JP6061385B2 - Semiconductor device manufacturing method, substrate processing apparatus, and program - Google Patents

Semiconductor device manufacturing method, substrate processing apparatus, and program Download PDF

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Description

本発明は、半導体装置の製造方法、基板処理装置およびプログラムに関する。   The present invention relates to a semiconductor device manufacturing method, a substrate processing apparatus, and a program.

MOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field Effect Transistor)等の半導体装置の高集積化及び高性能化に伴い、電極や配線等として、様々な種類の金属膜が用いられている。その中でも、ゲート電極やDRAM(Dynamic Random Access Memory)のキャパシタ電極では、耐酸化性、電気抵抗率、仕事関数等の観点から金属炭化物系や金属窒化物系の金属膜が用いられることが多い(特許文献1)。   With the high integration and high performance of semiconductor devices such as MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor), various types of metal films are used as electrodes and wirings. Among these, metal carbide-based or metal nitride-based metal films are often used from the viewpoint of oxidation resistance, electrical resistivity, work function, etc., for gate electrodes and DRAM (Dynamic Random Access Memory) capacitor electrodes ( Patent Document 1).

特開2011−6783号公報JP 2011-6783 A

MOSFETの特性を示す重要なパラメータとして、閾値電圧(スレッショールド電圧、Vth)がある。この閾値電圧は、電極の仕事関数で決定される。電極の仕事関数は、電極を構成する金属膜によってチューニング(調整、変調)することができる。   As an important parameter indicating the characteristics of the MOSFET, there is a threshold voltage (threshold voltage, Vth). This threshold voltage is determined by the work function of the electrode. The work function of the electrode can be tuned (adjusted or modulated) by the metal film constituting the electrode.

本発明の目的は、仕事関数を所望の値にチューニングした金属膜を成膜することができる技術を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a technique capable of forming a metal film having a work function tuned to a desired value.

本発明の一態様によれば、金属元素と窒素または炭素とを含む第1の層を形成する処理を第1の所定回数行う工程と、前記金属元素と窒素と炭素とを含む第2の層を形成する処理を第2の所定回数行う工程と、を交互に第3の所定回数行うことで、基板上に、窒素と炭素とを所定の割合で含む金属膜を成膜する工程を有する半導体装置の製造方法が提供される。   According to one aspect of the present invention, a step of performing a first predetermined number of times of forming a first layer containing a metal element and nitrogen or carbon, and a second layer containing the metal element, nitrogen and carbon And a step of forming a metal film containing nitrogen and carbon at a predetermined ratio on the substrate by alternately performing a third predetermined number of times to perform the process of forming the second predetermined number of times. A method of manufacturing a device is provided.

また、本発明の他の態様によれば、基板に対して、金属元素を含む第1原料と、窒素または炭素を含む第2原料とを交互に第1の所定回数供給する工程と、前記基板に対して、炭素を含む第3原料と、前記金属元素を含む第4原料と、窒素を含む第5原料とを交互に第2の所定回数供給する工程と、を交互に第3の所定回数行うことで、前記基板上に、窒素と炭素とを所定の割合で含む金属膜を成膜する工程を有する半導体装置の製造方法が提供される。   According to another aspect of the present invention, a step of alternately supplying a first raw material containing a metal element and a second raw material containing nitrogen or carbon to the substrate a first predetermined number of times, and the substrate In contrast, a step of supplying a third raw material containing carbon, a fourth raw material containing the metal element, and a fifth raw material containing nitrogen alternately for a second predetermined number of times are alternately performed for a third predetermined number of times. By doing so, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device including a step of forming a metal film containing nitrogen and carbon at a predetermined ratio on the substrate.

また、本発明の他の態様によれば、基板を収容する処理室と、前記処理室に接続され、前記処理室に収容された前記基板に対して、金属元素を含む金属含有原料を供給する金属含有原料供給系と、前記処理室に接続され、前記処理室に収容された前記基板に対して、窒素を含む窒素含有原料を供給する窒素含有原料供給系と、前記処理室に接続され、前記処理室に収容された前記基板に対して、炭素を含む炭素含有原料を供給する炭素含有原料供給系と、前記金属含有原料供給系、前記窒素含有原料供給系及び前記炭素含有原料供給系に接続されると共に、前記処理室に収容された前記基板に対して、前記金属含有原料と前記窒素含有原料または前記炭素含有原料とを交互に第1の所定回数供給する処理と、前記金属含有原料と前記窒素含有原料と前記炭素含有原料とを交互に第2の所定回数供給する処理とを、交互に第3の所定回数行うことで、前記基板上に、前記窒素と前記炭素とを所定の割合で含む金属膜を成膜する処理を、前記金属含有原料供給系、前記窒素含有原料供給系及び前記炭素含有原料供給系を制御して実行させるように構成された制御部と、を有する基板処理装置が提供される。   According to another aspect of the present invention, a metal-containing raw material containing a metal element is supplied to a processing chamber that accommodates a substrate and the substrate that is connected to the processing chamber and accommodated in the processing chamber. A metal-containing raw material supply system, connected to the processing chamber and connected to the processing chamber, a nitrogen-containing raw material supply system for supplying a nitrogen-containing raw material containing nitrogen to the substrate housed in the processing chamber, A carbon-containing raw material supply system that supplies a carbon-containing raw material containing carbon to the substrate accommodated in the processing chamber, a metal-containing raw material supply system, a nitrogen-containing raw material supply system, and a carbon-containing raw material supply system. A process of supplying the metal-containing raw material and the nitrogen-containing raw material or the carbon-containing raw material alternately for a first predetermined number of times to the substrate accommodated in the processing chamber; And nitrogen content A metal containing nitrogen and carbon at a predetermined ratio on the substrate by alternately performing the second predetermined number of times of supplying the material and the carbon-containing raw material for the third predetermined number of times. Provided is a substrate processing apparatus comprising: a control unit configured to control and execute a process for forming a film by controlling the metal-containing raw material supply system, the nitrogen-containing raw material supply system, and the carbon-containing raw material supply system. Is done.

また、本発明の他の態様によれば、金属元素と窒素または炭素とを含む第1の層を形成する処理を第1の所定回数行う手順と、前記金属元素と窒素と炭素とを含む第2の層を形成する処理を第2の所定回行う手順と、を交互に第3の所定回数行うことで、基板上に、窒素と炭素とを所定の割合で含む金属膜を形成する手順をコンピュータに実行させるプログラムが提供される。   According to another aspect of the present invention, a procedure for performing the first predetermined number of times of the process of forming the first layer containing the metal element and nitrogen or carbon, and the first step including the metal element, nitrogen, and carbon. And a step of forming a metal film containing nitrogen and carbon in a predetermined ratio on the substrate by alternately performing a procedure of forming the second layer a second predetermined number of times and a third predetermined number of times. A program to be executed by a computer is provided.

本発明によれば、仕事関数を所望の値にチューニングした金属膜を成膜することができる。   According to the present invention, a metal film having a work function tuned to a desired value can be formed.

本発明の実施形態に係る基板処理装置の処理炉の構成図である。It is a block diagram of the processing furnace of the substrate processing apparatus which concerns on embodiment of this invention. 図1のA−A線断面図である。It is the sectional view on the AA line of FIG. 図1に示す基板処理装置が有するコントローラの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the controller which the substrate processing apparatus shown in FIG. 1 has. 本発明に係る技術が適用される半導体装置の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the semiconductor device to which the technique which concerns on this invention is applied. 図4に示す半導体装置のゲート製造工程例を示す処理フロー図である。FIG. 5 is a process flowchart showing an example of a gate manufacturing process of the semiconductor device shown in FIG. 4. 図5に示すゲート製造工程における金属膜の成膜工程例を示す処理フロー図である。FIG. 6 is a process flow diagram illustrating an example of a metal film formation process in the gate manufacturing process illustrated in FIG. 5. 図6に示す成膜工程におけるガス供給のタイミングを示す図である。It is a figure which shows the timing of the gas supply in the film-forming process shown in FIG. 本発明の実施例1〜5で成膜した金属膜のそれぞれについて、等価酸化膜厚とフラットバンド電圧の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between an equivalent oxide film thickness and a flat band voltage about each of the metal film formed into Example 1-5 of this invention. 本発明の実施例1〜5で成膜した金属膜のそれぞれについて、CとNの割合と、実効仕事関数の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the ratio of C and N, and an effective work function about each of the metal film formed into Examples 1-5 of this invention. 図10(A)は、本発明の実施例1〜5で成膜した金属膜のそれぞれについて、Cの割合に対する仕事関数を示す図であり、図10(B)は、本発明の実施例1〜5で成膜した金属膜のそれぞれについて、Nの割合に対する仕事関数を示す図である。FIG. 10A is a diagram showing a work function with respect to the ratio of C for each of the metal films formed in Examples 1 to 5 of the present invention, and FIG. 10B is Example 1 of the present invention. It is a figure which shows the work function with respect to the ratio of N about each of the metal film formed into ~ 5.

次に本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。図1および図2には、本発明の実施形態で好適に使用される基板処理装置10が示されている。基板処理装置10は、半導体装置(デバイス)の製造に使用される半導体製造装置の一例として構成されているものである。   Next, an embodiment for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. 1 and 2 show a substrate processing apparatus 10 preferably used in an embodiment of the present invention. The substrate processing apparatus 10 is configured as an example of a semiconductor manufacturing apparatus used for manufacturing a semiconductor device (device).

<処理炉の構成>
図1および図2に示す通り、処理炉202にはウエハ(基板)200を加熱するための加熱手段(加熱機構、加熱系)であるヒータ207が設けられている。ヒータ207は上方が閉塞された円筒形状の断熱部材と複数本のヒータ素線とを備えており、断熱部材に対してヒータ素線が設けられたユニット構成を有している。ヒータ207の内側には、ヒータ207と同心円状に反応容器(処理容器)を構成する反応管203が配設されている。反応管203は例えば石英(SiO)または炭化シリコン(SiC)等の耐熱性材料からなり、上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に形成されている。
<Processing furnace configuration>
As shown in FIGS. 1 and 2, the processing furnace 202 is provided with a heater 207 that is a heating means (heating mechanism, heating system) for heating the wafer (substrate) 200. The heater 207 includes a cylindrical heat insulating member whose upper portion is closed and a plurality of heater wires, and has a unit configuration in which the heater wires are provided on the heat insulating member. Inside the heater 207, a reaction tube 203 constituting a reaction vessel (processing vessel) concentrically with the heater 207 is disposed. The reaction tube 203 is made of a heat-resistant material such as quartz (SiO 2 ) or silicon carbide (SiC), and has a cylindrical shape with the upper end closed and the lower end opened.

反応管203の下端には、例えばステンレス等から製作されたマニホールド209が取り付けられる。マニホールド209は筒状に形成され、その下端開口は蓋体であるシールキャップ219により気密に閉塞される。反応管203とマニホールド209とシールキャップ219の間には、それぞれOリング220が設けられる。これら反応管203、マニホールド209およびシールキャップ219により、処理室201が形成される。シールキャップ219にはボート支持台218を介して基板保持部であるボート217が立設される。   A manifold 209 made of, for example, stainless steel is attached to the lower end of the reaction tube 203. The manifold 209 is formed in a cylindrical shape, and its lower end opening is airtightly closed by a seal cap 219 that is a lid. O-rings 220 are provided between the reaction tube 203, the manifold 209, and the seal cap 219, respectively. The reaction chamber 203, the manifold 209, and the seal cap 219 form a processing chamber 201. A boat 217 as a substrate holding unit is erected on the seal cap 219 via a boat support base 218.

ボート217にはバッチ処理される複数のウエハ200が水平姿勢で管軸方向に多段に積載される。そして、ボート217は、ボートエレベータ115により反応管203に対し昇降(出入り)することができるようになっている。ボート支持台218の下端部には、処理の均一性を向上するためにボート217を回転させるボート回転機構267が設けられている。ボート回転機構267を駆動させることにより、ボート支持台218に支持されたボート217を回転させることができるようになっている。ヒータ207は処理室201に挿入されたウエハ200を所定の温度に加熱する。   A plurality of wafers 200 to be batch-processed are stacked on the boat 217 in a horizontal posture in multiple stages in the tube axis direction. The boat 217 can be moved up and down (in and out) with respect to the reaction tube 203 by the boat elevator 115. A boat rotation mechanism 267 that rotates the boat 217 is provided at the lower end of the boat support 218 in order to improve processing uniformity. By driving the boat rotation mechanism 267, the boat 217 supported by the boat support 218 can be rotated. The heater 207 heats the wafer 200 inserted into the processing chamber 201 to a predetermined temperature.

処理室201内には、ノズル410(第1のノズル410)、ノズル420(第2のノズル420)、ノズル430(第3のノズル430)が反応管203の下部を貫通するように設けられている。ノズル410、ノズル420、ノズル430には、ガス供給ラインとしてのガス供給管310(第1のガス供給管310)、320(第2のガス供給管320)、330(第3のガス供給管330)が、それぞれ接続されている。このように、反応管203には3本のノズル410、420、430と、3本のガス供給管310、320、330とが設けられており、処理室201内へ複数種類、ここでは3種類のガス(処理ガス。原料)を供給することができるように構成されている。   In the processing chamber 201, a nozzle 410 (first nozzle 410), a nozzle 420 (second nozzle 420), and a nozzle 430 (third nozzle 430) are provided so as to penetrate the lower part of the reaction tube 203. Yes. The nozzle 410, the nozzle 420, and the nozzle 430 include a gas supply pipe 310 (first gas supply pipe 310), 320 (second gas supply pipe 320), and 330 (third gas supply pipe 330) as gas supply lines. ) Are connected to each other. As described above, the reaction tube 203 is provided with the three nozzles 410, 420, and 430 and the three gas supply tubes 310, 320, and 330. Gas (processing gas, raw material) can be supplied.

ガス供給管310には上流側から順に流量制御装置(流量制御部)であるマスフローコントローラ312および開閉弁であるバルブ314が設けられている。ガス供給管310の先端部にはノズル410が連結されている。ノズル410は、L字型のロングノズルとして構成されており、その水平部はマニホールド209の側壁を貫通するように設けられている。ノズル410の垂直部は、反応管203の内壁とウエハ200との間に形成される円弧状の空間に、反応管203の内壁に沿って上方(ウエハ200の積載方向上方)に向かって立ち上がるように(つまりウエハ配列領域の一端側から他端側に向かって立ち上がるように)設けられている。すなわち、ノズル410は、ウエハ200が配列されるウエハ配列領域の側方の、ウエハ配列領域を水平に取り囲む領域に、ウエハ配列領域に沿うように設けられている。   The gas supply pipe 310 is provided with a mass flow controller 312 which is a flow rate control device (flow rate control unit) and a valve 314 which is an on-off valve in order from the upstream side. A nozzle 410 is connected to the tip of the gas supply pipe 310. The nozzle 410 is configured as an L-shaped long nozzle, and its horizontal portion is provided so as to penetrate the side wall of the manifold 209. The vertical portion of the nozzle 410 rises upward along the inner wall of the reaction tube 203 (upward in the loading direction of the wafer 200) in an arc-shaped space formed between the inner wall of the reaction tube 203 and the wafer 200. (That is, rising from one end side to the other end side of the wafer arrangement region). That is, the nozzle 410 is provided on the side of the wafer arrangement area where the wafers 200 are arranged, in a region that horizontally surrounds the wafer arrangement area, along the wafer arrangement area.

ノズル410の側面にはガスを供給するガス供給孔410aが設けられている。ガス供給孔410aは反応管203の中心を向くように開口している。このガス供給孔410aは、反応管203の下部から上部にわたって複数設けられ、それぞれ同一または、大きさに傾斜をつけた開口面積を有し、更に同じ開口ピッチで設けられている。主に、ガス供給管310、マスフローコントローラ312、バルブ314、ノズル410により第1のガス供給系が構成される。   A gas supply hole 410 a for supplying gas is provided on the side surface of the nozzle 410. The gas supply hole 410 a is opened to face the center of the reaction tube 203. A plurality of the gas supply holes 410a are provided from the lower part to the upper part of the reaction tube 203, have the same or inclined opening areas, and are provided at the same opening pitch. A gas supply pipe 310, a mass flow controller 312, a valve 314, and a nozzle 410 constitute a first gas supply system.

また、ガス供給管310にはキャリアガスを供給するためのキャリアガス供給管510が接続されている。キャリアガス供給管510にはマスフローコントローラ512およびバルブ514が設けられている。主に、キャリアガス供給管510、マスフローコントローラ512、バルブ514により第1のキャリアガス供給系が構成される。   Further, a carrier gas supply pipe 510 for supplying a carrier gas is connected to the gas supply pipe 310. The carrier gas supply pipe 510 is provided with a mass flow controller 512 and a valve 514. A carrier gas supply pipe 510, a mass flow controller 512, and a valve 514 mainly constitute a first carrier gas supply system.

ガス供給管320には上流側から順に流量制御装置(流量制御部)であるマスフローコントローラ322および開閉弁であるバルブ324が設けられている。ガス供給管320の先端部にはノズル420が連結されている。ノズル420は、ノズル410と同様に、L字型のロングノズルとして構成されており、その水平部はマニホールド209の側壁を貫通するように設けられている。ノズル420の垂直部は、反応管203の内壁とウエハ200との間に形成された円弧状の空間に、反応管203の内壁に沿って上方に向かって立ち上がるように設けられている。   The gas supply pipe 320 is provided with a mass flow controller 322 as a flow rate control device (flow rate control unit) and a valve 324 as an on-off valve in order from the upstream side. A nozzle 420 is connected to the tip of the gas supply pipe 320. Similarly to the nozzle 410, the nozzle 420 is configured as an L-shaped long nozzle, and a horizontal portion thereof is provided so as to penetrate the side wall of the manifold 209. The vertical part of the nozzle 420 is provided in an arc-shaped space formed between the inner wall of the reaction tube 203 and the wafer 200 so as to rise upward along the inner wall of the reaction tube 203.

