JP2003508932A - 薄膜を成長させる、改良された装置および方法 - Google Patents
薄膜を成長させる、改良された装置および方法Info
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Abstract
Description
よび方法に関する。
料(反応物)を分解して、層を順次堆積させることによって、基板(およびウェ
ハ)上に薄膜を形成するために長年用いられてきた。特定のタイプの堆積プロセ
スにおいて、原子層のエピタキシー(ALE)、順次堆積された単一層は、化学
的反応物に対して交互に露光されることによって、基板表面上に堆積される。反
応物ガスに対する基板の露光サイクルを繰り返すことにより、所望の層構造が生
成される。ALE技術は、例えば、M.Ritalaらの(1998年)J.E
lectroChemical Society 145:2914、H.Sh
rinrikiらの(1998年)J.ElectroChemical So
ciety 145:3247およびJ.L.Vossenらの「Thin F
ilm Deposition Processes II」(Academi
c Press、CA 1991年)に記載されている。ALEと「原子層化学
蒸着」すなわちALCVDとの用語は、本開示において均等とする。
、反応チャンバ、ヒータを備える基板ホルダ、反応物を基板表面に供給するガス
注入口を備えるガスフローシステム、および使用済みのガスを排気する排気シス
テムを含む。
る。現在のところ、より大きな基板には、堆積の均一性を高める単一基板加工の
方が好適である。水平ガスフローリアクタ、例えば、Oziasの米国特許第4
、846、102号、第5、096、534号および第5、244、694号に
記載され、基板表面において反応物ガスフローを濃縮させ、特には、均一な反応
物ガス速度プロファイル(Hawkinsら、米国特許第5、221、556号
)を生成するガスマニフォールドを備えた水平ガスフローリアクタにより、大き
な単一基板が、効率的かつ均一に加工される。
て実施されるようなALCVD堆積プロセスは、段階方式で実行される。ALC
VD堆積プロセスでは、第1反応物がガス注入口またはマニフォールドを介して
、反応チャンバ内に導入されて、基板上に堆積層を形成する。余分な反応物ガス
は次いで、ポンプダウン工程(例えば、Shermanの米国特許第5、916
、365号を参照)で反応チャンバから排気される。必要に応じて、不活性パー
ジガスが、ガス注入口を介して流れ、残留反応物を排気する。ポンプダウンの後
、第2の反応物が、チャンバ内に導入され、堆積反応物と反応し、所望の基板層
が形成される。余分な反応物は次いで、別のポンプダウン工程で排気される。チ
ャンバのポンプダウンを間に入れながら、種々の反応物ガスを順次、追加するこ
とによって、層が基板表面に追加される。チャンバの排気の段階処理は、反応物
ガスを分離し、気相または反応チャンバの基板上以外の部分のこれらのガスの反
応を最小限にとどめて、基板加工に有害な粒子の形成と、反応物の空乏とを避け
るために採用される。間に入るチャンバ排気工程は、基板を加工するために必要
な時間のかなりの部分を占め、ほとんどの場合50%を超える。プロセス時間を
著しく短縮し、これにより製造コストを著しく削減することは、チャンバ内の排
気工程を取り除くことによって達成され得る。
11、811号は、順次、付与される反応物ガスが、不活性気相にある拡散バリ
アによって分離されている基板のALE用の装置を記載している。例えば、反応
物ガスのタイミングが調節されたパルスは、反応チャンバ内に伝播されて、チャ
ンバを通過するキャリアガスの連続フローによって、基板と相互に作用し合う。
それゆえ、反応物ガスは、チャンバ内の排気を介入させる必要なしに、連続した
ガスフローの中にある基板に別々に付与される。米国特許第4、747、367
号および第4、761、269号(Crystal Specialties)
は、化学蒸着方法を記載している。化学蒸着方法において、ガスの一定フローお
よび圧力は、中性(neutral)キャリアガスストリーム内に反応物ガスを
順次、断続的に供給することで維持される。反応物ガスがキャリアガスフロー内
に入るように、またはキャリアガスフローから出るように切り換えられる場合、
反応チャンバ内の一定フローおよび圧力を維持するために、キャリアガスフロー
が減少または増加する。これらの技術が、十分に高い圧力下(>10torr)
(この状況下において気相の拡散は十分に低い)においてのみ機能することに留
意することが重要である。
と反応し、および/または化学種を分解する励起種(特に遊離基)を採用するこ
とが公知である。活性種を用いるプロセスにおいて、装置には励起用のデバイス
が設けられている。例えば、遊離基は、RFまたはマイクロ波エネルギーを付与
することによって(イオンとともに)生成され得、プラズマが形成される。遊離
基を形成する多くの別の方法(例えば、熱分解および光分解など)が、当該分野
