JP3649267B2

JP3649267B2 - 反応ガス噴射ヘッド

Info

Publication number: JP3649267B2
Application number: JP29160297A
Authority: JP
Inventors: 由紀夫福永; 弘行篠崎; 究塚本; 真佐雄斉藤
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1996-10-11
Filing date: 1997-10-08
Publication date: 2005-05-18
Anticipated expiration: 2017-10-08
Also published as: JPH10168572A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜気相成長装置に用いる反応ガス噴射ヘッドに係り、特に、チタン酸バリウム／ストロンチウム等の高誘電体又は強誘電体薄膜を気相成長させるのに好適な反応ガス噴射ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体産業における集積回路の集積度の向上はめざましく、現状のメガビットオーダから、将来のギガビットオーダを睨んだＤＲＡＭの研究開発が行われている。かかるＤＲＡＭの製造のためには、小さな面積で大容量が得られる素子が必要である。このような大容量素子の製造に用いる誘電体薄膜として、誘電率が１０以下であるシリコン酸化膜やシリコン窒化膜に替えて、誘電率が２０程度である五酸化タンタル（Ｔa₂Ｏ₅ ）薄膜、あるいは誘電率が３００程度であるチタン酸バリウム（ＢaＴiＯ₃ ）、チタン酸ストロンチウム（ＳrＴiＯ₃ ）又はこれらの混合物であるチタン酸バリウムストロンチウム等の金属酸化物薄膜材料が有望視されている。このような金属酸化物薄膜を気相成長させる際には、１又は複数の有機金属化合物のガス原料と酸化ガスとを混合し、一定の温度に加熱した被成膜基板に噴射する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、有機金属化合物ガスと酸化ガスの混合ガスを安定供給できる温度域は狭く、基板へ導く途中で温度の不均一などがあるとガスの凝縮や分解が起こりやすい。ここで、例えば混合ガスの流路が長くなると、原料ガスと酸化ガスの混合ガスが流路の温度変動の影響を受けやすく、基板へ到達する前の早期反応により析出物を生成しやすくなる。このように生成した析出物は、ガス放出孔を閉塞させたり、あるいは下流に流れて基板を汚染する原因となる。
【０００４】
また、原料ガスと酸化ガスの混合をノズルを出てから行うようにした場合、ノズル穴での詰まりは減少させることができるが、基板に至る短い過程で均一な混合状態を得るのが難しい。充分な混合状態を得ようとすると、ノズル穴を細かく分布させたり、基板までの距離を大きくするなどの必要があり、装置の複雑化や肥大化を招き、実用的でない。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みて為されたもので、濃度や成分の均一な混合ガスを早期反応を防止しつつ安定した状態で基板に向けて均一に噴射することができる反応ガス噴射ヘッドを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、多数のガス噴射孔を有するノズル盤と背板の間に環状の第１混合空間及び円盤状の第２混合空間を形成する噴射ヘッド本体と、前記背板側から前記噴射ヘッド本体に接続されて前記第１混合空間に少なくとも２種の反応ガスを供給するガス供給配管とを備え、前記ノズル盤と背板の間には、前記ガス供給配管からの前記少なくとも２種の反応ガスを個別に前記第１混合空間の周辺部に導くガス分配流路が形成され、前記第１混合空間の周辺部は、前記少なくとも２種の反応ガスを偏向させて前記第２混合空間の縁部から中心部に向かうガスの流れを形成するように構成されていること特徴とする反応ガス噴射ヘッドである。
【０００７】
