JP2018135603A - Low-temperature deposition method of ceramic thin film - Google Patents
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Abstract
Description
[関連出願の相互参照]
本願は、2012年12月21日に出願された米国仮特許出願第61/745,523号に対して優先権が主張され、その内容は、参照により本願明細書に援用したものとする。
[Cross-reference of related applications]
This application claims priority to US Provisional Patent Application No. 61 / 745,523, filed Dec. 21, 2012, the contents of which are incorporated herein by reference.
本発明は、一般に、薄膜の堆積、特に、原子層堆積(ALD)、ナノ層堆積(NLD)、及び化学気相成長(CVD)による炭化物、窒化物、及び炭窒化物のような混合相のセラミック薄膜の低温堆積方法に関する。 The present invention generally relates to the deposition of thin films, particularly mixed phases such as carbides, nitrides, and carbonitrides by atomic layer deposition (ALD), nanolayer deposition (NLD), and chemical vapor deposition (CVD). The present invention relates to a method for low-temperature deposition of a ceramic thin film.
ケイ素、ゲルマニウム、及びホウ素の炭化物、窒化物、及び炭窒化物、並びにそれらの混合相の薄膜は、高温及び高出力な電子デバイス、過酷な環境において動作するセンサ、耐腐食及び耐摩耗コーティング、並びに発光ダイオード(LED)の製造等における、重要且つ広範囲に及ぶ用途を有する。これらの材料の薄膜の堆積について、一般的に行われている方法には、スパッタリング、物理気相成長(PVD)、化学気相成長(CVD)、及び原子層堆積(ALD)、並びにプラズマを含む種々の他の堆積方法を含む。これらの薄膜の堆積方法では、しかしながら、CVD及びALDは、膜の質、組成、均一性、接着性、及び広範囲の被覆に関して表す種々の利点のため、これらの方法の双方が広く行われている。 Silicon, germanium, and boron carbide, nitride, and carbonitride, and their mixed phase thin films are used in high temperature and high power electronic devices, sensors that operate in harsh environments, corrosion and wear resistant coatings, and It has important and wide-ranging applications, such as in the manufacture of light emitting diodes (LEDs). Commonly practiced methods for depositing thin films of these materials include sputtering, physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), and atomic layer deposition (ALD), and plasma. Various other deposition methods are included. In these thin film deposition methods, however, CVD and ALD are both widely practiced because of the various advantages expressed with respect to film quality, composition, uniformity, adhesion, and a wide range of coatings. .
工業的に広く採用されているCVD処理は、流動(flux)に依存する処理である。動力学的に限られた状態においては、CVD処理は基板の温度にも敏感である。しかしながら、CVD処理は、数ミクロン/時〜100ミクロン/時の範囲に及ぶ高い堆積速度で稼動でき、工業的な製造にかなり有用である。他方、ALD処理は、薄膜の均一性と、基体が流動に依存せず、それゆえ基板の大きさ及び形状に依存しない点から、対応するCVD処理を超えるいくつかの大きな利点がある。加えて、ALD処理では、サブミクロンスケールの基板におけるコーティング、ある場合には、化学前駆体とのその基体の表面触媒的相互作用を示すより低い堆積処理温度も特徴である。しかしながら、ALDは、対応するCVD処理と比べてより低い膜堆積速度(一桁又はさらに低い場合もある)に悩まされる。 The CVD process widely adopted in industry is a process that depends on flux. Under kinetically limited conditions, the CVD process is also sensitive to the temperature of the substrate. However, CVD processes can operate at high deposition rates ranging from a few microns / hour to 100 microns / hour and are quite useful for industrial manufacturing. On the other hand, ALD processes have several significant advantages over corresponding CVD processes in that the uniformity of the thin film and the substrate does not depend on flow and therefore does not depend on the size and shape of the substrate. In addition, ALD processing is also characterized by a coating on submicron scale substrates, and in some cases lower deposition processing temperatures that indicate surface catalytic interaction of the substrate with chemical precursors. However, ALD suffers from lower film deposition rates (which can be an order of magnitude or even lower) compared to corresponding CVD processes.
さらに、典型的なCVD処理では、2以上の反応性ガス(化学前駆体)は混合され、広い範囲の堆積を達成するのに有用である加熱した基板を通過させる。このような手順は、化学前駆体が混合の際に予め反応する傾向を示さない場合のみに適している。しかしながら、ある場合において、化学前駆体が互いに強い反応性を示すなら、そのガスは、基板表面に届くまでに分離させざるを得ず、しかし同時に基板上に均一に分散されなければならない。そのような要求は、デュアルインジェクターCVD反応器の整備及び運用をむしろ複雑にさせる。 Furthermore, in a typical CVD process, two or more reactive gases (chemical precursors) are mixed and passed through a heated substrate that is useful to achieve a wide range of deposition. Such a procedure is only suitable if the chemical precursor does not show a tendency to react in advance upon mixing. However, in some cases, if the chemical precursors are highly reactive with each other, the gases must be separated before reaching the substrate surface, but at the same time must be evenly distributed on the substrate. Such a requirement rather complicates the maintenance and operation of the dual injector CVD reactor.
ALD処理の場合では、化学前駆体は、順次、処理容器に送られ、化学前駆体はパージガスにより分散される。パージガスは、実際上では、膜堆積の化学反応に能動的に関与しない任意の気体である。流動に依存しないため、ALD処理では、均一な反応物質の分散は、典型的には必要ではない。従って、ALD処理を行うには、反応物質インジェクターの簡単な分離で十分である。これらの利点は、CVD処理の実施を複雑にし得るものである、ALD処理に対してかなり能動的な化学前駆体の選択を可能とする。実際に、互いに高い反応性を示す前駆体は、特に需要が高く、効率的なALD薄膜処理を行うにはかなり望ましい。 In the case of ALD processing, chemical precursors are sequentially sent to a processing vessel, and the chemical precursors are dispersed by a purge gas. The purge gas is practically any gas that does not actively participate in the chemical reaction of film deposition. Because it does not depend on flow, in ALD processing, uniform reactant distribution is typically not required. Therefore, a simple separation of the reactant injectors is sufficient to perform the ALD process. These advantages allow the selection of fairly active chemical precursors for the ALD process that can complicate the implementation of the CVD process. Indeed, precursors that are highly reactive with one another are particularly in demand and are highly desirable for efficient ALD thin film processing.
典型的なALDの方法では、2種以上の反応物質ガスは、処理室内に載置された加熱された基板上に順次、パルス流(pulsed)で送られる。反応物質ガスのパルス流(pulses)はパージガスのパルス流と分けて送られるか、又は2種の反応物質ガスのパルス流はパージガスの一定流量中に分散される。他方で、CVD処理において、処理室内に載置された加熱された基板は、キャリアガスとしての任意のパージガス流と共に反応物質流に、同時に供される。 In a typical ALD method, two or more reactant gases are sequentially pulsed onto a heated substrate placed in a processing chamber. The reactant gas pulse flow is sent separately from the purge gas pulse flow, or the two reactant gas pulse flows are dispersed in a constant flow of purge gas. On the other hand, in a CVD process, a heated substrate placed in a process chamber is simultaneously provided to a reactant stream along with an optional purge gas stream as a carrier gas.
一般的に行われているSiCのCVD処理では、この方法を主として踏襲している。例えば、Journal of Crystal Growth、vol.255,pp.136(2003)において、K.Fujihiraらは、シラン(SiH4)及びプロパン(C3H8)を採用して、1300℃で実施する、4H−SiC薄膜の高速CVD処理を示した。Sensors and Actuators A,vol.97−98,pp.410(2002)において説明されているように、Stoldtらは、1,3−ジシラブタン(SiH3−CH2−SiH2−CH3)を採用したSiC薄膜の、単一の前駆体、低温(800〜1000℃)CVD処理を開発した。他方で、Journal of Crystal Growth,vol.219,pp.245(2000)において発表されているように、Soneらは、1300℃で実施する、メチルトリクロロシラン(MTS:CH3−SiCl3)を採用した、単一の前駆体のCVD SiC処理について述べている。一般に、SiC薄膜の堆積反応が1000℃を超える温度で実施されることが、ここでは明らかである。BN、B4C、及びSi3N4のセラミック薄膜の堆積反応も同様の温度範囲で実施されることが周知である。 In general SiC CVD processing, this method is mainly followed. For example, Journal of Crystal Growth, vol. 255, pp. 136 (2003). Fujihira et al. Demonstrated a high-speed CVD process for 4H-SiC thin films performed at 1300 ° C. employing silane (SiH 4 ) and propane (C 3 H 8 ). Sensors and Actuators A, vol. 97-98, pp. 410 (2002), Stoldt et al. Describe a single precursor, low temperature (800) of SiC thin film employing 1,3-disilabutane (SiH 3 —CH 2 —SiH 2 —CH 3 ). (~ 1000 ° C) CVD process was developed. On the other hand, Journal of Crystal Growth, vol. 219, pp. Sone et al. Describe a single precursor CVD SiC process employing methyltrichlorosilane (MTS: CH 3 —SiCl 3 ), performed at 1300 ° C., as published in H.245 (2000). Yes. In general, it is clear here that the deposition reaction of SiC thin films is carried out at temperatures in excess of 1000 ° C. It is well known that the deposition reactions of BN, B 4 C, and Si 3 N 4 ceramic thin films are also carried out in a similar temperature range.
