JP2015074796A

JP2015074796A - 原子層堆積装置

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Publication number: JP2015074796A
Application number: JP2013210698A
Authority: JP
Inventors: 熊野　勝文; Katsufumi Kumano; 勝文熊野; 江刺　正喜; Masaki Esashi; 正喜江刺; 田中　秀治; Shuji Tanaka; 秀治田中; 亨武澤; Toru Takezawa; 本間　孝治; Koji Honma; 孝治本間
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2013-10-08
Filing date: 2013-10-08
Publication date: 2015-04-20

Abstract

【課題】サイクル時間を短縮することができ、一サイクルごとの原料使用効率が良く、蒸気輸送系路、反応容器、蒸気排出路、各バルブまで全てを原料蒸気生成温度より高く保つことが可能で、全内表面積、容積を極小化することができる原子層堆積装置を提供する。
【解決手段】基板（ウエハー）５を基板保持機構（ステージ）６に供給するロードロック室（ロードロックチャンバー部）１と、ロードロック室１に隣接して、基板５を搭載して上下動する基板保持機構６を有する反応容器（収納部）４と、反応容器４の上方に設けられた原子層堆積のための反応空間（リアクター部）とを有する。基板５を搭載した基板保持機構６が上昇して、反応空間の下部の蓋となる。反応空間の下部と基板保持機構６の端部との間には耐熱Ｏリング１０を配する。反応容器４の内圧は反応空間の内圧より高い。
【選択図】図２

Description

本発明は、遷移金属複合酸化物の多元系材料や貴金属材料を、一つの反応容器で原子層堆積させるための原子層堆積装置に関し、特に一サイクルごとの原料使用効率が良い反応容器構造に関するものである。

原子層堆積法（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＡＬＤ）は、反応容器中に置かれた金属や半導体、セラミックス、プラスティックなど、様々な材料基板表面において、次の４ステップからなる操作により単一原子・分子層を形成する技術である。

原理は、（Ｉ）反応容器に原料分子ガスを導入し、容器内壁および基板を含むすべての内表面に吸着・表面反応を行わせる。通常、基板表面は原料分子と反応するＯＨ基などで活性化処理されており、基板との間に金属酸化物や窒素化物の結合が生ずる。（ＩＩ）次に、この表面反応により生ずる反応生成物および余剰原料分子を、反応容器外にパージする。この時、原料分子にアルキル基など疎水性構造をもつものを選択することにより、原料分子の二層以上の吸着を防ぎ、Ｉのプロセス後の基板表面には単一分子層が固定される。（ＩＩＩ）次に、基板表面に吸着した原料分子のアルキル基と反応するガスを導入し、Ｉ、ＩＩのプロセスで表面に固定された原料分子の表面を、ＯＨ基などに変化させる。（ＩＶ）最後に、この反応による生成物と余剰反応ガスとをパージする。この段階で、基板表面は金属酸化物や窒素化物、金属などの単一分子・原子層で被覆され、最表面はＯＨ基などを有する。次のサイクルで再びＩ〜ＩＶを実行する（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−１２４３７１号公報

代表的なＡＬＤの例として、酸化アルミニウムを例にとると、原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）やトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）などのアルキル基を配位した有機金属化合物を用い、反応ガスとしてＨ_２Ｏを用いることにより、酸化アルミニウム層を一層ごとに形成することができる。酸化アルミニウム・Ｈ_２Ｏ系は、反応開始温度が室温〜３００℃までの広い範囲にわたって、回り込みのよい膜形成ができ、この膜は１２００℃程度の温度までアモルファスであることから、各種バリア膜として半導体やパッケージなどの保護膜に用いられる。成膜速度は、一サイクルのＡＬＤで約０．１１ｎｍであり、５ｎｍ程度でバルクのＡｌ_２Ｏ_３と同程度のガスバリア性を満たすことができる。

