JP4815724B2

JP4815724B2 - Shower head structure and film forming apparatus

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Publication number: JP4815724B2
Application number: JP2001272695A
Authority: JP
Inventors: 知尚桑田; 昌剛米田; 崇西森
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2000-09-08
Filing date: 2001-09-07
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2021-09-07
Also published as: JP2002155364A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等の被処理体にプロセスガスを用いて成膜を行う成膜装置等に搭載されるシャワーヘッド構造及び成膜装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な半導体集積回路の製造する工程においては、被処理体となる半導体ウエハ表面上に、配線パターンを形成する或いは配線間等の凹部を埋め込むために、Ｗ（タングステン）、ＷＳｉ（タングステンシリサイド）、Ｔｉ（チタン）、ＴｉＮ（チタンナイトライド）、ＴｉＳｉ（チタンシリサイド）、Ｃｕ（銅）、Ｔａ₂ Ｏ₅ （タンタルオキサイド）等の金属或いは金属化合物を堆積させて薄膜を形成している。
この種の金属薄膜の形成方法としては、３つの方式例えばＨ₂ （水素）還元法、ＳｉＨ₄ （シラン）還元法、ＳｉＨ₂ Ｃｌ₂ （ジクロロシラン）還元法等が知られている。このうち、ＳｉＨ₂ Ｃｌ₂ 還元法は、配線パターンを形成するために例えば、還元ガスとしてジクロロシランを用いて、６００℃程度の高温下にてＷやＷＳｉ（タングステンシリサイド）膜を形成する方法である。また、ＳｉＨ₄ 還元法は、同様に配線パターンを形成するために、例えば還元ガスとしてシランを用いて、ＳｉＨ₂ Ｃｌ₂ 還元法よりも低い４５０℃程度の温度下にてＷやＷＳｉ膜を形成する方法である。また、Ｈ₂ 還元法は、配線間の凹部を穴埋めしてウエハ表面の平坦化を行うために、例えば還元ガスとして水素を用いて３８０〜４３０℃程度の温度下でＷ膜を堆積させる方法である。
【０００３】
更に、これらの方法を適宜組み合わせた還元法も知られており、例えばＷＦ₆ （六フッ化タングステン）がいずれの方法にも使用される。
図９は、このような金属薄膜等を形成する一般的な成膜装置の構成例を示す。また図１０は、図９中のシャワーヘッド構造を詳細に示す拡大図である。
処理チャンバー２はアルミニウム等を用いて例えば筒体形状に成形される。この処理チャンバー２内には、薄いカーボン素材或いはアルミ化合物により成形された載置台４が設けられており、この下方には、石英製の透過窓６を介してハロゲンランプ等の加熱部８を配置している。
外部から搬送された半導体ウエハＷが載置台４上へ載置され、このウエハＷの周縁部が昇降可能に構成された、例えばリング形状のクランプリング１０により押さえ込まれて載置台４上に固定される。この載置台４に対向させた上方に例えばアルミニウムからなるシャワーヘッド構造１２を設けている。このシャワーヘッド構造１２下面には、略均等に配置された多数のガス噴射孔１４が形成されている。
【０００４】
そしてシャワーヘッド構造１２は、成膜処理中の温度をある程度低く、且つ安定的に維持させるために、例えば５０℃程度の熱媒体１６（例えば、チラー（商標名））等を内部に流している。このシャワーヘッド構造１２はヘッド本体７を有し、図１０に示すようにチャンバー天井部２ａにボルト５によって取り付けられる。このヘッド本体７の下面には、多数の噴射孔９が形成された噴射板１１がボルト１３によって取り付けられている。
このヘッド本体７内の空間には、多数の拡散孔１５が形成される拡散板１７が設けられており、ヘッド本体７内へ導入されたガスをウエハ面方向へ拡散させるようになっている。また、このヘッド本体７の側壁部分には、シャワーベース水路１８が設けられており、これに熱媒体１６が流されている。そして、成膜処理に際しては、加熱部８から透過窓６を透過して載置台４へ熱線を照射して、載置台４上に固定される半導体ウエハＷが所定の温度になるように間接的に加熱する。
【０００５】
これと同時に、載置台４の上方に設けられるガス噴射孔１４からプロセスガスとして例えば、ＷＦ₆ やＨ₂ 等がウエハ表面上に均等に供給することにより、ウエハ表面上にタングステン等の金属膜が形成される。
前述した成膜処理は枚葉式により、つまり複数枚、例えば２５枚ウエハを１枚ずつ連続的に成膜処理し、この連続成膜中に処理チャンバー２内の部材、例えば載置台やクランプリングやシャワーヘッド構造等に付着した余分な膜を除去する目的でＣｌＦ₃ 等のクリーニングガスを用いたドライクリーニング（フラッシング）が行われる。このように、一般的には、複数枚のウエハに亘る連続的な成膜処理とクリーニング処理とが繰り返し行われる。
【０００６】
ところで、それぞれのウエハに形成された堆積膜の電気的特性等を設計通りに一定に維持するためには、各ウエハに堆積させた膜の厚さが略一定になるように再現性を高く維持する必要が求められる。しかし実際には、クリーニング処理の直後に行う１枚目のウエハに体する成膜処理の膜厚と例えば２５枚連続処理した時の２５枚目のウエハに対する成膜処理の膜厚とがかなり異なる場合がある。例えばウエハの連続処理枚数が積算されるに従って、次第にウエハに成膜される膜厚が減少する傾向にある。これは、処理チャンバー２のアイドリング中において、熱媒体１６をシャワーヘッド構造１２のシャワーベース水路１８に流しているにもかかわらず、この温度が高くなる。そして、シャワーヘッド構造１２からプロセスガスを流してウエハの処理枚数が増加するに従って、シャワーヘッド構造１２の温度、特にガス噴射板の温度が、徐々に低下して所望する温度に落ち着くようになることに起因している。
【０００７】
そこで、シャワーヘッド構造１２のガス噴射板の温度を予め低めになるように維持させておき、ウエハの連続成膜処理が行われる。しかし、このように処理開始からシャワーヘッド構造１２のガス噴射板を比較的低温に維持させていた場合、クリーニング処理で比較的除去され難い化合物、例えばフッ化チタン（ＴｉＦｘ）等の反応副生成物がシャワーヘッド構造１２のガス噴射板の表面に付着するといった問題が新たに発生した。このフッ化チタンは、前の工程にてウエハ表面にすでに堆積されているチタン金属膜やチタン窒化膜等のチタン含有膜中の一部のチタン原子が、この成膜処理時に供給されるＷＦ₆ ガスのフッ素と反応して生成されてガス噴射板の表面に付着する。
【０００８】
図１１は、シャワーヘッド構造のガス噴射板の温度とシャワーヘッド構造に付着する反応副生成物の膜厚との関係を示している。図１１（Ａ）は載置台温度が４１０℃で膜厚１００ｎｍのタングステン金属膜を２５枚連続処理した時の特性を示し、図１１（Ｂ）は載置台温度が４６０℃で膜厚８００ｎｍのタングステン金属膜を２５枚連続処理した時の特性を示す。
これらの図から明らかなように、シャワーヘッド構造の温度を１００℃程度から８０℃程度に低下すると反応副生成物の膜厚が急激に厚くなっている。そして、一般的なクリーニング処理は、処理チャンバー２内の構造物の温度を成膜処理時と略同程度に維持しつつ、クリーニングガス、例えばＣｌＦ₃ ガスを流すことにより行っている。この場合、載置台４等に付着した不要なタングステン膜は除去されるが、シャワーヘッド構造のガス噴射板の表面に付着したフッ化チタン等の反応副生成物は、非常に除去されづらい、といった問題があった。
【０００９】
また、成膜処理中のシャワーヘッド構造のガス噴射板の温度をある程度高温にすることにより、反応副生成物が付着しづらくする手法もあるが、成膜条件によっては、シャワーヘッド構造のガス噴射板の温度の上限が制限され、付着しづらい温度まで上げることができない場合もあった。このような場合に、成膜処理を優先させると、反応副生成物の付着が多くなり、積算処理枚数が制限され、また付着量に対応するクリーニング処理が要求されることとなった。
本発明は、成膜装置に搭載され、成膜処理の再現性を向上させて高く維持することができると共に、成膜処理時に付着した反応副生成物の除去も短時間で容易に実施できるシャワーヘッド構造及び成膜装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、被処理体に対して成膜処理を施すための処理チャンバーの天井部に設けられて前記処理チャンバー内へ所定のガスを供給するシャワーヘッド構造において、底部に複数のガス噴射孔を有して有底筒体状に形成されたヘッド本体と、前記ヘッド本体を前記処理チャンバーの天井部へ支持するための接合フランジ部と、前記ヘッド本体の底部に設けられて前記ヘッド本体の温度調整を行なうために温度制御可能になされたヘッド加熱部とを備え、前記ヘッド本体の側壁の一部であって、前記ヘッド加熱部の上方には、前記側壁の断面積を縮小させて薄肉になされて、この部分の熱抵抗を大きくするために環状になされた括れ部が形成されていることを特徴とするシャワーヘッド構造を提供する。
【００１１】
このシャワーヘッド構造は、さらに上記接合フランジ部に設けられて、上記被処理体の成膜処理時に上記ヘッド本体を冷却し、また上記処理チャンバー内のクリーニング処理時に上記ヘッド本体を加熱するヘッド加熱・冷却部を備え、上記ヘッド加熱部と上記ヘッド加熱・冷却部とにより、上記ヘッド本体の温度が５０〜３００℃の範囲で制御される。
また、プロセスガス雰囲気内で、加熱された被処理体の表面に反応生成物を堆積させる成膜処理を行う処理チャンバーを有する成膜装置に搭載され、上記処理チャンバーへシャワーヘッド構造を介してプロセスガスを導入して、成膜装置内のクリーニング方法において、上記シャワーヘッド構造から上記処理チャンバー内へクリーニングガスを流しつつ、該シャワーヘッド構造のガス噴射部の温度を、成膜処理時の温度よりも高く設定して、成膜処理時に発生した反応副成膜を除去するクリーニング処理を提供する。
