(57)【要約】【課題】液体原料の利用効率を向上させ、原料ガスを安定してパルス的に供給す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、原料ガス供給口と反応ガス供給口とが形成された成膜容器と、薄膜の原料である液体原料を貯蔵する液体原料貯蔵部と、液体原料貯蔵部に貯蔵された液体原料を直接気化し、流量を制御する気化制御部と、を含み、原料ガスを原料ガス供給口に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反応ガスを反応ガス供給口に供給する反応ガス供給部と、原料ガスと反応ガスとが交互に供給されるように、原料ガス供給部と反応ガス供給部とを制御する制御部と、原料ガス供給口から供給される原料ガスが衝突するように配置される衝立板と、衝立板の温度を調節する温度調節部と、を有することを特徴とする原子層堆積装置。【選択図】図１
2012167317.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、
原料ガス供給口と反応ガス供給口とが形成された成膜容器と、
前記薄膜の原料である液体原料を貯蔵する液体原料貯蔵部と、前記液体原料貯蔵部に貯蔵された前記液体原料を直接気化し、流量を制御する気化制御部と、を含み、原料ガスを前記原料ガス供給口に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反応ガスを前記反応ガス供給口に供給する反応ガス供給部と、
前記原料ガスと前記反応ガスとが交互に供給されるように、前記原料ガス供給部と前記反応ガス供給部とを制御する制御部と、
前記原料ガス供給口から供給される前記原料ガスが衝突するように配置される衝立板と、
前記衝立板の温度を調節する温度調節部と、
を有することを特徴とする原子層堆積装置。
【請求項２】
前記温度調節部は、前記衝立板の温度が前記液体原料の沸点以上の温度となるように、前記衝立板の温度を調節する、請求項１に記載の原子層堆積装置。
【請求項３】
前記気化制御部は、リキッドインジェクションバルブである、請求項１又は２に記載の原子層堆積装置。
【請求項４】
前記原料ガス供給部は、前記液体原料貯蔵部に貯蔵されている前記液体原料を加圧する加圧部を備える、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】
前記原料ガス供給部は、前記液体原料貯蔵部に貯蔵されている前記液体原料の圧力を検知する圧力検知部を備え、
前記加圧部は、前記圧力検知部が検知した前記液体原料の圧力に基づき、前記液体原料の圧力が一定となるように、前記液体原料を加圧する、請求項４に記載の原子層堆積装置。
【請求項６】
前記制御部は、２秒以下の長さのパルスで前記原料ガスが供給されるように、前記原料ガス供給部を制御する、請求項１乃至５のいずれかに記載の原子層堆積装置。
【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】
成膜に用いる原料が常温・常圧において液体である場合、まず、液体原料を気化し、気化した原料ガスを用いて薄膜が形成される。液体原料を気化する方法として、バブリング法やベーキング法などが知られている。バブリング法では、供給シリンダを加熱して、材料の蒸気圧を高くして、バブリング用キャリアガスに飽和させ、チャンバへ供給する。ベーキング法では、液体原料を加熱槽に導入し、高温用マスフローコントローラで流量を制御する。
【０００５】
一般に、液体原料を気化し、気化した原料ガスを用いて薄膜を形成する場合、液体原料を気化した際に、液体原料の気体成分だけではなくミストが混合した状態となる。成膜容器内にミストが混入すると、成膜容器の内壁に付着したミストが液化し、時間の経過により固化してパーティクルの発生原因となる。
