JP5702584B2 - Semiconductor device manufacturing method and substrate processing apparatus - Google Patents

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Description

本発明は、半導体デバイスの製造方法、基板処理装置および半導体デバイスに関する。   The present invention relates to a semiconductor device manufacturing method, a substrate processing apparatus, and a semiconductor device.

CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor:相補型金属酸化膜半導体)等の半導体デバイスには、例えば金属を材料とするゲート電極を備えるものがある。係るゲート電極は、例えば下地への金属の拡散を抑制するチタン窒化(TiN)膜と、低抵抗のタングステン(W)膜との積層構造を備えていた。   Some semiconductor devices such as CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) include a gate electrode made of a metal, for example. Such a gate electrode has a laminated structure of, for example, a titanium nitride (TiN) film that suppresses diffusion of metal to the base and a low resistance tungsten (W) film.

しかしながら、TiN膜とW膜とでは形成時に用いるガス種や処理温度等が異なるため、異なる基板処理装置(或いは異なる処理室内)で別々に形成する必要があった。すなわち、積層構造を備えるゲート電極を同一の処理室内で連続的に製造することは困難であった。そのため、半導体デバイスの製造コストの増大や、生産性の低下を招いてしまう場合があった。   However, since the TiN film and the W film are different in gas type and processing temperature used at the time of formation, they have to be formed separately in different substrate processing apparatuses (or different processing chambers). That is, it is difficult to continuously manufacture gate electrodes having a laminated structure in the same processing chamber. For this reason, there are cases where the manufacturing cost of the semiconductor device increases and the productivity decreases.

そこで本発明の目的は、積層構造を備えるゲート電極を同一の処理室内にて連続的に形成でき、製造コストを低減させ、生産性を向上させることが可能な半導体デバイスの製造方法、基板処理装置および半導体デバイスを提供することである。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing method and a substrate processing apparatus capable of continuously forming gate electrodes having a laminated structure in the same processing chamber, reducing manufacturing costs, and improving productivity. And providing a semiconductor device.

本発明の一態様は、処理室内に基板を搬入する基板搬入工程と、前記基板にチタンアルミニウム窒化膜を形成する第1窒化膜形成工程と、前記基板にチタン窒化膜を形成する第2窒化膜形成工程と、前記処理室内から前記基板を搬出する基板搬出工程と、を有し、前記第1窒化膜形成工程と前記第2窒化膜形成工程とを同一の前記処理室内で実施する半導体デバイスの製造方法である。   One embodiment of the present invention includes a substrate carrying-in process for carrying a substrate into a processing chamber, a first nitride film forming process for forming a titanium aluminum nitride film on the substrate, and a second nitride film for forming a titanium nitride film on the substrate. A semiconductor device comprising: a forming step; and a substrate unloading step for unloading the substrate from the processing chamber, wherein the first nitride film forming step and the second nitride film forming step are performed in the same processing chamber. It is a manufacturing method.

本発明の他の態様は、pMOSトランジスタとnMOSトランジスタとを備えるCMOSとして構成された半導体デバイスの製造方法であって、前記pMOSトランジスタのゲート電極を、アルミニウムに対するチタンの組成比が高い前記チタンアルミニウム窒化膜と、前記チタン窒化膜とをこの順に積層して形成し、前記nMOSトランジスタのゲート電極を、チタンに対するアルミニウムの組成比が高い前記チタンアルミニウム窒化膜と、前記チタン窒化膜とをこの順に積層して形成する半導体デバイスの製造方法である。   Another aspect of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device configured as a CMOS including a pMOS transistor and an nMOS transistor, wherein the gate electrode of the pMOS transistor has a high titanium-to-aluminum titanium composition ratio. A film and a titanium nitride film are stacked in this order, and the gate electrode of the nMOS transistor is formed by stacking the titanium aluminum nitride film having a high composition ratio of aluminum to titanium and the titanium nitride film in this order. This is a method for manufacturing a semiconductor device.

本発明のさらに他の態様は、基板を収容する処理室と、前記処理室内にチタン含有ガスを供給するチタン含有ガス供給系と、前記処理室内にアルミニウム含有ガスを供給するアルミニウム含有ガス供給系と、前記処理室内に窒素含有ガスを供給する窒素含有ガス供給系と、前記処理室内の雰囲気を排気する排気系と、基板が収容された前記処理室内にチタン含有ガス及び窒素含有ガスを供給させて基板にチタン窒化膜を形成させ、前記処理室内にアルミニウム含有ガス及び窒素含有ガスを供給させて基板にアルミニウム窒化膜を形成させ、前記チタン窒化膜の形成と前記アルミニウム窒化膜の形成とを所定回数ずつ交互に実施させることによりチタンアルミニウム窒化膜を形成させ、基板が収容された前記処理室内にチタン含有ガス及び窒素含有ガスを供給させて基板にチタン窒化膜を形成させるよう、前記チタン含有ガス供給系、前記アルミニウム含有ガス供給系、前記窒素含有ガス供給系及び前記排気系を制御する制御系と、を備える基板処理装置である。   Still another embodiment of the present invention includes a processing chamber that accommodates a substrate, a titanium-containing gas supply system that supplies a titanium-containing gas into the processing chamber, and an aluminum-containing gas supply system that supplies an aluminum-containing gas into the processing chamber. A nitrogen-containing gas supply system for supplying a nitrogen-containing gas into the processing chamber, an exhaust system for exhausting an atmosphere in the processing chamber, and a titanium-containing gas and a nitrogen-containing gas are supplied into the processing chamber in which a substrate is accommodated. A titanium nitride film is formed on the substrate, an aluminum-containing gas and a nitrogen-containing gas are supplied into the processing chamber to form an aluminum nitride film on the substrate, and the titanium nitride film and the aluminum nitride film are formed a predetermined number of times. Titanium aluminum nitride film is formed by alternately carrying out, and a titanium containing gas and nitrogen are formed in the processing chamber in which the substrate is accommodated. A substrate comprising: a control system for controlling the titanium-containing gas supply system, the aluminum-containing gas supply system, the nitrogen-containing gas supply system, and the exhaust system so as to supply a gas and form a titanium nitride film on the substrate. It is a processing device.

本発明のさらに他の態様は、pMOSトランジスタとnMOSトランジスタとを備えるCMOSとして構成された半導体デバイスであって、アルミニウムに対するチタンの組成比が高いチタンアルミニウム窒化膜と、チタン窒化膜とがこの順に積層された前記pMOSトランジスタのゲート電極と、チタンに対するアルミニウムの組成比が高いチタンアルミニウム窒化膜と、チタン窒化膜とがこの順に積層された前記nMOSトランジスタのゲート電極と、を備える半導体デバイスである。   Still another aspect of the present invention is a semiconductor device configured as a CMOS including a pMOS transistor and an nMOS transistor, wherein a titanium aluminum nitride film having a high titanium to aluminum composition ratio and a titanium nitride film are stacked in this order. And a gate electrode of the nMOS transistor in which a titanium aluminum nitride film having a high composition ratio of aluminum to titanium and a titanium nitride film are stacked in this order.

本発明によれば、積層構造を備えるゲート電極を同一の処理室内にて連続的に形成でき、製造コストを低減させ、生産性を向上させることが可能な半導体デバイスの製造方法、基板処理装置および半導体デバイスが得られる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of a semiconductor device which can form continuously the gate electrode provided with laminated structure in the same process chamber, can reduce manufacturing cost, and can improve productivity, a substrate processing apparatus, and A semiconductor device is obtained.

本発明の第1実施形態に係る基板処理装置の斜透視図である。1 is a perspective view of a substrate processing apparatus according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態に係る処理炉の構成図であって、特に処理室部分を断面図で示す図である。It is a block diagram of the processing furnace which concerns on 1st Embodiment of this invention, Comprising: It is a figure which shows a process chamber part with sectional drawing especially. 本発明の第1実施形態に係る処理炉の構成図であって、図2の処理室部分のA−A断面図である。It is a block diagram of the processing furnace which concerns on 1st Embodiment of this invention, Comprising: It is AA sectional drawing of the process chamber part of FIG. 本発明の第1実施形態に係る基板処理工程を例示するフロー図である。It is a flowchart which illustrates the substrate processing process concerning a 1st embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態に係る基板処理工程のガス供給タイミング図である。It is a gas supply timing diagram of the substrate processing process concerning a 1st embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態に係るCMOSが備えるトランジスタの主要構造部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the main structure part of the transistor with which CMOS which concerns on 1st Embodiment of this invention is provided. ALD法により形成されたTiN膜の抵抗率と、CVD法により形成されたTiN膜の抵抗率とをそれぞれ示すグラフ図である。It is a graph which shows the resistivity of the TiN film | membrane formed by ALD method, and the resistivity of the TiN film | membrane formed by CVD method, respectively. 本発明の第2実施形態に係る基板処理工程を例示するフロー図である。It is a flowchart which illustrates the substrate processing process which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係る基板処理工程のガス供給タイミング図である。It is a gas supply timing diagram of the substrate processing process concerning a 2nd embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態の変形例1に係る基板処理工程のガス供給タイミング図であって、(a)はチタン含有ガスの供給時間を延ばした図であり、(b)はアルミニウム含有ガスの供給時間を延ばした図である。It is the gas supply timing diagram of the substrate processing process which concerns on the modification 1 of 2nd Embodiment of this invention, Comprising: (a) is the figure which extended supply time of titanium containing gas, (b) is the figure of aluminum containing gas. It is the figure which extended supply time. 本発明の第2実施形態の変形例2に係る基板処理工程のガス供給タイミング図であって、(a)はチタン含有ガスの供給流量を増やした図であり、(b)はアルミニウム含有ガスの供給流量を増やした図である。It is the gas supply timing diagram of the substrate processing process which concerns on the modification 2 of 2nd Embodiment of this invention, Comprising: (a) is the figure which increased the supply flow rate of titanium containing gas, (b) is the figure of aluminum containing gas. It is the figure which increased supply flow volume. 本発明の第2実施形態の変形例3に係る基板処理工程のガス供給タイミング図であって、(a)はアルミニウム含有ガスの供給回数を減らした図であり、(b)はチタン含有ガスの供給回数を減らした図である。It is the gas supply timing diagram of the substrate processing process which concerns on the modification 3 of 2nd Embodiment of this invention, Comprising: (a) is the figure which reduced the frequency | count of supply of aluminum containing gas, (b) is a figure of titanium containing gas. It is the figure which reduced the frequency | count of supply. 本発明の第3実施形態に係る基板処理工程のガス供給タイミング図である。It is a gas supply timing diagram of the substrate processing process concerning a 3rd embodiment of the present invention. 本発明の第3実施形態の変形例に係る基板処理工程のガス供給タイミング図である。It is a gas supply timing diagram of the substrate processing process which concerns on the modification of 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態に係る基板処理工程のガス供給タイミング図である。It is a gas supply timing diagram of the substrate processing process concerning a 4th embodiment of the present invention. 本発明の第4実施形態の変形例に係る基板処理工程のガス供給タイミング図である。It is a gas supply timing diagram of the substrate processing process which concerns on the modification of 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態に係る基板処理工程のガス供給タイミング図である。It is a gas supply timing diagram of the substrate processing process concerning a 5th embodiment of the present invention. 本発明の第5実施形態の変形例に係る基板処理工程のガス供給タイミング図である。It is a gas supply timing diagram of the substrate processing process which concerns on the modification of 5th Embodiment of this invention. 従来例のCMOSが備えるトランジスタの主要構造部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the main structure part of the transistor with which the CMOS of a prior art example is provided.

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

図19に、従来のCMOSが備えるpMOSトランジスタ500p、nMOSトランジスタ500nの断面構成をそれぞれ例示する。各トランジスタは、シリコン(Si)基板等のウエハ200上に、ゲート絶縁膜としてのハフニウム酸化(HfO)膜510p,510n、拡散抑制膜としてのチタン窒化(TiN)膜521p,521n、低抵抗金属膜としてのタングステン(W)膜522p,522nが順次形成されてなる積層構造を備えている。   FIG. 19 illustrates cross-sectional configurations of a pMOS transistor 500p and an nMOS transistor 500n included in a conventional CMOS. Each transistor includes a wafer 200 such as a silicon (Si) substrate, hafnium oxide (HfO) films 510p and 510n as gate insulating films, titanium nitride (TiN) films 521p and 521n as diffusion suppression films, and low resistance metal films. As a stacked structure in which tungsten (W) films 522p and 522n are sequentially formed.

TiN膜521p,521nは、W膜522p,522n等と比べると抵抗率が高く、特性的に劣るものの、W膜522p,522nとHfO膜510p,510nとの界面に形成することにより、W膜522p,522nを構成する金属(W)のHfO膜510p,510nへの拡散(ゲート絶縁膜の金属汚染)を抑制したり、HfO膜510p,510nを構成する酸素(O)のW膜522p,522nへの拡散(ゲート電極の酸化)を抑制したりすることができる。そこで、ゲート電極は、例えばW膜等の単層により構成するのではなく、TiN膜とW膜との積層構造により構成することとしていた。図19においては、TiN膜521pとW膜522pとが積層されることでpMOSトランジスタ500pのゲート電極が構成され、TiN膜521nとW膜522nとが積層されることでnMOSトランジスタ500nのゲート電極が構成されている。   The TiN films 521p and 521n have a higher resistivity than the W films 522p and 522n, and are inferior in characteristics. , 522n is prevented from diffusing into the HfO films 510p, 510n (metal contamination of the gate insulating film), or the oxygen (O) W films 522p, 522n constituting the HfO films 510p, 510n. Can be suppressed (oxidation of the gate electrode). Therefore, the gate electrode is not composed of a single layer such as a W film, but is composed of a laminated structure of a TiN film and a W film. In FIG. 19, the gate electrode of the pMOS transistor 500p is formed by stacking the TiN film 521p and the W film 522p, and the gate electrode of the nMOS transistor 500n is formed by stacking the TiN film 521n and the W film 522n. It is configured.

ゲート電極を構成するTiN膜521p,521n及びW膜522p,522nは、それぞれCVD(Chemical Vapor Deposition)法等により形成されていた。しかしながら、TiN膜521p,521nとW膜522p,522nとでは形成時に用いるガス種や処理温度等が異なるため、異なる基板処理装置(或いは異なる処理室内)で別々に形成しなければならなかった。すなわち、積層構造を備えるゲート電極を同一の処理室内で連続的に製造することは困難であった。そのため、装置台数が増えて製造コストが増大したり、ウエハ200の搬入出に時間を要して生産性が低下したりしてしまう場合があった。また、ゲート電極の形成途中でウエハ200を搬送することで、ゲート電極の下層を構成するTiN膜521p,521n等が大気に曝され、その特性が損なわれてしまう場合があった。   The TiN films 521p and 521n and the W films 522p and 522n constituting the gate electrode are each formed by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method or the like. However, since the TiN films 521p and 521n and the W films 522p and 522n have different gas types, processing temperatures, and the like, they must be formed separately in different substrate processing apparatuses (or different processing chambers). That is, it is difficult to continuously manufacture gate electrodes having a laminated structure in the same processing chamber. For this reason, the number of apparatuses increases and the manufacturing cost increases, and it may take time to load and unload the wafer 200, resulting in a decrease in productivity. Further, when the wafer 200 is transferred during the formation of the gate electrode, the TiN films 521p, 521n and the like constituting the lower layer of the gate electrode may be exposed to the atmosphere, and the characteristics may be impaired.

そこで本発明者等は、上記課題を解決すべく種々の試みを行った。すなわち、同一の処理室内での連続的な形成が可能な積層構造の組合せについて鋭意研究を行った。その結果、ゲート電極の上層(低抵抗金属膜)として、W膜522p,522nの代わりに例えばTiN膜を形成することで、積層構造を備えるゲート電極を同一の処理室内で連続的に形成することが可能となるとの知見を得た。また、ゲート電極の上層を構成するTiN膜を、従来のようなCVD法ではなく、ALD(Atomic Layer Deposition)法により形成することで、TiN膜の電気的特性を向上でき、半導体デバイスの特性を向上できるとの知見を得た。また、ゲート電極の下層(拡散抑制膜)として、TiN膜521p,521nの代わりにTiAlN膜を形成し、さらにTiAlN膜中のTiとAlとの組成比を所定の値に調整することで、半導体デバイスの特性をいっそう向上させることができるとの知見を得た。本発明は、発明者等が見出した上記知見に基づくものである。   Therefore, the present inventors have made various attempts to solve the above problems. That is, earnest research was conducted on the combination of laminated structures that can be continuously formed in the same processing chamber. As a result, by forming, for example, a TiN film instead of the W films 522p and 522n as the upper layer (low resistance metal film) of the gate electrode, the gate electrode having a laminated structure can be continuously formed in the same processing chamber. We have learned that it will be possible. In addition, the TiN film constituting the upper layer of the gate electrode is formed not by the conventional CVD method but by the ALD (Atomic Layer Deposition) method, so that the electrical characteristics of the TiN film can be improved and the characteristics of the semiconductor device can be improved. The knowledge that it can improve was obtained. Further, as a lower layer (diffusion suppression film) of the gate electrode, a TiAlN film is formed instead of the TiN films 521p and 521n, and further, the composition ratio of Ti and Al in the TiAlN film is adjusted to a predetermined value, thereby providing a semiconductor. We have learned that the characteristics of the device can be further improved. The present invention is based on the above findings found by the inventors.

<本発明の第1実施形態>
まず、本発明の第1実施形態に係る基板処理装置の構成について説明する。
<First Embodiment of the Present Invention>
First, the configuration of the substrate processing apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described.

(1)基板処理装置の全体構成
図1は、本実施形態に係る基板処理装置101の斜透視図である。図1に示すように、本実施形態にかかる基板処理装置101は筐体111を備えている。基板としてのウエハ200を筐体111内外へ搬送するには、複数のウエハ200を収納するウエハキャリア(基板収納容器)としてのカセット110が使用される。筐体111の正面には、カセット110を筐体111内外へ搬送する開口であるカセット搬入搬出口(基板収納容器搬入搬出口、図示せず)が設けられている。カセット搬入搬出口の筐体111内側には、カセットステージ(基板収納容器受渡し台)114が設けられている。カセット110は、図示しない工場内搬送装置によってカセットステージ114上に載置され、また、カセットステージ114上から筐体111外へ搬出されるように構成されている。
(1) Overall Configuration of Substrate Processing Apparatus FIG. 1 is a perspective view of a substrate processing apparatus 101 according to this embodiment. As shown in FIG. 1, the substrate processing apparatus 101 according to the present embodiment includes a housing 111. In order to transport the wafer 200 as a substrate into and out of the casing 111, a cassette 110 as a wafer carrier (substrate storage container) that stores a plurality of wafers 200 is used. A cassette loading / unloading port (substrate storage container loading / unloading port, not shown), which is an opening for conveying the cassette 110 into and out of the housing 111, is provided on the front surface of the housing 111. A cassette stage (substrate storage container delivery table) 114 is provided inside the cassette loading / unloading casing 111. The cassette 110 is placed on the cassette stage 114 by an in-factory transport device (not shown), and is carried out of the casing 111 from the cassette stage 114.

カセット110は、カセット110内のウエハ200が垂直姿勢となり、カセット110のウエハ出し入れ口が上方向を向くように、工場内搬送装置によって、カセットステージ114上に載置されるように構成されている。カセットステージ114は、カセット110を筐体111の後方に向けて90°回転させてカセット110内のウエハ200を水平姿勢とさせ、カセット110のウエハ出し入れ口を筐体111内の後方に向かせることが可能なように構成されている。   The cassette 110 is configured to be placed on the cassette stage 114 by a transfer device in the factory so that the wafer 200 in the cassette 110 is in a vertical posture and the wafer loading / unloading port of the cassette 110 faces upward. . The cassette stage 114 rotates the cassette 110 90 degrees toward the rear of the casing 111 to bring the wafer 200 in the cassette 110 into a horizontal posture, and directs the wafer loading / unloading port of the cassette 110 toward the rear in the casing 111. Is configured to be possible.

筐体111内を前後方向でみた略中央部には、カセット棚(基板収納容器載置棚)105が設置されている。カセット棚105は、複数段、複数列にて複数個のカセット110を保管するように構成されている。カセット棚105には、後述するウエハ移載機構125の搬送対象となるカセット110が収納される移載棚123が設けられている。また、カセットステージ114の上方には、予備カセット棚107が設けられ、予備のカセット110を保管するように構成されている。   A cassette shelf (substrate storage container mounting shelf) 105 is installed in a substantially central portion of the housing 111 as viewed in the front-rear direction. The cassette shelf 105 is configured to store a plurality of cassettes 110 in a plurality of rows and a plurality of rows. The cassette shelf 105 is provided with a transfer shelf 123 in which a cassette 110 to be transferred by a wafer transfer mechanism 125 described later is stored. In addition, a spare cassette shelf 107 is provided above the cassette stage 114 and is configured to store the spare cassette 110.

カセットステージ114とカセット棚105との間には、カセット搬送装置(基板収納容器搬送装置)118が設けられている。カセット搬送装置118は、カセット110を保持したまま昇降可能なカセットエレベータ(基板収納容器昇降機構)118aと、カセット110を保持したまま水平移動可能な搬送機構としてのカセット搬送機構(基板収納容器搬送機構)118bと、を備えている。これらカセットエレベータ118aとカセット搬送機構118bとの連携動作により、カセットステージ114、移載棚123を除くカセット棚105の所定位置、予備カセット棚107、移載棚123の間で、カセット110を搬送するように構成されている。   A cassette transfer device (substrate container transfer device) 118 is provided between the cassette stage 114 and the cassette shelf 105. The cassette transport device 118 includes a cassette elevator (substrate storage container lifting mechanism) 118a that can be moved up and down while holding the cassette 110, and a cassette transport mechanism (substrate storage container transport mechanism) as a transport mechanism that can move horizontally while holding the cassette 110. 118b. The cassette 110 is transported between a predetermined position of the cassette shelf 105 excluding the cassette stage 114 and the transfer shelf 123, the spare cassette shelf 107, and the transfer shelf 123 by the cooperative operation of the cassette elevator 118a and the cassette transport mechanism 118b. It is configured as follows.

カセット棚105の後方には、ウエハ移載機構(基板移載機構)125が設けられている。ウエハ移載機構125は、ウエハ200を水平方向に回転ないし直動可能なウエハ移載装置(基板移載装置)125aと、ウエハ移載装置125aを昇降させるウエハ移載装置エレベータ(基板移載装置昇降機構)125bと、を備えている。なお、ウエハ移載装置125aは、ウエハ200を水平姿勢で保持するツイーザ(基板保持体)125cを備えている。これらウエハ移載装置125aとウエハ移載装置エレベータ125bとの連携動作により、ウエハ200を移載棚123上のカセット110内からピックアップして後述するボート(基板保持具)217へ装填(ウエハチャージ)したり、ウエハ200をボート217から脱装(ウエハディスチャージ)して移載棚123上のカセット110内へ収納したりするように構成されている。   A wafer transfer mechanism (substrate transfer mechanism) 125 is provided behind the cassette shelf 105. The wafer transfer mechanism 125 includes a wafer transfer device (substrate transfer device) 125a that can rotate or linearly move the wafer 200 in the horizontal direction, and a wafer transfer device elevator (substrate transfer device) that moves the wafer transfer device 125a up and down. Elevating mechanism) 125b. The wafer transfer device 125a includes a tweezer (substrate holder) 125c that holds the wafer 200 in a horizontal posture. The wafer 200 is picked up from the cassette 110 on the transfer shelf 123 by the cooperative operation of the wafer transfer device 125a and the wafer transfer device elevator 125b, and loaded into a boat (substrate holder) 217 described later (wafer charge). The wafer 200 is removed from the boat 217 (wafer discharge) and stored in the cassette 110 on the transfer shelf 123.

筐体111の後部上方には、処理炉202が設けられている。処理炉202の下端部には開口が設けられ、かかる開口は炉口シャッタ(炉口開閉機構)147により開閉されるように構成されている。なお、処理炉202の構成については後述する。   A processing furnace 202 is provided above the rear portion of the casing 111. An opening is provided at the lower end of the processing furnace 202, and the opening is configured to be opened and closed by a furnace port shutter (furnace port opening / closing mechanism) 147. The configuration of the processing furnace 202 will be described later.

