JP2013038169A - 薄膜製造方法および薄膜製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板面内において均一な膜組成で薄膜を形成することができる薄膜製造方法および薄膜製造装置を提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態に係る薄膜製造方法は、基板中央の温度（第１の温度）よりも基板周縁の温度（第２の温度）を高温に維持して成膜するようにしている。このような温度分布を形成することで、基板周縁の蒸気圧が基板中央の蒸気圧よりも高くなり、基板周縁において気相中に含有できる高蒸気圧成分の量を増加させることができる。これにより、基板周縁部上に高濃度に分布するガス種の析出を抑制でき、基板面内において均一な組成の薄膜を形成することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）薄膜等を形成するための薄膜製造方法および薄膜製造装置に関する。

従来、強誘電体メモリ（Ferroelectric Random Access Memory；ＦｅＲＡＭ）等に用いられる強誘電体薄膜として、ペロブスカイト構造を有するチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ_１＋Ｘ（Ｚｒ_ＹＴｉ_１−Ｙ）Ｏ_３＋Ｘ；ＰＺＴ）等の薄膜が知られている。このような誘電体薄膜は、例えば有機金属化学気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition；ＭＯＣＶＤ）法により、有機金属材料を含むガスと酸化ガスとを高温中で反応させることで製造される。

例えば特許文献１には、反応空間である反応室上部からシャワーヘッドを介して反応室内に有機金属原料と酸化ガス等を含む成膜ガスを導入し、加熱基板上でＰＺＴを成膜する薄膜製造装置が記載されている。

特開２０１０−５６５６５号公報

しかしながら、上記構成の薄膜製造装置では、基板表面に均一な膜特性でＰＺＴ薄膜を形成することができないという問題がある。すなわち、成膜ガスに含まれる鉛（Ｐｂ）成分が他の金属（Ｚｒ，Ｔｉ）成分よりも蒸気圧が高いため、成膜温度に加熱された基板表面から膜中のＰｂ成分の再蒸発（気化）が起こりやすい。また、成膜ガスはシャワーヘッドによって基板表面に均一に供給されるが、基板中央部に供給された成膜ガスは基板周縁を通って排気されるため、基板周縁部上のガス中のＰｂ濃度は、基板中央部で再蒸発した鉛成分が加わることで基板中央部上のガス中のＰｂ濃度よりも高くなると予想される。その結果、基板に形成されるＰＺＴ薄膜は、基板周縁部の方が基板中央部よりもＰｂ濃度が高くなり、面内において均一な膜組成及び膜特性を有するＰＺＴ薄膜を安定に形成することができないと考えられる。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、基板面内において均一な膜組成で薄膜を形成することができる薄膜製造方法および薄膜製造装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る薄膜製造方法は、チャンバ内に設置されたステージ上に基板を搬送する工程を含む。
上記基板の中央が第１の温度で、上記基板の周縁が上記第1の温度より高い第２の温度で加熱される。
上記ステージと対向するシャワープレートから、蒸気圧の異なる複数種の物質を含有する成膜用ガスを上記基板上に供給することで、上記基板上に薄膜が製造される。

本発明の一形態に係る薄膜製造装置は、チャンバと、ステージと、シャワープレートと、ガス供給ラインと、制御システムとを具備する。
上記ステージは、上記チャンバ内に設置され、基板を支持することが可能であり、上記基板の中央を加熱するための第１の加熱部と上記基板の周縁を加熱するための第２の加熱部とを有する加熱源を含む。
上記シャワープレートは、上記基板上に蒸気圧の異なる複数種の物質を含有する成膜用ガスを供給するために、上記ステージと対向して上記チャンバ内に設置される。
上記ガス供給ラインは、上記シャワープレートに接続され、上記成膜用ガスを上記シャワープレートに供給することが可能である。
上記制御システムは、上記第1の加熱部を第１の温度で加熱させ、上記第２の加熱部を上記第1の温度より高い第２の温度で加熱させることが可能である。

本発明の一実施形態に係る薄膜製造装置の構成例を示す模式的な図である。 本発明の一実施形態に係るヒータの構造を示す模式図であり、（Ａ）は基板を支持する支持板とヒータとの中心を含む断面図を示し、（Ｂ）は上面図を示している。 本発明の一実施形態に係る実施例及び比較例について、基板上にＰＺＴ薄膜を形成した際の基板面内の温度分布を示すグラフであり、横軸は、基板上の位置を示し、縦軸は、基板の温度を示す。 本発明の一実施形態に係る実施例及び比較例において、形成されたＰＺＴ薄膜に含まれる金属元素の基板面内における組成比を示すグラフであり、横軸は、基板上での位置を示し、縦軸は、形成されたＰＺＴ薄膜中の各金属元素におけるモル濃度比を示す。 本発明の一実施形態に係る実施例及び比較例において、形成されたＰＺＴ薄膜における自発分極量の面内分布を示すグラフであり、縦軸は基板上での位置を示し、縦軸は、形成されたＰＺＴ薄膜の各位置に２Ｖの電圧を印加して分極反転させた際の自発分極量を示す。 本発明の一実施形態に係る実施例及び比較例において、形成されたＰＺＴ薄膜におけるリーク電流値の面内分布を示すグラフであり、縦軸は基板上での位置を示し、縦軸は、形成されたＰＺＴ薄膜の各位置に２Ｖの電圧を印加した際のリーク電流の値を示す。

