JP2004047660A - Apparatus and method for forming film - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a film forming apparatus such as a CVD for forming a high-quality high dielectric constant gate insulating film with high throughput, and to provide a film forming method. <P>SOLUTION: The film forming apparatus uses an organic metal compound as a first film formation raw material, introduces the organic metal compound into a reaction chamber 1 from a shower head 6 so that it opposes a wafer surface, and has an exhaust valve 76 for quickly exhausting residual gas in the shower head 6. Additionally, a second film forming raw material such as H2O, O3 is introduced to the reaction chamber 1 from a nozzle where a channel differs from that of the shower head 6. As a result, films can be formed by ALD and MOCVD methods by the same apparatus, and hence the high-quality high dielectric constant gate insulating film can be formed with high throughput. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，成膜装置に関し、高誘電率膜を形成する成膜装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の消費電力を減らすために，ＳｉＯ２ゲート絶縁膜の薄膜化が進められている。ＳｉＯ２ゲート絶縁膜が薄膜化すると次の事が問題となる。つまり，ゲート電極とチャネル層との間の直接トンネル効果による漏れ電流が増加する。さらには，ゲート絶縁膜の絶縁破壊の信頼性が低下する。この問題を解決するために，ＳｉＯ２に代わる材料として，物理的に厚い膜を用いてもＳｉＯ２と同じ静電容量が得られる高誘電率材料の適用検討が進んでいる。これにより，漏れ電流や絶縁破壊を抑えることができる。
【０００３】
これらの高誘電率ゲート絶縁膜を成膜するＣＶＤ装置としては，例えば，特開平２００２−８９９５号公報には、有機金属化合物を用いて熱分解反応（ＭＯＣＶＤ）でウエハに金属酸化物を成膜するＣＶＤ装置が開示されている。
【０００４】
また，例えば，特開平２００１−２００７５号公報などには、例えば、２つの異なった基に属する反応物を、交互に供給することにより，ウエハに金属酸化膜を原子層毎に成膜するＡＬＤ（原子層気相成長）装置に関して開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平２００２−８９９５号公報に記載のような装置では，比較的，成膜レートが大きいためスループット（単位時間に生産できるウエハ枚数）は大きいが堆積膜の表面平滑性（表面モフォロジー）が悪いため、リーク電流が大きいなどのゲート絶縁膜としての膜質の向上には限度があり、その対策が必要である。
【０００６】
例えば，特開平２００１−２００７５号公報に記載の装置では，上記ＭＯＣＶＤ法に比較して，表面平坦性（表面モフォロジー）や膜質が良い反面，原料ガスの切替えに伴なう，バルブ開閉時間やガス排気時間が長く，且つ，原子層（数オングストローム）毎に成長させるため成長速度（約０．１〜０．２ｎｍ／ｍｉｎ）が非常に遅く，スループットが低い。また，頻繁に原料供給バルブの開閉を行うためバルブ寿命が短くなる傾向にある。
【０００７】
高誘電率ゲート絶縁膜を，例えば，希フッ酸洗浄したＳｉウエハ上に上記のＭＯＣＶＤ法でＨｆ酸化物などの高誘電率ゲート絶縁膜を成膜するとＳｉウエハと絶縁膜の界面に数ｎｍ程度の誘電率の低いＳｉＯ２などの界面層が形成される。この様な界面層が形成されるとゲート絶縁膜の誘電率が低下して所望の性能が得られない。そのため，数原子層（０．１〜０．２ｎｍ／ｍｉｎ）毎に成膜することにより，緻密性に優れ，膜表面モフォロージの良い膜が得られるＡＬＤ法による成膜が着目されている。しかし，この方法では，上記した様に，スループットが高くない。
【０００８】
しかし，この高誘電率ゲート絶縁膜を，従来のＭＯＣＶＤ装置で形成すると，スループットは高いが堆積膜の表面平滑性や膜質（リーク電流が大きいなど）が良くない。一方，ＡＬＤ装置で形成すると，スループットが低く，原料切替えバルブの寿命が短く頻繁に交換しなければならないなどと言う問題がある。
【０００９】
本発明の目的は，高いスループットで膜質の良い高誘電率ゲート絶縁膜を成膜できる成膜装置及びその形成方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために，例えば以下のような形態をとることができる。
【００１１】
例えば、本発明では同一装置で，ＭＯＣＶＤ法とＡＬＤ法による成膜を備えて、効果的に運転することにより、高スループットで膜質の良い高誘電率ゲート絶縁膜を成膜できる様にする。
【００１２】
成膜装置において，昇温してから、第１の成膜原料ガス導入手段から有機金属化合物を供給して，第２の成膜原料ガス導入手段からＨ２ＯやＯ３等を交互に供給してＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：原子層気相成長）を行う。その後、更に昇温してから、第１の成膜原料ガス導入手段（シャワーヘッド）から有機金属化合物を導入してＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：有機金属化学気相成長）を行う。
（１）成膜する半導体基板を設置するサセプタを内部に備えた反応室と、第一の成膜原料を供給する第一の供給径路と、第二の成膜原料を供給する第二の供給径路と、を備え、前記第一の供給径路に連絡し、前記半導体基板を設置した空間に前記第一の成膜原料を供給する多孔を備えた第一の原料供給部と、前記第二の供給径路に連絡し、前記半導体基板を設置した空間に前記第二の成膜原料を供給する第二の原料供給部と、前記基板を加熱する温度制御機構と、を備え、前記第一の成膜原料として有機金属化合物が供給され、半導体基板を前記サセプタに設置させた後、前記温度制御機構を用いて前記半導体基板を第一の温度に昇温し、前記第一の成膜原料を前記サセプタに設置する半導体基板に向けて供給して前記半導体基板表面に前記有機金属化合物層を形成し、前記第一の成膜原料の供給を停止した後、前記第二の成膜原料を前記第二の原料供給部から前記半導体基板に供給して、前記有機金属化合物と反応させて第一の反応生成物層を形成する第一の制御と、前記金属酸化物層形成後、前記温度制御機構を用いて前記半導体基板を前記第一の温度より高い第二の温度に昇温し、前記第一の成膜原料供給部から前記半導体基板へ前記第一の成膜原料を供給し、熱分解反応で第二の反応生成物層を形成する第二の制御と、を行う制御装置とを有することを特徴とする成膜装置である。例えば、前期第二の原料は、実質的に有機金属化合物を含まない原料である。
（２）反応室と、第一の供給径路と、第二の供給径路と、を備え、前記第一の供給径路に連絡し、前記半導体基板を設置した空間に前記第一の成膜原料を供給する多孔を備えた第一の原料供給部と、前記第二の供給径路に連絡し、前記第一の供給部とは別の径路から、前記半導体基板を設置した空間に前記第二の成膜原料を供給する第二の原料供給部と、前記温度制御機構と、を備え、前記第一の成膜原料を前記サセプタに設置する半導体基板に向けて供給して前記半導体基板表面に前記有機金属化合物層を形成した後、前記第二の成膜原料を前記第二の原料供給部から前記半導体基板に供給し、前記有機金属化合物と反応させて金属酸化物層を形成する第一の制御と、前記第一の制御の後、前記温度制御機構を用いて半導体基板を昇温する温度制御と、前記昇温後、前記第一の成膜原料供給部から前記半導体基板へ前記第一の成膜原料を供給し、前記原料の熱分解反応で熱分解層を形成する第二の制御と、を行う制御装置とを備え、前記第一の制御により形成された膜厚の合計より前記第二の制御により形成された膜厚の方が大きくなるように制御されることを特徴とする制御装置である。
（３）反応室と、第一の原料供給部と、第二の原料供給部と、を備え、前記第一の成膜原料供給部は、前記半導体基板を設置するサセプタに対向して配置され、前記サセプタに向いて開口した多数の孔を有し、前記第一の成膜原料は有機金属化合物であることを特徴とする成膜装置である。
【００１３】
前記成膜装置は、ＣＶＤ装置であることができる。前記原料供給部は、シャワーヘッドである。
【００１４】
前記反応室内で前記第一の成膜原料と前記第二の成膜原料により反応がおきるように形成する。また、前記形成される膜は、Ｓｉウエハ等にＴｉ（チタン）酸化物，Ｚｒ（ジルコニウム）酸化物，Ｈｆ（ハフ二ウム）酸化物，または，これらの複合金属酸化膜のいずれかであることが好ましい。
前記第１の成膜原料ガス導入手段としてウエハ表面と対向する様にシャワーヘッドを設けると共に，
そのシャワーヘッドに，前記第１の成膜原料ガス導入手段と流路が異なる第２の成膜原料ガス導入手段として，ノズル等の原料導入部を回転するウエハ中心を避ける他の領域に配置したことを特徴とする成膜装置。
（４）前記（１）〜（３）おいて、前記第二の成膜原料供給部は、前記第一原料供給部の中心より外側であって最も外周側の孔より中心側に形成される。
（５）前記（１）〜（３）において、前記第二の成膜原料供給部は、前記第一原料供給部の最も外周側に位置する孔より外側に形成される。
【００１５】
例えば、第一の成膜原料のガス導入手段としてウエハ表面と対向する様にシャワーヘッドを設けると共に，第二の成膜原料のガス導入手段として反応室内壁面にノズル等の原料供給部を設けるようにすることができる。
（６）前記（１）において、前記第一の成膜原料供給部は、前記孔の上流側に空間を有するシャワーヘッドであって、前記シャワーヘッド内の空間のガスを前記反応室内へ流す排気ポートを備える。
【００１６】
前記第一の原料供給停止後に前記シャワーヘッド内に残留する第一の成膜原料を含むガスを前記排気ポートを経て反応室内に排気し、真空ポンプなどにより反応室内から除去する。
（７）半導体基板を第一の温度に昇温する工程と、有機金属化合物を有する第一の成膜原料を半導体基板に向けて供給して前記半導体基板表面に前記有機金属化合物膜を形成する工程と、前記有機金属化合物の供給後、第二の成膜原料を供給し、前記有機金属化合物と反応させて第一の反応生成物膜を形成する工程と、を有する原子層気相成長工程と、前記原子層気相成長工程の後、前記半導体基板を前記第一の温度より高い第二の温度に昇温する工程と、前記第一の成膜原料を前記半導体基板へ供給し、前記原料の熱分解反応で第二の反応生成物膜を形成する化学気相成長工程と、を有することを特徴とする成膜方法である。
【００１７】
ここで、前記原子層気相成長工程における形成膜の厚は、前記原子層気相成長工程の各工程を繰り返し回数で制御できる。。
（８）有機金属化合物を有する第一の成膜原料を半導体基板に向けて供給して前記半導体基板表面に前記有機金属化合物層を形成する工程と、前記有機金属化合物の供給後、Ｈ２Ｏ或いはＯ３などの少なくとも一つを含む第二の成膜原料を供給し、前記有機金属化合物層と反応させて金属酸化物を形成する工程と、を有する原子層気相成長工程と、前記第一の成膜原料を前記半導体基板へ供給して前記原料の熱分解反応で、前記原子層気相成長工程により形成された膜の上に熱分解膜（例えば、第２の金属酸化物）を形成する化学気相成長工程と、を有し、前記原子層気相成長工程により形成された前記膜より前記化学気相成長工程で形成された前記膜の方が厚くなるように形成することを特徴とする成膜方法である。
（９）前記（７）において、前記原子層気相成長工程と、その後の前記化学気相成長工程との間で前記半導体基板を大気雰囲気に曝さないように容器内に保持することが好ましい。
（１０）半導体基板を提供する工程と、前記半導体基板に素子分離領域を形成する工程と、前記基板にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、を有する半導体装置の製造方法であって、前記ゲート絶縁膜は、有機金属化合物を有する第一の成膜原料を半導体基板に向けて供給して前記半導体基板表面に前記有機金属化合物層を形成する工程と、前記有機金属化合物の供給後、Ｈ２Ｏ或いはＯ３の少なくとも一つを含む第二の成膜原料を供給し、前記有機金属化合物層と反応させて第一の金属酸化物を形成する工程と、を有する原子層気相成長工程と、前記原子層気相成長工程の後、前記半導体基板を昇温する工程と、前記第一の成膜原料を前記半導体基板へ供給し、前記原料の熱分解反応で第二の金属酸化物を形成する化学気相成長工程と、を備え、前記原子層気相成長工程により形成された膜厚より前記化学気相成長工程で形成された膜厚が厚くなるように形成することを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【００１８】
前記原子層気相成長工程と、その後の前記化学気相成長工程とを、半導体基板を一旦容器の外へ出したりせずに、大気の流入を抑制した同じ反応室内で、への実施する。
【００１９】
また、例えば、ＣＶＤ装置等の成膜装置を用いて，第１ステップでＡＬＤ法で成膜し，第２ステップでＭＯＣＶＤ法で成膜するようにして、高誘電率ゲート絶縁膜を成膜する。
【００２０】
また、例えば、第１ステップでＡＬＤ法で成膜し，第２ステップでＭＯＣＶＤ法で成膜し，第３ステップでＡＬＤ法で成膜するようにして、高誘電率ゲート絶縁膜を成膜する。
【００２１】
これらのＣＶＤ装置を用いて，ＡＬＤ法で成膜することにより高誘電率ゲート絶縁膜を形成する。または、ＭＯＣＶＤ法で成膜することにより高誘電率ゲート絶縁膜を形成する。
