JP4666912B2 - プラズマで補強した原子層蒸着装置及びこれを利用した薄膜形成方法 - Google Patents

Description

本発明はプラズマで補強した原子層蒸着（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＡＬＤ）装置及びこれを利用した薄膜形成方法に関する。特に、工程気体の時分割組合わせを周期的に反復して反応器に供給し、この時に前記工程気体の供給周期と時間とを適切に合せて工程反応を促す目的でプラズマを前記基板上部で発生させ、反応を効果的に起こすことによって原子層厚さの薄い薄膜を作製できる、プラズマで補強したＡＬＤ装置及びこれを利用して薄膜を蒸着する方法に関する。

従来の半導体集積技術の発達につれて均一かつ均質の薄膜を蒸着させる工程は、半導体製造工程のうち重要な部分の一つとなっている。ここで薄膜は絶縁体であっても良く、導体であっても良い。薄膜形成の代表的な方法は、化学気相蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＣＶＤ）法と物理気相蒸着（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＰＶＤ）法とに大別される。ここで、ＣＶＤ法は、通常的に１００℃ないし１０００℃の温度に加熱された基板の表面で気体状態の物質を反応させ、その反応の結果によって生成された化合物を基板の表面に蒸着させる方法である。一方、ＰＶＤ法は、その代表的な例としてスパッタリング蒸着またはスパッタリングと呼ばれる方法であるが、この方法も真空状態の反応器内で行われるが、反応器内に流入された、例えば、アルゴン（Ａｒ）気体がプラズマにより陽極にイオン化されれば反応器内に位置したターゲットに向かって引張られるが、イオン化されたＡｒ原子がターゲットに近づくほどさらに加速されてターゲットと衝突するようになれば、ターゲットの材料を打ってターゲットの材料が分散されて基板に蒸着されるが、この時にターゲットが化学的または構造的変化なく基板上に蒸着される。このＰＶＤ法の長所は、合金属や絶縁体の蒸着が可能であるということである。しかし、ＣＶＤ法は、ＰＶＤ法に比べて薄膜が蒸着される基板への損傷が少なく、薄膜の蒸着コストが低く、かつ薄膜工程の大量進行が可能であるという長所があって広く使われている。

しかし、最近、半導体素子の集積度がマイクロメーターからナノメーター単位に下がる水準まで向上するにつれて、従来方式のＣＶＤ法では基板にナノメーター単位の均一な厚さの薄膜を形成したり、良好な段差被覆性を得るのに難点があり、特に基板にマイクロメーターより小さなコンタクトホール、ビアまたは溝のような縦横比が高い段差が存在する場合、位置に関係なく均一な材質組成を有する薄膜を作るにも難点がある。

したがって、従来の技術であらゆる工程気体を同時に流入（供給）、流出（排気）させるＣＶＤ法とは違って工程気体が気相で合わないように経時的に順次短時間に取り替える過程を通じて原子層を段階別に反復して形成するＡＬＤ法が新しい薄膜形成方法として開発されており、また使われつつある。前記のＡＬＤ方式を利用すれば、基板表面に吸着される物質、すなわち薄膜の構成元素を含む化学分子のみによって蒸着が発生し、これらの吸着量は一般的に基板上で一分子厚さの非常に薄い単層レベル以下に自体制限されるために、気体状態に供給される工程気体の量に関係なく基板全体にわたって均一に形成される。したがって、縦横比が高くて段差が激しい場合にも段差の位置に関係なく一定の厚さの膜を形成でき、数ナノメーター厚さの非常に薄い膜を形成でき、工程過程の時分割組合わせを調整することによってその厚さの調節が可能である。また、工程気体の供給周期当り蒸着される薄膜の厚さがほとんど一定なために供給周期回数にしたがって正確な膜厚さの調節が可能である。

従来のＡＬＤ法においては、時分割で反応器に供給される気体原料間の気体状態での混合を回避するために、既に反応器に供給された蒸着気体または反応気体の、基板の表面に吸着された部分を除いた残りの気体状態の蒸着気体または反応気体分子が全部除去されねばならないため、この気体を数秒間真空排気させたり、Ａｒのような不活性気体でパージさせる過程が前記気体原料供給及び排気周期に含まれねばならない。

したがって、数秒単位の速い速度で工程気体の供給／排気交替が不可能な従来のＣＶＤ装置を使用すれば、工程気体の交替に必要な時間が長くなって所定厚さの薄膜を得るのに蒸着時間が相対的に長くなる短所がある。蒸着時間が長くなれば一つの装備が単位時間に処理できるウェーハの数が減るために工程コストが高まる。したがって、ＡＬＤ法を半導体生産に適用するために蒸着時間を縮める必要がある。

図１Ａ及び図１Ｂは、従来ＣＶＤ装置の概略的な構造を示す図面である。

第１のＡＬＤ装置の先行技術の例として図１Ａを参照すれば、反応器１００の上部に蒸着気体、反応気体、パージ気体を含む工程気体を供給する流入管１２０があり、側面には反応器１００内の工程気体を排気するための流出管１２２がある。そして、反応器１００の内部には基板支持台１１６があり、その上部に基板１１０が装着される。反応器１００内にはシャワーヘッド１１２が装着されるが、その上部は工程気体流入管１２０に連結される。そして、反応器１００下には基板１１０を基板支持台１１６に着脱するために基板支持台１１６を上下に動かす基板支持台駆動部１１８が設置されており、基板支持台１１６は駆動部１１８に連結されている。

反応室１１４内の工程気体は反応器１００の壁と基板支持台１１６間の空間を経て流出管１２２に排気される。この先行技術では流出管１２２と流入管１２０とが基板１１０を中心に対称をなせずに一方に偏っているために、工程気体の流れが流出管１２２側に偏重されるようになる。

