(57)【要約】【課題】　単原子層蒸着反応装置を提供する。【解決手段】　ガス引込口、ガス排出口及び、ガス引込口とガス排出口とを連結するガス移動通路が設けられた真空容器と、真空容器の内部に位置してガス移動通路と連結されて注入されるガスと内部に位置した試片と反応する反応室と、反応室の内部に位置して前記ガスを均質に供給するガス分配器と、を含む反応器と、真空容器の内部に位置する試片を前記反応室に移動させる試片位置調節器と、反応室と微細管で連結されて反応室で発生するガスを分析する分析器と、を具備する単原子層蒸着反応装置。これにより、単原子層蒸着が可能な圧力及び反応ガスのフローを一定に維持して試片に単原子層を均一に蒸着でき、かつ単原子層蒸着反応と分析とを同時に実施できる。【選択図】　　　図２
2004040120.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　ガス引込口、ガス排出口及び、前記ガス引込口と前記ガス排出口とを連結するガス移動通路が設けられた真空容器と、
　前記真空容器の内部に位置して前記ガス移動通路と連結されて注入されるガスと内部に位置した試片と反応する反応室と、前記反応室の内部に位置して前記ガスを均質に供給するガス分配器と、を含む反応器と、
　前記真空容器の内部に位置する試片を前記反応室に移動させる試片位置調節器と、
　前記反応室と微細管で連結されて前記反応室で発生するガスを分析する分析器と、を具備することを特徴とする単原子層蒸着反応装置。
【請求項２】
　前記ガス分配器は、
　前記ガス引込口を通じて前記反応室に注入される前記ガスを均質に供給する第１ガス分配器と、
　前記反応室の上部に連結されて前記反応室で発生する前記ガスを前記ガス排出口に排出して前記反応室のガスを均質化させる第２ガス分配器と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の単原子層蒸着反応装置。
【請求項３】
　前記第１及び第２ガス分配器は複数のホールが形成された円形のメッシュであることを特徴とする請求項２に記載の単原子層蒸着反応装置。
【請求項４】
　前記第１ガス分配器は前記第２ガス分配器より直径が大きいことを特徴とする請求項３に記載の単原子層蒸着反応装置。
【請求項５】
　前記分析器は四重極子質量分析器であることを特徴とする請求項１に記載の単原子層蒸着反応装置。
【請求項６】
　前記真空容器は楕円偏光分析器を装着するためのポートをさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の単原子層蒸着反応装置。
【請求項７】
　前記真空容器は前記試片を前記真空容器外部に移送するための試片移送通路をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の単原子層蒸着反応装置。
【請求項８】
　前記真空容器は前記試片移動通路と連結される試片移送用ポートをさらに具備することを特徴とする請求項７に記載の単原子層蒸着反応装置。
【請求項９】
　前記試片移送用ポートは外部にさらに設けられる光電子分光分析器と連結されることを特徴とする請求項８に記載の単原子層蒸着反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は単原子層反応装置に係り、より詳細には反応室内の反応ガスの圧力と流量を一定に維持できる単原子層反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
　単原子層蒸着（Atomic Layer Deposition；ＡＬＤ）技術は半導体製造工程で必須の薄膜成長技術のうち一つであって、反応物を順次に注入して除去する方式により単原子層を蒸着（堆積）する方法である。単原子層反応装置はＡＬＤ法を実行する装置であって、内部の反応ガスを試片の表面と反応させることによってその表面に原子層を積層する装置である。
【０００３】
　図１Ａは、トラベリング法を使用した従来のＡＬＤ反応装置を概略的に示す図面である。トラベリング法、すなわち、連続ガスフロー法とは、試片上にガスを連続的に供給して原子層を積層する方法である。図１Ａを参照すれば、ガスは反応容器１３と連結されているガス入口１１を通じて継続的に注入され、注入されたガスは反応容器１３内に設けられた試片１７と反応して原子層をその表面に形成した後、ガス出口１５を通じて外部に排出される。
【０００４】
　トラベリング法を利用した原子層蒸着法によれば、ガスをスイッチングするのに必要な時間が短くなり、均質さに優れた原子層を形成できるが、大型基板への適用が困難であることが問題となる。
【０００５】
