JP4090346B2 - Semiconductor device manufacturing method and substrate processing apparatus - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に薄膜を形成する半導体装置の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体製造工程の1つに基板(シリコンウェハやガラスなどをベースとする微細な電気回路のパターンが形成された被処理基板)の表面に所定の成膜処理を行うCVD(Chemical Vapor Deposition)工程がある。これは、気密な反応室に基板を装填し、室内に設けた加熱手段により基板を加熱し、成膜ガスを基板上へ導入しながら化学反応を起こし、基板上に設けた微細な電気回路のパターン上へ薄膜を均一に形成するものである。このような反応室では、薄膜は基板以外の構造物へも形成される。図19に示すCVD装置では、反応室1内にシャワーヘッド6とサセプタ2を設け、サセプタ2上に基板4を載置している。成膜ガスは、シャワーヘッド6に接続された原料供給管5を通って反応室1内へ導入され、シャワーヘッド6に設けた多数の孔8より基板4上へ供給される。基板4上へ供給されたガスは、排気管7を通って排気処理される。尚、基板4はサセプタ2の下方に設けたヒータ3によって加熱される。
【0003】
このようなCVD装置として、成膜原料に有機化学材料を使ってアモルファスHfO2膜やアモルファスHfシリケート膜(以下、単にHfO膜と略す)を形成するMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)装置や、ALD(Atomic Layer Deposition)装置がある。ここで、MOCVD装置で実施するCVD法と、ALD装置で実施するALD法との違いは次の通りである。ALD法は処理温度、圧力が低く、膜を1原子層ずつ形成する。これに対して、CVD法は、ALD法よりも処理温度、圧力は高く、膜を略1/6原子層〜数十原子層ずつ形成する。
【0004】
成膜原料としては、
Hf[OC(CH334(以下、Hf−(OtBu)4と略す)、
Hf[OC(CH32CH2OCH34(以下、Hf−(MMP)4と略す)、
但し、MMP:メチルメトキシプロポキシ
Hf[O−Si−(CH3)]4
などが使用されている。
【0005】
このなかで、例えばHf−(OtBu)4、Hf−(MMP)4など、多くの有機材料は常温常圧において液相である。このため、例えばHf−(MMP)4は加熱して蒸気圧により気体に変換して利用されている。このような原料を利用して前記のCVD法を用いて例えば基板温度450℃以下でHfO膜を形成する。このHfO膜は、有機材料に起因するCH、OHなどの不純物が数%と多量に含まれている。その結果、物質の電気的性質を示す区分としては、絶縁体を確保したいとの意図に反して半導体、あるいは導体に属することになる。
【0006】
このような薄膜の電気的絶縁性、およびその安定性を確保するため、HfO膜をO2やN2雰囲気中で650℃〜800℃前後の高速アニール処理(以下、RTA[ラピッドサーマルアニーリング]と略す)を施すことにより、CやHを離脱させて緻密化し安定した絶縁体薄膜に変換しようとする試みが、従来より行われている。ここでRTAの目的は、膜中のC、H等の不純物を離脱するとともに、緻密化することである。緻密化は、結晶化まではさせないが、アモルファス状態の平均原子間距離を縮めるために行なう。
【0007】
図20に、HfO膜を形成する従来方法におけるクラスタ装置構成を示す。基板を装置外からロードロック室32に搬入し、第1反応室33でRCA洗浄(過酸化水素をベースにした典型的な洗浄法)等の基板表面処理を施し、第2反応室34で上述した従来相当の方法によりHfO膜を形成し、第3反応室35でRTA処理(不純物除去、熱アニール処理)を行い、第4反応室36で電極(poly−Si薄膜など)を形成する。電極を形成した基板はロードロック室32から装置外へ搬出する。上記搬入・搬出は、基板搬送室30に設けた基板搬送ロボット31を用いて行う。
【0008】
第3反応室35では、RTA処理によりHfO膜からC、Hを離脱させると、その表面状態は平坦性を失い凹凸な表面状態に変化するという問題が生じる。また、RTA処理によりHfO膜は部分的に結晶化しやすく、その結晶粒界を通って大きな電流が流れやすくなり、絶縁性やその安定性がかえって損なわれるという問題が生じる。これらの問題は、絶縁物に限らず全ての有機化学材料を用いたMOCVD法あるいはALD法を利用した薄膜堆積方法に共通する。
【0009】
また、第2反応室34では、基板以外の構造物にも薄膜が形成される。これを累積膜といい、この累積膜にもC、Hが多量に混入している。このため、処理した基板枚数の増加と共に、累積膜から離脱するC、H量は増加し、基板上に形成されるHfO膜に含まれるC、H混入量は処理基板枚数の増加と共に徐々に増加することになる。この現象により、連続して生産されるHfO膜の品質を一定にすることが非常に難しくなっている。このような憂慮すべき事象を解決するため、セルフクリーニングによる累積膜の除去処理を頻繁に実施することが必要になり、それが生産性を低下させる要因になっている。
【0010】
上述したようにアモルファス薄膜を形成する従来の技術では、RTA処理によりHfO膜の表面状態が平坦性を失い凹凸な表面状態に変化したり、HfO膜が部分的に結晶化して結晶粒界が発生し、絶縁性やその安定性が低くなるという問題があった。
【0011】
また、連続して生産されたHfO膜の品質を一定にするために、C、Hが多量に混入する累積膜のクリーニング処理を頻繁に実施することが必要になり、生産性が低下するという問題があった。
【0012】
なお、HfO膜に関するものではないが、薄膜形成技術として、Ta25成膜と改質処理を同一反応室内で複数回繰り返す方法(例えば、特許文献1参照)、高誘電率酸化膜、強誘電体酸化膜の成膜と、酸化雰囲気ガスを用いて生成したプラズマを用いた熱処理を同一反応室内で複数回繰り返す方法(例えば、特許文献2参照)、金属膜の形成と窒化剤ガス導入による金属窒化物膜形成を複数回繰り返す方法(例えば、特許文献3参照)が知られている。
【0013】
【特許文献1】
特開2002−50622号公報
【特許文献2】
特開平11−177057号公報
【特許文献3】
特開平11−217672号公報
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
【0015】
しかし、上述した特許文献1〜3に記載された従来技術を用いて、金属酸化膜を形成しようとしても、成膜工程の際、原料ガス以外に酸素原子を含むガスを用いて金属酸化膜を形成するので、改質工程の際、金属酸化膜中の特定元素を有効に除去できず、膜の改質が十分ではなかった。
【0016】
また、成膜ガスと反応物とが異なる供給口より供給されるので、供給口の内部に付着した異物が基板上へ落ちてくることを抑制できず、また、クリーニングしても供給口内部に吸着している副生成物やクリーニングガスの除去が十分ではなかった。
【0017】
また、一の装置で薄膜を形成しアニールを行った後、一の装置から基板を取り出して別な装置で電極を形成すると、スループットが低下するという問題があった。
【0018】
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解消して、改質工程の際、金属酸化膜中の特定元素を有効に除去することが可能な半導体装置の製造方法を提供することにある。また、本発明の課題は、供給口の内部に付着した異物が基板上へ落ちてくることを抑制でき、クリーニングによって供給口内部に吸着している副生成物やクリーニングガスを除去することが可能な半導体装置の製造方法を提供することにある。また、本発明の課題は、Hfを含む膜中の特定元素を速やかに除去することが可能な半導体装置の製造方法を提供することにある。さらに、本発明の課題は、スループットを向上することが可能な半導体装置の製造方法を提供することにある。
【0019】
【課題を解決するための手段】
第1の発明は、酸素原子と金属原子を含む原料を気化した原料ガスを用い、前記原料ガス以外には酸素原子を含むガスを用いることなく基板上に金属酸化膜を形成する成膜工程と、前記原料ガスとは異なる反応物を用いて成膜工程において形成した金属酸化膜の改質を行う改質工程と、を連続して複数回繰り返すことを特徴とする。成膜工程で、原料ガス以外には酸素原子を含むガスを用いることなく基板上に金属酸化膜を形成するので、膜中に特定元素が含まれやすい酸素原子と金属原子を含む原料を気化した原料ガスを用いても、膜中の特定元素を有効に除去して膜を改質しやすくできる。また、成膜工程と改質工程とを連続して行うので、成膜工程において形成した膜中の特定元素を速やかに除去して膜を改質できる。また、成膜工程と改質工程とを連続して複数回繰り返すので、容易に所定の膜厚の膜を形成できると共に、一度に所定の膜厚の膜を形成してから改質工程を行なう場合に対して、形成した膜中の特定元素の除去量を増加して膜を十分に改質することができる。
【0020】
第2の発明は、第1の発明において、前記成膜工程と改質工程は同一反応室内で行われることを特徴とする。成膜工程と改質工程が同一反応室内で行われると、工程間で基板の降温が生じないので、再度基板を処理するための昇温時間が不要となり、基板の昇温時間が節約でき、処理効率がよい。また、同一反応室内に基板が止まるので、成膜表面が汚染されにくくなる。
【0021】
第3の発明は、第1の発明において、前記金属原子とはHfであり、前記金属酸化膜とはHfを含む膜であることを特徴とする。原料に金属原子を含む原料を用いる場合、通常酸素ガス等の酸素原子を含むガスも一緒に用いるが、特に金属原子がHfであり、金属酸化膜がHfを含む膜である場合、酸素原子を含むガスは用いない方が膜中の特定元素を有効に除去して膜を改質することができる。
【0022】
第4の発明は、第1の発明において、前記原料とはHf[OC(CH32CH20CH34であり、前記金属酸化膜とはHfを含む膜であることを特徴とする。原料に有機原料を用いる場合、通常、酸素原子を含むガスも一緒に用いるが、特にHf[OC(CH32CH2OCH34を用いる場合、酸素原子を含むガスは用いない方がC、H等の特定元素(不純物)の混入量を少なくできる。
【0023】
第5の発明は、第1の発明において、前記金属原子とはHfであり前記金属酸化膜とはHfを含む膜であり、1回の成膜工程で形成する金属酸化膜の膜厚が0.5Å〜30Åであることを特徴とする。1回の成膜工程で形成するHf含む膜の膜厚が0.5Å〜30Å(1/6原子層〜10原子層)であると、不純物が含まれていても結晶化しにくい状態を維持でき、この状態で改質処理を行うことにより不純物を除去して膜を改質しやすくすることができる。
【0024】
第6の発明は、第2の発明において、前記成膜工程で基板に供給する原料ガスと、改質工程で基板に供給する反応物とを同一の供給口より供給することを特徴とする。成膜工程で基板に供給する原料ガスと、改質工程で基板に供給する反応物を同一の供給口より供給すると、供給口の内部に付着した異物を金属酸化膜で覆って堆積することができ、異物が基板上へ落ちてくることを抑制できる。また、反応室をクリーニングガスでクリーニングした場合、供給口内部に吸着している副生成物やクリーニングガスの除去が実施できる。
【0025】
第7の発明は、第2の発明において、前記成膜工程で基板に供給する原料ガスと、改質工程で基板に供給する反応物はそれぞれ別々の供給口より供給するとともに成膜工程で原料ガス用の供給口より基板に原料ガスを供給する際は反応物用の供給口に非反応性ガスを供給し、改質工程で反応物用の供給口より基板に反応物を供給する際は、原料ガス用の供給口に非反応性ガスを供給することを特徴とする。このように、原料ガスと反応物とを別々の供給口より供給し、各工程で互いに関与しない供給口から不活性ガスなどの非反応性ガスを供給するようにしても、さらに供給口の内部への累積膜形成を抑制することができる。
【0026】
第8の発明は、第2の発明において、成膜工程で基板に原料ガスを供給する際は、改質工程で使用する反応物は停止させることなく反応室をバイパスするよう排気しておき、改質工程で基板に反応物を供給する際は成膜工程で使用する原料ガスは停止させることなく反応室をバイパスするよう排気しておくことを特徴とする。このように、成膜工程での反応物、改質工程での成膜ガスの供給をそれぞれ停止させずに、反応室をバイパスするように流しておくと、流れを切換えるだけで、直ちに成膜ガス又は反応物を基板へ供給できる。したがって、スループットを向上させることができる。
【0027】
第9の発明は、第2の発明において、成膜工程で反応室内を排気する排気ラインと、改質工程で反応室内を排気する排気ラインには両工程共用で用いられるトラップが設けられることを特徴とする。排気ラインにトラップが設けられるので、排気ラインに通じる排気ポンプや除害装置への原料流入を少なくすることができ、装置のメンテナンスサイクルを低減できる。また、トラップを両工程共用で用いるので、メンテナンスが簡単になる。
【0028】
第10の発明は、第2の発明において、さらに反応室内に付着した膜をプラズマにより活性化させたクリーニングガスを用いて除去するクリーニング工程を有し、改質工程で用いる反応物はプラズマにより活性化させたガスであり、改質工程でガスを活性化させるために用いるプラズマ源とクリーニング工程でクリーニングガスを活性化させるために用いるプラズマ源とが共用であることを特徴とする。反応物活性化用とクリーニングガス活性化用のプラズマ源が共用であるため、プラズマ源の管理が容易となり、半導体装置を安価に製造することができる。
【0029】
第11の発明は、第1の発明において、前記反応物とは酸素原子を含むことを特徴とする。反応物が酸素原子を含むと、金属酸化膜形成直後に特定元素の改質工程を効率的に実施することができる。
【0030】
第12の発明は、第1の発明において、前記反応物とは酸素原子を含むガスをプラズマにより活性化したガスを含むことを特徴とする。反応物が酸素原子を含むガスをプラズマにより活性化したガスであると、金属酸化膜形成直後に特定元素の改質工程をより効率的に実施することができる。
【0031】
第13の発明は、第1の発明において、前記成膜工程または/および改質工程は基板を回転させながら行うことを特徴とする。基板を回転させながら行なうので、膜中の特定元素を素早く均一に除去して膜を改質できる。
【0032】
第14の発明は、第2の発明において、成膜工程と改質工程を繰り返すことにより基板上に金属酸化膜を形成後、基板を大気に晒すことなく反応室から搬送室を介して他の反応室に搬送する工程と、他の反応室内で基板上に形成された金属酸化膜上に電極を形成する工程とを有し、金属酸止膜の形成後、電極形成工程とは別工程としてアニール工程を行うことなく電極を形成すると共に、金属酸化膜の形成から電極形成までを同一装置内で行うことを特徴とする。金属酸化膜の形成から電極形成までを同一装置内で行なうので、電極形成を異なる装置で行なう場合に比べて、基板の昇温時間を節約できる。また、膜の表面を洗浄な状態のまま電極を形成できる。また、電極形成時に行う熱アニールで金属酸化膜が緻密化されるので、膜が汚染されにくくなる。
【0033】
第15の発明は、基板上に成膜ガスを供給して薄膜を形成する成膜工程と、前記成膜ガスとは異なる反応物を供給して成膜工程において形成した薄膜の改質を行う改質工程とを同一反応室内で連続して複数回繰り返す半導体装置の製造方法において、前記成膜工程で基板に供給する成膜ガスと、改質工程で基板に供給する反応物とを同一の供給口より供給することを特徴とする。成膜工程と改質工程とを連続して行うので、成膜工程において形成した膜中の特定元素を速やかに除去して膜を改質できる。また、成膜工程と改質工程とを連続して複数回繰り返すので、容易に所定の膜厚の膜を形成できると共に、一度に所定の膜厚の膜を形成してから改質工程を行なう場合に対して、形成した膜中の特定元素の除去量を増加して膜を改質することができる。また、成膜工程で基板に供給する原料ガスと、改質工程で基板に供給する反応物を同一の供給口より供給すると、供給口の内部に付着した異物を薄膜で覆って堆積することができ、異物が基板上へ落ちてくることを抑制できる。また、反応室をクリーニングガスでクリーニングした場合、供給口内部に吸着している副生成物やクリーニングガスの除去が実施できる。
【0034】
第16の発明は、Hfを含む原料を気化した原料ガスを用いて基板上にHfを含む膜を形成する成膜工程と、前記原料ガスとは異なる反応物を用いて成膜工程において形成したHfを含む膜の改質を行う改質工程と、を連続して複数回繰り返すことを特徴とする。成膜工程と改質工程とを連続して行うので、成膜工程において形成したHfを含む膜中の特定元素を速やかに除去して膜を改質できる。また、成膜工程と改質工程とを連続して複数回繰り返すので、容易に所定の膜厚のHfを含む膜を形成できると共に、一度に所定の膜厚のHfを含む膜を形成してから改質工程を行なう場合に対して、形成した膜中の特定元素の除去量を増加してHfを含む膜を改質することができる。
【0035】
第17の発明は、第16の発明において、1回の成膜工程で形成するHf含む膜の膜厚が0.5Å〜30Åであることを特徴とする。1回の成膜工程で形成するHf含む膜の膜厚が0.5Å〜30Å、すなわち、1/6原子層〜10原子層であると、不純物があっても結晶化しにくい状態を維持でき、この状態で改質処理を行うことにより不純物を除去して膜を改質しやすくすることができる。
【0036】
第18の発明は、基板上に成膜ガスを供給して薄膜を形成する成膜工程と、前記成膜ガスとは異なる反応物を供給して成膜工程において形成した薄膜の改質を行う改質工程とを同一反応室内で連続して複数回繰り返すことにより基板上に薄膜を形成した後、基板を大気に晒すことなく反応室から搬送室を介して他の反応室に搬送する工程と、他の反応室内で基板上に形成された薄膜上に電極を形成する工程とを有し、薄膜の形成後、電極形成工程とは別工程としてアニール工程を行うことなく電極を形成すると共に薄膜の形成から電極形成までを同一装置内で行うことを特徴とする。薄膜の形成から薄膜の改質、電極形成までを同一装置内で行なうので、薄膜の改質や電極形成を異なる装置で行なう場合に比べて、基板の昇温時間を節約できる。また、膜中の特定元素を速やかに除去して膜を改質でき、薄膜の表面を洗浄な状態のまま電極形成できる。また、電極形成時に行う熱アニールで薄膜が緻密化されるので、薄膜が汚染されにくくなる。
【0037】
第19の発明は、基板を処理する反応室と、前記反応室内に酸素原子と金属原子を含む原料を気化した原料ガスを供給する第1供給口と、前記反応室内に前記ガスとは異なる反応物を供給する第2供給口と、前記反応室内を排気する排気口とを備え、前記反応室内で前記原料ガス以外には酸素原子を含むガスを用いることなく前記基板上に金属酸化膜を形成する成膜工程と、前記原料ガスとは異なる反応物を用いて前記成膜工程において形成した前記金属酸化膜の改質を行う改質工程とを連続して複数回繰り返すように制御する制御装置とを有する基板処理装置である。成膜工程と改質工程とを連続して複数回繰り返すように制御する制御装置を有することによって、上述した半導体装置の製造方法を容易に実施できる。
【0038】
上述した第1の発明〜第2の発明、第6の発明〜第15の発明、第18、第19の発明では、成膜工程で形成される膜はHfを含む膜に限定されないが、第3の発明〜第5の発明、第16の発明〜第17の発明では、成膜工程で形成される膜はHfを含む膜に限定される。Hfを含む膜の例として、HfO2、HfON、HfSiO、HfSiON、HfAlO、HfAlONなどがある。また、Hfを含む膜以外の膜の例としては、下記のものがある。
PET(Ta(OC2H5)5)を利用したTaO膜(酸化タンタル膜)
Zr-(MMP)4を利用したZrO膜(酸化ジルコニウム膜)
Al-(MMP)3を利用したAlO膜(酸化アルミニウム膜)
Zr-(MMP)4とSi-(MMP)4を利用したZrSiO膜(酸化Zrシリケート膜)やZrSiON膜(酸窒化Zrシリケート膜)
Zr-(MMP)4とAl-(MMP)3を利用したZrAlO膜やZrAlON膜
Ti-(MMP)4を利用したTiO膜(酸化チタン膜)
Ti-(MMP)4とSi-(MMP)4を利用したTiSiOやTiSiON膜
Ti-(MMP)4とAl-(MMP)3を利用したTiAlO、TiAlON膜
【0039】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を説明する。実施の形態では、CVD法、より具体的にはMOCVD法を使って、HfO膜のうち特にアモルファス状態のHfO2膜(以下、単にHfO2膜と略す)を形成する場合について説明する。
【0040】
図1は実施の形態に係る基板処理装置である枚葉式CVD装置の一例を示す概略図である。従来の反応室1(図19)に対して、プラズマ源となる反応物活性化ユニット11、基板回転ユニット12、不活性ガス供給ユニット10、バイパス管14を主に追加してある。
【0041】
図に示すように、反応室1内に、上部開口がサセプタ2によって覆われた中空のヒータユニット18が設けられる。ヒータユニット18の内部にはヒータ3が設けられ、ヒータ3によってサセプタ2上に載置される基板4を加熱するようになっている。サセプタ2上に載置される基板4は、例えば半導体シリコンウェハ、ガラス等である。
【0042】
反応室1外に基板回転ユニット12が設けられ、基板回転ユニット12によって反応室1内のヒータユニット18を回転して、サセプタ2上の基板4を回転できるようになっている。基板4を回転させるのは、後述する成膜工程、改質工程における基板への処理を基板面内において素早く均一に行うためである。
【0043】
また、反応室1内のサセプタ2の上方に多数の孔8を有するシャワーヘッド6が設けられる。このシャワーヘッド6には、成膜ガスを供給する原料供給管5とラジカルを供給するラジカル供給管13とが共通に接続されて、成膜ガス又はラジカルをシャワーヘッド6からシャワー状に反応室1内へ噴出できるようになっている。ここで、シャワーヘッド6は、成膜工程で基板4に供給する成膜ガスと、改質工程で基板4に供給するラジカルとをそれぞれ供給する同一の供給口を構成する。
【0044】
反応室1外に、成膜原料としての有機液体原料を供給する成膜原料供給ユニット9と、成膜原料の液体供給流量を制御する流量制御手段としての液体流量制御装置28と、成膜原料を気化する気化器29とが設けられる。非反応ガスとしての不活性ガスを供給する不活性ガス供給ユニット10と、不活性ガスの供給流量を制御する流量制御手段としてのマスフローコントローラ46が設けられる。成膜原料としてはHf−(MMP)4などの有機材料を用いる。また、不活性ガスとしてはAr、He、N2などを用いる。成膜原料供給ユニット9に設けられた原料ガス供給管5bと、不活性ガス供給ユニット10に設けられた不活性ガス供給管5aとを一本化して、シャワーヘッド6に接続される原料供給管5が設けられる。原料供給管5は、基板4上にHfO2膜を形成する成膜工程で、シャワーヘッド6に成膜ガスと不活性ガスとの混合ガスを供給するようになっている。原料ガス供給管5b、不活性ガス供給管5aにはそれぞれバルブ21、20を設け、これらのバルブ21、20を開閉することにより、成膜ガスと不活性ガスとの混合ガスの供給を制御することが可能となっている。
