JP4387330B2 - 材料供給装置 - Google Patents

Description

本発明は材料供給装置に関し、特に高蒸気圧ハロゲン化物を作る金属乃至これを含む複合金属で形成した被エッチング部材にハロゲンガスを作用させてそのハロゲン化物である前駆体を形成し、この前駆体を基板上に吸着させて所定の金属薄膜を形成する場合に適用して有用なものである。

現在、半導体等の製造においては、プラズマＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition) 装置を用いた成膜が知られている。プラズマＣＶＤ装置とは、チャンバ内に導入した膜の材料となる有機金属錯体等のガスを、高周波アンテナから入射する高周波によりプラズマ状態にし、プラズマ中の活性な励起原子によって基板表面の化学的な反応を促進して金属薄膜等を成膜する装置である。

これに対し、本発明者等は、高蒸気圧ハロゲン化物を作る金属成分であって、成膜を望む金属成分からなる被エッチング部材をチャンバ内に設置し、前記被エッチング部材をハロゲンガスのプラズマによりエッチングすることで金属成分のハロゲン化物である前駆体を生成させるとともに、前駆体の金属成分のみを基板上に成膜するプラズマＣＶＤ装置（以下、新方式のプラズマＣＶＤ装置という）および成膜方法を開発した（例えば、下記特許文献１参照）。

上記新方式のプラズマＣＶＤ装置では、成膜される金属源となる被エッチング部材の温度に対して基板の温度が低くなるように制御して基板に当該金属膜を成膜している。例えば、被エッチング部材をＣｕ、ハロゲンガスをＣｌ_２とした場合、被エッチング部材を高温（例えば３００℃〜７００℃）に制御し、また基板を低温（例えば２００℃程度）に制御することにより、基板にＣｕ薄膜を形成することができる。

特開２００３−１４７５３４号公報

一方、最近の研究により、上記新方式のプラズマＣＶＤ装置において、被エッチング部材をエッチングして形成していた前駆体は、必ずしもハロゲンガスのプラズマを形成しなくても得ることができることが分かってきた。即ち、ハロゲンガスを高温の被エッチング部材に作用させるだけでもこの被エッチング部材がサーマルエッチングされる結果、所望の前駆体を得ることができる。そして、この前駆体を基板上に吸着させた後、ハロゲンを引き抜くことにより所望の金属の薄膜を基板上に析出させることができる。

この場合、基板の温度を適切に制御することは当然のこととして、基板上に吸着された前駆体からハロゲンを引き抜き、所望の金属の薄膜を十分な成膜速度及び膜質を確保しつつ容易に析出させるためには、吸着された前駆体にハロゲンのラジカルを作用させることが重要であることも分かってきた。金属として銅（Ｃｕ）を適用すると共に、ハロゲンガスとして塩素ガス（Ｃｌ_２ガス）を適用した場合の反応は次のように表すことができる。

１） エッチング反応；２ｎＣｕ＋ｎＣｌ_２ →２Ｃｕ_ｎＣｌ_ｎ（ｇ）
２） 基板への吸着反応；Ｃｕ_ｎＣｌ_ｎ（ｇ）→ｎＣｕＣｌ（ａｄ）
３） 成膜反応；ＣｕＣｌ（ａｄ）＋Ｃｌ^＊ →Ｃｕ＋Ｃｌ_２ ↑・・・（１）

ここで、ｎは自然数、Ｃｌ^＊ はＣｌのラジカル、（ｇ）はガス状態、（ａｄ）は吸着状態であることをそれぞれ表している。

上式（１）の成膜反応に本質的に重要な要素は、基板表面上での前駆体（例えばＣｕＣｌ）の流束、還元用のハロゲンラジカル（例えばＣｌ^＊）の流束及び基板温度である。さらに、被エッチング部材の温度は前駆体（例えばＣｕＣｌ）の流束を制御する要素としてこれを適切に制御することが重要である。

上述の如くハロゲンガスによる被エッチング部材のサーマルエッチングにより前駆体を得る場合には、成膜条件の制御が簡単になる。被エッチング部材のエッチングのためにプラズマを発生させる必要がなく、プラズマによる熱的影響を考慮する必要がないからである。このことは、成膜反応に寄与する各要素を独立に制御して成膜条件の最適制御を実現し得ることを示唆している。

