JP4356882B2 - Method for forming atomic layer control thin film - Google Patents

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Description

本発明は、半導体製造に於ける薄膜成長工程において利用可能な原子層制御薄膜の形成方法に関するものである。
The present invention relates to a method for forming an atomic layer control thin film that can be used in a thin film growth process in semiconductor manufacturing.

半導体装置の高集積化が進む中で、デザインルールが微細化して行き、半導体装置を構成する薄膜も、分子レベルもしくは原子レベルまで十分制御して形成することが求められるようになってきた。   Along with the progress of high integration of semiconductor devices, design rules have been miniaturized, and thin films constituting semiconductor devices have been required to be sufficiently controlled to the molecular level or atomic level.

この分子層もしくは原子層制御薄膜の形成はALD法(atomic layer deposition)と呼ばれ、被処理基板表面に原料を供給し、単原子層もしくは単分子層状に原料を積層して成膜する方法である。   The formation of this molecular layer or atomic layer control thin film is called ALD (atomic layer deposition), which is a method of forming a film by supplying raw materials to the surface of the substrate to be processed and laminating the raw materials in a monoatomic layer or monomolecular layer form. is there.

以下、このプロセスをそのフローチャートである図4を用いて説明する。すなわち、第1工程(S41)が、被処理基板を配置した反応炉へ原料となる第1の気体原料を供給し、被処理基板表面に原料となる気体原料を単分子層もしくは原子層状に吸着させる工程である。次いで、第2工程(S42)が、前記工程で反応炉に供給された第1の原料の内、吸着されずに被処理基板表面近傍を含む反応炉雰囲気中に残留している余剰原料を排除する工程である。次いで、第3工程(S43)が、原料となる第2の気体原料を反応炉中に供給して、さらに単分子層もしくは原子層状に吸着させ、前記第1の気体原料と前記第2の気体原料とを化学的に反応させて、生成する反応物を前記被処理基板表面に分子レベルで制御された層として形成する工程である。次いで、第4の工程(S44)は、前記工程で反応炉に供給された第2の原料の内、吸着されずに被処理基板表面近傍を含む反応炉雰囲気中に残留している余剰原料や、前工程における化学反応によって生成した物質を排除する工程である。以上の工程によって生成する薄膜の膜厚が所要の厚さになっているか否かを検査(S45)し、膜厚が不十分である場合には、再度を第1の工程(S41)から前記プロセスを繰り返す。   Hereinafter, this process will be described with reference to FIG. That is, in the first step (S41), the first gas material as a raw material is supplied to the reaction furnace in which the substrate to be processed is arranged, and the gas raw material as the material is adsorbed on the surface of the substrate to be processed in a monomolecular layer or an atomic layer shape. It is a process to make. Next, in the second step (S42), among the first raw materials supplied to the reaction furnace in the above step, surplus raw materials remaining in the reaction furnace atmosphere including the vicinity of the surface of the substrate to be processed are not adsorbed. It is a process to do. Next, in the third step (S43), the second gas raw material serving as the raw material is supplied into the reaction furnace, and is further adsorbed in a monomolecular layer or an atomic layer, and the first gas raw material and the second gas are absorbed. This is a step of chemically reacting a raw material to form a reaction product to be formed on the surface of the substrate to be processed as a layer controlled at a molecular level. Next, in the fourth step (S44), among the second raw materials supplied to the reaction furnace in the step, surplus raw materials remaining in the reaction furnace atmosphere including the vicinity of the surface of the substrate to be processed without being adsorbed, This is a step of eliminating substances generated by the chemical reaction in the previous step. It is inspected whether or not the thickness of the thin film generated by the above steps is a required thickness (S45). If the thickness is insufficient, the process is repeated from the first step (S41). Repeat the process.

ALD法は、上記工程を経ることによって、分子レベルあるいは原子レベルで制御された所要の膜厚を有する薄膜を形成する方法である。   The ALD method is a method of forming a thin film having a required film thickness controlled at a molecular level or an atomic level through the above steps.

このように、従来のALD手法に於いては、所望の膜厚を得る為に異なる複数の原料を反応炉へ交互に導入して吸着過程と反応・成長過程を繰り返し所望の膜厚を得るが、各過程の効果を高める為に吸着過程と反応・成長過程の間に窒素ガスなどの不活性の気体を用いてパージする過程を設けている(S42,及びS44工程)、(特許文献1参照)。   As described above, in the conventional ALD method, in order to obtain a desired film thickness, a plurality of different raw materials are alternately introduced into the reaction furnace, and the adsorption process and the reaction / growth process are repeated to obtain the desired film thickness. In order to enhance the effect of each process, a purge process using an inert gas such as nitrogen gas is provided between the adsorption process and the reaction / growth process (steps S42 and S44) (see Patent Document 1). ).

しかしながら、この方法によれば、複数の原料が被処理基板の表面近傍に残留しやすく、パージガスとして、十分量のガスを供給しなければ、完全に原料を払拭することができず、薄膜に異種原子が混在し原子層の配列が不完全な膜となったり、あるいは、パージ工程に長時間を要したりする傾向にあり、生産性を悪化させる原因ともなっている。すなわち、従来のALD手法に於いては、一般的にその効果を高める為にはパージ工程の実行時問を長くするという手法がとられるため、生産性が著しく低下する。これらのことから判る通り、ALDに於けるパージ工程の実行時間は、ALD手法により向上を図ろうとする薄膜の純度とトレードオフの関係に有り、工程を単純に短縮することが出来ないという問題があった。

特開2003−318174号公報
However, according to this method, a plurality of raw materials are likely to remain in the vicinity of the surface of the substrate to be processed, and if a sufficient amount of gas is not supplied as a purge gas, the raw materials cannot be completely wiped away, and different types of thin films are used. There is a tendency for atoms to be mixed and the atomic layer arrangement to be incomplete, or for the purging process to take a long time, which is a cause of deterioration in productivity. In other words, in the conventional ALD method, in order to increase the effect, generally, a method of lengthening the execution time of the purge process is taken, so that the productivity is remarkably lowered. As can be seen from these facts, the execution time of the purge process in ALD is in a trade-off relationship with the purity of the thin film to be improved by the ALD method, and the process cannot be simply shortened. there were.

JP 2003-318174 A

本発明は、ALD法における上記課題を解決するために成されたもので、簡単な方法により原子配列が均一でよく制御された原子配列の膜を形成することができ、且つ、成膜に要する時間を短縮することができ、生産性に優れた原子層制御薄膜を形成することができる薄膜の形成方法を提供することを目的としている。   The present invention has been made to solve the above-described problems in the ALD method, and can form a film having a uniform and well controlled atomic arrangement by a simple method and is required for the film formation. It is an object of the present invention to provide a method for forming a thin film that can shorten the time and can form an atomic layer control thin film excellent in productivity.

