JP2005194629A - 原子層堆積装置 - Google Patents

Abstract

【解決課題】 薄膜の堆積装置及び方法に関し、特に、原子層堆積と呼ばれる堆積方法のための装置及び方法を提供する。
【解決手段】 原子層堆積（ALD）の一つの完全なサイクルに少なくとも等しい滞留時間を有するトラップ315は、反応チャンバ211からの気体状流出物が背圧ポンプ317に入る前に、反応チャンバ211からの気体状流出物及び反応生成物を捕捉する。トラップ315は、反応チャンバ211に直接連結されているか、又はプロセスポンプ313を介して間接に連結されている。トラップは、原子層堆積プロセスに有利に用いられる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、概して、薄膜の堆積装置及び方法に関し、特に、原子層堆積と呼ばれる堆積方法のための装置及び方法に関する。

近代技術の多くの側面は、基板上への薄膜の堆積を必要とする。たとえば、集積回路技術は、誘電体膜、金属膜及び半導体膜の堆積を必要とする。誘電体の例としては、電界効果トランジスタ（FET）におけるゲートに用いられる酸化珪素及び窒化珪素並びにダイナミックランダムアクセスメモリ（DRAMｓ）用のコンデンサに用いられる酸化タンタルを挙げることができる。導電性物質の例としては、回路素子間の電気的接続を形成させるために用いられるAl及びCu並びにたとえば酸化珪素及び銅の間のバリア層として用いられるTiN及びTaNを挙げることができる。堆積層は、物質、堆積条件及び膜が堆積する基板などの因子に依って、単結晶でも、多結晶でも、あるいはアモルファスでもよい。

種々の堆積技術が開発されている。特定の技術の選択は、堆積させる物質及び下層の物質又は基板などの条件によって決定される。たとえば、スパッタリングなどの物理蒸着は、アルミニウムその他の物質の堆積のために長期にわたって用いられてきた。この方法において、粒子、たとえばイオンはターゲットに衝突し、運動量移動（momentum transfer）はターゲットから物質を追い出すので、粒子は基板まで移動する。多くの用途及び物質に妥当するが、寸法が約0.5ミクロン以下になってきた場合に、たとえばタングステンと一緒に用いるには、この堆積技術は困難になってきた。十分な絶縁保護コーティングの堆積は困難であることが立証され、小さな電極窓（contact holes）の充填は殆ど不可能になってきた。絶縁保護コーティングは、堆積した物質が平坦でない基板上で全方向にて均一に成長する際に得られる。すなわち、絶縁コーティングは、不規則な表面全体で均一な厚みを有する。別の堆積技術は、化学蒸着（CVD）である。１種以上の前駆体ガスは、ことによると不活性キャリアガスと一緒に、基板を含有する反応チャンバに流入し、熱分解して所望の物質の薄膜又は薄層を形成する。反応は、主として基板上で生じるが、少量の気相反応もあるかもしれない。未反応前駆体ガスは、反応チャンバから連続的に除かれる。この技術は、シリコン、酸化珪素及びタングステンを含む多くの物質で用いられる。典型的なCVDプロセスは、基板を高温（400℃を遙かに越えることも多い）まで加熱することを必要とする。これらの高温は、新規なデバイス構造の最高許容温度と徐々に適合しなくなっている。

集積回路寸法は、サブミクロン領域までさらに減少しているので、上述の堆積技術を用いて所望の厚みと組成との双方を有する層を得ることは、より困難になってきており、さらなる堆積技術が開発されている。このような技術の一つは、一般に原子層堆積（ALD）と呼ばれている。第１の前駆体ガスが反応チャンバに導入され、ここで第１の前駆体ガスは基板に吸着されて基板上に単層を形成する。未反応前駆体ガスは反応チャンバからパージされて、第２の前駆体ガスがチャンバに導入される。第２の単層が形成される。このプロセス条件は、第１及び第２の単層が化学的に相互に反応する態様に調節される。再び、未反応前駆体ガスは、任意の反応生成物と一緒に、チャンバからパージされる。両方の単層が自己制限態様にて形成される。すなわち、暴露表面上に単一の層が形成された後、吸着が終わる。２種以上の前駆体ガスを用いることもでき、前駆体ガスはキャリアガスと一緒に導入されてもよい。２層の単層間の反応を促進するために好ましいプロセス条件は、ガスの選択、基板温度又はプラズマによるガスのラジカル化などガスを活性化させる任意の他の手段を含む。膜の成長速度は比較的ゆっくりでもよいが、ALDプロセスにおいては層厚及び膜の絶縁性並びに膜組成における正確な制御が得られる。ALDにおける明白な問題の一つは、方法が相互反応性ガスを使用することである。前駆体ガスの導入時間を別にすると、これらの気相反応の可能性は減少し、そしておそらくは排除される。