処理炉202の下方には、ウエハ200を移載棚123上のカセット110内からボー
ト(基板保持具)217へ装填・脱装する空間である移載室124が設けられている。移載室124内には、ボート217を昇降させて処理炉202内外へ搬入搬出させる昇降機構としてのボートエレベータ(基板保持具昇降機構)115が設けられている。ボートエレベータ115の昇降台には、連結具としてのアーム128が設けられている。アーム128上には、ボート217を垂直に支持するとともに、ボートエレベータ115によりボート217が上昇したときに処理炉202の下端部を気密に閉塞する炉口蓋体としてのシールキャップ219が水平姿勢で設けられている。
Below the processing furnace 202, a transfer chamber 124, which is a space for loading and unloading the wafers 200 into and from the boat (substrate holder) 217 from the cassette 110 on the transfer shelf 123, is provided. In the transfer chamber 124, a boat elevator (substrate holder lifting mechanism) 115 is provided as a lifting mechanism that lifts and lowers the boat 217 into and out of the processing furnace 202. The elevator 128 of the boat elevator 115 is provided with an arm 128 as a connecting tool. On the arm 128, a seal cap 219 is provided in a horizontal posture as a furnace port lid body that supports the boat 217 vertically and that hermetically closes the lower end of the processing furnace 202 when the boat 217 is raised by the boat elevator 115. It has been.

ボート217は複数本の保持部材を備えており、複数枚(例えば、50枚から150枚程度)のウエハ200を、水平姿勢で、かつその中心を揃えた状態で垂直方向に整列させて多段に保持するように構成されている。   The boat 217 includes a plurality of holding members, and a plurality of (for example, about 50 to 150) wafers 200 are aligned in the vertical direction in a horizontal posture and in a state where the centers thereof are aligned in multiple stages. Configured to hold.

カセット棚105の上方には、供給ファンと防塵フィルタとを備えたクリーンユニット134aが設けられている。クリーンユニット134aは、清浄化した雰囲気であるクリーンエアを筐体111の内部に流通させるように構成されている。   Above the cassette shelf 105, a clean unit 134a having a supply fan and a dustproof filter is provided. The clean unit 134a is configured to circulate clean air, which is a cleaned atmosphere, inside the casing 111.

また、ウエハ移載装置エレベータ125bおよびボートエレベータ115の反対側、筐体111の左側端部には、クリーンエアを供給するよう供給ファンと防塵フィルタとを備えたクリーンユニット(図示せず)が設置されている。クリーンユニットから吹き出されたクリーンエアは、ウエハ移載装置125a、ボート217を流通した後に、図示しない排気装置に吸い込まれて、筐体111の外部に排気されるように構成されている。   In addition, a clean unit (not shown) including a supply fan and a dustproof filter is installed on the opposite side of the wafer transfer device elevator 125b and the boat elevator 115 and on the left end of the housing 111 to supply clean air. Has been. The clean air blown from the clean unit is configured to be sucked into an exhaust device (not shown) and exhausted to the outside of the casing 111 after passing through the wafer transfer device 125a and the boat 217.

(2)基板処理装置の動作
次に、本実施形態にかかる基板処理装置101の動作について説明する。
(2) Operation of Substrate Processing Apparatus Next, the operation of the substrate processing apparatus 101 according to the present embodiment will be described.

まず、カセット110が、工場内搬送装置によってカセット搬入搬出口(図示せず)から搬入され、ウエハ200が垂直姿勢となり、カセット110のウエハ出し入れ口が上方向を向くように、カセットステージ114上に載置される。その後、カセット110は、カセットステージ114によって、筐体111の後方に向けて90°回転させられる。その結果、カセット110内のウエハ200は水平姿勢となり、カセット110のウエハ出し入れ口は筐体111内の後方を向く。   First, the cassette 110 is loaded from a cassette loading / unloading port (not shown) by the in-factory transfer device, the wafer 200 is placed in a vertical posture, and the wafer loading / unloading port of the cassette 110 faces upward. Placed. Thereafter, the cassette 110 is rotated 90 ° toward the rear of the casing 111 by the cassette stage 114. As a result, the wafer 200 in the cassette 110 assumes a horizontal posture, and the wafer loading / unloading port of the cassette 110 faces rearward in the housing 111.

次に、カセット110は、カセット搬送装置118によって、カセット棚105(移載棚123を除く)ないし予備カセット棚107の指定された棚位置へ自動的に搬送されて受け渡され、一時的に保管された後、カセット棚105ないし予備カセット棚107から移載棚123に移載されるか、もしくは直接、移載棚123に搬送される。   Next, the cassette 110 is automatically transported to the designated shelf position of the cassette shelf 105 (excluding the transfer shelf 123) or the spare cassette shelf 107 by the cassette transport device 118, delivered, and temporarily stored. Then, the cassette is transferred from the cassette shelf 105 or the spare cassette shelf 107 to the transfer shelf 123 or directly transferred to the transfer shelf 123.

カセット110が移載棚123に移載されると、ウエハ200は、ウエハ移載装置125aのツイーザ125cによって、ウエハ出し入れ口を通じてカセット110からピックアップされ、ウエハ移載装置125aとウエハ移載装置エレベータ125bとの連携動作によって移載室124の後方にあるボート217に装填(ウエハチャージ)される。ボート217にウエハ200を受け渡したウエハ移載機構125は、カセット110に戻り、次のウエハ200をボート217に装填する。   When the cassette 110 is transferred to the transfer shelf 123, the wafer 200 is picked up from the cassette 110 through the wafer loading / unloading port by the tweezer 125c of the wafer transfer device 125a, and the wafer transfer device 125a and the wafer transfer device elevator 125b are picked up. Are loaded (wafer charged) into the boat 217 behind the transfer chamber 124. The wafer transfer mechanism 125 that has transferred the wafer 200 to the boat 217 returns to the cassette 110 and loads the next wafer 200 into the boat 217.

予め指定された枚数のウエハ200がボート217に装填されると、処理炉202の下端部を閉じていた炉口シャッタ147が開放される。続いて、シールキャップ219がボートエレベータ115によって上昇されることにより、ウエハ200群を保持したボート217が処理炉202内へ搬入(ボートロード)される。ボートロードした後は、処理炉202にてウエハ200に任意の処理が実施される。かかる処理については後述する。処理後は、ウエハ200およびカセット110は、上述の手順とは逆の手順で筐体111の
外部へ搬出される。
When a predetermined number of wafers 200 are loaded into the boat 217, the furnace port shutter 147 that has closed the lower end of the processing furnace 202 is opened. Subsequently, as the seal cap 219 is raised by the boat elevator 115, the boat 217 holding the wafers 200 is loaded into the processing furnace 202 (boat loading). After boat loading, arbitrary processing is performed on the wafer 200 in the processing furnace 202. Such processing will be described later. After the processing, the wafer 200 and the cassette 110 are carried out of the casing 111 by a procedure reverse to the above procedure.

(3)処理炉の構成
続いて、本実施形態に係る処理炉202の構成について、図2および図3を参照しながら説明する。図2は、図1に示す基板処理装置101の処理炉202の構成図であって、特に処理室201部分を断面図で示してある。また図3は、図2の処理室部分のA−A断面図である。
(3) Configuration of Processing Furnace Next, the configuration of the processing furnace 202 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 3. FIG. 2 is a configuration diagram of the processing furnace 202 of the substrate processing apparatus 101 shown in FIG. 1, and particularly shows a processing chamber 201 portion in a sectional view. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA of the processing chamber portion of FIG.

(処理室)
本実施形態に係る処理炉202は、例えばALD法によるバッチ式縦型ホットウォール型の処理炉として構成されている。図2に示すように、処理炉202は、反応管203とマニホールド209とを備えている。反応管203は、例えば石英(SiO)や炭化シリコン(SiC)等の耐熱性を有する非金属材料から構成され、上端部が閉塞され、下端部が開放された円筒形状に構成されている。マニホールド209は、例えばSUS等の金属材料から構成され、上端部及び下端部が開放された円筒形状に構成されている。反応管203は、マニホールド209により下端部側から縦向きに支持されている。反応管203の下端部、マニホールド209の上部および下部の開口端部にはそれぞれ環状のフランジが設けられている。反応管203下端部と、マニホールド209上端部のフランジとの間にはOリングなどの封止部材220が設けられ、両者の間は気密に封止されている。
(Processing room)
The processing furnace 202 according to the present embodiment is configured as a batch type vertical hot wall type processing furnace by, for example, the ALD method. As shown in FIG. 2, the processing furnace 202 includes a reaction tube 203 and a manifold 209. The reaction tube 203 is made of a heat-resistant non-metallic material such as quartz (SiO 2 ) or silicon carbide (SiC), and has a cylindrical shape with its upper end closed and its lower end open. The manifold 209 is made of, for example, a metal material such as SUS, and has a cylindrical shape with an upper end portion and a lower end portion opened. The reaction tube 203 is supported vertically by the manifold 209 from the lower end side. An annular flange is provided at each of the lower end of the reaction tube 203 and the upper and lower opening ends of the manifold 209. A sealing member 220 such as an O-ring is provided between the lower end portion of the reaction tube 203 and the flange at the upper end portion of the manifold 209, and the space between the two is hermetically sealed.

反応管203及びマニホールド209の内部には、基板としてのウエハ200を複数積層して収容する処理室201が形成されている。そして、基板保持具としてのボート217が、上述した基板保持具昇降機構としてのボートエレベータ115によって下方から処理室201内に挿入されるように構成されている。   Inside the reaction tube 203 and the manifold 209, a processing chamber 201 for storing a plurality of stacked wafers 200 as substrates is formed. The boat 217 as the substrate holder is configured to be inserted into the processing chamber 201 from below by the boat elevator 115 as the substrate holder lifting mechanism described above.

ボート217は、複数枚(例えば50枚から150枚程度)のウエハ200を、略水平状態で所定の隙間(基板ピッチ間隔)をもって多段に保持するように構成されている。ウエハ200を装填したボート217の最大外径は、反応管203及びマニホールド209の内径よりも小さくなるように構成されている。ボート217は、ボート217を保持する保持体としてのボート支持台218を介してシールキャップ219上に搭載されている。シールキャップ219はマニホールド209の下端に垂直方向下側から当接されるように構成されている。シールキャップ219は、例えばSUS等の金属からなり、円盤状に形成されている。ボートエレベータ115が上昇した際には、マニホールド209下端部のフランジとシールキャップ219との間に設けられた封止部材220によって、両者の間は気密に封止されるように構成されている。先に述べた反応管203とマニホールド209との間、並びにマニホールド209とシールキャップ219との間が気密に封止されることで、処理室201内の気密性が保たれる。また、ボートエレベータ115によりシールキャップ219を垂直方向に昇降させることで、ボート217を処理室201内外に搬送することが可能となっている。   The boat 217 is configured to hold a plurality of (for example, about 50 to 150) wafers 200 in multiple stages with a predetermined gap (substrate pitch interval) in a substantially horizontal state. The maximum outer diameter of the boat 217 loaded with the wafers 200 is configured to be smaller than the inner diameters of the reaction tube 203 and the manifold 209. The boat 217 is mounted on the seal cap 219 via a boat support 218 as a holding body that holds the boat 217. The seal cap 219 is configured to contact the lower end of the manifold 209 from the lower side in the vertical direction. The seal cap 219 is made of a metal such as SUS and is formed in a disk shape. When the boat elevator 115 is raised, the sealing member 220 provided between the flange at the lower end of the manifold 209 and the seal cap 219 is configured to be hermetically sealed between the two. Since the space between the reaction tube 203 and the manifold 209 and the space between the manifold 209 and the seal cap 219 are hermetically sealed, the airtightness in the processing chamber 201 is maintained. Further, the boat 217 can be transported into and out of the processing chamber 201 by raising and lowering the seal cap 219 in the vertical direction by the boat elevator 115.

シールキャップ219の下方には、回転機構267が設けられている。回転機構267の回転軸255は、シールキャップ219を貫通してボート217に接続されており、処理室201内の気密性を保持したまま、複数のウエハ200を搭載したボート217を回転させることができるように構成されている。ボート217を回転させることで、ウエハ200の処理均一性を向上させることができる。   A rotation mechanism 267 is provided below the seal cap 219. The rotation shaft 255 of the rotation mechanism 267 is connected to the boat 217 through the seal cap 219, and can rotate the boat 217 on which a plurality of wafers 200 are mounted while maintaining the airtightness in the processing chamber 201. It is configured to be able to. By rotating the boat 217, the processing uniformity of the wafers 200 can be improved.

反応管203の外周には反応管203と同心円状の円筒形状に、加熱部としてのヒータ207が設けられており、処理室201内に挿入されたウエハ200を所定の温度に加熱するように構成されている。ヒータ207は、保持板としてのヒータベース210に支持されることにより垂直に据え付けられている。ヒータベース210は、マニホールド20
9に固定されている。
On the outer periphery of the reaction tube 203, a heater 207 as a heating unit is provided in a cylindrical shape concentric with the reaction tube 203, and the wafer 200 inserted into the processing chamber 201 is heated to a predetermined temperature. Has been. The heater 207 is vertically installed by being supported by a heater base 210 as a holding plate. The heater base 210 is connected to the manifold 20.
9 is fixed.

反応管203内には、温度検出器としての温度センサ263が設置されている。温度センサ263により検出された温度情報に基づき、ヒータ207への通電具合を調整することで、処理室201内の温度が所望の温度分布となるように構成されている。温度センサ263は、後述する多孔ノズル270a,270b,270cと同様に、L字形状に構成されており、反応管203の内壁に沿って設けられている。   A temperature sensor 263 is installed in the reaction tube 203 as a temperature detector. Based on the temperature information detected by the temperature sensor 263, the temperature in the processing chamber 201 is configured to have a desired temperature distribution by adjusting the power supply to the heater 207. The temperature sensor 263 is configured in an L shape similarly to the porous nozzles 270a, 270b, and 270c described later, and is provided along the inner wall of the reaction tube 203.

(多孔ノズル)
マニホールド209には、多孔ノズル270a,270b,270cが設けられている。多孔ノズル270a,270b,270cは、垂直部と水平部とを有するL字形状にそれぞれ構成されている。多孔ノズル270a,270b,270cの垂直部は、処理室201の内壁に沿うように、ウエハ200の積層方向に沿って鉛直方向にそれぞれ配設されている。多孔ノズル270a,270b,270cの水平部は、マニホールド209の側壁をそれぞれ貫通するように設けられている。
(Porous nozzle)
The manifold 209 is provided with multi-hole nozzles 270a, 270b, and 270c. The perforated nozzles 270a, 270b, and 270c are each configured in an L shape having a vertical portion and a horizontal portion. The vertical portions of the perforated nozzles 270a, 270b, and 270c are arranged in the vertical direction along the stacking direction of the wafers 200 along the inner wall of the processing chamber 201, respectively. The horizontal portions of the perforated nozzles 270a, 270b, and 270c are provided so as to penetrate the side walls of the manifold 209, respectively.

多孔ノズル270a,270b,270cの垂直部側面には、複数のガス供給口248a,248b,248cが鉛直方向に配列するようにそれぞれ設けられている。ガス供給口248a,248b,248cは、積層されたウエハ200の間にそれぞれ開口するように構成されている。ガス供給口248a,248b,248cは、処理室201内の略中心(処理室201内に搬入されたウエハ200の略中心)を向くようにそれぞれ構成されており、ガス供給口248a,248b,248cから供給されるガスは、それぞれ処理室201内の略中心に向けて噴射されるように構成されている。なお、ガス供給口248a,248b,248cの開口径は、それぞれ下部から上部にわたって同一であってもよく、下部から上部にわたって徐々に大きくなっていてもよい。   A plurality of gas supply ports 248a, 248b, 248c are respectively provided on the vertical side surfaces of the porous nozzles 270a, 270b, 270c so as to be arranged in the vertical direction. The gas supply ports 248a, 248b, and 248c are configured to open between the stacked wafers 200, respectively. The gas supply ports 248a, 248b, and 248c are configured to face substantially the center in the processing chamber 201 (substantially the center of the wafer 200 loaded into the processing chamber 201), respectively, and the gas supply ports 248a, 248b, and 248c are configured. Are supplied so as to be injected toward the substantial center in the processing chamber 201. The opening diameters of the gas supply ports 248a, 248b, 248c may be the same from the lower part to the upper part, or may gradually increase from the lower part to the upper part.

なお、多孔ノズル270aは、図3に示すように多孔ノズル270b,270cと近接する位置に設けられている。ただし図2においては、便宜上、多孔ノズル270aを多孔ノズル270b,270cと対向する紙面右側の位置に図示している。   The porous nozzle 270a is provided at a position close to the porous nozzles 270b and 270c as shown in FIG. However, in FIG. 2, for the sake of convenience, the porous nozzle 270a is illustrated at a position on the right side of the drawing facing the porous nozzles 270b and 270c.

(窒素含有ガス供給系)
多孔ノズル270aの上流端(水平端)には、例えば窒素(N)含有ガス(窒化剤)としてのアンモニア(NH)ガスを供給する窒素含有ガス供給管232aの下流端が接続されている。窒素含有ガス供給管232aには、上流側から順に、図示しないNHガス供給源、流量制御機構であるマスフローコントローラ241a、開閉弁であるバルブ252aが設けられている。
(Nitrogen-containing gas supply system)
A downstream end of a nitrogen-containing gas supply pipe 232a that supplies ammonia (NH 3 ) gas as a nitrogen (N) -containing gas (nitriding agent), for example, is connected to the upstream end (horizontal end) of the porous nozzle 270a. The nitrogen-containing gas supply pipe 232a is provided with an NH 3 gas supply source (not shown), a mass flow controller 241a that is a flow rate control mechanism, and a valve 252a that is an on-off valve in order from the upstream side.

バルブ252aの下流側には、キャリアガス及びパージガスとしてのNガス等の不活性ガスを供給する不活性ガス供給管234aの下流端が接続されている。不活性ガス供給管234aには、上流側から順に、図示しない不活性ガス供給源、図示しないマスフローコントローラ、バルブ254aが設けられている。バルブ252a,254aを開けることにより、マスフローコントローラ241aにより流量制御されたNHガスを、キャリアガスとしての不活性ガスとともに処理室201内に供給可能なように構成されている。 A downstream end of an inert gas supply pipe 234a that supplies an inert gas such as N 2 gas as a carrier gas and a purge gas is connected to the downstream side of the valve 252a. The inert gas supply pipe 234a is provided with an inert gas supply source (not shown), a mass flow controller (not shown), and a valve 254a in order from the upstream side. By opening the valves 252a and 254a, the NH 3 gas whose flow rate is controlled by the mass flow controller 241a can be supplied into the processing chamber 201 together with an inert gas as a carrier gas.

また、バルブ252aを閉じた状態でバルブ254aを開けることにより、図示しないマスフローコントローラにより流量制御しながら、パージガスとしての不活性ガスを処理室201内に供給可能なように構成されている。不活性ガスを供給することで、例えばNHガスの供給終了後、処理室201内に残留したNHガス等を排除したり、処理室201内に供給された他のガスの窒素含有ガス供給管232a内への逆流を防止したりすることができる。なお、パージガスを供給するパージガス供給管と、キャリアガスを供給す
るキャリアガス供給管とを別に設けてもよい。
In addition, by opening the valve 254a with the valve 252a closed, an inert gas as a purge gas can be supplied into the processing chamber 201 while controlling the flow rate by a mass flow controller (not shown). By supplying the inert gas, for example, after the supply of the NH 3 gas is finished, the NH 3 gas remaining in the processing chamber 201 is excluded, or the nitrogen-containing gas supply of other gases supplied into the processing chamber 201 is performed. Back flow into the tube 232a can be prevented. Note that a purge gas supply pipe for supplying the purge gas and a carrier gas supply pipe for supplying the carrier gas may be provided separately.

主に、窒素含有ガス供給管232a、NHガス供給源、マスフローコントローラ241a、バルブ252a、不活性ガス供給管234a、不活性ガス供給源、マスフローコントローラ、バルブ254a、多孔ノズル270a、ガス供給口248aにより、処理室201内に窒素含有ガスとしてのNHガスを供給する窒素含有ガス供給系が構成されている。また、主に、不活性ガス供給管234a、不活性ガス供給源、マスフローコントローラ、バルブ254a、窒素含有ガス供給管232a、多孔ノズル270a、ガス供給口248aにより、処理室201内にキャリアガス及びパージガスとしての不活性ガスを供給する不活性ガス供給系が構成されている。 Mainly nitrogen-containing gas supply pipe 232a, NH 3 gas supply source, mass flow controller 241a, valve 252a, inert gas supply pipe 234a, inert gas supply source, mass flow controller, valve 254a, perforated nozzle 270a, gas supply port 248a Thus, a nitrogen-containing gas supply system for supplying NH 3 gas as a nitrogen-containing gas into the processing chamber 201 is configured. In addition, a carrier gas and a purge gas are introduced into the processing chamber 201 mainly by an inert gas supply pipe 234a, an inert gas supply source, a mass flow controller, a valve 254a, a nitrogen-containing gas supply pipe 232a, a porous nozzle 270a, and a gas supply port 248a. An inert gas supply system for supplying an inert gas is configured.

(アルミニウム含有ガス供給系)
以下、アルミニウム(Al)含有ガスとして、例えば液体原料としてのTMA(トリメチルアルミニウム:(CHAl)を気化させて得られるTMAガスを用いる場合について説明する。液状のTMAを気化させて処理室201内に供給する方法としては、TMAを加熱して気化させてから供給する方法や、キャリアガスとなるヘリウム(He)ガス、ネオン(Ne)ガス、アルゴン(Ar)ガス、窒素(N)ガスなどの不活性ガスを液状のTMA中に供給することで得られたTMAガスを、キャリアガスと共に処理室201内へと供給する方法(バブリング方式)などがある。以下、例えばバブリング方式を用いる場合について説明する。
(Aluminum-containing gas supply system)
Hereinafter, the case where TMA gas obtained by vaporizing TMA (trimethylaluminum: (CH 3 ) 3 Al) as a liquid raw material is used as the aluminum (Al) -containing gas will be described. As a method of vaporizing liquid TMA and supplying it into the processing chamber 201, a method of heating and vaporizing TMA, or supplying helium (He) gas, neon (Ne) gas, argon (which is a carrier gas) There is a method of supplying TMA gas obtained by supplying an inert gas such as Ar) gas and nitrogen (N 2 ) gas into liquid TMA into the processing chamber 201 together with the carrier gas (bubbling method). is there. Hereinafter, for example, a case where a bubbling method is used will be described.

多孔ノズル270bの上流端(水平端)には、Al含有ガスとしてのTMAガスを供給するAl含有ガス供給管233bの下流端が接続されている。Al含有ガス供給管233bの更に上流側には、TMA容器261bを介して、キャリアガスを供給するキャリアガス供給管232bが設けられている。キャリアガス供給管232bには、上流側から順に、図示しないキャリアガス供給源、マスフローコントローラ241b、バルブ252b、TMA容器261bが設けられている。TMA容器261b内にはTMAの液体が貯留されている。キャリアガス供給管232bの下流端は、TMAの液体中に浸漬されている。Al含有ガス供給管233bの上流端は、TMA容器261b内のTMAの液面上方に配置されている。Al含有ガス供給管233bの下流側にはバルブ253bが設けられている。Al含有ガス供給管233bの下流端は、上述のように多孔ノズル270bの上流端に接続されている。Al含有ガス供給管233bにはヒータ281bが設けられている。ヒータ281bは、Al含有ガス供給管233bを例えば50℃〜60℃程度に保つことが可能なように構成されている。バルブ252bを開けることにより、マスフローコントローラ241bにより流量制御しながら、キャリアガス供給源からTMA容器261b内にキャリアガスを供給してTMAの気化ガスを発生させることが可能なように構成されている。そして、バルブ253bを開けることにより、TMA容器261b内で気化させたTMAガスをキャリアガスと共に処理室201内に供給することが可能なように構成されている。   A downstream end of an Al-containing gas supply pipe 233b that supplies TMA gas as an Al-containing gas is connected to the upstream end (horizontal end) of the porous nozzle 270b. A carrier gas supply pipe 232b for supplying a carrier gas is provided on the further upstream side of the Al-containing gas supply pipe 233b via the TMA container 261b. The carrier gas supply pipe 232b is provided with a carrier gas supply source, a mass flow controller 241b, a valve 252b, and a TMA container 261b (not shown) in order from the upstream side. A TMA liquid is stored in the TMA container 261b. The downstream end of the carrier gas supply pipe 232b is immersed in the TMA liquid. The upstream end of the Al-containing gas supply pipe 233b is disposed above the liquid surface of the TMA in the TMA container 261b. A valve 253b is provided on the downstream side of the Al-containing gas supply pipe 233b. The downstream end of the Al-containing gas supply pipe 233b is connected to the upstream end of the porous nozzle 270b as described above. The Al-containing gas supply pipe 233b is provided with a heater 281b. The heater 281b is configured such that the Al-containing gas supply pipe 233b can be maintained at about 50 ° C. to 60 ° C., for example. By opening the valve 252b, the carrier gas is supplied from the carrier gas supply source into the TMA container 261b while the flow rate is controlled by the mass flow controller 241b, so that the vaporized gas of TMA can be generated. The TMA gas vaporized in the TMA container 261b can be supplied into the processing chamber 201 together with the carrier gas by opening the valve 253b.

