(57)【要約】【課題】原料ガスと反応ガスとの反応が低下するのを抑制しつつ、成膜速度を向上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】基板の上に薄膜を形成する原子層堆積装置であって、内部が真空に維持される成膜室と、薄膜の原料である原料ガスを成膜室に供給する原料ガス供給部と、加熱触媒体を備える容器と、容器の圧力を計測する圧力計と、原料ガスと反応して薄膜を形成するための反応ガスを容器に供給する反応ガス供給部と、圧力計が計測した圧力に基づいて、反応ガス供給部が反応ガスを供給するタイミングを制御する制御部と、を備えることを特徴とする原子層堆積装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に薄膜を形成する原子層堆積装置であって、
内部が真空に維持される成膜室と、
前記薄膜の原料である原料ガスを前記成膜室に供給する原料ガス供給部と、
加熱触媒体を備える容器と、
前記容器の圧力を計測する圧力計と、
前記原料ガスと反応して前記薄膜を形成するための反応ガスを前記容器に供給する反応ガス供給部と、
前記圧力計が計測した圧力に基づいて、前記反応ガス供給部が前記反応ガスを供給するタイミングを制御する制御部と、
を備えることを特徴とする原子層堆積装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記容器に供給された反応ガスを前記成膜室に供給するタイミングを制御する、請求項１に記載の原子層堆積装置。
【請求項３】
前記反応ガスは、窒素ガスである、請求項１又は２に記載の原子層堆積装置。
【請求項４】
前記基板の温度を１００℃以下に調節する温度調節部を備える、請求項１乃至３のいずれかに記載の原子層堆積装置。
【請求項５】
内部が真空に維持された成膜室の内部で、基板の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ための反応ガスを、加熱触媒体を備える容器に供給する工程と、
前記容器の圧力を計測する計測工程と、
前記計測工程において計測された圧力に基づいて、前記容器に前記反応ガスを供給するタイミングを制御する工程と、
を有することを特徴とする原子層堆積方法。
【請求項６】
前記容器に供給された反応ガスを前記成膜室に供給するタイミングを制御する工程を有する、請求項５に記載の原子層堆積方法。
【請求項７】
前記反応ガスは、窒素ガスである、請求項５又は６に記載の原子層堆積方法。
【請求項８】
前記基板の温度を１００℃以下に調節する工程を有する、請求項５乃至７のいずれか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。
【０００５】
一般に、プラズマＡＬＤ法では、熱ＡＬＤ法に比べて低温で薄膜を形成することができる。しかし、プラズマＡＬＤ法では、基板や薄膜がプラズマによる損傷を受けることがある。
これに対し、熱ＡＬＤ法では、プラズマを用いないため、一般に、基板や薄膜がプラズマによる損傷を受けることがない。しかし、熱ＡＬＤ法では、プラズマＡＬＤ法に比べて高い温度に基板を加熱する必要がある。
【０００６】
従来、熱ＡＬＤ法において、反応ガスを触媒体に接触させることにより、２５０℃以下の温度で薄膜を形成する方法が提案させている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２８５７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記従来の薄膜形成方法では、触媒体が設けられている触媒室に反応ガスを供給するタイミングに合わせて、触媒室と真空チャンバーとを仕切るシャッターバルブが開閉される。そのため、反応ガスの流速が遅い場合には、触媒体に接触し反応ガスが活性化して、真空チャンバーに供給されるが、反応ガスの流速が速くなるにつれて、反応ガスが触媒体に接触する時間が短くなり、反応ガスが十分に活性化しない状態で真空チャンバーに供給されることがある。
【０００９】
ＡＬＤ法では、一原子層分の薄膜を繰り返し堆積させることによって薄膜を形成するため、成膜速度を速くするために、一原子層分の薄膜を形成するのに要する時間を短縮することが好ましい。しかし、上記従来の薄膜形成方法では、一原子層分の薄膜を形成するのに要する時間を短縮するために、反応ガスの流速を速くすると、原料ガスと反応ガスとの反応が不十分となる可能性があった。
【００１０】
本発明は、原料ガスと反応ガスとの反応が低下するのを抑制しつつ、成膜速度を向上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】
【００１１】
