WO2010092757A1 - 原子層成長装置および薄膜形成方法 - Google Patents

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滝澤一樹
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Definitions

  • the present invention relates to an atomic layer growth apparatus and a thin film forming method for forming a thin film by generating plasma using an oxidizing gas or a nitriding gas on a substrate on which an organic metal component containing hydrogen is adsorbed.
  • ALD Advanced Layer Deposition
  • a thin film is formed in units of atomic layers on a substrate.
  • ALD atomic layer Deposition
  • two kinds of gases mainly composed of elements constituting a film to be formed are alternately supplied onto a film formation target substrate, and a thin film is formed on the substrate in units of atomic layers.
  • the formation of the atomic unit thin film is repeated a plurality of times to form a film having a desired thickness.
  • a source gas made of TMA (Tri-Methyl Aluminum) and an oxidizing gas containing O are used.
  • TMA Tri-Methyl Aluminum
  • a nitriding gas is used instead of the oxidizing gas.
  • the thin film formed by the ALD method has both high step coverage and film thickness controllability compared to a thin film formed by a general CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Practical application to the formation of an insulating film called “gate” is expected. In addition, since an insulating film can be formed at a low temperature of about 300 ° C., application to the formation of a gate insulating film of a thin film transistor in a display device such as a liquid crystal display using a glass substrate is expected.
  • Patent Document 1 describes plasma ALD of a tantalum nitride film.
  • the generation time of the H 2 plasma pulse used for the reduction is set to 2000 to 4000 msec (see the document [0064]).
  • the thickness and characteristics of the thin film such as the oxide film or the nitride film (dense density, withstand voltage)
  • the refractive index) often varies in accordance with the density distribution of the generated plasma.
  • the present invention can form a thin film so that the thickness and characteristics of the thin film such as an oxide film or a nitride film become uniform, and can efficiently form this thin film.
  • An object is to provide an atomic layer growth apparatus and a thin film forming method.
  • One embodiment of the present invention is an atomic layer growth apparatus for forming a thin film.
  • the device is A substrate in which a plasma generation source that generates plasma by supplying high-frequency power using an oxidizing gas or a nitriding gas, and a substrate on which an organic metal component containing hydrogen is adsorbed are placed at a position facing the plasma generation source
  • a film forming container in which a stage is disposed A light emission intensity detecting unit for detecting light emission intensity of a predetermined wavelength of light emitted on the substrate by the generation of the plasma through an observation window provided in the film forming container;
  • a power control unit that stops the supply of high-frequency power from the plasma generation source when the value of the light emission intensity detected by the light emission intensity detection unit is equal to or less than a predetermined value.
  • another embodiment of the present invention is a thin film forming method for forming a thin film.
  • the method is Introducing an organometallic gas containing hydrogen into a film formation container to adsorb the organometallic component containing hydrogen on a substrate; Introducing an oxidizing gas or a nitriding gas into the film formation container to generate plasma, and oxidizing or nitriding the organometallic component adsorbed on the substrate; Detecting the emission intensity of a predetermined wavelength of light emitted on the substrate when the plasma is generated, through an observation window provided in the film formation container; Stopping the generation of plasma when the detected value of the emission intensity is equal to or lower than a predetermined value.
  • the emission intensity of a predetermined wavelength of the light emitted on the substrate is detected through an observation window provided in the film formation container, and the detected emission intensity value is equal to or less than the predetermined value.
  • the supply of high frequency power to the plasma generation source is stopped.
  • the thin film is not formed unevenly corresponding to the generation density distribution of the plasma. That is, a thin film can be formed and the thin film can be efficiently formed so that the thickness and characteristics of the thin film are uniform.
  • FIG. 1 It is the schematic showing the structure of the ALD apparatus which is one Example of the atomic layer growth apparatus of this invention. It is a figure explaining the antenna array and electric power feeding unit in the ALD apparatus shown in FIG. (A) is a graph which shows an example of the time change of the light intensity detected by a photon detection sensor, (b) is a graph which shows an example of the time change of reflected power.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of an ALD apparatus which is an embodiment of an atomic layer growth apparatus of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an antenna array and a power feeding unit in the ALD apparatus shown in FIG.
  • the ALD apparatus 10 shown in FIG. 1 forms a thin film using an organic metal source gas containing hydrogen such as TMA (Tri-Methyl Aluminum) and an oxidizing gas containing O. At that time, the ALD apparatus 10 alternately supplies an organic metal source gas and an oxidizing gas onto the substrate 42 to be formed. When supplying an oxidizing gas, the ALD apparatus 10 generates a plasma using an oxidizing gas containing O to form a thin film of metal oxide on an atomic layer unit on the substrate in order to increase reaction activity. A thin film having a desired thickness is formed by repeating the above process for a plurality of cycles with the above process as one cycle. A nitriding gas can be used instead of the oxidizing gas. When TMA is used as an organic metal, an Al 2 O 3 thin film is formed on the substrate.
  • TMA Tri-Methyl Aluminum
  • the ALD apparatus 10 includes a power supply unit 11, a film forming container 12, gas supply units 14 and 15, and exhaust units 16 and 17 such as vacuum pumps.
  • a power supply unit 11 a film forming container 12
  • gas supply units 14 and 15 gas supply units 14 and 15, and exhaust units 16 and 17 such as vacuum pumps.
  • exhaust units 16 and 17 such as vacuum pumps.
  • the power supply unit 11 is a unit that supplies electric power (high-frequency signal) to each antenna element 26 of an antenna array (described later) provided in the film forming container 12.
  • the power supply unit 11 includes a light detection sensor 11a, a control unit 11b, a reflected power measurement unit 11c, a power supply unit 34, and a distributor 36. As shown in FIG. 2, the distributor 36 supplies the high frequency signal generated by the power supply unit 34 to each antenna element 26. The length of the feed line from the distributor 13 to each antenna element 26 is the same.