なお、TMA容器261b内は、図示しないヒータにより加熱可能に構成されていてもよい。ヒータにより加熱温度を調整することにより、TMAの気化ガスの生成を促進させたり抑制させたりして、処理室201内へのTMAガスの供給流量を制御することができる。   The inside of the TMA container 261b may be configured to be heatable by a heater (not shown). By adjusting the heating temperature with the heater, the TMA gas supply flow rate into the processing chamber 201 can be controlled by promoting or suppressing the generation of vaporized TMA gas.

Al含有ガス供給管233bのバルブ253bの上流側には、ガス排気管236bの上流端が接続されている。ガス排気管236bにはバルブ256bが設けられている。ガス排気管236bの下流端は、後述する排気管231のAPCバルブ251より下流側に接続されている。バルブ256bを開けることにより、処理室201を介さずにTMAガスを排気することができるように構成されている。TMAガスを安定して生成するには所定
の時間を要するため、処理室201内へのTMAガスの供給を停止している間も、TMA容器261b内にキャリアガスを供給して、TMAガスの生成を継続することが望ましい。キャリアガスによるTMAガスの生成を継続したまま、バルブ253b及びバルブ256bの開閉切り替え動作をすることによって、処理室201内へのTMAガスの供給開始と供給停止とを素早く行なうことができるように構成されている。
The upstream end of the gas exhaust pipe 236b is connected to the upstream side of the valve 253b of the Al-containing gas supply pipe 233b. A valve 256b is provided in the gas exhaust pipe 236b. The downstream end of the gas exhaust pipe 236b is connected to the downstream side of the APC valve 251 of the exhaust pipe 231 described later. By opening the valve 256b, the TMA gas can be exhausted without going through the processing chamber 201. Since a predetermined time is required to stably generate the TMA gas, the carrier gas is supplied into the TMA container 261b while the supply of the TMA gas into the processing chamber 201 is stopped. It is desirable to continue production. The structure is such that the supply start and stop of supply of TMA gas into the processing chamber 201 can be quickly performed by switching the opening and closing of the valve 253b and the valve 256b while the generation of the TMA gas by the carrier gas is continued. Has been.

Al含有ガス供給管233bのバルブ253bの下流側には、不活性ガスを供給する不活性ガス供給管234bの下流端が接続されている。不活性ガス供給管234bには、上流側から順に、図示しない不活性ガス供給源、図示しないマスフローコントローラ、バルブ254bが設けられている。バルブ254bを開けることにより、マスフローコントローラにより流量制御しながら、パージガスとしての不活性ガスを不活性ガス供給源から処理室201内に供給可能なように構成されている。不活性ガスを供給することで、例えばTMAガスの供給終了後、処理室201内に残留したTMAガス等を排除したり、処理室201内に供給された他のガスのAl含有ガス供給管233b内への逆流を防止したりすることができる。   A downstream end of an inert gas supply pipe 234b that supplies an inert gas is connected to the downstream side of the valve 253b of the Al-containing gas supply pipe 233b. The inert gas supply pipe 234b is provided with an inert gas supply source (not shown), a mass flow controller (not shown), and a valve 254b in order from the upstream side. By opening the valve 254b, an inert gas as a purge gas can be supplied into the processing chamber 201 from an inert gas supply source while controlling the flow rate by a mass flow controller. By supplying the inert gas, for example, after the supply of the TMA gas is finished, the TMA gas remaining in the processing chamber 201 is excluded, or an Al-containing gas supply pipe 233b of another gas supplied into the processing chamber 201 is obtained. It is possible to prevent backflow into the inside.

主に、キャリアガス供給管232b、キャリアガス供給源、マスフローコントローラ241b、バルブ252b、TMA容器261b、Al含有ガス供給管233b、バルブ253b、ガス排気管236b、バルブ256b、多孔ノズル270b、ガス供給口248bにより、処理室201内にAl含有ガスとしてのTMAガスを供給するアルミニウム含有ガス供給系が構成されている。また、主に、不活性ガス供給管234b、不活性ガス供給源、マスフローコントローラ、バルブ254b、Al含有ガス供給管233b、多孔ノズル270b、ガス供給口248bにより、処理室201内にパージガスとしての不活性ガスを供給する不活性ガス供給系が構成されている。   Mainly, carrier gas supply pipe 232b, carrier gas supply source, mass flow controller 241b, valve 252b, TMA container 261b, Al-containing gas supply pipe 233b, valve 253b, gas exhaust pipe 236b, valve 256b, perforated nozzle 270b, gas supply port 248b constitutes an aluminum-containing gas supply system that supplies TMA gas as an Al-containing gas into the processing chamber 201. In addition, an inert gas supply pipe 234b, an inert gas supply source, a mass flow controller, a valve 254b, an Al-containing gas supply pipe 233b, a porous nozzle 270b, and a gas supply port 248b are mainly used as purge gas in the processing chamber 201. An inert gas supply system for supplying the active gas is configured.

(チタン含有ガス供給系)
以下、チタン(Ti)含有ガスとして、例えば液体原料としてのテトラクロロチタン(TiCl)を気化させて得られるTiClガスを用いる場合について説明する。液状のTiClを気化させて処理室201内に供給する方法としては、TMAと同様に、TiClを加熱して気化させてから供給する方法や、キャリアガスとなる不活性ガスを液状のTiCl中に供給することで得られたTiClガスを、キャリアガスと共に処理室201内へと供給する方法(バブリング方式)などがある。以下、例えばバブリング方式を用いる場合について説明する。
(Titanium-containing gas supply system)
Hereinafter, as a titanium (Ti) -containing gas, for example, a case where TiCl 4 gas obtained by vaporizing tetrachlorotitanium (TiCl 4 ) as a liquid source will be described. As a method for vaporizing and supplying liquid TiCl 4 into the processing chamber 201, a method of supplying TiCl 4 after heating and vaporizing, as in TMA, or an inert gas serving as a carrier gas is liquid TiCl 4. 4 is a method of supplying TiCl 4 gas obtained by supplying the gas into the processing chamber 201 together with the carrier gas into the processing chamber 201 (bubbling method). Hereinafter, for example, a case where a bubbling method is used will be described.

多孔ノズル270cの上流端(水平端)には、Ti含有ガスとしてのTiClガスを供給するTi含有ガス供給管233cの下流端が接続されている。Ti含有ガス供給管233cの更に上流側には、TiCl容器261cを介して、キャリアガスを供給するキャリアガス供給管232cが設けられている。キャリアガス供給管232cには、上流側から順に、図示しないキャリアガス供給源、マスフローコントローラ241c、バルブ252c、TiCl容器261cが設けられている。TiCl容器261c内にはTiClの液体が貯留されている。キャリアガス供給管232cの下流端は、TiClの液体中に浸漬されている。Ti含有ガス供給管233cの上流端は、TiCl容器261c内のTiClの液面上方に配置されている。Ti含有ガス供給管233cの下流側にはバルブ253cが設けられている。Ti含有ガス供給管233cの下流端は、上述のように多孔ノズル270cの上流端に接続されている。Ti含有ガス供給管233cにはヒータ281cが設けられている。ヒータ281cは、Ti含有ガス供給管233cを例えば40℃程度に保つことが可能なように構成されている。バルブ252cを開けることにより、マスフローコントローラ241cにより流量制御しながら、キャリアガス供給源からTiCl容器261c内にキャリアガスを供給してTiClの気化ガスを発生させることが可能なように構成されている。そして、バルブ253cを開けることにより、
TiCl容器261c内で気化させたTiClガスをキャリアガスと共に処理室201内に供給することが可能なように構成されている。
A downstream end of a Ti-containing gas supply pipe 233c that supplies TiCl 4 gas as a Ti-containing gas is connected to the upstream end (horizontal end) of the porous nozzle 270c. A carrier gas supply pipe 232c for supplying a carrier gas is provided on the further upstream side of the Ti-containing gas supply pipe 233c via a TiCl 4 container 261c. The carrier gas supply pipe 232c is provided with a carrier gas supply source, a mass flow controller 241c, a valve 252c, and a TiCl 4 container 261c (not shown) in order from the upstream side. The TiCl 4 container 261c liquid TiCl 4 is stored. The downstream end of the carrier gas supply pipe 232c is immersed in a TiCl 4 liquid. The upstream end of the Ti-containing gas supply pipe 233c is disposed above the liquid surface of TiCl 4 in the TiCl 4 container 261 c. A valve 253c is provided on the downstream side of the Ti-containing gas supply pipe 233c. The downstream end of the Ti-containing gas supply pipe 233c is connected to the upstream end of the porous nozzle 270c as described above. The Ti-containing gas supply pipe 233c is provided with a heater 281c. The heater 281c is configured so that the Ti-containing gas supply pipe 233c can be maintained at about 40 ° C., for example. By opening the valve 252c, the carrier gas is supplied from the carrier gas supply source into the TiCl 4 container 261c while the flow rate is controlled by the mass flow controller 241c, so that the vaporized gas of TiCl 4 can be generated. Yes. And by opening the valve 253c,
TiCl 4 is configured so as is possible the TiCl 4 gas vaporized in the container 261c is supplied into the process chamber 201 together with the carrier gas.

なお、TiCl容器261c内は、図示しないヒータにより加熱可能に構成されていてもよい。ヒータにより加熱温度を調整することにより、TiClの気化ガスの生成を促進させたり抑制させたりして、処理室201内へのTiClガスの供給流量を制御することができる。 The TiCl 4 container 261c may be configured to be heatable by a heater (not shown). By adjusting the heating temperature with the heater, the generation flow of TiCl 4 vaporized gas is promoted or suppressed, and the supply flow rate of TiCl 4 gas into the processing chamber 201 can be controlled.

Ti含有ガス供給管233cのバルブ253cの上流側には、ガス排気管236cの上流端が接続されている。ガス排気管236cにはバルブ256cが設けられている。ガス排気管236cの下流端は、後述する排気管231のAPCバルブ251より下流側に接続されている。バルブ256cを開けることにより、処理室201を介さずにTiClガスを排気することができるように構成されている。TiClガスを安定して生成するには所定の時間を要するため、処理室201内へのTiClガスの供給を停止している間も、TiCl容器261c内にキャリアガスを供給して、TiClガスの生成を継続することが望ましい。キャリアガスによるTiClガスの生成を継続したまま、バルブ253c及びバルブ256cの開閉切り替え動作をすることによって、処理室201内へのTiClガスの供給開始と供給停止とを素早く行なうことができるように構成されている。 The upstream end of the gas exhaust pipe 236c is connected to the upstream side of the valve 253c of the Ti-containing gas supply pipe 233c. A valve 256c is provided in the gas exhaust pipe 236c. The downstream end of the gas exhaust pipe 236c is connected to the downstream side of the APC valve 251 of the exhaust pipe 231 described later. By opening the valve 256c, the TiCl 4 gas can be exhausted without going through the processing chamber 201. Order to generate a TiCl 4 gas stably takes a predetermined time, while stopping the supply of the TiCl 4 gas into the processing chamber 201 also supplies a carrier gas into the TiCl 4 container 261 c, It is desirable to continue the generation of TiCl 4 gas. By continuously opening and closing the valve 253c and the valve 256c while the generation of the TiCl 4 gas by the carrier gas is continued, the supply start and stop of the supply of the TiCl 4 gas into the processing chamber 201 can be performed quickly. It is configured.

Ti含有ガス供給管233cのバルブ253cの下流側には、不活性ガスを供給する不活性ガス供給管234cの下流端が接続されている。不活性ガス供給管234cには、上流側から順に、図示しない不活性ガス供給源、図示しないマスフローコントローラ、バルブ254cが設けられている。バルブ254cを開けることにより、マスフローコントローラにより流量制御しながら、パージガスとしての不活性ガスを不活性ガス供給源から処理室201内に供給可能なように構成されている。不活性ガスを供給することで、例えばTiClガスの供給終了後、処理室201内に残留したTiClガス等を排除したり、処理室201内に供給された他のガスのTi含有ガス供給管233c内への逆流を防止したりすることができる。 A downstream end of an inert gas supply pipe 234c that supplies an inert gas is connected to the downstream side of the valve 253c of the Ti-containing gas supply pipe 233c. The inert gas supply pipe 234c is provided with an inert gas supply source (not shown), a mass flow controller (not shown), and a valve 254c in order from the upstream side. By opening the valve 254c, the inert gas as the purge gas can be supplied into the processing chamber 201 from the inert gas supply source while controlling the flow rate by the mass flow controller. By supplying an inert gas, for example, after the supply of TiCl 4 gas is completed, TiCl 4 gas remaining in the processing chamber 201 is excluded, or Ti-containing gas supply of other gases supplied into the processing chamber 201 is performed. Backflow into the tube 233c can be prevented.

主に、キャリアガス供給管232c、キャリアガス供給源、マスフローコントローラ241c、バルブ252c、TiCl容器261c、Ti含有ガス供給管233c、バルブ253c、ガス排気管236c、バルブ256c、多孔ノズル270c、ガス供給口248cにより、処理室201内にTi含有ガスとしてのTiClガスを供給するチタン含有ガス供給系が構成されている。また、主に、不活性ガス供給管234b、不活性ガス供給源、マスフローコントローラ、バルブ254c、Ti含有ガス供給管233c、多孔ノズル270c、ガス供給口248cにより、処理室201内にパージガスとしての不活性ガスを供給する不活性ガス供給系が構成されている。 Mainly, carrier gas supply pipe 232c, carrier gas supply source, mass flow controller 241c, valve 252c, TiCl 4 container 261c, Ti-containing gas supply pipe 233c, valve 253c, gas exhaust pipe 236c, valve 256c, perforated nozzle 270c, gas supply A titanium-containing gas supply system that supplies TiCl 4 gas as a Ti-containing gas into the processing chamber 201 is configured by the port 248c. In addition, an inert gas supply pipe 234b, an inert gas supply source, a mass flow controller, a valve 254c, a Ti-containing gas supply pipe 233c, a porous nozzle 270c, and a gas supply port 248c are mainly used as purge gas in the processing chamber 201. An inert gas supply system for supplying the active gas is configured.

(排気系)
マニホールド209の側壁には、排気管231が接続されている。排気管231には、上流側から順に、処理室201内の圧力を検出する圧力検出器(圧力検出部)としての圧力センサ245、圧力調整器としてのAPC(Auto Pressure Controller)バルブ251、真空排気装置としての真空ポンプ246が設けられている。APCバルブ251は、弁を開閉することで真空排気・排気停止ができ、さらに弁を開度調節することが可能な開閉弁である。真空ポンプ246を作動させつつ、圧力センサ245により検出された圧力情報に基づき、APCバルブ251の開閉弁の開度を調整することにより、処理室201内を所望の圧力とすることが可能なように構成されている。
(Exhaust system)
An exhaust pipe 231 is connected to the side wall of the manifold 209. In the exhaust pipe 231, a pressure sensor 245 as a pressure detector (pressure detection unit) that detects the pressure in the processing chamber 201, an APC (Auto Pressure Controller) valve 251 as a pressure regulator, and vacuum exhaust are sequentially provided from the upstream side. A vacuum pump 246 as an apparatus is provided. The APC valve 251 is an on-off valve that can be evacuated and stopped by opening and closing the valve and that can further adjust the opening of the valve. By adjusting the opening degree of the opening / closing valve of the APC valve 251 based on the pressure information detected by the pressure sensor 245 while operating the vacuum pump 246, the inside of the processing chamber 201 can be set to a desired pressure. It is configured.

主に、排気管231、圧力センサ245、APCバルブ251、真空ポンプ246によ
り、処理室201内の雰囲気を排気する排気系が構成されている。
An exhaust system that exhausts the atmosphere in the processing chamber 201 is mainly configured by the exhaust pipe 231, the pressure sensor 245, the APC valve 251, and the vacuum pump 246.

(制御系)
制御系としてのコントローラ280は、マスフローコントローラ241a,241b,241c、APCバルブ251、バルブ252a,252b,252c,253b,253c,254a,254b,254c,256b,256c、温度センサ263、ヒータ207、圧力センサ245、真空ポンプ246、回転機構267、ボートエレベータ115等に接続されている。コントローラ280により、マスフローコントローラ241a,241b,241cの流量調整動作、APCバルブ251、バルブ252a,252b,252c,253b,253c,254a,254b,254c,256b,256cの開閉動作、APCバルブ251の圧力調整動作、温度センサ263の温度検出動作、ヒータ207の温度調整動作、圧力センサ245の圧力検出動作、真空ポンプ246の起動・停止、回転機構267の回転速度調節、ボートエレベータ115の昇降動作の制御が行なわれる。
(Control system)
The controller 280 as a control system includes a mass flow controller 241a, 241b, 241c, an APC valve 251, a valve 252a, 252b, 252c, 253b, 253c, 254a, 254b, 254c, 256b, 256c, a temperature sensor 263, a heater 207, a pressure sensor. 245, a vacuum pump 246, a rotation mechanism 267, a boat elevator 115, and the like. The controller 280 adjusts the flow rate of the mass flow controllers 241a, 241b, and 241c, opens and closes the APC valve 251, valves 252a, 252b, 252c, 253b, 253c, 254a, 254b, 254c, 256b, and 256c, and adjusts the pressure of the APC valve 251. Operation, temperature sensor 263 temperature detection operation, heater 207 temperature adjustment operation, pressure sensor 245 pressure detection operation, vacuum pump 246 start / stop, rotation mechanism 267 rotation speed adjustment, boat elevator 115 lifting / lowering operation control. Done.

(4)基板処理工程
続いて、本実施形態に係る基板処理工程について説明する。本工程は、例えば図6に示すCMOS等の半導体デバイスの製造工程の一工程として、上述の処理炉202により実施される。本工程では、ウエハ200上に予め形成された高誘電率絶縁膜としてのHfO膜上に、拡散抑制膜としてのTiAlN膜と、低抵抗金属膜としてのTiN膜とを、この順に積層する。これらの積層膜は、本工程の実施後にエッチング工程等が実施されることにより、図6に示すように、pMOSトランジスタ300pのゲート電極としてのTiAlN膜321pとTiN膜322pとの積層膜、及びnMOSトランジスタ300nのゲート電極としてのTiAlN膜321nとTiN膜322nとの積層膜にそれぞれ加工される。また、HfO膜も、ゲート絶縁膜としてのHfO膜310p、及びHfO膜310nにそれぞれ加工される。
(4) Substrate Processing Step Next, the substrate processing step according to the present embodiment will be described. This process is performed by the above-described processing furnace 202 as one process of manufacturing a semiconductor device such as a CMOS shown in FIG. In this step, a TiAlN film as a diffusion suppression film and a TiN film as a low resistance metal film are stacked in this order on a HfO film as a high dielectric constant insulating film formed in advance on the wafer 200. These laminated films are subjected to an etching process and the like after this process, whereby a laminated film of a TiAlN film 321p and a TiN film 322p as a gate electrode of a pMOS transistor 300p, and an nMOS as shown in FIG. Each is processed into a laminated film of a TiAlN film 321n and a TiN film 322n as a gate electrode of the transistor 300n. Also, the HfO film is processed into an HfO film 310p and an HfO film 310n as gate insulating films, respectively.

なお、本工程では、ゲート電極の下層(拡散抑制膜)を構成するTiAlN膜、及びゲート電極の上層(低抵抗金属膜)を構成するTiN膜を、それぞれALD法により形成する。ALD法は、複数種の処理ガスをウエハ200に混合させることなく交互に供給し、例えば1原子層未満から数原子層単位で吸着させ、表面反応を生じさせることで成膜を行なう手法である。TiAlN膜を形成する際には、処理ガスとして例えばTi含有ガス、Al含有ガス及び窒素含有ガスを用い、TiN膜を形成する際には、処理ガスとして例えばTi含有ガス及び窒素含有ガスを用いる。このとき、処理ガスの供給回数を制御することにより、形成する薄膜の膜厚を制御することができる。例えば、成膜速度が0.1nm/サイクルであれば、20サイクル実施することで2nmの薄膜を形成できる。またこのとき、ガス供給時の供給流量や供給時間、処理温度等の成膜条件をそれぞれ制御することにより、薄膜の組成を制御することができる。   In this step, a TiAlN film constituting the lower layer (diffusion suppression film) of the gate electrode and a TiN film constituting the upper layer (low resistance metal film) of the gate electrode are formed by the ALD method. The ALD method is a method of performing film formation by alternately supplying a plurality of types of processing gases to the wafer 200 without mixing them, for example, by adsorbing them in units of several atomic layers from less than one atomic layer, and causing a surface reaction. . When forming a TiAlN film, for example, a Ti-containing gas, an Al-containing gas, and a nitrogen-containing gas are used as processing gases. When forming a TiN film, for example, a Ti-containing gas and a nitrogen-containing gas are used. At this time, the thickness of the thin film to be formed can be controlled by controlling the number of times the process gas is supplied. For example, if the film formation rate is 0.1 nm / cycle, a 2 nm thin film can be formed by performing 20 cycles. At this time, the composition of the thin film can be controlled by controlling the film formation conditions such as the supply flow rate, supply time, and processing temperature during the gas supply.

図4は、本実施形態に係る基板処理工程を例示するフロー図である。図5は、本実施形態に係る基板処理工程のガス供給タイミング図である。以下の説明において、図2に示す処理炉202を構成する各部の動作は、コントローラ280により制御される。   FIG. 4 is a flowchart illustrating the substrate processing process according to this embodiment. FIG. 5 is a gas supply timing chart of the substrate processing step according to the present embodiment. In the following description, the operation of each part constituting the processing furnace 202 shown in FIG. 2 is controlled by the controller 280.

(基板搬入工程S110)
まず、HfO膜が予め形成された複数枚のウエハ200をボート217に装填(ウエハチャージ)する。そして、複数枚のウエハ200を保持したボート217を、ボートエレベータ115によって持ち上げて処理室201内に搬入(ボートロード)する。この状態で、シールキャップ219は封止部材220を介してマニホールド209の下端を気密に封止した状態となる。基板搬入工程S110においては、バルブ254a,254b,254cを開けて、処理室201内にパージガスとしてのNガス等の不活性ガスを供給し
続けることが好ましい。
(Substrate carrying-in process S110)
First, a plurality of wafers 200 on which HfO films are formed in advance are loaded into the boat 217 (wafer charge). Then, the boat 217 holding the plurality of wafers 200 is lifted by the boat elevator 115 and loaded into the processing chamber 201 (boat loading). In this state, the seal cap 219 is in a state of hermetically sealing the lower end of the manifold 209 via the sealing member 220. In the substrate carrying-in process S110, it is preferable that the valves 254a, 254b, and 254c are opened and an inert gas such as N 2 gas as a purge gas is continuously supplied into the processing chamber 201.

(減圧工程S120、昇温工程S130)
続いて、バルブ254a,254b,254cを閉じ、処理室201内を真空ポンプ246により排気する。また、ウエハ200が所定温度、具体的には350℃以下であって、例えば350℃となるように、温度センサ263が検出した温度情報に基づきヒータ207への通電具合をフィードバック制御して、処理室201内の温度を調整する。そして、回転機構267によりボート217、すなわち、ウエハ200の回転を開始させる。
(Decompression step S120, temperature raising step S130)
Subsequently, the valves 254a, 254b, and 254c are closed, and the inside of the processing chamber 201 is evacuated by the vacuum pump 246. Further, the power supply to the heater 207 is feedback-controlled based on the temperature information detected by the temperature sensor 263 so that the wafer 200 is at a predetermined temperature, specifically 350 ° C. or less, for example, 350 ° C. The temperature in the chamber 201 is adjusted. Then, the rotation mechanism 267 starts the rotation of the boat 217, that is, the wafer 200.

