JP2011171468A - 薄膜形成装置および薄膜形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＡＬＤにより膜を形成する際、従来の装置のように、基板に形成される薄膜の品質を劣化させることがない、新たな方式の原料ガスの供給を実現する。
【解決手段】薄膜形成装置は、減圧した成膜空間を形成し維持する減圧容器と、前記減圧容器の前記成膜空間に原料ガスを供給する、原料ガス供給ユニットと、前記減圧容器の前記成膜空間にパージガスを供給する、パージガス供給管と、を有する。前記原料ガス供給ユニットは、前記原料ガスを前記成膜空間に供給する、ピストンを備え、前記ピストンを用いて、前記原料ガスを間歇的に前記成膜空間に供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基板に薄膜を形成する薄膜形成装置および薄膜形成方法に関する。

最近、基板上に原子層単位で薄膜を形成する原子層成長法（以下、省略してＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法ともいう）が薄膜形成方法として注目されている。ＡＬＤは、形成しようとする膜を構成する元素を主成分とする２種類のガスを成膜対象基板上に交互に供給し、基板上に原子層単位で薄膜を形成することを複数回繰り返して所望厚さの膜を形成する薄膜形成技術である。例えば、基板上にＡｌ₂Ｏ₃膜を形成する場合、ＴＭＡ（Tri-Methyl Aluminum）からなる原料ガスとＯを含む酸化ガスが用いられる。また、基板上に窒化膜を形成する場合、酸化ガスの代わりに窒化ガスが用いられる。

ＡＬＤ法は、原料ガスを供給している間に１層あるいは数層の原料ガス成分だけが基板表面に吸着され、余分な原料ガスは成長に寄与しない、いわゆる成長の自己停止作用（セルフリミット機能）を利用する。

ＡＬＤ法は、一般的なＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法と比較して高い段差被覆性と膜厚制御性を併せ持ち、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、液晶ディスプレイなどのように、ガラス基板を用いる表示装置の薄膜トランジスタのゲート絶縁膜の形成への適用なども期待されている。

このＡＬＤ法において、例えば、基板に吸着した原料ガスの成分を酸化するとき、酸化ガスを用いてプラズマを発生させる。このとき、プラズマによって酸素ラジカルが生成され、この酸素ラジカルを用いて、基板に吸着した原料ガスの成分を酸化する。
例えば、下記特許文献１には、ＡＬＤ法を用いた薄膜形成装置が記載されている。

特開２００９−２０９４３４号公報

このようなＡＬＤ法により、微細な凹部でも、高いステップカバレッジで薄膜を埋め込むことが可能となる。
しかし、この装置において、例えば、原料ガスとしてＴＭＡと酸化ガスを用いて、基板に酸化アルミニウムの薄膜を形成するとき、原料ガス供給管内に膜あるいは粉状粒子が付着し、場合によっては、堆積した膜あるいは粉状粒子が剥離して、成膜容器内に進入し、基板に形成される薄膜に異物等を混入させて薄膜の品質を劣化させてしまう場合がある。

図３は、従来の薄膜形成装置の原料ガス供給管を中心に説明する図である。
図３中の装置１００は、減圧容器１０２と、原料ガス供給管１０４と、排気管１０６と、薄膜を形成する基板１０８を載置する基板ステージ１１０と、を有する。
原料ガス供給管１０４には、ＴＭＡガス供給管１１２とパージガス供給管１１４が接続され、ＴＭＡガス供給管１１２にはＴＭＡバルブ弁１１６が、パージガス供給管１１４にはパージガスバルブ弁１１８が設けられている。ＴＭＡバルブ弁１１６を開くことにより、原料ガス供給管１０４はガス状のＴＭＡを減圧容器１０２に供給する。これにより、基板１０８上にＴＭＡの成分が原子単位で吸着する。このとき、パージガス供給管１１４から流れるＮ₂ガスがパージガスとして減圧容器１０２内に供給される。パージガスは、ガス状のＴＭＡを原料ガス供給管１０４から減圧容器１０２内に効率よく供給させ、かつ、ＴＭＡが成膜空間で効率よく拡散するように機能する。
ＴＭＡガスが減圧容器１０２から排気された後、図示されない反応ガス供給管から減圧容器１０２内に酸化ガスが供給され、基板１０８に吸着されたＴＭＡの成分は酸化される。このとき、酸化ガスは、プラズマあるいは熱を用いて活性化される。

