JP2005523580A - リモートプラズマを利用してウェーハに薄膜を蒸着する装置及び方法 - Google Patents
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Abstract
リモートプラズマＡＬＤ装置は反応容器と、反応容器からガスを外部に排出する排気ラインと、第１反応ガスを反応容器または排気ラインに選択的に供給するための第１反応ガス供給部と、第１反応ガス供給部と反応容器とを連結する第１反応ガス移送ラインと、第１反応ガス供給部と排気ラインとを連結する第１バイパスラインと、ラジカルを生成し、そのラジカルを反応容器または排気ラインに選択的に供給するためのラジカル供給部と、ラジカル供給部と反応容器とを連結するラジカル移送ラインと、ラジカル供給部と排気ラインとを連結する第２バイパスラインと、メインパージガスを第１反応ガス移送ライン及び／またはラジカル移送ラインに供給するメインパージガス供給部とを含む。
Description
本発明は半導体基板のようなウェーハに薄膜を蒸着させるための原子層蒸着（ＡＬＤ）装置及びＡＬＤ方法に係り、詳細にはリモートプラズマを利用してウェーハに薄膜を蒸着するＡＬＤ装置及びＡＬＤ方法に関する。
薄膜蒸着装置は反応容器内に収納されたウェーハに反応ガスを供給することによって、ウェーハ上に所定の薄膜を形成する装置である。このような薄膜蒸着装置としては、化学気相蒸着（ＣＶＤ）装置、ＡＬＤ装置などがあり、半導体を製造するための多様な分野で応用されている。
ＣＶＤ方式は、ＡＬＤ方式に比べて薄膜蒸着速度が優秀な長所がある。しかし、ＡＬＤ方式はＣＶＤ方式に比べてより低い工程温度と良好なステップカバーレッジ及び優秀な薄膜純度などを得られる長所がある。このようにＣＶＤ方式やＡＬＤ方式は特性上それぞれ長短所を有し、これらの長所を最大限に採用した薄膜蒸着装置を実現するための持続的な研究開発が行われている。
本発明は、より低い工程温度で良好なステップカバーレッジと優秀な純度の薄膜をより早く蒸着できるリモートプラズマＡＬＤ装置及びそれを利用した薄膜蒸着方法を提供することを目的とする。
前記のような目的を解決するために、本発明によるリモートプラズマＡＬＤ装置は、ウェーハが内蔵される反応容器１００と、反応容器１００からガスを外部に排出する排気ライン２００と、第１反応ガスを反応容器１００または排気ライン２００に選択的に供給するための第１反応ガス供給部３１０と、第１反応ガス供給部３１０と反応容器１００とを連結する第１反応ガス移送ライン３２０と、第１反応ガス供給部３１０と排気ライン２００とを連結する第１バイパスライン３３０と、第２反応ガスにプラズマを印加して対応するラジカルを生成した後、そのラジカルを反応容器１００または排気ライン２００に選択的に供給するためのラジカル供給部３４０と、ラジカル供給部３４０と反応容器１００とを連結するラジカル移送ライン３５０と、ラジカル供給部３４０と排気ライン２００とを連結する第２バイパスライン３６０と、メインパージガスを第１反応ガス移送ライン３２０及び／またはラジカル移送ライン３５０に供給するメインパージガス供給部３７０とを含むことを特徴とする。
本発明において、第１反応ガス供給部３１０は、第１反応ガスになる液状の第１反応物質が一定量充填されたソースコンテナ３１１と、ソースコンテナ３１１に流れる不活性ガスの流量を調節する第１流量制御器（以下、ＭＦＣ１）と、不活性ガスまたは第１反応ガスを第１反応ガス移送ライン３２０または第１バイパスライン３３０に選択的に流れるようにするための第１流路変換部３１６とを含む。
本発明において、ラジカル供給部３４０は、流入される第２反応ガスの流量を調節する第２流量制御器（以下、ＭＦＣ２）と、流入される不活性ガスの流量を調節する第３流量制御器（以下、ＭＦＣ３）と、ＭＦＣ２及びＭＦＣ３を経由した第２反応ガス及び／または不活性ガスが流入され、流入された第２反応ガスにプラズマを印加して対応するラジカルにするリモートプラズマ生成器３４１と、生成したラジカルをラジカル移送ライン３５０及び／または第２バイパスライン３６０に選択的に流れるようにするための第２流路変換部３４６とを含む。ラジカル供給部３４０は、ＭＦＣ２を経由した第２反応ガスを第２バイパスライン３６０に選択的に流れるようにする第３バイパスライン３８０をさらに含むことが望ましい。
本発明において、メインパージガス供給部３７０は、メインパージガスの流量を制御するＭＦＣ４と、メインパージガスを第１反応ガス移送ライン３２０またはラジカル移送ライン３５０に流れるようにする第３流路変換部３７６とを含む。
本発明の別の態様は、前記のリモートプラズマＡＬＤ装置を利用して薄膜を蒸着する方法である。
本発明の第１実施例では、リモートプラズマを利用したＡＬＤ薄膜の蒸着方法は、反応容器１００と排気ライン２００間のラフィング弁２１０を常時開放し、第１流路変換部３１６、第２流路変換部３４６それぞれの内部ポイントＡ、Ｂを流れるガスを反応容器１００ないしはバイパスラインに常時流れるようにし、ラジカルを反応容器１００にフィードさせる状態で、第１反応ガスを反応容器１００にフィードする第１反応ガスフィーディング段階（Ｓ１）と、反応容器１００の内部にフィードされた第１反応ガスをパージする第１反応ガスパージ段階（Ｓ２）とを行い続けることによって、反応容器１００に位置した基板に薄膜を形成することを特徴とする。
