JP2004087585A - Film-forming apparatus and film-forming method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a film-forming apparatus and method capable of performing the MOCVD method without generating particles. <P>SOLUTION: In the film-forming apparatus consisting of a film-forming chamber 7, a mixing chamber 3 for generating mixing gas, vaporization chamber 1 for raw gas, and a gas head 8 formed on the upper surface of the film-forming chamber 7, particle traps are arranged between the vaporization chamber and the mixing chamber and on the downstream side in the mixing chamber and a by-pass line 10 provided with a valve is connected between the primary side and secondary side of particle traps 6a, 6b arranged on the downstream side in the mixing chamber. In the case of forming a film by using the apparatus, gas components such as raw gas, reactive gas and carrier gas are allowed to flow in the opened state of the valve of the by-pass line and then the valve is closed, or in the case of a variable valve, film formation is started while gradually closing the valve. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、成膜装置及び成膜方法に関し、特に、有機金属気相成長(MOCVD)法のようなCVD法を実施するための成膜装置及びこの装置を用いて行う金属酸化物の成膜方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年の半導体素子に対する高い集積化の要求を満足するためには、MOCVD法等のCVD法により薄膜形成を行う際に、原料ガス中に含まれる異物微粒子や水分等を含む微少パーティクルをできるだけ少なくすることが必要である。従来から、例えば、これらのパーティクルをpptレベルまで除去するために、原料ガスを高い濾過特性を有するフィルター部材を通した後に、真空チャンバである成膜室(反応室)内へ導入することが提案されている。
また、本発明者らは、原料ガス生成用気化室と混合室との間に、また、混合室内の下流側に、それぞれ、温度コントロール可能なパーティクルトラップを設けることにより、気化室及び配管で発生するパーティクルの成膜室への流入を防ぐ技術を提案している(特願2002−117123号)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
MOCVD法によって薄膜を形成する場合、一般に、気化した原料ガスと反応ガスとからなる混合ガス(以下、「成膜ガス」とも称す。)を真空チャンバである成膜室内に導入し、真空室内に配設されたステージ上に載置した基板上で気相化学反応により成膜する。該成膜室の上面には、ステージに対向してシャワープレートのようなガスヘッドが配設され、このガスヘッドにはガス混合室が付設されている。成膜時に、混合室に供給された原料ガスと反応ガスとは、所定の混合比の混合ガスとして、ガスヘッドを介して所定の真空度に排気された成膜室内に導入され、基板上での化学反応により薄膜が形成される。
【0004】
この場合、基板上に均一な膜質及び膜厚分布を有する薄膜を形成するためには、成膜室内や基板の直上における成膜ガスの均一な流れ分布、均一な濃度分布及び均一な温度分布が必要であると共に、成膜ガス、特に原料ガス中に含まれる微少パーティクルが少なければ少ないほどよい。
しかし、MOCVD法により薄膜を形成する際に、上記従来技術におけるように、原料ガスをフィルター部材を通してから反応室内へ導入したとしても、フィルター部材を通しただけでは、パーティクルは完全には除去されないという問題や、その際のフィルター部材の寿命が短いという問題がある。
【0005】
また、特願2002−117123号の場合、成膜室へのパーティクルの流入を防ぐ為にパーティクルトラップを設けた成膜装置(図1)においても、成膜室7にガスヘッド8を介して原料ガス、反応ガス、キャリアガス等のガスを流し始める際に、混合室3内に配設されたパーティクルトラップ6a、6bの一次側と二次側との間に一時的に大きな圧力差((圧力ゲージP2の圧力)−(圧力ゲージP3の圧力))が生じることがあり、それにより、混合室3内でパーティクルトラップからのパーティクルの巻き上げ、また、下流側への流出が起こり、製造ロットの初期ウェハーでのパーティクル数の増加(図2)が見られた。図1において、符号1は気化室,1a〜1dは原料供給系、2は集塵式スクリーン、3は混合室、4は原料ガス用配管、5は反応ガス用配管、6a、6bはパーティクルトラップである金属燒結フィルター、7は成膜室、8はガスヘッド、9は基板、11は排ガス処理系、12はコールドトラップ、13はドライポンプ等の真空ポンプ、14は排気系、15はドライポンプ等の真空ポンプを示す。
【0006】
この成膜装置では、ウェハー毎の成膜開始時に、バルブ開閉により、原料ガスのベントラインから成膜室への切り替えが行われるが、その際にパーティクルが発生する。これは、パーティクルトラップの一次側と二次側との間での一時的な圧力変動によるものと考えられ、サイズが0.2μm以上のパーティクルのトータル数を50個以下に減少させたいという技術目標を達成することの障害となっている。
本発明の課題は、上記したような従来技術の問題点を解決することにあり、パーティクルが生ずることなくMOCVD法のようなCVD法を有効に実施することができる成膜装置及びこの装置を用いた成膜方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の成膜装置によれば、内部に基板が載置されるステージを設けた真空チャンバである成膜室と、成膜室に接続された、原料ガスと反応ガスとの混合ガス生成用混合室と、原料ガス用気化室とを備え、ステージに対向して成膜室上面に混合ガスを成膜室内に導入するためのガスヘッドが設けられた成膜装置において、気化室と混合室との間及び混合室内の下流側のそれぞれに、温度コントロール可能なパーティクルトラップが配設され、混合室内下流側に配設されたパーティクルトラップの一次側と二次側との間に、バルブを備えたバイパスラインが設けられていることを特徴とする。
請求項2によれば、上記バルブは可変バルブであることを特徴とする。
【0008】
請求項3によれば、上記成膜装置において、混合室内下流側に配設されたパーティクルトラップが複数枚である場合、成膜室に一番近いパーティクルトラップの一次側と二次側との間、又は成膜室に一番近いパーティクルトラップの二次側と上流にあるパーティクルトラップの一次側との間を接続するバルブを備えたバイパスラインが設けられていることを特徴とする。この場合、上流側のパーティクルトラップに同様のバイパスラインを設けることは必ずしも必要ではない。
上記のように、パーティクルトラップを配設し、また、バイパスラインを設けることにより、成膜室内に導入される原料ガスその他のガス類中にパーティクルがほとんど含まれなくなると共に、装置運転時の圧力変動によるパーティクルトラップからのパーティクルの巻き上げ、下流への流出を押さえることができる。また、成膜後バイパスラインのバルブを閉じた状態で真空引きすることにより原料配管と成膜室とから同時に残留ガスの排気を行うことが可能となる。その結果、良好な膜質を有する薄膜を形成する成膜装置を提供できる。
【0009】
請求項4によれば、上記成膜装置において、気化室と混合室との間に設けられた温度コントロール可能なパーティクルトラップの設定温度を、気化室内で原料ガスを得る際の気化温度及び原料ガスを流す配管の温度よりも5〜80℃低く設定するように構成したことを特徴とする。
このように、パーティクルトラップの設定温度を気化温度や配管温度よりも低く設定することにより、原料に混入又は気化時に生成の可能性がある、原料化合物よりも蒸気圧の低い不純物や分解物を除去することができる。この温度範囲を外れると、不純物や分解物の除去が困難になる。
【0010】
請求項5によれば、上記気化室と混合室との間に配設されたパーティクルトラップは慣性集塵式スクリーンからなり、また、混合室内下流側に配設されたパーティクルトラップは多孔体フィルターからなることを特徴とする。この多孔体フィルターは、金属燒結フィルターであることが好ましい。
請求項6によれば、上記慣性集塵式スクリーンは、気体をほぼ45度の傾斜角を持って導入する透孔を多数同一方向に穴開けした網目状集塵スクリーン板からなり、この慣性集塵式スクリーンが編目状集塵スクリーン板を複数枚積層したものである場合は、この互いに隣接するスクリーン板の透孔の傾斜角の方向が交互に90度交差した状態に構成されていることを特徴とする。
【0011】
請求項7によれば、この慣性集塵式スクリーンを構成する網目状集塵スクリーン板は、その空間に金属、セラミックス及び石英から選ばれた充填物を充填したものであることを特徴とする。
パーティクルトラップとして上記のような慣性集塵式スクリーン及び多孔体フィルターを採用することにより、圧力損失が小さく、捕集量が大きく、目詰まりもなく、乾式/湿式のパーティクルを捕集することができるので、混合室内に導入される原料ガス、ひいては成膜室内に導入される混合ガス中にはパーティクルがほとんど存在しないようになる。また、金属燒結フィルタのような多孔体フィルターの寿命も延びる。
【0012】
請求項8によれば、上記成膜装置において、パーティクルトラップを配設し、また、バイパスラインを設けることに加え、上記混合室が、原料ガス導入管及び反応ガス導入管を備えた攪拌室と、原料ガス及び反応ガスを攪拌・混合して得た混合ガスを拡散させる拡散室とを有し、原料ガス導入管及び反応ガス導入管のそれぞれのガス導入口が互いに対向するようにして設けられており、攪拌室と拡散室との間に、攪拌室の容積よりも拡散室の容積の方が大きくなるように仕切り板が設けられ、この仕切り板は、混合室の底部に対して凸状の2次曲線形状を有するものであり、また、この仕切り板には、それぞれのガス導入口を結ぶ直線の鉛直方向下側の所定位置に一つのガス吹き出し口が設けられ、このガス吹き出し口を介して混合ガスが攪拌室から拡散室へと拡散されるように構成されていることを特徴とする。
【0013】
上記混合室を用いれば、攪拌室で攪拌・混合されて得られた混合ガスを仕切り板の所定の位置に設けられた一つのガス吹き出し口から拡散室へ拡散させるようにしてあるので、導入されるガスの分子量が大きく異なる場合であっても、容積の大きな混合室を用いることなく、複数のガスを均一に混合することができる。したがって、分子量の大きく異なる複数のガスを混合する際に、その流量や種類によって混合室の容積を変える必要がない。そのため、混合室と次の工程の成膜室とを無駄なく直結することができるので、混合ガスを次の工程で使用する際に、均一に混合されたガスが再び乱流に戻るということはない。混合室の攪拌室に導入された各ガスが、以下述べるような形状を有する仕切り板の表面等に沿って移動することで対流が生じ、その結果、攪拌室内において、導入された混合ガスを効率良く確実に均一に攪拌・混合することが可能になる。また、上記ガス吹き出し口の位置及び大きさを調整することによって、導入された各ガスを最適の状態で攪拌・混合することができ、その結果、均一な混合ガスとして拡散室へ導入することが可能になる。
【0014】
上記混合室の攪拌室において攪拌・混合された混合ガスが拡散室に導入される際に、攪拌室と拡散室との容積の差に起因する拡散現象によって自然に拡散されるため、また、その後、拡散室から均一に混合された混合ガスを効率よく成膜室内に導入することができるため、混合ガスが乱流となることはない。したがって、原料ガス及び反応ガスの流量、種類によって容積が左右されない混合室内で、低い圧力でそれらのガスを均一に混合し、均一に混合した混合ガスを直結された成膜室内にガスヘッドを介して導入することにより、混合ガスの乱流を抑え、成膜対象物上に形成する薄膜の膜質、膜厚分布を向上、安定化させることができる。
【0015】
上記仕切り板を、混合室の底部に対して凸状の2次曲線形状を有するものとすることにより、所定の曲面形状を有する仕切り板を混合室内に配設するだけで、極めて簡単な構成の所望の混合室が得られる。さらに、ガス吹き出し口については、その位置及び大きさを適宜設定することによって攪拌室と拡散室との間に圧力差を設け、それにより攪拌室内に生じる強烈な対流により重量の異なるガスを均一に混合し、混合ガスが攪拌室から広い空間を有する拡散室内に拡散されるように構成している。例えば、上記仕切り板の周縁部分からその底部までの鉛直距離の1/2に相当する位置に設けられていることが好ましい。これにより、均一に混合された混合ガスが効率よく攪拌室から拡散室へと拡散され得る。
【0016】
請求項9によれば、上記成膜装置において、パーティクルトラップを配設し、また、バイパスラインを設けることに加え、上記ステージの周囲を所定の長さを有する円筒形状のスリーブ部材で囲い、このスリーブ部材と成膜室内壁面との間の間隙を介して、排ガスがガスヘッドとステージとが形成する第1空間内で対流することなく第1空間から排気されるように構成し、また、真空排気手段が接続されたステージ下方の第2空間の容積が第1空間の容積より大きくなる位置にステージの高さ位置を設定したことを特徴とする。
請求項10によれば、請求項9記載の成膜装置に、さらに、成膜室の内壁面に沿って不活性ガスを成膜室内に均等に導入するガスリングを成膜室の上面に設けたことを特徴とする。
【0017】
上記スリーブ部材と成膜室内壁面との間の間隙を10mm以上(好ましくは、10〜17mm)に設定し、また、スリーブ部材の高さ寸法を70mm以上に設定することが好ましい。間隙、高さ寸法をこのような範囲に設定すれば、膜厚分布を所望の値以内に維持することができる。
上記請求項9及び10のように構成することにより、混合室内に導入される原料ガス、ひいては成膜室内に導入される混合ガス中にパーティクルがほとんど含まれなくなると共に、基板の直上における混合ガスの均一な流れ分布、均一な濃度分布及び均一な温度分布が達成でき、その結果、基板上に均一な膜質及び膜厚分布を有する薄膜を形成することができる。
【0018】
請求項11記載の成膜方法は、上記成膜装置を用いて行う成膜方法であって、成膜室に原料ガス、反応ガス、キャリアガスのガス類を流して成膜する際に、このガス類を、混合室内下流側に配設されたパーティクルトラップの一次側と二次側との間に設けられたバイパスラインのバルブを開いた状態で流した後、このバルブを閉じ、成膜を開始することを特徴とする。
このように、バイパスラインのバルブを開いた状態でガス類を所定の条件で流した後、このバルブを閉じることにより、パーティクルトラップの一次側と二次側との間に一時的な大きな圧力差を生じさせること無く成膜を開始させることが可能となる。その結果、装置運転時の圧力変動によるパーティクルトラップからのパーティクルの巻き上げ、下流への流出を押さえることができる。
【0019】
請求項12記載の成膜方法は、上記成膜装置を用いて行う成膜方法であって、成膜室に原料ガス、反応ガス、キャリアガスのガス類を流して成膜する際に、このガス類を、混合室内下流側に配設されたパーティクルトラップの一次側と二次側との間に設けられたバイパスラインの可変式バルブを開いた状態で流した後、この可変式バルブを徐々に閉じながら成膜を開始することを特徴とする。
このように、バイパスラインのバルブを可変バルブとし、可変バルブを調節しながらガス類を流すことにより、パーティクルトラップの一次側と二次側との間に一時的な大きな圧力変動を生じさせること無く成膜を開始させることが可能となる。その結果、パーティクルの発生を更に減少させることができる。
【0020】
請求項13記載の成膜方法は、上記成膜装置を用い、成膜室に原料ガス、反応ガス、キャリアガスのガス類を流して成膜する際に、成膜工程を中断している時には、混合室内下流側に配設されたパーティクルトラップの一次側と二次側との間に設けられたバイパスラインのバルブを開いた状態で、原料ガス以外のガス類を流した状態に保っておき、次いで、成膜工程を実施する時に原料ガスを流して成膜を開始することを特徴とする。
これにより、パーティクルトラップの一次側と二次側との間に一時的な大きな圧力変動を生じさせること無く成膜を開始させることが可能となり、パーティクルの発生を更に減少させることができる。
なお、本発明の成膜方法は、例えば、半導体素子の高集積化に要求される金属酸化物薄膜の表面モフォロジーの平滑化、結晶性の向上、薄膜化、微細3次元構造への付き周り性の向上、基板の大面積化、成膜温度の低温化等を達成しようとする際に有効である。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる成膜装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。