  • the gas supply unit 14 is connected via a supply pipe 18 to a supply hole 20 formed on one side wall (left wall in the figure) of the film forming container 12.
  • the gas supply unit 14 supplies an organic metal gas having hydrogen as a source gas into the film forming container 12 in the horizontal direction through the supply pipe 18 and the supply hole 20.
  • the gas supply unit 15 is connected to a supply hole 21 formed in the upper wall of the film forming container 12 through a supply pipe 19.
  • the gas supply unit 15 supplies an oxidizing gas into the film forming container 12 in a direction perpendicular to the substrate via the supply pipe 19 and the supply hole 21.
  • the supply of the source gas and the supply of the oxidizing gas are performed alternately.
  • the gas supply unit 14 supplies an organic metal gas, which is a raw material gas, into the film forming container 12 via the supply pipe 18 and the supply hole 20, and the gas supply unit 15 supplies the supply pipe.
  • the oxidizing gas is supplied into the film forming container 12 through the supply holes 19 and the supply holes 21.
  • the gas supply unit 14 supplies the oxidizing gas into the film forming container 12 through the supply pipe 18 and the supply hole 20, and the gas supply unit 15 forms the film through the supply pipe 19 and the supply hole 21.
  • An organic metal gas which is a raw material gas may be supplied into the container 12.
  • the exhaust unit 16 is connected to an exhaust hole 24 formed in the right wall of the film forming container 12 through an exhaust pipe 22.
  • the exhaust unit 16 exhausts the source gas and the oxidizing gas alternately supplied into the film forming container 12 through the exhaust hole 24 and the exhaust pipe 22 in the horizontal direction.
  • the exhaust unit 17 evacuates the film formation container 12 in the vertical direction through the exhaust hole 25 and the exhaust pipe 23. The exhaust of the source gas and the exhaust of the oxidizing gas are performed alternately.
  • an open / close valve for example, an electromagnetic valve
  • an electromagnetic valve for controlling conduction between the gas supply units 14 and 15 and the film forming container 12
  • an on-off valves for controlling the conduction between the exhaust parts 16 and 17 and the film formation container 12, respectively.
  • the opening / closing valve of the supply pipe 18 is opened to supply the gas into the film forming chamber 28.
  • the on-off valve of the supply pipe 19 is opened to supply the gas.
  • the exhaust pipe 22 is opened and closed.
  • the open / close valve of the exhaust pipe 23 is opened.
  • the film formation container 12 has a metal hollow box shape and is grounded. Inside the film formation container 12, an antenna array comprising a metal plate shower head 29 having a plurality of holes of a predetermined diameter and a plurality of antenna elements 26 in order from the upper wall side to the lower wall side. A substrate stage 32 containing a heater 30 is disposed. The film forming container 12 and the shower head 29 are grounded. The antenna array is arranged so that a virtual plane on which the antenna elements 26 are arranged is parallel to the substrate stage 32.
  • the shower head 29 is, for example, a rectangular metal member. As shown in FIG. 1, the shower head 29 is attached to the inner wall surface of the film formation container 12 between the upper wall of the film formation container 12 and the antenna array in parallel with the substrate stage 32.
  • the plurality of holes formed in the shower head 29 are provided intermittently (at predetermined intervals) at positions on both sides (left and right in the figure) of each of the plurality of antenna elements 26.
  • the plurality of holes have an elongated shape along the longitudinal direction (direction perpendicular to the paper surface in the drawing) of each of the plurality of antenna elements 26.
  • the oxidizing gas supplied from the gas supply unit 15 into the film forming chamber 28 is diffused into a space between the upper wall of the film forming chamber 28 and the upper surface of the shower head 29, and then a plurality of gases formed in the shower head 29 are formed. Through the holes, the film is introduced (supplied) into the space below the shower head 29 from the upper side to the lower side of the film forming container 12.
  • the antenna array generates plasma using oxidizing gas.
  • the antenna array is located in the space between the shower head 29 and the substrate stage 32 between the left wall where the supply hole 20 is formed and the right wall where the exhaust hole 24 is formed. , Provided parallel to the surface of the substrate stage 32.
  • a plurality of antenna elements 26 constituting the antenna array are arranged in parallel at regular intervals. Each of the plurality of antenna elements 26 is provided so as to be shifted in the lateral direction (left and right direction in FIG. 1) of the film formation container 12 so as not to come directly below the plurality of holes of the shower head 29 that supplies the oxidizing gas. ing.
  • a high-frequency signal (high-frequency power) in the VHF band (for example, 80 MHz) generated by the power supply unit 34 is supplied to the distributor 36, and the high-frequency signal is divided in the distributor 36.
  • These high-frequency signals are supplied to the protruding bases of the plurality of antenna elements 26 via the impedance matching unit 38.
  • the impedance matching unit 38 adjusts an impedance mismatch caused by a change in the load of the antenna element 26 during the generation of plasma.
  • the antenna element 26 includes a conductive rod-shaped monopole antenna (antenna main body) 39 such as copper, aluminum, or platinum housed in a cylindrical member 40 made of a dielectric such as quartz or ceramic. Has been. By covering the antenna body 39 with a dielectric, the capacity and inductance of the antenna are adjusted, and a high-frequency signal can be efficiently propagated along the longitudinal direction of the antenna body 39. Thereby, the antenna element 26 can efficiently radiate electromagnetic waves to the surroundings.
  • a conductive rod-shaped monopole antenna antenna main body 39 such as copper, aluminum, or platinum housed in a cylindrical member 40 made of a dielectric such as quartz or ceramic.
