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技術 基板処理方法及びALCVD装置

出願人 セイコーエプソン株式会社
発明者 山田政隆
出願日 2006年3月16日 (14年7ヶ月経過) 出願番号 2006-072541
公開日 2007年9月27日 (13年0ヶ月経過) 公開番号 2007-250845
状態 未査定
技術分野 CVD 気相成長(金属層を除く) 絶縁膜の形成
主要キーワード アルミナ薄膜 ALCVD法 酸化反応温度 ペルチエ素子 特定温度 原子層堆積法 加熱ランプ 原子層単位
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2007年9月27日)のものです。
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図面 (1)

課題

各反応の反応速度を速くして短時間で成膜することができるALCVD法による基板処理方法及びALCVD装置を提供する。

解決手段

金属又は半金属を含む反応ガスと前記金属又は半金属を含む反応ガスを酸化する酸化剤からなる反応ガスを1つずつ交互に基板表面と反応させて、金属又は半金属を前記基板表面に吸着させる種付け反応と、この基板表面に吸着させた金属又は半金属を酸化する酸化反応とを交互に行うことにより前記基板上に前記金属又は半金属の酸化膜を形成する際に、前記基板を加熱又は冷却して前記基板の温度を前記種付け反応と前記酸化反応とで変化させる。

概要

背景

成膜技術として、CVD(Chemical Vapor Deposition)法の一種であるALCVD(Atomic Layer CVD)法がある。この方法は、原子層堆積法によるCVD法であり、基板の載置された反応容器に2つ以上の原料ガスを1つずつ交互に供給して、各原料ガスを1原子層単位で基板表面と反応させる工程を繰り返し行うことによって、基板上に膜を形成するものである(特許文献1参照)。具体的には例えば、トリメチルアルミニウム(TMA)とオゾンとを反応ガスとして用いると、アルミニウムを基板表面に吸着させる種付け反応と、このアルミニウムをオゾンにより酸化する酸化反応との繰返しにより、アルミナ膜を形成することができる。

このように、ALCVD法では2つ以上の反応ガスを用いて異なる反応を複数回行うが、反応速度を速くするための最適条件は反応ごとに異なるため、反応工程によっては反応速度が遅く、成膜にかかる時間が長いという問題があった。

特開2005−64305号公報

概要

各反応の反応速度を速くして短時間で成膜することができるALCVD法による基板処理方法及びALCVD装置を提供する。金属又は半金属を含む反応ガスと前記金属又は半金属を含む反応ガスを酸化する酸化剤からなる反応ガスを1つずつ交互に基板表面と反応させて、金属又は半金属を前記基板表面に吸着させる種付け反応と、この基板表面に吸着させた金属又は半金属を酸化する酸化反応とを交互に行うことにより前記基板上に前記金属又は半金属の酸化膜を形成する際に、前記基板を加熱又は冷却して前記基板の温度を前記種付け反応と前記酸化反応とで変化させる。なし

目的

本発明は、このような事情に鑑み、各反応の反応速度を速くして短時間で成膜することができるALCVD法による基板処理方法及びALCVD装置を提供することを課題とする。

効果

実績

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請求項1

2つ以上の反応ガスを1つずつ交互に基板表面と反応させることにより前記基板上に膜を形成する際に、前記基板を加熱又は冷却して前記基板の温度を前記反応ガスの種類に応じた特定温度に変化させることを特徴とするALCVD法による基板処理方法

請求項2

金属又は半金属を含む反応ガスと前記金属又は半金属を含む反応ガスを酸化する酸化剤からなる反応ガスを1つずつ交互に基板表面と反応させて、金属又は半金属を前記基板表面に吸着させる種付け反応と、この基板表面に吸着させた金属又は半金属を酸化する酸化反応とを交互に行うことにより前記基板上に前記金属又は半金属の酸化膜を形成する際に、前記基板を加熱又は冷却して前記基板の温度を前記種付け反応と前記酸化反応とで変化させることを特徴とするALCVD法による基板処理方法。

請求項3

前記酸化反応の前記基板の温度が、前記種付け反応の前記基板の温度よりも50℃以上高いことを特徴とする請求項2に記載のALCVD法による基板処理方法。

請求項4

前記反応ガスとしてトリメチルアルミニウムを用いてアルミニウムを前記基板表面に吸着させる種付け反応と、前記反応ガスとしてオゾンを用いてアルミニウムを酸化する酸化反応とを交互に行うことにより、前記基板上にアルミナ膜を形成することを特徴とする請求項2又は3に記載のALCVD法による基板処理方法。

