JP2018100439A - ガス処理装置及びガス処理方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】基板に処理ガスを供給して、当該基板の面内において均一性の高い処理を行うこと。【解決手段】処理ガスを載置部２１に載置された基板Ｗにシャワー状に噴出するガス拡散板３５と、前記ガス拡散板３５の上方側に拡散空間３６を介して対向する対向部３４に設けられ、周方向に沿って複数のガス吐出口４３が各々形成される複数のガス分散部４１と、上流側が各ガス分散部４１に共通する共通流路をなし、途中で分岐して下流側が各ガス分散部４１に接続されると共に、前記共通流路から各ガス分散部４１に至るまでの長さが互いに揃えられた処理ガスの流路５と、を備える装置を構成する。ガス分散部４１は、拡散空間３６の中心部周りに、中心が各々位置すると共に拡散空間３６の周方向に沿った複数の円に沿い、１つの前記円において複数ずつ、拡散空間３６の中心部からの距離が互いに異なるレイアウトで配置される。【選択図】図１

Description

本発明は、基板に対して処理ガスを供給して処理を行う技術に関する。
半導体装置の製造工程においては、基板である半導体ウエハ（以下、ウエハと記載する）に対してＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）やＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)などによる成膜処理が行われる。一般に、この成膜処理ではウエハ面内で均一性の高い膜厚を有するように成膜することが求められる。例えば特許文献１には、基板に対向するシャワーヘッドと、当該シャワーヘッドの上方に成膜ガスの拡散空間を介して対向する天板部材と、当該天板部材に平面で見た拡散空間の中心を中心とする同心円に沿って設けられる複数のガス分散部と、を備えた成膜装置について記載されており、上記のガス分散部は均一性が高くウエハに成膜処理を行うことができるように、横方向に成膜ガスを分散させるように当該成膜ガスの吐出口が設けられている。
半導体装置の配線の微細化の要請により、当該ウエハに対してより均一性の高い成膜処理を行うことが検討されている。なお、特許文献２には、ウエハに溶剤の蒸気を供給する処理装置において、流路をトーナメントの組み合わせを決める線図状に形成することで、各ガス吐出孔から同時にガスが吐出されるようにすることについて記載されている。
特開２０１６−１１７９３３号公報 特開２０１４−５７０４７号公報
本発明はこのような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、基板に処理ガスを供給し、当該基板の面内において均一性の高い処理を行うための技術を提供することである。
本発明のガス処理装置は、真空雰囲気である処理室内の基板に対して処理ガスを供給して処理を行うガス処理装置において、
前記処理室に設けられ、前記基板が載置される載置部と、
前記載置部の上方側に位置する天井部を構成し、前記処理ガスをシャワー状に噴出するための複数のガス噴出孔が形成されるガス拡散板と、
前記ガス拡散板の上方側に前記処理ガスの拡散空間を介して対向する対向部に設けられ、前記拡散空間に横方向に前記処理ガスを分散させるために周方向に沿って複数のガス吐出口が各々形成される複数のガス分散部と、
上流側が前記各ガス分散部に共通する共通流路をなし、途中で分岐して下流側が当該各ガス分散部に接続されると共に、前記共通流路から各ガス分散部に至るまでの長さが互いに揃えられた前記処理ガスの流路と、
を備え、
前記ガス分散部は、前記拡散空間を平面で見たときに当該拡散空間の中心部周りに、中心が各々位置すると共に前記拡散空間の周方向に沿った複数の第１の円に沿い、１つの前記第１の円において複数ずつ、前記拡散空間の中心部からの距離が互いに異なるレイアウトで配置されることを特徴とすることを特徴とする。
本発明のガス処理方法は、真空雰囲気である処理室内の基板に対して処理ガスを供給して処理を行うガス処理方法において、
前記処理室に設けられる載置部に前記基板を載置する工程と、
前記載置部の上方側に位置する天井部を構成するガス拡散板に形成される複数のガス噴出孔から前記処理ガスをシャワー状に噴出する工程と、
前記ガス拡散板の上方側に前記処理ガスの拡散空間を介して対向する対向部に設けられ、周方向に沿って複数のガス吐出口が各々形成される複数のガス分散部から前記拡散空間に横方向に前記処理ガスを吐出して分散させる工程と、
上流側が前記各ガス分散部に共通する共通流路をなし、途中で分岐して下流側が当該各ガス分散部に接続されると共に、前記共通流路から各ガス分散部に至るまでの長さが互いに揃えられた流路に前記処理ガスを供給する工程と、
を備え、
前記ガス分散部は、前記拡散空間を平面で見たときに当該拡散空間の中心部周りに、中心が各々位置すると共に前記拡散空間の周方向に沿った複数の円に沿い、１つの前記円において複数ずつ、前記拡散空間の中心部からの距離が互いに異なるレイアウトで配置されることを特徴とすることを特徴とする。
本発明のガス処理装置によれば、処理ガスをシャワー状に噴出するガス拡散板と、当該ガス拡散板の上方の拡散空間において横方向に前記処理ガスを吐出して分散させるための複数のガス分散部と、上流側が前記各ガス分散部に共通する共通流路をなし、途中で分岐して下流側が当該各ガス分散部に接続されると共に、前記共通流路から各ガス分散部に至るまでの長さが互いに揃えられた処理ガスの流路と、を備えている。そして、前記ガス分散部は、前記拡散空間を平面で見たときに当該拡散空間の中心部周りに中心が各々位置すると共に前記拡散空間の周方向に沿った複数の円に沿い、１つの円において複数ずつ前記拡散空間の中心部からの距離が互いに異なるレイアウトで設けられる。このような構成により、基板の面内に均一性高く処理ガスを供給して、処理を行うことができる。
