JP3720083B2 - 半導体素子用薄膜の製造方法および装置、並びに半導体ウェハ - Google Patents
半導体素子用薄膜の製造方法および装置、並びに半導体ウェハ Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、液体原料を用いて基板上に半導体素子用の薄膜を形成する半導体素子用薄膜の製造方法に係わり、特に半導体製造の生産性向上を図るのに好適な半導体素子用薄膜の製造方法およびその装置、並びに半導体ウェハに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子用の薄膜の形成（以下、薄膜の形成のことを、適宜、成膜ともいう）に液体原料を用いる従来技術の一例として、特開平６−６１４５０号公報に開示されているようにペンタエトキシタンタル（Ｔa(ＯＣ2Ｈ5)5）を使ってＤＲＡＭ用の容量絶縁膜として利用される酸化タンタル（Ｔa2Ｏ5）薄膜を形成する技術や、ＴＥＯＳ（Ｓi(ＯＣ2Ｈ5)4）を使って二酸化珪素（ＳiＯ2）薄膜を形成する技術などがある。
【０００３】
上記のような薄膜形成技術のうち、ＳiＯ２薄膜の形成方法の例について説明する。図２２はそのＳiＯ２薄膜を形成する半導体素子用薄膜の製造装置の構成図である。この半導体素子用薄膜の製造装置において、真空容器１０５は真空排気部１０６により真空排気され、ウェハ１０４はサセプタ１０３上に保持されヒータ１３１によって約４５０℃に加熱される。上記真空容器１０５、サセプタ１０３、ヒータ１３１は気相化学反応装置１０１を構成する。
【０００４】
液体原料１２７は液体原料タンク１２５内で一定の温度（６０℃）に保たれており、液体原料送出用ガス供給部１２８から供給され液体原料バブリングガス用流量制御装置１２９によって流量制御されたバブリング用不活性ガスによってバブリングされて気化し、約１００℃に加熱されたヒータ付ガス供給管１２３を通りシャワーヘッド１２０から真空容器１０５に導入される。また、ガス供給部１０８から供給され流量制御装置１８３で流量制御された原料ガスもガス供給管１８１を介してシャワーヘッド１２０から真空容器１０５に導入される。なお、シャワーヘッド１２０にはシャワーヘッド用ヒータ１２１が設けられており、このシャワーヘッド用ヒータ１２１およびその前のヒータ付ガス供給管１２３は液体原料１２７の気化を促進するはたらきも有する。そして、真空容器１０５に導入された液体原料１２７および原料ガスは熱分解反応し、ウェハ１０４上にＳiＯ２薄膜が形成される。
【０００５】
また、前述の特開平６−６１４５０号公報のペンタエトキシタンタル（Ｔa(ＯＣ2Ｈ5)5）を使った酸化タンタル（Ｔa2Ｏ5）薄膜の形成過程は、上記二酸化珪素（ＳiＯ2）薄膜の形成過程とほぼ同様である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような酸化タンタル薄膜や二酸化珪素薄膜の形成方法では、成膜の行われる真空容器１０５の外においてバブリングにより液体原料１２７を気化するためにその気化効率が低く、液体原料１２７の気化がヒータ付ガス供給管１２３やシャワーヘッド１２０内で充分に進展せず、気化されなかった液体原料１２７が一部液体のままそれらの内部に存在したり、気化した液体原料１２７がヒータ付ガス供給管１２３やシャワーヘッド１２０の壁面に再度凝縮して液体になったりすることがある。この液体のまま存在した液体原料１２７はヒータ付ガス供給管１２３やシャワーヘッド１２０の壁面で不必要な膜となり、その膜が堆積すると場合によってはヒータ付ガス供給管１２３やシャワーヘッド１２０等の配管類の閉塞の原因になったり、剥離した膜が飛散してウェハ１０４上に到達して素子の不良の原因になったりする。
【０００７】
これらの障害を取り除くためには製造装置を停止し、清掃してから再立ち上げすることが必要となり、その間には製造を行うことができないため半導体製造の生産性が著しく損なわれる。
【０００８】
本発明の目的は、液体原料の気化効率を向上して装置内への不必要な膜の形成を防止し、半導体製造の生産性を向上させることができる半導体素子用薄膜の製造方法および装置、並びに半導体ウェハを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明によれば、薄膜となる少なくとも一部の液体原料を、薄膜が形成される空間内で微粒子化してから気化させ、基板表面に供給することにより基板上に半導体素子用の薄膜を形成する半導体素子用薄膜の製造方法において、前記液体原料を微粒子化してから気化させる気化機構と、その気化機構と前記基板を収容する容器を有しかつその容器内を所定圧力および所定温度に保つ成膜機構とを用い、かつ前記気化機構として、同心状の気化ノズル外管及び気化ノズル内管からなる二重管構造を有し、前記気化ノズル内管の開口より液体原料と気体の一方を噴出し、前記気化ノズル外管の前記開口の周辺より液体原料と気体の他方を噴出し、液体原料と気体を衝突させることで液体原料を微粒子化する気化機構を用い、前記液体原料と気体の流量比（気体の流量／液体原料の流量）を５００以上とし、前記液体原料を噴射する開口を含む面の法線を回転軸として旋回させながら、前記液体原料を噴出することを特徴とする半導体素子用薄膜の製造方法が提供される。
【００１２】
また、上記気化機構としては、好ましくは、上記気化ノズル内管の開口より液体原料を噴出し、上記気化ノズル外管の上記開口の周辺より前記液体原料に向かって気体を噴出し衝突させる気化機構を用いる。
【００１３】
上記の場合、気体の噴出方向を、液体原料を噴射する開口を含む面の法線に対して傾斜させるのが好ましい。
【００１４】
あるいは、液体原料の噴出方向を、その液体原料を噴射する開口を含む面の法線に対して傾斜させてもよい。
【００１５】
さらに、好ましくは、上記気化ノズル内管の液体原料を噴射する開口に至る流路内を加熱手段で加熱し、前記液体原料の蒸気を発生させる。
【００１６】
また、気化機構としては、好ましくは、上記気化ノズル内管の開口より気体を噴出し、上記気化ノズル外管の前記開口の周辺より前記気体に向かって液体原料を噴出し衝突させる気化機構を用いる。
【００１７】
上記の場合、液体原料の噴出方向を、気体を噴射する開口を含む面の法線に対して傾斜させるのが好ましい。
【００１８】
あるいは、気体の噴出方向を、その気体を噴射する開口を含む面の法線に対して傾斜させてもよい。
【００１９】
さらに、好ましくは、上記気化ノズル外管の液体原料流路を加熱手段で加熱し、前記液体原料の蒸気を発生させる。
【００２０】
さらに、上記のような半導体素子用薄膜の製造方法において、気化機構への液体原料の供給を薄膜の形成過程中に連続的に行ってもよいし、逆に、間欠的に行ってもよい。
【００２１】
さらに、液体原料の微粒子化用気体を噴射する開口を含む面の法線を回転軸として旋回させながら、その気体を噴出させてもよい。
【００２２】
また、気化機構への液体原料の供給を、好ましくは、その液体原料の貯蔵側と噴射される側の圧力差を利用して行なう。
【００２３】
さらに、気化機構を、好ましくは一個用いる。または、気化機構を、好ましくは複数個用いる。
【００２４】
また、気化機構への気体の供給を、その気化機構への液体原料の供給に先立って行うのが好ましい。
【００２５】
また、気化機構への液体原料の供給停止を、その気化機構への気体の供給停止に先立って行うのが好ましい。
【００２６】
また、好ましくは、気化機構により微粒子化した液体原料の微粒子の分布を、前記容器内の前記基板上方で均一にする整流手段を用いる。
【００２７】
また、半導体素子用薄膜の製造方法において、好ましくは、前記成膜機構が化学蒸着を行う機構である。
【００２８】
また、本発明によれば、上記のような半導体素子用薄膜の製造方法を用いて製造された半導体ウェハが提供される。
【００２９】
また、本発明によれば、基板上に半導体素子用の薄膜を形成する半導体素子用薄膜の製造装置において、前記薄膜となる少なくとも一部の液体原料を微粒子化してから気化させる気化機構と、その気化機構および前記基板を収容する容器を有すると共にその容器内を所定圧力および所定温度に保つ成膜機構とを備え、前記気化機構は、同心状の気化ノズル外管及び気化ノズル内管からなる二重管構造を有し、前記気化ノズル内管の開口より液体原料と気体の一方を噴出し、前記気化ノズル外管の前記開口の周辺より液体原料と気体の他方を噴出し、液体原料と気体を衝突させることで液体原料を微粒子化する構造を有し、前記液体原料と気体の流量比（気体の流量／液体原料の流量）を５００以上とし、前記液体原料を噴射する開口を含む面の法線を回転軸として旋回しながら、前記液体原料を噴出させる旋回手段を設けたことを特徴とする半導体素子用薄膜の製造装置が提供される。
【００３０】
上記半導体素子用薄膜の製造装置において、好ましくは、前記気化機構が、上記気化ノズル内管の開口より液体原料を噴出し、上記気化ノズル外管の上記開口の周辺より液体原料に向かって気体を噴射し衝突させる構造を有する。
【００３１】
あるいは、上記半導体素子用薄膜の製造装置において、好ましくは、前記気化機構が、上記気化ノズル内管の開口より気体を噴出し、上記気化ノズル外管の上記開口の周辺より気体に向かって液体原料を噴出し衝突させる構造を有する。
【００３２】
【作用】
上記のように構成した本発明においては、薄膜となる少なくとも一部の液体原料をその薄膜が形成される空間内で微粒子化してから気化させることにより、従来のバブリング等による方法よりも気化の効率が高くなる。このことと、上記微粒子化を薄膜が形成される空間内で行うことにより、前述の従来技術のようにヒータ付ガス供給管やシャワーヘッド等の配管類の中、その他の装置の部材に液体原料が凝縮するようなことがなくなり、不必要な膜が形成されない。従って、配管類の閉塞や、剥離した膜のウェハ上への飛散が起こらず、製造装置を停止する必要もなくなり生産性が向上する。
【００３３】
上記の場合、液体原料の微粒子化および気化は気化機構で行ない、基板を収容する容器内で薄膜の形成が行われる。その際、上記容器内は成膜機構により所定圧力および所定温度に保たれる。
【００３４】
また、液体原料の他に気体原料が必要な場合は、液体原料を微粒子化および気化させ基板表面に供給する際に、その気体原料も同時に供給することにより、薄膜の形成が行なわれる。
