(57)【要約】【課題】不純物濃度が低く、特性の良い高誘電体薄膜を形成する。【解決手段】密閉可能な筐体と、筐体内に配置され、基板を載置する載置台と、筐体内にガスを供給するガス供給口と、筐体内のガスを排気するガス排気口とを備える薄膜形成装置に、更に、載置台上に載置された基板の表面を加熱する加熱手段と設ける。薄膜形成の際には、筐体内に原料ガス供給後、加熱手段により、基板の表面を、数ミリ秒以下の時間、瞬間的に加熱し、原料ガスの反応を促進する。【選択図】        図１
2004193368.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉可能な筐体と、
前記筐体内に配置され、基板を載置する載置台と、
前記筐体内にガスを供給するガス供給口と、
前記筐体内のガスを排気するガス排気口と、
前記載置台上に載置された基板の表面を加熱する加熱手段と、
を、備えることを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項２】
前記加熱手段は、前記基板の表面に、光を照射することを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成装置。
【請求項３】
前記加熱手段は、数ミリ秒以下の時間で前記基板の表面を加熱することを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜形成装置。
【請求項４】
前記加熱手段は、フラッシュランプを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の薄膜形成装置。
【請求項５】
基板の載置された筐体内に、薄膜を形成するための原料ガスを供給するガス供給工程と、
前記基板の表面を加熱する加熱工程と、
を、備えることを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項６】
前記加熱工程は、前記基板の表面に、光を照射することにより行うことを特徴とする請求項５に記載の薄膜形成方法。
【請求項７】
前記加熱工程における加熱時間は、数ミリ秒以下であることを特徴とする請求項５または６に記載の薄膜形成方法。
【請求項８】
前記加熱工程は、フラッシュランプを用いて行うことを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の薄膜形成方法。
【請求項９】
前記薄膜形成方法において、少なくとも２以上の元素を含む化合物薄膜を形成する場合において、
前記ガス供給工程は、
前記元素のうち１の元素を含む第一の原料ガスを供給する第一ガス供給工程と、
前記元素のうち他の元素を含む第二の原料ガスを供給する第二ガス供給工程と、
を含み、
前記加熱工程は、第二ガス供給工程の後に行われることを特徴とする請求項４から７のいずれかに記載の薄膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、薄膜形成装置及び薄膜形成方法に関する。さらに具体的には、基板に高誘電体薄膜を形成する際に用いる薄膜形成装置及び薄膜形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路の高集積化、微細化が進んでいるが、この高集積化、微細化の推進のためには、ＭＯＳトランジスタの微細化が必須である。例えば、基本デザインが９０ｎｍである９０ｎｍノードと呼ばれる技術においては、ＭＯＳトランジスタのゲート長は、およそ６５ｎｍ程度となっている。このように、微細化の進むトランジスタに対応しつつ、その性能向上を図る上では、微細化と並行して、各部の薄膜化を図らなければならない。従って、ゲート絶縁膜にも、薄膜化が望まれている。
【０００３】
現在、ゲート絶縁膜としては、一般には、シリコン酸化膜が用いられている。しかし、シリコン酸化膜は、膜厚が２ｎｍ以下となると、直接トンネル電流が増大し、素子の消費電力の著しい増大を招く。従って、従来のシリコン酸化膜を、微細化するトランジスタのゲート酸化膜として用いることはできない。
【０００４】
そこで、シリコン酸化膜に代えて、高誘電体材料を用いた薄膜をゲート絶縁膜として用いる研究が進められている。高誘電体薄膜を用いると、物理的膜厚を厚くしつつ電気的膜厚を薄くすることができる。トンネル電流は、物理的膜厚に指数関数的に依存するため、物理的膜厚を厚くすることができれば、トンネル電流を抑制することができる。
【０００５】
このような、高誘電体材料を用いた薄膜形成には、一般に、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition；原子層制御気相化学成長）法が用いられている。この方法は、チャンバー内に、薄膜形成の原料となる元素を含むガスを流入させて、薄膜を形成するものである。
【０００６】
