JP3437830B2 - Film formation method - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、タンタル酸化膜を
堆積させるための成膜方法に関する。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a film forming method for depositing a tantalum oxide film.
【０００２】[0002]
【従来の技術】一般に、半導体デバイスを製造するに
は、半導体ウエハに成膜処理やパターンエッチング処理
を繰り返し行なって所望のデバイスを製造するが、中で
も成膜技術は、半導体デバイスが高密度化及び高集積化
するに伴ってその仕様、すなわちデザインルールが年々
厳しくなっており、例えばデバイス中のキャパシタの絶
縁膜やゲート絶縁膜のように非常に薄い酸化膜などに対
しても更なる薄膜化が要求され、これと同時に更に高い
絶縁性が要求されている。2. Description of the Related Art Generally, in order to manufacture a semiconductor device, a semiconductor wafer is repeatedly subjected to a film forming process and a pattern etching process to manufacture a desired device. With higher integration, its specifications, that is, design rules, are becoming stricter year by year, and further thinning is possible even for extremely thin oxide films such as capacitor insulating films and gate insulating films in devices. At the same time, higher insulation is required.
【０００３】これらの絶縁膜としては、シリコン酸化膜
やシリコンナイトライド膜等を用いることができるが、
最近にあっては、より絶縁特性の良好な材料として、金
属酸化膜、例えばタンタル酸化膜（Ｔａ2 Ｏ5 ）等が用
いられる傾向にある。この金属酸化膜は、薄くても信頼
性の高い絶縁性を発揮できる。この金属酸化膜を形成す
るには、例えばタンタル酸化膜を形成する場合を例にと
って説明すると、成膜用の原料として、タンタルの金属
アルコキシドであるペンタエトキシタンタル（Ｔａ（Ｏ
Ｃ2 Ｈ5 ）5 ）（以下、ＰＥＴとも称す）を気化装置で
気化し、これを供給して半導体ウエハを例えば４１０℃
程度のプロセス温度に維持し、真空雰囲気下でＣＶＤ
（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏ
ｎ）によりタンタル酸化膜（Ｔａ2 Ｏ5 ）を積層させて
いる。As these insulating films, a silicon oxide film, a silicon nitride film or the like can be used.
Recently, a metal oxide film such as a tantalum oxide film (Ta 2 O 5 ) tends to be used as a material having a better insulating property. Even if the metal oxide film is thin, it can exhibit highly reliable insulation. To form this metal oxide film, for example, the case of forming a tantalum oxide film will be described as an example. As a raw material for film formation, pentaethoxy tantalum (Ta (O
C 2 H 5 ) 5 ) (hereinafter also referred to as PET) is vaporized by a vaporizer, and this is supplied to a semiconductor wafer at, for example, 410 ° C.
CVD in a vacuum atmosphere while maintaining a process temperature of about
(Chemical Vapor Deposition
n), a tantalum oxide film (Ta 2 O 5 ) is laminated.
【０００４】このタンタル酸化膜をゲート絶縁膜等に用
いる時のキャパシタ構造の一例は図９に示すようになさ
れている。すなわち、例えばシリコン基板等よりなる半
導体ウエハＷの表面に、ソース２とドレイン４が形成さ
れており、このソース２とドレイン４との間の表面に、
ＳｉＯ2 或いはＳｉＯＮまたは両者の混合物よりなる界
面膜６を介してＴａ2 Ｏ5 よりなるタンタル酸化膜８を
ゲート絶縁膜として形成している。そして、このタンタ
ル酸化膜８上に、ゲート電極との化学反応を防止するた
めのバリヤメタル層である例えばＴｉＮ膜１０を介して
例えばＡｌ（アルミニウム）やＷ（タングステン）より
なるゲート電極１２を積層して、キャパシタが構成され
る。上記タンタル酸化膜８の下地の界面膜６は、このタ
ンタル酸化膜８の界面準位密度を所定の範囲内に押さえ
込む必要から下層のシリコン面との整合を図るために必
要不可欠な膜である。An example of a capacitor structure when this tantalum oxide film is used as a gate insulating film is as shown in FIG. That is, the source 2 and the drain 4 are formed on the surface of the semiconductor wafer W made of, for example, a silicon substrate, and on the surface between the source 2 and the drain 4,
A tantalum oxide film 8 made of Ta 2 O 5 is formed as a gate insulating film through an interface film 6 made of SiO 2 or SiON or a mixture of both. Then, a gate electrode 12 made of, for example, Al (aluminum) or W (tungsten) is laminated on the tantalum oxide film 8 via a TiN film 10 which is a barrier metal layer for preventing a chemical reaction with the gate electrode. To form a capacitor. The interface film 6 underlying the tantalum oxide film 8 is an indispensable film for matching with the underlying silicon surface because the interface state density of the tantalum oxide film 8 must be suppressed within a predetermined range.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記界面膜
６上に形成されるタンタル酸化膜８の膜厚は、前述のよ
うにデザインルールがより厳しくなったので、せいぜい
１００Å程度と非常に薄くなっている。このタンタル酸
化膜の成膜レートは、例えば成膜温度が６００℃程度の
ＣＶＤ成膜の時には１５００Å／ｍｉｎ程度の高い成膜
レートであるが、上述のように膜厚１００Å程度のタン
タル酸化膜８を精度良く堆積するためには、ＣＶＤ成膜
温度を例えば４１０℃程度の低温に落として成膜レート
を低くして、１００Å程度の膜厚のタンタル酸化膜を精
度良く堆積する試みが行なわれている。By the way, the film thickness of the tantalum oxide film 8 formed on the interface film 6 becomes very thin, at most about 100 Å, because the design rule becomes stricter as described above. ing. The film formation rate of this tantalum oxide film is a high film formation rate of about 1500 Å / min when the CVD film formation temperature is about 600 ° C., but as described above, the tantalum oxide film 8 with a film thickness of about 100 Å is formed. In order to deposit the tantalum oxide film with high accuracy, the CVD film forming temperature is lowered to, for example, about 410 ° C. to reduce the film forming rate, and an attempt is made to accurately deposit a tantalum oxide film with a film thickness of about 100 Å. There is.
【０００６】しかしながら、タンタル酸化膜の成膜レー
トとインキュベーションタイムとの関係は図１０に示す
ように、相反する関係にあり、例えば成膜温度を低くす
ると、それに対応して成膜レートは低下して膜厚コント
ロール性は向上するが、逆にインキュベーションタイム
は増加する傾向となる。ここでインキュベーションタイ
ムとは、成膜工程の初期において原料ガス（成膜ガス）
を流してもウエハ表面に目的とする膜が何ら堆積されな
い期間を指す。この時の成膜状態を図１１を参照して模
式的に示すと、図１１（Ａ）に示すようにインキュベー
ション期間においてはウエハＷの界面膜６の表面にアモ
ルファス状態のＴａ2 Ｏ5 の種１４が分散した状態で形
成され、そして、インキュベーション期間が過ぎると、
その種１４を中心として一気に膜が堆積し初めて、図１
１（Ｂ）に示すように、タンタル酸化膜８が形成され
る。この時、形成されたタンタル酸化膜８の表面には、
上記散在した種１４の凹凸状態が反映されるため、大き
な凹凸面となってしまう。この種１４の大きさは、イン
キュベーションタイムに略比例して大きくなるため、４
１０℃程度の低温ＣＶＤでタンタル酸化膜８を堆積させ
る場合には、一層表面の凹凸が大きくなってしまう。However, the relationship between the film formation rate of the tantalum oxide film and the incubation time has a contradictory relationship as shown in FIG. 10. For example, when the film formation temperature is lowered, the film formation rate is correspondingly reduced. As a result, the film thickness controllability improves, but conversely the incubation time tends to increase. Here, the incubation time is the source gas (film forming gas) at the beginning of the film forming process.
The period during which no target film is deposited on the surface of the wafer even when the film is flown. A film formation state at this time is schematically shown with reference to FIG. 11, and as shown in FIG. 11A, Ta 2 O 5 seeds in an amorphous state are formed on the surface of the interface film 6 of the wafer W during the incubation period. 14 formed in a dispersed state, and after the incubation period,
For the first time, a film is deposited at a stretch centered on the seed 14,
As shown in FIG. 1 (B), the tantalum oxide film 8 is formed. At this time, on the surface of the formed tantalum oxide film 8,
Since the uneven state of the scattered seeds 14 is reflected, the surface becomes a large uneven surface. Since the size of this seed 14 increases substantially in proportion to the incubation time, 4
When the tantalum oxide film 8 is deposited by low temperature CVD at about 10 ° C., the surface irregularities become even larger.