本発明は、反応炉内に配置した半導体基板に、原料を供給し、原子層制御薄膜を形成する方法であって、
(1) 前記半導体基板表面に形成する薄膜の原料となる第1の原料を、反応炉に供給し、反応炉内に配置され反応温度に保たれた基板表面に、前記第1の原料を吸着させる第1の工程と、
(2) 前記第1の工程の完了後に前記第1の原料の供給を停止し、前記反応炉内を減圧後若しくは減圧と同時に前記反応炉内に不活性気体を導入することによって少なくとも前記半導体基板表面近傍に残存する前記第1の原料を払拭する第2の工程と、
(3) 前記第2の工程における前記不活性気体の供給停止後に、前記薄膜の構成原料となる第2の原料を、流量制御機構を通じて前記反応炉に供給し、前記反応炉内に配置された前記半導体基板表面に前記第2の原料を接触させ、前記第1の工程で吸着させた前記第1の原料と化学的に反応させることにより薄膜を成長させる第3の工程と、
(4) 前記第3の工程における薄膜成長工程終了後に、前記第2の原料の供給を停止し、反応炉内を減圧後若しくは減圧と同時に不活性気体を導入することによって、少なくとも前記半導体基板表面近傍に残存する前記第2の原料を払拭する第4の工程とを、所望の膜厚に到達するまで繰り返すことによって、前記半導体基板表面に原子層制御薄膜を形成する際に、
前記第2及び第4の工程において、前記不活性気体として、衝突噴流伝熱を利用した熱交換機により少なくとも100℃以上に加熱された高純度窒素を、少なくとも毎分100cm以上前記反応炉に導入することを特徴とする原子層制御薄膜の形成方法である。
The present invention is a method of supplying a raw material to a semiconductor substrate disposed in a reaction furnace to form an atomic layer control thin film,
(1) A first raw material, which is a raw material for a thin film formed on the surface of the semiconductor substrate, is supplied to a reaction furnace, and the first raw material is adsorbed on a substrate surface that is placed in the reaction furnace and maintained at a reaction temperature. A first step of
(2) At least the semiconductor substrate by stopping the supply of the first raw material after the completion of the first step, and introducing an inert gas into the reaction furnace after reducing the pressure in the reaction furnace or simultaneously with the pressure reduction A second step of wiping off the first raw material remaining in the vicinity of the surface;
(3) After the supply of the inert gas in the second step is stopped, the second raw material that is a constituent raw material of the thin film is supplied to the reaction furnace through a flow rate control mechanism, and is disposed in the reaction furnace. A third step of growing a thin film by bringing the second raw material into contact with the surface of the semiconductor substrate and chemically reacting with the first raw material adsorbed in the first step;
(4) After completion of the thin film growth step in the third step, the supply of the second raw material is stopped, and an inert gas is introduced into the reaction furnace after depressurization or simultaneously with depressurization, so that at least the surface of the semiconductor substrate When the atomic layer control thin film is formed on the surface of the semiconductor substrate by repeating the fourth step of wiping away the second raw material remaining in the vicinity until reaching a desired film thickness,
In the second and fourth steps, as the inert gas, high-purity nitrogen heated to at least 100 ° C. or more by a heat exchanger using collision jet heat transfer is introduced into the reactor at least 100 cm 3 / min. This is a method for forming an atomic layer control thin film.

前記本発明において、第1の原料ガス供給後から供給停止前までの間に、高純度窒素を反応炉に導入開始し、または/及び、前記第3の工程において高純度窒素の供給を停止する前に第2の原料を供給することが好ましい。 In the present invention, the introduction of high-purity nitrogen into the reaction furnace is started after the first source gas is supplied and before the supply is stopped, and / or the supply of high-purity nitrogen is stopped in the third step. It is preferable to supply the second raw material before .

また、前記本発明において、前記薄膜として、シリコン酸化膜、窒化珪素膜等の絶縁体薄膜、タングステン、アルミニウム等の金属膜、III−V族、II−VI族、IV−IV族各化合物半導体およびHfO等の金属酸化膜のいずれかの膜とすることができる。 In the present invention, as the thin film, an insulator thin film such as a silicon oxide film or a silicon nitride film, a metal film such as tungsten or aluminum, a group III-V, a group II-VI, a group IV-IV compound semiconductor, and Any of metal oxide films such as HfO 2 can be used.

本発明によれば、従来のALD法と比較して、短いパージ時間で従来のパージ工程の効果と同等若しくはそれ以上に高めることができるため、高純度な薄膜を得ることが可能となり、成膜プロセス時間の短縮によって生産性も向上する。   According to the present invention, compared to the conventional ALD method, the effect of the conventional purge process can be improved to a level equal to or higher than that of the conventional purge process in a short purge time, and thus a high-purity thin film can be obtained. Productivity is also improved by shortening the process time.

[本発明の原理及び作用]
以下、本発明の原理及び作用について説明する。
本発明は、ALD法において、反応炉に供給するパージガスとして、衝突噴流伝熱熱交換機を用いて加熱した高純度窒素ガスを供給することにより、前記本発明の効果を得るものである。
[Principle and operation of the present invention]
Hereinafter, the principle and operation of the present invention will be described.
In the ALD method, the present invention obtains the effect of the present invention by supplying high-purity nitrogen gas heated using a collision jet heat transfer heat exchanger as a purge gas to be supplied to a reaction furnace.