において公知である。
の近傍において、インサイチュ生成され得るか、または反応チャンバから離れて
生成されて、続いて、例えば、ガスフローによって、反応チャンバに運搬され得
る。インサイチュ遊離基の生成に関しては、米国特許第4、664、937号、
第4、615、905号および第4、517、223号、反応チャンバから離れ
ての遊離基の生成に関しては米国特許第5、489、362号を参照されたい。
反応チャンバから離れての遊離基の生成によって、基板加工に有害で有り得る、
潜在的な好ましくない反応種(例えば、イオン)を排除することが可能となる。
しかし、遊離基が反応チャンバ内に伝播される際にかなり失われ得るにもかかわ
らず、反応チャンバから離れて遊離基を生成する技術は、基板表面において十分
な遊離基の密度を提供することが必要である。遊離基の損失は概して、高圧力下
(>10 Torr)において激しく、それゆえにALEプロセスにおいて反応
物を分離するためにより高い圧力を用いることは不可能である。
置および方法において、基板層は、キャリアガスによって、基板表面に反応物の
シーケンスパルスを送達することによって成長する。反応物のうちの少なくとも
1つは、励起種(例えば、遊離基)を含む。特定の実施形態において、本発明の
装置は、基板表面において反応するために、キャリアガスのフローによって、反
応物の順次、繰り返されるパルスを供給する。反応物パルスは、十分な介入遅延
時間を有して送達されて、気相における隣接するパルスの反応物間の好ましくな
い反応、または基板表面上の好ましくない非制御反応を最小限にとどめる。遊離
基を含む十分に励起された種が存在し続け、そして不活性気相にある拡散バリア
を用い得る圧力範囲があり、その圧力範囲が、リアクタの設計に依存することを
発明者らは確認した。
置および方法を提供する。この改良された装置および方法において、基板表面に
平行であり、基板表面において濃縮された均一のガスフローを備える水平フロー
反応チャンバと、基板表面に反応物のシーケンス濃度パルスを送達する連続フロ
ーキャリアガスとが結合されている。
を用いることによって、処理の速度が著しく増加される。これは、介入チャンバ
ポンプダウン工程が、必要ではないからである。本発明の方法および装置を用い
ることによって通常、高層成長率は約1〜10nm/分より速くなる。
薄膜を成長させるために設計された任意の反応チャンバに採用され得る。この反
応チャンバには、特に水平フローリアクタ、垂直炉および停滞フローリアクタが
含まれる。
同様の特徴を示す。
を含む)のシーケンスパルスを基板に送達するように適合された本発明の堆積装
置を示す。装置は、必要に応じて加熱されるホルダ15上に位置付けられる基板
5を備える反応チャンバ10を有する。当該分野において公知であるように、基
板ホルダは、抵抗、誘導または赤外線ランプを用いることによって、加熱され得
る。ガスは、注入フランジ6にある1つ以上のガス注入口4を介して、リアクタ
内に流れる。残留ガスは、基板上を通過した後、スロットルバルブ14、圧力測
定および制御14Aを備える排気コンジット12を介して排除される。図示され
る反応チャンバは、放射を用いて加熱された、水平フローの冷壁リアクタであり
、通常、石英でできており、そして基板ホルダの上表面と実質的に一直線に並ぶ
ように配置され、かつ反応チャンバを上部分および下部分に分割するディバイダ
プレート16を有する。ディバイダプレートは、反応領域において実質的に一定
の断面を提供し、これにより、セルの再循環が防がれる。反応物が反応チャンバ
の底面に到達することを防ぐために、底面パージ17が設けられている。
流に設けられる。概して、この生成器は、エネルギーソースを先駆物質分子(ま
たは分子の混合物)のフロー内に結合させて、励起種を生成する。例示の実施形
態において、生成器20は、マグネション(magnetion)からのマイク
ロ波エネルギーをガスライン8に結合させ、これにより、注入口7内のガスが励
起種を含む。この装置で用いることに適した別の生成器は、熱エネルギーまたは
可視UVもしくはIR輻射を先駆物質に結合させる。本発明における使用に適し
た例示のマイクロ波による遊離基生成器は、Rapid Reactive R
adicals Technology、R3T、Munich、ドイツ、モデ
ル番号TWR850である。先駆物質Bは、励起種生成器(マイクロ波によるプ
ラズマ生成器として示す)内にガスライン8を介して導入される。第2の反応物
(A)のソースがガスライン9に設けられる。キャリアガス(C)(反応物およ
び基板に対し不活性なガス)のソースが、ガスライン11に設けられる。各ガス
ラインには、別々の質量流量制御(MFC)(21a、bおよびc)が設けられ
、これにより、反応チャンバ内に導入されるキャリア、反応物および励起種B*
の相対的な量の選択が可能となる。ガスの流れを完全に止める遮断バルブ(22
a、b、c)が、ライン11、9および8に設けられる。図1において、Cはキ