ALDの連続的な実施は、反応チャンバから前駆体ガスをパージすることを必要とする。現在、反応チャンバをパージして、排気系中のポンプを前駆体ガス及びこれらの反応生成物の有害な影響から保護するための装置及び方法に関する多数の文献がある。チャンバのパージは、エッチングプロセス並びに堆積プロセスに頻繁に必要とされる。これらの文献のいくつかを簡単に記載する。

1987年3月3日に発行されたVisserの米国特許U. S. Patent No. 4,647,338には、前駆体（Visserによって「反応」と呼ばれた）ガスと一緒に不活性ガスを用いる堆積技術が記載されている。冷却されたトラップは、ポンプと反応チャンバとの間に位置づけられ、未反応前駆体もしくは他のガスは冷却されたトラップ内で凝結する。冷却したトラップ内に保持されている凝結したガスは、非常に腐食性であり得るのでポンプを損傷させるであろう。Visserによれば、反応チャンバ内で必要とされる不活性ガスの量を減少させるために、凝結したガスと等量で、冷却されたトラップとポンプとの間で系内に別の不活性ガスが供給され、こうしてプロセスが最適化される。Visserは、明白にエッチングプロセスを記載する。

1993年10月5日に発行された宮崎の米国特許U. S. Patent No. 5,250,323には、トラップを含む排気系を有する化学蒸着が記載されている。宮崎は、前駆体ガス及び不活性ガスのために個々に用いられる反応チャンバの前にある流量コントローラ内に、別のガスが反応チャンバに導入される前に除かれるべきある種のソースガスが残るかもしれないことを認識していた。よって、宮崎は、流量コントローラと排気との間にトラップを用いることを教示する。

1998年1月6日に発行された藤川、村上及び波多野の米国特許U. S. Patent No. 5,704,214（Fujikawa）は、反応チャンバと排気管との間の冷たいトラップを示す。この冷たいトラップは、Fujikawaが「混入物（tramp）」と呼ぶガスを凍結させるものである。用語「混入物（tramp）」とは、未反応の物質並びに反応生成物を含む。Fujikawaは、混入物がポンプ中で凝結するかもしれないので、ポンプに損傷を与え、あるいは反応チャンバとポンプとの間の配管を詰まらせることさえあることを認めている。２個のポンプが図示されている。第１のポンプは、精密引き用ポンプ又はドラッグポンプと呼ばれ、第２のポンプは粗引き用ポンプ又はドライポンプと呼ばれる。冷たいトラップは排気系中で両方のポンプの前に置かれている。

2003年年1月14日に発行されたLindfors及びHyvarinenの米国特許U. S. Patent 6,506,352（Lindfors）は、未反応前駆体ガスがポンプに入るポイントに先立ち、未反応前駆体ガスを捕捉するために大きな表面積のトラップを用いる。トラップは、二次反応スペース又は反応物質トラップと呼ばれ、多孔性物質により与えられるような大きな表面積を有する。二次反応スペースは、一次反応スペースにおけると実質的に同じ条件下に維持される。同様の条件及び大きな表面積が結果的に、反応物質トラップ中でのガスの堆積を生じさせる。よって、未反応前駆体物質及び反応生成物は、多孔性物質トラップに堆積して、ポンプに到達しない。しかし、多孔性物質の存在は、多孔性物質を有していないトラップの導電性と比較して、トラップの導電性を減少させる。Lindforsは、彼の装置を用いるALDの使用を明示している。2002年12月12日に公開された米国特許出願公開2002／0187084は、上記特許の継続出願である。
U. S. Patent No. 4,647,338 U. S. Patent No. 5,250,323 U. S. Patent No.5,704,214 U. S. Patent 6,506,352 米国特許出願公開2002／0187084

装置の側面から見ると、本発明は、第１及び第２の前駆体ガス源と、第１及び第２の前駆体ガス源に連結している第１及び第２のバルブ；第３のバルブを有し、堆積サイクルを規定するように逐次的に作用するパージガス源；第１、第２及び第３のバルブに連結している反応チャンバ；反応チャンバに連結している入口と出口とを有し、反応チャンバに連結していて、堆積サイクルに少なくとも等しい滞留時間を有するトラップ；及びトラップの出口と排気系とに連結している背圧ポンプを有する化学蒸着装置を含む。