（１１）前記（７）おいて、昇温開始から前記第一の温度にして前記第一の原料を供給するまでの時間における単位時間当たりの昇温温度は、前記原子層気相成長工程の後、昇温開始から前記第二の温度にして前記第一の原料を供給するまでの時間における単位時間当たりの昇温温度より大きくすることを特徴とする。
（１２）前記（７）において、前記原子層気相成長工程における前記第一の原料供給開始時の前記半導体基板における温度が高い部分と温度が低い部分との温度差を、前記化学気相成長工程における前記温度差より大きくすることを特徴とする。
【００２２】
具体的には，第１成膜原料として有機金属化合物を用いる。有機金属化合物を用いる理由は，ＭＯＣＶＤ法による成膜では，ガス流量の安定供給が必須である。この点において，有機金属化合物の気化による供給の方が金属化合物の昇華によるガス化に比較して安定供給が可能なためである。
【００２３】
前記第１の成膜原料ガス導入手段としてウエハ表面と対向する様にシャワーヘッドを設けると共に，そのシャワーヘッドに，前記第１の成膜原料ガス導入手段と流路が異なる第２の成膜原料ガス導入手段として，ノズル等の原料導入部を設けた。
【００２４】
ＡＬＤ法では，第１成膜原料を短時間にウエハ表面に均一に吸着させる必要がある。そのため，第１成膜原料は，シャワーヘッドなどによりウエハ面に均一に供給する。一方，第２成膜原料は，均一に吸着した第１成膜原料との反応に十分な量の供給が要求されるが，均一性に関しては，さほど重要ではない。従って，単一ノズルからの供給で良い。
【００２５】
また，第１成膜原料として有機金属化合物を用いると共に，前記第１の成膜原料ガス導入手段としてウエハ表面と対向する様にシャワーヘッドを設けると共に，第２の成膜原料ガス導入手段として反応室内壁面にノズル等の原料導入部を設ける。この様な構造にするのは，第２成膜原料は，均一に吸着した第１成膜原料との反応に十分な量の供給が要求されるが，均一性に関しては，さほど重要ではないためである。
【００２６】
また，前記シャワーヘッドにシャワーヘッド内の残留ガスを反応室を経由して排気するための排気ポートを設ける。これは，ＡＬＤ法では，シャワーヘッド６内に残留ガスがあると，第２成膜原料を導入した時に，シャワーヘッド６内で反応が起こり異物等の発生要因になる。そのため，スループットの観点から高速で，シャワーヘッド６内の残留ガスを高速に排気する必要があるためである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図１から図３を用いて説明する。
（第一実施形態）
図１は，第一実施形態のＣＶＤ装置の構造と構成を示したものである。このＣＶＤ装置は反応室１，第１原料ガス供給部３１，第２原料ガス供給部３３及びクリーニングガス供給部３２で構成され，ウエハ５が回転する構造である。
【００２８】
反応室１内で，ウエハ５に所望のＴｉ酸化物，Ｚｒ酸化物，Ｈｆ酸化物，または，これらの複合膜の金属酸化膜を成膜する。また，反応室１の内壁面２などのクリーニングガスと接触する部位は，クリーニングによるダメージを低減するために，クリーニングガスに対して耐性のある材料または表面処理（例えば，アルマイト処理，フッカニッケル不働態処理など）が施されている。
【００２９】
なお、各バルブ７０，７１，７２やヒータ４或いはマスフローコントローラ１５，１９，２１、真空ポンプ１２や、各供給部は配線は省略して図示していないが制御装置１００により制御されている。もっとも、配線に限らず無線で制御信号を連絡するようにしても良い。
【００３０】
半導体基板であるシリコンウエハ５をサセプタ３に設置して、ウエハ５を昇温して、第１原料ガス供給部３１では，　有機金属化合物（液体原料）１４を気化して反応室１に送り込む。Ｈｅガス１７の圧力で押し出された有機金属化合物１４　は液体マスフローコントローラ１５により，所望量が気化器１６に送り込まれる。送り込まれた有機金属化合物１４は高温に保持された気化器１６内で気化する。この気化した有機金属化合物１４は配管４１を通して不活性ガス（例えばＮ２ガス）と共に　シャワーヘッド６を経由して反応室１内に導入される構造である。配管４１，及びシャワーヘッド６は，気化した有機金属化合物１４が再液化しない様に所望の温度（有機金属化合物が気化状態を維持するより高く，かつ，有機金属化合物が熱分解する温度よりも低い温度（例えば，ＨｆＯ２膜をＨｆ（ＭＭＰ）４を用いて成膜する場合であれば，１８０〜２００℃）に加熱してある。この他，酸素２０もマスフローコントローラ２１で所望量反応室１内に供給できる様にしてある。
【００３１】
第２原料ガス供給部３３では，　第２成膜原料（例えば，Ｈ２Ｏ，Ｏ３など）を気化した状態で，配管６０でシャワーヘッド６を経由しない経路で反応室１に送り込む構造である。配管６０の先端は，ウエハ５中心を避ける位置に配置し，ウエハ５を回転することで，ウエハ５全面に第２成膜原料を供給する。配管６０をウエハを中心に配置すると，図１に矢印で示す様に，ガス流れが左右振り分け（いわゆる死水領域）になり，中心には第２成膜原料が到達し難い。また，配管６０は，気化状態の第２成膜原料が液化しない様に必要に応じて所望の温度に加熱できる構造にしてある。
【００３２】
クリーニングガス供給部３２では，例えば，クリーニングガスをプラズマ（例えば，ＲＦプラズマ，μ波プラズマなど）により活性化して，内面がアルマイト処理されたクリーニングガス供給配管６１でシャワーヘッド６を経由して反応室１内に送り込む構造である。
【００３３】
このＣＶＤ装置では，（１）成膜作業（複数枚ウエハ処理），（２）クリーニング作業，（３）プリ成膜作業が順次繰り返される。
【００３４】
まず，上記（１）の成膜作業の手順について説明する。まず，ＡＬＤ法による成膜を行う。サセプター３をさげて，その上面位置が搬送口１０の水平面位置になる様にする。そして，ゲートバルブ１１を開けて，図示しない搬送アームでウエハ５を搬送口１０からサセプター３上に移動し，押上棒８を上方に移動させることで，ウエハ５を搬送アームから受け取り，搬送アームを反応室１外に移動すると共にゲートバルブ１１を閉じる。次に押上棒８を下げると共にサセプター３を成膜位置まで上方に移動させる。
【００３５】
この時，サセプター３内に埋め込まれたヒーター４に給電線７から電力を供給することによりウエハ５を所望の温度（１００〜３００℃程度）に上昇させる。同様に，反応室壁面２とシャワーヘッド６も温調ユニット１３で所望の温度（〜２００℃）に上昇させておく。上記の様な温度設定のもとで，
（１）まず，バルブ７０を開けて，第１原料ガス供給部３１から気化した所望量の有機金属化合物１４をシャワーヘッド６から反応室１に導入すると共に真空ポンプ１２で反応室１内を所望の圧力（数〜数１０００Ｐａ）にして必要時間（数秒間）ウエハ５表面に有機金属化合物を均一に数原子層吸着させた後，バルブ７０を閉める。
（２）次に，バルブ７１を開けて，第２原料ガス供給部３３から，気化した所望量のＨ２Ｏを反応室１内に直接導入すると共に，真空ポンプ１２で反応室１内を所望の圧力（数１００〜数１０００Ｐａ）にして必要時間（数秒間）ウエハ５表面に吸着した有機金属化合物１４とＨ２Ｏを反応させ，ウエハ５表面に金属酸化物を１〜２原子層堆積させる。その後，バルブ７１を閉める。ここで，Ｈ２Ｏをシャワーヘッド６とは別に，反応室１内に直接導入するのは，シャワーヘッド６内に残留する有機金属化合物１４とＨ２Ｏが接触する加水分解が起こり，シャワーヘッド６内に反応生成物が堆積し，異物の原因となるためである。
【００３６】
以上の様な，（１）（２）の工程を繰り返す事により，堆積膜厚を増加させていく。つまり，繰り返し回数により，堆積膜厚を制御し，所望量の膜厚を堆積させる。
【００３７】
次に，ＭＯＣＶＤ法による成膜を行う。
（１）まず，ウエハ５の温度を所望の温度（３００〜６００℃）に上昇させる。
（２）バルブ７０を開けて，第１原料ガス供給部３１から気化した所望量の有機金属化合物１４をシャワーヘッド６から反応室１に導入すると共に真空ポンプ１２で反応室１内を所望の圧力（数１００〜数１０００Ｐａ）にして必要時間（数秒から数分）熱分解反応させて，ウエハ５表面に金属酸化膜を堆積させ後，バルブ７０を閉める。この時，必要であれば，酸素２０をマスフローコントローラ２１で所望量バルブ７２を開けて導入しても良い。
【００３８】
以上の，ＡＬＤ法とＭＯＣＶＤ法で所望量の膜厚（数ｎｍ）を堆積させ，反応室１内の残留ガスを排気した後，サセプター３をさげて，その上面位置が搬送口１０の水平面位置になる様にする。そして，押上棒８でウエハ５を上方に持ち上げる。次に，ゲートバルブ１１を開けて，図示しない搬送アームを搬送口１０からサセプター３上に移動し，押上棒８を下方に移動させることで，ウエハ５を搬送アームに載せる。そして，搬送アームを反応室１外に移動すると共にゲートバルブ１１を閉じる。
【００３９】
なお、ＭＯＣＶＤ法による成膜の際の温度はＡＬＤ法による成膜の温度以上の温度で実施することが好ましい。
【００４０】
ＭＯＣＶＤの成膜温度をＡＬＤの成膜温度より少なくとも１．０倍以上とすることにより、少なくとも成膜スピードや膜質が低下しすぎないようにすることができる。また、３．０倍以下にすることが好ましい。これは、膜厚の制御性や膜厚分布が悪化し過ぎないようにするためである。
【００４１】
また、より好ましくは、前記値は、１．２倍以上にするのが良い。十分な成膜速度を得ることや、ＭＯＣＶＤ法による成膜の際の膜質を向上させる観点によるものである。また、２．０倍以下にするのが良い。加熱機構を含む装置及び温度制御性を悪化させないためである。
【００４２】
さらに、好ましくは、前記値は、１．４倍以上にするのが良い。また、１．６倍以下にするのが良い。これにより、高品質の膜質を十分な成膜スピードにより得ることができる。
【００４３】
例えば、一例として、前記第１原料供給部３１から供給される原料として、有機金属化合物のうち、テトラキス（１−メトキシ−２−メチル−２−プロポキシ）
ハフ二ウム
【　Ｈｆ（ＯＣ（ＣＨ３）２ＣＨ２ＯＣＨ３）４　】または，テトラキス（１−メトキシ−２−
メチル−２−プロポキシ）ジルコ二ウム
【　Ｚｒ（ＯＣ（ＣＨ３）２ＣＨ２ＯＣＨ３）４　】を用いる場合は、ＡＬＤ法による成膜の際は、２００℃以上３００℃以下程度にする。その後昇温して、ＭＯＣＶＤ法による成膜の際は、４００℃以上５００℃以下にすることが好ましい。または、前記原料として、前記有機金属化合物のうち，ハフ二
ウム　ｔ−ブトキシド
【　Ｈｆ（ＯＣ（ＣＨ３）３）４　】または，ジルコ二ウム　ｔ−ブトキシ
ド
【　Ｚｒ（ＯＣ（ＣＨ３）３）４　】を用いる場合は、ＡＬＤ法による成膜の際は、１００℃以上２００℃以下程度にする。その後昇温して、ＭＯＣＶＤ法による成膜の際は、３００℃以上４００℃以下にすることが好ましい。
【００４４】
または、半導体基板であるＳｉウエハ５をサセプタ３に載置後、前記ヒータ４でウエハ５を昇温開始してからＡＬＤ法による成膜を開始する時間（例えば、第１原料を供給開始する時間）における単位時間当たりの昇温温度は、前記ＡＬＤ法での成膜の後、前記ヒータ４でウエハ５を昇温開始してからＭＯＣＶＤ法による成膜を開始する時間（例えば、第１原料を供給開始する時間）における単位時間当たりの昇温温度より大きくなるよう温度を制御する。ＡＬＤ法による成膜時よりＭＯＣＶＤ法による成膜時を高温で実施することにより、高い成膜スピードで膜質の高い膜を形成することができる。
【００４５】
または、ＡＬＤ法における第１原料供給部３１から第一の原料の供給開始時の前記半導体基板における温度が高い部分と温度が低い部分との温度差を、前記化学気相成長工程における前記温度差より大きくするよう制御する。このような温度分布関係を形成することにより、高スループットで高品質の高誘電率膜を形成することができる。
【００４６】
例えば、前記原子層気相成長工程の前記第一原料供給開始時には、６％以下（好ましくは４％以下）の温度分布であれば前記第一原料を供給開始する。一方、前記化学気相成長工程では、１．２％以下（好ましくは０．４％以下）の温度分布になってから前記第一原料を供給開始するようにする。
【００４７】
複数回，この様な成膜処理作業を繰り返すと，反応室１の内壁面２にもウエハ５表面と同様に金属酸化物が堆積する。この堆積物は堆積量が増加するほど，熱応力や膜自身が持つ応力で壁面から剥がれ易くなる。剥がれた堆積物は，重力，静電気力，流体力でウエハ５表面に付着して，配線の断線や短絡を引き起こす。そのため，この様な事態になる前に，堆積物を除去して反応室１内を清浄化するためのクリーニング作業を実施する。
【００４８】
上記（２）のクリーニング作業の手順について説明する。
【００４９】
サセプター３をさげて，その上面位置が搬送口１０の水平面位置になる様にする。そして，ゲートバルブ１１を開けて，図示しない搬送アームでアルミナ製等のカバーウエハを搬送口１０からサセプター３上に移動し，押上棒８を上方に移動させることで，カバーウエハを搬送アームから受け取り，搬送アームを反応室１外に移動すると共にゲートバルブ１１を閉じる。次に押上棒８を下げると共にサセプター３を成膜位置まで上方に移動させる。
【００５０】
この時，サセプター３内に埋め込まれたヒーター４に給電線７から電力を供給することによりサセプター３を所望の温度（２００〜７００℃程度）にする。同様に，反応室壁面２とシャワーヘッド６も温調ユニット１３で所望の温度（〜３００℃）にする。
【００５１】
この様な温度設定のもとで，クリーニングガス供給部３２から活性化したＣｌなどを所望量反応室１内に導入すると共に真空ポンプ１２で反応室１内を所望の圧力（数１００〜数１００００Ｐａ）にして必要時間（数分）クリーニングする。
【００５２】
その後，サセプター３をさげて，その上面位置が搬送口１０の水平面位置になる様にする。そして，押上棒８でカバーウエハを上方に持ち上げる。次に，ゲートバルブ１１を開けて，図示しない搬送アームを搬送口１０からサセプター３上に移動し，押上棒８を下方に移動させることで，カバーウエハ４０を搬送アームに載せる。そして，搬送アームを反応室１外に移動すると共にゲートバルブ１１を閉じる。これで，クリーニング作業が終了する。
【００５３】
次に，上記（３）のプリ成膜作業について説明する。プリ成膜作業は，例えば，上記（１）のＭＯＣＶＤ法による成膜作業とほぼ同様である。ただし，成膜時間，温度，圧力等の成膜条件を変えても良い。この作業の目的は，クリーニング後の反応室内壁面２の残留ガスを封じ込め，表面を平滑にすることにより，以後の成膜の安定性を確保するためである。
【００５４】
以上説明した様に，第１実施形態によれば，高誘電率ゲート絶縁膜の形成において，膜質が要求される界面層（１ｎｍ以下）をＡＬＤ法で，それ以外の部分（約２〜３ｎｍ）をＭＯＣＶＤ法で，１台の装置で成膜できるため，高スループットでリーク電流の少ない高品質の高誘電率ゲート絶縁膜を形成できると言う効果がある。
