(57)【要約】【課題】安定してプラズマを発生させることができる原子層堆積装置を提供する。【解決手段】基板上に薄膜を形成する原子層堆積装置であって、薄膜の原料である原料ガスを供給する原料ガス供給部と、原料ガスと反応して薄膜を形成する酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、酸化ガスのプラズマを発生させるプラズマ発生部と、原料ガス、及び、酸化ガスを排気する排気部と、を備え、酸化ガス供給部は、酸素ガスを貯蔵する酸素ガス貯蔵部と、酸素ガス貯蔵部に貯蔵された酸素ガスからオゾンを発生させるオゾン発生部と、を備えることを特徴とする原子層堆積装置。【選択図】図１
2011171361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に薄膜を形成する原子層堆積装置であって、
前記薄膜の原料である原料ガスを供給する原料ガス供給部と、
前記原料ガスと反応して前記薄膜を形成する酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
前記酸化ガスのプラズマを発生させるプラズマ発生部と、
前記原料ガス、及び、前記酸化ガスを排気する排気部と、を備え、
前記酸化ガス供給部は、
酸素ガスを貯蔵する酸素ガス貯蔵部と、
前記酸素ガス貯蔵部に貯蔵された酸素ガスからオゾンを発生させるオゾン発生部と、
を備えることを特徴とする原子層堆積装置。
【請求項２】
前記プラズマ発生部は、モノポールアンテナを備える、請求項１に記載の原子層堆積装置。
【請求項３】
基板上に薄膜を形成する原子層堆積方法であって、
前記薄膜の原料である原料ガスを供給する工程と、
前記原料ガスと反応して前記薄膜を形成する酸化ガスを供給する酸化ガス供給工程と、
前記酸化ガスのプラズマを発生させる工程と、
前記原料ガス、及び、前記酸化ガスを排気する工程と、を有し、
前記酸化ガス供給工程は、酸素ガスからオゾンを発生させる工程を有することを特徴とする原子層堆積方法。
【請求項４】
前記プラズマを発生させる工程は、モノポールアンテナを用いて前記酸化ガスのプラズマを発生させる、請求項３に記載の原子層堆積方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に薄膜を形成する原子層堆積装置、及び、原子層堆積方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
段差被覆性に優れ、薄膜を均一に形成する技術として、原子層堆積法（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）が知られている。ＡＬＤ法では、形成しようとする薄膜を構成する元素を主成分とする２種類のガスを基板上に交互に供給し、基板上に原子層単位で薄膜を形成する。ＡＬＤ法では、表面反応の自己停止作用が用いられる。表面反応の自己停止作用とは、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だけが基板表面に吸着し、余分な原料ガスは成膜に寄与しない作用である。そのため、ＡＬＤ法を用いて原子層単位で繰り返し基板上に薄膜を形成することにより、所望の膜厚の薄膜を形成することができる。
【０００３】
一般的なＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法と比較して、ＡＬＤ法は段差被覆性と膜厚制御性に優れている。そのため、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にＡＬＤ法を用いることが期待されている。
また、ＡＬＤ法では、３００℃以下の温度で絶縁膜を形成することができる。そのため、液晶ディスプレイなどのようにガラス基板を用いる表示装置において、薄膜トランジスタのゲート絶縁膜の形成にＡＬＤ法を用いることが期待されている。
【０００４】
ＡＬＤ法は、反応の活性化手段の違いにより、熱ＡＬＤ法とプラズマＡＬＤ法とに大別される。熱ＡＬＤ法は、加熱により反応ガスの反応を促進する方法である。また、プラズマＡＬＤ法は、プラズマにより反応ガスの反応を促進する方法である。プラズマＡＬＤ法を用いた技術として、例えば、モノポールアンテナを用いてプラズマを発生させ、原子状の酸素や窒素を用いて薄膜を形成する技術が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００７／１１４１５５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