ノズル420の側面にはガスを供給するガス供給孔420aが設けられている。ガス供給孔420aは反応管203の中心を向くように開口している。このガス供給孔420aは、反応管203の下部から上部にわたって複数設けられ、それぞれ同一または、大きさに傾斜をつけた開口面積を有し、更に同じ開口ピッチで設けられている。主に、ガス供給管320、マスフローコントローラ322、バルブ324、ノズル420により第2のガス供給系が構成される。   A gas supply hole 420 a for supplying gas is provided on the side surface of the nozzle 420. The gas supply hole 420 a is opened to face the center of the reaction tube 203. A plurality of the gas supply holes 420a are provided from the lower part to the upper part of the reaction tube 203, have the same or inclined opening areas, and are provided at the same opening pitch. The gas supply pipe 320, the mass flow controller 322, the valve 324, and the nozzle 420 mainly constitute a second gas supply system.

更にガス供給管320にはキャリアガスを供給するためのキャリアガス供給管520が連結されている。キャリアガス供給管520にはマスフローコントローラ522およびバルブ524が設けられている。主に、キャリアガス供給管520、マスフローコントローラ522、バルブ524により第2のキャリアガス供給系が構成される。   Further, a carrier gas supply pipe 520 for supplying a carrier gas is connected to the gas supply pipe 320. The carrier gas supply pipe 520 is provided with a mass flow controller 522 and a valve 524. The carrier gas supply pipe 520, the mass flow controller 522, and the valve 524 mainly constitute a second carrier gas supply system.

ガス供給管330には上流側から順に流量制御装置(流量制御部)であるマスフローコントローラ332および開閉弁であるバルブ334が設けられている。ガス供給管330の先端部にはノズル430が連結されている。ノズル430は、ノズル410と同様に、L字型のロングノズルとして構成されており、その水平部はマニホールド209の側壁を貫通するように設けられている。ノズル430の垂直部は、反応管203の内壁とウエハ200との間に形成された円弧状の空間に、反応管203の内壁に沿って上方に向かって立ち上がるように設けられている。   The gas supply pipe 330 is provided with a mass flow controller 332 that is a flow rate control device (flow rate control unit) and a valve 334 that is an on-off valve in order from the upstream side. A nozzle 430 is connected to the tip of the gas supply pipe 330. Similarly to the nozzle 410, the nozzle 430 is configured as an L-shaped long nozzle, and the horizontal portion thereof is provided so as to penetrate the side wall of the manifold 209. A vertical portion of the nozzle 430 is provided in an arc-shaped space formed between the inner wall of the reaction tube 203 and the wafer 200 so as to rise upward along the inner wall of the reaction tube 203.

ノズル430の側面にはガスを供給するガス供給孔430aが設けられている。ガス供給孔430aは反応管203の中心を向くように開口している。このガス供給孔430aは、反応管203の下部から上部にわたって複数設けられ、それぞれ同一または、大きさに傾斜をつけた開口面積を有し、更に同じ開口ピッチで設けられている。主に、ガス供給管330、マスフローコントローラ332、バルブ334、ノズル430により第3のガス供給系が構成される。   A gas supply hole 430 a for supplying gas is provided on the side surface of the nozzle 430. The gas supply hole 430 a is opened to face the center of the reaction tube 203. A plurality of the gas supply holes 430a are provided from the lower part to the upper part of the reaction tube 203, have the same or inclined opening areas, and are provided at the same opening pitch. The gas supply pipe 330, the mass flow controller 332, the valve 334, and the nozzle 430 mainly constitute a third gas supply system.

更にガス供給管330にはキャリアガスを供給するためのキャリアガス供給管530が連結されている。キャリアガス供給管530にはマスフローコントローラ532およびバルブ534が設けられている。主に、キャリアガス供給管530、マスフローコントローラ532、バルブ534により第3のキャリアガス供給系が構成される。   Further, a carrier gas supply pipe 530 for supplying a carrier gas is connected to the gas supply pipe 330. The carrier gas supply pipe 530 is provided with a mass flow controller 532 and a valve 534. A third carrier gas supply system is mainly configured by the carrier gas supply pipe 530, the mass flow controller 532, and the valve 534.

このように、本実施形態におけるガス供給の方法は、反応管203の内壁と、積載された複数枚のウエハ200の端部とで定義される円弧状の縦長の空間内に配置したノズル410、420、430を経由してガスを搬送し、ノズル410、420、430にそれぞれ開口されたガス供給孔410a、420b、430cからウエハ200の近傍で初めて反応管203内にガスを噴出させており、反応管203内におけるガスの主たる流れをウエハ200の表面と平行な方向、すなわち水平方向としている。このような構成とすることで、各ウエハ200に均一にガスを供給でき、各ウエハ200に形成される薄膜の膜厚を均一にできる効果がある。なお、反応後の残ガスは、排気口、すなわち、後述する排気管231の方向に向かって流れるが、この残ガスの流れの方向は、排気口の位置によって適宜特定され、垂直方向に限ったものではない。   As described above, the gas supply method according to the present embodiment includes a nozzle 410 arranged in an arc-like vertically long space defined by the inner wall of the reaction tube 203 and the ends of a plurality of stacked wafers 200, The gas is conveyed through 420 and 430, and the gas is jetted into the reaction tube 203 for the first time in the vicinity of the wafer 200 from the gas supply holes 410a, 420b and 430c opened in the nozzles 410, 420 and 430, respectively. The main flow of gas in the reaction tube 203 is set in a direction parallel to the surface of the wafer 200, that is, in a horizontal direction. With such a configuration, there is an effect that the gas can be supplied uniformly to each wafer 200 and the thickness of the thin film formed on each wafer 200 can be made uniform. The residual gas after the reaction flows toward the exhaust port, that is, the direction of the exhaust pipe 231 described later. The direction of the residual gas flow is appropriately specified by the position of the exhaust port and is limited to the vertical direction. It is not a thing.

上記構成に係る一例として、ガス供給管310からは、第1の金属元素を含む原料ガスとして、例えば少なくともチタン(Ti)元素を含むTi含有原料である四塩化チタン(TiCl)がマスフローコントローラ312、バルブ314、ノズル410を介して処理室201内に供給される。なお、TiClのように常温常圧下で液体状態である液体材料を用いる場合は、液体原料を気化器やバブラ等の気化システムにより気化して、Ti含有ガスであるTiClガスとして供給することとなる。 As an example of the above configuration, from the gas supply pipe 310, for example, titanium tetrachloride (TiCl 4 ), which is a Ti-containing raw material containing at least a titanium (Ti) element, is a mass flow controller 312 as a raw material gas containing a first metal element. , And supplied into the processing chamber 201 through the valve 314 and the nozzle 410. When using a liquid material that is in a liquid state at normal temperature and pressure, such as TiCl 4 , the liquid material is vaporized by a vaporization system such as a vaporizer or bubbler and supplied as TiCl 4 gas that is a Ti-containing gas. It becomes.

ガス供給管320からは、炭素、および、第2の金属元素を含む原料ガスとして、例えば少なくとも炭素(C)元素とアルミニウム(Al)元素とを含むTMA(トリメチルアルミニウム。(CHAl)がマスフローコントローラ322、バルブ324、ノズル420を介して処理室201内に供給される。なお、TMAのように液体状態である液体材料を用いる場合は、液体原料を気化器やバブラ等の気化システムにより気化して、CおよびAl含有ガスとして供給することとなる。 From the gas supply pipe 320, as a source gas containing carbon and the second metal element, for example, TMA (trimethylaluminum. (CH 3 ) 3 Al) containing at least a carbon (C) element and an aluminum (Al) element. Is supplied into the processing chamber 201 via the mass flow controller 322, the valve 324, and the nozzle 420. In addition, when using the liquid material which is in a liquid state like TMA, a liquid raw material will be vaporized by vaporization systems, such as a vaporizer and a bubbler, and will be supplied as C and Al containing gas.

ガス供給管330からは、窒素元素を含む原料ガスとして、例えばアンモニア(NH)がマスフローコントローラ332、バルブ334、ノズル430を介して処理室201内に供給される。 From the gas supply pipe 330, for example, ammonia (NH 3 ) is supplied into the processing chamber 201 through the mass flow controller 332, the valve 334, and the nozzle 430 as a source gas containing nitrogen element.

キャリアガス供給管510、520および530からは、例えば窒素(N)ガスが、それぞれマスフローコントローラ512、522および532、バルブ514、524および534、ノズル410、420および430を介して処理室201内に供給される。 From the carrier gas supply pipes 510, 520 and 530, for example, nitrogen (N 2 ) gas passes through the mass flow controllers 512, 522 and 532, valves 514, 524 and 534, and nozzles 410, 420 and 430, respectively. To be supplied.

なお、例えば各ガス供給管から上述のようなガスをそれぞれ流す場合、第1のガス供給系により金属含有原料供給系が構成される。また、第2のガス供給系により炭素含有原料供給系(あるいは炭素および金属含有原料供給系)が構成される。また、第3のガス供給系により窒素含有原料供給系が構成される。   In addition, for example, when each of the above-described gases is flowed from each gas supply pipe, the metal-containing raw material supply system is configured by the first gas supply system. In addition, a carbon-containing raw material supply system (or carbon and metal-containing raw material supply system) is configured by the second gas supply system. In addition, a nitrogen-containing raw material supply system is configured by the third gas supply system.

反応管203には、処理室201内の雰囲気を排気する排気管231が設けられている。排気管231は、ノズル410,420,430と同様に、マニホールド209の側壁を貫通するように設けられている。排気管231は、マニホールド209において、ノズル410,420,430と対抗する位置に設けられる。この構成により、ガス供給孔410a、420a、430aから処理室201内のウエハ200の近傍に供給されたガスは、水平方向、すなわちウエハ200の表面と平行な方向に向かって流れた後、下方に向かって流れ、排気管231より排気されることとなる。処理室201内におけるガスの主たる流れが水平方向へ向かう流れとなるのは上述の通りである。   The reaction tube 203 is provided with an exhaust pipe 231 for exhausting the atmosphere in the processing chamber 201. The exhaust pipe 231 is provided so as to penetrate the side wall of the manifold 209, similarly to the nozzles 410, 420, and 430. The exhaust pipe 231 is provided at a position facing the nozzles 410, 420, and 430 in the manifold 209. With this configuration, the gas supplied from the gas supply holes 410a, 420a, and 430a to the vicinity of the wafer 200 in the processing chamber 201 flows in the horizontal direction, that is, in the direction parallel to the surface of the wafer 200, and then downward. Then, the air flows through the exhaust pipe 231. As described above, the main flow of gas in the processing chamber 201 is a flow in the horizontal direction.

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、APC(Auto Pressure Controller)バルブ243、真空排気装置としての真空ポンプ246が接続されている。APCバルブ243は、排気バルブであり、圧力調整部として機能する。また、排気管231には、排気ガス中の反応副生成物や未反応の原料ガス等を捕捉するトラップ装置や排気ガス中に含まれる腐食性成分や有毒成分等を除害する除害装置が接続されている場合がある。主に、排気管231、APCバルブ243、圧力センサ245により、排気系すなわち排気ラインが構成される。なお、真空ポンプ246を排気系に含めて考えてもよい。さらには、トラップ装置や除害装置を排気系に含めて考えてもよい。   The exhaust pipe 231 includes, in order from the upstream side, a pressure sensor 245 as a pressure detector (pressure detection unit) for detecting the pressure in the processing chamber 201, an APC (Auto Pressure Controller) valve 243, and a vacuum pump as a vacuum exhaust device. 246 is connected. The APC valve 243 is an exhaust valve and functions as a pressure adjustment unit. Further, the exhaust pipe 231 has a trap device that captures reaction by-products and unreacted source gas in the exhaust gas, and a detoxification device that removes corrosive components and toxic components contained in the exhaust gas. May be connected. An exhaust system, that is, an exhaust line, is mainly configured by the exhaust pipe 231, the APC valve 243, and the pressure sensor 245. Note that the vacuum pump 246 may be included in the exhaust system. Furthermore, a trap device or a detoxifying device may be included in the exhaust system.

なお、APCバルブ243は、真空ポンプ246を作動させた状態で弁を開閉することで、処理室201内の真空排気および真空排気停止を行なうことができ、更に、真空ポンプ246を作動させた状態で弁開度を調節することで、処理室201内の圧力を調整することができるように構成されている。すなわち、排気系は、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いてAPCバルブ243の弁の開度を調節することにより、処理室201内の「実際の圧力」を、所定の「設定圧力」に近づけることができるように構成されている。例えば、処理室201内に供給されるガスの流量に変化がない場合や、処理室201内へのガス供給を停止している場合等において、処理室201内の実際の圧力を変更するには、処理室201内の設定圧力を変更し、APCバルブ243の弁の開度を上述の設定圧力に応じた開度に変更する。その結果、排気ラインの排気能力が変更され、処理室201内の実際の圧力が、上述の設定圧力に次第に(曲線的に)近づいて行くこととなる。このように、処理室201内の「設定圧力」とは、処理室201内の圧力制御を行なう際の「目標圧力」と同義と考えることができ、その値に、処理室201内の「実際の圧力」が追従することとなる。また、「処理室201内の設定圧力を変更すること」とは、実質的に、「排気ラインの排気能力を変更するためにAPCバルブ243の開度を変更すること」と同義であり、「APCバルブ243の開度を変更するための指令」と考えることができる。   Note that the APC valve 243 can open and close the vacuum pump 246 while the vacuum pump 246 is operated, thereby performing vacuum evacuation and stop of the vacuum exhaust in the processing chamber 201. Further, the APC valve 243 can be operated with the vacuum pump 246 operated. Thus, the pressure in the processing chamber 201 can be adjusted by adjusting the valve opening. That is, the exhaust system adjusts the opening degree of the APC valve 243 based on the pressure information detected by the pressure sensor 245 while operating the vacuum pump 246, thereby “actual pressure” in the processing chamber 201. Can be brought close to a predetermined “set pressure”. For example, to change the actual pressure in the processing chamber 201 when there is no change in the flow rate of the gas supplied into the processing chamber 201 or when the gas supply to the processing chamber 201 is stopped, etc. Then, the set pressure in the processing chamber 201 is changed, and the opening degree of the APC valve 243 is changed to an opening degree corresponding to the above set pressure. As a result, the exhaust capacity of the exhaust line is changed, and the actual pressure in the processing chamber 201 gradually (curvedly) approaches the set pressure described above. As described above, the “set pressure” in the processing chamber 201 can be considered to be synonymous with the “target pressure” when the pressure control in the processing chamber 201 is performed. The "pressure" will follow. Further, “changing the set pressure in the processing chamber 201” is substantially synonymous with “changing the opening degree of the APC valve 243 in order to change the exhaust capacity of the exhaust line”. It can be considered as “a command for changing the opening degree of the APC valve 243”.

反応管203内には温度検出器としての温度センサ263が設置されており、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への通電量を調整することで、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、ノズル410、420および430と同様にL字型に構成されており、反応管203の内壁に沿って設けられている。   A temperature sensor 263 as a temperature detector is installed in the reaction tube 203, and the temperature in the processing chamber 201 is adjusted by adjusting the energization amount to the heater 207 based on the temperature information detected by the temperature sensor 263. It is configured to have a desired temperature distribution. The temperature sensor 263 is configured in an L shape similarly to the nozzles 410, 420, and 430, and is provided along the inner wall of the reaction tube 203.

図3には、コントローラ121が示されている。図3に示されているように、コントローラ121は、CPU(Central Processing Unit)121a、RAM(Random
Access
Memory)121b、記憶装置121c、I/Oポート121dを備えたコンピュータとして構成されている。RAM121b、記憶装置121c、I/Oポート121dは、内部バスを介して、CPU121aとデータ交換可能なように構成されている。コントローラ121には、例えばタッチパネル等として構成された入出力装置122が接続されている。
FIG. 3 shows the controller 121. As shown in FIG. 3, the controller 121 includes a CPU (Central Processing Unit) 121a, a RAM (Random).
Access
(Memory) 121b, a storage device 121c, and an I / O port 121d. The RAM 121b, the storage device 121c, and the I / O port 121d are configured to exchange data with the CPU 121a via an internal bus. For example, an input / output device 122 configured as a touch panel or the like is connected to the controller 121.

記憶装置121cは、例えばフラッシュメモリ、HDD(Hard Disk Drive)等で構成されている。記憶装置121c内には、基板処理装置の動作を制御する制御プログラムや、後述する基板処理の手順や条件などが記載されたプロセスレシピ等が、読み出し可能に格納されている。なお、プロセスレシピは、後述する基板処理工程における各手順をコントローラ121に実行させ、所定の結果を得ることができるように組み合わされたものであり、プログラムとして機能する。以下、このプロセスレシピや制御プログラム等を総称して、単にプログラムともいう。なお、本明細書においてプログラムという言葉を用いた場合は、プロセスレシピ単体のみを含む場合、制御プログラム単体のみを含む場合、または、その両方を含む場合がある。また、RAM121bは、CPU121aによって読み出されたプログラムやデータ等が一時的に保持されるメモリ領域(ワークエリア)として構成されている。   The storage device 121c is configured by, for example, a flash memory, an HDD (Hard Disk Drive), or the like. In the storage device 121c, a control program that controls the operation of the substrate processing apparatus, a process recipe that describes the procedure and conditions of the substrate processing described later, and the like are stored in a readable manner. Note that the process recipe is a combination of functions so that a predetermined result can be obtained by causing the controller 121 to execute each procedure in a substrate processing step to be described later, and functions as a program. Hereinafter, the process recipe, the control program, and the like are collectively referred to as simply a program. When the term “program” is used in this specification, it may include only a process recipe alone, may include only a control program alone, or may include both. The RAM 121b is configured as a memory area (work area) in which programs, data, and the like read by the CPU 121a are temporarily stored.

