JP5646463B2 - 堆積反応炉のための方法および装置 - Google Patents
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Description
本発明は、全般的には堆積反応炉のための装置および方法に関する。本発明は、特に、逐次自己飽和表面反応によって材料を表面に堆積させるような堆積反応炉のための装置および方法に関するが、これだけに限定されるものではない。
原子層エピタキシー（ＡＬＥ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｅｐｉｔａｘｙ）法は、１９７０年代初頭にツオモ・サントラ（Ｔｕｏｍｏ Ｓｕｎｔｏｌａ）博士によって発明された。この方法の別の総称名は原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）であり、今日ではＡＬＥの代わりにＡＬＤが使用されている。ＡＬＤは、加熱された反応空間内に配置された基板に少なくとも２つの反応性前駆体種を順次導入することによる特殊な化学的堆積法である。ＡＬＤの成長メカニズムは、化学的な吸着（化学吸着）と物理的な吸着（物理吸着）との間の結合強度の差異を利用する。ＡＬＤは、堆積プロセス中、化学吸着を利用し、物理吸着を排除する。化学吸着中、固相表面の原子（単数または複数）と気相から到達する分子との間に強力な化学結合が形成される。物理吸着による結合は、ファンデルワールス力のみが関与するため、はるかに弱い。物理吸着による結合は、局部温度が分子の凝縮温度を超えたときに熱エネルギーによって容易に破壊される。
定義上、ＡＬＤ反応炉の反応空間は、薄膜の堆積に用いられる各ＡＬＤ前駆体に交互に順次曝露されうる全ての加熱された表面を含む。基本的なＡＬＤ堆積サイクルは、連続する４つのステップ、すなわち、パルスＡ、パージＡ、パルスＢ、およびパージＢ、で構成される。パルスＡは、一般に金属前駆体蒸気で構成され、パルスＢは非金属前駆体蒸気、特に窒素または酸素前駆体蒸気、で構成される。パージＡおよびパージＢ期間中にガス状の反応副生成物と残留反応物分子とを反応空間からパージするために、窒素またはアルゴンなどの不活性ガスと真空ポンプとが用いられる。１つの堆積シーケンスは、少なくとも１つの堆積サイクルを含む。１つの堆積シーケンスによって所望の厚さの薄膜が生成されるまで、堆積サイクルが繰り返される。
前駆体種は加熱された表面の反応部位に化学吸着によって化学結合を形成する。一般に、１つの前駆体パルス期間中に固体材料の単一分子層のみが各表面に形成されるように条件が構成される。したがって、本成長プロセスは自己完結的または飽和的である。例えば、第１の前駆体は、吸着種に付着したまま残ることによって表面を飽和させ、さらなる化学吸着を防止するリガンドを含むことができる。反応空間の温度は、前駆体分子種が基本的にそのままの状態で基板（単数または複数）上に化学吸着されるように、凝縮温度より高く、使用される前駆体の熱分解温度より低く維持される。基本的にそのままの状態でとは、前駆体分子種が表面に化学吸着されるときに揮発性リガンドが前駆体分子から脱離しうることを意味する。表面は、基本的に、第１の種類の反応部位、すなわち第１の前駆体分子の吸着種、で飽和する。この化学吸着ステップの後に、一般に第１のパージステップ（パージＡ）が続き、第１の前駆体の余剰分と存在しうる反応副生成物とが反応空間から除去される。次に、第２の前駆体蒸気が反応空間に導入される。第２の前駆体分子は、一般に第１の前駆体分子の吸着種と反応し、これにより所望の薄膜材料が形成される。この成長は、吸着された第１の前駆体の全量が消費されて表面が基本的に第２の種類の反応部位で飽和すると終了する。次に、第２の前駆体蒸気の余剰分と存在しうる反応副生成物蒸気とが第２のパージステップ（パージＢ）によって除去される。次に、このサイクルは、膜が所望の厚さに成長するまで繰り返される。堆積サイクルをより複雑にすることもできる。例えば、堆積サイクルは、パージステップによってそれぞれ分離された３つ以上の反応物蒸気パルスを含むことができる。これら全ての堆積サイクルによって、論理ユニットまたはマイクロプロセッサによって制御される１つの調時式堆積シーケンスが形成される。