本発明は、上述の如き新方式のプラズマＣＶＤ装置に関する新たな知見に鑑み、被エッチング部材の温度を独立して容易に制御することができ、前駆体の流れを均一にすることができる材料供給装置及び薄膜作製装置を提供することを目的とする。

また、本発明は上述の如き新方式のプラズマＣＶＤ装置に関する新たな知見に鑑み、被エッチング部材の温度を独立して容易に制御することができ、前駆体の流れを均一にすることができる材料供給方法及び薄膜作製方法を提供することを目的とする。

本発明の材料供給装置は、基板を収容するチャンバの内部に収容されチャンバ内に薄膜の材料となるガスの供給を行うガス供給装置であって、ハロゲンガスが供給されると共にチャンバ内に臨む噴出孔が形成された通路を前記チャンバの内部に備え、前記通路内に少なくとも一種類の高蒸気圧ハロゲン化物を生成し得る元素を含む材料で形成される被エッチング部材を配設し、前記被エッチング部材を所定の温度に加熱する加熱手段を前記通路に沿って設け、前記加熱手段で所定の温度に加熱された前記被エッチング部材にハロゲンガスを接触させて前記元素とハロゲンとの化合物である前駆体のガスを前記通路で形成し、前記前駆体のガスを前記噴出孔から噴出させ、前記加熱手段は前記通路を挟んで前記基板と反対側に配置され、前記噴射孔は前記基板に対向して設けられ、前記加熱手段と前記通路は一体に形成され、前記加熱手段が一体に形成された前記通路は前記チャンバ内に放射状に複数設けられ、前記被エッチング部材は通路に対して抜き差し自在に設けられることを特徴とする。

本発明の材料供給装置は、被エッチング部材の温度を独立して容易に制御することができ、前駆体の流れを均一にすることができる材料供給装置となる。

本発明の薄膜作製装置は、被エッチング部材の温度を独立して容易に制御することができ、前駆体の流れを均一にすることができる材料供給装置を備えた薄膜作製装置となる。

以下、本発明の実施の形態に係る材料供給装置及び材料供給方法、薄膜作製装置及び薄膜作製方法を図面に基づき詳細に説明する。

図１には本発明の一実施形態例に係る材料供給装置を備えた薄膜作製装置の概略側面、図２には材料供給装置の全体の斜視状態、図３には材料供給装置の下面視状態、図４には材料供給装置の要部断面、図５には材料供給装置の要部分解断面、図６には材料供給装置の要部分解斜視を示してある。また、図７には本発明の他の実施形態例に係る材料供給装置の要部断面を示してある。

図１に基づいて薄膜作製装置を説明する。

図に示すように、円筒状に形成された、例えば、セラミックス製（絶縁材製）のチャンバ１の下部には支持台２が設けられ、支持台２には基板３が載置されている。支持台２にはヒータ４及び冷媒流通手段５からなる温度制御手段６が設けられ、支持台２は温度制御手段６により所定温度（例えば、基板３が１００℃から３００℃に維持される温度）に制御される。尚、チャンバの形状は円筒状に限らず、例えば、矩形状のチャンバを適用することも可能である。

チャンバ１の上面は開口部とされ、開口部は絶縁材料製（例えば、セラミックス製）の板状の天井板７によって塞がれている。開口部に天井板７が設けられることにより、天井板７を取り外すことでチャンバ１内のメンテナンス等が容易に行える。チャンバ１の上部には材料供給装置８が設けられ、材料供給装置８から薄膜の材料となる前駆体のガスが基板３側に供給される。

詳細は後述するが、材料供給装置８にはチャンバ１側からノズル９が接続され、ノズル９からハロゲンガスとしての塩素ガス（Ｃｌ_２ガス）が供給される。また、材料供給装置８は、基板３側（チャンバ１内）に臨む噴出孔１１が複数形成された通路１２を備えている。通路１２にはハロゲン化物を生成し得る元素を含む材料である銅（Ｃｕ）製の被エッチング部材１３が配設され、通路１２の上部には被エッチング部材１３を所定の温度（例えば、３００℃から７００℃）に加熱する加熱手段としてのヒータ棒１４が通路１２に沿って設けられている。