本発明の第１の実施形態に係る成膜装置の縦断側面図である。 前記成膜装置を構成する処理容器の天井部の斜視図である。 前記天井部に設けられるガス供給部の横断平面図である。 前記ガス供給部が形成される拡散空間の天井面の平面図である。 前記ガス供給部が設けられるガス供給ユニットの縦断側面図である。 前記ガス供給ユニットの縦断側面図である。 前記ガス供給ユニットに設けられるガス流路の平面図である。 前記ガス流路の平面図である。 前記処理容器において各ガスが供給されるタイミングを示すチャート図である。 第１の実施形態の変形例における前記天井面の平面図である。 第２の実施形態における前記天井面の平面図である。 第２の実施形態における前記ガス流路の斜視図である。 第２の実施形態の変形例における前記天井面の平面図である。 前記各ガス供給ユニットに設けられるシャワーヘッドの平面図である。 第３の実施形態に係る前記ガス供給ユニットの斜視図である。 前記ガス供給ユニットの縦断側面図である。 前記ガス供給ユニットの縦断側面図である。 比較試験で用いたガス供給ユニットの平面図である。
（第１の実施形態）
本発明のガス処理装置の一実施形態である成膜装置１について、図１の縦断側面図を参照して説明する。この成膜装置１は、基板であるウエハＷを格納して処理を行う真空容器である処理容器１１を備えており、処理容器１１内はウエハＷに処理を行う処理室として構成される。そして、原料ガスであるタングステン含有ガスと、反応ガスであるＨ２（水素）ガスとを交互に繰り返し複数回、処理容器１１内に供給して、ＡＬＤによりウエハＷにＷ（タングステン）膜を形成する。ウエハＷは、例えば直径が３００ｍｍの円形に構成されている。タングステン含有ガス及びＨ２（水素）ガスはウエハＷに処理を行うための処理ガスであり、キャリアガスであるＮ２（窒素）ガスと共に、ウエハＷに供給される。
上記の処理容器１１は、概ね扁平な円形に構成されており、その側壁には、成膜処理時に当該側壁を所定の温度に加熱するためのヒーターが設けられているが、当該ヒーターについては図示を省略している。また、当該処理容器１１の側壁には、ウエハの搬入出口１２と、この搬入出口１２を開閉するゲートバルブ１３とが設けられている。搬入出口１２よりも上部側には、処理容器１１の側壁の一部をなす、縦断面の形状が角型のダクトを円環状に湾曲させて構成した排気ダクト１４が設けられている。排気ダクト１４の内周面には、周方向に沿って伸びるスリット状の開口部１５が形成されており、処理容器１１の排気口をなす。
また、上記の排気ダクト１４には、排気管１６の一端が接続されている。排気管１６の他端は真空ポンプにより構成される排気機構１７に接続されている。排気管１６には、圧力調整用のバルブにより構成される圧力調整機構１８が介設されている。後述の制御部１０から出力される制御信号に基づき、圧力調整機構１８を構成するバルブの開度が調整され、処理容器１１内の圧力が所望の真空圧力となるように調整される。
処理容器１１内には水平で円形な載置台２１が設けられており、ウエハＷはその中心が載置台２１の中心に重なるように、当該載置台２１に載置される。載置部をなす載置台２１の内部には、ウエハＷを加熱するためのヒーター２２が埋設されている。載置台２１の下面側中央部には処理容器１１の底部を貫通し、上下方向に伸びる支持部材２３の上端が接続されており、この支持部材２３の下端は昇降機構２４に接続されている。この昇降機構２４によって載置台２１は、図１に鎖線で示す下方側の位置と、図１に実線で示す上方側の位置との間を昇降することができる。下方側の位置は、上記の搬入出口１２から処理容器１１内に進入するウエハＷの搬送機構との間で、当該ウエハＷの受け渡しを行うための受け渡し位置である。上方側の位置は、ウエハＷに処理が行われる処理位置である。
図中２５は、支持部材２３において処理容器１１の底部の下方に設けられるフランジである。図中２６は伸縮自在なベローズであり、上端が処理容器１１の底部に、下端がフランジ２５に夫々接続され、処理容器１１内の気密性を担保する。図中２７は３本（図では２本のみ表示している）の支持ピンであり、図中２８は支持ピン２７を昇降させる昇降機構である。載置台２１が受け渡し位置に位置したときに、載置台２１に設けられる貫通孔１９を介して支持ピン２７が昇降して、載置台２１の上面において突没し、載置台２１と上記の搬送機構との間でウエハＷの受け渡しが行われる。
上記の排気ダクト１４の上側には、処理容器１１内を上側から塞ぐようにガス供給ユニット３が設けられている。ガス供給ユニット３は、周縁部が排気ダクト１４に沿って設けられると共に当該排気ダクト１４に支持される扁平な円形の本体部３０を備えている。この本体部３０の中央下部は、処理容器１１内を載置台２１に向かうように突出して下側突出部３１として構成され、本体部３０の中央上部は上方へと突出して上側突出部３２として構成されている。
下側突出部３１は平面視円形に構成されており、当該下側突出部３１の中央部は周縁部よりもさらに下方へと突出し、中央部と周縁部との間で段差が形成されている。この下側突出部３１の中央部の下面は、載置台２１に対向する水平で平坦な対向面として構成されており、この対向面から下方に突出するように、例えば３０個のガス分散部４１が設けられている。このガス分散部４１については後述する。下側突出部３１の下方には、円板状のシャワーヘッド３５が水平に、当該下側突出部３１の中央部の下面と、載置台２１とに各々対向するように設けられている。このシャワーヘッド３５は、処理容器１１の天井部を構成する。
シャワーヘッド３５の周縁部は、上方へと引き出されるように肉厚の構造となっており、下側突出部３１の周縁部に接続されている。そして、シャワーヘッド３５と下側突出部３１の中央部の下面との間の空間は、ガス分散部４１から吐出されるガスが拡散される拡散空間３６として構成されている。従って、上記の下側突出部３１の中央部の下面は当該拡散空間３６の天井面をなしており、以降は天井面３４として記載する。図２は、シャワーヘッド３５の一部を切り欠くことにより、天井面３４及び拡散空間３６を示した斜視図である。この拡散空間３６は、扁平な円形に構成されている。