【0045】
また、反応室1外に、ガスをプラズマにより活性化させて反応物としてのラジカルを形成するプラズマ源となる反応物活性化ユニット(リモートプラズマユニット)11が設けられる。改質工程で用いるラジカルは、原料としてHf−(MMP)4などの有機材料を用いる場合は、例えば酸素ラジカルが良い。これは酸素ラジカルにより、HfO2膜形成直後にCやHなどの不純物除去処理を効率的に実施することができるからである。また、クリーニング工程で用いるラジカルはClF3ラジカルが良い。改質工程において、酸素含有ガス(O2、N2O、NO等)をプラズマによって分解した酸素ラジカル雰囲気中で、膜を酸化させる処理をリモートプラズマ酸化処理(RPO[remote plasma oxidation]処理)という。
【0046】
反応物活性化ユニット11の上流側には、ガス供給管37が設けられる。このガス供給管37には、酸素(O2)を供給する酸素供給ユニット47、プラズマを発生させるガスであるアルゴン(Ar)を供給するAr供給ユニット48、及びフッ化塩素(ClF3)を供給するClF3供給ユニット49が、供給管52、53、54を介して接続されて、改質工程で使用するO2とAr、及びクリーニング工程で使用するClF3を反応物活性化ユニット11に対し供給するようになっている。酸素供給ユニット47、Ar供給ユニット48、及びClF3供給ユニット49には、それぞれのガスの供給流量を制御する流量制御手段としてのマスフローコントローラ55、56、57が設けられている。供給管52、53、54にはそれぞれバルブ58、59、60を設け、これらのバルブ58、59、60を開閉することにより、O2ガス、Arガス、及びClF3の供給を制御することが可能となっている。
【0047】
反応物活性化ユニット11の下流側には、シャワーヘッド6に接続されるラジカル供給管13が設けられ、改質工程又はクリーニング工程で、シャワーヘッド6に酸素ラジカル又はフッ化塩素ラジカルを供給するようになっている。また、ラジカル供給管13にはバルブ24を設け、バルブ24を開閉することにより、ラジカルの供給を制御することが可能となっている。
【0048】
反応室1に排気口7aが設けられ、その排気口7aは除害装置(図示せず)に連通する排気管7に接続されている。排気管7には、成膜原料を回収するための原料回収トラップ16が設置される。この原料回収トラップ16は、成膜工程と改質工程とに共用で用いられる。前記排気口7a及び排気管7で排気ラインを構成する。
【0049】
また、原料ガス供給管5b及びラジカル供給管13には、排気管7に設けた原料回収トラップ16に接続される原料ガスバイパス管14a及びラジカルバイパス管14b(これらを単に、バイパス管14という場合もある)がそれぞれ設けられる。原料ガスバイパス管14a及びラジカルバイパス管14bに、それぞれバルブ22、23を設ける。これらのバルブの開閉により、成膜工程で反応室1内の基板4に成膜ガスを供給する際は、改質工程で使用するラジカルの供給は停止させずに反応室1をバイパスするようラジカルバイパス管14b、原料回収トラップ16を介して排気しておく。また、改質工程で基板4にラジカルを供給する際は、成膜工程で使用する成膜ガスの供給は停止させずに反応室1をバイパスするよう原料ガスバイパス管14a、原料回収トラップ16を介して排気しておく。
【0050】
そして、反応室1内で基板4上にHfO2膜を形成する成膜工程と、成膜工程で形成したHfO2膜中の特定元素であるC、H等の不純物を反応物活性化ユニット11を用いたプラズマ処理により除去する改質工程とを、前記バルブ20〜24の開閉等を制御することにより、連続して複数回繰り返すように制御する制御装置25が設けられている。
【0051】
次に上述した図1のような構成の枚葉式CVD装置を用いて、従来とは異なる高品質なHfO2膜を堆積するための手順を示す。この手順には、昇温工程、成膜工程、パージ工程、改質工程が含まれる。
【0052】
まず、図1に示す反応室1内のサセプタ2上に基板4を載置し、基板4を基板回転ユニット12により回転させながら、ヒータ3に電力を供給して基板4の温度を350〜500℃に均一に加熱する(昇温工程)。尚、基板温度は用いる有機材料の反応性により異なるが、Hf−(MMP)4においては、390〜450℃の範囲内が良い。また、基板4の搬送時や基板加熱時は、不活性ガス供給管5aに設けたバルブ20を開けて、Ar、He、N2などの不活性ガスを常に流しておくとパーティクルや金属汚染物の基板4への付着を防ぐことができる。
【0053】
昇温工程終了後、成膜工程に入る。成膜工程では、成膜原料供給ユニット9から供給した有機液体原料例えばHf−(MMP)4を、液体流量制御装置28で流量制御し、気化器29へ供給して気化させる。原料ガス供給管5bに設けたバルブ21を開くことにより、気化した原料ガスをシャワーヘッド6を介して基板4上へ供給する。このときも、バルブ20を開いたままにして、不活性ガス供給ユニット10から不活性ガス(N2など)を常に流して、成膜ガスを撹拌させるようにする。成膜ガスは不活性ガスで希釈すると撹拌しやすくなる。原料ガス供給管5bから供給される成膜ガスと、不活性ガス供給管5aから供給される不活性ガスとは原料供給管5で混合され、混合ガスとしてシャワーヘッド6に導びかれ、多数の孔8を経由して、サセプタ2上の基板4上へシャワー状に供給される。なお、このときO2等の酸素原子を含むガスは供給せず、反応性ガスとしてはHf−(MMP)4ガスのみ供給する。
【0054】
この混合ガスの供給を所定時間実施することにより、基板4上に基板との界面層(第1の絶縁層)としてのHfO2膜を0.5Å〜30Å、例えば15Å形成する。この間、基板4は回転しながらヒータ3により所定温度(成膜温度)に保たれているので、基板面内にわたり均一な膜を形成できる。次に、原料ガス供給管5bに設けたバルブ21を閉じて、原料ガスの基板4への供給を停止する。なお、この際、原料ガスバイパス管14aに設けたバルブ22を開き、成膜ガスの供給を原料ガスバイパス管14aで反応室1をバイパスして排気し、成膜原料供給ユニット9からの成膜ガスの供給を停止しないようにする。液体原料を気化して、気化した原料ガスを安定供給するまでには時間がかかるので、成膜ガスの供給を停止させずに、反応室1をバイパスするように流しておくと、次の成膜工程では流れを切換えるだけで、直ちに成膜ガスを基板4へ供給できる。
【0055】
成膜工程終了後、パージ工程に入る。パージ工程では、反応室1内を不活性ガスによりパージして残留ガスを除去する。なお、成膜工程ではバルブ20は開いたままにしてあり、反応室1内には不活性ガス供給ユニット10から不活性ガス(N2など)が常に流れているので、バルブ21を閉じて原料ガスの基板4への供給を停止すると同時にパージが行われることとなる。
【0056】
パージ工程終了後、改質工程に入る。改質工程はRPO(remote plasma oxidation)処理によって行う。ここでRPO処理とは、酸素含有ガス(O2、N2O、NO等)をプラズマによって活性化させて発生させた反応物としての酸素ラジカルを用いて、膜を酸化させるリモートプラズマ酸化処理のことである。改質工程では、供給管53に設けたバルブ59を開き、Ar供給ユニット48から供給したArをマスフローコントローラ56で流量制御して反応物活性化ユニット11へ供給し、Arプラズマを発生させる。Arプラズマを発生させた後、供給管52に設けたバルブ58を開き、酸素供給ユニット47から供給したO2をマスフローコントローラ55で流量制御してArプラズマを発生させている反応物活性化ユニット11へ供給し、O2を活性化する。これにより酸素ラジカルが生成される。ラジカル供給管13に設けたバルブ24を開き、反応物活性化ユニット11から酸素ラジカルを含むガスを、シャワーヘッド6を介して基板4上へ供給する。この間、基板4は回転しながらヒータ3により所定温度(成膜温度と同一温度)に保たれているので、成膜工程において基板4上に形成された15ÅのHfO2膜よりC、H等の不純物を素早く均一に除去できる。
【0057】
その後、ラジカル供給管13に設けたバルブ24を閉じて、酸素ラジカルの基板4への供給を停止する。なお、この際、ラジカルバイパス管14bに設けたバルブ23を開くことにより、酸素ラジカルを含むガスの供給を、ラジカルバイパス管14bで反応室1をバイパスして排気し、酸素ラジカルの供給を停止しないようにする。酸素ラジカルは生成から安定供給するまでに時間がかかるので、酸素ラジカルの供給を停止させずに、反応室1をバイパスするように流しておくと、次の改質工程では、流れを切換えるだけで、直ちにラジカルを基板4へ供給できる。
【0058】
改質工程終了後、再びパージ工程に入る。パージ工程では、反応室1内を不活性ガスによりパージして残留ガスを除去する。なお、改質工程でもバルブ20は開いたままにしてあり、反応室1内には不活性ガス供給ユニット10から不活性ガス(N2など)が常に流れているので、酸素ラジカルの基板4への供給を停止すると同時にパージが行われることとなる。
【0059】
パージ工程終了後、再び成膜工程に入り、原料ガスバイパス管14aに設けたバルブ22を閉じて、原料ガス供給管5bに設けたバルブ21を開くことにより、成膜ガスをシャワーヘッド6を介して基板4上へ供給し、また15ÅのHfO2膜を、前回の成膜工程で形成した薄膜上に堆積する。
【0060】
以上のような、成膜工程→パージ工程→改質工程→パージ工程を複数回繰り返すというサイクル処理により、CH、OHの混入が極めて少ない所定膜厚の薄膜を形成することができる。
【0061】
ここで、Hf−(MMP)4を用いた場合の好ましい成膜条件は、次の通りである。温度範囲は400〜450℃、圧力範囲は100Pa程度以下である。温度については、400℃より低くなると膜中に取り込まれる不純物(C、H)の量が急激に多くなる。400℃以上になると、不純物が離脱し易くなり、膜中に取り込まれる不純物量が減少する。また、450℃より高くなるとステップカバレッジが悪くなるが、450℃以下の温度であると、良好なステップカバレッジが得られ、また、アモルファス状態を保つこともできる。
【0062】
また、圧力については、例えば1Torr(133Pa)以上の高い圧力とするとガスは粘性流となり、パターン溝の奥までガスが入って行かなくなる。ところが、100Pa程度以下の圧力とすることにより、流れを持たない分子流とすることができ、パターン溝の奥までガスが行き届く。
【0063】
また、Hf−(MMP)4を用いた成膜工程に連続して行なう改質工程であるRPO(remote plasma oxidation)処理の好ましい条件は、温度範囲は390〜450℃程度(成膜温度と略同一温度)、圧力範囲は100〜1000Pa程度である。また、ラジカル用のO2流量は100sccm、不活性ガスAr流量は1slmである。
【0064】
成膜工程と、改質工程は、略同一温度で行なうのが好ましい(ヒータの設定温度は変更せずに一定とするのが好ましい)。これは、温度変動を生じさせないことにより、シャワーヘッドやサセプタ等の周辺部材の熱膨張によるパーティクルが発生しにくくなり、また、金属部品からの金属の飛び出し(金属汚染)を抑制できるからである。
【0065】
尚、クリーニングガスラジカルによる累積膜のセルフクリーニング工程を実施するには、反応物活性化ユニット11でクリーニングガス(Cl2やClF3など)をラジカルにして反応室1に導入する。このセルフクリーニングにより、反応室1でクリーニングガスと累積膜とを反応させ、累積膜を塩化金属などに変換して揮発させて、これを排気する。これにより反応室内の累積膜が除去される。
【0066】
上述した実施の形態によれば、HfO2膜形成→改質処理(RPO処理)→HfO2膜形成→…を複数回繰り返すというサイクル処理をしているので、CH、OHの混入が極めて少ない所定膜厚のHfO2膜を形成することができる。以下、これを次の観点から具体的に説明する。
(1)成膜時O2の不使用
(2)RPO処理
(3)サイクル処理
(4)回転機構
(5)シャワーヘッドの共有
(6)バイパス管
(7)トラップの共有
(8)プラズマ源の用途
(9)同一装置内で行う処理
(10)変形例
【0067】
(1)成膜時O2の不使用
成膜工程におけるHfO2膜の成膜時に、原料ガス以外には酸素(O2)等の酸素原子を含むガスを用いないようにすると、膜中のCH、OHの混入量を少なくできる。
【0068】
HfO2膜を形成する際、原料ガスと不活性ガスの混合ガス中にO2を混合するケースもある。これは下地に対する密着性、成膜レートを考慮すると、一般的には原料ガスと一緒にO2を入れた方がよいからである。しかし、本発明者らは、実験によりHf−(MMP)4については、O2を入れない方が不純物の混入量が減り膜質が向上し、逆にO2を入れた方が不純物の混入量が増え膜質が低下することを見い出した。従って、成膜原料としてHf−(MMP)4を用いる実施の形態では、O2を混合しない方が、膜中のCH、OHの混入量を少なくできるため、O2を混合していない。
【0069】
Hf−(MMP)4を用いる場合に、酸素を供給しない方が不純物の混入量を少なくできるメカニズムは次の通りである。Hf−(MMP)4を用いて酸素を混合する場合(以下、酸素ありともいう)、酸素を混合しない場合(以下、酸素なしともいう)で理想的な化学反応式を比較すると次のようになる。
【0070】
A.酸素なしで理想的な反応が起こった場合(熱のみによる理想的な自己分解反応):
Hf[OC(CH3)2CH2OCH3]4→Hf(OH)4+4C(CH3)2CH2OCH2↑ (1)
Hf(OH)4→HfO2+2H2O (2)
B.酸素ありで理想的な反応が起こった場合(完全燃焼の場合):
Hf[OC(CH3)2CH2OCH3]4+24O2→HfO2+16CO2↑+22H2O↑ (3)
ただし、↑は揮発性物質を意味する。
上記の反応化学式で、大文字の数値は、そのまま基板上における原料のモル比と考えると、酸素なしでは、
HfO2:(その他の不純物)=1:(4+2)=1:6
となる。酸素ありでは、
HfO2:(その他の不純物)=1:(16+22)=1:38となる。
【0071】
したがって、1モルのHfO2を生成する時に発生する不純物の総モル数は、酸素ありの方が大きくなる。
【0072】
さらに、各結合を切断するための化学式上の切断回数を比較すると、
酸素なしの場合:O−C、C−H、O−Hの切断が各4回、計12回
酸素ありの場合:O−Cが12回、C−Hが44回、計56回
この切断回数が多いほど、ラジカル量が多くなるので、膜中に不純物が混入しやすくなる。
【0073】
結論として酸素なしで成膜し、上記式(1)の[C(CH3)2CH2OCH3]を分解させない温度で揮発させ、HfO2膜を成膜するとよい。
【0074】
また、FTIR(フーリエ変換赤外分光法)を用いてO2添加量による薄膜への影響を測定した図2及び図3からも、酸素なしでHfO2膜を形成する方が好ましいことが裏付けられる。
【0075】
図2は、酸素なしの場合と酸素ありの場合とで比較した薄膜の膜質特性を示す。横軸に波数(cm-1)、縦軸に成膜温度が425℃と440℃での吸光度を示している。尚、酸素ありの場合は、酸素流量は0.5SLMである。同図に示すように、特に、波数752cm-1付近のストレッチモード(stretch mode)を励起することによって、Hf−O−Hf結合を示すX−O−X結合を反映する吸光度が、酸素なしの場合は酸素ありの場合と比較して多い。すなわち酸素なしの場合の方が膜質が良いことを示している。
【0076】
図3は、酸素なしの場合と酸素ありの場合とで比較した膜中に含まれる不純物量特性を示す。横軸に波数(cm-1)、縦軸に成膜温度が425℃と440℃での吸光度を示している。尚、酸素ありの場合は、酸素流量は0.5SLMである。同図に示すように、ストレッチ及びワギングモード(stretch, wagging mode)を励起することによって、不純物量(−OH、C−H、C−O)を反映する吸光度が、酸素ありの場合は酸素なしの場合と比較して大きくなり、酸素ありの成膜は酸素なしの成膜に対して約5倍になることが判明した。これにより酸素なしの場合の方が不純物量が少なく、膜質が良いことを示している。したがって、HfO2膜の成膜時に、O2を使用しないと、膜中のCH、OHの混入量を少なくでき、膜を十分に改質できる。なお、本発明は、O2ありを全く排除するものではなく、成膜時にO2を導入しない場合と実質的に変わらない程度の少量のO2を導入する場合も含まれ、その場合でも膜の改質は十分に可能である。
【0077】
ここで、原料の自己分解反応、半自己分解反応、吸着反応を用いたそれぞれの成膜のメカニズム、温度帯について、本発明との関係を説明する。全てのCVD反応は自己分解反応、吸着反応が重なり合っている状態になっている。基板温度を下げれば吸着反応が主体的になり、温度を上げれば自己分解反応が主体的になる。その中間の温度とすれば半自己分解反応も生じる。Hf−(MMP)4を用いる場合では、300℃以下が吸着反応主体となり、それより温度が高ければ自己分解反応が主体的になっていると考えられる。しかし、どの温度帯でも吸着反応が全く無くなるわけではない。Hf−(MMP)4の自己分解反応の反応式は、上記式(1)、式(2)のとおりである。また、吸着反応により基板上にHf−(MMP)4を吸着させ、RPO処理等により酸化させて成膜反応を生じさせる場合の反応式は、上述の気相でHf−(MMP)4とO2とが反応する場合(気相反応)と同じで、上記式(3)のとおりである。本発明におけるMOCVDでは、上記のいずれの反応が主体的であってもRPOによる不純物除去効果が得られるので、特に反応形式を特定するものではないが、自己分解反応を主体的としたほうが不純物がより少なくできるという実験結果が得られている。
【0078】
(2)RPO処理
成膜後の改質工程で用いるRPO処理により、膜中の水素(H)や炭素(C)などの不純物を有効に除去でき、その濃度を低減できるので、電気特性を向上させることができる。また、水素(H)の離脱によってHf原子の移動が抑制され結晶化を防ぎ、電気特性を向上させることができる。また膜の酸化を促進することもでき、さらに膜中の酸素欠陥を補修できる。また、反応室内壁やサセプタ等の基板以外の部分に堆積した累積膜からの離脱ガスを素早く低減でき、再現性の高い膜厚制御が可能となる。
【0079】
なお、実施の形態では、改質工程でRPO処理を用いているが、本発明はこれに限定されない。RPO処理(下記▲1▼)の代替物としては、例えば次のようなものがある(下記▲2▼〜▲8▼)。
▲1▼Ar(不活性ガス)にO2を混合させて行うRPO処理
▲2▼ArにN2を混合させて行うRPN処理
▲3▼ArにN2とH2を混合させて行うRPNH処理
▲4▼ArにH2を混合させて行うRPH処理
▲5▼ArにH2Oを混合させて行うRPOH処理
▲6▼ArにO2とH2を混合させて行うRPOH処理
▲7▼ArにN2Oを混合させて行うRPON処理
▲8▼ArにN2とO2を混合させて行うRPON処理
【0080】
また、実施の形態では同一反応室でHfO2膜形成とRPO処理を行っているが、そのメリットは、次の通りである。HfO2膜を成膜すると反応室内壁やシャワーヘッドやサセプタ等にもHfO2膜が形成される。これを累積形成膜と呼ぶ。別々の反応室で行う場合、RPO処理を行わないHfO2膜反応室では、この累積形成膜からC、Hが出てきて反応室内が汚染されることとなる。また累積形成膜から出てくるC、H量は、その厚みの増加とともに多くなっていく。従って、全ての被処理基板のC、H量を一定にすることが難しい。
【0081】
これに対して、HfO2膜形成とRPO処理を同一反応室で実施する場合においては、基板上に形成した膜中のC、Hのみならず、反応室内に付着した累積形成膜からもC、Hを除去できるため(クリーニング効果)、全ての基板についてC、H含有量を一定にすることができる。
【0082】
(3)サイクル処理
サイクル処理により、既述のように膜中の不純物除去効率を向上させることができる。また、膜をアモルファス状態に維持することができ、結果としてリーク電流を低減することができる。また、膜表面の平坦性を改善することができ、膜厚均一性を向上させることができる。この他、膜を緻密化することもできるし(欠陥補修効果の最大化)、堆積速度の精密な制御も可能となる。さらには、成膜の下地と、堆積する膜の界面に形成される望ましくない界面層を薄くできる。
【0083】
サイクル処理で形成したHfO2膜(例えば膜厚10nm)に含まれているC、Hの不純物量は、図4のようにサイクル数の増加に従って大幅に減少させることができる。横軸にサイクル数、縦軸にC、Hの総量(任意単位)を示している。尚、サイクル数が1のときが従来方法によるものに相当する。
【0084】
図4によれば、サイクル処理により形成するHfO2膜のトータル膜厚が10nm(100Å)のとき3サイクル程度でCH、OHなどのHfO2膜中の不純物量の低減効果が大きくなることから、1サイクル当りの膜厚は30Å程度以下が好ましい。なお、CVDでは、1度の成膜で形成できる膜厚は0.5Å程度であることから、1サイクル当たりの膜厚は、0.5Å〜30Åとするのが好ましい。特に、7サイクル程度でCH、OHなどのHfO2膜中の不純物量の低減効果は極めて大きくなり、それ以上サイクル数を増やしても、不純物量の低減効果は若干よくなるものの、さほど変化はなくなることから、1サイクル当りの膜厚は15Å程度(5原子層)がより好ましいと考えられる。1サイクルで30Å以上堆積すると膜中の不純物が多くなり、即座に結晶化して多結晶状態となってしまう。多結晶状態というのは隙間がない状態なので、C、H等を除去しにくくなる。しかし、1サイクルにより形成される膜厚が30Åより薄い場合は、結晶化構造を作りにくくなり、不純物があっても薄膜をアモルファス状態に維持できる。アモルファス状態というのは隙間が多い(スカスカな状態)ので、アモルファス状態を維持して薄膜を堆積し、薄膜が結晶化する前にRPO処理を行うことにより膜中のC、H等の不純物を除去し易くなる。すなわち、1サイクル当たりの膜厚を0.5Å〜30Å程度として複数回のサイクル処理で得られた膜は結晶化しにくい状態となる。なおアモルファス状態の方が、多結晶状態よりもリーク電流が流れにくいというメリットがある。
【0085】
なお、HfO2膜形成→RPO処理を複数回繰り返すことにより、HfO2膜中の不純物の除去効率を上げることができるのは、次の理由による。深いパターン溝に対してカバレッジ良く形成されたHfO2膜に対してRPO処理(C、H等の改質処理)を実施する場合、1度にHfO2膜を厚く、例えば100Å形成してからRPO処理を実施すると、図5の溝の奥bの部分に対して酸素ラジカルが供給されにくくなる。これは、酸素ラジカルが溝の奥bまで到達する過程において、図5の表面aの部位にてC、Hと反応してしまう確率が高くなり(膜厚が100Åと厚くその分不純物量も多いため)、相対的に溝の奥bに到達するラジカル量が減ってしまうからである。よって、短時間で均一なC、H除去を行うことが難しくなる。
【0086】
