JP4236707B2 - Chemical vapor deposition method and chemical vapor deposition apparatus - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、微細な陥没構造において、被覆性の良好な薄膜を形成することができる新規な化学的気相成長(CVD)法、および、これを実現するための装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
CVD法は、原料系で発生させた1つまたは複数の原料(化学)蒸気を、一定圧力に維持した反応器に輸送し、混合し、高温に保持された基板で化学反応させることによって薄膜を堆積する方法である。成膜メカニズムが化学的プロセスに由来しているので、熱酸化法のような高温を必要とせず、またスパッタリングや抵抗線加熱蒸着などの物理的蒸気成膜法(PVD)のような高真空状態も必要としない。したがって、大規模な成膜装置でも比較的安価に実現できる。すでに、金属膜、誘電体膜、半導体薄膜の形成手段として、産業の広い分野でこの成膜法が用いられている。
【0003】
PVDは付着確率の高い物理的蒸気を高真空状態で供給して凝集させ、成膜する物理過程に基づいているので、蒸気の入射方法に対して影となるような部位には膜が付きにくい。一方、CVDは比較的付着確率の小さい化学的蒸気を低真空状態(あるいは常圧)で基板に供給しているため、蒸気の影部位への回り込みが良い。このため、CVDは一般的な傾向として、PVDに比べて、幾何学的な段差において格段に優れた被覆性を示す。
【0004】
段差被覆性の良し悪しが問題となるのは、陥没部のある基板に膜を形成させるような場合である。典型的で、重要な応用例は、半導体集積回路の製造技術に見られる。周知のように半導体集積回路(基板)は、コンタクトホール、ビアホール、キャパシタ溝などの陥没部や、フィールド段差、配線段差、ゲート段差などの段差部などからなる微細な凹凸が小面積に密集している。半導体集積回路の製造工程において、これら微細な凹凸部に絶縁膜(SiO2やSi3N4 )、半導体膜(ポリSi)、電極膜(不純物添加ポリSi)などの各種Si系薄膜を被覆性良く成膜する技術は、なくてはならない基盤技術となっている。したがって、半導体集積回路の製造工程において、PVDより回り込みの良好なCVDが多様されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
近年の半導体集積回路の超集積化(=大規模化と高密度化)の進展は目覚ましく、今日でも留まるところを知らない。例えば代表的な半導体集積回路DRAM(随時書き込み読み出しメモリ)の記憶容量は3年毎に4倍の割合で増大し、かつパターン寸法はおよそ70%ずつ縮小されている。超集積化の進行はデバイスの性能向上や低価格化を促す反面、デバイス構造の縮小化と複雑化を招くので、全ての加工技術は常に変革を厳しく求められている。
【0006】
CVDも例外ではない。今日、CVDが集積回路の製造技術において達成することを強く求められているのは、Si系外の材料膜を集積回路基板に形成することである。一例を挙げるならば、DRAMでは複雑になり過ぎたメモリセルのキャパシタ構造を単純化するための方法として、従来のSiO2やSi3N4 に比べて誘電率εの高い誘導体膜Ta2O5 (5酸化タンタル)やBST(チタン酸バリウム・ストロンチウム)の採用が検討されている。あるいは、電気的書き込み消去可能な不揮発性メモリにおいては、書換え回数を飛躍的に向上させるために、強誘電体PZT(ジルコンチタン酸鉛)薄膜を用いた全く新しい概念のセルが提案されている。しかしながら、これら非Si系の新材料を従来のCVD法で形成しようとすると、Si系膜で得られているような良好な段差被覆性が得られないという問題がある。
【0007】
この問題を具体的な例を挙げてもう少し詳しく説明すると、Si基板に開孔した図9のような直径1.8 μm、アスペクト比(ここでは開孔部の直径と深さの比と定義)1:5のホールに減圧CVDで100nm の薄膜を成膜する時、SiH4(シラン)と NH3(アンモニア)を原料としてSi系の誘電体膜Si3N4 膜を形成する場合には、η=0.9 以上の段差被覆率が得られる。ここで段差被覆率ηはホール内部の最小膜厚を基板表面の膜厚で除した値である。ところが、同じホールにTaCl5 とO2を用いて非Si系の誘電体膜Ta2O5 を成膜すると、段差被覆率はη=0.20と相当低い値となってしまう。このような段差被覆率の低い値はTa2O5 膜に限らず、非Si系の材料に広く認められるもので、新材料膜を半導体集積回路に導入する際の、ひいては、半導体集積回路の超集積化を一層進める上での大きな障害となっている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような従来のCVD法の抱える問題を解決することを目的としてなされたもので、この目的は、「反応器への原料の供給法を、少なくとも1つ原料を間欠的に供給するとともに、前記原料の供給期間の前または後には全原料の供給を停止し、かつ、反応器の残留ガスを排気する真空排気期間を置く方式とする」とともに、前記供給法を達成するために、「CVDの装置構造を、従来のCVD装置に間欠的原料供給手段と間欠的真空排気手段を付加する装置構造とする」ことにより達成できる。
【0009】
すなわち、本発明の化学的気相成長法では、一つまたは複数の原料蒸気を、反応器に輸送し、反応器内の基板もしくはその近傍で化学反応させ、該基板に薄膜を合成する化学的気相成長法において、該原料蒸気の流量を制御して反応器内の圧力を昇圧させながら該基板上に膜を生成する原料供給期間と前記原料蒸気を導入停止し前記反応器内の全て残留ガスを排出する真空排気期間との対を、一対または数対含む1サイクルを、繰り返し行うことによって、所望の膜を合成することとした。なお、この化学的気相成長法は、前記1サイクル内で使用される蒸気原料が得ようとする所望の薄膜の構成元素を、少なくとも、全元素含有してもよいし、また、前記原料供給期間における反応器内圧の昇圧速度を、0.1Torr/sec以上、20Torr/sec以下としてもよいし、前記真空排気期間における反応器内圧の減圧速度を20Torr/sec以下としてもよい。
【0010】
また、本発明の化学的気相成長装置では、原料蒸気を導入する1つあるいは複数の蒸気導入口と、基板を支持するサセプタと、生成ガス及び原料蒸気を排出するための排気口と、前記基板あるいはサセプタの加熱手段を備えた密閉型の反応器と、前記蒸気導入口に接続され、原料蒸気を発生し、間欠的に所定の昇圧速度で前記反応器に導入する原料導入系と、生成ガス及び未反応の原料蒸気を前記反応器から間欠的に、かつ、所定の昇圧速度以下の昇圧速度で、器外に排出させる排気系と、から成る構成とした。
【0011】
【作用】
本発明の作用を分かりやすく説明するために、まず、従来のCVDが、陥没部などでなぜ段差被覆性が悪化するかについて、図9のホールの場合を例にして説明する。
【0012】
従来のCVDは常圧CVDであれ、減圧CVDであれ、原料を反応器に供給すると同時に他方で反応器から排ガスや未反応原料を排気しながら、圧力を常に一定に保って成膜を行う。このような状況下では基板表面に飛来する原料のフラックス(=単位時間に所定の面積を通過する原料総量)は近似的に位置に関係なく一定と考えられるので、ホールの開孔部SA に入射するフラックスと、SA と同じ面積を有する基板平坦部SB に入射するフラックスは同じである。SB に到達したフラックスは全てSB 表面のみの成膜に寄与し得る。しかし、開孔部SA に入射したフラックスはホールの全内面(側面と底面)に分配されるので、ホール内部の単位表面積に到達する正味のフラックスは大幅に減少し、原料濃度が減少するのでホール内部の膜厚は、平坦部に比べて減少する。これが陥没部などで段差被覆性が悪化する第1の原因である。
【0013】
第2の原因は原料の付着確率に関係する。ここで付着確率とは、ある面積において、実際に膜になったフラックス部分を総フラックスで割った値である。Si系薄膜材料の主原料であるSiH4やSiH2Cl2 (ジクロルシラン)原料は付着確率が低く、非Si系材料の原料の付着確率は高い。付着確率が高くなるにつれて、原料が開口付近で消費する(=膜になる)率が増大し、ホールの深部に到達する原料フラックスが低下する傾向が急速に強くなる。原料フラックスの低下は膜厚の減少となってただちに現れて来る。
【0014】
段差被覆性を悪化させる第3の原因は、副産物として生成される排ガスの局所的な排気速度に関係する。一般に生成物としてのガス発生が伴う化学反応において、生成ガスの滞留が生成効率を低下させることは良く知られている。入口が1つしかなく、かつ開口が狭く奥行が深い図9のようなホール内部は、成膜反応で生成した排ガスが局所的に滞留し易く、基板表面Bなどに比べるとその生成効率が低下する。これは、圧力一定下では、特に顕著である。
【0015】
非Si系の薄膜の段差被覆性がSi系の薄膜の段差被覆性よりも劣るのは、おそらく、上記要因が相互に絡み合っての結果であると考えられる。
【0016】
本発明は段差被覆性悪化要因を鋭意洗い出し、以上のように整理し、試行を何度も重ねた結果もたらされたものである。以下に、本発明の作用を説明する。
【0017】
基本的に、本発明は上記3つの要因を同時に解除しようとする明解な技術思想に立脚している。厳密な原理は未だ解明の途上であるが、次のような原理に基づいていると考えられる。
【0018】
上記第1の要因は一定圧力下で飛来するフラックスは、面積が同じなら、何処でも一定であるという物理原則に縛られた結果、生まれた要因であった。この要因を解くために、本発明では成膜時に圧力を一定にせず、可変とした。すなわち、真空状態にある反応器に所定の圧力に達するまで原料蒸気を緩やかに導入するサイクルを繰り返し行うプロセスとした。真空中に原料蒸気を導入する時、反応器内部の全ての圧力差がゼロになるようにガスの流れが起こる。これは、図9に示すホールのような陥没部も例外ではなく、ホール内部の圧力が外部の圧力と同じになるように、ホールの容積に等しい過剰フラックスが間口から内部に流れ込む。すなわち、本発明においては、ホール内部には、平坦部Aに比べて遥かに大量の原料フラックスが流入できるから、従来のCVDとは異なって、ホール内部の膜厚の減少は大きく緩和される。さらに好ましいことには、ホールの深さがさらに深くなっても、ホールの容積も比例して増えるので、過剰フラックスも同時に増えて、本効果は自動的に保証される。
【0019】
第2の要因もまた本発明によって緩和される。付着確率は、原料蒸気の吸着速度と、吸着した原料間の化学反応速度に強く支配されている。一般に吸着は、凝集と異なって、1分子層のみ可能であるから、吸着した原料分子(蒸気)が反応して固体に転じない限り、新しい吸着は起こらない。本発明においては、平坦部および陥没部において、原料を導入した直後、瞬時的に高濃度の原料フラックスが流入してくるので、固体化反応が追いつかない状態(いわゆる表面反応律速の状態)となる。この結果、吸着速度が減じ、従来のCVD法で成膜するより付着確率が相対的に下がる。このように、本発明においては、従来のCVDで付着確率の高かった材料でも扱えるのである。
【0020】
また、本発明の成膜法は、原料蒸気の間欠供給前または後に反応器内の雰囲気を真空排気をする工程を含んでいるから、この周期的真空排気の際に、図9のホールなどの微細な陥没部内部の雰囲気もまた同時に周期的に排気される。本発明の方法は、陥没部に排ガスが滞留して、局所的に成膜反応を阻害するという問題が起こらない。こうして、本発明の方法は、上記第3の要因も省くことができる。
【0021】
本発明は、上記3要因をすべて緩和することによって、従来のCVD法の抱えていた問題点、すなわち微細な陥没部で良好な段差被覆性の非Si系の薄膜が実現できないという問題点を解決することができるのである。
【0022】
【実施例】
以下、本発明のCVD方法及びこれを実現する装置について、実施例によって説明する。本発明は様々なCVD原料や膜の種類に関して適用可能であるから、ここでは一般性を持たせて説明を行うことにする。以下、各実施例の説明の前提として、所望の薄膜の成膜には複数の原料A,B,C・・・・が用いられるものとする。実施例の効果と実施例に基づいた具体的な成膜例は後の「具体例」の項で説明することにする。
