JP2009209434A

JP2009209434A - 薄膜形成装置

Info

Publication number: JP2009209434A
Application number: JP2008055981A
Authority: JP
Inventors: Nozomi Hattori; 望服部
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2008-03-06
Filing date: 2008-03-06
Publication date: 2009-09-17

Abstract

【課題】オゾンガスにより原料ガスの成分を酸化することで基板の上に薄膜を形成する薄膜形成装置において、成膜室内を減圧するための排気機構における異物発生を抑制する。
【解決手段】排気系１１３の途中に設けられた副反応室１１５と、オゾンガス発生部１０４から供給されるオゾンガスを副反応室１１５に輸送するためのオゾンガス供給配管１１６とを備える。なお、オゾンガス供給配管１１６の経路中には、バルブ１１７が設けられている。また、副反応室１１５の内部には、吸着部１１８が設けられている。バルブ１１０の開閉状態およびバルブ１１７の開閉状態を含む切り替え手段により、オゾンガス発生部１０４からのオゾンガスの供給先を、成膜室１０１と副反応室１１５とに切り替えることができる。
【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およびオゾンを供給することで酸化物からなる薄膜を形成する薄膜形成装置に関する。

近年、３００℃程度の低温で良質な薄膜がより均質な状態で形成可能であるなどの種々の特徴を備える技術として、原子層および分子層単位で薄膜の形成が可能な原子層成長（Atomic Layer Deposition：ＡＬＤ）法が、注目されている。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（ｎは２以上の整数）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、例えば、より薄いゲート絶縁膜などの形成への適用が検討されている。

例えば、金属アルキルアミドおよびオゾンを用いた原子層成長法により、金属酸化物のｈｉｇｈ−ｋ誘電体膜を形成する技術が提案されている（特許文献１参照）。

特表２００５−５３６０６３号公報

ところで、上述した原子層成長法などの原料ガスを用いた気相成長では、基板の上に薄膜として形成される原料以外は、薄膜の形成が行われる成膜室から排気されることになる。このような薄膜形成方法では、薄膜の形成機構上、原料ガスが触れる排気の経路においても、基板の上と同様に、未反応の原料ガスが吸着しやすい状態となっている。従って、排気の経路においては、原料ガスが吸着したところにオゾンガスが供給されて反応すれば、基板の上と同様に、金属酸化物の膜が形成されやすい環境となっている。

しかしながら、排気の経路などの基板以外に形成される膜は、異物となり、様々な問題を起こす原因となる。例えば、真空ポンプの内部における原料ガスおよびオゾンガスを起因とする異物の発生は、真空ポンプの寿命を縮めることになる。また、真空ポンプが接続する排気口においても、原料ガスおよびオゾンガスが通過することにより異物の堆積が発生し、排気口の面積を小さくして排気能力を低下させることになる。

また、成膜室の内部であれば、側壁などに付着した異物の除去は容易に行うことができるが、排気経路や真空ポンプ内に付着した異物の除去は容易ではない。特に、真空ポンプの形態によっては、異物の除去が困難であり、また、異物の付着により修復不可能な故障の発生を招く場合もある。

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、オゾンガスにより原料ガスの成分を酸化することで基板の上に薄膜を形成する薄膜形成装置において、成膜室内を減圧するための排気機構における異物発生の抑制を目的とする。

本発明に係る薄膜形成装置は、基板が配置される成膜室と、成膜室に金属の有機化合物からなる原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、酸素よりオゾンガスを発生させて成膜室にオゾンガスを供給可能とするオゾンガス発生手段と、成膜室の内部を排気する排気手段と、成膜室および排気手段の間の排気経路に配置され、オゾンガス発生手段より供給されるオゾンガスが導入される副反応室とを少なくとも備えるようにしたものである。

上記薄膜形成装置において、オゾンガス発生手段より供給されるオゾンガスの供給先を、成膜室と副反応室とに切り替える切り替え手段を備える。また、副反応室の内部に配置された吸着部を備える。

