JP3698680B2 - Deposition method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は成膜方法に関し、特に、ハフニウム化合物薄膜を成膜する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
ハフニウム化合物の薄膜、特に窒化ハフニウム膜は、極めて誘電率が高い薄膜であって、半導体素子の高誘電体薄膜や、磁性薄膜や、高融点金属薄膜として近年注目されている。
【0003】
図6の符号110に、従来の窒化ハフニウム膜の成膜に用いる装置を示す。この装置は、真空槽101を有している。真空槽101には真空排気系171が接続されており、真空排気系171を起動すると、真空槽101内部を真空排気できるように構成されている。
【0004】
真空槽101の底部には電子ビーム蒸着源190が配置されている。この電子ビーム蒸着源190は、るつぼ103とフィラメント150とを有している。るつぼ103は、その内部にハフニウム(Hf)からなるハフニウム蒸着材料を配置できるようになっている。配置されたハフニウム蒸着材料を図6の符号143に示す。フィラメント150は、るつぼ103近傍に位置し、真空槽101外部に配置された電源151に接続されており、るつぼ103内部にハフニウム蒸着材料143を充填した状態で電源151を起動すると、フィラメント150から熱電子が放出され、その熱電子が不図示の加速装置で加速された後にハフニウム蒸着材料143に照射されることでハフニウム蒸着材料143が溶融し、ハフニウム蒸着材料143の蒸気が発生するように構成されている。
【0005】
るつぼ103の鉛直上方には基板ホルダ105が配置されている。基板ホルダ105は、基板表面を鉛直下方に向けた状態で保持できるように構成されている。その状態の基板を符号108に示す。基板ホルダ105にはランプヒータ131が設けられており、基板ホルダ105に基板108を保持させた状態で、ランプヒータ131に通電して発熱させると、基板ホルダ105を加熱し、基板108を加熱できるように構成されている。
【0006】
基板ホルダ105の近傍には、ガス導入ノズル163が配置されている。ガス導入ノズル163は、真空槽101外部に配置されたバルブ162を介してガスボンベ161に接続されており、基板ホルダ105が基板108を保持した状態で、バルブ162を開くと、ガスボンベ161内の窒素ガスを、基板108表面に供給することができるように構成されている。
【0007】
かかる蒸着装置110を用いて、窒化ハフニウム膜を成膜するには、まず、基板ホルダ105に基板108を保持させ、真空排気系171を起動して真空槽101内部を真空排気する。真空槽101の壁面には、ヒータ181が巻回されており、真空槽101の内部圧力が1.3×10-4Pa以下になったら、ヒータ181に通電して真空槽101内部を加熱し、真空槽101内部壁面に吸着している水を脱離させ、排気する。その後、真空槽101内部の圧力が6.5×10-7Pa以下に到達したら、ヒータ181の加熱を停止する。
【0008】
次に、ランプヒータ131を起動して基板ホルダ105を加熱し、基板ホルダ105を約800℃〜1000℃程度に加熱して基板108を昇温しておく。次いで、電子ビーム蒸着源190を起動してハフニウム蒸着材料143を蒸発させると、その蒸気は上方に上昇し、ハフニウム蒸着材料の蒸気の構成粒子が、高温に加熱された基板108の表面へと到達する。するとハフニウム蒸着材料の蒸気の構成粒子は、熱により活性化する。
【0009】
ガス導入ノズル163からは、基板108表面に窒素ガスが供給されており、活性化したハフニウム蒸着材料の蒸気の構成粒子は窒素ガスと反応し、基板108表面に、窒化ハフニウム薄膜が成長する。窒化ハフニウム薄膜が所望の膜厚になったら、電子ビーム蒸着源190の動作を停止するとともに窒素ガスの導入を停止して、成膜処理を終了する。
【0010】
上記従来の成膜方法では、電子ビーム蒸着源190を用いてハフニウム蒸着材料143を蒸発させている。この蒸発で生成されるハフニウム蒸気の構成粒子は電気的に中性であったため、単に基板105表面に窒素ガスを流しても、ハフニウムの窒化反応が進行しなかった。そこで、基板ホルダ105を800℃〜1000℃の温度に加熱させて、基板108を高温に昇温させ、基板108表面に付着したハフニウムを熱により活性化させて窒化反応させなければならなかった。
【0011】
