JP2010084156A - 処理ガス供給系及び成膜装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】金属を含む原料ガスの供給量及び供給速度を向上させて効率的に且つ迅速に成膜処理を行ってスループットを向上させることが可能な処理ガス供給系を提供する。
【解決手段】金属を含む原料ガスを用いて被処理体Wに成膜処理を施すための処理容器14に向けて原料ガスを供給するための原料ガス供給手段70を有する処理ガス供給系56において、原料ガス供給手段70は、処理容器14に向けて原料ガスを流すための原料ガス通路88と、原料ガス通路の途中に設けられてピストン運動によって原料ガスを昇圧する昇圧器90と、昇圧器90よりも下流側に設けられた供給用開閉弁92とを備える。これにより、原料ガスの供給量及び供給速度を向上させて効率的に且つ迅速に成膜処理を行う。
【選択図】図1

Description

本発明は、蒸気圧の低い有機金属化合物を用いて半導体ウエハ等の被処理体に対して薄膜を形成する成膜装置及びこれに用いられる処理ガス供給系に関する。
一般に、IC(集積回路)等の半導体装置を製造するためには、半導体ウエハ等の被処理体に、成膜処理、エッチング処理、熱処理、改質処理等の各種の処理を繰り返し行って目的とする回路装置等を製造するようになっている。
例えば半導体ウエハに対して1枚毎に熱処理を施す枚葉式の処理装置を例にとれば、真空引き可能になされた処理容器内に、例えば抵抗加熱ヒータや静電チャックを内蔵した載置台構造を設置し、この上面に半導体ウエハを載置した状態で所定の処理ガスを流し、所定のプロセス条件下にてウエハに各種の熱処理を施すようになっている(特許文献1)。
ここで半導体ウエハの表面に薄膜を形成する従来の成膜装置を例にとって説明する。図8は従来の一般的な枚葉式の成膜装置を示す概略構成図である。図8において、この成膜装置は筒体状になされた処理容器2を有しており、この処理容器2内には、半導体ウエハWを上面に載置するための載置台4が設けられている。この処理容器2の天井部には、ガス導入手段としてシャワーヘッド部6が設けられ、この下面のガス噴射孔6aから必要なガスを噴射するようになっている。
また処理容器2の底部には排気口8が設けられており、処理容器2内の雰囲気を排気できるようになっている。そして、上記載置台4は、容器底部より支柱10により起立されている。この載置台4は例えば耐熱性及び耐腐食性のあるAlN等のセラミックよりなり、この内部には加熱手段として例えばカーボンワイヤヒータやタングステンヒータ等よりなる加熱ヒータ12が埋め込まれており、ウエハWを加熱するようになっている。
このような成膜装置を用いて薄膜の成膜処理を行う場合には、載置台4上のウエハWを加熱ヒータ12により所定のプロセス温度に加熱すると共に、処理容器2内を所定のプロセス圧力に維持した状態において、処理容器2の天井部に設けたシャワーヘッド部6から処理容器2内へ成膜用の原料ガスや反応ガスを同時に供給する。これにより、上記原料ガスと反応ガスとが載置台4とシャワーヘッド部6とで囲まれた反応空間Sにて反応する。そして、この反応によって生成した物質がウエハWの表面に薄膜として堆積することになる。このような成膜方法を熱CVD(Chemical Vapor Deposition)法と称す。
また、この熱CVDによる成膜方法の他に、原料ガスと反応ガスとを交互に処理容器内へ供給し、原子レベル、或いは分子レベルの非常に薄い厚さで薄膜を一層ずつ形成するALD(Atomic Layered Deposition)法も知られている(例えば特許文献2)。このALD法は、膜質特性が良好で、しかも膜の厚さが精度よく制御できることから膜厚の均一性、ステップカバレッジに優れた成膜が可能である、という利点を有している。
具体的には、例えばTiNの薄膜を形成する場合には、処理容器2内へ、まず原料ガスとして例えばTiCl ガスを供給してこのガスをウエハ表面に付着させ、次に、処理容器内をN ガスにてパージすることにより残留した原料ガスを排除する。その後に反応ガスとして例えばNH ガスを供給してウエハ表面に付着していた上記TiCl ガスと反応させて薄い一層のTiN膜を形成する。次に、処理容器2内をN ガスにてパージすることによって残留ガスを排除する。そして、上記した一連の工程を繰り返し行うことによって薄膜を積層させて行く。そして、最近にあっては、ドーパントとしての特性が良好であったり、膜質特性が良好であることから、成膜処理の原料ガスとしてRu等の貴金属を含む原料を用いたり、錯体よりなる原料を用いたりする場合もある(例えば特許文献3)。
特開平07−078766号公報 特開2007−039806号公報 特開2008−131050号公報
ところで、上述したような貴金属を含む原料や錯体よりなる原料は、一般的に有機金属化合物として存在しており、この有機金属化合物は常温で液体、若しくは固体状のものが多い。そのような原料を成膜処理に用いる場合には、例えば気化器やバブリング機構等を用いて原料を気化させて原料ガスとして供給する必要があるが、これらは比較的蒸気圧の低い材料であるために気化効率が悪く、中には成膜時に流量が十分に得られずに、非常にスループットが低下してしまう、といった問題があった。
特に、前述したようなALD法を採用する場合には、原料ガスの供給を間欠的に繰り返し行って多数サイクルに亘って成膜を行わなければならないが、この際の1サイクル毎の原料ガスの流量が非常に少なく、スループットが大幅に低下してしまう、といった問題があった。
