JP2003502501A - 化学蒸着反応炉及びこれを利用した薄膜形成方法 - Google Patents
化学蒸着反応炉及びこれを利用した薄膜形成方法Info
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Abstract
Description
供給して、反応材料がガス状態で互いに混ざらないように供給する化学蒸着装置
に適用され、特に、反応ガスの供給を素早く切換えることのできる反応炉に関す
る。また、本発明はこの反応炉を利用した、半導体素子、平板型表示装置などの
製造に必要な薄膜を成膜する方法に関する。
対して改善努力が行われている。最近、半導体基板の表面反応を用いるもので、
反応材料を不連続的に基板上に供給したり、一種類の薄膜を一原子層ずつ形成し
たり、反応材料を該基板上に一つずつ順次的に供給することによって薄膜を形成
する工程が提案されている。このような工程を利用すれば、基板の凹凸に関係な
く基板の表面全体に亘って一様な厚さの膜を形成することができ、膜に混入して
混じる不純物を減らすことができ、高品位の膜を形成することができる。
時に供給して薄膜を形成するよう設計されたので、前述した三つの工程に不適合
であるという不都合がある。
板上で下方へ流すことになる。この場合、半導体基板上で反応ガスが一様に流れ
るよう、通常反応ガスの流入口と基板との間にシャワーヘッドが設けられる。し
かしながら、そのような方式は、ガスの流れを阻害して反応炉の容積を増加させ
て、反応ガスを素早く切換えることができず、各反応ガスを順次供給する工程に
は不適合である。
のような薄膜としては、例えば金属膜、金属酸化物膜や金属窒化物膜などの絶縁
膜と、キャパシタ用薄膜、配線及び電極用薄膜と、拡散防止向け無機物薄膜など
がある。
されることができる。しかしながら、スパッタリング法は段差被覆性の悪い薄膜
を生成してしまうため、通常化学蒸着法(CVD)が用いられる。
。図1Aを参照すれば、プロセスガスなどの反応物11、12、13がそれぞれ
対応する流量制御器21、22及び23と弁30、31及び32とを通じて反応
炉1内へ供給される。この時、符号5にて示すように、プロセスガスが一様に流
れるようにシャワーヘッド4が用いられる。反応物原料が低い平衡蒸気圧を有す
る液状または固状であるとき、該原料を適正温度にて加熱して気化させ、気化原
料がキャリアガス13として反応炉1内へ供給され得るように気化器16を用い
る。このような気化器16を用いる場合、キャリアガスによって運搬される原料
の初期部分が流量や原料の濃度の変動のため、バイパス弁33及び排気管18を
通じて排気される。その次に、バイパス弁33を遮断し、中央供給管17に連結
された弁32を開放することによってキャリアガスを反応炉1へ供給する。
蒸着に必要な全てのプロセスガス11、12及び13が同時に反応炉1へ供給さ
れることによって、図1Bに示すように、工程時間11'、12'及び13'の間
まで連続的に成膜される。第二に、基板表面におけるプロセスガスの流れ5を一
様にするためシャワーヘッド4を用いる。
ロセスガスが同時に炉内に存在するため、プロセスガスが気相にて反応を起こし
蒸着膜の段差被覆性を低下させるか炉を汚す粒子を生成する恐れがある。第二、
金属有機化合物を原料として用いる場合、連続的な蒸着過程にて膜への炭素不純
物の流入を避けることは困難である。第三、多成分薄膜を蒸着する場合、原料を
供給するキャリアガスの流量を別途に調節して各反応物を炉に供給し、全ての反
応物は同時に反応しなければならないので、蒸着膜の構成を正確に制御すること
が非常に難しくなる。
パルス形態で独立的に供給する方法が提案されている。
ガス導入部に設けられる弁を開閉することができ、プロセスガスを互いに混じる
