JP2002299256A - 半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】被処理基板上の成膜の膜厚分布の不均一性を解
消し、被処理基板上に膜厚の均一な薄膜を形成する。 【解決手段】複数の反応ガス導入用の穴３ａが設けら
れ、被処理基板７の表面に向かい合うように配置したシ
ャワーヘッド３を有する半導体製造装置において、被処
理基板７の中心７ｃに１番近い第１の円周上にある第１
の穴３ａ_１からガスの流量Ａが吹き出され、第１の円周
の外側にある第２の円周上の第２の穴３ａ_２の位置まで
に、ガスが反応してガスの流量が流量Ａから、流量Ａ−
流量Ｂとなり、流量Ａ−流量Ｂとなったガスの流量を流
量Ａに戻すため、第２の円周上の第２の穴３ａ_２位置
で、流量Ｂを足し、このように穴３ａ_２〜３ａ_ｎのある
各円周上で流量をＡに戻すことにより、被処理基板７の
面内でのガスの流量が略変わらないようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコン基板、石
英基板、ガラス基板等の各種被処理基板の表面に薄膜を
形成する半導体製造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は半導体製造装置の反応炉の概略断
面図である。

【０００３】１は反応室、２は反応室壁、３はシャワー
ヘッド、３ａはガス導入穴、４は空間、５はガス導入
口、６はガス排気口、７は被処理基板、８はヒータであ
る。

【０００４】反応室１は、反応室壁２と、複数のガス導
入穴３ａを設けたシャワーヘッド３とによって気密に構
成されている。また、シャワーヘッド３の上部には、ガ
ス導入口５から導入された反応ガスの流量を均一化する
ための空間４が設けられている。

【０００５】反応ガスは、ガス導入口５から導入され、
シャワーヘッド３上部の空間４によってガスの流量が均
一化され、複数のガス導入穴３ａからシャワーヘッド３
の半径方向、円周方向において流量が均一になるように
排出され、被処理基板７上に薄膜を成膜しながら反応室
１内を流れ、被処理基板７の外側に１個所以上設けられ
たガス排気口６から排出される（図５ではガス排気口６
は１個のみ図示）。

【０００６】図６は従来の半導体製造装置におけるシャ
ワーヘッド３のガス導入穴３ａの配置を示すシャワープ
レート面の平面図である。

【０００７】３ｂはシャワープレートである。

【０００８】従来の半導体製造装置のシャワーヘッド３
においては、図６に示すように、複数のガス導入穴３ａ
が碁盤の目状に配置されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記構成の従
来の半導体製造装置において、複数の各ガス導入穴３ａ
から流出された反応ガスは、各穴３ａの直下から被処理
基板７の表面上を、ガス排気口６方向への（被処理基板
７の外側への）流れが生じる。

【００１０】このため、シャワーヘッド３の中心部の穴
３ａから被処理基板７表面の中心部に流出された反応ガ
スは、反応ガスの反応率が低い場合、被処理基板７表面
の中心部付近では反応しきらず、被処理基板７の外側へ
流れ込み、被処理基板７の外側の膜厚が大きくなる要因
となっている。

【００１１】また、上記構成の従来の半導体製造装置に
おいて、被処理基板７の処理中に被処理基板７を回転さ
せる場合でも、該回転の中心を中心とする被処理基板７
上の各円周上における反応ガスの量についてばらつきが
あり、膜厚の均一な薄膜を被処理基板７表面上に成膜す
ることができなかった。