ＡＬＤによって成長させた薄膜は緻密であり、ピンホールがなく、厚さが均一である。例えば、ＴＭＡとも称されるトリメチルアルミニウム（ＣＨ３）３Ａｌと水とから２５０〜３００℃で成長させた酸化アルミニウムは、通常、１００〜２００ｍｍのウェーハ全体にわたる不均一性が約１％である。ＡＬＤによって成長させた金属酸化物薄膜は、ゲート絶縁膜、エレクトロルミネセンス表示装置の絶縁体、キャパシタ絶縁膜、および不動態化層に適している。ＡＬＤによって成長させた金属窒化物薄膜は、デュアルダマシン構造などの拡散障壁に適している。
さまざまなＡＬＤ反応炉におけるＡＬＤプロセスに適した前駆体は、参照によって本願明細書に援用するものとする、例えばＲ．プールネン（Ｒ．Ｐｕｕｒｕｎｅｎ）の評論記事「原子層堆積の界面化学：トリメチルアルミニウム／水プロセスのケーススタディ（Surface chemistry of atomic layer deposition: A case study for the trimethylaluminium/water process）」、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス（Journal of Applied Physics）、第９７（２００５）巻、ｐ．１２１３０１に開示されている。
一般的な反応炉において、ＡＬＤ堆積サイクルは、単一のウェーハまたは基板に適用される。この種の単一ウェーハ処理は、研究開発用には十分かもしれないが、採算のとれる量産のための製品スループットや平均サービス間隔などの要件を満たさない。
Ｒ．プールネン（Ｒ．Ｐｕｕｒｕｎｅｎ）の評論記事「原子層堆積の界面化学：トリメチルアルミニウム／水プロセスのケーススタディ（Surface chemistry of atomic layer deposition: A case study for the trimethylaluminium/water process）」、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス（Journal of Applied Physics）、第９７（２００５）巻、ｐ．１２１３０１
本発明の目的は、バッチ反応炉において１回分のウェーハまたは基板の表面に材料を成長させるために適した装置および方法を提供することである。
本発明の第１の側面によると、
前駆体蒸気を少なくとも１つの供給管路に沿って堆積反応炉の反応室に導くことと、
反応室内に前駆体蒸気の鉛直流を作り出してこれを反応室内の鉛直に配置された１回分の基板間に鉛直方向に入り込ませることによって、上記鉛直に配置された基板の表面に材料を堆積させることと、
を含む方法が提供される。
前駆体蒸気を少なくとも１つの供給管路に沿って堆積反応炉の反応室に導くことと、
反応室内に前駆体蒸気の鉛直流を作り出してこれを反応室内の鉛直に配置された１回分の基板間に鉛直方向に入り込ませることによって、上記鉛直に配置された基板の表面に材料を堆積させることと、
を含む方法が提供される。
本発明のいくつかの実施形態は、装置内の新規なガス流動形状と堅牢な基板搬送システムとを提供する。
いくつかの実施形態において、上記鉛直流の方向は上から下である。一実施形態において、鉛直に配置された基板群は、均一な水平間隔で鉛直に配置された基板群の水平スタックを基板ホルダ内に形成する。
いくつかの実施形態において、上記１回分の鉛直に配置された基板は、可動基板ホルダ内に並行に配置された１組のウェーハを含み、この１組のウェーハは少なくとも２枚のウェーハを含む。いくつかの実施形態において、基板またはウェーハの数は、２枚よりはるかに多く、例えば約５、１０、２０、２５、またはそれ以上であり、一部の実施形態においては８〜２５の範囲内であり、さらに他の一部の実施形態においてはこれよりも多い。基板は、シリコンウェーハなどの半導体ウェーハ、例えば３〜１２インチのウェーハ、でもよい。いくつかの実施形態において、これらの基板は、１回分のモノリシック圧電体などのセラミック片または板でもよい。いくつかの実施形態において、これらの基板は、金属球など、さまざまな寸法形状の金属片を含みうる。