本発明の成膜装置では、例えば、図3に示すように、気化室1と、網目状集塵式スクリーン2と、混合室3とを、所定の温度、例えば、180〜260℃に保温された配管で連結してなり、この混合室には原料ガス用配管4及び酸素ガス等の反応ガス用配管5のそれぞれの一端が接続されている。原料ガス用配管4の他端は気化室1に接続され、有機溶媒で希釈した有機金属を気化して得た原料ガスをパーティクルトラップである集塵式スクリーン2を経て混合室3内に導入できるようになっている。反応ガス用配管5の他端は反応ガスボンベ、キャリアガスボンベに接続され、これらのガスを混合室3内へ導入できるようになっている。原料ガス用配管4及び反応ガス用配管5には、ヒータ等の加熱手段や熱交換器が設けられていることが好ましい。
【0022】
集塵式スクリーン2は、気化室1と混合室3との間に配設され、原料ガス中のパーティクルを除去するための温度コントロール可能なパーティクルトラップとして機能する構造を有するものであればよい。この集塵式スクリーンとしては、例えば、株式会社布引製作所製のパイロ・スクリーン(登録商標)等を使用することができる。
集塵式スクリーン2の配置・構成は、パーティクルを捕集可能なものであれば特に制限はない。例えば、図4(a)及び(b)に示すように配置・構成されたパーティクルトラップであり、ヒータ等の加熱手段Hにより、配管とは独立した温度コントロールが可能なように構成されている。
【0023】
図4(a)に示すように、気化室からの原料ガスを導入するための入口40から排出するための出口41へと向かう方向に対して、すなわち原料ガスの流れ方向に対して鉛直方向にスクリーン板42が平行に複数枚積層されている。このスクリーン板42が捕集されたパーティクルで汚れた場合、洗浄のために、上方から溶剤43を流し、この溶剤を下方から排出(ドレイン44)できるように構成されていることが好ましい。
また、図4(b)に示すように、気化室からの原料ガスを下方の入口40から導入して上方の出口41から排出するように構成してもよい。この場合、スクリーン板42は、原料ガスの流れ方向に対して鉛直方向に平行に複数枚積層されている。このスクリーン板42が捕集されたパーティクルで汚れた場合、洗浄のために、上方から溶剤43を流し、この溶剤を下方から排出(ドレイン44)できるように構成されていることが好ましい。なお、積層されたスクリーン板の最上層の上で出口41の手前にフィールター45を設けてもよい。
【0024】
上記集塵式スクリーンの材質については、原料ガスに対する耐食性や機械的特性及び耐熱性(300℃程度)等を考慮して決められる。例えば、ニッケルやその合金(例えば、ハステロイ(登録商標)、インコネル(登録商標)等)、ステンレス鋼(316、316L等)、アルミニウム、チタン、セラミックス等から選択され得る。
導入された原料ガスや反応ガス等のガス類を混合する混合室3内の下流側には、パーティクルトラップとして温度コントロールができる多孔体フィルター6a及び6b(以下、金属燒結フィルターを例にとり説明する。)が配設され、混合ガスをさらに濾過して、成膜室7内へ導入できるようになっている。混合ガスの成膜室7への導入は、混合室3に直接的に接続された成膜室の上面に配設されたシャワープレートのようなガスヘッド8を介して行われる。
【0025】
この金属燒結フィルターは、集塵式スクリーン2による原料ガスからのパーティクル除去に加えて、成膜室7内の基板9上に向かって導入される混合ガス中に存在するパーティクルをさらに除去し、良好な膜質を有する薄膜を形成しようとするものである。この金属燒結フィルターは、使用温度領域、使用するガス種によっては、金属燒結フィルターの他にセラミックス、石英、フルオロカーボン(樹脂)等の多孔体材からなるフィルターであっても良い。また、金属燒結フィルターは、外部からの加熱ないしはフィルターサポートの加熱により温度コントロールがなされ、配管温度よりも高温に設定することも可能である。
また、この金属燒結フィルターは、1枚であってもよいし、図3に示したような2枚又はそれ以上の枚数を用いてもよい。複数枚の場合、メッシュサイズの異なる複数のフィルターを直接ないしはスペーサーを挟んで重ねて使用しても良い。
【0026】
上記金属燒結フィルターは、次のように取り付けられている。例えば、図5に示す混合室では、成膜室50に接続して設けられた混合室51の攪拌室51aの上部に気化室(図示せず)からの原料ガス用配管52及び反応ガス源からの反応ガス用配管53が設けられ、攪拌室で得られた混合ガスを拡散室51bへ拡散せしめ、拡散室51bから板状の金属燒結フィルター54、ガスヘッド55を経て成膜室内へ混合ガスを導入するように構成されている。この金属燒結フィルター54は、混合室51内の下流側に、固定治具により取り付けられた支持部材56上に取り付けられている。このフィルター54は、図示されていないがヒータ等の加熱手段で加熱しても良い。フィルター形状は、図示した板状以外に、筒状でも良く、また、フィルターの濾過面積を増やすために、プリーツ状(波うたせて)に加工したものでも良い。また、異なるメッシュサイズの複数のフィルターを組み合わせたものでも良い。
【0027】
上記金属燒結フィルタの材質については、原料ガスや反応ガスに対する耐食性や機械的特性及び耐熱性を考慮して決められる。例えば、ニッケルやその合金(例えば、ハステロイ(登録商標)、インコネル(登録商標)等)やステンレス鋼(316、316L等)等の金属細線燒結体等から選択され得る。例えば、日本精線株式会社製のステンレス鋼繊維からなるフィルターを使用することができる。
本発明によれば、集塵式スクリーン及び金属燒結フィルターからなるパーティクルトラップを上記のように配置することにより、圧力損失が小さく、捕集量が大きく、目詰まりもなく、乾式/湿式のパーティクルを効率的に捕集することができるので、成膜室内に導入される混合ガス中にはパーティクルがほとんど存在しない。また、金属燒結フィルター寿命もフィルターのみを配設した場合と比べて延びる。
【0028】
さらに、上記成膜装置では、図3に示すように、混合室3内の下流側に配設された金属燒結フィルター6a、6bの一次側と二次側との間に、バルブ(V3)を備えたバイパスライン10が設けられている。このフィルターが複数枚である場合、成膜室7に一番近いフィルターの一次側と二次側との間に、バルブを備えたバイパスラインを設ければよい。
【0029】
図3に示すように、気化室1には、4種の原料供給系1a、1b、1c及び1dが接続されており、それぞれの供給系は、弁要素(V20〜27)の調節によって、原料が原料用容器からHeガス等により流量調節器(FMC7〜10)を経て送られ、Nガス等により気化室へと搬送されるように構成されている。気化室1で得られた原料ガスは、配管4により集塵式スクリーン2を経て混合室3へと搬送される。この混合室3には、反応ガス(O)及びキャリアガス等の不活性ガス(N)の供給系が接続されており、各供給系は、弁要素(V10〜13)の調節によって、反応ガスやキャリアガスをガスボンベから流量調節器(MFC1〜4)、熱交換器を経て、混合室3へと配管5により搬送するように構成されている。気化室1と集塵式スクリーン2との間、成膜室7及びバイパスライン10には、排ガス処理系11がコールドトラップ12及びドライポンプ等の真空ポンプ13を介して接続されている。成膜室7には、排気系14が接続され、室内の真空度の調節を行えるようになっており、さらに、この排気系にはドライポンプ等の真空ポンプ15が接続されていてもよい。図3中、P1〜P6は圧力ゲージを示し、V1〜V29は弁要素を示し、MFC1〜MFC10は流量調節器を示す。
【0030】
次に、本発明の上記成膜装置で用いることができる混合室の一実施の形態を図6及び7を参照して説明する。
図6は混合室の内部構成を模式的に示す断面図であり、図7(a)は、図6の混合室内の撹拌室の内部構成を模式的に示す断面図であり、図7(b)は、図6の模式的上面図である。図6及び7において、同じ構成要素は同じ参照符号で示す。なお、図7(a)及び(b)において、実線及び点線、並びに一点鎖線及び二点鎖線の矢印線は、それぞれ、反応ガス流及び原料ガス流のコンピューターシミュレーションによる流体解析結果の傾向を、それぞれのガスの流れとガス分布とに関して例示するものである。
【0031】
図6に示すように、混合室61は、所定の大きさの中空円筒形状を有し、撹拌室62、拡散室63、及び撹拌室と拡散室との間を仕切るための仕切り板64から構成されており、得られた成膜ガスを用いて次の処理を行うための成膜室(反応室)と直接に結合されている。撹拌室62の上方部分には、少なくとも1種の原料ガスを導入するための原料ガス導入管65、及び反応ガス導入管66が取り付けられ、そのガス導入口65a及び66aが互いに対向するように配置されている。仕切り板64には、混合された原料ガスと反応ガスとからなる成膜ガスを撹拌室62から拡散室63へ効率よく導入するために、ガス導入口65aと66aとを結ぶ直線の鉛直方向下側で、仕切り板64の周縁部分からその底部までの鉛直距離の1/2程度に相当する位置に所定の大きさの一つのガス吹き出し口67が設けられている。
【0032】
これらの原料ガス導入管65及び反応ガス導入管66は、図6、図7(a)及び図7(b)に示すように、混合室61の上側壁面に、仕切り板64の中央部分(変曲点近傍)に対応する位置で、仕切り板64の中心点に対して点対称の位置に取り付けられ、ガス導入口65aと66aとは上記したようにそのガス導入方向が対向するように配置される。
上記混合室61において、仕切り板64は、2次曲線形状の凹面状仕切面を有する半球形状に形成されたものであり、原料ガス導入管65及び反応ガス導入管66が取り付けられた混合室の上方壁面側にその周縁が隙間のないように取り付けられている。
【0033】
混合室61の内部は、上記したように、仕切り板64によって、攪拌室62と拡散室63とに仕切られ、拡散室の容積が攪拌室の容積よりも大きくなるように構成されている。上記混合室の場合、攪拌室62の容積と拡散室63の容積との比は特に限定されないが、攪拌・混合と拡散とを満足に行うという観点からは、通常、1:5〜1:2程度とすることが好ましい。
【0034】
上記のように構成された混合室では、これに直結された成膜室内を真空にした状態で、原料ガス導入管65及び反応ガス導入管66から、それぞれ、ガス導入口65a及び66aを介して、少なくとも1種の原料ガスと反応ガスとを混合室61の攪拌室62内に導入する。これにより、図7(a)及び(b)に示すように、攪拌室62内において、原料ガス流が反応ガス流により分断され、かつ仕切り板64の表面では両ガスとも板64に沿って流れ、その結果、対流が発生して原料ガスと反応ガスとが攪拌され、混合される。次いで、図6に示すように、この混合された原料ガスと反応ガスとからなる成膜ガスは、ガス吹き出し口67を介して拡散室63内に円滑に導入され、拡散される。上記したように攪拌室62の容積より拡散室63の容積の方が大きいため、成膜ガスは、攪拌室から拡散室内に導入される際に、その容積の差によって拡散現象が起こり、均一な混合ガス流として導入され、拡散される。
【0035】
上記混合室を備えた成膜装置は、真空排気システムに接続された成膜室を有し、この成膜室内には、成膜対象物である基板を支持するためのウェハステージが配設されている。成膜室の上面にはガスヘッドが設けられ、このガスヘッドは、成膜室の上部に取り付けられた混合室に直接接続されている。そして、この混合室は、原料ガスの気化システムにパーティクルトラップとしての集塵式スクリーンを介して連結されるとともに、反応ガス源にも連結されている。上記のようにして均一に混合された成膜ガスは、混合室に隣接配置され、直接接続されたガスヘツドに対して最短距離で導入され、成膜室内において乱流になることなくウェハステージ上に載置された成膜対象物表面に供給される。
【0036】
上記混合室によれば、原料ガスと反応ガスとを攪拌室62において攪拌・混合した後、この攪拌・混合されて得られた成膜ガスを拡散室63において拡散させるようにしたことから、原料ガスと反応ガスとの分子量が大きく異なる場合であっても、原料ガスと反応ガスとを均一に混合することができ、従来のように容積の大きな混合室を用いる必要がない。したがって、成膜ガスの流量や種類によって混合室の容積が左右されることはなく、混合室と成膜室とを直結することができるので、均一に混合された成膜ガスが再び乱流になることはない。
【0037】
上記混合室を使用する場合、仕切り板64に設けられたガス吹き出し口67は、図6、図7(a)及び図7(b)に示すように、原料ガス導入管65の近傍に設けられており、この部分で激しく対流する成膜ガスは、ガス吹き出し口67を介して円滑に拡散室63内に導入される。なお、仕切り板64に設けられたガス吹き出し口67は、反応ガス導入管66の近傍に設けられていても良い。そして、上記したように、攪拌室62の容積より拡散室63の容積の方が大きいため、成膜ガスが攪拌室から拡散室内に導入される際に、その容積の差によって拡散現象が起こり、均一に混合される。この均一に混合された成膜ガスは、隣接配置され、直接接続されたガスヘツドに対して最短距離で導入され、成膜室内において乱流になることなく基板に供給される。
【0038】
本発明によれば、上記混合室61の場合にも、図6中には示されていないが、この混合室内の下流側に、図3に示すように金属燒結フィルターが設けられ、かつ、このフィルターの一次側と二次側との間に可変バルブであっても良いバルブを備えたバイパスラインが配設されている。
次いで、本発明の成膜装置に係わる別の実施の形態について、図8、図9(a)及び図9(b)を参照して説明する。
【0039】
図8において、成膜装置80は円筒形状の成膜室81を有している。この成膜室の内部には、シリコンウェハー等の基板が載置される円筒形状のステージ82が設けられている。このステージには、基板を加熱するための加熱手段(図示せず)が組み込まれている。また、ステージ82を、成膜室81の成膜位置と成膜室下方の基板搬送位置との間で昇降自在に構成するための手段を備えている。
成膜室81の下方には2個所の排気ポート83が設けられ、この排気ポートには、ターボ分子ポンプ、ロータリポンプ等の真空ポンプから構成される真空排気手段84が排気管85を介して接続されている。成膜室81上側の中央部には、ステージ82に対向してガスヘッド86が設けられている。
【0040】
ガスヘッド86の上流側には混合室87が設けられ、この混合室には、一端が気化室88に接続された原料ガス用配管89の他端及び一端がガス源に接続された反応ガス用配管90の他端がそれぞれ接続されている。そして、図8に示す成膜装置においては、図4に示す集塵式スクリーンである集塵式スクリーン91が混合室87と気化室88との間に設けられ、また、図5に示す金属燒結フィルターである金属燒結フィルター92が、混合室87内の下流側でガスヘッド86の近傍に設けられている。このように構成することにより、混合室87に原料ガスと反応ガスとをマスフローコントローラ(図示せず)により流量制御して供給し、該混合室87で所定の混合比に均一に混合され、パーティクルの除去された混合ガスがガスヘッド86から基板の中央部に向かって噴出される。すなわち、原料ガスは、気化室88から集塵式スクリーン91を経て混合室87へ導入され、また、混合ガスは、金属燒結フィルター92を経て、混合室87からガスヘッド86を介して成膜室81内へ導入される。
【0041】
本発明によれば、上記混合室87の場合にも、図8中には示されていないが、この混合室内の下流側に、図3に示すように、金属燒結フィルター92の一次側と二次側との間に可変バルブであっても良いバルブを備えたバイパスラインが配設されている。
ところで、MOCVD法により基板上に薄膜を形成する場合、原料ガスが気化温度以下に低下する場合、原料ガスがパーティクルとして析出し、成膜室81内での成膜ダストの原因ともなる。このため、原料ガス用配管89に、温度調節手段である熱交換器(図示せず)を設けてもよい。また、原料ガスの析出を防止するため、成膜室81の外壁やステージ82にヒータのような加熱手段を設けてもよい。
【0042】
ここで、MOCVDプロセスにおいて基板上の薄膜の膜厚分布及び組成分布を均一にすると共にその再現性を高めるには、基板の周囲から、プロセスに寄与しない混合ガス等を含む排ガスを等方排気してガスヘッド86から真空排気手段84までのガス流を均一にすることが重要になる。このため、特に、ガスヘッド86下方であってステージ82上方の第1空間81aでの対流、乱流の発生を防止する必要がある。
そのため、所定の高さ寸法Lを有するスリーブ部材93でステージ82の周囲を囲うこととする。この場合、スリーブ部材93と成膜室81内壁面とが形成する環状の間隙(r)を介して排ガスが等方排気されるように、ステージ下側の第2空間81bの容積を第1空間81aより大きく設定する。MOCVDプロセスに応じて圧力条件が変更可能であるように、排気管85に圧力調節バルブ85aを設けてもよい。
【0043】
上記したように、基板を所定の温度まで加熱するためにステージ82に加熱手段を組み込んだ場合、基板の上方で熱対流が発生し得る。そこで、成膜室81の内壁面に沿って不活性ガスを成膜室81内に均等に導入するガスリング94を、ガスヘッド86を囲うように成膜室81の上部に設ける。ガスリング94から噴射される不活性ガスの強制的な整流作用により、スリーブ部材93と成膜室81の内壁面との間の間隙を通過して第2空間81bに排気される排ガスを、スリーブ部材93の周囲からより確実に等方排気ができるようになる。これにより、第1空間での乱流、対流及び熱対流を防止できる。なお、ステージ82の成膜位置における第1空間の容積が、例えば、2.8L、第2空間の容積を13Lとなるように設定することができる。
【0044】