【００１２】本発明の目的は、従来技術の課題である被
処理基板上の成膜の膜厚分布の不均一性を解消し、被処
理基板上に膜厚の均一な薄膜を形成できる半導体製造装
置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、複数の反応ガス導入用の穴が設けられ、
被処理基板の表面に向かい合うように配置したシャワー
ヘッドを有する半導体製造装置において、上記被処理基
板の中心に１番近い第１の円周上にある第１の穴からガ
スの流量Ａが吹き出され、上記第１の円周の外側にある
第２の円周上の第２の穴の位置までに、上記ガスが反応
してガスの流量が上記流量Ａから、流量Ａ−流量Ｂとな
り、上記流量Ａ−流量Ｂとなったガスの流量を上記流量
Ａに戻すため、上記第２の円周上の第２の穴位置で、流
量Ｂを足し、このように穴のある各円周上で流量をＡに
戻すことにより、上記被処理基板面内でのガスの流量が
略変わらないようにしたことを特徴とする。

【００１４】本発明の半導体製造装置では、反応ガスが
反応してガスの流量が流量Ａ−流量Ｂとなり、次の外側
の円周上の穴位置で、流量をＡに戻すため流量Ｂを足
し、このように穴のある各円周上で流量をＡに戻し、被
処理基板面内でのガスの流量が略変わらないようにした
ことにより、被処理基板上に膜厚の均一な薄膜を形成す
ることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態について詳細に説明する。なお、以下で説明する
図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その
繰り返しの説明は省略する。

【００１６】図５に本発明の実施の形態における半導体
製造装置の反応炉の構成を示す。本装置は、被処理基板
７を１枚ずつ処理する枚葉式である。シャワーヘッド３
以外の半導体製造装置の反応炉の構成は、従来と同様で
ある。

【００１７】シャワーヘッド３の上部には反応ガスの流
量を均一化するためのバッファ空間４が１個以上設けら
れ、それぞれに対してガス導入口５が配置される（図５
には１個ずつのみ図示）。

【００１８】図５に示すように、ガス導入口５から反応
ガスが空間４内に導入され、反応ガスの流量が均一化さ
れる。空間４にて流量が均一化された反応ガスは、シャ
ワーヘッド３から流出し、例えばウェハ等の被処理基板
７まで到達し、化学反応を起こして被処理基板７の表面
に薄膜が形成される。

【００１９】図１は本発明の実施の形態の半導体製造装
置の技術思想を示す要部断面図である。

【００２０】３はシャワーヘッド、３ａ_１、３ａ_２、３
ａ_３、３ａ_４、…３ａ_ｎはガス導入穴、７は被処理基
板、７ｃは被処理基板の中心である。

【００２１】本実施の形態の半導体製造装置では、図１
に示すように、複数の反応ガス導入用の穴３ａが設けら
れ、被処理基板７の表面に向かい合うように配置したシ
ャワーヘッド３を有し、被処理基板７を回転させ処理す
る（回転機構は一般的なので図示省略）半導体製造装置
において、被処理基板７の中心７ｃに１番近い第１の円
周上にある第１の穴３ａ_１からガスの流量Ａが吹き出さ
れ、第１の円周の外側にある第２の円周上の第２の穴３
ａ_２の位置までに、ガスが反応してガスの流量が流量Ａ
から、流量Ａ−流量Ｂとなり、流量Ａ−流量Ｂとなった
ガスの流量を流量Ａに戻すため、第２の円周上の第２の
穴３ａ_２位置で、流量Ｂを足し、このように穴３ａ_２〜
３ａ_ｎのある各円周上で流量をＡに戻すことにより、被
処理基板７の面内でのガスの流量が略変わらないように
するものである。

【００２２】すなわち、ある任意のガス導入穴３ａから
流出する反応ガスは、すべての量が反応に寄与するので
はなく、ある一定の割合で反応し、反応しなかったガス
は残りガスとして下流へ（ガス排気口６の方へ、すなわ
ち、被処理基板７の外側へ）流れ込む。下流での反応に
おいては、ガス導入穴３ａから直接放出されるガスの量
Ａと、その地点から内側にある（被処理基板７の中心７
ｃ側の）穴３ａ位置からの残ガスＡ−Ｂとの和が等しく
なるようする。このために、シャワーヘッド３の穴３ａ
の個数、穴３ａを設ける各円周の半径、穴３ａの配置、
穴３ａの大きさ等を計算に基いて設定し、これにより被
処理基板７表面上に成膜する膜厚の均一性を向上させる
ことができる。