具体的には、例えば、酸化アルミニウム膜を形成する場合について説明する。まず、載置台に基板を載置する。その後、チャンバー全体を排気し、アルゴンガスを流入させ、チャンバー内の圧力を０．２Torrに保つ。この状態で、チャンバー内に、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を１秒間流入させた後、数秒間排気する。続けて、チャンバー内に、水蒸気を３秒間流入させた後、排気する。このようなＴＭＡと水蒸気との流入、排気を数十回繰り返すことにより、基板表面に、膜厚数ｎｍの酸化アルミニウム膜が形成することができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
しかし、ＡＬＤ法により形成された高誘電体薄膜には、一般に、数％程度の不純物が含まれる。例えば、上述の酸化アルミニウム膜の場合には、不純物として、炭素と水素が含まれる。また、例えば、酸化ハフニウム膜の場合、原料ガスとして、ＨｆＣｌ４を用いるため、不純物として塩素が残留する。このような不純物の残留は、固定電荷やトラップの原因となり、膜の性質が損なわれてしまう。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−３５５０７０号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、ゲート絶縁膜として、シリコン酸化膜の代わりに高誘電体薄膜を用いることにより、トンネル電流を抑えることができる。しかし、従来のＡＬＤ法による薄膜の形成方法では、薄膜内に、不純物が残留してしまうため、膜の性質が損なわれてしまうことが考えられる。従って、薄膜内の不純物を抑えることが必要となる。
【００１０】
従って、この発明は、不純物濃度の低い高誘電体薄膜を形成することを目的として、改良した高誘電体薄膜の形成方法及び薄膜形成装置を提案するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
従って、この発明の薄膜形成装置は、密閉可能な筐体と、
前記筐体内に配置され、基板を載置する載置台と、
前記筐体内にガスを供給するガス供給口と、
前記筐体内のガスを排気するガス排気口と、
前記載置台上に載置された基板の表面を加熱する加熱手段と、
を、備えるものである。
【００１２】
あるいは、また、この発明の薄膜形成方法は、
基板の載置された筐体内に、薄膜を形成するための原料ガスを供給するガス供給工程と、
前記基板の表面を加熱する加熱工程と、
を備えるものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
【００１４】
実施の形態
図１は、この発明の実施の形態における薄膜形成装置を説明するための模式図である。
図１に示すように、薄膜形成装置１００は、真空チャンバー２を備える。
【００１５】
チャンバー２内中央には、載置台４が配置されている。載置台４内部には、載置台４を、下方から所定の温度に加熱するヒーター６が備えられている。
【００１６】
また、載置台４の上方には、チャンバー２の外壁の一箇所を貫通するように、ガス供給管８が設けられている。即ち、ガス供給管８は、チャンバー２外部から、内部に通じ、これにより、チャンバー２内に外部からガスを供給することができる。また、ガス供給管８は、載置台４を取り囲むように配置されている。ガス供給管８には、複数の噴出口１０が設けられている。ガス供給管８から供給されたガスは、この噴出口１０から、チャンバー２内に噴出するようになっている。
【００１７】
チャンバー２の下方の外壁を貫通するように、計２つのガス排気口１２が設けられている。ガス排気口１２は、チャンバー２内部から、外部に通じ、バルブ１４を介して、真空ポンプに接続されている。これにより、チャンバー２内のガスを外部に排気することができる。
【００１８】
チャンバー２の上面の載置台４に対抗する部分は、石英窓２０により形成されている。石英窓２０の上部には、合計５０本のフラッシュランプ２２が配置され、フラッシュランプ２２は、反射板２４で覆われている。またフラッシュランプ２２は、コンデンサー２６に接続され、コンデンサー２６は、電源２８に接続されている。
【００１９】
このようにして、薄膜形成装置１００においては、フラッシュランプ２２から発射される光をチャンバー２内に導入するため、チャンバー２の天井部は、光を透過する石英窓２０によって形成されている。また、反射板２４は、フラッシュランプ２２から、チャンバー２とは反対側（図１においては上方）に向って発射した光を、チャンバー２側に向けて反射させて、チャンバー２内に導入するために設けられている。また、電源２８からの電流は、コンデンサー２６に充電され、この充電された電荷を一瞬にして放電することにより、フラッシュランプ２２が発光するようになっている。
【００２０】
また、この実施の形態では、上述のように構成された薄膜形成装置１００により薄膜を形成する基板として、載置台４の上部に、ウェーハ３０が載置される。
【００２１】
図２は、この発明の実施の形態における薄膜形成方法を説明するためのフロー図であり、図３は、この発明の実施の形態の薄膜形成方法におけるシーケンスを説明するためのグラフである。
