原子層堆積装置
【課題】原子層堆積装置による反応空間内に残存する前躯体のパージが確実に行われ、各前躯体のガスが安定的に且つ均等に基板に対して供給されるようにする。
【解決手段】ガス供給管８を、同心状の内側管８１および外側管８２からなる二重管構造に形成する。内側流路８Ａの最大径での断面積とこの位置での外側流路８Ｂの断面積を同じにする。外側管８２の先端を内側管８１の先端より基板側とする。外側管８２の先端面をなす円の直径を内側管８１の先端面をなす円の直径以下とする。このガス供給管８を、ガスの流れが基板面に対して垂直になるように設置する。天板７を設けて、互いに平行な基板６と天板７の間に反応空間が形成されるようにする。基板６に対するガス供給時に、内側流路８Ａを通過するガスの流量と外側流路８Ｂを通過するガスの流量が常に同じになるように、内側流路８Ａおよび外側流路８Ｂへのガス導入量を制御する。
【解決手段】ガス供給管８を、同心状の内側管８１および外側管８２からなる二重管構造に形成する。内側流路８Ａの最大径での断面積とこの位置での外側流路８Ｂの断面積を同じにする。外側管８２の先端を内側管８１の先端より基板側とする。外側管８２の先端面をなす円の直径を内側管８１の先端面をなす円の直径以下とする。このガス供給管８を、ガスの流れが基板面に対して垂直になるように設置する。天板７を設けて、互いに平行な基板６と天板７の間に反応空間が形成されるようにする。基板６に対するガス供給時に、内側流路８Ａを通過するガスの流量と外側流路８Ｂを通過するガスの流量が常に同じになるように、内側流路８Ａおよび外側流路８Ｂへのガス導入量を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、薄膜構成元素を含有する化合物からなる第１の前躯体の単分子層および第２の前駆体の単分子層を、ガスの供給により基板に交互に堆積させ、前躯体単分子層間で表面反応を生じさせることで、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】
従来より、半導体ウエハーを含む各種基板表面に薄膜を成長させる方法としては、化学的気相成長（ＣＶＤ）法が広く採用されてきたが、最近、Ｈｉｇｈ−ｋ（高誘電率）ゲート絶縁膜形成の分野において、原子層堆積（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition ）法が多く採用されるようになってきた。
ＡＬＤ法は、薄膜構成元素を含有する化合物からなる複数の前躯体単分子層を、基板上に交互に堆積させ、前躯体単分子層間で表面反応を生じさせる方法である。すなわち、ＡＬＤ法では、化学的気相成長における吸着が各前躯体の単分子層の厚さで飽和状態になるようにすることで、単分子層となった時点で成長を自動的に停止させる。また、ＡＬＤ法では、各前躯体単分子層を堆積するために、ガス状の各前躯体を交互に基板面に供給する。
【０００３】
一般的なＡＬＤ法では、基板表面への第１の前駆体の供給、第１の前駆体のパージ、第２の前駆体の供給、および第２の前駆体のパージからなる一連のプロセスを、高速で繰り返すことにより、原子層レベルの反応を進行させる。第１の前躯体および第２の前駆体としては、薄膜構成元素を含有する化合物であって、相互に反応する材料を使用する。
ＡＬＤの成長機構は、先ず、第１の前駆体が基板の吸着サイトに吸着して、基板上に第１の前躯体からなる単分子層が形成される。第１の前駆体の供給量が単分子層形成に必要な量より多い場合は、次のパージ工程で余分に堆積した前駆体が除去される。続いて、第２の前駆体を供給すると、供給された第２の前躯体が基板上の第１の前駆体と反応して、両前躯体の反応生成物からなる薄膜が形成される。
【０００４】
ここで、第２の前駆体を基板上の全ての第１の前駆体と反応させるために、第２の前駆体を、単分子層形成に必要な量より過剰に供給する必要がある。そのため、第２の前駆体の供給後にパージを行って、過剰分を除去する。この一連のプロセスを繰り返すことにより、薄膜を所望の厚さに成長させることができる。
ＡＬＤ法では、基板表面の温度を、第１の前駆体の凝縮温度より高く、第１の前駆体が未分解あるいは一部分解した状態となる（完全には熱分解されない）温度に制御する。この温度より低い温度でＡＬＤを行うと凝縮により第１の前駆体が単分子層より厚く堆積し、逆に高い温度で行うと熱分解により第１の前駆体を構成する原子同士が結合されたような状態（蒸着の様に金属原子同士が結合した状態）となる。
【０００５】
また、第１及び第２の前駆体の供給量とパージ時間の関係で、供給量が多いあるいはパージ時間が短いと、それぞれの前駆体が単分子層より厚く堆積される。供給量が少ないと、単分子層が形成されない状態で反応が進むため、膜厚及び組成等が不均一となる。
このように、ＡＬＤ法では、理想的な成長が行われれば、膜厚や組成の均一性の高い薄膜が形成されるが、温度が適当でない場合やパージが不充分な場合には、膜厚や組成の均一性が劣化する。すなわち、第１および第２の前躯体が反応室内に残存していると、両者の反応生成物が析出して基板に付着することがあるため、過剰に供給された前駆体は、パージ工程で十分に除去される必要がある。
【０００６】
また、ＡＬＤ法では、第１の前駆体の供給、パージ、第２の前駆体の供給、パージの繰り返しで膜を成長させるため、それぞれのガス供給管のバルブを頻繁に開閉する。よって、ＡＬＤ法で、膜厚や組成が均一な薄膜を得るためには、バルブの開閉時にも、ガスが基板に対して安定した流れで供給されるようにする必要がある。
図７は、従来のＡＬＤ装置の一例であり、この装置は下記の特許文献１に記載されている。
【０００７】
この装置は、反応空間１０１と基板保持台１０３とからなる。反応空間１０１は、反応室１００内に設置され、シャワープレート１０７によって上部空間１０８と下部空間１０９に区画されている。基板保持台１０３は、基板１０２を下部空間１０９内に保持するように設置されている。上部空間１０８の上流側には、反応空間１０１に第２の前駆体Ｂを供給する上部供給管１０５が接続されている。下部空間１０９の上流側には、反応空間１０１に第１の前駆体Ａを供給する下部供給管１０４が接続されている。下部空間１０９の下流側には排気部１０６が設けられている。基板１０２は図示しない加熱手段によって加熱される。
【０００８】
上部供給管１０５は、第１の前駆体Ａおよびパージガスの供給源（いずれも図示略）に接続され、下部供給管１０４は、第２の前駆体Ｂおよびバージガス供給源（いずれも図示略）に接続されている。シャワープレート１０７には、基板１０２と対向する位置に、上部空間１０８と下部空間１０９とを連通する連通孔１１０が設けられている。第２の前駆体Ｂを基板１０２の全面に供給するためには、この連通孔１１０を相当数開口させる必要がある。
【０００９】
上部供給管１０５から上部空間１０８に供給された第２の前駆体Ｂおよびパージガスは、この連通孔１１０を経て基板１０２へ向けて噴出する。すなわち、第２の前駆体Ｂのガス流れは、上部供給管１０５から反応空間１０１までの間は横方向であり、上部空間１０８で下方の基板１０２へと９０度向きを変え、さらに基板１０２上で側方の排気部１０６へ９０度向きを変える。これに対して、第１の前駆体Ａのガス流れは、下部供給管１０４→下部空間１０９→基板１０２→排気部１０６と、常に横方向である。
【００１０】
この装置を用いて、基板１０２にＡＬＤ法で薄膜を形成するためには、先ず、上部供給管１０５および下部供給管１０４から常時パージガスを反応空間１０１内に供給しつつ、下部供給管１０４から第１の前駆体Ａを所定時間供給することで、基板１０２に単分子層を形成する。次に、第１の前駆体Ａの供給を停止してパージガスのみを供給することにより、余分に堆積した第１の前駆体Ａや副生成物を取除いた後に、上部供給管１０５から第２の前駆体Ｂを所定時間供給することで、第２の前駆体Ｂを第１の前駆体Ａと反応させて所望の薄膜を形成する。
【００１１】
次に、第２の前駆体Ｂの供給を停止してパージガスのみを供給することにより、余分に堆積した前駆体Ｂや副生成物を取除く。これで一連のプロセスが終了する。以後、この一連のプロセスを繰り返して薄膜を所望の厚さに成長させる。
