JP2006245089A - 薄膜形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】原子層成長方法において、ガスの無駄を抑制した状態で、より高速に成膜できるようにする。
【解決手段】原料吸着の過程で、まず、成膜チャンバーの内部の排気状態は停止された状態とする。また、成膜チャンバーの内部にＳｉＣｌ₄からなる原料ガスが導入され、シリコン基板の上に原料ガスが供給された状態とする。ここで、原料ガスの供給は、約５秒間行った後停止し、原料吸着の過程は３０秒程度継続する。言い換えると、排気状態が停止された３０秒間の初期に、約５秒程度の間は原料ガスの供給を行い、この後の２５秒程度の間は、原料ガスの供給を停止する。このことにより、シリコン基板の上に、原料であるＳｉＣｌ₄分子が吸着してＳｉＣｌ₄分子層（吸着層）が形成された状態とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、原子層及び分子層単位で金属酸化物などの薄膜を形成する薄膜形成方法に関する。

近年、大きな面積の基板の上に均一な薄膜を再現性よく形成する技術として、原子層成長（Atomic Layer Deposition：ＡＬＤ）法が用いられている（特許文献１，２，３，４参照）。原子層成長方法は、形成しようとする膜を構成する各元素の原料を基板に交互に供給することにより、原子層単位で薄膜を形成する技術である。原子層成長方法では、各元素の原料を供給している間に１層あるいはｎ層だけを表面に吸着させ、余分な原料は成長に寄与させないようにしている。これを、成長の自己停止作用という。原子層成長方法では、例えば、３００℃程度の温度でプラズマを使用しなくても成膜可能であり、ガラス基板の上でも絶縁膜が形成できるなど、適用範囲が広いという特徴を有している。

このような特徴を備えた原子層成長方法を実現するための成膜装置は、図３に示すように、気相による膜の成長が行われる成膜チャンバー３０１と、成膜チャンバー３０１の内部に配置された加熱機構を備えた基板台３０２とを備える。また、成膜チャンバー３０１は、排気管３０４に連通する真空ポンプ３０５と、ガス供給機構３０６を備える。図３に示す処理装置では、まず、処理対象の基板３０３を基板台３０２の上に搬入し、成膜チャンバー３０１を密閉された状態とした後、基板台３０２の加熱機構により基板３０３を例えば４００℃に加熱した状態で、ガス供給機構３０６により所定のガスが基板３０３の上に供給された状態とする。

例えば、金属酸化物薄膜を形成する場合、金属原料ガスが、基板３０３の上に供給された状態とする。このことにより、基板３０３の上に、１分子層分の金属原料が吸着して吸着層が形成された状態となる。次に、金属原料ガスの供給を停止して真空ポンプ３０５により排気し、加えてガス供給機構３０６によりパージガスを供給し、基板３０３の表面に吸着した以外の金属原料が、成膜チャンバー３０１の内部より排出された状態とする（パージ）。

次に、ガス供給機構３０６により基板３０３の上に酸化ガス（酸化剤ガス）が供給された状態とし、基板３０３の表面に吸着している金属原料を酸化し、１分子層分の金属酸化物薄膜が基板３０３の上に形成された状態とする。この後、酸化ガスの供給を停止して真空ポンプ３０５による排気し、加えてガス供給機構３０６によりパージガスを供給し、酸化ガスが、成膜チャンバー３０１の内部より排出された状態とする（パージ）。これらの一連のサイクルと繰り返すことで、所望の薄膜（金属酸化物薄膜）が形成された状態としている。

なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
特開平１−１７９４２３号公報 特開平５−１６０１５２号公報 特開２００１−１７２７６７号公報 特開２００２−３５３１５４号公報

ところで、上述した原子層成長方法では、膜の形成に寄与する原料は、基板の表面に吸着した１層分だけであるために、膜の形成速度（成膜速度）が遅いという問題点を有している。例えば、原料供給の過程においても、「原料の輸送」，「輸送された原料の基板表面への物理吸着」，「物理吸着した原料の化学吸着」を経て、吸着層が形成された状態となる。また、吸着層が形成された後、直ちに次のガスの供給は行えず、成膜チャンバー内をパージしてから次のガスの供給が行われる。

