450 ° C., the film thickness of the HfO film formed per cycle can be controlled in the range of at least 7.27 to 10.5 mm depending on the Hf raw material supply time per cycle.

(ALD飽和モードによるHfO膜の成膜)
次に、ウェハ温度及び処理室内圧力をそれぞれ低下させ、ウェハを収容した処理室内へのHf原料導入→Hf原料パージ→酸化剤導入→酸化剤パージを1サイクルとし、このサイクルを1回以上行うことでウェハ上にHfO膜を形成した。図10に、1サイクルあたりのHf原料供給時間と、1サイクルあたりに形成されるHfO膜の膜厚との関係を示す。図10の横軸は1サイクルあたりのHf原料供給時間(sec)を示しており、縦軸は1サイクルあたりに形成されるHfO膜の膜厚(Å/Cycle)を示している。成膜条件としては、各ステップにおけるウェハ温度を250℃とし、各ステップにおける処理室内圧力を100Paとし、Hf原料としてHf(MMP)を用い、酸化剤としてOガスを用い、Hf(MMP)の供給流量を0.05g/minとし、Oガスの供給流量を2000sccmとし、Hf原料の供給時間は2〜30秒の範囲で変化させた。
(HfO film formation by ALD saturation mode)
Next, the wafer temperature and the pressure in the processing chamber are lowered, and Hf source introduction into the processing chamber containing the wafer → Hf source purge → oxidant introduction → oxidant purge is set as one cycle, and this cycle is performed once or more. Thus, an HfO film was formed on the wafer. FIG. 10 shows the relationship between the Hf raw material supply time per cycle and the film thickness of the HfO film formed per cycle. The horizontal axis in FIG. 10 indicates the Hf raw material supply time (sec) per cycle, and the vertical axis indicates the film thickness (Å / Cycle) of the HfO film formed per cycle. As the film forming conditions, the wafer temperature in each step is 250 ° C., the pressure in the processing chamber in each step is 100 Pa, Hf (MMP) 4 is used as the Hf raw material, O 3 gas is used as the oxidizing agent, and Hf (MMP) The supply flow rate of No. 4 was 0.05 g / min, the supply flow rate of O 3 gas was 2000 sccm, and the supply time of the Hf raw material was changed in the range of 2 to 30 seconds.

この図から、ウェハ温度が250℃、処理室内圧力が100Paであれば、1サイクルあたりに形成されるHfO膜の膜厚は、Hf原料の供給時間が2〜30秒の範囲では、常に1.1Å程度に安定することが分かる。そして、1サイクルあたりに形成されるHfO膜の膜厚がHf原料の供給時間によらず一定であることから、Hf(MMP)をウェハ温度250℃、処理室内圧力100Paで用いた成膜は、CVDモードではなくALD飽和モードであることが分かる。そして、Hf原料導入→Hf原料パージ→酸化剤導入→酸化剤パージを1サイクルとするサイクルの実施回数を調整することで、HfO膜の膜厚を再現性よく調整することが可能であることが分かる。 From this figure, when the wafer temperature is 250 ° C. and the processing chamber pressure is 100 Pa, the film thickness of the HfO film formed per cycle is always 1. It can be seen that it stabilizes to about 1 mm. Since the film thickness of the HfO film formed per cycle is constant regardless of the supply time of the Hf material, the film formation using Hf (MMP) 4 at a wafer temperature of 250 ° C. and a processing chamber pressure of 100 Pa is performed. It can be seen that this is not the CVD mode but the ALD saturation mode. And it is possible to adjust the film thickness of the HfO film with good reproducibility by adjusting the number of executions of a cycle in which Hf raw material introduction → Hf raw material purge → oxidant introduction → oxidant purge is one cycle. I understand.