本発明において、薄膜蒸着段階の完了後、ラジカルと不活性ガスを反応容器に噴射して熱処理が行われる。ラジカルは、Ｏ、Ｎ、Ｈ、ＯＨ、ＮＨ及びその組み合わせよりなる群から選択される少なくとも１つからなる。
前記のような目的を解決するために、本発明によるリモートプラズマＡＬＤ方法の第２実施例は、リモートプラズマＡＬＤ装置を利用するものであって、反応容器１００と排気ライン２００間のラフィング弁２１０を常時開放した状態で、第１流路変換部３１６、第２流路変換部３４６、第３流路変換部３７６それぞれの内部ポイントＡ、Ｂ、Ｃを流れるガスを反応容器１００ないしはバイパスラインに常時流れるようにし、ラジカルを反応容器１００にフィードさせるラジカルフィーディング段階（Ｓ３）と、反応容器１００でラジカルをパージさせるラジカルパージ段階（Ｓ４）と、反応容器１００に第１反応ガスをフィードする第１反応ガスフィーディング段階（Ｓ１）と、反応容器１００で第１反応ガスをパージする第１反応ガスパージ段階（Ｓ２）とを行い続けることによって、反応容器１００に位置した基板に薄膜を形成し、ラジカルパージ段階（Ｓ４）は、メインパージガス供給部３７０のＭＦＣ４によって流量制御されたメインパージガスをラジカル移送ライン３５０を通じて反応容器１００に噴射することを特徴とする。
本発明において、第１反応ガスのパージ時、第１反応ガス移送ライン３２０とラジカル移送ライン３５０とを流れる不活性ガス流量の総和は常時一定に保たれる。
本発明において、薄膜蒸着段階の完了後、ラジカルと不活性ガスとを反応容器に噴射して熱処理する段階が行われる。ラジカルは、Ｏ、Ｎ、Ｈ、ＯＨ、ＮＨ及びその組み合わせよりなる群から選択される少なくとも１つからなる。
本発明の第３実施例では、リモートプラズマを利用したＡＬＤ薄膜の蒸着方法は、反応容器１００と排気ライン２００間のラフィング弁２１０を常時開放した状態で、第１流路変換部３１６、ラジカル供給部３４０それぞれの内部ポイントＡ、Ｄを流れるガスの流れを反応容器１００ないしはバイパスラインに常時流れるようにし、ラジカルを反応容器１００にフィードさせるラジカルフィーディング段階（Ｓ３）と、反応容器１００でラジカルをパージさせるラジカルパージ段階（Ｓ４'）と、反応容器１００に第１反応ガスをフィードする第１反応ガスフィーディング段階（Ｓ１）と、反応容器１００で第１反応ガスをパージする第１反応ガスパージ段階（Ｓ２）とを行い続けることによって、反応容器１００に位置した基板に薄膜を形成し、ラジカルパージ段階（Ｓ４'）は、ラジカル供給部のＭＦＣ３に流量制御された不活性ガス（第２反応ガス排除）のみをラジカル移送ライン３５０を通じて反応容器１００に噴射することを特徴とする。
本発明において、第１反応ガスのパージ時、第１反応ガス移送ライン３２０とラジカル移送ライン３５０とを流れる不活性ガス流量の総和は常時一定に保たれる。
本発明において、薄膜蒸着段階の完了後、ラジカルと不活性ガスとを反応容器に噴射して熱処理する段階が行われる。ラジカルは、Ｏ、Ｎ、Ｈ、ＯＨ、ＮＨ及びその組み合わせよりなる群から選択される少なくとも１つからなる。
以下、図面を参照しながら本発明によるリモートプラズマＡＬＤ装置及びそれを利用した薄膜蒸着方法の望ましい実施例を図面を参照して詳細に説明する。ただし、本発明は様々に変更して実施してもよく、以下の実施例に限定されると解釈すべきではない。
図１は、本発明によるリモートプラズマＡＬＤ装置の構成図であり、図２は、図１のＡＬＤ装置に採用されるリモートプラズマ生成器の部分斜視図である。
図１，２を参照すれば、本発明によるリモートプラズマＡＬＤ装置は、ウェーハｗが内蔵されて蒸着される反応容器１００と、反応容器１００からガスを外部に排出するための排気ライン２００と、反応容器１００または排気ライン２００に反応ガス及び／または不活性ガスを選択的に供給するガスジャングルとを含む。
反応容器１００は、基板に薄膜蒸着を行うのに使われるものであって、公知のシャワーヘッド方式やフロー方式などを採用できる。
排気ライン２００は、反応容器１００内部の反応ガスが排気されるラインであって、ラフィング弁２１０、スロットル弁２２０、排気ポンプ２３０などが設置されている。
ガスジャングルは、第１反応ガスを反応容器１００または排気ライン２００に選択的に供給するための第１反応ガス供給部３１０と、第１反応ガス供給部３１０と反応容器１００とを連結する第１反応ガス移送ライン３２０と、第１反応ガス供給部３１０と排気ライン２００とを連結する第１バイパスライン３３０と、第２反応ガスにプラズマを印加して対応するラジカルを生成した後、そのラジカルを反応容器１００または排気ライン２００に選択的に供給するためのラジカル供給部３４０と、ラジカル供給部３４０と反応容器１００とを連結するラジカル移送ライン３５０と、ラジカル供給部３４０と排気ライン２００とを連結する第２バイパスライン３６０と、メインパージガスを第１反応ガス移送ライン３２０及び／またはラジカル移送ライン３５０に供給するメインパージガス供給部３７０とを含む。そして、ＭＦＣ２を経由した第２反応ガスを第２バイパスライン３６０に選択的に流れるようにする第３バイパスライン３８０がさらに設置される。
