JP2000252272A

JP2000252272A - 成膜装置及び方法

Info

Publication number: JP2000252272A
Application number: JP11056156A
Authority: JP
Inventors: Naoaki Kogure; 直明小榑; Akira Fukunaga; 明福永; Kuniaki Horie; 邦明堀江
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1999-03-03
Filing date: 1999-03-03
Publication date: 2000-09-14

Abstract

(57)【要約】【課題】原料ガスの搬送流路内での付着物の生成を防
止しつつ広い温度制御範囲を確保して安定に成膜室に原
料ガスを供給することができる成膜装置及び方法を提供
する。【解決手段】原料ガス搬送流路９６ａ，９６ｂ，１０
２から供給される原料ガスを酸化ガスとともにガス噴射
ヘッド２０から気密な成膜室１０に載置された基板Ｗに
向けて噴射し、基板上に成膜を行う成膜装置において、
前記原料ガス搬送流路を構成する構成部材７０ａ，７０
ｂ，６２，９２の少なくとも一部に表面の不動態化処理
が施されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、成膜装置に関し、
特に、チタン酸バリウム／ストロンチウム等の高誘電体
又は強誘電体薄膜を形成するために使用される成膜装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体産業における集積回路の集
積度の向上はめざましく、現状のメガビットオーダか
ら、将来のギガビットオーダを睨んだＤＲＡＭの研究開
発が行われている。かかるＤＲＡＭの製造のためには、
小さな面積で大容量が得られるキャパシタ素子が必要で
ある。このような大容量素子の製造に用いる誘電体薄膜
として、比誘電率が１０以下であるシリコン酸化膜やシ
リコン窒化膜に替えて、比誘電率が２０程度である五酸
化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）薄膜、あるいは比誘電率が３
００程度であるチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、チ
タン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）又はチタン酸バ
リウムストロンチウム等の金属酸化物薄膜材料が有望視
されている。また、さらに比誘電率が高いＰＺＴ、ＰＬ
ＺＴ、Ｙ１等の強誘電体の薄膜材料も有望視されてい
る。

【０００３】ところで、このような素材の成膜を行う方
法として、化学気相成長法（ＣＶＤ）が有望とされてい
る。図３は、この種のチタン酸バリウム／ストロンチウ
ム等の高誘電体又は強誘電体薄膜を形成するための成膜
装置の全体構成を示す図であり、液体原料を気化させる
気化器（ガス発生装置）１１０の下流側に原料ガス搬送
流路１１２を介して密閉可能な成膜室１１４が設けら
れ、さらにその下流側の排気流路１１８に真空ポンプ１
１６が配置されている。成膜室１１４には、酸素等の酸
化ガスを供給する酸化ガス配管１２０が接続されてい
る。

【０００４】このような構成の成膜装置により、基板Ｗ
を基板保持・加熱台１２４上に載置し、基板Ｗを所定温
度に維持しつつガス噴射ヘッド１２８のノズル穴１２６
から原料ガスと酸化ガスとの混合ガスを基板Ｗに向けて
噴射して、基板Ｗの表面に薄膜を成長させる。この場
合、原料ガスを成膜室内の被成膜基板に向けて安定的に
供給する必要がある。原料ガスは、常温で固体のＢａ
（ＤＰＭ）_２、Ｓｒ（ＤＰＭ）_２などを溶解し、さらに
気化特性を安定化させるためにテトラヒドロフラン（Ｔ
ＨＦ）などの有機溶剤を混合した液体原料を気化器で加
熱して気化させることによって生成される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、発明者の実
機での観察によれば、Ｙ１系の強誘電体を成膜する時、
ガス噴射ヘッド内部の原料ガスの搬送流路を構成する部
材の原料ガスと酸化ガスとの合流部の手前の周壁面に黒
い粉末体の付着物が発生する。このような付着物は剥離
しやすく、下流側の成膜室に同伴されると成膜室内の基
板に付着してパーティクル源となる。また、成膜室内に
送られる原料の量や組成が変化して、成膜の速度や組成
の制御が困難になってしまうという問題があった。