本発明における衝突噴流伝熱とは、気体を高速で熱交換対象表面に衝突させると対象表面の伝熱を阻害するガス層が薄層化し、熱交換効率が飛躍的に向上する現象である。この衝突噴流伝熱を利用した熱交換機により少なくとも100℃以上に加熱した高純度窒素の気相反応抑制作用は、一般的には反応炉を出た後の排気配管に導入することで排気配管内壁への副生成物堆積を抑制する効果によって知られている。この副生成物堆積抑制の原理は、次の様に説明されている。塩化アンモニウムが析出する可能性がある排気配管に、本方式によって100℃以上に加熱された高純度窒素を導入したところ、副生成物堆積の抑制効果が認められた。この排気配管において、その加熱窒素は熱源である熱交換機を出るとすぐに50℃以下へ低下している。このことから、塩化アンモニウム析出抑制効果は排気ガスを副生成物の析出温度以上に上昇させることによって得られるものではなく、本方式による加熱窒素を混合することにより、析出ガス中の分子配列が変化したためと考えられている。塩化アンモニウムなどの結晶塩が析出するためには、一定量以上の酸とアルカリの分子結合が必要となるが、本方式を用いない場合は配管内に存在する混合ガス内の分子配列が均一ではなく、ある領域内に特定のガス分子が集合して散在しているものと考えられるため、それら散在する酸の分子の集合体とアルカリの分子の集合体が結合して反応し、塩の結晶物を析出するものと考えられる。一方、衝突噴流伝熱を利用した熱交換機により過熱された窒素は熱交換流路内の衝突噴流運動により粒子単位で加熱されるため、均一な温度に加熱・活性化され高い運動エネルギーを持つようになる。この活性化された窒素雰囲気に混入した排気ガス=酸とアルカリの分子は、エネルギーの大きい窒素ガスによって完全に均一配置され、窒素希釈効果が最大限に高まった状態となる。結果として、混合ガス内の酸の分子、アルカリの分子は高エネルギーの窒素により相互反応を抑制され塩化物の析出が抑えられるものと考えられる。但し、流体の加熱源として一般的なコイル式熱交換機や多孔板式熱交換機などの、衝突噴流伝熱によらない熱交換機を用いた場合、その熱交換効率が低いため窒素が均一に加熱・活性化され難く、効率向上のため加熱温度を大きく設定すると排気配管内の混合ガスの温度勾配が大きくなる。結果、混合ガス分子の均一配列効果は小さく、結晶塩析出抑制効果も小さい。本発明では、この衝突噴流伝熱を利用した熱交換機により加熱した窒素を反応炉に導入し、ALDの不活性気体によるパージ効果の向上を図るものである。   The impinging jet heat transfer in the present invention is a phenomenon in which when a gas collides with a heat exchange target surface at a high speed, a gas layer that inhibits heat transfer on the target surface is thinned and the heat exchange efficiency is dramatically improved. The gas phase reaction suppression action of high purity nitrogen heated to at least 100 ° C. or higher by a heat exchanger using this impinging jet heat transfer is generally introduced into the exhaust pipe after leaving the reaction furnace. It is known for its effect of suppressing the accumulation of by-products. The principle of this by-product accumulation suppression is explained as follows. When high-purity nitrogen heated to 100 ° C. or higher by this method was introduced into the exhaust pipe where ammonium chloride might be deposited, an effect of suppressing byproduct deposition was observed. In this exhaust pipe, the heated nitrogen is reduced to 50 ° C. or less as soon as it leaves the heat exchanger as a heat source. Therefore, the ammonium chloride precipitation suppression effect is not obtained by raising the exhaust gas to a temperature higher than the precipitation temperature of the by-product, but the molecular arrangement in the precipitation gas changes by mixing heated nitrogen according to this method. It is thought that it was because. In order to precipitate a crystalline salt such as ammonium chloride, a certain amount of acid-alkali molecular bonds are required. However, if this method is not used, the molecular arrangement in the mixed gas existing in the piping is not uniform. It is considered that specific gas molecules are scattered and scattered within a certain region, and the scattered acid molecule aggregates and alkali molecule aggregates bind and react to form a salt crystal. It is thought that a thing precipitates. On the other hand, the nitrogen superheated by the heat exchanger using impinging jet heat transfer is heated in units of particles by the impinging jet motion in the heat exchange channel, so that it is heated and activated to a uniform temperature and has high kinetic energy. become. The exhaust gas = acid and alkali molecules mixed in the activated nitrogen atmosphere are completely and uniformly arranged by the high energy nitrogen gas, and the nitrogen dilution effect is maximized. As a result, it is considered that acid molecules and alkali molecules in the mixed gas are inhibited from interaction by high-energy nitrogen and chloride precipitation is suppressed. However, when a heat exchanger that does not rely on impinging jet heat transfer, such as a general coil heat exchanger or perforated plate heat exchanger, is used as a fluid heating source, the heat exchange efficiency is low, so nitrogen is heated and activated uniformly. If the heating temperature is set large to improve efficiency, the temperature gradient of the mixed gas in the exhaust pipe becomes large. As a result, the uniform arrangement effect of the mixed gas molecules is small and the crystal salt precipitation suppressing effect is also small. In the present invention, nitrogen heated by a heat exchanger using this impinging jet heat transfer is introduced into a reaction furnace to improve the purge effect by the inert gas of ALD.

[成膜装置]
本発明で用いることができる成膜装置を、その概略図である図1を用いて説明する。
この成膜装置は、図1に示すように、その中に被処理基板である半導体基板を収容し、成膜反応によって成膜する反応炉6を備え、この反応炉6には、この反応炉6に接して配置され、反応炉6に原料となる原料の気体及びパージガスを所定の圧力で供給するための気体供給装置5と、前記反応炉6内の圧力を減圧に維持し、かつ反応炉6内のガスを排出するための反応炉減圧ポンプ7が接続されている。前記気体供給装置5には、第1の原料となる原料を収容し、その流量を制御しながら反応炉に供給するための第1の原料収容容器1と、第2の原料となる原料を収容し、その流量を制御しながら反応炉に供給するための第2の原料収容容器2と、反応炉6に供給するパージガスを加熱するための衝突噴流伝熱熱交換機4が接続されている。また、この衝突噴流伝熱熱交換機4には、パージガスである高純度窒素ガスの流量を制御し供給するためのパージガス収容容器3が接続されており、さらに、この衝突噴流伝熱熱交換機4において余剰の窒素ガスは、前記反応炉減圧ポンプ7に接続されている。また、前記減圧ポンプ7の排出口は排気ガス処理システムに接続され、反応炉減圧ポンプ7によって反応炉6から排出される排ガスを無害化などの処理をするようになっている。
[Film deposition system]
A film forming apparatus that can be used in the present invention will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 1, the film forming apparatus includes a reaction furnace 6 that houses a semiconductor substrate as a substrate to be processed and forms a film by a film forming reaction. The reaction furnace 6 includes the reaction furnace 6. 6, a gas supply device 5 for supplying a raw material gas and a purge gas as raw materials to the reaction furnace 6 at a predetermined pressure, maintaining the pressure in the reaction furnace 6 at a reduced pressure, and a reaction furnace A reactor pressure reducing pump 7 for discharging the gas in 6 is connected. The gas supply device 5 stores a raw material to be a first raw material, and stores a first raw material storage container 1 for supplying the raw material to the reaction furnace while controlling the flow rate thereof, and a raw material to be a second raw material. The second raw material storage container 2 for supplying the reactor with the flow rate being controlled and the impinging jet heat transfer heat exchanger 4 for heating the purge gas supplied to the reactor 6 are connected. The impinging jet heat transfer heat exchanger 4 is connected to a purge gas storage container 3 for controlling and supplying the flow rate of the high purity nitrogen gas that is a purge gas. Excess nitrogen gas is connected to the reactor pressure reducing pump 7. The discharge port of the decompression pump 7 is connected to an exhaust gas treatment system, and the exhaust gas discharged from the reaction furnace 6 is treated by the reaction furnace decompression pump 7 such as detoxification.

以下、前記本発明の成膜装置を構成する各機構について説明する。   Hereinafter, each mechanism constituting the film forming apparatus of the present invention will be described.

(衝突噴流伝熱熱交換機)
本発明では、パージガスとして用いる窒素ガスを均一に加熱することが必要である。そのために、衝突噴流伝熱熱交換機として知られている熱交換機を使用する。この熱交換機は、加熱されている熱供給媒体として、金属板を用い、これに高速でパージガスを衝突させ、そのときの運動エネルギーを用いて効果的に熱交換を行うものである。
(Impact jet heat transfer heat exchanger)
In the present invention, it is necessary to uniformly heat the nitrogen gas used as the purge gas. For this purpose, a heat exchanger known as a collision jet heat transfer heat exchanger is used. This heat exchanger uses a metal plate as a heated heat supply medium, collides with the purge gas at high speed, and effectively exchanges heat using the kinetic energy at that time.