【0023】
(実施例1)
図1は本発明CVD方法の第1の実施例(「成膜法の第1実施例」と称する。以下同様)を説明するための図である。この図は装置反応器内の圧力の変化をプロセス時間の関数として示している。A,Bは所望の薄膜を得るのに必要なある原料蒸気である。本方法第1実施例は、1つの原料導入期間と1つの真空排気期間とからなる1サイクルが、繰り返されることによって進行する。
【0024】
時間を追って説明すると、まず、原料導入期間では、十分に高真空になった反応器に成膜に使用する蒸気原料AとBが導入される。このとき、真空排気は、停止するか、あるいは、少なくとも蒸気原料の総流量よりも充分低い排気流量で行われている。時間とともに反応器内の圧力が上昇していく。原料蒸気の流量と排気流量が一定の場合(これは技術的に最も容易に達成できる)には、圧力上昇は図1のように直線的になる。圧力上昇を直線的にする必要は必ずしもないが、どのような場合であっても、反応器の瞬間圧力上昇速度PRが20Torr/secを越えないように、原料蒸気の流量と排気流量を制御するよう留意する必要がある。PRがこの値を越えると、反応器内で激しい乱流が起こり、反応器内の塵埃を巻き上げ、基板の成膜面を塵埃で汚染する危険がある。また圧力上昇速度があまりにも小さいと、1サイクルの時間が長くなり、次第に通常のCVD(PR=0Torr/sec)に近づいてきて、作用の項でも述べた効果が次第に失われて来る。このため、実際上、PR= 0.1Torr/sec以上であることが必要であり、可能な限り高い値が望ましい。このPRに関する2つの留意点は、本実施例に限らず、後に説明するすべての実施例に共通して適用される。
【0025】
反応器内の圧力が所定の圧力に達したところで(あるいは、原料導入期間が所定の時間に達したところで)、1つの原料導入期間が終わる。図1より明らかな通り、原料導入期間の最後に反応器の圧力は最大になる。
【0026】
つづいて、真空排気期間に移ると、直ちにすべての原料の導入が停止され、生成ガスや残留する原料蒸気が反応器内から排出される。このとき、半導体基板のホールなどの微細な陥没部内も同様に排気される。排気速度ERは期間中、常に20Torr/sec以下であることが望ましい。なぜなら、ERがこの値を越えると、反応器内で激しい乱流が起こり、反応器内に蓄積した塵埃を巻き上げ、基板の成膜面を塵埃で汚染する危険があるからである。反応器の圧力が原料導入期間の最大圧力の少なくとも1/100 以下、望ましくは圧力が10mTorr 以下に下がったら真空排気期間が終わる。
【0027】
上のごとき1つの原料導入期間と1つの真空排気期間とからなる1サイクルが終わると、基板上には数分子層未満の薄い膜が形成される。以下、同様なサイクルを繰り返すと、任意の厚みの薄膜が生成される。
【0028】
(実施例2)
図2は本発明CVD方法の第2の実施例(「成膜法の第2実施例」と称する。以下同様)を説明するための図である。この図は装置反応器内の圧力とプロセス時間の関係を示している。A,Bは所望の薄膜を得るのに必要なある原料蒸気である。本方法第2実施例では、2つの原料導入期間と2つの真空排気期間とからなる1サイクルが、繰り返されることによって、成膜がデジタルに進行する。原料AとBは交互に導入されるところが本方法第2実施例の特徴である。
【0029】
まず、第1の原料導入期間がある。この期間では、充分に高真空になった反応器に成膜に使用する蒸気原料Aが導入される。このとき、真空排気は停止するか、あるいは、少なくとも蒸気原料の総流量よりも充分低い排気流量で行われている。時間とともに反応器内の圧力が上昇し、原料蒸気流量、排気流量とも一定の場合には、圧力上昇は直線的になる。圧力上昇を直線的にする必要は必ずしもないが、どのような場合であっても、反応器内の塵埃が巻き上がらないように、反応器の瞬間圧力上昇速度PRが20Torr/secを超えないようにする。反応器内の圧力が所定の圧力に達したところで(あるいは、原料導入時間が所定の時間に達したところで)、第1原料導入期間が終わる。
【0030】
つづいて、第1真空排気期間に移ると、直ちに原料蒸気Aの導入が停止され、生成ガスや残留する原料蒸気が反応器内から排出される。このとき、ホールなどの微細な陥没部内も同様に排気される。反応器内の塵埃巻き上げを防ぐために、ここでも排気速度ERは期間中、常に20Torr/sec以下であることが望ましい。反応器の圧力が原料導入期間の最大圧力の少なくとも1/100 以下、望ましくは圧力が10mTorr 以下に下がったら第1真空排気期間が終わる。
【0031】
ここまでプロセスが進行したとき、基板の平坦面および陥没部表面では2つの状態が起こり得る。1つは原料蒸気が未反応のまま(あるいは中間種となって)で1原子層未満吸着している状態である。もう1つは原料蒸気が分解し、薄い膜となって析出している状態である。実際にどちらの状態になるかは、反応系によって異なるが、後者が起こる系では、析出層の厚みが1原子層以上にならないように、第1原料供給期間において、A原料供給量を抑制する必要がある。
【0032】
第1真空排気期間が終わり、第2の原料供給期間にはいると、今度は蒸気原料Bが導入される。このとき、真空排気は、停止するか、あるいは、少なくとも蒸気原料の総流量よりも充分低い排気流量で行われている。時間とともに反応器内の圧力が上昇する。このとき反応器内の塵埃が巻き上がらないように、反応器の瞬間圧力上昇速度PRが20Torr/secを超えないようにする。反応器内の圧力が所定の圧力に達したところで(あるいは、原料導入時間が所定の時間に達したところで)、第2原料導入期間が終わる。
【0033】
つづいて、第2真空排気期間に移ると、原料蒸気Bの導入が停止され、生成ガスや残留する原料蒸気が反応器内から排出される。このとき、ホールなどの微細な陥没部内も同様に排気される。反応器内の塵埃巻き上げを防ぐために、ここでも排気速度ERは期間中、常に20Torr/sec以下であることが望ましい。反応器の圧力が原料導入期間の最大圧力の少なくとも1/100 以下、望ましくは圧力が10mTorr 以下に下がったら第2真空排気期間が終わる。
【0034】
上のごとき2つの原料導入期間と2つの真空排気期間とからなる1サイクルが終わると、基板上には1分子層未満の薄い膜が形成される。以下、同様なサイクルを繰り返すと、任意の厚みの薄膜が生成される。
【0035】
なお、B原料が、熱分解によって単独でB原料固有の析出物を形成する原料系を用いる場合には、第2原料供給期間および第2真空排気期間において、1原子層以上のB原料が基板表面に析出しないよう、B原料供給量を抑制する必要がある。抑制する方法には、原料の供給濃度を下げる、最大到達圧力を下げる、あるいは、原料供給時間を短くする、などの方法がある。
【0036】
以下、その他の方法の実施例を説明するが、説明を簡潔に行うために、ここで記号による表記を定義することにする。原料蒸気供給期間を蒸気の種類を括弧で挟んで「(A+B)」のように表記することにする。すなわち(A+B)は原料蒸気AとBを反応器に同時に導入させて、20Torr/sec以下の速度で圧力を上昇させ、所定の圧力あるいは所定の時間で原料供給を停止させ、終了する一連の工程からなる原料供給期間を表す。また、真空排気期間を簡単に「→」で表記することにする。この→は反応器内の残留ガスを20Torr/sec以下の速度で排気し、所定圧力あるいは所定の時間になったら排気を停止する一連の工程を意味する。
【0037】
このような表記法を用いると、成膜方法の第1実施例(図1)は、簡明に、「(A+B)→・・・」のように表すことができる。ここで「・・・」は繰り返しを意味する。同様に、成膜方法の第2実施例(図2)も簡単に、「(A)→(B)→・・・」と表すことができる。
【0038】
以下に原料蒸気を3種類以上使用する場合の本発明成膜法の実施例を、この新しい表記法を用いて説明することにする。
【0039】
(実施例3)
本発明CVD方法の第3の実施例は3種類の原料から薄膜が生成される場合に適用される。上記表記法で表すと、
(A)→(B+C)→・・・
である。成膜の1サイクルはA原料を単独で供給し排気する工程と、B原料とC原料を同時に供給し排気する工程とからなる。
【0040】
(実施例4)
本発明CVD方法の第4の実施例も3種類の原料から薄膜が生成される場合に適用される。上記表記法で表すと、
(A+B)→(B+C)→・・・
である。成膜の1サイクルはA原料とC原料を供給し排気する工程と、B原料とC原料を同時に供給し排気する工程とからなる。
【0041】
(実施例5)
本発明CVD方法の第5の実施例も3種類の原料から薄膜が生成される場合に適用される。上記表記法で表すと、
(A)→(B)→(C)→・・・
である。成膜の1サイクルはA原料を単独で供給し排気する工程と、B原料を単独で供給し排気する工程と、C原料を単独で供給し排気する工程とからなる。
【0042】
(実施例6)
本発明CVD方法の第6の実施例も3種類の原料から薄膜が生成される場合に適用される。上記表記法で表すと、
(A)→(C)→(B)→(C)→・・・
である。成膜の1サイクルはA原料を単独で供給し排気する工程と、C原料を単独で供給し排気する工程と、B原料を単独で供給し排気する工程と、再びC原料を単独で供給し排気する工程とからなる。
【0043】
(実施例7)
本発明CVD方法の第7の実施例も3種類の原料から薄膜が生成される場合に適用される。上記表記法で表すと、
(A+B+C)→・・・
である。成膜の1サイクルは単純で、A原料とB原料とC原料を同時に供給し排気する工程からなる。
【0044】
(実施例8)
以上、説明した2種または3種の原料蒸気を用いる各実施例から解るように、本発明成膜法は何れも、原料供給期間と続く真空排気期間の対を複数組み合わせた1サイクル(周期)を有する周期的な成膜法であり、かつ、原料供給期間に圧力を一定とせず、常に穏やかに昇圧させながら供給するところに特徴がある。原料供給法には1種類の原料を単独に供給する場合と2種類以上の原料を同時に供給する場合とがあるが、どちらにするかは成膜反応系に応じて勘案され、適宜選択される。重要なことは、1サイクルを終了した時点で、所望の薄膜を形成するのに必要な全原料種が漏れなく供給されているかである。これら原則が守られている限り、本発明のCVD方法は4種類以上の成膜反応系でも可能である。たとえば、成膜法第8実施例として、
(A+B+C)→(C+D)→・・・
などがある。しかし、これはあくまで一例であって、この他の考える全ての組合せパターンが原理的に可能である。
【0045】
(実施例9)
つぎに、本発明CVD装置の実施例を説明する。
図3は本発明装置の第1実施例であり、その構成を模式図的に示している。10はコールドウォール型の反応器である。この反応器10の内部には、基板11を支持し所定の温度Tgに保持するサセプタ12がある。このほかに、反応器10は成膜に使用する1つあるいは複数の原料蒸気(A,B,C・・・)を導く蒸気導入口13a,13b,13c・・・と、生成ガスや未反応の反応蒸気を器外に排出するための排気口14、器内の圧力を計測する圧力計15を備えている。
【0046】
16a,16b,16c・・・は前記複数の原料蒸気を所定の濃度、流量で発生させることができる原料蒸気発生器であり、ステンレス製のパイプで、反応器入口バルブ17a,17b,17c・・・を介して先の原料蒸気導入口の13a,13b,13c・・・と、反応器バイパスバルブ18a,18b,18c・・・を介して第1の真空排気装置19とに接続されている。
【0047】
一方、反応器10の排気口14は、並列に配設された一対の排気主バルブ20と排気副バルブ21を介し、ステンレス製のパイプで第2の真空排気装置22に結ばれている。排気副バルブ21は排気主バルブ20より開孔径が十分小さく設計されており、その排気速度ERは常に20Torr/sec以下になるように工夫されている。一対の排気主バルブ20と副バルブ21を用いる替わりに、1つの排気速度調節機能付バルブを用いてもよい。この場合、排気速度は20Torr/sec以下の値になるよう設計されているものとする。第1の真空排気装置19及び第2の真空排気装置22から排出されたガス等は除害装置(図示せず)で純化された後、大気に散出される。
【0048】
23は前記反応器入口バルブ17a,17b,17c・・・と反応器バイパスバルブ18a,18b,18c・・・、排気主バルブ20、排気副バルブ21の開閉時期をプログラムによって精密に制御するバルブ制御装置である。このバルブ制御装置23は、圧力計15の計測した圧力値Pを読み取り、判断し、バルブ制御に反映させる機能を有している場合もある。
