JP6253748B2 - 成膜方法及び成膜装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜として用いられる酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）膜の成膜方法及び成膜装置に関する。
近年、シリコン（Ｓｉ）よりも熱伝導率、絶縁破壊電界強度、及び電子飽和速度が高く、素子の高温動作が可能という利点があるシリコンカーバイト（ＳｉＣ）、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）、ダイヤモンド等からなる基板をパワーＭＯＳＦＥＴに用いることが検討されている。このようなパワーＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜の形成として、堆積法を用いて基板上に絶縁膜を形成可能な材料を堆積させることが提案されている。堆積される材料としては高誘電率の材料が好ましく、特にバンドギャップ等の物性値の観点からアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が有望視されている。
しかしながら、Ａｌ２Ｏ３は多数の電子トラップを有するため、Ａｌ２Ｏ３のみでゲート絶縁膜を形成した場合、フラットバンド電圧がシフトし、閾値電圧が不安定となる。そこで、ゲート絶縁膜の酸素と基板のシリコンとの中間の価電子数を持つ窒素を、ゲート絶縁膜に添加して電子トラップを解消することが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。また、ゲート絶縁膜を構成するＡｌ２Ｏ３へ数ａｔ％の窒素を添加する場合には、プラズマによってＡｌ２Ｏ３を窒化してＡｌＯＮ膜を生成する方法が用いられている（例えば、非特許文献２参照。）。
"高速トランジスタを実現する高誘電率ゲート絶縁膜の欠陥制御技術を開発"、[online]、株式会社富士通研究所、[平成２４年７月２日検索]、インターネット（URL: http://pr.fujitsu.com/jp/news/2002/07/1.html）
K. Manabe, IEICE TRANS. ELECTRON., Vol. E87-C, No. 1, page 30, 2004
ところで、シリコン基板を用いる通常のＭＯＳＦＥＴにおけるゲート絶縁膜の厚さは数ｎｍであるため、ゲート絶縁膜であるＡｌ２Ｏ３膜をプラズマによって窒化する際、窒素はＡｌ２Ｏ３膜の膜厚方向に関して十分にドープされて、窒素が均一に分散したＡｌＯＮ膜を生成することができる。
しかしながら、パワーＭＯＳＦＥＴにおけるゲート絶縁膜は耐圧性を考慮して厚さが少なくとも５０ｎｍであり、好ましくは１００ｎｍとなるため、プラズマによって窒化を試みた場合、窒素がゲート絶縁膜であるＡｌ２Ｏ３膜の膜厚方向に関して十分にドープされず、窒素が厚み方向に関して均一に分散したＡｌＯＮ膜を生成することができない。窒素が均一に分散していないＡｌＯＮ膜をゲート絶縁膜としても用いた場合、所望のフラットバンド電圧や閾値電圧を実現することができない。
本発明の目的は、耐圧性を備えるとともに窒素濃度が好適に制御された絶縁膜としてのＡｌＯＮ膜を得ることができる成膜方法及び成膜装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の成膜方法は、チャンバ内において、膜厚が５０ｎｍ以上のＡｌＯＮ膜からなるゲート絶縁膜を成膜する成膜方法であって、ＡｌＮ膜を成膜する成膜ステップと、前記成膜されたＡｌＮ膜を酸化する酸化ステップとを有し、前記成膜ステップでは、前記チャンバ内にアルミニウム源ガスを導入した後、前記チャンバ内を排気しながらも余分なアルミニウム源ガスの分子を全て排出する前にＮＨ ３ ガスを導入し、且つ前記ＡｌＮ膜が成膜される基板を加熱してＮＨ ３ をアルミニウムと化学反応させ、前記酸化ステップでは、前記チャンバ内にＯ ３ ガスを導入し、且つ前記ＡｌＮ膜が成膜された基板を加熱してＯ ３ をＡｌＮと化学反応させ、前記成膜ステップ及び前記酸化ステップを交互に繰り返して前記酸化されたＡｌＮ膜が積層された積層構造を有するＡｌＯＮ膜を形成することを特徴とする。
本発明によれば、耐圧性を備えるとともに窒素濃度が好適に制御された絶縁膜としてのＡｌＯＮ膜を得ることができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
まず、本発明の第１の実施の形態に係る成膜方法について説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る成膜方法を実行する成膜装置の構成を概略的に示す断面図である。この成膜装置は基板としての半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」という。）にゲート絶縁膜としてのＡｌＯＮ膜を成膜する。
図１において、成膜装置１０は、例えば、円筒形状を呈するチャンバ１１と、該チャンバ１１内の底部に配置される載置台１２と、チャンバ１１内へ処理ガスを導入するガス導入部１３と、チャンバ１１内を排気する排気部１４と、チャンバ１１内を外部と連通させるゲート（図示しない）を備える。
チャンバ１１は内部を外部雰囲気から隔離し、該内部においてウエハＷへセミバッチ方式で後述するＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）を用いた成膜処理を施す。載置台１２はヒータ１５を内蔵し、複数のウエハＷを載置して該載置された複数のウエハＷを同時に加熱する。また、載置台１２はチラーを内蔵し、載置された複数のウエハＷを冷却してもよく、さらに、載置台１２は枚葉でウエハＷを載置してもよい。
ガス導入部１３は３つのガス導入管１３ａ〜１３ｃからなり、ガス導入管１３ａはアルミニウム源として、例えば、ＴＭＡ（Trimethylaluminum）を導入し、ガス導入管１３ｂは酸素源として、例えば、オゾン（Ｏ３）を導入し、ガス導入管１３ｃは窒素源として、例えば、アンモニア（ＮＨ３）を導入する。成膜装置１０の各構成部位の動作はコントローラ１０ａによって制御される。
