JP2005129819A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
【課題】 Hf系酸化膜形成直後に特定元素の除去工程を効率的に実施し、さらに、成
膜工程で成膜したHf系酸化膜に窒素を混入させて、その熱的安定性を高め、不純物の拡
散を抑える。
【解決手段】 半導体装置の製造方法は成膜工程と除去工程とを備える。成膜工程では
、成膜ガスを反応室1内に供給して、回転する基板4上にHf系酸化膜を含むアモルファ
ス薄膜を形成する。除去工程では、プラズマで活性化させたN原子を含むガスを供給して
、成膜工程において形成した膜中の不純物となる特定元素を除去するとともに窒素を混入
させる。制御装置25によって、同一反応室1内で前記成膜工程と除去工程とを連続して
複数回繰り返す。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently carry out a removal process of a specific element immediately after formation of an Hf-based oxide film, and further add nitrogen to the Hf-based oxide film formed in the film-forming step to improve its thermal stability, Reduces the diffusion of impurities.
A semiconductor device manufacturing method includes a film forming step and a removing step. In the film forming process, a film forming gas is supplied into the reaction chamber 1 to form an amorphous thin film including an Hf-based oxide film on the rotating substrate 4. In the removing step, a gas containing N atoms activated by plasma is supplied to remove a specific element which becomes an impurity in the film formed in the film forming step and mix nitrogen. The film forming process and the removing process are continuously repeated a plurality of times in the same reaction chamber 1 by the control device 25.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、基板上に薄膜を形成する半導体装置の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device in which a thin film is formed on a substrate.
半導体製造工程の1つに基板(シリコンウェハやガラスなどをベースとする微細な電気
回路のパターンが形成された被処理基板)の表面に所定の成膜処理を行うCVD(Chemic
al Vapor Deposition)工程がある。これは、気密な反応室に基板を装填し、室内に設け
た加熱手段により基板を加熱し、成膜ガスを基板上へ導入しながら化学反応を起こし、基
板上に設けた微細な電気回路のパターン上へ薄膜を均一に形成するものである。このよう
な反応室では、薄膜は基板以外の構造物へも形成される。図10に示すCVD装置では、
反応室1内にシャワーヘッド6とサセプタ2を設け、サセプタ2上に基板4を載置してい
る。成膜ガスは、シャワーヘッド6に接続された原料供給管5を通って反応室1内へ導入
され、シャワーヘッド6に設けた多数の孔8より基板4上へ供給される。基板4上へ供給
されたガスは、排気管7を通って排気処理される。尚、基板4はサセプタ2の下方に設け
たヒータ3によって加熱される。
CVD (Chemic) that performs a predetermined film forming process on the surface of a substrate (substrate to be processed on which a fine electric circuit pattern based on silicon wafer, glass, or the like is formed) is one of the semiconductor manufacturing processes
al Vapor Deposition) process. This is because a substrate is loaded into an airtight reaction chamber, the substrate is heated by a heating means provided in the chamber, a chemical reaction occurs while introducing a film forming gas onto the substrate, and a fine electric circuit provided on the substrate. A thin film is uniformly formed on a pattern. In such a reaction chamber, the thin film is also formed on a structure other than the substrate. In the CVD apparatus shown in FIG.
A
このようなCVD装置として、成膜原料に有機化学材料を使ってアモルファスHfO2
膜やアモルファスHfシリケート膜(以下、単にHf系酸化膜と略す)を形成するMOC
VD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)装置や、ALD(Atomic Layer Depo
sition)装置がある。
As such a CVD apparatus, an organic chemical material is used as a film forming raw material, and amorphous HfO 2 is used.
MOC for forming a film or an amorphous Hf silicate film (hereinafter simply referred to as an Hf-based oxide film)
VD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) equipment and ALD (Atomic Layer Depo)
sition) equipment.
HfO2成膜原料としては、
Hf[OC(CH3)3]4(以下、Hf−(OtBu)4と略す)、
Hf[OC(CH3)2CH2OCH3]4(以下、Hf−(MMP)4と略す)、
但し、MMP:メチルメトキシプロポキシ
などが使用されている。
Hfシリケート膜成膜原料としては、前記のHfO2成膜原料とともに
Si[O(C2H5)]4(以下、TEOSと略す)、
Si[OC(CH3)2CH2OCH3]4(以下、Si−(MMP)4と略す)、
但し、MMP:メチルメトキシプロポキシ
などのSi原料を使用されたり、
Hf[O−Si−(CH3)]4(Hf−(OSi)4と略す)
のようにHfとSi原子とを含む原料などが使用されたりしている。
なお、以後、Hf−(MMP)4 やSi−(MMP)4をまとめて、MMP系原料とよ
ぶ。
As a HfO 2 film forming raw material,
Hf [OC (CH 3 ) 3 ] 4 (hereinafter abbreviated as Hf- (OtBu) 4 ),
Hf [OC (CH 3 ) 2 CH 2 OCH 3 ] 4 (hereinafter abbreviated as Hf- (MMP) 4 ),
However, MMP: methylmethoxypropoxy or the like is used.
As the Hf silicate film forming raw material, Si [O (C2H5)] 4 (hereinafter abbreviated as TEOS) together with the HfO 2 film forming raw material,
Si [OC (CH 3) 2
However, Si raw materials such as MMP: methylmethoxypropoxy are used,
Hf [O—Si— (CH 3 )] 4 (abbreviated as Hf— (OSi) 4 )
For example, raw materials containing Hf and Si atoms are used.
Hereinafter, Hf- (MMP) 4 and Si- (MMP) 4 are collectively referred to as MMP-based raw materials.
このなかで、例えばHf−(OtBu)4、MMP原料など、多くの有機材料は常温常
圧において液相である。このため、例えばMMP系原料は加熱して蒸気圧により気体に変
換して利用されている。このような原料を利用して前記のCVD法を用いて例えば基板温
度450℃以下でHf系酸化膜を形成する。このHf系酸化膜は、有機材料に起因するC
H、OHなどの不純物が数%と多量に含まれている。その結果、物質の電気的性質を示す
区分としては、意図に反して半導体、あるいは導体に属することになる。
Among these, many organic materials such as Hf- (OtBu) 4 and MMP raw materials are in a liquid phase at normal temperature and pressure. For this reason, for example, MMP-based raw materials are used after being heated and converted into a gas by vapor pressure. Using such a raw material, an Hf-based oxide film is formed, for example, at a substrate temperature of 450 ° C. or lower using the CVD method. This Hf-based oxide film is C
Impurities such as H and OH are contained in a large amount of several percent. As a result, the category indicating the electrical property of a substance belongs to a semiconductor or a conductor contrary to the intention.
このような薄膜の電気的絶縁性、およびその安定性を確保するため、Hf系酸化膜をO
2やN2雰囲気中で650℃〜800℃前後の高速アニール処理(以下、RTA[ラピッ
ドサーマルアニーリング]と略す)を施すことにより、CやHを離脱させて緻密化し安定
した絶縁体薄膜に変換しようとする試みが、従来より行われている。ここでRTAの目的
は、膜中のC、H等の不純物を離脱するとともに、緻密化することである。緻密化は、結
晶化まではさせないが、アモルファス状態の平均原子間距離を縮めるために行なう。
In order to ensure the electrical insulation and stability of such a thin film, an Hf-based oxide film is added to the Of oxide film.
Converted to a dense insulator film with high density annealing by removing C and H by applying a high-speed annealing process (hereinafter abbreviated as RTA [Rapid Thermal Annealing]) at 650-800 ° C in 2 or N 2 atmosphere. Attempts have been made to do so. Here, the purpose of RTA is to remove impurities such as C and H in the film and to make them dense. Densification is not performed until crystallization, but is performed to reduce the average interatomic distance in the amorphous state.
さらに、このような膜の熱的安定性を高める目的、つまり結晶化を防ぎアモルファスの状
態を保たせる目的や、このHf系酸化膜をゲート絶縁膜に用いた際に、後工程でPoly
−Si電極に混合されたボロンやリンなどの不純物の拡散を防ぐことを目的として、アン
モニア(NH3)雰囲気で600℃〜800℃前後の高速アニール処理(以下RTN[ラピ
ッドサーマルナイトライゼーション]とよぶ)を施すことにより、Hf系酸化膜を窒化する
ことが試みられている。
Furthermore, the purpose of increasing the thermal stability of such a film, that is, the purpose of preventing crystallization and maintaining an amorphous state, or when this Hf-based oxide film is used as a gate insulating film,
-For the purpose of preventing the diffusion of impurities such as boron and phosphorus mixed in the Si electrode, a high-speed annealing process (hereinafter referred to as RTN [Rapid Thermal Nitrification]) at about 600 ° C. to 800 ° C. in an ammonia (NH 3 ) atmosphere. ) Is attempted to nitride the Hf-based oxide film.
図11に、Hf系酸化膜を形成する従来方法におけるクラスタ装置構成を示す。基板を
装置外からロードロック室32に搬入し、第1反応室33でRCA洗浄(過酸化水素をベ
ースにした典型的な洗浄法)等の基板表面処理を施し、第2反応室34で上述した従来相
当の方法によりHf系酸化膜を形成し、第3反応室35でRTA処理(不純物除去、熱ア
ニール処理)を行い、第4反応室36で電極(poly−Si薄膜など)を形成する。電
極を形成した基板はロードロック室32から装置外へ搬出する。
FIG. 11 shows a cluster device configuration in a conventional method for forming an Hf-based oxide film. The substrate is carried into the
第3反応室35では、RTA処理によりHf系酸化膜からC、Hを離脱させると、その
表面状態は平坦性を失い凹凸な表面状態に変化するという問題が生じる。また、RTA処
理によりHf系酸化膜は部分的に結晶化しやすく、その結晶粒界を通って大きな電流が流
れやすくなり、絶縁性やその安定性がかえって損なわれるという問題が生じる。これらの
問題は、絶縁物に限らず全ての有機化学材料を用いたMOCVD法あるいはALD法を利
用した薄膜堆積方法に共通する。
In the
また、第2反応室34では、基板以外の構造物にも薄膜が形成される。これを累積膜と
いい、この累積膜にもC、Hが多量に混入している。このため、処理した基板枚数の増加
と共に、累積膜から離脱するC、H量は増加し、基板上に形成されるHf系酸化膜に含ま
れるC、H混入量は処理基板枚数の増加と共に徐々に増加することになる。この現象によ
り、連続して生産されたHf系酸化膜の品質を一定にすることが非常に難しくなっている
。このような憂慮すべき事象を解決するため、セルフクリーニングによる累積膜の除去処
理を頻繁に実施することが必要になり、それが生産性を低下させる要因になっている。
In the
尚、つぎのような薄膜形成技術も公開されているが、いずれも酸化タンタル膜に関する
ものであり、Hf系酸化膜に関するものではない。
The following thin film forming techniques are also disclosed, but all relate to a tantalum oxide film and not to an Hf-based oxide film.
(1)同一反応室内で、プラズマ処理により基板表面の自然酸化膜を除去し、その後タ
ンタル膜または低酸化の酸化タンタル膜を形成し、その後O2プラズマ処理を行う(特許
文献1参照)。
(1) In the same reaction chamber, a natural oxide film on the substrate surface is removed by plasma treatment, a tantalum film or a low-oxidation tantalum oxide film is then formed, and then O 2 plasma treatment is performed (see Patent Document 1).
(2)同一反応室内で、基板表面の自然酸化膜を除去した後、TiN膜(下部電極)を
形成する。その後、Ta膜を形成し、Ta膜に対しRPO(remote plasma oxidation)
処理を行なうことによりTa2O5膜を形成した後、Si3N4膜を形成する。このTa
2O5膜とSi3N4膜の成膜工程を繰り返し行い、Ta2O5/Si3N4膜の積層膜
を形成する。最後にTiN膜(上部電極)を形成する(特許文献2参照)。
(2) After removing the natural oxide film on the substrate surface in the same reaction chamber, a TiN film (lower electrode) is formed. Then, a Ta film is formed, and RPO (remote plasma oxidation) is applied to the Ta film.
After the Ta 2 O 5 film is formed by processing, a Si 3 N 4 film is formed. This Ta
The film forming process of the 2 O 5 film and the Si 3 N 4 film is repeatedly performed to form a Ta 2 O 5 / Si 3 N 4 film laminated film. Finally, a TiN film (upper electrode) is formed (see Patent Document 2).
(3)第1酸化タンタル膜を堆積し(アモルファス(非晶質)、3nm)、その後、非
酸化性雰囲気で熱処理(800℃、1分)を行い第1酸化タンタル膜を結晶化し、その後
、第1酸化タンタル膜上に第2酸化タンタル膜を堆積(多結晶、7nm)する。そして、
酸化性雰囲気で熱処理(500℃、5分)を行い酸素欠陥を回復する(特許文献3参照)
。
Oxygen defects are recovered by heat treatment (500 ° C., 5 minutes) in an oxidizing atmosphere (see Patent Document 3)
.