熱供給媒体である金属板としては、ステンレススチールなどの鋼原料板を用いることができる。この金属板は、十分な熱容量を備えていることが必要であり、できる限り大きなブロック状ないし厚い板材が好ましい。その表面は、噴射されるパージガスと大きな運動エネルギーで衝突することが好ましく、そのためにパージガスの噴射方向と直角な平面を有していることが望ましい。   As the metal plate which is a heat supply medium, a steel raw material plate such as stainless steel can be used. The metal plate needs to have a sufficient heat capacity, and is preferably a block or thick plate as large as possible. The surface preferably collides with the jetted purge gas with a large kinetic energy, and for this reason, it is desirable to have a plane perpendicular to the jetting direction of the purge gas.

この熱交換機に供給するパージガスの流速は、3〜80m/minの範囲が好ましい、流速が上記範囲を下回った場合、熱供給媒体と、パージガスの熱交換効率が低下し、パージガスを均一に加熱することができず、所期の目的を達成することができない。一方、流速が上記範囲を上回ったとしても、そのために過大な設備が必要となるだけで、それに見合うだけのパージガスの均一加熱の効果の改善が見られず、不経済である。   The flow rate of the purge gas supplied to the heat exchanger is preferably in the range of 3 to 80 m / min. When the flow rate is lower than the above range, the heat exchange efficiency of the heat supply medium and the purge gas is lowered, and the purge gas is uniformly heated. Cannot achieve the intended purpose. On the other hand, even if the flow rate exceeds the above range, an excessive facility is required for that purpose, and the improvement of the effect of uniform heating of the purge gas corresponding to that is not seen, which is uneconomical.

この熱交換機において加熱されたパージガスは、図1に見られるように、パージガスの温度の低下が見られない程度に可及的速やかに、反応炉内に供給されることが好ましい。また、この熱交換機において、過剰に供給されたパージガスは、その過剰部分については、排ガス処理装置に直接排出して処理することができる。   As shown in FIG. 1, it is preferable that the purge gas heated in this heat exchanger is supplied into the reaction furnace as quickly as possible without causing a decrease in the temperature of the purge gas. Further, in this heat exchanger, the excessively supplied purge gas can be directly discharged to the exhaust gas treatment device for processing the excess portion.

(気体供給装置)
この気体供給装置5は、複数種の原料ガス及びパージガスの供給を受け、これらを所定のシーケンスで反応炉6に供給するための装置であり、原料ガス及びパージガスからの配管とこれらを制御するためのバルブと、このバルブの開閉を制御するための制御機構からなっている。前記原料ガス等の供給シーケンスは、この気体供給装置5に内蔵されるマイクロコンピュータのような制御装置によって実現することができる。
(Gas supply device)
The gas supply device 5 is a device for receiving supply of a plurality of types of source gas and purge gas and supplying them to the reaction furnace 6 in a predetermined sequence, for controlling piping from the source gas and purge gas and these. And a control mechanism for controlling the opening and closing of the valve. The supply sequence of the source gas or the like can be realized by a control device such as a microcomputer built in the gas supply device 5.

(原料供給容器、及びパージガス供給容器)
前述したように、前記反応炉には、複数種の原料となる原料、及びパージガスが供給されるが、これらの原料を収容し、その流量を制御しながら供給するのが、原料供給容器及びパージガス供給容器である。これらの供給容器は、原料を収容するボンベのような容器と、この容器から導出される配管に接続されているバルブと、このバルブを制御する制御機構からなっている。使用する原料が常温で液体の場合には、原料を加熱気化して前記気体供給装置5に供給することができる。
(Raw material supply container and purge gas supply container)
As described above, the reaction furnace is supplied with a plurality of raw materials and a purge gas. The raw material supply container and the purge gas are supplied while accommodating these raw materials and controlling their flow rates. Supply container. These supply containers are composed of a container such as a cylinder for storing raw materials, a valve connected to a pipe led out from the container, and a control mechanism for controlling the valve. When the raw material to be used is liquid at normal temperature, the raw material can be heated and vaporized and supplied to the gas supply device 5.

(その他の付属する機構)
本発明の成膜装置は、主として以上の機構から構成されているが、その他、反応炉6を加熱するための加熱装置、反応炉6内の温度を測定する温度センサー、反応炉6中の圧力を検知する圧力センサー、被処理基板を保持するための静電チャックなどの基板保持装置、前記基板保持装置を回転させるための駆動機構、原料となる原料やパージガスを反応炉6内で整流させるための整流板などを必要に応じて配置することができる。
また、前記反応炉6がプラズマ成膜装置である場合には、プラズマ発生装置を配置する。
(Other attached mechanisms)
The film forming apparatus of the present invention is mainly composed of the above mechanism, but in addition, a heating apparatus for heating the reaction furnace 6, a temperature sensor for measuring the temperature in the reaction furnace 6, and the pressure in the reaction furnace 6 A pressure sensor for detecting the substrate, a substrate holding device such as an electrostatic chuck for holding the substrate to be processed, a drive mechanism for rotating the substrate holding device, and for rectifying the source material and purge gas in the reaction furnace 6 A rectifying plate or the like can be arranged as necessary.
Further, when the reaction furnace 6 is a plasma film forming apparatus, a plasma generating apparatus is disposed.

[成膜プロセス:第1の実施の形態]
以下本発明の原子層制御薄膜形成方法の第1の実施の形態について説明する。以下、成膜プロセスのフローを記載した図4を用いて本実施の形態を説明する。
[Film Formation Process: First Embodiment]
A first embodiment of an atomic layer control thin film forming method of the present invention will be described below. Hereinafter, this embodiment will be described with reference to FIG. 4 showing a flow of a film forming process.

本発明の原子層制御薄膜形成方法は、シリコンウェハ自体や、その表面に、各種プロセスによって金属配線、層間絶縁膜形成などの下地形成処理を施した基板などに適用することができる。その表面に形成する原子層制御薄膜としては、シリコン酸化膜、窒化珪素膜、或いはhighK膜として知られている金属酸化膜などが挙げられるが、本発明はこれに限定されるものではない。   The method for forming an atomic layer control thin film of the present invention can be applied to a silicon wafer itself or a substrate whose surface is subjected to a base formation process such as formation of metal wiring or interlayer insulating film by various processes. Examples of the atomic layer control thin film formed on the surface include a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a metal oxide film known as a high K film, but the present invention is not limited to this.

まず、被処理基板を反応炉内に配置し、反応炉内を反応炉内減圧ポンプによって所定の圧力に減圧する。さらに、反応炉内を、成膜反応に必要な温度まで昇温する。   First, a substrate to be processed is placed in a reaction furnace, and the inside of the reaction furnace is depressurized to a predetermined pressure by a reaction furnace decompression pump. Furthermore, the temperature in the reaction furnace is raised to a temperature necessary for the film formation reaction.

(第1の工程)
第1工程(S41)は、被処理基板を配置した反応炉へ原料となる第1の気体原料を供給し、被処理基板表面に原料となる気体原料を単分子層もしくは原子層状に吸着させる工程である。
(First step)
The first step (S41) is a step of supplying a first gaseous material as a raw material to a reaction furnace in which the substrate to be processed is arranged, and adsorbing the gaseous raw material as a raw material on the surface of the processed substrate in a monomolecular layer or an atomic layer shape. It is.

