TWI526568B

TWI526568B - Film forming apparatus

Info

Publication number: TWI526568B
Application number: TW100109351A
Authority: TW
Inventors: Nozomu Hattori; Yasunari Mori
Original assignee: Jsw Afty Corp
Priority date: 2010-03-18
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2016-03-21
Also published as: TW201207151A; US20130008382A1; WO2011114734A1; EP2549524A1; JP4854794B2; JP2011198897A

Description

薄膜形成裝置

本發明係關於在基板形成薄膜的薄膜形成裝置。

最近，在基板上以原子層單位形成薄膜的原子層沉積(Atomic Layer Deposition)法(以下省略稱為ALD法)作為薄膜形成方法而備受矚目。ALD法係對成膜對象基板上交替供給以構成所欲形成的膜的元素為主成分的2種氣體，反覆複數次在基板上以原子層單位形成薄膜，而形成所希望厚度的膜的技術。例如，若在基板上形成Al2O3膜，係使用由TMA(Tri-Methyl Aluminum)所構成的原料氣體與含有O的氧化氣體。此外，若在基板上形成氮化膜，係使用氮化氣體來取代氧化氣體。

ALD法係利用在供給原料氣體的期間僅將1層或數層原料氣體成分吸附在基板表面，多餘的原料氣體並不有助於成長的所謂的成長自我停止作用(自限功能)。

與一般的CVD(Chemical Vapor Deposition)法相比較，ALD法係兼具較高的段差被覆性與膜厚控制性，被期待對於記憶體元件的電容器、或被稱為「high-k閘極」的絕緣膜的形成的實用化。此外，由於可以300℃左右的低溫形成絕緣膜，因此亦被期待適用於對如液晶顯示器等般使用玻璃基板的顯示裝置的薄膜電晶體的閘極絕緣膜的形成等。

在該ALD法中，例如當將原料氣體或反應氣體等成膜氣體供給至成膜空間時，以成膜氣體由與基板的面呈平行的方向朝向基板流通的方式供給成膜氣體。或者，以成膜氣體由設在基板的垂直上方的淋洗頭朝向基板流通的方式供給成膜氣體。

將成膜氣體朝與基板的面呈平行的方向流通的方式係被記載於下述專利文獻1。使用淋洗頭的方式係記載於例如下述專利文獻2。

[先前技術文獻]

[專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2009-206312號公報

[專利文獻2]日本特開2009-191311號公報

藉由如上所示之ALD法，即使為微細的凹部，亦可以較高的階梯覆蓋率(Step Coverage)來填埋薄膜。

但是，若為使用上述淋洗頭來供給氣體的方式，必須要有配合欲形成薄膜的基板的尺寸的淋洗頭。隨著基板的尺寸愈大，位於淋洗頭內的氣體愈不易遺漏，結果，容易起獲得反應生成物的氣相反應。

另一方面，若為朝向與基板的面呈平行的方向流通成膜氣體的方式，在基板上的氣體供給側與氣體排氣側係會有發生所形成的膜厚及膜質不同的膜的不均一性的情形。

在第6圖係顯示藉由ALD形成薄膜的薄膜形成裝置100之一例。

薄膜形成裝置100係具有：成膜容器102、原料氣體供給部104、反應氣體供給部106、基板載台108、加熱器110、升降機構112、及排氣部114、116。

由原料氣體供給部104所被供給的TMA氣體的成分係在成膜容器102的成膜空間內，被吸附在被載置於基板載台108且被加熱器110加熱的基板。成膜容器102的成膜空間係藉由排氣部114、116而形成為減壓狀態。

此外，將作為反應氣體的氧化氣體由反應氣體供給部106朝向與基板的面呈平行的方向被供給至成膜容器102內。氧化氣體係在被加熱器110加熱的基板附近被加熱，其一部分成為活性氧，與被吸附在基板的TMA的成分起反應而形成氧化鋁的薄膜。