上述したようにアモルファス薄膜を形成する従来の技術では、RTA処理によりHf系
酸化膜の表面状態が平坦性を失い凹凸な表面状態に変化したり、Hf系酸化膜が部分的に
結晶化して結晶粒界が発生し、絶縁性やその安定性が低くなるという問題があった。
As described above, in the conventional technique for forming an amorphous thin film, the surface state of the Hf-based oxide film loses flatness due to the RTA process and changes to an uneven surface state, or the Hf-based oxide film is partially crystallized and crystallized. There was a problem that grain boundaries were generated, resulting in low insulation and stability.
また、連続して生産されたHf系酸化膜の品質を一定にするために、C、Hが多量に混
入する累積膜のクリーニング処理を頻繁に実施することが必要になり、生産性が低下する
という問題があった。
In addition, in order to make the quality of the continuously produced Hf-based oxide film constant, it is necessary to frequently perform a cleaning process of the accumulated film in which a large amount of C and H is mixed, resulting in a decrease in productivity. There was a problem.
さらに、生産されたHf系酸化膜をゲート絶縁膜として用いた場合、トランジスタのソ
ース、ドレインおよびゲート電極の活性化アニールの際に、アモルファスであったHf系
酸化膜が結晶化したり、ゲート電極に混合されているボロンやリンなどの不純物が拡散し
て、トランジスタのチャネル部分にまで不純物が到達し、トランジスタ特性を悪化させる
という問題があった。
Further, when the produced Hf-based oxide film is used as a gate insulating film, the amorphous Hf-based oxide film is crystallized or activated in the gate electrode during the activation annealing of the source, drain and gate electrodes of the transistor. There is a problem that impurities such as boron and phosphorus mixed are diffused and reach the channel portion of the transistor, thereby deteriorating the transistor characteristics.
本発明の課題は、RTA処理や頻繁なクリーニング処理を必要とすることなく、C、H
等の特定元素(不純物)の含有量の少ないHf系酸化膜を基板上に効率良く形成すること
が可能な半導体装置の製造方法を提供することにある。また、上記課題に加えて、工程時
間を節約し、膜表面が汚染されにくい半導体装置の製造方法を提供することにある。さら
に、Hf系酸化膜に窒素を混入させ、その熱的安定性を高め、不純物の拡散を抑えること
にある。
It is an object of the present invention to provide C, H without requiring RTA processing or frequent cleaning processing.
It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor device capable of efficiently forming an Hf-based oxide film having a small content of a specific element (impurity) such as a substrate on a substrate. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device that saves process time and prevents the film surface from being contaminated. Further, nitrogen is mixed in the Hf-based oxide film to improve its thermal stability and suppress impurity diffusion.
また、本発明の課題は、基板上にアモルファス薄膜を形成するに際して、供給口の内部
に形成される累積膜の形成を抑制することが可能な半導体装置の製造方法を提供すること
にある。
Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device capable of suppressing the formation of a cumulative film formed inside a supply port when an amorphous thin film is formed on a substrate.
また、本発明の課題は、基板上にアモルファス薄膜を形成するに際して、スループット
を向上することが可能な半導体装置の製造方法を提供することにある。
Another object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing method capable of improving throughput when an amorphous thin film is formed on a substrate.
また、本発明の課題は、基板上にアモルファス薄膜を形成するに際して、装置のメンテ
ナンスサイクルを低減することが可能な半導体装置の製造方法を提供することにある。
Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device that can reduce the maintenance cycle of the device when an amorphous thin film is formed on a substrate.
第1の発明は、基板上に薄膜を形成する成膜工程と、成膜工程において形成した膜に対
してプラズマで活性化させたガスを供給する活性ガス供給工程とを含み、前記成膜工程と
活性ガス供給工程とを同一反応室内で連続して複数回繰り返すことを特徴とする半導体装
置の製造方法である。成膜工程で、アモルファス状態のHf系酸化膜を形成するので、膜
中の特定元素を除去しやすくなる。また、成膜工程と除去工程とを連続して行うので、成
膜工程において形成した膜中の特定元素を速やかに除去できる。また、成膜工程と除去工
程とを連続して複数回繰り返すので、容易に所定の膜厚の膜を形成できると共に、一度に
所定の膜厚の膜を形成して除去工程を行なう場合に対して、形成した膜中の特定元素の除
去量を増加することができる。
1st invention includes the film-forming process which forms a thin film on a board | substrate, and the active gas supply process which supplies the gas activated with the plasma with respect to the film | membrane formed in the film-forming process, The said film-forming process And the active gas supply step are repeated in the same reaction chamber a plurality of times in succession. Since the amorphous Hf-based oxide film is formed in the film forming process, it is easy to remove the specific element in the film. In addition, since the film formation step and the removal step are continuously performed, the specific element in the film formed in the film formation step can be quickly removed. In addition, since the film forming process and the removing process are repeated a plurality of times in succession, a film having a predetermined film thickness can be easily formed, and a case where a film having a predetermined film thickness is formed at a time and the removing process is performed. Thus, the removal amount of the specific element in the formed film can be increased.
第2の発明は、第1の発明において、前記成膜工程では前記基板に成膜ガスを供給し、
前記除去工程では前記基板にラジカルを供給し、前記成膜工程と前記除去工程は同一の反
応室内で行われることを特徴とする半導体装置の製造方法である。成膜工程では基板に成
膜ガスを供給することにより基板上にHf系酸化膜を形成する。除去工程では基板にラジ
カルを供給することにより、Hf系酸化膜中の特定元素を除去する。これらの成膜工程と
除去工程が同一反応室内で行われると、工程間で基板の降温が生じないので、再度基板を
処理するための昇温時間が不要となり、基板の昇温時間が節約でき、処理効率がよい。ま
た、同一反応室内に基板が止まるので、成膜表面が汚染されにくくなる。
According to a second invention, in the first invention, in the film formation step, a film formation gas is supplied to the substrate,
In the removing step, radicals are supplied to the substrate, and the film forming step and the removing step are performed in the same reaction chamber. In the film forming process, a Hf-based oxide film is formed on the substrate by supplying a film forming gas to the substrate. In the removing step, the specific element in the Hf-based oxide film is removed by supplying radicals to the substrate. When these film forming process and removing process are performed in the same reaction chamber, the temperature of the substrate is not lowered between the steps, so that the temperature raising time for processing the substrate again becomes unnecessary, and the temperature raising time of the substrate can be saved. , Processing efficiency is good. In addition, since the substrate stops in the same reaction chamber, the film formation surface is hardly contaminated.
第3の発明は、第2の発明において、成膜工程で基板に供給する成膜ガスと、除去工程
で基板に供給するラジカルとはそれぞれ別々の供給口より供給することを特徴とする半導
体装置の製造方法である。成膜ガスとラジカルとを別々の供給口より供給するので、供給
口内部にも形成される累積膜の形成を抑制することができる。
According to a third invention, in the second invention, the film forming gas supplied to the substrate in the film forming step and the radical supplied to the substrate in the removing step are supplied from separate supply ports, respectively. It is a manufacturing method. Since the film forming gas and the radical are supplied from separate supply ports, it is possible to suppress the formation of a cumulative film also formed inside the supply port.
第4の発明は、第3の発明において、成膜工程と除去工程は基板を回転させながら行う
ことを特徴とする半導体装置の製造方法である。基板を回転させながら行なうと、基板を
均一処理できるので、成膜工程、除去工程ともに有効に行なうことができる。
A fourth invention is a method of manufacturing a semiconductor device according to the third invention, wherein the film forming step and the removing step are performed while rotating the substrate. When the substrate is rotated, the substrate can be uniformly processed, so that both the film formation process and the removal process can be effectively performed.
第5の発明は、第3の発明において、成膜工程で基板に成膜ガスを供給する際は、ラジ
カル用の供給口に非反応性ガスを供給し、除去工程で基板にラジカルを供給する際は、成
膜ガス用の供給口に非反応性ガスを供給することを特徴とする半導体装置の製造方法であ
る。このように各工程で互いに関与しない供給口から非反応性ガス、例えば不活性ガスを
供給すると、さらに供給口の内部への累積膜形成を抑制することができる。
In a fifth aspect based on the third aspect, when the film forming gas is supplied to the substrate in the film forming step, a non-reactive gas is supplied to the radical supply port, and the radical is supplied to the substrate in the removing step. In this case, a non-reactive gas is supplied to a film forming gas supply port. In this way, when a non-reactive gas, for example, an inert gas, is supplied from a supply port that is not involved in each step, it is possible to further suppress the formation of a cumulative film inside the supply port.
第6の発明は、第2の発明において、成膜工程で基板に成膜ガスを供給する際は、除去
工程で使用するラジカルの供給は停止させずに反応室をバイパスするよう流しておき、除
去工程で基板にラジカルを供給する際は、成膜工程で使用する成膜ガスの供給は停止させ
ずに反応室をバイパスするよう流しておくことを特徴とする半導体装置の製造方法である
。このように、成膜工程でのラジカル、除去工程での成膜ガスの供給をそれぞれ停止させ
ずに、反応室をバイパスするように流しておくと、流れを切換えるだけで、直ちに成膜ガ
ス又はラジカルを基板へ供給できる。したがって、スループットを向上させることができ
る。
In a sixth aspect based on the second aspect, when supplying the film forming gas to the substrate in the film forming step, the supply of radicals used in the removing step is allowed to flow without stopping the reaction chamber, When the radical is supplied to the substrate in the removing step, the supply of the film forming gas used in the film forming step is allowed to flow so as to bypass the reaction chamber without stopping. Thus, if the reaction chamber is bypassed without stopping the supply of the radical in the film formation step and the film formation gas in the removal step, the film formation gas or Radicals can be supplied to the substrate. Therefore, throughput can be improved.
第7の発明は、第1及び第2の発明において、成膜工程では有機原料を用いることを特
徴とする半導体装置の製造方法である。C、H等の不純物などの特定元素が多量に含まれ
る有機材料を用いても、成膜工程と除去工程とを連続して複数回繰り返すので、膜中の特
定元素を有効に除去できる。
A seventh invention is a method of manufacturing a semiconductor device according to the first and second inventions, wherein an organic material is used in the film forming step. Even when an organic material containing a large amount of a specific element such as an impurity such as C or H is used, the film formation process and the removal process are continuously repeated a plurality of times, so that the specific element in the film can be effectively removed.
第8の発明は、第1及び第2の発明において、成膜工程ではMMP系原料を用い、酸素
は用いないことを特徴とする半導体装置の製造方法である。有機原料を用いる場合、通常
、酸素も一緒に用いるが、MMP系原料を用いる場合、酸素は用いない方がC、H等の特
定元素(不純物)の混入量を少なくできる。
An eighth invention is a method of manufacturing a semiconductor device according to the first and second inventions, wherein an MMP-based material is used in the film forming step and oxygen is not used. When an organic raw material is used, oxygen is usually used together. However, when an MMP-based raw material is used, the amount of specific elements (impurities) such as C and H can be reduced when oxygen is not used.
第9の発明は、第1及び第2の発明において、除去工程は酸素を用いたプラズマ処理で
あることを特徴とする半導体装置の製造方法である。酸素を用いたプラズマ処理、すなわ
ちプラズマにより生成した酸素ラジカルにより、Hf系酸化膜形成直後に特定元素の除去
工程を効率的に実施することができる。
A ninth invention is the method of manufacturing a semiconductor device according to the first and second inventions, wherein the removing step is a plasma treatment using oxygen. The specific element removal step can be efficiently performed immediately after the formation of the Hf-based oxide film by plasma treatment using oxygen, that is, oxygen radicals generated by the plasma.
第10の発明は、第1及び第2の発明において、除去工程は窒素(N)を用いたプラズ
マ処理であることを特徴とする半導体装置の製造方法である。窒素を用いたプラズマ処理
、すなわちプラズマにより生成した窒素ラジカルにより、Hf系酸化膜形成直後に特定元
素の除去工程を効率的に実施することができる。さらに、成膜工程で成膜した酸化膜に窒
素を混入させることができる。たとえば、Hfシリケート膜であれば、HfSiONとい
った膜にすることが出来る。
A tenth invention is a method for manufacturing a semiconductor device according to the first and second inventions, wherein the removing step is a plasma treatment using nitrogen (N). The specific element removal step can be efficiently performed immediately after the Hf-based oxide film is formed by plasma treatment using nitrogen, that is, nitrogen radicals generated by the plasma. Further, nitrogen can be mixed into the oxide film formed in the film formation step. For example, in the case of an Hf silicate film, a film such as HfSiON can be formed.
第11の発明は、第10の発明において、複数回繰り返す除去工程の窒素を用いたプラ
ズマ処理に、強弱をつけることにより、成膜した酸化膜中に導入する窒素の濃度を膜の深
さ方向に変化させることができることである。
In an eleventh aspect of the invention, in the tenth aspect, the concentration of nitrogen introduced into the deposited oxide film is changed in the depth direction of the film by applying strength to the plasma treatment using nitrogen in the removal step repeated a plurality of times. It can be changed to.
