JP4405973B2 - 薄膜作製装置 - Google Patents
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Description
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。)。
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製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。この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+nCl2 →2CunCln(g)
2) 基板への吸着反応;CunCln(g)→nCuCl(ad)
3) 成膜反応;CuCl(ad)+Cl* →Cu+Cl2 ↑・・・(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。
基板を収容可能なチャンバに接続されチャンバ内に薄膜の材料となるガスの供給及び薄膜析出のためのラジカルの供給を行う材料供給装置であって、加熱手段と、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と、前記加熱手段により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形成して前記チャンバ内に供給する材料通路と、ハロゲンガスを前記加熱手段により加熱してハロゲンガスラジカルを得て前記チャンバ内に供給するラジカル通路とを備えたことを特徴とする。
請求項1に係る本発明では、材料通路内で所定の温度に制御された被エッチング部材に対してハロゲンガスを接触させることができるので、前駆体のガスの供給精度を高めることができると共に、ラジカル通路からハロゲンガスラジカルをチャンバ内に供給することができる。このため、前駆体のガスの供給精度を高めることができると共に、チャンバ外からのハロゲンガスラジカルの供給が可能になり、プラズマによる輻射の影響をなくすことができる。
請求項1において、
前記ラジカル通路を形成する外筒を備えると共に前記外筒の内周に同芯状の内筒を備え、前記外筒と前記内筒の間に加熱手段としてのホットワイヤを設け、前記内筒の内周に筒状に形成された前記被エッチング部材を設け、前記外筒と前記内筒の間及び前記内筒の内側にハロゲンガスを供給することで、前記前駆体のガスを前記チャンバ内に供給する前記内筒を材料通路とし、ハロゲンガスラジカルを前記チャンバ内に供給する前記外筒と前記内筒の間をラジカル通路としたことを特徴とする。
請求項2の本発明では、同芯状のノズルから前駆体のガスとハロゲンガスラジカルを供給することが可能になり、ノズルの長さ及びハロゲンガスの濃度を制御することで前駆体のガスの濃度制御が容易に行える。また、ホットワイヤからの輻射がノズルの軸方向のみであるため、ホットワイヤの輻射の影響を最小限に抑えることができる。
請求項2において、
前記外筒の外周に同芯状の第2外筒を備え、作用ガスを流通させて作用ガスラジカルを得て前記チャンバ内に供給する作用ガスラジカル通路を前記外筒と前記第2外筒の間に形成したことを特徴とする。
請求項3の本発明では、作用ガスラジカル通路から作用ガスラジカルをチャンバ内に供給することができるので、例えば、酸化、窒化処理のための酸素ラジカルや窒素ラジカルを一つのノズルから供給することが可能になる。
請求項2において、
前記外筒の外周に同芯状の第2外筒を備え、前記外筒と前記第2外筒の間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第2被エッチング部材を備え、前記加熱手段により所定の温度に加熱された前記第2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形成して前記チャンバ内に供給する第2材料通路を備え、前記第2材料通路を前記外筒と前記第2外筒の間に形成したことを特徴とする。
請求項4の本発明では、第2材料通路から第2被エッチング部材から形成される前駆体のガスを供給することができるので、異種の元素の前駆体を一つのノズルから供給することが可能になる。
請求項5に係る本発明では、ガスの供給精度が高められた状態の前駆体と、チャンバ外のラジカル通路からのハロゲンガスラジカルとがチャンバに供給され、温度制御手段による温度制御を複雑にすることなく、プラズマによる輻射の影響をなくして前駆体の元素成分を基板に析出させて成膜を行うことができる。
請求項5において、前記材料供給装置を複数対備え、それぞれの対における被エッチング部材の元素成分を異ならせ、それぞれの対に対して独立してハロゲンガスを選択的に供給して異なる前記元素成分を積層状態で析出させる制御手段を備えたことを特徴とする。