従って、基板108の材質としては高温に耐えうる材質のものが要求される。また、電子ビーム蒸着源190は多量の熱を放出するので、真空槽101内壁の温度は高くなり、真空槽101内壁で脱離しきれない酸素や、水が分解して発生した水素などが基板表面のハフニウム膜表面に付着し、不純物として混入してしまうという問題があった。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、ハフニウム化合物薄膜を成膜する際に、高温に加熱することなく成膜し、薄膜中に不純物が混入しないようにする技術を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記知見に基いて創作されたものであり、請求項1記載の発明は、成膜方法であって、真空槽内に原料ガスを導入するガス導入ノズルを配置しておき、前記ガス導入ノズルの近傍に基板を配置し、前記基板の略中心を通り前記基板表面と垂直な基板中心軸線上に、ハフニウム蒸着材料を配置し、前記ガス導入ノズルで前記基板表面近傍へ前記原料ガスを流し、前記ハフニウム蒸着材料の側面から、前記基板表面と平行な方向に正電荷が射出されるときに、前記正電荷に前記基板に向く力を加える磁界を前記基板中心軸線を中心として形成するとともに、前記ハフニウム蒸着材料から、少なくとも前記ハフニウム蒸着材料の構成物質の荷電粒子を放出させ、前記荷電粒子を前記基板方向に移動させ、前記原料ガスと反応させ、前記基板表面に、反応生成物からなる薄膜を成膜する。
【0014】
本発明の成膜方法では、真空雰囲気中で、ハフニウム蒸着材料近傍にアノード電極とトリガ電極を配置しておき、アノード電極に対して負極性の電圧をハフニウム蒸着材料に印加した状態でハフニウム蒸着材料とトリガ電極との間にトリガ放電を生じさせると、トリガ放電によりハフニウム蒸着材料の一部が溶融して蒸着材料の構成粒子が放出され、蒸着材料とアノード電極の間の圧力が高くなり、ハフニウム蒸着材料とアノード電極の間の絶縁耐圧が低下して、ハフニウム蒸着材料とアノード電極との間にアーク放電が発生する。
【0015】
このときアーク放電により流れるアーク電流を、基板中心軸線と平行な方向で、基板から遠ざかる方向に流させると、そのアーク電流により、基板中心軸線の廻りに磁界が形成される。この磁界の向きは、アーク電流の流れる方向を右ねじの進行方向としたときに、その右ねじが進むように右ねじを回す向きである。
【0016】
かかる磁界と、基板中心軸線と平行に、基板から遠ざかる方向に流れるアーク電流とは、ハフニウム蒸着材料から正電荷と電子が射出されたときにその正電荷と電子に、基板中心軸線に沿って基板に向けて近づく方向に向くローレンツ力を及ぼし、正電荷と電子の移動方向が基板に向けて曲げられる。特に電子は質量が小さく、偏向する曲率半径が小さいため基板方向に進行方向が曲げられる。正電荷は曲げられた電子にクーロン力により吸い寄せられ曲げられる。
【0017】
かかる磁界を発生させた状態でハフニウム蒸着材料を蒸発させると、蒸発により生じる蒸気中には、正帯電の荷電粒子と、負帯電の荷電粒子と、電気的に中性な中性粒子とが含まれており、正帯電の荷電粒子と、負帯電の荷電粒子と、中性粒子とは、上述した磁界中に放出される。
【0018】
上述したようにハフニウム蒸着材料には、アノード電極に対して負極性の電圧が印加されており、正帯電の荷電粒子は、ハフニウム蒸着材料へと移動するので、基板に向けて近づく向きの力を受ける。他方、負帯電の荷電粒子は、正帯電の荷電粒子と逆方向であるアノード電極へと移動し、正帯電の荷電粒子と同様に基板に近づく向きの力を受ける。
【0019】
従って、正帯電の荷電粒子と負帯電の荷電粒子はともに、アノード電極の開口に向かう向きのローレンツ力を受け、その力によって移動方向が曲げられ、基板に近づき、基板方向に移動する。
【0020】
蒸着材料の蒸気中に含まれる中性粒子はハフニウム蒸着材料から放出されると、荷電粒子と異なり磁界によるローレンツ力を受けないので、移動方向は基板方向には曲がらず、基板表面には到達できない。また、蒸気中に含まれる巨大粒子は無電荷か、電荷を有していても、電荷量に比べて極めて質量が大きいので、ローレンツ力による曲げ量が少なく、アノード電極に付着し、基板表面には到達できない。従って、活性な粒子であるハフニウム蒸着材料の荷電粒子のみを、基板表面に到達させることができる。
【0021】
基板表面にハフニウム蒸着材料の荷電粒子が到達すると、ハフニウム蒸着材料の荷電粒子は活性なので原料ガスの構成物質と化合し、従来のように基板を加熱しなくともハフニウム化合物の薄膜が基板表面に成長する。このため従来と異なり、真空槽内部が高温に加熱されないので、高温に加熱された真空槽内壁の酸素や水などが脱離して不純物として薄膜中に混入することはなく、純度の高いハフニウム化合物の薄膜を成膜することができる。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下で図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
図1の符号10に、本発明の一実施形態に係る成膜方法に用いられる蒸着装置を示す。この蒸着装置10は、真空槽1を有している。真空槽1には真空排気系71が接続されており、真空排気系71を起動すると、真空槽1内部を真空排気できるように構成されている。
【0023】
真空槽1内部の天井側には基板ホルダ5が配置されている。この基板ホルダ5は、基板表面を鉛直下方に向けた状態で基板を保持できるように構成されている。図1の符号8は、その状態の基板を示している。
