(57)【要約】  従来のプラズマ印加ＡＬＤ装置では、プラズマが反応室の内部で直接発生するので、基板と薄膜とに直接的な物理的な衝撃を与えて薄膜が損傷される問題がある。また、プラズマのエネルギーを調節する機構を設けるのが容易ではないので、プラズマの不均一による薄膜の不均一が問題となる場合が多く報告されている。  本発明では、内部空間を有する反応室、反応室の内部空間の一側に配置され、薄膜形成のための基板が載置される基板支持台、反応室の外側に設置されて反応室の内部空間にリモートプラズマを供給するためのリモートプラズマ発生部、リモートプラズマのエネルギーを調節できるＤＣバイアス部、及び反応室の内部に薄膜形成のためのソースガスを供給するソースガス供給部を含むＡＬＤ装置を提供する。
2008508430.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部空間を有する反応室と、
前記反応室の内部空間の一側に配置され、薄膜形成のための基板が載置される基板支持台と、
前記反応室の外側に設置されて、前記反応室の内部空間にリモートプラズマを供給するためのリモートプラズマ発生部と、
前記リモートプラズマのエネルギーを調節しうるＤＣバイアス部と、
前記反応室の内部に薄膜形成のためのソースガスを供給するソースガス供給部と、を含むことを特徴とするＤＣバイアスを利用したリモートプラズマ原子層蒸着装置。
【請求項２】
前記ソースを前記反応室の内部空間に流入させるためのキャリアガスを供給するキャリアガス供給部をさらに含み、前記リモートプラズマ発生部は、キャリアガス供給部と連通されていることを特徴とする請求項１に記載のＤＣバイアスを利用したリモートプラズマ原子層蒸着装置。
【請求項３】
前記ＤＣバイアス部は、前記キャリアガス供給部に設置されていることを特徴とする請求項２に記載のＤＣバイアスを利用したリモートプラズマ原子層蒸着装置。
【請求項４】
前記リモートプラズマは、前記基板側にシャワーヘッドタイプで提供されることを特徴とする請求項１に記載のＤＣバイアスを利用したリモートプラズマ原子層蒸着装置。
【請求項５】
前記ソースガスは、前記リモートプラズマと分離された経路で前記基板側にシャワーヘッドタイプで提供されることを特徴とする請求項４に記載のＤＣバイアスを利用したリモートプラズマ原子層蒸着装置。
【請求項６】
前記薄膜形成は、シリコン酸化物であることを特徴とする請求項１に記載のＤＣバイアスを利用したリモートプラズマ原子層蒸着装置。
【請求項７】
前記薄膜形成は、シリコン化合物であることを特徴とする請求項１に記載のＤＣバイアスを利用したリモートプラズマ原子層蒸着装置。
【請求項８】
前記薄膜形成は、単結晶化合物であることを特徴とする請求項１に記載のＤＣバイアスを利用したリモートプラズマ原子層蒸着装置。
【請求項９】
前記薄膜形成は、多結晶化合物であることを特徴とする請求項１に記載のＤＣバイアスを利用したリモートプラズマ原子層蒸着装置。
【請求項１０】
前記薄膜形成は、非晶質化合物であることを特徴とする請求項１に記載のＤＣバイアスを利用したリモートプラズマ原子層蒸着装置。
【請求項１１】
前記基板は、シリコン基板であることを特徴とする請求項１に記載のＤＣバイアスを利用したリモートプラズマ原子層蒸着装置。
【請求項１２】
前記基板は、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム、アルミニウム化合物、ガリウム砒素、シリコンカーバイド基板であることを特徴とする請求項１に記載のＤＣバイアスを利用したリモートプラズマ原子層蒸着装置。
【請求項１３】
内部空間を有する反応室を提供する段階と、
前記反応室の内部空間の一側に配置され、薄膜形成のための基板が載置される基板支持台を供給する段階と、
ソースガス供給部から反応室の内部にソースガスを供給する段階と、
反応室の内部空間に流入されるキャリアガスを供給する段階と、
反応室の外側に設置されたリモートプラズマ発生部からリモートプラズマを発生させる段階と、
前記キャリアガス供給部に設置されたＤＣバイアス部に印加された電圧によってリモートプラズマエネルギーを調節する段階と、
ＤＣバイアスを利用してプラズマのイオン、電子を捕獲または加速させる段階と、
リモートプラズマによってソースガスのラジカルの生成を促進して単原子層化合物薄膜を成長させる段階と、
前記基板上に単原子層化合物薄膜を蒸着する段階と、よりなるＤＣバイアスを利用したリモートプラズマ原子層蒸着方法。
【請求項１４】
前記薄膜形成は、シリコン酸化物であることを特徴とする請求項１３に記載のＤＣバイアスを利用したリモートプラズマ原子層蒸着方法。
【請求項１５】
前記薄膜形成は、シリコン化合物であることを特徴とする請求項１３に記載のＤＣバイアスを利用したリモートプラズマ原子層蒸着方法。
