JP4540742B2 - 原子層成長装置および薄膜形成方法 - Google Patents

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Description

本発明は、基板上に原子層単位で薄膜を形成する原子層成長（以下、省略してＡＬＤ（Atomic Layer
Deposition）ともいう）装置および薄膜形成方法に関するものである。
ＡＬＤ法は、形成しようとする膜を構成する元素を主成分とする２種類のガスを成膜対象基板上に交互に供給し、基板上に原子層単位で薄膜を形成することを複数回繰り返して所望厚さの膜を形成する薄膜形成技術である。例えば、基板上にＳｉＯ2膜を形成する場合、Ｓｉを含む原料ガスとＯを含む酸化ガスが用いられる。また、基板上に窒化膜を形成する場合、酸化ガスの代わりに窒化ガスが用いられる。
ＡＬＤ法では、原料ガスを供給している間に１層あるいは数層の原料ガス成分だけが基板表面に吸着され、余分な原料ガスは成長に寄与しない。これを、成長の自己停止作用（セルフリミット機能）という。
ＡＬＤ法は、一般的なＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法と比較して高い段差被覆性と膜厚制御性を併せ持ち、メモリ素子のキャパシタや、「high-kゲート」と呼ばれる絶縁膜の形成への実用化が期待されている。また、３００℃程度の低温で絶縁膜が形成可能であるため、液晶ディスプレイなどのように、ガラス基板を用いる表示装置の薄膜トランジスタのゲート絶縁膜の形成への適用なども期待されている。
以下、従来のＡＬＤ装置について説明する。
図７は、従来のＡＬＤ装置の構成を表す一例の概略図である。同図に示すＡＬＤ装置５０は、成膜容器（成膜チャンバ）１２と、ガス供給部１４と、排気部１６とによって構成されている。
成膜容器１２は、金属製の中空箱形であり、接地されている。成膜容器１２の内部には、上壁側から下壁側に向かって順に、複数のアンテナ素子２６からなるアンテナアレイ２８、ヒータ３０を内蔵する基板ステージ３２が配設されている。アンテナアレイ２８は、複数のアンテナ素子２６を所定の間隔で平行に配設することによって構成される仮想平面が基板ステージ３２と平行に配設されている。
アンテナ素子２６は、図８に上方からの平面図を示すように、高周波電力の波長の（２ｎ＋１）／４倍（ｎは０または正の整数）の長さの導電体からなる棒状のモノポールアンテナ（アンテナ本体）３９であり、誘電体からなる円筒部材４０に収納されている。高周波電力供給部３４で発生された高周波電力が分配器３６で分配され、各々のインピーダンス整合器３８を介して各々のアンテナ素子２６に供給されると、アンテナ素子２６の周囲にプラズマが発生される。
各々のアンテナ素子２６は、本出願人が特開２００３−８６５８１号公報で提案したものであり、例えば、供給孔２０ｂから基板ステージ３２に向けて供給される酸化ガスのガス流方向に対して直交する方向に延びるように、電気的に絶縁されて成膜容器１２側壁に取り付けられている。また、各々のアンテナ素子２６は、所定の間隔で平行に配設されており、隣接して配設されたアンテナ素子２６の給電位置は、お互いに対向する側壁に位置するように配設されている。
次に、ＡＬＤ装置５０の成膜時の動作を説明する。
成膜時には、基板ステージ３２上面に基板４２が載置される。また、基板ステージ３２がヒータ３０で加熱され、基板ステージ３２上に載置された基板４２は、成膜が終了するまで所定の温度に保持される。
例えば、基板表面にＳｉＯ2膜を形成する場合、成膜容器１２内が排気部１６により水平方向に真空引きされた後、Ｓｉ成分を含む原料ガスが、ガス供給部１４から、供給管１８ａ、成膜容器１２の左壁に形成された供給孔２０ａを介して成膜室４８内へ水平方向に供給される。これにより、基板４２表面に原料ガスが供給され、原料ガス成分が吸着される。なお、この時、アンテナ素子２６によりプラズマは発生されない。
続いて、原料ガスの供給が停止され、基板４２表面に吸着された原料ガス成分以外の余剰の原料ガスが、排気部１６により、成膜容器１２から、成膜容器１２の右壁に形成された排気孔２４、排気管２２を介して水平方向へ排気される。
続いて、酸化ガスが、ガス供給部１４から、供給管１８ｂ、成膜容器１２の左壁に形成された供給孔２０ｂを介して成膜容器１２内に水平方向に供給される。この時同時に、高周波電力供給部３４から高周波電力が各々のアンテナ素子２６に供給される。これにより、各々のアンテナ素子２６の周囲に酸化ガスを用いてプラズマが発生され、基板４２表面に吸着された原料ガス成分が酸化される。
その後、酸化ガスの供給およびアンテナ素子２６への高周波電力の供給が停止され、酸化に寄与しない余剰の酸化ガスや反応生成物が、排気部１６により、成膜容器１２の右壁に形成された排気孔２４、排気管２２を介して水平方向に排気される。
以上のように、原料ガスの供給→余剰原料ガスの排気→酸化ガスの供給→余剰酸化ガスの排気からなる一連の工程により、基板４２上にＳｉＯ2膜が原子層単位で形成される。この工程を数回繰り返すことにより、基板４２上に所定膜厚のＳｉＯ2膜が形成される。
上記のように、ＡＬＤ法による成膜で反応活性を高めるためにプラズマを利用することは広く提案されている。このプラズマ源として、原理的には、ＣＣＰ（容量結合型プラズマ（Capacitive-Coupled Plasma））、ＩＰＣ（誘導結合型プラズマ（Inductively Coupled.