図１に示すように、シャワーヘッド３５の下面の周縁部は下方に突出し、平面で見てシャワーヘッド３５の中心を中心とする同心円状の環状突起３７及び環状突起３８を構成する。ただし、図２では環状突起３７、３８の表示は省略している。これらの環状突起３７、３８は気流制御用の突起であり、環状突起３８は環状突起３７の外側に設けられている。環状突起３７は処理位置における載置台２１の周縁部に近接し、そのように載置台２１に近接したときの当該環状突起３７の内側で、シャワーヘッド３５と載置台２１とに挟まれる空間は、ウエハＷの処理空間４０として構成される。
また、シャワーヘッド３５について、環状突起３７の内側領域では、シャワーヘッド３５の厚さ方向に各々穿孔された多数のガス噴出孔３９が分散して配設されており、従って、ガス噴出孔３９を介して処理空間４０及び拡散空間３６が連通する。このシャワーヘッド３５においては、隣接するガス噴出孔３９間の距離が互いに等しくなるように、各ガス噴出孔３９が穿孔されている。なお、図示の便宜上、各図においてガス噴出孔３９の個数は、実際の個数よりも少なく示している。
図３は、上記のガス分散部４１の横断平面図である。ガス分散部４１は扁平な円形に構成され、その上側の中心部にはガス導入口４２が設けられている。そして、ガス分散部４１の側面には多数のガス吐出口４３が周方向に、等間隔で開口している。ガス導入口４２から供給されたガスは、各ガス吐出口４３から水平方向に吐出され、上記の拡散空間３６において分散される。
ガス供給ユニット３には、上記のガス分散部４１のガス導入口４２に既述の各ガスを導入するためのガス流路５が形成されている。このガス流路５の概要を説明すると、上流側が例えば３０個のガス分散部４１に共通する共通流路をなし、この共通流路の下流側がトーナメントの組み合わせを決める線図状に階段状に分岐して上記のガス導入口４２に接続される。さらに説明すると、上記の共通流路の下流側は６つに分岐して上流側分岐路を形成し、各上流側分岐路が５つずつ分岐して下流側分岐路を形成して、当該各下流側分岐路の下流端がガス導入口４２に接続される。そして、各ガス導入口４２に供給されるガスの流量及び流速を互いに揃えるために、上記の共通流路から各ガス分散部４１のガス導入口４２までの長さが互いに揃うように構成されると共に、各上流側分岐路の幅、各下流側分岐路の幅も互いに揃うように構成されている。また、各ガス分散部４１は、ウエハＷの面内各部で均一性の高い成膜処理を行うために、図２に示すように拡散空間３６をなす天井面３４の周方向且つ径方向において、互いに離れて配置されている。
天井面３４の平面図である図４も参照しながら、ガス分散部４１のレイアウトについて、さらに詳しく説明する。また説明にあたり、同じ上流側分岐路に接続される５つのガス分散部４１を、同じグループに属するガス分散部４１とする。図中の点Ｐ１は拡散空間３６の天井面３４の中心であり、載置台２１の中心と重なる。この点Ｐ１を中心とする仮想の円Ｒ０上に位置する６つの点Ｐ２を中心とする各仮想の円をＲ１として示している。各点Ｐ２は周方向に等間隔で位置しており、各円Ｒ１の直径は同一である。一つの円Ｒ１上には同じグループに属する５つのガス分散部４１の各中心と、このグループとは異なるグループに属する１つのガス分散部４１の中心とが位置している。そして、このように同じ円Ｒ１上にその中心が位置する６つのガス分散部４１は、当該円Ｒ１の周方向に沿って等間隔で配置されている。
また、同じグループに属するガス分散部４１のうち、最も点Ｐ１寄りに位置するガス分散部４１は、その中心が点Ｐ１を中心とする仮想の円Ｒ２上に位置している。つまり、円Ｒ２上には６つのガス分散部４１の中心が位置しており、これら６つのガス分散部４１は、円Ｒ２の周方向に沿って等間隔で配置されている。平面で見て、円Ｒ２上に位置するガス分散部４１の中心と点Ｐ１との距離は、例えば４３．３ｍｍであり、平面で見て最も点Ｐ１から離れた位置に位置するガス分散部４１の中心と、点Ｐ１との距離は例えば１２９．９ｍｍである。従って、各ガス分散部４１は、ウエハＷの周端位置よりも拡散空間３６の中心寄りの位置に配置されている。なお、拡散空間３６の直径は、例えば３１０ｍｍである。
続いて、上記のガス流路５について図１と、ガス供給ユニット３の縦断側面図である図５及び図６とを参照しながら説明する。図５は、図４におけるＡ−Ａ′矢視断面図、図６は図４におけるＢ−Ｂ′矢視断面図である。なお、これらのＡ−Ａ′矢視断面及びＢ−Ｂ′矢視断面は、既述の拡散空間３６の中心の点Ｐ１を通る断面であり、向きが互いに９０°異なる断面である。
上記のガス供給ユニット３の上側突出部３２内の上部側には、後述する各ガス供給源から各ガスが供給される水平流路５１が形成されている。この水平流路５１は、扁平で水平な流路として構成され、拡散空間３６の中心部の上方に位置している。この水平流路５１には、当該水平流路５１の上方側からガスを導入する２つのポート７０が接続されており、各ポート７０には後述するガス供給管７１、７２の下流端が各々接続される。各ポート７０からガス流路５の各下流端までの流路の長さを揃えるために、当該各ポート７０は水平流路５１の中心部に向かって開口している。そして、この水平流路５１において横方向に互いに離れた両端部から、各々垂直下方へと伸びる垂直流路５２が形成されている。垂直流路５２の下端は、扁平で水平に形成された水平流路５３の横方向に互いに離れた両端部に接続されている。
また、水平流路５３の中心部から垂直下方へ伸びる垂直流路５４が形成されている。平面で見た垂直流路５４の中心は、図４に示した拡散空間３６の中心の点Ｐ１に一致している。以上のポート７０、水平流路５１、垂直流路５２、水平流路５３及び垂直流路５４は、上記のガス流路５の概要として述べた、各ガス分散部４１にガスを供給するために共通して用いられる共通流路に該当する。
そして垂直流路５４の下方側には、６つの水平流路５５が設けられている。各水平流路５５は水平方向に伸びる直線状に形成されている。６つの水平流路５５の基端は互いに一致しており、上記の垂直流路５４の下端は、この水平流路５５の基端に接続されている。そして、６つの水平流路５５の先端は、拡散空間３６の周縁部へ向かうように、平面で見て放射状に伸びている。