【請求項１６】
前記薄膜形成は、単結晶化合物であることを特徴とする請求項１３に記載のＤＣバイアスを利用したリモートプラズマ原子層蒸着方法。
【請求項１７】
前記薄膜形成は、多結晶化合物であることを特徴とする請求項１３に記載のＤＣバイアスを利用したリモートプラズマ原子層蒸着方法。
【請求項１８】
前記薄膜形成は、非晶質化合物であることを特徴とする請求項１３に記載のＤＣバイアスを利用したリモートプラズマ原子層蒸着方法。
【請求項１９】
前記基板は、シリコン基板であることを特徴とする請求項１３に記載のＤＣバイアスを利用したリモートプラズマ原子層蒸着方法。
【請求項２０】
前記基板は、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム、アルミニウム化合物（Ａｌ２Ｏ３）、ガリウム砒素、シリコンカーバイド基板であることを特徴とする請求項１３に記載のＤＣバイアスを利用したリモートプラズマ原子層蒸着方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は薄膜形成装置及び方法に係り、さらに詳細には薄膜を原子層単位で形成する原子層蒸着（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＤ）装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜は、半導体素子の絶縁層及び能動層、液晶表示素子の透明電極、電気発光表示素子の発光層及び保護層のような色々な用途に応用されており、技術の発展によって集積回路、光電子素子及びディスプレイに数ｎｍから数十ｎｍまで厚さの薄膜を一定の厚さに均一に形成することが必要になっている。
【０００３】
このような薄膜は、一般的に、物理的な蒸着方法であるスパッタリング法、蒸気法及び化学的蒸着方法である化学気相蒸着法、ＡＬＤ法によって形成される。このうち、ＡＬＤ法は、各反応物の周期的な供給を通じた化学的置換によって反応物を分解して薄膜を形成する方法であって、既存の他の蒸着法に比べて優秀な段差被覆性と低い不純物含量とが得られ、低温工程が可能であり、膜厚を精密に制御しうる長所を有しており、メモリ用誘電膜、拡散防止膜、ゲート誘電膜のような半導体製造技術の核心的な技術として見なされている。
【０００４】
従来のＡＬＤ法では、ハライド系統のソースガスが多く使用されていたが、ハライド系列のソースは、装置を腐蝕させ、かつ蒸着速度が遅いという短所があるので、最近には有機金属ソースを使用したＡＬＤ法が多く研究されている。しかし、有機金属ソースを使用したＡＬＤ法も不純物含量が多く、かつ薄膜が低い密度を有しているという問題がある。
【０００５】
したがって、不純物の除去及び薄膜の密度改善のために、プラズマを使用して表面反応速度を高め、低い温度で反応を起こらせるプラズマ印加ＡＬＤ法が提示された。しかし、これを実現しようとする従来のＡＬＤ装置では、プラズマが反応室の内部で直接発生するので、基板と薄膜とに直接的な物理的衝撃を与えて薄膜が損傷される問題がある。また、プラズマのエネルギーを調節する機構を設けるのが容易ではないので、プラズマの不均一による薄膜の不均一が問題となる場合が多く報告されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする技術的課題は、プラズマによる薄膜の損傷を最小化させ、さらに均一な薄膜を形成しうるプラズマＡＬＤ装置を提供することである。
【０００７】
本発明が解決しようとする他の技術的課題は、プラズマによる薄膜の損傷を最小化させ、さらに均一な薄膜を形成しうるプラズマＡＬＤ方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を達成するために、本発明によるプラズマＡＬＤ装置は、内部空間を有する反応室、前記反応室の内部空間の一側に配置され、薄膜形成のための基板が載置される基板支持台、前記反応室の外側に設置されて前記反応室の内部空間にリモートプラズマを供給するためのリモートプラズマ発生部、前記リモートプラズマのエネルギーを調節しうるＤＣバイアス部、及び前記反応室の内部に薄膜形成のためのソースガスを供給するソースガス供給部を含むように構成される。
【０００９】
