CN100517598C - 喷淋头以及使用这种喷淋头的成膜装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种向成膜装置的处理容器内供给成膜用的原料气体与支援气体的喷淋头。它具备具有气体喷射面(8)的主体。在喷淋头主体内形成接受原料气体并使其扩散的第一扩散室(60)、接受支援气体并且使其扩散的第二扩散室(62)。在气体喷射面上形成与第一扩散室连通的原料气体喷射口(10A)、与第二扩散室连通的第一支援气体喷射口(10B)。各个第一支援气体喷射口(10B)形成分别接近原料气体喷射口(10A)并且环绕它们的环形。
Description
技术领域
本发明涉及一种为了使薄膜堆积在半导体晶片等被处理体的表面而向处理容器内供给气体的喷淋头以及使用这种喷淋头的成膜装置。
背景技术
一般情况下，为了制造半导体集成电路，需要在半导体晶片等被处理体上反复进行成膜处理、蚀刻处理、热处理、改质处理、结晶化处理等各种单片处理，从而形成所期望的集成电路。在进行这些处理时，根据处理的类型向处理容器中导入需要的处理气体。在成膜处理中，从设置在能够抽真空的处理容器顶部的喷淋头向处理容器中供给原料气体、氧化气体或者还原气体等支援气体。这样，就使薄膜堆积于在处理容器中被加热的半导体晶片等的表面(日本特开平10-321613号公报)。
如果使用蒸气压较低而活性化能量较高的气体作为原料气体，那么，在原料气体的传输过程中，如果混合支援气体，那么就会发生成膜反应。因此，为了防止出现这种情况，采用以下这种喷射方式，即，当原料气体通过喷淋头向处理容器内喷射时，首次与支援气体接触。这种喷射方式也可称为所谓的后混合方式。在这种后混合方式中，为了防止原料气体与支援气体在喷淋头内相互混合，使它们分别流经不同的流路。因此，这样不仅能够防止引起颗粒等的多余膜堆积在喷淋头内，还能够主要使需要的薄膜堆积在晶片的表面。
但是，在反复对晶片进行成膜处理的过程中，有时在面对处理容器内的喷淋头的气体喷射面中，以原料气体的喷射口为中心，多余的薄膜按照直径为数mm～数cm的大小堆积。如果对附着在气体喷射面上的多余薄膜置之不理，那么它就会剥落而导致颗粒产生，因此，必须非常频繁地进行清洗处理以除去这种颗粒。在这种情况下，无需取下喷淋头，只要进行所谓的干洗处理，注入清洗气体即可除去多余的薄膜。但是，如果使用包含某种高熔点金属，如含Hf(铪)的有机金属材料气体作为原料，那么，由于不存在有效的清洗气体，因此，必须将喷淋头从成膜装置主体上取下，使用清洗液对其进行清洗，即进行所谓的湿洗。因此，这样就会出现需要很多时间对其进行维护的问题。
发明内容
本发明是针对上述这些问题，而有效地解决它们的发明。本发明的目的在于提供一种能够防止多余的薄膜堆积在气体喷射面的原料气体喷射口附近的喷淋头以及使用这种喷淋头的成膜装置。
为了达到这个目的，本发明提供一种喷淋头，其特征在于：其是在处理容器内为了使薄膜堆积在被处理体的表面而向所述处理容器内的真空环境中供给原料气体与支援气体的喷淋头，其包括：具有面向所述处理容器内的气体喷射面的喷淋头主体；形成于所述喷淋头主体内，接受所述原料气体并使其扩散的第一扩散室；形成于所述喷淋头主体内，接受所述支援气体并且使其扩散的第二扩散室；与所述第一扩散室连通并且形成于所述气体喷射面上的多个原料气体喷射口；与所述第二扩散室连通并且形成于所述气体喷射面上的多个第一支援气体喷射口；和与所述第二扩散室连通并且形成于所述气体喷射面上的多个第二支援气体喷射口，其中，各个第一支援气体喷射口分别形成为接近并环绕所述原料气体喷射口的环状，各个第二支援气体喷射口被分别配置在相邻的两个所述原料气体喷射口之间。