このように、基板１１０に薄膜を蒸着する時に反応室１１４内で工程気体の流れが一方に偏重されるようになれば、工程気体が基板１１０の全面にわたって均一に供給されないので工程気体の供給が足りない部位に薄膜が薄く蒸着される恐れがある。したがって、反応室１１４内で工程気体の偏重現象をなくすためには、流出管１２２を薄膜が蒸着される基板１１０から遠く離隔させたり、工程気体が基板１１０上で均等に流れるように作用する装置を備えたり、または流出管をこのような均等流れ条件を満たす場所に位置させねばならない。しかし、流出管１２２を薄膜が蒸着される基板１１０から遠く離隔させれば反応室１１４の体積が大きくなる。それにより、同一工程にかかる工程気体の量が増加して工程コストが高まり、さらに、多様な工程気体を反応室１１４内に順次供給する工程では工程気体を流入／流出（交替）するのに時間がたくさんかかるという難点がある。したがって、ＡＬＤを行うに当って工程時間が長くなる。

しかも、この先行技術の例では流出管１２２を通じて排気される工程気体に基板支持台１１６及び基板支持台駆動部１１８が露出される。この部位に不要に薄膜が蒸着される。このように不要に蒸着された膜は後の工程に有害な微粒子の発生原因として作用するだけでなく、反応器１００内に装着された部品の誤作動の原因となることもある。

図１Ｂに示した第２の先行技術は、図１Ａに示した第１先行技術で発生する問題点を解決するために提案されたものであって、流入管２２０と流出管２２２とが対称になるように流出管２２２を反応器２００の下部中央に配置したものである。

具体的に図１Ｂに示した第２の先行技術概念図を参照すれば、ここでは図１Ａの場合とは違って、反応室２１４内での工程気体の流動が基板２１０に対称になるように構成されているが、基板支持台２１６及び基板駆動部２１８が工程気体に露出される問題はやはり存在し、また基板支持台２１６の駆動に必要な基板支持台駆動部２１８が最小限の空間を必要とするために反応室２１４の体積を狭め難く、ＡＬＤ工程の工程時間を短縮し難い。

図２は、従来のＡＬＤ法を説明するために示した図面である。縦軸は工程気体の流量を、横軸は工程時間を表示する。

図２を参照すれば、ＡＬＤのための工程周期は第１の原料気体供給３１０→パージ３１２→第２の原料気体供給３１４→パージ３１２で構成される。パージ段階では反応室を真空に排気したり、不活性のパージ気体を反応室に流してその前に供給した原料気体を反応室から除去する。従来のＡＬＤ法では、原料気体間の反応性が非常に高ければ気相に残留する若干の原料気体も粒子発生の原因となる恐れがあるのでパージ時間を延ばす必要がある。原料気体間の反応性が低いか、反応に時間が長くかかれば原料供給時間を十分に長くしなければならないので蒸着時間が延びる問題がある。

したがって、このような問題点を解決するために、最近に本発明の発明者らにより反応性を高め、かつパージ時間を短縮して蒸着速度が向上して蒸着装置の生産性が高まる、プラズマで補強したＡＬＤ方式が大韓民国特許０２７３４７３号公報に公開された。

プラズマで補強したＡＬＤ方式が前記ＡＬＤ方式と異なる点は、まず互いに反応性が低い原料気体を使用しても高い蒸着速度を得られるという点である。従来には前記のように反応性が低い気体原料を使用する場合、基板上で反応が容易になされずに薄膜が蒸着されない問題点があったが、プラズマで補強したＡＬＤ方式では、工程気体のプラズマにより反応性が高いラジカル及びイオンが形成され、これらが反応に参加することによって反応速度を高めうる。

ＡＬＤ法、特にプラズマで補強したＡＬＤ方式を実施できる装備の例として、大韓民国特許出願第９９−２３０７８号（化学蒸着反応器）が公開された。この発明は反応器内の体積を減らし、工程気体が基板の上部を流れる時にその流入／流出を均一にし、またプラズマを発生させうる構造及び装置を提示した。しかし、この装置で導電性薄膜を形成する場合には、ＲＦ電力を加えるための両電極が導電性薄膜により電気的に短絡されて反応器にプラズマを形成できない問題が生じるため、この装置では導電性薄膜をプラズマで補強したＡＬＤ方式で形成できない。

本発明が解決しようとする技術的課題は、ＡＬＤを行うために工程気体の交替が工程中に短時間に反応器内でなされるように反応器を構成し、かつプラズマが反応器内の基板表面部位で発生するように反応器を設計することによって、複数の基板に導電性薄膜を蒸着しても電気的な短絡現象が反応器内で起きないように防止しながらも、ＡＬＤを容易に行って良質の薄膜が形成されるプラズマで補強されたＡＬＤ装置を提供するところにある。

本発明の他の技術的課題は、前記技術的課題によるプラズマで補強されたＡＬＤ装置を利用して、原料気体が互いに反応しないか、または反応性が非常に弱い場合にも効果的に良質の薄膜を形成できる薄膜形成方法を提供するところにある。

前記技術的課題を達成するための本発明のプラズマで補強したＡＬＤ装置は、基板を支持する基板支持台と、基板支持台が装着されている反応器とがあり、この反応器内には工程気体を均一に基板上に供給するシャワーヘッド、工程気体を流入／流出する気体流入管及び気体流出管、そして基板上での蒸着工程の進行を促すためのプラズマ発生装置が装着されている。また、工程気体を時分割の組合わせで流入（供給）／流出（排気）する工程気体供給／排気システムと、システム全体を制御する制御器とが設置されている。

本発明によるプラズマで補強したＡＬＤ装備をより具体的に説明すれば、工程気体供給／排気システムは、工程気体の流入（供給）／流出（排気）を反応器内で短い時間間隔で時分割組合わせ形式で起こし、また制御器は反応器自体、反応器内のプラズマ発生装置そして気体排気ポンプを含む工程気体供給と排気システム、そして反応器システムを制御する。