Plasma））、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴プラズマ（Electron-Cyclotron Resonance Plasma））など様々なものが適用可能と考えられる。
しかし、ＩＰＣやＥＣＲでは高密度なプラズマが得られるが、原料ガスの圧力は、例えば、１０Ｐａ以下のような低圧とすることが一般的である。従って、パルス状に供給する原料ガスによりガス圧力が数Ｐａ以上となるＡＬＤ法成膜では、プラズマを安定的に生成させることは難しいという問題がある。また、ＣＣＰでは、ガス圧力の制限は受けないが、本質的にプラズマ密度が低いという問題がある。
また、図７に示すＡＬＤ装置５０のように、基板４２の上方にアンテナアレイ２８を配置すると、プラズマにより、形成される膜にダメージが与えられ、膜質が低下するという問題がある。さらに、基板４２表面に膜を形成する時同時にアンテナ素子２６の表面にも膜が堆積する。このアンテナ素子２６表面に堆積した膜の一部が落下して、もしくは、塵や気相中で生成された反応生成物（微粒子）がパーティクルとなり、基板４２表面を汚染して膜質が低下する虞もある。
本発明の目的は、前記従来技術の問題点を解消し、安定的に高密度なプラズマを発生して、原子層成長法による成膜で反応活性を高めることができるとともに、形成される膜のプラズマによるダメージを低減し、かつ、パーティクルによる汚染を低減することができる原子層成長装置および薄膜形成方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は、基板上に薄膜を形成する原子層成長装置であって、
棒状のアンテナ本体が誘電体で被覆されて形成された複数のアンテナ素子が平行に配設され、酸化ガスを用いてプラズマを発生するアンテナアレイと、
前記基板が載置される基板ステージであって、この基板ステージの上面に対して垂直方向に移動可能な基板ステージが配設された成膜容器と、
基板上に所定の膜を形成する時に、前記成膜容器の第１の側壁に形成された供給孔から前記成膜容器内の成膜室に、前記基板ステージに向けて原料ガスおよび酸化ガスを交互に供給するガス供給部と、
前記成膜容器の前記成膜室に交互に供給された原料ガスおよび酸化ガスを、前記第１の側壁と対向する第２の側壁に設けられた排気孔から排気する第１排気部と、を備える。
前記アンテナアレイは、前記複数のアンテナ素子のうち隣接するアンテナ素子同士の給電位置がアンテナ素子のお互いに対向する端部に設けられ、かつ、前記複数のアンテナ素子の前記給電位置が共通の電力源から給電を受けるように構成され、さらに、前記アンテナアレイは、前記基板ステージ上に前記基板が載置される位置よりも、前記供給孔から前記基板ステージに向けて供給される酸化ガスのガス流方向の上流側の空間に配設される。
前記ガス供給部が酸化ガスを供給するとき、前記基板ステージの上面と前記成膜室内の底面との間の隙間であって、前記真空容器の室内を前記成膜室と、第２排気部と接続され前記成膜室の下方向に設けられた真空室とを連通する隙間を閉塞するストッパー部材が、前記成膜室の底面に設けられる。
前記ストッパー部材は、前記真空室が真空引きされ、かつ、移動可能な前記基板ステージの縁に設けられた段差が前記ストッパー部材と当接することにより前記隙間を閉塞するように構成される。
上記目的を達成するために、本発明は、基板上に薄膜を形成する原子層成長装置であって、
棒状のアンテナ本体が誘電体で被覆されて形成された複数のアンテナ素子が平行に配設され、窒化ガスを用いてプラズマを発生するアンテナアレイと、
前記基板が載置される基板ステージであって、この基板ステージの上面に対して垂直方向に移動可能な基板ステージが配設された成膜容器と、
基板上に所定の膜を形成する時に、前記成膜容器の第１の側壁に形成された供給孔から前記成膜容器内の成膜室に、前記基板ステージに向けて原料ガスおよび窒化ガスを交互に供給するガス供給部と、
前記成膜容器の前記成膜室に交互に供給された原料ガスおよび窒化ガスを、前記第１の側壁と対向する第２の側壁に設けられた排気孔から排気する第１排気部と、を備える。
前記アンテナアレイは、前記複数のアンテナ素子のうち隣接するアンテナ素子同士の給電位置がアンテナ素子のお互いに対向する端部に設けられ、かつ、前記複数のアンテナ素子の前記給電位置が共通の電力源から給電を受けるように構成され、さらに、前記アンテナアレイは、前記基板ステージ上に前記基板が載置される位置よりも、前記供給孔から前記基板ステージに向けて供給される窒化ガスのガス流方向の上流側の空間に配設される。
前記ガス供給部が窒化ガスを供給するとき、前記基板ステージの上面と前記成膜室内の底面との間の隙間であって、前記真空容器の室内を前記成膜室と、第２排気部と接続され前記成膜室の下方向に設けられた真空室とを連通する隙間を閉塞するストッパー部材が、前記成膜室の底面に設けられる。
前記ストッパー部材は、前記真空室が真空引きされ、かつ、移動可能な前記基板ステージの縁に設けられた段差が前記ストッパー部材と当接することにより前記隙間を閉塞するように構成される。