第１反応ガス供給部３１０は、流量制御された第１反応ガスを反応容器１００または排気ライン２００に選択的に流れるようにするものであって、第１反応ガスになる液状の第１反応物質が一定量充填されたソースコンテナ３１１と、ソースコンテナ３１１に流れる不活性ガスの流量を調節するＭＦＣ１と、不活性ガスまたは第１反応ガスを第１反応ガス移送ライン３２０または第１バイパスライン３３０に選択的に流れるようにするための第１流路変換部３１６とを含む。
ＭＦＣ１は、液状の第１反応物質をバブリングするための不活性ガスの流量を制御する。ここで、ＭＦＣ１とソースコンテナ３１１間には不活性ガスの流れを制御するオン／オフ型の第１弁Ｖ１が設置される。
第１流路変換部３１６は、互いに隣接した第２弁Ｖ２、第３弁Ｖ３、第４弁Ｖ４、第５弁Ｖ５で構成され、第２−５弁Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５が出合う内部ポイントＡを通過するガス（不活性ガスまたは第１反応ガス）を第１反応ガス移送ライン３２０または第１バイパスライン３３０に選択的に流れるようにする。
本実施例で、第１反応ガス供給部３１０を液状の第１反応物質をバブリングして第１反応ガスを得る構造を採用した。しかし、第１反応ガス供給部３１０はＬＤＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ Ｓｙｓｔｅｍ）、ＤＬＩ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）構造として構成されてもよい。
ラジカル供給部３４０は、反応容器１００に供給するラジカルを生成させる所であって、流入される第２反応ガスの流量を調節するＭＦＣ２と、流入される不活性ガスの流量を調節するＭＦＣ３と、ＭＦＣ２、３を経由した第２反応ガス及び／または不活性ガスが流入され、第２反応ガスにプラズマを印加して対応するラジカルにするリモートプラズマ生成器３４１と、生成したラジカルをラジカル移送ライン３５０及び／または第２バイパスライン３６０に選択的に流れるようにするための第２流路変換部３４６とを含む。ここで、ＭＦＣ２とリモートプラズマ生成器３４１間には第６弁Ｖ６が設置され、ＭＦＣ３とリモートプラズマ生成器３４１間には第７弁Ｖ７が設置される。
リモートプラズマ生成器３４１は、図２に示されたように、第２反応ガスが流れるセラミック管３４１ａと、セラミック管３４１ａに巻かれたＲＦコイル３４１ｂとを含む。ＲＦコイル３４１ｂには１３.５６ＭＨｚのＲＦ電力が印加され、ＲＦ電力はセラミック管３４１ａを流れる第２反応ガスをイオン化させると同時に活性化させてプラズマガス粒子、すなわちラジカルを生成する。すなわち、リモートプラズマ生成器３４１はセラミック管３４１ａの内部に流入された第２反応ガスに電気的エネルギーを印加して活性化エネルギーを増加させる。
リモートプラズマ生成器３４１には純粋な第２反応ガスのみ供給させることもあるが、本実施例でリモートプラズマ生成器３４１に流量制御された第２反応ガスと流量制御された不活性ガスとの混合ガスを供給し、これは工程ウィンドーの幅をさらに広めるためである。
第２流路変換部３４６は、第８弁Ｖ８と第９弁Ｖ９とを含み、第８弁Ｖ８と第９弁Ｖ９とが出合う内部ポイントＢを通過する不活性ガスまたはラジカルをラジカル移送ライン３５０または第２バイパスライン３６０に選択的に流れるようにする。第８弁Ｖ８の開口の直径は十分に大きくならねばならない。これにより、第８弁Ｖ８が開かれてラジカルが第８弁Ｖ８を通過する時に、ラジカルの有する活性化エネルギーが一定に維持される。
ラジカル移送ライン３５０は、リモートプラズマ生成器３４１で発生するラジカルを反応容器１００に移送させる役割をする。ラジカル移送ライン３５０は、十分な管径で可能な限り短い管を有するように構成されるべきである。それにより、ラジカルの有する活性化エネルギーが一定に維持される。
メインパージガス供給部３７０は、メインパージガス（不活性ガス）を第１反応ガス移送ライン３２０かラジカル移送ライン３５０に選択的に流れるようにするものであって、本実施例では第１反応ガスやラジカルが排気ライン２００にバイパスされる時、第１反応ガス移送ライン３２０やラジカル移送ライン３５０に不活性ガスを供給する。このようなメインパージガス供給部３７０は、メインパージガスの流量を制御する第４流量制御器（以下、ＭＦＣ４）と、メインパージガスを第１反応ガス移送ライン３２０またはラジカル移送ライン３５０に選択的に流れるようにする第３流路変換部３７６と、ＭＦＣ４と第３流路変換部３７６間に設置される第１０弁Ｖ１０とを含む。
第３流路変換部３７６は、第１１、１２弁Ｖ１１、Ｖ１２で構成され、第１１、１２弁Ｖ１１、Ｖ１２が出合う内部ポイントＣを通過するメインパージガスを第１反応ガス移送ライン３２０またはラジカル移送ライン３５０に選択的に流れるようにする。