【0024】
基板ホルダ5の近傍には、ガス導入ノズル63が配置されている。このガス導入ノズル63は、真空槽1外部に配置されたバルブ62を介してガスボンベ61に接続されており、基板ホルダ5が基板を保持した状態で、バルブ62を開くと、ガスボンベ61内の窒素ガスを、基板表面に供給することができるように構成されている。
【0025】
基板ホルダ5の鉛直下方には、同軸型真空アーク蒸着源3が鉛直に配置されている。この同軸型真空アーク蒸着源3は、円筒形のアノード電極30と、ハフニウムから成るハフニウム蒸着材料43を有している。
【0026】
アノード電極30は、その中心軸線が、基板8の中心を通って基板8表面と垂直方向に伸びる基板中心軸線と一致するように配置されている。アノード電極の開口30aは鉛直上方を向いている。図1の符号8bに、これらの一致した中心軸線を示し、以下で単に基板中心軸線8bと称する。
ハフニウム蒸着材料43は、アノード電極30の内部に設けられ、基板中心軸線8b上に、アノード電極30と非接触な状態で配置されている。
【0027】
同軸型真空アーク蒸着源3の模式的な断面図を図2に示す。ハフニウム蒸着材料43の近傍には、トリガ電極42が配置されている。トリガ電極42とハフニウム蒸着材料43とは非接触の状態にされ、互いに絶縁されている。ここではトリガ電極42とハフニウム蒸着材料43とは絶縁部材41によって互いに絶縁されている。
【0028】
アノード電極30内にはカソード電極45が設けられており、ハフニウム蒸着材料43は、カソード電極45によりアノード電極30の外部に導出されている。ここではカソード電極45は棒状に形成され、基板中心軸線8bと平行に配置されている。
【0029】
真空槽1は接地されている。この真空槽1の外部には、トリガ電源46とアーク電源47とが配置されている。
トリガ電源46はトリガ電極42とカソード電極45とに接続されており、トリガ電源46を起動するとトリガ電極42に、カソード電極45に対して負極性の電圧を印加できるように構成されている。他方、アーク電源47はアノード電極30とカソード電極45とに接続され、アノード電極30は接地されており、アーク電源47を起動すると、カソード電極45に、接地電位のアノード電極30に対して負極性で、かつトリガ電極42に印加される電圧よりも高い負極性の電圧を印加できるように構成されている。
【0030】
かかる蒸着装置10を用いて窒化ハフニウム薄膜を形成する場合には、シリコンからなる基板8を基板ホルダ5に保持させ、真空槽1内部を真空排気する。アノード電極30内部の圧力が6.5×10-7Pa以下に到達したら、ガス導入ノズル63から基板8表面に窒素ガスを供給するとともに、アノード電極30とハフニウム蒸着材料43との間に電圧を印加し、トリガ電極42にパルス状の電圧を印加すると、トリガ電極42とハフニウム蒸着材料43の側面との間にトリガ放電が生じる。このトリガ放電により、ハフニウム蒸着材料43にトリガ電流が流れる。図3の符号i1は、そのトリガ電流を示しており、トリガ電流i1により、ハフニウム蒸着材料43の側面が蒸発し、その側面からハフニウム蒸着材料43の構成粒子が放出され、アノード電極30内部の圧力が上昇する。
【0031】
その結果、アノード電極30とハフニウム蒸着材料43との間の絶縁耐圧が低下し、ハフニウム蒸着材料43の側面とアノード電極30との間で、アーク放電が発生する。アーク放電によって、アノード電極30の内周面からハフニウム蒸着材料43の側面に向けてアーク電流i2が流れると、ハフニウム蒸着材料43が溶融し、ハフニウム蒸着材料43の側面から蒸気が放出される。アーク電流i2は1200〜1400Aと大電流であるため、放出される蒸気はトリガ放電の際に放出される蒸気よりも多量である。
【0032】
アーク電流i2は、棒状のカソード電極45内を、ハフニウム蒸着材料43側の端部からその反対側の端部へと、基板中心軸線8b上を、基板8から遠ざかる向きに直線的に流れ、このアーク電流i2により、カソード電極45の廻りに、アーク電流i2の流れる方向を右ねじの進行方向としたときに、その右ねじが進むように右ねじを回す方向を向く磁界が形成される。この磁界を図3の符号20aに示す。アーク電流i2の流れる方向は、カソード電極45の中心軸線と同じ方向で、かつ基板中心軸線8bと同じ方向であるから、磁界20aは上述した基板中心軸線8bを中心として形成される。
【0033】
アーク電流i2によって放出される大量の蒸気中には、ハフニウム蒸着材料43の荷電粒子や、電気的に中性なハフニウム蒸着材料43の中性粒子が含まれており、ハフニウム蒸着材料43の荷電粒子は、アーク電流i2で形成される磁界20aにより力を受ける。ハフニウム蒸着材料43の荷電粒子には、正帯電の荷電粒子と負帯電の荷電粒子がある。上述したようにアノード電極30にはカソード電極45に対して正極性の電圧が印加されているので、正帯電の荷電粒子と負帯電の荷電粒子はハフニウム蒸着材料43に向けて移動し、アノード電極の開口30aに向く向きの力を受け、他方、負帯電の荷電粒子は正帯電の荷電粒子と逆に、アノード電極30に向けて移動し、正帯電の荷電粒子と同様に、アノード電極30の開口方向の力を受ける。