ここで、前記複数のアンテナ素子の各々は、前記基板ステージの面と平行な方向に配置され、前記複数のアンテナ素子の配列方向は、前記基板ステージの面と平行な方向であるか、ないしは、前記基板ステージの面と垂直な方向であることが好ましい。
また、前記ガス供給部が酸化ガスまたは窒化ガスを供給するとき、前記基板ステージの上面と前記成膜室の底面と、前記ストッパー部材の上面とは、面一になっていることが好ましい。
さらに、上記目的を達成するために、本発明は、アンテナアレイを用いて、成膜容器内の成膜室で基板上に薄膜を形成する薄膜形成方法であって、
前記アンテナアレイは、棒状のアンテナ本体が誘電体で被覆されて形成された複数のアンテナ素子が平行に配設され、前記複数のアンテナ素子のうち隣接するアンテナ素子同士の給電位置がアンテナ素子のお互いに対向する端部に設けられ、前記複数のアンテナ素子は共通の電力源から前記給電位置で給電を受けるように構成され、
前記成膜容器は、前記基板が載置される基板ステージであって、記基板ステージの上面に対して垂直方向に移動可能な基板ステージが配設され、
前記成膜容器で基板上に薄膜を形成するとき、
成膜容器内の前記成膜室に、前記成膜室の第１の側壁から原料ガスを供給して基板上に原料ガス成分を吸着させるステップと、
前記成膜容器の前記成膜室の第１の側壁と対向する第２の側壁から、前記原料ガスを排気するステップと、
前記成膜容器内の成膜室に前記第１の側壁から、酸化ガスを基板ステージに載置した基板に向けて供給するとともに、前記アンテナアレイに給電することにより、前記酸化ガスを用いてプラズマを発生させて活性な酸素を生成し、この活性な酸素を基板の一方の端から他方の端に向けて流し、この活性な酸素を用いて基板に吸着された原料ガス成分を酸化させるステップと、
前記酸化ガスを前記成膜室の前記第２の側壁から排気するステップと、を有する。
前記酸化ガスが前記成膜室に供給されるとき、前記基板ステージの上面と前記成膜室内の底面との間の隙間であって、前記真空容器の室内を前記成膜室と、前記成膜室の下方向に設けられた、第２排気部と接続された真空室とを連通する隙間は、前記真空室が真空引きされ、かつ、移動可能な前記基板ステージの縁に設けられた段差が前記成膜室の底面に設けられたストッパー部材と当接されることにより閉塞される。
さらに、上記目的を達成するために、本発明は、アンテナアレイを用いて、成膜容器内の成膜室で基板上に薄膜を形成する薄膜形成方法であって、
前記アンテナアレイは、棒状のアンテナ本体が誘電体で被覆されて形成された複数のアンテナ素子が平行に配設され、前記複数のアンテナ素子のうち隣接するアンテナ素子同士の給電位置がアンテナ素子のお互いに対向する端部に設けられ、前記複数のアンテナ素子は共通の電力源から前記給電位置で給電を受けるように構成され、
前記成膜容器には、前記基板が載置される基板ステージであって、記基板ステージの上面に対して垂直方向に移動可能な基板ステージが配設され、
前記成膜容器で基板上に薄膜を形成するとき、
成膜容器内の前記成膜室に、前記成膜室の第１の側壁から原料ガスを供給して基板上に原料ガス成分を吸着させるステップと、
前記成膜容器の前記成膜室の第１の側壁と対向する第２の側壁から、前記原料ガスを排気するステップと、
前記成膜容器内の成膜室に前記第１の側壁から、窒化ガスを基板ステージに載置した基板に向けて供給するとともに、前記アンテナアレイに給電することにより、前記窒化ガスを用いてプラズマを発生させて活性な窒素を生成し、この活性な窒素を基板の一方の端から他方の端に向けて流し、この活性な窒素を用いて基板に吸着された原料ガス成分を窒化させるステップと、
前記窒化ガスを前記成膜室の前記第２の側壁から排気するステップと、を有する。
前記窒化ガスが前記成膜室に供給されるとき、前記基板ステージの上面と前記成膜室内の底面との間の隙間であって、前記真空容器の室内を前記成膜室と、前記成膜室の下方向に設けられた、第２排気部と接続された真空室とを連通する隙間は、前記真空室が真空引きされ、かつ、移動可能な前記基板ステージの縁に設けられた段差が前記成膜室の底面に設けられたストッパー部材と当接されることにより閉塞される。
本発明によれば、アンテナアレイを用いることにより、安定的に高密度なプラズマを発生させ、大面積の基板に中性ラジカルを略均一に供給することができ、ＡＬＤ法による成膜反応活性を高めることができる。また、アンテナアレイは、基板上方ではなく、基板端部から離れた場所に配設される。そのため、形成される膜のプラズマによるダメージを低減し、しかも、アンテナアレイ近傍で発生されたパーティクルが直接基板上に落下することがなく、基板が汚染されることを大幅に低減することができる。
本発明の原子層成長装置の構成を表す一実施形態の概略図である。 図１に示すアンテナアレイの構成を表す平面概略図である。 基板上に形成されたアルミナ膜の膜厚均一性を表すグラである。 基板上に形成されたアルミナ膜の膜屈折率を表すグラである。 アンテナ素子の配置を表す別の例の断面概念図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ、アンテナ素子の配置を表すさらに別の例の断面概念図である。 従来の原子層成長装置の構成を表す一例の概略図である。 図７に示すアンテナアレイの構成を表す平面概略図である。
