JP2004335892A

JP2004335892A - 薄膜形成装置

Info

Publication number: JP2004335892A
Application number: JP2003132221A
Authority: JP
Inventors: Masushige Kouno; 培栄河野
Original assignee: ASM Japan KK
Current assignee: ASM Japan KK
Priority date: 2003-05-09
Filing date: 2003-05-09
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2023-05-09
Also published as: JP4152802B2; US20040221808A1; US7267725B2

Abstract

【課題】反応エリアと搬送エリアとを完全に分離することによって残留ガスのパージ時間を大幅に短縮することが可能な薄膜形成装置を与える
【解決手段】被処理体上に薄膜を形成するための装置であって、反応チャンバと、基板搬送チャンバと、被処理体を載置しかつ加熱するためのサセプタと、サセプタと平行に対向して設置されたシャワーヘッドと、シャワーヘッドを支持する排気ダクト手段と、排気ダクト手段の底面付近にあって、底面と所定の隙間を形成するように設置された分離板と、分離板の底面若しくはサセプタの段部表面に取り付けられたベローズ手段若しくはＯ−リング状ガスケットと、から成り、被処理体上へ薄膜を形成するべく昇降手段によりサセプタを反応チャンバ内の反応位置まで上昇させるとき、サセプタ表面とベローズ手段若しくはＯ−リング状ガスケットとが係合し、それが圧縮されてシールが達成されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体基板上に薄膜を形成する成膜装置に関し、特に、反応チャンバと基板搬送チャンバとを完全に分離することを可能にした成膜装置に関する。
【０００２】
【従来技術及び発明が解決しようとする課題】
半導体装置の高集積化に伴い、従来使用されてきたＣＶＤ（化学気相成長法）に替わり薄膜形成制御性の良いＡＬＣＶＤ（原子層ＣＶＤ）が注目されている。ＡＬＣＶＤは成膜に使用する複数の反応ガスを交互に半導体ウエハに吸着させ吸着層のみにて成膜を行うものであるため、数個の分子レベルからの薄膜制御が可能であり、ステップカバレッジも良好である。
【０００３】
ＡＬＣＶＤプロセスを実行する場合、反応ガスを切り替える前に残留ガスを完全にリアクタから排気させることが重要となる。残留ガスがリアクタ内に存在していると、気相中でＣＶＤ反応が生じ、分子層レベルでの膜厚制御が困難となる。また、気相反応により生成した粒子径が大きくなることによりパーティクルが発生するといった問題がある。
【０００４】
残留ガスをリアクタ内から完全に排気するために従来は長時間のパージ工程を要し、その結果生産性が低下するという問題があった。
【０００５】
そこで、反応チャンバエリアと基板搬送チャンバエリアを完全に分離することでデッドスペースを減らし、残留ガスを排気するためのパージ時間を短縮する試みが為された。ひとつの例として半導体ウエハを載置したサセプタをリアクタ内壁と物理的に接触させる方法がある。しかし、この方法ではサセプタと接触相手との平行を取ることが困難であり、反応チャンバと基板搬送チャンバとを完全に分離することはできない。他の例としてサセプタの外周部にＯ−リングを設けシールを行う方法がある。しかし、この方法ではプロセス温度が比較的低温（約２００℃）では問題ないが、高温（３００℃以上）になるとＯ−リングが破損して使用できない。
【０００６】
リアクタ内の残留ガスをパージする他の方法として、反応エリアと搬送エリアとを完全に分離せず、わずかな（０．５ｍｍ程度）の隙間を設け、搬送エリアから不活性ガスを流しながらプロセスガスの回り込みを防ぐ方法が考案された（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第４，８５４，２６３号明細書
【０００８】
【特許文献２】
特開２００２−３５３２０７公報
【０００９】
この方法では拡散による搬送エリアへの反応ガスの回り込みを完全に防止することはできず、搬送エリア内にＣＶＤ反応による成膜が見られた。このことはメンテナンスサイクルを早めることのほかに反応ガスの残留ガスを完全に排気できないためパーティクルが発生する危険性があることを示している。またこの方法ではパージ時間の短縮も困難である。
