JP2001313288A

JP2001313288A - 原料ガス供給装置

Info

Publication number: JP2001313288A
Application number: JP2000131718A
Authority: JP
Inventors: Kuniaki Horie; 邦明堀江; Naoaki Kogure; 直明小榑; Yukio Fukunaga; 由紀夫福永; Tsutomu Nakada; 勉中田; Akira Yamamoto; 暁山本
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2001-11-09

Abstract

(57)【要約】【課題】液体又は粉体等の固体の原料をキャリアガス
を用いて効果的に気化させ、この気化後の原料ガスの流
量を精度よく制御し、また途中で再凝縮を起こすことな
く処理装置に供給できるようにした原料ガス供給装置を
提供する。【解決手段】キャリアガスを原料容器３２内の液体ま
たは粉体の原料３０に通気しつつ、該原料３０を気化さ
せて処理装置１０に供給する原料ガス供給装置におい
て、原料容器３２内の原料３０を該原料３０の気化温度
以上に加熱する加熱手段３４と、原料容器３２内の圧力
と原料容器３２から吐出される原料含有ガスの質量流量
を制御する制御手段３８，４２とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば化学気相成
長による成膜装置に関し、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や配線用の
銅膜等を基板上に形成する成膜装置に原料ガスを供給す
るのに使用される原料ガス供給装置に関する。

【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。

【０００３】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、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、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）又はこれらの混
合物である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、さらに誘電率
が高いＰＺＴ、ＰＬＺＴ、Ｙ１等の強誘電体の薄膜材料
も有望視されている。

【０００４】上記の他、配線材料として、アルミニウム
に比べ配線抵抗が小さく、エレクトロマイグレーション
耐性に優れた銅も有望視されている。更に、ゲート絶縁
膜の材料として、ＢｉＶＯ，Ｂｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_１２，ＹＭ
ｎＯ_３，ＺｎＯ，（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ等が、ペロブスカイ
ト構造の電極材料として、ＳｒＲｕＯ_３，ＢａＲｕ
Ｏ _３，ＩｒＯ，ＣａＲｕＯ_３等が、バリア層やバッファ
層の材料として、ＭｇＯ，Ｙ_２Ｏ_３，ＹＳＺ，ＴａＮ
が、超伝導材料として、Ｌａ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ，Ｌａ−
Ｓｒ−Ｃｕ−Ｏ，Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ，Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃ
ａ−Ｃｕ−Ｏ，Ｔｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ，Ｈｇ−Ｂ
ａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ等が有望視されている。

【０００５】このような素材の成膜方法として、化学気
相成長法（ＣＶＤ）が有望視されている。図７は、ＣＶ
Ｄ装置に用いられる従来のこの種の成膜装置の概略構成
例を示す図であって、液体原料を気化する気化器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を設け、さらにその下流側の排気流路に真
空ポンプ１１６を配置して排気配管１１８を構成し、成
膜室１１４に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。

【０００６】このような構成の成膜装置により、基板Ｗ
を基板載置台１２４に設けた加熱板上に載置し、基板Ｗ
を所定温度に維持しつつガス噴射ヘッド１２８のガス噴
射孔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。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（ＴＨＦ）などの有機溶
剤を混合した液体原料を気化器１１０で加熱して気化す
ることによって生成される。

【０００７】気化器も、気化する対象（原料）に応じて
種々のものが開発されているが、多くの原料に対応可能
なものとして、原料にこれと非反応性のガス（キャリア
ガス）を通気して原料を気化させるようにした、いわゆ
るバブリング方式を採用したものが知られている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ここで、例えば、バッ
チ式の成膜装置や、成膜面積が広いガラス基板用の成膜
装置においては、成膜原料が多量に使用されるが、その
原料が有機金属原料を含む場合のように揮発性が悪い場
合、従来のバブリング方式を採用した気化器では、多量
の原料ガスを精度よく、また途中で再凝縮・分解・重合
等を起こすことなく成膜室等に供給することは困難であ
った。

【０００９】また、例えば、Ｂａ，Ｓｉ，Ｔｉ系の原料
にＣａを、或いはＹ１（Ｓｒ，Ｂｉ，Ｔａ）系の原料に
Ｎｂをそれぞれ添加剤として加える場合、少量の原料を
精度よく気化し流量を制御しつつ送る必要があるが、原
料が難気化である場合、従来のバブリング方式を採用し
た気化器では、微量な原料ガスを精度よく、また途中で
再凝縮・分解・重合等を起こすことなく成膜室等に供給
することも困難であった。

