JP2015191955A - Film formation method, film formation apparatus and storage medium - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、反応管内の基板保持具に棚状に保持された基板に対して互いに反応する処理ガスを順番に供給して薄膜を成膜する成膜方法、成膜装置及び前記成膜方法が記憶された記憶媒体に関する。 The present invention relates to a film forming method, a film forming apparatus, and a film forming method for forming a thin film by sequentially supplying processing gases that react with each other to substrates held in a shelf shape on a substrate holder in a reaction tube. The present invention relates to a stored storage medium.
半導体ウエハ(以下「ウエハ」と言う)などの基板に対して高誘電率膜(例えば酸化ジルコニウム(Zr−O)膜)を成膜する手法として、互いに反応する処理ガスを交互にウエハに供給してこれら処理ガスの反応生成物を積層するALD(Atomic Layer Deposition)法が知られている。処理ガスの一例としては、原料ガスである有機系ジルコニウムガス(トリス(ジメチルアミノ)シクロペンタジエニル・ジルコニウムガス)と酸化ガスであるオゾン(O3)ガスとが用いられる。 As a method for forming a high dielectric constant film (eg, zirconium oxide (Zr—O) film) on a substrate such as a semiconductor wafer (hereinafter referred to as “wafer”), processing gases that react with each other are alternately supplied to the wafer. An ALD (Atomic Layer Deposition) method is known in which reaction products of these processing gases are stacked. As an example of the processing gas, an organic zirconium gas (tris (dimethylamino) cyclopentadienyl / zirconium gas) which is a raw material gas and an ozone (O 3 ) gas which is an oxidizing gas are used.
このような高誘電率膜を成膜する装置としては、多数枚のウエハに対して一括して成膜処理を行うバッチ式の縦型熱処理装置が挙げられる。この装置では、ウエハを棚状に積載したウエハボート(基板保持具)を縦型の反応管内に下方側から気密に搬入すると共に、ウエハボートに沿って反応管内に設けられた各ガスノズルから既述の処理ガスを交互に供給して成膜処理が行われる。そして、これら処理ガスを切り替える時には、反応管内の真空排気や窒素(N2)ガスのパージなどからなる雰囲気の置換工程が行われる。 As an apparatus for forming such a high dielectric constant film, there is a batch type vertical heat treatment apparatus that performs film formation processing on a large number of wafers at once. In this apparatus, a wafer boat (substrate holder) on which wafers are loaded in a shelf shape is airtightly transferred from below into a vertical reaction tube, and the gas nozzles provided in the reaction tube along the wafer boat are described above. The film forming process is performed by alternately supplying the process gas. When these processing gases are switched, an atmosphere replacement process including evacuation of the reaction tube and purging of nitrogen (N 2 ) gas is performed.
ところで、高誘電率膜は、リーク電流ができるだけ小さいことが求められており、また比誘電率(k値)についてもできるだけ高いことが求められている。そこで、高誘電率膜内に残る不純物濃度をなるべく低減する必要がある。特許文献1には、DCS(ジクロロシラン)ガスとアンモニア(NH3)ガスとを用いたALD法により窒化シリコン膜を成膜するにあたり、DCSガスを供給した後に行われる窒素ガスの供給工程に62秒もの時間を充てる技術について記載されている。しかしながら、特許文献1には、オゾンガスを用いたプロセスについては記載されていない。 By the way, the high dielectric constant film is required to have a leakage current as small as possible, and the relative dielectric constant (k value) is also required to be as high as possible. Therefore, it is necessary to reduce the impurity concentration remaining in the high dielectric constant film as much as possible. Japanese Patent Laid-Open No. 2004-228561 discloses a nitrogen gas supply process performed after supplying DCS gas when forming a silicon nitride film by ALD using DCS (dichlorosilane) gas and ammonia (NH 3 ) gas. It describes a technology that can save seconds. However, Patent Document 1 does not describe a process using ozone gas.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、反応管内にて棚状に積載された基板に対して原料ガス及びオゾンガスを順番に供給して薄膜を成膜するにあたって、良好な膜質を持つ薄膜を得ることのできる技術を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and its purpose is to form a thin film by sequentially supplying a source gas and an ozone gas to a substrate stacked in a shelf shape in a reaction tube. An object of the present invention is to provide a technique capable of obtaining a thin film having good film quality.
本発明の成膜方法は、
反応管内の基板保持具に棚状に保持された複数枚の基板に対して有機系原料ガス及びオゾンガスを含む反応ガスを順番に供給する成膜サイクルを複数回繰り返して、これら有機系原料ガスとオゾンガスとの反応生成物を基板上に積層する成膜方法において、
前記成膜サイクルは、反応ガスの供給を停止した後、有機系原料ガスの供給を開始する前に、前記反応管内を真空排気する前段ステップと次いで不活性ガスを供給する後段ステップとを含む雰囲気置換工程を含み、
前記雰囲気置換工程の前段ステップ及び後段ステップを各々1回ずつ同じ時間に設定して前記成膜サイクルを実施して得られた成膜量をDとし、前記前段ステップ及び前記後段ステップに充てる合計の時間tと成膜量Dとの関係を示すグラフにおいて時間tの増大により成膜量Dが減少して、時間tが80秒増大したときに成膜量Dの減少率が1.5%以下となる成膜量DをD0とすると、
前記雰囲気置換工程は、前記成膜サイクルを行ったときの成膜量DがD0となるように実施されることを特徴とする。
The film forming method of the present invention comprises:
A film forming cycle for sequentially supplying a reaction gas containing an organic source gas and ozone gas to a plurality of substrates held in a shelf shape on a substrate holder in a reaction tube is repeated a plurality of times, and the organic source gas and In a film forming method of laminating a reaction product with ozone gas on a substrate,
The film formation cycle includes an atmosphere including a pre-stage for evacuating the inside of the reaction tube and a post-stage for supplying an inert gas after the supply of the reaction gas is stopped and before the supply of the organic source gas is started. Including a replacement step,
The film formation amount obtained by carrying out the film formation cycle by setting the previous step and the subsequent step of the atmosphere replacement process one time each at the same time is defined as D, and the total amount to be applied to the previous step and the subsequent step In the graph showing the relationship between the time t and the film formation amount D, the film formation amount D decreases as the time t increases, and when the time t increases 80 seconds, the decrease rate of the film formation amount D is 1.5% or less. If the film-forming amount D becomes D0,
The atmosphere replacement step is performed such that a film formation amount D when the film formation cycle is performed is D0.
本発明の成膜装置は、
反応管内の基板保持具に棚状に保持された複数枚の基板に対して有機系原料ガス及びオゾンガスを含む反応ガスを順番に供給する成膜サイクルを複数回繰り返して、これら有機系原料ガスとオゾンガスとの反応生成物を基板上に積層する成膜装置において、
反応ガスの供給を停止した後、有機系原料ガスの供給を開始する前に、前記反応管内を真空排気する前段ステップと次いで不活性ガスを供給する後段ステップとを含む雰囲気置換工程を前記成膜サイクルの一部として行うように制御信号を出力する制御部を備え、
前記雰囲気置換工程の前段ステップ及び後段ステップを各々1回ずつ同じ時間に設定して前記成膜サイクルを実施して得られた成膜量をDとし、前記前段ステップ及び前記後段ステップに充てる合計の時間tと成膜量Dとの関係を示すグラフにおいて時間tの増大により成膜量Dが減少して、時間tが80秒増大したときに成膜量Dの減少率が1.5%以下となる成膜量DをD0とすると、
前記制御部は、前記成膜サイクルを行ったときの成膜量DがD0となるように、前記雰囲気置換工程を実施するように制御信号を出力することを特徴とする。
本発明の記憶媒体は、
コンピュータ上で動作するコンピュータプログラムを格納した記憶媒体であって、
前記コンピュータプログラムは、既述の成膜方法を実施するようにステップが組まれていることを特徴とする。
The film forming apparatus of the present invention
A film forming cycle for sequentially supplying a reaction gas containing an organic source gas and ozone gas to a plurality of substrates held in a shelf shape on a substrate holder in a reaction tube is repeated a plurality of times, and the organic source gas and In a film forming apparatus for laminating a reaction product with ozone gas on a substrate,
After the supply of the reaction gas is stopped and before the supply of the organic material gas is started, an atmosphere replacement process including a pre-step for evacuating the inside of the reaction tube and a post-step for supplying an inert gas is then formed. A control unit that outputs a control signal to perform as part of the cycle,
The film formation amount obtained by carrying out the film formation cycle by setting the previous step and the subsequent step of the atmosphere replacement process one time each at the same time is defined as D, and the total amount to be applied to the previous step and the subsequent step In the graph showing the relationship between the time t and the film formation amount D, the film formation amount D decreases as the time t increases, and when the time t increases 80 seconds, the decrease rate of the film formation amount D is 1.5% or less. If the film-forming amount D becomes D0,
The control unit outputs a control signal so as to perform the atmosphere replacement step so that a film formation amount D when the film formation cycle is performed becomes D0.