このクリーニングにおけるシャワーヘッド構造のガス噴射部の温度は１３０℃以上であり、シャワーヘッド構造のガス噴射部の表面に付着したフッ化チタン（ＴｉＦｘ）系を主成分とする反応副生成物を除去する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明に係るシャワーヘッド構造の一実施形態を成膜装置に搭載した構成を示す断面図である。また、図２は、上記シャワーヘッド構造の詳細な断面構成を示す図であり、図３は、上記シャワーヘッド構造をサセプタ側から見た平面図である。
この成膜装置２０は、例えばアルミニウム等を用いて円筒状或いは箱状に成形された処理容器としての処理チャンバー２２を有している。この処理チャンバー２２の内部底面から立ち上げられた円筒状のリフレクタ２４上に、例えば断面Ｌ字状の保持部材２６で支持された載置台２８が設けられている。このリフレクタ２４は、内側が鏡面研磨されたアルミニウムにより形成され、保持部材２６は、熱線透過性の材料、例えば石英により形成される。また、載置台２８は、厚さ２ｍｍ程度の例えばカーボン素材、ＡｌＮなどのアルミ化合物により形成され、被処理体となる半導体ウエハ（以下、ウエハと称する）Ｗを載置する。
【００１３】
更に、載置台２８の下方には、複数本、例えば３本のリフターピン３０（図１においては２本のみを代表的に示している）が支持部材３２の一端から上方へ延びるように設けられている。また支持部材３２の他端は、リフレクタ２４に形成された垂直スリット（図示せず）を通り抜けて外まで延びている。この支持部材３２は、各リフタピン３０が一斉に上下動するようにそれぞれの他端が環状結合部材３４により結合されている。更に、この環状結合部材３４は、処理チャンバー２２の底部を貫通して垂直に延びた押し上げ棒３６の上端に連結されている。
上記押し上げ棒３６の下端は、処理チャンバー２２において内部の真空状態を保持するために伸縮可能なベローズ４０内を通じてアクチュエータ４２に接続されている。この構成において、アクチュエータ４２により押し上げ棒３６を上方に移動させると、リフタピン３０が載置台２８のリフタピン穴３８を挿通して押し出され、載置されているウエハＷを持ち上げる。
【００１４】
また、載置台２８の周囲には、ウエハＷの周縁部を載置台２８側へ押し付けて固定するためのクランプ機構４４が設けられる。このクランプ機構４４は、半導体ウエハＷの周縁部に線接触して固定するリング形状のクランプリング本体４６と、このクランプリング本体４６を下方向へ付勢するコイルバネ４８とにより主に構成されている。このクランプリング本体４６は、ウエハの輪郭形状に沿った略リング状のセラミック材料で形成される。このセラミック材料としては、例えばＡｌＮが用いられる。
このクランプリング本体４６は、保持部材２６に接触しないように貫通した支持棒５０により支持部材３２へ連結されている。この支持棒５０は、例えば３本（図１においては２本のみ代表的に示している）が設けられて、クランプリング本体４６を支持し、リフタピン３０と一体的に昇降する。
【００１５】
また、載置台２８の直下の処理チャンバー底部には、石英等の熱線透過材料により形成される透過窓５２が真空状態を保持できるように取り付けられている。
更に、この下方には、透過窓５２を囲むように箱状の加熱室５４が設けられている。この加熱室５４内には加熱部となる複数個の加熱ランプ５６が反射鏡も兼ねる回転台５８に配置されている。この回転台５８は、回転軸を介して加熱室５４の底部に設けた回転モータ６０により回転される。回転される加熱ランプ５６より放出された熱線は、石英等からなる透過窓５２を透過して載置台２８の下面を照射してこれを均一的に加熱する。尚、加熱部として、加熱ランプ５６に代わって、抵抗加熱ヒータを載置台２８内に埋め込んでもよい。
さらに載置台２８の外周側には、多数の整流孔６２を有するリング状の整流板６４が、上下方向に成形された支持コラム６６により支持されて設けられている。上記整流板６４の下方の底部には排気口６８が設けられ、この排気口６８には図示しない真空ポンプに接続された排気通路７０が接続されており、処理チャンバー２２内を排気して、所望の真空状態に維持する。また、処理チャンバー２２の側壁には、ウエハを搬出入する際に開閉されるゲートバルブ７２が設けられる。
【００１６】
一方、上記載置台２８と対向する処理チャンバー２２の天井部には、比較的大きな開口部７４が開口されており、この開口部７４には、プロセスガス等を処理チャンバー２２内へ導入するためのシャワーヘッド構造８０が真空状態を維持できるようにシールして嵌め込まれている。
具体的には、図２に示すように、シャワーヘッド構造８０は、例えばアルミニウム等からなる有底筒体、例えばカップ形状のヘッド本体８２を有し、このヘッド本体８２の開口側にはヘッド蓋体８４がＯリング等のシール部材８６を挟んで取り付けられている。また、ヘッド蓋体８４は、ヘッド本体８２に接触する面でＯリングに沿って樹脂等から成る断熱部材８７が設けられている。このヘッド蓋体８４の中心部は、ガス導入口８８が設けられている。このガス導入口８８には、ガス通路９０を介してプロセスガス、例えば成膜処理時に使用するＷＦ₆ 、Ａｒ、ＳｉＨ₄ 、Ｈ₂ 、Ｎ₂ 等のガス供給系（図示せず）やクリーニング時に使うクリーニングガス、例えばＣｌＦ₃ 等のガス供給系（図示せず）が流量制御可能に接続されている。
【００１７】
図３に示すように、ヘッド本体８２の底部であるガス噴射部９２には、ヘッド本体８２内へ供給されたガスを処理空間Ｓへ放出するための多数のガス噴射孔９４が面全体に亘って開けられており、ウエハ表面へ均一的にガスを放出する。このガス噴射部９２は、ヘッド本体底部に、例えば一体成形されている。これは、従来がガス噴射部９２とヘッド本体８２とが別体であったため、取り付け部分が接触しており、両部材間の熱伝導性が悪く、また材料が異なっていたため、熱膨張率の違いから歪みや摺り合わせにより接合面とがこすれてパーティクルが発生していたが、一体成形により、熱伝導性が向上し、パーティクルが発生しなくなるなど、これらの問題が解決されている。ヘッド蓋体８４とヘッド本体８２との接合面に断熱部材８７を設けることで、接合面を小さくでき、断熱部材８７の効果で熱の伝搬を抑制でき、ヘッド本体８２の温度を精度よく制御することが可能となる。
【００１８】
そして、このヘッド本体８２の側壁９８の下端部には、ヘッド加熱部として例えば、絶縁されたシースヒータ等よりなるヘッド加熱ヒータ１００が環状に、例えばリング状に略一周するように埋め込まれており、主としてこのヘッド本体８２を加熱している。ヘッド加熱ヒータ１００は、図３に示すようなヘッド温度制御部１０２により、必要とされる温度範囲内にて任意の温度に制御される。
またヘッド本体８２の上端部には、外周方向に拡がるように接合フランジ部１０４が設けられている。この接合フランジ部１０４の下面には、円形リング状の断熱材１０６ａとシール面が設けられている。ヘッド本体８２が処理チャンバー２２の開口部７４に嵌め込まれた際に、天井壁１０８の上面との大半の接触部分を断熱材１０６ａにより接して熱が伝わりにくくしている。この断熱材１０６ａは、樹脂等から成り、その幅は、上記両接触面の幅よりも少し狭く形成されて、残りの接触面はシール面となっている。また、この天井部１０８上面と接合フランジ部１０４下面のシール面とが接触する部分には、Ｏリング等からなるシール部材１１０を介在させて、真空状態が維持できるようになっている。また、接合フランジ部１０４の外周には、樹脂等から成る断熱材１０６ｂが設けられて熱の逃げを防止している。
【００１９】
特に、シール面に対して図２に示す天井壁１０８の上面の真空側にある面の表面をわずかに低くすることにより、天井壁１０８面と接合フランジ部１０４の下面とが接触しない様に、わずかに隙間１０９をつくりつつ、シール部材１１０で真空状態を保持させる。つまり、天井壁１０８面と接合フランジ部１０４のシール面とを非接触にさせることにより、熱膨張等による擦り合わせが無くなり、パーティクルの発生を防止する効果を得ることができる。尚、図２に示すようにヘッド本体８２とヘッド蓋体８４との接触部分にも同様に形成することで、パーティクルの発生を防止できる。
【００２０】
一方、接合フランジ部１０４の上面には、ヘッド加熱・冷却部となる、例えばペルチェ素子１１２がこの上面に沿って下面（温調面）が接するように環状に、例えば等間隔に、またはリング状に設けられている。ペルチェ素子１１２は、ペルチェ制御部１１４の制御により、接合フランジ部１０４やヘッド本体８２を、必要に応じて加熱、或いは冷却するために用いられる。
ヘッド本体８２の温度制御範囲は、例えばペルチェ素子１１２とヘッド加熱ヒータ１００との組み合わせにより、ヘッド本体８２の下面の面内温度均一性を維持しつつ加熱するために、例えば５０〜３００℃の範囲内、好ましくは５０〜２５０℃の範囲内である。
そして、ペルチェ素子１１２の上面（温調面）には、同じくリング状に形成された媒体流路１１６が設けられる。この媒体流路１１６に所定の温度の熱媒体を流すことにより、ペルチェ素子１１２の上面側（図２中）にて発生した温熱、或いは冷熱を伝搬する。
【００２１】
また、ヘッド本体８２の底部であるガス噴射部９２のヘッド加熱ヒータ１００の上方において、この側壁の一部の断面積を縮小させるための括れ部１１８が側壁９８の外周側に沿って環状の、例えば溝またはリング状に形成されている。この括れ部１１８における上下方向へ熱抵抗を大きくすることにより、ヘッド加熱ヒータ１００で発生した熱が、ヘッド側壁９８を伝わってその上方へ逃げ難くなるようにしている。尚、図２に示す例では、側壁９８の外周側から凹部状に削り取ることにより括れ部１１８を形成しているが、これに代えて、その内周側から削り取るようにして形成してもよい。
また、ヘッド本体８２内には、多数のガス分散孔１２０が形成された拡散板１２２が設けられており、ウエハＷ面に、より均等にガスが供給される。更に、シャワーヘッド構造の構成部品の接合部に設けた各シール部材８６、１１０は、それぞれ断面凹部状になされた環状の、例えば溝またはリング状のシール溝１２４、１２６に嵌め込まれている。