【０００６】これは、原料ガス流路を構成する金属部材
の一部が露出し、これを触媒として原料ガス中の成分の
反応が進行するためと考えられる。特に、ステンレス鋼
にはＦｅ，Ｎｉという遷移金属（VIII）たる元素を大量
に含んでおり、このＦｅ，Ｎｉは触媒活性が非常に高い
ため、周囲の化学反応を促進する作用が著しく強くな
り、原料ガスの分解及び表面への吸着反応を強力に推進
することになる。そして、原料ガスが分解して堆積物と
なった場合、これは通常、種々の酸化物または炭酸塩を
主たる構成要素とする可能性が大きく、金属酸化物触媒
の作用等でこの分解堆積の現象は連続して生じて、徐々
に成長することになる。

【０００７】本発明は、上記の課題に鑑みて為されたも
ので、原料ガスの搬送流路内での付着物の生成を防止し
つつ広い温度制御範囲を確保して安定に成膜室に供給で
きる成膜装置及び方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、原料ガス搬送流路から供給される原料ガスを酸化ガ
スとともにガス噴射ヘッドから気密な成膜室に載置され
た基板に向けて噴射し、基板上に成膜を行う成膜装置に
おいて、前記原料ガス搬送流路を構成する構成部材の少
なくとも一部に表面の不動態化処理が施されていること
を特徴とする成膜装置である。

【０００９】不動態化処理の方法としては、硝酸その
他の強力な酸化剤を含む処理液に浸漬する方法、酸素
または清浄な空気中における低温加熱による方法、酸
化剤を含む溶液中における陽極分極による方法、等が挙
げられる。この不動態化処理を施すことによって得られ
る緻密な不動態皮膜は、耐食性に優れているばかりでな
く、触媒活性の高い母材の露出を阻止して、原料分解生
成物の生成及びその堆積を防止する機能を果たす。

【００１０】請求項２に記載の発明は、原料ガス搬送流
路から供給される原料ガスを酸化ガスとともにガス噴射
ヘッドから気密な成膜室に載置された基板に向けて噴射
し、基板上に成膜を行う成膜方法において、成膜工程の
開始前に前記原料ガス搬送流路を構成する構成部材の少
なくとも一部を高温の酸化ガス雰囲気に曝して表面不動
態化処理を行なうことを特徴とする成膜方法である。こ
れにより、稼動中、あるいはメンテナンス時に不動態皮
膜が剥離して欠損が生じたとしても、高温の酸化ガス雰
囲気中で不動態皮膜が形成されて欠損が自己修復され
る。

【００１１】この方法としては、装置に加熱手段を設
け、酸化ガス（酸素、Ｎ２Ｏ、オゾン、Ｈ_２Ｏ等）を流
すか又は封じ込める方法、加熱した酸化ガスを装置内
に流す方法、上記２つの方法を併用した方法等があ
る。

【００１２】の方法では、装置自体が高温になるた
め、装置の耐熱温度以上に温度を上昇させることは困難
であるが、装置内にホットプレート等が設置してある場
合においては、ホットプレートを加熱した状態で酸化ガ
スを流すことによって、ホットプレートの制限温度まで
の高温の処理が可能となる。の方法では、ガスの注入
口、ガスの流し方等を工夫して、部材の表面に高温の酸
化ガスを噴射することによって、装置自体の過熱を防ぎ
つつ部材の表面処理を短時間で行うことができる。

【００１３】請求項３に記載の発明は、前記構成部材の
母材が、ステンレス鋼、アルミニウム、又はニッケル又
はそれらの合金であることを特徴とする請求項１に記載
の成膜装置又は請求項２に記載の成膜方法である。

【００１４】請求項４に記載の発明は、各搬送流路がオ
ーステナイト系ステンレス鋼からなり、かつ前記酸化ガ
ス雰囲気の温度が、各搬送流路構成部材の溶体化処理温
度以下または鋭敏化処理温度以下であることを特徴とす
る請求項３に記載の成膜装置又は成膜方法である。この
ような条件下においては、２００℃以上であることが必
要であると思われる。