【０００７】このような凹凸が発生すると、タンタル酸
化膜８の膜厚が厚い部分と薄い部分が発生し、例えば膜
厚が厚い部分の膜厚Ｈ１が１００Å程度でも、膜厚が薄
い部分の膜厚Ｈ２が３０Å程度になってしまい、この結
果、膜厚が薄い部分に大きな電界集中が発生して、設計
値よりもはるかに大きなリーク電流が生じてしまう、と
いった問題があった。また、このような問題は、上記し
たように、タンタル酸化膜をゲート酸化膜として用いる
場合のみならず、例えばタンタル酸化膜をキャパシタ絶
縁膜として用いる場合にも生じていた。この点をＭＩＭ
（Ｍｅｔａｌ ＩｎｓｕｌａｔｏｒＭｅｔａｌ）構造の
キャパシタを例にとって説明すると、図１２（Ａ）にお
いて、符号３はキャパシタの例えばルテニウム（Ｒｕ）
よりなる下部電極であり、この下部電極３は例えばＳｉ
Ｏ2 よりなる層間絶縁膜５上に形成され、また、下部電
極３は、例えばタングステンよりなるプラグ７を介し
て、図示しない下層の拡散層等に接続されている。この
下部電極３の構造としては、例えばドープドポリシリコ
ン上に反応防止層としてＳｉＮ膜等を堆積した構造のも
のもある。When such unevenness occurs, a thick film portion and a thin film portion of the tantalum oxide film 8 are generated. For example, even if the film thickness H1 of the thick film portion is about 100 Å, the film of the thin film portion is formed. The thickness H2 becomes about 30 Å, and as a result, a large electric field concentration occurs in the thin film portion, which causes a leak current much larger than the designed value. Further, such a problem occurs not only when the tantalum oxide film is used as the gate oxide film, but also when the tantalum oxide film is used as the capacitor insulating film, as described above. This point is MIM
A capacitor having a (Metal Insulator Metal) structure will be described as an example. In FIG. 12A, reference numeral 3 indicates a capacitor such as ruthenium (Ru).
The lower electrode 3 is made of, for example, Si.
The lower electrode 3 is formed on the interlayer insulating film 5 made of O 2, and is connected to a lower diffusion layer or the like (not shown) via a plug 7 made of, for example, tungsten. As the structure of the lower electrode 3, for example, there is a structure in which a SiN film or the like is deposited as a reaction preventing layer on the doped polysilicon.
【０００８】そして、図１２（Ｂ）に示すように、この
ような下部電極３や層間絶縁膜５上にキャパシタ絶縁膜
としてタンタル酸化膜８を堆積させると、前述したよう
なインキュベーションタイムの発生により、下部電極３
であるルテニウム上での成膜時間遅れは略ゼロ分である
のに対して、層間絶縁膜であるＳｉＯ2 上では最大７分
程度も成膜遅れ時間が発生してしまう。このため、タン
タル酸化膜８がアイライド状に成長してしまっていた。
この成膜遅れ時間により、タンタル酸化膜が部分的に薄
くなる場合が生じ、特に、下部電極３と層間絶縁膜５の
境界部分において、絶縁不良部分９が発生していた。こ
の場合、図１２（Ｃ）に示すように、この上に例えばル
テニウムよりなる上部電極１１を形成して、両電極３、
１１間に電圧を印加した場合に、上記した絶縁不良部分
９に電界集中が発生して電気的特性が悪化してしまう、
といった問題もあった。Then, as shown in FIG. 12B, when a tantalum oxide film 8 is deposited as a capacitor insulating film on the lower electrode 3 and the interlayer insulating film 5 as described above, the incubation time as described above occurs. , Lower electrode 3
The film formation time delay on ruthenium is about zero minutes, whereas the film formation delay time on the SiO 2 interlayer insulation film is about 7 minutes at maximum. For this reason, the tantalum oxide film 8 has grown like an eyelid.
Due to this film formation delay time, the tantalum oxide film may be partially thinned, and in particular, a defective insulation portion 9 was generated at the boundary portion between the lower electrode 3 and the interlayer insulating film 5. In this case, as shown in FIG. 12 (C), an upper electrode 11 made of, for example, ruthenium is formed on the upper electrode 11,
When a voltage is applied between 11, the electric field concentration occurs in the above-mentioned insulation failure portion 9 and the electrical characteristics deteriorate.
There was also such a problem.
【０００９】そこで、本出願人は、上記問題点を解決す
るために、低温でも膜厚の面内均一性が高い薄い膜厚の
タンタル酸化膜を精度良く形成することができる成膜方
法を先の出願（特願２０００−０８０９０４）にて開示
した。この成膜方法では、タンタル酸化膜のＣＶＤ成膜
に先立って半導体ウエハの表面に予め酸化剤を付着さ
せ、これに原料ガスを作用させて薄いタンタル酸化膜よ
りなる界面層を形成するようにしている。In order to solve the above problems, therefore, the present applicant first proposed a film forming method capable of accurately forming a thin tantalum oxide film having high in-plane uniformity of film thickness even at a low temperature. Application (Japanese Patent Application No. 2000-080904). In this film forming method, an oxidizer is attached to the surface of the semiconductor wafer in advance prior to the CVD film formation of the tantalum oxide film, and a source gas is caused to act on the oxidizer to form an interface layer made of a thin tantalum oxide film. There is.
【００１０】ところで、上記成膜方法によれば、タンタ
ル酸化膜の膜厚均一性を十分に改善することができた
が、その後の検討により、表面粗さ（ラフネス）がやや
大きくて、電気的特性に関して不十分な部分が発見され
ており、上記成膜方法では十分でないことが判明した。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に
解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、低
温でも、膜厚の面内均一性が非常に高くて表面粗さは非
常に小さく、しかも電気的特性が良好な薄い膜厚のタン
タル酸化膜を精度良く形成することができる成膜方法を
提供することにある。By the way, according to the above-mentioned film forming method, the film thickness uniformity of the tantalum oxide film could be sufficiently improved. Insufficient portions have been discovered regarding the characteristics, and it has been found that the above film forming method is not sufficient.
The present invention has been made to pay attention to the above problems and to solve them effectively. An object of the present invention is to accurately form a thin tantalum oxide film having a very high in-plane uniformity of the film thickness and a very small surface roughness even at a low temperature and having good electrical characteristics. Another object of the present invention is to provide a film forming method capable of forming the film.
【００１１】[0011]
【課題を解決するための手段】本発明者等は、タンタル
酸化膜の成膜方法について鋭意研究した結果、表面反応
と気相反応とを伴うＣＶＤ成膜ではなく、プロセス温度
を落とすことによって表面反応を主体とするＭＬＤ（Ｍ
ＬＤ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉ
ｔｉｏｎ）成膜を繰り返し行うことによって理想的なタ
ンタル酸化膜を形成することができる、という知見を得
ることにより本発明に至ったものである。すなわち、請
求項１に規定する発明は、処理容器内の被処理体の表面
に、原料ガスと酸化剤ガスとを用いてタンタル酸化膜を
形成する成膜方法において、前記被処理体の表面に前記
酸化剤ガスを付着させる酸化剤付着工程と、前記酸化剤
ガスを前記処理容器内の気相中から排除するためのガス
排除工程と、前記付着された酸化剤ガスに対して前記原
料ガスを作用させてタンタル酸化膜を形成する反応工程
と、前記原料ガスを前記処理容器内の気相中から排除す
るためのガス排除工程とをこの順序で複数回繰り返し行
うようにしたことを特徴とする成膜方法である。Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have earnestly studied the method for forming a tantalum oxide film, and as a result, instead of CVD film formation involving a surface reaction and a gas phase reaction, the surface temperature is reduced by lowering the process temperature. MLD (M
LD: Molecular Layer Deposi
The present invention has been accomplished by obtaining knowledge that an ideal tantalum oxide film can be formed by repeating film formation. That is, the invention as defined in claim 1 is a film forming method for forming a tantalum oxide film on a surface of an object to be processed in a processing container by using a source gas and an oxidant gas. An oxidant attaching step of attaching the oxidant gas, and the oxidant
Gas for removing gas from the gas phase in the processing container
Exclusion step, reaction step of forming the tantalum oxide film by acting the source gas on the attached oxidant gas, and eliminating the source gas from the gas phase in the processing container
The film forming method is characterized in that the gas removing step for the purpose is repeated a plurality of times in this order.