  • Each of the antenna elements 26 extends in a direction orthogonal to the flow direction of the source gas supplied from the supply hole 20 toward the substrate stage 32, and is electrically insulated so as to protrude from the side wall of the film forming container 12. It is attached to do.
  • each of the antenna elements 26 is arranged in parallel at a constant interval, for example, 50 mm, and is provided such that the feeding positions between the adjacent antenna elements 26 are side walls facing each other.
  • Each of the antenna elements 26 is disposed in a direction parallel to the substrate placement surface of the substrate stage 32. Further, the arrangement direction of the plurality of antenna elements 26 is a direction parallel to the substrate placement surface of the substrate stage 32.
  • the antenna element 26 is configured, for example, by providing an antenna main body having a diameter of about 6 mm in a dielectric cylindrical member having a diameter of about 12 mm.
  • the pressure in the film formation container 12 is about 20 Pa
  • the antenna length of the antenna element 26 is (2n + 1) / 4 times the wavelength of the high-frequency signal (n is 0 or positive).
  • the standing wave of the high-frequency signal is generated under the condition equal to the integer), and the antenna element 26 enters the resonance state. Thereby, electromagnetic waves are radiated around the antenna element 26 to generate plasma.
  • the substrate stage 32 has an area smaller than the cross section of the space surrounded by the inner wall surface of the film formation container 12.
  • the substrate stage 32 is a rectangular metal plate, for example, and is moved up and down by a lifting mechanism such as a power cylinder (not shown).
  • a substrate 42 on which a thin film is formed is placed on the substrate stage 32.
  • the power supply unit 11 includes a light detection sensor 11a, a control unit 11b, a reflected power measurement unit 11c, a power supply unit 34, and a distributor 36.
  • An observation window 33 is formed of a transparent member such as quartz on the side wall of the film forming container 12 above the substrate 42 placed on the substrate stage 32.
  • the light detection sensor 11 a is provided at a portion corresponding to the observation window 33 outside the film formation container 12.
  • a band-pass filter that transmits light of a predetermined wavelength is provided on the front surface of the light receiving surface of the light detection sensor 11a. Thereby, the light detection sensor 11a is configured to receive light of a specific wavelength and detect the light emission intensity.
  • the signal output from the light detection sensor 11a is sent to the control unit 11b.
  • the band-pass filter has at least a wavelength band of 655.3 to 657.3 nm as a transmission band in order to mainly detect emission of hydrogen radicals at 656.3 nm.
  • the reason why the observation window 33 is provided in the film formation container 12 to detect light having a predetermined wavelength is as follows. That is, oxygen radicals dissociated and generated from the oxidizing gas in the plasma react with organometallic molecules having hydrogen atoms adsorbed on the substrate 42, and the generated hydrogen radicals are excited in the plasma and emit specific light. To do.
  • the light detection sensor 11a detects the emitted light, and the detection result is used for controlling the generation of plasma.
  • the light emission of the hydrogen radical occurs when the oxygen radical reacts with the organic metal component, so that the progress of the oxidation reaction of the metal can be known by detecting the light emission of the hydrogen radical and examining the change in the intensity of the light.
  • the oxidation reaction ends, the oxidation no longer proceeds on the substrate even if oxygen radicals are supplied. For this reason, it is not necessary to continue the generation of plasma thereafter. Continuing the generation of plasma increases the possibility that the oxide film formed by the plasma will be damaged. Therefore, the power supply unit 11 can know the progress of the oxidation reaction by detecting the emission intensity of the hydrogen radical, and controls the generation of the plasma to end when the progress of the oxidation reaction ends.
  • the reflected power measurement unit 11 c measures the reflected power reflected by the antenna element 26 by measuring the voltage and current of the high-frequency signal from the power supply unit 34. The measured reflected power is sent to the control unit 11b.
  • the reason for measuring the reflected power is to know the start time of plasma generation by supplying high-frequency power. The generation of plasma does not immediately start with the supply of high-frequency power, but plasma is generated when the reflected power decreases due to resonance. At that time, the time until resonance varies. Accordingly, the power supply unit 11 knows the timing of starting the generation of the plasma, and starts detecting the value of the light emission intensity by the light detection sensor 11a on the basis of the time when the reflected power becomes equal to or lower than a preset value.
  • the controller 11b determines the generation start time of such plasma, starts detection of the light emission intensity value by the light detection sensor 11a, and performs control to stop the supply of the high-frequency signal according to the detection result of the light emission intensity.
  • the power supply unit 34 is a part that generates a high-frequency signal such as 80 MHz in accordance with an instruction from the control unit 11b.
  • FIG. 3A is a graph illustrating an example of a temporal change in emission intensity detected by the light detection sensor 11a.
  • supply of a high-frequency signal to the antenna element 26 is started, and then plasma is generated, and light emission by hydrogen radicals starts at T 1 second. That is, the oxidation reaction starts.
  • the emission intensity reaches a peak (emission intensity Pmax at the peak)
  • the emission intensity crosses a threshold value determined by ⁇ times the emission intensity Pmax ( ⁇ is a predetermined value greater than 0 and less than 1) for T 2 seconds.
  • the reflected power is approximately T 1 seconds, and the reflected power is equal to or less than a preset value.
  • the control unit 11b detects the light intensity of the light detection sensor 11a and supplies power to the power supply unit 34 with T 1 second as the start time of the oxidation reaction and T 2 seconds as the end time of the oxidation reaction.
  • the plasma generation time is (T 2 -T 1 ) seconds.
  • the plasma generation time (T 2 -T 1 ) seconds is It is about several tens of milliseconds. This plasma generation time is extremely short compared to the plasma generation time fixed to several hundred milliseconds to several seconds as in the prior art.
  • the ALD apparatus 10 forms a thin film having a desired thickness by repeatedly forming the oxidized thin film in units of atomic layers.
