(57)【要約】【課題】安定してプラズマを発生させ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。【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、薄膜の原料である原料ガスを成膜容器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成膜容器に供給する反応ガス供給部と、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、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し、かつ、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、点火プラグを備える点火室と、成膜容器と点火室との間に配置されるバルブと、を備えることを特徴とする原子層堆積装置。【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、
点火プラグを備える点火室と、
前記成膜容器と前記点火室との間に配置されるバルブと、
を備えることを特徴とする原子層堆積装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記高周波電源が高周波電流を供給する間に、前記点火プラグが点火するように、前記点火プラグが点火するタイミングを制御し、前記点火プラグが点火する期間中に前記バルブが開いた状態を維持するように、前記バルブの開閉を制御する、請求項１に記載の原子層堆積装置。
【請求項３】
前記成膜容器は、前記点火室と接続される点火室連絡口を備え、
前記点火室連絡口は、前記基板が配置される位置よりも下流側に設けられる、請求項１又は２に記載の原子層堆積装置。
【請求項４】
前記反応ガスはＯ２、Ｎ２、Ｈ２、Ｈ２Ｏ、Ｎ２Ｏ、ＮＨ３のいずれかである、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】
基板上に薄膜を形成する原子層堆積方法であって、
前記薄膜の原料である原料ガスを成膜容器に供給する原料ガス供給工程と、
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工程と、
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流供給工程と、
前記高周波電流が供給される間に、前記成膜容器の外部であって、前記成膜容器の空間と接続された空間に設けられた点火プラグを点火させる点火工程と、
を有することを特徴とする原子層堆積方法。
【請求項６】
前記点火プラグが点火する間に、前記成膜容器と前記点火プラグとの間に設けられたバルブが開いた状態を維持するバルブ制御工程を有する、請求項５に記載の原子層堆積方法。
【請求項７】
前記反応ガスはＯ２、Ｎ２、Ｈ２、Ｈ２Ｏ、Ｎ２Ｏ、ＮＨ３のいずれかである、請求項５又は６に記載の原子層堆積方法。
【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及び原子層堆積方法に関する。
【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法は、反応の活性化手段の違いにより、熱ＡＬＤ法とプラズマＡＬＤ法とに大別される。熱ＡＬＤ法は、加熱により反応ガスの反応を促進する方法である。また、プラズマＡＬＤ法は、プラズマにより反応ガスの反応を促進する方法である。
【０００５】
従来、オゾンを反応ガスとして用いることにより、成膜室の内部にプラズマを発生させ、酸化アルミニウム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】
【０００６】
【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】
【０００７】
酸化膜を形成する際に安定してプラズマを発生させるためには、反応ガスとしてオゾンを用いることが好ましい。しかし、オゾンを発生させるためにオゾン発生装置が必要となるため、装置のコストが高くなるという問題がある。
一方、例えば、酸素ガスを反応ガスとして用いると、安定してプラズマを発生させることが困難となり、成膜される薄膜の特性が劣化することがある。
【０００８】
そこで、本発明は、安定してプラズマを発生させることができる原子層堆積装置及び原子層堆積方法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、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、点火プラグを備える点火室と、前記成膜容器と前記点火室との間に配置されるバルブと、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、前記制御部は、前記高周波電源が高周波電流を供給する間に、前記点火プラグが点火するように、前記点火プラグが点火するタイミングを制御し、前記点火プラグが点火する期間中に前記バルブが開いた状態を維持するように、前記バルブの開閉を制御することが好ましい。
【００１１】
また、前記成膜容器は、前記点火室と接続される点火室連絡口を備え、前記点火室連絡口は、前記基板が配置される位置よりも下流側に設けられることが好ましい。
【００１２】
また、前記反応ガスはＯ２、Ｎ２、Ｈ２、Ｈ２Ｏ、Ｎ２Ｏ、ＮＨ３のいずれかであることが好ましい。
【００１３】
また、本発明の原子層堆積方法は、基板上に薄膜を形成する原子層堆積方法であって、前記薄膜の原料である原料ガスを成膜容器に供給する原料ガス供給工程と、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工程と、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流供給工程と、前記高周波電流が供給される間に、前記成膜容器の外部であって、前記成膜容器の空間と接続された空間に設けられた点火プラグを点火させる点火工程と、を有することを特徴とする。
【００１４】
また、前記点火プラグが点火する間に、前記成膜容器と前記点火プラグとの間に設けられたバルブが開いた状態を維持するバルブ制御工程を有することが好ましい。
【００１５】
また、前記反応ガスはＯ２、Ｎ２、Ｈ２、Ｈ２Ｏ、Ｎ２Ｏ、ＮＨ３のいずれかであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の原子層堆積装置及び原子層堆積方法によれば、安定してプラズマを発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【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】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３】実施形態の原子層堆積方法の一例を示すタイミングチャートである。
【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】
【００１８】
＜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。
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、点火室６０と、制御部７０と、原料ガス供給部８０と、反応ガス供給部９０と、を備える。
【００１９】
成膜容器２０は、支持部２２と、上側電極２６と、下側電極２８と、を備える。支持部２２の上面には下側電極２８が設けられている。ここで、下側電極２８は接地されている。基板Ｓは、成膜容器２０の下方から支持部２２を貫通するリフトピン３０によって支持される。リフトピン３０は昇降機構３２によって上下方向に昇降可能であり、リフトピン３０が基板Ｓを支持した状態で昇降機構３２がリフトピン３０を下方向に移動させることにより、基板Ｓは下側電極２８の上に載置される。
また、支持部２２の内部には加熱ヒータ２４が設けられており、加熱ヒータ２４により基板Ｓの温度を調整することができる。
【００２０】
上側電極２６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２６と下側電極２８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７０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７０により制御される。