米国特許出願第2012/0122302号では、200℃で実施される、前駆体として1,3,5−トリシラシクロヘキサン(C3Si3Hi2)を用いるプラズマアシスト低温SiC堆積処理が説明されている。しかしながら、堆積の際、SiCの薄膜は、600℃でさらに高密度化する必要がある。米国特許出願第2012/0177841号では、組成SixCyH2(0<z<16)を有する薄膜製造物においてH含有量を低減するために、600℃未満の温度でのプラズマ又は熱処理の何れかによる後の処理で、トリメチルアルミニウム[(CH3)3AI]に低減される、ケイ素源として四塩化ケイ素SiCl4を採用する反復性の堆積処理が説明された。米国特許出願第2012/0214318(A1)号において、その発明者らは、100〜400℃の範囲の温度で、ジクロロテトラメチルジシラン[Si2Cl2(CH3)4]及びH2ガスを採用したプラズマアシストALD処理を説明した。組成SiCを有する膜製造物は得られたが、Si:C比については確認されていなかった。米国再発行特許第42,887号に記載されている処理において、発明者らは、約900℃の温度で、水素中にジクロロシラン(Si2Cl2)及びアセチレン(C2H2)を採用して、SiC薄膜を得た。 US Patent Application No. 2012/01222302 describes a plasma assisted low temperature SiC deposition process using 1,3,5-trisilacyclohexane (C 3 Si 3 Hi 2 ) as a precursor, performed at 200 ° C. . However, during deposition, the SiC thin film needs to be further densified at 600 ° C. In U.S. Patent Application No. 2012/0177841, either plasma or heat treatment at temperatures below 600 ° C. to reduce H content in thin film products having the composition Si x CyH 2 (0 <z <16). Subsequent treatment by has described a repetitive deposition process employing silicon tetrachloride SiCl 4 as the silicon source, reduced to trimethylaluminum [(CH 3 ) 3 AI]. In US Patent Application No. 2012/0214318 (A1), the inventors employed dichlorotetramethyldisilane [Si 2 Cl 2 (CH 3 ) 4 ] and H 2 gas at a temperature in the range of 100-400 ° C. A plasma assisted ALD process has been described. A film product having the composition SiC was obtained, but the Si: C ratio was not confirmed. In the process described in US Reissue Pat. No. 42,887, we employ dichlorosilane (Si 2 Cl 2 ) and acetylene (C 2 H 2 ) in hydrogen at a temperature of about 900 ° C. Thus, an SiC thin film was obtained.
米国特許第7,901,508号明細書では、主に水素流中に、1600℃の基板温度で、ケイ素源としてのシラン(SiH4)及び炭素源としてのプロパン(C3H8)と組み合わせて、塩素源としてのハロゲン化炭化水素の使用が説明されている。ハロゲン化炭化水素を用いることは、より高い温度でのケイ素の核形成を抑制することによりSiC堆積速度を高めることが知られている、Si−H−C−Cl系におけるHCl(塩酸)ガスの添加より実施上の利点が得られることを意図したものである。ケイ素の核形成は、欠陥密度の点から、SiC膜の質にかなり有害であることが知られている。 In US Pat. No. 7,901,508, mainly in a hydrogen stream, combined with silane (SiH 4 ) as a silicon source and propane (C 3 H 8 ) as a carbon source at a substrate temperature of 1600 ° C. The use of halogenated hydrocarbons as a chlorine source is described. The use of halogenated hydrocarbons is known to increase the SiC deposition rate by inhibiting silicon nucleation at higher temperatures, and the HCl (hydrochloric acid) gas in the Si—H—C—Cl system. It is intended that a practical advantage is obtained from the addition. Silicon nucleation is known to be quite detrimental to the quality of SiC films in terms of defect density.
BN薄膜の堆積の場合では、BCl3をNH3ガスと組み合わせて1000℃超で実施するのが、一般的に採用される処理である。1000℃の温度で環状に結合した化学前駆体s−トリアゾボラン(B3H3N3)を採用して実施される、BN層堆積の幾分新規な処理が開発された。他方、超硬度材料と言われている窒化炭素(C3N4)は、最近、メタン(CH4)及び窒素源としてのN2を用いて無線周波(RF)又はマイクロ波(MW)プラズマにより堆積されている。 In the case of depositing a BN thin film, a process generally employed is to perform BCl 3 in combination with NH 3 gas at a temperature exceeding 1000 ° C. A somewhat new process for the deposition of BN layers has been developed, which is carried out employing the chemical precursor s-triazoborane (B 3 H 3 N 3 ) bonded cyclically at a temperature of 1000 ° C. On the other hand, carbon nitride (C 3 N 4 ), which is said to be a superhard material, has recently been radio frequency (RF) or microwave (MW) plasma using methane (CH 4 ) and N 2 as a nitrogen source. Has been deposited.
高い処理温度が要求されるため、これらの薄膜に対する基板の選択は、商業上及び技術上の価値も考慮して、むしろセラミック、ケイ素、及び石英に制限される。さらに、より高い処理温度では、常に商業上の応用を制限する、いくつかの重大な実施上の不利益となる。最終生成物の点から、高い実施上の温度は、装置性能をかなり低下させる、高い膜への負荷、極めて高い欠陥密度となる。さらに、層の相互拡散、基板の反り、他の薄膜と統合することの困難性、及び不純物の含有は、高い処理温度の深刻な問題である。装置動作の点からは、高い消費電力の問題、処理室を構成する材料の選択及びその耐久性の制限、気体流の安定性、化学前駆体消費、並びにコスト及び複雑さに加えて排水処理がある。 Because high processing temperatures are required, the choice of substrate for these thin films is rather limited to ceramic, silicon, and quartz, taking into account commercial and technical values. In addition, higher processing temperatures always result in some serious practical disadvantages that limit commercial applications. In terms of end product, high practical temperatures result in high film loading, very high defect density, which significantly reduces device performance. Furthermore, interdiffusion of layers, substrate warpage, difficulty in integrating with other thin films, and the inclusion of impurities are serious problems at high processing temperatures. From the standpoint of equipment operation, wastewater treatment in addition to high power consumption issues, the choice of materials that make up the treatment chamber and limitations on its durability, gas flow stability, chemical precursor consumption, and cost and complexity. is there.
それゆえ、B、N、C、Si、及びGe元素を含む群からなる元素を採用するセラミック薄膜の様々な組成物のための、低温度のCVD及びALD処理を発展させる必要がある。これら元素を有する薄膜は、これらに限定されないが、とりわけSiC、BN、B4C、SiCXNy、Si3N4、SixGe(1−x)、SixGe(1−x)C、GeCを含む。 Therefore, there is a need to develop low temperature CVD and ALD processes for various compositions of ceramic thin films that employ elements from the group including B, N, C, Si, and Ge elements. The thin film containing these elements is not limited to these, but SiC, BN, B 4 C, SiCXN y , Si 3 N 4 , Si x Ge (1-x) , Si x Ge (1-x) C, GeC, among others. including.