未有助於形成氧化鋁薄膜的多餘的TMA氣體及氧化氣體或氧自由基係透過排氣管而由排氣部116被排出。

但是，形成在基板的薄膜的厚度係如原料氣體供給側較厚，原料氣體供給側的膜質亦會有在排氣部116側不同的情形。

因此，本發明之目的在提供一種在形成薄膜時，與習知之薄膜形成裝置相比，可均一形成薄膜的薄膜形成裝置。

本發明之一態樣係在基板形成薄膜的薄膜形成裝置，其特徵為具有：成膜容器，係形成用以在基板形成薄膜之經減壓的成膜空間，以各別的時序被交替供給原料氣體及反應氣體至前述成膜空間；及氣體供給單元，係將原料氣體及反應氣體供給至前述成膜容器，前述氣體供給單元係設有至少1個屏板，其使由原料氣體及反應氣體的導入口朝向前述成膜空間流通的氣體流路彎曲。

較佳為在前述氣體供給單元中的前述導入口的原料氣體及反應氣體的流通方向前方，以位有前述屏板的壁面的方式設有前述屏板。

較佳為前述氣體供給單元係具備有將前述屏板保持在一定溫度的加熱器。此時，較佳為前述屏板係被加熱至原料氣體不會凝縮的溫度。

此外，較佳為薄膜形成裝置係具有載置基板的基板載台，前述氣體供給單元係朝向與前述基板載台之載置基板的載置面呈平行的方向流通原料氣體及反應氣體，前述氣體供給單元係具備有複數屏板，複數屏板之中最為接近前述成膜空間的屏板係複數開縫孔相對前述基板載台的前述載置面呈垂直方向延伸，而且前述複數開縫孔的配列方向係與前述載置面呈平行。

此外，同樣地亦較佳為薄膜形成裝置係具有載置基板的基板載台，前述氣體供給單元係朝向與前述基板載台之載置基板的載置面呈平行的方向流通原料氣體及反應氣體，面向前述成膜空間的前述氣體供給單元的氣體吐出口係朝向與前述載置面呈平行的方向延伸的開縫狀的開口部。

此外，同樣地亦較佳為具有載置基板的基板載台，在前述氣體供給單元，以與前述載置面呈平行的方向形成有與前述基板載台之載置基板的載置面呈垂直方向延伸的複數開縫孔。

此外，較佳為前述氣體供給單元係具備有複數屏板，原料氣體與反應氣體係在被導入至以前述複數屏板的1個所區隔之彼此不同的空間之後，在前述屏板的間隙流通而在相同流路流通。

藉由上述之薄膜形成裝置，與習知之薄膜形成裝置相比，可均一形成薄膜。

此外，可防止氣體由成膜容器朝向被設在原料氣體供給側的控制閥等逆流，而可抑制膜對控制閥的形成及堆積。

10‧‧‧ALD裝置

11‧‧‧基板

12‧‧‧成膜容器

14‧‧‧原料氣體供給源

14a、16a‧‧‧供給管

14b、16b‧‧‧控制閥

16‧‧‧反應氣體供給源

18、20‧‧‧排氣部

22‧‧‧基板載台

24‧‧‧上升銷

26‧‧‧升降機構

30‧‧‧成膜空間

32、37‧‧‧加熱器

34、34’‧‧‧氣體供給單元

34a‧‧‧管

34b‧‧‧接頭構件

35‧‧‧導入口

36‧‧‧內部空間

38、38a~38j‧‧‧屏板

第1圖係說明本發明之薄膜形成裝置之一實施形態的ALD裝置的構成圖。

第2圖(a)及(b)係說明設在第1圖所示之ALD裝置的原料氣體供給單元的圖。

第3圖(a)~(c)係說明第2圖所示之原料氣體供給單元的屏板的圖。

第4圖(a)係說明藉由習知之薄膜形成裝置所得之薄膜之形勢的圖，(b)係說明薄膜之測定位置的圖，(c)係說明薄膜之厚度測定結果的圖。

第5圖係說明與第1圖所示之實施形態不同的實施形態的原料氣體供給單元的構成圖。

第6圖係說明習知之薄膜形成裝置的圖。

以下詳加說明本發明之薄膜形成裝置及薄膜形成方法。

第1圖係顯示本實施形態之ALD裝置之概略構成圖。

第1圖所示之ALD裝置10係將以構成欲形成的膜的元素為主成分的2種成膜氣體(原料氣體及反應氣體)交替供給至成膜對象的基板11上。此時，使用為了提高反應活性而被加熱的反應氣體，在基板11上以原子層單位形成原料氣體的氧化膜。以上述處理為1週期，將處理反覆複數週期，例如100週期左右，藉此形成所希望厚度的薄膜。其中，以反應氣體而言，使用氧化氣體或臭氧氣體等氧化氣體、或氮氣等氮化氣體。

