JP2015173226A - 真空成膜装置及びこの装置を用いた成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 堆積物の面内均一性が改善された真空成膜装置及びこの真空成膜装置を用いる成膜方法の提供。【解決手段】 不活性ガスを成膜中に継続して反応室１１内に供給しながら、複数の原料ガスを交互に反応室内に供給し、反応室内に載置される基板Ｓ上に原料ガスの反応により成膜するための真空成膜装置１であって、反応室内に各原料ガスを供給する各原料ガスノズル４１、４４、４７が基板の表面に対して平行になるように反応室の端部に設置され、反応室内に不活性ガスを継続して供給する不活性ガスノズル４３、４６、４９が基板の表面に対して平行になるように各原料ガスノズルと同じ反応室の端部に設置されてなり、反応室内の原料ガスと不活性ガスとの流量・流速分布を独立に制御できるように構成される。【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体素子などの製造に適した真空成膜装置及びこの真空成膜装置を用いた成膜方法に関し、特に、反応室に複数の原料ガスを間欠的に、交互に供給して薄膜を形成する真空成膜装置及びこの真空成膜装置を用いた成膜方法に関する。

反応室内に複数の原料ガスを間欠的に供給して反応させ、基板上で成膜する手法の一例として、ＡＬＤ法（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：原子層蒸着法）が知られている。

このＡＬＤ法は、例えば、反応室内に複数の原料ガスを交互に供給し、処理対象物（以下、基板と称す）上での表面反応により、反応室内に載置された基板上に成膜を行うものである。ＡＬＤ法は、その原理から、一般的な成膜手法である真空蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法などと比較し成膜速度が遅いことが問題となる。ＡＬＤ法において高い成膜速度を実現するためには原料ガスの置換をすみやかに行う必要があり、反応室容積を小さくするなどの対策が行われている(例えば、特許文献１参照)。反応室容積を小さくすると、ガスの流れが不均一になる要因となる反応室の内壁などの構造物と基板とが近接してくるため、膜厚分布が悪化しやすいという問題があり、膜厚分布と成膜速度とはトレードオフの関係となる。

特開２０１２−１８４４８２号公報

本発明が解決しようとする課題は、薄膜（堆積物）の面内均一性を改善する手段を設けた真空成膜装置及びこの真空成膜装置を用いる成膜方法を提供することにある。

本発明の真空成膜装置は、不活性ガスを成膜中に継続して反応室内に供給しながら、複数の原料ガスを交互に該反応室内に供給し、該反応室内に載置される基板上に原料ガスの反応により成膜するための真空成膜装置であって、該反応室内に各原料ガスを供給する各原料ガスノズルが該基板の表面に対して平行になるように該反応室の端部に設置され、該反応室内に該不活性ガスを継続して供給する不活性ガスノズルが該基板の表面に対して平行になるように該各原料ガスノズルと同じ該反応室の端部に設置されてなり、該反応室内の該原料ガスと該不活性ガスとの流量・流速分布を独立に制御できるように構成されていることを特徴とする。

本発明の真空成膜装置によれば、反応室内に原料ガスを供給する原料ガスノズルとは独立に不活性ガスを供給する不活性ガスノズル又はシャワーヘッドを反応室の端部に備えているため、原料ガスの流れが不均一で膜厚分布悪化の原因となりやすい構造物の部分付近に不活性ガスを供給でき、不活性ガスの流量・流速を調整することで膜厚を調整することができるという利点がある。

前記原料ガスノズル及び不活性ガスノズルは、単一又は複数のノズル孔を有し、このノズル孔は、長手方向に、同じ孔径又は異なる孔径で、均等のピッチ又は異なるピッチを持って設けられていることを特徴とする。

前記原料ガスノズルは、単一又は複数のノズル孔を有し、このノズル孔は、長手方向に、同じ孔径又は異なる孔径で、均等のピッチ又は異なるピッチを持って設けられており、また、前記不活性ガスノズルは、複数のノズル孔を有し、このノズル孔は、該ガスノズルの長手方向の両端部に、同じ孔径で、均等のピッチを持って設けられていることを特徴とする。

前記原料ガスノズルは、複数のノズル孔を有し、このノズル孔は、長手方向に、同じ孔径で、均等のピッチを持って設けられており、また、前記不活性ガスノズルは、複数のノズル孔を有し、このノズル孔は、長手方向に、同じ孔径又は異なる孔径で、均等のピッチ又は異なるピッチを持って設けられていることを特徴とする。

前記原料ガスノズルは、複数のノズル孔を有し、このノズル孔は、長手方向に、同じ孔径で、均等のピッチを持って設けられており、また、前記不活性ガスノズルは、複数のノズル孔を有し、このノズル孔は、該ガスノズルの長手方向の両端部に、同じ孔径で、均等のピッチを持って設けられていることを特徴とする。

前記原料ガスノズルは、原料ガスとキャリアガスとしての不活性ガスとの混合ガスを供給するために用いられることを特徴とする。

前記原料ガスノズルは、原料ガスとキャリアガスとしての不活性ガスとの混合ガスを供給するために用いられること、そして該原料ガスノズルから供給される不活性ガス流量を原料ガス流量とは独立に制御できるように構成されていることを特徴とする。