ヒータ棒１４により被エッチング部材１３を所定の温度に加熱すると共に通路１２にＣｌ_２ガスを供給することにより、被エッチング部材１３にＣｌ_２ガスを接触させてサーマルエッチングにより前駆体のガス｛例えば、高蒸気圧ハロゲン化物を形成し得る元素である銅（Ｃｕ）とハロゲンとしての塩素（Ｃｌ_２）との化合物の前駆体のガス：ＣｕＣｌ｝を生成する。通路１２の内部で生成された前駆体のガスは複数の噴出孔１１から流れが均一にされて基板３側に供給される。

一方、材料供給装置８の下側におけるチャンバ１の周囲（例えば、４箇所）には開口部２１が設けられ、開口部２１には筒状のラジカル通路２２の一端が固定されている。ラジカル通路２２の途中部には絶縁体製の筒状の励起室２３が設けられ、励起室２３の周囲にはコイル状のプラズマアンテナ２４が設けられている。プラズマアンテナ２４には整合器２５及び電源２６が接続され、電源２６から給電が行われる。ラジカル通路２２にはハロゲンとしての塩素ガス（Ｃｌ_２ガス）が供給され、プラズマアンテナ２４から電磁波を励起室２３の内部に入射することでＣｌ_２ガスが励起されてハロゲンラジカルとしての塩素ラジカルＣｌ^＊が形成される。励起室２３で形成された塩素ラジカルＣｌ^＊は開口部２１からチャンバ１内に供給される（ハロゲンラジカル生成手段）。

尚、ハロゲンラジカル生成手段として、励起室２３で生成した塩素ラジカルＣｌ^＊をチャンバ１内に供給する例を挙げて説明したが、チャンバ１の周囲にコイル状のプラズマアンテナを備えてプラズマを発生させ、塩素ガスをチャンバ１内に供給してプラズマにより塩素ラジカルＣｌ^＊をチャンバ１内に生成する構成を適用することも可能である。

チャンバ１内にＣｕＣｌとＣｌ^＊が供給されることにより、相対的に低温（例えば、１００℃から３００℃）に維持された基板３にＣｕＣｌが吸着し、基板３に吸着状態となっているＣｕＣｌにＣｌ^＊が作用してＣｕＣｌが還元され、基板３にＣｕ成分を析出させて成膜が行なわれる。尚、成膜に寄与しないガス等は排気口２７から真空装置２８を介して排気される。

図２乃至図６に基づいて材料供給装置８を説明する。

図２、図３に示すように、材料供給装置８は、チャンバ１に固定されるリング部１６を備え、リング部１６の内周側に噴出孔１１を有する通路１２、被エッチング部材１３及びヒータ棒１４からなる長尺部１７が備えられている。長尺部１７はチャンバ１の中心部から放射状に半径方向に８本形成され、リング部１６には通路１２と図示しないガスノズルとを連結する接続部が設けられている。長尺部１７の下面側には噴出孔１１が等間隔に形成されている。

そして、被エッチング部材１３はチャンバ１の外側から半径方向に抜き差し自在となっている。また、全てのヒータ棒１４は電気的に接続された状態にあり、電源１８を介して通電されることにより発熱して（抵抗加熱手段）被エッチング部材１３が加熱される。

図４乃至図６に基づいて長尺部１７の構成を詳細に説明する。

長尺部１７を構成する枠部材３１（絶縁体製：例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３）が備えられ、枠部材３１は上部が開放された状態の断面コ字型に形成され、長手方向（チャンバの半径方向）に延びて配されている。枠部材３１の内側の下方部には段部３２が長手方向に延びて形成され、段部３２に板状の被エッチング部材１３が挿入載置される。被エッチング部材１３が段部３２に載置された状態で被エッチング部材１３と枠部材３１の底面との間で通路１２が形成された状態になる。

