JP3349156B2

JP3349156B2 - 薄膜を成長させるための方法と装置

Info

Publication number: JP3349156B2
Application number: JP51734396A
Authority: JP
Inventors: スントラ，トゥオモ; リンドフォルス，スヴェン; ソイニネン，ペッカ
Original assignee: エイエスエムマイクロケミストリオーワイ
Priority date: 1994-11-28
Filing date: 1995-11-28
Publication date: 2002-11-20
Anticipated expiration: 2015-11-28
Also published as: DE19581482T1; JPH09508888A; US5711811A; FI97731B; WO1996017969A3; WO1996017969A2; AU3985795A; FI945612A0; KR970700788A; KR100255431B1; FI97731C; FI945612A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は薄膜を成長させるための請求項１の前提部分
に記載された方法に関する。

本発明の方法においては、反応空間内に置かれた基板
を薄膜成長法で使用される少なくとも２種類の異なる反
応体との交互に繰り返される表面反応にかける。この方
法においては、各反応体はくりかえしかつ交互に蒸気相
でそれ自身の供給源から反応空間に入れられ、そこでは
反応体は基板の上に固相薄膜を形成させるべく基板表面
と反応することができる。反応生成物は基板に付着する
ことがなく、また、場合によっては存在する過剰の反応
体は気相で反応空間から除去される。

本発明はさらに請求項８の前提部分に記載された装置
にも関する。

従来、薄膜は真空蒸着法、分子線エピタキシー（MB
E）法および他の類似の真空堆積法、化学蒸着（CVD）法
の種々の変法（低圧および金属有機CVDおよびプラズマC
VDを含む）あるいは原子層エピタキシー（ALE）法と呼
ばれている、交互に表面反応を繰り返す上記堆積法など
を使用して成長していた。MBE法とCVD法では、薄膜成長
速度は、他のプロセスファクターのほかに、前駆物質供
給流の濃度によっても影響される。最初のカテゴリーの
従来法によって堆積される層の厚さの均一性を達成する
ためには、したがって、前駆物質の濃度と反応性を基板
面積全体にわたって慎重に一定に保持する必要がある。
例えばCVD法の場合において、異なる前駆物質が、基板
表面に到着する前に、互いに混ざり合ってしまうと、そ
れら前駆物質どうしの早まった反応の機会が出てくる。
したがって、気体状反応体の供給流路の中ですでにミク
ロ粒子が形成される危険が切迫したものとなる。このよ
うなミクロ粒子は一般に薄膜の品質に対して悪影響を及
ぼす。したがって、MBEおよびCVDの反応器内の早まった
反応の可能性が、早過ぎず丁度基板表面のところで前駆
物質を加熱することによって回避される。加熱のほか
に、例えばプラズマまたは他の同様な活性化手段を使用
して所望の反応を開始することもできる。

MBE法とCVD法では、薄膜の成長は主として基板に衝突
する前駆物質の流入速度を制御することによって調整さ
れる。これに対して、ALE法では堆積速度を制御するた
めに前駆物質濃度や流れ変数に依存するよりも、むしろ
基板表面品質に依存することを基本としている。ALE法
の場合の唯一の予備条件は前駆物質が基板のすべての側
においても薄膜形成のために十分な濃度で利用できるこ
とのみである。

ALE法はフィンランド特許第52359号および第57975号
明細書ならびに米国特許第4058430号および第4389973号
明細書に記載されている。これらの明細書にはまたその
方法を実施するために適当ないくつかの装置例が開示さ
れている。薄膜成長のための装置構成は下記の文献にも
記載が見られる:Material Science Reports 4（７）（1
989）,p.261およびTyhjioetekniikka（Finnish publica
tion for vacuum technique）,ISBN 951−794−422−5,
pp.253−261。

ALE成長方法では原子または分子が基板面を掃引する
よう配列され、連続して基板表面に衝突して基板上に完
全に飽和された分子層が形成される。フィンランド特許
第57975号明細書から公知の従来法によれば、飽和工程
に続いて不活性ガスパルスによって拡散バリアーが形成
され、過剰の前駆物質および気体反応生成物が基板上か
ら掃き出される。異なる前駆物質の逐次パルスおよび前
駆物質を分離する不活性ガスの拡散バリアーの逐次パル
スとが異なる物質の表面力学によって制御された速度で
薄膜の成長を達成する。このような反応装置は“移動
波”反応器と呼ばれる。この方法の機能にとっては、ガ
スが移動すあるか基板が移動するかは無関係である。む
しろ肝要なことは、逐次反応工程の異なる前駆物質が互
いに分離されそして基板に逐次衝突するように配列され
ることである。

ほとんどの真空蒸発器はいわゆる“シングル−ショッ
ト（single−shot）”の原理で作動する。この場合で
は、気化した原子または分子種はただ一度だけ基板に衝
突できる。その種と基板表面との反応が起こらない場合
には、その種は装置の壁ではね返されるかまたは再気化
されて装置壁または凝縮へ行く真空ポンプへの入口に衝
突する。高温壁反応器では、反応器壁または基板に衝突
した原子または分子種は再気化され、これによってその
種が基板に反復衝突するための有利な条件が創出され
る。この“マルチ−ショット”の原理をALE反応器に適
用すると、特に、物質利用効率が向上する。

ALE薄膜成長法においては、もし前駆物質が流れ力学
または他のファクターに関連した理由によって基板全領
域に不均一に分配された場合には、薄膜の均質な成長は
ほとんど保証されない。保証されるのは各反応体パルス
において大量の前駆物質が基板に供給され、流れの最も
少ない地点にも各反応体パルスの間十分に豊富な量が導
入される場合に限られる。しかしながら、流れ幾何学に
おける不連続性が濃度差を数十倍まで大きくする可能性
があることを考慮すれば、好ましからざる流れ幾何学は
薄膜成長自体によって必要とされるレベルよりもはるか
に大きい量で前駆物質を脈動させる必要があるであろ
う。このような補償は過剰投与と呼ばれており、そして
これは前駆物質の化学のごとき他の理由によっても記述
されるであろう。