ガス分配流路の形状は、適宜のもの、例えば、放射状が採用され、また単に平板の間の隙間により形成してもよい。このような構成により、少なくとも２種の反応ガスはガス分配流路によりそれぞれ独立にガス混合空間の周辺部まで導入され、さらにガス混合空間の中心側へ流れる。この周辺部では各々のガスが周方向に拡散しつつ中心に向かってほぼ１８０度向きが変わるので激しく流れが乱され、効率的に混合が行われる。ガス混合空間への流入過程では、流れが円盤状空間の縁部から中心に向かうと同時に混合空間へ流入したガスは、ノズル盤の多数のノズル孔を通して混合ガスが順次噴出するため、基板へ向けての均一なガス噴射が得られる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、前記第１混合空間の周辺部には傾斜面が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の反応ガス噴射ヘッドである。
請求項３に記載の発明は、前記ノズル盤と前記背板の間には少なくとも２枚の分配板が配置され、これらの背板及び分配板の間に前記ガス分配流路が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の反応ガス噴射ヘッドである。これにより、例えば、これらの部材に溝や突条を形成することにより、簡単な構成で任意の形状のガス分配流路を形成することができ、単にこれらの間の隙間をそのまま用いてもよい。また、背板と分配板、及び分配板どうしの密着性を維持すれば、分配板と背板の間の熱伝導を良好にし、分配板の温度を背板により間接的に制御することができる。従って、内部に熱媒体流路を形成せずにガス分配流路の温度制御を精密に行ってガス分配流路での反応ガスの凝縮や分解を抑制することができる。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、前記ガス分配流路の開口部間隔は、周長で４５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の反応ガス噴射ヘッドである。なお、前記ガス混合空間内の前記分配板と前記ノズル盤の間に、多数のガス分散孔を有する分散板が設けられていることが好ましく、これにより、ノズル盤の上流にガス分散空間が形成され、ノズル盤面上流側でのガス混合の促進と共に圧力分布を均一化し、これによりノズル盤から基板へ向けてのガス噴射の均一化が図られる。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、前記第１混合空間と前記第２混合空間の境界部には、周方向に延びる狭隘部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の反応ガス噴射ヘッドである。なお、前記ガス混合空間の周辺部の壁は、前記ガス分配流路出口から前記ガス混合空間の中央部に向かうに従い内側に向かうように傾斜していることが好ましく、これにより、ガス混合空間の周辺部では強い乱流を発生させ、各々のガスが周方向に拡散しながら混合する。更に縁部の急角度の偏向により、ガス混合空間の中心側に向けて濃度分布の均一な一様なガスの流れを生成することができる。
【００１１】
請求項６に記載の発明は、前記ガス分配流路及び前記ノズル盤とを所定温度に維持するための温度維持手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の反応ガス噴射ヘッドである。これにより、ガス分配流路及びノズル盤の温度制御を精密に行って、その結果、輻射や伝熱で間接的に加熱される混合空間やガス分散板を含め、ガス分配流路及び各ノズル流路での反応ガスの凝縮や分解を抑制することができる。
【００１２】
なお、前記反応ガスの流路断面積を、下流になるに従い減少するようにしてもよい。つまり、供給配管、ガス分配流路、ガス分散孔及び前記ガス噴射孔の各流路断面積（の各地点での総和）をＳ₁，Ｓ₂，Ｓ₃，Ｓ₄ とすると、
Ｓ₁＞Ｓ₂，Ｓ₃＞Ｓ₄
の関係が成立するようにする。これにより、分配板を通してその周囲の混合空間に均一に分配させると共に、混合空間の圧力を均一にしてガス噴射孔からのガス噴出を均一なものにすることができる。
