JP5284298B2 - 薄膜形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、基板に薄膜を形成する薄膜形成装置に関する。

最近、基板上に原子層単位で薄膜を形成する原子層成長法（以下、省略してＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法ともいう）が薄膜形成方法として注目されている。ＡＬＤ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Ａｌ₂Ｏ₃膜を形成する場合、ＴＭＡ（Tri-Methyl Aluminum）からなる原料ガスと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、いわゆる成長の自己停止作用（セルフリミット機能）を利用する。

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、２５０℃程度の温度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。

このＡＬＤ法において、例えば、基板に吸着した原料ガスの成分を酸化するとき、酸化ガスを高温により活性化させる。このとき、活性化された酸素を用いて、基板に吸着した原料ガスの成分を酸化させる。例えば、下記特許文献１には、ＡＬＤ法を用いた薄膜形成装置が記載されている。
また、特許文献２に示すように、プラズマを用いて酸化ガスを活性化させて、酸素ラジカルを作り、この酸素ラジカルを、基板に吸着した原料ガスの成分と反応させるプラズマＡＬＤ法を用いた薄膜形成装置も知られている。

特開２００９−１７３９６３号公報 特開２００９−１９１３１１号公報

このようなＡＬＤ法により、微細な凹部でも、高いステップカバレッジで薄膜を埋め込むことが可能となる。
しかし、これらの装置において、例えば、原料ガスとしてＴＭＡ、反応ガスとして酸化ガスを用いて、基板に酸化アルミニウムの薄膜を形成するとき、成膜空間内で形成される薄膜に寄与しない余分なＴＭＡのガスあるいは酸化ガスは常時排気管を介して排気される。このとき、余分なＴＭＡのガスおよび酸化ガスは、排気管の内表面でお互いに反応して膜や粉状粒子等の反応生成物を形成する場合がある。また、排気管に接続されるドライポンプ等のポンプ装置の内部において、ＴＭＡのガスと酸化ガスとの反応による反応生成物が形成される場合もある。さらに、ＴＭＡのガスおよび酸化ガスの排気の繰り返しにより成長し堆積した反応生成物である膜や粉状粒子の一部が分離して、ポンプ装置の内部が汚染される場合もある。

図３には、プラズマを用いたＡＬＤにより薄膜を形成する薄膜形成装置１００の一例が示されている。
薄膜形成装置１００は、成膜容器１０２と、原料ガス供給部１０４、反応ガス供給部１０６と、プラズマ生成素子１０８と、シャワーヘッド板１１０と、基板ステージ１１２と、加熱ヒータ１１４と、昇降機構１１６と、排気部１１８．１２０と、を有する。
原料ガス供給部１０４から供給されたＴＭＡのガスの成分が、成膜容器１０２の成膜空間内で、基板ステージ１１２に載置され加熱ヒータ１１４で加熱された基板に吸着される。成膜容器１０２の成膜空間は、排気部１１８，１２０により減圧状態になっている。
また、反応ガス供給部１０６から成膜容器１０２内に反応ガスである酸素ガスが供給されてシャワーヘッド板１１０から噴射され、一方、シャワーヘッド板１１０の下方にあるプラズマ生成素子１０８により成膜空間でプラズマが生成される。このプラズマにより、酸素ガスが電離し、その一部は酸素ラジカルとなり、基板に吸着されているＴＭＡの成分と反応して、酸化アルミニウムの薄膜が形成される。
酸化アルミニウムの薄膜の形成に寄与しない余分なＴＭＡのガスおよび酸素ガスあるいは酸素ラジカルは、排気管を介して排気部１６から排出される。
しかし、排気部１２０の排気管には、余分なＴＭＡの原料ガスおよび酸素ガスが交互に流れるので、排気管の内表面には、反応生成物である酸化アルミニウムの膜や粉状粒子が形成され堆積しやすい。また、排気部１２０内にも酸化アルミニウムが形成され易い。さらに、排気管の内表面で成長した膜や粉状粒子の一部が分離して、ポンプ装置の内部が汚染される場合もある。