  • the progress of the oxidation reaction can be known by the emission of hydrogen radicals using the light detection sensor 11a, the state where the oxidation reaction is completed can be known.
  • the thin film formed on the substrate is not exposed to plasma unnecessarily for a long time, the film thickness and characteristics of the thin film become uniform compared to the conventional case. Furthermore, since unnecessary plasma generation time is eliminated, the thin film can be formed efficiently in a short time.
  • an organic metal gas containing hydrogen is introduced from the gas supply unit 14 into the film formation container 12 to adsorb the organic metal component on the substrate 42. Thereafter, the ALD apparatus 10 introduces an oxidizing gas containing O into the film forming container 12 from the gas supply unit 15 and simultaneously supplies power to the antenna element 26 to generate plasma. Using the oxygen radicals generated thereby, the organic metal component adsorbed on the substrate is oxidized. When plasma is generated and an oxidation reaction occurs, hydrogen radicals are generated on the substrate. It emits light when this hydrogen radical is excited and stabilized. The light emission intensity is detected by the light detection sensor 11 a through the observation window 33 provided in the film formation container 12.
  • the control unit 11b stops the supply of power from the power supply unit 34 so that the generation of plasma is stopped when the detected value of the emission intensity is equal to or less than a predetermined value. Note that when the organic metal gas and the oxidizing gas are alternately replaced and flowed, it is preferable that the gas in the film formation chamber 28 is accurately replaced by flowing an inert gas or the like when the gas is replaced.
  • the reflected power is measured, and detection of the value of the emission intensity is started on the basis of the time when the reflected power becomes equal to or lower than a preset value.
  • the emission intensity is detected using a bandpass filter including 655.3 to 657.3 nm as a transmission band.
  • the metal oxide film is formed using an oxidizing gas
  • the present invention can also be applied when a metal is nitrided using a nitriding gas instead of the oxidizing gas.
  • the plasma can be generated using an inductively coupled or capacitively coupled generation source instead of the electromagnetic coupling type using an antenna as a plasma generation source. That is, there is no particular limitation as long as it is an apparatus that generates plasma.
  • the atomic layer growth apparatus and the thin film formation method of the present invention have been described in detail.