大きな過剰投与に頼ることなく、ALE成長法で基板全
体に十分量の前駆物質を与えるために、二者択一的な下
記の２つの方法がガスの均一分配を確保するために使用
されている： 1.基板上における圧力を低くして分子の平均自由行程が
形成されるように装置を構成する。すなわち、分子相互
または壁との平均相互衝突距離が基板間の空隙よりも大
きくなるように構成する。このようにすれば、気体分子
衝突の大部分は基板上で起こりそして希薄ガスの分子も
基板全体に均等に分配することができる。平均自由行程
が装置系内の典型的壁間距離ｄまたは少なくともその1/
100のオーダーである場合には、ガス流は粘性流と分子
流との間の中間圧力域で起こる転移領域内にあるといわ
れる。１ミリバールの圧力かつ室温において、窒素分子
の平均自由行程は64μｍであり、0.01ミリバールの圧力
では6.4mmである。ALE反応器内では、基板相互間距離は
通常数ミリメーターのオーダーである。それ故、上記し
た状態を得ようとするならば、圧力は約１ミリバールあ
るいは好ましくはそれ以下でなければならない。

2.装置を高圧力で作動し、これによって分子の平均自由
行程は小さくなりそしてガス流はもはや転移領域内には
ないが、その代わり粘性となる（衝突距離がd/100より
小さい場合）。粘性状態では、ガス流は分子の集団運動
によって生じ、分子どうしは頻繁に衝突して結合し、低
圧力に向かう。熱運動による分子相互の混合が分子の相
互拡散として証明されている。このような装置例におけ
る狙いは、ガス流を横切る方向の拡散速度がガス流の流
速に関連して小さくなるので、異なるガス流均等化ガイ
ドとノズルを使用して基板全体に均等にガスを分配する
ことである。

一番目の方法は実現可能な寸法の装置に要求される低
圧に問題がある。圧力を１桁減少すると、ポンプの容積
容量も１桁増加しなければならない。これによってガス
流速は、一定の質量流れ速度を想定した場合、同じく１
桁だけ増加する。しかしながら、音速がガス流速の絶対
的限界となりそしてポンプの価格も容易に不当なほど高
くなる。さらに、低圧が使用された場合には、反応器の
寸法も大きくして内圧を上昇させるような圧力損失を生
じさせないようにガス移動を向上しなければならない。
しかしながら、これも作動圧力の一層の低下を余儀なく
するであろう。

圧力は反応空間洗浄と前記物質搬送のための低流量を
使用することによっても低下されうる。搬送されるべき
前駆物質の量は不変のままでありそして十分な洗浄回数
も必要であるから、結果としてプロセス時間が長くな
る。このことは実験用反応装置では問題とならないであ
ろうが、大きい基板面積を有する生産装置および操作で
は問題が大きく複雑となる。

二番目の方法による例では、操作圧力は一般に２乃至
10ミリバールのオーダーであり、これによって必要なポ
ンプも妥当なサイズをもつ。配管と基板ホルダーの寸法
もいまだ容易に実現可能な範囲にありそしてガスの流れ
時間および流れ速度も妥当である。

基板全面積にわたり均一にガスを分散させるためには
各種の衝突器と制限器が使用される。衝突器の中ではガ
ス流はガス流の拡大と混合を起こす面に衝突するようア
レンジされる。さらに、ガス流の通路には多数のこのよ
うな衝突器が直列に配置されうる。他方、並列配置され
る制限器の機能は制限部の入来側のガス空間自体が各制
限部を通るコンダクタンスよりもはるかに大きい流れコ
ンダクタンスを有するように設計することに基づいてい
る。このようにして、すべての並列配置された制限部が
ガス流に対して１つの等しい通路を提供し、しかして制
限部を通過する時にガス流に均一な線状または平面状の
形をとらせる。このような制限部は、例えば、細いスリ
ット、複数の孔（パイプ）の平行ライン、燒結材料およ
びその他の類似の構造によって準備できる。

例えガス流が均質化できるとしても、粘性ガスがより
圧力の低い領域、これはここで反応空間内のガス流出開
口部である、に向かって流れる傾向のために、いぜんと
して均等な薄膜成長を達成するという実際的問題が残
る。

本発明の１つの目的は上記の従来技術の欠点を克服し
そして均質薄膜を成長させるための全く新規な装置を提
供することである。

本発明の目的は基板の後ろのガス流路上に制限の支配
地点と呼ばれる流れ均質化制限部を配置することによっ
て達成される。このように構成した場合には、粘性気相
前駆物質は有利にも基板の全面にわたって反応チャンバ
ー内のより高圧位置に置かれる、あるいはまた、反応チ
ャンバーが向き合わせて配置された２枚の基板によって
形成されている場合は、２つの基板上、２つの基板間の
高圧位置に置かれる。この構成においては、ガス流を横
切る方向のコンダクタンスはガスドレイン（gas drai
n）に通じる制限通路全体におけるコンダクタンスより
も大きい。このようにして基板間の空間内の圧力が均等
化されることによって、流入ガスが均質であるならば濃
度勾配はなくなる。