本発明によれば、工程気体が反応器内の基板上に均一に供給されるように気体流入管及び気体流出管を基板を中心に対称になるように装着する。このようにするためには基板の中心部及び周辺部に気体流入管及び気体流出管を位置させる。次に説明する実施例では、気体流入管及び流出管を反応器の上部中央に位置させ、二重開口管を使用した。しかし、例えば、気体流入管を基板の周辺部位に位置させることもある。反応器の中央に工程気体を均一に分散させるシャワーヘッドが装着されているが、このシャワーヘッドは本発明によれば、先端部に行くにつれて広がる典型的なラッパ状である。その広がる程度は、中へＳ状に曲がるラッパ状になることもあり、その形態は多様である。しかし、共通点は、流入管に工程気体が流入されれば気体がシャワーヘッドの内部表面に沿って均一に分散されるようにシャワーヘッドの内部表面の形態を流線型にすることである。このシャワーヘッドの下部には基板と平行に孔がいくつかあけられた気体分散グリッドを設置し、工程気体を均一に分散させて基板表面部位に広げる。シャワーヘッドをラッパ状にした理由は、工程気体が占める体積を減らし、シャワーヘッド内部に角がある場合には工程気体が留まってその角でうず巻き現象が起きて工程気体が均一に分布されることを妨害することがなく、ラッパ状自体が工程気体の流れを均一にする役割をするからである。

本発明によれば、シャワーヘッドをなす体積調節ラッパ及び気体分散グリッドだけがプラズマの（＋）電極であり、残りの金属でなっている部品は全て（−）電極である。したがって、プラズマは反応器内の反応室でだけ発生する。言い換えれば、プラズマはシャワーヘッドと基板支持台間で発生し、主に基板表面部位で発生する。

電気が通じない材料で形成されたシャワーヘッド絶縁壁がシャワーヘッドの上面及び側面を取り囲み、シャワーヘッドを反応器に固定させる。シャワーヘッド絶縁壁の表面に導電性膜が形成されることを防止するためにシャワーヘッド絶縁壁と反応器壁間にプラズマ発生遮断膜を配置する。プラズマ発生遮断膜とシャワーヘッド絶縁壁間の通路に不活性気体を流しつづけて反応室に供給された気体がプラズマ発生遮断膜とシャワーヘッド絶縁壁間の通路に入ることを防止して、前記シャワーヘッド絶縁壁表面に伝導性膜が形成されることを防止する。

シャワーヘッドにはＲＦ電力を加えるための高周波接続端子が連結される。この高周波接続端子を管状の金属で作ってこの管を通じてＲＦ電力を供給し、シャワーヘッド絶縁壁とプラズマ発生遮断膜間に流す不活性気体を供給する。

本発明によれば、気体流入管とシャワーヘッドとは絶縁体よりなる微細穿孔管で連結されているが、この微細穿孔管には中間に複数の微細な管があり、これによって工程気体はシャワーヘッドに流入されるが、蒸着気体や反応気体が存在したり流入される時にもプラズマはこの管を通じて逆流したり漏れたりはしない。この微細穿孔管の長さ及びその内部の微細管の直径はプラズマが流出しない程度に設定すればよい。

本発明によれば、反応器の下部に基板支持台があり、基板支持台と反応器壁間には気体密閉リングがあって工程気体が反応器の外部に流出または漏れることを防ぐだけでなく、工程気体が基板支持台と接触することを回避することによって基板支持台に不要な薄膜形成がおきることを防止する役割をする。不要な薄膜は、工程気体が基板支持台と接触しないためにプラズマ発生時にも形成されない。また、本発明によれば、前記気体密閉リングは、工程気体がＡｒのような不活性気体で満たされている基板支持台の外部作業空間に漏れて基板支持台及び駆動装置に不要な金属膜が形成されて駆動障害となることを防止する役割をする。

本発明によれば、基板支持台は中央支持ピン、中央軸、複数の駆動軸によって支持され、また駆動軸に連結された空圧シリンダによって上下移動するために、基板を基板支持台に着脱可能になっている。そして、これら装備は反応器本体に取り囲まれて密閉されているが、この基板支持台の作業空間は不要な金属膜形成を防止するためにＡｒのような不活性気体で満たされている。

前記のように、本発明によれば反応器は反応器本体で取り囲まれており、その間に不活性気体が反応器本体に装着されている不活性気体流入口／不活性気体流出口を通じて流入／流出される。空圧シリンダは反応器本体外に位置している。

本発明によれば、反応器壁及び基板支持台に加熱器が装着されていて基板及び反応器自体を必要であれば適当な温度に加熱できる。

この反応器本体は接地されているが、ここには基板支持台が駆動軸を通じて接地されており、また反応器壁も反応器本体と連結されているために反応器壁もやはり電気的に接地されている。

前記他の技術的課題を達成するために本発明は、金属元素を含む原料気体と、原料気体と単純に混合しては反応しないが、プラズマで活性化されれば原料気体と反応して膜を形成できるパージ気体を含む工程気体を準備する。前記薄膜形成のための反応がおきる前記反応室内に前記基板を装入する。気体流入管を通じて前記反応室に前記原料気体を供給する。前記蒸着気体の供給を中断し、前記気体流入管を通じて前記反応室に前記パージ気体を供給する。前記パージ気体を供給する期間のうち一部の期間に前記パージ気体を活性化させるためのプラズマを発生させるものの、前記原料気体を供給する段階、前記パージ気体を供給する段階及び前記プラズマ発生段階を所定の回数反復して導電性薄膜の形成方法を提供する。

前記気体流入管の下部には狭い配管が並列に連結された微細穿孔管が備えられており、前記工程気体は前記気体流入管から前記微細穿孔管を経て供給される。

発明を実施するための最良の態様

前記の発明に関する詳細な説明は次の実施例を通じて発明自体及びその意味が確実になる。

図３は、本発明の実施例によるプラズマで補強したＡＬＤ装置を概略的に示した断面図である。

図３を参照すれば、基板５５６が装着される基板支持台５６０には基板５５６を加熱する加熱器６０８が装着されており、基板５５６や反応室５５４の温度を必要な時に高めうる。また、反応器壁５２２に装着されている加熱器６０４を使用して反応器内の温度を必要に応じて高めうる。