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、金属を含む原料ガスの供給量及び供給速度を向上させて効率的に且つ迅速に成膜処理を行ってスループットを向上させることが可能な処理ガス供給系及び成膜装置を提供することにある。
請求項1に係る発明は、金属を含む原料ガスを用いて被処理体に成膜処理を施すための処理容器に向けて前記原料ガスを供給するための原料ガス供給手段を有する処理ガス供給系において、前記原料ガス供給手段は、前記処理容器に向けて前記原料ガスを流すための原料ガス通路と、前記原料ガス通路の途中に設けられてピストン運動によって原料ガスを昇圧する昇圧器と、前記昇圧器よりも下流側に設けられた供給用開閉弁と、を備えたことを特徴とする処理ガス供給系である。
これにより、例えば蒸気圧の低い有機金属化合物よりなる金属を含む原料ガスを処理容器に供給するに際して、金属を含む原料ガスの供給量及び供給速度を向上させて効率的に且つ迅速に成膜処理を行ってスループットを向上させることができる。
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記昇圧器は、ガス入口とガス出口とが設けられて前記原料ガス通路の途中に介設された昇圧用シリンダ部と、前記昇圧用シリンダ部内で、その長さ方向へ非接触状態で往復移動可能に設けられたピストン部と、前記ピストン部を、前記昇圧用シリンダ部内で非接触状態を維持しつつ前記長さ方向へ往復移動させるピストン駆動機構と、前記ピストン駆動機構を制御するピストン制御部と、前記ピストン制御部と前記開閉弁を制御する弁制御部と、を有することを特徴とする。
請求項3の発明は、請求項2の発明において、前記ピストン駆動機構は、リニアモータよりなることを特徴とする。
請求項4の発明は、請求項3の発明において、前記昇圧用シリンダ部は、非磁性の金属材料よりなることを特徴とする。
請求項5の発明は、請求項4の発明において、前記ピストン部は、着磁された強磁性体よりなることを特徴とする。
請求項6の発明は、請求項3又は4の発明において、前記ピストン部は、電磁誘導コイルが巻回されていることを特徴とする。
請求項7の発明は、請求項2乃至6のいずれか一項に記載の発明において、前記昇圧用シリンダ部の一端部に前記ガス入口が設けられ、他端部に前記ガス出口が設けられることを特徴とする。
請求項8の発明は、請求項2乃至6のいずれか一項に記載の発明において、前記ガス出口は、前記昇圧用シリンダ部の両端部にそれぞれ設けられると共に、前記ガス入口は前記昇圧用シリンダ部の長さ方向の中央部に設けられ、前記2つのガス出口間を連結して選択切替流路を設けると共に、前記選択切替流路の途中に選択的に開閉される2つの前記供給用開閉弁が介設されて、前記2つの供給用開閉弁間の選択切替流路の部分が前記原料ガス通路の下流側に向けて接続されていることを特徴とする。
請求項9の発明は、請求項2乃至8のいずれか一項に記載の発明において、前記昇圧用シリンダ部の上流側の前記原料ガス通路には、前記昇圧用ピストン部が移動する時に閉じられる逆流防止用開閉弁が設けられていることを特徴とする。
請求項10の発明は、請求項1乃至9のいずれか一項に記載の発明において、更に、前記処理容器内へ不活性ガスを流量制御しつつ供給するために供給用開閉弁を有する不活性ガス供給手段を備えたことを特徴とする。
請求項11の発明は、請求項1乃至10のいずれか一項に記載の発明において、更に、前記処理容器内へ前記原料ガスと反応する反応ガスを流量制御しつつ供給するために、供給用開閉弁を有する反応ガス供給手段を備えたことを特徴とする。
請求項12の発明は、請求項11記載の発明において、更に、前記各開閉弁の開閉動作を行って、前記原料ガスと前記反応ガスとをそれぞれ間欠的に供給するように制御する弁制御部を有することを特徴とする。
請求項13の発明は、請求項1乃至12のいずれか一項に記載の発明において、前記原料ガスは、蒸気圧の低い有機金属化合物よりなることを特徴とする。
請求項14の発明は、原料ガスを用いて被処理体の表面に薄膜を形成する成膜装置において、内部に前記被処理体を収容する処理容器と、前記被処理体を載置する載置台と、前記処理容器内に設けられて必要なガスを導入するためのガス導入手段と、前記ガス導入手段に接続された請求項1乃至13のいずれか一項に記載の処理ガス供給系と、前記処理容器内の雰囲気を排気する排気手段と、装置全体の動作を制御する装置制御部と、を備えたことを特徴とする成膜装置である。
請求項15の発明は、請求項14の発明において、更に、前記被処理体を加熱するための加熱手段を有することを特徴とする。
本発明の処理ガス供給系及び成膜装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
例えば蒸気圧の低い有機金属化合物よりなる金属を含む原料ガスを処理容器に供給するに際して、金属を含む原料ガスの供給量及び供給速度を向上させて効率的に且つ迅速に成膜処理を行ってスループットを向上させることができる。
以下に、本発明に係る処理ガス供給系及び成膜装置の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
図1は本発明に係る処理ガス供給系を備えた成膜装置を示す断面構成図、図2は原料ガス供給手段の昇圧用シリンダ部を中心として示す拡大縦断面図、図3は昇圧用シリンダ部を示す横断面図、図4は昇圧用シリンダ部内のピストン部の動作を説明する説明図である。
