JP2009226408A - 処理ガス供給装置及び成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 微小量のガスを精度良く供給することができる微量ガス供給装置を提供する。
【解決手段】 制御対象ガスを貯留する制御対象ガス源２２と、キャリアガスを貯留するキャリアガス源２０と、前記キャリアガス源からガス使用系４に接続されたキャリアガス通路２４と、前記制御対象ガスを排出するためのガス排出通路３０と、微量な所定の体積を有して前記キャリアガス通路と前記ガス排出通路に対して並列に接続された定量管３２と、前記定量管の連通状態を前記両通路間で選択的に切り換えるバルブ機構３８とを備えるように構成する。これにより、定量管内に充填した制御対象ガスをガス使用系に供給することにより、微小量のガス流量を精度良くコントロールする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば半導体製造装置等に設けられる微量ガス供給装置とその方法に関する。

一般に、半導体集積回路の製造工程においては、半導体ウエハやガラスなどの基板上に、成膜とパターンエッチング等を繰り返し施すことにより所望の素子を得るようになっている。そして、半導体集積回路の微細化及び高集積化に伴って、加工線幅やゲート幅もより狭くなされ、また、集積回路の多層構造化の要求に従って、膜厚も薄くなる傾向にある。
特に、多層構造の集積回路にあっては、回路素子を多層に亘って積み上げることから、各層における膜厚の管理が不十分な場合には、その影響が上層に波及してしまって、例えば表面の凹凸が激しくなったりし、適正な集積回路を実現できなくなってしまう。
通常、半導体製造装置において、ガス流量を制御するためには、流量制御の精度の高い流量制御器、例えばマスフローコントローラが用いられている。

ところで、上記したマスフローコントローラは、ガス流に対する流量制御性が非常に良好であるが、前述のように高集積化及び多層化が更に推進されると成膜すべき膜厚が更に薄くなり、且つその膜厚の制御性も高いものが要求されてくる。
しかしながら、上記したマスフローコントローラにあっては、非常な微量のガス流量に対しては、その構造上の理由より、精度の高いコントロールが非常に難しく、膜厚が十分に制御された成膜を行なうことが困難になってきた。例えば、膜厚が数１００Åのゲート電極や配線を成膜する場合に、微小ガス流量の制御が難しいことから、その膜厚の制御が非常に困難になるといった問題点があった。

本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、微小量のガスを精度良く供給することができる微量ガス供給方法及びその装置を提供することにある。

本発明は、上記問題点を解決するために、制御対象ガスをキャリアガスと共に微小量だけガス使用系へ供給する微量ガス供給方法において、微量な所定の体積を有する定量管に前記制御対象ガスを充填し、該充填された前記制御対象ガスを前記キャリアガスにより搬送して前記ガス使用系へ導入するようにしたものである。これにより、定量管内の所定量の制御対象ガスを使用系に供給することが可能となる。

また、本発明は、上記方法を実現するために、制御対象ガスを貯留する制御対象ガス源と、キャリアガスを貯留するキャリアガス源と、前記キャリアガス源からガス使用系に接続されたキャリアガス通路と、前記制御対象ガスを排出するためのガス排出通路と、微量な所定の体積を有して前記キャリアガス通路と前記ガス排出通路に対して並列に接続された定量管と、前記定量管の連通状態を前記両通路間で選択的に切り換えるバルブ機構とを備えるように構成したものである。

これによれば、例えば制御対象ガスの不使用時には、バルブ機構はガス排出通路と定量管を連通させてこの定量管内に制御対象ガスを流して充填しておき、ガス使用時には、バルブ機構は、上記定量管とキャリアガス通路を連通させてこの定量管に充填されていた制御対象ガスをガス使用系に供給する。従って、上記定量管の予め設定された容量に相当する微小量のガスを精度良くガス使用系に供給することができる。
また、この定量管の容量よりも複数倍大きな容量をガス使用系にて必要とする場合には、例えば定量管への制御対象ガスの充填とこれからの搬送を複数回繰り返して行なえばよい。

