JP2006066433A - 基板処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 部品を共通化し、共通化が困難な部品をオプションとすることによって装置を標準化し、標準化した装置で複数の基板処理方法に対応できるようにする。
【解決手段】 開口を有するチャンバ２００の構成は共通化する。このチャンバの開口２５０は、ガス導入部２２４を具備するリッド部によって閉塞する。このリッド部はオプションとして成膜方法に合わせて複数種類用意する。例えば、ＡＬＤ成膜用のガス導入部を具備するＡＬＤ成膜用リッド部２０７と、ＣＶＤ成膜用のガス導入部を具備するＣＶＤ成膜用リッド部とを用意して、これらの間で交換可能にチャンバ２００に取り付けて、基板処理装置を構成する。この場合、ＡＬＤ成膜用リッド部２０７は片側流しタイプのガス導入部を具備し、ＣＶＤ成膜用リッド部はシャワーヘッドタイプのガス導入部を具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の基板処理方法に対応可能な基板処理装置に関する。

近年、半導体の微細化に伴い半導体製造における成膜工程においても原子層レベルの成膜が注目されている。その成膜方法としてＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）が挙げられる。この反応の形態は、金属含有原料Ａと酸化力のある原料Ｂ（Ｏ₃，Ｏ₂，Ｈ₂Ｏ等）とを比較的低温に設定された基板上に交互に供給することによって、従来から主流であったＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）とは異なり、原料ガスの吸着・脱離といった過程を経て膜を堆積させていく方法である。

このＡＬＤ成膜方法のメリットとしては、（１）膜厚制御の良さ、（２）基板の温度均一性をさほど要求しないこと、（３）理論的にはセルフリミットがかかる成膜工程であるため、ガス流れの影響が少ない、といったことが挙げられる。
反対にデメリットとしては、原料ガスに含有される成分を膜中に取り込みやすいことが挙げられる。

ところで、ＡＬＤ成膜で使用する原料Ａと原料Ｂは、非常に反応性が高く、同時供給されると気相反応による異物の発生や膜質劣化を引き起こす要因となると考えられる。そのため原料Ａ及び原料Ｂの供給後は、真空引きや不活性ガスによるパージを行い、前工程ガスの残留がないように十分配慮する必要がある。

ＡＬＤ成膜を行う装置にあっては、（１）基板以外の接ガス表面積を減らすこと（部品点数を減らす）、（２）ガスの吸着しにくい材料もしくは表面処理した部材を使用すること、（３）チャンバ容積（接ガス容積）を減らすこと、などが残留ガスを短時間でなくすことに直接的に影響を与える要素であると考えられる。

このため、ＡＬＤ装置にあっては、チャンバ容積の小さい枚葉装置としたり、ガス導入ポートをチャンバ内に直接連通させて接ガス面積、接ガス容積を減らしたり、ガス導入ポートを基板の片側に設けてガスが基板上を一方向に流れるようにしたりするといった手段が用いられてきた。

他方、従来からのＣＶＤ成膜においても、ＡＬＤ成膜に比べ、（１）不純物量が少ない、（２）成膜レートが早い、（３）膜の緻密性が高い、などのメリットが挙げられるが、ＣＶＤ成膜のみでは十分満足な膜質を得られていないのが現状である。

ＣＶＤ成膜においては、チャンバ壁面からの加熱により基板を温めるホットウォール構造、基板下面より基板のみを加熱するコールドウォール構造などが提案されている。基本的には原料ガスの自己分解温度より高い温度に設定し、ホットウォール構造では気相中にて、コールドウォール構造では基板表面近傍にて、分解・堆積の過程を経て膜となる。

このためＡＬＤ成膜のようなセルフリミットがかかることがないため、原料ガスの供給量のばらつきや基板温度のばらつきが膜厚分布にシビアに影響してくる。コールドウォール構造を例にとると、枚葉装置であってもＡＬＤ成膜の場合よりもチャンバ容積を大きくして基板を昇降できるようにしたり、シャワー板を基板の上方に設けて基板へガスを均一に供給したり、基板加熱用のヒータを複数に分割して基板温度のばらつきを抑制したりするといった手段が用いられてきた。

上述したように、ＡＬＤ装置とＣＶＤ装置とでは、原料ガス供給方法及び成膜方法が異なるため、これまでは構造の異なる共通性の少ない基板処理装置として扱われてきている。

ところで、半導体のスケール縮小化及びそれに伴う高品位の膜の形成が、成膜工程の基板処理装置にさらに高いレベルが要求されているのが現状である。この要求に応えるために、例えば、ＡＬＤ装置とＣＶＤ装置とでは、次のような検討が行われている。
ＡＬＤ装置では、原料ガスに含有される成分を膜中に取り込みやすいために、成膜後に膜質改善を行う。膜質改善手段としては、数層堆積毎または成膜完了後に高温処理（アニール処理）もしくは活性手段（プラズマ等）によって不純物を除去する方法が挙げられる。ＣＶＤ装置では、ＣＶＤ成膜のみでは十分満足な膜質を得られていないので、ＣＶＤ成膜においてもＡＬＤ成膜のような、数工程毎に膜質改善処理を実施するサイクリックなＣＶＤが検討されている。

しかし、これらの検討では、ＡＬＤ装置とＣＶＤ装置とが異なった装置として別個に取り扱われており、互いに部品を共通化するという視点にも欠けているので、そのような異なる装置を製作することは、その運用面やコスト、部品の共通化する上で大きな負担となっていた。