【特許文献１】特表２００４−５３８３７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記特許文献１に記載されたＡＬＤ装置は、シャワープレート１０７に多数設けた連通孔１１０の内面やその周囲に、第１の前駆体Ａや第２の前駆体Ｂが残存し易く、これらはパージガスで除去されにくい。そして、これらの残存した前駆体に新たに供給された前駆体が接触して反応物が析出し、この析出物が基板１０２に付着すると、基板１０２上の本来の薄膜の成長が妨げられて、膜厚や組成が不均一になる。
【００１３】
また、このＡＬＤ装置は、第１の前駆体Ａのガス流れが横方向であるのに対し、第２の前駆体Ｂのガス流れは、途中に屈曲箇所があり、この屈曲箇所で通路抵抗が増大する。このように、第１の前駆体Ａと第２の前駆体Ｂでガス流れの状態が大きく異なるので、ガスの供給・停止を短時間で繰り返すＡＬＤ装置の特性上、それぞれの前駆体が基板１０２に均等な流量で安定的に供給されるように制御することは非常に困難である。このことも、膜厚や組成が不均一になる要因となる。
【００１４】
さらに、基板１０２と接触する際のガスの流れ方向が、第１の前駆体Ａでは基板１０２に平行であるのに対して、第２の前駆体Ｂでは基板１０２に対して垂直であり、この基板に対する前駆体の接触方向の違いも、膜厚や組成が不均一になる要因の一つである。
この発明は、特許文献１に記載された原子層堆積装置の上記課題に着目してなされたものであり、反応空間内に残存する前躯体のパージが確実に行われ、各前躯体のガスが安定的に且つ均等に基板に対して供給されるようにすることで、膜厚および組成の均一な薄膜が形成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】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明の原子層堆積装置は、反応室内で基板を保持する台と、基板の表面に対して、第１の前躯体ガス、第２の前躯体ガス、およびパージガスを供給するガス供給管と、基板の加熱手段および回転手段と、を備えた原子層堆積装置において、ガス供給管は、同心状の内側管および外側管からなる二重管構造で内側流路と外側流路を有し、外側管の先端は内側管の先端より基板側にあり、外側管の先端面をなす円の直径が内側管の先端面をなす円の直径以下であり、内側流路の最大径での断面積とこの断面積を有する位置での外側流路の断面積が同じになるように形成され、ガスの流れが基板面に対して垂直になるように設置され、下記のガス導入制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１６】
このガス導入制御手段は、基板へ第１の前躯体ガスを供給する時には、第１の前躯体ガスを含有するガスを内側流路および外側流路のうちの一方の流路に導入し、他方の流路にパージガスを導入し、基板に対する第２の前躯体ガスの供給時には、第２の前躯体ガスを含有するガスを前記他方の流路に導入し、前記一方の流路にパージガスを導入し、基板に対するパージガスの供給時には、パージガスを内側流路および外側流路に導入するとともに、基板に対する各ガスの供給時に、内側流路を通過するガスの流量と外側流路を通過するガスの流量が常に同じになるように、内側流路および外側流路へのガス導入量を制御する。
【００１７】
この原子層堆積装置によれば、ガス供給管が、同心状の内側管および外側管からなる二重管構造に形成されているため、第１の前駆体ガスと第２の前駆体ガスで流れ方向が同じである。そして、二重管構造に形成されたガス供給管が、ガスの流れが基板面に対して垂直になるように設置されているため、各前躯体ガスを含有するガスとパージガスが基板に対して安定的に且つ均等に供給される。これにより、前駆体のパージが良好に行われるため、基板面に前躯体が残存しにくくなる。
【００１８】
また、外側管の先端は内側管の先端より基板側にあり、外側管の先端面をなす円の直径が内側管の先端面をなす円の直径以下であることから、基板に対するガスの供給が常に外側管の先端面から行われる。これによっても、各前躯体を含有するガスとパージガスが基板に対して安定的に且つ均等に供給されるようになる。
さらに、内側流路の最大径での断面積とこの位置での外側流路の断面積が同じになるように形成され、基板に対するガス供給時に、内側流路を通過するガスの流量と外側流路を通過するガスの流量が常に同じになるように制御されるため、基板面に対するガスの流れの状態を常に一定にすることができる。
【００１９】
本発明の原子層堆積装置において、反応室内で基板を保持する台より上方に、天板が基板と平行になるように配置され、この天板を貫通して外側管の先端部が前記台と対向配置されていると、互いに平行な基板と天板の間に上下端面が略平坦な反応空間が形成されるため、反応空間から排気経路へと向かうガスにおいてガスの対流や停滞が発生することが防止される。これにより、前駆体のパージをさらに良好に行うことができる。
【００２０】
また、天板と基板との距離が小さいほど、反応空間が狭くなってパージに必要なガス流量を少なくできるため、パージ時間が短縮でき、サイクルタイムを短縮することができる。そのため、天板と基板との距離が２０ｍｍ以下になるように、基板を保持する台と天板を配置することが好ましい。
さらに、第１の前躯体のガスおよび第２の前躯体のガスの一方が有機金属ガスで、他方が酸化性ガスである場合は、有機金属ガスが壁面に吸着しやすいため、内側流路に有機金属ガスを含有するガスを導入し、外側流路に酸化性ガスを含有するガスを導入して、有機金属ガスが接触する壁面の面積を小さくすることが好ましい。これにより、ガス供給管への有機金属の吸着量が少なくなるため、パージ時間を短縮することができ、原料の利用効率も向上する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の原子層堆積装置によれば、反応空間内に残存する前躯体のパージが確実に行われ、各前躯体のガスが安定的に且つ均等に基板に対して供給され、基板面に対するガスの流れの状態を常に一定にすることができるため、膜厚および組成の均一な薄膜を形成することができる。
特に、本発明の請求項４の原子層堆積装置は、第１の前躯体のガスおよび第２の前躯体のガスの一方が有機金属ガスで、他方が酸化性ガスである用途（例えばＡｌ2 Ｏ3 薄膜を形成する用途）に好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１はこの実施形態の原子層堆積装置を示す断面図である。図２は図１のＡ−Ａ断面である。図３は、図１の二重管構造のガス供給管を示す部分拡大図である。
この原子層堆積装置は、円筒状のステンレス製の容器１と、この容器１の蓋２と、容器１および蓋２のフランジ部１ａ，２ａ同士を挟むクランプ３を備えている。容器１内の中心部に、回転可能な石英製ペルジャー（回転手段）４が配置されている。ペルジャー４内にヒータ（加熱手段）４１が配置されている。また、ペルジャー４の上に、カーボン製サセプタ（基板を保持する台）５が固定されている。このサセプタ５は基板６を水平に保持できる構造となっている。
【００２３】
容器１内のサセプタ５より上方に、天板７が水平に配置されている。天板７の周縁部は鉛直上方に立ち上がった後に外側にフランジ状に延びている。このフランジ部７１が容器１の内壁の上端部に設けた凹部に配置されている。サセプタ５は、この天板７と基板６との距離が２０ｍｍとなる高さに基板６を保持するように構成されている。
容器１内には、また、容器１をなす円筒より僅かに径の小さい円筒からなる内筒１１が配置されている。この内筒１１の上部は天板７の立ち上がり部７２と容器１の内壁との間に配置されている。さらに、容器１の外側と蓋２の上部に、それぞれ冷却水流路１２，２１が形成されている。
【００２４】
そして、二重管構造のガス供給管８が、蓋２および天板７の面の中心を貫通した状態で、これらの面に対して垂直に配置されている。ガス供給管８は、同心状の内側管８１および外側管８２からなり、内側管８１内の内側流路２Ａと、内側管８１と外側管８２との間の外側流路２Ｂを有する。内側管８１は、基端側（上端）の小径部８１ａと、先端側（下端）の大径部８１ｂと、両者の間で径が変化する中間部８１ｃとからなる。
【００２５】
外側管８２は直径が一定の筒体からなり、その基端（上端）がフランジ部８２ａとなっている。外側管８２は一定直径で内側管８１の先端（下端）より下側（基板６側）まで延び、その先で径が小さくなっている。そして、外側管８２の先端面をなす円の直径Ｋ２と、内側管８１の先端面をなす円の直径Ｋ１が同じになっている。
