JP2007039750A - Atomic-layer deposition apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an atomic-layer deposition apparatus which reliably purges precursors remaining in a reaction space, and stably and uniformly supplies a gas of the respective precursors onto a substrate. <P>SOLUTION: This atomic-layer deposition apparatus has a gas supply pipe 8 which is formed into a double pipe structure consisting of an inner pipe 81 and an outer pipe 82 which are concentric. Both pipes are formed so that the cross-sectional area of an inner channel 8A at the maximum diameter is equal to that of the outer channel 8B in the same position. The outer pipe 82 is arranged so that the top is closer to a substrate than that of the inner pipe 81. The outer pipe 82 has a smaller diameter of a circumference formed at the end than that, the inner pipe 81 has at the end. The gas supply pipe 8 is installed so that a flow direction of the gas is perpendicular to the substrate. The apparatus has a top plate 7 installed parallel to the substrate 6 so as to form the reaction space between the substrate 6 and the top plate 7. The atomic-layer deposition method includes controlling the amount of the gases to be introduced into the inner channel 8A and the outer channel 8B when supplying the gases onto the substrate 6, so that one of the gases pass through the inner channel 8A constantly at the same flow rate as the other gas passing through the outer channel 8B. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

この発明は、薄膜構成元素を含有する化合物からなる第１の前躯体の単分子層および第２の前駆体の単分子層を、ガスの供給により基板に交互に堆積させ、前躯体単分子層間で表面反応を生じさせることで、基板上に薄膜を形成する原子層堆積装置に関する。   According to the present invention, a monolayer of a first precursor and a monolayer of a second precursor made of a compound containing a thin film constituent element are alternately deposited on a substrate by supplying a gas. The present invention relates to an atomic layer deposition apparatus that forms a thin film on a substrate by causing a surface reaction.

従来より、半導体ウエハーを含む各種基板表面に薄膜を成長させる方法としては、化学的気相成長（ＣＶＤ）法が広く採用されてきたが、最近、Ｈｉｇｈ−ｋ（高誘電率）ゲート絶縁膜形成の分野において、原子層堆積（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition ）法が多く採用されるようになってきた。
ＡＬＤ法は、薄膜構成元素を含有する化合物からなる複数の前躯体単分子層を、基板上に交互に堆積させ、前躯体単分子層間で表面反応を生じさせる方法である。すなわち、ＡＬＤ法では、化学的気相成長における吸着が各前躯体の単分子層の厚さで飽和状態になるようにすることで、単分子層となった時点で成長を自動的に停止させる。また、ＡＬＤ法では、各前躯体単分子層を堆積するために、ガス状の各前躯体を交互に基板面に供給する。 Conventionally, a chemical vapor deposition (CVD) method has been widely adopted as a method for growing a thin film on the surface of various substrates including a semiconductor wafer. Recently, a high-k (high dielectric constant) gate insulating film is formed. In this field, atomic layer deposition (ALD) has been widely adopted.
The ALD method is a method in which a plurality of precursor monomolecular layers made of a compound containing a thin film constituent element are alternately deposited on a substrate to cause a surface reaction between the precursor monomolecular layers. That is, in the ALD method, the growth in the chemical vapor deposition is automatically stopped at the time of becoming a monolayer by making the saturation state with the thickness of the monolayer of each precursor. . In the ALD method, gaseous precursors are alternately supplied to the substrate surface in order to deposit each precursor monolayer.

一般的なＡＬＤ法では、基板表面への第１の前駆体の供給、第１の前駆体のパージ、第２の前駆体の供給、および第２の前駆体のパージからなる一連のプロセスを、高速で繰り返すことにより、原子層レベルの反応を進行させる。第１の前躯体および第２の前駆体としては、薄膜構成元素を含有する化合物であって、相互に反応する材料を使用する。
ＡＬＤの成長機構は、先ず、第１の前駆体が基板の吸着サイトに吸着して、基板上に第１の前躯体からなる単分子層が形成される。第１の前駆体の供給量が単分子層形成に必要な量より多い場合は、次のパージ工程で余分に堆積した前駆体が除去される。続いて、第２の前駆体を供給すると、供給された第２の前躯体が基板上の第１の前駆体と反応して、両前躯体の反応生成物からなる薄膜が形成される。 In a general ALD method, a series of processes consisting of supplying a first precursor to a substrate surface, purging a first precursor, supplying a second precursor, and purging a second precursor, The reaction at the atomic layer level proceeds by repeating at high speed. As the first precursor and the second precursor, a compound containing a thin film constituent element and reacting with each other is used.
In the growth mechanism of ALD, first, the first precursor is adsorbed on the adsorption site of the substrate, and a monomolecular layer composed of the first precursor is formed on the substrate. When the supply amount of the first precursor is larger than the amount necessary for forming the monomolecular layer, the precursor deposited excessively in the next purge step is removed. Subsequently, when the second precursor is supplied, the supplied second precursor reacts with the first precursor on the substrate, and a thin film made of a reaction product of both precursors is formed.

ここで、第２の前駆体を基板上の全ての第１の前駆体と反応させるために、第２の前駆体を、単分子層形成に必要な量より過剰に供給する必要がある。そのため、第２の前駆体の供給後にパージを行って、過剰分を除去する。この一連のプロセスを繰り返すことにより、薄膜を所望の厚さに成長させることができる。
ＡＬＤ法では、基板表面の温度を、第１の前駆体の凝縮温度より高く、第１の前駆体が未分解あるいは一部分解した状態となる（完全には熱分解されない）温度に制御する。この温度より低い温度でＡＬＤを行うと凝縮により第１の前駆体が単分子層より厚く堆積し、逆に高い温度で行うと熱分解により第１の前駆体を構成する原子同士が結合されたような状態（蒸着の様に金属原子同士が結合した状態）となる。 Here, in order to react the second precursor with all of the first precursors on the substrate, it is necessary to supply the second precursor in an amount more than that required for monolayer formation. Therefore, purging is performed after the second precursor is supplied to remove excess components. By repeating this series of processes, the thin film can be grown to a desired thickness.
In the ALD method, the temperature of the substrate surface is controlled to a temperature that is higher than the condensation temperature of the first precursor and at which the first precursor is in an undecomposed or partially decomposed state (not completely thermally decomposed). When ALD is performed at a temperature lower than this temperature, the first precursor is deposited thicker than the monomolecular layer due to condensation, and conversely, when it is performed at a higher temperature, atoms constituting the first precursor are bonded to each other by thermal decomposition. This is a state (a state in which metal atoms are bonded to each other as in vapor deposition).

また、第１及び第２の前駆体の供給量とパージ時間の関係で、供給量が多いあるいはパージ時間が短いと、それぞれの前駆体が単分子層より厚く堆積される。供給量が少ないと、単分子層が形成されない状態で反応が進むため、膜厚及び組成等が不均一となる。
このように、ＡＬＤ法では、理想的な成長が行われれば、膜厚や組成の均一性の高い薄膜が形成されるが、温度が適当でない場合やパージが不充分な場合には、膜厚や組成の均一性が劣化する。すなわち、第１および第２の前躯体が反応室内に残存していると、両者の反応生成物が析出して基板に付着することがあるため、過剰に供給された前駆体は、パージ工程で十分に除去される必要がある。 Further, due to the relationship between the supply amount of the first and second precursors and the purge time, when the supply amount is large or the purge time is short, each precursor is deposited thicker than the monomolecular layer. When the supply amount is small, the reaction proceeds in a state where no monomolecular layer is formed, so that the film thickness, composition, and the like are not uniform.
As described above, in the ALD method, if ideal growth is performed, a thin film with high uniformity in film thickness and composition is formed. If the temperature is not appropriate or the purge is insufficient, the film thickness is reduced. And the uniformity of the composition deteriorates. That is, if the first and second precursors remain in the reaction chamber, the reaction products of both may precipitate and adhere to the substrate. It needs to be removed sufficiently.