炭化物、窒化物、及び混合相のセラミック薄膜コーティングの低温堆積方法であって、その方法は、
基板の表面に薄膜を堆積するのに必要な温度に影響を及ぼす反応性前駆体の組合せを採用する堆積化学成分(deposition chemistries)を決定する工程、
処理室内に基板を載置する工程、
基板温度、処理室圧力、及び処理室温度を含む1以上の処理パラメータを調整する工程、
堆積サイクルを開始する工程、及び
薄膜コーティングが所定の厚さに達しているかどうかを判定し、所定の厚さに達するまで堆積サイクルを繰り返す工程を含み、
堆積が、原子層堆積(ALD)、ナノ層堆積(NLD)、又は化学気相成長(CVD)によるものであり、
反応性前駆体の組合せが、処理室内の堆積温度に関するギブズ自由エネルギー変化(ΔG)により決定される反応性前駆体それぞれの間の反応性に基づいて選択される。
A method for low temperature deposition of carbide, nitride, and mixed phase ceramic thin film coatings, the method comprising:
Determining deposition chemistry that employs a combination of reactive precursors that affect the temperature required to deposit a thin film on the surface of the substrate;
A step of placing the substrate in the processing chamber;
Adjusting one or more process parameters including substrate temperature, process chamber pressure, and process chamber temperature;
Starting a deposition cycle; and determining whether the thin film coating has reached a predetermined thickness and repeating the deposition cycle until the predetermined thickness is reached;
The deposition is by atomic layer deposition (ALD), nanolayer deposition (NLD), or chemical vapor deposition (CVD);
A combination of reactive precursors is selected based on the reactivity between each of the reactive precursors as determined by the Gibbs free energy change (ΔG) with respect to the deposition temperature in the process chamber.
その方法は、炭化ホウ素(B)、窒素(N)、窒化物、ケイ素(Si)の炭窒化物、炭素(C)、ゲルマニウム(Ge)、リン(P)、ヒ素(As)、酸素(O)、硫黄(S)、及びセレン(Se)の薄膜の堆積を含む。反応におけるギブズ自由エネルギーの負のより大きい値は、反応性前駆体の組合せの選択の基準となる。 The method includes boron carbide (B), nitrogen (N), nitride, silicon (Si) carbonitride, carbon (C), germanium (Ge), phosphorus (P), arsenic (As), oxygen (O ), Sulfur (S), and selenium (Se) thin film deposition. A larger negative value of Gibbs free energy in the reaction is a criterion for selecting a combination of reactive precursors.
本発明の方法は、原子層堆積(ALD)、ナノ層堆積(NLD)、及び化学気相成長(CVD)による炭化物、窒化物及び炭窒化物のような混合相のセラミック薄膜の低温堆積を提供する。堆積化学成分には、従来の薄膜堆積方法より実質的に低温での、種々の基板上における、ホウ素(B)、炭化物、窒素(N)、窒化物、ケイ素(Si)の炭窒化物、炭素(C)、ゲルマニウム(Ge)、リン(P)、ヒ素(As)、酸素(O)、硫黄(S)、及びセレン(Se)の薄膜堆積のための近年の堆積処理より実質的に低温で、薄膜処理に影響を及ぼす前駆体の組合せが採用される。本発明の方法の実施形態における堆積温度は、好ましくは600℃未満であり、他方、従来の堆積処理ではそれより高い温度で実施されている。本発明のALDと、対応するNLD及びCVD処理又は方法の実施形態は、B、C、Si、Ge、N、P、As及びO、S、並びにSeの群からなる元素を含む種々の薄膜の堆積の低温堆積を提供する。 The method of the present invention provides low temperature deposition of mixed phase ceramic thin films such as carbides, nitrides and carbonitrides by atomic layer deposition (ALD), nanolayer deposition (NLD), and chemical vapor deposition (CVD). To do. The deposition chemistries include boron (B), carbide, nitrogen (N), nitride, silicon (Si) carbonitride, carbon on various substrates at substantially lower temperatures than conventional thin film deposition methods. Substantially lower temperature than recent deposition processes for thin film deposition of (C), germanium (Ge), phosphorus (P), arsenic (As), oxygen (O), sulfur (S), and selenium (Se) A combination of precursors that affect thin film processing is employed. The deposition temperature in the method embodiments of the present invention is preferably less than 600 ° C., while conventional deposition processes are performed at higher temperatures. Embodiments of ALD and corresponding NLD and CVD processes or methods of the present invention include various thin film containing elements from the group of B, C, Si, Ge, N, P, As and O, S, and Se. Provides low temperature deposition of deposition.
本発明の堆積方法の実施形態における反応性前駆体の組合せは、堆積温度に関するギブズ自由エネルギー変化(ΔG)によって決定される、互いに対する反応性に基づいて選択される。反応におけるギブズ自由エネルギーの負のより大きい値は、好ましい反応性前駆体の組合せの選択の基準となる。 The combination of reactive precursors in the deposition method embodiments of the present invention is selected based on their reactivity to each other as determined by the Gibbs free energy change (ΔG) with respect to the deposition temperature. Larger negative values of Gibbs free energy in the reaction are the basis for selection of preferred reactive precursor combinations.
ALD及びCVD処理のため、種々の成分である反応性前駆体は、通常、1つの形態、例えば、水素化物又はハロゲン化物の何れかに分類される。他方、C及びSiに結合された水素及びハロゲンを含む化合物は、別の分類を形成する。種々の材料の薄膜堆積処理は、反応における実質的なギブズ自由エネルギー(ΔG)が負の値であるような、堆積の激しい反応に影響を及ぼす第二の成分のハロゲン化物と反応する、1つの形態のガス、例えば、1つの成分からなる水素化物に基づいて具体化される。さらに、3又は4種の要素からなる薄膜の場合、1以上の成分の水素化物は、他の所望の成分のハロゲン化物と組み合わされる。本発明のALD処理によれば、B、C、N、Si、Ge、P、O、S、及びSeを含む群からなる成分の1以上の水素化物は、第一の反応性前駆体として選択され、F、Cl、Br、又はIの1以上のハロゲン化物は、第二の反応性前駆体として選択される。例えば、三フッ化窒素(NF3)は、ホウ素前駆体としてのB2H6と組み合わせて、窒素源として採用される。他方、炭化ケイ素のALD処理の場合、ケイ素源は、Si2H6、SiH4、SiH3X、SiH2X2、及びSiHX3(式中、X=F、Cl、Br、及びI)から選択され、炭素源は、CX4、CX3H、CX2H2、及びCX3H(式中、X=F、Cl、Br、及びI)から選択される。 For ALD and CVD processes, the various components, reactive precursors, are usually classified into one form, for example, either hydride or halide. On the other hand, compounds containing hydrogen and halogen bonded to C and Si form another class. Thin film deposition processes of various materials react with a second component halide that affects the intensive reaction of the deposition such that the substantial Gibbs free energy (ΔG) in the reaction is negative. It is embodied on the form of a gas, for example a hydride consisting of one component. In addition, in the case of thin films of three or four elements, one or more component hydrides are combined with other desired component halides. According to the ALD process of the present invention, one or more hydrides of the group consisting of B, C, N, Si, Ge, P, O, S, and Se are selected as the first reactive precursor. And one or more halides of F, Cl, Br, or I are selected as the second reactive precursor. For example, nitrogen trifluoride (NF 3 ) is employed as a nitrogen source in combination with B 2 H 6 as a boron precursor. On the other hand, for ALD treatment of silicon carbide, the silicon source is from Si 2 H 6 , SiH 4 , SiH 3 X, SiH 2 X 2 , and SiHX 3 where X = F, Cl, Br, and I. Selected, the carbon source is selected from CX 4 , CX 3 H, CX 2 H 2 , and CX 3 H, where X = F, Cl, Br, and I.
さらに、ALD、NLD、及びCVD処理の変形例において、一般式CnXaZb(式中、n、a、bは整数であり、X及びZはハロゲンである)で表されるクロロ−フルオロ−炭素のような混合ハロゲン化炭素も、炭素源として等しく好適である。反応性前駆体の別のサブクラスは、一般式MnHaXb(式中、M=C及びSi、X=F、Cl、Br、I、並びにn、a、bは整数である)で表される、C及びSiの混合ハロゲン化物を含む。好ましい実施形態では、様々な薄膜処理を発展させるために採用される反応性前駆体の種々の組合せを説明する。 Further, in variations of ALD, NLD, and CVD processes, a chloro-- represented by the general formula C n X a Z b (where n, a, b are integers, and X and Z are halogens) Mixed halogenated carbons such as fluoro-carbon are equally suitable as a carbon source. Another subclass of reactive precursors is the general formula M n H a X b , where M = C and Si, X = F, Cl, Br, I, and n, a, b are integers. C and Si mixed halides represented. In the preferred embodiment, various combinations of reactive precursors employed to develop various thin film processes are described.
しかしながら、ALD薄膜処理の発展に関して、第一の反応性前駆体はハロゲン化物又は水素化物の何れかであってよく、次いで、対応する第二の反応性前駆体は、水素化物又はハロゲン化物であることが知られている。炭化物、窒化物、ケイ化物、スルフィド、セレン化物、リン化物、ヒ化物、及びそれらの混合相のような種々の材料の、対応するCVD処理については、ALD処理において使用される通りの反応物質の組合せが、所望の薄膜構造を得るために採用される。 However, for the development of ALD thin film processing, the first reactive precursor may be either halide or hydride, and then the corresponding second reactive precursor is hydride or halide. It is known. For the corresponding CVD processes of various materials such as carbides, nitrides, silicides, sulfides, selenides, phosphides, arsenides, and their mixed phases, the reactants as used in the ALD process A combination is employed to obtain the desired thin film structure.