そこで、液体原料の気体成分とミストとを分離し、分離したミストを排出するためのミスト分離部を備える減圧ＣＶＤ装置が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３２７８６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＣＶＤ法と異なりＡＬＤ法では原料ガスはパルス的に成膜容器に供給される。そのため、バブリング法やベーキング法と、上記特許文献に記載されているミスト分離部を用いてＡＬＤ法により薄膜を形成すると、原料ガスのパルスがオフとなっているときに気化した原料ガスは使用されずに廃棄され、原料の利用効率が低下する。
また、原料ガスの短時間の供給、すなわち原料ガスのパルス状の供給がオンとなっているときだけ液体原料を気化しようとすると、気化を開始してから気化量が安定するまでの時間を要するため、原料ガスのパルスがオンとなったときに十分に原料ガスが供給されない可能性がある。
【０００８】
本発明は、液体原料の利用効率を向上させ、原料ガスを安定してパルス的に供給することができる原子層堆積装置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】
【０００９】
上記課題を解決するため、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、原料ガス供給口と反応ガス供給口とが形成された成膜容器と、前記薄膜の原料である液体原料を貯蔵する液体原料貯蔵部と、前記液体原料貯蔵部に貯蔵された前記液体原料を直接気化し、流量を制御する気化制御部と、を含み、原料ガスを前記原料ガス供給口に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反応ガスを前記反応ガス供給口に供給する反応ガス供給部と、前記原料ガスと前記反応ガスとが交互に供給されるように、前記原料ガス供給部と前記反応ガス供給部とを制御する制御部と、前記原料ガス供給口から供給される前記原料ガスが衝突するように配置される衝立板と、前記衝立板の温度を調節する温度調節部と、を有することを特徴とする。
【００１０】
また、前記温度調節部は、前記衝立板の温度が前記液体原料の沸点以上の温度となるように、前記衝立板の温度を調節することが好ましい。
【００１１】
また、前記気化制御部は、リキッドインジェクションバルブであることが好ましい。
【００１２】
また、前記原料ガス供給部は、前記液体原料貯蔵部に貯蔵されている前記液体原料を加圧する加圧部を備えることが好ましい。
【００１３】
また、前記原料ガス供給部は、前記液体原料貯蔵部に貯蔵されている前記液体原料の圧力を検知する圧力検知部を備え、前記加圧部は、前記圧力検知部が検知した前記液体原料の圧力に基づき、前記液体原料の圧力が一定となるように、前記液体原料を加圧することが好ましい。
【００１４】
また、前記制御部は、２秒以下の長さのパルスで前記原料ガスが供給されるように、前記原料ガス供給部を制御することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の原子層堆積装置によれば、液体原料の利用効率を向上させ、原料ガスを安定してパルス的に供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【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】原料ガスの流れの下流方向から見たインジェクタの側面図である。
【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】基板の上に薄膜が形成される工程を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
＜実施形態＞
（原子層堆積装置の構成）
まず、図１を参照して、本実施形態の原子層堆積装置の構成を説明する。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１０は、原料ガスと反応ガスとを交互に供給し、基板Ｓ上に原子層単位で薄膜を形成する。その際、反応活性を高めるため、プラズマを発生させることもできる。本実施形態では、プラズマの発生に平行平板電極を用いるが、この方式に限定されない。特に、本実施形態では、常温・常圧で液体である原料を用いて薄膜を形成する。
本実施形態の原子層堆積装置１０は、成膜容器２０と、排気部４０と、高周波電源５０と、制御部５２と、原料ガス供給部８０と、反応ガス供給部９０と、を備える。