本発明の一実施形態に係る薄膜製造方法は、チャンバ内に設置されたステージ上に基板を搬送する工程を含む。
上記基板の中央が第１の温度で、上記基板の周縁が上記第1の温度より高い第２の温度で加熱される。
上記ステージと対向するシャワープレートから、蒸気圧の異なる複数種の物質を含有する成膜用ガスを上記基板上に供給することで、上記基板上に薄膜が製造される。

上記薄膜製造方法において、シャワープレートから基板表面に対して均一に成膜用ガスが供給されることで、成膜用ガスが基板上で反応し、薄膜が形成される。成膜用ガス中の各種物質の濃度比は、ステージ上の基板の加熱温度、すなわち成膜温度によって決定される。

シャワープレートの中央から供給された成膜用ガスは、基板の中央からその周縁に向かうガスの流れを形成する。一方、成膜用ガス中の比較的蒸気圧の高い物質は、基板上に固相として析出した後も再蒸発を起こし易い。したがって、基板の中央には常に新しいガスのみが供給されるのに対し、基板の周縁にはシャワープレートから新しいガスが供給されると同時に、基板の中央で再蒸発した蒸気圧の高い物質を含むガスが供給されることになる。その結果、基板の面内においてガス濃度あるいはガス種に分布が生じる。

そこで上記薄膜製造方法においては、基板の面内における気相と固相との間の熱平衡状態に着目し、基板中央の温度（第１の温度）よりも基板周縁の温度（第２の温度）を高温に維持して成膜するようにしている。このような温度分布を形成することで、基板周縁の蒸気圧が基板中央の蒸気圧よりも高くなり、基板周縁において気相中に含有できる高蒸気圧成分の量を増加させることができる。これにより、基板周縁部上に高濃度に分布するガス種の析出を抑制でき、基板面内において均一な組成の薄膜を形成することが可能となる。

上記第１および第２の温度は、ガスの導入圧力、ガスの濃度比、使用するガス種の種類、目的とする薄膜の組成等に応じて適宜設定される。典型的には、上記成膜用ガスは、複数種の有機金属ガスを含み、これ以外に各種反応ガスを含んでもよい。形成される薄膜は、例えばＰＺＴであり、この場合の高蒸気圧成分としてＰｂ化合物が挙げられる。この例では、面内においてＰｂ含有量の均一なＰＺＴ薄膜を形成することが可能であり、膜特性の均一化を実現し、歩留まりの向上に貢献することができる。

また、上記薄膜製造方法を用いてＰＺＴ薄膜を製造する場合には、例えば上記第１の温度と上記第２の温度との差が５℃以上１０℃以下であれば、ＰＺＴ薄膜の膜組成及び膜特性を均一に製造することができる。

上記薄膜製造工程は、上記基板の中央から周縁に向かって、上記第1の温度から上記第２の温度まで漸次上昇するように上記基板を加熱してもよい。
このような構成とすることによって、Ｐｂ化合物等の高蒸気圧物質における基板上の蒸気圧についても、基板中央部から基板周縁部に向かって漸次上昇させることができる。このことから、基板面内の膜組成の均一性をさらに向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る薄膜製造装置は、チャンバと、ステージと、シャワープレートと、ガス供給ラインと、制御システムとを具備する。
上記ステージは、上記チャンバ内に設置され、基板を支持することが可能であり、上記基板の中央を加熱するための第１の加熱部と上記基板の周縁を加熱するための第２の加熱部とを有する加熱源を含む。
上記シャワープレートは、上記基板上に蒸気圧の異なる複数種の物質を含有する成膜用ガスを供給するために、上記ステージと対向して上記チャンバ内に設置される。
上記ガス供給ラインは、上記シャワープレートに接続され、上記成膜用ガスを上記シャワープレートに供給することが可能である。
上記制御システムは、上記第1の加熱部を第１の温度で加熱させ、上記第２の加熱部を上記第1の温度より高い第２の温度で加熱させることが可能である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

［薄膜製造装置］
図１は、本発明の一実施形態に係る薄膜製造装置の構成例を示す模式的な図である。薄膜製造装置１００は、ガス供給ラインと、成膜室５０とを有する。ガス供給ラインは、成膜室５０に接続され、成膜室５０内に成膜用ガスを供給する。なお、薄膜製造装置１００は、図示しないマルチチャンバ型成膜装置の一部として構成されている。