（第二実施形態）
図２は，第二実施形態のＣＶＤ装置の構造と構成を示したものである。この実施形態では，第一実施形態のシャワーヘッド６に，残留ガス排気管７５と遠隔制御バルブ７６を付加した構造である。
【００５５】
本実施形態での成膜作業の手順について説明する。その他，クリーニング作業，プリ成膜作業は第１実施形態と同様のため説明は省略する。
【００５６】
まず，ＡＬＤ法による成膜を行う。サセプター３をさげて，その上面位置が搬送口１０の水平面位置になる様にする。そして，ゲートバルブ１１を開けて，図示しない搬送アームでウエハ５を搬送口１０からサセプター３上に移動し，押上棒８を上方に移動させることで，ウエハ５を搬送アームから受け取り，搬送アームを反応室１外に移動すると共にゲートバルブ１１を閉じる。次に押上棒８を下げると共にサセプター３を成膜位置まで上方に移動させる。
【００５７】
この時，サセプター３内に埋め込まれたヒーター４に給電線７から電力を供給することによりウエハ５を所望の温度（２００〜３００℃程度）に上昇させる。同様に，反応室壁面２とシャワーヘッド６も温調ユニット１３で所望の温度（〜２００℃）に上昇させておく。上記の様な温度設定のもとで，
（１）まず，バルブ７０を開けて，第１原料供給部３１から気化した所望量の有機金属化合物１４をシャワーヘッド６から反応室１に導入すると共に真空ポンプ１２で反応室１内を所望の圧力（数〜数１０００Ｐａ）にして必要時間（数秒間）ウエハ５表面に有機金属化合物を均一に数原子層吸着させた後，バルブ７０を閉める。
（２）その後，シャワーヘッド６に取り付けた残留ガス排気管７５の遠隔制御バルブ７６を開放して，シャワーヘッド６内の残留ガスを反応室１を経由して高速に排気した後，遠隔制御バルブ７６を閉める。
（３）次に，バルブ７１を開けて，第２原料ガス供給部３３から，気化した所望量のＨ２Ｏを反応室１内に直接導入すると共に，真空ポンプ１２で反応室１内を所望の圧力（数１００〜数１０００Ｐａ）にして必要時間（数秒間）ウエハ５表面に吸着した有機金属化合物１４とＨ２Ｏを反応させ，ウエハ５表面に金属酸化物を１〜２原子層堆積させる。その後，バルブ７１を閉める。ここで，Ｈ２Ｏをシャワーヘッド６とは別に，反応室１内に直接導入するのは，シャワーヘッド６内に残留する有機金属化合物１４とＨ２Ｏが接触する加水分解が起こり，シャワーヘッド６内に反応生成物が堆積し，異物の原因となるためである。
【００５８】
以上の様な，（１）（２）の工程を繰り返す事により，堆積膜厚を増加させていく。つまり，繰り返し回数により，堆積膜厚を制御し，所望量の膜厚を堆積させる。
【００５９】
次に，ＭＯＣＶＤ法による成膜を行う。
（１）まず，ウエハ５の温度を所望温度に上昇させる。
（２）バルブ７０を開けて，第１原料供給部３１から気化した所望量の有機金属化合物１４をシャワーヘッド６から反応室１に導入すると共に真空ポンプ１２で反応室１内を所望の圧力（数１００〜数１０００Ｐａ）にして必要時間（数秒から数分）熱分解反応させて，ウエハ５表面に金属酸化膜を堆積させ後，バルブ７０を閉める。この時，必要であれば，酸素２０をマスフローコントローラ２１で所望量バルブ７２を開けて導入しても良い。
（３）その後，シャワーヘッド６に取り付けた残留ガス排気管７５の遠隔制御バルブ７６を開放して，シャワーヘッド６内の残留ガスを反応室１を経由して高速に排気した後，遠隔制御バルブ７６を閉める。
【００６０】
以上の，ＡＬＤ法とＭＯＣＶＤ法で所望量の膜厚（数ｎｍ）を堆積させ，反応室１内の残留ガスを排気した後，サセプター３をさげて，その上面位置が搬送口１０の水平面位置になる様にする。そして，押上棒８でウエハ５を上方に持ち上げる。次に，ゲートバルブ１１を開けて，図示しない搬送アームを搬送口１０からサセプター３上に移動し，押上棒８を下方に移動させることで，ウエハ５を搬送アームに載せる。そして，搬送アームを反応室１外に移動すると共にゲートバルブ１１を閉じる。
【００６１】
以上説明した様に，第２実施形態によれば，高誘電率ゲート絶縁膜の形成において，膜質が要求される界面層（１ｎｍ以下）をＡＬＤ法で，それ以外の部分（約２〜３ｎｍ）をＭＯＣＶＤ法で，１台の装置で成膜できるため，高スループットでリーク電流の少ない高品質の高誘電率ゲート絶縁膜を形成できると言う効果がある。
（第三実施形態）
図３は，第三実施形態のＣＶＤ装置の構造と構成を示したものである。この実施形態では，第２実施形態に対して，第２原料ガス供給部３３を反応室の側壁面に配置した構造である。
【００６２】
本実施形態での成膜作業の手順について説明する。その他，クリーニング作業，プリ成膜作業は第１実施形態と同様のため説明は省略する。
【００６３】
まず，ＡＬＤ法による成膜を行う。サセプター３をさげて，その上面位置が搬送口１０の水平面位置になる様にする。そして，ゲートバルブ１１を開けて，図示しない搬送アームでウエハ５を搬送口１０からサセプター３上に移動し，押上棒８を上方に移動させることで，ウエハ５を搬送アームから受け取り，搬送アームを反応室１外に移動すると共にゲートバルブ１１を閉じる。次に押上棒８を下げると共にサセプター３を成膜位置まで上方に移動させる。
【００６４】
この時，サセプター３内に埋め込まれたヒーター４に給電線７から電力を供給することによりウエハ５を所望の温度（２００〜４００℃程度）に上昇させる。同様に，反応室壁面２とシャワーヘッド６も温調ユニット１３で所望の温度（〜２００℃）に上昇させておく。上記の様な温度設定のもとで，
（１）まず，バルブ７０を開けて，第１原料供給部３１から気化した所望量の有機金属化合物１４をシャワーヘッド６から反応室１に導入すると共に真空ポンプ１２で反応室１内を所望の圧力（数１００〜数１０００Ｐａ）にして必要時間（数秒間）ウエハ５表面に有機金属化合物を均一に数原子層吸着させた後，バルブ７０を閉める。
（２）その後，シャワーヘッド６に取り付けた残留ガス排気管７５の遠隔制御バルブ７６を開放して，シャワーヘッド６内の残留ガスを反応室１を経由して高速に排気した後，遠隔制御バルブ７６を閉める。
（３）次に，バルブ７１を開けて，第２原料ガス供給部３３から，気化した所望量のＨ２Ｏを反応室１内に直接導入すると共に，真空ポンプ１２で反応室１内を所望の圧力（数１００〜数１０００Ｐａ）にして必要時間（数秒間）ウエハ５表面に吸着した有機金属化合物１４とＨ２Ｏを反応させ，ウエハ５表面に金属酸化物を１〜２原子層堆積させる。その後，バルブ７１を閉める。ここで，Ｈ２Ｏをシャワーヘッド６とは別に，反応室１内に直接導入するのは，シャワーヘッド６内に残留する有機金属化合物１４とＨ２Ｏが接触する加水分解が起こり，シャワーヘッド６内に反応生成物が堆積し，異物の原因となるためである。
【００６５】
以上の様な，（１）（２）の工程を繰り返す事により，堆積膜厚を増加させていく。つまり，繰り返し回数により，堆積膜厚を制御し，所望量の膜厚を堆積させる。
【００６６】
次に，ＭＯＣＶＤ法による成膜を行う。
（１）まず，ウエハ５の温度を所望温度に上昇させる。
（２）バルブ７０を開けて，第１原料供給部３１から気化した所望量の有機金属化合物１４をシャワーヘッド６から反応室１に導入すると共に真空ポンプ１２で反応室１内を所望の圧力（数１００〜数１０００Ｐａ）にして必要時間（数秒から数分）熱分解反応させて，ウエハ５表面に金属酸化膜を堆積させ後，バルブ７０を閉める。この時，必要であれば，酸素２０をマスフローコントローラ２１で所望量バルブ７２を開けて導入しても良い。
（３）その後，シャワーヘッド６に取り付けた残留ガス排気管７５の遠隔制御バルブ７６を開放して，シャワーヘッド６内の残留ガスを反応室１を経由して高速に排気した後，遠隔制御バルブ７６を閉める。
【００６７】
以上の，ＡＬＤ法とＭＯＣＶＤ法で所望量の膜厚（数ｎｍ）を堆積させ，反応室１内の残留ガスを排気した後，サセプター３をさげて，その上面位置が搬送口１０の水平面位置になる様にする。そして，押上棒８でウエハ５を上方に持ち上げる。次に，ゲートバルブ１１を開けて，図示しない搬送アームを搬送口１０からサセプター３上に移動し，押上棒８を下方に移動させることで，ウエハ５を搬送アームに載せる。そして，搬送アームを反応室１外に移動すると共にゲートバルブ１１を閉じる。
【００６８】
以上説明した様に，第３実施形態によれば，高誘電率ゲート絶縁膜の形成において，膜質が要求される界面層（１ｎｍ以下）をＡＬＤ法で，それ以外の部分（約２〜３ｎｍ）をＭＯＣＶＤ法で，１台の装置で成膜できるため，高スループットでリーク電流の少ない高品質の高誘電率ゲート絶縁膜を形成できると言う効果がある。
【００６９】
【発明の効果】
本発明により、高いスループットで膜質の良い高誘電率ゲート絶縁膜を成膜できる成膜装置及びその形成方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の第１実施形態である半導体製造装置の主要部を示す断面図である。
【図２】図２は本発明の第１実施形態である半導体製造装置の主要部を示す断面図である。
【図３】図３は本発明の第１実施形態である半導体製造装置の主要部を示す断面図である。
【符号の説明】
１…反応室
２…内壁面
３…サセプター
４…ヒーター
５…Ｓｉウエハ
６…シャワーヘッド
７…給電線
８…押上棒
９…ベローズ
１０…搬送口
１１…ゲートバルブ
１２…真空ポンプ
１３…温調ユニット
１４…有機金属化合物
１５…液体マスフローコントローラ
１６…気化器
１７…Ｈｅガス
１８…不活性ガス
１９…マスフローコントローラ
２０…酸素
２１…マスフローコントローラ
３１…第１原料ガス供給部
３２…クリーニングガス供給部
３３…第２原料ガス供給部
４１…配管
６０…配管
６１…クリーニングガス供給配管
７０…バルブ
７１…バルブ
７２…バルブ
７５…残留ガス排気配管
７６…遠隔制御バルブ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a film forming apparatus, and more particularly, to a film forming apparatus for forming a high dielectric constant film.
[0002]
[Prior art]
In order to reduce the power consumption of a semiconductor device, the thickness of a SiO2 gate insulating film has been reduced. When the thickness of the SiO2 gate insulating film is reduced, the following problems occur. That is, the leakage current due to the direct tunnel effect between the gate electrode and the channel layer increases. Further, the reliability of the dielectric breakdown of the gate insulating film decreases. In order to solve this problem, application studies of a high dielectric constant material that can obtain the same capacitance as SiO2 even when a physically thick film is used as a material instead of SiO2 are being studied. Thereby, leakage current and dielectric breakdown can be suppressed.
[0003]
As a CVD apparatus for forming these high dielectric constant gate insulating films, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-8995 discloses a metal oxide film formed on a wafer by a thermal decomposition reaction (MOCVD) using an organometallic compound. Is disclosed.
[0004]
Also, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-20075 discloses an ALD (ALD) in which a metal oxide film is formed for each atomic layer on a wafer by alternately supplying reactants belonging to two different groups. Atomic layer vapor deposition) apparatus.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the apparatus described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-8995, the throughput (the number of wafers that can be produced per unit time) is large because the deposition rate is relatively high, but the surface smoothness (surface morphology) of the deposited film is low. Since it is bad, there is a limit to the improvement of the film quality as a gate insulating film such as a large leak current, and countermeasures are required.
[0006]
