JPH0427136A - 有機金属ガス利用薄膜形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は有機金属ガスを利用した薄膜形成装置に関し
、例えば高密度集積回路の配線、電極、バリアメタルな
どに使用される金属原子やキャパシタ、絶縁体等に使用
されるＳｉ、Ｇａ等の半導体原子を低温プロセスで制御
性良く堆積させ、高品質の薄膜を形成する装置に関する
ものである。

（従来の技術） 高密度集積回路の実現には、熱及び薄膜中に混入した不
純物による素子への悪影響を避けるため、低温度での高
品質薄膜の作製法が強く要求されている。これに応える
新技術として比軟的低温において分解蒸着して薄膜を形
成する有機金属ガスを利用した化学蒸着（ＣＶＤ）法が
提案されている。

この技術では比較的低い熱、光或は電子のエネルギーに
よってガスを分解できるため、低温で高品質の導体、誘
電体及び絶縁体薄膜を作製できるという優れた特徴を備
えているが、有機金属ガスを上記のエネルギー源により
分解した場合、気相中において炭化物を形成し、高品質
の導体、誘電体及び絶縁体薄膜を作製する上で必要な構
成原子を、不純物を含むことなく供給できないという問
題点がある。しかも、有機金属ガスが解離して発生する
基板吸着の前駆物質の制御と、その前駆物質が基板上に
薄膜を形成する過程の制御を分立していなかったため、
低温プロセスで品質の良い膜を制御性良く形成すること
が困難であった。

例えば第２図は、滝らのＰｒｅｓｅｎｔ　ａｎｄ　Ｆｕ
ｔｕｒｅＭａｔｅｒｉａｌｓ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（
１９９０）Ｐ、２０６−２１０の論文に示されたヒータ
加熱とレーザ照射による光励起作用を利用した従来の有
機金属ガスを利用した光励起薄膜形成装置を示す構成図
である。

図において、（１）はキャリアガス、（２）は反応チャ
ンバ、（３）は有機金属ガスの供給槽、（５）は有機金
属ガスの供給量を制御するマスフローコントローラ、（
８）は有機金属ガスの供給口、（９）は基板、（１０）
は基板（９）を加熱するためのヒータ付きサセプタ、（
１１）は真空ポンプ、（１２）は真空ポンプ側の排出口
、（１４）は紫外レーザ発振器、（１５）は紫外レーザ
光、（１６）は紫外レーザ発振器（１４）から照射され
た紫外レーザ光（１５）を有機金属ガスの解離に必要な
エネルギー密度に整形するためのシリンドリカルテレス
コープ、（１７）は有機金属ガス雰囲気と大気とを遮断
しつつ紫外レーザ光を反応チャンバ（２）に導入するた
めの！　　（１８）は有機金属ガスの分解による窓（１
７）への分解物の蒸着を抑制するためのパージガスの供
給口である。

紫外レーザ発振器（１４）から照射された紫外レーザ光
（１５）は、シリンドリカルテレスコープ（１６）によ
り有機金属ガスの解離に必要なエネルギー密度以上に整
形され、窓（１７）を通して反応チャンバー（２）に導
入される。紫外レーザ光（１５）は、ヒータ付きサセプ
タ（１０）の向きを変えることにより基板（９）に対し
平行或は垂直に照射される。有機金属ガス利用薄膜形成
法の問題点の第１は、炭化物等の不純物の混入である。

気相中における光子のエネルギーによる励起及びヒータ
加熱による熱輻射が、有機金属ガスを解離し有機金属ガ
スの構成原子より成る炭化物等の不純物を形成するため
、基板上に形成される膜中にその不純物を混入するとと
もに膜の結晶性が悪かったことが挙げられる。