（ガス供給ライン）
ガス供給ラインは、原料供給部１０と、気化器２０と、混合器３０とを有し、さらにこれらに設けられた各配管及び各バルブ等により構成される。原料供給部１０は、有機金属材料の有機溶媒溶液を供給する。気化器２０は、有機溶媒溶液を気化して有機金属ガスを生成する。混合器３０は、有機金属ガスと、有機金属ガスと反応する酸化ガスと、不活性ガスとを混合させて成膜用ガスを生成する。

原料供給部１０は、有機金属の原料溶液及び溶媒が充填されるタンクＡ，Ｂ，Ｃ及びＤと、ヘリウム（Ｈｅ）が各タンクＡ〜Ｄに供給される配管１１と、キャリアガスが供給される配管１２とを有する。

各タンクＡ〜Ｄに充填された有機金属溶液及び溶媒は、Ｈｅが各タンク内へ供給される際の圧力によって、配管１２に押し出される。配管１２では、供給されるキャリアガスによって、有機金属溶液及び溶媒が気化器２０に運搬される。本実施形態ではキャリアガスとして窒素（Ｎ₂）が用いられるが、これに限られず、他の不活性ガスを用いることもできる。同様に、各タンクＡ〜Ｄに供給されるガスもＨｅに限られず、他の不活性ガスを用いることもできる。

本実施形態では、チャンバ５１内でＰＺＴ薄膜を製造する。よって、タンクＡ〜Ｄには、ＰＺＴに含まれる金属元素であるＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉを含む各有機金属溶液と、有機系の溶媒がそれぞれ充填される。Ｐｂ、Ｚｒ及びＴｉの有機金属溶液としては、各有機金属材料が０．２５ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解した酢酸ｎブチル溶液が用いられる。

Ｐｂを含む有機金属材料としては、Ｐｂ（ｔｈｄ）₂が用いられ、Ｚｒを含む有機金属材料としては、Ｚｒ（ｄｍｈｄ）₄が用いられる。またＴｉを含む有機金属材料としては、Ｔｉ（ｉＰｒＯ）₂（ｔｈｄ）₂が用いられる。タンクＤに充填される溶媒としては酢酸ｎブチルが用いられる。

溶媒に溶解される各有機金属材料は、上記のものに限られない。例えばＰｂについては、Ｐｂ（ｄｍｈｄ）₂等を含む材料や、Ｐｂ（ｔｈｄ）₂及びＰｂ（ｄｍｈｄ）₂を両方含む材料やこれらに安定化させるアダクツが付加されている材料などを用いることができる。またＺｒについては、Ｚｒ（ｉＰｒＯ）_２（ｔｈｄ）_２等や、これらを一部に含む材料を用いることができる。そしてＴｉについては、Ｔｉ（ＭＭＰ）₄等や、これらを一部に含む材料を用いることもできる。

各有機金属原料を溶かす溶媒及びタンクＤに充填される溶媒も、上記の酢酸ｎブチルに代えて、例えばオクタン、トルエン、テトラヒドロフロン（ＴＨＦ）、シクロヘキサン、エチルシクロヘキサン、又はメチルシクロヘキサン等を用いることもできる。

気化器２０は、配管１２を介して原料供給部１０に接続されており、原料供給部１０から気化器２０へ、キャリアガスによって有機金属溶液及び溶媒の液滴が搬送される。気化器２０は図示しない加熱手段を有しており、搬送された有機金属溶液及び溶媒が加熱により気化され、これにより有機金属材料を含むガスが生成される。

気化器２０は、本実施形態のように有機金属溶液が複数の場合には、複数の溶液を混合して気化させることができる。なお気化効率を向上させるために、有機金属溶液及び溶媒の液滴にガスや超音波等を当てる方法や、微細ノズルを介して予め微細化された液滴を導入する方法等を併用することもできる。また、有機金属溶液が気化する際に発生する残渣や、気化していない液滴が混合器３０等へ搬送されるのを抑制するために、パーティクル捕獲器を設けることも可能である。

図１に示すように、気化器２０には、混合器３０に接続される供給用配管２１と、排気システム４０に接続される排気用配管２２とが設けられる。供給用配管２１にはバルブＶ₁が設けられ、排気用配管２２にはバルブＶ₂が設けられる。

混合器３０は、気化器２０により生成された有機金属ガスと、酸化ガス及び不活性ガスとを混合し、成膜用ガスを生成するものである。そのため、混合器３０には酸化ガス供給部３１及び不活性ガス供給部３２が接続されている。本実施形態では、酸化ガス供給部３１によりＯ₂（酸素）が供給され、不活性ガス供給部３２によりＮ₂が供給されるが、酸化ガスとして例えば一酸化二窒素やオゾン等が供給されることも可能である。また不活性ガスとして、アルゴン（Ａｒ）等の供給も可能である。