【0049】
CVD装置の全体構成を述べたところで、ここで、前述の原料蒸気発生器16a,16b,16c・・・をもう少し詳しく説明する。成膜に使用する原料は元々ガスの場合と、液体や固体を気化させ蒸気にする場合とがある。図4はガス状原料(プロパンのように常温でボンベ内で容易に気化できる液体材料もこの範疇に入れる)の場合の原料蒸気発生器16a,16b,16c・・・の一例を示している。24はガス原料を充填した原料ボンベ、25は原料ボンベ24の出口圧力を一定にする圧力調整器、26は質量流量調節器である。原料ボンベ24の原料ガスは圧力調整器25で圧力を調整された後、質量流量調節器26で所定の流量に調節されて反応器10または第1の真空排気装置19に輸送される。図4のガス状原料蒸気発生器における重要な成膜パラメータは原料ボンベ24に充填された原料ガスの、▲1▼希釈率(=純ガス/(純ガス+希釈ガス))と、▲2▼質量流量F、である。
【0050】
図5は原料が液体及び固体の場合の原料蒸気発生器16a,16b,16c・・・の一例を示している。27はArやHe、N2 などの不活性なキャリアガスを充填したボンベ、28はボンベ27の出口圧力を一定にする圧力調整器、29は質量流量調節器、30は温度調節機能を有する原料容器である。原料容器30には予め充填口31から使用する原料が充填されている。ボンベ27のキャリアガスは圧力調整器28で圧力調整された後、質量流量調節器29で所定の流量に調節されてキャリアガス導入口32から原料容器30に入り、原料容器30内に滞留する原料蒸気を取り込み、原料蒸気導出口33から出る。この後、原料蒸気及びキャリアガスは反応器10または第1の真空排気装置19に輸送される。図5の原料蒸気発生器16a,16b,16c・・・における重要な成膜パラメータは、▲1▼キャリアガスの質量流量Sと▲2▼原料容器温度Tsである。
【0051】
図中に示していないが、液体及び固体の場合の原料蒸気発生器16a,16b,16c・・・と反応器10を結ぶパイプには温度調節機能が付設されており、成膜中は少なくとも前記原料容器30の設定温度より高い温度に維持されているものとする。これは気化された原料蒸気がパイプ内で凝集するのを防ぐためである。また、反応器30には、基板11を器外に取り出すことを目的として、内圧を大気圧にするための不活性ガス導入機構が設けられているものとする(これも図中に示さず)。
【0052】
(実施例10)
次に、本発明CVD装置のその他の実施例を説明する。
図6は本発明装置の第2実施例である。40はホットウォール型の反応器で、密封式の石英管41と、石英管41を取り囲み所定の温度Tgで加熱する円筒形の電気炉42からなっている。成膜中、石英管内部41には、基板11を支持するサセプタ(あるいはボート)42が置かれる。41の一端には成膜に使用する1つあるいは複数の原料蒸気(A,B,C・・・)を導く蒸気導入口13a,13b,13c・・・が、もう一方の端には生成ガスや未反応の反応蒸気を器外に排出するための排気口14と管内の圧力を計測する圧力計15が備えられている。
本発明装置の第2実施例のその他の部分は、構成,機能とも前記装置の第1実施例と全く同じ(同じ符号を付している)であり、説明を省く。
【0053】
以上、本発明装置の第1及び第2実施例の構成を終えたところで、つぎに両装置の実施例の動作を一緒に説明する。図4と図6の構成を見て明白なとおり、両装置の実施例は反応器の基板加熱方法に僅かな差異があるのみで、構造は本質的に同じであるから、装置の第1実施例を用いて動作を説明すれば十分である。
【0054】
本発明装置の両実施例は前述の本発明成膜法の実施例1〜実施例7を全て実現することができる。しかし、ここで全成膜法の実施例の動作が可能であることを説明することをしない。なんとならば、前にも述べたように、本発明成膜法は何れも、穏やかに昇圧させながら供給する原料供給期間とこれに続く真空排気期間の対を複数組合せた周期的成膜法であり、原料供給法は基本的に、1種類の原料を単独で供給する場合と2種類以上の原料を同時に供給する場合としか存在しないからである。A蒸気を単独で供給する原料供給期間とB蒸気とC蒸気を同時に供給する原料供給期間を両有する本発明成膜法の第3の実施例を、本発明装置の両実施例が実現できることを説明すれば、十分であろう。
【0055】
すでに説明したように、成膜法の第3実施例の1サイクルは4工程からなっていて、簡略表記法で次のように表される。(A)→(B+C)→。以下、この4工程が本発明成膜装置の第1実施例で如何に実現されるかを、順次説明することにするが、その前提として、基板11は、すでに所定の温度Tgに維持された高真空状態の反応器11内に置かれている(スタンバイ状態にある)ものとする。また、成膜開始直前には、排気主バルブ20と排気副バルブ21は閉、原料の反応器入口バルブ17a,17b,17c・・・はすべて閉、バイパスバルブ18a,18b,18c・・・はすべて開であり、原料蒸気発生器16a,16b,16c・・・で発生した原料蒸気はすべて対応するバイパスバルブ18a,18b,18c・・・を経由してそれぞれ所定の質量流量F、で第1の真空排気装置19から排出されているものとする。
【0056】
(A)、すなわち、反応器10内の圧力を穏やかに昇圧させながらA原料蒸気を導入する工程(=原料第1供給期間)は、バイパスバルブ18aを閉じ、反応器入口バルブ17aを開けることにより達成できる。この時、A原料蒸気は蒸気導入口13aから密封状態にある反応器10に導入され、反応器10の圧力は反応器10の容積とA原料蒸気(またはキャリアガス)の質量流量で定まる所定の昇圧速度(一定)で上昇し続ける。所定の時間ts1を経過したところで、反応器入口バルブ17aを閉じ、バイパスバルブ18aを開け、(A)が終わる。と同時に、間を置かず第1真空排気期間に移る。
【0057】
まず、排気副バルブ21を開け、反応器10内に滞留する生成ガスや未反応のA原料蒸気を緩やかな排気速度で器外に排出し、器内の圧力が十分下がったところで、今度は、排気主バルブ20を開け、残留するガス等を強く排気する。21を開け、間を置いて排気主バルブ20を開けるこの2段階排気操作は、反応器10内の塵埃が巻立つのを防ぐための工夫である。所定の時間tv1を経過したところで、排気主バルブ20と排気副バルブ21を閉じ、第1真空排気期間‘→’が終わる。
【0058】
次の原料第2供給期間(B+C)は、バイパスバルブ18b,18cを閉じ、反応器入口バルブ17b,17cを開けることにより達成できる。この時、B原料蒸気とC原料蒸気はそれぞれ蒸気導入口13b,13cから密封状態にある反応器10に同時に導入され、反応器10の圧力は反応器10の容積と、B原料蒸気(またはキャリアガス)とC原料蒸気(またはキャリアガス)の質量流量の和で定まる所定の昇圧速度(一定)で上昇し続ける。所定の時間ts2を経過したところで、反応器入口バルブ17b,17cを閉じ、バイパスバルブ18b,18cを開け、(B+C)が終わる。ここでも、間を置かず第2真空排気期間‘→’に移る。
【0059】
第2真空排気期間‘→’の操作は第1真空排気期間同様である。すなわち、排気副バルブ21を開け、器内の圧力が十分下がったところで、排気主バルブ20を開け、残留するガス等を強く排気する。所定の時間tv2を経過したところで、排気主バルブ20と排気副バルブ21を閉じ、第1真空排気期間‘→’が終わる。こうして本発明成膜法の第3実施例の1サイクルが終了する。
【0060】
基板11上に希望の厚みの薄膜を得るには、上述のサイクルを適宜繰り返せばよい。膜が所望の膜厚になったら、サセプタ(または電気炉)の温度を下げ、反応器10に不活性ガスを導入して大気圧にして、基板11を反応器10から取り出す。
【0061】
以上、本発明成膜方法ならびに成膜装置の実施例を説明し終えたところで、本実施例の効果を示す。できるだけ具体的に示すために、図9に示した構造のホールに、本発明CVD法と従来のCVD法とで様々な膜を約100nm 成膜し、できた膜の段差被覆率η(前に定義済み)を評価し、比較する。従来法による成膜は、段差被覆性がよいとされている減圧CVD法とし、本発明による方法と同じ原料、反応器を用いて、代表的な条件で成膜している。
【0062】
1)成膜の具体例1
本例は本発明成膜装置の第1実施例(図3)と成膜方法の第1実施例(図1、(A+B)→・・・)を用いてTiO2膜を成膜する例である。原料はTiCl4 (=A原料蒸気、常温液体)とO2 (=B原料蒸気、希釈率0%)である。TiCl4 は、温度Ts =−10℃に保持されたステンレス製原料容器に納められている。キャリアガスは純度99.999%のAr ガス、その質量流量はFA =200cc/min 、FB =100cc/min である。原料供給期間の長さはts1=10sec 、真空排気期間の長さtv1=5sec である。成膜温度(サセプタ温度)Tg =450 ℃、反応器の容積は約5リットルであった。この条件で成膜を行うと1サイクルで平均GR=0.2nm/cyc の厚みのTiO2膜が析出する。
【0063】
一方、比較のため実施した従来CVD法による条件は、TiCl4 のキャリアガス質量流量FA =200cc/min 、容器温度Tso=−10℃、O2 の質量流量FB =100cc/min 、成膜温度Tg =450 ℃、成膜圧力P=2Torrであった。
【0064】
以上の本発明ならびに従来のCVD条件は図7にまとめられている。
【0065】
従来法と本発明方法とでTiO2の成膜を行ったところ、従来法ではホールの開口から底に向かって激しく、膜厚が減少する傾向が認められた。基板の平坦部SB が100nm の膜厚の時、ホール底の膜厚はおよそ15nmであり、冒頭の定義によれば、この場合の段差被覆率はη=0.15である。これに対して、本発明の方法で成膜したTiO2膜は、やはり、開口から底に向かって膜厚が減少する傾向はあるものの、勾配ははるかに穏やかであり、η=0.85であった。
【0066】
以上の実験結果から、本発明CVD法が従来CVD法に比べて、微細なホールなどの陥没構造において、優れた段差被覆性を大幅に改善できることが示された。
【0067】
2)成膜の具体例2
本例は、Si集積回路において、Al配線とSi基板(あるいはポリシリコン膜)とのコンタクト界面のバリヤ膜として用いられているTiN 膜を合成する例である。これら界面は、通常、PSG(リンシリケートガラス)膜に設けられたコンタクトホールやビアホールなどの微細な陥没部の底部に位置するので、段差被覆性を確保するのが重要な課題である。
【0068】
原料はA原料蒸気がTiCl4 (Ar キャリア)とB原料蒸気が NH3ガスである。成膜には成膜装置の第1実施例(図3)と成膜法の第2実施例((A)→(B)→・・・)が適用された。試験に用いた本発明CVD及び従来CVDの成膜条件は図7のとおりである。なお、前記成膜の具体例で定義済みとなった成膜の各パラメータは、本具体例を含む以下の具体例では説明を略する。
【0069】
本発明具体例では、およそGR=0.3nm/cyc の推進速度が得られる。段差被覆率η=0.89と良好な値を出している。TiCl4 +NH3 原料系を用いて従来のCVD法で成膜を行うと、段差被覆率η=0.15と悪いばかりでなく、気相において両原料が強く反応し、微粉末状の中間生成物が発生するため、平滑な膜を得ることが困難であった。しかし、本成膜法の実施例では、TiCl4 とNH3 が交互に導入されるので気相で混じり合うことがないので、このような問題は起こらず、良質な膜が形成できる。
【0070】
3)成膜の具体例3
本例は、成膜装置の第1実施例(図3)と成膜法の第1実施例(図1)を組合せてPbO 膜を形成する例である。A原料蒸気はAr ガス輸送された4エチル鉛Pb (C2H5)4(常温液体)とB原料蒸気はO2 である。成膜条件は図7のとおりである。本発明CVD法では、この条件でGR=約0.41nm/cycの成長速度が得られる。
段差被覆率は、本発明CVD法でη=0.85、従来CVD法でη=0.45であった。本発明の優越性は本具体例の場合も明らかである。
【0071】
4)成膜の具体例4