【００１５】溶体化処理温度まで上昇させる手段として
は、酸化ガスの温度をその温度以上まで上昇させて流す
ことによって対応することができる。また、ガスの流入
を停止すれば速やかに装置を冷却でき、部材の表面だけ
を溶体化処理することが可能でかつ厚い酸化皮膜を作る
ことも可能である。

【００１６】一方、溶体化温度に達しないか、或いは達
しても冷却に時間がかかってしまうような場合は、逆に
部材が粒界腐食を生じやすい組織に変質、劣化してしま
うおそれが大きいので、鋭敏化温度以下での対応をとれ
ばよい。鋭敏化温度以下での処理であれば、部材が粒界
腐食を生じやすい組織に変質することがなく、かつ十分
な厚さの酸化皮膜を作ることが可能である。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図１及び図２を参照して、
本発明の実施の形態を説明する。この成膜装置は、気密
な成膜室１０を構成する容器本体１２と、容器底部１４
の中央に開口する筒状部１６内を昇降可能な基板保持台
（サセプタ）１８と、容器本体１２の頂部に取り付けら
れたガス噴射ヘッド（シャワーヘッド）２０とを備えて
いる。

【００１８】これら容器本体１２、容器底部１４及び筒
状部１６とガス噴射ヘッド２０には、オイルのような熱
媒体を流通させる熱媒体流路２２，２４，２６，２８
ａ，２８ｃが形成され、これらの流路は外部配管３０を
介して、ポンプ等の送油手段３２、及びヒータ等の加熱
手段３４からなる熱媒体ユニット３６に流通している。
また、必要箇所を冷却するために冷却水循環ユニットが
設けられている（図示せず）。容器底部１４には、生成
ガスを排気する排気孔３８が開口し、これは図示しない
真空ポンプに連結している。

【００１９】サセプタ１８は支持軸４０を介して成膜室
１０の下方に配置された昇降装置４２に連結され、これ
により筒状部１６の中を昇降する。筒状部１６の所定高
さには、搬送用のロボット４４を有するロボット室４６
に向かう位置に基板搬送口４８が開口しており、これは
ベローズ（通路）５０を介してロボット室４６のゲート
５２に接続されている。この基板搬送口４８にはパージ
ガス供給口５４が開口している。サセプタ１８には基板
Ｗを加熱するためのヒータ５６が設けられ、所定位置に
取り付けられた基板温度センサの検出値に基づいて該ヒ
ータ５６への電力を調整して基板温度を一定に維持する
ようにしている。

【００２０】ガス噴射ヘッド２０は、成膜対象の基板Ｗ
に対向して配置されるノズル盤６０と背板６２及び周壁
６４によってほぼ円盤状のガス混合空間６６を形成する
噴射ヘッド本体６８と、前記背板６２側から前記噴射ヘ
ッド本体６８に接続されて前記ガス混合空間６６に原料
ガスと酸化ガスを供給するガス供給配管７０とを備えて
いる。ガス供給配管７０は同軸の多重管であり、中心に
はノズル盤面に達する熱電対（温度センサ）７２が挿入
されている。

【００２１】ノズル盤６０は、基板Ｗよりやや大きい径
に設定され、上側に延びる前記周壁６４と一体に形成さ
れており、これによりノズル盤６０の上側に凹所を形成
している。ノズル盤６０には、多数のジェットノズル形
状のガス噴射孔７４を有するノズル要素７６が装着さ
れ、前記熱媒体流路２８ａが各ノズル要素７６を取り囲
むように形成されている。２８ｂ，２８ｂ’は、各々の
熱媒体のノズル盤６０への出入り口である。

【００２２】ノズル盤６０の上側には、多数のガス分散
孔７８を有する分散板８０が配置され、ノズル盤６０と
の間にガス分散空間８２が形成されている。分散板８０
の縁部には上下に延びる筒状壁８４が形成されて、上下
にガス混合空間を形成している。ガス分散孔７８は、ノ
ズル盤６０のガス噴射孔７４と互い違いになるように配
置されている。分散板８０の筒状壁８４の上端に接する
ように背板６２が装着され、背板６２の中央には、同軸
の多重管である上記ガス供給配管７０が挿入されてい
る。