そこで、本発明は、薄膜を形成する際、従来の薄膜形成装置のように、排気部に反応性生物が形成されることが殆ど無く、メンテナンスのし易い薄膜形成装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、基板に薄膜を形成する薄膜形成装置である。
当該装置は、
原料ガスおよび反応ガスが別々のタイミングで交互に供給されて、基板に薄膜を形成するための減圧した成膜空間を形成する成膜容器と、
原料ガスおよび反応ガスを排気する排気管を備えるガス排気部と、を有し、
前記ガス排気部には、前記排気管の長手方向に平行な細孔が複数設けられた、多孔質材からなるガスフィルターが、前記排気管に接続されて設けられ、
前記ガス排気部は、前記排気管の断面積より大きな断面積を持つガス流路拡大部を有し、
前記ガス流路拡大部の断面の全体を占めるように、前記ガスフィルターが設けられ、
前記ガス流路拡大部には、前記排気管の開口部と前記ガスフィルターとの間の、前記排気管の開口部の前面に、前記開口部の断面より広い面積を持つ平板が、前記平板の端部と前記ガス流路拡大部の壁面との間にガス流路を持つように、設けられている。

本発明の他の一態様は、基板に薄膜を形成する薄膜形成装置である。
当該装置は、
原料ガスおよび反応ガスが別々のタイミングで交互に供給されて、基板に薄膜を形成するための減圧した成膜空間を形成する成膜容器と、
原料ガスおよび反応ガスを排気する排気管を備えるガス排気部と、を有し、
前記ガス排気部には、前記排気管の長手方向に平行な細孔が複数設けられた、多孔質材からなるガスフィルターが、前記排気管に接続されて設けられ、
前記ガス排気部は、前記排気管の断面積より大きな断面積を持つガス流路拡大部を有し、
前記ガス流路拡大部の断面の全体を占めるように、前記ガスフィルターが設けられ、
前記ガスフィルターの前記細孔の断面積は分布を持ち、前記分布では、前記ガス流路拡大部の断面中心に近いほど断面積が小さい。

上述の薄膜形成装置によれば、従来の薄膜形成装置のように、排気部に反応生成物が形成されことが殆ど無く、メンテナンスがし易い装置が実現される。

本発明の薄膜形成装置の一実施例であるＡＬＤ装置の構成を説明する図である。 図１に示すＡＬＤ装置に用いられるガスフィルターを説明する図である。 従来の薄膜形成装置を説明する図である。

以下、本発明の薄膜形成装置および薄膜形成方法について詳細に説明する。
図１は、本実施形態のＡＬＤ装置の概略の構成を示す図である。
図１に示すＡＬＤ装置１０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種類の成膜ガス（原料ガスおよび反応ガス）を成膜対象の基板２８上に交互に供給する。その時、反応ガスを用いて基板２８上に原子層単位で原料ガスの酸化膜を形成する。上記処理を１サイクルとして、処理を複数サイクル、例えば１００サイクル程度繰り返すことにより所望厚さの薄膜が形成される。なお、反応ガスとして、オゾンガス等の酸化ガスや、窒素ガス等の窒化ガスが用いられる。

ＡＬＤ装置１０は、成膜容器１２と、原料ガス供給部１４と、反応ガス供給部１６と、排気部１８，２０と、基板ステージ２２と、リフトピン２４と、昇降機構２６と、を主に有する。以下、ＴＭＡを原料ガスとし、オゾンガスを反応ガスとして、基板２８上にアルミニウムの金属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。勿論、オゾンガスの代わりに酸素ガスを用いることもできる。

成膜容器１２内の成膜空間３０には、基板ステージ２２と、加熱ヒータ３２と、が設けられている。基板ステージ２２は、成膜空間３０の下方に設けられ、加熱ヒータ３２は、基板ステージ２２の下方の部分に設けられている。
基板２８は、基板ステージ２２を貫通して成膜容器１２の外側から立設するリフトピン２４にて支持される。また、成膜中の基板２８は基板ステージ２２に載置される。リフトピン２４は、基板２８の交換のために昇降機構２６によって上下方向に昇降可能になっている。また、リフトピン２４の代わりに、基板ステージ２２自体が基板２８の交換のために自在に昇降する機構を備えてもよい。
ＡＬＤ装置１０は、加熱ヒータ３２により基板２８を２５０℃程度に加熱した状態で、薄膜を形成する、いわゆる熱ＡＬＤ装置である。