第２は有機金属ガスを分解して基板吸着の前駆物質を作
る系と、それを分解して高品質の薄膜を形成する系とが
独立していないことによる薄膜形成の制御性の悪さであ
る。有機金属ガスは、光照射によって励起され気相中に
おいて解離する。この解離により形成される基板吸着の
前駆物質となる励起種は、気相中から基板（９）上に拡
散し堆積する。したがって、励起種の基板上への堆積は
自然の拡散現象にまかせるより他に手だてがなく、薄膜
作製の制御性が悪かった。第３は薄膜形成温度の低温化
の問題である。第２図に示す従来の装置では、これらの
点で全てに満足することをを諦め、ヒータ付きサセプタ
（１０）により有機金属ガスの解離が起こる温度以上の
基板加熱を併用し、基板上に堆積する膜の品質を向上さ
せる方法をとっていた。この結果、有機金属ガスは気相
中において光及びヒータ加熱の効果によって励起分解し
、基板吸着の前駆物質となる励起種が形成されるため、
励起種作製の独立制御が困難になるとともに。

必要以上のヒータ加熱を併用することで薄膜形成温度の
低温化をある程度放棄していた。

（発明が解決しようとする課題） 従来の有機金属ガス利用薄膜形成装置は、基板に吸着し
て薄膜を形成する前駆物質を独立に制御するという概念
を持たないため、気相中において形成される励起種の２
次反応により炭化物等の不純物を形成しても膜中への混
入を避けられず、期待通りの膜質を得ることが困難であ
った。また、気相中における光励起による有機金属ガス
の分解により発生した励起種が、基板」二へ拡散し堆積
した膜の品質を上げるため、低温での薄膜作製をある程
度犠牲にして基板を必要以上に加熱をする方法を併用す
る結果、ざらにヒータ加熱による励起種及びその２次反
応によるＷ炭化物等の不純物の形成もともなうこととな
り高品質の薄膜の堆積を独立に制御することを困難にし
ていた。したがって、有機金属ガスを利用して低温で高
品質の薄膜を制御性良く作製する方法がなかった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、低温で分解可能な有機金属ガスを利用して低
温で膜の作製を制御性良くおこなえ、しかも期待通りの
成膜品質を得ることのできる有機金属ガス利用薄膜形成
装置及びその方法を提供することを目的としている。

（！ｌＩｉ［を解決するための手段） この発明の有機金属利用薄膜形成装置は、有機金属ガス
を解離させ励起種を形成する有機金属ガス予備励起室と
、基板が収容され上記有機金属ガスの励起種を分解して
堆積させ、薄膜を作製する反応室を備えたものである。

（作用） この発明においては、あらかじめ有機金属ガスを解離し
炭化物などの不純物を含まない有機金属ガスの励起種を
作製する系と、その励起種を気相中ではなく基板表面に
おいてのみ分解堆積させる系とで構成される。

前者に対しては、解離分子による炭化物などの不純物の
発生しないエネルギー強度と圧力条件下で、解離分子を
不活性化或は反応性を下げるガスを流した状態で熱、光
及び電子等のエネルギー源を作用させる。後者に対して
は、その励起種を基板表面においてのみ熱、光或は電子
のエネルギーで分解堆積させる。

材料ガスの励起種及び不純物の発生をガス濃度検出装置
でモニターし、熱、光及び電子のエネルギーと圧力等の
条件により制御することにより、有機金属ガスを構成す
る不純物原子のψない或は全く含まない励起種を成膜用
ガスとして利用できるとともに、励起種の分解はこれと
は別の系での基板表面においてのみ起こすため、低温プ
ロセスで膜の堆積を制御性良くおこなえ、しかも期待通
りの成膜品質を得ることができる。

（実施例） 以下にこの発明の一実施例を、有機金属ガスとしてＷ　
（Ｃｏ）　６　（タングステンカルボニル）　を利用し
た高純度Ｗ膜のＣＶＤによる作製を対象として図に基づ
いて説明する。