The storage medium of the present invention is
A storage medium storing a computer program that runs on a computer,
The computer program is characterized in that steps are set so as to implement the above-described film forming method.
本発明は、有機系原料ガスとオゾンガスとの反応により得られる反応生成物の成膜量(膜厚寸法)Dについて、オゾンガスを含む反応ガスを供給した後、有機系原料ガスの供給を開始する前に行われる雰囲気置換工程に費やす時間tを長く設定する程減少することに着目して、前記時間tをある範囲内に設定している。具体的には、前記時間tは、時間tが80秒増大したときに成膜量Dの減少率が1.5%以下となる成膜量DをD0とすると、成膜サイクルを行ったときの成膜量DがD0となるように設定している。そのため、反応生成物には有機系原料ガス中の有機物が取り込まれにくくなるため、良好な膜質を持つ薄膜を得ることができる。 In the present invention, for a film formation amount (film thickness dimension) D of a reaction product obtained by a reaction between an organic source gas and ozone gas, supply of the organic source gas is started after supplying a reaction gas containing ozone gas. The time t is set within a certain range, paying attention to the fact that the longer the time t spent in the atmosphere replacement step performed earlier, the smaller the time t is set. Specifically, the time t is when the film formation cycle is performed, assuming that the film formation amount D is such that the decrease rate of the film formation amount D is 1.5% or less when the time t increases by 80 seconds. The film formation amount D is set to D0. For this reason, the reaction product is less likely to incorporate the organic substance in the organic source gas, so that a thin film having good film quality can be obtained.
本発明の成膜方法に係る実施の形態の一例について、始めにこの成膜方法を実施するための成膜装置について簡単に説明する。この成膜装置は、図1及び図2に示すように、多数枚例えば150枚のウエハWを棚状に積載するウエハボート11と、このウエハボート11を気密に収納してこれらウエハWに対して一括して成膜処理を行う反応管12とを備えている。反応管12の外側には、下面側が開口する概略円筒型の加熱炉本体14が設けられており、加熱炉本体14の内壁面には、周方向に亘って加熱機構であるヒータ13が配置されている。 Regarding an example of an embodiment according to the film forming method of the present invention, a film forming apparatus for performing this film forming method will be briefly described first. As shown in FIGS. 1 and 2, the film forming apparatus includes a wafer boat 11 on which a large number of, for example, 150 wafers W are stacked in a shelf shape, and the wafer boat 11 is stored in an airtight manner to the wafers W. And a reaction tube 12 that collectively performs the film forming process. A substantially cylindrical heating furnace main body 14 having an opening on the lower surface side is provided outside the reaction tube 12, and a heater 13 as a heating mechanism is disposed on the inner wall surface of the heating furnace main body 14 in the circumferential direction. ing.
図1及び図2に示すように、反応管12は、外管12aと当該外管12aの内部に収納された内管12bとの二重管構造となっており、上下面が開口する概略円筒形状のフランジ部18によって下方側から気密に支持されている。図2にも示すように、平面で見た時における内管12bの一端側(手前側)の部位は、当該内管12bの長さ方向に亘って外管12aに向かって膨らむように形成されており、各ガスノズル51a〜51cを収納する領域12cをなしている。内管12bにおいて前記領域12cに対向する部位は、図2にも示すように、当該内管12bの長さ方向に亘って開口しており、排気口であるスリット17をなしている。 As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the reaction tube 12 has a double tube structure of an outer tube 12a and an inner tube 12b housed in the outer tube 12a, and is a generally cylindrical shape whose upper and lower surfaces are open. The shape flange portion 18 is airtightly supported from the lower side. As shown in FIG. 2, the portion on one end side (front side) of the inner tube 12b when viewed in a plane is formed so as to swell toward the outer tube 12a over the length direction of the inner tube 12b. The region 12c for accommodating the gas nozzles 51a to 51c is formed. As shown in FIG. 2, the portion of the inner tube 12b that faces the region 12c is opened over the length of the inner tube 12b, forming a slit 17 that is an exhaust port.
この例では、前記領域12cには、図2に示すように、反応管12を上方側から見て時計周り(右周り)に原料ガスノズル51a、反応ガスノズル51b及びパージガスノズル51cが配置されている。原料ガスノズル51a及びパージガスノズル51cについては、有機系ジルコニウムガス(トリス(ジメチルアミノ)シクロペンタジエニル・ジルコニウムガス)の貯留源55a及びパージガス(窒素(N2)ガス)の貯留源55cに夫々接続されている。一方、反応ガスノズル51bについては、酸素ガスから高濃度のオゾンガスを発生させるためのオゾン発生系60を介して、酸素ガスの貯留源55bに接続されている。 In this example, as shown in FIG. 2, a raw material gas nozzle 51a, a reaction gas nozzle 51b, and a purge gas nozzle 51c are arranged in the region 12c clockwise as viewed from above the reaction tube 12. The source gas nozzle 51a and the purge gas nozzle 51c are connected to an organic zirconium gas (tris (dimethylamino) cyclopentadienyl / zirconium gas) storage source 55a and a purge gas (nitrogen (N 2 ) gas) storage source 55c, respectively. ing. On the other hand, the reaction gas nozzle 51b is connected to an oxygen gas storage source 55b via an ozone generation system 60 for generating high-concentration ozone gas from oxygen gas.
即ち、オゾンガス発生系60は、酸素ガスからオゾンを発生させるオゾン発生器(ジェネレーター)61と、このオゾン発生器61にて発生したオゾンガスを濃縮するオゾン濃縮器(ブースター)62とを前記貯留源55b側から反応ガスノズル51b側に向かって配置した構成となっている。酸素ガス及びオゾンガスの混合ガスを「反応ガス」と呼ぶと、オゾン発生器61では反応ガス中のオゾンガスの濃度が例えば200g/Nm3程度となるようにオゾンガスが発生する。そして、オゾン濃縮器62では、この反応ガスから300g/Nm3〜500g/Nm3の範囲のオゾンガスが得られるように(濃縮されるように)構成されている。即ち、オゾン濃縮器62は、後述の制御部100の制御信号により、オゾンガスの濃度を任意に(300g/Nm3〜500g/Nm3の範囲で)調整した処理ガスを任意の流量(1slm〜20slm)で供給できるように構成されている。このオゾン濃縮器62は、具体的には例えば岩谷産業株式会社製の高濃度オゾン濃縮装置である。 That is, the ozone gas generation system 60 includes an ozone generator (generator) 61 that generates ozone from oxygen gas and an ozone concentrator (booster) 62 that concentrates the ozone gas generated by the ozone generator 61. The configuration is arranged from the side toward the reactive gas nozzle 51b side. When a mixed gas of oxygen gas and ozone gas is called “reaction gas”, the ozone generator 61 generates ozone gas so that the concentration of ozone gas in the reaction gas is, for example, about 200 g / Nm 3 . Then, the ozone concentrator 62, the ozone gas in the range of 300g / Nm 3 ~500g / Nm 3 is (as concentrated) configured as obtained from the reaction gas. That is, the ozone concentrator 62 by the control signal of the control unit 100 will be described later, the concentration of ozone gas (in the range of 300g / Nm 3 ~500g / Nm 3 ) optionally any adjustments to process gas flow rate (1Slm~20slm ). The ozone concentrator 62 is specifically a high concentration ozone concentrator manufactured by Iwatani Corporation.