また、内側管８１の大径部８１ｂの内面の半径ｒ1 が１．００ｃｍ、外面の半径ｒ2 を１．１２ｃｍ、外側管８２の内面の半径ｒ3 が１．５０ｃｍとなっている。よって、ガス供給管８の内側流路８Ａの最大通過断面積（内側管８１の大径部８１ｂ内の断面積）は約３．１４ｃｍ2 である。また、内側管８１の大径部８１ｂの位置での、外側流路８Ｂの断面積は、約３．１３（＝１．５×１．５×３．１４−１．１２×１．１２×３．１４）ｃｍ2 である。すなわち、内側管８１の大径部８１ｂの位置で、内側流路８Ａと外側流路８Ｂの断面積がほぼ同じになっている。
【００２６】
蓋２の上方に、ガス供給源とガス供給管８とを接続するための接続部９が配置されている。この接続部９は、外側管８２のフランジ８２ａを上下方向から挟む上板９１および下板９２と、これらを結合するボルト９３を備えている。接続部９の上板９１の中心に、内側管８１とガス供給源との接続穴９１ａが形成され、この接続穴９１ａより外側に外側管８２とガス供給源との接続穴９１ｂが形成されている。そして、接続穴９１ａに第１の配管９５の先端が接続され、接続穴９１ｂに第２の配管９６の先端が接続されている。
【００２７】
第１の配管９５の基端は分岐されていて、分岐管の一方が第１の前躯体ガス供給装置に、他方がパージガス供給装置に接続されている。そして、各ガス供給装置から第１の配管９５へ第１の前躯体ガスおよびパージガスの導入が、マスフローコントローラ（ガス導入制御手段）により制御された流量で行われるように構成されている。
第２の配管９６の基端は分岐されていて、分岐管の一方が第２の前躯体ガス供給装置に、他方がパージガス供給装置に接続されている。そして、各ガス供給装置から第２の配管９６への第２の前躯体ガスおよびパージガスの導入が、マスフローコントローラ（ガス導入制御手段）により制御された流量で行われるように構成されている。
【００２８】
また、蓋２およびこれに固定されたガス供給管８と、ガス供給管８に固定された接続部９および天板７が、蓋側部材として一体化されている。
この実施形態では、Ａｌ2 Ｏ3 薄膜を形成するために、一般的な前駆体であるトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）および水（Ｈ2 Ｏ）が、ガス状でガス供給管８に供給されるようにした。また、パージガスとして窒素ガスを用いた。
【００２９】
具体的には、ＴＭＡガスと窒素ガスの混合ガス（第１の前躯体ガスを含有するガス）と窒素ガス（パージガス）を交互に内側流路８Ａに供給するために、第１の配管９５の分岐管の一方をＴＭＡガス供給装置に接続し、第１の配管９５の他方を窒素ガス供給装置に接続した。そして、各ガス供給装置から第１の配管９５へのＴＭＡガスおよび窒素ガスの導入が、マスフローコントローラにより制御された流量で行われるようにした。
【００３０】
また、Ｈ2 Ｏガスと窒素ガスの混合ガス（第２の前躯体ガスを含有するガス）と窒素ガス（パージガス）を交互に外側流路８Ｂに供給するために、第２の配管９６の分岐管の一方をＨ2 Ｏガス供給装置に、他方を窒素ガス供給装置に接続した。そして、各ガス供給装置から第２の配管９６へのＨ2 Ｏガスおよび窒素ガスの導入が、マスフローコントローラにより制御された流量で行われるようにした。
【００３１】
この実施形態の原子層堆積装置を使用する際には、先ず、蓋側部材を外した状態で、容器１内のサセプタ５上に基板６を載せて、基板面を水平に保持し、天板７との距離が２０ｍｍとなる位置に基板６を配置する。次に、蓋側部材を容器１の上部に配置し、蓋２のフランジ部２ａと容器１のフランジ部１ａをクランプ３で挟むことで容器１内を密封し、図１に示す状態とする。
これにより、容器１内に反応室１０が形成され、二重管構造のガス供給管８が基板６の面に対して垂直に、且つ、外側管８２の先端が内側管８１の先端より基板６側に配置される。また、サセプタ５より上方に天板７が配置されて、天板７と基板６が平行になり、天板７と基板６との距離が２０ｍｍとなる。
【００３２】
この状態で、先ず、ヒータ４１を加熱して基板６の温度を所定温度に保持するとともに、反応室１０内の圧力を所定圧力に保持する。次に、ペルジャー４を回転させた状態で、各ガス供給装置から第１および第２の配管９５，９６へのガスの導入を、マスフローコントローラで流量制御しながら行うことで、ガス供給管８の外側管８２の先端面から基板６の表面に対するガス供給を行う。すなわち、基板６の表面に対する、ＴＭＡ供給工程、パージ工程、Ｈ2 Ｏ供給工程、パージ工程の一連のプロセスを繰り返す。これにより、基板６上にＴＭＡ単分子層とＨ2 Ｏ単分子層が交互に堆積されて、両単分子層間で表面反応が生じることで、Ａｌ2 Ｏ3 薄膜が形成される。
【００３３】
マスフローコントローラによる各ガスの流量制御は、例えば以下のようにして行う。
先ず、図４（ａ）に示すように、第１の配管９５からガス供給管８の内側流路８Ａに、ＴＭＡガスとＮ2 （窒素）ガスの混合ガスを導入すると同時に、第２の配管９６からガス供給管８の外側流路８ＢにＮ2 ガスを導入する。内側流路８Ａへの混合ガスの導入は、ＴＭＡガスを流量６００sccm、Ｎ2 ガスを流量９００sccmで行い、合計の流量を１５００sccmとする。外側流路８ＢへのＮ2 ガスの導入は、流量１５００sccmで行う。
【００３４】
この状態で１秒間保持した後、内側流路８ＡのＴＭＡガスの流量を０にして、Ｎ2 ガスの流量を１５００sccmにし、外側流路８ＢのＮ2 ガスの流量を１５００sccmのままとする。これにより、図４（ｂ）に示すように、内側流路８Ａおよび外側流路８Ｂに、それぞれＮ2 ガスが導入される。
この状態で１秒間保持した後、外側流路８ＢのＮ2 ガスの流量を９００sccmにして、外側流路８ＢにＨ2 Ｏガスを流量６００sccmで導入する。内側流路８ＡのＮ2 ガスの流量は１５００sccmのままとする。これにより、図４（ｃ）に示すように、内側流路８ＡにＮ2 ガスが導入されると同時に、外側流路８ＢにＨ2 ＯガスとＮ2 ガスの混合ガスが導入される。混合ガスの合計流量は１５００sccmとなる。
【００３５】
この状態で１秒間保持した後、外側流路８ＢのＨ2 Ｏガスの流量を０にして、Ｎ2 ガスの流量を１５００sccmにし、内側流路８ＡのＮ2 ガスの流量を１５００sccmのままとして、１秒間保持する。これにより、図４（ｂ）に示すように、内側流路８Ａおよび外側流路８Ｂに、それぞれＮ2 ガスが導入される。次に、図４（ａ）の状態にして、これら一連の制御を繰り返す。
【００３６】
この実施形態の原子層堆積装置によれば、ガス供給管８が、同心状の内側管８１および外側管８２からなる二重管構造に形成されているため、ＴＭＡガスとＨ2 Ｏガスで流れ方向が同じである。そして、二重管構造に形成されたガス供給管８が、ガスの流れが基板６の面に対して垂直になるように設置されているため、ガス供給管８からの各ガスの供給が基板６に対して安定的に且つ均等に行われる。
【００３７】
また、外側管８２の先端が内側管８１の先端より基板６側にあり、外側管８２の先端面をなす円の直径Ｋ２が内側管８１の先端面をなす円の直径Ｋ１と同じになっているため、基板６に対するガスの供給が常に外側管８２の先端面から行われる。よって、ガス供給管８からの各ガスの供給が基板６に対して安定的に且つ均等に行われるようになる。また、外側管８２の先端が内側管８１の先端と同じ位置である場合と比較して、内側管８１から供給されるＴＭＡガスの流速変化が小さくなる。
【００３８】
さらに、内側流路８Ａの最大径での断面積とこの位置での外側流路８Ｂの断面積が同じになるように形成され、基板６に対するガス供給時に、内側流路８Ａを通過するガスの流量と外側流路８Ｂを通過するガスの流量が、常に同じ（上述の例では１５００sccm）になるように制御されるため、基板６の表面に対するガスの流れの状態を常に一定にすることができる。
【００３９】
また、天板７を設けたことで、互いに平行な基板６と天板７の間に反応空間が形成されるため、反応空間内でガスの対流や停滞が発生することが防止される。これにより、前駆体ガスのパージを良好に行うことができる。また、天板と基板との距離が２０ｍｍであるため、反応空間が狭くなってパージに必要なガス流量を少なくできる。よって、パージ時間が短縮でき、サイクルタイムを短縮することができる。
