JP2663471B2 - 絶縁薄膜の製造方法 - Google Patents

絶縁薄膜の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電子装置および電子素子の小型化、高密度
化高性能化あるいは高付加価値化の手段として重要な、
絶縁薄膜の製造方法に関する。
〔従来の技術〕
薄膜トランジスタあるいは薄膜ダイオード等、ディス
プレイパネルに使用される絶縁薄膜は、その利用目的
上、膜質や膜厚が均一でピンホール等の欠陥のない薄膜
を大面積基板上に再現性よく形成しなければならない。
また各種半導体素子に使用されるゲート絶縁膜やキャ
パシター用絶縁膜は、その膜厚や膜質の再現性が素子特
性に大きな影響をおよぼす。
近年、大面積基板上に均一薄膜を再現性よく形成する
製造方法として原子層エピタキシー(アトミック・レイ
ヤー・エピタキシー,以後略してALEと記す)法が開発
され注目されている。この方法を用いて既に薄膜ELディ
スプレィパネルが製造されている(例えばジャーナル・
オブ・アプライド・ファジィックス60(1986)R65〜R8
1)。この方法の要旨は、薄膜構成物質の吸着および表
面反応を交互に繰り返して薄膜成長をさせるというもの
である。
近年盛んに研究されている超薄膜を積層した構造をも
つ、新しいタイプの電子素子も、このALE法で製造する
ことが検討され始めている。
〔本発明が解決しようとする問題点〕
新しい薄膜製造技術であるALE法は、従来困難であっ
た大面積基板上に、原子層オーダの均一性を有する薄膜
を再現性よく成膜制御できめるようにした。このALE法
で化合物半導体薄膜や絶縁薄膜が製造できる。中でもTa
2O5薄膜を始め、各種絶縁薄膜は、本来大面積基板上に
極めて均一な薄膜形成が不可欠なディスプレイパネル用
に注目されている。
ガラス基板上のTa2O5膜をALE法で製造したという報告
は1981年、アプライド・フィジィクス・レターズ38巻13
1ページにある。その他各種金属塩化物を使用してAl2O3
・TiO2,SnO2等、多くの金属酸化物薄膜もALE法で可能で
あると予想されている(ジャーナル・オブ・アプライド
・フィジィクス60巻(1986)R65〜R81)。
しかしながら、金属塩化物を原料としたALE法は、一
般に基板温度が高く、通常のガラス基板が使用しにく
い。例えばTa2O3薄膜の場合、450℃(アプライド・フィ
ジィクス・レターズ38巻131ページ)であり、Al2O3薄膜
の場合600℃(電子情報通信学会技術研究報告CMP−2)
である。また低温で作製した薄膜はポーラスであった。
更に、金属塩化物は蒸気圧が低いものが多く、気体とし
て適量を導入することが容易でない。また、金属塩化物
を導入する際に、導入管加熱で、管内に金属塩化物が凝
集しないようにしたが、金属塩化物による装置腐蝕によ
る損傷が大きかった。
以上の問題は金属塩化物を出発原料とするかぎり、解
決困難であった。原子層オーダの成長制御を正確に、広
い面積にわたって再現性よくおこなうことを潜在能力と
してもつALE法の特徴を充分に引き出すためには、上記
の問題を解決する必要がある。
本発明の目的は広い面積にわたり再現性よく原子層オ
ーダの成膜制御が可能である、新しいALE法による絶縁
薄膜の提供にある。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明の絶縁薄膜の製造方法は、少なくとも1以上の
金属元素を含むアルコラートを基板表面に付着させる第
1の工程と酸素、あるいはその化合物の中より少なくと
も1以上の気体を基板表面に供給する第2の工程を交互
におこなうという構成を有している。
〔作用〕
第1の工程は基板表面上に金属アルコラートを吸着さ
せる工程である。このとき島状吸着が生じないように、
成長基板温度やアルコラート物質を選定すればよい。即
ち、導入金属アルコラートが適当な形態を有する吸着種
となり、下地層と化学吸着するとき、その吸着エネルギ
ーが、既に吸着層への吸着種吸着エネルギーより充分高
くなるように、金属アルコラートあるいは金属温度等の
製造条件を選択する。このような条件を満せば、吸着層
の被覆率が1以下であっても、ALE特有のサイクル毎の
層状成長が認められる。
更に金属アルコラートは、比較的多くの選択枝がある
ため、ALE成長に適した蒸気圧をもつ適当な物質を選ぶ
ことができる。
また、塩化物より低温で分解および化学反応を示し、
成膜温度の低温化が可能になった。
第2の工程は、第1の工程で形成した層状吸着層を酸
化させる工程である。適当な基板温度あるいは酸化物形
態により、この表面酸化工程はすみやかに終了する。た
とえ、場所により表面酸化速度が異なっても、前段階で
下地層は酸化されているから、何ら不都合は生じない。
本発明は金属アルコラートを出発原料として、吸着層
形成およびその層の酸化を繰り返して薄膜形成をおこな
うものである。このとき、従来使用されていた金属塩化
物を金属アルコラートに代ることにより、従来より低い
基板温度で吸着、熱分解、表面反応が生じるように、適
した金属アルコラートの形成を選択することができる。
更に金属アルコラートは適当な蒸気圧を有するため、
その取扱いが容易である。腐蝕性はなく、装置に損傷を
与えることも少ない。
このように広い面積にわたり、再現性よく原子層オー
ダの成膜制御が可能であるALE法の特徴を充分に発揮