此外，本发明提供一种喷淋头，其特征在于：其是在处理容器内为了使薄膜堆积在被处理体的表面而向所述处理容器内的真空环境中供给原料气体与支援气体的喷淋头，其包括：具有面向所述处理容器内的气体喷射面的喷淋头主体；形成于所述喷淋头主体内，接受所述原料气体并使其扩散的第一扩散室；形成于所述喷淋头主体内，接受所述支援气体并且使其扩散的第二扩散室；与所述第一扩散室连通并且形成于所述气体喷射面上的多个原料气体喷射口；与所述第二扩散室连通并且形成于所述气体喷射面上的多个第一支援气体喷射口；和与所述第二扩散室连通并且形成于所述气体喷射面上的多个第二支援气体喷射口，其中，各个原料气体喷射口分别与多个所述第一支援气体喷射口接近并被它们所环绕，各个第二支援气体喷射口被分别配置在相邻的两个所述原料气体喷射口之间。
根据这些喷淋头，从原料气体喷射口向处理容器内喷射之后的原料气体，在其周围被从第一支援气体喷射口喷射的支援气体暂时包围的状态下流向下方。这样，活性化的原料气体就不会滞留在原料气体喷射口的附近。因此，这样就能够防止多余的膜堆积在以原料气体喷射口为中心的气体喷射面上。因此，可以增大清洗处理的时间间隔而减少进行清洗处理的频度，从而能够提高成膜装置的工作效率。
在本发明的喷淋头中还包括与所述第二扩散室连通并且形成于所述气体喷射面上的多个第二支援气体喷射口，各个第二支援气体喷射口优选分别配置在相邻的两个所述原料气体喷射口之间。
例如，所述原料气体是包含高熔点金属的气体，尤其是包含高熔点金属的有机金属材料气体。
此外，本发明的目的在于提供一种成膜装置，其特征在于：其是使薄膜堆积在被处理体表面上的成膜装置，其包括：处理容器；对所述处理容器内进行真空排气的排气装置；设置在所述处理容器内，并且用来放置所述被处理体的放置台；对所述放置台上的被处理体进行加热的加热装置；和设置在所述处理容器顶部的上述喷淋头。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式所涉及的成膜装置的截面结构图。
图2是图1所示的喷淋头的气体喷射面的部分平面图。
图3是图2中A1-A1线的截面图。
图4是图3所示的喷淋头的组装工艺的部分示意图。
图5是至气体喷射口中心的距离以及喷淋头表面的成膜率两者关系的曲线图。
图6是本发明第二实施方式所涉及的喷淋头的气体喷射面的部分平面图。
图7是图6中的A2-A2线的截面图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明所涉及的喷淋头以及使用这种喷淋头的成膜装置的实施方式进行详细的说明。
(第一实施方式)
首先，参照图1～图4，对本发明的第一实施方式进行说明。
图1所示的成膜装置2具有例如铝制的圆筒形处理容器4。在该处理容器4内的顶部设置有用来导入成膜用的原料气体与支援气体的喷淋头6。喷淋头6从设置在其气体喷射面8上的多个气体喷射口10朝着处理容器4内的处理空间S喷射气体。将在后面对该喷淋头6进行详细的说明。
此外，在处理容器4的侧壁设置有将作为被处理体的半导体晶片W搬入搬出该处理容器4内的搬入搬出口12。在该搬入搬出口12上设置有能够气密式开关的闸阀14。
在处理容器4的下面形成有排气室18。该排气室18被圆筒形的侧壁22与底壁24所划分，通过形成于处理容器4的底部16的中央位置的开口20与处理容器4内连通。由石英玻璃等制成的圆筒形的支柱26，从底壁24上向着上方而延伸至处理容器4内。放置台28被焊接固定在该支柱26的上端部。此外，支柱26和放置台28也可以使用AlN等陶瓷材料形成。