また、ＡＬＤ法では、第１の前駆体の供給、パージ、第２の前駆体の供給、パージの繰り返しで膜を成長させるため、それぞれのガス供給管のバルブを頻繁に開閉する。よって、ＡＬＤ法で、膜厚や組成が均一な薄膜を得るためには、バルブの開閉時にも、ガスが基板に対して安定した流れで供給されるようにする必要がある。
図７は、従来のＡＬＤ装置の一例であり、この装置は下記の特許文献１に記載されている。 In the ALD method, since the film is grown by repeating the supply of the first precursor, the purge, the supply of the second precursor, and the purge, the valves of the respective gas supply pipes are frequently opened and closed. Therefore, in order to obtain a thin film having a uniform film thickness and composition by the ALD method, it is necessary to supply the gas with a stable flow to the substrate even when the valve is opened and closed.
FIG. 7 shows an example of a conventional ALD apparatus, which is described in Patent Document 1 below.

この装置は、反応空間１０１と基板保持台１０３とからなる。反応空間１０１は、反応室１００内に設置され、シャワープレート１０７によって上部空間１０８と下部空間１０９に区画されている。基板保持台１０３は、基板１０２を下部空間１０９内に保持するように設置されている。上部空間１０８の上流側には、反応空間１０１に第２の前駆体Ｂを供給する上部供給管１０５が接続されている。下部空間１０９の上流側には、反応空間１０１に第１の前駆体Ａを供給する下部供給管１０４が接続されている。下部空間１０９の下流側には排気部１０６が設けられている。基板１０２は図示しない加熱手段によって加熱される。   This apparatus includes a reaction space 101 and a substrate holder 103. The reaction space 101 is installed in the reaction chamber 100 and is partitioned into an upper space 108 and a lower space 109 by a shower plate 107. The substrate holding table 103 is installed so as to hold the substrate 102 in the lower space 109. An upper supply pipe 105 that supplies the second precursor B to the reaction space 101 is connected to the upstream side of the upper space 108. A lower supply pipe 104 that supplies the first precursor A to the reaction space 101 is connected to the upstream side of the lower space 109. An exhaust unit 106 is provided on the downstream side of the lower space 109. The substrate 102 is heated by a heating means (not shown).

上部供給管１０５は、第１の前駆体Ａおよびパージガスの供給源（いずれも図示略）に接続され、下部供給管１０４は、第２の前駆体Ｂおよびバージガス供給源（いずれも図示略）に接続されている。シャワープレート１０７には、基板１０２と対向する位置に、上部空間１０８と下部空間１０９とを連通する連通孔１１０が設けられている。第２の前駆体Ｂを基板１０２の全面に供給するためには、この連通孔１１０を相当数開口させる必要がある。   The upper supply pipe 105 is connected to a first precursor A and a purge gas supply source (both not shown), and the lower supply pipe 104 is connected to a second precursor B and a barge gas supply source (both not shown). It is connected. The shower plate 107 is provided with a communication hole 110 that communicates the upper space 108 and the lower space 109 at a position facing the substrate 102. In order to supply the second precursor B to the entire surface of the substrate 102, it is necessary to open a considerable number of the communication holes 110.

上部供給管１０５から上部空間１０８に供給された第２の前駆体Ｂおよびパージガスは、この連通孔１１０を経て基板１０２へ向けて噴出する。すなわち、第２の前駆体Ｂのガス流れは、上部供給管１０５から反応空間１０１までの間は横方向であり、上部空間１０８で下方の基板１０２へと９０度向きを変え、さらに基板１０２上で側方の排気部１０６へ９０度向きを変える。これに対して、第１の前駆体Ａのガス流れは、下部供給管１０４→下部空間１０９→基板１０２→排気部１０６と、常に横方向である。   The second precursor B and the purge gas supplied from the upper supply pipe 105 to the upper space 108 are ejected toward the substrate 102 through the communication hole 110. That is, the gas flow of the second precursor B is lateral from the upper supply pipe 105 to the reaction space 101, changes its direction by 90 degrees toward the lower substrate 102 in the upper space 108, and further on the substrate 102. To turn to 90 ° to the side exhaust 106. On the other hand, the gas flow of the first precursor A is always in the lateral direction: the lower supply pipe 104 → the lower space 109 → the substrate 102 → the exhaust part 106.

この装置を用いて、基板１０２にＡＬＤ法で薄膜を形成するためには、先ず、上部供給管１０５および下部供給管１０４から常時パージガスを反応空間１０１内に供給しつつ、下部供給管１０４から第１の前駆体Ａを所定時間供給することで、基板１０２に単分子層を形成する。次に、第１の前駆体Ａの供給を停止してパージガスのみを供給することにより、余分に堆積した第１の前駆体Ａや副生成物を取除いた後に、上部供給管１０５から第２の前駆体Ｂを所定時間供給することで、第２の前駆体Ｂを第１の前駆体Ａと反応させて所望の薄膜を形成する。   In order to form a thin film on the substrate 102 by using the ALD method using this apparatus, first, the purge gas is always supplied from the upper supply pipe 105 and the lower supply pipe 104 into the reaction space 101, while the first supply pipe 104 and the lower supply pipe 104 supply the first gas. By supplying one precursor A for a predetermined time, a monomolecular layer is formed on the substrate 102. Next, the supply of the first precursor A is stopped and only the purge gas is supplied, so that the first precursor A and by-products deposited excessively are removed, and then the second supply pipe 105 is used to remove the second precursor. By supplying the precursor B for a predetermined time, the second precursor B is reacted with the first precursor A to form a desired thin film.

次に、第２の前駆体Ｂの供給を停止してパージガスのみを供給することにより、余分に堆積した前駆体Ｂや副生成物を取除く。これで一連のプロセスが終了する。以後、この一連のプロセスを繰り返して薄膜を所望の厚さに成長させる。
特表２００４−５３８３７４号公報 Next, the supply of the second precursor B is stopped and only the purge gas is supplied, thereby removing the excessively deposited precursor B and by-products. This completes the series of processes. Thereafter, this series of processes is repeated to grow the thin film to a desired thickness.
JP-T-2004-538374

しかしながら、上記特許文献１に記載されたＡＬＤ装置は、シャワープレート１０７に多数設けた連通孔１１０の内面やその周囲に、第１の前駆体Ａや第２の前駆体Ｂが残存し易く、これらはパージガスで除去されにくい。そして、これらの残存した前駆体に新たに供給された前駆体が接触して反応物が析出し、この析出物が基板１０２に付着すると、基板１０２上の本来の薄膜の成長が妨げられて、膜厚や組成が不均一になる。   However, in the ALD apparatus described in Patent Document 1, the first precursor A and the second precursor B are likely to remain on the inner surface of the communication holes 110 provided around the shower plate 107 and the periphery thereof. Is difficult to remove with purge gas. Then, the newly supplied precursor comes into contact with these remaining precursors to deposit a reactant, and when this deposit adheres to the substrate 102, the growth of the original thin film on the substrate 102 is hindered, The film thickness and composition are not uniform.

また、このＡＬＤ装置は、第１の前駆体Ａのガス流れが横方向であるのに対し、第２の前駆体Ｂのガス流れは、途中に屈曲箇所があり、この屈曲箇所で通路抵抗が増大する。このように、第１の前駆体Ａと第２の前駆体Ｂでガス流れの状態が大きく異なるので、ガスの供給・停止を短時間で繰り返すＡＬＤ装置の特性上、それぞれの前駆体が基板１０２に均等な流量で安定的に供給されるように制御することは非常に困難である。このことも、膜厚や組成が不均一になる要因となる。   Also, in this ALD apparatus, the gas flow of the first precursor A is lateral, whereas the gas flow of the second precursor B has a bent portion in the middle, and the passage resistance is at this bent portion. Increase. As described above, since the first precursor A and the second precursor B have greatly different gas flow states, the respective precursors are different from each other in the characteristics of the ALD apparatus that repeats the supply and stop of the gas in a short time. It is very difficult to control so that it is stably supplied at a uniform flow rate. This is also a factor that makes the film thickness and composition non-uniform.

さらに、基板１０２と接触する際のガスの流れ方向が、第１の前駆体Ａでは基板１０２に平行であるのに対して、第２の前駆体Ｂでは基板１０２に対して垂直であり、この基板に対する前駆体の接触方向の違いも、膜厚や組成が不均一になる要因の一つである。
この発明は、特許文献１に記載された原子層堆積装置の上記課題に着目してなされたものであり、反応空間内に残存する前躯体のパージが確実に行われ、各前躯体のガスが安定的に且つ均等に基板に対して供給されるようにすることで、膜厚および組成の均一な薄膜が形成できる原子層堆積装置を提供することを目的とする。 Furthermore, the flow direction of the gas when contacting the substrate 102 is parallel to the substrate 102 in the first precursor A, while being perpendicular to the substrate 102 in the second precursor B. The difference in the contact direction of the precursor with respect to the substrate is also one of the factors that make the film thickness and composition non-uniform.
The present invention has been made by paying attention to the above-mentioned problem of the atomic layer deposition apparatus described in Patent Document 1, and the precursor remaining in the reaction space is reliably purged. It is an object of the present invention to provide an atomic layer deposition apparatus capable of forming a thin film having a uniform film thickness and composition by being stably and evenly supplied to a substrate.