For example, in the apparatus described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-20075, the surface flatness (surface morphology) and film quality are better than the MOCVD method, but the valve opening / closing time and gas The evacuation time is long, and the growth rate (about 0.1 to 0.2 nm / min) is very slow because the growth is performed for each atomic layer (several angstroms), and the throughput is low. Further, since the material supply valve is frequently opened and closed, the valve life tends to be shortened.
[0007]
For example, when a high dielectric constant gate insulating film such as Hf oxide is formed on a Si wafer cleaned with dilute hydrofluoric acid by the above MOCVD method, a few nm is formed at the interface between the Si wafer and the insulating film. An interface layer such as SiO2 having a low dielectric constant is formed. When such an interface layer is formed, the dielectric constant of the gate insulating film is reduced, and desired performance cannot be obtained. For this reason, attention has been paid to film formation by the ALD method, in which a film is formed every few atomic layers (0.1 to 0.2 nm / min) to obtain a film having excellent denseness and a good film surface morphology. However, in this method, as described above, the throughput is not high.
[0008]
However, when this high dielectric constant gate insulating film is formed by a conventional MOCVD apparatus, the throughput is high but the surface smoothness and film quality (such as a large leak current) of the deposited film are not good. On the other hand, when formed by an ALD apparatus, there are problems that the throughput is low, the life of the material switching valve is short, and the material must be frequently replaced.
[0009]
An object of the present invention is to provide a film forming apparatus capable of forming a high-dielectric-constant gate insulating film with high quality at high throughput and a method for forming the same.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, for example, the following forms can be taken.
[0011]
For example, in the present invention, the same apparatus is provided with film formation by the MOCVD method and the ALD method, and by effectively operating the same, a high-permittivity gate insulating film with high throughput and good film quality can be formed.
[0012]
In the film forming apparatus, after the temperature is raised, an organometallic compound is supplied from the first film forming material gas introducing means, and H2O, O3, etc. are alternately supplied from the second film forming material gas introducing means, and ALD is performed. (Atomic Layer Deposition). Thereafter, after the temperature is further raised, an organic metal compound is introduced from the first film forming material gas introducing means (shower head), and MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) is performed.
(1) A reaction chamber having a susceptor in which a semiconductor substrate to be formed is installed, a first supply path for supplying a first film forming material, and a second supply for supplying a second film forming material A first source supply unit having a hole, which is connected to the first supply path and which supplies the first film forming source to a space in which the semiconductor substrate is installed; and A second material supply unit that communicates with a supply path and supplies the second film-forming material to a space in which the semiconductor substrate is installed; and a temperature control mechanism that heats the substrate; An organometallic compound is supplied as a film material, and after the semiconductor substrate is placed on the susceptor, the temperature of the semiconductor substrate is raised to a first temperature using the temperature control mechanism, and the first film forming material is Supplies to a semiconductor substrate installed on a susceptor and Forming a metal compound layer and stopping the supply of the first film forming material, then supplying the second film forming material from the second material supply unit to the semiconductor substrate, and forming the organic metal compound And the first control to form a first reaction product layer by reacting, after forming the metal oxide layer, the semiconductor substrate using the temperature control mechanism the second temperature higher than the first temperature Temperature, to supply the first film forming material to the semiconductor substrate from the first film forming material supply unit, the second control to form a second reaction product layer by a thermal decomposition reaction, And a control device for performing the film formation. For example, the second raw material is a raw material substantially free of an organometallic compound.
(2) A reaction chamber, a first supply path, and a second supply path are provided, and the first film forming material is connected to the first supply path, and the first film forming material is supplied to a space where the semiconductor substrate is installed. A first raw material supply unit having a supply hole and the second supply path are connected to each other, and the second component is supplied to a space in which the semiconductor substrate is installed from a path different from the first supply unit. A second material supply unit for supplying a film material, and the temperature control mechanism, wherein the first film-forming material is supplied toward a semiconductor substrate installed on the susceptor, and the organic material is supplied to a surface of the semiconductor substrate. After forming the metal compound layer, the first control for supplying the second film forming material from the second material supply unit to the semiconductor substrate and reacting with the organometallic compound to form a metal oxide layer After the first control, the semiconductor substrate is heated using the temperature control mechanism. Temperature control, after the temperature rise, supplying the first film-forming material from the first film-forming material supply unit to the semiconductor substrate, and forming a thermal decomposition layer by a thermal decomposition reaction of the material. And a control device for performing the control, wherein the film thickness formed by the second control is controlled to be larger than the total of the film thickness formed by the first control. It is a control device to perform.
