JP2004172227A

JP2004172227A - 薄膜形成装置及び薄膜形成方法

Info

Publication number: JP2004172227A
Application number: JP2002334059A
Authority: JP
Inventors: Shigeyoshi Umemiya; 茂良梅宮
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2002-11-18
Filing date: 2002-11-18
Publication date: 2004-06-17

Abstract

【課題】薄膜形成装置及び薄膜形成方法に関し、均一な膜厚及び優れた品質の薄膜を形成することのできる薄膜形成装置及び薄膜形成方法を提供することを目的とする。
【解決手段】薄膜形成装置は、気相成長法による薄膜形成装置であって、薄膜を形成すべき基板の表面へ向かって成膜ガスを噴き出すためのシャワーヘッド１８を具備し、該シャワーヘッド１８は、基板の表面に沿って流れる成膜ガスの流速が基板の中心から半径方向にいくに従って単調増加するように、形成されている構成とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は気相成長法による薄膜形成装置及び薄膜形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＤＲＡＭやＦＲＡＭ用のキャパシタのための薄膜の形成のために、様々な薄膜形成装置及び薄膜形成方法が提案されている。例えば、ゾル・ゲル法やスパッタ法による薄膜形成方法が薄膜の量産に使用されている。近年、メモリの集積度が次第に上がってきており、０．１８μｍルールのＤＲＡＭやＦＲＡＭ用のキャパシタやＰＺＴ薄膜を製造するには、ゾル・ゲル法やスパッタ法では、膜厚の厚膜化や段差被覆性を達成することは難しくなってきている。そこで、ＭＯＣＶＤ法による薄膜形成装置及び薄膜形成方法が開発されている。ＭＯＣＶＤ法はシャワーヘッドを用いた気相成長法による薄膜形成方法である。なお、シャワーヘッドを用いたプラズマ処理方法が公知である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１８９３０８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ＭＯＣＶＤ法を使用して薄膜を形成する際形成されるべき薄膜の膜厚及び組成を均一にすることが難しいという問題がある。均一な成膜を行うためには、シャワーヘッドから均一に混合された成膜ガスを供給するとともに、成膜ガスが基板上のあらゆる位置に均一に当たるようにすることが必要である。
【０００５】
シャワーヘッドから流出する成膜ガスの流量は制御できるが、従来は基板の表面に沿った成膜ガスの流れが最適に制御されていたかどうか分らず、ＭＯＣＶＤ法によるＰＺＴ薄膜が形成できる量産装置と成膜方法はいまだ開発できていないのが現状である。現在では、シャワーヘッドの開口面積（ノズル数、ノズル径）等を実験による合わせ込みに頼ることが多い。そして、膜厚均一性と薄膜品質の両面から最適な条件を見いだす必要があるが、均一性を改善すると、膜質が低下し、膜質を改善すると、均一性が悪くなるという問題がある。
【０００６】
本発明の目的は均一な膜厚及び優れた品質の薄膜を形成することのできる薄膜形成装置及び薄膜形成方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による薄膜形成装置は、気相成長法による薄膜形成装置であって、薄膜を形成すべき基板の表面へ向かって成膜ガスを噴き出すためのシャワーヘッドを具備し、該シャワーヘッドは、基板の表面に沿って流れる成膜ガスの流速が基板の中心から半径方向にいくに従って単調増加するように、形成されていることを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明による薄膜形成方法は、シャワーヘッドを用いた気相成長法による薄膜形成方法であって、薄膜を形成すべき基板に沿って流れる成膜ガスの流速が基板の中心から半径方向にいくに従って単調増加するように、該シャワーヘッドから基板の表面へ向かって成膜ガスを噴き出すことを特徴とするものである。
【０００９】
この構成によれば、成膜ガスの流速が薄膜を基板の中心から半径方向にいくに従って単調増加するように、シャワーヘッドから基板の表面へ向かって成膜ガスを噴き出すようにしたので、基板の表面に沿って成膜ガスの流れの一様な境界層が形成され、その結果、均一な膜厚及び優れた品質の薄膜を形成することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施例の薄膜形成装置及び薄膜形成方法を示す。この薄膜形成装置はＭＯＣＶＤ装置と呼ばれる。図２は図１のシャワーヘッドを示す断面図である。図３は図２のシャワーヘッドの底面図である。
【００１１】
図１において、薄膜形成装置１０は、気化器１２と、ガス混合室１４と、成膜室１６とを含む。シャワーヘッド１８が成膜室１６に臨んで配置される。気化器１２は配管２０によりガス混合室１４に接続され、原料ガスが気化器１２からガス混合室１４に流される。反応ガス、例えば酸素ガスを供給する配管２２もガス混合室１４に接続される。ガス混合室１４はシャワーヘッド１８を介して成膜室１６に接続される。成膜室１６においては、基板２４がステージ２６に支持されている。シャワーヘッド１８は基板２４と対向している。
【００１２】
実施例はシリコンウエハ（基板）にＰＺＴの薄膜を形成するようになっている。Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉの有機金属原料がそれぞれ溶媒に一定の濃度で溶け込んでおり、この液体原料を気化室１２に一定の流量で送り込む。また、原料の流量を変化させたときに全流量を一定に保つために、一定量の溶媒も同時に気化室１２に送る。流量調整は液体のマスフローコントローラにて行う。送られた液体原料は気化室１２で溶媒とともに気化され、原料ガスとなって、温度管理された配管１８を通り、ガス混合室１４へ向かう。
【００１３】
気化器１２の出口側には窒素パージラインが接続されており、成膜時と非成膜時で、成膜室１６に流入するガス量を一定にするようになっている。一方、反応ガスはマスフローコントローラで一定の流量で供給され、熱交換器によってガス温度を原料の気化温度まで上昇させられる。そして、混合室１４の中で原料ガスと反応ガスが混合され、混合された成膜ガスがシャワーヘッド１８に流れ、成膜ガスがシャワーヘッド１８から成膜されるべき基板２４の表面に向かって噴き出す。基板２４の温度は５００〜６５０℃になっており、基板２４に降り注いだ成膜ガス中の有機金属ガスは、基板２４の表面温度の熱エネルギーでもって分解され、基板２４上に薄膜を形成する。
【００１４】
成膜中の基板２４の表面付近は、境界層と呼ばれるガス流速が低速になる部分が存在し、この境界層の厚さが成膜レートに大きく依存する。境界層の厚さδは、ガス流速に依存し、一般に次の式で規定される。
【００１５】
【数１】

