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JP4426642B2 - 原子層成長装置および原子層成長方法 - Google Patents
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JP4426642B2 - 原子層成長装置および原子層成長方法 - Google Patents

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Description

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。
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。
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、いわゆる、成長の自己停止作用（セルフリミット機能）が利用される。
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。
以下、従来のＡＬＤ装置について説明する。
図４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１４と、排気部１６とによって構成されている。
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（配列方向）が基板ステージ３２と平行に配設されている。
アンテナ素子２６は、図５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。
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。
次に、ＡＬＤ装置７０の成膜時の動作を説明する。
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。
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１６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１４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。
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１６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２４、排気管２２を介して水平方向へ排気される。
続いて、酸化ガスが、ガス供給部１４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。
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が、排気部１６により、成膜容器１２の右壁に形成された排気孔２４、排気管２２を介して水平方向に排気される。
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。
ここで、本発明に関連性のある先行技術文献として、例えば、特許文献２〜４などがある。
特許文献２は、本出願人による提案であり、プラズマ源としてモノポールアンテナが成膜容器内に配置された枚葉式ＡＬＤ装置である。特許文献３は、半導体ウェハを対象にした枚葉式ＡＬＤ装置であり、シャワーヘッドと基板ヒータを平行平板装置として用いるものである。特許文献４は、半導体ウェハを対象にしたバッチ式ＡＬＤ装置であり、平行電極によるリモートプラズマ方式を採用したものである。
特開２００３−８６５８１号公報 特開２００６−３１０８１３号公報 特開２００７−１７３８２４号公報 特開２００２−２８０３７８号公報
特許文献２の方式では、基板が液晶基板のような大型基板になると、シャワーヘッドや基板ヒータも大型化し、成膜容器も大容量化するので、ＡＬＤプロセスに求められる高速排気、成膜ガス切り替えが問題になる。
また、特許文献３の方式では、成膜容器内部にプラズマ源を配置しているので、成膜容器内の構造が複雑（凹凸形状）になり、プラズマ源がパーティクルの発生要因になり得るという問題がある。また、特許文献４では、プラズマ源を隔離する隔壁を設けた構造も提案されているが、成膜容器内が複雑な構造になることに変わりはなく、やはりパーティクルの発生要因になり得るという問題がある。
上記従来のＡＬＤ装置のように、成膜ガス（原料ガス、および、酸化ガスないし窒化ガス）の活性を上げるために成膜容器内にプラズマ源を配置すると、成膜装置の構造が複雑になり、メンテナンス性が低下するという問題があった。また、成膜時にプラズマ源の表面にも膜や反応生成物としてできる微粒子も堆積する。プラズマ源の表面に堆積した膜の一部や微粒子が落下するとパーティクルとなり、基板表面を汚染して成膜品質が低下するという問題もあった。
本発明の目的は、前記従来技術の問題点を解消し、プラズマ源を用いて反応ガスを活性化させる場合であっても、成膜容器のメンテナンス性の向上、パーティクルによる汚染の低減が可能な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。
上記目的を達成するために、本発明は、反応性ガスを用いてプラズマを生成することにより、基板上に膜を生成する原子層成長装置であって、