混合器３０と成膜室５０との間には、配管３３が接続されている。配管３３には、図示しないバルブを接続することもできる。また、配管３３には、不純物を除去するためのＶＣＲ型パーティクル捕獲器等を接続することもできる。

気化器２０から成膜室５０までの各ライン、各バルブ及び混合器３０等を含む各装置は、気化したガスの液化等を防止するため、図示しない加熱機構により例えば２００℃以上の高温状態に保たれる。

以上のような構成のガス供給ラインによって、成膜用ガスが成膜室５０内に供給され、薄膜の製造が行われる。以下、成膜室５０の構造について説明する。

（成膜室）
成膜室５０は、チャンバ５１と、ステージ５２と、シャワープレート５３とを有する。ステージ５２は、基板を支持することが可能であり、チャンバ５１内に配置される。シャワープレート５３は、ステージ５２と対向してチャンバ５１内部に設置されており、配管３３が接続されている。またチャンバ５１内には、図示しない防着板等の部品が洗浄済みの状態で配置される。

圧力調整バルブ４１は、成膜室５０の外部に配置され、チャンバ５１と排気用配管４２によって接続されている。このことから、チャンバ５１内の圧力を適宜設定することで、様々な成膜圧力条件に容易に対応することが可能である。さらに、圧力調整バルブ４１は、例えばドライポンプやターボ分子ポンプ等を備えた排気システム４０に接続される。

また、本実施形態においては、排気用配管４２が、基板Ｗを支持する支持板５２１ａより下部で、チャンバ５１に接続されている。このことにより、シャワープレート５３からステージ５２の周囲を介して排気用配管４２へ向かうガスの排気経路が形成され、更に、チャンバ５１内の基板Ｗ以外への成膜用ガスの付着等により発生するパーティクルの巻上げ等を抑制することが可能となる。

シャワープレート５３は、本実施形態において、チャンバ５１の天井面を構成する上蓋５１１に固定されている。シャワープレート５３の大きさ及び形状は特に制限されないが、例えば、基板Ｗに成膜用ガスを供給するガス供給面５３ａが、基板Ｗを支持する支持板５２１ａの面積と同程度の円形状で構成される。ガス供給面５３ａには、全体に均一な分布でシャワー穴が配置されている。このことによって、基板Ｗのほぼ全面に、均一に成膜用ガスを供給することができる。

シャワープレート５３の内部には、配管３３に接続され、成膜用ガスが拡散可能な空間Ｓを有している。さらに、基板Ｗの加熱に伴い、ガス供給面５３ａが大量の輻射熱を受ける場合は、成膜条件に合わせて温度制御可能な熱交換器等の冷却装置を接続することもできる。

成膜工程中には、シャワープレート５３から基板Ｗ上に新しい成膜用ガスが供給される。これと同時に、反応副生成物や成膜中の薄膜から再蒸発したＰｂ化合物などを含むガスは、排気用配管４２を介して排気システム４０へ排気される。上述のように、排気用配管４２は、基板Ｗを支持する支持板５２１ａより下部で、チャンバ５１に接続される。すなわち、チャンバ５１内において、ガスの流れは、基板Ｗの中央から周縁に向かうよう形成されることとなる。

ステージ５２は、支持部材５２１を有し、さらに支持部材５２１は、基板Ｗを支持することが可能な支持板５２１ａを有する。支持板５２１ａの大きさ及び形状は特に制限されないが、所望の基板を支持できるよう構成される。例えば本実施形態において、基板Ｗは略円形の８インチ径基板（半径約１００ｍｍ）である。よって、支持板５２１ａは、半径が約１０５ｍｍの略円形で構成される。支持板５２１ａが基板Ｗを支持する方法は、特に制限されず、例えば静電チャック方式等を採用することができる。また、ステージ５２は、図示しない駆動源によって、支持部材５２１を回転または昇降させるように構成されることも可能である。

さらに、支持部材５２１内部には、基板Ｗを加熱することが可能なヒータ（加熱源）（図１では図示せず）が支持板５２１ａに近接して配置されている。このため、支持板５２１ａは、ヒータからの熱を基板Ｗに効率的に伝えることができる材料で構成されており、例えばＳｉＣ（炭化ケイ素）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）、カーボン等が採用される。これにより、基板Ｗが支持板５２１ａとほぼ同じ温度に維持されることが可能となる。以下、本実施形態に係るヒータの構造について説明する。

図２は、ヒータＨの構造を示す模式図である。図２（Ａ）は、基板Ｗを支持した状態の支持板５２１ａとヒータＨとの中心を含む断面図を示し、図２（Ｂ）はヒータＨの上面図を示している。ヒータＨは支持板５２１ａの全面を加熱することが可能に構成され、本実施形態において、全体として半径Ｒ２が約１０５ｍｍの略円盤状に構成されている。