(3) a reaction chamber, a first raw material supply unit, and a second raw material supply unit, wherein the first film forming raw material supply unit is disposed to face a susceptor on which the semiconductor substrate is installed. A plurality of holes opened toward the susceptor, and the first film forming material is an organometallic compound.
[0013]
The film forming apparatus may be a CVD apparatus. The raw material supply unit is a shower head.
[0014]
The first film forming material and the second film forming material are formed such that a reaction occurs in the reaction chamber. The film to be formed is any one of a Ti (titanium) oxide, a Zr (zirconium) oxide, a Hf (hafnium) oxide, or a composite metal oxide film thereof on a Si wafer or the like. Is preferred.
A shower head is provided as the first film forming material gas introducing means so as to face the wafer surface,
In the shower head, as a second film forming material gas introducing means having a flow path different from that of the first film forming material gas introducing means, a material introducing section such as a nozzle is arranged in another area avoiding the center of the rotating wafer. A film forming apparatus characterized by the above-mentioned.
(4) In (1) to (3), the second film forming material supply unit is formed outside the center of the first material supply unit and closer to the center than the outermost hole. .
(5) In (1) to (3), the second film-forming material supply unit is formed outside a hole located on the outermost side of the first material supply unit.
[0015]
For example, a shower head is provided so as to face the wafer surface as a gas introduction means for the first film forming material, and a material supply unit such as a nozzle is provided on the wall surface of the reaction chamber as a gas introduction means for the second film forming material. Can be
(6) In the above (1), the first film-forming raw material supply unit is a shower head having a space on the upstream side of the hole, and exhausting gas in the space in the shower head into the reaction chamber. It has a port.
[0016]
A gas containing the first film forming material remaining in the shower head after the supply of the first material is stopped is exhausted into the reaction chamber through the exhaust port, and is removed from the reaction chamber by a vacuum pump or the like.
(7) a step of raising the temperature of the semiconductor substrate to a first temperature, and supplying the first film-forming material having an organometallic compound toward the semiconductor substrate to form the organometallic compound film on the surface of the semiconductor substrate. And a step of supplying a second film forming raw material after the supply of the organometallic compound, and reacting with the organometallic compound to form a first reaction product film. And after the atomic layer vapor phase growth step, a step of raising the temperature of the semiconductor substrate to a second temperature higher than the first temperature, and supplying the first film forming material to the semiconductor substrate, A chemical vapor deposition step of forming a second reaction product film by a thermal decomposition reaction of a raw material.
[0017]
Here, the thickness of the film formed in the atomic layer vapor deposition step can be controlled by the number of repetitions of each step of the atomic layer vapor deposition step. .
(8) a step of supplying a first film-forming material having an organometallic compound toward a semiconductor substrate to form the organometallic compound layer on the surface of the semiconductor substrate; and supplying H2O or O3 after the supply of the organometallic compound. Supplying a second film-forming material including at least one of the above, and reacting with the organometallic compound layer to form a metal oxide. A chemical for supplying a film material to the semiconductor substrate and forming a thermally decomposed film (for example, a second metal oxide) on the film formed by the atomic layer vapor phase growth step by a thermal decomposition reaction of the material. A vapor phase growth step, wherein the film formed in the chemical vapor deposition step is thicker than the film formed in the atomic layer vapor phase growth step. This is a film forming method.
(9) In the above (7), it is preferable that the semiconductor substrate is held in a container so as not to be exposed to an air atmosphere between the atomic layer vapor deposition step and the subsequent chemical vapor deposition step.
(10) providing a semiconductor substrate, forming an element isolation region in the semiconductor substrate, forming a gate insulating film on the substrate, and forming a gate electrode on the gate insulating film; A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming the organometallic compound layer on the surface of the semiconductor substrate by supplying a first film forming material having an organometallic compound toward a semiconductor substrate; And supplying a second film-forming material containing at least one of H2O and O3 after the supply of the organometallic compound, and reacting with the organometallic compound layer to form a first metal oxide. The step of raising the temperature of the semiconductor substrate after the step of atomic layer vapor phase growth, and the step of supplying the first film-forming material to the semiconductor substrate, Second in decomposition reaction A chemical vapor deposition step of forming a metal oxide, wherein the film thickness formed in the chemical vapor deposition step is larger than the film thickness formed in the atomic layer vapor deposition step. A method of manufacturing a semiconductor device.
[0018]
The atomic layer vapor phase growth step and the subsequent chemical vapor phase growth step are carried out in the same reaction chamber in which the inflow of air is suppressed without once taking the semiconductor substrate out of the container.
[0019]
Further, for example, using a film forming apparatus such as a CVD apparatus, a high dielectric constant gate insulating film is formed by forming a film by an ALD method in a first step and forming a film by an MOCVD method in a second step. .
[0020]
Further, for example, a high dielectric constant gate insulating film is formed by forming a film by an ALD method in a first step, forming a film by an MOCVD method in a second step, and forming a film by an ALD method in a third step. .
[0021]
A high dielectric constant gate insulating film is formed by forming a film by the ALD method using these CVD apparatuses. Alternatively, a high-k gate insulating film is formed by MOCVD.
(11) In the above (7), the temperature rise per unit time in a period from the start of the temperature rise to the supply of the first raw material to the first temperature is determined by the atomic layer vapor deposition step. Thereafter, the temperature is set to be higher than the temperature rising temperature per unit time in a period from the start of temperature rising to the second temperature to the supply of the first raw material.
(12) In the above (7), the temperature difference between the high temperature part and the low temperature part in the semiconductor substrate at the start of the supply of the first raw material in the atomic layer vapor phase growth step is determined by the chemical vapor deposition. The temperature difference is made larger than the temperature difference in the process.
[0022]
Specifically, an organometallic compound is used as the first film forming material. The reason for using an organometallic compound is that in film formation by the MOCVD method, a stable supply of gas flow is essential. In this point, the supply by the vaporization of the organic metal compound is more stable than the gasification by the sublimation of the metal compound.
[0023]
A shower head is provided as the first film forming material gas introducing means so as to face the wafer surface, and a second film forming material having a different flow path from the first film forming material gas introducing means is provided in the shower head. A raw material introduction section such as a nozzle was provided as a gas introduction means.
[0024]
In the ALD method, the first film forming material needs to be uniformly adsorbed on the wafer surface in a short time. Therefore, the first film forming material is uniformly supplied to the wafer surface by a shower head or the like. On the other hand, the second film forming material is required to be supplied in a sufficient amount for the reaction with the uniformly adsorbed first film forming material, but the uniformity is not so important. Therefore, supply from a single nozzle is sufficient.
[0025]
In addition, an organometallic compound is used as the first film forming material gas, a shower head is provided as the first film forming material gas introducing means so as to face the wafer surface, and a reaction is performed as the second film forming material gas introducing means. A raw material introduction section such as a nozzle is provided on the indoor wall surface. In order to adopt such a structure, the second film-forming material needs to be supplied in a sufficient amount for the reaction with the uniformly adsorbed first film-forming material, but the uniformity is not so important. It is.
[0026]
Further, the showerhead is provided with an exhaust port for exhausting residual gas in the showerhead via the reaction chamber. In the ALD method, if there is a residual gas in the shower head 6, a reaction occurs in the shower head 6 when the second film-forming material is introduced, which becomes a factor of generating foreign matters and the like. Therefore, it is necessary to exhaust the residual gas in the shower head 6 at high speed from the viewpoint of throughput.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
(First embodiment)
FIG. 1 shows the structure and configuration of the CVD apparatus of the first embodiment. The CVD apparatus includes a reaction chamber 1, a first source gas supply unit 31, a second source gas supply unit 33, and a cleaning gas supply unit 32, and has a structure in which the wafer 5 rotates.
[0028]
In the reaction chamber 1, a desired metal oxide film of Ti oxide, Zr oxide, Hf oxide, or a composite film thereof is formed on the wafer 5. In addition, in order to reduce damage due to cleaning, a portion that is in contact with the cleaning gas, such as the inner wall surface 2 of the reaction chamber 1, is made of a material or a surface treatment (for example, anodized aluminum, a passivated nickel passivation) that is resistant to the cleaning gas. Processing, etc.).
[0029]
The valves 70, 71, 72, the heater 4, the mass flow controllers 15, 19, 21, the vacuum pump 12, and the supply units are controlled by a control device 100 (not shown), although wiring is omitted. However, the control signal may be communicated wirelessly without being limited to the wiring.
[0030]
A silicon wafer 5 as a semiconductor substrate is placed on the susceptor 3, and the temperature of the wafer 5 is raised. In the first source gas supply unit 31, the organometallic compound (liquid source) 14 is vaporized and sent to the reaction chamber 1. The desired amount of the organometallic compound 14 extruded under the pressure of the He gas 17 is sent to the vaporizer 16 by the liquid mass flow controller 15. The fed organometallic compound 14 is vaporized in the vaporizer 16 maintained at a high temperature. The vaporized organometallic compound 14 has a structure in which the vaporized organometallic compound 14 is introduced into the reaction chamber 1 via the shower head 6 together with an inert gas (for example, N 2 gas). The pipe 41 and the showerhead 6 are at a desired temperature (higher than the temperature at which the organometallic compound is kept in a vaporized state and lower than the temperature at which the organometallic compound is thermally decomposed so that the vaporized organometallic compound 14 does not reliquefy. It is heated to a temperature (for example, 180 to 200 ° C. when a HfO 2 film is formed using Hf (MMP) 4) In addition, a desired amount of oxygen 20 is also supplied to the reaction chamber 1 by the mass flow controller 21. It can be supplied to.
[0031]
The second raw material gas supply unit 33 has a structure in which a second film forming raw material (for example, H 2 O, O 3, etc.) is sent to the reaction chamber 1 via the pipe 60 without passing through the shower head 6 in a vaporized state. The tip of the pipe 60 is arranged at a position avoiding the center of the wafer 5, and the second film forming material is supplied to the entire surface of the wafer 5 by rotating the wafer 5. When the pipe 60 is arranged at the center of the wafer, the gas flow is divided into right and left (so-called dead water area) as shown by the arrow in FIG. 1, and the second film forming material hardly reaches the center. Further, the pipe 60 has a structure that can be heated to a desired temperature as necessary so that the vaporized second film forming material does not liquefy.
[0032]
In the cleaning gas supply unit 32, for example, the cleaning gas is activated by plasma (for example, RF plasma, μ-wave plasma, or the like), and the cleaning gas supply pipe 61 whose inner surface has been subjected to the alumite treatment passes through the shower head 6 via the shower head 6. It is a structure to feed into 1.
[0033]
In this CVD apparatus, (1) a film forming operation (processing of a plurality of wafers), (2) a cleaning operation, and (3) a pre-film forming operation are sequentially repeated.
[0034]
First, the procedure of the film forming operation (1) will be described. First, a film is formed by the ALD method. The susceptor 3 is lowered so that the upper surface of the susceptor 3 is at the horizontal position of the transfer port 10. Then, the gate valve 11 is opened, the wafer 5 is moved from the transfer port 10 onto the susceptor 3 by the transfer arm (not shown), and the push-up rod 8 is moved upward, so that the wafer 5 is received from the transfer arm and the transfer arm is moved. The gate valve 11 is closed while moving out of the reaction chamber 1. Next, the push-up bar 8 is lowered, and the susceptor 3 is moved upward to the film formation position.