【００２３】周壁６４の内面、背板６２の上面、ガス供
給配管７０の外面を覆うように外被８６が設けられ、こ
れと周壁６４の間にはシールリング８８が配されて内部
を密閉している。この外被８６と背板６２の上面及びガ
ス供給配管７０の外面の間には、熱媒体流路２８ｃが形
成されており、ガス供給配管７０と分配板９２，９４と
を加熱している。

【００２４】背板６２と分散板８０の間の空間には、上
下２枚の分配板９２，９４が装着されて、上側の分配板
９２と背板６２との間に原料ガスの搬送流路９６ａが、
両分配板９２，９４間に酸化ガスの搬送流路９８ａがそ
れぞれ形成されている。この原料ガスの搬送流路９６ａ
は、ガス供給配管７０の外管７０ａと内管７０ｂとの間
に形成された原料ガスの搬送流路９６ｂに、酸化ガスの
搬送流路９８ａは、内管７０ｂの内部に形成された酸化
ガスの搬送流路９８ｂにそれぞれ連通するようになって
いる。

【００２５】分配板９２，９４の外周と分散板８０の筒
状壁８４の間には環状の第１混合空間６６ａが形成さ
れ、下側の分配板９４と分散板８０の間には円盤状の第
２混合空間６６ｂが形成され、これらの第１混合空間６
６ａと第２混合空間６６ｂがガス混合空間６６を構成し
ている。この例では、筒状壁８４の内面が分散板８０に
向かうに従い内側に向く傾斜面８４ａとなっており、原
料ガスの搬送流路９６ａと酸化ガスの搬送流路９８ａ内
を流れた両ガスを混合し反転させて第２混合空間６６ｂ
にスムースに導くようになっている。なお、背板６２は
熱媒体流路２８ｃにより所定の温度に維持されているの
で、分配板９２，９４の温度も原料ガスの凝縮や分解が
起きない温度に維持される。

【００２６】このガス噴射ヘッド２０においては、ガス
発生装置としての気化器１００の下流側に接続された原
料ガス搬送流路１０２にガス供給配管７０の原料ガスの
搬送流路９６ｂが連通し、酸化ガス搬送流路１０４にガ
ス供給配管７０の酸化ガスの搬送流路９８ｂが連通して
いる。また、原料ガス搬送流路１０２と酸化ガス搬送流
路１０４の内部には、開閉弁１０６ａ，１０６ｂが設置
されている。

【００２７】ここで、原料ガスの搬送流路９６ａ，９６
ｂを構成する搬送流路構成部材であるガス供給配管７０
の外管７０ａと内管７０ｂ、及び背板６２と上側の分配
板９２は、例えば、１８−８ステンレス鋼製で、これら
の各部材に不動態化処理が施され、表面に緻密な不動態
皮膜が形成されている。この不動態化処理は、装置の組
立て前に、これらの部材を硝酸その他の強力な酸化剤を
含む処理液に浸漬させることによって行われる。なお、
酸素または清浄な空気中における低温加熱や、酸化剤を
含む溶液中における陽極分極によって行うこともでき
る。

【００２８】このように構成された成膜装置の作用を説
明する。気化器１００で生成された原料ガスと図示しな
い供給源から供給される酸化ガスは、ガス供給配管７０
にそれぞれ導入される。原料ガスは、例えば、Ｂａ（Ｄ
ＰＭ）_２、Ｓｒ（ＤＰＭ）_２及びＴｉ（ｉ−ＯＣ
_３Ｈ_７）_４等の有機金属化合物を溶剤に溶解したものが
混合されて気化され、Ａr等のキャリアガスに随伴させ
られたものであり、酸化ガスは、例えば、Ｏ_２，Ｎ
_２Ｏ，Ｈ_２Ｏ等の酸素含有ガス、あるいはオゾン
（Ｏ_３）を含むガスを指す。