ところで、成膜室81内のステージ82の高さ位置は、図9(a)に示すように、ガスヘッド86からステージ82までの距離が長いと、排ガスが排気されず成膜室81の上方の隅部で対流Cが発生し得る。他方で、図9(b)に示すように、ガスヘッド86からステージ82までの距離が短いと、ガスヘッド86から噴出された混合ガスが基板で反射されて成膜室81の上方の隅部で対流Cが発生し得る。このため、成膜位置でのガスヘッド86とステージ82との距離はそのような対流Cが生じ難い距離に設定するように構成する。
【0045】
また、ステージ82まで基板を搬送するための基板搬送口を第1空間81aを臨む位置に設けたのでは、基板搬送口の周辺で乱流が発生し得る。このため、ステージ82が、成膜室81上側の成膜位置と下側の基板搬送位置との間で昇降自在となるようにステージ82に昇降手段(図示せず)を付設する。そして、基板搬送位置に対応して成膜室81に基板搬送口96(図8)を設ける。
図8に示す成膜装置の場合、MOCVD法において原料ガスがパーティクルとして析出しないように、ガスリング94から噴出される不活性ガスの温度が調節できるように、ガスリング94に通じるガス配管95に温度調節手段である熱交換器95aを設けてもよい。
【0046】
上記したように、本発明の成膜装置は、パーティクルトラップやバイパスラインが設けられており、また、好ましくは、特定形状の仕切り板が配設された混合室を備え、混合室の攪拌室において攪拌・混合されて得られる成膜ガスが拡散室に導入される際に、攪拌室と拡散室との容積の差に起因する拡散現象によって自然に拡散されるようになっている。さらに、好ましくは、スリーブ部材やガスリングが設けられている。そのため、これらの成膜装置を用いれば、非常に簡単な構成で良好な膜質を有する薄膜を形成することができる。すなわち、パーティクルがなく、かつ、均一に混合されている成膜ガスを成膜室内に直接導入することができるため、成膜ガスが乱流となることはなく、形成される薄膜の膜質及び膜厚分布を向上及び安定化させることが可能になる。
【0047】
本発明おいては、上記実施の形態に限られることなく、種々の変更を行うことができる。例えば、仕切り板について、上記においては、半球形状の仕切り板を用いたが、この仕切り板の曲率、形状(例えば、円柱形状、立方体形状、円錐形状)、大きさ等は、使用するガスの種類やプロセスに応じて適宜設計変更することが可能である。また、仕切り板に設けられるガス吹き出し口の位置や形状についても、原料ガスと反応ガスが攪拌・混合された後に拡散室に均一に導入されるように構成されている限り、プロセスに応じて適宜設計変更することができる。上記したように、攪拌室内のガスが激しく対流する部分の近傍にガス吹き出し口を設けるようにすれば、成膜ガスを円滑に拡散室内に導入することができる。例えば、原料ガスの導入口と反応ガスの導入口とを結ぶ直線の中心点からその直線の上下方向に45度以内の範囲内にガス吹き出し口を設ければ、両ガスを均一に混合し、円滑に拡散室内に導入することが可能である。
【0048】
上記の実施の形態においては、仕切り板を混合室のガス導入側壁面に対して隙間が生じないように設けたが、成膜ガスが十分に攪拌・混合される限り、仕切り板周縁部と混合室のガス導入側壁面との間に隙間を設けるようにすることも可能である。
また、上記実施の形態では、それぞれ1つの攪拌室と拡散室を設けた混合室を例にとって説明したが、2つ以上の攪拌室と拡散室を設けて成膜ガスの混合を行うようにすることも可能である。
さらに、混合状態の程度によっては、拡散室を設けずに、攪拌室から成膜ガスを直接に成膜室に導入して、反応を行わせることも可能である。
【0049】
上記した混合室は、MOCVD法において、常温で液体である原料を用いる場合に、格別な効果がある。というのは、常温で液体である原料は、気化しても重いからである。
上記した成膜装置を用いれば、原料源としてPt、Ir、Ru等を用いて電極膜を、また、Ti、Ta、Al等の原料を用いて窒化物膜や酸化物膜からなるバリア膜等を形成することができる。また、形成される薄膜の膜特性をさらに改善するために、添加材(原料源)として、La(thd)、Sr(thd)、Ca(thd)、Al(thd)等を使用してもよい。
【0050】
【実施例】
以下、本発明の成膜装置を用いて、MOCVD法により金属酸化物薄膜を形成する方法の実施例及び比較例を図面を参照して説明する。
(実施例1)
本実施例では、図3に示す成膜装置を用いて以下の条件で金属酸化物薄膜を連続形成した。すなわち、成膜室7へのパーティクルの流入を防ぐ為に設けたパーティクルトラップ6a、6bの一次側と二次側との間にバイパスライン10を設置してあり、この装置を用いて、成膜室に原料ガス、反応ガス、キャリアガス等のガス類を流し始める際に、バイパスラインのバルブV3を開いた状態で所定の条件でガス類を流した後、このバルブを閉じることにより、パーティクルトラップ6a、6bの一次側と二次側との間に一時的な大きな圧力変動を生じさせること無く成膜を開始させ、連続的に成膜せしめた。
【0051】
装置条件:
気化室温度:250℃
パーティクルトラップ2:
集塵式スクリーン:5枚のスクリーン板
設定温度:230℃
パーティクルトラップ6a:
焼結ステンレス鋼繊維フィルター(絶対濾過径1μm)
設定温度:240℃
パーティクルトラップ6b:
焼結ステンレス鋼繊維フィルター(絶対濾過径0.3μm)
設定温度:240℃
【0052】
100枚ランの成膜条件:
基板温度:600℃
成膜圧力:1000Pa
原料:
Pb(thd)/シクロヘキサン:0.36ml/min(thdは、2,2,6,6−テトラメチルヘキサンジオナト、C1119である。)
Zr(dmhd)/シクロヘキサン:0.20ml/min(dmhdは、2,6−ジメチルヘプタジオナト、C13である。)
Ti(iso−PrO)(thd)/シクロヘキサン:0.22ml/min
反応ガス流量
:1500sccm
成膜時間:330sec
【0053】
上記条件で成膜したところ、膜厚100nm、組成:Pb/(Zr+Ti)=1.15、Zr/(Zr+Ti)=0.40の金属酸化物薄膜を形成できた。パーティクルトラップ6a、6bの一次側と二次側との間に一時的な大きな圧力変動が生じることもなく、成膜が開始されたため、パーティクルトラップからのパーティクルの巻き上げやこのトラップから下流側へのパーティクルの流出が起こらず、その結果、図10に示すように、連続運転時のパーティクルサイズ0.2μm以上のトータルパーティクル数を50個以下に減少させることが出来た。
また、得られた薄膜において、表面モフォロジーは平滑であり、結晶性も良く、微細3次元構造への付き周り性も良かった。
【0054】
(実施例2)
本実施例では、図3に示すような、パーティクルトラップ6a、6bの一次側と二次側との間に設置したバイパスライン10のバルブV3として可変式バルブを用い、成膜室に原料ガス、反応ガス、キャリアガス等のガス類を流し始める際に、このバルブを開いた状態で所定の条件でガス類を流した後、可変式バルブを徐々に閉じることにより、パーティクルトラップ6a、6bの一次側と二次側との間に一時的な大きな圧力変動を生じさせること無く成膜を開始させ、連続成膜せしめた。
【0055】
装置条件:
気化室温度:220℃
パーティクルトラップ2:
集塵スクリーン:5枚のスクリーン板(充填物:フェルト状ステンレス鋼繊維)
設定温度:230℃
パーティクルトラップ6a:
焼結ステンレス鋼繊維フィルター(絶対濾過径1μm)
設定温度:240℃
パーティクルトラップ6b:
焼結ステンレス鋼繊維フィルター(絶対濾過径0.3μm)
設定温度:240℃
【0056】
100枚ランの成膜条件:
基板温度:600℃
成膜圧力:1000Pa
原料
Pb(thd)/シクロヘキサン:0.36ml/min
Zr(dmhd)/シクロヘキサン:0.20ml/min
Ti(iso−PrO)(thd)/シクロヘキサン:0.22ml/min
反応ガス流量
:1500sccm
成膜時間:330sec
【0057】
上記条件で成膜したところ、膜厚100nm、組成:Pb/(Zr+Ti)=1.15、Zr/(Zr+Ti)=0.40の金属酸化物薄膜を形成できた。パーティクルトラップ6a、6bの一次側と二次側との間に一時的な大きな圧力変動が生じることもなく、成膜が開始されたため、パーティクルトラップからのパーティクルの巻き上げや、このトラップから下流側へのパーティクルの流出が起こらず、その結果、図11に示すように、連続運転時のパーティクルサイズ0.2μm以上のトータルパーティクル数を30個以下に減少させることが出来た。
また、得られた薄膜において、表面モフォロジーは平滑であり、結晶性も良く、微細3次元構造への付き周り性も良かった。
【0058】
(比較例1)
図1に示すバイパスラインのない従来の成膜装置を用い、実施例1又は2の場合と同じ装置条件及び成膜条件で金属酸化物薄膜を連続形成した。
その結果、膜厚100nm、組成:Pb/(Zr+Ti)=1.15、Zr/(Zr+Ti)=0.40の金属酸化物薄膜を形成できた。しかしながら、パーティクルトラップ6a、6bの一次側と二次側との間に一時的に大きな圧力差が生じるため、パーティクルトラップからのパーティクルの巻き上げや、このトラップから下流側へのパーティクルの流出が起こり、その結果、図2に示すように、製造ロットの所期ウエハーでのパーティクルの増加が観察され、パーティクルサイズ0.2μm以上のトータルパーティクル数を50個以下に減少させることはできなかった。また、得られた薄膜の表面モフォロジーは平滑ではなかった。
【0059】
(実施例3)
本実施例では、実施例1と同様に、図3に示す成膜装置を用い、強誘電体であるPZTの原料ガスと反応ガスである酸素ガス(O)とを選択して、PZT薄膜を形成せしめた。その際の混合室として図6に示すものを用いた。

Figure 2004087585
【0060】
成膜室内の圧力を6Torrに調圧した。この時の混合室の拡散室内の圧力は13Torrであり、原料ガスの気化部の圧力は20Torrであった。一般に液体原料の安定気化は30Torr以下が望ましいため、十分にその要件を満足している。
まず、図6に示す半球型仕切り板64を設けた混合室61内に、上記原料ガス及び反応ガスを、それぞれ、ガス導入管65及び66を経てガス導入口65a及び66aから混合室内へ導入して攪拌・混合・拡散し、混合室61から成膜室内に成膜ガスを導入し、この成膜室内で、MOCVD方法によって通常の条件で基板上にPZT薄膜を形成した。成膜室内に導入された成膜ガス中にはパーティクルは含まれていなかった。かくして形成された薄膜の膜厚分布を観察したところ、混合室内に仕切り板64を設けたものを使用した場合は、基板上に形成された膜の厚さが均一であり、良好な膜質を有する膜を連続的に形成することができた。この時の膜厚分布は±1.2%程度であり、デバイス製作上の観点から半導体チップの歩留まりを上げるために必要な±3%以下を充分に満足した。この結果は、所定の仕切り板64を設けたことにより、撹拌室62及び拡散室63での対流・撹拌・混合・拡散が効率よく行われ、原料ガスと反応ガスとが均一に混合され、均一な厚さを有する薄膜が形成されたことを示している。
【0061】
上記パーティクルトラップを備えているが、上記仕切り板を有しない従来の混合室を用い、混合室内に上記と同じ原料ガス及び反応ガスを導入して混合・拡散し、MOCVD方法によって薄膜を形成した。かくして形成された薄膜の膜厚分布を観察したところ、基板上に形成された膜の厚さの厚い部分は反応ガス導入口側に偏っており、薄い部分は原料ガス導入口側に偏っていた。また、混合室内の空間(仕切り板を設けた場合の撹拌室と拡散室とを合わした空間)において、その空間の底では、各導入口の位置に対する各ガス濃度の比較的濃い領域の反転現象が起こり、成膜ガス排出口からガスヘッドまでその反転現象を引きずったまま層流となり、基板へその濃度分布が転写されたものと推察される。この時の膜厚分布は±3.0%程度であった。
【0062】
上記PZTの原料ガスとして、Zr(thd)/THFの代わりにZr(dmhd)/THFを用いて、また、BSTの原料ガスと反応ガスとを用いて、上記方法を繰り返した。両者とも、形成された薄膜の膜質も膜厚分布も上記と同じ傾向が得られ、パーテイクルのない成膜ガスを用いて、効率よく均一な膜厚分布を有する薄膜を連続的に製造することができた。膜厚分布は±3%以下を充分に満足した。
【0063】
(実施例4)
本実施例では、実施例1と同様に、図3に示す成膜装置を用い、強誘電体であるPZTの原料ガスと反応ガスである酸素ガス(O)とを選択して、PZT薄膜を形成せしめた。その際の成膜室として図8に示すものを用いた。なお、成膜室内の圧力は、圧力調整バルブで5Torrに維持した。
Figure 2004087585
【0064】
得られた結果について、以下説明する。
図8における成膜室81内壁面とスリーブ部材93との間の間隙(排気口の大きさ)の寸法r(排気クリアランスr:mm)とスリーブ部材の高さ寸法Lを変化させて、膜厚100nmのPZT膜を成膜したときの膜厚分布(%)を図12に示す。図13に、間隙rと高さ寸法Lを変化させてPZT膜を成膜したときの基板中央部の成膜レート(Rate)(nm/min)を示す。
【0065】
ここで、膜厚分布を2%以内に維持するには、高さ寸法L70mm以上の場合、間隙rを10mm以上に設定する必要がある。量産性を考慮すれば、成膜時間は3min以下が望ましいので、膜厚100nmの薄膜を成膜する場合、成膜レートが35nm/min以上でなければならない。従って、図13から明らかなように、間隙の寸法rを10mm以上、好ましくは10mmから17mmに、高さ寸法Lを70mm以上に設定しておけば、良好な膜厚分布と量産に適した成膜レートとが得られる。
【0066】
次に、上記条件より間隙rを15mm、高さ寸法Lを70mmに設定して、ガスリング94からプロセスに寄与しない不活性ガスNを成膜室81内に導入して膜厚分布と成膜ダストとを測定した。図14は、ガス(Gas)ヘッド周り不活性ガスを0〜4000sccmの流量の範囲で変化させて8インチの電極基板上にPZT膜を形成したときの膜厚分布と成膜ダスト(パーティクルTotal)の関係を示す。図14から明らかなように、ガスリング94から1000〜2000sccmの範囲で不活性ガスを流した場合、パーティクル数が最も小さくなった。このため、不活性ガスを流さない場合に比べて優位性を有する。
【0067】
図15は、上記と同様に、間隙rを15mm、高さ寸法Lを70mmに設定すると共に、ガスリング94から不活性ガスNを0〜4000sccmの流量の範囲で変化させて成膜室81内に導入し、8インチの電極基板上にPZT膜の成膜したときの組成比(線a)と膜厚分布(線b)とを示す。図15によれば、不活性ガスの流量を変更しても膜厚分布に変化は見られないが、不活性ガス流量が2000sccmの近傍で組成比が乱れる。なお、組成比は、Zr/(Zr+Ti)の比を意味する。
【0068】
図12〜15から明らかなように、図8に示す成膜装置では、間隙rが10mm以上、好ましくは10〜17mm、スリーブ部材93高さ寸法Lが70mm以上、及びガスリング94から成膜室81に導入される不活性ガスの流量を1000〜1500sccmの範囲にすると、ガスリング94からの不活性ガス自体が乱流、対流の発生源とはならず、その整流作用を最大限に発揮させることができる。その結果、膜厚分布(2%以下)、組成比、組成分布及び成膜レートが良好であって、安定し、その上、成膜ダストが少なく(0.2μm以上のパーティクルが20個以下)、連続成膜を行い得る。
PZT膜の代わりにBST膜を形成する場合も、上記と同様の結果が得られる。
また、ステージ82に昇降手段を付設しなくても防着板を配置することで、対流、乱流及び熱対流することなく等方排気するようにすれば混合ガスのガス流を均一にできる。
【0069】
【発明の効果】
本発明によれば、パーティクルトラップを配設し、また、混合室内に配設されたパーティクルトラップの一次側と二次側との間にバイパスラインを設けることにより、成膜室内に導入される原料ガスその他のガス類、ひいては成膜ガス中にパーティクルがほとんど含まれなくなると共に、装置運転時の圧力変動によるパーティクルトラップからのパーティクルの巻き上げ、下流への流出を押さえることができ、その結果として、良好な膜質を有する薄膜を形成することができる成膜装置を提供できる。
【0070】
また、上記装置を用いて成膜する場合、原料ガス等のガス類を、混合室内下流側に配設されたパーティクルトラップの一次側と二次側との間に設けられたバイパスラインのバルブを開いた状態で流した後、このバルブを閉じ、成膜を開始することにより、パーティクルトラップの一次側と二次側との間に一時的な大きな圧力差を生じさせること無く成膜を開始させることが可能となる。かくして、この方法により、装置運転時の圧力変動によるパーティクルトラップからのパーティクルの巻き上げ、下流への流出を押さえることができる。また、このバルブを可変バルブとし、初めバルブを開いた状態でガス類を流し、次いで、可変バルブを調節しながらガス類を流すことにより、パーティクルトラップの一次側と二次側との間に一時的な大きな圧力変動を生じさせること無く成膜を開始させることが可能となり、パーティクルの発生を更に減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】パーティクルトラップを有する従来成膜装置の構成の概略を模式的に示す構成図。
【図2】図1の成膜装置を用いて行った100枚連続成膜時のパーティクル挙動を示すグラフ。
【図3】本発明の成膜装置の構成の一例の概略を模式的に示す構成図。
【図4】本発明で用いる集塵式スクリーンの構成・配置の一例を模式的に示す図であり、(a)はその構成・配置の一例を模式的に示す断面図、(b)はその構成・配置の別の例を模式的に示す断面図。
【図5】本発明で用いる板状の金属燒結フィルターの配置・構成の一例を模式的に示す断面図。
【図6】本発明の成膜装置で用いる混合室の一例を模式的に示す断面図。
【図7】図6に示す混合室の撹拌室の内部構成を模式的に示す図であり、(a)は断面図、(b)は上面図。
【図8】本発明の成膜装置の別の構成の概略を模式的に示す構成図。