【００２２】
次に、以上のように構成された本実施形態のシャワーヘッド構造を搭載した成膜装置による処理動作について説明する。
ここで、本実施形態では、課題において前述したように、成膜処理条件によっては成膜中のヘッド本体８２の温度を反応副生成物が付着しづらい温度まで上げることができない場合、シャワーヘッド構造８０のヘッド本体８２のガス噴射部の温度を比較的低温に維持して成膜処理を行う。これは、ウエハＷ上に生成された膜の膜厚は略同一となり、膜厚の再現性について非常に良好となるが、除去され難い反応副生成物も付着する。そこで、あるタイミングで本実施形態の構成の加熱部を利用したクリーニング処理を行う必要がある。但し、そのタイミングは、成膜処理終了毎に行ってもよいが、ユーザ側の使用状況によって異なるため、例えば、積算処理枚数若しくは、積算処理時間若しくは、測定された反応副生成物の膜厚若しくは、ウエハ上の生成膜の電気特性等が規格内か等を基準として、例えば積算処理枚数として、１００ロットで、好ましくは１〜５０ロットの範囲でクリーニング処理の実施の有無を決めればよい。１ロット２５枚のウエハの成膜処理後においては、ヘッド本体８２のガス噴射部の表面の温度を成膜条件と同じ温度でクリーニング処理して、２０ロットを処理した後に、ヘッド本体８２のガス噴射部の温度より高い温度にして自動的にクリーニング処理が実施されるようなシーケンスを組んでおき、ユーザの指示が無くとも定期的にクリーニング処理を実施するようにしてもよい。また、プロセスが異なる小数多品種のウエハを処理する場合には、その１種類のプロセスが終了した毎に、自動的にクリーニング処理を実施するようにしてもよい。
【００２３】
まず、ウエハＷ表面に例えばタングステンのような金属膜の成膜処理を施す場合には、処理チャンバー２２の側壁に設けたゲートバルブ７２を開いて図示しない搬送アームにより処理チャンバー２２内にウエハＷを搬入し、リフタピン３０を押し上げることによりウエハＷをリフタピン３０側に受け渡す。
そして、リフタピン３０を、押し上げ棒３６を下げることによって降下させ、ウエハＷを載置台２８上に載置すると共にウエハＷの周縁部をクランプリング本体４６で押圧してこれを固定する。尚、このウエハＷの表面には、すでに前の工程にてチタン金属膜やチタン窒化膜等のチタン含有膜が堆積されている。
【００２４】
次に、図示しないプロセスガス供給系から、ＷＦ₆ 、ＳｉＨ₄ 、Ｈ₂ 等のプロセスガスをＡｒやＮ₂ 等のキャリアガスにより伝搬させて、シャワーヘッド構造８０内へ所定量ずつ供給させて混合する。この混合ガスをヘッド本体８２内で拡散させつつ下面のガス噴射孔９４から処理チャンバー２２内へ略均等に供給する。
このようなガス供給と同時に、排気口６８から内部雰囲気（混合ガス）を排気することにより処理チャンバー２２内を所定の真空度、例えば２００Ｐａ〜１１０００Ｐａの範囲内の値に設定し、且つ載置台２８の下方に位置する加熱ランプ５６を回転させながら駆動して、熱エネルギー（熱線）を放射する。
放射された熱線は、透過窓５２を透過した後、載置台２８の裏面を照射して、ウエハＷを裏面側から加熱する。この載置台２８は、前述したように厚さが２ｍｍ程度と非常に薄いことから迅速に加熱されて、この上に載置するウエハＷも迅速に所定の温度まで加熱することができる。供給された混合ガスは所定の化学反応を生じて、ウエハＷの全表面上に例えばタングステン膜として堆積される。
【００２５】
この時、ウエハＷの温度を４８０℃以下（載置台２８の温度は５００℃以下）に維持し、シャワーヘッド構造８０の特にヘッド本体８２のガス噴射部の温度を１１０℃以下、好ましくは９５℃以下に維持するように制御する。
この場合、ヘッド本体８２は、載置台２８側から多くの輻射熱を受けることからこの設定温度である、例えば９５℃以上に上昇する傾向にあるので、接合フランジ部１０４に設けたペルチェ素子１１２を駆動し、この下面を冷却する。これによって、ヘッド本体８２から温熱を奪ってこれを冷却し、ヘッド本体８２のガス噴射部の温度を上述のように９５℃以下に保つ。
この時、ペルチェ素子１１２の上面には温熱が発生するため、このペルチェ素子１１２の上面に接合している媒体流路１１６に例えば２０〜３０℃程度に維持された流体から成る熱媒体、例えばチラー（商品名）を流して、ペルチェ素子１１２の上面にて発生した温熱を外部へ伝搬する。この熱媒体は、成膜処理時に冷却するための低い温度の熱媒体と、クリーニング処理時に加熱するための温度が高い熱媒体との少なくとも２種類の温度の熱冷媒が必要である。しかし熱冷媒の温度変更に時間を要する場合には、時間のロスとなるため、これらを短時間で切り替える様に、２系列の温度設定用の媒体流路を有する構成にしておき、バルブ切り換えにより短時間で成膜処理とクリーニング処理の変更を可能にすることもできる。
【００２６】
また、チャンバー天井壁１０８と接合フランジ部１０４との接合部には、断熱材１０６が介在されているため、ヘッド本体８２から天井壁１０８に逃げる熱を抑制することができる。これとペルチェ素子１１２の作用と相まってシャワーヘッド構造８０は、熱的に略絶縁されて浮いた状態となって、主にヘッド本体８２を安定的に所望の温度に維持することができる。すなわち、これによりヘッド本体８２を成膜中において安定的に所望の一定の温度に維持することが可能となる。尚、ヘッド本体８２のガス噴射部の温度が過度に低くなり過ぎる傾向の時には、この側壁９８に設けたヘッド加熱ヒータ１００を駆動して適宜加熱して温度制御を行えばよい。
成膜時は、ヘッド本体８２のガス噴射部の温度を１１０℃以下、好ましくは９５℃程度の温度でウエハＷ上にタングステン膜を形成すると、例えば１ロット２５枚のウエハを連続的に成膜処理した時の各膜厚は略同一となり、膜厚の再現性は非常に良好となる。このように成膜処理を行うと、ウエハＷ以外にも、例えば載置台２８の表面やクランプリング本体４６の表面等にもタングステン膜が不要な膜として付着する。この時発生する反応副生成物、例えばウエハ表面のチタン含有膜中のチタンと化合して発生するフッ化チタン（ＴｉＦｘ）系の生成物がヘッド本体８２の表面に多量に付着する傾向となる。
【００２７】
そして、ある程度の積算処理枚数に達したならば、不要なタングステン膜や反応副生成物を除去するクリーニング処理を行う。
ここで、成膜時のシャワーヘッド構造のガス噴射部の温度と膜厚の再現性との関係及びクリーニング処理時のシャワーヘッド構造のガス噴射部の温度と反応副生成物の除去量との関係を実際に評価したので、その評価結果について説明する。
図４は、タングステン膜の成膜時のシャワーヘッド構造のガス噴射部の温度と膜厚の再現性との関係を示している。ここでは、２５枚のウエハに連続成膜した時の膜厚を各々測定し、２５枚の膜変動率とシャワーヘッド構造のガス噴射部の温度との関係を、成膜温度が４１０℃の場合と４６０℃の場合について検討した。
【００２８】
この図から明らかなように、成膜温度が４６０℃では膜厚の再現性は変化がなく、３％以下で問題ない。しかし、成膜温度が４１０℃の場合は、シャワーヘッド構造のガス噴射部の温度が１１０℃から７０℃に掛けて、低くなればなる程、膜厚の再現性は向上し（数値は小さくなる）、シャワーヘッド構造のガス噴射部の温度を９５℃以下に設定することにより、膜厚の再現性が改善されている。
例えばガス噴射部の温度が９０℃以下では、１％以下になっている。従って、膜厚の再現性を向上させるには、シャワーヘッド構造のガス噴射部の温度を略９５℃以下に設定してタングステン膜を堆積させればよいことが判明する。ただし、この場合には、シャワーヘッド構造のガス噴射部の温度に反比例してシャワーヘッド構造のガス噴射部の表面に付着する反応副生成物（ＴｉＦ_x 系）の量が増加することは避けられない。また、膜厚の再現性を±３％以内にするためには、成膜処理温度（ウエハ温度よりも僅かに高い）が略４２０℃以下の時は、ヘッド本体の温度を略９５℃以下に設定し、また、成膜処理温度が略５００℃以下の時は、ヘッド本体の温度を略１１０℃以下に設定すればよいことが判明する。
【００２９】
図５は、クリーニング時のシャワーヘッド構造物のガス噴射部の温度と反応副生成物（ＴｉＦｘ）の除去量との関係を示している。この図中には、シャワーヘッド構造のガス噴射部の温度を１３０℃、１４０℃、１５０℃を例としており、それぞれクリーニングの前と後の反応副生成物の膜厚を示している。
この時の他のクリーニング条件は、例えば載置台温度は２５０℃、クリーニングガスであるＣｌＦ₃ の流量は５００ｓｃｃｍ、圧力は２６６６Ｐａ（２０Ｔｏｒｒ）、クリーニング時間は７２５ｓｅｃ、載置台サイズは８インチ用である。このグラフから明らかなように、初期の膜厚が略１９ｎｍとした場合、シャワーヘッド構造のガス噴射部の温度が１３０℃の時には、略７ｎｍ厚の反応副生成物が残存して十分にクリーニングができていない。
従って、ヘッド本体の温度を１３０℃よりも高くすることにより十分にクリーニングができることが判明する。これに対して、シャワーヘッド構造のガス噴射部の温度が１４０℃及び１５０℃の場合には、反応副生成物の残存量はゼロであり、反応副生成物のを完全に除去できることが判明した。従って、シャワーヘッド構造のガス噴射部の温度は、少なくとも略１３５℃以上に設定すればよいことが判明した。
【００３０】
図６を参照して、このクリーニング処理（フラッシング）における反応副生成物（ＴｉＦｘ等）を除去した時のヘッド本体８２のガス噴射部の温度と反応副生成物の除去速度の関係を示して説明する。
この一例においては、クリーニングガス（ＣｌＦ₃ ）を流量１〜２００ｓｃｃｍ、好ましくは、流量３０〜１００ｓｃｃｍ、圧力を０．１３３〜１３３３Ｐａ、好ましくは０．１３３〜１３３Ｐａとして、フラッシング時間を１〜１５０ｍｉｎ好ましくは５〜１００ｍｉｎであり、フラッシングによる与えるシャワーヘッド構造８０へのダメージと反応副生成物の除去の効果を考えると、少流量、低真空が望ましい。このフラッシングで具体的な条件としては、例えばクリーニングガスとしてＣｌＦ₃ ガス５０ｓｃｃｍ、圧力０．１３３Ｐａ、フラッシング時間６０ｍｉｎ、シャワーヘッド構造物のガス噴射部の温度１５０℃の条件で、不要なタングステン膜や従来のクリーニング方法では除去が困難な反応副生成物を除去している。