【００２９】原料ガスは、ガス供給配管７０の外管７０
ａと内管７０ｂとの間の搬送流路９６ｂと、背板６２と
上側の分配板９２との間の搬送流路９６ａを通過して環
状の第１混合空間６６ａに噴射され、傾斜面８４ａに当
たって偏向して円盤状の第２混合空間６６ｂの中央に向
けて流入する。一方、原料ガスは、ガス供給配管７０の
内管７０ｂ内の搬送流路９８ｂと、両分配板９２，９４
間の搬送流路９８ａを通過して環状の第１混合空間６６
ａに噴射され、傾斜面８４ａに当たって偏向して円盤状
の第２混合空間６６ｂの中央に向けて流入する。原料ガ
スと酸化ガスは、この過程で拡散・混合される。

【００３０】この時、原料ガスの搬送流路９６ａ，９６
ｂを構成するガス供給配管７０の外管７０ａと内管７０
ｂ、及び背板６２と上側の分配板９２は、不動態化処理
が施されて表面に緻密な不動態皮膜が形成されているた
め、金属の活性な表面が露出しておらず、原料ガス中の
成分が金属表面を触媒として反応することが防止され
る。従って、このような反応の生成物が付着し堆積する
ことが防止される。

【００３１】一方、第２混合空間６６ｂでは、混合ガス
は周囲から流入して中心に向かい、その過程で分散板８
０のガス分散孔７８から順次ガス分散空間８２に流入す
る。そして、このガス分散空間８２に流入した混合ガス
は、各ノズル要素７６のガス噴射孔７４から下方に向け
て均一に噴射される。

【００３２】上記において、熱媒体は熱媒体ユニット３
６から外部配管３０を介してノズル盤６０、周壁６４、
及び外被８６と背板６２の間の熱媒体流路２８に供給さ
れており、これにより各部を所定温度に維持している。

【００３３】装置の修理や点検等の後の装置の立上げ時
においては、原料ガスの搬送流路９６ａ，９６ｂに沿っ
て高温の酸化ガスを流すことによって、予め不動態化処
理を施した各部材の原料ガスとの接触面を高温酸化ガス
雰囲気に曝すことにより、不動態皮膜修復処理を行な
う。しかる後、原料ガスの搬送流路９６ａ，９６ｂに沿
って原料ガスを流して成膜処理を行う。これにより、装
置組立て時や成膜供用中に不動態皮膜が剥離して欠損が
生じたとしても、金属は高温の酸化ガス雰囲気中で酸化
して酸化物を生成するという自己補修作用によって欠損
が自己修復される。

【００３４】なお、不動態修復処理は、成膜装置に加熱
手段を設け、装置全体を加熱した状態で、原料ガスの搬
送流路９６ａ，９６ｂに沿って酸化ガスを流すか、また
は封じ込めることで、不動態化処理を施した各部材の原
料ガスとの接触面を高温酸化ガス雰囲気に曝すことによ
って行っても良い。この場合、装置自体が高温になるた
め、装置の耐熱温度以上に温度を上昇させることは困難
であるが、装置内にホットプレート等が設置してある場
合においては、ホットプレートを加熱した状態で酸化ガ
スを流すことによって、ホットプレートの制限温度まで
の高温の処理が可能となる。

【００３５】この酸化ガス雰囲気の温度は、各搬送流路
構成部材の溶体化処理温度以下または鋭敏化処理温度以
下で、２００℃以上である。溶体化処理温度まで上昇さ
せる手段としては、酸化ガスの温度をその温度以上まで
上昇させて流すことによって対応できる。また、酸化ガ
スを停止することによって速やかに装置を冷却でき、部
材の表面のみを溶体化処理することが可能でかつ厚い酸
化皮膜を作ることも可能である。

【００３６】なお、溶体化温度に達しないか、或いは達
しても冷却に時間がかかってしまうような場合は、逆に
部材が粒界腐食を生じやすい組織に変質・劣化するおそ
れが大きいので、鋭敏化温度以下での対応をとればよ
い。鋭敏化温度以下での処理であれば、部材が粒界腐食
を生じやすい組織に変質することがなく、かつ十分な厚
さの酸化皮膜を作ることが可能である。