金属合金で作られた反応器壁５２２の上部には二重開口管５１６があり、下部には基板支持台５６０がある。基板支持台５６０及び反応器壁５２２は反応器内部を区画する。基板支持台５６０と反応器壁５２２との連結部分には気体密閉リング５５８が位置しているが、これは、工程気体が反応器壁５２２と基板支持台５６０間の連結部分を通じて外部に漏れることを防止するためのものである。気体流入管５１０は反応器壁５２２の上部に設置された二重開口部５１６内に装着されており、工程気体は矢印５１２に表示された方向に微細穿孔管５３６を通じてシャワーヘッドの内部５５２に流入される。二重開口管５１６の外管５１４は工程気体が流出される通路であり、内管５１０、すなわち気体流入管５１０は工程気体流入口である。工程気体は矢印５１２で表示した方向に流れる。

シャワーヘッド５４０、５４２は、体積調節ラッパ５４０と気体分散グリッド５４２とで構成されているが、体積調節ラッパ５４０の形態は、工程気体を均一かつ円滑に基板５５６上に分散させると同時にシャワーヘッド内部５５２の体積を最小化するためのものである。シャワーヘッド５４２、５４０をラッパ状にした理由を詳細に説明すれば、工程気体が占める体積を縮め、シャワーヘッド内部５５２に角がある場合には工程気体が留まってその角でうず巻き現象が起きて工程気体が均一に分布されることを妨害することがなく、ラッパ状自体が工程気体の流れを均一にする役割をするからである。体積調節ラッパ５４０の下部には気体分散グリッド５４２が装着されており、工程気体の流れをさらに均一にすることによって基板５５６上に工程気体を均一に分布させる役割をする。シャワーヘッド５４０、５４２と気体流入管５１０の下端とは微細穿孔管５３６で連結されており、工程気体が流入管５１０を通じて矢印５１２方向に流入され、引続き微細穿孔管５３６を通じてシャワーヘッド内部５５２に流入される。前記のように体積調節ラッパ５４０の形態は、シャワーヘッド内部５５２の体積を最小化し、また工程気体を円滑かつ均一に基板５５６上に流すことによって、工程気体の交替が容易かつ速く行われるように設計された。この場合、順次の工程気体の供給過程で先に流入された供給気体が不要にシャワーヘッド内部５５２に累積されて今後供給される気体と気体状態反応を起こすことを最小化した。二重開口部５１６は反応器壁５２２の開口部と連結されており、二重開口部５１６の外管は気体流出管５１８を通じて真空ポンプ５９８と連結されている。したがって、気体分散グリッド５４２を通じて反応室５５４に流入された後に分散される工程気体は、反応器壁５２２とプラズマ発生遮断壁５２８間の空間（矢印で表示した通路５２６）を通じて気体流出管５１８に流出されて真空ポンプ５９８に排出される。

図３で矢印は工程気体の流れ方向を表示するものである。また、反応器壁５２２を必要に応じて加熱器６０４で加熱することもある。外部から高周波電力を印加される金属管で作られた高周波接続端子５６６は絶縁体で作られた絶縁管５６８で取り囲まれており、体積調節ラッパ５４０及び気体分散グリッド５４２と電気的に（＋）極で連結されているが、この絶縁管５６８で取り囲まれている高周波接続端子５６６は、反応器本体６００、反応器壁５２２、プラズマ発生遮断壁５２８、シャワーヘッド絶縁壁５３８を貫通して体積調節ラッパ５４０と連結されている。ここで、絶縁管５６８ゆえに高周波接続端子５６６は反応器本体６００、反応器壁５２２、プラズマ発生遮断壁５２８と電気的に絶縁されており、導体である高周波接続端子５６６は体積調節ラッパ５４０のみと電気的に連結されている。一方、シャワーヘッド絶縁壁５３８は絶縁体で作られたため、電気的に高周波接続端子５６６と絶縁されている。

一方、気体流入管５１０は導体であり、微細穿孔管５３６は絶縁体であるために、シャワーヘッド５４２、５４０は反応器壁５２２及び反応器本体６００と電気的に遮断されている。そして、基板５５６及び基板支持台５６０は電気的に駆動軸５８０及び反応器本体６００を通じて接地５９４と連結されている。したがって、高周波電力をＲＦ発生器（図示せず）を通じて印加すればシャワーヘッド５４２、５４０（＋極）と基板５５６（−極）間にプラズマが発生する。したがって、このプラズマにより活性化された原料気体により基板５５６に薄膜が蒸着される。ここで、プラズマは気体分散グリッド５４２と基板５５６間の反応室５５２でのみ発生する。本発明によれば、シャワーヘッド５４２、５４０を反応器に固定したシャワーヘッド絶縁壁５３８の表面に導電性膜が形成され、シャワーヘッド５４２、５４０と反応器の他の金属部分とが電気的に短絡されることを防止するためにプラズマ発生遮断壁５２８がシャワーヘッド絶縁壁５３８と反応器壁５２２間に設置されている。ここで、プラズマ発生遮断壁５２８を設置する理由は２種類に大別できる。第１には、プラズマ発生遮断壁５２８は電気的に気体流入管５１０及び反応器本体６００を通じて接地５９４されている。したがって、プラズマ発生遮断壁５２８と反応器壁５２２間の通路５２６にはプラズマが発生せずに導電性膜が生成されないために、この通路５２６を工程気体流出通路として使用するためであり、第２には、シャワーヘッド絶縁壁５３８とプラズマ発生遮断壁５２８間に狭い通路５４４を形成することによって、シャワーヘッド絶縁壁５３８のうち基板支持台５６０と近い部分に導電性膜が形成された時にも反応器内にプラズマを発生させるためであり、また同時に通路５４４を通じて不活性気体を供給し続けることによって、この通路５４４の入口部分５４８にプラズマを発生させないことによってこの部位に導電性膜が形成されることを防止して、シャワーヘッド５４２、５４０と接地５９４間に短絡現象を起こせないためである。

前記のように、シャワーヘッド絶縁壁５３８とプラズマ発生遮断壁５２８間にＡｒのような不活性気体を高周波接続端子５６６の内部管５６４を通じて流入し続けることによって、この不活性気体が矢印で表示した通りにシャワーヘッド絶縁壁５３８とプラズマ発生遮断壁５２８間に流入され、引続きプラズマ発生遮断壁５２８と反応器壁５２２間に流れて結局は気体流出管５１８を通じて真空ポンプ５９８に流入されて排出される。この不活性気体は、薄膜蒸着工程を進行する間に流しつづけることによって工程気体がシャワーヘッド絶縁壁５３８の上部及び側部が工程気体に露出されることを防止し、シャワーヘッド絶縁壁５３８の表面に伝導性膜が形成されることを防止する。