請求項5

前記基板の温度は、前記種付け反応では250〜350℃で、前記酸化反応では400〜600℃であることを特徴とする請求項4に記載のALCVD法による基板処理方法。

請求項6

内部に処理室が形成される反応容器と、前記処理室内に互いに反応しあう2つ以上の反応ガスを1つずつ交互に供給するガス供給手段と、基板を載置する支持台と、前記基板を加熱する加熱手段と、前記支持台に設けられ前記基板を冷却する冷却手段と、前記加熱手段と前記冷却手段を制御する制御手段とを具備し、前記基板の温度を前記反応ガスの種類に応じた特定温度に変化させることを特徴とするALCVD装置

請求項7

前記冷却手段がペルチエ素子であることを特徴とする請求項6に記載のALCVD装置。

請求項8

前記加熱手段が、加熱ランプであることを特徴とする請求項6又は7に記載のALCVD装置。

請求項9

前記加熱手段が前記支持台に対向して設けられていることを特徴とする請求項6〜8の何れかに記載のALCVD装置。

技術分野

0001

本発明は、ALCVD法による基板処理方法及びALCVD装置に関する。

背景技術

0002

成膜技術として、CVD(Chemical Vapor Deposition)法の一種であるALCVD(Atomic Layer CVD)法がある。この方法は、原子層堆積法によるCVD法であり、基板の載置された反応容器に2つ以上の原料ガスを1つずつ交互に供給して、各原料ガスを1原子層単位で基板表面と反応させる工程を繰り返し行うことによって、基板上に膜を形成するものである(特許文献1参照)。具体的には例えば、トリメチルアルミニウム(TMA)とオゾンとを反応ガスとして用いると、アルミニウムを基板表面に吸着させる種付け反応と、このアルミニウムをオゾンにより酸化する酸化反応との繰返しにより、アルミナ膜を形成することができる。

0003

このように、ALCVD法では2つ以上の反応ガスを用いて異なる反応を複数回行うが、反応速度を速くするための最適条件は反応ごとに異なるため、反応工程によっては反応速度が遅く、成膜にかかる時間が長いという問題があった。

0004

特開2005−64305号公報

発明が解決しようとする課題

0005

本発明は、このような事情に鑑み、各反応の反応速度を速くして短時間で成膜することができるALCVD法による基板処理方法及びALCVD装置を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段

0006

上記課題を解決する本発明の第1の態様は、2つ以上の反応ガスを1つずつ交互に基板表面と反応させることにより前記基板上に膜を形成する際に、前記基板を加熱又は冷却して前記基板の温度を前記反応ガスの種類に応じた特定温度に変化させることを特徴とするALCVD法による基板処理方法にある。
かかる第1の態様では、基板の温度を冷却又は加熱することにより反応ガスの種類に応じた特定温度で各反応ガスを反応できるため、各反応の反応速度を速くして短時間で効率よく成膜することができる。

0007

本発明の第2の態様は、金属又は半金属を含む反応ガスと前記金属又は半金属を含む反応ガスを酸化する酸化剤からなる反応ガスを1つずつ交互に基板表面と反応させて、金属又は半金属を前記基板表面に吸着させる種付け反応と、この基板表面に吸着させた金属又は半金属を酸化する酸化反応とを交互に行うことにより前記基板上に前記金属又は半金属の酸化膜を形成する際に、前記基板を加熱又は冷却して前記基板の温度を前記種付け反応と前記酸化反応とで変化させることを特徴とするALCVD法による基板処理方法にある。
かかる第2の態様では、基板を冷却又は加熱することにより、種付け反応の温度を種付け反応に最適な温度とし且つ酸化反応の温度を酸化反応に最適な温度することができるため、各反応の反応速度を速くして短時間で効率よく成膜することができる。

0008

本発明の第3の態様は、前記酸化反応の前記基板の温度が、前記種付け反応の前記基板の温度よりも50℃以上高いことを特徴とする第2の態様のALCVD法による基板処理方法にある。
かかる第3の態様では、酸化反応の温度が高いので、酸化速度が速く短時間で効率よく成膜することができ、また、膜密度の高い膜を形成することができる。

