JP2007273515A

JP2007273515A - 薄膜形成装置

Info

Publication number: JP2007273515A
Application number: JP2006093923A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Washio; 圭亮鷲尾; Naomasa Miyatake; 直正宮武
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2007-10-18

Abstract

【課題】シャワーヘッドノズルを用いた原子層成長方法による薄膜の形成で、成膜速度を向上できるようにする。
【解決手段】成膜室１０１及びシャワーヘッドノズル１０６には、例えば、ロータリーポンプなどの真空ポンプからなる排気機構１０９が接続されている。排気機構１０９は、成膜室排気バルブ１２１を介して成膜室１０１に接続され、ヘッド排気バルブ１２２を介してシャワーヘッドノズル１０６に接続されている。このように、シャワーヘッドノズル１０６にも排気機構１０９が接続されているので、シャワーヘッドノズル１０６の内部に残留するガスも、より迅速に排気（除去）することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、気相において加熱された基板の上に原料ガスを供給することで薄膜を形成する薄膜形成装置に関する。

３００℃程度の低温で良質な絶縁膜が形成可能な技術として、原子層成長法が開発されている（特許文献１，２参照）。原子層成長法は、形成しようとする膜を構成する各元素の原料を基板に交互に供給することにより、原子層単位で薄膜を形成する技術である。原子層成長方法では、各元素の原料を供給している間に１層あるいはｎ層だけを表面に吸着させ、余分な原料は成長に寄与させないようにしている。これを、成長の自己停止作用という。原子層成長方法によれば、一般的なＣＶＤと同様に高い形状適応性と膜厚制御性を併せ持っており、メモリ素子のキャパシタやhigh-kゲートと呼ばれる絶縁膜の形成への実用化が期待されている。また、低温で絶縁膜が形成可能であるため、ガラス基板を用いる表示装置の薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor：以下”ＴＦＴ”と略す）形成への適用も期待されている。

一方、ＬＳＩに用いられる半導体基板や、液晶表示装置に用いられるガラス基板の大型化に伴い、上述した原子層成長法により絶縁膜などの薄膜を形成する装置も大型化されている。このような大型化に伴う重要な技術の１つに、基板の全域にわたって均一な状態で薄膜を形成することがある。前述した気相成長による薄膜の形成においては、基板の全域にわたって均一に原料ガスを供給する技術が重要となる。このために、一般には、対象となる基板の全域にかかる面積を有するシャワーヘッドノズルが用いられている（特許文献３参照）。シャワーヘッドノズルは、この全面に設けられた複数の噴出孔から原料ガスを噴出させることで、基板の上に均一に原料ガスを供給し、均一な薄膜の形成を可能とするものである。

特開平１−１７９４２３号公報特開平５−１６０１５２号公報特開平８−２１８１７１号公報

ここで、原子層成長方法による薄膜の形成では、膜を構成する各元素の原料を交互に供給しており、これら切り替えの段階においては、成膜室の内部を排気して原料ガスが残らないようにしている。このパージの過程は、供給原料を変える毎に行うため、パージの時間は、原子層成長による成膜時間に大きく寄与する。言い換えると、パージの時間を短縮することで、原子層成長による成膜時間を大きく短縮することが可能となる。

ところで、基板の大型化に伴いシャワーヘッドノズルも大型化するが、これに伴い、シャワーヘッドの内部空間の体積も大きくなる。前述したパージにおいては、このように体積が大きくなっているシャワーヘッドの内部に残留するガスも排気することになる。このため、このシャワーヘッド内部に残留するガスの排気が、パージ過程における成膜室内部の排気の時間短縮を阻害していた。特に、微細な孔径の複数の噴出口が用いられている場合、シャワーヘッド内部から成膜室の側へのガスの流速を上げることができず、パージのためにより多くの時間を必要としていた。このように、従来では、シャワーヘッドノズルを用いると、原子層成長方法による成膜速度の向上が容易ではなかった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、シャワーヘッドノズルを用いた原子層成長方法による薄膜の形成で、成膜速度を向上できるようにすることを目的とする。