上記課題を解決するために、本発明の原子層堆積装置は、反応室内で基板を保持する台と、基板の表面に対して、第１の前躯体ガス、第２の前躯体ガス、およびパージガスを供給するガス供給管と、基板の加熱手段および回転手段と、を備えた原子層堆積装置において、ガス供給管は、同心状の内側管および外側管からなる二重管構造で内側流路と外側流路を有し、外側管の先端は内側管の先端より基板側にあり、外側管の先端面をなす円の直径が内側管の先端面をなす円の直径以下であり、内側流路の最大径での断面積とこの断面積を有する位置での外側流路の断面積が同じになるように形成され、ガスの流れが基板面に対して垂直になるように設置され、下記のガス導入制御手段を備えたことを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, an atomic layer deposition apparatus according to the present invention includes a base for holding a substrate in a reaction chamber, a first precursor gas, a second precursor gas, and a purge gas with respect to the surface of the substrate. In the atomic layer deposition apparatus comprising the gas supply pipe for supplying the substrate, the substrate heating means and the rotating means, the gas supply pipe has a double pipe structure consisting of concentric inner and outer tubes and an inner flow path. The outer tube has an outer channel, the tip of the outer tube is closer to the substrate than the tip of the inner tube, and the diameter of the circle forming the tip surface of the outer tube is equal to or less than the diameter of the circle forming the tip surface of the inner tube; It is formed so that the cross-sectional area at the maximum diameter and the cross-sectional area of the outer channel at the position having this cross-sectional area are the same, and the gas flow is installed so as to be perpendicular to the substrate surface. A gas introduction control means is provided.

このガス導入制御手段は、基板へ第１の前躯体ガスを供給する時には、第１の前躯体ガスを含有するガスを内側流路および外側流路のうちの一方の流路に導入し、他方の流路にパージガスを導入し、基板に対する第２の前躯体ガスの供給時には、第２の前躯体ガスを含有するガスを前記他方の流路に導入し、前記一方の流路にパージガスを導入し、基板に対するパージガスの供給時には、パージガスを内側流路および外側流路に導入するとともに、基板に対する各ガスの供給時に、内側流路を通過するガスの流量と外側流路を通過するガスの流量が常に同じになるように、内側流路および外側流路へのガス導入量を制御する。   When supplying the first precursor gas to the substrate, the gas introduction control means introduces a gas containing the first precursor gas into one of the inner channel and the outer channel, and the other When the second precursor gas is supplied to the substrate, a gas containing the second precursor gas is introduced into the other channel, and the purge gas is introduced into the one channel. When the purge gas is supplied to the substrate, the purge gas is introduced into the inner flow path and the outer flow path, and when each gas is supplied to the substrate, the flow rate of the gas passing through the inner flow path and the flow rate of the gas passing through the outer flow path The gas introduction amount to the inner channel and the outer channel is controlled so as to be always the same.

この原子層堆積装置によれば、ガス供給管が、同心状の内側管および外側管からなる二重管構造に形成されているため、第１の前駆体ガスと第２の前駆体ガスで流れ方向が同じである。そして、二重管構造に形成されたガス供給管が、ガスの流れが基板面に対して垂直になるように設置されているため、各前躯体ガスを含有するガスとパージガスが基板に対して安定的に且つ均等に供給される。これにより、前駆体のパージが良好に行われるため、基板面に前躯体が残存しにくくなる。   According to this atomic layer deposition apparatus, since the gas supply pipe is formed in a double pipe structure including concentric inner and outer pipes, the gas flows through the first precursor gas and the second precursor gas. The direction is the same. And since the gas supply pipe formed in the double pipe structure is installed so that the gas flow is perpendicular to the substrate surface, the gas containing each precursor gas and the purge gas are supplied to the substrate. It is supplied stably and evenly. Thereby, since the precursor is purged well, the precursor hardly remains on the substrate surface.

また、外側管の先端は内側管の先端より基板側にあり、外側管の先端面をなす円の直径が内側管の先端面をなす円の直径以下であることから、基板に対するガスの供給が常に外側管の先端面から行われる。これによっても、各前躯体を含有するガスとパージガスが基板に対して安定的に且つ均等に供給されるようになる。
さらに、内側流路の最大径での断面積とこの位置での外側流路の断面積が同じになるように形成され、基板に対するガス供給時に、内側流路を通過するガスの流量と外側流路を通過するガスの流量が常に同じになるように制御されるため、基板面に対するガスの流れの状態を常に一定にすることができる。 Further, since the tip of the outer tube is closer to the substrate than the tip of the inner tube, and the diameter of the circle forming the tip surface of the outer tube is less than the diameter of the circle forming the tip surface of the inner tube, gas supply to the substrate is prevented. Always done from the tip of the outer tube. This also allows the gas containing each precursor and the purge gas to be stably and evenly supplied to the substrate.
Furthermore, the cross-sectional area of the inner channel at the maximum diameter and the cross-sectional area of the outer channel at this position are formed to be the same, and when the gas is supplied to the substrate, the flow rate of gas passing through the inner channel and the outer flow Since the flow rate of the gas passing through the path is controlled so as to be always the same, the state of the gas flow with respect to the substrate surface can be always constant.

本発明の原子層堆積装置において、反応室内で基板を保持する台より上方に、天板が基板と平行になるように配置され、この天板を貫通して外側管の先端部が前記台と対向配置されていると、互いに平行な基板と天板の間に上下端面が略平坦な反応空間が形成されるため、反応空間から排気経路へと向かうガスにおいてガスの対流や停滞が発生することが防止される。これにより、前駆体のパージをさらに良好に行うことができる。   In the atomic layer deposition apparatus of the present invention, the top plate is disposed above the table for holding the substrate in the reaction chamber so as to be parallel to the substrate, and the tip of the outer tube passes through the top plate and the table. When facing each other, a reaction space with substantially flat upper and lower end surfaces is formed between the parallel substrate and the top plate, preventing gas convection and stagnation in the gas from the reaction space to the exhaust path. Is done. Thereby, the precursor can be purged more satisfactorily.

また、天板と基板との距離が小さいほど、反応空間が狭くなってパージに必要なガス流量を少なくできるため、パージ時間が短縮でき、サイクルタイムを短縮することができる。そのため、天板と基板との距離が２０ｍｍ以下になるように、基板を保持する台と天板を配置することが好ましい。
さらに、第１の前躯体のガスおよび第２の前躯体のガスの一方が有機金属ガスで、他方が酸化性ガスである場合は、有機金属ガスが壁面に吸着しやすいため、内側流路に有機金属ガスを含有するガスを導入し、外側流路に酸化性ガスを含有するガスを導入して、有機金属ガスが接触する壁面の面積を小さくすることが好ましい。これにより、ガス供給管への有機金属の吸着量が少なくなるため、パージ時間を短縮することができ、原料の利用効率も向上する。 Also, the smaller the distance between the top plate and the substrate, the narrower the reaction space and the less gas flow required for purging, so the purge time can be shortened and the cycle time can be shortened. Therefore, it is preferable to arrange the table and the top plate for holding the substrate so that the distance between the top plate and the substrate is 20 mm or less.
Further, when one of the gas of the first precursor and the gas of the second precursor is an organometallic gas and the other is an oxidizing gas, the organometallic gas is likely to be adsorbed on the wall surface. It is preferable to introduce a gas containing an organometallic gas and introduce a gas containing an oxidizing gas into the outer flow path to reduce the area of the wall surface in contact with the organometallic gas. As a result, the amount of organic metal adsorbed on the gas supply pipe is reduced, so that the purge time can be shortened and the utilization efficiency of the raw material is improved.