【００１０】
さらに、特願２００１−３６１６６９には反応チャンバと基板搬送チャンバとをガスシールにて分離する方法が記載されている。しかし近年の基板の大口径化に伴いより高い周波数のより高い高周波電力を使用するプロセスが多くなりつつあり、このようなプロセスにおいては、サセプタ内に埋設されたヒーター自身のインピーダンスが無視出来なくなる。その結果、接地されたリアクタとサセプタとの間の電位差が大きくなって、シールガスの電離電圧以上となると、搬送チャンバとサセプタ下部との間でプラズマ放電が生じてしまう。反応領域から拡散してくる微量の成膜ガスがこのプラズマ中で分解反応を生じ、搬送チャンバ壁若しくはロードロック室と搬送チャンバとを分離するゲートバルブに堆積物として付着する。それが剥離してパーティクル汚染源となる可能性がある。
【００１１】
したがって、本発明の目的は、反応エリアと搬送エリアとを完全に分離することによって残留ガスのパージ時間を大幅に短縮することが可能な薄膜形成装置を与えることである。
【００１２】
本発明の他の目的は、接地されたリアクタとサセプタとの間で電位差が生じない薄膜形成装置を与えることである。
【００１３】
本発明の他の目的は、生産性が高く、パーティクル汚染の危険性の低い薄膜形成装置を与えることである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明に係る薄膜形成装置は以下の手段から成る。
【００１５】
被処理体上に薄膜を形成するための装置は、
反応チャンバと、
基板搬送チャンバと、
被処理体を載置しかつ加熱するためのサセプタであって、半径方向に伸張した段部を有するところのサセプタと、
反応チャンバと基板搬送チャンバとの間でサセプタを上下させるための昇降手段と、
反応チャンバ内にあって、サセプタと平行に対向して設置され、被処理体に向かって反応ガスを噴射するための多数の細孔を有するシャワーヘッドと、
シャワーヘッドの下部周辺にあってシャワーヘッドを支持するよう反応チャンバの側壁に沿って環状に設けられた排気ダクト手段と、
排気ダクト手段の底面付近にあって、底面と所定の隙間を形成するように設置された、排気ダクト手段と同軸の円環状の分離板と、
分離板の底面若しくはサセプタの段部表面に取り付けられた、分離板と同軸の円筒状のベローズ手段であって、その先端にシール用リングが設けられているところのベローズ手段と、
から成り、
被処理体上へ薄膜を形成するべく昇降手段によりサセプタを反応チャンバ内の反応位置まで上昇させるとき、段部の表面若しくは分離板の底面とベローズ手段のシール用リングとが係合しベローズが圧縮されてシールが達成されることを特徴とする。
【００１６】
上記ベローズ手段は耐熱及び耐腐食性金属から成り、分離板の底面に溶接若しくはメタルガスケットにより結合される。
【００１７】
好適には、上記ベローズ手段はアルミニウムから成る。
【００１８】
変形的に、本発明に従う薄膜形成装置は、ベローズ手段と基板搬送チャンバの側壁とを電気的に接続するための導電部材を含むことができる。
【００１９】
本発明の他の態様において、被処理体上に薄膜を形成するための装置は、
反応チャンバと、
基板搬送チャンバと、
被処理体を載置しかつ加熱するためのサセプタであって、半径方向に伸張した段部を有するところのサセプタと、
反応チャンバと基板搬送チャンバとの間でサセプタを上下させるための昇降手段と、
反応チャンバ内にあって、サセプタと平行に対向して設置され、被処理体に向かって反応ガスを噴射するための多数の細孔を有するシャワーヘッドと、
シャワーヘッドの下部周辺にあってシャワーヘッドを支持するよう反応チャンバの側壁に沿って環状に設けられた排気ダクト手段と、
排気ダクト手段の底面付近にあって、底面と所定の隙間を形成するように設置された、排気ダクト手段と同軸の円環状の分離板と、
分離板の底面若しくはサセプタ段部の表面に取り付けられた、管状のコイルスプリングに断面がＣ字型の金属製被覆を施したＯ−リング状のガスケットと、
から成り、
被処理体上へ薄膜を形成するべく昇降手段によりサセプタを反応位置まで上昇させるとき、段部の表面若しくは分離板の底面とガスケットとが係合しガスケットが圧縮されてシールが達成されると同時にサセプタと基板搬送チャンバとが電気的に接続されることを特徴とする。