【００１２】これにより、気相反応を抑制して表面反応
を主体とした反応を生ぜしめて分子レベルの極めて薄い
膜を一層ずつ複数層に亘って形成することにより全体の
タンタル酸化膜を堆積させるようにしたので、膜厚の面
内均一性が非常に高くて表面粗さは非常に小さく、しか
も電気的特性が良好な薄い膜厚のタンタル酸化膜を精度
良く形成することが可能となる。 また、酸化剤付着工程
と反応工程との間でガス排除工程を行うようにしている
ので、処理容器内の気相中に滞留する酸化剤ガス、或い
は原料ガスを略確実に排除でき、従って、気相反応の発
生を略確実に抑制して表面反応を主体とした成膜を行う
ことができる。請求項２に係る発明は、処理容器内の被
処理体の表面に、原料ガスと酸化剤ガスとを用いてタン
タル酸化膜を形成する成膜方法において、前記被処理体
の表面に前記酸化剤ガスを付着させる酸化剤付着工程
と、前記付着された酸化剤ガスに対して前記原料ガスを
作用させてタンタル酸化膜を形成する反応工程とをこの
順序で複数回繰り返し行うと共に、前記酸化剤付着工程
と前記反応工程とは実質的に同一圧力下にて行うように
したことを特徴とする成膜方法である。 これによれば、
処理容器内の圧力を昇降させる必要がないので、成膜処
理のスループットを向上させることが可能となる。 As a result, the gas phase reaction is suppressed and the reaction mainly consisting of the surface reaction is caused to form an extremely thin film at the molecular level over a plurality of layers one by one, thereby depositing the entire tantalum oxide film. since the surface roughness in-plane uniformity of the film thickness is very high very small and can be electric characteristics to accurately form a good thin film thickness of the tantalum oxide film and that Do. Further , since the gas elimination step is performed between the oxidant attachment step and the reaction step, the oxidant gas staying in the gas phase in the processing container or the raw material gas can be almost certainly eliminated, and therefore, It is possible to almost certainly suppress the occurrence of a gas phase reaction and perform film formation mainly based on the surface reaction. The invention according to claim 2 is an object of the invention in a processing container.
On the surface of the treated body, the source gas and the oxidant gas are used to
In the film forming method for forming a tar oxide film, the object to be processed is
Attaching step for attaching the oxidant gas to the surface of the
And the source gas against the attached oxidant gas
This reaction process of forming a tantalum oxide film by acting
Repeated multiple times in order, and the oxidant deposition step
And the reaction step should be performed under substantially the same pressure.
The film forming method is characterized in that According to this
Since it is not necessary to raise or lower the pressure inside the processing container,
It is possible to improve the processing throughput.
【００１３】この場合、請求項３に規定するように、前
記ガス排除工程は、前記処理容器内へのガスの供給を停
止しつつ前記処理容器内を真空引きするガス排気用真空
引き操作または／及び前記処理容器内へ不活性ガスを導
入しつつ真空引きするガス排気用不活性ガスパージ操作
よりなる。 In this case, as defined in claim 3, in the gas removing step, the gas evacuation operation for evacuating the inside of the processing container while stopping the supply of the gas into the processing container or / And an inert gas purging operation for gas exhaustion, in which an inert gas is introduced into the processing container and a vacuum is drawn .
【００１４】また、同様に、例えば請求項４に規定する
ように、前記酸化剤付着工程と前記ガス排除工程と前記
反応工程とは、実質的に同一圧力下にて行うようにして
もよい。この場合にも、処理容器内の圧力を昇降させる
必要がないので、成膜処理のスループットを更に向上さ
せることが可能となる。また、請求項５に規定するよう
に、前記反応工程は、前記原料ガスが表面反応を主体と
して反応するような温度範囲にて行う。Similarly, for example, as defined in claim 4 , the oxidizing agent attaching step, the gas removing step and the reaction step may be performed under substantially the same pressure. Also in this case, since it is not necessary to raise or lower the pressure in the processing container, it is possible to further improve the throughput of the film forming process. Further, as defined in claim 5 , the reaction step is performed in a temperature range in which the raw material gas mainly reacts with a surface reaction.
【００１５】請求項６に規定するように、例えば前記温
度範囲は、１５０〜４００℃の範囲内である。また、例
えば請求項７に規定するように、前記酸化剤ガスは、Ｈ
2 Ｏ、Ｈ2 Ｏ2 、Ｏ3 の内のいずれか１つである。As defined in claim 6 , for example, the temperature range is in the range of 150 to 400 ° C. Further, for example, as defined in claim 7 , the oxidant gas is H
It is any one of 2 O, H 2 O 2 and O 3 .
【００１６】[0016]
【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る成膜方法の
一実施例を添付図面に基づいて詳述する。図１は本発明
方法を実施する成膜装置を示す構成図、図２は本発明方
法の第１実施例の流れを示すタイムチャート、図３は本
発明方法における成膜状態を示す模式図である。図１に
示すように、この成膜装置１８は、有天井の円筒体状の
石英製の処理容器２０を有しており、この処理容器２０
の下端部は開放されて開口部２２が形成され、この外周
には、接合用のフランジ部２４が設けられる。この処理
容器２０は、内側に加熱手段として加熱ヒータ２６を配
設した円筒体状の断熱材２８により被われており、加熱
炉を形成している。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An embodiment of the film forming method according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. 1 is a block diagram showing a film forming apparatus for carrying out the method of the present invention, FIG. 2 is a time chart showing a flow of a first embodiment of the method of the present invention, and FIG. 3 is a schematic diagram showing a film forming state in the method of the present invention. is there. As shown in FIG. 1, the film forming apparatus 18 includes a cylindrical processing container 20 made of quartz and having a ceiling.
The lower end of the is opened to form an opening 22, and a flange portion 24 for joining is provided on the outer periphery of the opening 22. The processing container 20 is covered with a cylindrical heat insulating material 28 having a heater 26 as a heating means inside, to form a heating furnace.
【００１７】処理容器２０の下部側壁には、原料ガスを
導入するための原料ガス導入ノズル（原料ガス供給手
段）３０と、酸化剤ガスを導入するための酸化剤導入ノ
ズル（酸化剤供給手段）３２と、Ｎ2 ガス導入ノズル３
４とがそれぞれ貫通させて設けられると共に、これらの
各ノズル３０、３２、３４は処理容器２０の側壁に沿っ
て天井部まで延在されており、天井部より各ガスをそれ
ぞれ流量制御しつつ噴出するようになっている。本発明
方法の第１実施例では、原料ガス（成膜ガス）としてＰ
ＥＴ（ペンタエトキシタンタル：Ｔａ（ＯＣ2 Ｈ5 ）
5 ）を用い、酸化剤としてはＨ2 Ｏ（水蒸気）を用い
る。ここで、上記ＰＥＴは常温で液体なので、気化器
（図示せず）により気化させてガス状態で処理容器２０
内へ導入する。更に、処理容器２０の下部側壁には、処
理容器２０内の雰囲気を排出するための比較的大口径の
排気口３６が形成されており、この排気口３６には、排
気ポンプを介設した図示しない排気系が接続される。A raw material gas introduction nozzle (raw material gas supply means) 30 for introducing a raw material gas and an oxidant introduction nozzle (oxidant supply means) for introducing an oxidant gas are provided on the lower side wall of the processing container 20. 32 and N 2 gas introduction nozzle 3
4 are provided so as to penetrate therethrough, and each of these nozzles 30, 32, 34 extends to the ceiling portion along the side wall of the processing container 20, and jets each gas from the ceiling portion while controlling the flow rate of each gas. It is supposed to do. In the first embodiment of the method of the present invention, P is used as the source gas (film forming gas).
ET (pentaethoxy tantalum: Ta (OC 2 H 5 ))
5 ) is used, and H 2 O (steam) is used as the oxidizing agent. Here, since the PET is a liquid at room temperature, it is vaporized by a vaporizer (not shown) and is in a gas state in the processing container 20.
Install inside. Further, an exhaust port 36 having a relatively large diameter is formed on the lower side wall of the processing container 20 for exhausting the atmosphere in the processing container 20, and the exhaust port 36 is provided with an exhaust pump. Not exhaust system is connected.
【００１８】この処理容器２０のフランジ部２４の最外
周は、例えばステンレス製のベースプレート３８により
支持されて、処理容器２０の全体を保持している。そし
て、この処理容器２０の下端部の開口部２２は、例えば
ボートエレベータのごとき昇降機構４０により昇降可能
になされた石英製或いはステンレス製のキャップ部４２
により開閉可能になされている。このキャップ部４２上
に、半導体ウエハＷを所定のピッチで多段に載置した石
英製の被処理体支持手段としてウエハボート４４が保温
筒４６を介して載置されており、キャップ部４２の昇降
によって処理容器２０内に対してロード或いはアンロー
ドできるようになっている。The outermost periphery of the flange portion 24 of the processing container 20 is supported by, for example, a stainless steel base plate 38, and holds the entire processing container 20. The opening 22 at the lower end of the processing container 20 is made of, for example, a quartz or stainless cap portion 42 that can be moved up and down by an elevating mechanism 40 such as a boat elevator.