  • the atomic layer growth apparatus and the thin film formation method of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and do not depart from the spirit of the present invention.
  • various improvements and changes may be made.
  • ALD apparatus 11 Feeding unit 11a Light detection sensor 11b Control part 11c Reflected power measurement part 12 Film-forming container 14,15 Gas supply part 16,17 Exhaust part 22,23 Supply pipe 24,25 Exhaust hole 26 Antenna element 28 Film Forming Room 29 Shower Head 30 Heater 32 Substrate Stage 38 Impedance Matching Device 39 Monopole Antenna 42 Substrate 40 Cylindrical Member

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Abstract

　原子層成長装置は、成膜容器内に水素を含む有機金属ガスを導入して、基板上に有機金属の成分を吸着させる。次に、装置は、成膜容器内に酸化ガスまたは窒化ガスを導入してプラズマを発生させ、基板に積層した有機金属の成分を酸化または窒化させる。プラズマを発生させたとき、装置は、基板上で発光する光の所定の波長の発光強度を、成膜容器に設けられた観測窓を通して検出する。検出した発発光強度が所定値以下になるとき、装置は、プラズマの発生を停止する。

Description

原子層成長装置および薄膜形成方法
　本発明は、水素を含む有機金属の成分を吸着した基板に酸化ガスあるいは窒化ガスを用いてプラズマを発生させて薄膜を形成する原子層成長装置および薄膜形成方法に関する。
　基板上に原子層単位で薄膜を形成する原子層成長法（以下、省略してＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法ともいう）が知られている。ＡＬＤでは、形成しようとする膜を構成する元素を主成分とする２種類のガスが成膜対象基板上に交互に供給され、基板上に原子層単位で薄膜が形成される。この原子単位の薄膜の形成が、複数回繰り返されて所望厚さの膜が形成される。例えば、基板上にＡｌ2Ｏ3膜が形成される場合、ＴＭＡ（Tri-Methyl Aluminum）からなる原料ガスとＯを含む酸化ガスが用いられる。また、基板上に窒化膜が形成される場合、酸化ガスの代わりに窒化ガスが用いられる。
　ＡＬＤ法では、原料ガスを供給している間に１層あるいは数層の原料ガス成分だけが基板表面に吸着され、余分な原料ガスは薄膜の成長に寄与しない、いわゆる成長の自己停止作用（セルフリミット機能）を利用する。
　ＡＬＤ法で形成される薄膜は、一般的なＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法で形成される薄膜と比較して高い段差被覆性と膜厚制御性を併せ持ち、メモリ素子のキャパシタや、「high-kゲート」と呼ばれる絶縁膜の形成への実用化が期待されている。また、３００℃程度の低温で絶縁膜が形成可能であるため、ガラス基板を用いる、液晶ディスプレイ等の表示装置における薄膜トランジスタのゲート絶縁膜の形成への適用なども期待されている。
　このＡＬＤ法において、基板に吸着した原料ガスの成分を酸化するとき、酸化ガスを用いてプラズマを発生させることによって生じる酸素ラジカルを用いて、基板に吸着した原料ガスの成分を酸化する。このときプラズマの発生時間は数１００ｍ秒～数秒に固定されて処理が行われる。
　例えば、下記特許文献１には、窒化タンタル膜のプラズマＡＬＤが記載されている。当該文献１では、還元のために用いるＨ２プラズマパルスの発生時間は、２０００～４０００ｍ秒に固定されて設定されている（当該文献［００６４］参照）。
特開２００８－１８４６８８号
　このようなＡＬＤ法において、酸化膜もしくは窒化膜を形成するために、酸化ガスまたは窒化ガスを用いてプラズマを発生させた場合、酸化膜もしくは窒化膜等の薄膜の厚さや特性（稠密度、耐圧性、屈折率）が、発生するプラズマの密度分布に対応してばらついて不均一になることが多い、といった問題点がある。
　そこで、本発明は、上記問題点を解決するために、酸化膜もしくは窒化膜等の薄膜の厚さや特性が均一になるように薄膜を形成し、かつ、この薄膜を効率よく形成することのできる原子層成長装置および薄膜形成方法を提供することを目的とする。
　本発明の一態様は、薄膜を形成する原子層成長装置である。
　当該装置は、
　酸化ガスあるいは窒化ガスを用いて、高周波電力の供給によりプラズマを発生させるプラズマ発生源と、このプラズマ発生源に対向する位置に、水素を含む有機金属の成分を吸着した基板が載置される基板ステージとが配設された成膜容器と、
　前記プラスマの発生によって前記基板上で発光する光の所定の波長の発光強度を、成膜容器に設けられた観測窓を通して検出する発光強度検出部と、
　前記発光強度検出部で検出した発光強度の値が所定値以下になるとき、前記プラズマ発生源の高周波電力の供給を停止する電力制御部と、を有する。
　さらに、本発明の別の一態様は、薄膜を形成する薄膜形成方法である。
　当該方法は、
　成膜容器内に水素を含む有機金属ガスを導入して、基板上に水素を含む前記有機金属の成分を吸着させるステップと、
　前記成膜容器内に酸化ガスまたは窒化ガスを導入してプラズマを発生し、基板に吸着した前記有機金属の成分を酸化または窒化させるステップと、
　前記プラズマを発生させたとき、前記基板上で発光する光の所定の波長の発光強度を、成膜容器に設けられた観測窓を通して検出するステップと、
　検出した前記発光強度の値が所定値以下になるとき、プラズマの発生を停止するステップと、を有する。
　上述の原子層成長装置および薄膜形成方法では、基板上で発光する光の所定の波長の発光強度を、成膜容器に設けられた観測窓を通して検出し、検出した発光強度の値が所定値以下になるとき、プラズマ発生源への高周波電力の供給を停止する。このように、基板は、必要な時間のみプラズマに晒されるので、プラズマの発生密度分布に対応して不均一に薄膜が形成されることはない。つまり、薄膜の厚さや特性が均一になるように、薄膜を形成し、かつこの薄膜を効率よく形成することができる。