以下、図１〜図３を用いて、この発明の実施の形態における薄膜形成方法を説明する。
【００２２】
まず、載置台にウェーハ３０を載置した状態で、載置台４を加熱する（ステップＳ２）。ここでは、ヒーター６により加熱を行い、載置台４の温度を３００度とし、これにより、ウェーハ３０の温度を３００度に保つ。次に、チャンバー２内のガスを排気する（ステップＳ４）。排気は、バルブ１４を開放し、ガス排気口１２から、真空ポンプにより、チャンバー２内の圧力が１０−７Torrとなるまで行う。その後、アルゴンガスを、チャンバー２に供給する（ステップＳ６）。アルゴンガスは、ガス供給管８から供給し、噴出口１０から、チャンバー２内に噴出させる。また、チャンバー２内の圧力は、０．２Torrに固定する。
【００２３】
チャンバー２をこのような状態にした後、原料ガスの導入を開始する。
図３を参照して、まず点Ａ１において、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）の供給を開始する（ステップＳ１０）。ＴＭＡは、ガス供給管８から供給し、噴出口１０から、チャンバー２内に噴出させる。また、ＴＭＡの供給は、２ｓｃｃｍで、１．５秒間行い、１．５秒経過後の点Ｂ１において、供給を終了する（ステップＳ１２）。
【００２４】
続けて、チャンバー２内のガスの排気を開始する（ステップＳ１４）。チャンバー２内のガスは、バルブ１４を開放することにより、排気口１２から、真空ポンプによって、５秒間排気され、５秒経過後の点Ｃ１において、排気を終了する（ステップＳ１６）。
【００２５】
その後、水蒸気の供給を開始する（ステップＳ１８）。水蒸気も、ＴＭＡと同様に、ガス供給管８から供給し、噴出口１０から、チャンバー２内に噴出させる。水蒸気の供給は、５ｓｃｃｍで、２秒間行い、２秒経過後の点Ｄ１において、供給を終了する（ステップＳ２０）。
【００２６】
続けて、チャンバー２内のガスの排気を開始する（ステップＳ２２）。排気は、ＴＭＡ供給後の排気と同様に、バルブ１４を開放し、排気口１２から真空ポンプにより行う。
【００２７】
排気を開始して６秒経過後の点Ｅ１において、フラッシュランプ２２の発光を行う（ステップＳ２４）。発光するフラッシュランプ２２のエネルギーは、１５Ｊ／ｃｍ２とする。フラッシュランプ２２の発光時間は、数ミリ秒単位の極短時間であり、これにより、瞬間的に、ウェーハ３０の表面のみが加熱される。
【００２８】
排気開始から８秒経過後の点Ａ２において、チャンバー２内の排気を終了する（ステップＳ２６）。その後、続けて、ＴＭＡの導入を開始し（ステップＳ１０）、ステップＳ１０〜Ｓ２６の工程を繰り返す。
【００２９】
このようにして、ＴＭＡの導入（ステップＳ１０、Ｓ１２）、排気（ステップＳ１４、Ｓ１６）、水蒸気の導入（ステップＳ１８、Ｓ２０）、排気（ステップＳ２２、Ｓ２６）、及び、排気中のフラッシュランプの発光（ステップＳ２４）を繰り返し１００回行った後、薄膜の形成を終了する。これにより、ウェーハ３０上には、膜厚９０ｎｍの酸化アルミニウム膜を形成することができる。
【００３０】
ここで、形成された酸化アルミニウム膜と、従来の技術、即ち、原料ガスの供給、排気のシーケンスを同じにしてフラッシュランプ２２による加熱を行うことなく形成された酸化アルミニウム膜とを２次イオン質量分析器を用いて比較したところ、薄膜内の残留炭素の量は、１／１０程度に低下していることがわかった。
【００３１】
これは、フラッシュランプによる加熱であれば、ミリ秒単位の加熱であるため、瞬間的にウェーハ３０の表面を上昇させて、反応を加速することができ、また、直ちに本来のウェーハ３０の温度に低下させることができるためであると考えられる。
【００３２】
これに対して、従来のＡＬＤ法による場合、原料ガスを供給した後、水蒸気などの酸化性ガスを供給して酸化反応を起こす。しかし、このとき、ウェーハの温度が低く、また反応時間を十分に長く取っていないため、酸化反応が完全に進まない。これが、膜中に不純物が残留する原因であると考えられる。
【００３３】
しかし、ＡＬＤ法では、膜の反応速度が遅いため、生産性を考慮すると、反応時間を十分に取ることができない。
【００３４】
また、化学反応速度が温度の指数関数であることは、反応速度論の教えるところであるから、温度を上げて、反応速度を速くすることが考えられる。しかし、従来のＡＬＤ法に用いる装置において、単にウェーハの温度を高くすると、原料ガスを供給しただけで分解が開始してしまうことが考えられる。例えば、高い基板温度で、ＴＭＡを供給すれば、それ自体が分解して、炭素を含有した金属アルミニウム膜が形成されてしまう。即ち、水蒸気などの酸化剤供給前に、分解してしまうことが考えられる。従って従来のＡＬＤでは、温度を高くすることができない。
【００３５】
しかし、上述したこの実施の形態における薄膜形成によれば、フラッシュランプ２２により、ミリ秒単位の加熱を行うことができ、瞬間的に、ウェーハ表面温度を上昇させて反応速度を加速することができる。また、極めて短時間のウェーハ３０表面のみの加熱であるため、直ちに本来のウェーハ温度に戻すことができる。従って、次のサイクル（ステップＳ１０〜Ｓ２４）も、本来のウェーハ温度で行うことができる。これにより、不純物濃度が低く、特性の良好な高誘電体薄膜を形成することができる。