第12の発明は、第1及び第2の発明において、少なくとも除去工程は基板を回転させ
ながら行うことを特徴とする半導体装置の製造方法である。基板を回転させながら行なう
ので、膜中の特定元素を素早く均一に除去できる。
A twelfth aspect of the invention is a method of manufacturing a semiconductor device according to the first and second aspects of the invention, wherein at least the removing step is performed while rotating the substrate. Since it is performed while rotating the substrate, the specific element in the film can be removed quickly and uniformly.
本発明によれば、MOCVD法によりHf系酸化膜を形成する成膜工程と、成膜した膜
に対してリモートプラズマ窒素処理を行うRPN工程とを連続して複数回繰り返すように
したので、膜中に効果的に窒素を混入させることができる。
According to the present invention, the film forming process for forming the Hf-based oxide film by the MOCVD method and the RPN process for performing the remote plasma nitrogen treatment on the formed film are continuously repeated a plurality of times. Nitrogen can be effectively mixed therein.
以下に本発明の実施の形態を説明する。実施の形態では、MOCVD法を使って、Hf
系酸化膜のうち特にアモルファス状態のHfO2膜(以下、単にHfO2膜と略す)を形
成する場合について説明する。ここで、本発明のCVD法とALD法との違いは次の通り
である。ALD法は処理温度、圧力が低く、膜を1原子層ずつ形成する。これに対して、
本発明のCVD法は、ALD法よりも処理温度、圧力は高く、薄い膜(数原子層〜数十原
子層)を複数回形成する。
Embodiments of the present invention will be described below. In the embodiment, using the MOCVD method, Hf
A case where an amorphous HfO 2 film (hereinafter simply referred to as an HfO 2 film) is formed among the system oxide films will be described. Here, the difference between the CVD method and the ALD method of the present invention is as follows. In the ALD method, the processing temperature and pressure are low, and films are formed one atomic layer at a time. On the contrary,
The CVD method of the present invention has a higher processing temperature and pressure than the ALD method, and forms a thin film (several atomic layers to several tens of atomic layers) a plurality of times.
図1は実施の形態に係る基板処理装置である枚葉式CVD装置の一例を示す概略図であ
る。従来の反応室1(図10)に対して、ラジカル発生ユニット11、基板回転ユニット
12、不活性ガス供給ユニット10、バイパス管14を主に追加してある。
FIG. 1 is a schematic view showing an example of a single wafer CVD apparatus which is a substrate processing apparatus according to an embodiment. A
図に示すように、反応室1内に、上部開口がサセプタ2によって覆われた中空のヒータ
ユニット18が設けられる。ヒータユニット18の内部にはヒータ3が設けられ、ヒータ
3によってサセプタ2上に載置される基板4を加熱するようになっている。サセプタ2上
に載置される基板4は、例えば半導体シリコンウェハ、ガラス等である。
As shown in the figure, a
反応室1外に基板回転ユニット12が設けられ、基板回転ユニット12によって反応室
1内のヒータユニット18を回転して、サセプタ2上の基板4を回転できるようになって
いる。基板4を回転させるのは、ラジカル発生ユニット11から導入するラジカルによる
基板4上に成膜された膜の膜質の改善効果、すなわち膜中の不純物を基板面内において素
早く均一に除去するためである。
A
また、反応室1内のサセプタ2の上方に多数の孔8を有するシャワーヘッド6が設けら
れる。シャワーヘッド6は、仕切板15によって成膜シャワーヘッド部6a、ラジカルシ
ャワーヘッド部6bとに分割され、分割されたシャワーヘッド部6a、6bから、ガスを
別々にシャワー状に噴出できるようになっている。
A
反応室1外に、成膜ガスを供給する成膜原料供給ユニット9と、非反応ガスとしての不
活性ガスを供給する不活性ガス供給ユニット10とが設けられる。成膜ガス原料としては
Hf−(MMP)4などの有機材料を用いる。また、不活性ガスとしてはAr、He、N
2などを用いる。成膜原料供給ユニット9に設けられた原料ガス供給管5bと、不活性ガ
ス供給ユニット10に設けられた不活性ガス供給管5aとを一本化して、成膜シャワーヘ
ッド部6aに接続される原料供給管5が設けられる。原料供給管5は、基板4上にHfO
2膜を形成する成膜工程で、シャワーヘッド6の成膜シャワーヘッド部6aに成膜ガスと
不活性ガスとの混合ガスを供給するようになっている。原料ガス供給管5b、不活性ガス
供給管5aにはそれぞれバルブ21、20を設け、これらのバルブ21、20を開閉する
ことにより、成膜ガスと不活性ガスとの混合ガスの供給を制御することが可能となってい
る。
Outside the
2 etc. are used. The raw material
In a film forming process for forming two films, a mixed gas of a film forming gas and an inert gas is supplied to the film forming
また、反応室1外に、ラジカルを発生するラジカル発生ユニット11が設けられる。ラ
ジカル発生ユニット11はリモートプラズマ処理ユニットにより構成される。除去工程で
用いるラジカルは、原料としてHf−(MMP)4などの有機材料を用いる場合は、例え
ば酸素O2ラジカルが良い。これは酸素ラジカルにより、HfO2膜形成直後にCやHな
どの不純物除去処理を効率的に実施することができるからである。また、クリーニング工
程で用いるラジカルはClF3ラジカルが良い。
In addition, a
ラジカル発生ユニットの上流側には、ガス供給系37が設けられる。このガス供給系3
7には、酸素O2を供給する酸素供給ユニット38、及びClF3を供給するClF3供
給ユニット39が接続されて、前記成膜工程において形成した膜中の特定元素(C、H等
の不純物)を除去する除去工程で使用する酸素O2、及び基板以外の構造物に形成される
累積膜を除去するクリーニング工程で使用するClF3をラジカル発生ユニット11に対
し選択的に供給するようになっている。
A
The 7, oxygen (O 2) oxygen supply unit 38 for supplying, and ClF 3 is connected ClF 3 supply unit 39 supplies a specific element in the film formed in the film forming step (C, impurities such as H ) Is selectively supplied to the
ラジカル発生ユニット11の下流側には、ラジカルシャワーヘッド部6bに接続される
ラジカル供給管13が設けられ、除去工程又はクリーニング工程で、シャワーヘッド6の
ラジカルシャワーヘッド部6bに酸素ラジカル又はフッ化塩素ラジカルを供給するように
なっている。また、ラジカル供給管13にはハルブ24を設け、バルブ24を開閉するこ
とにより、ラジカルの供給を制御することが可能となっている。
A
反応室1に設けた原料供給管5、ラジカル供給管13等を含む成膜シャワーヘッド部6
aとラジカルシャワーヘッド部6aとで、成膜工程で基板4に供給する成膜ガスと、除去
工程で基板4に供給するラジカルをそれぞれ供給する別々の供給口が構成される。
A film forming
a and the radical
反応室1に排気口7aが設けられ、その排気口7aは除害装置に連通する排気管7に接
続されている。排気管7には、成膜ガス原料を回収するための原料回収トラップ16が設
置される。この原料回収トラップ16は、成膜工程と除去工程とに共用で用いられる。前
記排気口7a及び排気管7で排気系を構成する。
An
また、原料ガス供給管5b及びラジカル供給管13には、排気管7に設けた原料回収ト
ラップ16に接続される原料ガスバイパス管14a及びラジカルバイパス管14b(これ
らを単に、バイパス管14という)がそれぞれ設けられる。原料ガスバイパス管14a及
びラジカルバイパス管14bに、それぞれバルブ22、23を設ける。これらにより、成
膜工程で反応室1内の基板4に成膜ガスを供給する際は、除去工程で使用するラジカルの
供給は停止させずに反応室1をバイパスするようラジカルバイパス管14b、原料回収ト
ラップ16を介して排気しておく。また、除去工程で基板4にラジカルを供給する際は、
成膜工程で使用する成膜ガスの供給は停止させずに反応室1をバイパスするよう原料バイ
パス管14a、原料回収トラップ16を介して排気しておく。
Further, the source
The supply of the film forming gas used in the film forming process is exhausted through the raw
そして、反応室1内で基板4上にHfO2膜を形成する成膜工程と、成膜工程で形成し
たHfO2膜中の特定元素であるC、H等の不純物をラジカル発生ユニット11を用いた
プラズマ処理により除去する除去工程とを、前記バルブ20〜24の開閉等を制御するこ
とにより、連続して複数回繰り返すように制御する制御装置25が設けられている。
Then, a film forming process for forming an HfO 2 film on the
次に上述した図1のような構成の基板処理装置を用いて、従来とは異なる高品質なHf
O2膜を堆積するための手順を示す。
Next, using the substrate processing apparatus having the configuration as shown in FIG.
A procedure for depositing an O 2 film is shown.
まず、図1に示す反応室1内のサセプタ2上に基板4を載置して、基板4を基板回転ユ
ニット12により回転させながら、ヒータ3に電力を供給して基板4の温度を350〜5
00℃に均一に加熱する。尚、基板温度は用いる有機材料の反応性により異なるが、Hf
−(MMP)4においては、390〜450℃の範囲内が良い。また、基板4の搬送時や
基板加熱時は、不活性ガス供給管5aに設けたバルブ20を開けて、Ar、He、N2な
どの不活性ガスを常に流しておくとパーティクルや金属汚染物の基板4への付着を防ぐこ
とができる。
First, the
Heat uniformly to 00 ° C. The substrate temperature depends on the reactivity of the organic material used, but Hf
In-(MMP) 4 , the range of 390-450 degreeC is good. Further, when the
その後、成膜工程に入り、原料ガス供給管5bに設けたバルブ21を開き、成膜原料供
給ユニット9から有機材料、例えばHf−(MMP)4ガスを成膜シャワーヘッド部6a
を介して基板4上へ供給する。このときも、バルブ20を開いたままにして、不活性ガス
供給ユニット10から不活性ガス(N2など)を常に流して、成膜ガスを撹拌させるよう
にする。成膜ガスは不活性ガスで希釈すると撹拌しやすくなる。原料ガス供給管5bから
供給される成膜ガスと、不活性ガス供給管5aから供給される不活性ガスとは原料供給管
5で混合され、混合ガスとして成膜シャワーヘッド部6aに導びかれ、多数の孔8を経由
して、サセプタ2上の基板4上へシャワー状に供給される。
Thereafter, the film forming process is started, the
Is supplied onto the
この混合ガスの供給を所定時間実施することにより、まず基板4との界面層(第1の絶
縁層)としてのHfO2膜を15オングストローム形成する。次に、原料ガス供給管5b
に設けたバルブ21を閉じて、原料ガスバイパス管14aに設けたバルブ22を開き、成
膜ガスの供給を原料ガスバイパス管14aで反応室1をバイパスして排気する。従って、
成膜ガスの供給は停止されない。
By supplying the mixed gas for a predetermined time, first, an HfO 2 film as an interface layer (first insulating layer) with the
And the
The supply of the deposition gas is not stopped.
それから、除去工程に入り、ラジカル供給管13に設けたバルブ24を開き、ラジカル
発生ユニット11から酸素ラジカルを、ラジカルシャワーヘッド部6bを介して基板4上
へ供給する。この間、基板4は回転しながらヒータ3により所定温度(成膜温度と同一温
度)に保たれているので、15オングストロームのHfO2膜よりC、H等の不純物をす
ばやく均一に除去できる。
Then, the removal process is started, the
その後、ラジカル供給管13に設けたバルブ24を閉じて、ラジカルバイパス管14b
に設けたバルブ23を開くことにより、酸素ラジカルの供給を、ラジカルバイパス管14
bでバイパスして排気する。従って、酸素ラジカルの供給は停止されない。それから再び
成膜工程に入り、原料ガスバイパス管14に設けたバルブ22を閉じて、原料ガス供給管
5bに設けたバルブ21を開くことにより、成膜ガスを成膜シャワーヘッド部6aを介し
て基板4上へ供給し、15オングストロームのHfO2膜を基板4上に堆積する。
Thereafter, the
By opening the
Bypass with b and exhaust. Accordingly, the supply of oxygen radicals is not stopped. Then, the film forming process is started again, the
以上のようなHfO2膜形成→不純物除去処理→HfO2膜形成→…を複数回繰り返す
というサイクル処理により、CH、OHの混入が極めて少ない所定膜厚のHfO2膜を形
成することができる。
The HfO 2 film having a predetermined film thickness with very little CH and OH mixing can be formed by a cycle process in which HfO 2 film formation → impurity removal process → HfO 2 film formation →... Is repeated a plurality of times.
ところで、アモルファス状態の薄膜を形成して、アモルファス状態を維持するメリット
は、次の通りである。アモルファス状態というのは隙間が多い(スカスカな状態)ので、
膜中のC、H等の不純物を除去し易い。逆に多結晶状態というのは隙間がない状態なので
C、H等を除去しにくくなる。またアモルファス状態の方が、多結晶状態よりもリーク電
流が流れにくい。
By the way, the merit of forming an amorphous thin film and maintaining the amorphous state is as follows. Because the amorphous state has many gaps (scaly state)
It is easy to remove impurities such as C and H in the film. Conversely, the polycrystalline state is a state in which there are no gaps, so it becomes difficult to remove C, H, and the like. In addition, leakage current is less likely to flow in the amorphous state than in the polycrystalline state.