原料ガス供給方法及び成膜方法の異なる基板処理装置の部品を共通化できれば、次世代半導体に十分対応できる高品位の薄膜を提供できる装置を容易に構築できる可能性がある。
また、枚葉式装置にあっては、共通の基板搬送プラットフォームに複数台の基板処理装置を連結してクラスタ型システムを構成することがある。その構成の仕方には、同一プロセス（全てＣＶＤ成膜、もしくは全てＡＬＤ成膜）、もしくは複合プロセス（ＡＬＤ成膜とＣＶＤ成膜）、前後処理プロセス（前処理、ＣＶＤまたはＡＬＤ成膜、後処理）など、用途に応じて様々な基板処理装置の連結パターンがある。その際にＡＬＤ成膜用またはＣＶＤ成膜用基板処理装置の部品を共通化できるメリットは大きいと予想される。

上述したように従来の技術では、原料ガス供給方法及び成膜方法が異なる基板処理装置を、解決すべき共通課題が多く存在するにもかかわらず、高いレベルの要求に対して個別に対応させようとしていたため、部品を共通化できず、装置の標準化が図れなかった。
また、次世代トランジスタ・ＬＳＩなどの半導体デバイスにおいて、少量・多品種生産がさらに加速することが予想されるが、原料ガス供給方法及び成膜方法が異なる基板処理装置で個別に対応させようとしていたため、多種多様な原料ガス供給方法及び成膜方法に柔軟に対応することができなかった。

本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解消して、部品を共通化することによって、複数の基板処理方法に容易に対応可能な基板処理装置を提供することにある。

第１の発明は、基板を処理する基板処理装置であって、開口を有するチャンバと、前記チャンバに前記開口を閉塞するよう設けられるリッド部とを有し、前記リッド部は、ガス導入部を具備し、該ガス導入部のガス導入箇所が異なる複数のリッド部の間で、前記チャンバに対して交換可能に設けられることを特徴とする基板処理装置である。
リッド部を交換可能としたので、チャンバを標準化できる。また、リッド部をガス導入箇所が異なる複数のリッド部の間で交換可能にしたので、ガス導入方式が異なる複数の基板処理方法に柔軟に対応できる。

第２の発明は、基板を処理する基板処理装置であって、開口を有するチャンバと、前記チャンバの開口を閉塞するよう設けられガス導入部を具備するリッド部とを有し、前記リッド部は、ガスを基板に対して垂直に供給するガス導入部を具備するリッド部と、ガスを基板に対して平行に供給するガス導入部を具備するリッド部との間で、交換可能に設けられることを特徴とする基板処理装置である。
リッド部だけを交換してチャンバを共通化する場合に、特にガス導入方式が異なる基板処理装置では構造上異なる点が多いのでチャンバの標準化に問題が生じやすいが、本発明のような、ガスを基板に対して垂直に供給する方式と、ガスを基板に対して平行に供給する方式とでは、構造上異なる点はガス導入部に集約でき、チャンバを共通化することが容易になるので、チャンバの標準化と、異なるガス導入方式への柔軟な対応が一層容易になる。

第３の発明は、基板を処理する基板処理装置であって、開口を有するチャンバと、前記チャンバの開口を閉塞するよう設けられガス導入部を具備するリッド部とを有し、前記リッド部は、ＣＶＤ成膜用のガス導入部を具備するリッド部と、ＡＬＤ成膜用のガス導入部を具備するリッド部との間で、交換可能に設けられることを特徴とする基板処理装置である。
リッド部だけを交換してチャンバを共通化する場合に、特にガス導入方式が異なる基板処理装置では構造上異なる点が多いのでチャンバの標準化に問題が生じやすいが、本発明のような、ＣＶＤ成膜用のガス導入部を具備するリッド部と、ＡＬＤ成膜用のガス導入部を具備するリッド部とでは、構造上異なる点はガス導入部に集約でき、チャンバを共通化することが容易になるので、チャンバの標準化と、異なるガス導入方式への柔軟な対応が一層容易になる。

第４の発明は、基板を処理する基板処理装置であって、開口を有するチャンバと、前記チャンバの開口を閉塞するよう設けられガス導入部を具備するリッド部とを有し、前記リッド部は、シャワーヘッドタイプのガス導入部を具備するリッド部と、片側流しタイプのガス導入部を具備するリッド部との間で、交換可能に設けられることを特徴とする基板処理装置である。
リッド部だけを交換してチャンバを共通化する場合に、特にガス導入方式が異なる基板処理装置では構造上異なる点が多いのでチャンバの標準化に問題が生じやすいが、本発明のような、シャワー板タイプのガス導入部を具備するリッド部と、片側流しタイプのガス導入部を具備するリッド部とでは、構造上異なる点はガス導入部に集約でき、チャンバを共通化することが容易になるので、チャンバの標準化と、異なるガス導入方式への柔軟な対応が一層容易になる。

第５の発明は、ガス導入部を具備するリッド部をチャンバに取り付けて該チャンバの開口を閉塞するステップと、前記チャンバ内に基板を搬入するステップと、前記リッド部に設けられた前記ガス導入部より前記基板に対してガスを供給して該基板を処理するステップと、処理後の基板を前記チャンバより搬出するステップとを有し、前記リッド部を前記チャンバに取り付けるステップでは、前記基板に対してＣＶＤ処理を行う際は、ガスを前記基板に対して垂直に供給するガス導入部を具備するリッド部を前記チャンバに取り付け、前記基板に対してＡＬＤ処理を行う際は、ガスを前記基板に対して平行に供給するガス導入部を具備するリッド部を前記チャンバに取り付けることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
ガスを基板に対して垂直に供給するガス導入部を具備するリッド部、またはガスを基板に対して平行に供給するガス導入部を具備するリッド部をチャンバに取り付けるだけで、共通のチャンバを用いながら、異なる成膜処理であるＣＶＤ処理またはＡＬＤ処理を行うことができる。