【図9】図8に示す装置において、成膜室内の混合ガスのガスの流れを説明する図であり、(a)はステージとガスヘッドとの間隔が広い場合、(b)はステージとガスヘッドとの間隔が狭い場合についての成膜室断面図。
【図10】実施例1で得られた100枚連続成膜時のパーティクル挙動を示すグラフ。
【図11】実施例2で得られた100枚連続成膜時のパーティクル挙動を示すグラフ。
【図12】図8に示す成膜室で間隙r及び高さ寸法Lを変化させてPZT膜を形成したときの膜厚分布を示すグラフ。
【図13】図8で示す成膜室で間隙rと高さ寸法Lを変化させてPZT膜を成膜したときの基板中央部の成膜レートを示すグラフ。
【図14】図8に示す成膜室でガスリングを介して不活性ガスの流量を変化させて基板上にPZT膜を形成したときの膜厚分布と成膜ダストの関係を示すグラフ。
【図15】図8に示す成膜室でガスリングからの不活性ガスの流量を変化させて成膜室内に導入し、基板上にPZT膜を形成したときの組成分布と膜厚分布とを示すグラフ。
【符号の説明】
1 気化室             2 集塵式スクリーン
3 混合室             4 原料ガス用配管
5 反応ガス用配管         6a、6b 金属燒結フィルター
7 成膜室             8 ガスヘッド
9 基板             10 バイパスライン
42 スクリーン板         45 フィルター
50 成膜室            51 混合室
51a 攪拌室           51b 拡散室
52 原料ガス用配管        53 反応ガス用配管
54 ガスヘッド          56 板状フィルター
61 混合室            62 撹拌室
63 拡散室            64 仕切り板
65 原料ガス導入管        65a 原料ガス導入口
66 反応ガス導入管        66a 反応ガス導入口
67 ガス吹き出し口        80 成膜装置
81 成膜室            81a 第一空間
81b 第二空間          82 ステージ
86 ガスヘッド          87 混合室
88 気化室            91 集塵式スクリーン       92 金属燒結フィルター      93 スリーブ部材
94 ガスリング          96 基板搬送口[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a film forming apparatus and a film forming method, and in particular, to a film forming apparatus for performing a CVD method such as a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, and to forming a metal oxide film using the apparatus. About the method.
[0002]
[Prior art]
In order to satisfy the recent demand for high integration of semiconductor devices, when forming a thin film by a CVD method such as the MOCVD method, the number of minute particles containing foreign matter fine particles and moisture contained in a raw material gas is reduced as much as possible. It is necessary. Conventionally, for example, in order to remove these particles to the ppt level, it has been proposed to introduce a raw material gas into a film forming chamber (reaction chamber) which is a vacuum chamber after passing through a filter member having high filtration characteristics. Have been.
In addition, the present inventors provide particle traps whose temperature can be controlled between the vaporizing chamber for raw material gas generation and the mixing chamber, and on the downstream side of the mixing chamber, respectively, so that the gas traps are generated in the vaporizing chamber and the piping. (Japanese Patent Application No. 2002-117123) has proposed a technique for preventing particles from flowing into a film formation chamber.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
When a thin film is formed by the MOCVD method, generally, a mixed gas (hereinafter, also referred to as a “deposition gas”) including a vaporized source gas and a reaction gas is introduced into a deposition chamber which is a vacuum chamber, and the mixed gas is introduced into the vacuum chamber. A film is formed by a gas phase chemical reaction on a substrate placed on a stage provided. A gas head such as a shower plate is provided on the upper surface of the film forming chamber so as to face the stage, and the gas head is provided with a gas mixing chamber. At the time of film formation, the raw material gas and the reaction gas supplied to the mixing chamber are introduced into a film formation chamber evacuated to a predetermined degree of vacuum through a gas head as a mixed gas having a predetermined mixing ratio, and A thin film is formed by the chemical reaction of
[0004]
In this case, in order to form a thin film having uniform film quality and film thickness distribution on the substrate, a uniform flow distribution, a uniform concentration distribution, and a uniform temperature distribution of the film forming gas in the film forming chamber or directly above the substrate are required. In addition to the necessity, the smaller the number of microparticles contained in the film forming gas, particularly the source gas, the better.
However, when a thin film is formed by the MOCVD method, even if the raw material gas is introduced into the reaction chamber after passing through the filter member as in the above-described prior art, particles are not completely removed only through the filter member. There is a problem that the life of the filter member at that time is short.
[0005]
Further, in the case of Japanese Patent Application No. 2002-117123, also in a film forming apparatus (FIG. 1) provided with a particle trap for preventing particles from flowing into the film forming chamber, the raw material is supplied to the film forming chamber 7 via the gas head 8. When a gas such as a gas, a reaction gas, and a carrier gas is started to flow, a large pressure difference ((pressure) between the primary side and the secondary side of the particle traps 6a and 6b disposed in the mixing chamber 3 is temporarily increased. (The pressure of the gauge P2) − (the pressure of the pressure gauge P3)), which causes the particles to be wound up from the particle trap in the mixing chamber 3 and to flow out downstream, and the initial stage of the production lot is started. An increase in the number of particles on the wafer (FIG. 2) was observed. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a vaporization chamber, 1a to 1d a raw material supply system, 2 a dust collecting screen, 3 a mixing chamber, 4 a raw gas pipe, 5 a reactive gas pipe, 6a and 6b particle traps. , A metal sintering filter, 7 a film forming chamber, 8 a gas head, 9 a substrate, 11 an exhaust gas treatment system, 12 a cold trap, 13 a vacuum pump such as a dry pump, 14 an exhaust system, and 15 a dry pump. And the like.
[0006]
In this film forming apparatus, at the start of film forming for each wafer, switching from the vent line of the source gas to the film forming chamber is performed by opening and closing a valve, and particles are generated at that time. This is thought to be due to temporary pressure fluctuations between the primary side and the secondary side of the particle trap, and a technical goal of reducing the total number of particles having a size of 0.2 μm or more to 50 or less. Is an obstacle to achieving
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and to provide a film forming apparatus capable of effectively performing a CVD method such as a MOCVD method without generating particles, and a method using the film forming apparatus. The purpose of the present invention is to provide an improved film forming method.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
According to the film forming apparatus of claim 1, a film forming chamber which is a vacuum chamber provided with a stage on which a substrate is mounted, and a mixed gas of a source gas and a reaction gas connected to the film forming chamber In a film forming apparatus comprising a generation mixing chamber and a source gas vaporization chamber, and a gas head for introducing a mixed gas into the film formation chamber on the upper surface of the film formation chamber facing the stage, the vaporization chamber and A temperature-controllable particle trap is disposed between the mixing chamber and the downstream side of the mixing chamber, and a valve is provided between the primary side and the secondary side of the particle trap disposed downstream of the mixing chamber. And a bypass line provided with
According to claim 2, the valve is a variable valve.
[0008]
According to claim 3, in the film forming apparatus, when there are a plurality of particle traps disposed on the downstream side of the mixing chamber, the particle trap is located between the primary side and the secondary side of the particle trap closest to the film forming chamber. Alternatively, a bypass line provided with a valve connecting the secondary side of the particle trap closest to the film forming chamber and the primary side of the particle trap upstream is provided. In this case, it is not always necessary to provide a similar bypass line in the particle trap on the upstream side.
