原子層成長装置および原子層成長方法
【課題】紫外線を利用して、プラズマによるダメージの少ない良質な膜を基板上に形成することができる原子層成長装置を提供する。
【解決手段】原子層成長装置は、原料ガスおよび酸化ガスが供給される成膜容器と、成膜容器の成膜室内に配設された、基板が載置される基板ステージと、成膜容器の、成膜室の上方に位置するプラズマ発生室内に配設された、紫外線を発生するプラズマを生成するプラズマ源と、プラズマ発生室と成膜室とを区切るように成膜容器内に配設された、プラズマ発生室から成膜室に紫外線を透過させる紫外線透過板と、を備えている。成膜容器内に供給されたガスは、紫外線透過板を透過した紫外線により活性化されて基板上に酸化膜が生成される。
【解決手段】原子層成長装置は、原料ガスおよび酸化ガスが供給される成膜容器と、成膜容器の成膜室内に配設された、基板が載置される基板ステージと、成膜容器の、成膜室の上方に位置するプラズマ発生室内に配設された、紫外線を発生するプラズマを生成するプラズマ源と、プラズマ発生室と成膜室とを区切るように成膜容器内に配設された、プラズマ発生室から成膜室に紫外線を透過させる紫外線透過板と、を備えている。成膜容器内に供給されたガスは、紫外線透過板を透過した紫外線により活性化されて基板上に酸化膜が生成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に原子層単位で薄膜を形成する原子層成長（以下、省略してＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）ともいう）装置および原子層成長方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＡＬＤ法は、形成しようとする膜を構成する元素を主成分とする２種類のガスを成膜対象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ことを複数回繰り返して所望厚さの膜を形成する薄膜形成技術である。例えば、基板上にＳｉＯ2膜を形成する場合、Ｓｉを含む原料ガスとＯを含む酸化ガスが用いられる。また、基板上に窒化膜を形成する場合、酸化ガスの代わりに窒化ガスが用いられる。
【０００３】
ＡＬＤ法では、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され、余分な原料ガスは成長に寄与しない。これを、成長の自己停止作用（セルフリミット機能）という。
【０００４】
ＡＬＤ法は、一般的なＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法と比較して高い段差被覆性と膜厚制御性を併せ持ち、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、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の薄膜トランジスタのゲート絶縁膜の形成への適用なども期待されている。
【０００５】
以下、従来のＡＬＤ装置について説明する。
【０００６】
図２は、従来のＡＬＤ装置の構成を表す一例の概略図である。同図に示すＡＬＤ装置７０は、成膜容器（成膜チャンバ）１２と、ガス供給部１４ａと、排気部１６ａとによって構成されている。
【０００７】
成膜容器１２は、金属製の中空箱形であり、接地されている。成膜容器１２の内部には、上壁側から下壁側に向かって順に、複数のアンテナ素子２６からなるアンテナアレイ２８、ヒータ３０を内蔵する基板ステージ３２が配設されている。アンテナアレイ２８は、複数のアンテナ素子２６を所定の間隔で平行に配設することによって構成される仮想平面が基板ステージ３２と平行に配設されている。
【０００８】
アンテナ素子２６は、図３に上方からの平面図を示すように、高周波電力の波長の（２ｎ＋１）／４倍（ｎは０または正の整数）の長さの導電体からなる棒状のモノポールアンテナ（アンテナ本体）３９が、誘電体からなる円筒部材４０に収納されたものである。高周波電力供給部３４で発生された高周波電力が分配器３６で分配され、各々のインピーダンス整合器３８を介して各々のアンテナ素子２６に供給されると、アンテナ素子２６の周囲にプラズマが発生される。
【０００９】
各々のアンテナ素子２６は、本出願人が特許文献１で提案したものであり、例えば、供給孔２０ｂから基板ステージ３２に向けて供給される酸化ガスのガス流の方向に対して直交する方向に延びるように、電気的に絶縁されて成膜容器１２側壁に取り付けられている。また、各々のアンテナ素子２６は、所定の間隔で平行に配設されており、隣接して配設されたアンテナ素子２６間の給電位置が互いに対向する側壁になるように配設されている。
【００１０】
次に、ＡＬＤ装置７０の成膜時の動作を説明する。
【００１１】
成膜時には、基板ステージ３２上面に基板４２が載置される。また、基板ステージ３２がヒータ３０で加熱され、基板ステージ３２上に載置された基板４２は、成膜が終了するまで所定の温度に保持される。
【００１２】
例えば、基板表面にＳｉＯ2膜を形成する場合、成膜容器１２内が排気部１６ａにより水平方向に真空引きされた後、Ｓｉ成分を含む原料ガスが、ガス供給部１４ａから、供給管１８ａ、成膜容器１２の左壁に形成された供給孔２０ａを介して成膜容器１２内へ水平方向に供給される。これにより、基板４２表面に原料ガスが供給され、吸着される。なお、この時、アンテナ素子２６によりプラズマは発生されない。
【００１３】
続いて、原料ガスの供給が停止され、基板４２表面に吸着された原料ガス以外の余剰の原料ガスが、排気部１６ａにより、成膜容器１２から、成膜容器１２の右壁に形成された排気孔２４ａ、排気管２２ａを介して水平方向へ排気される。
【００１４】
続いて、酸化ガスが、ガス供給部１４ａから、供給管１８ｂ、成膜容器１２の左壁に形成された供給孔２０ｂを介して成膜容器１２内に水平方向に供給される。この時同時に、高周波電力供給部３４から高周波電力が各々のアンテナ素子２６に供給される。これにより、各々のアンテナ素子２６の周囲に酸化ガスを用いてプラズマが発生され、基板４２表面に吸着された原料ガスが酸化される。
【００１５】
その後、酸化ガスの供給およびアンテナ素子２６への高周波電力の供給が停止され、酸化に寄与しない余剰の酸化ガスや反応生成物等が、排気部１６ａにより、成膜容器１２の右壁に形成された排気孔２４ａ、排気管２２ａを介して水平方向に排気される。
【００１６】
以上のように、原料ガスの供給→余剰原料ガスの排気→酸化ガスの供給→余剰酸化ガスの排気からなる一連の工程により、基板４２上にＳｉＯ2膜が原子層単位で形成される。この工程を数回繰り返すことにより、基板４２上に所定膜厚のＳｉＯ2膜が形成される。
【００１７】
【特許文献１】特開２００３−８６５８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
上記ＡＬＤ装置７０のように、プラズマを用いて酸化ガスの反応活性を高めるＡＬＤ装置では、基板上に形成された膜のプラズマによるダメージが問題となっている。これに対し、従来、光を利用して活性酸素を生成する手法は存在していたが、大面積かつ均一であり、しかも効率的に紫外線（ＵＶ）（真空紫外線（ＶＵＶ）を含む）を発生させられる光源を搭載したＡＬＤ装置は存在していなかった。
【００１９】
本発明の第１の目的は、前記従来技術の問題点を解消し、紫外線を利用して、プラズマによるダメージの少ない良質な膜を基板上に形成することができる原子層成長装置および原子層成長方法を提供することにある。
また、本発明の第２の目的は、上記第１の目的に加えて、反応ガスを活性化させるために、大面積かつ均一であり、しかも効率的に紫外線を発生させることができる光源を備える原子層成長装置および原子層成長方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を達成するために、本発明は、原料ガスと酸化ガスとを交互に供給して、基板上に酸化膜を生成する原子層成長装置であって、