前記他の課題を達成するために、本発明によるプラズマＡＬＤ方法では、内部空間を有する反応室を提供した後、前記反応室の内部に薄膜形成のための基板を載置する。前記反応室の内部にソースガスを供給し、キャリアガスを供給する。前記反応室の外側でリモートプラズマを発生させ、ＤＣバイアスを利用して前記リモートプラズマエネルギーを調節することによってプラズマのイオン、電子を捕獲または加速させる。このようにエネルギー調節されたリモートプラズマによって、前記ソースガスのラジカル生成を促進させて前記基板上に単原子層化合物の薄膜を成長させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明によるプラズマＡＬＤ装置及び方法は、ＤＣバイアスとリモートプラズマを利用することが大きい特徴であるので、“ＤＣバイアスを利用したところのリモートプラズマＡＬＤ装置及び方法”と称すことができる。以下、添付した図面を参照して本発明によるＤＣバイアスを利用したところのリモートプラズマＡＬＤ装置及び方法に関する望ましい実施例を説明する。しかし、本発明は、下記の実施例に限定されず、相異なる多様な形態に具現され、但し、本実施例は、当業者に本発明の範囲を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は特許請求の範囲のみによって定義される。
【００１１】
図１は、本発明の実施例によるＤＣバイアスを利用したリモートプラズマＡＬＤ装置の概略的な図である。図１を参照するに、本発明の装置１００は、大きく薄膜形成のための内部反応室１０とプラズマを発生させるためのリモートプラズマ発生部３０、リモートプラズマを調節するためのＤＣバイアス部５０及びソースガス供給部７０に分けられる。
【００１２】
まず、本発明の装置１００は、薄膜形成反応が起こる内部空間を有する反応室１０を含む。反応室１０の内部空間の一側には、基板支持台１５が配置されており、この基板支持台１５に薄膜形成のための基板１６が載置される。基板１６としては、シリコン（Ｓｉ）基板を使用し、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、アルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）基板を使用することもある。
【００１３】
ソースガス供給部７０は、反応室１０の内部に薄膜形成のためのソースガスを供給する。基板１６に成長させる薄膜物質は、シリコン酸化物のようなシリコン化合物であり、これに適したソースガスを供給する。ここで、ソースガス供給部７０は、シャワーヘッド７０ａと、シャワーヘッド７０ａの一端に連結されてソースガスをシャワーヘッド７０ａに供給するソースガス供給管７０ｂとより構成された例を図示した。このようにシャワーヘッドを利用する場合、従来のトラベリング方式に比べて基板の全面にわたって薄膜の均一性を確保しうる。しかし、ソースガス供給部７０は、リングタイプまたはトラベリング方式でもよく、ここに言及されていない他の方式でも良い。また、当業者に公知されたように、１種類以上のソースガスを供給しなければならない必要がある場合を考慮して、一つ以上のソースガス供給管７０ｂがシャワーヘッド７０ａに連結されうる。ほとんどの場合、特に、有機金属ソースガスの場合、色々な毒性を含有しうるので、シャワーヘッド７０ａの寿命を延長させるためには、ソースガスに対する反応抵抗性に優れる物質であるニッケルでシャワーヘッド７０ａを製作することが望ましい。
【００１４】
本発明の装置１００には、反応室１０に連結されるキャリアガス供給部２５も備えられるが、これは、ソースガスを反応室１０の内部空間に流入させるためのキャリアガスの供給を担当する。そして、反応室１０の外側にはキャリアガス供給部２５と連通されるように、リモートプラズマ発生部３０が設置されている。リモートプラズマ発生部３０は、反応室１０の内部空間にリモートプラズマを供給する。プラズマは、イオン化過程を通じて基板１６に活性粒子を運搬して、塗布される薄膜物質の結合性を向上させ、かつ薄膜成長の均一性を増進させる。
【００１５】
図１のように、ソースガス供給部７０をシャワーヘッドタイプで構成した場合、シャワーヘッド７０ａから噴射されるソースガスとリモートプラズマとを互いに分離された経路に基板１６側に供給させるために、リモートプラズマもシャワーヘッドタイプで提供されるようにシャワーヘッド７０ａを構成することが望ましい。
【００１６】
例えば、シャワーヘッド７０ａの概略的な縦断面の形態を示す図２を参照すれば、シャワーヘッド７０ａでソースガスの経路Ｓとリモートプラズマの経路Ｐとが分離されるように構成しうる。このためには、図３に示したように、シャワーヘッド７０ａの底面にソースガス供給管７０ｂを通じて供給されたソースガスを反応室１０の内部に噴射するために、所定直径の噴射ホール７２を備えることに加えて、噴射ホール７２と別途にリモートプラズマを供給するための貫通ホール７４をさらに形成する。次いで、このようなシャワーヘッド７０ａをキャリアガス供給部２５と連結されるように設置する。これにより、リモートプラズマ発生部３０から発生したプラズマが経路Ｐを通じて基板１６側に供給されうる。
【００１７】