ことなく炉内に時分割パルス形態で周期的に供給することができる。
2'、11'及び12'順のサイクルTcycleで供給されることが分かる。そ
のようなサイクルTcycleを繰り返して成膜が行われる。一般に、反応ガス
11及び13を供給するパルス間にパージガス12が供給されるので、炉内に残
留した反応物は次の反応物が供給される前に取除かれる。
物の化学吸着温度は反応物の熱分解温度より低い。従って、蒸着温度を熱分解温
度より低く化学吸着温度より高い状態にて維持すれば、炉内に流入した反応物は
分解せず、単に基板表面に化学吸着された状態で存在する。続いてパージガスを
炉内に供給すれば、吸着されず残った反応ガスは外部に排出される。その後、他
の反応物が流入され、基板表面上に吸着された反応物が流入反応物と反応するこ
とによって成膜が行われる。基板上に吸着される反応物は一つの分子層だけ生成
することができるため、反応物の供給量或いは供給時間に関係なく、一供給サイ
クルTcycleにて形成される膜の厚さは一定である。従って、図2Bに示す
ように、反応ガスの供給時間に対する膜の蒸着厚さは時間経過に伴い飽和状態と
なる。この場合、膜の蒸着厚さは供給サイクルの反復回数のみによって制御でき
る。
される反応ガスが分解され基板表面上に膜が続いて形成されるので、膜の蒸着厚
さは供給サイクルにおける反応ガスの供給時間に比例する。この場合、反応ガス
の供給時間に対する膜の蒸着厚さは図2Cに示すようになる。
、時分割蒸着方法を用いるためには、蒸着工程に用いられる反応物は互いに容易
に反応しなければならない。さもなければ、時分割蒸着方法で膜を形成すること
は困難である。このため、低温でも化学反応を促進させる方法が要求される。
る。その理由は、ガス導入部及び反応炉では反応ガスがパージガスによって分離
されているため、粒子による汚染可能性はない。一方、排気部においては反応ガ
スが互いに混ざり反応することによって粒子汚染が発生しやすい。
中に不活性パージガスを供給しなければならないので、ガス供給サイクルが複雑
であるだけでなく、供給サイクル時間が絶対的に必要な時間より長くなり蒸着工
程が遅れる。
た反応ガスを真空ポンプで排気した後、RF電源などのラジカル発生器を経て活
性化された第2反応ガスを供給し、炉内に残った反応ガスを真空ポンプで排気す
るプロセスを繰り返すことによって成膜する方法が開示されている。
応ガスを真空ポンプを用いて完全に排気するには相当の時間を要する。従って、
そのような方法で残留する反応ガスを完全に排気する場合には単位時間当たりの
膜成長速度を高めるのは困難である。排気時間を減らしすぎると反応ガスが炉内
に残留し、2種類の反応ガスが混じ気相にて反応することとなる。さらに、米国
特許第5,916,365号の方法では反応ガスの供給及び排気を繰り返すため炉
内の圧力が激しく変わり、炉内におけるプラズマを安定に維持することができな
いという不都合がある。
セスへ素早く切換えでき、反応ガスが不連続的又は順次に供給される化学蒸着装
置の大きさを縮小できる反応炉を提供することにある。
る必要を減らすことによって、化学蒸着装置のメンテナンスを容易に行うことで
きる反応炉を提供することにある。
応炉を提供することにある。
ガスを活性化させる反応炉を提供することにある。
反応がなかったり、または非常に弱い場合でも効果的に薄膜を形成する方法を提
供することにある。
の供給周期中にパージガスの供給時間を最小化して工程時間を短縮できる薄膜形
成方法を提供することにある。
て粒子汚染を減らすことができる薄膜形成方法を提供することにある。
ガスの流出入口を有し、反応炉内部より低い圧力を有する反応炉の他の箇所から
反応ガスを隔離させるための反応炉蓋と、突出部を有し前記突出部とともに前記