なお、工程S110〜工程S130と並行して、液体原料としてのTMAを気化させたTMAガスを生成(予備気化)させておく。すなわち、バルブ253bを閉じたまま、バルブ252bを開け、マスフローコントローラ241bにより流量制御しながら、図示しないキャリアガス供給源からTMA容器261b内にキャリアガスを供給し、TMAの気化ガスを予め生成させておく。このとき、真空ポンプ246を作動させつつ、バルブ253bを閉じたまま、バルブ256bを開けることにより、TMAガスを処理室201内に供給することなく、処理室201をバイパスして排気しておく。   In parallel with Steps S110 to S130, TMA gas obtained by vaporizing TMA as a liquid material is generated (preliminary vaporization). That is, while the valve 253b is closed, the valve 252b is opened, the carrier gas is supplied into the TMA container 261b from a carrier gas supply source (not shown) while controlling the flow rate by the mass flow controller 241b, and vaporized TMA gas is generated in advance. deep. At this time, while operating the vacuum pump 246, the valve 256b is opened while the valve 253b is closed, thereby bypassing and exhausting the process chamber 201 without supplying the TMA gas into the process chamber 201.

またこのとき、液体原料としてのTiClを気化させたTiClガスを生成(予備気化)させておく。すなわち、バルブ253cを閉じたまま、バルブ252cを開け、マスフローコントローラ241cにより流量制御しながら、図示しないキャリアガス供給源からTiCl容器261c内にキャリアガスを供給し、TiClの気化ガスを予め生成させておく。このとき、真空ポンプ246を作動させつつ、バルブ253cを閉じたまま、バルブ256cを開けることにより、TiClガスを処理室201内に供給することなく、処理室201をバイパスして排気しておく。 At this time, TiCl 4 gas obtained by vaporizing TiCl 4 as a liquid raw material is generated (preliminary vaporization). That is, while the valve 253c is closed, the valve 252c is opened, the carrier gas is supplied into the TiCl 4 container 261c from a carrier gas supply source (not shown) while controlling the flow rate by the mass flow controller 241c, and a vaporized gas of TiCl 4 is generated in advance. Let me. At this time, while operating the vacuum pump 246, the valve 256c is opened while the valve 253c is closed, so that the processing chamber 201 is bypassed and exhausted without supplying the TiCl 4 gas into the processing chamber 201. .

バブリングによる供給方式では、TMAガスやTiClガスが安定して生成される状態となるには所定の時間を要するため、生成初期にTMAガスやTiClガスの供給が開始されると供給が不安定になってしまう。そこで、本実施形態では、上述のようにTMAガスやTiClガスを予め生成させておくことで安定供給可能な状態としておき、バルブ253b,256b,253c,256cの開閉を切り替えることで、TMAガス及びTiClガスの流路を切り替える。これにより、TMAガス及びTiClガスの処理室201内への供給開始・供給停止を、安定的かつ迅速に行うことができる。 In the supply method by bubbling, since it takes a predetermined time for the TMA gas and TiCl 4 gas to be stably generated, the supply becomes unstable when the supply of TMA gas or TiCl 4 gas is started at the initial stage of generation. turn into. Therefore, in the present embodiment, as described above, TMA gas and TiCl 4 gas are generated in advance so that they can be stably supplied, and the opening and closing of the valves 253b, 256b, 253c, and 256c is switched to open the TMA gas. And the flow path of the TiCl 4 gas. Thereby, supply start and supply stop of the TMA gas and TiCl 4 gas into the processing chamber 201 can be performed stably and quickly.

(第1窒化膜形成工程)
続いて、ウエハ200上に予め形成されたHfO膜上に、第1窒化膜(拡散抑制膜)としてのTiAlN膜を形成する。第1窒化膜形成工程は、後述する工程S141a〜工程S144aを所定回数実施(S145a)する第3窒化膜形成工程と、後述する工程S141b〜工程S144bを所定回数実施(S145b)する第4窒化膜形成工程と、を有し、この第3窒化膜形成工程と第4窒化膜形成工程とを所定回数ずつ交互に実施(S150)して、TiAlN膜を形成する。以下に、第3窒化膜形成工程及び第4窒化膜形成工程について詳述する。
(First nitride film forming step)
Subsequently, a TiAlN film as a first nitride film (diffusion suppression film) is formed on the HfO film formed in advance on the wafer 200. The first nitride film forming step includes a third nitride film forming step in which steps S141a to S144a described later are performed a predetermined number of times (S145a), and a fourth nitride film in which steps S141b to S144b described later are performed a predetermined number of times (S145b). Forming a TiAlN film by alternately performing the third nitride film forming process and the fourth nitride film forming process a predetermined number of times (S150). Hereinafter, the third nitride film forming step and the fourth nitride film forming step will be described in detail.

(第3窒化膜形成工程)
(チタン含有ガス供給工程S141a)
チタン含有ガス供給工程S141aでは、処理室201内にTi含有ガスとしてのTiClガスを供給する。具体的には、バルブ256cを閉じ、バルブ253cを開けることにより、キャリアガスと共に、TiCl容器261c内で気化させたTiClガスの処理室201内への供給を開始する。このとき、APCバルブ251の開度を調整して、処理室201内の圧力を20Pa以上50Pa以下の範囲内であって、例えば30Paに維持する。TiClガスの供給流量は、例えば1.0g/min以上2.0g/mi
n以下の範囲内とする。TiClガスの供給時間は、例えば3秒以上10秒以下の範囲内とする。所定時間が経過したら、バルブ253cを閉じバルブ256cを開け、TiClガスの供給を停止する。
(Third nitride film forming step)
(Titanium-containing gas supply step S141a)
In the titanium-containing gas supply step S141a, TiCl 4 gas as a Ti-containing gas is supplied into the processing chamber 201. Specifically, by closing the valve 256c and opening the valve 253c, the supply of the TiCl 4 gas vaporized in the TiCl 4 container 261c into the processing chamber 201 together with the carrier gas is started. At this time, the opening degree of the APC valve 251 is adjusted to maintain the pressure in the processing chamber 201 within the range of 20 Pa to 50 Pa, for example, 30 Pa. The supply flow rate of TiCl 4 gas is, for example, 1.0 g / min or more and 2.0 g / mi.
Within n or less. The supply time of the TiCl 4 gas is set, for example, in the range of 3 seconds to 10 seconds. When a predetermined time has elapsed, the valve 253c is closed and the valve 256c is opened, and the supply of TiCl 4 gas is stopped.

処理室201内に供給されたTiClガスは、ウエハ200上のHfO膜に供給され、排気管231から排気される。このとき処理室201内に存在するガスは、TiClガス並びにNガス等の不活性ガスのみであり、NHガス等の窒素含有ガスは存在しない。したがって、TiClガスは気相反応を起こすことなく、ウエハ200上のHfO膜等の表面部分と化学吸着(表面反応)を起こして、TiCl分子の吸着層またはTi層を形成する。TiCl分子の吸着層とは、TiCl分子の連続的な吸着層のほか、不連続な吸着層をも含む。Ti層とは、Tiにより構成される連続的な層のほか、これらが重なってできるTi薄膜をも含む。なお、以下においては、これらすべてを指してTi含有層ともいう。 The TiCl 4 gas supplied into the processing chamber 201 is supplied to the HfO film on the wafer 200 and exhausted from the exhaust pipe 231. At this time, the gas present in the processing chamber 201 is only an inert gas such as TiCl 4 gas and N 2 gas, and there is no nitrogen-containing gas such as NH 3 gas. Therefore, TiCl 4 gas causes chemical adsorption (surface reaction) with a surface portion such as an HfO film on the wafer 200 without causing a gas phase reaction, thereby forming an adsorption layer or Ti layer of TiCl 4 molecules. The adsorption layer of TiCl 4 molecules, in addition to a continuous adsorption layer of TiCl 4 molecules, including a discontinuous adsorption layer. The Ti layer includes a continuous layer composed of Ti and a Ti thin film formed by overlapping these layers. In the following, all of these are also referred to as Ti-containing layers.

なお、処理室201内にTiClガスを供給する間、窒素含有ガス供給管232aに接続される不活性ガス供給管234a、及びAl含有ガス供給管233bに接続される不活性ガス供給管234bのバルブ254a,254bを開けて不活性ガスを流すと、窒素含有ガス供給管232a内及びAl含有ガス供給管233b内にTiClガスが回り込むのを防ぐことができる。 During the supply of TiCl 4 gas into the processing chamber 201, the inert gas supply pipe 234a connected to the nitrogen-containing gas supply pipe 232a and the inert gas supply pipe 234b connected to the Al-containing gas supply pipe 233b are connected. If the inert gas is allowed to flow by opening the valves 254a and 254b, the TiCl 4 gas can be prevented from flowing into the nitrogen-containing gas supply pipe 232a and the Al-containing gas supply pipe 233b.

(排気工程S142a)
バルブ253cを閉じ、処理室201内へのTiClガスの供給を停止した後は、APCバルブ251を開けて処理室201内の圧力が例えば20Pa以下になるように排気し、処理室201内に残留しているTiClガスや反応生成物等を排除する。このときN等の不活性ガスを、不活性ガス供給管234a,234b,234cからそれぞれ処理室201内に供給してパージすると、処理室201内から残留ガスを排除する効果をさらに高めることができる。所定時間経過後、バルブ234a,234b,234cを閉じて排気工程S142aを終了する。
(Exhaust process S142a)
After the valve 253c is closed and the supply of the TiCl 4 gas into the processing chamber 201 is stopped, the APC valve 251 is opened to evacuate the processing chamber 201 so that the pressure in the processing chamber 201 becomes 20 Pa or less, for example. Residual TiCl 4 gas and reaction products are excluded. At this time, when an inert gas such as N 2 is supplied into the processing chamber 201 from the inert gas supply pipes 234a, 234b, and 234c and purged, the effect of removing the residual gas from the processing chamber 201 can be further enhanced. it can. After a predetermined time has elapsed, the valves 234a, 234b, 234c are closed, and the exhaust process S142a is terminated.

(窒素含有ガス供給工程S143a)
窒素含有ガス供給工程S143aでは、処理室201内に窒素含有ガスとしてのNHガスを供給する。具体的には、バルブ252a,254aを開けることにより、キャリアガスとしての不活性ガスと共に、マスフローコントローラ241aにより流量制御されたNHガスの処理室201内への供給を開始する。このとき、APCバルブ251の開度を調整して、処理室201内の圧力を50Pa以上1000Pa以下の範囲であって、例えば60Paに維持する。NHガスの供給流量は、例えば1slm以上10slm以下の範囲内とする。NHガスの供給時間は、例えば10秒以上30秒以下の範囲内とする。所定時間が経過したら、バルブ252a,254aを閉じ、NHガスの供給を停止する。
(Nitrogen-containing gas supply step S143a)
In the nitrogen-containing gas supply step S143a, NH 3 gas as a nitrogen-containing gas is supplied into the processing chamber 201. Specifically, by opening the valves 252a and 254a, the supply of the NH 3 gas whose flow rate is controlled by the mass flow controller 241a together with the inert gas as the carrier gas into the processing chamber 201 is started. At this time, the opening degree of the APC valve 251 is adjusted to maintain the pressure in the processing chamber 201 within a range of 50 Pa to 1000 Pa, for example, 60 Pa. The supply flow rate of NH 3 gas is set within a range of 1 slm to 10 slm, for example. The supply time of NH 3 gas is, for example, in the range of 10 seconds to 30 seconds. When the predetermined time has elapsed, the valves 252a and 254a are closed, and the supply of NH 3 gas is stopped.

処理室201内に供給されたNHガスは、ウエハ200上のTi含有層に供給され、排気管231から排気される。このとき処理室201内に存在するガスは、NHガス並びにNガス等の不活性ガスのみであり、TiClガス等のTi含有ガスは存在しない。したがって、NHガスは気相反応を起こすことなく、ウエハ200上のTi含有層と表面反応する。その結果、Ti含有層が窒化されて、1原子層未満から数原子層のTiN層がHfO膜上に形成される。 The NH 3 gas supplied into the processing chamber 201 is supplied to the Ti-containing layer on the wafer 200 and exhausted from the exhaust pipe 231. At this time, the gas present in the processing chamber 201 is only an inert gas such as NH 3 gas and N 2 gas, and there is no Ti-containing gas such as TiCl 4 gas. Therefore, the NH 3 gas causes a surface reaction with the Ti-containing layer on the wafer 200 without causing a gas phase reaction. As a result, the Ti-containing layer is nitrided, and a TiN layer of less than one atomic layer to several atomic layers is formed on the HfO film.

なお、NHガスを供給する間、Al含有ガス供給管233bに接続される不活性ガス供給管234b、及びTi含有ガス供給管233cに接続される不活性ガス供給管234cのバルブ254b,254cを開けて不活性ガスを流すと、Al含有ガス供給管233
b内及びTi含有ガス供給管233c内にNHガスが回り込むことを防ぐことができる。
During the NH 3 gas supply, the inert gas supply pipe 234b connected to the Al-containing gas supply pipe 233b and the valves 254b and 254c of the inert gas supply pipe 234c connected to the Ti-containing gas supply pipe 233c are connected. When it is opened and an inert gas flows, the Al-containing gas supply pipe 233
It is possible to prevent NH 3 gas from flowing into b and Ti-containing gas supply pipe 233c.

(排気工程S144a)
バルブ252aを閉じ、処理室201内へのNHガスの供給を停止した後は、APCバルブ251を開けて処理室201内の圧力が例えば20Pa以下になるように排気し、処理室201内に残留しているNHガスや反応生成物等を排除する。このときN等の不活性ガスを、不活性ガス供給管234a,234b,234cからそれぞれ処理室201内に供給してパージすると、処理室201内から残留ガスを排除する効果をさらに高めることができる。所定時間経過後、バルブ234a,234b,234cを閉じて排気工程S144aを終了する。
(Exhaust process S144a)
After the valve 252a is closed and the supply of NH 3 gas into the processing chamber 201 is stopped, the APC valve 251 is opened and the pressure in the processing chamber 201 is evacuated to, for example, 20 Pa or less. Residual NH 3 gas and reaction products are excluded. At this time, when an inert gas such as N 2 is supplied into the processing chamber 201 from the inert gas supply pipes 234a, 234b, and 234c and purged, the effect of removing the residual gas from the processing chamber 201 can be further enhanced. it can. After a predetermined time has elapsed, the valves 234a, 234b, and 234c are closed, and the exhaust process S144a is terminated.

このように、本実施形態では、TiClガスとNHガスとをそれぞれ独立して供給し、さらに各供給工程の間で排気工程S142a,S144aを実施することで、TiClガスとNHガスとが互いに混合しないようにしている。 As described above, in the present embodiment, TiCl 4 gas and NH 3 gas are supplied independently, and the exhaust steps S142a and S144a are further performed between the supply steps, whereby the TiCl 4 gas and the NH 3 gas are supplied. And do not mix with each other.

(所定回数実施工程S145a)
上述の工程S141a〜工程S144aを1サイクルとしてこのサイクルを所定回数実施することにより、ウエハ200上に予め形成されたHfO膜上にTiN層を1層以上積層し、所定膜厚、例えば0.8nm以上15nm以下の厚さの第3窒化膜としてのTiN膜を形成する。図5に、サイクルの実施回数をp回とする例を示す。図5の横軸は経過時間を示し、縦軸は各ガスの供給タイミングを示している。工程S141a〜工程S144aのサイクルの実施回数(pの数値)を調整することで、第3窒化膜としてのTiN膜の厚さを制御することができる。
(Predetermined number of execution steps S145a)
The above-described steps S141a to S144a are set as one cycle, and this cycle is performed a predetermined number of times, thereby laminating one or more TiN layers on the HfO film formed in advance on the wafer 200, and a predetermined film thickness, for example, 0.8 nm. A TiN film as a third nitride film having a thickness of 15 nm or less is formed. FIG. 5 shows an example in which the number of cycles is p. The horizontal axis of FIG. 5 shows the elapsed time, and the vertical axis shows the supply timing of each gas. The thickness of the TiN film as the third nitride film can be controlled by adjusting the number of executions (numerical value of p) of the steps S141a to S144a.

(第4窒化膜形成工程)
(アルミニウム含有ガス供給工程S141b)
アルミニウム含有ガス供給工程S141bでは、処理室201内にAl含有ガスとしてのTMAガスを供給する。具体的には、バルブ256bを閉じ、バルブ253bを開けることにより、キャリアガスと共に、TMA容器261b内で気化させたTMAガスの処理室201内への供給を開始する。このとき、APCバルブ251の開度を調整して、処理室201内の圧力を20Pa以上50Pa以下の範囲内であって、例えば30Paに維持する。TMAガスの供給流量は、例えば1.0g/min以上2.0g/min以下の範囲内とする。TMAガスの供給時間は、例えば3秒以上10秒以下の範囲内とする。所定時間が経過したら、バルブ253bを閉じバルブ256bを開け、TMAガスの供給を停止する。
(Fourth nitride film forming step)
(Aluminum-containing gas supply step S141b)
In the aluminum-containing gas supply step S141b, TMA gas as an Al-containing gas is supplied into the processing chamber 201. Specifically, by closing the valve 256b and opening the valve 253b, supply of the TMA gas vaporized in the TMA container 261b together with the carrier gas into the processing chamber 201 is started. At this time, the opening degree of the APC valve 251 is adjusted to maintain the pressure in the processing chamber 201 within the range of 20 Pa to 50 Pa, for example, 30 Pa. The supply flow rate of the TMA gas is set, for example, in the range of 1.0 g / min to 2.0 g / min. The TMA gas supply time is, for example, in the range of 3 seconds to 10 seconds. When the predetermined time has elapsed, the valve 253b is closed and the valve 256b is opened, and the supply of TMA gas is stopped.

処理室201内に供給されたTMAガスは、ウエハ200上のTiN膜に供給され、排気管231から排気される。このとき処理室201内に存在するガスは、TMAガス並びにNガス等の不活性ガスのみであり、NHガス等の窒素含有ガスは存在しない。したがって、TMAガスは気相反応を起こすことなく、HfO膜上に形成されたTiN膜等の表面部分と化学吸着(表面反応)を起こして、TMA分子の吸着層またはAl層を形成する。TMA分子の吸着層とは、TMA分子の連続的な吸着層のほか、不連続な吸着層をも含む。Al層とは、Alにより構成される連続的な層のほか、これらが重なってできるAl薄膜をも含む。なお、以下においては、これらすべてを指してAl含有層ともいう。 The TMA gas supplied into the processing chamber 201 is supplied to the TiN film on the wafer 200 and exhausted from the exhaust pipe 231. At this time, the gas present in the processing chamber 201 is only an inert gas such as TMA gas and N 2 gas, and there is no nitrogen-containing gas such as NH 3 gas. Therefore, the TMA gas causes a chemical adsorption (surface reaction) with a surface portion such as a TiN film formed on the HfO film without causing a gas phase reaction, thereby forming an adsorption layer or an Al layer of TMA molecules. The TMA molecule adsorption layer includes a continuous adsorption layer of TMA molecules and a discontinuous adsorption layer. The Al layer includes not only a continuous layer composed of Al but also an Al thin film formed by overlapping these layers. In the following, all of these are also referred to as Al-containing layers.

なお、TMAガスを供給する間、窒素含有ガス供給管232aに接続される不活性ガス供給管234a、及びTi含有ガス供給管233cに接続される不活性ガス供給管234cのバルブ254a,254cを開けて不活性ガスを流すと、窒素含有ガス供給管232a内及びTi含有ガス供給管233c内にTMAガスが回り込むのを防ぐことができる。   During the supply of TMA gas, the valves 254a and 254c of the inert gas supply pipe 234a connected to the nitrogen-containing gas supply pipe 232a and the inert gas supply pipe 234c connected to the Ti-containing gas supply pipe 233c are opened. By flowing the inert gas, it is possible to prevent the TMA gas from flowing into the nitrogen-containing gas supply pipe 232a and the Ti-containing gas supply pipe 233c.

(排気工程S142b)
バルブ253bを閉じ、処理室201内へのTMAガスの供給を停止した後は、上述の排気工程S142aと同様の手順にて、処理室201内に残留しているTMAガス等を排気し、処理室201内をパージする。
(Exhaust process S142b)
After closing the valve 253b and stopping the supply of the TMA gas into the processing chamber 201, the TMA gas remaining in the processing chamber 201 is exhausted and processed in the same procedure as the exhaust process S142a described above. The inside of the chamber 201 is purged.

(窒素含有ガス供給工程S143b)
窒素含有ガス供給工程S143bでは、上述の窒素含有ガス供給工程S143aと同様の手順及び処理条件にて、処理室201内に窒素含有ガスとしてのNHガスを供給する。なお、このとき、他のガス供給系から処理室201内に不活性ガスを流してもよい。
(Nitrogen-containing gas supply step S143b)
In the nitrogen-containing gas supply step S143b, NH 3 gas as a nitrogen-containing gas is supplied into the processing chamber 201 by the same procedure and processing conditions as the above-described nitrogen-containing gas supply step S143a. At this time, an inert gas may be flowed into the processing chamber 201 from another gas supply system.

処理室201内に供給されたNHガスはウエハ200上のAl含有層に供給され、排気管231から排気される。このとき処理室201内に存在するガスは、NHガス並びにNガス等の不活性ガスのみであり、TMAガス等のAl含有ガスは存在しない。したがって、NHガスは気相反応を起こすことなく、ウエハ200上のAl含有層と表面反応する。その結果、Al含有層が窒化されて、1原子層未満から数原子層のAlN層がTiN膜上に形成される。 The NH 3 gas supplied into the processing chamber 201 is supplied to the Al-containing layer on the wafer 200 and exhausted from the exhaust pipe 231. At this time, the gas present in the processing chamber 201 is only an inert gas such as NH 3 gas and N 2 gas, and there is no Al-containing gas such as TMA gas. Accordingly, the NH 3 gas causes a surface reaction with the Al-containing layer on the wafer 200 without causing a gas phase reaction. As a result, the Al-containing layer is nitrided, and an AlN layer of less than one atomic layer to several atomic layers is formed on the TiN film.

(排気工程S144b)
バルブ252aを閉じ、処理室201内へのNHガスの供給を停止した後は、上述の排気工程S144aと同様の手順にて、処理室201内に残留しているNHガスや反応生成物等を排気し、処理室201内をパージする。
(Exhaust process S144b)
After the valve 252a is closed and the supply of the NH 3 gas into the processing chamber 201 is stopped, the NH 3 gas and reaction products remaining in the processing chamber 201 are processed in the same procedure as the exhaust process S144a described above. Etc., and the inside of the processing chamber 201 is purged.

このように、本実施形態では、TMAガスとNHガスとをそれぞれ独立して供給し、さらに各供給工程の間で排気工程S142b,S144bを実施することで、TMAガスとNHガスとが互いに混合しないようにしている。 As described above, in this embodiment, TMA gas and NH 3 gas are supplied independently, and the exhaust steps S142b and S144b are performed between the supply steps, whereby the TMA gas and the NH 3 gas are obtained. Try not to mix with each other.

(所定回数実施工程S145b)
上述の工程S141b〜工程S144bを1サイクルとしてこのサイクルを所定回数実施することにより、第3窒化膜としてのTiN膜上にAlN層を1層以上積層し、所定膜厚、例えば0.2nm以上1nm以下の厚さの第4窒化膜としてのAlN膜を形成する。図5に、サイクルの実施回数をq回とする例を示す。工程S141b〜工程S144bのサイクルの実施回数(qの数値)を調整することで、第4窒化膜としてのAlN膜の厚さを制御することができる。
(Predetermined number of execution steps S145b)
By performing the above steps S141b to S144b as one cycle and performing this cycle a predetermined number of times, one or more AlN layers are stacked on the TiN film as the third nitride film, and a predetermined film thickness, for example, 0.2 nm to 1 nm An AlN film as a fourth nitride film having the following thickness is formed. FIG. 5 shows an example in which the number of cycles is q. The thickness of the AlN film as the fourth nitride film can be controlled by adjusting the number of executions of the cycle from step S141b to step S144b (numerical value of q).

なお、第4窒化膜としてのAlN膜を形成する際、処理温度(ウエハ200の温度)が高すぎるとAlN膜の面内膜厚分布が不均一となってしまう。しかし、本実施形態においては、上述のとおり処理温度を350℃以下としているので、AlN膜の面内膜厚分布の均一性を向上させることができる。その結果、第1窒化膜としてのTiAlN膜の膜厚の面内均一性や、TiAlN膜中のAl濃度分布の均一性をそれぞれ向上させることができる。   When forming the AlN film as the fourth nitride film, if the processing temperature (the temperature of the wafer 200) is too high, the in-plane film thickness distribution of the AlN film becomes non-uniform. However, in this embodiment, since the processing temperature is set to 350 ° C. or less as described above, the uniformity of the in-plane film thickness distribution of the AlN film can be improved. As a result, the in-plane uniformity of the thickness of the TiAlN film as the first nitride film and the uniformity of the Al concentration distribution in the TiAlN film can be improved.