【００３１】
この際、載置台２８の温度は、従来のクリーニング処理の場合と略同じ例えば２５０℃程度に維持する。これに対して、ヘッド本体８２及び接合フランジ部１０４の温度、特にガス噴射部９２の表面温度は、従来のクリーニング処理時の温度である７０〜８０℃程度よりもかなり高い温度、例えば１３０℃以上程度、好ましくは１３５〜１７０℃の温度に設定する。
この設定は、接合フランジ部１０４に設けたペルチェ素子１１２に成膜時とは逆方向の電流を流して、ペルチェ素子１１２の下面側を発熱させて、接合フランジ部１０４やヘッド本体８２を上方側から加熱する。このようにシャワーヘッド構造８０を、下方からヘッド加熱ヒータ１００により、上方からペルチェ素子１１２によりそれぞれ加熱することにより、ヘッド本体８２（特に、ガス噴射部９２の表面近傍）を１３５〜１７０℃の温度に維持する。ここで、１３５〜１７０℃のガス噴射部の温度は、クリーニング処理にかかる時間との関係で設定されるものであり、１３５℃以下でも時間を掛ければ反応副生成物を除去することは可能である。また、ガス噴射部の温度の上限は、ガス噴射部９２の材料のクリーニングガスに対する腐食温度以下、例えばアルミニウムの場合は、例えば４００℃程度以下である。
【００３２】
以上のようにシャワーヘッド構造８０を、特にヘッド本体８２のガス噴射部の温度を１３５〜１７０℃に維持することにより、不要なタングステン膜は勿論のこと、従来のクリーニング処理では除去が困難であった反応副生成物、例えばフッ化チタン系生成物もヘッド本体８２の表面、例えば主にガス噴射面から容易に除去される。この場合、ヘッド本体８２の側壁には、熱抵抗を大きくする括れ部１１８を設けてあることから、熱伝導で上方へ逃げる熱が抑制されて保温機能が発揮される。この結果、ガス噴射部９２全体の温度を十分に高く維持することができ、この下面のガス噴射面に付着した反応副生成物が確実に除去される。また、括れ部１１８の作用により、ガス噴射部９２の面内温度の均一性も向上させることができる。
【００３３】
次に、ヘッド本体８２の温度分布をシミュレーションを行って計測したので、そのシミュレーション結果について説明する。
図７は、ヘッド本体の温度分布のシミュレーション結果を示す図である。ここで、ヘッド本体８２の上端の温度を５０℃に設定し、ガス噴射部９２の温度を２００℃に設定しており、また、ヘッド本体８２の高さＨ１は６７ｍｍである。この図に示す温度分布から明らかなように、括れ部１１８における温度勾配が非常に大きくなっており、すなわち温度分布の曲線が密になっており、この括れ部１１８の熱抵抗によるガス噴射部９２に対する保温効果が非常に優れており、ヘッド本体温度を制御しやすい構造であることが判明した。この括れ部の厚みａは３〜１０ｍｍで、高さｂは１０〜５０ｍｍである。
【００３４】
また、上記実施形態にあっては、接合フランジ部１０４にペルチェ素子１１２を設けたが、図８に示すように、このペルチェ素子１１２を設けることなく、この接合フランジ部１０４に直接的に媒体流路１１６を接合するようにしてもよい。この場合にも、ペルチェ素子１１２を設けた場合と略同等な作用効果を発揮することが可能となる。
尚、本実施形態では、クリーニングガスとしてＣｌＦ₃ ガスを用いた場合を例にとって説明したが、これに限定されず、他のクリーニングガス、例えばＮＦ₃ ガス、ＨＣｌガス、Ｃｌ₂ ガス等を用いる場合にも本発明を適用することができる。尚、ＮＦ₃ の使用では、プラズマで使用される。また、ここではタングステン膜を堆積する時に生ずる反応副生成物（ＴｉＦ_x ）をクリーニングにより除去する場合を例にとって説明したが、他の金属及び金属化合物、例えばＴｉ（チタン）、Ｃｕ（銅）、Ｔａ（タンタル）、Ａｌ（アルミニウム）、ＴｉＮ（チタンナイトライド）、Ｔａ₂ Ｏ₅ （タンタルオキサイド）等を含有する堆積膜を形成する時に生ずる反応副生成物を除去する場合にも本発明を適用することができる。また更には、本発明は、プラズマを用いて薄膜生成を行うプラズマ成膜装置にも適用できるのみならず、被処理体としては半導体ウエハに限定されず、ＬＣＤ基板、ガラス基板等も用いることができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のシャワーヘッド構造及び成膜装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
請求項１及びこれを引用する請求項に係る発明によれば、ヘッド本体の側面に括れ部を形成することにより熱伝導を少なくし、加えて断熱材により熱伝導を少なくさせることにより、クリーニング処理時に括れ部の熱抵抗や断熱材によって、ヘッド本体のガス噴射面側からの熱の逃げを抑制して、ガス噴射面の部分の温度を高く維持させて、さらに、その面内温度の均一性も高くして反応副生成物の除去を効率的に行うことができる。
特に請求項２に係る発明によれば、ヘッド本体と従来別体であった噴射板（本発明のヘッド本体底部のガス噴射部に相当する）と接合フランジ部（本発明の接合フランジ部に相当する）とが一体成形されているため、シャワーヘッド構造に温度変化があっても熱膨張差による擦れが生じる恐れがなく、パーティクルの発生を抑制する。
本発明の関連技術によれば、成膜処理中にはシャワーヘッド構造のガス噴射部の温度を比較的低い温度に維持されることにより、各被処理体の間の膜厚を略均一化させて膜厚の再現性を向上させて高く維持する。また、本発明の関連技術によれば、クリーニング処理時には、ヘッド加熱部によりシャワーヘッド構造の温度自体を成膜処理時よりも高く維持し、成膜処理時に発生し、シャワーヘッド構造のガス噴射部の表面に付着した反応副生成物を除去することができる。
【００３６】
本発明の関連技術によれば、クリーニング処理は、成膜処理終了後、積算処理枚数、積算処理時間及び、測定された反応副生成物の膜厚、ウエハ上に形成された膜の規格のいずれかを基準として、ユーザで適宜、実施タイミングとすることができる。
本発明の関連技術によれば、シャワーヘッド構造のヘッド本体を一体的成形することにより、ガス噴射部と側面や上部との間に温度差が生じても、構成部材の接合部分が存在しないため、温度差による熱膨張差に起因する部材間の擦れの発生がなくなり、パーティクルの発生を防止することができる。
本発明の関連技術によれば、シャワーヘッド構造のヘッド本体と他の構成部材との取り付けにおいても、僅かな隙間を樹脂等からなる断熱材で作り出すことにより、熱の伝搬を抑制して精度よくガス噴射部の温度を制御することができる。
【００３７】
特に請求項３に係る発明によれば、ヘッド加熱部により、成膜処理時にはヘッド本体を冷却して膜厚の再現性を一層高め、クリーニング処理時にはヘッド本体を加熱して反応副生成物を一層効率的に除去することができる。
特に請求項５に係る発明によれば、ヘッド本体の上部に設けたペルチェ素子の上面に発生する温熱を外部に伝搬するための熱媒体は、成膜処理時に用いる冷却用の温度が低いものと、クリーニング処理時に用いる加熱用の温度が高いものとを有し、切り換えにより短時間に切り替えて利用することができる。
本発明の関連技術によれば、成膜処理時及びクリーニング処理時に、ペルチェ素子の上面側より発生する温熱、或いは冷熱を熱媒体を用いて除去することにより、シャワーヘッド構造を熱的に浮かせることができる。
本発明の関連技術によれば、シャワーヘッド構造の温度を安定的に一定に維持することができるので、膜厚の面内均一性を向上させることができる。
請求項７に係る発明によれば、シャワーヘッド構造の接合フランジ部のシール面と処理チャンバー側の天井壁面との一部が非接触となるので、熱膨張等による擦り合わせが無くなり、パーティクルの発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るシャワーヘッド構造を搭載する成膜装置の一構成例を示す断面構成図である。
【図２】図１に示したシャワーヘッド構造の詳細な構成を示す断面図である。
【図３】図１に示したシャワーヘッド構造をサセプタ側から見た平面図である。
【図４】タングステン膜の成膜時のシャワーヘッド構造の温度（ガス噴射部の中心部）と膜厚の再現性との関係を示す図である。
【図５】クリーニング時のシャワーヘッド構造物の温度（ガス噴射部の中心）と反応副生成物（ＴｉＦｘ）の除去量との関係を示す図である。
【図６】本発明により反応副生成物を除去した時のヘッド本体の温度と反応副生成物の除去速度の関係を示す図である。
【図７】ヘッド本体の温度分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図８】シャワーヘッド構造の変形例を示す断面図である。
【図９】従来のシャワーヘッド構造を搭載する成膜装置の構成例を示す図である。
【図１０】図９に示したシャワーヘッド構造の詳細な構成を示す断面図である。
【図１１】シャワーヘッド構造のガス噴射部の温度とシャワーヘッド構造のガス噴射部の表面に付着する反応副生成物の膜厚との関係を示す図である。
【符号の説明】
２０成膜装置
２２処理チャンバー（処理容器）
２８載置台
５２透過窓
５６加熱ランプ
８０シャワーヘッド構造
８２ヘッド本体
８４ヘッド蓋体
９４ガス噴射孔
１００ヘッド加熱ヒータ（ヘッド加熱部）
１０４接合フランジ部
１１２ペルチェ素子（ヘッド加熱・冷却部）
１１６媒体通路
１１８括れ部
１２４，１２６シール溝
Ｗ半導体ウエハ（被処理体）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a showerhead structure mounted on a film forming apparatus or the like for forming a film on a target object such as a semiconductor wafer using a process gas.And deposition equipmentAbout.