また、上記ガス混合空間の周辺部と上記ガス混合空間の中央部の間に周方向に延びる狭隘部を形成してもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図１ないし図６を参照して、本発明の一つの実施の形態を説明する。この薄膜気相成長装置は、成膜室１０を構成する釜状の容器本体１２と、容器底部１４の中央に開口する筒状部１６内を昇降可能なサセプタ（基板保持手段）１８と、容器本体１２の頂部に取り付けられたシャワーヘッド（原料ガス噴射ノズル）２０とを備えている。
【００１４】
これら容器本体１２、底部１４及び筒状部１６とシャワーヘッド２０には、オイルのような熱媒体を流通させる熱媒体流路２２，２４，２６，２８ａ，２８ｃが形成され、これらの流路は外部配管３０を介して、ポンプ等の抽送手段３２、及びヒータ等の加熱手段３４からなる熱媒体ユニット３６に流通している。また、必要箇所を冷却するために冷却水循環ユニットが設けられている（図示せず）。容器底部１４には、生成ガスを排気する排気孔３８が開口し、これは図示しない真空ポンプに連結している。
【００１５】
サセプタ１８は支持軸４０を介して成膜室１０の下方に配置された昇降装置４２に連結され、これにより筒状部１６の中を昇降する。筒状部１６の所定高さには、搬送用のロボット４４を有するロボット室４６に向かう位置に基板搬送口４８が開口しており、これはベローズ（通路）５０を介してロボット室４６のゲート５２に接続されている。この基板搬送口４８にはパージガス供給口５４が開口している。サセプタ１８には基板Ｗを加熱するためのヒータ５６が設けられ、所定位置に取り付けられた基板温度センサの検出値に基づいて該ヒータ５６への電力を調整して基板温度を一定に維持するようにしている。
【００１６】
シャワーヘッド２０は、成膜対象の基板Ｗに対向して配置されるノズル盤６０と背板６２及び周壁６４によってほぼ円盤状のガス混合空間６６を形成する噴射ヘッド本体６８と、前記背板６２側から前記噴射ヘッド本体６８に接続されて前記ガス混合空間６６に少なくとも２種の反応ガスを供給するガス供給配管７０とを備えている。ガス供給配管７０は同軸の多重管であり、中心にはノズル盤面に達する熱電対（温度センサ）７２が挿入されている。
【００１７】
ノズル盤６０は、基板Ｗよりやや大きい径に設定され、上側に延びる上記周壁６４と一体に形成されており、これによりノズル盤６０の上側に凹所を形成している。図６に示すように、ノズル盤６０には、多数のジェットノズル形状のガス噴射孔７４を有するノズル要素７６が装着され、上記熱媒体流路２８ａが各ノズル要素７６を取り囲むように形成されている。２８ｂ，２８ｂ’は各々の熱媒体のノズル盤６０への出入口である。上記凹所には、以下に説明するように、複数の平板状部材が順次装着されている。
【００１８】
ノズル盤６０の上側には、多数のガス分散孔７８を有する分散板８０が配置され、ノズル盤６０との間にガス分散空間８２が形成されている。分散板８０の縁部には上下に延びる筒状壁８４が形成されて、上下にガス混合空間を形成している。ガス分散孔７８は、ノズル盤６０のガス噴射孔７４と互い違いになるように配置されており、その総流路断面積Ｓ₃はガス噴射孔７４の総流路断面積Ｓ₄より大きく設定されている。分散板８０の筒状壁８４の上端に接するように背板６２が装着され、背板６２の中央には、同軸の多重管である上記ガス供給配管が挿入されている。
【００１９】
周壁６４の内面、背板６２の上面、ガス供給配管７０の外面を覆うように外被８６が設けられ、これと周壁６４の間にはシールリング８８が配されて内部を密閉している。この外被８６と背板６２の上面及びガス供給配管７０の外面の間には、図５に示すように熱媒体流路２８ｃが形成されており、ガス供給配管７０と分配板９２，９４とを加熱している。
【００２０】
背板６２と分散板８０の間の空間には、図２に示すように、それぞれ上面に放射状の溝（ガス分配流路）９０が形成された上下２枚の分配板９２，９４が装着されている。これらの溝９０は、この例では各分配板９２，９４において同数が周方向同位置に軸対称に形成されている。ガス供給配管７０の外側のガス供給路９６は上側の分配板９２と背板６２の間の溝９０に、内側のガス供給路９８は上下の分配板９２，９４の間の溝９０に、それぞれ分配板９２，９４の中央のガス分配凹所１００を介して連通するようになっている。
【００２１】