図1及び図2における52はガス吐出口であり、各ガスノズル51a〜51cにおけるスリット17側の側面にてウエハボート11の長さ方向に沿って複数箇所に形成されている。また、図1及び図2中53はバルブ、54は流量調整部であり、窒素ガスについてはパージガスノズル51cだけでなく他のガスノズル51a、51bにも供給できるように構成されている。 In FIG. 1 and FIG. 2, 52 is a gas discharge port, which is formed at a plurality of locations along the length direction of the wafer boat 11 on the side surface of each gas nozzle 51 a to 51 c on the slit 17 side. 1 and 2, 53 is a valve, and 54 is a flow rate adjusting unit, which is configured to supply nitrogen gas not only to the purge gas nozzle 51c but also to other gas nozzles 51a and 51b.
図1に示すように、フランジ部18の側壁における既述のスリット17に対向する部位には、内管12bと外管12aとの間の領域に連通するように排気口21が形成されており、この排気口21から伸びる排気路22には、バタフライバルブなどの圧力調整部23を介して真空ポンプ24が接続されている。フランジ部18の下方側には、当該フランジ部18の下端側外周部であるフランジ面に周方向に亘って気密に接触するように概略円板状に形成された蓋体25が設けられており、この蓋体25は、図示しないボートエレベータによって、ウエハボート11と共に昇降自在に構成されている。図1中26は断熱体、27はモータなどの回転機構である。 As shown in FIG. 1, an exhaust port 21 is formed in a portion of the side wall of the flange portion 18 facing the above-described slit 17 so as to communicate with a region between the inner tube 12 b and the outer tube 12 a. A vacuum pump 24 is connected to an exhaust path 22 extending from the exhaust port 21 via a pressure adjusting unit 23 such as a butterfly valve. On the lower side of the flange portion 18, a lid 25 formed in a substantially disc shape is provided so as to be in airtight contact with the flange surface, which is the outer peripheral portion on the lower end side of the flange portion 18, in the circumferential direction. The lid body 25 is configured to be movable up and down together with the wafer boat 11 by a boat elevator (not shown). In FIG. 1, 26 is a heat insulator, and 27 is a rotating mechanism such as a motor.
この縦型熱処理装置には、図1に示すように、装置全体の動作のコントロールを行うためのコンピュータからなる制御部100が設けられており、この制御部100のメモリ内には後述の成膜処理を行うためのプログラムが格納されている。このプログラムは、ハードディスク、コンパクトディスク、光磁気ディスク、メモリカード、フレキシブルディスクなどの記憶媒体である記憶部101から制御部100内にインストールされる。 As shown in FIG. 1, this vertical heat treatment apparatus is provided with a control unit 100 composed of a computer for controlling the operation of the entire apparatus. A program for performing processing is stored. This program is installed in the control unit 100 from the storage unit 101 which is a storage medium such as a hard disk, a compact disk, a magneto-optical disk, a memory card, and a flexible disk.
次に、上述実施の形態の作用である成膜方法について、図3〜図8を参照して説明する。始めに、この成膜方法の概要について説明すると、本発明では、有機系原料ガスとオゾンガスを含む反応ガスとを交互に供給する成膜サイクルを複数回繰り返すことにより、薄膜(酸化ジルコニウム膜)を成膜している。 Next, a film forming method as an operation of the above-described embodiment will be described with reference to FIGS. First, the outline of this film forming method will be described. In the present invention, a thin film (zirconium oxide film) is formed by repeating a film forming cycle for alternately supplying an organic material gas and a reaction gas containing ozone gas a plurality of times. A film is being formed.
続いて、前記成膜方法の詳細について具体的に説明する。先ず、既に成膜温度に加熱されている反応管12に対して、多数枚のウエハWを積載したウエハボート11を気密に搬入して、反応管12内を真空引きした後処理圧力に設定する。次いで、原料ガスを反応管12内に供給する(ステップS1)と、図4に示すように、この原料ガスが各ウエハWの表面に吸着して吸着層91が形成される。 Next, the details of the film forming method will be described in detail. First, the wafer boat 11 loaded with a large number of wafers W is air-tightly introduced into the reaction tube 12 that has already been heated to the film formation temperature, and the inside of the reaction tube 12 is evacuated and then set to a processing pressure. . Next, when the source gas is supplied into the reaction tube 12 (step S1), the source gas is adsorbed on the surface of each wafer W as shown in FIG.
しかる後、原料ガスの供給を停止して反応管12内を真空排気した後(ステップS2)、図5に示すように、パージガスを反応管12内に供給する(ステップS3)ことにより、当該反応管12内の雰囲気を置換する。その後、図6に示すように、処理圧力に設定された(真空ポンプ24により真空引きされている)反応管12内に、高濃度オゾンガスを供給する(ステップS4)。即ち、オゾン発生器61及びオゾン濃縮器62を介して処理ガス中に500g/Nm3もの高濃度にて含まれているオゾンガスをウエハWに供給する。処理ガスの流量は、6〜20slmである。 Thereafter, after the supply of the source gas is stopped and the inside of the reaction tube 12 is evacuated (step S2), a purge gas is supplied into the reaction tube 12 (step S3) as shown in FIG. The atmosphere in the tube 12 is replaced. Thereafter, as shown in FIG. 6, high-concentration ozone gas is supplied into the reaction tube 12 set to the processing pressure (evacuated by the vacuum pump 24) (step S4). That is, ozone gas contained in the processing gas at a high concentration of 500 g / Nm 3 is supplied to the wafer W through the ozone generator 61 and the ozone concentrator 62. The flow rate of the processing gas is 6 to 20 slm.
オゾンガスがウエハW上の吸着層91に接触すると、図6に示すように、吸着層91に含まれているジルコニウム元素が酸化されて、酸化ジルコニウムが生成して反応層92が形成される。また、吸着層91に含まれる炭素や水素あるいは窒素などの不純物が酸化されて、副生成ガスとして吸着層91から脱離する。ここで、処理ガス中に含まれるオゾンガスの濃度が極めて高濃度となっていることから、更にはウエハボート11に多数枚のウエハWを多段に配置していることから、反応管12内では前記副生成ガスが大量に発生するので、反応管12内には、この副生成ガスが滞留する。従って、その後反応管12内を通常の手法により置換しただけだと、反応管12内から副生成ガスが排出しきらずに、当該反応管12内に残留してしまう。このように反応管12内に副生成ガスが残留すると、続いて行われる別の成膜サイクルにて供給される有機系原料ガスとこの副生成ガスとが反応して、この反応によって生じる反応生成物が反応層92に取り込まれてしまう。 When the ozone gas comes into contact with the adsorption layer 91 on the wafer W, as shown in FIG. 6, the zirconium element contained in the adsorption layer 91 is oxidized, and zirconium oxide is generated to form a reaction layer 92. Further, impurities such as carbon, hydrogen or nitrogen contained in the adsorption layer 91 are oxidized and desorbed from the adsorption layer 91 as a by-product gas. Here, since the concentration of the ozone gas contained in the processing gas is extremely high, and further, a large number of wafers W are arranged in the wafer boat 11 in multiple stages. Since a large amount of by-product gas is generated, this by-product gas stays in the reaction tube 12. Therefore, if the inside of the reaction tube 12 is only replaced by a normal method thereafter, the by-product gas is not exhausted from the reaction tube 12 and remains in the reaction tube 12. When the by-product gas remains in the reaction tube 12 in this way, the organic raw material gas supplied in another subsequent film forming cycle reacts with the by-product gas, and a reaction product generated by this reaction occurs. Things are taken into the reaction layer 92.