反応炉蓋に装着され、前記流出入口を通過するガスの流れを前記蓋との隙間によ
り調節するガス流れ調節板と、前記反応炉蓋と接触して反応室を形成し、前記反
応室に設けられる基板を支持する基板支持板とを含むことを特徴とする反応炉を
提供する。
って設けられ、前記反応室からの反応ガスの漏れを防止するためのガス漏れ防止
用通路を更に含む。
前記反応炉蓋との対向面が実質的に平行である。
記基板の前記周縁面部を覆う突出手段を更に備える。
前記ガス流れ調節板上にプラズマ電極が設けられる。
を反応炉内で互いに混ざらないように時分割して供給するもので、プロセスガス
をプラズマ状態に活性化させて成膜を容易にすることを特徴とする。ここで、プ
ロセスガスはガス供給周期に同期化して生成される。
蒸着ガスと称す。このような蒸着ガスとしては、例えば、窒化チタニウム膜(T
iN)を形成する化学蒸着に用いられるチタニウム有機化合物がある。
膜を形成することなく、蒸着ガスと反応すると固体膜を形成するプロセスガスを
反応ガスと称す。このような反応ガスの例としては、例えば、窒化膜形成のため
の化学蒸着工程に用いられるアンモニア、酸化膜形成のための化学蒸着工程に用
いられる酸素ガスがある。
セスガスをパージ(浄化)ガスと称す。通常、このようなパージガスとして、ヘ
リウム(He)、アルゴン(Ar)、窒素ガスなどが用いられる。また、薄膜構成元
素を含んだガスも蒸着ガスと反応しなければ、パージガスとして用いることがで
きる。この場合、パージガスはプラズマ状態に活性化されると反応ガスとして用
いることができる。
セスガスを時分割ガス供給サイクルを繰り返して炉へ供給することによって基板
上に膜を形成する化学蒸着において、プロセスガスのうちの少なくとも一つをア
クティブさせるため、ガス供給サイクルと同期してプラズマを基板上で発生させ
ることにある。この時、プラズマは反応ガスの供給サイクルと同期して発生され
る。
素を含み、パージガスが反応ガスとは実質的に反応しない場合、プラズマは好ま
しくはパージガスの供給サイクルの間同期して発生され得る。
供給することによって成膜する。この場合、パージガスは好ましくは膜材料の構
成元素を含み、不活性状態では蒸着ガスとは実質的に反応しない。この場合、プ
ラズマはパージガスの供給サイクル間の少なくとも一部と同期して発生されるこ
とによって、パージガスと蒸着ガスとの間の反応を促進させることが望ましい。
い。
説明する。
示すように、反応炉蓋100に反応ガスの流入口110及び流出口120が設け
られる。蓋100の周りは蓋加熱部130によって囲まれている。
口110及び流出口120を通過するガス流れ(矢印で示す)を蓋100と調節板
140との間のすきまにより調節する。このすきまの幅は任意に決定され得る。
一方、化学蒸着膜が形成されるべき半導体基板150は基板支持板160に載置
される。基板150の温度は、基板支持板160の下部に設けられる支持板加熱
器170により調節される。この時、反応ガスが反応炉内部よりも圧力が低い反
応炉の他の部分へ漏れないようにする必要がある。このため、反応炉蓋100と
基板支持板160との接合部に沿って不活性ガスを供給してもよい。従って、反
応炉蓋100と基板支持板160との接合部分には、反応炉蓋100の周りに沿
って凹溝を形成してガス漏れ防止向け通路180として利用する。ガス流れ調節
板140は反応炉内に流入した反応ガスが反応炉内部に留まることなく容易に排
気されるようにするためにガスの流れを調節する。
図である。このガス流れ調節板によって、ガス流入口を通じて反応炉内に入って
きた反応ガスは一様に拡散され、ガス流れ調節板と半導体基板との間の狭い空間
を水平方向に流れ、流出口120に吹き抜けることとなる。このようなガス流れ