成膜容器１２の左側側壁には、原料ガス、反応ガスを成膜空間３０内に供給する、原料ガス供給部１４と反応ガス供給部１６とが設けられている。
原料ガス供給部１４は、原料ガスであるＴＭＡのガスを、供給管１４ａを介して、成膜空間３０に供給する。これにより、基板２８上にＴＭＡの成分が吸着される。
反応ガス供給部１６は、反応ガスであるオゾンガスを、供給管１６ａを介して、成膜空間３０に供給する。オゾンガスの供給は、ＴＭＡのガスの供給が停止されているときに行われる。すなわち、ＴＭＡのガスとオゾンガスは、交互に成膜空間３０に供給される。オゾンガスが基板２８に吸着されているＴＭＡの成分と反応を起こして、金属酸化膜からなる薄膜を形成する。
また、成膜空間３０には、ＴＭＡの原料ガスと反応ガスであるオゾンガスの供給が交互に行われる間隙に、窒素ガス等の不活性ガスがパージガスとして成膜空間３０に供給される。これにより、ＴＭＡのガスとオゾンガスとの入れ替えが効率よく行われる。

薄膜の形成は、原子単位で行われるので、ＴＭＡの基板２８上への吸着およびＴＭＡのオゾンガスとの反応は極めて短時間に行われる。例えば、ＴＭＡとオゾンガスとの反応は、例えば数ｍ秒で行われる。その際、この反応が基板２８全体でまんべんなく行われるように、例えば１秒程度、オゾンガスが基板２８上に流される。ＴＭＡのガスとオゾンガスの供給を交互に１００回程度行うことにより、例えば数ｎｍ〜数１０ｎｍ等の薄膜を形成することができる。

このような成膜容器１６は、排気部１８，２０によるＴＭＡのガス、オゾンガス、パージガス等の排気により、成膜空間３０は、所定の真空度（例えば、１０Ｐａ〜１００Ｐａ、あるいは数Ｐａ〜数１００Ｐａ）に常時維持される。排気部２０は、成膜容器１２内の、基板ステージ２２の下方の床面に設けられた排気口から延びる排気管とポンプを有する。排気管は、成膜容器１２内の下部空間と接続されている。

排気部１８は、薄膜の形成中に供給された、薄膜形成に寄与しない余分で不要なＴＭＡのガス、余分で不要な反応ガス、および不要なパージガスを排気する。排気部１８は、排気管１８ａ、ガス流路拡大部１８ｂ、ポンプ１８ｅを有する。
排気官１８ａは、成膜容器１２の開口部から延びており、ポンプ１８ｅとの間に、ガス流路拡大部１８ｂが設けられている。

ガス流路拡大部１８ｂは、排気管１８ａの断面より広い断面を持つ部分である。ガス流路拡大部１８ｂには、ガス流路拡大部１８ｂの断面の全体を占めるように、ガスフィルター１８ｄが設けられている。図２は、ガスフィルター１８ｄの斜視図である。ガスフィルター１８ｄは、排気管１８ａの長手方向に平行な細孔１８ｆが複数設けられた、多孔質材からなる。図中では、細孔は、矩形形状を成している。ここで、多孔質材は、セラミック材や金属のうち多孔質構造となって、気孔率が３０〜８０％のものをいう。好ましくは、気孔率は５０〜８０％である。
細孔の断面形状は、特に限定されず、円形、楕円形、多角形形状等が用いられる。細孔の断面積も特に限定されないが、例えば、細孔の断面積は、ガス流路拡大部１８ｂの断面積の６０％〜９０％である。ガスフィルター１８ｄの厚さも特に限定されないが、例えば１０〜３０ｃｍである。

このようなガスフィルター１８ｄを用いるのは、余分で不要なＴＭＡのガスがガスフィルター１８ｄの細孔１８ｆの内表面に吸着されて、ポンプ１８ｅに流れ込まないようにするためである。すなわち、ガスフィルター１８ｄの表面において、余分で不要なＴＭＡのガスと反応ガスにより反応生成物が形成される。ガスフィルター１８ｄは多孔質であるので、細孔の壁面の凹凸があり、表面積が極めて大きい。このため、余分で不要なＴＭＡのガスが細孔の表面に吸着され易い。また、ガスフィルター１８ｄは、排気管１８ａの長手方向に平行に複数の細孔が設けられているので、ポンプ１８ｅでガスを排気するときの排気部１８のコンダクタンスを大きい。このため、余分で不要なＴＭＡのガスやオゾンガスを成膜空間３０から迅速に排気することができる。成膜空間３０から短時間の排気が求められるのは、上述したように、ＴＭＡのガスおよびオゾンガスを交互に流すことを１００回程度行うＡＬＤにおいて、成膜に要する合計時間を短縮するためである。

