JP2007273536A - Thin film forming method - Google Patents
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Abstract
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、例えば分子層単位で薄膜を形成する薄膜形成方法に関する。 The present invention relates to a thin film forming method for forming a thin film in units of molecular layers, for example, by supplying a source gas onto a substrate heated in a gas phase.
段差被覆性に優れた状態で非常に薄い膜が均一性良く形成できる技術として、原子層成長(Atomic Layer Deposition)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(Chemical Vapor Deposition)法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、300℃程度の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の形成への適用も期待されている。 An atomic layer deposition method has been developed as a technique that enables a very thin film to be formed with good uniformity while having excellent step coverage (see Patent Documents 1 and 2). The atomic layer growth method is a technique for forming a thin film in units of atomic layers by alternately supplying a raw material of each element constituting a film to be formed to a substrate. In the atomic layer growth method, only one layer or n layer is adsorbed on the surface while the raw materials for each element are being supplied, so that excess raw materials do not contribute to the growth. This is called self-stopping action of growth. According to the atomic layer growth method, it has high shape adaptability and film thickness controllability as well as general CVD (Chemical Vapor Deposition) method. It is expected that it will be put to practical use. In addition, since an insulating film can be formed at a low temperature of about 300 ° C., application to the formation of a thin film transistor of a display device using a glass substrate is also expected.
ところで、原子層成長法では、例えば金属酸化膜を形成する場合、金属原料ガスと酸化ガスとの2種類のガスを交互に用いるため、ガスの導入と排気とを繰り返し行うことになる。このため、連続してガスを導入して膜の堆積を行う一般的なCVD法に比較して、原子層成長法では、単位時間あたりに形成される膜厚が少ない、言い換えると、成膜速度が遅いという問題がある。 By the way, in the atomic layer growth method, for example, when forming a metal oxide film, since two kinds of gases, ie, a metal source gas and an oxidizing gas are used alternately, gas introduction and exhaust are repeated. For this reason, compared with a general CVD method in which a film is deposited by continuously introducing a gas, the atomic layer growth method has a smaller film thickness formed per unit time, in other words, a film formation rate. There is a problem that is slow.
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、原子層成長法による薄膜の形成において、成膜速度をより向上させることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to further improve the deposition rate in forming a thin film by an atomic layer growth method.
本発明に係る薄膜形成方法は、成膜室の内部で、シリコンなどを含む金属の化合物から構成された原料ガスを加熱した基板の表面に供給して、金属の化合物が基板の表面に吸着した吸着層が形成された状態とする第1工程と、原料ガスの供給を停止した後、一部の原料ガスが成膜室の内部に残るように成膜室の内部より原料ガスを除去する第2工程と、原料ガスが残渣する成膜室の内部に酸化ガスを導入することで、吸着層を酸化して基板の上に金属の酸化物から構成された吸着酸化層が形成されるとともに、導入された酸化ガスと成膜室に残渣した一部の原料ガスとが反応して堆積された堆積酸化層が吸着酸化層の上に形成された状態とする第3工程とを少なくとも備えるようにしたものである。 In the thin film forming method according to the present invention, a source gas composed of a metal compound containing silicon or the like is supplied to the heated substrate surface inside the film forming chamber, and the metal compound is adsorbed on the surface of the substrate. A first step in which the adsorption layer is formed, and a first step of removing the source gas from the inside of the deposition chamber so that a part of the source gas remains inside the deposition chamber after the supply of the source gas is stopped. By introducing an oxidizing gas into the film forming chamber in which the source gas remains in two steps, the adsorption layer is oxidized to form an adsorption oxide layer made of a metal oxide on the substrate, And at least a third step in which a deposited oxide layer deposited by reacting the introduced oxidizing gas with a part of the source gas remaining in the film forming chamber is formed on the adsorption oxide layer. It is a thing.