ャリアガス(例えば、通常、N2またはAr)であり、Bは励起種に対する先駆
物質(例えば、N2、H2、NH3、O2)であり、Aは第2の反応物ガスである。
反応物Aのライン9には、ダンプ回路30aが設けられ、双方向バルブ27aを
介してライン9と選択的に連絡する。先駆物質Bのライン8には、同様のダンプ
回路30b、双方向バルブ27b、C用の回路に類似する不活性キャリアガス回
路D(22d、21d)が必要に応じて設けられる。好適な実施形態において、
反応領域への伝播中の励起種の減衰を最小限にとどめるために、励起種の生成器
から反応チャンバまで延びるコンジット7にはバルブが設けられていない。さら
に、好適な実施形態において、遊離基の壁損失を最小限にとどめるために、チュ
ーブ7は広くかつ短い(直径約2cm×長さ15cm)。別の実施形態において
、励起種は、リアクタ内に入る直前に、主なキャリアガスストリーム4内に導入
され得る。
形成される連続原子層を配置する作業においては、以下の好適な手順が用いられ
る。
ダ上に位置付けられる。主なキャリアガスCフロー(13)は、反応チャンバの
注入口側にあるMFC21c、バルブ22cおよび注入フランジ(6)を介して
、反応チャンバ(10)内に確立される。通常、50cm2の断面を有する20
0mmのリアクタにおいて、約50slmのフローが用いられる。好適なガスフ
ローは、チャンバの設計に依存し、然るべき実験なしで最適化され得る。反応チ
ャンバ内の圧力は、例えばスロットルバルブ(例えば14)およびドライポンプ
(当該分野において公知であるが、図1には図示しない)を用いた従来の技術に
よって、好適には0.5から100Torr、そして好適には1〜20Torr
、そしてより好適には2〜10Torrに設定される。当該分野において周知で
あるように、ホルダ(サスセプタ)および基板の温度は、加熱および熱電対制御
によって、所望のバルブにおいて制御される。最適温度は、用いられる反応物に
大いに依存する。以下に記載する例示の反応に関して、温度は通常、約200℃
〜500℃の範囲である。
ルブ27aを介して、MFC21aによって設定される所望のフロー速度(通常
、<1slmであり、適切なプロセス化学に依存する)にて確立される。先駆物
質ガスBのフローは、バルブ22Bを介して遊離基生成器20を流れ、MFC2
1bによって設定される所望のフロー速度(通常、数slmであり、同様に適切
なプロセス化学に依存する)にて確立される。励起種の生成器を流れるフローは
、コンポーネントD、27d、21dによって確立されたキャリアガス内の先駆
物質Bの混合物であり得る。あるいは、先駆物質ガスBは、キャリアガスおよび
先駆物質ガスの混合物であり得る。最初は、遊離基生成器は、スイッチを入れら
れず、非励起の先駆物質ガスのみがコンジット7を介して、反応チャンバ内に流
れ、キャリアガスCのフローに入る。励起窒素の種が採用される1実施形態にお
いて、キャリアガスCおよび先駆物質ガスBの双方は窒素である。この場合、ダ
ンプ回路30bおよびキャリアガスサプライDは必要ではない。
、数分の1秒〜数秒の範囲で)ダンプ回路からリアクタ注入口に切り換わり、次
いでダンプ回路に切り換わり、反応物Aの濃度パルスをキャリアガスCのフロー
内に供給する。所定の遅延時間(tS 1)の後、遊離基生成器に電源を入れ、励起
種B*、例えば、遊離基を反応チャンバ内に供給する。遊離基生成器を所定の時
間(tB、通常、数分の1秒〜数秒の範囲で)オンにした後、スイッチをオフに
して、励起種B*のパルスを供給する。所定の遅延時間(tS 2)の後、所望の層
の厚さが達成されるまで、AおよびB*パルスのサイクルが繰り返される。tS 2
がtS 1とは異なり得ることに留意されたい。用いられるマイクロ波電力は概して
、100W〜5kwのオーダーであり、より好適には、500W〜2kwの範囲
である。この好適な実施形態において、BおよびCが継続的に流れ、A<Cおよ
びB*<B*である場合、ガスフローがほとんど一定であることに留意されたい。
当該分野において公知であるように、ウェハの加工後、チャンバの状態(圧力、
ガスフローおよび温度)を調節して、加工ウェハと未加工ウェハとを交換する。
加工サイクルが未加工ウェハ上で繰り返される。
の気相反応および基板表面上の非制御反応が避けられる。好ましくないレベルの
気相および非制御表面反応は、基板上に形成された層内の許容できない欠陥を引
き起こすレベルの反応である。このような欠陥により、加工基板またはウェハを
使用することが不可能となり得る。本開示を考慮すると理解されるように、所定
の反応システムおよび反応物における反応物のパルスのタイミングの設定は、通
常の実験によって容易に決定され得る。これを図3A〜Cを参照しながら以下に
さらに記載する。反応物のパルス間の遅延時間は、異なってもよいし、そして所
望の場合には加工の間に変更されてもよい。
オンおよびオフにして、所望のタイミングに調節された反応物のパルスを供給す
るマイクロプロセッサおよび/またはコンピュータ制御が設けられ得る。このよ