こうして形成された原子単位の厚さで形成された薄膜を成長させるために、ＴＭＡバルブ弁１１６が開かれてＴＭＡガスが再度減圧容器１０２内に供給される。このようにしてＡＬＤを繰り返し実行する。しかし、このとき、ＴＭＡガス供給管１１２とパージガス供給管１１４との合流直後の、原料ガス供給管１０４の図中のＲ部分の内容面には、膜あるいは粉状粒子が付着する。この部分の管は、減圧容器１０２に固定され交換できな構成であるため、ＡＬＤを繰り返し行うにつれて、膜厚および粉状粒子の堆積も進行し、場合によっては、堆積した膜の一部や粉状粒子の一部が剥離して、減圧容器１０２内に進入する場合もある。このため、形成される薄膜の品質劣化に繋がるおそれもある。

そこで、本発明は、薄膜を形成する際、従来の薄膜形成装置のように、基板に形成される薄膜の品質を劣化させることがない、新たな方式の原料ガスの供給を実現する薄膜形成装置および薄膜形成方法を提供することを目的とする。

上記従来の問題で説明した、原料ガス供給管１０４の内容面に形成され、堆積される膜あるいは粉状粒子は、Ｎ₂ガスに混入する水分と原料ガスとが反応してできた反応生成物であることを、本願発明者は知見した。この知見に基づいて本願発明にいたっている。

本発明の一態様は、基板に薄膜を形成する薄膜形成装置である。
当該装置は、
減圧した成膜空間を形成する減圧容器と、
基板に前記原料ガスの成分を吸着させるために、前記減圧容器の前記成膜空間に原料ガスを供給するピストンを備え、前記ピストンを用いて、前記原料ガスを間歇的に前記成膜空間に供給する原料ガス供給ユニットと、を有する。

その際、前記ピストンにより作られるシリンダー内空間と前記成膜空間との間の連通を遮断する第１制御弁が設けられ、さらに、原料ガスの前記シリンダー内空間への導入を遮断する第２制御弁が設けられている、ことが好ましい。

その際、前記ピストンが、前記原料ガスを前記成膜空間に供給するとき、前記第２制御弁は、前記原料ガスの前記シリンダー内空間への導入を停止するように閉じられ、
前記第２制御弁が開けられて、前記シリンダー内空間へ前記原料ガスが導入されるとき、前記第１制御弁は、前記シリンダー内空間と前記成膜空間との間の連通を遮断する、ことが好ましい。

前記薄膜形成装置は、さらに、前記成膜空間内にプラズマを生成させるプラズマ生成素子を有する。そのとき、前記原料ガス供給ユニットは、前記原料ガスの前記成膜空間への供給を停止している期間の一部分において、前記反応ガスを前記成膜空間に供給し前記プラズマ生成素子によりプラズマを生成させることにより、基板に吸着した前記原料ガスの成分と前記反応ガスの成分とを反応させて、薄膜を形成する、ことが好ましい。

本発明の他の態様は、基板に薄膜を形成する薄膜形成方法である。
当該方法は、
基板を配置した減圧状態の成膜空間内に、ピストンを用いて、一定量の原料ガスを供給して、前記基板に原料ガスの成分を吸着させるステップと、
前記ピストンにより作られるシリンダー内空間に原料ガス源から一定量の原料ガスの導入を受けるとき、前記成膜空間に反応ガスを供給し、この反応ガスの成分と、前記成膜用基板に吸着した前記原料ガスの成分とを反応させて、薄膜を形成するステップと、を有する。

その際、前記ピストンが前記原料ガスを前記成膜空間に供給するとき、原料ガスの前記シリンダー内空間への導入を停止し、
前記原料ガスが前記シリンダー内空間に導入されるとき、前記シリンダー内空間と前記成膜空間との間の連通を遮断する、ことが好ましい。

上述の薄膜形成装置および薄膜形成方法では、原料ガスの供給管等の内表面に膜や粉状粒子が堆積することはない。このため、基板に形成される薄膜の品質が劣化することがない。

（ａ），（ｂ）は、本発明の薄膜形成装置の一実施例であるＡＬＤ装置の構成を説明する図である。 図１（ａ）に示すＡＬＤ装置における原料ガス供給方式を説明する図である。 従来の薄膜形成装置を説明する図である。

以下、本発明の薄膜形成装置および薄膜形成方法について詳細に説明する。
図１（ａ）は、本実施形態のＡＬＤ装置の概略の構成を示す。図１（ｂ）は、ＡＬＤ装置に用いる原料ガス供給ユニットを説明する図である。
図１（ａ）に示すＡＬＤ装置１０は、形成しようとする膜を構成する元素を主成分とする２種類の成膜ガス（原料ガスおよび酸化ガス）を成膜対象の基板１２上に交互に供給する。その時、反応活性を高めるためにプラズマを用いて基板１２上に原子層単位で原料ガスの酸化膜を形成する。上記処理を１サイクルとして、処理を複数サイクル繰り返すことにより所望厚さの膜を形成する。なお、酸化ガスの替わりに窒化ガスを用いることもできる。