处理容器底部16的开口20的直径比放置台28的直径小。流经放置台28的周边部外侧的处理气体，绕过放置台28的下方而流入开口20中。在侧壁22的下部形成有与真空排气系统32的排气管34连接的排气口30。真空排气系统32具有附设在排气管34中的真空泵(图中未示)，通过排气管34而能够对处理容器4内以及排其室18中的环境进行真空排气。此外，真空排气系统32具有在排气管34的中途附设的压力调整阀(图中未示)，通过调整该阀的开度，而能够将处理容器4内的压力保持在一定的压力值，或者使其迅速变化为期望的压力。
此外，例如碳素钢丝等电阻加热器(加热装置)36被嵌入设置在放置台28中。通过该加热器36而可以对放置在放置台28的上面的半导体晶片(被处理体)W进行加热。通过设置在支柱26内的供电线38而可以将已被控制的电力供给至加热器36。
在放置台28上形成有上下贯通的多个(例如三个)销插通孔40(在图1中仅表示两个)。上推销42可以上下移动而插入各个销插通孔40中。各个上推销42的下端以非固定的方式而被例如由氧化铝这样的陶瓷制成的上升环44所支承。从该上升环44延伸的臂部46与贯穿容器底部16而设的出没杆48连结。该出没口48形成为通过致动器50而能够升降。这样，当移交晶片W时，各个上推销42就从销插通孔40朝着上方出没。此外，还附设可伸缩的波纹管(bellows)52，以确保出没杆48在保持处理容器内的气密性的同时还可以升降。
下面，对喷淋头6进行详细的说明。
该喷淋头6具有有底的圆筒形的喷淋头主体56，其与封闭处理容器4的上端部的顶板54的下面接合在一起。在顶板54的周边部与处理容器4的上端部之间，设置有用来保持处理容器4内的气密性的例如O形环等密封部件58。该喷淋头6可以使用镍、XASTELLOY(ハステロイ)(注册商标)等镍合金、铝或者铝合金制成。
然后，将喷淋头主体56内部划分为接受原料气体并使其扩散的第一扩散室60和接受支援气体并使其扩散的第二扩散室62。在图示例子中，通过水平配置在喷淋头主体56内的划分板64而上下划分为第一扩散室60与第二扩散室62。第一扩散室60与用来导入原料气体而设置在顶板54上的原料气体导入口66A连通。第二扩散室62与用来导入支援气体而设置在顶板54上的支援气体导入口66B连通。
在作为喷淋头主体56的下面的气体喷射面8上，按照图2所示的点阵状设置有多个气体喷射口10。具体地说，气体喷射口10包括用来喷射原料气体的原料气体喷射口10A、和用来喷射支援气体的第一以及第二支援气体喷射口10B、10C。各个第一支援气体喷射口10B分别形成为接近并且环绕原料气体喷射口10A的环形。此外，各个第二支援气体喷射口10C被配置在分别相邻的两个原料气体喷射口10A(以及第一支援气体喷射口10B)的中间位置。此外，如果从第一支援气体喷射口10B喷射的支援气体的供给量充足，或者原料气体喷射口10A的设置密度超过一定程度，那么也可以不设置第二支援气体喷射口10C。
如图3所示，原料气体喷射口10A通过在从划分板64朝着下方延伸的喷嘴68内形成的气体流路68A而与第一扩散室60连通。喷嘴68的顶端部是直径缩小的阶梯状。此外，第一支援气体喷射口10B通过贯穿喷淋头主体56的底板70的气体流路72而与第二扩散室62连通。
当形成上述这种构造时，如图4所示，在底板70上预先形成与各个喷嘴68对应并且比其顶端部大一圈的阶梯状的开口74。只要将划分板64与底部70接合固定即可，使得将对应的喷嘴68的顶端部以不接触的状态容纳在各个开口部74中。其中，第二支援气体喷射口10C通过贯穿底板70的气体流路76而与第二扩散室62连通。
例如，在与300mm的晶片对应的喷淋头6中，原料气体喷射口10A的数量为300～400个左右。此外，各个气体喷射口10的尺寸分别是：原料气体喷射口10A的内径L1(图3)为1mm左右，第一支援气体喷射口10B的内径L2(图3)为2mm左右，外径L3(图2以及图3)为2.4mm左右。此外，第二支援气体喷射口10C的内径L4(图3)为0.5mm左右。