【００１６】
ここで、Ｕはガスの平均速度、νは動的粘性係数、ｘはガス流れ方向の座標である。ここで、ガスの平均流速Ｕが位置ｘに対して正比例の関係（Ｕ＝ａｘ、ａは定数）になると、境界層の厚さδは位置に依存せずに一定となり、一様な成膜レートを得ることができる。成膜されなかった成膜ガスは、排気ポート２８を通り、トラップ３０による回収または除害装置３２による分解が行われ、無害化されて大気中に排気される。３４は真空ポンプである。
【００１７】
図２及び図３において、シャワーヘッド１８は、ガス混合室１４に通じるポート３６と、ポート３６に通じてシャワーヘッド１８の下面側に開口する多数の微小なノズル（開口部）３８とを有する。
【００１８】
図４は成膜ガスがシャワーヘッド１８から基板２４の表面へ向かって噴き出すところを示す図である。噴き出した成膜ガスは基板２４の表面に沿って流れる。シャワーヘッド１８の直径は基板２４の直径よりも大きく、ノズル３８は基板２４の領域よりも外側にも存在する。
【００１９】
シャワーヘッド１８は、成膜ガスの流速が薄膜を形成すべき基板２４の中心から半径方向にいくに従って単調増加するように、形成されている。より具体的には、成膜ガスの流速の増加比率が常に増加し、好ましくは増加率は一定である（Ｕ＝ａｘ）ようになっている。
【００２０】
図５はシャワーヘッド１８の解析用のモデルを示す図である。モデル４０はシャワーヘッド１８の半円部分に相当する。円の中心から半径方向の距離をｘとする。シャワーヘッド１８からモデル４０へ成膜ガスを噴き出す。それによって生じる基板２４の表面に沿った成膜ガスの流れの流速を流体解析した。実際の成膜条件と同じガス流量条件を入力値とし、シャワーヘッドのノズル３８の数及び径（開口面積）を変更したときの基板２４の表面上のガス流速を解析した。初期質量流量を０．０３９３２（約０．０４）ｇ／ｓｅｃとし、６インチシリコン基板２４がステージ２６上に配置されたものとして計算した。
【００２１】
図６は、ノズル３８の直径を一定（１ｍｍ）とし、ノズル数を変えたときの距離（ｘ）とガス流速の関係を示す図である。曲線Ａはノズル３８の数がモデル４０に均等に７００個ある場合を示し、曲線Ｂはノズル３８の数がモデル４０に均等に３５０個ある場合を示し、曲線Ｃはノズル３８の数がモデル４０に均等に１７５個ある場合を示す。
【００２２】
ノズル３８の数が７００個、３５０個のとき（曲線Ａ，Ｂ）には、基板の中心から半径方向に位置が変わっても、ガス流速の増加率はあまり変化がない（ほぼ直線的に増加している）。従って、膜厚が均一な品質のより薄膜を形成することができる。なお、６インチの基板の場合には、図６に基板の外縁部はｘが約７５ｍｍの位置にくる。ノズル３８の数が１７５個の場合には、ガス流速の増加率が急に大きくなり、ガスの流れが乱されて、膜厚の均一性および薄膜の品質が低下する。
【００２３】
従って、ノズル３８の数は多い方がよく、図６に示す結果では３５０個以上が適切と言える。この場合のシャワーヘッドの開口断面積は、ノズル数３５０、ノズル径１ｍｍとして、π×（１／２）^２ ×３５０×２＝５５０ｍｍ^２となる。シャワーヘッドの単位開口断面積あたりの成膜ガス流量は、３．９３２×１０^−２ｇ／ｓｅｃの質量流量を５５０ｍｍ^２の開口断面積で割って、１．４３×１０^−４ｇ／ｓｅｃ／ｍｍ^２であった。一方、ノズル３８の数が１７５個の場合には、シャワーヘッドの単位開口断面積あたりの成膜ガス流量は、２．９×１０^−４ｇ／ｓｅｃ／ｍｍ^２であった。
【００２４】
図７は、ノズル３８の数を一定（７００個）とし、ノズル径を変えたときの距離（ｘ）とガス流速の関係を示す図である。曲線Ｄはノズル３８の径が２ｍｍの場合を示し、曲線Ｅはノズル３８の径が１ｍｍの場合を示し、曲線Ｆはノズル３８の径が０．５ｍｍの場合を示す。上記例と同様に、解析モデルを構築し、初期質量流量を０．０３９３２（約０．０４）とし、基板表面上のガス流速を計算した。
【００２５】
シャワーヘッドのノズル径が１ｍｍ、２ｍｍのとき（曲線Ｄ，Ｅ）には、ガス流速の増加率にあまり変化はないが、ノズル径が０．５ｍｍになるとガス流速の増加率の変化が大きくなった。従って、ノズル径は大きい方がよく、図７に示す結果では１ｍｍ以上が適切と言える。ノズル径が２ｍｍの場合のシャワーヘッドの開口断面積は、ノズル数７００、ノズル径２ｍｍとして、π×（２／２）^２ ×７００×２＝４３９８ｍｍ^２となる。シャワーヘッドの単位開口断面積あたりの成膜ガス流量は、３．９３２×１０^−２ｇ／ｓｅｃの質量流量を４３９８ｍｍ^２の開口断面積で割って、１．７５×１０^−５ｇ／ｓｅｃ／ｍｍ^２であった。一方、ノズル３８の数が１７５個の場合には、シャワーヘッドの単位開口断面積あたりの成膜ガス流量は、２．９×１０^−４ｇ／ｓｅｃ／ｍｍ^２であった。