[0002]
[Prior art]
In the process of manufacturing a general semiconductor integrated circuit, W (tungsten) or WSi (tungsten silicide) is used to form a wiring pattern or embed a concave portion between wirings on the surface of a semiconductor wafer to be processed. Ti (titanium), TiN (titanium nitride), TiSi (titanium silicide), Cu (copper), Ta₂ O_Five A thin film is formed by depositing a metal such as (tantalum oxide) or a metal compound.
There are three methods for forming this type of metal thin film, such as H₂ (Hydrogen) reduction method, SiH_Four (Silane) reduction method, SiH₂ Cl₂ (Dichlorosilane) reduction method and the like are known. Of these, SiH₂ Cl₂ The reduction method is a method of forming a W or WSi (tungsten silicide) film at a high temperature of about 600 ° C. using, for example, dichlorosilane as a reducing gas in order to form a wiring pattern. SiH_Four In the reduction method, in order to form a wiring pattern, for example, silane is used as a reducing gas, and SiH is used.₂ Cl₂ In this method, the W or WSi film is formed at a temperature of about 450 ° C., which is lower than that of the reduction method. H₂ The reduction method is a method of depositing a W film at a temperature of about 380 to 430 ° C., for example, using hydrogen as a reducing gas in order to fill the recesses between the wirings and planarize the wafer surface.
[0003]
Furthermore, a reduction method in which these methods are appropriately combined is also known, for example, WF₆ (Tungsten hexafluoride) is used in both methods.
FIG. 9 shows a configuration example of a general film forming apparatus for forming such a metal thin film. FIG. 10 is an enlarged view showing the shower head structure in FIG. 9 in detail.
The processing chamber 2 is formed into, for example, a cylindrical shape using aluminum or the like. In the processing chamber 2, a mounting table 4 formed of a thin carbon material or an aluminum compound is provided, and below this, a heating unit 8 such as a halogen lamp is disposed through a quartz transmission window 6. is doing.
A semiconductor wafer W transported from the outside is placed on the mounting table 4, and a peripheral portion of the wafer W is configured to be movable up and down, for example, pressed by a ring-shaped clamp ring 10 and fixed on the mounting table 4. The A shower head structure 12 made of, for example, aluminum is provided above the mounting table 4. A large number of gas injection holes 14 are formed on the lower surface of the shower head structure 12 so as to be substantially evenly arranged.
[0004]
The shower head structure 12 has a heat medium 16 (for example, chiller (trade name)) or the like flowing therein, for example, at about 50 ° C. in order to keep the temperature during the film forming process low to a certain extent and stably. . This shower head structure 12 has a head body 7 and is attached to the chamber ceiling 2a with bolts 5 as shown in FIG. On the lower surface of the head body 7, an injection plate 11 having a large number of injection holes 9 is attached by bolts 13.
A diffusion plate 17 in which a large number of diffusion holes 15 are formed is provided in the space in the head main body 7 so that the gas introduced into the head main body 7 is diffused in the wafer surface direction. Further, a shower base water channel 18 is provided on the side wall portion of the head main body 7, and the heat medium 16 is passed through the shower base water channel 18. In the film formation process, the heating unit 8 passes through the transmission window 6 and irradiates the mounting table 4 with heat rays, so that the semiconductor wafer W fixed on the mounting table 4 is indirectly heated to a predetermined temperature. Heat to.
[0005]
At the same time, as a process gas from a gas injection hole 14 provided above the mounting table 4, for example, WF₆ And H₂ Etc. are evenly supplied on the wafer surface, so that a metal film such as tungsten is formed on the wafer surface.
The film forming process described above is a single wafer type, that is, a plurality of, for example, 25 wafers are continuously formed one by one, and members in the processing chamber 2 such as a mounting table and a clamp ring are continuously formed during the continuous film forming. ClF for the purpose of removing excess film adhering to the shower head structure, etc._Three Dry cleaning (flushing) using a cleaning gas such as is performed. As described above, generally, a continuous film forming process and a cleaning process over a plurality of wafers are repeatedly performed.
[0006]
By the way, in order to maintain the electrical characteristics of the deposited films formed on each wafer to be constant as designed, maintain high reproducibility so that the thickness of the film deposited on each wafer is substantially constant. It is necessary to do. However, in actuality, the film thickness of the film forming process performed on the first wafer performed immediately after the cleaning process is considerably different from the film thickness of the film forming process for the 25th wafer when, for example, 25 sheets are continuously processed. There is a case. For example, as the number of continuously processed wafers is integrated, the film thickness formed on the wafer tends to gradually decrease. This is because the temperature of the heating medium 16 is increased during the idling of the processing chamber 2, although the heat medium 16 flows through the shower base water channel 18 of the shower head structure 12. As the process gas flows from the shower head structure 12 and the number of processed wafers increases, the temperature of the shower head structure 12, particularly the temperature of the gas injection plate, gradually decreases and settles to a desired temperature. Due to
[0007]
Therefore, the temperature of the gas injection plate of the shower head structure 12 is maintained to be low in advance, and the continuous film formation process of the wafer is performed. However, when the gas jet plate of the showerhead structure 12 is maintained at a relatively low temperature from the start of the process in this way, a reaction by-product such as a compound that is relatively difficult to remove by the cleaning process, such as titanium fluoride (TiFx). A new problem has arisen in that it adheres to the surface of the gas injection plate of the shower head structure 12. This titanium fluoride is a WF in which a part of titanium atoms in a titanium-containing film such as a titanium metal film or a titanium nitride film already deposited on the wafer surface in the previous step is supplied during the film forming process.₆ It is generated by reacting with the fluorine of the gas and adheres to the surface of the gas injection plate.
[0008]
FIG. 11 shows the relationship between the temperature of the gas jet plate of the shower head structure and the film thickness of the reaction byproduct attached to the shower head structure. FIG. 11A shows characteristics when 25 tungsten metal films having a film thickness of 410 nm and a mounting table temperature of 410 ° C. are continuously processed. FIG. 11B shows tungsten having a film mounting temperature of 460 ° C. and a film thickness of 800 nm. The characteristic when 25 metal films are continuously processed is shown.
As is apparent from these figures, when the temperature of the showerhead structure is lowered from about 100 ° C. to about 80 ° C., the film thickness of the reaction by-product increases rapidly. In a general cleaning process, the temperature of the structure in the processing chamber 2 is maintained at substantially the same level as that in the film forming process, and a cleaning gas such as ClF is used._Three This is done by flowing gas. In this case, unnecessary tungsten film adhering to the mounting table 4 or the like is removed, but reaction by-products such as titanium fluoride adhering to the surface of the gas jet plate of the showerhead structure are very difficult to remove. There was a problem.
[0009]
  In addition, there is a technique in which the reaction by-product is difficult to adhere by raising the temperature of the gas injection plate of the shower head structure during film formation to some extent, but depending on the film formation conditions, the gas injection of the shower head structure may be difficult. In some cases, the upper limit of the temperature of the plate was limited, and it was not possible to raise the temperature to a level at which it was difficult to adhere. In such a case, if priority is given to the film forming process, the deposition of reaction by-products increases, the number of integrated processing is limited, and a cleaning process corresponding to the amount of deposition is required.
  INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is a shower that is mounted on a film forming apparatus, can improve and maintain the reproducibility of the film forming process, and can easily remove reaction byproducts attached during the film forming process in a short time. Head structure andAnd deposition equipmentThe purpose is to provide.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
  Therefore, the present invention provides a film forming process for an object to be processed.Processing chamberIn a shower head structure that is provided on the ceiling of the apparatus and supplies a predetermined gas into the processing chamber, a head body having a plurality of gas injection holes at the bottom and formed into a bottomed cylindrical shape, and the head body And a head flange that is provided at the bottom of the head body and is temperature-controllable to adjust the temperature of the head body.A heating part, and is a part of the side wall of the head main body, and is formed above the head heating part by reducing the cross-sectional area of the side wall to increase the thermal resistance of this part. An annular constricted part is formedShower head structure characterized byI will provide a.
[0011]
The shower head structure is further provided at the joint flange portion, and cools the head main body during the film forming process of the target object, and heats the head main body during the cleaning process in the processing chamber. A cooling unit is provided, and the temperature of the head main body is controlled in the range of 50 to 300 ° C. by the head heating unit and the head heating / cooling unit.
In addition, it is mounted on a film forming apparatus having a processing chamber for performing a film forming process for depositing a reaction product on the surface of a heated object to be processed in a process gas atmosphere. In the cleaning method in the film forming apparatus by introducing a gas, the temperature of the gas jet part of the shower head structure is made to be higher than the temperature at the time of the film forming process while flowing the cleaning gas from the shower head structure into the processing chamber. And a cleaning process for removing the reaction sub-film formed during the film-forming process.
The temperature of the gas injection part of the shower head structure in this cleaning is 130 ° C. or more, and the reaction by-product mainly composed of titanium fluoride (TiFx) adhering to the surface of the gas injection part of the shower head structure is removed. .
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration in which an embodiment of a showerhead structure according to the present invention is mounted on a film forming apparatus. 2 is a diagram showing a detailed cross-sectional configuration of the shower head structure, and FIG. 3 is a plan view of the shower head structure as viewed from the susceptor side.
The film forming apparatus 20 includes a processing chamber 22 as a processing container formed into a cylindrical shape or a box shape using, for example, aluminum. On a cylindrical reflector 24 raised from the inner bottom surface of the processing chamber 22, a mounting table 28 supported by a holding member 26 having an L-shaped cross section, for example, is provided. The reflector 24 is made of aluminum whose inner surface is mirror-polished, and the holding member 26 is made of a heat ray transmissive material, for example, quartz. The mounting table 28 is formed of, for example, a carbon material having a thickness of about 2 mm and an aluminum compound such as AlN, and mounts a semiconductor wafer (hereinafter referred to as a wafer) W to be processed.