成膜装置１０は、ＡＬＤによってウエハＷ上にＡｌＯ膜（例えば、Ａｌ２Ｏ３膜）やＡｌＮ膜を成膜する。例えば、Ａｌ２Ｏ３膜を成膜する際、まず、ガス導入管１３ａからＴＭＡを導入してＴＭＡの各分子をウエハＷの表面又はウエハＷ上に形成された膜へ物理的に吸着させ、排気部１４によって余分なＴＭＡの分子（ウエハＷ等に吸着していないＴＭＡの分子）をチャンバ１１の外へ排出することによって複数の分子が厚み方向に重ならない（すなわち、１層の）ＴＭＡ分子層を形成し、その後、ガス導入管１３ｂからＯ３を導入し、且つヒータ１５によってウエハＷを加熱することでＯ３をＴＭＡ分子層と化学反応させてＡｌ２Ｏ３膜を生成しながら、余分なＯ３や副生成物をチャンバ１１外へ排出する。また、例えば、ＡｌＮ膜を成膜する際、まず、ガス導入管１３ａからＴＭＡを導入してＴＭＡの各分子を物理的に吸着させ、排気部１４によって余分なＴＭＡの分子をチャンバ１１の外へ排出することによって１層のＴＭＡ分子層を形成し、その後、ガス導入管１３ｃからＮＨ３を導入し、且つウエハＷを加熱することでＮＨ３をＴＭＡ分子層と化学反応させてＡｌＮ膜を生成しながら、余分なＮＨ３や副生成物をチャンバ１１外へ排出する。すなわち、成膜装置１０は厚さが数ｎｍのＡｌ２Ｏ３膜やＡｌＮ膜を生成することができる。なお、余分なガス（例えば、Ｏ３やＮＨ３）や副生成物の排出は、不活性ガス、例えば、Ｎ２をチャンバ１１内へパージすることによっても行うことができる。
また、成膜の際に結晶欠陥を抑制して高品質な膜を得るためには、ＴＭＡの露点管理が必要であり、例えば、ガス導入管１３ａには水分除去のためのピュリファイア１３ｇが設けられる。また、スループット向上を目的として導入する処理ガスの切り替えを早く行うために、各ガス導入管１３ａ〜１３ｃはチャンバ１１に隣接するように配置されたバルブ１３ｄ〜１３ｆを有する。これにより、チャンバ１１内から各バルブ１３ｄ〜１３ｆまでの体積を極力減らし、例えば、処理ガスをＴＭＡからＯ３に切り替える際にチャンバ１１内からバルブ１３ｄの間に残留するＴＭＡの量を極力少なくすることができ、処理ガスの切り替えを素早く行うことができる。
図２は、本実施の形態に係る成膜方法で形成されるＡｌＯＮ膜をゲート絶縁膜として用いるプレーナ構造を有するＭＯＳＦＥＴの構成を概略的に示す断面図である。
図２において、ＭＯＳＦＥＴ１６は、ウエハＷを構成するＳｉＣ基板１７において、下部に形成されて一部が表面に露出する第１のｎ型ＳｉＣ部１８と、上部に形成されて表面に露出し、且つ第１のｎ型ＳｉＣ部１８と交錯しない第２のｎ型ＳｉＣ部１９と、第１のｎ型ＳｉＣ部１８及び第２のｎ型ＳｉＣ部１９の間に介在して一部が表面に露出するｐ型ＳｉＣ部２０と、ＳｉＣ基板１７の表面に形成されたゲート絶縁膜２１とを有する。ゲート絶縁膜２１はＳｉＣ基板１７の表面において第１のｎ型ＳｉＣ部１８の全露出部分、ｐ型ＳｉＣ部２０の全露出部分及び第２のｎ型ＳｉＣ部１９の露出部分の一部を覆うように平板状に形成されるため、後述する本実施の形態に係る成膜方法のように複数の膜を積層する方法であっても、容易に形成することができる。
なお、ＳｉＣ基板１７は純粋なＳｉＣのみによって構成される必要はなく、不純物がドーピングされていてもよい。また、ウエハＷを構成する基板はＳｉＣ基板１７に限られず、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）又はダイヤモンドからなる基板であってもよい。
図３は、本実施の形態に係る成膜方法を示す工程図である。
まず、成膜装置１０又は他の熱処理装置、例えば、ランプヒータを備える熱処理炉においてＳｉＣ基板１７の表面に薄い酸化珪素（ＳｉＯ２）膜２２を成膜し（図３（Ａ））、次いで、成膜装置１０において、ガス導入管１３ａからのＴＭＡの導入及び続くチャンバ１１内の排気によってＳｉＣ基板１７の表面上に１層のＴＭＡ分子層を形成し、その後、ガス導入管１３ｃからのＮＨ３の導入及びＳｉＣ基板１７の加熱によってＡｌＮ膜２３を成膜する（図３（Ｂ））（第１の成膜ステップ）。本実施の形態に係る成膜方法では、後述するようにＡｌＮ膜２３の成膜及びＡｌＯ膜２４の成膜を繰り返すが、酸素源、例えば、Ｏ３を用いないＡｌＮ膜２３の成膜を最初に行う。これにより、酸素原子が薄いＳｉＯ２膜２２を通過してＳｉＣ基板１７の表面を酸化するのを抑制することができる。また、薄いＳｉＯ２膜２２は必須ではなく、薄いＳｉＯ２膜２２を成膜しない場合には、熱処理炉における熱酸化も行わないため、より確実にＳｉＣ基板１７の表面の酸化を抑制することができる。
次いで、ガス導入管１３ａからのＴＭＡの導入及び続くチャンバ１１内の排気によって１層のＴＭＡ分子層を形成し、その後、ガス導入管１３ｂからのＯ３の導入及びＳｉＣ基板１７の加熱によってＡｌＯ膜２４を成膜し、さらに成膜されたＡｌＯ膜２４上に図３（Ｂ）と同様の方法でＡｌＮ膜２３を成膜する（図３（Ｃ））（第２の成膜ステップ）。
次いで、ＡｌＯ膜２４の成膜及びＡｌＮ膜２３の成膜を繰り返してＡｌＯ膜２４及びＡｌＮ膜２３が交互に積層された積層構造を有する膜厚が３０ｎｍ〜１５０ｎｍ、好ましくは５０ｎｍ以上のＡｌＯＮ膜２５を形成する（図３（Ｄ））。
なお、必ずしもＡｌＮ膜２３の成膜とＡｌＯ膜２４の成膜を交互に行う必要はなく、まず、ＡｌＮ膜２３の成膜を所定の回数繰り返した後に、ＡｌＯ膜２４の成膜を所定の回数繰り返すことによって所定の膜厚を有する積層構造を形成してもよい。また、一度に成膜されるＡｌＯ膜２４やＡｌＮ膜２３の膜厚は０．１ｎｍ〜２０ｎｍであり、均一な膜厚実現の観点からは１ｎｍ〜５ｎｍが好ましい。また、ＡｌＯ膜２４やＡｌＮ膜２３はＡＬＤだけでなくＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）によって成膜されてもよく、特に、膜厚が大きい場合にはＣＶＤによって好適に成膜される。
例えば、一実施例として、一度に成膜されるＡｌＯ膜２４の膜厚を０．３６ｎｍとし、一度に成膜されるＡｌＮ膜２３の膜厚を３ｎｍとし、ＡｌＮ膜２３の成膜及びＡｌＯ膜２４の成膜を交互に２４回繰り返してもよい。これにより、膜厚が約８０ｎｍで窒素が約２０ａｔ％含まれるＡｌＯＮ膜２５を形成することができる。
次いで、ＡｌＯＮ膜２５が形成されたＳｉＣ基板１７を成膜装置１０又は他の熱処理装置において、例えば、６００℃〜１１００℃に加熱してＡｌＯＮ膜２５へ熱処理（アニール処理）を施し（図３（Ｅ））、さらに、当該ＳｉＣ基板１７へ従来のフォトプロセスを行った後、プラズマエッチング装置に搬入してドライエッチング等によってＡｌＯＮ膜２５の不要な部分を削除してゲート絶縁膜２１を得（図３（Ｆ））、その後、本処理を終了する。なお、ＡｌＯ膜２４とＡｌＮ膜２３の界面はアニール処理における各分子等の拡散作用によって崩れ、ゲート絶縁膜２１ではＡｌＯ分子とＡｌＮ分子が混ざり合った状態となっている。
