JP2023034309A - 成膜装置 - Google Patents
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Abstract
Description
NH3→NH*+2H*→NH*+H2
NH3→NH2+H*→NH*+2H*→NH*+H2
NH3→N*+3H*→NH*+2H*→NH*+H2
このような状態の混在により、NHラジカルの発生効率は低い。
H2+O2→H*+HO2
O2+H*→OH*+O*
H2+O*→H*+OH*
H2+OH*→H*+H2O
O+O→O2
H+H→H2
O+OH→O2H
H+OH→H2O
酸素または窒素を供給する第1ガス源と、
水素を供給する第2ガス源と、
キャリアガスを供給する第3ガス源と、
前記第1ガス源及び前記第3ガス源と前記反応容器とを連通させる第1配管と、
前記第1配管に設けられ、前記酸素または前記窒素から解離される酸素ラジカルまたは窒素ラジカルを含むプラズマを生成する第1プラズマ生成部と、
前記第2ガス源及び前記第3ガス源と前記反応容器とを連通させる第2配管と、
前記第2配管に設けられ、前記水素から解離される水素ラジカルを含むプラズマを生成する第2プラズマ生成部と、
含み、合流された前記酸素ラジカルと前記水素ラジカルとを衝突させて前記OHラジカルを生成し、または前記窒素ラジカルと前記水素ラジカルとを衝突させて前記NHラジカルを生成する成膜装置に関する。
O2+Ar→2O*+Ar…(1)
N2+Ar→2N*+Ar…(2)
H2+Ar→2H*+Ar…(3)
O*+H*+Ar→OH*+Ar…(4)
N*+H*+Ar→NH*+Ar…(5)
1.1.ALD装置
図1に、ALD装置10の一例が示されている。ALD装置10は、反応容器20と、各種ガス源30~60と、を含む。反応容器20は、加工対象物(ワークピース)1に成膜するための容器である。反応容器20は、加工対象物1である例えば基板を載置する載置部21を有することができる。加工対象物が粉体等の場合には、反応容器20内で粉体が分散状態で保持されればよい。反応容器20には各種ガス源30~60が連結され、反応容器20内に各種ガスが導入される。反応容器20には排気管70が連結され、排気ポンプ71によって反応容器20内を排気することができる。
加工対象物1に金属酸化膜例えばAl2O3膜を形成する例について説明する。酸素/窒素ガス源40は、酸素が収容されるので、以下、酸素ガス源40とも称する。先ず、反応容器20内に加工対象物1が搬入される。第1実施形態では、図1に示す各種バルブを図2に示すタイミングチャートに従って開閉させることで、図3に示す次に、ALDサイクルを実施する。ALDサイクルとは、第1前駆体(原料ガス)の投入→排気(パージを含む)→第2前駆体(反応性ガス)の投入→排気(パージを含む)の最小4ステップを一サイクルとする。なお、排気とは排気ポンプ71による真空排気であり、パージとはキャリアガス源60からの不活性ガス(パージガス)の供給であり、いずれによっても、反応容器20内は、第1又は第2前駆体の雰囲気から、真空またはパージガス雰囲気に置換される。加工対象物1に成膜される膜の厚さはALDサイクルの数Nに比例する。よって、ALDサイクルが必要数Nだけ繰り返し実施される。
先ず、排気ポンプ71により反応容器20内が真空引きされ、例えば10-4Paに設定される。次に、図2に示すように、期間Т1に亘ってバルブ32、62及び64を開く。こうすると、原料ガス源30からの原料ガス例えばТMA(Al(CH3)3)と、キャリアガス源60からのキャリアガスである例えばアルゴンArとが、反応容器20に供給され、所定の圧力例えば1~10Paで充満される。図3に示すALDサイクルの1ステップ目(期間Т1)で、加工対象物1の露出表面にТMAが浸透する。
その後、ALDサイクルの2ステップ目として、図2に示すようにバルブ32、64は閉鎖され、バルブ62は開放が維持され、バルブ67が期間Т2に亘って開放される。それにより図3に示すように反応容器20内にパージガスが導入され、反応容器20内のトリメチルアルミニウムAl(CH3)3がパージガスに置換される。