原料ガスおよび酸化ガスが供給される成膜容器と、前記成膜容器の成膜室内に配設された、前記基板が載置される基板ステージと、前記成膜容器の、前記成膜室の上方に位置するプラズマ発生室内に配設された、紫外線を発生するプラズマを生成するプラズマ源と、前記プラズマ発生室と前記成膜室とを区切るように前記成膜容器内に配設された、前記プラズマ発生室から前記成膜室に前記紫外線を透過させる紫外線透過板と、を備え、
前記成膜容器内に供給されたガスが、前記紫外線透過板を透過した紫外線により活性化されて酸化膜が生成されることを特徴とする原子層成長装置を提供するものである。
【００２１】
また、本発明は、原料ガスと窒化ガスとを交互に供給して、基板上に窒化膜を生成する原子層成長装置であって、
原料ガスおよび窒化ガスが供給される成膜容器と、前記成膜容器の成膜室内に配設された、前記基板が載置される基板ステージと、前記成膜容器の、前記成膜室の上方に位置するプラズマ発生室内に配設された、紫外線を発生するプラズマを生成するプラズマ源と、前記プラズマ発生室と前記成膜室とを区切るように前記成膜容器内に配設された、前記プラズマ発生室から前記成膜室に前記紫外線を透過させる紫外線透過板と、を備え、
前記成膜容器内に供給されたガスが、前記紫外線透過板を透過した紫外線により活性化されて窒化膜が生成されることを特徴とする原子層成長装置を提供する。
【００２２】
ここで、前記プラズマ源は、複数のアンテナ素子が平行に配設されて構成されたアンテナアレイであり、前記複数のアンテナ素子の各々は、棒状のアンテナ本体が誘電体で被覆されていることが好ましい。
【００２３】
さらに、前記紫外線透過板は、石英、ＭｇＦ2ガラス、ＣａＦ2ガラス、および、ＬｉＦガラスのうちのいずれかで構成されていることが好ましい。
【００２４】
また、本発明は、成膜容器の成膜室に、原料ガスと酸化ガスとを交互に供給して、基板上に酸化膜を生成する原子層成長方法であって、
前記成膜容器のプラズマ発生室内において、紫外線を発生するプラズマを生成し、
前記プラズマ発生室と前記成膜室とを区切るように前記成膜容器内に配設された紫外線透過板を介して、前記プラズマ発生室から前記成膜室に透過した紫外線により、前記成膜容器内に供給されたガスを活性化して前記基板上に酸化膜を生成することを特徴とする原子層成長方法を提供する。
【００２５】
また、本発明は、成膜容器の成膜室に、原料ガスと窒化ガスとを交互に供給して、基板上に窒化膜を生成する原子層成長方法であって、
前記成膜容器のプラズマ発生室内において、紫外線を発生するプラズマを生成し、
前記プラズマ発生室と前記成膜室とを区切るように前記成膜容器内に配設された紫外線透過板を介して、前記プラズマ発生室から前記成膜室に透過した紫外線により、前記成膜容器内に供給されたガスを活性化して前記基板上に窒化膜を生成することを特徴とする原子層成長方法を提供する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明では、紫外線透過板でプラズマ発生室と成膜室とが区切られており、プラズマ発生室内でプラズマを生成し、成膜室内でプラズマを生成していないので、形成された膜のプラズマによるダメージが極めて少なく、均一で良質な膜を得ることができる。また、本発明では、プラズマ源が成膜室内にないため、成膜室内は凹凸がほとんどなく、パーティクルの問題も大幅に軽減することができる。
【００２７】
また、本発明では、例えば、プラズマによって発生された紫外線で酸化ガスを活性化して原料ガスの酸化膜を形成する。紫外線で活性化された酸化に寄与するラジカルは強い酸化力を持っているため、従来よりも膜質の良好な膜を形成できる。言い換えると、膜質の等しい膜を形成する場合、本発明であれば、従来のＡＬＤ装置と比べて低い温度で膜を形成することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下に、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて、本発明の原子層成長装置および原子層成長方法を詳細に説明する。
【００２９】
図１は、本発明のＡＬＤ方法を適用するＡＬＤ装置の構成を表す一実施形態の概略図である。同図に示すＡＬＤ装置１０は、ＡＬＤ法を適用して、形成しようとする膜を構成する元素を主成分とする２種類の成膜ガス（原料ガス、および、酸素ガスや窒素ガス、およびアルゴン、キセノンなどの希ガス）を成膜対象基板上に交互に供給する。その時、反応活性を高めるために、酸素ガスないし窒素ガスを用いて紫外線を発生するプラズマを生成して、基板上に原子層単位で原料ガスの酸化膜ないし窒化膜を形成する。上記処理を１サイクルとして、処理を複数サイクル繰り返すことにより所望厚さの膜を形成する。
【００３０】
ＡＬＤ装置１０は、成膜容器１２と、ガス供給部１４ａ、１４ｂと、真空ポンプなどの排気部１６ａ、１６ｂ、１７とによって構成されている。以下、基板４２上に酸化膜を形成する場合を例に挙げて説明するが、窒化膜の場合も同様である。
【００３１】
ここで、ガス供給部１４ｂは、供給管１８ｃを介して、成膜容器１２（後述するプラズマ発生室４７）の一方の側壁（図中左壁）に形成された供給孔２０ｃに接続されている。ガス供給部１４ｂは、供給管１８ｃおよび供給孔２０ｃを介して、プラズマ発生室４７内に酸素ガスや窒素ガス、およびアルゴン、キセノンなどの希ガスを水平方向に供給する。酸素ガスや窒素ガス、およびアルゴン、キセノンなどの希ガスは、成膜時に所定の流量で常時供給される。
【００３２】
また、排気部１６ｂは、排気管２２ｂを介して、プラズマ発生室４７の左壁に対向する側壁（図中右壁）に形成された排気孔２４ｂに接続されている。排気部１６ｂは、排気孔２４ｂおよび排気管２２ｂを介して、プラズマ発生室４７内に供給された酸素ガスや窒素ガス、およびアルゴン、キセノンなどの希ガスを水平方向に排気する。成膜時にプラズマ発生室４７内に供給された酸素ガスや窒素ガス、およびアルゴン、キセノンなどの希ガスは所定の流量で常時排気される。
【００３３】
ガス供給部１４ａは、それぞれ、供給管１８ａ、１８ｂを介して、成膜容器１２（後述する成膜室４８）の一方の側壁（図中左壁）に形成された供給孔２０ａ、２０ｂに接続されている。ガス供給部１４ａは、供給管１８ａおよび供給孔２０ａを介して、成膜室４８内に原料ガスを水平方向に供給する、ないしは、供給管１８ｂおよび供給孔２０ｂを介して、成膜室４８内に、例えば、酸素ガスやオゾンガスなどの酸化ガスを水平方向に供給する。原料ガスと酸化ガスの供給は交互に行われる。
【００３４】
一方、排気部１６ａは、排気管２２ａを介して、成膜室４８の、左壁に対向する側壁（図中右壁）に形成された排気孔２４ａに接続されている。排気部１６ａは、排気孔２４ａおよび排気管２２ａを介して、成膜室４８内に交互に供給された原料ガスおよび酸化ガスを水平方向に排気する。また、排気部１７は、排気管２３を介して、成膜容器１２（後述する真空室（ロードロック室）５０）の下壁に形成された排気孔２５に接続されている。排気部１７は、基本的に、排気孔２５および排気管２３を介して真空室５０を真空引きする。
【００３５】
図示省略しているが、供給管１８ａ、１８ｂの途中には、ガス供給部１４ａと成膜室４８との導通を制御する開閉弁（例えば、電磁弁）が設けられ、排気管２２ａ，２３の途中には、それぞれ、排気部１６ａ，１７と成膜室４８および真空室５０との導通を制御する開閉弁が設けられている。
【００３６】
ガス供給部１４ａから成膜容器１２の成膜室４８内にガスを供給する場合には供給管１８ａ、１８ｂのいずれかの開閉弁が開放され、成膜室４８内に供給されたガスを排気する。また、成膜容器１２の真空室５０を真空引きする場合には排気管２３の開閉弁が開放される。
【００３７】
成膜容器１２は、金属製の中空箱形であり、接地されている。成膜容器１２の内部には、上壁側から下壁側に向かって順に、棒状の複数のアンテナ素子２６からなるアンテナアレイ２８、紫外線透過板５２、ヒータ３０を内蔵する基板ステージ３２が配設されている。また、成膜容器１２の内部空間は、上壁側から下壁側に向かって順に、プラズマ発生室４７、成膜室４８、真空室５０に分離されている。
【００３８】