ところで、上述した本実施の形態に係る成膜方法は成膜装置１０だけでなく、他の構造を有する成膜装置で実行してもよい。
図４は、本実施の形態に係る成膜方法を実行するセミバッチ式の成膜装置の構成を概略的に示す水平断面図である。
図４において、成膜装置２６は、円筒形状のチャンバ２７と、チャンバ２７内に配置されて該チャンバ２７の中心軸を中心として水平に回転する円板状のサセプタ２８と、チャンバ２７及び外部を連通するゲート２９と、チャンバ２７内へＴＭＡを導入するガス導入管３０ａと、チャンバ２７内へＯ３やＮＨ３を切り替えて導入するガス導入管３０ｂと、チャンバ２７の円周方向に関してガス導入管３０ａ及び３０ｂの間にそれぞれ配置されてチャンバ２７内へＮ２を導入する２つのガス導入管３０ｃとを備え、ガス導入管３０ａには水分除去のためのピュリファイア３０ｅが設けられる。
チャンバ１１は複数、例えば、６枚の台状のボート２６ａを収容し、収容された各ボート２６ａはサセプタ２８において円周方向に均等に配置される。各ボート２６ａには複数のウエハＷが載置され、各ボート２６ａは当該ボート２６ａの中心周りに水平に回転する。すなわち、各ボート２６ａは自転しながらチャンバ２７の中心軸周りに公転し、公転する各ボート２６ａに載置されたウエハＷはチャンバ２７の中心軸周りを旋回する。各ボート２６ａはチャンバ２７の外に配置されたアーム２６ｃによってゲート２９を介してチャンバ２７内へ搬出入される。
サセプタ２８はヒータ（図示しない）を内蔵し、各ボート２６ａを介して各ウエハＷを加熱する。なお、サセプタ２８はチラー（図示しない）を内蔵し、各ボート２６ａを介して各ウエハＷを冷却してもよい。
成膜装置２６では、ＡＬＤによってＡｌＮ膜２３を成膜する際、ガス導入管３０ａからＴＭＡをチャンバ２７内に導入し、ガス導入管３０ｂからＮＨ３を導入するとともに、各ガス導入管３０ｃからＮ２をチャンバ２７内に導入する。各ガス導入管３０ｃはそれぞれガス導入管３０ａ及び３０ｂの間でＮ２を導入することにより、チャンバ２７内を、ＴＭＡの各分子をウエハＷの表面等へ化学的に吸着させてＴＭＡ分子層を形成するＴＭＡ吸着領域Ｐ１と、ＮＨ３をＴＭＡ分子層と化学反応させてＡｌＮ膜２３を成膜する成膜領域Ｐ２とに仕切る。各ウエハＷがチャンバ２７の中心軸周りを旋回する際、各ウエハＷは順にＴＭＡ吸着領域Ｐ１及び成膜領域Ｐ２を通過するため、一旋回毎にＡｌＮ膜２３が形成される。
また、ＡＬＤによってＡｌＯ膜２４を成膜する際、ガス導入管３０ａからＴＭＡをチャンバ２７内に導入し、ガス導入管３０ｂからＯ３を導入するとともに、各ガス導入管３０ｃからＮ２をチャンバ２７内に導入し、ＴＭＡ吸着領域Ｐ１においてＴＭＡ分子層を形成し、成膜領域Ｐ２においてＯ３をＴＭＡ分子層と化学反応させてＡｌＯ膜２４を成膜する。このときも、各ウエハＷがチャンバ２７の中心軸周りを旋回する際、各ウエハＷは順にＴＭＡ吸着領域Ｐ１及び成膜領域Ｐ２を通過するため、一旋回毎にＡｌＯ膜２４が形成される。すなわち、成膜装置２６ではガス導入管３０ｂから導入されるＯ３及びＮＨ３を切り替えることにより、ＡｌＯ膜２４及びＡｌＮ膜２３を交互に成膜することができる。
また、各ウエハＷを各ボート２６ａに載置させて各ボート２６ａをチャンバ２７の中心軸周りに公転させることにより、当該複数のウエハＷへＡｌＮ膜２３又はＡｌＯ膜２４をほぼ同時に成膜することができる。なお、成膜装置２６の各構成部位の動作はコントローラ２６ｂによって制御される。
成膜装置２６においても、処理ガスの切り替えを早く行うために、ガス導入管３０ｂは成膜装置２６に隣接するように配置されたバルブ３０ｄを有する。
本実施の形態に係る成膜方法を成膜装置２６を用いて実行する場合、まず、成膜装置２６又は他の熱処理装置においてＳｉＣ基板１７の表面に薄いＳｉＯ２膜２２を成膜する（図３（Ａ））。なお、薄いＳｉＯ２膜２２は必須ではなく、薄いＳｉＯ２膜２２を成膜しない場合には、ＳｉＣ基板１７の表面の酸化を抑制することができる。
次いで、成膜装置２６において、ガス導入管３０ａからのＴＭＡの導入によってＳｉＣ基板１７の表面上に１層のＴＭＡ分子層を形成し、その後、ガス導入管３０ｃからのＮＨ３の導入及びＳｉＣ基板１７の加熱によってＡｌＮ膜２３を成膜する（図３（Ｂ））（第１の成膜ステップ）。最初にＡｌＮ膜２３を成膜することによって薄いＳｉＯ２膜２２を酸素源に晒すことがないので、酸素原子が薄いＳｉＯ２膜２２を通過してＳｉＣ基板１７の表面を酸化するのを抑制することができる。
次いで、ガス導入管３０ａからのＴＭＡの導入によって１層のＴＭＡ分子層を形成し、その後、ガス導入管３０ｂからのＯ３の導入及びＳｉＣ基板１７の加熱によってＡｌＯ膜２４を成膜し、さらに成膜されたＡｌＯ膜２４上に上記方法でＡｌＮ膜２３を成膜する（図３（Ｃ））（第２の成膜ステップ）。
次いで、ＡｌＯ膜２４の成膜及びＡｌＮ膜２３の成膜を繰り返してＡｌＯ膜２４及びＡｌＮ膜２３が交互に積層された積層構造を有するＡｌＯＮ膜２５を形成し（図３（Ｄ））、ＡｌＯＮ膜２５が形成されたＳｉＣ基板１７を成膜装置２６又は他の熱処理装置においてＡｌＯＮ膜２５へ熱処理（アニール処理）を施し（図３（Ｅ））、さらに、従来の方法によりフォトプロセスを行った後、ドライエッチング等によってＡｌＯＮ膜２５の不要な部分を削除してゲート絶縁膜２１を得る（図３（Ｆ））。なお、この場合も、ＡｌＯ膜２４とＡｌＮ膜２３の界面はアニール処理における各分子等の拡散作用によって崩れ、ゲート絶縁膜２１ではＡｌＯ分子とＡｌＮ分子が混ざり合った状態となっている。
上述した図４の成膜装置２６では、各ウエハＷが一旋回する毎にＡｌＮ膜２３又はＡｌＯ膜２４のいずれかが形成されるが、成膜装置を各ウエハＷが一旋回する毎にＡｌＮ膜２３又はＡｌＯ膜２４の両方が形成されるように構成してもよい。例えば、図１０に示すように、成膜装置２６と同様の構成を有する成膜装置４０において、チャンバ２７の円周方向に関して時計回りに、チャンバ２７内へＮ２を導入するガス導入管４１ａ、チャンバ２７内へＴＭＡを導入するガス導入管４１ｂ、チャンバ２７内へＮ２を導入するガス導入管４１ｃ、チャンバ２７内へＮＨ３を導入するガス導入管４１ｄ、チャンバ２７内へＮ２を導入するガス導入管４１ｅ、チャンバ２７内へＴＭＡを導入するガス導入管４１ｆ、チャンバ２７内へＮ２を導入するガス導入管４１ｇ及びチャンバ２７内へＯ３を導入するガス導入管４１ｈを配置し、チャンバ２７内を、ＴＭＡの各分子をウエハＷの表面等へ化学的に吸着させてＴＭＡ分子層を形成するＴＭＡ吸着領域Ｐ３と、ＮＨ３をＴＭＡ分子層と化学反応させてＡｌＮ膜２３を成膜するＡｌＮ成膜領域Ｐ４と、ＴＭＡの各分子をウエハＷの表面等へ化学的に吸着させてＴＭＡ分子層を形成するＴＭＡ吸着領域Ｐ５と、Ｏ３をＴＭＡ分子層と化学反応させてＡｌＯ膜２４を成膜するＡｌＯ成膜領域Ｐ６とに分けてもよい。