本実施形態において、ヒータＨは、第１の加熱部Ｈ１と、第２の加熱部Ｈ２とを有する。図２に示すように基板Ｗが支持板５２１ａ上に支持される際、ヒータＨは、第１の加熱部Ｈ１が基板Ｗの中央を加熱し、第２の加熱部Ｈ２が基板Ｗの周縁を加熱するよう、構成されている。例えば、第１の加熱部Ｈ１は、ヒータＨの中心からの半径がＲ１の略円盤状である。ここで、Ｒ１はＲ２より小さく、例えば約７０ｍｍである。第２の加熱部Ｈ２は、第１の加熱部Ｈ１の外周に形成され、ヒータＨの中心からの半径がＲ１〜Ｒ２の領域に形成された環状構造を有する。

第１の加熱部Ｈ１及び第２の加熱部Ｈ２は、それぞれ別個の加熱装置で構成され、例えばそれぞれに抵抗加熱ヒータ等を採用することができる。しかしながら、基板Ｗの面内を所望の温度分布で加熱できれば、加熱装置の構成は特に制限されず、例えば径が異なる同心円状の多段ヒータをそれぞれ配置することも可能である。

また、支持部材５２１は、第１の加熱部Ｈ１及び第２の加熱部Ｈ２によって加熱された支持板５２１ａの温度をそれぞれ測定することが可能な、温度センサを内蔵することも可能である。温度センサは、例えば支持板５２１ａに近接して配置された熱電対等を用いることができる。これによって、第１の加熱部Ｈ１及び第２の加熱部Ｈ２によってそれぞれ加熱された支持板５２１ａの温度が測定可能となる。また、温度センサは、基板面内の温度分布を測定するために、複数配置することも可能である。

さらに、上述のように支持板５２１ａの温度と基板Ｗの温度とはほぼ等しいとみなせるため、支持板５２１ａの温度を計測することで、間接的に基板Ｗの温度を計測することが可能となる。

本実施形態に係る薄膜製造装置１００は、第１の加熱部Ｈ１と第２の加熱部Ｈ２との加熱温度をそれぞれ制御する制御システムを有している。制御システムは、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）や、ＲＯＭ（Read Only Memory）又はＲＡＭ（Random Access Memory）等からなるメインメモリ等を有するコンピュータで構成されたコントローラ６０を含む。

コントローラ６０は、例えば有線あるいは無線を介して、第１の加熱部Ｈ１と第２の加熱部Ｈ２とにそれぞれ接続されている。これによって、第１の加熱部Ｈ１を第１の温度で加熱させ、第２の加熱部Ｈ２を第1の温度より高い第２の温度で加熱させるよう、制御することができる。

また、制御システムは、基板Ｗの温度を測定する温度センサ等に接続されることも可能である。このことによって、第１の加熱部Ｈ１と第２の加熱部Ｈ２とに対応する基板Ｗの温度をモニタリングし、その結果を元に第１の加熱部Ｈ１と第２の加熱部Ｈ２との温度を制御することができる。

さらに、制御システムは、上記で説明したガス供給ラインの各バルブや成膜装置５０の各装置を、例えば有線あるいは無線を介して制御するように構成されることも可能である。このことによって、薄膜製造装置１００全体の動作を制御システムによって制御することが可能となる。

次に、以上のような薄膜製造装置１００の動作について説明する。

［薄膜製造装置の動作］
図１に示すＨｅの供給ライン１１から各タンクＡ〜ＤにＨｅが供給されると、各タンクＡ〜Ｄの内部圧力が上昇し、各タンクＡ〜Ｄに充填されていた有機金属の原料溶液及び溶媒がキャリアガス（Ｎ₂）とともに配管１２に押し出される。押し出された金属原料溶液及び溶媒の液滴は、それぞれの流量が液体流量制御器等で制御されて、キャリアガスにより気化器２０に運搬される。

気化器２０では、タンクＤから押し出されキャリアガスにより運搬された溶媒による気化器２０のノズルフラッシュが始まり、例えば３分ほどで金属原料溶液及び溶媒を気化できる状態になる。この際、排気用配管２２のバルブＶ₂が開けられ、溶媒の気化ガス及びキャリアガスは排気用配管２２に捨てられる。

予め、チャンバ５１内には、Ｎ_２やＡｒ等の不活性ガスが、不活性ガス供給部３２から配管３３を介して、例えば約２０００ｓｃｃｍで流入している。これにより実際の成膜が開始する前に成膜圧力である約２Ｔｏｒｒに調圧される。