反応性ガスの供給孔が形成された壁によって囲まれた第１の室と、原料ガスの供給孔が形成された壁によって囲まれた第２の室と、前記第１の室内に設けられた、反応性ガスを用いてプラズマを生成するための、棒状の複数のアンテナ素子が平行に配設されたアンテナアレイと、前記第２の室内に設けられた、前記基板が載置される基板ステージと、前記第１の室から前記第２の室に、前記アンテナアレイにより生成された反応性ガスのラジカルを含むガスを供給するために、前記第１の室と前記第２の室とを接続する接続部材と、を備え、
前記複数のアンテナ素子のそれぞれの延在する方向は、前記反応性ガスの供給孔から前記第１の室に供給される前記反応性ガスの供給ガス流に対して直交し、かつ、前記複数のアンテナ素子によって作られるアンテナ素子の配列面は、前記供給ガス流に平行になるように、前記複数のアンテナ素子は前記第１の室に取り付けられ、さらに、前記複数のアンテナ素子の隣接するアンテナ素子同士は、お互いに対向する位置に給電位置が設けられ、前記給電位置にお互いに反対方向から給電される、原子層成長装置を提供する。
前記原子層成長装置は、予備容器と、成膜容器とを備え、前記第１の室は予備容器の室であり、前記第２の室は成膜容器の室であり、前記接続部材は、前記予備容器の壁に形成された、前記ラジカルを含むガスの排気孔と、前記成膜容器の壁に形成された、前記ラジカルを含むガスの供給孔と、を接続する供給管であることが好ましい。
ここで、前記予備容器の排気孔は、前記アンテナアレイを介して、前記予備容器の供給孔が形成された側壁に対向する側壁に設けられ、さらに、前記予備容器の排気孔は、前記予備容器の下壁に対して段差がつく位置に形成されていることが好ましい。
また、前記供給管には、前記予備容器と前記成膜容器との導通を制御する開閉弁が設けられることが好ましい。
その際、前記基板ステージは、前記成膜容器内を昇降可能に移動し、前記成膜容器の前記第２の室には、前記基板ステージを所定の位置に位置決めするストッパが突出して設けられ、前記基板ステージの基板を載置する載置面は、前記基板ステージが上昇した位置にあるとき前記ストッパの面と面一になるように位置決めされ、段差のない面が形成され、さらに、前記ストッパは、前記基板ステージが上昇した位置にあるとき前記成膜容器の室の一部を、前記第２の室から分離し、前記第２の室を密閉する、ことが好ましい。
もしくは、前記原子層成長装置は、成膜容器を備え、
前記第１および第２の空間はいずれも成膜容器内の空間であり、前記接続部材は、前記アンテナアレイと前記基板ステージとの間に配設された、前記成膜容器内の空間を、前記第１の空間となる予備室と前記第２の空間となる成膜室とに分離する壁の役割を果たす仕切り板であり、前記仕切り板には複数の孔が形成されていることが好ましい。
また、前記仕切り板に形成された複数の孔は、前記予備室の下壁に対して段差がつく位置に形成されていることが好ましい。
前記反応性ガスは、例えば、酸化ガスあるいは窒化ガスである。
また、上記目的を達成するために、反応性ガスを用いてプラズマを生成することにより、基板上に膜を生成する原子層成長方法であって、第２の室に原料ガスを供給することにより、基板に原料ガスの成分を吸着させるステップと、第１の室に設けられた棒状の複数のアンテナ素子が平行に配設されたアンテナアレイに給電して、前記第１の室に供給された反応性ガスを用いてプラズマを発生させ、このプラズマにより生成されるラジカルを含むガスを、前記第２の室に供給するステップと、前記第２の室に供給されたラジカルを含むガスを用いて、基板に吸着された原料ガスを反応させるステップと、を有し、
前記第１の室に前記反応性ガスを供給するとき、前記反応性ガスは、前記複数のアンテナ素子のそれぞれの延在する方向に直交し、かつ、前記複数のアンテナ素子によって作られるアンテナ素子の配列面に対して平行な供給ガス流を形成し、
前記複数のアンテナ素子の隣接するアンテナ素子同士は、お互いに対向する位置に給電位置が設けられ、前記給電位置にお互いに反対方向から給電される、原子層成長方法を提供する。
前記反応性ガスは、例えば、酸化ガスあるいは窒化ガスである。
本発明によれば、プラズマ源であるアンテナアレイと基板が載置される基板ステージとが分離された室に配置されているので、成膜容器のメンテナンス性を低下させることなく反応性ガスを活性化できる。つまり、アンテナアレイが成膜容器内に配設されていないので、成膜容器内の構造が、アンテナアレイを設け装置構成を複雑化することに起因するパーティクルの発生を大幅に低減し、成膜品質を向上させることができる。
本発明の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１に示すアンテナアレイの構成を表す平面概略図である。 本発明の原子層成長装置の構成を表す他の実施形態の概略図である。 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４に示す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
１０，７０ 原子層成長装置（ＡＬＤ装置）
１２ 成膜容器
１３ 予備容器
１４，１５ ガス供給部
１６，１７ 排気部
１８ａ，１８ｂ、１９ 供給管
２０ａ、２０ｂ、２１ａ 供給孔
２２，２３ 排気管
２１ｂ、２４，２５ 排気孔
２６，２６ａ、２６ｂ 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