成膜装置４０では、各ウエハＷが一旋回する毎に、ＴＭＡ吸着領域Ｐ３、ＡｌＮ成膜領域Ｐ４、ＴＭＡ吸着領域Ｐ５、及びＡｌＯ成膜領域Ｐ６を順に通過するので、各ウエハＷには当該ウエハＷが一旋回する毎にＡｌＮ膜２３又はＡｌＯ膜２４の両方が形成される。
なお、成膜装置４０でも、ＴＭＡを導入するガス導入管４１ｂ，４１ｆには水分除去のためのピュリファイア４１ｉ，４１ｊがそれぞれ設けられる。
また、成膜装置２６においてＡｌＮ膜２３とＡｌＯ膜２４を交互に成膜する必要はなく、各ウエハＷを所定回数ほど旋回させる際、最初の数旋回ではガス導入管３０ｂからＮＨ３のみを導入し、続く数旋回ではガス導入管３０ｂからＯ３のみを導入してもよい。これにより、最初の数旋回では各ウエハＷに複数のＡｌＮ膜２３の積層構造が形成され、続く数旋回では各ウエハＷに複数のＡｌＯ膜２４の積層構造が形成される。
図５は、本実施の形態に係る成膜方法を実行するバッチ式の成膜装置の構成を概略的に示す断面図である。
図５において、成膜装置３１は、二重管構造を有するチャンバ３２と、チャンバ３２の下端を塞ぐ蓋部材３３と、多数のウエハＷを多段に載置するウエハボード３４と、該ウエハボード３４の下端を支持する回転軸３５と、チャンバ３２内へ処理ガスを導入するガス導入部３６と、チャンバ３２内を排気する排気部３７と、ウエハボード３４に載置された各ウエハＷを加熱するヒータ（図示しない）とを備える。
チャンバ３２は内部を外部雰囲気から隔離し、該内部において各ウエハＷにＡＬＤを用いた成膜処理を施す。ガス導入部３６は３つのガス導入管３６ａ〜３６ｃからなり、ガス導入管３６ａはＴＭＡを導入し、ガス導入管３６ｂはＯ３を導入し、ガス導入管３６ｃはＮＨ３を導入する。ウエハボード３４は回転軸３５や蓋部材３３とともにチャンバ３２から分離可能に構成され、チャンバ３２の下方から退出入する。成膜装置３１の各構成部位の動作はコントローラ３１ａによって制御される。なお、ＴＭＡを導入するガス導入管３６ａには水分除去のためのピュリファイア３６ｇが設けられる。
成膜装置３１では、ＡｌＯ膜２４を成膜する際、まず、ガス導入管３６ａからＴＭＡを導入してＴＭＡの各分子をウエハＷの表面等へ物理的に吸着させ、排気部３７によって余分なＴＭＡの分子をチャンバ１１の外へ排出することによって１層のＴＭＡ分子層を形成し、その後、ガス導入管３６ｂからＯ３を導入し、且つヒータによってウエハＷを加熱することでＯ３をＴＭＡ分子層と化学反応させてＡｌ２Ｏ３膜を生成しながら、余分なＯ３や副生成物をチャンバ１１外へ排出する。また、ＡｌＮ膜２３を成膜する際、まず、ガス導入管３６ａからＴＭＡを導入してＴＭＡの各分子を物理的に吸着させ、排気部３７によって余分なＴＭＡの分子をチャンバ１１の外へ排出することによって１層のＴＭＡ分子層を形成し、その後、ガス導入管３６ｃからＮＨ３を導入し、且つウエハＷを加熱することでＮＨ３をＴＭＡ分子層と化学反応させてＡｌＮ膜を生成しながら、余分なＮＨ３や副生成物をチャンバ１１外へ排出する。すなわち、成膜装置３１は、多数のウエハＷにおいて厚さが数ｎｍのＡｌ２Ｏ３膜やＡｌＮ膜を同時に生成することができる。
なお、成膜装置３１においても、処理ガスの切り替えを早く行うために、各ガス導入管３６ａ〜３６ｃはチャンバ１１に隣接するように配置されたバルブ３６ｄ〜３６ｆを有する。また、本実施の形態に係る成膜方法を成膜装置３１を用いて実行する手順は、成膜装置１０を用いて実行する手順とほぼ同じであるため、その説明を省略する。
本実施の形態に係る成膜方法によれば、形成されたＡｌＯＮ膜２５はＡｌＯ膜２４及びＡｌＮ膜２３が交互に積層された積層構造を有するので、当該ＡｌＯＮ膜２５の厚み方向に関してほぼ均等にＡｌＮ膜２３が配置される。また、積層構造を有するＡｌＯＮ膜２５に熱処理が施されるので、積層構造が焼き鈍しによって解消されて各ＡｌＮ膜２３に含まれる窒素がＡｌＯＮ膜２５内において拡散する。その結果、ＡｌＯＮ膜２５の膜厚が大きくても窒素を厚み方向に関して確実に均一に分散させることができる。すなわち、耐圧性を備えるとともに窒素濃度が好適に制御されたＡｌＯＮ膜２５を得ることができる。
上述した本実施の形態に係る成膜方法では、チャンバ１１（２７、３２）内の圧力やウエハＷの温度、さらには、ＳｉＣ基板１７をＮＨ３やＯ３に晒す時間を調整することにより、ＡｌＯＮ膜２５の窒素含有量を１％〜約４０％の間で制御可能である。
また、上述した本実施の形態に係る成膜方法では、ＡｌＯＮ膜２５の形成の前にＳｉＣ基板１７の表面へ薄いＳｉＯ２膜２２を形成したが、当該ＳｉＯ２膜２２を形成することなく、ＳｉＣ基板１７の表面へ直接ＡｌＮ膜２３を形成してもよい。
上述した本実施の形態に係る成膜方法では、ＳｉＣ基板１７を加熱してＴＭＡとＮＨ３やＯ３とを化学反応させたが、チャンバ１１（２７、３２）内でＮＨ３やＯ３からプラズマを生成、若しくは、チャンバ１１（２７、３２）内へＮＨ３やＯ３のプラズマを導入してＴＭＡと化学反応させてよい。
なお、上述した本実施の形態に係る成膜方法では、アルミ源としてＴＭＡを用いたが、他のアルミ源、例えば、トリエチルアルミニウムを用いてもよい。また、酸素源としてＯ３を用いたが、他の酸素源、例えば、酸素、水、亜酸化窒素、酸化窒素、一酸化炭素や二酸化炭素を用いてもよい。さらに、窒素源としてＮＨ３を用いたが、他の窒素源、例えば、窒素、亜酸化窒素や酸化窒素を用いてもよい。
上述した本実施の形態に係る成膜方法において、成膜される各ＡｌＯ膜２４の膜厚や各ＡｌＮ膜２３の膜厚は同じでなくてもよい。例えば、ＡｌＯＮ膜２５においてＳｉＣ基板１７の表面に近い部位のみの窒素濃度を向上させる場合には、図７に示すように、ＳｉＣ基板１７の表面近傍で成膜されるＡｌＮ膜２３の膜厚を大きくし、ＳｉＣ基板１７の表面から離れるほどＡｌＮ膜２３の膜厚を小さくしてもよい。
また、図６に示すような、トレンチゲート構造を有するＭＯＳＦＥＴ３８においてトレンチ３９内にゲート絶縁膜２１としてのＡｌＯＮ膜２５を図３の成膜方法によって形成する場合であっても、ＡＬＤは段差被覆性に優れているため、ＡｌＮ膜２３やＡｌＯ膜２４をトレンチ３９の内面に沿ってほぼ均一な膜厚で成膜することができ、均質なゲート絶縁膜２１を生成することができる。なお、ＣＶＤも他の成膜手法と比べて比較的、段差被覆性に優れているため、ＣＶＤによってもＡｌＮ膜２３やＡｌＯ膜２４をトレンチ３９の内面に沿ってほぼ均一な膜厚で成膜することができる。