このような微量ガス供給装置は、例えば半導体製造装置の処理ガス供給系として適用することができる。半導体製造装置に適用する場合には、例えば成膜処理時にあっては処理容器内に圧力変動が生ずることを避けなければならないことから、制御対象ガスである処理ガスはガス排出通路を介して常時一定圧で流す状態とし、また、キャリアガスもキャリアガス通路を介して半導体製造装置側へ常時一定圧で流す状態とする。そして、必要に応じてバルブ機構を操作して、上記定量管を上記ガス排出通路側へ連通したり、或いはキャリアガス通路へ連通したりすることを選択的に行ない、定量管内に充填された処理ガスを必要時に（処理時に）、半導体製造装置に供給する。これによれば、半導体製造装置には、ガスが遮断されることなく、処理時及び非処理時に亘って常に一定圧で供給されることになるので、処理容器内の圧力変動が生ずることもない。

本発明の微量ガス供給方法及びその装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
定量管を用いて、これに充填されている制御対象ガスをキャリアガスによりガス使用系に供給するようにしたので、精度の高い微小流量制御を行なうことができる。
また、この微量ガス供給装置を半導体製造装置の処理ガス供給系に適用することにより、微量の処理ガスの流量を精度良くコントロールすることができる。従って、非常に薄い成膜を形成する時に、その膜厚を高い精度でコントロールすることができる。
特に、キャリアガス通路とガス排出通路に同じ圧力のガスを流した状態で定量管の連通の切り換えを行なうことにより、処理容器内に圧力変動を引き起こすことなく成膜処理を行なうことができ、一層高い精度で膜厚のコントロールを行なうことができる。

本発明に係る微量ガス供給装置をガス使用系に設けた状態を示す図である。 定量管の種類を示す図である。 本発明装置におけるバルブの切り換え操作を説明するための説明図である。

以下に、本発明に係る微量ガス供給方法及びその装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係る微量ガス供給装置をガス使用系に設けた状態を示す図、図２は定量管の種類を示す図である。ここではガス使用系として、半導体ウエハやＬＣＤ等の基板に成膜処理等の所定の処理を施す半導体製造装置を用いてＴｉ膜を成膜する場合を例にとって説明する。
図示するように、本発明に係る微量ガス供給装置２は、ガス使用系として枚葉式の半導体製造装置４に接続されており、この装置４に処理に必要な処理ガスを制御対象ガスとして供給するようになっている。
この半導体製造装置４は、例えば内面がアルマイト処理されたアルミニウム製の処理容器６を有しており、内部には半導体ウエハ等の基板Ｗを載置するための載置台８が設けられる。この載置台８には、加熱手段として例えば抵抗発熱ヒータ１０が内蔵されており、載置台８上の基板Ｗを所定の温度に加熱して維持できるようになっている。

また、容器底部には、図示しない真空排気系に接続される排気口１２が設けられており、処理容器６内を載置台８の周辺部から均等に真空引きできるようになっている。処理容器６の側壁には、この中に基板Ｗを搬入・搬出する際に開閉されるゲートバルブ１４が設けられる。
そして、処理容器６の天井部には、例えば成膜時に処理容器６内に所定のガスを均一に供給するためのシャワーヘッド１６か設けられており、このシャワーヘッド１６には、２つのガス導入口１６Ａ、１６Ｂが設けられている。一方のガス導入口１６Ｂには、成膜時に必要とされる反応ガスとして、例えばＮＨ_３ （アンモニア）ガスを供給するＮＨ_３ ガス供給系１８が接続され、他方のガス導入口１６Ａには、上述した微量ガス供給装置２が接続されており、処理ガスとして例えばＴｉＣｌ_４ （四塩化チタン）ガスを供給し得るようになっている。

この微量ガス供給装置２は、キャリアガスとして例えばＮ_２ ガスを充填したキャリアガス源としてのＮ_２ ガス源２０と、処理ガスとしてＴｉＣｌ_４ を充填した制御対象ガス源としてのＴｉＣｌ_４ ガス源２２を有している。尚、キャリアガスとしては、Ｎ_２ ガスの他に、他の不活性ガス、例えばＡｒガス、Ｈｅガス等を用いることができる。
上記Ｎ_２ ガス源２０と上記シャワーヘッド１６の一方のガス導入口１６Ａとの間はキャリアガス通路２４により接続されており、また、Ｎ_２ ガス源２０の出口側のキャリアガス通路２４には、Ｎ_２ ガス源２０内のＮ_２ ガスを一定の圧力で送り出すためのレギュレータ２６が介設されている。