本発明による方法はカセット状反応チャンバーパック
構造を有する装置において有利に実施することができ
る。このような装置では、反応空間は垂直（または水
平）積み重ねが許容される設計の複数の平面状エレメン
トから構成される。これらのエレメントの少なくともい
くつかは互いに同じものである。カセット状パックの組
立時には、基板はモジュールエレメントに水平に、その
エレメントに形成された保持くぼみ内に保持されて置か
れる。反応体の流入路と気体反応生成物ならびに過剰反
応体の流出路が、基板平面を水平配置した場合には、既
製組立カセットパック中に残されて形成された垂直通路
によって準備される。基板保持くぼみがそのくぼみと流
出通路の間に設計されたしきいを介して結合される。こ
の時にそのしきいは既製組立カセットパック内の基板に
平行な面内に細いスリットを形成する。これによって、
そのスリットが反応チャンバーから流出するガスのため
の制限部として働く。

より特定的には、本発明による方法は請求項１の特徴
部分に記載されている内容によって基本的に特徴づけら
れる。

さらにまた、本発明による装置は請求項８の特徴部分
に記載されている内容によって基本的に特徴づけられ
る。

本発明の記載において、“反応体”という用語は基板
表面と反応しうる気化可能な物質を意味する。ALE法に
おいては、異なる２つのグループに属する反応体が通常
使用される。この反応体は固体、液体または気体であり
うる。“金属反応体”という用語は元素金属でもありう
る金属化合物について使用される。適当な金属反応体は
金属のハロゲン化物、例えば、塩化物または臭化物、お
よび金属−有機化合物例えばthd錯化合物である。金属
反応体の例はZn、ZnCl₂、Ca（thd）_２、（CH₃）₃Alおよ
びCp₂Mgなどである。“非金属反応体”という用語は金
属化合物と反応しうる化合物または元素をさす。その適
当な代表例は水、硫黄、硫化水素およびアンモニアなど
である。

本発明の記載において“不活性”ガスという用語は反
応空間に入ることが許容されそして反応体と基板に関し
て所望されない反応を防止しうるガスを指すために使用
されている。所望されない反応とは、例えば、存在可能
な不純物を有する基板と反応体との反応を含む。不活性
ガスは、また、例えば流入配管内の異なる反応体グルー
プの物質類の間の反応を防止するためにも役立つ。本発
明による方法においては、不活性ガスはまた反応体の気
相パルスのキャリヤーガスとしても有利に使用される。
異なる反応体グループの反応体類が別個の導入マニホル
ドを介して反応空間の中に入る好ましい実施態様によれ
ば、気相反応体パルスは一方の流入路から入り、不活性
ガスは他方の流入路から導入され、ここで不活性ガスの
流れが、流入反応体が他方の反応体の流入路に入るのを
防止する。本方法で使用するために適当な不活性ガスと
しては窒素ガスや希ガス例えばアルゴンがあげられる。
本来は反応性であるガス例えば水素ガスのごとき基板表
面で所望されない反応（例えば酸化反応）が起こるのを
防止するために役立つガスも不活性ガスとして使用しう
る。

本発明において、“反応空間”という用語はその中に
基板が置かれそしてその中で気相反応体が薄膜を成長さ
せるため基板と反応することができる空間（すなわち、
反応チャンンバー）ならびにこの反応チャンバーと直接
連通するガス流入／流出路の両者を含む。ガス流入／流
出路は反応体が反応チャンバーに入るための通路（流入
路）ならびに薄膜成長工程の気体反応生成物と過剰の反
応体を反応チャンバーから除去するための通路（流出
路）である。実施態様の構成によれば、流入路と流出路
の本数はそれぞれ１本からより多数の本数まで変更でき
る。ガス流入／流出路は基板の相対する両端に向かって
配置することもできる。これによって、一方の反応体の
ための流出路を他方の反応体のための流入路と、有利に
はバッフルによって分離して、同じ端部に配置すること
ができる（第３図に示した実施態様参照）。すなわち、
複数の気相反応体を反対方向から交互に基板上に供給す
ることができる。この構成によると通常基板の流入端で
起こるより高い薄膜成長速度を補償することができる。
この構成の場合、流出路に印加される吸引真空も交互に
反対方向から印加されるようにする。

本明細書で、“基板表面”という用語は反応チャンバ
ーの中に流入する気相反応体が最初に衝突する基板の上
面をさす。実際には、薄膜成長工程の最初のサイクルで
はこの表面は基板例えばガラスの表面である。第２のサ
イクルの時にはこの表面は２つの反応体の間の反応によ
って堆積しそして基板等に付着した固体反応生成物を含
む層によって構成されている。

本発明によれば、各基板上を通る流れは原則として反
応チャンバーの流出端にある制限部によって制御され
る。流れをより良く均一化するために、流れ制限部を基
板のガス流入端側にも配置することができる。そして制
限部の支配的地点を基板自体に配置することができる。
後者の場合、複数の基板を反応チャンバー内に配置して
基板面と対向壁（例えば別の基板の表面）との間に残る
空間を作り反応チャンバーを通るガス流に対する制限部
として働らかせる。

本発明の実施態様において、均質な薄膜成長を達成す
るためには反応体ガス混合物の均質化工程とその流れの
均質化工程とを別々に行うことが肝要であることが見い
だされた。これらの均質化工程は２つの相互に異なる工
程であり、両者が単一の構造部品を使用して実施される
場合でも、それらは原理的に別々のものである。従来技
術の実施態様では、ガス流の均質化のみが試みられてき
た。均質化についてはさらに詳細に後述する。

本発明によれば、薄膜成長装置は少なくとも３つのゾ
ーンに分割される。すなわち、ガス均質化ゾーン、基板
と反応体との反応ゾーンおよびガス流制限ゾーンであ
る。これらのゾーンのうち、ガス均質化ゾーンは典型的
には反応ゾーンの前あるいは反応ゾーンと連結して配置
される。そしてガス流制限ゾーンは反応ゾーンの次に配
置される。あるいはガス流制限ゾーンは反応ゾーンに先
行するセクションと反応ゾーンに後続するセクションに
分割される。