本発明の原子層成長装置の一実施例であるＡＬＤ装置の構成を表す概略図である。 図１に示すＡＬＤ装置におけるアンテナアレイと給電ユニットを説明する図である。 （ａ）は、光検出センサで検出される光強度の時間変化の一例を示すグラフであり、（ｂ）は、反射電力の時間変化の一例を示すグラフである。
　以下、本発明の原子層成長装置および薄膜形成方法について詳細に説明する。
　図１は、本発明の原子層成長装置の一実施例であるＡＬＤ装置の構成を表す概略図である。図２は、図１に示すＡＬＤ装置におけるアンテナアレイと給電ユニットを説明する図である。
　図１に示すＡＬＤ装置１０は、ＴＭＡ（Tri-Methyl Aluminum）等の水素を有する有機金属の原料ガスとＯを含む酸化ガスとが用いられて薄膜を形成する。その際、ＡＬＤ装置１０は、有機金属の原料ガスと酸化ガスを成膜対象の基板４２上に交互に供給する。ＡＬＤ装置１０は、酸化ガスを供給する時、反応活性を高めるために、Ｏを含む酸化ガスを用いてプラズマを発生させて基板上に原子層単位で金属酸化物の薄膜を形成する。上記処理を１サイクルとして、上記処理が複数サイクル繰り返されることにより所望の厚さの薄膜が形成される。なお、酸化ガスの替わりに窒化ガスを用いることもできる。ＴＭＡを有機金属として用いた場合、基板上にＡｌ2Ｏ3の薄膜が形成される。
　ＡＬＤ装置１０は、給電ユニット１１と、成膜容器１２と、ガス供給部１４，１５と、真空ポンプなどの排気部１６，１７と、を有する。以下、基板上に酸化膜を形成する場合を例に挙げて説明するが、窒化膜の場合も同様である。
　給電ユニット１１は、成膜容器１２に設けられている後述するアンテナアレイの各アンテナ素子２６に電力（高周波信号）を供給するユニットである。給電ユニット１１は、光検出センサ１１ａと、制御部１１ｂと、反射電力計測部１１ｃと、電力供給部３４と、分配器３６と、を有する。
　図２に示すように、分配器３６は、電力供給部３４で生成された高周波信号を各アンテナ素子２６に供給する。分配器１３から各アンテナ素子２６にいたる給電線の長さは同じである。
　ガス供給部１４は、供給管１８を介して、成膜容器１２の一方の側壁（図中左壁）に形成された供給孔２０に接続されている。ガス供給部１４は、供給管１８および供給孔２０を介して、成膜容器１２内に原料ガスである水素を有する有機金属のガスを水平方向に供給する。また、ガス供給部１５は、供給管１９を介して、成膜容器１２の上壁に形成された供給孔２１に接続されている。ガス供給部１５は、供給管１９および供給孔２１を介して、成膜容器１２内に酸化ガスを基板に対して垂直方向に供給する。原料ガスの供給と酸化ガスの供給は交互に行われる。
　なお、本実施形態では、ガス供給部１４が、供給管１８および供給孔２０を介して、成膜容器１２内に原料ガスである有機金属のガスを供給し、ガス供給部１５が、供給管１９および供給孔２１を介して、成膜容器１２内に酸化ガスを供給する。しかし、ガス供給部１４が、供給管１８および供給孔２０を介して、成膜容器１２内に酸化ガスを供給し、ガス供給部１５が、供給管１９および供給孔２１を介して、成膜容器１２内に原料ガスである有機金属のガスを供給してもよい。
　一方、排気部１６は、排気管２２を介して、成膜容器１２の、右壁に形成された排気孔２４に接続されている。排気部１６は、排気孔２４および排気管２２を介して、成膜容器１２内に交互に供給された原料ガスおよび酸化ガスを水平方向に排気する。また、排気部１7は、排気孔２５および排気管２３を介して、成膜容器１２内を鉛直方向に真空引きする。原料ガスの排気と酸化ガスの排気は交互に行われる。
　図示されないが、供給管１８，１９の途中には、ガス供給部１４，１５と成膜容器１２との導通を制御する開閉弁（例えば、電磁弁）が設けられ、排気管２２，２３の途中には、それぞれ、排気部１６，１７と成膜容器１２との導通を制御する開閉弁が設けられている。
　ガス供給部１４から成膜容器１２の成膜室２８内に原料ガスを供給する場合には供給管１８の開閉弁が開放され、成膜室２８内にガスを供給する。ガス供給部１５から成膜容器１４の成膜室２８内に酸化ガスを供給する場合には供給管１９の開閉弁が開放され、ガスを供給する。供給されたガスを排気する場合には排気管２２の開閉が開放される。一方、成膜容器１２を真空引きする場合には排気管２３の開閉弁が開放される。
　成膜容器１２は、金属製の中空箱形の形状を成して、接地されている。成膜容器１２の内部には、上壁側から下壁側に向かって順に、所定径の複数の孔が開孔された金属製板状のシャワーヘッド２９、複数のアンテナ素子２６からなるアンテナアレイ、ヒータ３０を内蔵する基板ステージ３２が配設されている。成膜容器１２とシャワーヘッド２９は接地されている。アンテナアレイは、アンテナ素子２６が配列される仮想平面が基板ステージ３２と平行になるように配設されている。
　シャワーヘッド２９は、例えば、矩形の金属製部材である。図１に示すように、シャワーヘッド２９は、成膜容器１２の上壁とアンテナアレイとの間に、基板ステージ３２と平行に、成膜容器１２の内壁面に取り付けられている。シャワーヘッド２９に形成された複数の孔は、複数のアンテナ素子２６の各々の両側（図中左右）の位置に間歇的に（所定の間隔毎）設けられている。この複数の孔は、複数のアンテナ素子２６の各々の長手方向（図中紙面に垂直な方向）に沿った細長い形状を成している。
　ガス供給部１５から成膜室２８内に供給された酸化ガスは、成膜室２８の上壁とシャワーヘッド２９の上面との間の空間に拡散された後、シャワーヘッド２９に形成された複数の孔を介して、成膜容器１２の上側から下側に向けてシャワーヘッド２９の下側の空間に導入（供給）される。
　アンテナアレイは、酸化ガスを用いてプラズマを発生させる。アンテナアレイは、成膜容器１２の、供給孔２０が形成された左壁と、排気孔２４が形成された右壁との間で、かつ、シャワーヘッド２９と基板ステージ３２との間の空間に、基板ステージ３２の面に平行に設けられる。アンテナアレイを構成する複数のアンテナ素子２６が一定の間隔で平行に配設されている。複数のアンテナ素子２６のそれぞれは、酸化ガスを供給する、シャワーヘッド２９の複数の孔の直下に来ないように、成膜容器１２の横方向（図１中、左右方向）にずらして設けられている。