ガス流路拡大部１８ｂには、排気管１８ａの開口部とガスフィルター１８ｄとの間の、排気管の開口部の前面に、開口部の断面より広い面積を持つ平板１８ｃが設けられている。平板１８ｃは、平板１８ｃの端部とガス流路拡大部１８ｂの壁面との間にガス流路を持つように設けられている。
このように、排気管１８ａの開口部とガスフィルター１８ｄとの間の、排気管１８ａの開口部の前面に平板１８ｃを設けるのは、排気管１８ａの開口部からガス流路拡大部１８ｂに流れるガスの流れを広げ、ガスが、ガスフィルター１８ｄ全体に満遍なく通るようにするためである。

以上のように、排気部１８に、ガスフィルター１８ｄが設けられるので、ＴＭＡのガスとオゾンガスとがガス流路拡大部１８ｂにおいて反応しやすい。このため、余分で不要なＴＭＡのガスとオゾンガスを除去することができ、ポンプ１８ｅに流れ込み難くなる。したがって、従来の薄膜形成装置のように、排気部に反応生成物が形成され難い、メンテナンスのし易い薄膜形成装置が実現される。しかも、ガスの排気の際の排気部１８のコンダクタンスは高く保たれるので、成膜空間３０からガスを短時間に排気することができる。

このようなＡＬＤ装置１０では、以下の薄膜形成が行われる。
加熱された基板１２を配置した減圧状態の成膜空間３０内に、原料ガス供給部１４は一定量のＴＭＡのガスを供給して、基板２８にＴＭＡの成分を原子単位で吸着させる。

基板２８にＴＭＡの成分が原子単位で吸着された後、図示されないパージガス供給部から供給されたパージガスにより、成膜空間３０内の余分で不要なＴＭＡのガスが排気部１８から排気される。排気の際、ガス流路拡大部１８ｂのガスフィルター１８ｄにてＴＭＡのガスが吸着される。ガス流路拡大部１８ｂにおける排気管１８ａの開口部の前面に平板１８ｃが設けられるので、ＴＭＡのガスの流れが一端停留した後、ＴＭＡのガスの流れは広がり、ＴＭＡのガスはガスフィルター１８ｄを満遍なく通る。このため、ＴＭＡのガスがガスフィルター１８ｄにより吸着され易くなる。したがって、ポンプ１８ｅの内部にＴＭＡのガスが流れ込み難くなる。

一方、パージガスが排気された後、オゾンガスが反応ガス供給部１６から成膜空間３０に供給される。オゾンガスは、２５０℃程度に加熱された基板２８の上方を通ることにより、オゾンガスの一部と、基板１２に吸着した原料ガスの成分とが反応して、基板２８に所定の酸化膜が形成される。
基板２８上のＴＭＡの成分にオゾンガスが反応した後の不要となった余分なオゾンガスは、排気部１８に向かう。排気の際、オゾンガスがガス流路拡大部１８ｂを通るとき、ガスフィルター１８ｄに吸着したＴＭＡの成分と反応して、ガスフィルター１８ｄの表面に反応生成物が形成される。このとき、平板１８ｃが、ガス流路拡大部１８ｂにおける排気管１８ａの開口部の前面に設けられるので、オゾンガスの流れは一端停留した後広がり、ガスフィルター１８ｄを満遍なく通る。このため、ガスフィルター１８ｄに吸着されたＴＭＡの成分は効率よく反応して、反応生成物を作り、ガスフィルター１８ｄの表面に付着する。
この後、図示されないパージガス供給部から供給されたパージガスにより、成膜空間３０内の余分なガスが排気部１８から効率よく排気される。

