(57)【要約】【課題】原子層成長法による薄膜の形成において、成膜速度をより向上させる。【解決手段】吸着過程の後、成膜室内への原料ガス１２１の導入を停止し、成膜室の内部を排気手段（真空ポンプ）により排気することで、シリコン基板１０１に吸着したもの（アミノシラン分子層１０２）以外の余剰ガスが、一部を残して成膜室から除去された状態とする。例えば、真空ポンプで排気された状態の成膜室内に、窒素ガスなどの不活性ガスを導入して成膜室内をパージし、成膜室内部に一部を残して原料ガス１２１が除去された状態とする。言い換えると、成膜室の内部から、原料ガス１２１が完全に除去された状態とすることなく、パージ過程を終了する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成膜室の内部で、金属の化合物から構成された原料ガスを加熱した基板の表面に供給して、前記金属の化合物が前記基板の表面に吸着した吸着層が形成された状態とする第１工程と、
前記原料ガスの供給を停止した後、一部の前記原料ガスが前記成膜室の内部に残るように前記成膜室の内部より前記原料ガスを除去する第２工程と、
前記原料ガスが残渣する前記成膜室の内部に酸化ガスを導入することで、前記吸着層を酸化して前記基板の上に前記金属の酸化物から構成された吸着酸化層が形成されるとともに、導入された前記酸化ガスと前記成膜室に残渣した一部の前記原料ガスとが反応して堆積された堆積酸化層が前記吸着酸化層の上に形成された状態とする第３工程と
を少なくとも備えることを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項２】
請求項１記載の薄膜形成方法において、
前記酸化ガスの供給を停止した後、一部の前記酸化ガスが前記成膜室の内部に残るように前記成膜室の内部より前記酸化ガスを除去する第４工程と、
前記酸化ガスが残渣する前記成膜室の内部に前記原料ガスを導入する第５工程と
を備えることを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項３】
成膜室の内部で、金属の化合物から構成された原料ガスを加熱した基板の表面に供給して前記金属の化合物が前記基板の表面に吸着した第１吸着層が形成された状態とする第１工程と、
前記原料ガスの供給を停止した後、前記成膜室の内部より前記原料ガスを除去する第２工程と、
前記成膜室の内部に酸化ガスを導入することで、前記第１吸着層を酸化して前記基板の上に前記金属の酸化物から構成された第１吸着酸化層が形成された状態とする第３工程と、
前記酸化ガスの供給を停止した後、一部の前記酸化ガスが前記成膜室の内部に残るように前記成膜室の内部より前記酸化ガスを除去する第４工程と、
前記酸化ガスが残渣する前記成膜室の内部に前記原料ガスを導入することで、導入された前記原料ガスと前記成膜室に残渣した一部の前記酸化ガスとが反応して堆積された堆積酸化層が前記第１吸着酸化層の上に形成された状態とするとともに、前記金属の化合物が前記堆積酸化層の表面に吸着した第２吸着層が形成された状態とする第５工程と、
前記成膜室の内部に酸化ガスを導入することで、前記第２吸着層を酸化して前記堆積酸化層の上に前記金属の酸化物から構成された第２吸着酸化層が形成された状態とする第６工程と
を少なくとも備えることを特徴とする薄膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気相において加熱された基板の上に原料ガスを供給することで、例えば分子層単位で薄膜を形成する薄膜形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
段差被覆性に優れた状態で非常に薄い膜が均一性良く形成できる技術として、原子層成長（Atomic Layer Deposition）法が開発されている（特許文献１，２参照）。原子層成長法は、形成しようとする膜を構成する各元素の原料を基板に交互に供給することにより、原子層単位で薄膜を形成する技術である。原子層成長方法では、各元素の原料を供給している間に１層あるいはｎ層だけを表面に吸着させ、余分な原料は成長に寄与させないようにしている。これを、成長の自己停止作用という。原子層成長方法によれば、一般的なＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法と同様に高い形状適応性と膜厚制御性を併せ持っており、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表示装置の薄膜トランジスタの形成への適用も期待されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平１−１７９４２３号公報