[0035]
At this time, power is supplied to the heater 4 embedded in the susceptor 3 from the power supply line 7 to raise the temperature of the wafer 5 to a desired temperature (about 100 to 300 ° C.). Similarly, the reaction chamber wall surface 2 and the shower head 6 are also heated to a desired temperature (up to 200 ° C.) by the temperature control unit 13. Under the above temperature setting,
(1) First, the valve 70 is opened, a desired amount of the organometallic compound 14 vaporized from the first raw material gas supply unit 31 is introduced into the reaction chamber 1 from the shower head 6, and the inside of the reaction chamber 1 is desirably moved by the vacuum pump 12. After the organometallic compound is uniformly adsorbed on the surface of the wafer 5 for several atomic layers at the required pressure (several to several thousand Pa) for several seconds, the valve 70 is closed.
(2) Next, the valve 71 is opened, and a desired amount of vaporized H 2 O is directly introduced into the reaction chamber 1 from the second source gas supply unit 33, and a desired pressure is set in the reaction chamber 1 by the vacuum pump 12. (Several hundreds to several thousand Pa), and the organic metal compound 14 adsorbed on the surface of the wafer 5 is reacted with H2O for a required time (several seconds) to deposit one to two atomic layers of metal oxide on the surface of the wafer 5. Thereafter, the valve 71 is closed. Here, H 2 O is introduced directly into the reaction chamber 1 separately from the shower head 6 because the organic metal compound 14 remaining in the shower head 6 and H 2 O come into contact with each other, and the reaction occurs in the shower head 6. This is because products accumulate and cause foreign matters.
[0036]
By repeating the above steps (1) and (2), the deposited film thickness is increased. That is, the deposited film thickness is controlled by the number of repetitions, and a desired amount of film thickness is deposited.
[0037]
Next, a film is formed by the MOCVD method.
(1) First, the temperature of the wafer 5 is raised to a desired temperature (300 to 600 ° C.).
(2) Open the valve 70 to introduce a desired amount of the organometallic compound 14 vaporized from the first raw material gas supply unit 31 into the reaction chamber 1 from the shower head 6 and to evacuate the reaction chamber 1 to a desired pressure by the vacuum pump 12. (Several hundreds to several thousand Pa), and a thermal decomposition reaction is performed for a required time (several seconds to several minutes) to deposit a metal oxide film on the surface of the wafer 5, and then the valve 70 is closed. At this time, if necessary, oxygen 20 may be introduced by opening a valve 72 of a desired amount by the mass flow controller 21.
[0038]
After depositing a desired film thickness (several nm) by the ALD method and the MOCVD method, exhausting the residual gas in the reaction chamber 1, the susceptor 3 is lowered, and the upper surface position is the horizontal position of the transfer port 10. So that Then, the wafer 5 is lifted upward by the push-up bar 8. Next, the gate valve 11 is opened, the transfer arm (not shown) is moved from the transfer port 10 onto the susceptor 3, and the push-up bar 8 is moved downward, so that the wafer 5 is placed on the transfer arm. Then, the transfer arm is moved out of the reaction chamber 1 and the gate valve 11 is closed.
[0039]
Note that the temperature for film formation by MOCVD is preferably higher than the temperature for film formation by ALD.
[0040]
By setting the film forming temperature of MOCVD at least 1.0 times or more than the film forming temperature of ALD, at least the film forming speed and film quality can be prevented from being excessively reduced. In addition, it is preferable to make it 3.0 times or less. This is to prevent the controllability of the film thickness and the film thickness distribution from being excessively deteriorated.
[0041]
More preferably, the value should be 1.2 times or more. This is from the viewpoint of obtaining a sufficient film formation rate and improving the film quality at the time of film formation by the MOCVD method. Further, it is better to make it 2.0 or less. This is because the device including the heating mechanism and the temperature controllability are not deteriorated.
[0042]
Further, it is preferable that the value be 1.4 times or more. Also, it is better to be 1.6 times or less. Thereby, high quality film quality can be obtained at a sufficient film forming speed.
[0043]
For example, as an example, among the organometallic compounds, tetrakis (1-methoxy-2-methyl-2-propoxy) is used as a raw material supplied from the first raw material supply unit 31.
Hafnium
[Hf (OC (CH3) 2CH2OCH3) 4] or tetrakis (1-methoxy-2-
Methyl-2-propoxy) zirconium
In the case where [Zr (OC (CH3) 2CH2OCH3) 4] is used, the temperature is set to about 200 ° C. or more and 300 ° C. or less when forming a film by the ALD method. After that, the temperature is preferably raised to 400 ° C. or more and 500 ° C. or less when the film is formed by the MOCVD method. Alternatively, as the raw material, of the organometallic compounds,
Um t-butoxide
[Hf (OC (CH3) 3) 4] or zirconium t-butoxy
Do
In the case where [Zr (OC (CH3) 3) 4] is used, the temperature is set at about 100 ° C. or more and 200 ° C. or less during film formation by the ALD method. Thereafter, the temperature is preferably raised to 300 ° C. or more and 400 ° C. or less when the film is formed by the MOCVD method.
[0044]
Alternatively, after the Si wafer 5 which is a semiconductor substrate is placed on the susceptor 3, the time for starting the temperature rise of the wafer 5 by the heater 4 and then starting the film formation by the ALD method (for example, the time for starting the supply of the first raw material) The heating temperature per unit time in ()) is the time from the start of heating the wafer 5 by the heater 4 after the film formation by the ALD method to the start of film formation by the MOCVD method (for example, the first raw material The temperature is controlled so as to be higher than the temperature increase per unit time at the time when the supply is started. By performing the film formation by the MOCVD method at a higher temperature than the film formation by the ALD method, a high-quality film can be formed at a high film formation speed.
[0045]
Alternatively, the temperature difference between the high temperature part and the low temperature part of the semiconductor substrate at the start of the supply of the first raw material from the first raw material supply unit 31 in the ALD method is determined by the temperature difference in the chemical vapor deposition step. Control to make it larger. By forming such a temperature distribution relationship, a high-permittivity film with high throughput and high quality can be formed.
[0046]
For example, at the start of the supply of the first material in the atomic layer vapor phase growth step, the supply of the first material is started if the temperature distribution is 6% or less (preferably 4% or less). On the other hand, in the chemical vapor deposition step, the supply of the first raw material is started after the temperature distribution becomes 1.2% or less (preferably 0.4% or less).
[0047]
When such a film forming process is repeated a plurality of times, the metal oxide is deposited on the inner wall surface 2 of the reaction chamber 1 in the same manner as the surface of the wafer 5. As the amount of the deposit increases, the deposit tends to peel off from the wall surface due to thermal stress or the stress of the film itself. The separated deposits adhere to the surface of the wafer 5 by gravity, electrostatic force, and fluid force, and cause disconnection or short circuit of the wiring. Therefore, before such a situation occurs, a cleaning operation for removing the deposits and cleaning the inside of the reaction chamber 1 is performed.
[0048]
The procedure of the cleaning operation (2) will be described.
[0049]
The susceptor 3 is lowered so that the upper surface of the susceptor 3 is at the horizontal position of the transfer port 10. Then, the gate valve 11 is opened, the cover wafer made of alumina or the like is moved from the transfer port 10 onto the susceptor 3 by the transfer arm (not shown), and the push-up rod 8 is moved upward to receive the cover wafer from the transfer arm. Then, the transfer arm is moved out of the reaction chamber 1 and the gate valve 11 is closed. Next, the push-up bar 8 is lowered, and the susceptor 3 is moved upward to the film formation position.
[0050]
At this time, the susceptor 3 is heated to a desired temperature (about 200 to 700 ° C.) by supplying power from the power supply line 7 to the heater 4 embedded in the susceptor 3. Similarly, the temperature of the reaction chamber wall surface 2 and the shower head 6 are set to desired temperatures (up to 300 ° C.) by the temperature control unit 13.
[0051]
Under such a temperature setting, a desired amount of activated Cl or the like is introduced into the reaction chamber 1 from the cleaning gas supply unit 32, and a desired pressure (several hundreds to several 10,000 Pa) is applied to the inside of the reaction chamber 1 by the vacuum pump 12. ) And clean for the required time (several minutes).
[0052]
After that, the susceptor 3 is lowered so that the upper surface position is the horizontal position of the transfer port 10. Then, the cover wafer is lifted up by the push-up bar 8. Next, the gate valve 11 is opened, the transfer arm (not shown) is moved from the transfer port 10 onto the susceptor 3, and the push-up bar 8 is moved downward, so that the cover wafer 40 is placed on the transfer arm. Then, the transfer arm is moved out of the reaction chamber 1 and the gate valve 11 is closed. This completes the cleaning operation.
[0053]
Next, the pre-film formation operation (3) will be described. The pre-film formation operation is, for example, substantially the same as the film formation operation by the MOCVD method of the above (1). However, the film forming conditions such as the film forming time, temperature, and pressure may be changed. The purpose of this work is to secure the stability of the subsequent film formation by sealing the residual gas on the wall surface 2 of the reaction chamber after cleaning and smoothing the surface.
[0054]
As described above, according to the first embodiment, in the formation of the high dielectric constant gate insulating film, the interface layer (1 nm or less) requiring film quality is formed by the ALD method, and the other portions (about 2 to 3 nm) are formed. Can be formed by a single apparatus by MOCVD, so that there is an effect that a high-quality gate insulating film with high throughput and low leakage current and high quality can be formed.
(Second embodiment)
FIG. 2 shows the structure and configuration of the CVD apparatus of the second embodiment. In this embodiment, a residual gas exhaust pipe 75 and a remote control valve 76 are added to the shower head 6 of the first embodiment.
[0055]
The procedure of the film forming operation in the present embodiment will be described. In addition, since the cleaning operation and the pre-film formation operation are the same as those in the first embodiment, the description is omitted.
[0056]
First, a film is formed by the ALD method. The susceptor 3 is lowered so that the upper surface of the susceptor 3 is at the horizontal position of the transfer port 10. Then, the gate valve 11 is opened, the wafer 5 is moved from the transfer port 10 onto the susceptor 3 by the transfer arm (not shown), and the push-up rod 8 is moved upward, so that the wafer 5 is received from the transfer arm and the transfer arm is moved. The gate valve 11 is closed while moving out of the reaction chamber 1. Next, the push-up bar 8 is lowered, and the susceptor 3 is moved upward to the film formation position.
[0057]
At this time, power is supplied from the power supply line 7 to the heater 4 embedded in the susceptor 3 to raise the temperature of the wafer 5 to a desired temperature (about 200 to 300 ° C.). Similarly, the reaction chamber wall surface 2 and the shower head 6 are also heated to a desired temperature (up to 200 ° C.) by the temperature control unit 13. Under the above temperature setting,
(1) First, the valve 70 is opened, a desired amount of the organometallic compound 14 vaporized from the first raw material supply unit 31 is introduced into the reaction chamber 1 from the shower head 6, and the inside of the reaction chamber 1 is evacuated to a desired level by the vacuum pump 12. After the organometallic compound is uniformly adsorbed to the surface of the wafer 5 for several atomic layers on the surface of the wafer 5 for a required time (several seconds) at a pressure (several to several thousand Pa), the valve 70 is closed.
(2) After that, the remote control valve 76 of the residual gas exhaust pipe 75 attached to the shower head 6 is opened to exhaust the residual gas in the shower head 6 through the reaction chamber 1 at a high speed. Close 76.