以下に、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて、本発明の原子層成長装置および薄膜形成方法を詳細に説明する。
図１は、本発明のＡＬＤ装置の構成を表す一実施形態の概略図である。同図に示すＡＬＤ装置１０は、ＡＬＤ法を適用して、形成しようとする膜を構成する元素を主成分とする２種類の成膜ガス（原料ガス、および、酸化ガスないし窒化ガス）を成膜対象基板上に交互に供給する。その時、反応活性を高めるためにプラズマを生成して基板上に原子層単位で原料ガスの酸化膜ないし窒化膜を形成する。上記処理を１サイクルとして、処理を複数サイクル繰り返すことにより所望厚さの膜を形成する。
ＡＬＤ装置１０は、成膜容器１２と、ガス供給部１４と、真空ポンプなどの排気部１６，１７とによって構成されている。以下、基板４２上に酸化膜を形成する場合を例に挙げて説明するが、窒化膜の場合も同様である。
ガス供給部１４は、それぞれ、供給管１８ａ、１８ｂを介して、成膜容器１２（後述する成膜室４８）の一方の側壁（図中左壁）に形成された供給孔２０ａ、２０ｂに接続されている。ガス供給部１４は、供給管１８ａおよび供給孔２０ａを介して、成膜室４８内に原料ガスを水平方向に供給する、ないしは、供給管１８ｂおよび供給孔２０ｂを介して、成膜室４８内に、例えば、酸素ガスやオゾンガスなどの酸化ガスを水平方向に供給する。原料ガスと酸化ガスの供給は交互に行われる。
一方、排気部１６は、排気管２２を介して、成膜室４８の、左壁に対向する側壁（図中右壁）に形成された排気孔２４に接続されている。排気部１６は、排気孔２４および排気管２２を介して、成膜室４８内に交互に供給された原料ガスおよび酸化ガスを水平方向に排気する。また、排気部１７は、排気管２３を介して、成膜容器１２（後述する真空室（ロードロック室）５０）の下壁に形成された排気孔２５に接続されている。排気部１７は、基本的に、排気孔２５および排気管２３を介して真空室５０を真空引きする。
図示省略しているが、供給管１８ａ、１８ｂの途中には、ガス供給部１４と成膜室４８との導通を制御する開閉弁（例えば、電磁弁）が設けられ、排気管２２，２３の途中には、それぞれ、排気部１６，１７と成膜室４８および真空室５０との導通を制御する開閉弁が設けられている。
ガス供給部１４から成膜容器１２の成膜室４８内にガスを供給する場合には供給管１８ａ、１８ｂのいずれかの開閉弁が開放され、成膜室４８内に供給されたガスを排気する。また、成膜容器１２の真空室５０を真空引きする場合には排気管２３の開閉弁が開放される。
成膜容器１２は、金属製の中空箱形形状を成し、接地されている。成膜容器１２の内部には、ガス供給部１４から酸化ガスが供給される左壁側に、２本のアンテナ素子２６ａ、２６ｂからなるアンテナアレイ２８が配設され、上壁と下壁との間の空間に、ヒータ３０を内蔵する基板ステージ３２が水平に配設されている。アンテナアレイ２８は、各々のアンテナ素子２６ａ、２６ｂによって構成される仮想平面が基板ステージ３２と平行に配設されている。
アンテナアレイ２８は、酸化ガスを用いてプラズマを発生するものであり、成膜室４８の供給孔２０ｂが形成された左壁と基板ステージ３２との間の空間、さらに厳密には、供給孔２０ｂが形成された左壁と基板ステージ３２上に基板４２が載置される位置の左壁側の端部との間の空間に配設されている。
別の言い方をすると、アンテナアレイ２８は、基板ステージ３２上に基板４２が載置される位置よりも、さらに厳密には、基板ステージ３２上に基板４２が載置される位置の端部、すなわち供給孔２０ｂが形成された成膜容器１２の側壁側の端部よりも、酸化ガスのガス流方向の上流側の空間に配設されている。なお、酸化ガスは、供給孔２０ｂから基板ステージ３２に向けて供給され、さらには、排気孔２４から排気されるようにガス流が形成される。
つまり、ＡＬＤ装置１０では、リモートプラズマ方式のように、アンテナアレイ２８により基板４２から離れた場所でプラズマが発生され、このプラズマによって生成される酸素ラジカル（中性ラジカル）が基板４２の全域にわたって拡散される。
アンテナアレイ２８を用いることにより、安定的に高密度なプラズマを発生させ、大面積の基板４２に酸素ラジカル（活性な酸素）を略均一に供給することができ、ＡＬＤ法による成膜で酸化反応活性を高めることができる。また、アンテナアレイ２８は、基板４２上方ではなく、基板４２端部から離れた場所に配設されるので、形成される膜のプラズマによるダメージを低減し、しかも、アンテナアレイ２８近傍で発生されたパーティクルが直接基板４２上に落下することがなく、基板４２が汚染されることを大幅に低減することができる。
図２に上方からの平面図を示すように、高周波電力供給部３４で発生されたＶＨＦ帯（例えば、８０ＭＨｚ）の高周波電力（高周波電流）が分配器３６で分配され、インピーダンス整合器３８ａ、３８ｂを介して、各々のアンテナ素子２６ａ、２６ｂに供給される。インピーダンス整合器３８ａ、３８ｂは、高周波電源供給部３４が発生する高周波電力の周波数の調整とともに用いられ、プラズマの生成中にアンテナ素子２６ａ、２６ｂの負荷の変化によって生じるインピーダンスの不整合を是正する。