(ALD飽和モードによるAlO膜の成膜)
ウェハを収容した処理室内へのAl原料導入→Al原料パージ→酸化剤導入→酸化剤パージを1サイクルとし、このサイクルを1回以上行うことでウェハ上にAlO膜を形成した。図11に、サイクル数とその際形成されるAlO膜の累積膜厚との関係を示す。図11の横軸はAlO膜成膜ステップのサイクル数を示しており、縦軸はAlO膜の累積膜厚(Å)を示している。成膜条件としては、各ステップにおけるウェハ温度を140℃とし、各ステップにおける処理室内圧力を100Paとし、Al原料としてAl(MMP)を用い、酸化剤としてOガスを用い、Al(MMP)の供給流量を0.05g/mi
nとし、Oガスの供給流量を500sccmとし、Al原料のサイクル数は5〜40サイクルの範囲で変化させた。
(AlO film formation by ALD saturation mode)
Al source film introduction into the processing chamber containing the wafer → Al source purge → oxidant introduction → oxidant purge was made one cycle, and this cycle was performed once or more to form an AlO film on the wafer. FIG. 11 shows the relationship between the number of cycles and the cumulative film thickness of the AlO film formed at that time. The horizontal axis in FIG. 11 indicates the number of cycles of the AlO film forming step, and the vertical axis indicates the accumulated film thickness (Å) of the AlO film. As film formation conditions, the wafer temperature in each step is 140 ° C., the processing chamber pressure in each step is 100 Pa, Al (MMP) 3 is used as the Al source, O 3 gas is used as the oxidizing agent, and Al (MMP) The supply flow rate of 3 is 0.05 g / mi
n, the supply flow rate of O 3 gas was 500 sccm, and the number of cycles of the Al raw material was changed in the range of 5 to 40 cycles.

図11によれば、サイクル数が5サイクルのときのAlO膜の累積膜厚は2.2Åであり、40サイクルのときのAlO膜の累積膜厚は5.5Åであった。従って、この図から、ウェハ温度が140℃、処理室内圧力が100Paであれば、1サイクルあたりに形成されるAlO膜の膜厚(成膜速度)は、(5.5Å−2.2Å)/(40サイクル−5サイクル)=0.09Å/サイクル程度に安定することが分かる。そして、Al原料導入→Al原料パージ→酸化剤導入→酸化剤パージを1サイクルとするサイクルの実施回数を調整することで、AlO膜の膜厚を再現性よく調整することが可能であることが分かる。   According to FIG. 11, the cumulative thickness of the AlO film when the number of cycles was 5 was 2.2 mm, and the cumulative thickness of the AlO film when the number of cycles was 40 cycles was 5.5 mm. Therefore, from this figure, when the wafer temperature is 140 ° C. and the processing chamber pressure is 100 Pa, the film thickness (deposition rate) of the AlO film formed per cycle is (5.5 mm−2.2 mm) / It can be seen that (40 cycles-5 cycles) = 0.09 Å / cycle. And it is possible to adjust the film thickness of the AlO film with good reproducibility by adjusting the number of executions of the cycle in which Al source introduction → Al source purge → oxidant introduction → oxidant purge is one cycle. I understand.

(まとめ)
図10、図11によれば、HfO膜形成ステップにおけるウェハ温度を250℃、AlO膜形成ステップにおけるウェハ温度を140℃、各ステップにおける処理室内圧力が100Paの条件下において、(1)Hf原料導入(導入時間2秒)→Hf原料パージ→酸化剤導入→酸化剤パージを1サイクル実行することによる膜厚1.11ÅのHfO膜の成膜を行い、(2)Al原料導入(導入時間20秒)→Al原料パージ→酸化剤導入→酸化剤パージを1サイクル実行することによる膜厚0.09ÅのAlO膜の成膜を行い、(1)と(2)とを、交互に所定回数行うことでHfAlO膜の成膜を行うことにより、HfOとAlOとの組成比が92.5:7.5であるようなHfAlO膜(微量AlO組成の膜)を形成することが出来ることが分かる。係る場合、HfAlO膜全体に対するAlOの組成比は7.5%となる。
(Summary)
10 and 11, under the conditions that the wafer temperature in the HfO film formation step is 250 ° C., the wafer temperature in the AlO film formation step is 140 ° C., and the processing chamber pressure in each step is 100 Pa, (1) Hf raw material introduction (Introduction time 2 seconds) → Hf raw material purge → oxidizer introduction → oxidant purge is performed to form a HfO film having a thickness of 1.11 mm by executing one cycle, and (2) Al raw material introduction (introduction time 20 seconds) ) → Al raw material purge → oxidant introduction → oxidant purge is performed to form an AlO film having a thickness of 0.09 mm, and (1) and (2) are alternately performed a predetermined number of times. The HfAlO film can be formed by forming a HfAlO film (a film having a trace AlO composition) in which the composition ratio of HfO and AlO is 92.5: 7.5. It can be seen. In such a case, the composition ratio of AlO to the entire HfAlO film is 7.5%.