第６の発明は、基板を処理する基板処理装置であって、開口を有するチャンバと、前記チャンバの開口を閉塞するよう設けられガス導入部を具備するリッド部とを有し、前記リッド部は、片側流しタイプのガス導入部を具備し、該片側流しタイプのガス導入部面が前記チャンバの開口面と面一に設置されるＡＬＤ成膜用リッド部と、シャワーヘッドタイプのガス導入部を具備し、該シャワーヘッドタイプのガス導入部面がチャンバの開口面よりも上方に設置されているＣＶＤ成膜用リッド部との間で、交換可能に設けられることを特徴とする基板処理装置である。
リッド部をＡＬＤ成膜用リッド部に交換してチャンバの開口を閉塞したときは、ガス導入部面が開口と面一に設置されるので、基板上に形成される成膜空間を狭くすることができる。他方、リッド部をＣＶＤ成膜用リッド部に交換してチャンバの開口を閉塞したときは、ガス導入部面がチャンバの開口面よりも上方に設置されているので、ガス導入部面と基板との間の距離を広くとることができる。したがって、チャンバを共通化しながら、ＡＬＤ成膜では高速ガス置換を行うことができ、ＣＶＤ成膜ではガス導入部面と基板との間に、ＡＬＤ成膜時よりも広い適正距離を確保できる。

第７の発明は、第６の発明において、前記チャンバ内に前記基板を載置するヒータユニットと、前記ヒータユニットに前記基板を加熱するよう設けられ複数に分割されて独立に制御されるヒータと、リッド部を前記ＣＶＤ成膜用リッド部と前記ＡＬＤ用リッド部との間で交換するとき前記ヒータの分割数を変更することが可能な変更手段とを備えた基板処理装置である。
リッド部をＣＶＤ成膜用リッド部に交換するときは、ＡＬＤ成膜用リッド部に交換するときよりもヒータ分割数が多くなるように、変更手段によりヒータ分割数を変更すると、基板温度のばらつきをＡＬＤ成膜のときよりも小さくすることができる。

本発明によれば、チャンバを標準化し、リッド部を交換するだけで複数の基板処理方法に容易に対応させることができる。

以下に本発明の基板処理装置の実施の形態をＡＬＤ成膜とＣＶＤ成膜との２方式の成膜を行う枚葉装置を例にとって説明する。なお、この枚葉装置は１枚のみならず、２〜３枚程度の基板を同時に処理するものも含まれる。
ＡＬＤ成膜の例として、金属含有原料ＡとしてＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、原料Ｂとして酸素または窒素を含有する物質、例えば水を用いて、基板にアルミニウム酸化膜を形成する。ＣＶＤ成膜の例として、液体金属原料ＣとしてＨｆ（ＭＭＰ）₄（テトラキス（１−メトキシ−２−メチル−２−プロポキシ）ハフニウム）と、活性手段（プラズマ）を用い、基板にハフニウム酸化膜を形成することとする。
但し、金属含有原料Ａ、Ｃならびに原料Ｂはこれに限定されるものではない。ＡＬＤとＣＶＤの枚葉装置では、使用する原料の蒸気圧が異り、成膜方法も違うことからガス導入部の構造は異なるが、チャンバに準ずるその他の構造は多くの点で共通する。

次に、チャンバを共通化した上記２方式の成膜方法を実施するための枚葉装置の構造概要を図を用いて説明する。

図１は本発明で利用可能なＡＬＤ成膜用の枚葉装置の一例を示した縦断面図である。この枚葉装置は、上部開口を有するチャンバ２００と、チャンバ２００の上部開口２５０を閉塞するＡＬＤ成膜用リッド部２０７とを有する。ＡＬＤ成膜用リッド部２０７はガス導入部２２４を具備し、そのガス導入箇所であるガス導入ポート２０６が異なる他のリッド部と交換可能にチャンバ２００に取り付けられている。したがって、ＡＬＤ成膜用リッド部２０７より下方に設置してあるチャンバ２００を含むチャンバユニット類（ヒータユニット２０２、ヒータユニット台２０４、排気ポート２１２等）の構造は共通化を図っている。

チャンバ２００内には、基板２０１を保持・加熱するヒータユニット２０２が設けられる。ヒータユニット２０２は、複数に分割されたヒータ（図示せず）を有し、これらが独立に温度制御されて基板温度のばらつきを抑制するようになっている。ヒータユニット２０２は、チャンバ２００の底部から挿入されたヒータユニット台２０４に支持される。ヒータユニット台２０４は、ヒータユニット２０２を介して基板２０１を成膜位置（図示位置）及び搬送位置に昇降可能とする。ヒータユニット台２０４とチャンバ２００との間は昇降ベローズ２０５によって気密にされる。

なお、ヒータユニット２０２としては、窒化アルミニウム製、インコネル（商品名）製、あるいは石英製（石英内にＳｉＣヒータが封入されたもの）などが挙げられる。基板成膜工程中に、これらヒータユニットにも成膜されてしまうおそれがある。これらのヒータユニット２０２は、フッ素系などの腐食性ガスを用いたエッチングによるクリーニング処理を施すことにより、長期間に亘り使用できることが見込まれる。しかしながら、原料ガスによってはクリーニングが困難な場合もあるため、その場合はヒータユニット２０２にカバーを取り付け、ヒータユニットが成膜されにくい構造とする。カバーの材質としては、金属汚染によるトラブルのない石英、ＳｉＣなどの非金属製であることが好ましい。