It can be opened and closed by. A wafer boat 44 is mounted on the cap portion 42 as a means for supporting an object to be processed made of quartz by mounting semiconductor wafers W in multiple stages at a predetermined pitch, via a heat retaining cylinder 46, and the cap portion 42 is moved up and down. By this, it is possible to load or unload the inside of the processing container 20.
【００１９】次に、以上のように構成された成膜装置を
用いて行なわれる本発明方法の第１実施例について図２
及び図３も参照して説明する。まず、昇降機構４０を降
下させたアンロード状態において、ウエハボート４４に
未処理の半導体ウエハＷを多段に載置し、昇降機構４０
を上昇駆動させる。尚、これらの半導体ウエハＷには、
前工程にて、図９に示すような界面膜６が形成されてい
る。上昇駆動により、キャップ部４２は次第に上昇して
多数枚、例えば８インチウエハを５０〜１００枚程度を
多段に載置したウエハボート４４は処理容器２０の下端
開口部２２より内部へ搬入してロードされ、最終的にこ
の開口部２２はキャップ部４２により閉じられて、処理
容器２０内を密閉することになる（図２中の点Ｐ１）。Next, FIG. 2 shows the first embodiment of the method of the present invention, which is carried out by using the film forming apparatus constructed as described above.
Also, reference will be made to FIG. First, in the unload state in which the elevating mechanism 40 is lowered, unprocessed semiconductor wafers W are placed in multiple stages on the wafer boat 44, and the elevating mechanism 40 is moved.
Drive up. Incidentally, these semiconductor wafers W are
In the previous step, the interface film 6 as shown in FIG. 9 is formed. By the ascending drive, the cap portion 42 gradually rises and a large number of wafers, for example, 50 to 100 8-inch wafers are placed in a multi-stage manner, and the wafer boat 44 is loaded into the inside of the lower end opening 22 of the processing container 20 and loaded. Finally, the opening 22 is closed by the cap portion 42 to seal the inside of the processing container 20 (point P1 in FIG. 2).
【００２０】そして、半導体ウエハＷを３００℃程度に
維持しつつ処理容器２０内を真空引きし、所定の圧力、
例えば４０Ｐａ（０．３Ｔｏｒｒ）程度に維持する（点
Ｐ２）。このように、処理容器２０内を所定の圧力まで
真空引きしたならば、次に、酸化剤付着工程へ移行す
る。ここでは、まず、酸化剤として所定量、例えば１０
０ｓｃｃｍ程度の水蒸気を酸化剤導入ノズル３２から供
給し、上記３００℃のプロセス温度及び上記４０Ｐａの
プロセス圧力を維持する。この水蒸気は、例えばＨ2 ガ
スを図示しない燃焼室内でＯ2 ガスにより燃焼させるこ
とによって発生させる。この水蒸気の供給により、図３
（Ａ）に示すように各半導体ウエハＷの界面膜６の表面
に非常に細かな水蒸気分子４８が一面に略均一に付着す
ることになる（点Ｐ３）。このように水蒸気を分子レベ
ルで付着させる酸化剤付着工程は、点Ｐ３まで例えば１
分程度、好ましくは０．１秒〜６００秒程度行なう。こ
の時の水蒸気の供給量は１０ｃｃ〜１０００ｃｃ（気
体）程度である。Then, the inside of the processing container 20 is evacuated while maintaining the semiconductor wafer W at about 300.degree.
For example, it is maintained at about 40 Pa (0.3 Torr) (point P2). After the inside of the processing container 20 has been evacuated to a predetermined pressure in this way, the process proceeds to the oxidant attaching step. Here, first, a predetermined amount of the oxidizing agent, for example, 10
Steam of about 0 sccm is supplied from the oxidant introduction nozzle 32 to maintain the process temperature of 300 ° C. and the process pressure of 40 Pa. This water vapor is generated, for example, by burning H 2 gas with O 2 gas in a combustion chamber (not shown). By supplying this steam, FIG.
As shown in (A), very fine water vapor molecules 48 are attached to the surface of the interface film 6 of each semiconductor wafer W substantially uniformly over one surface (point P3). In this way, the oxidant attaching process for attaching water vapor at the molecular level is performed up to point P3, for example, 1
It is carried out for about a minute, preferably about 0.1 to 600 seconds. The supply amount of water vapor at this time is about 10 cc to 1000 cc (gas).
【００２１】このように、酸化剤付着工程が終了したな
らば（点Ｐ３）、水蒸気の供給を停止して、次に、反応
工程へ移行する。この反応工程では、不活性ガスとして
例えばＮ2 ガスをキャリアガスとして用いてＰＥＴガス
を点Ｐ４まで所定量供給する。この供給量は０．０１ｃ
ｃ〜３ｃｃ（液体）程度である。このとき、ウエハＷの
表面には前述したように水蒸気分子４８が付着している
ので、供給されたＰＥＴガスはこの水蒸気分子４８と接
触し、３００℃程度の低温でも活性化されて反応が容易
になされ、図３（Ｂ）に示すように１分子レベル程度の
厚さ（略１Å）の第１層目のタンタル酸化膜（Ｔａ2 Ｏ
5 ）５０Ａが形成される。この時の反応式は以下のよう
に表され、反応によりアルコール（Ｃ2 Ｈ5 ＯＨ）が発
生する。
２Ｔａ（ＯＣ2 Ｈ5 ）5 ＋５Ｈ 2Ｏ → Ｔａ2 Ｏ5 ＋
１０Ｃ2 Ｈ5 ＯＨ↑When the oxidant deposition process is completed (point P3), the supply of steam is stopped and the reaction process is started. In this reaction step, for example, N 2 gas is used as a carrier gas as an inert gas, and a predetermined amount of PET gas is supplied to a point P4. This supply amount is 0.01c
It is about c to 3 cc (liquid). At this time, since the water vapor molecules 48 are attached to the surface of the wafer W as described above, the supplied PET gas comes into contact with the water vapor molecules 48 and is activated even at a low temperature of about 300 ° C. to facilitate the reaction. As shown in FIG. 3B, the first layer of tantalum oxide film (Ta 2 O) having a thickness of about one molecule level (approximately 1 Å) is formed.
5 ) 50A is formed. The reaction formula at this time is represented as follows, and alcohol (C 2 H 5 OH) is generated by the reaction. 2Ta (OC 2 H 5 ) 5 + 5H 2 O → Ta 2 O 5 +
10C 2 H 5 OH ↑
【００２２】この時のプロセス条件は、キャリアガスと
してのＮ2 ガスの流量が１０００ｓｃｃｍ程度であり、
プロセス圧力は直前の酸化剤付着工程と同じ４０Ｐａ程
度である。また、プロセス温度は、具体的には原料ガス
であるＰＥＴが表面反応を主体として反応するような温
度範囲、例えば１５０〜４００℃の範囲内に設定し、こ
こでは上述のように直前の酸化剤付着工程と同じ３００
℃に設定している。このプロセス温度が４００℃を超え
て大きくなると、表面反応ではなく気相反応が主体とな
るＣＶＤ成膜が発生して後述するように表面粗さが劣化
してしまうので好ましくない。また、プロセス温度が１
５０℃よりも低くなると、気化状態のＰＥＴが処理容器
２０内へ導入されると直ちに再液化してしまってこの気
化状態を維持することができず、反応を十分に促進させ
ることができない。また。好ましい温度範囲は２００〜
４００℃の範囲内である。The process conditions at this time are that the flow rate of N 2 gas as a carrier gas is about 1000 sccm,
The process pressure is about 40 Pa, which is the same as in the immediately preceding oxidant deposition step. Further, the process temperature is specifically set within a temperature range in which PET, which is a raw material gas, reacts mainly due to surface reaction, for example, within a range of 150 to 400 ° C., and here, as described above, the oxidizing agent immediately before is used. Same as the adhesion process 300
Set to ℃. If this process temperature exceeds 400 ° C. and becomes large, CVD film formation that mainly involves gas phase reaction rather than surface reaction occurs and the surface roughness deteriorates as described later, which is not preferable. Also, the process temperature is 1
When the temperature is lower than 50 ° C., the vaporized PET is immediately reliquefied when introduced into the processing container 20, and the vaporized state cannot be maintained, and the reaction cannot be sufficiently promoted. Also. The preferred temperature range is 200-
It is within the range of 400 ° C.