さらに一方では、微細穿孔管５３６の形態を細い直径の管で構成することによってこの微細穿孔管５３６の内部にプラズマが発生することを防止し、絶縁体の微細穿孔管の内側に伝導性膜が形成されることを防止した。

本発明によれば、４つの重要な発明が含まれているが、第１は、シャワーヘッドの体積調節ラッパ５４０の設計であり、第２は、微細穿孔管５３６の設計であり、第３は、シャワーヘッド絶縁壁５３８とプラズマ発生遮断壁５２８間にＡｒのような不活性気体を持続的に流す設計であり、第４は、高周波接続端子として、導体よりなる管と、不導体よりなる絶縁管５６８とを使用することによってプラズマ発生装置を効率的に設計製作することである。

一方、工程気体が流れる気体流入管５１０とシャワーヘッド５４２、５４０間に電位差によりプラズマが発生して、シャワーヘッド５４２、５４０と気体流入管５１０とを連結するシャワーヘッド絶縁壁５３８の孔内側に導電性膜が形成されることがある。シャワーヘッド絶縁壁５３８の孔内側に形成された導電性膜はシャワーヘッド５４２、５４０と接地された気体流入管５１０間に電気的短絡を起こす恐れがある。したがって、目的としない前記部位でのプラズマ発生を抑制するために気体の流れは維持しながらも、プラズマの発生を抑制できるように複数の細い配管が並列に連結された微細穿孔管５３６をシャワーヘッド５４０、５４２と気体流入管５１０間に設置する。前記微細穿孔管５３６は絶縁素材で形成する。微細穿孔管５３６の配管はプラズマが発生しない程度の直径及び長さを有する。本実施例では、全体直径が約６ｍｍ、長さが約２０ｍｍである微細穿孔管に直径が約０．６ｍｍの穿孔を約８つあけた。気体流入管５１０とシャワーヘッド５４２、５４０とを連結する絶縁素材で形成した管に穿孔を形成せず、その長さを気体分散グリッド５４２と基板５５６間の距離に比べて十分に長くしてこの管内部にプラズマが発生することを抑制できるが、このようにすれば、シャワーヘッド絶縁壁５３８の上部もその長さだけ厚くし、チャンバの他の部分も大きくする必要があるため、装備製作に必要な材料及びコストが高まる。

狭い空間では電場により加速された電子が電極に向って移動しながら気体原子または分子と衝突する回数が少ない。プラズマの状態が維持されるためには、電場内で十分に速く加速された電子が中性気体粒子と衝突しつつ原子または分子をイオン化させ、これらに拘束されていた電子を取り外し、これら電子が再び十分に加速された後に他の中性気体粒子と衝突して再び電子を取り外す過程が反復されねばならない。狭い空間では、中性気体粒子から電子を取り外すのに十分なエネルギーを得られるほど電子が加速される前に電子が固体に衝突してエネルギーを失うことによって中性気体粒子のイオン化過程が効果的に行われないため、狭い空間ではプラズマの発生が抑制される。

また、反応器壁５２２とシャワーヘッド絶縁壁５３８間に電位差が存在するためにここにプラズマが発生することがあり、反応室５５４を過ぎた工程気体がこの部分を通過するため、反応器壁５２２内側及びシャワーヘッド絶縁壁５３８外側にも導電性膜が形成されることがある。シャワーヘッド絶縁壁５３８表面に形成された導電性膜はシャワーヘッド５４２、５４０と接地された反応器壁５２２間に電気的短絡を起こすことがある。

導電性のプラズマ発生遮断壁５２８を反応器壁５２２とシャワーヘッド絶縁壁５３８間に設置して反応器壁５２２と電気的に連結すれば、プラズマ発生遮断壁５２８と反応器壁５２２間に電位差がないのでプラズマが発生しない。プラズマ発生遮断壁５２８とシャワーヘッド絶縁壁５３８間の間隔を狭めれば、この部分でプラズマが発生することを抑制できる。この場合、交流波形高周波電位がかかるシャワーヘッド５４０、５４２と接地された部分間の空間のうち相対的に広い気体分散グリッド５４２と基板５５６間の反応室５５４で主にプラズマが発生する。また、プラズマ発生遮断壁５２８とシャワーヘッド絶縁壁５３８間にアルゴンなどの不活性気体の流れ（矢印で表示）を維持して工程気体がこの空間５４８に入ることを防止できる。これに必要な不活性気体を管状の高周波接続端子５６６を通じて流すことができる。不活性気体は、高周波接続端子の孔５６４を出てきてシャワーヘッド絶縁壁５３８とプラズマ発生遮断壁５２８間の通路５４４、５４８を流れる。この時、シャワーヘッド絶縁壁５３８の上面と対向するプラズマ発生遮断壁５２８に気体が流れやすい通路６２４、６２６、６２８を形成することが望ましい。また、高周波接続端子５６６を通じて供給された不活性気体がプラズマ発生遮断壁５２８とシャワーヘッド絶縁壁５３８間の通路に均一に流れるようにシャワーヘッド絶縁壁５３８の上面またはこれと対向するプラズマ発生遮断壁５２８に溝６２４、６２６を掘って対称形の緩衝通路を提供することが望ましい。このようにして、高周波接続端子５６６がシャワーヘッド５４２、５４０の中央に位置しなくてもシャワーヘッド絶縁壁５３８とプラズマ発生遮断壁５２８間の通路５４４、５４８を流れる不活性気体の流れを均一かつ対称的にすることができる。この通路５４４、５４８の大きさが０．４ｍｍであり、シャワーヘッド絶縁壁５３８の外径が２１０ｍｍである場合、２０ｓｃｃｍの気体を流せばこの通路５４４、５４８で気体の流速は２５℃、５ｔｏｒｒで１９ｍｍ／ｓであり、温度がさらに高ければさらに速い。これについて図３を参照してより詳細に説明すれば、導体になっている高周波接続端子５６６の不活性気体流入口５６２にＡｒのような不活性気体をＭＦＣ（ｍａｓｓ ｆｌｏｗ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）を使って流入させれば、この不活性気体は強制的に流入されて矢印に沿って第１貯蔵リング６２０、不活性気体通路６２２、第２貯蔵リング６２４、第３貯蔵リング６２６、第４貯蔵リング６２８を通った後に、シャワーヘッド絶縁壁５３８とプラズマ発生遮断壁５２８間の通路５４４に沿って矢印方向に下方に流れ、結局にはシャワーヘッド絶縁壁５３８とプラズマ発生遮断壁５２８間の下端部分５４８に流れて工程気体と合流し、プラズマ発生遮断壁５２８と反応器壁５２２間の通路に沿って矢印で表示した通路を通じて気体流出管５１８に流れて真空ポンプ５９８によって排出される。この時に、不活性気体流出口５４８を通じて流出される不活性気体の流れゆえに反応器５５４内にある工程気体がシャワーヘッド絶縁壁５３８とプラズマ発生遮断壁５２８間の通路５４４に逆流して流れ込むことができないために、工程気体として金属材料を使った場合に通路５４４、特に通路の端部５４８に願わない導電性膜が形成されずに電気的な短絡が起きず、反応室５５４の寿命が延びる長所がある。