本例はLSIのキャパシタ材料として近年開発が進んでいるTa2O5 膜を形成する例である。原料はA原料蒸気がTa(OC2H5)5(常温で液体、Ar キャリア輸送)とB原料蒸気がO2 である。本発明CVD法において、成膜にはホットウォール型成膜装置の第2実施例(図6)と成膜法の第1実施例((A+B)→・・・)を適用した。反応器の石英管の直径は100mm 、全長は1500mmであった。試験に用いた本発明CVD及び従来CVD条件は図8のとおりである。本発明具体例では、およそGR=0.8nm/cyc の推進速度が得られる。
【0072】
段差被覆率は、本発明CVD法でη=0.92、従来CVD法でη=0.82であった。本発明の優越性は本具体例の場合も明らかである。なお、段差被覆性の高いTa2O5 膜(ηは若干異なるが)は、本発明装置の第1実施例を用いても、また、本発明成膜法の第2実施例を用いても得られることを確認している。
【0073】
5)成膜の具体例5
本例は強誘電体PbTiO3(チタン酸鉛)膜を成膜装置の第1実施例(図2)と成膜法の第4実施例((A+C)→(B+C)→・・・)を用いて合成する例である。A原料蒸気=Ti(i-OC3H7)4(チタンテトライソプロポキシド、常温液体、Ar キャリア輸送)、B原料蒸気=Pb(C2H5)4 (Ar キャリア輸送)、C原料蒸気=O2 である。本発明CVD法と従来CVD法の成膜条件は図8のとおりである。平均の成長速度GR=0.42/cycが得られた。
【0074】
段差被覆率は、本発明CVD法でη=0.85、従来CVD法でη=0.42であった。従来CVD法に比べて、段差被覆性における本発明の優位性は高い。なお、本発明成膜法の第6実施例あるいは第7実施例を用いても、従来に比べ格段に段差被覆性の高い膜が得られることを確認している。
【0075】
6)成膜の具体例6
本例は強誘電体Pb(Zr0.5Ti0.5)O3(チタンジルコン酸鉛:通称PZT)膜を成膜装置の第1実施例(図3)と成膜法の第7実施例((A+D)→(B+C+D)→・・・)を用いて合成する例である。A原料蒸気=Ti(i-OC3H7)4、B原料蒸気=Zr(t-OC4H9)4(ジルコンテトラターシャリプロポキシド、常温液体、Ar キャリア輸送)、C原料蒸気=Pb(C2H5)4 (Ar キャリア輸送)、D原料蒸気=O2 である。本発明CVD法と従来CVD法の成膜条件は図8のとおりである。なお、図7中、添字A,B,C,Dを有するパラメータは、A原料、B原料、C原料、D原料に関するもの、添字1,2は第1,第2の原料供給期間(あるいは真空排気期間)のパラメータであることを位置する。平均の成長速度GR=0.42/cycが得られた。
【0076】
段差被覆率は、本発明CVD法でη=0.84、従来CVD法でη=0.42であった。従来CVD法に比べて、段差被覆性における本発明の優位性は明白である。
【0077】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の化学的気相成長法によれば、化学的気相成長法の成膜方式を、常時昇圧させながら反応器に原料蒸気を導入する原料供給期間と、該原料蒸気を導入停止し反応器内の残留ガスを排出する真空排気期間との対を、一対あるいは数対含む1サイクルを、繰り返し行う方式とすることによって、付着確率の高い原料蒸気を用いなければならないような場合であっても、微細な陥没部において被覆性よく所望の薄膜が形成できるという効果が得られる。
【0078】
さらに、複数の原料蒸気を使用する合成反応系において、本発明成膜方法は、単なる特定の原料種を時間的に分離して供給したり、意図的に混合して供給する柔軟性を有していることから、▲1▼特定原料種間の気相反応を禁止した成膜、▲2▼特定原料種間の気相反応を許容した成膜という従来のCVD法では実現できなかった条件での成膜が可能となる。▲1▼の利点を活かした典型的な例は、上述の具体例2に見られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる成膜法の第1実施例を示す図である。
【図2】本発明にかかる成膜法の第2実施例を示す図である。
【図3】本発明にかかる成膜装置の第1実施例を示す全体図である。
【図4】成膜装置の第1実施例の原料蒸気発生器の一例を示す構成図である。
【図5】成膜装置の第1実施例の原料蒸気発生器の他の例を示す構成図である。
【図6】本発明にかかる成膜装置の第2実施例を示す全体図である。
【図7】具体例1〜3の説明で用いられた本発明実施例と従来例の成膜条件を示す図である。
【図8】具体例4〜6の説明で用いられた本発明実施例と従来例の成膜条件を示す図である。
【図9】微細な陥没部を有する基板の一例を示す要部断面図である。
【符号の説明】
10,40 反応器
11 基板
12,42 サセプタ
13a〜13c・・・ 蒸気導入口
14 排気口
15 圧力計
16a〜16c・・・ 原料蒸気発生器
17a〜17c・・・ 反応器入口バルブ
18a〜18c・・・バイパスバルブ
19 第1真空排気装置
20 排気主バルブ
21 排気副バルブ
22 第2真空排気装置
23 バルブ制御装置
24 原料ボンベ
25,28 圧力調節器
23,29 質量流量調節器
27 キャリアガスボンベ
30 原料容器
31 充填口
32 キャアリアガス導入口
33 原料ガス導出口
41 石英管
s 原料容器温度
F 原料ガスまたはキャリアガスの質量流量
g 成膜温度
s 原料供給期間長さ
v 真空排気期間長さ
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a novel chemical vapor deposition (CVD) method capable of forming a thin film with good coverage in a fine depressed structure, and an apparatus for realizing the same.
[0002]
[Prior art]
In the CVD method, one or more raw material (chemical) vapors generated in a raw material system are transported to a reactor maintained at a constant pressure, mixed, and chemically reacted on a substrate held at a high temperature. It is a method of depositing. Since the film formation mechanism is derived from a chemical process, it does not require high temperatures such as thermal oxidation, and high vacuum conditions such as physical vapor deposition (PVD) such as sputtering and resistance wire heating deposition. It is not necessary. Therefore, even a large-scale film forming apparatus can be realized at a relatively low cost. Already, as a means for forming a metal film, a dielectric film, and a semiconductor thin film, this film forming method is used in a wide range of industries.
[0003]
PVD is based on the physical process of supplying and agglomerating physical vapor with a high adhesion probability in a high vacuum state to form a film. . On the other hand, CVD supplies chemical vapor with a relatively low adhesion probability to the substrate in a low vacuum state (or normal pressure), so that the vapor wraps around the shadow area. For this reason, as a general tendency, CVD exhibits a coating property that is remarkably superior in geometric steps as compared with PVD.
[0004]
Whether the step coverage is good or bad becomes a problem when a film is formed on a substrate having a depression. Typical and important applications are found in semiconductor integrated circuit manufacturing technology. As is well known, a semiconductor integrated circuit (substrate) has a small area in which minute recesses such as contact holes, via holes, capacitor grooves and the like, and stepped parts such as field steps, wiring steps, gate steps and the like are concentrated in a small area. Yes. In the manufacturing process of a semiconductor integrated circuit, an insulating film (SiO 2 And Si Three N Four ), Various Si-based thin films such as a semiconductor film (poly-Si) and an electrode film (impurity-added poly-Si) with good coverage are indispensable basic technologies. Therefore, in the manufacturing process of a semiconductor integrated circuit, there are various types of CVD that have better wraparound than PVD.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Recent progress in super-integration (= large scale and high density) of semiconductor integrated circuits is remarkable, and I do not know where it will stay even today. For example, the storage capacity of a typical semiconductor integrated circuit DRAM (anytime read / write memory) increases four times every three years, and the pattern dimension is reduced by about 70%. While progress in super-integration promotes device performance improvement and cost reduction, it leads to downsizing and complication of the device structure, and all processing technologies are constantly required to be changed.