うな制御は当該分野において公知であり、所定の装置に容易に設けられ得る。
システムを有する。ガス注入口システムにより、反応チャンバ内へのキャリアガ
スフローが確立されて、キャリアガスフローがチャンバ内の基板表面と接触する
ことが可能となる。ガス注入システムによりまた、1つ以上の反応物(励起種を
含む少なくとも1つの反応物を含む)をキャリアガスフロー(これは、反応物を
運搬して基板表面と接触させる)内に導入することが可能となる。キャリアガス
フローは、反応チャンバから真空ポンプ排気口を介して排気される。ガス注入シ
ステムは、反応物の濃度パルスを生成するバルブを有し得る。好適には、励起種
は、反応チャンバから離れて生成され得る。当該分野において公知であるように
、励起種はまた、反応チャンバ内でインサイチュ生成され得る。好適な場合、ガ
ス注入システムは、励起種をキャリアガスフロー内に導入する別々のコンジット
を備える。励起種はまた、チャンバに入る直前に、キャリアガスフロー内に導入
され得る。この場合、より多くの遊離基が損失されるかもしれないが、依然反応
を完了するために十分な遊離基は存在し得る。
他の水平設計(例えば熱壁リアクタ)もまた、本発明の方法において採用され得
る。同様に、本発明は、米国特許第5、294、572号、第5、336、32
5号および第5、662、470号において記載されるように、垂直バッチ反応
チャンバおよび炉で用いるように容易に適合され得る。本発明はまた、ガスフロ
ーが、例えば、シャワーヘッドの設計など、基板表面の上に位置付けられる注入
口を介して、基板表面に対し(平行ではなく)垂直に送達される反応チャンバで
用いるようにも容易に適合され得る。いずれの場合にしても、反応物の再循環を
避けるために反応チャンバの設計が注意される。再循環により、反応種の残留時
間が大きく延び、これにより好ましくない気相反応がもたらされ得る。好ましく
ない気相反応により、反応チャンバ内に粒子が形成されるようになり、基板上に
形成される層の質が低下し得る。再循環は、ウェハの上流で起こる場合、その後
堆積プロセスに影響を与えるため、特に有害であり得る。遊離基を十分に残すこ
とを保証するために、チャンバのできるだけ近傍にて励起種を動作するように注
意する必要がある。
内で形成される。この場合、シャワーヘッド注入口40が設けられており、これ
を介してキャリアフローおよび反応物ガスパルスが確立される。当該分野におい
て周知であるように、プラズマは、RFマッチングネットワークに結合されたR
F生成器42を用いて、シャワーヘッドに電気的に接続されたRF電力を印加す
ることによって生成され得る。ガスライン41は、ガスマニフォールドからシャ
ワーヘッド注入口内にガスを配向する。図1の装置にあるような、バルブおよび
質量流体コントローラを備えたキャリアガスCのソースは、チャンバ内にキャリ
アガスフローを供給し、キャリアガスフローは、必要に応じて加熱されるホルダ
15上の基板またはウェハ(5)と接触しながら通過し、排気ライン12を介し
て排気される。図1に示すような、バルブ、質量流量コントローラおよびダンプ
回路30Aを備えた反応物Aのソースは、バルブ27aの調節されたタイミング
の動作によって、キャリアガスC内にAの濃度パルスを供給する。Aのパルスは
、RF電源のパルスと交代して、Aの交代パルスと励起C*種を生成する。この
場合、励起C*種と堆積されたA反応物との反応によって、層が形成される。上
述および以下の図3A〜3Cを参照しながら記載するように、AおよびC*のパ
ルスは、時間的および空間的に分離され、好ましくないレベルの気相または非制
御表面反応が避けられる。例えば、Cは、窒素キャリアガスであってもよいし、
C*は励起窒素種であってもよい。
反応チャンバ内に生成され得る。当該分野において周知であるように、RF電力
は、変調されて励起種の濃度パルスを供給し得る。シャワーヘッドタイプの注入
口を採用してプラズマを生成する別の手段は、米国特許第5、134、965号
に開示されており、これを本明細書中で参考として援用する。
生成する別のリアクタ設計を示す。RFキャビティすなわちコイル47が、注入
ライン41に設けられる。RF電力は、RF生成器42からRFマッチングネッ
トワーク45を介して印加されて、注入ライン41内にプラズマを生成する。励
起種は、RF電力をオンとオフとにすることによって、注入口内に形成される。
励起種の濃度パルスは、キャリアガスフローによって反応チャンバ内に運搬され
る。RF生成器およびRFマッチング回路の動作は、当該分野において周知であ
る。
物濃度のグラフであり、反応チャンバを横断するガスパルスの進行の概略を、1
次元(x)で示す。図3Aは、(例えば、遊離基生成器のスイッチをオンにする
ことによって)反応物B*のパルスが反応チャンバに入る瞬間の時間T0の図であ
る。この時点において、Aの以前のパルスは、LSに等しい距離(すなわち、異
なる反応物のパルス間の遅延時間TSに横断する距離)を横断する。図面におい
て、各ガスがオンである時間は、ガスパルス間の遅延時間と比較すると取るに足