I/Oポート121dは、上述のマスフローコントローラ312,322,332,512,522,532、バルブ314,324,334,514,524,534、APCバルブ243、圧力センサ245、真空ポンプ246、ヒータ207、温度センサ263、回転機構267、ボートエレベータ115等に接続されている。   The I / O port 121d includes the above-described mass flow controllers 312, 322, 332, 512, 522, 532, valves 314, 324, 334, 514, 524, 534, APC valve 243, pressure sensor 245, vacuum pump 246, heater 207. The temperature sensor 263, the rotation mechanism 267, the boat elevator 115 and the like are connected.

CPU121aは、記憶装置121cから制御プログラムを読み出して実行すると共に、入出力装置122からの操作コマンドの入力等に応じて記憶装置121cからプロセスレシピを読み出すように構成されている。そして、CPU121aは、読み出したプロセスレシピに従って、マスフローコントローラ312、322、332、512、522、532による各種ガスの流量調整動作、バルブ314、324、334、514、524、534の開閉動作、APCバルブ243の開閉動作およびAPCバルブ243による圧力センサ245に基づく圧力調整動作、温度センサ263に基づくヒータ207の温度調整動作、真空ポンプ246の起動および停止、回転機構267によるボート217の回転および回転速度調節動作、ボートエレベータ115によるボート217の昇降動作等を制御するように構成されている。   The CPU 121a is configured to read out and execute a control program from the storage device 121c, and to read out a process recipe from the storage device 121c in response to an operation command input from the input / output device 122 or the like. Then, according to the read process recipe, the CPU 121a adjusts the flow rates of various gases by the mass flow controllers 312, 322, 332, 512, 522, 532, opens / closes the valves 314, 324, 334, 514, 524, 534, and the APC valve. 243 opening / closing operation and pressure adjustment operation based on the pressure sensor 245 by the APC valve 243, temperature adjustment operation of the heater 207 based on the temperature sensor 263, starting and stopping of the vacuum pump 246, rotation and rotation speed adjustment of the boat 217 by the rotation mechanism 267 It is configured to control the operation, the raising / lowering operation of the boat 217 by the boat elevator 115 and the like.

なお、コントローラ121は、専用のコンピュータとして構成されている場合に限らず、汎用のコンピュータとして構成されていてもよい。例えば、上述のプログラムを格納した外部記憶装置(例えば、磁気テープ、フレキシブルディスクやハードディスク等の磁気ディスク、CDやDVD等の光ディスク、MO等の光磁気ディスク、USBメモリやメモリカード等の半導体メモリ)123を用意し、係る外部記憶装置123を用いて汎用のコンピュータにプログラムをインストールすること等により、本実施形態に係るコントローラ121を構成することができる。なお、コンピュータにプログラムを供給するための手段は、外部記憶装置123を介して供給する場合に限らない。例えば、インターネットや専用回線等の通信手段を用い、外部記憶装置123を介さずにプログラムを供給するようにしてもよい。なお、記憶装置121cや外部記憶装置123は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体として構成される。以下、これらを総称して、単に記録媒体ともいう。なお、本明細書において記録媒体という言葉を用いた場合は、記憶装置121c単体のみを含む場合、外部記憶装置123単体のみを含む場合、または、その両方を含む場合がある。   The controller 121 is not limited to being configured as a dedicated computer, but may be configured as a general-purpose computer. For example, an external storage device storing the above-described program (for example, magnetic tape, magnetic disk such as a flexible disk or hard disk, optical disk such as CD or DVD, magneto-optical disk such as MO, semiconductor memory such as USB memory or memory card) 123 is prepared, and the controller 121 according to the present embodiment can be configured by installing a program in a general-purpose computer using the external storage device 123. The means for supplying the program to the computer is not limited to supplying the program via the external storage device 123. For example, the program may be supplied without using the external storage device 123 by using communication means such as the Internet or a dedicated line. The storage device 121c and the external storage device 123 are configured as computer-readable recording media. Hereinafter, these are collectively referred to simply as a recording medium. Note that when the term “recording medium” is used in this specification, it may include only the storage device 121c alone, may include only the external storage device 123 alone, or may include both.

<半導体装置の構成>
次に、本実施形態に係る技術が適用される半導体装置の構成例について説明する。ここでは、半導体装置として、MOSFETを例に挙げる。
<Configuration of semiconductor device>
Next, a configuration example of a semiconductor device to which the technology according to the present embodiment is applied will be described. Here, a MOSFET is taken as an example of the semiconductor device.

図4は、MOSFETのゲート構成例を示す説明図である。図示のように、MOSFETのゲートは、シリコン(Si)基板上に成膜された酸化シリコン(SiO)からなるシリコン系絶縁膜と、このSiO上に成膜された酸化ハフニウム(HfO)からなる高誘電体膜(High-k膜)と、このHfO上に成膜された炭窒化チタンアルミニウム(TiAlCN)からなるゲート電極としての金属膜とを積層したスタック構造とされる。本実施形態の特徴は、ゲート電極を構成する金属膜の成膜にある。 FIG. 4 is an explanatory diagram showing a gate configuration example of a MOSFET. As shown in the figure, the gate of the MOSFET includes a silicon-based insulating film made of silicon oxide (SiO 2 ) formed on a silicon (Si) substrate, and hafnium oxide (HfO 2 ) formed on this SiO 2. A high-dielectric film (High-k film) made of and a metal film as a gate electrode made of titanium aluminum carbonitride (TiAlCN) formed on this HfO 2 are stacked. The feature of this embodiment is the formation of a metal film that constitutes the gate electrode.

<半導体装置のゲート製造工程>
次いで、図5を参照し、図4に示すMOSFETのゲート製造工程例について説明する。図5は、MOSFETのゲート製造工程例を示す処理フローである。
<Semiconductor device gate manufacturing process>
Next, an example of a gate manufacturing process of the MOSFET shown in FIG. 4 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a process flow showing an example of a MOSFET gate manufacturing process.

まず、シリコン基板を、例えば1%HF水溶液で処理して、Si基板の犠牲酸化膜を除去する(「HF treatment」工程)。次いで、Si基板の表面に、酸化シリコン(SiO)を熱酸化により成膜する(「SiO formation」工程)。SiOは、Si基板と、この後に形成するHfOとの界面における界面層として形成される。 First, the silicon substrate is treated with, for example, a 1% HF aqueous solution to remove the sacrificial oxide film on the Si substrate (“HF treatment” step). Next, silicon oxide (SiO 2 ) is deposited on the surface of the Si substrate by thermal oxidation (“SiO 2 formation” step). SiO 2 is formed as an interface layer at the interface between the Si substrate and HfO 2 to be formed later.

次に、酸化シリコン膜上に、高誘電体膜として酸化ハフニウム(HfO)を成膜する(「High-k formation」工程)。SiOとHfOにより、ゲート絶縁膜が構成される。HfOの成膜後、PDA(Post
Deposition Annealing)が行われる(「Post Deposition Annealing」工程)。このPDAは、例えば、熱処理炉(例えばRTP(Rapid
Thermal Process)装置)を用い、RTP装置の処理室内にHfOが成膜されたSi基板を収容し、この処理室内にNガスを供給してアニール処理を行う。PDAは、HfO中の不純物除去、HfOの緻密化もしくは結晶化を目的として行う。
Next, hafnium oxide (HfO 2 ) is formed as a high dielectric film on the silicon oxide film (“High-k formation” step). A gate insulating film is composed of SiO 2 and HfO 2 . After film formation of HfO 2 , PDA (Post
Deposition Annealing) is performed (“Post Deposition Annealing” step). This PDA is, for example, a heat treatment furnace (for example, RTP (Rapid
Thermal processing apparatus) is used to house a Si substrate on which HfO 2 is formed in a processing chamber of the RTP apparatus, and N 2 gas is supplied into the processing chamber to perform an annealing process. PDA is performed impurity removal during HfO 2, the densification or crystallization of HfO 2 purposes.

次に、HfO上に、金属膜としてTiAlCNを成膜する(「TiAlCN deposition」工程)。図示のように、この工程では、窒化チタン(TiN)層(第1の層)を形成する処理(「TiN formation」)をX回(第1の所定回数)行う工程を実行した後、アルミニウム(Al)、炭素(C)、チタン(Ti)および窒素(N)を含むAlCTiN層(第2の層)を形成する処理(「AlCTiN formation」)をY回(第2の所定回数)行う工程が実行される。そして、それらの各工程が、Z回(第3の所定回数)交互に行われることで、TiAlCNが成膜される。この処理の詳細については後述する。 Next, TiAlCN is formed as a metal film on HfO 2 (“TiAlCN deposition” step). As shown in the figure, in this step, after performing a process of forming a titanium nitride (TiN) layer (first layer) (“TiN formation”) X times (first predetermined number of times), aluminum ( A step of performing a process (“AlCTiN formation”) for forming an AlCTiN layer (second layer) containing Al), carbon (C), titanium (Ti), and nitrogen (N) Y times (second predetermined number of times). Executed. Then, TiAlCN is formed by alternately performing these steps Z times (third predetermined number of times). Details of this processing will be described later.

次いで、TiAlCN上に、Cap膜として例えばPVD(Physical Vapor Deposition:物理気相成長)により窒化チタン(TiN)を成膜する(「Cap TiN deposition」工程)。そして、このTiN膜上にレジストをマスクにして、ゲート電極のフォトリソグラフィ技術を用いたパターニング(「Gate patterning」工程)と行うと共に、ドライエッチング技術を用いたパターンエッチング(「Gate etching」工程)を行う。その後、当該レジストを除去する(「Resist removal」工程))。そして、水素ガスアニーリング等のFGA(Forming
gas annealing)処理を行う(「FGA」工程)。
Next, titanium nitride (TiN) is deposited on the TiAlCN as a Cap film by, for example, PVD (Physical Vapor Deposition) (“Cap TiN deposition” step). Then, using the resist as a mask on the TiN film, patterning using a photolithography technique of the gate electrode (“Gate patterning” process) and pattern etching using a dry etching technique (“Gate etching” process) are performed. Do. Thereafter, the resist is removed (“Resist removal” step). And FGA (Forming) such as hydrogen gas annealing
gas annealing) process ("FGA" process).

<金属膜の成膜工程>
次に、上記したゲート電極を構成する金属膜の成膜工程について説明する。金属膜の成膜工程は、上述した基板処理装置10の処理炉202を用いて、半導体装置(MOSFET)の製造工程の一工程として実行される。
<Metal film deposition process>
Next, a film forming process of the metal film constituting the gate electrode described above will be described. The metal film forming step is performed as one step of the semiconductor device (MOSFET) manufacturing process using the processing furnace 202 of the substrate processing apparatus 10 described above.

本実施形態の好適なシーケンスは、
金属元素(例えばTi)と窒素(N)とを含む第1の層(例えばTiN)をウエハ200に形成する処理を第1の所定回数行う工程と、
上記金属元素(例えばTi)と窒素(N)と炭素(C)とを含む第2の層(例えばAlCTiN)をウエハ200に形成する処理を第2の所定回数行う工程と、
を交互に第3の所定回数行うことで、ウエハ200上に、窒素(C)と炭素(C)とを所定の割合で含む金属膜(例えばTiAlCN)を成膜する工程を有する。
The preferred sequence of this embodiment is
Performing a process for forming a first layer (eg, TiN) containing a metal element (eg, Ti) and nitrogen (N) on the wafer 200 for a first predetermined number of times;
Performing a process for forming a second layer (eg, AlCTiN) containing the metal element (eg, Ti), nitrogen (N), and carbon (C) on the wafer 200 a second predetermined number of times;
Are alternately performed for a third predetermined number of times to form a metal film (for example, TiAlCN) containing nitrogen (C) and carbon (C) at a predetermined ratio on the wafer 200.

また、本実施形態の好適なシーケンスは、
ウエハ200に対して、金属元素(例えばTi)を含む第1原料(例えばTiCl)と、窒素(N)を含む第2原料(例えばNH)とを交互に第1の所定回数供給する工程と、
ウエハ200に対して、炭素(C)を含む第3原料(例えばTMA)と、上記金属元素(例えばTi)を含む第4原料(例えばTiCl)と、窒素(N)を含む第5原料(例えばNH)とを交互に第2の所定回数供給する工程と、
を交互に第3の所定回数行うことで、ウエハ200上に、窒素(N)と炭素(C)とを所定の割合で含む金属膜(例えばTiAlCN)を成膜する工程を有する。
Moreover, the suitable sequence of this embodiment is
A step of alternately supplying a first raw material (eg, TiCl 4 ) containing a metal element (eg, Ti) and a second raw material (eg, NH 3 ) containing nitrogen (N) to the wafer 200 a first predetermined number of times. When,
With respect to the wafer 200, a third raw material (for example, TMA) containing carbon (C), a fourth raw material (for example, TiCl 4 ) containing the metal element (eg, Ti), and a fifth raw material containing nitrogen (N) ( For example, supplying NH 3 ) alternately for a second predetermined number of times;
Are alternately performed for a third predetermined number of times to form a metal film (for example, TiAlCN) containing nitrogen (N) and carbon (C) at a predetermined ratio on the wafer 200.

また、本実施形態において、上記の第1の所定回数、第2の所定回数および第3の所定回数は、金属膜(例えばTiAlCN)に含める窒素(N)または炭素(C)の割合、換言すれば、目標とするゲート電極の仕事関数に応じて決定される。   In the present embodiment, the first predetermined number of times, the second predetermined number of times, and the third predetermined number of times are the ratio of nitrogen (N) or carbon (C) included in the metal film (for example, TiAlCN), in other words, For example, it is determined according to the work function of the target gate electrode.

なお、本明細書において「ウエハ」という言葉を用いた場合は、「ウエハそのもの」を意味する場合や、「ウエハとその表面に形成された所定の層や膜等との積層体(集合体)」を意味する場合(すなわち、表面に形成された所定の層や膜等を含めてウエハと称する場合)がある。また、本明細書において「ウエハの表面」という言葉を用いた場合は、「ウエハそのものの表面(露出面)」を意味する場合や、「ウエハ上に形成された所定の層や膜等の表面、すなわち、積層体としてのウエハの最表面」を意味する場合がある。
従って、本明細書において「ウエハに対して所定のガスを供給する」と記載した場合は、「ウエハそのものの表面(露出面)に対して所定のガスを直接供給する」ことを意味する場合や、「ウエハ上に形成されている層や膜等に対して、すなわち、積層体としてのウエハの最表面に対して所定のガスを供給する」ことを意味する場合がある。また、本明細書において「ウエハ上に所定の層(又は膜)を形成する」と記載した場合は、「ウエハそのものの表面(露出面)上に所定の層(又は膜)を直接形成する」ことを意味する場合や、「ウエハ上に形成されている層や膜等の上、すなわち、積層体としてのウエハの最表面の上に所定の層(又は膜)を形成する」ことを意味する場合がある。
なお、本明細書において「基板」という言葉を用いた場合も、「ウエハ」という言葉を用いた場合と同様であり、その場合、上記説明において、「ウエハ」を「基板」に置き換えて考えればよい。
In this specification, when the term “wafer” is used, it means “wafer itself” or “a laminate (aggregate) of a wafer and a predetermined layer or film formed on the surface thereof”. "(That is, a wafer including a predetermined layer or film formed on the surface). In addition, when the term “wafer surface” is used in this specification, it means “the surface of the wafer itself (exposed surface)” or “the surface of a predetermined layer or film formed on the wafer”. That is, it may mean “the outermost surface of the wafer as a laminated body”.
Therefore, in the present specification, the phrase “supplying a predetermined gas to the wafer” means “supplying a predetermined gas directly to the surface (exposed surface) of the wafer itself”. , It may mean that “a predetermined gas is supplied to a layer, a film, or the like formed on the wafer, that is, to the outermost surface of the wafer as a laminated body”. Further, in this specification, when “describe a predetermined layer (or film) on the wafer” is described, “determine a predetermined layer (or film) directly on the surface (exposed surface) of the wafer itself”. This means that a predetermined layer (or film) is formed on a layer or film formed on the wafer, that is, on the outermost surface of the wafer as a laminate. There is a case.
Note that the term “substrate” in this specification is the same as the term “wafer”. In that case, in the above description, “wafer” is replaced with “substrate”. Good.

また、本明細書において金属膜という用語は、金属原子を含む導電性の物質で構成される膜を意味し、これには、導電性の金属窒化膜、導電性の金属酸化膜、導電性の金属酸窒化膜、導電性の金属複合膜、導電性の金属合金膜、導電性の金属シリサイド膜、導電性の金属炭化膜(金属カーバイド膜)、導電性の金属炭窒化膜(金属カーボナイトライド膜)等が含まれる。なお、TiAlCN(炭窒化チタンアルミニウム)は導電性の金属炭窒化膜である。   In this specification, the term metal film means a film made of a conductive substance containing a metal atom, and includes a conductive metal nitride film, a conductive metal oxide film, and a conductive film. Metal oxynitride film, conductive metal composite film, conductive metal alloy film, conductive metal silicide film, conductive metal carbide film (metal carbide film), conductive metal carbonitride film (metal carbonitride film) ) Etc. are included. TiAlCN (titanium aluminum carbonitride) is a conductive metal carbonitride film.

図6は、図5に示す処理フローにおける金属膜(TiAlCN)の成膜工程例を示す処理フロー図である。図7は、図6に示す成膜工程におけるガス供給のタイミングを示す図である。なお、以下の説明において、基板処理装置10を構成する各部の動作はコントローラ121により制御される。   FIG. 6 is a process flow diagram showing an example of a metal film (TiAlCN) deposition process in the process flow shown in FIG. FIG. 7 is a diagram showing gas supply timing in the film forming process shown in FIG. In the following description, the operation of each unit constituting the substrate processing apparatus 10 is controlled by the controller 121.