基板Ｗがチャンバ５１に搬送され支持板５２１ａ上に載置されると、ヒータＨにより基板Ｗが加熱される。このとき、基板Ｗの中央は、第１の加熱部Ｈ１によって、第１の温度で加熱される。基板Ｗの周縁は、第２の加熱部Ｈ２によって、第１の温度より高い第２の温度で加熱される。本実施形態では、第１の温度と第２の温度との差が５℃以上１０℃以下で、ともに６００℃以上となるよう、制御システムによって制御されている。基板Ｗの温度は例えば３分程で所定の温度に落ち着く。

基板Ｗの温度が収束する前に、気化器２０の気化は、溶媒の気化から、成膜する流量にコントロールされた有機金属溶液主体の気化に切り替わる（排気用配管２２は開けられた状態を保持している）。

チャンバ５１における基板Ｗやシャワープレート５３等の部品の温度が所定の温度に飽和すると、排気用配管２２のバルブＶ₂が閉じられ、供給用配管２１のバルブＶ₁が開けられる。そして気化器２０により気化された有機金属材料を含むガスが混合器３０に供給される。

混合器３０では、気化器２０から供給された有機金属材料を含むガスと、酸化ガスであるＯ₂と、不活性ガスであるＮ₂とが所定の混合比（モル濃度比）で混合され、成膜用ガスが生成される。混合比は、例えば成膜されるＰＺＴ薄膜の結晶配向を所期のものとするために適宜設定される。

混合器３０により生成された成膜用ガスは、配管３３を通って成膜室５０のシャワープレート５３を介してチャンバ５１内に供給される。そして加熱された基板Ｗに成膜用ガスが供給され、ＰＺＴ薄膜が基板Ｗ上に形成される。なお、成膜されるＰＺＴ薄膜の厚み、成膜レート等は適宜設定可能である。

成膜が終了すると、供給用配管２１のバルブＶ₁が閉じられ、排気用配管２２のバルブＶ₂が開けられる。従ってチャンバ５１内の基板Ｗへの成膜用ガスの供給が停止され、成膜用ガスは排気用配管２２に捨てられる。チャンバ５１内には、シャワープレート５３から不活性ガス等が一定の時間（例えば６０秒）流される。続いて、次の基板がチャンバ５１内に搬送され、同様に成膜が行われる。

以上のような構成の薄膜製造装置１００に係るシャワープレート５３は、基板Ｗ表面に対して均一に成膜用ガスを供給し、基板Ｗ上にＰＺＴ薄膜を形成させる。そして、シャワープレート５３の中央部から供給された成膜用ガスは、基板Ｗの中央からその周縁に向かうガスの流れを形成する。

一方、成膜用ガス中の比較的蒸気圧の高いＰｂ化合物は、基板Ｗ上に固相のＰＺＴ薄膜として析出した後も再蒸発を起こし易い。したがって、基板Ｗの中央では、常に新しい成膜用ガスのみが供給されるのに対して、基板Ｗの周縁では、シャワープレート５３から新しい成膜用ガスが供給されるだけでなく、基板Ｗ中央から再蒸発したＰｂ化合物が供給される。その結果、基板Ｗの面内においてガス濃度あるいはガス種に分布が生じる。

ここで、比較的蒸気圧の高いＰｂ化合物の成膜用ガス中の濃度は、ヒータＨによる基板Ｗの加熱温度によって決定される。基板Ｗの周縁でこれらの化合物の濃度が高まると、気体状態を保持できず固体として薄膜上に析出してしまう。

このことから、本実施形態の薄膜製造装置１００では、ヒータＨによって、基板Ｗの面内で温度分布を生じさせている。すなわち、第１の加熱部Ｈ１が、第１の温度で基板Ｗの中央を加熱し、第２の加熱部Ｈ２が、成膜用ガスの流れの下流となる基板Ｗの周縁を、第１の温度より高い第２の温度で加熱する。このような温度分布を形成することで、基板Ｗの周縁におけるＰｂ化合物の蒸気圧を基板Ｗの中央よりも高め、基板Ｗの周縁の気相中に含有できるＰｂ化合物の量を増やすことができる。その結果、基板Ｗの周縁に高濃度に分布するＰｂ化合物の析出を抑制でき、基板Ｗの面内において均一なＰＺＴ薄膜を形成することができる。

＜実施例＞
図３は、本実施形態に係る薄膜製造装置及び薄膜製造方法を用いて、８インチ径の基板上にＰＺＴ薄膜を形成した際の、基板面内の温度分布を示すグラフである。横軸は、基板の中心を０ｍｍとした際の、基板中心を通る直線上での位置を示しており、縦軸は、基板の温度を示している。ここでは、予め温度センサ付き基板を用いて測定を行って得られた温度をその測定地点に対する基板温度とした。また、基板温度の測定は、以下の５点で行った。すなわち、基板の中心（「基板中央」）と、基板中心からの半径が約５０ｍｍの円周上の２箇所と、基板中心からの半径が約９０ｍｍの円周上の２箇所（「基板周縁」）とである。なお、成膜室内の圧力は、２Ｔｏｒｒとなるよう制御されており、基板として、シリコン基板上に、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）膜を１００ｎｍ、イリジウム（Ｉｒ）膜を７０ｎｍ形成した基板を用いた。