また、図10、図11によれば、HfO膜形成ステップにおけるウェハ温度を250℃、AlO膜形成ステップにおけるウェハ温度を140℃、各ステップにおける処理室内圧力が100Paの条件下において、(1)Hf原料導入(導入時間2秒)→Hf原料パージ→酸化剤導入→酸化剤パージを1〜10サイクル実行することによる膜厚1.11〜11.1ÅのHfO膜の成膜と、(2)Al原料導入(導入時間20秒)→Al原料パージ→酸化剤導入→酸化剤パージを1サイクル実行することによる膜厚0.09ÅのAlO膜の成膜とを、交互に所定回数行うことでHfAlO膜の成膜を行うことにより、HfOとAlOとの組成比が99.2:0.8〜92.5:7.5であるようなHfAlO膜(微量AlO組成の膜)を形成することが出来ることが分かる。係る場合、HfAlO膜全体に対するAlOの組成比は0.8〜7.5%となる。このように、HfO膜の膜厚は、飽和ALD成膜のサイクル数で調整するようにしてもよい。   10 and 11, under the conditions that the wafer temperature in the HfO film formation step is 250 ° C., the wafer temperature in the AlO film formation step is 140 ° C., and the processing chamber pressure in each step is 100 Pa, (1) Hf Raw material introduction (introduction time: 2 seconds) → Hf raw material purge → oxidant introduction → oxidant purge by performing 1 to 10 cycles to form a HfO film having a thickness of 1.11 to 11.1 mm, and (2) Al Raw material introduction (introduction time 20 seconds) → Al raw material purge → oxidant introduction → oxidation purge is performed by one cycle, and an AlO film having a film thickness of 0.09 mm is alternately formed a predetermined number of times to form an HfAlO film As a result, an HfAlO film (film with a trace AlO composition) in which the composition ratio of HfO and AlO is 99.2: 0.8 to 92.5: 7.5 is formed. You bet it can be seen that can be. In such a case, the composition ratio of AlO to the entire HfAlO film is 0.8 to 7.5%. Thus, the film thickness of the HfO film may be adjusted by the number of cycles of saturated ALD film formation.

以上の通り、HfO膜をCVDモードもしくはALD飽和モードにて形成し、AlO膜をALD飽和モードにて形成することにより、少なくともHfO:AlO=99.2:0.8〜92.5:7.5(HfAlO膜全体に対するAlOの組成比は0.8〜7.5%)の間で、微量AlO組成の制御を行うことができると考えられる。   As described above, by forming the HfO film in the CVD mode or the ALD saturation mode and forming the AlO film in the ALD saturation mode, at least HfO: AlO = 99.2: 0.8 to 92.5: 7. 5 (the composition ratio of AlO with respect to the entire HfAlO film is 0.8 to 7.5%) is considered to be able to control the trace AlO composition.

<本発明の好ましい態様>
以下に、本発明の好ましい態様について付記する。
<Preferred embodiment of the present invention>
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be additionally described.