ＡＬＤの特徴である高いアスペクト比を有する構造体へのコンフォーマル特性は、原料分子の表面吸着・表面反応において、反応ガスにＨ_２ＯやＯ_２，ＮＨ_３，Ｈ_２などの非イオン、中性分子を用いる結果、深い溝構造などへの廻りこみ拡散が可能となっている事に起因する。このときの課題として、ＡＬＤサイクルの中で原料ガスとＨ_２Ｏなどの反応ガスのパージ時間が、反応空間に至るすべての内壁温度により支配的であることがあげられる。たとえば酸化アルミニウムのＡＬＤでは、反応ガスとして用いるＨ_２Ｏのパージ時間を２０〜６０秒に抑えるために、容器を含む壁全体の温度を１３０℃以上に保持する必要がある。パージが不完全の場合、容器壁から再放出される原料分解生成物質分子やＨ_２Ｏが、微粉末形成などの膜質の欠陥を引き起こす。

ＡＬＤのサイクル時間短縮のために、プロセスＩ〜ＩＶをパージガスの定常流に乗せて行うことも行われる。この場合、締切バルブを省けるメリットはあるものの、大量のパージガス流が必要なことと併せ、原理的に原料ロスが大きくなるので、高価な材料の場合、実用上限界があるという課題があった。また、燃料電池に用いられる多元系複合酸化物材料のピンホールのない超薄膜形成などにもＡＬＤは有力な手段であるが、原料には昇華性のものが多くあり、蒸気輸送系路、反応容器、蒸気排出路、各バルブまで全てを原料蒸気生成温度より高く保つ必要があるため、全内表面積、容積を極小化するのが望ましいという課題もあった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、サイクル時間を短縮することができ、一サイクルごとの原料使用効率が良く、蒸気輸送系路、反応容器、蒸気排出路、各バルブまで全てを原料蒸気生成温度より高く保つことが可能で、全内表面積、容積を極小化することができる原子層堆積装置を提供することを目的としている。

本発明によれば、ウエハーをステージに供給するロードロックチャンバー部と、該ロードロックチャンバー部に隣接して、前記ウエハーを搭載して上下動する前記ステージを有する収納部と、該収納部の上方に設けられた原子層堆積のためのリアクター部と、複数のキャリアガス供給部と、複数の原料容器部と、前記リアクター部と各原料容器部とを繋ぐ配管・排気系とを有する原子層堆積装置において、前記ウエハーを搭載した前記ステージが上昇して、前記リアクター部の下部の蓋となり、前記リアクター部の下部と前記ステージの端部との間には耐熱性Ｏリングを配し、前記収納部の内圧は前記リアクター部の内圧より高いことを特徴とする原子層堆積装置が得られる。収納部の内圧は、リアクター部の内圧より僅かでも高ければよく、例えば０．１Ｔｏｒｒ以上高く設定する。

また、本発明によれば、前記リアクター部の上蓋は、二重の耐熱性Ｏリングを配し、前記二重の耐熱Ｏリング間は高真空排気もしくは不活性ガス置換されることを特徴とする原子層堆積装置が得られる。この場合、大気から反応空間へのリークを最低限に抑えることができる。また、本発明によれば、前記ステージの直径が６インチ以上で、前記リアクター部の容積が１０００ＣＣ以下であることを特徴とする原子層堆積装置が得られる。

本発明によれば、サイクル時間を短縮することができ、一サイクルごとの原料使用効率が良く、蒸気輸送系路、反応容器、蒸気排出路、各バルブまで全てを原料蒸気生成温度より高く保つことが可能で、全内表面積、容積を極小化することができる原子層堆積装置を提供することができる。