【００１８】
成膜容器２０は、真空チャンバ３０と、インジェクタ６０と、を備える。
まず、真空チャンバ３０について説明する。真空チャンバ３０は、支持部３２と、上側電極３６と、下側電極３８と、を備える。支持部３２の上面には下側電極３８が設けられている。ここで、下側電極３８は接地されている。基板Ｓは、真空チャンバ３０の下方から支持部３２を貫通するリフトピン４４によって支持される。リフトピン４４は昇降機構４６によって上下方向に昇降可能であり、リフトピン４４が基板Ｓを支持した状態で昇降機構４６がリフトピン４４を下方向に移動させることにより、基板Ｓは下側電極３８の上に載置される。
また、支持部３２の内部には加熱ヒータ３４が設けられており、加熱ヒータ３４により基板Ｓの温度を調整することができる。
【００１９】
上側電極３６は基板Ｓの上方に設けられ、高周波電源５０と接続されている。高周波電源５０が所定の周波数の高周波電流を供給することにより、上側電極３６と下側電極３８との間でプラズマが生成される。
また、高周波電源５０は制御部５２と接続されている。高周波電源５０が上側電極３６に高周波電流を供給するタイミングは、制御部５２により制御される。
【００２０】
次に、インジェクタ６０について説明する。インジェクタ６０は、原料ガスや反応ガスの流れの上流側に位置する。インジェクタ６０には、水平方向に細長い原料ガス供給口６２と、水平方向に細長い反応ガス供給口６４と、が形成されている。また、インジェクタ６０は、水平方向に細長い衝立板６６を備える。原料ガス供給部８０から供給される原料ガスは、原料ガス供給口６２を通って、成膜容器２０の内部に供給される。また、反応ガス供給部９０から供給される反応ガスは、反応ガス供給口６４を通って、成膜容器２０の内部に供給される。
【００２１】
衝立板６６は、原料ガス供給口６２から供給される原料ガスが衝突するように、原料ガス供給口６２より原料ガスの流れの下流方向に配置される。
また、衝立板６６は、温度調節部６８と接続されており、温度調節部６８により衝立板６６の温度が調節される。温度調節部６８は、衝立板６６の温度が液体原料の沸点以上の温度となるように、衝立板６６の温度を調節することが好ましい。例えば、衝立板６６の温度は、１００℃以上２００℃以下に調節されることが好ましい。本実施形態では、衝立板６６の温度は１７０℃に調節されている。
【００２２】
ここで、図２を参照して、原料ガス供給口６２と衝立板６６との位置関係について説明する。図２は、原料ガスの流れの下流方向から見たインジェクタ６０の側面図である。図２に示される側面図において、少なくとも水平方向に細長い原料ガス供給口６２が完全に重なるように、衝立板６６が配置される。側面図において、衝立板６６の中心付近に原料ガス供給口６２が位置することが好ましい。
【００２３】
図１に戻り、排気部４０は、排気管４２を介して真空チャンバ３０内に供給された原料ガス、反応ガス、パージガスを排気する。排気部４０は、例えば、ドライポンプである。排気部４０が真空チャンバ３０内を排気することにより、原料ガス、反応ガス、パージガスが真空チャンバ３０内に供給されても、真空チャンバ３０内の真空度は、１０Ｐａ〜１００Ｐａ程度に維持される。
【００２４】
次に、原料ガス供給部８０について説明する。原料ガス供給部８０は、液体原料貯蔵部８２と、圧力検知部８４と、加圧部８６と、気化制御部８８と、を備える。
液体原料貯蔵部８２は、薄膜の形成に用いられる液体原料を貯蔵する。液体原料貯蔵部８２に貯蔵される液体原料は、例えば、ＴＥＭＡＺ（テトラキスエチルメチルアミノ・ジルコニウム）、ＴＥＭＡＨ（テトラキスエチルメチルアミノ・ハフニウム）である。
【００２５】
圧力検知部８４は、液体原料貯蔵部８２の圧力を検知する。圧力検知部８４は、例えば、圧力計である。圧力検知部８４が検知した圧力のデータは、加圧部８６へ送信される。
圧力検知部８４が検知した圧力のデータに基づいて、加圧部８６は、液体原料貯蔵部８２内に貯蔵されている液体原料の圧力が一定となるように、液体原料を加圧する。加圧部８６は、例えば、Ｎ２ガスやＡｒガスなどの不活性ガスを液体原料貯蔵部８２内に導入することにより、液体原料を加圧する。