本発明の方法の実施形態を実施するために、2種の反応性の反応物質を個々に且つ均一に注入する、本工業界において広く知られている、様々なCVD反応器が用いられる。そのようなALD/CVD反応器及びその種々の構成の1つは、米国特許第6,812,157号に記載されており、その全体を参照により本願明細書に援用したものとする。 To carry out the method embodiments of the present invention, a variety of CVD reactors, commonly known in the industry, that individually and uniformly inject the two reactive reactants are used. One such ALD / CVD reactor and one of its various configurations is described in US Pat. No. 6,812,157, which is hereby incorporated by reference in its entirety.
本発明の堆積処理を実施するために、所望の化学反応を実施するための処理の変数を変更及び制御可能な処理室が必要である。処理室では、特定の堆積処理の要求に従って、温度を調整でき、一定に保てるような加熱プラテンを供給する。所望の薄膜が堆積される基板は、予め設定された、所望の化学反応に影響を及ぼす温度に基板を加熱するために、加熱プラテンに熱的に接触して載置される。処理室は、適切な流体計測及び制御弁を通って前駆体ガス供給路と接続されるガス入口をさらに提供する。また、処理室は、堆積処理の間、処理室圧力を調整するために、下流絞り弁を通って真空ポンプにも接続される。処理室圧力は、入ってくる気体のパルス流に合わせて下流絞り弁を常に調整することにより一定に保つことができ、又は絞り弁の位置を固定して、気体のパルス流により動的に変化させることもできる。 In order to perform the deposition process of the present invention, a process chamber is needed that can change and control process variables for performing the desired chemical reaction. In the processing chamber, a heated platen is supplied that can be adjusted and kept constant according to the requirements of the particular deposition process. The substrate on which the desired thin film is deposited is placed in thermal contact with the heating platen to heat the substrate to a preset temperature that affects the desired chemical reaction. The processing chamber further provides a gas inlet that is connected to the precursor gas supply through appropriate fluid metering and control valves. The processing chamber is also connected to a vacuum pump through a downstream throttle valve to adjust the processing chamber pressure during the deposition process. The processing chamber pressure can be kept constant by always adjusting the downstream throttle valve according to the incoming gas pulse flow, or can be dynamically changed by the gas pulse flow with the throttle valve position fixed. It can also be made.
本発明において記載される薄膜堆積処理は、実際、原子層堆積(ALD)と化学気相成長(CVD)とに主として分けられる。典型的なALD処理において、所望の膜厚を形成するために繰り返されるALDサイクルを含むため、前駆体は、連続してバックグラウンドで流れるパージガス、又は2種のパージガスのパルス流により分散される反応性前駆体の何れかと共に、処理室内に順次流入される。ALD処理の原理及びその実施は、米国特許第4,058,430号に記載されている通りである。化学気相成長(CVD)処理の場合において、パージガス(主に、希釈ガス又はバラストガスとして用いられる)を伴う、全ての反応性前駆体ガスは、同時に、加熱された基板上を一定速度で通過する。この場合、処理室圧力及び/又は基板温度は、必要に応じて調整されてもよい。 The thin film deposition process described in the present invention is in fact mainly divided into atomic layer deposition (ALD) and chemical vapor deposition (CVD). Since a typical ALD process includes repeated ALD cycles to form the desired film thickness, the precursor is a reaction that is dispersed by a purge gas that flows continuously in the background, or a pulsed stream of two purge gases. Along with any of the sex precursors, it is sequentially introduced into the processing chamber. The principle of ALD processing and its implementation are as described in US Pat. No. 4,058,430. In the case of a chemical vapor deposition (CVD) process, all reactive precursor gases, with a purge gas (primarily used as a dilution gas or ballast gas), simultaneously pass over the heated substrate at a constant rate. To do. In this case, the processing chamber pressure and / or the substrate temperature may be adjusted as necessary.
ナノ層堆積(NLD)と呼ばれる薄膜堆積の中間形態について、最近では、一方又は双方のパージガスのパルス流がその処理の連続した方式から省略されることが一般的に行われている。NLD処理において、反応性ガスは、通常パルス流か、あるいは連続して流される。結果として、反応性前駆体分子は、基体にある物質と化学結合を形成する。しかしながら、過剰の反応性前駆体分子は、基板表面の付近から払拭されず、結果として、単一層より大きい膜が、1対のガスのパルス流において形成される。NLD処理も本発明の範囲内にあり、即ち、膜の堆積化学成分(deposition chemistry)は、本願明細書に開示される反応性前駆体の適切な選択及び組合せに基づくということを理解されたい。 With respect to an intermediate form of thin film deposition called nanolayer deposition (NLD), it has recently become common practice to omit one or both pulsed purge gas pulses from the continuous mode of processing. In the NLD process, the reactive gas is usually flowed in a pulsed manner or continuously. As a result, the reactive precursor molecule forms a chemical bond with the substance on the substrate. However, excess reactive precursor molecules are not wiped from near the substrate surface, and as a result, a film larger than a single layer is formed in a pulsed flow of a pair of gases. It should be understood that NLD processing is also within the scope of the present invention, that is, the deposition chemistry of the film is based on the appropriate selection and combination of reactive precursors disclosed herein.
さらに、本願明細書に記載される処理(ALD、CVD、又はNLD)は、大気圧(760Torr)や、数ミリTorr(mT)程度の低さの処理室圧力でも効果的に実施できる。また、処理温度は、反応性前駆体の組合せ、基板の型等のような種々の要因に大きく依存するように、ALD又はCVD処理から他の処理で変わり得る。それゆえ、適用可能な処理温度状況は、室温から1,000℃まで及ぶかなりの広さであることに留意する必要がある。 Furthermore, the processing (ALD, CVD, or NLD) described in the present specification can be effectively performed even at atmospheric pressure (760 Torr) or a processing chamber pressure as low as several milliTorr (mT). Also, the processing temperature can vary from ALD or CVD processing to other processing to be highly dependent on various factors such as the combination of reactive precursors, substrate type, and the like. Therefore, it should be noted that the applicable processing temperature conditions are quite wide ranging from room temperature to 1,000 ° C.
ALD処理では、効果的な実施のために、互いに対して高い反応性を有する前駆体の選択が好ましい。しかしながら、基板表面を、適切な処理室設計により、望ましくない予備反応及び微粒子形成から防ぐことに至るまで、双方の前駆体流を効果的に分離し、均一に分配することに十分な配慮がなされるならば、同じ反応性前駆体の組合せが、反応性前駆体の同じ組み合わせで対応するCVD処理を進めるために、採用されることに留意する必要がある。基板表面と反応性前駆体との相互作用は、ALD処理において極めて重要である。それゆえ、その幾何学的、大きさ、及び周囲の反応性基の立体特異性の観点における反応性前駆体分子の性質は、良好な膜の被覆、高い膜の密度、及び全体の膜の質を備える効率的なALD処理を実現するためのかなり重要な尺度である。 In ALD processing, the selection of precursors that are highly reactive with each other is preferred for effective implementation. However, due consideration is given to the effective separation and uniform distribution of both precursor streams until the substrate surface is prevented from unwanted pre-reaction and particulate formation by appropriate process chamber design. If so, it should be noted that the same combination of reactive precursors is employed to proceed the corresponding CVD process with the same combination of reactive precursors. The interaction between the substrate surface and the reactive precursor is extremely important in ALD processing. Therefore, the nature of the reactive precursor molecule in terms of its geometry, size, and the stereospecificity of the surrounding reactive groups is attributed to good film coverage, high film density, and overall film quality. Is a fairly important measure for realizing an efficient ALD process comprising
典型的には、ALD処理は、気相中の基板上で、処理室内に送られた化学前駆体分子が、予め吸着された表面種(surface species)(周辺環境において)と反応するような高い表面感度(surface sensitive)である。これらの表面種は、典型的には水分(H2O)、並びにCO、及びCO2、及びN2ガスである。しかしながら、周辺環境に存在するこれらの4種のガス種のうち、H2O分子が、表面原子(金属又は非金属)と反応する強い傾向を示し、従って、図1Aに示す通り、OH基で終端された表面が容易に存在することが注目される。従って、適切な気体プラズマ、高温、若しくは高真空、又はこれらの組合せにより表面を処置することによって、この表面性能、従って、その反応性を変化させることができる。 Typically, ALD processing is so high that on a substrate in the gas phase, chemical precursor molecules sent into the processing chamber react with pre-adsorbed surface species (in the surrounding environment). It is surface sensitivity (surface sensitive). These surface species are typically moisture (H 2 O), and CO and CO 2 and N 2 gases. However, among these four gas species present in the surrounding environment, H 2 O molecules show a strong tendency to react with surface atoms (metal or non-metal), and therefore, as shown in FIG. It is noted that the terminated surface is easily present. Thus, by treating the surface with a suitable gas plasma, high temperature or high vacuum, or a combination thereof, this surface performance and thus its reactivity can be changed.