プラズマＡＬＤ法を用いた原子層堆積装置では、プラズマにより反応ガスの反応が促進されるため、薄膜の成膜状態はプラズマの点灯状態により影響を受ける。例えば、プラズマの点灯率が低い場合、所定の回数繰り返して原子層単位で基板上に薄膜を形成しても、所望の膜厚の薄膜が形成されないことがある。そのため、プラズマＡＬＤ法においては、安定してプラズマを発生させることが望まれている。
【０００７】
本発明は、安定してプラズマを発生させることができる原子層堆積装置、及び、原子層堆積方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の原子層堆積装置は、基板上に薄膜を形成する原子層堆積装置であって、前記薄膜の原料である原料ガスを供給する原料ガス供給部と、前記原料ガスと反応して前記薄膜を形成する酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、前記酸化ガスのプラズマを発生させるプラズマ発生部と、前記原料ガス、及び、前記酸化ガスを排気する排気部と、を備え、前記酸化ガス供給部は、酸素ガスを貯蔵する酸素ガス貯蔵部と、前記酸素ガス貯蔵部に貯蔵された酸素ガスからオゾンを発生させるオゾン発生部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、前記プラズマ発生部は、モノポールアンテナを備えることが好ましい。
【００１０】
本発明の原子層堆積方法は、基板上に薄膜を形成する原子層堆積方法であって、前記薄膜の原料である原料ガスを供給する工程と、前記原料ガスと反応して前記薄膜を形成する酸化ガスを供給する酸化ガス供給工程と、前記酸化ガスのプラズマを発生させる工程と、前記原料ガス、及び、前記酸化ガスを排気する工程と、を有し、前記酸化ガス供給工程は、酸素ガスからオゾンを発生させる工程を有することを特徴とする。
【００１１】
また、前記プラズマを発生させる工程は、モノポールアンテナを用いて前記酸化ガスのプラズマを発生させることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の原子層堆積装置、及び、原子層堆積方法によれば、安定してプラズマを発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態の原子層堆積装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】プラズマ発生部の一例を示す概略構成図である。
【図３】実施形態の原子層堆積方法の一例を示すフローチャートである。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、基板上に薄膜が形成される工程を示す図である。
【図５】原子層堆積装置の変形例を示す概略構成図である。
【図６】（ａ）は、プラズマ電力とプラズマの点灯率の関係を示す図であり、（ｂ）は、プラズマ電力と酸化層の膜厚の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の原子層堆積装置及び原子層堆積方法を、実施形態に基づいて説明する。
＜実施形態＞
（原子層堆積装置の構成）
まず、図１を参照して、原子層堆積装置の概略構成を説明する。図１は、本実施形態の原子層堆積装置の一例を示す概略構成図である。本実施形態の原子層堆積装置は、原料ガスと酸化ガスを交互に供給することにより、基板上に原子層単位で酸化層を堆積し、薄膜を形成する。本実施形態の原子層堆積装置は、成膜室２００と、原料ガス供給部２１０と、酸化ガス供給部２２０と、プラズマ発生部２３０（図２参照）と、排気部２５０と、を備える。
【００１５】
成膜室２００は、基板台２０２と、昇降部２０６と、シャワーヘッドノズル２０８と、を備える。薄膜を形成する基板１００は、基板台２０２の上に載置される。基板台２０２は、基板１００を加熱する加熱部２０４を備える。昇降部２０６は、基板台２０２を成膜室２００の内部で昇降する。シャワーヘッドノズル２０８は、酸化ガス供給部２２０から成膜室２００の内部に酸化ガスが供給される場所に配置されている。
【００１６】
原料ガス供給部２１０は、成膜室２００の内部に原料ガスを供給する。図１に示される例では、原料ガス供給部２１０は、基板１００と水平な方向に原料ガスを供給する。原料ガス供給部２１０が供給する原料ガスは、例えば、ＴＭＡ（Tri-Methyl-Aluminum）である。
【００１７】