(3) Next, the valve 71 is opened, a desired amount of H 2 O vaporized is directly introduced into the reaction chamber 1 from the second source gas supply unit 33, and a desired pressure is set in the reaction chamber 1 by the vacuum pump 12. (Several hundreds to several thousand Pa), and the organic metal compound 14 adsorbed on the surface of the wafer 5 is reacted with H2O for a required time (several seconds) to deposit one to two atomic layers of metal oxide on the surface of the wafer 5. Thereafter, the valve 71 is closed. Here, H 2 O is introduced directly into the reaction chamber 1 separately from the shower head 6 because the organic metal compound 14 remaining in the shower head 6 and H 2 O come into contact with each other, and the reaction occurs in the shower head 6. This is because products accumulate and cause foreign matters.
[0058]
By repeating the above steps (1) and (2), the deposited film thickness is increased. That is, the deposited film thickness is controlled by the number of repetitions, and a desired amount of film thickness is deposited.
[0059]
Next, a film is formed by the MOCVD method.
(1) First, the temperature of the wafer 5 is raised to a desired temperature.
(2) The valve 70 is opened to introduce a desired amount of the organometallic compound 14 vaporized from the first raw material supply unit 31 into the reaction chamber 1 from the shower head 6, and pressurize the inside of the reaction chamber 1 with the vacuum pump 12 at a desired pressure ( The thermal decomposition reaction is performed for a required time (from several seconds to several minutes) to deposit a metal oxide film on the surface of the wafer 5, and then the valve 70 is closed. At this time, if necessary, oxygen 20 may be introduced by opening a valve 72 of a desired amount by the mass flow controller 21.
(3) After that, the remote control valve 76 of the residual gas exhaust pipe 75 attached to the shower head 6 is opened, and the residual gas in the shower head 6 is exhausted at high speed through the reaction chamber 1. Close 76.
[0060]
After depositing a desired film thickness (several nm) by the ALD method and the MOCVD method, exhausting the residual gas in the reaction chamber 1, the susceptor 3 is lowered, and the upper surface position is the horizontal position of the transfer port 10. So that Then, the wafer 5 is lifted upward by the push-up bar 8. Next, the gate valve 11 is opened, the transfer arm (not shown) is moved from the transfer port 10 onto the susceptor 3, and the push-up bar 8 is moved downward, so that the wafer 5 is placed on the transfer arm. Then, the transfer arm is moved out of the reaction chamber 1 and the gate valve 11 is closed.
[0061]
As described above, according to the second embodiment, in the formation of the high dielectric constant gate insulating film, the interface layer (1 nm or less) requiring film quality is formed by the ALD method, and other portions (about 2 to 3 nm) are formed. Can be formed by a single apparatus by MOCVD, so that there is an effect that a high-quality gate insulating film with high throughput and low leakage current and high quality can be formed.
(Third embodiment)
FIG. 3 shows the structure and configuration of the CVD apparatus according to the third embodiment. This embodiment is different from the second embodiment in that the second source gas supply unit 33 is disposed on the side wall surface of the reaction chamber.
[0062]
The procedure of the film forming operation in the present embodiment will be described. In addition, since the cleaning operation and the pre-film formation operation are the same as those in the first embodiment, the description is omitted.
[0063]
First, a film is formed by the ALD method. The susceptor 3 is lowered so that the upper surface of the susceptor 3 is at the horizontal position of the transfer port 10. Then, the gate valve 11 is opened, the wafer 5 is moved from the transfer port 10 onto the susceptor 3 by the transfer arm (not shown), and the push-up rod 8 is moved upward, so that the wafer 5 is received from the transfer arm and the transfer arm is moved. The gate valve 11 is closed while moving out of the reaction chamber 1. Next, the push-up bar 8 is lowered, and the susceptor 3 is moved upward to the film formation position.
[0064]
At this time, power is supplied from the power supply line 7 to the heater 4 embedded in the susceptor 3 to raise the temperature of the wafer 5 to a desired temperature (about 200 to 400 ° C.). Similarly, the reaction chamber wall surface 2 and the shower head 6 are also heated to a desired temperature (up to 200 ° C.) by the temperature control unit 13. Under the above temperature setting,
(1) First, the valve 70 is opened, a desired amount of the organometallic compound 14 vaporized from the first raw material supply unit 31 is introduced into the reaction chamber 1 from the shower head 6, and the inside of the reaction chamber 1 is evacuated to a desired level by the vacuum pump 12. The pressure (several hundreds to several thousand Pa) is applied to the surface of the wafer 5 for a required time (several seconds) to uniformly adsorb a few atomic layers of the organometallic compound, and then the valve 70 is closed.
(2) After that, the remote control valve 76 of the residual gas exhaust pipe 75 attached to the shower head 6 is opened to exhaust the residual gas in the shower head 6 through the reaction chamber 1 at a high speed. Close 76.
(3) Next, the valve 71 is opened, a desired amount of H 2 O vaporized is directly introduced into the reaction chamber 1 from the second source gas supply unit 33, and a desired pressure is set in the reaction chamber 1 by the vacuum pump 12. (Several hundreds to several thousand Pa), and the organic metal compound 14 adsorbed on the surface of the wafer 5 is reacted with H2O for a required time (several seconds) to deposit one to two atomic layers of metal oxide on the surface of the wafer 5. Thereafter, the valve 71 is closed. Here, H 2 O is introduced directly into the reaction chamber 1 separately from the shower head 6 because the organic metal compound 14 remaining in the shower head 6 and H 2 O come into contact with each other, and the reaction occurs in the shower head 6. This is because products accumulate and cause foreign matters.
[0065]
By repeating the above steps (1) and (2), the deposited film thickness is increased. That is, the deposited film thickness is controlled by the number of repetitions, and a desired amount of film thickness is deposited.
[0066]
Next, a film is formed by the MOCVD method.
(1) First, the temperature of the wafer 5 is raised to a desired temperature.
(2) The valve 70 is opened to introduce a desired amount of the organometallic compound 14 vaporized from the first raw material supply unit 31 into the reaction chamber 1 from the shower head 6, and pressurize the inside of the reaction chamber 1 with the vacuum pump 12 at a desired pressure ( The thermal decomposition reaction is performed for a required time (from several seconds to several minutes) to deposit a metal oxide film on the surface of the wafer 5, and then the valve 70 is closed. At this time, if necessary, oxygen 20 may be introduced by opening a valve 72 of a desired amount by the mass flow controller 21.
(3) After that, the remote control valve 76 of the residual gas exhaust pipe 75 attached to the shower head 6 is opened, and the residual gas in the shower head 6 is exhausted at high speed through the reaction chamber 1. Close 76.
[0067]
After depositing a desired film thickness (several nm) by the ALD method and the MOCVD method, exhausting the residual gas in the reaction chamber 1, the susceptor 3 is lowered, and the upper surface position is the horizontal position of the transfer port 10. So that Then, the wafer 5 is lifted upward by the push-up bar 8. Next, the gate valve 11 is opened, the transfer arm (not shown) is moved from the transfer port 10 onto the susceptor 3, and the push-up bar 8 is moved downward, so that the wafer 5 is placed on the transfer arm. Then, the transfer arm is moved out of the reaction chamber 1 and the gate valve 11 is closed.
[0068]
As described above, according to the third embodiment, in the formation of the high dielectric constant gate insulating film, the interface layer (1 nm or less) requiring film quality is formed by the ALD method, and the other portions (about 2 to 3 nm) are formed. Can be formed by a single apparatus by MOCVD, so that there is an effect that a high-quality gate insulating film with high throughput and low leakage current and high quality can be formed.
[0069]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a film forming apparatus capable of forming a high-permittivity gate insulating film with good film quality at high throughput and a method for forming the same.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a main part of a semiconductor manufacturing apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a main part of the semiconductor manufacturing apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view showing a main part of the semiconductor manufacturing apparatus according to the first embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1. Reaction chamber
2. Inner wall
3. Susceptor
4: Heater
5 ... Si wafer
6. Shower head
7 ... power supply line
8 ... push-up stick
9 ... Bellows
10 ... Transport port
11 ... Gate valve
12 ... Vacuum pump
13. Temperature control unit
14. Organometallic compound
15: Liquid mass flow controller
16 ... vaporizer
17 ... He gas
18 ... Inert gas
19 ... Mass flow controller
20 ... oxygen
21 ... Mass flow controller
31: first raw material gas supply unit
32: Cleaning gas supply unit
33: second source gas supply unit
41… Piping
60 ... Piping
61 ... Cleaning gas supply pipe
70 ... Valve
71 ... Valve
72 ... Valve
75 ... Residual gas exhaust pipe
76 ... Remote control valve

Claims (14)

成膜する半導体基板を設置するサセプタを内部に備えた反応室と、
第一の成膜原料を供給する第一の供給径路と、
第二の成膜原料を供給する第二の供給径路と、を備え、
前記第一の供給径路に連絡し、前記半導体基板を設置した空間に前記第一の成膜原料を供給する第一の原料供給部と、
前記第二の供給径路に連絡し、前記半導体基板を設置した空間に前記第二の成膜原料を供給する第二の原料供給部と、
前記基板を加熱する温度制御機構と、を備え、
前記第一の成膜原料として有機金属化合物が用いられ、
半導体基板を前記サセプタに設置された後、前記温度制御機構を用いて前記半導体基板を第一の温度に昇温し、
前記第一の成膜原料を前記サセプタに設置する半導体基板に向けて供給して前記半導体基板表面に前記有機金属化合物層を形成した後、前記第一の成膜原料の供給を停止した後、前記第二の成膜原料を前記第二の原料供給部から前記半導体基板に供給して前記有機金属化合物と反応させて第一の反応生成物層を形成する第一の制御と、
前記金属酸化物形成後、前記温度制御機構を用いて前記半導体基板を前記第一の温度より高い第二の温度に昇温し、
前記第一の成膜原料供給部から前記半導体基板へ前記第一の成膜原料を供給し、熱分解させて第二の反応生成物層を形成する第二の制御と、を行う制御装置を有することを特徴とする成膜装置。A reaction chamber equipped with a susceptor for installing a semiconductor substrate for film formation,
A first supply path for supplying a first film forming material,
A second supply path for supplying a second film forming material,
A first material supply unit that communicates with the first supply path and supplies the first film forming material to a space where the semiconductor substrate is installed;
A second material supply unit that communicates with the second supply path and supplies the second film forming material to the space where the semiconductor substrate is installed,
A temperature control mechanism for heating the substrate,
An organometallic compound is used as the first film forming material,
After the semiconductor substrate is placed on the susceptor, the temperature of the semiconductor substrate is raised to a first temperature using the temperature control mechanism,