請求項6に係る本発明では、制御手段による選択的な供給制御により、異なる元素成分を積層状態で析出させた薄膜を作製することが可能になる。
請求項5において、前記材料供給装置を複数対備え、それぞれの対における被エッチング部材の元素成分を異ならせ、それぞれの対に対して独立した供給量でハロゲンガスを供給して異なる前記元素成分を傾斜割合の状態で析出させる制御手段を備えたことを特徴とする。
請求項7に係る本発明では、制御手段による独立した供給量の供給制御により、異なる元素成分を傾斜割合の状態で析出させた薄膜を作製することが可能になる。
このため、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、成膜条件の最適化を容易に実現することができる。
図1には本発明の第1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断面、図3には図2中のIII−III線矢視を示してある。
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5によって塞がれている。天井板5には複数(図示例では3つ)の材料供給装置6が設けられ、材料供給装置6から薄膜の材料となる前駆体のガス及び薄膜析出のためのラジカルがチャンバ1内に供給される。材料供給装置6を複数設けたことにより、前駆体のガス及びラジカルを均一な状態でチャンバ1内に供給することができる。
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。
図に示すように、材料供給装置6は、同芯状に配される、例えば、石英製の内筒11及び外筒12を備えている。外筒12と内筒11の間には加熱手段としての、例えば、タングステン製のホットワイヤ13が配され、内筒11の内周には筒状に形成された被エッチング部材14が設けられている。被エッチング部材14は成膜したい金属成分を含む高蒸気圧ハロゲン化物を生成し得る金属で形成してある。即ち、例えば、Cu薄膜を形成する場合には、Cuを含む前駆体CuClが形成されるようになっている。
内筒11の内側が材料通路16とされ、内筒11と外筒12の間のホットワイヤ13が設けられた通路がラジカル通路17とされている。材料通路16及びラジカル通路17には、ハロゲンガスである塩素ガス(Cl2ガス:Heで塩素濃度が50%以下、好ましくは10%程度に希釈されたCl2ガス)が供給される。
被エッチング部材14の温度は、基板3の温度とは独立してホットワイヤ13によって制御されているので、細かく高精度に温度制御されて供給精度を高くすることができる。従って、基板3側を相対的に低温に制御する場合、サセプタ2側に単純な加熱装置を用いるだけでよく、サセプタ2の温度制御機能を簡素化することができる。
また、ラジカル通路17では、ホットワイヤ13にCl2ガスが接触して熱解離によりCl2→2Cl*の反応が生じ、Cl*が形成される。
このように、材料供給装置6で生成された前駆体CuCl及びCl*はチャンバ1内に供給される。
図示しない流量制御装置によって所定の状態に調整されたCl2ガスが複数の材料供給装置6に送られる。ラジカル通路17の内部のホットワイヤ13により被エッチング部材14が所望の温度に加熱されているため、材料通路16では、加熱された被エッチング部材14にCl2ガスが接触し、サーマルエッチングが行われて前駆体CuClが生成される。また、ラジカル通路17では、ホットワイヤ13にCl2ガスが接触して熱解離によりCl*が形成される。
材料供給装置6で生成された前駆体CuCl及びCl*はチャンバ1内に供給され、被エッチング部材14よりも低い温度に制御された基板3に前駆体CuClが搬送されて基板3に吸着される。チャンバ1内に供給されたCl*は基板3に吸着された前駆体CuClに作用し、CuClが還元されて基板3上にCuが析出される。
従って、供給精度が高められた状態の前駆体CuClと、チャンバ1外のラジカル通路17からのCl*とがチャンバ1に供給され、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4には本発明の第2実施形態例に係る薄膜作製装置の概略側面、図5には天井部材の外観状態を示してある。尚、図1乃至図3に示した第1実施形態例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。
天井部材10に材料供給装置6を一体に設けたことにより、大面積の基板3に対して成膜を行う場合であっても均一な処理が可能となる。また、材料供給装置6のメンテナンスや交換を行う場合には、天井部材10を取り外すことで簡単に行うことができる。また、異なる金属を成膜する場合であっても天井部材10を交換することで、材料供給装置6を一斉に交換することができ、短時間の段取りで他の処理を実施することができる。