【００２３】また、上述のように酸化剤付着工程と反応
工程のプロセス温度及びプロセス圧力を同じ値に設定す
ることにより、工程を移行する時にプロセス温度の昇降
温操作やプロセス圧力の昇降操作を行う必要がないの
で、その分、スループットを向上させることが可能とな
る。この反応処理を例えば２分程度、好ましくは１０秒
〜６０秒程度行なうことにより、水蒸気分子４８が略消
費尽くされて厚さが１Å程度のタンタル酸化膜５０Ａが
形成される。このように、反応工程が終了したならばＰ
ＥＴの供給を停止し（点Ｐ４）、次に、再度、前述した
ような酸化剤付着工程（点Ｐ２−点Ｐ３）と反応工程
（点Ｐ３−点Ｐ４）をこの順序で点Ｐ４〜点Ｐ９に示す
ように順次繰り返し行い（図３（Ｃ）及び図３
（Ｄ））、第２層目のタンタル酸化膜５０Ｂ以降を堆積
させる。Further, by setting the process temperature and the process pressure of the oxidizing agent attaching process and the reaction process to the same value as described above, the process temperature is raised or lowered and the process pressure is raised or lowered when the process is transferred. Since it is not necessary, the throughput can be improved accordingly. By carrying out this reaction treatment for, for example, about 2 minutes, preferably for 10 seconds to 60 seconds, the vapor molecules 48 are almost completely consumed and the tantalum oxide film 50A having a thickness of about 1Å is formed. Thus, when the reaction process is completed, P
The supply of ET is stopped (point P4), and then the oxidant attachment step (point P2-point P3) and the reaction step (point P3-point P4) as described above are repeated in this order from point P4 to point P9. As shown in Fig. 3 (C) and Fig. 3 (C).
(D), the second and subsequent layers of tantalum oxide film 50B are deposited.
【００２４】このような酸化剤付着工程と反応工程との
繰り返しをｎ回、例えば目標とする最終の膜厚にもよる
が、数回から数１０回程度行って、図３（Ｅ）に示すよ
うに全体として積層されたタンタル酸化膜を得る。図３
（Ｅ）に示す場合には、上記一連の工程を５回繰り返し
行って５層のタンタル酸化膜５０Ａ〜５０Ｅが得られた
状態を示している。このようにして、全てのタンタル酸
化膜の膜厚のトータルで、目標とする膜厚を得ることに
なる。このようにして、最後のサイクルの反応工程が終
了したならば（点Ｐ９）、ウエハＷを所定のハンドリン
グ温度まで降温させ（点Ｐ１０）、処理容器２０内から
ウエハＷをアンロードして搬出させることになる。この
ように、プロセス温度を４００℃以下に維持し、酸化剤
付着工程と反応工程とをこの順序で複数回繰り返し行う
ことにより、表面反応を主体とする反応で分子レベルで
一層ずつ極めて薄いタンタル酸化膜を積層させるように
したので、全体としてのタンタル酸化膜は、厚さが偏る
ことなく膜厚の面内均一性を高く維持でき、しかも、数
Å〜１００Å程度の非常に薄いタンタル酸化膜を、制御
性よく、その表面に凹凸を生ぜしめることなく表面粗さ
が非常に小さくて、電気的特性が良好なタンタル酸化膜
を得ることができる。FIG. 3 (E) shows that such an oxidizing agent attaching step and a reaction step are repeated n times, for example, several times to several tens times depending on the target final film thickness. Thus, a tantalum oxide film laminated as a whole is obtained. Figure 3
In the case of (E), the above-described series of steps is repeated five times to obtain five layers of tantalum oxide films 50A to 50E. In this way, the target film thickness can be obtained from the total film thickness of all tantalum oxide films. In this way, when the reaction step of the last cycle is completed (point P9), the temperature of the wafer W is lowered to a predetermined handling temperature (point P10), and the wafer W is unloaded and unloaded from the processing container 20. It will be. As described above, the process temperature is maintained at 400 ° C. or lower, and the oxidant adhesion step and the reaction step are repeated a plurality of times in this order, so that the reaction mainly including the surface reaction causes extremely thin tantalum oxidation at the molecular level. Since the films are stacked, the tantalum oxide film as a whole can maintain a high in-plane uniformity of the film thickness without unevenness, and can be a very thin tantalum oxide film of several Å to 100 Å. It is possible to obtain a tantalum oxide film having good controllability, a very small surface roughness without causing irregularities on the surface, and good electrical characteristics.
【００２５】また、上記第１実施例における各ガスの流
量、プロセス温度、プロセス圧力等は単に一例を示した
に過ぎず、これらに限定されないのは勿論である。例え
ばプロセス圧力に関しては、酸化剤付着工程及び反応工
程において、共に１．３Ｐａ（０．０１Ｔｏｒｒ）〜６
６５Ｐａ（５Ｔｏｒｒ）程度の範囲内で行うことができ
る。また、上記第１実施例では、酸化剤付着工程におい
て、酸化剤ガスとして水蒸気（Ｈ2 Ｏ）を用いたが、こ
れに限定されず、過酸化水素水（Ｈ2 Ｏ2 ）やオゾン
（Ｏ3 ）を用いるようにしてもよい。また、上記第１実
施例においては、酸化剤付着工程と反応工程とを繰り返
し行う時にそれぞれ連続して行うようにしているが、こ
れらの両工程間に、直前の工程で上記処理容器２０内へ
導入した酸化剤ガス、或いはＰＥＴガスを処理容器２０
内の気相中から排除するためのガス排除工程を行うよう
にしてもよい。The flow rate of each gas, the process temperature, the process pressure and the like in the first embodiment are merely examples, and needless to say, are not limited to these. For example, with respect to the process pressure, both 1.3 Pa (0.01 Torr) to 6 in the oxidizing agent attaching step and the reaction step.
It can be performed within a range of about 65 Pa (5 Torr). Further, in the above-described first embodiment, water vapor (H 2 O) is used as the oxidant gas in the oxidant attaching step, but the present invention is not limited to this, and hydrogen peroxide solution (H 2 O 2 ) and ozone (O 2 ) are used. 3 ) may be used. In addition, in the first embodiment, when the oxidizing agent attaching step and the reaction step are repeatedly performed, they are continuously performed. The introduced oxidizing gas or PET gas is used as the processing container 20.
You may make it perform the gas elimination process in order to exclude from the gas phase inside.
【００２６】図４はこのような本発明方法の第２実施例
の流れを示すタイムチャートである。図２と図４とを比
較して明らかなように、この図４に示す第２実施例にお
いては、図２中に示す酸化剤付着工程と反応工程との間
及び反応工程と酸化剤付着工程との間に、それぞれガス
排除工程を行うようにしている。図４中においては、こ
のガス排除工程は、点Ｐ１３−点Ｐ１４、点Ｐ１５−点
Ｐ１６、点Ｐ１７−点Ｐ１８及び点Ｐ２０−点Ｐ２１間
にて行われている。また、この場合、成膜処理の開始の
点Ｐ１１−点Ｐ１２で行われる真空引きもガス排除工程
として捉えることができる。このガス排除工程では、直
前の工程（点Ｐ１１−点Ｐ１２の場合は除く）で処理容
器２０内に導入された酸化剤ガス或いはＰＥＴガスを気
相中から排除するためのものであり、例えば点Ｐ１３−
点Ｐ１４間で示されるガス排除工程では、この直前の酸
化剤付着工程（点Ｐ１２−点Ｐ１３）にて処理容器２０
内へ導入されて気相中に残存する水蒸気ガスを排除する
ものであり、また、点Ｐ１５−点Ｐ１６間で示されるガ
ス排除工程は、この直前の反応工程（点Ｐ１４−点Ｐ１
５）にて処理容器２０内へ導入されて気相中に残存する
ＰＥＴガスを排除するものである。FIG. 4 is a time chart showing the flow of the second embodiment of the method of the present invention. As is clear from comparison between FIG. 2 and FIG. 4, in the second embodiment shown in FIG. 4, between the oxidizing agent attaching step and the reacting step and between the reacting step and the oxidizing agent attaching step shown in FIG. The gas elimination step is performed between each of the steps. In FIG. 4, this gas elimination step is performed between point P13-point P14, point P15-point P16, point P17-point P18, and point P20-point P21. Further, in this case, the vacuum evacuation performed at the point P11 to the point P12 at which the film forming process is started can also be regarded as a gas elimination step. In this gas elimination step, the oxidant gas or PET gas introduced into the processing container 20 in the immediately preceding step (excluding the case of point P11-point P12) is to be eliminated from the gas phase. P13-
In the gas elimination step shown between points P14, the processing container 20 is subjected to the oxidant adhesion step (point P12-point P13) immediately before this.
Water vapor gas introduced into the interior and remaining in the gas phase is eliminated, and the gas elimination step shown between point P15 and point P16 is the reaction step immediately before this (point P14-point P1).