本発明の真空成膜装置はまた、不活性ガスを成膜中に継続して反応室内に供給しながら、複数の原料ガスを交互に該反応室内に供給し、該反応室内に載置される基板上で原料ガスの反応により成膜するための真空成膜装置であって、該反応室内に各原料ガスを供給する各原料ガスノズルが該基板の表面に対して平行になるように該反応室の端部に設置され、該原料ガスノズルが、原料ガスとキャリアガスとしての不活性ガスとの混合ガスを供給するために用いられること、そして該原料ガスノズルから供給される不活性ガス流量を原料ガス流量とは独立に制御できるように構成されており、該原料ガスノズルの複数のノズル孔の任意のノズル孔から供給される不活性ガスの流量を変えることができるように構成されていることを特徴とする。

上記したように、不活性ガスノズルの孔径、孔のピッチ、孔の位置を変えることにより、不活性ガスの流速分布を任意に調整可能である。また、不活性ガスノズルから供給される不活性ガスの流量を変えることにより、不活性ガスの流速分布を任意に調整可能である。

本発明の成膜方法は、反応室内の支持ステージ上に基板を載置し、該基板の表面に対して平行になるように該反応室の端部に設けた不活性ガスノズルから不活性ガスを成膜中に継続して該反応室内に供給しながら、該基板の表面に対して平行になるように該不活性ガスノズルと同じ該反応室の端部に設けられている複数の原料ガスノズルから第１の原料ガスと第２の原料ガスとを交互に該反応室内に供給し、該原料ガスと該不活性ガスとの流量・流速分布を独立に制御して、第１の原料ガスの供給と吸着と排出及び第２の原料ガスの供給と吸着した原料ガスとの反応と排出とを繰り返し実施し、該基板上に成膜することを特徴とする。

本発明の成膜方法において、前記原料ガスノズル及び不活性ガスノズルは、単一又は複数のノズル孔を有し、このノズル孔は、長手方向に、同じ孔径又は異なる孔径で、均等のピッチ又は異なるピッチを持って設けられていることを特徴とする。

本発明の成膜方法において、前記原料ガスノズルは、単一又は複数のノズル孔を有し、このノズル孔は、長手方向に、同じ孔径又は異なる孔径で、均等のピッチ又は異なるピッチを持って設けられており、また、前記不活性ガスノズルは、複数のノズル孔を有し、このノズル孔は、該ガスノズルの長手方向の両端部に、同じ孔径で、均等のピッチを持って設けられていることを特徴とする。

本発明の成膜方法において、前記原料ガスノズルは、複数のノズル孔を有し、このノズル孔は、長手方向に、同じ孔径で、均等のピッチを持って設けられており、また、前記不活性ガスノズルは、複数のノズル孔を有し、このノズル孔は、長手方向に、同じ孔径又は異なる孔径で、均等のピッチ又は異なるピッチを持って設けられていることを特徴とする。

本発明の成膜方法において、前記原料ガスノズルは、複数のノズル孔を有し、このノズル孔は、長手方向に、同じ孔径で、均等のピッチを持って設けられており、また、前記不活性ガスノズルは、複数のノズル孔を有し、このノズル孔は、該ガスノズルの長手方向の両端部に、同じ孔径で、均等のピッチを持って設けられていることを特徴とする。

本発明の成膜方法において、前記原料ガスノズルは、原料ガスとキャリアガスとしての不活性ガスとの混合ガスを供給することを特徴とする。

本発明によれば、反応室の構造に起因する原料ガス流れの不均一な箇所に独立して不活性ガスを供給することにより、反応室内の原料ガス流れを制御することができ、原料ガスの基板への衝突頻度の調整及び排気時間の均一化を図ることで均一な膜厚分布が得られるという効果を奏する。

本発明の真空成膜装置（原子層堆積装置）の一構成例を模式的に示す断面図であり、成膜操作中の状態を示す。 本発明の真空成膜装置（原子層堆積装置）の一構成例を模式的に示す断面図であり、基板を搬入・搬出する際の状態を示す。 本発明の真空成膜装置（原子層堆積装置）の一構成例を模式的に示す平面図（ａ）及び線Ａ−Ａからみた断面図（ｂ）。 本発明で用いる原料ガスノズル及び不活性ガスノズルの構成の３種の変形例を模式的に示す斜視図。 本発明において反応室内へ供給されるガスシーケンスを示すフロー図。 不活性ガス（Ｎ_２ガス）供給量を変動させた場合の膜厚分布の結果を示す図。 図６の結果に基づく、不活性ガス（Ｎ_２ガス）流量（ＳＬＭ）に対する規格化した膜厚分布（ａｒｂ．ｕｎｉｔｓ）を示すグラフ。 本発明で用いる原料ガスノズルの別の構成を模式的に示す斜視図（ａ）及び反応室内へ供給されるガスシーケンスを示すフロー図（ｂ）。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。まず、実施の形態の概要を説明し、次いで各構成要素について詳細に説明する。