本発明の一態様によれば、
基板を収容した処理室内に、第1の金属元素を含む第1原料を供給し排気する工程と、酸化剤を供給し排気する工程と、を1サイクルとしてこのサイクルを少なくとも1回行うことで、前記基板上に前記第1の金属元素を含む第1の金属酸化膜を形成する工程と、
前記処理室内に、第2の金属元素を含む第2原料を供給し排気する工程と、酸化剤を供給し排気する工程と、を1サイクルとしてこのサイクルを少なくとも1回行うことで、前記基板上に前記第2の金属元素を含む第2の金属酸化膜を形成する工程と、
を交互に所定回数行うことで、前記基板上に前記第1の金属元素および前記第2の金属元素を含む第3の金属酸化膜を形成する工程を有し、
前記第1原料および前記第2原料として、前記各金属酸化膜を同じ成膜モードで形成した場合に、前記第2の金属酸化膜を形成する工程における1サイクルあたりに形成する膜厚が、前記第1の金属酸化膜を形成する工程における1サイクルあたりに形成する膜厚よりも小さくなるような原料を用いる
半導体装置の製造方法が提供される。
According to one aspect of the invention,
By carrying out this cycle at least once with the process of supplying and exhausting the first raw material containing the first metal element and the process of supplying and exhausting the oxidant as one cycle in the processing chamber containing the substrate, Forming a first metal oxide film containing the first metal element on the substrate;
By performing the cycle at least once with the step of supplying and exhausting the second raw material containing the second metal element and the step of supplying and exhausting the oxidizing agent into the processing chamber, Forming a second metal oxide film containing the second metal element on
Alternately performing a predetermined number of times to form a third metal oxide film containing the first metal element and the second metal element on the substrate,
When the metal oxide films are formed in the same film formation mode as the first material and the second material, the film thickness formed per cycle in the step of forming the second metal oxide film is Provided is a method for manufacturing a semiconductor device using a raw material that is smaller than the film thickness formed per cycle in the step of forming the first metal oxide film.

好ましくは、前記第2の金属酸化膜を形成する工程における1サイクルあたりに形成する膜厚が、前記第1の金属酸化膜を形成する工程における1サイクルあたりに形成する膜厚の1/12程度〜1/5程度である。   Preferably, the film thickness formed per cycle in the step of forming the second metal oxide film is about 1/12 of the film thickness formed per cycle in the step of forming the first metal oxide film. About 1/5.

また好ましくは、前記第1の金属元素がHf(ハフニウム)、Zr(ジルコニウム)、Ti(チタン)、Al(アルミニウム)、La(ランタン)、Si(シリコン)、Nb(ニオブ)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)、Ta(タンタル)、Y(イットリウム)のいずれかであり、第2の金属元素がHf(ハフニウム)、Zr(ジルコニウム)、Ti(チタン)、Al(アルミニウム)、La(ランタン)、Si(シリコン)、Nb(ニオブ)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)、Ta(タンタル)、Y(イットリウム)のいずれかである。   Preferably, the first metal element is Hf (hafnium), Zr (zirconium), Ti (titanium), Al (aluminum), La (lanthanum), Si (silicon), Nb (niobium), Sr (strontium). , Ba (barium), Ta (tantalum), and Y (yttrium), and the second metal element is Hf (hafnium), Zr (zirconium), Ti (titanium), Al (aluminum), La (lanthanum) ), Si (silicon), Nb (niobium), Sr (strontium), Ba (barium), Ta (tantalum), or Y (yttrium).

また好ましくは、前記第1の金属元素がハフニウムであり、前記第1の金属酸化膜が酸化ハフニウム膜であり、前記第2の金属元素がアルミニウムであり、前記第2の金属酸化膜が酸化アルミニウム膜であり、前記第3の金属酸化膜がハフニウムアルミネート膜である。   Preferably, the first metal element is hafnium, the first metal oxide film is a hafnium oxide film, the second metal element is aluminum, and the second metal oxide film is aluminum oxide. And the third metal oxide film is a hafnium aluminate film.