(所定回数実施工程S150)
所定回数実施工程S150では、上述の第3窒化膜形成工程と第4窒化膜形成工程とを1セットとしてこのセットを所定回数実施することにより、ウエハ200上に予め形成されたHfO膜上に、所定膜厚、例えば1nm以上16nm以下の厚さの第1窒化膜としてのTiAlN膜、すなわち、第3窒化膜としてのTiN膜と第4窒化膜としてのAlN膜との積層膜を形成する。第3窒化膜形成工程と第4窒化膜形成工程とのセットの実施回数を調整することで、第1窒化膜としてのTiAlN膜の厚さを制御することができる。
(Predetermined number of execution steps S150)
In the predetermined number of times execution step S150, the third nitride film formation step and the fourth nitride film formation step described above are set as one set, and this set is executed a predetermined number of times, so that the HfO film previously formed on the wafer 200 is A TiAlN film as a first nitride film having a predetermined film thickness, for example, a thickness of 1 nm to 16 nm, that is, a stacked film of a TiN film as a third nitride film and an AlN film as a fourth nitride film is formed. The thickness of the TiAlN film as the first nitride film can be controlled by adjusting the number of executions of the set of the third nitride film forming process and the fourth nitride film forming process.

ゲート電極の下層(拡散抑制膜)を構成する第1窒化膜を、TiN膜ではなくTiAlN膜により形成することで、CMOS等の半導体デバイスの特性を向上させることができる。例えば、pMOSトランジスタでは、ゲート絶縁膜に接する第1窒化膜の仕事関数は大きいほうが好ましく、nMOSトランジスタでは、ゲート絶縁膜に接する第1窒化膜の仕事関数は小さいほうが好ましい。本実施形態では、ゲート絶縁膜に接する第1窒化膜をTiAlN膜により形成し、さらに、TiAlN膜中のTiとAlとの組成比を制御することにより、第1窒化膜の仕事関数を制御することができる。そして、要求特性の異なるpMOSトランジスタとnMOSトランジスタとのそれぞれに対し、所望の特性を有するゲート電極を提供することができる。すなわち、TiN中に添加されるAlは仕事関数を下げる性質を有するため、Alに対するTiの組成比を相対的に高めたTiAlN膜(TiリッチなTiAlN膜)を第1窒化膜として形成することで、pMOSトランジスタに好適なゲート電極を提供することができ、Tiに対するAlの組成比を相対的に高めたTiAlN膜(AlリッチなTiAlN膜)を第1窒化膜として形成することで、nMOSトランジスタに好適なゲート電極を提供することが出来る。   By forming the first nitride film constituting the lower layer (diffusion suppression film) of the gate electrode with a TiAlN film instead of a TiN film, the characteristics of a semiconductor device such as a CMOS can be improved. For example, in the pMOS transistor, the work function of the first nitride film in contact with the gate insulating film is preferably large, and in the nMOS transistor, the work function of the first nitride film in contact with the gate insulating film is preferably small. In this embodiment, the first nitride film in contact with the gate insulating film is formed of a TiAlN film, and the work function of the first nitride film is controlled by controlling the composition ratio of Ti and Al in the TiAlN film. be able to. A gate electrode having desired characteristics can be provided for each of the pMOS transistor and the nMOS transistor having different required characteristics. That is, since Al added to TiN has the property of lowering the work function, a TiAlN film (Ti-rich TiAlN film) with a relatively high Ti composition ratio relative to Al is formed as the first nitride film. A gate electrode suitable for a pMOS transistor can be provided, and by forming a TiAlN film (Al-rich TiAlN film) having a relatively high Al composition ratio with respect to Ti as a first nitride film, the nMOS transistor A suitable gate electrode can be provided.

なお、TiAlN膜中のTiとAlとの組成比は、第3窒化膜としてのTiN膜の膜厚と、第4窒化膜としてのAlN膜の膜厚との比率を調整することで容易に制御できる。すなわち、第3窒化膜形成工程における所定回数実施工程S145aでの実施回数(図5のp回)と、第4窒化膜形成工程における所定回数実施工程S145bでの実施回数(図5のq回)との比率を調整することで、TiとAlとの組成比を容易に制御することが出来る。例えば、p>qとして、第3窒化膜形成工程1回あたりに形成されるTiN膜の膜厚を、第4窒化膜形成工程1回あたりに形成されるAlN膜の膜厚の膜厚より厚くすれば、Alに対するTiの組成比を相対的に高めたTiAlN膜(TiリッチなTiAlN膜)を形成することができる。また、p<qとして、第3窒化膜形成工程1回あたりに形成されるTiN膜の膜厚を、第4窒化膜形成工程1回あたりに形成されるAlN膜の膜厚の膜厚より薄くすれば、Tiに対するAlの組成比を相対的に高めたTiAlN膜(AlリッチなTiAlN膜)を形成することができる。   The composition ratio of Ti and Al in the TiAlN film can be easily controlled by adjusting the ratio between the thickness of the TiN film as the third nitride film and the thickness of the AlN film as the fourth nitride film. it can. That is, the predetermined number of executions in the third nitride film formation step S145a (p times in FIG. 5) and the predetermined number of executions in the fourth nitride film formation step S145b (q times in FIG. 5). By adjusting the ratio, the composition ratio between Ti and Al can be easily controlled. For example, when p> q, the thickness of the TiN film formed per third nitride film forming step is larger than the thickness of the AlN film formed per fourth nitride film forming step. Then, a TiAlN film (Ti-rich TiAlN film) in which the composition ratio of Ti to Al is relatively increased can be formed. Further, when p <q, the thickness of the TiN film formed per third nitride film forming step is smaller than the thickness of the AlN film formed per fourth nitride film forming step. Then, a TiAlN film (Al-rich TiAlN film) in which the composition ratio of Al to Ti is relatively increased can be formed.

なお、Tiに対するAlの組成比の上限は50%程度とすることが好ましい。これによって、ゲート電極の抵抗率を低く抑えることができる。   Note that the upper limit of the composition ratio of Al to Ti is preferably about 50%. Thereby, the resistivity of the gate electrode can be kept low.

なお、上記においては、第1窒化膜としてのTiAlN膜を形成する際に、第3窒化膜形成工程から開始することとしたが、第4窒化膜形成工程から開始してもよい。つまり、ウエハ200上のHfO膜上にまずは第4窒化膜としてのAlN膜を形成し、次に第3窒化膜としてのTiN膜を形成し、このセットを所定回数実施することにより、TiAlN膜を形成するようにしてもよい。   In the above description, when the TiAlN film as the first nitride film is formed, the third nitride film forming process is started, but the fourth nitride film forming process may be started. In other words, an AlN film as a fourth nitride film is first formed on the HfO film on the wafer 200, and then a TiN film as a third nitride film is formed. You may make it form.

(第2窒化膜形成工程)
続いて、ゲート電極の下層を構成する第1窒化膜(拡散抑制膜)としてのTiAlN膜上に、ゲート電極の上層を構成する第2窒化膜(低抵抗金属膜)としてのTiN膜を形成する。なお、第2窒化膜としてのTiN膜の形成は、ウエハ200を処理室201内から搬出することなく、同一の処理室201内で連続的に行う。
(Second nitride film forming step)
Subsequently, a TiN film as a second nitride film (low resistance metal film) constituting the upper layer of the gate electrode is formed on the TiAlN film as the first nitride film (diffusion suppression film) constituting the lower layer of the gate electrode. . The formation of the TiN film as the second nitride film is continuously performed in the same processing chamber 201 without unloading the wafer 200 from the processing chamber 201.

このときの成膜手法は、CVD法を用いずにALD法を用いる。すなわち、図4に示すように、チタン含有ガス供給工程S161、排気工程S162、窒素含有ガス供給工程S163、排気工程S164を1サイクルとしてこのサイクルを所定回数実施(S165)することにより、所定膜厚、例えば5nm以上30nm以下の厚さの第2窒化膜としてのTiN膜を形成する。図5に、サイクルの実施回数をr回とする例を示す。工程S161〜工程S164のサイクルの実施回数(rの数値)を調整することで、第2窒化膜としてのTiN膜の厚さを制御することができる。   As a film formation method at this time, the ALD method is used instead of the CVD method. That is, as shown in FIG. 4, the titanium-containing gas supply step S161, the exhaust step S162, the nitrogen-containing gas supply step S163, and the exhaust step S164 are set as one cycle, and this cycle is performed a predetermined number of times (S165). For example, a TiN film as a second nitride film having a thickness of 5 nm to 30 nm is formed. FIG. 5 shows an example in which the number of cycles is r. The thickness of the TiN film as the second nitride film can be controlled by adjusting the number of executions of the cycle of step S161 to step S164 (numerical value of r).

このとき、チタン含有ガス供給工程S161、排気工程S162、窒素含有ガス供給工程S163、排気工程S164は、上述の第3窒化膜形成工程(S141a〜S144a)と同様の手順にて行う。また、処理条件についても、第3窒化膜形成工程と同様とすることができるが、処理温度(ウエハ200の温度)については、例えば350℃以上550℃以下の範囲内であって、例えば550℃とすることが好ましい。   At this time, the titanium-containing gas supply step S161, the exhaust step S162, the nitrogen-containing gas supply step S163, and the exhaust step S164 are performed in the same procedure as the above-described third nitride film formation step (S141a to S144a). Also, the processing conditions can be the same as those in the third nitride film forming step, but the processing temperature (the temperature of the wafer 200) is in the range of 350 ° C. or higher and 550 ° C. or lower, for example, 550 ° C. It is preferable that

ゲート電極の上層を構成する第2窒化膜としてのTiN膜を、CVD法ではなくALD法により形成することで、CMOS等の半導体デバイスの特性を向上させることができる。すなわち、TiN膜をCVD法ではなくALD法により形成することで、TiN膜の抵抗率を低減することができ、ゲート電極の電気的特性を向上させることができる。   By forming the TiN film as the second nitride film constituting the upper layer of the gate electrode by the ALD method instead of the CVD method, the characteristics of a semiconductor device such as a CMOS can be improved. That is, by forming the TiN film by the ALD method instead of the CVD method, the resistivity of the TiN film can be reduced, and the electrical characteristics of the gate electrode can be improved.

また、本実施形態では、第2窒化膜としてのTiN膜を形成する際の処理温度を350℃以上550℃以下の範囲内であって、例えば550℃に高めることで、第2窒化膜としてのTiN膜の抵抗率をいっそう低減することができる。   In the present embodiment, the processing temperature when forming the TiN film as the second nitride film is within a range of 350 ° C. or higher and 550 ° C. or lower, and is increased to, for example, 550 ° C. The resistivity of the TiN film can be further reduced.

(降温工程S170、常圧復帰工程S180)
第1窒化膜としてのTiAlN膜と第2窒化膜としてのTiN膜との積層膜が形成されたら、ヒータ207への電力供給を停止し、ボート217およびウエハ200を所定の温度にまで降下させる。温度を降下させる間、バルブ254a,254b,254cを開放したまま維持し、処理室201内にパージガスの供給を継続する。これにより、処理室201内をパージガスで置換すると共に、処理室201内の圧力を常圧に復帰させる。
(Temperature drop step S170, normal pressure return step S180)
When the laminated film of the TiAlN film as the first nitride film and the TiN film as the second nitride film is formed, the power supply to the heater 207 is stopped, and the boat 217 and the wafer 200 are lowered to a predetermined temperature. While the temperature is lowered, the valves 254a, 254b, and 254c are kept open, and the supply of the purge gas into the processing chamber 201 is continued. Thereby, the inside of the processing chamber 201 is replaced with the purge gas, and the pressure in the processing chamber 201 is returned to the normal pressure.

(基板搬出工程S190)
ウエハ200が所定の温度にまで降下し、処理室201内が常圧に復帰したら、上述の基板搬入工程S110の手順とは逆の手順により、ボートエレベータ115によりシールキャップ219を下降して、マニホールド209の下端を開口するとともに、処理済のウエハ200を保持したボート217をマニホールド209の下端から反応管203の外部に搬出(ボートアンロード)する。その後、処理済みのウエハ200はボート217より取り出される(ウエハディスチャージ)。なお、ボート217を搬出するときには、バルブ254a,254b,254cを開け、処理室201内にパージガスを供給し続けることが好ましい。以上により、本実施形態に係る基板処理工程を終了する。
(Substrate unloading step S190)
When the wafer 200 is lowered to a predetermined temperature and the inside of the processing chamber 201 is returned to normal pressure, the seal cap 219 is lowered by the boat elevator 115 by a procedure reverse to the procedure of the substrate loading step S110 described above, and the manifold The lower end of 209 is opened, and the boat 217 holding the processed wafer 200 is unloaded from the lower end of the manifold 209 to the outside of the reaction tube 203 (boat unloading). Thereafter, the processed wafer 200 is taken out from the boat 217 (wafer discharge). Note that when the boat 217 is carried out, it is preferable that the valves 254 a, 254 b, and 254 c are opened and the purge gas is continuously supplied into the processing chamber 201. Thus, the substrate processing process according to this embodiment is completed.

(5)本実施形態に係る効果
本実施形態によれば、以下に示すひとつまたは複数の効果を奏する。
(5) Effects according to the present embodiment According to the present embodiment, the following one or more effects are achieved.

(a)本実施形態によれば、第1窒化膜形成工程と第2窒化膜形成工程とを実施して、第1窒化膜としてのTiAlN膜と第2窒化膜としてのTiN膜との積層構造を、同一の処理室201内で連続的に形成している。これにより、ゲート電極の積層構造を別々の基板処理装置や処理室内で形成する必要がなく、製造コストを低減し、生産性を向上させることができる。また、ゲート電極の積層構造を、真空度の保たれた同一の処理室201内で連続的に形成することにより、半導体デバイスの特性を向上させることができる。すなわち、ゲート電極の積層構造の形成途中でウエハ200を処理室201外へ搬出しないため、例えばゲート電極の下層を構成するTiAlN膜等が大気に曝されること等を回避でき、ゲート電極の酸化や、ゲート電極中への異物の混入等を抑制することができる。 (A) According to the present embodiment, the first nitride film forming step and the second nitride film forming step are performed, and a laminated structure of a TiAlN film as the first nitride film and a TiN film as the second nitride film Are continuously formed in the same processing chamber 201. Accordingly, it is not necessary to form a stacked structure of gate electrodes in separate substrate processing apparatuses or processing chambers, and manufacturing costs can be reduced and productivity can be improved. In addition, by continuously forming the stacked structure of the gate electrodes in the same processing chamber 201 in which the degree of vacuum is maintained, the characteristics of the semiconductor device can be improved. That is, since the wafer 200 is not carried out of the processing chamber 201 during the formation of the gate electrode laminated structure, for example, exposure of the TiAlN film or the like constituting the lower layer of the gate electrode to the atmosphere can be avoided, and the oxidation of the gate electrode can be avoided. In addition, the entry of foreign matter into the gate electrode can be suppressed.

(b)また、本実施形態によれば、ゲート電極の下層(拡散抑制膜)を構成する第1窒化膜を、TiN膜ではなくTiAlN膜により形成している。これにより、CMOS等の半導体デバイスの特性を向上させることができる。例えば、pMOSトランジスタでは、ゲート絶縁膜に接する第1窒化膜の仕事関数は大きいほうが好ましく、nMOSトランジス
タでは、ゲート絶縁膜に接する第1窒化膜の仕事関数は小さいほうが好ましい。本実施形態では、ゲート絶縁膜に接する第1窒化膜をTiAlN膜により形成し、さらに、TiAlN膜中のTiとAlとの組成比を制御することにより、第1窒化膜の仕事関数を制御することができる。そして、要求特性の異なるpMOSトランジスタとnMOSトランジスタとのそれぞれに対し、所望の特性を有するゲート電極を提供することができる。すなわち、TiN中に添加されるAlは仕事関数を下げる性質を有するため、Alに対するTiの組成比を相対的に高めたTiAlN膜(TiリッチなTiAlN膜)を第1窒化膜として形成することで、pMOSトランジスタに好適なゲート電極を提供することができ、Tiに対するAlの組成比を相対的に高めたTiAlN膜(AlリッチなTiAlN膜)を第1窒化膜として形成することで、nMOSトランジスタに好適なゲート電極を提供することが出来る。
(B) According to the present embodiment, the first nitride film constituting the lower layer (diffusion suppression film) of the gate electrode is formed not by the TiN film but by the TiAlN film. Thereby, characteristics of a semiconductor device such as a CMOS can be improved. For example, in the pMOS transistor, the work function of the first nitride film in contact with the gate insulating film is preferably large, and in the nMOS transistor, the work function of the first nitride film in contact with the gate insulating film is preferably small. In this embodiment, the first nitride film in contact with the gate insulating film is formed of a TiAlN film, and the work function of the first nitride film is controlled by controlling the composition ratio of Ti and Al in the TiAlN film. be able to. A gate electrode having desired characteristics can be provided for each of the pMOS transistor and the nMOS transistor having different required characteristics. That is, since Al added to TiN has the property of lowering the work function, a TiAlN film (Ti-rich TiAlN film) with a relatively high Ti composition ratio relative to Al is formed as the first nitride film. A gate electrode suitable for a pMOS transistor can be provided, and by forming a TiAlN film (Al-rich TiAlN film) having a relatively high Al composition ratio with respect to Ti as a first nitride film, the nMOS transistor A suitable gate electrode can be provided.

(c)また、本実施形態によれば、第1窒化膜としてのTiAlN膜を、第3窒化膜形成工程と第4窒化膜形成工程とを1セットとしてこのセットを所定回数実施することにより形成している。これにより、TiAlN膜中のTiとAlとの組成比を容易かつ高精度に制御できる。すなわち、第3窒化膜形成工程における所定回数実施工程S145aでの実施回数(図5のp回)と、第4窒化膜形成工程における所定回数実施工程S145bでの実施回数(図5のq回)との比率を調整し、第3窒化膜としてのTiN膜の膜厚と、第4窒化膜としてのAlN膜の膜厚との比率を調整することで、TiAlN膜中のTiとAlとの組成比を容易に制御することが出来る。これにより、ゲート電極の下層の仕事関数を、容易かつ高精度に制御できる。 (C) According to the present embodiment, the TiAlN film as the first nitride film is formed by performing the set a predetermined number of times with the third nitride film forming step and the fourth nitride film forming step as one set. doing. Thereby, the composition ratio of Ti and Al in the TiAlN film can be controlled easily and with high accuracy. That is, the predetermined number of executions in the third nitride film formation step S145a (p times in FIG. 5) and the predetermined number of executions in the fourth nitride film formation step S145b (q times in FIG. 5). The composition of Ti and Al in the TiAlN film is adjusted by adjusting the ratio of the thickness of the TiN film as the third nitride film and the thickness of the AlN film as the fourth nitride film. The ratio can be easily controlled. Thereby, the work function of the lower layer of the gate electrode can be controlled easily and with high accuracy.

(d)また、本実施形態によれば、第4窒化膜としてのAlN膜を形成する際の処理温度(ウエハ200の温度)を、350℃以下であって、例えば350℃としている。これにより、第4窒化膜としてのAlN膜の膜厚の面内均一性を向上させることができる。その結果、第1窒化膜としてのTiAlN膜の膜厚の面内均一性や、TiAlN膜中のAl濃度分布の均一性をそれぞれ向上させることができる。 (D) According to the present embodiment, the processing temperature (the temperature of the wafer 200) when forming the AlN film as the fourth nitride film is 350 ° C. or lower, for example, 350 ° C. Thereby, the in-plane uniformity of the film thickness of the AlN film as the fourth nitride film can be improved. As a result, the in-plane uniformity of the thickness of the TiAlN film as the first nitride film and the uniformity of the Al concentration distribution in the TiAlN film can be improved.

(e)また、本実施形態によれば、ゲート電極の上層(低抵抗金属膜)を構成する第2窒化膜としてのTiN膜を、CVD法ではなくALD法により形成する。つまり、チタン含有ガス供給工程S161、排気工程S162、窒素含有ガス供給工程S163、排気工程S164を1サイクルとしてのこのサイクルを所定回数実施(S165)することにより、所定膜厚の第2窒化膜としてのTiN膜を形成する。これにより、CMOS等の半導体デバイスの特性を向上させることができる。すなわち、TiN膜をCVD法ではなくALD法により形成することで、TiN膜の抵抗率を低減することができ、ゲート電極の電気的特性を向上させることができる。 (E) According to the present embodiment, the TiN film as the second nitride film constituting the upper layer (low resistance metal film) of the gate electrode is formed not by the CVD method but by the ALD method. That is, the second nitride film having a predetermined thickness is obtained by performing this cycle, which includes the titanium-containing gas supply process S161, the exhaust process S162, the nitrogen-containing gas supply process S163, and the exhaust process S164, as a single cycle (S165). A TiN film is formed. Thereby, characteristics of a semiconductor device such as a CMOS can be improved. That is, by forming the TiN film by the ALD method instead of the CVD method, the resistivity of the TiN film can be reduced, and the electrical characteristics of the gate electrode can be improved.

(f)また、本実施形態によれば、第2窒化膜としてのTiN膜を形成する際の処理温度(ウエハ200の温度)を、350℃以上550℃以下の範囲内であって、例えば550℃としている。これによって、TiN膜の抵抗率をいっそう低減させることができる。 (F) Further, according to the present embodiment, the processing temperature (temperature of the wafer 200) when forming the TiN film as the second nitride film is in the range of 350 ° C. or more and 550 ° C. or less, for example, 550 ℃. Thereby, the resistivity of the TiN film can be further reduced.

図7に、ALD法により形成されたTiN膜(ALD−TiN膜)の抵抗率と、CVD法により形成されたTiN膜(CVD−TiN膜)の抵抗率とをそれぞれ示す。図7の横軸は各形成方法における処理温度(℃)を示し、縦軸は抵抗率(μΩ・cm)を示している。図中、●印はALD−TiN膜の抵抗率を示し、△印はCVD−TiN膜の抵抗率を示している。   FIG. 7 shows the resistivity of the TiN film (ALD-TiN film) formed by the ALD method and the resistivity of the TiN film (CVD-TiN film) formed by the CVD method, respectively. The horizontal axis of FIG. 7 shows the processing temperature (° C.) in each forming method, and the vertical axis shows the resistivity (μΩ · cm). In the figure, the mark ● indicates the resistivity of the ALD-TiN film, and the mark Δ indicates the resistivity of the CVD-TiN film.

図7に示すように、少なくとも350℃以上550℃以下の範囲内の温度領域においては、ALD−TiN膜の方が、CVD−TiN膜に比べて抵抗率が低く、いずれも200μΩ・cm以下の抵抗率であった。なお、CVD−TiN膜、ALD−TiN膜ともに、
処理温度を上げると抵抗率がそれぞれ低下することが分かる。
As shown in FIG. 7, in a temperature range of at least 350 ° C. or more and 550 ° C. or less, the ALD-TiN film has a lower resistivity than the CVD-TiN film, and both are 200 μΩ · cm or less. It was resistivity. In addition, both CVD-TiN film and ALD-TiN film,
It can be seen that the resistivity decreases as the processing temperature is increased.

<本発明の第2実施形態>
次に、本発明の第2実施形態に係る基板処理工程について説明する。本実施形態に係る基板処理工程では、第1窒化膜形成工程におけるTiClガス、TMAガス、NHガスの供給順序が上述の実施形態とは異なる。すなわち、第3窒化膜としてのTiN膜と第4窒化膜としてのAlN膜とが交互に積層してなるTiAlN膜を形成するのではなく、TiClガス、TMAガスを順次供給した後、まとめてNHガスを供給し、Ti原子とAl原子とが厚さ方向により均一かつ連続的に分散してなるTiAlN膜を形成する点が、上述の実施形態と異なる。他の構成については、上述の実施形態と同様である。以下、主に異なる点について説明する。
<Second Embodiment of the Present Invention>
Next, a substrate processing process according to the second embodiment of the present invention will be described. In the substrate processing step according to the present embodiment, the supply order of TiCl 4 gas, TMA gas, and NH 3 gas in the first nitride film forming step is different from that in the above-described embodiment. That is, instead of forming a TiAlN film in which a TiN film as a third nitride film and an AlN film as a fourth nitride film are alternately stacked, TiCl 4 gas and TMA gas are sequentially supplied, and then collectively It differs from the above-described embodiment in that NH 3 gas is supplied to form a TiAlN film in which Ti atoms and Al atoms are uniformly and continuously dispersed in the thickness direction. About another structure, it is the same as that of the above-mentioned embodiment. Hereinafter, mainly different points will be described.