各水平流路５５の先端から垂直下方へ伸びるように垂直流路５６が形成されており、当該垂直流路５６の下端は、直線状に形成された水平流路５７の一端に接続されている。この水平流路５７は、平面で見て拡散空間３６の中心部側から周縁部側へと伸びるように水平に形成されている。また、当該水平流路５７の他端から垂直下方へ伸びるように垂直流路５８が形成されている。図７は、平面で見た垂直流路５４、水平流路５５、垂直流路５６、水平流路５７及び垂直流路５８を示しており、垂直流路５８の中心は、図４で説明した点Ｐ２に一致している。水平流路５５、垂直流路５６、水平流路５７及び垂直流路５８は、ガス流路５の概要として述べた上流側分岐路を構成する。
そして垂直流路５８の下方側には、５つの水平流路５９が設けられている。各水平流路５９は水平方向に伸びる直線状に形成されている。５つの水平流路５９の基端は互いに一致しており、５つの水平流路５５の先端は、拡散空間３６の周縁部へ向かうように、平面で見て放射状に伸びている。上記の垂直流路５８の下端は、水平流路５９の基端に接続されている。各水平流路５９の先端から垂直下方へ伸びる垂直流路５０が形成されており、垂直流路５０の下端は、上記のガス分散部４１のガス導入口４２に接続されている。水平流路５９及び垂直流路５０は、ガス流路５の概要として述べた下流側分岐路を構成する。また、図８は、平面で見た垂直流路５８、水平流路５９、垂直流路５０及びガス分散部４１を示している。
流路の長さ及び流路の径について、２本の垂直流路５２間、６本の水平流路５５間、６本の垂直流路５６間、６本の水平流路５７間、６本の垂直流路５８間、３０本の水平流路５９間、３０本の垂直流路５０間においては夫々同じになるように構成されている。流路の長さについてさらに説明すると、共通流路の下流端である垂直流路５４の下端から各ガス分散部４１のガス導入口４２へ至るまでの各流路の長さは、互いに揃っている。また、上記のように共通流路５４の上流端であるポート７０から各ガス導入口４２に至るまでの流路の長さも互いに揃っている。
ところで、流路の長さが揃うとは、流路の長さが例えば±１％の誤差範囲内に収まることである。具体的に述べると、垂直流路５４の下端から１つのガス分散部４１のガス導入口４２に至るまでの流路の長さをＡｍｍ（Ａは実数）としたときに、当該垂直流路５４の下端から他のガス分散部４１に至るまでの流路が、Ａ−（Ａ×１／１００）ｍｍ〜Ａ＋（Ａ×１／１００）ｍｍの範囲内に収まる長さとなるように形成されている場合には、流路の長さは揃っている。つまり、各流路の長さが同一では無く、装置の組立て精度の誤差や設計精度の誤差などによってばらつきが有る場合も、流路の長さは揃っているものとする。なお、少なくともこのように共通流路の下流端から各ガス分散部４１に至るまでの長さが揃っていれば、共通流路から各ガス分散部４１に至るまでの長さが揃うことに含まれる。
上記のようにガス流路５が構成されることで、各ガス分散部４１のガス導入口４２に供給されるガスの流量及び流速は互いに揃えられる。流量が互いに揃うとは、１つのガス分散部４１に供給されるガスの流量をＢｍＬ／分（Ｂは実数）としたときに、例えば他のガス分散部４１に供給されるガスの流量が±３％の誤差範囲内に収まること、即ち、各ガス分散部４１に供給されるガスの流量がＢ−（Ｂ×３／１００）ｍＬ／分〜Ｂ＋（Ｂ×３／１００）ｍＬ／分の範囲内に収まることを言う。流速が互いに揃うとは、１つのガス分散部４１に供給されるガスの流速をＣｍ／秒（Ｃは実数）としたときに、例えば他のガス分散部４１に供給されるガスの流量が±３％の誤差範囲内に収まることを言う。
ところで上記のガス供給ユニット３の本体部３０及び下側突出部３１は、複数のブロックが上下に積層されることで構成されており、各ブロックには、垂直方向に形成された貫通孔及び／または溝が設けられている。当該貫通孔は、既述したガス流路５における垂直流路を構成する。また、上記の溝はブロックの上部に形成されており、当該ブロックの上側に積層されたブロックによって溝の上方が塞がれることで、既述したガス流路５における水平流路が形成される。
図５、図６を用いて各ブロックについて説明する。図中６１は垂直流路５０をなす貫通孔を備えた扁平な円形のブロックであり、その下方には上記のガス分散部４１が設けられる。図中６２は扁平なブロックであり、その上側に水平流路５９をなす溝を備え、当該溝の端部にはブロック６１の貫通孔と共に垂直流路５０をなす貫通孔が形成されている。また、ブロック６２の下面には周方向に５つの凹部６３が形成され、当該ブロック６２に形成された貫通孔は当該凹部６３内に開口する。１つのブロック６２に設けられる５つの各凹部６３には、５つのブロック６１が各々収納され、この５つのブロック６１に各々設けられるガス分散部４１は、同じグループに属する。
図中６４は扁平な円形のブロックであり、その上側に水平流路５７をなす溝を備え、当該溝の端部には垂直流路５８をなす貫通孔が形成されている。当該貫通孔はブロック６４の下面に形成された凹部６５内に開口しており、凹部６５にはブロック６２が収納される。上記の天井面３４は、これらのブロック６１、６２、６４の下面により構成されている。図中６６は扁平な円形のブロックであり、その上側に水平流路５５をなす溝を備え、当該溝の端部には垂直流路５８をなす貫通孔が形成されている。当該貫通孔はブロック６６の下面に形成された凹部６７内に開口しており、凹部６７にはブロック６４の上部が収納される。
図中６８は扁平なブロックであり、その上側に水平流路５３をなす溝を備え、当該溝内には垂直流路５４をなす貫通孔が開口している。図中６９は扁平なブロックであり、垂直流路５２の下部側をなす貫通孔を備え、当該貫通孔は、ブロック６９の下側に設けられる凹部６０内に開口している。ブロック６８は凹部６０にブロック６９を収納した状態で、ブロック６６上に配置される。以上説明した、各ブロックによりガス供給ユニット３の本体部３０及び下側突出部３１が構成される。ブロック６９の上方には上側突出部３２を構成するためのブロックが設けられ、当該ブロックによって図１で説明した上記のポート７０と水平流路５１と垂直流路５２の上部側とが形成されるが、このブロックの図示は省略する。