(ウエハチャージおよびボートロード)
複数枚のウエハ200がボート217に装填(ウエハチャージ)されると、図1に示されているように、複数枚のウエハ200を支持したボート217は、ボートエレベータ115によって持ち上げられて処理室201内に搬入(ボートロード)される。この状態で、シールキャップ219はOリング220を介して反応管203の下端開口を閉塞した状態となる。
(Wafer charge and boat load)
When a plurality of wafers 200 are loaded into the boat 217 (wafer charging), as shown in FIG. It is carried in (boat loading). In this state, the seal cap 219 closes the lower end opening of the reaction tube 203 via the O-ring 220.

(圧力調整および温度調整)
処理室201内が所望の圧力(真空度)となるように真空ポンプ246によって真空排気される。この際、処理室201内の圧力は、圧力センサ245で測定され、この測定された圧力情報に基づき、APCバルブ243がフィードバック制御される(圧力調整)。なお、真空ポンプ246は、少なくともウエハ200に対する処理が完了するまでの間は常時作動させた状態を維持する。また、処理室201内が所望の温度となるようにヒータ207によって加熱される。この際、処理室201内が所望の温度分布となるように、温度センサ263が検出した温度情報に基づきヒータ207への通電量がフィードバック制御される(温度調整)。なお、ヒータ207による処理室201内の加熱は、少なくともウエハ200に対する処理が完了するまでの間は継続して行われる。続いて、回転機構267によりボート217およびウエハ200の回転を開始する。なお、回転機構267によるボート217およびウエハ200の回転は、少なくとも、ウエハ200に対する処理が完了するまでの間は継続して行われる。
(Pressure adjustment and temperature adjustment)
The processing chamber 201 is evacuated by a vacuum pump 246 so that a desired pressure (degree of vacuum) is obtained. At this time, the pressure in the processing chamber 201 is measured by the pressure sensor 245, and the APC valve 243 is feedback-controlled based on the measured pressure information (pressure adjustment). Note that the vacuum pump 246 keeps being operated at least until the processing on the wafer 200 is completed. Further, the processing chamber 201 is heated by the heater 207 so as to have a desired temperature. At this time, the energization amount to the heater 207 is feedback-controlled based on the temperature information detected by the temperature sensor 263 so that the processing chamber 201 has a desired temperature distribution (temperature adjustment). Note that the heating of the processing chamber 201 by the heater 207 is continuously performed at least until the processing on the wafer 200 is completed. Subsequently, the rotation mechanism 267 starts the rotation of the boat 217 and the wafer 200. Note that the rotation of the boat 217 and the wafer 200 by the rotation mechanism 267 is continuously performed at least until the processing on the wafer 200 is completed.

続いて、TiN層を形成する工程(ステップ11からステップ14)を実行する。   Subsequently, a process of forming a TiN layer (Step 11 to Step 14) is performed.

<ステップ11>
(TiClガス供給)
ガス供給管310のバルブ314を開き、ガス供給管310内に第1の原料としてのTiClガスを流す。ガス供給管310内を流れたTiClガスは、マスフローコントローラ312により流量調整される。流量調整されたTiClガスは、ノズル410のガス供給孔410aから処理室201内に供給され、排気管231から排気される。このとき、ウエハ200に対してTiClガスが供給されることとなる。すなわちウエハ200の表面はTiClガスに暴露されることとなる。このとき同時にバルブ514を開き、キャリアガス供給管510内にNガス等の不活性ガスを流す。キャリアガス供給管510内を流れたNガスは、マスフローコントローラ512により流量調整される。流量調整されたNガスはTiClガスと一緒に処理室201内に供給され、排気管231から排気される。なお、このとき、ノズル420、ノズル430内へのTiClガスの侵入を防止するために、バルブ524、534を開き、キャリアガス供給管520、キャリアガス供給管530内にNガスを流す。Nガスは、ガス供給管320、ガス供給管330、ノズル420、ノズル430を介して処理室201内に供給され、排気管231から排気される。
<Step 11>
(TiCl 4 gas supply)
The valve 314 of the gas supply pipe 310 is opened, and TiCl 4 gas as the first raw material is caused to flow into the gas supply pipe 310. The flow rate of the TiCl 4 gas that has flowed through the gas supply pipe 310 is adjusted by the mass flow controller 312. The flow-adjusted TiCl 4 gas is supplied into the processing chamber 201 from the gas supply hole 410 a of the nozzle 410 and is exhausted from the exhaust pipe 231. At this time, TiCl 4 gas is supplied to the wafer 200. That is, the surface of the wafer 200 is exposed to TiCl 4 gas. At the same time, the valve 514 is opened, and an inert gas such as N 2 gas is allowed to flow into the carrier gas supply pipe 510. The flow rate of the N 2 gas flowing through the carrier gas supply pipe 510 is adjusted by the mass flow controller 512. The N 2 gas whose flow rate has been adjusted is supplied into the processing chamber 201 together with the TiCl 4 gas, and is exhausted from the exhaust pipe 231. At this time, in order to prevent the TiCl 4 gas from entering the nozzles 420 and 430, the valves 524 and 534 are opened, and N 2 gas is allowed to flow into the carrier gas supply pipe 520 and the carrier gas supply pipe 530. The N 2 gas is supplied into the processing chamber 201 through the gas supply pipe 320, the gas supply pipe 330, the nozzle 420, and the nozzle 430 and is exhausted from the exhaust pipe 231.

このときAPCバルブ243を適正に調整して、処理室201内の圧力を、例えば1〜10000Paの範囲内の圧力とする。マスフローコントローラ312で制御するTiClガスの供給流量は、例えば10〜10000sccmの範囲内の流量とする。マスフローコントローラ512、522、532で制御するNガスの供給流量は、それぞれ例えば10〜10000sccmの範囲内の流量とする。TiClガスをウエハ200に対して供給する時間、すなわちガス供給時間(照射時間)は、例えば0.1〜120秒の範囲内の時間とする。このときヒータ207の温度は、ウエハ200の温度が、例えば200〜500℃の範囲内の温度となるような温度に設定する。TiClガスの供給により、ウエハ200上に、例えば1原子層未満から数原子層程度の厚さのTi含有層が形成される。 At this time, the APC valve 243 is appropriately adjusted so that the pressure in the processing chamber 201 is, for example, in the range of 1 to 10,000 Pa. The supply flow rate of TiCl 4 gas controlled by the mass flow controller 312 is, for example, a flow rate in the range of 10 to 10,000 sccm. The supply flow rate of the N 2 gas controlled by the mass flow controllers 512, 522, and 532 is set to a flow rate in the range of, for example, 10 to 10,000 sccm. The time for supplying the TiCl 4 gas to the wafer 200, that is, the gas supply time (irradiation time) is, for example, a time in the range of 0.1 to 120 seconds. At this time, the temperature of the heater 207 is set to such a temperature that the temperature of the wafer 200 becomes a temperature within a range of 200 to 500 ° C., for example. By supplying the TiCl 4 gas, a Ti-containing layer having a thickness of, for example, less than one atomic layer to several atomic layers is formed on the wafer 200.

<ステップ12>
(残留ガス除去)
Ti含有層が形成された後、ガス供給管310のバルブ314を閉じ、TiClガスの供給を停止する。このとき、排気管231のAPCバルブ243は開いたままとして、真空ポンプ246により処理室201内を真空排気し、処理室201内に残留する未反応もしくはTi含有層形成に寄与した後のTiClガスを処理室201内から排除する。なお、このときバルブ514、524、534は開いたままとして、Nガスの処理室201内への供給を維持する。Nガスはパージガスとして作用し、これにより、処理室201内に残留する未反応もしくはTi含有層形成に寄与した後のTiClガスを処理室201内から排除する効果を高めることができる。
<Step 12>
(Residual gas removal)
After the Ti-containing layer is formed, the valve 314 of the gas supply pipe 310 is closed and the supply of TiCl 4 gas is stopped. At this time, the APC valve 243 of the exhaust pipe 231 is kept open, the inside of the processing chamber 201 is evacuated by the vacuum pump 246, and TiCl 4 after remaining in the processing chamber 201 or contributing to the formation of the Ti-containing layer. The gas is removed from the processing chamber 201. At this time, the valves 514, 524, and 534 are kept open, and the supply of N 2 gas into the processing chamber 201 is maintained. The N 2 gas acts as a purge gas, which can enhance the effect of removing the unreacted or residual TiCl 4 gas that has contributed to the formation of the Ti-containing layer from the processing chamber 201.

なお、このとき、処理室201内に残留するガスを完全に排除しなくてもよく、処理室201内を完全にパージしなくてもよい。処理室201内に残留するガスが微量であれば、その後に行われるステップにおいて悪影響が生じることはない。このとき処理室201内に供給するNガスの流量も大流量とする必要はなく、例えば、反応管203(処理室201)の容積と同程度の量を供給することで、その後のステップにおいて悪影響が生じない程度のパージを行なうことができる。このように、処理室201内を完全にパージしないことで、パージ時間を短縮し、スループットを向上させることができる。また、Nガスの消費も必要最小限に抑えることが可能となる。 At this time, the gas remaining in the processing chamber 201 may not be completely removed, and the inside of the processing chamber 201 may not be completely purged. If the amount of gas remaining in the processing chamber 201 is very small, no adverse effect will occur in the subsequent steps. At this time, the flow rate of the N 2 gas supplied into the processing chamber 201 does not need to be a large flow rate. For example, by supplying an amount similar to the volume of the reaction tube 203 (processing chamber 201), Purge can be performed to the extent that no adverse effect occurs. Thus, by not completely purging the inside of the processing chamber 201, the purge time can be shortened and the throughput can be improved. In addition, consumption of N 2 gas can be minimized.

<ステップ13>
(NHガス供給)
処理室201内の残留ガスを除去した後、ガス供給管330のバルブ334を開き、ガス供給管330内にNHガスを流す。ガス供給管330内を流れたNHガスは、マスフローコントローラ332により流量調整される。流量調整されたNHガスは、ノズル430のガス供給孔430aから処理室201内に供給される。処理室201内に供給されたNHガスは熱で活性化された後、排気管231から排気される。このときウエハ200に対して、熱で活性化されたNHガスが供給されることとなる。すなわちウエハ200の表面は熱で活性化されたNHガスに暴露されることとなる。このとき同時にバルブ534を開き、キャリアガス供給管530内にNガスを流す。キャリアガス供給管530内を流れたNガスは、マスフローコントローラ532により流量調整される。NガスはNHガスと一緒に処理室201内に供給され、排気管231から排気される。なお、このとき、ノズル410、420内へのNHガスの侵入を防止するために、バルブ514、524を開き、キャリアガス供給管510、520内にNガスを流す。Nガスは、ガス供給管310、320、ノズル410、ノズル420を介して処理室201内に供給され、排気管231から排気される。
<Step 13>
(NH 3 gas supply)
After removing the residual gas in the processing chamber 201, the valve 334 of the gas supply pipe 330 is opened, and NH 3 gas is allowed to flow into the gas supply pipe 330. The flow rate of the NH 3 gas that has flowed through the gas supply pipe 330 is adjusted by the mass flow controller 332. The NH 3 gas whose flow rate has been adjusted is supplied into the processing chamber 201 from the gas supply hole 430 a of the nozzle 430. The NH 3 gas supplied into the processing chamber 201 is activated by heat and then exhausted from the exhaust pipe 231. At this time, NH 3 gas activated by heat is supplied to the wafer 200. That is, the surface of the wafer 200 is exposed to heat activated NH 3 gas. At the same time, the valve 534 is opened, and N 2 gas is caused to flow into the carrier gas supply pipe 530. The flow rate of the N 2 gas flowing through the carrier gas supply pipe 530 is adjusted by the mass flow controller 532. The N 2 gas is supplied into the processing chamber 201 together with the NH 3 gas, and is exhausted from the exhaust pipe 231. At this time, in order to prevent the NH 3 gas from entering the nozzles 410 and 420, the valves 514 and 524 are opened, and the N 2 gas is allowed to flow into the carrier gas supply pipes 510 and 520. The N 2 gas is supplied into the processing chamber 201 through the gas supply pipes 310 and 320, the nozzle 410 and the nozzle 420, and is exhausted from the exhaust pipe 231.

NHガスを熱で活性化させて流すときは、APCバルブ243を適正に調整して、処理室201内の圧力を、例えば1〜10000Paの範囲内の圧力とする。マスフローコントローラ332で制御するNHガスの供給流量は、例えば10〜50000sccmの範囲内の流量とする。マスフローコントローラ512、522、532で制御するNガスの供給流量は、それぞれ例えば10〜10000sccmの範囲内の流量とする。熱で活性化させたNHガスをウエハ200に対して供給する時間、すなわちガス供給時間(照射時間)は、例えば0.1〜120秒の範囲内の時間とする。このときのヒータ207の温度は、ステップ11と同様、ウエハ200の温度が、例えば200〜500℃の範囲内の温度となるような温度に設定する。 When the NH 3 gas is activated by heat and flows, the APC valve 243 is appropriately adjusted so that the pressure in the processing chamber 201 is, for example, in the range of 1 to 10,000 Pa. The supply flow rate of NH 3 gas controlled by the mass flow controller 332 is, for example, a flow rate in the range of 10 to 50000 sccm. The supply flow rate of the N 2 gas controlled by the mass flow controllers 512, 522, and 532 is set to a flow rate in the range of, for example, 10 to 10,000 sccm. The time for supplying the NH 3 gas activated by heat to the wafer 200, that is, the gas supply time (irradiation time) is, for example, a time within the range of 0.1 to 120 seconds. The temperature of the heater 207 at this time is set to a temperature at which the temperature of the wafer 200 becomes a temperature within the range of 200 to 500 ° C., for example, as in step 11.

このとき処理室201内に流しているガスは、処理室201内圧力を高くすることで熱的に活性化されたNHガスであり、この活性化されたNHガスは、ステップ11でウエハ200上に形成されたTi含有層の少なくとも一部と反応する。これによりTi含有層は窒化されて、窒化チタン層(TiN層)へと改質される。 At this time, the gas flowing into the processing chamber 201 is NH 3 gas that is thermally activated by increasing the pressure in the processing chamber 201, and this activated NH 3 gas is converted into the wafer in step 11. Reacts with at least a portion of the Ti-containing layer formed on 200. As a result, the Ti-containing layer is nitrided and modified into a titanium nitride layer (TiN layer).

<ステップ14>
(残留ガス除去)
TiN層を形成した後、ガス供給管330のバルブ334を閉じて、NHガスの供給を停止する。このとき、排気管231のAPCバルブ243は開いたままとして、真空ポンプ246により処理室201内を真空排気し、処理室201内に残留する未反応もしくはTiN層形成に寄与した後のNHガスや反応副生成物を処理室201内から排除する。なお、このときバルブ514、524、534は開いたままとして、Nガスの処理室201内への供給を維持する。Nガスはパージガスとして作用し、これにより、処理室201内に残留する未反応もしくはTiN層形成に寄与した後のNHガスや反応副生成物を処理室201内から排除する効果を高めることができる。
<Step 14>
(Residual gas removal)
After forming the TiN layer, the valve 334 of the gas supply pipe 330 is closed to stop the supply of NH 3 gas. At this time, the APC valve 243 of the exhaust pipe 231 is kept open, the inside of the processing chamber 201 is evacuated by the vacuum pump 246, and the NH 3 gas remaining in the processing chamber 201 and contributing to the formation of the TiN layer remains. And reaction by-products are removed from the processing chamber 201. At this time, the valves 514, 524, and 534 are kept open, and the supply of N 2 gas into the processing chamber 201 is maintained. The N 2 gas acts as a purge gas, thereby enhancing the effect of removing NH 3 gas and reaction by-products remaining in the processing chamber 201 and contributing to formation of the TiN layer from the processing chamber 201. Can do.

なお、このとき、処理室201内に残留するガスを完全に排除しなくてもよく、処理室201内を完全にパージしなくてもよい。処理室201内に残留するガスが微量であれば、その後に行われるステップにおいて悪影響が生じることはない。このとき処理室201内に供給するNガスの流量も大流量とする必要はなく、例えば、反応管203(処理室201)の容積と同程度の量を供給することで、その後のステップにおいて悪影響が生じない程度のパージを行なうことができる。このように、処理室201内を完全にパージしないことで、パージ時間を短縮し、スループットを向上させることができる。また、Nガスの消費も必要最小限に抑えることが可能となる。 At this time, the gas remaining in the processing chamber 201 may not be completely removed, and the inside of the processing chamber 201 may not be completely purged. If the amount of gas remaining in the processing chamber 201 is very small, no adverse effect will occur in the subsequent steps. At this time, the flow rate of the N 2 gas supplied into the processing chamber 201 does not need to be a large flow rate. For example, by supplying an amount similar to the volume of the reaction tube 203 (processing chamber 201), Purge can be performed to the extent that no adverse effect occurs. Thus, by not completely purging the inside of the processing chamber 201, the purge time can be shortened and the throughput can be improved. In addition, consumption of N 2 gas can be minimized.

上記したステップ11からステップ14の処理を、予め設定されたX回(第1の所定回数)だけ実行する。すなわち、ステップ11からステップ14の処理を1セットとして、これらの処理をXセットだけ実行する。このように、TiClガス供給とNHガス供給とを交互にX回行うことにより、所定の厚さ(例えば0.03〜20nm)のTiN層(第1の層)を形成する。 The above-described processing from step 11 to step 14 is executed X times (first predetermined number of times) set in advance. That is, the process from step 11 to step 14 is set as one set, and these processes are executed for X sets. In this manner, TiN 4 gas supply and NH 3 gas supply are alternately performed X times to form a TiN layer (first layer) having a predetermined thickness (for example, 0.03 to 20 nm).

上記したステップ11からステップ14の処理をX回(Xセット)行った後、以下に示すAlCTiN層を形成する工程(ステップ15からステップ20)を実行する。   After performing the above-described processing from step 11 to step 14 X times (X set), the following steps (step 15 to step 20) for forming an AlCTiN layer are performed.