アンテナアレイ２８は、ガス供給部１４ｂから供給された酸素ガスや窒素ガス、およびアルゴン、キセノンなどの希ガスを用いて、紫外線を発生するプラズマを生成するプラズマ源である。アンテナアレイ２８は、プラズマ発生室４７内に配設され、複数のアンテナ素子２６が、図１中、プラズマ発生室４７の左右の側壁の間に所定の間隔で平行に配設されて構成されている。各々のアンテナ素子２６は、基板ステージ３２の面（基板４２の載置面）と平行な方向に配置され、複数のアンテナ素子２６の配列方向は、基板ステージ３２の載置面と平行な方向である。
【００３９】
図３に示すように、高周波電力供給部３４で発生されたＶＨＦ帯（例えば、８０ＭＨｚ）の高周波電力（高周波電流）が分配器３６で分配され、インピーダンス整合器３８を介して、各々のアンテナ素子２６に供給される。インピーダンス整合器３８は、高周波電源供給部３４が発生する高周波電力の周波数の調整とともに用いられ、プラズマの生成中にアンテナ素子２６の負荷の変化によって生じるインピーダンスの不整合を是正する。
【００４０】
各々のアンテナ素子２６は、本出願人が特許文献１で提案したものであり、図１中、紙面に垂直な方向に延びるように、電気的に絶縁されて成膜容器１２側壁に取り付けられている。また、隣接するアンテナ素子２６間の給電位置が互いに対向する側壁になるように（給電方向が互いに逆向きになるように）配設されている。これにより、電磁波はアンテナアレイ２８の仮想平面にわたって均一に形成される。
【００４１】
各々のアンテナ素子２６は、例えば、銅、アルミニウム、白金等の導電体からなる棒状のモノポールアンテナが、例えば、石英やセラミックスなどの誘電体からなる円筒部材４０に収納されて構成されている。アンテナを誘電体で覆うことにより、アンテナとしての容量とインダクタンスが調整され、その長手方向に沿って高周波電力を効率よく伝播させることができ、アンテナ素子２６から周囲に電磁波を効率よく放射させることができる。
【００４２】
アンテナ素子２６の長手方向の電界強度は、高周波電力の供給端でゼロ、先端部（供給端の逆端）で最大となる。従って、隣接するアンテナ素子２６間の給電位置が互いに対向する側壁になるように配設し、それぞれのアンテナ素子２６に、互いに反対方向から高周波電力を供給することにより、それぞれのアンテナ素子２６から放射される電磁波が合成されて均一なプラズマが形成され、膜厚が均一な膜を形成することができる。
【００４３】
例えば、アンテナ素子２６の直径は約６ｍｍ、隣接するアンテナ素子２６間の間隔は約５０ｍｍである。成膜容器１２内の圧力が２０Ｐａ程度の場合、高周波電力供給部３４から約１５００Ｗの高周波電力を供給すると、アンテナ素子２６のアンテナ長が、高周波電力の波長の（２ｎ＋１）／４倍（ｎは０または正の整数）に等しい場合に定在波が生じて共振し、アンテナ素子２６の周囲にプラズマが発生される。
【００４４】
続いて、紫外線透過板５２は、アンテナアレイ２８によりプラズマ発生室４７内で発生されたプラズマによる紫外線を、プラズマ発生室４７から成膜室４８に透過させるものである。紫外線透過板５２は、プラズマ発生室４７と成膜室４８とを区切る（仕切る）ように成膜容器１２内に配設されている。ＡＬＤ装置１０では、成膜容器１２の内部において、紫外線透過板５２よりも上壁側の空間がプラズマ発生室４７であり、下壁側の空間が成膜室４８である。
【００４５】
紫外線透過板５２の材料（材質）は、紫外線を透過させることができれば何ら制限はなく、例えば、石英（合成石英を含む）や、ＭｇＦ2ガラス、ＣａＦ2ガラス、ＬｉＦガラスなどを例示できる。なお、紫外線が透過する材料かどうかは、その材料のバンドギャップによって判断できる。バンドギャップのエネルギーが大きいほど吸収する光の波長は短くなるので、波長４００ｎｍ以下である紫外線を透過させることができるバンドギャップエネルギーを持つ材料であれば、どのような材料であっても使用できる。例えば、オゾンガスの吸収帯は２００〜３００ｎｍ付近であり、この波長を透過できる材料なら良い。
【００４６】
続いて、基板ステージ３２は、成膜容器１２の内壁面よりも小さい寸法の、例えば矩形の金属板であり、パワーシリンダなどの昇降機構４４により上下に昇降される。成膜容器１２内部には、側壁の内壁面から中心部に向かって突出するヒータストッパ（すなわち、基板ステージ３２のストッパ）４６が設けられている。基板ステージ３２の縁部上面には、ヒータストッパ４６の側面の高さに相当するＬ字型の段差が設けられている。
【００４７】
基板ステージ３２が上昇されると、ヒータストッパ４６下面と基板ステージ３２縁部上面の段差部とが当接して、基板ステージ３２上面の高さが、ヒータストッパ４６上面の高さと略同一高さ（面一）となるように位置決めされる。この時、成膜容器１２の内部は、基板ステージ３２よりも上側の空間である成膜室４８と、基板ステージ３２の下側の空間である真空室５０とに分離され、真空室５０内が排気部１７により真空引きされることによって、成膜室４８は密閉される。
【００４８】
図１に示すように、基板ステージ３２の上面を含む、成膜室４８の下壁は、基板４２上に所定の膜を形成する時に面一となるように形成されている。
【００４９】
一方、基板ステージ３２が下降されると、ヒータストッパ４６下面と基板ステージ３２縁部上面の段差部との間には所定間隔の隙間５１ができる。成膜室４８に供給された原料ガス等の排気時に基板ステージ３２を下降させることによって、成膜室４８内に供給された成膜ガスを、この隙間５１から、もしくは、この隙間５１および排気孔２４ａの両方から排気させることも可能である。隙間５１の寸法は排気孔２４ａの寸法に比べて大きいため、成膜ガスを成膜室４８から高速に排気することができる。
【００５０】
次に、ＡＬＤ装置１０の成膜時の動作を説明する。
以下の説明は、縦３７０ｍｍ×横４７０ｍｍ角の基板４２表面にＳｉＯ2膜を形成した場合の一例である。
【００５１】
成膜時には、昇降機構４４により、基板ステージ３２が下降され、真空室５０内において基板ステージ３２上面に基板４２が載置される。その後、基板ステージ３２は、基板ステージ３２縁部上面がヒータストッパ４６下面に当接する位置まで上昇され、排気部１７により真空室５０が真空引きされて成膜室４８が密閉される。また、基板ステージ３２がヒータ３０で加熱され、基板ステージ３２上に載置された基板４２は、成膜が終了するまで所定の温度、例えば、４００℃程度に保持される。また、酸素ガスや窒素ガス、およびアルゴン、キセノンなどの希ガスが、ガス供給部１４ｂからプラズマ発生室４７内に水平方向に常時供給されつつ、水平方向に常時排気される。
【００５２】
成膜室４８内が排気部１６ａにより水平方向に真空引きされて、２〜３Ｐａ程度の圧力とされた後、ガス供給部１４ａから成膜室４８内に、Ｓｉを含む原料ガスが約１秒間水平方向へ供給され、２０Ｐａ程度の圧力とされる。これにより、基板４２表面に原料ガスが吸着される。なお、この時、アンテナアレイ２８によりプラズマは発生されない。
【００５３】
続いて、原料ガスの供給が停止され、基板４２表面に吸着された原料ガス以外の余剰の原料ガスが、排気部１６ａにより成膜室４８から約１秒間水平方向へ排気される。この時、ガス供給部１４ａから、供給管１８ａおよび供給孔２０ａを介して成膜室４８内にパージガス（不活性ガス）を供給しながら、排気部１６ａにより、成膜室４８内に供給された原料ガスを排気しても良い。
【００５４】
続いて、ガス供給部１４ａから成膜室４８内部へ酸化ガスが約１秒間水平方向へ供給される。この時同時に、高周波電力供給部３４から各々のアンテナ素子２６に約１５００Ｗの高周波電力が供給される。これにより、アンテナアレイ２８により、酸素ガスや窒素ガス、およびアルゴン、キセノンなどの希ガスのプラズマが生成され、そのプラズマによって発生された紫外線が、紫外線透過板５２を透過してプラズマ発生室４７から成膜室４８に供給される。成膜室４８内では、紫外線により、酸化ガスが活性化され、酸素ラジカル（酸素の中性ラジカル）が生成される。酸化に寄与するラジカルは基板４２表面の全域に拡散され、基板４２表面に吸着された原料ガスが酸化されてＳｉＯ2膜が形成される。
【００５５】