In 5), the PET gas introduced into the processing container 20 and remaining in the gas phase is eliminated.
【００２７】このガス排除工程における具体的な操作
は、処理容器２０への全てのガスの供給を停止した状態
でこの中を真空引きして処理容器２０内をベース圧、例
えば０．４Ｐａ（０．００３Ｔｏｒｒ）まで減圧するこ
とによってＰＥＴガスや水蒸気を排除するガス排気用真
空引き操作や、処理容器２０内を真空引きしつつこの処
理容器２０内にＮ2 ガス等の不活性ガスを導入すること
によってＰＥＴガスや水蒸気を排除するガス排気用不活
性ガスパージ操作を選択的に行うことができる。この場
合、ガス排除工程は、例えば１〜２分間程度行えばよ
い。このように、ガス排除工程を行うことにより、この
直前の工程で処理容器２０内に導入されて気相中に残存
するＰＥＴガス、或いは水蒸気を排除するようにしてい
るので、この直後の工程で水蒸気或いはＰＥＴガスを処
理容器２０内に導入した時に、気相中には成膜反応に寄
与するガスが残存しないので、表面粗さの悪化の原因と
なる気相反応が生ずることがなくなり、従って、最終的
に得られるタンタル酸化膜の表面粗さを非常に小さく抑
制することが可能となる。The specific operation in this gas elimination step is performed by evacuating the interior of the processing container 20 with the supply of all the gas to the processing container 20 stopped, and setting the inside pressure of the processing container 20 to a base pressure, for example, 0.4 Pa (0 Vacuum exhaust operation for exhausting PET gas and water vapor by reducing the pressure to 0.003 Torr) or introducing an inert gas such as N 2 gas into the processing container 20 while evacuating the processing container 20. With this, it is possible to selectively perform an inert gas purging operation for exhausting gas for eliminating PET gas and water vapor. In this case, the gas elimination step may be performed for about 1 to 2 minutes, for example. As described above, by performing the gas elimination step, the PET gas or the water vapor introduced into the processing container 20 and remaining in the gas phase in the immediately preceding step is eliminated, so that the step immediately after this is performed. When water vapor or PET gas is introduced into the processing container 20, no gas that contributes to the film formation reaction remains in the gas phase, so there is no gas phase reaction that causes deterioration of the surface roughness. The surface roughness of the finally obtained tantalum oxide film can be suppressed to be extremely small.
【００２８】ここで、ガス排除工程としてガス排気用不
活性ガスパージ操作を行った場合において、この時の処
理容器２０内の圧力を、この工程の前後の酸化剤付着工
程や反応工程の時の圧力と同一の値、例えば４０Ｐａに
維持しておけば、全工程に亘って同一圧力値となるの
で、工程毎に圧力調整を行う必要がなくなり、その分、
処理速度が迅速化してスループットを向上させることが
可能となる。上記図４に示す第２実施例では、ガス排除
工程で、ガス排気用真空引き操作とガス排気用不活性ガ
スパージ操作の内のいずれか一方の操作を選択的に行う
ようにしたが、これに限定されず、これらの両操作を連
続的に行うようにしてもよい。Here, when the inert gas purging operation for gas exhaust is performed as the gas elimination step, the pressure in the processing container 20 at this time is set to the pressure at the time of the oxidizing agent attaching step and the reaction step before and after this step. If the pressure is maintained at the same value as, for example, 40 Pa, the pressure value will be the same throughout all steps, so there is no need to perform pressure adjustment for each step,
The processing speed can be increased and the throughput can be improved. In the second embodiment shown in FIG. 4 described above, in the gas elimination step, either one of the evacuation operation for gas exhaust and the inert gas purge operation for gas exhaust is selectively performed. There is no limitation, and both of these operations may be performed continuously.
【００２９】図５はこのような本発明方法の第３実施例
の流れを示すタイムチャートである。図４と図５とを比
較して明らかなように、この図５に示す第３実施例にお
いては、図４中に示すガス排除工程においてその前半は
ガス排気用真空引き操作を行い、その後半は圧力復帰
（調整）の機能も併せ持たせてガス排気用不活性ガスパ
ージ操作を行っている。図５中においては、ガス排気用
真空引き操作は、点Ｐ１１−点Ｐ１１−１、点Ｐ１３−
点Ｐ１３−１、点Ｐ１５−点Ｐ１５−１、点Ｐ１７−点
Ｐ１７−１及び点Ｐ２０−点Ｐ２０−１間にて行われて
いる。また、ガス排気用不活性ガスパージ操作は、点Ｐ
１１−１−点Ｐ１２、点Ｐ１３−１−点Ｐ１４、点Ｐ１
５−１−点Ｐ１６、点Ｐ１７−１−点Ｐ１８及び点Ｐ２
０−１−点Ｐ２１間にて行われている。ここで、ガス排
気用真空引き操作とガス排気用不活性ガスパージ操作の
各操作は、それぞれ例えば１分間程度行えばよい。この
ように、ガス排除工程において、ガス排気用真空引き操
作とガス排気用不活性ガスパージ操作とを連続的に行う
ようにすれば、処理容器２０内の気相中には成膜反応に
寄与するガスが略完全に存在しなくなるので、従って、
最終的に得られるタンタル酸化膜の表面粗さを一層非常
に小さく抑制することが可能となる。FIG. 5 is a time chart showing the flow of the third embodiment of the method of the present invention. As is clear from comparison between FIG. 4 and FIG. 5, in the third embodiment shown in FIG. 5, the first half of the gas elimination step shown in FIG. Also has a pressure recovery (adjustment) function to perform an inert gas purge operation for gas exhaust. In FIG. 5, the vacuum evacuation operation for gas exhaust is performed at point P11-point P11-1, point P13-.
It is performed between point P13-1, point P15-point P15-1, point P17-point P17-1, and point P20-point P20-1. In addition, the inert gas purging operation for gas exhaust is performed at the point P.
11-1-Point P12, Point P13-1-Point P14, Point P1
5-1-Point P16, Point P17-1-Point P18 and Point P2
It is performed between 0-1 and point P21. Here, each operation of the evacuation operation for gas exhaust and the inert gas purge operation for gas exhaust may be performed for about 1 minute, for example. As described above, in the gas elimination step, if the vacuum evacuation operation for gas exhaust and the inert gas purge operation for gas exhaust are continuously performed, they contribute to the film formation reaction in the gas phase in the processing container 20. The gas is almost completely absent, so
The surface roughness of the finally obtained tantalum oxide film can be suppressed to a much smaller level.
【００３０】次に、本発明方法のＭＬＤ成膜と従来のＣ
ＶＤ成膜（先の特願２０００−８０９０４にて開示した
方法を含む）によって得られたタンタル酸化膜の表面粗
さの評価と、膜中の炭素濃度の評価を行ったので、その
評価結果について説明する。図６は温度が４１０℃にて
ＣＶＤ成膜を行った時（特願２０００−８０９０４に開
示した方法を含む）と、温度が２００℃及び３００℃に
てそれぞれ本発明のＭＬＤ成膜を行った時のそれぞれの
膜の表面粗さを表すグラフである。尚、形成した膜厚
は、すべて実質的に同じ厚さである。図６に示すグラフ
中、結果Ａ及び結果Ｂはそれぞれ図５に示す本発明の第
３実施例の方法で成膜を行った時の結果を示し、結果Ａ
は全体のプロセス温度を２００℃に維持して１００回繰
り返した場合、結果Ｂは全体のプロセス温度を３００℃
に維持して５０回繰り返した場合をそれぞれ示してい
る。また、結果Ｃは先の出願（特願２０００−８０９０
４）に開示した方法で成膜した場合を示しており、プロ
セス温度は４１０℃である。更に、結果Ｄは従来の一般
的なＣＶＤにより成膜した場合を示しており、プロセス
温度は４１０℃である。Next, the MLD film formation of the method of the present invention and the conventional C
The surface roughness of the tantalum oxide film obtained by the VD film formation (including the method disclosed in Japanese Patent Application No. 2000-80904) and the carbon concentration in the film were evaluated. explain. In FIG. 6, MLD film formation of the present invention was performed at a temperature of 410 ° C. (including the method disclosed in Japanese Patent Application No. 2000-80904) and at a temperature of 200 ° C. and 300 ° C., respectively. It is a graph showing the surface roughness of each film | membrane at the time. The formed film thicknesses are all substantially the same. In the graph shown in FIG. 6, results A and results B respectively show the results when the film was formed by the method of the third embodiment of the present invention shown in FIG.
When the total process temperature is maintained at 200 ° C and repeated 100 times, the result B is the total process temperature of 300 ° C.
Each time is maintained 50 times and repeated 50 times. The result C is the result of the previous application (Japanese Patent Application No. 2000-8090).