図1に示すように、この成膜装置12は、例えばアルミニウムやアルミニウム合金等により筒体状に成形された処理容器14を有している。この処理容器14内には、支持手段として容器底部より支柱16により起立させて支持された例えば窒化アルミ等のセラミックよりなる円形の載置台18が設けられており、この上面側に被処理体としての半導体ウエハ(以下「ウエハ」とも称す)Wを載置できるようになっている。このウエハWの直径は、例えば300mmである。
この載置台18内には、加熱手段として例えばカーボンワイヤヒータ20が埋め込んで設けられており、上記ウエハWを所定の温度に加熱できるようになっている。このカーボンワイヤヒータ20には、給電線22を介してヒータ電源24が接続されており、所望の温度にウエハWを温度制御できるようになっている。尚、プロセス温度が低い場合には、この加熱手段20を設けない場合もある。上記載置台18の下方には、ウエハWの搬出入時に、これを下から突き上げて支持する昇降ピン機構26が設けられる。この昇降ピン機構26は、載置台18の周方向に沿って等間隔で配置された例えば3本(図示例では2本のみ記す)の昇降ピン28を有しており、各昇降ピン28の下端部は例えば円弧状のベース板30により支持されている。
このベース板30は、容器底部を貫通する昇降ロッド32に連結されており、この昇降ロッド32の下端部は、アクチュエータ34に接続されて上下動可能になされている。また昇降ロッド32の容器底部の貫通部には容器内の気密性を維持しつつ昇降ロッド32の上下動を許容するために伸縮可能になされたベローズ36が設けられる。
また上記載置台18には、上記各昇降ピン28に対応させてピン挿通孔38が設けられており、上記昇降ロッド32を上下動させることにより、上記ピン挿通孔38内を挿通された昇降ピン28が、載置面上に出没してウエハWを突き上げて持ち上げたり、持ち下げたりできるようになっている。
また、この処理容器14の底部には排気口40が形成されると共に、この排気口40には真空ポンプ42や圧力調整弁44等を含む真空排気系46が接続されており、上記処理容器14内の雰囲気を真空引きして所定の圧力に維持できるようになっている。尚、上記排気口40を処理容器14の側壁の下部に設ける場合もある。
また処理容器14の側壁には、ウエハWを搬出入できる大きさの開口48が形成されており、この開口48に開閉可能になされたゲートバルブ50が設けられている。更に、処理容器14の天井部は開口されており、この開口部分に各種の必要なガスを処理容器14内へ導入するガス導入手段52が設けられている。
このガス導入手段52は、具体的にはここではシャワーヘッド部54により構成されており、このシャワーヘッド部54に上記各種の必要なガスを供給する本発明の特徴とする処理ガス供給系56が接続されている。上記シャワーヘッド部54は、例えばアルミニウム合金等よりなり、このシャワーヘッド部54がOリング等のシール部材58を介して天井部の開口に気密に設けられている。
このシャワーヘッド部54の上部には、第1のガス導入口60と第2のガス導入口62が設けられると共に、このシャワーヘッド部54内には、上記第1のガス導入口60に連通される第1の拡散室64と上記第2のガス導入口62に連通される第2の拡散室66とがそれぞれ区画分離されて設けられている。ここで第1の拡散室64同士は連通されており、また第2の拡散室66同士も連通されている。
そして、上記シャワーヘッド部54の下面のガス噴射面68には、上記第1の拡散室64に連通された複数の第1のガス噴射孔64Aと、上記第2の拡散室66に連通された複数の第2のガス噴射孔66Aとがそれぞれ設けられており、上記第1及び第2のガス噴射孔64A、66Aから噴射された各ガスを、載置台18とシャワーヘッド部54との間で挟まれる反応空間S内で初めて混合するようになっている。
このようなガスの混合方式を、いわゆるポストミックスと称す。従って、ガス噴射面68には、第1及び第2のガス噴射孔64A、66Aが、シャワーヘッド部54のガス噴射面68の略全面に亘って例えば交互にマトリクス状に形成されている。尚、ガス導入手段としてこのシャワーヘッド部54に替えて、ガスノズルを設けるようにしてもよく、その形状は問わない。
そして、このシャワーヘッド部54に接続される本発明の特徴とする上記処理ガス供給系56は、処理容器14内へ金属を含む原料ガスを供給する原料ガス供給手段70と、反応ガスを供給する反応ガス供給手段72と、不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段74とを有している。ここで上記原料ガスとしては蒸気圧の低い有機金属材料である貴金属のルテニウムを含むRu錯体が用いられ、反応ガスとしてはO ガスが用いられ、不活性ガスとしてはArガスが用いられる。また、上記原料ガスは例えばキャリアガスとしてArガスと共に供給される。
この原料ガスの発生の態様は原料の状態によって種々適用され、液体の場合には、流量制御されたキャリアガスにより液体原料を気化器で蒸気化したり、或いは流量制御されたバブリングガスで気化させたりして原料ガスを形成でき、また、原料が固体の場合にはキャリアガスの存在下で加熱により昇華させて原料ガスを形成でき、その原料ガスの発生形態は種々採用することができる。