また、壁面に吸着しやすいＴＭＡガスを内側流路８Ａに導入し、Ｈ2 Ｏガスを外側流路８Ｂに導入することで、ＴＭＡガスのガス供給管８への吸着量が少なくなるため、パージ時間を短縮することができ、原料の利用効率も向上する。
【００４０】
なお、この実施形態では、パージガスとして窒素を用い、一般的な前駆体であるＴＭＡおよびＨ2 Ｏを用いてＡｌ2 Ｏ3 薄膜を形成するために、第１の配管９５の分岐管の一方をＴＭＡガス供給装置に接続し、第１の配管９５の他方を窒素ガス供給装置に接続し、第２の配管９６の分岐管の一方をＨ2 Ｏガス供給装置に、他方を窒素ガス供給装置に接続した。しかしながら、本発明の原子層堆積装置はこれに限定されず、使用するパージガスに応じたガス供給装置、および形成する薄膜に応じた各前躯体のガス供給装置を、第１および第２の配管９５，９６の各分岐管に接続して、適切な流量制御を行い、圧力と温度を最適化することで、高誘電率物質の薄膜やこれ以外の様々な材質の薄膜を形成することができる。
【実施例】
【００４１】
上記実施形態の原子層堆積装置を用い、下記の条件で直径５０ｍｍのシリコン基板上にＡｌ2 Ｏ3 薄膜を形成した。
基板温度：５００℃、反応室１０内の圧力：２５ｈＰａ（ヘクトパスカル）、ペルジャー４の回転速度：３０ｒｐｍ、図４（ａ）に示すＴＭＡ供給工程でのＴＭＡの流量（ＴＭＡ恒温層温度２０℃での窒素のバブリング流量）：２０sccm（No. １）、５０sccm（No. ２）、１００sccm（No. ３）、２００sccm（No. ４）、図４（ｃ）に示すＨ2 Ｏ供給工程でのＨ2 Ｏの流量（Ｈ2 Ｏ恒温層温度２０℃で窒素のバブリング流量）：２００sccm、全工程での内側流路８Ａおよび外側流路８Ｂを流れるガスの流量：常時１５００sccm。
【００４２】
No. １では、先ず、図４（ａ）に示すＴＭＡ供給工程として、ガス供給管８の内側流路８Ａに、ＴＭＡガスを流量２０sccmで、Ｎ2 ガスを１４８０sccmで導入すると同時に、外側流路８ＢにＮ2 ガスを１５００sccmで導入して、内側流路８Ａを通ったＴＭＡガスおよびＮ2 ガスと、外側流路８Ｂを通ったＮ2 ガスを、外側管８２の先端面から基板６に向けて、１秒間供給した。
【００４３】
次に、図４（ｂ）に示すパージ工程として、内側流路８ＡへのＴＭＡガスの供給を停止し、内側流路８ＡへのＮ2 ガス供給量を１５００sccmとし、外側流路８ＢへのＮ2 ガス供給量は１５００sccmのままとして、内側流路８Ａおよび外側流路８Ｂを通ったＮ2 ガスを、外側管８２の先端面から基板６に向けて、１秒間供給した。
次に、図４（ｃ）に示すＨ2 Ｏ供給工程として、外側流路８ＢのＮ2 ガスの流量を１３００sccmにして、外側流路８ＢにＨ2 Ｏガスを流量２００sccmで導入し、内側流路８ＡへのＮ2 ガス供給量は１５００sccmのままとして、内側流路８Ａを通ったＮ2 ガスと、外側流路８Ｂを通ったＨ2 ＯガスおよびＮ2 ガスを、外側管８２の先端面から基板６に向けて、１秒間供給した。
【００４４】
次に、図４（ｂ）に示すパージ工程として、外側流路８ＢへのＨ2 Ｏガスの供給を停止し、外側流路８ＢへのＮ2 ガス供給量を１５００sccmとし、内側流路８ＡへのＮ2 ガス供給量は１５００sccmのままとして、内側流路８Ａおよび外側流路８Ｂを通ったＮ2 ガスを、外側管８２の先端面から基板６に向けて、１秒間供給した。
この一連のプロセスを１００回繰り返すことにより、基板６上にＴＭＡ単分子層とＨ2 Ｏ単分子層を交互に堆積し、両単分子層間で表面反応を生じさせて、Ａｌ2 Ｏ3 薄膜を形成した。
【００４５】
No. ２では、図４（ａ）に示すＴＭＡ供給工程で、内側流路８ＡのＴＭＡガスの流量を５０sccmとし、Ｎ2 ガスの流量を１４５０sccmとした以外はNo. １と同じ方法で、基板６上にＡｌ2 Ｏ3 薄膜を形成した。
No. ３では、図４（ａ）に示すＴＭＡ供給工程で、内側流路８ＡのＴＭＡガスの流量を１００sccmとし、Ｎ2 ガスの流量を１４００sccmとした以外はNo. １と同じ方法で、基板６上にＡｌ2 Ｏ3 薄膜を形成した。
【００４６】
No. ４では、図４（ａ）に示すＴＭＡ供給工程で、内側流路８ＡのＴＭＡガスの流量を２００sccmとし、Ｎ2 ガスの流量を１３００sccmとした以外はNo. １と同じ方法で、基板６上にＡｌ2 Ｏ3 薄膜を形成した。
No. １〜４の各方法でＡｌ2 Ｏ3 薄膜が形成された各基板について、基板の中心と、中心から４ｍｍ、８ｍｍ、１２ｍｍ、１６ｍｍ、２０ｍｍ、２４ｍｍの各位置で形成された薄膜の厚さを測定した。その結果を下記の表１に示す。また、この結果を、基板中心からの距離を横軸とし、膜厚を縦軸にしたグラフにまとめた。このグラフを図５に示す。
【００４７】
【表１】
【００４８】
表１に示すように、膜厚のバラツキの大きさを示すＲ（％）値はＴＭＡ流量の違いにより異なり、ＴＭＡ流量が２０sccmであるNo. １で最も小さい５．５％となり、均一性の高いＡｌ2 Ｏ3 薄膜が形成された。
また、No. １の方法で形成されたＡｌ2 Ｏ3 薄膜の組成を、基板の中心と、中心から４ｍｍ、８ｍｍ、１２ｍｍ、１６ｍｍ、２０ｍｍ、２４ｍｍの各位置で測定した。その結果を、図６にグラフで示す。この結果から、この方法で形成されたＡｌ2 Ｏ3 薄膜は、基板の面内全体でストイキオメトリー（化学量論的組成）が得られていることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態の原子層堆積装置を示す断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面である。
【図３】図１の二重管構造のガス供給管を示す部分拡大図である。
【図４】各工程における内側流路および外側流路に対するガス導入状態を説明する図である。
【図５】ＴＭＡの流量を変化させて形成したＡｌ2 Ｏ3 薄膜の基板面内での膜厚分布を示すグラフである。
【図６】実施例で得られたＡｌ2 Ｏ3 薄膜の基板面内での組成分布を示すグラフである。
【図７】従来例の原子層堆積装置装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 容器
１０ 反応室
１１ 内筒
１２ 冷却水流路
２１ 冷却水流路
２ 蓋
３ クランプ
４ 石英製ペルジャー（回転手段）
４１ ヒータ（加熱手段）
５ カーボン製サセプタ（基板を保持する台）
６ 基板
７ 天板
８ 二重管構造のガス供給管
８Ａ 内側流路
８Ｂ 外側流路
８１ 内側管
８２ 外側管
９１ａ 内側管とガス供給源との接続穴
９１ｂ 外側管とガス供給源との接続穴
【技術分野】
【０００１】
この発明は、薄膜構成元素を含有する化合物からなる第１の前躯体の単分子層および第２の前駆体の単分子層を、ガスの供給により基板に交互に堆積させ、前躯体単分子層間で表面反応を生じさせることで、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】
従来より、半導体ウエハーを含む各種基板表面に薄膜を成長させる方法としては、化学的気相成長（ＣＶＤ）法が広く採用されてきたが、最近、Ｈｉｇｈ−ｋ（高誘電率）ゲート絶縁膜形成の分野において、原子層堆積（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition ）法が多く採用されるようになってきた。
ＡＬＤ法は、薄膜構成元素を含有する化合物からなる複数の前躯体単分子層を、基板上に交互に堆積させ、前躯体単分子層間で表面反応を生じさせる方法である。すなわち、ＡＬＤ法では、化学的気相成長における吸着が各前躯体の単分子層の厚さで飽和状態になるようにすることで、単分子層となった時点で成長を自動的に停止させる。また、ＡＬＤ法では、各前躯体単分子層を堆積するために、ガス状の各前躯体を交互に基板面に供給する。
【０００３】
一般的なＡＬＤ法では、基板表面への第１の前駆体の供給、第１の前駆体のパージ、第２の前駆体の供給、および第２の前駆体のパージからなる一連のプロセスを、高速で繰り返すことにより、原子層レベルの反応を進行させる。第１の前躯体および第２の前駆体としては、薄膜構成元素を含有する化合物であって、相互に反応する材料を使用する。