従って、流入する気体の前駆体分子、例えば、表面の−OH基に対して高い反応性を有するTiCl4は、表面でCl原子との置換による化学吸着をして、表面のO種と−TiCl3との化学結合を形成する。化学吸着処理の間、HCl分子は、図1Bに示される通り放出される。次の工程において、気相中に流入するH2O分子は、−TiCl3基のCl基に化学吸着して、図1Cに示される通り、Ti−O結合が形成される。この段階において、表面は、気体前駆体の次のパルス流を受容する−OH基で終端する。気体のパルス流の順序は、上記の通り、TiCl4及びH2Oのパルス流の双方が流れるパージガスのパルス流を説明していない。パージガスのパルス流の主な目的は、基板に物理吸着、又は緩く付着される過剰のTiCl4及び/又はH2O分子を払拭することである。前述の議論から、効率的なALD処理にとって、互いに強い反応性を示す化学前駆体を選択することが不可欠であることは十分に明らかである。ALD処理に基づく、流動に依存しない化学吸着は、処理室の設計及び処理室内の動作をかなり単純化するため、有利である。しかしながら、最初の反応性化学前駆体分子を受容し(留め)、ALDサイクルを開始して所望の製品を得るための基板表面の化学特性に、かなりの重点と重要性とが置かれている。 Therefore, inflowing gas precursor molecules, for example, TiCl 4 having high reactivity with the surface —OH group, chemisorbs by substitution with Cl atoms on the surface, and the surface O species and —TiCl 4 A chemical bond with 3 is formed. During the chemisorption process, HCl molecules are released as shown in FIG. 1B. In the next step, H 2 O molecules flowing into the gas phase are chemisorbed to Cl groups of —TiCl 3 groups to form Ti—O bonds as shown in FIG. 1C. At this stage, the surface terminates with —OH groups that accept the next pulse stream of the gas precursor. The order of the gas pulse flow does not describe the purge gas pulse flow in which both the TiCl 4 and H 2 O pulse flows flow as described above. The main purpose of the purge gas pulse flow is to wipe off excess TiCl 4 and / or H 2 O molecules that are physisorbed or loosely attached to the substrate. From the foregoing discussion, it is sufficiently clear that for efficient ALD processing, it is essential to select chemical precursors that are highly reactive with each other. Flow-independent chemisorption based on ALD processes is advantageous because it greatly simplifies process chamber design and process chamber operation. However, considerable emphasis and importance are placed on the chemical properties of the substrate surface to accept (retain) the first reactive chemical precursor molecule and initiate the ALD cycle to obtain the desired product.
図1A〜1Cの処理順序は、図2Aに示されるように、4種の別個のパルス流(第一の反応性ガス、パージガス、第二の反応性ガス、及び最後のパージガス)による1つのALDサイクルを説明し、それが、薄膜を所望の厚さに形成するまで繰り返される。あるいは、パージガス流は、処理室内で一定に維持され、反応性ガスのパルス流は、ALDサイクルにおける図2Bに示される通りの時間において分散され、次いで、それが所望の膜厚に形成されるまで繰り返される。従って、ALD処理において基板上を反応性前駆体のパルス流が流れる間、表面種との結合の形成は、互いに強い反応性を示す化学前駆体を必要とする。しかしながら、化学気相成長(CVD)処理については、パージガス(主に、希釈ガス又はバラストガスとして用いられる)を伴う全ての前駆体ガスは、同時に、加熱された基板上に一定の速度で通過させる。その際、処理室圧力及び/又は基板温度は調整されてもよい。典型的なCVD処理における、時間による(一定の温度及び圧力で)反応性前駆体及び不活性ガス/パージガス流の順序の変動は、図2Cに示される通りである。 The processing sequence of FIGS. 1A-1C is one ALD with four separate pulse streams (first reactive gas, purge gas, second reactive gas, and last purge gas), as shown in FIG. 2A. The cycle is described and repeated until the thin film is formed to the desired thickness. Alternatively, the purge gas flow is kept constant in the process chamber, and the reactive gas pulse flow is dispersed at the time as shown in FIG. 2B in the ALD cycle and then until it is formed to the desired film thickness. Repeated. Thus, the formation of bonds with surface species requires chemical precursors that are highly reactive with each other while a pulsed flow of reactive precursors flows over the substrate in an ALD process. However, for chemical vapor deposition (CVD) processing, all precursor gases with a purge gas (primarily used as a dilution or ballast gas) are simultaneously passed at a constant rate over the heated substrate. . At that time, the processing chamber pressure and / or the substrate temperature may be adjusted. The variation of the reactive precursor and inert gas / purge gas flow sequence over time (at a constant temperature and pressure) in a typical CVD process is as shown in FIG. 2C.
図3は、4種の別個のパルス流を用いる典型的なALD処理の順序(10)の論理上の流れ図を説明する。その処理は、処理室内に基板を載置する工程(12)と、基板温度、処理室圧力等を含む処理パラメータを調整する工程(14)とで始まる。その後、ALDサイクルは、処理室内に、第一の反応性前駆体ガスのパルス流を導入する工程(16)を開始し、次いで、パージガスのパルス流を導入する工程(18)、第二の反応性前駆体ガスのパルス流を導入する工程(20)、次いでパージガスのパルス流を導入する工程(22)を行う。次いで、基板上の堆積したコーティングが、所定の膜厚に達しているかどうかを判定する(24)。コーティングが所定の厚さに達していれば、処理は終了する(26)。しかしながら、基板上のコーティングが所定の厚さに達していなければ、順序(16)〜(22)におけるガスのパルス流のALDサイクルは、所定の膜厚に達するまで繰り返される。 FIG. 3 illustrates a logical flow diagram of a typical ALD process sequence (10) using four distinct pulse streams. The processing starts with a step (12) of placing the substrate in the processing chamber and a step (14) of adjusting processing parameters including the substrate temperature, the processing chamber pressure, and the like. Thereafter, the ALD cycle starts the step (16) of introducing a pulse flow of the first reactive precursor gas into the processing chamber, and then the step of introducing the pulse flow of the purge gas (18), the second reaction The step (20) of introducing a pulse flow of the oxidative precursor gas, and then the step (22) of introducing a pulse flow of the purge gas are performed. It is then determined whether the deposited coating on the substrate has reached a predetermined thickness (24). If the coating has reached a predetermined thickness, the process ends (26). However, if the coating on the substrate has not reached the predetermined thickness, the ALD cycle of the pulsed flow of gas in sequence (16)-(22) is repeated until the predetermined thickness is reached.
図4は、典型的なCVD処理(30)の理論上の流れ図を説明する。その処理は、処理室内に基板を載置する工程(32)と、基板温度、処理室圧力等を含む処理パラメータを調整する工程(44)とで始まる。その後、CVDサイクルは、処理室内に不活性ガスを導入する工程(36)を開始した後、処理室内に、第一の反応性前駆体ガス流を導入する工程(38)、その後、第一の前駆体ガス流を維持しながら第二の前駆体ガス流を導入する工程(40)を開始する。次いで、基板上の堆積したコーティングが、所定の膜厚に達しているかどうかを判定する(42)。コーティングが所定の厚さに達していれば、処理は終了する(44)。しかしながら、基板上のコーティングの厚さが所定の厚さに達していなければ、順序(36)〜(40)におけるガスのパルス流のCVDサイクルは、所定の厚さに達するまで繰り返される。 FIG. 4 illustrates a theoretical flow diagram of a typical CVD process (30). The processing starts with a step (32) of placing the substrate in the processing chamber and a step (44) of adjusting processing parameters including the substrate temperature, the processing chamber pressure, and the like. Thereafter, the CVD cycle starts the step (36) of introducing the inert gas into the processing chamber, then introduces the first reactive precursor gas flow (38) into the processing chamber, and then the first The step (40) of introducing the second precursor gas flow is started while maintaining the precursor gas flow. It is then determined whether the deposited coating on the substrate has reached a predetermined thickness (42). If the coating has reached a predetermined thickness, the process ends (44). However, if the thickness of the coating on the substrate has not reached the predetermined thickness, the CVD cycle of the pulsed flow of gas in sequence (36)-(40) is repeated until the predetermined thickness is reached.