次に、ALDサイクルの3ステップ目として、図2に示すようにバルブ67は閉鎖され、バルブ62は開放が維持され、バルブ42、52、65、66が期間Т3に亘って開放される。こうすると、酸素ガス源40からの酸素ガスと、キャリアガス源60からのキャリアガスであるアルゴンArとが、第1プラズマ生成部44に供給される。同時に、水素ガス源50からの水素ガスと、キャリアガス源60からのキャリアガスであるアルゴンArとが、第2プラズマ生成部54に供給される。第1プラズマ生成部44では、上述の式(1)に示すように酸素から解離される酸素ラジカルを含む誘導結合プラズマP1が生成される。酸素ラジカルは、キャリアガスと共に配管43を介して反応容器20に供給される。一方、第2プラズマ生成部54では、上述の式(3)に示すように水素から解離される水素ラジカルを含む誘導結合プラズマP2が生成される。水素ラジカルは、キャリアガスと共に配管53を介して、酸素ラジカルとは別ルートで反応容器20に供給される。
その後、ALDサイクルの4ステップ目として、図2に示すようにバルブ42、52、65、66は閉鎖され、バルブ62は開放が維持され、バルブ67が期間Т4に亘って開放される。それにより反応容器20内にパージガスが導入され、反応容器20内の反応ガスがパージガスに置換される。Al2O3膜は1サイクルでおよそ1オングストローム=0.1nmずつ成膜ができるので、例えば10nmの膜厚にするにはALDサイクル(Т)を100回繰り返せばよい。全てのALDサイクルが終了すると、加工対象物1は反応容器20の外に搬出される。
第2実施形態は、図1のALD装置10において、図1に示す各種バルブを図4に示すタイミングチャートに従って開閉させることで、図5に示すALDサイクルを実施する。第1実施形態とは異なり、第2実施形態では第1バルブとして機能するバルブ47と、第2バルブとして機能するバルブ57とが開閉される。
図4に示すように、期間Т1に亘ってバルブ32、62及び64を開く。こうすると、原料ガス源30からの原料ガス例えばТMA(Al(CH3)3)が、キャリアガス源60から例えばアルゴンArをキャリアガスとして、反応容器20に供給され、所定の圧力例えば1~10Paで充満される。図5に示すALDサイクルの1ステップ目(期間Т1)で、加工対象物1の露出表面にТMAが浸透する。
その後、ALDサイクルの2ステップ目として、図4に示すようにバルブ32、64は閉鎖され、バルブ62は開放が維持され、バルブ67が期間Т2に亘って開放される。それにより、図5に示すように反応容器20内にパージガスが導入され、反応容器20内のトリメチルアルミニウムAl(CH3)3がパージガスに置換される。
次に、ALDサイクルの3ステップ目として、図4に示すようにバルブ67は閉鎖され、バルブ62は開放が維持され、バルブ42、47、65が期間Т3に亘って開放される。こうすると、酸素ガス源40からの酸素ガスが、キャリアガス源60からのアルゴンArをキャリアガスとして、第1プラズマ生成部44に供給される。第1プラズマ生成部44では、上述の式(1)に示すように酸素から解離される酸素ラジカルを含む誘導結合プラズマP1が生成される。酸素ラジカルは、キャリアガスと共に配管43を介して反応容器20に供給される。こうして、酸素ラジカルは所定の圧力で反応容器20内に充満される。このとき、第2バルブ57は閉鎖されているので、酸素ラジカルが第2プラズマ生成部54に流入することが無い。
その後、ALDサイクルの4ステップ目として、図4に示すようにバルブ52、57、66は閉鎖され、バルブ62は開放が維持され、バルブ67が期間Т5に亘って開放される。それにより反応容器20内にパージガスが導入され、反応容器20内の反応ガスがパージガスに置換される。
3.1.ALD装置
図6に、ALD装置11の一例が示されている。ALD装置11のうち、図1に示すALD装置10の部材と同一機能を有する部材については、図1と同一符号を付し、その説明を省略する。ALD装置11は、第1配管43及び第2配管53は、合流配管80を介して反応容器20に連結される。
第3実施形態は、図6のALD装置11において、図6に示す各種バルブを図2に示すタイミングチャートに従って開閉させることで、図3に示すALDサイクルを実施する。ここで、第3実施形態でのALD方法は期間Т3での反応ガスの導入(3ステップ目)のみが第1実施形態と異なるので、以下期間Т3での動作について説明する。
4.1.ALD装置
図7に、ALD装置12の一例が示されている。ALD装置12のうち、図1に示すALD装置10の部材と同一機能を有する部材については、図1と同一符号を付し、その説明を省略する。ALD装置12は、第1配管43及び第2配管53は、合流配管90を介して反応容器20に連結される。そして、合流配管90にプラズマ生成部94が設けられる。合流配管90は、キャリアガスの配管63から分岐された分岐管63Dとバルブ68を介して連結されている。この第4実施形態では、プラズマ生成部94よりも上流のバルブ42及び68が第1バルブとして機能し、プラズマ生成部94よりも上流の他のバルブ52が第2バルブとして機能する。