そして、ＭＦＣ３と第２バイパスライン３６０間には第１３弁Ｖ１３が設置され、第３バイパスライン３８０には第１４弁Ｖ１４が設置される。
複数のオン／オフ型弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ８、Ｖ９、Ｖ１０、Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ１３、Ｖ１４は制御器（図示せず）に連結されて制御される。
前記のような構成のリモートプラズマＡＬＤ装置は、一般的なＡＬＤ装置の短所である低い蒸着速度を改善すると共に、電気的なエネルギーを利用することによって工程温度を下げられる。
前記のような構成による第１反応ガスのフィーディング及びパージ段階、ラジカルのフィーディング及びパージ段階を簡単に説明する。
ａ）第１反応ガスフィーディング段階（Ｓ１）
第１反応ガスのパージガスであって第１反応ガスの液状ソースバブリングガスである不活性ガスがＭＦＣ１によって流量制御された後、第１弁Ｖ１を経てソースコンテナ３１１に流入される段階である。不活性ガスはソースコンテナ３１１に貯蔵された液状の第１反応物質源をバブリングさせて第１反応ガスを発生させ、その第１反応ガスはバブリングガスと共に共に第３、４弁Ｖ３、Ｖ４を経て第１反応ガス移送ライン３２０を通じて反応容器１００に流入される。
第１反応ガスのパージガスであって第１反応ガスの液状ソースバブリングガスである不活性ガスがＭＦＣ１によって流量制御された後、第１弁Ｖ１を経てソースコンテナ３１１に流入される段階である。不活性ガスはソースコンテナ３１１に貯蔵された液状の第１反応物質源をバブリングさせて第１反応ガスを発生させ、その第１反応ガスはバブリングガスと共に共に第３、４弁Ｖ３、Ｖ４を経て第１反応ガス移送ライン３２０を通じて反応容器１００に流入される。
ｂ）第１反応ガスパージ段階（Ｓ２）
不活性ガスがＭＦＣ１によって流量制御された後、第２、４弁Ｖ２、Ｖ４を経て第１反応ガス移送ライン３２０を通じて反応容器１００に流入される段階である。すなわち、パージガス（不活性ガス）がソースコンテナ３１１を通過せずに第１反応ガスが発生せず、したがって、パージガスのみ反応容器１００に流入されてその反応容器１００内の第１反応ガスをパージする。
不活性ガスがＭＦＣ１によって流量制御された後、第２、４弁Ｖ２、Ｖ４を経て第１反応ガス移送ライン３２０を通じて反応容器１００に流入される段階である。すなわち、パージガス（不活性ガス）がソースコンテナ３１１を通過せずに第１反応ガスが発生せず、したがって、パージガスのみ反応容器１００に流入されてその反応容器１００内の第１反応ガスをパージする。
ｃ）ラジカル供給部によるラジカルフィーディング段階（Ｓ３）
第２反応ガスと不活性ガスとをそれぞれＭＦＣ２とＭＦＣ３とを通じて流量制御した後、第６弁Ｖ６と第７弁Ｖ７とをそれぞれ開いてリモートプラズマ生成器３４１に流入させる。不活性ガスと適切に混合された第２反応ガスはリモートプラズマ生成器３４１を経ながらプラズマガス状態に変換されてラジカルになる。ラジカルのフィーディング段階は、前記のように生成したラジカルが第８弁Ｖ８を経てラジカル移送ライン３５０を通じて反応容器１００に流入される段階である。
第２反応ガスと不活性ガスとをそれぞれＭＦＣ２とＭＦＣ３とを通じて流量制御した後、第６弁Ｖ６と第７弁Ｖ７とをそれぞれ開いてリモートプラズマ生成器３４１に流入させる。不活性ガスと適切に混合された第２反応ガスはリモートプラズマ生成器３４１を経ながらプラズマガス状態に変換されてラジカルになる。ラジカルのフィーディング段階は、前記のように生成したラジカルが第８弁Ｖ８を経てラジカル移送ライン３５０を通じて反応容器１００に流入される段階である。
本実施例では、工程ウィンドーの幅をさらに広めるためにリモートプラズマ生成器３４１に第２反応ガスと不活性ガスとの混合ガスを供給した。しかし、第２反応ガスのみを供給してもよい。
ｄ）ラジカルパージ段階（Ｓ４）
第８弁Ｖ８を閉じ、第９弁Ｖ９が開くことによって、ラジカルが反応容器１００には流入されず、第２バイパスライン３６０を通じて排気ライン２００の排気ポンプ２３０に流れるようにし、メインパージガス供給部３７０から供給されるメインパージガスをラジカル移送ライン３５０を経て反応容器１００内に流れるようにする段階である。すなわち、ラジカル移送ライン３５０にラジカルの供給を中断させ、ＭＦＣ４を通じて流量制御されたメインパージガスを第１０弁Ｖ１０→第１２弁Ｖ１２→ラジカル移送ライン３５０を通じて反応容器１００に流れるようにするものである。
第８弁Ｖ８を閉じ、第９弁Ｖ９が開くことによって、ラジカルが反応容器１００には流入されず、第２バイパスライン３６０を通じて排気ライン２００の排気ポンプ２３０に流れるようにし、メインパージガス供給部３７０から供給されるメインパージガスをラジカル移送ライン３５０を経て反応容器１００内に流れるようにする段階である。すなわち、ラジカル移送ライン３５０にラジカルの供給を中断させ、ＭＦＣ４を通じて流量制御されたメインパージガスを第１０弁Ｖ１０→第１２弁Ｖ１２→ラジカル移送ライン３５０を通じて反応容器１００に流れるようにするものである。