原料ガスや酸化ガスの供給過程に要する時間を短縮するためには、基板の上の反応に寄与する原料ガスや酸化ガスの量を増加させることが効果的である。また、一般に、原子層成長法による成膜を行う装置では、排気能力の高い真空ポンプが用いられ、パージの過程において、成膜チャンバー内のパージガスを高速に排気できるようにされ、プロセス時間をより短縮できるようにしている。また、吸着層形成を形成するなど原料ガスを供給する過程と、パージガスの供給によるパージの過程とを繰り返している間、真空ポンプにより連続して排気された状態としている。

ところが、基板の上の反応に寄与するガスの量を増加させるためには、より多くのガスを供給し、成膜チャンバー内におけるガスの量（分圧）をより多く（高く）した方がよいが、排気能力の高い真空ポンプで排気されている状態では、ガスの量を多くすることが容易ではない。また、成膜チャンバー内におけるガスの量を多くするためには、非常に多くのガスが供給された状態とすることになるが、吸着層形成に関与しないガスの量が増加することになり、無駄が多い状態となる。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、原子層成長方法において、ガスの無駄を抑制した状態で、より高速に成膜できるようにすることを目的とする。

本発明に係る薄膜形成方法は、成膜対象の基板が載置された成膜チャンバーの内部が排気されて所定の圧力とされている状態にする第１工程と、成膜チャンバーの内部に所定量の第１原料ガスを導入して第１原料ガスが基板の表面に供給された状態とし、基板の表面に第１原料ガスからなる吸着層が形成された状態とする第２工程と、第１原料ガスの供給が停止され、成膜チャンバーの内部が排気された状態とし、成膜チャンバーの内部がパージされた状態とする第３工程と、成膜チャンバーの内部に所定量の第２原料ガスを導入して第２原料ガスが基板の表面に供給された状態とし、吸着層と第２原料ガスを構成する材料とから構成された薄膜が、基板の表面に形成された状態とする第４工程とを少なくとも備え、第２工程の中の少なくとも一部の時間帯は、成膜チャンバーの内部の排気が停止された状態とするようにしたものである。この方法によれば、第２工程においては、成膜チャンバー内に供給されたガスは、主に、吸着層の形成のために消費されるようになる。

上記、薄膜形成方法において、第２工程は、成膜チャンバーの内部の排気が停止された状態とし、成膜チャンバーの内部に所定量の第１原料ガスを導入して第１原料ガスが基板の表面に供給された状態とし、基板の表面に第１原料ガスからなる吸着層が形成された状態とすることで、成膜チャンバー内に供給されたほぼ全てのガスが、主に、吸着層の形成のために消費されるようになる。また、第１原料ガスの供給と同様に、第４工程の中の少なくとも一部の時間帯は、成膜チャンバーの内部の排気が停止された状態としてもよい。また、第３工程で、成膜チャンバーの内部が排気された状態とするとともに、成膜チャンバーの内部に不活性ガスが導入された状態とする場合、第４工程では、不活性ガスの導入が停止されるとともに成膜チャンバーの内部の排気が停止された状態としてもよい。なお、第２原料ガスは、例えば、吸着層を酸化する酸化剤ガスである。

以上説明したように、本発明によれば、第２工程の中の少なくとも一部の時間帯は、成膜チャンバーの内部の排気が停止された状態とし、成膜チャンバー内に供給されたガスは、主に、吸着層の形成のために消費されるようしたので、ガスの無駄を抑制した状態で、より高速に成膜できるようになるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における薄膜形成方法例を説明するためのタイミングチャートである。この薄膜形成方法について説明すると、まず、所定の成膜チャンバーの内部に例えばシリコン基板を固定し、真空ポンプを動作させて成膜チャンバーの内部が１０^-2Ｐａ程度の圧力に排気されている状態とし、また、所定の加熱機構によりシリコン基板が４００℃程度に加熱された状態とする（開始の段階）。

次の原料吸着の過程で、まず、成膜チャンバーの内部の排気状態は停止された状態とする。また、成膜チャンバーの内部にＳｉＣｌ₄からなる原料ガスが導入され、シリコン基板の上に原料ガスが供給された状態とする。ここで、原料ガスの供給は、約５秒間行った後停止し、原料吸着の過程は３０秒程度継続する。言い換えると、排気状態が停止された３０秒間の初期に、約５秒程度の間は原料ガスの供給を行い、この後の２５秒程度の間は、原料ガスの供給を停止する。このことにより、シリコン基板の上に、原料であるＳｉＣｌ₄分子が吸着してＳｉＣｌ₄分子層（吸着層）が形成された状態となる。