３８，３８ａ、３８ｂ インピーダンス整合器
３９，３９ａ、３９ｂ アンテナ本体
４０，４０ａ、４０ｂ 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 予備室
４８ 成膜室
５０ 真空室
５１ 隙間
５２ 仕切り板
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。
図１は、本発明の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、反応性ガス）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。反応性ガスは、例えば酸化ガスあるいは窒化ガスである。酸化ガスは、例えば、酸素ガスが挙げられる。
ＡＬＤ装置１０は、成膜容器１２と、予備室１３と、ガス供給部１４，１５と、真空ポンプなどの排気部１６，１７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。窒化膜を形成する場合、窒素ガス等の窒化ガスが用いられる。
ガス供給部１４は、供給管１９を介して、予備容器１３の一方の側壁（図中左壁）に形成された供給孔２１ａに接続されている。ガス供給部１４は、供給管１９および供給孔２１ａを介して、予備容器１３内（予備室４７）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。また、ガス供給部１５は、供給管１８ａを介して、成膜容器１２の一方の側壁（図中左壁）に形成された供給孔２０ａに接続されている。ガス供給部１５は、供給管１８ａおよび供給孔２０ａを介して、成膜容器１２内（成膜室４８）に原料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。
一方、排気部１６は、排気管２２を介して、成膜室４８の一方の側壁（図中右壁）に形成された排気孔２４に接続されている。排気部１６は、排気孔２４および排気管２２を介して、予備室４７と成膜室４８内の圧力を一定に保ち、成膜室４８内に交互に供給された原料ガスおよび酸素ラジカル等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。
図示省略しているが、供給管１９の途中には、ガス供給部１４と予備室４７との導通を制御する開閉弁（例えば、電磁弁）が設けられ、供給管１８ａの途中には、ガス供給部１５と成膜室４８との導通を制御する開閉弁が設けられている。また、排気管２２，２３の途中には、それぞれ、排気部１６，１７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。
ガス供給部１４から予備容器１３の予備室４７内にガスを供給する場合、供給管１９の開閉弁が開放され、ガス供給部１５から成膜容器１２の成膜室４８内に原料ガスを供給する場合には供給管１８ａの開閉弁が開放される。排気管２２の開閉弁は通常開放されており、成膜室４８内に供給されたガスは常に排気されている。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。
予備容器１３と成膜容器１２とは、予備容器１３の左壁に対向する側壁（図中右壁）に形成された排気孔２１ｂと、この右壁に対向する、成膜容器１２の側壁（図中左壁）に形成された供給孔２０ｂとが、供給管１８ｂ（本発明の接続部材）を介して接続されている。予備室４７内でアンテナアレイ２８により生成された酸化ガスのプラズマから生成された酸素ラジカル（酸素の中性ラジカル）を含むガスが、予備室４７から、予備容器１３の排気孔２１ｂ、供給管１８ｂおよび成膜容器１２の供給孔２０ｂを介して成膜室４８内に供給される。
ここで、供給管１８ｂの途中にも、予備室４７と成膜室４８との導通を制御する開閉弁が設けられている。そして、予備室４７から成膜室４８内に、酸素ラジカルを含むガスを供給する時だけに開閉弁は開放される。これにより、ガス供給部１５から成膜室４８内に原料ガスを供給する時に、予備室４７内に残留している酸化ガスや酸化ガスのプラズマが成膜室４８内に供給されることを確実に防止することができる。
予備容器１３は、金属製の中空箱形であり、接地されている。予備容器１３の内部（予備室４７内）には、２本のアンテナ素子２６ａ、２６ｂからなるアンテナアレイ２８が配設されている。予備容器１３の内部空間は、酸化ガスの供給孔が形成された壁によって囲まれた本発明の第１の室に相当する。
図２に上方からの概略平面図を示すように、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３８ａ、３８ｂを介して、各々のアンテナ素子２６ａ、２６ｂに供給される。インピーダンス整合器３８ａ、３８ｂ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２６ａ、２６ｂ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。
アンテナ素子２６ａ、２６ｂ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（アンテナ本体）３９ａ、３９ｂ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４０ａ、４０ｂに収納されて構成されている。アンテナ本体３９ａ、３９ｂ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２６ａ、２６ｂから周囲に電磁波を効率よく放射させることができる。