【0034】
正帯電の荷電粒子と負帯電の荷電粒子はともに、アノード電極30の開口方向に向く向きの力Fを受け、その力Fによって移動方向が曲げられ、アノード電極30の開口30aから真空槽1内部へと放出される。特に負電荷は質量が小さいため、アノード電極30の開口に曲げられる。正電荷は、負電荷の電子群にクーロン力で引き寄せられてアノード開口に曲げられる。図3の符号51にその荷電粒子を示す。アノード電極の開口30aの鉛直上方には、基板8が位置しており、荷電粒子51は基板8に向けて移動し、基板8表面に到達する。
【0035】
ハフニウム蒸着材料43の中性粒子52は電気的に中性で磁界による力Fを受けないので、アノード電極の開口30a方向へと移動方向が曲げられることはなく、中性粒子52はアノード電極30の内周面に付着し、基板8の表面には到達しない。従って、基板8表面には、活性な粒子である荷電粒子51のみが到達する。荷電粒子51は活性な粒子であるため基板8表面に供給される窒素ガスと反応し、窒化ハフニウムが生成され、基板8表面には窒化ハフニウム薄膜が成長しはじめる。
【0036】
以上説明したように、本発明の成膜方法によれば、基板表面を加熱してハフニウムの粒子を熱で活性化しなくとも、窒化ハフニウム薄膜を成膜することができ、真空槽1内部が室温程度でも窒化ハフニウム薄膜を成膜することができる。従って、基板や真空槽を加熱していたため真空槽内部が高温になった従来と異なり、真空槽内壁の酸素や水などが脱離して不純物として薄膜中に混入することはないので、非常に純度の高い窒化ハフニウム膜を得ることができる。
【0037】
なお、上述した大量の蒸気中には、その電荷量に比べて質量が大きい巨大粒子53も含まれるが、かかる巨大粒子53は力Fによる移動方向の曲げ量が少なく、その結果、巨大粒子53はアノード電極30の内周面に付着し、基板8の表面には到達しない。巨大粒子53が基板8の表面に到達すると、いわゆる液滴となって成長中の薄膜内に混入し、薄膜の膜質が悪化してしまうが、巨大粒子53は基板表面には到達しないので、基板8表面に結晶性の優れた窒化ハフニウム薄膜を成膜できるようになっている。
【0038】
アーク電流i2は大電流であるため、アーク電源47の消耗が大きく、アーク電源47の出力電圧がアーク放電を維持できなくなる程度まで低下すると、自動的にアーク放電は停止する。1回のトリガ放電によって放出される荷電粒子51の量は、アーク電源47の電源能力によって決まるので、必要な回数だけトリガ放電を繰り返し発生させることで、所望膜厚の窒化ハフニウム薄膜を基板8の表面に成膜することができる。所望膜厚の窒化ハフニウム薄膜が成膜されたら、トリガ電源46及びアーク電源47の動作を停止するとともに窒素ガスの導入を停止して、成膜処理を終了する。
【0039】
本発明の発明者等は、窒化ハフニウム薄膜の良好な成膜条件を調べるべく、成膜条件を変えて上述した成膜方法で試料基板に窒化ハフニウム薄膜を成膜した。図4は、真空槽内のN2分圧に対するハフニウム窒化の依存性を示すグラフである。図4で横軸は真空槽内のN2分圧を示しており、縦軸は窒化ハフニウムの分子密度を示している。なお、成膜開始前の内部圧力は1×10-9Torrとしている。図4に示すように、N2分圧が高くなるほど窒化ハフニウムの分子密度は高くなり、N2分圧が1×10-6Torrで窒化ハフニウムの分子密度が約25%であるのに対し、5×10-3Torrでは分子密度が約40%まで高くなっていることがわかる。
【0040】
また、本発明の発明者等は、試料基板表面に窒化ハフニウム薄膜を成膜し、オージェ分析により、深さ方向の原子密度を調べた。図5にその測定結果を示す。図5の横軸はスパッタ時間であり、薄膜の表面からの深さに相当する。図5の縦軸は原子密度である。図5の曲線(A)はHf、曲線(B)はN2、曲線(C)はSi、曲線(D)はO、曲線(E)はCにそれぞれ対応している。なお、試料基板はSiからなり、N2分圧は5×10-3Torrの条件で成膜した。
【0041】
曲線(A)、(B)、(C)に示すように、基板の材料であるSiが検出され始める深さ(スパッタ時間7〜8分程度)までは、HfとN2との原子密度の比はほぼ一定になっている。このことから、Hfが基板表面に付着し始めた時点から、Hfが窒化されていることが確認できた。
【0042】
なお、上述した実施形態では、ハフニウム蒸着材料43は基板中心軸線8b上に配置され、その基板中心軸線8bは基板8の中心を通るように構成されているが、必ずしも基板中心軸線8bは基板8の中心を通らなくともよく、基板中心軸線8bは基板8の中心付近を通り、その基板中心軸線8b上にハフニウム蒸着材料43が配置されていてもよい。
【0043】