【００２３】反応ガス量の計算方法の一例を下記に示
す。

【００２４】反応ガスの反応割合（反応率）をγ、総反
応ガス量をＱ、シャワーヘッド３の穴３ａの総数をＣと
すると、シャワーヘッド３の穴３ａ、１個当たりの反応
ガス量はＱ／Ｃ、被処理基板７の中心７ｃからｎ番目の
円周上にある穴３ａ_ｎの個数をｃｎとすると、その円周
上での反応ガス量ｑｎは、 ｑｎ＝Ｑ／Ｃ×ｃｎ、 上流からの残りガス量ｑｎ’は、 ｑ１’＝０（：被処理基板７の中心７ｃに１番近い円周
上にある穴３ａ_１の残りガス量） ｑ２’＝（Ｑ／Ｃ×ｃ１×（１−γ）＋Ｑ／Ｃ×ｃ２）
×（１−γ） （：被処理基板７の中心７ｃから２番目の円周上にある
穴３ａ_２の残りガス量）ｑｎ’＝（ｑｎ−１’＋Ｑ／Ｃ
×ｃｎ）×（１−γ） （：被処理基板７の中心７ｃからｎ番目の円周上にある
穴３ａ_ｎの残りガス量）反応ガス量は、 ｑ１＝Ｑ／Ｃ×ｃ１（：被処理基板７の中心７ｃに１番
近い円周上にある穴３ａ_１の反応ガス量） ｑｎ＝（ｑｎ−１’＋Ｑ／Ｃ×ｃｎ）×γ （：被処理基板７の中心７ｃからｎ番目の円周上にある
穴３ａ_ｎの反応ガス量） ここで、半径方向によらず反応ガス量ｑｎが一定となる
ように、シャワーヘッド３の穴３ａの個数ｃｎ、穴３ａ
を設ける各円周の半径ｒｎ、穴３ａの配置、穴３ａの大
きさ等を最適化して求める。

【００２５】図２（ａ）、（ｂ）は、上記のような計算
でも求めた本実施の形態の構成の一例を示す表である。

【００２６】図２（ａ）において、ガス導入穴３ａ当た
りのガス流量は総反応ガス量／ガス導入穴個数である。

【００２７】図２（ｂ）に示すように、半径ｒｎは、２
５ｍｍ、５０ｍｍ、７５ｍｍ、１００ｍｍ、１２５ｍ
ｍ、１５０ｍｍであり、各円周上の穴３ａ個数は、それ
ぞれ４個、４個、５個、５個、５個、６個である。穴３
ａの大きさは、本実施の形態では、すべて同一である。

【００２８】各円周の半径ｒｎ、すなわち、各円周と円
周との間隔は、できるだけ半径方向で反応ガス量が均等
になるように設定する。各円周間の間隔については、被
処理基板７を回転させているため、それほど厳密に考慮
しなくてもよいが、あまり大きく開け過ぎると、被処理
基板７の回転速度が遅い場合は温度分布が発生するの
で、温度分布が発生しない程度の間隔とする。

【００２９】図２（ｂ）の直接流量というのは、穴３ａ
から出て直接被処理基板７と反応するガス量のことであ
る。

【００３０】図２（ｂ）の流れ込み流量というのは、排
気流れによって運ばれるその穴３ａより中心７ｃ側にあ
る穴３ａからの反応しなかったガス量、すなわち、流量
Ａ−Ｂのことである。