尚、クリーニングガスラジカルによる累積膜のセルフクリーニング工程を実施するには
、ラジカル発生ユニット11でクリーニングガス(Cl2やClF3など)をラジカルに
して反応室1に導入する。ここで、セルフクリーニングとは、反応室1にクリーニングガ
スと累積膜とを反応させ、塩化金属などに変換して揮発させて、これを排気することによ
り、累積膜を除去する処理である。
In order to perform the self-cleaning process of the accumulated film by the cleaning gas radical, the
このようなサイクル処理で形成したHfO2膜(膜厚10mm)に含まれているC、H
の不純物量は、図2のようにサイクル数の増加に従って大幅に減少させることができる。
横軸にサイクル数、縦軸にC、Hの総量(任意単位)を示している。尚、サイクル数が1
のときが従来方法によるものに相当する。
C and H contained in the HfO 2 film (
As shown in FIG. 2, the amount of impurities can be greatly reduced as the number of cycles increases.
The horizontal axis indicates the number of cycles, and the vertical axis indicates the total amount of C and H (arbitrary units). The number of cycles is 1
This corresponds to the conventional method.
図2によれば、HfO2膜厚が10nmのとき7サイクル程度でCH、OHなどのHf
O2膜中の不純物量の低減効果が無くなることから、実施の形態では1サイクル当り15
オングストローム程度以下の薄膜形成が有効と考えられる。
According to FIG. 2, when the HfO 2 film thickness is 10 nm, Hf such as CH and OH is obtained in about 7 cycles.
Since the effect of reducing the amount of impurities in the O 2 film is lost, in the embodiment, 15 per cycle.
Thin film formation of about angstrom or less is considered effective.
HfO2膜形成→RPO処理を複数回繰り返すメリットは次の通りである。ここでRP
O(remote plasma oxidation)処理とは、酸素含有ガス(O2、N2O、NO等)をプ
ラズマによって分解した酸素ラジカル雰囲気中で、膜を熱酸化させるリモートプラズマ酸
化処理のことである。
The merit of repeating the HfO 2 film formation → RPO process a plurality of times is as follows. Where RP
The O (remote plasma oxidation) process is a remote plasma oxidation process in which a film is thermally oxidized in an oxygen radical atmosphere obtained by decomposing an oxygen-containing gas (O 2 , N 2 O, NO, etc.) by plasma.
深い溝に対してカバレッジ良く形成されたHfO2膜に対してRPO処理(C、H等の
不純物除去処理)を実施する場合、1度にHfO2膜を厚く、例えば100オングストロ
ーム形成してからRPO処理を実施すると、図7のbの部分に対して酸素ラジカルが供給
されにくくなる。これは、酸素ラジカルがbまで到達する過程において、図7のaの部位
にてC、Hと反応してしまう確率が高くなり(膜厚が100オングストロームと厚くその
分不純物量も多いため)、相対的にbに到達するラジカル量が減ってしまうからである。
よって、短時間で均一なC、H除去を行うことが難しくなる。
RPO processing on the HfO 2 film, which is good coverage formed for deep trench when carrying out the (C, impurity removal processes such as H), thick HfO 2 film at a time, for example RPO from the 100 angstroms formed When the process is performed, it becomes difficult for oxygen radicals to be supplied to the portion b in FIG. This is because in the process of oxygen radicals reaching b, the probability of reacting with C and H at the site a in FIG. 7 is high (because the film thickness is as thick as 100 angstroms and the amount of impurities is large accordingly) This is because the amount of radicals reaching b is relatively reduced.
Therefore, it becomes difficult to perform uniform C and H removal in a short time.
これに対し100オングストロームのHfO2膜を形成する際に、HfO2膜形成→R
PO処理を7回に分けて行う場合は、RPO処理は15オングストローム当りのHfO2
膜についてのみC、H除去処理を実施すれば良いことになる。この場合、酸素ラジカルが
図7のaの部位にてC、Hと反応する確率は高くならないので(膜厚が15オングストロ
ームと薄くその分不純物量も少ないため)、bにも均一にラジカルが到達することとなる
。よって短時間で均一なC、H除去を行うことができる。
On the other hand, when forming a 100 angstrom HfO 2 film, HfO 2 film formation → R
When the PO process is performed in seven steps, the RPO process is performed with HfO 2 per 15 angstroms.
It is only necessary to perform the C and H removal process only on the film. In this case, since the probability that oxygen radicals react with C and H at the site a in FIG. 7 does not increase (because the film thickness is as small as 15 angstroms and the amount of impurities is small), the radicals reach evenly to b. Will be. Therefore, uniform C and H removal can be performed in a short time.
Hf−(MMP)4を用いた場合の好ましい成膜条件は、次の通りである。温度範囲は
400〜450℃、圧力範囲は100Pa程度以下である。温度については、400℃よ
り低くなると膜中に取り込まれる不純物(C、H)の量が急激に多くなる。400℃以上
になると、不純物が離脱し易くなり、膜中に取り込まれる不純物量が減少する。また、4
50℃より高くなるとステップカバレッジが悪くなる。450℃以下の温度であると、良
好なステップカバレッジが得られる。また、アモルファス状態を保つこともできる。
Preferred film forming conditions when Hf- (MMP) 4 is used are as follows. The temperature range is 400 to 450 ° C., and the pressure range is about 100 Pa or less. Regarding the temperature, when the temperature is lower than 400 ° C., the amount of impurities (C, H) taken into the film increases rapidly. When the temperature is higher than 400 ° C., the impurities are easily detached and the amount of impurities taken into the film is reduced. 4
If it is higher than 50 ° C., the step coverage becomes worse. Good step coverage can be obtained when the temperature is 450 ° C. or lower. Moreover, an amorphous state can also be maintained.
また、圧力については、例えば1Torr(133Pa)以上の高い圧力とするとガス
は粘性流となり、溝の奥までガスが入って行かなくなる。ところが、100Pa程度以下
の圧力とすることにより、粘りを持たない分子流とすることができ、溝の奥までガスが行
き届く。
As for the pressure, for example, if the pressure is higher than 1 Torr (133 Pa), the gas becomes a viscous flow, and the gas does not enter into the depth of the groove. However, by setting the pressure to about 100 Pa or less, a molecular flow without stickiness can be obtained, and the gas reaches the depth of the groove.
また、Hf−(MMP)4を用いた成膜工程に連続して行なう除去工程であるRPO(
remote plasma oxidation)処理の好ましい条件は、温度範囲は390〜450℃程度(
成膜温度と同一温度)、圧力範囲は100〜1000Pa程度である。また、ラジカル用
のO2流量は100sccm、不活性ガスAr流量は1slmである。
In addition, RPO (removal step) that is performed continuously after the film formation step using Hf- (MMP) 4 is performed.
The preferable conditions for the remote plasma oxidation process are a temperature range of about 390 to 450 ° C. (
The pressure range is about 100 to 1000 Pa. Further, the O 2 flow rate for radicals is 100 sccm, and the inert gas Ar flow rate is 1 slm.
なお、成膜工程と、除去工程は、略同一温度で行なうのが好ましい(ヒータの設定温度
は変更せずに一定とするのが好ましい)。これは、温度変動を生じさせないことにより、
シャワーヘッドやサセプタ等の周辺部材の熱膨張によるパーティクルが発生しにくくなり
、また、金属部品からの金属の飛び出し(金属汚染)を抑制できるからである。
The film forming step and the removing step are preferably performed at substantially the same temperature (the heater set temperature is preferably kept constant without being changed). By not causing temperature fluctuations,
This is because particles due to thermal expansion of peripheral members such as a shower head and a susceptor are less likely to be generated, and metal jump-out (metal contamination) from metal parts can be suppressed.
ところで、シャワーヘッド6の内部に吸着している原料と、酸素ラジカルとが反応する
とシャワーヘッド6の内部にも累積膜が形成される。この累積膜の形成を抑制するために
、前述したようにシャワーヘッド6を、仕切板15で2つ(6a、6b)に仕切るのが良
い。原料ガスと酸素ラジカルとが供給されるシャワーヘッド6を仕切ることにより、原料
と酸素ラジカルとの反応を有効に防止できる。
By the way, when the raw material adsorbed inside the
シャワーヘッド6を仕切ることに加えて、さらに成膜ガスを基板4へ流す場合は、ラジ
カル供給側(ラジカル発生ユニット11)からラジカルシャワーヘッド部6bへ不活性ガ
スを流し、酸素ラジカルを基板4へ流す場合は、原料供給側(成膜原料供給ユニット9、
不活性ガス供給ユニット10)から成膜シャワーヘッド部6aへ不活性ガスを流すのが良
い。このように成膜工程と除去工程でそれぞれ使用しない側のシャワーヘッド部6b、6
aに不活性ガスを流すようにすると、さらに効果的にシャワーヘッド6内部への累積膜形
成を抑制することができる。
In addition to partitioning the
It is preferable to flow an inert gas from the inert gas supply unit 10) to the film forming
If an inert gas is allowed to flow through a, it is possible to more effectively suppress the formation of a cumulative film inside the
また、図1のように原料を回収するための原料回収トラップ16を排気管7に設置し、
この原料回収トラップ16にバイパス管14を接続しているので、トラップされた液体原
料を酸素ラジカルで固体に変換し、排気ポンプ(図示せず)ヘの原料の再気化による流入
を防ぐことが可能である。これにより、原料回収率を向上させ、排気ポンプや除害装置(
図示せず)への原料流入を少なくすることができ、基板処理装置のメンテナンスサイクル
を大幅に延長することができる。
Further, a raw
Since the
It is possible to reduce the inflow of the raw material to (not shown), and to greatly extend the maintenance cycle of the substrate processing apparatus.
次に、実施の形態の7サイクル処理(本発明)により得られたHfO2膜と、1サイク
ル処理(従来方法)により得られたHfO2膜とについて、RTA処理前後の電気的絶縁
特性を図3に示す。横軸にHfO2膜(10nm)へ印加した電界(任意単位)、縦軸に
リーク電流(任意単位)を示している。尚、ここでのRTA処理とは、基板を700℃前
後に加熱しながら大気圧(O2雰囲気中)で高速に熱アニール処理を施すものである。図
中、従来HfOとは、1サイクル処理により得られたHfO2膜を表し、本発明HfOと
は7サイクル処理により得られたHfO2膜を表している。またRTAなしとは、RTA
処理前のもの、RTAありとは、RTA処理後のものを表している。図3によれば、1サ
イクル処理により得られるもの(従来HfO(RTAなし))は、CH、OH混入量が多
く絶縁特性がRTA前後で大幅に変るが、これに比べて、実施の形態の7サイクル処理に
より得られる絶縁膜(本発明HfO(RTAなし))は、CH、OH混入量が少ないため
、初期(長時間の電気的ストレスがかからない状態)での絶縁特性がRTA前後でほとん
ど変わらないことがわかる。これより本実施の形態のサイクル処理を行なうことにより、
薄膜の電気的絶縁性の向上、およびその安定性を確保するために要求されたRTAを削減
することができる。
Next, a HfO 2 film obtained by 7 cycles treatment (invention) of the embodiment, for the HfO 2 film obtained by one cycle treatment (conventional method), the electrical insulation properties before and after RTA process Figure 3 shows. The horizontal axis represents the electric field (arbitrary unit) applied to the HfO 2 film (10 nm), and the vertical axis represents the leakage current (arbitrary unit). Here, the RTA process is a process in which a thermal annealing process is performed at a high speed at atmospheric pressure (in an O 2 atmosphere) while heating the substrate to around 700 ° C. In the figure, conventional HfO represents an HfO 2 film obtained by one cycle treatment, and HfO of the present invention represents an HfO 2 film obtained by seven cycle treatment. RTA-free means RTA
“Before processing” and “with RTA” indicate that after RTA processing. According to FIG. 3, the one obtained by one-cycle processing (conventional HfO (without RTA)) has a large amount of CH and OH mixed, and the insulation characteristics change greatly before and after RTA. The insulating film obtained by the 7-cycle treatment (the present invention HfO (without RTA)) has a small amount of CH and OH, so that the insulation characteristics at the initial stage (state where no electrical stress is applied for a long time) are almost the same before and after the RTA. I understand that there is no. From this, by performing the cycle processing of the present embodiment,
RTA required for improving the electrical insulation of the thin film and ensuring its stability can be reduced.
次に、図9に実施の形態におけるクラスタ装置構成を示し、この構成によりRTA処理
を削減できることを説明する。
Next, FIG. 9 shows a cluster device configuration in the embodiment, and it will be explained that this configuration can reduce the RTA processing.