ＡＬＤの成長機構は、先ず、第１の前駆体が基板の吸着サイトに吸着して、基板上に第１の前躯体からなる単分子層が形成される。第１の前駆体の供給量が単分子層形成に必要な量より多い場合は、次のパージ工程で余分に堆積した前駆体が除去される。続いて、第２の前駆体を供給すると、供給された第２の前躯体が基板上の第１の前駆体と反応して、両前躯体の反応生成物からなる薄膜が形成される。
【０００４】
ここで、第２の前駆体を基板上の全ての第１の前駆体と反応させるために、第２の前駆体を、単分子層形成に必要な量より過剰に供給する必要がある。そのため、第２の前駆体の供給後にパージを行って、過剰分を除去する。この一連のプロセスを繰り返すことにより、薄膜を所望の厚さに成長させることができる。
ＡＬＤ法では、基板表面の温度を、第１の前駆体の凝縮温度より高く、第１の前駆体が未分解あるいは一部分解した状態となる（完全には熱分解されない）温度に制御する。この温度より低い温度でＡＬＤを行うと凝縮により第１の前駆体が単分子層より厚く堆積し、逆に高い温度で行うと熱分解により第１の前駆体を構成する原子同士が結合されたような状態（蒸着の様に金属原子同士が結合した状態）となる。
【０００５】
また、第１及び第２の前駆体の供給量とパージ時間の関係で、供給量が多いあるいはパージ時間が短いと、それぞれの前駆体が単分子層より厚く堆積される。供給量が少ないと、単分子層が形成されない状態で反応が進むため、膜厚及び組成等が不均一となる。
このように、ＡＬＤ法では、理想的な成長が行われれば、膜厚や組成の均一性の高い薄膜が形成されるが、温度が適当でない場合やパージが不充分な場合には、膜厚や組成の均一性が劣化する。すなわち、第１および第２の前躯体が反応室内に残存していると、両者の反応生成物が析出して基板に付着することがあるため、過剰に供給された前駆体は、パージ工程で十分に除去される必要がある。
【０００６】
また、ＡＬＤ法では、第１の前駆体の供給、パージ、第２の前駆体の供給、パージの繰り返しで膜を成長させるため、それぞれのガス供給管のバルブを頻繁に開閉する。よって、ＡＬＤ法で、膜厚や組成が均一な薄膜を得るためには、バルブの開閉時にも、ガスが基板に対して安定した流れで供給されるようにする必要がある。
図７は、従来のＡＬＤ装置の一例であり、この装置は下記の特許文献１に記載されている。
【０００７】
この装置は、反応空間１０１と基板保持台１０３とからなる。反応空間１０１は、反応室１００内に設置され、シャワープレート１０７によって上部空間１０８と下部空間１０９に区画されている。基板保持台１０３は、基板１０２を下部空間１０９内に保持するように設置されている。上部空間１０８の上流側には、反応空間１０１に第２の前駆体Ｂを供給する上部供給管１０５が接続されている。下部空間１０９の上流側には、反応空間１０１に第１の前駆体Ａを供給する下部供給管１０４が接続されている。下部空間１０９の下流側には排気部１０６が設けられている。基板１０２は図示しない加熱手段によって加熱される。
【０００８】
上部供給管１０５は、第１の前駆体Ａおよびパージガスの供給源（いずれも図示略）に接続され、下部供給管１０４は、第２の前駆体Ｂおよびバージガス供給源（いずれも図示略）に接続されている。シャワープレート１０７には、基板１０２と対向する位置に、上部空間１０８と下部空間１０９とを連通する連通孔１１０が設けられている。第２の前駆体Ｂを基板１０２の全面に供給するためには、この連通孔１１０を相当数開口させる必要がある。
【０００９】
上部供給管１０５から上部空間１０８に供給された第２の前駆体Ｂおよびパージガスは、この連通孔１１０を経て基板１０２へ向けて噴出する。すなわち、第２の前駆体Ｂのガス流れは、上部供給管１０５から反応空間１０１までの間は横方向であり、上部空間１０８で下方の基板１０２へと９０度向きを変え、さらに基板１０２上で側方の排気部１０６へ９０度向きを変える。これに対して、第１の前駆体Ａのガス流れは、下部供給管１０４→下部空間１０９→基板１０２→排気部１０６と、常に横方向である。
【００１０】
この装置を用いて、基板１０２にＡＬＤ法で薄膜を形成するためには、先ず、上部供給管１０５および下部供給管１０４から常時パージガスを反応空間１０１内に供給しつつ、下部供給管１０４から第１の前駆体Ａを所定時間供給することで、基板１０２に単分子層を形成する。次に、第１の前駆体Ａの供給を停止してパージガスのみを供給することにより、余分に堆積した第１の前駆体Ａや副生成物を取除いた後に、上部供給管１０５から第２の前駆体Ｂを所定時間供給することで、第２の前駆体Ｂを第１の前駆体Ａと反応させて所望の薄膜を形成する。
【００１１】
次に、第２の前駆体Ｂの供給を停止してパージガスのみを供給することにより、余分に堆積した前駆体Ｂや副生成物を取除く。これで一連のプロセスが終了する。以後、この一連のプロセスを繰り返して薄膜を所望の厚さに成長させる。
【特許文献１】特表２００４−５３８３７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記特許文献１に記載されたＡＬＤ装置は、シャワープレート１０７に多数設けた連通孔１１０の内面やその周囲に、第１の前駆体Ａや第２の前駆体Ｂが残存し易く、これらはパージガスで除去されにくい。そして、これらの残存した前駆体に新たに供給された前駆体が接触して反応物が析出し、この析出物が基板１０２に付着すると、基板１０２上の本来の薄膜の成長が妨げられて、膜厚や組成が不均一になる。
【００１３】
また、このＡＬＤ装置は、第１の前駆体Ａのガス流れが横方向であるのに対し、第２の前駆体Ｂのガス流れは、途中に屈曲箇所があり、この屈曲箇所で通路抵抗が増大する。このように、第１の前駆体Ａと第２の前駆体Ｂでガス流れの状態が大きく異なるので、ガスの供給・停止を短時間で繰り返すＡＬＤ装置の特性上、それぞれの前駆体が基板１０２に均等な流量で安定的に供給されるように制御することは非常に困難である。このことも、膜厚や組成が不均一になる要因となる。
【００１４】
さらに、基板１０２と接触する際のガスの流れ方向が、第１の前駆体Ａでは基板１０２に平行であるのに対して、第２の前駆体Ｂでは基板１０２に対して垂直であり、この基板に対する前駆体の接触方向の違いも、膜厚や組成が不均一になる要因の一つである。
この発明は、特許文献１に記載された原子層堆積装置の上記課題に着目してなされたものであり、反応空間内に残存する前躯体のパージが確実に行われ、各前躯体のガスが安定的に且つ均等に基板に対して供給されるようにすることで、膜厚および組成の均一な薄膜が形成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】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明の原子層堆積装置は、反応室内で基板を保持する台と、基板の表面に対して、第１の前躯体ガス、第２の前躯体ガス、およびパージガスを供給するガス供給管と、基板の加熱手段および回転手段と、を備えた原子層堆積装置において、ガス供給管は、同心状の内側管および外側管からなる二重管構造で内側流路と外側流路を有し、外側管の先端は内側管の先端より基板側にあり、外側管の先端面をなす円の直径が内側管の先端面をなす円の直径以下であり、内側流路の最大径での断面積とこの断面積を有する位置での外側流路の断面積が同じになるように形成され、ガスの流れが基板面に対して垂直になるように設置され、下記のガス導入制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１６】
このガス導入制御手段は、基板へ第１の前躯体ガスを供給する時には、第１の前躯体ガスを含有するガスを内側流路および外側流路のうちの一方の流路に導入し、他方の流路にパージガスを導入し、基板に対する第２の前躯体ガスの供給時には、第２の前躯体ガスを含有するガスを前記他方の流路に導入し、前記一方の流路にパージガスを導入し、基板に対するパージガスの供給時には、パージガスを内側流路および外側流路に導入するとともに、基板に対する各ガスの供給時に、内側流路を通過するガスの流量と外側流路を通過するガスの流量が常に同じになるように、内側流路および外側流路へのガス導入量を制御する。
【００１７】