【００３５】
上記気化機構においては、液体原料を噴射する開口を設けておき、その開口の周辺の気体流路より液体原料に向かって気体を噴出し、その液体原料に衝突させることにより、微粒子化が行われる。
【００３６】
また、上記とは逆に、液体原料を微粒子化するための気体を噴射する開口を設けておき、その開口の周辺の液体原料流路より気体に向かって液体原料を噴出しても同様である。
【００３７】
さらに、液体原料と噴出方向と気体の噴出方向とを傾斜させることにより、液体原料と気体とは或る角度を持って衝突することになり、微粒子化された液体原料の供給される範囲、従って気化した液体原料の供給される範囲がある程度の広がりを持つことになる。このため、上記傾斜を適当に選択することにより、より広い範囲に液体原料の微粒子、従って気化した液体原料を供給することが可能となる。前述の液体原料を噴射する開口周辺より気体を噴出する場合において、上記のように両者の噴出方向を傾斜させる方法としては、気体の噴出方向を、液体原料を噴射する開口を含む面の法線に対して傾斜させるか、液体原料の噴出方向を、その液体原料を噴射する開口を含む面の法線に対して傾斜させればよい。一方、前述の気体を噴射する開口周辺より液体原料を噴出する場合において、上記のように両者の噴出方向を傾斜させる方法としては、液体原料の噴出方向を、気体を噴射する開口を含む面の法線に対して傾斜させるか、気体の噴出方向を、その気体を噴射する開口を含む面の法線に対して傾斜させればよい。
【００３８】
また、液体原料を噴出する際に、それを旋回させながら噴出させれば、その旋回運動のために液体原料の噴出速度のうち、開口を含む面の法線方向への速度成分は小さくなり、液体原料の気体への衝突の頻度が大きくなる。従って、液体原料の微粒子化の効率が向上する。さらに、気体を噴出する際に、それを旋回させながら噴出させても同様の作用を奏することが可能となる。
【００３９】
上記気化機構の個数は、一個でも複数個でもよいが、複数個にした場合は、液体原料の濃度の均一性を各気化機構で分担出来るので、一個の気化機構における均一に供給すべき範囲を小さくすることが可能となり、液体原料の気化効率が高くなる。また、基板表面に対する液体原料の供給量を各気化機構で分担でき、各気化機構において微粒子化すべき液体原料の量を減少させて各気化機構の大きさを小さく出来る。
【００４０】
また、気化機構への気体の供給を、気化機構への液体原料の供給に先立って行うことにより、液体原料が気化されないままで基板に到達することがない。
【００４１】
また、気化機構への液体原料の供給停止を、気化機構への気体の供給停止に先立って行うことにより、気化機構からの液体原料の液だれを防止でき、容器内に液体原料が残留することがない。
【００４２】
また、整流手段を用いて、微粒子化した液体原料の微粒子の分布を、容器内の基板上方で均一にすることにより、気化効率が一段と改善され、基板に均一に薄膜を形成させることが可能となる。
【００４３】
また、液体原料を加熱手段で加熱し、液体原料の蒸気を発生させることにより、流路内の液体原料の体積の膨張をもたらし、液体原料の微粒子はさらに微小となる。この微小な粒子に気体が衝突することによって液体原料の微粒子化が一層促進され、液体原料の気化効率がさらに向上する。また、加熱手段の制御により微小な粒子の発生状況を簡単に制御出来る。
【００４４】
【実施例】
本発明の第１の実施例について、図１から図４を参照しながら説明する。本実施例は、減圧気相化学蒸着によって半導体の基板であるウェハ表面に半導体素子用の薄膜を蒸着する実施例である。
【００４５】
図１に示すように、本実施例の半導体素子用薄膜の製造装置は、気相化学反応装置１、気化機構２、真空排気部６、ガス処理部７、ガス供給部８、予備室９、壁面温度制御部１０を備える。気相化学反応装置１は、真空容器５の中に、ウェハ（半導体の基板）４を載置するサセプタ３、およびヒータ３１を収容することによって構成され、また真空容器５には真空計１１が取り付けられている。気化機構２において、液体原料２７は液体原料タンク２５に貯められており、液体原料送出用ガス供給部２８から液体原料送出用ガス配管２６を介して送られた液体原料送出用のガスによって圧され、その圧送された液体原料２７が液体原料供給流量制御装置２４で流量が調整されつつ液体原料供給管２３および液体原料供給バルブ２２を介して真空容器５上方に取り付けられた気化ノズル２１に供給される。ガス供給部８からは、キャリアガス（不活性ガス）や気体原料がガス供給バルブ８２およびガス供給管８１を介して気化ノズル２１に供給される。
【００４６】
真空排気部６は、真空排気配管６１、真空排気バルブ６２、排気配管６３を備え、排気されるガスがガス処理部７によって処理される。予備室９は真空容器５内への気密性を保ちながらウェハ４の出し入れを行うためのものであって、ウェハハンドラ９１、予備室第一ゲートバルブ９２、予備室第二ゲートバルブ９３を備える。壁面温度制御部１０は、壁面温度制御用第１配管１０ａおよび壁面温度制御用第２配管１０ｂを有し、真空容器５内の温度を制御する。上記のうち、真空容器５、真空排気部６、ガス処理部７、壁面温度制御部１０等は成膜機構を構成する。
【００４７】
上記のような構成の半導体素子用薄膜の製造装置による成膜時の手順を説明する。まず、真空容器５を真空排気部６により真空排気する。次に、ガス供給部８からの不活性ガスを真空容器５に導入する。続いて、不活性ガスの供給を停止し、再度真空容器５を真空排気部６により真空排気する。このような真空排気および不活性ガスの導入を数回繰り返して、真空容器５内のガス置換を行う。次に、予備室９中に保持されたウェハ４を第１ゲートバルブ９２を開いてヒータ３１に加熱されたサセプタ３上に搬入する。そして、再度真空容器５内のガス置換を行う。その後、次に述べる気化機構２のはたらきによって液体原料２５と原料ガスを真空容器５内に供給して薄膜形成を行う。薄膜形成が終了すると、ガス置換を行い、サセプタ３上のウェハ４を予備室９中に置かれたウェハと交換する。以上が本実施例の半導体素子用薄膜の製造装置の製造サイクルである。
【００４８】
次に、気化機構２の動作を説明する。図２に、気化ノズル２１の先端部分付近の構造を示す。本実施例において、気化ノズル２１は、同心状の気化ノズル外管２１１および気化ノズル内管２１２からなる二重管構造をしており、液体原料２７は気化ノズル内管２１２を流れ、気体原料およびキャリアガス（不活性ガス）は気化ノズル外管２１１を流れる。図２では液体原料２７の流れを矢印Ａで、気体原料およびキャリアガスの流れを矢印Ｂで示す。（以下、図８〜図１４、図２０、図２１についても同様とする。）また、液体原料２７としては、基本的にＴＥＯＳ（Ｓi(ＯＣ2Ｈ5)4）を対象に議論を進めるが、他の液体原料を用いても同様の議論になることはいうまでもない。
【００４９】
気体原料とキャリアガスはガス供給部８から気化ノズル２１の気化ノズル外管２１１に供給され、液体原料２７は液体原料２５から気化ノズル２１の気化ノズル内管２１２に供給される。気化ノズル内管２１２に供給された液体原料２７は真空容器５内に滴下するが、その過程において、気体原料及びキャリアガスの流れは、気化ノズル外管２１１から真空容器５内に噴出する際に、気化ノズル外管２１１の壁による流れの拘束が無くなった場所で放射状の拡がりを持つ。これにより、気体原料及びキャリアガスは滴下しつつある液体原料２７に衝突し、この衝突により液体原料２７は微粒子化される。
【００５０】
上記のような衝突において生成される微粒子直径の計算例を以下に示す。
【００５１】
図２のような単純な形状のノズルによって形成される微粒子直径は、「熱（抜山四郎著、養賢堂昭和４４年４月発行）」の第１７０頁に示されているように、次式によって推定される。
【００５２】
【数１】
【００５３】
ここに、ρは密度［g／cm3］、σは表面張力［dyne／cm］、μは粘性係数［dyne・s／cm2］、ｖは液体流と気体流の間の相対速度［m／sec］、Ｑlは流体容積流量、Ｑaは空気容積流量である。またｄ0は粒子の平均直径で単位はμmである。但し、ここで粒子の平均直径は気相中で形成された直径ではなく、形成された微粒子を何らかの液体に受けて計測した際の、いわゆる受け止め直径であり、そのため、実際に気相中で形成された微粒子直径よりも約４〜５倍程度大きく算出される。
【００５４】
ここで、本実施例で用いているＴＥＯＳについて、その各物性値を、
ρ＝0.9356［g／cm3］，σ＝21.67［dyne／cm］，μ＝0.007［dyne・s／cm2］
のように定める。また、ｖについては、液体原料２７が気体原料及びキャリアガスに比べて微量しか供給されないため液体原料２７の速度を無視し、さらに気体原料及びキャリアガスがその供給管路でチョーキングしているとすると、ｖ＝300［m／sec］となる。
【００５５】
上記のようにして計算した結果を図３に示す。図３において、縦軸は微粒子直径（μm）、横軸は気体原料及びキャリアガスの流量（Ｑa）と液体原料（Ｑl）との比である。式（１）の計算結果は曲線Ｃであり、実際の微粒子形成時の微粒子直径に近くなるように曲線Ｃの値を５分の１にした曲線がＤとして示されている。
【００５６】
通常の半導体製造の過程では膜の種類によって液体原料２７と、原料ガス及びキャリアガスとの流量比は様々であるが、数100から数1000程度の範囲になる。その場合、形成される微粒子の受け止め直径は、曲線Ｃによると、Ｑa／Ｑlの比が500以上の時100μm以下となる。実際の気相中での微粒子直径は、曲線Ｄにより、概ね２０μm以下となる。
【００５７】
本実施例の半導体素子用薄膜の製造装置では、薄膜の原料（液体原料および気体原料）が真空容器５内に導入された位置から、成膜対象となるウェハ４の置かれているサセプタ３まで距離は長くても２０〜３０センチメートル程度である。従って、少なくともこの距離の間、即ち液体原料２７の微粒子がウェハ４表面に到達する前に液体原料２７が気化していることが必須になる。以下では、気化に必要な距離（気化距離）と微粒子直径との関係の観点から、本実施例によって液体原料２７を確実に気化できるかどうかについて述べる。
【００５８】