第１図はこの発明の一実施例による有機金属ガス利用薄
膜形成装置を示す断面構成図である０図において（１）
は有機金属ガスを蒸気としてチャンバ（２）内に導入す
るためのキャリアガス、（３）は有機金属ガスの供給槽
、　　（４）は有機金属ガスの予備加熱装置、（５）は
有機金属ガスの供給量を制御するマスフローコントロー
ラ、（６）は有機金属ガス励起装置（７）内の圧力調整
装置、（８）は成膜用ガスの供給口、（９）は基板、（
１ｏ）はヒータ付きサセプタ。

（１１）は真空ポンプ（１２）による排気の為の排気口
、（１３）はガス濃度検出装置である。成膜用ガス励起
装置は、有機金属ガス励起装置内に導入された有機金属
ガスをヒータによる熱分解或は成膜ガスの分解に適正な
エネルギー密度、或は波長を持ったレーザ光、或は電子
ビーム等による励起分解或は予備加熱と励起分解を併用
して成膜用ガスとなる励起種を形成する。ここでは基板
に吸着して薄膜を形成する励起種を作製する材料ガス励
起法として、ヒータによる予備加熱のみを用いる手法と
光及び電子ビーム等の有機金属ガス励起源を用いる手法
の例について述べる。

まず、ヒータによる予備加熱のみを用いる手法について
説明する。有機金属ガス励起装置（７）内の予備加熱装
置（６）の温度を、高品質の薄膜を作製する上で必要な
励起種のみを得るのに適当な温度に加熱する。この時ガ
ス濃度検出装置（１３）で有機金属ガスの解離物及び反
応生成物をモニターし、予備加熱装置（４）によって加
熱温度を制御、圧力調整装置（６）によって励起装置内
圧力を制御、キャリアガス（２）種及びマスフローコン
トローラ（５）によってガス供給量を制御することによ
り有機金属ガスを構成する原子を起因とするＷ炭化物及
びＷＷ１化物等の不純物の形成を避けることができる。

例えば、有機金属ガス励起装置の加熱温度４００℃以上
、圧力Ｉ　Ｔｏｒｒ以上の条件下では、Ｗ炭化物及びＷ
Ｈ１化物等の不純物が発生するため、成膜に必要な吸着
種のみを単独で反応チャンバ（２）内に導入することが
不可能となる。しがしこの場合、キャリアガスとしてＨ
ｅガスを用い圧力をＩ　Ｔｏｒｒ以下に下げることによ
り不純物の発生を避けることができる。有機金属ガスＷ
　（ＣＯ）　６は、不純物が発生しない状態に制御し予
備加熱されることにより配位子ＣＯを解離する。この結
果、基板に吸着して薄膜を形成する前駆物質となる励起
種Ｗ（Ｃｏ）ｘ　（ｘ＝ｏ〜５）のみを形成することが
可能となる。この励起種は有機金属ガスＷ　（ＣＯ）６
よりその構成分子中に不純物原子の原因となるＣ及び０
の割合が少ない。また、従来の問題点であるＷ炭化物及
びＷｌｌを化物は励起種の２次反応の結果形成されてい
たが、これは圧力を下げキャリアガス種を選択すること
により避けることができる。

キャリアガスとしては解離した励起種の濃度を薄め、励
起種同志の反応性を下げるＨｅ等の不活性ガス或は解離
した配位子を還元して不活性化するＨ２．Ｃ１２，ＨＣ
Ｉ等のハロゲン系のガスが適当である。この結果、高品
質の薄膜の作製に必要な励起種を、炭化物などの不純物
を発生することなく反応チャンバ内に導入することが可
能となる。

また、実施例では励起種を作る方法としてヒータによる
予備加熱する方法について説明したが、光励起、電子ビ
ーム励起及びイオンビーム励起等による励起分解がある
。予備励起の方法として光照射による光分解を適用する
場合、Ｗ　（ＣＯ）　６の光の吸収波長が約３００ｎｍ
以下の領域に存在するため、この領域の光を用いる必要
がある。この光照射をパルス化することで励起種の発生
量を精密制御することが可能となる。また、光照射によ
る熱分解の効果を利用する場合は、上記の波長域は関係
せずそのエネルギー密度がＩ　Ｗ　／　ａ　ｍ　２以上
であればよい。この時もレーザをパルス化することで励
起種の発生量の精密制御が可能である。