また、上述した成膜方法では同軸型アーク蒸着源3を用いたが、本発明の成膜方法を行うためには必ずしも同軸型アーク蒸着源が必要だというわけではなく、ハフニウムの荷電粒子を基板表面に到達させられれば、どのような装置を用いてもよい。
【0044】
また、窒化ハフニウムの薄膜を成膜する場合について説明したが、本発明の成膜方法は窒化ハフニウム薄膜の成膜に限られずあらゆるハフニウム化合物の成膜にも適用でき、例えば、酸化ハフニウム(HfO)や、炭化ハフニウム(HfC)等の成膜にも適用可能である。
【0045】
【発明の効果】
室温でハフニウム化合物薄膜を成膜でき、しかも純度の高いハフニウム化合物薄膜を成膜することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の成膜方法に用いられる蒸着装置の一例を示す断面図
【図2】本発明の成膜方法に用いられる同軸型真空アーク蒸着源を示す断面図
【図3】同軸型真空アーク蒸着源の原理を説明する図
【図4】本発明の一実施形態に係る成膜方法において、真空槽内のN2分圧に対するハフニウム窒化の依存性を示すグラフ
【図5】本発明の一実施形態に係る成膜方法によって成膜された窒化ハフニウム薄膜の深さ方向の原子密度分布を示すグラフ
【図6】従来の成膜方法に用いられる蒸着装置を説明する断面図
【符号の説明】
1……真空槽 3……同軸型真空アーク蒸着源 10……蒸着装置 20a……磁界 30……アノード電極 30a……開口 41……絶縁部材 42……トリガ電極 43……蒸着材料 45……カソード電極
51……荷電粒子 52……中性粒子 63……ガス導入ノズル[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a film forming method, and more particularly to a method for forming a hafnium compound thin film.
[0002]
[Prior art]
A thin film of a hafnium compound, particularly a hafnium nitride film, is a thin film having an extremely high dielectric constant, and has recently attracted attention as a high dielectric thin film, a magnetic thin film, or a refractory metal thin film of a semiconductor element.
[0003]
[0004]
An electron
[0005]
A
[0006]
A
[0007]
In order to form a hafnium nitride film using the
[0008]
Next, the
[0009]
Nitrogen gas is supplied to the surface of the
[0010]
In the conventional film forming method, the hafnium
[0011]
Therefore, a material that can withstand high temperatures is required as the material of the
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention was created to solve the above-mentioned disadvantages of the prior art. The purpose of the present invention is to form a hafnium compound thin film without heating to a high temperature and to mix impurities in the thin film. The purpose is to provide technology to prevent such a situation.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present invention was created based on the above knowledge, and the invention according to claim 1 is a film forming method, wherein a gas introduction nozzle for introducing a raw material gas is disposed in a vacuum chamber, and the gas A substrate is disposed in the vicinity of the introduction nozzle, a hafnium