<ステップ15>
(TMAガス供給)
ガス供給管320のバルブ324を開き、ガス供給管320内にTMA(トリメチルアルミニウム。(CHAl)ガスを流す。ガス供給管320内を流れたTMAガスは、マスフローコントローラ322により流量調整される。流量調整されたTMAガスは、ノズル420のガス供給孔420aから処理室201内へ供給され、排気管231から排気される。このときウエハ200に対してTMAガスが供給されることとなる。すなわちウエハ200の表面はTMAガスに暴露されることとなる。このとき同時にバルブ524を開き、キャリアガス供給管520内にNガスを流す。キャリアガス供給管520内を流れたNガスは、マスフローコントローラ522により流量調整される。流量調整されたNガスはTMAガスと一緒に処理室201内へ供給され、排気管231から排気される。なお、このとき、ノズル410、ノズル430内へのTMAガスの侵入を防止するために、バルブ514、534を開き、キャリアガス供給管510、キャリアガス供給管530内にNガスを流す。Nガスは、ガス供給管310、ガス供給管330、ノズル410、ノズル430を介して処理室201内に供給され、排気管231から排気される。
<Step 15>
(TMA gas supply)
The valve 324 of the gas supply pipe 320 is opened, and TMA (trimethylaluminum. (CH 3 ) 3 Al) gas is allowed to flow through the gas supply pipe 320. The flow rate of the TMA gas flowing through the gas supply pipe 320 is adjusted by the mass flow controller 322. The flow-adjusted TMA gas is supplied from the gas supply hole 420 a of the nozzle 420 into the processing chamber 201 and is exhausted from the exhaust pipe 231. At this time, TMA gas is supplied to the wafer 200. That is, the surface of the wafer 200 is exposed to TMA gas. At the same time, the valve 524 is opened, and N 2 gas is caused to flow into the carrier gas supply pipe 520. The N 2 gas that has flowed through the carrier gas supply pipe 520 is adjusted in flow rate by the mass flow controller 522. The N 2 gas whose flow rate has been adjusted is supplied into the processing chamber 201 together with the TMA gas, and is exhausted from the exhaust pipe 231. At this time, in order to prevent the TMA gas from entering the nozzles 410 and 430, the valves 514 and 534 are opened, and N 2 gas is allowed to flow into the carrier gas supply pipe 510 and the carrier gas supply pipe 530. The N 2 gas is supplied into the processing chamber 201 through the gas supply pipe 310, the gas supply pipe 330, the nozzle 410, and the nozzle 430 and is exhausted from the exhaust pipe 231.

このときAPCバルブ243を適正に調整して、処理室201内の圧力を、ステップ11と同様、例えば1〜10000Paの範囲内の圧力とする。マスフローコントローラ322で制御するTMAガスの供給流量は、例えば10〜10000sccmの範囲内の流量とする。マスフローコントローラ512、522、532で制御するNガスの供給流量は、それぞれ例えば10〜10000sccmの範囲内の流量とする。TMAガスをウエハ200に対して供給する時間、すなわちガス供給時間(照射時間)は、例えば0.1〜120秒の範囲内の時間とする。このときのヒータ207の温度は、ステップ11と同様、ウエハ200の温度が、例えば200〜500℃の範囲内の温度となるような温度に設定する。TMAガスの供給により、TiN層上に炭素(C)およびアルミニウム(Al)を含む層が形成される。このCおよびAlを含む層は、例えば1原子層未満から数原子層程度の厚さに形成される。 At this time, the APC valve 243 is appropriately adjusted so that the pressure in the processing chamber 201 is, for example, a pressure in the range of 1 to 10,000 Pa as in Step 11. The supply flow rate of TMA gas controlled by the mass flow controller 322 is, for example, a flow rate in the range of 10 to 10,000 sccm. The supply flow rate of the N 2 gas controlled by the mass flow controllers 512, 522, and 532 is set to a flow rate in the range of, for example, 10 to 10,000 sccm. The time for supplying the TMA gas to the wafer 200, that is, the gas supply time (irradiation time) is, for example, a time within the range of 0.1 to 120 seconds. The temperature of the heater 207 at this time is set to a temperature at which the temperature of the wafer 200 becomes a temperature within the range of 200 to 500 ° C., for example, as in step 11. By supplying the TMA gas, a layer containing carbon (C) and aluminum (Al) is formed on the TiN layer. The layer containing C and Al is formed to a thickness of, for example, less than one atomic layer to several atomic layers.

<ステップ16>
(残留ガス除去)
その後、ガス供給管320のバルブ324を閉じてTMAガスの供給を停止する。このとき、排気管231のAPCバルブ243は開いたままとして、真空ポンプ246により処理室201内を真空排気し、処理室201内に残留する未反応もしくは上記したCおよびAlを含む層の形成に寄与した後のTMAガスを処理室201内から排除する。なお、このときバルブ510、520、530は開いたままとして、Nガスの処理室201内への供給を維持する。Nガスはパージガスとして作用し、これにより、処理室201内に残留する未反応もしくは上記したCおよびAlを含む層の形成に寄与した後のTMAガスを処理室201内から排除する効果を高めることができる。
<Step 16>
(Residual gas removal)
Thereafter, the valve 324 of the gas supply pipe 320 is closed to stop the supply of TMA gas. At this time, the APC valve 243 of the exhaust pipe 231 is kept open, and the inside of the processing chamber 201 is evacuated by the vacuum pump 246 to form an unreacted or residual layer containing C and Al remaining in the processing chamber 201. The TMA gas after the contribution is removed from the processing chamber 201. At this time, the valves 510, 520, and 530 remain open, and the supply of N 2 gas into the processing chamber 201 is maintained. The N 2 gas acts as a purge gas, thereby increasing the effect of removing the TMA gas remaining in the processing chamber 201 or contributing to the formation of the layer containing C and Al from the processing chamber 201. be able to.

なお、このとき、処理室201内に残留するガスを完全に排除しなくてもよく、処理室201内を完全にパージしなくてもよい。処理室201内に残留するガスが微量であれば、その後に行われるステップにおいて悪影響が生じることはない。このとき処理室201内に供給するNガスの流量も大流量とする必要はなく、例えば、反応管203(処理室201)の容積と同程度の量を供給することで、その後のステップにおいて悪影響が生じない程度のパージを行なうことができる。このように、処理室201内を完全にパージしないことで、パージ時間を短縮し、スループットを向上させることができる。また、Nガスの消費も必要最小限に抑えることが可能となる。 At this time, the gas remaining in the processing chamber 201 may not be completely removed, and the inside of the processing chamber 201 may not be completely purged. If the amount of gas remaining in the processing chamber 201 is very small, no adverse effect will occur in the subsequent steps. At this time, the flow rate of the N 2 gas supplied into the processing chamber 201 does not need to be a large flow rate. For example, by supplying an amount similar to the volume of the reaction tube 203 (processing chamber 201), Purge can be performed to the extent that no adverse effect occurs. Thus, by not completely purging the inside of the processing chamber 201, the purge time can be shortened and the throughput can be improved. In addition, consumption of N 2 gas can be minimized.

<ステップ17>
(TiClガス供給)
次に、ステップ11と同様な処理により、TiClガスを処理室201内に供給する。このときAPCバルブ243を適正に調整して、処理室201内の圧力を、例えば1〜10000Paの範囲内の圧力とする。マスフローコントローラ312で制御するTiClガスの供給流量は、例えば10〜10000sccmの範囲内の流量とする。マスフローコントローラ512、522、532で制御するNガスの供給流量は、それぞれ例えば10〜10000sccmの範囲内の流量とする。TiClガスをウエハ200に対して供給する時間、すなわちガス供給時間(照射時間)は、例えば0.1〜120秒の範囲内の時間とする。このときヒータ207の温度は、ウエハ200の温度が、例えば200〜500℃の範囲内の温度となるような温度に設定する。処理室201内に供給されたTiClガスは、上記したCおよびAlを含む層の少なくとも一部と反応する。これにより、CおよびAlを含む層は、炭素(C)、アルミニウム(Al)およびチタン(Ti)を含む層に改質される。
<Step 17>
(TiCl 4 gas supply)
Next, TiCl 4 gas is supplied into the processing chamber 201 by the same processing as in step 11. At this time, the APC valve 243 is appropriately adjusted so that the pressure in the processing chamber 201 is, for example, in the range of 1 to 10,000 Pa. The supply flow rate of TiCl 4 gas controlled by the mass flow controller 312 is, for example, a flow rate in the range of 10 to 10,000 sccm. The supply flow rate of the N 2 gas controlled by the mass flow controllers 512, 522, and 532 is set to a flow rate in the range of, for example, 10 to 10,000 sccm. The time for supplying the TiCl 4 gas to the wafer 200, that is, the gas supply time (irradiation time) is, for example, a time in the range of 0.1 to 120 seconds. At this time, the temperature of the heater 207 is set to such a temperature that the temperature of the wafer 200 becomes a temperature within a range of 200 to 500 ° C., for example. TiCl 4 gas supplied into the processing chamber 201 reacts with at least a part of the layer containing C and Al. Thereby, the layer containing C and Al is modified into a layer containing carbon (C), aluminum (Al), and titanium (Ti).

<ステップ18>
(残留ガス除去)
続いて、ステップ12等と同様な処理により、処理室201内に残留する未反応もしくは上記したC、AlおよびTiを含む層の形成に寄与した後のTiClガスおよび副生成物を処理室201内から排除する。
<Step 18>
(Residual gas removal)
Subsequently, the TiCl 4 gas and by-products that have remained in the processing chamber 201 or contributed to the formation of the above-described layer containing C, Al, and Ti are removed from the processing chamber 201 by the same processing as in Step 12 and the like. Eliminate from within.

<ステップ19>
(NHガス供給)
次に、ステップ13と同様な処理により、NHガスを処理室201内に供給する。このとき、APCバルブ243を適正に調整して、処理室201内の圧力を、例えば1〜10000Paの範囲内の圧力とする。マスフローコントローラ332で制御するNHガスの供給流量は、例えば10〜50000sccmの範囲内の流量とする。マスフローコントローラ512、522、532で制御するNガスの供給流量は、それぞれ例えば10〜10000sccmの範囲内の流量とする。熱で活性化させたNHガスをウエハ200に対して供給する時間、すなわちガス供給時間(照射時間)は、例えば0.1〜120秒の範囲内の時間とする。このときのヒータ207の温度は、ステップ11と同様、ウエハ200の温度が、例えば200〜500℃の範囲内の温度となるような温度に設定する。処理室201内に供給されたNHガスは、上記したC、AlおよびTiを含む層の少なくとも一部と反応する。これにより、C、AlおよびTiを含む層は、上述したAlCTiN含有層に改質される。
<Step 19>
(NH 3 gas supply)
Next, NH 3 gas is supplied into the processing chamber 201 by the same processing as in Step 13. At this time, the APC valve 243 is appropriately adjusted so that the pressure in the processing chamber 201 is, for example, in the range of 1 to 10,000 Pa. The supply flow rate of NH 3 gas controlled by the mass flow controller 332 is, for example, a flow rate in the range of 10 to 50000 sccm. The supply flow rate of the N 2 gas controlled by the mass flow controllers 512, 522, and 532 is set to a flow rate in the range of, for example, 10 to 10,000 sccm. The time for supplying the NH 3 gas activated by heat to the wafer 200, that is, the gas supply time (irradiation time) is, for example, a time within the range of 0.1 to 120 seconds. The temperature of the heater 207 at this time is set to a temperature at which the temperature of the wafer 200 becomes a temperature within the range of 200 to 500 ° C., for example, as in step 11. The NH 3 gas supplied into the processing chamber 201 reacts with at least a part of the layer containing C, Al, and Ti. Thereby, the layer containing C, Al, and Ti is modified into the AlCTiN-containing layer described above.

<ステップ20>
(残留ガス除去)
続いて、ステップ14等と同様な処理により、処理室201内に残留する未反応もしくはAlCTiN含有層の形成に寄与した後のTiClガスおよび副生成物を処理室201内から排除する。
<Step 20>
(Residual gas removal)
Subsequently, TiCl 4 gas and by-products that have contributed to the formation of the unreacted or AlCTiN-containing layer remaining in the processing chamber 201 are removed from the processing chamber 201 by the same processing as in step 14 and the like.

上記したステップ15からステップ20の処理を、予め設定されたY回(第2の所定回数)だけ実行する。すなわち、ステップ15からステップ20の処理を1セットとして、これらの処理をYセットだけ実行する。このように、TMAガス供給と、TiClガス供給と、NHガス供給とを交互にY回行うことにより、所定の厚さ(例えば0.1〜20nm)のAlCTiN層(第2の層)を形成する。 The above-described processing from step 15 to step 20 is executed Y times (second predetermined number of times) set in advance. That is, the process from step 15 to step 20 is set as one set, and these processes are executed for Y sets. As described above, by alternately performing TMA gas supply, TiCl 4 gas supply, and NH 3 gas supply Y times, an AlCTiN layer (second layer) having a predetermined thickness (for example, 0.1 to 20 nm). Form.

ゲート電極としてのTiAlCN膜は、上記したTiN層とAlCTiN層との積層体により構成される。上記したTiN層を形成する工程と、AlCTiN層を形成する工程とを、交互にZ回(第3の所定回数)繰り返して実行することにより、所定の厚さ(例えば1.0〜20nm)のTiAlCN膜を成膜する。なお、TiAlCN膜は、TiN膜にAlおよびCをドープしたAlCドープドTiN膜(AlC添加TiN膜)と称することもできる。   The TiAlCN film as the gate electrode is composed of a laminate of the TiN layer and the AlCTiN layer described above. By repeating the step of forming the TiN layer and the step of forming the AlCTiN layer alternately Z times (third predetermined number of times), a predetermined thickness (for example, 1.0 to 20 nm) is obtained. A TiAlCN film is formed. The TiAlCN film can also be referred to as an AlC-doped TiN film (AlC-added TiN film) obtained by doping Al and C into a TiN film.

ここで、TiN層を形成するステップ11からステップ14までの処理を行う回数(上述のX、あるいはXとZの乗算値)と、AlCTiN層を形成するステップ15からステップ20までの処理を行う回数(上述のY、あるいはYとZの乗算値)とにより、TiAlCN膜に含まれる各元素の割合を調整することができる。すなわち、各処理の回数を調整することにより、TiAlCN膜から構成されるゲート電極の仕事関数をチューニング(調整、変調)することができる。 換言すれば、X,Y,Zの各値は、TiAlCN膜に含める窒素または炭素の割合(あるいは、窒素、炭素、チタンおよびアルミニウムの割合)に応じて決定される。なお、XおよびYは0以上の整数であり、Zは1以上の整数とする。Xおよび/またはYは、好適には、1以上の整数とする。   Here, the number of times of performing the processing from Step 11 to Step 14 for forming the TiN layer (the above-mentioned X or the multiplication value of X and Z) and the number of times of performing the processing from Step 15 to Step 20 for forming the AlCTiN layer. The ratio of each element contained in the TiAlCN film can be adjusted by (the above-mentioned Y or a multiplication value of Y and Z). In other words, the work function of the gate electrode formed of the TiAlCN film can be tuned (adjusted or modulated) by adjusting the number of times of each process. In other words, the values of X, Y, and Z are determined according to the ratio of nitrogen or carbon (or the ratio of nitrogen, carbon, titanium, and aluminum) included in the TiAlCN film. X and Y are integers of 0 or more, and Z is an integer of 1 or more. X and / or Y is preferably an integer of 1 or more.

TiAlCN膜に含まれる各元素のうち、2つの金属元素(TiとAl)の仕事関数はいずれも約4.3eVである。本願発明者らは、TiAlCN膜において、CとNの割合を調整することにより、TiとAlの仕事関数である約4.3eVを基準に、仕事関数を上下させることができるという知見を得ている。具体的には、Cの割合を多くすると4.3eVよりも低い仕事関数が得られ、Nの割合を多くすると4.3eVよりも高い仕事関数が得ることができる。したがって、上述のX,Y,Zの各値を、TiAlCN膜に含めるNまたはCの割合に応じて決定することで、所望の仕事関数を有する金属膜を成膜ことができる。   Among the elements contained in the TiAlCN film, the work functions of the two metal elements (Ti and Al) are both about 4.3 eV. The inventors of the present application have obtained the knowledge that the work function can be increased or decreased based on about 4.3 eV which is the work function of Ti and Al by adjusting the ratio of C and N in the TiAlCN film. Yes. Specifically, when the proportion of C is increased, a work function lower than 4.3 eV can be obtained, and when the proportion of N is increased, a work function higher than 4.3 eV can be obtained. Therefore, a metal film having a desired work function can be formed by determining each value of X, Y, and Z according to the ratio of N or C included in the TiAlCN film.

(パージおよび大気圧復帰)
所定の膜厚のTiAlCN膜を形成する成膜処理がなされると、N等の不活性ガスが処理室201内へ供給され、排気管231から排気されることで、処理室201内が不活性ガスでパージされる(ガスパージ)。その後、処理室201内の雰囲気が不活性ガスに置換され(不活性ガス置換)、処理室201内の圧力が常圧に復帰される(大気圧復帰)。
(Purge and return to atmospheric pressure)
When a film forming process for forming a TiAlCN film having a predetermined thickness is performed, an inert gas such as N 2 is supplied into the processing chamber 201 and is exhausted from the exhaust pipe 231, so that the inside of the processing chamber 201 is incomplete. Purge with active gas (gas purge). Thereafter, the atmosphere in the processing chamber 201 is replaced with an inert gas (inert gas replacement), and the pressure in the processing chamber 201 is returned to normal pressure (return to atmospheric pressure).