その後、酸化ガスの供給およびアンテナ素子２６への高周波電力の供給（すなわち、プラズマの発生）が停止され、酸化に寄与しない余剰の酸化ガスや反応生成物等が排気部１６ａにより成膜室４８から約１秒間水平方向に排気される。この時、ガス供給部１４ａから、供給管１９および供給孔２１を介して成膜室４８内にパージガスを供給しながら、排気部１６ａにより、成膜室４８内に供給された酸化ガスを排気しても良い。
【００５６】
以上のように、原料ガスの供給→余剰原料ガスの排気→酸化ガスの供給→余剰酸化ガスの排気からなる一連の工程により、基板４２上にＳｉＯ2膜が原子層単位で形成される。この工程を数回繰り返すことにより、基板４２上に所定膜厚のＳｉＯ2膜が形成される。
【００５７】
ＡＬＤ装置１０では、酸素ガスや窒素ガス、およびアルゴン、キセノンなどの希ガスを用いてプラズマを生成し、そのプラズマによって発生された紫外線で酸化ガスを活性化して酸素ラジカルを発生し、原料ガスの酸化膜を形成する。紫外線で活性化（励起）された酸素ラジカルは強い酸化力を持っているため、従来よりも膜質の良好な膜を形成することができる。言い換えると、膜質の等しい膜を形成する場合、ＡＬＤ装置１０であれば、従来のＡＬＤ装置と比べて低い温度で膜を形成することが可能である。
【００５８】
また、ＡＬＤ装置１０では、プラズマ発生室４７において、酸素ガスや窒素ガス、およびアルゴン、キセノンなどの希ガスを用いてプラズマを生成しているので、つまり、成膜室４８内で酸化ガスを用いてプラズマを生成していないので、形成された膜のプラズマによるダメージが極めて少なく、均一で良質な膜を得ることができる。さらに、ＡＬＤ装置１０では、プラズマ源が成膜室４８内にないため、成膜室４８内には凹凸がほとんどなく、パーティクルの問題も大幅に軽減することができる。
【００５９】
なお、本発明において形成する膜は何ら限定されない。また、原料ガスは、形成する膜に応じて適宜決定すべきものである。また、基板上に膜を形成する場合、プラズマ発生室内の圧力、温度、ガス流量、紫外線を発生するプラズマを生成するためのガスなどは、形成する膜の膜種、成膜容器および基板の寸法等に応じて適宜決定すべきものである。同様に、成膜室内の圧力、温度、処理時間、ガス流量などは、形成する膜の膜種、成膜容器および基板の寸法等に応じて適宜決定すべきものであり、上記実施形態に限定されない。
【００６０】
基板上に酸化膜を形成する場合、反応ガスの１つとしてＯを含む酸化ガスが用いられ、窒化膜を形成する場合、反応ガスの１つとしてＮを含む窒化ガスが用いられる。原料ガスは、酸化膜を形成する場合、形成する酸化膜を構成する元素のうち、Ｏ以外の元素を主成分とする反応ガスである。また、原料ガスは、窒化膜を形成する場合、形成する窒化膜を構成する元素のうち、Ｎ以外の元素を主成分とする反応ガスである。酸化ガスとしては、反応活性の高いオゾンを用いる方が酸化効率が良く望ましい。
【００６１】
アンテナ素子の本数、配置、寸法等に制限はないが、発生されるプラズマの均一性を考慮して、隣接するアンテナ素子間で給電位置が互いに対向する側壁になるように配設することが望ましい。プラズマの生成タイミングは、少なくとも酸化ガスを供給している期間であるが、常時プラズマを生成しても問題はない。プラズマ源は、大面積の場合はアンテナアレイ方式が望ましいが、面積の問題がなければ、例えば、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）方式など、どのようなプラズマ源でも利用可能である。
【００６２】
また、本発明のＡＬＤ装置において、昇降機構４４および真空室５０は必須の構成要素ではない。
【００６３】
本発明は、基本的に以上のようなものである。
以上、本発明の原子層成長装置および原子層成長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ず、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。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の原子層成長方法を適用する原子層成長装置の構成を表す一実施形態の概略図である。
【図２】従来の原子層成長装置の構成を表す一例の概略図である。
【図３】アンテナアレイの構成を表す平面概略図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０，７０ 原子層成長装置（ＡＬＤ装置）
１２ 成膜容器
１４ａ、１４ｂ ガス供給部
１６ａ、１６ｂ、１７ 排気部
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ 供給管
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ 供給孔
２２ａ、２２ｂ、２３ 排気管
２４ａ、２４ｂ、２５ 排気孔
２６ アンテナ素子
２８ アンテナアレイ
３０ ヒータ
３２ 基板ステージ
３４ 高周波電力供給部
３６ 分配器
３８ インピーダンス整合器
３９ アンテナ本体
４０ 円筒部材
４２ 成膜対象基板（基板）
４４ 昇降機構
４６ ヒータストッパ
４７ プラズマ発生室
４８ 成膜室
５０ 真空室
５１ 隙間
５２ 紫外線透過板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に原子層単位で薄膜を形成する原子層成長（以下、省略してＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）ともいう）装置および原子層成長方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＡＬＤ法は、形成しようとする膜を構成する元素を主成分とする２種類のガスを成膜対象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ことを複数回繰り返して所望厚さの膜を形成する薄膜形成技術である。例えば、基板上にＳｉＯ2膜を形成する場合、Ｓｉを含む原料ガスとＯを含む酸化ガスが用いられる。また、基板上に窒化膜を形成する場合、酸化ガスの代わりに窒化ガスが用いられる。
【０００３】
ＡＬＤ法では、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され、余分な原料ガスは成長に寄与しない。これを、成長の自己停止作用（セルフリミット機能）という。
【０００４】
ＡＬＤ法は、一般的なＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法と比較して高い段差被覆性と膜厚制御性を併せ持ち、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、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の薄膜トランジスタのゲート絶縁膜の形成への適用なども期待されている。
【０００５】
以下、従来のＡＬＤ装置について説明する。
【０００６】
図２は、従来のＡＬＤ装置の構成を表す一例の概略図である。同図に示すＡＬＤ装置７０は、成膜容器（成膜チャンバ）１２と、ガス供給部１４ａと、排気部１６ａとによって構成されている。
【０００７】
成膜容器１２は、金属製の中空箱形であり、接地されている。成膜容器１２の内部には、上壁側から下壁側に向かって順に、複数のアンテナ素子２６からなるアンテナアレイ２８、ヒータ３０を内蔵する基板ステージ３２が配設されている。アンテナアレイ２８は、複数のアンテナ素子２６を所定の間隔で平行に配設することによって構成される仮想平面が基板ステージ３２と平行に配設されている。
【０００８】
アンテナ素子２６は、図３に上方からの平面図を示すように、高周波電力の波長の（２ｎ＋１）／４倍（ｎは０または正の整数）の長さの導電体からなる棒状のモノポールアンテナ（アンテナ本体）３９が、誘電体からなる円筒部材４０に収納されたものである。高周波電力供給部３４で発生された高周波電力が分配器３６で分配され、各々のインピーダンス整合器３８を介して各々のアンテナ素子２６に供給されると、アンテナ素子２６の周囲にプラズマが発生される。