ALD裝置10主要具有：成膜容器12、原料氣體供給源14、反應氣體供給源16、排氣部18、20、基板載台22、上升銷24、及升降機構26。以下，以將TMA作為原料氣體，將氧化氣體作為反應氣體，在基板11上形成鋁之金屬氧化膜的情形為例加以說明，但是氮化膜的情形亦同。

在成膜容器12內的成膜空間30設有基板載台22、及加熱器32。基板載台22係設在成膜空間30的下方，加熱器32係設在基板載台22的下方。

基板11係利用貫穿基板載台22而由成膜容器12的外側設立的上升銷24予以支持。此外，成膜中的基板11係被載置於基板載台22。上升銷24係可藉由升降機構26而朝上下方向作升降，俾以供基板11之替換之用。

ALD裝置10係在藉由加熱器32而將基板11加熱至250℃左右的狀態下形成薄膜之所謂的熱ALD裝置。

在成膜容器12的第1圖中的左側側壁係設有將原料氣體、反應氣體供給至成膜空間30內的原料氣體供給源14與反應氣體供給源16。

原料氣體供給源14係將作為原料氣體的TMA氣體透過供給管14a而供給至成膜空間30。原料氣體的供給係藉由控制閥14b予以控制。藉由對成膜空間30供給原料氣體，在基板11上吸附TMA的成分。

反應氣體供給源16係將作為反應氣體的氧化氣體透過供給管16a而供給至成膜空間30。氧化氣體的供給係藉由控制閥16b予以控制。氧化氣體的供給係在停止TMA氣體的供給時來進行。亦即，TMA氣體與氧化氣體係被交替供給至成膜空間30。氧化氣體係在成膜空間30的基板11附近形成為高溫狀態，氧化氣體的一部分成為活性氧，該活性氧與被吸附在基板11的TMA的成分起反應，而形成由金屬氧化膜所構成的薄膜。

此外，在成膜空間30，在交替進行TMA的原料氣體與作為氧化氣體的反應氣體的供給的間隙，由未圖示之沖洗氣體供給部將氮氣等惰性氣體作為沖洗氣體而被供給至成膜空間30。藉此，可效率佳地進行TMA氣體與氧化氣體的更換。

對成膜空間30供給原料氣體、及對成膜空間30供給反應氣體，均係透過氣體供給單元34來進行。關於氣體供給單元34容後詳述。

薄膜的形成係以原子層單位來進行，因此TMA吸附在基板11上及TMA與活性氧起反應係在極短時間內進行。例如，TMA與活性氧的反應係以例如數毫秒進行。此時，以該反應在基板11全體無遺漏地進行的方式，例如以1秒左右使氧化氣體流至基板11上。藉由交替進行100次左右的TMA氣體與氧化氣體的供給，可形成數nm~數10nm等薄膜。

如上所示之成膜容器12係藉由利用排氣部18、20所為之TMA氣體、氧化氣體、沖洗氣體等的排氣，成膜空間30係常時被維持在預定的真空度(例如10Pa~100Pa或數Pa~數100Pa)程度的真空度。排氣部18係具有由成膜容器12內之設在基板載台22的下方的地板面的排氣口延伸的排氣管及泵。排氣管係與成膜容器12內的下部空間相連接。

排氣部20係具有由設在成膜容器12內的圖中右側面的排氣口延伸的排氣管與泵。排氣管係與成膜空間30相連接。

第2圖(a)、(b)係說明對成膜空間30供給TMA氣體及氧化氣體的氣體供給單元34的圖。在第2圖(b)中可知內部構造，將側壁去除加以顯示。

氣體供給單元34係以具有內部空間36的方式形成箱形狀容器，由氣體供給單元34的反應氣體導入口突出的管34a係透過接頭構件34b而與供給管16a相連接。雖未圖示，但在氣體供給單元34的背面側，亦為由氣體供給單元34突出的管係透過接頭構件而與供給管14a相連接。