工程気体が供給され、プラズマが発生する部分でのみ導電性薄膜が形成されるためにプラズマ発生遮断壁５２８と反応器壁５２２間にはプラズマが発生せず、プラズマ発生遮断壁５２８とシャワーヘッド絶縁壁５３８間には工程気体が供給されずに導電性薄膜が形成されない。結果的に反応室５５４にのみ導電性薄膜が形成され、その他の部分には導電性薄膜が形成されないために、基板５５６に導電性薄膜を形成する工程を反復しても電気的な短絡を防止できる。

また、反応器壁５２２の所定領域及び基板支持台５６０を取り囲む外管を形成し、開閉が可能な不活性気体流入口５９０及び不活性気体流出口５９２を有する反応器本体６００をさらに具備できる。この時、高周波接続端子５６６は反応器本体６００及び反応器壁５２２を貫通してシャワーヘッド５４２、５４０に連結され、反応器本体６００及び反応器壁５２２と電気的に絶縁されるように設置する。また、本発明のプラズマで補強したＡＬＤ装置が前記のシャワーヘッド絶縁壁５３８及びプラズマ発生遮断壁５２８をさらに具備する場合に、高周波接続端子５６６は反応器本体６００、反応器壁５２２、プラズマ発生遮断壁５２８及びシャワーヘッド絶縁壁５３８を貫通してシャワーヘッド５４２、５４０に連結され、反応器本体６００、反応器壁５２２及びプラズマ発生遮断壁５２８と電気的に絶縁されるように設置する。そして、表示されなかったが、反応器本体６００は上部の蓋部と下部の本体とに二分されている。不活性気体流入口５９０を通じて反応器本体６００に流入された不活性気体によって反応器本体６００内部の圧力が基板５５６上部に形成された反応室５５４の圧力より高ければ、反応室５５４内の気体が外部に流出されない。

基板支持台５６０を駆動するための基板支持台駆動部は、反応器本体６００の下端外部に固定されている空圧シリンダ５８４と、空圧シリンダ５８４と基板支持台５６０とを連結する駆動軸５８０と、駆動軸５８０間の平衡を調節する移動板５７８とより構成される。基板５５６の着脱時には空圧シリンダ５８４に連結された基板支持台５６０が下方に移動して反応器壁５２２と基板支持台５６０とが分離されて反応室５５４が開放される。この時、基板支持台５６０の中央に設置された中央支持ピン５７２は中央軸５７４と連結され、特定高さでそれ以上の下降を止める。基板支持台５６０は下降し続けるが、基板５５６は中央支持ピン５７２によって支持されるので基板支持台５６０とは分離される。基板５５６が停止する高さは、外部に設置された基板移送装置のロボットアームにより基板５５６移送が可能にあらかじめ合せられるが、このために中央軸５７４及び中央支持ピン５７２の長さは調節できる。

本発明の実施例によるプラズマで補強したＡＬＤ装置によれば、ラッパ状の曲面を有する体積調節ラッパ５４０により気体の流れを円滑に分散させながらもシャワーヘッド５４２、５４０内部の体積を最小化して工程気体の転換が容易であり、したがって順次的な工程気体の供給過程において以前に供給された気体が不要にシャワーヘッド５４０、５４２内部に累積されて今後供給される気体と気相反応を起こすことを最小化する。また、複数の狭い配管が並列に連結された微細穿孔管５３６を具備することによってシャワーヘッド５４２、５４０と気体流入管５１０間にプラズマ発生を抑制できる。また、接地したプラズマ発生遮断壁５２８とシャワーヘッド絶縁壁５３８間の通路を通じて不活性気体を流すことによって気体分散グリッド５４２と基板５５６間の反応室５５４でのみ膜が形成され、気体が流れる他の部分では膜が蒸着されないために電気的な短絡の問題なく導電性薄膜をプラズマで補強したＡＬＤ法で形成する。それだけでなく、工程気体は反応器内部でのみ流れて反応器本体６００とは合わない。

図４は、本発明の望ましい実施例によるプラズマで補強したＡＬＤ法を説明するために示した図面である。

図４を参照すれば、原料気体４４０とパージ気体４４２とは４４０→４４２の周期Ｔ_{ｃｙｃｌｅ}で供給される。ここで、パージ気体４４２の供給途中で一定時間高周波電位４４６が印加されてプラズマ４４６が発生する。原料気体４４０は四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）のように膜をなす金属元素を含む気体であり、パージ気体４４２は蒸着気体４４０と単純に混合しては反応しないが、プラズマ４４６で活性化されれば反応して膜を形成する気体である。