本発明の原子層堆積装置によれば、反応空間内に残存する前躯体のパージが確実に行われ、各前躯体のガスが安定的に且つ均等に基板に対して供給され、基板面に対するガスの流れの状態を常に一定にすることができるため、膜厚および組成の均一な薄膜を形成することができる。
特に、本発明の請求項４の原子層堆積装置は、第１の前躯体のガスおよび第２の前躯体のガスの一方が有機金属ガスで、他方が酸化性ガスである用途（例えばＡｌ2 Ｏ3 薄膜を形成する用途）に好適である。 According to the atomic layer deposition apparatus of the present invention, the precursor remaining in the reaction space is reliably purged, and the gas of each precursor is stably and evenly supplied to the substrate. Therefore, a thin film having a uniform thickness and composition can be formed.
In particular, the atomic layer deposition apparatus according to claim 4 of the present invention is used for applications in which one of the first precursor gas and the second precursor gas is an organometallic gas and the other is an oxidizing gas (for example, Al 2). This is suitable for use in forming an O 3 thin film.

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１はこの実施形態の原子層堆積装置を示す断面図である。図２は図１のＡ−Ａ断面である。図３は、図１の二重管構造のガス供給管を示す部分拡大図である。
この原子層堆積装置は、円筒状のステンレス製の容器１と、この容器１の蓋２と、容器１および蓋２のフランジ部１ａ，２ａ同士を挟むクランプ３を備えている。容器１内の中心部に、回転可能な石英製ペルジャー（回転手段）４が配置されている。ペルジャー４内にヒータ（加熱手段）４１が配置されている。また、ペルジャー４の上に、カーボン製サセプタ（基板を保持する台）５が固定されている。このサセプタ５は基板６を水平に保持できる構造となっている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
FIG. 1 is a sectional view showing an atomic layer deposition apparatus according to this embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. FIG. 3 is a partially enlarged view showing the gas supply pipe having the double pipe structure of FIG.
The atomic layer deposition apparatus includes a cylindrical stainless steel container 1, a lid 2 of the container 1, and a clamp 3 that sandwiches the flange portions 1 a and 2 a of the container 1 and the lid 2. A rotatable quartz pelger (rotating means) 4 is disposed in the center of the container 1. A heater (heating means) 41 is disposed in the pelger 4. Further, a carbon susceptor (base for holding the substrate) 5 is fixed on the pelger 4. The susceptor 5 has a structure capable of holding the substrate 6 horizontally.

容器１内のサセプタ５より上方に、天板７が水平に配置されている。天板７の周縁部は鉛直上方に立ち上がった後に外側にフランジ状に延びている。このフランジ部７１が容器１の内壁の上端部に設けた凹部に配置されている。サセプタ５は、この天板７と基板６との距離が２０ｍｍとなる高さに基板６を保持するように構成されている。
容器１内には、また、容器１をなす円筒より僅かに径の小さい円筒からなる内筒１１が配置されている。この内筒１１の上部は天板７の立ち上がり部７２と容器１の内壁との間に配置されている。さらに、容器１の外側と蓋２の上部に、それぞれ冷却水流路１２，２１が形成されている。 A top plate 7 is disposed horizontally above the susceptor 5 in the container 1. The peripheral edge of the top plate 7 rises vertically upward and then extends outward in a flange shape. The flange portion 71 is disposed in a recess provided in the upper end portion of the inner wall of the container 1. The susceptor 5 is configured to hold the substrate 6 at a height at which the distance between the top plate 7 and the substrate 6 is 20 mm.
In the container 1, an inner cylinder 11 made of a cylinder having a slightly smaller diameter than the cylinder forming the container 1 is disposed. The upper portion of the inner cylinder 11 is disposed between the rising portion 72 of the top plate 7 and the inner wall of the container 1. Further, cooling water passages 12 and 21 are formed on the outside of the container 1 and on the top of the lid 2, respectively.

そして、二重管構造のガス供給管８が、蓋２および天板７の面の中心を貫通した状態で、これらの面に対して垂直に配置されている。ガス供給管８は、同心状の内側管８１および外側管８２からなり、内側管８１内の内側流路２Ａと、内側管８１と外側管８２との間の外側流路２Ｂを有する。内側管８１は、基端側（上端）の小径部８１ａと、先端側（下端）の大径部８１ｂと、両者の間で径が変化する中間部８１ｃとからなる。   A gas supply pipe 8 having a double-pipe structure is disposed perpendicularly to these surfaces in a state of penetrating through the centers of the surfaces of the lid 2 and the top plate 7. The gas supply pipe 8 includes a concentric inner pipe 81 and an outer pipe 82, and has an inner flow path 2A in the inner pipe 81 and an outer flow path 2B between the inner pipe 81 and the outer pipe 82. The inner tube 81 includes a proximal end (upper end) small-diameter portion 81a, a distal end (lower end) large-diameter portion 81b, and an intermediate portion 81c whose diameter changes between them.

外側管８２は直径が一定の筒体からなり、その基端（上端）がフランジ部８２ａとなっている。外側管８２は一定直径で内側管８１の先端（下端）より下側（基板６側）まで延び、その先で径が小さくなっている。そして、外側管８２の先端面をなす円の直径Ｋ２と、内側管８１の先端面をなす円の直径Ｋ１が同じになっている。
また、内側管８１の大径部８１ｂの内面の半径ｒ1 が１．００ｃｍ、外面の半径ｒ2 を１．１２ｃｍ、外側管８２の内面の半径ｒ3 が１．５０ｃｍとなっている。よって、ガス供給管８の内側流路８Ａの最大通過断面積（内側管８１の大径部８１ｂ内の断面積）は約３．１４ｃｍ2 である。また、内側管８１の大径部８１ｂの位置での、外側流路８Ｂの断面積は、約３．１３（＝１．５×１．５×３．１４−１．１２×１．１２×３．１４）ｃｍ2 である。すなわち、内側管８１の大径部８１ｂの位置で、内側流路８Ａと外側流路８Ｂの断面積がほぼ同じになっている。 The outer tube 82 is formed of a cylinder having a constant diameter, and the base end (upper end) thereof is a flange portion 82a. The outer tube 82 has a constant diameter, extends from the tip (lower end) of the inner tube 81 to the lower side (substrate 6 side), and has a smaller diameter at the tip. The diameter K2 of the circle forming the distal end surface of the outer tube 82 and the diameter K1 of the circle forming the distal end surface of the inner tube 81 are the same.
Further, the inner surface radius r 1 of the large-diameter portion 81 b of the inner tube 81 is 1.00 cm, the outer surface radius r 2 is 1.12 cm, and the inner surface radius r 3 of the outer tube 82 is 1.50 cm. Therefore, the maximum cross-sectional area of the inner flow path 8A of the gas supply pipe 8 (the cross-sectional area in the large diameter portion 81b of the inner pipe 81) is about 3.14 cm 2 . The cross-sectional area of the outer flow path 8B at the position of the large diameter portion 81b of the inner pipe 81 is about 3.13 (= 1.5 × 1.5 × 3.14−1.12 × 1.12 ×). 3.14) is cm 2. That is, the cross-sectional areas of the inner flow path 8A and the outer flow path 8B are substantially the same at the position of the large diameter portion 81b of the inner pipe 81.

蓋２の上方に、ガス供給源とガス供給管８とを接続するための接続部９が配置されている。この接続部９は、外側管８２のフランジ８２ａを上下方向から挟む上板９１および下板９２と、これらを結合するボルト９３を備えている。接続部９の上板９１の中心に、内側管８１とガス供給源との接続穴９１ａが形成され、この接続穴９１ａより外側に外側管８２とガス供給源との接続穴９１ｂが形成されている。そして、接続穴９１ａに第１の配管９５の先端が接続され、接続穴９１ｂに第２の配管９６の先端が接続されている。   A connecting portion 9 for connecting the gas supply source and the gas supply pipe 8 is disposed above the lid 2. The connecting portion 9 includes an upper plate 91 and a lower plate 92 that sandwich the flange 82a of the outer tube 82 from above and below, and a bolt 93 that connects them. A connection hole 91a between the inner tube 81 and the gas supply source is formed at the center of the upper plate 91 of the connection part 9, and a connection hole 91b between the outer tube 82 and the gas supply source is formed outside the connection hole 91a. Yes. And the front-end | tip of the 1st piping 95 is connected to the connection hole 91a, and the front-end | tip of the 2nd piping 96 is connected to the connection hole 91b.