(ボートアンロードおよびウエハディスチャージ)
その後、ボートエレベータ115によりシールキャップ219が下降されて、反応管203の下端が開口されるとともに、処理済ウエハ200がボート217に支持された状態で反応管203の下端から反応管203の外部に搬出(ボートアンロード)される。その後、処理済のウエハ200は、ボート217より取り出される。
(Boat unload and wafer discharge)
Thereafter, the seal cap 219 is lowered by the boat elevator 115, the lower end of the reaction tube 203 is opened, and the processed wafer 200 is supported by the boat 217 from the lower end of the reaction tube 203 to the outside of the reaction tube 203. Unload (boat unload). Thereafter, the processed wafer 200 is taken out from the boat 217.

(本発明の他の実施形態)
上述の説明においては、TiAlCN膜を構成する第1の層としてTiN層、すなわち、金属窒化膜を形成するようにしたが、金属窒化膜に代えて、金属炭化膜を形成してもよい。
(Other embodiments of the present invention)
In the above description, the TiN layer, that is, the metal nitride film is formed as the first layer constituting the TiAlCN film, but a metal carbide film may be formed instead of the metal nitride film.

例えば、以下のシーケンスにより第1の層として金属炭化膜を有するTiAlCN膜を成膜することができる。
金属元素(例えばTi)と炭素(C)とを含む第1の層(例えばTiC)をウエハ200に形成する処理を第1の所定回数行う工程と、
上記金属元素(例えばTi)と窒素(N)と炭素(C)とを含む第2の層(例えばAlCTiN)をウエハ200に形成する処理を第2の所定回数行う工程と、
を交互に第3の所定回数行うことで、ウエハ200上に、窒素(C)と炭素(C)とを所定の割合で含む金属膜(例えばTiAlCN)を成膜する工程を有する。
For example, a TiAlCN film having a metal carbide film as the first layer can be formed by the following sequence.
Performing a process for forming a first layer (for example, TiC) containing a metal element (for example, Ti) and carbon (C) on the wafer 200 for a first predetermined number of times;
Performing a process for forming a second layer (eg, AlCTiN) containing the metal element (eg, Ti), nitrogen (N), and carbon (C) on the wafer 200 a second predetermined number of times;
Are alternately performed for a third predetermined number of times to form a metal film (for example, TiAlCN) containing nitrogen (C) and carbon (C) at a predetermined ratio on the wafer 200.

また、本実施形態の好適なシーケンスは、
ウエハ200に対して、金属元素(例えばTi)を含む第1原料(例えばTiCl)と、炭素(C)を含む第2原料(例えばHf[C(CH)](CH)とを交互に第1の所定回数供給する工程と、
ウエハ200に対して、炭素(C)を含む第3原料(例えばTMA)と、上記金属元素(例えばTi)を含む第4原料(例えばTiCl)と、窒素(N)を含む第5原料(例えばNH)とを交互に第2の所定回数供給する工程と、
を交互に第3の所定回数行うことで、ウエハ200上に、窒素(N)と炭素(C)とを所定の割合で含む金属膜(例えばTiAlCN)を成膜する工程を有する。
なお、このシーケンス例においては、処理室201にHf[C(CH)](CHを供給するためのガス供給系を基板処理装置10に追加する。
Moreover, the suitable sequence of this embodiment is
A first raw material (for example, TiCl 4 ) containing a metal element (for example, Ti) and a second raw material (for example, Hf [C 5 H 4 (CH 3 )] 2 (CH 3 ) containing carbon (C) with respect to the wafer 200. ) 2 ) and alternately supplying the first predetermined number of times;
With respect to the wafer 200, a third raw material (for example, TMA) containing carbon (C), a fourth raw material (for example, TiCl 4 ) containing the metal element (eg, Ti), and a fifth raw material containing nitrogen (N) ( For example, supplying NH 3 ) alternately for a second predetermined number of times;
Are alternately performed for a third predetermined number of times to form a metal film (for example, TiAlCN) containing nitrogen (N) and carbon (C) at a predetermined ratio on the wafer 200.
In this sequence example, a gas supply system for supplying Hf [C 5 H 4 (CH 3 )] 2 (CH 3 ) 2 to the processing chamber 201 is added to the substrate processing apparatus 10.

なお、上述の実施形態では、ゲート電極を構成する金属膜としてTiAlCN膜を形成する例について説明しているが、金属膜はこれに限らず、タンタル(Ta)、コバルト(Co)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、イットリウム(Y)、ランタン(La)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)等の金属元素を1以上含む金属炭化膜、金属窒化膜あるいは金属炭窒化膜、もしくはこれらにシリコン(Si)を加えたシリサイド膜を形成するようにしてもよい。その際、Ta含有原料としては塩化タンタル(TaCl)等を用いることができ、Co含有原料としてはCo amd[(tBu)NC(CH)N(tBu)Co]等を用いることができ、W含有原料としてはフッ化タングステン(WF)等を用いることができ、Mo含有原料としては塩化モリブデン(MoClもしくはMoCl)等を用いることができ、Ru含有原料としては2,4−ジメチルペンタジエニル(エチルシクロペンタジエニル)ルテニウム((Ru(EtCp)(C11))等を用いることができ、Y含有原料としてはトリスエチルシクロペンタジエニルイットリウム(Y(C)等を用いることができ、La含有原料としてはトリスイソプロピルシクロペンタジエニルランタン(La(i−C)等を用いることができ、Zr含有原料としてはテトラキスエチルメチルアミノジルコニウム(Zr(N(CH(C)))等を用いることができ、テトラキスエチルメチルアミノハフニウム(Hf(N(CH(C)))等を用いることができ、Si含有原料としてはテトラクロロシラン(SiCl)、ヘキサクロロジシラン(SiCl)、ジクロロシラン(SiHCl)、トリスジメチルアミノシラン(SiH(N(CH)、ビスターシャルブチルアミノシラン(HSi(HNC(CH)等を用いることができる。 In the above-described embodiment, an example in which a TiAlCN film is formed as a metal film constituting the gate electrode is described. However, the metal film is not limited to this, and tantalum (Ta), cobalt (Co), tungsten (W ), Molybdenum (Mo), ruthenium (Ru), yttrium (Y), lanthanum (La), zirconium (Zr), hafnium (Hf), etc., a metal carbide film, metal nitride film or metal carbonitride containing one or more metal elements A film or a silicide film obtained by adding silicon (Si) to these films may be formed. At that time, tantalum chloride (TaCl 4 ) or the like can be used as the Ta-containing raw material, and Co amd [(tBu) NC (CH 3 ) N (tBu) 2 Co] or the like can be used as the Co-containing raw material. Tungsten fluoride (WF 6 ) or the like can be used as the W-containing raw material, molybdenum chloride (MoCl 3 or MoCl 5 ) or the like can be used as the Mo-containing raw material, and 2,4- Dimethylpentadienyl (ethylcyclopentadienyl) ruthenium ((Ru (EtCp) (C 7 H 11 )) or the like can be used, and trisethylcyclopentadienyl yttrium (Y (C 2 H 5 C 5 H 4) 3) or the like can be used, as the La-containing material tris isopropylcyclopentadienyl Lanthanum (La (i-C 3 H 7 C 5 H 4) 3) or the like can be used, as the Zr-containing raw material tetrakis ethylmethylamino zirconium (Zr (N (CH 3 ( C 2 H 5)) 4) Tetrakisethylmethylaminohafnium (Hf (N (CH 3 (C 2 H 5 )) 4 ) or the like can be used, and tetrachlorosilane (SiCl 4 ), hexachlorodisilane (Si Si 2 Cl 6 ), dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ), trisdimethylaminosilane (SiH (N (CH 3 ) 2 ) 3 ), binary butylaminosilane (H 2 Si (HNC (CH 3 ) 2 ) 2 ), etc. Can be used.

また、上述の実施形態では、Ti含有原料としてTiClガスを用いる例を説明しているが、これに限らず、テトラキスジメチルアミノチタン(TDMAT、Ti[N(CH)、テトラキスジエチルアミノチタン(TDEAT、Ti[N(CHCH)等のハロゲン化合物以外のチタン(Ti)含有ガスを用いてもよい。 In the above-described embodiment, an example in which TiCl 4 gas is used as the Ti-containing raw material has been described. However, the present invention is not limited thereto, and tetrakisdimethylaminotitanium (TDMAT, Ti [N (CH 3 ) 2 ] 4 ), tetrakis A titanium (Ti) -containing gas other than a halogen compound such as diethylaminotitanium (TDEAT, Ti [N (CH 2 CH 3 ) 2 ] 4 ) may be used.

また、上述の実施形態では、炭素含有原料としてTMAガスやHf[C(CH)](CHを例に挙げたが、これに限らず、Zr[C(CH)](CHガス、エチレン(C)、プロピレン(C)、ブテン(C)、ペンテン(C10)、へキセン(C12)、ヘプテン(C14)、オクテン(C16)、エタン(C)、プロパン(C)、ブタン(C10)、ペンタン(C12)、ヘキサン(C14)、ヘプタン(C16)、オクタン(C18)等を用いてもよい。 In the above-described embodiment, TMA gas or Hf [C 5 H 4 (CH 3 )] 2 (CH 3 ) 2 is given as an example of the carbon-containing raw material, but not limited thereto, Zr [C 5 H 4 (CH 3 )] 2 (CH 3 ) 2 gas, ethylene (C 2 H 4 ), propylene (C 3 H 6 ), butene (C 4 H 8 ), pentene (C 5 H 10 ), hexene (C 6 H 12 ), heptene (C 7 H 14 ), octene (C 8 H 16 ), ethane (C 2 H 6 ), propane (C 3 H 8 ), butane (C 4 H 10 ), pentane (C 5 H 12) ), Hexane (C 6 H 14 ), heptane (C 7 H 16 ), octane (C 8 H 18 ) and the like may be used.

また、上述の実施形態では、窒素含有原料として、NHガスを用いる例について説明しているが、これに限らず、ジアゼン(N)ガス、ヒドラジン(N)ガス、Nガス、窒素(N)、亜酸化窒素(NO)、モノメチルヒドラジン(CH)、ジメチルヒドラジン(C)等を用いてもよい。また、不活性ガスとしては、Nガスの他、Arガス、Heガス、Neガス、Xeガス等の希ガスを用いてもよい。 In the above-described embodiment, an example in which NH 3 gas is used as the nitrogen-containing raw material has been described. However, the present invention is not limited to this, but diazene (N 2 H 2 ) gas, hydrazine (N 2 H 4 ) gas, N 3 H 8 gas, nitrogen (N 2 ), nitrous oxide (N 2 O), monomethyl hydrazine (CH 6 N 2 ), dimethyl hydrazine (C 2 H 8 N 2 ), or the like may be used. Further, as the inert gas, a rare gas such as Ar gas, He gas, Ne gas, Xe gas, etc. may be used in addition to N 2 gas.

また、上述の実施形態では、第1の層として1つの金属元素を含む例を示したが、第1の層が2つ以上の金属元素(例えばTiとAl)を含むようにしてもよい。なお、上述の実施形態では、第1の層および第2の層に同一の金属元素を含めるようにしたが、必ずしもその必要はない。例えば、上述の実施形態において、第1の層にTiを含め、第2の層にはTiを含めないようにしてもよい。   In the above-described embodiment, an example in which one metal element is included as the first layer has been described. However, the first layer may include two or more metal elements (for example, Ti and Al). In the above-described embodiment, the same metal element is included in the first layer and the second layer, but this is not always necessary. For example, in the above-described embodiment, Ti may be included in the first layer and Ti may not be included in the second layer.

また、上述の実施形態において、金属膜に含まれるCの割合を0にする場合は、TiAlCN膜に代えて、TiAlN膜またはTiN膜を成膜することができる。また、金属膜に含まれるNの割合を0にする場合は、TiAlCN膜に代えて、TiAlC膜またはTiC膜を成膜することもできる。   In the above-described embodiment, when the ratio of C contained in the metal film is set to 0, a TiAlN film or a TiN film can be formed instead of the TiAlCN film. Further, when the ratio of N contained in the metal film is set to 0, a TiAlC film or a TiC film can be formed instead of the TiAlCN film.

また、上述の実施形態において、TiAlCN膜を成膜する際、TiN層、AlCTiN層の順で形成するようにしたが、AlCTiN層、TiN層の順で形成してもよい。同様に、TiC層、AlCTiN層の順に代えて、AlCTiN層、TiC層の順に形成してもよい。   In the above-described embodiment, when the TiAlCN film is formed, the TiN layer and the AlCTiN layer are formed in this order, but the AlCTiN layer and the TiN layer may be formed in this order. Similarly, instead of the TiC layer and the AlCTiN layer in this order, the AlCTiN layer and the TiC layer may be formed in this order.

また、上述の実施形態や各変形例や各応用例等は、適宜組み合わせて用いることができる。さらに、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。   Moreover, the above-mentioned embodiment, each modification, each application example, etc. can be used in combination as appropriate. Furthermore, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention.

上述の実施の形態では、一度に複数枚の基板を処理するバッチ式の縦型装置である基板処理装置を用いて成膜する例について説明したが、本発明はこれに限定されず、一度に1枚または数枚の基板を処理する枚葉式の基板処理装置を用いて成膜する場合にも、好適に適用できる。また、上述の実施形態では、ホットウォール型の処理炉を有する基板処理装置を用いて薄膜を成膜する例について説明したが、本発明はこれに限定されず、コールドウォール型の処理炉を有する基板処理装置を用いて薄膜を成膜する場合にも、好適に適用できる。   In the above-described embodiment, an example in which film formation is performed using a substrate processing apparatus which is a batch type vertical apparatus that processes a plurality of substrates at a time has been described. However, the present invention is not limited to this, and the present invention is not limited to this. The present invention can also be suitably applied when a film is formed using a single-wafer type substrate processing apparatus that processes one or several substrates. In the above-described embodiment, an example in which a thin film is formed using a substrate processing apparatus having a hot wall type processing furnace has been described. However, the present invention is not limited to this, and a cold wall type processing furnace is provided. The present invention can also be suitably applied when forming a thin film using a substrate processing apparatus.

また、本発明は、例えば、既存の基板処理装置のプロセスレシピを変更することでも実現できる。プロセスレシピを変更する場合は、本発明に係るプロセスレシピを電気通信回線や当該プロセスレシピを記録した記録媒体を介して既存の基板処理装置にインストールしたり、また、既存の基板処理装置の入出力装置を操作し、そのプロセスレシピ自体を本発明に係るプロセスレシピに変更したりすることも可能である。   The present invention can also be realized by changing a process recipe of an existing substrate processing apparatus, for example. When changing a process recipe, the process recipe according to the present invention is installed in an existing substrate processing apparatus via a telecommunication line or a recording medium recording the process recipe, or input / output of the existing substrate processing apparatus It is also possible to operate the apparatus and change the process recipe itself to the process recipe according to the present invention.

以下に実施例を説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。以下の各実施例では、上述の図6および図7に示すシーケンスにより、ウエハ200上(具体的には高誘電体膜であるHfO膜上)にTiAlCN膜を成膜した。   Examples will be described below, but the present invention is not limited to these examples. In each of the following examples, a TiAlCN film was formed on the wafer 200 (specifically, on the HfO film which is a high dielectric film) by the sequence shown in FIG. 6 and FIG.

実施例1では、上述したX,Y,Zを、それぞれ6,1,36に設定した。すなわち、実施例1では、TiN層を形成する処理を6回(X=6)行う工程と、AlCTiN層を形成する処理を1回(Y=1)行う工程とを、交互に36回(Z=36)繰り返して行うことで、TiAlCN膜を成膜した。   In Example 1, X, Y, and Z described above were set to 6, 1 and 36, respectively. That is, in Example 1, the process of forming the TiN layer 6 times (X = 6) and the process of forming the AlCTiN layer 1 time (Y = 1) are alternately performed 36 times (Z = 36) A TiAlCN film was formed by repeating the process.

具体的には、実施例1では、TiClガスとNHガスとを交互に6回ずつ供給してTiN層を形成する工程と、TMAガスとTiClガスとNHガスとを1回ずつ供給してAlCTiN層を形成する工程とを、交互に36回繰り返して行うことで、TiAlCN膜を成膜した。そのときの各ステップにおける処理条件は次のように設定した。 Specifically, in Example 1, a TiN 4 gas and NH 3 gas are alternately supplied six times to form a TiN layer, and TMA gas, TiCl 4 gas, and NH 3 gas are once applied. The TiAlCN film was formed by alternately repeating the step of supplying and forming the AlCTiN layer 36 times. The processing conditions in each step at that time were set as follows.

<TiN層形成>
(ステップ11)
処理室内温度:350℃
処理室内圧力:45Pa
TiClガス供給量:1.16g/min
TiClガス照射時間:5秒
(ステップ13)
処理室内温度:350℃
処理室内圧力:65Pa
NHガス供給流量:7500sccm
NHガス照射時間:15秒
<TiN layer formation>
(Step 11)
Processing room temperature: 350 ° C
Processing chamber pressure: 45Pa
TiCl 4 gas supply rate: 1.16 g / min
TiCl 4 gas irradiation time: 5 seconds (step 13)
Processing room temperature: 350 ° C
Processing chamber pressure: 65 Pa
NH 3 gas supply flow rate: 7500sccm
NH 3 gas irradiation time: 15 seconds

<AlCTiN層形成>
(ステップ15)
処理室内温度:350℃
処理室内圧力:65Pa
TMAガス供給量:0.6g/min
TMAガス照射時間:6秒
(ステップ17)
処理室内温度:350℃
処理室内圧力:45Pa
TiClガス供給量:1.16g/min
TiClガス照射時間:5秒
(ステップ19)
処理室内温度:350℃
処理室内圧力:65Pa
NHガス供給流量:7500sccm
NHガス照射時間:15秒
<AlCTiN layer formation>
(Step 15)
Processing room temperature: 350 ° C
Processing chamber pressure: 65 Pa
TMA gas supply amount: 0.6 g / min
TMA gas irradiation time: 6 seconds (Step 17)
Processing room temperature: 350 ° C
Processing chamber pressure: 45Pa
TiCl 4 gas supply rate: 1.16 g / min
TiCl 4 gas irradiation time: 5 seconds (step 19)
Processing room temperature: 350 ° C
Processing chamber pressure: 65 Pa
NH 3 gas supply flow rate: 7500sccm
NH 3 gas irradiation time: 15 seconds

上記の処理で成膜されたTiAlCN膜の膜厚は10nmであり、さらに、TiAlCN膜の上にキャップ層として30nmのTiN膜を形成した。   The thickness of the TiAlCN film formed by the above treatment was 10 nm, and a 30 nm TiN film was formed as a cap layer on the TiAlCN film.