ＡＬＤ装置１０は、高周波電源１４と、成膜容器１６と、原料ガス供給ユニット１８と、パージガス供給部２０と、図示されない反応ガス供給部と、排気部２２と、を有して構成される。以下、基板１２上に酸化膜を形成する場合を例に挙げて説明するが、窒化膜の場合も同様である。反応ガス供給部は、図１の紙面垂直方向に、パージガス供給部２０と並列するように配置され、図１中では重なっているため、図示されていない。

減圧容器１６内の成膜空間２４には、下側電極を兼ねる基板ステージ２６と、基板ステージ２６の下方に図示されない加熱ヒータが設けられている。下側電極は接地されている。
基板ステージ２６は、図示されない加熱ヒータとともに、昇降機構２７により成膜空間２６を上下方向に移動する。成膜空間２４にて薄膜が形成されるとき、成膜空間２４は狭くなるように、基板ステージ２６は上方に移動する。
成膜空間２４の上面には、上側電極２８と、加熱ヒータ３０が設けられている。上側電極２８は、減圧容器１６の外側に設けられた高周波電源１４と接続され、所定の周波数の高周波電流の供給を受ける。このように、ＡＬＤ装置１０は、上側電極と下側電極を備えてプラズマを生成する、いわゆる平行平板型プラズマ生成装置である。

減圧容器１６の右側側壁には、原料ガス、酸化ガス及びパージガスを排気する排気口が設けられ、排気管３０、バルブ３２を介して、排気される。排気管３０は、図示されないドライポンプ等と接続されている。これにより、後述するように原料ガス、酸化ガスあるいはパージガスが供給されても、減圧容器１６内の成膜空間２４は、１０^-1（Ｐａ）程度の真空度に維持される。

原料ガス供給ユニット１８は、減圧容器１６に設けられたガス供給口３４を介して成膜空間２４に原料ガスを供給する。原料ガス供給ユニット１８は、後述するように、原料ガスを成膜空間２４に供給するピストンを備え、ピストンを用いて、原料ガスを間歇的に成膜空間２４に供給する。詳細については後述する。
パージガス供給部２０は、減圧容器１６に設けられたガス供給口３６を介して成膜空間２４にパージガスを供給する。
図示されない反応ガス供給部は、減圧容器１６に設けられたガス供給口を介して、図示されない酸化ガス供給管から酸化ガスを成膜空間２４に供給する。原料ガスの成膜空間２４への供給を停止している際に、高周波電源１４から電力の供給を受けた上側電極２８は、下側電極である基板ステージ２６との間で、プラズマを生成させる。このプラズマにより、酸化ガスの一部は活性化され、酸化ガスの成分、例えばラジカル酸素が、基板１２に吸着された原料ガスの成分と反応して、金属酸化膜等の薄膜が原子単位で形成される。

図１（ｂ）は、原料ガス供給ユニット１８の概略構成を上面から見た図である。
原料ガス供給ユニット１８は、シリンダー１８ａと、ピストン１８ｂと、クランク機構１８ｃと、制御弁１８ｄ，１８ｅと、供給管１８ｆ，１８ｇと、を有する。
クランク機構１８ｃは、所定の速度で回転する円板１８ｈ上に回転軸からオフセットした位置に係止されたクランクアーム１８ｉを図中の左右に前進、後退させる。円板は、図示されないモータ等により一定の回転速度に制御される。この移動により、クランクアーム１８ｉに係止したピストン１８ｂは、図中の左右に、シリンダー１８ａ内で左右に一定周期で往復する。これにより、シリンダー内空間１８ｊの容積が変動し、さらに、ピストン１８ｂの動きに連動して制御弁１８ｄ，１８ｅの開閉が制御される。