第１の配管９５の基端は分岐されていて、分岐管の一方が第１の前躯体ガス供給装置に、他方がパージガス供給装置に接続されている。そして、各ガス供給装置から第１の配管９５へ第１の前躯体ガスおよびパージガスの導入が、マスフローコントローラ（ガス導入制御手段）により制御された流量で行われるように構成されている。
第２の配管９６の基端は分岐されていて、分岐管の一方が第２の前躯体ガス供給装置に、他方がパージガス供給装置に接続されている。そして、各ガス供給装置から第２の配管９６への第２の前躯体ガスおよびパージガスの導入が、マスフローコントローラ（ガス導入制御手段）により制御された流量で行われるように構成されている。 The base end of the first pipe 95 is branched, and one of the branch pipes is connected to the first precursor gas supply device and the other is connected to the purge gas supply device. The first precursor gas and the purge gas are introduced from each gas supply device to the first pipe 95 at a flow rate controlled by a mass flow controller (gas introduction control means).
The proximal end of the second pipe 96 is branched, and one of the branch pipes is connected to the second precursor gas supply device and the other is connected to the purge gas supply device. The introduction of the second precursor gas and the purge gas from each gas supply device to the second pipe 96 is performed at a flow rate controlled by a mass flow controller (gas introduction control means).

また、蓋２およびこれに固定されたガス供給管８と、ガス供給管８に固定された接続部９および天板７が、蓋側部材として一体化されている。
この実施形態では、Ａｌ2 Ｏ3 薄膜を形成するために、一般的な前駆体であるトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）および水（Ｈ2 Ｏ）が、ガス状でガス供給管８に供給されるようにした。また、パージガスとして窒素ガスを用いた。 Further, the lid 2, the gas supply pipe 8 fixed to the lid 2, and the connecting portion 9 and the top plate 7 fixed to the gas supply pipe 8 are integrated as a lid side member.
In this embodiment, in order to form an Al 2 O 3 thin film, trimethylaluminum (TMA) and water (H 2 O), which are general precursors, are supplied in a gaseous state to the gas supply pipe 8. did. Nitrogen gas was used as the purge gas.

具体的には、ＴＭＡガスと窒素ガスの混合ガス（第１の前躯体ガスを含有するガス）と窒素ガス（パージガス）を交互に内側流路８Ａに供給するために、第１の配管９５の分岐管の一方をＴＭＡガス供給装置に接続し、第１の配管９５の他方を窒素ガス供給装置に接続した。そして、各ガス供給装置から第１の配管９５へのＴＭＡガスおよび窒素ガスの導入が、マスフローコントローラにより制御された流量で行われるようにした。   Specifically, in order to alternately supply a mixed gas of TMA gas and nitrogen gas (a gas containing the first precursor gas) and nitrogen gas (purge gas) to the inner flow path 8A, One of the branch pipes was connected to the TMA gas supply device, and the other of the first pipes 95 was connected to the nitrogen gas supply device. The introduction of TMA gas and nitrogen gas from each gas supply device to the first pipe 95 is performed at a flow rate controlled by the mass flow controller.

また、Ｈ2 Ｏガスと窒素ガスの混合ガス（第２の前躯体ガスを含有するガス）と窒素ガス（パージガス）を交互に外側流路８Ｂに供給するために、第２の配管９６の分岐管の一方をＨ2 Ｏガス供給装置に、他方を窒素ガス供給装置に接続した。そして、各ガス供給装置から第２の配管９６へのＨ2 Ｏガスおよび窒素ガスの導入が、マスフローコントローラにより制御された流量で行われるようにした。 Further, in order to alternately supply a mixed gas of H 2 O gas and nitrogen gas (a gas containing the second precursor gas) and nitrogen gas (purge gas) to the outer flow path 8B, the second pipe 96 is branched. One of the tubes was connected to an H 2 O gas supply device and the other was connected to a nitrogen gas supply device. The introduction of H 2 O gas and nitrogen gas from each gas supply device to the second pipe 96 was performed at a flow rate controlled by the mass flow controller.

この実施形態の原子層堆積装置を使用する際には、先ず、蓋側部材を外した状態で、容器１内のサセプタ５上に基板６を載せて、基板面を水平に保持し、天板７との距離が２０ｍｍとなる位置に基板６を配置する。次に、蓋側部材を容器１の上部に配置し、蓋２のフランジ部２ａと容器１のフランジ部１ａをクランプ３で挟むことで容器１内を密封し、図１に示す状態とする。
これにより、容器１内に反応室１０が形成され、二重管構造のガス供給管８が基板６の面に対して垂直に、且つ、外側管８２の先端が内側管８１の先端より基板６側に配置される。また、サセプタ５より上方に天板７が配置されて、天板７と基板６が平行になり、天板７と基板６との距離が２０ｍｍとなる。 When using the atomic layer deposition apparatus of this embodiment, first, with the lid side member removed, the substrate 6 is placed on the susceptor 5 in the container 1, the substrate surface is held horizontally, and the top plate The board | substrate 6 is arrange | positioned in the position where the distance with 7 becomes 20 mm. Next, the lid-side member is disposed on the top of the container 1, and the inside of the container 1 is sealed by sandwiching the flange portion 2 a of the lid 2 and the flange portion 1 a of the container 1 with the clamp 3, and the state shown in FIG. 1 is obtained.
As a result, the reaction chamber 10 is formed in the container 1, the gas supply pipe 8 having a double-pipe structure is perpendicular to the surface of the substrate 6, and the tip of the outer tube 82 is more than the tip of the inner tube 81. Placed on the side. Moreover, the top plate 7 is disposed above the susceptor 5 so that the top plate 7 and the substrate 6 are parallel to each other, and the distance between the top plate 7 and the substrate 6 is 20 mm.

この状態で、先ず、ヒータ４１を加熱して基板６の温度を所定温度に保持するとともに、反応室１０内の圧力を所定圧力に保持する。次に、ペルジャー４を回転させた状態で、各ガス供給装置から第１および第２の配管９５，９６へのガスの導入を、マスフローコントローラで流量制御しながら行うことで、ガス供給管８の外側管８２の先端面から基板６の表面に対するガス供給を行う。すなわち、基板６の表面に対する、ＴＭＡ供給工程、パージ工程、Ｈ2 Ｏ供給工程、パージ工程の一連のプロセスを繰り返す。これにより、基板６上にＴＭＡ単分子層とＨ2 Ｏ単分子層が交互に堆積されて、両単分子層間で表面反応が生じることで、Ａｌ2 Ｏ3 薄膜が形成される。 In this state, first, the heater 41 is heated to keep the temperature of the substrate 6 at a predetermined temperature, and the pressure in the reaction chamber 10 is kept at a predetermined pressure. Next, in a state where the pelger 4 is rotated, the introduction of gas from each gas supply device to the first and second pipes 95 and 96 is performed while controlling the flow rate with a mass flow controller. Gas is supplied from the front end surface of the outer tube 82 to the surface of the substrate 6. That is, a series of processes of the TMA supply process, the purge process, the H 2 O supply process, and the purge process for the surface of the substrate 6 are repeated. Thereby, a TMA monomolecular layer and an H 2 O monomolecular layer are alternately deposited on the substrate 6, and a surface reaction occurs between the monomolecular layers, thereby forming an Al 2 O 3 thin film.

マスフローコントローラによる各ガスの流量制御は、例えば以下のようにして行う。
先ず、図４（ａ）に示すように、第１の配管９５からガス供給管８の内側流路８Ａに、ＴＭＡガスとＮ2 （窒素）ガスの混合ガスを導入すると同時に、第２の配管９６からガス供給管８の外側流路８ＢにＮ2 ガスを導入する。内側流路８Ａへの混合ガスの導入は、ＴＭＡガスを流量６００sccm、Ｎ2 ガスを流量９００sccmで行い、合計の流量を１５００sccmとする。外側流路８ＢへのＮ2 ガスの導入は、流量１５００sccmで行う。 The flow rate control of each gas by the mass flow controller is performed as follows, for example.
First, as shown in FIG. 4A, a mixed gas of TMA gas and N 2 (nitrogen) gas is introduced into the inner flow path 8A of the gas supply pipe 8 from the first pipe 95, and at the same time, the second pipe N 2 gas is introduced from 96 into the outer flow path 8B of the gas supply pipe 8. The mixed gas is introduced into the inner flow path 8A at a flow rate of 600 sccm for TMA gas and a flow rate of 900 sccm for N 2 gas, and the total flow rate is 1500 sccm. The N 2 gas is introduced into the outer flow path 8B at a flow rate of 1500 sccm.