本発明の他の態様によれば、
基板を収容する処理室と、
前記処理室内の前記基板を加熱するヒータと、
前記処理室内に第1の金属元素を含む第1原料を供給する第1原料供給系と、
前記処理室内に第2の金属元素を含む第2原料を供給する第2原料供給系と、
前記処理室内に酸化剤を供給する酸化剤供給系と、
前記処理室内を排気する排気系と、
前記基板を収容した前記処理室内に、前記第1原料を供給し排気する処理と、前記酸化剤を供給し排気する処理と、を1サイクルとしてこのサイクルを少なくとも1回行うことで、前記基板上に前記第1の金属元素を含む第1の金属酸化膜を形成する成膜処理と、前記処理室内に、前記第2原料を供給し排気する処理と、前記酸化剤を供給し排気する処理と、を1サイクルとしてこのサイクルを少なくとも1回行うことで、前記基板上に前記第2の金属元素を含む第2の金属酸化膜を形成する成膜処理と、を交互に所定回数行うことで、前記基板上に前記第1の金属元素および前記第2の金属元素を含む第3の金属酸化膜を形成するように、前記第1原料供給系、前記第2原料供給系、前記酸化剤供給系、前記ヒータ、及び、前記排気系を制御するコントローラと、を有しており、
前記第1原料供給系および前記第2原料供給系は、前記第1原料および前記第2原料として、前記各金属酸化膜を同じ成膜モードで形成した場合に、前記第2の金属酸化膜を形成する成膜処理における1サイクルあたりに形成する膜厚が、前記第1の金属酸化膜を形成する成膜処理における1サイクルあたりに形成する膜厚よりも小さくなるような原料を供給するように構成されている基板処理装置が提供される。
According to another aspect of the invention,
A processing chamber for accommodating the substrate;
A heater for heating the substrate in the processing chamber;
A first raw material supply system for supplying a first raw material containing a first metal element into the processing chamber;
A second raw material supply system for supplying a second raw material containing a second metal element into the processing chamber;
An oxidizing agent supply system for supplying an oxidizing agent into the processing chamber;
An exhaust system for exhausting the processing chamber;
By performing at least one cycle of the process of supplying and exhausting the first raw material and the process of supplying and exhausting the oxidant into the processing chamber containing the substrate, the cycle is performed on the substrate. Forming a first metal oxide film containing the first metal element, a process for supplying and exhausting the second raw material into the processing chamber, and a process for supplying and exhausting the oxidizing agent. By performing this cycle at least once as a cycle, the film forming process for forming the second metal oxide film containing the second metal element on the substrate is alternately performed a predetermined number of times. The first raw material supply system, the second raw material supply system, and the oxidant supply system so as to form a third metal oxide film containing the first metal element and the second metal element on the substrate. Controlling the heater and the exhaust system. A controller for, has,
The first raw material supply system and the second raw material supply system are configured to form the second metal oxide film when the metal oxide films are formed in the same film formation mode as the first raw material and the second raw material. A raw material is supplied such that the film thickness formed per cycle in the film forming process to be formed is smaller than the film thickness formed per cycle in the film forming process for forming the first metal oxide film. A configured substrate processing apparatus is provided.

200 ウェハ(基板)
201 処理室
206 ヒータ
280 コントローラ
200 wafer (substrate)
201 processing chamber 206 heater 280 controller

Claims (1)

基板を収容した処理室内に、第1の金属元素を含む第1原料を供給し排気する工程と、酸化剤を供給し排気する工程と、を1サイクルとしてこのサイクルを少なくとも1回行うことで、前記基板上に前記第1の金属元素を含む第1の金属酸化膜を形成する工程と、
前記処理室内に、第2の金属元素を含む第2原料を供給し排気する工程と、酸化剤を供給し排気する工程と、を1サイクルとしてこのサイクルを少なくとも1回行うことで、前記基板上に前記第2の金属元素を含む第2の金属酸化膜を形成する工程と、
を交互に所定回数行うことで、前記基板上に前記第1の金属元素および前記第2の金属元素を含む第3の金属酸化膜を形成する工程を有し、
前記第1原料および前記第2原料として、前記各金属酸化膜を同じ成膜モードで形成した場合に、前記第2の金属酸化膜を形成する工程における1サイクルあたりに形成する膜厚が、前記第1の金属酸化膜を形成する工程における1サイクルあたりに形成する膜厚よりも小さくなるような原料を用いる
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
By carrying out this cycle at least once with the process of supplying and exhausting the first raw material containing the first metal element and the process of supplying and exhausting the oxidant as one cycle in the processing chamber containing the substrate, Forming a first metal oxide film containing the first metal element on the substrate;
By performing the cycle at least once with the step of supplying and exhausting the second raw material containing the second metal element and the step of supplying and exhausting the oxidizing agent into the processing chamber, Forming a second metal oxide film containing the second metal element on
Alternately performing a predetermined number of times to form a third metal oxide film containing the first metal element and the second metal element on the substrate,
When the metal oxide films are formed in the same film formation mode as the first material and the second material, the film thickness formed per cycle in the step of forming the second metal oxide film is A method for manufacturing a semiconductor device, comprising using a raw material that is smaller than a film thickness formed per cycle in the step of forming a first metal oxide film.
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