一方、ＴｉＣｌ_４ は、常温では液体であることから、ＴｉＣｌ_４ ガス源２２内にはＴｉＣｌ_４ は液体状態で貯留させており、このＴｉＣｌ_４ ガス源２２の周囲に加熱ヒータ等よりなる温度調整機構２８を設けて液体ＴｉＣｌ_４ を一定の温度で加熱することにより、一定の圧力のＴｉＣｌ_４ ガスを送出できるようになっている。
このＴｉＣｌ_４ ガス源２２には、ガス排出通路３０が接続されており、このガス排出通路３０は、例えば図示しない略大気圧になっている工場排気ダクトに接続される。

そして、これらのキャリアガス通路２４とガス排出通路３０との間に、本発明の特徴とする定量管３２が並列に接続される。具体的には、この定量管３２は、両通路２４、３０間に掛け渡すように接続された２本の補助管３４、３６の間に接続されて連通されている。この定量管３２の両端には、フランジ３２Ａ、３３Ａが設けられており、補助管３４及び３６に設けたフランジ３４Ａ、３６Ａにボルト等により気密に着脱可能になされている。この定量管３２は、その内径及び長さが予め精度良く定められており、内部容量が微量な所定の体積となるように設定されている。

そして、この定量管３２の連通状態は、上記補助管３４、３６や両通路２４、３０に介設した複数のバルブよりなるバルブ機構３８により制御され、例えば選択的に両通路２４、３０に連通し得るようになっている。具体的には、このバルブ機構３０は、両補助管３４、３６のキャリアガス通路２４への接続点間に設けた第１バルブ３８Ａと、両補助管３４、３６のガス排出通路３０への接続点間に設けた第２バルブ３８Ｂと、定量管３２の一方の補助管３４への接続点Ａの両側に設けた第３及び第４バルブ３８Ｃ、３８Ｄと、定量管３２の他方の補助管３６への接続点Ｂの両側に設けた第５及び第６バルブ３８Ｅ、３８Ｆとにより構成される。この場合、各接続点Ａ、Ｂを挟んで設けられる第３と第４バルブ３８Ｃ、３８Ｄ及び第５及び第６バルブ３８Ｅ、３８Ｆは、可能な限り、各接続点Ａ、Ｂ側に接近させて配置し、両バルブ間３８Ｃ、３８Ｄ間の管容量及び両バルブ間３８Ｅ、３８Ｆ間の管容量を小さくしている。各バルブ３８Ａ〜３８Ｆの開閉は、半導体製造装置４の主制御部（図示せず）の支配下にあるバルブ駆動部４１により制御されることになる。

上記定量管３２は、図２にも示すように例えば内径を種々変動させて内部容量を異ならせた複数種類のものが予め用意されており、成膜時に必要とする処理ガスの流量に対応したものを適宜選択して用いることになる。例えば図２（Ａ）は１０ｃｃ用の定量管を示し、図２（Ｂ）は３０ｃｃ用の定量管を示し、図２（Ｃ）は５０ｃｃ用の定量管を示す。尚、ここで注意されたい点は、厳密には各定量管の容量は、第３及び第４バルブ３８Ｃ、３８Ｄ間の補助管容量と第５及び第６バルブ３８Ｅ、３８Ｆ間の補助管容量との総和の容量分だけ、上記表記した容量よりも小さくなされており、ガス流量を精度良くコントロールできるようになっている。また、管容量は一例を示したに過ぎず、上記したものに限定されないのは勿論である。
また、ＴｉＣｌ_４ ガスが流れる部分には、通路途中で、或いは管路途中でＴｉＣｌ_４ ガスが凝縮液化することを防止するために、例えばテープヒータのような加熱ヒータ４０（図示、破線で示す）が通路２４、３０、補助管３４、３６及び定量管３２に沿って設けられている。
尚、図示例では、６個のバルブを別体で形成しているが、複数のバルブを１つのブロック体に組み込んだ多方弁を用いれば、全体構成は非常に簡略化することができる。

次に以上のように構成された微量ガス供給装置を用いて半導体製造装置により成膜処理を行なう場合について説明する。
まず、成膜処理を開始するに先立って、過去の経験により、ある一定の圧力でＴｉＣｌ_４ ガスを供給した場合、どの位の流量を流すと、どの程度の厚みの成膜が形成されるかは判明していることから、従って成膜の目標とする厚みに対応するガス量の定量管３２を、上記微量ガス供給装置２に装着する。例えば、目標とする厚みが１００Åであり、１００Åの厚みのＴｉ膜を形成するには、上記一定の圧力で１０ｃｃのＴｉＣｌ_４ ガスを必要とすると仮定するならば、図２（Ａ）に示す１０ｃｃ用の定量管を用いてこれを装着する。
さて、このようにして、事前の準備が完了したならば、基板Ｗを処理容器６内の載置台８上に設置すると共にこれを所定の処理温度に加熱し、同時に、処理容器６内を真空引きして所定の処理圧力に維持する。処理温度は、例えば６００℃、処理圧力は１０ｍＴｏｒｒから１０Ｔｏｒｒの範囲内、例えば３００ｍＴｏｒｒ程度である。

