(57)【要約】【課題】プラズマＡＬＤ法を用いた場合により高密度の薄膜を形成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、成膜容器と、前記薄膜の原料である原料ガスを前記成膜容器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成膜容器に供給する反応ガス供給部と、前記成膜容器の内部にプラズマを発生させるために高周波電流を供給する高周波電源と、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し、かつ、前記高周波電源が高周波電流を供給するタイミングを制御する制御部と、前記基板を上面に載置するサセプタと、前記サセプタに設けられ、前記成膜容器の成膜空間内の前記基板の上方に磁界を発生させる磁界発生部と、を備える。【選択図】図１
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【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、
成膜容器と、
前記薄膜の原料である原料ガスを前記成膜容器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成膜容器に供給する反応ガス供給部と、
前記成膜容器の内部にプラズマを発生させるために高周波電流を供給する高周波電源と、
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し、かつ、前記高周波電源が高周波電流を供給するタイミングを制御する制御部と、
前記基板を上面に載置するサセプタと、
前記サセプタに設けられ、前記成膜容器の成膜空間内の前記基板の上方に磁界を発生させる磁界発生部と、
を備えることを特徴とする原子層堆積装置。
【請求項２】
前記磁界発生部は、前記サセプタに設けられた、前記基板を上面に載置する金属製載置部の下面に設けられる、請求項１に記載の原子層堆積装置。
【請求項３】
前記磁界発生部は複数の磁石を平面状に有し、各磁石は、前記サセプタの上方に向く端部の極性が隣接する磁石と異なるように設けられる、請求項１または２に記載の原子層堆積装置。
【請求項４】
前記磁界発生部は複数の磁石を平面状に有し、各磁石は、隣接する磁石と対向する端部の極性が互いに異なるように設けられる、請求項１または２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】
ＡＬＤ法には、水又はオゾンが酸化剤として用いられ、或いは、酸素ガスやオゾンを用いて生成されたプラズマが用いられる。このうち、プラズマを用いる方法として、成膜室の内部に酸化ガスを用いたプラズマを発生させ、アルミナを形成するプラズマＡＬＤ法が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１８６７８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
酸化剤として水又はオゾンを用い、或いは酸化ガスを用いたプラズマを用いて形成されたアルミナの密度を屈折率によって比較した場合に、オゾンを酸化剤として用いたときのアルミナの屈折率が１．６１であるのに対し、プラズマを用いて形成されたアルミナの屈折率は１．６４である。即ち、プラズマを酸化剤として用いると高密度の薄膜を形成することができる。
しかしながら、水酸化アルミニウムを酸素雰囲気中で焼成させることにより形成されるアルミナ焼結体の屈折率は１．７６であり、低温で薄膜を形成可能なプラズマALD法を用いた場合の屈折率は、上記焼結法により形成される場合に比べて依然として低い。これは、形成されるアルミナ膜の密度が上記焼結法と比べて低いことによるものである。
【０００７】
そこで、本発明は、プラズマＡＬＤ法を用いた場合により高密度の薄膜を形成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】
【０００８】
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、成膜容器と、前記薄膜の原料である原料ガスを前記成膜容器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成膜容器に供給する反応ガス供給部と、前記成膜容器の内部にプラズマを発生させるために高周波電流を供給する高周波電源と、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し、かつ、前記高周波電源が高周波電流を供給するタイミングを制御する制御部と、前記基板を上面に載置するサセプタと、前記サセプタに設けられ、前記成膜容器の成膜空間内の前記基板の上方に磁界を発生させる磁界発生部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、前記磁界発生部は、前記サセプタに設けられた、前記基板を上面に載置する金属製載置部の下面に設けられることが好ましい。
【００１０】
さらに、前記磁界発生部は複数の磁石を平面状に有し、各磁石は、前記サセプタの上方に向く端部の極性が隣接する磁石と異なるように設けられることが好ましい。
【００１１】
さらにまた、前記磁界発生部は複数の磁石を平面状に有し、各磁石は、隣接する磁石と対向する端部の極性が互いに異なるように設けられることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の原子層堆積装置によれば、プラズマＡＬＤ法を用いた場合により高密度の薄膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第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】第１実施形態の原子層堆積装置における複数の磁石の配置例を示す図である。
【図３】第１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。