【特許文献２】特開平５−１６０１５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、原子層成長法では、例えば金属酸化膜を形成する場合、金属原料ガスと酸化ガスとの２種類のガスを交互に用いるため、ガスの導入と排気とを繰り返し行うことになる。このため、連続してガスを導入して膜の堆積を行う一般的なＣＶＤ法に比較して、原子層成長法では、単位時間あたりに形成される膜厚が少ない、言い換えると、成膜速度が遅いという問題がある。
【０００５】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、原子層成長法による薄膜の形成において、成膜速度をより向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る薄膜形成方法は、成膜室の内部で、シリコンなどを含む金属の化合物から構成された原料ガスを加熱した基板の表面に供給して、金属の化合物が基板の表面に吸着した吸着層が形成された状態とする第１工程と、原料ガスの供給を停止した後、一部の原料ガスが成膜室の内部に残るように成膜室の内部より原料ガスを除去する第２工程と、原料ガスが残渣する成膜室の内部に酸化ガスを導入することで、吸着層を酸化して基板の上に金属の酸化物から構成された吸着酸化層が形成されるとともに、導入された酸化ガスと成膜室に残渣した一部の原料ガスとが反応して堆積された堆積酸化層が吸着酸化層の上に形成された状態とする第３工程とを少なくとも備えるようにしたものである。
【０００７】
上記薄膜形成方法において、酸化ガスの供給を停止した後、一部の酸化ガスが成膜室の内部に残るように成膜室の内部より酸化ガスを除去する第４工程と、酸化ガスが残渣する成膜室の内部に原料ガスを導入する第５工程とを備えるようにしてもよい。
【０００８】
また、本発明に係る他の薄膜形成方法は、成膜室の内部で、金属の化合物から構成された原料ガスを加熱した基板の表面に供給して金属の化合物が基板の表面に吸着した第１吸着層が形成された状態とする第１工程と、原料ガスの供給を停止した後、成膜室の内部より原料ガスを除去する第２工程と、成膜室の内部に酸化ガスを導入することで、第１吸着層を酸化して基板の上に金属の酸化物から構成された第１吸着酸化層が形成された状態とする第３工程と、酸化ガスの供給を停止した後、一部の酸化ガスが成膜室の内部に残るように成膜室の内部より酸化ガスを除去する第４工程と、酸化ガスが残渣する成膜室の内部に原料ガスを導入することで、導入された原料ガスと成膜室に残渣した一部の酸化ガスとが反応して堆積された堆積酸化層が第１吸着酸化層の上に形成された状態とするとともに、金属の化合物が堆積酸化層の表面に吸着した第２吸着層が形成された状態とする第５工程と、成膜室の内部に酸化ガスを導入することで、第２吸着層を酸化して堆積酸化層の上に金属の酸化物から構成された第２吸着酸化層が形成された状態とする第６工程とを少なくとも備えるようにしたものである。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように、本発明によれば、成膜室の内部に供給された原料ガスや酸化ガスを排気するときに、これらの一部が成膜室の内部に残るようにしたので、排気の時間を短縮することが可能となり、また、吸着層に加えて堆積による層も形成されるので、原子層成長法による薄膜の形成において、成膜速度をより向上させることができるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る薄膜形成方法例を説明するための工程図である。以下では、金属の化合物としてアミノシランを例にして説明する。まず、所定の原子層成長装置の成膜室の内部にシリコン基板１０１を固定し、所定の排気機構により成膜室内を２〜３Ｐａ程度の圧力とし、また、シリコン基板１０１が４００℃程度に加熱された状態とする。なお、シリコン基板１０１が加熱された状態は、一連の薄膜形成が終了するまで継続される。この状態で、成膜室内にアミノシランからなる原料ガス１２１を導入し、図１（ａ）に示すように、シリコン基板１０１の上に原料ガス１２１が供給された状態とする。原料ガス１２１の供給は、例えば約２秒間行う。このことにより、シリコン基板１０１の上に原料であるアミノシラン分子が吸着したアミノシラン分子層（吸着層）１０２が形成された状態とする。
【００１１】
次に、成膜室内への原料ガス１２１の導入を停止し、成膜室の内部を排気手段（真空ポンプ）により排気することで、シリコン基板１０１に吸着したもの（アミノシラン分子層１０２）以外の余剰ガスが、一部を残して成膜室から除去された状態とする。例えば、真空ポンプで排気された状態の成膜室内に、窒素ガスなどの不活性ガスを導入して成膜室内をパージし、成膜室内部に一部を残して原料ガス１２１が除去された状態とする。言い換えると、成膜室の内部から、原料ガス１２１が完全に除去された状態とすることなく、パージ過程を終了する。
【００１２】
