TWI551719B - Film forming apparatus and thin film forming method - Google Patents

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Description

薄膜形成裝置及薄膜形成方法
本發明是有關使用電漿在基板形成薄膜的薄膜形成裝置及薄膜形成方法。
最近，在基板上以原子層單位形成薄膜的原子層成長法(以下亦簡稱ALD(Atomic Layer Deposition)法)是作為薄膜形成方法受到注目。ALD是以構成所欲形成的膜的元素作為主成分的2種類的氣體會被交替供給於成膜對象基板上，在基板上以原子層單位形成薄膜。此原子單位的薄膜形成是被重複複數次來形成所望厚度的膜。例如，在基板上形成Al2O3膜時，會使用由TMA(Tri-Methyl Aluminum)所構成的原料氣體及含O的氧化氣體。並且，在基板上形成氮化膜時，取代氧化氣體，使用氮化氣體。
ALD法是利用所謂成長的自己停止作用(自我限制機能)，亦即在供給原料氣體的期間，僅1層或數層的原料氣體成分會被吸附於基板表面，多餘的原料氣體則不貢獻薄膜的成長。
以ALD法所形成的薄膜，和使用一般的CVD(Chemical Vapor Deposition)法來形成的薄膜作比較，期待一併具有高階差被覆性及膜厚控制性，對記憶元件的電容器或被稱為「high-k閘極」的絕緣膜的形成實用化。又，由於可在300℃程度的低溫形成絕緣膜，所有亦可期待適用於使用玻璃基板之液晶顯示器等的顯示裝置的薄膜電晶體的閘極絕緣膜的形成等。
在此ALD法中，在氧化吸附於基板的原料氣體的成分時，利用氧化氣體來使電漿發生。此時，藉由電漿來生成氧自由基，利用此氧自由基來氧化吸附於基板的原料氣體的成分。
例如，在下記專利文獻1中，是在被抽真空的處理容器內，藉由含遷移金屬的含遷移金屬原料氣體及含氧氣體在被處理體的表面利用熱處理來形成薄膜。利用於此薄膜的形成之熱處理是使用交替重複供給原料氣體及含氧氣體來進行成膜的ALD法。藉此，利用CVD等的熱處理來形成例如含Mn膜或含CuMn合金膜等時，即使是微細的凹部也可以高的階梯覆蓋率(Step Coverage)來埋入。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]特開2009-016782號
藉由如此的ALD法，雖即使是微細的凹部也可以高的階梯覆蓋率來埋入薄膜，但在薄膜的形成需要時間，會有生產效率低的問題。並且，在利用電漿的薄膜形成時，會有處理容器內污染，需要頻繁地進行處理容器內的洗滌，維修需要莫大的勞力及時間等的問題。
於是，為了解決上述問題點，本發明的目的是在於提供一種在利用電漿來形成薄膜於基板時，可使電漿的發生密度提升來有效率地進行薄膜的形成之薄膜形成裝置及薄膜形成方法。
本發明之一形態係利用電漿在基板形成薄膜之以下所述的薄膜形成裝置。
亦即，薄膜形成裝置形成裝置係具有：外側真空容器，其係形成第1內部空間；內側真空容器，其係設於前述外側真空容器的前述第1內部空間，形成第2內部空間；電漿發生源，其係設於前述第1內部空間，接受高頻電力的供給來使電漿發生；及基板平台，其係以能夠與前述電漿發生源對向的方式設於前述第1內部空間，與前述內側真空容器一起包圍前述第2內部空間，在前述第2內部空間內使基板載置，在前述第2內部空間配置有載置於前述基板平台的基板，以在前述第2內部空間發生電漿，在前述第1內部空間不會發生電漿的方式，控制前述第1內部空間及前述第2內部空間的各個空間的壓力、及供給至前述電漿發生源的電力。
又，本發明的別的形態係利用電漿在基板形成薄膜之以下所述的薄膜形成方法。