0009

本発明の第4の態様は、前記反応ガスとしてトリメチルアルミニウムを用いてアルミニウムを前記基板表面に吸着させる種付け反応と、前記反応ガスとしてオゾンを用いてアルミニウムを酸化する酸化反応とを交互に行うことにより、前記基板上にアルミナ膜を形成することを特徴とする第2又は3の態様のALCVD法による基板処理方法にある。
かかる第4の態様では、短時間で効率よくアルミナ膜を形成することができる。

0010

本発明の第5の態様は、前記基板の温度は、前記種付け反応では250〜350℃で、前記酸化反応では400〜600℃であることを特徴とする第4の態様のALCVD法による基板処理方法。
かかる第5の態様では、種付け反応に最適な250〜350℃で種付け反応を行い、酸化反応に最適な400〜600℃で酸化反応を行うため、各反応の反応速度が速くなり短時間で膜密度の高いアルミナ膜を形成することができる。

0011

本発明の第6の態様は、内部に処理室が形成される反応容器と、前記処理室内に互いに反応しあう2つ以上の反応ガスを1つずつ交互に供給するガス供給手段と、基板を載置する支持台と、前記基板を加熱する加熱手段と、前記支持台に設けられ前記基板を冷却する冷却手段と、前記加熱手段と前記冷却手段を制御する制御手段とを具備し、前記基板の温度を前記反応ガスの種類に応じた特定温度に変化させることを特徴とするALCVD装置にある。
かかる第6の態様では、加熱手段と支持台に設けられた冷却手段とで基板の温度を特定温度に変化させることができるため、供給される反応ガスごとに基板の温度を反応に最適な温度に設定することができる。

0012

本発明の第7の態様は、前記冷却手段がペルチエ素子であることを特徴とする第6の態様のALCVD装置にある。
かかる第7の態様では、冷却手段としてペルチエ素子を用いるので、基板の温度を急速に冷却することができるため、供給される反応ガスに応じて基板の温度をすばやく低下させることができる。

0013

本発明の第8の態様は、前記加熱手段が、加熱ランプであることを特徴とする第6又は7の態様のALCVD装置にある。
かかる第8の態様では、加熱手段として加熱ランプを用いるので、基板の温度を急速に加熱することができるため、供給される反応ガスに応じて基板の温度をすばやく上昇させることができる。

0014

本発明の第9の態様は、前記加熱手段が前記支持台に対向して設けられていることを特徴とする第6〜8の何れかの態様のALCVD装置にある。
かかる第9の態様では、加熱手段が支持台に対向して設けられているため、均一に基板を加熱することができる。

発明を実施するための最良の形態

0015

(実施形態1)
以下に本発明の基板処理方法について、詳細に説明する。
本発明の基板処理方法は、2つ以上の反応ガスを1つずつ交互に基板表面と反応させることにより基板上に膜を形成するALCVD法によるものであり、基板を加熱又は冷却して基板の温度を反応ガスの種類に応じた特定温度に変化させて、反応ガスの種類に応じて特定の温度で反応ガスを反応させるものである。例えば、基板上に酸化膜を形成する場合は、金属又は半金属を基板表面に吸着させる種付け反応と、この基板表面に吸着させた金属又は半金属を他の反応ガスにより酸化する酸化反応とを交互に行うが、本発明においては、この種付け反応時の基板の温度と、酸化反応時の基板の温度を変化させる。これにより、種付け反応や酸化反応等の反応それぞれに適した特定温度で各反応ガスを反応させることができるため、反応速度が速くなり、短時間で効率よく成膜することができる。

0016

反応ガスとして、第1の反応ガスと、第1の反応ガスと反応する第2の反応ガスの2つを用いて、基板上に膜を形成する場合について、具体的に説明する。

0017

まず、第1の反応ガスを基板上に供給する。これにより、第1の反応ガスの成分が基板表面に吸着して、1原子分の層を形成する。次に、基板上に窒素等のパージガスを供給して、残留している第1の反応ガスを除去する。その後、第1の反応ガスと反応する第2の反応ガスを基板上に供給する。これにより、供給された第2の反応ガスは、基板に吸着した基板表面の第1の反応ガスの成分と反応して1原子分の層を形成する。次いで、基板上に窒素等のパージガスを供給して、残留している第2の反応ガスを除去する。