【００２１】
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。
【００２２】
次に、点火室６０について説明する。点火室６０は、成膜容器２０の外部に設けられている。また、点火室６０は、点火プラグ６２を備える。点火プラグ６２が点火されると、点火室６０の内部で微小放電が生じる。また、点火プラグ６２は制御部７０と接続されている。点火プラグ６２が点火されるタイミングは、制御部７０により制御される。
【００２３】
また、点火室６０と成膜容器２０との間には、エアバルブ６４が設けられている。エアバルブ６４が開くことにより、成膜容器２０に設けられた点火室連結口６６を介して点火室６０と成膜容器２０とが空間的に接続される。エアバルブ６４は制御部７０と接続されている。エアバルブ６４が開閉するタイミングは、制御部７０により制御される。
なお、点火室連結口６６は、基板Ｓが載置される場所よりも下流側（図１の右側）に設けられることが好ましい。
【００２４】
原料ガス供給部８０は、成膜容器２０に設けられた原料ガス供給口８２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８０は制御部７０と接続されている。原料ガス供給部８０が原料ガスを供給するタイミングは、制御部７０により制御される。
【００２５】
反応ガス供給部９０は、成膜容器２０に設けられた反応ガス供給口９２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９０は制御部７０と接続されている。反応ガス供給部９０が反応ガスを供給するタイミングは、制御部７０により制御される。なお、Ｎ２、Ｈ２、Ｈ２Ｏ、Ｎ２Ｏ、ＮＨ３などを反応ガスとしてもよい。
【００２６】
制御部７０は、原料ガス供給部８０が原料ガスを供給するタイミング、反応ガス供給部９０が反応ガスを供給するタイミング、点火プラグ６２が点火されるタイミング、エアバルブ６４が開閉するタイミングをそれぞれ独立に制御する。
【００２７】
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。
【００２８】
（原子層堆積方法）
次に、図２、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２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３は、本実施形態の原子層堆積方法の一例を示すタイミングチャートである。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。
【００２９】
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）。制御部７０によって制御されるタイミングで、原料ガス供給部８０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８０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。
なお、ステップＳ１０１において、エアバルブ６４は閉じた状態となっている。
【００３０】
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。
【００３１】
次に、制御部７０がエアバルブ６４を開く。エアバルブ６４が開いた状態となることにより、点火室６０と成膜容器２０とが空間的に接続される。後述するステップＳ１０５において制御部７０が点火プラグ６２の点火を開始するよりも、例えば、０．１秒前に、エアバルブ６４が開くように、制御部７０はエアバルブ６４を制御する。
【００３２】
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７０によって制御されるタイミングで、反応ガス供給部９０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。
【００３３】
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７０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。
【００３４】
また、高周波電源５０が上側電極２６に高周波電流を供給する間に、点火プラグ６２が点火される（ステップＳ１０５）。制御部７０によって制御されるタイミングで、点火プラグ６２が点火される。点火プラグ６２は、例えば、０．２秒間、断続的に点火される。
点火プラグ６２が点火されることにより、点火室６０の内部で微小放電が生じる。この際、図３のタイミングチャートに示されるように、エアバルブ６４は開いた状態を維持しているため、点火室６０と成膜容器２０とは空間的に接続されている。そのため、点火室６０の内部で生じた微小放電がトリガとなり、成膜容器２０の内部の上側電極２６と下側電極２８との間でプラズマが発生しやすくなる。
成膜容器２０の内部で反応ガス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。
【００３５】
なお、高周波電源５０が高周波電流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を供給した後でもよいし、図３のタイミングチャートに示されるように、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。
【００３６】
次に、制御部７０がエアバルブ６４を閉じる。エアバルブ６４が閉じた状態となることにより、点火室６０と成膜容器２０とが空間的に遮断される。ステップＳ１０５において制御部７０が点火プラグ６２の点火を終了した後、例えば、０．１秒後に、エアバルブ６４が閉じるように、制御部７０はエアバルブ６４を制御する。
【００３７】
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Ｓ１０６）。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。
【００３８】
以上説明したステップＳ１０１〜Ｓ１０６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〜Ｓ１０６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。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態によれば、高周波電源５０が高周波電流を供給する間に、点火プラグ６２が点火されることにより、安定して反応ガスのプラズマを発生させることができる。
【００４０】
また、点火プラグ６２を点火させるタイミングの前後にエアバルブ６４を開き、それ以外はエアバルブ６４を閉じた状態としておくことにより、点火プラグ６２に薄膜が付着するのを抑制することができる。そのため、点火プラグ６２の交換頻度を低減することができる。
【００４１】
また、成膜容器２０の外部の点火室６０内に点火プラグ６２を設け、エアバルブ６４により成膜容器２０と点火室６０とを空間的に遮断することにより、成膜容器２０を大気に開放することなく、点火プラグ６２を交換することができる。そのため、原子層堆積装置１０のメンテナンスが容易となる。
【００４２】
また、基板Ｓが配置される位置よりも下流側に点火室連結口６６を設けることにより、点火プラグ６２を点火させた際にパーティクルなどが成膜容器２０の内部に飛散するのを抑制することができる。
【００４３】
以上、本発明の原子層堆積装置、及び、原子層堆積方法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】
【００４４】
１０  原子層堆積装置
２０  成膜容器
２２  支持部
２４  加熱ヒータ
２６  上側電極
２８  下側電極
３０  リフトピン
３２  昇降機構
４０  排気部
４２  排気管
５０  高周波電源
６０  点火室
６２  点火プラグ
６４  エアバルブ
６６  点火室連結口
７０  制御部
８０  原料ガス供給部
８２  原料ガス供給口
９０  反応ガス供給部
９２  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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