亦即，薄膜形成方法係具有：按照各制定的壓力條件來控制第1內部空間、及設於前述第1內部空間內的第2內部空間的壓力之步驟；及在前述第2內部空間內的基板上流動原料氣體，且對設於前述第1內部空間的電漿發生源賦予對應於前述壓力條件的高頻電力，藉此使電漿發生於前述第2內部空間，而於基板形成薄膜之步驟。
上述的薄膜形成裝置及薄膜形成方法是在利用電漿來形成薄膜於基板時，可使電漿的發生密度提升來有效率地進行薄膜的形成。
以下，詳細說明有關本發明的薄膜形成裝置及薄膜形成方法。
圖1是表示本發明的薄膜形成裝置之一實施例的ALD裝置的構成概略圖。圖2是說明圖1所示的ALD裝置的天線陣列與給電單元的圖。
圖1是表示適用本發明的電漿生成裝置的ALD裝置的構成之一實施形態的概略圖。圖2是說明圖1所示的ALD裝置的天線陣列與給電單元的圖。
圖1所示的ALD裝置10是將2種類的成膜氣體(原料氣體及氧化氣體)交替地供給至成膜對象的基板24上。此2種類的氣體是以構成所欲適用適用ALD法來形成的膜之元素作為主成分的氣體。此時，為了提高反應活性，而生成電漿，在基板上以原子層單位來形成原料氣體的氧化膜。以上述處理作為1循環，藉由將處理重複複數次循環，而形成所望厚度的膜。另外，亦可使用氮化氣體，取代氧化氣體。
ALD裝置10是具有給電單元12、成膜容器(外側真空容器)14、氣體供給部16，18、及具備真空泵的排氣部20，21，22。以下，舉例說明在基板24上形成氧化膜的情形，但氮化膜的情形也是同樣。氣體供給部16，18是配置成在圖1的紙面垂直方向並列，在圖1中是重疊顯示。
成膜容器14是形成第1內部空間26。在此第1內部空間26設有由複數的天線元件28所構成的天線陣列30、及基板平台32。在第1內部空間26之基板平台32上設置固定有鐘罩(內側真空容器)34。以基板平台32及鐘罩34來包圍形成與第1內部空間26相隔的第2內部空間36。在鐘罩34設有可從基板平台32裝卸的機構(未圖示)。
給電單元12是對設於成膜容器14的天線陣列30的各天線元件28供給電力(高頻信號)的單元。給電單元12是具有含振盪器及放大器的高頻信號生成器13與分配器15。
分配器15是將高頻信號生成器13所生成的高頻信號分割成複數的高頻信號，供給至各天線元件28。從分配器15至各天線元件28的給電線的長度是相同。
給電單元12是將對應於第1內部空間26及第2內部空間36所設定的壓力(壓力條件)之電力供應給天線陣列30的各天線元件28。
氣體供給部16是經由供給管38及設於基板平台32的氣體供給口來連接至第2內部空間36。氣體供給部18也是經由供給管40及設於基板平台32的別的氣體供給口來連接至第2內部空間36。氣體供給部16是將TMA(Tri-Methyl Aluminum)等的原料氣體供給至第2內部空間36，氣體供給部18是將氧化氣體等的原料氣體供給至第2內部空間36。原料氣體的供給是交替地進行。
另一方面，排氣部20是經由排氣管41來連接至面向成膜容器14的第1內部空間26而設置的排氣孔42。排氣部22也是與排氣部20同樣地經由排氣管44來連接至面向成膜容器14的第1內部空間26而設置的排氣孔44。排氣部20，22是分別具有用以調整第1內部空間26的真空度(壓力)的渦輪分子泵。藉由渦輪分子泵來將第1內部空間26的真空度控制於1×10-3~1×10-2Pa或1200~3000Pa。另外，排氣部20是經由排氣孔42及排氣管41來將第1內部空間26的下部空間抽真空於垂直方向。