[0006]
CVD is no exception. Today, the strong demand for CVD to be achieved in integrated circuit manufacturing technology is the formation of non-Si based material films on the integrated circuit substrate. As an example, as a method for simplifying the capacitor structure of a memory cell that is too complicated in a DRAM, conventional SiO 2 And Si Three N Four Derivative film Ta with higher dielectric constant ε than 2 O Five (Tantalum pentoxide) and BST (barium strontium titanate) are being studied. Alternatively, a completely new concept cell using a ferroelectric PZT (lead zirconate titanate) thin film has been proposed in order to drastically improve the number of times of rewriting in an electrically writable / erasable nonvolatile memory. However, when these non-Si-based new materials are formed by the conventional CVD method, there is a problem that good step coverage as obtained with a Si-based film cannot be obtained.
[0007]
This problem will be described in more detail with a specific example. A diameter of 1.8 μm as shown in FIG. 9 and an aspect ratio (defined here as a ratio of the diameter and depth of the opening) formed in the Si substrate is 1: When a 100nm thin film is formed in the hole 5 by low pressure CVD, SiH Four (Silane) and NH Three Si-based dielectric film Si using (ammonia) as a raw material Three N Four When the film is formed, a step coverage of η = 0.9 or more can be obtained. Here, the step coverage η is a value obtained by dividing the minimum film thickness inside the hole by the film thickness on the substrate surface. However, in the same hole TaCl Five And O 2 Non-Si dielectric film Ta 2 O Five When the film is formed, the step coverage is as low as η = 0.20. Such low values of step coverage are Ta 2 O Five It is widely recognized not only for films but also for non-Si materials, and when introducing new material films into semiconductor integrated circuits, it has become a major obstacle for further integration of semiconductor integrated circuits. Yes.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention was made for the purpose of solving the problems of the conventional CVD method, and this purpose is “to supply at least one raw material intermittently with a method of supplying a raw material to a reactor”. And Above `` Before or after the raw material supply period, the supply of all raw materials is stopped, and a vacuum exhaust period for exhausting the residual gas in the reactor is set. '' Above In order to achieve the supply method, it can be achieved by “the CVD apparatus structure is an apparatus structure in which intermittent material supply means and intermittent vacuum exhaust means are added to a conventional CVD apparatus”.
[0009]
That is, in the chemical vapor deposition method of the present invention, one or more raw material vapors are transported to a reactor, chemically reacted at or near the substrate in the reactor, and a thin film is synthesized on the substrate. In vapor deposition, A raw material supply period in which a film is formed on the substrate while increasing the pressure in the reactor by controlling the flow rate of the raw material vapor; , Above Introduce and stop the raw material vapor and stop everything in the reactor of A desired film was synthesized by repeatedly performing one cycle including one or several pairs with a vacuum exhaust period for discharging the residual gas. In this chemical vapor deposition method, the vapor raw material used in the one cycle is desired to be obtained. Thin film These constituent elements may contain at least all the elements, and the pressure increase rate of the reactor internal pressure during the raw material supply period may be 0.1. Torr / sec or more, 20 Torr / sec or less, the pressure reduction rate of the reactor internal pressure during the evacuation period may be 20 Torr It may be less than / sec.
[0010]
In the chemical vapor deposition apparatus of the present invention, one or a plurality of vapor inlets for introducing the raw material vapor, a susceptor for supporting the substrate, an exhaust port for discharging the generated gas and the raw material vapor, Above A closed reactor equipped with a heating means for a substrate or a susceptor, a raw material introduction system connected to the vapor inlet, generating raw material vapor, and intermittently introducing it into the reactor at a predetermined pressure increase rate, and generation The exhaust system is configured to exhaust gas and unreacted raw material vapor from the reactor intermittently and at a pressure increase speed equal to or lower than a predetermined pressure increase speed.
[0011]
[Action]
In order to explain the operation of the present invention in an easy-to-understand manner, first, the reason why the step coverage of the conventional CVD deteriorates at a depression or the like will be described with reference to the case of the hole in FIG.
[0012]
Conventional CVD, whether atmospheric pressure CVD or low pressure CVD, performs film formation while supplying the raw material to the reactor and at the same time exhausting exhaust gas and unreacted raw material from the reactor while keeping the pressure constant. Under such circumstances, since the flux of the raw material flying on the substrate surface (= total amount of raw material passing through a predetermined area per unit time) is considered to be approximately constant regardless of the position, the hole opening portion S A Flux entering the S and S A Substrate flat part S having the same area as B The flux incident on is the same. S B All fluxes that reached B It can contribute to film formation only on the surface. However, the opening S A Since the flux entering the hole is distributed to the entire inner surface (side and bottom) of the hole, the net flux reaching the unit surface area inside the hole is greatly reduced, and the material concentration is reduced, so the film thickness inside the hole is It decreases compared to the flat part. This is the first cause that the step coverage is deteriorated due to a depression or the like.
[0013]
The second cause is related to the sticking probability of the raw material. Here, the adhesion probability is a value obtained by dividing a flux portion actually formed into a film by a total flux in a certain area. SiH, the main raw material for Si-based thin film materials Four And SiH 2 Cl 2 The (dichlorosilane) raw material has a low adhesion probability, and the non-Si-based material has a high adhesion probability. As the adhesion probability increases, the rate at which the raw material is consumed in the vicinity of the opening (= becomes a film) increases, and the tendency of the raw material flux reaching the deep part of the hole to decrease rapidly increases. The decrease in raw material flux immediately appears as a decrease in film thickness.
[0014]
A third cause of the deterioration of the step coverage is related to the local exhaust speed of the exhaust gas generated as a byproduct. It is well known that the retention of product gas decreases the production efficiency in a chemical reaction that generally involves the generation of gas as a product. The inside of the hole as shown in FIG. 9 having only one entrance and a narrow opening and deep depth tends to cause the exhaust gas generated by the film formation reaction to stay locally, and its generation efficiency is lower than that of the substrate surface B or the like. To do. This is particularly noticeable under a constant pressure.
[0015]
The reason why the step coverage of the non-Si thin film is inferior to the step coverage of the Si thin film is probably the result of the above factors intertwined with each other.
[0016]
The present invention has been brought about as a result of diligently identifying the factors that deteriorate the step coverage and organizing it as described above, and repeating the trial many times. The operation of the present invention will be described below.
[0017]
Basically, the present invention is based on a clear technical idea of trying to cancel the above three factors simultaneously. The exact principle is still in the process of being elucidated, but is thought to be based on the following principle.
[0018]
The first factor was a factor born as a result of being bound by the physical principle that the flux flying under a certain pressure is constant everywhere if the area is the same. In order to solve this factor, in the present invention, the pressure is not constant during film formation but is variable. That is, a process of repeatedly introducing a raw material vapor into a vacuum reactor until a predetermined pressure was reached was repeated. When the raw material vapor is introduced into the vacuum, a gas flow occurs so that all pressure differences inside the reactor become zero. This is not an exception for the depressions such as holes shown in FIG. 9, and excess flux equal to the volume of the holes flows into the interior from the front so that the pressure inside the holes becomes the same as the external pressure. That is, in the present invention, a much larger amount of raw material flux can flow into the hole as compared with the flat portion A. Therefore, unlike the conventional CVD, the decrease in the film thickness inside the hole is greatly relieved. More preferably, even if the hole depth becomes deeper, the volume of the hole also increases proportionally, so that the excess flux also increases at the same time, and this effect is automatically guaranteed.
[0019]
The second factor is also mitigated by the present invention. The sticking probability is strongly controlled by the raw material vapor adsorption rate and the chemical reaction rate between the adsorbed raw materials. In general, adsorption is different from aggregation, and only one molecular layer is possible. Therefore, unless the adsorbed raw material molecules (vapor) react and turn into a solid, new adsorption does not occur. In the present invention, immediately after the raw material is introduced in the flat portion and the depressed portion, a high concentration raw material flux flows in instantaneously. . As a result, the adsorption rate is reduced, and the adhesion probability is relatively lowered as compared with the case where a film is formed by the conventional CVD method. Thus, in the present invention, even a material having a high adhesion probability by conventional CVD can be handled.
[0020]
In addition, since the film forming method of the present invention includes a step of evacuating the atmosphere in the reactor before or after intermittent supply of the raw material vapor, during this periodic evacuation, the holes such as those shown in FIG. The atmosphere inside the fine depression is also periodically exhausted at the same time. In the method of the present invention, the problem that the exhaust gas stays in the depression and locally inhibits the film formation reaction does not occur. Thus, the method of the present invention can also eliminate the third factor.
[0021]
The present invention solves the problem of the conventional CVD method by alleviating the above three factors, that is, the problem that a non-Si thin film having a good step coverage cannot be realized with a fine recess. It can be done.
[0022]
【Example】
Hereinafter, the CVD method of the present invention and an apparatus for realizing the same will be described with reference to examples. Since the present invention can be applied to various CVD raw materials and film types, the following description will be given with generality. In the following, it is assumed that a plurality of raw materials A, B, C,... The effects of the embodiments and specific film formation examples based on the embodiments will be described later in the section “Specific Examples”.
[0023]
Example 1
FIG. 1 is a view for explaining a first embodiment of the CVD method of the present invention (referred to as “first embodiment of film formation method”, hereinafter the same). This figure shows the change in pressure in the apparatus reactor as a function of process time. A and B are raw material vapors necessary to obtain a desired thin film. The first embodiment of the method proceeds by repeating one cycle consisting of one raw material introduction period and one evacuation period.
[0024]
To explain over time, first, in the raw material introduction period, the vapor raw materials A and B used for film formation are introduced into the reactor in a sufficiently high vacuum. At this time, the vacuum evacuation is stopped, or at least at an exhaust flow rate sufficiently lower than the total flow rate of the steam raw material. The pressure in the reactor increases with time. When the flow rate of the raw material vapor and the exhaust gas flow rate are constant (this is most easily achieved technically), the pressure rise is linear as shown in FIG. The pressure increase need not be linear, but in any case the instantaneous pressure increase rate PR of the reactor is 20 Torr / sec Care must be taken to control the flow rate of the raw material vapor and the exhaust gas flow rate so as not to exceed. When the PR exceeds this value, a violent turbulent flow occurs in the reactor, and there is a risk that the dust in the reactor is wound up and the film formation surface of the substrate is contaminated with dust. On the other hand, if the pressure increase rate is too small, the time for one cycle becomes longer, and gradually the normal CVD (PR = 0 Torr / sec ), The effects described in the section of action are gradually lost. Therefore, in practice, PR = 0.1 Torr / sec It is necessary to be above, and a value as high as possible is desirable. The two points to be noted regarding PR are not limited to the present embodiment, and are commonly applied to all embodiments described later.