有利には、本発明による装置は均質化の問題を少なく
するため、濃度差を生じる不活性ガス希釈が最低限とな
るよう運転される。それにもかかわらず、気化反応体と
不活性ガスのガス混合物がその中で均質化される均質化
ゾーンを装置に設けるのが有利であることが判明した。
この均質化ゾーンは装置の基板ホルダー内に配置するこ
とができる。この場合、均質化ゾーンは基板の前のガス
流制限点によって形成される。また、均質化ゾーンは原
料群と関連した別個の部品として配置することができ
る。あるいはまた、均質化ゾーンはガス混合物の均質化
を促進するような仕方でパイプ構造を設計することによ
っても実現することができる。

基板ホルダー内に配置された均質化ゾーンの一例とし
て、後記の実施態様は薄膜成長のために少なくとも２種
の化合物反応体成分を使用する場合に特に好適であると
いえる。

すなわち、各反応体グループはそれぞれの流入路を介
して直接反応チャンバーに供給される。反応体が基板と
接触する前に、この反応体は別の反応体グループの流入
路から入来する不活性ガスとの混合および均質化を受け
る。それぞれ異種の反応体グループの流入路の入口開口
部は薄膜成長のため基板の近くで反応チャンバーに受け
入れられている。これらの入口開口部は以下においては
反応体“供給開口部”と記載される。２つの供給開口部
の間にはバッフルが設けられており、これは一方の流入
路から入来する反応体が他の反応体グループの流入路に
直接衝突するのを防ぐことができる。内部汚染の危険を
排除するために、反応体の供給時に使用されていない流
入路を通じて不活性ガスを流すのが有利である。反応体
供給開口部はバッフルの反対側に配置されておりそして
反応体の流入流はバッフルに対して垂直に向けられる。
これによって、ガス流は実質的に平面流へ拡散され“扁
平”流れパターンが生じる。反対方向から入来するキャ
リヤーガス流と気相反応体流の両者はそれぞれバッフル
に衝突した時に扁平となり、両者はそれらの混合流が基
板と接触する前に混合される。本カセット構造体の全表
面は反応温度に保持される。

上記に概略説明した実施態様は後で第３図の記載に関
連してさらに詳細に説明される。

今回、拡散による物質輸送は扁平化された複数のガス
流の間で非常に効率的でありそして基板へ導入されるガ
スはその組成と流れの２つの点で格別に均一となること
が判明した。

別の方法として、均質化ゾーンを反応チャンバーの前
方に配置することもできる。第２図には気相反応体を含
有するガス流が、場合によっては不活性ガス流と一緒
に、反応空間への供給開口部内でバッフルに衝突する流
れを作る手段で均質化される実施態様が示されている。
これによって流れは上記した様式で平らにされて扁平流
れパターンをとる。この形の流れは細いスリットつき断
面を有する長い流入路を介して反応チャンバーに入る。

一般に、ガス流は本発明による装置の所望の部分にお
いて、環状路を通る流れをその流れに垂直に配向された
バッフルに衝突させることによって扁平にすることがで
きる。このようなバッフルには定められた方向に出射す
る扇形スリットを付加加工しておき、衝突する流れがこ
の扇形スリットの中に取り込まれるようにすることがで
きる。次に、この最初に扁平化された流れを典型的な平
らなガス流入路または平らな反応チャンバーに入れる。
反応チャンバーの流入側において、ガスは流れの扁平化
と関連して90゜曲げて流される。この曲げとそれに伴う
ガス流の衝突との組み合わせによって流れの横断方向の
均質化は促進される。

したがって、流れパターンは例えば、反応チャンバー
パックのベースプレートで濃度に関してまず均質にさ
れ、その後でそれは横断方向の濃度差（すなわち、横方
向の圧力勾配）をなくすように扁平化される。このあ
と、この扁平ガス流フロントが並列接続された反応チャ
ンバーに分配される。最後に、各反応チャンバーの中で
ガス流を適当にアレンジしてガスフロントが基板全体を
均一に移動するのを確保する。細い反応チャンバーによ
って提供される並列接続された制限部およびそれらのガ
ス流入制限部と流出制限部とが全体のガス流を各反応チ
ャンバーの間に均等に分割するために役立つ。反応チャ
ンバーの固有の流れ制限部と、流入および流出制限部と
が互いに関連して各チャンバーを通過する流れの均一性
を確保するために役立つ。

目的は反応ゾーンに均質なガス流を確実に通すことで
ある。反応チャンバーを狭く形成する（すなわち、基板
上にチャンバーを横断する方向の幅に比較して小さな自
由高をもたせる）ことによって、ガス流は反応チャンバ
ーの中でなんらかの横断方向濃度プロフィールをとるこ
とを防止される。基板を取り囲む反応チャンバーをその
広い方の壁を加工を受ける基板の近くに配置するように
設計されると特に有利である。チャンバーの上壁をその
下の基板の上面と平行に整列するのが好ましい。

反応チャンバーの供給開口部をスリット状に形成する
ことによって、流れが反応チャンバーの内部で圧力勾配
を形成するのを防止する。したがって、薄膜成長工程の
反応体成分はいかなる横断方向濃度プロフィールも出現
させることなく基板の幅全体にわたって均等に分配され
る。

プロセス制御流れ制限部、すなわち、ガス流通路上の
基板の後の流出制限部は別個のエレメントとして設計す
ることもできるし、あるいはまた既設組立カセットパッ
ク構造の中の平面状基板ホルダーエレメントの一部分と
して一体的に設計することもできる。金属前駆物質と非
金属前駆物質の両者が別個の流れ制限部を通って供給さ
れうる。これによって制限部内の流量を、制限部内の流
れが異なる反応体グループの供給源からの流入パイピン
グ間に化学バリヤーを形成する隔離流として作用するよ
うにするように、寸法決めすることができる。