【０００９】
各々のアンテナ素子２６は、本出願人が特許文献１で提案したものであり、例えば、供給孔２０ｂから基板ステージ３２に向けて供給される酸化ガスのガス流の方向に対して直交する方向に延びるように、電気的に絶縁されて成膜容器１２側壁に取り付けられている。また、各々のアンテナ素子２６は、所定の間隔で平行に配設されており、隣接して配設されたアンテナ素子２６間の給電位置が互いに対向する側壁になるように配設されている。
【００１０】
次に、ＡＬＤ装置７０の成膜時の動作を説明する。
【００１１】
成膜時には、基板ステージ３２上面に基板４２が載置される。また、基板ステージ３２がヒータ３０で加熱され、基板ステージ３２上に載置された基板４２は、成膜が終了するまで所定の温度に保持される。
【００１２】
例えば、基板表面にＳｉＯ2膜を形成する場合、成膜容器１２内が排気部１６ａにより水平方向に真空引きされた後、Ｓｉ成分を含む原料ガスが、ガス供給部１４ａから、供給管１８ａ、成膜容器１２の左壁に形成された供給孔２０ａを介して成膜容器１２内へ水平方向に供給される。これにより、基板４２表面に原料ガスが供給され、吸着される。なお、この時、アンテナ素子２６によりプラズマは発生されない。
【００１３】
続いて、原料ガスの供給が停止され、基板４２表面に吸着された原料ガス以外の余剰の原料ガスが、排気部１６ａにより、成膜容器１２から、成膜容器１２の右壁に形成された排気孔２４ａ、排気管２２ａを介して水平方向へ排気される。
【００１４】
続いて、酸化ガスが、ガス供給部１４ａから、供給管１８ｂ、成膜容器１２の左壁に形成された供給孔２０ｂを介して成膜容器１２内に水平方向に供給される。この時同時に、高周波電力供給部３４から高周波電力が各々のアンテナ素子２６に供給される。これにより、各々のアンテナ素子２６の周囲に酸化ガスを用いてプラズマが発生され、基板４２表面に吸着された原料ガスが酸化される。
【００１５】
その後、酸化ガスの供給およびアンテナ素子２６への高周波電力の供給が停止され、酸化に寄与しない余剰の酸化ガスや反応生成物等が、排気部１６ａにより、成膜容器１２の右壁に形成された排気孔２４ａ、排気管２２ａを介して水平方向に排気される。
【００１６】
以上のように、原料ガスの供給→余剰原料ガスの排気→酸化ガスの供給→余剰酸化ガスの排気からなる一連の工程により、基板４２上にＳｉＯ2膜が原子層単位で形成される。この工程を数回繰り返すことにより、基板４２上に所定膜厚のＳｉＯ2膜が形成される。
【００１７】
【特許文献１】特開２００３−８６５８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
上記ＡＬＤ装置７０のように、プラズマを用いて酸化ガスの反応活性を高めるＡＬＤ装置では、基板上に形成された膜のプラズマによるダメージが問題となっている。これに対し、従来、光を利用して活性酸素を生成する手法は存在していたが、大面積かつ均一であり、しかも効率的に紫外線（ＵＶ）（真空紫外線（ＶＵＶ）を含む）を発生させられる光源を搭載したＡＬＤ装置は存在していなかった。
【００１９】
本発明の第１の目的は、前記従来技術の問題点を解消し、紫外線を利用して、プラズマによるダメージの少ない良質な膜を基板上に形成することができる原子層成長装置および原子層成長方法を提供することにある。
また、本発明の第２の目的は、上記第１の目的に加えて、反応ガスを活性化させるために、大面積かつ均一であり、しかも効率的に紫外線を発生させることができる光源を備える原子層成長装置および原子層成長方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を達成するために、本発明は、原料ガスと酸化ガスとを交互に供給して、基板上に酸化膜を生成する原子層成長装置であって、
原料ガスおよび酸化ガスが供給される成膜容器と、前記成膜容器の成膜室内に配設された、前記基板が載置される基板ステージと、前記成膜容器の、前記成膜室の上方に位置するプラズマ発生室内に配設された、紫外線を発生するプラズマを生成するプラズマ源と、前記プラズマ発生室と前記成膜室とを区切るように前記成膜容器内に配設された、前記プラズマ発生室から前記成膜室に前記紫外線を透過させる紫外線透過板と、を備え、
前記成膜容器内に供給されたガスが、前記紫外線透過板を透過した紫外線により活性化されて酸化膜が生成されることを特徴とする原子層成長装置を提供するものである。
【００２１】
また、本発明は、原料ガスと窒化ガスとを交互に供給して、基板上に窒化膜を生成する原子層成長装置であって、
原料ガスおよび窒化ガスが供給される成膜容器と、前記成膜容器の成膜室内に配設された、前記基板が載置される基板ステージと、前記成膜容器の、前記成膜室の上方に位置するプラズマ発生室内に配設された、紫外線を発生するプラズマを生成するプラズマ源と、前記プラズマ発生室と前記成膜室とを区切るように前記成膜容器内に配設された、前記プラズマ発生室から前記成膜室に前記紫外線を透過させる紫外線透過板と、を備え、
前記成膜容器内に供給されたガスが、前記紫外線透過板を透過した紫外線により活性化されて窒化膜が生成されることを特徴とする原子層成長装置を提供する。
【００２２】
ここで、前記プラズマ源は、複数のアンテナ素子が平行に配設されて構成されたアンテナアレイであり、前記複数のアンテナ素子の各々は、棒状のアンテナ本体が誘電体で被覆されていることが好ましい。
【００２３】
さらに、前記紫外線透過板は、石英、ＭｇＦ2ガラス、ＣａＦ2ガラス、および、ＬｉＦガラスのうちのいずれかで構成されていることが好ましい。
【００２４】
また、本発明は、成膜容器の成膜室に、原料ガスと酸化ガスとを交互に供給して、基板上に酸化膜を生成する原子層成長方法であって、
前記成膜容器のプラズマ発生室内において、紫外線を発生するプラズマを生成し、
前記プラズマ発生室と前記成膜室とを区切るように前記成膜容器内に配設された紫外線透過板を介して、前記プラズマ発生室から前記成膜室に透過した紫外線により、前記成膜容器内に供給されたガスを活性化して前記基板上に酸化膜を生成することを特徴とする原子層成長方法を提供する。
【００２５】
また、本発明は、成膜容器の成膜室に、原料ガスと窒化ガスとを交互に供給して、基板上に窒化膜を生成する原子層成長方法であって、
前記成膜容器のプラズマ発生室内において、紫外線を発生するプラズマを生成し、
前記プラズマ発生室と前記成膜室とを区切るように前記成膜容器内に配設された紫外線透過板を介して、前記プラズマ発生室から前記成膜室に透過した紫外線により、前記成膜容器内に供給されたガスを活性化して前記基板上に窒化膜を生成することを特徴とする原子層成長方法を提供する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明では、紫外線透過板でプラズマ発生室と成膜室とが区切られており、プラズマ発生室内でプラズマを生成し、成膜室内でプラズマを生成していないので、形成された膜のプラズマによるダメージが極めて少なく、均一で良質な膜を得ることができる。また、本発明では、プラズマ源が成膜室内にないため、成膜室内は凹凸がほとんどなく、パーティクルの問題も大幅に軽減することができる。
【００２７】
また、本発明では、例えば、プラズマによって発生された紫外線で酸化ガスを活性化して原料ガスの酸化膜を形成する。紫外線で活性化された酸化に寄与するラジカルは強い酸化力を持っているため、従来よりも膜質の良好な膜を形成できる。言い換えると、膜質の等しい膜を形成する場合、本発明であれば、従来のＡＬＤ装置と比べて低い温度で膜を形成することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下に、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて、本発明の原子層成長装置および原子層成長方法を詳細に説明する。
【００２９】