【００２０】
ここで、ガスケットはコイルスプリングの露出部が外周方向となるように、分離板の底面に取り付けられており、それによってコイルスプリングは反応ガスとの接触が防止される。
【００２１】
具体的には、金属製被覆は、耐熱及び耐腐食性金属材料から成る。
【００２２】
好適には、金属製被覆は、アルミニウムから成る。
【００２３】
【発明の実施の態様】
以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。図１は本発明に係る薄膜形成装置の好適実施例の断面略示図である。図１（Ａ）はロードロック室（図示せず）から半導体基板を基板搬送チャンバ内に搬入した状態を示し、図１（Ｂ）は成膜反応時の装置状態を示している。
【００２４】
本発明に係る薄膜形成装置１は反応チャンバ２及び基板搬送チャンバ３から成る。薄膜形成装置１の内部には半導体基板１３を載置するためのサセプタ４が与えられ、該サセプタ４は昇降手段１２によって、反応チャンバ２と基板搬送チャンバ３との間を上下に移動する。サセプタ４の内部には例えばシースヒータ（図示せず）のような加熱装置が埋設されており、半導体基板１３を所望の温度（５０〜５００℃）に加熱する。サセプタ４の下部は半径方向に伸張した段部１４を形成する。サセプタ４には３本から４本の基板リフトピン９が貫通しており、基板の搬送時には半導体基板１３をサセプタ上方へ持ち上げる。サセプタ４は電気的に接地されており、一方の高周波電極を兼ねている。
【００２５】
反応チャンバ２の天井部にはサセプタ４と対向して平行にシャワーヘッド６が設置されている。シャワーヘッド６には数千個の細孔１０が設けられ、反応ガス導入口１０から導入された反応ガスは該細孔１０を通じて半導体基板１３に均等に噴射される。シャワーヘッド６は外部の高周波電源（図示せず）に接続され、もう一方の高周波電極を兼ねている。シャワーヘッド６は所望の温度（５０℃から５００℃）に維持される。
【００２６】
シャワーヘッド６の下部周辺には反応チャンバ２の側壁に沿って環状の排気ダクト手段５が設けられている。排気ダクト手段５は反応チャンバ２内でシャワーヘッド６を支持すると同時に、処理済の反応ガス若しくはパージガスを外部の真空ポンプ（図示せず）へ排出するための通路を提供する。排気ダクト手段５の周囲は絶縁体によって構成されている。
【００２７】
排気ダクト手段５の底面１７付近には、該排気ダクト手段５と同軸に円環状の分離板７が設けられている。分離板７は絶縁体から成る。以下で詳細に説明するように、排気ダクト手段５の底面１７と、当該分離板７の上面との間には所定の間隔の隙間１６が形成されており、反応空間１５内のガスはこの隙間１６を通じて排気ダクト手段５へ流れる。
【００２８】
分離板７の底面には本発明に係る円筒状のベローズ手段８が分離板７と同軸に取り付けられている。図１（Ｂ）に示されるように、半導体基板１３上に薄膜を形成するべくサセプタ４を反応位置まで上昇させるとき、サセプタの段部１４と当該ベローズ手段８が係合し、ベローズが圧縮されてシールが達成される。このシールによって反応チャンバ２と基板搬送チャンバ３とは完全に分離され、反応空間１５内の反応ガスが基板搬送チャンバ３内に侵入することはない。
【００２９】
次に、本発明に係るベローズ手段８について詳細に説明する。図２（Ａ）は図１（Ｂ）の部位ａの拡大図を示し、図２（Ｂ）はベローズ手段８の斜視図を示す。サセプタ４が反応位置にある時、分離板７の上面２４及びサセプタ４の上面２３はアライメントされている。分離板７の側面２５とサセプタ４の側面２６との間には隙間２２が画成される。隙間１６及び隙間２２の間隔は好適には０．２〜４ｍｍであるが、分離板７の厚み及び幅を変えることによって自由に選択可能である。分離板７の底面２１にはベローズ手段８の上端が溶接若しくはメタルガスケットにより取り付けられている。ベローズ手段８は３００℃以上の高温に耐えかつ反応ガス及びそのラジカルと反応しないような耐熱及び耐腐食性金属から成る。そのような材料は代表的にはアルミニウムである。ベローズ手段８の下端にはシール用リング２０が設けられている。シール用リング２０の断面は好適には円であるが、それ以外に楕円、三角形、ひし形等であってもよい。また、シール用リング２０が係合するサセプタ４の段部１４の係合面には、シール用リングの断面形状に対応した溝が形成されていてもよい。シール用リング２０が段部１４と線接触することによってシールが達成され、隙間２２を通過したガスは完全に遮断される。