本発明に係る真空成膜装置の実施の形態によれば、この真空成膜装置は、真空排気系を備え、窒素ガスやアルゴン等の不活性ガスを成膜中に継続して反応室内に供給しながら、複数の原料ガスを交互に反応室内に供給し、反応室内に載置される基板上で原料ガスの反応により成膜するための真空成膜装置であって、開閉自在の天板を備えた反応室内に各原料ガスを供給する各原料ガスノズルが基板の表面に対して平行になるように反応室の端部（周縁部）に重ねて設置され、反応室内の圧力を一定圧力に制御するために反応室内に不活性ガスを継続して供給する不活性ガスノズルが基板の表面に対して平行になるように各原料ガスノズルと同じ反応室の端部（周縁部）に設置されてなり、反応室内の原料ガスと不活性ガスとの流量・流速分布を独立に制御できるように構成されており、原料ガスノズルは、原料ガスとキャリアガスとしての不活性ガスとの混合ガスを供給するために用いられていても良く、また、原料ガスノズル及び不活性ガスノズルは、単一又は複数の貫通ノズル孔を有し、このノズル孔は、長手方向に、同じ孔径又は異なる孔径で、均等のピッチ又は異なるピッチを持って設けられていても良い。さらに、該原料ガスノズルから供給される不活性ガス流量を原料ガス流量とは独立に制御できるように構成されていてもよい。

上記した真空成膜装置において、原料ガスノズル及び不活性ガスノズルには、それぞれ、独立した流量制御機構（例えば、マスフローコントローラー）が接続されており、反応室内の原料ガスと不活性ガスとの流量・流速分布を独立に制御できるようになっている。また、成膜中継続して不活性ガスを供給し、圧力調整バルブ等の圧力制御機構を用いて反応室内の圧力を一定圧力に制御しながら、原料ガスノズルからの原料ガスを原料ガスノズルから流れる不活性ガスに重畳して交互に反応室内へ供給して、反応せしめることができるように構成されている。

上記反応室の天板の内側の壁面には上部防着板が設けられ、そして原料ガスノズル、不活性ガスノズルの周辺下部に及び支持ステージ上に載置される基板の裏面に、それぞれ、下部防着板が設けられ、反応室の側壁にも側壁防着板が設けられていても良い。この防着板は、原料ガスの反応により生成される薄膜が反応室の内壁やガスノズル周辺に付着しないようにするために設けられるものであり、装置のメンテナンスの際に、ガスノズルや、これらの防着板を取り替えることができる。この場合、反応室の天板をモーター等により開閉する機構を駆動せしめて、天板を開き、これらのガスノズルや防着板等を取り替えればよい。上記した基板の裏面に設けられる下部防着板は、例えば、その中央部分がくり抜かれた構造を有し、基板の裏面の少なくとも周縁部近傍に設けられていても良いし、又はその中央部分がくり抜かれていない構造を有し、その寸法が基板の裏面の寸法と同じでも、裏面の寸法より大きくてもよい。

本発明に係る成膜方法の実施の形態によれば、この方法は上記実施の形態に係る真空成膜装置を用いて実施される。すなわち、開閉自在の天板を備えた反応室内の支持ステージ上に基板を載置し、基板の表面に対して平行になるように反応室の端部（周縁部）に設けられている複数（例えば、２種）の原料ガスノズル及び不活性ガスノズルのそれぞれに独立して設けられた流量制御機構（例えば、マスフローコントローラー）を介して、不活性ガスノズルからは、成膜中継続して不活性ガスを供給し、圧力調整バルブ等の圧力制御機構を用いて反応室内の圧力を一定圧力に制御しながら、原料ガスノズルからは、例えば、第１の原料ガスとしてトリメチルアルミニウムガスと第２の原料ガスとしてＨ_２Ｏガス等の酸化剤ガスとを原料ガスノズルから流れる不活性ガスに重畳して交互に反応室内に供給し、第１の原料ガスの供給と吸着と排出及び第２の原料ガスの供給と吸着した原料ガスとの反応と排出とを繰り返し実施し、基板上に成膜することからなる。原料ガス及び不活性ガスは、基板表面に対して平行に供給される。

次に、本発明の真空成膜装置（原子層堆積装置）の側断面の概略を模式的に示す図１及び図２、並びに反応室に設けるガスノズル（原料ガスノズル及び不活性ガスノズル）の配置を模式的に示す平面図及び断面図である図３（ａ）及び（ｂ）を参照して本発明について説明する。図１は成膜操作中の原子層堆積装置の状態を示し、図２は基板を搬入・搬出する際の原子層堆積装置の状態を示す。これらの図において、同じ構成要素は同じ参照番号を付けてある。

図１及び２において、原子層堆積装置（真空成膜装置）１は、反応室１１と、基板あるいは基板を載せたトレイＳ（以後、基板Ｓと記載）の搬送室（図示せず）と、真空排気系（図示せず）とを備えている。原子層堆積装置１は、反応室１１の天板１１ａを開閉せしめるためのモーター等の駆動機構（図示せず）を備えている。

反応室１１は、天板１１ａと底壁１１ｂとから構成されており、天板１１ａと底壁１１ｂとの間隔は、基板、トレイの厚さにもよるが、通常、数ｃｍ程度であればよく、その容積及び内表面積をできるだけ小さくすることが好ましい。