アンテナ素子２６ａ、２６ｂは、例えば、銅、アルミニウム、白金等の導電体からなる棒状のモノポールアンテナ（アンテナ本体）３９ａ、３９ｂであり、例えば、石英やセラミックスなどの誘電体からなる円筒部材４０ａ、４０ｂに収納されている。アンテナ本体３９ａ、３９ｂを誘電体で覆うことにより、アンテナとしての容量とインダクタンスが調整され、その長手方向に沿って高周波電力を効率よく伝播させることができ、アンテナ素子２６ａ、２６ｂから周囲に電磁波を効率よく放射させることができる。
各々のアンテナ素子２６ａ、２６ｂは、供給孔２０ｂから基板ステージ３２に向けて供給される酸化ガスのガス流方向に対して直交する方向に延びるように、電気的に絶縁されて成膜容器１２側壁に取り付けられている。また、各々のアンテナ素子２６ａ、２６ｂは、所定の間隔、例えば、５０ｍｍ間隔で平行に配設されており、隣接して配設されたアンテナ素子２６ａ、２６ｂ間の給電位置が互いに対向する側壁になるように（給電方向が互いに逆向きになるように）配設されている。これにより、電磁波はアンテナアレイ２８の仮想平面にわたって均一に形成される。
アンテナ素子２６ａ、２６ｂの長手方向の電界強度は、高周波電力の供給端でゼロ、先端部（供給端の逆端）で最大となる。従って、アンテナ素子２６ａ、２６ｂの給電位置が互いに対向する側壁となるように配設し、それぞれのアンテナ素子２６ａ、２６ｂに、互いに反対方向から高周波電力を供給することにより、それぞれのアンテナ素子２６ａ、２６ｂから放射される電磁波が合成されて均一なプラズマが形成され、膜厚が均一な膜を形成することができる。
また、各々のアンテナ素子２６ａ、２６ｂは、基板ステージ３２の面（基板４２の載置面）と平行な方向に配置され、複数のアンテナ素子２６ａ、２６ｂの配列方向は、基板ステージ３２の載置面と平行な方向である。
アンテナ素子２６ａ、２６ｂについて、例えば、アンテナ本体３９ａ、３９ｂの直径は約６ｍｍ、円筒部材４０ａ、４０ｂの直径は約１２ｍｍである。成膜室４８内の圧力が２０Ｐａ程度の場合、高周波電力供給部３４から約１５００Ｗの高周波電力を供給すると、アンテナ素子２６ａ、２６ｂのアンテナ長が、高周波電力の波長の（２ｎ＋１）／４倍（ｎは０または正の整数）に等しい場合に定在波が生じて共振し、アンテナ素子２６ａ、２６ｂの周囲にプラズマが発生される。
続いて、基板ステージ３２は、成膜容器１２の内壁面よりも小さい寸法の、例えば矩形の金属板であり、パワーシリンダなどの昇降機構４４により上下に昇降される。成膜容器１２内部には、側壁の内壁面から中心部に向かって突出する突出部４９と基板ステージ４２の上昇位置との間にヒータストッパ（すなわち、基板ステージ４２のストッパ）４６が設けられている。突出部４９の縁部上面および基板ステージ３２の縁部上面には、ヒータストッパ４６の側面の高さに相当するＬ字型の段差が設けられている。
基板ステージ３２が上昇されると、ヒータストッパ４６下面と基板ステージ３２縁部上面の段差部とが当接して、基板ステージ３２上面の高さが、ヒータストッパ４６上面の高さ（すなわち、突出部４９の上面の高さ）と略同一高さ（面一）となるように位置決めされる。この時、成膜容器１２の内部は、基板ステージ３２よりも上側の空間である成膜室４８と、基板ステージ３２の下側の空間である真空室５０とに分離され、真空室５０内が排気部１７により真空引きされることによって、成膜室４８は密閉される。
すなわち、図１に示すように、成膜室４８の上壁は面一に形成されており、かつ、基板ステージ４２の上面を含む、成膜室４８の下壁は、基板４２上に所定の膜を形成する時に面一となるように形成されている。なお、成膜室４８の上壁を面一に形成することは必須ではない。
一方、基板ステージ３２が下降されると、ヒータストッパ４６下面と基板ステージ３２縁部上面の段差部との間には所定間隔の隙間５１ができる。成膜室４８に供給された原料ガス等の排気時に基板ステージ３２を下降させることによって、成膜室４８内に供給された成膜ガスを、この隙間５１から、もしくは、この隙間５１および排気孔２４の両方から排気させることも可能である。隙間５１の寸法は排気孔２４の寸法に比べて大きいため、成膜ガスを成膜室４８から高速に排気することができる。
次に、ＡＬＤ装置１０の成膜時の動作を説明する。
以下の説明は、縦３７０ｍｍ×横４７０ｍｍ角の基板４２表面にアルミナ膜（Ａｌ2Ｏ3）を形成した場合の一例である。
成膜時には、昇降機構４４により、基板ステージ４２が下降され、真空室５０内において基板ステージ３２上面に基板４２が載置される。その後、基板ステージ３２は、基板ステージ３２縁部上面がヒータストッパ４６下面に当接する位置まで上昇され、排気部１７により真空室５０が真空引きされて成膜室４８が密閉される。また、基板ステージ３２がヒータ３０で加熱され、基板ステージ３２上に載置された基板４２は、成膜が終了するまで所定の温度、例えば、４００℃程度に保持される。
成膜室４８内が排気部１６により水平方向に真空引きされ、２〜３Ｐａ程度の圧力とされた後、ガス供給部１４から成膜室４８内に、液体原料からガス化されたトリメチルアルミニウム（（ＣＨ3）3Ａｌ）の原料ガスが約１秒間水平方向へ供給され、２０Ｐａ程度の圧力とされる。これにより、基板４２表面に原料ガス成分が吸着される。なお、この時、アンテナ素子２６によりプラズマは発生されない。