そして、上記第2のガス導入口62には、反応ガス供給手段72のガス流路76が接続されると共に、このガス流路76の上流側からは1つの分岐路が形成されて、この分岐路が不活性ガス供給手段74のガス流路78となっている。そして。上記反応ガス供給手段72のガス流路76の途中には、マスフローコントローラのような流量制御器80及び開閉弁82が順次介設されており、反応ガスを流量制御しつつ供給できるようになっている。また上記不活性ガス供給手段74のガス流路78の途中には、マスフローコントローラのような流量制御器84及び開閉弁86が順次介設されており、希釈ガスやパージガスとして例えばArガスを流量制御しつつ供給できるようになっている。
そして、上記シャワーヘッド部54の第1のガス導入口60には、上記原料ガス供給手段70の原料ガス通路88が接続されている。この原料ガス通路88の途中には、流れてくる原料ガスの圧力をピストン運動によって昇圧乃至加圧するための本発明の特徴とする昇圧器90が設けられており、この昇圧器90の下流側には供給用開閉弁92が設けられ、昇圧器90の上流側には逆流防止用開閉弁94が設けられている。尚、この逆流防止用開閉弁94は、必要に応じて設ければよい。
具体的には、上記昇圧器90は、図2及び図3にも示すように、ガス入口96とガス出口98とが設けられて上記原料ガス通路88の途中に介設された昇圧用シリンダ部100と、この昇圧用シリンダ部100内でその長さ方向へ非接触状態で移動可能に設けられたピストン部102と、このピストン部102を上記昇圧用シリンダ部100内で非接触状態を維持しつつ上記長さ方向へ往復移動させるピストン駆動機構104と、このピストン駆動機構104を制御するピストン制御部106とにより主に構成されている。
上記昇圧用シリンダ部100は、非磁性の金属材料、例えばアルミニウムやアルミニウム合金により円筒体状に成形されており、その一端部側に上記ガス入口96が設けられ、他端部側に上記ガス出口98が設けられている。ここでは上記昇圧用シリンダ部100は重力方向に起立させて設けられており、その最上端に上記ガス出口98を設けて、ここに下流側に向かう原料ガス通路88を接続している。
また上記ガス入口96は、上記昇圧用シリンダ部100の一端である最下端よりも上記ピストン部102の長さL1だけ上方へ離間させた位置の側壁に設けられており、上記ピストン部102が最下端に位置した時に上記ガス入口98を開状態に維持できるようになっている。ここで上記昇圧用シリンダ部100の長さは100mm程度であり、その内径L2は20mm程度である。
また上記ピストン部102は、例えばフェライト等の強磁性体により円柱状に形成されており、その長さ方向に着磁されている。図2中では、ピストン部102の上部が”N極”、下部が”S極”となっている。このピストン部102の直径D1は、上記昇圧用シリンダ部100の内径L2よりも僅かに小さい例えば19mm程度に設定されており、図3にも示すように上記昇圧用シリンダ部100の内壁面に対して僅かな幅L3の隙間108を形成して非接触状態を実現できるように設定されている。この僅かな幅L3は、例えば0.1〜0.5mm程度の範囲内である。
また、上記ピストン部102の移動を制御する上記ピストン駆動機構104は、ここではリニアモータ110によって形成されている。具体的には、このリニアモータ110は、上記昇圧用シリンダ部100の外周に沿って配置された複数の推進用コイル112を有している。この推進用コイル112は、上記昇圧用シリンダ部100の長さ方向に沿って所定のピッチP1で配置されていると共に、図3に示すように昇圧用シリンダ部100の周方向へも等間隔で複数個配置されている。また上記各推進用コイル112は昇圧用シリンダ部100の半径方向に向けて設置される。図示例では、昇圧用シリンダ部100の周方向へ90度間隔で4個配列されているが、この個数に限定されない。
図中の推進コイル112中の”N”及び”S”は、ある瞬間における極性を示しており、長さ方向に沿って配列される推進用コイル112は、隣同士の極性(昇圧用シリンダ部100に取り付けられる部分の極性)が例えば”N”、”S”、”N”、”S”、”N”…のように交互に異なる極性になるように配列されており、その極性はピストン制御部106からの制御により切り替わるようになっている。
この場合、昇圧用シリンダ部100の周方向に配列される4つの各推進用コイル112の極性(昇圧用シリンダ部100に取り付けられる部分の極性)は同じ極性(図3中ではS極)となっている。そして、上記ピストン部102の長さL1は、上記推進用コイル112のピッチP1の2倍の長さに設定されており、”L1=2・P1”の関係になっている。
このような構造において、上記各推進用コイル112の極性を所定の周波数で順に切り替えて行くことにより、上記昇圧用シリンダ部100内で上記ピストン部102を非接触状態で往復移動できるようになっている(図4参照)。この場合、図3に示すように、昇圧用シリンダ部100の周方向に沿って複数の推進用コイル112が配置してあるので、これらが同時に浮上用のコイルとして機能して上述したように非接触状態を維持するように作用することになる。
そして、上記昇圧用シリンダ部100の側壁の外周面に沿って例えばホール素子のような磁気センサ114が上記推進用コイル112に対応させて複数個設けられており、上記ピストン部102の位置を検出し得るようになっている。尚、上記磁気センサ114の検出感度を高めるために、これを昇圧用シリンダ部100の側壁の内壁面に沿って設けるようにしてもよい。