本発明の堆積処理の実施形態において、B、C、Si、Ge、N、P、As、S、及びSeを含む成分のハロゲン化物は、ALD、NLD、及びCVD処理を採用することにより所望の薄膜を得るための、第一の反応性前駆体の群として選択される。ALD、NLD、及びCVD処理のための第二の反応性前駆体は、B、C、Si、Ge、N、P、As、O、S、及びSeを含む成分の水素化物から選択される。例えば、これらの成分の代表的な化合物は、これらに限定されないが、B2H6、CH4、SiH4、Si2H6、NH3、N2H4、PH3、AsH3、H2O、H2S、及びH2Seを含む群から選択される。また、C及びSiを含む反応性前駆体の別のサブクラスは、一般式CnX’aX”b(式中、X=F、Cl、Br、及びI、並びにn、a、bはそれぞれ整数である)で表されるような混合ハロゲン化物が含まれる。さらに、反応性前駆体の別のサブクラスは、一般式MnHaXb(式中、M=C及びSi、X=F、Cl、Br、I、並びにn、a、bは整数である)で表されるC及びSiの混合ハロゲン化物の化合物を含む。好ましい実施形態は、様々な薄膜処理を達成するために採用される反応性前駆体の種々の組合せを説明する。 In embodiments of the deposition process of the present invention, component halides including B, C, Si, Ge, N, P, As, S, and Se can be obtained by employing ALD, NLD, and CVD processes. Selected as the first group of reactive precursors to obtain a thin film. The second reactive precursor for ALD, NLD, and CVD processes is selected from component hydrides including B, C, Si, Ge, N, P, As, O, S, and Se. For example, representative compounds of these components include, but are not limited to, B 2 H 6 , CH 4 , SiH 4 , Si 2 H 6 , NH 3 , N 2 H 4 , PH 3 , AsH 3 , H 2 Selected from the group comprising O, H 2 S, and H 2 Se. In addition, another subclass of reactive precursors containing C and Si are represented by the general formula C n X ′ a X ″ b , where X = F, Cl, Br, and I, and n, a, b are each Further subclasses of reactive precursors are represented by the general formula M n H a X b , where M = C and Si, X = F , Cl, Br, I, and n, a, and b are integers). The preferred embodiments are employed to achieve various thin film processes. Various combinations of reactive precursors are described.
本発明の実施形態は、後述する実施例及び関連図面によりさらに説明される。 Embodiments of the present invention are further illustrated by the following examples and associated drawings.
[実施例1]
(ALD、NLD、及びCVD処理による炭化ケイ素(SiC)膜の堆積)
背景技術で説明した通り、SiCは、様々な用途を有する重要な工業上のセラミックである。しかしながら、SiCについて一般的に行われている薄膜堆積処理は、1000℃を超過する温度で実施する。それゆえ、低温ALD、及びCVDのSiC薄膜処理も、かなり望ましい。図5Aを参照すると、基板の表面は、Cl原子に対して高い受容性及び反応性を有する−OH基で終端されている。次いで、図5Bにおいて、気相に放出される生成物としてHClの形成を伴う、基板表面で終端処理された−OHに対する、四塩化炭素(CCl4)分子の化学吸着が完了される。CCl4化学吸着段階の最後で、基板は、M−O−CCl3(M:図5A、B、C、及びDにおいて四角で表される基板の表面原子)結合の形成により、Cl基で終端される。次いで、パージガスのパルス流(図示しない)は、基板の近くの過剰のCCl4分子を払拭する処理のために導入される。その後、シラン(SiH4)ガスのパルス流が、処理室内に導入される。図5Cに示される通り、シランガス分子は、化学吸着された−O−CCl3基と、その処理条件下で盛んに反応し、HCl分子の脱離と共にSi−C結合を形成する。パージガスのパルス流は、過剰のSiH4分子(図示しない)を除去するために採用される。表面はH原子で終端され、従って、図5Dに示される通り、次に流入するCCl4のパルス流を受容する。SiC堆積の全体の反応は以下の通りである。
CCl4+SiH4→SiC+4HCl 式(1)
[Example 1]
(Deposition of silicon carbide (SiC) films by ALD, NLD, and CVD processes)
As explained in the background art, SiC is an important industrial ceramic with various applications. However, the thin film deposition process commonly performed for SiC is performed at temperatures exceeding 1000 ° C. Therefore, low temperature ALD and CVD SiC thin film processing are also highly desirable. Referring to FIG. 5A, the surface of the substrate is terminated with —OH groups that are highly receptive and reactive to Cl atoms. Then, in FIG. 5B, the chemisorption of carbon tetrachloride (CCl 4 ) molecules on —OH terminated at the substrate surface with the formation of HCl as the product released into the gas phase is completed. At the end of the CCl 4 chemisorption stage, the substrate is terminated with a Cl group by the formation of M-O-CCl 3 (M: substrate surface atoms represented by squares in FIGS. 5A, B, C, and D) bonds. Is done. A pulse stream of purge gas (not shown) is then introduced for the process of wiping away excess CCl 4 molecules near the substrate. Thereafter, a pulse flow of silane (SiH 4 ) gas is introduced into the processing chamber. As shown in FIG. 5C, silane gas molecules react vigorously with the chemisorbed —O—CCl 3 group under the treatment conditions, and form Si—C bonds with the elimination of HCl molecules. A purge gas pulse flow is employed to remove excess SiH 4 molecules (not shown). The surface is terminated with H atoms and therefore accepts the next incoming pulsed flow of CCl 4 as shown in FIG. 5D. The overall reaction of SiC deposition is as follows.
CCl 4 + SiH 4 → SiC + 4HCl Formula (1)
図6Aは、式(1)に示される通りの反応のための温度に対するギブズ自由エネルギーの変化(ΔG)、及び従来のSiCのCVD処理との比較を説明する。処理温度(室温でも)に関して、図6AにおけるΔGの高い負の値は、式(1)に記載される通りの低温SiC堆積処理(ALD又はCVD)の実行可能性が、潜在的にかなり高いことを示している。 FIG. 6A illustrates the change in Gibbs free energy with respect to temperature (ΔG) for the reaction as shown in equation (1) and a comparison with a conventional SiC CVD process. With respect to process temperature (even at room temperature), the high negative value of ΔG in FIG. 6A indicates that the feasibility of a low temperature SiC deposition process (ALD or CVD) as described in equation (1) is potentially quite high. Is shown.
SiCのALD処理は、上記の通り、数mTから760Torr(1気圧)を超える範囲に及ぶ、広い範囲の処理室圧力値にわたって実施することができるように、処理室圧力によって制限されないことが理解される。さらに、SiCのALD処理は、例えば、室温から1000℃までの広い温度範囲にわたって実施することもできる。さらに、式(1)に記載される通りの堆積化学は、対応するCVD及びNLD処理に等しく適用できる。 It is understood that the ALD process for SiC is not limited by process chamber pressure so that it can be performed over a wide range of process chamber pressure values, ranging from a few mT to over 760 Torr (1 atm) as described above. The Furthermore, the ALD treatment of SiC can be performed over a wide temperature range from room temperature to 1000 ° C., for example. Furthermore, the deposition chemistry as described in equation (1) is equally applicable to the corresponding CVD and NLD processes.
[実施例2]
工業価値のある別の薄膜は窒化ホウ素(BN)である。BNの薄膜は、現在、700〜1000℃及びそれを超える範囲に及ぶ高温で、BCl3及びアンモニア(NH3)を採用して堆積がなされる。図6Bは、以下の化学反応のための温度に対するギブズ自由エネルギーの変化(ΔG)を示す。
B2H6+2NF3→2BN+6HF 式(2)
[Example 2]
Another thin film with industrial value is boron nitride (BN). BN thin films are currently deposited using BCl 3 and ammonia (NH 3 ) at high temperatures ranging from 700 to 1000 ° C. and beyond. FIG. 6B shows the change in Gibbs free energy (ΔG) versus temperature for the following chemical reaction.
B 2 H 6 + 2NF 3 → 2BN + 6HF Formula (2)
従来のBN処理(ALD又はCVD)と比較して、式(2)における反応の温度に対するΔGのかなり高い値は、低温BN薄層堆積処理を開発するための高い値を示す。そのBN堆積処理は、数mTから760Torrに及ぶ範囲の圧力、及び20℃〜1000℃の温度範囲で実施できる。 Compared to conventional BN processes (ALD or CVD), the fairly high value of ΔG for the temperature of the reaction in equation (2) indicates a high value for developing a low temperature BN thin layer deposition process. The BN deposition process can be performed at a pressure ranging from a few mT to 760 Torr and a temperature range of 20 ° C to 1000 ° C.