りないことが想定されている。LDは、反応物の特徴的な拡散の長さであり、す
なわちガス拡散による時間の関数としての反応物パルスの広がりの尺度である。
ここでLD=2√Dtであり、Dはキャリアにおける反応物ガスの拡散係数であ
り、tは残留時間であり、t=LR/Dである。図3Bは、時間t0+1/2(L R /v)におけるB*パルスおよびAパルスを示す。これらの図面に示すように、
パルスが広くなるのは、パルスが反応チャンバを横断する場合の反応物の拡散に
起因する。図3Bに示すパルスは、パルスが広くなったにもかかわらず、パルス
間の距離が十分に離れており、異なるパルスの中にある反応物同士の相互干渉お
よび反応が避けられる。LRは、反応チャンバの長さであり、vはガスのフロー
速度である(v=Q/pAであり、Qは質量流量速度であり、pは反応チャンバ
内の圧力であり、Aはリアクタの断面積である)。パルス間の遅延tSは、好適
には、リアクタチャンバ内の反応物ガスパルスの重複が最小限にとどまり、そし
て気相または非制御表面反応が最小限にとどまるように十分に長い。表面上の著
しい気相反応または非制御反応は、LD<LS(例えば、好適には、LSは、LDの
少なくとも約5〜10倍)の場合に避けられる。リアクタのスループットを最小
限にとどめるには、短いサイクルが望ましいことに留意されたい。パルス重複を
最小限にとどめようとすると、代償にスループットが増加する。
速度(Q)範囲で、LS=10LDであると仮定した場合の、LSおよびtSの計算
結果を提示する。ほとんどの場合、パルス間の遅延時間(tS)(例えば、ある
反応物を遮断してから別の反応物を承認するまでの時間)は小さい(すなわち1
秒より短い)。遅延時間は、フローが最低で、圧力が最高のときにのみ1秒を超
える。それゆえ、LSが10LDに制約される場合でさえも、反応物パルスシーケ
ンスがかなり速く連続して(通常、1秒ごとに)互いに続き得、速い層成長速度
が可能となる。この状態はLS>>LRの場合に存在することに留意されたい。実
質的に、これは、1つの反応物が、他の反応物が導入される前に、リアクタから
完全にパージされることを示唆する。
場合に、隣接する反応物のパルス同士が重複しないように、パルス間の時間が十
分に長いパルス時間の方式を示す。この場合、1パルスの前縁(LEB*)がその
直前のパルスの後縁(TEA)と重複しない。激しい気相反応は、LSがパルスの
後縁と前縁との間の距離より小さい(好適には5〜10倍小さい)場合に避けら
れる。図3Cは、反応物パルスのいくらかの重複が許容される実施形態を示す。
図面に示す重複の量では通常、気相反応または非制御表面反応のレベルは、基板
またはウェハ上に形成される層の質に有害な影響を与えるほど高くならない。加
工時間を加速し、これによりウェハのスループットを向上するには、層の質が有
害な影響を受けない限りにおいて、より短いパルス間の遅延時間を用いることが
好適である。反応物のパルス重複は、リアクタを流れるフローの間の、時間的、
空間的またはこれら双方の所定の点における反応物の相対的濃度によって特徴付
けられ得る。好適な最大重複を以下のように規定する。
いて、これと同じ点における反応物B*の濃度は、B*(MB)の最大濃度の約1
0%より低く、反応物B*の濃度がその最大(MB)である任意の時間的または空
間的な点において、これと同じ点における反応物Aの濃度は、A(MA)の最大
濃度の約10%より低い。この最大重複基準を満たすために選択された時間遅延
は通常、十分に汚れのない層堆積および短縮した加工時間を提供する。より反応
性の強い化学物質が層堆積に採用される場合、最大重複を減少して、層の質に影
響を及ぼし得る好ましくない反応を避ける必要がある。このような場合、B*の
最大濃度における反応物Aの最大濃度、およびAの最大濃度における反応物B*
の最大濃度は、それぞれ1%以下である。
例えば、速いフロー速度で)動作することが好適である。ガスパルス間の遅延時
間tSは上述のように選択されて、反応物間の好ましくない気相反応および好ま
しくない非制御表面反応が避けられるかまたは最小限にとどめられ、これにより
加工時間が最小限にとどめられる。用いられる好適なキャリアガス(単数または
複数)は、所定の加工において用いられるべき任意の反応物に対し無反応であり
、そしてまた基板表面に対しても無反応である。このようなキャリアガスの例と
して、N2、H2、希ガスおよびこれらの混合物があり、この選択は、加工の選択
または先駆物質および露光された層に依存する。反応物ガスには、純反応物ガス
;反応物の混合物;励起種(例えば、遊離基)または励起中性種の混合物;なら
びに希釈剤またはキャリアガスと励起中性種との混合物が含まれる。反応物は通
常、キャリアガスにより反応チャンバ内に導入される。反応物は、反応チャンバ
内に導入されるとき、気相にある。
らなる)において、1つの単一層またはそれ以下のものが通常(約0.03〜0
.3nm/層のオーダーで)成長する。半導体用途において有用である実用膜は