図５は、図３のプラズマで補強したＡＬＤ装置を利用した本発明の望ましい他の薄膜形成方法を説明するために示したフローチャートである。

図５を参照すれば、反応室５５４に基板５５６を装入して基板支持台５６０に基板５５６を安着させる（８５０）。そして、基板５５６をあらかじめ設定された蒸着温度に加熱する（８５２）。次に、反応室５５４に原料気体４４０を供給する（８５４）。次いで、パージ気体４４２を供給して残留する蒸着気体４４０を除去する（８６０）。そして、高周波接続端子を通じて反応室にＲＦ電力を供給してパージ気体４４２をプラズマ４４６状態に変える（８６４）。このプラズマ４４６は基板５５６上に吸着された蒸着気体４４０と反応して薄膜を形成する。その後、ＲＦ電力を遮断する。ＲＦ電力を遮断した後には活性化されたパージ気体のラジカルやイオンの濃度が非常に速く減少するのでＲＦ電力を遮断した後にパージ気体を供給する時間を最小化できる。そして、このような過程をあらかじめ設定した周期だけ反復して所望の厚さの薄膜を形成する（８６６）。

２種の気体だけでもＡＬＤを行えるので気体供給部の構成を簡単にすることができ、気体供給周期に必要な時間Ｔ_{ｃｙｃｌｅ}を短縮できる。また、この方法では、原料気体４４０とパージ気体４４２とが反応器及び気体流出管５１８が含まれた排気部で混合されても互いに反応しないために粒子が発生しない。蒸着が完了した後には基板５５６を冷却した後（８６８）、反応室５５４から基板５５６を外部に取り出す（８７０）。

＜実験例１＞
前記実施例による導電性薄膜の形成方法によって窒化チタン（ＴｉＮ）膜を形成した。この時、原料気体供給段階でＡｒ気体１６０ｓｃｃｍとＴｉＣｌ_４バブラーを通過させたアルゴン１００ｓｃｃｍとをシャワーヘッドを通じて流した。パージ気体供給段階で水素（Ｈ_２）気体１００ｓｃｃｍと窒素（Ｎ_２）気体６０ｓｃｃｍとアルゴン気体１００ｓｃｃｍとを流した。高周波接続端子の孔を通じてはアルゴン気体２０ｓｃｃｍを流しつづけた。基板温度は３５０℃に設定し、ＲＦパワーは１５０Ｗに設定し、圧力は３ｔｏｒｒに設定した。原料気体の供給時間は０．２秒とし、パージ気体供給時間は５．８秒とした。５．８秒のうち最初の２．０秒間はＲＦパワーを加えずにパージ気体だけを供給し、次の２．０秒間はパージ気体を供給してＲＦパワーを加えてプラズマを発生させ、最後の１．８秒間はＲＦパワーを加えずにパージ気体だけを供給した。このように６．０秒の工程気体供給周期を反復して均質の窒化チタン膜を形成した。

＜実験例２＞
前記実施例による導電性薄膜の形成方法によってチタン（Ｔｉ）膜を形成した。この時、原料気体供給段階でＡｒ気体２３０ｓｃｃｍとＴｉＣｌ_４バブラーを通過させたアルゴン１００ｓｃｃｍとをシャワーヘッドを通じて流した。パージ気体供給段階でＨ_２気体１００ｓｃｃｍとアルゴン気体２３０ｓｃｃｍとを流した。高周波接続端子の孔を通じてはアルゴン気体２０ｓｃｃｍを流しつづけた。基板温度は３８０℃に設定し、ＲＦパワーは２００Ｗに設定し、圧力は３ｔｏｒｒに設定した。原料気体の供給時間は０．２秒とし、パージ気体供給時間は５．８秒とした。５．８秒のうち最初の２．０秒間はＲＦパワーを加えずにパージ気体だけを供給し、次の２．０秒間はパージ気体を供給してＲＦパワーを加えてプラズマを発生させ、最後の１．８秒間はＲＦパワーを加えずにパージ気体だけを供給した。このように６．０秒の工程気体供給周期を反復して均質のチタン膜を形成した。

以上、本発明の望ましい実施例をあげて詳細に説明したが、本発明は前記実施例に限定されることではなく、本発明の技術的思想の範囲内で当業者によっていろいろな変形が可能である。

前述したように、本発明のプラズマで補強したＡＬＤ装置によれば、ラッパ状の曲面を有する体積調節ラッパにより気体の流れを円滑に分散させながらもシャワーヘッド内部の体積を最小化して工程気体の転換が容易であり、したがって順次的な工程気体の供給過程において以前の供給気体が不要にシャワーヘッド内部に累積されて今後供給される気体と気相反応を起こすことを最小化できる。また、複数の狭い配管が並列に連結された微細穿孔管を具備することによってシャワーヘッドと気体流入管間での電位差によるプラズマ発生を抑制できる。また、プラズマ発生遮断壁とシャワーヘッド絶縁壁間の通路を通じて不活性気体を流すことによって気体分散グリッドと基板間の反応室でのみ膜が形成され、気体が流れる他の部分では膜が蒸着されないために電気的な短絡の問題なく導電性薄膜をプラズマで補強したＡＬＤ法で形成できる。したがって、プラズマが気体分散グリッドと基板間の反応室でのみ発生され、その他の気体流動領域では薄膜の蒸着が抑制されることによって導電性のある薄膜もプラズマで補強したＡＬＤを利用して形成できる。

また、気体流入管と気体流出管とを同じ位置に二重配管形態に具備することによって、反応室内の工程気体が気体流出管側に偏って流れることを防止でき、反応室内で工程気体の流動が基板に対して対称的に維持されて基板に均一な薄膜を蒸着できる。そして、工程気体の流動が基板に対して対称的に維持されるのでシャワーヘッド及び反応室を従来より小さく構成できる。したがって、多様な工程気体が順次に流入される工程において工程気体の転換が容易である。