続いて、上記のポート７０に接続されたガス供給管７１、７２について、図１を参照して説明する。ガス供給管７１の上流端は、バルブＶ１を介してタングステン含有ガスの供給源７３に接続されている。さらにガス供給管７１のバルブＶ１の下流側にはガス供給管７４の一端が接続されており、ガス供給管７４の他端はバルブＶ２を介してＮ２（窒素）ガスの供給源７５に接続されている。ガス供給管７２の上流端は、バルブＶ３を介してＨ２ガスの供給源７６に接続されている。さらにガス供給管７２のバルブＶ２の下流側にはガス供給管７７の一端が接続されており、ガス供給管７７の他端はバルブＶ４を介してＮ２（窒素）ガスの供給源７８に接続されている。
上記のＮ２ガスは成膜処理中に常時、各ポート７０に連続して供給される。このように供給されるＮ２ガスは、ポート７０にタングステン含有ガス及びＨ２ガスのうちのいずれも供給されていないときには、処理空間４０に残留するタングステン含有ガスまたはＨ２ガスを除去するパージガスとして作用する。そして、ポート７０にタングステン含有ガス、Ｈ２ガスが供給されるときには、これらタングステン含有ガス、Ｈ２ガスを処理容器１１内に安定して導入するためのキャリアガスとして作用する。
また、成膜装置１には、コンピュータからなる制御部１０が設けられている。制御部１０は、プログラム、メモリ、ＣＰＵからなるデータ処理部などを備えている。プログラムには、制御部１０から成膜装置１の各部に制御信号を送り、後述する成膜処理及を実行することができるように命令（ステップ）が組み込まれている。具体的には、各バルブＶの開閉のタイミング、圧力調整機構１８による処理空間４０の圧力、載置台２１のヒーター２２によるウエハＷの温度や、ヒーター２２及び処理容器１１の側壁のヒーターによる処理空間４０の温度などが、上記のプログラムによって制御される。このプログラムは、例えば、コンパクトディスク、ハードディスク、ＭＯ（光磁気ディスク）などの記憶媒体に格納されて制御部１０にインストールされる。
続いて、成膜装置１による成膜処理について、図９のタイミングチャートも適宜参照して説明する。このタイミングチャートは、各ガスについて、ガス流路５への供給が行われるタイミング及び供給が停止されるタイミングを示している。また、当該タイミングチャートは、後述の各ステップＳ１〜Ｓ４が実施されるタイミングについても示している。
先ず、処理容器１１内が排気されて、所定の圧力の真空雰囲気とされた状態でゲートバルブ１３が開かれ、処理容器１１に隣接する真空雰囲気の搬送室から搬送機構によってウエハＷが、処理容器１１内の下方の受け渡し位置に位置する載置台２１上に搬送される。支持ピン２７の昇降による載置台２１へのウエハＷの受け渡し、及び搬送機構の処理容器１１からの退出が行われると、ゲートバルブ１３が閉鎖され、載置台２１が処理位置へと上昇して、処理空間４０が形成される。この載置台２１の上昇中に、当該載置台２１のヒーター２２によってウエハＷは所定の温度になるように加熱される。
バルブＶ２、Ｖ４が開かれて、処理空間４０にＮ２ガスが供給される。続いてバルブＶ１が開かれて、ガス供給源７３からタングステン含有ガスがガス供給ユニット３のガス流路５に供給される（チャート中、時刻ｔ１）。ガス流路５においては、既述のように上流端のポート７０から各ガス分散部４１に至るまでの各流路の長さが揃えられており、タングステン含有ガスは、各ガス分散部４１に流量及び流速が揃うように供給される。そして、ガス分散部４１は、拡散空間３６の周方向且つ径方向に互いに離れるように分散して配置されているため、上記のようにガス分散部４１に供給されたタングステン含有ガスは、拡散空間３６の各部に均一性高く供給されて、シャワーヘッド３５からウエハＷに向けてシャワー状に噴出される。その結果、ウエハＷの面内の各部において、均一性高くタングステン含有ガスが吸着される（ステップＳ１）。
続いて、バルブＶ１が閉じられ（時刻ｔ２）、ガス分散部４１からのタングステン含有ガスの供給が停止し、当該ガス分散部４１から供給されるＮ２ガスによって、ウエハＷに吸着されずに処理空間４０に残留しているタングステン含有ガスがパージされる（ステップＳ２）。然る後、バルブＶ３が開かれて、ガス供給源７６からＨ２ガスがガス流路５に供給され（時刻ｔ３）、タングステン含有ガスと同様に、各ガス分散部４１に流量及び流速が揃うように供給されて、シャワーヘッド３５からウエハＷに向けて噴出される。その結果、ウエハＷの面内の各部に均一性高い流量でＨ２ガスが供給され、当該Ｈ２ガスがウエハＷに吸着されたタングステン含有ガスと反応し、タングステンの薄層が反応生成物として形成される（ステップＳ３）。その後、バルブＶ３が閉じられ（時刻ｔ４）、ガス分散部４１からのＨ２ガスの供給が停止し、当該ガス分散部４１から供給されるＮ２ガスによって、タングステン含有ガスと反応せずに処理空間４０に残留しているＨ２ガスがパージされる（ステップＳ４）。
然る後、バルブＶ１が開放され（時刻ｔ５）、ウエハＷに再びタングステン含有ガスが供給される。つまり、図４に示した上記のステップＳ１が行われる。以降、ステップＳ２〜Ｓ４が行われ、その後はさらにステップＳ１〜Ｓ４が行われる。このようにステップＳ１〜Ｓ４が繰り返し複数回行われることで、タングステンの薄層がウエハＷの表面に積層されてタングステン膜が形成され、その膜厚が上昇する。上記のようにウエハＷの表面の各部に均一性高く、タングステン含有ガス及びＨ２ガスが各々供給されることにより、ウエハＷの面内の各部における当該タングステン膜の膜厚の均一性は比較的高い。ステップＳ１〜Ｓ４が所定の回数、繰り返し行われると、載置台２１が下降し、処理容器１１への搬入時とは逆の手順で、ウエハＷの処理容器１１からの搬出が行われて、成膜処理が終了する。
この成膜装置１においては、ガスが導入されるポート７０を含む共通流路の下流側が分岐して多数のガス分散部４１に接続されるように形成されたガス流路５がガス供給ユニット３に設けられている。そして、各ガス分散部４１に供給されるガスの流量及び流速が揃うように、共通流路から各ガス分散部４１に至るまでの流路の長さが揃えられている。さらに、ガス分散部４１は、平面で見た拡散空間３６の中心の点Ｐ１を中心とする円Ｒ０上に位置すると共に互いに周方向に離れた複数の点Ｐ２を中心とする各円Ｒ１上に設けられ、１つの円Ｒ１上には点Ｐ１からの距離が互いに異なるようにガス分散部４１が複数設けられる。従って、ガス分散部４１は、拡散空間３６において周方向且つ径方向に分散して配置されている。このような構成により、拡散空間３６の各部に均一性高くタングステン含有ガス及びＨ２ガスを各々供給することができ、このように拡散した各ガスを拡散空間３６の下方のシャワーヘッド３５を介してウエハＷに供給することができるので、ウエハＷの面内に均一性高い膜厚で成膜を行うことができる。