【００３７】この作業は、装置立上げ時や分解洗浄後の
再立上げだけでなく、所定回数の成膜処理を行った後に
定期的に行っても良い。これにより、成膜処理に伴って
不動態皮膜が剥離又は損耗して欠損が生じても、この欠
損が自己修復される。

【００３８】この例では、原料ガス搬送流路１０２を構
成する配管及び該配管内に配置される開閉弁１０６ａ等
の各機器にも不動態化処理が施され、これにより、気化
器１００で発生した原料ガスがガス噴射ヘッド２０に供
給される過程で、原料ガスによる付着物が生成されるこ
とが防止されている。

【００３９】なお、ガス噴射ヘッドを構成する他の構成
部品に不動態化処理を施しても良く、また、１８−８ス
テンレス鋼の代わりに、他のステンレス系やアルミ合金
系、更にはニッケル合金系材料を使用しても良い。ま
た、上記の実施の形態にあっては、原料ガス供給原とし
て、液体原料の流路を加熱する形式の気化器を使用した
例を示しているが、液体原料にヘリウムガス等によるバ
ブリングを施して原料ガスを発生させるバブリングタイ
プのものでもよく、さらに、本来気体であるような原料
ガスを貯蔵するボンベであっても適用できることは言う
までもない。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
原料ガスを広い温度制御範囲でその搬送流路内での付着
物の生成を防止しつつ安定して成膜室に供給することが
でき、それにより、高・強誘電体等の比較的不安定な原
料ガスを用いる成膜を、安定的にかつ品質良く行うこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の成膜装置の概略を示す断
面図である。

【図２】図１のガス噴射ヘッドの拡大断面図である。

【図３】成膜装置の全体構成を示す図である。

【符号の説明】

１０成膜室２０ガス噴射ヘッド６０ノズル盤６２背板６６ガス混合空間６８噴射ヘッド本体７０ガス供給配管７０ａ外管７０ｂ内管７４ガス噴射孔８０分散板８２ガス分散空間９２，９４分配板９６ａ，９６ｂ原料ガスの搬送流路９８ａ，９８ｂ酸化ガスの搬送流路１００気化器（ガス発生装置）１０２原料ガス搬送流路１０４酸化ガス搬送流路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者堀江邦明東京都大田区羽田旭町11番１号株式会社荏原製作所内Ｆターム(参考） 4K030 AA11 AA14 AA16 BA42 BA48 EA01 EA05 KA46 KA47 LA15 5F045 AB40 AC07 AC11 AC15 BB15 DC63 DP03 EC02 EC08 EE05 EF05 EF11 EK10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原料ガス搬送流路から供給される原料ガ
スを酸化ガスとともにガス噴射ヘッドから気密な成膜室
に載置された基板に向けて噴射し、基板上に成膜を行う
成膜装置において、前記原料ガス搬送流路を構成する構成部材の少なくとも
一部に表面の不動態化処理が施されていることを特徴と
する成膜装置。
【請求項２】原料ガス搬送流路から供給される原料ガ
スを酸化ガスとともにガス噴射ヘッドから気密な成膜室
に載置された基板に向けて噴射し、基板上に成膜を行う
成膜方法において、成膜工程の開始前に前記原料ガス搬送流路を構成する構
成部材の少なくとも一部を高温の酸化ガス雰囲気に曝し
て表面不動態化処理を行なうことを特徴とする成膜方
法。
【請求項３】前記構成部材の母材が、ステンレス鋼、
アルミニウム、又はニッケル又はそれらの合金であるこ
とを特徴とする請求項１に記載の成膜装置又は請求項２
に記載の成膜方法。
【請求項４】各搬送流路がオーステナイト系ステンレ
ス鋼からなり、かつ前記酸化ガス雰囲気の温度が、各搬
送流路構成部材の溶体化処理温度以下または鋭敏化処理
温度以下であることを特徴とする請求項３に記載の成膜
装置又は成膜方法。