図示しない搬送室と隣接するチャンバ２００の一側面には、基板２０１を搬入出できる基板搬送口２００ａが設けられる。この基板搬送口２００ａにはゲートバルブ２１３が取り付けられて、成膜中は、このゲートバルブ２１３にて搬送室とチャンバ２００との連通を遮断できるようになっている。

チャンバ２００の上部開口２５０を閉塞するＡＬＤ成膜用リッド部２０７には、チャンバ２００内にガスを導入するガス導入部２２４が設けられる。このガス導入部２２４は、ＡＬＤ成膜用リッド部２０７の厚さ方向に設けられたガス孔と、このガス孔と連通するようにＡＬＤ成膜用リッド部２０７に接合されたガス導入ポート２０６とから構成される。したがってガス導入部２２４は、ガス導入ポート２０６及びガス孔を通じてチャンバ２００と直結されるので、ガス置換時間の短縮が図れる。貫通孔とガス導入ポート２０６（２０６ａ、２０６ｂ）は、２種類のガスを導入するために、それぞれ２本ずつ設けられる。

ガス導入箇所を決めるガス導入部２２４のＡＬＤ成膜用リッド部２０７上の設置箇所は、基板２０１の直上ではなく、基板外周の片側（基板外周よりも外側）に偏椅した場所に設ける。これによりガス導入部２２４は、ガスが基板２０１上を一方向に流れる片側流しタイプとなる。ガス導入部２２４の設置箇所を偏椅させて片側流しタイプとするのは、ガス導入部２２４を基板２０１の直上に設けると、ガス導入部直下の基板面上に特異点ができ、その点での膜厚分布が増加するので、これを避けるためである。

チャンバ２００の成膜位置に上昇した基板２０１（図示位置）の外周位置に、リング状のカバープレート２０３が設けられる。ガス導入部２２４の設置箇所は、このカバープレート２０３上にくる。ガス導入部２２４から導入されたガスは、カバープレート２０３により基板上に向けて平行に流れるとともに、その流れの分布が調整される。カバープレート２０３とヒータユニット２０２との間にリング状の隙間２２５が形成されており、基板２０１上に供給されるガスは、この隙間２２５よりヒータユニット２０２の裏側に排出される。ヒータユニット２０２の裏側に排出されたガスは、チャンバ２００の他側面に設けたガス排気口２００ｂを通って、排気ポート２１２より排気される。

なお、図示するように、ガス導入ポート２０６とＡＬＤ用リッド部２０７との接合部、ＡＬＤ用リッド部２０７とチャンバ２００の上部開口部との接合部、及びチャンバ２００と排気ポート２１２との接合部は、それぞれＯリング２２６によってシールされている。

ガス導入ポート２０６は、原料Ａ（ＴＭＡ）及び原料Ｂ（水）の２種類のガスをチャンバ２００内に導入するために前述したように２本（２０６ａ、２０６ｂ）設けられ、それぞれ配管１９９ａ、１９９ｂを介して原料タンク２１５、２１６に連通されている。原料Ａ及び原料Ｂはそれぞれ原料タンク２１５、２１６に封入されている。原料タンク２１５、２１６は必要に応じて加熱・冷却手段（図示せず）の上に載置されている。
原料がＴＭＡなどの比較的蒸気圧の高い原料の場合は、原料タンク２１５から原料スを搬送する手段として、不活性ガス（Ａｒ，Ｎ₂など）による圧送ガス２２０を使用する。この場合、タンク内の原料に直接圧送ガス２２０の配管を挿入して圧送するバブリング方式、またはタンク内を所望の圧力・温度に制御可能であれば、タンク内の気相を圧送する気体搬送方式が挙げられる。なお、気体搬送方式では、圧送ガス２２０の配管は原料に配管を挿入する構造をとらずに、タンク内の気相部に挿入する構造とする。また、原料が水などの場合は気体搬送方式で十分である。

なお、原料ガスが送り出される導入配管１９９ａ、１９９ｂには、残留ガスを逃がす排気ベント管２１９ａ、２１９ｂがそれぞれ接続されている。また、不活性ガスからなるパージガス２２３ａ、２２３ｂを導入するパージガス配管１９８ａ、１９８ｂもそれぞれ導入配管１９９ａ、１９９ｂに接続されている。

圧送ガス２２０によって搬送された原料Ａ、Ｂのガスは、再液化しない温度に保温された導入配管１９９ａ、１９９ｂを通りチャンバ２００へ流れる。その際に、導入配管１９９ａに設けたバルブ２１８ａ，排気ベント管２１９ａに設けたバルブ２１８ｂと、導入配管１９９ｂに設けたバルブ２１８ｃ，排気ベント管２１９ｂに設けたバルブ２１８ｄとを開閉制御して、原料Ａ、Ｂのガスの流れをそれぞれチャンバ２００側または排気ベント管２１９ａ，２１９ｂ側に切り替える。
これらのバルブには、通常エア駆動によるエアバルブを使用することが多いが、エアバルブの場合、エアチューブ長さによって駆動遅延が３０〜５０ｍｓｅｃ程度あるため、１工程当たり１ｓｅｃ以下の処理時間が要求される成膜においては、開閉遅延の累積によって反応性の高い原料同士をチャンバ２００へ同時供給する場合が想定され、反応物生成による配管詰まりやパーティクル発生の原因となり得る。そのためＡＬＤ成膜の場合は、ソレノイド式バルブ（開閉速度＝数ｍｓｅｃ）などのさらに高速開閉が可能であるバルブを特に選定する必要がある。