本発明の実施の形態の原子層堆積装置の、基板が反応容器の内部にセットされた状態を示す縦断面図である。本発明の実施の形態の原子層堆積装置の、基板搬送時の状態を示す縦断面図である。本発明の実施の形態の原子層堆積装置の、原料・反応ガス・キャリヤガス・パージガスなど全系統のガスラインを示すガスライン構成図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
基板（ウエハー）はまず、大気側からロードロック室（ロードロックチャンバー部）に導入され、ロードロック室を真空脱気後、基板搬送機構によりゲートバルブを通じ、反応容器内の基板保持機構（ステージ）に移送される。基板搬送機構をロードロック室に戻したのち、ゲートバルブを閉める。基板保持機構は反応容器（収納部）内で上昇移動し、基板保持フランジ面と反応容器の上フタとの間に反応空間（リアクター部）を狭窄する。この時、基板保持フランジ面外縁部に耐熱Ｏリングシール構造を設け、ＡＬＤサイクルに伴う導入ガス分子を、狭窄した反応空間にのみ供給する。ＡＬＤプロセス中の反応空間から耐熱Ｏリングシールを通過するわずかの内部リークを防ぐために、反応空間に対し基板保持フランジ面の背部から数ｔｏｒｒの不活性ガス与圧をかけることで、原料ガスの拡散ロスの極小化とパージ時間の短縮とを可能した。これにより、多元系材料ＡＬＤの安定した動作を可能とする。

反応容器上フタフランジと容器壁との間は金属ガスケットが最も信頼性高いが、メンテナンス時の時間・コスト低減の観点から耐熱性Ｏリングシールを用いることもできる。この場合、Ｏリングを二重構造とし中間部を真空脱気することで、大気から反応室へのリークを金属ガスケットの場合と同程度に抑えることができる。

反応容器上フタには放電セルをとりつけ、ＣＯ_２ガスなどを用いて原子状酸素を反応容器内に導入する。この時、放電セルの反応容器側にはピンホールを設け、放電セル内と反応容器内との間に最適な圧力差をつくる。

図１は、基板が反応室にセットされた状態の反応容器の状態を示す。この状態では基板搬送機構２はロードロック室１の内部にあり、搬送ゲートバルブ３が閉じ、ロードロック室１は反応容器４から遮断されている。基板５は、基板保持機構６にセットされている。基板保持機構６は、反応容器４の内部で昇降移動できるよう、上下機構ベロー８と金属ガスケット９により大気圧遮断されている。基板保持機構６の基板セット面は、背面に取り付けた基板ヒータ７により加熱される。基板保持機構６の外縁部にある耐熱Ｏリング１０により、反応容器４の内部において原料・反応ガス導入口１１から導入される材料分子が、基板５の支持面と反応容器上蓋フランジ１２との間の狭い空間に閉じ込められる。この空間容積は、反応容器４にとりつけられるバルブや反応ガス排気口１３の内部空隙などを加えても、約１０００ＣＣ程度に抑えるごとができる。具体的には、基板５と反応容器上蓋フランジ１２との間のギャップは１〜２ｃｍである。

この状態で反応容器４のターボポンプ排気口１４の側の空間に、１〜１０ｔｏｒｒの不活性ガスを導入する。これにより、反応空間から耐熱Ｏリング１０を通過する原料ガス・反応ガスのリークが抑えられ、多元材料のＡＬＤ装置としての安定動作が可能となる。反応容器上蓋フランジ１２は、二段の耐熱Ｏリングシール１５で反応容器４に取り付けられ、Ｏリング段間排気口１６から真空引きすることにより、金属ガスケットと同程度の大気圧シール特性を得る。反応容器上蓋フランジ１２は、メンテナンスなどで開閉頻度が多くなるので、コストと時間の大幅な節約が可能となる。また、反応空間の体積が小さいので、ＣＯ_２やＯ_２プラズマをプラズマ室１８の内部で一定圧力放電させ、プラズマ吐出口ピンホールバルブ１７を通じ、一定量の活性酸素を導入制御することができる。

図２は、基板搬送時の反応容器の状態を示す。基板保持機構６は上下機構ベロー８により位置が下がり、基板５は基板搬送機構６と同じ水平レベルになっている。ＡＬＤプロセス前後には、ロードロック室１と反応容器４との間の搬送ゲートバルブ３を開き、基板搬送機構６により基板５を移送する。この時、本装置では、ＡＬＤサイクル時の反応空間容積・表面積が極小化されている結果、原料使用効率とともにパージ効率が高く、複数の原料を取り扱う多元系ＡＬＤプロセスを繰り返し安定に動作させることができる。