【００１０】本発明は上記事情に鑑みて為されたもの
で、液体又は粉体等の固体の原料をキャリアガスを用い
て効果的に気化させ、この気化後の原料ガスの流量を精
度よく制御し、また途中で再凝縮を起こすことなく処理
装置に供給できるようにした原料ガス供給装置を提供す
ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、キャリアガスを原料容器内の液体または粉体等の固
体の原料に通気しつつ、該原料を気化させて処理装置に
供給する原料ガス供給装置において、前記原料容器内の
原料を該原料の気化温度以上に加熱する加熱手段と、原
料容器内の圧力と原料容器から吐出される原料含有ガス
の質量流量、或いは原料容器から吐出される原料含有ガ
スの体積流量の少なくとも一方を制御する制御手段とを
有することを特徴とする原料ガス供給装置である。

【００１２】これにより、キャリアガス中に原料ガスが
飽和状態でガス化して含まれるようにして、処理装置に
供給する原料の量を制御することができる。

【００１３】つまり、この原料ガスの供給量をｎとする
と、原料ガスの蒸気圧が原料容器内の圧力に対して小さ
い場合には、気体の状態方程式より、

【数１】ここに、Ｐｍ：原料ガスの蒸気圧、Ｖ：キャリアガスの体積、Ｔ：原料容器内の絶対温度が成り立つ。ここで、温度Ｔを原料の気化温度より僅か
に高い温度で一定にすると、原料の蒸気圧Ｐｍも一定と
なるので、キャリアガスの体積Ｖ中に、飽和分、即ち上
記温度Ｔでの蒸気圧分の原料ガスが含有されることにな
り、これにより、原料ガスの供給量ｎは、原料容器から
吐出されるキャリアガスの体積Ｖのみ関数となる。従っ
て、原料容器内の圧力を変えることで、原料容器から処
理装置に供給されるキャリアガスの体積Ｖを変更でき、
この体積Ｖを変えることで、原料流量の調整が可能とな
る。

【００１４】また、原料ガスを飽和状態で含有したキャ
リアガス（原料含有ガス）を、原料容器の二次側でガス
温度を一定にしたまま減圧すると、キャリアガスの体積
は膨張し、原料ガスが不飽和状態となる。従って、原料
含有ガスを搬送する配管の温度を原料容器内或いは原料
の気化温度より僅かに高い温度にしておくことで、原料
ガスの配管途中での再凝縮を防止することができる。

【００１５】請求項２に記載の発明は、キャリアガスを
通気しつつ気化させて処理装置に搬送する液体または粉
体等の固体の原料を内部に貯蔵する原料容器であって、
該原料容器の底部に、前記キャリアガスを導入するキャ
リアガス導入管を内部に位置させる下凸部を原料容器と
互いに連通させ下方に突出させて設けたことを特徴とす
る原料容器である。これにより、例え原料容器内に貯蔵
される原料の量が減少しても、下凸部内は原料で満たさ
れ、この下凸部内の原料の内部をキャリアガスが通過す
るようにして、キャリアガスが原料中を流れる経路を十
分に長くすることができる。

【００１６】請求項３に記載の発明は、前記下凸部の上
部にレベルセンサを設け、このレベルセンサの取付け位
置より下の上記液体または粉体等の固体の保有量のみで
キャリアガスに原料ガスを飽和できる構造を有すること
を特徴とする請求項２記載の原料容器である。請求項４
に記載の発明は、請求項１記載の原料ガス供給装置、
または請求項２または３に記載の原料容器を有すること
を特徴とする成膜装置である。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施の形
態の原料ガス供給装置を備えた枚様式の成膜装置を示
す。この成膜装置は、例えば半導体基板上に配線用金属
を成膜するのに用いられるもので、気密な成膜室（処理
室）１０の内部に加熱手段を備えた基板載置台１２が配
置され、上部にガスを基板Ｗに向けて噴射するガス噴射
ヘッド１４が設けられている。ガス噴射ヘッド１４に
は、原料ガス供給装置１６で気化した原料ガス（原料含
有ガス）を供給する原料ガス供給ライン１８と、添加剤
を供給する添加剤供給ライン２０が接続されている。成
膜室１０の下部には、真空ポンプ２２と除害装置２４を
備えた排気ライン２６が接続されている。