調節板を用いることによって、反応ガスは半導体基板上で水平方向に流れ、反応
炉の内部体積が小さいので、ガスの供給を素早く切り換えることができる。
、図3の構成要素と同一の部分は同一符号を付し、それに対する詳細は簡潔に省
略する。
応炉蓋の内径を半導体基板の内径より大きくして、反応炉蓋が半導体基板の周縁
を覆うようにする。即ち、反応炉蓋100の下部に突出部190を設けて、反応
ガスが半導体基板の周縁と接触しないようして半導体基板の周縁上の成膜を防止
する。
に示すように、半導体基板150に対向する位置において、プラズマ電極200
がガス流れ調節板140に取り付けられ、反応炉内部にプラズマを発生させて反
応炉内部を掃除すると共に、反応ガスを活性化して成膜を促進できる。
通常の知識を有する者により自明な多くの変形ができることはいうまでもない。
して説明したが、反応炉蓋とガス流れ調節板を一体に形成することもできる。ま
た、プラズマ電極を反応炉蓋に設けてもよい。
に使用される薄膜を形成する方法について説明する。
施例は以下の通りである。
12'の供給周期で各プロセスガスが反応炉に供給されることを示したグラフで
ある。先ず、反応炉に蒸着ガス13’を供給して基板にこれを吸着させた後、続
いてパージガス12'を供給して反応炉に残留する蒸着ガスを除去する。その後
、反応ガス11’を反応炉に供給すると同時に、プラズマ発生器のスイッチを閉
じて反応ガス11'を活性化してプラズマ化し、基板上に吸着した蒸着ガス13
’との化学反応を促進する。反応ガスの供給を中断する時には、スイッチを開い
てプラズマ発生を中断させ、パージガス12'を導入して残留している反応ガス
を洗い出す。この方法を使用すれば、蒸着ガス13’と反応ガス11'との間の
反応が低くても、反応ガス11がプラズマで活性化されるので、成膜が可能であ
る。
ズマ化して反応性を高めれば、金属有機化合物の分解を促進することによって、
膜の炭素汚染を低減させることができる。また、プラズマによって膜に活性化エ
ネルギーを供給するので、膜の結晶性、物理的特性及び電気的特性などを向上さ
せることができる。
成することが挙げられる。蒸着ガスの熱分解温度以下では、水素ガス(即ち、反
応ガス)と蒸着ガスとの間の反応が発生しないので、金属銅膜を形成することが
できない。従って、本発明の反応炉で説明したようなプラズマ電極を通じて、水
素ガスを反応炉内に供給する時、プラズマを発生させて基板表面に化学吸着した
銅原料と水素ガスとの間の反応を促進させて金属銅膜を形成することができる。
蒸着ガスの供給の際、プラズマ発生器の電源をオンすると、ガス状態にて銅原料
が分解されるので粒子汚染が発生し、または段差被覆性が悪くなるおそれがある
。従って、蒸着ガスを供給する時にはプラズマ発生器の電源をオフして反応ガス
を供給する時に電源をオンする方式で、プラズマ発生器に供給されるRF電源を
ガス供給周期と同期化することが望ましい。
ないガスを反応ガスまたはパージガスとして使用することができる。但し、この
ガスは膜の原料成分を含んでいなければならない。図7Bは、このようなガス供
給方法を示している。この方法ではまず、蒸着ガス13’を基板に吸着させ、相
互反応性がほぼ、または全くないが膜の原料成分を含むパージガス12'で残留
する蒸着ガスを除去した後、プラズマ発生器の電源をオンにしてパージガス12
’を反応ガス15'に変化させる。この反応ガス15’は、基板上に吸着した蒸
着ガスと反応して膜を形成できる。その後、プラズマ発生器の電源をオフにして
反応を中断させた後、気相反応の虞なしに反応炉内に再び蒸着ガス13'を供給
できる。従って、プロセスガスの供給周期にてパージガスを供給する時間の間、
プラズマ電源をオフ→オン→オフの順にプラズマ電源を開閉することにより、パ