図6には本発明の第3実施形態例に係る薄膜作製装置の概略側面を示してある。尚、図1乃至図3に示した第1実施形態例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。
その他の構成及び成膜のプロセスは第1実施形態例と同一である。
上述した薄膜作製装置では、ノズルスイッチ21、22が選択的にオン・オフされることにより、M薄膜とm薄膜が積層状態で交互に析出される。このため、異なる元素成分を積層状態で析出させた合金の薄膜を作製することが可能になる。
図7には本発明の第4実施形態例に係る薄膜作製装置の概略側面を示してある。尚、図1乃至図3に示した第1実施形態例及び図6に示した第3実施形態例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。
その他の構成及び成膜のプロセスは第1実施形態例と同一である。
上述した薄膜作製装置では、コントローラ27の指令により流量制御器25、26が任意に制御されることによりCl2ガスの流量が独立した供給量に制御され、M薄膜とm薄膜が任意の傾斜割合の状態で析出される。このため、異なる元素成分を傾斜割合で析出させた合金の薄膜を作製することが可能になる。
図8には本発明の他の実施形態例に係る材料供給装置の断面を示してある。尚、図2、図3に示した材料供給装置6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。
従って、作用ガスラジカル通路33から作用ガスラジカル(O*またはN*)をチャンバ内に供給することができるので、酸素ラジカルや窒素ラジカルを一つのノズルから供給することが可能になる。
これにより、第2材料通路から第2被エッチング部材34から形成される前駆体のガスを供給することができるので、異種の元素の前駆体を一つのノズルから供給することが可能になる。
尚、第2被エッチング部材34の加熱を独立して行う加熱手段を第2外筒32の外側に設けたり、被エッチング部材14及び第2被エッチング部材34が所望の温度に加熱されるようにホットワイヤ13の配置を外筒12側に変える等することが可能である。
図9には本発明の他の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10には材料供給装置の断面を示してある。尚、図1乃至図3に示した第1実施形態例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。
一方、サセプタ35に近いチャンバ1の外周にはコイル状のプラズマアンテナ50が設けられ、プラズマアンテナ50には整合器51及び電源52が接続されて給電が行われる。チャンバ1内には塩素ガス(Cl2ガス:Heで塩素濃度が50%以下、好ましくは10%程度に希釈されたCl2ガス)が供給され、プラズマアンテナ50に給電が行われることによりCl2ガスプラズマが発生してハロゲンラジカルとしてのClラジカル(Cl*)が生成される(ハロゲンラジカル生成手段)。
尚、チャンバ1のCl2ガスの供給口の上部にシャワーヘッドを設け、CuClを均一に基板3側に搬送させるようにすることも可能である。シャワーヘッドを設けることにより、材料供給手段6の数を減らして一つの材料供給手段6から多量のCuClを供給してもCuClを均一に供給することができる。
図に示すように、材料供給装置41は、筒状のガス導入管43を備え、ガス導入管43の内周が材料導入通路となっている。ガス導入管43の内周には筒状の被エッチング部材42が設けられている。被エッチング部材42は成膜したい金属成分を含む高蒸気圧ハロゲン化物を生成し得る金属で形成してある。ガス導入管43の内部には加熱手段としての抵抗ヒータ44が設けられ、電源45に供給する電力量を調整することにより、その発熱量が制御(例えば、1500℃)され、被エッチング部材42を所望の温度(例えば、400℃〜1000℃)に加熱されるようになっている。材料導入通路にはハロゲンガスである塩素ガス(Cl2ガス:Heで塩素濃度が50%以下、好ましくは10%程度に希釈されたCl2ガス)が供給される。
材料供給装置41は、被エッチング部材42の温度が、基板3の温度とは独立して抵抗ヒータ44によって制御されているので、細かく高精度に温度制御されて供給精度を高くすることができる。このため、材料供給通路内で所定の温度に制御された被エッチング部材42に対してCl2ガスを接触させることができるので、CuClの供給精度を高めることができ、相対的に温度制御される基板3側の温度制御も容易となる。また、2重管構造となっているため、被エッチング部材42の交換が容易になる。
図示しない流量制御装置によって所定の状態に調整されたCl2ガスが複数の材料供給装置41に送られる。材料供給通路の内部で抵抗ヒータ44により被エッチング部材42が所望の温度に加熱されているため、材料供給通路(ガス導入管43の内部)では、加熱された被エッチング部材42にCl2ガスが接触し、サーマルエッチングが行われて前駆体CuClが生成される。