【００１８】原料ガス供給装置１６は、液体原料３０を
収容する原料容器３２と、原料容器３２中の液体原料３
０をこの気化温度以上の所定温度に加熱する加熱手段３
４と、液体原料３０中にキャリアガスを吹込むキャリア
ガス流入ライン３６と、原料容器３２の上部に接続され
た原料ガス供給ライン１８とを備えている。なお、この
例では、加熱手段は、原料容器３２を取り囲む恒温槽と
して構成され、これには液体原料３０の気化温度よりや
や高い所定の温度の熱媒が供給されるようになってい
る。また、液体原料の代わりに粉体等の固体原料を使用
しても良い。

【００１９】原料ガス供給ライン１８は、一次圧力調整
弁３８を介して成膜室１０に接続されており、この一次
圧力調整弁３８は、原料容器３２内の圧力を検知する圧
力計４０の出力に応じて開度を調整し、一定圧力の原料
含有ガスを成膜室１０に向けて供給するようになってい
る。

【００２０】キャリアガス流入ライン３６は、キャリア
ガスの質量流量を制御する質量流量制御弁４２及びその
下流の抵抗体４４を介してキャリアガス源に接続されて
いる。この質量流量制御弁４２は、質量流量計４６とそ
の下流の制御弁４８により構成されている。抵抗体４４
は、原料容器３２の内部圧力を所定値に維持するための
もので、質量流量が小さく、制御弁４８のみでは十分な
差圧を得ることができない場合に有効な手段となる。

【００２１】このような構成により、この実施の形態で
は、一次圧力調整弁３８により原料容器３２の内部圧力
を所定値に制御し、一次側の質量流量制御弁４２により
原料容器３２内に流入するキャリアガスの質量流量を制
御することで、キャリアガス中に液体原料３０を気化し
飽和させた状態の原料含有ガスを、その体積流量を間接
的に制御しつつ供給するようになっている。

【００２２】例えば、バルブ３８は一次圧力調節弁であ
るので、原料容器３０内のガス圧力、即ちキャリアガス
の圧力は一定（Ｐ_１）となり、一次圧力調節弁３８から
排出されるキャリアガスの体積Ｖ_１は、気体の状態方程
式により、

【数２】ここで、Ｔ_１：原料容器内の絶対温度Ｎ：キャリアガスの質量となり、原料容器内の絶対温度Ｔ_１も一定であるので、
質量流量制御弁４２から供給されるキャリアガスの質量
Ｎのみの関数となる。従って、一次圧力制御弁３８から
は常に一定の体積Ｖ_１が成膜室１０へ送られることにな
る。

【００２３】ここで、原料容器３２内のキャリアガス中
に含まれる原料ガスが飽和状態であれば、キャリアガス
の体積Ｖ_１中に含まれる原料ガス量は、質量が一定で蒸
気圧も一定であるので、常に一定となる。

【００２４】つまり、この原料ガスの供給量をｎとする
と、原料ガスの蒸気圧が原料容器内の圧力に対して小さ
い場合には、気体の状態方程式より、

【数３】ここに、Ｐｍ：原料ガスの蒸気圧、Ｖ：キャリアガスの体積、Ｔ：原料容器内の絶対温度が成り立つ。ここで、温度Ｔを原料の気化温度より僅か
に高い温度で一定にすると、原料の蒸気圧Ｐｍも一定と
なるので、キャリアガスの体積Ｖ中に、飽和分、即ち上
記温度Ｔでの蒸気圧分の原料ガスが含有されることにな
り、これにより、原料ガスの供給量ｎは、原料容器から
吐出されるキャリアガスの体積Ｖのみ関数となる。

【００２５】従って、原料容器３２内の圧力を変えるこ
とで、一次圧力調節弁３８から供給されるキャリアガス
の体積Ｖを変更でき、この体積Ｖを変えることで、原料
流量の調整が可能となる。

【００２６】また、一次圧力調節弁３８以降ではキャリ
アガス中に原料ガスが不飽和状態で含まれるようにする
ことで、原料含有ガスの搬送の途中で原料ガスが再凝縮
等を起こすことを防止することができる。