このように、本薄膜形成方法では、原料ガス１２１を導入して吸着させる吸着過程の次のパージ過程において、一部の原料ガスが残渣している状態とし、パージ過程を短くするところに特徴がある。ここで、このパージ過程で残す原料ガスの量の制御は、例えば、真空ポンプによる排気の圧力制御により行える。例えば、パージ過程における成膜室内の排気到達圧力を１００Ｐａとすることで、成膜室内に一部の原料ガスが残された状態とすることができる。また、パージ過程で導入する不活性ガスの供給量を制御することでも、パージ過程で残す原料ガスの量の制御が可能である。また、これらを組み合わせてもよい。
【００１３】
次に、図１（ｂ）に示すように、成膜室の内部に例えばオゾンなどの酸化ガス１２２を導入し、酸化ガス１２２がアミノシラン分子層１０２の表面に供給された状態とする。酸化ガス１２２の供給は、約２秒間行う。このことにより、シリコン基板１０１の表面に吸着している分子（アミノシラン分子層１０２）が酸化され、図１（ｂ）に示すように、シリコン基板１０１の表面にシリコン１原子層分の吸着酸化シリコン層１０３が形成された状態とする。また、この酸化過程において、パージ過程で残しておいた原料ガスが、導入された酸化ガス１２２と反応し、吸着酸化シリコン層１０３の上に堆積酸化シリコン層１０４が形成された状態となる。
【００１４】
次に、成膜室内への酸化ガス１２２の導入を停止し、成膜室の内部の酸化ガス１２２を排気する。例えば、真空ポンプで排気された状態の成膜室内に、窒素ガスなどの不活性ガスを導入して成膜室内をパージし、成膜室内部より酸化ガス１２２が除去された状態とする。このパージ過程は、例えば約５秒間行う。
【００１５】
次に、図１（ｃ）に示すように、シリコン基板１０１の上にアミノシランからなる原料ガス１２１を供給し、堆積酸化シリコン層１０４の上に新たなアミノシラン分子層１０５が形成された状態とする。これは、図１（ａ）を用いて説明した吸着過程と同様である。
【００１６】
次に、成膜室内への原料ガス１２１の導入を停止し、成膜室の内部の原料ガス１２１を排気し、吸着したアミノシラン分子層１０５以外の余剰ガスが、一部を残して成膜室から除去された状態とする。言い換えると、成膜室の内部から、原料ガス１２１が完全に除去された状態とすることなく、パージ過程を終了する。
【００１７】
次に、図１（ｄ）に示すように、成膜室の内部に酸化ガス１２２を導入し、酸化ガス１２２がアミノシラン分子層１０５の表面に供給された状態とする。酸化ガス１２２の供給は、約２秒間行う。このことにより、アミノシラン分子層１０５が酸化され、吸着酸化シリコン層１０６が形成された状態とする。また、この酸化過程において、パージ過程で残しておいた原料ガスが、導入された酸化ガス１２２と反応し、吸着酸化シリコン層１０６の上に堆積酸化シリコン層１０７が形成された状態となる。これは、図１（ｂ）を用いて説明した酸化過程と同様である。
【００１８】
以上説明したように、図１（ａ）から図１（ｂ）までの、吸着→部分パージ→酸化→パージの一連の基本工程により、シリコン基板１０１の上に、吸着により形成された酸化シリコン層と堆積により形成された酸化シリコン層とが形成されるようになる。なお、図１では、基本工程を２回繰り返した場合を示している。このように、図１に例示する薄膜形成方法によれば、１回の基本工程で、吸着した層より厚く酸化シリコン層が形成可能である。また、前述したように、図１に例示する薄膜形成方法によれば、吸着過程の次のパージ過程の時間が短縮される。このように、図１に示す薄膜形成方法によれば、従来の原子層成長方法に比較して、より短時間で厚い酸化シリコン層が形成できるようになる。
【００１９】
次に、本発明に係る他の薄膜形成方法について説明する。図２は、本発明の実施の形態に係る薄膜形成方法を説明するための工程図である。まず、所定の原子層成長装置の成膜室の内部にシリコン基板２０１を固定し、所定の排気機構により成膜室内を２〜３Ｐａ程度の圧力とし、また、シリコン基板２０１が４００℃程度に加熱された状態とする。なお、シリコン基板２０１が加熱された状態は、一連の薄膜形成が終了するまで継続される。この状態で、成膜室内にアミノシランからなる原料ガス２２１を導入し、図２（ａ）に示すように、シリコン基板２０１の上に原料ガス２２１が供給された状態とする。原料ガス２２１の供給は、例えば約２秒間行う。このことにより、シリコン基板２０１の上に原料であるアミノシラン分子が吸着したアミノシラン分子層（吸着層）２０２が形成された状態とする。
【００２０】
次に、成膜室内への原料ガス２２１の導入を停止し、成膜室の内部を排気手段（真空ポンプ）により排気することで、シリコン基板２０１に吸着したもの（アミノシラン分子層２０２）以外の余剰ガスが、成膜室から除去された状態とする。例えば、真空ポンプで排気された状態の成膜室内に、窒素ガスなどの不活性ガスを導入して成膜室内をパージし、成膜室内部から原料ガス２２１が除去された状態とする。
【００２１】
次に、図２（ｂ）に示すように、成膜室の内部に例えばオゾンなどの酸化ガス２２２を導入し、酸化ガス２２２がアミノシラン分子層２０２の表面に供給された状態とする。酸化ガス２２２の供給は、約２秒間行う。このことにより、シリコン基板２０１の表面に吸着している分子（アミノシラン分子層２０２）が酸化され、図２（ｂ）に示すように、シリコン基板２０１の表面にシリコン１原子層分の吸着酸化シリコン層２０３が形成された状態とする。