排氣部21是具有乾式泵，其係用以經由排氣管48及設於基板平台32的氣體排氣口來從第2內部空間36排除TMA或氧化氣體等的原料氣體，且調整第2內部空間36的真空度(壓力)。藉由乾式泵來將第2內部空間36的真空度控制於20~100Pa。之所以比第2內部空間36的真空度還提高第1內部空間26的真空度(降低壓力)或降低(提高壓力)是為了藉由提高第1內部空間26的真空度、或降低真空度，使在第1內部空間26不會發生電漿。電漿的發生是依真空度而異。電漿的發生所要的電力是按照被供給的氣體而定，真空度比某範圍高或低也不易發生電漿，亦即存在電漿容易發生的真空度。本實施形態是在此電漿容易發生的真空度的範圍內制定第2內部空間36的真空度，第1內部空間26的真空度是制定比上述範圍更高或低。按照如此被制定的壓力之電力會從給電單元12來控制而供電至各天線元件28。另外，之所以提高或降低第1內部空間26的真空度，是為了藉由提高或降低真空度，可急劇地提高電漿發生的難度，容易控制電漿的發生。
另外，雖未圖示，但實際在供給管38，40的途中設有控制氣體供給部16，18與第2內部空間36的導通之開閉閥(例如電磁閥)。又，雖未圖示，但在排氣管48的途中設有控制排氣部21與第2內部空間36的導通之開閉閥。在排氣管41，44的途中分別設有控制第1內部空間26與排氣部20，22的導通之開閉閥(例如電磁閥)。
從氣體供給部16，18供給原料氣體至第2內部空間36內時，供給管38，40的開閉閥會對應於供給的原料氣體而被開放，對第2內部空間36內供給氣體。在將被供給至第2內部空間36內的氣體予以排氣時，排氣管48的開閉閥會被開放。在調整第1內部空間26內的壓力時，排氣管40，44的開閉閥會被開放。
成膜容器14是形成金屬製的中空箱形的形狀，且被接地。成膜容器14是分成上方部14a及下方部14b，藉由未圖示的接合機構來構成可裝卸。藉由如此的構成，可將鐘罩34從成膜容器14內取出，可洗滌因為電漿的發生而產生之鐘罩34的內壁面的表面污垢。
在成膜容器14的內部，從上壁側往下壁側依序配設有：由複數的天線元件28所構成的天線陣列(電漿發生源)30、鐘罩34、及內藏加熱器50的基板平台32。在基板平台32的上面載置基板24。天線陣列30是配設成天線元件28所配列的假想平面會與基板平台32的基板載置面平行。
天線陣列28為了使用被導入第2內部空間36的氧化氣體來使電漿發生，而設成接近於鐘罩34的上方。天線陣列28是在成膜容器14的左壁與形成有排氣孔46的右壁之間，且鐘罩34的上面的上方，與基板平台32的面平行設置，且在天線陣列28，複數的天線元件28是以一定的間隔來平行配設。複數的天線元件28是分別在氧化氣體被供給至第2內部空間36時，供給電力，而使能夠在第2內部空間36發生電漿。
如圖2所示，在高頻信號生成部14所發生之VHF頻帶(例如80MHz)的高頻信號(高頻電力)會被供給至分配器15。在分配器15中，高頻信號會被分割，被分割的複數個高頻信號是經由阻抗整合器52來供給至複數的天線元件28之突出的基部。阻抗整合器52是調整在電漿的生成中因天線元件28的負荷變化而產生之阻抗的不整合。
另外，天線元件28是例如銅、鋁、白金等的導電性棒狀的單極天線(天線本體)54收納於例如由石英或陶瓷等的介電質所形成的圓筒構件56來構成。藉由使用介電質來覆蓋天線本體，作為天線的電容及電感會被調整，可沿著天線本體的長度方向來使高頻信號有效率地傳播。藉此，天線元件28可使電磁波有效率地從天線元件28放射至周圍。
天線元件28是分別延伸於與流動於第2內部空間36的原料氣體的流向正交的方向，且被電性絕緣，以能夠從成膜容器12的側壁突出之方式安裝。並且，天線元件28是分別以一定的間隔，例如50mm間隔來平行配設，以鄰接的天線元件26間的給電位置能夠形成互相對向的側壁之方式設置。
並且，天線元件28是分別配置於與基板平台32的基板載置面平行的方向。複數的天線元件28的配列方向是與基板平台32的基板載置面平行的方向。
天線元件28是例如將直徑約6mm的天線本體設於直徑約12mm的介電質的圓筒構件中所構成。當第2內部空間36內的壓力為20Pa程度時，一旦從給電單元12供給約1600W的高頻信號，則會在天線元件28的天線長等於高頻信號的波長的(2n+1)/4倍(n為0或正的整數)的條件下產生高頻信號的駐波，天線元件28成為共振狀態。藉此，電磁波會被放射於天線元件28的周圍，生成電漿。
