JP6637095B2 - セラミック薄膜の低温堆積方法 - Google Patents
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Description
本願は、2012年12月21日に出願された米国仮特許出願第61/745,523号に対して優先権が主張され、その内容は、参照により本願明細書に援用したものとする。
基板の表面に薄膜を堆積するのに必要な温度に影響を及ぼす反応性前駆体の組合せを採用する堆積化学成分(deposition chemistries)を決定する工程、
処理室内に基板を載置する工程、
基板温度、処理室圧力、及び処理室温度を含む1以上の処理パラメータを調整する工程、
堆積サイクルを開始する工程、及び
薄膜コーティングが所定の厚さに達しているかどうかを判定し、所定の厚さに達するまで堆積サイクルを繰り返す工程を含み、
堆積が、原子層堆積(ALD)、ナノ層堆積(NLD)、又は化学気相成長(CVD)によるものであり、
反応性前駆体の組合せが、処理室内の堆積温度に関するギブズ自由エネルギー変化(ΔG)により決定される反応性前駆体それぞれの間の反応性に基づいて選択される。
(ALD、NLD、及びCVD処理による炭化ケイ素(SiC)膜の堆積)
背景技術で説明した通り、SiCは、様々な用途を有する重要な工業上のセラミックである。しかしながら、SiCについて一般的に行われている薄膜堆積処理は、1000℃を超過する温度で実施する。それゆえ、低温ALD、及びCVDのSiC薄膜処理も、かなり望ましい。図5Aを参照すると、基板の表面は、Cl原子に対して高い受容性及び反応性を有する−OH基で終端されている。次いで、図5Bにおいて、気相に放出される生成物としてHClの形成を伴う、基板表面で終端処理された−OHに対する、四塩化炭素(CCl4)分子の化学吸着が完了される。CCl4化学吸着段階の最後で、基板は、M−O−CCl3(M:図5A、B、C、及びDにおいて四角で表される基板の表面原子)結合の形成により、Cl基で終端される。次いで、パージガスのパルス流(図示しない)は、基板の近くの過剰のCCl4分子を払拭する処理のために導入される。その後、シラン(SiH4)ガスのパルス流が、処理室内に導入される。図5Cに示される通り、シランガス分子は、化学吸着された−O−CCl3基と、その処理条件下で盛んに反応し、HCl分子の脱離と共にSi−C結合を形成する。パージガスのパルス流は、過剰のSiH4分子(図示しない)を除去するために採用される。表面はH原子で終端され、従って、図5Dに示される通り、次に流入するCCl4のパルス流を受容する。SiC堆積の全体の反応は以下の通りである。
CCl4+SiH4→SiC+4HCl 式(1)
工業価値のある別の薄膜は窒化ホウ素(BN)である。BNの薄膜は、現在、700〜1000℃及びそれを超える範囲に及ぶ高温で、BCl3及びアンモニア(NH3)を採用して堆積がなされる。図6Bは、以下の化学反応のための温度に対するギブズ自由エネルギーの変化(ΔG)を示す。
B2H6+2NF3→2BN+6HF 式(2)
(C3N4薄膜の堆積)
薄膜材料としてC3N4の堆積処理及び種々の適用は、まだ、完全に探求されていない。それは、超硬化材料の1つとして公知であることが予想される。ALD、NLD、又はCVD処理によるC3N4膜の形成は、20℃〜1000℃の温度範囲、及び数mTから760Torrまでの範囲に及ぶ圧力において、炭素源としてハロゲン化炭素(例えばCF4、CF2Cl2、又はCCl4)、及び窒素源としてNH3により実施される。全体の堆積の化学反応(C源としてCCl4を用いる)は以下の通りである。
3CF4+4NH3→C3N4+12HF 式(3)
(Si3N4膜の堆積)
窒化ケイ素は、優れた光学特性を備える、耐腐食及び耐磨耗材料とあって、重要な工業上のセラミックである。窒化ケイ素は、ボールベアリングコーティング、及び電気絶縁体、反射防止コーティング等において利用される。Si3N4の薄膜の形成は、ケイ素源としてシラン(SiH4)、及び窒素源としてNF3を採用することにより、ALD、NLD、又はCVD処理において実施される。Si3N4堆積の全体の化学反応は以下の通りである。