[0025]
When the pressure in the reactor reaches a predetermined pressure (or when the raw material introduction period reaches a predetermined time), one raw material introduction period ends. As is clear from FIG. 1, the pressure in the reactor reaches its maximum at the end of the raw material introduction period.
[0026]
Subsequently, when the evacuation period starts, the introduction of all raw materials is immediately stopped, and the generated gas and the remaining raw material vapor are discharged from the reactor. At this time, the inside of a fine depression such as a hole of the semiconductor substrate is similarly exhausted. It is desirable that the exhaust speed ER is always 20 Torr / sec or less during the period. This is because if the ER exceeds this value, a violent turbulent flow occurs in the reactor, and the dust accumulated in the reactor is wound up, and the film formation surface of the substrate may be contaminated with dust. The evacuation period ends when the pressure in the reactor drops to at least 1/100 or less of the maximum pressure during the raw material introduction period, preferably 10 mTorr or less.
[0027]
When one cycle consisting of one raw material introduction period and one evacuation period ends as described above, a thin film of less than several molecular layers is formed on the substrate. Thereafter, when a similar cycle is repeated, a thin film having an arbitrary thickness is generated.
[0028]
(Example 2)
FIG. 2 is a diagram for explaining a second embodiment of the CVD method of the present invention (referred to as “second embodiment of film formation method”, hereinafter the same). This figure shows the relationship between the pressure in the apparatus reactor and the process time. A and B are raw material vapors necessary to obtain a desired thin film. In the second embodiment of the method, the film formation proceeds digitally by repeating one cycle consisting of two raw material introduction periods and two evacuation periods. The feature of the second embodiment of the present method is that the raw materials A and B are introduced alternately.
[0029]
First, there is a first raw material introduction period. During this period, the vapor raw material A used for film formation is introduced into the reactor that is sufficiently high in vacuum. At this time, the evacuation is stopped, or at least the exhaust flow rate is sufficiently lower than the total flow rate of the steam raw material. When the pressure in the reactor increases with time and both the raw material vapor flow rate and the exhaust flow rate are constant, the pressure increase becomes linear. Although it is not always necessary to make the pressure rise linear, in any case, the instantaneous pressure rise rate PR of the reactor should not exceed 20 Torr / sec so that dust in the reactor does not roll up. To. When the pressure in the reactor reaches a predetermined pressure (or when the raw material introduction time reaches a predetermined time), the first raw material introduction period ends.
[0030]
Subsequently, when the first evacuation period starts, the introduction of the raw material vapor A is immediately stopped, and the generated gas and the remaining raw material vapor are discharged from the reactor. At this time, the inside of a fine depression such as a hole is similarly exhausted. Here again, it is desirable that the exhaust speed ER is always 20 Torr / sec or less during the period in order to prevent the dust in the reactor from rolling up. The first evacuation period ends when the reactor pressure drops to at least 1/100 or less of the maximum pressure during the raw material introduction period, preferably 10 mTorr or less.
[0031]
When the process has progressed so far, two states can occur on the flat surface and the depression surface of the substrate. One is a state in which the raw material vapor remains unreacted (or becomes an intermediate species) and is adsorbed less than one atomic layer. The other is a state in which the raw material vapor is decomposed and deposited as a thin film. Although the actual state varies depending on the reaction system, in the system in which the latter occurs, the A raw material supply amount is suppressed during the first raw material supply period so that the thickness of the deposited layer does not exceed one atomic layer. There is a need.
[0032]
When the first evacuation period ends and the second raw material supply period starts, the steam raw material B is introduced. At this time, the vacuum evacuation is stopped, or at least at an exhaust flow rate sufficiently lower than the total flow rate of the steam raw material. The pressure in the reactor increases with time. At this time, the instantaneous pressure rise rate PR of the reactor should not exceed 20 Torr / sec so that dust in the reactor does not roll up. When the pressure in the reactor reaches a predetermined pressure (or when the raw material introduction time reaches a predetermined time), the second raw material introduction period ends.
[0033]
Subsequently, when the second evacuation period starts, the introduction of the raw material vapor B is stopped, and the generated gas and the remaining raw material vapor are discharged from the reactor. At this time, the inside of a fine depression such as a hole is similarly exhausted. Here again, it is desirable that the exhaust speed ER is always 20 Torr / sec or less during the period in order to prevent the dust in the reactor from rolling up. The second evacuation period ends when the pressure in the reactor drops to at least 1/100 or less of the maximum pressure during the raw material introduction period, preferably 10 mTorr or less.
[0034]
When one cycle consisting of the two raw material introduction periods and the two evacuation periods ends as described above, a thin film of less than one molecular layer is formed on the substrate. Thereafter, when a similar cycle is repeated, a thin film having an arbitrary thickness is generated.
[0035]
In addition, when the raw material system in which the B raw material forms a precipitate specific to the B raw material by thermal decomposition alone is used, the B raw material of one atomic layer or more is a substrate in the second raw material supply period and the second evacuation period. It is necessary to suppress the supply amount of the B raw material so that it does not precipitate on the surface. Methods for suppressing include methods such as lowering the supply concentration of the raw material, lowering the maximum pressure, or shortening the raw material supply time.
[0036]
Examples of other methods will be described below. For the sake of brevity, symbolic notation is defined here. The raw material vapor supply period will be expressed as “(A + B)” with the type of vapor enclosed in parentheses. That is, (A + B) is a series of steps in which the raw material vapors A and B are simultaneously introduced into the reactor, the pressure is increased at a rate of 20 Torr / sec or less, the raw material supply is stopped at a predetermined pressure or a predetermined time, and the process is completed. The raw material supply period consisting of In addition, the evacuation period is simply expressed as “→”. This → means a series of steps in which the residual gas in the reactor is exhausted at a speed of 20 Torr / sec or less, and the exhaust is stopped when a predetermined pressure or a predetermined time is reached.
[0037]
When such a notation is used, the first embodiment (FIG. 1) of the film forming method can be simply expressed as “(A + B) →...”. Here, “...” means repetition. Similarly, the second embodiment (FIG. 2) of the film forming method can be simply expressed as “(A) → (B) →.
[0038]
Hereinafter, an example of the film forming method of the present invention in the case of using three or more kinds of raw material vapor will be described using this new notation.
[0039]
(Example 3)
The third embodiment of the CVD method of the present invention is applied when a thin film is produced from three kinds of raw materials. Expressed in the above notation,
(A) → (B + C) → ・ ・ ・
It is. One cycle of film formation includes a step of supplying and exhausting the A raw material alone and a step of supplying and exhausting the B raw material and the C raw material simultaneously.
[0040]
(Example 4)
The fourth embodiment of the CVD method of the present invention is also applied when a thin film is produced from three kinds of raw materials. Expressed in the above notation,
(A + B) → (B + C) → ...
It is. One cycle of film formation includes a process of supplying and exhausting A raw material and C raw material, and a process of supplying and exhausting B raw material and C raw material simultaneously.
[0041]
(Example 5)
The fifth embodiment of the CVD method of the present invention is also applied when a thin film is formed from three kinds of raw materials. Expressed in the above notation,
(A) → (B) → (C) → ・ ・ ・
It is. One cycle of film formation includes a step of supplying and exhausting the A raw material alone, a step of supplying and exhausting the B raw material alone, and a step of supplying and exhausting the C raw material alone.
[0042]
(Example 6)
The sixth embodiment of the CVD method of the present invention is also applied when a thin film is produced from three kinds of raw materials. Expressed in the above notation,
(A) → (C) → (B) → (C) →.
It is. One cycle of film formation is a process of supplying and exhausting the A raw material alone, a process of supplying and exhausting the C raw material alone, a process of supplying and exhausting the B raw material alone, and again supplying the C raw material alone. And evacuating.
[0043]
(Example 7)
The seventh embodiment of the CVD method of the present invention is also applied when a thin film is produced from three kinds of raw materials. Expressed in the above notation,
(A + B + C) → ・ ・ ・
It is. One cycle of film formation is simple, and includes a step of supplying and exhausting A raw material, B raw material and C raw material simultaneously.
[0044]
(Example 8)
As can be seen from the respective examples using the two or three kinds of raw material vapors as described above, each of the film forming methods of the present invention is one cycle (period) in which a plurality of pairs of the raw material supply period and the subsequent evacuation period are combined. And is characterized in that the pressure is not kept constant during the raw material supply period, and the pressure is constantly increased while being supplied. In the raw material supply method, there are a case where one kind of raw material is supplied alone and a case where two or more kinds of raw materials are supplied simultaneously, and which one is selected is appropriately selected in consideration of the film forming reaction system. . What is important is whether all the raw material species necessary for forming a desired thin film are supplied without omission at the end of one cycle. As long as these principles are observed, the CVD method of the present invention can be applied to four or more types of film forming reaction systems. For example, as the eighth embodiment of the film forming method,
(A + B + C) → (C + D) → ...
and so on. However, this is only an example, and all other possible combination patterns are possible in principle.
[0045]
Example 9
Next, examples of the CVD apparatus of the present invention will be described.
FIG. 3 shows a first embodiment of the apparatus of the present invention, and schematically shows the configuration thereof. Reference numeral 10 denotes a cold wall reactor. Inside the reactor 10, there is a susceptor 12 that supports the substrate 11 and holds it at a predetermined temperature Tg. In addition to this, the reactor 10 includes one or a plurality of raw material vapors (A, B, C...) Used for film formation, steam inlets 13 a, 13 b, 13 c. Are provided with an exhaust port 14 for discharging the reaction vapor to the outside of the vessel and a pressure gauge 15 for measuring the pressure inside the vessel.
[0046]
16a, 16b, 16c,... Are raw material steam generators that can generate the plurality of raw material vapors at a predetermined concentration and flow rate, and are stainless steel pipes, reactor inlet valves 17a, 17b, 17c,. .. Are connected to the first vacuum exhaust device 19 via the reactor bypass valves 18a, 18b, 18c... And 13a, 13b, 13c.
[0047]
On the other hand, the exhaust port 14 of the reactor 10 is connected to the second vacuum exhaust device 22 by a stainless steel pipe through a pair of exhaust main valve 20 and exhaust sub valve 21 arranged in parallel. The exhaust sub-valve 21 is designed to have a sufficiently smaller opening diameter than the exhaust main valve 20, and the exhaust speed ER is always devised to be 20 Torr / sec or less. Instead of using the pair of exhaust main valve 20 and sub valve 21, one valve with an exhaust speed adjusting function may be used. In this case, it is assumed that the exhaust speed is designed to be 20 Torr / sec or less. The gas discharged from the first evacuation device 19 and the second evacuation device 22 is purified by a detoxification device (not shown) and then discharged to the atmosphere.
[0048]
23 is a valve control for precisely controlling the opening / closing timing of the reactor inlet valves 17a, 17b, 17c,..., The reactor bypass valves 18a, 18b, 18c,. Device. The valve control device 23 may have a function of reading and determining the pressure value P measured by the pressure gauge 15 and reflecting it in the valve control.