【図５】第２実施形態の原子層堆積装置における複数の磁石の配置例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜第１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ができる。特に、本実施形態では原料ガスとしてＴＭＡ（Tri-Methyl-Alminum）を用い、反応ガスとして酸素ガスを用いることにより、アルミナの薄膜を形成する例について説明するが、これに限定されるものではない。例えば、反応ガスとしてオゾンガスを用いてもよい。
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６０と、原料ガス供給部７０と、反応ガス供給部８０と、を備える。
【００１５】
成膜容器２０には、上側電極２２と、サセプタ３０とが設けられている。サセプタ３０の上面には、載置部としての下側電極３２が設けられている。下側電極３２は平板状に形成されており、接地されている。基板Ｓは、成膜容器２０の下方からサセプタ３０を貫通するリフトピン２４によって支持される。リフトピン２４は昇降機構２６によって上下方向に昇降可能であり、リフトピン２４が基板Ｓを支持した状態で昇降機構２６がリフトピン２４を下方向に移動させることにより、基板Ｓは下側電極３２の上面に載置される。
また、サセプタ３０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。
【００１６】
さらに、サセプタ３０には、耐熱性を有する複数の磁石３６が、下側電極３２と加熱ヒータ３４との間に平面状に設けられている。各磁石３６は、磁界発生部の一例である。各磁石３６の上端は下側電極３２の下面に接している。また、各磁石３６は、上端即ちサセプタ３０の上方に向く端部の極性が、隣接する磁石３６毎に異なるように設けられている。具体的には、図２に示すように、上端側の極性がＮ極の磁石３６と、上端側の極性がＳ極の磁石３６とが、下側電極３２と加熱ヒータ３４との間に交互に配列されている。この場合、互いに隣接する磁石３６による磁力線３８が、基板Ｓの上方近傍に発生する。
なお、図２では、各磁石３６が一列に配置されているものを示したが、各磁石３６を複数列設けてもよい。また、隣接する磁石３６毎に上端側の極性が異なるのであれば、各磁石３６を格子状やリング状等に配置することも可能である。
このように、サセプタ３０に磁石３６を設けるのは、磁石３６によって基板Ｓの上方に形成される磁界の作用により、プラズマを基板Sの上方で高密度に発生させるためである。これにより、高密度な薄膜を形成することができる。
【００１７】
上側電極２２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（例えば１３．５６〜１３５．６MHz）の高周波電流を供給することにより、上側電極２２と下側電極３２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６０と接続されている。高周波電源５０が上側電極２６に高周波電流を供給するタイミングは、制御部６０により制御される。
【００１８】
排気部４０は、排気管４２を介して成膜容器２０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が成膜容器２０内を排気することにより、原料ガス、反応ガス、パージガスが成膜容器２０内に供給されても、成膜容器２０内の真空度は、１Ｐａ〜１００Ｐａ程度に維持される。
【００１９】
原料ガス供給部７０は、成膜容器２０に設けられた原料ガス供給口７２を介して、ＴＭＡなどの原料ガスを成膜容器２０に供給する。原料ガス供給部７０は制御部６０と接続されている。原料ガス供給部７０が原料ガスを供給するタイミングは、制御部６０により制御される。
【００２０】
反応ガス供給部８０は、成膜容器２０に設けられた反応ガス供給口８２を介して、酸素などの反応ガスを成膜容器２０に供給する。反応ガス供給部８０は制御部６０と接続されている。反応ガス供給部８０が反応ガスを供給するタイミングは、制御部６０により制御される。
【００２１】
制御部６０は、原料ガス供給部７０が原料ガスを供給するタイミング、反応ガス供給部８０が反応ガスを供給するタイミング、高周波電源５０が高周波電流を供給するタイミングをそれぞれ独立に制御する。
【００２２】
なお、図示されていないが、原料ガス供給部７０、反応ガス供給部８０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。
【００２３】
（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。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。
【００２４】
まず、原料ガス供給部７０が、成膜容器２０の内部に原料ガスを供給する（ステップＳ１０１）。制御部６０によって制御されるタイミングで、原料ガス供給部７０から成膜容器２０の内部に原料ガスが供給される。原料ガス供給部７０は、例えば、０．１秒間、成膜容器２０の内部にＴＭＡなどの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の内部に原料ガス１１０が供給され、基板Ｓの上に原料ガス１１０が吸着して、吸着層１０２が形成される。
【００２５】
次に、原料ガス供給部７０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７０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の内部の原料ガス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の内部の原料ガス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ガス１１０が成膜容器２０からパージされる。
【００２６】
次に、反応ガス供給部８０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６０によって制御されるタイミングで、反応ガス供給部８０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８０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。
【００２７】