　図１Ｂは、シャワーヘッド法を利用する従来の原子層蒸着反応装置を簡略に示す図面である。シャワーヘッド法とは、反応容器内に設けられるシャワーヘッドを通じて試片上に反応ガスを噴射する方法である。図１Ｂを参照すれば、ガスはガス入口２１を通過して反応容器２３内に注入されてシャワーヘッド２９を通じて試片２７に均一に噴射された後、ガス出口２５を通じて外部に排出される。
【０００６】
　シャワーヘッド法を利用した原子層蒸着法は大型基板に適用することが容易な一方、基板とシャワーヘッドとの間隔調節が難しい点で不利である。
【０００７】
　図１Ａ及び図１Ｂに示したＡＬＤ反応装置によれば、ガス出口１５、２５がガス入口１１、２１より大きく形成されて反応後に残留する反応ガスの排出は容易な一方、前述した構造的特徴のために反応が進む間にもガスが供給され続けるべきなのでガスの消耗が多いという短所を有する。また、従来のＡＬＤ反応装置は単一装置で構成されているために、反応がおきる間に発生する副産物を測定したり、原子層の厚さ、密度、化学結合状態などを測定したりできる分析器を別途に装着することが容易ではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
　したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、前述した従来技術の問題点を改善するために、ソースガス及び反応ガスの消耗を減らし、原子層蒸着と同時に反応ガスを分析できる原子層蒸着反応装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
　前記技術的課題を達成するために、本発明はガス引込口、ガス排出口及び、前記ガス引込口と前記ガス排出口とを連結するガス移動通路が設けられた真空容器と、前記真空容器の内部に位置して前記ガス移動通路と連結されて注入されるガスと内部に位置した試片と反応する反応室と、前記反応室の内部に位置して前記ガスを均質に供給するガス分配器と、を含む反応器と、前記真空容器の内部に位置する試片を前記反応室に移動させる試片位置調節器と、前記反応室と微細管で連結されて前記反応室で発生するガスを分析する分析器と、を具備することを特徴とする単原子層蒸着反応装置を提供する。
【００１０】
　前記ガス分配器は、前記ガス引込口を通じて前記反応室に注入される前記ガスを均質に供給する第１ガス分配器と、前記反応室の上部に連結されて前記反応室で発生する前記ガスを前記ガス排出口に排出して前記反応室のガスを均質化させる第２ガス分配器と、を含む。前記第１及び第２ガス分配器は複数のホールが形成された円形のメッシュである。前記第１ガス分配器は前記第２ガス分配器より直径が大きいことが望ましい。前記分析器は四重極子質量分析器である。前記真空容器は楕円偏光分析器を装着するためのポートをさらに具備することが望ましい。前記真空容器は前記試片を前記真空容器外部に移送するための試片移送通路をさらに具備することが望ましく、前記試片移送用ポートは外部にさらに設けられる光電子分光分析器と連結される。
【００１１】
　本発明はＡＬＤが可能な圧力及び反応ガスのフロー（流量）を一定に維持して単原子層を試片上に均一に蒸着でき、ＡＬＤ反応装置内に分析器を設けて蒸着条件が維持される状態で発生するガスを分析して蒸着反応の進行状態を把握でき、外部に分析器をさらに設けて試片を移送して分析することができてＡＬＤと分析とを同時に実施できる。
【発明の効果】
【００１２】
　前述したように本発明のＡＬＤ反応装置は、ＡＬＤが可能な圧力及び反応ガスのフローを一定に維持して試片に単原子層を均一に蒸着でき、かつ蒸着条件を維持する状態で反応がおきる間に発生する副産物を測定したり、あるいは原子層の厚さ、誘電率、化学結合状態などを測定したりすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
　以下、本発明の実施例による原子層蒸着反応装置を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
　図２は、本発明の実施例による原子層蒸着反応装置を簡略に示す構成図である。図２を参照すれば、本発明の実施例による原子層蒸着反応装置は、反応器３１と、反応器３１を内部に含む真空容器３３と、真空容器３３内で試片を移動させる試片位置調節器３５と、反応器３１内の反応ガスを分析する分析器３７と、を有する。
【００１５】