上記各磁気センサ114の検出値は上記ピストン制御部106に入力されており、このピストン制御部106は、上記磁気センサ114からの検出値に基づいて上記推進用コイル112に向けて所定の周波数の駆動電流を流してN極とS極とを順に切り替えてピストン部102の動作を制御するようになっている。そして、このピストン制御部106も含めて、上記各開閉弁82、86、92、94は弁制御部116によってその開閉動作及びピストン部102の往復移動が制御されるようになっている。
そして、この装置全体の動作、例えばウエハ温度、容器内の圧力、各ガスの供給の開始、終了、各ガスの供給量等の各制御は、コンピュータよりなる装置制御部120によって行われる。また上記弁制御部116は上記装置制御部120の支配下で動作する。そして、この制御に必要なコンピュータに読み取り可能なプログラムは記憶媒体122に予め記憶されている。この記憶媒体122は、例えばフレキシブルディスク、CD(CompactDisc)、CD−ROM、ハードディスク、フラッシュメモリ或いはDVD等よりなる。
次に、以上のように構成された成膜装置12の動作について、図5も参照して説明する。図5は各ガスの供給態様とピストン部の動作及び各開閉弁の開閉状態を示すタイミングチャートである。まず、この処理容器14内へ半導体ウエハWを搬入する場合には、開放されたゲートバルブ50から開口48を介して真空雰囲気下の図示しない搬送室から搬送アームで半導体ウエハWを処理容器14内へ搬入し、この状態で昇降ピン機構26のアクチュエータ34を駆動して昇降ロッド32を上方へ延ばし、これにより昇降ピン28を上昇させる。
これにより、搬送アーム(図示せず)によって処理容器14内へ搬入されているウエハWが下方より上昇してくる昇降ピン28により突き上げられ、これにより搬送アームより昇降ピン28側へウエハWが受け渡されて保持される。
次に、搬送アームを処理容器14内から抜き出して、上述のようにウエハWを昇降ピン28で保持した状態で、上記昇降ロッド32を降下させることにより、図1に示すようにウエハWは載置台18上に載置されることになる。そして、ゲートバルブ50を閉じて処理容器14内を密閉し、加熱手段のカーボンワイヤヒータ20によりウエハWを所定のプロセス温度に維持する。
そして、原料ガス供給手段70、反応ガス供給手段72及び不活性ガス供給手段74を有する処理ガス供給系56から必要なガス、すなわちRuを含む原料ガス、反応ガスであるO ガス、不活性ガスとしてArガスをそれぞれ流量制御しつつ流してこれらの各ガスをシャワーヘッド部54から処理容器14内へ供給し、更に、真空排気系46を駆動して処理容器14内を真空引きして所定の圧力雰囲気に維持する。この真空排気系46は、処理中は連続的に駆動して処理容器14内を真空引きしている。上記原料ガスはキャリアガスであるArガスと共に原料ガス通路88から第1のガス導入口60を介してシャワーヘッド部54内に導入され、このガスは第1の拡散室64内で拡散した後に各第1のガス噴射孔64Aより反応空間Sへ供給される。
また反応ガスであるO ガスはガス流路76から第2のガス導入口62を介してシャワーヘッド部54内に導入され、このガスは第2の拡散室66内で拡散した後に各第2のガス噴射孔66Aより反応空間Sへ供給される。また不活性ガスであるArガスはガス流路78を介してガス流路76内へ流れ込み、パージガスとして供給される。
ここで具体的に各ガスの供給態様について説明する。図5に示すように、ALD法による成膜処理では、Ruを含む原料ガスと反応ガスであるO ガスとを間に間欠期間130を挟んで交互に噴射させる。また、上記間欠期間130では処理容器14内に残留するガスの排除を効率的に行うためにパージガスとしてArガスを流す。原料ガスを1回供給してから次に供給するまでの間が1サイクルであり、このサイクルを所望する膜厚に応じて複数回繰り返してRu膜の成膜が行われる。
まず、図5(A)に示すように、吸着工程ではシャワーヘッド部54からRuを含む原料ガスを各第1のガス噴射孔64Aより反応空間Sへ導入する。これにより、原料ガスがウエハWの表面に吸着されることになる。この場合、原料ガス通路88にあっては蒸気圧の低いRuを含む原料ガスが低い蒸気圧の状態で上流側から下流側に向けて常時流れてきて昇圧器90内には原料ガスが十分に貯め込まれており、上記吸着工程の時に、昇圧器90の上流側に位置する逆流防止用開閉弁94(図5(F))を閉状態とし、昇圧器90の下流側に位置する供給用開閉弁92(図5(E))を開状態とする。
この状態を維持して、ピストン制御部106は、昇圧器90のリニアモータ110の推進用コイル112に駆動用の電流を流して、昇圧用シリンダ部100内のピストン部102をガス入口96側からガス出口98側へ上方向に向けて移動させる。すなわち、ピストン部102を図4(A)に示す状態から図4(B)に示す状態へ移動させる。
これにより、この昇圧用シリンダ部100内に流れ込んで貯め込まれていた原料ガスが圧縮されて昇圧して原料ガス通路88内を多量に流下し、下流側の処理容器14に多量に供給されることになる。この際、供給用開閉弁92は期間T1だけ開状態が維持されて原料ガスを流す。また、ピストン部102が移動する直前に逆流防止用開閉弁94を閉状態にしたので、ピストン部102が圧縮のために移動する時に、昇圧用シリンダ部100内の原料ガスが上流側へ逆流することを防止することができる。
この逆流防止用開閉弁94の閉状態は、次にピストン部102が戻ってくるまで維持されて、この間は昇圧用シリンダ部100内へは上流側から原料ガスが流入しないようにしておく。また、昇圧用シリンダ部100とピストン部102とは非接触状態であることから、摩擦によりパーティクルが発生することを防止することができる。