上記薄膜形成方法において、酸化ガスの供給を停止した後、一部の酸化ガスが成膜室の内部に残るように成膜室の内部より酸化ガスを除去する第4工程と、酸化ガスが残渣する成膜室の内部に原料ガスを導入する第5工程とを備えるようにしてもよい。 In the thin film forming method, after the supply of the oxidizing gas is stopped, the fourth step of removing the oxidizing gas from the inside of the film forming chamber so that a part of the oxidizing gas remains inside the film forming chamber, and the oxidizing gas is a residue And a fifth step of introducing the source gas into the film forming chamber.
また、本発明に係る他の薄膜形成方法は、成膜室の内部で、金属の化合物から構成された原料ガスを加熱した基板の表面に供給して金属の化合物が基板の表面に吸着した第1吸着層が形成された状態とする第1工程と、原料ガスの供給を停止した後、成膜室の内部より原料ガスを除去する第2工程と、成膜室の内部に酸化ガスを導入することで、第1吸着層を酸化して基板の上に金属の酸化物から構成された第1吸着酸化層が形成された状態とする第3工程と、酸化ガスの供給を停止した後、一部の酸化ガスが成膜室の内部に残るように成膜室の内部より酸化ガスを除去する第4工程と、酸化ガスが残渣する成膜室の内部に原料ガスを導入することで、導入された原料ガスと成膜室に残渣した一部の酸化ガスとが反応して堆積された堆積酸化層が第1吸着酸化層の上に形成された状態とするとともに、金属の化合物が堆積酸化層の表面に吸着した第2吸着層が形成された状態とする第5工程と、成膜室の内部に酸化ガスを導入することで、第2吸着層を酸化して堆積酸化層の上に金属の酸化物から構成された第2吸着酸化層が形成された状態とする第6工程とを少なくとも備えるようにしたものである。 In addition, another thin film forming method according to the present invention is a method in which a source gas composed of a metal compound is supplied to a heated substrate surface inside the film forming chamber, and the metal compound is adsorbed on the substrate surface. 1st process in which 1 adsorption layer is formed, 2nd process of removing source gas from the inside of the film forming chamber after supply of the source gas is stopped, and introducing an oxidizing gas into the inside of the film forming chamber Then, after the first adsorption layer is oxidized and the first adsorption oxide layer made of metal oxide is formed on the substrate, the third step, and after the supply of the oxidizing gas is stopped, A fourth step of removing the oxidizing gas from the inside of the film forming chamber so that a part of the oxidizing gas remains inside the film forming chamber, and introducing the source gas into the film forming chamber in which the oxidizing gas remains, Deposited oxidation deposited by reaction of the introduced source gas with some oxidizing gas remaining in the deposition chamber Is formed on the first adsorbed oxide layer, and a second step is formed in which the second adsorbed layer in which the metal compound is adsorbed on the surface of the deposited oxide layer is formed, and the inside of the film forming chamber And at least a sixth step of oxidizing the second adsorption layer to form a second adsorption oxide layer composed of a metal oxide on the deposited oxide layer by introducing an oxidizing gas into It is what I did.
以上説明したように、本発明によれば、成膜室の内部に供給された原料ガスや酸化ガスを排気するときに、これらの一部が成膜室の内部に残るようにしたので、排気の時間を短縮することが可能となり、また、吸着層に加えて堆積による層も形成されるので、原子層成長法による薄膜の形成において、成膜速度をより向上させることができるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, when the source gas and the oxidizing gas supplied to the inside of the film forming chamber are exhausted, some of these remain in the film forming chamber. In addition to the adsorption layer, a layer by deposition is also formed, so that the film formation rate can be further improved in the formation of thin films by the atomic layer growth method. Is obtained.