反応室１１の天板１１ａは昇降自在に構成されており、この天板１１ａが上方空間内に上昇して、搬送室から基板Ｓを反応室１１内に搬入及び搬出することができるように構成されている。反応室１１内に基板Ｓを搬入して、支持部材１２上に載置した後、天板１１ａを下降せしめて密閉した状態で、複数の原料ガス供給手段からなるガスノズル体１３を構成する原料ガスノズル（図１及び２では、２種の原料ガスノズルが、基板Ｓの表面に対して平行になるように設けられている）から反応室１１内に各原料ガスを交互に、また、基板Ｓの表面に対して平行に供給するように構成されている。また、本発明によれば、このガスノズル体１３はまた、基板Ｓの表面に対して平行になるように不活性ガスノズルを備えており、この不活性ガスノズルから不活性ガスを反応室内に成膜中継続して基板Ｓの表面に対して平行に供給するように構成されている。これらのガスノズルの形状は特に制限はなく、各原料ガス及び不活性ガスが均一に基板Ｓ表面に供給されような形状が好ましい。反応室１１内に供給された原料ガスのうち基板上に吸着しなかったガスや反応に与らなかったガスはガスノズル体１３と対向した反応室１１の端部（周縁部）に設けられている排気口１４から排出される。上記原料ガスノズル及び不活性ガスノズルからなるガスノズル体１３は、反応室１１の底壁１１ｂの端部（周縁部）に設置され、排気口１４は、ガスノズル体１３と対向して底壁１１ｂの端部（周縁部）に配置されている。天板１１ａの内側の壁面には上部防着板１５が設けられている。

上記基板Ｓは、支持ステージとしての支持部材（リフト）１２上に載置され、成膜工程中には反応室１１の底壁１１ｂに載置され、成膜工程が終わって基板Ｓを搬送する際には、天板１１ａの上昇と共に支持部材１２を上昇せしめ、基板を搬送室へ搬送できるように構成されている。

原子層堆積装置１には、図示していないが、反応室１１の天板１１ａ及び／又は底壁１１ｂ内にヒータ等の加熱手段が埋め込まれて、基板の温度を設定できるように構成されていてもよい。

図３（ａ）に示す原子層堆積装置（ＡＬＤ装置）の主要部は、反応室内に設置された基板ステージ３１、反応室の端部（周縁部）であって、基板ステージ３１の端部（周縁部）に設けられた複数の原料ガスノズル３２及び不活性ガスノズル３３、並びに原料ガスノズル及び不活性ガスノズルが設けられた端部に対向する端部には排気口３４を備えている。原料ガスノズル及び不活性ガスノズルはガスノズル部に纏めて配置されている。原料ガスノズル及び不活性ガスノズルには、反応室内へガスを供給するための所望の貫通ノズル孔が複数設けられている。

通常のＡＬＤ装置では、ガスノズル側の両角部のガス流れが不均一になりやすいため、例えば、両角部にのみ、同一径の複数のノズル孔が均等のピッチで横一列に設けられた不活性ガスノズルを設置してもよい。ノズル孔に関しては、特に制限はなく、図４に例示するように、必要に応じて設置位置の変更やノズル孔の形状を変更して、ガス吹き出し範囲の拡大を行ってもよい。原料ガスノズルは、全体に同一径のノズル孔を均等のピッチで横一列に設けたものを図４に例示してあるが、不活性ガスノズルの場合と同様に、必要に応じてノズル孔の設置位置やノズル孔の形状を変更してもよい。

原料ガスノズル及び不活性ガスノズルの配置・構成には、特に制限があるわけではない。本発明の目的が達成できるように、反応室内に供給する原料ガスと不活性ガスとの流量・流速分布を独立に制御できるように構成されていればよい。

複数の原料ガスを用いる場合には、各原料ガスに対応した複数のガスノズルであって、例えば、直方体形状で、ガス導入口から反応室内部へ向かって貫通した複数のノズル孔（吹き出し孔）を有するガスノズルを、例えば、図３（ｂ）及び図４に示すように重ねて密接して配置する。不活性ガスノズルの場合は、原料ガスノズルの場合と同様に、例えば、直方体形状で、ガス導入口から反応室内部へ向かって貫通した複数のノズル孔（吹き出し孔）を有するガスノズルを、例えば、図３（ｂ）及び図４に示すように原料ガスノズルの積層物の上又は下へ重ねて密接して配置すればよい。不活性ガスノズルの場合、ガスノズルの両端部に、ガス導入口から反応室内部へ向かって貫通した複数のノズル孔を有するガスノズルを、原料ガスノズルの積層物の上又は下へ重ねて密接して配置してもよい。図３（ｂ）及び４では、各ガスノズルが重なったものが例示してあるが、必ずしも重なっている必要はない。

ガスノズルのノズル孔の形状は、特に制限はないが、例えば、原料ガスノズルの場合には、同一の孔径を有するものであって、各ノズル孔を長手方向にわたって均等のピッチで横一列に配置したものであっても良い。

さらに、ガスノズル、特に不活性ガスノズルの配置、形状は、図４（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に示すような配置、形状であっても良い。

図４（ａ）には、第１原料ガス（Ｈ_２Ｏガス等の酸化剤ガス）用のガスノズル４１、第２原料ガス（トリメチルアルミニウム（(Ａｌ(ＣＨ_３)_３ ：ＴＭＡ))用のガスノズル４２、及び不活性ガス（Ｎ_２ガスやアルゴンガス等）用のガスノズル４３をこの順番で重ねたものが示されている。重ねる順番は任意で良い。この原料ガスノズル４１、４２のノズル孔４１ａ、４２ａは同一の孔径のものであり、ノズル孔４１ａ、４２ａは均等のピッチで長手方向に横一列に設けられており、また、不活性ガスノズル４３は、上記したように、ガスノズルの両端部に同一の孔径を有するノズル孔４３ａを長手方向に横一列に設けたものである。