　図２に示すように、電力供給部３４で発生されたＶＨＦ帯（例えば、８０ＭＨｚ）の高周波信号（高周波電力）が分配器３６に供給され、分配器３６において、高周波信号が分割される。これらの高周波信号が複数のアンテナ素子２６の突出する基部に、インピーダンス整合器３８を介して供給される。インピーダンス整合器３８は、プラズマの発生中にアンテナ素子２６の負荷の変化によって生じるインピーダンスの不整合を調整する。
　なお、アンテナ素子２６は、例えば、銅、アルミニウム、白金等の導電性の棒状のモノポールアンテナ（アンテナ本体）３９が、例えば、石英やセラミックなどの誘電体からなる円筒部材４０に収納されて構成されている。アンテナ本体３９を誘電体で覆うことにより、アンテナとしての容量とインダクタンスが調整され、アンテナ本体３９の長手方向に沿って高周波信号を効率よく伝播させることができる。これにより、アンテナ素子２６は、周囲に電磁波を効率よく放射させることができる。
　アンテナ素子２６のそれぞれは、供給孔２０から基板ステージ３２に向けて供給される原料ガスの流れ方向に対して直交する方向に延び、かつ、電気的に絶縁されて成膜容器１２の側壁から突出するように取り付けられている。また、アンテナ素子２６のそれぞれは、一定の間隔、例えば５０ｍｍ間隔で平行に配設されており、隣接したアンテナ素子２６間の給電位置が互いに対向する側壁になるように設けられている。
　また、アンテナ素子２６のそれぞれは、基板ステージ３２の基板載置面と平行な方向に配置される。さらに、複数のアンテナ素子２６の配列方向は基板ステージ３２の基板載置面と平行な方向である。
　アンテナ素子２６は、例えば直径約６ｍｍのアンテナ本体を、直径約１２ｍｍの誘電体の円筒部材中に設けて構成されている。成膜容器１２内の圧力が２０Ｐａ程度の場合、給電ユニット１１から約１６００Ｗの高周波信号を供給すると、アンテナ素子２６のアンテナ長が高周波信号の波長の（２ｎ＋１）／４倍（ｎは０または正の整数）に等しい条件で、高周波信号の定在波が生じてアンテナ素子２６は共振状態となる。これにより、アンテナ素子２６の周囲に電磁波が放射されプラズマが発生する。
　基板ステージ３２は、成膜容器１２の内壁面で囲まれる空間の断面よりも小さい面積を有する。基板ステージ３２は、例えば矩形の金属板であり、図示されないパワーシリンダ等の昇降機構により上下に昇降される。基板ステージ３２には、薄膜を形成する基板４２が載置される。
　給電ユニット１１は、光検出センサ１１ａと、制御部１１ｂと、反射電力計測部１１ｃと、電力供給部３４と、分配器３６と、を有する。
　基板ステージ３２に載置された基板４２の上方の、成膜容器１２の側壁には、石英等の透明部材により観測窓３３が設けられている。
　光検出センサ１１ａは、成膜容器１２の外側の、観測窓３３に対応する部分に設けられている。光検出センサ１１ａの受光面の前面には、所定の波長の光を透過するバンドパスフィルタが設けられている。これにより、光検出センサ１１ａは、特定の波長の光を受光して発光強度を検出するように構成されている。光検出センサ１１ａで出力した信号は、制御部１１ｂに送られる。バンドパスフィルタは、６５６．３ｎｍの水素ラジカルの発光を主に検出するために、６５５．３～６５７．３ｎｍの波長帯域を少なくとも透過帯域とする。
　このように成膜容器１２に観測窓３３を設けて、所定の波長の光を検出するのは、以下の理由による。
　すなわち、プラズマ中で酸化ガスから解離生成した酸素ラジカルが、基板４２上に吸着した水素原子を有する有機金属分子と反応し、その際に生成する水素ラジカルがプラズマ中で励起され特定の光を放出する。光検出センサ１１ａはこの放出した光を検出し、この検出結果がプラズマの発生の制御に用いられる。
　より具体的に説明すると、基板に吸着された有機金属の成分が、酸素ラジカルを用いて酸化されるとき、水素ラジカルが発生する。この水素ラジカルがプラズマ中で励起されたとき、特定の波長の光を発光する。ＴＭＡ等の有機金属には水素原子が含まれているため、この有機金属の成分が吸着された基板上で酸化反応が生じると、基板表面に吸着した有機金属の水素原子は金属原子から分離され、その替わり酸素ラジカルが金属と結合して金属原子は酸化する。この分離した水素ラジカルは、プラズマ中で励起される。この水素ラジカルが安定化するとき発光する。この水素ラジカルの発光は、酸素ラジカルが有機金属の成分と反応する時に生じるので、水素ラジカルの発光を検出しこの光の強度変化を調べることにより、金属の酸化反応の進行を知ることができる。この酸化反応が終わると、酸素ラジカルを供給しても、もはや基板上で酸化は進行しない。このため、これ以降プラズマの発生を持続させる必要はない。プラズマの発生を続けると、逆にプラズマにより形成された酸化膜がダメージを受ける可能性が高くなる。したがって、給電ユニット１１は、水素ラジカルの発光強度を検出することで、酸化反応の進行を知ることができ、この酸化反応の進行が終了すると、プラズマの発生を終了するように制御する。
　反射電力計測部１１ｃは、電力供給部３４からの高周波信号の電圧と電流を計測することにより、アンテナ素子２６で反射する反射電力を計測する。計測した反射電力は制御部１１ｂに送られる。反射電力を計測するのは、高周波電力の給電によってプラズマの発生開始時期を知るためである。プラズマの発生は、高周波電力の給電で直ちに開始する訳ではなく、共振を起こして反射電力が低下した時点でプラズマは発生する。そのとき、共振するまでの時間は変動する。したがって、給電ユニット１１は、このプラズマの発生開始のタイミングを知り、反射電力が予め設定された値以下になった時点を基準として、光検出センサ１１ａによる発光強度の値の検出を開始する。
　制御部１１ｂは、このようなプラズマの発生開始時期を判定し、光検出センサ１１ａによる発光強度の値の検出を開始し、発光強度の検出結果に応じて高周波信号の供給を停止する制御を行う。
　電力供給部３４は、制御部１１ｂの指示に応じて、例えば、８０ＭＨｚ等の高周波信号を生成する部分である。
　図３（ａ）は、光検出センサ１１ａで検出される発光強度の時間変化の一例を示すグラフである。０秒において、アンテナ素子２６への高周波信号の供給を開始し、その後、プラズマが発生し、水素ラジカルによる発光がＴ1秒に開始する。すなわち、酸化反応が開始する。その後、発光強度はピーク（ピーク時の発光強度Ｐmax）を迎えた後、発光強度Ｐmaxのα倍（αは０より大きく１以下の所定値）により定めた閾値を発光強度がＴ2秒に横切る。このとき、図３（ｂ）に示すように、反射電力は略Ｔ1秒で反射電力は予め設定された値以下になる。すなわち、略Ｔ1秒でプラズマの発生は開始する。