再び、図１を参照して、キャリアガス供給部２５にはリモートプラズマのエネルギーを調節しうるＤＣバイアス部５０がさらに設置される。ＤＣバイアス部５０は、二つの対向電極５０ａ，５０ｂよりなり、第１電極５０ａが（＋）である場合に第２電極５０ｂが（−）となり、逆に、第１電極５０ａが（−）である場合に第２電極５０ｂが（＋）となる。対向電極５０ａ，５０ｂに加えられる電圧を調節してＤＣバイアスを調節することによって、窮極的にはプラズマ内の活性粒子フラックスを調節するようになる。したがって、ＡＬＤ工程に適したプラズマの発生が可能になる。
【００１８】
このように、本発明装置１００のＤＣバイアス部５０を利用すれば、ＲＦプラズマに発生するイオン及び電子のエネルギー調節が可能であり、プラズマの電子方向及び強度を調節しうる。したがって、ソースガスの適切なエネルギーを供給することによって原子層の薄膜蒸着に必要な単原子層の蒸着が可能になる。基板１６に成長させる薄膜物質は、単結晶、多結晶または非晶質化合物でありうる。
【００１９】
このような装置１００を利用して基板１６上に薄膜を蒸着する方法は、次の通りである。
【００２０】
反応室１０内の基板支持台１５上に基板１６を載置した後、ソースガス供給部７０を通じて反応室１０の内部にソースガスを供給する。そして、キャリアガス供給部２５を通じてキャリアガスも供給する。反応室１０の外側に設置されたリモートプラズマ発生部３０でリモートプラズマを発生させ、キャリアガス供給部２５によって設置されたＤＣバイアス部５０を通じてＤＣバイアスを利用し、リモートプラズマのエネルギーを調節する。これにより、プラズマのイオン、電子を捕獲または加速させる。このようにエネルギー調節されたところのリモートプラズマによってソースガスのラジカル生成を促進して基板１６上に単原子層化合物の薄膜を成長させる。
【００２１】
このように、本発明によるＡＬＤ装置及び方法は、リモートプラズマを使用する。反応室１０の外部に設置されたリモートプラズマ発生部３０から発生して反応室の内部空間に流入されつつ、ＤＣバイアス部５０によってエネルギーが調節されたところのリモートプラズマは、従来のように反応室の内部で直接発生するプラズマに比べて基板と薄膜とに直接的な衝撃を与えない。したがって、プラズマによる基板及び薄膜の損傷を最小化させうる。そして、リモートプラズマで蒸着する時、反応炉の内部でのリモートプラズマの寿命の問題によってＲＦプラズマにＤＣバイアスを適用させて、ＲＦプラズマの周波数領域帯である１３.５６ＭＨｚの影響を受けないリモートプラズマが反応炉の内部で前駆体と反応して安定したリモートプラズマの形成を期待できる。
【００２２】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は前記実施例に限定されず、多様な変更や変形が可能である。本発明は特許請求の範囲によって定義される本発明の思想及び範囲内で決定されうる。
【００２３】
本発明の用途は下記の例に限定されるものではないが、このような本発明のＤＣバイアスを利用したリモートプラズマＡＬＤ装置を利用してＡＬＤ方法を行う一つの例として、リモートＨ２、Ｎ２、Ｈ２とＮ２との混合、Ｏ２、ＮＨ３プラズマと有機金属ソース、及びハロゲンソースを周期的に供給して金属、金属酸化物または金属窒化物を基板上に蒸着する方法が可能である。また、各種の化合物、すなわち、単結晶、非晶質、多結晶化合物を基板上に単原子層を蒸着するところに効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明のプラズマＡＬＤ装置は、リモートプラズマを使用することが第１特徴であり、このようなプラズマの活性粒子フラックスをＤＣバイアスでもって調節することが第２特徴である。
【００２５】
反応室の外部に設置されたＤＣバイアスを利用したリモートプラズマ発生部から発生して反応室の内部空間に流入されるプラズマは、反応室の内部で直接発生するプラズマに比べて基板に直接的な衝撃を与えないので、プラズマによる基板及び薄膜の損傷を防止しうる。
【００２６】
また、ＤＣバイアスを利用してリモートプラズマのエネルギーを調節できて、ソースガスの適切なエネルギーを供給することによって、原子層の薄膜蒸着に必要な単原子層の蒸着が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施例によるＤＣバイアスを利用したリモートプラズマＡＬＤ装置の概略的な図である。
【図２】図１の装置に備えられたシャワーヘッドを概略的に示す縦断面図である。
【図３】図１の装置に備えられたシャワーヘッドの底面を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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2008508430.tif 000007