制御弁１８ｄは、シリンダー内空間１８ｊと成膜空間２４と間の供給管１８ｆ上に設けられ、制御弁１８ｅは、原料ガス源１９とシリンダー内空間１８ｊとの間の供給管１８ｇ上に設けられる。
ピストン１８ｂが成膜空間２４の側に移動するとき、制御弁１８ｄは開状態となり、制御弁１８ｅは閉状態となる。これにより、シリンダー内空間１８ｊと成膜空間２４との間が連通し、原料ガスがシリンダー内空間１８ｊから成膜空間２４へ供給される。このとき、原料ガス源１９からシリンダー内空間１８ｊへの原料ガスの導入は停止される。
ピストン１８ｂが成膜空間２４と反対側に移動するとき、制御弁１８ｄは閉状態となり、制御弁１８ｅは開状態となる。これにより、シリンダー内空間１８ｊと成膜空間２４との間の連通が遮断されて原料ガスの成膜空間２４への供給は停止され、原料ガス源１９からシリンダー内空間１８ｊへ原料ガスが導入される。
原料ガスは例えば約０．１秒で成膜空間２４に供給されるため、制御弁１８ｄ，１８ｅは電磁弁が好適に用いられる。

なお、ＡＬＤによる薄膜形成では、原料ガス源が０．７ｋＰａである場合、原料ガスの供給量は例えば２０ｍｌである。このため、ピストン１８ｂのストロークは例えば３０ｍｍ、ピストン１８ｂの直径は例えば２９ｍｍ程度となる。この場合、原料ガス供給ユニット１８のサイズは、例えば、長さ１５０ｍｍ、幅１２０ｍｍ程度となる。

図２（ａ）〜（ｅ）は、ピストン１８ｂと制御弁１８ｄ，１８ｅと原料ガスの成膜空間２４への供給の状態を示している。
図２（ａ）に示す状態では、ピストン１８ｂが成膜空間２４側の最も前方に移動し、シリンダー内空間１８ｊがない状態である。この状態では、制御弁１８ｄは閉状態、制御弁１８ｅは開状態である。次に、ピストン１８ｂが後退を始めるとシリンダー内空間１８ｊができる。成膜空間２４内の原料ガスやパージガスが成膜空間２４からシリンダー内空間１８ｊに引き込まれないように制御弁１８ｄは閉状態となる。その代わり、原料ガス制御弁１８ｅは原料ガス源１９からシリンダー内空間１８ｊに導入されるように開状態となる。こうして、図２（ｂ）に示す状態まで、制御弁１８ｄ，１８ｅの閉状態、開状態は維持される。

次に、ピストン１８ｂは、図２（ｃ）に示すように、成膜空間２４の側に前進を始めると、シリンダー内空間１８ｊから成膜空間２４に原料ガスを供給するために、制御弁１８ｄは開状態になる。一方、シリンダー内空間１８ｊから原料ガス源１９に向かって原料ガスが逆流しないように制御弁１８ｅは閉状態になる。こうして、図２（ｄ）に示す状態になる。
最後に、図２（ｅ）に示すように、図２（ａ）と同じ状態に戻る。

以上のように、ピストンが１往復する間に原料ガスの供給を１度、一定量成膜空間２４に供給する。なお、ＡＬＤにおける薄膜の形成に必要な原料ガスの供給時間や、原料ガス、酸化ガス（反応ガス）あるいはパージガス等の排気に要する時間に合わせてピストンの１周期の移動時間を制御することが好ましい。

このような原料ガス供給ユニット１８の動作に応じて、以下の薄膜形成が行われる。
加熱された基板１２を配置した減圧状態の成膜空間２４内に、ピストン１８ｂを用いて、図２（ｃ）〜（ｅ）に示すように、一定量の原料ガスを供給して、基板１２に原料ガスの成分を原子単位で吸着させる。この状態では、パージガスであるＮ₂ガスも、成膜空間２４に供給されている。Ｎ₂ガスは、原料ガスが基板１２の位置に到達したとき、原料ガスが効率よく拡散するように機能する。

基板１２に原料ガスの成分が原子単位で吸着された後、ピストン１８ｂは、図２（ａ）に示す状態となり、原料ガス源１９からシリンダー内空間１８ｊに一定量の原料ガスが導入される。このとき、酸化ガスが図示されない反応ガス供給部から成膜空間２４に供給されている。この状態で高周波電源１４から高周波が上側電極２８に給電されて、成膜空間２４内にプラズマが生成される。生成されたプラズマにより、酸化ガスの一部が電離状態となった後、ラジカル酸素を作り、このラジカル酸素と、基板１２に吸着した原料ガスの成分とが反応して、基板１２に所定の金属酸化膜が形成される。
なお、原料ガスが成膜空間２４に供給されるとき、酸化ガスを成膜空間２４に供給し続けてもよい。酸化ガスは十分に活性化されていないので、原料ガスと反応することはない。

このように、本実施形態は、従来のようにパージガスを用いて原料ガスを成膜空間に供給する方式をとらず、ピストン１８ｂを用いて原料ガスを成膜空間に供給する方式をとるため、パージガスであるＮ₂ガスに混入する水分と原料ガスとが原料ガス供給管の狭い空間で反応する機会はない。このため、従来のように、膜や粉状粒子が生成されて供給管の内表面に堆積し、付着することは極めて少ない。このため、基板に形成される薄膜の品質を劣化させることがない。