[0013]
Furthermore, below the mounting table 28, a plurality of, for example, three lifter pins 30 (only two are shown in FIG. 1) are provided so as to extend upward from one end of the support member 32. ing. The other end of the support member 32 passes through a vertical slit (not shown) formed in the reflector 24 and extends to the outside. The other end of the support member 32 is coupled by an annular coupling member 34 so that the lifter pins 30 move up and down all at once. Further, the annular coupling member 34 is connected to the upper end of a push-up bar 36 that extends vertically through the bottom of the processing chamber 22.
The lower end of the push-up bar 36 is connected to an actuator 42 through a bellows 40 that can be expanded and contracted to maintain an internal vacuum state in the processing chamber 22. In this configuration, when the push-up rod 36 is moved upward by the actuator 42, the lifter pins 30 are pushed out through the lifter pin holes 38 of the mounting table 28 to lift the wafer W mounted thereon.
[0014]
Further, around the mounting table 28, a clamp mechanism 44 for pressing and fixing the peripheral edge of the wafer W to the mounting table 28 side is provided. The clamp mechanism 44 is mainly configured by a ring-shaped clamp ring main body 46 that is fixed in line contact with the peripheral edge of the semiconductor wafer W, and a coil spring 48 that biases the clamp ring main body 46 downward. . The clamp ring main body 46 is formed of a substantially ring-shaped ceramic material along the contour shape of the wafer. For example, AlN is used as the ceramic material.
The clamp ring main body 46 is connected to the support member 32 by a support rod 50 penetrating so as not to contact the holding member 26. For example, three support bars 50 (only two are shown in FIG. 1 representatively) are provided to support the clamp ring main body 46 and move up and down integrally with the lifter pins 30.
[0015]
A transmission window 52 formed of a heat ray transmitting material such as quartz is attached to the bottom of the processing chamber directly below the mounting table 28 so that a vacuum state can be maintained.
Further, a box-shaped heating chamber 54 is provided below the transmission window 52 so as to surround the transmission window 52. In the heating chamber 54, a plurality of heating lamps 56 serving as heating units are arranged on a turntable 58 that also serves as a reflecting mirror. The turntable 58 is rotated by a rotary motor 60 provided at the bottom of the heating chamber 54 via a rotating shaft. The heat rays emitted from the rotating heating lamp 56 pass through the transmission window 52 made of quartz or the like and irradiate the lower surface of the mounting table 28 to heat it uniformly. As a heating unit, a resistance heater may be embedded in the mounting table 28 instead of the heating lamp 56.
Further, on the outer peripheral side of the mounting table 28, a ring-shaped rectifying plate 64 having a large number of rectifying holes 62 is supported by a support column 66 formed in the vertical direction. An exhaust port 68 is provided at the bottom portion of the rectifying plate 64, and an exhaust passage 70 connected to a vacuum pump (not shown) is connected to the exhaust port 68. The vacuum state is maintained. Further, a gate valve 72 that is opened and closed when a wafer is carried in and out is provided on the side wall of the processing chamber 22.
[0016]
On the other hand, a relatively large opening 74 is opened in the ceiling of the processing chamber 22 facing the mounting table 28, and this opening 74 is used for introducing process gas or the like into the processing chamber 22. The shower head structure 80 is sealed and fitted so that a vacuum state can be maintained.
Specifically, as shown in FIG. 2, the shower head structure 80 has a bottomed cylindrical body made of, for example, aluminum or the like, for example, a cup-shaped head main body 82, and a head lid on the opening side of the head main body 82. A body 84 is attached with a seal member 86 such as an O-ring interposed therebetween. The head lid 84 is provided with a heat insulating member 87 made of resin or the like along the O-ring on the surface that contacts the head main body 82. A gas inlet 88 is provided at the center of the head lid 84. The gas introduction port 88 has a process gas, for example, WF used during film formation, via a gas passage 90.₆ , Ar, SiH_Four , H₂ , N₂ Gas supply system (not shown) such as cleaning gas used for cleaning, for example, ClF_Three A gas supply system (not shown) such as is connected so that the flow rate can be controlled.
[0017]
As shown in FIG. 3, the gas injection portion 92, which is the bottom of the head main body 82, has a large number of gas injection holes 94 for discharging the gas supplied into the head main body 82 to the processing space S over the entire surface. The gas is uniformly released to the wafer surface. The gas injection unit 92 is integrally formed on the bottom of the head main body, for example. This is because the gas injection unit 92 and the head main body 82 are separate from each other in the past, and the mounting portion is in contact, the thermal conductivity between the two members is poor, and the materials are different. Particles are generated by rubbing with the joint surface due to distortion and rubbing due to the difference, but these problems have been solved, such as improved thermal conductivity and no generation of particles by integral molding. By providing the heat insulating member 87 on the joint surface between the head lid 84 and the head main body 82, the joint surface can be reduced, heat propagation can be suppressed by the effect of the heat insulating member 87, and the temperature of the head main body 82 is accurately controlled. It becomes possible.
[0018]
The head heating heater 100 made of, for example, an insulated sheath heater is embedded in the lower end portion of the side wall 98 of the head body 82 as a head heating portion, for example, in a ring shape, for example, in a ring shape. The head main body 82 is mainly heated. The head heater 100 is controlled to an arbitrary temperature within a required temperature range by a head temperature control unit 102 as shown in FIG.
A joint flange 104 is provided at the upper end of the head body 82 so as to expand in the outer peripheral direction. A circular ring-shaped heat insulating material 106 a and a seal surface are provided on the lower surface of the joint flange portion 104. When the head main body 82 is fitted into the opening 74 of the processing chamber 22, most of the contact portion with the upper surface of the ceiling wall 108 is in contact with the heat insulating material 106 a to prevent heat from being transmitted. This heat insulating material 106a is made of resin or the like, and its width is formed slightly narrower than the width of the both contact surfaces, and the remaining contact surfaces are seal surfaces. In addition, a vacuum state can be maintained by interposing a sealing member 110 made of an O-ring or the like at a portion where the upper surface of the ceiling portion 108 and the sealing surface of the lower surface of the joining flange portion 104 are in contact with each other. Further, a heat insulating material 106b made of resin or the like is provided on the outer periphery of the joint flange portion 104 to prevent heat from escaping.
[0019]
  In particular, by slightly lowering the surface of the surface on the vacuum side of the upper surface of the ceiling wall 108 shown in FIG. 2 with respect to the sealing surface, the ceiling wall 108 surface and the lower surface of the joint flange portion 104 are not in contact with each other. Slightly gapBetween 109The vacuum state is maintained by the seal member 110 while making. That is, by making the ceiling wall 108 surface and the sealing surface of the joint flange portion 104 non-contact, there is no friction due to thermal expansion or the like, and an effect of preventing generation of particles can be obtained. As shown in FIG. 2, the formation of particles can be prevented by forming the head body 82 and the head lid 84 in the same manner as shown in FIG.
[0020]
On the other hand, the upper surface of the joining flange portion 104 is a head heating / cooling portion, for example, the Peltier element 112 is annularly, for example, equidistantly or ring-shaped so that the lower surface (temperature control surface) is in contact with the upper surface. Is provided. The Peltier element 112 is used to heat or cool the joining flange portion 104 and the head main body 82 as necessary under the control of the Peltier control unit 114.
The temperature control range of the head main body 82 is, for example, a range of 50 to 300 ° C. in order to heat the head main body 82 while maintaining in-plane temperature uniformity on the lower surface of the head main body 82 by a combination of the Peltier element 112 and the head heater 100. Of these, preferably in the range of 50 to 250 ° C.
A medium flow path 116 that is also formed in a ring shape is provided on the upper surface (temperature control surface) of the Peltier element 112. By flowing a heat medium having a predetermined temperature through the medium flow path 116, the heat or cold generated on the upper surface side (in FIG. 2) of the Peltier element 112 is propagated.
[0021]
  Also, the bottom of the head body 82Gas injection unit 92Above the head heater 100 of this side wallPart ofA constricted portion 118 for reducing the cross-sectional area is formed in an annular shape such as a groove or a ring along the outer peripheral side of the side wall 98. By increasing the thermal resistance in the vertical direction in the constricted portion 118, the heat generated by the head heater 100 is made difficult to escape through the head side wall 98 and upward. In the example shown in FIG. 2, the constricted portion 118 is formed by scraping from the outer peripheral side of the side wall 98 into a concave shape, but instead, it may be formed by scraping from the inner peripheral side. .
  In addition, a diffusion plate 122 in which a large number of gas dispersion holes 120 are formed is provided in the head main body 82, and gas is supplied more evenly to the wafer W surface. Further, the seal members 86 and 110 provided at the joints of the components of the shower head structure are fitted into annular, for example, groove or ring-shaped seal grooves 124 and 126 each having a concave section.
[0022]
Next, a processing operation by the film forming apparatus equipped with the shower head structure of the present embodiment configured as described above will be described.
Here, in the present embodiment, as described above in the problem, the shower head structure is used when the temperature of the head main body 82 during film formation cannot be increased to a temperature at which reaction by-products are difficult to adhere depending on the film formation processing conditions. The film forming process is performed while maintaining the temperature of the gas injection portion of the head body 82 of 80 at a relatively low temperature. This is because the film thickness of the film formed on the wafer W is substantially the same and the reproducibility of the film thickness is very good, but reaction by-products that are difficult to remove also adhere. Therefore, it is necessary to perform a cleaning process using the heating unit having the configuration of the present embodiment at a certain timing. However, the timing may be performed every time the film forming process is completed, but varies depending on the usage situation on the user side.For example, the number of accumulated processes, the accumulated process time, or the measured reaction by-product film thickness or Whether or not the cleaning process is performed may be determined in a range of, for example, 100 lots, preferably 1 to 50 lots, for example, as the cumulative number of processed sheets, based on whether the electrical characteristics of the generated film on the wafer are within the standard. After the film forming process for 25 wafers in one lot, the surface temperature of the gas injection portion of the head main body 82 is cleaned at the same temperature as the film forming conditions, and after processing 20 lots, the gas in the head main body 82 is processed. A sequence in which the cleaning process is automatically performed at a temperature higher than the temperature of the ejecting unit may be set, and the cleaning process may be performed periodically without a user instruction. Further, when a small number of various types of wafers having different processes are processed, the cleaning process may be automatically performed every time one type of process is completed.