図１は、本発明のＡＬＤ方法を適用するＡＬＤ装置の構成を表す一実施形態の概略図である。同図に示すＡＬＤ装置１０は、ＡＬＤ法を適用して、形成しようとする膜を構成する元素を主成分とする２種類の成膜ガス（原料ガス、および、酸素ガスや窒素ガス、およびアルゴン、キセノンなどの希ガス）を成膜対象基板上に交互に供給する。その時、反応活性を高めるために、酸素ガスないし窒素ガスを用いて紫外線を発生するプラズマを生成して、基板上に原子層単位で原料ガスの酸化膜ないし窒化膜を形成する。上記処理を１サイクルとして、処理を複数サイクル繰り返すことにより所望厚さの膜を形成する。
【００３０】
ＡＬＤ装置１０は、成膜容器１２と、ガス供給部１４ａ、１４ｂと、真空ポンプなどの排気部１６ａ、１６ｂ、１７とによって構成されている。以下、基板４２上に酸化膜を形成する場合を例に挙げて説明するが、窒化膜の場合も同様である。
【００３１】
ここで、ガス供給部１４ｂは、供給管１８ｃを介して、成膜容器１２（後述するプラズマ発生室４７）の一方の側壁（図中左壁）に形成された供給孔２０ｃに接続されている。ガス供給部１４ｂは、供給管１８ｃおよび供給孔２０ｃを介して、プラズマ発生室４７内に酸素ガスや窒素ガス、およびアルゴン、キセノンなどの希ガスを水平方向に供給する。酸素ガスや窒素ガス、およびアルゴン、キセノンなどの希ガスは、成膜時に所定の流量で常時供給される。
【００３２】
また、排気部１６ｂは、排気管２２ｂを介して、プラズマ発生室４７の左壁に対向する側壁（図中右壁）に形成された排気孔２４ｂに接続されている。排気部１６ｂは、排気孔２４ｂおよび排気管２２ｂを介して、プラズマ発生室４７内に供給された酸素ガスや窒素ガス、およびアルゴン、キセノンなどの希ガスを水平方向に排気する。成膜時にプラズマ発生室４７内に供給された酸素ガスや窒素ガス、およびアルゴン、キセノンなどの希ガスは所定の流量で常時排気される。
【００３３】
ガス供給部１４ａは、それぞれ、供給管１８ａ、１８ｂを介して、成膜容器１２（後述する成膜室４８）の一方の側壁（図中左壁）に形成された供給孔２０ａ、２０ｂに接続されている。ガス供給部１４ａは、供給管１８ａおよび供給孔２０ａを介して、成膜室４８内に原料ガスを水平方向に供給する、ないしは、供給管１８ｂおよび供給孔２０ｂを介して、成膜室４８内に、例えば、酸素ガスやオゾンガスなどの酸化ガスを水平方向に供給する。原料ガスと酸化ガスの供給は交互に行われる。
【００３４】
一方、排気部１６ａは、排気管２２ａを介して、成膜室４８の、左壁に対向する側壁（図中右壁）に形成された排気孔２４ａに接続されている。排気部１６ａは、排気孔２４ａおよび排気管２２ａを介して、成膜室４８内に交互に供給された原料ガスおよび酸化ガスを水平方向に排気する。また、排気部１７は、排気管２３を介して、成膜容器１２（後述する真空室（ロードロック室）５０）の下壁に形成された排気孔２５に接続されている。排気部１７は、基本的に、排気孔２５および排気管２３を介して真空室５０を真空引きする。
【００３５】
図示省略しているが、供給管１８ａ、１８ｂの途中には、ガス供給部１４ａと成膜室４８との導通を制御する開閉弁（例えば、電磁弁）が設けられ、排気管２２ａ，２３の途中には、それぞれ、排気部１６ａ，１７と成膜室４８および真空室５０との導通を制御する開閉弁が設けられている。
【００３６】
ガス供給部１４ａから成膜容器１２の成膜室４８内にガスを供給する場合には供給管１８ａ、１８ｂのいずれかの開閉弁が開放され、成膜室４８内に供給されたガスを排気する。また、成膜容器１２の真空室５０を真空引きする場合には排気管２３の開閉弁が開放される。
【００３７】
成膜容器１２は、金属製の中空箱形であり、接地されている。成膜容器１２の内部には、上壁側から下壁側に向かって順に、棒状の複数のアンテナ素子２６からなるアンテナアレイ２８、紫外線透過板５２、ヒータ３０を内蔵する基板ステージ３２が配設されている。また、成膜容器１２の内部空間は、上壁側から下壁側に向かって順に、プラズマ発生室４７、成膜室４８、真空室５０に分離されている。
【００３８】
アンテナアレイ２８は、ガス供給部１４ｂから供給された酸素ガスや窒素ガス、およびアルゴン、キセノンなどの希ガスを用いて、紫外線を発生するプラズマを生成するプラズマ源である。アンテナアレイ２８は、プラズマ発生室４７内に配設され、複数のアンテナ素子２６が、図１中、プラズマ発生室４７の左右の側壁の間に所定の間隔で平行に配設されて構成されている。各々のアンテナ素子２６は、基板ステージ３２の面（基板４２の載置面）と平行な方向に配置され、複数のアンテナ素子２６の配列方向は、基板ステージ３２の載置面と平行な方向である。
【００３９】
図３に示すように、高周波電力供給部３４で発生されたＶＨＦ帯（例えば、８０ＭＨｚ）の高周波電力（高周波電流）が分配器３６で分配され、インピーダンス整合器３８を介して、各々のアンテナ素子２６に供給される。インピーダンス整合器３８は、高周波電源供給部３４が発生する高周波電力の周波数の調整とともに用いられ、プラズマの生成中にアンテナ素子２６の負荷の変化によって生じるインピーダンスの不整合を是正する。
【００４０】
各々のアンテナ素子２６は、本出願人が特許文献１で提案したものであり、図１中、紙面に垂直な方向に延びるように、電気的に絶縁されて成膜容器１２側壁に取り付けられている。また、隣接するアンテナ素子２６間の給電位置が互いに対向する側壁になるように（給電方向が互いに逆向きになるように）配設されている。これにより、電磁波はアンテナアレイ２８の仮想平面にわたって均一に形成される。
【００４１】
各々のアンテナ素子２６は、例えば、銅、アルミニウム、白金等の導電体からなる棒状のモノポールアンテナが、例えば、石英やセラミックスなどの誘電体からなる円筒部材４０に収納されて構成されている。アンテナを誘電体で覆うことにより、アンテナとしての容量とインダクタンスが調整され、その長手方向に沿って高周波電力を効率よく伝播させることができ、アンテナ素子２６から周囲に電磁波を効率よく放射させることができる。
【００４２】
アンテナ素子２６の長手方向の電界強度は、高周波電力の供給端でゼロ、先端部（供給端の逆端）で最大となる。従って、隣接するアンテナ素子２６間の給電位置が互いに対向する側壁になるように配設し、それぞれのアンテナ素子２６に、互いに反対方向から高周波電力を供給することにより、それぞれのアンテナ素子２６から放射される電磁波が合成されて均一なプラズマが形成され、膜厚が均一な膜を形成することができる。
【００４３】
例えば、アンテナ素子２６の直径は約６ｍｍ、隣接するアンテナ素子２６間の間隔は約５０ｍｍである。成膜容器１２内の圧力が２０Ｐａ程度の場合、高周波電力供給部３４から約１５００Ｗの高周波電力を供給すると、アンテナ素子２６のアンテナ長が、高周波電力の波長の（２ｎ＋１）／４倍（ｎは０または正の整数）に等しい場合に定在波が生じて共振し、アンテナ素子２６の周囲にプラズマが発生される。
【００４４】
続いて、紫外線透過板５２は、アンテナアレイ２８によりプラズマ発生室４７内で発生されたプラズマによる紫外線を、プラズマ発生室４７から成膜室４８に透過させるものである。紫外線透過板５２は、プラズマ発生室４７と成膜室４８とを区切る（仕切る）ように成膜容器１２内に配設されている。ＡＬＤ装置１０では、成膜容器１２の内部において、紫外線透過板５２よりも上壁側の空間がプラズマ発生室４７であり、下壁側の空間が成膜室４８である。
【００４５】
紫外線透過板５２の材料（材質）は、紫外線を透過させることができれば何ら制限はなく、例えば、石英（合成石英を含む）や、ＭｇＦ2ガラス、ＣａＦ2ガラス、ＬｉＦガラスなどを例示できる。なお、紫外線が透過する材料かどうかは、その材料のバンドギャップによって判断できる。バンドギャップのエネルギーが大きいほど吸収する光の波長は短くなるので、波長４００ｎｍ以下である紫外線を透過させることができるバンドギャップエネルギーを持つ材料であれば、どのような材料であっても使用できる。例えば、オゾンガスの吸収帯は２００〜３００ｎｍ付近であり、この波長を透過できる材料なら良い。
【００４６】