【００３０】
変形的に、ベローズ手段８の上端にシール用リング２０が設けられ、ベローズ手段８の下端がサセプタ４の段部１４に溶接若しくはメタルガスケットにより取り付けられることもできる。その際には、サセプタ４が反応位置まで上昇した時シール用リング２０が分離板７の底面２１に係合しシールが達成される。
【００３１】
図２（Ｃ）は本発明に係るベローズ手段の変形例を示す。ベローズ手段８の側面には水平方向に伸長する略Ｕ字形の導電部材２８が取り付けられている。導電部材２８の先端は基板搬送チャンバの側壁２７に接触している。側壁２７は導体であるため、シールした際にサセプタ４と側壁２７は電気的に導通状態となる。これによって、リアクタとサセプタとの電位差が解消される。その結果、サセプタ内のヒータのインピーダンスに起因する搬送チャンバ内での不所望なプラズマの発生が抑制される。導電部材２８はベローズ手段８の円周の回りにひとつ若しくはそれ以上設けることができ、略Ｕ字形以外にあらゆる形状が可能である。
【００３２】
図３は、本発明に係るシール手段の他の実施例を示す。図３（Ａ）は本発明に係るシール手段であるＯ−リング状ガスケット３０の断面図を示す。Ｏ−リング状ガスケット３０は、管状のコイルスプリング３２と、断面がＣ字型のアルミニウム被覆３１から成る。図３（Ｂ）はＯ−リング状ガスケット３０をリアクタ内に設置した状態を示す。他の実施例において、分離板３８は水平部分３３と該水平部分３３の先端から垂直下方に伸長する側方部分３４から成る。搬送チャンバの側壁は内側に伸張する突起部分３５を有する。突起部分３５の厚さはＯ−リング状ガスケットの断面直径よりやや薄く、図３（Ｃ）に示すシール状態の時、サセプタの段部１４と該突起部分３５の底面３７が極めて近接するように調節されている。搬送チャンバ側壁の突起部分３５の上面からは水平方向内側に向かってさらに突起部分３６が伸長している。突起部分３６はＯ−リング状ガスケット３０のアルミニウム被覆３１とほぼ等しい厚みを有する。Ｏ−リング状ガスケット３０は搬送チャンバ側壁の突起部分３５と分離板３８の側方部分３４との間に、コイルスプリング３２が露出している方が外側になるように（すなわち、アルミニウム被覆されている方が反応ガスに晒されるように）挿入される。この時、突起部分３６の先端はアルミニウム被覆３１と係合し、両者は電気的に導通状態となる。
【００３３】
図３（Ｃ）に示されるように、サセプタ４が反応位置まで上昇すると、Ｏ−リング状ガスケット３０がサセプタ４の段部１４と係合し圧縮されてシールが達成される。分離板３８の表面とサセプタ４の表面はアライメントされ、分離板３８の側方部分３４とサセプタ４の側面との間に隙間３９が画成される。該隙間３９の間隔は好適には０．２〜４ｍｍであるが、分離板３８の水平部分３３の幅若しくは側方部分３４の幅を変えることにより調節可能である。隙間３９を通過したガスは、Ｏ−リング状ガスケット３０によって完全に遮断され、搬送チャンバ内に侵入することが防止される。また、サセプタ４の段部１４とアルミニウム被覆３１が係合することによって、サセプタ４、アルミニウム被覆３１及び搬送チャンバ側壁が電気的に導通状態となり、サセプタ４と搬送チャンバ側壁との間に電位差が生じなくなる。その結果、サセプタ４内のヒータのインピーダンスに起因する搬送チャンバ内での不所望なプラズマの発生が抑制される。
【００３４】
変形的に、Ｏ−リング状ガスケット３０の下端がサセプタ４の段部１４に溶接若しくはメタルガスケットにより取り付けられることもできる。その際には、サセプタ４が反応位置まで上昇した時Ｏ−リング状ガスケット３０の上端が分離板３８の底面に係合しシールが達成される。
【００３５】
Ｏ−リング状ガスケット３０の被覆材料として、アルミニウム以外に、耐熱及び耐腐食性金属材料を使用することも可能である。
【００３６】
【効果】
本発明に従う薄膜形成装置により、反応エリアと搬送エリアとを完全に分離することができ、残留ガスのパージ時間を大幅に短縮することができるようになった。
【００３７】
また、本発明に従う薄膜形成装置により、リアクタとサセプタとの間で電位差が生じなくなり、搬送チャンバ内に不所望なプラズマが発生することが無くなった。
【００３８】