また、高周波電源５０が上側電極２６に所定の周波数の高周波電流を供給する（ステップＳ１０４）。制御部６０によって制御されるタイミングで、高周波電源５０から上側電極２６に高周波電流が供給される。高周波電源５０は、例えば、０．２秒間、高周波電流を供給する。このとき、上側電極２２と下側電極３２との間にプラズマが発生する。
この場合、基板Sの上方近傍には、複数の磁石３６によって発生した磁界が存在するため、基板Sの上方近傍におけるプラズマの電子密度が高くなる。
【００２８】
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８０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。
【００２９】
次に、反応ガス供給部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Ｓ１０６）。反応ガス供給部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。
【００３０】
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。
【００３１】
なお、本実施形態の原子層堆積装置１０を用いて形成されたアルミナとハフニアの屈折率を、分光エリプソメータを用いてもとめたところ、アルミナの屈折率は１．７０であり、ハフニアの屈折率は２．１０であった。ここで、ハフニアを形成する際には、ＴＥＭＡＨ(Tetraethylmethylamino Hafnium)を原料ガスとして用い、酸素ガスを反応ガスとして用いた。また、このハフニアは、原料ガスを供給する際に分圧を５Ｐａに設定した原料ガスを０．５秒間供給し、反応ガスを供給する際に分圧を９５Ｐａに設定した反応ガスを１秒間供給することにより形成されている。
また、上記屈折率を求める際の環境について説明する。まず、成膜容器２０内の温度を１００℃に設定し、成膜容器２０内の全圧を１〜１００Ｐａに設定した。また、２インチＳｉウェハを基板として用いた。さらに、磁石３６については、磁気強度０．５テラス、直径１ｃｍの耐熱ネオジウム磁石を５つ用いた。また、５つの磁石を、上端の極性がＳ極である１つの磁石の四方が、上端の極性がＮ極の４つの磁石によって囲まれるように配置した。
一方、同じ環境下において各磁石３６を用いずにアルミナとハフニアを形成した場合には、アルミナの屈折率は１．６４であり、ハフニアの屈折率は１．９５であった。これにより、各磁石３６を用いた場合には、高密度の薄膜を形成することができた。
【００３２】
以上説明したように、本実施形態によれば、基板Ｓの近傍に磁界を発生させる複数の磁石３６をサセプタ３０に設けたことにより、基板Ｓの近傍におけるプラズマの電子密度を高くすることができる。これにより、プラズマＡＬＤ法を用いた場合により高密度の薄膜層１０４を形成することができる。
【００３３】
また、本実施形態によれば、基板Ｓの近傍にプラズマを集中して発生することができるので、プラズマが発生した際に成膜容器２０の内壁部に薄膜が形成されるのを抑制することができる。そのため、成膜容器２０の内壁部の清掃頻度を低減することができる。
【００３４】
さらに、複数の磁石３６を、金属性下側電極３２の下面に設けたので、基板Ｓと各磁石３６とを、下側電極３２を介して近接させることができる。そのため、各磁石３６によって、基板Ｓの上方に磁界を発生させるのが容易となる。
【００３５】
さらにまた、各磁石３６を、上端側の極性が隣接する磁石３６毎に異なるように設けたので、隣接する磁石３６間に磁界を発生させることができる。そのため、基板Ｓの近傍におけるプラズマの電子密度を高くすることができる。
このとき、磁石３６は、金属製下側電極３２を介して、基板Ｓの上方の成膜空間に磁界を形成するので、磁界がより均一な分布に近づき、より均一なプラズマを発生させることができる。
【００３６】
＜第２実施形態＞
以下に、本発明の第２実施形態に係る原子層堆積装置１０について、図５を参照して説明する。前述した第１実施形態と異なる点は、複数の磁石３６を、隣接する磁石３６と対向する端部の極性が互いに異なるように設けた点にある。その他の構成については第１実施形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。
【００３７】
図５に示すように、各磁石３６は、配列方向一端側（図中左側）がＳ極、配列方向他端側（図中右側）がＮ極となるように一列に配置されている。この場合、隣接する磁石３６間において、対向する端部の極性が互いに異なっている。また、各磁石３６による磁力線３８が基板Ｓの上方近傍に発生する。
なお、図５では、各磁石３６が一列に配置されているものを示したが、各磁石３６を複数列設けてもよい。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態によれば、各磁石３６を、隣接する磁石３６と対向する端部の極性が互いに異なるように設けたので、各磁石３６による磁界を基板Ｓの上方に発生させることができる。このため、基板Sの上方におけるプラズマの電子密度を高くすることができる。
【００３９】
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。
【００４０】
例えば、上記実施形態では説明を省略したが、基板Ｓ近傍のプラズマ密度を均一にするために、基板Ｓと各磁石３６との間隔を適宜調節可能に構成してもよい。具体的には、下部電極１０４を、厚み寸法の異なる他の金属板に交換可能に形成してもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１０  原子層堆積装置
２０  成膜容器
２２  上側電極
２４  リフトピン
２６  昇降機構
２８  下側電極
３０  サセプタ
３２  下側電極
３４  加熱ヒータ
３６  複数の磁石
４０  排気部
４２  排気管
５０  高周波電源
６０  制御部
７０  原料ガス供給部
７２  原料ガス供給口
８０  反応ガス供給部
８２  反応ガス供給口
１０２  吸着層
１０４  薄膜層
１１０  原料ガス
１１２  パージガス
１１４  反応ガス
Ｓ  基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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