As described above, by providing the particle trap and providing the bypass line, the source gas and other gases introduced into the deposition chamber hardly contain particles, and the pressure fluctuation during the operation of the apparatus. Particles can be prevented from being wound up from the particle trap and flowing out downstream. Further, after the film formation, the residual gas can be simultaneously exhausted from the raw material pipe and the film formation chamber by evacuating the bypass line while the valve of the bypass line is closed. As a result, a film formation apparatus for forming a thin film having good film quality can be provided.
[0009]
According to the fourth aspect, in the film forming apparatus, the set temperature of the temperature-controllable particle trap provided between the vaporizing chamber and the mixing chamber is set to the vaporizing temperature and the raw material gas at the time of obtaining the raw material gas in the vaporizing chamber. Characterized in that the temperature is set to be lower by 5 to 80 ° C. than the temperature of the pipe through which the gas flows.
In this way, by setting the set temperature of the particle trap lower than the vaporization temperature or the pipe temperature, impurities or decomposed substances having a lower vapor pressure than the raw material compound, which may be mixed in the raw material or generated at the time of vaporization, are removed. can do. If the temperature is out of this range, it becomes difficult to remove impurities and decomposition products.
[0010]
According to claim 5, the particle trap disposed between the vaporizing chamber and the mixing chamber is composed of an inertial dust collecting screen, and the particle trap disposed downstream of the mixing chamber is composed of a porous filter. It is characterized by becoming. This porous filter is preferably a metal sintered filter.
According to the sixth aspect, the inertial dust collecting screen comprises a mesh-shaped dust collecting screen plate having a large number of through holes for introducing a gas at an inclination angle of about 45 degrees in the same direction. When the dust screen is formed by laminating a plurality of stitch-shaped dust collecting screen plates, it is required that the directions of the inclination angles of the through holes of the adjacent screen plates are alternately crossed by 90 degrees. Features.
[0011]
According to a seventh aspect of the present invention, the mesh-shaped dust collecting screen plate constituting the inertial dust collecting screen is characterized in that its space is filled with a filler selected from metal, ceramics and quartz.
By adopting the inertial dust collection screen and the porous filter as described above as a particle trap, it is possible to collect dry / wet particles with a small pressure loss, a large collection amount, and no clogging. Therefore, particles hardly exist in the source gas introduced into the mixing chamber, and eventually in the mixed gas introduced into the film formation chamber. Further, the life of a porous filter such as a metal sintered filter is extended.
[0012]
According to claim 8, in the film forming apparatus, in addition to disposing a particle trap and providing a bypass line, the mixing chamber includes a stirring chamber provided with a source gas introduction pipe and a reaction gas introduction pipe. A diffusion chamber for diffusing a mixed gas obtained by stirring and mixing the source gas and the reaction gas, and provided so that the respective gas inlets of the source gas introduction pipe and the reaction gas introduction pipe face each other. A partition plate is provided between the stirring chamber and the diffusion chamber so that the volume of the diffusion chamber is larger than the volume of the stirring chamber, and the partition plate has a convex shape with respect to the bottom of the mixing chamber. The partition plate is provided with one gas outlet at a predetermined position on the lower side in the vertical direction of a straight line connecting the respective gas inlets, and the gas outlet is provided with the gas outlet. Gas mixture is interrupted Characterized in that it is configured to be diffused into the diffusion chamber from the chamber.
[0013]
If the mixing chamber is used, the mixed gas obtained by stirring and mixing in the stirring chamber is diffused from one gas outlet provided at a predetermined position of the partition plate to the diffusion chamber, so that it is introduced. Even if the molecular weights of the gases differ greatly, a plurality of gases can be uniformly mixed without using a large-volume mixing chamber. Therefore, when mixing a plurality of gases having greatly different molecular weights, there is no need to change the volume of the mixing chamber depending on the flow rate and type. Therefore, the mixing chamber and the film forming chamber in the next step can be directly connected without waste, so that when the mixed gas is used in the next step, the uniformly mixed gas does not return to the turbulent flow again. Absent. Each gas introduced into the stirring chamber of the mixing chamber moves along the surface of the partition plate having a shape as described below, thereby causing convection. As a result, the mixed gas introduced into the stirring chamber is efficiently removed. It is possible to stir and mix uniformly and reliably. In addition, by adjusting the position and size of the gas outlet, each introduced gas can be stirred and mixed in an optimal state, and as a result, a uniform mixed gas can be introduced into the diffusion chamber. Will be possible.
[0014]
When the mixed gas stirred and mixed in the stirring chamber of the mixing chamber is introduced into the diffusion chamber, the gas is naturally diffused by a diffusion phenomenon caused by a difference in volume between the stirring chamber and the diffusion chamber. Since the mixed gas uniformly mixed from the diffusion chamber can be efficiently introduced into the film forming chamber, the mixed gas does not become turbulent. Therefore, in a mixing chamber whose volume is not affected by the flow rates and types of the source gas and the reaction gas, the gases are uniformly mixed at a low pressure, and the uniformly mixed gas is directly connected to the film forming chamber via a gas head. By introducing the mixed gas, turbulence of the mixed gas can be suppressed, and the film quality and the film thickness distribution of the thin film formed on the film formation target can be improved and stabilized.
[0015]
By making the partition plate have a quadratic curve shape convex to the bottom of the mixing chamber, only a partition plate having a predetermined curved surface shape is disposed in the mixing chamber, so that an extremely simple configuration is achieved. The desired mixing chamber is obtained. Further, with respect to the gas outlet, a pressure difference is provided between the stirring chamber and the diffusion chamber by appropriately setting the position and size of the gas outlet, thereby uniformly distributing different weight gases due to strong convection generated in the stirring chamber. The mixing is performed so that the mixed gas is diffused from the stirring chamber into a diffusion chamber having a wide space. For example, the partition plate is preferably provided at a position corresponding to a half of a vertical distance from a peripheral portion to a bottom portion thereof. Thereby, the uniformly mixed gas can be efficiently diffused from the stirring chamber to the diffusion chamber.
[0016]
According to the ninth aspect, in the film forming apparatus, in addition to providing a particle trap and providing a bypass line, the periphery of the stage is surrounded by a cylindrical sleeve member having a predetermined length. Exhaust gas is exhausted from the first space through a gap between the sleeve member and the wall surface of the film formation chamber without convection in the first space formed by the gas head and the stage. The height position of the stage is set at a position where the volume of the second space below the stage to which the exhaust means is connected is larger than the volume of the first space.
According to the tenth aspect, in the film forming apparatus according to the ninth aspect, a gas ring for uniformly introducing an inert gas into the film forming chamber along the inner wall surface of the film forming chamber is provided on the upper surface of the film forming chamber. It is characterized by having.
[0017]
It is preferable that the gap between the sleeve member and the wall surface of the film forming chamber is set to 10 mm or more (preferably, 10 to 17 mm), and the height of the sleeve member is set to 70 mm or more. By setting the gap and the height dimension in such ranges, the film thickness distribution can be maintained within a desired value.
According to the structure of the ninth and tenth aspects, the raw material gas introduced into the mixing chamber, and thus the mixed gas introduced into the film formation chamber hardly contains particles, and the mixed gas immediately above the substrate is not contained. A uniform flow distribution, a uniform concentration distribution, and a uniform temperature distribution can be achieved, and as a result, a thin film having uniform film quality and film thickness distribution can be formed on the substrate.
[0018]
A film forming method according to claim 11, which is a film forming method performed by using the film forming apparatus, wherein a gas such as a source gas, a reactive gas, and a carrier gas flows into a film forming chamber to form a film. After flowing the gases with the valve of the bypass line provided between the primary side and the secondary side of the particle trap disposed on the downstream side of the mixing chamber open, the valve is closed, and the film is formed. It is characterized by starting.
As described above, after the gases are flowed under predetermined conditions with the bypass line valve opened, by closing the valve, a temporary large pressure difference between the primary side and the secondary side of the particle trap is generated. It is possible to start the film formation without causing the problem. As a result, it is possible to prevent the particles from being wound up from the particle trap due to the pressure fluctuation during the operation of the apparatus and to flow downstream.
[0019]
The film forming method according to claim 12 is a film forming method performed by using the film forming apparatus, wherein a gas such as a source gas, a reaction gas, and a carrier gas is flowed into a film forming chamber to form a film. After flowing gases in a state where a variable valve of a bypass line provided between the primary side and the secondary side of the particle trap disposed downstream of the mixing chamber is opened, the variable valve is gradually opened. It is characterized in that the film formation is started while being closed.
As described above, the bypass line valve is a variable valve, and by flowing gases while adjusting the variable valve, a large temporary pressure fluctuation does not occur between the primary side and the secondary side of the particle trap. Film formation can be started. As a result, generation of particles can be further reduced.
[0020]
The film forming method according to claim 13 uses the film forming apparatus, and when a film is formed by flowing a gas such as a source gas, a reaction gas, and a carrier gas into a film forming chamber, and the film forming process is interrupted. With the valve of the bypass line provided between the primary side and the secondary side of the particle trap disposed downstream of the mixing chamber being opened, the gas other than the raw material gas is kept flowing. Then, a film is started by flowing a source gas when the film forming step is performed.
Accordingly, it is possible to start film formation without causing a large temporary pressure fluctuation between the primary side and the secondary side of the particle trap, and it is possible to further reduce the generation of particles.
In addition, the film forming method of the present invention can be used, for example, to smooth the surface morphology of a metal oxide thin film required for high integration of a semiconductor element, to improve the crystallinity, to make the film thin, and to be able to adhere to a fine three-dimensional structure. This is effective when trying to improve the quality, increase the area of the substrate, lower the film formation temperature, and the like.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a film forming apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.
In the film forming apparatus of the present invention, for example, as shown in FIG. 3, the vaporizing chamber 1, the mesh-shaped dust collecting screen 2, and the mixing chamber 3 are kept at a predetermined temperature, for example, 180 to 260 ° C. One end of each of a raw gas pipe 4 and a reactive gas pipe 5 such as an oxygen gas is connected to the mixing chamber. The other end of the source gas pipe 4 is connected to the vaporization chamber 1, and the source gas obtained by vaporizing the organic metal diluted with the organic solvent can be introduced into the mixing chamber 3 through the dust collecting screen 2 which is a particle trap. It has become. The other end of the reaction gas pipe 5 is connected to a reaction gas cylinder and a carrier gas cylinder so that these gases can be introduced into the mixing chamber 3. The source gas pipe 4 and the reaction gas pipe 5 are preferably provided with a heating means such as a heater or a heat exchanger.
[0022]
The dust-collecting screen 2 may be provided between the vaporization chamber 1 and the mixing chamber 3 and may have a structure that functions as a particle trap capable of controlling the temperature for removing particles in the source gas. As the dust collecting screen, for example, Pyro Screen (registered trademark) manufactured by Nunobiki Seisakusho Co., Ltd. or the like can be used.
The arrangement and configuration of the dust collecting screen 2 are not particularly limited as long as they can collect particles. For example, it is a particle trap arranged and configured as shown in FIGS. 4A and 4B, and is configured such that a heating means H such as a heater can control the temperature independently of the piping.
[0023]
As shown in FIG. 4 (a), in the direction toward the outlet 41 for discharging from the inlet 40 for introducing the source gas from the vaporization chamber, that is, in the direction perpendicular to the flow direction of the source gas. A plurality of screen plates 42 are stacked in parallel. When the screen plate 42 is contaminated with the collected particles, it is preferable that the solvent 43 be flowed from above for cleaning and the solvent can be discharged (drain 44) from below for cleaning.
Further, as shown in FIG. 4B, a configuration may be adopted in which the raw material gas from the vaporization chamber is introduced from the lower inlet 40 and discharged from the upper outlet 41. In this case, a plurality of screen plates 42 are stacked in parallel to the direction perpendicular to the flow direction of the raw material gas. When the screen plate 42 is contaminated with the collected particles, it is preferable that the solvent 43 be flowed from above for cleaning and the solvent can be discharged (drain 44) from below for cleaning. Note that a filter 45 may be provided on the uppermost layer of the stacked screen plates and before the outlet 41.
[0024]
The material of the dust collecting screen is determined in consideration of the corrosion resistance to the raw material gas, mechanical properties, heat resistance (about 300 ° C.), and the like. For example, it may be selected from nickel and its alloys (for example, Hastelloy (registered trademark), Inconel (registered trademark), etc.), stainless steel (316, 316L, etc.), aluminum, titanium, ceramics, and the like.
On the downstream side in the mixing chamber 3 for mixing gases such as the introduced source gas and reaction gas, porous filters 6a and 6b (hereinafter, metal sintered filters) which can control the temperature as a particle trap will be described. ) Is provided so that the mixed gas can be further filtered and introduced into the film forming chamber 7. The introduction of the mixed gas into the film forming chamber 7 is performed via a gas head 8 such as a shower plate disposed on the upper surface of the film forming chamber directly connected to the mixing chamber 3.
[0025]
This metal sintering filter removes particles present in the mixed gas introduced toward the substrate 9 in the film forming chamber 7 in addition to removing particles from the raw material gas by the dust collecting screen 2. It is intended to form a thin film having excellent film quality. The metal sintering filter may be a filter made of a porous material such as ceramics, quartz, and fluorocarbon (resin) in addition to the metal sintering filter, depending on the operating temperature range and the type of gas used. In addition, the temperature of the metal sintered filter is controlled by external heating or heating of the filter support, and it is possible to set the temperature higher than the pipe temperature.
The number of the metal sintered filters may be one, or two or more as shown in FIG. In the case of a plurality of filters, a plurality of filters having different mesh sizes may be used directly or stacked with a spacer interposed therebetween.
[0026]
The metal sintered filter is mounted as follows. For example, in the mixing chamber shown in FIG. 5, a source gas pipe 52 from a vaporization chamber (not shown) and a reaction gas source are provided above a stirring chamber 51a of a mixing chamber 51 provided to be connected to a film forming chamber 50. The mixed gas obtained in the stirring chamber is diffused into the diffusion chamber 51b, and the mixed gas is diffused from the diffusion chamber 51b into the film forming chamber through the plate-shaped metal sintering filter 54 and the gas head 55. It is configured to be introduced. The metal sintering filter 54 is mounted on a support member 56 mounted by a fixing jig on the downstream side in the mixing chamber 51. Although not shown, the filter 54 may be heated by a heating means such as a heater. The filter shape may be a cylindrical shape other than the illustrated plate shape, or may be a pleated (wavy) shape to increase the filtration area of the filter. Further, a combination of a plurality of filters having different mesh sizes may be used.