下面，对采用上述构造的成膜装置的操作情况进行说明。
此处，作为处理气体而使用原料气体与支援气体。下面对使用作为原料气体的含Hf(铪)的有机金属材料气体与作为支援气体的氧气(O2)，使氧化铪物(HfO2)的薄膜堆积的方式进行说明。此外，将在常温下为液体或者固体的有机金属材料溶于溶剂(例如辛烷)中，然后在氧化器中使其氧化，通过这种方法制成有机金属材料气体。
首先，利用图中未示的搬运臂，通过使闸阀14处于打开状态的搬入搬出口12，将未处理的半导体晶片W搬入到处理容器4内，并转移到上升的上推销42上。然后，使上推销42下降就可以将晶片W放置在放置台28的上面。
接着，一边对它们的流量进行控制，一边将作为原料气体的有机金属材料气体与作支援气体的氧气供给至喷淋头6。这些气体通过喷淋头6的气体喷射口10A～10C而被分别喷向处理空间S。另一方面，在排气系统32中，继续驱动真空泵，同时调整压力调整阀的开度，以此将处理空间S内的气体保持在规定的工艺压力。此时，晶片W被设置在放置台28内的加热器36加热，从而被保持在规定的工艺温度。
此时，有机金属材料气体的活性非常高，因此，一旦导入处理空间S内就可在较短的时间内分解。而且有机金属材料本身包含氧原子。因此，主要是含氧原子与铪原子化合，利用CVD法(化学气相沉积Chemical Vapor Deposition)而在晶片W的表面堆积氧化铪膜。此外，作为支援气体的氧气支援这种反应。
此处，原料气体喷射口与支援气体喷射口以十几毫米(mm)以上的间隔而分别设置在原有的喷淋头上。因此，热分解而活性化的有机金属材料气体在一定的时间内滞留在原料气体喷射口附近的气体喷射面的正下方。因此，这样就会发生上述的现象，即多余的附着膜(氧化铪)堆积在以原料气体喷射口为中心的喷射面上。
但是，在本发明的喷淋头6上设置第一支援气体喷射口10B，以环绕各个原料气体喷射口10A的周围。因此，从原料气体喷射口10A朝着下方排放的含铪(Hf)有机金属材料气体在其周围被从第一支援气体喷射口10B朝着下方排放的氧气暂时包围的状态下，流向处理空间S的下方。因此，即使排放到处理空间S中的原料气体活性化并且分解，活性种或铪原子也不会接触气体喷射面8。这样就能够防止多余的附着膜(氧化铪)堆积在气体喷射面8上。而且，由于能够防止多余附着膜的堆积，因此，可以减少进行清洗处理的频度，从而能够提高成膜装置的工作效率。
此外，在本实施方式中，在相邻的原料气体喷射口10A之间也设置有喷射支援气体的第二支援气体喷射口10C，从该第二支援气体喷射口10C也喷射作为支援气体的氧气。这样也可以防止多余的附着膜(氧化铪)附着在气体喷射面8上。此处，支援气体具有抑制喷射在处理空间S中的原料气体急剧惰性化的作用。
例如，在与300mm的晶片尺寸对应的喷淋头6中，原料气体喷射口10A的数量为340个左右，总面积为267mm2左右。第一支援气体喷射口10B的总面积为470mm2左右。而第二支援气体喷射口10C的数量为340个左右，总面积为70mm2左右。此外，处理空间S的间隙(气体喷射面8与放置台28的上面之间的距离)为40mm左右。此外，相邻的原料气体喷射口10A之间的距离为17mm左右。例如，原料气体的流量为1500sccm左右，氧气的流量为1500sccm左右，工艺压力为40Pa左右，工艺温度为500℃左右。
此处，对作为支援气体的氧气的流量与附着在喷淋头的气体喷射面上的多余薄膜的成膜率之间的关系进行模拟评估。下面，参照图5对其评估结果进行说明。图5是与喷淋头的气体喷射面中的气体喷射口中心的距离和成膜率之间关系的曲线图。在图5中，横坐标的距离0mm表示某一个原料气体喷射口10A的中心位置。纵坐标表示任意的单位(arb.unit：arbitrary unit)。氧气的流量在0～1500sccm的范围内变化。