鐘罩34是形成與基板平台32的上面一起封閉的第2內部空間36，由箱形狀的石英所形成的構件。在此第2內部空間36中配置基板24。之所以將鐘罩34設於第1內部空間26內，在第1內部空間26內形成與第1內部空間26相隔的第2內部空間36，是因為可藉由使電漿發生於第2內部空間36來提高電漿的發生密度。以往的電漿發生區域是含天線元件28等的電漿發生源的廣區域，所以電漿的發生密度低。在本實施形態則是依真空度的高低來設定電漿的發生區域，更限制於第2內部空間36內，所以電漿的發生區域窄。因此，比起以往，電漿的發生密度會變高，可有效率地形成薄膜。而且，在第2內部空間36因為沒有天線元件28等的構件，所以也不會有薄膜等附著於天線元件28的表面等而污染的情形。鐘罩34是如後述般可從基板平台32裝卸，可從成膜容器14取出，因此可容易洗滌表面被污染的鐘罩34。洗滌是以蝕刻液等作為洗淨液，浸泡於洗淨液中進行。因此維修也容易。
基板平台32是具有比以成膜容器14的內壁面所包圍的第1內部空間26的剖面更小的面積之例如矩形的金屬板。基板平台32是藉由動力汽缸等的昇降機構58來上下昇降。隨著基板平台32的昇降，氣體供給部16，18及排氣部21也構成可昇降。在基板平台32的基板載置面的一方的端部，位於第2內部空間36內的部分設有從氣體供給部16，18供給的原料氣體的供給口。並且，在基板平台32的基板載置面的另一方的端部，位於第2內部空間36內的部分設有連接至排氣部21的排氣口。藉此，可使原料氣體從供給口往排氣口來流動於基板24的上方。
在成膜容器14的內壁面與基板平台32的上昇位置之間設有從內壁面往中心部突出的加熱器止檔60。在基板平台32的緣部上面，相當於加熱器止檔60的側面高度的位置設有L字型的階差。
一旦基板平台32上昇，則加熱器止檔60下面與基板平台32緣部上面的階差部會抵接，定位成基板平台32上面的高度會與加熱器止檔60上面的高度約相同(面一致)。此時，成膜容器14的第1內部空間26是被分離成比基板平台32更上側的空間、及基板平台32下側的空間。
另一方面，當基板平台32處於下降位置時，在加熱器止檔60下面與基板平台32緣部上面的階差部之間存在所定間隔的間隙62。藉由此間隙62，上側的空間與下側的空間被連接，排氣部20，22會互相作用來抽真空，高速地控制真空度(壓力)。又，由於鐘罩24是與基板平台32一起下降，所以藉由成膜容器14的下方部14b與上方部14a分離，可從下方部14b取出鐘罩24。
圖3是表示在ALD裝置10中，基板平台32處於下降位置，且使成膜容器14的下方部14b自上方部14a分離而取出鐘罩34的狀態。亦即，成膜容器14是以天線元件28與鐘罩34及基板平台32能夠分離的方式分離成上方部14a與下方部14b的2個部位。成膜容器14的下方部14b是可與基板平台32一起移動於圖中左右方向，而從基板平台32取出鐘罩34。
如此的ALD裝置10是在圖1所示的狀態下，第1內部空間26的真空度會利用排氣部22來控制於1×10-3~1×10-2Pa或1200~3000Pa。第2內部空間36的真空度會利用排氣部21來控制於20~100Pa，而使壓力維持於一定。亦即，控制成第2內部空間36的壓力與第1內部空間26的壓力是具有壓力差。
在此狀態下，首先，TMA等的原料氣體會從供給部16供給。此時，排氣部21會同時驅動，所以原料氣體是在基板平台32的上面所載置的基板24的上方空間(第2內部空間36)從圖中左邊向右邊流動。藉此，原料氣體的成分會被吸附於基板24，多餘的原料氣體則被排氣。然後，供給非活性氣體，替換第2內部空間36內的氣體。