vapor deposition material is disposed on the substrate center axis perpendicular to the substrate surface through the approximate center of the substrate, and the source gas is introduced to the vicinity of the substrate surface by the gas introduction nozzle. And when a positive charge is emitted from a side surface of the hafnium vapor deposition material in a direction parallel to the substrate surface, a magnetic field that applies a force toward the substrate to the positive charge is formed around the substrate central axis. Discharging at least charged particles of a constituent material of the hafnium vapor deposition material from the hafnium vapor deposition material, moving the charged particles in the direction of the substrate, and reacting with the source gas; The surface, forming a thin film made of the reaction product.
[0014]
In the film forming method of the present invention, an anode electrode and a trigger electrode are arranged in the vicinity of the hafnium vapor deposition material in a vacuum atmosphere, and a negative voltage with respect to the anode electrode is applied to the hafnium vapor deposition material. When a trigger discharge is generated between the electrode and the trigger electrode, a part of the hafnium vapor deposition material is melted by the trigger discharge and the constituent particles of the vapor deposition material are released, and the pressure between the vapor deposition material and the anode electrode is increased, resulting in hafnium. The withstand voltage between the vapor deposition material and the anode electrode decreases, and arc discharge occurs between the hafnium vapor deposition material and the anode electrode.
[0015]
At this time, when the arc current flowing by the arc discharge is caused to flow in a direction parallel to the substrate center axis and away from the substrate, a magnetic field is formed around the substrate center axis by the arc current. The direction of the magnetic field is a direction in which the right screw is rotated so that the right screw advances when the direction in which the arc current flows is defined as the moving direction of the right screw.