なお、２種類以上の金属含有原料ガスなどを使用する場合、それらの原料同士の反応性が低い場合は、これらの原料を排気ポート２１２ないしこれに連結された排気配管の途中で合流させて排気することも可能である。しかし、ＴＭＡと水などの極めて反応性の高い原料同士の場合は、図１に示すように、導入配管１９９ａ、１９９ｂに真空ポンプ（図示せず）に連通された排気ベント管２１９ａ、２１９ｂを分岐して、これらの排気ベント管２１９ａ、２１９ｂより導入配管１９９ａ、１９９ｂ内の真空排気を行うことが好ましい。

ＡＬＤ成膜工程は以下の４工程からなっており、４工程を１サイクルとして所望の膜厚になるまで複数サイクルの処理を行う。ヒータユニット２０２によって加熱する基板２０１の温度は、一般に、２００〜４００℃程度である。また、チャンバ２００、及びガスと接触する接ガス部（例えば、カバープレート２０３、排気ポート２１２など）においては、低温部での原料ガスの再液化を防止するため、一定温度以上に加熱されている。

成膜開始までの前処理工程としては、まず、ガス導入部２２４を具備するＡＬＤ成膜用リッド部２０７をチャンバ２００に取り付けて、チャンバ２００の上部開口２５０を密閉した上、ガス導入ポート２０６に必要なリッドユニット類（導入配管１９９ａ、１９９ｂなど）を接続する。その後、ゲートバルブ２１３を開いて、基板搬送用ロボットアーム（図示せず）に載置された基板２０１を、搬送口２００ａを介して、搬送位置にあるヒータユニット２０２上に載置する。

工程１では、原料タンク２１５に封入されたＴＭＡ原料Ａをバブリング方式または気相搬送方式によって導入配管１９９ａに搬送し、ＡＬＤ成膜用リッド部２０７のガス導入部２２４よりチャンバ２００内に数秒以下の時間にて供給し、基板２０１の表面にガス原料Ａを吸着させる。その直後、バルブ２１８ａ，２１８ｂの開閉制御により原料ガスの流れを排気ベント管２１９ａ側に切り替える。

工程２では、導入配管１９９ａ、バルブ２１８ａ、ＡＬＤ成膜用リッド部２０７のガス導入部２２４及びチャンバ２００の接ガス空間（これらをパージ領域という）のパージを行う。これらのパージは排気ベント管２１９ａ及び排気ポート２１２からの排気によって行う。さらにパージ領域の残留ガスを短時間でパージするため、パージガス配管１９８ａからＮ₂，Ａｒなどのパージガス２２３ａを導入配管１９９ａに導入して、原料Ａのガス濃度を低下させる。

パージ時間としては数秒〜数十秒程度が良い。その際、このパージ時間は、カバープレート２０３とヒータユニット２０２との隙間２２５から排出するガス流量、及びチャンバ２００内の所望する圧力、及び所望する置換時間により変更する必要がある。一例として、圧力帯が１０〜１００Ｐａ程度、基板サイズがφ３００ｍｍの場合、隙間２２５は２ｍｍ程度以下でないと基板面内のガス流れを均一にすることはできず、置換時間の短縮が図れない。

一般に、吸着は分圧（全圧×原料のモル分率）の関数と考えられているが、必然的にガス流れの上流側が高圧に、下流側が低圧になるため、膜厚にガス流れと並行に勾配ができてしまうことが予想される。隙間２２５を狭くしてヒータユニット２０２の外周よりガスを逃がす量を少なくすると、上流側と下流側との圧力差は低減するが、ガス排出量が減少するためガスの置換時間が長くなる。逆に隙間２２５を広くするとガス置換時間は短くできるが、基板面内の圧力差が大きくなるというように、隙間２２５とガスの置換時間とはトレードオフの関係にある。このため上記一例の場合、置換時間を短くし、且つガス流れを均一化するためには、上述したように隙間２２５を２ｍｍ程度以下とする必要がある。

ＡＬＤ成膜において、上述したように隙間２２５を２ｍｍ程度以下とした場合に、さらに置換時間を短縮するためには、シャワー板などの多孔板によるガス導入は、接ガス表面積が増大し、コンダクタンスが小さくなるため好ましくない。このため本実施の形態では、前述したようにガス導入部２２４を、ガス導入ポート２０６及びガス孔を通じてチャンバ２００と直結する構造として、接ガス表面積を減少し、コンダクタンスを大きくしてある。

工程３では、原料タンク２１６に封入された水原料Ｂをバブリング方式または気相搬送方式によって導入配管１９９ｂに搬送し、ＡＬＤ成膜用リッド部２０７のガス導入部２２４よりチャンバ２００内に数秒以下の時間にて供給して、基板２０１の表面に吸着しているＴＭＡ原料Ａとの表面反応により、アルミニウム酸化膜の１原子層を基板上に形成させる。その直後、バルブ２１８ｃ，２１８ｄを開閉制御して原料ガスＢの流れを導入配管１９９ｂから排気ベント管２１９ｂ側に切り替える。

工程４では、導入配管１９９ｂ、バルブ２１８ｃ、ＡＬＤ成膜用リッド部２０７のガス導入部２２４及びチャンバ２００内（これらをパージ領域という）のパージを行う。これらのパージは排気ベント管２１９ｂ及び排気ポート２１２からの排気によって行う。さらにパージ領域の残留ガスを短時間でパージするため、パージガス配管１９８ｂからＮ₂，Ａｒなどのパージガス２２３ｂを導入配管１９９ｂに導入して、水原料Ｂのガス濃度を低下させる。特に水原料Ｂの場合は、チャンバ２００の壁面などに吸着しやすく、パージ時間については工程２と同等時間では十分にチャンバ２００内をパージしきれなく、工程２に要する時間の数〜数十倍のパージ時間をかける必要がある。