(1)基板処理工程
以下に、本実施形態に係る基板処理工程について、主に図8および図9を用いて説明する。図8は、本実施形態に係る基板処理工程を例示するフロー図であり、図9は、本実施形態に係る基板処理工程のガス供給タイミング図である。なお、本実施形態に係る基板処理工程も、図2及び図3の処理炉202を用いて実施される。また、各部の動作はコントローラ280により制御される。
(1) Substrate Processing Step The substrate processing step according to the present embodiment will be described below mainly using FIG. 8 and FIG. FIG. 8 is a flowchart illustrating the substrate processing process according to this embodiment, and FIG. 9 is a gas supply timing chart of the substrate processing process according to this embodiment. The substrate processing process according to this embodiment is also performed using the processing furnace 202 of FIGS. The operation of each unit is controlled by the controller 280.

(基板搬入工程S210〜昇温工程S230)
基板搬入工程S210、減圧工程S220、昇温工程S230の各工程は、上述の実施形態の各工程S110〜S130と同様の手順にて行う。
(Substrate carrying-in process S210-temperature rising process S230)
Each process of board | substrate carrying-in process S210, pressure reduction process S220, and temperature rising process S230 is performed in the procedure similar to each process S110-S130 of the above-mentioned embodiment.

(第1窒化膜形成工程)
続いて、後述する工程S241a〜工程S250を実施して、ウエハ200上に予め形成されたHfO膜上に、第1窒化膜としてのTiAlN膜を形成する。これについて、以下に詳述する。
(First nitride film forming step)
Subsequently, Steps S241a to S250 to be described later are performed to form a TiAlN film as a first nitride film on the HfO film formed in advance on the wafer 200. This will be described in detail below.

(チタン含有ガス供給工程S241a)
チタン含有ガス供給工程S241aでは、上述の実施形態に係るチタン含有ガス供給工程S141aと同様の手順及び処理条件にて、処理室201内にTi含有ガスとしてのTiClガスを供給する。これにより、ウエハ200上に予め形成されたHfO膜上にTi含有層が形成される。
(Titanium-containing gas supply step S241a)
In the titanium-containing gas supply step S241a, TiCl 4 gas as a Ti-containing gas is supplied into the processing chamber 201 in the same procedure and processing conditions as the titanium-containing gas supply step S141a according to the above-described embodiment. As a result, a Ti-containing layer is formed on the HfO film previously formed on the wafer 200.

(排気工程S242a)
上述の実施形態に係る排気工程S142aと同様の手順にて処理室201内の雰囲気を排気し、また、処理室201内をパージする。
(Exhaust process S242a)
The atmosphere in the processing chamber 201 is exhausted and the inside of the processing chamber 201 is purged in the same procedure as the exhausting step S142a according to the above-described embodiment.

(アルミニウム含有ガス供給工程S241b)
上述の実施形態に係るアルミニウム含有ガス供給工程S141bと同様の手順及び処理条件にて、処理室201内にAl含有ガスとしてのTMAガスを供給する。これにより、Ti含有層上にAl含有層が形成される。或いは、Ti含有層とAl含有層とが交じり合った層が形成される。なお、以下においては、これらすべてを指してTiAl含有層ともいう。
(Aluminum-containing gas supply step S241b)
A TMA gas as an Al-containing gas is supplied into the processing chamber 201 by the same procedure and processing conditions as in the aluminum-containing gas supply step S141b according to the above-described embodiment. Thereby, an Al-containing layer is formed on the Ti-containing layer. Alternatively, a layer in which a Ti-containing layer and an Al-containing layer are mixed is formed. In the following, all of these are also referred to as TiAl-containing layers.

(排気工程S242b)
上述の実施形態に係る排気工程S142bと同様の手順にて処理室201内の雰囲気を排気し、また、処理室201内をパージする。
(Exhaust process S242b)
The atmosphere in the processing chamber 201 is exhausted and the inside of the processing chamber 201 is purged in the same procedure as the exhausting step S142b according to the above-described embodiment.

(窒素含有ガス供給工程S241c)
窒素含有ガス供給工程S241cでは、上述の実施形態に係る窒素含有ガス供給工程S143a,S143bと同様の手順及び処理条件にて、処理室201内に窒素含有ガスとしてのNHガスを供給する。これにより、TiAl含有層が窒化されてTiAlN層が形成される。
(Nitrogen-containing gas supply step S241c)
In the nitrogen-containing gas supply step S241c, NH 3 gas as a nitrogen-containing gas is supplied into the processing chamber 201 in the same procedure and processing conditions as the nitrogen-containing gas supply steps S143a and S143b according to the above-described embodiment. As a result, the TiAl-containing layer is nitrided to form a TiAlN layer.

(排気工程S242c)
上述の実施形態に係る排気工程S144a,S144bと同様の手順にて処理室201内の雰囲気を排気し、また、処理室201内をパージする。
(Exhaust process S242c)
The atmosphere in the processing chamber 201 is evacuated and the inside of the processing chamber 201 is purged in the same procedure as the exhaust steps S144a and S144b according to the above-described embodiment.

このように、本実施形態では、TiClガス、TMAガス、NHガスをそれぞれ独立して供給し、さらに各供給工程の間で排気工程S242a,S242b,S242cを実施することで、TiClガスとTMAガスとNHガスとが異種ガス間で互いに混合しないようにしている。 As described above, in the present embodiment, TiCl 4 gas, TMA gas, and NH 3 gas are independently supplied, and the exhaust steps S242a, S242b, and S242c are further performed between the supply steps, whereby the TiCl 4 gas is supplied. And TMA gas and NH 3 gas are prevented from mixing with each other between different gases.

(所定回数実施工程S250)
上述の工程S241a〜工程S242cを1サイクルとしてこのサイクルを所定回数実施して、ウエハ200上に形成されたHfO膜上に所定膜厚、例えば2nm以上10nm以下の厚さの第1窒化膜としてのTiAlN膜を形成する。図9に、サイクルの実施回数をm回とする例を示す。工程S241a〜工程S242cのサイクルの実施回数(mの数値)を調整することで、TiAlN膜の厚さを制御することができる。
(Predetermined number of execution steps S250)
The above-described steps S241a to S242c are set as one cycle, and this cycle is performed a predetermined number of times to form a first nitride film having a predetermined film thickness, for example, a thickness of 2 nm to 10 nm on the HfO film formed on the wafer 200. A TiAlN film is formed. FIG. 9 shows an example in which the number of cycles is m. The thickness of the TiAlN film can be controlled by adjusting the number of execution times (numerical value of m) of the steps S241a to S242c.

なお、上記においては、TiClガス、TMAガス、NHガスの順に供給することとしたが、供給順はこれに限られず、例えばTMAガス、TiClガス、NHガスの供給順に供給してもよい。 In the above description, TiCl 4 gas, TMA gas, and NH 3 gas are supplied in this order. However, the supply order is not limited to this. For example, TMA gas, TiCl 4 gas, and NH 3 gas are supplied in the order of supply. Also good.

(第2窒化膜形成工程)
続いて、上述の実施形態に係る各工程S161〜S164と同様の手順及び処理条件にて、図8の工程S261〜工程S264を1サイクルとしてこのサイクルを所定回数実施(S265)することにより、第1窒化膜としてのTiAlN膜上に、所定膜厚、例えば5nm以上30nm以下の厚さの第2窒化膜としてのTiN膜を形成する。図9に、サイクルの実施回数をn回とする例を示す。工程S261〜工程S264の実施回数(nの数値)を調整することで、TiN膜の厚さを制御することができる。
(Second nitride film forming step)
Subsequently, with the same procedure and processing conditions as the steps S161 to S164 according to the above-described embodiment, the steps S261 to S264 in FIG. 8 are set as one cycle and this cycle is performed a predetermined number of times (S265). A TiN film as a second nitride film having a predetermined film thickness, for example, a thickness of 5 nm to 30 nm is formed on the TiAlN film as the first nitride film. FIG. 9 shows an example in which the number of executions of the cycle is n. The thickness of the TiN film can be controlled by adjusting the number of executions (the value of n) of step S261 to step S264.

(降温工程S270〜基板搬出工程S290)
降温工程S270、常圧復帰工程S280、基板搬出工程S290の各工程は、上述の実施形態の各工程S170〜S190と同様の手順にて行う。以上により、本実施形態に係る基板処理工程を終了する。
(Temperature lowering step S270 to substrate carrying out step S290)
The steps of the temperature lowering step S270, the normal pressure returning step S280, and the substrate carrying out step S290 are performed in the same procedure as the steps S170 to S190 of the above-described embodiment. Thus, the substrate processing process according to this embodiment is completed.

(2)本実施形態に係る効果
本実施形態においても、上述の実施形態と同様の効果を奏する。
(2) Effects according to the present embodiment The same effects as those of the above-described embodiment are also achieved in the present embodiment.

(a)また、本実施形態によれば、TiClガス、TMAガス及びNHガスを所定の順序で所定回数供給する。これによって、上述の実施形態のようにTiN膜とAlN膜とが交互に積層してなるTiAlN膜ではなく、Ti原子とAl原子とが厚さ方向により均一かつ連続的に分散してなるTiAlN膜を形成することができる。上述の実施形態のようにTiN膜とAlN膜とを交互に積み重ねてTiAlN膜とするか、或いは本実施形態のようにより均一かつ連続的なTiAlN膜とするかは、所望の半導体デバイスの要求特性等に応じて適宜、選択することができる。 (A) According to the present embodiment, TiCl 4 gas, TMA gas, and NH 3 gas are supplied a predetermined number of times in a predetermined order. Thus, the TiAlN film in which Ti atoms and Al atoms are uniformly and continuously dispersed in the thickness direction is not a TiAlN film in which TiN films and AlN films are alternately stacked as in the above-described embodiment. Can be formed. Whether the TiN film and the AlN film are alternately stacked to form a TiAlN film as in the above-described embodiment, or a more uniform and continuous TiAlN film as in the present embodiment, depends on the required characteristics of the semiconductor device. It can be appropriately selected according to the above.

(b)また、本実施形態によれば、各ガスの供給順をTiClガス、TMAガス、NH
ガスの順、或いはTMAガス、TiClガス、NHガスの順とする。これによって、1回の窒素含有ガス供給工程S241cで、Ti含有層とAl含有層とを同時に窒化することができ、ガス供給の工程数を削減することができる。よって、生産性をさらに向上させることができる。
(B) Further, according to the present embodiment, the supply order of each gas is TiCl 4 gas, TMA gas, NH
The order is 3 gases, or TMA gas, TiCl 4 gas, NH 3 gas. Accordingly, the Ti-containing layer and the Al-containing layer can be simultaneously nitrided in one nitrogen-containing gas supply step S241c, and the number of gas supply steps can be reduced. Therefore, productivity can be further improved.

(c)また、本実施形態によれば、TiClガス及びTMAガスの供給時間、供給流量又は供給回数の少なくともいずれかを制御して、TiAlN膜中のTiとAlとの組成比を自在に制御することができる。これによって、半導体デバイスの特性をいっそう向上させることができる。 (C) Further, according to the present embodiment, the composition ratio of Ti and Al in the TiAlN film is freely controlled by controlling at least one of the supply time, supply flow rate, and supply frequency of the TiCl 4 gas and the TMA gas. Can be controlled. As a result, the characteristics of the semiconductor device can be further improved.

以下に、本実施形態の変形例として、TiとAlとの組成比の制御方法について説明する。なお、これらの手法は、単独で用いる場合に限らず、任意に組み合わせることが出来る。   Below, the control method of the composition ratio of Ti and Al is demonstrated as a modification of this embodiment. Note that these methods are not limited to being used alone, but can be arbitrarily combined.

(変形例1)
本実施形態の変形例1について、図10を用いて説明する。図10は、本変形例に係る基板処理工程のガス供給タイミング図であって、(a)はTi含有ガスの供給時間を延ばした図であり、(b)はAl含有ガスの供給時間を延ばした図である。
(Modification 1)
Modification 1 of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a gas supply timing chart of the substrate processing process according to the present modification, where (a) is a diagram in which the supply time of the Ti-containing gas is extended, and (b) is a graph in which the supply time of the Al-containing gas is extended. It is a figure.

図10(a)に示すように、第1窒化膜形成工程におけるTi含有ガスの供給時間を、Al含有ガスの供給時間よりも相対的に長くすれば、TiAlN膜中のAlに対するTiの組成比を相対的に高めることができる。また、図10(b)に示すように、第1窒化膜形成工程におけるTi含有ガスの供給時間よりも、Al含有ガスの供給時間を相対的に長くすれば、TiAlN膜中のTiに対するAlの組成比を相対的に高めることができる。   As shown in FIG. 10A, if the supply time of the Ti-containing gas in the first nitride film forming step is relatively longer than the supply time of the Al-containing gas, the composition ratio of Ti to Al in the TiAlN film Can be relatively increased. Further, as shown in FIG. 10B, if the supply time of the Al-containing gas is relatively longer than the supply time of the Ti-containing gas in the first nitride film forming step, the Al content relative to Ti in the TiAlN film is increased. The composition ratio can be relatively increased.

(変形例2)
本実施形態の変形例2について、図11を用いて説明する。図11は、本変形例に係る基板処理工程のガス供給タイミング図であって、(a)はTi含有ガスの供給流量を増やした図であり、(b)はAl含有ガスの供給流量を増やした図である。
(Modification 2)
A second modification of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a gas supply timing chart of the substrate processing step according to the present modification, where (a) is a diagram in which the supply flow rate of the Ti-containing gas is increased, and (b) is an increase in the supply flow rate of the Al-containing gas. It is a figure.

図11(a)に示すように、第1窒化膜形成工程におけるTi含有ガスの供給流量を、Al含有ガスの供給流量よりも相対的に多くすれば、TiAlN膜中のAlに対するTiの組成比を相対的に高めることができる。また、図11(b)に示すように、第1窒化膜形成工程におけるTi含有ガスの供給流量よりも、Al含有ガスの供給流量を相対的に多くすれば、TiAlN膜中のTiに対するAlの組成比を相対的に高めることができる。   As shown in FIG. 11A, if the supply flow rate of the Ti-containing gas in the first nitride film forming step is relatively larger than the supply flow rate of the Al-containing gas, the composition ratio of Ti to Al in the TiAlN film. Can be relatively increased. In addition, as shown in FIG. 11B, if the supply flow rate of the Al-containing gas is relatively higher than the supply flow rate of the Ti-containing gas in the first nitride film forming step, the Al content relative to Ti in the TiAlN film is increased. The composition ratio can be relatively increased.

なお、本実施形態のようにガス供給をバブリング方式とした場合、各ガスの供給流量は、例えば各ガスの液体原料容器が備えるヒータにより制御することができる。すなわち、TiCl容器261c及びTMA容器261b内の温度を上昇させれば、液体原料の揮発量を増加させて処理室201内へのガスの供給流量を増加させることができる。また、TiCl容器261c及びTMA容器261b内の温度を低下させれば、液体原料の揮発量を減少させて処理室201内へのガスの供給流量を減少させることができる。 When the gas supply is a bubbling method as in this embodiment, the supply flow rate of each gas can be controlled by, for example, a heater provided in the liquid source container for each gas. That is, if the temperature in the TiCl 4 container 261c and the TMA container 261b is increased, the volatilization amount of the liquid source can be increased and the gas supply flow rate into the processing chamber 201 can be increased. Moreover, if the temperature in the TiCl 4 container 261c and the TMA container 261b is lowered, the volatilization amount of the liquid raw material can be reduced and the gas supply flow rate into the processing chamber 201 can be reduced.

(変形例3)
本実施形態の変形例3について、図12を用いて説明する。図12は、本変形例に係る基板処理工程のガス供給タイミング図であって、(a)はAl含有ガスの供給回数を減らした図であり、(b)はTi含有ガスの供給回数を減らした図である。
(Modification 3)
A third modification of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a gas supply timing chart of the substrate processing step according to the present modification, where (a) is a diagram in which the number of times of supply of the Al-containing gas is reduced, and (b) is a diagram in which the number of times of supply of the Ti-containing gas is reduced. It is a figure.

図12(a)に示すように、第1窒化膜形成工程おけるTi含有ガスの供給回数を、Al含有ガスの供給回数よりも相対的に多くすれば、TiAlN膜中のAlに対するTiの
組成比を相対的に高めることができる。また、図12(b)に示すように、第1窒化膜形成工程おけるTi含有ガスの供給回数を、Al含有ガスの供給回数よりも相対的に少なくすれば、TiAlN膜中のTiに対するAlの組成比を相対的に高めることができる。
As shown in FIG. 12A, if the Ti-containing gas supply frequency in the first nitride film forming step is relatively larger than the Al-containing gas supply frequency, the composition ratio of Ti to Al in the TiAlN film. Can be relatively increased. Further, as shown in FIG. 12B, if the Ti-containing gas supply frequency in the first nitride film forming step is relatively smaller than the Al-containing gas supply frequency, the Al content relative to Ti in the TiAlN film is reduced. The composition ratio can be relatively increased.

なお、図12(a),(b)には、Ti含有ガス及びAl含有ガスの供給回数が、それぞれ3回:1回,1回:3回となる場合について示したが、係る供給回数の値や比率は、所望の組成比に応じて適宜、変更可能である。   12 (a) and 12 (b) show the case where the supply times of the Ti-containing gas and the Al-containing gas are 3 times: 1 time, 1 time: 3 times, respectively. Values and ratios can be appropriately changed according to a desired composition ratio.

<本発明の第3実施形態>
次に、本発明の第3実施形態に係る基板処理工程について説明する。本実施形態に係る基板処理工程では、第3窒化膜としてのTiN膜を、ALD法により形成するのではなく、TiClガスとNHガスとを同時かつ間欠的(パルス的)に供給して排気するパルスモードCVD法により形成する点が、第1の実施形態と異なる。また、第4窒化膜としてのAlN膜を、ALD法により形成するのではなく、TMAガスとNHガスとを同時かつ間欠的(パルス的)に供給して排気するパルスモードCVD法により形成する点が、第1の実施形態と異なる。また、パルスモードCVD法を第2窒化膜としてのTiN膜の形成にも適用する。その他の構成については、第1実施形態と同様である。以下、主に異なる点について説明する。
<Third embodiment of the present invention>
Next, a substrate processing process according to the third embodiment of the present invention will be described. In the substrate processing step according to the present embodiment, a TiN film as a third nitride film is not formed by the ALD method, but TiCl 4 gas and NH 3 gas are supplied simultaneously and intermittently (pulse-like). It differs from the first embodiment in that it is formed by a pulse mode CVD method for exhausting. Further, the AlN film as the fourth nitride film is not formed by the ALD method, but is formed by the pulse mode CVD method in which TMA gas and NH 3 gas are supplied simultaneously and intermittently (pulsed) and exhausted. The point is different from the first embodiment. The pulse mode CVD method is also applied to the formation of a TiN film as the second nitride film. About another structure, it is the same as that of 1st Embodiment. Hereinafter, mainly different points will be described.

(1)基板処理工程
以下に、本実施形態に係る基板処理工程について、主に図13を用いて説明する。図13は、本実施形態に係る基板処理工程のガス供給タイミング図である。なお、本実施形態に係る基板処理工程も、図2及び図3の処理炉202を用いて実施される。また、各部の動作はコントローラ280により制御される。
(1) Substrate Processing Step The substrate processing step according to the present embodiment will be described below mainly using FIG. FIG. 13 is a gas supply timing chart of the substrate processing step according to the present embodiment. The substrate processing process according to this embodiment is also performed using the processing furnace 202 of FIGS. The operation of each unit is controlled by the controller 280.

(第1窒化膜形成工程)
本実施形態では、第1実施形態の工程S110〜工程S130と同様の工程を実施した後、後述する第3窒化膜形成工程及び第4窒化膜形成工程を順に実施して、ウエハ200上に形成されたHfO膜上に、第1窒化膜としてのTiAlN膜を形成する。
(First nitride film forming step)
In this embodiment, after performing steps similar to steps S110 to S130 of the first embodiment, a third nitride film forming step and a fourth nitride film forming step, which will be described later, are sequentially performed to form on the wafer 200. A TiAlN film as a first nitride film is formed on the formed HfO film.

(第3窒化膜形成工程)
第3窒化膜形成工程では、処理室201内にTiClガスとNHガスとを同時かつ間欠的(パルス的)に供給して排気する工程を所定回数実施し、第3窒化膜としてのTiN膜を形成する。TiClガス及びNHガスの供給は、第1実施形態に係るチタン含有ガス供給工程S141a及び窒素含有ガス供給工程S143aと同様に行う。また、このときの処理条件を、例えば以下のようにすることができる。
処理室内圧力:10Pa以上900Pa以下の範囲であって、例えば20Pa、
TiClガスの供給流量:0.1g/min以上1.0g/min以下の範囲内、
NHガスの供給流量:0.1slm以上15slm以下の範囲内、
ガス供給時間:2秒以上90秒以下の範囲内
(Third nitride film forming step)
In the third nitride film forming step, the process of supplying and exhausting TiCl 4 gas and NH 3 gas simultaneously and intermittently (pulse-like) into the processing chamber 201 is performed a predetermined number of times, and TiN as the third nitride film is formed. A film is formed. The supply of TiCl 4 gas and NH 3 gas is performed similarly to the titanium-containing gas supply step S141a and the nitrogen-containing gas supply step S143a according to the first embodiment. Further, the processing conditions at this time can be set as follows, for example.
Processing chamber pressure: 10 Pa to 900 Pa, for example, 20 Pa,
Supply flow rate of TiCl 4 gas: within a range of 0.1 g / min to 1.0 g / min,
NH 3 gas supply flow rate: within a range of 0.1 slm to 15 slm,
Gas supply time: Within 2 to 90 seconds

(第4窒化膜形成工程)
第4窒化膜形成工程では、処理室201内にTMAガスとNHガスとを同時かつ間欠的(パルス的)に供給して排気する工程を所定回数実施し、第4窒化膜としてのAlN膜を形成する。TMAガス及びNHガスの供給は、第1実施形態に係るアルミニウム含有ガス供給工程S141b及び窒素含有ガス供給工程S143bと同様に行う。また、このときの処理条件を、例えば以下のようにすることができる。
処理室内圧力:10Pa以900Pa以下の範囲であって、例えば20Pa、
TMAガスの供給流量:0.1g/min以上1.0g/min以下の範囲内、
NHガスの供給流量:0.1slm以上15slm以下の範囲内、
ガス供給時間:2秒以上90秒以下の範囲内
(Fourth nitride film forming step)
In the fourth nitride film forming step, a process of supplying and exhausting TMA gas and NH 3 gas simultaneously and intermittently (pulse-like) into the processing chamber 201 is performed a predetermined number of times, and an AlN film as a fourth nitride film Form. The supply of the TMA gas and the NH 3 gas is performed in the same manner as the aluminum-containing gas supply step S141b and the nitrogen-containing gas supply step S143b according to the first embodiment. Further, the processing conditions at this time can be set as follows, for example.
Processing chamber pressure: 10 Pa to 900 Pa, for example, 20 Pa,
TMA gas supply flow rate: within a range of 0.1 g / min to 1.0 g / min,
NH 3 gas supply flow rate: within a range of 0.1 slm to 15 slm,
Gas supply time: Within 2 to 90 seconds

なお、第3、第4窒化膜形成工程において、各ガスを「同時に供給する」とは、各ガスを供給している時間が少しでも重なることをいう。つまり、各ガスの供給開始と停止とのいずれか一方又は両方のタイミングが一致している場合を含むほか、各ガスの供給開始と停止とのタイミングが両方ともずれている場合も含む。   In the third and fourth nitride film forming steps, “supplying each gas simultaneously” means that the time during which each gas is supplied overlaps even a little. That is, in addition to the case where the timing of one or both of the supply start and stop of each gas coincides, the case where the timings of the start and stop of supply of each gas are shifted are also included.

(所定回数実施工程S250)
上述の第3窒化膜形成工程と第4窒化膜形成工程とを1セットとしてこのセットを所定回数実施することにより、ウエハ200上に予め形成されたHfO膜上に、所定膜厚のTiAlN膜を形成する。
(Predetermined number of execution steps S250)
By carrying out this set a predetermined number of times with the above-described third nitride film forming step and fourth nitride film forming step as a set, a TiAlN film having a predetermined film thickness is formed on the HfO film previously formed on the wafer 200. Form.

