JP4776054B2

JP4776054B2 - 原子層成長による薄膜形成方法

Info

Publication number: JP4776054B2
Application number: JP2000032810A
Authority: JP
Inventors: 俊樹伊藤; 厚司水谷; 博竹中; 亮之介寺
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-02-04
Filing date: 2000-02-04
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2020-02-04
Also published as: JP2001220287A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反応室内に基板を設置し、吸着ガス及び反応ガスの反応室への供給、及び反応室のパージを交互に行い、吸着ガスと反応ガスとの反応によって原子層成長を行わせることにより、基板の一面上に薄膜を形成するようにした薄膜形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の一般的な薄膜形成装置は、基板が設置され成膜が行われる反応室、成膜原料である反応ガスおよび吸着ガスを反応室へ供給する原料ガス供給手段、反応室内の余剰ガスを除去するためのパージガスを反応室へ供給するパージ手段、及び反応室内のガスを排気するための排気手段とを備えている。
【０００３】
そして、この形成装置を用いた原子層成長による薄膜形成は、一般的には下記の手順で行なわれる。まず、基板を所望の反応が起こる以上の温度に加熱する。次に、吸着ガス（第１のガス）を基板近傍に流して基板に吸着させる（吸着ガス供給工程）。その後、基板に吸着した以外の余剰ガスを反応室から除去するため、不活性ガスによってパージを行なう（第１のパージ工程）。
【０００４】
さらに、反応ガス（第２のガス）を基板近傍に流して基板上で吸着ガスと反応させて、目的とする薄膜を形成させる（反応ガス供給工程）。その後、反応に供した以外の余剰ガスを反応室から除去するため、再び不活性ガスによってパージを行なう（第２のパージ工程）。以上のようなガスの供給工程を繰り返すことにより、原子層成長を行い、所望の膜厚を有する薄膜を形成することができる。このような薄膜形成方法としては、例えば、特表平９−５０８８９０号公報に記載されているようなＡＬＥ（原子層エピタキシャル成長）法が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記薄膜形成方法においては、吸着ガスを基板に吸着させたり、反応ガスを吸着ガスと反応させるため、ガス流量や反応室の排気量を調整して、少なくとも基板近傍ではガス圧を数百Ｐａ程度に保つ必要がある。
【０００６】
そのような状況下では、吸着ガス、反応ガスといった原料ガスや反応生成ガスが、膜中に取り込まれたり、膜表面に吸着したりして、膜中に不純物として残存してしまう。膜中にこれら不純物が残存すると、膜性能が変化してしまう。例えば、成膜された膜に電圧を印加した場合に、この不純物が分解や移動して膜の電気特性が変化する等の不具合が発生する。
【０００７】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、基板が設置された反応室に対して、吸着ガス及び反応ガスの供給、及びパージを交互に行い、吸着ガスと反応ガスとの反応によって原子層成長を行わせることにより、基板の一面上に形成された薄膜において、成膜の際に、膜中に残存する不純物を低減することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１〜請求項３記載の発明では、吸着ガス供給工程、第１のパージ工程、反応ガス供給工程、第２のパージ工程を順次繰り返し、吸着ガスと反応ガスとの反応によって原子層成長を行わせることにより、基板の一面上に薄膜を形成する薄膜形成方法において、前記吸着ガスとしてＡｌＣｌ _３もしくはＴｉＣｌ _４を用い、前記反応ガスとしてＨ _２Ｏを用い、第２のパージ工程中に、基板の一面上から紫外線照射を行うことを特徴としている。
【０００９】