其次，在第2內部空間36內的基板24上，流動氧化氣體的同時，對設於第1內部空間26的天線陣列30賦予高頻電力，藉此在第2內部空間36內使電漿發生。此時，第1內部空間26的真空度相對於第2內部空間36是高或低，因此電漿不會發生。只在第2內部空間36內發生電漿，所以電漿的發生密度高。因此，利用藉由此電漿所生成的氧自由基來吸附於基板24的TMA等成分的氧化處理會短時間進行。又，由於只在第2內部空間36內發生電漿，所以不會有藉由電漿的發生而多餘的物質附著於天線元件28等的情形，僅鐘罩34的內面會污染。但，因為鐘罩34可取下，所以可容易洗滌。
圖4是表示真空度(壓力)與電漿發生時往電漿發生源的供給電力(最小電力)的關係曲線圖。此圖的特性曲線是周知的Paschen法則。並且，此特性曲線雖依所使用的氣體種類而異，但特性曲線的形狀是相同。就本實施形態而言，在第2內部空間36是設定圖中P2的範圍的壓力，在第1內部空間26是設定圖中P1的範圍的壓力，來控制壓力。
因此，藉由將比在圖中P2的範圍所定的供給電力高，比在P1的範圍所定的供給電力低的電力供給至天線陣列30的各天線元件28，可在第1內部空間26不使電漿發生，在第2內部空間36使電漿發生。亦即，供給至天線陣列30的高頻電力是比以第1內部空間26的壓力來發生電漿的最小電力低，比以第2內部空間36的壓力來發生電漿的最小電力高。當然，在第1內部空間26中，亦可設定比圖中P2的範圍高的壓力，來控制壓力。
本實施形態是使用天線陣列30作為電漿發生源來進行說明，但亦可適用CCP(電容耦合型電漿(Capacitively-Coupled Plasma))、ICP(感應耦合型電漿(Inductively-Coupled Plasma))、ECR(電子迴旋共振電漿(Electron-Cyclotron Resonance Plasma))等各種形式者。另外，除了使用天線陣列30等的天線之電磁波耦合型的電漿發生源以外，在感應耦合型的電漿發生源時，鐘罩34適合以石英構成。
以上，本實施形態是與電漿源所在位置的第1內部空間不同，以能夠在設於第1內部空間內的第2內部空間使電漿發生之方式控制壓力，因此在第2內部空間所生成之電漿的發生密度會變高，可有效率地進行薄膜的形成。
又，由於建立第2內部空間的內側真空容器是對基板平台構成裝卸自如，因此內側真空容器的洗滌維修容易。
以上，詳細說明有關本發明的薄膜形成裝置及薄膜形成方法，但本發明的薄膜形成裝置及薄膜形成方法並非限於上述實施形態，在不脫離本發明的主旨範圍中，當然可實施各種的改良或變更。
10．．．ALD裝置
12．．．給電單元
13．．．高頻信號生成器
14．．．成膜容器
14a．．．上方部
14b．．．下方部
15．．．分配器
16，18．．．氣體供給部
20，21，22．．．排氣部
24．．．基板
26．．．第1內部空間
28．．．天線元件
30．．．陣列天線
32．．．基板平台
34．．．鐘罩
36．．．第2內部空間
38，40．．．供給管
41，44，48．．．排氣管
42，46．．．排氣孔
50．．．加熱器
52．．．阻抗整合器
54．．．單極天線
56．．．圓筒構件
58．．．昇降機構
60．．．加熱器止檔
62．．．間隙
圖1是表示本發明的薄膜形成裝置之一實施例的ALD裝置的構成概略圖。
圖2是說明圖1所示的ALD裝置的天線陣列及給電單元的圖。
圖3是圖1所示的ALD裝置的基板平台處於下降位置，鐘罩處於可取出的狀態時的ALD裝置的圖。
圖4是表示真空度(壓力)與電漿發生時往電漿發生源的供給電力的關係曲線圖。
10．．．ALD裝置
12．．．給電單元
13．．．高頻信號生成器
14．．．成膜容器
14a．．．上方部
14b．．．下方部
15．．．分配器
16，18．．．氣體供給部
20，21，22．．．排氣部
24．．．基板