図４は、微粒子直径と気化距離の一般的な相関関係を示す図である。図４において、縦軸は気化に必要な距離（気化距離）、横軸は微粒子直径である。微粒子直径が大きくなると気化に必要な距離は加速度的に長くなる。液体原料２７の気化距離は、原料によって変化するが、例えばＴＥＯＳでは、微粒子直径が１０μm程度の場合概ね１０センチメートル、微粒子直径が５０μm程度の場合概ね３０センチメートルで、それぞれ気化する。これより、実用的な微粒子直径は５０μm以下であればよいことになる。これに対し、本実施例では前述のように微粒子直径を約２０μm以下にできるから、ウェハ４表面に到達する前に液体原料２７を確実に気化させることができる。
【００５９】
図５および図６は気化ノズル２１への液体原料２７の供給に関するタイミングチャートであり、縦軸は液体原料２７の供給量、横軸は時間である。但し、図５および図６においては、液体原料２７のみについて示したが、気体原料とキャリアガスの供給に関しても液体原料２７とほぼ同様にすればよい。
【００６０】
図５では、成膜の開始の時刻Ｆから一定時間後に定格の液体原料２７の供給量Ｈとなるようにし、液体原料２７を連続して供給し、成膜終了時の時刻Ｇに液体原料２７の供給を停止するという供給方式を用いる。このような供給方式は単純であるため、液体原料２７、気体原料およびキャリアガスの供給制御が簡単に行えると利点がある。
【００６１】
図６では図５と異なり、成膜の間、間欠的に液体原料２７の供給が行われる。即ち、成膜の開始の時刻Ｆから所定時刻ｇまで所定供給量ｈ1で液体原料２７の供給を行い、その後所定時刻ｆまでは液体原料２７の供給を停止し、所定時刻ｆから所定供給量ｈ2で液体原料２７の供給を行い、成膜終了時の時刻Ｇに液体原料２７の供給を停止するという供給方式を用いる。このような供給方式によれば細かく液体原料２７の供給を制御できるという利点がある。なお、液体原料２７の供給を２回以上の多数回に分けて間欠的に行ってもよく、かつその都度供給量を変えてもよい。
【００６２】
以上のような本実施例によれば、気化ノズル２１によって所要の大きさの液体原料２７の微粒子が得られ、微粒子化された液体原料２７はウェハ４に到達するまでに十分に気化される。従って、気化の効率が高くなり、気化が不十分な液体原料２７が真空容器５内で凝縮され真空容器５内部や配管類に不必要な膜が形成されることがない。従って、配管類の閉塞や、剥離した膜のウェハ４上への飛散が起こらず、製造装置を停止する必要もなくなり生産性が向上する。
【００６３】
また、真空容器５内で気化が行われるため、従来気化した液体原料を真空容器内に搬送するために必要だったヒータ付ガス供給管や均一に液体原料を供給するために必要だったシャワーヘッド等を必要としないため、装置の構造が簡単になり、装置の信頼性も向上する。
【００６４】
次に、本発明の第２の実施例について、図７および図８を参照しながら説明する。
【００６５】
図７は本実施例による半導体素子用薄膜の製造装置を示す構成図である。図７において、図１と同等の部材には同じ符号を付してある。また、成膜時の手順は第１の実施例と全く同じであるため、ここでは説明を省略する。本実施例では、気化ノズル２１ａに供給される液体原料２７と気体原料及びキャリアガスの配管接続が第１の実施例とは逆になっている。従って、図８に示すように、気化ノズル２１ａの構造も、気化ノズル外管２１１ａに液体原料２７が、気化ノズル内管２１２ａに気体原料及びキャリアガスが流れるようになっている。
【００６６】
このような構成でも、気体原料及びキャリアガスは液体原料２７に衝突し、この衝突により液体原料２７は微粒子化される。従って、本実施例でも前述の第１の実施例と同様の効果が得られる。
【００６７】
また、上記に加え、液体原料２７が気化ノズル外管２１１ａを流れるようになっているため、液体原料２７の温度が微粒子化に影響を及ぼす場合には、気化ノズル外管２１１ａに加熱手段または冷却手段を設ける余地があり、微粒子化前の液体原料２７の温度制御が可能になる。
【００６８】
次に、本発明の第３および第４の実施例について、それぞれ図９および図１０により説明する。
【００６９】
図９は第３の実施例による気化ノズルを、図１０は第４の実施例による気化ノズルを、それぞれ示す断面図である。第３および第４の実施例の成膜時の手順は第１の実施例と全く同じであるため、ここでは説明を省略する。図９の気化ノズル２１ｂは図２の気化ノズル２１の変形であって、気化ノズル外管２１１ｂおよび気化ノズル内管２１２ｂからなる二重管構造をしており、気体原料及びキャリアガスの噴出方向を、液体原料２７を噴出する開口２１２Ｂを含む面の法線に対して角度θ1だけ傾斜させるような形状となっている。また、図１０の気化ノズル２１ｃは図８の気化ノズル２１ａの変形であって、気化ノズル外管２１１ｃおよび気化ノズル内管２１２ｃからなる二重管構造をしており、液体原料２７の噴出方向を、気体原料及びキャリアガスを噴出する開口２１２Ｃを含む面の法線に対して角度θ2だけ傾斜させるような形状となっている。
【００７０】
図９や図１０のような構造にすれば、液体原料２７と気体原料及びキャリアガスとは角度θ1またはθ2を持って衝突することになり、微粒子化された液体原料２７の供給される範囲、従って気化した液体原料２７の供給される範囲がある程度の広がりを持つことになる。このため、より広い範囲に液体原料２７の微粒子、従って気化した液体原料２７を供給することが可能となる。
【００７１】
さらに、第４の実施例では、液体原料２７が気化ノズル外管２１１ｃを流れるようになっているため、液体原料２７の温度が微粒子化に影響を及ぼす場合には、気化ノズル外管２１１ｃに加熱手段または冷却手段を設ける余地があり、微粒子化前の液体原料２７の温度制御が可能になる。
【００７２】
次に、本発明の第５および第６の実施例について、それぞれ図１１および図１２により説明する。
【００７３】
図１１は第５の実施例による気化ノズルを、図１２は第６の実施例による気化ノズルを、それぞれ示す断面図であって、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のB-B方向の断面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のB-B方向の断面図である。第５および第６の実施例の成膜時の手順は第１の実施例と全く同じであるため、ここでは説明を省略する。図１１の気化ノズル２１ｄは図２の気化ノズル２１の変形であって、気化ノズル外管２１１ｄおよび気化ノズル内管２１２ｄからなる二重管構造をしており、液体原料２７を噴出する開口２１２Ｄ付近に開口角度が２θ3である噴射方向制御プラグ２１３を取り付け、液体原料２７の噴出方向を、その液体原料２７を噴出する開口２１２Ｄを含む面の法線に対して角度θ3だけ傾斜させる。また、図１２の気化ノズル２１ｅは図８の気化ノズル２１ａの変形であって、気化ノズル外管２１１ｅおよび気化ノズル内管２１２ｅからなる二重管構造をしており、気体原料及びキャリアガスを噴出する開口２１２Ｅ付近に開口角度が２θ4である噴射方向制御プラグ２１４を取り付け、気体原料及びキャリアガスの噴出方向を、その気体原料及びキャリアガスを噴出する開口２１２Ｅを含む面の法線に対して角度θ4だけ傾斜させる。
【００７４】
図１１および図１２のような構造にすれば、液体原料２７と気体原料及びキャリアガスとは角度θ3またはθ4を持って衝突することになり、微粒子化された液体原料２７の供給される範囲、従って気化した液体原料２７の供給される範囲がある程度の広がりを持つことになる。このため、より広い範囲に液体原料２７の微粒子、従って気化した液体原料２７を供給することが可能となる。また、上記２つの実施例では、噴射方向制御プラグ２１３または２１４のような比較的簡単な構造物を追加するだけで、より広い範囲に液体原料２７の微粒子を供給できる。
【００７５】
さらに、第６の実施例では、液体原料２７が気化ノズル外管２１１ｅを流れるようになっているため、液体原料２７の温度が微粒子化に影響を及ぼす場合には、気化ノズル外管２１１ｅに加熱手段または冷却手段を設ける余地があり、微粒子化前の液体原料２７の温度制御が可能になる。
【００７６】
次に、本発明の第７および第８の実施例について、それぞれ図１３および図１４により説明する。
【００７７】
図１３は第７の実施例による気化ノズルを、図１４は第８の実施例による気化ノズルを、それぞれ示す断面図であって、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のB-B方向の断面図、図１４（ｂ）は図１４（ａ）のB-B方向の断面図である。第７および第８の実施例の成膜時の手順は第１の実施例と全く同じであるため、ここでは説明を省略する。図１３の気化ノズル２１ｆは図２の気化ノズル２１の変形であって、気化ノズル外管２１１ｆおよび気化ノズル内管２１２ｆからなる二重管構造をしており、液体原料２７を噴出する開口２１２Ｆ付近に旋回プラグ２１５が設けられており、開口２１２Ｆを含む面の法線を回転軸として旋回プラグ２１５が旋回するようになっている。旋回プラグ２１５は流路２１５ａを有し、旋回プラグ２１５の旋回により流路２１５ａからの液体原料２７は旋回しながら流出する。また、図１４の気化ノズル２１ｇは図８の気化ノズル２１の変形であって、気化ノズル外管２１１ｇおよび気化ノズル内管２１２ｇからなる二重管構造をしており、液体原料２７の流路に旋回フィン２１６が設けられている。
【００７８】
図１３および図１４のような構造にすれば、液体原料２７が真空容器５内に噴射される前に、液体原料２７が開口２１２Ｆまたは開口２１１Ｇを含む面の法線を回転軸として旋回運動をし、その旋回運動のために、液体原料２７の噴出速度のうち開口２１２Ｆまたは開口２１１Ｇを含む面の法線方向への速度成分は小さくなり、液体原料２７の気体原料およびキャリアガスへの衝突の頻度が大きくなる。従って、液体原料２７の微粒子化の効率が向上する。また、上記２つの実施例では、旋回プラグ２１５または旋回フィン２１６のような比較的簡単な構造物を追加するだけで、性能が改善出来る。
【００７９】
さらに、第８の実施例では、液体原料２７が気化ノズル外管２１１ｇを流れるようになっているため、液体原料２７の温度が微粒子化に影響を及ぼす場合には、気化ノズル外管２１１ｇに加熱手段または冷却手段を設ける余地があり、微粒子化前の液体原料２７の温度制御が可能になる。