本発明に係る薄膜形成装置は、密閉可能な成膜室と、この成膜室の内部に配置されて基板が載置される基板台と、基板台に対向して配置されて薄膜を構成する元素を含むガスを基板台の上に供給するシャワーヘッドノズルと、成膜室の内部を排気する第１排気手段と、シャワーヘッドノズルの内部を排気する第２排気手段とを少なくとも備えるようにしたものである。この装置によれば、シャワーヘッドノズルの内部のガスが、第２排気手段により排気される。

上記薄膜形成装置において、第１排気手段と第２排気手段は、同一の排気手段であってもよい。また、上記薄膜形成装置において、成膜室の内部に不活性ガスを供給するパージガス供給手段を備えるようにしてもよい。また、シャワーヘッドノズルの内部に不活性ガスを供給するパージガス供給手段を備えるようにしてもよい。また、シャワーヘッドノズルのほかに、薄膜を構成する元素を含むガスを成膜室の内部に供給するガス供給手段を備えるようにしてもよい。また、基板台の上に載置される処理対象の基板を加熱する加熱手段を備えるようにしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、シャワーヘッドノズルの内部を排気する第２排気手段とを備え、シャワーヘッドノズルの内部のガスが、第２排気手段により排気されるようにしたので、シャワーヘッドノズルを用いた原子層成長方法のよる薄膜の形成で、成膜速度が容易に向上できるようになるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における薄膜形成装置の構成例を示す構成図である。図１に示す装置は、まず、気相による膜の形成（成膜）処理が行われる成膜室１０１と、成膜室１０１の内部に配置された基板台１０２と、基板台１０２に組み込まれた温度制御機構（加熱手段）１０３とを備える。成膜室１０１は、図示しないゲートバルブを備えて成膜対象の基板Ｗの搬入搬出を可能とし、ゲートバルブを閉じることで内部を密閉された空間とする。また、成膜室１０１には、原料ガス供給部（ガス供給手段）１０４及び成膜室パージガス供給部１０５が接続されている。原料ガス供給部１０４による成膜室１０１への原料ガスの供給は、原料ガスバルブ１２４の開閉動作により制御され、成膜室パージガス供給部１０５による成膜室１０１へのパージガスの供給は、成膜室パージガスバルブ１２５の開閉動作により制御される。

また、成膜室１０１の内部の基板台１０２の上には、複数の噴出孔（ノズル）を備えたシャワーヘッドノズル１０６が配置され、シャワーヘッドノズル１０６には、酸化ガス供給部１０７及びヘッドパージガス供給部１０８が接続されている。酸化ガス供給部１０７によるシャワーヘッドノズル１０６への酸化ガスの供給は、酸化ガスバルブ１２７の開閉動作により制御される。ヘッドパージガス供給部１０８によるシャワーヘッドノズル１０６へのパージガスの供給は、ヘッドパージガスバルブ１２８の開閉動作により制御される。例えば、シャワーヘッドノズル１０６の内部の体積は、約３リットルである。

また、成膜室１０１及びシャワーヘッドノズル１０６には、例えば、ロータリーポンプなどの真空ポンプからなる排気機構１０９が接続されている。排気機構１０９は、成膜室排気バルブ１２１を介して成膜室１０１に接続され、ヘッド排気バルブ１２２を介してシャワーヘッドノズル１０６に接続されている。このように、図１に示す薄膜形成装置では、シャワーヘッドノズル１０６にも排気機構１０９が接続されているので、シャワーヘッドノズル１０６の内部に残留するガスも、より迅速に排気（除去）することが可能となる。この結果、図１に示す薄膜形成装置によれば、原子層成長におけるパージの時間が短縮できるようになる。

次に、図１に示す薄膜形成装置を用いた原子層成長法による酸化シリコン膜の製造方法例について、図２のタイミングチャートを用いて説明する。なお、以降では、原料ガス供給部１０４からは、例えば、アミノシランよりなる原料ガスが常に供給され、酸化ガス供給部１０７からは、例えば、オゾンよりなる酸化ガスが常に供給され、成膜室パージガス供給部１０５及びヘッドパージガス供給部１０８からは、例えば、窒素ガスが常に供給されているものとする。また、排気機構１０９は、常に排気動作を行っているものとする。なお、アミノシランのガスは、形成しようとする酸化シリコンを構成する元素であるシリコンを含み、酸化ガスは、酸化シリコンを構成する元素である酸素を含んでいる。