この原子層堆積装置によれば、ガス供給管が、同心状の内側管および外側管からなる二重管構造に形成されているため、第１の前駆体ガスと第２の前駆体ガスで流れ方向が同じである。そして、二重管構造に形成されたガス供給管が、ガスの流れが基板面に対して垂直になるように設置されているため、各前躯体ガスを含有するガスとパージガスが基板に対して安定的に且つ均等に供給される。これにより、前駆体のパージが良好に行われるため、基板面に前躯体が残存しにくくなる。
【００１８】
また、外側管の先端は内側管の先端より基板側にあり、外側管の先端面をなす円の直径が内側管の先端面をなす円の直径以下であることから、基板に対するガスの供給が常に外側管の先端面から行われる。これによっても、各前躯体を含有するガスとパージガスが基板に対して安定的に且つ均等に供給されるようになる。
さらに、内側流路の最大径での断面積とこの位置での外側流路の断面積が同じになるように形成され、基板に対するガス供給時に、内側流路を通過するガスの流量と外側流路を通過するガスの流量が常に同じになるように制御されるため、基板面に対するガスの流れの状態を常に一定にすることができる。
【００１９】
本発明の原子層堆積装置において、反応室内で基板を保持する台より上方に、天板が基板と平行になるように配置され、この天板を貫通して外側管の先端部が前記台と対向配置されていると、互いに平行な基板と天板の間に上下端面が略平坦な反応空間が形成されるため、反応空間から排気経路へと向かうガスにおいてガスの対流や停滞が発生することが防止される。これにより、前駆体のパージをさらに良好に行うことができる。
【００２０】
また、天板と基板との距離が小さいほど、反応空間が狭くなってパージに必要なガス流量を少なくできるため、パージ時間が短縮でき、サイクルタイムを短縮することができる。そのため、天板と基板との距離が２０ｍｍ以下になるように、基板を保持する台と天板を配置することが好ましい。
さらに、第１の前躯体のガスおよび第２の前躯体のガスの一方が有機金属ガスで、他方が酸化性ガスである場合は、有機金属ガスが壁面に吸着しやすいため、内側流路に有機金属ガスを含有するガスを導入し、外側流路に酸化性ガスを含有するガスを導入して、有機金属ガスが接触する壁面の面積を小さくすることが好ましい。これにより、ガス供給管への有機金属の吸着量が少なくなるため、パージ時間を短縮することができ、原料の利用効率も向上する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の原子層堆積装置によれば、反応空間内に残存する前躯体のパージが確実に行われ、各前躯体のガスが安定的に且つ均等に基板に対して供給され、基板面に対するガスの流れの状態を常に一定にすることができるため、膜厚および組成の均一な薄膜を形成することができる。
特に、本発明の請求項４の原子層堆積装置は、第１の前躯体のガスおよび第２の前躯体のガスの一方が有機金属ガスで、他方が酸化性ガスである用途（例えばＡｌ2 Ｏ3 薄膜を形成する用途）に好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１はこの実施形態の原子層堆積装置を示す断面図である。図２は図１のＡ−Ａ断面である。図３は、図１の二重管構造のガス供給管を示す部分拡大図である。
この原子層堆積装置は、円筒状のステンレス製の容器１と、この容器１の蓋２と、容器１および蓋２のフランジ部１ａ，２ａ同士を挟むクランプ３を備えている。容器１内の中心部に、回転可能な石英製ペルジャー（回転手段）４が配置されている。ペルジャー４内にヒータ（加熱手段）４１が配置されている。また、ペルジャー４の上に、カーボン製サセプタ（基板を保持する台）５が固定されている。このサセプタ５は基板６を水平に保持できる構造となっている。
【００２３】
容器１内のサセプタ５より上方に、天板７が水平に配置されている。天板７の周縁部は鉛直上方に立ち上がった後に外側にフランジ状に延びている。このフランジ部７１が容器１の内壁の上端部に設けた凹部に配置されている。サセプタ５は、この天板７と基板６との距離が２０ｍｍとなる高さに基板６を保持するように構成されている。
容器１内には、また、容器１をなす円筒より僅かに径の小さい円筒からなる内筒１１が配置されている。この内筒１１の上部は天板７の立ち上がり部７２と容器１の内壁との間に配置されている。さらに、容器１の外側と蓋２の上部に、それぞれ冷却水流路１２，２１が形成されている。
【００２４】
そして、二重管構造のガス供給管８が、蓋２および天板７の面の中心を貫通した状態で、これらの面に対して垂直に配置されている。ガス供給管８は、同心状の内側管８１および外側管８２からなり、内側管８１内の内側流路２Ａと、内側管８１と外側管８２との間の外側流路２Ｂを有する。内側管８１は、基端側（上端）の小径部８１ａと、先端側（下端）の大径部８１ｂと、両者の間で径が変化する中間部８１ｃとからなる。
【００２５】
外側管８２は直径が一定の筒体からなり、その基端（上端）がフランジ部８２ａとなっている。外側管８２は一定直径で内側管８１の先端（下端）より下側（基板６側）まで延び、その先で径が小さくなっている。そして、外側管８２の先端面をなす円の直径Ｋ２と、内側管８１の先端面をなす円の直径Ｋ１が同じになっている。
また、内側管８１の大径部８１ｂの内面の半径ｒ1 が１．００ｃｍ、外面の半径ｒ2 を１．１２ｃｍ、外側管８２の内面の半径ｒ3 が１．５０ｃｍとなっている。よって、ガス供給管８の内側流路８Ａの最大通過断面積（内側管８１の大径部８１ｂ内の断面積）は約３．１４ｃｍ2 である。また、内側管８１の大径部８１ｂの位置での、外側流路８Ｂの断面積は、約３．１３（＝１．５×１．５×３．１４−１．１２×１．１２×３．１４）ｃｍ2 である。すなわち、内側管８１の大径部８１ｂの位置で、内側流路８Ａと外側流路８Ｂの断面積がほぼ同じになっている。
【００２６】
蓋２の上方に、ガス供給源とガス供給管８とを接続するための接続部９が配置されている。この接続部９は、外側管８２のフランジ８２ａを上下方向から挟む上板９１および下板９２と、これらを結合するボルト９３を備えている。接続部９の上板９１の中心に、内側管８１とガス供給源との接続穴９１ａが形成され、この接続穴９１ａより外側に外側管８２とガス供給源との接続穴９１ｂが形成されている。そして、接続穴９１ａに第１の配管９５の先端が接続され、接続穴９１ｂに第２の配管９６の先端が接続されている。
【００２７】
第１の配管９５の基端は分岐されていて、分岐管の一方が第１の前躯体ガス供給装置に、他方がパージガス供給装置に接続されている。そして、各ガス供給装置から第１の配管９５へ第１の前躯体ガスおよびパージガスの導入が、マスフローコントローラ（ガス導入制御手段）により制御された流量で行われるように構成されている。
第２の配管９６の基端は分岐されていて、分岐管の一方が第２の前躯体ガス供給装置に、他方がパージガス供給装置に接続されている。そして、各ガス供給装置から第２の配管９６への第２の前躯体ガスおよびパージガスの導入が、マスフローコントローラ（ガス導入制御手段）により制御された流量で行われるように構成されている。
【００２８】
また、蓋２およびこれに固定されたガス供給管８と、ガス供給管８に固定された接続部９および天板７が、蓋側部材として一体化されている。
この実施形態では、Ａｌ2 Ｏ3 薄膜を形成するために、一般的な前駆体であるトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）および水（Ｈ2 Ｏ）が、ガス状でガス供給管８に供給されるようにした。また、パージガスとして窒素ガスを用いた。
【００２９】
具体的には、ＴＭＡガスと窒素ガスの混合ガス（第１の前躯体ガスを含有するガス）と窒素ガス（パージガス）を交互に内側流路８Ａに供給するために、第１の配管９５の分岐管の一方をＴＭＡガス供給装置に接続し、第１の配管９５の他方を窒素ガス供給装置に接続した。そして、各ガス供給装置から第１の配管９５へのＴＭＡガスおよび窒素ガスの導入が、マスフローコントローラにより制御された流量で行われるようにした。
【００３０】
また、Ｈ2 Ｏガスと窒素ガスの混合ガス（第２の前躯体ガスを含有するガス）と窒素ガス（パージガス）を交互に外側流路８Ｂに供給するために、第２の配管９６の分岐管の一方をＨ2 Ｏガス供給装置に、他方を窒素ガス供給装置に接続した。そして、各ガス供給装置から第２の配管９６へのＨ2 Ｏガスおよび窒素ガスの導入が、マスフローコントローラにより制御された流量で行われるようにした。