ｅ）ラジカルパージ段階（Ｓ４'）
第６弁Ｖ６を閉じ、第１４弁Ｖ１４を開くことによって、第２反応ガスが第３バイパスライン３８０を通じて排気ライン２００の排気ポンプ２３０に流れるようにし、ＭＦＣ３を経由した不活性ガスをリモートプラズマ生成器３４１及び第８弁Ｖ８を通じて反応容器に流れるようにする段階である。すなわち、第２反応ガスが第３、２バイパスライン３８０、３６０を通じて排気されることによってリモートプラズマ生成器３４１に流入されなく、これによりＭＦＣ３を経由した不活性ガスのみが反応容器１００にフィーディングされてその反応容器１００内部のラジカルがパージされる。
第６弁Ｖ６を閉じ、第１４弁Ｖ１４を開くことによって、第２反応ガスが第３バイパスライン３８０を通じて排気ライン２００の排気ポンプ２３０に流れるようにし、ＭＦＣ３を経由した不活性ガスをリモートプラズマ生成器３４１及び第８弁Ｖ８を通じて反応容器に流れるようにする段階である。すなわち、第２反応ガスが第３、２バイパスライン３８０、３６０を通じて排気されることによってリモートプラズマ生成器３４１に流入されなく、これによりＭＦＣ３を経由した不活性ガスのみが反応容器１００にフィーディングされてその反応容器１００内部のラジカルがパージされる。
前記のＡＬＤ装置を利用した薄膜蒸着方法の実施例を説明する。
図３は、図１のＡＬＤ装置を利用した薄膜蒸着方法の第１実施例を説明するためのグラフである。第１実施例では、反応容器１００内部に基板を位置させ、ラフィング弁２１０を開くことによって反応容器１００と排気ライン２００間を常時開放し、ラジカルを反応容器１００に常時フィードさせる状態で、第１反応ガスフィーディング段階（Ｓ１）とパージ段階（Ｓ２）とを行い続けることによって、反応容器１００に位置した基板に薄膜を形成する。
図３は、図１のＡＬＤ装置を利用した薄膜蒸着方法の第１実施例を説明するためのグラフである。第１実施例では、反応容器１００内部に基板を位置させ、ラフィング弁２１０を開くことによって反応容器１００と排気ライン２００間を常時開放し、ラジカルを反応容器１００に常時フィードさせる状態で、第１反応ガスフィーディング段階（Ｓ１）とパージ段階（Ｓ２）とを行い続けることによって、反応容器１００に位置した基板に薄膜を形成する。
すなわち、ラジカルを反応容器１００にフィードし続ける状態で、図３の(a)−(b)期間では、第１反応ガス移送ライン３２０にＭＦＣ１によって流量制御されたパージガスを第２、４弁Ｖ２、Ｖ４を経て第１反応ガス移送ライン３２０を通じて反応容器１００にフィードさせる第１反応ガスパージ段階（Ｓ２）を行う。
次に、(b)−(c)期間では、ラジカルを反応容器１００にフィードし続ける状態で、ＭＦＣ１によって流量制御された不活性ガスをソースコンテナ３１１に流入させてバブリングさせた第１反応ガスを第３、４弁Ｖ３、Ｖ４を経て反応容器１００にフィードさせる第１反応ガスフィーディング段階（Ｓ１）を行う。
次に、(c)−(d)期間では、ラジカルを反応容器１００に流入しつづける状態で、第１反応ガスパージ段階（Ｓ２）を行い、次の第１反応ガスフィーディング段階（Ｓ１）を行い続ける。
すなわち、ラジカルを反応容器１００にフィードし続ける状態で、第１反応ガスパージ段階（Ｓ２）と第１反応ガスフィーディング段階（Ｓ１）とを１回以上行い続けることによって反応容器１００に収納された基板に薄膜を蒸着する。
この時、第１流路変換部３１６の内部ポイントＡを流れるガスが反応容器１００ないしは第１バイパスライン３３０に常時流れるようになり、第２流路変換部３４６の内部ポイントＢを流れるガスまた反応容器１００ないしは第２バイパスライン３６０に常時流れるようにする。
前記方法では、ラジカルのパージなしに常時ラジカルがフィードされる状況で、ＡＬＤ装置を用いて基板に薄膜が蒸着される。従って、反応容器１００内部の工程圧力は一定レベルに保持され、薄膜が均一に形成される。
一方、薄膜蒸着段階の完了後、ラジカルと不活性ガスを反応容器に噴射して熱処理する段階をさらに経ることができる。ラジカルは、Ｏ、Ｎ、Ｈ、ＯＨ、ＮＨ及びその組み合わせよりなる群から選択される少なくとも１つからなる。このようなラジカルを供給するための第２反応ガスはＯ２、Ｏ３、Ｈ２、ＮＨ３又はＮ２でありうる。最も代表的な例は、チタン（Ｔｉ）薄膜を蒸着するためにＴｉＣｌ４ガスを使用し、第２反応ガスとして水素（Ｈ２）を使用する場合、薄膜蒸着を完了した後、水素原子よりなったラジカルを噴射すれば、薄膜内に含まれたＣｌ不純物濃度を下げて薄膜の純度をさらに良くできる。その外にＴＭＡガスを利用したアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）薄膜蒸着にＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｏ３などが第２反応ガスとして利用でき、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ａｌ又はＣｕなどの金属薄膜を蒸着するために第１反応ガスとして金属有機化合物原料ガスが利用され、第２反応ガスとしてＨ２も使われうる。これらの場合において、第２反応ガスが薄膜の熱処理時にラジカル状態で蒸着された薄膜上に噴射されて、薄膜の純度をさらに良くするのに利用されうる。