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係る薄膜形成方法例を説明するための工程図である。以下では、金属の化合物としてアミノシランを例にして説明する。まず、所定の原子層成長装置の成膜室の内部にシリコン基板101を固定し、所定の排気機構により成膜室内を2〜3Pa程度の圧力とし、また、シリコン基板101が400℃程度に加熱された状態とする。なお、シリコン基板101が加熱された状態は、一連の薄膜形成が終了するまで継続される。この状態で、成膜室内にアミノシランからなる原料ガス121を導入し、図1(a)に示すように、シリコン基板101の上に原料ガス121が供給された状態とする。原料ガス121の供給は、例えば約2秒間行う。このことにより、シリコン基板101の上に原料であるアミノシラン分子が吸着したアミノシラン分子層(吸着層)102が形成された状態とする。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a process diagram for explaining an example of a thin film forming method according to an embodiment of the present invention. In the following description, aminosilane is taken as an example of the metal compound. First, the
次に、成膜室内への原料ガス121の導入を停止し、成膜室の内部を排気手段(真空ポンプ)により排気することで、シリコン基板101に吸着したもの(アミノシラン分子層102)以外の余剰ガスが、一部を残して成膜室から除去された状態とする。例えば、真空ポンプで排気された状態の成膜室内に、窒素ガスなどの不活性ガスを導入して成膜室内をパージし、成膜室内部に一部を残して原料ガス121が除去された状態とする。言い換えると、成膜室の内部から、原料ガス121が完全に除去された状態とすることなく、パージ過程を終了する。
Next, the introduction of the
このように、本薄膜形成方法では、原料ガス121を導入して吸着させる吸着過程の次のパージ過程において、一部の原料ガスが残渣している状態とし、パージ過程を短くするところに特徴がある。ここで、このパージ過程で残す原料ガスの量の制御は、例えば、真空ポンプによる排気の圧力制御により行える。例えば、パージ過程における成膜室内の排気到達圧力を100Paとすることで、成膜室内に一部の原料ガスが残された状態とすることができる。また、パージ過程で導入する不活性ガスの供給量を制御することでも、パージ過程で残す原料ガスの量の制御が可能である。また、これらを組み合わせてもよい。
As described above, the thin film forming method is characterized in that a part of the source gas remains in the purge process subsequent to the adsorption process in which the
次に、図1(b)に示すように、成膜室の内部に例えばオゾンなどの酸化ガス122を導入し、酸化ガス122がアミノシラン分子層102の表面に供給された状態とする。酸化ガス122の供給は、約2秒間行う。このことにより、シリコン基板101の表面に吸着している分子(アミノシラン分子層102)が酸化され、図1(b)に示すように、シリコン基板101の表面にシリコン1原子層分の吸着酸化シリコン層103が形成された状態とする。また、この酸化過程において、パージ過程で残しておいた原料ガスが、導入された酸化ガス122と反応し、吸着酸化シリコン層103の上に堆積酸化シリコン層104が形成された状態となる。
Next, as shown in FIG. 1B, an oxidizing
次に、成膜室内への酸化ガス122の導入を停止し、成膜室の内部の酸化ガス122を排気する。例えば、真空ポンプで排気された状態の成膜室内に、窒素ガスなどの不活性ガスを導入して成膜室内をパージし、成膜室内部より酸化ガス122が除去された状態とする。このパージ過程は、例えば約5秒間行う。
Next, introduction of the oxidizing
次に、図1(c)に示すように、シリコン基板101の上にアミノシランからなる原料ガス121を供給し、堆積酸化シリコン層104の上に新たなアミノシラン分子層105が形成された状態とする。これは、図1(a)を用いて説明した吸着過程と同様である。
Next, as shown in FIG. 1C, a
次に、成膜室内への原料ガス121の導入を停止し、成膜室の内部の原料ガス121を排気し、吸着したアミノシラン分子層105以外の余剰ガスが、一部を残して成膜室から除去された状態とする。言い換えると、成膜室の内部から、原料ガス121が完全に除去された状態とすることなく、パージ過程を終了する。