上述した工程１〜４を１サイクルとした場合、枚葉式装置においては１サイクル当たり１０秒以下が好ましい。このサイクルを繰り返すことにより、所定膜厚のアルミニウム酸化膜を形成する。成膜終了後、基板２０１を搬送位置まで降下させ、搬送口２００ａ、ゲートバルブ２１３を通り、チャンバ２００より搬出する。

次に、図１に示すチャンバ２００を含むチャンバユニット類はそのままにして、リッド部を含むリッドユニット類をＣＶＤ用に交換して構成したＣＶＤ成膜用の枚葉装置について説明する。

図２は、そのようなＣＶＤ成膜用の枚葉装置を示した縦断面図である。ＣＶＤ成膜用リッド部２０８より下方に載置しているチャンバ２００を含むチャンバユニット類は図１と共通化を図っている。したがって、図２において、チャンバ２００を含むチャンバユニット類については、図１と同一符号を付してある。

但し、ヒータユニット２０２の温度均一性については、ＡＬＤの場合は±１％程度でも比較的均一な膜が形成されるが、ＣＶＤの場合は一般に±１％以下の均一性が要求されるため、ＡＬＤで採用されているヒータ分割数よりも多い、多チャンネルによるヒータの温度制御が必要になる。そこで、リッド部をＣＶＤ成膜用リッド部２０８に交換するときは、それに合わせてヒータユニット２０２も交換することが好ましいが、ヒータの分割数を変更することが可能な変更手段（図示せず）を設けることで、ヒータユニットの共通化をはかるようにしてもよい。

チャンバ２００の上部開口２５０を閉塞するＣＶＤ成膜用リッド部２０８には、チャンバ２００内にガスを導入するシャワーヘッドタイプのガス導入部２３０が、チャンバ２００内の基板２０１と対向して設けられる。このガス導入部２３０は、多数のガス孔を有するシャワー２０９板と、多数のガス孔を有してシャワー板２０９を覆う分散板２１０と、分散板２１０を覆う蓋板２１１と、蓋板２１１に接合されたガス導入ポート２３６とから構成される。ガス導入ポート２３６に導入配管２３１が接続される。

図示するように、ガス導入ポート２３６と蓋板２１１との接合部、蓋板２１１とシャワー板２０９との接合部、シャワー板２０９とＣＶＤ成膜用リッド部２０８との接合部、及びＣＶＤ成膜用リッド部２０８とチャンバ２００の上部開口部との接合部は、それぞれＯリング２４６によってシールされている。

ＣＶＤ成膜用リッド部２０８では、ガス導入ポート２３６から蓋板２１１に導入されたガスは、分散板２１０によりシャワー板２０９上に分散され、さらにシャワー板２０９によりチャンバ２００内へシャワー状に供給される。この供給は、基板２０１に対して垂直に行われる。基板２０１上に供給されるガスは、ヒータユニット２０２とカバープレート２０３との間に形成された隙間２２５から排出され、ヒータユニット２０２の裏側を抜け、チャンバ２００の他側面に設けたガス排気口２００ｂを通り、排気ポート２１２より排気される。

蓋板２１１には、Ｈｆ（ＭＭＰ）₄原料Ｃを導入する導入ポート２３６と、活性種を導入する導入配管２３４とが接続されている。

ガス導入ポート２３６は導入配管２３１に接続され、この導入配管２３１は気化器２２１を介して原料タンク２１７に接続されている。原料タンク２１７にはＨｆ（ＭＭＰ）₄の液体金属原料Ｃが封入される。この原料Ｃは圧送ガス２２０より気化器２２１に送られる。気化器２２１に送られた原料Ｃは、ここでキャリアガス２２２ｃと混合されて気化され、導入配管２３１に設けたバルブ２１８ｅを通過して、ガス導入ポート２３６よりチャンバ２００内に導入される。

導入配管２３１のバルブ２１８ｅの上流側には、排気ベント管２３３と、パージガス管２３２とが接続されている。排気ベント管２３３にはバルブ２１８ｆが設けられ、バルブ２１８ｅ，２１８ｆとを開閉制御して原料ガスの流れをチャンバ２００側または排気ベント管２３３側に切り替える。パージガス管２３２にはバルブ２１８ｇが設けられ、バルブ２１８ｇを介してパージガス２２３を導入配管２３１に導入する。

活性種を導入する導入配管２３４には、リモートプラズマ源からなる活性手段２４３が接続されている。活性手段２４３は、酸素Ｏ₂、窒素Ｎ₂、水素Ｈ₂などの活性種用のガスと、Ａｒなどのプラズマ添加用のガスとが導入されて、プラズマにより活性種を発生し、導入配管２３４を介してガス導入部２３０に供給する。

ＣＶＤ成膜においては、基板２０１へのガスの供給量がシビアに膜厚に効いてくるため、均一な薄膜を形成するためには基板面内にガスを均一に供給する必要がある。そのために、チャンバ２００内への導入前に、ガス導入部２３０によって、ガスを分散板２１０で分散し、さらにシャワー板２０９でシャワー状にしてから、基板２０１上に供給している。

分散板２１０の孔径はφ０．１〜２ｍｍ程度、孔数は５０〜５００個程度、シャワー板２０９のガス孔径はφ０．１〜２ｍｍ程度、ガス孔数は８００〜１００００個程度である。成膜条件にもよるが、経験的に基板２０１とシャワー板２０９との間隙は２０ｍｍ程度が良い。間隙が小さすぎると、シャワー板２０９のガス孔が基板２０１に転写され、間隙が大きすぎるとガス流れが均一でなくなる。