いくつかの実施形態において、上記基板ホルダは、可動の反応室蓋に取り付けられる。いくつかの実施形態においては、前駆体蒸気が反応室蓋を通じて反応室に供給される。
いくつかの実施形態においては、前駆体蒸気が反応室蓋を通じて容積拡張部に導かれ、容積拡張部から分配板を通じて鉛直方向に、上記基板を収容している反応室部分に導かれる。
いくつかの実施形態において、反応室のサイズは、鉛直に配置された１回分の基板群のサイズ用に、または上記基板群を担持する基板ホルダのサイズ用に、特別に最適化される。これにより、前駆体の消費量が節約される。いくつかの実施形態において、反応室のサイズは、例えば、取り付け部品によって、または反応室本体の交換によって、調整可能である。
本発明の第２の側面によると、
前駆体蒸気を堆積反応炉の反応室に供給するように構成された少なくとも１つの供給管路を備えた装置であって、
上記反応室は、上記反応室内に前駆体蒸気の鉛直流を作り出してこれを上記反応室内の鉛直に配置された１回分の基板間に鉛直方向に入り込ませることによって、上記鉛直に配置された基板の表面に材料を堆積させるように構成された、
装置が提供される。
前駆体蒸気を堆積反応炉の反応室に供給するように構成された少なくとも１つの供給管路を備えた装置であって、
上記反応室は、上記反応室内に前駆体蒸気の鉛直流を作り出してこれを上記反応室内の鉛直に配置された１回分の基板間に鉛直方向に入り込ませることによって、上記鉛直に配置された基板の表面に材料を堆積させるように構成された、
装置が提供される。
いくつかの実施形態において、本装置は、複数の基板のための基板ホルダを収容可能な定置式の反応室本体と可動式の反応室蓋とを備える。
いくつかの実施形態において、１回分の基板群へのアクセスは反応炉の上側から行える。
これらの方法および装置は、加熱された表面上に大気圧より低い圧力下で逐次自己飽和表面反応によって材料または薄膜を成長させることを目的としてもよい。これらの装置は、ＡＬＤ（原子層堆積）またはＡＬＥ（原子層エピタキシー）装置または同様の装置でもよい。薄膜の所望の厚さは、一般に、１つの単分子層または分子層から１０００ｎｍまたはそれ以上に及ぶ範囲内になるであろう。
以下、本発明の詳細な説明および本明細書本文に付属の特許請求の範囲において、本発明のさまざまな例示的実施形態を説明する。本発明の選択された側面に言及して各実施形態を説明する。当業者は、本発明の何れかの実施形態を同じ側面に含まれる他の実施形態（単数または複数）と組み合わせうることを理解されるであろう。さらに、何れかの実施形態を他の側面に、単独でまたは他の実施形態（単数または複数）との組み合わせで、適用することもできる。
以下、本発明を、一例として添付図面を参照しながら説明する。
以下の説明においては、原子層堆積（ＡＬＤ）技術を一例として用いる。ただし、その目的はこの技術に厳密に限定するためではない。いくつかの実施形態は、他の匹敵する原子スケール堆積技術を利用する方法および装置にも適用可能でありうることを認識されたい。
ＡＬＤ成長メカニズムの基本は、当業者には公知である。ＡＬＤ法の詳細は、本特許出願の導入部にも説明されている。ここでは、これらの詳細を繰り返さない。その点に関しては、導入部を参照されたい。
図１は、ＡＬＤ装置（または反応炉）の特定の細部を断面図で示している。本装置は、反応室本体１１０と、反応室の上部フランジ１２０と、反応室の蓋１３０とで形成された反応室を備える。本装置は、反応室への供給管路１４１、１４２と反応室からの排気誘導管１５０とをさらに備える。供給管路の数は、実装に応じて変更可能である。
基板ホルダ１６０は、反応室の底に降ろされている。基板ホルダ１６０は、鉛直に配置された１回分の基板群またはウェーハ群１７０を担持する。