0018

このような反応を1サイクルとして、このサイクルを複数回繰り返すことにより、基板上に膜を形成する。各反応で形成される層は、ALCVD法では1原子分となるため、均一な膜厚及び膜質の膜を基板上に形成することができる。基板は平らでも、凹凸があってもよく、深い凹部に成膜することもできる。なお、サイクル数を調整することにより、所定の厚さの膜を形成することができる。

0019

本発明においては、基板を冷却又は加熱することにより、基板の温度を第1の反応ガスの反応時と第2の反応ガスの反応時とで変化させる。このように基板の温度を反応に応じて変化させて各反応に最適な温度とすると、各反応の反応速度を速くできるので、各反応の所要時間を短くすることができる。反応に最適な温度が大きく異なる反応ガスを用いる場合、例えば反応の最適温度が50℃以上異なる反応ガスを用いる場合に、特に有効である。なお、形成される膜は反応ガスによる1原子分(約1Å)を複数層積層した薄膜なので、基板の温度と反応ガスの反応温度はほぼ等しい。

0020

ここで、第1の反応ガスの反応と第2の反応ガスの反応は、上述したように交互に繰り返されるため、基板の温度も繰り返し上下させることになる。例えば、第1の反応ガスの反応(例えば種付け反応)の温度を300℃とし、第2の反応ガスの反応(例えば酸化反応)の温度を450℃とする場合、基板の温度を300℃→450℃→300℃→450℃→・・・と繰返し上下に変化させる。基板の温度を変化させるための所要時間が短いほうが成膜時間を短くできるため、冷却又は加熱する手段は応答性の良いものであることが好ましい。従って、例えば、冷却手段としてはペルチエ素子が、加熱手段としては加熱ランプが好ましい。

0021

酸化膜を形成する場合、反応ガスとして、金属又は半金属を含むガス及び当該金属又は半金属を酸化する酸化剤からなるガスを用いる。例えば、アルミナ(Al2O3)膜を形成するためには、反応ガスとして、トリメチルアルミニウム(TMA)等のアルミニウムを含むガスと、オゾン、H2O等の酸化剤ガスを用いる。TMAとオゾンを用いる場合、基板の温度は、TMAによる種付け反応は250〜350℃、オゾンによる酸化反応では400〜600℃とすることが好ましい。上記温度範囲で各反応を行うと、反応速度が速く、また、膜密度が高い膜を形成することができる。なお、本発明のALCVD法による基板処理方法により形成される膜は、アルミナ膜に限定されず、その他、SiO2膜や、Ta2O5膜等、種々の酸化膜を形成することができる。また、Si3N4膜などの酸化膜以外の膜を形成することもできる。

0022

次に、上記の基板処理方法を適用することができる本発明のALCVD装置を、図1に基づいて説明する。なお、図1は、本発明の一実施形態例に係るALCVD装置の概略断面図である。

0023

図1に示すように、ALCVD装置10は、内部に処理室11が形成された反応容器としてのチャンバ(例えば石英製)12に、基板13を載置する支持台14がチャンバ12内の底面近傍に設けられている。そして、この支持台14は冷却手段15を有し、さらに、支持台14には基板13の温度を検出する温度検出手段16が設けられている。チャンバ12の天井部の上側には加熱手段17が設けられ、チャンバ12の側面には処理室11内に複数の反応ガス及びパージガスを選択的に供給するガス供給手段18と、図示しない真空ポンプにより処理室11内を排気する排気口19が設けられている。また、温度検出手段16により基板13の温度を検出して冷却手段15と加熱手段17とを制御する制御手段20が、チャンバ12の外部に設けられている。なお、本実施形態では、冷却手段15としてペルチエ素子を用い、加熱手段17として加熱ランプを用いたが、その他の冷却手段又は加熱手段でもよい。