この状態で１秒間保持した後、内側流路８ＡのＴＭＡガスの流量を０にして、Ｎ2 ガスの流量を１５００sccmにし、外側流路８ＢのＮ2 ガスの流量を１５００sccmのままとする。これにより、図４（ｂ）に示すように、内側流路８Ａおよび外側流路８Ｂに、それぞれＮ2 ガスが導入される。
この状態で１秒間保持した後、外側流路８ＢのＮ2 ガスの流量を９００sccmにして、外側流路８ＢにＨ2 Ｏガスを流量６００sccmで導入する。内側流路８ＡのＮ2 ガスの流量は１５００sccmのままとする。これにより、図４（ｃ）に示すように、内側流路８ＡにＮ2 ガスが導入されると同時に、外側流路８ＢにＨ2 ＯガスとＮ2 ガスの混合ガスが導入される。混合ガスの合計流量は１５００sccmとなる。 After holding for 1 second in this state, the flow rate of TMA gas inner channel 8A to 0, and the flow rate of N 2 gas to 1500 sccm, the flow rate of N 2 gas of the outer flow passage 8B and leaves of 1500 sccm. Thus, as shown in FIG. 4 (b), the inner flow channel 8A and outer flow passage 8B, N 2 gas are respectively introduced.
After holding in this state for 1 second, the flow rate of N 2 gas in the outer flow path 8B is set to 900 sccm, and H 2 O gas is introduced into the outer flow path 8B at a flow rate of 600 sccm. The flow rate of N 2 gas in the inner flow path 8A is kept at 1500 sccm. As a result, as shown in FIG. 4C, N 2 gas is introduced into the inner flow path 8A and simultaneously, a mixed gas of H 2 O gas and N 2 gas is introduced into the outer flow path 8B. The total flow rate of the mixed gas is 1500 sccm.

この状態で１秒間保持した後、外側流路８ＢのＨ2 Ｏガスの流量を０にして、Ｎ2 ガスの流量を１５００sccmにし、内側流路８ＡのＮ2 ガスの流量を１５００sccmのままとして、１秒間保持する。これにより、図４（ｂ）に示すように、内側流路８Ａおよび外側流路８Ｂに、それぞれＮ2 ガスが導入される。次に、図４（ａ）の状態にして、これら一連の制御を繰り返す。 After holding for 1 second in this state, the flow rate of the H 2 O gas in the outer flow passage 8B to 0, and the flow rate of N 2 gas to 1500 sccm, the flow rate of N 2 gas in the inner channel 8A as remain 1500 sccm, Hold for 1 second. Thus, as shown in FIG. 4 (b), the inner flow channel 8A and outer flow passage 8B, N 2 gas are respectively introduced. Next, the series of control is repeated in the state of FIG.

この実施形態の原子層堆積装置によれば、ガス供給管８が、同心状の内側管８１および外側管８２からなる二重管構造に形成されているため、ＴＭＡガスとＨ2 Ｏガスで流れ方向が同じである。そして、二重管構造に形成されたガス供給管８が、ガスの流れが基板６の面に対して垂直になるように設置されているため、ガス供給管８からの各ガスの供給が基板６に対して安定的に且つ均等に行われる。 According to the atomic layer deposition apparatus of this embodiment, since the gas supply pipe 8 is formed in a double pipe structure composed of concentric inner pipe 81 and outer pipe 82, it flows with TMA gas and H 2 O gas. The direction is the same. Since the gas supply pipe 8 formed in the double pipe structure is installed so that the gas flow is perpendicular to the surface of the substrate 6, the supply of each gas from the gas supply pipe 8 is performed on the substrate. 6 is performed stably and evenly.

また、外側管８２の先端が内側管８１の先端より基板６側にあり、外側管８２の先端面をなす円の直径Ｋ２が内側管８１の先端面をなす円の直径Ｋ１と同じになっているため、基板６に対するガスの供給が常に外側管８２の先端面から行われる。よって、ガス供給管８からの各ガスの供給が基板６に対して安定的に且つ均等に行われるようになる。また、外側管８２の先端が内側管８１の先端と同じ位置である場合と比較して、内側管８１から供給されるＴＭＡガスの流速変化が小さくなる。   The tip of the outer tube 82 is closer to the substrate 6 than the tip of the inner tube 81, and the diameter K2 of the circle forming the tip surface of the outer tube 82 is the same as the diameter K1 of the circle forming the tip surface of the inner tube 81. Therefore, the gas supply to the substrate 6 is always performed from the distal end surface of the outer tube 82. Therefore, the supply of each gas from the gas supply pipe 8 is performed stably and evenly with respect to the substrate 6. Further, compared to the case where the tip of the outer tube 82 is at the same position as the tip of the inner tube 81, the change in the flow rate of the TMA gas supplied from the inner tube 81 is reduced.

さらに、内側流路８Ａの最大径での断面積とこの位置での外側流路８Ｂの断面積が同じになるように形成され、基板６に対するガス供給時に、内側流路８Ａを通過するガスの流量と外側流路８Ｂを通過するガスの流量が、常に同じ（上述の例では１５００sccm）になるように制御されるため、基板６の表面に対するガスの流れの状態を常に一定にすることができる。   Further, the cross-sectional area at the maximum diameter of the inner flow path 8A and the cross-sectional area of the outer flow path 8B at this position are formed to be the same, and the gas passing through the inner flow path 8A is supplied when the gas is supplied to the substrate 6. Since the flow rate and the flow rate of the gas passing through the outer flow path 8B are always controlled to be the same (1500 sccm in the above example), the state of the gas flow with respect to the surface of the substrate 6 can always be constant. .

また、天板７を設けたことで、互いに平行な基板６と天板７の間に反応空間が形成されるため、反応空間内でガスの対流や停滞が発生することが防止される。これにより、前駆体ガスのパージを良好に行うことができる。また、天板と基板との距離が２０ｍｍであるため、反応空間が狭くなってパージに必要なガス流量を少なくできる。よって、パージ時間が短縮でき、サイクルタイムを短縮することができる。
また、壁面に吸着しやすいＴＭＡガスを内側流路８Ａに導入し、Ｈ2 Ｏガスを外側流路８Ｂに導入することで、ＴＭＡガスのガス供給管８への吸着量が少なくなるため、パージ時間を短縮することができ、原料の利用効率も向上する。 In addition, since the reaction space is formed between the parallel substrate 6 and the top plate 7 by providing the top plate 7, it is possible to prevent gas convection and stagnation from occurring in the reaction space. Thereby, the precursor gas can be favorably purged. In addition, since the distance between the top plate and the substrate is 20 mm, the reaction space is narrowed and the gas flow rate required for purging can be reduced. Therefore, the purge time can be shortened and the cycle time can be shortened.
In addition, by introducing TMA gas that is easily adsorbed on the wall surface into the inner flow path 8A and introducing H 2 O gas into the outer flow path 8B, the amount of adsorption of TMA gas to the gas supply pipe 8 is reduced. The time can be shortened and the utilization efficiency of the raw material is improved.

なお、この実施形態では、パージガスとして窒素を用い、一般的な前駆体であるＴＭＡおよびＨ2 Ｏを用いてＡｌ2 Ｏ3 薄膜を形成するために、第１の配管９５の分岐管の一方をＴＭＡガス供給装置に接続し、第１の配管９５の他方を窒素ガス供給装置に接続し、第２の配管９６の分岐管の一方をＨ2 Ｏガス供給装置に、他方を窒素ガス供給装置に接続した。しかしながら、本発明の原子層堆積装置はこれに限定されず、使用するパージガスに応じたガス供給装置、および形成する薄膜に応じた各前躯体のガス供給装置を、第１および第２の配管９５，９６の各分岐管に接続して、適切な流量制御を行い、圧力と温度を最適化することで、高誘電率物質の薄膜やこれ以外の様々な材質の薄膜を形成することができる。 In this embodiment, in order to form an Al 2 O 3 thin film using nitrogen as a purge gas and TMA and H 2 O which are general precursors, one of the branch pipes of the first pipe 95 is connected. connect to TMA gas supply device, the other of the first pipe 95 is connected to a nitrogen gas supply device, one of the branch pipes of the second pipe 96 in H 2 O gas supply device, the other to the nitrogen gas feeder Connected. However, the atomic layer deposition apparatus of the present invention is not limited to this, and the first and second pipes 95 include a gas supply apparatus according to the purge gas used and a gas supply apparatus for each precursor according to the thin film to be formed. , 96 are connected to each branch pipe to perform appropriate flow rate control and optimize the pressure and temperature, thereby forming a thin film of a high dielectric constant material or various other materials.