一方、チャンバ1内にはCl2ガスが供給され、プラズマアンテナ50に給電が行われることによりCl2ガスプラズマが発生してハロゲンラジカルとしてのClラジカル(Cl*)が生成される。
材料供給装置41で生成された前駆体CuClはチャンバ1内に供給され、被エッチング部材42よりも低い温度に制御された基板3に前駆体CuClが搬送されて基板3に吸着される。チャンバ1内に生成されたCl*は基板3に吸着された前駆体CuClに作用し、CuClが還元されて基板3上にCuが析出される。
従って、独立して温度制御された被エッチング部材42による前駆体CuClがチャンバ1に供給されるので、供給精度が高められた前駆体CuClを得ることができる。また、前駆体CuClの生成部と還元及び成膜部を分離したことにより、制御性のよい簡単な機構の装置とすることが可能になる。
2、35 サセプタ
3 基板
4、36 ヒータ
5 天井板
6、31、41 材料供給装置
10 天井部材
11 内筒
12 外筒
13 ホットワイヤ
14、42 被エッチング部材
15、45 電源
16 材料供給路
17 ラジカル通路
21、22 ノズルスイッチ
25、26 流量制御器
27 コントローラ
32 第2外筒
33 作用ガスラジカル通路
34 第2被エッチング部材
37 冷媒流通手段
38 温度制御手段
43 ガス導入管
44 抵抗ヒータ
Claims (7)
- 基板を収容可能なチャンバに接続されチャンバ内に薄膜の材料となるガスの供給及び薄膜析出のためのラジカルの供給を行う材料供給装置であって、
加熱手段と、
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と、
前記加熱手段により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形成して前記チャンバ内に供給する材料通路と、
ハロゲンガスを前記加熱手段により加熱してハロゲンガスラジカルを得て前記チャンバ内に供給するラジカル通路と
を備えたことを特徴とする材料供給装置。 - 請求項1に記載の材料供給装置において、
前記ラジカル通路を形成する外筒を備えると共に前記外筒の内周に同芯状の内筒を備え、前記外筒と前記内筒の間に加熱手段としてのホットワイヤを設け、前記内筒の内周に筒状に形成された前記被エッチング部材を設け、前記外筒と前記内筒の間及び前記内筒の内側にハロゲンガスを供給することで、前記前駆体のガスを前記チャンバ内に供給する前記内筒を材料通路とし、ハロゲンガスラジカルを前記チャンバ内に供給する前記外筒と前記内筒の間をラジカル通路としたことを特徴とする材料供給装置。 - 請求項2に記載の材料供給装置において、
前記外筒の外周に同芯状の第2外筒を備え、
作用ガスを流通させて作用ガスラジカルを得て前記チャンバ内に供給する作用ガスラジカル通路を前記外筒と前記第2外筒の間に形成したことを特徴とする材料供給装置。 - 請求項2に記載の材料供給装置において、
前記外筒の外周に同芯状の第2外筒を備え、
前記外筒と前記第2外筒の間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第2被エッチング部材を備え、
前記加熱手段により所定の温度に加熱された前記第2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形成して前記チャンバ内に供給する第2材料通路を備え、
前記第2材料通路を前記外筒と前記第2外筒の間に形成したことを特徴とする材料供給装置。 - 基板を収容可能な筒状のチャンバと、
請求項1または請求項2に記載の材料供給装置と、
前記基板の温度を相対的に低温の所定温度に制御して前記材料供給装置からの前駆体のガスを前記基板に吸着させると共に前記基板に吸着状態となっている前記前駆体にハロゲンラジカルを作用させて前記前駆体を還元することで前記前駆体の前記元素成分を析出させて所定の成膜を行う温度制御手段と
を備えたことを特徴とする薄膜作製装置。 - 請求項5に記載の薄膜作製装置において、前記材料供給装置を複数対備え、それぞれの対における被エッチング部材の元素成分を異ならせ、それぞれの対に対して独立してハロゲンガスを選択的に供給して異なる前記元素成分を積層状態で析出させる制御手段を備えたことを特徴とする薄膜作製装置。
- 請求項5に記載の薄膜作製装置において、前記材料供給装置を複数対備え、それぞれの対における被エッチング部材の元素成分を異ならせ、それぞれの対に対して独立した供給量でハロゲンガスを供給して異なる前記元素成分を傾斜割合の状態で析出させる制御手段を備えたことを特徴とする薄膜作製装置。
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