26．．．第1內部空間
28．．．天線元件
30．．．陣列天線
32．．．基板平台
34．．．鐘罩
36．．．第2內部空間
38，40．．．供給管
41，44，48．．．排氣管
42，46．．．排氣孔
50．．．加熱器
58．．．昇降機構
60．．．加熱器止檔
62．．．間隙

Claims (12)

  1. 一種薄膜形成裝置，係利用電漿在基板形成薄膜的薄膜形成裝置，其特徵係具有：外側真空容器，其係形成第1內部空間；內側真空容器，其係設於前述外側真空容器的前述第1內部空間，形成第2內部空間；電漿發生源，其係設於前述第1內部空間，接受高頻電力的供給來使電漿發生；及基板平台，其係以能夠與前述電漿發生源對向的方式設於前述第1內部空間，與前述內側真空容器一起包圍前述第2內部空間，在前述第2內部空間內使基板載置，在前述第2內部空間配置有載置於前述基板平台的基板，以在前述第2內部空間發生電漿，在前述第1內部空間不會發生電漿的方式，控制前述第1內部空間及前述第2內部空間的各個空間的壓力、及供給至前述電漿發生源的電力。
  2. 如申請專利範圍第1項之薄膜形成裝置，其中，前述第2內部空間的壓力與前述第1內部空間的壓力是控制成具有壓力差。
  3. 如申請專利範圍第2項之薄膜形成裝置，其中，在前述第1內部空間係連接第1真空泵，在前述第2內部空間係連接第2真空泵，以前述第1內部空間的壓力能夠形成1×10-3~1×10-2Pa 或1200~3000Pa，前述第2內部空間的壓力能夠形成20~100Pa的方式，藉由前述第1真空泵及前述第2真空泵來控制壓力。
  4. 如申請專利範圍第3項之薄膜形成裝置，其中，供給至前述電漿發生源的前述電力係控制成比在前述第1內部空間的壓力所發生電漿的最小電力低，比在前述第2內部空間的壓力所發生電漿的最小電力高。
  5. 如申請專利範圍第1~4項中任一項所記載的薄膜形成裝置，其中，前述電漿發生源為電磁波耦合型或感應耦合型的發生源，前述內側真空容器係以石英所構成。
  6. 如申請專利範圍第1~4項中任一項所記載的薄膜形成裝置，其中，在位於前述第2內部空間內的前述基板平台的面上設有原料氣體的供給口及排氣口。
  7. 如申請專利範圍第1~4項中任一項所記載的薄膜形成裝置，其中，前述內側真空容器係被載置於前述基板平台，構成裝卸自如。
  8. 如申請專利範圍第1~4項中任一項所記載的薄膜形成裝置，其中，在前述外側真空容器內，從上方依序配置有構成前述電漿發生源的電漿發生元件、前述內側真空容器、前述基板平台，前述外側真空容器係以前述電漿發生元件與前述內側真空容器及前述基板平台能夠分離的方式分離成2個的部位。
  9. 一種薄膜形成方法，係利用電漿在基板形成薄膜的 薄膜形成方法，其特徵係具有：按照各制定的壓力條件來控制第1內部空間、及設於前述第1內部空間內的第2內部空間的壓力之步驟；及在前述第2內部空間內的基板上流動原料氣體，且對設於前述第1內部空間的電漿發生源賦予對應於前述壓力條件的高頻電力，藉此使電漿發生於前述第2內部空間，而於基板形成薄膜之步驟。
  10. 如申請專利範圍第9項之薄膜形成方法，其中，前述壓力條件係控制成前述第2內部空間的壓力與前述第1內部空間的壓力具有壓力差之條件。
  11. 如申請專利範圍第10項之薄膜形成方法，其中，前述第1內部空間的壓力係控制於1×10-3~1×10-2Pa或1200~3000Pa，前述第2內部空間的壓力係控制於20~100Pa。
  12. 如申請專利範圍第9項之薄膜形成方法，其中，供給至前述電漿發生源的前述高頻電力係比在前述第1內部空間的壓力所發生電漿的最小電力低，比在前述第2內部空間的壓力所發生電漿的最小電力高。
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