It shows a case where a film is formed by the method disclosed in 4), and the process temperature is 410 ° C. Further, the result D shows the case where the film is formed by the conventional general CVD, and the process temperature is 410 ° C.
【００３１】このグラフから明らかなように、表面粗に
関して、本発明方法の結果Ａ、Ｂはそれぞれ１．２Å及
び１．５Åを示しており、本発明方法の場合にはＣＶＤ
成膜による結果Ｄの４．５Å及び先の出願の方法による
結果Ｃの２Åよりも表面粗さがかなり小さくなってお
り、良好な結果を得られることが判明した。尚、本発明
方法において、プロセス温度が２００℃の場合の膜厚の
成長レートは、１回当たり０．５Å程度であり、３００
℃の場合は１．０Å程度であった。また、図７は温度が
４１０℃にてＣＶＤ成膜を行った時と本発明のＭＬＤ成
膜を行った時のそれぞれの膜中の炭素濃度を示すグラフ
である。図７に示すグラフ中、特性Ａは図５に示す本発
明の第３実施例の方法で成膜を行った時の結果（プロセ
ス温度は３００℃）を示し、特性Ｂは従来の一般的なＣ
ＶＤ成膜を行った時の結果（プロセス温度は４１０℃）
を示す。As is clear from this graph, the results A and B of the method of the present invention show 1.2 Å and 1.5 Å, respectively, with respect to the surface roughness.
It was found that the surface roughness was considerably smaller than the result D of 4.5 Å by the film formation and the result C of 2 Å by the method of the previous application, and it was found that good results can be obtained. In the method of the present invention, the growth rate of the film thickness when the process temperature is 200 ° C. is about 0.5 Å per time,
In the case of ° C, it was about 1.0Å. Further, FIG. 7 is a graph showing the carbon concentration in each film when the CVD film is formed at a temperature of 410 ° C. and when the MLD film of the present invention is formed. In the graph shown in FIG. 7, characteristic A shows the result (process temperature is 300 ° C.) when the film is formed by the method of the third embodiment of the present invention shown in FIG. C
Results when VD film formation is performed (process temperature is 410 ° C)
Indicates.
【００３２】このグラフから明らかなように、今後タン
タル酸化膜の使用態様で予定される少なくとも厚さ５０
Åまでは、特性Ｂよりも本発明の特性Ａの方が炭素濃度
の値が十分に小さくなっており、これにより電気的特性
が本発明方法による膜の方がかなり優れていることが判
明した。尚、以上の各本実施例では、反応工程におい
て、ＰＥＴガスと共にキャリアガスとしてＮ2 ガスを用
いたが、他の不活性ガス、例えばＨｅ、Ｎｅ、Ａｒガス
を用いてもよい。また、原料ガスとしてはＰＥＴガスに
限定されず、タンタルを含んだ他の原料ガスを用いても
よい。As is clear from this graph, at least a thickness of 50 at which the tantalum oxide film will be used in the future is expected.
Up to Å, the carbon concentration value of the characteristic A of the present invention is sufficiently smaller than that of the characteristic B, which proves that the electrical characteristics of the film obtained by the method of the present invention are considerably superior. . Although N 2 gas was used as a carrier gas together with PET gas in the reaction step in each of the above examples, other inert gas such as He, Ne, Ar gas may be used. Further, the source gas is not limited to PET gas, and other source gas containing tantalum may be used.
【００３３】また、上記各実施例では、半導体ウエハの
表面にタンタル酸化膜を堆積させる場合を例にとって説
明したが、他の例として具体的には、図８にも示すよう
に、例えばＭＩＭ構造のキャパシタのキャパシタ絶縁膜
としてタンタル酸化膜８を堆積させる場合にも本発明方
法を適用することができる。すなわち、図８（Ａ）に示
すようにＳｉＯ2 等よりなる層間絶縁膜５上に形成され
た例えばルテニウムよりなる下部電極３に対して、図８
（Ｂ）に示すようにキャパシタ絶縁膜としてタンタル酸
化膜８を形成する際に、前述したような同じ温度、圧力
等のプロセス条件で本発明方法を用いる。これにより、
インキュベーションタイムが解消されて下部電極３上と
層間絶縁膜５上に同等の厚さのタンタル酸化膜８を堆積
させることができるのみならず、電気特性が良好で、し
かも表面粗さも非常に小さなタンタル酸化膜を得ること
ができる。従って、図８（Ｃ）に示すように、この上層
に上部電極１１を堆積して両電極３、１１間に電圧を印
加しても、先に図１２において説明した場合と異なって
絶縁不良部分９（図１２参照）が発生していないので、
その電気的特性を高く維持することが可能となる。尚、
このキャパシタはＭＩＭ構造であるが、これに限定され
ず、例えばＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ
Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造のキャパシタにも適
用することができる。In each of the above embodiments, the case where the tantalum oxide film is deposited on the surface of the semiconductor wafer has been described as an example, but as another example, specifically, as shown in FIG. The method of the present invention can also be applied to the case where the tantalum oxide film 8 is deposited as the capacitor insulating film of the capacitor. That is, as shown in FIG. 8A, the lower electrode 3 made of, for example, ruthenium, which is formed on the interlayer insulating film 5 made of SiO 2 or the like, is used as shown in FIG.
When the tantalum oxide film 8 is formed as the capacitor insulating film as shown in FIG. 6B, the method of the present invention is used under the same process conditions such as temperature and pressure as described above. This allows
Not only the tantalum oxide film 8 having the same thickness can be deposited on the lower electrode 3 and the interlayer insulating film 5 by eliminating the incubation time, but also the tantalum has excellent electric characteristics and has a very small surface roughness. An oxide film can be obtained. Therefore, as shown in FIG. 8C, even if the upper electrode 11 is deposited on this upper layer and a voltage is applied between the electrodes 3 and 11, unlike the case described above with reference to FIG. Since 9 (see FIG. 12) has not occurred,
It becomes possible to maintain the electrical characteristics high. still,
This capacitor has an MIM structure, but is not limited to this. For example, MIS (Metal Insulator) is used.
The invention can also be applied to a capacitor having a semiconductor structure.
【００３４】また、ここでは、単管構造で、一度に多数
枚の半導体ウエハに対して処理を行なうことができる、
バッチ式の成膜装置を例にとって説明したが、これに限
定されず、２重管構造のバッチ式の成膜装置や半導体ウ
エハを１枚ずつ処理する、いわゆる枚葉式の成膜装置に
も本発明を適用できるのは勿論である。更に、被処理体
としては、半導体ウエハに限定されず、ＬＣＤ基板、ガ
ラス基板等にも本発明を適用できるのは勿論である。Further, here, with a single tube structure, it is possible to perform processing on a large number of semiconductor wafers at one time.
Although the batch type film forming apparatus has been described as an example, the present invention is not limited to this, and may be applied to a batch type film forming apparatus having a double tube structure or a so-called single wafer type film forming apparatus for processing semiconductor wafers one by one. Of course, the present invention can be applied. Furthermore, the object to be processed is not limited to a semiconductor wafer, and it goes without saying that the present invention can be applied to an LCD substrate, a glass substrate, or the like.
【００３５】[0035]
【発明の効果】以上説明したように、本発明の成膜方法
によれば、次のように優れた作用効果を発揮することが
できる。請求項１、３〜７に規定する発明によれば、気
相反応を抑制して表面反応を主体とした反応を生ぜしめ
て分子レベルの極めて薄い膜を一層ずつ複数層に亘って
形成することにより全体のタンタル酸化膜を堆積させる
ようにしたので、膜厚の面内均一性が非常に高くて表面
粗さは非常に小さく、しかも電気的特性が良好な薄い膜
厚のタンタル酸化膜を精度良く形成することができる。
また、酸化剤付着工程と反応工程との間でガス排除工程
を行うようにしているので、処理容器内の気相中に滞留
する酸化剤ガス、或いは原料ガスを略確実に排除でき、
従って、気相反応の発生を略確実に抑制して表面反応を
主体とした成膜を行うことができる。請求項２に規定す
る発明によれば、処理容器内の圧力を昇降させる必要が
ないので、成膜処理のスループットを向上させることが
できる。As described above, according to the film forming method of the present invention, the following excellent operational effects can be exhibited. According to the inventions defined in claims 1 and 3 to 7 , by suppressing the gas phase reaction and causing the reaction mainly including the surface reaction to form an extremely thin film at a molecular level over a plurality of layers one by one. Since the entire tantalum oxide film is deposited, the in-plane uniformity of the film thickness is very high, the surface roughness is very small, and the thin tantalum oxide film with good electrical characteristics can be accurately formed. Can be formed.