またこの際、昇圧用シリンダ部100とピストン部102とは非接触状態であって両者間には幅L3が僅かな隙間108(図3参照)が発生して圧縮された原料ガスの一部がこの隙間108を介して逃げることになるが、それでも原料ガスの圧力を十分に高めることができ、この吸着工程で多量の原料ガスを処理容器14内に向けて供給することができる。
この場合、ピストン部102が昇圧用シリンダ部100の一端から他端へ移動するに要する時間は、例えば数10msec〜数100msec程度である。また、ピストン部102が他端まで到着した時には、その時点で各推進用コイル112に供給している電流と推進用の電流から吸着用の電流に切り替えて上記ピストン部102に制動用の磁力を加えてピストン部102の移動を停止させる。これにより、ピストン部102が他端に到着したときに、昇圧用シリンダ部100内の端面に接する直前にピストン部102を停止させる。
上記供給用開閉弁92を閉状態として上記吸着工程が完了したならば、次にパージ工程(間欠期間130)に入る。このパージ工程では、図5(B)及び図5(C)に示すように上記原料ガスとO ガスの供給を停止すると共に、各第2のガス噴射孔66AよりパージガスとしてArガスを噴射する。これにより、反応空間Sに滞留していた原料ガスを効率的に排気側へ流して処理容器14の外へ排出させる。これと同時に、昇圧用シリンダ部100内のピストン部102を下方へ、すなわちガス入口96側へ戻し、且つ戻し終わったならば、逆流防止用開閉弁94を開状態にし、上流側から流れてくる原料ガスの昇圧用シリンダ部100内への貯め込みを開始する。この貯め込みは、次の吸着工程の開始まで行われることになる。
上記パージ工程が完了したならば、次に反応工程に入る。この反応工程では、図5(B)及び図5(C)に示すように、上記Arガスの供給を停止して、これに切り替えて反応ガスであるO ガスを各第2のガス噴射孔66Aより反応空間Sへ導入する。これにより、上記導入されたO ガスがウエハWの表面に多量に吸着している原料ガスと反応してRu膜が形成されることになる。
上記反応工程が完了したならば、次にパージ工程(間欠期間130)に入る。このパージ工程では、上記原料ガスと反応ガス(O ガス)の供給を停止すると共に、各第2のガス噴射孔66AよりパージガスとしてArガスを噴射する。これにより、反応空間Sに滞留していた反応ガスを効率的に排気側へ流して処理容器14の外へ排出させる。
ここで上記各工程の時間は、吸着工程T1が2秒程度、パージ工程(間欠期間)T2が4秒程度、反応工程T3が2秒程度、パージ工程(間欠期間)T4が4秒程度である。これらの時間は単に一例を示しただけであり、これに限定されない。上記間欠期間130では、パージガスを供給して処理容器14内に残留するガスを高速で置換して排気するようにしたが、このパージガスを流さないで高速で真空排気するようにしてもよい。
ここで上記パージ工程T2、T4の間、及び反応工程T3の間は連続的に上記昇圧用シリンダ部100内へは原料ガスが貯め込まれている状態となっており、従って、この貯め込まれた原料ガスは次の吸着工程の時に前述したように上記ピストン部102がガス出口98側へ移動することにより圧縮して昇圧されて処理容器14内へ多量に供給させることができる。以後、上述したようなプロセスのサイクルが繰り返し行われることになる。
この時のプロセス条件は、例えば原料ガスの流量が0〜300sccmの範囲内、O ガスの流量が0〜2000sccmの範囲内、Arガスの流量が0〜5000sccmの範囲内である。またプロセス温度は100〜600℃程度の範囲内、プロセス圧力は 1.33〜1330Pa程度の範囲内である。
このように、本発明によれば、例えば蒸気圧の低い有機金属化合物よりなる金属を含む原料ガスを処理容器14に供給するに際して、金属を含む原料ガスの供給量及び供給速度を向上させて効率的に且つ迅速に成膜処理を行ってスループットを向上させることができる。
<変形実施形態>
次に本発明の処理ガス供給系の変形実施形態について説明する。図6は本発明の処理ガス供給系の変形実施形態における原料ガス供給手段の昇圧用シリンダ部を中心として示す拡大断面図、図7は変形実施形態における各ガスの供給態様とピストン部の動作及び各開閉弁の開閉状態を示すタイミングチャートである。尚、図中、図1〜図5に示す構成部分と同一構成部分については同一参照符号を付して、その説明を省略する。
先に説明した図2に示す実施形態では、昇圧用シリンダ部100の一端部にガス入口96を設け、他端部にガス出口98を設けたが、ここでは図6に示すように、ガス出口98を昇圧用シリンダ部100の両端部、すなわち上端と下端とにそれぞれ設けて第1のガス出口98Aと第2のガス出口98Bを形成している。そして、この昇圧用シリンダ部100の長さ方向の中央部にガス入口96を設けている。上記第1と第2の2つのガス出口98A、98B間を連結するようにして選択切替流路140を設けており、この選択切替流路140の途中に交互に選択的に開閉される第1と第2の2つの供給用開閉弁92A、92Bが介設されている。
そして、この第1と第2の2つの供給用開閉弁92A、92B間の上記選択切替流路140の部分が上記原料ガス通路88の下流側(処理容器14側)に向けて接続されている。すなわち、この場合には、ピストン部102が昇圧用シリンダ部100内の一端から他端へ移動する時にそれぞれ原料ガスを昇圧して供給し得るようになっている。