前駆体蒸気パルス期間中、前駆体蒸気が（矢印１０１で示されているように）下側から供給管路１４１に沿って鉛直方向に流れ、上部フランジ１２０に機械加工された貫通流路を通って反応室の蓋１３０に入る。この流れは、蓋１３０の内部で（矢印１０２で示されているように）９０度方向転換し、水平導管を通って水平方向に基板群１７０の上方の空間に入る。（ただし、この方向転換は必ずしも９０度である必要はない。）この空間を容積拡張部１８０と称することができる。本装置は、容積拡張部１８０の下方に分配部（または板）１９０を備える。分配部（または板）１９０は、例えば網または多孔板でもよく、蓋１３０に取り付けてもよい。流れは容積拡張部１８０内でもう一度方向転換し、分配部を通って上から下へ（複数の矢印１０３で示されているように）鉛直方向に反応室の反応空間に入る。反応空間において、前駆体蒸気は鉛直に配置された基板１７０間に鉛直方向に入り込む。基板１７０間の中間空間において、前駆体流は、基板表面上の反応部位と反応する。一実施形態において、前駆体流は、基本的に並行な複数の基板表面に沿って鉛直方向に反応室の上部側から排気誘導管１５０側にある反応室の底部側まで進む。反応副生成物と残りのガス状前駆体分子とは、以降のパージステップにおいて（複数の矢印１０４で示されているように）反応室からパージされる。
一実施形態において、供給管路１４１は第１の前駆体の前駆体蒸気と不活性キャリアおよびパージガスとを供給するために用いられ、供給管路１４２は第２の前駆体の前駆体蒸気と不活性キャリアおよびパージガスとを反応室に供給するために用いられる。
一代替実施形態において、前駆体蒸気は、側面から、蓋１３０に機械加工された貫通流路（図１には示されていない）を通って水平方向に、反応室の蓋１３０に流れ込む。この実施形態においては、上記の鉛直流路を上部フランジに設ける必要はない。別の代替実施形態においても、前駆体蒸気は、下側から反応室の蓋１３０に鉛直方向に流れ込むが、上部フランジ１２０の全体を通過する。この実施形態においては、例えば上部フランジ１２０の水平径を蓋１３０の水平径より小さくすることによって、この通過を可能にすることができる。
図２は、図１の装置の別の断面図を示す。この図においては、図１の断面に比べ、仮想平面を９０度回転させた断面が取られている。図１における断面が正面図を示しているとすれば、図２における断面は、例えば左から見た図を示している。
基板ホルダ１６０内での基板群（またはウェーハ群）１７０の配置は、図２においてより良く見ることができる。基板群１７０は、各基板１７０の表面が鉛直平面にあるように、鉛直位で配置されている。基板群１７０を互いに位置合わせして基板ホルダ１６０内に一列に配置でき、このように一列に配置すると、基板１７０を互いに並行させることができる。これらの基板１７０は基板ホルダ１６０によって支持される。
反応空間の効率を向上させるために、基板１７０間の間隔は小さい。ただし、この間隔は、前駆体流が基板１７０間に適正に入り込めるように十分大きい。いくつかの実施形態において、ほぼ均一な間隔は、一般には１〜１０ｍｍの範囲から選択され、一実施形態においては２〜５ｍｍの範囲から選択される。図１および図２に示されている例において、１回分の基板の数は１６枚である。
反応室のサイズは、鉛直に配置された１回分の基板群のサイズまたは上記基板群を担持する基板ホルダのサイズ用に特別に最適化できる。これにより、前駆体の消費量の節約を実現しうる。
いくつかの実施形態において、反応室のサイズは、例えば、空間を制限する取り付け部品を反応室に挿入することによって、または反応室または反応室本体１１０を別のサイズのものと交換することによって、調整可能である。
図３は、別の実施形態における図１の装置の別の断面図を示す。この実施形態において、反応室は、より少ない数の基板１７０を有する薄型の基板ホルダ１６０を備えた薄型の反応室である。この実施形態における基板の数は２枚である。図３に示す薄型の反応炉は、例えば、図２に示されているより大型の（または普通のサイズの）反応室をより薄型の反応室に交換することによって得られている。
図２および図３に示されている両装置において、基板群１７０を担持する基板ホルダ１６０のサイズは、基板群１７０を有する基板ホルダ１６０が反応室の底部をほぼ満たすように、選択されている。これにより、前駆体の消費効率を向上できる。
図４は、図１の装置の組み立て図を示す。基板ホルダ１６０は、吊り上げ部すなわちフック４６５を外部の吊り上げデバイス（図４には示されていない）によって掴んで所望の方向に移動させることによって、反応室から吊り上げることも、反応室内に下降させることもできる。反応室の可動蓋１３０を反応室の上部フランジ１２０に押し付け、トレランスシールまたは近接シールによって、密閉構造を形成することができる。トレランスシールとは、２つの基本的に同様の表面（例えば、平滑な表面、またはガラスビードブラストによって粗面化された平坦な表面など）が互いに密着することによってこれらの表面間のガスの流れを防止する構造を意味する。