第4実施形態は、図7のALD装置12において、図7に示す各種バルブを図8に示すタイミングチャートに従って開閉させることで、図5に示すALDサイクルを実施する。ここで、第4実施形態でのALD方法は期間Т3~Т4での反応ガスの導入(3ステップ目)のみが第2実施形態と異なるので、以下期間Т3~Т4での動作について説明する。
金属酸化膜を成膜する場合に用いられる反応ガスである酸素ガスに代えて、窒素ガスを用いれば、金属窒化膜を成膜することが可能である。この場合、図1等の酸素/窒素ガス源40に窒素が収容される。こうすると、窒素ラジカル(N*)と水素ラジカル(H*)とを用いて、NHラジカルを効率よく生成することができる。原料ガスとして例えばTDMAS(SiH[N(CH3)2]3)を用いると、加工対象物1の表面にSiNを成膜することができる。原料ガスとして例えばTDMAT(Ti[N(CH3)2]4)を用いると、加工対象物1の表面にTiNを成膜することができる。いずれの場合も、NHラジカルの存在により、低温プロセスを実現することができる。
SiCl4→SiCl2+Cl2↑
その状態でOHラジカルを供給すると、SiCl2は酸化されてSiO2となり、HClが脱離して排気される。
SiCl2+OH→SiO2+2HCl↑
この他、他の無機金属化合物ガスであるТiCl4やSiH2Cl2でも同様に金属酸化膜を形成することができる。
Claims (8)
- 反応容器内にて、金属化合物ガスと、OHラジカルまたはNHラジカルとを交互に導入して、原子層堆積により金属酸化膜または金属窒化膜を形成する成膜装置であって、
酸素または窒素を供給する第1ガス源と、
水素を供給する第2ガス源と、
キャリアガスを供給する第3ガス源と、
前記第1ガス源及び前記第3ガス源と前記反応容器とを連通させる第1配管と、
前記第1配管に設けられ、前記酸素または前記窒素から解離される酸素ラジカルまたは窒素ラジカルを含むプラズマを生成する第1プラズマ生成部と、
前記第2ガス源及び前記第3ガス源と前記反応容器とを連通させる第2配管と、
前記第2配管に設けられ、前記水素から解離される水素ラジカルを含むプラズマを生成する第2プラズマ生成部と、
含み、前記酸素ラジカルと前記水素ラジカルとを衝突させて前記OHラジカルを生成し、または前記窒素ラジカルと前記水素ラジカルとを衝突させて前記NHラジカルを生成する成膜装置。 - 請求項1において、
前記第1配管及び前記第2配管の少なくとも一方は第1の荷電粒子除去部を含み、前記第1の荷電粒子除去部は、前記第1プラズマ生成部及び前記第2プラズマ生成部での前記プラズマ中の電離されたイオン及び/または電子から成る荷電粒子を、前記荷電粒子の電荷を利用して除去をする成膜装置。 - 請求項1において、
前記第1配管及び前記第2配管は、合流配管を介して前記反応容器に連結される成膜装置。 - 請求項2において、
前記第1配管及び前記第2配管は、合流配管を介して前記反応容器に連結される成膜装置。 - 請求項3または4において、
前記合流配管は第2の荷電粒子除去部を含み、前記第2の荷電粒子除去部は、前記第1プラズマ生成部及び前記第2プラズマ生成部での前記プラズマ中の電離されたイオン及び/または電子から成る荷電粒子を、前記荷電粒子の電荷を利用して除去をする成膜装置。 - 請求項3において、
前記第1配管は、前記第1プラズマ生成部よりも上流に第1バルブを有し、
前記第2配管は、前記第2プラズマ生成部よりも上流に第2バルブを有し、
前記第1バルブ及び前記第2バルブの一方が開放されている間は、前記第1バルブ及び前記第2バルブの他方が閉鎖され、
前記第1プラズマ生成部及び前記第2プラズマ生成部は、前記合流配管に設けられる一つのプラズマ生成部が兼用される成膜装置。 - 請求項6において、
前記合流配管は荷電粒子除去部を含み、前記荷電粒子除去部は、前記プラズマ生成部での前記プラズマ中の電離されたイオン及び/または電子から成る荷電粒子を、前記荷電粒子の電荷を利用して除去をする成膜装置。 - 請求項1または2において、
前記第1配管は、前記第1プラズマ生成部と前記反応容器との間に第1バルブを有し、
前記第2配管は、前記第2プラズマ生成部と前記反応容器との間に第2バルブを有し、
前記第1バルブ及び前記第2バルブの一方が開放されている間は、前記第1バルブ及び前記第2バルブの他方が閉鎖される成膜装置。
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