以上説明したように、本発明によれば、成膜室および排気手段の間の排気経路に配置され、オゾンガス発生手段より供給されるオゾンガスが導入される副反応室を備えるようにしたので、オゾンガスにより原料ガスの成分を酸化することで基板の上に薄膜を形成する薄膜形成装置において、成膜室内を減圧するための排気手段における異物発生が抑制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。本実施の形態の薄膜形成装置は、原料ガスやオゾンガスなどが導入されて薄膜形成対象の基板Ｗ上に薄膜形成を行う成膜室１０１と、基板Ｗが載置される基板載置台１０２と、薄膜の原料となる原料ガスを供給する原料ガス供給部１０３と、薄膜を形成するためのオゾンガスを発生して供給するオゾンガス発生部１０４と、パージガスとしてアルゴン（Ａｒ）などの不活性ガスを供給するパージガス供給部１０５とを備えている。

原料ガス供給部１０３は、よく知られているように、液体原料を気化する気化器などを含み、成膜対象の金属酸化物の金属を含む液体原料を気化して原料ガスを生成し、これを供給する。原料としては、例えば、ハフニウム、ジルコニウム、およびチタニウムなどの金属アルキルアミドなどの有機金属化合物ある。また、オゾンガス発生部１０４は、例えば、放電により酸素からオゾンを生成するオゾン発生器、もしくは酸素に紫外線を照射してオゾンを生成するオゾン発生器などを備え、酸素よりオゾンを発生可能としている。また、基板載置台１０２は、例えば、伝熱ヒータなどの加熱機構を内蔵し、載置される基板Ｗを加熱可能としている。

また、本装置は、原料ガス供給部１０３から供給される原料ガスを成膜室１０１に輸送するための原料ガス供給配管１０６と、オゾンガス発生部１０４から供給されるオゾンガスを成膜室１０１に輸送するためのオゾンガス供給配管１０７と、パージガス供給部１０５から供給されるパージガスを成膜室１０１に輸送するためのパージガス供給配管１０８とを備える。なお、原料ガス供給配管１０６の経路中にはバルブ１０９が設けられ、オゾンガス供給配管１０７の経路中にはバルブ１１０が設けられ、パージガス供給配管１０８の経路中にはバルブ１１１が設けられている。また、原料ガス供給配管１０６，オゾンガス供給配管１０７，およびパージガス供給配管１０８は、ガス導入部１１２に接続して各ガスを成膜室１０１の内部に供給可能としている。

また、本装置は、成膜室１０１の内部が、排気系１１３を経由し、よく知られたドライポンプやメカニカルブースターポンプなどの真空ポンプ（排気手段）１１４により排気可能とされている。

加えて、本実施の形態における薄膜形成装置は、排気系１１３の途中に設けられた副反応室１１５と、オゾンガス発生部１０４から供給されるオゾンガスを副反応室１１５に輸送するためのオゾンガス供給配管１１６とを備える。なお、オゾンガス供給配管１１６の経路中には、バルブ１１７が設けられている。また、副反応室１１５の内部には、吸着部１１８が設けられている。バルブ１１０の開閉状態およびバルブ１１７の開閉状態を含む切り替え手段により、オゾンガス発生部１０４からのオゾンガスの供給先を、成膜室１０１と副反応室１１５とに切り替えることができる。なお、これらの切り替えは、オゾンガス供給配管１０７およびオゾンガス供給配管１１６の分岐部に設けた３方弁などの切り替え手段の切り替えにより行うようにしてもよい。

以下、上述した薄膜形成装置を用いた薄膜形成について、図２のタイミングチャートを用いて説明する。まず、成膜室１０１の内部に例えばシリコン基板を固定し、真空ポンプ１１４を動作させて成膜室１０１の内部が１０^-1Ｐａ程度の圧力に排気されている状態とし、また、基板載置台１０２に内蔵されている加熱機構により基板Ｗが２００〜３００℃程度に加熱された状態とする（開始の段階）。