続いて、基板ステージ３２は、成膜容器１２の内壁面よりも小さい寸法の、例えば矩形の金属板であり、パワーシリンダなどの昇降機構４４により上下に昇降される。成膜容器１２内部には、側壁の内壁面から中心部に向かって突出するヒータストッパ（すなわち、基板ステージ３２のストッパ）４６が設けられている。基板ステージ３２の縁部上面には、ヒータストッパ４６の側面の高さに相当するＬ字型の段差が設けられている。
【００４７】
基板ステージ３２が上昇されると、ヒータストッパ４６下面と基板ステージ３２縁部上面の段差部とが当接して、基板ステージ３２上面の高さが、ヒータストッパ４６上面の高さと略同一高さ（面一）となるように位置決めされる。この時、成膜容器１２の内部は、基板ステージ３２よりも上側の空間である成膜室４８と、基板ステージ３２の下側の空間である真空室５０とに分離され、真空室５０内が排気部１７により真空引きされることによって、成膜室４８は密閉される。
【００４８】
図１に示すように、基板ステージ３２の上面を含む、成膜室４８の下壁は、基板４２上に所定の膜を形成する時に面一となるように形成されている。
【００４９】
一方、基板ステージ３２が下降されると、ヒータストッパ４６下面と基板ステージ３２縁部上面の段差部との間には所定間隔の隙間５１ができる。成膜室４８に供給された原料ガス等の排気時に基板ステージ３２を下降させることによって、成膜室４８内に供給された成膜ガスを、この隙間５１から、もしくは、この隙間５１および排気孔２４ａの両方から排気させることも可能である。隙間５１の寸法は排気孔２４ａの寸法に比べて大きいため、成膜ガスを成膜室４８から高速に排気することができる。
【００５０】
次に、ＡＬＤ装置１０の成膜時の動作を説明する。
以下の説明は、縦３７０ｍｍ×横４７０ｍｍ角の基板４２表面にＳｉＯ2膜を形成した場合の一例である。
【００５１】
成膜時には、昇降機構４４により、基板ステージ３２が下降され、真空室５０内において基板ステージ３２上面に基板４２が載置される。その後、基板ステージ３２は、基板ステージ３２縁部上面がヒータストッパ４６下面に当接する位置まで上昇され、排気部１７により真空室５０が真空引きされて成膜室４８が密閉される。また、基板ステージ３２がヒータ３０で加熱され、基板ステージ３２上に載置された基板４２は、成膜が終了するまで所定の温度、例えば、４００℃程度に保持される。また、酸素ガスや窒素ガス、およびアルゴン、キセノンなどの希ガスが、ガス供給部１４ｂからプラズマ発生室４７内に水平方向に常時供給されつつ、水平方向に常時排気される。
【００５２】
成膜室４８内が排気部１６ａにより水平方向に真空引きされて、２〜３Ｐａ程度の圧力とされた後、ガス供給部１４ａから成膜室４８内に、Ｓｉを含む原料ガスが約１秒間水平方向へ供給され、２０Ｐａ程度の圧力とされる。これにより、基板４２表面に原料ガスが吸着される。なお、この時、アンテナアレイ２８によりプラズマは発生されない。
【００５３】
続いて、原料ガスの供給が停止され、基板４２表面に吸着された原料ガス以外の余剰の原料ガスが、排気部１６ａにより成膜室４８から約１秒間水平方向へ排気される。この時、ガス供給部１４ａから、供給管１８ａおよび供給孔２０ａを介して成膜室４８内にパージガス（不活性ガス）を供給しながら、排気部１６ａにより、成膜室４８内に供給された原料ガスを排気しても良い。
【００５４】
続いて、ガス供給部１４ａから成膜室４８内部へ酸化ガスが約１秒間水平方向へ供給される。この時同時に、高周波電力供給部３４から各々のアンテナ素子２６に約１５００Ｗの高周波電力が供給される。これにより、アンテナアレイ２８により、酸素ガスや窒素ガス、およびアルゴン、キセノンなどの希ガスのプラズマが生成され、そのプラズマによって発生された紫外線が、紫外線透過板５２を透過してプラズマ発生室４７から成膜室４８に供給される。成膜室４８内では、紫外線により、酸化ガスが活性化され、酸素ラジカル（酸素の中性ラジカル）が生成される。酸化に寄与するラジカルは基板４２表面の全域に拡散され、基板４２表面に吸着された原料ガスが酸化されてＳｉＯ2膜が形成される。
【００５５】
その後、酸化ガスの供給およびアンテナ素子２６への高周波電力の供給（すなわち、プラズマの発生）が停止され、酸化に寄与しない余剰の酸化ガスや反応生成物等が排気部１６ａにより成膜室４８から約１秒間水平方向に排気される。この時、ガス供給部１４ａから、供給管１９および供給孔２１を介して成膜室４８内にパージガスを供給しながら、排気部１６ａにより、成膜室４８内に供給された酸化ガスを排気しても良い。
【００５６】
以上のように、原料ガスの供給→余剰原料ガスの排気→酸化ガスの供給→余剰酸化ガスの排気からなる一連の工程により、基板４２上にＳｉＯ2膜が原子層単位で形成される。この工程を数回繰り返すことにより、基板４２上に所定膜厚のＳｉＯ2膜が形成される。
【００５７】
ＡＬＤ装置１０では、酸素ガスや窒素ガス、およびアルゴン、キセノンなどの希ガスを用いてプラズマを生成し、そのプラズマによって発生された紫外線で酸化ガスを活性化して酸素ラジカルを発生し、原料ガスの酸化膜を形成する。紫外線で活性化（励起）された酸素ラジカルは強い酸化力を持っているため、従来よりも膜質の良好な膜を形成することができる。言い換えると、膜質の等しい膜を形成する場合、ＡＬＤ装置１０であれば、従来のＡＬＤ装置と比べて低い温度で膜を形成することが可能である。
【００５８】
また、ＡＬＤ装置１０では、プラズマ発生室４７において、酸素ガスや窒素ガス、およびアルゴン、キセノンなどの希ガスを用いてプラズマを生成しているので、つまり、成膜室４８内で酸化ガスを用いてプラズマを生成していないので、形成された膜のプラズマによるダメージが極めて少なく、均一で良質な膜を得ることができる。さらに、ＡＬＤ装置１０では、プラズマ源が成膜室４８内にないため、成膜室４８内には凹凸がほとんどなく、パーティクルの問題も大幅に軽減することができる。
【００５９】
なお、本発明において形成する膜は何ら限定されない。また、原料ガスは、形成する膜に応じて適宜決定すべきものである。また、基板上に膜を形成する場合、プラズマ発生室内の圧力、温度、ガス流量、紫外線を発生するプラズマを生成するためのガスなどは、形成する膜の膜種、成膜容器および基板の寸法等に応じて適宜決定すべきものである。同様に、成膜室内の圧力、温度、処理時間、ガス流量などは、形成する膜の膜種、成膜容器および基板の寸法等に応じて適宜決定すべきものであり、上記実施形態に限定されない。
【００６０】
基板上に酸化膜を形成する場合、反応ガスの１つとしてＯを含む酸化ガスが用いられ、窒化膜を形成する場合、反応ガスの１つとしてＮを含む窒化ガスが用いられる。原料ガスは、酸化膜を形成する場合、形成する酸化膜を構成する元素のうち、Ｏ以外の元素を主成分とする反応ガスである。また、原料ガスは、窒化膜を形成する場合、形成する窒化膜を構成する元素のうち、Ｎ以外の元素を主成分とする反応ガスである。酸化ガスとしては、反応活性の高いオゾンを用いる方が酸化効率が良く望ましい。
【００６１】
アンテナ素子の本数、配置、寸法等に制限はないが、発生されるプラズマの均一性を考慮して、隣接するアンテナ素子間で給電位置が互いに対向する側壁になるように配設することが望ましい。プラズマの生成タイミングは、少なくとも酸化ガスを供給している期間であるが、常時プラズマを生成しても問題はない。プラズマ源は、大面積の場合はアンテナアレイ方式が望ましいが、面積の問題がなければ、例えば、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）方式など、どのようなプラズマ源でも利用可能である。
【００６２】
また、本発明のＡＬＤ装置において、昇降機構４４および真空室５０は必須の構成要素ではない。
【００６３】
本発明は、基本的に以上のようなものである。
以上、本発明の原子層成長装置および原子層成長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ず、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。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の原子層成長方法を適用する原子層成長装置の構成を表す一実施形態の概略図である。