After forming the organometallic compound layer on the semiconductor substrate surface by supplying the first film forming material toward the semiconductor substrate installed on the susceptor, after stopping the supply of the first film forming material, A first control of supplying the second film forming material to the semiconductor substrate from the second material supply unit and reacting with the organometallic compound to form a first reaction product layer;
After forming the metal oxide, the semiconductor substrate is heated to a second temperature higher than the first temperature using the temperature control mechanism,
A second control for supplying the first film-forming material from the first film-forming material supply unit to the semiconductor substrate and thermally decomposing the second film to form a second reaction product layer; A film forming apparatus, comprising: 成膜する半導体基板を設置するサセプタを内部に備えた反応室と、
有機金属化合物を有する第一の成膜原料を供給する第一の供給径路と、
Ｈ２Ｏ或いはＯ３の少なくとも何れかを有する第二の成膜原料を供給する第二の供給径路と、を備え、
前記第一の供給径路に連絡し、前記半導体基板を設置した空間に前記第一の成膜原料を供給する多孔を備えた第一の原料供給部と、
前記第二の供給径路に連絡し、前記第一の成膜原料の流路から隔てられて形成され、前記半導体基板を設置した空間に前記第二の成膜原料を供給する第二の原料供給部と、前記半導体基板の温度を制御する温度制御機構と、を備え、
前記第一の成膜原料を前記サセプタに設置する半導体基板に向けて供給して前記半導体基板表面に前記有機金属化合物層を形成した後、前記第二の成膜原料を前記第二の原料供給部から前記半導体基板に供給し、前記有機金属化合物の上に金属酸化物層を形成する第一の制御と、前記第一の制御の後、前記温度制御機構を用いて半導体基板を昇温する温度制御と、
前記昇温後、前記第一の成膜原料供給部から前記半導体基板へ前記第一の成膜原料を供給し、前記原料を熱分解させて、熱分解物層を形成する第二の制御と、を行う制御装置とを備え、
前記第一の制御により形成された前記膜厚の合計より前記第二の制御により形成された膜厚の方が大きくなるように制御されることを特徴とする成膜装置。A reaction chamber equipped with a susceptor for installing a semiconductor substrate for film formation,
A first supply path for supplying a first film forming material having an organometallic compound,
A second supply path for supplying a second film forming material having at least one of H2O and O3,
A first material supply unit having a hole that communicates with the first supply path and supplies the first film forming material to a space in which the semiconductor substrate is installed;
A second material supply that communicates with the second supply path and is formed to be separated from the flow path of the first film forming material and supplies the second film forming material to a space where the semiconductor substrate is installed; And a temperature control mechanism for controlling the temperature of the semiconductor substrate,
After the first film-forming material is supplied toward the semiconductor substrate provided on the susceptor to form the organometallic compound layer on the surface of the semiconductor substrate, the second film-forming material is supplied to the second material. A first control for supplying a metal oxide layer on the organometallic compound from the part to the semiconductor substrate, and after the first control, raising the temperature of the semiconductor substrate using the temperature control mechanism Temperature control,
After the temperature increase, the first film-forming material supply unit supplies the first film-forming material to the semiconductor substrate, and thermally decomposes the material to form a second thermal decomposition layer. And a control device for performing
A film forming apparatus, wherein the film thickness formed by the second control is controlled to be larger than the sum of the film thicknesses formed by the first control. 成膜する半導体基板を設置するサセプタを内部に備えた反応室と、
第一の成膜原料を供給する第一の供給径路と、
第二の成膜原料を供給する第二の供給径路と、を備え、
前記第一の供給径路に連絡し、前記半導体基板を設置した空間に前記第一の成膜原料を供給する第一の原料供給部と、
前記第二の供給径路に連絡し、前記半導体基板を設置した空間に前記第二の成膜原料を供給する第二の原料供給部と、を備え、
前記第一の成膜原料供給部は、前記半導体基板を設置するサセプタに対向して配置され、前記サセプタに向いて開口した多数の孔を有し、
前記第一の成膜原料は有機金属化合物であることを特徴とする成膜装置。A reaction chamber equipped with a susceptor for installing a semiconductor substrate for film formation,
A first supply path for supplying a first film forming material,
A second supply path for supplying a second film forming material,
A first material supply unit that communicates with the first supply path and supplies the first film forming material to a space where the semiconductor substrate is installed;
A second material supply unit that communicates with the second supply path and supplies the second film forming material to a space where the semiconductor substrate is installed,
The first film-forming material supply unit is arranged to face a susceptor on which the semiconductor substrate is installed, and has a number of holes opened toward the susceptor,
The film forming apparatus, wherein the first film forming material is an organometallic compound. 請求項１において、前記第二の成膜原料供給部は、前記第一原料供給部の中心より外側であって最も外周側の孔より中心側に形成されることを特徴とする成膜装置。2. The film forming apparatus according to claim 1, wherein the second film forming material supply unit is formed outside the center of the first material supply unit and closer to the center than the outermost hole. 請求項１において、前記第二の成膜原料供給部は、前記第一原料供給部の最も外周側に位置する孔より外側に形成されることを特徴とする成膜装置。2. The film forming apparatus according to claim 1, wherein the second film forming material supply unit is formed outside a hole located on an outermost side of the first material supply unit. 3. 請求項１において、前記第一の成膜原料供給部は、前記孔の上流側に空間を有するシャワーヘッドであって、前記シャワーヘッド内の空間のガスを前記反応室内へ流す排気ポートを備えたことを特徴とするＣＶＤ装置。2. The method according to claim 1, wherein the first film forming material supply unit is a shower head having a space on an upstream side of the hole, and provided with an exhaust port for flowing gas in a space in the shower head into the reaction chamber. A CVD apparatus characterized by the above-mentioned. 半導体基板を第一の温度に昇温する工程と、
有機金属化合物を有する第一の成膜原料を半導体基板に向けて供給して前記半導体基板表面に前記有機金属化合物膜を形成する工程と、
前記有機金属化合物の供給後、第二の成膜原料を供給し、前記有機金属化合物と反応して第一の反応生成物膜を形成する工程と、を有する原子層気相成長工程と、
前記原子層気相成長工程の後、前記半導体基板を前記第一の温度より高い第二の温度に昇温する工程と、
前記第一の成膜原料を前記半導体基板へ供給し、前記原料の熱分解反応で第二の反応生成物膜を形成する化学気相成長工程と、を有することを特徴とする成膜方法。Heating the semiconductor substrate to a first temperature;
A step of supplying a first film forming material having an organometallic compound toward a semiconductor substrate to form the organometallic compound film on the semiconductor substrate surface,
After the supply of the organometallic compound, supplying a second film-forming material, and reacting with the organometallic compound to form a first reaction product film,
After the atomic layer vapor phase growth step, a step of raising the temperature of the semiconductor substrate to a second temperature higher than the first temperature,
A chemical vapor deposition step of supplying the first film-forming material to the semiconductor substrate and forming a second reaction product film by a thermal decomposition reaction of the material. 有機金属化合物を有する第一の成膜原料を半導体基板に向けて供給して前記半導体基板表面に前記有機金属化合物層を形成する工程と、
前記有機金属化合物の供給後、Ｈ２Ｏ或いはＯ３の少なくとも一つを含む第二の成膜原料を供給し、前記形成された層と反応させて金属酸化物を形成する工程と、を有する原子層気相成長工程と、
前記第一の成膜原料を前記半導体基板へ供給して前記原料を熱分解させ、前記原子層気相成長工程により形成された膜の上に熱分解膜を形成する化学気相成長工程と、を有し、
前記原子層気相成長工程により形成された前記膜より前記化学気相成長工程で形成された前記膜の方が厚くなるように形成することを特徴とする成膜方法。A step of supplying the first film-forming material having an organometallic compound toward the semiconductor substrate to form the organometallic compound layer on the semiconductor substrate surface,
Supplying the second film-forming material containing at least one of H2O and O3 after the supply of the organometallic compound, and reacting with the formed layer to form a metal oxide. Phase growth process,
A chemical vapor deposition step of supplying the first film forming material to the semiconductor substrate to thermally decompose the material and forming a thermal decomposition film on the film formed by the atomic layer vapor deposition step; Has,
A film forming method, wherein the film formed in the chemical vapor deposition step is formed thicker than the film formed in the atomic layer vapor deposition step. 請求項７において、
前記原子層気相成長工程と、その後の前記化学気相成長工程との間、前記半導体基板を大気雰囲気に曝さないように容器内に保持することを特徴とする成膜方法。In claim 7,
A film forming method, wherein the semiconductor substrate is held in a container so as not to be exposed to an air atmosphere between the atomic layer vapor deposition step and the subsequent chemical vapor deposition step. 半導体基板を提供する工程と、
前記半導体基板に素子分離領域を形成する工程と、
前記基板にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、を有する半導体装置の製造方法であって、
前記ゲート絶縁膜は、
有機金属化合物を有する第一の成膜原料を半導体基板に向けて供給して前記半導体基板表面に前記有機金属化合物層を形成する工程と、
前記有機金属化合物の供給後、Ｈ２Ｏ或いはＯ３の少なくとも一つを含む第二の成膜原料を供給し、前記有機金属化合物層と反応させて第一の金属酸化物を形成する工程と、を有する原子層気相成長工程と、
前記原子層気相成長工程の後、前記半導体基板を昇温する工程と、
前記第一の成膜原料を前記半導体基板へ供給し、前記原料の熱分解で第二の金属酸化物を形成する化学気相成長工程と、を備え、
前記原子層気相成長工程と、その後の前記化学気相成長工程とを前記半導体基板を大気雰囲気に曝さないようにして実施し、前記原子層気相成長工程により形成された膜厚より前記化学気相成長工程で形成された膜厚が厚くなるように形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。Providing a semiconductor substrate;
Forming an element isolation region in the semiconductor substrate;
Forming a gate insulating film on the substrate;
Forming a gate electrode on the gate insulating film, a method for manufacturing a semiconductor device,
The gate insulating film,
A step of supplying the first film-forming material having an organometallic compound toward the semiconductor substrate to form the organometallic compound layer on the semiconductor substrate surface,
After the supply of the organometallic compound, supplying a second film-forming material containing at least one of H2O and O3, and reacting with the organometallic compound layer to form a first metal oxide. An atomic layer vapor phase growth process,
After the atomic layer vapor phase growth step, a step of raising the temperature of the semiconductor substrate,
Supplying the first film-forming material to the semiconductor substrate, a chemical vapor deposition step of forming a second metal oxide by thermal decomposition of the material,
The atomic layer vapor deposition step and the subsequent chemical vapor deposition step are performed so that the semiconductor substrate is not exposed to the atmosphere, and the chemical layer is formed based on the film thickness formed by the atomic layer vapor deposition step. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising forming a film so as to have a large thickness formed in a vapor phase growth step. 請求項７において、昇温開始から前記第一の温度にして前記第一の原料を供給するまでの時間における単位時間当たりの昇温温度は、前記原子層気相成長工程の後、昇温開始から前記第二の温度にして前記第一の原料を供給するまでの時間における単位時間当たりの昇温温度より大きくすることを特徴とする成膜方法。8. The temperature rise per unit time in the time from the start of temperature rise to the supply of the first raw material to the first temperature after the start of temperature rise after the atomic layer vapor phase growth step. A film forming method, wherein the temperature is set to be higher than a temperature increase per unit time during a period from when the temperature is changed to the second temperature and the first raw material is supplied. 請求項７において、前記原子層気相成長工程における前記第一の原料供給開始時の前記半導体基板における温度が高い部分と温度が低い部分との温度差を、前記化学気相成長工程における前記温度差より大きくすることを特徴とする成膜方法。9. The chemical vapor deposition step according to claim 7, wherein a temperature difference between a high temperature part and a low temperature part in the semiconductor substrate at the start of the supply of the first raw material in the atomic layer vapor phase growth step is determined. A film forming method characterized by making the difference larger than the difference. 請求項７において、前記第二の温度は前記第一の温度の１．２倍以上であることを特徴とする成膜方法。8. The film forming method according to claim 7, wherein the second temperature is at least 1.2 times the first temperature. 請求項７において、前記第二の温度は前記第一の温度の２．０倍以上であることを特徴とする成膜方法。8. The film forming method according to claim 7, wherein the second temperature is at least 2.0 times the first temperature.

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