本発明の原子層堆積装置は、基板の上に薄膜を形成する原子層堆積装置であって、内部が真空に維持される成膜室と、前記薄膜の原料である原料ガスを前記成膜室に供給する原料ガス供給部と、加熱触媒体を備える容器と、前記容器の圧力を計測する圧力計と、前記原料ガスと反応して前記薄膜を形成するための反応ガスを前記容器に供給する反応ガス供給部と、前記圧力計が計測した圧力に基づいて、前記反応ガス供給部が前記反応ガスを供給するタイミングを制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、前記制御部は、前記容器に供給された反応ガスを前記成膜室に供給するタイミングを制御することが好ましい。
【００１３】
また、前記反応ガスは、窒素ガスであることが好ましい。
【００１４】
また、前記基板の温度を１００℃以下に調節する温度調節部を備えることが好ましい。
【００１５】
本発明の原子層堆積方法は、内部が真空に維持された成膜室の内部で、基板の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ための反応ガスを、加熱触媒体を備える容器に供給する工程と、前記容器の圧力を計測する計測工程と、前記計測工程において計測された圧力に基づいて、前記容器に前記反応ガスを供給するタイミングを制御する工程と、を有することを特徴とする。
【００１６】
また、前記容器に供給された反応ガスを前記成膜室に供給するタイミングを制御する工程を有することが好ましい。
【００１７】
また、前記反応ガスは、窒素ガスであることが好ましい。
【００１８】
また、前記基板の温度を１００℃以下に調節する工程を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の原子層堆積装置、及び、原子層堆積方法によれば、原料ガスと反応ガスとの反応が低下するのを抑制しつつ、成膜速度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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】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３】（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４】実施形態の原子層堆積方法の一例を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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、原料ガスと反応ガス（窒素ガス）を交互に供給することにより、基板上に原子層単位で窒化層を堆積し、薄膜を形成する。窒化層は、例えば、ＳｉＮ、ＡｌＮ、ＴｉＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＣＮ、ＢＮである。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、パージガス供給部２１４と、反応ガス供給部２２０と、容器２３０と、圧力計２４０と、制御部２５０と、排気部２６０と、を備える。
【００２２】
成膜室２００の内部は、排気部２６０によって真空に維持される。成膜室２００は、基板台２０２を備える。薄膜が形成される基板１００は、基板台２０２の上に載置される。基板台２０２は、基板１００の温度を調節する温度調節部２０４を備える。温度調節部２０４は、基板１００の温度を２０℃以上４００℃以下に調節する。温度調節部２０４は、好ましくは、基板１００の温度を１００℃以下に調節する。また、温度調節部２０４は、好ましくは、基板１００の温度を８０℃以上に調節する。
【００２３】
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。基板１００の上にＳｉＮを形成する場合、原料ガス供給部２１０は、アミノシランを供給する。また、基板１００の上にＡｌＮを形成する場合、原料ガス供給部２１０は、アルキルアルミニウムを供給する。また、基板１００の上にＴｉＮを形成する場合、原料ガス供給部２１０は、アミノチタンを供給する。また、基板１００の上にＧａＮを形成する場合、原料ガス供給部２１０は、アルキルガリウムを供給する。また、基板１００の上にＩｎＮを形成する場合、原料ガス供給部２１０は、アルキルインジウムを供給する。また、基板１００の上にＣＮを形成する場合、原料ガス供給部２１０は、メタンを供給する。また、基板１００の上にＢＮを形成する場合、原料ガス供給部２１０は、アルキルボロンを供給する。
【００２４】
原料ガス供給部２１０と成膜室２００との間にはバルブ２１２が設けられている。制御部２５０がバルブ２１２を制御することにより、原料ガス供給部２１０が成膜室２００の内部に原料ガスを供給するタイミングが制御される。
【００２５】
パージガス供給部２１４は、成膜室２００の内部にパージガスを供給する。本実施形態のパージガスは、例えば、アルゴンである。
パージガス供給部２１４と成膜室２００との間にはバルブ２１６が設けられている。制御部２５０がバルブ２１６を制御することにより、パージガス供給部２１４が成膜室２００の内部にパージガスを供給するタイミングが制御される。