0024

反応ガスとして、第1の反応ガスと、第1の反応ガスと反応する第2の反応ガスの2つを用いた場合を例に、上記ALCVD装置10についてさらに詳細に説明する。

0025

まず、第1の反応ガスを、ガス供給手段18から処理室11内に供給する。この際に、温度検出手段16で基板13の温度を検出し、冷却手段15及び加熱手段17を制御手段20で制御することにより、基板13の温度を第1の反応ガスの反応(吸着)に最適な温度にする。具体的には、例えば、冷却手段15の出力を強くし加熱手段17の出力を弱めることで基板13の温度を下げる。これにより、処理室11内に載置された基板13表面に第1の反応ガスの成分が短時間で吸着して、短時間で1原子分の層が形成される。次に、ガス供給手段18から窒素等のパージガスを処理室11内に供給すると共に、残留している第1の反応ガスを排気口19から排気する。その後、第2の反応ガスを、ガス供給手段18から処理室11内に供給する。この際に、温度検出手段16で基板13の温度を検出し、冷却手段15及び加熱手段17を制御手段20で制御することにより、基板13の温度を第2の反応ガスの反応に最適な温度にする。具体的には、例えば、冷却手段15を弱くし加熱手段17を強めることで基板13の温度を上げる。これにより、第2の反応ガスは、基板13に吸着した基板13表面の第1の反応ガスの成分と短時間で反応して、短時間で1原子分の層を形成する。次いで、ガス供給手段18から窒素等のパージガスを処理室11内に供給すると共に、残留している第2の反応ガスを排気口19から排気する。なお、残留している未反応の反応ガスを処理室11から除去した後に他の反応ガスを供給するため、これらの反応ガス同士が処理室11の気相中で反応することはない。この一連の操作を1サイクルとして、このサイクルを複数回繰り返すことにより、基板13上に膜を形成することができる。

0026

このように、加熱手段17と冷却手段15を制御することにより、基板13を特定の温度に変化させて、種付け反応や酸化反応等の反応それぞれに適した特定温度で各反応ガスを反応できるため、各反応の反応速度を速くして短時間で効率よく成膜することができ、また、良好な膜質の膜を形成できる。本実施形態では、冷却手段15としてペルチエ素子を、加熱手段17としてランプを用いており、これらは応答性が良いので温度を変化させるためにかかる時間が短くなるため、特に成膜時間を短くできる。

0027

なお、上記では、反応ガスを処理室11内に供給する際に、基板13の温度を温度検出手段16で検出して冷却手段15及び加熱手段17を制御して基板13の温度を供給された反応ガスの反応に適した温度となるようにしたが、基板13の温度の検出や冷却手段15、加熱手段17を制御するタイミングは特に限定されず、反応ガスの反応時に基板13の温度が当該反応ガスに適した温度となるようにすればよい。例えば、パージガスを処理室11内供給しながら冷却手段15及び加熱手段17を制御して、基板13の温度を次に供給する反応ガスの反応に適した温度としてもよい。

0028

ここで、試験例に基づき、本発明についてさらに詳述する。

0029

(試験例)
図1に示すALCVD装置により、TMAとオゾンを反応ガスとして用いてシリコン基板にアルミナ膜を形成した。具体的には、アルミニウムをシリコン基板表面に吸着させる種付け反応と、基板に吸着したアルミニウムをオゾンにより酸化する酸化反応からなる1サイクルを10回行って、シリコン基板に2nmのアルミナ薄膜を形成した。その際、酸化反応時と種付け反応時のシリコン基板の温度を同じ300℃とした場合は、種付け反応に10秒、酸化反応に10秒要した。一方、種付け反応時の温度を300℃、酸化反応の温度を450℃とすると、種付け反応は10秒で酸化反応は5秒となり、成膜にかかる時間が短縮された。また、酸化反応温度が450℃と高いので、形成されたアルミナ膜の膜密度も高かった。

0030

本実施形態では枚葉式の装置について説明したが、本発明のALCVD装置は、枚葉式のものに限定されず、バッチ式のものとしてもよい。また、ガス供給手段18は各ガスで共通としたが、ガスごとに個別に設けてもよい。また、制御手段20として、加熱手段17を制御するものと、冷却手段15を制御するものとを別々に設けてもよい。さらに、ガス供給手段18、加熱手段17、冷却手段15を有する支持台14や制御手段20を設ける位置も特に限定されない。

図面の簡単な説明

0031

一実施形態に係るALCVD装置の概略を示す断面図である。

符号の説明

0032

10ALCVD装置、 11処理室、 12チャンバ、 13基板、 14支持台、 15 冷却手段、 16温度検出手段、 17 加熱手段、 18ガス供給手段、 19排気口、 20 制御手段

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