好ましい実施態様によれば、流れ制限部は真空源（例
えば真空ポンプ）への流出路と反応チャンバーとの間に
形成された細い排気吸引スリットとして具体化される。
このような吸引スリットは単一の連続スリットとして形
成してもよいしまた多数の小さな並行スリットとして形
成することもできる。この単一または複数スリットの流
れの出て行く方向においてその（それら）スリットより
も大きい相対流れコンダクタンスを有する大容量反応チ
ャンバーによって先行される。

有利には、本発明による装置は垂直または水平に積み
重ねられた平面エレメント（planar element）を包含す
る。これらエレメントは反応チャンバーとガス流路に対
応するくぼみ／みぞが加工されている。これらのエレメ
ントの少なくともある個数は互いに同一のものである。
反応チャンバーは垂直または水平に積み重ねられた平面
エレメントの間のフラットなスペースとして形成され
る。それらの平面エレメントのエッジ領域には丸いある
いは楕円形のノッチまたは開口部が設けられる。これら
開口部は平面エレメントを貫通してのびそして平面エレ
メントが反応チャンバーパックを形成するため垂直また
は水平に組み立てられた時、反応チャンバーの平面に対
して垂直に配向されたダクトとして反応空間のガス流路
を形成する。このような反応体流入側の丸い開口部の個
数は好ましくは各反応体グループについて１つである。
これは実際上は２つの開口部を意味する。流入側に必要
な長方形開口部の個数はただ１個である。

平面エレメントの中央部分にはエレメントの平面から
後退したくぼみ領域を設けることができる。これらのく
ぼみ領域はそれらの反応体流入側と流出側において上記
ノッチまたは開口部と接続される。これらのくぼみ領域
は反応空間の反応チャンバーまたはその一部分を形成す
る。エレメントのくぼみ領域は平面エレメントの厚さ全
体を貫通してのびるほどに深くすることができる。この
場合にはエレメントの中央部分に開口部ができる。好ま
しくは、くぼみ領域の内側エッジは少なくともくぼみの
対向する２つの辺に沿って基板のエッジの形に合わせら
れる。これによって基板をくぼみの中に置くことが可能
となる。所望の場合には、くぼみの内側エッジには基板
を支持するために役立つブラケットを設けることができ
る。後者の場合、反応チャンバーパックの広い壁は平面
エレメントの中央開口部の中に置かれた基板によって形
成される。これにより複数の基板を、例えば、基板の上
側が互いに向き合うように整列させることができる。

平面基板保持エレメントのカセット状パックはガス漏
れシールドを組み入れ、このシールドは平面エレメント
の表面のエッジ近くの位置にガス漏出物を捕集するため
の取巻き吸引溝を設けることによって完成する。この吸
引溝は真空が支配している流出路と連通している。この
吸引溝の目的は外部汚染物が反応空間に入り込むのを防
止することおよび、逆に、反応体が反応空間の外に漏れ
るのを防止することである。この吸引溝の中の隔離流
は、反応生成物ガス流の最大制限が流出路に近い基板の
流出端のところで起こるようになっている場合には、最
適のシールド効果をもたらす。

カセットパック構造体の部品はALE法で使用される反
応体に関して不活性な材料でつくられる。好ましい材料
はガラスおよび類似のケイ酸塩ベース化合物ならびに各
種セラミック材料である。

本発明による構成は従来のALE反応装置と比較して顕
著な利点をもつ。例えば、基板面上へのガス分配がはる
かに均一であるので、過剰投与が僅かであり、前駆物質
の消費とプロセス時間の節約が達成される。さらにま
た、製造される薄膜の品質も向上する。

上記した装置構造の問題の新規な解決法によって反応
空間構造体の重量が減少し、かつまた装置内の構成部材
の点数も減少する。反応チャンバーの水平または垂直積
み重ねパックは流入路と流出路の長さをそれぞれ短縮す
る。このことは特に最後に述べた実施態様の場合、すな
わち、基板が反応チャンバーの壁ならびに反応チャンバ
ー間の中間壁としての役割を果たす場合に該当する。

以下、本発明を添付の図面を参照しながらさらに詳細
に説明する。

添付図面中、第１図は本発明の第１実施態様の反応チャンバーパッ
クのための簡単化した構造の長手方向側断面図である。

第２図は第１図に示した第１実施態様の支持台に取り
つけた状態での側面図である。

第３図は本発明の第２実施態様の反応空間構造のため
の簡単化した構造の長手方向側断面図である。

第１図を参照すると、図面に示した装置構造は同一の
平面エレメント10を相互に積み重ねて組み立てられた反
応空間すなわち反応チャンバーパック１と包含する。こ
のパックの中にはガス流路７、４と反応チャンバー13と
が平面エレメントに設けられた開口部およびノッチによ
って形成されている。本装置は８つの基板12が置かれた
４つの反応チャンバー13を包含するものとして示されて
おり、それらの基板12の上にALE法を使用して薄膜が成
長される。参照数字３は本反応チャンバーパックをポン
プ入口と連通しているパイプに接続している接続部を示
す。この接続部は気相反応生成物と過剰反応体の流出路
４と連通している。これによって、流出路は反応チャン
バーからの流出物を集めるマニホールドとして働く。同
様に、参照数字２は気相反応体のための流入開口部を示
し、この流入開口部はさらに反応体流入路７と連通して
いる。

平面エレメントにはガス漏出物を捕集するための、取
巻き吸引溝５が設けられている。この吸引溝は流出路４
と連通している。この吸引溝の目的は反応空間に外部汚
染物が入り込むのを防止することならびに反応体が反応
空間の外部に漏出するのを防止することである。すなわ
ち、この溝は反応空間のための絶縁ガスシールとして働
く。