[0049]
Now that the overall structure of the CVD apparatus has been described, the raw material vapor generators 16a, 16b, 16c,. The raw material used for film formation may be a gas from the beginning, or a liquid or solid may be vaporized to form a vapor. FIG. 4 shows an example of raw material vapor generators 16a, 16b, 16c,... In the case of a gaseous raw material (a liquid material that can be easily vaporized in a cylinder such as propane is also included in this category). Reference numeral 24 is a raw material cylinder filled with a gas raw material, 25 is a pressure regulator for making the outlet pressure of the raw material cylinder 24 constant, and 26 is a mass flow controller. The source gas in the source cylinder 24 is adjusted in pressure by the pressure regulator 25, adjusted to a predetermined flow rate by the mass flow rate regulator 26, and transported to the reactor 10 or the first vacuum exhaust device 19. The important film formation parameters in the gaseous raw material steam generator of FIG. 4 are (1) dilution rate (= pure gas / (pure gas + dilution gas)) and (2) of the raw material gas charged in the raw material cylinder 24. Mass flow rate F.
[0050]
FIG. 5 shows an example of raw material vapor generators 16a, 16b, 16c... When the raw materials are liquid and solid. 27 is Ar, He, N 2 A cylinder filled with an inert carrier gas such as 28, a pressure regulator 28 for making the outlet pressure of the cylinder 27 constant, 29 is a mass flow controller, and 30 is a raw material container having a temperature regulating function. The raw material container 30 is filled with the raw material used from the filling port 31 in advance. After the pressure of the carrier gas in the cylinder 27 is adjusted by the pressure regulator 28, the carrier gas is adjusted to a predetermined flow rate by the mass flow controller 29, enters the raw material container 30 from the carrier gas inlet 32, and the raw material stays in the raw material container 30. Steam is taken in and exits from the raw material steam outlet 33. Thereafter, the raw material vapor and the carrier gas are transported to the reactor 10 or the first vacuum exhaust device 19. The important film formation parameters in the raw material steam generators 16a, 16b, 16c... In FIG. 5 are (1) the carrier gas mass flow rate S and (2) the raw material container temperature Ts.
[0051]
Although not shown in the figure, the pipe connecting the raw material vapor generators 16a, 16b, 16c... And the reactor 10 in the case of liquid and solid is provided with a temperature control function, and at least during the film formation, It is assumed that the temperature is maintained higher than the set temperature of the raw material container 30. This is to prevent vaporized raw material vapor from aggregating in the pipe. In addition, the reactor 30 is provided with an inert gas introduction mechanism for making the internal pressure atmospheric pressure for the purpose of taking the substrate 11 out of the reactor (also not shown in the figure). .
[0052]
(Example 10)
Next, another embodiment of the present CVD apparatus will be described.
FIG. 6 shows a second embodiment of the apparatus of the present invention. Reference numeral 40 denotes a hot wall type reactor, which includes a sealed quartz tube 41 and a cylindrical electric furnace 42 that surrounds the quartz tube 41 and heats it at a predetermined temperature Tg. During film formation, a susceptor (or boat) 42 that supports the substrate 11 is placed inside the quartz tube 41. One end of 41 is provided with steam inlets 13a, 13b, 13c... For introducing one or more raw material vapors (A, B, C...) Used for film formation, and the other end is generated gas. And an exhaust port 14 for discharging unreacted reaction vapor to the outside of the vessel and a pressure gauge 15 for measuring the pressure in the pipe.
The other parts of the second embodiment of the device of the present invention are the same as those of the first embodiment of the device in terms of configuration and function (the same reference numerals are given), and will not be described.
[0053]
As described above, when the configurations of the first and second embodiments of the device of the present invention have been completed, the operation of the embodiments of both devices will be described together. As is apparent from the configurations of FIGS. 4 and 6, the first embodiment of the apparatus is the same because the embodiments of both apparatuses are essentially the same in structure with only slight differences in the method of heating the reactor substrate. It is sufficient to explain the operation with an example.
[0054]
Both embodiments of the apparatus of the present invention can realize all of the first to seventh embodiments of the film forming method of the present invention described above. However, it will not be explained here that the operation of the embodiment of the whole film forming method is possible. If anything, as described above, the film forming method of the present invention is a periodic film forming method in which a plurality of pairs of a material supply period to be supplied while being gently pressurized and a subsequent evacuation period are combined. This is because the raw material supply method basically has only a case where one type of raw material is supplied alone and a case where two or more types of raw materials are supplied simultaneously. A third embodiment of the film forming method of the present invention having both a raw material supply period for supplying A vapor alone and a raw material supply period for simultaneously supplying B vapor and C vapor can realize both embodiments of the present apparatus. It would be enough to explain.
[0055]
As already described, one cycle of the third embodiment of the film forming method includes four steps, and is expressed as follows in a simplified notation. (A) → (B + C) →. Hereinafter, how these four steps are realized in the first embodiment of the film forming apparatus of the present invention will be described in sequence. As a premise, the substrate 11 has already been maintained at a predetermined temperature Tg. It is assumed that it is placed in the reactor 11 in a high vacuum state (in a standby state). Further, immediately before the start of film formation, the exhaust main valve 20 and the exhaust sub-valve 21 are closed, the raw material reactor inlet valves 17a, 17b, 17c... Are all closed, and the bypass valves 18a, 18b, 18c. All of the raw material steam generated by the raw material steam generators 16a, 16b, 16c,... Are first passed through the corresponding bypass valves 18a, 18b, 18c,. It is assumed that the vacuum exhaust device 19 is discharged.
[0056]
(A), that is, the step of introducing the A raw material vapor while gradually increasing the pressure in the reactor 10 (= raw material first supply period) is performed by closing the bypass valve 18a and opening the reactor inlet valve 17a. Can be achieved. At this time, the A raw material vapor is introduced into the reactor 10 in a sealed state from the vapor inlet 13a, and the pressure of the reactor 10 is determined by the volume of the reactor 10 and the mass flow rate of the A raw material vapor (or carrier gas). It keeps rising at a pressure increase rate (constant). Predetermined time ts 1 After the time elapses, the reactor inlet valve 17a is closed, the bypass valve 18a is opened, and (A) ends. At the same time, the first evacuation period is started without any delay.
[0057]
First, the exhaust sub-valve 21 is opened, and the product gas and unreacted A raw material vapor staying in the reactor 10 are exhausted to the outside at a moderate exhaust speed. When the pressure in the reactor is sufficiently lowered, this time, The exhaust main valve 20 is opened and the remaining gas and the like are exhausted strongly. This two-stage exhaust operation, in which the exhaust main valve 20 is opened at intervals after opening 21, is a device for preventing dust in the reactor 10 from rolling up. Predetermined time tv 1 After that, the exhaust main valve 20 and the exhaust sub-valve 21 are closed, and the first vacuum exhaust period “→” ends.
[0058]
The next raw material second supply period (B + C) can be achieved by closing the bypass valves 18b and 18c and opening the reactor inlet valves 17b and 17c. At this time, the B raw material vapor and the C raw material vapor are simultaneously introduced into the reactor 10 in a sealed state from the steam inlets 13b and 13c, respectively, and the pressure of the reactor 10 depends on the volume of the reactor 10 and the B raw material vapor (or carrier). Gas) and C raw material vapor (or carrier gas) continue to rise at a predetermined pressure increase rate (constant) determined by the sum of mass flow rates. Predetermined time ts 2 After the time elapses, the reactor inlet valves 17b and 17c are closed, the bypass valves 18b and 18c are opened, and (B + C) ends. Here, too, the second evacuation period “→” is started without any delay.
[0059]
The operation of the second evacuation period “→” is the same as that of the first evacuation period. That is, the exhaust sub-valve 21 is opened, and when the internal pressure is sufficiently lowered, the exhaust main valve 20 is opened to exhaust the remaining gas and the like strongly. Predetermined time tv 2 After that, the exhaust main valve 20 and the exhaust sub-valve 21 are closed, and the first vacuum exhaust period “→” ends. Thus, one cycle of the third embodiment of the film forming method of the present invention is completed.
[0060]
In order to obtain a thin film having a desired thickness on the substrate 11, the above cycle may be repeated as appropriate. When the film reaches a desired film thickness, the temperature of the susceptor (or electric furnace) is lowered, an inert gas is introduced into the reactor 10 to atmospheric pressure, and the substrate 11 is taken out of the reactor 10.
[0061]
As described above, after the embodiments of the film forming method and the film forming apparatus of the present invention have been described, the effects of this embodiment will be described. In order to show as concretely as possible, various films of about 100 nm are formed in the holes having the structure shown in FIG. 9 by the CVD method of the present invention and the conventional CVD method. Evaluate and compare (defined). Film formation by the conventional method is a low-pressure CVD method that is considered to have good step coverage, and film formation is performed under typical conditions using the same raw materials and reactor as those of the method according to the present invention.
[0062]
1) Specific example 1 of film formation
This example uses the first embodiment (FIG. 3) of the film forming apparatus of the present invention and the first embodiment (FIG. 1, (A + B) →. 2 This is an example of forming a film. Raw material is TiCl Four (= A raw material vapor, room temperature liquid) and O 2 (= B raw material vapor, dilution rate 0%). TiCl Four Is contained in a stainless steel raw material container maintained at a temperature Ts = −10 ° C. Carrier gas is 99.999% purity Ar gas, and its mass flow rate is F A = 200cc / min, F B = 100cc / min. The length of the raw material supply period is ts 1 = 10 sec, length of vacuum evacuation period tv 1 = 5 sec. The film formation temperature (susceptor temperature) Tg = 450 ° C., and the volume of the reactor was about 5 liters. When film formation is performed under these conditions, TiO with a thickness of average GR = 0.2 nm / cyc in one cycle 2 A film is deposited.
[0063]
On the other hand, the conditions by the conventional CVD method performed for comparison are TiCl Four Carrier gas mass flow F A = 200cc / min, container temperature Tso = -10 ° C, O 2 Mass flow rate F B = 100 cc / min, film forming temperature Tg = 450 ° C., film forming pressure P = 2 Torr.
[0064]
The present invention and the conventional CVD conditions are summarized in FIG.
[0065]
TiO in the conventional method and the method of the present invention 2 As a result of the film formation, the conventional method showed a tendency for the film thickness to decrease sharply from the opening of the hole toward the bottom. Flat part S of substrate B When the film thickness is 100 nm, the hole bottom film thickness is approximately 15 nm, and according to the definition at the beginning, the step coverage in this case is η = 0.15. In contrast, TiO deposited by the method of the present invention 2 The film still tended to decrease in thickness from the opening toward the bottom, but the gradient was much milder, η = 0.85.
[0066]
From the above experimental results, it has been shown that the CVD method of the present invention can greatly improve the excellent step coverage in a depressed structure such as a fine hole as compared with the conventional CVD method.
[0067]
2) Specific example 2 of film formation
This example is an example of synthesizing a TiN film used as a barrier film at a contact interface between an Al wiring and a Si substrate (or polysilicon film) in a Si integrated circuit. Since these interfaces are usually located at the bottoms of minute recesses such as contact holes and via holes provided in a PSG (phosphosilicate glass) film, it is an important issue to ensure step coverage.