装置の別の側面から見ると、本発明は、第１及び第２の前駆体ガス源と、第１及び第２の前駆体ガス源に連結している第１及び第２のバルブ；第３のバルブを有し、堆積サイクルを規定するように逐次的に作用するパージガス原；第１、第２及び第３のバルブに連結している反応チャンバ；反応チャンバに連結している入口と出口とを有し、反応チャンバに連結していて、堆積サイクルに少なくとも等しい滞留時間を有するトラップ；及びトラップの出口と排気系とに連結している背圧ポンプを有する原子層蒸着装置を含む。

方法の側面から見ると、本発明は、第１及び第２の前駆体ガスを反応チャンバに逐次的に流す工程と；前駆体ガスそれぞれの後にパージガスを流して、堆積サイクルを規定する工程と；トラップ内に堆積サイクルに少なくとも等しい滞留時間を有する気体状流出物を捕捉して、トラップ内で反応チャンバから気体状流出物を除く工程とを含む。

装置の別の側面から見ると、本発明は、第１及び第２の前駆体ガス源と、第１及び第２の前駆体ガス源に連結している第１及び第２のバルブ；不活性ガスを流す第３のバルブを有し、第１及び第２の前駆体ガス源とパージガスとが堆積サイクルを規定するように逐次的に作用するパージガス源；第１、第２及び第３のバルブに連結している反応チャンバ；及び反応チャンバに連結している入口と出口とを有し、反応チャンバに連結し、１の堆積サイクルに少なくとも等しい滞留時間を有するトラップを有する原子層蒸着装置を含む。

実施形態

図１は、原子層堆積プロセスの顕著な特性を概略的に示す。図１に示すのは、それぞれ×で示される第１の種３の単層及び○で示される第２の種５の単層が堆積している基板１である。成長プロセスの間、基板１は、反応チャンバ（図示せず）内に位置づけられ、典型的には加熱されている。種３を含有する第１の前駆体ガスは、反応チャンバ内に導入される。第１の前駆体ガスの単層は、基板１の表面上に吸着される。過剰量の第１の前駆体ガス、すなわち吸着されない物質は、次いで反応チャンバからパージされる。種５を含有する第２の前駆体ガスが反応チャンバに導入される。第２の前駆体ガスの単層は、基板１の上に吸着される。吸着された第１及び第２の前駆体ガスの間の反応は、第１の種３及び第２の種５だけをそれぞれ基板１上に残す。反応チャンバがパージされると、第２の前駆体ガスの未反応部分は、反応生成物と一緒に反応チャンバから除かれる。

記載したプロセスの変形例も可能である。たとえば、２種以上の前駆体ガスを用いることができる。さらに、第２の前駆体ガスは、プラズマによって活性化され、第１の単層の化学処理を効果的に行うこともできる。多数の物質、たとえば多くの酸化物や窒化物を前述した用途並びに他の用途のために、このプロセスで堆積させてもよい。中間のパージガスパルスによって前駆体ガスを反応チャンバに逐次的に入れるプロセスは繰り返され、記載されるように多くの追加の層を成長させる。

本発明による装置の実施形態は、図２に概略的に示されている。反応チャンバ２１１は、基板２１３を含む。基板支持体は示していない。第１及び第２の前駆体ガス源２１５及び２１７は、それぞれバルブ２１９及び２２１並びに適切な配管を介して反応チャンバ２１１に連結されている。パージガス源２２３は、バルブ２２５及び適切な配管を介して反応チャンバ２１１に連結されている。パージガスは、不活性ガスである。排気系２２７は、望ましくないガス、すなわち反応チャンバ２１１からの気体状流出物を取り除く。排気系２２７は、図３に詳細に記載されている。配管２２９は、反応チャンバ２１１と排気系２２７とを連結する。気体状流出物は、たとえば、未反応前駆体ガス及び反応生成物を含む。加熱要素は図示されておらず、常に必要とされるものではないが、反応チャンバは加熱されてもよい。

装置の操作を説明する。所定量のパージガスが所定時間で反応チャンバに入った後、所定量の第１の前駆体ガスが所定時間で反応チャンバに入れられる。次いで、所定量のパージガスが所定時間で反応チャンバに入った後、所定量の第２の前駆体ガスが所定時間で反応チャンバに入れられる。すなわち、前駆体ガスは逐次的に導入され、パージガスは前駆体ガスのパルス間に導入される。第１の前駆体ガス、パージガス、第２の前駆体ガス、パージガスの逐次的導入は、１の堆積サイクルを形成する。ガスフローは、個々のガス源に関連するバルブによって制御される。理解されるように、バルブは、装置効率を増加させるように迅速に運転されなければならない。理解されるように、排気系は、装置効率のためだけでなく、堆積した物質の品質を保証するためにも、効率的に運転されなければならない。