さらに、本発明に従う薄膜形成装置により、パージ時間の短縮に伴い生産性が向上し、パーティクル汚染が低減された結果信頼性の高い半導体装置を製造することができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に従う薄膜形成装置の断面略示図であり、図１（Ａ）は基板搬送状態を示し、図１（Ｂ）は成膜反応状態を示す。
【図２】図２（Ａ）は、図１（Ｂ）の部位ａの拡大図を示し、図２（Ｂ）は本発明に係るベローズ手段を示し、図２（Ｃ）はベローズ手段の変形例を示す。
【図３】図３（Ａ）は、本発明に係るシール手段の他の実施例を示し、図３（Ｂ）は該シール手段を装着した状態を示し、図３（Ｃ）は該シール手段によりシールされた状態を示す。
【符号の説明】
１薄膜形成装置
２反応チャンバ
３基板搬送チャンバ
４サセプタ
５排気ダクト手段
６シャワーヘッド
７分離板
８ベローズ手段
９基板リフトピン
１０細孔
１１反応ガス導入口
１２昇降装置
１３半導体基板
１４段部
１５反応空間
１６隙間
１７底面

Claims

被処理体上に薄膜を形成するための装置であって、
反応チャンバと、
基板搬送チャンバと、
前記被処理体を載置しかつ加熱するためのサセプタであって、半径方向に伸張した段部を有するところのサセプタと、
前記反応チャンバと前記基板搬送チャンバとの間で前記サセプタを上下させるための昇降手段と、
前記反応チャンバ内にあって、前記サセプタと平行に対向して設置され、前記被処理体に向かって反応ガスを噴射するための多数の細孔を有するシャワーヘッドと、
前記シャワーヘッドの下部周辺にあって前記シャワーヘッドを支持するよう前記反応チャンバの側壁に沿って環状に設けられた排気ダクト手段と、
前記排気ダクト手段の底面付近にあって、前記底面と所定の隙間を形成するように設置された、前記排気ダクト手段と同軸の円環状の分離板と、
前記分離板の底面若しくは前記段部の表面に取り付けられた、前記分離板と同軸の円筒状のベローズ手段であって、その先端にシール用リングが設けられているところのベローズ手段と、
から成り、
前記被処理体上へ薄膜を形成するべく前記昇降手段により前記サセプタを前記反応チャンバ内の反応位置まで上昇させるとき、前記段部の表面若しくは前記分離板の底面と前記ベローズ手段のシール用リングとが係合し前記ベローズが圧縮されてシールが達成されることを特徴とする装置。
請求項１に記載の装置であって、前記ベローズ手段は耐熱及び耐腐食性金属から成り、前記分離板の底面に溶接若しくはメタルガスケットにより結合される、ところの装置。
請求項２に記載の装置であって、前記ベローズ手段はアルミニウムから成る、ところの装置。
請求項１に記載の装置であって、さらに、前記ベローズ手段と前記基板搬送チャンバの側壁とを電気的に接続するための導電部材を含む、ところの装置。
被処理体上に薄膜を形成するための装置であって、
反応チャンバと、
基板搬送チャンバと、
前記被処理体を載置しかつ加熱するためのサセプタであって、半径方向に伸張した段部を有するところのサセプタと、
前記反応チャンバと前記基板搬送チャンバとの間で前記サセプタを上下させるための昇降手段と、
前記反応チャンバ内にあって、前記サセプタと平行に対向して設置され、前記被処理体に向かって反応ガスを噴射するための多数の細孔を有するシャワーヘッドと、
前記シャワーヘッドの下部周辺にあって前記シャワーヘッドを支持するよう前記反応チャンバの側壁に沿って環状に設けられた排気ダクト手段と、
前記排気ダクト手段の底面付近にあって、前記底面と所定の隙間を形成するように設置された、前記排気ダクト手段と同軸の円環状の分離板と、
前記分離板の底面若しくは前記段部の表面に取り付けられた、管状のコイルスプリングに断面がＣ字型の金属製被覆を施したＯ−リング状のガスケットと、
から成り、
前記被処理体上へ薄膜を形成するべく前記昇降手段により前記サセプタを反応位置まで上昇させるとき、前記段部の表面若しくは前記分離板の底面と前記ガスケットとが係合し前記ガスケットが圧縮されてシールが達成されると同時に前記サセプタと前記基板搬送チャンバとが電気的に接続されることを特徴とする装置。
請求項５に記載の装置であって、前記ガスケットはコイルスプリングの露出部が外周方向となるように、前記分離板の底面に取り付けられており、それによって前記コイルスプリングは反応ガスとの接触が防止される、ところの装置。
請求項５に記載の装置であって、前記金属製被覆は、耐熱及び耐腐食性金属材料から成る、ところの装置。
請求項７に記載の装置であって、前記金属製被覆は、アルミニウムから成る、ところの装置。