続いて、原料ガスの供給が停止され、基板４２表面に吸着された原料ガス成分以外の余剰の原料ガスが、排気部１６により成膜室４８から約１秒間水平方向へ排気される。この時、ガス供給部１４から、供給管１８ａおよび供給孔２０ａを介して成膜室４８内にパージガス（不活性ガス）を供給しながら、排気部１６により、成膜室４８内に供給された原料ガスを排気しても良い。
続いて、ガス供給部１４から成膜室４８内部へ酸化ガスが約１秒間水平方向へ供給される。この時同時に、高周波電力供給部３４から各々のアンテナ素子２６ａ、２６ｂに約１５００Ｗの高周波電力が供給される。これにより、各々のアンテナ素子２６ａ、２６ｂの周囲に酸化ガスによってできるプラズマが発生される。このプラズマによって酸素ラジカルが生成される。このプラズマの酸素ラジカルは基板の一方の端から他方の端に向けて流れる。酸素ラジカルは基板４２表面の全域に拡散され、基板４２表面に吸着された原料ガス成分が酸化されてアルミナ膜が形成される。
その後、酸化ガスの供給およびアンテナ素子２６ａ、２６ｂへの高周波電力の供給（すなわち、プラズマの発生）が停止され、酸化に寄与しない余剰の酸化ガスや反応生成物が排気部１６により成膜室４８から約１秒間水平方向に排気される。この時、ガス供給部１４から、供給管１８ｂおよび供給孔２０ｂを介して成膜室４８内にパージガスを供給しながら、排気部１６により、成膜室４８内に供給された酸化ガスを排気しても良い。
以上のように、原料ガスの供給→余剰原料ガスの排気→酸化ガスの供給→余剰酸化ガスの排気からなる一連の工程により、基板４２上にアルミナ膜が原子層単位で形成される。この工程を数回繰り返すことにより、基板４２上に所定膜厚のアルミナ膜が形成される。
次に、上記工程を経て形成されたアルミナ膜の膜厚均一性と、形成されたアルミナ膜の膜質の評価基準の１つとなる膜屈折率について説明する。
図３は、上記工程を経て、縦３７０ｍｍ×横４７０ｍｍ角の基板４２上に形成されたアルミナ膜の膜厚均一性を表すグラフ、図４は、同アルミナ膜の膜屈折率を表すグラフである。図３中の横方向の辺の長さが４７０ｍｍ、縦方向の辺の長さが３７０ｍｍである。これらのグラフは、基板４２を上方から平面視した時の膜厚均一性と膜屈折率を表す。図中、左側がガス供給側（上流側）であり、右側がガス排気側（下流側）である。また、上側が図１における紙面奥手側であり、下側が手前側である。
図３のグラフに示すように、基板表面の膜厚は、９３〜９８ｎｍであり、基板４２上の２５点（図中、格子状に描画した線の交点および基板４２の４角の点）の平均膜厚は９６ｎｍであった。膜厚分布は、約±２．１％であり、充分な膜厚均一性が得られていることが分かった。
また、図４のグラフに示すように、アルミナ膜の膜屈折率（アルミナ膜と基板４２表面との界面における屈折率）は、１．６１〜１．６４であり、基板４２上の２５点の平均膜屈折率は約１．６２６であった。屈折率分布は、約±０．５％であり、こちらも充分な膜屈折率が得られている、言い換えると、充分な膜質が得られていることが分かった。
以上の結果から、ＡＬＤ装置１０によって基板４２上に形成されたアルミナ膜は、膜厚均一性および膜屈折率（すなわち、膜質）ともに充分に優れた膜であることを実証することができた。
なお、本発明において形成する膜は何ら限定されない。また、原料ガスは、形成する膜に応じて適宜決定すべきものである。原料ガスは、成膜容器の側壁側から基板に供給しても良いし、上壁側からシャワーヘッドを介して基板に供給しても良い。一方、原料ガスの排気は、成膜容器の側壁側から排気しても良いし、下壁側から排気しても良いし、側壁側および下壁側の両方から排気する構成としても良い。
例えば、基板上に酸化膜を形成する場合、反応ガスの１つとしてＯを含む酸化ガスが用いられ、窒化膜を形成する場合、反応ガスの１つとしてＮを含む窒化ガスが用いられる。原料ガスは、酸化膜を形成する場合、形成する酸化膜を構成する元素のうち、Ｏ以外の元素を主成分とする反応ガスである。また、原料ガスは、窒化膜を形成する場合、形成する窒化膜を構成する元素のうち、Ｎ以外の元素を主成分とする反応ガスである。
また、基板上に膜を形成する場合、成膜容器内の圧力、温度、処理時間、ガス流量などは、形成する膜の膜種、成膜容器および基板の寸法等に応じて適宜決定すべきものであり、上記実施形態に限定されない。また、成膜容器および基板ステージの材質、形状、寸法も何ら限定されない。
アンテナアレイは、ガス供給部から酸化ガスが水平方向に供給される成膜容器の側壁と、基板ステージ上に基板が載置される位置の、酸化ガスが供給される成膜容器の側壁側の端部との間の空間に設ける。アンテナ素子の本数に制限はないが、発生されるプラズマの均一性を考慮して、隣接するアンテナ素子間で給電位置が互いに対向する側壁となるように配設することが望ましい。また、アンテナ素子の配置、寸法等も特に制限はない。
例えば、図１に示したように、複数のアンテナ素子の各々を水平方向に一行に配置しても良いし、図５に示すように、垂直方向に一列に配設しても良い。また、図６（Ａ）に示すように、アンテナ素子の各々を水平方向に２行以上に分けて配置しても良いし、図６（Ｂ）に示すように、垂直方向に２列以上に分けて配置しても良い。この時、隣接するアンテナ素子の行ないし列は、アンテナ素子の位置が互い違いとなるように配置することが望ましい。