上述した成膜装置１０、２６、３１はＡＬＤによってＡｌＮ膜２３やＡｌＯ膜２４を成膜したが、ＡｌＮ膜２３やＡｌＯ膜２４の成膜方法はＡＬＤに限られず、例えば、ＣＶＤやＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）を用いることができる。
例えば、上述した成膜装置１０、２６、３１においてＡｌＮ膜２３やＡｌＯ膜２４をＣＶＤで成膜する場合、まず、薄いＳｉＯ２膜２２が成膜されたウエハＷ（ＳｉＣ基板１７）が収容されたチャンバ１１（２７、３２）内にＴＭＡを導入し、次いでチャンバ１１（２７、３２）内を排気することなくＮＨ３を導入し、さらにＳｉＣ基板１７を加熱して該ＳｉＣ基板１７上においてＴＭＡとＮＨ３を化学反応させてＡｌＮ膜２３を成膜する。
次いで、ＴＭＡの導入、Ｏ３の導入及びＳｉＣ基板１７の加熱によってＡｌＯ膜２４を化学反応によって成膜し、さらに、上述した方法と同様の方法でＡｌＮ膜２３を化学反応によって成膜する。ＣＶＤではＡｌＯ膜２４の成膜やＡｌＮ膜２３の成膜の際、比較的厚い（例えば、厚さが２０ｎｍ前後の）ＡｌＯ膜２４やＡｌＮ膜２３が形成される。
次いで、ＣＶＤによるＡｌＯ膜２４の成膜及びＡｌＮ膜２３の成膜を繰り返してＡｌＯ膜２４及びＡｌＮ膜２３が交互に積層された積層構造を有するＡｌＯＮ膜２５を形成し、該ＡｌＯＮ膜２５へ熱処理（アニール処理）を施し、さらに、当該ＳｉＣ基板１７へ従来のフォトプロセスを行った後、ドライエッチング等によってＡｌＯＮ膜２５の不要な部分を削除してゲート絶縁膜２１を得る。
また、上述したＡＬＤでは、チャンバ１１（２７、３２）内にＴＭＡを導入した後、１層のＴＭＡ分子層を形成するために余分なＴＭＡの分子を全てチャンバ１１の外に排出したが、全てのＴＭＡの分子が排出される前に、Ｏ３やＮＨ３を導入してもよい。この場合には、厚さが１層のＴＭＡ分子層よりも多少厚くなるＡｌＯ膜２４やＡｌＮ膜２３が形成される。
具体的には、まず、薄いＳｉＯ２膜２２が成膜されたウエハＷ（ＳｉＣ基板１７）が収容されたチャンバ１１（２７、３２）内にＴＭＡを導入し、チャンバ１１内を排気しながらも余分なＴＭＡの分子を全て排出する前にＮＨ３を導入し、さらにＳｉＣ基板１７を加熱して該ＳｉＣ基板１７上においてＴＭＡとＮＨ３を化学反応させてＡｌＮ膜２３を成膜する。
次いで、ＴＭＡの導入、余分なＴＭＡの分子を全て排出する前のＯ３の導入及びＳｉＣ基板１７の加熱によってＡｌＯ膜２４を化学反応によって成膜し、さらに、上述した方法と同様の方法でＡｌＮ膜２３を化学反応によって成膜する。本方法ではＡｌＯ膜２４の成膜やＡｌＮ膜２３の成膜の際、余分なＴＭＡの分子が全て排出されていないので、やや厚めのＡｌＯ膜２４やＡｌＮ膜２３が形成される。
次いで、上述したＡｌＯ膜２４の成膜及びＡｌＮ膜２３の成膜を繰り返してＡｌＯ膜２４及びＡｌＮ膜２３が交互に積層された積層構造を有するＡｌＯＮ膜２５を形成し、該ＡｌＯＮ膜２５へ熱処理（アニール処理）を施し、さらに、当該ＳｉＣ基板１７へ従来のフォトプロセスを行った後、ドライエッチング等によってＡｌＯＮ膜２５の不要な部分を除去してゲート絶縁膜２１を得る。
次に、本発明の第２の実施の形態に係る成膜方法について説明する。
本実施の形態に係る成膜方法は、ＡｌＯ膜２４の成膜を行わず、ＡｌＮ膜２３の成膜のみを行い、成膜されたＡｌＮ膜２３の酸化を行う点で第１の実施の形態と異なる。本実施の形態に係る成膜方法も、成膜装置１０だけでなく成膜装置２６、３１を用いて実行可能であるが、以下において成膜装置１０を用いて実行する場合を代表的に説明する。
図８は、本実施の形態に係る成膜方法を示す工程図である。
まず、成膜装置１０又は他の熱処理装置においてＳｉＣ基板１７の表面に薄い酸化珪素ＳｉＯ２膜２２を成膜する（図８（Ａ））。なお、薄いＳｉＯ２膜２２は必須ではなく、薄いＳｉＯ２膜２２を成膜しない場合には、ＳｉＣ基板１７の表面の酸化を抑制することができる。
次いで、成膜装置１０において、ガス導入管１３ａからのＴＭＡの導入及び続くチャンバ１１内の排気によってＳｉＣ基板１７の表面上に１層のＴＭＡ分子層を形成し、その後、ガス導入管１３ｃからのＮＨ３の導入及びＳｉＣ基板１７の加熱によってＡｌＮ膜２３を成膜する（図８（Ｂ））（成膜ステップ）。
次いで、ガス導入管１３ｂからのＯ３の導入及びＳｉＣ基板１７の加熱によってＡｌＮ膜２３を酸化させ、酸化ＡｌＮ膜２３ａを生成する（図８（Ｃ））（酸化ステップ）。
次いで、ＡｌＮ膜２３の成膜及びＡｌＮ膜２３の酸化を繰り返して酸化ＡｌＮ膜２３ａの積層構造を有する、膜厚が３０ｎｍ〜１５０ｎｍ、好ましくは５０ｎｍ以上のＡｌＯＮ膜２５を形成する（図８（Ｄ））。例えば、一度に成膜されるＡｌＮ膜２３の膜厚は０．１ｎｍ〜２０ｎｍであり、ＡｌＮ膜２３の酸化時間は０．１秒〜１２０秒である。なお、ＡｌＮ膜２３はＡＬＤだけでなくＣＶＤによって成膜されてもよく、特に、膜厚が厚い場合にはＣＶＤによって好適に成膜される。
また、例えば、一度に成膜されるＡｌＮ膜２３の膜厚を２ｎｍとし、ＡｌＮ膜２３の酸化の際にチャンバ１１内のＯ３の濃度を１００ｇ／ｃｍ３〜４００ｇ／ｃｍ３に設定し、チャンバ１１内の圧力を１Ｔｏｒｒに設定した上で酸化を１０秒間に亘って行い、これらの条件の下、ＡｌＮ膜２３の成膜及びＡｌＮ膜２３の酸化を交互に４０回繰り返す。これにより、膜厚が約８０ｎｍで窒素が約１０ａｔ％含まれるＡｌＯＮ膜２５を形成することができる。
次いで、ＡｌＯＮ膜２５が形成されたＳｉＣ基板１７を成膜装置１０又は他の熱処理装置において、例えば、６００℃〜１１００℃に加熱してＡｌＯＮ膜２５へ熱処理（アニール処理）を施し（図８（Ｅ））、さらに、従来のフォトプロセスを行った後、当該ＳｉＣ基板１７をプラズマエッチング装置に搬入してドライエッチング等によってＡｌＯＮ膜２５の不要な部分を削除してゲート絶縁膜２１を得（図８（Ｆ））、その後、本処理を終了する。なお、各ＡｌＯＮ膜２５の界面はアニール処理における各分子等の拡散作用によって崩れ、ゲート絶縁膜２１ではＡｌＯ分子とＡｌＮ分子が混ざり合った状態となっている。