ージガス→反応ガス→パージガスを順次にそれぞれ供給したのと同等の効果を得
ることができる。また、プラズマ電源をオフにすれば、活性化された化学種の濃
度が非常に素早く減少するので、プラズマ電源をオフしてからパージガスを流す
時間を最小化することができる。即ち、このようなガス供給周期ではガス自体の
種類の供給時間によってガスの供給周期が決定されるのでなく、プラズマ発生器
の電源のオン/オフによってガスの供給周期が決定される。この方法を使用すれ
ば、二種類のガスだけでも時間分割した化学蒸着ができるので、ガス供給部の構
成を簡単にすることができ、時分割原料供給に必要なサイクル時間を減少させる
ことができる。また、この方法では蒸着ガスとパージガスが排気部で混合されて
も互いに反応しないので、排気部で粒子汚染が発生する虞がない。
化チタニウム膜(TiN)の蒸着に前述した2つの実施例を適用することができる
。
スとしてアンモニアを、パージガスとして窒素をそれぞれ使用し、これらの各ガ
スを時分割的に供給しながら反応ガス供給時にプラズマを発生させるようにする
工程を反復することによって、TiN 膜を形成することができる。
ジガスとして窒素ガスをそれぞれ使用し、窒素パージガスで蒸着ガスを除去した
後、プラズマ発生器に電源を供給して吸着された蒸着ガスと窒素が反応するよう
にする。このような工程を含むプロセスを反復して TiN 膜を形成することが
できる。この場合、プラズマ電源をつけない状態では窒素パージガスが蒸着ガス
と反応しないので粒子汚染が全く発生しない。
方法を適切に具現するためには、ガス流れ調節板を有する本発明の反応炉が特に
有用であることが分かる。
範囲を逸脱することなく、当業者は種々の改変をなし得るであろう。
に供給する化学蒸着法において反応ガスの切換速度を素早くして単位時間当りの
成膜速度を高めることができる。
の半導体清浄区域で占める面積を減らすことができ、装置のメンテナンス費用を
減らすことができる。
れ落ちて発生する汚染問題を抑制することができる。
ガスを活性化できる。
応性がなかったり、または非常に弱い場合でも効果的に膜を形成することができ
る。
ージガスを供給する時間を最小化でき、工程時間の全体を短縮することができる
。
ことができる。
反応ガス供給方法を示す模式図である。
反応ガス供給方法を示す模式図である。
明するための特性図である。
明するための特性図である。
明するための特性図である。
面図である。
調節板の斜視図である。
である。
である。
説明する図である。
説明する特性図である。
Claims (13)
- 【請求項1】 化学蒸着装置の反応炉であって、 反応ガスの流出入口を有し、反応炉内部より低い圧力を有する反応炉の他の箇
所から反応ガスを隔離させるための反応炉蓋と、 突出部を有し前記突出部とともに前記反応炉蓋に装着され、前記流出入口を通
過するガスの流れを前記蓋との隙間により調節するガス流れ調節板と、 前記反応炉蓋と接触して反応室を形成し、前記反応室に設けられる基板を支持
する基板支持板とを含むことを特徴とする反応炉。 - 【請求項2】 前記反応室から反応ガスの漏れを防止するために前記反応炉
蓋と前記基板支持板との間の接触部に沿って設けられるガス漏れ防止用通路を更
に含むことを特徴とする請求項1記載の反応炉。 - 【請求項3】 前記突出部を除いた部分において、前記ガス流れ調節板と前
記反応炉蓋との対向面が実質的に平行であることを特徴とする請求項1記載の反
応炉。 - 【請求項4】 前記基板の周縁部に前記反応ガスが接触しないように前記反
応炉蓋が前記基板の前記周縁部を覆う突出手段を更に備えることを特徴とする請
求項1記載の反応炉。 - 【請求項5】 前記反応炉蓋の温度を調節するための蓋加熱部を更に含むこ