被処理基板上に形成する薄膜が、シリコン酸化膜である場合には、この第1の原料としては、モノシランや、TEOS等を用いることができる。また、薄膜が、窒化珪素膜である場合には、第1の原料としては、シランガス、HCD等を用いることができる。さらに薄膜が、highK原料薄膜である場合には、第1の原料としては、アルミニウム、ジルコニウム、ハフニウムなどの各種金属を含有する有機金属化合物、例えば、トリメチルアルミニウム等の有機金属化合物を用いることができる。   When the thin film formed on the substrate to be processed is a silicon oxide film, monosilane, TEOS, or the like can be used as the first raw material. When the thin film is a silicon nitride film, silane gas, HCD, or the like can be used as the first raw material. Further, when the thin film is a high-K raw material thin film, the first raw material may be an organometallic compound containing various metals such as aluminum, zirconium, and hafnium, for example, an organometallic compound such as trimethylaluminum. .

この工程における第1の原料の温度としては、各原料の物性によって大きく異なるため一概に規定することはできないが、一般的に言えば、気相搬送圧力下において、液化しない温度が好ましい。原料の温度が所定の温度を下回った場合には、原料ガスの液化、凝固による閉塞の問題があり、一方温度が上記範囲を上回った場合には、加熱電力の損失は勿論、圧力変動を引き起こすおそれがある。原料の温度はこれらの要因を考慮して適宜決定することができる。   The temperature of the first raw material in this step cannot be defined unconditionally because it varies greatly depending on the physical properties of each raw material, but generally speaking, a temperature that does not liquefy under the gas phase conveyance pressure is preferable. When the temperature of the raw material falls below a predetermined temperature, there is a problem of clogging due to liquefaction and solidification of the raw material gas. On the other hand, when the temperature exceeds the above range, the heating power is lost and, of course, pressure fluctuation is caused. There is a fear. The temperature of the raw material can be appropriately determined in consideration of these factors.

また、第1の原料の流量は、これも原料種によって異なり一概に規定することはできないが、一般的に言えば、密度、蒸気圧、活性化エネルギーなどの要因を考慮して決定することができる。原料の流量が、所定の範囲を下回った場合、成膜不良もしくは成膜速度の低下をもたらし、一方、原料流量が所定の範囲を上回って供給しても、原料の吸着には寄与せず、不要である。   In addition, the flow rate of the first raw material varies depending on the raw material type and cannot be generally defined, but generally speaking, the flow rate of the first raw material may be determined in consideration of factors such as density, vapor pressure, and activation energy. it can. When the flow rate of the raw material falls below a predetermined range, it causes a film formation failure or a decrease in the film formation speed, while supplying the raw material flow rate exceeding the predetermined range does not contribute to the adsorption of the raw material, It is unnecessary.

さらに、第1の原料を供給する時間についても、上記と同様に原料によって異なるため一概に規定することはできないが、供給時間が所定の範囲を下回った場合、第1の原料の吸着が十分ではなく、一方、供給時間が所定の範囲をこえて原料を供給しても原料の吸着には寄与せず、不要である。   Furthermore, since the time for supplying the first raw material varies depending on the raw material as described above, it cannot be defined unconditionally. However, if the supply time falls below a predetermined range, the first raw material is not sufficiently adsorbed. On the other hand, even if the raw material is supplied over a predetermined range, it does not contribute to the adsorption of the raw material and is unnecessary.

(第2の工程)
次いで、第2工程(S42)が、前記工程で反応炉に供給された第1の原料の内、吸着されずに被処理基板表面近傍を含む反応炉雰囲気中に残留している余剰原料を排除する工程である。
(Second step)
Next, in the second step (S42), among the first raw materials supplied to the reaction furnace in the above step, surplus raw materials remaining in the reaction furnace atmosphere including the vicinity of the surface of the substrate to be processed are not adsorbed. It is a process to do.

この工程では、余剰原料の排除に、前記衝突噴流伝熱熱交換機によって加熱した高純度窒素ガスをパージガスとして用い、これを反応炉6内に供給することによって行うことができる。この高純度窒素ガスの温度は、100℃以上とすることが好ましい。窒素ガスの温度が100℃を下回った場合、同時に加熱窒素の活性も低下し、パージ(すなわち気相反応抑制)効率が低下する問題があり、好ましくない。また、パージガスの流量は、100cm/min以上とすることが好ましい。この流量が、100cm/minを下回った場合、衝突噴流原料による熱交換効率が低下し、パージ効果を得るために必要な活性化が起こらない問題があり、好ましくない。 In this step, excess raw material can be removed by using high-purity nitrogen gas heated by the impinging jet heat transfer heat exchanger as a purge gas and supplying it into the reaction furnace 6. The temperature of the high purity nitrogen gas is preferably 100 ° C. or higher. When the temperature of the nitrogen gas is lower than 100 ° C., the activity of the heated nitrogen is also lowered, and there is a problem that the purge (ie, gas phase reaction suppression) efficiency is lowered, which is not preferable. The purge gas flow rate is preferably 100 cm 3 / min or more. When this flow rate is less than 100 cm 3 / min, there is a problem in that the heat exchange efficiency due to the impinging jet flow material is lowered and activation necessary for obtaining the purge effect does not occur, which is not preferable.

本発明においては、パージガスとして、高純度窒素ガスを用いることによって、希ガスなどの不活性ガスを用いる場合と比較して、窒素ガスの分子量が大きく、均一かつ効率的な加熱によりパージガスの運動エネルギーを増大することができ、効果的なパージを実現することができる点で有利である。この高純度窒素ガスとしては、窒素含有率が少なくとも99.9999容積%以上のガスが好ましい。純度がこの範囲を下回った場合、パージ効率が低下するのみならず、反応炉に汚染をもたらすおそれがあり好ましくない。   In the present invention, by using high purity nitrogen gas as the purge gas, the molecular weight of the nitrogen gas is larger than when using an inert gas such as a rare gas, and the kinetic energy of the purge gas is obtained by uniform and efficient heating. This is advantageous in that effective purge can be realized. The high purity nitrogen gas is preferably a gas having a nitrogen content of at least 99.9999% by volume. When the purity is below this range, not only the purge efficiency is lowered, but also the reactor may be contaminated, which is not preferable.

(第3の工程)
第3工程(S43)が、原料となる第2の気体原料を反応炉中に供給して、さらに単分子層もしくは原子層状に吸着させ、前記第1の気体原料と前記第2の気体原料とを化学的に反応させて、生成する反応物を前記被処理基板表面に分子レベルで制御された層として形成する工程である。
被処理基板上に形成する薄膜が、シリコン酸化膜である場合には、この第2の原料としては、酸素ガス、水、過酸化水素、オゾン等を用いることができる。また、薄膜が、窒化珪素膜である場合には、第2の原料としては、アンモニア、メチルヒドラジン等のヒドラジン系材料、メチルアミン等のアミン系材料等を用いることができる。さらに薄膜が、highK原料薄膜である場合には、第1の原料としては、酸素、水、過酸化水素、オゾン等を用いることができる。
(Third step)
A 3rd process (S43) supplies the 2nd gaseous raw material used as a raw material in a reaction furnace, and also makes it adsorb | suck to a monomolecular layer or an atomic layer form, The said 1st gaseous raw material, the said 2nd gaseous raw material, Is a step of forming a reaction product to be formed as a layer controlled on a molecular level on the surface of the substrate to be processed.
When the thin film formed on the substrate to be processed is a silicon oxide film, oxygen gas, water, hydrogen peroxide, ozone, or the like can be used as the second raw material. When the thin film is a silicon nitride film, as the second raw material, a hydrazine-based material such as ammonia or methylhydrazine, an amine-based material such as methylamine, or the like can be used. Further, when the thin film is a high K raw material thin film, oxygen, water, hydrogen peroxide, ozone, or the like can be used as the first raw material.