これらの平面エレメントを積み重ねる時に、各２枚の
重ねられたエレメントの間には中間板６が置かれる。そ
の目的は流入路７から反応チャンバー13への入口スリッ
ト８の断面および反応チャンバーから流出路４へのびる
出口スリットの断面、すなわちガス流制限部、を置くこ
とによってガス流の制限部を設定することである。

一番上の反応チャンバーの上半分は反応チャンバーパ
ックの頂板９として働きそして、同様に、最下の反応チ
ャンバーの下半分は底板11として働く。底板は支持ベー
ス17の上に取りつけられている。その頂板と底板の間に
３枚の互いに同じ平面エレメント10が積み重ねられてい
る。各平面エレメントは、まず第一に、基板13と共に、
積み重ねられた隣接する２つの反応チャンバーの間の壁
を形成し、そして第二には、中間板６および他の付属板
と共に、流入路７と流出路４を形成する。平面エレメン
トの枚数は０乃至100枚の範囲で変えられる。

流入／流出路７、４と反応チャンバーは、“扁平化”
ガス流を促進しかつ反応空間の容積を小さくするため
に、長手方向に細い長方形断面を有するように形が定め
られる。

第１図に示した実施態様では、異なる反応体グループ
の気相反応体パルスが交互に流入路７内に供給される。
供給前に、ガス流入パルスは流入路７またはその前で不
活性ガス流と均質化される。図式的に長手方向断面図と
して示されている流入路内において、気相反応体パルス
は平面形状に扁平化されて移動し、画定された先行フロ
ントを有する通路に沿って進行する。この流れフロント
は基板の幅と等しい幅、例えば、約10乃至30cmの幅を有
する。フロントの厚さは約１乃至3cmである。

流入路内を進行する流れは、ガス流制限部を有する反
応空間を、流入路７の流れコンダクタンスが反応チャン
バー13を介する流れコンダクタンスよりもはるかに大き
くなるように寸法ぎめすることによって、平行に積み重
ねられた反応チャンバー13の間に均等に分配される。各
反応チャンバーを通る流路は他のチャンバーを通るガス
流のコンダクタンスと等価（同等）なコンダクタンスを
有していなければならない。こうすれば、ガス圧と流量
は各反応チャンバー間でバランスされ、したがって、薄
膜成長速度も各反応チャンバー内で等しくなる。反応チ
ャンバー13の内部では、流れパターンはガス流制限部と
して働くように反応チャンバーの流出端に形成された細
い吸引スリット14によって均等化される。スリットのコ
ンダクタンスはその広い壁の間の隙間、これは典型的に
は0.1乃至2mmのオーダーである、の三乗に比例しそして
スリットの長手方向寸法は加工される基板の短辺と少な
くとも等しい（例えば6"、8"または12"）寸法であるか
ら、スリットに対する製造許容誤差の条件はきわめて厳
しい。このような狭いスリットの製作は複雑かつ費用が
かかるから、吸引スリット14は、それらの間が細い狭窄
部によって支持された多数の小さい平行スリットによっ
て形成することもできる。このようにすれば、ガス流は
均等分配されたパターンでスリットを通って出て行くこ
とになる。反応チャンバー13内では、これは均一な伝播
ガスフロントを意味する伝播ガスパルスの先行エッジの
均一化された横断圧力勾配として表れる。低投与限定反
応体空乏試験（underdose−limited reagent depletion
test）（低減した反応体投与を伴う）において、ガス
フロントがきわめて直線的輪郭を有することが判明し
た。

ガスフロントの均一化された横断方向流出流パターン
を確保することは非常に重要である。なぜならば、ガス
分子は最低圧力の方向に向かって移動する傾向（最有効
吸引）があり、そのため不均一な吸引を受けると真っ直
ぐなガスフロントが乱されてしまうからである。さら
に、均一な吸引作用は別のなんらかの理由で乱されたガ
スフロントを修正する。

気相反応体が反応チャンバーから、特に反応空間から
退出した後は、それらがどのように混合されようとも成
長されている薄膜にはなんら害はない。

第１図に示した実施態様では、制限部は基板の前のガ
ス流の通路（８）と基板の後の通路（14）の両方に設け
られている。この構成は基板全体にわたってきわめて均
質な流れを確保することができる。

次に第２図を参照すると、前記において説明したカセ
ットパック構造が支持ベース15の上に組み立てられた状
態で示されている。この支持ベースの中には、反応空間
に導入されるガスのためのガス流入路16が形成されてい
る。この支持ベースの通路の壁に衝突した時に、不活性
ガスと混合された気相反応体パルスは明確に画定された
先行フロントを有して伝播する扁平流れパターンをと
る。この場合にも、流れの幅は基板の幅とほぼ等しい。
流入路を介してこのガス流は次に上記した様式で反応チ
ャンバーに入る。

第２図に示した実施態様の重要な点はガス流が扁平化
された平面流として反応チャンバーに入る前に、そのガ
ス流が、反応空間に供給される間に均質化されることで
ある。

第３図を参照すると、前記した実施態様とはやや相違
する実施態様が示されている。図中の参照数字の意味は
以下の通りである： 21. 反応チャンバーパック 22. グループＡの前駆物質のための流入ダクト開口部 23. グループＢの前駆物質のための流入ダクト開口部 24. ポンプの吸引入口と連通するパイプのための接続
部 25. 並列積み重ね反応チャンバーからの流出スリット
のための捕集流出路 26. 漏出ガスを捕集するための平面エレメントを取巻
く吸引溝、この吸引溝は捕集流出路と連通している。

27. 流出スリットの高さ、すなわち、ガス流制限部を
設定するために役立つ中間板。流出制限部を設定する機
能に加えて、この中間板は流入側で異なる前駆物質グル
ープを分離するバッフルを形成する。