ＡＬＤ装置を利用した薄膜蒸着方法の第２実施例を説明する。図４は、図１のＡＬＤ装置を利用した薄膜蒸着方法の第２実施例を説明するためのグラフである。
本発明による薄膜蒸着方法の第２実施例は、反応容器１００内部に基板を位置させ、ラフィング弁２１０を開くことによって反応容器１００と排気ライン２００間を開放した状態で、ラジカルを反応容器１００にフィードさせるラジカルフィーディング段階（Ｓ３）と、反応容器１００でラジカルをパージさせるラジカルパージ段階（Ｓ４）と、反応容器１００に第１反応ガスをフィードする第１反応ガスフィーディング段階（Ｓ１）と、反応容器１００で第１反応ガスをパージする第１反応ガスパージ段階（Ｓ２）とを行い続けることによって反応容器１００に位置した基板に薄膜を形成する。
すなわち、図４の(a)'−(b)'期間では、ラジカル供給部３４０で発生したラジカルを反応容器１００内部にフィードさせるラジカルフィーディング段階（Ｓ３）を行う。この時、第１反応ガス移送ライン３２０にはメインパージガス供給部３７０のＭＦＣ４によって流量制御されたメインパージガス（不活性ガス）を第１０弁Ｖ１０及び第１１弁Ｖ１１を開くことによって反応容器１００にフィーディングさせる。
次に、(b)'−(c)'期間では、ＭＦＣ４によって流量制御されたメインパージガスを、第１１弁Ｖ１１を閉じ、第１２弁Ｖ１２を開くことによってラジカル移送ライン３５０を通じて反応容器１００に流れるようにするラジカルパージ段階（Ｓ４）を行う。この時、ラジカル供給部３４０で発生したラジカルは第８弁Ｖ８を閉じ、第９弁Ｖ９を開くことによって反応容器１００には流入されず、第２バイパスライン３６０を通じて排気ライン２００に流れるようになる。
次に、(c)'−(d)'期間では、第１反応ガスを反応容器１００にフィードさせる第１反応ガスフィーディング段階（Ｓ１）を行う。第１反応ガスフィーディング段階（Ｓ１）は前記のように、ＭＦＣ１によって流量制御されたバブリングガスをソースコンテナ３１１に流入させて発生した第１反応ガスをバブリングガスと共に第３、４弁Ｖ３、Ｖ４を経て反応容器１００に流入させる段階である。この時、メインパージガスはラジカル移送ライン３５０を通じて反応容器１００に流入し続けられる。
次に、(d)'−(e)'期間では、第１反応ガスを反応容器１００からパージさせる第１反応ガスパージ段階（Ｓ２）を行う。この時、メインパージガスはラジカル移送ライン３５０を通じて反応容器１００に流入し続けられる。
すなわち、前記のような段階を少なくとも１回以上繰り返すことによって反応容器１００に収納された基板に薄膜が蒸着される。この時、第１流路変換部３１６の内部ポイントＡと、第２流路変換部３４６の内部ポイントＢと、第３流路変換部３７６の内部ポイントＣとを流れるガスは反応容器１００またはバイパスラインに常時流れるようにする。
前記方法は第１反応ガスとラジカルのフィーディング、パージを交互に繰り返すことによって第１実施例より薄膜の純度面ではさらに有利でありうるが、反応容器１００内部の工程圧力の揺れが相対的に大きくて薄膜の均一度を良くするのには不利でありうる。したがって、薄膜蒸着の均一性のためには、反応ガスのフィーディング時を除いては反応容器１００内の基板上に噴射するガス流量の総和を常時一定に保ち、ラフィング弁２１０をオン／オフしないようにする。
したがって、反応容器１００内部の工程圧力の揺れを最小化するためのＭＦＣ流量設定方法は、第１に、ＭＦＣ１とＭＦＣ４に設定される値を同一にすることである。第２に、第１及び第２反応ガスのフィーディング量をパージガス流量対比相対的に減らして、同様に工程圧力の揺れを最小化することである。その意味は図４を参照すれば分かる。すなわち、第１反応ガスや第２反応ガスであるラジカルのフィーディング流量が多ければ多いほど、図４でＤ１やＤ２が高まる。Ｄ１やＤ２が高まれば、結局反応容器の圧力揺れも大きくなる。反応容器１００に供給される第１及び第２の反応ガスのフィーディング量は、薄膜の均一性、ステップカバーレッジ、薄膜の純度などを考慮して適切に決められる。
次に、第２の方法においても薄膜蒸着段階の完了後、ラジカルと不活性ガスとを反応容器に噴射して熱処理される。ラジカルはＯ、Ｎ、Ｈ、ＯＨ、ＮＨ及びその組み合わせからなる群から選択される少なくとも一つからなる。
前記のような構造の薄膜蒸着装置を利用した薄膜蒸着方法の第３実施例を説明する。図５は図１のＡＬＤ装置を利用した薄膜蒸着方法の第３実施例に関するグラフである。
本発明による薄膜蒸着方法の第３実施例は、反応容器１００内部に基板を位置させ、ラフィング弁２１０を開くことによって反応容器１００と排気ライン２００間を開放した状態で、ラジカルを反応容器１００にフィードさせるラジカルフィーディング段階（Ｓ３）と、反応容器１００でラジカルをパージさせるラジカルパージ段階（Ｓ４'）と、反応容器１００に第１反応ガスをフィードする第１反応ガスフィーディング段階（Ｓ１）と、反応容器１００で第１反応ガスをパージする第１反応ガスパージ段階（Ｓ２）とを行い続けることによって反応容器１００に位置した基板に薄膜を形成する。