各々のアンテナ素子２６ａ、２６ｂは、ガス供給部１４から予備室４７内に向けて供給される酸化ガスのガス流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予備容器１３の側壁に取り付けられている。また、各々のアンテナ素子２６ａ、２６ｂは、所定の間隔、例えば、５０ｍｍ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２６ａ、２６ｂ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。
アンテナ素子２６ａ、２６ｂ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、アンテナ素子２６ａ、２６ｂの給電位置が互いに対向する側壁となるように配設し、それぞれのアンテナ素子２６ａ、２６ｂ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２６ａ、２６ｂ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る。
また、各々のアンテナ素子２６ａ、２６ｂは酸化ガスのガス流方向に対して平行に配置され、複数のアンテナ素子２６ａ、２６ｂの配列方向も酸化ガスのガス流方向に対して平行な方向である。
アンテナ素子２６ａ、２６ｂは、本出願人が特許文献１で提案したものである。例えば、アンテナ本体３９ａ、３９ｂの直径は約６ｍｍ、円筒部材４０ａ、４０ｂの直径は約１２ｍｍである。成膜室４８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２６ａ、２６ｂ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２６ａ、２６ｂの周囲にプラズマが発生される。
成膜時に、ガス供給部１４から予備室４７内に酸化ガスを供給する期間だけ、高周波電力供給部３４から各々のアンテナ素子２６ａ、２６ｂに高周波電源が供給される。この時、予備容器１３（予備室４７）内では、アンテナアレイ２８により、ガス供給部１４から供給された酸化ガスを用いてプラズマが発生され、プラズマによって生成される酸素ラジカル（酸素の中性ラジカル）を含むガスが、リモートプラズマ方式のように供給管１８ｂを介して成膜室４８内に供給され、基板４２の全域にわたって拡散される。
アンテナアレイ２８を用いることにより、安定的に高密度なプラズマを発生させ、大面積の基板４２に酸素ラジカルを含むガスを略均一に供給することができ、ＡＬＤ法による成膜で酸化反応活性を高めることができる。
また、プラズマ源であるアンテナアレイ２８と基板４２が載置される基板ステージ３２とが分離された空間に配置されているので、成膜容器１２のメンテナンス性を低下させることなく酸化ガスを活性化できる。つまり、アンテナアレイ２８が成膜容器１２内に配設されていないので、成膜容器１２内の構造が、アンテナアレイ２８を設け装置構成を複雑化することに起因するパーティクルの発生を大幅に低減し、成膜品質を向上させることができる。
また、基板が液晶基板のような大型基板の場合であっても、アンテナアレイ２８が成膜容器１２内に配設されていないので、成膜容器１２を小型化（薄型化）することができ、ＡＬＤプロセスに求められる高速排気、成膜ガス切り替えが可能である。
アンテナ素子２６ａ、２６ｂは狭い空間でも設置可能であるから、予備容器１３の空間（予備室４７）を広くする必要はなく、例えば、平行平板型のような他方式のプラズマ源を設置する場合と比べて装置全体の専有面積およびコストを低減することが可能である。また、成膜容器１２も、アンテナアレイ２８を設置する空間が不要であるため、上記の通り成膜容器１２を薄型化することができ、同様にコストダウンが可能である。
さらに、予備容器１３（予備室４７）の排気孔２１ｂは、アンテナアレイ２８を介して、予備容器１３の供給孔２１ａが形成された側壁（図中左壁）に対向する側壁（同右壁）に、予備容器１３の下壁に対して段差がつく位置に形成されている。この段差により、アンテナアレイ２８の周りに拡散したプラズマの輸送距離（輸送時間）が長くなるので、予備室４７から成膜室４８内に、帯電したプラズマが供給されることを抑制し、帯電したプラズマから生成される酸素の中性ラジカルが供給されることを促進できる。これにより、基板４２上に形成される膜のプラズマによるダメージを大幅に低減できる。
続いて、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、上壁と下壁との間の空間に、ヒータ３０を内蔵する基板ステージ３２が水平に配設されている。成膜容器１２の内部空間は、原料ガスの供給孔が形成された壁によって囲まれた本発明の第２の室に相当する。
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が突出して設けられている。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。
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、段差のない面が形成される。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。基板ステージ３２とヒータストッパ４６との間に段差のない面が形成されるので、基板上を流れるガスが段差によって乱流を引き起こすことなく、基板に均一な酸化膜を形成することができる。