図４（ｂ）には、第１原料ガス（Ｈ_２Ｏガス等）用のガスノズル４４、第２原料ガス（ＴＭＡ）用のガスノズル４５、及び不活性ガス（Ｎ_２ガス等）用のガスノズル４６をこの順番で重ねたものが示されている。重ねる順番は任意でよい。この原料ガスノズルのノズル孔４４ａ、４５ａは同一の孔径のものであり、ノズル孔４４ａ、４５ａは均等のピッチで長手方向に横一列に設けられている。また、不活性ガスノズル４６は、ガスノズルの両端部のノズル孔４６ａから中心に向かって孔径が徐々に小さくなるようなノズル孔を均等のピッチで長手方向に横一列に設けたものである。このように孔径を変えることで、不活性ガスの吹き出し分布を調整できる。

図４（ｃ）には、第１原料ガス（Ｈ_２Ｏガス等）用のガスノズル４７、第２原料ガス（ＴＭＡ）用のガスノズル４８、及び不活性ガス（Ｎ_２ガス等）用のガスノズル４９をこの順番で重ねたものが示されている。重ねる順番は任意でよい。この原料ガスノズルのノズル孔４７ａ、４８ａは同一の孔径のものであり、ノズル孔４７ａ、４８ａは均等のピッチで長手方向に横一列に設けられており、また、不活性ガスノズルは、この両端部のノズル孔４９ａから中心に向かって、同一の孔径を有するノズル孔のピッチを変えて長手方向に横一列に設けたものである。このように孔のピッチを変えることで、ガスの吹き出し分布を調整できる。

図５を参照して、本発明において原料ガスノズル及び不活性ガスノズルを介して、反応室内へ供給される原料ガス（ＴＭＡガス及びＨ_２Ｏガス）並びに不活性ガス（Ｎ_２ガス）のシーケンスを説明する。図５には、原料ガスノズルから第１の原料ガスとして供給するＴＭＡガスライン、別の原料ガスノズルから第２の原料ガスとして供給するＨ_２Ｏガスライン、及び不活性ガスノズルから成膜中継続して供給する不活性ガス（Ｎ_２ガス）ラインが例示されている。図面上、「ＴＭＡ」及び「Ｈ_２Ｏ」の記載がある部分は、それぞれのガスが供給されている状態を示し、「ＴＭＡ」及び「Ｈ_２Ｏ」の記載がない部分はそれぞれのガスが供給されていない状態を示す。

図５に示すように、Ｎ_２ガスを継続して供給しながら、反応室内に第１の原料ガスと第２の原料ガスを交互に供給し、反応室内に載置された基板上で、第１の原料ガスと第２の原料ガスとの反応によりＡｌ_２Ｏ_３膜を形成する。この際、ＴＭＡライン及びＨ_２Ｏラインから各原料を供給する際には、それぞれの原料ガスと一緒にキャリアガスとして不活性ガス（Ｎ_２ガスや、アルゴン等）を供給することが好ましく、この場合、ＴＭＡ、Ｈ_２Ｏが供給された後のガスノズル内や配管内のガス置換効果を高めることができる。本発明における不活性ガスノズルから供給される不活性ガスラインからは、継続してＮ_２ガスが供給されるが、この供給は、ＴＭＡライン、Ｈ_２Ｏラインを流れる不活性ガス（Ｎ_２ガス等）とは別に流量制御され、反応室内のガスの流れを調整するためである。

上述した原子層堆積装置（ＡＬＤ装置）を用いて、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を基板上に成膜する条件の一例を以下に示す。

原料ガスノズルから供給する第１の原料ガス：ＴＭＡガス
原料ガスノズルから供給する第２の原料ガス：Ｈ_２Ｏガス
原料ガスノズルから供給する不活性ガスの流量：各１ＳＬＭ
不活性ガスノズルから供給する不活性ガスの流量：継続してＮ_２ガスを０．０５ＳＬＭ
ＴＭＡの原料容器の温度：２０〜８０℃
Ｈ_２Ｏの原料容器の温度：２０〜８０℃
ガス流路系の温度：２０〜１２０℃
反応室内の温度：８０〜２５０℃

例えば、上記した成膜条件で、図５のＴＭＡラインにおけるＴＭＡガス供給工程の時間を０．０２〜１秒、Ｈ_２ＯラインにおけるＨ_２Ｏガス供給工程の時間を０．０２〜１秒、及びＴＭＡガス供給終了とＨ_２Ｏガス供給前との間の間隔、Ｈ_２Ｏガス供給終了とＴＭＡガス供給前との間の間隔を０．０２〜１０秒として、成膜しても良い。

各原料ガスの原料は、気体でも固体でも液体でもよい。固体及び液体の場合には、気化器等を設けて原料ガスを生成すればよい。

上述した成膜条件の例のように、原料ガスのためのキャリアガスを用いることが好ましい。キャリアガスを用いることで、ガス供給径路や反応室内に残留する原料ガスを速やかに排気することができ、反応室内を汚染したりする原因となる原料ガス同士の気相反応を抑制できる。