この間隙はＣＶＤに固有のものである。この間隙を、ＣＶＤ成膜用リッド部２０８のチャンバ２００への取付け面（チャンバ２００の上部開口面）と基板２０１との間に確保しようとすると、ＡＬＤ成膜用リッド部２０７との間でチャンバ２００の共通化を図る場合には、チャンバ２００内のカバープレート２０３上の容積（成膜空間の容積）が増大し、ＡＬＤ成膜において好ましくない。そこでＣＶＤ成膜用リッド部２０８においては、この間隙を確保するため、ＣＶＤ成膜用リッド部２０８の内側をＡＬＤ成膜用リッド部２０７のように平坦とせず、外側に凹ませ、その凹部にシャワー板２０９をはめ込むことによって、基板２０１と対向するシャワー板２０９面を上方に逃がす構造としている。これにより、ＡＬＤ成膜用リッド部２０７に交換したときにチャンバ２００内のカバープレート２０３上の容積を増大させることなく、２０ｍｍの間隙を確保できる。

成膜開始までの前処理工程としては、まず、ガス導入部２３０を具備するＣＶＤ成膜用リッド部２０８をチャンバ２００に取り付けて、チャンバ２００の上部開口２５０を密閉した上、ガス導入ポート２３６に必要なリッドユニット類（導入配管２３１など）を接続する。また、ガス導入部２３０に残りのリッドユニット類（活性種を導入する導入配管２３４など）を連結する。その後、ゲートバルブ２１３を開いて、基板搬送用ロボットアーム（図示せず）に載置された基板２０１を、搬送口２００ａを介して、搬送位置にあるヒータユニット２０２上に載置する。

一般にＣＶＤによる成膜はＡＬＤよりも高温であり、基板温度は３００〜８００℃程度である。ＡＬＤ成膜と同様に基板２０１をヒータユニット２０２に載置した後、成膜位置で所定温度に上昇するまで待機する。昇温待機中においては、バルブ２１８ｆを開き、バルブ２１８ｅ及びバルブ２１８ｇを閉じて、導入配管２３１内の原料ガスをベント管２３３から排気ベント管２３３へ排気するようにして、気化器２２１内での原料ガスの気化を安定なものとする。

基板２０１の温度が所定の温度に到達後、成膜を開始する。成膜の工程としてはＡＬＤと同様、４工程である。

工程１では、バルブ２１８ｆを閉じ、バルブ２１８ｅを開き、チャンバ２００内の基板２０１へＨｆ（ＭＭＰ）₄の原料ガスを導入して分解し、基板２０１上にハフニウム酸化膜を堆積させる。

工程２では、ハフニウム酸化膜を数〜数十Å堆積後、原料ガスの供給を止め、パージ工程を行う。この工程では、バルブ２１８ｇを開き、数〜数十秒間程度、不活性ガスであるＮ₂またはＡｒなどのパージガス２２３をパージガス管２３２から導入配管２３１へ導入する。これによりバルブ２１８ｅ〜ガス導入部２３０管のガス溜りとなる導入配管２３１内、バルブ２１８ｅ、ガス導入部２３０を構成するガス導入ポート２３６、蓋板２１１、分散板２１０、シャワー板２０９及びチャンバ２００内の接ガス空間（パージ領域）のパージを行う。

工程３では、パージ終了後、バルブ２１８ｇ及び２１８ｅを閉じ、活性化工程に移る。すなわち、活性手段２４３で発生したＯ₂、Ｎ₂、Ｈ₂などの活性種をＡｒとともにガス導入部２３０からチャンバ２００内に導入して、基板２０１上に成膜されたハフニウム酸化膜に含まれる不純物を除去する。

工程４では、活性種となるＯ₂、Ｎ₂、Ｈ₂の供給を止め、活性種とならないＡｒのみを活性手段２４３から導入配管２３４内に流して、ガス溜りとなるバルブ〜導入配管２３４内、ガス導入部２３０及びチャンバ２００内の接ガス空間をパージする。なお、導入配管２３４に排気ベント管を設けて、導入配管２３４内は排気ベント管からパージするようにしてもよい。

上述した工程１の原料ガスの供給中、及び工程２のパージ中において、チャンバ２００内の圧力変動が大きい場合、パーティクル発生の原因となり得る。そのためこれらの工程１、２中では、できるだけ圧力変動を抑制するシーケンスにする必要がある。排気ポート２１２には圧力制御手段２１４などが設置されているが、一般的に圧力制御手段２１４は圧力追従制御速度が数秒程度と、十分早い応答速度とは言えない。
ところで、活性手段２４３には、酸素、窒素などのラジカル種となるガス及び、プラズマ点火用にＡｒガスを導入している。したがって、原料供給中においても、Ａｒガス流量＞＞原料ガス流量、酸素・窒素流量（プラズマ用）となるように設定し、原料ガス切り替えにより、流量の変動があってもトータル流量の変動は小さくすることで、チャンバ２００内の圧力変動を抑える。Ａｒガス流量＞＞原料ガス流量の定義としては１０倍以上を想定している。

なお、Ａｒガス流量＞＞原料ガス流量により、満足な成膜条件を得られない場合は、パージガス２２３と原料ガスの流量を同等に設定する。この場合は、バルブ２１８ｅ、バルブ２１８ｆ、バルブ２１８ｇの種類にもよるが、数〜数十ｍｓｅｃ程度の機械的遅延が発生するため、前記の圧力制御手段２１４に比べると、圧力変動抑制の効果は少ないと考えられる。