これに対し100ÅのHfO2膜を形成する際に、HfO2膜形成→RPO処理を7回に分けて行う場合は、RPO処理は15Å当りのHfO2膜についてのみC、H除去処理を実施すれば良いことになる。この場合、酸素ラジカルが図5の平面aの部位にてC、Hと反応する確率は高くならないので(膜厚が15Åと薄くその分不純物量も少ないため)、溝の奥bにも均一にラジカルが到達することとなる。よって、HfO2膜形成→RPO処理を複数回繰り返すことによって、短時間で均一なC、H除去を行うことができる。
【0087】
さらに、成膜工程と改質工程とを連続して複数回繰り返すサイクル処理を行うことにより、反応室内に付着した累積膜に含まれるC、H等の不純物の混入量を大幅に低減でき、また累積膜からの離脱ガスを大幅に低減できるので、連続して生産されたHfO2膜の品質を一定に保持することが可能となる。従って、従来と比較してセルフクリーニングによる累積膜の除去処理を頻繁に実施しなくても良くなり、生産コストの削減を図ることができる。
【0088】
(4)回転機構
実施の形態では、基板回転ユニット12により基板4を回転させているので、成膜原料供給ユニットから導入する原料ガス及び反応物活性化ユニット11から導入する反応物としてのプラズマにより活性化したガス(以下、ラジカルという)が、それぞれ基板面内に素早く均一にいきわたり、膜を基板面内にわたって均一に堆積させることができ、また膜中の不純物を基板面内で素早く均一に除去して、膜全体を改質できる。
【0089】
(5)シャワーヘッドの共有
成膜工程で基板に供給する成膜ガスと、改質工程で基板に供給する反応物としてのラジカルとを同一の供給口となるシャワーヘッド6から供給すると、シャワーヘッド6内部に付着した異物(パーティクル源)をHfO2膜で覆ってコーティングすることができ、異物が基板4上へ落ちてくることを抑制できる。また、シャワーヘッド内部にコーティングされた膜は、コーティング後に反応物にさらされ、これによりシャワーヘッド内部のコーティング膜に含まれるC、H等の不純物の混入量を大幅に低減できる。また、反応室1をClF3などのClを含むガスでクリーニングした場合、反応室1内やシャワーヘッド6内部に残留した副生成物やクリーニングガスが吸着しているが(これをクリーニング残渣という)、原料ガスと反応物の供給口を共用することにより、このクリーニング残渣を有効に除去することができる。。
【0090】
(6)バイパス管
実施の形態では、成膜ガス、ラジカル供給系のそれぞれにバイパス管14(14a、14b)を設置して、ガス/ラジカル供給中に次工程で用いるラジカル/ガスを停止せずバイパス管14より排気するようにしている。原料ガス/ラジカルの供給には準備が必要であり、いずれも供給開始までに時間がかかる。よって処理中は、原料ガス/ラジカルの供給は停止せずに常に供給し続け、使用しないときはバイパス管14より排気することにより、使用時にバルブ21〜24を切り換えるだけで、直ちに原料ガス/ラジカルの供給を開始でき、スループットを向上させることができる。
【0091】
(7)トラップの共有
実施の形態では、成膜ガス、ラジカル排気系でトラップ16を共用している。すなわち、図1のように原料を回収するための原料回収トラップ16を排気管7に設置し、この原料回収トラップ16にバイパス管14を接続しているので、トラップされた液体原料を酸素ラジカルで固体に変換し、排気ポンプ(図示せず)ヘの原料の再気化による流入を防ぐことが可能である。これにより、原料回収率を向上させ、排気ポンプや除害装置(図示せず)への原料流入を少なくすることができ、基板処理装置のメンテナンスサイクルを大幅に延長することができる。
【0092】
(8)プラズマ源の用途
実施の形態では、改質工程のRPO処理でガスを活性化させるために用いるプラズマ源とクリーニング工程でクリーニングガスを活性化させるために用いるプラズマ源とが共用になっている。クリーニング工程では、反応物活性化ユニット11で生成したプラズマにより活性化させたクリーニングガスを用いて反応室1内に付着した膜を除去し、改質工程でも反応物活性化ユニット11で生成したプラズマにより活性化させた反応物を用いて膜を改質しており、反応物活性化用とクリーニングガス活性化用のプラズマ源が共用であるため、プラズマ源の管理が容易となり、半導体装置を安価に製造することができる。
【0093】
(9)同一装置内で行う処理
実施の形態によれば、(HfO2成膜→RPO処理)×nサイクルによる金属酸化膜の形成から電極形成までを同一装置内で行なうので、電極形成を異なる装置で行なう場合に比べて、基板の昇温時間を節約できる。また、膜の表面を洗浄な状態のまま電極形成できる。また、電極形成時に行う熱アニールで金属酸化膜が緻密化されるので、金属酸化膜形成後、金属酸化膜の電極形成工程とは別工程としてアニール工程を行うことなく電極を形成でき、しかも膜が汚染されにくくなる。以下、これを具体的に説明する。
【0094】
図6は、実施の形態の7サイクル処理(本発明)により得られたHfO2膜と、1サイクル処理(従来方法)により得られたHfO2膜とについて、RTA処理前後の電気的絶縁特性を示す。横軸にHfO2膜(10nm)へ印加した電界(任意単位)、縦軸にリーク電流(任意単位)を示している。尚、ここでのRTA処理とは、基板を700℃前後に加熱しながら大気圧(O2雰囲気中)で高速に熱アニール処理を施すものである。図中、従来HfO2とは、1サイクル処理により得られたHfO2膜を表し、本発明HfO2とは7サイクル処理により得られたHfO2膜を表している。またRTAなしとは、RTA処理前のもの、RTAありとは、RTA処理後のものを表している。図6によれば、1サイクル処理により得られるもの(従来HfO(RTAなし))は、CH、OH混入量が多く絶縁特性がRTA前後で大幅に変るが、これに比べて、実施の形態の7サイクル処理により得られる絶縁膜(本発明HfO(RTAなし))は、CH、OH混入量が少ないため、初期(長時間の電気的ストレスがかからない状態)での絶縁特性がRTA前後でほとんど変わらないことがわかる。これより本実施の形態のサイクル処理を行なうことにより、薄膜の電気的絶縁性の向上、およびその安定性を確保するために要求されたRTA処理を削減することができる。
【0095】
このRTA処理を削減することにより、クラスタ装置の構成を簡素化できる。これをクラスタ装置構成を示した図7を用いて説明する。
【0096】
クラスタ装置は、基板搬送ロボット41を設けた基板搬送室40、装置に対して基板を搬入/搬出するロードロック室42、基板を表面処理(RCA洗浄等)する第1反応室43、図1に示したCVD反応室としてのHfO2膜を形成する第2反応室44、及び薄膜上に電極を形成する第3反応室45を備える。
【0097】
従来クラスタ装置構成(図20参照)では、第1反応室33で基板表面処理を施し、第2反応室34でHfO2膜を形成し、第3反応室35でRTA処理を行い、第4反応室36で電極を形成していた。これに対し、図7の実施の形態によれば、基板を装置外からロードロック室42に搬入した後、第1反応室43でRCA洗浄等の基板表面処理を施し、第2反応室44でHfO2膜形成と改質処理とを繰り返して(HfO2膜形成→改質処理→HfO2膜形成→改質処理→…)、所定膜厚のHfO2膜形成を行ない、第3反応室45で電極(poly−Si薄膜形成、および熱アニール処理)を形成する。そして、電極を形成した基板はロードロック室42から装置外へ搬出する。
【0098】
図8に、上述した従来例と実施の形態のクラスタ装置構成により得られた基板のHfO2膜の電気的特性を比較した図を示す。横軸に静電容量(任意単位)、縦軸にHfO2膜厚が約5nm、約10nm、約15nmのときのリーク電流(任意単位)を示している。同図より、図20に示す従来のタラスク装置(1サイクル処理)で得られるHfO2膜特性より(図中白抜きの点)、図7に示す実施の形態のクラスタ装置(HfO2膜は7サイクル処理)により得られる特性(図中黒塗りの点)の方が優れていることを示している。この結果は、RTA処理が不要になっていることを示しており、このようなRTA処理不要のクラスタ構成にすることができるのは、図7の第2反応室44において、HfO2膜からのCH、OH除去処理が本実施の形態によるプロセスにより十分に行われているためであると考えられる。
【0099】
従って本実施の形態では、クラスタ装置からRTA用の反応室を省いて、構成の簡素化を図ることができる。また、CH、OHを除去するためのRTA処理を行なわないので、HfO2膜の表面状態が平坦性を失うことがなく、HfO2膜が部分的に結晶化して絶縁性やその安定性が低くなることもない。
【0100】
実施の形態では、HfO2膜を第2反応室44で形成した後に、RTA処理を行うことなく同一のクラスタ装置内の第3反応室45で電極を形成するようにしている。このように、HfO2膜を形成(第2反応室)後、同一装置内で電極形成(第3反応室)までを行なうようにする場合には、
【0101】
▲1▼一の装置から基板を取り出して、他の装置に装填した後、再度基板を昇温する再昇温時間が節約できる。
▲2▼電極形成時に行われる700℃以上の熱アニールにより、HfO2膜が緻密化されるため、膜表面が汚染されにくくなる。
▲3▼HfO2膜の表面を清浄な状態のまま電極形成できる。
というようなメリットがある。
なお、HfO2膜を形成(第2反応室)後に基板を装置外に取り出して、別の装置で電極を形成するようにしてもよい。ただし、このように別の装置で電極を形成する場合には、
【0102】
▲1▼基板を装置外に出した場合は、基板を再度加熱するための昇温時間が必要になり無駄な処理時間が発生する。
▲2▼低温で形成されたHfO2膜は装置外の雰囲気により表面が汚染されやすく、また、経時変化しやすい(デバイスの電気特性劣化の原因になる。)
というようなデメリットがある。
【0103】
このデメリットを解消するには、電極形成前にRTA処理を行えばよい。図7に示すクラスタ装置の場合であっても、HfO2膜を形成(第2反応室44)後、例えば、第3反応室45でRTA処理を行なうようにすれば、その後の電極形成は別の装置で行なっても問題はない。一般的に高温で緻密化されるほど原子間の隙間が小さくなり、汚染物質(H2Oや有機物など)がHfO2膜中に拡散しにくい状態となる。従って、HfO2膜がRTA処理により高温アニールされて緻密化されているので、装置外の雰囲気で汚染したり、経時変化されにくくなるからである。
【0104】
(10)変形例
なお、上述した実施の形態では、成膜工程で基板に供給する原料ガスと、改質工程で基板に供給する反応物としての酸素ラジカルとを、シャワーヘッドの共用化で同一の供給口より反応室内に供給するようにしたが、シャワーヘッドの内部空間を成膜用と反応物用とに分割して、原料ガスと反応物はそれぞれ別々の供給口より供給するようにしてもよい。この場合、成膜工程で原料ガス用の供給口より基板に原料ガスを供給する際は反応物用の供給口に非反応性ガスを供給し、改質工程で反応物用の供給口より基板に反応物を供給する際は、原料ガス用の供給口に非反応性ガスを供給するとよい。このように、原料ガスと反応物とを別々の供給口より供給するようにして、各工程で互いに関与しない供給口から不活性ガスなどの非反応性ガスを供給すると、供給口の内部への累積膜形成を十分に抑制することができる。以下、これを図9を用いて詳述する。なお、図9に示す構成は、シャワーヘッド6に仕切板15を設けた点を除いて図1の構成と同じである。
【0105】
シャワーヘッド6の内部に吸着している原料と、反応物としての酸素ラジカルとが反応するとシャワーヘッド6の内部にも累積膜が形成される。この累積膜の形成を抑制するために、シャワーヘッド6を、仕切板15で2つ(6a、6b)に仕切る。原料ガスと酸素ラジカルとが供給されるシャワーヘッド6を仕切ることにより、原料と酸素ラジカルとの反応を有効に防止できる。
【0106】
シャワーヘッド6を仕切ることに加えて、さらに成膜ガスを基板4へ流す場合は、ラジカル供給側(反応物活性化ユニット11)から活性化ガスシャワーヘッド部6bへ不活性ガスを流し、酸素ラジカルを基板4へ流す場合は、原料供給側(成膜原料供給ユニット9、不活性ガス供給ユニット10)から成膜シャワーヘッド部6aへ不活性ガスを流すのが良い。このように成膜工程と改質工程でそれぞれ使用しない側のシャワーヘッド部6b、6aに不活性ガスを流すようにすると、さらに効果的にシャワーヘッド6内部への累積膜形成を抑制することができる。
【0107】
図9に適用されるシャワーヘッド6は種々の形状で構成することが可能である。図10にそのようなシャワーヘッド6の各種の形状を示す。図10(a)〜(e)に示す各種の形状のシャワーヘッドは、その構成が次の点で共通している。シャワーヘッド6は、多数の孔8を有するシャワー板19、背板17及び周壁26と、これらによって内部に形成されるガス空間27と、ガス空間27を仕切って2つのシャワーヘッド部6a、6bに分割する仕切板15とから構成される。このように構成されたシャワーヘッド6の背板17側から2つのシャワーヘッド部6a、6bにそれぞれ原料供給管5、ラジカル供給管13が接続されている。
【0108】
図10(a)では、ガス空間27が円盤状をしており、仕切板15が円盤状のガス空間27の直径方向に設けられて、シャワーヘッド部6a、6bが左右に設けられている。図10(b)では、ガス空間は円盤状をしているが、仕切板15が円盤状のガス空間と同心円状に設けられて、シャワーヘッド部6a、6bが同軸の二重管状に設けられている。
【0109】
前述した図10(a)、(b)では、シャワーヘッド6の基本形状を点対称となる円形としたが、本実施の形態では基板を回転させるので、点対称となる円形ではなく、線対称となる半円や長方形のような形とすることも可能である。図10(c)〜図10(e)は、このような例である。
【0110】
図10(c)では、ガス空間が半円盤状をしており、仕切板15は半円盤状のガス空間の半径方向に設けられて、シャワーヘッド部6a、6bが左右に設けられている。図10(d)では、ガス空間が長方形盤状をしており、仕切板15は中央部に設けられて、シャワーヘッド部6a、6bが左右に設けられている。図10(e)は、四角形盤状をしており、仕切板15は中央部に設けられて、シャワーヘッド部6a、6bが左右に設けられている。このように、シャワーヘッド6は種々の形状で構成することが可能である。
【0111】
また、上述した実施の形態では、特に次の(1)〜(3)を含む構成において、基板上にHfO2膜を形成する場合について説明した。
(1)成膜工程で使用する成膜ガスと、改質工程で使用する反応物としてのラジカルとを、同一の供給口(シャワーヘッド)より供給して、両者が混合するようにする。変形例では、異なる供給口(分離されたシャワーヘッド)にて供給して、両者が混合しないようにする。
(2)成膜ガス又は反応物としての酸素ラジカルの供給中に、次工程で用いる反応物としての酸素ラジカル又は成膜ガスをバイパス管より排気しておき、バルブを切換えるだけで、直ちに次工程で用いる酸素ラジカル又は成膜ガスの供給を開始できるようにする。
(3)成膜工程と改質工程とで共用のトラップを使用して、メンテナンスを簡単にする。
しかし、本発明は、上記3つの構成点については、HfO2膜の成膜に限定されない。例えばTa25膜などの他の種類の膜の成膜にも適用可能である。
【0112】
【実施例】
図11に、本実施例における周期的なリモートプラズマ酸化(RPO)を用いた新しいMOCVD手法の成膜シーケンス(MOCVDによる成膜とRPOを複数回繰り返すサイクル手法の手順)を示す。ここでは、図1の基板処理装置を用いて処理を行った。
【0113】
反応室内のサセプタ上に基板としてのシリコンウェハを載置し、シリコンウェハの温度が安定化したら、
(1)気化器で気化させた気体状のHf−(MMP)4原料(MO−Precursor)か希釈N2と共に反応室内に△Mt秒間導入される。
(2)その後、気体状のHf−(MMP)4原料の導入が停止され、反応室内は希釈N2により△It秒間パージされる。
(3)反応室内のパージ後、リモートプラズマユニットにより活性化された酸素(Remote Plasma Oxygen)が反応室内に△Rt秒間導入される。この間も希釈N2は導入され続けている。
(4)リモートプラズマで活性化した酸素の導入が停止された後、反応室内は再び希釈N2により△It秒間パージされる。
(5)この(1)から(4)までのステップ(1cycle)は、膜厚が所望の値(厚さ)に到達するまで(n cycle)繰り返される。
本実施例では、Hf−(MMP)4の流量を0.05g/min、希釈ガスN2の流量を0.5SLM(standard liter per minute)、リモートプラズマユニットに導入する酸素の流量を0.1SLMとした。また、反応室内の圧力は、排気ラインに設けられたAPC(auto pressure control)バルブにより、100Paに保たれるようコントロールした。HfO2膜のデポレート(成膜速度)を測定するために、シリコン基板はその表面の自然酸化膜を1%希釈HF溶液で取り除いて用いた。
【0114】
図12に、電流−電圧特性(I−V特性)とキャパシタンス−電圧特性(C−V特性)を測定するためのn−MOSキャパシタ構造とその作製プロセスフローを示す。
【0115】
n−MOSキャパシタの作製には、まず、LOCOS法により素子分離されたp型シリコンウェハを用いた。HfO2膜の成膜前に、シリコン表面は、自然酸化膜と汚染物質を取り除くために、1%希釈Hf溶液によるエッチングが施された(Cleaning-DHF+DIW+IPa)。引き続いて、NH3雰囲気内で、600℃で30秒間、熱アニール(rapid thermal annealing)することによりシリコン表面を窒化した(Surfacen nitridation)。その後、上記サイクル処理(HfO2 deposition by MOCVD via cyclic RPO)によりHfO2膜を成膜し、N2雰囲気中で、650℃で15分間、アニール処理を施した(post deposition annealing)。引き続いて、ゲート電極形成のために、膜厚80nmのTiN膜を、TiCl4とNH3とを用いて650℃でCVD(chemical vapor deposition)法により成長させ(Gate Electrode-CVD TiN)、フォトリソグラフィーによるマスク作製とエッチングにより面積1000−10000μm2のMOSキャパシタのゲート電極を形成した。HfO2膜の酸化膜換算膜厚(EOT)は、面積10000μm2の電極で測定したC−Vカーブに、NCSUで開発されたCVCプログラムを用いて求めた。I−V特性は、面積1000μm2の電極を用いて、温度100℃で測定した。また、膜の品質を調べるために、TDS(thermal desorption spectroscopy)特性とSIMS(Secondary Ion Mass Spectroscopy)プロファイルも測定した。また、膜の結晶構造を調べるために、高分解能TEM([HRTEM]cross-section high-resolution transmission electron microscopy)画像も観測した。
【0116】
図13に上記サイクル法を用いて成膜したHfO2薄膜の成長速度の基板温度依存性を示す(図中黒塗りの点)。縦軸は成長速度(Growth Rate)、横軸は温度(Temperature)を示している。サイクル法における△Mt、△It、△Rtのそれぞれのステップ時間は30秒とした。比較例としてCho等が行ったHfCl4とH2Oとを用いてALDによりHfO2を形成したデータ(図中白抜きの点)も示している。成膜速度は、Cho等のデータと比較するため、nm/minの単位に直して表した。
【0117】
HfCl4とH2Oとを用いたALDの場合、成膜速度は、基板温度(成長温度)を180℃から400℃に変化(上昇)させるに従い、1.2nm/minから0.36nm/minへ減少した。なぜならば、ALDの場合、ウェハ表面への原料の吸着量が、基板温度を上げることにより減少するからである。しかしながら、本発明者らが発明した新しいサイクル手法の場合、成膜速度は、基板温度(成長温度)を300℃から490℃に上げるに従い、0.3nm/min(0.6nm/cycle)から1.5nm/min(3nm/cycle)へと増加した。これは、成膜温度を上昇させることにより、原料の自己分解が促進されるからである。なお、使用した液体マスフローコントローラでは流量が安定化するまで時間がかかるので、30秒の△Mtのうち、成膜に実際に寄与しているのは、8秒だけであることが分かっている。そのため、低温ではALDよりも成膜速度が低くなっている。原料が実際に成膜に寄与する時間を増やせれば、成膜速度は低温でもALDより大きくすることができる。
【0118】
サイクル手法を用い、異なるサイクル数で成膜した膜厚30nmのHfO2薄膜を、TDSにより評価した。図14(a)、(b)、(c)は、それぞれ、HfO2薄膜の水素、H2O、COのTDSスペクトルを示している。同図(a)、(b)、(c)の中の4つのスペクトルは、それぞれ、425℃で、1,10,20,40サイクルでサイクル法により成膜したHfO2薄膜に関するものである。また、1,10,20,40サイクル処理のステップ時間は、それそれ、1200,120,60,30秒である。言い換えれば、1,10,20,40サイクルで成膜された膜は、それぞれ、30,3,1.5,0.75nm毎にRPO処理をされたことになる。
【0119】
図14の(a)から、1サイクルのサンプルに比べ、10,20,40サイクルのサンプルからの水素の脱離は劇的に減少していることが分かる。また、図14(b)および(c)からは、COの脱離がサイクル数によって、ほとんど変化しないのに対し、H2Oの脱離は、サイクル数の増加に伴い、徐々に減少していることが分かる。本発明者らは、以前RPO処理を施したサンプルとそうでないサンプルのTDSスペクトルの比較を行い、HfO2薄膜成膜後のRPOは、水素とH2Oの混入を減少させるのに効果があることを究明した。これらの事実から、周期的なRPOは水素やH2Oの混入を減少させるのに効果があるといえる。
【0120】
また、Hf−(MMP)4によるHfO2薄膜中への不純物混入のメカニズムを調べるために、Hf−(MMP)4の自己分解反応を以下のようにして調べた。
【0121】
まず、Hf−(MMP)4溶液を300℃で、5時間Arガス中に放置し、その後、トルエンで希釈し、GC−MS(Gas Chromatography-Mass Spectroscopy)で分析した。検出された副生成物は、Hf−(MMP)4、(CH32C=CHOCO3(olefin)、(CH32CHCHO(isobutylaldehyde)、(CH32CHCH2OH(isobutanol)、CH3OH(methanol)、CH3C(=0)CH3(acetone)であった。Olefinは、HfO−C結合の分離と、MMPのβ位の炭素(C)に結合している水素(H)の分離により生成されたものである。Isobutylaldehyde,isobutanol、methanol、acetoneは、H−MMPとolefinが分解してできたものと思われる。Hf−(MMP)4の反応モデルとして、以下の式が適切と考えている。
Hf(MMP)4→Hf(OH)+4olefin (4)
または、