本実施の形態に係る成膜方法によれば、ＡｌＮ膜２３の成膜及びＡｌＮ膜２３の酸化が交互に繰り返されるので、ＡｌＮ膜２３が成膜される度に当該ＡｌＮ膜２３が酸化される。これにより、一度に酸化されるＡｌＮ膜２３の膜厚を小さくすることができ、ＡｌＮ膜２３を均等に酸化することができる。また、均等に酸化された酸化ＡｌＮ膜２３ａが積層されてＡｌＯＮ膜２５が形成される。その結果、ＡｌＯＮ膜２５の膜厚が大きくても、当該ＡｌＯＮ膜２５を膜厚方向に均質化できる。さらに、積層構造を有するＡｌＯＮ膜２５に熱処理が施されるので、積層構造が焼き鈍しによって解消されて各酸化ＡｌＮ膜２３ａに含まれる窒素がＡｌＯＮ膜２５内において拡散する。その結果、ＡｌＯＮ膜２５の膜厚が大きくても窒素を厚み方向に関して確実に均一に分散させることができる。すなわち、耐圧性を備えるとともに窒素濃度が好適に制御されたＡｌＯＮ膜２５を得ることができる。
なお、必ずしもＡｌＮ膜２３の成膜とＡｌＮ膜２３の酸化を交互に行う必要はなく、まず、ＡｌＮ膜２３の成膜を所定の回数繰り返した後に、ＡｌＮ膜２３の酸化を所定の回数繰り返すことによって所定の膜厚を有する積層構造を形成してもよい。
また、本実施の形態に係る成膜方法においても、ＡｌＮ膜２３をＡＬＤではなくＣＶＤやＰＶＤによって成膜してもよい。
例えば、上述した成膜装置１０、２６、３１においてＡｌＮ膜２３をＣＶＤで成膜する場合、まず、薄いＳｉＯ２膜２２が成膜されたウエハＷ（ＳｉＣ基板１７）が収容されたチャンバ１１（２７、３２）内にＴＭＡを導入し、次いでチャンバ１１（２７、３２）内を排気することなくＮＨ３を導入し、さらにＳｉＣ基板１７を加熱して該ＳｉＣ基板１７上においてＴＭＡとＮＨ３を化学反応させてＡｌＮ膜２３を成膜する。ＣＶＤではＡｌＮ膜２３の成膜の際、ＡＬＤとは異なり、余分なＴＭＡの分子をチャンバ１１（２７、３２）の外へ排出しないため、比較的厚い（例えば、厚さが２０ｎｍ前後の）ＡｌＮ膜２３が形成される。
次いで、Ｏ３の導入及びＳｉＣ基板１７の加熱によって酸化ＡｌＮ膜２３ａを生成し、さらに、ＣＶＤによるＡｌＮ膜２３の成膜及びＡｌＮ膜２３の酸化を繰り返して酸化ＡｌＮ膜２３ａの積層構造を有するＡｌＯＮ膜２５を形成し、該ＡｌＯＮ膜２５へ熱処理（アニール処理）を施し、さらに、当該ＳｉＣ基板１７へ従来のフォトプロセスを行った後、ドライエッチング等によってＡｌＯＮ膜２５の不要な部分を削除してゲート絶縁膜２１を得る。
また、上述したＡＬＤでは、チャンバ１１（２７、３２）内にＴＭＡを導入した後、１層のＴＭＡ分子層を形成するために余分なＴＭＡの分子を全てチャンバ１１の外に排出したが、全てのＴＭＡの分子が排出される前に、ＮＨ３を導入してもよい。この場合には、厚さが１層のＴＭＡ分子層よりも多少厚くなるＡｌＮ膜２３が形成される。
具体的には、まず、薄いＳｉＯ２膜２２が成膜されたウエハＷ（ＳｉＣ基板１７）が収容されたチャンバ１１（２７、３２）内にＴＭＡを導入し、チャンバ１１内を排気しながらも余分なＴＭＡの分子を全て排出する前にＮＨ３を導入し、さらにＳｉＣ基板１７を加熱して該ＳｉＣ基板１７上においてＴＭＡとＮＨ３を化学反応させてＡｌＮ膜２３を成膜する。
次いで、Ｏ３の導入及びＳｉＣ基板１７の加熱によって酸化ＡｌＮ膜２３ａを生成し、さらに、ＣＶＤによるＡｌＮ膜２３の成膜及びＡｌＮ膜２３の酸化を繰り返して酸化ＡｌＮ膜２３ａの積層構造を有するＡｌＯＮ膜２５を形成し、該ＡｌＯＮ膜２５へ熱処理（アニール処理）を施し、さらに、当該ＳｉＣ基板１７へ従来のフォトプロセスを行った後、ドライエッチング等によってＡｌＯＮ膜２５の不要な部分を削除してゲート絶縁膜２１を得る。
また、ＡｌＮ膜２３の酸化をＳｉＣ基板１７の加熱ではなくチャンバ１１内でＯ３から生成されたプラズマや、ガス導入管１３ｂから導入されたＯ２のプラズマによって行ってもよい。
上述した本実施の形態に係る成膜方法において、成膜される各ＡｌＮ膜２３の酸化度合は同じでなくてもよい。例えば、ＡｌＯＮ膜２５においてＳｉＣ基板１７の表面に近い部位のみの窒素濃度を向上させる場合には、ＳｉＣ基板１７の表面近傍で成膜されたＡｌＮ膜２３の酸化時間を短縮すればよい。これにより、不必要な酸化時間を削減することができ、もって、スループットを向上することができる。
次に、本発明の第３の実施の形態に係る成膜方法について説明する。
本実施の形態に係る成膜方法は、ＡｌＮ膜２３の成膜を行わず、ＡｌＯ膜２４の成膜のみを行い、成膜されたＡｌＯ膜２４の窒化を行う点で第１の実施の形態と異なる。本実施の形態に係る成膜方法も、成膜装置１０だけでなく成膜装置２６、３１を用いて実行可能であるが、以下において成膜装置１０を用いて実行する場合を代表的に説明する。
図９は、本実施の形態に係る成膜方法を示す工程図である。
まず、成膜装置１０又は他の熱処理装置においてＳｉＣ基板１７の表面に薄い酸化珪素ＳｉＯ２膜２２を成膜する（図９（Ａ））。なお、薄いＳｉＯ２膜２２は必須ではなく、薄いＳｉＯ２膜２２を成膜しない場合には、ＳｉＣ基板１７の表面の酸化を抑制することができる。
次いで、成膜装置１０において、ガス導入管１３ａからのＴＭＡの導入及び続くチャンバ１１内の排気によってＳｉＣ基板１７の表面上に１層のＴＭＡ分子層を形成し、その後、ガス導入管１３ｂからのＯ３の導入及びＳｉＣ基板１７の加熱によってＡｌＯ膜２４を成膜する（図９（Ｂ））（成膜ステップ）。
次いで、ガス導入管１３ｃからＮＨ３、若しくは、窒素源としてのＮ２を導入してチャンバ１１内でプラズマを生成し、該プラズマによってＡｌＯ膜２４を窒化させ、窒化ＡｌＯ膜２４ａを生成する（図９（Ｃ））（窒化ステップ）。
次いで、ＡｌＯ膜２４の成膜及びＡｌＯ膜２４の窒化を繰り返して窒化ＡｌＯ膜２４ａの積層構造を有する、膜厚が３０ｎｍ〜１５０ｎｍ、好ましくは５０ｎｍ以上のＡｌＯＮ膜２５を形成する（図９（Ｄ））。例えば、一度に成膜されるＡｌＯ膜２４の膜厚は０．１ｎｍ〜２０ｎｍであり、ＡｌＯ膜２４のプラズマによる窒化時間は１秒〜６００秒である。なお、ＡｌＯ膜２４はＡＬＤだけでなくＣＶＤによって成膜されてもよく、特に、膜厚が大きい場合にはＣＶＤによって好適に成膜される。
次いで、ＡｌＯＮ膜２５が形成されたＳｉＣ基板１７を成膜装置１０又は他の熱処理装置において、例えば、６００℃〜１１００℃に加熱してＡｌＯＮ膜２５へ熱処理（アニール処理）を施し（図９（Ｅ））、さらに、従来のフォトプロセスを行った後、当該ＳｉＣ基板１７をプラズマエッチング装置に搬入してドライエッチング等によってＡｌＯＮ膜２５の不要な部分を削除してゲート絶縁膜２１を得（図９（Ｆ））、その後、本処理を終了する。なお、各ＡｌＯＮ膜２５の界面はアニール処理における各分子等の拡散作用によって崩れ、ゲート絶縁膜２１ではＡｌＯ分子とＡｌＮ分子が混ざり合った状態となっている。