【００２２】
次に、成膜室内への酸化ガス２２２の導入を停止し、成膜室の内部を真空ポンプにより排気することで、酸化ガス２２２が一部を残して成膜室から除去された状態とする。例えば、真空ポンプで排気された状態の成膜室内に、窒素ガスなどの不活性ガスを導入して成膜室内をパージし、成膜室内部に一部を残して酸化ガス２２２が除去された状態とする。言い換えると、成膜室の内部から、酸化ガス２２２が完全に除去された状態とすることなく、パージ過程を終了する。
【００２３】
このように、本薄膜形成方法では、酸化ガス２２２を導入して吸着している層を酸化する酸化過程の次のパージ過程において、一部の酸化ガスが残渣している状態とし、パージ過程を短くするところに特徴がある。ここで、このパージ過程で残す酸化ガスの量の制御は、例えば、真空ポンプによる排気の圧力制御により行える。また、パージ過程で導入する不活性ガスの供給量を制御することでも、パージ過程で残す酸化ガスの量の制御が可能である。また、これらを組み合わせてもよい。
【００２４】
次に、シリコン基板２０１の上にアミノシランからなる原料ガス２２１を供給する。ここで、前述したように、この前の酸化過程で用いた酸化ガスが残っているので、この吸着過程では、初期段階で残っている酸化ガスと供給された原料ガス２２１とが反応し、図２（ｃ）に示すように、吸着酸化シリコン層２０３の上に堆積酸化シリコン層２０４が形成される。この初期段階を経た後、導入された原料ガス２２１が堆積酸化シリコン層２０４の表面に吸着し、新たなアミノシラン分子層２０５が形成された状態となる。
【００２５】
次に、成膜室内への原料ガス２２１の導入を停止し、成膜室の内部を真空ポンプにより排気することで、アミノシラン分子層２０５以外の余剰ガスが、成膜室から除去された状態とする。例えば、真空ポンプで排気された状態の成膜室内に、窒素ガスなどの不活性ガスを導入して成膜室内をパージし、成膜室内部から原料ガス２２１が除去された状態とする。
【００２６】
次に、図２（ｄ）に示すように、成膜室の内部に酸化ガス２２２を導入し、酸化ガス２２２がアミノシラン分子層２０５の表面に供給された状態とする。酸化ガス２２２の供給は、例えば約２秒間行う。このことにより、アミノシラン分子層２０５が酸化され、吸着酸化シリコン層２０６が形成された状態となる。
【００２７】
以上説明したように、図２（ａ）から図２（ｂ）までの、初期の吸着過程の後、パージ→酸化→部分パージ→吸着の一連の基本工程により、シリコン基板２０１の上に、吸着により形成された酸化シリコン層と堆積により形成された酸化シリコン層とが形成されるようになる。なお、図２では、基本工程を１回行い、引き続いて次の基本工程の酸化工程を行った場合を示している。このように、図２に例示する薄膜形成方法によれば、１回の基本工程で、吸着した層より厚く酸化シリコン層が形成可能である。また、前述したように、図２に例示する薄膜形成方法によれば、酸化過程の次のパージ過程の時間が短縮される。このように、図２に示す薄膜形成方法によれば、従来の原子層成長方法に比較して、より短時間で厚い酸化シリコン層が形成できるようになる。
【００２８】
ところで、吸着過程の次のパージ過程で一部の原料ガスを残し、加えて、酸化過程の次のパージ過程で一部の酸化ガスを残すようにしてもよい。このように組み合わせることで、より短時間でより厚く薄膜が形成できるようになる。
【００２９】
なお、上述では、原料ガスとしてアミノシランを用いた酸化シリコン膜の形成を例に説明したが、これに限るものではなく、本発明は、アルキルシラン，アルコキシシランなどよりなる原料ガスを用いた酸化シリコン層の場合であっても、同様に適用可能である。また、本発明は、他の有機金属材料を原料ガスとして用いた金属酸化膜の形成にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態に係る薄膜形成方法例を説明するための工程図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る他の薄膜形成方法例を説明するための工程図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０１…シリコン基板、１０２，１０５…アミノシラン分子層（吸着層）、１０３，１０６…吸着酸化シリコン層、１０４，１０７…堆積酸化シリコン層、１２１…原料ガス、１２２…酸化ガス、２０１…シリコン基板、２０２，２０５…アミノシラン分子層（吸着層）、２０３，２０６…吸着酸化シリコン層、２２１…原料ガス、２２２…酸化ガス。
【図１】
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【図２】
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