クラスタ装置は、基板搬送ロボット41を設けた基板搬送室40、装置に対して基板を
搬入/搬出するロードロック室42、基板を表面処理(RCA洗浄等)する第1反応室4
3、図1に示したCVD反応室としてのHfO2膜を形成する第2反応室44、及び薄膜
上に電極を形成する第3反応室45を備える。
The cluster apparatus includes a
3. A
従来クラスタ装置構成(図11参照)では、第1反応室33で基板表面処理を施し、第
2反応室34でHfO2膜を形成し、第3反応室35でRTA処理を行い、第4反応室3
6で電極を形成していた。これに対し、図9の実施の形態によれば、基板を装置外からロ
ードロック室42に搬入した後、第1反応室43でRCA洗浄等の基板表面処理を施し、
第2反応室44でHfO2膜形成と不純物除去とを繰り返して(HfO2膜形成→不純物
除去→HfO2膜形成→不純物除去→…)、所定膜厚のHfO2膜形成を行ない、第3反
応室45で電極(poly−Si薄膜形成、および熱アニール処理)を形成する。そして
、電極を形成した基板はロードロック室42から装置外へ搬出する。
In the conventional cluster apparatus configuration (see FIG. 11), the substrate surface treatment is performed in the
6 formed an electrode. On the other hand, according to the embodiment of FIG. 9, after carrying the substrate into the
HfO 2 film formation and impurity removal are repeated in the second reaction chamber 44 (HfO 2 film formation → impurity removal → HfO 2 film formation → impurity removal →...) To form an HfO 2 film having a predetermined thickness. Electrodes (poly-Si thin film formation and thermal annealing treatment) are formed in the
図4に、上述した従来例と実施の形態のクラスタ装置構成により得られた基板のHfO
2膜の電気的特性を比較した図を示す。横軸に静電容量(任意単位)、縦軸にHfO2膜
厚が約5nm、約10nm、約15nmのときのリーク電流(任意単位)を示している。
同図より、図11に示す従来のタラスク装置(1サイクル処理)で得られるHfO2膜特
性より、図9に示す実施の形態のクラスタ装置(HfO2膜は7サイクル処理)により得
られる特性の方が優れていることを示している。この結果は、RTA処理が不要になって
いることを示しており、このようなRTA処理不要のクラスタ構成にすることができるの
は、図9の第2反応室44において、HfO2膜からのCH、OH除去処理が本実施の形
態によるプロセスにより十分に行われているためであると考えられる。
FIG. 4 shows the HfO of the substrate obtained by the cluster device configuration of the conventional example and the embodiment described above.
The figure which compared the electrical property of two films | membranes is shown. The horizontal axis indicates the capacitance (arbitrary unit), and the vertical axis indicates the leakage current (arbitrary unit) when the HfO 2 film thickness is about 5 nm, about 10 nm, and about 15 nm.
From the figure, the characteristics obtained by the cluster apparatus of the embodiment shown in FIG. 9 (7 cycles of HfO 2 film) are obtained from the characteristics of the HfO 2 film obtained by the conventional tarasque apparatus (1 cycle process) shown in FIG. Indicates that it is better. This result shows that the RTA process is not required, and such a cluster configuration that does not require the RTA process can be obtained from the HfO 2 film in the
従って本実施の形態では、クラスタ装置からRTA用の反応室を省いて、構成の簡素化
を図ることができる。また、CH、OHを除去するためのRTA処理を行なわないので、
HfO2膜の表面状態が平坦性を失うことがなく、HfO2膜が部分的に結晶化して絶縁
性やその安定性が低くなることもない。
Therefore, in this embodiment, the reaction chamber for RTA can be omitted from the cluster apparatus, and the configuration can be simplified. In addition, since RTA processing for removing CH and OH is not performed,
Without surface state of the HfO 2 film loses flatness, HfO 2 film that does not become lower partial insulation and its stability was crystallized.
また、基板上に形成されるHfO2膜に含まれるC、H混入量を、成膜工程と除去工程
とを連続して複数回繰り返すことにより大幅に低減できるので、連続して生産されたHf
O2膜の品質を一定に保持することが可能となる。従って、従来と比較してセルフクリー
ニングによる累積膜の除去処理を頻繁に実施しなくても良くなり、生産コストの削減を図
ることができる。
Further, since the amount of C and H contained in the HfO 2 film formed on the substrate can be significantly reduced by repeating the film forming process and the removing process a plurality of times in succession, the Hf produced continuously
It becomes possible to keep the quality of the O 2 film constant. Therefore, it is not necessary to frequently perform the removal process of the accumulated film by self-cleaning as compared with the conventional case, and the production cost can be reduced.
ところでHfO2膜を形成する際、混合ガス中に酸素O2を混合するケースもある。こ
れは下地に対する密着性、成膜レートを考慮すると、一般的にはO2を入れた方がよいか
らである。しかし、Hf−(MMP)4については、O2なしとO2ありとで実験したと
ころ、O2なしの方が不純物の混入量が減り膜質が向上し、逆にO2を入れた方が不純物
の混入量が増え膜質が低下することを見い出している。従って、成膜ガス原料としてHf
−(MMP)4を用いる実施の形態では、酸素O2を混合しない方が、膜中のCH、OH
の混入量を少なくできるため、酸素O2を混合していない。
Incidentally, when forming the HfO 2 film, there is a case where oxygen O 2 is mixed in the mixed gas. This is because it is generally better to add O 2 in consideration of the adhesion to the substrate and the film formation rate. However, for Hf- (MMP) 4, was experimented with and has O 2 without and O 2, who towards O 2 without the improved quality reduces contamination of impurities, it was put O 2 conversely It has been found that the amount of impurities mixed in increases and the film quality deteriorates. Therefore, Hf as a film forming gas source
-In the embodiment using (MMP) 4 , it is preferable not to mix oxygen O 2 to form CH, OH in the film.
Therefore, oxygen O 2 is not mixed.
前述したように、成膜原料としてHf−(MMP)4を用いる本実施の形態では、酸素
O2は混合しない方が、不純物の混入量が減り、膜質が向上する。Hf−(MMP)4を
用いる場合に、酸素を供給しない方が不純物の混入量を少なくできるメカニズムは次の通
りである。Hf−(MMP)4の酸素のあり、なしで理想的な化学反応式を比較すると次
のようになる。
As described above, in this embodiment using Hf- (MMP) 4 as a film forming material, the amount of impurities mixed is reduced and the film quality is improved when oxygen O 2 is not mixed. When Hf- (MMP) 4 is used, the mechanism by which the amount of impurities mixed can be reduced without supplying oxygen is as follows. Comparison of ideal chemical reaction formulas with and without Hf- (MMP) 4 oxygen is as follows.
A.酸素なしで理想的な反応が起こった場合(熱のみによる理想的な自己分解反応):
2Hf[OC(CH3)2CH2OCH3]4→2Hf(OH)4+8C(CH3)2CH2OCH2↑
2Hf(OH)4→2HfO2+2HfO2+4H2
B.酸素ありで理想的な反応が起こった場合(完全燃焼の場合):
Hf[OC(CH3)2CH2OCH3]4+24O2→HfO2+16CO2↑+16CO2↑+22H2O↑
ただし、↑は揮発性物質を意味する。
上記の反応化学式で、大文字の数値は、そのまま基板上における原料のモル比と考える
と、酸素なしでは、
HfO2:(その他の不純物)=2:(8+4)=1:12
となる。酸素ありでは、
HfO2:(その他の不純物)=1:(16+22)=1:38となる。
A. When an ideal reaction occurs without oxygen (ideal self-decomposition reaction with heat alone):
2Hf [OC (CH 3 ) 2 CH 2 OCH 3 ] 4 → 2Hf (OH) 4 + 8C (CH 3 ) 2 CH 2 OCH 2 ↑
2Hf (OH) 4 → 2HfO 2 + 2HfO 2 + 4H 2
B. If an ideal reaction occurs with oxygen (complete combustion):
Hf [OC (CH 3 ) 2 CH 2 OCH 3 ] 4 + 24O 2 → HfO 2 + 16CO 2 ↑ + 16CO 2 ↑ + 22H 2 O ↑
However, ↑ means a volatile substance.
In the above reaction chemical formula, the numerical value in upper case is considered as the molar ratio of the raw material on the substrate as it is, without oxygen,
HfO 2 : (other impurities) = 2: (8 + 4) = 1: 1
It becomes. With oxygen,
HfO 2 : (other impurities) = 1: (16 + 22) = 1: 38.
したがって、1モルのHfO2を生成する時に発生する不純物の総モル数は、酸素あり
の方が大きくなる。
Therefore, the total number of moles of impurities generated when 1 mol of HfO 2 is produced is larger when oxygen is present.
さらに、各結合を切断するための化学式上の切断回数を比較すると、
酸素なしの場合:O−C、C−H、O−Hの切断が各4回、計12回
酸素ありの場合:O−Cが12回、C−Hが44回、計56回
この切断回数が多いほど、ラジカル量が多くなるので、膜中に不純物が混入しやすくな
る。
Furthermore, when comparing the number of cleavages in the chemical formula for breaking each bond,
Without oxygen: 4 cuts of O-C, C-H, and 0-H each, total 12 times With oxygen: 12 times of O-C, 44 times of C-H, total of 56 cuts As the number of times increases, the amount of radicals increases, so that impurities are easily mixed into the film.
結論として酸素なしで成膜し、上記[C(CH3)2CH2OCH3]を分解させない温度で揮発させ、
HfO2膜を成膜するとよい。
In conclusion, the film was formed without oxygen, and the above [C (CH 3 ) 2 CH 2 OCH 3 ] was volatilized at a temperature that did not decompose,
An HfO 2 film may be formed.
また、酸素なしでHfO2膜を形成する方が好ましいことを、FTIR(フーリエ変換
赤外分光法)を用いてO2添加量による薄膜への影響を測定した図5及び図6を用いて説
明する。
In addition, it is preferable to form the HfO 2 film without oxygen using FIGS. 5 and 6 in which the influence on the thin film due to the amount of O 2 added is measured using FTIR (Fourier transform infrared spectroscopy). To do.
図5は、酸素ありの場合と酸素なしの場合とで比較した薄膜の膜質特性を示す。横軸に
波数(cm-1)、縦軸に成膜温度が425℃と440℃での吸光度を示している。尚、酸
素ありの場合は、酸素流量は0.5SLMである。同図に示すように、特に、波数752
cm-1付近のストレッチモード(stretch mode)を励起することによって、Hf−O−H
f結合を示すX−O−X結合が、酸素ありの場合は酸素なしの場合と比較して多い。すな
わち膜質が良いことを示している。
FIG. 5 shows the film quality characteristics of the thin film compared with and without oxygen. The horizontal axis represents the wave number (cm −1 ), and the vertical axis represents the absorbance at the film forming temperatures of 425 ° C. and 440 ° C. When oxygen is present, the oxygen flow rate is 0.5 SLM. In particular, as shown in FIG.
By exciting a stretch mode near cm −1 , Hf—O—H
The number of X—O—X bonds indicating f bonds is greater when oxygen is present than when oxygen is absent. That is, the film quality is good.
図6は、酸素ありの場合と酸素なしの場合とで比較した膜中に含まれる不純物量特性を
示す。横軸に波数(cm-1)、縦軸に成膜温度が425℃と440℃での吸光度を示して
いる。尚、酸素ありの場合は、酸素流量は0.5SLMである。同図に示すように、スト
レッチ及びワギングモード(stretch, wagging mode)を励起することによって、不純物
量(−OH、C−H、C−O)が、酸素ありの場合は酸素なしの場合と比較して大きくな
り、酸素ありの成膜は酸素なしの成膜に対して約5倍になることが判明した。
FIG. 6 shows the characteristics of the amount of impurities contained in the film compared with and without oxygen. The horizontal axis represents the wave number (cm −1 ), and the vertical axis represents the absorbance at the film forming temperatures of 425 ° C. and 440 ° C. When oxygen is present, the oxygen flow rate is 0.5 SLM. As shown in the figure, by exciting the stretch and wagging modes, the amount of impurities (—OH, C—H, C—O) is compared with that without oxygen when oxygen is present. As a result, the film thickness with oxygen was found to be about five times that of the film without oxygen.
実施の形態では、HfO2膜を第2反応室44で形成した後に、同一のクラスタ装置内
の第3反応室45で電極を形成するようにしている。このように、HfO2膜を形成(第
2反応室)後、同一装置内で電極形成(第3反応室)までを行なうようにする場合には、
In the embodiment, after the HfO 2 film is formed in the
(1)一の装置から基板を取り出して、他の装置に装填した後、再度基板を昇温する再
昇温時間が節約できる。
(2)電極形成時に700℃以上の熱アニールで緻密化されるため、膜表面が汚染され
にくくなる。
(3)HfO2膜の表面を清浄な状態のまま電極形成できる。
というようなメリットがある。
しかし、HfO2膜を形成(第2反応室)後に基板を装置外に取り出して、別の装置で
電極を形成するようにしてもよい。ただし、このように別の装置で電極を形成する場合に
は、
(1) After the substrate is taken out from one apparatus and loaded into another apparatus, it is possible to save a reheating time for heating the substrate again.