【００２６】
なお、上記した結果から、シャワーヘッドの開口断面積は、５５０ｍｍ^２〜４３９８ｍｍ^２の範囲内にあるのがよく、シャワーヘッドの単位開口断面積あたりの成膜ガス流量は、１．４３×１０^−４ｇ／ｓｅｃ／ｍｍ^２〜１．７５×１０^−５ｇ／ｓｅｃ／ｍｍ^２の範囲内にあるのが好ましい。
【００２７】
次に、図１に示す薄膜形成装置において、ノズル数１４００、ノズル径１ｍｍのシャワーヘッド１８を使用し、ＰＺＴの成膜を行った。原料は、Ｐｂ（ＤＰＭ）_２、Ｚｒ（ＤＭＨＤ）_４、Ｔｉ（Ｏ−ｉＰｒ）_２（ＤＰＭ）_２を使用し、溶媒にはＴＨＦを使用した。酸素１０００ｓｃｃｍ、窒素１８００ｓｃｃｍ、ＴＨＦ１．０ｍｌ／ｍｉｎを流し、６インチのシリコンウエハ上に、ＰＺＴの膜を成膜した。基板温度は５８０℃、圧力６６７Ｐａに設定した。成膜条件とシャワーヘッド１８の仕様から、シャワーヘッドの開口面積に対する成膜ガス流量は、約７．３×１０^−５ｇ／ｓｅｃ／ｍｍ^２であった。
【００２８】
成膜したＰＺＴ膜の膜厚と組成を９点で測定したところ、以下のような結果になった。膜厚（ｎｍ）は１５６±５であった。組成〔Ｐｂ（Ｚｒ＋Ｔｉ）〕は１．１２±０．１０であった。組成〔Ｚｒ（Ｚｒ＋Ｔｉ）〕は０．４４±０．０５であった。
【００２９】
この結果、均一な膜厚で組成のむらのない品質の優れたＰＺＴ薄膜ができていることが確認された。また、連続して１０枚の成膜を行ったが、同様の測定結果が得られ、膜厚、組成ともに再現していることが分かった。
【００３０】
また、上記の例では、成膜ガスはＰｂ，Ｚｒ，Ｔｉを含んでいたが、本発明はそのような例に限定されるものではない。本発明では、成膜ガスがＰｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｌａ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｔａ，Ｂｉのうちの少なくとも１つ又は幾つかを含んでいるものを使用することができる。
【００３１】
以上の説明には下記の特徴が含まれる。
【００３２】
（付記１）気相成長法による薄膜形成装置であって、薄膜を形成すべき基板の表面へ向かって成膜ガスを噴き出すためのシャワーヘッドを具備し、該シャワーヘッドは、基板の表面に沿って流れる成膜ガスの流速が基板の中心から半径方向にいくに従って単調増加するように、形成されていることを特徴とする薄膜形成装置。（１）
（付記２）シャワーヘッドを用いた気相成長法による薄膜形成方法であって、薄膜を形成すべき基板の表面に沿って流れる成膜ガスの流速が基板の中心から半径方向にいくに従って単調増加するように、該シャワーヘッドから基板の表面へ向かって成膜ガスを噴き出すことを特徴とする薄膜形成方法。（２）
（付記３）成膜ガスの流速の増加比率が一定であることを特徴とする付記２に記載の薄膜形成方法。（３）
（付記４）成膜ガスの流速の変化が基板上の範囲のみで満たしていることを特徴とする付記２に記載の薄膜形成方法。（４）
（付記５）シャワーヘッドは微小な複数の開口部を有し、該開口部の合計の断面積が５５０ｍｍ^２から４３９８ｍｍ^２の範囲内にあることを特徴とする付記２に記載の薄膜形成方法。
【００３３】
（付記６）シャワーヘッドの単位開口断面積あたりの成膜ガス流量が１．４３×１０^−４ｇ／ｓｅｃ／ｍｍ^２から１．７５×１０^−５ｇ／ｓｅｃ／ｍｍ^２の範囲内にあることを特徴とする付記２に記載の薄膜形成方法。（５）
（付記７）成膜ガスがＰｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｌａ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｔａ，Ｂｉのうちの少なくとも一つを含んでいることを特徴とする付記２に記載の薄膜形成方法。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、均一な膜厚を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の薄膜形成装置及び薄膜形成方法を示す図である。
【図２】図１のシャワーヘッドを示す断面図である。
【図３】図２のシャワーヘッドの底面図である。
【図４】混合ガスがシャワーヘッドから基板に向かって降り注ぐところを示す図である。
【図５】シャワーヘッドの検討用のモデルを示す図である。
【図６】ノズル数を変えたときの距離とガス流速の関係を示す図である。
【図７】ノズル径を変えたときの距離とガス流速の関係を示す図である。
【符号の説明】
１０…薄膜形成装置
１２…気化器
１４…ガス混合室
１６…成膜室
１８…シャワーヘッド
２０…配管
２２…配管
２４…基板
２６…ステージ
３８…ノズル