本薄膜形成方法によれば、成膜中に紫外線照射を行なうことになるため、膜中に取り込まれたり、膜表面に吸着したりした吸着ガス、反応ガスといった原料ガスや反応によって生じた反応生成ガスに、エネルギーが供給される。そうすると、不純物である原料ガスや反応生成ガスが活性化したり、分解するため移動し易くなり、これら不純物が膜中から除外されたり、膜表面から脱離される。よって、本薄膜形成方法によれば、成膜の際に、膜中に残存する不純物を低減することができる。
【００１１】
特に、本発明のように、第２のパージ工程中に、紫外線照射を行なえば、膜中から除外されたり、膜表面から脱離された不純物をパージガスとともに、効率よく反応室外部へ除去することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。本実施形態では、吸着ガスとしてＡｌＣｌ₃ガスを用い、反応ガスとしてＨ₂Ｏガスを用い、パージガスとしてＮ₂ガスを用いて、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）薄膜を成膜する場合を例にとって説明する。図１に本発明の実施形態に係る薄膜形成装置の概略断面構成を示す。
【００１６】
１は例えばステンレス等より区画形成された密閉構造の真空室であり、その内部は排気通路１ａとつながっている。そして、真空室１の内部は、図示しない真空ポンプ（メカニカルブースターポンプやロータリーポンプ等）を用いて、排気通路１ａから真空に引かれている。
【００１７】
真空室１の内部には、例えばチタン等により密閉構造に形成された反応室２が設置されている。反応室２の壁部には、図示しない制御回路等にて作動制御される電動開閉式のシャッタ３が形成されている。このシャッタ３を開閉することで反応室２内への基板の出し入れを行ったり、シャッタ３の開度調整によって反応室２内の圧力調整したり、シャッタ３を全開することでパージの促進を行うようになっている。
【００１８】
また、反応室２内へＡｌＣｌ₃ガス、Ｈ₂Ｏガス及びＮ₂ガスを供給するためのステンレス等よりなる各配管系４、５、６、７が設けられている。配管系４は吸着ガスであるＡｌＣｌ₃ガスの配管系（吸着ガス配管系）であり、反応室２内へＡｌＣｌ₃ガスを導入するためのものである。配管系５はＮ₂ガスの配管系（吸着ガス除去用Ｎ₂ガス配管系）であり、吸着ガス配管系４によってＡｌＣｌ₃ガスを所定の時間流した後に、残存するＡｌＣｌ₃ガスを除去するためのパージガスとしてのＮ₂ガスを流すために利用する。
【００１９】
配管系６は反応ガスであるＨ₂Ｏガスの配管系（反応ガス配管系）であり、吸着ガス除去用Ｎ₂ガス配管系５によってパージガスを流した後、反応室２内へＨ₂Ｏガスを導入するためのものである。配管系７はＮ₂ガスの配管系（反応ガス除去用Ｎ₂ガス配管系）であり、反応ガス配管系６によってＨ₂Ｏガスを所定の時間流した後に、残存するＨ₂Ｏガスを除去するためのパージガスとしてのＮ₂ガスを流すために利用する。
【００２０】
これら吸着ガス配管系４、反応ガス配管系６、各Ｎ₂ガス配管系５、７は各々、図示しない制御回路等によって作動制御される図示しないバルブ及びガス供給源を有しており、それぞれ、吸着ガス供給手段、反応ガス供給手段、パージ手段を構成している。
【００２１】
なお、ＡｌＣｌ₃ガスのガス供給源は、固体のＡｌＣｌ₃が一部昇華した状態で入った容器、Ｈ₂Ｏガスのガス供給源は、液体の水が一部蒸発した状態で入った容器であり、各容器の温度を調整することにより各ガスの供給流量（昇華量、蒸発量）が決められる。
【００２２】
そして、各配管系４〜７のバルブは、所定のタイミングにて開閉されるようになっており、それによって、反応室２へのガス供給は、ＡｌＣｌ₃ガス（吸着ガス）、Ｎ₂ガス（パージガス）、Ｈ₂Ｏガス（反応ガス）、Ｎ₂ガス（パージガス）の順に、切り替えて交互に供給されるようになっている。なお、配管系４〜７は、真空室１を貫通して（貫通部は密封構造となっている）、接続用のボルト等により反応室２に接続されている。
【００２３】
また、反応室２の内部には、薄膜が形成される基板（ガラス基板等）８を搭載するヒータ付き基板ホルダ９が設置されている。この基板ホルダ９は、例えば、基板８が搭載可能な面積を有する金属板の下に均一加熱可能なようにシースヒータを取り付けたものとできる。
【００２４】
更に、基板ホルダ９は、基板温度を測定するための図示しない熱電対を有しており、図示しない温度制御回路によって該熱電対の測定値を検知しつつ、基板８を所望の温度に加熱可能となっている。また、この基板ホルダ９は、反応室２内へ基板８を出し入れするために、搬送可能になっている。
【００２５】