本実施形態のＡＬＤ装置１０は、平行平板型の２つの電極をプラズマ生成素子として用いたプラズマ生成装置であるが、平行平板型のプラズマ生成素子に限定されず、公知のプラズマ生成素子を用いることができる。成膜容器の対向する壁面から互い違いに棒状に突出させて、大面積の均一なプラズマを生成する複数のモノポールアンテナをプラズマ生成素子として用いることもできる。このようなプラズマ生成素子は、例えば、ＷＯ２００７／１１４１５５に詳細に記載されている。
また、ＡＬＤ装置１０は、プラズマを用いた薄膜形成装置に限定されない。数１００度に反応ガスを加熱して薄膜を形成する熱ＡＬＤ方式を用いることもできる。

以上、本発明の薄膜形成装置および薄膜形成方法について詳細に説明したが、本発明の薄膜形成装置および薄膜形成方法は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

１０ ＡＬＤ装置
１２ 基板
１４ 高周波電源
１６ 成膜容器
１８ 原料ガス供給ユニット
１８ａ シリンダー
１８ｂ ピストン
１８ｃ クランク機構
１８ｄ，１８ｅ 制御弁
１８ｆ，１８ｇ 供給管
１８ｈ 円板
１８ｉ クランクアーム
１８ｊ シリンダー内空間
２０ パージガス供給部
２２ 排気部
２４ 成膜空間
２６ 基板ステージ
２７ 昇降機構
２８ 上側電極
３０ ヒータ
３２ バルブ
３４，３６ ガス供給口
１００ 装置
１０２ 減圧容器
１０４ 原料ガス供給管
１０６ 排気管
１０８ 基板
１１０ 基板ステージ
１１２ ＴＭＡガス供給管
１１４ パージガス供給管
１１６ ＴＭＡバルブ弁
１１８ パージガスバルブ弁

Claims (6)

1. 基板に薄膜を形成する薄膜形成装置であって、
   減圧した成膜空間を形成する減圧容器と、
   基板に前記原料ガスの成分を吸着させるために、前記減圧容器の前記成膜空間に原料ガスを供給するピストンを備え、前記ピストンを用いて、前記原料ガスを間歇的に前記成膜空間に供給する原料ガス供給ユニットと、を有することを特徴とする薄膜形成装置。
2. 前記ピストンにより作られるシリンダー内空間と前記成膜空間との間の連通を遮断する第１制御弁が設けられ、さらに、原料ガスの前記シリンダー内空間への導入を遮断する第２制御弁が設けられている、請求項１に記載の薄膜形成装置。
3. 前記ピストンが、前記原料ガスを前記成膜空間に供給するとき、前記第２制御弁は、前記原料ガスの前記シリンダー内空間への導入を停止するように閉じ、
   前記第２制御弁が開けられて、前記シリンダー内空間へ前記原料ガスが導入されるとき、前記第１制御弁は、前記シリンダー内空間と前記成膜空間との間の連通を遮断する、請求項２に記載の薄膜形成装置。
4. さらに、前記成膜空間内にプラズマを生成させるプラズマ生成素子を有し、
   前記原料ガス供給ユニットは、前記原料ガスの前記成膜空間への供給を停止している期間の一部分において、前記反応ガスを前記成膜空間に供給し前記プラズマ生成素子によりプラズマを生成させることにより、基板に吸着した前記原料ガスの成分と前記反応ガスの成分とを反応させて、薄膜を形成する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の薄膜形成装置。
5. 基板に薄膜を形成する薄膜形成方法であって、
   基板を配置した減圧状態の成膜空間内に、ピストンを用いて、一定量の原料ガスを供給して、前記基板に原料ガスの成分を吸着させるステップと、
   前記ピストンにより作られるシリンダー内空間に原料ガス源から一定量の原料ガスの導入を受けるとき、前記成膜空間に反応ガスを供給し、この反応ガスの成分と、前記成膜用基板に吸着した前記原料ガスの成分とを反応させて、薄膜を形成するステップと、を有することを特徴とする薄膜形成方法。
6. 前記ピストンが前記原料ガスを前記成膜空間に供給するとき、原料ガスの前記シリンダー内空間への導入を停止し、
   前記原料ガスが前記シリンダー内空間に導入されるとき、前記シリンダー内空間と前記成膜空間との間の連通を遮断する、請求項５に記載の薄膜形成方法。