[0027]
The material of the metal sintering filter is determined in consideration of corrosion resistance to a raw material gas and a reaction gas, mechanical characteristics, and heat resistance. For example, it may be selected from nickel and its alloys (for example, Hastelloy (registered trademark), Inconel (registered trademark) and the like), and thin metal wire sintered bodies such as stainless steel (316 and 316L). For example, a filter made of stainless steel fiber manufactured by Nippon Seisen Co., Ltd. can be used.
According to the present invention, by arranging the particle trap composed of the dust collecting screen and the metal sintering filter as described above, the pressure loss is small, the trapping amount is large, the clogging is not performed, and the dry / wet particles are removed. Since particles can be efficiently collected, particles are hardly present in the mixed gas introduced into the film formation chamber. Further, the life of the metal sintered filter is extended as compared with the case where only the filter is provided.
[0028]
Further, in the film forming apparatus, as shown in FIG. 3, a valve (V3) is provided between the primary side and the secondary side of the metal sintering filters 6a and 6b disposed on the downstream side in the mixing chamber 3. A provided bypass line 10 is provided. When a plurality of filters are provided, a bypass line having a valve may be provided between the primary side and the secondary side of the filter closest to the film forming chamber 7.
[0029]
As shown in FIG. 3, four kinds of raw material supply systems 1a, 1b, 1c and 1d are connected to the vaporization chamber 1, and the respective supply systems are controlled by adjusting valve elements (V20 to V27). Is sent from the raw material container through a flow controller (FMC7 to 10) by He gas or the like, and N 2 It is configured to be transported to a vaporization chamber by gas or the like. The raw material gas obtained in the vaporization chamber 1 is conveyed to the mixing chamber 3 via the dust collecting screen 2 by the pipe 4. In the mixing chamber 3, a reaction gas (O 2 ) And an inert gas such as a carrier gas (N 2 ) Is connected, and each supply system mixes a reaction gas or a carrier gas from a gas cylinder through a flow controller (MFC1-4) and a heat exchanger by adjusting a valve element (V10-13). It is configured to be transported to the chamber 3 by the pipe 5. An exhaust gas treatment system 11 is connected to the film forming chamber 7 and the bypass line 10 between the vaporization chamber 1 and the dust collecting screen 2 via a cold trap 12 and a vacuum pump 13 such as a dry pump. An exhaust system 14 is connected to the film forming chamber 7 so that the degree of vacuum in the chamber can be adjusted, and a vacuum pump 15 such as a dry pump may be connected to the exhaust system. In FIG. 3, P1 to P6 indicate pressure gauges, V1 to V29 indicate valve elements, and MFC1 to MFC10 indicate flow controllers.
[0030]
Next, an embodiment of a mixing chamber that can be used in the film forming apparatus of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 6 is a cross-sectional view schematically illustrating the internal configuration of the mixing chamber, and FIG. 7A is a cross-sectional view schematically illustrating the internal configuration of the stirring chamber in the mixing chamber of FIG. 7) is a schematic top view of FIG. 6 and 7, the same components are denoted by the same reference numerals. In FIGS. 7A and 7B, solid lines and dotted lines, and alternate long and short dash lines indicate the tendency of the fluid analysis results by the computer simulation of the reaction gas flow and the raw material gas flow, respectively. FIG. 3 illustrates the gas flow and gas distribution.
[0031]
As shown in FIG. 6, the mixing chamber 61 has a hollow cylindrical shape of a predetermined size, and includes a stirring chamber 62, a diffusion chamber 63, and a partition plate 64 for separating between the stirring chamber and the diffusion chamber. It is directly connected to a film formation chamber (reaction chamber) for performing the next process using the obtained film formation gas. A source gas introduction pipe 65 for introducing at least one type of source gas and a reaction gas introduction pipe 66 are attached to an upper portion of the stirring chamber 62, and the gas introduction ports 65a and 66a are arranged so as to face each other. Have been. In order to efficiently introduce the film forming gas composed of the mixed source gas and the reaction gas from the stirring chamber 62 to the diffusion chamber 63, the partition plate 64 is provided below the straight line connecting the gas introduction ports 65a and 66a in the vertical direction. On the side, one gas outlet 67 having a predetermined size is provided at a position corresponding to about の of the vertical distance from the peripheral portion of the partition plate 64 to the bottom thereof.
[0032]
As shown in FIGS. 6, 7A and 7B, the raw material gas introduction pipe 65 and the reaction gas introduction pipe 66 are provided on the upper wall surface of the mixing chamber 61 at the center of the partition plate 64 (in a variable state). (In the vicinity of a curved point), and is mounted at a point-symmetric position with respect to the center point of the partition plate 64, and the gas introduction ports 65a and 66a are disposed so that the gas introduction directions thereof are opposed to each other as described above. You.
In the mixing chamber 61, the partition plate 64 is formed in a hemispherical shape having a concave partition surface having a quadratic curve shape, and serves as a mixing chamber to which the raw material gas introduction pipe 65 and the reaction gas introduction pipe 66 are attached. The peripheral edge is attached to the upper wall surface side without any gap.
[0033]
As described above, the inside of the mixing chamber 61 is partitioned into the stirring chamber 62 and the diffusion chamber 63 by the partition plate 64, so that the volume of the diffusion chamber is larger than the volume of the stirring chamber. In the case of the mixing chamber, the ratio between the volume of the stirring chamber 62 and the volume of the diffusion chamber 63 is not particularly limited. However, from the viewpoint of satisfactorily performing stirring / mixing and diffusion, it is usually 1: 5 to 1: 2. It is preferable to set the degree.
[0034]
In the mixing chamber configured as described above, in a state where the film forming chamber directly connected to the mixing chamber is evacuated, the raw material gas introduction pipe 65 and the reaction gas introduction pipe 66 are supplied through the gas introduction ports 65a and 66a, respectively. Then, at least one kind of source gas and reaction gas are introduced into the stirring chamber 62 of the mixing chamber 61. As a result, as shown in FIGS. 7A and 7B, the raw material gas flow is divided by the reaction gas flow in the stirring chamber 62, and both gases flow along the plate 64 on the surface of the partition plate 64. As a result, convection is generated, and the source gas and the reaction gas are stirred and mixed. Next, as shown in FIG. 6, the film forming gas composed of the mixed source gas and the reaction gas is smoothly introduced into the diffusion chamber 63 through the gas outlet 67 and diffused. As described above, since the volume of the diffusion chamber 63 is larger than the volume of the stirring chamber 62, when the film forming gas is introduced from the stirring chamber into the diffusion chamber, a diffusion phenomenon occurs due to a difference in the volume, and the uniformity of the film formation gas is increased. It is introduced as a mixed gas stream and diffused.
[0035]
The film formation apparatus provided with the mixing chamber has a film formation chamber connected to a vacuum evacuation system, and a wafer stage for supporting a substrate which is a film formation target is provided in the film formation chamber. ing. A gas head is provided on the upper surface of the film forming chamber, and the gas head is directly connected to a mixing chamber mounted on the upper part of the film forming chamber. The mixing chamber is connected to a source gas vaporization system via a dust collecting screen as a particle trap, and is also connected to a reaction gas source. The film-forming gas uniformly mixed as described above is disposed adjacent to the mixing chamber, introduced at the shortest distance to the directly connected gas head, and is placed on the wafer stage without being turbulent in the film-forming chamber. It is supplied to the surface of the placed film formation target.
[0036]
According to the mixing chamber, after the raw material gas and the reaction gas are stirred and mixed in the stirring chamber 62, the film forming gas obtained by stirring and mixing is diffused in the diffusion chamber 63. Even when the molecular weights of the gas and the reaction gas are significantly different, the raw material gas and the reaction gas can be uniformly mixed, and it is not necessary to use a mixing chamber having a large volume as in the conventional case. Therefore, the volume of the mixing chamber is not affected by the flow rate and type of the film forming gas, and the mixing chamber and the film forming chamber can be directly connected, so that the uniformly mixed film forming gas becomes turbulent again. It will not be.
[0037]
When the mixing chamber is used, the gas outlet 67 provided in the partition plate 64 is provided near the raw material gas introduction pipe 65 as shown in FIGS. 6, 7A and 7B. The film forming gas that violently convects at this portion is smoothly introduced into the diffusion chamber 63 through the gas outlet 67. Note that the gas outlet 67 provided in the partition plate 64 may be provided near the reaction gas introduction pipe 66. And, as described above, since the volume of the diffusion chamber 63 is larger than the volume of the stirring chamber 62, when the film forming gas is introduced from the stirring chamber into the diffusion chamber, a diffusion phenomenon occurs due to the difference in the volumes, Evenly mixed. The uniformly mixed film-forming gas is introduced into the gas head, which is disposed adjacent to and directly connected thereto, at the shortest distance, and is supplied to the substrate without turbulence in the film-forming chamber.
[0038]
According to the present invention, in the case of the mixing chamber 61, though not shown in FIG. 6, a metal sintering filter is provided downstream of the mixing chamber as shown in FIG. A bypass line having a valve, which may be a variable valve, is provided between the primary side and the secondary side of the filter.
Next, another embodiment of the film forming apparatus of the present invention will be described with reference to FIGS. 8, 9A and 9B.
[0039]
8, a film forming apparatus 80 has a cylindrical film forming chamber 81. A cylindrical stage 82 on which a substrate such as a silicon wafer is placed is provided inside the film forming chamber. The stage incorporates a heating means (not shown) for heating the substrate. Further, there is provided means for configuring the stage 82 so as to be able to move up and down between a film formation position of the film formation chamber 81 and a substrate transfer position below the film formation chamber.
Two evacuation ports 83 are provided below the film forming chamber 81, and evacuation means 84 composed of a vacuum pump such as a turbo-molecular pump or a rotary pump is connected to the evacuation ports via an evacuation pipe 85. Have been. A gas head 86 is provided in the center of the upper part of the film forming chamber 81 so as to face the stage 82.
[0040]
A mixing chamber 87 is provided on the upstream side of the gas head 86. The mixing chamber 87 has a source gas pipe 89 having one end connected to the vaporization chamber 88 and another end for a reaction gas connected to a gas source. The other ends of the pipes 90 are respectively connected. In the film forming apparatus shown in FIG. 8, a dust collecting screen 91 which is a dust collecting screen shown in FIG. 4 is provided between the mixing chamber 87 and the vaporizing chamber 88, and the metal sintering shown in FIG. A metal sintered filter 92 as a filter is provided downstream of the mixing chamber 87 and near the gas head 86. With such a configuration, the raw material gas and the reaction gas are supplied to the mixing chamber 87 at a controlled flow rate by a mass flow controller (not shown), and are uniformly mixed at a predetermined mixing ratio in the mixing chamber 87. Is removed from the gas head 86 toward the center of the substrate. That is, the raw material gas is introduced from the vaporizing chamber 88 through the dust collecting screen 91 to the mixing chamber 87, and the mixed gas passes through the metal sintering filter 92, and from the mixing chamber 87 via the gas head 86 to the film forming chamber. It is introduced into 81.
[0041]
According to the present invention, although not shown in FIG. 8 in the case of the mixing chamber 87, as shown in FIG. A bypass line having a valve which may be a variable valve is provided between the bypass line and the next side.
By the way, when a thin film is formed on a substrate by the MOCVD method, when the raw material gas falls below the vaporization temperature, the raw material gas is deposited as particles and causes film deposition dust in the film formation chamber 81. For this reason, a heat exchanger (not shown) as a temperature adjusting means may be provided in the source gas pipe 89. Further, in order to prevent deposition of the source gas, a heating means such as a heater may be provided on the outer wall of the film forming chamber 81 or on the stage 82.
[0042]
Here, in order to make the film thickness distribution and composition distribution of the thin film on the substrate uniform and to improve the reproducibility in the MOCVD process, exhaust gas containing a mixed gas or the like which does not contribute to the process is isotropically exhausted from the periphery of the substrate. Therefore, it is important to make the gas flow from the gas head 86 to the evacuation means 84 uniform. Therefore, it is particularly necessary to prevent convection and turbulence from occurring in the first space 81a below the gas head 86 and above the stage 82.
Therefore, the periphery of the stage 82 is surrounded by a sleeve member 93 having a predetermined height L. In this case, the volume of the second space 81b below the stage is reduced to the first space so that exhaust gas is isotropically exhausted through an annular gap (r) formed by the sleeve member 93 and the inner wall surface of the film forming chamber 81. Set it larger than 81a. The exhaust pipe 85 may be provided with a pressure regulating valve 85a so that the pressure condition can be changed according to the MOCVD process.
[0043]
As described above, when the heating means is incorporated in the stage 82 to heat the substrate to a predetermined temperature, heat convection may occur above the substrate. Therefore, a gas ring 94 for uniformly introducing an inert gas into the film forming chamber 81 along the inner wall surface of the film forming chamber 81 is provided above the film forming chamber 81 so as to surround the gas head 86. The exhaust gas exhausted to the second space 81b through the gap between the sleeve member 93 and the inner wall surface of the film forming chamber 81 by the forced rectifying action of the inert gas injected from the gas ring 94 is transferred to the sleeve 81. It is possible to more reliably perform isotropic exhaust from around the member 93. Thereby, turbulence, convection and thermal convection in the first space can be prevented. The volume of the first space at the film forming position of the stage 82 can be set to, for example, 2.8 L, and the volume of the second space can be set to 13 L.
[0044]
By the way, as shown in FIG. 9A, when the distance from the gas head 86 to the stage 82 is long, exhaust gas is not exhausted and the height position of the stage 82 in the film forming chamber 81 is higher than the film forming chamber 81. Convection C may be generated at the corners of. On the other hand, as shown in FIG. 9B, when the distance from the gas head 86 to the stage 82 is short, the mixed gas ejected from the gas head 86 is reflected by the substrate, and the upper corner of the film forming chamber 81 is formed. Then, convection C may be generated. For this reason, the distance between the gas head 86 and the stage 82 at the film forming position is set to such a distance that the convection C hardly occurs.
[0045]
In addition, if the substrate transfer port for transferring the substrate to the stage 82 is provided at a position facing the first space 81a, turbulence may occur around the substrate transfer port. For this reason, an elevating means (not shown) is attached to the stage so that the stage can be moved up and down between the film forming position on the upper side of the film forming chamber 81 and the substrate transfer position on the lower side. Then, a substrate transfer port 96 (FIG. 8) is provided in the film forming chamber 81 corresponding to the substrate transfer position.
In the case of the film forming apparatus shown in FIG. 8, a gas pipe 95 leading to the gas ring 94 is provided so that the temperature of the inert gas ejected from the gas ring 94 can be adjusted so that the source gas does not precipitate as particles in the MOCVD method. A heat exchanger 95a serving as a temperature adjusting means may be provided.