【００８０】
次に、本発明の第９および第１０の実施例について、それぞれ図１５および図１６により説明する。
【００８１】
図１５は第９の実施例による半導体素子用薄膜の製造装置を、図１６は第１０の実施例による半導体素子用薄膜の製造装置を、それぞれ示す構成図である。図１５および図１６において、図１と同等の部材には同じ符号を付してある。また、成膜時の手順は第１の実施例と全く同じであるため、ここでは説明を省略する。第９および第１０の実施例は、気化ノズルを複数個設けた実施例であって、図１５の構成は図１の構成における気化ノズル２１を複数個に、図１６の構成は図７の構成における気化ノズル２１ｂを複数個にしたものである。つまり、図１５と図１６とでは気化ノズル２１に供給される液体原料２７と気体原料及びキャリアガスの供給の接続が互いに逆になっている。
【００８２】
図１５や図１６のような構造にすれば、ウェハ４に供給される液体原料２７の濃度の均一性を複数個の気化ノズル２１で分担出来るので、一個の気化ノズル２１における均一に供給すべき範囲を小さくできる。このため液体原料２７の気化効率が高くなる。また、ウエハ４表面に対する液体原料２７の供給量を各気化ノズル２１で分担でき、各気化ノズル２１において微粒子化すべき液体原料２７の量を減少させて各気化ノズル２１の大きさを小さく出来る。
【００８３】
さらに、第１０の実施例では、液体原料２７が気化ノズル外管を流れるようになっているため、液体原料２７の温度が微粒子化に影響を及ぼす場合には、気化ノズル外管に加熱手段または冷却手段を設ける余地があり、微粒子化前の液体原料２７の温度制御が可能になる。
【００８４】
次に、本発明の第１１の実施例について、図１７および図１８により説明する。
【００８５】
本実施例は、液体原料２７の供給や供給停止のタイミングに関する実施例である。図１７は、本実施例における液体原料２７と、気体原料及びキャリアガスの供給時のタイミングチャートである。成膜用の原料の供給時には、まず時刻Ｌ1に気体原料及びキャリアガスが気化ノズル２１に供給され、その後一定の時間をおいて時刻Ｌ2に液体原料２７が気化ノズル２１に供給される。液体原料２７の供給に先立って気体原料及びキャリアガスが気化ノズル２１に供給されるため、液体原料２７が気化されないままでウェハ４に到達することがない。
【００８６】
図１８は、本実施例における液体原料２７と、気体原料及びキャリアガスの供給停止時のタイミングチャートである。成膜の終了時には、まず液体原料２７の供給をＫ1の時刻に停止し、それよりも後の時刻Ｋ2に気体原料及びキャリアガスの供給を停止する。気体原料及びキャリアガスの気化ノズル２１への供給停止に先立って液体原料２７の気化ノズル２１への供給停止が行われるため、気化ノズルからの液体原料２７の液だれを防止でき、真空容器５内に液体原料２７が残留することがない。本実施例では、図１に示す装置の改造なしにその信頼性を向上出来るという特長がある。
【００８７】
次に、本発明の第１２の実施例について、図１９により説明する。
【００８８】
図１９は第１２の実施例による半導体素子用薄膜の製造装置を示す構成図である。図１９において、図１と同等の部材には同じ符号を付してある。また、成膜時の手順は第１の実施例と全く同じであるため、ここでは説明を省略する。本実施例では、図１の装置の気化ノズル２１とウェハ４との間に、整流手段として微粒子分散板２１７を設ける。微粒子分散板２１７には液体原料２７の微粒子が通過出来るように多数の穴があけられているが、半径方向に通過出来る確率が変化させてあり、気化ノズル２１からの微粒子のウェハ４表面に対する分布を補正して均一な分布が得られるようになっている。
【００８９】
上記のように、微粒子化した液体原料２７の微粒子の分布をウエハ４の上方で均一にすることにより、気化効率が一段と改善され、ウエハ４に均一に薄膜を形成させることができる。本実施例では、図１に示す装置に比較的簡単に改造するだけでその信頼性を向上出来るという特長がある。
【００９０】
次に、本発明の第１３および第１４の実施例について、それぞれ図２０および図２１により説明する。
【００９１】
図２０は第１３の実施例による気化ノズルを、図２１は第１４の実施例による気化ノズルを、それぞれ示す断面図である。第１３および第１４の実施例の成膜時の手順は第１の実施例と全く同じであるため、ここでは説明を省略する。図２０の気化ノズル２１ｈは図２の気化ノズル２１の変形であって、気化ノズル外管２１１ｈおよび気化ノズル内管２１２ｈからなる二重管構造をしており、液体原料２７の流路に小型ヒータ２１８が取り付けられている。また、図２１の気化ノズル２１ｉは図８の気化ノズル２１の変形であって、気化ノズル外管２１１ｉおよび気化ノズル内管２１２ｉからなる二重管構造をしており、液体原料２７の流路に小型ヒータ２１９が取り付けられている。
【００９２】
図２０や図２１のように取り付けられた小型ヒータ２１８や小型ヒータ２１９で液体原料２７を加熱するにより、液体原料２７が沸騰し液体原料２７の微小な蒸気の気泡が発生する。この蒸気の発生は液体原料２７の体積の膨張をもたらし、液体原料２７の微粒子をさらに微小となる。この微小な粒子に気体原料およびキャリアガスが衝突することによって液体原料２７の微粒子化が一層促進され、液体原料２７の気化効率がさらに向上する。また、小型ヒータ２１８や小型ヒータ２１９の制御により微小な粒子の発生状況を簡単に制御することができる。
【００９３】
【発明の効果】
本発明によれば、薄膜となる少なくとも一部の液体原料をその薄膜が形成される空間内で微粒子化してから気化させるので、気化の効率が高くなり、従来のように配管類の中やその他の装置の部材に液体原料が凝縮するようなことがなくなり、不必要な膜が形成されない。従って、配管類の閉塞や、剥離した膜のウェハ上への飛散が起こらず、製造装置を停止する必要もなくなり生産性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施例による半導体素子用薄膜の製造装置を示す構成図である。
【図２】 図１の半導体素子用薄膜の製造装置における気化ノズルの先端部分付近の構造を示す断面図である。
【図３】 図２の気化ノズルによって微粒子化された液体原料の粒子直径の計算結果を示す図である。
【図４】 微粒子直径と気化に必要な距離（気化距離）の一般的な相関関係を示す図である。
【図５】 図２の気化ノズルへの液体原料の供給の一例を示すタイミングチャートである。
【図６】 図２の気化ノズルへの液体原料の供給の他の例を示すタイミングチャートである。
【図７】 本発明の第２の実施例による半導体素子用薄膜の製造装置を示す構成図である。
【図８】 図７の半導体素子用薄膜の製造装置における気化ノズルの先端部分付近の構造を示す断面図である。
【図９】 本発明の第３の実施例による気化ノズルを示す断面図である。
【図１０】 本発明の第４の実施例による気化ノズルを示す断面図である。
【図１１】 （ａ）は本発明の第５の実施例による気化ノズルを示す断面図であって、（ｂ）は（ａ）のB-B方向の断面図である。
【図１２】 （ａ）は本発明の第６の実施例による気化ノズルを示す断面図であって、（ｂ）は（ａ）のB-B方向の断面図である。
【図１３】 （ａ）は本発明の第７の実施例による気化ノズルを示す断面図であって、（ｂ）は（ａ）のB-B方向の断面図である。
【図１４】 （ａ）は本発明の第８の実施例による気化ノズルを示す断面図であって、（ｂ）は（ａ）のB-B方向の断面図である。
【図１５】 本発明の第９の実施例による半導体素子用薄膜の製造装置を示す構成図である。
【図１６】 本発明の第１０の実施例による半導体素子用薄膜の製造装置を示す構成図である。
【図１７】 本発明の第１１の実施例を説明する図であって、液体原料と、気体原料及びキャリアガスの供給時のタイミングチャートである。
【図１８】 本発明の第１１の実施例を説明する図であって、液体原料と、気体原料及びキャリアガスの供給停止時のタイミングチャートである。
【図１９】 本発明の第１２の実施例による半導体素子用薄膜の製造装置を示す構成図である。
【図２０】 本発明の第１３の実施例による気化ノズルを示す断面図である。
【図２１】 本発明の第１４の実施例による気化ノズルを示す断面図である。
【図２２】 従来のＳiＯ２薄膜を形成する半導体素子用薄膜の製造装置の構成図である。
【符号の説明】
１ 気相化学反応装置
２ 気化機構
３ サセプタ
４ ウェハ
５ 真空容器
６ 真空排気部
７ ガス処理部
８ ガス供給部
９ 予備室
１０ 壁面温度制御部
１０ａ 壁面温度制御用第一配管
１０ｂ 壁面温度制御用第二配管
１１ 真空計
２１ 気化ノズル
２１ａ 気化ノズル
２１ｂ，２１ｃ 気化ノズル
２１ｄ，２１ｅ 気化ノズル
２１ｆ，２１ｇ 気化ノズル
２１ｈ，２１ｉ 気化ノズル
２２ 液体原料供給バルブ
２３ 液体原料供給管
２４ 液体原料供給流量制御装置
２５ 液体原料タンク
２６ 液体原料送出用ガス配管
２７ 液体原料
２８ 液体原料送出用ガス供給部
３１ ヒータ
６１ 真空排気配管
６２ 真空排気バルブ
６３ 排気配管
８１ ガス供給管
８２ ガス供給バルブ
２１１ 気化ノズル外管
２１１ａ 気化ノズル外管
２１１ｂ，２１１ｃ 気化ノズル外管
２１１ｄ，２１１ｅ 気化ノズル外管
２１１ｆ，２１１ｇ 気化ノズル外管
２１１ｈ，２１１ｉ 気化ノズル外管
２１１Ｇ 開口
２１２ 気化ノズル内管
２１２ａ 気化ノズル内管
２１２ｂ，２１２ｃ 気化ノズル内管
２１２ｄ，２１２ｅ 気化ノズル内管
２１２ｆ，２１２ｇ 気化ノズル内管
２１２ｈ，２１２ｉ 気化ノズル内管
２１２Ｂ，２１２Ｃ 開口
２１２Ｄ，２１２Ｅ 開口
２１２Ｆ 開口
２１３，２１４ 噴射方向制御プラグ
２１５ 旋回プラグ
２１６ 旋回フィン
２１７ 微粒子分散板
２１８，２１９ 小型ヒータ
【産業上の利用分野】
本発明は、液体原料を用いて基板上に半導体素子用の薄膜を形成する半導体素子用薄膜の製造方法に係わり、特に半導体製造の生産性向上を図るのに好適な半導体素子用薄膜の製造方法およびその装置、並びに半導体ウェハに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子用の薄膜の形成（以下、薄膜の形成のことを、適宜、成膜ともいう）に液体原料を用いる従来技術の一例として、特開平６−６１４５０号公報に開示されているようにペンタエトキシタンタル（Ｔa(ＯＣ2Ｈ5)5）を使ってＤＲＡＭ用の容量絶縁膜として利用される酸化タンタル（Ｔa2Ｏ5）薄膜を形成する技術や、ＴＥＯＳ（Ｓi(ＯＣ2Ｈ5)4）を使って二酸化珪素（ＳiＯ2）薄膜を形成する技術などがある。