Hf(MMP)4→HfO2+2H(MMP)+ 2olefin (5)
ここで、式(4)から、Hf−(MMP)4を用いてMOCVDで成膜したHfO2には、水素が入りやすいことが予想される。このことは、以前測定したMOCVDで成膜したHfO2膜のTDSスペクトルからも確認しており、事実と一致している。しかしながら、図14より、3nm以下の膜厚毎にRPO処理を施した膜は、ほとんど水素が混入していないことから、RPO処理は、完全にHf(OH)を以下に示す式のように酸化しているようである。
Hf(OH)+O*→HfO2+1/2H2 (6)
または、
2Hf(OH)+3O*→2HfO2+H2O (7)
なお、O*は酸素ラジカルである。
ここで、もし、堆積された膜の表面で式(7)の反応が起こっているとしても、薄膜表面から、発生したH2Oが排気されるので、膜中に取りこまれにくいと考えられる。しかし、酸素ラジカル(O*)は、膜中に存在するHf(OH)とも反応するので、HfO2薄膜中には、H2Oが取り込まれることになる。その結果、図14に示されたように、サイクル手法を用いて成膜されたHfO2薄膜でさえも、膜中にはH2Oは存在し、そのH2Oの混入による汚染はRPO処理を施す1サイクルの膜厚が減少するに従い、減少する。
【0122】
図15は、従来のMOCVD法により425℃で成膜されたHfO2のサンプル(MOCVD at 425℃)と、サイクル手法により300℃および425℃で成膜されたHfO2のサンプル(Cyclic Method at 300℃、425℃)の炭素((a)carbon)と水素((b)hydrogen)のSIMSプロファイルを示すものである。これらのサンプルの膜厚は、約5nmである。300℃と425℃のサンプルは、それそれ、100および10サイクルで、30秒のステップ時間で成膜した。
【0123】
図15から、MOCVD法、サイクル手法の300℃、サイクル手法の425℃のサンプルの炭素(C)の混入量は、それぞれ、1.4,0.54,0.28at.%である。また、MOCVD、サイクル手法の300℃、サイクル手法の425℃のサンプルの水素(H)の混入量は、それぞれ、2.6,O.8,0.5at.%である。CとHの混入がMOCVD法よりもサイクル手法の方が少ないという結果は、サイクル手法がCやHの混入を減少させるのに効果的であるということを示している。Kukliらの報告によると、ALDで300℃および400℃で成膜した膜中の水素混入量は、それぞれ、1.5および0.5at.%であった。このことより、サイクル手法で成膜した膜の水素混入量は、ALDと比較しても劣るものではないことがわかる。炭素の混入量が減少した原因は、以下のとおりである。上記式(4)および式(5)に示したように、Hf−(MMP)4を導入した後、OlefinやH−MMPが生成される。また、さまざまな種類のアルコールがOlefinおよびH−MMPの分解により生成される。大部分のこれらの副生成物は、薄膜の表面から排気されるが、いくらかは薄膜表面に吸着する。ここで、RPOステップにより、これらの吸着物は、CO,CO2,H2O等に分解され、次のパージステップにより薄膜表面から排気される。Chenらは、MO原料と酸素を15秒の排気をはさんで導入するといった、「パルスモード」でZrO2薄膜を成膜して、Cの混入量が0.1at.%以下であると報告しているが、これも酸素導入ステップでの有機物の分解と、その後の排気ステップでの排気に起因すると考えられる。しかし、本発明は、Chenらの手法に対し、酸素よりも活性なリモートプラズマ酸素を用いており、アルコール等の分解効率が高いという点で有利である。さらに、サイクル手法の不純物量が、成膜温度を上昇させることにより、減少していることがわかる。この理由は、成膜温度が上昇するに従い、副生成物の吸着量が減少することに起因する。これらの理由から、サイクル手法において、原料導入時間△Mtは短く、およびリモートプラズマ導入時間△Rtは、長くした方が良いと結論付けられる。また、成膜温度は、原料が気相で分解されない限り、高い方が良いと言える。
【0124】
HfO2膜などの多くの酸化金属は、図16に示すように温度を上昇させると、膜中に結晶化構造を作りやすい性質がある。従来のMOCVD方法では300℃以上における堆積で既に膜中に結晶化した部分が多数含まれていた。しかし、本発明では、同図のように結晶化温度は高温側にシフトしており、結晶化しにくいHfO2膜が得られることが判っている。図17に示すTEM写真は、その一例を示すものであり、従来では結晶化していた温度においてもアモルファス構造を保つことが判った。
【0125】
図17(a)および(b)は、425℃で1および4サイクルで、それそれ、ステップ時間120秒および30秒で成膜したサンプルのHRTEM画像である。HfO2薄膜成膜前に、NH3アニールにより、0.8nmの界面層が形成されている。TEM画像で、黒く見える部分がHfを含むHfO2膜である(重い原子ほど黒く見える)。一般に、その部分に規則性がなければアモルファスといい、規則性があれば結晶化しているという。しかし、膜全体(大きな意味)でみれば部分的に結晶化していてもアモルファスであるといって良いと考えられる。
【0126】
図17(a)、(b)より、1および4サイクルの界面層は、1.7nmおよび1.6nmであることから、RPO処理のステップ時間は、界面層の形成には、影響を与えていないと考えられる。ただし別の実験では、サイクル法により、下地とHfO2膜の間に形成される望ましくない界面層の厚さを従来のMOCVD法による成膜よりも薄くできることが確認されている。図17から、1サイクルで成膜したHfO2薄膜がより結晶化しているのに対し、4サイクルで成膜したのHfO2薄膜は、アモルファス構造であることが分かる。Kukli等は、ALDにより成膜したZrO2膜は、210℃ではアモルファス構造であったが、300℃で結晶化したと報告している。また、Aarik等は、ALDにより300℃で成膜したHfO2膜は結用化していたと報告している。これらのことから本発明のサイクル手法は、膜をアモルファス構造で維持するのに適した手法と言える。なお、膜厚均一性について調べたところ、1サイクルで成膜した場合に比べ、4サイクルで成膜した場合の方が、良好となることも確認できた。
【0127】
図18に、MOCVD法とサイクル手法により425℃で成膜したHfO2キャパシタのEOTと−1Vで測定したリーク電流の関係を示す。縦軸はリーク電流(Jg@−1V)、横軸はEOTを示している。HfO2薄膜成膜前に、NH3アニールにより、0.8nmの界面層が形成されている。サイクル手法で成膜したHfO2薄膜の膜厚は、それぞれ、2.3,3.1,3.8,4.6nmである。MOCVD法により異なる膜厚で成膜したHfO2膜のうち、C−V特性か得られたのは、膜厚が5nm以上のものだけだった。白抜きの点、黒塗りの点は、それぞれMOCVD法、サイクル手法により成膜した場合の結果を示している。
【0128】
図18より、サイクル手法で成膜したHfO2薄膜のリーク電流は、MOCVD法で成膜した膜の100分の1以下であることが分かる。そのリーク電流がサイクル手法により減少した原因は、HfO2膜中の不純物の減少とその膜構造がアモルファス状態であることである。
【0129】
以上のように本発明者らは、周期的なRPOを用いた新しいMOCVD法のアドバンテージを見出した。すなわち、サイクル手法の場合、成膜温度を上げ、原料の導入時間を縮めることにより、膜中に含まれる不純物の量を減らすことが出来ることを見出した。また、サイクル手法で成膜した膜は、アモルファス構造であり、サイクル手法はアモルファス構造を維持するのに好ましいことも判明した。その結果、HfO2膜のリーク電流は減少した。また、サイクル手法により、従来のMOCVDによる成膜よりも膜厚均一性を向上することができ、さらには成膜の下地とHfO2膜の間に形成される界面層の厚さも小さくできることも判明した。
【0130】
【発明の効果】
本発明によれば、成膜工程の際、酸素原子を含むガスを用いることなく金属酸化膜を形成するので、改質工程の際、金属酸化膜中の特定元素を有効に除去して膜を改質しやすくできる。
【0131】
また、成膜ガスと反応物を同一の供給口より供給するので、供給口の内部に付着した異物を薄膜で覆って、異物が基板上へ落ちてくることを抑制でき、クリーニングすることで、供給口内部に吸着している副生成物やクリーニングガスの除去が実施できる。
【0132】
また、特に、Hfを含む膜の形成と、反応物を用いた膜の改質とを連続して行うと、成膜工程において形成したHfを含む膜中の特定元素を速やかに除去して膜を改質できる。この場合において、1回に形成するHfを含む膜の膜厚を0.5Å〜30Å(1/6原子層〜10原子層)とすると、結晶化しにくい状態で改質処理を行うことができ、不純物を有効に除去して膜を改質することができる。
【0133】
また、薄膜の形成後、電極形成工程とは別工程としてアニール工程を行うことなく電極を形成すると共に薄膜の形成から電極形成までを同一装置内で行うと、スループットを向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態における反応室の概要説明図である。
【図2】Hf−O−Hf結合の結合度合を、HfO2膜を形成するに際し、酸素なしで形成した場合と酸素ありで形成した場合とで比較した図である。
【図3】HfO2膜中に含まれる不純物量(−OH、C−H、C−O)を、HfO2膜を形成するに際し、酸素なしで形成した場合と酸素ありで形成した場合とで比較した図である。
【図4】サイクル数とHfO2膜中のC、H不純物総量の関係を示すグラフである。
【図5】基板上にHfO2膜を形成した状態を示す断面図である。
【図6】サイクル数と絶縁特性の関係を示すグラフである。
【図7】実施の形態におけるクラスタ装置構成を示す概念図である。
【図8】従来例と実施の形態におけるクラスタ装置構成によるHfO2膜の電気的特性を示すグラフである。
【図9】変形例における反応室の概要説明図である。
【図10】実施の形態によるシャワーヘッド形状の各種例を示す説明図である。
【図11】実施例におけるMOCVDとRPOのサイクル処理による成膜シーケンスを示す図である。
【図12】実施例におけるC−V特性およびI−V特性の測定に用いたn−MOSキャパシタ構造とその作製手順を説明する図である。
【図13】サイクル処理により成膜したHfO2膜の成長レートの基板温度依存性を示す図である。
【図14】サイクル数を変えて成膜したHfO2膜中の水素、H2O、COのTDSスペクトルを示す図である。
【図15】従来のMOCVD法と実施例におけるサイクル処理により形成したサンプルの(a)炭素と(b)水素のSIMSプロファイルを示す図である。
【図16】結晶化の度合いの温度特性を示した従来例と本発明の比較図である。
【図17】1サイクルと4サイクルで形成したサンプルのHRTEM画像を示す図である。
【図18】従来のMOCVD法と実施例におけるサイクル処理により形成したHfO2キャパシタのEOTとリーク電流の関係を示す図である。
【図19】従来例におけるCVD反応室の概念説明図である。
【図20】従来例におけるクラスタ装置構成を示す概念図である。
【符号の説明】
1 反応室
4 基板
5 原料供給管
6 シャワーヘッド
7 排気管
9 成膜原料供給ユニット
11 反応物活性化ユニット
14 バイパス管
15 仕切板
16 トラップ
25 制御装置
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device in which a thin film is formed on a substrate.
[0002]
[Prior art]
As one of the semiconductor manufacturing processes, there is a CVD (Chemical Vapor Deposition) process in which a predetermined film forming process is performed on the surface of a substrate (a substrate to be processed on which a fine electric circuit pattern based on silicon wafer or glass is formed). is there. This is because a substrate is loaded into an airtight reaction chamber, the substrate is heated by a heating means provided in the chamber, a chemical reaction occurs while introducing a film forming gas onto the substrate, and a fine electric circuit provided on the substrate. A thin film is uniformly formed on a pattern. In such a reaction chamber, the thin film is also formed on a structure other than the substrate. In the CVD apparatus shown in FIG. 19, a shower head 6 and a susceptor 2 are provided in a reaction chamber 1, and a substrate 4 is placed on the susceptor 2. The film forming gas is introduced into the reaction chamber 1 through the raw material supply pipe 5 connected to the shower head 6, and is supplied onto the substrate 4 through a large number of holes 8 provided in the shower head 6. The gas supplied onto the substrate 4 is exhausted through the exhaust pipe 7. The substrate 4 is heated by a heater 3 provided below the susceptor 2.
[0003]
As such a CVD apparatus, an organic chemical material is used as a film forming raw material, and amorphous HfO is used.2There are MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) devices and ALD (Atomic Layer Deposition) devices for forming films and amorphous Hf silicate films (hereinafter simply referred to as HfO films). Here, the difference between the CVD method performed in the MOCVD apparatus and the ALD method performed in the ALD apparatus is as follows. In the ALD method, the processing temperature and pressure are low, and films are formed one atomic layer at a time. On the other hand, the CVD method has a higher processing temperature and pressure than the ALD method, and forms a film of approximately 1/6 atomic layer to several tens of atomic layers.
[0004]
As raw materials for film formation,
Hf [OC (CHThree)Three]Four(Hereafter, Hf- (OtBu)FourAbbreviated),
Hf [OC (CHThree)2CH2OCHThree]Four(Hereafter, Hf- (MMP)FourAbbreviated),
However, MMP: methyl methoxypropoxy
Hf [O-Si- (CHThree]]Four
Etc. are used.
[0005]
Among these, for example, Hf- (OtBu)Four, Hf- (MMP)FourMany organic materials are in a liquid phase at normal temperature and pressure. For this reason, for example, Hf- (MMP)FourIs used after being heated and converted into gas by vapor pressure. Using such a raw material, an HfO film is formed, for example, at a substrate temperature of 450 ° C. or lower using the CVD method. This HfO film contains impurities such as CH and OH due to organic materials in a large amount of several percent. As a result, the category indicating the electrical properties of the substance belongs to a semiconductor or a conductor, contrary to the intention of securing an insulator.
[0006]
In order to ensure the electrical insulation of such a thin film and its stability, the HfO film is made of O2Or N2Attempts to convert C and H into dense and stable insulating thin films by applying high-speed annealing treatment (hereinafter abbreviated as RTA [Rapid Thermal Annealing]) at around 650 ° C. to 800 ° C. in an atmosphere. However, it has been performed conventionally. Here, the purpose of RTA is to remove impurities such as C and H in the film and to make them dense. Densification is not performed until crystallization, but is performed to reduce the average interatomic distance in the amorphous state.
[0007]
FIG. 20 shows a cluster device configuration in a conventional method for forming an HfO film. The substrate is carried into the load lock chamber 32 from the outside of the apparatus, subjected to substrate surface treatment such as RCA cleaning (a typical cleaning method based on hydrogen peroxide) in the first reaction chamber 33, and the second reaction chamber 34 described above. The HfO film is formed by the conventional equivalent method, RTA treatment (impurity removal, thermal annealing treatment) is performed in the third reaction chamber 35, and an electrode (poly-Si thin film or the like) is formed in the fourth reaction chamber 36. The substrate on which the electrodes are formed is carried out of the apparatus from the load lock chamber 32. The above carry-in / carry-out is performed using a substrate transfer robot 31 provided in the substrate transfer chamber 30.
[0008]
In the third reaction chamber 35, when C and H are separated from the HfO film by the RTA process, the surface state loses flatness and changes to an uneven surface state. In addition, the RTA treatment causes the HfO film to be partially crystallized, causing a large current to easily flow through the crystal grain boundary, resulting in a problem that the insulating property and its stability are impaired. These problems are common to the thin film deposition method using the MOCVD method or the ALD method using not only an insulator but also all organic chemical materials.