由图5所示的曲线图可知，如果采用现有技术(氧气流量为0sccm)，那么，在从原料气体喷射口的中心至10mm左右的距离范围内，气体喷射面的成膜率很高。而且，若与原料气体喷射口中心的距离越远，则气体喷射面的成膜率就越低。实际上，对一定枚数的晶片实施成膜处理之后，通过目测即可确认以原料气体喷射口为中心直径为数cm左右的多余堆积膜。
与此相反，在本发明的喷淋头中，随着氧气的供给量从500sccm增加至1500sccm，气体喷射面的成膜率的峰值依次陡减。通过该成膜率的减少可知，氧气的流量在1000～1500sccm的范围之内大致饱和。
(第二实施方式)
下面参照图6以及图7，对本发明的第二实施方式进行说明。
如图6以及图7所示，本实施方式中取代各个环形的第一支援气体喷射口10B，而形成接近并且环绕各个原料气体喷射口10A的多个圆形第一支援气体喷射口10D。
在图6所示的例子中，与各个原料气体喷射口10A相对，以原料气体喷射口10A为中心并且按照90度的间隔分别配置四个第一支援气体喷射口10D。通过组合使用一个原料气体喷射口10A与四个第一支援气体喷射口10D，从而分别形成一个喷射口装置80。与各个原料气体喷射口10A相对的第一支援气体喷射口10D的数量并非局限于4个，为了用支援气体包围从原料气体喷射口10A喷射的原料气体的周围，优选按照相等间隔设置两个以上。例如，第一支援气体喷射口10D的内径L5(图7)为0.5mm左右，在原料气体喷射口10A的两侧相对配置的两个第一支援气体喷射口10D之间的距离(外径)L6(图7)为5.5mm左右。
此外，在相邻的喷射口装置80的中间位置分别设置有第二支援气体喷射口10C，但是也可以采用与上述第一实施方式相同的方法而省去它们。
在该第二实施方式中也是如此，由于从原料气体喷射口10A所喷射的原料气体被从多个第一支援气体喷射口10D所喷射的支援气体包围，因此，这样就与第一实施方式相同，能够防止多余的附着膜堆积在气体喷射面8上。
在以上各个实施方式中，作为支援气体而使用了氧气，但并非局限于此，也可以使用氮气、氦气、氩气等惰性气体。
此外，作为原料气体而使用了包含高熔点金属铪有机金属材料气体，但是，只要是有可能使多余的附着膜堆积在喷淋头的气体喷射面上的气体，那么，使用任何原料气体都可以适用于本发明。因此，例如除了使用包括铪以外的高熔点金属W(钨)、Ti(钛)、Ta(钽)等的有机金属材料气体或者不包括高熔点金属的有机金属材料气体，还可以使用有机金属材料气体以外的气体来作为原料气体。
此外，以使用电阻加热器作为成膜装置的加热装置的方式为例进行了说明，除此之外，也可以使用加热灯来取代加热器。
此外，作为被处理体，以半导体晶片为例进行了说明，但也并非局限于此，当然也可以使用能够适用于LCD基板、玻璃基板等的基板。
Claims (8)
1.一种喷淋头，其特征在于：
其是在处理容器内为了使薄膜堆积在被处理体的表面而向所述处理容器内的真空环境中供给原料气体与支援气体的喷淋头，其包括：
具有面向所述处理容器内的气体喷射面的喷淋头主体；
形成于所述喷淋头主体内，接受所述原料气体并使其扩散的第一扩散室；
形成于所述喷淋头主体内，接受所述支援气体并使其扩散的第二扩散室；
与所述第一扩散室连通并且形成于所述气体喷射面上的多个原料气体喷射口；
与所述第二扩散室连通并且形成于所述气体喷射面上的多个第一支援气体喷射口；和
与所述第二扩散室连通并且形成于所述气体喷射面上的多个第二支援气体喷射口，其中，
各个第一支援气体喷射口分别接近所述原料气体喷射口而形成为将其环绕的环形，