Claims

気相成長法による薄膜形成装置であって、薄膜を形成すべき基板の表面へ向かって成膜ガスを噴き出すためのシャワーヘッドを具備し、該シャワーヘッドは、基板の表面に沿って流れる成膜ガスの流速が基板の中心から半径方向にいくに従って単調増加するように、形成されていることを特徴とする薄膜形成装置。
シャワーヘッドを用いた気相成長法による薄膜形成方法であって、薄膜を形成すべき基板の表面に沿って流れる成膜ガスの流速が基板の中心から半径方向にいくに従って単調増加するように、該シャワーヘッドから基板の表面へ向かって成膜ガスを噴き出すことを特徴とする薄膜形成方法。
成膜ガスの流速の増加比率が一定であることを特徴とする請求項２に記載の薄膜形成方法。
シャワーヘッドは微小な複数の開口部を有し、該開口部の合計の断面積が５５０ｍｍ^２から４５００ｍｍ^２の範囲内にあることを特徴とする請求項２に記載の薄膜形成方法。
シャワーヘッドの単位開口断面積あたりの成膜ガス流量が１．４３×１０^−４ｇ／ｓｅｃ／ｍｍ^２から１．７５×１０^−５ｇ／ｓｅｃ／ｍｍ^２の範囲にあることを特徴とする請求項２に記載の薄膜形成方法。