さらに、工程気体を２重チャンバ形態に構成し、工程気体が反応器内部でのみ流れるように構成することによって基板支持台の下部に不要な薄膜が蒸着されることが防止される。

また、本発明によれば、ＡＬＤ法において工程気体が反応性がないか、または非常に弱い場合にも効果的に薄膜を形成できる。

さらに、ＡＬＤ法において工程気体供給周期のうちパージ気体の供給時間を最小化して工程時間を短縮できる。

さらに、原子層蒸着法が行われる装置の排気部で汚染粒子の発生を減らしうる。

従来ＣＶＤ装置の概略的な構造を示す図面である。 従来ＣＶＤ装置の概略的な構造を示す図面である。 従来ＡＬＤ装置を利用した薄膜形成工程において、経時的な工程気体流入／流出順序を示す図面である。 本発明によるプラズマで補強したＡＬＤ装置を概略的に示す断面図である。 本発明によるプラズマで補強したＡＬＤ装置を利用した薄膜形成工程において、経時的な工程気体流入／流出順序及びここに合せてプラズマを発生させる時間を示す図面である。 図３のプラズマで補強したＡＬＤ装置を利用して導電性薄膜を形成する過程を示すフローチャートである。

Claims (14)

1. 基板上に薄膜を蒸着させるための装置において、
   前記基板を支持するための基板支持台と、
   前記基板支持台と共に反応器内部を区画し、開口部が形成された上部面を含む反応器壁と、
   前記反応器内に工程気体を流入するための気体流入管と、
   前記基板支持台と共に反応室を区画し、前記気体流入管と連結されて前記反応器壁内に設置され、前記反応室内に工程気体を供給するためのシャワーヘッドと、
   前記シャワーヘッドの上部及び側部を取り囲むシャワーヘッド絶縁壁と、
   前記シャワーヘッド絶縁壁と前記反応器壁との間に設置されていると共に前記反応器壁と同じ電位を有しており、前記シャワーヘッド絶縁壁との間に空間をもって当該シャワーヘッド絶縁壁を覆っているプラズマ発生遮断壁と、
   前記反応室の密閉を確保するために前記基板支持台と前記反応器壁との連結部分に介在される気体密閉リングと、
   前記反応室内の工程気体を排出するための気体流出管と、
   交流電位波を加えるために前記反応器壁、プラズマ発生遮断壁及びシャワーヘッド絶縁壁を貫通してシャワーヘッドに連結設置されると共に不活性気体が流入される内部管を有した高周波接続端子と、
   前記高周波接続端子を前記反応器壁及び前記プラズマ発生遮断壁に対して電気的に絶縁するように前記高周波接続端子を取り囲んでいる絶縁管と、を含み、
   前記プラズマ発生遮断壁と前記シャワーヘッド絶縁壁との間には、前記高周波接続端子の内部管からの不活性気体が流れる通路が形成されており、前記プラズマ発生遮断壁と前記反応器壁との間には、前記プラズマ発生遮断壁及び前記シャワーヘッド絶縁壁間の通路から流出する不活性気体と前記反応室内から流出する工程気体とが気体流出管に向かって流れる通路が形成されていることを特徴とするプラズマで補強した原子層蒸着装置。
2. 前記高周波接続端子を通じて供給された不活性気体が前記プラズマ発生遮断壁と前記シャワーヘッド絶縁壁との間の通路に均一に流れるように、前記シャワーヘッド絶縁壁の上面またはこれと対向する前記プラズマ発生遮断壁に溝を掘って形成された対称形の緩衝通路をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載のプラズマで補強した原子層蒸着装置。
3. 前記反応器壁の所定領域と前記基板支持台とを取り囲む外壁を形成し、開閉可能な気体流出入口を有する反応器本体をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載のプラズマで補強した原子層蒸着装置。
4. 前記高周波接続端子は交流電位波を加えるために前記反応器本体をも貫通して前記シャワーヘッドに連結されており、前記絶縁管は、前記高周波接続端子を前記反応器本体に対しても電気的に絶縁するように設置されることを特徴とする請求項３に記載のプラズマで補強した原子層蒸着装置。
5. 前記気体流入管は前記反応器壁上部の開口部より小さな直径を有して前記開口部内に挿入設置され、前記気体流出管は前記反応室内に供給された気体が前記反応器壁と前記プラズマ発生遮断壁との間の通路を経て前記反応器壁と前記気体流入管との間の通路を通じて排出されるように前記開口部に設置されることを特徴とする請求項１に記載のプラズマで補強した原子層蒸着装置。
6. シャワーヘッドは、内部の気体が占める体積を最小化して気体の流れを円滑にするためのラッパ状の曲面を有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマで補強した原子層蒸着装置。
7. 前記気体流入管と前記シャワーヘッドとの間に設置され、前記気体流入管と前記シャワーヘッドとの間の電位差によるプラズマ発生を防止しながらも前記気体流入管からの気体流れを維持できるように狭い配管が並列に連結されている絶縁素材よりなる微細穿孔管を含むことを特徴とする請求項１に記載のプラズマで補強した原子層蒸着装置。
8. 前記シャワーヘッドは、前記基板支持台の対向面に複数の噴射ホールが穿孔された気体分散グリッドと、前記気体分散グリッドと連結されて前記気体分散グリッド上部に設置され、前記シャワーヘッド内部の気体が占める体積を最小化して気体の流れを円滑にするためのラッパ状の曲面を有する体積調節板とで構成されることを特徴とする請求項７に記載のプラズマで補強した原子層蒸着装置。
9. 微細穿孔管は、約２０ｍｍの長さを有することを特徴とする請求項７に記載の原子層蒸着装置。
10. 前記微細穿孔管の配管は、プラズマが発生しない程度の約０．６ｍｍの直径を有することを特徴とする請求項７又は９に記載のプラズマで補強した原子層蒸着装置。
11. 微細穿孔管は、少なくとも８つの小さな穿孔を有することを特徴とする請求項１０に記載の原子層蒸着装置。
12. 前記反応器壁の側壁を取り囲むように設置される加熱器をさらに具備することを特徴とする請求項７に記載のプラズマで補強した原子層蒸着装置。
13. 前記基板支持台に前記基板を加熱できる加熱器をさらに具備することを特徴とする請求項７に記載のプラズマで補強した原子層蒸着装置。
14. 前記基板支持台は上下移動が可能であって前記基板を前記反応室内に着脱できるように備えられることを特徴とする請求項７に記載のプラズマで補強した原子層蒸着装置。

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