【００２６】
反応ガス供給部２２０は、容器２３０の内部に反応ガスを供給する。本実施形態の反応ガスは、窒素ガスである。
反応ガス供給部２２０と容器２３０との間にはバルブ２２２が設けられている。制御部２５０がバルブ２２２を制御することにより、反応ガス供給部２２０が容器２３０の内部に窒素ガスを供給するタイミングが制御される。
【００２７】
容器２３０は、加熱触媒体２３４と、シャワーヘッドノズル２３６と、を備える。反応ガス供給部２２０から供給された窒素ガスは、シャワーヘッドノズル２３６によって、容器２３０の内部に拡散される。容器２３０の内部に拡散された窒素ガスは、加熱触媒体２３４に接触することにより活性化される。
【００２８】
加熱触媒体２３４は、例えば、タングステン、タンタル、モリブデン、バナジウム、白金、トリウムなどの、高融点金属、又はこれらの金属の合金である。加熱触媒体２３４の形状は、例えば、ワイヤ状、網状である。加熱触媒体２３４は、不図示の電源と接続されている。加熱触媒体２３４に電源から電流が供給されることにより、加熱触媒体２３４は、例えば、１０００℃以上の温度に加熱される。
反応ガス供給部２２０から供給された窒素ガスが、１０００℃以上の温度に加熱された加熱触媒体２３４に接触すると、窒素のラジカルが発生する。このようにして、加熱触媒体２３４は、窒素ガスを活性化させる。
【００２９】
容器２３０と成膜室２００との間にはバルブ２３２が設けられている。制御部２５０がバルブ２３２を制御することにより、容器２３０の内部で活性化した窒素ガスを成膜室２００の内部に供給するタイミングが制御される。
【００３０】
容器２３０には、容器２３０の内部の圧力を計測する圧力計２４０が接続されている。圧力計２４０が計測した圧力のデータは、制御部２５０へ供給される。
【００３１】
制御部２５０は、バルブ２１２を開閉するタイミングを制御することにより、原料ガス供給部２１０が成膜室２００の内部に原料ガスを供給するタイミングを制御する。
また、制御部２５０は、圧力計２４０が計測した圧力に基づいて、バルブ２２２を開閉するタイミングを制御する。これにより、制御部２５０は、反応ガス供給部２２０が容器２３０の内部に反応ガスを供給するタイミングを制御する。具体的には、制御部２５０は、容器２３０の内部の圧力を数十Ｐａ〜数ｋＰａに維持するため、容器２３０の内部の圧力が所定の圧力よりも低下したときに、バルブ２２２を開いて容器２３０の内部に反応ガスを供給する。
また、制御部２５０は、バルブ２３２を開閉するタイミングを制御することにより、容器２３０の内部で活性化された反応ガスを成膜室２００の内部に供給するタイミングを制御する。
【００３２】
排気部２６０は、成膜室２００の内部の原料ガスや窒素ガスを排気する。排気部２６０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。
【００３３】
（原子層堆積方法）
次に、図２、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２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３（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。図４は、本実施形態の原子層堆積方法の一例を示すタイミングチャートである。図４の横軸は時間を示し、縦軸は各バルブを開閉するタイミングを示す。
【００３４】
まず、制御部２５０がバルブ２２２を開き、反応ガス供給部２２０から容器２３０の内部に反応ガスを供給する。容器２３０に供給された反応ガスは、加熱触媒体２３４により活性化される（ステップＳ１０１）。
次に、制御部２５０がバルブ２１２を開き、原料ガス供給部２１０から成膜室２００の内部に原料ガスを供給する（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の内部に原料ガス１１０を供給する。図３（ａ）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。
【００３５】
次に、制御部２５０がバルブ２１６を開き、パージガス供給部２１４から成膜室２００の内部にパージガスを供給する（ステップＳ１０３）。パージガス供給部２１４は、例えば、０．１秒間、成膜室２００の内部にパージガス１１２を供給する。また、排気部２６０が、成膜室２００の内部の原料ガス１１０やパージガス１１２を排気する。排気部２６０は、例えば、２秒間、成膜室２００の内部の原料ガス１１０やパージガス１１２を排気する。図３（ｂ）に示されるように、ステップＳ１０３によって、成膜室２００の内部にパージガス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。
【００３６】