、厚みが約1〜約50nmの範囲にわたる。実用膜用装置を加工する単一ウェハ
における加工時間は、図示するリアクタにおいては約6〜600秒必要である。
)のシーケンスパルスによって例示する。本発明の装置および方法は、2つより
多い反応物(励起種または被活性種あるいは励起遊離基または被活性遊離基を含
む反応物を含む)を必要とする複合層の形成に採用され得る。本発明において採
用する複数反応物パルスの設定または順序は、連続的にすることも可能であり、
あるいは幅広い種々の堆積または層形成プロセスに応じて反応物パルスを任意の
順序に容易に適合することも可能である。本発明の方法を、選択された遅延時間
(tS)および選択されたパルス期間(tAおよびtB)分離された反応物のシー
ケンスパルスによって例示してきた。反応物間の気相または非制御表面反応が好
ましくないレベルにならないように、用いられる遅延時間が十分に長くある限り
、反応物のパルス間の遅延時間は、複数サイクルにわたって変異し得る。異なる
反応物のパルスの期間は、同じであってもよいしまたは異なってもよく、好適に
は所望のレベルの表面反応を達成するために選択される。層堆積の複数サイクル
にわたる同じ反応物のパルスの期間は、同じであってもよいし、または異なって
もよく、さらに、好適には所望のレベルの表面反応を達成するように選択されて
もよい。
キャリアガスの単一のフローによって運搬される複数パルスを示す。別の実施形
態において、反応物のシーケンスパルスは、別々のキャリアガスフローの中で、
1つ以上の基板を含む反応領域に送達され得る。
放電によって生成される活性窒素(N*、N2 *、N2 +またはこれらの混合物)、
酸素のマイクロ波放電によって生成される酸素遊離基、光分解または熱分解によ
って生成される遊離基または反応種が含まれる。当該分野において周知であるよ
うに、遊離基生成用のプラズマは、マイクロ波またはRFエネルギーによって生
成され得る。遊離基または励起種は、反応領域に伝播される間に、気相反応によ
って、コンジットの壁で、再結合するか、または非励起状態に減衰しやすい。し
たがって、ウェハ表面上の反応領域のできるだけ近傍に遊離基生成器を取り付け
ることが有益である。さらに、励起種が伝播する間の圧力をあまりに高くするこ
とはできない。N2に関して、約50torrまでの圧力では、遊離基がきちん
と生成そして伝播されることが証明されている。本発明の装置における圧力を約
5〜10torrで維持することが好適である。
含まれ得る。励起中性種は、RFまたはマイクロ波エネルギーによって保持され
るプラズマ内に生成され得る。あるいは、励起中性種は、遊離基および/または
励起状態を形成する中性種を分解する選択された波長(紫外線(U.V.)、可
視線および赤外線(IR)の波長を含む)で、先駆物質の中性種を照射すること
によって生成され得る。励起中性種、特に遊離基はまた、先駆物質の熱分解によ
って形成され得る。
によって実施される。この中性種生成器は、反応チャンバから離れていてもよい
し、または反応チャンバ内にあってもよい。パルスによる反応物システム内での
用途に関しては、圧力は、好ましくない反応を避けるために、反応パルス同士の
互いの拡散を制限するのと同様、プラズマの強熱を促進できるように十分に高く
なるように選択される。圧力はまた、励起種の実質的な減衰、または遊離基の再
結合が避けられるように十分に低く選択される。これにより、励起種の実質的な
量が反応領域に達する。リアクタ圧力は、約0.5から10〜20Torrの範
囲にあることが好適である。上述のように、これらの比較的低い反応物圧力で高
い効率を提供する好適なマイクロ波プラズマソースが、Steinhardtら
の米国特許第5、489、362号において記載され、R3Tから市販されてい
る。
物層を生成するために用いられ得る。本願において、反応物Aはキャリアガスと
して窒素を用いるSiH4であり、基板は約300〜550℃まで加熱される。
B*は、マイクロ波による遊離基生成器に窒素を通過させることによって生成さ
れる活性窒素である。SiH4の繰り返されるシーケンスパルスおよび活性窒素
により、所望の厚さのSiN層が成長する。
る。本願において、反応物Aは、窒素キャリアガスCを用いるTa、好適にはタ
ンタルペンタエトキシド(pentaethoxide)である揮発性ソースで
あり、基板は約200℃〜400℃まで加熱される。B*は、マイクロ波による
遊離基生成器に酸素ソースガスB(好適には、O2)を通過させることによって
生成される酸素遊離基である。
得る。本願において、反応物Aは、窒素キャリアガスを用いるTa、好適にはペ
ンタキス(pentakis)(ジメチルアミノ)タンタルである揮発性ソース
であり、基板は約200℃〜400℃まで加熱される。B*は、窒素またはアン
モニアの遊離基であり、マイクロ波による遊離基生成器に窒素またはアンモニア
を通過させることによって生成され得る。あるいは、N2とH2との混合物を、遊
離基生成器に通過させてもよい。タンタル窒化物層は、例えば、銅の金属被覆す
る際に、拡散バリアとして用いられ得る。