まず、初期段階では、原料ガスバルブ１２４，成膜室パージガスバルブ１２５，酸化ガスバルブ１２７，及びヘッドパージガスバルブ１２８が閉じられ、成膜室排気バルブ１２１及びヘッド排気バルブ１２２が開けられて、成膜室１０１及びシャワーヘッドノズル１０６の内部が１Ｐａ程度に排気された状態とされている。また、温度制御機構１０３の動作により、基板台１０２の上に載置されている処理対象の基板Ｗが、４００〜５００℃に加熱されている。

このような初期段階に次いで、原料吸着の過程が開始される時刻ｔ０では、まず、成膜室排気バルブ１２１及びヘッド排気バルブ１２２が閉じられた状態とされ、また、成膜室パージガスバルブ１２５，酸化ガスバルブ１２７，及びヘッドパージガスバルブ１２８は閉じられた状態が継続され、原料ガスバルブ１２４が開けられた状態とされる。このことにより、成膜室１０１の内部に原料ガスが導入され、導入された原料ガスが、基板台１０２の上に載置されている基板Ｗの上に供給される。この原料吸着の過程では、成膜室１０１の内部が例えば５０〜１００Ｐａとなる範囲で原料ガスが供給され、基板Ｗの表面に、例えば１分子層分の吸着層が形成される。

次に、約１秒間の原料吸着の過程が終了してパージの過程が開始される時刻ｔ１では、まず、原料ガスバルブ１２４が閉じられた状態とされ、酸化ガスバルブ１２７は閉じられた状態が継続される。また、成膜室パージガスバルブ１２５及びヘッドパージガスバルブ１２８が開けられ、成膜室排気バルブ１２１及びヘッド排気バルブ１２２が開けられた状態とされる。次いで、パージの過程の時刻ｔ２において、成膜室排気バルブ１２１及びヘッド排気バルブ１２２が開けられ、原料ガスバルブ１２４及び酸化ガスバルブ１２７は閉じられた状態が継続され、成膜室パージガスバルブ１２５及びヘッドパージガスバルブ１２８が閉じられた状態とされる。これらのことにより、成膜室１０１に導入され、また、シャワーヘッドノズル１０６に進入していた原料ガスが、迅速にパージされ、成膜室１０１及びシャワーヘッドノズル１０６の内部の圧力が、１Ｐａ程度とされる。

次に、パージの過程が終了して酸化の過程が開始される時刻ｔ３では、まず、成膜室排気バルブ１２１及びヘッド排気バルブ１２２が閉じられた状態とされ、また、成膜室パージガスバルブ１２５，原料ガスバルブ１２４，及びヘッドパージガスバルブ１２８は閉じられた状態が継続され、酸化ガスバルブ１２７が開けられた状態とされる。このことにより、まず、シャワーヘッドノズル１０６の内部に酸化ガスが導入され、導入された酸化ガスがシャワーヘッドノズル１０６のノズル部より成膜室１０１に噴出（吐出）され、噴出された酸化ガスが、基板Ｗの上に供給される。例えば、成膜室１０１の内部が４００〜５００Ｐａ程度となるように、酸化ガスが供給される。この結果、供給された酸化ガスにより基板Ｗの表面に形成されている吸着層が酸化され、基板Ｗの表面に、１分子層分の酸化シリコン層が形成された状態となる。

次に、酸化の過程が終了してパージの過程が開始される時刻ｔ４では、まず、酸化ガスバルブ１２７が閉じられた状態とされ、原料ガスバルブ１２４は閉じられた状態が継続される。また、成膜室パージガスバルブ１２５及びヘッドパージガスバルブ１２８が開けられ、成膜室排気バルブ１２１及びヘッド排気バルブ１２２が開けられた状態とされる。次いで、パージの過程の時刻ｔ５において、成膜室排気バルブ１２１及びヘッド排気バルブ１２２が開けられ、原料ガスバルブ１２４及び酸化ガスバルブ１２７は閉じられた状態が継続され、成膜室パージガスバルブ１２５及びヘッドパージガスバルブ１２８が閉じられた状態とされる。これらのことにより、成膜室１０１に導入され、また、シャワーヘッドノズル１０６に進入していた原料ガスが、迅速にパージされ、成膜室１０１及びシャワーヘッドノズル１０６の内部の圧力が、１Ｐａ程度とされる。