3SiH4+4NF3→Si3N4+12HF 式(4)
(Si X Ge (1-X) 膜の堆積)
Si X Ge (1-X) の薄膜を、Siの水素化物源及びGeのハロゲン化物源を採用することによるALD、NLD、又はCVD方法によって堆積できる。第一の反応性ガスのパルス流は、a:bの固定比においてSiCl4及びGeCl4の混合物を含み、Cl基で終端されたSi及びGe原子を含む第1の単層を形成する。第二の反応性ガスのパルス流は、a:bの比においてGeH4及びSiH4の混合物を含み、固定値xが得られる。Si X Ge (1-X) 堆積処理の全体の反応は以下の通り記載される(式のバランスをとることなく)。
(SiCl4+GeCl4)+(SiH4+GeH4)
→Si X Ge (1-X) +HCl 式(5)
(SiCl4+GeCl4)+(SiH4)→Si X Ge (1-X) +HCl 式(6)
(SiCl4+GeCl4)+(GeH4)→Si X Ge (1-X) +HCl 式(7)
ALD、NLD、又はCVD処理における、SiC X Nyのような種々の材料の3要素からなる堆積は、第一の反応性ガスのパルス流としてSiH4を、第二の反応性ガスのパルス流におけるCCl4(あるいはCF4が等しく効果がある)及びNF3混合物と組み合わせて採用することにより実施される。
(SiH4)+(CCl4+NF3)→SiC x Ny+HCl 式(8)
4要素からなる薄膜は、第一のパルス流における水素化物の混合物、及び第二のパルス流におけるハロゲン化物の混合物を採用することにより、ALD、NLD、又はCVD処理において堆積することができる。例えば、SiC x ByN z の薄膜は、式(9)に表される全体の化学反応で、シラン(SiH4)及びジボラン(B2H6)を含む第一の反応性前駆体ガス混合物、及び四塩化炭素(CCl4)及び三フッ化窒素(NF3)を含む第二の反応性前駆体ガス混合物を用いることにより堆積することができる。
(SiH4+B2H6)+(CCl4+NF3)→SiC x ByNz+HCl+HF 式(9)
(炭素薄膜)
炭素を含む薄膜のALD、NLD、又はCVD処理は、種々の反応性前駆体の組合せを採用することにより実施される。主要な反応性前駆体の組合せは、式(10)に示される一般式(CH2X2、X=F、Cl、Br、及びI)で表されるジ−クロロ−ハロゲンのパルス流である。
CH2X2+CH2X2→C+2HX 式(10)
CX4+CH4→C+4HX 式(11)
(炭素の単一層を形成するためのヒドロ-シラン及びボランを用いるハロゲン化炭素の減少)
シラン(SiH4)及びジシラン(Si2H6)は、以下の反応によって、200〜400℃の温度範囲における、タングステンのような金属の堆積のために、ALD処理における還元剤として使用されることが知られている。
WF6+SiH4→W+SiF4+2HF+H2 式(12)
WF6+Si2H6→W+2SiHF3+2H2 式(13)
参照文献:
(a)J.W.Elam,C.E.Nelson,R.K.Grubbs and S.M.George:Thin Solid Films,volume 386,pp.41(2001)
(b)Journal of Vacuum Science & Technology(B),Volume 22,No.4,pp.181 1−1821 July 2004
CCl4+SiH4→C+SiCl4+2H2 式(14)
CCl4+SiH4→C+SiH2Cl2+2HCl 式(15)
CCl4+Si2H6→C+Si2H2Cl4+3H2 式(16)
Claims (4)
- 基板の表面に、窒化物のセラミック薄膜を形成する低温堆積方法であって、
前記低温堆積方法は、
前記基板の表面に前記薄膜を堆積するのに必要な温度に影響を及ぼす2種類の反応性前駆体の組合せを採用する堆積化学成分を決定する工程、
処理室内に前記基板を載置する工程、