実施例では、制御システムによってヒータを制御することで、基板中央を約６３０℃に加熱し、基板周縁を基板中央よりも約１０℃高い約６４０℃に加熱した。一方、比較例１は、基板中央を約６３０℃に加熱し、基板周縁を基板中央よりも約８℃低い約６２２℃に加熱した。比較例２では、基板中央および基板周縁を約６３０℃に加熱し、基板面内をほぼ均一な温度に保持している。このことから、本実施形態に係る薄膜製造装置及び薄膜製造方法を用いて、基板の中央と周縁とに温度差を形成できることが示された。

図４は、以上のような実施例、比較例１および比較例２について、形成されたＰＺＴ薄膜に含まれる金属元素の基板面内における組成比を示すグラフである。横軸は、図３と同様に基板上での位置を示し、縦軸は、形成されたＰＺＴ薄膜中の各金属元素におけるモル濃度比を示している。さらに、Ｐｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）は、Ｚｒ及びＴｉのモル濃度に対するＰｂのモル濃度の比を示し、Ｚｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）は、Ｚｒ及びＴｉのモル濃度に対するＺｒのモル濃度の比を示している。なお、測定は、図３と同様の５点にて行った。

図４より、Ｐｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）は、比較例１において、基板中央より基板周縁で上昇しており、比較例２についても若干の上昇が認められる。一方、実施例においては、基板面内でほぼ均一なモル濃度比であることが示された。なお、対照として、成膜条件下で蒸気圧がＰｂより低いＺｒのモル濃度比（Ｚｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ））についてのデータも示している。

この結果は、以下のように考えられる。まず、上述のように基板周縁上の成膜用ガスにおけるＰｂ化合物の濃度が高まると考えられることから、比較例１および比較例２の場合は、基板周縁の気相中におけるＰｂ化合物が気体状態を保てずに、薄膜として析出してしまう。この結果、基板周縁において基板中央よりもＰｂの濃度が高い膜組成になってしまう。

一方、実施例の場合は、成膜用ガスの流れの下流である基板周縁において基板中央よりも高い温度で加熱している。このことから、基板周縁におけるＰｂ化合物の蒸気圧が高まり、気相中に含有できるＰｂ化合物の量が増加する。その結果、基板周縁においても、Ｐｂ化合物が薄膜に過剰に析出せず、基板面内で均一な膜組成になる。このことから、本実施形態に係る薄膜製造方法および薄膜製造装置によって、ＰＺＴ薄膜における各金属元素の組成が基板面内で一定に保持できることが示された。

図５は、実施例、比較例１および比較例２について、形成されたＰＺＴ薄膜における自発分極量の面内分布を示すグラフである。横軸は図３と同様に基板上での位置を示し、縦軸は、形成されたＰＺＴ薄膜の各位置に２Ｖの電圧を印加して分極反転させた際の自発分極量を示している。なお、測定は、図３と同様の５点にて行った。

また、図６は、実施例、比較例１および比較例２について、形成されたＰＺＴ薄膜におけるリーク電流値の面内分布を示すグラフである。横軸は図３と同様に基板上での位置を示し、縦軸は、形成されたＰＺＴ薄膜の各位置に２Ｖの電圧を印加した際のリーク電流の値を示している。なお、測定は、図３と同様の５点にて行った。

図５より、比較例１及び比較例２では、基板中央よりも基板周縁において自発分極量が低くなることが示された。一方、実施例では、基板面内でほぼ一定で、かつ高い値で自発分極が起こることが示された。また、図６より、比較例１及び比較例２では、基板中央よりも基板周縁においてリーク電流値が高くなることが示された。一方、実施例では、基板面内でほぼ一定で、かつリーク電流値が低いことが示された。

図５および図６の結果は、次のように考えられる。まず、上述のように、基板周縁にはシャワープレートから新しいガスが供給されるのと同時に、基板中央から再蒸発したＰｂ化合物等や、反応副生成物と呼ばれるガスも供給される。このことから、比較例１及び比較例２の場合は、基板周縁上においてこれらのガス中の濃度が高まり、気体状態を保てずに基板周縁に固体として析出すると考えられる。これにより、過剰なＰｂ等が基板周縁の薄膜の表面やＰＺＴ結晶粒界に残存し、膜表面の荒れ等を引き起こす。その結果、特に基板周縁ではＰＺＴ薄膜としての所望の強誘電特性が得られなかった。