また、真空室１の上方には、紫外線を発生する照射源としてのＵＶランプ１０が設置されている。このＵＶランプ１０は低圧水銀ランプでも、高圧水銀ランプでも、エキシマレーザでもよいが、実用性及び膜中の不純物の分解性を考慮すると、波長は３５０ｎｍ以下１５０ｎｍ以上が好ましく、光の強度は５０ｍＪ／ｍ²以上５００Ｊ／ｍ²以下が好ましい。
【００２６】
また、ＵＶランプ１０と対向する真空室１の上部壁面及び反応室２の上部壁面には、ＵＶランプ１０からの紫外線を透過して基板８の一面上に照射するための窓部としての照射窓１１が形成されている。この照射窓１１は石英ガラス等の板を、真空室１及び反応室２にフランジ等にて取り付けることで設置されている。これらＵＶランプ１０及び照射窓１１が、紫外線照射手段を構成しており、本装置の主たる特徴点である。
【００２７】
ここで、ＵＶランプ１０は、照射毎にオンオフさせてもよい。本例では、ランプの耐久性や光の安定性等を考慮して、ランプ１０は装置作動中（つまり、装置の電源投入中）は常に発光させておき、図示しないシャッタ手段により、照射窓１１との間を遮ったり、開けたりすることで、反応室２内の基板８への照射を所望の時期に開始したり停止することが可能となっている。このシャッタ手段の開閉は、図示しない制御回路等により、例えば上記各配管系４〜７のバルブの開閉タイミングに合わせて行うことができる。
【００２８】
次に、上記薄膜形成装置に基づき、本実施形態の薄膜形成方法について述べる。本薄膜形成方法は、基本的には、基板８が設置された反応室２内へ基板８に吸着するＡｌＣｌ₃ガス（吸着ガス）を供給する吸着ガス供給工程、反応室２内の余剰ガスを除去するために反応室２内へＮ₂ガスを供給する第１のパージ工程、反応室２内へ吸着ガスと反応するＨ₂Ｏガス（反応ガス）を供給する反応ガス供給工程、反応室２内の余剰ガスを除去するために反応室２内へＮ₂ガスを供給する第２のパージ工程を順次繰り返す。そして、吸着ガスと反応ガスとの反応によって原子層成長を行わせることにより、基板８の一面上にアルミナ薄膜を形成するものである。
【００２９】
まず、基板８をヒータ付き基板ホルダ９に設置搭載し、真空室１を通して、シャッタ３の部分から反応室２内に搬送する。そこで、所望の反応が起こる以上の温度まで、基板８を基板ホルダ９により、加熱する。この加熱に際しては、できる限り基板８のみを加熱して、照射窓１１の温度を上げないことが望ましい。
【００３０】
基板８が所望の温度（例えば５００℃）に達したら、吸着ガス配管系４からＡｌＣｌ₃ガスを反応室２に送り込む。その供給流量、及び、吸着ガス配管系４とは逆側にあるシャッタ３の開閉度を適宜制御することにより、反応室２内の雰囲気圧を例えば２００Ｐａ程度に保つことができ、基板８にＡｌＣｌ₃が一層だけ吸着する（吸着ガス供給工程）。
【００３１】
その後、シャッタ３を全開にして、吸着ガス除去用Ｎ₂ガス配管系５よりＮ₂ガスを流すことにより、反応室２内に残留するＡｌＣｌ₃ガスの多くは除去することができる（第１パージ工程）。
【００３２】
次に、Ｈ₂Ｏガスを反応ガス配管系６から反応室２へ送り込む。その供給流量、及び、反応ガス配管系６とは逆側にあるシャッタ３の開閉度を適宜制御することにより、反応室２内の水蒸気圧を一定に保つことができ、基板８に吸着したＡｌＣｌ₃と反応させてＡｌ₂Ｏ₃を形成することができる（反応ガス供給工程）。
【００３３】
この時の水蒸気圧は低い方が好ましいが、あまり低いと反応に時間を要する。Ｈ₂Ｏガスの供給時間を例えば１秒以下で反応を完了させるには、水蒸気圧を数百Ｐａ程度に保つ必要がある。
【００３４】
このような状況下では、ＡｌＣｌ₃とＨ₂Ｏとの化学反応により生じたＨＣｌ（反応生成ガス）は、膜内や膜表面に留まりやすい。そのため、本実施形態では、この反応ガス供給工程において、ＵＶランプ１０から照射窓１１を通して基板８の一面上から紫外線照射を行う。
【００３５】
これによって、Ｈ₂Ｏを活性化したり、分解したり、ＡｌＣｌ₃及びＨ₂Ｏに反応エネルギーが付与されることにより、Ａｌ₂Ｏ₃の形成を促進するとともに、同様にＨＣｌも活性化したり、分解するため、膜内部の不要なＡｌＣｌ₃、Ｈ₂ＯやＨＣｌの除去を促進したり、膜表面に吸着したＡｌＣｌ₃、Ｈ₂ＯやＨＣｌを除去したりすることができる。
【００３６】
その後、シャッタ３を全開にして、反応ガス除去用Ｎ₂ガス配管系７よりＮ₂ガスを流す（第２のパージ工程）。それにより、反応室２内に残留するＨ₂Ｏの多くは除去することができるが、膜内に入り込んだおよび膜表面に吸着したＨ₂Ｏはそのまま残りがちである。
【００３７】