[0046]
As described above, the film forming apparatus of the present invention is provided with a particle trap and a bypass line, and preferably includes a mixing chamber in which a partition plate having a specific shape is provided. When the film-forming gas obtained by stirring and mixing is introduced into the diffusion chamber, it is naturally diffused by a diffusion phenomenon caused by a difference in volume between the stirring chamber and the diffusion chamber. Further, preferably, a sleeve member and a gas ring are provided. Therefore, with these film forming apparatuses, a thin film having good film quality can be formed with a very simple configuration. That is, since a film-forming gas having no particles and being uniformly mixed can be directly introduced into the film-forming chamber, the film-forming gas does not become turbulent, and the quality and the quality of the formed thin film are reduced. The thickness distribution can be improved and stabilized.
[0047]
In the present invention, various changes can be made without being limited to the above embodiment. For example, in the above description, a hemispherical partition plate was used for the partition plate, but the curvature, shape (for example, columnar shape, cubic shape, and conical shape), size, and the like of the partition plate depend on the type of gas used. It is possible to change the design appropriately according to the process. Also, the position and shape of the gas outlet provided in the partition plate may be appropriately determined according to the process, as long as the raw material gas and the reaction gas are stirred and mixed so as to be uniformly introduced into the diffusion chamber. The design can be changed. As described above, if the gas outlet is provided near the portion where the gas in the stirring chamber violently convects, the film forming gas can be smoothly introduced into the diffusion chamber. For example, if a gas outlet is provided within a range of 45 degrees or less in the vertical direction from the center of a straight line connecting the inlet of the raw material gas and the inlet of the reaction gas, both gases are uniformly mixed, It can be smoothly introduced into the diffusion chamber.
[0048]
In the above embodiment, the partition plate is provided so as not to form a gap with respect to the gas introduction side wall surface of the mixing chamber. However, as long as the film forming gas is sufficiently stirred and mixed, the partition plate is mixed with the peripheral edge of the partition plate. It is also possible to provide a gap between the chamber and the gas introduction side wall.
In the above embodiment, the mixing chamber provided with one stirring chamber and one diffusion chamber has been described as an example. However, two or more stirring chambers and diffusion chambers are provided to mix the film forming gas. It is also possible.
Further, depending on the degree of the mixing state, it is also possible to cause the reaction by introducing a film forming gas directly from the stirring chamber into the film forming chamber without providing the diffusion chamber.
[0049]
The above-described mixing chamber has a special effect when a raw material that is liquid at normal temperature is used in the MOCVD method. This is because raw materials that are liquid at room temperature are heavy even if they are vaporized.
With the above-described film forming apparatus, an electrode film is formed using Pt, Ir, Ru, or the like as a raw material source, and a barrier film made of a nitride film or an oxide film is formed using a raw material such as Ti, Ta, Al, or the like. Can be formed. Further, in order to further improve the film characteristics of the formed thin film, La (thd) is used as an additive (raw material source). 3 , Sr (thd) 3 , Ca (thd) 2 , Al (thd) 3 Etc. may be used.
[0050]
【Example】
Hereinafter, examples and comparative examples of a method of forming a metal oxide thin film by the MOCVD method using the film forming apparatus of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Example 1)
In this example, a metal oxide thin film was continuously formed using the film forming apparatus shown in FIG. 3 under the following conditions. That is, a bypass line 10 is provided between the primary side and the secondary side of the particle traps 6a and 6b provided to prevent the particles from flowing into the film formation chamber 7, and the film formation is performed using this apparatus. When starting to flow gases such as raw material gas, reaction gas and carrier gas into the chamber, the gases are flowed under predetermined conditions with the valve V3 of the bypass line open, and then the valve is closed to thereby obtain a particle trap. Film formation was started without causing a large temporary pressure fluctuation between the primary side and the secondary side of 6a and 6b, and the film was continuously formed.
[0051]
Equipment conditions:
Evaporation chamber temperature: 250 ° C
Particle trap 2:
Dust collecting screen: 5 screen plates
Set temperature: 230 ° C
Particle trap 6a:
Sintered stainless steel fiber filter (absolute filtration diameter 1μm)
Set temperature: 240 ° C
Particle trap 6b:
Sintered stainless steel fiber filter (absolute filtration diameter 0.3μm)
Set temperature: 240 ° C
[0052]
Film formation conditions for 100 runs:
Substrate temperature: 600 ° C
Film formation pressure: 1000 Pa
material:
Pb (thd) 2 / Cyclohexane: 0.36 ml / min (thd is 2,2,6,6-tetramethylhexanedionato, C 11 H 19 O 2 It is. )
Zr (dmhd) 4 / Cyclohexane: 0.20 ml / min (dmhd is 2,6-dimethylheptadionate, C 7 H Thirteen O 2 It is. )
Ti (iso-PrO) 2 (Thd) 2 / Cyclohexane: 0.22 ml / min
Reaction gas flow rate
O 2 : 1500sccm
Film formation time: 330 sec
[0053]
As a result, a metal oxide thin film having a thickness of 100 nm, a composition of Pb / (Zr + Ti) = 1.15, and a Zr / (Zr + Ti) = 0.40 was formed. Since the film formation was started without causing a large temporary pressure fluctuation between the primary side and the secondary side of the particle traps 6a and 6b, the particles were wound up from the particle traps, and the particles were moved downstream from the traps. No outflow of particles occurred, and as a result, as shown in FIG. 10, the total number of particles having a particle size of 0.2 μm or more during continuous operation could be reduced to 50 or less.
Further, in the obtained thin film, the surface morphology was smooth, the crystallinity was good, and the throwing power to the fine three-dimensional structure was good.
[0054]
(Example 2)
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, a variable valve is used as the valve V3 of the bypass line 10 installed between the primary side and the secondary side of the particle traps 6a and 6b. When starting to flow gases such as a reaction gas and a carrier gas, the gases are allowed to flow under a predetermined condition with the valve opened, and then the variable valves are gradually closed, so that the primary of the particle traps 6a and 6b is reduced. The film formation was started without causing a large temporary pressure fluctuation between the side and the secondary side, and the film was continuously formed.
[0055]
Equipment conditions:
Evaporation chamber temperature: 220 ° C
Particle trap 2:
Dust collecting screen: 5 screen plates (filling material: felt-like stainless steel fiber)
Set temperature: 230 ° C
Particle trap 6a:
Sintered stainless steel fiber filter (absolute filtration diameter 1μm)
Set temperature: 240 ° C
Particle trap 6b:
Sintered stainless steel fiber filter (absolute filtration diameter 0.3μm)
Set temperature: 240 ° C
[0056]
Film formation conditions for 100 runs:
Substrate temperature: 600 ° C
Film formation pressure: 1000 Pa
material
Pb (thd) 2 / Cyclohexane: 0.36 ml / min
Zr (dmhd) 4 / Cyclohexane: 0.20 ml / min
Ti (iso-PrO) 2 (Thd) 2 / Cyclohexane: 0.22 ml / min
Reaction gas flow rate
O 2 : 1500sccm
Film formation time: 330 sec
[0057]
As a result, a metal oxide thin film having a thickness of 100 nm, a composition of Pb / (Zr + Ti) = 1.15, and a Zr / (Zr + Ti) = 0.40 was formed. Since the film formation was started without a large temporary pressure fluctuation between the primary side and the secondary side of the particle traps 6a and 6b, the particles were wound up from the particle traps or moved downstream from the traps. As a result, the total number of particles having a particle size of 0.2 μm or more during continuous operation could be reduced to 30 or less, as shown in FIG.
Further, in the obtained thin film, the surface morphology was smooth, the crystallinity was good, and the throwing power to the fine three-dimensional structure was good.
[0058]
(Comparative Example 1)
Using a conventional film forming apparatus without a bypass line shown in FIG. 1, a metal oxide thin film was continuously formed under the same apparatus conditions and film forming conditions as in Example 1 or 2.
As a result, a metal oxide thin film having a thickness of 100 nm, composition: Pb / (Zr + Ti) = 1.15, and Zr / (Zr + Ti) = 0.40 was formed. However, since a large pressure difference is temporarily generated between the primary side and the secondary side of the particle traps 6a and 6b, the particles are wound up from the particle trap and the particles flow out from the trap to the downstream side. As a result, as shown in FIG. 2, an increase in particles in the intended wafer of the production lot was observed, and the total number of particles having a particle size of 0.2 μm or more could not be reduced to 50 or less. The surface morphology of the obtained thin film was not smooth.
[0059]
(Example 3)
In this embodiment, similarly to the first embodiment, the film forming apparatus shown in FIG. 3 is used, and a raw material gas of PZT as a ferroelectric and an oxygen gas (O 2 ) To form a PZT thin film. The one shown in FIG. 6 was used as the mixing chamber at that time.
Figure 2004087585
[0060]
The pressure in the film forming chamber was adjusted to 6 Torr. At this time, the pressure in the diffusion chamber of the mixing chamber was 13 Torr, and the pressure in the vaporization section of the source gas was 20 Torr. In general, stable vaporization of a liquid raw material is desirably 30 Torr or less, so that the requirement is sufficiently satisfied.
First, the raw material gas and the reaction gas are introduced into the mixing chamber from the gas introduction ports 65a and 66a via the gas introduction pipes 65 and 66, respectively, in the mixing chamber 61 provided with the hemispherical partition plate 64 shown in FIG. The mixture was stirred, mixed, and diffused, and a film-forming gas was introduced from the mixing chamber 61 into the film-forming chamber. In this film-forming chamber, a PZT thin film was formed on the substrate by MOCVD under ordinary conditions. No particles were contained in the film formation gas introduced into the film formation chamber. Observation of the film thickness distribution of the thin film thus formed showed that when a film provided with a partition plate 64 in the mixing chamber was used, the film formed on the substrate had a uniform thickness and had good film quality. The film could be formed continuously. At this time, the film thickness distribution was about ± 1.2%, which sufficiently satisfied ± 3% or less necessary for increasing the yield of semiconductor chips from the viewpoint of device fabrication. The result is that the convection, stirring, mixing, and diffusion in the stirring chamber 62 and the diffusion chamber 63 are efficiently performed by providing the predetermined partition plate 64, and the raw material gas and the reaction gas are uniformly mixed, This indicates that a thin film having an appropriate thickness was formed.
[0061]
Using a conventional mixing chamber provided with the particle trap but without the partition plate, the same source gas and reaction gas as described above were introduced into the mixing chamber, mixed and diffused, and a thin film was formed by the MOCVD method. Observing the film thickness distribution of the thin film thus formed, the thick portion of the film formed on the substrate was biased toward the reaction gas inlet, and the thin portion was biased toward the source gas inlet. . In addition, in the space in the mixing chamber (the space where the stirring chamber and the diffusion chamber are combined when a partition plate is provided), at the bottom of the space, the reversal phenomenon of the region where each gas concentration is relatively high with respect to the position of each inlet port. It is presumed that laminar flow occurs while the reversal phenomenon is dragged from the film forming gas outlet to the gas head, and the concentration distribution is transferred to the substrate. At this time, the film thickness distribution was about ± 3.0%.
[0062]
Zr (thd) is used as the source gas for PZT. 4 / Zr (dmhd) instead of THF 4 The above method was repeated using / THF and a BST source gas and a reaction gas. In both cases, the same tendency is obtained in both the film quality and the film thickness distribution of the formed thin film, and it is possible to efficiently produce a thin film having a uniform film thickness distribution efficiently using a film-forming gas without particles. did it. The film thickness distribution sufficiently satisfied ± 3% or less.
[0063]
(Example 4)
In this embodiment, similarly to the first embodiment, the film forming apparatus shown in FIG. 3 is used, and a raw material gas of PZT as a ferroelectric and an oxygen gas (O 2 ) To form a PZT thin film. The one shown in FIG. 8 was used as a film forming chamber at that time. The pressure in the film forming chamber was maintained at 5 Torr by a pressure adjusting valve.
Figure 2004087585
[0064]
The obtained result will be described below.
By changing the dimension r (exhaust clearance r: mm) of the gap (size of the exhaust port) between the inner wall surface of the film forming chamber 81 and the sleeve member 93 in FIG. 8 and the height dimension L of the sleeve member, the film thickness is changed. FIG. 12 shows the film thickness distribution (%) when a 100 nm PZT film was formed. FIG. 13 shows the film formation rate (Rate) (nm / min) at the center of the substrate when the PZT film is formed with the gap r and the height L changed.
[0065]
Here, in order to maintain the film thickness distribution within 2%, when the height L is 70 mm or more, the gap r needs to be set to 10 mm or more. In consideration of mass productivity, the deposition time is desirably 3 minutes or less. Therefore, when depositing a thin film having a thickness of 100 nm, the deposition rate must be 35 nm / min or more. Therefore, as is apparent from FIG. 13, if the dimension r of the gap is set to 10 mm or more, preferably from 10 mm to 17 mm, and the height L is set to 70 mm or more, a good film thickness distribution and a composition suitable for mass production can be obtained. The film rate is obtained.
[0066]
Next, under the above conditions, the gap r is set to 15 mm and the height L is set to 70 mm. 2 Was introduced into the film forming chamber 81, and the film thickness distribution and the film forming dust were measured. FIG. 14 shows a film thickness distribution and film dust (particle Total) when a PZT film is formed on an 8-inch electrode substrate by changing an inert gas around a gas (Gas) head in a flow rate range of 0 to 4000 sccm. Shows the relationship. As is clear from FIG. 14, when the inert gas was flowed from the gas ring 94 in the range of 1000 to 2000 sccm, the number of particles became the smallest. For this reason, it is superior to the case where no inert gas is flowed.
[0067]
FIG. 15 shows that the gap r is set to 15 mm, the height L is set to 70 mm, and the inert gas N 2 Is changed in the flow rate range of 0 to 4000 sccm and introduced into the film forming chamber 81, and the composition ratio (line a) and the film thickness distribution (line b) when the PZT film is formed on the 8-inch electrode substrate. And According to FIG. 15, although the film thickness distribution does not change even when the flow rate of the inert gas is changed, the composition ratio is disturbed when the flow rate of the inert gas is around 2000 sccm. The composition ratio means the ratio of Zr / (Zr + Ti).
[0068]
As apparent from FIGS. 12 to 15, in the film forming apparatus shown in FIG. 8, the gap r is 10 mm or more, preferably 10 to 17 mm, the height L of the sleeve member 93 is 70 mm or more, and When the flow rate of the inert gas introduced into the gas supply 81 is in the range of 1000 to 1500 sccm, the inert gas itself from the gas ring 94 does not become a source of turbulence and convection, and maximizes its rectifying action. be able to. As a result, the film thickness distribution (2% or less), the composition ratio, the composition distribution, and the film forming rate are good and stable, and the film forming dust is small (20 or less particles of 0.2 μm or more). And a continuous film formation.
When a BST film is formed instead of the PZT film, the same result as described above is obtained.