また、酸化ガス供給部２２０は、成膜室２００の内部に酸化ガスを供給する。図１に示される例では、酸化ガス供給部２２０は、基板１００と直交する方向から、シャワーヘッドノズル２０８を介して酸化ガスを供給する。図１に示されるように、酸化ガス供給部２２０は、酸素ガス貯蔵部２２２と、オゾン発生部２２４と、を備える。酸素ガス貯蔵部２２２には、酸素ガスが貯蔵されている。また、酸素ガス貯蔵部２２２は、貯蔵されている酸素ガスをオゾン発生部２２４に供給する。オゾン発生部２２４は、酸素ガス貯蔵部２２２から供給された酸素ガスからオゾンを発生させる。また、オゾン発生部２２４は、オゾンを含む酸素ガスを、シャワーヘッドノズル２０８を介して成膜室２００に供給する。以下の説明では、オゾンを含む酸素ガスを「酸化ガス」と呼ぶ。
なお、原料ガス供給部２１０や酸化ガス供給部２２０は、更に、成膜室２００の内部に不活性ガスを供給することもできる。不活性ガスは、例えば、窒素やアルゴンである。原料ガス供給部２１０や酸化ガス供給部２２０は、原料ガスや酸化ガスが流れる管を用いて不活性ガスを供給してもよいし、原料ガスや酸化ガスが流れる管とは異なる管を用いて不活性ガスを供給してもよい。
【００１８】
プラズマ発生部２３０は、酸化ガス供給部２２０から成膜室２００の内部に供給される酸化ガスのプラズマを発生させる。ここで、図２を参照して、プラズマ発生部２３０の構成について説明する。図２は、プラズマ発生部２３０の一例を示す概略構成図である。図２に示されるように、本実施形態のプラズマ発生部２３０は、高周波電力供給部２３２と、分配器２３４，２３６と、整合器２３８と、モノポールアンテナ２４０と、を備える。
【００１９】
高周波電力供給部２３２は、ＶＨＦ帯（例えば、８０ＭＨｚ）の高周波信号を、分配器２３４に供給する。分配器２３４は、高周波電力供給部２３２から供給された高周波信号を２つの分配器２３６に分配する。分配器２３６は、分配器２３４から分配された高周波信号を、複数の整合器２３８に分配する。図２に示される例では、各分配器２３６は、分配器２３４から供給された高周波信号を４つの整合器２３８に分配する。各整合器２３８は、モノポールアンテナ２４０と接続されている。モノポールアンテナ２４０の長さは、モノポールアンテナ２４０に供給される高周波信号の波長の１／４である。このとき、モノポールアンテナ２４０に定在波が生じて共振し、プラズマが発生する。
なお、図２は、モノポールアンテナ２４０を原子層堆積装置の上面から見た図であり、モノポールアンテナ２４０の断面が図１に示されている。
【００２０】
図１に戻り、排気部２５０は、成膜室２００の内部の原料ガスや酸化ガスを排気する。排気部２５０は、例えば、ドライポンプである。
以上が本実施形態の原子層堆積装置の概略構成である。
【００２１】
（原子層堆積方法）
次に、図３、図４を参照して、上述した原子層堆積装置を用いた原子層堆積方法について説明する。図３は、本実施形態の原子層堆積方法の一例を示すフローチャートである。また、図４（ａ）〜（ｄ）は、基板１００の上に薄膜が形成される工程を示す図である。
まず、原料ガス供給部２１０が、成膜室２００の内部に原料ガス１１０を供給する（ステップＳ１０１）。原料ガス供給部２１０は、例えば、０．１秒間、成膜室２００の内部に原料ガス１１０を供給する。図４（ａ）に示されるように、ステップＳ１０１によって、成膜室２００の内部に原料ガス１１０が供給され、基板１００の上に原料ガス１１０が吸着して吸着層１０２が形成される。
【００２２】
次に、原料ガス供給部２１０が、成膜室２００の内部に不活性ガス１１２を供給する（ステップＳ１０２）。原料ガス供給部２１０は、例えば、０．１秒間、成膜室２００の内部に不活性ガス１１２を供給する。また、排気部２５０が、成膜室２００の内部の原料ガス１１０や不活性ガス１１２を排気する。排気部２５０は、例えば、２秒間、成膜室２００の内部の原料ガス１１０や不活性ガス１１２を排気する。図４（ｂ）に示されるように、ステップＳ１０２によって、成膜室２００の内部に不活性ガス１１２が供給され、基板１００の上に吸着していない原料ガス１１０が成膜室２００からパージされる。
【００２３】
次に、酸素ガス貯蔵部２２２が、酸素ガスをオゾン発生部２２４に供給する。そして、オゾン発生部２２４が、酸素ガス貯蔵部２２２から供給された酸素ガスからオゾンを発生させる（ステップＳ１０３）。次に、オゾン発生部２２４が、オゾンを含む酸素ガス（酸化ガス）を、シャワーヘッドノズル２０８を介して成膜室２００に供給する（ステップＳ１０４）。酸化ガス供給部２２０は、例えば、１秒間、成膜室２００の内部に酸化ガス１１４を供給する。図４（ｃ）に示されるように、ステップＳ１０４によって、成膜室２００の内部に酸化ガス１１４が供給される。
【００２４】