[実施例3]
(C3N4薄膜の堆積)
薄膜材料としてC3N4の堆積処理及び種々の適用は、まだ、完全に探求されていない。それは、超硬化材料の1つとして公知であることが予想される。ALD、NLD、又はCVD処理によるC3N4膜の形成は、20℃〜1000℃の温度範囲、及び数mTから760Torrまでの範囲に及ぶ圧力において、炭素源としてハロゲン化炭素(例えばCF4、CF2Cl2、又はCCl4)、及び窒素源としてNH3により実施される。全体の堆積の化学反応(C源としてCCl4を用いる)は以下の通りである。
3CF4+4NH3→C3N4+12HF 式(3)
[Example 3]
(Deposition of C 3 N 4 thin film)
The deposition process and various applications of C 3 N 4 as a thin film material have not yet been fully explored. It is expected to be known as one of the supercured materials. Formation of a C 3 N 4 film by ALD, NLD, or CVD treatment can be performed using a halogenated carbon (for example, CF 4 , CF 4 , CF 2 Cl 2 or CCl 4 ) and NH 3 as the nitrogen source. The overall deposition chemistry (using CCl 4 as the C source) is as follows.
3CF 4 + 4NH 3 → C 3 N 4 + 12HF Formula (3)
[実施例4]
(Si3N4膜の堆積)
窒化ケイ素は、優れた光学特性を備える、耐腐食及び耐磨耗材料とあって、重要な工業上のセラミックである。窒化ケイ素は、ボールベアリングコーティング、及び電気絶縁体、反射防止コーティング等において利用される。Si3N4の薄膜の形成は、ケイ素源としてシラン(SiH4)、及び窒素源としてNF3を採用することにより、ALD、NLD、又はCVD処理において実施される。Si3N4堆積の全体の化学反応は以下の通りである。
3SiH4+4NF3→Si3N4+12HF 式(4)
[Example 4]
(Deposition of Si 3 N 4 film)
Silicon nitride is an important industrial ceramic with anti-corrosion and wear-resistant materials with excellent optical properties. Silicon nitride is utilized in ball bearing coatings, electrical insulators, antireflection coatings, and the like. Formation of a thin film of Si 3 N 4 is performed in an ALD, NLD, or CVD process by employing silane (SiH 4 ) as the silicon source and NF 3 as the nitrogen source. The overall chemical reaction of Si 3 N 4 deposition is as follows.
3SiH 4 + 4NF 3 → Si 3 N 4 + 12HF Formula (4)
[実施例5]
(SiXGe(1_X)膜の堆積)
SiXGe(1_X)の薄膜を、Siの水素化物源及びGeのハロゲン化物源を採用することによるALD、NLD、又はCVD方法によって堆積できる。第一の反応性ガスのパルス流は、a:bの固定比においてSiCl4及びGeCl4の混合物を含み、Cl基で終端されたSi及びGe原子を含む第1の単層を形成する。第二の反応性ガスのパルス流は、a:bの比においてGeH4及びSiH4の混合物を含み、固定値xが得られる。SiXGe(1_X)堆積処理の全体の反応は以下の通り記載される(式のバランスをとることなく)。
(SiCl4+GeCl4)+(SiH4+GeH4)
→SiXGe(1_X)+HCl 式(5)
[Example 5]
(Deposition of SiXGe (1_X) film)
A thin film of SiXGe (1_X) can be deposited by ALD, NLD, or CVD methods by employing a Si hydride source and a Ge halide source. The pulsed flow of the first reactive gas comprises a mixture of SiCl 4 and GeCl 4 at a fixed ratio of a: b, forming a first monolayer comprising Si and Ge atoms terminated with Cl groups. The pulsed flow of the second reactive gas contains a mixture of GeH 4 and SiH 4 in the ratio a: b and a fixed value x is obtained. The overall reaction of the SiXGe (1_X) deposition process is described as follows (without balancing the equations):
(SiCl 4 + GeCl 4 ) + (SiH 4 + GeH 4 )
→ SiXGe (1_X) + HCl Formula (5)
括弧内は、パルス流の群を表す。Si:Ge比を調節するための代わりの方法は、第二の反応性前駆体として過度に、シラン又はゲルマンガスの何れかを採用することによってである。ALD処理反応は以下の通りである。
(SiCl4+GeCl4)+(SiH4)→SiXGe(1_X)+HCl 式(6)
The parentheses represent a group of pulse flows. An alternative method for adjusting the Si: Ge ratio is by employing either silane or germane gas as the second reactive precursor. The ALD treatment reaction is as follows.
(SiCl 4 + GeCl 4 ) + (SiH 4 ) → SiXGe (1_X) + HCl Formula (6)
式(6)に記載される処理は、ケイ素リッチ(Xがより大きい値)相に導く。他方、第二の反応性前駆体としてのGeH4の採用は、式(7)に記載される通り、Geリッチ相に導く。
(SiCl4+GeCl4)+(GeH4)→SiXGe(1_X)+HCl 式(7)
The treatment described in equation (6) leads to a silicon rich (X is greater value) phase. On the other hand, the adoption of GeH 4 as the second reactive precursor leads to a Ge-rich phase as described in equation (7).
(SiCl 4 + GeCl 4 ) + (GeH 4 ) → SiXGe (1_X) + HCl Formula (7)
さらに、膜SiXGe(1_X)(Xの値)におけるSi:Geの比を基板温度及びパルス幅等の処理条件を変えることにより変えることができる。 Furthermore, the Si: Ge ratio in the film SiXGe (1_X) (X value) can be changed by changing processing conditions such as the substrate temperature and pulse width.
[実施例6]
ALD、NLD、又はCVD処理における、SiCXNyのような種々の材料の3要素からなる堆積は、第一の反応性ガスのパルス流としてSiH4を、第二の反応性ガスのパルス流におけるCCl4(あるいはCF4が等しく効果がある)及びNF3混合物と組み合わせて採用することにより実施される。
(SiH4)+(CCl4+NF3)→SiCXNy+HCl 式(8)
[Example 6]
A three-element deposition of various materials such as SiCXN y in an ALD, NLD, or CVD process produces SiH 4 as the first reactive gas pulse flow and CCl in the second reactive gas pulse flow. 4 (or CF 4 is equally effective) and in combination with an NF 3 mixture.
(SiH 4 ) + (CCl 4 + NF 3 ) → SiCXN y + HCl Formula (8)
実施例7
4要素からなる薄膜は、第一のパルス流における水素化物の混合物、及び第二のパルス流におけるハロゲン化物の混合物を採用することにより、ALD、NLD、又はCVD処理において堆積することができる。例えば、SiCXByNZの薄膜は、式(9)に表される全体の化学反応で、シラン(SiH4)及びジボラン(B2H6)を含む第一の反応性前駆体ガス混合物、及び四塩化炭素(CCl4)及び三フッ化窒素(NF3)を含む第二の反応性前駆体ガス混合物を用いることにより堆積することができる。
(SiH4+B2H6)+(CCl4+NF3)→SiCXByNZ+HCl+HF 式(9)
Example 7
A four-element thin film can be deposited in an ALD, NLD, or CVD process by employing a mixture of hydrides in the first pulse stream and a mixture of halides in the second pulse stream. For example, a thin film of SiCXB y NZ has a first reactive precursor gas mixture comprising silane (SiH 4 ) and diborane (B 2 H 6 ) in the overall chemical reaction represented by formula (9), and four It can be deposited by using a second reactive precursor gas mixture comprising carbon chloride (CCl 4 ) and nitrogen trifluoride (NF 3 ).
(SiH 4 + B 2 H 6 ) + (CCl 4 + NF 3 ) → SiCXB y NZ + HCl + HF Formula (9)
[実施例8]
(炭素薄膜)
炭素を含む薄膜のALD、NLD、又はCVD処理は、種々の反応性前駆体の組合せを採用することにより実施される。主要な反応性前駆体の組合せは、式(10)に示される一般式(CH2X2、X=F、Cl、Br、及びI)で表されるジ−クロロ−ハロゲンのパルス流である。
CH2X2+CH2X2→C+2HX 式(10)
[Example 8]
(Carbon thin film)
ALD, NLD, or CVD processing of thin films containing carbon is performed by employing a combination of various reactive precursors. The main reactive precursor combination is a di-chloro-halogen pulse stream represented by the general formula (CH 2 X 2 , X═F, Cl, Br, and I) shown in Formula (10). .