(第2窒化膜形成工程)
上述の本実施形態に係る第3窒化膜形成工程と同様の手順及び処理条件にて、第1窒化膜としてのTiAlN膜の上に第2窒化膜としてのTiN膜を形成する。
(Second nitride film forming step)
A TiN film as the second nitride film is formed on the TiAlN film as the first nitride film by the same procedure and processing conditions as the third nitride film forming step according to the present embodiment described above.

その後、第1実施形態の降温工程S170、常圧復帰工程S180、基板搬出工程S190と同様の工程を順次実施し、本実施形態に係る基板処理工程を終了する。   Thereafter, the same steps as the temperature lowering step S170, the normal pressure return step S180, and the substrate carry-out step S190 of the first embodiment are sequentially performed, and the substrate processing step according to the present embodiment is completed.

(2)本実施形態に係る効果
以上、本実施形態においても、上述の実施形態と同様の効果を奏する。
(2) Effects according to the present embodiment As described above, the present embodiment also has the same effects as the above-described embodiments.

(a)また、本実施形態によれば、処理室201内にTiClガスとNHガスとを同時かつ間欠的(パルス的)に供給して排気する第3窒化膜形成工程と、処理室201内にTMAガスとNHガスとを同時かつ間欠的(パルス的)に供給して排気する第4窒化膜形成工程と、を1セットとしてこのセットを所定回数実施することにより、第1窒化膜としてのTiAlN膜を形成する。このように、各ガスを同時かつ間欠的(パルス的)に供給して排気することで、CVD法の利点とALD法の利点との双方が得られる。 (A) According to the present embodiment, the third nitride film forming step of supplying and exhausting TiCl 4 gas and NH 3 gas simultaneously and intermittently (pulse-like) into the processing chamber 201, and the processing chamber The fourth nitride film forming step of supplying and exhausting TMA gas and NH 3 gas simultaneously and intermittently (pulse-like) into the 201 is performed as a set, and this set is performed a predetermined number of times, thereby performing the first nitridation. A TiAlN film is formed as a film. In this way, both the advantages of the CVD method and the ALD method can be obtained by supplying and exhausting each gas simultaneously and intermittently (pulse-like).

例えば一般的なCVD法では、形成する膜を構成する複数の元素を含む複数種類のガスを基板に同時かつ連続的に供給する。この場合、ALD法にくらべて比較的高い成膜速度を得ることができる。しかしながら、ALD法のような高精度の膜厚制御性や良好なステップカバレッジは得られ難かった。   For example, in a general CVD method, a plurality of types of gases including a plurality of elements constituting a film to be formed are supplied simultaneously and continuously to a substrate. In this case, a relatively high deposition rate can be obtained as compared with the ALD method. However, it has been difficult to obtain highly accurate film thickness controllability and good step coverage as in the ALD method.

本実施形態においては、各ガスを同時かつ間欠的(パルス的)に供給して排気することで、膜厚の制御性やステップカバレッジに優れたALD法の利点を活かしつつ、成膜速度を向上させることが可能となる。   In this embodiment, each gas is supplied simultaneously and intermittently (in a pulse manner) and exhausted, thereby improving the film formation speed while taking advantage of the ALD method with excellent film thickness controllability and step coverage. It becomes possible to make it.

(b)また、本実施形態によれば、TiClガスとNHガス、あるいはTMAガスとNHガス、をそれぞれ単独で供給せずに同時に供給するので、ガス供給の工程数を少なくさせることができる。よって、生産性をさらに向上させることができる。 (B) Further, according to the present embodiment, TiCl 4 gas and NH 3 gas or TMA gas and NH 3 gas are supplied at the same time without being supplied individually, so that the number of gas supply steps can be reduced. Can do. Therefore, productivity can be further improved.

(変形例)
本実施形態の第3窒化膜形成工程及び第4窒化膜形成工程では、複数種のガスを同時かつ間欠的(パルス的)に供給して排気する工程をそれぞれ複数回ずつ実施していたが、本発明は係る形態に限定されない。例えば、図14に例示したように、第3窒化膜形成工程及び第4窒化膜形成工程において、複数種のガスを同時かつ間欠的(パルス的)に供給して排気する工程をそれぞれ1回ずつ実施するようにしてもよい。本変形例は、第2実施形態と第3実施形態とを組み合わせることで得られる。
(Modification)
In the third nitride film forming process and the fourth nitride film forming process of the present embodiment, the process of supplying and exhausting a plurality of types of gases simultaneously and intermittently (pulsed) was performed several times each. The present invention is not limited to such a form. For example, as illustrated in FIG. 14, in the third nitride film forming process and the fourth nitride film forming process, a process of supplying and exhausting a plurality of gases simultaneously and intermittently (pulse-like) is performed once each. You may make it implement. This modification is obtained by combining the second embodiment and the third embodiment.

<本発明の第4実施形態>
次に、本発明の第4実施形態に係る基板処理工程について説明する。本実施形態に係る基板処理工程は、図15に示すように、第3窒化膜形成工程及び第4窒化膜形成工程のそれぞれにおいて、2種類のガスを同時かつ間欠的(パルス的)に供給して排気した後、主にNHガスのみを単独で供給して排気する工程を更に有する点が、第3実施形態とは異なる。また、第2窒化膜形成工程においても、NHガスを単独供給して排気する工程を更に有する。その他の構成については、第3実施形態と同様である。
<Fourth embodiment of the present invention>
Next, a substrate processing process according to the fourth embodiment of the present invention will be described. In the substrate processing process according to the present embodiment, as shown in FIG. 15, two kinds of gases are supplied simultaneously and intermittently (pulse-like) in each of the third nitride film forming process and the fourth nitride film forming process. The third embodiment is different from the third embodiment in that it further includes a step of supplying and exhausting mainly only NH 3 gas independently after exhausting. Further, the second nitride film forming step further includes a step of exhausting by supplying NH 3 gas alone. About another structure, it is the same as that of 3rd Embodiment.

本実施形態では、NHガスを単独供給する工程をさらに追加したので、Ti含有層及びAl含有層の窒化をより確実に行うことができる。 In this embodiment, since the process of supplying NH 3 gas alone is further added, the Ti-containing layer and the Al-containing layer can be nitrided more reliably.

(変形例)
本実施形態の第3窒化膜形成工程及び第4窒化膜形成工程では、複数種のガスを同時かつ間欠的(パルス的)に供給して排気する工程と、主にNHガスのみを単独で供給して排気する工程と、を1サイクルとして、このサイクルをそれぞれ複数回ずつ実施していたが、本発明は係る形態に限定されない。例えば、図16に例示したように、第3窒化膜形成工程及び第4窒化膜形成工程において、複数種のガスを同時かつ間欠的(パルス的)に供給して排気する工程をそれぞれ1回ずつ実施するようにしてもよい。本変形例は、第3実施形態の変形例と第4実施形態とを組み合わせることで得られる。
(Modification)
In the third nitride film forming step and the fourth nitride film forming step of the present embodiment, a process of supplying and exhausting a plurality of types of gases simultaneously and intermittently (pulse-like), and mainly NH 3 gas alone are performed. The process of supplying and exhausting is defined as one cycle, and each cycle is performed a plurality of times. However, the present invention is not limited to this mode. For example, as illustrated in FIG. 16, in the third nitride film forming process and the fourth nitride film forming process, a process of supplying and exhausting plural kinds of gases simultaneously and intermittently (pulse-like) once each. You may make it implement. This modification is obtained by combining the modification of the third embodiment and the fourth embodiment.

なお、図15及び図16には、複数種のガスを同時かつ間欠的(パルス的)に供給して排気する工程の実施する度に、毎回、NHガスを単独供給する工程を実施する例を示したが、NHガスを単独供給する工程のタイミングや回数は、任意に選択することが可能である。 15 and 16 show an example in which the NH 3 gas is supplied independently each time the process of supplying and exhausting plural kinds of gases simultaneously and intermittently (pulse-like) is executed. However, it is possible to arbitrarily select the timing and the number of times of supplying the NH 3 gas independently.

<本発明の第5実施形態>
次に、本発明の第5実施形態に係る基板処理工程について説明する。本実施形態に係る基板処理工程は、図17に示すように、NHガスを間欠的(パルス的)に供給せず、一定の流量で連続的に供給する点が、第4実施形態と異なる。すなわち、本実施形態に係る第3窒化膜形成工程では、NHガスを処理室201内に連続的に供給しつつ、TiClガスを処理室201内に間欠的(パルス的)に供給する工程を所定回数実施する。また、本実施形態に係る第4窒化膜形成工程では、NHガスを処理室201内に連続的に供給しつつ、TMAガスを処理室201内に間欠的(パルス的)に供給する工程を所定回数実施する。また、第2窒化膜形成工程でも、NHガスを処理室201内に連続的に供給しつつ、TiClガスを処理室201内に間欠的(パルス的)に供給する工程を所定回数実施する。その他の構成については、第4実施形態と同様である。
<Fifth embodiment of the present invention>
Next, a substrate processing process according to the fifth embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 17, the substrate processing process according to the present embodiment is different from the fourth embodiment in that NH 3 gas is not supplied intermittently (in a pulse manner) and is continuously supplied at a constant flow rate. . That is, in the third nitride film forming step according to the present embodiment, the step of supplying the TiCl 4 gas intermittently (in a pulse manner) into the processing chamber 201 while continuously supplying the NH 3 gas into the processing chamber 201. Is performed a predetermined number of times. In the fourth nitride film forming step according to the present embodiment, a step of supplying TMA gas intermittently (in a pulse manner) into the processing chamber 201 while continuously supplying NH 3 gas into the processing chamber 201. Perform a predetermined number of times. Further, in the second nitride film forming step, the step of supplying the TiCl 4 gas intermittently (in a pulse manner) into the processing chamber 201 while supplying the NH 3 gas continuously into the processing chamber 201 is performed a predetermined number of times. . About another structure, it is the same as that of 4th Embodiment.

本実施形態では、NHガスを連続的に供給するので、Ti含有層及びAl含有層の窒化をさらに確実に行うことができる。 In this embodiment, since NH 3 gas is continuously supplied, the nitriding of the Ti-containing layer and the Al-containing layer can be performed more reliably.

また、本実施形態では、処理室201内にNHガスの流れが常に形成されることによって、処理室201内でのTiClガス及びTMAガスの拡散を促進することができる。また、処理室201内におけるTiClガス及びTMAガスの流れを安定させることができる。また、NHガスの供給が連続して行われることで、処理室201内の圧力変動が抑制されて、ウエハ200の処理特性を安定させることができ、また、処理室201内での異物(パーティクル)の飛散等を抑制することができる。 In the present embodiment, the flow of NH 3 gas is always formed in the processing chamber 201, so that the diffusion of TiCl 4 gas and TMA gas in the processing chamber 201 can be promoted. In addition, the flow of TiCl 4 gas and TMA gas in the processing chamber 201 can be stabilized. In addition, since the NH 3 gas is continuously supplied, the pressure fluctuation in the processing chamber 201 can be suppressed, the processing characteristics of the wafer 200 can be stabilized, and foreign matter ( Particles) can be suppressed.

また、本実施形態では、NHガスを連続的に供給するので、バルブの開閉動作数を減らすことができ、基板処理装置の制御を簡素化することができる。また、バルブの消耗を抑制することができる。 In this embodiment, since NH 3 gas is continuously supplied, the number of valve opening / closing operations can be reduced, and the control of the substrate processing apparatus can be simplified. Moreover, consumption of the valve can be suppressed.

(変形例)
本実施形態の第3窒化膜形成工程及び第4窒化膜形成工程では、TiClガス又はTMAガスを間欠的(パルス的)に供給して排気する工程をそれぞれ複数回ずつ実施していたが、本発明は係る形態に限定されない。例えば、図18に例示したように、第3窒化膜形成工程及び第4窒化膜形成工程において、TiClガス又はTMAガスを間欠的(パルス的)に供給して排気する工程をそれぞれ1回ずつ実施するようにしてもよい。本変形例は、第4実施形態と第5実施形態とを組み合わせることで得られる。
(Modification)
In the third nitride film forming process and the fourth nitride film forming process of the present embodiment, the process of supplying and exhausting TiCl 4 gas or TMA gas intermittently (in a pulse manner) was performed several times. The present invention is not limited to such a form. For example, as illustrated in FIG. 18, in the third nitride film forming process and the fourth nitride film forming process, the TiCl 4 gas or the TMA gas is intermittently (pulsed) and exhausted once. You may make it implement. This modification is obtained by combining the fourth embodiment and the fifth embodiment.

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

例えば、上述の実施形態においては、TiAlN膜とTiN膜との積層構造によりCMOSのゲート電極を形成する場合について説明したが、本発明は係る形態に限定されない。例えば、DRAM(Dynamic Random Access Memory)等の半導体デバイスが備えるMIM(Metal−Insulator−Metal)キャパシタの上下部電極や、耐酸化性と低抵抗の両立が必要なコンタクト電極のバリアメタル膜を形成する際にも、本発明を好適に適用することができる。   For example, in the above-described embodiment, the case where the CMOS gate electrode is formed by the laminated structure of the TiAlN film and the TiN film has been described, but the present invention is not limited to such a form. For example, upper and lower electrodes of MIM (Metal-Insulator-Metal) capacitors provided in semiconductor devices such as DRAM (Dynamic Random Access Memory) and contact electrode barrier metal films that require both oxidation resistance and low resistance are formed. Even in this case, the present invention can be preferably applied.

MIMキャパシタは、例えばHfO膜等からなるキャパシタ絶縁膜を挟む上下部電極を備えている。係る上下電極の形成に本発明を適用する場合、基板上に第2窒化膜としてのTiN膜と第1窒化膜としてのTiAlN膜とをこの順に積層して下部電極を形成したり、キャパシタ絶縁膜上に第1窒化膜としてのTiAlN膜と第2窒化膜としてのTiN膜とをこの順に積層して上部電極を形成したりすることができる。デバイス特性に影響を及ぼすキャパシタ絶縁膜界面での接合状態を良好なものとするため、いずれの場合にも、キャパシタ絶縁膜側にTiAlN膜を形成することが好ましい。   The MIM capacitor includes upper and lower electrodes that sandwich a capacitor insulating film made of, for example, an HfO film. When the present invention is applied to the formation of the upper and lower electrodes, a TiN film as a second nitride film and a TiAlN film as a first nitride film are laminated in this order on a substrate to form a lower electrode, or a capacitor insulating film An upper electrode can be formed by laminating a TiAlN film as a first nitride film and a TiN film as a second nitride film in this order. In any case, it is preferable to form a TiAlN film on the capacitor insulating film side in order to improve the bonding state at the interface of the capacitor insulating film that affects the device characteristics.

また、上述の実施形態においては、Ti含有ガスとしてTiClガスを用いる場合について説明したが、Ti含有ガスはこれに限られず、例えばTDMAT(テトラキスジメチルアミノチタン:Ti(NMe)ガス、TDEAT(テトラキスジエチルアミノチタン:Ti(NEt)ガス等を使用することができる。 In the above embodiments, descriptions have been given of the case using a TiCl 4 gas as a Ti-containing gas, a Ti-containing gas is not limited to this, for example, TDMAT (tetrakis-dimethylamino titanium: Ti (NMe 2) 4) gas, TDEAT (tetrakisdiethylaminotitanium: Ti (NEt 2 ) 4 ) gas or the like can be used.

また、上述の実施形態においては、Al含有ガスとしてTMAガスを用いる場合について説明したが、Al含有ガスはこれに限られず、例えば三塩化アルミニウム(AlCl)等を使用することができる。 In the above-described embodiment, the case where the TMA gas is used as the Al-containing gas has been described. However, the Al-containing gas is not limited thereto, and for example, aluminum trichloride (AlCl 3 ) or the like can be used.

また、上述の実施形態においては、窒素含有ガス(窒化剤)としてNHガスを用いる場合について説明したが、窒素含有ガスはこれに限られず、例えば窒素(N)ガスや三フッ化窒素(NF)ガス、ヒドラジン(N)ガス等を使用することができる。なお、窒素含有ガスをプラズマ励起させて、処理室201内に供給するようにしてもよい。 In the above-described embodiment, the case where NH 3 gas is used as the nitrogen-containing gas (nitriding agent) has been described. However, the nitrogen-containing gas is not limited to this, and for example, nitrogen (N 2 ) gas or nitrogen trifluoride ( NF 3 ) gas, hydrazine (N 2 H 4 ) gas, or the like can be used. Note that the nitrogen-containing gas may be plasma-excited and supplied into the processing chamber 201.

また、上述の実施形態においては、各ガスの供給手法等を第1窒化膜形成工程と第2窒化膜形成とで同じにしたが、第1窒化膜形成工程と第2窒化膜形成工程とで異なる供給手法等を用いてもよく、上述の実施形態やその変形例にて例示したいずれの手法であっても任意に組み合わせて実施することができる。   In the above-described embodiment, the method of supplying each gas is the same in the first nitride film formation step and the second nitride film formation, but in the first nitride film formation step and the second nitride film formation step. Different supply methods or the like may be used, and any of the methods exemplified in the above-described embodiment and its modifications may be arbitrarily combined.

また、上述の各実施形態において、第1窒化膜形成工程と第2窒化膜形成工程とのいずれか一方若しくは両方の工程の後に、基板上に形成された窒化膜を加熱するアニール処理を施してもよい。アニール処理は、例えば処理室内の圧力を50Pa以上1000Pa以
下の範囲であって、例えば150Paに維持し、NHガスを例えば1slm以上91slm以下の範囲内で供給し、例えば1分以上10分以下の範囲内で実施することができる。処理温度は、例えば各膜の形成工程に合わせることができる。なお、本明細書では、一連の処理が同一の処理室内で施されていれば、途中、アニール処理等の他の工程を実施した場合であっても、TiAlN膜とTiN膜とを連続的に形成しているものと表現している。
Further, in each of the above-described embodiments, after one or both of the first nitride film forming process and the second nitride film forming process, an annealing process for heating the nitride film formed on the substrate is performed. Also good. In the annealing treatment, for example, the pressure in the processing chamber is in a range of 50 Pa to 1000 Pa, for example, maintained at 150 Pa, and NH 3 gas is supplied in a range of 1 slm to 91 slm, for example, 1 minute to 10 minutes. It can be carried out within the range. The processing temperature can be adjusted to the process of forming each film, for example. In this specification, if a series of processes are performed in the same processing chamber, the TiAlN film and the TiN film are continuously formed even when other processes such as annealing are performed on the way. It expresses that it is forming.

なお、アニール処理中に処理室内に供給するガスとしては、NHガスのほか、Nガスやモノメチルヒドラジン(CH)ガス等の窒素含有ガス、Hガス等の水素(H)含有ガス、ArガスやHeガス等の不活性ガス等を用いることができる。 The gas supplied into the processing chamber during the annealing treatment includes NH 3 gas, nitrogen-containing gas such as N 2 gas and monomethylhydrazine (CH 6 N 2 ) gas, and hydrogen (H) such as H 2 gas. An inert gas such as gas, Ar gas, or He gas can be used.

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

(付記1)
本発明の一態様は、
処理室内に基板を搬入する基板搬入工程と、
前記基板にチタンアルミニウム窒化膜を形成する第1窒化膜形成工程と、
前記基板にチタン窒化膜を形成する第2窒化膜形成工程と、
前記処理室内から前記基板を搬出する基板搬出工程と、を有し、
前記第1窒化膜形成工程と前記第2窒化膜形成工程とを同一の前記処理室内で実施する半導体デバイスの製造方法である。
(Appendix 1)
One embodiment of the present invention provides:
A substrate carrying-in process for carrying the substrate into the processing chamber;
A first nitride film forming step of forming a titanium aluminum nitride film on the substrate;
A second nitride film forming step of forming a titanium nitride film on the substrate;
A substrate unloading step of unloading the substrate from the processing chamber,
In the method of manufacturing a semiconductor device, the first nitride film forming step and the second nitride film forming step are performed in the same processing chamber.

(付記2)
好ましくは、
前記第1窒化膜形成工程では、
前記基板にチタン含有ガス及び窒素含有ガスを供給して前記基板にチタン窒化膜を形成する第3窒化膜形成工程と、
前記基板にアルミニウム含有ガス及び窒素含有ガスを供給して前記基板にアルミニウム窒化膜を形成する第4窒化膜形成工程と、を所定回数ずつ交互に実施し、
前記第2窒化膜形成工程では、
前記基板にチタン含有ガス及び窒素含有ガスを供給する。
(Appendix 2)
Preferably,
In the first nitride film forming step,
A third nitride film forming step of forming a titanium nitride film on the substrate by supplying a titanium-containing gas and a nitrogen-containing gas to the substrate;
A fourth nitride film forming step of forming an aluminum nitride film on the substrate by supplying an aluminum-containing gas and a nitrogen-containing gas to the substrate, and alternately performing a predetermined number of times,
In the second nitride film forming step,
A titanium-containing gas and a nitrogen-containing gas are supplied to the substrate.

(付記3)
また、好ましくは、
前記第3窒化膜形成工程では、
チタン含有ガスと窒素含有ガスとが互いに混合しないよう、
前記処理室内にチタン含有ガスを供給して排気する工程と、
前記処理室内に窒素含有ガスを供給して排気する工程と、を所定回数ずつ交互に実施し、
前記第4窒化膜形成工程では、
アルミニウム含有ガスと窒素含有ガスとが互いに混合しないよう、
前記処理室内にアルミニウム含有ガスを供給して排気する工程と、
前記処理室内に窒素含有ガスを供給して排気する工程と、を所定回数ずつ交互に実施する。
(Appendix 3)
Also preferably,
In the third nitride film forming step,
To prevent the titanium-containing gas and nitrogen-containing gas from mixing with each other
Supplying and exhausting a titanium-containing gas into the processing chamber;
Alternately performing a process of supplying and exhausting a nitrogen-containing gas into the processing chamber a predetermined number of times,
In the fourth nitride film forming step,
To prevent the aluminum-containing gas and nitrogen-containing gas from mixing with each other,
Supplying and exhausting an aluminum-containing gas into the processing chamber;
The process of supplying and exhausting the nitrogen-containing gas into the processing chamber is alternately performed a predetermined number of times.

(付記4)
また、好ましくは、
前記第3窒化膜形成工程では、
前記処理室内にチタン含有ガスと窒素含有ガスとを同時に供給して排気する工程を所定
回数実施し、
前記第4窒化膜形成工程では、
前記処理室内にアルミニウム含有ガスと窒素含有ガスとを同時に供給して排気する工程を所定回数実施する。
(Appendix 4)
Also preferably,
In the third nitride film forming step,
A process of supplying and exhausting a titanium-containing gas and a nitrogen-containing gas simultaneously into the processing chamber is performed a predetermined number of times,
In the fourth nitride film forming step,
A step of supplying and exhausting an aluminum-containing gas and a nitrogen-containing gas simultaneously into the processing chamber is performed a predetermined number of times.

(付記5)
また、好ましくは、
前記第3窒化膜形成工程では、
前記処理室内にチタン含有ガスと窒素含有ガスとを同時に供給して排気する工程と、
前記処理室内に窒素含有ガスを供給して排気する工程と、を所定回数ずつ交互に実施し、
前記第4窒化膜形成工程では、
前記処理室内にアルミニウム含有ガスと窒素含有ガスとを同時に供給して排気する工程と、
前記処理室内に窒素含有ガスを供給して排気する工程と、を所定回数ずつ交互に実施する。
(Appendix 5)
Also preferably,
In the third nitride film forming step,
Supplying and exhausting a titanium-containing gas and a nitrogen-containing gas simultaneously into the processing chamber;
Alternately performing a process of supplying and exhausting a nitrogen-containing gas into the processing chamber a predetermined number of times,
In the fourth nitride film forming step,
A step of simultaneously supplying and exhausting an aluminum-containing gas and a nitrogen-containing gas into the processing chamber;
The process of supplying and exhausting the nitrogen-containing gas into the processing chamber is alternately performed a predetermined number of times.

(付記6)
また、好ましくは、
前記第3窒化膜形成工程では、
窒素含有ガスを前記処理室内に連続的に供給しつつ、チタン含有ガスを前記処理室内に間欠的に供給する工程を所定回数実施し、
前記第4窒化膜形成工程では、
窒素含有ガスを前記処理室内に連続的に供給しつつ、アルミニウム含有ガスを前記処理室内に間欠的に供給する工程を所定回数実施する。
(Appendix 6)
Also preferably,
In the third nitride film forming step,
While continuously supplying the nitrogen-containing gas into the processing chamber, the step of intermittently supplying the titanium-containing gas into the processing chamber is performed a predetermined number of times,
In the fourth nitride film forming step,
The step of intermittently supplying the aluminum-containing gas into the processing chamber is performed a predetermined number of times while continuously supplying the nitrogen-containing gas into the processing chamber.