氣體供給單元34的本體部分係以複數屏板來區隔四方由壁面所包圍的內部空間，且以作為原料氣體的TMA氣體及作為反應氣體的氧化氣體的流路呈彎曲的方式所構成。

在氣體供給單元34係設有用以將後述的金屬製屏板38保持在一定溫度的加熱器37。之所以將屏板38加熱至一定溫度，例如75℃以上，是因為作為原料氣體的TMA氣體碰撞到屏板38時，不會被冷卻而凝縮之故。

第2圖(b)係顯示氣體供給單元34之內部構造的分解斜視圖。

在氣體供給單元34之內部空間36設有複數屏板38而形成有複數房間。複數屏板38係以使由原料氣體及反應氣體的導入口朝向成膜空間30流動的氣體流路彎曲的方式，由氣體供給單元34的壁面、或由其他屏板38設立。

具體而言，由TMA氣體及氧化氣體的導入口依序將屏板38a~38d設在後述的屏板38e上。在第2圖(b)中係顯示作為反應氣體的氧化氣體的導入口35。屏板38a、38b係由屏板38e的下面被設在下方，屏板38c、38d係由屏板38e的上面被設在上方。屏板38a~38d的前端均不會與氣體供給單元34的內壁面(頂棚面及地板面)相接觸，而可在屏板38a~38d的前端與氣體供給單元34的內壁面之間形成空隙。該空隙係形成為由導入口所被供給的TMA氣體及氧化氣體呈彎曲流動的流路的一部分。

屏板38e係設在相對後述屏板38f、38g、38h呈垂直方向。屏板38f、38g、38h係相對氣體供給單元34的內壁面呈垂直設立，因此屏板38e係設成與氣體供給單元34的內壁面呈平行，屏板38e係將以屏板38f、38g、38h予以區隔的導入口側的內部空間朝上下方向作2區分。如上所示，之所以屏板38e將內部空間朝上下方向作2區分是為了將由上方所被導入的氧化氣體與由下方所被導入的TMA氣體在導入時分離之故。將氧化氣體與TMA氣體的流路在氣體導入時作分離，藉此即使TMA氣體凝縮而液體附著於壁面，亦由於幾乎沒有與氧化氣體起反應的機會，因此並不會生成反應生成物。

其中，在氣體供給單元34中通過導入口的原料氣體及反應氣體的流通方向前方，以位有屏板38e的壁面的方式設有屏板38e。之所以如上所示配置屏板38e，是為了使由導入口所被導入的原料氣體及氧化氣體的流通暫時停留之故。

屏板38f、38g、38h係由氣體供給單元34的內壁面垂直設立。屏板38f、38g、38h係朝單一方向配列成一列，在屏板38f與屏板38g之間、及屏板38g與屏板38h之間設有間隙，形成有開縫狀細孔。該細孔係形成為被供給至以屏板38e而朝上下方向作區隔的2個內部空間的氣體流路，製作出屏板38f、38g、38h、與後述屏板38i之間的內部空間。該內部空間係被共用作為TMA氣體及氧化氣體的流路。亦即，原料氣體與反應氣體係在被導入至由屏板38e所被區隔的彼此不同的空間之後，在屏板38f、38g、38h的間隙流通，而在相同空間的流路流通。如上所示，之所以可共用作為TMA氣體及氧化氣體的流路係因為TMA氣體之中應在減壓雰圍氣內被凝縮的部分已被凝縮，因此並不會有TMA的液體附著在屏板38i的情形之故。

屏板38i係由氣體供給單元34的內壁面(地板面)垂直設立。屏板38i的前端並未與氣體供給單元34的內壁面(頂棚面)相接觸，而在屏板38i的前端與氣體供給單元34的內壁面(頂棚面)之間形成間隙。該間隙係被共用作為TMA氣體及氧化氣體的流路。如上所示，之所以可共用作為TMA氣體及氧化氣體的流路，是因為TMA氣體之中應在減壓雰圍氣內被凝縮的部分已經被凝縮，因此並不會有TMA的液體附著在屏板38i的情形之故。