本実施例では、図４（ａ）に示す原料ガスノズル及び不活性ガスノズルを備えたＡＬＤ装置を用い、原料ガスとしてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガス及びＨ_２Ｏガス、キャリアガスとしてＮ_２ガス、成膜中継続して供給する不活性ガスとしてＮ_２ガスを用い、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を７３０ｍｍ×９２０ｍｍ基板上に成膜した。

成膜条件：
ＴＭＡの原料容器の温度：２０〜８０℃
Ｈ_２Ｏの原料容器の温度：２０〜８０℃
原料ガスノズルから供給する不活性ガスの流量：各１ＳＬＭ
ガス流路系の温度：２０〜１２０℃
反応室内の温度：８０〜２５０℃
不活性ガスノズルから継続して供給する不活性ガス（Ｎ_２ガス）流量を、０ｓｃｃｍ（０ＳＬＭ）、５０ｓｃｃｍ（０．０５ＳＬＭ）、１００ｓｃｃｍ（０．１ＳＬＭ）、５００ｓｃｃｍ（０．５ＳＬＭ）及び１０００ｓｃｃｍ（１ＳＬＭ）と変化させて実施した。

図５のフロー図に従って成膜した。原料ガスノズル及び不活性ガスノズルにそれぞれ独立して設けられたマスフローコントローラーを介して、不活性ガスノズルから反応室内にＮ_２ガスを継続して供給し、圧力調整バルブを用いて反応室内の圧力を一定圧力に制御しながら、原料ガスノズルからのＴＭＡガスとＨ_２Ｏガスとを原料ガスノズルから流れる不活性ガスに重畳して交互に反応室内に供給し、ＴＭＡの供給と吸着と排出及びＨ_２Ｏガスの供給と吸着したＴＭＡとの反応と排出とを繰り返し、基板上にＡｌ_２Ｏ_３を成膜した。基板上に形成された薄膜のノズル側から排気側にわたる膜厚分布をエリプソメトリ法により２５点の箇所で測定し、その結果を図６に示す。

図６から明らかなように、不活性ガスノズルから不活性ガス（Ｎ_２ガス）を継続して供給することにより、ガス流れの不均一が原因で基板上の膜厚が厚くなっているノズル側の箇所の膜厚、特に角部の膜厚を制御して全体の膜厚分布を改善することができた。基板上の膜厚は４５〜６０ｎｍの範囲にある。

図６で得られた結果を、横軸をＮ_２ガス流量（ＳＬＭ）、縦軸を規格化した膜厚分布（ａｒｂ． ｕｎｉｔｓ）として図７に示した。Ｎ_２ガスを供給しなかった場合に比べ、Ｎ_２ガスを供給するに従って膜厚分布の値は下降し、次いで上昇した。このことから、継続して不活性ガスノズルから不活性ガス（Ｎ_２ガス）を供給することにより、反応室内の流速分布を部分的に制御し、膜厚分布を調整することができることが分かる。

図６及び７から、不活性ガス（Ｎ_２）流量は、０．０１〜０．２ＳＬＭが好ましく、０．０５〜０．１ＳＬＭがより好ましい。

本発明に係る真空成膜装置の別の実施の形態によれば、上記した真空成膜装置において、所望により、原料ガスノズルが、原料ガスとキャリアガスとしての不活性ガスとの混合ガスを供給するために用いられること、そしてこの原料ガスとキャリアガスとの供給口にそれぞれ独立した流量制御機構（例えば、マスフローコントローラー）が接続されており、この流量制御機構を介して原料ガスノズルから供給される不活性ガス流量を原料ガス流量とは独立に制御して供給できるように構成されていてもよく、例えば、原料ガスノズルの複数のノズル孔の任意のノズル孔から供給される不活性ガスの流量を変えることができるように構成されていてもよい。この場合、反応室内へ成膜中継続して供給される不活性ガスは、不活性ガスノズル及び／又は原料ガスノズルから流される。

本発明に係る真空成膜装置のさらに別の実施の形態によれば、不活性ガスを成膜中に継続して反応室内に供給しながら、複数の原料ガスを交互に反応室内に供給し、反応室内に載置される基板上で原料ガスの反応により成膜するための真空成膜装置であって、反応室内に各原料ガスを供給する各原料ガスノズルが基板の表面に対して平行になるように反応室の端部（周縁部）に設置され、原料ガスノズルが、原料ガスとキャリアガスとしての不活性ガスとの混合ガスを供給するために用いられること、そしてこの原料ガスとキャリアガスとの供給口にそれぞれ独立した流量制御機構（例えば、マスフローコントローラー）が接続されており、この流量制御機構を介して原料ガスノズルから供給される不活性ガス流量を原料ガス流量とは独立に制御して供給できるように構成されており、例えば、原料ガスノズルの複数のノズル孔の任意のノズル孔から供給される不活性ガスの流量を変えることができるように構成されていてもよい。原料ガスノズルは、この目的を達成するために、前記したような形状、孔径、ピッチを持っていればよい。