この工程における第2の原料の温度としては、各原料の物性によって大きく異なるため一概に規定することはできないが、一般的に言えば、気相搬送圧力下において、液化しない温度が好ましい。原料の温度が所定の温度を下回った場合には、原料ガスの液化、凝固による閉塞の問題があり、一方温度が上記範囲を上回った場合には、加熱電力の損失は勿論、圧力変動を引き起こすおそれがある。原料の温度はこれらの要因を考慮して適宜決定することができる。   The temperature of the second raw material in this step cannot be generally defined because it varies greatly depending on the physical properties of each raw material, but generally speaking, a temperature at which the liquid does not liquefy under the gas phase conveyance pressure is preferable. When the temperature of the raw material falls below a predetermined temperature, there is a problem of clogging due to liquefaction and solidification of the raw material gas. On the other hand, when the temperature exceeds the above range, the heating power is lost and, of course, pressure fluctuation is caused. There is a fear. The temperature of the raw material can be appropriately determined in consideration of these factors.

また、第2の原料の流量は、これも原料種によって異なり一概に規定することはできないが、一般的に言えば、密度、蒸気圧、活性化エネルギーなどの要因を考慮して決定することができる。原料の流量が、所定の範囲を下回った場合、成膜不良もしくは成膜速度の低下をもたらし、一方、原料流量が所定の範囲を上回って供給しても、原料の吸着には寄与せず、不要である。   In addition, the flow rate of the second raw material varies depending on the raw material type and cannot be generally defined, but generally speaking, the flow rate of the second raw material may be determined in consideration of factors such as density, vapor pressure, and activation energy. it can. If the flow rate of the raw material falls below a predetermined range, it causes a film formation failure or a decrease in the film formation speed, while supplying the raw material flow rate exceeding the predetermined range does not contribute to the adsorption of the raw material, It is unnecessary.

さらに、第2の原料を供給する時間についても、上記と同様に原料によって異なるため一概に規定することはできないが、供給時間が所定の範囲を下回った場合、第1の原料の吸着が十分ではなく、一方、供給時間が所定の範囲をこえて原料を供給しても原料の吸着には寄与せず、不要である。   Further, the time for supplying the second raw material cannot be generally defined because it varies depending on the raw material in the same manner as described above. However, if the supply time falls below a predetermined range, the first raw material is not sufficiently adsorbed. On the other hand, even if the raw material is supplied over a predetermined range, it does not contribute to the adsorption of the raw material and is unnecessary.

(第4の工程)
第4の工程(S44)は、前記第2の工程と同様、前記工程で反応炉に供給された第2の原料の内、吸着されずに被処理基板表面近傍を含む反応炉雰囲気中に残留している余剰原料や、前工程における化学反応によって生成した物質を、パージガスの供給で排除する工程である。
(Fourth process)
As in the second step, the fourth step (S44) is not adsorbed in the second raw material supplied to the reaction furnace in the step and remains in the reaction furnace atmosphere including the vicinity of the surface of the substrate to be processed. This is a step of removing surplus raw materials and substances generated by a chemical reaction in the previous step by supplying a purge gas.

(膜厚判定工程)
この工程は、以上の工程によって生成する薄膜の膜厚が所要の厚さになっているか否かを判定する工程であり、被処理基板上に形成される薄膜を測定し、膜厚が所定の厚さに満たない場合には、前記第1の工程を繰り返すよう判定するか、もしくは、上記工程の繰り返しが予め設定した範囲内であるか否か判定する工程であってもよい。
(Film thickness determination process)
This step is a step of determining whether or not the thickness of the thin film generated by the above steps is a required thickness. The thin film formed on the substrate to be processed is measured, and the film thickness is a predetermined thickness. When it is less than the thickness, it may be determined to repeat the first step or to determine whether or not the repetition of the above step is within a preset range.

上記プロセスの原料供給タイミングチャートを図2に示す。図2において、横軸がプロセスの経過時間を表し、図2の上部に記載している(1)、(2)、(3)及び(4)は、それぞれ第1工程、第2工程、第3工程及び第4工程を表す。また、符号Aで示しているタイミングチャートは、第1の原料の供給タイミングを示しており、onの時間帯において第1の原料の供給を行い、offの時間帯において第1の原料の供給を停止していることを表している。符号Bは、第2の原料の供給タイミングを表しており、符号Pは、パージガスの供給タイミングを表している。   The raw material supply timing chart of the above process is shown in FIG. In FIG. 2, the horizontal axis represents the elapsed time of the process, and (1), (2), (3), and (4) described in the upper part of FIG. 2 are the first step, the second step, and the second step, respectively. 3 steps and 4th steps are represented. In addition, the timing chart indicated by reference symbol A indicates the supply timing of the first raw material, the first raw material is supplied in the on time zone, and the first raw material is supplied in the off time zone. Indicates that it has stopped. Reference sign B represents the supply timing of the second raw material, and reference sign P represents the supply timing of the purge gas.

本実施の形態においては、図2から明らかなように、第1の原料の供給を停止した後、パージガスを供給し、パージガスの供給を停止してから第2の原料の供給を開始する。そして第2の原料の供給を停止してからパージガスの供給を開始している。この4つの工程を、薄膜の膜厚が所定の厚さになるまで、反復実施する。
この実施の形態によれば、比較的簡単な制御によって高精度に制御された薄膜を形成することができる。
In the present embodiment, as apparent from FIG. 2, after the supply of the first raw material is stopped, the purge gas is supplied, and the supply of the second raw material is started after the supply of the purge gas is stopped. The supply of the purge gas is started after the supply of the second raw material is stopped. These four steps are repeated until the thickness of the thin film reaches a predetermined thickness.
According to this embodiment, it is possible to form a thin film controlled with high accuracy by relatively simple control.