CH 2 X 2 + CH 2 X 2 → C + 2HX Formula (10)
あるいは、第一の反応性前駆体としてCX4(式中、X=F、Cl、Br、及びI)、及び第二の反応性前駆体としてCH4は、式(11)に示される全体の化学反応で、炭素薄膜を堆積するのに等しく好適である。
CX4+CH4→C+4HX 式(11)
Alternatively, CX 4 (where X = F, Cl, Br, and I) as the first reactive precursor and CH 4 as the second reactive precursor are It is equally suitable for depositing carbon thin films by chemical reaction.
CX 4 + CH 4 → C + 4HX Formula (11)
[実施例9]
(炭素の単一層を形成するためのヒドロ-シラン及びボランを用いるハロゲン化炭素の減少)
シラン(SiH4)及びジシラン(Si2H6)は、以下の反応によって、200〜400℃の温度範囲における、タングステンのような金属の堆積のために、ALD処理における還元剤として使用されることが知られている。
WF6+SiH4→W+SiF4+2HF+H2 式(12)
WF6+Si2H6→W+2SiHF3+2H2 式(13)
参照文献:
(a)J.W.Elam,C.E.Nelson,R.K.Grubbs and S.M.George:Thin Solid Films,volume 386,pp.41(2001)
(b)Journal of Vacuum Science & Technology(B),Volume 22,No.4,pp.181 1−1821 July 2004
[Example 9]
(Reduction of halogenated carbon using hydro-silane and borane to form a single layer of carbon)
Silane (SiH 4 ) and disilane (Si 2 H 6 ) are used as reducing agents in ALD processes for the deposition of metals such as tungsten in the temperature range of 200-400 ° C. by the following reactions: It has been known.
WF 6 + SiH 4 → W + SiF 4 + 2HF + H 2 formula (12)
WF 6 + Si 2 H 6 → W + 2 SiHF 3 + 2H 2 formula (13)
References:
(A) J.A. W. Elam, C.I. E. Nelson, R.A. K. Grubbs and S.M. M.M. George: Thin Solid Films, volume 386, pp. 41 (2001)
(B) Journal of Vacuum Science & Technology (B),
従って、CCl4を低減させて、200〜800℃の温度範囲において、種々の形態、例えば、非晶質及び/又はグラフェンにおける炭素の薄膜を堆積する。その全体の反応は、以下の通りまとめることができる。
CCl4+SiH4→C+SiCl4+2H2 式(14)
CCl4+SiH4→C+SiH2Cl2+2HCl 式(15)
CCl4+Si2H6→C+Si2H2Cl4+3H2 式(16)
Therefore, CCl 4 is reduced to deposit thin films of carbon in various forms, such as amorphous and / or graphene, in the temperature range of 200-800 ° C. The overall reaction can be summarized as follows.
CCl 4 + SiH 4 → C + SiCl 4 + 2H 2 formula (14)
CCl 4 + SiH 4 → C + SiH 2 Cl 2 + 2HCl Formula (15)
CCl 4 + Si 2 H 6 → C + Si 2 H 2 Cl 4 + 3H 2 formula (16)
炭素又はグラフェン膜の堆積反応全体も、ジシランの代わりに還元剤としてジボラン(B2H6)を用いることにより促進できる。 The entire deposition reaction of carbon or graphene films can also be accelerated by using diborane (B 2 H 6 ) as a reducing agent instead of disilane.
前述の説明は、本発明の特定の実施形態を説明しているが、それらの実施に制限することを意味しない。特許請求の範囲に記載の請求項は、それらの全ての等価物を含み、本発明の範囲を定義することを意図する。 The foregoing description describes specific embodiments of the present invention but is not meant to be limited to those implementations. The claims that follow are intended to define the scope of the invention, including all equivalents thereof.
Claims (14)
基板の表面に前記薄膜を堆積するのに必要な温度に影響を及ぼす反応性前駆体の組合せを採用する堆積化学成分を決定する工程、
処理室内に前記基板を載置する工程、
基板温度、処理室圧力、及び処理室温度を含む1以上の処理パラメータを調整する工程、
堆積サイクルを開始する工程、及び
前記薄膜コーティングが所定の厚さに達しているかどうかを判定し、前記所定の厚さに達するまで前記堆積サイクルを繰り返す工程を含み、
前記堆積が、原子層堆積(ALD)、ナノ層堆積(NLD)、又は化学気相成長(CVD)によるものであり、
前記反応性前駆体の組合せが、前記処理室内の堆積温度に関するギブズ自由エネルギー変化(ΔG)により決定される前記反応性前駆体それぞれの間の反応性に基づいて選択される方法。 A method for low temperature deposition of carbide, nitride, and mixed phase ceramic thin film coatings, comprising:
Determining a deposition chemistry that employs a combination of reactive precursors that affect the temperature required to deposit the thin film on the surface of the substrate;
Placing the substrate in a processing chamber;
Adjusting one or more process parameters including substrate temperature, process chamber pressure, and process chamber temperature;
Starting a deposition cycle; and determining whether the thin film coating has reached a predetermined thickness and repeating the deposition cycle until the predetermined thickness is reached;
The deposition is by atomic layer deposition (ALD), nanolayer deposition (NLD), or chemical vapor deposition (CVD);
The method wherein the combination of reactive precursors is selected based on the reactivity between each of the reactive precursors determined by a Gibbs free energy change (ΔG) with respect to the deposition temperature in the process chamber.
前記第二の成分が、F、Cl、Br、又はIを含むハロゲン化物の群から選択される、請求項5に記載の方法。 The first component is selected from the group of hydrides comprising B, C, N, Si, Ge, P, O, As, S, and Se;
6. The method of claim 5, wherein the second component is selected from the group of halides comprising F, Cl, Br, or I.
炭素源が、CX4、CX3H、CX2H2、及びCX3H(式中、Xが、それぞれ独立にF、Cl、Br、又はIである)から選択される、請求項6に記載の方法。 The ALD treatment is selected from Si 2 H 6 , SiH 4 , SiH 3 X, SiH 2 X 2 , and SiHX 3 (wherein X is independently F, Cl, Br, or I). Silicon chloride based on treatment with a silicon source,
Carbon source, CX 4, CX 3 H, CX 2 H 2, and CX 3 H (wherein, F X are each independently, Cl, Br, or a is I) is selected from, in claim 6 The method described.
(式中、n、a、及びbが整数であり、X及びZがハロゲンである。) The mixture halocarbon is represented by the general formula C n X a Z b chloro - fluoro - is carbon, A method according to claim 9.
(In the formula, n, a, and b are integers, and X and Z are halogens.)
(式中、MがC及びSiであり、Xが、それぞれ独立にF、Cl、Br、又はIであり、n、a、及びbが整数である。) The method of claim 6, wherein the halide further comprises a mixed halide subclass of C and Si represented by the general formula M n H a X b .
(Wherein M is C and Si, X is independently F, Cl, Br, or I, and n, a, and b are integers.)
−OH基で終端された基板の表面に化学吸着させるために、四塩化炭素(CCl4)分子を導入して、−O−CCl3基を形成する工程;
前記処理室内にパージガスを送り、前記基板の近くにある過剰のCCl4分子を払拭する工程;
送り込まれるシラン(SiH4)ガスが、前記処理室内に導入され、前記化学吸着した−O−CCl3基と反応し、Si−C結合を形成する工程;
前記パージガス送り、送り込まれるCCl4のパルス流を受容する水素(H)終端を有する前記基板の表面を残して過剰のSiH4分子を取り除く工程
をさらに含み、
前記SiC堆積の全体の反応が、CCl4+SiH4→SiC+4HClである、請求項1に記載の方法。 Depositing a silicon carbide film by terminating the surface of the substrate with —OH groups that are highly receptive and reactive to Cl atoms;
Introducing carbon tetrachloride (CCl 4 ) molecules to form —O—CCl 3 groups for chemisorption onto the surface of the substrate terminated with —OH groups;
Sending a purge gas into the processing chamber to wipe off excess CCl 4 molecules near the substrate;
A process in which silane (SiH 4 ) gas to be fed is introduced into the processing chamber and reacts with the chemisorbed —O—CCl 3 groups to form Si—C bonds;
Further comprising removing excess SiH 4 molecules leaving the surface of the substrate having hydrogen (H) terminations that receive the purge gas flow and receive a pulsed flow of CCl 4 being pumped;
The method of claim 1, wherein the overall reaction of the SiC deposition is CCl 4 + SiH 4 → SiC + 4HCl.
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