図８（ａ）及び（ｂ）に基づいて、上記したさらに別の実施の形態について説明する。図８（ａ）に示したように、原料ガスノズルは、３つの部分に分割されているが、ノズル形状は、図４に示した形状と同じ構造でもよい。原料ガスノズルは、原料ガスノズル８１（Ｈ_２Ｏガス）と原料ガスノズル８２（ＴＭＡガス）とからなっており、それぞれのガスノズルは、図示していないが、原料ガスとキャリアガスとしての不活性ガスとの混合ガスを反応室内に供給できるように構成されている。この不活性ガスは成膜中継続して供給されるように構成される。

ノズル孔８１ａを含む部分とノズル孔８２ａを含む部分とを区分Ａとし、ノズル孔８１ｂを含む部分とノズル孔８２ｂを含む部分とを区分Ｂとし、ノズル孔８１ｃを含む部分とノズル孔８２ｃを含む部分とを区分Ｃとする。区分Ａでは、原料ガスノズル８１からＨ_２Ｏガスライン２、原料ガスノズル８２からＴＭＡガスライン２が接続されており、区分Ｂでは、原料ガスノズル８１からＨ_２Ｏガスライン１、原料ガスノズル８２からＴＭＡガスライン１が接続されており、そして区分Ｃでは、原料ガスノズル８１からＨ_２Ｏガスライン２、原料ガスノズル８２からＴＭＡガスライン２が接続されている。原料ガスノズル８１、８２には、図示していないが、上記したように、原料ガスとキャリアガスとしての不活性ガスとの混合ガスを反応室内に供給できるように構成されている。それぞれの原料ガスノズル８１、８２に接続している各原料ガスライン、不活性ガスラインには、それぞれ、流量制御機構が接続されており、原料ガスに重畳する不活性ガス流量を独立して制御できるように構成されている。

区分Ａ及びＣのＨ_２Ｏガスライン２並びにＴＭＡガスライン２から供給する不活性ガスの流量を、区分ＢのＨ_２Ｏガスライン１及びＴＭＡガスライン１から供給する不活性ガスの流量よりも多く供給することにより、所望の効果を達成できる。この場合、ガスライン２及び／又は１からの不活性ガスを成膜中継続して供給する。

図８（ｂ）を参照して、原料ガスノズルを介して、反応室内へ供給される原料ガス（ＴＭＡガス及びＨ_２Ｏガス）並びに不活性ガス（Ｎ_２ガス）のシーケンスを説明する。図８（ｂ）には、原料ガスノズルから供給されるＴＭＡガスライン１及び２、別の原料ガスノズルから供給されるＨ_２Ｏガスライン１及び２が示されている。図５の場合と同様に、図面上、「ＴＭＡ」及び「Ｈ_２Ｏ」の記載がある部分は、それぞれのガスが供給されている状態を示し、「ＴＭＡ」及び「Ｈ_２Ｏ」の記載がない部分はそれぞれのガスが供給されていない状態を示す。図８（ｂ）では、ガスライン２から供給するＮ_２ガスの流量を、ガスライン１から供給するＮ_２ガスの流量よりも多く供給する例を示している。

図８（ｂ）に示すように、不活性ガスラインからＮ_２ガスを継続して供給しながら、反応室内に第１の原料ガスと第２の原料ガスを交互に供給し、反応室内に載置された基板上で、第１の原料ガスと第２の原料ガスとの反応によりＡｌ_２Ｏ_３膜を形成する。この場合、不活性ガスラインを流れる流量制御された不活性ガスは、反応室内のガスの流れを調整するためである。

本発明によれば、薄膜の面内均一性を改善する手段を備えた真空成膜装置及びこの装置を用いた成膜方法を提供できるので、膜厚分布の良い薄膜を形成することが必要な半導体素子技術分野等で利用できる。

１ 原子層堆積装置（真空成膜装置） １１ 反応室
１１ａ 天板 １１ｂ 底壁
１２ 支持部材 １３ ガスノズル体
１４ 排気口 １５ 上部防着板
３１ 基板ステージ ３２ 原料ガスノズル
３３ 不活性ガスノズル ３４ 排気口
４１、４４、４７ 原料ガスノズル（Ｈ_２Ｏガス）
４２、４５、４８ 原料ガスノズル（ＴＭＡ）
４３、４６、４９ 不活性ガスノズル
４１ａ、４４ａ、４７ａ 原料ガスノズル（Ｈ_２Ｏガス）のノズル孔
４２ａ、４５ａ、４８ａ 原料ガスノズル（ＴＭＡガス）のノズル孔
４３ａ、４６ａ、４９ａ 不活性ガスノズル（Ｎ_２ガス）のノズル孔
８１ 原料ガスノズル（Ｈ_２Ｏガス） ８２ 原料ガスノズル（ＴＭＡガス）
８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８２ａ、８２ｂ、８２ｃ ノズル孔
Ａ、Ｂ、Ｃ 区分

Claims (14)