具体的には図7に示すように、各ガスが供給される。図7中の図7(A)に示す原料ガス、図7(B)に示すO ガス、図7(C)に示すArガスの各供給態様は図5中の図5(A)、図5(B)及び図5(C)とそれぞれ同じである。また逆流防止用開閉弁94の開閉動作は、図5に示す場合と異なり、ピストン部102が一端から他端へ移動する時のみ一時的に閉状態になされて原料ガスの逆流を防止するようになっている。
例えば図6に示すような状態から原料ガスを供給する場合には、まず、昇圧用シリンダ部100の中央部に設けたガス入口96より導入された原料ガスが昇圧用シリンダ部100内に貯め込まれており、この状態でリニアモータ110を駆動して昇圧用シリンダ部100内のピストン部102を第2のガス出口98B側より第1のガス出口96A側へ移動させる。
このピストン部102を移動させる時に、上記逆流防止用開閉弁94を一時的に閉状態として原料ガスの逆流を防止すると同時に、第1の供給用開閉弁92Aを期間T1だけ開状態に維持する。これにより、前述したと同様にピストン部102により圧縮して昇圧された多量の原料ガスが選択切替流路140の第1の供給用開閉弁92Aを介設した部分及び原料ガス通路88を順次流れて処理容器14内へ供給されることになる。この際、他方の第2の供給用開閉弁92Bは閉状態が維持されている。
このようにして、期間T1の吸着工程、期間T2のパージ工程、期間T3の反応工程及び期間T4のパージ工程を前述したように順次行う。この期間T1〜T4の間は、一時的に逆流防止開閉弁94を閉状態とした期間を除いて昇圧用シリンダ部100内には原料ガスが流れ込んで貯め込まれている。そして、1サイクルが終了して次の吸着工程になると、今度は第1のガス出口98A側に位置していたピストン部102を第2のガス出口98B側へ移動させる。
この際も、前述したように逆流防止開閉弁94を一時的に閉状態にして原料ガスの逆流を防止すると同時に、今度は第2の供給用開閉弁92Bを期間T1だけ開状態として圧縮して昇圧された多量の原料ガスが選択切替流路140の第2の供給用開閉弁92Bを介設した部分及び原料ガス通路88を順次流れて処理容器14内へ供給されることになる。この際、他方の第1の供給用開閉弁92Aは閉状態に維持されている。
以後同様に、1サイクル毎に上記動作が繰り返されることになる。従って、ピストン部102は、1サイクル毎に第1のガス出口98A側と第2のガス出口98B側とに切り替えて位置され、また、第1及び第2の供給用開閉弁92A、92Bはそれぞれ異なるタイミングで2サイクルに1回の割合で期間T1だけ開状態になされることになる。
この変動実施形態の場合にも先に図2を参照して説明した実施形態と同様な作用効果を発揮することができるのみならず、この変形実施形態の場合には、1サイクル当たりにおいて逆流防止用開閉弁94を開状態にして昇圧用シリンダ部100内に原料ガスを貯め込む時間が長いので、その分、より多くの原料ガスを処理容器14内へ供給することができる。
尚、図5(F)及び図7(G)において逆流防止用開閉弁94を閉状態に維持するタイミングは、ピストン部102が移動する直前であれば、その閉状態の期間は特に限定されないが、多量の原料ガスを流すためには閉状態の期間をできるだけ短くすることが望ましい。
また、ここではピストン部102として着磁された強磁性体を用いたが、これに限定されず、着磁されていない強磁性体に電磁誘導コイルを巻回した構成としてもよい。
また、ここでは反応ガスとしてO ガスを用いたが、原料ガスに応じて反応ガスとして還元ガス、或いは酸化ガス等の種々のガスを用いることができる。
また、ここではパージガス、希釈ガス、或いはキャリアガスとしてArガスを用いたが、これに限定されず、He、Ne等の他の希ガスやN 等の不活性ガスを用いてもよい。また上記の各実施形態では昇圧用シリンダ部100を重力方向に起立させて設けた場合を例にとって説明したが、これに限定されず、この昇圧用シリンダ部100を水平方向に沿って設けてもよいし、或いは斜め方向に傾斜させて設けるようにしてもよく、その設置方向の角度は特に問わない。
また、上記の各実施形態では低蒸気圧の原料ガスとしてRu錯体を用いたが、他の原料ガスとして例えばTEMAT(テトラキスエチルメチルアミノチタニウム)、TAIMATA、Cu(EDMDD) 、Ru (CO)12、W(CO) 、TaCl 、Cu(hfac)TMVS(ヘキサフルオロアセチルアセトナト−トリメチルビニルシリル銅)、TMA(トリメチルアルミニウム)、TBTDET(ターシャリーブチルイミド−トリ−ジエチルアミドタンタル)、PET(ペンタエトキシタンタル)、TMS(テトラメチルシラン)、TEH(テトラキスエトキシハフニウム)等を用いることができる。
また、ここでは被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、この半導体ウエハにはシリコン基板やGaAs、SiC、GaNなどの化合物半導体基板も含まれ、更にはこれらの基板に限定されず、液晶表示装置に用いるガラス基板やセラミック基板等にも本発明を適用することができる。
本発明に係る処理ガス供給系を備えた成膜装置を示す断面構成図である。 原料ガス供給手段の昇圧用シリンダ部を中心として示す拡大縦断面図である。 昇圧用シリンダ部を示す横断面図である。 昇圧用シリンダ部内のピストン部の動作を説明する説明図である。 各ガスの供給態様とピストン部の動作及び各開閉弁の開閉状態を示すタイミングチャートである。 本発明の処理ガス供給系の変形実施形態における原料ガス供給手段の昇圧用シリンダ部を中心として示す拡大断面図である。 変形実施形態における各ガスの供給態様とピストン部の動作及び各開閉弁の開閉状態を示すタイミングチャートである。 従来の一般的な枚葉式の成膜装置を示す概略構成図である。