【０００３】
上記のような薄膜形成技術のうち、ＳiＯ２薄膜の形成方法の例について説明する。図２２はそのＳiＯ２薄膜を形成する半導体素子用薄膜の製造装置の構成図である。この半導体素子用薄膜の製造装置において、真空容器１０５は真空排気部１０６により真空排気され、ウェハ１０４はサセプタ１０３上に保持されヒータ１３１によって約４５０℃に加熱される。上記真空容器１０５、サセプタ１０３、ヒータ１３１は気相化学反応装置１０１を構成する。
【０００４】
液体原料１２７は液体原料タンク１２５内で一定の温度（６０℃）に保たれており、液体原料送出用ガス供給部１２８から供給され液体原料バブリングガス用流量制御装置１２９によって流量制御されたバブリング用不活性ガスによってバブリングされて気化し、約１００℃に加熱されたヒータ付ガス供給管１２３を通りシャワーヘッド１２０から真空容器１０５に導入される。また、ガス供給部１０８から供給され流量制御装置１８３で流量制御された原料ガスもガス供給管１８１を介してシャワーヘッド１２０から真空容器１０５に導入される。なお、シャワーヘッド１２０にはシャワーヘッド用ヒータ１２１が設けられており、このシャワーヘッド用ヒータ１２１およびその前のヒータ付ガス供給管１２３は液体原料１２７の気化を促進するはたらきも有する。そして、真空容器１０５に導入された液体原料１２７および原料ガスは熱分解反応し、ウェハ１０４上にＳiＯ２薄膜が形成される。
【０００５】
また、前述の特開平６−６１４５０号公報のペンタエトキシタンタル（Ｔa(ＯＣ2Ｈ5)5）を使った酸化タンタル（Ｔa2Ｏ5）薄膜の形成過程は、上記二酸化珪素（ＳiＯ2）薄膜の形成過程とほぼ同様である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような酸化タンタル薄膜や二酸化珪素薄膜の形成方法では、成膜の行われる真空容器１０５の外においてバブリングにより液体原料１２７を気化するためにその気化効率が低く、液体原料１２７の気化がヒータ付ガス供給管１２３やシャワーヘッド１２０内で充分に進展せず、気化されなかった液体原料１２７が一部液体のままそれらの内部に存在したり、気化した液体原料１２７がヒータ付ガス供給管１２３やシャワーヘッド１２０の壁面に再度凝縮して液体になったりすることがある。この液体のまま存在した液体原料１２７はヒータ付ガス供給管１２３やシャワーヘッド１２０の壁面で不必要な膜となり、その膜が堆積すると場合によってはヒータ付ガス供給管１２３やシャワーヘッド１２０等の配管類の閉塞の原因になったり、剥離した膜が飛散してウェハ１０４上に到達して素子の不良の原因になったりする。
【０００７】
これらの障害を取り除くためには製造装置を停止し、清掃してから再立ち上げすることが必要となり、その間には製造を行うことができないため半導体製造の生産性が著しく損なわれる。
【０００８】
本発明の目的は、液体原料の気化効率を向上して装置内への不必要な膜の形成を防止し、半導体製造の生産性を向上させることができる半導体素子用薄膜の製造方法および装置、並びに半導体ウェハを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明によれば、薄膜となる少なくとも一部の液体原料を、薄膜が形成される空間内で微粒子化してから気化させ、基板表面に供給することにより基板上に半導体素子用の薄膜を形成する半導体素子用薄膜の製造方法において、前記液体原料を微粒子化してから気化させる気化機構と、その気化機構と前記基板を収容する容器を有しかつその容器内を所定圧力および所定温度に保つ成膜機構とを用い、かつ前記気化機構として、同心状の気化ノズル外管及び気化ノズル内管からなる二重管構造を有し、前記気化ノズル内管の開口より液体原料と気体の一方を噴出し、前記気化ノズル外管の前記開口の周辺より液体原料と気体の他方を噴出し、液体原料と気体を衝突させることで液体原料を微粒子化する気化機構を用い、前記液体原料と気体の流量比（気体の流量／液体原料の流量）を５００以上とし、前記液体原料を噴射する開口を含む面の法線を回転軸として旋回させながら、前記液体原料を噴出することを特徴とする半導体素子用薄膜の製造方法が提供される。
【００１２】
また、上記気化機構としては、好ましくは、上記気化ノズル内管の開口より液体原料を噴出し、上記気化ノズル外管の上記開口の周辺より前記液体原料に向かって気体を噴出し衝突させる気化機構を用いる。
【００１３】
上記の場合、気体の噴出方向を、液体原料を噴射する開口を含む面の法線に対して傾斜させるのが好ましい。
【００１４】
あるいは、液体原料の噴出方向を、その液体原料を噴射する開口を含む面の法線に対して傾斜させてもよい。
【００１５】
さらに、好ましくは、上記気化ノズル内管の液体原料を噴射する開口に至る流路内を加熱手段で加熱し、前記液体原料の蒸気を発生させる。
【００１６】
また、気化機構としては、好ましくは、上記気化ノズル内管の開口より気体を噴出し、上記気化ノズル外管の前記開口の周辺より前記気体に向かって液体原料を噴出し衝突させる気化機構を用いる。
【００１７】
上記の場合、液体原料の噴出方向を、気体を噴射する開口を含む面の法線に対して傾斜させるのが好ましい。
【００１８】
あるいは、気体の噴出方向を、その気体を噴射する開口を含む面の法線に対して傾斜させてもよい。
【００１９】
さらに、好ましくは、上記気化ノズル外管の液体原料流路を加熱手段で加熱し、前記液体原料の蒸気を発生させる。
【００２０】
さらに、上記のような半導体素子用薄膜の製造方法において、気化機構への液体原料の供給を薄膜の形成過程中に連続的に行ってもよいし、逆に、間欠的に行ってもよい。
【００２１】
さらに、液体原料の微粒子化用気体を噴射する開口を含む面の法線を回転軸として旋回させながら、その気体を噴出させてもよい。
【００２２】
また、気化機構への液体原料の供給を、好ましくは、その液体原料の貯蔵側と噴射される側の圧力差を利用して行なう。
【００２３】
さらに、気化機構を、好ましくは一個用いる。または、気化機構を、好ましくは複数個用いる。
【００２４】
また、気化機構への気体の供給を、その気化機構への液体原料の供給に先立って行うのが好ましい。
【００２５】
また、気化機構への液体原料の供給停止を、その気化機構への気体の供給停止に先立って行うのが好ましい。
【００２６】
また、好ましくは、気化機構により微粒子化した液体原料の微粒子の分布を、前記容器内の前記基板上方で均一にする整流手段を用いる。
【００２７】
また、半導体素子用薄膜の製造方法において、好ましくは、前記成膜機構が化学蒸着を行う機構である。
【００２８】
また、本発明によれば、上記のような半導体素子用薄膜の製造方法を用いて製造された半導体ウェハが提供される。
【００２９】
また、本発明によれば、基板上に半導体素子用の薄膜を形成する半導体素子用薄膜の製造装置において、前記薄膜となる少なくとも一部の液体原料を微粒子化してから気化させる気化機構と、その気化機構および前記基板を収容する容器を有すると共にその容器内を所定圧力および所定温度に保つ成膜機構とを備え、前記気化機構は、同心状の気化ノズル外管及び気化ノズル内管からなる二重管構造を有し、前記気化ノズル内管の開口より液体原料と気体の一方を噴出し、前記気化ノズル外管の前記開口の周辺より液体原料と気体の他方を噴出し、液体原料と気体を衝突させることで液体原料を微粒子化する構造を有し、前記液体原料と気体の流量比（気体の流量／液体原料の流量）を５００以上とし、前記液体原料を噴射する開口を含む面の法線を回転軸として旋回しながら、前記液体原料を噴出させる旋回手段を設けたことを特徴とする半導体素子用薄膜の製造装置が提供される。
【００３０】
上記半導体素子用薄膜の製造装置において、好ましくは、前記気化機構が、上記気化ノズル内管の開口より液体原料を噴出し、上記気化ノズル外管の上記開口の周辺より液体原料に向かって気体を噴射し衝突させる構造を有する。
【００３１】
あるいは、上記半導体素子用薄膜の製造装置において、好ましくは、前記気化機構が、上記気化ノズル内管の開口より気体を噴出し、上記気化ノズル外管の上記開口の周辺より気体に向かって液体原料を噴出し衝突させる構造を有する。
【００３２】
【作用】
上記のように構成した本発明においては、薄膜となる少なくとも一部の液体原料をその薄膜が形成される空間内で微粒子化してから気化させることにより、従来のバブリング等による方法よりも気化の効率が高くなる。このことと、上記微粒子化を薄膜が形成される空間内で行うことにより、前述の従来技術のようにヒータ付ガス供給管やシャワーヘッド等の配管類の中、その他の装置の部材に液体原料が凝縮するようなことがなくなり、不必要な膜が形成されない。従って、配管類の閉塞や、剥離した膜のウェハ上への飛散が起こらず、製造装置を停止する必要もなくなり生産性が向上する。
【００３３】
上記の場合、液体原料の微粒子化および気化は気化機構で行ない、基板を収容する容器内で薄膜の形成が行われる。その際、上記容器内は成膜機構により所定圧力および所定温度に保たれる。
【００３４】
また、液体原料の他に気体原料が必要な場合は、液体原料を微粒子化および気化させ基板表面に供給する際に、その気体原料も同時に供給することにより、薄膜の形成が行なわれる。
【００３５】
上記気化機構においては、液体原料を噴射する開口を設けておき、その開口の周辺の気体流路より液体原料に向かって気体を噴出し、その液体原料に衝突させることにより、微粒子化が行われる。
【００３６】
また、上記とは逆に、液体原料を微粒子化するための気体を噴射する開口を設けておき、その開口の周辺の液体原料流路より気体に向かって液体原料を噴出しても同様である。
【００３７】