本発明のＡＬＤ装置では、例えば、成膜室内に酸化ガスを水平に供給し、アンテナアレイでプラズマを発生させて酸素ラジカルを得る。一方、原料ガスを成膜室内に供給する時にはプラズマを発生させない。そのため、原料ガスは、成膜容器の上壁側から垂直方向に供給する構成としても良い。この場合、成膜容器の上壁と基板ステージとの間の空間にシャワーヘッドを設け、原料ガスを均等に拡散させるとともに、原料ガスが基板に直接吹き付けられない（当たらない）ようにすることが望ましい。
また、本発明のＡＬＤ装置において、昇降機構４４および真空室５０は必須の構成要素ではない。昇降機構４４と真空室５０がない場合の、本発明のＡＬＤ装置の構成は、例えば、図７および図８に示す従来のＡＬＤ装置５０において、アンテナアレイ２８の配置を、基板ステージ３２の上方から、成膜容器１２の側壁と基板ステージ３２との間の空間に移動させた構造となる。この場合、成膜容器１２は成膜室４８となる。
本発明は、基本的に以上のようなものである。
以上、本発明の原子層成長装置および薄膜形成方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
 符号の説明
１０，５０ 原子層成長装置（ＡＬＤ装置）
１２ 成膜容器
１４ ガス供給部
１６，１７ 排気部
１８ａ，１８ｂ 供給管
２０ａ、２０ｂ 供給孔
２２，２３ 排気管
２４，２５ 排気孔
２６，２６ａ、２６ｂ アンテナ素子
２８ アンテナアレイ
３０ ヒータ
３２ 基板ステージ
３４ 高周波電力供給部
３６ 分配器
３８，３８ａ、３８ｂ インピーダンス整合器
３９，３９ａ、３９ｂ アンテナ本体
４０，４０ａ、４０ｂ 円筒部材
４２ 成膜対象基板（基板）
４４ 昇降機構
４６ ヒータストッパ
４８ 成膜室
４９ 突出部
５０ 真空室
５１ 隙間

Claims (7)

  1. 基板上に薄膜を形成する原子層成長装置であって、
    棒状のアンテナ本体が誘電体で被覆されて形成された複数のアンテナ素子が平行に配設され、酸化ガスを用いてプラズマを発生するアンテナアレイと、
    前記基板が載置される基板ステージであって、この基板ステージの上面に対して垂直方向に移動可能な基板ステージが配設された成膜容器と、
    基板上に所定の膜を形成する時に、前記成膜容器の第１の側壁に形成された供給孔から前記成膜容器内の成膜室に、前記基板ステージに向けて原料ガスおよび酸化ガスを交互に供給するガス供給部と、
    前記成膜容器の前記成膜室に交互に供給された原料ガスおよび酸化ガスを、前記第１の側壁と対向する第２の側壁に設けられた排気孔から排気する第１排気部と、を備え、
    前記アンテナアレイは、前記複数のアンテナ素子のうち隣接するアンテナ素子同士の給電位置がアンテナ素子のお互いに対向する端部に設けられ、かつ、前記複数のアンテナ素子の前記給電位置が共通の電力源から給電を受けるように構成され、さらに、前記アンテナアレイは、前記基板ステージ上に前記基板が載置される位置よりも、前記供給孔から前記基板ステージに向けて供給される酸化ガスのガス流方向の上流側の空間に配設され、
    前記ガス供給部が酸化ガスを供給するとき、前記基板ステージの上面と前記成膜室内の底面との間の隙間であって、前記真空容器の室内を前記成膜室と、第２排気部と接続され前記成膜室の下方向に設けられた真空室とを連通する隙間を閉塞するストッパー部材が、前記成膜室の底面に設けられ、
    前記ストッパー部材は、前記真空室が真空引きされ、かつ、移動可能な前記基板ステージの縁に設けられた段差が前記ストッパー部材と当接することにより前記隙間を閉塞するように構成される、ことを特徴とする原子層成長装置。
  2. 基板上に薄膜を形成する原子層成長装置であって、
    棒状のアンテナ本体が誘電体で被覆されて形成された複数のアンテナ素子が平行に配設され、窒化ガスを用いてプラズマを発生するアンテナアレイと、
    前記基板が載置される基板ステージであって、この基板ステージの上面に対して垂直方向に移動可能な基板ステージが配設された成膜容器と、
    基板上に所定の膜を形成する時に、前記成膜容器の第１の側壁に形成された供給孔から前記成膜容器内の成膜室に、前記基板ステージに向けて原料ガスおよび窒化ガスを交互に供給するガス供給部と、
    前記成膜容器の前記成膜室に交互に供給された原料ガスおよび窒化ガスを、前記第１の側壁と対向する第２の側壁に設けられた排気孔から排気する第１排気部と、を備え、
    前記アンテナアレイは、前記複数のアンテナ素子のうち隣接するアンテナ素子同士の給電位置がアンテナ素子のお互いに対向する端部に設けられ、かつ、前記複数のアンテナ素子の前記給電位置が共通の電力源から給電を受けるように構成され、さらに、前記アンテナアレイは、前記基板ステージ上に前記基板が載置される位置よりも、前記供給孔から前記基板ステージに向けて供給される窒化ガスのガス流方向の上流側の空間に配設され、