図３は、本発明の反応容器方式を実施したときの原料・反応ガス・キャリヤガス・パージガスなど全系統のガスライン構成をしめす。この例では、原料が２系統９元素、反応ガス一系統５種類を単一の反応容器でＡＬＤプロセス可能となっている。図３に示した本発明のＡＬＤ装置でＰｔ成膜について説明する。Ｐｔ原料として、トリメチル−メチルシクロペンタジエニル−白金（分子量は約３０５）を用いる、これはグラム単価数万円の高価な材料であるが、６０℃で約１ｔｏｒｒの蒸気圧を有し、取り扱いやすい材料としてしばしば用いられる。

図３で、原料輸送管に閉じ込められる容積は約１３ｍｌで、このなかに入った分子がＡＬＤ一サイクルごとに成膜チャンバ（反応容器）へ輸送される。６０℃の原料容器からこの輸送管に導入される分子数は、モル体積２２４００ｍｌとモル分子数とから、（１３／２２４００）×６×１０^２３／７６０＝４．６×１０^１７個となる。原料１ｇは、３×１０^−３×６×１０^２３＝１．９×１０^２１個の分子を含むので、可能なサイクル数は（１．９×１０^２１）／（４．６×１０^１７）＝４２７６回となる。

本発明の実施例として図３での代表的チャンバ容積は６５０ｍｌ、内表面積は約１７００ｃｍ^２であり、通常用いられるチャンバより約１桁少ない反応空間を実現している。内表面単分子層で完全吸着した時の表面分子数は、分子のサイズを概略０．５ｎｍとすると、７×１０^１７個となり、これは先に見積もった原料輸送管中にサンプリングされた分子数とほぼ等しい。最大サイクル数は、４２７８回となる。１ｔｏｒｒで原料輸送管内に閉じ込められた原料分子は、ＡＬＤの原料供給サイクル時に遮断バルブが開いて反応空間に流入し、平衡圧は１３／（６５０＋１３）＝０．０２ｔｏｒｒとなり、飽和までの暴露時間は約十秒と実用上可能な時間となる。これにより、通常用いられるチャンバより約一桁効率よい原料分子の利用が可能である。このように、Ｐｔなど高価な金属原料の他、複数の酸化物原料を用いることのできる、本発明の実施の形態の多元系の原子層堆積装置により、一サイクルごとの原料使用効率が良い反応容器が得られる。

１ロードロック室
２基板搬送機構
３搬送ゲートバルブ
４反応容器
５基板
６基板保持機構
７基板ヒータ
８上下機構ベロー
９金属ガスケット
１０耐熱Ｏリング
１１原料・反応ガス導入口
１２反応容器上蓋フランジ
１３反応ガス排気口
１４ターボポンプ排気口
１５耐熱Ｏリングシール
１６Ｏリング段間排気口
１７プラズマ吐出口ピンホールバルブ
１８プラズマ室

Claims

ウエハーをステージに供給するロードロックチャンバー部と、該ロードロックチャンバー部に隣接して、前記ウエハーを搭載して上下動する前記ステージを有する収納部と、該収納部の上方に設けられた原子層堆積のためのリアクター部と、複数のキャリアガス供給部と、複数の原料容器部と、前記リアクター部と各原料容器部とを繋ぐ配管・排気系とを有する原子層堆積装置において、
前記ウエハーを搭載した前記ステージが上昇して、前記リアクター部の下部の蓋となり、前記リアクター部の下部と前記ステージの端部との間には耐熱性Ｏリングを配し、前記収納部の内圧は前記リアクター部の内圧より高いことを
特徴とする原子層堆積装置。
前記リアクター部の上蓋は、二重の耐熱性Ｏリングを配し、前記二重の耐熱Ｏリング間は高真空排気もしくは不活性ガス置換されることを特徴とする原子層堆積装置。