上述した原料吸着の過程において、排気状態が停止されているので、原料ガスの投入により成膜チャンバーの内部の圧力を２０００Ｐａ程度とすることが容易となる。なお、排気がなされている原料吸着の過程の直前より原料ガスの供給を開始し、この後で排気を停止するようにしてもよい。また、排気を停止した後、所定の時間後に原料ガスの供給を行うようにしてもよい。また、排気を再開してから原料ガスの供給を停止するようにしてもよい。言い換えると、原料吸着の過程において、少なくとも一部の時間帯は、成膜チャンバーの内部の排気が停止された状態とすればよい。排気が停止されている間は、従来に比較し、成膜チャンバーの内部圧力を高くすることができる。

次のパージの過程で、成膜チャンバーの内部が排気される状態とし、また、例えばＡｒなどのパージガスが、成膜チャンバーの内部に供給される状態とする。パージガスは、Ａｒに限らず、他の不活性ガスを用いるようにしてもよい。このパージの過程において、シリコン基板に吸着した原料以外の余剰ガスが成膜チャンバーから除去された状態となる。パージの過程は、約３０秒間行う。なお、パージガスを供給することなしに、排気の状態とすることだけでパージを行うようにしてもよい。

次の酸化の過程で、まず、成膜チャンバーの内部の排気状態は停止された状態とする。また、成膜チャンバーの内部に例えばＨ₂Ｏなどの酸化剤ガス（酸化ガス）が導入され、シリコン基板の上に酸化剤ガスが供給された状態とする。ここで、酸化剤ガスの供給は、約５秒間行った後に停止し、酸化の過程は３０秒程度継続する。言い換えると、排気状態が停止された３０秒間の初期に、約５秒程度の間は酸化剤ガスの供給を行い、この後の２５秒程度の間は、酸化剤ガスの供給を停止する。このことにより、シリコン基板の表面に吸着している分子（ＳｉＣｌ₄分子層）が酸化され、シリコン基板の表面にシリコン１原子層分の酸化シリコン層が形成された状態となる。

次のパージの過程で、成膜チャンバーの内部が排気される状態とし、また、例えばＡｒなどのパージガスが成膜チャンバーの内部に供給される状態とする。パージガスは、Ａｒに限らず、他の不活性ガスを用いるようにしてもよい。このパージの過程において、酸化に寄与した酸化剤ガス以外の余剰ガスが成膜チャンバーから除去された状態となる。パージの過程は、約３０秒間行う。これらの原料吸着の過程，パージの過程，酸化の過程，パージの過程からなる一連のサイクルを、例えば２０回繰り返すことで、シリコン基板の上に膜厚２ｎｍ程度の酸化シリコン膜が形成された状態が得られる。

図１を用いて説明した薄膜形成方法によれば、原料吸着過程において排気が継続されている場合に比較し、導入された原料ガスに対する吸着する原料の割合が多くなる。原理的には、吸着する量にほぼ等しい量の原料を、成膜チャンバー内部に導入すればよいことになる。従って、上記薄膜形成方法によれば、成膜に必要な原料ガスの量を減少させることができる。これは、酸化剤ガスの場合も同様である。

また、上記薄膜形成方法によれば、原料吸着過程において排気を停止するようにしているので、非常に少ないガスの供給量で成膜チャンバーの内部圧力を高くすることができる。この結果、より迅速に基板の上に吸着層が形成されるようになり、原料吸着過程の時間を短縮することが可能となる。これについても、酸化剤ガスの場合も同様である。

例えば、排気を継続した状態で原料を供給して吸着層を形成する場合、成膜チャンバーの内部圧力は、１００Ｐａ程度にしか上げられない。排気を継続している状態では、原料の供給量を増加しても、あまり圧力を上げることができない。これに対し、同量の原料ガスが供給された状態としても、排気が停止された状態とすることで、成膜チャンバーの内部圧力を２０００Ｐａ程度にまで高くすることができる。このことにより、形成している薄膜の膜厚増加量（成膜速度）を増加することが容易となり、実験により、２０倍程度に増加することが確認されている。