まず、実際に成膜処理を行なう前は、図３（Ａ）に示すように、第１、第４及び第６バルブ３８Ａ、３８Ｄ、３８Ｆを開状態とし、第２、第３及び第５バルブ３８Ｂ、３８Ｃ、３８Ｅを閉状態とする。これにより、キャリアガスは、矢印４２に示すようにキャリアガス通路２４を介して直接的に処理容器６内へ導入し、他方、処理ガスであるＴｉＣｌ_４ ガスは矢印４４に示すようにガス排出通路３０から、第４バルブ３８Ｄを介して定量管３２内に流し、更に、第６バルブ３８Ｆを介して再度、ガス排出通路３０に流して排出する。この状態では、定量管３２内には常に一定量、すなわち１０ｃｃのＴｉＣｌ_４ ガスが充填された状態で流れていることになる。
ここで、キャリアガス通路２４内へはレギュレータ２６により常に一定圧でキャリアガスが流れるように制御され、また、同時に、ガス排出通路３０内へは温度調整機構２８により常に一定圧でＴｉＣｌ_４ ガスが流れるように制御される。そして、両通路２４、３０内の圧力は略同圧となるように調整されている。ここでは、例えば温度調整機構２８は、液状ＴｉＣｌ_４ を７５℃程度に加熱して蒸気を発生し、また、途中での凝縮液化を防止するために加熱ヒータ４０は、８０℃程度で通路等を加熱している。

また、処理容器６内へは、別系統のＮＨ_３ ガス供給系１８より反応ガスとしてＮＨ_３ ガスが一定量供給されている。
このような状況下で、実際に成膜処理を行なうには、図３（Ｂ）に示すように上記各バルブの開閉状態を、図３（Ａ）の場合とは全く逆に切り換える。これらのバルブの切り換え動作は全て同時に行なう。すなわち、第１、第４及び第６バルブ３８Ａ、３８Ｄ、３８Ｆを閉状態とし、第２、第３及び第５バルブ３８Ｂ、３８Ｃ、３８Ｅを開状態とする。これにより、キャリアガスは、矢印４６に示すように、キャリアガス通路２４から第３バルブ３８Ｃを介して定量管３２内に流入し、更に、第５バルブ３８Ｃを介して再度、キャリアガス通路２４内に流れて処理容器６に至る。この時、定量管３２内に充填されていたＴｉＣｌ_４ ガスは、キャリアガスにより押し出されて処理容器６内に流れ込むことになる。

他方、ＴｉＣｌ_４ ガスは、矢印４８に示すようにガス排出通路３０を介して、直接的に、すなわち、定量管３２内を流れることなく、工場排気ダクト側に排出されることになる。
このように、定量管３２内に充填されていた一定圧力下の１０ｃｃのＴｉＣｌ_４ を処理容器６内に供給することができ、この流量に対応する厚み、例えば１００Åの成膜を精度良く形成することが可能となる。
このように、目標とする膜厚に対応する処理ガスの流量を、それに対応する定量管を用いることによって精度良く供給することができ、精度の高い膜厚のコントロールを行なうことができる。特に、この定量管を用いれば、従来のマスフローコントローラでは精度の高い流量コントロールができなかった微小流量のコントロールが容易に行なうことができ、膜厚が非常に薄い成膜処理時においてもその膜厚を精度良くコントロールすることができる。