実施例2では、上述したX,Y,Zを、それぞれ3,1,52に設定した。すなわち、実施例2では、TiN層を形成する処理を3回(X=3)行う工程と、AlCTiN層を形成する処理を1回(Y=1)行う工程とを、交互に52回(Z=52)繰り返して行うことで、TiAlCN膜を成膜した。   In Example 2, X, Y, and Z described above were set to 3, 1, and 52, respectively. That is, in Example 2, the process of forming the TiN layer three times (X = 3) and the process of forming the AlCTiN layer once (Y = 1) are alternately performed 52 times (Z = 52) A TiAlCN film was formed by repeating the process.

具体的には、実施例2では、TiClガスとNHガスとを交互に3回ずつ供給してTiN層を形成する工程と、TMAガスとTiClガスとNHガスとを1回ずつ供給してAlCTiN層を形成する工程とを、交互に52回繰り返して行うことで、TiAlCN膜を成膜した。そのときの各ステップにおける処理条件は、実施例1と同様である。また、実施例2で成膜されたTiAlCN膜の膜厚は10nmである。 Specifically, in Example 2, TiTi 4 gas and NH 3 gas are alternately supplied three times to form a TiN layer, and TMA gas, TiCl 4 gas, and NH 3 gas are once applied. The step of supplying and forming the AlCTiN layer was repeated 52 times alternately to form a TiAlCN film. The processing conditions in each step at that time are the same as those in the first embodiment. The thickness of the TiAlCN film formed in Example 2 is 10 nm.

実施例3では、上述したX,Y,Zを、それぞれ1,1,78に設定した。すなわち、実施例3では、TiN層を形成する処理を1回(X=1)行う工程と、AlCTiN層を形成する処理を1回(Y=1)行う工程とを、交互に78回(Z=78)繰り返して行うことで、TiAlCN膜を成膜した。   In Example 3, X, Y, and Z described above were set to 1, 1 and 78, respectively. That is, in Example 3, the process of forming the TiN layer once (X = 1) and the process of forming the AlCTiN layer once (Y = 1) are alternately performed 78 times (Z = 78) A TiAlCN film was formed by repeating the process.

具体的には、実施例3では、TiClガスとNHガスとを1回ずつ供給してTiN層を形成する工程と、TMAガスとTiClガスとNHガスとを1回ずつ供給してAlCTiN層を形成する工程とを、交互に78回繰り返して行うことで、TiAlCN膜を成膜した。そのときの各ステップにおける処理条件は、実施例1と同様である。また、実施例3で成膜されたTiAlCN膜の膜厚は10nmである。 Specifically, in Example 3, a process of forming a TiN layer by supplying TiCl 4 gas and NH 3 gas once, and supplying TMA gas, TiCl 4 gas, and NH 3 gas once. Then, the process of forming the AlCTiN layer was alternately repeated 78 times to form a TiAlCN film. The processing conditions in each step at that time are the same as those in the first embodiment. The thickness of the TiAlCN film formed in Example 3 is 10 nm.

実施例4では、上述したX,Y,Zを、それぞれ0,1,100に設定した。すなわち、実施例4では、TiN層を形成する処理は行わず(X=0)、AlCTiN層を形成する処理を1回(Y=1)行う工程を100回(Z=100)繰り返して行うことで、TiAlCN膜を成膜した。   In Example 4, X, Y, and Z described above were set to 0, 1, and 100, respectively. That is, in Example 4, the process of forming the TiN layer is not performed (X = 0), and the process of forming the AlCTiN layer once (Y = 1) is repeated 100 times (Z = 100). Then, a TiAlCN film was formed.

具体的には、実施例4では、TMAガスとTiClガスとNHガスとを1回ずつ供給してAlCTiN層を形成する工程を100回繰り返して行うことで、TiAlCN膜を成膜した。そのときの各ステップにおける処理条件は、実施例1と同様である。また、実施例4で成膜されたTiAlCN膜の膜厚は10nmである。 Specifically, in Example 4, the TiAlCN film was formed by repeating the process of supplying the TMA gas, the TiCl 4 gas, and the NH 3 gas once to form the AlCTiN layer 100 times. The processing conditions in each step at that time are the same as those in the first embodiment. The thickness of the TiAlCN film formed in Example 4 is 10 nm.

実施例5では、上述したX,Y,Zを、それぞれ1,0,340に設定した。すなわち、実施例5では、AlCTiN層を形成する処理は行わず(Y=0)、TiN層を形成する処理を1回(X=1)行う工程を340回(Z=340)繰り返して行うことで、TiN膜を成膜した。   In Example 5, X, Y, and Z described above were set to 1,0, 340, respectively. That is, in Example 5, the process of forming the AlCTiN layer is not performed (Y = 0), and the process of forming the TiN layer once (X = 1) is repeated 340 times (Z = 340). Then, a TiN film was formed.

具体的には、実施例5では、TiClガスとNHガスとを1回ずつ供給してTiN層を形成する工程を340回繰り返して行うことで、TiN膜を成膜した。そのときの各ステップにおける処理条件は、実施例1と同様である。また、実施例5で成膜されたTiN膜の膜厚は10nmである。 Specifically, in Example 5, the TiN film was formed by repeating the process of supplying the TiCl 4 gas and the NH 3 gas once to form the TiN layer 340 times. The processing conditions in each step at that time are the same as those in the first embodiment. Further, the thickness of the TiN film formed in Example 5 is 10 nm.

図8に、実施例1〜5で成膜した金属膜(TiAlCN膜あるいはTiN膜)のそれぞれについて、EOT(等価酸化膜厚)とVfb(フラットバンド電圧)の関係を示す。図示のように、Cの割合(濃度)が高い(Nの割合(濃度)が低い)実施例ほど、Vfbは負方向へシフトしていることがわかる。Vfbが負方向へシフトすると、仕事関数は減少する。   FIG. 8 shows the relationship between EOT (equivalent oxide film thickness) and Vfb (flat band voltage) for each of the metal films (TiAlCN film or TiN film) formed in Examples 1-5. As shown in the figure, it can be seen that the Vfb shifts in the negative direction as the C ratio (concentration) is higher (N ratio (concentration) is lower). When Vfb shifts in the negative direction, the work function decreases.

図9に、実施例1〜5で成膜した金属膜(TiAlCN膜あるいはTiN膜)のそれぞれについて、CとNの割合と、実効仕事関数eWFの関係を示す。また、図10(A)に、実施例1〜5で成膜した金属膜のそれぞれについて、Cの割合に対する仕事関数を示し、図10(B)に、実施例1〜5で成膜した金属膜のそれぞれについて、Nの割合に対する仕事関数を示す。なお、上述の各実施例では、X,Y,Zの各値を調整することで、金属膜そのものの仕事関数をチューニングしているが、図9および図10では、各実施例で成膜した金属膜を含むゲート電極の実効仕事関数eWFを示している。この実効仕事関数eWFは、上述のVfbから算出された値であり、HfO/SiO界面のダイポール込みの値である。 FIG. 9 shows the relationship between the ratio of C and N and the effective work function eWF for each of the metal films (TiAlCN film or TiN film) formed in Examples 1 to 5. 10A shows the work function with respect to the ratio of C for each of the metal films formed in Examples 1 to 5, and FIG. 10B shows the metal formed in Examples 1 to 5. For each of the films, the work function for the percentage of N is shown. In each of the above-described embodiments, the work function of the metal film itself is tuned by adjusting each value of X, Y, and Z. However, in FIGS. 9 and 10, the film was formed in each embodiment. The effective work function eWF of the gate electrode containing a metal film is shown. This effective work function eWF is a value calculated from the above-mentioned Vfb, and is a value including the dipole at the HfO 2 / SiO 2 interface.

図9および図10に示すように、TiAlCN膜(あるいはTiN膜)に含まれるCの割合を増加させるほど実効仕事関数eWFが小さくなり、Nの割合を増加させるほど実効仕事関数eWFが大きくなる。ダイポールは高誘電体膜の種別に応じて決定されるものであり、各実施例で一定である。したがって、TiAlCN膜に含まれるCの割合を増加させるほどTiAlCN膜の仕事関数は小さくなり、Nの割合を増加させるほどTiAlCN膜の仕事関数が大きくなると言える。   As shown in FIGS. 9 and 10, the effective work function eWF decreases as the proportion of C contained in the TiAlCN film (or TiN film) increases, and the effective work function eWF increases as the proportion of N increases. The dipole is determined according to the type of the high dielectric film, and is constant in each embodiment. Therefore, it can be said that the work function of the TiAlCN film decreases as the proportion of C contained in the TiAlCN film increases, and the work function of the TiAlCN film increases as the proportion of N increases.

HfO膜等のHigh−k膜では、工程中の熱処理により、High−k膜中の酸素が拡散してHigh−k膜から抜け出るため、High−k膜と界面層との間に界面ダイポールが形成されて実効仕事関数は高くなる。図9に示すように、実施例5に係る金属膜であるTiN膜の仕事関数はダイポール込みで5.0eV程度であるのに対して、実施例1〜4に係る金属膜であるTiAlCN膜の仕事関数は4.52〜4.68eVである。なお、ダイポールによる影響eΔdipole(0.31eV。Y. Kamimura et al.,IEDM(2007)、PP.341−344.より引用)を考慮すれば、TiAlCN膜の仕事関数は4.21〜4.37eV程度であり、それに含まれるCおよび/またはNの割合を制御することにより、上述したTiとAlの仕事関数(約4.3eV)を基準に仕事関数をチューニングすることができることが確認された。 In a High-k film such as an HfO 2 film, oxygen in the High-k film diffuses and escapes from the High-k film due to the heat treatment in the process, so that an interface dipole is formed between the High-k film and the interface layer. As a result, the effective work function is increased. As shown in FIG. 9, the work function of the TiN film that is the metal film according to the fifth embodiment is about 5.0 eV including the dipole, whereas the work function of the TiAlCN film that is the metal film according to the first to fourth embodiments. The work function is 4.52 to 4.68 eV. In consideration of the influence of dipoledipole (0.31 eV, quoted from Y. Kamimura et al., IEDM (2007), PP. 341-344), the work function of the TiAlCN film is 4.21-4. It was confirmed that the work function can be tuned based on the above-described work function of Ti and Al (about 4.3 eV) by controlling the ratio of C and / or N contained therein. .

また、金属元素としてTiを含みCを含まないTiAlN膜およびTiN膜の仕事関数は約4.6〜4.7eVであり、金属元素としてTiを含みNを含まないTiAlC膜の仕事関数は約4.1Vであることが発明者らにより確認されている。すなわち、金属元素としてTiを含み、さらにCおよびNを含むTiAlCN膜は、CおよびNの割合を制御することで、その仕事関数を、TiAlC膜の仕事関数とTiAlN膜(またはTiN膜)の仕事関数との間の所望の値にチューニングすることができる。   Further, the work function of the TiAlN film containing Ti as the metal element and not containing C and the TiN film is about 4.6 to 4.7 eV, and the work function of the TiAlC film containing Ti as the metal element and not containing N is about 4 The inventors have confirmed that the voltage is 1 V. That is, the TiAlCN film containing Ti as a metal element and further containing C and N controls the work function of the TiAlC film and the work function of the TiAlN film (or TiN film) by controlling the ratio of C and N. It can be tuned to the desired value between functions.

このように、Cおよび/またはNの割合を制御することにより、Vth(スレッショルド電圧、閾値電圧)を調整することが可能なメタル、すなわち仕事関数がチューニング可能な金属膜としてのTiAlCN膜が提供されることが実験により確認された。したがって、本発明によれば、用途に応じて異なる仕事関数の値を要求された場合であっても、同じ元素組成を有する1つの金属膜で仕事関数を調整することが可能である。   Thus, by controlling the ratio of C and / or N, a metal capable of adjusting Vth (threshold voltage, threshold voltage), that is, a TiAlCN film as a metal film whose work function can be tuned is provided. It was confirmed by experiments. Therefore, according to the present invention, it is possible to adjust the work function with one metal film having the same elemental composition even when different work function values are required depending on the application.

なお、実効仕事関数は、φダイポールやφFLP(Fermi-Level Pinning)でもチューニングすることができるが、以下の理由により、ゲート電極を構成する金属膜そのものの仕事関数をチューニングすることが望ましい。   The effective work function can also be tuned by a φ dipole or φFLP (Fermi-Level Pinning), but it is desirable to tune the work function of the metal film itself constituting the gate electrode for the following reason.

φダイポールの値は、高誘電体膜の膜種で制御するか、ゲート電極からAlやLa等を高誘電体膜に拡散させて制御する。しかし、高誘電体膜の膜種で制御する場合、NMOSもPMOSも同じ方向にダイポールの値がシフトする(NMOSでは負方向、PMOSでは正方向にシフトするダイポールが必要)。そのため、NMOSとPMOSで高誘電体膜を作り分ける必要があり、プロセスが複雑化してしまう。また、ゲート電極からAlやLa等を拡散させて制御する場合、1000℃程度の熱処理が必要である。しかし、高誘電体膜を用いる場合は、一般にゲートラストプロセスであり、1000℃程度の熱処理は、ゲートスタック(電極/高誘電体膜/SiO/Si基板)の形成よりも前に行われる。なお、この熱処理は、ソースドレインを活性化させるための処理である。したがって、ゲートラストプロセスでは、ゲートスタック後に1000℃程度の熱処理が不要であることが望ましい。さらに、実効仕事関数のチューニング量を大きくするには、φダイポールを大きくする必要があるが、φダイポールが大きくなると、移動度(電子や正孔の動くスピード)が低下する要因にもなる。また、φFLPの値は電極にSiを入れることによって制御することができるが、その場合、電極の抵抗が高くなる可能性がある。したがって、金属膜そのものの仕事関数をチューニングすることが望ましい。 The value of the φ dipole is controlled by the film type of the high dielectric film or by diffusing Al, La, or the like from the gate electrode into the high dielectric film. However, when controlling by the type of the high dielectric film, the dipole value shifts in the same direction in both NMOS and PMOS (a dipole that shifts in the negative direction in NMOS and in the positive direction in PMOS is required). Therefore, it is necessary to make a high dielectric film separately for NMOS and PMOS, which complicates the process. Further, when Al, La, or the like is diffused and controlled from the gate electrode, heat treatment at about 1000 ° C. is necessary. However, when a high dielectric film is used, it is generally a gate last process, and the heat treatment at about 1000 ° C. is performed before the formation of the gate stack (electrode / high dielectric film / SiO 2 / Si substrate). This heat treatment is a process for activating the source / drain. Therefore, in the gate last process, it is desirable that a heat treatment at about 1000 ° C. is unnecessary after the gate stack. Furthermore, in order to increase the tuning amount of the effective work function, it is necessary to increase the φ dipole. However, if the φ dipole is increased, the mobility (speed of movement of electrons and holes) may be reduced. Further, the value of φFLP can be controlled by adding Si to the electrode, but in this case, the resistance of the electrode may be increased. Therefore, it is desirable to tune the work function of the metal film itself.

以下、本発明の望ましい形態について付記する。   Hereinafter, desirable modes of the present invention will be additionally described.

〔付記1〕
本発明の一態様によれば、
金属元素と窒素または炭素とを含む第1の層を形成する処理を第1の所定回数行う工程と、
前記金属元素と窒素と炭素とを含む第2の層を形成する処理を第2の所定回数行う工程と、
を交互に第3の所定回数行うことで、基板上に、窒素と炭素とを所定の割合で含む金属膜を成膜する工程を有する半導体装置の製造方法が提供される。
[Appendix 1]
According to one aspect of the invention,
Performing a process for forming a first layer containing a metal element and nitrogen or carbon for a first predetermined number of times;
Performing a process for forming a second layer containing the metal element, nitrogen and carbon for a second predetermined number of times;
By alternately performing the third predetermined number of times, a method of manufacturing a semiconductor device including a step of forming a metal film containing nitrogen and carbon at a predetermined ratio on a substrate is provided.

〔付記2〕
本発明の他の態様によれば、
基板に対して、金属元素を含む第1原料と、窒素または炭素を含む第2原料とを交互に第1の所定回数供給する工程と、
前記基板に対して、炭素を含む第3原料と、前記金属元素を含む第4原料と、窒素を含む第5原料とを交互に第2の所定回数供給する工程と、
を交互に第3の所定回数行うことで、基板上に、窒素と炭素とを所定の割合で含む金属膜を成膜する工程を有する半導体装置の製造方法が提供される。
[Appendix 2]
According to another aspect of the invention,
Supplying a first raw material containing a metal element and a second raw material containing nitrogen or carbon to the substrate alternately for a first predetermined number of times;
Supplying a third raw material containing carbon, a fourth raw material containing the metal element, and a fifth raw material containing nitrogen alternately to the substrate a second predetermined number of times;
By alternately performing the third predetermined number of times, a method of manufacturing a semiconductor device including a step of forming a metal film containing nitrogen and carbon at a predetermined ratio on a substrate is provided.

〔付記3〕
付記1または2において、前記第1の所定回数、前記第2の所定回数および前記第3の所定回数は、前記金属膜に含める窒素または炭素の割合に応じて決定される。
[Appendix 3]
In Supplementary Note 1 or 2, the first predetermined number of times, the second predetermined number of times, and the third predetermined number of times are determined according to a ratio of nitrogen or carbon included in the metal film.