そこで、本実施形態では、この第２パージ工程において、上記同様、紫外線照射を行う。それによって、上記と同様に膜内部の不要なＡｌＣｌ₃、Ｈ₂ＯやＨＣｌの除去を促進したり、膜表面に吸着したＡｌＣｌ₃、Ｈ₂ＯやＨＣｌを除去したりすることができる。
【００３８】
以上、本実施形態の薄膜形成方法によれば、ＡｌＣｌ₃、Ｎ₂、Ｈ₂Ｏ、Ｎ₂の順に流しながらＡｌ₂Ｏ₃を形成するにあたって、成膜中に紫外線照射を行なうことになるため、膜中に取り込まれたり、膜表面に吸着したりした吸着ガス、反応ガスといった原料ガス（ＡｌＣｌ₃、Ｈ₂Ｏ）や反応によって生じた反応生成ガス（ＨＣｌ）に、エネルギーが供給される。
【００３９】
そうすると、不純物である原料ガスや反応生成ガスが活性化したり、分解するため移動し易くなり、これら不純物が膜中から除外されたり、膜表面から脱離される。よって、本薄膜形成方法によれば、成膜の際に、膜中に残存する不純物を低減することができる。
【００４０】
特に、反応ガス供給工程中に、紫外線照射を行なうことようにすれば、上記した膜中に残存する不純物を低減する効果を奏することに加えて、基板８に吸着した吸着ガスと供給される反応ガスに、紫外線による反応エネルギーを付加することができるため、成膜反応を促進することができる。
【００４１】
また、第２のパージ工程中に、紫外線照射を行なうことにより、膜中から除外されたり、膜表面から脱離された不純物をパージガスとともに、効率よく反応室２の外部へ除去することができる。なお、反応ガス供給工程のみ、あるいは、第２のパージ工程のみに紫外線照射を行っても、上記膜中不純物低減効果が得られることは勿論である。
【００４２】
また、本実施形態の薄膜形成装置によれば、反応室２内に設置された基板８の一面上に紫外線照射を行う紫外線照射手段１０、１１を設けたことを特徴としている。それによれば、紫外線照射手段１０、１１を有しているため、上記した本実施形態の薄膜形成方法を適切に実行でき、成膜の際に、膜中に残存する不純物を低減することができる。
【００４３】
ここで、上述のように、紫外線照射手段１０、１１を、所望の時期に照射の開始及び停止が可能となっているものとしているため、所望の工程時に所望の時間、照射可能となるから、より効率的な紫外線照射を実行することができる。なお、工程に応じて照射をオンオフさせるものではなく、例えば装置の電源投入時の間ずっと基板８を照射しているものでもよい。
【００４４】
また、本実施形態の紫外線照射手段として、反応室２の周囲に設置され紫外線を発生するＵＶランプ（照射源）１０と、反応室２の壁部に設けられＵＶランプ１０からの紫外線が透過可能な照射窓（窓部）１１と、を備えたものを用いている。それによれば、照射源を反応室２の外部に設置しているため、反応室２内部に照射源を設ける場合に比べて、原料ガス等による照射源の汚染防止や、照射源の取り替え等のメンテナンスにおいて有効である。
【００４５】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、ＡｌＣｌ₃とＨ₂ＯによるＡｌ₂Ｏ₃の成膜例を示したが、本発明は、その他にも、ＴｉＣｌ₄とＨ₂ＯによるＴｉＯ₂の成膜、ＺｎＣｌ₂とＨ₂ＳによるＺｎＳの成膜、Ｇａ（ＣＨ₃）₃とＡｓＨ₃によるＧａＡｓの成膜や、Ｉｎ（ＣＨ₃）₃とＰＨ₃によるＩｎＰの成膜等、幅広く利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る薄膜形成装置の概略断面を示す構成図である。
【符号の説明】
１…真空室、１ａ…排気通路、２…反応室、３…シャッタ、
４…吸着ガス配管系、５…吸着ガス除去用Ｎ₂ガス配管系、
６…反応ガス配管系、７…反応ガス除去用Ｎ₂ガス配管系、８…基板、
９…ヒータ付き基板ホルダ、１０…ＵＶランプ、１１…照射窓。

Claims

基板が設置された反応室内へ前記基板に吸着する吸着ガスを供給する吸着ガス供給工程、前記反応室内の余剰ガスを除去する第１のパージ工程、前記反応室内へ前記吸着ガスと反応する反応ガスを供給する反応ガス供給工程、前記反応室内の余剰ガスを除去する第２のパージ工程を順次繰り返し、
前記吸着ガスと前記反応ガスとの反応によって原子層成長を行わせることにより、前記基板の一面上に薄膜を形成する薄膜形成方法において、
前記吸着ガスとしてＡｌＣｌ _３もしくはＴｉＣｌ _４を用い、前記反応ガスとしてＨ _２Ｏを用い、
前記第２のパージ工程中に、前記基板の前記一面上から紫外線照射を行うことを特徴とする薄膜形成方法。