また、キャリアガス及びＴｉＣｌ_４ ガスの双方を一定圧力で流した状態で各バルブの切り換えを行なっているので、バルブの切り換えが行なわれても処理容器６内に供給ガスの圧力変動が生ずることはなく、従って、プロセス条件が変動することはなく、この点よりも精度の高い膜厚コントロールを行なうことができる。
上記実施例では、各バルブの切り換えを同時に行なったが、例えば図３（Ａ）に示す状態において、第４及び第６バルブ３８Ｄ、３８Ｆを閉じると同時に第２バルブ３８Ｂを開くことにより、定量管３２内にＴｉＣｌ_４ ガスを充填したままこれを一時的に孤立化し、その後、第３及び第５バルブ３８Ｃ、３８Ｅを開くと同時に第１バルブ３８Ａを閉じることによって図３（Ｂ）に示す状態に移行するようにしてもよい。すなわち、定量管３２内をＴｉＣｌ_４ ガスを処理容器６内に搬送し得るならば、どのようなバルブ切り換え操作を行なってもよい。

また、目標とする膜厚の成膜を行なうために、例えば３０ｃｃ用のＴｉＣｌ_４ ガスが必要であると仮定した場合には、図３（Ｂ）に示す３０ｃｃ用の定量管を用いてもよいが、図３（Ａ）に示す１０ｃｃ用の定量管を用いて、前述したバルブの切り換え操作を例えば３回間欠的に繰り返し行なうことによって、全体として３０ｃｃのＴｉＣｌ_４ を処理容器６に供給するようにしてもよい。すなわち、バルブの切り換え操作を間欠的に適当回数行なって 、全体として必要流量のＴｉＣｌ_４ ガスを供給できればよい。このように、複数回間欠的にガスを供給して成膜を行なう場合には、成膜ガスが供給されていないときはアニールを行なっていることと同等になり、その分、低抵抗化が促進されて膜質を向上させることができる。
また、他のガス供給系、例えばここでは反応ガスであるＮＨ_３ ガスも微小流量の精度の高いコントロールが要求される場合には、ＴｉＣｌ_４ 系と同様な構造の微量ガス供給装置を別途設け、上述したと同様にバルブの切り換え操作を行なって同様な制御を行えばよい。

更に、ここではＴｉ膜を成膜する場合を例にとって説明したが、ＴｉＮ膜、ＴｉＳｉ膜等、どのような種類の成膜を行なう場合にも、本発明装置を適用できるのは勿論である。
また、更には、本発明装置は枚葉式の半導体製造装置に限らず、多数枚の基板を一度に処理できるバッチ式の半導体製造装置にも適用し得る。また、基板としては、半導体ウエハに限定されず、ガラス基板、ＬＣＤ基板等にも適用することがきる。

２ 微量ガス供給装置
４ 半導体製造装置（ガス使用系）
６ 処理容器
１６ シャワーヘッド
２０ Ｎ_２ ガス源（キャリアガス源）
２２ ＴｉＣｌ_４ ガス源（制御対象ガス源）
２４ キャリアガス通路
２６ レギュレータ
３０ ガス排出通路
３２ 定量管
３４，３６ 補助管
３８ バルブ機構
３８Ａ〜３８Ｆ バルブ
Ｗ 基板

Claims (5)

1. 制御対象ガスをキャリアガスと共に微小量だけガス使用系へ供給する微量ガス供給方法において、微量な所定の体積を有する定量管に前記制御対象ガスを充填し、該充填された前記制御対象ガスを前記キャリアガスにより搬送して前記ガス使用系へ導入するようにしたことを特徴とする微量ガス供給方法。
2. 制御対象ガスを貯留する制御対象ガス源と、キャリアガスを貯留するキャリアガス源と、前記キャリアガス源からガス使用系に接続されたキャリアガス通路と、前記制御対象ガスを排出するためのガス排出通路と、微量な所定の体積を有して前記キャリアガス通路と前記ガス排出通路に対して並列に接続された定量管と、前記定量管の連通状態を前記両通路間で選択的に切り換えるバルブ機構とを備えたことを特徴とする微量ガス供給装置。
3. 前記ガス使用系は、基板に対して所定の処理を施す半導体製造装置であり、前記制御対象ガスは基板に対して所定の処理を施す時に用いる処理ガスであることを特徴とする請求項２記載の微量ガス供給装置。
4. 前記バルブ機構は、非処理時には前記定量管に前記処理ガスを流してこの定量管内に処理ガスを充填し、処理時には前記定量管内に充填されていた前記処理ガスを前記キャリアガスにより搬送するように動作することを特徴とする請求項３記載の微量ガス供給装置。
5. 前記バルブ機構は、非処理時には前記キャリアガスを前記半導体製造装置に直接流し、処理時には前記処理ガスを前記定量管に流すことなく排出するように動作することを特徴とする請求項３または４記載の微量ガス供給装置。

Images