次の原料吸着の工程で、バルブ１１１およびバルブ１１０を閉じた状態とし、バルブ１０９を開放し、原料ガス供給部１０３で生成されている有機金属化合物からなる原料ガスが、原料ガス供給配管１０６で輸送され、ガス導入部１１２から成膜室１０１の内部に導入され、基板Ｗの上に供給された状態とする。この状態は、所定時間継続させる。このことにより、基板Ｗの上に、原料である有機金属化合物の分子が吸着して分子層（吸着層）が形成された状態となる。

また、この原料吸着では、バルブ１１７も開放し、オゾンガス発生部１０４で発生・生成されているオゾンガスが、オゾンガス供給配管１１６で輸送され、副反応室１１５に導入される状態とする。このことにより、原料吸着の工程で成膜室１０１より排出される原料ガスは、後述するように、副反応室１１５においてオゾンと反応し、真空ポンプ１１４の側に排出されることが抑制されるようになる。

次のパージの工程で、成膜室１０１の内部の排気を継続し、今度は、バルブ１０９およびバルブ１１０を閉じた状態とし、バルブ１１１を開放し、パージガス供給部１０５からのＡｒガスが、パージガス供給配管１０８で輸送され、ガス導入部１１２から成膜室１０１の内部に導入され、基板Ｗの上に供給された状態とする。パージガスは、Ａｒに限らず、他の不活性ガスを用いるようにしてもよい。このパージの工程において、基板Ｗに吸着した原料以外の余剰ガスが成膜室１０１から除去された状態となる。

また、このパージにおいても、バルブ１１７が開放された状態を継続し、オゾンガス発生部１０４で発生・生成されているオゾンガスが、オゾンガス供給配管１１６で輸送され、副反応室１１５に導入される状態とする。このことにより、成膜室１０１より排出される原料ガスは、副反応室１１５においてオゾンと反応し、真空ポンプ１１４の側に排出されることが抑制されるようになる。

次の酸化の工程で、今度は、バルブ１０９，バルブ１１１，バルブ１１７が閉じた状態とし、バルブ１１０を開放し、オゾンガス発生部１０４で発生されているオゾンガスが、オゾンガス供給配管１０７で輸送され、ガス導入部１１２から成膜室１０１の内部に導入され、基板Ｗの上に供給された状態とする。このことにより、基板Ｗの表面に吸着している分子（有機金属化合物）が酸化され、基板Ｗの表面に金属１原子層分の金属酸化物の層が形成された状態となる。

ここで、この酸化の工程では、前述したようにバルブ１１７を閉じているので、オゾンガス発生部１０４で発生・生成されているオゾンガスは、副反応室１１５には導入されない。しかしながら、酸化の工程では、成膜室１０１より原料ガスが排出されることがないので、問題はない。

次のパージの工程では、前述同様に、バルブ１０９およびバルブ１１０を閉じた状態とし、バルブ１１１を開放し、パージガス供給部１０５からのＡｒガスが、パージガス供給配管１０８で輸送され、ガス導入部１１２から成膜室１０１の内部に導入され、基板Ｗの上に供給された状態とする。このパージの工程において、酸化に寄与したオゾンガス以外の余剰なオゾンガスが成膜室１０１から除去された状態となる。なお、このパージの工程において、前述同様に、副反応室１１５にオゾンガスが導入される状態としてもよい。なお、このパージ工程における副反応室１１５へのオゾンガスの導入は、必要ではない。

上述した原料吸着の工程，パージの工程，酸化の工程，パージの工程からなる一連のサイクルを、例えば所定数回繰り返すことで、基板Ｗの上に所望の膜厚の金属酸化物の薄膜が形成された状態が得られる。