(2) Since the film is densified by thermal annealing at 700 ° C. or higher at the time of electrode formation, the film surface is hardly contaminated.
(3) An electrode can be formed with the surface of the HfO 2 film kept clean.
There is such a merit.
However, after forming the HfO 2 film (second reaction chamber), the substrate may be taken out of the apparatus and the electrode may be formed by another apparatus. However, when forming the electrode with another device like this,
(1)基板を装置外に出した場合は、基板を再度加熱するための昇温時間が必要になり
無駄な処理時間が発生する。
(2)低温で形成されたHfO2膜は装置外の雰囲気により表面が汚染されやすく、ま
た、経時変化しやすい(デバイスの電気特性劣化の原因になる。)
というようなデメリットがある。
(1) When the substrate is taken out of the apparatus, a heating time for heating the substrate again is required, and wasteful processing time is generated.
(2) The surface of the HfO 2 film formed at a low temperature is likely to be contaminated by the atmosphere outside the apparatus, and is likely to change with time (causes deterioration of the electrical characteristics of the device).
There are disadvantages.
尚、図9に示すクラスタ装置の場合であっても、HfO2膜を形成(第2反応室44)
後、例えば、第3反応室45でRTA処理を行なうようにすれば、その後の電極形成は別
の装置で行なっても問題はない。一般的に高温で緻密化されるほど原子間の隙間が小さく
なり、汚染物質(H2Oや有機物など)がHfO2膜中に拡散しにくい状態となる。従っ
て、HfO2膜がRTA処理により高温アニールされて緻密化されているので、装置外の
雰囲気で汚染したり、経時変化されにくくなるからである。
Even in the case of the cluster apparatus shown in FIG. 9, the HfO 2 film is formed (second reaction chamber 44).
Thereafter, for example, if the RTA treatment is performed in the
また、同一反応室でHfO2膜形成とRPO処理を行うメリットは、次の通りである。
HfO2膜を成膜すると反応室内壁やシャワーヘッドやサセプタ等にもHfO2膜が形成
される。これを累積形成膜と呼ぶ。別々の反応室で行う場合、RPO処理を行わないHf
O2膜反応室では、この累積形成膜からC、Hが出てきて反応室内が汚染されることとな
る。また累積形成膜から出てくるC、H量は、その厚みの増加とともに多くなっていく。
従って、全ての被処理基板のC、H量を一定にすることが難しい。
The merit of performing the HfO 2 film formation and the RPO process in the same reaction chamber is as follows.
When the HfO 2 film is formed, the HfO 2 film is also formed on the reaction chamber wall, shower head, susceptor and the like. This is called a cumulative film. Hf without RPO treatment when run in separate reaction chamber
In the O 2 film reaction chamber, C and H come out of the accumulated film and the reaction chamber is contaminated. Further, the amounts of C and H coming out of the accumulated film increase as the thickness increases.
Therefore, it is difficult to keep the C and H amounts of all the substrates to be processed constant.
これに対して、HfO2膜形成とRPO処理を同一反応室で実施する場合においては、
基板上に形成した膜中のC、Hのみならず、反応室内に付着した累積形成膜からもC、H
を除去できるため(クリーニング効果)、全ての基板についてC、H含有量を一定にする
ことができる。
On the other hand, when the HfO 2 film formation and the RPO process are performed in the same reaction chamber,
Not only C and H in the film formed on the substrate, but also C and H from the accumulated film deposited in the reaction chamber.
Can be removed (cleaning effect), the C and H contents can be kept constant for all substrates.
また、ガス/ラジカル供給中に次工程で用いるラジカル/ガスを停止せずバイパス管1
4より排気するようにしているのは次の理由による。原料ガス/ラジカルの供給には準備
が必要であり、いずれも供給開始までに時間がかかる。よって処理中は、原料ガス/ラジ
カルの供給は停止せずに常に供給し続け、使用しないときはバイパス管14より排気する
ようにする。これにより、使用時にバルブ21〜24を切り換えるだけで、直ちに原料ガ
ス/ラジカルの供給を開始でき、スループットを向上させることができる。
Further, the
The reason for exhausting air from 4 is as follows. Preparation is necessary for the supply of the raw material gas / radical, and it takes time until the supply starts. Therefore, during the treatment, the supply of the raw material gas / radical is always continued without being stopped, and is exhausted from the
尚、上述した実施の形態では、特に次の(1)〜(3)のような構成において、基板上
にHfO2膜を形成する場合について説明した。
(1)成膜工程で使用する成膜ガスと、除去工程で使用するラジカルとを、異なるシャ
ワーヘッドにて供給して、両者が混合しないようにする。
(2)ガス又はラジカルの供給中に、次工程で用いるラジカル又はガスをバイパス管よ
り排気して、バルブを切換えるだけで、直ちに次工程で用いるラジカル又は成膜ガスの供
給を開始できるようにする。
(3)成膜工程と除去工程とで共用のトラップを使用して、メンテナンスを簡単にする
。
しかし、本発明は、上記3つの構成点については、HfO2膜に限定されない。例えば
Ta2O5膜などの他の種類の膜にも適用可能である。
In the above-described embodiment, the case where the HfO 2 film is formed on the substrate has been described, particularly in the following configurations (1) to (3).
(1) The film forming gas used in the film forming process and the radical used in the removing process are supplied by different shower heads so that they are not mixed.
(2) While supplying the gas or radical, the radical or gas used in the next step is exhausted from the bypass pipe, and the supply of the radical or film forming gas used in the next step can be started immediately by simply switching the valve. .
(3) Simplify maintenance by using a common trap for the film formation process and the removal process.
However, the present invention is not limited to the HfO 2 film with respect to the above three constituent points. For example, the present invention can be applied to other types of films such as a Ta2O5 film.
また、図8は、図1に適用されるシャワーヘッド6の各種の形状を示す。図8(a)〜
(e)に示す各種の形状のシャワーヘッドは、その構成が次の点で共通している。シャワ
ーヘッド6は、多数の孔8を有するシャワー板19、背板17及び周壁26と、これらに
よって内部に形成されるガス空間27と、ガス空間27を仕切って2つのシャワーヘッド
部6a、6bに分割する仕切板15とから構成される。このように構成されたシャワーヘ
ッド6の背板17側から2つのシャワーヘッド部6a、6bにそれぞれ原料供給管5、ラ
ジカル供給管13が接続されている。
FIG. 8 shows various shapes of the
The showerheads of various shapes shown in (e) have the same configuration in the following points. The
図8(a)では、ガス空間27が円盤状をしており、仕切板15が円盤状のガス空間2
7の直径方向に設けられて、シャワーヘッド部6a、6bが左右に設けられている。図8
(b)では、ガス空間は円盤状をしているが、仕切板15が円盤状のガス空間と同心円状
に設けられて、シャワーヘッド部6a、6bが同軸の二重管状に設けられている。
In FIG. 8A, the
The
In (b), the gas space has a disc shape, but the
前述した図8(a)、(b)では、シャワーヘッド6の基本形状を点対称となる円形と
したが、本実施の形態では基板を回転させるので、点対称となる円形ではなく、線対称と
なる半円や長方形のような形とすることも可能である。図8(c)〜図8(e)は、この
ような例である。
In FIGS. 8A and 8B described above, the basic shape of the
図8(c)では、ガス空間が半円盤状をしており、仕切板15は半円盤状のガス空間の
半径方向に設けられて、シャワーヘッド部6a、6bが左右に設けられている。図8(d
)では、ガス空間が長方形盤状をしており、仕切板15は中央部に設けられて、シャワー
ヘッド部6a、6bが左右に設けられている。図8(e)は、四角形盤状をしており、仕
切板15は中央部に設けられて、シャワーヘッド部6a、6bが左右に設けられている。
このように、シャワーヘッド6は種々の形状で構成することが可能である。
In FIG. 8C, the gas space has a semi-disc shape, the
), The gas space has a rectangular disk shape, the
Thus, the
図12に、本実施例における周期的なリモートプラズマ酸化を用いた新しいMOCVD
手法の成膜シーケンス(MOCVDによる成膜とRPOを複数回繰り返すサイクル手法の
手順)を示す。ここでは、図1の基板処理装置を用いて処理を行った。
FIG. 12 shows a new MOCVD using periodic remote plasma oxidation in this embodiment.
A method film forming sequence (a procedure of a cycle method in which film formation by MOCVD and RPO are repeated a plurality of times) is shown. Here, processing was performed using the substrate processing apparatus of FIG.
反応室内のサセプタ上に基板としてのシリコンウェハを載置し、シリコンウェハの温度
が安定化したら、(1)気化器で気化させた気体状のHf−(MMP)4原料(MO−P
recursor)が希釈N2と共に反応室内にΔMt秒間導入される。(2)その後、
気体状のHf−(MMP)4原料の導入が停止され、反応室内は希釈N2によりΔIt秒
間パージされる。(3)反応室内のパージ後、リモートプラズマユニットにより活性化さ
れた酸素(Remote Plasma Oxygen)が反応室内にΔRt秒間導入さ
れる。この間も希釈N2は導入され続けている。(4)リモートプラズマで活性化した酸
素の導入が停止された後、反応室内は再び希釈N2によりΔIt秒間パージされる。(5
)この(1)から(4)までのステップ(1 cycle)は、膜厚が所望の値(厚さ)
に到達するまで(n cycle)繰り返される。本実施例では、Hf−(MMP)4の
流量を0.05g/min、希釈ガスN2の流量を0.5SLM(standard l
iter per minute)、リモートプラズマユニットに導入する酸素の流量を
0.1SLMとした。また、反応室内の圧力は、排気系に設けられたAPC(auto
pressure control)バルブにより、100Paに保たれるようコントロ
ールした。HfO2膜のデポレート(成膜速度)を測定するために、シリコン基板表面の
自然酸化膜を1%希釈HF溶液で取り除いて用いた。
When a silicon wafer as a substrate is placed on the susceptor in the reaction chamber and the temperature of the silicon wafer is stabilized, (1) gaseous Hf- (MMP) 4 raw material (MO-P) vaporized by a vaporizer
recursor) is introduced into the reaction chamber along with dilution N 2 for ΔMt seconds. (2) Then
The introduction of gaseous Hf- (MMP) 4 raw material is stopped, and the reaction chamber is purged with dilution N 2 for ΔIt seconds. (3) After purging the reaction chamber, oxygen (Remote Plasma Oxygen) activated by the remote plasma unit is introduced into the reaction chamber for ΔRt seconds. During this time, dilution N 2 continues to be introduced. (4) After the introduction of oxygen activated by the remote plasma is stopped, the reaction chamber is again purged with dilution N 2 for ΔIt seconds. (5
) In the steps (1 cycle) from (1) to (4), the film thickness is a desired value (thickness).
It is repeated until n is reached (n cycle). In this embodiment, the flow rate of Hf- (MMP) 4 is 0.05 g / min, and the flow rate of the dilution gas N 2 is 0.5 SLM (standard l).
italy per minute), the flow rate of oxygen introduced into the remote plasma unit was 0.1 SLM. The pressure in the reaction chamber is determined by the APC (auto) provided in the exhaust system.
The pressure was controlled at 100 Pa by a pressure control) valve. In order to measure the deposition (deposition rate) of the HfO 2 film, the natural oxide film on the surface of the silicon substrate was removed with a 1% diluted HF solution.
図13に、電流−電圧特性(I−V特性)とキャパシタンス−電圧特性(C−V特性)
を測定するためのn−MOSキャパシタ構造とその作製プロセスフローを示す。
FIG. 13 shows current-voltage characteristics (IV characteristics) and capacitance-voltage characteristics (C-V characteristics).