1. 不活性ガスを成膜中に継続して反応室内に供給しながら、複数の原料ガスを交互に該反応室内に供給し、該反応室内に載置される基板上に原料ガスの反応により成膜するための真空成膜装置であって、該反応室内に各原料ガスを供給する各原料ガスノズルが該基板の表面に対して平行になるように該反応室の端部に設置され、該反応室内に該不活性ガスを継続して供給する不活性ガスノズルが該基板の表面に対して平行になるように該各原料ガスノズルと同じ該反応室の端部に設置されてなり、該反応室内の該原料ガスと該不活性ガスとの流量・流速分布を独立に制御できるように構成されていることを特徴とする真空成膜装置。
2. 前記原料ガスノズル及び不活性ガスノズルは、単一又は複数のノズル孔を有し、このノズル孔は、長手方向に、同じ孔径又は異なる孔径で、均等のピッチ又は異なるピッチを持って設けられていることを特徴とする請求項１記載の真空成膜装置。
3. 前記原料ガスノズルは、単一又は複数のノズル孔を有し、このノズル孔は、長手方向に、同じ孔径又は異なる孔径で、均等のピッチ又は異なるピッチを持って設けられており、また、前記不活性ガスノズルは、複数のノズル孔を有し、このノズル孔は、該ガスノズルの長手方向の両端部に、同じ孔径で、均等のピッチを持って設けられていることを特徴とする請求項１記載の真空成膜装置。
4. 前記原料ガスノズルは、複数のノズル孔を有し、このノズル孔は、長手方向に、同じ孔径で、均等のピッチを持って設けられており、また、前記不活性ガスノズルは、複数のノズル孔を有し、このノズル孔は、長手方向に、同じ孔径又は異なる孔径で、均等のピッチ又は異なるピッチを持って設けられていることを特徴とする請求項１記載の真空成膜装置。
5. 前記原料ガスノズルは、複数のノズル孔を有し、このノズル孔は、長手方向に、同じ孔径で、均等のピッチを持って設けられており、また、前記不活性ガスノズルは、複数のノズル孔を有し、このノズル孔は、該ガスノズルの長手方向の両端部に、同じ孔径で、均等のピッチを持って設けられていることを特徴とする請求項１記載の真空成膜装置。
6. 前記原料ガスノズルは、原料ガスとキャリアガスとしての不活性ガスとの混合ガスを供給するために用いられることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の真空成膜装置。
7. 前記原料ガスノズルは、原料ガスとキャリアガスとしての不活性ガスとの混合ガスを供給するために用いられること、そして該原料ガスノズルから供給される不活性ガス流量を原料ガス流量とは独立に制御できるように構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の真空成膜装置。
8. 不活性ガスを成膜中に継続して反応室内に供給しながら、複数の原料ガスを交互に該反応室内に供給し、該反応室内に載置される基板上で原料ガスの反応により成膜するための真空成膜装置であって、該反応室内に各原料ガスを供給する各原料ガスノズルが該基板の表面に対して平行になるように該反応室の端部に設置され、該原料ガスノズルが、原料ガスとキャリアガスとしての不活性ガスとの混合ガスを供給するために用いられること、そして該原料ガスノズルから供給される不活性ガス流量を原料ガス流量とは独立に制御できるように構成されており、該原料ガスノズルの複数のノズル孔の任意のノズル孔から供給される不活性ガスの流量を変えることができるように構成されていることを特徴とする真空成膜装置。
9. 反応室内の支持ステージ上に基板を載置し、該基板の表面に対して平行になるように該反応室の端部に設けた不活性ガスノズルから不活性ガスを成膜中に継続して該反応室内に供給しながら、該基板の表面に対して平行になるように該不活性ガスノズルと同じ該反応室の端部に設けられている複数の原料ガスノズルから第１の原料ガスと第２の原料ガスとを交互に該反応室内に供給し、該原料ガスと該不活性ガスとの流量・流速分布を独立に制御して、第１の原料ガスの供給と吸着と排出及び第２の原料ガスの供給と吸着した原料ガスとの反応と排出とを繰り返し実施し、該基板上に成膜することを特徴とする成膜方法。
10. 前記原料ガスノズル及び不活性ガスノズルは、単一又は複数のノズル孔を有し、このノズル孔は、長手方向に、同じ孔径又は異なる孔径で、均等のピッチ又は異なるピッチを持って設けられていることを特徴とする請求項９記載の成膜方法。
11. 前記原料ガスノズルは、単一又は複数のノズル孔を有し、このノズル孔は、長手方向に、同じ孔径又は異なる孔径で、均等のピッチ又は異なるピッチを持って設けられており、また、前記不活性ガスノズルは、複数のノズル孔を有し、このノズル孔は、該ガスノズルの長手方向の両端部に、同じ孔径で、均等のピッチを持って設けられていることを特徴とする請求項９記載の成膜方法。
12. 前記原料ガスノズルは、複数のノズル孔を有し、このノズル孔は、長手方向に、同じ孔径で、均等のピッチを持って設けられており、また、前記不活性ガスノズルは、複数のノズル孔を有し、このノズル孔は、長手方向に、同じ孔径又は異なる粒径で、均等のピッチ又は異なるピッチを持って設けられていることを特徴とする請求項９記載の成膜方法。
13. 前記原料ガスノズルは、複数のノズル孔を有し、このノズル孔は、長手方向に、同じ孔径で、均等のピッチを持って設けられており、また、前記不活性ガスノズルは、複数のノズル孔を有し、このノズル孔は、該ガスノズルの長手方向の両端部に、同じ孔径で、均等のピッチを持って設けられていることを特徴とする請求項９記載の成膜方法。
14. 前記原料ガスノズルは、原料ガスとキャリアガスとしての不活性ガスとの混合ガスを供給することを特徴とする請求項９〜１３のいずれか１項に記載の成膜方法。