基板ホルダ１６０の材料として、一般に、ステンレス鋼、ニッケル、チタン、炭化ケイ素（例えば、化学物質蒸気の含浸により黒鉛から製造したＳｉＣ）または石英が挙げられる。一実施形態においては、基板ホルダを使用する前に、ホルダ表面を腐食性のソース化学物質に対して保護するために、基板ホルダ１６０を非晶質薄膜（例えば１００〜２００ｎｍのＡｌ２Ｏ３）によって被覆する。
図５は、別の実施形態による反応室の組み立て図を示す。この実施形態においては、３本の供給管路１４１〜１４３が反応室のほぼ矩形の上部フランジ１２０に接続されている。反応室は、サービスまたは交換のために取り外し可能な吊り上げアーム５１５を用いて反応炉から吊り上げることができる。吊り上げ部すなわちフック４６５を外部の吊り上げデバイス５６８によって掴んで基板ホルダ１６０を反応室から吊り上げることも、反応室の中に下降させることもできる。
図６は、既定（すなわち閉）位置にあるときの図５の反応室の正面図を示す。反応室の可動蓋１３０と、反応室の上部フランジ１２０とは、トレランスシールまたは近接シールによって、これらの間からガスが流れ出さないようにされている。
図７は、図６に示されている線Ａ−Ａに沿った反応室の断面図を示す。前駆体蒸気パルス期間中、前駆体蒸気は、供給管路１４３に沿って（矢印７０１で示されているように）鉛直方向に流れる。この流れは、９０度方向転換し、側面から水平方向に反応室の上部フランジ１２０に入る。（ただし、この方向転換は必ずしも９０度である必要はない。）前駆体蒸気流は、上部フランジ１２０の内部の水平導管に沿って続き、容積拡張部１８０に入る。本装置は、容積拡張部１８０の下方に、分配部（または板）１９０を備える。分配部（または板）１９０は、例えば網または多孔板でもよい。この実施形態において、分配部１９０はスペーサピン７８５によって反応室の蓋１３０に取り付けられる。流れは容積拡張部１８０内でもう一度方向転換し、分配部１９０を通って上から下へ（複数の矢印１０３で示されているように）鉛直方向に反応室の反応空間に入る。反応空間において、前駆体蒸気は基板ホルダ１６０によって担持されている鉛直に配置された基板１７０間に鉛直方向に入り込む（基板１７０は図７には示されていない）。これ以降、プロセスは、図１に関して説明したのと同様に継続する。
図８は、一実施形態による開位置にあるときの堆積反応炉の特定の細部の斜視図を示す。反応炉は、ラウンドフィッティング、例えば複数のフランジをニップルにボルト止めしたＩＳＯフルニップルやＣＦフィッティングまたは同様のもの、によって形成された真空室８０５を備える。フィッティングの幅は、実施形態に応じて１回分の１００〜３００ｍｍのウェーハ群のための反応室と複数のヒータとを収容するのに十分な大きさである。
真空室の蓋８３１は反応室の蓋１３０に一体化され、これにより蓋システムが形成される。水平な一列状に互いに隣接して鉛直に配置された１回分の基板群１７０を担持する基板ホルダ１６０は蓋システムに取り付けられる。反応室への装填は、基板群１７０を有する基板ホルダ１６０が取り付けられた蓋システムを下降させることによって、上から鉛直方向に行うことができる。これは、例えば、適切な装填構成によって行うことができる。装置カバー８９５は、蓋システムが嵌まる開口部を有する。
図９は、開位置にあるときの図８の堆積反応炉の断面図を示す。基板ホルダ１６０はその上部取り付け部すなわちフック４６５によって蓋システムの対応部に取り付けられる。分配部１９０は、複数のスペーサピン７８５によって蓋システムに取り付けられる。
図１０は、開位置にあるときの図８の堆積反応炉の斜視断面図を示す。図１０には、反応室への供給管路１４１、１４２も見える。
図１１は、反応炉の蓋が開位置にあり、基板ホルダが反応室内のその所定位置にあるときの図８の堆積反応炉の別の斜視断面図を示す。
図１２は、既定の稼働位置にあるときの図８の堆積反応炉の斜視断面図を示す。