【００３１】
この実施形態の原子層堆積装置を使用する際には、先ず、蓋側部材を外した状態で、容器１内のサセプタ５上に基板６を載せて、基板面を水平に保持し、天板７との距離が２０ｍｍとなる位置に基板６を配置する。次に、蓋側部材を容器１の上部に配置し、蓋２のフランジ部２ａと容器１のフランジ部１ａをクランプ３で挟むことで容器１内を密封し、図１に示す状態とする。
これにより、容器１内に反応室１０が形成され、二重管構造のガス供給管８が基板６の面に対して垂直に、且つ、外側管８２の先端が内側管８１の先端より基板６側に配置される。また、サセプタ５より上方に天板７が配置されて、天板７と基板６が平行になり、天板７と基板６との距離が２０ｍｍとなる。
【００３２】
この状態で、先ず、ヒータ４１を加熱して基板６の温度を所定温度に保持するとともに、反応室１０内の圧力を所定圧力に保持する。次に、ペルジャー４を回転させた状態で、各ガス供給装置から第１および第２の配管９５，９６へのガスの導入を、マスフローコントローラで流量制御しながら行うことで、ガス供給管８の外側管８２の先端面から基板６の表面に対するガス供給を行う。すなわち、基板６の表面に対する、ＴＭＡ供給工程、パージ工程、Ｈ2 Ｏ供給工程、パージ工程の一連のプロセスを繰り返す。これにより、基板６上にＴＭＡ単分子層とＨ2 Ｏ単分子層が交互に堆積されて、両単分子層間で表面反応が生じることで、Ａｌ2 Ｏ3 薄膜が形成される。
【００３３】
マスフローコントローラによる各ガスの流量制御は、例えば以下のようにして行う。
先ず、図４（ａ）に示すように、第１の配管９５からガス供給管８の内側流路８Ａに、ＴＭＡガスとＮ2 （窒素）ガスの混合ガスを導入すると同時に、第２の配管９６からガス供給管８の外側流路８ＢにＮ2 ガスを導入する。内側流路８Ａへの混合ガスの導入は、ＴＭＡガスを流量６００sccm、Ｎ2 ガスを流量９００sccmで行い、合計の流量を１５００sccmとする。外側流路８ＢへのＮ2 ガスの導入は、流量１５００sccmで行う。
【００３４】
この状態で１秒間保持した後、内側流路８ＡのＴＭＡガスの流量を０にして、Ｎ2 ガスの流量を１５００sccmにし、外側流路８ＢのＮ2 ガスの流量を１５００sccmのままとする。これにより、図４（ｂ）に示すように、内側流路８Ａおよび外側流路８Ｂに、それぞれＮ2 ガスが導入される。
この状態で１秒間保持した後、外側流路８ＢのＮ2 ガスの流量を９００sccmにして、外側流路８ＢにＨ2 Ｏガスを流量６００sccmで導入する。内側流路８ＡのＮ2 ガスの流量は１５００sccmのままとする。これにより、図４（ｃ）に示すように、内側流路８ＡにＮ2 ガスが導入されると同時に、外側流路８ＢにＨ2 ＯガスとＮ2 ガスの混合ガスが導入される。混合ガスの合計流量は１５００sccmとなる。
【００３５】
この状態で１秒間保持した後、外側流路８ＢのＨ2 Ｏガスの流量を０にして、Ｎ2 ガスの流量を１５００sccmにし、内側流路８ＡのＮ2 ガスの流量を１５００sccmのままとして、１秒間保持する。これにより、図４（ｂ）に示すように、内側流路８Ａおよび外側流路８Ｂに、それぞれＮ2 ガスが導入される。次に、図４（ａ）の状態にして、これら一連の制御を繰り返す。
【００３６】
この実施形態の原子層堆積装置によれば、ガス供給管８が、同心状の内側管８１および外側管８２からなる二重管構造に形成されているため、ＴＭＡガスとＨ2 Ｏガスで流れ方向が同じである。そして、二重管構造に形成されたガス供給管８が、ガスの流れが基板６の面に対して垂直になるように設置されているため、ガス供給管８からの各ガスの供給が基板６に対して安定的に且つ均等に行われる。
【００３７】
また、外側管８２の先端が内側管８１の先端より基板６側にあり、外側管８２の先端面をなす円の直径Ｋ２が内側管８１の先端面をなす円の直径Ｋ１と同じになっているため、基板６に対するガスの供給が常に外側管８２の先端面から行われる。よって、ガス供給管８からの各ガスの供給が基板６に対して安定的に且つ均等に行われるようになる。また、外側管８２の先端が内側管８１の先端と同じ位置である場合と比較して、内側管８１から供給されるＴＭＡガスの流速変化が小さくなる。
【００３８】
さらに、内側流路８Ａの最大径での断面積とこの位置での外側流路８Ｂの断面積が同じになるように形成され、基板６に対するガス供給時に、内側流路８Ａを通過するガスの流量と外側流路８Ｂを通過するガスの流量が、常に同じ（上述の例では１５００sccm）になるように制御されるため、基板６の表面に対するガスの流れの状態を常に一定にすることができる。
【００３９】
また、天板７を設けたことで、互いに平行な基板６と天板７の間に反応空間が形成されるため、反応空間内でガスの対流や停滞が発生することが防止される。これにより、前駆体ガスのパージを良好に行うことができる。また、天板と基板との距離が２０ｍｍであるため、反応空間が狭くなってパージに必要なガス流量を少なくできる。よって、パージ時間が短縮でき、サイクルタイムを短縮することができる。
また、壁面に吸着しやすいＴＭＡガスを内側流路８Ａに導入し、Ｈ2 Ｏガスを外側流路８Ｂに導入することで、ＴＭＡガスのガス供給管８への吸着量が少なくなるため、パージ時間を短縮することができ、原料の利用効率も向上する。
【００４０】
なお、この実施形態では、パージガスとして窒素を用い、一般的な前駆体であるＴＭＡおよびＨ2 Ｏを用いてＡｌ2 Ｏ3 薄膜を形成するために、第１の配管９５の分岐管の一方をＴＭＡガス供給装置に接続し、第１の配管９５の他方を窒素ガス供給装置に接続し、第２の配管９６の分岐管の一方をＨ2 Ｏガス供給装置に、他方を窒素ガス供給装置に接続した。しかしながら、本発明の原子層堆積装置はこれに限定されず、使用するパージガスに応じたガス供給装置、および形成する薄膜に応じた各前躯体のガス供給装置を、第１および第２の配管９５，９６の各分岐管に接続して、適切な流量制御を行い、圧力と温度を最適化することで、高誘電率物質の薄膜やこれ以外の様々な材質の薄膜を形成することができる。
【実施例】
【００４１】
上記実施形態の原子層堆積装置を用い、下記の条件で直径５０ｍｍのシリコン基板上にＡｌ2 Ｏ3 薄膜を形成した。
基板温度：５００℃、反応室１０内の圧力：２５ｈＰａ（ヘクトパスカル）、ペルジャー４の回転速度：３０ｒｐｍ、図４（ａ）に示すＴＭＡ供給工程でのＴＭＡの流量（ＴＭＡ恒温層温度２０℃での窒素のバブリング流量）：２０sccm（No. １）、５０sccm（No. ２）、１００sccm（No. ３）、２００sccm（No. ４）、図４（ｃ）に示すＨ2 Ｏ供給工程でのＨ2 Ｏの流量（Ｈ2 Ｏ恒温層温度２０℃で窒素のバブリング流量）：２００sccm、全工程での内側流路８Ａおよび外側流路８Ｂを流れるガスの流量：常時１５００sccm。
【００４２】
No. １では、先ず、図４（ａ）に示すＴＭＡ供給工程として、ガス供給管８の内側流路８Ａに、ＴＭＡガスを流量２０sccmで、Ｎ2 ガスを１４８０sccmで導入すると同時に、外側流路８ＢにＮ2 ガスを１５００sccmで導入して、内側流路８Ａを通ったＴＭＡガスおよびＮ2 ガスと、外側流路８Ｂを通ったＮ2 ガスを、外側管８２の先端面から基板６に向けて、１秒間供給した。
【００４３】
次に、図４（ｂ）に示すパージ工程として、内側流路８ＡへのＴＭＡガスの供給を停止し、内側流路８ＡへのＮ2 ガス供給量を１５００sccmとし、外側流路８ＢへのＮ2 ガス供給量は１５００sccmのままとして、内側流路８Ａおよび外側流路８Ｂを通ったＮ2 ガスを、外側管８２の先端面から基板６に向けて、１秒間供給した。
次に、図４（ｃ）に示すＨ2 Ｏ供給工程として、外側流路８ＢのＮ2 ガスの流量を１３００sccmにして、外側流路８ＢにＨ2 Ｏガスを流量２００sccmで導入し、内側流路８ＡへのＮ2 ガス供給量は１５００sccmのままとして、内側流路８Ａを通ったＮ2 ガスと、外側流路８Ｂを通ったＨ2 ＯガスおよびＮ2 ガスを、外側管８２の先端面から基板６に向けて、１秒間供給した。
【００４４】
次に、図４（ｂ）に示すパージ工程として、外側流路８ＢへのＨ2 Ｏガスの供給を停止し、外側流路８ＢへのＮ2 ガス供給量を１５００sccmとし、内側流路８ＡへのＮ2 ガス供給量は１５００sccmのままとして、内側流路８Ａおよび外側流路８Ｂを通ったＮ2 ガスを、外側管８２の先端面から基板６に向けて、１秒間供給した。