(付記7)
好ましくは、
前記第1窒化膜形成工程では、
前記基板にチタン含有ガス、アルミニウム含有ガス及び窒素含有ガスを所定の順序で所定回数供給し、
前記第2窒化膜形成工程では、
前記基板にチタン含有ガス及び窒素含有ガスを供給する。
(Appendix 7)
Preferably,
In the first nitride film forming step,
Supplying the substrate with a titanium-containing gas, an aluminum-containing gas and a nitrogen-containing gas a predetermined number of times in a predetermined order;
In the second nitride film forming step,
A titanium-containing gas and a nitrogen-containing gas are supplied to the substrate.

(付記8)
また、好ましくは、
前記第1窒化膜形成工程では、
異種ガス間で互いに混合しないよう、
前記処理室内にチタン含有ガスを供給して排気する工程と、
前記処理室内にアルミニウム含有ガスを供給して排気する工程と、
前記処理室内に窒素含有ガスを供給して排気する工程と、を所定回数ずつ順に実施する。
(Appendix 8)
Also preferably,
In the first nitride film forming step,
Do not mix with each other between different gases.
Supplying and exhausting a titanium-containing gas into the processing chamber;
Supplying and exhausting an aluminum-containing gas into the processing chamber;
A process of supplying and exhausting a nitrogen-containing gas into the processing chamber is sequentially performed a predetermined number of times.

(付記9)
また、好ましくは、
前記第1窒化膜形成工程では、
前記処理室内にチタン含有ガスと窒素含有ガスとを同時に供給して排気する工程と、
前記処理室内にアルミニウム含有ガスと窒素含有ガスとを同時に供給して排気する工程と、を所定回数ずつ交互に実施する。
(Appendix 9)
Also preferably,
In the first nitride film forming step,
Supplying and exhausting a titanium-containing gas and a nitrogen-containing gas simultaneously into the processing chamber;
The step of simultaneously supplying and exhausting the aluminum-containing gas and the nitrogen-containing gas into the processing chamber is alternately performed a predetermined number of times.

(付記10)
また、好ましくは、
前記第1窒化膜形成工程では、
前記処理室内にチタン含有ガスと窒素含有ガスとを同時に供給して排気する工程と、
前記処理室内にアルミニウム含有ガスと窒素含有ガスとを同時に供給して排気する工程と、
前記処理室内に窒素含有ガスを供給して排気する工程と、を所定回数ずつ順に実施する。
(Appendix 10)
Also preferably,
In the first nitride film forming step,
Supplying and exhausting a titanium-containing gas and a nitrogen-containing gas simultaneously into the processing chamber;
A step of simultaneously supplying and exhausting an aluminum-containing gas and a nitrogen-containing gas into the processing chamber;
A process of supplying and exhausting a nitrogen-containing gas into the processing chamber is sequentially performed a predetermined number of times.

(付記11)
また、好ましくは、
前記第1窒化膜形成工程では、
窒素含有ガスを前記処理室内に連続的に供給しつつ、
チタン含有ガスを前記処理室内に間欠的に供給する工程と、
アルミニウム含有ガスを前記処理室内に間欠的に供給する工程と、を所定回数ずつ交互に実施する。
(Appendix 11)
Also preferably,
In the first nitride film forming step,
While continuously supplying a nitrogen-containing gas into the processing chamber,
Intermittently supplying a titanium-containing gas into the processing chamber;
The step of intermittently supplying the aluminum-containing gas into the processing chamber is alternately performed a predetermined number of times.

(付記12)
また、好ましくは、
前記第2窒化膜形成工程では、
チタン含有ガスと窒素含有ガスとが互いに混合しないよう、
前記処理室内にチタン含有ガスを供給して排気する工程と、
前記処理室内に窒素含有ガスを供給して排気する工程と、を所定回数ずつ交互に実施する。
(Appendix 12)
Also preferably,
In the second nitride film forming step,
To prevent the titanium-containing gas and nitrogen-containing gas from mixing with each other
Supplying and exhausting a titanium-containing gas into the processing chamber;
The process of supplying and exhausting the nitrogen-containing gas into the processing chamber is alternately performed a predetermined number of times.

(付記13)
また、好ましくは、
前記第2窒化膜形成工程では、
前記処理室内にチタン含有ガスと窒素含有ガスとを同時に供給して排気する工程を所定回数実施する。
(Appendix 13)
Also preferably,
In the second nitride film forming step,
A step of simultaneously supplying and exhausting a titanium-containing gas and a nitrogen-containing gas into the processing chamber is performed a predetermined number of times.

(付記14)
また、好ましくは、
前記第2窒化膜形成工程では、
前記処理室内にチタン含有ガスと窒素含有ガスとを同時に供給して排気する工程と、
前記処理室内に窒素含有ガスを供給して排気する工程と、を所定回数ずつ交互に実施する。
(Appendix 14)
Also preferably,
In the second nitride film forming step,
Supplying and exhausting a titanium-containing gas and a nitrogen-containing gas simultaneously into the processing chamber;
The process of supplying and exhausting the nitrogen-containing gas into the processing chamber is alternately performed a predetermined number of times.

(付記15)
また、好ましくは、
前記第2窒化膜形成工程では、
窒素含有ガスを前記処理室内に連続的に供給しつつ、チタン含有ガスを前記処理室内に間欠的に供給する工程を所定回数実施する。
(Appendix 15)
Also preferably,
In the second nitride film forming step,
The step of intermittently supplying the titanium-containing gas into the processing chamber is performed a predetermined number of times while continuously supplying the nitrogen-containing gas into the processing chamber.

(付記16)
また、好ましくは、
前記基板上に、前記チタン窒化膜と前記チタンアルミニウム窒化膜とをこの順に積層してキャパシタの下部電極を形成する。
(Appendix 16)
Also preferably,
The titanium nitride film and the titanium aluminum nitride film are laminated in this order on the substrate to form a lower electrode of the capacitor.

(付記17)
また、好ましくは、
前記基板に形成された絶縁膜上に、前記チタンアルミニウム窒化膜と前記チタン窒化膜とをこの順に積層してキャパシタの上部電極を形成する。
(Appendix 17)
Also preferably,
On the insulating film formed on the substrate, the titanium aluminum nitride film and the titanium nitride film are laminated in this order to form an upper electrode of the capacitor.

(付記18)
また、好ましくは、
前記第1窒化膜形成工程と前記第2窒化膜形成工程とでは、互いに異なる処理温度で前記基板を加熱する。
(Appendix 18)
Also preferably,
In the first nitride film forming step and the second nitride film forming step, the substrate is heated at different processing temperatures.

(付記19)
また、好ましくは、
前記第1窒化膜形成工程での処理温度を、前記第2窒化膜形成工程での処理温度以下とする。
(Appendix 19)
Also preferably,
The processing temperature in the first nitride film forming step is set to be equal to or lower than the processing temperature in the second nitride film forming step.

(付記20)
また、好ましくは、
前記第1窒化膜形成工程での処理温度を、350℃以下とし、
前記第2窒化膜形成工程での処理温度を、350℃以上550℃以下とする。
(Appendix 20)
Also preferably,
The processing temperature in the first nitride film forming step is 350 ° C. or lower,
The processing temperature in the second nitride film forming step is set to 350 ° C. or higher and 550 ° C. or lower.

(付記21)
本発明の他の態様は、
pMOSトランジスタとnMOSトランジスタとを備えるCMOSとして構成された半導体デバイスの製造方法であって、
前記pMOSトランジスタのゲート電極を、アルミニウムに対するチタンの組成比が高い前記チタンアルミニウム窒化膜と、前記チタン窒化膜とをこの順に積層して形成し、
前記nMOSトランジスタのゲート電極を、チタンに対するアルミニウムの組成比が高い前記チタンアルミニウム窒化膜と、前記チタン窒化膜とをこの順に積層して形成する
半導体デバイスの製造方法である。
(Appendix 21)
Another aspect of the present invention is:
A method of manufacturing a semiconductor device configured as a CMOS comprising a pMOS transistor and an nMOS transistor,
The gate electrode of the pMOS transistor is formed by laminating the titanium aluminum nitride film having a high composition ratio of titanium to aluminum and the titanium nitride film in this order,
In this method, the gate electrode of the nMOS transistor is formed by laminating the titanium aluminum nitride film having a high composition ratio of aluminum to titanium and the titanium nitride film in this order.

(付記22)
また、好ましくは、
前記第1窒化膜形成工程では、
チタン含有ガス及びアルミニウム含有ガスの供給時間、供給流量又は供給回数の少なくともいずれかを制御して、前記チタンアルミニウム窒化膜中のチタンとアルミニウムとの組成比を制御する。
(Appendix 22)
Also preferably,
In the first nitride film forming step,
The composition ratio of titanium and aluminum in the titanium aluminum nitride film is controlled by controlling at least one of the supply time, supply flow rate, and supply frequency of the titanium-containing gas and aluminum-containing gas.

(付記23)
また、好ましくは、
前記第1窒化膜形成工程では、
前記チタンアルミニウム窒化膜中の前記チタン窒化膜と前記アルミニウム窒化膜との膜厚の比率を制御して、前記チタンアルミニウム窒化膜中のチタンとアルミニウムとの組成比を制御する。
(Appendix 23)
Also preferably,
In the first nitride film forming step,
The composition ratio of titanium and aluminum in the titanium aluminum nitride film is controlled by controlling the film thickness ratio between the titanium nitride film and the aluminum nitride film in the titanium aluminum nitride film.

(付記24)
本発明のさらに他の態様は、
基板を収容する処理室と、
前記処理室内にチタン含有ガスを供給するチタン含有ガス供給系と、
前記処理室内にアルミニウム含有ガスを供給するアルミニウム含有ガス供給系と、
前記処理室内に窒素含有ガスを供給する窒素含有ガス供給系と、
前記処理室内の雰囲気を排気する排気系と、
基板が収容された前記処理室内にチタン含有ガス及び窒素含有ガスを供給させて基板にチタン窒化膜を形成させ、前記処理室内にアルミニウム含有ガス及び窒素含有ガスを供給させて基板にアルミニウム窒化膜を形成させ、前記チタン窒化膜の形成と前記アルミニウム窒化膜の形成とを所定回数ずつ交互に実施させることによりチタンアルミニウム窒化膜を形成させ、
基板が収容された前記処理室内にチタン含有ガス及び窒素含有ガスを供給させて基板にチタン窒化膜を形成させるよう、前記チタン含有ガス供給系、前記アルミニウム含有ガス供給系、前記窒素含有ガス供給系及び前記排気系を制御する制御系と、を備える
基板処理装置である。
(Appendix 24)
Still another aspect of the present invention provides:
A processing chamber for accommodating the substrate;
A titanium-containing gas supply system for supplying a titanium-containing gas into the processing chamber;
An aluminum-containing gas supply system for supplying an aluminum-containing gas into the processing chamber;
A nitrogen-containing gas supply system for supplying a nitrogen-containing gas into the processing chamber;
An exhaust system for exhausting the atmosphere in the processing chamber;
A titanium-containing gas and a nitrogen-containing gas are supplied into the processing chamber containing the substrate to form a titanium nitride film on the substrate, and an aluminum-containing gas and a nitrogen-containing gas are supplied into the processing chamber to form an aluminum nitride film on the substrate. Forming a titanium aluminum nitride film by alternately performing the formation of the titanium nitride film and the formation of the aluminum nitride film a predetermined number of times,
The titanium-containing gas supply system, the aluminum-containing gas supply system, and the nitrogen-containing gas supply system so that a titanium-containing gas and a nitrogen-containing gas are supplied into the processing chamber in which the substrate is accommodated to form a titanium nitride film on the substrate. And a control system for controlling the exhaust system.

(付記25)
本発明のさらに他の態様は、
前記いずれかの半導体デバイスの製造方法又は基板処理装置を用いて形成される
半導体デバイスである。
(Appendix 25)
Still another aspect of the present invention provides:
A semiconductor device formed by using any one of the semiconductor device manufacturing methods or the substrate processing apparatus.

(付記26)
本発明のさらに他の態様は、
pMOSトランジスタとnMOSトランジスタとを備えるCMOSとして構成された半導体デバイスであって、
アルミニウムに対するチタンの組成比が高いチタンアルミニウム窒化膜と、チタン窒化膜とがこの順に積層された前記pMOSトランジスタのゲート電極と、
チタンに対するアルミニウムの組成比が高いチタンアルミニウム窒化膜と、チタン窒化膜とがこの順に積層された前記nMOSトランジスタのゲート電極と、を備える
半導体デバイスである。
(Appendix 26)
Still another aspect of the present invention provides:
A semiconductor device configured as a CMOS comprising a pMOS transistor and an nMOS transistor,
A gate electrode of the pMOS transistor in which a titanium aluminum nitride film having a high composition ratio of titanium to aluminum and a titanium nitride film are laminated in this order;
A semiconductor device comprising a titanium aluminum nitride film having a high composition ratio of aluminum to titanium and a gate electrode of the nMOS transistor in which a titanium nitride film is laminated in this order.

(付記27)
本発明のさらに他の態様は、
基板に形成されたゲート絶縁膜上にチタンアルミニウム窒化膜を形成し、
前記チタンアルミニウム窒化膜上にALD法によりチタン窒化膜を連続的に形成して、MOSトランジスタのゲート電極を形成する
成膜方法である。
(Appendix 27)
Still another aspect of the present invention provides:
A titanium aluminum nitride film is formed on the gate insulating film formed on the substrate,
In this film forming method, a titanium nitride film is continuously formed on the titanium aluminum nitride film by an ALD method to form a gate electrode of a MOS transistor.

(付記28)
本発明のさらに他の態様は、
ゲート絶縁膜上に形成されたチタンアルミニウム窒化膜と、
前記チタンアルミニウム窒化膜上にALD法により形成されたチタン窒化膜と、を備える
ゲート電極である。
(Appendix 28)
Still another aspect of the present invention provides:
A titanium aluminum nitride film formed on the gate insulating film;
And a titanium nitride film formed on the titanium aluminum nitride film by an ALD method.

(付記29)
好ましくは、
前記チタン窒化膜上には低抵抗金属膜を形成しない。
(Appendix 29)
Preferably,
A low resistance metal film is not formed on the titanium nitride film.

(付記30)
本発明のさらに他の態様は、
基板上に、ALD法によりチタン窒化膜を形成し、
前記チタン窒化膜上にチタンアルミニウム窒化膜を連続的に形成して、MIMキャパシタの下部電極を形成する
成膜方法である。
(Appendix 30)
Still another aspect of the present invention provides:
A titanium nitride film is formed on the substrate by ALD,
In this film forming method, a titanium aluminum nitride film is continuously formed on the titanium nitride film to form a lower electrode of the MIM capacitor.

(付記31)
本発明のさらに他の態様は、
基板に形成されたキャパシタ絶縁膜上にチタンアルミニウム窒化膜を形成し、
前記チタンアルミニウム窒化膜上にALD法によりチタン窒化膜を連続的に形成して、MIMキャパシタの上部電極を形成する
成膜方法である。
(Appendix 31)
Still another aspect of the present invention provides:
A titanium aluminum nitride film is formed on the capacitor insulating film formed on the substrate,
In this film forming method, a titanium nitride film is continuously formed on the titanium aluminum nitride film by an ALD method to form an upper electrode of the MIM capacitor.

(付記32)
好ましくは、
前記いずれかの成膜方法において、
チタン含有ガス、アルミニウム含有ガス及び窒素含有ガスを用いて前記各膜を成膜し、
チタン含有ガスがテトラクロロチタンガスであり、アルミニウム含有ガスがトリメチルアルミニウムガスであり、窒素含有ガスがアンモニアガスである。
(Appendix 32)
Preferably,
In any one of the film forming methods,
Each of the films is formed using a titanium-containing gas, an aluminum-containing gas, and a nitrogen-containing gas.
The titanium-containing gas is tetrachlorotitanium gas, the aluminum-containing gas is trimethylaluminum gas, and the nitrogen-containing gas is ammonia gas.

(付記33)
また、好ましくは、
前記いずれかの成膜方法において、
前記チタンアルミニウム窒化膜と前記チタン窒化膜とを異なる温度で成膜する。
(Appendix 33)
Also preferably,
In any one of the film forming methods,
The titanium aluminum nitride film and the titanium nitride film are formed at different temperatures.

(付記34)
また、好ましくは、
前記いずれかの成膜方法において、
前記チタンアルミニウム窒化膜の膜厚を2nm以下および/または前記チタン窒化膜の膜厚を2nm以上に成膜する。
(Appendix 34)
Also preferably,
In any one of the film forming methods,
The thickness of the titanium aluminum nitride film is 2 nm or less and / or the thickness of the titanium nitride film is 2 nm or more.

(付記35)
また、好ましくは、
前記いずれかの成膜方法において、
前記チタン窒化膜の抵抗率が300μΩ・cm以下である。
(Appendix 35)
Also preferably,
In any one of the film forming methods,
The titanium nitride film has a resistivity of 300 μΩ · cm or less.

(付記36)
本発明のさらに他の態様は、
前記いずれかの成膜方法で用いる基板処理装置であって、
同時に複数枚の基板を処理する
基板処理装置である。
(Appendix 36)
Still another aspect of the present invention provides:
A substrate processing apparatus used in any one of the film forming methods,
A substrate processing apparatus for processing a plurality of substrates simultaneously.

101 基板処理装置
200 ウエハ(基板)
201 処理室
280 コントローラ
101 substrate processing apparatus 200 wafer (substrate)
201 processing chamber 280 controller

Claims (6)

処理室内に基板を搬入する基板搬入工程と、
前記基板にチタンアルミニウム窒化膜を形成する第1窒化膜形成工程と、
前記チタンアルミニウム窒化膜上にチタン窒化膜を形成する第2窒化膜形成工程と、
前記処理室内から前記基板を搬出する基板搬出工程と、を有し、
前記第1窒化膜形成工程と前記第2窒化膜形成工程とを同一の前記処理室内で実施し、
前記第2窒化膜形成工程では、
チタン含有ガスと窒素含有ガスとが互いに混合しないよう、
前記処理室内に前記チタン含有ガスを供給して排気する工程と、
前記処理室内に前記窒素含有ガスを供給して排気する工程と、を所定回数ずつ交互に実施することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
A substrate carrying-in process for carrying the substrate into the processing chamber;
A first nitride film forming step of forming a titanium aluminum nitride film on the substrate;
A second nitride film forming step of forming a titanium nitride film on the titanium aluminum nitride film;
A substrate unloading step of unloading the substrate from the processing chamber,
Performing the first nitride film forming step and the second nitride film forming step in the same processing chamber ;
In the second nitride film forming step,
To prevent the titanium-containing gas and nitrogen-containing gas from mixing with each other
Supplying and exhausting the titanium-containing gas into the processing chamber;
And a step of supplying and exhausting the nitrogen-containing gas into the processing chamber alternately by a predetermined number of times .
前記第1窒化膜形成工程と前記第2窒化膜形成工程とでは、互いに異なる処理温度で前記基板を加熱する
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体デバイスの製造方法。
2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the substrate is heated at different processing temperatures in the first nitride film forming step and the second nitride film forming step.
前記第1窒化膜形成工程では、In the first nitride film forming step,
前記チタン含有ガスと前記窒素含有ガスとが互いに混合しないよう、To prevent the titanium-containing gas and the nitrogen-containing gas from mixing with each other,
前記処理室内に前記チタン含有ガスを供給して排気する工程と、Supplying and exhausting the titanium-containing gas into the processing chamber;
前記処理室内に前記窒素含有ガスを供給して排気する工程と、を所定回数ずつ交互に実施する工程と、Supplying and exhausting the nitrogen-containing gas into the processing chamber, and alternately performing a predetermined number of times; and
アルミニウム含有ガスと前記窒素含有ガスとが互いに混合しないよう、To prevent the aluminum-containing gas and the nitrogen-containing gas from mixing with each other,
前記処理室内に前記アルミニウム含有ガスを供給して排気する工程と、Supplying and exhausting the aluminum-containing gas into the processing chamber;
前記処理室内に前記窒素含有ガスを供給して排気する工程と、を所定回数ずつ交互に実施する工程と、Supplying and exhausting the nitrogen-containing gas into the processing chamber, and alternately performing a predetermined number of times; and
を所定回数ずつ交互に実施することを特徴とする請求項1もしくは請求項2に記載の半導体デバイスの製造方法。3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the step is alternately performed a predetermined number of times.
前記第1窒化膜形成工程では、In the first nitride film forming step,
前記チタン含有ガスとアルミニウム含有ガスと前記窒素含有ガスとが互いに混合しないよう、The titanium-containing gas, the aluminum-containing gas, and the nitrogen-containing gas are not mixed with each other.
前記処理室内に前記チタン含有ガスを供給して排気する工程と、Supplying and exhausting the titanium-containing gas into the processing chamber;
前記処理室内に前記アルミニウム含有ガスを供給して排気する工程と、Supplying and exhausting the aluminum-containing gas into the processing chamber;
前記処理室内に前記窒素含有ガスを供給して排気する工程と、を所定回数ずつ交互に実施することを特徴とする請求項1もしくは請求項2に記載の半導体デバイスの製造方法。The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the step of supplying and exhausting the nitrogen-containing gas into the processing chamber is alternately performed a predetermined number of times.
処理室内に基板を搬入する基板搬入工程と、A substrate carrying-in process for carrying the substrate into the processing chamber;
前記基板にチタンアルミニウム窒化膜を形成する第1窒化膜形成工程と、A first nitride film forming step of forming a titanium aluminum nitride film on the substrate;
前記チタンアルミニウム窒化膜上にチタン窒化膜を形成する第2窒化膜形成工程と、A second nitride film forming step of forming a titanium nitride film on the titanium aluminum nitride film;
前記処理室内から前記基板を搬出する基板搬出工程と、を有し、A substrate unloading step of unloading the substrate from the processing chamber,
前記第1窒化膜形成工程と前記第2窒化膜形成工程とを同一の前記処理室内で実施し、Performing the first nitride film forming step and the second nitride film forming step in the same processing chamber;
前記第2窒化膜形成工程では、In the second nitride film forming step,
前記処理室内に窒素含有ガスを連続的に供給した状態で、チタン含有ガスを間欠的に供給して排気することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a titanium-containing gas is intermittently supplied and exhausted while a nitrogen-containing gas is continuously supplied into the processing chamber.
基板を収容する処理室と、
前記処理室内にチタン含有ガスを供給するチタン含有ガス供給系と、
前記処理室内にアルミニウム含有ガスを供給するアルミニウム含有ガス供給系と、
前記処理室内に窒素含有ガスを供給する窒素含有ガス供給系と、
前記処理室内の雰囲気を排気する排気系と、
基板が収容された前記処理室内にチタン含有ガスアルミニウム含有ガス及び窒素含有ガスを供給させて基板にチタンアルミニウム窒化膜を形成させ、
前記チタンアルミニウム窒化膜が形成された基板が収容された前記処理室内にチタン含有ガスと窒素含有ガスとが互いに混合しないよう、チタン含有ガスを供給して排気する処理と、窒素含有ガスを供給して排気する処理と、を所定回数ずつ交互に実施させて、前記チタンアルミニウム窒化膜上にチタン窒化膜を形成させるよう、前記チタン含有ガス供給系、前記アルミニウム含有ガス供給系、前記窒素含有ガス供給系及び前記排気系を制御する制御系と、を備える
ことを特徴とする基板処理装置。
A processing chamber for accommodating the substrate;
A titanium-containing gas supply system for supplying a titanium-containing gas into the processing chamber;
An aluminum-containing gas supply system for supplying an aluminum-containing gas into the processing chamber;
A nitrogen-containing gas supply system for supplying a nitrogen-containing gas into the processing chamber;
An exhaust system for exhausting the atmosphere in the processing chamber;
Titanium-containing gas into the processing chamber where the substrate is accommodated, an aluminum-containing gas and a nitrogen-containing gas by supplying to form a titanium aluminum nitride film on a substrate,
A process of supplying and exhausting a titanium-containing gas and supplying a nitrogen-containing gas so that the titanium-containing gas and the nitrogen-containing gas do not mix with each other in the processing chamber in which the substrate on which the titanium aluminum nitride film is formed is accommodated. And the process of exhausting in a predetermined number of times alternately to form a titanium nitride film on the titanium aluminum nitride film , the titanium-containing gas supply system, the aluminum-containing gas supply system, and the nitrogen-containing gas supply. And a control system for controlling the exhaust system.
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