28. グループＢの前駆物質のための流入路 29. グループＡの前駆物質のための流入路 30. 並列反応チャンバーへ前駆物質流を分配するため
に役立つ流入路 31. 頂板と一番上の反応チャンバーの半分 32. ０乃至100個の同じ平面エレメント。各平面エレメ
ントは基板と共に２つの積み重ねられた反応チャンバー
の間の隔壁を形成し、かつまた中間板および他の付属板
と共に流入路と流出路とを形成する。

33. 底板と一番下の反応チャンバーの半分 34. 支持ベースの一番上の板 35. 支持ベースの中間の板 36. 支持ベースの一番下の板 37. 基板 38. 反応チャンバー 39. 基板を出て行くガス流のための制限部として働く
スリット。

第３図に示した実施態様は第１図に示した実施態様と
同様の様式で使用される。しかしながら、この構成は異
なる反応体グループの前駆物質がそれぞれ各自の流入路
に沿って反応チャンバーの流入スリットまで入る点にお
いて第１実施態様とは相違している。すなわち、反応チ
ャンバーパックは支持ベースセット34乃至36の上に組み
立てられ、支持ベースセットはそれらが積み重ねられた
後２つの異なる前駆物質グループの反応体のため各自の
流れダクト22、23を提供する。反応チャンバーパックの
側においても、同じく、反応体はそれぞれ各自の流入路
28、29の中を移動する。

二種のガスは中間板により形成されたバッフル27によ
って分離された流入路28、29から別々に供給される。反
応チャンバーの高さは相互拡散によって別々の通路から
入来するそれらの流れが効率的に混合されるように寸法
ぎめされる。拡散は扁平ガス流パターンの幅方向では緩
速混合法が使用されることになるが、高さ方向では良く
効果を発揮する。すなわち、一方の流入路28から、例え
ば、反応体が供給される時に、他方の流入路29からは不
活性ガスが供給される。バッフルに衝突した時に反応体
流と不活性ガス流はそれぞれ扁平化され、平面流パター
ンをとる。そして反応チャンバーの流入スリット内で混
ざり合う間にそれらは均質化される。

流入ダクト22、23と流入路28、29は、例えば、円形断
面を有することができそして反応体ガス流はバッフルの
ところで初めて扇形、かつ扁平な形状に広がる。また、
各反応体グループに対して多数の流入路を設けることも
できる。この場合には各通路を通る反応体流は基板の一
部分のみに衝突する。

装置の長手方向側断面図を示すに第３図をさらに見る
と、両方の流入路がそこに描かれていることが注目され
る。しかしながら、実際の具体例では、これらの流入路
はそれらの出口開口部が基板から等距離に存在するよう
並列配置されている。したがって、真実の側面図では、
見る人に近い方の流入路のみが図示され、他方の流入路
は前者の後に隠されていることになるであろう。

最初の実施態様と同じく、この実施態様においても、
ガスフロントの均一化された横断方向流出流パターンを
確保することが非常に重要である。反応チャンバー38内
部では、流れパターンは細い吸引スリット39によって均
一化される。このスリットはチャンバーの流出端に形成
されており、流れ制限器とした働く。

実施例下記実施例は薄膜成長のための本発明による装置のた
めの設計諸元を記載するものである：基板サイズ 300×300mm² 基板の数 10枚反応チャンバーの数５個基板間隔 4mm 反応チャンバーの総容積５×300×300×4mm³＝1800
cm³ 流入路の寸法／容積 300×10×100mm＝300cm³ 流出路の寸法／容積 300×10×100mm＝300cm³ 総容積 2400cm³、すなわち約2.4リットル。

ポンプ容量は350m³/h、すなわち360×1000/3600（l/s）
＝100リットル／秒が選択される。

反応体パルスのパルス間隔は少なくとも約0.25秒また
はそれ以上であるべきである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ソイニネン，ペッカフィンランド．エフアイエヌ − 00100 ヘルシンキ，イルマリンカトゥ 10 ビー 28 (56)参考文献特開昭55−130896（ＪＰ，Ａ) 特開平６−132223（ＪＰ，Ａ) 特開平２−74029（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−191493（ＪＰ，Ａ) 特開平７−321045（ＪＰ，Ａ) 特開平８−181076（ＪＰ，Ａ) 米国特許5038711（ＵＳ，Ａ) 米国特許4062318（ＵＳ，Ａ) ＴｕｏｍｏＳｕｎｔｏｌａ，Ａｔｏｍｉｃｌａｙｅｒｅｐｉｔａｘｙ, ＴｈｉｎＳｏｌｉｄＦｉｌｍｓ，Ｖｏｌ．216，Ｎｏ．１，Ａｕｇｕｓｔ 28ｔｈ，1992，ｐ．84−89 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C30B 1/00 - 35/00 C23C 16/00 - 16/56 H01L 21/205