そこで、本発明では、以下のように、反応管12内に滞留する副生成ガスを良好に排出する工程を行う。具体的には、反応ガスの供給を停止して、反応管12内を真空排気する(圧力調整部23を全開にする)前段ステップを設定時間(例えば20秒間)に亘って行う(ステップS5)。この前段ステップにおいて、反応管12内に滞留する副生成ガスの一部が排気口21に向かって排出されるが、残りの副生成ガスは依然として反応管12内の雰囲気に滞留したままとなる。 Therefore, in the present invention, a step of favorably discharging the by-product gas that stays in the reaction tube 12 is performed as follows. Specifically, the supply of the reaction gas is stopped and the inside of the reaction tube 12 is evacuated (the pressure adjustment unit 23 is fully opened) for the set time (for example, 20 seconds) (step S5). . In this previous step, a part of the by-product gas that stays in the reaction tube 12 is discharged toward the exhaust port 21, but the remaining by-product gas still remains in the atmosphere in the reaction tube 12.
次いで、反応管12内を引き切りの状態に保ったまま、あるいは反応管12内を処理圧力に設定した(戻した)後、反応管12内にパージガスを供給する後段ステップを設定時間(例えば20秒間)に亘って行う(ステップS6)。この後段ステップにより、図7に示すように、反応管12内の雰囲気に依然として残る副生成ガスがパージガスにより希釈されて、当該パージガスと共に反応管12内から排出される。従って、反応管12内に滞留する副生成ガスは、吸着層91を酸化した直後よりも濃度が薄くなる。この例では、前段ステップと後段ステップとの合計の時間は、40秒となる。 Next, while the inside of the reaction tube 12 is kept in a drawn state, or after the inside of the reaction tube 12 is set (returned to) the processing pressure, a subsequent step of supplying purge gas into the reaction tube 12 is performed for a set time (for example, 20 (Step S6). By this subsequent step, as shown in FIG. 7, the by-product gas still remaining in the atmosphere in the reaction tube 12 is diluted with the purge gas and discharged from the reaction tube 12 together with the purge gas. Therefore, the concentration of the by-product gas staying in the reaction tube 12 is lower than that immediately after the adsorption layer 91 is oxidized. In this example, the total time of the preceding step and the succeeding step is 40 seconds.
続いて、以上説明した前段ステップと、後段ステップとからなる雰囲気置換工程を設定回数n(n:自然数)に達するまで行う(ステップS7)。この例では、雰囲気置換工程は、合計5回行われる。これら5回の雰囲気置換工程に充てる合計の時間tは、例えば200秒((20+20)×5)となる。雰囲気置換工程を繰り返すにつれて、反応管12内の雰囲気に滞留する副生成ガスの濃度が低くなっていき、雰囲気置換工程を5回行った時点では、反応管12内における副生成ガスは、その後の成膜サイクルにて供給される有機系原料ガスと反応しないか、反応しても悪影響の出ないレベルまで濃度が低くなる。こうして以上説明した有機系原料ガスの供給工程及び反応ガスの供給工程を反応管12内の雰囲気を置換しながら交互に設定回数k(k:自然数)この例では30回繰り返すと、反応層92が積層されて薄膜が形成される(ステップS8)。 Subsequently, the atmosphere replacement step including the preceding step and the subsequent step described above is performed until the set number n (n: natural number) is reached (step S7). In this example, the atmosphere replacement step is performed five times in total. The total time t devoted to these five atmosphere replacement steps is, for example, 200 seconds ((20 + 20) × 5). As the atmosphere replacement step is repeated, the concentration of the by-product gas staying in the atmosphere in the reaction tube 12 decreases, and when the atmosphere replacement step is performed five times, the by-product gas in the reaction tube 12 The concentration is lowered to a level that does not react with the organic source gas supplied in the film forming cycle or does not adversely affect the reaction. When the organic source gas supply step and the reaction gas supply step described above are alternately set times k (k: natural number) while replacing the atmosphere in the reaction tube 12, in this example, the reaction layer 92 is obtained by repeating 30 times. A thin film is formed by laminating (step S8).
上述の実施の形態によれば、有機系原料ガス及びオゾンガスを交互にウエハWに供給して薄膜を成膜するにあたり、オゾンガスを含む反応ガスの供給工程の後、有機系原料ガスを供給する前に行われる雰囲気置換工程について以下の知見を見いだした。具体的には、後述の実施例に示すように、前記雰囲気置換工程に充てる時間tを増やす程、薄膜の成膜量(膜厚)が減少する。言い換えると、前記時間tがそれ程長くない場合には、薄膜を構成する化合物以外の不純物が当該薄膜に取り込まれやすくなる。そして、薄膜に不純物が取り込まれる理由について、他の元素分析などを踏まえた上で、不純物が反応層92から一度排出された後、処理雰囲気中に滞留して、続いて行われる別の成膜サイクルにて供給される有機系原料ガスとの異常反応によって副生成物として当該反応層92に再度取り込まれていることが分かった。更に、雰囲気置換工程に費やす時間tと成膜量とが互いに相関することについて、オゾンガスが高濃度で含まれている反応ガスを使用して初めて顕著になる現象であることも分かった。即ち、成膜後の薄膜に含まれる不純物濃度を低減するために高濃度のオゾンガスを使用すると、薄膜に含まれる不純物濃度が逆に高くなり、このような現象が反応管12内に滞留する副生成ガスによって起こっていることが分かった。そこで、反応管12内の雰囲気に滞留する副生成ガスを排出するために、前段ステップ及び後段ステップからなる雰囲気置換工程を行う設定回数n(雰囲気置換工程の時間t)を既述のように設定している。そのため、反応層92に不純物が取り込まれることを抑制できるので、良好な膜質の薄膜を得ることができる。 According to the above-described embodiment, when forming the thin film by alternately supplying the organic source gas and the ozone gas to the wafer W, after supplying the reaction gas containing the ozone gas, before supplying the organic source gas The following findings were found regarding the atmosphere replacement process performed in Specifically, as shown in the examples described later, the amount (thickness) of the thin film decreases as the time t devoted to the atmosphere replacement step increases. In other words, when the time t is not so long, impurities other than the compounds constituting the thin film are easily taken into the thin film. The reason why the impurities are taken into the thin film is based on other elemental analysis and the like, and after the impurities are once discharged from the reaction layer 92, they are retained in the processing atmosphere, and another film formation is performed subsequently. It was found that the reaction layer 92 was again taken in as a by-product due to an abnormal reaction with the organic source gas supplied in the cycle. Furthermore, it has been found that the correlation between the time t spent in the atmosphere replacement step and the film formation amount is a phenomenon that becomes noticeable only when a reaction gas containing ozone gas at a high concentration is used. That is, if high-concentration ozone gas is used in order to reduce the concentration of impurities contained in the thin film after film formation, the concentration of impurities contained in the thin film increases conversely, and such a phenomenon remains in the reaction tube 12. It was found to be caused by the product gas. Therefore, in order to discharge the by-product gas staying in the atmosphere in the reaction tube 12, the set number of times n (atmosphere replacement process time t) for performing the atmosphere replacement process including the preceding step and the subsequent step is set as described above. doing. Therefore, since it can suppress that an impurity is taken in into the reaction layer 92, the thin film of favorable film quality can be obtained.
従って、良好な膜質を持つ薄膜を得るにあたって、例えば反応管12内の加熱温度をそれ程高くせずに済むので、ウエハW上に形成された他のデバイスへの熱的ダメージの発生を抑制できる。また、良好な膜質を持つ薄膜を成膜するにあたって、反応管12内の加熱温度の設定可能範囲(下限値)が広がることから、本発明の手法は、プロセスの自由度の高めることができると言える。
そして、本発明は、前記雰囲気置換工程を既述のように長時間に亘って行うにあたって、多数枚のウエハWに対して一括して成膜処理を行うバッチ炉を対象としている。そのため、スループットの低下を抑制しながら、良好な膜質を持つ薄膜を得ることができる。
Therefore, in order to obtain a thin film having good film quality, for example, the heating temperature in the reaction tube 12 does not need to be so high, so that the occurrence of thermal damage to other devices formed on the wafer W can be suppressed. In addition, when a thin film having a good film quality is formed, the settable range (lower limit value) of the heating temperature in the reaction tube 12 is widened. Therefore, the method of the present invention can increase the degree of freedom of the process. I can say that.