上記実施形態の原子層堆積装置を用い、下記の条件で直径５０ｍｍのシリコン基板上にＡｌ2 Ｏ3 薄膜を形成した。
基板温度：５００℃、反応室１０内の圧力：２５ｈＰａ（ヘクトパスカル）、ペルジャー４の回転速度：３０ｒｐｍ、図４（ａ）に示すＴＭＡ供給工程でのＴＭＡの流量（ＴＭＡ恒温層温度２０℃での窒素のバブリング流量）：２０sccm（No. １）、５０sccm（No. ２）、１００sccm（No. ３）、２００sccm（No. ４）、図４（ｃ）に示すＨ2 Ｏ供給工程でのＨ2 Ｏの流量（Ｈ2 Ｏ恒温層温度２０℃で窒素のバブリング流量）：２００sccm、全工程での内側流路８Ａおよび外側流路８Ｂを流れるガスの流量：常時１５００sccm。 Using the atomic layer deposition apparatus of the above embodiment, an Al 2 O 3 thin film was formed on a silicon substrate having a diameter of 50 mm under the following conditions.
Substrate temperature: 500 ° C., pressure in reaction chamber 10: 25 hPa (hectopascal), rotation speed of Pelger 4: 30 rpm, TMA flow rate in TMA supply step shown in FIG. 4 (a) (at TMA constant temperature 20 ° C.) bubbling flow of nitrogen):.... 20sccm ( No 1), 50sccm (No 2), 100sccm (No 3), 200sccm (No 4), H 2 of with H 2 O supply step shown in FIG. 4 (c) O flow rate (bubbling flow rate of nitrogen with H 2 O thermostat temperature 20 ° C.): 200 sccm, the gas flowing through the inner passage 8A and the outer flow path 8B of the entire process flow: always 1500 sccm.

No. １では、先ず、図４（ａ）に示すＴＭＡ供給工程として、ガス供給管８の内側流路８Ａに、ＴＭＡガスを流量２０sccmで、Ｎ2 ガスを１４８０sccmで導入すると同時に、外側流路８ＢにＮ2 ガスを１５００sccmで導入して、内側流路８Ａを通ったＴＭＡガスおよびＮ2 ガスと、外側流路８Ｂを通ったＮ2 ガスを、外側管８２の先端面から基板６に向けて、１秒間供給した。 In No. 1, first, as a TMA supply process shown in FIG. 4A, TMA gas is introduced into the inner flow path 8A of the gas supply pipe 8 at a flow rate of 20 sccm and N 2 gas is introduced at 1480 sccm, and at the same time, the outer flow path 8B to by introducing N 2 gas at 1500 sccm, and TMA gas and N 2 gas was passed through the inside flow passage 8A, the N 2 gas through the outer passage 8B, toward the distal end surface of the outer tube 82 to the substrate 6 For 1 second.

次に、図４（ｂ）に示すパージ工程として、内側流路８ＡへのＴＭＡガスの供給を停止し、内側流路８ＡへのＮ2 ガス供給量を１５００sccmとし、外側流路８ＢへのＮ2 ガス供給量は１５００sccmのままとして、内側流路８Ａおよび外側流路８Ｂを通ったＮ2 ガスを、外側管８２の先端面から基板６に向けて、１秒間供給した。
次に、図４（ｃ）に示すＨ2 Ｏ供給工程として、外側流路８ＢのＮ2 ガスの流量を１３００sccmにして、外側流路８ＢにＨ2 Ｏガスを流量２００sccmで導入し、内側流路８ＡへのＮ2 ガス供給量は１５００sccmのままとして、内側流路８Ａを通ったＮ2 ガスと、外側流路８Ｂを通ったＨ2 ＯガスおよびＮ2 ガスを、外側管８２の先端面から基板６に向けて、１秒間供給した。 Next, as a purge step shown in FIG. 4B, the supply of TMA gas to the inner flow path 8A is stopped, the N 2 gas supply amount to the inner flow path 8A is set to 1500 sccm, and the N flow to the outer flow path 8B is increased. The N 2 gas that passed through the inner flow path 8A and the outer flow path 8B was supplied from the distal end surface of the outer tube 82 toward the substrate 6 for 1 second while keeping the 2 gas supply amount at 1500 sccm.
Next, as the H 2 O supply step shown in FIG. 4C, the flow rate of N 2 gas in the outer flow path 8B is set to 1300 sccm, and H 2 O gas is introduced into the outer flow path 8B at a flow rate of 200 sccm. The N 2 gas supply amount to the passage 8A is kept at 1500 sccm, and the N 2 gas that has passed through the inner flow path 8A, and the H 2 O gas and N 2 gas that have passed through the outer flow path 8B, From 1 to the substrate 6 for 1 second.

次に、図４（ｂ）に示すパージ工程として、外側流路８ＢへのＨ2 Ｏガスの供給を停止し、外側流路８ＢへのＮ2 ガス供給量を１５００sccmとし、内側流路８ＡへのＮ2 ガス供給量は１５００sccmのままとして、内側流路８Ａおよび外側流路８Ｂを通ったＮ2 ガスを、外側管８２の先端面から基板６に向けて、１秒間供給した。
この一連のプロセスを１００回繰り返すことにより、基板６上にＴＭＡ単分子層とＨ2 Ｏ単分子層を交互に堆積し、両単分子層間で表面反応を生じさせて、Ａｌ2 Ｏ3 薄膜を形成した。 Next, as a purge step shown in FIG. 4B, the supply of H 2 O gas to the outer flow path 8B is stopped, the N 2 gas supply amount to the outer flow path 8B is set to 1500 sccm, and the flow to the inner flow path 8A is performed. The N 2 gas supply amount was kept at 1500 sccm, and N 2 gas that passed through the inner flow path 8A and the outer flow path 8B was supplied from the front end surface of the outer tube 82 toward the substrate 6 for 1 second.
By repeating this series of processes 100 times, TMA monolayers and H 2 O monolayers are alternately deposited on the substrate 6 to cause a surface reaction between both monolayers, thereby forming an Al 2 O 3 thin film. Formed.

No. ２では、図４（ａ）に示すＴＭＡ供給工程で、内側流路８ＡのＴＭＡガスの流量を５０sccmとし、Ｎ2 ガスの流量を１４５０sccmとした以外はNo. １と同じ方法で、基板６上にＡｌ2 Ｏ3 薄膜を形成した。
No. ３では、図４（ａ）に示すＴＭＡ供給工程で、内側流路８ＡのＴＭＡガスの流量を１００sccmとし、Ｎ2 ガスの流量を１４００sccmとした以外はNo. １と同じ方法で、基板６上にＡｌ2 Ｏ3 薄膜を形成した。 No. 2 is the same as No. 1 except that the flow rate of TMA gas in the inner flow path 8A is 50 sccm and the flow rate of N 2 gas is 1450 sccm in the TMA supply step shown in FIG. An Al 2 O 3 thin film was formed on 6.
No. 3 is the same as No. 1 except that the flow rate of TMA gas in the inner flow path 8A is 100 sccm and the flow rate of N 2 gas is 1400 sccm in the TMA supply step shown in FIG. An Al 2 O 3 thin film was formed on 6.