とを特徴とする請求項1記載の反応炉。 - 【請求項6】 前記反応室内の前記反応ガスを活性化するために、前記反応
炉蓋にプラズマ電極が設けられたことを特徴とする請求項1記載の反応炉。 - 【請求項7】 前記反応室内の前記反応ガスを活性化するために、前記ガス
流れ調節板にプラズマ電極が設けられたことを特徴とする請求項1記載の反応炉
。 - 【請求項8】 反応ガスの流出入口を有し反応炉内部より低い圧力を有する
反応炉の他の箇所から反応ガスを隔離させるための反応炉蓋と、突出部を有し前
記突出部とともに前記反応炉蓋に装着され前記流出入口を通過するガスの流れを
前記蓋との隙間により調節するガス流れ調節板と、前記反応炉蓋と接触して反応
室を形成し、前記反応室に設けられる基板を支持する基板支持板と、前記反応室
内の前記反応ガスを活性化するために前記反応炉蓋又は前記ガス流れ調節板に設
けられたプラズマ電極とを備え化学蒸着装置の反応炉を用いて薄膜を形成する方
法であって、 前記反応炉内に基板を載置する工程と、 熱分解すれば膜を形成するが工程温度では熱分解しない蒸着ガスと、工程温度
で自らは熱分解されずまたは熱分解されても膜を形成しない反応ガスと、前記蒸
着ガスと前記反応ガスとの間の化学気相反応を防止するためのパージガスとを含
むプロセスガスを用意する工程と、 前記蒸着ガス、前記反応ガス及び前記パージガスの時分割組合わせ周期を反復
して前記流入口を通じて前記プロセスガスを前記反応炉に供給し、この周期中で
前記各プロセスガスの少なくともいずれか一つの供給周期と同期してプラズマを
前記基板上で発生させる工程とを含むことを特徴とする薄膜形成方法。 - 【請求項9】 前記反応ガスの供給周期と同期してプラズマが発生されるこ
とを特徴とする請求項8記載の薄膜形成方法。 - 【請求項10】 前記パージガスが成膜に必要な元素を含み、前記反応ガス
が成膜に必要な他の元素を含み、前記パージガスが前記反応ガスと実質的に反応
せず、前記プラズマが前記パージガスの供給周期と同期して発生されることを特
徴とする請求項8記載の薄膜形成方法。 - 【請求項11】 前記薄膜の形成工程後に形成された薄膜を熱処理する工程
を更に含むことを特徴とする請求項8記載の薄膜形成方法。 - 【請求項12】 反応ガスの流出入口を有し反応炉内部より低い圧力を有す
る反応炉の他の箇所から反応ガスを隔離させるための反応炉蓋と、突出部を有し
前記突出部とともに前記反応炉蓋に装着され前記流出入口を通過するガスの流れ
を前記蓋との隙間により調節するガス流れ調節板と、前記反応炉蓋と接触して反
応室を形成し、前記反応室に設けられる基板を支持する基板支持板と、前記反応
室内の前記反応ガスを活性化するために前記反応炉蓋又は前記ガス流れ調節板に
設けられたプラズマ電極とを備え化学蒸着装置の反応炉を用いて薄膜を形成する
方法であって、 前記反応炉内に基板を位置させる段階と、 熱分解すれば膜を形成するが工程温度では熱分解しない蒸着ガスと、前記蒸着
ガスを前記反応炉から排出するためのパージガスであって成膜に必要な元素を含
み非活性状態では前記蒸着ガスと実質的に反応しない当該パージガスとからなる
プロセスガスを用意する工程と、 前記蒸着ガス及び前記パージガスの時分割組合わせを周期的に反復して前記流
入口を通じて前記プロセスガスを前記反応炉に供給し、前記パージガスの供給周
期との間の少なくとも一部と同期して、プラズマを発生することによって、前記
パージガスと前記蒸着ガスとの間の反応を引き起こす工程とを含むことを特徴と
する薄膜形成方法。 - 【請求項13】 前記膜の形成工程後に形成された薄膜を熱処理する工程を
更に含むことを特徴とする請求項12記載の薄膜形成方法。
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