【００２６】
気化制御部８８は、液体原料貯蔵部８２に貯蔵された液体原料を直接気化し、流量を制御する。気化制御部８８は、例えば、リキッドインジェクションバルブである。リキッドインジェクションバルブは、例えば、スウェジロック社製のＡＬＤリキッド・インジェクション・バルブを用いることができる。
また、気化制御部８８は制御部５２と接続されている。気化制御部８８が液体原料を気化するタイミングは、制御部５２により制御される。気化制御部８８は、０．０５秒以上２秒以下の長さのパルス状の供給で液体原料を直接気化し、原料ガスを供給することができる。なお、気化制御部８８によって生成される原料ガスには、液体原料が液体の状態で複数の微粒子となって浮遊するミストも含まれる場合がある。
【００２７】
次に、反応ガス供給部９０について説明する。反応ガス供給部９０は、反応ガス貯蔵部９２と、反応ガスバルブ９４と、を備える。
反応ガス貯蔵部９２は、薄膜の形成に用いられる反応ガスを貯蔵する。反応ガス貯蔵部９２に貯蔵される反応ガスは、例えば、Ｏ２ガスである。
反応ガスバルブ９４は、制御部５２と接続されている。反応ガスバルブ９４の開閉状態は制御部５２により制御される。
【００２８】
なお、図示されていないが、原料ガス供給部８０、反応ガス供給部９０は、それぞれ、成膜容器２０の内部に、Ｎ２ガスやＡｒガスなどのパージガスを供給することができるように構成されている。
以上が本実施形態の原子層堆積装置１０の概略構成である。
【００２９】
（原子層堆積方法）
次に、図３、図４を参照して、本実施形態の原子層堆積装置１０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Ｓの上に薄膜が形成される工程を示す図である。
【００３０】
まず、原料ガス供給部８０が成膜容器２０の内部に原料ガスを供給する（ステップＳ１０１）。
ステップＳ１０１において、圧力検知部８４は、液体原料貯蔵部８２の圧力を検知し、圧力検知部８４が検知した圧力のデータに基づいて、液体原料貯蔵部８２内に貯蔵されている液体原料の圧力が一定となるように、加圧部８６が液体原料を加圧する。そのため、気化制御部８８には液体原料貯蔵部８２から一定の圧力で液体原料が供給される。
【００３１】
液体原料貯蔵部８２から供給された液体原料を気化制御部８８が直接気化し、制御部５２によって制御されるタイミングで、原料ガス供給口６２から成膜容器２０の内部に原料ガスが供給される。ここで、気化制御部８８が液体原料を完全に気化することができない場合、原料ガス供給口６２から供給される原料ガスの中には、原料の気体成分だけではなくミストも混合している場合がある。
【００３２】
原料ガス供給口６２から供給された原料の気体成分とミストが混合している原料ガスは、原料ガス供給口６２より原料ガスの流れの下流方向に配置されている衝立板６６に衝突する。ここで、衝立板６６の温度が液体原料の沸点以上の温度となるように、衝立板６６の温度は温度調節部６８により調節されているため、原料ガス供給口６２から供給されるミストは衝立板６６に衝突することにより気化する。そのため、気化制御部８８が液体原料を完全に気化することができない場合においても、成膜容器２０の内部にミストが付着するのを抑制することができる。
【００３３】
このようにして、原料ガス供給部８０は、例えば、０．１秒間、成膜容器２０の内部に原料ガスを供給する。図４（ａ）に示されるように、ステップＳ１０１によって、成膜容器２０の内部に原料の気体成分１１０が供給され、基板Ｓの上に原料の気体成分１１０が吸着して、吸着層１０２が形成される。
【００３４】
次に、原料ガス供給部８０が、成膜容器２０の内部にパージガス１１２を供給する（ステップＳ１０２）。原料ガス供給部８０は、例えば、０．１秒間、成膜容器２０の内部にパージガス１１２を供給する。また、排気部４０が、成膜容器２０の内部の原料の気体成分１１０やパージガス１１２を排気する。排気部４０は、例えば、２秒間、成膜容器２０の内部の原料の気体成分１１０やパージガス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、成膜容器２０の内部にパージガス１１２が供給され、基板Ｓの上に吸着していない原料の気体成分１１０が成膜容器２０からパージされる。