No. ４では、図４（ａ）に示すＴＭＡ供給工程で、内側流路８ＡのＴＭＡガスの流量を２００sccmとし、Ｎ2 ガスの流量を１３００sccmとした以外はNo. １と同じ方法で、基板６上にＡｌ2 Ｏ3 薄膜を形成した。
No. １〜４の各方法でＡｌ2 Ｏ3 薄膜が形成された各基板について、基板の中心と、中心から４ｍｍ、８ｍｍ、１２ｍｍ、１６ｍｍ、２０ｍｍ、２４ｍｍの各位置で形成された薄膜の厚さを測定した。その結果を下記の表１に示す。また、この結果を、基板中心からの距離を横軸とし、膜厚を縦軸にしたグラフにまとめた。このグラフを図５に示す。 No. 4 is the same as No. 1 except that the flow rate of TMA gas in the inner flow path 8A is 200 sccm and the flow rate of N 2 gas is 1300 sccm in the TMA supply step shown in FIG. An Al 2 O 3 thin film was formed on 6.
For each substrate which Al 2 O 3 thin film is formed on each method No. 1 to 4, and the center of the substrate, 4 mm from the center, 8mm, 12mm, 16mm, 20mm , the thin film formed by the position of 24mm thickness Was measured. The results are shown in Table 1 below. The results are summarized in a graph with the horizontal axis representing the distance from the substrate center and the vertical axis representing the film thickness. This graph is shown in FIG.

Figure 2007039750
Figure 2007039750

表１に示すように、膜厚のバラツキの大きさを示すＲ（％）値はＴＭＡ流量の違いにより異なり、ＴＭＡ流量が２０sccmであるNo. １で最も小さい５．５％となり、均一性の高いＡｌ2 Ｏ3 薄膜が形成された。
また、No. １の方法で形成されたＡｌ2 Ｏ3 薄膜の組成を、基板の中心と、中心から４ｍｍ、８ｍｍ、１２ｍｍ、１６ｍｍ、２０ｍｍ、２４ｍｍの各位置で測定した。その結果を、図６にグラフで示す。この結果から、この方法で形成されたＡｌ2 Ｏ3 薄膜は、基板の面内全体でストイキオメトリー（化学量論的組成）が得られていることが分かる。 As shown in Table 1, the R (%) value indicating the thickness variation varies depending on the TMA flow rate, and the TMA flow rate is No. 1 with 20 sccm, which is the smallest 5.5%. A high Al 2 O 3 thin film was formed.
The composition of the Al 2 O 3 thin film formed by the method No. 1 was measured at the center of the substrate and at positions 4 mm, 8 mm, 12 mm, 16 mm, 20 mm, and 24 mm from the center. The results are shown graphically in FIG. From this result, it can be seen that the Al 2 O 3 thin film formed by this method has stoichiometry (stoichiometric composition) obtained in the entire plane of the substrate.

本発明の実施形態の原子層堆積装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the atomic layer deposition apparatus of embodiment of this invention. 図１のＡ−Ａ断面である。It is an AA cross section of FIG. 図１の二重管構造のガス供給管を示す部分拡大図である。It is the elements on larger scale which show the gas supply pipe of the double pipe structure of FIG. 各工程における内側流路および外側流路に対するガス導入状態を説明する図である。It is a figure explaining the gas introduction state with respect to the inner side flow path and outer side flow path in each process. ＴＭＡの流量を変化させて形成したＡｌ2 Ｏ3 薄膜の基板面内での膜厚分布を示すグラフである。Varying the flow rate of TMA is a graph showing the film thickness distribution within the Al 2 O 3 substrate surface of the thin film formed by. 実施例で得られたＡｌ2 Ｏ3 薄膜の基板面内での組成分布を示すグラフである。It is a graph showing a composition distribution in the substrate surface of the Al 2 O 3 thin film obtained in Example. 従来例の原子層堆積装置装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the atomic layer deposition apparatus of a prior art example.

符号の説明Explanation of symbols

１ 容器
１０ 反応室
１１ 内筒
１２ 冷却水流路
２１ 冷却水流路
２ 蓋
３ クランプ
４ 石英製ペルジャー（回転手段）
４１ ヒータ（加熱手段）
５ カーボン製サセプタ（基板を保持する台）
６ 基板
７ 天板
８ 二重管構造のガス供給管
８Ａ 内側流路
８Ｂ 外側流路
８１ 内側管
８２ 外側管
９１ａ 内側管とガス供給源との接続穴
９１ｂ 外側管とガス供給源との接続穴 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Container 10 Reaction chamber 11 Inner cylinder 12 Cooling water flow path 21 Cooling water flow path 2 Lid 3 Clamp 4 Quartz pelger (rotating means)
41 Heater (heating means)
5 Carbon susceptor (base for holding substrate)
6 Substrate 7 Top plate 8 Double-pipe structure gas supply pipe 8A Inner flow path 8B Outer flow path 81 Inner pipe 82 Outer pipe 91a Connection hole between inner pipe and gas supply source 91b Connection hole between outer pipe and gas supply source

Claims (4)

反応室内で基板を保持する台と、基板の表面に対して、第１の前躯体ガス、第２の前躯体ガス、およびパージガスを供給するガス供給管と、基板の加熱手段および回転手段と、を備えた原子層堆積装置において、
ガス供給管は、同心状の内側管および外側管からなる二重管構造で内側流路と外側流路を有し、外側管の先端は内側管の先端より基板側にあり、外側管の先端面をなす円の直径が内側管の先端面をなす円の直径以下であり、内側流路の最大径での断面積とこの断面積を有する位置での外側流路の断面積が同じになるように形成され、ガスの流れが基板面に対して垂直になるように設置され、
基板へ第１の前躯体ガスを供給する時には、第１の前躯体ガスを含有するガスを内側流路および外側流路のうちの一方の流路に導入し、他方の流路にパージガスを導入し、
基板に対する第２の前躯体ガスの供給時には、第２の前躯体ガスを含有するガスを前記他方の流路に導入し、前記一方の流路にパージガスを導入し、
基板に対するパージガスの供給時には、パージガスを内側流路および外側流路に導入するとともに、
基板に対するガス供給時に、内側流路を通過するガスの流量と外側流路を通過するガスの流量が常に同じになるように、内側流路および外側流路へのガス導入量を制御するガス導入制御手段を備えたことを特徴とする原子層堆積装置。 A table for holding the substrate in the reaction chamber; a gas supply pipe for supplying a first precursor gas, a second precursor gas and a purge gas to the surface of the substrate; a heating means and a rotating means for the substrate; In an atomic layer deposition apparatus comprising:
The gas supply pipe has a double pipe structure consisting of concentric inner and outer pipes, and has an inner channel and an outer channel. The tip of the outer tube is closer to the substrate than the tip of the inner tube, and the tip of the outer tube The diameter of the circle forming the surface is equal to or smaller than the diameter of the circle forming the tip surface of the inner tube, and the cross-sectional area of the inner channel at the maximum diameter is the same as the cross-sectional area of the outer channel at the position having this cross-sectional area. And is installed so that the gas flow is perpendicular to the substrate surface,
When supplying the first precursor gas to the substrate, the gas containing the first precursor gas is introduced into one of the inner channel and the outer channel, and the purge gas is introduced into the other channel. And
When supplying the second precursor gas to the substrate, a gas containing the second precursor gas is introduced into the other flow path, and a purge gas is introduced into the one flow path,
When supplying the purge gas to the substrate, the purge gas is introduced into the inner channel and the outer channel,
Gas introduction that controls the amount of gas introduced into the inner and outer flow paths so that the gas flow rate through the inner flow path and the gas flow rate through the outer flow path are always the same when supplying gas to the substrate An atomic layer deposition apparatus comprising a control means. 反応室内で基板を保持する台より上方に、天板が基板と平行になるように配置され、この天板を貫通して外側管の先端部が前記台と対向配置されていること特徴とする請求項１記載の原子層堆積装置。   The top plate is disposed above the table for holding the substrate in the reaction chamber so as to be parallel to the substrate, and the tip of the outer tube is disposed to face the table through the top plate. The atomic layer deposition apparatus according to claim 1. 天板および台は、天板と基板との距離が２０ｍｍ以下になるように配置されていることを特徴とする請求項２記載の原子層堆積装置。   3. The atomic layer deposition apparatus according to claim 2, wherein the top plate and the table are arranged so that a distance between the top plate and the substrate is 20 mm or less. 内側流路に有機金属ガスを含有するガスを導入し、外側流路に酸化性ガスを含有するガスを導入するように構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の原子層堆積装置。   The structure according to any one of claims 1 to 3, wherein a gas containing an organometallic gas is introduced into the inner channel and a gas containing an oxidizing gas is introduced into the outer channel. The atomic layer deposition apparatus described.
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