さらにこのことは電子ビームやイオンビームを利用する
場合にもあてはまる。

その後、形成された励起種をキャリアガスにより反応チ
ャンバ内に導入し、ヒータ加熱による熱分解を利用し、
必要以上にヒータブロック温度とそれに依存する雰囲気
温度を上げることなく、高品質の膜を制御性よく形成さ
せる。この場合反応室の圧力調整装置により圧力を下げ
、気相中ガス温度の伝熱を抑制し、基板加熱を表面のみ
選択的に瞬間加熱して気相中への伝熱量を下げることに
より１反応チャンバ内に供給された励起種がさらに分解
反応を起こして発生するＷ炭化物等の不純物を避けるこ
とができ、高品質の薄膜を制御性よく形成することが可
能となる。したがって、ヒータ加熱以外のエネルギー供
給源として、基板の吸収波長域のレーザ光及びランプ光
加熱を単独或はヒータ加熱と併用すると効果的である。

さらに、電子ビーム及びイオンビーム等の基板加熱源を
用いてもよい。

以上のようにこの手法というのは、低温での高品質成膜
に最適な励起種のみをあらかじめ有機金属ガス励起装置
により作製し、その後その励起種を炭化物等の不純物を
形成することなく反応チャンバ内の基板上に供給し、高
品質の薄膜を最低限必要な低温度で制御性よく作製する
手法である。

（発明の効果） 以上説明してきたように、この発明によれば有機金属ガ
ス利用覆膜形成装置を、有機金属ガスを解離させ低温で
の高品質成膜に最適な励起種のみをあらかじめ作製する
装置と、その後その励起種を炭化物等の不純物を形成す
ることなく反応チャンバ内の基板上に供給し、分解堆積
させることができる反応チャンバとに分けたので、高品
質の薄膜の作製に必要な最低限の低温度で制御性よくお
こなえ、しかもＷ炭化物等の不純物を混入しない期待通
りの成膜品質を提供できるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による有機金属ガス利用薄
膜形成装置の断面を示す模式図、第２図は従来の有機金
属ガスを利用した光励起薄膜形成装置を示す断面模式図
である。 図において（１）はキャリアガス、（２）は反応チャン
バ、（３）は有機金属ガスの供給槽、（４）は有機金属
ガスの予備加熱装置、（５）は有機金属ガスの供給量を
制御するマスフローコントローラ、（６）ハ圧力調整装
置、（７）は有機金属ガス励起装置、（８）は成膜用ガ
スの供給口、（９）は基板、（１０）はヒータ付きサセ
プタ、（１１）は真空ポンプ、（１２）は排気のための
排気口、（］３）ガス濃度検出装置、（］４）は紫外レ
ーザ発振器、（１５）は紫外レーザ光、（］６）はシリ
ンドリカルテレスコープ、（１７）は窓、（１８）はパ
ージガスの供給口である。 なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　カルボニル系有機金属ガスを熱分解して薄膜を形成す
   る装置において、熱、光、電子及びイオン等のエネルギ
   ーにより有機金属ガスを解離させる有機金属ガス励起装
   置と、ＣＯ及びＭ（ＣＯ）＿ｘ等の上記有機金属ガスの
   解離生成物及びＣ、Ｏ＿２、ＣＯ＿２、ＷＯ＿ｘ、ＷＣ
   ＿ｘ等の分解生成物の濃度を検出するガス濃度検出装置
   を備えた予備励起装置と、この予備励起装置に接続して
   解離した有機金属ガスを基板上に堆積させる反応室を備
   えたことを特徴とする有機金属ガス利用薄膜形成装置。