し、かつ原料の取扱いが容易であることがわかった。
一方、第1と第2の工程を1サイクルとし、その1サ
イクルで原子層オーダの成長をおこなう方法であるた
め、成膜に必要とされる時間は比較的長い。しかし、大
面積基板を多数一度に処理しても均一な膜厚を有する絶
縁膜が得られるため、総合的スループットは決して低く
ない。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。
本実施例に使用した絶縁薄膜製造装置のブロック図を
第1図に示す。本実施例ではタンタルのアルコラートを
使用して、Ta2O5薄膜製造に関して述べる。酸素ソース
としてH2OとO2の混合ガすを高周波放電にさらした後、
反応室側に供給した。石英製である反応室1は、大型の
ガラス基板数枚を導入した後、10-5トール以下の真空に
した。電気炉2を使用して、基板3を300℃に加熱す
る。三方弁6,7を使用してタンタルアルコラート、酸素
ソースを、それぞれ交互に、すばやく反応室に供給でき
る構造となっている。タンタルのアルコラートはTa(OC
2H5)(t−OC4H9を利用した。この物質は300℃で
分解を始め、2次元的吸着層を形成した。適当な基板温
度にして、2次元的吸着層形成条件を選ぶことにより、
Ta(OC2H5)等、各種アルコラートも使用可能である。
次にガス供給手順について述べる。まず2秒間Ta(OC
2H5)(t−OC4H9を20SCCMの流量で反応室1に導入
する。タンタルアルコラートより誘導された吸着種が均
一な分子層状の化学吸着層形成を目的とした第1の工程
である。第1と第2の工程(および第2と第1の工程)
の間に、ガス置換期間をもうけ、Arガスを流した。この
期間の長さはともに1秒とした。ガス置換終了後、第2
の工程を開始する。高周波放電にさらされ、分解・ラジ
カル化したH2O,O2混合気体を2秒間反応室に供給する。
第1の工程で形成された吸着層は酸化される。このと
き、吸着下地層は既に前サイクルで酸化されている為、
この第2の工程で表面酸化反応が場所により不完全で残
留しているという事態は生じない。即ち、この表面酸化
層は、適当な条件の下(本実施例では基板温度300℃で
2秒間)で、おおまかに1分子層ほど成長させることが
できる。成長膜厚は正確にサイクル数に比例し、その再
現性も優れていた。
このように、本実施例で製造したガラス基板上のTaOx
薄膜は、原子層オーダで膜厚制御できた。尚、この薄膜
を解針式段差計で測定したところ、測定値は誤差範囲内
で等しく、非常に均一な膜であることがわかった。
本実施例は基板温度を300℃としたが、200℃〜400℃
の範囲で1サイクル当りの成長膜厚にほとんど変化が認
められなかった。基板温度600℃以上ではタンタル・ア
ルコラートの分解が早く進行し、不適当であった。また
200℃以下では非常にポーラスな非晶質薄膜で、不適当
であった。
本実施例ではTa(OC2H5)(t−OC4H9を使用して
TaOx膜を製造する方法を述べた。しかし、他の金属アル
コラートを使用することにより、TaOx以外の薄膜も当然
製造できる。表1に、その一部の例をのせる。使用原料
が変れば製造条件も変るが、原子層オーダの均一性を有
する薄膜を再現性よく形成できるという効果は同様に得
られた。
〔発明の効果〕 金属アルコラートを供給し、基板上に吸着層を形成す
る第1の工程と、酸素あるいはその化合物気体を供給
し、該吸着層を酸化させる第2の工程を交互に繰り返
す、本発明による薄膜の製造方法には次のような特徴が
あった。
第1の金属塩化物を使用した従来の方法に比べ低温化
が可能であった。第2に適当な温度で反応室にすばやい
供給ができる。この第1および2の効果は、金属アルコ
ラートは低温で分解し、かつ常温・常圧で適当な蒸気圧
を有するような形のものを選択できるからである。第3
に装置の損傷が少ない。第4の大面積基板上に原子層オ
ーダーの均一性を有する薄膜を再現性よく形成すること
が可能であった。第5に多数の基板を一度に処理でき、
スループットが高かった。
本発明を利用し、ディスプレイ用の薄膜トランジスタ
やMIM素子を製造したところ、優れた特性を再現性よく
得られた。更に、原子層オーダで成膜制御できることを
利用して、超格子デバイス等にも応用できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例に使用した絶縁薄膜製造装置の
ブロック図を示す。 1……反応室、2……電気炉、3……基板、6,7……三
方弁。
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C01G 35/00 C01G 35/00 B C23C 16/40 C23C 16/40 C30B 29/16 C30B 29/16 H01L 21/203 H01L 21/203 M 21/31 21/31 B

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくとも1以上の金属元素を含むアルコ
    ラートを基板表面上に付着させる第1の工程と酸素、あ
    るいはその化合物の中より少なくとも1以上の気体を基
    板表面に供給する第2の工程を交互におこなうことを特
    徴とする絶縁薄膜の製造方法。
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