すなわち、図１に示すように、成膜室４８の上壁は面一に形成されており、かつ、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。なお、成膜室４８の上壁を面一に形成することは必須ではない。しかし、基板に均一な酸化膜を形成する点では好ましい。
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２４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２４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。
次に、ＡＬＤ装置１０の成膜時の動作、すなわち原子層成長方法を説明する。
以下の説明は、縦３７０ｍｍ×横４７０ｍｍ角の基板４２表面にＳｉＯ2膜（酸化膜）を形成した場合の一例である。
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。
成膜室４８内が排気部１６により水平方向に真空引きされ、２〜３Ｐａ程度の圧力とされた後、ガス供給部１５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、アンテナ素子２６によりプラズマは発生されない。
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１６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１５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１６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。
続いて、ガス供給部１４から予備室４７内に酸化ガスが約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２６ａ、２６ｂに約１５００Ｗの高周波電力が供給される。これにより、各々のアンテナ素子２６ａ、２６ｂの周囲に酸化ガスを用いてプラズマが発生され、このプラズマから酸素ラジカルが生成される。酸素ラジカルを含むガスは、予備室４７から成膜室４８内に供給されて基板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。
その後、酸化ガスの供給およびアンテナ素子２６ａ、２６ｂ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、酸化に寄与しない予備室４７内の余剰の酸化ガスやプラズマ、成膜室４８内の酸素ラジカル、反応生成物等が排気部１６により約１秒間水平方向に排気される。この時、ガス供給部１４から、供給管１９、予備室４７、および、供給管１８ｂ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１６により、予備室４７および成膜室４８から排気しても良い。
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。
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。
例えば、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。
原料ガスは、成膜容器の側壁側から基板に供給しても良いし、成膜容器の上壁側からシャワーヘッドを介して基板に供給しても良い。原料ガスを成膜容器の上壁側から垂直方向に供給する場合、成膜容器の上壁と基板ステージとの間の空間にシャワーヘッドを設け、原料ガスを均等に拡散させるとともに、原料ガスが基板に直接吹き付けられない（当たらない）ようにすることが望ましい。
一方、原料ガスの排気は、成膜容器の側壁側から排気しても良いし、下壁側から排気しても良いし、側壁側および下壁側の両方から排気する構成としても良い。
また、図２に示す例では、予備室４７と成膜室４８とが、酸化ガスを供給する６本の供給管１８ｂで接続されているが、その本数は何ら制限されない。原料ガスの供給管、排気管の本数も何ら制限されない。
また、基板上に膜を形成する場合、成膜容器内の圧力、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。また、成膜容器および基板ステージの材質、形状、寸法も何ら限定されない。
アンテナ素子の本数に制限はないが、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となるように配設することが望ましい。また、アンテナ素子の配置、寸法等も特に制限はない。
例えば、図１に示したように、複数のアンテナ素子の各々を水平方向に一行に配置しても良いし、垂直方向に一列に配設しても良い。また、アンテナ素子の各々を水平方向に２行以上に分けて配置しても良いし、垂直方向に２列以上に分けて配置しても良い。この時、隣接するアンテナ素子の行ないし列は、アンテナ素子の位置が互い違いとなるように配置することが望ましい。