2 shows an n-MOS capacitor structure for measuring and a manufacturing process flow thereof.
n−MOSキャパシタの作製には、まず、LOCOS法により素子分離されたp型シリ
コンウェハを用いた。HfO2膜の成膜前に、シリコン表面は、自然酸化膜と汚染物質を
取り除くために、1%希釈HF溶液によるエッチングが施された(Cleaning−D
HF+DIW+IPA)。引き続いて、NH3雰囲気内で、600℃で30秒間、熱アニ
ール(rapid thermal annealing)することによりシリコン表面
を窒化した(Surface nitridation)。その後、上記サイクル処理(
HfO2 deposition by MOCVD via cyclic RPO)
によりHfO2膜を成膜し、N2雰囲気中で、650℃で15分間、アニール処理を施し
た(post deposition annealing)。引き続いて、ゲート電極
形成のために、膜厚80nmのTiN膜を、TiCl4とNH3とを用いて650℃でC
VD(chemical vapor deposition)法により成長させ(Ga
te Electrode−CVD TiN)、フォトリソグラフィーによるマスク作製
とエッチングにより面積1000−10000μm2のMOSキャパシタのゲート電極を
形成した。HfO2膜の酸化膜換算膜厚(EOT)は、面積10000μm2の電極で測定
したC−Vカーブに、NCSUで開発されたCVCプログラムを用いて求めた。I−V特
性は、面積1000μm2の電極を用いて、温度100℃で測定した。また、膜の品質を
調べるために、TDS(thermal desorption spectrosco
py)特性とSIMS(Secondary Ion Mass Spectrosco
py)プロファイルも測定した。 また、膜の結晶構造を調べるために、高分解能TEM
(HRTEM(cross−section high−resolution tra
nsmission electron microscopy))画像も観測した。
For the manufacture of the n-MOS capacitor, first, a p-type silicon wafer separated by LOCOS method was used. Prior to the formation of the HfO 2 film, the silicon surface was etched with a 1% diluted HF solution to remove the natural oxide film and contaminants (Cleaning-D
HF + DIW + IPA). Subsequently, the silicon surface was nitrided (Surface Nitride) by performing thermal thermal annealing at 600 ° C. for 30 seconds in an
HfO 2 deposition by MOCVD via cyclic RPO)
Then, an HfO 2 film was formed and annealed at 650 ° C. for 15 minutes in a N 2 atmosphere (post deposition annealing). Subsequently, a TiN film having a thickness of 80 nm was formed at 650 °
Growing by VD (chemical vapor deposition) method (Ga
(te Electrode-CVD TiN), a mask electrode by photolithography, and a gate electrode of a MOS capacitor having an area of 1000 to 10000 μm 2 was formed by etching. The equivalent oxide thickness (EOT) of the HfO 2 film was determined using a CVC program developed by NCSU on a CV curve measured with an electrode having an area of 10,000 μm 2 . The IV characteristics were measured at a temperature of 100 ° C. using an electrode having an area of 1000 μm 2 . In addition, in order to examine the quality of the film, TDS (thermal desorption spectrosco)
py) characteristics and SIMS (Secondary Ion Mass Spectrosco)
(py) Profile was also measured. Also, in order to investigate the crystal structure of the film, a high-resolution TEM
(HRTEM (cross-section high-resolution tra
nsmission electron microscopy)) images were also observed.
図14に上記サイクル法を用いて成膜したHfO2薄膜の成長速度の基板温度依存性を
示す(図中黒塗りの点)。縦軸は成長速度(Growth Rate)、横軸は温度(T
emperature)を示している。サイクル法におけるΔMt、ΔIt、ΔRtのそ
れぞれのステップ時間は30秒とした。比較例としてChoらが行ったHfCl4とH2
Oとを用いてALDによりHfO2を形成したデータ(図中白抜きの点)も示している。
成膜速度は、Choらのデータと比較するため、nm/minの単位に直して表した。
FIG. 14 shows the substrate temperature dependence of the growth rate of the HfO 2 thin film formed by using the above cycle method (black points in the figure). The vertical axis is the growth rate (Growth Rate), and the horizontal axis is the temperature (T
temperature). Each step time of ΔMt, ΔIt, and ΔRt in the cycle method was 30 seconds. As a comparative example, HfCl 4 and H 2 performed by Cho et al.
Also shown is data (open dots in the figure) in which HfO 2 is formed by ALD using O.
The film formation rate is expressed in units of nm / min for comparison with the data of Cho et al.
HfCl4とH2Oとを用いたALDの場合、成膜速度は、基板温度(成長温度)を1
80℃から400℃に変化(上昇)させるに従い、1.2nm/minから0.36nm
/minへ減少した。なぜならば、ALDの場合、ウェハ表面への原料の吸着量が、基板
温度を上げることにより減少するからである。しかしながら、本発明者らが考案した新し
いサイクル手法の場合、成膜速度は、基板温度(成長温度)を300℃から490℃に上
げるに従い、0.3nm/min(0.6nm/cycle)から1.5nm/min(
3nm/cycle)へと増加した。これは、成膜温度を上昇させることにより、原料の
自己分解が促進されるからである。なお、使用した液体マスフロコントローラでは流量が
安定化するまで時間がかかるので、30秒のΔMtのうち、成膜に実際に寄与しているの
は、8秒だけであることが分かっている。そのため、低温ではALDよりも成膜速度が低
くなっている。原料が実際に成膜に寄与する時間を増やせれば、成膜速度は低温でもAL
Dより大きくすることができる。
In the case of ALD using HfCl 4 and H 2 O, the film formation rate is 1 for the substrate temperature (growth temperature).
1.2 nm / min to 0.36 nm as the temperature is changed (increased) from 80 ° C. to 400 ° C.
/ Min. This is because in the case of ALD, the amount of raw material adsorbed on the wafer surface decreases as the substrate temperature is increased. However, in the case of the new cycle method devised by the present inventors, the film formation rate increases from 0.3 nm / min (0.6 nm / cycle) to 1 as the substrate temperature (growth temperature) is increased from 300 ° C. to 490 ° C. .5 nm / min (
3nm / cycle). This is because the self-decomposition of the raw material is promoted by increasing the film forming temperature. In addition, since it takes time until the flow rate is stabilized in the used liquid mass flow controller, it is known that only ΔS of 30 seconds actually contributes to the film formation for 8 seconds. Therefore, the film formation rate is lower than that of ALD at low temperatures. If the time that the raw material actually contributes to the film formation can be increased, the film formation speed is AL even at a low temperature.
It can be larger than D.
サイクル手法を用い、異なるサイクル数で成膜した膜厚30nmのHfO2薄膜を、T
DSにより評価した。図15(a)、(b)、(c)は、それぞれ、HfO2薄膜の水素
、H2O、COのTDSスペクトルを示している。同図(a)、(b)、(c)の中の4
つのスペクトルは、それぞれ、425℃で、1、10、20、40 サイクルでサイクル
法により成膜したHfO2薄膜に関するものである。また、1、10、20、40サイク
ル処理のステップ時間は、それぞれ、1200、120、60、30 秒である。言い換
えれば、1、10、20、40サイクルで成膜された膜は、それぞれ、30、3、1.5
、0.75nm毎にRPO処理をされたことになる。
Using a cycle method, an HfO 2 thin film having a film thickness of 30 nm formed with different number of cycles was changed to T
Assessed by DS. FIGS. 15A, 15B, and 15C show TDS spectra of hydrogen, H 2 O, and CO, respectively, of the HfO 2 thin film. 4 in the same figure (a), (b), (c)
The two spectra relate to HfO 2 thin films deposited by the cyclic method at 425 ° C. at 1, 10, 20, and 40 cycles, respectively. The step times of 1, 10, 20, and 40 cycle processing are 1200, 120, 60, and 30 seconds, respectively. In other words, films formed in 1, 10, 20, 40 cycles are 30, 3, 1.5, respectively.
The RPO process is performed every 0.75 nm.
図15の(a)から、1サイクルのサンプルに比べ、10、20、40サイクルのサン
プルからの水素の脱離は劇的に減少していることが分かる。また、図15(b)および(
c)からは、COの脱離がサイクル数によって、ほとんど変化しないのに対し、H2Oの
脱離は、サイクル数の増加に伴い、徐々に減少していることが分かる。本発明者らは、以
前RPO処理を施したサンプルとそうでないサンプルのTDSスペクトルの比較を行い、
HfO2薄膜成膜後のRPOは、水素とH2Oの混入を減少させるのに効果があることを
究明した。これらの事実から、周期的なRPOは水素やH2Oの混入を減少させるのに効
果があるといえる。
From FIG. 15 (a), it can be seen that the hydrogen desorption from the 10, 20, and 40 cycle samples is dramatically reduced compared to the one cycle sample. 15 (b) and (
From c), it can be seen that the desorption of CO hardly changes depending on the number of cycles, whereas the desorption of H 2 O gradually decreases as the number of cycles increases. We compared the TDS spectra of samples that were previously RPO treated and those that were not,
It has been found that RPO after forming a HfO 2 thin film is effective in reducing the mixing of hydrogen and H 2 O. From these facts, it can be said that periodic RPO is effective in reducing the mixing of hydrogen and H 2 O.
また、Hf−(MMP)4によるHfO2薄膜中への不純物混入のメカニズムを調べる
ために、Hf−(MMP)4の自己分解反応を以下のようにして調べた。
Further, in order to investigate the mechanism of mixing of impurities into the HfO 2 thin film by Hf- (MMP) 4, Hf- ( MMP) 4 of the self-decomposition reaction was investigated as follows.
まず、Hf−(MMP)4溶液を300℃で、5時間Arガス中に放置し、その後、ト
ルエンで希釈し、GC−MS(Gas Chromatography−Mass Sp
ectroscopy)で分析した。検出された副生成物は、Hf−(MMP)4、(CH3
)2C=CHOCH3(olefin)、 (CH3)2CHCHO(isobutylaldehyde)、(CH3)2CHCH2OH(isobutanol)、C
H3OH(methanol)、CH3C(=O)CH3(acetone)であった。Olefinは、HfO−C 結合の分離と
、MMPのβ位の炭素(C)に結合している水素(H)の分離により生成されたものであ
る。 Isobutylaldehyde、isobutanol、 methanol 、acetoneは、H−MMPとolefinが分
解してできたものと思われる。 Hf−(MMP)4の反応モデルとして、以下の式が適
切と考えている。
Hf( MMP)4 → Hf(OH) + 4Olefin
または、
Hf(MMP)4 → HfO2 + 2H(MMP) + 2Olefin
ここで、1つ目の式から、Hf−(MMP)4を用いてMOCVDで成膜したHfO2に
は、水素が入りやすいことが予想される。このことは、以前測定したMOCVDで成膜し
たHfO2膜のTDSスペクトルからも確認しており、事実と一致している。しかしなが
ら、図15より、3nm以下の膜厚毎にRPO処理を施した膜は、ほとんど水素が混入し
ていないことから、RPO処理は、完全にHf(OH)を以下に示す式のように酸化して
いるようである。
Hf(OH) + O* →HfO2 + 1/2H2
または、
2Hf(OH) + 3O* → 2 HfO2 + H2O
ここで、もし、堆積された膜の表面で4つ目式の反応が起こっているとすれば、薄膜表面
から、発生したH2Oが排気されると考えられる。しかし、酸素ラジカル(O*)は、膜中
に存在するHf(OH)とも反応するので、HfO2薄膜中には、H2Oが取り込まれること
になる。その結果、図15に示されたように、サイクル手法を用いて成膜されたHfO2
薄膜でさえも、膜中にはH2Oは存在し、そのH2Oの混入による汚染は1サイクル毎に
RPO処理を施す膜厚が減少するに従い、減少する。
First, the Hf- (MMP) 4 solution was allowed to stand in Ar gas at 300 ° C. for 5 hours, and then diluted with toluene to obtain a GC-MS (Gas Chromatography-Mass Sp).
analysis). The detected by-products were Hf- (MMP) 4 , (CH 3
) 2 C = CHOCH 3 (olefin), (CH 3 ) 2 CHCHO (isobutylaldehyde), (CH 3 ) 2 CHCH 2 OH (isobutanol), C
H 3 OH (methanol) and CH 3 C (═O) CH 3 (acetone). Olefin is produced by separation of HfO-C bond and hydrogen (H) bonded to carbon (C) at β-position of MMP. Isobutylaldehyde, isobutanol, methanol, and acetone are thought to be formed by decomposition of H-MMP and olefin. As a reaction model of Hf- (MMP) 4 , the following equation is considered appropriate.
Hf (MMP) 4 → Hf (OH) + 4Olefin
Or
Hf (MMP) 4 → HfO 2 + 2H (MMP) + 2Olefin
Here, from the first equation, it is expected that hydrogen easily enters HfO 2 formed by MOCVD using Hf- (MMP) 4 . This is also confirmed from the TDS spectrum of the HfO 2 film formed by MOCVD measured previously, and is consistent with the fact. However, as shown in FIG. 15, in the film subjected to RPO treatment for every film thickness of 3 nm or less, almost no hydrogen is mixed. Therefore, RPO treatment completely oxidizes Hf (OH) as shown by It seems to be doing.
Hf (OH) + O * → HfO 2 + 1 / 2H 2
Or
2Hf (OH) + 3O * → 2
Here, if the fourth type of reaction occurs on the surface of the deposited film, it is considered that the generated H 2 O is exhausted from the surface of the thin film. However, since oxygen radicals (O *) also react with Hf (OH) present in the film, H 2 O is taken into the HfO 2 thin film. As a result, as shown in FIG. 15, the HfO 2 film formed using the cycle method was used.
Even in a thin film, H 2 O is present in the film, and the contamination due to the mixing of H 2 O decreases as the film thickness subjected to the RPO treatment decreases every cycle.
図16は、従来のMOCVD法により425℃で成膜されたHfO2のサンプル(MO
CVD at 425℃)と、サイクル手法により300℃および425℃で成膜された
HfO2のサンプル(Cyclic Method at 300℃、425℃)の炭素
((a)carbon)と水素((b)hydrogen)のSIMSプロファイルを示
すものである。これらのサンプルの膜厚は、約5nmである。300℃と425℃のサン
プルは、それぞれ、100および10サイクルで、30秒のステップ時間で成膜した。
FIG. 16 shows a sample of HfO 2 (MO) formed at 425 ° C. by a conventional MOCVD method.