分配板９２，９４の外周と分散板８０の筒状壁８４の間には環状の第１混合空間６６ａが形成され、下側の分配板９４と分散板８０の間には円盤状の第２混合空間６６ｂが形成され、これらの第１混合空間６６ａと第２混合空間６６ｂがガス混合空間６６を構成している。この例では、筒状壁８４の内面が分散板８０に向かうに従い内側に向く傾斜面１０２となっており、分配板９２，９４の溝９０から放出されたガスを混合し反射して第２混合空間６６ｂにスムースに導くようになっている。なお、上側の分配板９２と背板６２、及び分配板９２，９４どうしは溝以外の箇所では密着しており、背板６２との熱伝導性を良好にしている。背板６２は熱媒体流路２８ｃにより所定の温度に維持されているので、分配板９２，９４の温度も原料ガスの凝縮や分解が起きない温度に維持される。
【００２２】
このシャワーヘッドにおいては、反応ガス、すなわち、原料ガスと酸化ガスの流路は、その管路断面積が、下流に向かうに従い順次減少するように設定されている。すなわち、ガス供給配管７０の２つの供給路９６，９８の断面積の和Ｓ₁、２つの分配板９２，９４の溝９０の断面積の総和Ｓ₂、分散板８０のガス分散孔７８の断面積の総和Ｓ₃、ノズル盤６０のガス噴射孔７４の断面積の総和Ｓ₄の間には、
Ｓ₁＞Ｓ₂，Ｓ₃＞Ｓ₄
と関係がある。これにより、これらの各流路、即ち分配板９２，９４の各溝９０やガス分散空間でのガスの背圧を維持して圧力変動を抑えるように制御し、ガス噴射孔７４からの面内均一なガス噴射が得られる。
【００２３】
また、分配板９２，９４の溝の数については、ガス量の周方向の分布の均一性を確保するために多く設けることが好ましいが、加工工数の点からは少ない方が好ましい。本例では、分配板周縁部の溝９０の開口部間隔が、周長で４５mmより小さければ全く問題がないことが分かっている。
【００２４】
このように構成された反応ガス噴射ヘッドの作用を説明する。反応ガス、すなわち、原料ガスと酸化ガスは、図示しない供給源からガス供給配管７０にそれぞれ導入される。原料ガスは、例えば、Ｂa（ＤＰＭ）₂ 、Ｓr（ＤＰＭ）₂ 及びＴi（i−ＯＣ₃Ｈ₇）₄ 等の有機金属化合物を溶剤に溶解したものが混合されて気化され、Ａr等のキャリアガスに搬送させられたものであり、酸化ガスは、例えば、Ｏ₂ ，Ｎ₂Ｏ，Ｈ₂Ｏ等の酸素含有ガス、あるいはこれにオゾナイザにより生成されたオゾン（Ｏ₃）を含むようにしたものである。
【００２５】
反応ガスは、ガス供給配管７０（本例では原料ガスは供給路９６から、酸化ガスは供給路９８）から導入され、ガス分配凹所１００、溝９０を介してそれぞれ独立に環状の第１混合空間６６ａに噴射され、傾斜面１０２に当たって偏向して円盤状の第２混合空間６６ｂに中央に向けて流入する。原料ガスと酸化ガスは、この過程で拡散・混合されるが、特に第１混合空間６６ａにおいては、溝９０の先端から周方向に広がりながら出口が絞られた傾斜面１０２に沿って下降する複雑な流れとなるので、流れの乱れが形成されて充分に撹拌され、均一に混合される。
【００２６】
一方、第２混合空間６６ｂでは、ガスは周囲から流入して中心に向かい、その過程で分散板８０のガス分散孔７８から順次分散空間８２に流入する。この分散空間８２では、流量の多い周辺部では流路断面積が大きく、流量が少ない中心部では流路断面積が小さいので、流れがスムースで圧力変動や乱流が生じにくい。分散空間８２では、分散板８０及びノズル要素７６による断面積の変化（Ｓ₃＞Ｓ₄）の作用によって背圧を維持し、ほぼ均一で安定な圧力分布が達成されており、各ノズル７６要素のガス噴射孔７４から均一な反応ガスの噴射が行われる。
【００２７】
上記において、熱媒体は熱媒体ユニット３６から熱媒体配管３０を介してノズル盤６０、周壁６４、及び外被８６と背板６２の間の熱媒体流路２８に供給されており、これにより各部を所定温度に維持している。背板６２と上側の分配板９２、及び分配板９２，９４どうしは溝９０以外の箇所で密着させられており、分配板９２と背板６２及び分配板９２，９４どうしの間の熱伝導が良好な状態になっている。従って、分配板９２，９４の温度を背板６２により間接的に制御し、ガス分配流路９０の温度制御を精密に行ってガス分配流路９０での反応ガスの凝縮や分解を抑制することができる。
【００２８】