また、予備容器内にアンテナアレイを配設する代わりに、図３に示すように、成膜容器内（図１に示す成膜室４８）を、本発明の第１の室となる予備室と本発明の第２の室となる成膜室とに分離する壁の役割を果たす仕切り板５２をアンテナアレイ２８と基板ステージ３２との間に設ける構成としても良い。この場合、仕切り板５２は、シャワーヘッドのように、中性ラジカルを含むガスを、予備室から成膜室内に供給するための複数の孔が形成されたものを使用する。また、仕切り板５２に形成された複数の孔は、予備室の下壁に対して段差がつく位置に形成されていることが望ましい。
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。昇降機構４４と真空室５０がない場合、成膜容器１２は成膜室４８となる。
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。

Claims (10)

  1. 反応性ガスを用いてプラズマを生成することにより、基板上に膜を生成する原子層成長装置であって、
    反応性ガスの供給孔が形成された壁によって囲まれた第１の室と、
    原料ガスの供給孔が形成された壁によって囲まれた第２の室と、
    前記第１の室内に設けられた、反応性ガスを用いてプラズマを生成するための、棒状の複数のアンテナ素子が平行に配設されたアンテナアレイと、
    前記第２の室内に設けられた、前記基板が載置される基板ステージと、
    前記第１の室から前記第２の室に、前記アンテナアレイにより生成された反応性ガスのラジカルを含むガスを供給するために、前記第１の室と前記第２の室とを接続する接続部材と、を備え、
    前記複数のアンテナ素子のそれぞれの延在する方向は、前記反応性ガスの供給孔から前記第１の室に供給される前記反応性ガスの供給ガス流に対して直交し、かつ、前記複数のアンテナ素子によって作られるアンテナ素子の配列面は、前記供給ガス流に平行になるように、前記複数のアンテナ素子は前記第１の室に取り付けられ、さらに、前記複数のアンテナ素子の隣接するアンテナ素子同士は、お互いに対向する位置に給電位置が設けられ、前記給電位置にお互いに反対方向から給電される、原子層成長装置。
  2. 予備容器と、成膜容器とを備え、
    前記第１の室は予備容器の室であり、前記第２の室は成膜容器の室であり、
    前記接続部材は、前記予備容器の壁に形成された、前記ラジカルを含むガスの排気孔と、前記成膜容器の壁に形成された、前記ラジカルを含むガスの供給孔と、を接続する供給管である、請求項１に記載の原子層成長装置。
  3. 前記予備容器の排気孔は、前記アンテナアレイを介して、前記予備容器の供給孔が形成された側壁に対向する側壁に設けられ、さらに、前記予備容器の排気孔は、前記予備容器の下壁に対して段差がつく位置に形成されている、請求項２に記載の原子層成長装置。
  4. 前記供給管には、前記予備容器と前記成膜容器との導通を制御する開閉弁が設けられる、請求項２または３に記載の原子層成長装置。
  5. 前記基板ステージは、前記成膜容器内を昇降可能に移動し、
    前記成膜容器の前記第２の室には、前記基板ステージを所定の位置に位置決めするストッパが突出して設けられ、
    前記基板ステージの基板を載置する載置面は、前記基板ステージが上昇した位置にあるとき前記ストッパの面と面一になるように位置決めされ、段差のない面が形成され、さらに、前記ストッパは、前記基板ステージが上昇した位置にあるとき前記成膜容器の室の一部を、前記第２の室から分離し、前記第２の室を密閉する、請求項２〜４のいずれか１項に記載の原子層成長装置。
  6. 成膜容器を備え、
    前記第１および第２の室はいずれも成膜容器の室であり、前記接続部材は、前記アンテナアレイと前記基板ステージとの間に配設された、前記成膜容器の室を、前記第１の室となる予備室と前記第２の室となる成膜室とに分離する壁の役割を果たす仕切り板であり、前記仕切り板には複数の孔が形成されている、請求項１に記載の原子層成長装置。
  7. 前記仕切り板に形成された複数の孔は、前記予備室の下壁に対して段差がつく位置に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の原子層成長装置。
  8. 前記反応性ガスは、酸化ガスあるいは窒化ガスである、請求項１〜７のいずれか１項に記載の原子層成長装置。
  9. 反応性ガスを用いてプラズマを生成することにより、基板上に膜を生成する原子層成長方法であって、
    第２の室に原料ガスを供給することにより、基板に原料ガスの成分を吸着させるステップと、
    第１の室に設けられた棒状の複数のアンテナ素子が平行に配設されたアンテナアレイに給電して、前記第１の室に供給された反応性ガスを用いてプラズマを発生させ、このプラズマにより生成されるラジカルを含むガスを、前記第２の室に供給するステップと、
    前記第２の室に供給されたラジカルを含むガスを用いて、基板に吸着された原料ガスを反応させるステップと、を有し、
    前記第１の室に前記反応性ガスを供給するとき、前記反応性ガスは、前記複数のアンテナ素子のそれぞれの延在する方向に直交し、かつ、前記複数のアンテナ素子によって作られるアンテナ素子の配列面に対して平行な供給ガス流を形成し、
    前記複数のアンテナ素子の隣接するアンテナ素子同士は、お互いに対向する位置に給電位置が設けられ、前記給電位置にお互いに反対方向から給電される、原子層成長方法。
  10. 前記反応性ガスは、酸化ガスあるいは窒化ガスである、請求項９に記載の原子層成長方法。
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