[0068]
Raw material is A raw material vapor is TiCl Four (Ar carrier) and B raw material vapor are NH Three Gas. The first embodiment (FIG. 3) of the film forming apparatus and the second embodiment ((A) → (B) →...) Of the film forming method were applied to the film formation. The film forming conditions of the present invention CVD and the conventional CVD used for the test are as shown in FIG. It should be noted that description of each parameter of the film formation that has been defined in the specific example of film formation is omitted in the following specific examples including this specific example.
[0069]
In the embodiment of the present invention, a propulsion speed of approximately GR = 0.3 nm / cyc is obtained. The step coverage η = 0.89, which is a good value. TiCl Four + NH Three When a film is formed by a conventional CVD method using a raw material system, not only is the step coverage η = 0.15 bad, but both raw materials react strongly in the gas phase, and a fine powdery intermediate product is generated. It was difficult to obtain a smooth film. However, in the example of this film formation method, TiCl Four And NH Three Are introduced alternately, so that they do not mix in the gas phase, so that such a problem does not occur and a high-quality film can be formed.
[0070]
3) Specific example 3 of film formation
In this example, a PbO film is formed by combining the first embodiment (FIG. 3) of the film forming apparatus and the first embodiment (FIG. 1) of the film forming method. A raw material vapor is Ar gas transported 4-ethyl lead Pb (C 2 H Five ) Four (Normal temperature liquid) and B raw material vapor are O 2 It is. The film forming conditions are as shown in FIG. In the present CVD method, a growth rate of GR = about 0.41 nm / cyc is obtained under these conditions.
The step coverage was η = 0.85 in the present CVD method and η = 0.45 in the conventional CVD method. The superiority of the present invention is also evident in this example.
[0071]
4) Specific example 4 of film formation
This example is a Ta capacitor that has been developed recently as an LSI capacitor material. 2 O Five This is an example of forming a film. As the raw material, A raw material vapor is Ta (OC 2 H Five ) Five (Liquid at normal temperature, Ar carrier transport) and B raw material vapor are O 2 It is. In the CVD method of the present invention, the second embodiment (FIG. 6) of the hot wall type film forming apparatus and the first embodiment ((A + B) →...) Of the film forming method were applied for film formation. The diameter of the quartz tube of the reactor was 100 mm and the total length was 1500 mm. The present invention CVD and the conventional CVD conditions used in the test are as shown in FIG. In the embodiment of the present invention, a propulsion speed of approximately GR = 0.8 nm / cyc is obtained.
[0072]
The step coverage was η = 0.92 by the present CVD method and η = 0.82 by the conventional CVD method. The superiority of the present invention is also evident in this example. Ta with high step coverage 2 O Five It has been confirmed that the film (η is slightly different) can be obtained by using the first embodiment of the apparatus of the present invention or by using the second embodiment of the film forming method of the present invention.
[0073]
5) Specific example 5 of film formation
This example shows ferroelectric PbTiO Three This is an example in which a (lead titanate) film is synthesized using the first embodiment (FIG. 2) of the film forming apparatus and the fourth embodiment ((A + C) → (B + C) →...) Of the film forming method. A Raw material vapor = Ti (i-OC Three H 7 ) Four (Titanium tetraisopropoxide, room temperature liquid, Ar carrier transport), B raw material vapor = Pb (C 2 H Five ) Four (Ar carrier transport), C raw material vapor = O 2 It is. The film forming conditions of the present CVD method and the conventional CVD method are as shown in FIG. An average growth rate GR = 0.42 / cyc was obtained.
[0074]
The step coverage was η = 0.85 in the present CVD method and η = 0.42 in the conventional CVD method. Compared with the conventional CVD method, the present invention is superior in step coverage. It has been confirmed that even if the sixth embodiment or the seventh embodiment of the film forming method of the present invention is used, a film having a much higher step coverage can be obtained as compared with the prior art.
[0075]
6) Specific example 6 of film formation
This example shows ferroelectric Pb (Zr 0.5 Ti 0.5 ) O Three (Lead titanium zirconate: commonly called PZT) film is synthesized using the first embodiment of the film forming apparatus (FIG. 3) and the seventh embodiment of the film forming method ((A + D) → (B + C + D) →...) It is an example. A Raw material vapor = Ti (i-OC Three H 7 ) Four , B raw material vapor = Zr (t-OC Four H 9 ) Four (Zircon tetratertiary propoxide, room temperature liquid, Ar carrier transport), C raw material vapor = Pb (C 2 H Five ) Four (Ar carrier transport), D raw material vapor = O 2 It is. The film forming conditions of the present CVD method and the conventional CVD method are as shown in FIG. In FIG. 7, parameters having the subscripts A, B, C, and D are related to the A raw material, the B raw material, the C raw material, and the D raw material, and the subscripts 1 and 2 are the first and second raw material supply periods (or vacuums). Exhaust period) is a parameter. An average growth rate GR = 0.42 / cyc was obtained.
[0076]
The step coverage was η = 0.84 in the present CVD method and η = 0.42 in the conventional CVD method. The superiority of the present invention in the step coverage is obvious compared with the conventional CVD method.
[0077]
【The invention's effect】
As described above, according to the chemical vapor deposition method of the present invention, the film formation method of the chemical vapor deposition method includes the raw material supply period in which the raw material vapor is introduced into the reactor while constantly increasing the pressure, and the raw material By adopting a system in which one cycle including a pair or several pairs with the evacuation period for introducing and stopping the steam and discharging the residual gas in the reactor is repeated, the raw material steam having a high adhesion probability must be used. Even in such a case, it is possible to obtain an effect that a desired thin film can be formed with good coverage in a fine depression.
[0078]
Furthermore, in a synthesis reaction system using a plurality of raw material vapors, the film forming method of the present invention has the flexibility to supply a specific raw material species separated in terms of time or mixedly supplied. Therefore, (1) film formation in which gas phase reaction between specific raw material species is prohibited, and (2) film formation in which gas phase reaction between specific raw material species is allowed, under conditions that could not be realized by conventional CVD methods. It becomes possible to form a film. A typical example utilizing the advantage of (1) can be seen in the above-mentioned specific example 2.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of a film forming method according to the present invention.
FIG. 2 is a view showing a second embodiment of the film forming method according to the present invention.
FIG. 3 is an overall view showing a first embodiment of a film forming apparatus according to the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram showing an example of a raw material vapor generator of the first embodiment of the film forming apparatus.
FIG. 5 is a configuration diagram showing another example of the raw material vapor generator of the first embodiment of the film forming apparatus.
FIG. 6 is an overall view showing a second embodiment of the film forming apparatus according to the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing film forming conditions of an embodiment of the present invention and a conventional example used in the description of specific examples 1 to 3.
FIG. 8 is a diagram showing film forming conditions of an embodiment of the present invention and a conventional example used in the description of specific examples 4 to 6;
FIG. 9 is a cross-sectional view of a main part showing an example of a substrate having a fine depression.
[Explanation of symbols]
10,40 reactor
11 Substrate
12,42 Susceptor
13a-13c ... Steam inlet
14 Exhaust vent
15 Pressure gauge
16a-16c ... Raw material steam generator
17a-17c ... Reactor inlet valve
18a to 18c: Bypass valve
19 First vacuum exhaust device
20 Exhaust main valve
21 Exhaust auxiliary valve
22 Second vacuum exhaust device
23 Valve control device
24 Raw material cylinder
25, 28 Pressure regulator
23, 29 Mass flow controller
27 Carrier gas cylinder
30 Raw material container
31 Filling port
32 Carrier gas inlet
33 Material gas outlet
41 Quartz tube
T s Raw material container temperature
F Mass flow rate of source gas or carrier gas
T g Deposition temperature
t s Raw material supply period length
t v Vacuum exhaust period length

Claims (4)

一つまたは複数の非Si系薄膜原料蒸気を、反応器に輸送し、反応器内の基板もしくはその近傍で化学反応させ、該基板に薄膜を合成する化学的気相成長法において、
前記非Si系薄膜原料蒸気の流量を制御し、0.1Torr/sec以上、20Torr/sec以下の昇圧速度で反応器内の圧力を昇圧させながら該基板上に膜を生成する原料供給期間と、原料蒸気の供給を停止し反応器内の全ての残留ガスを排気する真空排気期間との対を、一対または、数対含む1サイクルを、繰り返し行うことによって、所望の膜を合成することを特徴とする化学的気相成長法。
In a chemical vapor deposition method in which one or a plurality of non-Si-based thin film raw material vapors are transported to a reactor, chemically reacted at or near the substrate in the reactor, and a thin film is synthesized on the substrate,
A raw material supply period for controlling the flow rate of the non-Si-based thin film raw material vapor and generating a film on the substrate while increasing the pressure in the reactor at a pressure increase rate of 0.1 Torr / sec or more and 20 Torr / sec or less; It is characterized in that a desired film is synthesized by repeatedly performing one cycle including a pair or several pairs with a vacuum pumping period in which the supply of steam is stopped and all residual gas in the reactor is exhausted. Chemical vapor deposition.
前記1サイクル内で使用される非Si系薄膜原料蒸気が得ようとする所望の薄膜の構成元素を、少なくとも、全元素含有していることを特徴とする請求項1記載の化学的気相成長法。  2. The chemical vapor deposition according to claim 1, wherein the non-Si-based thin film raw material vapor used in one cycle contains at least all the constituent elements of a desired thin film to be obtained. Law. 前記真空排気期間における反応器内圧の減圧速度が20Torr/sec以下であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の化学的気相成長法。The chemical vapor deposition method according to claim 1 or 2, wherein the pressure reduction rate of the reactor internal pressure during the evacuation period is 20 Torr / sec or less. 一つまたは複数の非Si系薄膜原料蒸気を、反応器に輸送し、反応器内の基板もしくはその近傍で化学反応させ、該基板に薄膜を合成する化学的気相成長装置において、In a chemical vapor deposition apparatus in which one or a plurality of non-Si-based thin film raw material vapors are transported to a reactor, chemically reacted at or near the substrate in the reactor, and a thin film is synthesized on the substrate,
前記非Si系薄膜原料蒸気の流量を制御し、0.1Torr/sec以上、20Torr/sec以下の昇圧速度で反応器内の圧力を昇圧させながら該基板上に膜を生成する原料供給期間と、原料蒸気の供給を停止し反応器内の全ての残留ガスを排気する真空排気期間との対を、一対または、数対含む1サイクルを、繰り返し行うことによって、所望の膜を合成することを特徴とする化学的気相成長装置。A raw material supply period for controlling the flow rate of the non-Si-based thin film raw material vapor and generating a film on the substrate while increasing the pressure in the reactor at a pressure increase rate of 0.1 Torr / sec or more and 20 Torr / sec or less; It is characterized in that a desired film is synthesized by repeatedly performing one cycle including a pair or several pairs with a vacuum pumping period in which the supply of steam is stopped and all residual gas in the reactor is exhausted. Chemical vapor deposition equipment.
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