【００２７】つまり、原料含有ガスは、一次圧力調整弁
３８を通過する際に減圧される。すると、キャリアガス
は体積膨張し、原料ガス供給ライン１８を構成する配管
の温度を原料容器３２内或いは原料の気化温度より僅か
に高い温度にしておくと、原料ガスが不飽和状態とな
る。従って、原料ガスの配管途中での再凝縮を防止する
ことができる。

【００２８】図２は、この発明の他の実施の形態を示す
もので、原料容器３２から吐出される原料含有ガスの体
積流量を体積流量制御弁５０により直接に制御するよう
にした例である。すなわち、原料容器３２の二次側に体
積流量計５２と制御弁５４から構成される体積流量制御
弁５０を設置し、原料容器３２の一次側に抵抗体５６を
設置している。この装置では、抵抗体５６から原料容器
３２、体積流量計５２に至る経路の圧力をほぼ同一にな
るようにすると、その圧力での体積流量を体積流量制御
弁５０で制御することができる。

【００２９】図３は、少量の原料を精度良く供給するの
に適するようにした、この発明の更に他の実施の形態を
示すものである。この実施の形態は、原料容器３２の二
次側の原料ガス供給ライン１８に、制御弁６０と流量計
６２からなる流量調整弁６４と抵抗体６６とを流れ方向
に沿って設け、更に、原料容器３２の一次側のキャリア
ガス流入ライン３６に、原料容器３２内の圧力を検知す
る圧力計４０と連動して原料容器３２内の圧力を一定に
保つ二次圧力調整弁６８を設けたものである。この流量
調整弁６４は、この場合、体積流量調整弁でも質量流量
調整弁でも良い。

【００３０】このように抵抗体６４，６６を原料容器３
２の二次側に設置することにより、少量の原料を精度よ
く送る場合に有効な手段となる。すなわち、この実施の
形態では、少量の原料を送付する場合に、原料容器３２
の二次側の流量調整弁６４あるいは抵抗体６６で原料容
器３２内の圧力を高めに保ち、流入するキャリアガスの
体積流量を小さく抑え、原料ガスのキャリアガス質量体
積当たりの溶存量を小さく抑えることにより、微少の原
料の供給量制御を精度良く行うことができる。

【００３１】図４乃至図６は、この発明の原料容器３２
の形状に関する他の実施の形態を示すもので、原料容器
３２内の液体原料３０（図１乃至図３参照）が減少した
場合でも、常にキャリアガス中に原料ガスを確実に飽和
状態で含有させた原料含有ガスを作り出すことができる
ようにしたものである。

【００３２】図４は、原料容器３２の底部に該原料容器
３２の直径より十分に小さな断面積の下凸部７０を原料
容器３２と連通させつつ下方に突出させて設け、この下
凸部７０の内部に、キャリアガスを吹込むキャリアガス
導入管７２を該導入管７２の先端を該下凸部７０の最深
部に位置させて挿入したものである。この例によれば、
下凸部７０の長さを、ここに吹込まれたキャリアガスが
該下凸部７０に沿って上昇する際に、この下凸部７０の
みでキャリアガス中に原料ガスが完全に飽和するように
設定することで、例え液体原料３０が減少しても、原料
ガスをキャリアガス中に完全に飽和させることができ
る。つまり、下凸部７０の上部にレベルセンサＬＳを設
け、このレベルセンサＬＳの取付け位置までで原料ガス
がキャリアガス中に完全に飽和状態となるようにする。
これにより、レベルセンサＬＳの取付け位置よりも上部
が１バッチ中の液体原料の有効利用体積とすることがで
きる。また、容器内部に液の残量が少なくなっても有効
な気化を行なうことができ、液体原料３０の使用効率を
高めることができる。

【００３３】図５は、図４に示す下凸部７０の内部に、
円板状で一部に弦状の切欠き７４ａを設けた邪魔板７４
を、下凸部７０の長さ方向に沿った所定位置に配置した
ものである。これにより、下凸部７０の最深部に吹込ま
れたキャリアガスの気泡は蛇行して上昇するので、下凸
部７０内での液体原料３０中を通過する経路が長くな
り、気泡の液中滞在時間が長くなって、下凸部７０の長
さを短くしても、原料をキャリアガス中に完全に飽和さ
せるようにすることができる。なお、キャリアガスが邪
魔板７４の下部に残存しないように、邪魔板７４を水平
に対して切欠き７４ａ側が少し高くなるように少し傾け
ることが望ましい。