[0023]
First, when a metal film such as tungsten is formed on the surface of the wafer W, the gate valve 72 provided on the side wall of the processing chamber 22 is opened, and the wafer W is placed in the processing chamber 22 by a transfer arm (not shown). The wafer W is transferred to the lifter pin 30 side by pushing up the lifter pin 30.
Then, the lifter pin 30 is lowered by lowering the push-up rod 36 to place the wafer W on the mounting table 28 and press the peripheral edge of the wafer W with the clamp ring main body 46 to fix it. Note that a titanium-containing film such as a titanium metal film or a titanium nitride film has already been deposited on the surface of the wafer W in the previous step.
[0024]
Next, from a process gas supply system (not shown), WF₆ , SiH_Four , H₂ Process gas such as Ar or N₂ And the like, and a predetermined amount is supplied into the shower head structure 80 and mixed. The mixed gas is diffused in the head main body 82 and supplied from the gas injection holes 94 on the lower surface into the processing chamber 22 substantially evenly.
Simultaneously with such gas supply, the inside atmosphere (mixed gas) is exhausted from the exhaust port 68 to set the inside of the processing chamber 22 to a predetermined degree of vacuum, for example, a value in the range of 200 Pa to 11000 Pa, and the mounting table 28. The heating lamp 56 located below is driven while rotating to radiate heat energy (heat rays).
The radiated heat rays pass through the transmission window 52 and then irradiate the back surface of the mounting table 28 to heat the wafer W from the back surface side. As described above, since the thickness of the mounting table 28 is as thin as about 2 mm, the mounting table 28 is rapidly heated, and the wafer W mounted thereon can also be quickly heated to a predetermined temperature. The supplied mixed gas causes a predetermined chemical reaction, and is deposited on the entire surface of the wafer W as, for example, a tungsten film.
[0025]
At this time, the temperature of the wafer W is maintained at 480 ° C. or lower (the temperature of the mounting table 28 is 500 ° C. or lower), and the temperature of the gas injection portion of the shower head structure 80, particularly the head main body 82, is 110 ° C. Control to maintain below.
In this case, since the head main body 82 receives a large amount of radiant heat from the mounting table 28 side, the head main body 82 tends to rise to the set temperature, for example, 95 ° C. or higher, so the Peltier element 112 provided on the joint flange portion 104 is driven. And this lower surface is cooled. As a result, heat is taken from the head main body 82 to cool it, and the temperature of the gas injection portion of the head main body 82 is kept below 95 ° C. as described above.
At this time, since heat is generated on the upper surface of the Peltier element 112, a heat medium made of a fluid maintained at about 20 to 30 ° C. in the medium flow path 116 joined to the upper surface of the Peltier element 112, for example, a chiller. (Product name) is passed to propagate the heat generated on the upper surface of the Peltier element 112 to the outside. This heat medium requires at least two types of thermal refrigerants, that is, a low-temperature heat medium for cooling during the film forming process and a high-temperature heat medium for heating during the cleaning process. However, if it takes time to change the temperature of the thermal refrigerant, it will result in time loss. Therefore, in order to switch these in a short time, a configuration having a medium flow path for two series of temperature settings is used. The film forming process and the cleaning process can be changed in a short time.
[0026]
Further, since the heat insulating material 106 is interposed at the joint portion between the chamber ceiling wall 108 and the joint flange portion 104, heat escaping from the head body 82 to the ceiling wall 108 can be suppressed. This and the action of the Peltier element 112, the shower head structure 80 is in a state of being substantially thermally insulated and floating, and can mainly maintain the head body 82 at a desired temperature stably. That is, this makes it possible to stably maintain the head body 82 at a desired constant temperature during film formation. When the temperature of the gas injection portion of the head main body 82 tends to be excessively low, the head heater 100 provided on the side wall 98 may be driven to appropriately heat and control the temperature.
At the time of film formation, if a tungsten film is formed on the wafer W at a temperature of the gas injection part of the head main body 82 of 110 ° C. or less, preferably about 95 ° C., for example, 25 wafers per lot are continuously formed. Each film thickness when processed becomes substantially the same, and the reproducibility of the film thickness becomes very good. When the film forming process is performed as described above, the tungsten film adheres as an unnecessary film to the surface of the mounting table 28 and the surface of the clamp ring main body 46 in addition to the wafer W, for example. A reaction by-product generated at this time, for example, a titanium fluoride (TiFx) -based product generated by combining with titanium in the titanium-containing film on the wafer surface tends to adhere to the surface of the head body 82 in a large amount.
[0027]
When a certain number of accumulated processing sheets is reached, a cleaning process for removing unnecessary tungsten films and reaction byproducts is performed.
Here, the relationship between the temperature of the gas injection part of the shower head structure during film formation and the reproducibility of the film thickness, and the relationship between the temperature of the gas injection part of the shower head structure during the cleaning process and the removal amount of reaction byproducts Is actually evaluated, the evaluation result will be described.
FIG. 4 shows the relationship between the temperature of the gas injection part of the shower head structure and the reproducibility of the film thickness when the tungsten film is formed. Here, the film thicknesses when the films were continuously formed on 25 wafers were measured, and the relationship between the fluctuation rate of the 25 films and the temperature of the gas injection part of the showerhead structure was determined when the film forming temperature was 410 ° C. And 460 ° C. were examined.
[0028]
As is apparent from this figure, when the film forming temperature is 460 ° C., the reproducibility of the film thickness does not change and there is no problem at 3% or less. However, when the film formation temperature is 410 ° C., the lower the temperature of the gas injection part of the showerhead structure from 110 ° C. to 70 ° C., the lower the film thickness reproducibility (the smaller the numerical value). ) By setting the temperature of the gas injection part of the shower head structure to 95 ° C. or less, the reproducibility of the film thickness is improved.
For example, when the temperature of the gas injection part is 90 ° C. or less, the temperature is 1% or less. Therefore, it is found that in order to improve the reproducibility of the film thickness, the tungsten film may be deposited by setting the temperature of the gas injection portion of the shower head structure to about 95 ° C. or less. However, in this case, reaction by-products (TiF) adhering to the surface of the gas injection part of the shower head structure in inverse proportion to the temperature of the gas injection part of the shower head structure_x It is inevitable that the amount of system) increases. In order to make the film thickness reproducibility within ± 3%, when the film forming temperature (slightly higher than the wafer temperature) is about 420 ° C. or lower, the head body temperature is set to about 95 ° C. or lower. It is found that when the film forming temperature is about 500 ° C. or lower, the temperature of the head main body should be set to about 110 ° C. or lower.
[0029]
FIG. 5 shows the relationship between the temperature of the gas injection portion of the shower head structure during cleaning and the amount of reaction byproduct (TiFx) removed. In this figure, the temperature of the gas injection part of the shower head structure is exemplified as 130 ° C., 140 ° C., and 150 ° C., and the film thicknesses of the reaction by-products before and after cleaning are shown, respectively.
Other cleaning conditions at this time are, for example, a mounting table temperature of 250 ° C. and a cleaning gas of ClF._Three The flow rate is 500 sccm, the pressure is 2666 Pa (20 Torr), the cleaning time is 725 sec, and the mounting table size is for 8 inches. As is apparent from this graph, when the initial film thickness is about 19 nm, when the temperature of the gas injection part of the showerhead structure is 130 ° C., a reaction by-product having a thickness of about 7 nm remains and sufficient cleaning is performed. Not done.
Therefore, it can be seen that sufficient cleaning can be achieved by raising the temperature of the head body above 130 ° C. On the other hand, when the temperature of the gas injection part of the showerhead structure was 140 ° C. and 150 ° C., the residual amount of reaction by-products was zero, and it was found that the reaction by-products could be completely removed. . Therefore, it has been found that the temperature of the gas injection part of the shower head structure may be set to at least about 135 ° C. or higher.
[0030]
With reference to FIG. 6, the relationship between the temperature of the gas injection part of the head main body 82 and the removal rate of the reaction by-product when the reaction by-product (TiFx or the like) in the cleaning process (flushing) is removed will be described. To do.
In this example, a cleaning gas (ClF_Three ) At a flow rate of 1 to 200 sccm, preferably a flow rate of 30 to 100 sccm, a pressure of 0.133 to 1333 Pa, preferably 0.133 to 133 Pa, and a flushing time of 1 to 150 min, preferably 5 to 100 min. Considering the damage to the head structure 80 and the effect of removing reaction byproducts, a low flow rate and low vacuum are desirable. Specific conditions for this flushing include, for example, ClF as a cleaning gas._Three Under the conditions of gas 50 sccm, pressure 0.133 Pa, flushing time 60 min, temperature of the gas injection part of the showerhead structure 150 ° C., unnecessary tungsten films and reaction by-products that are difficult to remove by conventional cleaning methods are removed. Yes.
[0031]
At this time, the temperature of the mounting table 28 is maintained at, for example, about 250 ° C., which is substantially the same as that in the conventional cleaning process. On the other hand, the temperature of the head main body 82 and the joining flange portion 104, particularly the surface temperature of the gas injection portion 92, is considerably higher than the temperature of about 70 to 80 ° C., for example, 130 ° C. The temperature is set to a degree, preferably 135 to 170 ° C.
In this setting, a current in the opposite direction to the direction of film formation is applied to the Peltier element 112 provided in the joining flange portion 104 to generate heat on the lower surface side of the Peltier element 112, and the joining flange portion 104 and the head main body 82 are moved upward. Heat from. In this way, the shower head structure 80 is heated from below by the head heater 100 and from above by the Peltier element 112, so that the head body 82 (particularly, near the surface of the gas injection section 92) has a temperature of 135 to 170 ° C. To maintain. Here, the temperature of the gas injection section of 135 to 170 ° C. is set in relation to the time required for the cleaning process, and it is possible to remove the reaction by-products if it takes time even at 135 ° C. or less. is there. Further, the upper limit of the temperature of the gas injection unit is not more than the corrosion temperature of the material of the gas injection unit 92 with respect to the cleaning gas, for example, about 400 ° C. or less in the case of aluminum.