[成膜プロセス:第2の実施の形態]
本実施の形態は、前記第1の実施の形態において、第1の原料、パージガス、第2の原料及びパージガスの供給を、それぞれ、前工程におけるガスの供給を停止してから次工程のガスの供給を行った例を示したが、本実施の形態の方法は、前工程のガスの供給を停止する前に、次工程のガスの供給を開始するものである。このプロセスのタイミングチャートを図3に示す。図3における各符号は、前記図2と同様である。
図3に示すように、第1の原料の供給の開始後、第1の原料の供給を停止する前に、パージガスの供給を開始する。また、パージガスの供給を停止する前に、第2の原料の供給を開始する。以下同様に、この実施の形態によれば、同時に2種のガスが供給される時間帯が存在することになる。このような、プロセスは、パージガスとして、衝突噴流伝熱によって加熱した高純度窒素ガスを用いることにより、パージ効果が極めて高くなることに起因して実現可能となったものである。
この方法によれば、パージ時間の短縮が可能で、プロセスの効率を大幅に改善することができる。
[Film Formation Process: Second Embodiment]
In this embodiment, the supply of the first raw material, the purge gas, the second raw material, and the purge gas in the first embodiment is stopped after the gas supply in the previous process is stopped. Although the example of supplying was shown, the method of the present embodiment starts the supply of the gas in the next step before stopping the supply of the gas in the previous step. A timing chart of this process is shown in FIG. 3 are the same as those in FIG.
As shown in FIG. 3, the supply of the purge gas is started after the supply of the first material is started and before the supply of the first material is stopped. Further, before the supply of the purge gas is stopped, the supply of the second raw material is started. Similarly, according to this embodiment, there is a time zone in which two kinds of gases are supplied at the same time. Such a process can be realized because the purge effect becomes extremely high by using the high purity nitrogen gas heated by the impinging jet heat transfer as the purge gas.
According to this method, the purge time can be shortened, and the process efficiency can be greatly improved.

以下、本発明の成膜装置の一例を示す図1を用いて具体的に本発明の実施例を説明する。   Examples of the present invention will be specifically described below with reference to FIG. 1 showing an example of a film forming apparatus of the present invention.

(実施例1)
反応炉6内に、被処理基板である半導体基板を配置し、反応炉減圧用ポンプ7を駆動して、反応炉6内を、圧力133Pa(1Torr)に減圧に保持した。
次いで、第1の原料として、HCD(SiCl)を採用し、これを収容した第1の原料収容容器1から流量を15sccmに制御しながら、図2のタイミングチャートに従って、温度450℃で、10秒間、前記反応炉6に気体状の第1の原料を供給し、第1の原料を基板上に吸着させた。
(Example 1)
A semiconductor substrate as a substrate to be processed was placed in the reaction furnace 6, and the reaction furnace pressure-reducing pump 7 was driven to maintain the pressure in the reaction furnace 6 at a pressure of 133 Pa (1 Torr).
Next, HCD (Si 2 Cl 6 ) is adopted as the first raw material, and the flow rate is controlled to 15 sccm from the first raw material storage container 1 containing this, and the temperature is 450 ° C. according to the timing chart of FIG. The gaseous first raw material was supplied to the reaction furnace 6 for 10 seconds, and the first raw material was adsorbed on the substrate.

次いで、前記第1の原料の供給を停止すると同時に、パージガス収容容器から、高純度窒素ガスはそのままパージガスとして反応炉に供給した。このパージガス流量は、0.5l/minとした。この際の反応炉内の温度、圧力は、前記工程と同等とし、パージ時間は60秒とした。   Next, at the same time as the supply of the first raw material was stopped, the high-purity nitrogen gas was supplied as it was to the reaction furnace as the purge gas from the purge gas storage container. The purge gas flow rate was 0.5 l / min. At this time, the temperature and pressure in the reaction furnace were the same as those in the above process, and the purge time was 60 seconds.

次いで、第2の原料の収容容器2を制御して、反応炉6内に、第2の原料としてアンモニア(NH)を採用し、流量制御供給機構2を介して、この原料を反応炉6内に流量450sccmで供給した。図2のタイミングチャートに従って、温度450℃で、反応時間20秒間、第2の原料を半導体基板上に成膜した。 Next, the second raw material container 2 is controlled to employ ammonia (NH 3 ) as the second raw material in the reaction furnace 6, and this raw material is supplied to the reaction furnace 6 via the flow rate control supply mechanism 2. The flow rate was 450 sccm. According to the timing chart of FIG. 2, the second raw material was formed on the semiconductor substrate at a temperature of 450 ° C. for a reaction time of 20 seconds.

次いで、前記第2の原料の供給を停止すると同時に、パージガスの供給を開始した。窒素ガスは、そのままパージガスとして反応炉に供給した。このパージガスの流量は、0.5l/minとした。この際の反応炉6内の温度、圧力は、前記工程と同等とし、パージ時間は60秒とした。   Next, the supply of the purge gas was started simultaneously with stopping the supply of the second raw material. Nitrogen gas was supplied to the reactor as a purge gas as it was. The flow rate of this purge gas was 0.5 l / min. At this time, the temperature and pressure in the reaction furnace 6 were the same as those in the above process, and the purge time was 60 seconds.

以上の工程を、100回繰り返すことによって膜厚4.9nmの窒化珪素の薄膜を形成した。これに要した時間は、合計250分間であった。   The above process was repeated 100 times to form a silicon nitride thin film having a thickness of 4.9 nm. This took a total of 250 minutes.

(実施例2)
反応炉6内に、半導体基板を配置し、反応炉減圧用ポンプ7を駆動して、反応炉6内を、圧力133Pa(1Torr)に減圧に保持した。第1の原料として、HCD(SiCl)を採用し、第1の原料収容容器1から、この原料を反応炉内に流量15sccmで供給した。図2のタイミングチャートに従って、温度450℃で、時間10秒間、第1の原料を半導体基板上に成膜した。
(Example 2)
A semiconductor substrate was placed in the reaction furnace 6, and the reaction furnace pressure-reducing pump 7 was driven to maintain the pressure in the reaction furnace 6 at a pressure of 133 Pa (1 Torr). HCD (Si 2 Cl 6 ) was adopted as the first raw material, and this raw material was supplied from the first raw material container 1 into the reaction furnace at a flow rate of 15 sccm. According to the timing chart of FIG. 2, the first raw material was formed on the semiconductor substrate at a temperature of 450 ° C. for 10 seconds.

次いで、前記第1の原料の供給を停止すると同時に、パージガスの収容容器から高純度窒素ガスの供給を開始した。高純度窒素ガスは、衝突噴流伝熱熱交換機を通過させることによって、100℃に加熱し、これを気体供給装置を通過させて、反応炉に供給した。このパージガスの流量は、0.5l/minとした。この際の反応炉内の温度、圧力は、前記工程と同等とし、パージ時間は40秒とした。   Next, at the same time as the supply of the first raw material was stopped, the supply of high-purity nitrogen gas was started from the purge gas container. The high-purity nitrogen gas was heated to 100 ° C. by passing through an impinging jet heat transfer heat exchanger, and supplied to the reactor through a gas supply device. The flow rate of this purge gas was 0.5 l / min. At this time, the temperature and pressure in the reaction furnace were the same as those in the above process, and the purge time was 40 seconds.

次いで、第2の原料の収容容器2から、反応炉6内に、第2の原料としてアンモニア(NH)を採用し、この原料を反応炉6内に流量450sccmで供給した。図2のタイミングチャートに従って、温度450℃で、反応時間20秒間、第2の原料を半導体基板上に成膜した。 Next, ammonia (NH 3 ) was adopted as the second raw material from the second raw material container 2 into the reaction furnace 6, and this raw material was supplied into the reaction furnace 6 at a flow rate of 450 sccm. According to the timing chart of FIG. 2, the second raw material was formed on the semiconductor substrate at a temperature of 450 ° C. for a reaction time of 20 seconds.