[0016]
The magnetic field and the arc current flowing in the direction away from the substrate in parallel with the substrate central axis are the positive charge and electrons emitted from the hafnium vapor deposition material to the positive charge and electrons along the substrate central axis. It exerts a Lorentz force toward the direction toward the surface, and the movement direction of positive charges and electrons is bent toward the substrate. In particular, since electrons have a small mass and a small radius of curvature to deflect, the traveling direction is bent toward the substrate. The positive charge is attracted to the bent electrons by the Coulomb force and bent.
[0017]
When the hafnium vapor deposition material is evaporated in a state where such a magnetic field is generated, the vapor generated by the evaporation contains positively charged particles, negatively charged particles, and electrically neutral particles. The positively charged particles, the negatively charged particles, and the neutral particles are released into the above-described magnetic field.
[0018]
As described above, a negative voltage is applied to the hafnium vapor deposition material with respect to the anode electrode, and the positively charged charged particles move to the hafnium vapor deposition material. receive. On the other hand, the negatively charged charged particles move to the anode electrode in the opposite direction to the positively charged charged particles, and receive a force in a direction approaching the substrate like the positively charged charged particles.
[0019]
Accordingly, both the positively charged particles and the negatively charged particles receive a Lorentz force directed toward the opening of the anode electrode, and the moving direction is bent by the force, approaching the substrate, and moving toward the substrate.
[0020]
When neutral particles contained in the vapor of the vapor deposition material are released from the hafnium vapor deposition material, unlike the charged particles, they do not receive the Lorentz force due to the magnetic field, so the moving direction does not bend in the substrate direction and cannot reach the substrate surface. . Also, even if the huge particles contained in the vapor are uncharged or have a charge, the mass is extremely large compared to the amount of charge, so the amount of bending due to the Lorentz force is small, adheres to the anode electrode, and adheres to the substrate surface. Is not reachable. Therefore, only charged particles of the hafnium vapor deposition material, which are active particles, can reach the substrate surface.
[0021]
When charged particles of the hafnium vapor deposition material reach the substrate surface, the charged particles of the hafnium vapor deposition material are active, so they combine with the constituent materials of the source gas, and a hafnium compound thin film grows on the substrate surface without heating the substrate as in the past To do. For this reason, unlike the conventional case, the inside of the vacuum chamber is not heated to a high temperature, so oxygen or water on the inner wall of the vacuum chamber heated to a high temperature is not desorbed and mixed into the thin film as impurities, and the high-purity hafnium compound A thin film can be formed.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0023]
A
[0024]
A
[0025]
A coaxial vacuum arc
[0026]
The
The hafnium
[0027]
A schematic cross-sectional view of the coaxial vacuum
[0028]
A
[0029]
The vacuum chamber 1 is grounded. A
The
[0030]
When forming a hafnium nitride thin film using the
[0031]
As a result, the withstand voltage between the
[0032]
The arc current i 2 flows linearly in the rod-
[0033]
The large amount of vapor emitted by the arc current i 2 contains charged particles of the hafnium
[0034]
Both the positively charged particles and the negatively charged particles receive a force F directed in the opening direction of the
[0035]
Since the
[0036]
As described above, according to the film forming method of the present invention, a hafnium nitride thin film can be formed without heating the surface of the substrate and activating the hafnium particles with heat, and the inside of the vacuum chamber 1 is kept at room temperature. A hafnium nitride thin film can be formed even to the extent. Therefore, unlike the conventional case where the inside of the vacuum chamber is heated because the substrate and the vacuum chamber are heated, oxygen and water etc. on the inner wall of the vacuum chamber are not desorbed and mixed into the thin film as impurities. High hafnium nitride film can be obtained.
[0037]
The large amount of vapor described above includes a
[0038]
Since the arc current i 2 is a large current, the
[0039]
The inventors of the present invention formed a hafnium nitride thin film on the sample substrate by the above-described film forming method while changing the film forming conditions in order to investigate favorable film forming conditions of the hafnium nitride thin film. FIG. 4 is a graph showing the dependence of hafnium nitridation on the N 2 partial pressure in the vacuum chamber. In FIG. 4, the horizontal axis represents the N 2 partial pressure in the vacuum chamber, and the vertical axis represents the molecular density of hafnium nitride. The internal pressure before the start of film formation is 1 × 10 −9 Torr. As shown in FIG. 4, the higher the N 2 partial pressure, the higher the molecular density of hafnium nitride. The N 2 partial pressure is 1 × 10 −6 Torr and the molecular density of hafnium nitride is about 25%. It can be seen that the molecular density is increased to about 40% at 5 × 10 −3 Torr.