図１３は、既定の稼働位置にあるときの図８の堆積反応炉の別の断面図を示す。この例において、１回分の基板の数は２５枚である。前駆体蒸気パルス期間中、前駆体蒸気が（矢印１０１で示されているように）下側から供給管路１４１に沿って鉛直方向に流れ、上部フランジ１２０に機械加工された貫通流路を通って反応室の蓋１３０に入る。この流れは、蓋１３０の内部で（矢印１０２で示されているように）９０度方向転換し、水平導管を通って水平方向に基板１７０の上方の容積拡張部１８０に入る。（ただし、この方向転換は必ずしも９０度である必要はない。）装置は、容積拡張部１８０の下方に分配部（または板）１９０を備える。分配部（または板）１９０は、例えば網または多孔板でもよく、蓋１３０に取り付けてもよい。この流れは容積拡張部１８０内でもう一度方向転換し、分配部を通って上から下へ（複数の矢印１０３で示されているように）鉛直方向に反応室の反応空間に入る。反応空間において、前駆体蒸気は基板ホルダ内に鉛直位に配置された基板１７０間に鉛直方向に入り込む。基板１７０間の中間空間において、前駆体流は、基板表面上の反応部位と反応する。前駆体流は、基板表面に沿って鉛直方向に排気誘導管１５０に向かって進む。反応副生成物と残りの前駆体分子とは、以降のパージステップにおいて（複数の矢印１０４で示されているように）反応室からパージされる。
反応空間の温度は、発熱素子（単数または複数）によって制御可能である。一実施形態によると、反応空間の加熱は、１つ以上の抵抗体１３０１によって構成される。一実施形態において、発熱抵抗体（単数または複数）１３０１は電気的に加熱される。これらは、コンピュータ制御の電源（図示せず）に配線することができる。
図１４は、一実施形態による反応室の蓋への基板ホルダの取り付けをより詳細に示す。基板ホルダ１６０はその上部取り付け部すなわちフック（単数または複数）４６５によって蓋システムの対応部１４５６に取り付けられる。分配部１９０は、複数のスペーサピン７８５によって蓋システムに取り付けられる。
図１５は、図１４に示した図面のさらに別の図を示す。分配部１９０と、前駆体または不活性パージガス流が反応室の蓋１３０に入るときに通過する供給管路１４１〜１４３にそれぞれ対応する反応室の蓋１３０の穴１５２１〜１５２３とが見える。反応室の蓋１３０の穴の数および対応する供給管路の数は、一般には、これらの供給管路とコンピュータ制御で流体連通している２つ以上のソースシステムからソース化学物質蒸気を受け入れることができる２から４またはそれ以上の数の間で変動する。
次に、薄膜を１回分の基板群に堆積させた実施例を示す（上記の図１〜図１５を参照）。
最初に反応室を室内圧力に加圧した。反応室の蓋１３０を吊り上げ機構（図示せず）によって上方位置に吊り上げて反応室の内部空間を露出させた。吊り上げ機構は空圧式昇降機によって操作した。他の複数の実施形態においては、ステッピングモータを吊り上げ機構用に利用できる。いくつかの基板を装填した基板ホルダ１６０を吊り上げ部４６５によって薄型の反応室本体１１０の内部に下降させた。反応室の蓋１３０を吊り上げ機構によって下方位置に下降させて反応室を密閉した。同時に、周囲の真空室８０５をこの二重蓋システムの可動式真空室蓋８３１によって室内空気の侵入を遮断した。このとき、反応室の蓋１３０は真空室の蓋８３１と一緒に取り付けられた。次に、真空ソースによるポンピングによって反応室を真空にした。窒素またはアルゴンを含んだ不活性パージガスを供給管路１４１〜１４３から反応室の上部フランジ１２０内の導管に流し、さらに反応空間に流し込んだ。真空ソースによるポンピングと不活性ガスによるパージとの組み合わせにより、反応空間の圧力を好ましくは絶対圧約１〜５ｈＰａに安定化させた。基板ホルダ１６０の温度を堆積温度に安定化させた。この実施例においては、トリメチルアルミニウムＴＭＡおよび水Ｈ２Ｏの蒸気から酸化アルミニウムＡｌ２Ｏ３をＡＬＤによって成長させるための堆積温度は＋３００℃であった。ＴＭＡソース（図示せず）は、第１の供給管路１４１にコンピュータ制御で流体連通していた。Ｈ２Ｏソース（図示せず）は、第２の供給管路１４２にコンピュータ制御で流体連通していた。第３の供給管路１４３は、第３の化学物質ソース用に確保されていた。