続いて、第１の実施形態の変形例について説明する。この変形例における成膜装置と、既述した第１の実施形態の成膜装置１とでは、処理容器１１の天井面３４に設けられるガス分散部４１の数が異なることが挙げられる。図１０は、この変形例の成膜装置の天井面３４を示しており、当該変形例の天井面３４においては図４で示した天井面３４に設けられるガス分散部４１のうちの一部が設けられていないことにより、計１５個のガス分散部４１が設けられている。上記のように上流側分岐路に接続されているガス分散部４１を１つのグループとすると、この変形例において１つのグループに属するガス分散部４１は２個または３個である。同じグループに属するガス分散部４１については、図４で説明した円Ｒ１上において等間隔に配置されており、同じグループに属する３個のガス分散部４１が配置された円Ｒ１、同じグループに属する２個のガス分散部４１が配置された円Ｒ１が、周方向に交互に位置する。また、第１の実施形態と同様に、円Ｒ２上には、６つの各グループのガス分散部４１が配置されている。
この変形例におけるガス流路５については、例えば下流端を構成する３０個の垂直流路５０のうちの１５個がガス分散部４１に接続されずに封止されることを除いて、第１の実施形態のガス流路５と同様に構成されている。従って、この変形例においても共通流路から各ガス分散部４１に至る各流路の長さは各々揃えられている。
（第２の実施形態）
続いて第２の実施形態の成膜装置について、第１の実施形態の成膜装置１との差異点を中心に説明する。図１１は、第２の実施形態の成膜装置の天井面３４を示している。この第２の実施形態では、天井面３４において１２個のガス分散部４１が設けられており、ガス供給ユニット３には、この１２個のガス分散部４１にガスを導入するためにガス流路５の代わりにガス流路８が設けられる。図１２はガス流路８の斜視図である。
このガス流路８の概要を述べると、上流側が１２個のガス分散部４１に共通する共通流路をなし、この共通流路の下流側がトーナメントの組み合わせを決める線図状に階段状に分岐して、ガス分散部４１に接続される。より詳しく説明すると、上記の共通流路の下流側は４つに分岐して上流側分岐路を形成している。そして、各上流側分岐路の下流側が３つずつ分岐して下流側分岐路を形成してガス分散部４１に接続されている。従って、同じ上流側分岐路に接続されるガス分散部４１は３つであり、第２の実施形態の説明では、この３つを同じグループに属するガス分散部４１とする。
第１の実施形態と同じく、平面で見た拡散空間３６の中心の点Ｐ１を中心とする円Ｒ０上に位置する点Ｐ２を中心とする円をＲ１とする。円Ｒ０については、図１１では、図の煩雑化を避けるために表示を省略している。点Ｐ２及び円Ｒ１は、この第２の実施形態では４つ、周方向に等間隔で設定されるものとし、１つの円Ｒ１には互いに同じグループに属する３つのガス分散部４１の中心が位置する。そして、同じグループに属するガス分散部４１のうち、最も点Ｐ１寄りに位置するガス分散部４１は、その中心が点Ｐ１を中心とする円Ｒ２上に位置している。つまり、円Ｒ２上には４つのガス分散部４１の中心が位置している。また、中心が円Ｒ２上に位置していないガス分散部４１の中心は、その中心が点Ｐ１を中心とし、円Ｒ２の直径より大きい直径を有する円Ｒ３上に位置している。
続いて、ガス流路８について詳しく説明する。このガス流路８は垂直方向に伸びる垂直流路８１を備えており、平面視この垂直流路８１の中心は、拡散空間３６の中心点Ｐ１に重なる。この垂直流路８１の上端には図１で説明した、ガス供給ユニット３に各ガスを供給するためのガス供給管７１、７２の下流端が各々接続される。従って垂直流路８１は、ガス流路８の概要で述べた共通流路に相当する。そして垂直流路８１の下方側には、４つの水平流路８２が設けられている。これらの水平流路８２は平面視十字を描くように互いに異なる方向に、水平に各々の先端が伸びるように形成されると共に、その基端は互いに一致している。上記の垂直流路８１の下端は、この水平流路８２の基端に接続されている。
水平流路８２の先端は、平面視当該水平流路８２の延長方向に直線状に伸びる傾斜流路８３の基端に接続される。この傾斜流路８３は、その先端に向かうにつれて下降するように傾斜している。この水平流路８２及び傾斜流路８３は、上記のガス流路８の概要で述べた上流側分岐路に相当する。傾斜流路８３の先端は、扁平な円形空間８４の中心部上に接続されている。この円形空間８４の中心は、上記の点Ｐ２上に位置している。各円形空間８４の側方からは、平面視放射状に３本の水平流路８５が直線状に伸び出し、この水平流路８５の先端は、垂直方向に伸びる垂直流路８６の上端に接続されている。垂直流路８６の下端は、ガス分散部４１に接続されている。円形空間８４、水平流路８５及び垂直流路８６は、上記の下流側分岐路として構成されている。
流路の長さ及び流路の径について、４本の水平流路８２間、４本の傾斜流路８３間、１２本の水平流路８５間、１２本の垂直流路８６間においては夫々同じになるように構成されており、４つの円形空間８４間における大きさも互いに同じである。このように構成されることで、垂直流路８１から各ガス分散部４１に至るまでの流路の長さは互いに揃えられており、各ガス分散部４１のガス導入口４２へ供給されるガスの流量及び流速についても互いに揃う。従って、第２の実施形態の成膜装置についても第１の実施形態の成膜装置１と同様に、ウエハＷの面内の各部において膜厚の均一性が高くなるように成膜を行うことができる。
図１３は、第２の実施形態の変形例についての天井面３４におけるガス分散部４１の配置を示している。この変形例では、第２の実施形態とはガス流路８を構成する円形空間８４から水平流路８５が伸び出す方向が異なる。それによって、一つのグループ内において拡散空間３６の中心の点Ｐ１に最も近い位置のガス分散部４１と当該点Ｐ１との距離が、グループ毎に異なっている。この変形例に示すように、グループ間において点Ｐ１とガス分散部４１との距離を同じにすることには限られない。