[0040]
Further, the inventors of the present invention formed a hafnium nitride thin film on the surface of the sample substrate, and examined the atomic density in the depth direction by Auger analysis. FIG. 5 shows the measurement results. The horizontal axis in FIG. 5 represents the sputtering time, which corresponds to the depth from the surface of the thin film. The vertical axis in FIG. 5 is the atomic density. The curve (A) in FIG. 5 corresponds to Hf, the curve (B) corresponds to N 2 , the curve (C) corresponds to Si, the curve (D) corresponds to O, and the curve (E) corresponds to C. The sample substrate was made of Si, and the film was formed under the condition that the N 2 partial pressure was 5 × 10 −3 Torr.
[0041]
As shown in curves (A), (B), and (C), the atomic density of Hf and N 2 is increased up to a depth at which Si as a substrate material starts to be detected (sputtering time: about 7 to 8 minutes). The ratio is almost constant. From this, it was confirmed that Hf was nitrided from the time when Hf began to adhere to the substrate surface.
[0042]
In the above-described embodiment, the hafnium
[0043]
In the above-described film forming method, the coaxial arc
[0044]
Further, the case of forming a thin film of hafnium nitride has been described. However, the film forming method of the present invention is not limited to the formation of a hafnium nitride thin film, and can be applied to the film formation of any hafnium compound. For example, hafnium oxide (HfO) It is also applicable to film formation of hafnium carbide (HfC) or the like.
[0045]
【The invention's effect】
A hafnium compound thin film can be formed at room temperature, and a hafnium compound thin film with high purity can be formed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a vapor deposition apparatus used in the film forming method of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a coaxial vacuum arc vapor deposition source used in the film forming method of the present invention. FIG. 4 is a graph illustrating the principle of a vacuum arc evaporation source. FIG. 4 is a graph showing the dependence of hafnium nitridation on the N 2 partial pressure in a vacuum chamber in a film forming method according to an embodiment of the present invention. 6 is a graph showing the atomic density distribution in the depth direction of a hafnium nitride thin film formed by the film forming method according to one embodiment. FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a vapor deposition apparatus used in a conventional film forming method. Description】
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (1)
前記ガス導入ノズルの近傍に基板を配置し、
前記基板の略中心を通り前記基板表面と垂直な基板中心軸線上に、ハフニウム蒸着材料を配置し、
前記ガス導入ノズルで前記基板表面近傍へ前記原料ガスを流し、
前記ハフニウム蒸着材料の側面から、前記基板表面と平行な方向に正電荷が射出されるときに、前記正電荷に前記基板に向く力を加える磁界を前記基板中心軸線を中心として形成するとともに、前記ハフニウム蒸着材料から、少なくとも前記ハフニウム蒸着材料の構成物質の荷電粒子を放出させ、
前記荷電粒子を前記基板方向に移動させ、前記原料ガスと反応させ、前記基板表面に、反応生成物からなる薄膜を成膜する成膜方法。A gas introduction nozzle for introducing the raw material gas into the vacuum chamber is arranged,
A substrate is disposed in the vicinity of the gas introduction nozzle,
A hafnium vapor deposition material is disposed on the substrate center axis perpendicular to the substrate surface through the approximate center of the substrate,
The source gas is caused to flow near the substrate surface with the gas introduction nozzle,
When a positive charge is emitted from a side surface of the hafnium vapor deposition material in a direction parallel to the substrate surface, a magnetic field that applies a force toward the substrate to the positive charge is formed around the substrate central axis, and From the hafnium vapor deposition material, at least charged particles of the constituent material of the hafnium vapor deposition material are released,
A deposition method in which the charged particles are moved in the direction of the substrate and reacted with the source gas to form a thin film made of a reaction product on the substrate surface.
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