各个第二支援气体喷射口分别被配置在相邻的两个原料气体喷射口之间，并且位于相邻的两个包围所述原料气体喷射口的第一支援气体喷射口之间。
2.如权利要求1所述的喷淋头，其特征在于：
所述原料气体包含高熔点金属。
3.如权利要求2所述的喷淋头，其特征在于：
所述原料气体是有机金属材料气体。
4.一种喷淋头，其特征在于：
其是在处理容器内为了使薄膜堆积在被处理体的表面而向所述处理容器内的真空环境中供给原料气体与支援气体的喷淋头，其包括：
具有面向所述处理容器内的气体喷射面的喷淋头主体；
形成于所述喷淋头主体内，接受所述原料气体并使其扩散的第一扩散室；
形成于所述喷淋头主体内，接受所述支援气体并使其扩散的第二扩散室；
与所述第一扩散室连通并且形成于所述气体喷射面上的多个原料气体喷射口；
与所述第二扩散室连通并且形成于所述气体喷射面上的多个第一支援气体喷射口；和
与所述第二扩散室连通并且形成于所述气体喷射面上的多个第二支援气体喷射口，其中，
各个原料气体喷射口分别与多个所述第一支援气体喷射口接近并且被它们所环绕，
各个第二支援气体喷射口分别被配置在相邻的两个所述原料气体喷射口之间，并且位于相邻的两个包围所述原料气体喷射口的第一支援气体喷射口之间。
5.如权利要求4所述的喷淋头，其特征在于：
所述原料气体包含高熔点金属。
6.如权利要求4所述的喷淋头，其特征在于：
所述原料气体是有机金属材料气体。
7.一种成膜装置，其特征在于：
其是在利用原料气体与支援气体而使薄膜堆积在被处理体表面上的成膜装置，其包括：
处理容器；
对所述处理容器内进行真空排气的排气装置；
设置在所述处理容器内，并且用来放置所述被处理体的放置台；
对所述放置台上的被处理体进行加热的加热装置；和
设置在所述处理容器的顶部的喷淋头，其中，
所述喷淋头包括：
具有面向所述处理容器内的气体喷射面的喷淋头主体；
形成于所述喷淋头主体内，接受所述原料气体并使其扩散的第一扩散室；
形成于所述喷淋头主体内，接受所述支援气体并使其扩散的第二扩散室；
与所述第一扩散室连通并且形成于所述气体喷射面上的多个原料气体喷射口；
与所述第二扩散室连通并且形成于所述气体喷射面上的多个第一支援气体喷射口；和
与所述第二扩散室连通并且形成于所述气体喷射面上的多个第二支援气体喷射口，其中，
各个第一支援气体喷射口分别接近所述原料气体喷射口而形成为将其包围的环形，
各个第二支援气体喷射口分别被配置在相邻的两个所述原料气体喷射口之间，并且位于相邻的两个包围所述原料气体喷射口的第一支援气体喷射口之间。
8.一种成膜装置，其特征在于：
其是利用原料气体与支援气体而使薄膜堆积在被处理体表面上的成膜装置，其包括：
处理容器；
对所述处理容器内进行真空排气的排气装置；
设置在所述处理容器内，并且用来放置所述被处理体的放置台；
对所述放置台上的被处理体进行加热的加热装置；和
设置在所述处理容器的顶部的喷淋头，其中，
所述喷淋头包括：
具有面向所述处理容器内的气体喷射面的喷淋头主体；
形成于所述喷淋头主体内，接受所述原料气体并使其扩散的第一扩散室；
形成于所述喷淋头主体内，接受所述支援气体并使其扩散的第二扩散室；
与所述第一扩散室连通并且形成于所述气体喷射面上的多个原料气体喷射口；
与所述第二扩散室连通并且形成于所述气体喷射面上的多个第一支援气体喷射口；和
与所述第二扩散室连通并且形成于所述气体喷射面上的多个第二支援气体喷射口，其中，
各个原料气体喷射口分别与多个所述第一支援气体喷射口接近并且被它们所环绕，
各个第二支援气体喷射口分别被配置在相邻的两个所述原料气体喷射口之间，并且位于相邻的两个包围所述原料气体喷射口的第一支援气体喷射口之间。
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