次いで、前記第2の原料の供給を停止すると同時に、パージガスの収容容器3から、高純度窒素ガスの供給を開始した。高純度窒素ガスは、衝突噴流伝熱熱交換機を通過させることによって、100℃に加熱し、これを気体供給装置を通過させて、反応炉6に供給した。このパージガスの流量は、0.5l/minとした。この際の反応炉内の温度、圧力は、前記工程と同等とし、パージ時間は40秒とした。   Next, at the same time as the supply of the second raw material was stopped, supply of high-purity nitrogen gas was started from the purge gas container 3. The high purity nitrogen gas was heated to 100 ° C. by passing through an impinging jet heat transfer heat exchanger, and supplied to the reactor 6 through a gas supply device. The flow rate of this purge gas was 0.5 l / min. At this time, the temperature and pressure in the reaction furnace were the same as those in the above process, and the purge time was 40 seconds.

以上の工程を、100回繰り返すことによって膜厚5.2nmの窒化珪素の薄膜を形成した。これに要した時間は、合計183分間であった。
The above process was repeated 100 times to form a silicon nitride thin film with a thickness of 5.2 nm. This took a total of 183 minutes.

ALDによる気相薄膜成長を行う装置のガスフロー系統図Gas flow system diagram of an apparatus for vapor phase thin film growth by ALD 一般的なALD手法に於ける、原料並びにパージ用不活性気体の供給タイミングチャートFeed timing chart of raw material and inert gas for purge in general ALD method 本発明を適用した場合のALD手法に於ける、原料並びに加熱されたパージ窒素の供給タイミングチャートSupply timing chart of raw material and heated purge nitrogen in ALD method when the present invention is applied 一般的なALD法のプロセスを示すプロセスフロー図Process flow diagram showing a typical ALD process

符号の説明Explanation of symbols

1…第1の原料収容容器
2…第2の原料収容容器
3…パージガス収容容器
4…衝突噴流伝熱による熱交換機
5…気体供給装置
6…反応炉
7…反応炉減圧用ポンプ
8…排気ガス処理システム
9…熱交換機の余剰窒素排出配管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... 1st raw material storage container 2 ... 2nd raw material storage container 3 ... Purge gas storage container 4 ... Heat exchanger by collision jet heat transfer 5 ... Gas supply device 6 ... Reactor 7 ... Reactor decompression pump 8 ... Exhaust gas Treatment system 9 ... Excess nitrogen discharge piping of heat exchanger

Claims (3)

反応炉内に配置した半導体基板に、成膜原料を供給し、原子層制御薄膜を形成する方法であって、
(1) 前記半導体基板表面に形成する薄膜の原料となる第1の原料を、反応炉に供給し、反応炉内に配置され反応温度に保たれた基板表面に、前記第1の原料を吸着させる第1の工程と、
(2) 前記第1の工程の完了後に前記第1の原料の供給を停止し、前記反応炉内を減圧後若しくは減圧と同時に前記反応炉内に不活性気体を導入することによって少なくとも前記半導体基板表面近傍に残存する前記第1の原料を払拭する第2の工程と、
(3) 前記第2の工程における前記不活性気体の供給停止後に、前記薄膜の構成原料となる第2の原料を、流量制御機構を通じて前記反応炉に供給し、前記反応炉内に配置された前記半導体基板表面に前記第2の原料を接触させ、前記第1の工程で吸着させた前記第1の原料と化学的に反応させることにより薄膜を成長させる第 3の工程と、
(4) 前記第3の工程における薄膜成長工程終了後に、前記第2の原料の供給を停止し、反応炉内を減圧後若しくは減圧と同時に不活性気体を導入することによって、少なくとも前記半導体基板表面近傍に残存する前記第2の原料を払拭する第4の工程とを、所望の膜厚に到達するまで繰り返すことによって、前記半導体基板表 面に原子層制御薄膜を形成する際に、
前記第2及び第4の工程において、前記不活性気体として、衝突噴流伝熱を利用した熱交換機により少なくとも100℃以上に加熱された高純度窒素を、少なくとも毎分100cm以上前記反応炉に導入することを特徴とする原子層制御薄膜の形成方法。
A method of supplying a film forming raw material to a semiconductor substrate disposed in a reaction furnace to form an atomic layer control thin film,
(1) A first raw material, which is a raw material for a thin film formed on the surface of the semiconductor substrate, is supplied to a reaction furnace, and the first raw material is adsorbed on a substrate surface that is placed in the reaction furnace and maintained at a reaction temperature. A first step of
(2) At least the semiconductor substrate by stopping the supply of the first raw material after the completion of the first step, and introducing an inert gas into the reaction furnace after reducing the pressure in the reaction furnace or simultaneously with the pressure reduction A second step of wiping off the first raw material remaining in the vicinity of the surface;
(3) After the supply of the inert gas in the second step is stopped, the second raw material that is a constituent raw material of the thin film is supplied to the reaction furnace through a flow rate control mechanism, and is disposed in the reaction furnace. A third step of growing a thin film by bringing the second raw material into contact with the surface of the semiconductor substrate and chemically reacting with the first raw material adsorbed in the first step;
(4) After completion of the thin film growth step in the third step, the supply of the second raw material is stopped, and an inert gas is introduced into the reaction furnace after depressurization or simultaneously with depressurization, so that at least the surface of the semiconductor substrate When the atomic layer control thin film is formed on the surface of the semiconductor substrate by repeating the fourth step of wiping away the second raw material remaining in the vicinity until the desired film thickness is reached,
In the second and fourth steps, as the inert gas, high-purity nitrogen heated to at least 100 ° C. or more by a heat exchanger using collision jet heat transfer is introduced into the reactor at least 100 cm 3 / min. A method for forming an atomic layer control thin film, comprising:
前記第1の原料ガス供給後から供給停止前までの間に、前記高純度窒素を前記反応炉に導入開始し、または/及び前記第3の工程において前記高純度窒素の供給を停止する前に前記第2の原料を供給すること特徴とする請求項1に記載の原子層制御薄膜の形成方法。 Before the supply of the high-purity nitrogen is stopped in the third step, after the first raw material gas is supplied and before the supply is stopped, the high-purity nitrogen is introduced into the reactor. The method for forming an atomic layer control thin film according to claim 1, wherein the second raw material is supplied . 前記薄膜が、シリコン酸化膜、窒化珪素膜等の絶縁体薄膜、タングステン、アルミニウム等の金属膜、III−V族、II−VI族、IV−IV族各化合物半導体およびHfO等の金属酸化膜のいずれかの膜であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の原子層制御薄膜の形成方法。 The thin film is an insulator thin film such as a silicon oxide film or a silicon nitride film, a metal film such as tungsten or aluminum, a group III-V, a group II-VI, a group IV-IV compound semiconductor, or a metal oxide film such as HfO 2. The method for forming an atomic layer control thin film according to claim 1 or 2, wherein the film is any one of the following films.
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