　制御部１１ｂは、このようなとき、Ｔ1秒を酸化反応の開始時期とし、Ｔ2秒を酸化反応の終了時期として、光検出センサ１１ａの光強度の検出および電力供給部３４の電力の供給を制御する。
　上記例において、プラズマ発生時間は(Ｔ2－Ｔ1)秒であり、例えばαを１／ｅ（ｅは、自然対数の底）としたとき、プラズマ発生時間(Ｔ2－Ｔ1) 秒は略数１０ｍ秒である。このプラズマ発生時間は、従来のような数１００ｍ秒～数秒に固定されたプラズマ発生時間に比べて極めて短い。
　このようにして、ＡＬＤ装置１０は、酸化した薄膜を原子層単位で形成することを複数回繰り返して所望厚さの薄膜を形成する。
　上記実施形態では、光検出センサ１１ａを用いて酸化反応の進行を、水素ラジカルの発光により知ることができるので、酸化反応が終了した状態を知ることができる。また、基板に形成された薄膜は、プラズマに不必要に長時間晒されないので、薄膜の膜厚および特性が従来に比べて均一になる。さらに、不必要なプラズマ発生時間がなくなるので薄膜の形成を短時間に効率よく行うことができる。
　このようなＡＬＤ装置１０は、まず、成膜容器１２内に水素を含む有機金属のガスをガス供給部１４から導入して、基板４２上に有機金属の成分を吸着させる。その後、ＡＬＤ装置１０は、成膜容器１２内にＯを含む酸化ガスをガス供給部１５から導入し、それと同時に、アンテナ素子２６に給電してプラズマを発生させる。これによって生成される酸素ラジカルを用いて、基板に吸着した有機金属の成分が酸化される。
　プラズマが発生し、酸化反応が発生したとき、基板上で水素ラジカルが発生する。この水素ラジカルが励起され安定化するとき発光する。この光の発光強度が、成膜容器１２に設けられた観測窓３３を介して光検出センサ１１ａで検出される。制御部１１ｂは、検出した発光強度の値が所定値以下になるとき、プラズマの発生を停止するように、電力供給部３４からの電力の供給を停止する。なお、有機金属のガスおよび酸化ガスを交互に置換して流すとき、ガスの置換時、不活性ガス等を流すことにより成膜室２８内のガスを正確に入れ替えるようにするとよい。
　一方、プラズマを発生させるアンテナ素子２６に高周波電力を供給するとき、反射電力を計測し、この反射電力が予め設定された値以下になった時点を基準として、発光強度の値の検出を開始する。また、発光強度を検出するとき、６５５．３～６５７．３ｎｍを透過帯域として含むバンドパスフィルタを用いて発光強度を検出する。
　なお、上記実施形態は、酸化ガスを用いて金属酸化膜を形成する場合であるが、酸化ガスの替わりに窒化ガスを用いて金属を窒化させるとき、本発明を適用することもできる。
　さらに、プラズマの発生は、プラズマ発生源としてアンテナを用いる電磁波結合型の替わりに、誘導結合型あるいは容量結合型の発生源を用いて行うこともできる。すなわち、プラズマを発生させる装置であれば特に制限されない。
　以上、本発明の原子層成長装置および薄膜形成方法について詳細に説明したが、本発明の原子層成長装置および薄膜形成方法は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
　１０　ＡＬＤ装置
　１１　給電ユニット
　１１ａ　光検出センサ
　１１ｂ　制御部
　１１ｃ　反射電力計測部
　１２　成膜容器
　１４，１５　ガス供給部
　１６，１７　排気部
　２２，２３　供給管
　２４，２５　排気孔
　２６　アンテナ素子　
　２８　成膜室
　２９　シャワーヘッド
　３０　ヒータ
　３２　基板ステージ
　３８　インピーダンス整合器
　３９　モノポールアンテナ
　４２　基板
　４０　円筒部材

Claims (8)

  1. 　薄膜を形成する原子層成長装置であって、
    　酸化ガスあるいは窒化ガスを用いて、高周波電力の供給によりプラズマを発生させるプラズマ発生源と、このプラズマ発生源に対向する位置に、水素を含む有機金属の成分を吸着した基板が載置される基板ステージとが配設された成膜容器と、
    　前記プラスマの発生によって前記基板上で発光する光の所定の波長の発光強度を、成膜容器に設けられた観測窓を通して検出する発光強度検出部と、
    　前記発光強度検出部で検出した発光強度の値が所定値以下になるとき、前記プラズマ発生源の高周波電力の供給を停止する電力制御部と、を有することを特徴とする原子層成長装置。
  2. 　前記電力制御部は、前記プラズマ発生源に供給する高周波電力の反射電力を計測し、反射電力が予め設定された値以下になった時点を基準として、前記発光強度の値の検出を開始する、請求項１に記載の原子層成長装置。
  3. 　前記発光強度検出部は、６５５．３～６５７．３ｎｍを透過帯域として含むバンドパスフィルタを用いて発光強度を検出する、請求項１または２に記載の原子層成長装置。
  4. 　前記プラズマ発生源は、アンテナ、誘導電極、または平行平板電極である、請求項１～３のいずれか１項に記載の原子層成長装置。
  5. 　薄膜を形成する薄膜形成方法であって、
    　成膜容器内に水素を含む有機金属ガスを導入して、基板上に水素を含む前記有機金属の成分を吸着させるステップと、
    　前記成膜容器内に酸化ガスまたは窒化ガスを導入してプラズマを発生し、基板に吸着した前記有機金属の成分を酸化または窒化させるステップと、
    　前記プラズマを発生させたとき、前記基板上で発光する光の所定の波長の発光強度を、成膜容器に設けられた観測窓を通して検出するステップと、
    　検出した前記発光強度の値が所定値以下になるとき、プラズマの発生を停止するステップと、を有することを特徴とする薄膜形成方法。
  6. 　前記発光強度を検出するとき、プラズマを発生させるプラズマ発生源に高周波電力を供給するときの反射電力を計測し、この反射電力が予め設定された値以下になった時点を基準として、前記発光強度の値の検出を開始する、請求項５に記載の薄膜形成方法。
  7. 　前記発光強度を検出するとき、６５５．３～６５７．３ｎｍを透過帯域として含むバンドパスフィルタを用いて発光強度を検出する、請求項５または６に記載の薄膜形成方法。
  8. 　前記プラズマの発生は、アンテナ、誘導電極、または平行平板電極のプラズマ発生源を用いて行う、請求項５～７のいずれか１項に記載の薄膜形成方法。
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