得る。本願において、反応物Aは、窒素キャリアガスを用いるTi、好適にはペ
ンタキス(ジメチルアミノ)タンタルの揮発性の非酸素を含むソースであり、基
板は約200℃〜400℃まで加熱される。B*は、窒素またはアンモニアの遊
離基であり、マイクロ波による遊離基生成器に窒素またはアンモニアを通過させ
ることによって生成され得る。あるいは、N2とH2との混合物を、遊離基生成器
に通過させてもよい。タンタル窒化物層は、例えば、アルミニウムベースの金属
被覆する際に、拡散バリアとして用いられ得る。
に堆積され得る。本願において、反応物Aは、例えば、窒素キャリアガスを用い
るTaCl5またはTiCl4であり、基板は約200℃〜400℃まで加熱され
る。B*は、水素の遊離基であり、マイクロ波による遊離基生成器に水素を通過
させることによって生成され得る。
よる層の成長において採用され得る。例えば、ある条件下において、金属有機先
駆物質またはSiH4は、好適にはSiO2またはSiN4上ではなくSi上に吸
着されるように製造され得る。Si上で選択的に吸着された種を遊離基に対して
露光することにより、反応がSi上のみで効率的に完了する。それゆえ、層がS
iの領域上でのみ成長する。誘電体に関しても、同様に反応物を選択的に吸着さ
せ、かつ選択層を成長させることが、金属領域上(例えば、CuまたはAl)で
達成され得る。
Crabbらの米国特許第4、828、224号、第5、156、521号、第
5、092、728号および第5、435、682号において記載されるような
リアクタシステム内の水平フローリアクタで実施される。異なるサイズ、形状お
よび材料の種々の基板およびウェハを、本発明の装置および方法によって加工し
得る。基板は、通常加熱される基板ホルダ(サセプタ)に位置付けられる。種々
の基板ホルダが当該分野において公知である。例えば、ボート内にウェハを積み
重ね、1つのサセプタ上にウェハを側方向に離して位置付けるか、または反応チ
ャンバ内に1つ以上のウェハを保持する複数のサセプタを設けることによって、
複数の基板を同時に加工し得る。
手順、条件および構造が、過度の実験を行うことなく、本発明の実施に採用され
得ることを当業者は理解する。本明細書において具体的に開示される反応物、先
駆物質、物質、手順、条件および構造のすべての公知の機能的な均等物が、本発
明に含まれるものとする。
る限りにおいて、本明細書中でその全体を参考として援用する。
発明の反応チャンバの概略図である。
バ内にR励起種生成器が設けられた反応チャンバである。
インに励起種生成器が設けられた反応チャンバである。
応物の濃度を示したグラフである。これは、本発明の装置を通過する同じキャリ
アガスフロー内の反応物AおよびB*(遊離基を含む)のシーケンスパルスの進
行の概略を示す。図3Aは、B*のピークが、x=0において反応チャンバに入
る瞬間の時間t0における反応物パルスを示す。ここで、xは反応チャンバに沿
った距離である。このグラフは、濃度パルスが対流によって正のx方向に移動し
、拡散によって時間および距離とともに広くなることを示している。
応物の濃度を示したグラフである。これは、本発明の装置を通過する同じキャリ
アガスフロー内の反応物AおよびB*(遊離基を含む)のシーケンスパルスの進
行の概略を示す。図3Bは、時間t=t0+1/2(LR/v)における図3Aの
AおよびB*の反応物濃度パルスを示す。ここでLRは、反応チャンバの長さであ
り、vはガス速度である。図3Bは、本発明のより好適な実施形態を示し、反応
物AおよびB*のパルスは、時間的、かつ、空間的に十分に離れており、キャリ
アガスフロー内で反応物パルスが重複することはない。この場合気相または非制
御反応が起こってはならない。
応物の濃度を示したグラフである。これは、本発明の装置を通過する同じキャリ
アガスフロー内の反応物AおよびB*(遊離基を含む)のシーケンスパルスの進
行の概略を示す。図3Cは、本発明の方法に関する、反応物パルスの異なるタイ
ミングの連続を示す。最大反応物パルスの重複が好ましくない反応を避けるため
に十分に低いことを示す。
Claims (27)
- 【請求項1】 薄膜を成長させる装置であって、 (a)反応チャンバと、 (b)該反応チャンバ内に装着された基板と、 (c)キャリアガスフローを該反応チャンバ内に確立し、1つ以上の反応物を
該キャリアガスフロー内に導入するガス注入システムであって、該反応物の少な
くとも1つが励起種を含む、ガス注入システムと、 (d)ガス排気口と、 を備え、 該チャンバの動作中に、時間的に離れた反応物のパルスが該キャリアガス内に
導入され、これにより、所望の膜が該基板上に堆積される、装置。 - 【請求項2】 前記ガス排気口と連絡する真空排気システムをさらに備える
、請求項1に記載の装置。 - 【請求項3】 前記キャリアガス内に導入する励起種の生成器をさらに備え
る、請求項1に記載の装置。 - 【請求項4】 前記反応チャンバ内にある隣接するパルス内の反応物の好ま