即ち、被エッチング部材１３は通路１２に対して抜き差し自在に設けられた状態になっている。このため、被エッチング部材１３を容易に交換することができる。

被エッチング部材１３の上面側の枠部材３１の内側にはヒータ枠３３（石英製もしくは絶縁体製：例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３）が備えられ、ヒータ枠３３は上部が開放された状態の断面コ字型に形成され、長手方向（チャンバの半径方向）に延びて配されている。ヒータ枠３３は仕切板３４によって長手方向で左右に仕切られている。仕切板３４で仕切られたヒータ枠３３にはヒータ棒１４が配設されている。ヒータ枠３３を介してヒータ棒１４が収められた枠部材３１の上部の開放部分は長尺状の押さえ板３５で塞がれて長尺部１７が構成されている。

また、図１に示すように、リング部１６の長尺部１７との接合部は、被エッチング部材１３の厚さを含めた通路１２の部位がチャンバ１の外部に開放され、被エッチング部材１３の交換及びガスノズルの装着部位とされている。

尚、８本の長尺部１７の通路１２の少なくとも一箇所に異なる金属の被エッチング部材を配設し、その部位のヒータを独立に制御して被エッチング部材を加熱することも可能である。このようにすることで、異種の金属の前駆体のガスをチャンバ１内に供給することができる（異種の元素からなる材料を所望の状態で供給することができる）。８本の通路１２に配設される被エッチング部材の種類を適宜選定し、加熱や通路１２へのＣｌ_２ガスの供給を独立して制御することにより、傾斜組成の合金を成膜したり、複数種の金属を積層して成膜することが可能になる。

上述した材料供給装置８は、通路１２内で所定の温度に制御された被エッチング部材１３に対してＣｌ_２ガスを接触させて前駆体ＣｕＣｌを生成し、基板３に臨んで設けられた噴出孔１１から基板３に前駆体ＣｕＣｌを噴出させるようにしたので、流れを均一にして前駆体ＣｕＣｌを基板３に向けて供給することができる。また、抵抗加熱式のヒータ棒１４を備えたので、安価な設備でコストをかけることなく被エッチング部材１３を加熱することができる。

上述した材料供給装置８を備えた薄膜作製装置では、電源１８の電力を調整してヒータ棒１４の発熱量を制御し（例えば、１５００℃）、被エッチング部材１３を所望の温度（例えば、８００℃〜１０００℃）に加熱する。ノズル９から通路１２にＣｌ_２ガスを供給することにより、加熱された被エッチング部材１３にＣｌ_２ガスが接触してサーマルエッチングが行われる。所望温度を例えば、８００℃〜１０００℃としたことにより、成膜に必要な十分な量の前駆体ＣｕＣｌが生成される。このように、材料供給装置８で生成された前駆体ＣｕＣｌは噴出孔１１から噴出され、均一な流れによりチャンバ１内に供給される。

同時に、排気口２７に塩素ガス（Ｃｌ_２ガス）が供給され、プラズマアンテナ２４から電磁波が励起室２３の内部に入射されてＣｌ^＊が形成される。励起室２３で形成されたＣｌ^＊は開口部２１からチャンバ１内に供給される。

温度制御手段６により基板３の温度を被エッチング部材１３の温度よりも低い温度（例えば、１００℃〜３００℃）に設定され、前駆体ＣｕＣｌが基板３に吸着（堆積）される。この時の反応は、例えば、次式で表される。
ＣｕＣｌ（ｇ）→ＣｕＣｌ（ａｄ）

基板３に吸着したＣｕＣｌは、開口部２１からチャンバ１内に供給された塩素ラジカルＣｌ^＊により還元されてＣｕ成分となる。この時の反応は、例えば、次式で表される。
ＣｕＣｌ（ａｄ）＋Ｃｌ^＊→Ｃｕ（ｓ）＋Ｃｌ_２↑

更に、ガス化したＣｕＣｌ（ｇ）の一部は、基板３に吸着する前に、塩素ラジカルＣｌ^＊により還元されてガス状態のＣｕとなる場合もあり、ガス状態のＣｕ成分が基板３に吸着される。これにより、基板３にＣｕの薄膜が作製される。