なお、酸素ガス貯蔵部２２２から供給される酸素ガスから、間欠的に、オゾン発生部２２４がオゾンを発生させることが困難な場合もあり得る。この場合、酸素ガス貯蔵部２２２から供給される酸素ガスから、常時、オゾン発生部２２４がオゾンを発生させておいてもよい。例えば、オゾン発生部２２４と成膜室２００との間にバルブを設けておき、オゾンを含む酸素ガス（酸化ガス）を成膜室２００に供給するタイミングでバルブを開くことにより、酸化ガス供給部２２０が、成膜室２００の内部に酸化ガス１１４を供給することができる。
【００２５】
また、プラズマ発生部２３０が、成膜室２００の内部に供給された酸化ガス１１４のプラズマを発生させる（ステップＳ１０５）。プラズマ発生部２３０は、例えば、０．２秒間、酸化ガス１１４のプラズマを発生させる。プラズマ発生部２３０が酸化ガス１１４のプラズマを発生させることにより、酸化ガス１１４が吸着層１０２と反応し、酸化層１０４が形成される。原料ガス１１０がＴＭＡである場合、酸化層１０４は酸化アルミニウムである。
なお、プラズマ発生部２３０が酸化ガス１１４のプラズマを発生させるタイミングは、オゾン発生部２２４が成膜室２００の内部に酸化ガス１１４を供給するタイミングと同時でもよい。
【００２６】
次に、酸化ガス供給部２２０が、成膜室２００の内部に不活性ガス１１２を供給する（ステップＳ１０６）。酸化ガス供給部２２０は、例えば、０．１秒間、成膜室２００の内部に不活性ガス１１２を供給する。また、排気部２５０が、成膜室２００の内部の酸化ガス１１４や不活性ガス１１２を排気する。排気部２５０は、例えば、２秒間、成膜室２００の内部の酸化ガス１１４や不活性ガス１１２を排気する。図４（ｄ）に示されるように、ステップＳ１０６によって、成膜室２００の内部に不活性ガス１１２が供給され、酸化ガス１１４が成膜室２００からパージされる。
【００２７】
以上説明したステップＳ１０１〜Ｓ１０６により、基板１００の上に一原子層分の酸化層１０４が形成される。以下、ステップＳ１０１〜Ｓ１０６を所定回数繰り返すことにより、所望の膜厚の酸化層１０４を形成することができる。また、ステップＳ１０１〜Ｓ１０６を繰り返すことにより、プラズマ発生部２３０は、成膜室２００の内部に供給された酸化ガス１１４のプラズマを間欠的に発生させる。
【００２８】
以上説明したように、本実施形態では、オゾン発生部２２４が、酸素ガス貯蔵部２２２から供給された酸素ガスからオゾンを発生させ、オゾンを含む酸素ガス（酸化ガス）を成膜室２００の内部に供給する。そのため、プラズマ発生部２３０が、成膜室２００の内部に供給された酸化ガス１１４のプラズマを間欠的に発生させる際に、安定して酸化ガスのプラズマを発生させることができる。
【００２９】
（変形例）
上述した実施形態では、酸化ガス供給部２２０が、基板１００と直交する方向から、シャワーヘッドノズル２０８を介して酸化ガスを供給する例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本変形例の原子層堆積装置は、酸化ガス供給部２２０が、基板１００と水平な方向に酸化ガスを供給する。
また、上述した実施形態では、プラズマ発生部２３０がモノポールアンテナ２４０を用いてプラズマを発生する例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本変形例の原子層堆積装置のプラズマ発生部２３０は、平行に対向する２つの電極を用いた容量結合型（ＣＣＰ：Capacitively Coupled Plasma）である。
【００３０】
ここで、図５を参照して、本変形例の原子層堆積装置について説明する。図５は、本変形例の原子層堆積装置の概略構成を示す図である。図１を参照して説明した実施形態と異なり、本変形例の原子層堆積装置は、酸化ガス供給部２２０が、基板１００と水平な方向に酸化ガスを供給する。そのため、本変形例の原子層堆積装置は、シャワーヘッドノズルを備えない。また、本変形例の原子層堆積装置のプラズマ発生部は、図５に示されるように、平行に対向する２つの電極を用いた容量結合型である。具体的には、プラズマ発生部は、上部電極２４２と、整合器２４４と、下部電極２４６と、を備える。上部電極２４２は、整合器２４４に接続されている。また、下部電極２４６は、加熱部２０４を備える。
その他の構成は、上述した実施形態と同様である。
【００３１】
本変形例においても、オゾン発生部２２４が、酸素ガス貯蔵部２２２から供給された酸素ガスからオゾンを発生させ、オゾンを含む酸素ガス（酸化ガス）を成膜室２００の内部に供給する。そのため、プラズマ発生部が、成膜室２００の内部に供給された酸化ガス１１４のプラズマを間欠的に発生させる際に、安定して酸化ガスのプラズマを発生させることができる。