Next, the introduction of the
次に、図1(d)に示すように、成膜室の内部に酸化ガス122を導入し、酸化ガス122がアミノシラン分子層105の表面に供給された状態とする。酸化ガス122の供給は、約2秒間行う。このことにより、アミノシラン分子層105が酸化され、吸着酸化シリコン層106が形成された状態とする。また、この酸化過程において、パージ過程で残しておいた原料ガスが、導入された酸化ガス122と反応し、吸着酸化シリコン層106の上に堆積酸化シリコン層107が形成された状態となる。これは、図1(b)を用いて説明した酸化過程と同様である。
Next, as illustrated in FIG. 1D, the oxidizing
以上説明したように、図1(a)から図1(b)までの、吸着→部分パージ→酸化→パージの一連の基本工程により、シリコン基板101の上に、吸着により形成された酸化シリコン層と堆積により形成された酸化シリコン層とが形成されるようになる。なお、図1では、基本工程を2回繰り返した場合を示している。このように、図1に例示する薄膜形成方法によれば、1回の基本工程で、吸着した層より厚く酸化シリコン層が形成可能である。また、前述したように、図1に例示する薄膜形成方法によれば、吸着過程の次のパージ過程の時間が短縮される。このように、図1に示す薄膜形成方法によれば、従来の原子層成長方法に比較して、より短時間で厚い酸化シリコン層が形成できるようになる。
As described above, the silicon oxide layer formed by adsorption on the
次に、本発明に係る他の薄膜形成方法について説明する。図2は、本発明の実施の形態に係る薄膜形成方法を説明するための工程図である。まず、所定の原子層成長装置の成膜室の内部にシリコン基板201を固定し、所定の排気機構により成膜室内を2〜3Pa程度の圧力とし、また、シリコン基板201が400℃程度に加熱された状態とする。なお、シリコン基板201が加熱された状態は、一連の薄膜形成が終了するまで継続される。この状態で、成膜室内にアミノシランからなる原料ガス221を導入し、図2(a)に示すように、シリコン基板201の上に原料ガス221が供給された状態とする。原料ガス221の供給は、例えば約2秒間行う。このことにより、シリコン基板201の上に原料であるアミノシラン分子が吸着したアミノシラン分子層(吸着層)202が形成された状態とする。
Next, another thin film forming method according to the present invention will be described. FIG. 2 is a process diagram for explaining the thin film forming method according to the embodiment of the present invention. First, the
次に、成膜室内への原料ガス221の導入を停止し、成膜室の内部を排気手段(真空ポンプ)により排気することで、シリコン基板201に吸着したもの(アミノシラン分子層202)以外の余剰ガスが、成膜室から除去された状態とする。例えば、真空ポンプで排気された状態の成膜室内に、窒素ガスなどの不活性ガスを導入して成膜室内をパージし、成膜室内部から原料ガス221が除去された状態とする。
Next, the introduction of the
次に、図2(b)に示すように、成膜室の内部に例えばオゾンなどの酸化ガス222を導入し、酸化ガス222がアミノシラン分子層202の表面に供給された状態とする。酸化ガス222の供給は、約2秒間行う。このことにより、シリコン基板201の表面に吸着している分子(アミノシラン分子層202)が酸化され、図2(b)に示すように、シリコン基板201の表面にシリコン1原子層分の吸着酸化シリコン層203が形成された状態とする。
Next, as shown in FIG. 2B, an oxidizing
次に、成膜室内への酸化ガス222の導入を停止し、成膜室の内部を真空ポンプにより排気することで、酸化ガス222が一部を残して成膜室から除去された状態とする。例えば、真空ポンプで排気された状態の成膜室内に、窒素ガスなどの不活性ガスを導入して成膜室内をパージし、成膜室内部に一部を残して酸化ガス222が除去された状態とする。言い換えると、成膜室の内部から、酸化ガス222が完全に除去された状態とすることなく、パージ過程を終了する。
Next, the introduction of the oxidizing