上述した薄膜作製装置では、流れが均一にされた前駆体ＣｕＣｌを吸着させてＣｕの薄膜を作製することが可能になる。また、流れが均一にされた状態の前駆体ＣｕＣｌと、チャンバ１外のラジカル通路２２からの塩素ラジカルＣｌ^＊がチャンバ１に供給されるので、温度制御を複雑にすることなく（ヒータ４で加熱制御するだけで）、プラズマによる輻射の影響をなくして前駆体ＣｕＣｌのＣｕ成分を基板３に析出させて成膜を行うことができる。

図７に基づいて材料供給装置８における加熱手段の他の実施形態例を説明する。尚、図４に示した部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。

図に示すように、ヒータ枠３３の上部には加熱手段としてのハロゲンランプ４２が配設され、ハロゲンランプ４２の周囲には輻射板４１が設けられている。ハロゲンランプ４２を点灯させることにより、輻射により被エッチング部材１３が加熱される。前述の実施形態例と同様に、加熱された被エッチング部材１３にＣｌ_２ガスが接触してサーマルエッチングされることにより、前駆体ＣｕＣｌが生成される。加熱手段としてハロゲンランプ４２を適用したことで、高効率に被エッチング部材１３を加熱することができる。

本発明は、被エッチング部材の温度を独立して容易に制御することができ、前駆体の流れを均一にすることができる材料供給装置の産業分野で利用することができる。

また本発明は、被エッチング部材の温度を独立して容易に制御することができ、前駆体の流れを均一にすることができる材料供給装置を備えた薄膜作製装置の産業分野で利用することができる。

また本発明は、被エッチング部材の温度を独立して容易に制御することができ、前駆体の流れを均一にすることができる材料供給方法の産業分野で利用することができる。

また本発明は、被エッチング部材の温度を独立して容易に制御することができ、前駆体の流れを均一にすることができる材料供給方法を用いた薄膜作製方法の産業分野で利用することができる。

本発明の一実施形態例に係る材料供給装置を備えた薄膜作製装置の概略側面図である。 材料供給装置の全体の斜視図である。 材料供給装置の下面からの図である。 材料供給装置の要部断面図である。 材料供給装置の要部分解断面図である。 材料供給装置の要部分解斜視図である。 本発明の他の実施形態例に係る材料供給装置の要部断面図である。

符号の説明

１ チャンバ
２ 支持台
３ 基板
４ ヒータ
５ 冷媒流通手段
６ 温度制御手段
７ 天井板
８ 材料供給装置
９ ノズル
１１ 噴出孔
１２ 通路
１３ 被エッチング部材
１４ ヒータ棒
１６ リング部材
１７ 長尺部
１８ 電源
２１ 開口部
２２ ラジカル通路
２３ 励起室
２４ プラズマアンテナ
２５ 整合器
２６ 電源
２７ 排気口
２８ 真空装置
３１ 枠部材
３２ 段部
３３ ヒータ枠
３４ 仕切板
３５ 押え板
４１ 輻射板
４２ ハロゲンランプ

Claims (1)

1. 基板を収容するチャンバの内部に収容されチャンバ内に薄膜の材料となるガスの供給を行うガス供給装置であって、ハロゲンガスが供給されると共にチャンバ内に臨む噴出孔が形成された通路を前記チャンバの内部に備え、前記通路内に少なくとも一種類の高蒸気圧ハロゲン化物を生成し得る元素を含む材料で形成される被エッチング部材を配設し、前記被エッチング部材を所定の温度に加熱する加熱手段を前記通路に沿って設け、前記加熱手段で所定の温度に加熱された前記被エッチング部材にハロゲンガスを接触させて前記元素とハロゲンとの化合物である前駆体のガスを前記通路で形成し、前記前駆体のガスを前記噴出孔から噴出させ、前記加熱手段は前記通路を挟んで前記基板と反対側に配置され、前記噴射孔は前記基板に対向して設けられ、前記加熱手段と前記通路は一体に形成され、前記加熱手段が一体に形成された前記通路は前記チャンバ内に放射状に複数設けられ、前記被エッチング部材は通路に対して抜き差し自在に設けられることを特徴とする材料供給装置。

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