適切な前駆体ガスは、所望の物質及び下層基板などのパラメータを考慮することで、当業者によって容易に選択されるであろう。パージガスは、アルゴンなどの不活性ガスであるように、しばしば選択される。時には窒素を用いてもよい。

排気系２２７は図３に示される。図示したのは、反応チャンバ２１１、ゲートバルブ３１１、プロセスポンプ３１３、トラップ３１５、及び背圧ポンプ３１７である。ゲートバルブ３１１は、プロセスポンプ３１３と反応チャンバ２１１との間にある。トラップ３１５は、プロセスポンプ３１３と背圧ポンプ３１７との間に位置づけられている。トラップ３１５は、入口３２１及び出口３２３を有する。背圧ポンプ３１７からの流出物は、主排気系３１９に進む。所望により、局所的なスクラバーなどの追加の要素が存在してもよいが、これらの記述は本発明の説明にとって必要ではない。反応チャンバ２１１を除く全ての要素は、図２に示す排気系２２７に含まれる。トラップ３１５を除いて、装置は、当業者によって容易に製作されるであろうから、これらの要素に対する更なる説明を要しない。

以下の要素が存在してもよいので、詳細に説明する。電極３２９はトラップ３１５内にあり、トラップ３１５に対する接地３３１が形成される。ヒーター３３３は、トラップ３１５を加熱するために用いられてもよい。サージフローサプレッサー３３５は、出口３２３に連結されている。

トラップ３１５の設計及び運転は、本発明を理解するために更なる説明を要する。気体分子がトラップ内で長い滞留時間を確実に有するように設計されることが望ましい。気体分子に対する滞留時間が長いほど、第１及び第２の前駆体ガスの間の気相反応が起こる可能性は大きくなる。第１及び第２の前駆体ガスの間の気相反応は、背圧ポンプに入った後でガスが相互に反応する可能性を減少させる。背圧ポンプにて、これらのガスはポンプを損傷させるか又はポンプ機構の正確な運転に干渉するかもしれない。長い滞留時間を含むトラップ３１５の詳細な設計は、以下の記述を考慮することで、よりよく理解されるであろう。

圧力Pのガス流での流量Qで流れる容積Vにおける気体分子の滞留時間は、PV/Qである。よって、反応チャンバにおけるなど低い圧力及び少ない容積は、結果的に、滞留時間を短くし、気相反応の起こる可能性を低くする。圧力は、反応チャンバの下流で増加する。圧力増加の大半は、差圧がほぼ１気圧であるポンプシステムにて生じる。圧力が増加するにつれ、気相反応の起こる可能性が大きくなり、ポンプ効率の低下を招く連続的な粉末形成を生じさせる。トラップ３１５は、反応性前駆体ガスが同時にトラップ３１５に確実に存在するように構成される。すなわち第１及び第２の前駆体ガスは、同時に存在し、よって反応して、粉末を形成し、粉末はトラップ３１５内に残る。トラップ３１５は、容積Vを有するように構成され、ALDプロセスの一つの完全なサイクルに少なくとも等しい滞留時間を有する。滞留時間は、ALDプロセスの一つの完全なサイクルよりも長いことが好ましい。

別の実施形態において、プロセスポンプ３１３は省略され、トラップ３１５は反応チャンバ２１１に連結される。この構成は従来技術に比べて利点を有するが、プロセスポンプ３１３に関する実施形態よりは好ましくはない。以下の説明は、この実施形態があまり好ましくない理由を理解するために有用であろう。プロセスポンプ３１３は、トラップ３１５が比較的高い圧力の雰囲気に確実に置かれるようにする。よって、トラップは、低圧雰囲気におけるよりも物理的に小さくてよい。これは、さらに、背圧ポンプに先立つ気相反応の起こる可能性を増加させる。トラップ３１５での高圧領域において、ガス密度は比較的高く、分子平均自由行程（free path）は短く、よってトラップを出る前の気相反応の起こる可能性を増加させる。さらに、低いガス速度は、ガスがトラップを出る際に、粉末がガス内に随伴される可能性を減少させる。

トラップの導電性は運転中に減少してはならない。これは、図示するようにトラップの頂部に入口３２１と出口３２３とを位置づけることによって達成され得る。すなわち、トラップの容積の大半は入口及び出口よりも下方にある。よって、粉末及び固体堆積物は、その導電性を大幅に減少することなく、トラップ内に残る。逆の形状、すなわち入口３２１と出口３２３の両方が底部にある形状、あるいは部分的に逆の形状、すなわち入口３２１又は出口３２３のいずれか一方が底部にある形状では、粉末が蓄積し、入口３２１又は出口３２３のいずれか一方又は両方を遮るようになり始めると、導電性が減少する。