以上に説明したように、本実施の形態における薄膜形成装置では、よく知られた原子層成長法における吸着工程やパージ工程において、オゾンガス発生部１０４から供給されるオゾンガスを、オゾンガス供給配管１１６を経由して副反応室１１５に導入させるようにした。これにより、本実施の形態の薄膜形成装置では、副反応室１１５に入ってくる原料ガスにオゾンガスを反応させ、気体の状態の原料ガスを構成している金属を酸化させて酸化物とし、副反応室１１５に留まらせるようにした。

例えば、有機金属化合物よりなる原料ガスとオゾンガスとが反応すると、金属酸化物と炭酸ガスと水蒸気とが反応生成物として生成される。このようにして副反応室１１５内で生成される金属酸化物は、例えば、副反応室１１５の内壁に堆積して付着する。また、吸着部１１８に堆積して付着する。言い換えると、金属酸化物は、副反応室１１５に留まり、真空ポンプ１１４に取り込まれることはない。これに対し、炭酸ガスおよび水蒸気は、気体であるために、副反応室１１５より真空ポンプ１１４の側に排出される。しかしながら、これらのガスは、真空ポンプ１１４内で付着して異物を生成させることがない。

ここで、吸着部１１８は、例えば、多孔性グラファイト素材、多孔性セラミック、アルミナ、シリカ、およびガラスウールなどの大きな表面積を有する多孔性材料から構成されたものであればよい。このような吸着部１１８を備えることで、副反応室１１５の内部でオゾンと反応して生成された金属酸化物の吸着領域を、より大きくすることができる。

このように、本実施の形態における薄膜形成装置によれば、薄膜形成で用いるオゾンガスを副反応室１１５に導入することで、原料ガスを副反応室１１５で分解させるようにした。この結果、異物発生の原因となる原料ガスの真空ポンプ１１４への進入が抑制できるようになり、真空ポンプ１１４の劣化が抑制できるようになる。

また、よく知られているように、生成したオゾンは不安定でありすぐに酸素に変質するために蓄積することができず、加えて、前述したようにオゾンを発生しているオゾンガス発生部１０４では、オゾン生成状態のオンオフを、瞬時に切り替えることができない。このため、一般には、常に酸素よりオゾンを生成し、酸化工程などの必要な段階で成膜室１０１にオゾンを供給し、これ以外の吸着工程やパージ工程などでは、外部に放出している。これに対し、上述した本実施の形態の薄膜形成装置によれば、酸化工程以外においても、外部に放出することなく、副反応室１１５に導入して用いるため、オゾン生成の無駄が抑制できる。

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。本発明の実施の形態における薄膜形成装置を用いた原子層成長法による薄膜形成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…基板載置台、１０３…原料ガス供給部、１０４…オゾンガス発生部、１０５…パージガス供給部、１０６…原料ガス供給配管、１０７…オゾンガス供給配管、１０８…パージガス供給配管、１０９，１１０，１１１…バルブ、１１２…ガス導入部、１１３…排気系、１１４…真空ポンプ（排気手段）、１１５…副反応室、１１６…オゾンガス供給配管、１１７…バルブ、１１８…吸着部。

Claims

金属酸化物の薄膜を基板の上に形成する薄膜形成装置において、
前記基板が配置される成膜室と、
前記成膜室に前記金属の有機化合物からなる原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、
酸素よりオゾンガスを発生させて前記成膜室に前記オゾンガスを供給可能とするオゾンガス発生手段と、
前記成膜室の内部を排気する排気手段と、
前記成膜室および前記排気手段の間の排気経路に配置され、前記オゾンガス発生手段より供給されるオゾンガスが導入される副反応室と
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、
前記オゾンガス発生手段より供給されるオゾンガスの供給先を、前記成膜室と前記副反応室とに切り替える切り替え手段を備える
ことを特徴とする薄膜形成装置。
請求項１または２記載の薄膜形成装置において、
前記副反応室の内部に配置された吸着部を備える
ことを特徴とする薄膜形成装置。