〔付記4〕
付記1において、前記第2の層は、前記金属元素とは異なる第2金属元素を含む。
[Appendix 4]
In Supplementary Note 1, the second layer includes a second metal element different from the metal element.

〔付記5〕
付記2において、前記第3原料は、前記金属元素とは異なる第2金属元素を含む。
[Appendix 5]
In Supplementary Note 2, the third raw material includes a second metal element different from the metal element.

〔付記6〕
付記1から5のいずれかにおいて、前記金属膜は、前記基板に形成された高誘電体膜の上に成膜される。
[Appendix 6]
In any one of appendices 1 to 5, the metal film is formed on a high dielectric film formed on the substrate.

〔付記7〕
付記1から6のいずれかにおいて、前記金属元素は、チタン、タンタル、ハフニウム、ジルコニウム、モリブデンおよびタングステンからなる群より選択された少なくとも一つの元素を含む。
[Appendix 7]
In any one of appendices 1 to 6, the metal element includes at least one element selected from the group consisting of titanium, tantalum, hafnium, zirconium, molybdenum, and tungsten.

〔付記8〕
付記4または5において、前記第2金属元素は、アルミニウムを含む。
[Appendix 8]
In Additional Statement 4 or 5, the second metal element includes aluminum.

〔付記9〕
付記2において、前記第1原料及び前記第4原料は、TiClを含む。
[Appendix 9]
In Supplementary Note 2, the first raw material and the fourth raw material include TiCl 4 .

〔付記10〕
付記5において、前記第3原料は、TMA(トリメチルアルミニウム)を含む。
[Appendix 10]
In Supplementary Note 5, the third raw material includes TMA (trimethylaluminum).

〔付記11〕
付記1から10において、前記金属元素はチタンであり、前記金属膜の仕事関数は、TiNまたはTiAlNの仕事関数とTiAlCの仕事関数の間の値である。
[Appendix 11]
In Additional Notes 1 to 10, the metal element is titanium, and the work function of the metal film is a value between the work function of TiN or TiAlN and the work function of TiAlC.

〔付記12〕
付記4または5において、前記金属元素はチタンであり、前記第2金属元素はアルミニウムであり、前記金属膜の仕事関数は、TiNまたはTiAlNの仕事関数とTiAlCの仕事関数の間の値である。
[Appendix 12]
In Additional Statement 4 or 5, the metal element is titanium, the second metal element is aluminum, and the work function of the metal film is a value between the work function of TiN or TiAlN and the work function of TiAlC.

〔付記13〕
本発明の他の態様によれば、
金属元素と窒素または炭素とを含む第1の層を形成する処理を第1の所定回数行う工程と、
前記金属元素と窒素と炭素とを含む第2の層を形成する処理を第2の所定回行う工程と、
を交互に第3の所定回数行うことで、基板上に、窒素と炭素とを所定の割合で含む金属膜を成膜する工程を有する基板処理方法が提供される。
[Appendix 13]
According to another aspect of the invention,
Performing a process for forming a first layer containing a metal element and nitrogen or carbon for a first predetermined number of times;
Performing a second predetermined treatment for forming a second layer containing the metal element, nitrogen and carbon;
By alternately performing the third predetermined number of times, a substrate processing method including a step of forming a metal film containing nitrogen and carbon in a predetermined ratio on the substrate is provided.

〔付記14〕
本発明の他の態様によれば、
基板に対して、金属元素を含む第1原料と、窒素または炭素を含む第2原料とを交互に第1の所定回数供給する工程と、
前記基板に対して、炭素を含む第3原料と、前記金属元素を含む第4原料と、窒素を含む第5原料とを交互に第2の所定回数供給する工程と、
を交互に第3の所定回数行うことで、前記基板上に、窒素と炭素とを所定の割合で含む金属膜を成膜する工程を有する基板処理方法が提供される。
[Appendix 14]
According to another aspect of the invention,
Supplying a first raw material containing a metal element and a second raw material containing nitrogen or carbon to the substrate alternately for a first predetermined number of times;
Supplying a third raw material containing carbon, a fourth raw material containing the metal element, and a fifth raw material containing nitrogen alternately to the substrate a second predetermined number of times;
By alternately performing the third predetermined number of times, there is provided a substrate processing method including a step of forming a metal film containing nitrogen and carbon at a predetermined ratio on the substrate.

〔付記15〕
付記13または14において、前記第1の所定回数、前記第2の所定回数および前記第3の所定回数は、前記金属膜に含める窒素または炭素の割合に応じて決定される。
[Appendix 15]
In Supplementary Note 13 or 14, the first predetermined number of times, the second predetermined number of times, and the third predetermined number of times are determined according to a ratio of nitrogen or carbon included in the metal film.

〔付記16〕
本発明の他の態様によれば、
基板を収容する処理室と、
前記処理室に接続され、前記処理室に収容された前記基板に対して、金属元素を含む金属含有原料を供給する金属含有原料供給系と、
前記処理室に接続され、前記処理室に収容された前記基板に対して、窒素を含む窒素含有原料を供給する窒素含有原料供給系と、
前記処理室に接続され、前記処理室に収容された前記基板に対して、炭素を含む炭素含有原料を供給する炭素含有原料供給系と、
前記金属含有原料供給系、前記窒素含有原料供給系及び前記炭素含有原料供給系に接続されると共に、前記処理室に収容された前記基板に対して、前記金属含有原料と前記窒素含有原料または前記炭素含有原料とを交互に第1の所定回数供給する処理と、前記金属含有原料と前記窒素含有原料と前記炭素含有原料とを交互に第2の所定回数供給する処理とを、交互に第3の所定回数行うことで、前記基板上に、窒素と炭素とを所定の割合で含む金属膜を成膜する処理を、前記金属含有原料供給系、前記窒素含有原料供給系及び前記炭素含有原料供給系を制御して実行させるように構成された制御部と、
を有する基板処理装置が提供される。
[Appendix 16]
According to another aspect of the invention,
A processing chamber for accommodating the substrate;
A metal-containing raw material supply system for supplying a metal-containing raw material containing a metal element to the substrate connected to the processing chamber and housed in the processing chamber;
A nitrogen-containing material supply system for supplying a nitrogen-containing material containing nitrogen to the substrate connected to the processing chamber and housed in the processing chamber;
A carbon-containing raw material supply system for supplying a carbon-containing raw material containing carbon to the substrate connected to the processing chamber and housed in the processing chamber;
Connected to the metal-containing material supply system, the nitrogen-containing material supply system, and the carbon-containing material supply system, and with respect to the substrate housed in the processing chamber, the metal-containing material and the nitrogen-containing material or the A process of alternately supplying a carbon-containing raw material for a first predetermined number of times and a process of supplying the metal-containing raw material, the nitrogen-containing raw material, and the carbon-containing raw material alternately for a second predetermined number of times Performing a predetermined number of times to form a metal film containing nitrogen and carbon in a predetermined ratio on the substrate, the metal-containing raw material supply system, the nitrogen-containing raw material supply system, and the carbon-containing raw material supply. A control unit configured to control and execute the system;
A substrate processing apparatus is provided.

〔付記17〕
付記16において、前記第1の所定回数、前記第2の所定回数および前記第3の所定回数は、前記金属膜に含める前記窒素または前記炭素の割合に応じて決定される。
[Appendix 17]
In Supplementary Note 16, the first predetermined number of times, the second predetermined number of times, and the third predetermined number of times are determined according to a ratio of the nitrogen or the carbon included in the metal film.

〔付記18〕
本発明の他の態様によれば、
金属元素と窒素または炭素とを含む第1の層を形成する処理を第1の所定回数行う手順と、
前記金属元素と窒素と炭素とを含む第2の層を形成する処理を第2の所定回行う手順と、
を交互に第3の所定回数行うことで、基板上に、前記窒素と前記炭素とを所定の割合で含む金属膜を形成する手順をコンピュータに実行させるプログラムが提供される。
[Appendix 18]
According to another aspect of the invention,
A procedure of performing a first predetermined number of times to form a first layer containing a metal element and nitrogen or carbon;
A step of performing a process for forming a second layer containing the metal element, nitrogen and carbon for a second predetermined time;
By alternately performing the third predetermined number of times, there is provided a program for causing a computer to execute a procedure for forming a metal film containing nitrogen and carbon at a predetermined ratio on a substrate.

〔付記19〕
付記18において、前記第1の所定回数、前記第2の所定回数および前記第3の所定回数は、前記金属膜に含める窒素または炭素の割合に応じて決定される。
[Appendix 19]
In Supplementary Note 18, the first predetermined number of times, the second predetermined number of times, and the third predetermined number of times are determined according to a ratio of nitrogen or carbon included in the metal film.

〔付記20〕
本発明の他の態様によれば、
金属元素と窒素または炭素とを含む第1の層を形成する処理を第1の所定回数行う手順と、
前記金属元素と前記窒素と前記炭素とを含む第2の層を形成する処理を第2の所定回行う手順と、
を交互に第3の所定回数行うことで、基板上に、窒素と炭素とを所定の割合で含む金属膜を形成する手順をコンピュータに実行させるプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体が提供される。
[Appendix 20]
According to another aspect of the invention,
A procedure of performing a first predetermined number of times to form a first layer containing a metal element and nitrogen or carbon;
A step of performing a process for forming a second layer containing the metal element, the nitrogen, and the carbon for a second predetermined time;
By alternately performing the third predetermined number of times, there is provided a computer-readable recording medium on which a program for causing a computer to execute a procedure for forming a metal film containing nitrogen and carbon at a predetermined ratio on a substrate is provided. The

〔付記21〕
付記20において、前記第1の所定回数、前記第2の所定回数および前記第3の所定回数は、前記金属膜に含める窒素または炭素の割合に応じて決定される。
[Appendix 21]
In Supplementary Note 20, the first predetermined number of times, the second predetermined number of times, and the third predetermined number of times are determined according to a ratio of nitrogen or carbon included in the metal film.

以上のように、本発明は、例えば、半導体装置の製造方法、半導体ウエハやガラス基板等の基板を処理する基板処理装置等に利用することができる。   As described above, the present invention can be used for, for example, a method for manufacturing a semiconductor device, a substrate processing apparatus for processing a substrate such as a semiconductor wafer or a glass substrate, and the like.

10・・・基板処理装置
200・・・ウエハ
201・・・処理室
202・・・処理炉
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Substrate processing apparatus 200 ... Wafer 201 ... Processing chamber 202 ... Processing furnace

Claims (8)

(A)基板に対して、チタン元素を含む第1原料と、窒素を含む第2原料とを交互に回、供給して前記基板上にチタン窒化層を形成する工程と、
(B)前記基板に対して、アルミニウム元素と炭素とを含む第3原料と、前記第1原料と、前記第2原料とを交互に回、供給して前記基板上にアルミニウムチタン炭窒化層を形成する工程と、
(C)(A)と(B)とを交互に回、行い、前記基板上にチタンアルミニウム炭窒化膜を形成する工程と、
を有し、
前記x,y,zはそれぞれ1以上の整数であり、前記x,y,zの値を調整することにより、前記チタンアルミニウム炭窒化膜に含まれるチタン、アルミニウム、炭素、窒素の割合を調整して前記チタンアルミニウム炭窒化膜の仕事関数を4.52〜4.68eVの範囲内の値となるよう変調する半導体装置の製造方法。
(A) supplying a first raw material containing titanium element and a second raw material containing nitrogen alternately x times to the substrate to form a titanium nitride layer on the substrate;
(B) An aluminum titanium carbonitride layer is provided on the substrate by supplying a third raw material containing an aluminum element and carbon, the first raw material, and the second raw material alternately y times to the substrate. Forming a step;
(C) performing (A) and (B) alternately z times to form a titanium aluminum carbonitride film on the substrate;
Have
The x, y, and z are integers of 1 or more, respectively, and the ratio of titanium, aluminum, carbon, and nitrogen contained in the titanium aluminum carbonitride film is adjusted by adjusting the values of the x, y, and z. A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the work function of the titanium aluminum carbonitride film is modulated to a value in the range of 4.52 to 4.68 eV.
前記x,y,zの値を調整する際は、xとzの乗算値およびyとzの乗算値を調整する請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein when the values of x, y, and z are adjusted, a multiplication value of x and z and a multiplication value of y and z are adjusted. 前記チタンアルミニウム炭窒化膜に含まれる炭素と窒素の割合(炭素/窒素)を1/4以下とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a ratio of carbon to nitrogen (carbon / nitrogen) contained in the titanium aluminum carbonitride film is set to ¼ or less. 前記チタンアルミニウム炭窒化膜に含まれる炭素と窒素の割合(炭素/窒素)を1/6以下とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a ratio of carbon to nitrogen (carbon / nitrogen) contained in the titanium aluminum carbonitride film is 1/6 or less. 前記チタンアルミニウム炭窒化膜に含まれる炭素と窒素(炭素/窒素)の割合を1/10以下とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a ratio of carbon and nitrogen (carbon / nitrogen) contained in the titanium aluminum carbonitride film is 1/10 or less. 前記(A)では前記xの値を調整して前記チタン窒化層を0.03〜20nmの厚さとなるよう形成し、前記(B)では前記yの値を調整して前記アルミニウムチタン炭窒化層を0.1〜20nmの厚さとなるよう形成し、前記(C)では前記zの値を調整して前記チタンアルミニウム炭窒化膜を1.0〜200nmの厚さとなるよう形成する請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   In (A), the value of x is adjusted to form the titanium nitride layer to a thickness of 0.03 to 20 nm. In (B), the value of y is adjusted to adjust the aluminum titanium carbonitride layer. 2 is formed to have a thickness of 0.1 to 20 nm, and in (C), the value of z is adjusted to form the titanium aluminum carbonitride film to have a thickness of 1.0 to 200 nm. The manufacturing method of the semiconductor device of description. 基板を収容する処理室と、
前記処理室にチタン元素を含む第1原料を供給する第1原料供給系と、
前記処理室に窒素を含む第2原料を供給する第2原料供給系と、
前記処理室にアルミニウム元素と炭素とを含む第3原料を供給する第3原料供給系と、
前記第1原料供給系、前記第2原料供給系及び前記第3原料供給系を制御して、(A)前記処理室に収容された基板に対して、前記第1原料と、第2原料とを交互に回、供給して前記基板上にチタン窒化層を形成する処理と、(B)前記基板に対して、前記第3原料と、前記第1原料と、前記第2原料とを交互に回、供給して前記基板上にアルミニウムチタン炭窒化層を形成する処理と、
(C)(A)と(B)とを交互に回、行い、前記基板上にチタンアルミニウム炭窒化膜を形成する処理と、
を有し、
前記x,y,zはそれぞれ1以上の整数であり、前記x,y,zの値を調整することにより、前記チタンアルミニウム炭窒化膜に含まれるチタン、アルミニウム、炭素、窒素の割合を調整して前記チタンアルミニウム炭窒化膜の仕事関数を4.52〜4.68eVの範囲内の値となるよう変調するように構成された制御部と、
を有する基板処理装置。
A processing chamber for accommodating the substrate;
A first raw material supply system for supplying a first raw material containing titanium element to the processing chamber;
A second raw material supply system for supplying a second raw material containing nitrogen to the processing chamber;
A third raw material supply system for supplying a third raw material containing aluminum element and carbon to the processing chamber;
Controlling the first raw material supply system, the second raw material supply system, and the third raw material supply system, and (A) the first raw material, the second raw material, and the substrate stored in the processing chamber; Alternately supplying x times to form a titanium nitride layer on the substrate; and (B) alternating the third material, the first material, and the second material with respect to the substrate. Supplying y times to form an aluminum titanium carbonitride layer on the substrate;
(C) (A) and (B) are alternately performed z times to form a titanium aluminum carbonitride film on the substrate;
Have
The x, y, and z are integers of 1 or more, respectively, and the ratio of titanium, aluminum, carbon, and nitrogen contained in the titanium aluminum carbonitride film is adjusted by adjusting the values of the x, y, and z. A control unit configured to modulate the work function of the titanium aluminum carbonitride film to a value in the range of 4.52 to 4.68 eV;
A substrate processing apparatus.
(A)基板処理装置の処理室内の基板に対して、チタン元素を含む第1原料と、窒素を含む第2原料とを交互にx回、供給して前記基板上にチタン窒化層を形成する手順と、
(B)前記基板に対して、アルミニウム元素と炭素とを含む第3原料と、前記第1原料と、前記第2原料とを交互に回、供給して前記基板上にアルミニウムチタン炭窒化層を形成する手順と、
(C)(A)と(B)とを交互に回、行い、前記基板上にチタンアルミニウム炭窒化膜を形成する手順と、
を有し、
前記x,y,zはそれぞれ1以上の整数であり、前記x,y,zの値を調整することにより、前記チタンアルミニウム炭窒化膜に含まれるチタン、アルミニウム、炭素、窒素の割合を調整して前記チタンアルミニウム炭窒化膜の仕事関数を4.52〜4.68eVの範囲内の値となるよう変調する手順をコンピュータにより前記基板処理装置に実行させるプログラム。
(A) A first raw material containing titanium element and a second raw material containing nitrogen are alternately supplied x times to the substrate in the processing chamber of the substrate processing apparatus to form a titanium nitride layer on the substrate. Procedure and
(B) An aluminum titanium carbonitride layer is provided on the substrate by supplying a third raw material containing an aluminum element and carbon, the first raw material, and the second raw material alternately y times to the substrate. The steps of forming
(C) performing steps (A) and (B) alternately z times to form a titanium aluminum carbonitride film on the substrate;
Have
The x, y, and z are integers of 1 or more, respectively, and the ratio of titanium, aluminum, carbon, and nitrogen contained in the titanium aluminum carbonitride film is adjusted by adjusting the values of the x, y, and z. A program for causing the substrate processing apparatus to execute a procedure for modulating the work function of the titanium aluminum carbonitride film to a value in the range of 4.52 to 4.68 eV.
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