【００３１】図２（ｂ）の総反応ガス量は、直接流量＋
流れ込み流量である。

【００３２】総反応ガス量／円周が一定となるように各
円周上の穴３ａ個数を設定する。

【００３３】図３は、本実施の形態の半導体製造装置に
おけるシャワーヘッド３のガス導入穴３ａの配置の一例
を示すシャワープレート３ｂ面の平面図である。なお、
本図の各円周上の穴３ａ個数は、図２（ｂ）の構成例と
一致していない。本図に示したシャワーヘッド３におい
ては、穴３ａの個数、穴３ａを設ける各円周の半径は計
算により最適化されている。穴３ａの大きさはすべて同
一である。なお、穴３ａは、図３に示すごとく、うず巻
き状に配置されている。このような穴３ａのうず巻き状
の配置により、回転する被処理基板７の表面上において
反応ガスの流量が円周方向に均一になりつつ、被処理基
板７の中心７ｃから外側に向かう理想的なガスの流れが
実現される。しかし、この配置は一例であり、これ以外
の配置でも総反応ガス量／円周を一定にすることは可能
である。

【００３４】図７は図６に示した従来のガス導入穴３ａ
の格子状穴配置における半径方向のガス密度を示す図で
ある。

【００３５】図４は図２に示したように半径と各円周上
の穴３ａの個数が最適化され、図３に示した本発明の実
施の形態のガス導入穴３ａのうず巻状穴配置における半
径方向のガス密度を示す図である。

【００３６】上記のように、本実施の形態では、反応ガ
スが反応してガスの流量が流量Ａ−流量Ｂとなり、次の
外側の円周上の穴位置で、流量をＡに戻すため流量Ｂを
足し、このように穴のある各円周上で流量をＡに戻し、
被処理基板７面内でのガスの流量が略変わらないように
したことにより、総反応ガス量／円周を一定にすること
ができ、被処理基板７上に膜厚の均一な薄膜を形成する
ことができる。

【００３７】以上本発明を実施の形態に基づいて具体的
に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変
更可能であることは勿論である。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
従来技術の課題である被処理基板上の成膜の膜厚分布の
不均一性を解消し、被処理基板上に膜厚の均一な薄膜を
形成することができる。

【図１】本発明の実施の形態の半導体製造装置の技術思
想を示す要部断面図である。

【図２】本実施の形態の構成の一例を示す表である。

【図３】本実施の形態の半導体製造装置におけるシャワ
ーヘッドのガス導入穴の配置を示すシャワープレート面
の平面図である。

【図４】本発明の実施の形態における半径方向のガス密
度を示す図である。

【図５】本発明の実施の形態の（および従来の）半導体
製造装置の反応炉の概略断面図である。

【図６】従来の半導体製造装置におけるシャワーヘッド
のガス導入穴の配置を示すシャワープレート面の平面図
である。

【図７】図６の従来技術における半径方向のガス密度を
示す図である。

【符号の説明】

１…反応室、２…反応室壁、３…シャワーヘッド、３ａ
…ガス導入穴、３ｂ…シャワープレート、４…空間、５
…ガス導入口、６…ガス排気口、７…被処理基板、８…
ヒータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4K030 CA04 CA05 CA06 EA05 EA06 JA05 LA15 4M104 DD44 HH20 5F045 BB02 DP03 DQ10 EE17 EF05

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の反応ガス導入用の穴が設けられ、被
   処理基板の表面に向かい合うように配置したシャワーヘ
   ッドを有する半導体製造装置において、 上記被処理基板の中心に１番近い第１の円周上にある第
   １の穴からガスの流量Ａが吹き出され、 上記第１の円周の外側にある第２の円周上の第２の穴の
   位置までに、上記ガスが反応してガスの流量が上記流量
   Ａから、流量Ａ−流量Ｂとなり、 上記流量Ａ−流量Ｂとなったガスの流量を上記流量Ａに
   戻すため、上記第２の円周上の第２の穴位置で、流量Ｂ
   を足し、 このように穴のある各円周上で流量をＡに戻すことによ
   り、上記被処理基板面内でのガスの流量が略変わらない
   ようにしたことを特徴とする半導体製造装置。検討下さ
   い。