さらに、液体原料と噴出方向と気体の噴出方向とを傾斜させることにより、液体原料と気体とは或る角度を持って衝突することになり、微粒子化された液体原料の供給される範囲、従って気化した液体原料の供給される範囲がある程度の広がりを持つことになる。このため、上記傾斜を適当に選択することにより、より広い範囲に液体原料の微粒子、従って気化した液体原料を供給することが可能となる。前述の液体原料を噴射する開口周辺より気体を噴出する場合において、上記のように両者の噴出方向を傾斜させる方法としては、気体の噴出方向を、液体原料を噴射する開口を含む面の法線に対して傾斜させるか、液体原料の噴出方向を、その液体原料を噴射する開口を含む面の法線に対して傾斜させればよい。一方、前述の気体を噴射する開口周辺より液体原料を噴出する場合において、上記のように両者の噴出方向を傾斜させる方法としては、液体原料の噴出方向を、気体を噴射する開口を含む面の法線に対して傾斜させるか、気体の噴出方向を、その気体を噴射する開口を含む面の法線に対して傾斜させればよい。
【００３８】
また、液体原料を噴出する際に、それを旋回させながら噴出させれば、その旋回運動のために液体原料の噴出速度のうち、開口を含む面の法線方向への速度成分は小さくなり、液体原料の気体への衝突の頻度が大きくなる。従って、液体原料の微粒子化の効率が向上する。さらに、気体を噴出する際に、それを旋回させながら噴出させても同様の作用を奏することが可能となる。
【００３９】
上記気化機構の個数は、一個でも複数個でもよいが、複数個にした場合は、液体原料の濃度の均一性を各気化機構で分担出来るので、一個の気化機構における均一に供給すべき範囲を小さくすることが可能となり、液体原料の気化効率が高くなる。また、基板表面に対する液体原料の供給量を各気化機構で分担でき、各気化機構において微粒子化すべき液体原料の量を減少させて各気化機構の大きさを小さく出来る。
【００４０】
また、気化機構への気体の供給を、気化機構への液体原料の供給に先立って行うことにより、液体原料が気化されないままで基板に到達することがない。
【００４１】
また、気化機構への液体原料の供給停止を、気化機構への気体の供給停止に先立って行うことにより、気化機構からの液体原料の液だれを防止でき、容器内に液体原料が残留することがない。
【００４２】
また、整流手段を用いて、微粒子化した液体原料の微粒子の分布を、容器内の基板上方で均一にすることにより、気化効率が一段と改善され、基板に均一に薄膜を形成させることが可能となる。
【００４３】
また、液体原料を加熱手段で加熱し、液体原料の蒸気を発生させることにより、流路内の液体原料の体積の膨張をもたらし、液体原料の微粒子はさらに微小となる。この微小な粒子に気体が衝突することによって液体原料の微粒子化が一層促進され、液体原料の気化効率がさらに向上する。また、加熱手段の制御により微小な粒子の発生状況を簡単に制御出来る。
【００４４】
【実施例】
本発明の第１の実施例について、図１から図４を参照しながら説明する。本実施例は、減圧気相化学蒸着によって半導体の基板であるウェハ表面に半導体素子用の薄膜を蒸着する実施例である。
【００４５】
図１に示すように、本実施例の半導体素子用薄膜の製造装置は、気相化学反応装置１、気化機構２、真空排気部６、ガス処理部７、ガス供給部８、予備室９、壁面温度制御部１０を備える。気相化学反応装置１は、真空容器５の中に、ウェハ（半導体の基板）４を載置するサセプタ３、およびヒータ３１を収容することによって構成され、また真空容器５には真空計１１が取り付けられている。気化機構２において、液体原料２７は液体原料タンク２５に貯められており、液体原料送出用ガス供給部２８から液体原料送出用ガス配管２６を介して送られた液体原料送出用のガスによって圧され、その圧送された液体原料２７が液体原料供給流量制御装置２４で流量が調整されつつ液体原料供給管２３および液体原料供給バルブ２２を介して真空容器５上方に取り付けられた気化ノズル２１に供給される。ガス供給部８からは、キャリアガス（不活性ガス）や気体原料がガス供給バルブ８２およびガス供給管８１を介して気化ノズル２１に供給される。
【００４６】
真空排気部６は、真空排気配管６１、真空排気バルブ６２、排気配管６３を備え、排気されるガスがガス処理部７によって処理される。予備室９は真空容器５内への気密性を保ちながらウェハ４の出し入れを行うためのものであって、ウェハハンドラ９１、予備室第一ゲートバルブ９２、予備室第二ゲートバルブ９３を備える。壁面温度制御部１０は、壁面温度制御用第１配管１０ａおよび壁面温度制御用第２配管１０ｂを有し、真空容器５内の温度を制御する。上記のうち、真空容器５、真空排気部６、ガス処理部７、壁面温度制御部１０等は成膜機構を構成する。
【００４７】
上記のような構成の半導体素子用薄膜の製造装置による成膜時の手順を説明する。まず、真空容器５を真空排気部６により真空排気する。次に、ガス供給部８からの不活性ガスを真空容器５に導入する。続いて、不活性ガスの供給を停止し、再度真空容器５を真空排気部６により真空排気する。このような真空排気および不活性ガスの導入を数回繰り返して、真空容器５内のガス置換を行う。次に、予備室９中に保持されたウェハ４を第１ゲートバルブ９２を開いてヒータ３１に加熱されたサセプタ３上に搬入する。そして、再度真空容器５内のガス置換を行う。その後、次に述べる気化機構２のはたらきによって液体原料２５と原料ガスを真空容器５内に供給して薄膜形成を行う。薄膜形成が終了すると、ガス置換を行い、サセプタ３上のウェハ４を予備室９中に置かれたウェハと交換する。以上が本実施例の半導体素子用薄膜の製造装置の製造サイクルである。
【００４８】
次に、気化機構２の動作を説明する。図２に、気化ノズル２１の先端部分付近の構造を示す。本実施例において、気化ノズル２１は、同心状の気化ノズル外管２１１および気化ノズル内管２１２からなる二重管構造をしており、液体原料２７は気化ノズル内管２１２を流れ、気体原料およびキャリアガス（不活性ガス）は気化ノズル外管２１１を流れる。図２では液体原料２７の流れを矢印Ａで、気体原料およびキャリアガスの流れを矢印Ｂで示す。（以下、図８〜図１４、図２０、図２１についても同様とする。）また、液体原料２７としては、基本的にＴＥＯＳ（Ｓi(ＯＣ2Ｈ5)4）を対象に議論を進めるが、他の液体原料を用いても同様の議論になることはいうまでもない。
【００４９】
気体原料とキャリアガスはガス供給部８から気化ノズル２１の気化ノズル外管２１１に供給され、液体原料２７は液体原料２５から気化ノズル２１の気化ノズル内管２１２に供給される。気化ノズル内管２１２に供給された液体原料２７は真空容器５内に滴下するが、その過程において、気体原料及びキャリアガスの流れは、気化ノズル外管２１１から真空容器５内に噴出する際に、気化ノズル外管２１１の壁による流れの拘束が無くなった場所で放射状の拡がりを持つ。これにより、気体原料及びキャリアガスは滴下しつつある液体原料２７に衝突し、この衝突により液体原料２７は微粒子化される。
【００５０】
上記のような衝突において生成される微粒子直径の計算例を以下に示す。
【００５１】
図２のような単純な形状のノズルによって形成される微粒子直径は、「熱（抜山四郎著、養賢堂昭和４４年４月発行）」の第１７０頁に示されているように、次式によって推定される。
【００５２】
【数１】
ここに、ρは密度［g／cm3］、σは表面張力［dyne／cm］、μは粘性係数［dyne・s／cm2］、ｖは液体流と気体流の間の相対速度［m／sec］、Ｑlは流体容積流量、Ｑaは空気容積流量である。またｄ0は粒子の平均直径で単位はμmである。但し、ここで粒子の平均直径は気相中で形成された直径ではなく、形成された微粒子を何らかの液体に受けて計測した際の、いわゆる受け止め直径であり、そのため、実際に気相中で形成された微粒子直径よりも約４〜５倍程度大きく算出される。
【００５４】
ここで、本実施例で用いているＴＥＯＳについて、その各物性値を、
ρ＝0.9356［g／cm3］，σ＝21.67［dyne／cm］，μ＝0.007［dyne・s／cm2］
のように定める。また、ｖについては、液体原料２７が気体原料及びキャリアガスに比べて微量しか供給されないため液体原料２７の速度を無視し、さらに気体原料及びキャリアガスがその供給管路でチョーキングしているとすると、ｖ＝300［m／sec］となる。
【００５５】
上記のようにして計算した結果を図３に示す。図３において、縦軸は微粒子直径（μm）、横軸は気体原料及びキャリアガスの流量（Ｑa）と液体原料（Ｑl）との比である。式（１）の計算結果は曲線Ｃであり、実際の微粒子形成時の微粒子直径に近くなるように曲線Ｃの値を５分の１にした曲線がＤとして示されている。
【００５６】
通常の半導体製造の過程では膜の種類によって液体原料２７と、原料ガス及びキャリアガスとの流量比は様々であるが、数100から数1000程度の範囲になる。その場合、形成される微粒子の受け止め直径は、曲線Ｃによると、Ｑa／Ｑlの比が500以上の時100μm以下となる。実際の気相中での微粒子直径は、曲線Ｄにより、概ね２０μm以下となる。
【００５７】
本実施例の半導体素子用薄膜の製造装置では、薄膜の原料（液体原料および気体原料）が真空容器５内に導入された位置から、成膜対象となるウェハ４の置かれているサセプタ３まで距離は長くても２０〜３０センチメートル程度である。従って、少なくともこの距離の間、即ち液体原料２７の微粒子がウェハ４表面に到達する前に液体原料２７が気化していることが必須になる。以下では、気化に必要な距離（気化距離）と微粒子直径との関係の観点から、本実施例によって液体原料２７を確実に気化できるかどうかについて述べる。
【００５８】
図４は、微粒子直径と気化距離の一般的な相関関係を示す図である。図４において、縦軸は気化に必要な距離（気化距離）、横軸は微粒子直径である。微粒子直径が大きくなると気化に必要な距離は加速度的に長くなる。液体原料２７の気化距離は、原料によって変化するが、例えばＴＥＯＳでは、微粒子直径が１０μm程度の場合概ね１０センチメートル、微粒子直径が５０μm程度の場合概ね３０センチメートルで、それぞれ気化する。これより、実用的な微粒子直径は５０μm以下であればよいことになる。これに対し、本実施例では前述のように微粒子直径を約２０μm以下にできるから、ウェハ４表面に到達する前に液体原料２７を確実に気化させることができる。
【００５９】
図５および図６は気化ノズル２１への液体原料２７の供給に関するタイミングチャートであり、縦軸は液体原料２７の供給量、横軸は時間である。但し、図５および図６においては、液体原料２７のみについて示したが、気体原料とキャリアガスの供給に関しても液体原料２７とほぼ同様にすればよい。