【００３４】図６は、図４に示す下凸部７０の内部に、
円板状で内部に多数の微細孔７６ａを有する多孔板から
なる邪魔板７６を、下凸部７０の長さ方向に沿った所定
位置に配置したものである。これにより、原料として液
体原料を使用した場合に原料内に発生するキャリアガス
の気泡を微細化し、キャリアガスの体積に対する比表面
積を大きくすることができ、下凸部７０の長さが短い場
合でも十分に原料が飽和したキャリアガスを作ることが
できる。また、この微細孔７６ａをキャリアガスが滞留
することなく通過できる程度に小さくすることで、原料
ガスを飽和状態にするための液深を浅くすることができ
る。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
キャリアガス中に原料ガスが飽和状態で含まれるように
して、ガス化して処理装置に供給する原料の量を制御す
るとともに、この原料含有ガスの搬送の途中で原料ガス
が再凝縮を起こすことを防止することができる。しか
も、原料容器内の圧力を加圧から減圧まで変更すること
により、原料の搬送量を微量から大量まで制御すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の原料ガス供給装置を備え
た成膜装置の全体構成を示す図である。

【図２】本発明の他の実施の形態の原料ガス供給装置を
備えた成膜装置の全体構成を示す図である。

【図３】本発明の更に他の実施の形態の原料ガス供給装
置を備えた成膜装置の全体構成を示す図である。

【図４】本発明の原料ガス供給装置に使用される原料容
器の実施の形態を示す斜視図である。

【図５】本発明の原料ガス供給装置に使用される原料容
器の他の実施の形態の要部を示す斜視図である。

【図６】本発明の原料ガス供給装置に使用される原料容
器の他の実施の形態の要部を示す斜視図である。

【図７】従来の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１２基板載置台１４ガス噴射ヘッド１６原料ガス供給装置（気化器）１８原料ガス供給ライン３０液体原料３２原料容器３４加熱手段３６キャリアガス流入ライン３８一次圧力調整弁４０圧力計４２質量流量制御弁４４，５６，６６抵抗体４６質量流量計４８，５４，６０制御弁５０体積流量制御弁５２体積流量計６２流量計６４流量調整弁６８二次圧力調整弁７０下凸部７２キャリアガス導入管７４邪魔板７４ａ同、切欠き７６邪魔板７６ａ同、微細孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者福永由紀夫東京都大田区羽田旭町11番１号株式会社荏原製作所内 (72)発明者中田勉東京都大田区羽田旭町11番１号株式会社荏原製作所内 (72)発明者山本暁神奈川県川崎市麻生区岡上622番地２有限会社マイクロシステム内Ｆターム(参考） 4K030 BA01 BA18 BA42 EA01 KA22 KA41 LA15 5F045 AA04 AB31 AC07 DP03 EC09 EE03 EE07 EE17

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】キャリアガスを原料容器内の液体または
粉体等の固体の原料に通気しつつ、該原料を気化させて
処理装置に供給する原料ガス供給装置において、前記原料容器内の原料を該原料の気化温度以上に加熱す
る加熱手段と、原料容器内の圧力と原料容器から吐出される原料含有ガ
スの質量流量、或いは原料容器から吐出される原料含有
ガスの体積流量の少なくとも一方を制御する制御手段と
を有することを特徴とする原料ガス供給装置。
【請求項２】キャリアガスを通気しつつ気化させて処
理装置に搬送する液体または粉体等の固体の原料を内部
に貯蔵する原料容器であって、該原料容器の底部に、前記キャリアガスを導入するキャ
リアガス流入ラインの導入管を内部に位置させる下凸部
を原料容器と互いに連通させ下方に突出させて設けこと
を特徴とする原料容器。
【請求項３】前記下凸部の上部にレベルセンサを設
け、このレベルセンサの取付け位置より下の上記液体ま
たは粉体等の固体の保有量のみでキャリアガスに原料ガ
スを飽和できる構造を有することを特徴とする請求項２
記載の原料容器。
【請求項４】請求項１記載の原料ガス供給装置、また
は請求項２または３に記載の原料容器を有することを特
徴とする成膜装置。