符号の説明
12 成膜装置
14 処理容器
18 載置台
20 カーボンワイヤヒータ(加熱手段)
46 真空排気系
52 ガス導入手段
54 シャワーヘッド部
56 処理ガス供給系
70 原料ガス供給手段
72 反応ガス供給手段
74 不活性ガス供給手段
88 原料ガス通路
90 昇圧器
92 供給用開閉弁
92A 第1の供給用開閉弁
92B 第2の供給用開閉弁
94 逆流防止用開閉弁
96 ガス入口
98 ガス出口
98A 第1のガス出口
98B 第2のガス出口
100 昇圧用シリンダ部
102 ピストン部
104 ピストン駆動機構
106 ピストン制御部
110 リニアモータ
112 推進用コイル
114 磁気センサ
116 弁制御部
120 装置制御部
122 記憶媒体
140 選択切替流路
W 半導体ウエハ(被処理体)

Claims (15)

  1. 金属を含む原料ガスを用いて被処理体に成膜処理を施すための処理容器に向けて前記原料ガスを供給するための原料ガス供給手段を有する処理ガス供給系において、
    前記原料ガス供給手段は、
    前記処理容器に向けて前記原料ガスを流すための原料ガス通路と、
    前記原料ガス通路の途中に設けられてピストン運動によって原料ガスを昇圧する昇圧器と、
    前記昇圧器よりも下流側に設けられた供給用開閉弁と、
    を備えたことを特徴とする処理ガス供給系。
  2. 前記昇圧器は、
    ガス入口とガス出口とが設けられて前記原料ガス通路の途中に介設された昇圧用シリンダ部と、
    前記昇圧用シリンダ部内で、その長さ方向へ非接触状態で往復移動可能に設けられたピストン部と、
    前記ピストン部を、前記昇圧用シリンダ部内で非接触状態を維持しつつ前記長さ方向へ往復移動させるピストン駆動機構と、
    前記ピストン駆動機構を制御するピストン制御部と、
    前記ピストン制御部と前記開閉弁を制御する弁制御部と、
    を有することを特徴とする請求項1記載の処理ガス供給系。
  3. 前記ピストン駆動機構は、リニアモータよりなることを特徴とする請求項2記載の処理ガス供給系。
  4. 前記昇圧用シリンダ部は、非磁性の金属材料よりなることを特徴とする請求項3記載の処理ガス供給系。
  5. 前記ピストン部は、着磁された強磁性体よりなることを特徴とする請求項3又は4記載の処理ガス供給系。
  6. 前記ピストン部は、電磁誘導コイルが巻回されていることを特徴とする請求項3又は4記載の処理ガス供給系。
  7. 前記昇圧用シリンダ部の一端部に前記ガス入口が設けられ、他端部に前記ガス出口が設けられることを特徴とする請求項2乃至6のいずれか一項に記載の処理ガス供給系。
  8. 前記ガス出口は、前記昇圧用シリンダ部の両端部にそれぞれ設けられると共に、前記ガス入口は前記昇圧用シリンダ部の長さ方向の中央部に設けられ、前記2つのガス出口間を連結して選択切替流路を設けると共に、前記選択切替流路の途中に選択的に開閉される2つの前記供給用開閉弁が介設されて、前記2つの供給用開閉弁間の選択切替流路の部分が前記原料ガス通路の下流側に向けて接続されていることを特徴とする請求項2乃至6のいずれか一項に記載の処理ガス供給系。
  9. 前記昇圧用シリンダ部の上流側の前記原料ガス通路には、前記昇圧用ピストン部が移動する時に閉じられる逆流防止用開閉弁が設けられていることを特徴とする請求項2乃至8のいずれか一項に記載の処理ガス供給系。
  10. 更に、前記処理容器内へ不活性ガスを流量制御しつつ供給するために供給用開閉弁を有する不活性ガス供給手段を備えたことを特徴とする請求項1乃至9のいずれか一項に記載の処理ガス供給系。
  11. 更に、前記処理容器内へ前記原料ガスと反応する反応ガスを流量制御しつつ供給するために、供給用開閉弁を有する反応ガス供給手段を備えたことを特徴とする請求項1乃至10のいずれか一項に記載の処理ガス供給系。
  12. 更に、前記各開閉弁の開閉動作を行って、前記原料ガスと前記反応ガスとをそれぞれ間欠的に供給するように制御する弁制御部を有することを特徴とする請求項11記載の処理ガス供給系。
  13. 前記原料ガスは、蒸気圧の低い有機金属化合物よりなることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか一項に記載の処理ガス供給系。
  14. 原料ガスを用いて被処理体の表面に薄膜を形成する成膜装置において、
    内部に前記被処理体を収容する処理容器と、
    前記被処理体を載置する載置台と、
    前記処理容器内に設けられて必要なガスを導入するためのガス導入手段と、
    前記ガス導入手段に接続された請求項1乃至13のいずれか一項に記載の処理ガス供給系と、
    前記処理容器内の雰囲気を排気する排気手段と、
    装置全体の動作を制御する装置制御部と、
    を備えたことを特徴とする成膜装置。
  15. 更に、前記被処理体を加熱するための加熱手段を有することを特徴とする請求項14記載の成膜装置。
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