反応を生じさせるためにエネルギー的に好ましい条件を作り出すことによって、トラップ３１５内での長い滞留時間で前駆体ガスの反応を促進することが、望ましいことが多い。たとえば、２種の反応物質ガスがWF₆及びH₂である場合、反応は、室温で低速で進行するであろう。トラップ３１５内で反応を確実に生じさせるために、トラップ３１５又はトラップ３１５の一部を十分高い温度までヒーター３３３で加熱してもよい。この温度は、当業者によって容易に決定されるであろう。さらに、電極３２９と接地３３１との間に適切な電圧を与えることによってプラズマをトラップ３１５内で発生させてもよい。

トラップ３１５とポンプ３１７との間のサージフローサプレッサー３３５は、圧力過渡現象及び結果として生じる高いガスフロー（トラップ３１５内で既に粉末を随伴している）を避ける。これらのサージフローサプレッサーは、当業者には周知であるから、さらに詳細を説明する必要はない。

原子層堆積に関して本発明を特に記載してきたが、本装置は、前駆体ガスが逐次的に入れられて不活性ガスパルスによって互いに離隔される他の化学蒸着プロセスにも使用できることは理解されるべきである。除去工程はトラップの使用を含み、他の工程が存在してもよいこともまた理解されるべきである。ポンプを用いない場合であってもトラップの使用から利点が得られることは予想される。

図１は、原子層堆積プロセスを示す。 図２は、本発明による装置の実施形態の概略代表図である。 図３は、本発明による装置の実施形態の排気区域の実施形態の概略代表図である。

Claims (14)

1. 第１及び第２の前駆体ガス源（215、217）と、該第１及び第２のガス源（215、217）に接続されている第１及び第２のバルブ（219、221）；
   不活性ガスを流す第３のバルブ（225）を有するパージガス源（223）であって、該第１及び第２の前駆体ガス源（215、217）と該パージガス源（225）とは逐次的に作用して堆積サイクルを規定する、パージガス源（223）；
   該第１、第２及び第３のバルブ（219、221、225）に接続されている反応チャンバ（211）；
   該反応チャンバ（211）に接続されている入口（321）と出口（323）とを有し、反応チャンバに接続されていて、一つの堆積サイクルと少なくとも等しい滞留時間を有するトラップ（315）
   を具備する堆積装置。
2. さらに、前記トラップ（315）の出口（323）及び排気系（319）に接続されている背圧ポンプ（317）を具備する、請求項１に記載の堆積装置。
3. 前記入口（321）及び出口（323）は、前記トラップ（315）の頂部にある、請求項１に記載の堆積装置。
4. さらに、前記トラップ（315）の入口（321）と前記反応チャンバ（211）との間に接続されているプロセスポンプ（313）を具備する、請求項３に記載の堆積装置。
5. 前記滞留時間は、前記堆積サイクルよりも長い、請求項１に記載の堆積装置。
6. 前記トラップ（315）は、さらにヒーター（333）を含む、請求項１に記載の堆積装置。
7. 前記トラップ（315）は、さらに前記トラップ（315）内の電極（329）及び前記トラップ（315）に対する接地（331）を含む、請求項１に記載の堆積装置。
8. さらに前記トラップ（315）の出口（323）に連結されたサージフローサプレッサー（335）を含む、請求項１に記載の堆積装置。
9. 化学蒸着装置である、請求項１に記載の堆積装置。
10. 原子層堆積装置である、請求項１に記載の堆積装置。
11. 第１及び第２の前駆体ガスを反応チャンバに逐次的に流す工程と；
    該第１及び第２の前駆体ガスの後に、パージガスを反応チャンバに流し、第１及び第２の前駆体ガス及び該パージガスを流すことによって一つの堆積サイクルを形成する工程と；
    堆積サイクルに少なくとも等しい滞留時間を有する気体状流出物をトラップ内に捕捉することを含む、反応チャンバからの気体状流出物をトラップ内で除く工程と
    を含む原子層堆積方法。
12. 前記気体状流出物を除く工程は、前記トラップの後で、背圧ポンプによって気体状流出物をポンプにより吸引することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記気体状流出物を除く工程は、前記トラップの前に、プロセスポンプによって気体状流出物をポンプにより吸引することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
14. 前記滞留時間は、前記堆積サイクルよりも長い、請求項１１に記載の方法。

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