屏板38j係由氣體供給單元34的內壁面(頂棚面)朝向下方垂直設置。屏板38j的前端並未與氣體供給單元34的內壁面(地板面)相接觸，而在屏板38j的前端與氣體供給單元34的內壁面(地板面)之間形成間隙。該間隙係TMA氣體及氧化氣體的流路，被共用作為對成膜空間30的吐出口。如上所示，之所以可共用作為TMA氣體及氧化氣體的流路，是因為TMA氣體之中應在減壓雰圍氣內被凝縮的部分已經被凝縮，因此並不會有TMA的液體附著在屏板38j的情形之故。

如上所示，當將屏板38f、38g、38h作為1個屏板來觀看時，複數開縫孔相對基板載台22的載置面朝垂直方向延伸，而且該複數開縫孔的配列方向係與載置面呈平行。藉此，可使由屏板38f、38g、38h之間的開縫孔流通的氣體以成膜空間30的全部寬幅流通。

此外，藉由屏板38i所形成的吐出口係朝向與基板載台22的載置面呈平行的方向延伸的開縫狀開口部，因此可以基板11的全部寬幅大致均一流通氣體。

第3圖(a)係顯示由導入口之側觀看成膜空間30側時的屏板38a~38h的態樣、及所形成的開縫狀細孔(圖中的白色區域)。以箭號表示由圖中上方所被導入之作為反應氣體的氧化氣體、及由圖中下方所被導入之作為原料氣體的TMA氣體的流通。

此外，第3圖(b)係顯示在成膜空間30側觀看屏板38f、38g、38h與屏板38i之間的內部空間時藉由屏板38i所形成的開縫狀細孔(圖中的白色區域)。

此外，第3圖(c)係顯示在成膜空間30側觀看屏板38i與屏板38j之間的內部空間時藉由屏板38j所形成的開縫狀細孔(圖中的白色區域)。

如以上所示，氣體供給單元34係藉由設置複數屏板，TMA氣體及反應氣體的流路係呈彎曲。如上所示，之所以使流路彎曲，是因為以提升所形成的薄膜均一性的方面來看，以儘可能抑制TMA氣體及氧化氣體的流速，以接近氣體擴散的速度流通為佳之故。如後述可知，與習知之使用淋洗頭來供給氣體的情形相比，使用本發明之使用氣體供給單元34所形成的薄膜係所形成的膜厚分布較為接近於均一。

[實施例]

為了釐清本發明之薄膜形成裝置之效果，在基板形成有薄膜(實施例)。

第4圖(a)係顯示使用習知的淋洗頭，使用作為原料氣體的TMA氣體及作為反應氣體的臭氧氣體，在基板形成薄膜之例(習知例)。在該例中，係將淋洗頭配置成朝與基板載台的基板載置面呈平行的方向流通氣體。

基板係實施例及習知例均在圓形狀矽基板(6英吋晶圓)形成氧化鋁膜。

基板溫度係設為250℃，將1次TMA氣體供給量設為0.5mg，將TMA氣體供給、TMA氣體排氣、臭氧氣體供給、臭氧氣體排氣的1次處理時間設為8.5秒，且反覆100次。

第4圖(b)係顯示測定形成在矽基板的膜厚的3部位。地點1係位於氣體流通的上游側(氣體供給側)，地點3係位於氣體流通的下游側(排氣側)。

第4圖(c)係顯示作為上述實施例與習知例的測定結果的薄膜膜厚分布。由圖可知，在習知例中，上游側膜較厚、下游側膜較薄，相對於此，在實施例中，係形成有大致均一厚度的薄膜。

藉此可知本發明之效果。

其中，本實施形態係將複數屏板配置成如第2圖(b)所示，但是並非限定於該配置。若以藉由屏板使原料氣體及反應氣體的流路呈彎曲的方式配置屏板，則亦可為任何配置。例如，如第5圖所示之氣體供給單元34’般，可配置屏板38。第5圖係以線圖表示屏板38之配置的上面圖。屏板38係均由氣體供給單元34’的內壁面(地板面)設立，在屏板38設有間隙，藉此使氣體的流路呈彎曲。

在如上所示之流路中，亦在氣體供給單元34’中的導入口的原料氣體及反應氣體的流通方向前方，以位有屏板38的壁面的方式設有屏板38。

以上詳加說明本發明之薄膜形成裝置，惟本發明之薄膜形成裝置及薄膜形成方法並不限定於上述實施形態，在未脫離本發明之主旨的範圍內，當然亦可為各種改良或變更。