　真空容器３３の内部を真空に維持して反応器３１内で円滑な物理的化学的反応がおきるように雰囲気を形成した後、反応器３１内部にソースガスと反応ガスとを注入すれば、内部に設けられた試片にソースガスと反応ガスとが起こした反応により単原子層が蒸着（堆積）される。単原子層が蒸着される過程中に発生する反応ガス、副産物などは反応器３１と連結される分析器３７を利用して定性的に、定量的に分析することができる。試片位置調節器３５は真空容器３３外部に設けられて真空容器３３内部に位置する試片を反応器３１内部の適当な位置に移動させることができる。
【００１６】
　図３は、本発明の実施例による原子層蒸着反応装置を詳細に示す断面図である。本発明の実施例による原子層蒸着反応装置は前述したトラベリング法とシャワーヘッド法とを結合した蒸着方法を使用する。
【００１７】
　図３を参照すれば、反応器３１は、ソースガスと反応ガスとにより試片４０にＡＬＤがおきる反応室４２と、反応室４２に反応ガスを均質に供給する第１ガス分配器４４と、反応室４２でソースガスと反応ガスとにより内部に配置される試片４０にＡＬＤ反応がおきた後、反応副産物ガスを排出して反応室４２内の反応ガスを均質に維持する第２ガス分配器４６とを有する。
【００１８】
　真空容器３３は、内部に化学気相蒸着（ＣＶＤ；Chemical Vapor Deposition）やＡＬＤのための反応器３１と、反応器３１にガスを注入できるガス引込口５２と、反応器３１で反応が終わった後、発生したガスを排出できるガス排出口５４と、ガス引込口５２とガス排出口５４とを連結するガス移動通路５９とを含み、試片を移送しうる試片移送通路５７と、外部にさらに設けられる光電子分光分析器（図示せず）に試片を移送するように試片移送通路５７と連結される第１及び第２試片移送用ポート５８ａ、５８ｂと、楕円偏光分析器（図示せず）をさらに装着できる第１及び第２ポート５６ａ、５６ｂと、をさらに有する。
【００１９】
　真空容器３３は、内部に反応器３１と分析器３７とを具備するものであってもよく、あるいは外部に他の分析器をさらに具備するものとすることもできるので、ＡＬＤと分析とを同時に実施できる利点がある。すなわち、単原子層が蒸着される過程中に発生するガスを分析することができるので反応の進行状態をリアルタイムで把握でき、分析のための別の装置を必要とせずに一つの装備で蒸着と分析とを同時に実施できる。
【００２０】
　試片位置調節器３５は、試片４０を反応室４２内の単原子層を蒸着できる位置に移動させるか、あるいは楕円偏光分析器が装着される第１及び第２ポート５６ａ、５６ｂ側に移動させて試片４０の厚さ、誘電率などを測定させる。
【００２１】
　分析器３７としては、四重極子質量分析器（ＱＭＳ；Quadrupole Mass Spectrometer）または残留ガス分析器が使われ、反応室４２と微細管４８により連結されて単原子層が蒸着される間に発生するガス、副産物として生成されるガス、試片４０から脱着されるガスなどを検出して成分を分析することができる。
【００２２】
　ＱＭＳは、イオンのそれぞれの分子量を測定する。気相のイオンは四重極子により質量対荷電比によって分類された力、検出器により収集され、検出器内でイオン数に比例する電気的な信号に増幅され、データシステムは増幅された電気的な信号を感知して質量スペクトルに転換する。
【００２３】
　第１及び第２ポート５６ａ、５６ｂに装着された楕円偏光分析器は、偏光光を試片４０に入射して反射された偏光光から試片４０の情報を調べる。
【００２４】
　光電子分光分析器は特定エックス線を入射して試片４０の表面から放出される光電子のエネルギーを分析する装備であって、試片４０表面層の組成及び化学結合状態が分かる。
【００２５】
　ソースガスと反応ガスとはガス引込口５２を通じて反応室４２に注入され、第１ガス分配器４４により反応室４２に均質に供給される。ソースガスと反応ガスとは試片４０と反応して試片４０の表面に単原子層を蒸着する。反応がおきた後、残留ガスは試片４０の中心部に収集されて第２ガス分配器４６を通じて反応ガス排出口５４に排出される。ＡＬＤ過程で発生したガス、副産物として生成されたガス、試料から脱着されたガスは微細管４８を通じて反応室４２から分析器３７に引込まれる。分析器３７がＱＭＳである場合、前述した原理でガスの成分を分析する。
【００２６】
　真空容器３３内のガスは圧力が高い反応室４２から圧力が低い分析器３７側に微細管４８を通じて移動するが、移動するガス量は微細管４８の長さ、断面積、真空容器３３の真空を維持するポンプのポンピング速度などにより決定される。
【００２７】
　図４は、本発明の実施例によるＡＬＤ反応装置の第１ガス分配器の構造を簡略に示す斜視図である。図４を参照すれば、略円形の第１ガス分配器４４の内部には複数のホールが形成されたメッシュ４４ａが形成されて外部から注入されるガスを反応室４２内部に均一に分散する機能をする。第２ガス分配器４６も第１ガス分配器４４と類似した構造を有するように製造されて反応室４２で発生するガスを効率的に反応ガス排出口５４に排出して反応室４２内のガスを均質に維持する。なお、第１ガス分配器４４は第２ガス分配器４６より直径が大きく形成される。