    前記ガス供給部が窒化ガスを供給するとき、前記基板ステージの上面と前記成膜室内の底面との間の隙間であって、前記真空容器の室内を前記成膜室と、第２排気部と接続され前記成膜室の下方向に設けられた真空室とを連通する隙間を閉塞するストッパー部材が、前記成膜室の底面に設けられ、
    前記ストッパー部材は、前記真空室が真空引きされ、かつ、移動可能な前記基板ステージの縁に設けられた段差が前記ストッパー部材と当接することにより前記隙間を閉塞するように構成される、ことを特徴とする原子層成長装置。
  3. 前記ガス供給部が酸化ガスまたは窒化ガスを供給するとき、前記基板ステージの上面と前記成膜室の底面と、前記ストッパー部材の上面とは、面一になっている、請求項１または２に記載の原子層成長装置。
  4. 前記複数のアンテナ素子の各々は、前記基板ステージの面と平行な方向に配置され、前記複数のアンテナ素子の配列方向は、前記基板ステージの面と平行な方向であることを特徴とする請求項1〜３のいずれか１項に記載の原子層成長装置。
  5. 前記複数のアンテナ素子の各々は、前記基板ステージの面と平行な方向に配置され、前記複数のアンテナ素子の配列方向は、前記基板ステージの面と垂直な方向である、請求項1〜３のいずれか１項に記載の原子層成長装置。
  6. アンテナアレイを用いて、成膜容器内の成膜室で基板上に薄膜を形成する薄膜形成方法であって、
    前記アンテナアレイは、棒状のアンテナ本体が誘電体で被覆されて形成された複数のアンテナ素子が平行に配設され、前記複数のアンテナ素子のうち隣接するアンテナ素子同士の給電位置がアンテナ素子のお互いに対向する端部に設けられ、前記複数のアンテナ素子は共通の電力源から前記給電位置で給電を受けるように構成され、
    前記成膜容器には、前記基板が載置される基板ステージであって、記基板ステージの上面に対して垂直方向に移動可能な基板ステージが配設され、
    前記成膜容器で基板上に薄膜を形成するとき、
    成膜容器内の前記成膜室に、前記成膜室の第１の側壁から原料ガスを供給して基板上に原料ガス成分を吸着させるステップと、
    前記成膜容器の前記成膜室の第１の側壁と対向する第２の側壁から、前記原料ガスを排気するステップと、
    前記成膜容器内の成膜室に前記第１の側壁から、酸化ガスを基板ステージに載置した基板に向けて供給するとともに、前記アンテナアレイに給電することにより、前記酸化ガスを用いてプラズマを発生させて活性な酸素を生成し、この活性な酸素を基板の一方の端から他方の端に向けて流し、この活性な酸素を用いて基板に吸着された原料ガス成分を酸化させるステップと、
    前記酸化ガスを前記成膜室の前記第２の側壁から排気するステップと、を有し、
    前記酸化ガスが前記成膜室に供給されるとき、前記基板ステージの上面と前記成膜室内の底面との間の隙間であって、前記真空容器の室内を前記成膜室と、前記成膜室の下方向に設けられた、第２排気部と接続された真空室とを連通する隙間は、前記真空室が真空引きされ、かつ、移動可能な前記基板ステージの縁に設けられた段差が前記成膜室の底面に設けられたストッパー部材と当接されることにより閉塞される、ことを特徴とする薄膜形成方法。
  7. アンテナアレイを用いて、成膜容器内の成膜室で基板上に薄膜を形成する薄膜形成方法であって、
    前記アンテナアレイは、棒状のアンテナ本体が誘電体で被覆されて形成された複数のアンテナ素子が平行に配設され、前記複数のアンテナ素子のうち隣接するアンテナ素子同士の給電位置がアンテナ素子のお互いに対向する端部に設けられ、前記複数のアンテナ素子は共通の電力源から前記給電位置で給電を受けるように構成され、
    前記成膜容器には、前記基板が載置される基板ステージであって、記基板ステージの上面に対して垂直方向に移動可能な基板ステージが配設され、
    前記成膜容器で基板上に薄膜を形成するとき、
    成膜容器内の前記成膜室に、前記成膜室の第１の側壁から原料ガスを供給して基板上に原料ガス成分を吸着させるステップと、
    前記成膜容器の前記成膜室の第１の側壁と対向する第２の側壁から、前記原料ガスを排気するステップと、
    前記成膜容器内の成膜室に前記第１の側壁から、窒化ガスを基板ステージに載置した基板に向けて供給するとともに、前記アンテナアレイに給電することにより、前記窒化ガスを用いてプラズマを発生させて活性な窒素を生成し、この活性な窒素を基板の一方の端から他方の端に向けて流し、この活性な窒素を用いて基板に吸着された原料ガス成分を窒化させるステップと、
    前記窒化ガスを前記成膜室の前記第２の側壁から排気するステップと、を有し、
    前記窒化ガスが前記成膜室に供給されるとき、前記基板ステージの上面と前記成膜室内の底面との間の隙間であって、前記真空容器の室内を前記成膜室と、前記成膜室の下方向に設けられた、第２排気部と接続された真空室とを連通する隙間は、前記真空室が真空引きされ、かつ、移動可能な前記基板ステージの縁に設けられた段差が前記成膜室の底面に設けられたストッパー部材と当接されることにより閉塞される、ことを特徴とする薄膜形成方法。
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