このように、本薄膜形成方法では、酸化ガス222を導入して吸着している層を酸化する酸化過程の次のパージ過程において、一部の酸化ガスが残渣している状態とし、パージ過程を短くするところに特徴がある。ここで、このパージ過程で残す酸化ガスの量の制御は、例えば、真空ポンプによる排気の圧力制御により行える。また、パージ過程で導入する不活性ガスの供給量を制御することでも、パージ過程で残す酸化ガスの量の制御が可能である。また、これらを組み合わせてもよい。
As described above, in this thin film forming method, in the purging process subsequent to the oxidizing process for introducing the oxidizing
次に、シリコン基板201の上にアミノシランからなる原料ガス221を供給する。ここで、前述したように、この前の酸化過程で用いた酸化ガスが残っているので、この吸着過程では、初期段階で残っている酸化ガスと供給された原料ガス221とが反応し、図2(c)に示すように、吸着酸化シリコン層203の上に堆積酸化シリコン層204が形成される。この初期段階を経た後、導入された原料ガス221が堆積酸化シリコン層204の表面に吸着し、新たなアミノシラン分子層205が形成された状態となる。
Next, a
次に、成膜室内への原料ガス221の導入を停止し、成膜室の内部を真空ポンプにより排気することで、アミノシラン分子層205以外の余剰ガスが、成膜室から除去された状態とする。例えば、真空ポンプで排気された状態の成膜室内に、窒素ガスなどの不活性ガスを導入して成膜室内をパージし、成膜室内部から原料ガス221が除去された状態とする。
Next, the introduction of the
次に、図2(d)に示すように、成膜室の内部に酸化ガス222を導入し、酸化ガス222がアミノシラン分子層205の表面に供給された状態とする。酸化ガス222の供給は、例えば約2秒間行う。このことにより、アミノシラン分子層205が酸化され、吸着酸化シリコン層206が形成された状態となる。
Next, as illustrated in FIG. 2D, the oxidizing
以上説明したように、図2(a)から図2(b)までの、初期の吸着過程の後、パージ→酸化→部分パージ→吸着の一連の基本工程により、シリコン基板201の上に、吸着により形成された酸化シリコン層と堆積により形成された酸化シリコン層とが形成されるようになる。なお、図2では、基本工程を1回行い、引き続いて次の基本工程の酸化工程を行った場合を示している。このように、図2に例示する薄膜形成方法によれば、1回の基本工程で、吸着した層より厚く酸化シリコン層が形成可能である。また、前述したように、図2に例示する薄膜形成方法によれば、酸化過程の次のパージ過程の時間が短縮される。このように、図2に示す薄膜形成方法によれば、従来の原子層成長方法に比較して、より短時間で厚い酸化シリコン層が形成できるようになる。
As described above, after the initial adsorption process from FIG. 2A to FIG. 2B, adsorption is performed on the
ところで、吸着過程の次のパージ過程で一部の原料ガスを残し、加えて、酸化過程の次のパージ過程で一部の酸化ガスを残すようにしてもよい。このように組み合わせることで、より短時間でより厚く薄膜が形成できるようになる。 By the way, a part of the source gas may be left in the purging process subsequent to the adsorption process, and a part of the oxidizing gas may be left in the purging process subsequent to the oxidation process. By combining in this way, a thicker film can be formed in a shorter time.
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。 In the above description, the formation of the silicon oxide film using aminosilane as the source gas has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the present invention is not limited to this. Even in the case of a layer, the same applies. The present invention is also applicable to the formation of a metal oxide film using another organometallic material as a source gas.