本実施の形態に係る成膜方法によれば、ＡｌＯ膜２４の成膜及びＡｌＯ膜２４の窒化が交互に繰り返されるので、ＡｌＯ膜２４が成膜される度に当該ＡｌＯ膜２４が窒化される。これにより、一度に窒化されるＡｌＯ膜２４の膜厚を小さくすることができ、ＡｌＯ膜２４を均等に窒化することができる。また、均等に窒化された窒化ＡｌＯ膜２４ａが積層されてＡｌＯＮ膜２５が形成される。その結果、ＡｌＯＮ膜２５の膜厚が大きくても、当該ＡｌＯＮ膜２５を膜厚方向に均質化できる。さらに、積層構造を有するＡｌＯＮ膜２５に熱処理が施されるので、積層構造が焼き鈍しによって解消されて各窒化ＡｌＯ膜２４ａに含まれる窒素がＡｌＯＮ膜２５内において拡散する。その結果、ＡｌＯＮ膜２５の膜厚が大きくても窒素を厚み方向に関して確実に均一に分散させることができる。すなわち、耐圧性を備えるとともに窒素濃度が好適に制御されたＡｌＯＮ膜２５を得ることができる。
なお、必ずしもＡｌＯ膜２４の成膜とＡｌＯ膜２４の窒化を交互に行う必要はなく、まず、ＡｌＯ膜２４の成膜を所定の回数繰り返した後に、ＡｌＯ膜２４の窒化を所定の回数繰り返すことによって所定の膜厚を有する積層構造を形成してもよい。
また、本実施の形態に係る成膜方法においても、ＡｌＯ膜２４をＡＬＤではなくＣＶＤやＰＶＤによって成膜してもよい。
例えば、上述した成膜装置１０、２６、３１においてＡｌＯ膜２４をＣＶＤで成膜する場合、まず、薄いＳｉＯ２膜２２が成膜されたウエハＷ（ＳｉＣ基板１７）が収容されたチャンバ１１（２７、３２）内にＴＭＡを導入し、次いでチャンバ１１（２７、３２）内を排気することなくＯ３を導入し、さらにＳｉＣ基板１７を加熱して該ＳｉＣ基板１７上においてＴＭＡとＯ３を化学反応させてＡｌＯ膜２４を成膜する。ＣＶＤではＡｌＯ膜２４の成膜の際、ＡＬＤとは異なり、余分なＴＭＡの分子をチャンバ１１（２７、３２）の外へ排出しないため、化学反応が多く発生して比較的厚い（例えば、厚さが２０ｎｍ前後の）ＡｌＯ膜２４が形成される。
次いで、チャンバ１１（２７、３２）内で生成されたＮＨ３やＮ２のプラズマによる窒化によって窒化ＡｌＯ膜２４ａを生成し、さらに、ＣＶＤによるＡｌＯ膜２４の成膜及びＡｌＯ膜２４の窒化を繰り返して窒化ＡｌＯ膜２４ａの積層構造を有するＡｌＯＮ膜２５を形成し、該ＡｌＯＮ膜２５へ熱処理（アニール処理）を施し、さらに、当該ＳｉＣ基板１７へ従来のフォトプロセスを行った後、ドライエッチング等によってＡｌＯＮ膜２５の不要な部分を削除してゲート絶縁膜２１を得る。
また、上述したＡＬＤでは、チャンバ１１（２７、３２）内にＴＭＡを導入した後、１層のＴＭＡ分子層を形成するために余分なＴＭＡの分子を全てチャンバ１１の外に排出したが、全てのＴＭＡの分子が排出される前に、Ｏ３を導入してもよい。この場合には、厚さが１層のＴＭＡ分子層よりも多少厚くなるＡｌＯ膜２４が形成される。
具体的には、まず、薄いＳｉＯ２膜２２が成膜されたウエハＷ（ＳｉＣ基板１７）が収容されたチャンバ１１（２７、３２）内にＴＭＡを導入し、チャンバ１１内を排気しながらも余分なＴＭＡの分子を全て排出する前にＯ３を導入し、さらにＳｉＣ基板１７を加熱して該ＳｉＣ基板１７上においてＴＭＡとＯ３を化学反応させてＡｌＯ膜２４を成膜する。
次いで、チャンバ１１（２７、３２）内で生成されたＮＨ３やＮ２のプラズマによる窒化によって窒化ＡｌＯ膜２４ａを生成し、さらに、ＣＶＤによるＡｌＯ膜２４の成膜及びＡｌＯ膜２４の窒化を繰り返して窒化ＡｌＯ膜２４ａの積層構造を有するＡｌＯＮ膜２５を形成し、該ＡｌＯＮ膜２５へ熱処理（アニール処理）を施し、さらに、当該ＳｉＣ基板１７へ従来のフォトプロセスを行った後、ドライエッチング等によってＡｌＯＮ膜２５の不要な部分を削除してゲート絶縁膜２１を得る。
また、ＡｌＯ膜２４の窒化をプラズマではなくＳｉＣ基板１７の加熱によって行ってもよい。
上述した本実施の形態に係る成膜方法において、成膜される各ＡｌＯ膜２４の窒化度合は同じでなくてもよい。例えば、ＡｌＯＮ膜２５においてＳｉＣ基板１７の表面に近い部位のみの窒素濃度を向上させる場合には、ＳｉＣ基板１７の表面近傍で成膜されたＡｌＯ膜２４のみの窒化時間を長くすればよい。これにより、不必要な窒化時間を削減することができ、もって、スループットを向上することができる。
なお、ＡｌＮ膜２３やＡｌＯ膜２４をＡＬＤやＣＶＤで成膜する場合、成膜時のチャンバ１１内の温度は１００℃〜７５０℃が好ましいが、当該温度範囲が好ましい理由は以下の通りである。成膜温度が７００℃以上となると、加熱に伴いＡｌＮが結晶化する恐れがあり、この場合、ＡｌＮ膜２３において結晶粒界が発生し、該結晶粒界がリークパスとなるため、絶縁膜として理想的なアモルファスのＡｌＯＮ膜２５が得られない。一方、成膜温度が７００℃程度であれば、後の工程におけるアニール処理を省略できるという効果が期待できる。すなわち、結晶粒界の発生抑制と処理の簡素化を考慮すると成膜温度は、７５０℃以下であることが望ましいためである。
また、高温でＡｌＮ膜２３やＡｌＯ膜２４を成膜すると、下地層としての薄いＳｉＯ２膜２２との間で拡散が生じ、該ＳｉＯ２膜２２の膜質劣化や電気特性劣化が生じするおそれがある。したがって、成膜時のチャンバ１１内の温度は２５０℃〜４００℃がより好ましい。特に、４００℃以下であれば、ＡｌＮの結晶化やＳｉＯ２膜２２の変質を抑制してアモルファスのＡｌＯＮ膜２５を得ることができる。また、成膜時の化学反応促進の観点からは成膜時のチャンバ１１内の温度は３００℃〜４００℃がさらに好ましい。
また、上述した各実施の形態に係る成膜方法において、ＡｌＮ膜２３やＡｌＯ膜２４をＡＬＤやＣＶＤによって成膜したが、ＡｌＮ膜２３やＡｌＯ膜２４の成膜方法はこれらに限らない。例えば、ＡＬＤ、ＣＶＤ又はＰＶＤによってＡｌ膜を成膜し、該Ａｌ膜に対して窒化処理又は酸化処理を施すことでＡｌＮ膜２３やＡｌＯ膜２４を得てもよい。
以上、本発明について、上記実施の形態を用いて説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
また、本発明の目的は、上述した各実施の形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記憶媒体を、コンピュータ（例えば、成膜装置１０、２６、３１のコントローラ）に供給し、コンピュータのＣＰＵが記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出して実行することによっても達成される。
この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が上述した各実施の形態の機能を実現することになり、プログラムコード及びそのプログラムコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。