[0009]
In the second reaction chamber 34, a thin film is also formed on a structure other than the substrate. This is called a cumulative film, and a large amount of C and H is mixed in this cumulative film. For this reason, as the number of processed substrates increases, the amount of C and H released from the cumulative film increases, and the amount of C and H mixed in the HfO film formed on the substrate gradually increases as the number of processed substrates increases. Will do. This phenomenon makes it very difficult to keep the quality of continuously produced HfO films constant. In order to solve such a worrisome phenomenon, it is necessary to frequently perform a removal process of the accumulated film by self-cleaning, which is a factor of reducing productivity.
[0010]
As described above, in the conventional technique for forming an amorphous thin film, the surface state of the HfO film loses flatness due to the RTA process and changes to an uneven surface state, or the HfO film is partially crystallized to generate crystal grain boundaries. However, there has been a problem that insulation and stability thereof are lowered.
[0011]
Further, in order to make the quality of the continuously produced HfO film constant, it is necessary to frequently perform a cleaning process of the accumulated film in which a large amount of C and H is mixed, resulting in a decrease in productivity. was there.
[0012]
Although not related to the HfO film, as a thin film formation technique, Ta2OFiveA method of repeating film formation and reforming treatment a plurality of times in the same reaction chamber (see, for example, Patent Document 1), film formation of a high dielectric constant oxide film and a ferroelectric oxide film, and plasma generated using an oxidizing atmosphere gas A method of repeating the heat treatment used multiple times in the same reaction chamber (for example, see Patent Document 2) and a method of repeating the formation of a metal film and formation of a metal nitride film by introducing a nitriding agent gas (for example, see Patent Document 3). Are known.
[0013]
[Patent Document 1]
JP 2002-50622 A
[Patent Document 2]
JP-A-11-177057
[Patent Document 3]
JP-A-11-217672
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
[0015]
However, even if it is going to form a metal oxide film using the prior art described in Patent Documents 1 to 3 described above, the metal oxide film is formed using a gas containing oxygen atoms in addition to the source gas during the film forming process. As a result, the specific element in the metal oxide film could not be effectively removed during the reforming step, and the film was not sufficiently reformed.
[0016]
In addition, since the film forming gas and the reactant are supplied from different supply ports, it is not possible to prevent foreign matter adhering to the inside of the supply port from falling onto the substrate, and even after cleaning, the inside of the supply port Removal of adsorbed by-products and cleaning gas was not sufficient.
[0017]
Further, when a thin film is formed with one apparatus and annealed, and then a substrate is taken out from one apparatus and an electrode is formed with another apparatus, there is a problem that throughput is lowered.
[0018]
An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device capable of eliminating the above-described problems of the prior art and effectively removing a specific element in a metal oxide film during a reforming process. is there. Another object of the present invention is to prevent foreign matters adhering to the inside of the supply port from falling onto the substrate and to remove by-products and cleaning gas adsorbed inside the supply port by cleaning. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device. It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor device that can quickly remove a specific element in a film containing Hf. Furthermore, the subject of this invention is providing the manufacturing method of the semiconductor device which can improve a through-put.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
A first invention uses a source gas obtained by vaporizing a source material containing oxygen atoms and metal atoms, and forms a metal oxide film on the substrate without using a gas containing oxygen atoms in addition to the source gas. The modification step of modifying the metal oxide film formed in the film formation step using a reactant different from the source gas is repeated a plurality of times in succession. In the film-forming process, a metal oxide film is formed on the substrate without using a gas containing oxygen atoms other than the source gas, so that the source containing oxygen atoms and metal atoms that easily contain specific elements in the film was vaporized. Even if the source gas is used, it is possible to easily remove the specific element in the film and easily modify the film. In addition, since the film forming process and the modifying process are continuously performed, the specific element in the film formed in the film forming process can be quickly removed to modify the film. In addition, since the film forming process and the modifying process are continuously repeated a plurality of times, it is possible to easily form a film having a predetermined film thickness and to perform the modifying process after forming a film having a predetermined film thickness at a time. In some cases, the removal amount of the specific element in the formed film can be increased to sufficiently modify the film.
[0020]
According to a second invention, in the first invention, the film forming step and the reforming step are performed in the same reaction chamber. When the film forming step and the reforming step are performed in the same reaction chamber, the temperature of the substrate is not lowered between the steps, so that the temperature raising time for processing the substrate again becomes unnecessary, and the temperature raising time of the substrate can be saved. Processing efficiency is good. In addition, since the substrate stops in the same reaction chamber, the film formation surface is hardly contaminated.
[0021]
According to a third invention, in the first invention, the metal atom is Hf, and the metal oxide film is a film containing Hf. When a raw material containing a metal atom is used as a raw material, a gas containing an oxygen atom such as an oxygen gas is usually used together. However, particularly when the metal atom is Hf and the metal oxide film is a film containing Hf, the oxygen atom is used. If no gas is used, the film can be modified by effectively removing specific elements in the film.
[0022]
In a fourth aspect based on the first aspect, the raw material is Hf [OC (CHThree)2CH20CHThree]FourThe metal oxide film is a film containing Hf. When an organic raw material is used as a raw material, a gas containing an oxygen atom is usually used together with Hf [OC (CHThree)2CH2OCHThree]FourIn the case of using oxygen, it is possible to reduce the mixing amount of specific elements (impurities) such as C and H without using a gas containing oxygen atoms.
[0023]
According to a fifth invention, in the first invention, the metal atom is Hf, the metal oxide film is a film containing Hf, and the thickness of the metal oxide film formed in one film formation step is 0. .5 to 30 inches. When the film thickness of the Hf-containing film formed in one film formation process is 0.5 to 30 mm (1/6 atomic layer to 10 atomic layer), it is possible to maintain a state where crystallization is difficult even if impurities are included. By performing the modification treatment in this state, the film can be easily modified by removing impurities.
[0024]
A sixth invention is characterized in that, in the second invention, the source gas supplied to the substrate in the film forming step and the reactant supplied to the substrate in the reforming step are supplied from the same supply port. When the source gas supplied to the substrate in the film forming process and the reactant supplied to the substrate in the reforming process are supplied from the same supply port, the foreign matter adhering to the inside of the supply port may be covered and deposited with a metal oxide film. And foreign matter can be prevented from falling onto the substrate. Further, when the reaction chamber is cleaned with the cleaning gas, the by-product adsorbed inside the supply port and the cleaning gas can be removed.
[0025]
According to a seventh invention, in the second invention, the source gas supplied to the substrate in the film forming step and the reactant supplied to the substrate in the reforming step are supplied from separate supply ports, and the raw material is supplied in the film forming step. When supplying raw material gas to the substrate from the gas supply port, supply non-reactive gas to the reactant supply port, and when supplying reactant to the substrate from the reactant supply port in the reforming step The non-reactive gas is supplied to the supply port for the raw material gas. In this way, even if the source gas and the reactant are supplied from separate supply ports, and a non-reactive gas such as an inert gas is supplied from the supply ports not involved in each step, the inside of the supply port Cumulative film formation on the substrate can be suppressed.
[0026]
According to an eighth aspect of the present invention, in the second aspect, when supplying the source gas to the substrate in the film forming step, the reactant used in the reforming step is exhausted so as to bypass the reaction chamber without stopping. When the reactant is supplied to the substrate in the reforming step, the raw material gas used in the film forming step is exhausted so as to bypass the reaction chamber without stopping. As described above, if the reaction chamber is bypassed without stopping the supply of the reactant in the film formation process and the film formation gas in the reforming process, the film is immediately formed by simply switching the flow. Gases or reactants can be supplied to the substrate. Therefore, throughput can be improved.
[0027]
According to a ninth aspect, in the second aspect, the exhaust line for exhausting the reaction chamber in the film forming step and the exhaust line for exhausting the reaction chamber in the reforming step are provided with a trap used for both processes. Features. Since the trap is provided in the exhaust line, it is possible to reduce the inflow of the raw material to the exhaust pump and the abatement device that leads to the exhaust line, and to reduce the maintenance cycle of the device. In addition, since the trap is used for both processes, maintenance is simplified.
[0028]
According to a tenth aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the method further includes a cleaning step of removing the film adhered in the reaction chamber using a cleaning gas activated by plasma, and the reactant used in the reforming step is activated by the plasma. The plasma source used for activating the gas in the reforming process and the plasma source used for activating the cleaning gas in the cleaning process are commonly used. Since the plasma source for reactant activation and cleaning gas activation is shared, the management of the plasma source is facilitated, and the semiconductor device can be manufactured at low cost.
[0029]
An eleventh invention is characterized in that, in the first invention, the reactant contains an oxygen atom. When the reactant contains oxygen atoms, the modification process of the specific element can be efficiently performed immediately after the formation of the metal oxide film.
[0030]
According to a twelfth aspect, in the first aspect, the reactant includes a gas obtained by activating a gas containing oxygen atoms with plasma. When the reactant is a gas in which a gas containing oxygen atoms is activated by plasma, the modification process of the specific element can be performed more efficiently immediately after the formation of the metal oxide film.
[0031]
A thirteenth invention is characterized in that, in the first invention, the film forming step and / or the modifying step is performed while rotating the substrate. Since the process is performed while rotating the substrate, the film can be modified by quickly and uniformly removing a specific element in the film.
[0032]
In a fourteenth aspect based on the second aspect, after the metal oxide film is formed on the substrate by repeating the film forming step and the modifying step, the substrate is exposed to the atmosphere from the reaction chamber through the transfer chamber without exposing the substrate to the atmosphere. As a process separate from the electrode formation process after forming the metal stopper film, the process has a process of transporting to the reaction chamber and a process of forming an electrode on the metal oxide film formed on the substrate in another reaction chamber. The electrode is formed without performing an annealing step, and the formation from the metal oxide film to the electrode formation is performed in the same apparatus. Since the formation from the metal oxide film to the electrode formation is performed in the same apparatus, it is possible to save time for heating the substrate as compared with the case where the electrode formation is performed by a different apparatus. In addition, the electrode can be formed while the surface of the film is clean. Further, since the metal oxide film is densified by thermal annealing performed at the time of electrode formation, the film is hardly contaminated.
[0033]
According to a fifteenth aspect of the present invention, a film forming process for supplying a film forming gas onto a substrate to form a thin film, and a reactant different from the film forming gas is supplied to modify the thin film formed in the film forming process. In the method for manufacturing a semiconductor device, in which the reforming process is repeated in the same reaction chamber a plurality of times, the film forming gas supplied to the substrate in the film forming process and the reactant supplied to the substrate in the reforming process are the same. It is characterized by being supplied from a supply port. Since the film forming step and the modifying step are performed continuously, the specific element in the film formed in the film forming step can be quickly removed to modify the film. In addition, since the film forming step and the modifying step are repeated a plurality of times in succession, a film having a predetermined film thickness can be easily formed, and a film having a predetermined film thickness is formed at a time and then the modifying step is performed. In some cases, the film can be modified by increasing the removal amount of the specific element in the formed film. In addition, if the source gas supplied to the substrate in the film formation process and the reactant supplied to the substrate in the reforming process are supplied from the same supply port, the foreign matter adhering to the inside of the supply port may be covered with a thin film and deposited. And foreign matter can be prevented from falling onto the substrate. Further, when the reaction chamber is cleaned with the cleaning gas, the by-product adsorbed inside the supply port and the cleaning gas can be removed.
[0034]
According to a sixteenth aspect of the present invention, a film forming step for forming a film containing Hf on a substrate using a source gas obtained by vaporizing a source material containing Hf and a film forming step using a reactant different from the source gas are used. The modification step of modifying the film containing Hf is repeatedly performed a plurality of times. Since the film formation process and the modification process are performed continuously, the specific element in the film containing Hf formed in the film formation process can be quickly removed to modify the film. In addition, since the film forming process and the reforming process are repeated a plurality of times in succession, a film containing Hf having a predetermined film thickness can be easily formed, and a film containing Hf having a predetermined film thickness can be formed at a time. In contrast to the case where the modification step is performed, it is possible to modify the film containing Hf by increasing the removal amount of the specific element in the formed film.
[0035]
According to a seventeenth aspect, in the sixteenth aspect, the film thickness of the Hf-containing film formed in one film formation step is 0.5 to 30 mm. When the film thickness of the Hf-containing film formed in one film formation process is 0.5 to 30 mm, that is, 1/6 atomic layer to 10 atomic layer, it is possible to maintain a state where it is difficult to crystallize even if there is an impurity, By performing the reforming treatment in this state, impurities can be removed and the film can be easily modified.
[0036]
According to an eighteenth aspect of the present invention, a film forming process for supplying a film forming gas onto a substrate to form a thin film, and a reactant different from the film forming gas is supplied to reform the thin film formed in the film forming process. A process of forming a thin film on a substrate by repeating the reforming step multiple times in the same reaction chamber, and then transporting the substrate from the reaction chamber to another reaction chamber without exposing the substrate to the atmosphere; Forming the electrode on the thin film formed on the substrate in another reaction chamber, and forming the electrode without performing an annealing process as a separate process from the electrode forming process after the thin film is formed. The process from the formation to the electrode formation is performed in the same apparatus. Since the thin film formation, the thin film modification, and the electrode formation are performed in the same apparatus, the time required for heating the substrate can be saved as compared with the case where the thin film modification and the electrode formation are performed by different apparatuses. Moreover, the specific element in the film can be quickly removed to modify the film, and the electrode can be formed while the surface of the thin film is in a clean state. Further, since the thin film is densified by thermal annealing performed at the time of electrode formation, the thin film is hardly contaminated.
[0037]
According to a nineteenth aspect of the invention, there is provided a reaction chamber for processing a substrate, a first supply port for supplying a raw material gas obtained by vaporizing a raw material containing oxygen atoms and metal atoms into the reaction chamber, and a reaction different from the gas in the reaction chamber. A second supply port for supplying an object and an exhaust port for exhausting the reaction chamber, and forming a metal oxide film on the substrate without using a gas containing oxygen atoms in addition to the source gas in the reaction chamber And a control device for controlling a film forming process to be performed and a reforming process for modifying the metal oxide film formed in the film forming process using a reactant different from the source gas so as to be repeated a plurality of times. A substrate processing apparatus. By having a control device that controls the film forming process and the reforming process to be repeated a plurality of times in succession, the above-described method for manufacturing a semiconductor device can be easily implemented.
[0038]
In the first to second inventions, the sixth to fifteenth inventions, the eighteenth and nineteenth inventions described above, the film formed in the film forming step is not limited to a film containing Hf. In 3rd invention-5th invention, 16th invention-17th invention, the film | membrane formed at the film-forming process is limited to the film | membrane containing Hf. As an example of a film containing Hf, HfO2HfON, HfSiO, HfSiON, HfAlO, HfAlON, and the like. Examples of films other than films containing Hf include the following.
PET (Ta (OC2HFive)Five) Using TaO film (tantalum oxide film)
Zr- (MMP)FourZrO film (zirconium oxide film)
Al- (MMP)ThreeAlO film using aluminum (aluminum oxide film)
Zr- (MMP)FourAnd Si- (MMP)FourZrSiO film (oxidized Zr silicate film) and ZrSiON film (oxynitride Zr silicate film)
Zr- (MMP)FourAnd Al- (MMP)ThreeZrAlO film and ZrAlON film using
Ti- (MMP)FourTiO film using titanium (titanium oxide film)
Ti- (MMP)FourAnd Si- (MMP)FourTiSiO and TiSiON films using
Ti- (MMP)FourAnd Al- (MMP)ThreeTiAlO and TiAlON films using
[0039]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below. In the embodiment, by using the CVD method, more specifically, the MOCVD method, the HfO film is particularly HfO in an amorphous state.2Membrane (hereinafter simply referred to as HfO2The case of forming a film is abbreviated.
[0040]
FIG. 1 is a schematic view showing an example of a single wafer CVD apparatus which is a substrate processing apparatus according to an embodiment. Compared to the conventional reaction chamber 1 (FIG. 19), a reactant activation unit 11, a substrate rotation unit 12, an inert gas supply unit 10, and a bypass pipe 14 as plasma sources are mainly added.
[0041]
As shown in the figure, a hollow heater unit 18 whose upper opening is covered with a susceptor 2 is provided in the reaction chamber 1. The heater 3 is provided inside the heater unit 18, and the substrate 4 placed on the susceptor 2 is heated by the heater 3. The substrate 4 placed on the susceptor 2 is, for example, a semiconductor silicon wafer or glass.
[0042]
A substrate rotation unit 12 is provided outside the reaction chamber 1, and the substrate unit 4 on the susceptor 2 can be rotated by rotating the heater unit 18 in the reaction chamber 1 by the substrate rotation unit 12. The reason why the substrate 4 is rotated is to quickly and uniformly perform processing on the substrate in a film forming process and a modifying process described later.
[0043]
A shower head 6 having a large number of holes 8 is provided above the susceptor 2 in the reaction chamber 1. A raw material supply pipe 5 for supplying a film forming gas and a radical supply pipe 13 for supplying a radical are commonly connected to the shower head 6, so that the film forming gas or the radical is discharged from the shower head 6 in a shower shape. It can be ejected inward. Here, the shower head 6 constitutes the same supply port for supplying a film forming gas supplied to the substrate 4 in the film forming process and a radical supplied to the substrate 4 in the modifying process.
[0044]
A film forming material supply unit 9 for supplying an organic liquid material as a film forming material to the outside of the reaction chamber 1, a liquid flow rate control device 28 as a flow rate control means for controlling the liquid supply flow rate of the film forming material, and a film forming material And a vaporizer 29 is provided. An inert gas supply unit 10 for supplying an inert gas as a non-reactive gas and a mass flow controller 46 as a flow rate control means for controlling the supply flow rate of the inert gas are provided. Hf- (MMP) as a film forming materialFourUse organic materials such as In addition, as the inert gas, Ar, He, N2Etc. are used. A raw material supply pipe 5 b provided in the film forming raw material supply unit 9 and an inert gas supply pipe 5 a provided in the inert gas supply unit 10 are integrated into a raw material supply pipe connected to the shower head 6. 5 is provided. The raw material supply pipe 5 is formed on the substrate 4 with HfO.2In the film forming process for forming a film, a mixed gas of a film forming gas and an inert gas is supplied to the shower head 6. The source gas supply pipe 5b and the inert gas supply pipe 5a are respectively provided with valves 21 and 20, and by opening and closing these valves 21 and 20, the supply of the mixed gas of the film forming gas and the inert gas is controlled. It is possible.
[0045]
In addition, a reactant activation unit (remote plasma unit) 11 serving as a plasma source that activates gas with plasma and forms radicals as reactants is provided outside the reaction chamber 1. The radical used in the reforming process is Hf- (MMP) as a raw material.FourIn the case of using an organic material such as, oxygen radicals are preferable, for example. This is due to oxygen radicals and HfO2This is because the removal of impurities such as C and H can be performed efficiently immediately after the film formation. The radical used in the cleaning process is ClF.ThreeA radical is good. In the reforming process, an oxygen-containing gas (O2, N2The process of oxidizing the film in an oxygen radical atmosphere in which O, NO, etc.) are decomposed by plasma is called remote plasma oxidation (RPO) process.
[0046]
A gas supply pipe 37 is provided on the upstream side of the reactant activation unit 11. The gas supply pipe 37 has oxygen (O2), An Ar supply unit 48 for supplying argon (Ar) as a gas for generating plasma, and chlorine fluoride (ClF).Three) To supply ClFThreeA supply unit 49 is connected via supply pipes 52, 53, and 54 and is used in the reforming process.2And Ar, and ClF used in the cleaning processThreeIs supplied to the reactant activation unit 11. Oxygen supply unit 47, Ar supply unit 48, and ClFThreeThe supply unit 49 is provided with mass flow controllers 55, 56, and 57 as flow rate control means for controlling the supply flow rates of the respective gases. The supply pipes 52, 53, and 54 are provided with valves 58, 59, and 60, respectively, and by opening and closing these valves 58, 59, and 60, O2Gas, Ar gas, and ClFThreeCan be controlled.
[0047]
A radical supply pipe 13 connected to the shower head 6 is provided on the downstream side of the reactant activation unit 11 so as to supply oxygen radicals or chlorine fluoride radicals to the shower head 6 in a reforming process or a cleaning process. It has become. Further, the radical supply pipe 13 is provided with a valve 24, and the supply of radicals can be controlled by opening and closing the valve 24.
[0048]
An exhaust port 7a is provided in the reaction chamber 1, and the exhaust port 7a is connected to an exhaust pipe 7 that communicates with a detoxifying device (not shown). The exhaust pipe 7 is provided with a raw material recovery trap 16 for recovering the film forming raw material. This raw material recovery trap 16 is used in common for the film forming process and the reforming process. The exhaust port 7a and the exhaust pipe 7 constitute an exhaust line.