この実施例においては、この供給管路は不活性パージガス用にのみ用いられた。プログラムされた堆積温度に達したとき、自動化された制御システムによって堆積シーケンスが始動された。パルスＡ期間中、自動化されたパルス送出弁（図示せず）によってＴＭＡ蒸気が第１の供給管路１４１に導入され、窒素ガス（他の複数の実施形態においては、アルゴンガスも適している）を含む不活性キャリアガスによって反応空間に押し込まれ、ＴＭＡ分子が反応空間内の加熱された全ての表面に化学吸着された。基板表面は、一般に、１回分の基板群のサイズに応じて約０．０５〜１ｓの間に、ＴＭＡ分子またはＴＭＡ分子から生成されたリガンド欠乏種で飽和した。その後、自動化された第１のパルス送出弁によってＴＭＡソースは第１の供給管路１４１から切り離され、システムはパージＡ期間を開始した。次に、供給管路１４１〜１４３を流れる不活性パージガスによってガス状の残留ＴＭＡ分子と表面反応副生成物とが反応室から排気誘導管１５０に押しやられ、さらには真空ソース（図示せず）に向けて押しやられた。パージＡ期間は、一般に、１回分の基板群のサイズに応じて、約１〜１０ｓ継続した。次に、パルスＢ期間中、自動化されたパルス送出弁（図示せず）によってＨ２Ｏ蒸気が第２の供給管路１４２に導入され、窒素またはアルゴンガスを含む不活性キャリアガスによって反応空間に押し込まれ、Ｈ２Ｏ分子が反応空間内の加熱された全ての表面に化学吸着された。基板表面は、一般に、１回分の基板群のサイズに応じて約０．０５〜２ｓの間に、ＯＨリガンドで飽和した。次に、パージＢ期間の開始時に、自動化された第２のパルス送出弁によってＨ２Ｏソースが第２の供給管路１４２から切り離された。次に、供給管路１４１〜１４３から反応室に流れ込む不活性ガスによってガス状の残留Ｈ２Ｏ分子と表面反応生成物とが反応室から排気誘導管１５０に押しやられ、さらには真空ソース（図示せず）に向けて押しやられた。これらの４ステップ（パルスＡ、パージＡ、パルスＢ、およびパージＢ）は、新しいＯＨ終端Ａｌ２Ｏ３薄膜を基板表面に１A生成した。自動化されたパルス送出シーケンスは、これらの４ステップを５００回繰り返し、２５片の１００ｍｍシリコンウェーハ全体における不均一性が１％と優れた５０ｎｍのＡｌ２Ｏ３薄膜を成長させた。この一連のソース化学物質のパルス送出と反応室のパージとを完了した後、反応室を室内圧力に加圧し、蓋（真空室の蓋８３１と反応室の蓋１３０）を上方位置に吊り上げて、１回分の基板群を収容している反応室の内部空間を露出させた。いくつかの基板（図示せず）を有する基板ホルダ１６０を吊り上げ部４６５によって反応室本体１１０から取り出し、独立した冷却盤（図示せず）に載置した。
さまざまな実施形態を示してきた。この文書においては、単語「備える／含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、および「収容する／含む（ｃｏｎｔａｉｎ）」は何れも、意図的な排他性のない非限定的な表現であることを理解されたい。
以上の説明では、本発明を実施するために本発明者らが現時点で考えた最良の態様の詳細かつ有益な説明を本発明の特定の実装および実施形態の非制限的な例として示した。ただし、本発明は上に示した実施形態の詳細に制約されるものではなく、本発明の特徴から逸脱することなく同等の手段を用いて他の実施形態での実施も可能であることは当業者には明らかである。
さらに、上に開示した本発明の実施形態の特徴のいくつかは、他の特徴を同様に使用することなく効果的に使用できる。したがって、上記説明は本発明の原理の単なる例に過ぎず、本発明を限定するものではないと考えられるべきである。したがって、本発明の範囲は、付属の特許請求の範囲によってのみ制約される。
Claims (17)
- 二重蓋システムを有するＡＬＤ（原子層堆積）反応装置であって、真空室蓋及び該真空室蓋に一体化される反応室蓋を備えるＡＬＤ反応装置を用意することと；
前記二重蓋システムの前記反応室蓋によって前記ＡＬＤ反応装置の反応室を密閉することと；
前記二重蓋システムの前記真空室蓋によって前記ＡＬＤ反応装置の真空室を密閉することと；
前駆体蒸気を、少なくとも１つの供給管路から前記二重蓋システムの前記反応室蓋を経由して前記反応室に導くことと；