一方、実施例の場合は、基板周縁におけるＰｂ化合物等の蒸気圧が高まり、基板周縁の薄膜にも過剰なＰｂ等が析出せず、膜表面の荒れが起こらないと考えられる。また、ＰＺＴ結晶粒界にも影響を及ぼさない。その結果、基板面内で均一な膜特性が得られ、ＰＺＴ薄膜としての所望の強誘電特性が面内で均一に得られた。

以上の結果より、本実施形態に係る薄膜製造方法および薄膜製造装置により、８インチ径基板のような大口径基板であっても、基板面内で均一な膜組成、膜特性を得ることができた。一般的には、成膜条件としての温度、供給ガス濃度等のパラメータは基板面内均一に構成する。しかしながら、発明者らは、蒸気圧の高い化合物における気体と固体（薄膜）との熱平衡状態に着目し、成膜用ガスの流れの上流である基板中央と下流である基板周縁とでは当該化合物の濃度が異なると考えた。これによって、基板面内の温度を均一に制御するのではなく、基板周縁の温度を中央よりも高く制御するといった、基板面内で不均一な成膜条件をあえて導入している。このことによって、上述のように従来技術と比較して飛躍的な作用効果を生み出すことができた。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば、第１の加熱部と第２の加熱部とが同心円状の多段ヒータ等で構成されている場合には、それぞれのヒータを制御することによって、中央から周縁に向かって、第1の温度から第２の温度まで漸次上昇するように制御することも可能である。

以上の実施形態では、ＰＺＴ薄膜を製造するとして説明したが、勿論これに限られない。薄膜を形成する際に、所定の成膜条件下で蒸気圧が高く、基板周縁において再析出を生じるような化合物が含まれる場合は、本発明を適用することが可能である。例えば、ＭＯＣＶＤ法でよく用いられる金属元素として、ガリウム（Ｇａ）が挙げられるが、ＧａもＰｂと同様、高温下で蒸気圧が高い。よって、例えば、発光素子等に用いられる窒化ガリウム系の薄膜を形成する際は、本発明を適用することによって、基板面内に均一な薄膜を形成できると考えられる。

以上の実施形態では、８インチ径の基板を用いたが、これに限られない。本発明は、例えば、６インチ径以上の大型の基板で特に効果を発揮することができる。また、基板の形状は円形に限られず、矩形でもよい。

また、本実施形態では、有機金属材料を用いたＭＯＣＶＤ法として説明したが、これに限られない。例えば、チャンバ内に有機金属ガスに限られない化合物ガス等を供給し、基板を加熱しながら薄膜を形成する熱ＣＶＤ法においても本発明は適用可能である。

Ｓ…基板
１０…原料供給部
１１、１２、３３…配管
２０…気化器
２１…供給用配管
２２…排気用配管
３０…混合器
３１…酸化ガス供給部
３２…不活性ガス供給部
４０・・・排気システム
５０・・・成膜室
５１…チャンバ
５２・・・ステージ
５３・・・シャワープレート
１００…薄膜製造装置

Claims (6)

1. チャンバ内に設置されたステージ上に基板を搬送し、
   前記基板の中央を第１の温度で、前記基板の周縁を前記第1の温度より高い第２の温度で加熱し、
   前記ステージと対向するシャワープレートから、蒸気圧の異なる複数種の物質を含有する成膜用ガスを前記基板上に供給することで、前記基板上に薄膜を製造する
   薄膜製造方法。
2. 請求項１に記載の薄膜製造方法であって、
   前記成膜用ガスは、複数種の有機金属ガスを含む
   薄膜製造方法。
3. 請求項２に記載の薄膜製造方法であって、
   前記薄膜は、チタン酸ジルコン酸鉛である
   薄膜製造方法。
4. 請求項３に記載の薄膜製造方法であって、
   前記第１の温度と前記第２の温度との差が５℃以上１０℃以下である
   薄膜製造方法。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の薄膜製造方法であって、
   前記薄膜製造工程は、前記基板の中央から周縁に向かって、前記第1の温度から前記第２の温度まで漸次上昇するように前記基板を加熱することを含む
   薄膜製造方法。
6. チャンバと、
   前記チャンバ内に設置され、基板を支持することが可能であり、前記基板の中央を加熱するための第１の加熱部と前記基板の周縁を加熱するための第２の加熱部とを有する加熱源を含むステージと、
   前記ステージと対向して前記チャンバ内に設置され、前記基板上に蒸気圧の異なる複数種の物質を含有する成膜用ガスを供給するためのシャワープレートと、
   前記シャワープレートに接続され、前記成膜用ガスを前記シャワープレートに供給することが可能なガス供給ラインと、
   前記第1の加熱部を第１の温度で加熱させ、前記第２の加熱部を前記第1の温度より高い第２の温度で加熱させることが可能な制御システムと
   を具備する薄膜製造装置。

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