【００３５】
次に、反応ガス供給部９０が、成膜容器２０の内部に反応ガスを供給する（ステップＳ１０３）。制御部５２によって制御されるタイミングによって、反応ガスバルブ９４が開放され、反応ガス供給口６４から成膜容器２０の内部に反応ガスが供給される。反応ガス供給部９０は、例えば、１秒間、成膜容器２０の内部に反応ガスを供給する。図４（ｃ）に示されるように、ステップＳ１０３によって、成膜容器２０の内部に反応ガス１１４が供給される。
【００３６】
また、高周波電源５０が上側電極３６に所定の周波数の高周波電流を供給し、上側電極３６と下側電極３８との間でプラズマを発生させる（ステップＳ１０４）。高周波電源５０は、例えば、０．２秒間、反応ガス１１４のプラズマを発生させる。高周波電源５０が反応ガス１１４のプラズマを発生させることにより、反応ガス１１４が吸着層１０２と反応し、薄膜層１０４が形成される。
【００３７】
なお、高周波電源５０が反応ガス１１４のプラズマを発生させるタイミングは、反応ガス供給部９０が成膜容器２０の内部に反応ガス１１４を供給するタイミングと同時でもよい。
また、プラズマを発生させることなく、反応ガス１１４が吸着層１０２と反応する場合、ステップＳ１０４は省略することができる。この場合、反応ガス１１４が吸着層１０２と十分に反応するよう、加熱ヒータ３４が基板Ｓを加熱する。
【００３８】
次に、反応ガス供給部９０が、成膜容器２０の内部にパージガス１１２を供給する（ステップＳ１０５）。反応ガス供給部９０は、例えば、０．１秒間、成膜容器２０の内部にパージガス１１２を供給する。また、排気部４０が、成膜容器２０の内部の反応ガス１１４やパージガス１１２を排気する。図４（ｄ）に示されるように、ステップＳ１０５によって、成膜容器２０の内部にパージガス１１２が供給され、反応ガス１１４が成膜容器２０からパージされる。
【００３９】
以上説明したステップＳ１０１〜Ｓ１０５により、基板Ｓの上に一原子層分の薄膜層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、所望の膜厚の薄膜層１０４を形成することができる。
【００４０】
以上説明したように、本実施形態の原子層堆積装置１０は、原料ガス供給口６２より原料ガスの流れの下流方向に衝立板６６が配置され、衝立板６６の温度が温度調節部６８により調節されている。そのため、気化制御部８８が液体原料を完全に気化することができない場合においても、成膜容器２０の内部にミストが付着するのを抑制することができる。その結果、液体原料の利用効率を向上させ、原料ガスを安定してパルス的に供給することができる。
なお、本実施形態では、インジェクタ６０に衝立板６６を１つ設けたが、複数の衝立板を設け、ミストをより確実に気化させてもよい。この場合、衝立板の配置は特に制限されないが、原料ガス供給口６２から流れるミストを含んだ原料ガスが最初に衝突するように、原料ガス供給口６２に対向する位置に衝立板が設けられることが好ましい。
【００４１】
以上、本発明の原子層堆積装置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】
【００４２】
１０  原子層堆積装置
２０  成膜容器
３０  真空チャンバ
３２  支持部
３４  加熱ヒータ
３６  上側電極
３８  下側電極
４０  排気部
４２  排気管
４４  リフトピン
４６  昇降機構
５０  高周波電源
５２  制御部
６０  インジェクタ
６２  原料ガス供給口
６４  反応ガス供給口
６６  衝立板
６８  温度調節部
８０  原料ガス供給部
８２  液体原料貯蔵部
８４  圧力検知部
８６  加圧部
８８  気化制御部
９０  反応ガス供給部
９２  反応ガス貯蔵部
９４  反応ガスバルブ
１０２  吸着層
１０４  薄膜層
１１０  原料の気体成分
１１２  パージガス
１１４  反応ガス
Ｓ  基板
【図１】
2012167317.tif 000003
【図２】
2012167317.tif 000004
【図３】
2012167317.tif 000005
【図４】
2012167317.tif 000006