Further , since the gas elimination step is performed between the oxidant attachment step and the reaction step, the oxidant gas staying in the gas phase in the processing container or the raw material gas can be almost certainly eliminated,
Therefore, it is possible to almost certainly suppress the occurrence of the gas phase reaction and perform the film formation mainly based on the surface reaction. According to the invention defined in claim 2 , since it is not necessary to raise or lower the pressure in the processing container, the throughput of the film forming process can be improved.
【図１】本発明方法を実施する成膜装置を示す構成図で
ある。FIG. 1 is a configuration diagram showing a film forming apparatus for carrying out the method of the present invention.
【図２】本発明方法の第１実施例の流れを示すタイムチ
ャートである。FIG. 2 is a time chart showing the flow of the first embodiment of the method of the present invention.
【図３】本発明方法における成膜状態を示す模式図であ
る。FIG. 3 is a schematic diagram showing a film formation state in the method of the present invention.
【図４】本発明方法の第２実施例の流れを示すタイムチ
ャートである。FIG. 4 is a time chart showing a flow of a second embodiment of the method of the present invention.
【図５】本発明方法の第３実施例の流れを示すタイムチ
ャートである。FIG. 5 is a time chart showing the flow of a third embodiment of the method of the present invention.
【図６】温度４１０℃にてＣＶＤ成膜を行った時と、温
度２００℃及び３００℃にてそれぞれ本発明のＭＬＤ成
膜を行った時のそれぞれの膜の表面粗さを表すグラフで
ある。FIG. 6 is a graph showing the surface roughness of each film when a CVD film is formed at a temperature of 410 ° C. and when the MLD film of the present invention is formed at temperatures of 200 ° C. and 300 ° C. .
【図７】温度４１０℃にてＣＶＤ成膜を行った時と本発
明のＭＬＤ成膜を行った時のそれぞれの膜中の炭素濃度
を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing carbon concentrations in a CVD film formed at a temperature of 410 ° C. and a carbon film in the MLD film formed according to the present invention.
【図８】ＭＩＭ構造のキャパシタのキャパシタ絶縁膜と
してタンタル酸化膜を堆積させる場合について説明する
ための図である。FIG. 8 is a diagram for explaining a case of depositing a tantalum oxide film as a capacitor insulating film of a MIM structure capacitor.
【図９】タンタル酸化膜をゲート絶縁膜等に用いた時の
キャパシタ構造の一例を示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing an example of a capacitor structure when a tantalum oxide film is used as a gate insulating film or the like.
【図１０】タンタル酸化膜の成膜レートとインキュベー
ションタイムとの関係を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing a relationship between a film formation rate of a tantalum oxide film and an incubation time.
【図１１】インキュベーションタイムの時の成膜状態を
示す模式図である。FIG. 11 is a schematic diagram showing a film formation state during an incubation time.
【図１２】ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ
Ｍｅｔａｌ）構造のキャパシタの絶縁膜について説明す
るための図である。FIG. 12: MIM (Metal Insulator)
It is a figure for demonstrating the insulating film of the capacitor of a (Metal) structure.
２ ソース ４ ドレイン ８ タンタル酸化膜 １０ ＴｉＮ膜 １２ ゲート電極 ２０ 処理容器 ２６ 加熱ヒータ（加熱手段） ３０ 原料ガス導入ノズル（原料ガス供給手段） ３２ 酸化剤導入ノズル（酸化剤供給手段） ３４ 酸素導入ノズル ４４ ウエハボート ４８ 水蒸気ガス ５０Ａ〜５０Ｄ タンタル酸化膜 Ｗ 半導体ウエハ（被処理体） 2 sources 4 drain 8 Tantalum oxide film 10 TiN film 12 Gate electrode 20 Processing container 26 Heater (heating means) 30 Raw material gas introduction nozzle (raw material gas supply means) 32 Oxidizing agent introduction nozzle (oxidizing agent supply means) 34 Oxygen introduction nozzle 44 wafer boat 48 Steam gas 50A-50D tantalum oxide film W Semiconductor wafer (Processing object)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 両角 友一朗 山梨県韮崎市穂坂町三ツ沢650番地 東 京エレクトロン山梨株式会社内 (72)発明者 崔 東均 山梨県韮崎市穂坂町三ツ沢650番地 東 京エレクトロン山梨株式会社内 (72)発明者 長谷部 一秀 山梨県韮崎市穂坂町三ツ沢650番地 東 京エレクトロン山梨株式会社内 (56)参考文献 特開2001−338922（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−179423（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−121397（ＪＰ，Ａ) 特開2001−250823（ＪＰ，Ａ) 特開2002−164348（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C23C 16/40 H01L 21/316 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Yuichiro Ryukaku, 650 Mitsuzawa, Hosaka-cho, Nirasaki-shi, Yamanashi Tokyo Electron Yamanashi Co., Ltd. Electron Yamanashi Co., Ltd. (72) Inventor Kazuhide Hasebe, Mitsuzawa 650, Hosaka-cho, Nirasaki City, Yamanashi Prefecture Tokyo Electron Yamanashi Co., Ltd. (56) Reference JP 2001-338922 (JP, A) JP 1-179423 (JP, A) JP 5-121397 (JP, A) JP 2001-250823 (JP, A) JP 2002-164348 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB) Name) C23C 16/40 H01L 21/316
Claims (7)
スと酸化剤ガスとを用いてタンタル酸化膜を形成する成
膜方法において、 前記被処理体の表面に前記酸化剤ガスを付着させる酸化
剤付着工程と、前記酸化剤ガスを前記処理容器内の気相中から排除する
ためのガス排除工程と、 前記付着された酸化剤ガスに対して前記原料ガスを作用
させてタンタル酸化膜を形成する反応工程と、 前記原料ガスを前記処理容器内の気相中から排除するた
めのガス排除工程とを この順序で複数回繰り返し行うよ
うにしたことを特徴とする成膜方法。1. A film forming method for forming a tantalum oxide film on a surface of an object to be processed in a processing container by using a source gas and an oxidant gas, wherein the oxidant gas is adhered to the surface of the object to be processed. And a step of removing the oxidant gas from the gas phase in the processing container.
A gas elimination process for a reaction forming a tantalum oxide film by the action of the raw material gas to the attached oxidant gas, was to eliminate the source gas from the gas phase in the processing chamber
And a gas removing step for removing the gas are repeated a plurality of times in this order.
スと酸化剤ガスとを用いてタンタル酸化膜を形成する成
膜方法において、 前記被処理体の表面に前記酸化剤ガスを付着させる酸化
剤付着工程と、前記付着された酸化剤ガスに対して前記
原料ガスを作用させてタンタル酸化膜を形成する反応工
程とをこの順序で複数回繰り返し行うと共に、前記酸化
剤付着工程と前記反応工程とは実質的に同一圧力下にて
行うようにしたことを特徴とする成膜方法。2. A film forming method for forming a tantalum oxide film on a surface of an object to be processed in a processing container by using a source gas and an oxidant gas, wherein the oxidant gas is attached to the surface of the object to be processed. an oxidant adhesion step for, and a reaction step of the raw material gas to act against the adhering oxidant gas to form a tantalum oxide film with repeated a plurality of times in this order, wherein the oxide
The agent attaching step and the reaction step are under substantially the same pressure.
A film forming method characterized by being performed .
へのガスの供給を停止しつつ前記処理容器内を真空引き
するガス排気用真空引き操作または／及び前記処理容器
内へ不活性ガスを導入しつつ真空引きするガス排気用不
活性ガスパージ操作よりなることを特徴とする請求項１
記載の成膜方法。3. In each of the gas removing steps, a gas evacuation operation for evacuating the inside of the processing container while stopping the supply of the gas into the processing container and / or an inert gas into the processing container. characterized by comprising from inert gas purging operation gas exhaust evacuated while introducing claim 1
The film forming method described.
程と前記反応工程とは、実質的に同一圧力下にて行うよ
うにしたことを特徴とする請求項１又は３記載の成膜方
法。Wherein the said oxidant adhesion step between the each gas elimination process reaction step, film forming method according to claim 1 or 3, wherein it has to perform substantially under the same pressure .
応を主体として反応するような温度範囲にて行うように
したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載
の成膜方法。Wherein said reaction step, film forming method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the raw material gas was performed at a temperature range such that the reaction mainly of surface reaction .
囲内であることを特徴とする請求項５記載の成膜方法。6. The film forming method according to claim 5 , wherein the temperature range is within a range of 150 to 400 ° C.
Ｏ3 の内のいずれか１つであることを特徴とする請求項
１乃至６のいずれかに記載の成膜方法。7. The oxidant gas is H 2 O, H 2 O 2 ,
The film deposition method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that any one of O 3.
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