すなわち、図５の(a)''−(b)''期間では、ラジカル供給部３４０で発生したラジカルを反応容器１００内部にフィードさせるラジカルフィーディング段階（Ｓ３）を行う。この時、第１反応ガス移送ライン３２０にはＭＦＣ１によって流量制御されたパージガス（不活性ガス）を第２弁Ｖ２及び第４弁Ｖ４を開くことによって反応容器１００にフィーディングさせる。
次に、(b)''−(c)''期間では、第６弁Ｖ６を閉じて第１４弁Ｖ１４を開くことによって、第２反応ガスが第３バイパスライン３８０を通じて排気ライン２００の排気ポンプ２３０に流れるようにし、ＭＦＣ３を経由した不活性ガスをリモートプラズマ生成器３４１及び第８弁Ｖ８を通じて反応容器に流れるようにするラジカルパージ段階（Ｓ４'）を行う。すなわち、第２反応ガスが第３、２バイパスライン３８０、３６０を通じて排気されることによってリモートプラズマ生成器３４１に流入されずに反応ガスのラジカルが生成しなくなり、これによりＭＦＣ３を経由した不活性ガス（第２反応ガス排除）のみが反応容器１００にフィーディングされてその反応容器１００内部のラジカルがパージされる。
次に、(c)''−(d)''期間では、第１反応ガスを反応容器１００にフィードさせる第１反応ガスフィーディング段階（Ｓ１）を行う。第１反応ガスフィーディング段階（Ｓ１）は前記のように、ＭＦＣ１によって流量制御されたバブリングガスをソースコンテナ３１１に流入させて発生した第１反応ガスを第３、４弁Ｖ３、Ｖ４を経て反応容器１００に流入させる段階である。この時、ＭＦＣ３を経由したバブリングガス（不活性ガス）はラジカル移送ライン３５０を通じて反応容器１００に流入し続けられる。
次に、(d)''−(e)''期間では、第１反応ガスを反応容器１００からパージさせる第１反応ガスパージ段階（Ｓ２）を行う。この時、ＭＦＣ３を経由したパージガスはラジカル移送ライン３５０を通じて反応容器１００に流入し続けられる。
すなわち、前記のような段階を少なくとも１回以上繰り返すことによって反応容器１００に収納された基板に薄膜が蒸着される。この時、第１流路変換部３１６内部のポイントＡと、ラジカル供給部３４０の第３バイパスライン３８０とＭＦＣ３とが出合うポイントＤとを流れるガスは反応容器１００または第２バイパスライン３６０に常時流れるようにする。
薄膜蒸着方法の第３実施例は、反応容器１００内部に基板を位置させ、薄膜蒸着方法の第１実施例と第２実施例とを組み合わせたものである。薄膜蒸着時に第８弁Ｖ８を常時開き、第９弁Ｖ９を常時閉じてリモートプラズマ生成器３４１を通過したガスが常時反応容器に流入されるようにする。この時、不活性ガスが第７弁Ｖ７を通過してリモートプラズマ生成器３４１を常時通過させる中で、第６弁Ｖ６と第１４弁Ｖ１４とを交互に開閉しつつ、反応ガスのラジカルフィーディングとラジカルパージを行わせる。すなわち、第６弁Ｖ６が開き、第１４弁Ｖ１４が閉じられれば、ラジカルフィーディングになり、第６弁Ｖ６が閉じられ第１４弁Ｖ１４が開けば、第２反応ガスが反応容器に流入されないためにラジカルパージになる。
このようなラジカルフィーディングとパージに次いで第１反応ガスのフィーディングとパージ時にはラジカル移送ライン３５０には不活性ガスのみがＭＦＣ３、第７弁Ｖ７、リモートプラズマ生成器３４１、そして第８弁Ｖ８を経て反応容器１００に流入される。ここで、Ｄ１やＤ２の高さ関連の説明は薄膜蒸着方法の第２実施例と同一である。第３実施例においても薄膜蒸着段階の完了後、Ｏ、Ｎ、Ｈ、ＯＨ、ＮＨ及びその組み合わせよりなった群から選択された少なくとも１つからなるラジカルと不活性ガスを反応容器に噴射して熱処理する段階をさらに経ることができ、これを通じて薄膜の純度をさらに高めうる。
参照図面により説明された本発明の望ましい実施例はただ一実施例に過ぎない。当業者であれば、本発明の望ましい実施例を十分に理解して類似した形態の連続ガス噴射による半導体薄膜蒸着装置を具現できる。
上記した本発明によれば、リモートプラズマＡＬＤ装置を利用して、良好なステップカバーレッジと優秀な純度を有する薄膜を速く低い工程温度で蒸着できる。
Claims (13)
- ウェーハが内蔵される反応容器と、
前記反応容器からガスを外部に排出する排気ラインと、
第１反応ガスを前記反応容器または排気ラインに選択的に供給するための第１反応ガス供給部と、
前記第１反応ガス供給部と前記反応容器とを連結する第１反応ガス移送ラインと、
前記第１反応ガス供給部と前記排気ラインとを連結する第１バイパスラインと、
第２反応ガスにプラズマを印加して対応するラジカルを生成した後、そのラジカルを前記反応容器または排気ラインに選択的に供給するためのラジカル供給部と、
前記ラジカル供給部と前記反応容器とを連結するラジカル移送ラインと、
前記ラジカル供給部と前記排気ラインとを連結する第２バイパスラインと、