【００６０】
図５では、成膜の開始の時刻Ｆから一定時間後に定格の液体原料２７の供給量Ｈとなるようにし、液体原料２７を連続して供給し、成膜終了時の時刻Ｇに液体原料２７の供給を停止するという供給方式を用いる。このような供給方式は単純であるため、液体原料２７、気体原料およびキャリアガスの供給制御が簡単に行えると利点がある。
【００６１】
図６では図５と異なり、成膜の間、間欠的に液体原料２７の供給が行われる。即ち、成膜の開始の時刻Ｆから所定時刻ｇまで所定供給量ｈ1で液体原料２７の供給を行い、その後所定時刻ｆまでは液体原料２７の供給を停止し、所定時刻ｆから所定供給量ｈ2で液体原料２７の供給を行い、成膜終了時の時刻Ｇに液体原料２７の供給を停止するという供給方式を用いる。このような供給方式によれば細かく液体原料２７の供給を制御できるという利点がある。なお、液体原料２７の供給を２回以上の多数回に分けて間欠的に行ってもよく、かつその都度供給量を変えてもよい。
【００６２】
以上のような本実施例によれば、気化ノズル２１によって所要の大きさの液体原料２７の微粒子が得られ、微粒子化された液体原料２７はウェハ４に到達するまでに十分に気化される。従って、気化の効率が高くなり、気化が不十分な液体原料２７が真空容器５内で凝縮され真空容器５内部や配管類に不必要な膜が形成されることがない。従って、配管類の閉塞や、剥離した膜のウェハ４上への飛散が起こらず、製造装置を停止する必要もなくなり生産性が向上する。
【００６３】
また、真空容器５内で気化が行われるため、従来気化した液体原料を真空容器内に搬送するために必要だったヒータ付ガス供給管や均一に液体原料を供給するために必要だったシャワーヘッド等を必要としないため、装置の構造が簡単になり、装置の信頼性も向上する。
【００６４】
次に、本発明の第２の実施例について、図７および図８を参照しながら説明する。
【００６５】
図７は本実施例による半導体素子用薄膜の製造装置を示す構成図である。図７において、図１と同等の部材には同じ符号を付してある。また、成膜時の手順は第１の実施例と全く同じであるため、ここでは説明を省略する。本実施例では、気化ノズル２１ａに供給される液体原料２７と気体原料及びキャリアガスの配管接続が第１の実施例とは逆になっている。従って、図８に示すように、気化ノズル２１ａの構造も、気化ノズル外管２１１ａに液体原料２７が、気化ノズル内管２１２ａに気体原料及びキャリアガスが流れるようになっている。
【００６６】
このような構成でも、気体原料及びキャリアガスは液体原料２７に衝突し、この衝突により液体原料２７は微粒子化される。従って、本実施例でも前述の第１の実施例と同様の効果が得られる。
【００６７】
また、上記に加え、液体原料２７が気化ノズル外管２１１ａを流れるようになっているため、液体原料２７の温度が微粒子化に影響を及ぼす場合には、気化ノズル外管２１１ａに加熱手段または冷却手段を設ける余地があり、微粒子化前の液体原料２７の温度制御が可能になる。
【００６８】
次に、本発明の第３および第４の実施例について、それぞれ図９および図１０により説明する。
【００６９】
図９は第３の実施例による気化ノズルを、図１０は第４の実施例による気化ノズルを、それぞれ示す断面図である。第３および第４の実施例の成膜時の手順は第１の実施例と全く同じであるため、ここでは説明を省略する。図９の気化ノズル２１ｂは図２の気化ノズル２１の変形であって、気化ノズル外管２１１ｂおよび気化ノズル内管２１２ｂからなる二重管構造をしており、気体原料及びキャリアガスの噴出方向を、液体原料２７を噴出する開口２１２Ｂを含む面の法線に対して角度θ1だけ傾斜させるような形状となっている。また、図１０の気化ノズル２１ｃは図８の気化ノズル２１ａの変形であって、気化ノズル外管２１１ｃおよび気化ノズル内管２１２ｃからなる二重管構造をしており、液体原料２７の噴出方向を、気体原料及びキャリアガスを噴出する開口２１２Ｃを含む面の法線に対して角度θ2だけ傾斜させるような形状となっている。
【００７０】
図９や図１０のような構造にすれば、液体原料２７と気体原料及びキャリアガスとは角度θ1またはθ2を持って衝突することになり、微粒子化された液体原料２７の供給される範囲、従って気化した液体原料２７の供給される範囲がある程度の広がりを持つことになる。このため、より広い範囲に液体原料２７の微粒子、従って気化した液体原料２７を供給することが可能となる。
【００７１】
さらに、第４の実施例では、液体原料２７が気化ノズル外管２１１ｃを流れるようになっているため、液体原料２７の温度が微粒子化に影響を及ぼす場合には、気化ノズル外管２１１ｃに加熱手段または冷却手段を設ける余地があり、微粒子化前の液体原料２７の温度制御が可能になる。
【００７２】
次に、本発明の第５および第６の実施例について、それぞれ図１１および図１２により説明する。
【００７３】
図１１は第５の実施例による気化ノズルを、図１２は第６の実施例による気化ノズルを、それぞれ示す断面図であって、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のB-B方向の断面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のB-B方向の断面図である。第５および第６の実施例の成膜時の手順は第１の実施例と全く同じであるため、ここでは説明を省略する。図１１の気化ノズル２１ｄは図２の気化ノズル２１の変形であって、気化ノズル外管２１１ｄおよび気化ノズル内管２１２ｄからなる二重管構造をしており、液体原料２７を噴出する開口２１２Ｄ付近に開口角度が２θ3である噴射方向制御プラグ２１３を取り付け、液体原料２７の噴出方向を、その液体原料２７を噴出する開口２１２Ｄを含む面の法線に対して角度θ3だけ傾斜させる。また、図１２の気化ノズル２１ｅは図８の気化ノズル２１ａの変形であって、気化ノズル外管２１１ｅおよび気化ノズル内管２１２ｅからなる二重管構造をしており、気体原料及びキャリアガスを噴出する開口２１２Ｅ付近に開口角度が２θ4である噴射方向制御プラグ２１４を取り付け、気体原料及びキャリアガスの噴出方向を、その気体原料及びキャリアガスを噴出する開口２１２Ｅを含む面の法線に対して角度θ4だけ傾斜させる。
【００７４】
図１１および図１２のような構造にすれば、液体原料２７と気体原料及びキャリアガスとは角度θ3またはθ4を持って衝突することになり、微粒子化された液体原料２７の供給される範囲、従って気化した液体原料２７の供給される範囲がある程度の広がりを持つことになる。このため、より広い範囲に液体原料２７の微粒子、従って気化した液体原料２７を供給することが可能となる。また、上記２つの実施例では、噴射方向制御プラグ２１３または２１４のような比較的簡単な構造物を追加するだけで、より広い範囲に液体原料２７の微粒子を供給できる。
【００７５】
さらに、第６の実施例では、液体原料２７が気化ノズル外管２１１ｅを流れるようになっているため、液体原料２７の温度が微粒子化に影響を及ぼす場合には、気化ノズル外管２１１ｅに加熱手段または冷却手段を設ける余地があり、微粒子化前の液体原料２７の温度制御が可能になる。
【００７６】
次に、本発明の第７および第８の実施例について、それぞれ図１３および図１４により説明する。
【００７７】
図１３は第７の実施例による気化ノズルを、図１４は第８の実施例による気化ノズルを、それぞれ示す断面図であって、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のB-B方向の断面図、図１４（ｂ）は図１４（ａ）のB-B方向の断面図である。第７および第８の実施例の成膜時の手順は第１の実施例と全く同じであるため、ここでは説明を省略する。図１３の気化ノズル２１ｆは図２の気化ノズル２１の変形であって、気化ノズル外管２１１ｆおよび気化ノズル内管２１２ｆからなる二重管構造をしており、液体原料２７を噴出する開口２１２Ｆ付近に旋回プラグ２１５が設けられており、開口２１２Ｆを含む面の法線を回転軸として旋回プラグ２１５が旋回するようになっている。旋回プラグ２１５は流路２１５ａを有し、旋回プラグ２１５の旋回により流路２１５ａからの液体原料２７は旋回しながら流出する。また、図１４の気化ノズル２１ｇは図８の気化ノズル２１の変形であって、気化ノズル外管２１１ｇおよび気化ノズル内管２１２ｇからなる二重管構造をしており、液体原料２７の流路に旋回フィン２１６が設けられている。
【００７８】
図１３および図１４のような構造にすれば、液体原料２７が真空容器５内に噴射される前に、液体原料２７が開口２１２Ｆまたは開口２１１Ｇを含む面の法線を回転軸として旋回運動をし、その旋回運動のために、液体原料２７の噴出速度のうち開口２１２Ｆまたは開口２１１Ｇを含む面の法線方向への速度成分は小さくなり、液体原料２７の気体原料およびキャリアガスへの衝突の頻度が大きくなる。従って、液体原料２７の微粒子化の効率が向上する。また、上記２つの実施例では、旋回プラグ２１５または旋回フィン２１６のような比較的簡単な構造物を追加するだけで、性能が改善出来る。
【００７９】
さらに、第８の実施例では、液体原料２７が気化ノズル外管２１１ｇを流れるようになっているため、液体原料２７の温度が微粒子化に影響を及ぼす場合には、気化ノズル外管２１１ｇに加熱手段または冷却手段を設ける余地があり、微粒子化前の液体原料２７の温度制御が可能になる。
【００８０】
次に、本発明の第９および第１０の実施例について、それぞれ図１５および図１６により説明する。
【００８１】
図１５は第９の実施例による半導体素子用薄膜の製造装置を、図１６は第１０の実施例による半導体素子用薄膜の製造装置を、それぞれ示す構成図である。図１５および図１６において、図１と同等の部材には同じ符号を付してある。また、成膜時の手順は第１の実施例と全く同じであるため、ここでは説明を省略する。第９および第１０の実施例は、気化ノズルを複数個設けた実施例であって、図１５の構成は図１の構成における気化ノズル２１を複数個に、図１６の構成は図７の構成における気化ノズル２１ｂを複数個にしたものである。つまり、図１５と図１６とでは気化ノズル２１に供給される液体原料２７と気体原料及びキャリアガスの供給の接続が互いに逆になっている。