図７は、この発明の他の実施の形態を示すものである。この実施の形態においては、第１混合空間６６ａと第２混合空間６６ｂの境界部に狭隘部１０４を形成している。すなわち、同図（ａ）の実施の形態では、下側の分配板９４の下面縁部に周方向に延びる凸部１０６が形成され、一方、同図（ｂ）の実施の形態では、分散盤８０の上面の傾斜壁１０２の下部に、周方向に延びる凸部１０８が形成されている。狭隘部１０４の流路断面積は、第１混合空間６６ａのそれと同じかより小さい適宜の値を選択する。
【００２９】
このような構成により、第１混合空間６６ａの背圧を維持して、外周から中心へ向けた第２混合空間６６ｂへのガスの流入を周方向で均一に制御し、第２混合空間６６ｂにおいて均一で安定な圧力分布を形成することができる。従って、分散板８０から分散空間８２に至るガス流れの面内均一性を予め確保して、最終的にノズル盤６０の各噴射孔７４からのガス流れの面内均一性を高めることができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、少なくとも２種の反応ガスをガス分配流路によりそれぞれ独立にガス混合空間の周辺部まで導入してからガス混合空間の中心側へ偏向させて強制的に混合しさらに、ガス混合空間への流入過程では、流れが円盤状空間の縁部から中心に向かうので、圧力変動や乱流の発生が起きにくく、混合ガスの反応や分解が抑制される。従って、ノズル孔より濃度や成分を均一とした反応生成物や不純物の無い反応ガスを基板に向けて噴射して、品質の良い成膜を安定して行なうことができ、これによって、反応ガスの温度に対する安定条件の厳しい高誘電率の誘電体薄膜の形成への対応も容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の薄膜気相成長装置の概略を示す断面図である。
【図２】本発明の実施例の反応ガス噴射ヘッドの断面図である。
【図３】本発明の反応ガス噴射ヘッドを分解して示す斜視図である。
【図４】本発明の反応ガス噴射ヘッドの分配板を示す図である。
【図５】図２のＡ−Ａ矢視図である。
【図６】ノズル要素の要部断面図である。
【図７】本発明の他の実施例の反応ガス噴射ヘッドの断面図である。
【符号の説明】
２８熱媒体流路
３６熱媒体ユニット
６０ノズル盤
６２背板
６６ガス混合空間
６８噴射ヘッド本体
７０ガス供給配管
７４ガス噴射孔
７８ガス分散孔
８０分散板
９０ガス分配流路
９２，９４分配板
１０２傾斜壁
１０４狭隘部

Claims

多数のガス噴射孔を有するノズル盤と背板の間に環状の第１混合空間及び円盤状の第２混合空間を形成する噴射ヘッド本体と、前記背板側から前記噴射ヘッド本体に接続されて前記第１混合空間に少なくとも２種の反応ガスを供給するガス供給配管とを備え、
前記ノズル盤と背板の間には、前記ガス供給配管からの前記少なくとも２種の反応ガスを個別に前記第１混合空間の周辺部に導くガス分配流路が形成され、
前記第１混合空間の周辺部は、前記少なくとも２種の反応ガスを偏向させて前記第２混合空間の縁部から中心部に向かうガスの流れを形成するように構成されていることを特徴とする反応ガス噴射ヘッド。
前記第１混合空間の周辺部には傾斜面が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の反応ガス噴射ヘッド。
前記ノズル盤と前記背板の間には少なくとも２枚の分配板が配置され、これらの背板及び分配板の間に前記ガス分配流路が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の反応ガス噴射ヘッド。
前記ガス分配流路の開口部間隔は、周長で４５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の反応ガス噴射ヘッド。
前記第１混合空間と前記第２混合空間の境界部には、周方向に延びる狭隘部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の反応ガス噴射ヘッド。
前記ガス分配流路及び前記ノズル盤とを所定温度に維持するための温度維持手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の反応ガス噴射ヘッド。