しくない反応が最小限にとどまるように、該反応物のパルスが十分に離れている
、請求項1に記載の装置。 - 【請求項5】 前記反応物のパルスが時間的に十分に離れており、これによ
り、前記キャリアガス(LD)内の連続した反応物の特徴的な拡散の長さが、シ
ーケンスパルスの後縁と前縁との間の距離より短い、請求項1に記載の装置。 - 【請求項6】 前記反応物のパルスが時間的に十分に離れており、これによ
り、前記キャリアガス(LD)内の反応物の特徴的な拡散の長さが、シーケンス
パルスの後縁と前縁との間の距離より5〜10倍短い、請求項5に記載の装置。 - 【請求項7】 前記励起種の生成器がマイクロ波による遊離基生成器である
、請求項3に記載の装置。 - 【請求項8】 前記マイクロ波による遊離基生成器が前記反応チャンバから
離れている、請求項7に記載の装置。 - 【請求項9】 励起種が前記反応チャンバ内で生成されるプラズマ内に生成
される、請求項3に記載の装置。 - 【請求項10】 励起種を含まない反応物のパルスが励起種を含む反応物の
パルスと交代する、請求項1に記載の装置。 - 【請求項11】 前記ガス注入システムが、反応物ソースと連絡する第1の
キャリアガス注入口と、励起種の生成器と連絡する第2のガス注入口とを備える
、請求項3に記載の装置。 - 【請求項12】 前記反応チャンバを通過するときの空間的、かつ、時間的
な点におけるキャリアガスフロー内の反応物の前記濃度がその最大値の約10%
以下であると同時に、該空間的、かつ、時間的な点において、キャリアガスフロ
ー内の第2の反応物の前記濃度がその最大値である、請求項1に記載の装置。 - 【請求項13】 前記反応チャンバを通過するときの空間的、かつ、時間的
な点におけるキャリアガスフロー内の反応物の前記濃度がその最大値の約1%以
下であると同時に、該空間的、かつ、時間的な点において、キャリアガスフロー
内の第2の反応物の前記濃度が最大値である、請求項1に記載の装置。 - 【請求項14】 反応物の交代パルスが同じキャリアガスフローによって運
搬される、請求項1に記載の装置。 - 【請求項15】 反応物のパルスのタイミングを提供する制御システムをさ
らに備える、請求項1に記載の装置。 - 【請求項16】 基板上に層を堆積する方法であって、 (a)該基板を受け取り、キャリアガスを受け取る反応チャンバを提供する工
程と、 (b)該キャリアガス内の反応物の濃度パルスを提供する工程であって、該パ
ルスのうちの少なくとも1つが、該反応チャンバを移行する間に、好ましくない
気相反応または非制御表面反応が最小限にとどまるように、時間的、かつ、空間
的に十分に離れている励起種を含む、提供する工程と、 (c)該所望の層の厚さが該基板表面上に形成されるまで該反応物のパルスを
繰り返す工程と、 を包含する、方法。 - 【請求項17】 サイクルごとの前記層の厚さが約1nmより薄い、請求項
16に記載の方法。 - 【請求項18】 空間的、かつ、時間的な点におけるキャリアフロー内の任
意の1つの反応物の前記濃度が最大値の10%以下であると同時に、該空間的、
時間的またはその双方の点において、別の反応物がその最大濃度である、請求項
16に記載の方法。 - 【請求項19】 空間的、かつ、時間的な点におけるキャリアフロー内の任
意の1つの反応物の前記濃度が最大値の1%以下であると同時に、該空間的、か
つ、時間的な点において、別の反応物がその最大濃度である、請求項16に記載
の方法。 - 【請求項20】 前記反応物のパルスが時間的に十分に離れており、これに
より、前記キャリアガス(LD)内の該反応物または励起種の前記特徴的な拡散
の長さが、該パルスの後縁と前縁との間の距離より短い、請求項16に記載の方
法。 - 【請求項21】 前記反応物のパルスが時間的そして空間的に十分に離れて
おり、これにより、前記キャリアガス(LD)内の該反応物または励起種の前記
特徴的な拡散の長さが、該パルスの後縁と前縁との間の距離より5〜10倍短い
、請求項16に記載の方法。 - 【請求項22】 前記励起種がプラズマ内に形成される励起中性種または遊
離基である、請求項16に記載の方法。 - 【請求項23】 励起種を含まない反応物ガスのパルスが励起種を含む反応
物のパルスと交代する、請求項16に記載の方法。 - 【請求項24】 前記ガス注入システムが、前記反応チャンバ内にキャリア
ガスフローを導入する第1のガス注入口と、該キャリアガスフロー内に励起種を
含む反応物を導入する第2のガス注入口とを備える、請求項16に記載の方法。 - 【請求項25】 励起種を含む前記反応物の濃度パルスが、前記励起種の先
駆物質のフローに結合されるエネルギーソースのパルシングをすることによって
生成される、請求項16に記載の方法。 - 【請求項26】 前記エネルギーソースが熱エネルギーを供給する、請求項
24に記載の方法。 - 【請求項27】 前記エネルギーソースが可視、UVまたはIR輻射を提供
する、請求項24に記載の方法。
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