一般に、プラズマ源などの活性手段２４３を利用した場合、プラズマの点火には時間がかかるため、成膜中はＡｒを流し続けてプラズマを継続的に点火しておく。この場合、活性種となるＯ₂、Ｎ₂などのガスの導入の有無で、活性化工程（工程３）とパージ工程（工程４）とを区別する。

上述した工程１〜工程４を１サイクルと考えた場合、枚葉式装置においては１サイクル当たり数十秒以下が好ましい。このサイクルを繰り返すことにより、所定厚のハフニウム酸化膜が形成される。この酸化膜は、活性化による膜質改善処理が数工程毎（工程３毎）にサイクリックに実施されているので、十分満足な膜質を有する。成膜終了後、基板２０１を搬送位置まで降下し、搬送口２００ａ、ゲートバルブ２１３を通り、チャンバ２００より搬出する。

上述したように２つの実施の形態によれば、基板に薄膜を堆積させる枚葉装置において、チャンバを共通化しているので、チャンバの標準化が可能である。また、チャンバの上部開口２５０を閉塞するリッド部をオプションとして、ＡＬＤ成膜用リッド部とＣＶＤ成膜用リッド部との間で交換可能にしているので、チャンバをそのままにして、リッド部を交換するだけで、原料ガス供給方法及び成膜方法が異なるＡＬＤ成膜方法とＣＶＤ成膜方法とに対応させることができる。

また、実施の形態によるＡＬＤ成膜用リッド部２０７では、ガス導入部２２４に２種類の原料ガス用のガス導入ポート２０６を設けただけであるが、これに膜質改善用の活性手段（リモートプラズマ）を連結する第３のガス導入ポートを設けるようにしても良い。このようにＡＬＤ成膜用リッド部２０７に活性手段を増設することにより、数層堆積毎または成膜完了後に活性手段によって不純物を除去することが可能になる。

なお、実施の形態によるＡＬＤ成膜用リッド部２０７を取り付けたチャンバにおいて、高温処理（アニール処理）を可能にするには、ヒータユニットに設けられるヒータを、抵抗加熱ヒータではなく、高速加熱可能なランプヒータと交換することが好ましい。これによれば、数層堆積毎または成膜完了後に、ランプ加熱による高温処理によって不純物を除去してＡＬＤ成膜の膜質を改善することが可能になる。

今後、共通の基板搬送プラットフォームに接続されるチャンバについては様々な形態が予想されるため、実施の形態のように、ガス導入部を具備するリッド部のみをオプションとする形態をとることで、チャンバについては成膜プラットフォームとして標準化することができる。また、部品の共通化を図ることによりコスト低減・メンテナンス方法の共通化、運用（ハード、ソフト）共通化などのメリットを得ることができる。

例えば、共通の基板搬送プラットフォームに複数台の基板処理装置を連結してクラスタ型システムを構成する場合、標準化されたチャンバ及びこのユニット類を連結しておき、予め用意した複数のリッド部（ＡＬＤ成膜用リッド部、ＣＶＤ成膜用リッド部）の中から、適合プロセスのリッド部を選んで、標準化されたチャンバに取り付けるだけで、同一プロセス、もしくは複合プロセス、前後処理プロセスなどにおいて、メインとなる薄膜形成、絶縁膜形成、メタル膜形成などの用途に応じた様々な基板処理装置の連結パターンを構成することができる。

また、本実施の形態では、オプションとするリッド部側に、原料ガス供給方法及び成膜方法の違いからくる構造上の相違点を集約、吸収するようにしている。このため、各成膜方法に合わせてチャンバに取り付けるリッド部を交換しても、装置性能を低下することがなく、コンパチブルなチャンバを得ることができる。

例えば、ＣＶＤ成膜においては、シャワー板面と基板との距離の適正距離と推定される２０ｍｍ程度の間隙を確保する必要がある。ＡＬＤ成膜においては、高速ガス置換を実現するために、基板と基板上のＡＬＤ成膜用リッド部内面との隙間を、ＣＶＤでの適正距離よりも小さくして、基板上の成膜空間の容積を小さくする必要がある。この点で、本実施の形態では、ＣＶＤ成膜用リッド部のシャワー板面を、ＡＬＤ成膜用リッドの場合と比べて、チャンバ上面よりも上方に設置して、ＣＶＤ成膜の基板とシャワー板との間の間隙２０ｍｍを確保するようにしている。したがって、一方でＡＬＤ成膜での高速ガス置換の置換時間スペックを低減することなく、他方でＣＶＤ成膜の基板とシャワー板との間の適正距離を確保できる。

実施の形態によるＡＬＤ成膜用枚葉装置の縦断面図である。 実施の形態によるＣＶＤ成膜用枚葉装置の縦断面図である。

符号の説明

２０１ 基板
２００ チャンバ
２５０ 上部開口
２１１、２２４ ガス導入部
２０７ ＡＬＤ成膜用リッド部
２０８ ＣＶＤ成膜用リッド部
２０６、２３６ ガス導入ポート（ガス導入部のガス導入箇所）
２２４、２３０ ガス導入部

Claims (1)

1. 基板を処理する基板処理装置であって、
   開口を有するチャンバと、
   前記チャンバに前記開口を閉塞するよう設けられるリッド部とを有し、
   前記リッド部は、ガス導入部を具備し、該ガス導入部のガス導入箇所が異なる複数のリッド部の間で、前記チャンバに対して交換可能に設けられることを特徴とする基板処理装置。

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