また、プログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、ＲＡＭ、ＮＶ−ＲＡＭ、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ（ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−ＲＷ、ＤＶＤ＋ＲＷ）等の光ディスク、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、他のＲＯＭ等の上記プログラムコードを記憶できるものであればよい。或いは、上記プログラムコードは、インターネット、商用ネットワーク、若しくはローカルエリアネットワーク等に接続される不図示の他のコンピュータやデータベース等からダウンロードすることによりコンピュータに供給されてもよい。
また、コンピュータが読み出したプログラムコードを実行することにより、上記各実施の形態の機能が実現されるだけでなく、そのプログラムコードの指示に基づき、ＣＰＵ上で稼動しているＯＳ（オペレーティングシステム）等が実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって上述した各実施の形態の機能が実現される場合も含まれる。
更に、記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵ等が実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって上述した各実施の形態の機能が実現される場合も含まれる。
上記プログラムコードの形態は、オブジェクトコード、インタプリタにより実行されるプログラムコード、ＯＳに供給されるスクリプトデータ等の形態から成ってもよい。
次に、本発明の実施例について説明する。
まず、ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜を形成する際、チャンバ１１内の圧力を０．３５Ｔｏｒｒとし、チャンバ１１内の温度を３５０℃に設定した上でＡＬＤによるＡｌＮ膜２３の成膜及び該ＡｌＮ膜２３の酸化を繰り返してＡｌＯＮ膜２５を形成した（実施例）。なお、ＡｌＮ膜２３の１層あたりの厚さは、３ｎｍであった。また、ＡｌＯＮ膜２５の膜厚は、実験用のサンプルとして形成したため、厚さは３０ｎｍに設定された。
一方、ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜を形成する際、堆積法によってＡｌ２Ｏ３膜を形成した（比較例）。
その後、実施例及び比較例のＭＯＳＦＥＴについてフラットバンド電圧を測定したところ、図１１に示すように、比較例では大きなフラットバンドシフトが確認されたものの、実施例では大きなフラットバンドシフトが確認されなかった。これにより、実施例のＡｌＯＮ膜２５では窒素の添加によって電子トラップが解消されていることが分かった。
また、ＣＶＤによってＡｌＮ膜２３の成膜した場合におけるＡｌＯＮ膜２５の段差被覆性を確認するために、チャンバ１１内の圧力を０．３０Ｔｏｒｒとし、チャンバ１１内の温度を３８０℃に設定した上でＣＶＤによるＡｌＮ膜２３の成膜及び該ＡｌＮ膜２３の酸化を繰り返して厚さが約６０ｎｍのＡｌＯＮ膜２５を形成し、該ＡｌＯＮ膜２５によってウエハＷにおけるトレンチ構造を被覆した。
その後、トレンチの断面構造を確認したところ、図１２に示すように、ＡｌＯＮ膜２５がトレンチの内面をほぼ均一な膜厚で覆っていることが確認された。すなわち、アスペクト比が４程度のトレンチ構造を有するＭＯＳＦＥＴにおいてＡｌＯＮ膜２５によってゲート絶縁膜を構成する際、ＣＶＤによってＡｌＮ膜２３を形成できることが分かった。
Ｗ ウエハ
１０、２６、３１ 成膜装置
１３、３６ ガス導入部
１３ａ〜１３ｃ、３０ａ〜３０ｃ、３６ａ〜３６ｃ ガス導入管
１５ ヒータ
１６ ＭＯＳＦＥＴ
１７ ＳｉＣ基板
２１ ゲート絶縁膜
２３ ＡｌＮ膜
２４ ＡｌＯ膜
２５ ＡｌＯＮ膜
１０、２６、３１ 成膜装置
１３、３６ ガス導入部
１３ａ〜１３ｃ、３０ａ〜３０ｃ、３６ａ〜３６ｃ ガス導入管
１５ ヒータ
１６ ＭＯＳＦＥＴ
１７ ＳｉＣ基板
２１ ゲート絶縁膜
２３ ＡｌＮ膜
２４ ＡｌＯ膜
２５ ＡｌＯＮ膜
Claims (6)
- チャンバ内において、膜厚が５０ｎｍ以上のＡｌＯＮ膜からなるゲート絶縁膜を成膜する成膜方法であって、
ＡｌＮ膜を成膜する成膜ステップと、
前記成膜されたＡｌＮ膜を酸化する酸化ステップとを有し、
前記成膜ステップでは、前記チャンバ内にアルミニウム源ガスを導入した後、前記チャンバ内を排気しながらも余分なアルミニウム源ガスの分子を全て排出する前にＮＨ ３ ガスを導入し、且つ前記ＡｌＮ膜が成膜される基板を加熱してＮＨ ３ をアルミニウムと化学反応させ、
前記酸化ステップでは、前記チャンバ内にＯ ３ ガスを導入し、且つ前記ＡｌＮ膜が成膜された基板を加熱してＯ ３ をＡｌＮと化学反応させ、
前記成膜ステップ及び前記酸化ステップを交互に繰り返して前記酸化されたＡｌＮ膜が積層された積層構造を有するＡｌＯＮ膜を形成することを特徴とする成膜方法。 - 前記ＡｌＯＮ膜は基板上に形成され、前記基板は、炭化珪素、窒化ガリウム及びダイヤモンドのいずれかを含むことを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
- 前記積層構造を有するＡｌＯＮ膜に熱処理を施すことを特徴とする請求項１又は２記載の成膜方法。
- 前記ＡｌＮ膜の成膜はＡＬＤ又はＣＶＤによって実行されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の成膜方法。
- 前記アルミニウム源ガスは、ＴＭＡ（Trimethylaluminum）又はトリエチルアルミニウムであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の成膜方法。
- ＡｌＮ膜の成膜を行う成膜手段と、前記成膜されたＡｌＮ膜の酸化を行う酸化手段とを備える成膜装置において、
前記成膜手段及び前記酸化手段は、前記成膜ステップ及び前記酸化ステップを交互に繰り返して請求項１乃至５のいずれか１項に記載の成膜方法を実行することを特徴とする成膜装置。
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