The present invention is directed to a batch furnace that performs film formation processing on a large number of wafers W when performing the atmosphere replacement step over a long period of time as described above. Therefore, a thin film having good film quality can be obtained while suppressing a decrease in throughput.
ここで、前段ステップ及び後段ステップの各々に費やす合計の時間tと、反応層92に残る不純物との相関関係について詳述する。即ち、一般的なALDでは、有機系原料ガスとオゾンガスとを切り替える時に処理雰囲気を置換する雰囲気置換工程について、それ程長い時間を充てていない。その理由としては、処理雰囲気における有機系原料ガスとオゾンガスとの混合を避けるためにはある程度の時間を設定すれば十分であり、一方雰囲気置換工程に長い時間を費やしすぎると、スループットの低下に繋がってしまう。また、後述の実施例からも分かるように、通常のオゾンガスの濃度では、雰囲気置換工程に長い時間を充てたとしても、本発明のような効果はそれ程望めない。そのため、一般的には、雰囲気置換工程では、処理雰囲気からガスを十分に排気できる程度の時間に設定している。具体的には、雰囲気置換工程に充てる時間は、一般的には数十秒程度である。 Here, the correlation between the total time t spent in each of the previous step and the subsequent step and the impurities remaining in the reaction layer 92 will be described in detail. That is, in general ALD, an atmosphere replacement process for replacing the processing atmosphere when switching between the organic source gas and the ozone gas does not take much time. The reason for this is that it is sufficient to set a certain amount of time in order to avoid mixing the organic source gas and ozone gas in the processing atmosphere. On the other hand, if too much time is spent in the atmosphere replacement step, it leads to a decrease in throughput. End up. Further, as can be seen from the examples described later, even with a normal ozone gas concentration, the effect of the present invention cannot be expected so much even if a long time is spent in the atmosphere replacement step. Therefore, in general, in the atmosphere replacement step, the time is set so that the gas can be sufficiently exhausted from the processing atmosphere. Specifically, the time for the atmosphere replacement step is generally about several tens of seconds.
しかしながら、本発明では、後述の実施例に示すように、オゾンガスが高濃度で含まれる反応ガスを用いた場合には、反応管12内に滞留する副生成ガスと有機系原料ガスとの反応によって生成する副生成物が反応層92内に取り込まれてしまうことを見いだした。そこで、本発明では、反応ガスの供給を停止した後、有機系原料ガスの供給を開始するまでに行われる雰囲気置換工程について、反応管12内の雰囲気に滞留する副生成ガスを排出するために、ある程度長い時間を充てている。図8は、薄膜の成膜量Dと、雰囲気置換工程に費やす時間(前段ステップ及び後段ステップの合計の時間)tと、の相関関係を示したものであり、後述の実施例における図14の実測値に基づいて模式的に記載している。従って、図8では、成膜量Dの減衰率(曲線のカーブ)についても概略的に記載している。 However, in the present invention, as shown in the examples to be described later, when a reaction gas containing ozone gas at a high concentration is used, a reaction between a by-product gas staying in the reaction tube 12 and an organic material gas is caused. It has been found that by-products that are generated are taken into the reaction layer 92. Therefore, in the present invention, in order to discharge the by-product gas that stays in the atmosphere in the reaction tube 12 in the atmosphere replacement process that is performed after the supply of the reaction gas is stopped and before the supply of the organic material gas is started. , Have spent some time long. FIG. 8 shows a correlation between the film formation amount D of the thin film and the time (total time of the previous step and the subsequent step) t spent in the atmosphere replacement step, and is shown in FIG. It is schematically described based on actual measurement values. Therefore, in FIG. 8, the attenuation rate (curve curve) of the film formation amount D is also schematically described.
図8に示す成膜量Dの変動パターンは、測定対象となるウエハWがウエハボート11の高さ方向における配列領域の最上段に置かれているのか、中央に置かれているのか、最下段に置かれているのか、によって完全に同一であるとは言いがたいが、実質ほとんど差がない。そこで、本発明では、技術内容を明確化する観点から、図8に示す成膜量Dの変動パターンは、ウエハボート11の上下方向の中央領域におけるものであるとする。中央領域とは、例えばウエハボート11の配列領域を上下方向に3等分したときに中央の等分領域に属する領域を指すものとする。 The variation pattern of the film formation amount D shown in FIG. 8 indicates whether the wafer W to be measured is placed at the top of the arrangement region in the height direction of the wafer boat 11 or at the center, or at the bottom. It is hard to say that they are completely the same, but there is virtually no difference. Therefore, in the present invention, from the viewpoint of clarifying the technical contents, it is assumed that the fluctuation pattern of the film formation amount D shown in FIG. 8 is in the central region in the vertical direction of the wafer boat 11. The central region refers to a region belonging to the central equally divided region, for example, when the array region of the wafer boat 11 is equally divided into three in the vertical direction.
図8に着目すると、成膜量Dは、一般的なALDで設定される時間tである40秒では厚膜となっており、一方前記時間tが200秒に至るまでは当該時間tが増えるにつれて減少していた。その後、時間tが200秒になると、あるいは200秒をわずかに(10秒程度)越えると、成膜量Dがほぼ一定の値になる。従って、既述のように、時間tがそれ程長くない場合には、不純物が反応層92に取り込まれており、一方時間tを長くする程、不純物が薄膜に取り込まれにくくなっていることが分かる。 Focusing on FIG. 8, the film formation amount D is a thick film at 40 seconds, which is a time t set in general ALD, while the time t increases until the time t reaches 200 seconds. It decreased with time. Thereafter, when the time t reaches 200 seconds or slightly exceeds 200 seconds (about 10 seconds), the film formation amount D becomes a substantially constant value. Therefore, as described above, when the time t is not so long, the impurities are taken into the reaction layer 92. On the other hand, the longer the time t is, the harder the impurities are taken into the thin film. .
ここで、成膜量Dの減少率について検討すると、この減少率は、時間tの経過に伴って小さくなっている。そして、時間tが200秒にもなると、成膜量Dの減少率(80秒あたりの値)が後述の実施例に示されているように、1.5%を下回る大きさ(具体的には1.285%)になり、薄膜には不純物がほぼ含まれていないと言えるので、良好な膜質を持つ薄膜が得られる。 Here, when the reduction rate of the film formation amount D is examined, the reduction rate decreases with the passage of time t. When the time t reaches 200 seconds, the reduction rate (value per 80 seconds) of the film formation amount D is less than 1.5% (specifically, as shown in the examples described later). 1.285%), and it can be said that the thin film is substantially free of impurities, so that a thin film having good film quality can be obtained.
ウエハW上の薄膜中の不純物をより一層低減させるためには、時間tが200秒以上であることが好ましい。一方、熱処理の処理時間を短縮するという観点からは、時間tが短い方が好ましく、この観点に立てば、時間tはせいぜい150秒であることが好ましいと言える。即ち、時間tを80秒増やしたときの成膜量Dの減少率が1.5%以下となる成膜量DをD0とすると、本発明では、時間tについて、成膜量DがD0となるように雰囲気置換工程を行っている。 In order to further reduce impurities in the thin film on the wafer W, the time t is preferably 200 seconds or more. On the other hand, from the viewpoint of shortening the heat treatment time, it is preferable that the time t is short. From this viewpoint, it can be said that the time t is preferably at most 150 seconds. That is, assuming that the film formation amount D at which the rate of decrease of the film formation amount D when the time t is increased by 80 seconds is 1.5% or less is D0, in the present invention, the film formation amount D is D0 at time t. An atmosphere replacement step is performed so as to be.