前記反応室内に鉛直方向に立てて配された複数の基板の各々の表面に沿って、反応空間の上側から前記反応空間の底側まで前記表面に基本的に平行に流れるような、前駆体蒸気の鉛直方向の流れを作り出し、前記複数の基板同士の間に前記前駆体蒸気が入り込むようにすることにより、前記表面の各々に材料を堆積させることと、を含む方法。 - 前記鉛直に配された複数の基板は、基板ホルダ内に並行に配置された１組のウェーハを含み、前記１組のウェーハは少なくとも２枚のウェーハを含む、請求項１に記載の方法。
- 前記反応室への前記基板ホルダの装填および取り出しは前記反応室の上側から行われる、請求項２に記載の方法。
- 前記反応室蓋は可動であり、前記基板ホルダ前記反応室蓋に取り付けられる、請求項２または３に記載の方法。
- 前記前駆体蒸気は前記反応室蓋を通じて容積拡張部に導かれ、さらに前記容積拡張部から分配板を通して鉛直方向に、前記基板を収容している前記反応室の部分に導かれる、請求項４に記載の方法。
- ＡＬＤ法に従い、自己飽和表面反応を繰り返し生じさせることによって、薄膜が基板表面に堆積される、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
- 前記反応室のサイズは、前記鉛直に配置された前記基板のサイズまたは前記基板を担持する基板ホルダのサイズに合わせられる、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
- 前記鉛直方向は上から下である、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
- 前駆体蒸気は、前記少なくとも１つの供給管路に沿って鉛直方向に流れ、前記反応室の上部フランジに加工された流路を介して、下方向から前記二重蓋システムの前記反応室蓋へと流入する、請求項５に記載の方法。
- 真空室蓋及び該真空室蓋に一体化される反応室蓋を備える二重蓋システムと；
前記二重蓋システムの前記反応室蓋によって密閉されうる反応室と；
前記反応室を囲む真空室であって、前記二重蓋システムの前記真空室蓋によって密閉されうる真空室と；
前駆体蒸気を、前記二重蓋システムの前記反応室蓋を介して前記反応室に供給するように構成された少なくとも１つの供給管路と；
を備えるＡＬＤ（原子層堆積）反応装置であって、前記反応室は、該反応室内に鉛直方向に立てて配された複数の基板の各々の表面に沿って、反応空間の上側から前記反応空間の底側まで前記表面に基本的に平行に流れるような、前駆体蒸気の鉛直方向の流れを作り出し、前記複数の基板同士の間に前記前駆体蒸気が入り込むようにすることにより、前記表面の各々に材料を堆積させるように構成される、装置。 - 前記鉛直に配された複数の基板は、基板ホルダ内に並行に配された１組のウェーハを含み、前記１組のウェーハは少なくとも２枚のウェーハを含む、請求項１０に記載のＡＬＤ反応装置。
- 前記反応室蓋は前記基板ホルダを取り付けうるように構成される、
請求項１１に記載のＡＬＤ反応装置。 - 前記前駆体蒸気を、前記反応室蓋を通じて容積拡張部に導き、さらに前記容積拡張部から分配板を通して鉛直方向に、前記基板を収容している前記反応室の部分に導くように構成される、請求項１２に記載のＡＬＤ反応装置。
- ＡＬＤ法に従い、自己飽和表面反応を繰り返し生じさせることによって薄膜を基板表面に堆積させるように構成される、請求項１０から１３のいずれか一項に記載のＡＬＤ反応装置。
- 前記反応室のサイズは、前記鉛直に配置された前記基板のサイズまたは前記基板を担持する基板ホルダのサイズに合わせられる、請求項１０から１４のいずれか一項に記載のＡＬＤ反応装置。
- 前記鉛直方向は上から下である、請求項１０から１５のいずれか一項に記載のＡＬＤ反応装置。
- 前記反応室は上部フランジを備え、
前駆体蒸気は、前記少なくとも１つの供給管路に沿って鉛直方向に流れ、前記上部フランジに加工された流路を介して、下方向から前記二重蓋システムの前記反応室蓋へと流入するようにされる、
請求項１３に記載のＡＬＤ反応装置。
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