【００３６】
なお、この実施の形態においては、フラッシュランプ２２を５０本配置する場合について説明したが、この発明の薄膜形成装置においては、フラッシュランプを５０本用いるものに限るものではない。さらに、この実施の形態においては、加熱手段として、フラッシュランプ２２を用いた。しかし、この発明において加熱手段は、フラッシュランプに限るものではなく、基板の表面を適切に加熱することができるものであれば、他の手段であってもよい。
【００３７】
また、この実施の形態においては、チャンバー２の上部を石英窓２０とし、フラッシュランプ２２からの光を透過させてチャンバー２内の基板に照射した。また、フラッシュランプ２２上部には、反射板２４を設けて、フラッシュランプ２２から上方への光を反射させてチャンバー２に照射する場合について説明した。しかし、この発明において、薄膜形成装置の構成はこのようなものに限らず、例えば、フラッシュランプ２２を直接チャンバー２内に設置するなど、他の構成であってもよい。
【００３８】
また、この実施の形態においては、ガス供給管８に噴出口１０を設けてガスを供給し、また、ガス排気口１２に、バルブ１４を介して、真空ポンプを設けてガスを排気する場合について説明した。しかし、この発明の薄膜形成装置はこのような構成の装置に限るものではなく、チャンバー２内部に適切にガスを供給し、内部のガスを適切に排気できるものであれば、他の構成によるものであっても良い。
【００３９】
また、この発明における薄膜形成装置の他の構成も、この実施の形態において説明した構成に限るものではなく、基板の表面を適切に加熱し、反応を促進できるものであれば、他の構成であってもよい。
【００４０】
また、この実施の形態においては、酸化アルミニウム膜を形成する場合について説明した。しかし、この発明は、酸化アルミニウム膜に限るものではなく、例えば、酸化ハフニウム膜など、他の高誘電体薄膜を形成する場合にも用いることができる。高誘電体薄膜として検討する材料としては、例えば、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｌａ系金属酸化物や、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２など、多岐に渡る。
【００４１】
なお、この発明において、加熱手段には、例えば、この実施の形態におけるフラッシュランプ２２が該当する。また、筐体には、例えば、チャンバー２が該当し、基板には、例えば、ウェーハ３０が該当する。また、ガス供給口には、例えば、ガス供給管８あるいは、噴出口１０が該当し、ガス排気口には、例えば、ガス排気口１２が該当する。
【００４２】
また、例えば、この実施の形態において、ステップＳ１０〜Ｓ１２、あるいは、ステップＳ１６〜Ｓ１８を実施することにより、この発明のガス供給工程が実施され、ステップＳ２２を実施することにより、この発明の加熱工程が実施される。
【００４３】
また、この発明における、第一、第二の原料ガスには、例えば、この実施の形態のＴＭＡ、水蒸気がそれぞれ該当する。また、例えば、実施の形態のステップＳ１０〜Ｓ１２を実行することにより、第一ガス供給工程が実行され、ステップＳ１６〜Ｓ１８を実行することにより、第二ガス供給工程が実行される。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、薄膜を形成する原料ガスを供給した後、基板の表面を、短時間加熱することができる。従って、瞬間的に基板表面の温度を上昇させて、反応を加速することができ、また、表面のみの温度上昇であるため、直ちに元の温度に戻すことができる。即ち、基板表面の温度のみを瞬時に上昇させ、原料ガスの反応促進を図ることができ、一方、基板の温度はすぐに元に戻すことができるため、本来の温度を保ちながら、薄膜形成のための原料ガス供給、反応、排気、のサイクルを繰り返すことができる。従って、処理速度を低下させることなく、残留不純物濃度が低く、特性の良い高誘電体薄膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態における薄膜形成装置を説明するための模式図である。
【図２】この発明の実施の形態における薄膜形成方法を説明するためのフロー図である。
【図３】この発明の実施の形態における薄膜形成方法のシーケンスを説明するためのグラフである。
【符号の説明】
１００  薄膜形成装置
２  チャンバー
４  載置台
６  ヒーター
８  ガス供給管
１０  噴出口
１２  排気口
１４  バルブ
２０  石英窓
２２  フラッシュランプ
２４  反射板
２６  コンデンサー
２８  電源
３０  ウェーハ
【図１】
2004193368.tif 000003
【図２】
2004193368.tif 000004
【図３】
2004193368.tif 000005