このように、本実施形態は、排気管１８ａに平行な複数の細孔１８ｆを持つガスフィルター１８ｄを用いるので、排気部１８のコンダクタンスは高く維持され、短時間にガスを排気することができる。しかも、ガスフィルター１８ｄは、多孔質で構成されるため、細孔１８ｆの内表面には、微小凹凸があり、ＴＭＡのガスを効率よく吸着することができる。

なお、本実施形態では、平板１８ｃを用いてガスがガスフィルター１８ｄを満遍なく通るように構成したが、平板１８を設けず、ガスフィルター１８ｄの細孔１８ｆの断面積は分布を持ち、この分布は、ガス流路拡大部１８ｄの断面中心に近いほど断面積が小さい構成とすることもできる。このように、ガスフィルター１８ｄの外周側の細孔の断面積を、内側に比べて大きくすることにより、コンダクタンスの分布ができ、ガスの流れが広がる。このため、ガスフィルター１８ｄの断面全体にガスが満遍なく流れるようになる。

本実施形態のＡＬＤ装置１０は、熱ＡＬＤ装置であるが、平行平板型の２つの電極をプラズマ生成素子として用いた平行平板型のプラズマＡＬＤ装置であってもよい。また、成膜容器の対向する壁面から互い違いに棒状に突出させて、大面積の均一なプラズマを生成する複数のモノポールアンテナをプラズマ生成素子として用いたプラズマＡＬＤ装置であってもよい。このようなプラズマＡＬＤ装置は、例えば、ＷＯ２００７／１１４１５５に詳細に記載されている。

以上、本発明の薄膜形成装置について詳細に説明したが、本発明の薄膜形成装置および薄膜形成方法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。

１０ ＡＬＤ装置
１２，１０２ 成膜容器
１４，１０４ 原料ガス供給部
１４ａ，１６ａ 供給管
１６，１０６ 反応ガス供給部
１８，２０，１１８，１２０ 排気部
１８ａ 排気管
１８ｂ ガス流路拡大部
１８ｃ 平板
１８ｄ ガスフィルター
１８ｅ ポンプ
１８ｆ 細孔
２２，１１２ 基板ステージ
２４ リフトピン
２６，１１６ 昇降機構
２８ 基板
３０ 成膜空間
３２，１１４ 加熱ヒータ
１００ 薄膜形成装置
１０８ プラズマ生成素子
１１０ シャワーヘッド板

Claims (2)

1. 基板に薄膜を形成する薄膜形成装置であって、
   原料ガスおよび反応ガスが別々のタイミングで交互に供給されて、基板に薄膜を形成するための減圧した成膜空間を形成する成膜容器と、
   原料ガスおよび反応ガスを排気する排気管を備えるガス排気部と、を有し、
   前記ガス排気部には、前記排気管の長手方向に平行な細孔が複数設けられた、多孔質材からなるガスフィルターが、前記排気管に接続されて設けられ、
   前記ガス排気部は、前記排気管の断面積より大きな断面積を持つガス流路拡大部を有し、
   前記ガス流路拡大部の断面の全体を占めるように、前記ガスフィルターが設けられ、
   前記ガス流路拡大部には、前記排気管の開口部と前記ガスフィルターとの間の、前記排気管の開口部の前面に、前記開口部の断面より広い面積を持つ平板が、前記平板の端部と前記ガス流路拡大部の壁面との間にガス流路を持つように、設けられている、薄膜形成装置。
2. 基板に薄膜を形成する薄膜形成装置であって、
   原料ガスおよび反応ガスが別々のタイミングで交互に供給されて、基板に薄膜を形成するための減圧した成膜空間を形成する成膜容器と、
   原料ガスおよび反応ガスを排気する排気管を備えるガス排気部と、を有し、
   前記ガス排気部には、前記排気管の長手方向に平行な細孔が複数設けられた、多孔質材からなるガスフィルターが、前記排気管に接続されて設けられ、
   前記ガス排気部は、前記排気管の断面積より大きな断面積を持つガス流路拡大部を有し、
   前記ガス流路拡大部の断面の全体を占めるように、前記ガスフィルターが設けられ、
   前記ガスフィルターの前記細孔の断面積は分布を持ち、前記分布では、前記ガス流路拡大部の断面中心に近いほど断面積が小さい、薄膜形成装置。