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の上に薄膜を成長させる方法であっ
て、その反応においては反応空間（1;21）の中に置かれ
た基板に薄膜を成長させる目的のため少なくとも２種の
気相反応体との交互に繰り返される表面反応を行なわ
せ、 − 気相パルスの形で該複数の反応体を繰り返し、かつ
交互に各反応体別々にそれ自身の供給源から該反応空間
（1;21）へ供給する、 − 該気相反応体を該基板上に固相薄膜化合物を形成す
る目的で該基板（12;37）の表面と反応させる、そして − 基体反応生成物と場合によっては存在する過剰量の
気相の反応体を該反応空間から除去する、工程を含む方法において、 − 該反応空間を通るガス流をガス流通路上基板の後の
地点（14;39）において制限することを特徴とする方
法。
【請求項２】反応空間内のガス流のコンダクタンスを基
板（12;37）におけるガス流の横断方向において基板の
後のコンダクタンスよりも大きくなるように設定するこ
とを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】ガス流を基板の前でも制限することを特徴
とする請求項１記載の方法。
【請求項４】ガス流が基板（12;37）の上で制限される
ことを特徴とする請求項１、２または３記載の方法。
【請求項５】反応空間に反応体の気相パルスと不活性ガ
スとを含むガス混合物を導入し、該混合物が基板（12;3
7）上を流れるように設定されている請求項１乃至４の
いずれかに記載の方法において、該ガス混合物と該ガス
混合物の流れとを、該ガス混合物が反応空間（1;21）に
入る前に均質化することを特徴とする方法。
【請求項６】不活性ガスと気相反応体パルスとを均質な
ガス混合物に形成し、この均質なガス混合物を平らな扁
平化された流れとして反応空間（1;21）を通って流すこ
とを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】該ガス混合物のための流入路（7;30）のコ
ンダクタンスを反応空間のコンダクタンスよりも大きく
設計することを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】基板の上に固体薄膜を形成する目的のため
基板に気相反応体との交互に繰り返される表面反応を行
なうことによって基板の上に薄膜を成長させるための装
置であって、 − 基板をその中に置きうる少なくとも１つの反応空間
（13;38） − 薄膜成長工程で使用される反応体を該反応空間内に
供給するために適している、該反応空間と連通する流入
路（7;22;29;23,38）、および − 反応生成物と過剰量の反応体を該反応空間から流出
させるために適している、該反応空間と連通する流出路
（4;25）、からなる装置において、該装置が垂直または水平に積み重ねられた複数の平面エ
レメント（10;32）からなり、それらのエレメントのう
ちの少なくともある数のエレメントは互いに同じもので
ありそしてそれらエレメントの中には反応チャンバー
（13;38）および該ガス流入路と流出路（7,4;22,29,23,
28）を形成するためのくぼみ／開口部が加工されている
ことを特徴とする装置。
【請求項９】該装置には少なくとも２つの薄膜を同時に
成長させるため少なくとも２つの反応チャンバー（13;3
8）を組み入れていることを特徴とする請求項８記載の
装置。
【請求項１０】該複数の平面エレメント（10;32）のエ
ッジ領域には該平面エレメントの平面に対して垂直な開
口部が形成されており、それら開口部は平面エレメント
の厚さを貫通しておりそして複数の平面エレメントが垂
直または水平に積み重ねられた時に該反応空間のガス通
路（7,8および4;22,23,28,29,24）を形成することを特
徴とする請求項８または９記載の装置。
【請求項１１】該複数の平面エレメントの平面内の中央
領域には、該平面エレメントが垂直または水平に積み重
ねられた時に該反応空間の反応チャンバーを形成するく
ぼみ（13;38）が形成されていることを特徴とする請求
項８乃至10のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】該複数の平面エレメントは、それらが垂
直または水平に積み重ねられた時に、該くぼみ／開口部
によって形成された空間内に、該反応空間を通るガスの
ためのガス流制限器として働く少なくとも１つの細いス
リット（8;14;39）を形成することを特徴とする請求項1
1記載の装置。
【請求項１３】該流れ制限器が多数の平行スリットから
なることを特徴とする請求項12記載の装置。
【請求項１４】該スリットがくぼみと開口部の間に残る
平面エレメントの壁領域に形成されていることを特徴と
する請求項12または13記載の装置。
【請求項１５】該垂直または水平に積み重ねられた平面
エレメントの間には、該反応空間内のガス流制限器とし
て働くスリットの所望の高さに対応する厚さを有する中
間平面エレメント（6,27）が設置可能であることを特徴
とする請求項12または13記載の装置。
【請求項１６】該くぼみが平面エレメントの全厚を貫通
してのび、該平面エレメントの中に中央開口部を形成し
ており、該中央開口部内には基板（12;37）を配置する
ことができることを特徴とする請求項11記載の装置。
【請求項１７】該平面エレメントの中央開口部の両側に
基板を保持するための突出ブラケットが設けられている
ことを特徴とする請求項16記載の装置。
【請求項１８】該垂直または水平に積み重ねられた平面
エレメント（10;32）から組み立てられた反応空間内に
おいて反応チャンバーの広い壁が、該平面エレメントの
中央開口部に受け入れられた基板（12;37）によって形
成さていることを特徴とする請求項16記載の装置。
【請求項１９】該装置には不活性ガスシールドを組み入
れられており、このシールドは該平面エレメントの表面
に、そのエレメントのエッジに近い位置において、エレ
メントを取巻くガス漏出物を捕集するための吸引溝（5;
26）を設けることによって実現されることを特徴とする
請求項８記載の装置。
【請求項２０】該吸引溝（5;26）がガス流出路（4;25）
と連通するように取り付けられていることを特徴とする
請求項18記載の装置。
【請求項２１】該垂直または水平に積み重ね可能な平面
エレメントが、反応空間に導入されるガスのためのガス
流入路（16）を組み入れている支持ベース（15）の上に
組み立てられるよう設計されており、該ダクトはその中
でガス流が均質化されるような設計を有していることを
特徴とする請求項８乃至19のいずれかに記載の装置。
【請求項２２】該垂直または水平に積み重ね可能な平面
エレメントの個数が２乃至100個であることを特徴とす
る請求項８乃至20のいずれかに記載の装置。
【請求項２３】該流入路と流出路の個数が少なくとも各
２であり、そしてこれら通路は基板の対向する両端に配
置されており、そして１つの反応体グループのための流
出開口部は他の反応体グループに流入開口部と同じ端部
に位置しているかまたはその逆であることを特徴とする
請求項８記載の装置。
【請求項２４】反応体の気相パルスを相対する両方向か
ら交互に基板に供給できることを特徴とする請求項22記
載の装置。