【実施例】
【００３２】
上述した実施形態の原子層堆積装置を用いて、プラズマの安定性を確認する実験を行った。具体的には、上述した実施形態において、加熱部２０４により基板１００の温度を１００℃とした。また、ステップＳ１０４において、酸化ガス供給部２２０が成膜室２００の内部に酸化ガスを供給する流量を、毎分１リットルとした。このとき、酸化ガスの中に５％のオゾンが含まれるようにした。また、ステップＳ１０５において、プラズマを発生させるときの成膜室２００の内部の圧力を１００Ｐａとした。また、ステップＳ１０５において、プラズマ発生部２３０がプラズマを発生させる際の電力を、１００Ｗから１０００Ｗまで、１００Ｗ単位で変化させた。
各プラズマ電力の大きさに対して、上述したステップＳ１０１〜Ｓ１０６を１００回繰り返し、プラズマの点灯率と酸化層１０４の膜厚を測定した。
【００３３】
また、比較例として、上述したステップＳ１０３において、オゾン発生部２２４が酸素ガス貯蔵部２２２から供給された酸素ガスからオゾンを発生させずに、成膜室２００の内部に酸素ガスをそのまま供給する場合についても、同様に、各プラズマ電力の大きさに対して、上述したステップＳ１０１〜Ｓ１０６を１００回繰り返し、プラズマの点灯率と酸化層１０４の膜厚を測定した。
【００３４】
各プラズマ電力の大きさに対するプラズマの点灯率を測定した結果を図６（ａ）に示す。実施形態の測定結果を実線で示し、比較例の測定結果を点線で示す。
図６（ａ）に示されるように、酸化ガス供給部２２０が成膜室２００の内部にオゾンを含む酸素ガスを供給した場合、プラズマ電力が１００Ｗのときの点灯率は０％であったが、プラズマ電力が２００Ｗ以上のときの点灯率は１００％であった。
一方、酸化ガス供給部２２０がオゾンを含まない酸素ガスを供給した場合、プラズマ電力が高くなるにつれて点灯率は上昇したが、点灯率を１００％近くにまで高めるためには、プラズマ電力を１０００Ｗ以上にする必要があることが分かった。
【００３５】
図６（ａ）より、上述した実施形態によれば、オゾン発生部２２４が、酸素ガス貯蔵部２２２から供給された酸素ガスからオゾンを発生させ、オゾンを含む酸素ガス（酸化ガス）を成膜室２００の内部に供給することにより、低いプラズマ電力でも安定してプラズマを点灯させることが分かった。
【００３６】
また、各プラズマ電力の大きさに対する酸化層１０４の膜厚を測定した結果を図６（ｂ）に示す。
図６（ｂ）に示されるように、酸化ガス供給部２２０が成膜室２００の内部にオゾンを含む酸素ガスを供給した場合、プラズマ電力が２００Ｗ以上のときの酸化層１０４の膜厚は約１５０Åで一定であった。
一方、酸化ガス供給部２２０がオゾンを含まない酸素ガスを供給した場合、プラズマ電力が高くなるにつれて酸化層１０４の膜厚が厚くなった。
【００３７】
図６（ｂ）より、上述した実施形態によれば、オゾン発生部２２４が、酸素ガス貯蔵部２２２から供給された酸素ガスからオゾンを発生させ、オゾンを含む酸素ガス（酸化ガス）を成膜室２００の内部に供給することにより、プラズマ電力の影響を受けることなく、所望の膜厚の酸化層１０４を形成できることが分かった。
【００３８】
以上説明したように、上述した実施形態の原子層堆積装置、及び、原子層堆積方法によれば、安定してプラズマを発生させることができる。
以上、本発明の原子層堆積装置、及び、原子層堆積方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。また、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。
【符号の説明】
【００３９】
１００  基板
１０２  吸着層
１０４  酸化層
１１０  原料ガス
１１２  不活性ガス
１１４  酸化ガス
２００  成膜室
２０２  基板台
２０４  加熱部
２０６  昇降部
２０８  シャワーヘッドノズル
２１０  原料ガス供給部
２２０  酸化ガス供給部
２２２  酸素ガス貯蔵部
２２４  オゾン発生部
２３０  プラズマ発生部
２３２  高周波電力供給部
２３４，２３６  分配器
２３８  整合器
２４０  モノポールアンテナ
２４２  上部電極
２４４  整合器
２４６  下部電極
２５０  排気部
【図１】
2011171361.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2011171361.tif 000007
【図６】
2011171361.tif 000008