以上説明した本発明における雰囲気置換工程としては、前段ステップと後段ステップとを交互に複数回繰り返すことが好ましいが、これら前段ステップと後段ステップとを一回ずつ行っても良い。具体的には、既述の例では雰囲気置換工程を200秒間に亘って行うにあたり、20秒の前段ステップと20秒の後段ステップとを交互に各々5回行ったが、100秒の前段ステップと100秒の後段ステップとを各々1回ずつ行っても良い。また、雰囲気置換工程における前段ステップに費やす時間と後段ステップに費やす時間とのバランスについては、1:1であることが好ましいが、1:3〜3:1に設定しても良い。 As the atmosphere replacement step in the present invention described above, it is preferable to repeat the former step and the latter step a plurality of times alternately. However, the former step and the latter step may be performed once. Specifically, in the above-described example, in performing the atmosphere replacement process over 200 seconds, the 20-second pre-step and the 20-second post-step were alternately performed five times, but the 100-second pre-step and The subsequent steps of 100 seconds may be performed once each. The balance between the time spent in the previous step and the time spent in the subsequent step in the atmosphere replacement step is preferably 1: 1, but may be set to 1: 3 to 3: 1.
また、以上のように雰囲気置換工程の時間tを設定するにあたって、多数回に亘って行う成膜サイクルのうち全てに対して設定することが好ましいが、薄膜の膜厚方向に亘って良好な膜質を得るためには、成膜サイクルのうち80%以上の成膜サイクルに対して行っても良い。具体的な数値を挙げると、例えば15回の成膜サイクルを行う場合には、12回の成膜サイクルについては雰囲気置換工程に各々200秒の時間を充てて、残りの3回の成膜サイクルについては雰囲気置換工程を各々40秒ずつ行っても良い。 Moreover, when setting the time t of the atmosphere replacement step as described above, it is preferable to set it for all of the film formation cycles performed many times, but the film quality is good over the film thickness direction of the thin film. In order to obtain the above, the film forming cycle may be performed for 80% or more of the film forming cycles. For example, when fifteen film formation cycles are performed, for example, for the 12 film formation cycles, 200 atmospheres are each allocated to the atmosphere replacement step, and the remaining three film formation cycles are performed. For each, the atmosphere replacement step may be performed for 40 seconds each.
また、有機原料ガスとしては、炭素を含むガスであれば良く、既述のジルコニウム系のガスの他の例を挙げるとTEMAZ(テトラキスエチルメチルアミノジルコニウム)ガスである。また、有機原料ガスとして、ジルコニウム系ガスに代えて、例えばHf(ハフニウム)系ガス、Sr(ストロンチウム)系ガス、Al(アルミニウム)系ガス、Ti(チタン)系ガスあるいはSi(シリコン)系ガスなどを用いても良い。これらガスは、例えば有機物が結合した状態で使用される。このような各有機系原料ガスの一例を挙げると、TEMHF(テトラキスエチルメチルアミノハフニウム)ガス、Sr(THD)2(ストロンチウムビステトラメチルヘプタンジオナト)ガス、TMA(トリメチルアルミニウム)ガス、Ti(MPD)(THD)(チタニウムメチルペンタンジオナトビステトラメチルヘプタンジオナト)ガス、アミノシランガスである。 The organic source gas may be a gas containing carbon, and another example of the zirconium-based gas is TEMAZ (tetrakisethylmethylaminozirconium) gas. In addition, instead of zirconium-based gas, for example, Hf (hafnium) -based gas, Sr (strontium) -based gas, Al (aluminum) -based gas, Ti (titanium) -based gas, or Si (silicon) -based gas may be used as the organic source gas. May be used. These gases are used, for example, in a state where organic substances are combined. An example of each organic source gas is TEMHF (tetrakisethylmethylaminohafnium) gas, Sr (THD) 2 (strontium bistetramethylheptanedionate) gas, TMA (trimethylaluminum) gas, Ti (MPD). ) (THD) (titanium methylpentanedionatobistetramethylheptaneedionato) gas, aminosilane gas.
また、パージガスを反応管12内に供給するにあたって、パージガス専用のパージガスノズル51cを使用する代わりに、原料ガスノズル51aや反応ガスノズル51bを当該パージガスノズル51cとして利用しても良い。更に、反応管12を縦向きに設けることに代えて、横向きに配置して、左右方向からウエハボート11を搬入出する構成を採っても良い。 Further, when supplying the purge gas into the reaction tube 12, instead of using the purge gas nozzle 51c dedicated to the purge gas, the source gas nozzle 51a or the reaction gas nozzle 51b may be used as the purge gas nozzle 51c. Furthermore, instead of providing the reaction tube 12 vertically, a configuration may be adopted in which the wafer boat 11 is loaded and unloaded from the left-right direction by being arranged horizontally.
次いで、以上説明した本発明にて得られた実施例について説明する。
(実施例1)
図9は、処理ガスにおけるオゾンガスの濃度と、処理ガスの酸化力とを確認した結果を示している。具体的には、ベアシリコンウエハの表面に対してオゾンガス濃度を種々変えた処理ガスを供給して、このベアシリコンウエハの表面を酸化した。その後、酸化処理済みのベアシリコンウエハをフッ化水素水溶液に浸漬して、このフッ化水素水溶液に溶解したベアシリコンウエハの膜厚を測定した。即ち、ベアシリコンウエハの酸化によって生成した酸化シリコン膜についてはフッ化水素水溶液に溶解する一方、ベアシリコンウエハ自体はフッ化水素水溶液に溶解しない(あるいは溶解速度が極めて遅い)ので、前記膜厚を測定することにより、処理ガスによって酸化されたベアシリコンウエハの膜厚(処理ガスの酸化力の強さ)を測定できると言える。
Next, examples obtained by the present invention described above will be described.
(Example 1)
FIG. 9 shows the result of confirming the concentration of ozone gas in the processing gas and the oxidizing power of the processing gas. Specifically, a process gas having various ozone gas concentrations was supplied to the surface of the bare silicon wafer to oxidize the surface of the bare silicon wafer. Thereafter, the oxidized bare silicon wafer was immersed in an aqueous hydrogen fluoride solution, and the film thickness of the bare silicon wafer dissolved in the aqueous hydrogen fluoride solution was measured. That is, the silicon oxide film formed by oxidation of the bare silicon wafer is dissolved in the hydrogen fluoride aqueous solution, while the bare silicon wafer itself is not dissolved in the hydrogen fluoride aqueous solution (or the dissolution rate is extremely slow). By measuring, it can be said that the film thickness (strength of oxidizing power of the processing gas) of the bare silicon wafer oxidized by the processing gas can be measured.
その結果、図9に示すように、処理ガス中のオゾンガスの濃度が500g/Nm3の場合には、200g/Nm3と比べて処理ガスの酸化力が強いことが分かった。尚、図9では、ベアシリコンウエハ上に形成された自然酸化膜について「未処理」として示している。 As a result, as shown in FIG. 9, it was found that when the concentration of ozone gas in the processing gas is 500 g / Nm 3 , the oxidizing power of the processing gas is stronger than that of 200 g / Nm 3 . In FIG. 9, the natural oxide film formed on the bare silicon wafer is shown as “unprocessed”.
(実施例2)
実施例2では、オゾンガスの濃度が種々異なる処理ガスを用いて酸化膜を形成すると共に、当該酸化膜の電気的抵抗(シート抵抗)を評価した。その結果、図10に示すように、処理ガス中のオゾンガスの濃度が500g/Nm3の場合には、200g/Nm3と比べて処理ガスの酸化力が強くなっていた。
(Example 2)
In Example 2, an oxide film was formed using processing gases having different ozone gas concentrations, and the electrical resistance (sheet resistance) of the oxide film was evaluated. As a result, as shown in FIG. 10, when the concentration of ozone gas in the processing gas was 500 g / Nm 3 , the oxidizing power of the processing gas was stronger than that of 200 g / Nm 3 .