以上の「原料吸着→パージ→酸化→パージ」を１サイクルとし、これを２００サイクル繰り返すことで、基板Ｗの上に膜厚２０ｎｍ程度の酸化シリコン膜が形成された状態が得られる。上述した製造方法例によれば、各パージの過程では、成膜室１０１の内部に加えてシャワーヘッドノズル１０６の内部も、排気機構１０９により排気される。この結果、シャワーヘッドノズル１０６の内部が排気機構１０９接続されていない場合に比較して、約５秒程度短い時間でパージの過程を終了させることが可能となる。

なお、図１に例示す薄膜形成装置では、排気機構１０９により成膜室１０１の内部とともにシャワーヘッドノズル１０６の内部を排気したが、これに限るものではく、成膜室１０１とシャワーヘッドノズル１０６との両方に、各々個別の排気機構を設けるようにしてもよい。また、上述では、成膜室１０１の側部に接続された原料ガス供給部１０４より成膜室１０１の内部に原料ガスを供給し、酸化ガス供給部１０７から導入された酸化ガスをシャワーヘッドノズル１０６より供給するようにしたが、これに限るものではない。例えば、シャワーヘッドノズル１０６を用いて原料ガスを供給してもよい。また、成膜室１０１の側部に接続された原料ガス供給部１０４と同様にすることで、酸化ガスを供給するようにしてもよい。なおまた、上述では、原料ガス及び酸化ガスを供給する過程では、排気が停止されているようにしたが、これらの過程においても、排気が継続されているようにしてもよい。

なお、上述では、原料ガスとしてアミノシランを用いた酸化シリコン膜の形成を例に説明したが、これに限るものではなく、本発明は、アルキルシラン，アルコキシシランなどよりなる原料ガスを用いた酸化シリコン層の場合であっても、同様に適用可能である。また、本発明は、他の有機金属材料を原料ガスとして用いた金属酸化膜の形成にも適用可能である。

本発明の実施の形態における薄膜形成装置の構成例を示す構成図である。図１に示す薄膜形成装置を用いた原子層成長法による酸化シリコン膜の製造方法例を説明するためのタイミングチャートである。

符号の説明

１０１…成膜室、１０２…基板台、１０３…温度制御機構、１０４…原料ガス供給部、１０５…成膜室パージガス供給部、１０６…シャワーヘッドノズル、１０７…酸化ガス供給部、１０８…ヘッドパージガス供給部、１０９…排気機構、１２１…成膜室排気バルブ１２１、１２２…ヘッド排気バルブ、１２４…原料ガスバルブ、１２５…成膜室パージガスバルブ、１２７…酸化ガスバルブ、１２８…ヘッドパージガスバルブ。

Claims

基板の上に薄膜を形成する薄膜形成装置であって、
密閉可能な成膜室と、
この成膜室の内部に配置されて前記基板が載置される基板台と、
前記基板台に対向して配置されて前記薄膜を構成する元素を含むガスを前記基板台の上に供給するシャワーヘッドノズルと、
前記成膜室の内部を排気する第１排気手段と、
前記シャワーヘッドノズルの内部を排気する第２排気手段と
を少なくとも備えることを特徴とする薄膜形成装置。
請求項１記載の薄膜形成装置において、
前記第１排気手段と前記第２排気手段は、同一の排気手段であることを特徴とする薄膜形成装置。
請求項１又は２記載の薄膜形成装置において、
前記成膜室の内部に不活性ガスを供給するパージガス供給手段を備えることを特徴とする薄膜形成装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の薄膜形成装置において、
前記シャワーヘッドノズルの内部に不活性ガスを供給するパージガス供給手段を備えることを特徴とする薄膜形成装置。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の薄膜形成装置において、
前記薄膜を構成する元素を含むガスを前記成膜室の内部に供給するガス供給手段を備えることを特徴とする薄膜形成装置。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の薄膜形成装置において、
前記基板台の上に載置される処理対象の基板を加熱する加熱手段を備えることを特徴とする薄膜形成装置。