この一連のプロセスを１００回繰り返すことにより、基板６上にＴＭＡ単分子層とＨ2 Ｏ単分子層を交互に堆積し、両単分子層間で表面反応を生じさせて、Ａｌ2 Ｏ3 薄膜を形成した。
【００４５】
No. ２では、図４（ａ）に示すＴＭＡ供給工程で、内側流路８ＡのＴＭＡガスの流量を５０sccmとし、Ｎ2 ガスの流量を１４５０sccmとした以外はNo. １と同じ方法で、基板６上にＡｌ2 Ｏ3 薄膜を形成した。
No. ３では、図４（ａ）に示すＴＭＡ供給工程で、内側流路８ＡのＴＭＡガスの流量を１００sccmとし、Ｎ2 ガスの流量を１４００sccmとした以外はNo. １と同じ方法で、基板６上にＡｌ2 Ｏ3 薄膜を形成した。
【００４６】
No. ４では、図４（ａ）に示すＴＭＡ供給工程で、内側流路８ＡのＴＭＡガスの流量を２００sccmとし、Ｎ2 ガスの流量を１３００sccmとした以外はNo. １と同じ方法で、基板６上にＡｌ2 Ｏ3 薄膜を形成した。
No. １〜４の各方法でＡｌ2 Ｏ3 薄膜が形成された各基板について、基板の中心と、中心から４ｍｍ、８ｍｍ、１２ｍｍ、１６ｍｍ、２０ｍｍ、２４ｍｍの各位置で形成された薄膜の厚さを測定した。その結果を下記の表１に示す。また、この結果を、基板中心からの距離を横軸とし、膜厚を縦軸にしたグラフにまとめた。このグラフを図５に示す。
【００４７】
【表１】
【００４８】
表１に示すように、膜厚のバラツキの大きさを示すＲ（％）値はＴＭＡ流量の違いにより異なり、ＴＭＡ流量が２０sccmであるNo. １で最も小さい５．５％となり、均一性の高いＡｌ2 Ｏ3 薄膜が形成された。
また、No. １の方法で形成されたＡｌ2 Ｏ3 薄膜の組成を、基板の中心と、中心から４ｍｍ、８ｍｍ、１２ｍｍ、１６ｍｍ、２０ｍｍ、２４ｍｍの各位置で測定した。その結果を、図６にグラフで示す。この結果から、この方法で形成されたＡｌ2 Ｏ3 薄膜は、基板の面内全体でストイキオメトリー（化学量論的組成）が得られていることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態の原子層堆積装置を示す断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面である。
【図３】図１の二重管構造のガス供給管を示す部分拡大図である。
【図４】各工程における内側流路および外側流路に対するガス導入状態を説明する図である。
【図５】ＴＭＡの流量を変化させて形成したＡｌ2 Ｏ3 薄膜の基板面内での膜厚分布を示すグラフである。
【図６】実施例で得られたＡｌ2 Ｏ3 薄膜の基板面内での組成分布を示すグラフである。
【図７】従来例の原子層堆積装置装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 容器
１０ 反応室
１１ 内筒
１２ 冷却水流路
２１ 冷却水流路
２ 蓋
３ クランプ
４ 石英製ペルジャー（回転手段）
４１ ヒータ（加熱手段）
５ カーボン製サセプタ（基板を保持する台）
６ 基板
７ 天板
８ 二重管構造のガス供給管
８Ａ 内側流路
８Ｂ 外側流路
８１ 内側管
８２ 外側管
９１ａ 内側管とガス供給源との接続穴
９１ｂ 外側管とガス供給源との接続穴
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応室内で基板を保持する台と、基板の表面に対して、第１の前躯体ガス、第２の前躯体ガス、およびパージガスを供給するガス供給管と、基板の加熱手段および回転手段と、を備えた原子層堆積装置において、
ガス供給管は、同心状の内側管および外側管からなる二重管構造で内側流路と外側流路を有し、外側管の先端は内側管の先端より基板側にあり、外側管の先端面をなす円の直径が内側管の先端面をなす円の直径以下であり、内側流路の最大径での断面積とこの断面積を有する位置での外側流路の断面積が同じになるように形成され、ガスの流れが基板面に対して垂直になるように設置され、
基板へ第１の前躯体ガスを供給する時には、第１の前躯体ガスを含有するガスを内側流路および外側流路のうちの一方の流路に導入し、他方の流路にパージガスを導入し、
基板に対する第２の前躯体ガスの供給時には、第２の前躯体ガスを含有するガスを前記他方の流路に導入し、前記一方の流路にパージガスを導入し、
基板に対するパージガスの供給時には、パージガスを内側流路および外側流路に導入するとともに、
基板に対するガス供給時に、内側流路を通過するガスの流量と外側流路を通過するガスの流量が常に同じになるように、内側流路および外側流路へのガス導入量を制御するガス導入制御手段を備えたことを特徴とする原子層堆積装置。
【請求項２】
反応室内で基板を保持する台より上方に、天板が基板と平行になるように配置され、この天板を貫通して外側管の先端部が前記台と対向配置されていること特徴とする請求項１記載の原子層堆積装置。
【請求項３】
天板および台は、天板と基板との距離が２０ｍｍ以下になるように配置されていることを特徴とする請求項２記載の原子層堆積装置。
【請求項４】
内側流路に有機金属ガスを含有するガスを導入し、外側流路に酸化性ガスを含有するガスを導入するように構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の原子層堆積装置。
【請求項１】
反応室内で基板を保持する台と、基板の表面に対して、第１の前躯体ガス、第２の前躯体ガス、およびパージガスを供給するガス供給管と、基板の加熱手段および回転手段と、を備えた原子層堆積装置において、
ガス供給管は、同心状の内側管および外側管からなる二重管構造で内側流路と外側流路を有し、外側管の先端は内側管の先端より基板側にあり、外側管の先端面をなす円の直径が内側管の先端面をなす円の直径以下であり、内側流路の最大径での断面積とこの断面積を有する位置での外側流路の断面積が同じになるように形成され、ガスの流れが基板面に対して垂直になるように設置され、
基板へ第１の前躯体ガスを供給する時には、第１の前躯体ガスを含有するガスを内側流路および外側流路のうちの一方の流路に導入し、他方の流路にパージガスを導入し、
基板に対する第２の前躯体ガスの供給時には、第２の前躯体ガスを含有するガスを前記他方の流路に導入し、前記一方の流路にパージガスを導入し、
基板に対するパージガスの供給時には、パージガスを内側流路および外側流路に導入するとともに、
基板に対するガス供給時に、内側流路を通過するガスの流量と外側流路を通過するガスの流量が常に同じになるように、内側流路および外側流路へのガス導入量を制御するガス導入制御手段を備えたことを特徴とする原子層堆積装置。
【請求項２】
反応室内で基板を保持する台より上方に、天板が基板と平行になるように配置され、この天板を貫通して外側管の先端部が前記台と対向配置されていること特徴とする請求項１記載の原子層堆積装置。
【請求項３】
天板および台は、天板と基板との距離が２０ｍｍ以下になるように配置されていることを特徴とする請求項２記載の原子層堆積装置。
【請求項４】
内側流路に有機金属ガスを含有するガスを導入し、外側流路に酸化性ガスを含有するガスを導入するように構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の原子層堆積装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−３９７５０（Ｐ２００７−３９７５０Ａ）
【公開日】平成１９年２月１５日（２００７．２．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２２５８９９（Ｐ２００５−２２５８９９）
【出願日】平成１７年８月３日（２００５．８．３）
【出願人】（０００１６５９７４）古河機械金属株式会社 (211)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月１５日（２００７．２．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月３日（２００５．８．３）
【出願人】（０００１６５９７４）古河機械金属株式会社 (211)
【Ｆターム（参考）】
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