(実施例3)
実施例3では、既述の有機系原料ガスと反応ガス(酸素ガスとオゾンガスとの混合ガス)とを交互に供給して酸化ジルコニウム膜を成膜した後、酸化ジルコニウム膜の膜厚方向における不純物(炭素元素)の濃度を測定した。この実験では、オゾンガスの濃度を500g/Nm3に設定した処理ガスと200g/Nm3に設定した処理ガスとを用いた。また、いずれのオゾンガス濃度の場合についても、処理ガスの供給工程の後に行われる雰囲気置換工程については、20秒の前段ステップ及び20秒の後段ステップを1回ずつ行う共通の条件とした。
(Example 3)
In Example 3, an organic source gas and a reactive gas (mixed gas of oxygen gas and ozone gas) described above are alternately supplied to form a zirconium oxide film, and then impurities in the film thickness direction of the zirconium oxide film The concentration of (carbon element) was measured. In this experiment, a processing gas whose ozone gas concentration was set to 500 g / Nm 3 and a processing gas set to 200 g / Nm 3 were used. In any case of ozone gas concentration, the atmosphere replacement process performed after the process gas supply process was performed under a common condition in which the 20-second pre-stage and the 20-second post-stage were performed once.
その結果、図11に示すように、オゾンガスの濃度が500g/Nm3の場合には、200g/Nm3と比べて、酸化ジルコニウム膜中に多くの不純物が残っていた。従って、オゾンガスの濃度が500g/Nm3の場合には、有機系原料ガスに含まれる不純物が雰囲気中に一度放出された後、酸化ジルコニウム膜に再度取り込まれているものと考えられる。そのため、この実験では、雰囲気置換工程に充てる時間t(具体的には40秒)は、オゾンガスの濃度を500g/Nm3に設定した場合には、処理雰囲気から副生成ガスを排出するには不足していることが分かる。 As a result, as shown in FIG. 11, when the ozone gas concentration was 500 g / Nm 3 , many impurities remained in the zirconium oxide film as compared with 200 g / Nm 3 . Therefore, when the concentration of ozone gas is 500 g / Nm 3 , it is considered that impurities contained in the organic source gas are once released into the atmosphere and then taken into the zirconium oxide film again. Therefore, in this experiment, the time t (specifically 40 seconds) devoted to the atmosphere replacement step is insufficient to discharge the by-product gas from the processing atmosphere when the ozone gas concentration is set to 500 g / Nm 3. You can see that
(実施例4)
実施例4では、既述の有機系原料ガスと反応ガスとを交互に複数回供給する手法によって酸化ジルコニウム膜を成膜した時に、雰囲気置換工程の時間tと、酸化ジルコニウム膜の成膜量(膜厚)Dとの相関を評価した。処理ガスにおけるオゾンガスの濃度は、500g/Nm3に設定した。
Example 4
In Example 4, when the zirconium oxide film was formed by the method of alternately supplying the organic source gas and the reaction gas a plurality of times as described above, the time t of the atmosphere replacement process and the film formation amount of the zirconium oxide film ( Film thickness) Correlation with D was evaluated. The concentration of ozone gas in the processing gas was set to 500 g / Nm 3 .
その結果、図12に示すように、時間tが従来の40秒では成膜量Dが5.4nmもの厚膜となっていたが、時間tが長くなるにつれて、成膜量Dは減少していた。従って、既述のように、時間tが短いと不純物が酸化ジルコニウム膜に取り込まれており、その後時間tの経過と共に当該不純物が少なくなっていることが分かる。酸化ジルコニウム膜の膜厚の均一性については、ウエハWの面内及びウエハW間のいずれについてもほぼ同じ値となっていた。尚、図12は、ウエハボート11における上段位置、中段位置及び下段位置における各結果を示している。 As a result, as shown in FIG. 12, the film formation amount D was 5.4 nm thick when the time t was 40 seconds, but the film formation amount D decreased as the time t increased. It was. Therefore, as described above, it can be seen that when the time t is short, the impurity is taken into the zirconium oxide film, and the impurity decreases with the passage of time t thereafter. The uniformity of the film thickness of the zirconium oxide film was almost the same for both the in-plane of the wafer W and between the wafers W. FIG. 12 shows the results of the wafer boat 11 at the upper position, the middle position, and the lower position.
図13は、図12において時間tを40秒に設定した場合に得られる酸化ジルコニウム膜と、時間tを280秒に設定して(20秒の前段ステップと20秒の後段ステップとを交互に7回ずつ繰り返して)得られた酸化ジルコニウム膜とについて、膜厚方向における不純物(炭素元素)の濃度を測定した結果を示している。図13から分かるように、雰囲気置換工程に長い時間tを充てることにより、酸化ジルコニウム膜に含まれる不純物濃度が低くなる。 FIG. 13 shows a zirconium oxide film obtained when the time t is set to 40 seconds in FIG. 12, and the time t is set to 280 seconds (the 20-second pre-step and the 20-second post-step are alternately 7 The results of measuring the concentration of impurities (carbon element) in the film thickness direction for the obtained zirconium oxide film are shown. As can be seen from FIG. 13, the concentration of impurities contained in the zirconium oxide film is lowered by allocating a long time t to the atmosphere replacement step.
(実施例5)
実施例5では、処理ガスにおけるオゾンガスの濃度を500g/Nm3に設定すると共に、処理ガスの流量を20slmに固定して、雰囲気置換工程の時間tを種々変えて酸化ジルコニウム膜を成膜した時に、当該時間tと成膜量Dとの相関を評価した。その結果、図14に示すように、成膜量Dは、一般的なALDで設定される時間tである合計40秒では3.9nmを越える厚膜となっており、一方前記時間tが200秒に至るまでは当該時間tが増えるにつれて減少していた。その後、時間tが200秒以上になると、成膜量Dは3.83nm程度に落ち着いていた。尚、この図14は、既述の図8に示した模式図の元となるグラフとなっている。
(Example 5)
In Example 5, when the concentration of ozone gas in the processing gas was set to 500 g / Nm 3 , the flow rate of the processing gas was fixed to 20 slm, and the time t of the atmosphere replacement process was changed variously to form a zirconium oxide film. The correlation between the time t and the film formation amount D was evaluated. As a result, as shown in FIG. 14, the film formation amount D is a thick film exceeding 3.9 nm at a total time of 40 seconds, which is a time t set in general ALD, while the time t is 200. Until the second, the time t decreased as the time t increased. Thereafter, when the time t was 200 seconds or more, the film formation amount D was settled to about 3.83 nm. FIG. 14 is a graph that is the basis of the schematic diagram shown in FIG. 8 described above.
以下の表は、図14のデータとなっており、反応管12内に収納された中央位置のウエハWの成膜量Dを示している。この表からも分かるように、80秒あたりの成膜量Dの減少率は、時間tが200秒の時点では1.3%を下回り、薄膜には不純物がほぼ含まれていないことが分かる。そして、時間tが150秒以上では、成膜量Dの減少率が1.5%以下となり、薄膜を半導体デバイスに適用するにあたって問題ないレベルにまで不純物濃度が低減していると言える。ここで、「成膜量Dの減少率」とは、時間tを80秒増やした時の値であり、具体的には以下のように計算される。即ち、時間tm、tm+1(m:正の数)にて夫々得られる成膜量DをDm、Dm+1とすると、成膜量Dの減少率Rは、
R=(Dm−Dm+1)÷Dm÷(tm+1−tm)×80×100
となっている。即ち、この減少率Rの計算式では、単位時間当たりの成膜量Dの減少率を計算して、この減少率を80秒あたりの値に換算している。
The following table is the data of FIG. 14 and shows the film formation amount D of the wafer W at the center position accommodated in the reaction tube 12. As can be seen from this table, the decrease rate of the film formation amount D per 80 seconds is less than 1.3% when the time t is 200 seconds, and it can be seen that the thin film is substantially free of impurities. When the time t is 150 seconds or more, the reduction rate of the film formation amount D is 1.5% or less, and it can be said that the impurity concentration is reduced to a level at which there is no problem in applying the thin film to a semiconductor device. Here, the “decrease rate of the film formation amount D” is a value when the time t is increased by 80 seconds, and is specifically calculated as follows. That is, when the film formation amounts D obtained at times t m and t m + 1 (m: positive number) are D m and D m + 1 , respectively, the decrease rate R of the film formation amount D is
R = (D m −D m + 1 ) ÷ D m ÷ (t m + 1 −t m ) × 80 × 100
It has become. That is, in the calculation formula of the reduction rate R, the reduction rate of the film formation amount D per unit time is calculated, and this reduction rate is converted into a value per 80 seconds.