次に、上述した薄膜形成方法を実現するための装置について簡単に説明する。上記薄膜形成方法は、図２に示す成膜装置を用いればよい。図２に示す装置は、気相による膜の成長が行われる成膜チャンバー２０１と、成膜チャンバー２０１の内部に配置された加熱機構を備えた基板台２０２とを備える。また、成膜チャンバー２０１は、排気管２０４に連通する真空ポンプ２０５と、ガス供給機構２０６を備え、かつ、排気管２０４に開閉バルブ２０７を備える。図２に示す処理装置では、まず、処理対象の基板２０３を基板台２０２の上に搬入し、成膜チャンバー２０１を密閉された状態とした後、真空ポンプ２０５を動作させて成膜チャンバー２０１内に残留するガスを排気し、また、基板台２０２の加熱機構により基板２０３を例えば４００℃に加熱した状態とする。

ついで、開閉バルブ２０７が閉じた状態として成膜チャンバー２０１内の排気状態を停止し、この状態で、ガス供給機構２０６により所定のガスが基板２０３の上に供給された状態とする。例えば、ＳｉＣｌ₄からなる原料ガスが供給された状態とする。次に、原料ガスの供給を停止し、この後、開閉バルブ２０７が開放した状態として成膜チャンバー２０１内の排気状態を再開し、加えてガス供給機構２０６によりパージガスを供給し、基板２０３の表面に吸着した以外の金属原料が、成膜チャンバー２０１の内部より排出された状態とする（パージ）。このように、図２に示す装置によれば、原料吸着の過程における
成膜チャンバー２０１の内部の排気状態の停止が、容易に行える。

本発明の実施の形態における薄膜形成方法例を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施の形態における薄膜形成方法を実現するための成膜装置の構成を簡単に示す構成図である。 原子層成長方法を実現するための成膜装置の構成を簡単に示す構成図である。

符号の説明

２０１…成膜チャンバー、２０２…基板台、２０３…基板、２０４…排気管、２０５…真空ポンプ、２０６…ガス供給機構、２０７…開閉バルブ。

Claims (5)

1. 成膜対象の基板が載置された成膜チャンバーの内部が排気されて所定の圧力とされた状態にする第１工程と、
   前記成膜チャンバーの内部に所定量の第１原料ガスを導入して前記第１原料ガスが前記基板の表面に供給された状態とし、前記基板の表面に前記第１原料ガスからなる吸着層が形成された状態とする第２工程と、
   前記第１原料ガスの供給が停止され、前記成膜チャンバーの内部が排気された状態とし、前記成膜チャンバーの内部がパージされた状態とする第３工程と、
   前記成膜チャンバーの内部に所定量の第２原料ガスを導入して前記第２原料ガスが前記基板の表面に供給された状態とし、前記吸着層と前記第２原料ガスを構成する材料とから構成された薄膜が、前記基板の表面に形成された状態とする第４工程と
   を少なくとも備え、
   前記第２工程の中の少なくとも一部の時間帯は、前記成膜チャンバーの内部の排気が停止された状態とする
   ことを特徴とする薄膜形成方法。
2. 請求項１記載の薄膜形成方法において、
   前記第２工程は、
   前記成膜チャンバーの内部の排気が停止された状態とし、前記成膜チャンバーの内部に所定量の第１原料ガスを導入して前記第１原料ガスが前記基板の表面に供給された状態とし、前記基板の表面に前記第１原料ガスからなる吸着層が形成された状態とする
   ことを特徴とする薄膜形成方法。
3. 請求項１又は２記載の薄膜形成方法において、
   前記第４工程の中の少なくとも一部の時間帯は、前記成膜チャンバーの内部の排気が停止された状態とする
   ことを特徴とする薄膜形成方法。
4. 請求項３記載の薄膜形成方法において、
   前記第３工程では、前記成膜チャンバーの内部が排気された状態とするとともに、前記成膜チャンバーの内部に不活性ガスが導入された状態とし、
   前記第４工程では、前記不活性ガスの導入が停止されるとともに前記成膜チャンバーの内部の排気が停止された状態とする
   ことを特徴とする薄膜形成方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の薄膜形成方法において、
   前記第２原料ガスは、前記吸着層を酸化する酸化剤ガスであることを特徴とする薄膜形成方法。
   

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