101…シリコン基板、102,105…アミノシラン分子層(吸着層)、103,106…吸着酸化シリコン層、104,107…堆積酸化シリコン層、121…原料ガス、122…酸化ガス、201…シリコン基板、202,205…アミノシラン分子層(吸着層)、203,206…吸着酸化シリコン層、221…原料ガス、222…酸化ガス。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記原料ガスの供給を停止した後、一部の前記原料ガスが前記成膜室の内部に残るように前記成膜室の内部より前記原料ガスを除去する第2工程と、
前記原料ガスが残渣する前記成膜室の内部に酸化ガスを導入することで、前記吸着層を酸化して前記基板の上に前記金属の酸化物から構成された吸着酸化層が形成されるとともに、導入された前記酸化ガスと前記成膜室に残渣した一部の前記原料ガスとが反応して堆積された堆積酸化層が前記吸着酸化層の上に形成された状態とする第3工程と
を少なくとも備えることを特徴とする薄膜形成方法。 A source gas composed of a metal compound is supplied to the surface of the heated substrate inside the film forming chamber, so that an adsorption layer in which the metal compound is adsorbed on the surface of the substrate is formed. Process,
A second step of removing the source gas from the inside of the film forming chamber so that a part of the source gas remains inside the film forming chamber after stopping the supply of the source gas;
By introducing an oxidizing gas into the film forming chamber in which the source gas remains, the adsorption layer is oxidized to form an adsorption oxide layer made of the metal oxide on the substrate. A third step in which a deposited oxide layer deposited by a reaction between the introduced oxidizing gas and a part of the source gas remaining in the film forming chamber is formed on the adsorption oxide layer; A thin film forming method comprising:
前記酸化ガスの供給を停止した後、一部の前記酸化ガスが前記成膜室の内部に残るように前記成膜室の内部より前記酸化ガスを除去する第4工程と、
前記酸化ガスが残渣する前記成膜室の内部に前記原料ガスを導入する第5工程と
を備えることを特徴とする薄膜形成方法。 The thin film forming method according to claim 1,
A fourth step of removing the oxidizing gas from the inside of the film forming chamber so that a part of the oxidizing gas remains inside the film forming chamber after stopping the supply of the oxidizing gas;
And a fifth step of introducing the source gas into the film forming chamber in which the oxidizing gas remains.
前記原料ガスの供給を停止した後、前記成膜室の内部より前記原料ガスを除去する第2工程と、
前記成膜室の内部に酸化ガスを導入することで、前記第1吸着層を酸化して前記基板の上に前記金属の酸化物から構成された第1吸着酸化層が形成された状態とする第3工程と、
前記酸化ガスの供給を停止した後、一部の前記酸化ガスが前記成膜室の内部に残るように前記成膜室の内部より前記酸化ガスを除去する第4工程と、
前記酸化ガスが残渣する前記成膜室の内部に前記原料ガスを導入することで、導入された前記原料ガスと前記成膜室に残渣した一部の前記酸化ガスとが反応して堆積された堆積酸化層が前記第1吸着酸化層の上に形成された状態とするとともに、前記金属の化合物が前記堆積酸化層の表面に吸着した第2吸着層が形成された状態とする第5工程と、
前記成膜室の内部に酸化ガスを導入することで、前記第2吸着層を酸化して前記堆積酸化層の上に前記金属の酸化物から構成された第2吸着酸化層が形成された状態とする第6工程と
を少なくとも備えることを特徴とする薄膜形成方法。 In the film forming chamber, a source gas composed of a metal compound is supplied to the surface of the heated substrate to form a first adsorption layer in which the metal compound is adsorbed on the surface of the substrate. 1 process,
A second step of removing the source gas from the inside of the film forming chamber after stopping the supply of the source gas;
By introducing an oxidizing gas into the film formation chamber, the first adsorption layer is oxidized to form a first adsorption oxide layer made of the metal oxide on the substrate. A third step;
A fourth step of removing the oxidizing gas from the inside of the film forming chamber so that a part of the oxidizing gas remains inside the film forming chamber after stopping the supply of the oxidizing gas;
By introducing the raw material gas into the film forming chamber where the oxidizing gas remains, the introduced raw material gas and a part of the oxidizing gas remaining in the film forming chamber are reacted and deposited. A fifth step in which a deposited oxide layer is formed on the first adsorbed oxide layer, and a second adsorbed layer in which the metal compound is adsorbed on the surface of the deposited oxide layer is formed; ,
A state in which the second adsorption layer composed of the metal oxide is formed on the deposited oxide layer by oxidizing the second adsorption layer by introducing an oxidizing gas into the film forming chamber. A thin film forming method comprising: at least a sixth step.
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