In addition, even if the stage 82 is not provided with the elevating means, the gas flow of the mixed gas can be made uniform by arranging the anti-adhesion plate to perform isotropic exhaust without convection, turbulence and thermal convection.
[0069]
【The invention's effect】
According to the present invention, by providing a particle trap, and by providing a bypass line between the primary side and the secondary side of the particle trap disposed in the mixing chamber, the raw material introduced into the film formation chamber Gas and other gases, and eventually the film forming gas, contain almost no particles, and can suppress the lifting of particles from the particle trap due to pressure fluctuations during the operation of the apparatus and the outflow to the downstream. A film forming apparatus capable of forming a thin film having an excellent film quality can be provided.
[0070]
In the case of forming a film using the above-described apparatus, gases such as source gas are supplied to a bypass line valve provided between a primary side and a secondary side of a particle trap disposed downstream of the mixing chamber. After flowing in an open state, the valve is closed and the film formation is started, thereby starting the film formation without causing a temporary large pressure difference between the primary side and the secondary side of the particle trap. It becomes possible. Thus, by this method, it is possible to prevent the particles from being wound up from the particle trap due to the pressure fluctuation during the operation of the apparatus and flowing out downstream. In addition, this valve is a variable valve, and gas is flowed with the valve first opened, and then gas is flowed while adjusting the variable valve, so that the particle trap is temporarily moved between the primary side and the secondary side. It is possible to start film formation without causing significant pressure fluctuation, and it is possible to further reduce the generation of particles.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing the outline of the configuration of a conventional film forming apparatus having a particle trap.
FIG. 2 is a graph showing particle behavior when 100 films are continuously formed by using the film forming apparatus of FIG.
FIG. 3 is a configuration diagram schematically showing an example of a configuration of a film forming apparatus of the present invention.
4A and 4B are diagrams schematically illustrating an example of the configuration and arrangement of a dust collecting screen used in the present invention, wherein FIG. 4A is a cross-sectional view schematically illustrating an example of the configuration and arrangement, and FIG. Sectional drawing which shows another example of a structure and arrangement | positioning typically.
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing an example of the arrangement and configuration of a plate-shaped sintered metal filter used in the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view schematically illustrating an example of a mixing chamber used in the film forming apparatus of the present invention.
7A and 7B are diagrams schematically showing an internal configuration of a stirring chamber of the mixing chamber shown in FIG. 6, wherein FIG. 7A is a cross-sectional view and FIG.
FIG. 8 is a configuration diagram schematically showing the outline of another configuration of the film forming apparatus of the present invention.
9A and 9B are diagrams illustrating a flow of a mixed gas in a film forming chamber in the apparatus shown in FIG. 8, wherein FIG. 9A shows a case where a space between a stage and a gas head is wide, and FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of a film forming chamber when a distance from a head is small.
FIG. 10 is a graph showing particle behavior at the time of continuous film formation of 100 sheets obtained in Example 1.
FIG. 11 is a graph showing particle behavior during continuous film formation of 100 sheets obtained in Example 2.
12 is a graph showing a film thickness distribution when a PZT film is formed by changing a gap r and a height L in the film forming chamber shown in FIG.
FIG. 13 is a graph showing a film formation rate at the center of the substrate when a PZT film is formed in the film formation chamber shown in FIG. 8 while changing the gap r and the height L.
14 is a graph showing a relationship between a film thickness distribution and film forming dust when a PZT film is formed on a substrate by changing a flow rate of an inert gas via a gas ring in the film forming chamber shown in FIG.
FIG. 15 shows a composition distribution and a film thickness distribution when a PZT film is formed on a substrate by changing the flow rate of an inert gas from a gas ring in the film formation chamber shown in FIG. Graph shown.
[Explanation of symbols]
1 vaporization chamber 2 dust collection screen
3 mixing chamber 4 source gas piping
5 Reaction gas piping 6a, 6b Metal sintered filter
7 Deposition chamber 8 Gas head
9 Substrate 10 Bypass line
42 Screen board 45 Filter
50 Deposition chamber 51 Mixing chamber
51a Stirring chamber 51b Diffusion chamber
52 Piping for source gas 53 Piping for reaction gas
54 gas head 56 plate filter
61 Mixing room 62 Stirring room
63 Diffusion chamber 64 Partition plate
65 Source gas inlet pipe 65a Source gas inlet
66 Reaction gas inlet pipe 66a Reaction gas inlet
67 Gas outlet 80 Deposition equipment
81 Deposition chamber 81a First space
81b Second space 82 Stage
86 gas head 87 mixing chamber
88 Vaporization chamber 91 Dust collection screen 92 Metal sintering filter 93 Sleeve member
94 Gas ring 96 Substrate transfer port

Claims (13)

内部に基板が載置されるステージを設けた真空チャンバである成膜室と、該成膜室に接続された、原料ガスと反応ガスとの混合ガス生成用混合室と、該原料ガス用気化室とを備え、該ステージに対向して該成膜室上面に混合ガスを成膜室内に導入するためのガスヘッドが設けられた成膜装置において、該気化室と該混合室との間及び該混合室内の下流側のそれぞれに、温度コントロール可能なパーティクルトラップが配設され、該混合室内下流側に配設されたパーティクルトラップの一次側と二次側との間に、バルブを備えたバイパスラインが設けられていることを特徴とする成膜装置。A film forming chamber which is a vacuum chamber having a stage on which a substrate is mounted, a mixing chamber connected to the film forming chamber for generating a mixed gas of a source gas and a reaction gas, and a vaporizing chamber for the source gas A film head provided with a gas head for introducing a mixed gas into the film formation chamber on the upper surface of the film formation chamber opposite to the stage; and between the vaporization chamber and the mixture chamber. A temperature-controllable particle trap is disposed on each of the downstream sides of the mixing chamber, and a bypass having a valve is provided between the primary side and the secondary side of the particle trap disposed on the downstream side of the mixing chamber. A film forming apparatus comprising a line. 請求項1記載の成膜装置において、該バルブが可変バルブであることを特徴とする成膜装置。2. The film forming apparatus according to claim 1, wherein said valve is a variable valve. 請求項1又は2記載の成膜装置において、該混合室内の下流側に配設されたパーティクルトラップが複数枚である場合、該成膜室に一番近いパーティクルトラップの一次側と二次側との間、又は成膜室に一番近いパーティクルトラップの二次側と上流にあるパーティクルトラップの一次側との間を接続するバルブを備えたバイパスラインが設けられていることを特徴とする成膜装置。3. The film forming apparatus according to claim 1, wherein when the number of the particle traps disposed on the downstream side in the mixing chamber is plural, the primary side and the secondary side of the particle trap closest to the film forming chamber are disposed. Or a bypass line provided with a valve connecting between the secondary side of the particle trap closest to the film formation chamber and the primary side of the particle trap located upstream. apparatus. 請求項1〜3のいずれかに記載の成膜装置において、該気化室と該混合室との間に設けられた温度コントロール可能なパーティクルトラップの設定温度を、該気化室内で原料ガスを得る際の気化温度及び原料ガスを流す配管の温度よりも5〜80℃低く設定するように構成したことを特徴とする成膜装置。The film forming apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein a set temperature of a temperature-controllable particle trap provided between the vaporization chamber and the mixing chamber is set to a value corresponding to a temperature at which a source gas is obtained in the vaporization chamber. A film formation apparatus characterized in that the temperature is set to be lower by 5 to 80 ° C. than the vaporization temperature and the temperature of the pipe through which the raw material gas flows. 請求項1〜4のいずれかに記載の成膜装置において、該気化室と該混合室との間に配設されたパーティクルトラップが慣性集塵式スクリーンからなり、また、該混合室内下流側に配設されたパーティクルトラップが多孔体フィルターからなることを特徴とする成膜装置。5. The film forming apparatus according to claim 1, wherein the particle trap disposed between the vaporization chamber and the mixing chamber comprises an inertial dust-collecting screen, and is provided downstream of the mixing chamber. A film forming apparatus, wherein the disposed particle trap comprises a porous filter. 請求項5記載の成膜装置において、該慣性集塵式スクリーンが、気体をほぼ45度の傾斜角を持って導入する透孔を多数同一方向に穴開けした網目状集塵スクリーン板からなり、該集塵式スクリーンが該集塵スクリーン板を複数枚積層したものである場合は、この互いに隣接するスクリーン板の透孔の傾斜角の方向は交互に90度交差した状態に構成されていることを特徴とする成膜装置。6. The film-forming apparatus according to claim 5, wherein the inertial dust-collecting screen comprises a mesh-like dust-collecting screen plate in which a large number of through-holes for introducing gas at an inclination angle of about 45 degrees are perforated in the same direction. When the dust collecting screen is formed by stacking a plurality of the dust collecting screen plates, the directions of the inclination angles of the through holes of the adjacent screen plates are alternately crossed by 90 degrees. A film forming apparatus characterized by the above-mentioned. 請求項5又は6記載の成膜装置において、該慣性集塵式スクリーンを構成する集塵スクリーン板が、その空間に金属、セラミックス及び石英から選ばれた充填物を充填したものであることを特徴とする成膜装置。7. The film forming apparatus according to claim 5, wherein the dust collecting screen plate constituting the inertial dust collecting screen has a space filled with a filler selected from metal, ceramics and quartz. Film forming apparatus. 請求項1〜7のいずれかに記載の成膜装置において、該混合室は、原料ガス導入管及び反応ガス導入管を備えた攪拌室と、該原料ガス及び反応ガスを攪拌・混合して得た混合ガスを拡散させる拡散室とを有し、該原料ガス導入管及び反応ガス導入管のそれぞれのガス導入口が互いに対向するようにして設けられており、該攪拌室と該拡散室との間に、該攪拌室の容積よりも該拡散室の容積の方が大きくなるように仕切り板が設けられ、該仕切り板は、該混合室の底部に対して凸状の2次曲線形状を有するものであり、この仕切り板には、該それぞれのガス導入口を結ぶ直線の鉛直方向下側の所定位置に一つのガス吹き出し口が設けられ、該ガス吹き出し口を介して該混合ガスが該攪拌室から該拡散室へと拡散されるように構成されていることを特徴とする成膜装置。The film forming apparatus according to claim 1, wherein the mixing chamber is obtained by stirring and mixing the raw material gas and the reaction gas with a stirring chamber provided with a raw material gas introduction pipe and a reaction gas introduction pipe. A diffusion chamber for diffusing the mixed gas, wherein the gas inlets of the source gas introduction pipe and the reaction gas introduction pipe are provided so as to face each other. In between, a partition plate is provided such that the volume of the diffusion chamber is larger than the volume of the stirring chamber, and the partition plate has a quadratic curve shape convex to the bottom of the mixing chamber. The partition plate is provided with one gas outlet at a predetermined position on the lower side in the vertical direction of a straight line connecting the respective gas inlets, and the mixed gas is stirred through the gas outlet. Is configured to be diffused from the chamber to the diffusion chamber Film-forming apparatus according to claim. 請求項1〜7のいずれかに記載の成膜装置において、該ステージの周囲を所定の長さを有する円筒形状のスリーブ部材で囲い、該スリーブ部材と成膜室内壁面との間の間隙を介して、排ガスが該ガスヘッドとステージとが形成する第1空間内で対流することなく該第1空間から排気されるように構成し、また、真空排気手段が接続されたステージ下方の第2空間の容積が該第1空間の容積より大きくなる位置にステージの高さ位置を設定したことを特徴とする成膜装置。The film forming apparatus according to any one of claims 1 to 7, wherein a periphery of the stage is surrounded by a cylindrical sleeve member having a predetermined length, and a gap is provided between the sleeve member and a wall surface of the film forming chamber. The exhaust gas is exhausted from the first space without convection in the first space formed by the gas head and the stage, and the second space below the stage to which vacuum exhaust means is connected. Wherein the height of the stage is set at a position where the volume of the stage becomes larger than the volume of the first space. 請求項9記載の成膜装置において、該成膜室の内壁面に沿って不活性ガスを成膜室内に均等に導入するガスリングを成膜室上面に設けたことを特徴とする成膜装置。10. The film forming apparatus according to claim 9, wherein a gas ring for uniformly introducing an inert gas into the film forming chamber along an inner wall surface of the film forming chamber is provided on an upper surface of the film forming chamber. . 請求項1〜7のいずれかに記載の成膜装置を用いて行う成膜方法であって、該成膜室に原料ガス、反応ガス、キャリアガスのガス類を流して成膜する際に、該ガス類を、混合室内下流側に配設されたパーティクルトラップの一次側と二次側との間に設けられたバイパスラインのバルブを開いた状態で流した後、該バルブを閉じ、成膜を開始することを特徴とする成膜方法。A film forming method performed by using the film forming apparatus according to claim 1, wherein a source gas, a reactive gas, and a carrier gas are flowed into the film forming chamber to form a film. After flowing the gases with the valve of the bypass line provided between the primary side and the secondary side of the particle trap disposed on the downstream side of the mixing chamber being opened, the valve is closed to form a film. A film formation method characterized by starting the following. 請求項1〜7のいずれかに記載の成膜装置を用いて行う成膜方法であって、該成膜室に原料ガス、反応ガス、キャリアガスのガス類を流して成膜する際に、該ガス類を、混合室内下流側に配設されたパーティクルトラップの一次側と二次側との間に設けられたバイパスラインの可変式バルブを開いた状態で流した後、該可変式バルブを徐々に閉じながら成膜を開始することを特徴とする成膜方法。A film forming method performed by using the film forming apparatus according to claim 1, wherein a source gas, a reactive gas, and a carrier gas are flowed into the film forming chamber to form a film. After flowing the gases while the variable valve of the bypass line provided between the primary side and the secondary side of the particle trap disposed downstream of the mixing chamber is opened, the variable valve is A film formation method characterized by starting film formation while gradually closing. 請求項1〜7のいずれかに記載の成膜装置を用いて行う成膜方法であって、該成膜室に原料ガス、反応ガス、キャリアガスのガス類を流して成膜する際に、成膜工程を中断している時には、混合室内下流側に配設されたパーティクルトラップの一次側と二次側との間に設けられたバイパスラインのバルブを開いた状態で、該原料ガス以外のガス類を流した状態に保っておき、次いで、成膜工程を実施する時に該原料ガスを流して成膜を開始することを特徴とする成膜方法。A film forming method performed by using the film forming apparatus according to claim 1, wherein a source gas, a reactive gas, and a carrier gas are flowed into the film forming chamber to form a film. When the film forming process is suspended, the valve of the bypass line provided between the primary side and the secondary side of the particle trap disposed on the downstream side of the mixing chamber is opened, and other than the source gas, A film forming method characterized by keeping a gas flowing state, and then starting film formation by flowing the source gas when performing a film forming step.
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