なお、第１の実施形態及び第２の実施形態では共通流路が上流側分岐路に分岐し、さらに下流側分岐路に分岐する。つまり、２段に分岐しているが、分岐の段数は２段にすることに限られず、１段であってもよいし、３段以上であってもよい。また、Ｐ２を中心とする１つの円Ｒ１上に配置されるガス分散部４１の数としては上記の例に限られず、４つや５つ以上であってもよい。
また、シャワーヘッドとしては既述のシャワーヘッド３５のように構成することに限られない。図１４は、シャワーヘッド９１の下面を示している。以下、このシャワーヘッド９１について、シャワーヘッド３５との差異点を中心に説明する。シャワーヘッド９１においてもシャワーヘッド３５と同様に、環状突起３７の内側において、多数のガス噴出孔３９が形成されている。図中の鎖線で囲まれる領域９２は載置台２１の中心部に対向し、当該領域９２において互いに隣接するガス噴出孔３９の距離はＬ１である。領域９２の外側の領域９３は載置台２１の周縁部に対向し、当該領域９３において互いに隣接するガス噴出孔３９の距離は、距離Ｌ１よりも小さいＬ２である。このシャワーヘッド９１はこのように距離Ｌ１、Ｌ２が設定されることで、シャワーヘッド３５に比べて、（ウエハＷの周縁部に供給されるガスの量／ウエハＷの中心部に供給されるガスの量）を大きくすることができる。そして、そのようにガスの量を調整することによって、ウエハＷの面内における膜厚分布の調整を行うことができる。このシャワーヘッド９１は、本明細書で述べる各実施形態及び各実施形態の変形例に適用することができる。
（第３の実施形態）
続いて、第３の実施形態の成膜装置に設けられるガス供給ユニット１０１について、第１の実施形態の成膜装置１に設けられるガス供給ユニット３との差異点を中心に説明する。このガス供給ユニット１０１としては、ガス供給ユニット３に対してガス分散部４１の配置及び設けられる個数について異なっている。図１５は、ガス供給ユニット１０１の下面側斜視図について示している。ただしこの図１５においては、ガス分散部４１が示されるように、シャワーヘッド３５の表示は省略している。また、図１６、図１７は、既述の図５、図６と同様に、互いに９０°向きが異なるガス供給ユニット１０１の縦断面を示しており、各縦断面は拡散空間３６の中心の点Ｐ１を通る。なお、図１６、図１７では、断面を示したガス分散部４１以外のガス分散部４１についての表示は省略している。
このガス供給ユニット１０１については、天井面３４の中心の点Ｐ１上に１つのガス分散部４１が配置され、さらにこの点Ｐ１を中心とする同心円に沿って、ガス分散部４１が２列で配置されている。同心円に沿って設けられたガス分散部４１については、周方向に互いに等間隔で配置されている。同心円のうち内側の円に沿って８個のガス分散部４１が配置されており、この８個のガス分散部４１を内側グループとする。そして同心円のうち外側の円に沿って１６個のガス分散部４１が配置されており、この１６個のガス分散部４１を外側グループとする。
このガス供給ユニット１０１のガス流路について説明すると、第１の実施形態で述べた垂直流路５２の下方に、平面で見て比較的大きな面積を持つと共に天井面３４の中心部上に位置する扁平空間１０２が設けられている。この扁平空間１０２から下方へ垂直に流路１０３が伸び出し、点Ｐ１上に位置するガス分散部４１に接続される。
また、扁平空間１０２の下方の８箇所から流路１０４が斜め下方に伸び出しており、これら８つの流路１０４は平面視放射状に形成されている。そして、８つの流路１０４の下流側は垂直方向に向かうように屈曲し、内側グループのガス分散部４１に各々接続されている。さらに、扁平空間１０２の下方の１６箇所から流路１０５が斜め下方に伸び出しており、これら１６個の流路１０５は平面視放射状に形成されている。そして、１６個の流路１０５の下流側は垂直方向に向かうように屈曲し、外側グループのガス分散部４１に各々接続されている。平面で見て、各流路１０４の上端及び各流路１０５の上端は点Ｐ１を囲む同心円上に配置されている。流路１０３、１０４、１０５は互いに長さが異なる。なお、流路１０３〜１０５、扁平空間１０２は、第１の実施形態のガス流路５と同様、凹部や溝や貫通孔が形成されたブロックを積層することで形成される。
この第３の実施形態については、拡散空間３６の中心部にガス分散部４１が設けられ、さらに拡散空間３６の中心から離れた位置に、当該拡散空間３６の中心を中心とする同心円に沿ってガス分散部４１が配置されるため、拡散空間３６の各部に均一性高くガスを供給し、ウエハＷの面内の各部において均一性の高い膜厚で成膜を行うことができる。なお、第３の実施形態について、既述のように配置されたガス分散部４１のうち一部を取り外し、そのように取り外された当該ガス分散部４１にガスを供給するための流路については封止することで、拡散空間３６における処理ガスの分布を適宜調整することができる。
ＡＬＤを行う成膜装置を実施形態として示したが、本発明はＣＶＤを行う成膜装置についても適用することができ、その場合もウエハＷの面内の各部に均一性高く処理ガスを供給して成膜処理を行うことができる。また、本発明は成膜装置に適用されることには限られず、ウエハＷに処理ガスを供給してエッチングを行うエッチング装置にも適用することができる。なお、本発明は既述した例には限られず、適宜変更したり組み合わせたりガス種を変更したりすることができる。ガス種を変更する場合、例えばＴｉＣｌ４ガス、ＮＨ３ガスを用いることによるＴｉＮ膜の形成などを行うことができる。
以下、本発明に関連して行われた評価試験について説明する。評価試験１として、シミュレーションにより、第２の実施形態で説明したガス流路８を備えた成膜装置を設定し、処理ガスをウエハＷに供給したときの当該ウエハＷの面内における処理ガスのモル分率について、標準偏差１σを算出した。このシミュレーションでは、シャワーヘッド３５からウエハＷの表面までの高さを２ｍｍに設定している。処理ガスの供給時間は０．１秒とした。