[0049]
Further, the source gas supply pipe 5b and the radical supply pipe 13 include a source gas bypass pipe 14a and a radical bypass pipe 14b connected to a source recovery trap 16 provided in the exhaust pipe 7 (these may be simply referred to as a bypass pipe 14). Are provided). Valves 22 and 23 are provided in the source gas bypass pipe 14a and the radical bypass pipe 14b, respectively. When the film formation gas is supplied to the substrate 4 in the reaction chamber 1 in the film formation process by opening and closing these valves, the radicals used in the reforming process are bypassed without stopping the supply of radicals used in the reforming process. It exhausts through the bypass pipe 14b and the raw material collection | recovery trap 16. Further, when supplying radicals to the substrate 4 in the reforming step, the source gas bypass pipe 14a and the source recovery trap 16 are provided so as to bypass the reaction chamber 1 without stopping the supply of the deposition gas used in the deposition step. Exhaust through.
[0050]
Then, HfO on the substrate 4 in the reaction chamber 12Film formation process for forming a film and HfO formed in the film formation process2A modification step of removing impurities such as C and H, which are specific elements in the film, by plasma treatment using the reactant activation unit 11 is continued by controlling the opening and closing of the valves 20 to 24. And a control device 25 is provided for controlling to repeat a plurality of times.
[0051]
Next, using the single-wafer CVD apparatus configured as shown in FIG. 1 described above, high-quality HfO different from the conventional one is used.2The procedure for depositing the film is shown. This procedure includes a temperature raising process, a film forming process, a purge process, and a reforming process.
[0052]
First, the substrate 4 is placed on the susceptor 2 in the reaction chamber 1 shown in FIG. Heat uniformly to ° C. (temperature raising step). The substrate temperature depends on the reactivity of the organic material used, but Hf- (MMP)FourIn the range of 390 to 450 ° C. is preferable. Further, when the substrate 4 is transported or heated, the valve 20 provided in the inert gas supply pipe 5a is opened, and Ar, He, N2When an inert gas such as is constantly flowed, particles and metal contaminants can be prevented from adhering to the substrate 4.
[0053]
After the temperature raising process, the film forming process is started. In the film forming step, the organic liquid raw material supplied from the film forming raw material supply unit 9, for example, Hf- (MMP)FourIs controlled by the liquid flow control device 28 and supplied to the vaporizer 29 for vaporization. By opening the valve 21 provided in the source gas supply pipe 5b, the evaporated source gas is supplied onto the substrate 4 via the shower head 6. Also at this time, the inert gas (N2Etc.) is constantly flown so that the film forming gas is stirred. When the film forming gas is diluted with an inert gas, it becomes easy to stir. The film forming gas supplied from the raw material gas supply pipe 5b and the inert gas supplied from the inert gas supply pipe 5a are mixed in the raw material supply pipe 5 and led to the shower head 6 as a mixed gas. It is supplied in a shower form onto the substrate 4 on the susceptor 2 via the hole 8. At this time, O2Gas containing oxygen atoms such as Hf- (MMP) is used as the reactive gas.FourSupply only gas.
[0054]
By supplying the mixed gas for a predetermined time, HfO as an interface layer (first insulating layer) with the substrate is formed on the substrate 4.2The film is formed from 0.5 to 30 inches, for example, 15 inches. During this time, since the substrate 4 is kept at a predetermined temperature (film formation temperature) by the heater 3 while rotating, a uniform film can be formed over the substrate surface. Next, the valve 21 provided in the source gas supply pipe 5b is closed, and the supply of the source gas to the substrate 4 is stopped. At this time, the valve 22 provided in the source gas bypass pipe 14a is opened, and the supply of the film forming gas is exhausted by bypassing the reaction chamber 1 with the source gas bypass pipe 14a. Do not stop the gas supply. Since it takes time to vaporize the liquid raw material and stably supply the vaporized raw material gas, if the reaction chamber 1 is allowed to flow without stopping the supply of the film forming gas, the following formation is performed. In the film process, the film forming gas can be immediately supplied to the substrate 4 simply by switching the flow.
[0055]
After the film formation process is completed, the purge process is started. In the purge step, the inside of the reaction chamber 1 is purged with an inert gas to remove residual gas. Note that the valve 20 is kept open in the film forming step, and the inert gas (N2Etc.) is always flowing, the valve 21 is closed and the supply of the source gas to the substrate 4 is stopped, and at the same time, the purge is performed.
[0056]
After the purge process, the reforming process is started. The reforming step is performed by RPO (remote plasma oxidation) treatment. Here, the RPO treatment means an oxygen-containing gas (O2, N2O, NO, etc.) is a remote plasma oxidation process in which a film is oxidized by using oxygen radicals as reactants generated by activation of plasma. In the reforming step, the valve 59 provided in the supply pipe 53 is opened, the flow rate of Ar supplied from the Ar supply unit 48 is controlled by the mass flow controller 56 and supplied to the reactant activation unit 11 to generate Ar plasma. After generating the Ar plasma, the valve 58 provided in the supply pipe 52 is opened, and the O supplied from the oxygen supply unit 47 is opened.2Is supplied to the reactant activation unit 11 generating Ar plasma by controlling the flow rate with the mass flow controller 55,2Activate. Thereby, oxygen radicals are generated. A valve 24 provided in the radical supply pipe 13 is opened, and a gas containing oxygen radicals is supplied from the reactant activation unit 11 onto the substrate 4 through the shower head 6. During this time, the substrate 4 is kept at a predetermined temperature (the same temperature as the film formation temperature) by the heater 3 while rotating, so that 15% HfO formed on the substrate 4 in the film formation process.2Impurities such as C and H can be quickly and uniformly removed from the film.
[0057]
Thereafter, the valve 24 provided in the radical supply pipe 13 is closed to stop the supply of oxygen radicals to the substrate 4. At this time, by opening the valve 23 provided in the radical bypass pipe 14b, the supply of the gas containing oxygen radicals is exhausted by bypassing the reaction chamber 1 with the radical bypass pipe 14b, and the supply of oxygen radicals is not stopped. Like that. Since oxygen radicals take a long time to be stably supplied after generation, if the reaction chamber 1 is allowed to bypass without stopping the supply of oxygen radicals, the flow is simply switched in the next reforming step. Immediately, radicals can be supplied to the substrate 4.
[0058]
After the reforming step, the purge step is started again. In the purge step, the inside of the reaction chamber 1 is purged with an inert gas to remove residual gas. Note that the valve 20 remains open even in the reforming process, and the inert gas (N2Etc.) is always flowing, so that purging is performed simultaneously with stopping the supply of oxygen radicals to the substrate 4.
[0059]
After the purge process, the film forming process is started again, the valve 22 provided in the source gas bypass pipe 14a is closed, and the valve 21 provided in the source gas supply pipe 5b is opened, so that the film forming gas passes through the shower head 6. Supplied onto the substrate 4 and 15 liters of HfO.2A film is deposited on the thin film formed in the previous film formation step.
[0060]
As described above, a thin film having a predetermined film thickness with very little mixing of CH and OH can be formed by the cycle process in which the film forming process → the purge process → the reforming process → the purge process is repeated a plurality of times.
[0061]
Where Hf- (MMP)FourThe preferable film formation conditions when using is as follows. The temperature range is 400 to 450 ° C., and the pressure range is about 100 Pa or less. Regarding the temperature, when the temperature is lower than 400 ° C., the amount of impurities (C, H) taken into the film increases rapidly. When the temperature is higher than 400 ° C., the impurities are easily detached and the amount of impurities taken into the film is reduced. Moreover, although step coverage will worsen when it becomes higher than 450 degreeC, when it is the temperature of 450 degrees C or less, favorable step coverage will be obtained and an amorphous state can also be maintained.
[0062]
As for the pressure, for example, if the pressure is higher than 1 Torr (133 Pa), the gas becomes a viscous flow, and the gas does not enter into the pattern groove. However, by setting the pressure to about 100 Pa or less, a molecular flow without a flow can be obtained, and the gas reaches the depth of the pattern groove.
[0063]
Hf- (MMP)FourThe preferable conditions for the RPO (remote plasma oxidation) process, which is a reforming process that is performed continuously after the film forming process using, are a temperature range of about 390 to 450 ° C. (approximately the same temperature as the film forming temperature), and a pressure range of 100. It is about ~ 1000Pa. O for radicals2The flow rate is 100 sccm, and the inert gas Ar flow rate is 1 slm.
[0064]
The film forming step and the reforming step are preferably performed at substantially the same temperature (the heater set temperature is preferably kept constant without being changed). This is because, by not causing temperature fluctuation, particles due to thermal expansion of peripheral members such as a shower head and a susceptor are less likely to be generated, and metal jump-out (metal contamination) from metal parts can be suppressed.
[0065]
In order to carry out the self-cleaning process of the accumulated film with the cleaning gas radicals, the cleaning gas (Cl2And ClFThreeEtc.) are introduced into the reaction chamber 1 as radicals. By this self-cleaning, the cleaning gas and the accumulated film are reacted in the reaction chamber 1, and the accumulated film is converted into metal chloride and volatilized, and then exhausted. Thereby, the accumulated film in the reaction chamber is removed.
[0066]
According to the embodiment described above, HfO2Film formation → Reforming treatment (RPO treatment) → HfO2Since a cycle process of repeating film formation →... Multiple times is performed, HfO having a predetermined film thickness with very little mixing of CH and OH.2A film can be formed. Hereinafter, this will be specifically described from the following viewpoint.
(1) O during film formation2Not used
(2) RPO processing
(3) Cycle processing
(4) Rotation mechanism
(5) Sharing the shower head
(6) Bypass pipe
(7) Trap sharing
(8) Use of plasma source
(9) Processing performed in the same device
(10) Modification
[0067]
(1) O during film formation2Not used
HfO in film formation process2At the time of film formation, oxygen (O2If the gas containing oxygen atoms such as) is not used, the amount of CH and OH mixed in the film can be reduced.
[0068]
HfO2When forming the film, O in the mixed gas of the source gas and the inert gas.2There are cases where these are mixed. In consideration of the adhesion to the substrate and the film formation rate, this is generally O together with the source gas.2It is because it is better to put. However, the inventors have found that Hf- (MMP)FourAbout O2If not, the amount of impurities is reduced and the film quality is improved.2It has been found that the amount of impurities increases and the film quality deteriorates with the addition of. Therefore, Hf- (MMP)FourIn the embodiment using O,2If not mixed, the amount of CH and OH in the film can be reduced.2Not mixed.
[0069]
Hf- (MMP)FourThe mechanism that can reduce the amount of impurities mixed when oxygen is not supplied is as follows. Hf- (MMP)FourComparison of ideal chemical reaction formulas when oxygen is mixed using oxygen (hereinafter also referred to as oxygen) and when oxygen is not mixed (hereinafter also referred to as no oxygen) is as follows.
[0070]
A. When an ideal reaction occurs without oxygen (ideal self-decomposition reaction with heat alone):
Hf [OC (CHThree)2CH2OCHThree]Four→ Hf (OH)Four+ 4C (CHThree)2CH2OCH2↑ (1)
Hf (OH)Four→ HfO2+ 2H2O (2)
B. If an ideal reaction occurs with oxygen (complete combustion):
Hf [OC (CHThree)2CH2OCHThree]Four+ 24O2→ HfO2+ 16CO2↑ + 22H2O ↑ (3)
However, ↑ means a volatile substance.
In the above reaction chemical formula, the numerical value in upper case is considered as the molar ratio of the raw material on the substrate as it is, without oxygen,
HfO2: (Other impurities) = 1: (4 + 2) = 1: 6
It becomes. With oxygen,
HfO2: (Other impurities) = 1: (16 + 22) = 1: 38.
[0071]
Thus, 1 mole of HfO2The total number of moles of impurities generated when producing oxygen is larger when oxygen is present.
[0072]
Furthermore, when comparing the number of cleavages in the chemical formula for breaking each bond,
Without oxygen: O-C, C-H, and O-H cut 4 times each, 12 times in total
With oxygen: OC 12 times, CH 44 times, total 56 times
As the number of times of cutting increases, the amount of radicals increases, so that impurities are easily mixed into the film.
[0073]
As a conclusion, the film was formed without oxygen, and [C (CHThree)2CH2OCHThreeIs volatilized at a temperature that does not cause decomposition, and HfO2A film may be formed.
[0074]
Also, using FTIR (Fourier transform infrared spectroscopy), O2From FIG. 2 and FIG. 3 in which the influence on the thin film by the addition amount was measured, HfO was obtained without oxygen.2It is confirmed that it is preferable to form a film.
[0075]
FIG. 2 shows the film quality characteristics of the thin film compared with and without oxygen. Wave number (cm on the horizontal axis-1), And the vertical axis indicates the absorbance at film formation temperatures of 425 ° C. and 440 ° C. When oxygen is present, the oxygen flow rate is 0.5 SLM. As shown in the figure, in particular, the wave number is 752 cm.-1By exciting a nearby stretch mode, the absorbance reflecting the X—O—X bond indicating Hf—O—Hf bond is greater in the absence of oxygen than in the presence of oxygen. In other words, the film quality is better in the case of no oxygen.
[0076]
FIG. 3 shows the characteristics of the amount of impurities contained in the film compared with and without oxygen. Wave number (cm on the horizontal axis-1), And the vertical axis indicates the absorbance at film formation temperatures of 425 ° C. and 440 ° C. When oxygen is present, the oxygen flow rate is 0.5 SLM. As shown in the figure, when the stretch and wagging modes are excited, the absorbance reflecting the amount of impurities (—OH, C—H, C—O) is absent when oxygen is present. It was found that the film formation with oxygen was about five times as large as the film formation without oxygen. This indicates that the case of no oxygen has a smaller amount of impurities and better film quality. Therefore, HfO2During film formation, O2Without using, the amount of CH and OH in the film can be reduced, and the film can be sufficiently modified. In the present invention, O2This is not to exclude the existence at all.2A small amount of O that is not substantially different from the case of not introducing2In this case, the film can be sufficiently modified.
[0077]
Here, the relationship with the present invention will be described with respect to each film forming mechanism and temperature zone using the self-decomposition reaction, semi-self-decomposition reaction, and adsorption reaction of the raw material. All CVD reactions are in a state where self-decomposition reaction and adsorption reaction overlap. If the substrate temperature is lowered, the adsorption reaction becomes dominant, and if the temperature is raised, the self-decomposition reaction becomes dominant. A semi-self-decomposing reaction also occurs at an intermediate temperature. Hf- (MMP)FourIn the case of using, it is considered that the adsorption reaction is mainly performed at 300 ° C. or lower, and that the self-decomposition reaction is mainly performed at a higher temperature. However, the adsorption reaction is not completely eliminated at any temperature range. Hf- (MMP)FourThe reaction formula of the self-decomposition reaction is as shown in the above formulas (1) and (2). Moreover, Hf- (MMP) is formed on the substrate by an adsorption reaction.FourThe reaction formula for causing a film-forming reaction by adsorbing and oxidizing by RPO treatment or the like is Hf- (MMP) in the above gas phase.FourAnd O2Is the same as in the case of the reaction (gas phase reaction), as in the above formula (3). In the MOCVD according to the present invention, the effect of removing impurities by RPO can be obtained regardless of which of the above reactions is dominant, so that the reaction mode is not particularly specified. The experimental result that it can do less is obtained.
[0078]
(2) RPO processing
By the RPO treatment used in the reforming step after the film formation, impurities such as hydrogen (H) and carbon (C) in the film can be effectively removed and the concentration can be reduced, so that the electrical characteristics can be improved. Moreover, the movement of Hf atoms is suppressed by the separation of hydrogen (H), crystallization can be prevented, and electrical characteristics can be improved. In addition, oxidation of the film can be promoted, and oxygen defects in the film can be repaired. In addition, the detached gas from the accumulated film deposited on portions other than the substrate such as the reaction chamber wall and the susceptor can be quickly reduced, and the film thickness can be controlled with high reproducibility.
[0079]
In the embodiment, the RPO process is used in the reforming step, but the present invention is not limited to this. As an alternative to the RPO treatment (<1> below), for example, there are the following (<2> to <8> below).
(1) O in inert gas (Ar)2RPO treatment performed by mixing
▲ 2 ▼ Ar to N2RPN processing performed by mixing
(3) Ar to N2And H2RPNH treatment performed by mixing
▲ 4 ▼ Ar to H2RPH treatment performed by mixing
▲ 5 ▼ Ar to H2RPOH treatment by mixing O
▲ 6 ▼ Ar to O2And H2RPOH treatment with mixing
▲ 7 ▼ Ar to N2RPON processing by mixing O
▲ 8 ▼ Ar to N2And O2RPON processing by mixing
[0080]
In the embodiment, HfO is used in the same reaction chamber.2Film formation and RPO treatment are performed, and the merits are as follows. HfO2When a film is formed, HfO is also applied to the reaction chamber wall, shower head, susceptor, etc.2A film is formed. This is called a cumulative film. HfO without RPO treatment when performed in separate reaction chambers2In the membrane reaction chamber, C and H come out from the accumulated film and the reaction chamber is contaminated. Further, the amounts of C and H coming out of the accumulated film increase as the thickness increases. Therefore, it is difficult to keep the C and H amounts of all the substrates to be processed constant.
[0081]
In contrast, HfO2When film formation and RPO treatment are performed in the same reaction chamber, C and H can be removed not only from C and H in the film formed on the substrate but also from the accumulated film deposited in the reaction chamber (cleaning). Effect), C and H contents can be made constant for all substrates.
[0082]
(3) Cycle processing
By the cycle treatment, the impurity removal efficiency in the film can be improved as described above. Further, the film can be maintained in an amorphous state, and as a result, leakage current can be reduced. Further, the flatness of the film surface can be improved, and the film thickness uniformity can be improved. In addition, the film can be densified (maximization of defect repair effect) and the deposition rate can be precisely controlled. Furthermore, an undesired interface layer formed at the interface between the film formation base and the deposited film can be thinned.
[0083]
HfO formed by cycle treatment2The amounts of C and H impurities contained in the film (for example, a film thickness of 10 nm) can be significantly reduced as the number of cycles increases as shown in FIG. The horizontal axis indicates the number of cycles, and the vertical axis indicates the total amount of C and H (arbitrary units). When the number of cycles is 1, this corresponds to the conventional method.
[0084]
According to FIG. 4, HfO formed by cycle processing.2When the total film thickness is 10 nm (100 mm), HfO such as CH and OH is required in about 3 cycles.2Since the effect of reducing the amount of impurities in the film is increased, the film thickness per cycle is preferably about 30 mm or less. In CVD, since the film thickness that can be formed by one film formation is about 0.5 mm, the film thickness per cycle is preferably 0.5 mm to 30 mm. In particular, HfO such as CH and OH in about 7 cycles.2The effect of reducing the amount of impurities in the film becomes extremely large, and even if the number of cycles is increased further, the effect of reducing the amount of impurities is slightly improved, but there is no significant change, so the film thickness per cycle is about 15 mm (5% Atomic layer) is considered more preferred. When depositing more than 30 liters in one cycle, the impurities in the film increase, and it instantly crystallizes into a polycrystalline state. Since the polycrystalline state is a state with no gap, it becomes difficult to remove C, H, and the like. However, when the film thickness formed by one cycle is less than 30 mm, it becomes difficult to form a crystallized structure, and the thin film can be maintained in an amorphous state even if there are impurities. Since the amorphous state has many gaps (scalar state), the thin film is deposited while maintaining the amorphous state, and RPO treatment is performed before the thin film crystallizes to remove impurities such as C and H in the film. It becomes easy to do. That is, a film obtained by a plurality of cycle treatments with a film thickness per cycle of about 0.5 to 30 mm is hardly crystallized. Note that the amorphous state has an advantage that leakage current is less likely to flow than the polycrystalline state.
[0085]
HfO2HfO by repeating film formation → RPO process multiple times2The reason why the removal efficiency of impurities in the film can be increased is as follows. HfO formed with good coverage for deep pattern grooves2When performing RPO treatment (modification treatment of C, H, etc.) on the membrane, HfO at a time2If the RPO process is performed after forming a thick film, for example, 100 Å, oxygen radicals are difficult to be supplied to the depth b of the groove in FIG. This is because the probability that the oxygen radicals will react with C and H at the surface a in FIG. 5 in the process of reaching the depth b of the groove (thickness is as large as 100 mm and the amount of impurities is large accordingly). This is because the amount of radicals that reach the depth b of the groove relatively decreases. Therefore, it becomes difficult to perform uniform C and H removal in a short time.
[0086]
In contrast, 100mm HfO2In forming the film, HfO2When the film formation → RPO process is performed in 7 steps, the RPO process is performed with HfO per 15%.2It is only necessary to perform the C and H removal process only on the film. In this case, since the probability that oxygen radicals react with C and H in the region of the plane a in FIG. 5 does not increase (because the film thickness is as small as 15 mm and the amount of impurities is small correspondingly), it is evenly distributed in the depth b of the groove. A radical will arrive. Therefore, HfO2By repeating the film formation → RPO process a plurality of times, uniform C and H removal can be performed in a short time.
[0087]
Furthermore, by performing a cycle process in which the film formation process and the reforming process are repeated a plurality of times in succession, the amount of impurities such as C and H contained in the accumulated film deposited in the reaction chamber can be greatly reduced. Since the desorption gas from the accumulated membrane can be greatly reduced, continuously produced HfO2The film quality can be kept constant. Therefore, it is not necessary to frequently perform the removal process of the accumulated film by self-cleaning as compared with the conventional case, and the production cost can be reduced.