メインパージガスを前記第１反応ガス移送ライン及び／または前記ラジカル移送ラインに供給するメインパージガス供給部とを備えるリモートプラズマ原子層蒸着装置。 - 前記第１反応ガス供給部は、第１反応ガスになる液状の第１反応物質が一定量充填されたソースコンテナと、前記ソースコンテナに流れる不活性ガスの流量を調節する第１ＭＦＣと、前記不活性ガスまたは第１反応ガスを前記第１反応ガス移送ラインまたは前記第１バイパスラインに選択的に流れるようにするための第１流路変換部とを含む請求項１に記載のリモートプラズマ原子層蒸着装置。
- ラジカル供給部は、流入される第２反応ガスの流量を調節する第２ＭＦＣと、流入される不活性ガスの流量を調節する第３ＭＦＣと、前記第２ＭＦＣ及び第３ＭＦＣを経由した前記第２反応ガス及び／または不活性ガスが流入されて流入された第２反応ガスにプラズマを印加して対応するラジカルにするリモートプラズマ生成器と、生成したラジカルをラジカル移送ライン及び／または第２バイパスラインに選択的に流れるようにするための第２流路変換部とを含む請求項１に記載のリモートプラズマ原子層蒸着装置。
- 前記第２ＭＦＣを経由した第２反応ガスを前記第２バイパスラインに選択的に流れるようにする第３バイパスラインをさらに備える請求項３に記載のリモートプラズマ原子層蒸着装置。
- 前記メインパージガス供給部は、メインパージガスの流量を制御する第４ＭＦＣと、前記メインパージガスを第１反応ガス移送ラインまたはラジカル移送ラインに流れるようにする第３流路変換部とを含む請求項１に記載のリモートプラズマ原子層蒸着装置。
- 請求項１ないし５のうち何れか１項に記載のリモートプラズマ原子層蒸着装置を利用する原子層蒸着方法であって、
前記反応容器と排気ライン間のラフィング弁を常時開放し、前記第１流路変換部、第２流路変換部それぞれの内部ポイントＡ、Ｂを流れるガスを前記反応容器ないしはバイパスラインに常時流れるようにし、ラジカルを反応容器にフィードさせる状態で、第１反応ガスを反応容器にフィードする第１反応ガスフィーディング段階と、反応容器内部にフィードされた第１反応ガスをパージする第１反応ガスパージ段階とを行い続けることによって、前記反応容器に位置した基板に薄膜を形成することを備える原子層蒸着方法。 - 薄膜蒸着段階の完了後、Ｏ、Ｎ、Ｈ、ＯＨ、ＮＨ及びその組み合わせよりなる群から選択される少なくとも１つからなるラジカルと不活性ガスとを反応容器に噴射して熱処理する段階をさら備える請求項６に記載の原子層蒸着方法。
- 請求項１ないし５のうち何れか１項に記載のリモートプラズマ原子層蒸着装置を利用する原子層蒸着方法であって、
前記反応容器と排気ライン間のラフィング弁を常時開放した状態で、前記第１流路変換部、第２流路変換部、第３流路変換部それぞれの内部ポイントＡ、Ｂ、Ｃを流れるガスを前記反応容器ないしはバイパスラインに常時流れるようにし、ラジカルを反応容器にフィードさせるラジカルフィーディング段階）と、反応容器でラジカルをパージさせるラジカルパージ段階と、反応容器に第１反応ガスをフィードする第１反応ガスフィーディング段階と、反応容器で第１反応ガスをパージする第１反応ガスパージ段階とを行い続けることによって、前記反応容器に位置した基板に薄膜を形成し、
前記ラジカルパージ段階は、前記メインパージガス供給部の第４ＭＦＣによって流量制御されたメインパージガスをラジカル移送ラインを通じて前記反応容器に噴射することを含む原子層蒸着方法。 - 前記第１反応ガスのパージ時に第１反応ガス移送ラインとラジカル移送ラインとを流れる不活性ガス流量の総和は常時一定に保たれる請求項８に記載の原子層蒸着方法。
- 前記薄膜蒸着段階の完了後、Ｏ、Ｎ、Ｈ、ＯＨ、ＮＨ及びその組み合わせよりなる群から選択された少なくとも１つからなるラジカルと不活性ガスとを反応容器に噴射して熱処理する段階をさらに備える請求項８に記載の原子層蒸着方法。
- 請求項１ないし５のうち何れか１項に記載のリモートプラズマ原子層蒸着装置を利用する原子層蒸着方法であって、
前記反応容器と排気ライン間のラフィング弁を常時開放した状態で、前記第１流路変換部、ラジカル供給部それぞれの内部ポイントＡ、Ｄを流れるガスの流れを前記反応容器ないしはバイパスラインに常時流れるようにし、ラジカルを反応容器にフィードさせるラジカルフィーディング段階と、反応容器でラジカルをパージさせるラジカルパージ段階と、反応容器に第１反応ガスをフィードする第１反応ガスフィーディング段階と、反応容器で第１反応ガスをパージする第１反応ガスパージ段階とを行い続けることによって、前記反応容器に位置した基板に薄膜を形成し、
前記ラジカルパージ段階は、前記ラジカル供給部の第３ＭＦＣにより流量制御された不活性ガス（第２反応ガスは排除）のみをラジカル移送ラインを通じて前記反応容器に噴射することを備える原子層蒸着方法。 - 前記第１反応ガスのパージ時に第１反応ガス移送ラインとラジカル移送ラインとを流れる不活性ガス流量の総和は常時一定に保たれる請求項１１に記載の原子層蒸着方法。
- 前記薄膜蒸着段階の完了後、Ｏ、Ｎ、Ｈ、ＯＨ、ＮＨ及びその組み合わせよりなる群から選択された少なくとも１つからなるラジカルと不活性ガスとを反応容器に噴射して熱処理する段階をさらに備える請求項１１に記載の原子層蒸着方法。
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