また比較試験１として、シミュレーションによりガス流路８の代わりにガス流路１１１を備えた成膜装置を設定した。図１８はこのガス流路１１１の概略を示した平面図である。このガス流路１１１は、垂直下方に向けてガスを供給する垂直流路１１２と、垂直流路１１２の下端が接続され、天井面３４の中心部上で水平に、平面視放射状にガスを拡散させるための８つの水平流路１１３と、水平流路１１３の先端から２つに分岐して形成され、斜め下方に向けて伸びると共にその先端にガス分散部４１が接続される傾斜流路１１４とを備えている。この傾斜流路１１４に接続されるガス分散部４１は天井面３４の中心の点Ｐを中心とする仮想の円Ｒ４に沿って配置されている。
さらに上記の垂直流路１１２からは下方に流路（図示は省略している）が伸び、当該流路は天井面３４の中心部に設けられたガス分散部４１に接続されている。従って、円Ｒ４に沿って配置されたガス分散部４１と、天井面３４の中心部に設けられたガス分散部４１とでは、これらのガス分散部４１に共用される垂直流路１１２に至るまでの流路の長さが異なっている。比較試験１では、このようにガス流路の構成が異なることを除いては、評価試験１と同じ条件でシミュレーションを行い、ウエハＷの面内における成膜ガスのモル分率について標準偏差１σを算出した。
評価試験１で算出された１σは３．８５×１０％であり、比較試験１で算出された１σは３．６５×１０４％であった。このように比較試験１よりも評価試験１の方が、１σについて小さかった。従って、評価試験１では、ウエハＷの面内により均一性高く成膜ガスが供給されており、この評価試験１から本発明の効果が示された。
評価試験２として、図１０で説明した第１の実施形態の変形例である成膜装置を用いてウエハＷに成膜処理を行った。そしてウエハＷの表面に形成された膜について、面内の各部におけるシート抵抗（ｏｈｍ／ｓｑ）を測定した。このシート抵抗の平均値は４．１９ｏｈｍ／ｓｑであり、１σ／平均値×１００（単位：％）は１３．８９％であった。この値は、比較試験１で説明したガス流路１１１を備えた成膜装置を用い、評価試験２と同様の評価試験を行って得られた１σ／平均値×１００と大きな差は無かった。しかし、この評価試験２では、ガス分散部４１の配置やガス分散部４１のガス吐出口４３の孔径を調整することで、さらに１σ／平均値×１００を、即ちウエハＷの面内における膜厚の均一性を改善することができると考えられる。
Ｗ ウエハ
１ 成膜装置
１１ 処理容器
１７ 排気機構
２１ 載置台
３ ガス供給ユニット
３４ 天井面
３５ シャワーヘッド
３６ 拡散空間
３９ ガス噴出孔
４１ ガス分散部
４３ ガス吐出孔
５ ガス流路

Claims (6)

  1. 真空雰囲気である処理室内の基板に対して処理ガスを供給して処理を行うガス処理装置において、
    前記処理室に設けられ、前記基板が載置される載置部と、
    前記載置部の上方側に位置する天井部を構成し、前記処理ガスをシャワー状に噴出するための複数のガス噴出孔が形成されるガス拡散板と、
    前記ガス拡散板の上方側に前記処理ガスの拡散空間を介して対向する対向部に設けられ、前記拡散空間に横方向に前記処理ガスを分散させるために周方向に沿って複数のガス吐出口が各々形成される複数のガス分散部と、
    上流側が前記各ガス分散部に共通する共通流路をなし、途中で分岐して下流側が当該各ガス分散部に接続されると共に、前記共通流路から各ガス分散部に至るまでの長さが互いに揃えられた前記処理ガスの流路と、
    を備え、
    前記ガス分散部は、前記拡散空間を平面で見たときに当該拡散空間の中心部周りに、中心が各々位置すると共に前記拡散空間の周方向に沿った複数の第１の円に沿い、１つの前記第１の円において複数ずつ、前記拡散空間の中心部からの距離が互いに異なるレイアウトで配置されることを特徴とすることを特徴とするガス処理装置。
  2. 前記流路は、前記共通流路から前記ガス分散部に至るまで、トーナメントの組み合わせを決める線図状に階段状に分岐されるように形成されていることを特徴とする請求項１記載のガス処理装置。
  3. 一つの前記第１の円に沿って３つ以上の前記ガス分散部が配置されることを特徴とする請求項１または２記載のガス処理装置。
  4. 各第１の円に沿って配置される複数の前記ガス分散部は、前記拡散空間の中心部に中心が位置する第２の円に沿って配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載のガス処理装置。
  5. 前記ガス拡散板は、前記載置台の中心部に対向する第１の対向領域と、前記載置台の周縁部に対向する第２の対向領域とを備え、
    前記第１の対向領域は、前記第２の対向領域よりも隣接する前記ガス噴出孔同士の間隔が大きいことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載のガス処理装置。
  6. 真空雰囲気である処理室内の基板に対して処理ガスを供給して処理を行うガス処理方法において、
    前記処理室に設けられる載置部に前記基板を載置する工程と、
    前記載置部の上方側に位置する天井部を構成するガス拡散板に形成される複数のガス噴出孔から前記処理ガスをシャワー状に噴出する工程と、
    前記ガス拡散板の上方側に前記処理ガスの拡散空間を介して対向する対向部に設けられ、周方向に沿って複数のガス吐出口が各々形成される複数のガス分散部から前記拡散空間に横方向に前記処理ガスを吐出して分散させる工程と、
    上流側が前記各ガス分散部に共通する共通流路をなし、途中で分岐して下流側が当該各ガス分散部に接続されると共に、前記共通流路から各ガス分散部に至るまでの長さが互いに揃えられた流路に前記処理ガスを供給する工程と、
    を備え、
    前記ガス分散部は、前記拡散空間を平面で見たときに当該拡散空間の中心部周りに、中心が各々位置すると共に前記拡散空間の周方向に沿った複数の円に沿い、１つの前記円において複数ずつ、前記拡散空間の中心部からの距離が互いに異なるレイアウトで配置されることを特徴とすることを特徴とするガス処理方法。
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