CVD (425 ° C.) and carbon ((a) carbon) and hydrogen ((b) hydrogen) of HfO 2 sample (Cyclic Method at 300 ° C., 425 ° C.) deposited at 300 ° C. and 425 ° C. by a cyclic method. This shows the SIMS profile. The film thickness of these samples is about 5 nm. Samples at 300 ° C. and 425 ° C. were deposited in 100 and 10 cycles, respectively, with a step time of 30 seconds.
図16から、MOCVD法、サイクル手法の300℃、サイクル手法の425℃のサン
プルの炭素(C)の混入量は、それぞれ、1.4、0.54、0.28 at.% であ
る。また、MOCVD、サイクル手法の300℃、サイクル手法の425℃のサンプルの
水素(H)の混入量は、それぞれ、2.6、0.8、0.5 at.%である。CとHの
混入がMOCVD法よりもサイクル手法の方が少ないという結果は、サイクル手法がCや
Hの混入を減少させるのに効果的であるということを示している。Kukliらの報告に
よると、ALDで300℃および400℃で成膜した膜中の水素混入量は、それぞれ、1
.5および0.5 at.%であった。このことより、サイクル手法で成膜した膜の水素
混入量は、ALDと比較しても劣るものではないことがわかる。 炭素の混入量が減少し
た原因は、以下のとおりである。上記1つ目の式および2つ目の式に示したように、Hf
−(MMP)4を導入した後、olefinやH−MMPが生成される。また、さまざまな種類
のアルコールがolefinおよびH−MMPの分解により生成される。大部分のこれらの副生
成物は、薄膜の表面から排気されるが、いくらかは薄膜表面に吸着する。ここで、RPO
ステップにより、これらの吸着物は、CO、CO2、H2O等に分解され、次のパージス
テップにより薄膜表面から排気される。Chenらは、MO原料と酸素を15秒の排気を
はさんで導入するといった、「パルスモード」でZrO2薄膜を成膜して、Cの混入量が
0.1 at.%以下であると報告しているが、これも酸素導入ステップでの有機物の分
解と、その後の排気ステップでの排気に起因すると考えられる。さらに、サイクル手法の
不純物量が、成膜温度を上昇させることにより、減少していることがわかる。この理由は
、成膜温度が上昇するに従い、副生成物の吸着量が減少することに起因する。これらの理
由から、サイクル手法において、原料導入時間ΔMtは短く、およびリモートプラズマ照
射時間ΔRtは、長くした方が良いと結論付けられる。また、成膜温度は、原料が気相で
分解されない限り、高い方が良いと言える。
From FIG. 16, the mixing amounts of carbon (C) in the MOCVD method, 300 ° C. of the cycle method, and 425 ° C. of the cycle method are 1.4, 0.54, and 0.28 at. %. In addition, the amounts of hydrogen (H) mixed in the sample of MOCVD, 300 ° C. of the cycle method, and 425 ° C. of the cycle method are 2.6, 0.8, and 0.5 at. %. The result that the mixing of C and H is less in the cycle method than in the MOCVD method indicates that the cycle method is effective in reducing the mixing of C and H. According to the report of Kukli et al., The amount of hydrogen mixed in films formed by ALD at 300 ° C. and 400 ° C. is 1
. 5 and 0.5 at. %Met. This indicates that the amount of hydrogen mixed in the film formed by the cycle method is not inferior to that of ALD. The reason why the amount of carbon contamination is reduced is as follows. As shown in the first and second equations above, Hf
-(MMP) After introducing 4 , olefin and H-MMP are produced. Various types of alcohols are also produced by the decomposition of olefin and H-MMP. Most of these by-products are exhausted from the surface of the thin film, but some is adsorbed on the thin film surface. Where RPO
These adsorbates are decomposed into CO, CO 2 , H 2 O and the like by the step, and are exhausted from the surface of the thin film by the next purge step. Chen et al. Formed a ZrO 2 thin film in “pulse mode”, such as introducing MO raw material and oxygen through 15 seconds of exhaust, and the amount of mixed C was 0.1 at. %, But this is also considered to be caused by the decomposition of organic substances in the oxygen introduction step and the exhaust in the subsequent exhaust step. Further, it can be seen that the amount of impurities in the cycle method is decreased by increasing the film formation temperature. This is because the amount of adsorption of by-products decreases as the film formation temperature rises. For these reasons, it can be concluded that in the cycle method, it is better to shorten the material introduction time ΔMt and to increase the remote plasma irradiation time ΔRt. Further, it can be said that the film formation temperature should be higher as long as the raw material is not decomposed in the gas phase.
図17(a)および(b)は、425℃で1および4サイクルで、それぞれ、ステップ
時間120秒および30秒で成膜したサンプルのHRTEM画像である。HfO2薄膜成
膜前に、NH3アニールにより、0.8nmの界面層が形成されている。
FIGS. 17A and 17B are HRTEM images of samples formed at 425 ° C. in 1 and 4 cycles with step times of 120 seconds and 30 seconds, respectively. Before forming the HfO 2 thin film, an interface layer of 0.8 nm is formed by NH 3 annealing.
図17(a)(b)より、1および4サイクルの界面層は、1.7nmおよび1.6n
mであることから、RPO処理のステップ時間は、界面層の形成には、影響を与えていな
いと考えられる。ただし別の実験では、サイクル法により、下地とHfO2膜の間に形成
される界面層の厚さを従来のMOCVD法による成膜よりも薄くできることが確認されて
いる。図17から、1サイクルで成膜したHfO2薄膜がより結晶化しているのに対し、
4サイクルで成膜したのHfO2薄膜は、アモルファス構造であることが分かる。Kuk
liらは、ALDにより成膜したZrO2膜は、210℃ではアモルファス構造であった
が、300℃で結晶化したと報告している。また、Arikらは、ALDにより300℃
で成膜したHfO2膜は結晶化していたと報告している。これらのことから、本発明のサ
イクル手法は、膜をアモルファス構造で維持するのに適した手法と言える。なお、膜厚均
一性について調べたところ、1サイクルで成膜した場合に比べ、4サイクルで成膜した場
合の方が、良好となることも確認できた。
17 (a) and 17 (b), the interface layers of 1 and 4 cycles are 1.7 nm and 1.6 n.
Therefore, it is considered that the step time of the RPO process does not affect the formation of the interface layer. However, in another experiment, it has been confirmed that the thickness of the interface layer formed between the underlayer and the HfO 2 film can be made thinner than that by the conventional MOCVD method by the cycle method. From FIG. 17, the HfO 2 thin film formed in one cycle is more crystallized,
It can be seen that the HfO 2 thin film formed in 4 cycles has an amorphous structure. Kuk
reported that the ZrO 2 film formed by ALD had an amorphous structure at 210 ° C., but crystallized at 300 ° C. In addition, Arik et al.
It was reported that the HfO 2 film formed by 1 was crystallized. From these facts, the cycle method of the present invention can be said to be a method suitable for maintaining the film in an amorphous structure. When the film thickness uniformity was examined, it was confirmed that the film formation in 4 cycles was better than the film formation in 1 cycle.
図18に、MOCVD法とサイクル手法により425℃で成膜したHfO2キャパシタ
のEOTと−1Vで測定したリーク電流の関係を示す。縦軸はリーク電流(jg@−1V
)、横軸はEOTを示している。HfO2薄膜成膜前に、NH3アニールにより、0.8
nmの界面層が形成されている。サイクル手法で成膜したHfO2薄膜の膜厚は、それぞ
れ、2.3、3.1、3.8、4.6nmである。MOCVD法により異なる膜厚で成膜
したHfO2膜のうち、C−V特性が得られたのは、膜厚が5nm以上のものだけだった
。白抜きの点、黒塗りの点はそれぞれMOCVD法、サイクル手法により成膜した場合の
結果を示している。
FIG. 18 shows the relationship between the EOT of the HfO 2 capacitor formed at 425 ° C. by the MOCVD method and the cycle method and the leakage current measured at −1V. The vertical axis represents leakage current (jg @ -1V
), The horizontal axis indicates EOT. Before the HfO 2 thin film is formed,
An interfacial layer of nm is formed. The film thickness of the HfO 2 thin film formed by the cycle method is 2.3, 3.1, 3.8, and 4.6 nm, respectively. Of the HfO 2 films formed by MOCVD with different film thicknesses, the CV characteristics were obtained only for those having a film thickness of 5 nm or more. White dots and black dots indicate the results when the films are formed by the MOCVD method and the cycle method, respectively.
図8より、サイクル手法で成膜したHfO2薄膜のリーク電流は、MOCVD法で成膜
した膜の100分の1以下であることが分かる。そのリーク電流がサイクル手法により減
少した原因は、HfO2膜中の不純物の減少とその膜構造がアモルファス状態であること
である。
FIG. 8 shows that the leakage current of the HfO 2 thin film formed by the cycle method is 1/100 or less that of the film formed by the MOCVD method. The reason why the leakage current is reduced by the cycle method is that impurities in the HfO 2 film are reduced and the film structure is in an amorphous state.
以上のように本発明者らは、周期的なRPOを用いた新しいMOCVD法のアドバンテ
ージを見出した。すなわち、サイクル手法の場合、成膜温度を上げ、原料の導入時間を縮
めることにより、膜中に含まれる不純物の量を減らすことが出来ることを見出した。また
、サイクル手法で成膜した膜は、アモルファス構造であり、サイクル手法はアモルファス
構造を維持するのに好ましいことも判明した。その結果、HfO2膜のリーク電流は減少
した。また、サイクル手法により、従来のMOCVDによる成膜よりも膜厚均一性を向上
することができ、さらには成膜の下地とHfO2膜の間に形成される界面層の厚さも小さ
くできることも判明した。
As described above, the present inventors have found an advantage of a new MOCVD method using periodic RPO. That is, in the case of the cycle method, it has been found that the amount of impurities contained in the film can be reduced by raising the film formation temperature and shortening the introduction time of the raw material. It has also been found that the film formed by the cycle method has an amorphous structure, and the cycle method is preferable for maintaining the amorphous structure. As a result, the leakage current of the HfO 2 film was reduced. It was also found that the cycle method can improve the film thickness uniformity over the conventional MOCVD film formation, and further reduce the thickness of the interface layer formed between the film formation base and the HfO 2 film. did.
また、周期的なRPOを用いたMOCVD法によるHfシリケート膜と、そのRPOの代わ
りに、サイクル手法の不純物除去工程にRPNを用いたMOCVD法によるHfシリケート膜
の膜質を比較するため、SIMSの深さ方向プロファイルを測定した。図19は、膜中に含ま
れる不純物であるCの深さ方向プロファイルであるが、RPOによる場合と、RPNによ
る場合とほとんど差が見られず、不純物の除去効果に関しては、ほぼ同等の効果が得られ
ることがわかった。これに対し、図20は、膜中に含まれるNの深さ方向プロファイルを示
すものであるが、RPOとRPNの違いにより、膜中に含まれるN濃度の違いが明らかで
あり、RPNがHfシリケート成膜時に効果的に作用していることがわかる。
In addition, in order to compare the film quality of Hf silicate film by MOCVD method using periodic RPO and the Hf silicate film by MOCVD method using RPN instead of the RPO, the SIMS The lateral profile was measured. FIG. 19 shows the profile in the depth direction of C, which is an impurity contained in the film, but there is almost no difference between the case of using RPO and the case of using RPN, and the effect of removing impurities is almost the same. It turns out that it is obtained. On the other hand, FIG. 20 shows the profile in the depth direction of N contained in the film. The difference in N concentration contained in the film is obvious due to the difference between RPO and RPN, and RPN is Hf. It can be seen that it works effectively during silicate film formation.
1 反応室
4 基板
5 原料供給管
6 シャワーヘッド
7 排気管
9 成膜原料供給ユニット
11 ラジカル発生ユニット
14 バイパス管
15 仕切板
16 トラップ
25 制御装置
DESCRIPTION OF
Claims (1)
性化させた窒素原子を含むガスを供給する活性ガス供給工程とを含み、前記成膜工程と活
性ガス供給工程とを同一反応室内で連続して複数回繰り返すことを特徴とする半導体装置
の製造方法。
A film forming process for forming a thin film on the substrate; and an active gas supply process for supplying a gas containing nitrogen atoms activated by plasma to the film formed in the film forming process, the film forming process and the activity A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the gas supply step is repeated a plurality of times continuously in the same reaction chamber.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003365505A JP2005129819A (en) | 2003-10-27 | 2003-10-27 | Manufacturing method of semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008205136A (en) * | 2007-02-19 | 2008-09-04 | Rohm Co Ltd | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
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| CN113725068A (en) * | 2021-07-30 | 2021-11-30 | 北京大学 | Method for reducing radio frequency loss caused by gallium diffusion in silicon-based gallium nitride material |
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2003
- 2003-10-27 JP JP2003365505A patent/JP2005129819A/en active Pending
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