[0088]
(4) Rotation mechanism
In the embodiment, since the substrate 4 is rotated by the substrate rotating unit 12, the source gas introduced from the film forming source supply unit and the gas activated by the plasma as the reactant introduced from the reactant activation unit 11 ( (Hereinafter referred to as radicals) can be quickly and uniformly distributed within the substrate surface, and the film can be uniformly deposited over the substrate surface, and impurities in the film can be quickly and uniformly removed within the substrate surface. Can be modified.
[0089]
(5) Sharing the shower head
When a film forming gas supplied to the substrate in the film forming process and a radical as a reactant supplied to the substrate in the reforming process are supplied from the shower head 6 serving as the same supply port, foreign matter (inside the shower head 6 ( Particle source) HfO2The film can be covered and coated, and foreign matter can be prevented from falling onto the substrate 4. Further, the film coated inside the shower head is exposed to the reaction product after coating, whereby the amount of impurities such as C and H contained in the coating film inside the shower head can be greatly reduced. Also, the reaction chamber 1 is ClFThreeWhen cleaning with a gas containing Cl such as by-products or cleaning gas remaining in the reaction chamber 1 or the shower head 6 is adsorbed (this is referred to as cleaning residue), supply of source gas and reactant By sharing the mouth, this cleaning residue can be effectively removed. .
[0090]
(6) Bypass pipe
In the embodiment, a bypass pipe 14 (14a, 14b) is installed in each of the film forming gas and the radical supply system, and the radical / gas used in the next process is not stopped during the gas / radical supply, but is exhausted from the bypass pipe 14. Like to do. Preparation is necessary for the supply of the raw material gas / radical, and it takes time until the supply starts. Therefore, during the treatment, the supply of the raw material gas / radical is always stopped without stopping, and when not in use, the exhaust gas is exhausted from the bypass pipe 14 so that the raw material gas / radical is immediately switched by simply switching the valves 21 to 24 during use. Supply can be started and throughput can be improved.
[0091]
(7) Trap sharing
In the embodiment, the trap 16 is shared by the film forming gas and the radical exhaust system. That is, as shown in FIG. 1, a raw material recovery trap 16 for recovering the raw material is installed in the exhaust pipe 7, and the bypass pipe 14 is connected to the raw material recovery trap 16, so that the trapped liquid raw material is oxygen radicals. It is possible to convert the solid into a solid and prevent the raw material from flowing into the exhaust pump (not shown) due to revaporization. As a result, the raw material recovery rate can be improved, the inflow of the raw material to the exhaust pump and the abatement apparatus (not shown) can be reduced, and the maintenance cycle of the substrate processing apparatus can be greatly extended.
[0092]
(8) Use of plasma source
In the embodiment, the plasma source used for activating the gas in the RPO process in the reforming step and the plasma source used for activating the cleaning gas in the cleaning step are shared. In the cleaning process, the film adhered in the reaction chamber 1 is removed using the cleaning gas activated by the plasma generated in the reactant activation unit 11, and the plasma generated in the reactant activation unit 11 in the reforming process. The film is reformed using the reactant activated by the above, and the plasma source for reactant activation and cleaning gas activation is shared, making it easy to manage the plasma source and reducing the cost of the semiconductor device Can be manufactured.
[0093]
(9) Processing performed in the same device
According to the embodiment, (HfO2Since film formation → RPO processing) × n cycles from the formation of the metal oxide film to the electrode formation are performed in the same apparatus, the temperature raising time of the substrate can be saved as compared with the case where the electrode formation is performed by a different apparatus. Further, the electrode can be formed while the surface of the film is in a clean state. Further, since the metal oxide film is densified by thermal annealing performed at the time of electrode formation, the electrode can be formed without performing an annealing process as a separate process from the metal oxide film electrode forming process after the metal oxide film is formed. Is less susceptible to contamination. This will be specifically described below.
[0094]
FIG. 6 shows HfO obtained by the seven-cycle process (the present invention) of the embodiment.2HfO obtained by membrane and one cycle treatment (conventional method)2The electrical insulation characteristics before and after the RTA treatment are shown for the film. HfO on the horizontal axis2The electric field (arbitrary unit) applied to the film (10 nm), and the vertical axis represents the leakage current (arbitrary unit). Note that the RTA treatment here refers to atmospheric pressure (O2In the atmosphere) at high speed. In the figure, conventional HfO2And HfO obtained by one cycle treatment2Representing a membrane, the present invention HfO2And HfO obtained by 7-cycle treatment2Represents a membrane. “Without RTA” means that before RTA processing, and “With RTA” means that after RTA processing. According to FIG. 6, the one obtained by one-cycle processing (conventional HfO (without RTA)) has a large amount of CH and OH mixed, and the insulation characteristics change significantly before and after RTA. The insulating film obtained by the 7-cycle treatment (the present invention HfO (without RTA)) has a small amount of CH and OH, so that the insulation characteristics at the initial stage (state where no electrical stress is applied for a long time) are almost the same before and after the RTA. I understand that there is no. Thus, by performing the cycle process of the present embodiment, it is possible to reduce the RTA process required for improving the electrical insulation of the thin film and ensuring its stability.
[0095]
By reducing the RTA processing, the configuration of the cluster apparatus can be simplified. This will be described with reference to FIG. 7 showing the cluster device configuration.
[0096]
The cluster apparatus includes a substrate transfer chamber 40 provided with a substrate transfer robot 41, a load lock chamber 42 for loading / unloading substrates to / from the apparatus, a first reaction chamber 43 for surface-treating substrates (RCA cleaning, etc.), and FIG. HfO as shown CVD reaction chamber2A second reaction chamber 44 for forming a film and a third reaction chamber 45 for forming an electrode on the thin film are provided.
[0097]
In the conventional cluster apparatus configuration (see FIG. 20), the substrate surface treatment is performed in the first reaction chamber 33, and the HfO in the second reaction chamber 34.2A film was formed, RTA treatment was performed in the third reaction chamber 35, and electrodes were formed in the fourth reaction chamber 36. On the other hand, according to the embodiment of FIG. 7, after the substrate is carried into the load lock chamber 42 from the outside of the apparatus, substrate surface treatment such as RCA cleaning is performed in the first reaction chamber 43, and in the second reaction chamber 44. HfO2The film formation and the modification process are repeated (HfO2Film formation → Modification process → HfO2Film formation → reforming treatment →...), HfO with a predetermined film thickness2Film formation is performed, and electrodes (poly-Si thin film formation and thermal annealing treatment) are formed in the third reaction chamber 45. Then, the substrate on which the electrode is formed is carried out of the apparatus from the load lock chamber 42.
[0098]
FIG. 8 shows the HfO of the substrate obtained by the cluster device configuration of the conventional example and the embodiment described above.2The figure which compared the electrical property of the film | membrane is shown. Capacitance (arbitrary unit) on the horizontal axis and HfO on the vertical axis2The leakage current (arbitrary unit) when the film thickness is about 5 nm, about 10 nm, and about 15 nm is shown. From the figure, HfO obtained by the conventional tarask apparatus (one cycle process) shown in FIG.2From the film characteristics (outlined points in the figure), the cluster device (HfO) of the embodiment shown in FIG.2The film shows that the characteristics (black points in the figure) obtained by 7 cycle treatment) are superior. This result shows that the RTA process is not required, and such a cluster configuration that does not require the RTA process can be achieved in the second reaction chamber 44 of FIG.2This is probably because the CH and OH removal treatment from the film is sufficiently performed by the process according to the present embodiment.
[0099]
Therefore, in this embodiment, the reaction chamber for RTA can be omitted from the cluster apparatus, and the configuration can be simplified. In addition, since RTA processing for removing CH and OH is not performed, HfO2The surface state of the film does not lose flatness, and HfO2The film is not partially crystallized and the insulation and its stability are not lowered.
[0100]
In the embodiment, HfO2After the film is formed in the second reaction chamber 44, the electrode is formed in the third reaction chamber 45 in the same cluster apparatus without performing the RTA process. Thus, HfO2When forming the film (second reaction chamber) and then performing the electrode formation (third reaction chamber) in the same apparatus,
[0101]
(1) After the substrate is taken out from one apparatus and loaded into another apparatus, it is possible to save the reheating time for heating the substrate again.
(2) By thermal annealing at 700 ° C. or higher performed at the time of electrode formation, HfO2Since the film is densified, the film surface is hardly contaminated.
(3) HfO2Electrodes can be formed with the film surface kept clean.
There is such a merit.
HfO2After forming the film (second reaction chamber), the substrate may be taken out of the apparatus and the electrode may be formed by another apparatus. However, when forming the electrode with another device like this,
[0102]
{Circle around (1)} When the substrate is taken out of the apparatus, a heating time for heating the substrate again is required, and a wasteful processing time is generated.
(2) HfO formed at low temperature2The surface of the film is easily contaminated by the atmosphere outside the apparatus, and is likely to change over time (causes deterioration of the electrical characteristics of the device).
There are disadvantages.
[0103]
In order to eliminate this disadvantage, RTA treatment may be performed before electrode formation. Even in the case of the cluster device shown in FIG.2After the formation of the film (second reaction chamber 44), for example, if the RTA treatment is performed in the third reaction chamber 45, there is no problem even if the subsequent electrode formation is performed by another apparatus. In general, the higher the temperature, the smaller the interatomic gap becomes.2O or organic matter) is HfO2It becomes difficult to diffuse into the film. Therefore, HfO2This is because the film is annealed at a high temperature by the RTA process and densified, so that it is difficult to be contaminated in the atmosphere outside the apparatus or to change with time.
[0104]
(10) Modification
In the above-described embodiment, the source gas supplied to the substrate in the film forming process and the oxygen radical as a reactant supplied to the substrate in the reforming process are reacted from the same supply port by sharing the shower head. Although the interior is supplied to the room, the internal space of the shower head may be divided into a film formation and a reaction product, and the source gas and the reaction product may be supplied from separate supply ports. In this case, when supplying the source gas to the substrate from the source gas supply port in the film forming process, the non-reactive gas is supplied to the reactant supply port, and in the reforming process, the substrate is supplied from the reactant supply port. When a reactant is supplied to the non-reactive gas, it is preferable to supply a non-reactive gas to the supply port for the source gas. As described above, when the raw material gas and the reactant are supplied from separate supply ports, and a non-reactive gas such as an inert gas is supplied from a supply port that does not participate in each step, the inside of the supply port is supplied. Cumulative film formation can be sufficiently suppressed. Hereinafter, this will be described in detail with reference to FIG. The configuration shown in FIG. 9 is the same as the configuration shown in FIG. 1 except that the partition plate 15 is provided on the shower head 6.
[0105]
When the raw material adsorbed inside the shower head 6 reacts with oxygen radicals as reactants, a cumulative film is also formed inside the shower head 6. In order to suppress the formation of this accumulated film, the shower head 6 is partitioned into two (6a, 6b) by the partition plate 15. By partitioning the shower head 6 to which the source gas and oxygen radicals are supplied, the reaction between the source material and oxygen radicals can be effectively prevented.
[0106]
In addition to partitioning the shower head 6, when the deposition gas is further flowed to the substrate 4, an inert gas is allowed to flow from the radical supply side (reactant activation unit 11) to the activated gas shower head portion 6 b to generate oxygen radicals. Is preferably flowed to the substrate 4 from the source supply side (deposition source supply unit 9, inert gas supply unit 10) to the deposition shower head 6a. In this way, if an inert gas is allowed to flow through the shower head portions 6b and 6a on the side that is not used in the film forming process and the reforming process, it is possible to more effectively suppress the formation of the accumulated film inside the shower head 6. it can.
[0107]
The shower head 6 applied to FIG. 9 can be configured in various shapes. FIG. 10 shows various shapes of such a shower head 6. The shower heads having various shapes shown in FIGS. 10A to 10E have the same configuration in the following points. The shower head 6 includes a shower plate 19 having a large number of holes 8, a back plate 17 and a peripheral wall 26, a gas space 27 formed therein, and a gas space 27 that divides the gas space 27 into two shower head portions 6a and 6b. The partition plate 15 is divided. The raw material supply pipe 5 and the radical supply pipe 13 are connected to the two shower head portions 6a and 6b from the back plate 17 side of the shower head 6 thus configured, respectively.
[0108]
In FIG. 10A, the gas space 27 has a disk shape, the partition plate 15 is provided in the diameter direction of the disk-like gas space 27, and the shower head portions 6a and 6b are provided on the left and right. In FIG. 10B, the gas space has a disk shape, but the partition plate 15 is provided concentrically with the disk-like gas space, and the shower head portions 6a and 6b are provided in a coaxial double tube. ing.
[0109]
In FIGS. 10A and 10B described above, the basic shape of the shower head 6 is a point-symmetrical circle. However, in this embodiment, since the substrate is rotated, it is not a point-symmetrical circle but a line-symmetrical shape. It is also possible to make a shape such as a semicircle or a rectangle. FIG. 10C to FIG. 10E show such an example.
[0110]
In FIG. 10C, the gas space has a semi-disc shape, the partition plate 15 is provided in the radial direction of the semi-disc-shaped gas space, and the shower head portions 6a and 6b are provided on the left and right. In FIG.10 (d), the gas space is carrying out the rectangular disk shape, the partition plate 15 is provided in the center part, and the shower head parts 6a and 6b are provided in right and left. FIG. 10 (e) has a quadrangular disk shape, the partition plate 15 is provided at the center, and the shower head portions 6a and 6b are provided on the left and right. Thus, the shower head 6 can be configured in various shapes.
[0111]
In the above-described embodiment, particularly in the configuration including the following (1) to (3), HfO is formed on the substrate.2The case where a film is formed has been described.
(1) A film forming gas used in the film forming process and a radical as a reactant used in the reforming process are supplied from the same supply port (shower head) so that they are mixed. In a modification, it supplies with a different supply port (separated shower head), and prevents both from mixing.
(2) While supplying oxygen radicals as a film forming gas or reactant, the oxygen radical or film forming gas as a reactant used in the next step is exhausted from the bypass pipe, and the next step is immediately performed by simply switching the valve. The supply of oxygen radicals or film forming gas used in step 1 can be started.
(3) Simplify maintenance by using a common trap for the film forming process and the reforming process.
However, according to the present invention, the above three components are HfO2It is not limited to film formation. For example, Ta2OFiveThe present invention can also be applied to film formation of other types of films such as a film.
[0112]
【Example】
FIG. 11 shows a film formation sequence of a new MOCVD method using periodic remote plasma oxidation (RPO) in this embodiment (a procedure of a cycle method in which film formation by MOCVD and RPO are repeated a plurality of times). Here, processing was performed using the substrate processing apparatus of FIG.
[0113]
When a silicon wafer as a substrate is placed on the susceptor in the reaction chamber and the temperature of the silicon wafer is stabilized,
(1) Gaseous Hf- (MMP) vaporized by a vaporizerFourRaw material (MO-Precursor) or dilution N2At the same time, it is introduced into the reaction chamber for ΔMt seconds.
(2) Thereafter, gaseous Hf- (MMP)FourThe introduction of raw materials was stopped and the reaction chamber was diluted N2Is purged for ΔIt seconds.
(3) After purging the reaction chamber, oxygen (Remote Plasma Oxygen) activated by the remote plasma unit is introduced into the reaction chamber for ΔRt seconds. Dilution N during this time2Continues to be introduced.
(4) After the introduction of oxygen activated by the remote plasma is stopped, the reaction chamber is again diluted N2Is purged for ΔIt seconds.
(5) Steps (1 cycle) from (1) to (4) are repeated (n cycles) until the film thickness reaches a desired value (thickness).
In this example, Hf- (MMP)FourFlow rate of 0.05 g / min, dilution gas N2The flow rate of oxygen was 0.5 SLM (standard liter per minute), and the flow rate of oxygen introduced into the remote plasma unit was 0.1 SLM. The pressure in the reaction chamber was controlled to be maintained at 100 Pa by an APC (auto pressure control) valve provided in the exhaust line. HfO2In order to measure the deposition (deposition rate) of the film, the silicon substrate was used after removing the natural oxide film on the surface with a 1% diluted HF solution.
[0114]
FIG. 12 shows an n-MOS capacitor structure for measuring a current-voltage characteristic (IV characteristic) and a capacitance-voltage characteristic (CV characteristic), and a manufacturing process flow thereof.
[0115]
For the manufacture of the n-MOS capacitor, first, a p-type silicon wafer separated by LOCOS method was used. HfO2Prior to film formation, the silicon surface was etched with a 1% diluted Hf solution to remove the native oxide and contaminants (Cleaning-DHF + DIW + IPa). Subsequently, NHThreeThe silicon surface was nitrided by rapid thermal annealing at 600 ° C. for 30 seconds in an atmosphere (Surfacen nitridation). Thereafter, the above cycle treatment (HfO2 HfO by deposition by MOCVD via cyclic RPO)2A film is formed and N2In the atmosphere, annealing was performed at 650 ° C. for 15 minutes (post deposition annealing). Subsequently, a TiN film having a thickness of 80 nm is formed on the TiCl film to form a gate electrode.FourAnd NHThreeIs grown at 650 ° C. by CVD (chemical vapor deposition) method (Gate Electrode-CVD TiN), and an area of 1000 to 10000 μm is formed by photolithography mask fabrication and etching2The gate electrode of the MOS capacitor was formed. HfO2The oxide equivalent film thickness (EOT) of the film is an area of 10000 μm2The CV curve measured with the electrode of No. 1 was obtained using the CVC program developed by NCSU. The IV characteristic has an area of 1000 μm.2The temperature was measured at 100 ° C. In order to examine the quality of the film, TDS (thermal desorption spectroscopy) characteristics and SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy) profiles were also measured. In order to investigate the crystal structure of the film, high-resolution TEM ([HRTEM] cross-section high-resolution transmission electron microscopy) images were also observed.
[0116]
FIG. 13 shows the HfO film formed using the above cycle method.2The substrate temperature dependence of the growth rate of the thin film is shown (black points in the figure). The vertical axis represents the growth rate, and the horizontal axis represents the temperature. Each step time of ΔMt, ΔIt, and ΔRt in the cycle method was 30 seconds. HfCl conducted by Cho et al. As a comparative exampleFourAnd H2HfO by ALD with O2Also shown is the data (open dots in the figure). The film formation rate is expressed in units of nm / min for comparison with data such as Cho.
[0117]
HfClFourAnd H2In the case of ALD using O, the deposition rate decreased from 1.2 nm / min to 0.36 nm / min as the substrate temperature (growth temperature) was changed (increased) from 180 ° C. to 400 ° C. This is because in the case of ALD, the amount of raw material adsorbed on the wafer surface decreases as the substrate temperature is increased. However, in the case of the new cycle method invented by the present inventors, the film formation rate increases from 0.3 nm / min (0.6 nm / cycle) to 1 as the substrate temperature (growth temperature) is increased from 300 ° C. to 490 ° C. Increased to 5 nm / min (3 nm / cycle). This is because the self-decomposition of the raw material is promoted by increasing the film forming temperature. In addition, since it takes time until the flow rate is stabilized in the used liquid mass flow controller, it has been found that only Δs of 30 seconds ΔMt actually contributes to the film formation. Therefore, the film formation rate is lower than that of ALD at low temperatures. If the time during which the raw material actually contributes to film formation can be increased, the film formation rate can be made larger than that of ALD even at a low temperature.
[0118]
A 30 nm thick HfO film deposited at different cycle numbers using the cycle method2The thin film was evaluated by TDS. FIGS. 14A, 14B, and 14C show HfO, respectively.2Thin film hydrogen, H2TDS spectra of O and CO are shown. The four spectra in (a), (b), and (c) are HfO films formed by a cycle method at 425 ° C. in 1, 10, 20, and 40 cycles, respectively.2It relates to a thin film. The step times of 1, 10, 20, and 40 cycle processing are 1200, 120, 60, and 30 seconds, respectively. In other words, films formed in 1, 10, 20, and 40 cycles have been subjected to RPO treatment every 30, 3, 1.5, and 0.75 nm, respectively.
[0119]
From FIG. 14 (a), it can be seen that the desorption of hydrogen from the 10, 20, and 40 cycle samples is dramatically reduced compared to the one cycle sample. Further, from FIGS. 14B and 14C, CO desorption hardly changes depending on the number of cycles, whereas H2It can be seen that the desorption of O gradually decreases as the number of cycles increases. We compared the TDS spectra of samples that had previously been RPO-treated and those that were not so that HfO2The RPO after thin film deposition is hydrogen and H2It has been found that it is effective in reducing O contamination. From these facts, periodic RPO is hydrogen and H2It can be said that it is effective in reducing the mixing of O.
[0120]
Hf- (MMP)FourBy HfO2In order to investigate the mechanism of impurity contamination in the thin film, Hf- (MMP)FourThe self-decomposition reaction of was examined as follows.