【００２８】
　ＡＬＤ反応ではソースガスが試片に一層または二層以下に蒸着されてからは自己抵抗反応によりこれ以上試片表面に蒸着されないことが知られている。したがって、ソースガスの量が一層蒸着するのに必要な量より多い場合にこれを減らすことによってソースガスの消耗を減らすことができる。図４のように第１及び第２ガス分配器４４、４６を形成してソース及び反応ガスを断面積の広いメッシュ４４ａの外部に流すことによりＡＬＤ反応に必要なソースガス及び反応ガスの消耗を大幅に減らすことができる。
【００２９】
　図５Ａは、本発明の実施例によるＡＬＤ反応装置を使用して蒸着した薄膜から得た光電子分光分析スペクトルであり、図５Ｂは図５ＡのＡ部分を拡大したスペクトルである。
【００３０】
　図５Ａは、約２ｎｍ厚さのＳｉＯ2酸化膜が積層されているシリコン基板に３ｎｍ厚さに蒸着したＨｆＯ2薄膜から得た光電子分光分析スペクトルである。まず、ＨｆＯ2薄膜をシリコン基板のＳｉＯ2上面に蒸着するまでの過程を以下説明する。
【００３１】
　まず図３に示した本発明のＡＬＤ反応装置の反応ガス引込口５２を通じてソースガスＨｆＣｌ4を注入してパージし、また反応ガスＨ2Ｏを注入してパージすれば化学反応によりＨｆＯ2、Ｈ2及びＨＣｌの反応ガスが生成される。反応ガスを注入すると、第１ガス分配器４４により反応室４２内に反応ガスが均一に分散されて、生成された反応副産物ガスは第２ガス分配器４６により反応ガス排出口５４に容易に排出される。
【００３２】
　図５Ａに示したグラフを参照すれば、右側から蒸着されたＨｆＯ2薄膜のＨｆ ４ｆ軌道電子から現れるＨｆピーク、シリコン基板から出るＳｉ（シリコン） ２ｐピーク、Ｓｉ ２ｓピーク、試片が空気中に露出される時に発生する汚染によるＣ（炭素）１ｓピーク、Ｏ（酸素）１ｓピークなどが現れている。
【００３３】
　図５Ｂは、図５ＡのＡ部分を拡大したグラフであって、Ｈｆ ４ｆピークを拡大して示している。図面を参照すれば、Ｈｆ ４ｆのピークが１７ｅＶ程度で現れていてＨｆ元素だけ存在する場合にピークが現れる１９ｅＶより低い結合エネルギーを有するために、検出されたＨｆ ４ｆはＨｆＯ2のＨｆであることがわかる。
【００３４】
　本発明の実施例によるＡＬＤ反応装置は、ＣＶＤやＡＬＤを実施すると同時に反応容器で発生する反応ガスを分析することができる。別途の研究施設や装置を必要とせずに一つの装置でＡＬＤと反応分析とを同時に実施できる長所を有する。
【００３５】
　前記説明では多くの事項が具体的に記載されているが、それらは発明の範囲を限定するものというよりは、望ましい実施例の例示として解釈されねばならない。本発明の範囲は、説明された実施例ではなく特許請求の範囲に記載された技術的思想により定められるべきである。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
　本願発明の単原子層蒸着反応装置は半導体製造工程分野で利用できる。すなわち、半導体チップの製造時に基板上に原子層を蒸着するのに利用でき、単原子層蒸着中、または蒸着完了後に原子層の物理的、科学的状態を測定できる機能も兼備するために原子層分析を必要とするあらゆる技術分野で利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１Ａ】従来のトラベリング法によるＡＬＤを示す概念図である。
【図１Ｂ】従来のイオンシャワー法によるＡＬＤを示す概念図である。
【図２】本発明の実施例によるＡＬＤ反応装置を簡略に示す構成図である。
【図３】本発明の実施例によるＡＬＤ反応装置を示す断面図である。
【図４】本発明の実施例によるＡＬＤ反応装置の第１ガス分配器の斜視図である。
【図５Ａ】本発明の実施例によるＡＬＤ反応装置を使用して蒸着した薄膜から得た光電子分光分析スペクトルである。
【図５Ｂ】図５ＡのＡ部分を拡大したスペクトルである。
【符号の説明】
【００３８】
　３１　　反応器
　３３　　真空容器
　３５　　試片位置調節器
　３７　　分析器
【図１Ａ】
2004040120.tif 000003
【図１Ｂ】
2004040120.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
2004040120.tif 000008
【図５Ｂ】
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