(表)
(table)
(実施例6)
既に詳述したように、オゾンガスの濃度が500g/Nm3の処理ガスを用いた場合(より詳しくは更に処理ガスの流量を20slmに設定した場合)には、成膜量Dは、時間tが200秒に達した時点以降では、ほぼ一定の値となる(成膜量Dの減少率がほぼゼロになる)。成膜量Dがほぼ一定の値に到達する時の時間tについて、「飽和時間」と呼ぶと、この実施例6では、処理ガスにおけるオゾンガスの濃度と、飽和時間との相関について検討した。
(Example 6)
As already described in detail, when a processing gas having an ozone gas concentration of 500 g / Nm 3 is used (more specifically, when the flow rate of the processing gas is set to 20 slm), the film formation amount D is equal to the time t. After the point of time reaching 200 seconds, the value is substantially constant (the rate of decrease of the film formation amount D is substantially zero). When the time t when the film formation amount D reaches a substantially constant value is referred to as “saturation time”, in Example 6, the correlation between the concentration of ozone gas in the processing gas and the saturation time was examined.
具体的には、既述の図14に示したように、雰囲気置換工程に費やす時間tと成膜量Dとの相関関係について、処理ガスに含まれるオゾンガスの濃度を種々変えて実験を行い、各処理ガスについて飽和時間を求めた。図15は、この実験にて得られた結果を示しており、オゾンガスの濃度が500g/Nm3の場合には、飽和時間は既述のように200秒である。一方、オゾンガスの濃度が300g/Nm3の場合及び200g/Nm3の場合には、飽和時間は夫々120秒及び140秒である。 Specifically, as shown in FIG. 14 described above, with respect to the correlation between the time t spent in the atmosphere replacement step and the film formation amount D, an experiment was performed by varying the concentration of ozone gas contained in the processing gas, The saturation time was determined for each process gas. FIG. 15 shows the results obtained in this experiment. When the concentration of ozone gas is 500 g / Nm 3 , the saturation time is 200 seconds as described above. On the other hand, when the ozone gas concentration is 300 g / Nm 3 and 200 g / Nm 3 , the saturation time is 120 seconds and 140 seconds, respectively.
従って、処理ガスに含まれるオゾンガスの濃度が増える程、雰囲気置換工程の時間tを増やす効果が顕著になることが分かる。一方、従来のオゾンガスの濃度(200g/Nm3)では、前記時間tを延ばしても、酸化ジルコニウム膜に含まれる不純物を排出する効果はそれ程期待できないことが分かる。即ち、本発明のように雰囲気置換工程の時間tを設定することは、高濃度のオゾンガスを使用して初めて効果が得られると言える。 Therefore, it can be seen that the effect of increasing the time t of the atmosphere replacement step becomes more significant as the concentration of ozone gas contained in the processing gas increases. On the other hand, it can be seen that with the conventional ozone gas concentration (200 g / Nm 3 ), the effect of discharging impurities contained in the zirconium oxide film cannot be expected so much even if the time t is extended. That is, setting the time t of the atmosphere replacement step as in the present invention can be said to be effective only when high-concentration ozone gas is used.
W ウエハ
11 ウエハボート
12 反応管
21 排気口
51a〜51c ガスノズル
52 ガス吐出口
60 オゾンガス発生系
D 成膜量
W Wafer 11 Wafer boat 12 Reaction tube 21 Exhaust ports 51a to 51c Gas nozzle 52 Gas discharge port 60 Ozone gas generation system D Film formation amount
Claims (9)
前記成膜サイクルは、反応ガスの供給を停止した後、有機系原料ガスの供給を開始する前に、前記反応管内を真空排気する前段ステップと次いで不活性ガスを供給する後段ステップとを含む雰囲気置換工程を含み、
前記雰囲気置換工程の前段ステップ及び後段ステップを各々1回ずつ同じ時間に設定して前記成膜サイクルを実施して得られた成膜量をDとし、前記前段ステップ及び前記後段ステップに充てる合計の時間tと成膜量Dとの関係を示すグラフにおいて時間tの増大により成膜量Dが減少して、時間tが80秒増大したときに成膜量Dの減少率が1.5%以下となる成膜量DをD0とすると、
前記雰囲気置換工程は、前記成膜サイクルを行ったときの成膜量DがD0となるように実施されることを特徴とする成膜方法。 A film forming cycle for sequentially supplying a reaction gas containing an organic source gas and ozone gas to a plurality of substrates held in a shelf shape on a substrate holder in a reaction tube is repeated a plurality of times, and the organic source gas and In a film forming method of laminating a reaction product with ozone gas on a substrate,
The film formation cycle includes an atmosphere including a pre-stage for evacuating the inside of the reaction tube and a post-stage for supplying an inert gas after the supply of the reaction gas is stopped and before the supply of the organic source gas is started. Including a replacement step,
The film formation amount obtained by carrying out the film formation cycle by setting the previous step and the subsequent step of the atmosphere replacement process one time each at the same time is defined as D, and the total amount to be applied to the previous step and the subsequent step In the graph showing the relationship between the time t and the film formation amount D, the film formation amount D decreases as the time t increases, and when the time t increases 80 seconds, the decrease rate of the film formation amount D is 1.5% or less. If the film-forming amount D becomes D0,
The film forming method is characterized in that the atmosphere replacement step is performed so that a film forming amount D when the film forming cycle is performed becomes D0.
反応ガスの供給を停止した後、有機系原料ガスの供給を開始する前に、前記反応管内を真空排気する前段ステップと次いで不活性ガスを供給する後段ステップとを含む雰囲気置換工程を前記成膜サイクルの一部として行うように制御信号を出力する制御部を備え、
前記雰囲気置換工程の前段ステップ及び後段ステップを各々1回ずつ同じ時間に設定して前記成膜サイクルを実施して得られた成膜量をDとし、前記前段ステップ及び前記後段ステップに充てる合計の時間tと成膜量Dとの関係を示すグラフにおいて時間tの増大により成膜量Dが減少して、時間tが80秒増大したときに成膜量Dの減少率が1.5%以下となる成膜量DをD0とすると、
前記制御部は、前記成膜サイクルを行ったときの成膜量DがD0となるように、前記雰囲気置換工程を実施するように制御信号を出力することを特徴とする成膜装置。 A film forming cycle for sequentially supplying a reaction gas containing an organic source gas and ozone gas to a plurality of substrates held in a shelf shape on a substrate holder in a reaction tube is repeated a plurality of times, and the organic source gas and In a film forming apparatus for laminating a reaction product with ozone gas on a substrate,
After the supply of the reaction gas is stopped and before the supply of the organic material gas is started, an atmosphere replacement process including a pre-step for evacuating the inside of the reaction tube and a post-step for supplying an inert gas is then formed. A control unit that outputs a control signal to perform as part of the cycle,
The film formation amount obtained by carrying out the film formation cycle by setting the previous step and the subsequent step of the atmosphere replacement process one time each at the same time is defined as D, and the total amount to be applied to the previous step and the subsequent step In the graph showing the relationship between the time t and the film formation amount D, the film formation amount D decreases as the time t increases, and when the time t increases 80 seconds, the decrease rate of the film formation amount D is 1.5% or less. If the film-forming amount D becomes D0,
The film forming apparatus, wherein the control unit outputs a control signal so as to perform the atmosphere replacement step so that a film forming amount D when the film forming cycle is performed becomes D0.
前記コンピュータプログラムは、請求項1ないし4のいずれか一つに記載の成膜方法を実施するようにステップが組まれていることを特徴とする記憶媒体。
A storage medium storing a computer program that runs on a computer,
5. A storage medium, wherein the computer program includes steps so as to carry out the film forming method according to claim 1.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2014066660A JP2015191955A (en) | 2014-03-27 | 2014-03-27 | Film formation method, film formation apparatus and storage medium |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Family Applications (1)
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