[0121]
First, Hf- (MMP)FourThe solution was left in Ar gas at 300 ° C. for 5 hours, then diluted with toluene, and analyzed by GC-MS (Gas Chromatography-Mass Spectroscopy). The detected by-product is Hf- (MMP)Four, (CHThree)2C = CHOCOThree(Olefin), (CHThree)2CHCHO (isobutylaldehyde), (CHThree)2CHCH2OH (isobutanol), CHThreeOH (methanol), CHThreeC (= 0) CHThree(Acetone). Olefin is produced by separation of HfO-C bond and separation of hydrogen (H) bound to carbon (C) at β-position of MMP. Isobutyldehyde, isobutanol, methanol, and acetone are thought to be formed by the decomposition of H-MMP and olefin. Hf- (MMP)FourThe following equation is considered to be appropriate as a reaction model.
Hf (MMP)Four→ Hf (OH) + 4olefin (4)
Or
Hf (MMP)Four→ HfO2+ 2H (MMP) + 2olefin (5)
Here, from the equation (4), Hf- (MMP)FourHfO deposited by MOCVD using2It is expected that hydrogen will easily enter. This is because HfO deposited by MOCVD measured previously.2This is confirmed from the TDS spectrum of the film, which is consistent with the fact. However, as shown in FIG. 14, in the film subjected to the RPO process for every film thickness of 3 nm or less, almost no hydrogen is mixed. Therefore, the RPO process completely oxidizes Hf (OH) as shown in the following formula. It seems to be doing.
Hf (OH) + O * → HfO2+ 1 / 2H2                        (6)
Or
2Hf (OH) + 3O * → 2HfO2+ H2O (7)
O * is an oxygen radical.
Here, even if the reaction of the formula (7) occurs on the surface of the deposited film, the generated H is generated from the surface of the thin film.2Since O is exhausted, it is considered that it is difficult to be taken into the film. However, since oxygen radicals (O *) also react with Hf (OH) present in the film, HfO2In the thin film, H2O is taken in. As a result, as shown in FIG. 14, the HfO film formed using the cycle method was used.2Even a thin film has H in the film.2O exists and its H2Contamination due to the mixing of O decreases as the film thickness of one cycle subjected to the RPO process decreases.
[0122]
FIG. 15 shows HfO formed at 425 ° C. by a conventional MOCVD method.2Sample (MOCVD at 425 ° C.) and HfO deposited at 300 ° C. and 425 ° C. by the cycle method2The SIMS profile of carbon ((a) carbon) and hydrogen ((b) hydrogen) of the sample (Cyclic Method at 300 ° C., 425 ° C.) is shown. The film thickness of these samples is about 5 nm. Samples at 300 ° C. and 425 ° C. were deposited in 100 and 10 cycles, respectively, with a step time of 30 seconds.
[0123]
From FIG. 15, the amounts of carbon (C) mixed in the MOCVD method, the cycle method of 300 ° C., and the cycle method of 425 ° C. are 1.4, 0.54, 0.28 at. %. In addition, the mixing amounts of hydrogen (H) in the sample of MOCVD, 300 ° C. of the cycle method, and 425 ° C. of the cycle method are 2.6, O.D. 8, 0.5 at. %. The result that the mixing of C and H is less in the cycle method than in the MOCVD method indicates that the cycle method is effective in reducing the mixing of C and H. According to a report by Kukli et al., The amount of hydrogen mixed in films formed by ALD at 300 ° C. and 400 ° C. was 1.5 and 0.5 at. %Met. This indicates that the amount of hydrogen mixed in the film formed by the cycle method is not inferior to that of ALD. The reason why the amount of carbon contamination is reduced is as follows. As shown in the above formulas (4) and (5), Hf- (MMP)FourAfter introducing, Olefin and H-MMP are generated. Various types of alcohols are also produced by the degradation of Olefin and H-MMP. Most of these by-products are exhausted from the surface of the thin film, but some is adsorbed on the thin film surface. Here, by the RPO step, these adsorbates are converted into CO, CO2, H2It is decomposed into O and the like and exhausted from the surface of the thin film by the next purge step. Chen et al. Introduced ZrO in “pulse mode”, such as introducing MO raw material and oxygen with 15 seconds of exhaust.2A thin film was formed and the amount of mixed C was 0.1 at. %, But this is also considered to be caused by the decomposition of organic substances in the oxygen introduction step and the exhaust in the subsequent exhaust step. However, the present invention has an advantage over the method of Chen et al. In that remote plasma oxygen that is more active than oxygen is used and the decomposition efficiency of alcohol or the like is high. Further, it can be seen that the amount of impurities in the cycle method is decreased by increasing the film formation temperature. This is because the amount of adsorption of by-products decreases as the film formation temperature rises. For these reasons, it can be concluded that in the cycle method, it is better to shorten the material introduction time ΔMt and to increase the remote plasma introduction time ΔRt. Further, it can be said that the film formation temperature should be higher as long as the raw material is not decomposed in the gas phase.
[0124]
HfO2Many metal oxides such as a film tend to form a crystallized structure in the film when the temperature is increased as shown in FIG. In the conventional MOCVD method, many crystallized portions were already included in the film by deposition at 300 ° C. or higher. However, in the present invention, the crystallization temperature is shifted to the high temperature side as shown in FIG.2It has been found that a film is obtained. The TEM photograph shown in FIG. 17 shows an example, and it has been found that the amorphous structure is maintained even at a temperature at which crystallization is performed conventionally.
[0125]
FIGS. 17 (a) and (b) are HRTEM images of samples deposited at 425 ° C. for 1 and 4 cycles with step times of 120 seconds and 30 seconds, respectively. HfO2Before thin film formation, NHThreeAn interface layer of 0.8 nm is formed by annealing. In the TEM image, the portion that appears black is HfO containing HfO2It is a film (heavy atoms appear black). Generally, if there is no regularity in the part, it is said to be amorphous, and if there is regularity, it is said to be crystallized. However, from the viewpoint of the whole film (in a large sense), it can be said that even if it is partially crystallized, it is amorphous.
[0126]
17A and 17B, since the interface layers of 1 and 4 cycles are 1.7 nm and 1.6 nm, the RPO processing step time has an influence on the formation of the interface layer. It is not considered. However, in another experiment, the substrate and HfO2It has been found that the thickness of the undesired interface layer formed between the films can be made thinner than conventional MOCVD deposition. From FIG. 17, HfO deposited in one cycle.2While the thin film is more crystallized, the HfO film formed in 4 cycles2It can be seen that the thin film has an amorphous structure. Kukli et al. Described ZrO deposited by ALD.2The film was reported to have an amorphous structure at 210 ° C but crystallized at 300 ° C. Aarik et al. Described HfO deposited at 300 ° C. by ALD.2It is reported that the membrane had been used. From these facts, the cycle method of the present invention can be said to be a method suitable for maintaining the film in an amorphous structure. When the film thickness uniformity was examined, it was confirmed that the film formation in 4 cycles was better than the film formation in 1 cycle.
[0127]
FIG. 18 shows the HfO film formed at 425 ° C. by the MOCVD method and the cycle method.2The relationship between the EOT of the capacitor and the leakage current measured at -1V is shown. The vertical axis represents leakage current (Jg @ -1V), and the horizontal axis represents EOT. HfO2Before thin film formation, NHThreeAn interface layer of 0.8 nm is formed by annealing. HfO deposited by cycle method2The film thicknesses of the thin films are 2.3, 3.1, 3.8, and 4.6 nm, respectively. HfO deposited with different film thickness by MOCVD method2Of the films, the CV characteristic was obtained only when the film thickness was 5 nm or more. White dots and black dots indicate the results when the films are formed by the MOCVD method and the cycle method, respectively.
[0128]
From FIG. 18, HfO formed by the cycle method.2It can be seen that the leakage current of the thin film is 1/100 or less of the film formed by the MOCVD method. The reason why the leakage current is reduced by the cycle method is HfO2The reduction of impurities in the film and the film structure are in an amorphous state.
[0129]
As described above, the present inventors have found an advantage of a new MOCVD method using periodic RPO. That is, in the case of the cycle method, it has been found that the amount of impurities contained in the film can be reduced by raising the film formation temperature and shortening the introduction time of the raw material. It has also been found that the film formed by the cycle method has an amorphous structure, and the cycle method is preferable for maintaining the amorphous structure. As a result, HfO2The leakage current of the film decreased. In addition, the cycle method can improve the film thickness uniformity over the conventional MOCVD film formation, and further, the film formation base and HfO2It has also been found that the thickness of the interface layer formed between the films can be reduced.
[0130]
【The invention's effect】
According to the present invention, the metal oxide film is formed without using a gas containing oxygen atoms during the film forming step. Therefore, the specific element in the metal oxide film is effectively removed during the reforming step. Can be easily modified.
[0131]
In addition, since the film forming gas and the reactant are supplied from the same supply port, the foreign matter adhering to the inside of the supply port is covered with a thin film, and the foreign matter can be prevented from falling onto the substrate. Removal of by-products and cleaning gas adsorbed inside the supply port can be performed.
[0132]
In particular, when the formation of the film containing Hf and the modification of the film using the reactant are continuously performed, the specific element in the film containing Hf formed in the film forming step is quickly removed. Can be modified. In this case, when the film thickness of the Hf-containing film formed at one time is 0.5 to 30 mm (1/6 atomic layer to 10 atomic layer), the modification treatment can be performed in a state where crystallization is difficult, The film can be modified by effectively removing impurities.
[0133]
In addition, after forming the thin film, the throughput can be improved by forming the electrode without performing an annealing process as a separate process from the electrode forming process and performing the process from forming the thin film to forming the electrode in the same apparatus.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of a reaction chamber in an embodiment.
FIG. 2 shows the degree of Hf—O—Hf bond binding to HfO2When forming a film | membrane, it is the figure compared with the case where it forms without oxygen, and the case where it forms with oxygen.
FIG. 3 HfO2The amount of impurities contained in the film (—OH, C—H, C—O) is expressed as HfO.2When forming a film | membrane, it is the figure compared with the case where it forms without oxygen, and the case where it forms with oxygen.
FIG. 4 shows the number of cycles and HfO.2It is a graph which shows the relationship of the C and H impurity total amount in a film | membrane.
FIG. 5 shows HfO on the substrate.2It is sectional drawing which shows the state in which the film | membrane was formed.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the number of cycles and insulation characteristics.
FIG. 7 is a conceptual diagram showing a cluster device configuration in the embodiment.
FIG. 8 shows HfO by the cluster device configuration in the conventional example and the embodiment.2It is a graph which shows the electrical property of a film | membrane.
FIG. 9 is a schematic explanatory diagram of a reaction chamber in a modified example.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing various examples of showerhead shapes according to the embodiment.
FIG. 11 is a diagram illustrating a film forming sequence by MOCVD and RPO cycle processing in an example.
12 is a diagram illustrating an n-MOS capacitor structure used for measurement of CV characteristics and IV characteristics in an example and a manufacturing procedure thereof. FIG.
FIG. 13 shows HfO formed by cycle processing.2It is a figure which shows the substrate temperature dependence of the growth rate of a film | membrane.
FIG. 14 shows HfO formed by changing the number of cycles.2Hydrogen in the film, H2It is a figure which shows the TDS spectrum of O and CO.
FIG. 15 is a diagram showing SIMS profiles of (a) carbon and (b) hydrogen of a sample formed by a conventional MOCVD method and a cycle treatment in an example.
FIG. 16 is a comparison diagram of the present invention and the prior art showing temperature characteristics of the degree of crystallization.
FIG. 17 shows HRTEM images of samples formed in 1 cycle and 4 cycles.
FIG. 18 shows HfO formed by a conventional MOCVD method and a cycle process in an example.2It is a figure which shows the relationship between EOT of a capacitor, and leakage current.
FIG. 19 is a conceptual explanatory diagram of a CVD reaction chamber in a conventional example.
FIG. 20 is a conceptual diagram showing a cluster device configuration in a conventional example.
[Explanation of symbols]
1 reaction chamber
4 Substrate
5 Raw material supply pipe
6 Shower head
7 Exhaust pipe
9 Deposition raw material supply unit
11 Reactant activation unit
14 Bypass pipe
15 Partition plate
16 traps
25 Control device

Claims (10)

基板に対して常温常圧において液相である原料を気化した原料ガスを供給すると共に、基板に対して前記原料ガス以外には酸素原子を含むガスを供給しないか、基板に対して前記原料ガス以外には酸素原子を含むガスを供給しないで成膜する場合と実質的に変わらない程度の少量の前記酸素原子を含むガスを供給して、基板上に酸化膜を形成する成膜工程と、
前記原料ガスとは異なる反応物を用いて前記成膜工程において形成した前記酸化膜の改質を行う改質工程と、
を連続して複数回繰り返す工程を有する半導体装置の製造方法において、
前記成膜工程で用いる前記原料ガスは酸素原子とハフニウム原子を含む原料を気化した原料ガスを含み、前記成膜工程で形成する前記酸化膜は膜厚が0.5Å〜30Åのハフニウムを含む酸化膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
A source gas obtained by vaporizing a source material in a liquid phase at room temperature and normal pressure is supplied to the substrate, and a gas containing oxygen atoms is not supplied to the substrate other than the source gas, or the source gas is supplied to the substrate. A film forming step of forming an oxide film on the substrate by supplying a gas containing a small amount of the oxygen atoms that is substantially the same as when forming a film without supplying a gas containing oxygen atoms,
A reforming step for reforming the oxide film formed in the film-forming step using a reactant different from the source gas;
In the manufacturing method of a semiconductor device having a step of repeating a plurality of times continuously,
The source gas used in the film formation step includes a source gas obtained by vaporizing a source material containing oxygen atoms and hafnium atoms, and the oxide film formed in the film formation step is an oxide containing hafnium having a thickness of 0.5 to 30%. A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the method is a film.
非酸素雰囲気下で基板に対して酸素原子とハフニウム原子を含む原料を気化した原料ガスを供給して、基板上に膜厚が0.5Å〜30Åのハフニウムを含む酸化膜を形成する成膜工程と、
前記原料ガスとは異なる反応物を用いて前記成膜工程において形成した前記ハフニウムを含む酸化膜の改質を行う改質工程と、
を連続して少なくとも1回以上行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A film formation step of forming a hafnium-containing oxide film having a thickness of 0.5 to 30 mm on the substrate by supplying a source gas obtained by vaporizing a material including oxygen atoms and hafnium atoms to the substrate in a non-oxygen atmosphere When,
A reforming step of reforming the hafnium-containing oxide film formed in the film-forming step using a reactant different from the source gas;
Is continuously performed at least once. A method for manufacturing a semiconductor device.
酸素原子とハフニウム原子を含む原料を気化した原料ガスを用い、酸化ガスを用いることなく基板上に膜厚が0.5Å〜30Åのハフニウムを含む酸化膜を形成する成膜工程と、
前記原料ガスとは異なる反応物を用いて前記成膜工程において形成した前記ハフニウムを含む酸化膜の改質を行う改質工程と、
を連続して少なくとも1回以上行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A film forming step of forming an oxide film containing hafnium having a film thickness of 0.5 to 30 mm on a substrate without using an oxidizing gas, using a source gas obtained by vaporizing a material containing oxygen atoms and hafnium atoms;
A reforming step of reforming the hafnium-containing oxide film formed in the film-forming step using a reactant different from the source gas;
Is continuously performed at least once. A method for manufacturing a semiconductor device.
常温常圧において液相である原料を気化した原料ガスを用い、前記原料ガス以外には酸素原子を含むガスを用いることなく基板上に酸化膜を形成する成膜工程と、
前記原料ガスとは異なる反応物を用いて前記成膜工程において形成した前記酸化膜の改質を行う改質工程と、
を有する半導体装置の製造方法において、
前記成膜工程で用いる前記原料ガスは酸素原子とハフニウム原子を含む原料を気化した原料ガスを含み、前記成膜工程で形成する前記酸化膜は膜厚が0.5Å〜30Åのハフニウムを含む酸化膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
A film forming step of forming an oxide film on a substrate without using a gas containing oxygen atoms in addition to the source gas, using a source gas obtained by vaporizing a source material in a liquid phase at room temperature and normal pressure;
A reforming step for reforming the oxide film formed in the film-forming step using a reactant different from the source gas;
In the manufacturing method of the semiconductor device having
The source gas used in the film formation step includes a source gas obtained by vaporizing a source material containing oxygen atoms and hafnium atoms, and the oxide film formed in the film formation step is an oxide containing hafnium having a thickness of 0.5 to 30%. A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the method is a film.
常温常圧において液相である原料を気化した原料ガスを用い、前記原料ガス以外には酸素原子を含むガスを用いることなく基板上に酸化膜を形成する成膜工程と、
前記原料ガスとは異なる反応物を用いて前記成膜工程において形成した前記酸化膜の改質を行う改質工程と、
を連続して複数回繰り返す工程を有する半導体装置の製造方法において、
前記成膜工程で用いる前記原料ガスは酸素原子とハフニウム原子を含む原料を気化した原料ガスを含み、前記成膜工程で形成する前記酸化膜はハフニウムを含む酸化膜であり、
前記酸素原子とハフニウム原子を含む原料が、Hf[OC(CH32CH2OCH34であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
A film forming step of forming an oxide film on a substrate without using a gas containing oxygen atoms in addition to the source gas, using a source gas obtained by vaporizing a source material in a liquid phase at room temperature and normal pressure;
A reforming step for reforming the oxide film formed in the film-forming step using a reactant different from the source gas;
In the manufacturing method of a semiconductor device having a step of repeating a plurality of times continuously
The source gas used in the film forming step includes a source gas obtained by vaporizing a source material containing oxygen atoms and hafnium atoms, and the oxide film formed in the film forming step is an oxide film containing hafnium,
Method of manufacturing a semi-conductor device, characterized in that the raw material containing the oxygen atom and a hafnium atom, a Hf [OC (CH 3) 2 CH 2 OCH 3] 4.
常温常圧において液相である原料を気化した原料ガスを用い、前記原料ガス以外には酸素原子を含むガスを用いることなく基板上に酸化膜を形成する成膜工程と、
前記原料ガスとは異なる反応物を用いて前記成膜工程において形成した前記酸化膜の改 質を行う改質工程と、
を連続して複数回繰り返す工程を有する半導体装置の製造方法において、
前記成膜工程で用いる前記原料ガスは酸素原子とハフニウム原子を含む原料を気化した原料ガスを含み、前記成膜工程で形成する前記酸化膜はハフニウムを含む酸化膜であり、
1回の前記成膜工程で形成する前記ハフニウムを含む酸化膜の膜厚が0.5Å〜30Åであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
A film forming step of forming an oxide film on a substrate without using a gas containing oxygen atoms in addition to the source gas, using a source gas obtained by vaporizing a source material in a liquid phase at room temperature and normal pressure;
A reforming step for reforming the oxide film formed in the film-forming step using a reactant different from the source gas ;
In the manufacturing method of a semiconductor device having a step of repeating a plurality of times continuously
The source gas used in the film forming step includes a source gas obtained by vaporizing a source material containing oxygen atoms and hafnium atoms, and the oxide film formed in the film forming step is an oxide film containing hafnium,
Method of manufacturing a semi-conductor device you wherein a thickness of the oxide film containing the hafnium to form a single said deposition step is 0.5A~30A.
前記反応物は酸素原子を含むことを特徴とする請求項6記載の半導体装置の製造方法。The reaction process according to claim 6 Symbol mounting the semiconductor device characterized by comprising an oxygen atom. 前記反応物は酸素原子を含むガスを活性化したガスを含むことを特徴とする請求項6記載の半導体装置の製造方法。7. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein the reactant contains a gas obtained by activating a gas containing oxygen atoms. 前記成膜工程と前記改質工程は同一反応室内で行われることを特徴とする請求項6記載の半導体装置の製造方法。The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein the film forming step and the modifying step are performed in the same reaction chamber. 基板を処理する反応室と、
前記反応室内に酸素原子とハフニウム原子を含む原料を気化した原料ガスを供給するする供給管と
前記反応室内に前記原料ガスとは異なる反応物を供給する供給管と、
前記反応室内に非酸素雰囲気下で前記原料ガスを供給して基板上に膜厚が0.5Å〜30Åのハフニウムを含む酸化膜を形成し、前記反応室内に前記反応物を供給して基板上に形成された前記ハフニウムを含む酸化膜の改質を行い、これを連続して少なくとも1回以上行うように制御する制御装置と、
を有することを特徴とする基板処理装置。
A reaction chamber for processing the substrate;
A supply pipe for supplying a raw material gas obtained by vaporizing a raw material containing oxygen atoms and hafnium atoms into the reaction chamber; and a supply pipe for supplying a reactant different from the raw material gas into the reaction chamber;
The source gas is supplied into the reaction chamber in a non-oxygen atmosphere to form an oxide film containing hafnium having a thickness of 0.5 to 30 mm on the substrate, and the reactant is supplied onto the substrate by supplying the reactant into the reaction chamber. A control device that performs modification of the hafnium-containing oxide film formed on the substrate and performs control so that the oxide film is continuously performed at least once.
A substrate processing apparatus comprising:
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