次に、制御部２５０がバルブ２３２を開き、容器２３０の内部で活性化した反応ガスを成膜室２００の内部に供給する（ステップＳ１０４）。容器２３０の内部で活性化した反応ガスは、例えば、１秒間、成膜室２００の内部に供給される。図３（ｃ）に示されるように、ステップＳ１０４によって、成膜室２００の内部に活性化した反応ガス（窒素ガス）１１４が供給される。
【００３７】
次に、制御部２５０がバルブ２１６を開き、パージガス供給部２１４から成膜室２００の内部にパージガスを供給する（ステップＳ１０５）。パージガス供給部２１４は、例えば、０．１秒間、成膜室２００の内部にパージガス１１２を供給する。また、排気部２６０が、成膜室２００の内部の原料ガス１１０やパージガス１１２を排気する。排気部２６０は、例えば、２秒間、成膜室２００の内部の原料ガス１１０やパージガス１１２を排気する。図３（ｄ）に示されるように、ステップＳ１０５によって、成膜室２００の内部にパージガス１１２が供給され、反応ガス１１４が成膜室２００からパージされる。
【００３８】
以上説明したステップＳ１０１〜Ｓ１０５により、基板１００の上に一原子層分の窒化層１０４が形成される。以下、ステップＳ１０１〜Ｓ１０５を所定回数繰り返すことにより、所望の膜厚の窒化層１０４を形成することができる。また、ステップＳ１０１〜Ｓ１０５を所定回数繰り返すことにより、容器２３０の内部で活性化した反応ガスは、成膜室２００の内部に間欠的に供給される。
なお、以上説明したステップＳ１０１〜Ｓ１０５において、温度調節部２０４は、基板１００の温度を、例えば、２０℃以上４００℃以下に調節している。
【００３９】
また、ステップＳ１０４において容器２３０の内部を活性化した反応ガスを成膜室２００の内部に供給することにより、容器２３０の内部の圧力が所定の圧力よりも低下した場合に、ステップＳ１０１を行えばよい。そのため、ステップＳ１０１は全てのサイクルで行われる必要はない。
【００４０】
以上説明したように、本実施形態では、加熱触媒体２３４を備える容器２３０が成膜室２００とは別に設けられ、圧力計２４０が計測した圧力に基づいて、制御部２５０が、反応ガス供給部２２０が容器２３０に反応ガスを供給するタイミングを制御する。また、容器２３０の内部で反応ガスが十分に活性化した後に、活性化した反応ガスが成膜室２００の内部に供給される。そのため、本実施形態によれば、原料ガスと反応ガスとの反応が低下するのを抑制しつつ、成膜速度を向上させることができる。
【００４１】
なお、上述した実施形態では、容器２３０に供給された反応ガスを拡散させるためにシャワーヘッドノズル２３６を用いたが、シャワーヘッドノズルを用いなくても加熱触媒体２３４によって反応ガスが十分に活性化する場合は、必ずしもシャワーヘッドノズル２３６を用いる必要はない。
【００４２】
（変形例１）
上述した実施形態では、原料ガスと反応ガス（窒素ガス）を交互に供給することにより、基板上に原子層単位で窒化層を堆積し、薄膜を形成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。例えば、原料ガスと反応ガス（酸素ガス）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、薄膜を形成する場合にも、本発明を適用することができる。
【００４３】
例えば、基板１００の上にＳｉＯを形成する場合、原料ガス供給部２１０は、アミノシランを供給する。この場合、加熱触媒体２３４に電源から電流が供給されることにより、加熱触媒体２３４は、例えば、８００℃以上の温度に加熱される。反応ガス供給部２２０から供給された酸素ガスが、８００℃以上の温度に加熱された加熱触媒体２３４に接触すると、酸素のラジカルが発生する。このようにして、加熱触媒体２３４は、酸素ガスを活性化させる。
【００４４】
本変形例においても、原料ガスと反応ガスとの反応が低下するのを抑制しつつ、成膜速度を向上させることができる。
なお、例えば、ＳｉＯＮのような酸窒化層を基板上に原子層単位で堆積し、薄膜を形成する場合にも本発明を適用することができる。
【００４５】
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や変形例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】
【００４６】
１００  基板
１０２  吸着層
１０４  窒化層
１１０  原料ガス
１１２  パージガス
１１４  反応ガス
２００  成膜室
２０２  基板台
２０４  温度調節部
２１０  原料ガス供給部
２１２，２１６，２２２，２３２  バルブ
２１４  パージガス供給部
２２０  反応ガス供給部
２３０  容器
２３４  加熱触媒体
２３６  シャワーヘッドノズル
２４０  圧力計
２５０  制御部
２６０  排気部
【図１】
2011198885.tif 000003
【図２】
2011198885.tif 000004
【図３】
2011198885.tif 000005
【図４】
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