基板温度、処理室圧力、及び処理室温度を含む1以上の処理パラメータを調整する工程、
前記基板温度が一定に保てるような加熱プラテンを供給する工程、
堆積サイクルを開始する工程、及び
前記薄膜が所定の厚さに達しているかどうかを判定し、前記所定の厚さに達するまで前記堆積サイクルを繰り返す工程
を含み、
前記薄膜が、原子層堆積(ALD)により堆積したものであり、
前記2種類の反応性前駆体の組合せが、前記処理室内の堆積温度に関するギブズ自由エネルギー変化(ΔG)により決定される前記2種類の反応性前駆体それぞれの間の反応性に基づいて選択され、
室温(20℃)における、前記2種類の反応性前駆体の組合せの前記ギブズ自由エネルギー変化ΔGが、負(ΔG<0)でかつその絶対値|ΔG|が400kJ/モル以上(|ΔG|≧400kJ/モル)であり、
前記薄膜の堆積は、前記基板温度を600℃未満に調整した前記基板に到達するように、第1の反応性前駆体ガス、パージガス、第2の反応性前駆体ガスおよびパージガスの4種の別個のパルス流を1サイクルとして、前記堆積サイクルを繰り返して行い、
前記薄膜が、窒化ホウ素(BN)膜であり、
前記第1の反応性前駆体ガスが、三フッ化窒素(NF 3 )であり、
前記第2の反応性前駆体ガスが、B 2 H 6 であり、
前記窒化ホウ素(BN)膜の堆積の全体の反応が、B 2 H 6 +2NF 3 →2BN+6HFである、前記セラミック薄膜を形成する低温堆積方法。 - 基板の表面に、炭化物のセラミック薄膜を形成する低温堆積方法であって、
前記低温堆積方法は、
前記基板の表面に前記薄膜を堆積するのに必要な温度に影響を及ぼす2種類の反応性前駆体の組合せを採用する堆積化学成分を決定する工程、
処理室内に前記基板を載置する工程、
基板温度、処理室圧力、及び処理室温度を含む1以上の処理パラメータを調整する工程、
前記基板温度が一定に保てるような加熱プラテンを供給する工程、
堆積サイクルを開始する工程、及び
前記薄膜が所定の厚さに達しているかどうかを判定し、前記所定の厚さに達するまで前記堆積サイクルを繰り返す工程
を含み、
前記薄膜が、原子層堆積(ALD)により堆積したものであり、
前記2種類の反応性前駆体の組合せが、前記処理室内の堆積温度に関するギブズ自由エネルギー変化(ΔG)により決定される前記2種類の反応性前駆体それぞれの間の反応性に基づいて選択され、
室温(20℃)における、前記2種類の反応性前駆体の組合せの前記ギブズ自由エネルギー変化ΔGが、負(ΔG<0)でかつその絶対値|ΔG|が400kJ/モル以上(|ΔG|≧400kJ/モル)であり、
前記薄膜の堆積は、前記基板温度を600℃未満に調整した前記基板に到達するように、第1の反応性前駆体ガス、パージガス、第2の反応性前駆体ガスおよびパージガスの4種の別個のパルス流を1サイクルとして、前記堆積サイクルを繰り返して行い、
前記薄膜が、炭化ケイ素(SiC)膜であり、
前記第1の反応性前駆体ガスが、CCl 4 であり、
前記第2の反応性前駆体ガスが、SiH 4 であり、
前記炭化ケイ素(SiC)膜の堆積の全体の反応が、CCl 4 +SiH 4 →SiC+4HClである、前記セラミック薄膜を形成する低温堆積方法。 - 前記方法は、
前記基板の表面を、−OH基で終端処理し、
−OH基で終端された基板の表面に化学吸着させるために、四塩化炭素(CCl4)分子を導入して、−O−CCl3基を形成し、
前記処理室内にパージガスを送り、前記基板の近くにある過剰のCCl4分子を払拭し、
前記処理室内にシラン(SiH4)ガスを送り、前記化学吸着した−O−CCl3基と反応してSi−C結合を形成し、そして、
前記パージガスを送り、水素(H)終端を有する前記基板の表面に残る過剰のSiH4分子を取り除く工程を含む、請求項2に記載の方法。 - 前記処理室圧力が、大気圧(760Torr)から1ミリTorr(mT)までの範囲である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
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