【図２】従来の原子層成長装置の構成を表す一例の概略図である。
【図３】アンテナアレイの構成を表す平面概略図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０，７０ 原子層成長装置（ＡＬＤ装置）
１２ 成膜容器
１４ａ、１４ｂ ガス供給部
１６ａ、１６ｂ、１７ 排気部
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ 供給管
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ 供給孔
２２ａ、２２ｂ、２３ 排気管
２４ａ、２４ｂ、２５ 排気孔
２６ アンテナ素子
２８ アンテナアレイ
３０ ヒータ
３２ 基板ステージ
３４ 高周波電力供給部
３６ 分配器
３８ インピーダンス整合器
３９ アンテナ本体
４０ 円筒部材
４２ 成膜対象基板（基板）
４４ 昇降機構
４６ ヒータストッパ
４７ プラズマ発生室
４８ 成膜室
５０ 真空室
５１ 隙間
５２ 紫外線透過板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスと酸化ガスとを交互に供給して、基板上に酸化膜を生成する原子層成長装置であって、
原料ガスおよび酸化ガスが供給される成膜容器と、前記成膜容器の成膜室内に配設された、前記基板が載置される基板ステージと、前記成膜容器の、前記成膜室の上方に位置するプラズマ発生室内に配設された、紫外線を発生するプラズマを生成するプラズマ源と、前記プラズマ発生室と前記成膜室とを区切るように前記成膜容器内に配設された、前記プラズマ発生室から前記成膜室に前記紫外線を透過させる紫外線透過板と、を備え、
前記成膜容器内に供給されたガスが、前記紫外線透過板を透過した紫外線により活性化されて酸化膜が生成されることを特徴とする原子層成長装置。
【請求項２】
原料ガスと窒化ガスとを交互に供給して、基板上に窒化膜を生成する原子層成長装置であって、
原料ガスおよび窒化ガスが供給される成膜容器と、前記成膜容器の成膜室内に配設された、前記基板が載置される基板ステージと、前記成膜容器の、前記成膜室の上方に位置するプラズマ発生室内に配設された、紫外線を発生するプラズマを生成するプラズマ源と、前記プラズマ発生室と前記成膜室とを区切るように前記成膜容器内に配設された、前記プラズマ発生室から前記成膜室に前記紫外線を透過させる紫外線透過板と、を備え、
前記成膜容器内に供給されたガスが、前記紫外線透過板を透過した紫外線により活性化されて窒化膜が生成されることを特徴とする原子層成長装置。
【請求項３】
前記プラズマ源は、複数のアンテナ素子が平行に配設されて構成されたアンテナアレイであり、前記複数のアンテナ素子の各々は、棒状のアンテナ本体が誘電体で被覆されていることを特徴とする請求項１または２に記載の原子層成長装置。
【請求項４】
前記紫外線透過板は、石英、ＭｇＦ2ガラス、ＣａＦ2ガラス、および、ＬｉＦガラスのうちのいずれかで構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の原子層成長装置。
【請求項５】
成膜容器の成膜室に、原料ガスと酸化ガスとを交互に供給して、基板上に酸化膜を生成する原子層成長方法であって、
前記成膜容器のプラズマ発生室内において、紫外線を発生するプラズマを生成し、
前記プラズマ発生室と前記成膜室とを区切るように前記成膜容器内に配設された紫外線透過板を介して、前記プラズマ発生室から前記成膜室に透過した紫外線により、前記成膜容器内に供給されたガスを活性化して前記基板上に酸化膜を生成することを特徴とする原子層成長方法。
【請求項６】
成膜容器の成膜室に、原料ガスと窒化ガスとを交互に供給して、基板上に窒化膜を生成する原子層成長方法であって、
前記成膜容器のプラズマ発生室内において、紫外線を発生するプラズマを生成し、
前記プラズマ発生室と前記成膜室とを区切るように前記成膜容器内に配設された紫外線透過板を介して、前記プラズマ発生室から前記成膜室に透過した紫外線により、前記成膜容器内に供給されたガスを活性化して前記基板上に窒化膜を生成することを特徴とする原子層成長方法。
【請求項１】
原料ガスと酸化ガスとを交互に供給して、基板上に酸化膜を生成する原子層成長装置であって、
原料ガスおよび酸化ガスが供給される成膜容器と、前記成膜容器の成膜室内に配設された、前記基板が載置される基板ステージと、前記成膜容器の、前記成膜室の上方に位置するプラズマ発生室内に配設された、紫外線を発生するプラズマを生成するプラズマ源と、前記プラズマ発生室と前記成膜室とを区切るように前記成膜容器内に配設された、前記プラズマ発生室から前記成膜室に前記紫外線を透過させる紫外線透過板と、を備え、
前記成膜容器内に供給されたガスが、前記紫外線透過板を透過した紫外線により活性化されて酸化膜が生成されることを特徴とする原子層成長装置。
【請求項２】
原料ガスと窒化ガスとを交互に供給して、基板上に窒化膜を生成する原子層成長装置であって、
原料ガスおよび窒化ガスが供給される成膜容器と、前記成膜容器の成膜室内に配設された、前記基板が載置される基板ステージと、前記成膜容器の、前記成膜室の上方に位置するプラズマ発生室内に配設された、紫外線を発生するプラズマを生成するプラズマ源と、前記プラズマ発生室と前記成膜室とを区切るように前記成膜容器内に配設された、前記プラズマ発生室から前記成膜室に前記紫外線を透過させる紫外線透過板と、を備え、
前記成膜容器内に供給されたガスが、前記紫外線透過板を透過した紫外線により活性化されて窒化膜が生成されることを特徴とする原子層成長装置。
【請求項３】
前記プラズマ源は、複数のアンテナ素子が平行に配設されて構成されたアンテナアレイであり、前記複数のアンテナ素子の各々は、棒状のアンテナ本体が誘電体で被覆されていることを特徴とする請求項１または２に記載の原子層成長装置。
【請求項４】
前記紫外線透過板は、石英、ＭｇＦ2ガラス、ＣａＦ2ガラス、および、ＬｉＦガラスのうちのいずれかで構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の原子層成長装置。
【請求項５】
成膜容器の成膜室に、原料ガスと酸化ガスとを交互に供給して、基板上に酸化膜を生成する原子層成長方法であって、
前記成膜容器のプラズマ発生室内において、紫外線を発生するプラズマを生成し、
前記プラズマ発生室と前記成膜室とを区切るように前記成膜容器内に配設された紫外線透過板を介して、前記プラズマ発生室から前記成膜室に透過した紫外線により、前記成膜容器内に供給されたガスを活性化して前記基板上に酸化膜を生成することを特徴とする原子層成長方法。
【請求項６】
成膜容器の成膜室に、原料ガスと窒化ガスとを交互に供給して、基板上に窒化膜を生成する原子層成長方法であって、
前記成膜容器のプラズマ発生室内において、紫外線を発生するプラズマを生成し、
前記プラズマ発生室と前記成膜室とを区切るように前記成膜容器内に配設された紫外線透過板を介して、前記プラズマ発生室から前記成膜室に透過した紫外線により、前記成膜容器内に供給されたガスを活性化して前記基板上に窒化膜を生成することを特徴とする原子層成長方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−１９４０１８（Ｐ２００９−１９４０１８Ａ）
【公開日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３０５１４（Ｐ２００８−３０５１４）
【出願日】平成２０年２月１２日（２００８．２．１２）
【出願人】（０００００５９０２）三井造船株式会社 (1,723)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月１２日（２００８．２．１２）
【出願人】（０００００５９０２）三井造船株式会社 (1,723)
【Ｆターム（参考）】
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