[0032]
As described above, by maintaining the temperature of the shower head structure 80, particularly the gas jet part of the head main body 82, at 135 to 170 ° C., it is difficult to remove unnecessary tungsten films as well as conventional cleaning processes. Reaction by-products such as titanium fluoride-based products are also easily removed from the surface of the head body 82, for example, mainly from the gas ejection surface. In this case, since the constricted portion 118 that increases the thermal resistance is provided on the side wall of the head main body 82, the heat that escapes upward by heat conduction is suppressed, and the heat retaining function is exhibited. As a result, the temperature of the entire gas injection unit 92 can be maintained sufficiently high, and the reaction by-product attached to the gas injection surface on the lower surface is reliably removed. Further, the uniformity of the in-plane temperature of the gas injection unit 92 can be improved by the action of the constriction unit 118.
[0033]
Next, since the temperature distribution of the head body 82 is measured by simulation, the simulation result will be described.
FIG. 7 is a diagram showing a simulation result of the temperature distribution of the head body. Here, the temperature of the upper end of the head main body 82 is set to 50 ° C., the temperature of the gas injection unit 92 is set to 200 ° C., and the height H 1 of the head main body 82 is 67 mm. As apparent from the temperature distribution shown in this figure, the temperature gradient in the constricted portion 118 is very large, that is, the temperature distribution curve is dense, and the gas injection portion 92 due to the thermal resistance of the constricted portion 118. It has been found that the structure has an excellent thermal insulation effect against the head and can easily control the head body temperature. The thickness a of the constricted portion is 3 to 10 mm, and the height b is 10 to 50 mm.
[0034]
In the above embodiment, the Peltier element 112 is provided in the joint flange portion 104. However, as shown in FIG. 8, the medium flow is directly applied to the joint flange portion 104 without providing the Peltier element 112. The path 116 may be joined. Also in this case, it is possible to exhibit substantially the same operation and effect as when the Peltier element 112 is provided.
In this embodiment, ClF is used as the cleaning gas._Three Although the case where gas is used has been described as an example, the present invention is not limited to this, and other cleaning gases such as NF_Three Gas, HCl gas, Cl₂ The present invention can also be applied when using gas or the like. NF_Three In use, it is used in plasma. In addition, here, reaction by-products (TiF generated when depositing the tungsten film)_x ) Is removed by cleaning as an example, but other metals and metal compounds such as Ti (titanium), Cu (copper), Ta (tantalum), Al (aluminum), TiN (titanium nitride), Ta₂ O_Five The present invention can also be applied to the case where reaction by-products generated when forming a deposited film containing (tantalum oxide) or the like are removed. Furthermore, the present invention can be applied not only to a plasma film forming apparatus for generating a thin film using plasma, but also to use an LCD substrate, a glass substrate, etc. as an object to be processed is not limited to a semiconductor wafer. it can.
[0035]
【The invention's effect】
  As described above, the showerhead structure and the present inventionAnd deposition equipmentAccording to the above, it is possible to exert the excellent effects as follows.
  According to the invention according to claim 1 and the claim which refers to this, the heat treatment is reduced by forming the constricted portion on the side surface of the head main body, and additionally, the heat treatment is reduced by the heat insulating material. Occasionally, the thermal resistance and heat insulating material of the constricted part suppresses the escape of heat from the gas injection surface side of the head body, keeps the temperature of the gas injection surface part high, and the uniformity of the in-plane temperature The reaction by-product can be efficiently removed.
Especially according to the invention of claim 2Since the injection plate (corresponding to the gas injection portion at the bottom of the head main body of the present invention) and the joining flange portion (corresponding to the joining flange portion of the present invention), which are separate bodies from the head main body, are integrally formed. Even if there is a temperature change in the showerhead structure, there is no risk of rubbing due to a difference in thermal expansion, and generation of particles is suppressed.
  According to the related art of the present invention,By maintaining the temperature of the gas injection part of the shower head structure at a relatively low temperature during the film forming process, the film thickness between the objects to be processed is made substantially uniform and the film thickness reproducibility is improved. And keep it high. Also,According to the related art of the present invention,During the cleaning process, the temperature of the shower head structure itself is maintained higher than that during the film forming process by the head heating unit, and reaction by-products generated during the film forming process and adhering to the surface of the gas injection unit of the shower head structure are removed. can do.
[0036]
  According to the related art of the present invention,The leaning process is performed by the user as appropriate based on any of the number of integrated processing sheets, the integrated processing time, the measured reaction by-product film thickness, and the standard of the film formed on the wafer after completion of the film forming process. It can be an implementation timing.
  According to the related art of the present invention,By integrally forming the head body of the shower head structure, even if there is a temperature difference between the gas injection part and the side surface or upper part, there is no joint part of the component parts, which is caused by the difference in thermal expansion due to the temperature difference The occurrence of rubbing between the members to be eliminated is eliminated, and the generation of particles can be prevented.
  According to the related art of the present invention,Even when mounting the head body of the shower head structure and other components, by creating a slight gap with a heat insulating material made of resin, etc., it is possible to control the temperature of the gas injection unit with high accuracy by suppressing heat propagation Can do.
[0037]
  In particular, according to the invention of claim 3,HeadHot sectionThus, the head main body can be cooled during the film forming process to further increase the reproducibility of the film thickness, and the head main body can be heated during the cleaning process to more efficiently remove the reaction by-products.
  In particular, according to the invention of claim 5,The heat medium for propagating the heat generated on the upper surface of the Peltier element provided at the top of the head body to the outside has a low cooling temperature used during the film forming process and a high heating temperature used during the cleaning process. Can be switched and used in a short time by switching.
  According to the related art of the present invention,By removing the heat or cold generated from the upper surface side of the Peltier element using the heat medium during the film forming process and the cleaning process, the shower head structure can be thermally floated.
  According to the related art of the present invention,Since the temperature of the showerhead structure can be stably maintained constant, the in-plane uniformity of the film thickness can be improved.
  According to the invention of claim 7, since a part of the sealing surface of the joint flange portion of the shower head structure and the ceiling wall surface on the processing chamber side is not in contact, rubbing due to thermal expansion or the like is eliminated, and particle generation occurs. Can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional configuration diagram showing one configuration example of a film forming apparatus equipped with a shower head structure according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a detailed configuration of the showerhead structure shown in FIG.
FIG. 3 is a plan view of the shower head structure shown in FIG. 1 as viewed from the susceptor side.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the temperature of the showerhead structure (center portion of the gas injection unit) and the reproducibility of the film thickness when forming a tungsten film.
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the temperature of the showerhead structure during cleaning (center of the gas injection unit) and the amount of reaction byproduct (TiFx) removed.
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the temperature of the head body and the removal rate of reaction byproducts when reaction byproducts are removed according to the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating a simulation result of a temperature distribution of the head main body.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a modification of the showerhead structure.
FIG. 9 is a diagram showing a configuration example of a film forming apparatus equipped with a conventional shower head structure.
10 is a cross-sectional view showing a detailed configuration of the shower head structure shown in FIG.
FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the temperature of the gas jetting part having a showerhead structure and the film thickness of a reaction byproduct adhering to the surface of the gas jetting part having the showerhead structure.
[Explanation of symbols]
20 Deposition equipment
22 Processing chamber (processing container)
28 mounting table
52 Transmission window
56 Heating lamp
80 Shower head structure
82 Head body
84 Head lid
94 Gas injection hole
100 Head heater (head heating unit)
104 Joining flange
112 Peltier element (head heating / cooling section)
116 Media passage
118 Constriction
124, 126 Seal groove
W Semiconductor wafer (object to be processed)

Claims

In the shower head structure for supplying a predetermined gas into the processing chamber provided in the ceiling portion of the processing chamber for performing a film forming process with respect to the object to be processed, a plurality of gas injection holes at the bottom Yes A head main body formed in a bottom cylindrical shape, a joint flange for supporting the head main body to the ceiling of the processing chamber, and a temperature adjustment of the head main body provided at the bottom of the head main body and a temperature controllably made the head pressure heat portion,
A part of the side wall of the head main body, above the head heating unit, is thinned by reducing the cross-sectional area of the side wall, and is formed in an annular shape to increase the thermal resistance of this part. A shower head structure in which a portion is formed .

The shower head structure according to claim 1, wherein the head main body and the joining flange portion are integrally formed.

The connection flange portion is provided with a head heating / cooling means different from the head heating portion in order to cool it during the film forming process of the object to be processed and to heat it during cleaning of the processing chamber. claim 1 or 2 Symbol placement of the shower head structure characterized.

Shower head structure according to claim 3 Symbol mounting said head heating and cooling means, characterized in that a Peltier element.

The top of the Peltier element, heat generated in the upper side of the Peltier element, or claim 4 Symbol mounting of the shower, characterized in that the medium passage for flowing a thermal medium for conveying the cold heat is formed Head structure.

The shower head structure according to any one of claims 1 to 5, wherein a temperature control range of the head body is 50 to 300 ° C.

A processing chamber made evacuable, a mounting table provided in the processing chamber for mounting the object to be processed, a heating means for heating the object to be processed, and a ceiling portion of the processing chamber A film forming apparatus provided with a shower head structure for introducing a predetermined gas into the processing chamber,
The shower head structure has a head body formed in a bottomed cylindrical shape having a plurality of gas injection holes at the bottom, a joint flange portion for supporting the head body to the ceiling of the processing chamber, A head heating unit provided at the bottom of the head body and capable of temperature control in order to adjust the temperature of the head body ,
The contact surface of the joining flange portion with respect to the ceiling portion has a sealing surface for maintaining a vacuum state with the heat insulating material,
The joint flange portion on the vacuum side so that the seal member attached to the ceiling wall is crushed by the seal surface to maintain airtightness and a gap is formed between the seal surface on the vacuum side and the ceiling wall. The film forming apparatus is characterized in that the sealing surface is formed lower than the atmosphere side .

A processing chamber made evacuable, a mounting table provided in the processing chamber for mounting the object to be processed, a heating means for heating the object to be processed, and a ceiling portion of the processing chamber A film forming apparatus comprising: the shower head structure according to claim 1, wherein the shower head structure is provided to introduce a predetermined gas into the processing chamber.