【００８２】
図１５や図１６のような構造にすれば、ウェハ４に供給される液体原料２７の濃度の均一性を複数個の気化ノズル２１で分担出来るので、一個の気化ノズル２１における均一に供給すべき範囲を小さくできる。このため液体原料２７の気化効率が高くなる。また、ウエハ４表面に対する液体原料２７の供給量を各気化ノズル２１で分担でき、各気化ノズル２１において微粒子化すべき液体原料２７の量を減少させて各気化ノズル２１の大きさを小さく出来る。
【００８３】
さらに、第１０の実施例では、液体原料２７が気化ノズル外管を流れるようになっているため、液体原料２７の温度が微粒子化に影響を及ぼす場合には、気化ノズル外管に加熱手段または冷却手段を設ける余地があり、微粒子化前の液体原料２７の温度制御が可能になる。
【００８４】
次に、本発明の第１１の実施例について、図１７および図１８により説明する。
【００８５】
本実施例は、液体原料２７の供給や供給停止のタイミングに関する実施例である。図１７は、本実施例における液体原料２７と、気体原料及びキャリアガスの供給時のタイミングチャートである。成膜用の原料の供給時には、まず時刻Ｌ1に気体原料及びキャリアガスが気化ノズル２１に供給され、その後一定の時間をおいて時刻Ｌ2に液体原料２７が気化ノズル２１に供給される。液体原料２７の供給に先立って気体原料及びキャリアガスが気化ノズル２１に供給されるため、液体原料２７が気化されないままでウェハ４に到達することがない。
【００８６】
図１８は、本実施例における液体原料２７と、気体原料及びキャリアガスの供給停止時のタイミングチャートである。成膜の終了時には、まず液体原料２７の供給をＫ1の時刻に停止し、それよりも後の時刻Ｋ2に気体原料及びキャリアガスの供給を停止する。気体原料及びキャリアガスの気化ノズル２１への供給停止に先立って液体原料２７の気化ノズル２１への供給停止が行われるため、気化ノズルからの液体原料２７の液だれを防止でき、真空容器５内に液体原料２７が残留することがない。本実施例では、図１に示す装置の改造なしにその信頼性を向上出来るという特長がある。
【００８７】
次に、本発明の第１２の実施例について、図１９により説明する。
【００８８】
図１９は第１２の実施例による半導体素子用薄膜の製造装置を示す構成図である。図１９において、図１と同等の部材には同じ符号を付してある。また、成膜時の手順は第１の実施例と全く同じであるため、ここでは説明を省略する。本実施例では、図１の装置の気化ノズル２１とウェハ４との間に、整流手段として微粒子分散板２１７を設ける。微粒子分散板２１７には液体原料２７の微粒子が通過出来るように多数の穴があけられているが、半径方向に通過出来る確率が変化させてあり、気化ノズル２１からの微粒子のウェハ４表面に対する分布を補正して均一な分布が得られるようになっている。
【００８９】
上記のように、微粒子化した液体原料２７の微粒子の分布をウエハ４の上方で均一にすることにより、気化効率が一段と改善され、ウエハ４に均一に薄膜を形成させることができる。本実施例では、図１に示す装置に比較的簡単に改造するだけでその信頼性を向上出来るという特長がある。
【００９０】
次に、本発明の第１３および第１４の実施例について、それぞれ図２０および図２１により説明する。
【００９１】
図２０は第１３の実施例による気化ノズルを、図２１は第１４の実施例による気化ノズルを、それぞれ示す断面図である。第１３および第１４の実施例の成膜時の手順は第１の実施例と全く同じであるため、ここでは説明を省略する。図２０の気化ノズル２１ｈは図２の気化ノズル２１の変形であって、気化ノズル外管２１１ｈおよび気化ノズル内管２１２ｈからなる二重管構造をしており、液体原料２７の流路に小型ヒータ２１８が取り付けられている。また、図２１の気化ノズル２１ｉは図８の気化ノズル２１の変形であって、気化ノズル外管２１１ｉおよび気化ノズル内管２１２ｉからなる二重管構造をしており、液体原料２７の流路に小型ヒータ２１９が取り付けられている。
【００９２】
図２０や図２１のように取り付けられた小型ヒータ２１８や小型ヒータ２１９で液体原料２７を加熱するにより、液体原料２７が沸騰し液体原料２７の微小な蒸気の気泡が発生する。この蒸気の発生は液体原料２７の体積の膨張をもたらし、液体原料２７の微粒子をさらに微小となる。この微小な粒子に気体原料およびキャリアガスが衝突することによって液体原料２７の微粒子化が一層促進され、液体原料２７の気化効率がさらに向上する。また、小型ヒータ２１８や小型ヒータ２１９の制御により微小な粒子の発生状況を簡単に制御することができる。
【００９３】
【発明の効果】
本発明によれば、薄膜となる少なくとも一部の液体原料をその薄膜が形成される空間内で微粒子化してから気化させるので、気化の効率が高くなり、従来のように配管類の中やその他の装置の部材に液体原料が凝縮するようなことがなくなり、不必要な膜が形成されない。従って、配管類の閉塞や、剥離した膜のウェハ上への飛散が起こらず、製造装置を停止する必要もなくなり生産性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施例による半導体素子用薄膜の製造装置を示す構成図である。
【図２】 図１の半導体素子用薄膜の製造装置における気化ノズルの先端部分付近の構造を示す断面図である。
【図３】 図２の気化ノズルによって微粒子化された液体原料の粒子直径の計算結果を示す図である。
【図４】 微粒子直径と気化に必要な距離（気化距離）の一般的な相関関係を示す図である。
【図５】 図２の気化ノズルへの液体原料の供給の一例を示すタイミングチャートである。
【図６】 図２の気化ノズルへの液体原料の供給の他の例を示すタイミングチャートである。
【図７】 本発明の第２の実施例による半導体素子用薄膜の製造装置を示す構成図である。
【図８】 図７の半導体素子用薄膜の製造装置における気化ノズルの先端部分付近の構造を示す断面図である。
【図９】 本発明の第３の実施例による気化ノズルを示す断面図である。
【図１０】 本発明の第４の実施例による気化ノズルを示す断面図である。
【図１１】 （ａ）は本発明の第５の実施例による気化ノズルを示す断面図であって、（ｂ）は（ａ）のB-B方向の断面図である。
【図１２】 （ａ）は本発明の第６の実施例による気化ノズルを示す断面図であって、（ｂ）は（ａ）のB-B方向の断面図である。
【図１３】 （ａ）は本発明の第７の実施例による気化ノズルを示す断面図であって、（ｂ）は（ａ）のB-B方向の断面図である。
【図１４】 （ａ）は本発明の第８の実施例による気化ノズルを示す断面図であって、（ｂ）は（ａ）のB-B方向の断面図である。
【図１５】 本発明の第９の実施例による半導体素子用薄膜の製造装置を示す構成図である。
【図１６】 本発明の第１０の実施例による半導体素子用薄膜の製造装置を示す構成図である。
【図１７】 本発明の第１１の実施例を説明する図であって、液体原料と、気体原料及びキャリアガスの供給時のタイミングチャートである。
【図１８】 本発明の第１１の実施例を説明する図であって、液体原料と、気体原料及びキャリアガスの供給停止時のタイミングチャートである。
【図１９】 本発明の第１２の実施例による半導体素子用薄膜の製造装置を示す構成図である。
【図２０】 本発明の第１３の実施例による気化ノズルを示す断面図である。
【図２１】 本発明の第１４の実施例による気化ノズルを示す断面図である。
【図２２】 従来のＳiＯ２薄膜を形成する半導体素子用薄膜の製造装置の構成図である。
【符号の説明】
１ 気相化学反応装置
２ 気化機構
３ サセプタ
４ ウェハ
５ 真空容器
６ 真空排気部
７ ガス処理部
８ ガス供給部
９ 予備室
１０ 壁面温度制御部
１０ａ 壁面温度制御用第一配管
１０ｂ 壁面温度制御用第二配管
１１ 真空計
２１ 気化ノズル
２１ａ 気化ノズル
２１ｂ，２１ｃ 気化ノズル
２１ｄ，２１ｅ 気化ノズル
２１ｆ，２１ｇ 気化ノズル
２１ｈ，２１ｉ 気化ノズル
２２ 液体原料供給バルブ
２３ 液体原料供給管
２４ 液体原料供給流量制御装置
２５ 液体原料タンク
２６ 液体原料送出用ガス配管
２７ 液体原料
２８ 液体原料送出用ガス供給部
３１ ヒータ
６１ 真空排気配管
６２ 真空排気バルブ
６３ 排気配管
８１ ガス供給管
８２ ガス供給バルブ
２１１ 気化ノズル外管
２１１ａ 気化ノズル外管
２１１ｂ，２１１ｃ 気化ノズル外管
２１１ｄ，２１１ｅ 気化ノズル外管
２１１ｆ，２１１ｇ 気化ノズル外管
２１１ｈ，２１１ｉ 気化ノズル外管
２１１Ｇ 開口
２１２ 気化ノズル内管
２１２ａ 気化ノズル内管
２１２ｂ，２１２ｃ 気化ノズル内管
２１２ｄ，２１２ｅ 気化ノズル内管
２１２ｆ，２１２ｇ 気化ノズル内管
２１２ｈ，２１２ｉ 気化ノズル内管
２１２Ｂ，２１２Ｃ 開口
２１２Ｄ，２１２Ｅ 開口
２１２Ｆ 開口
２１３，２１４ 噴射方向制御プラグ
２１５ 旋回プラグ
２１６ 旋回フィン
２１７ 微粒子分散板
２１８，２１９ 小型ヒータ
Claims (23)
- 薄膜となる少なくとも一部の液体原料を、薄膜が形成される空間内で微粒子化してから気化させ、基板表面に供給することにより基板上に半導体素子用の薄膜を形成する半導体素子用薄膜の製造方法において、
前記液体原料を微粒子化してから気化させる気化機構と、その気化機構と前記基板を収容する容器を有しかつその容器内を所定圧力および所定温度に保つ成膜機構とを用い、かつ
前記気化機構として、同心状の気化ノズル外管及び気化ノズル内管からなる二重管構造を有し、前記気化ノズル内管の開口より液体原料と気体の一方を噴出し、前記気化ノズル外管の前記開口の周辺より液体原料と気体の他方を噴出し、液体原料と気体を衝突させることで液体原料を微粒子化する気化機構を用い、前記液体原料と気体の流量比（気体の流量／液体原料の流量）を５００以上とし、
前記液体原料を噴射する開口を含む面の法線を回転軸として旋回させながら、前記液体原料を噴出することを特徴とする半導体素子用薄膜の製造方法。 - 請求項１記載の半導体素子用薄膜の製造方法において、前記気化ノズル内管の開口より液体原料を噴出し、前記気化ノズル外管の前記開口の周辺より前記液体原料に向かって前記気体を噴出し衝突させることを特徴とする半導体素子用薄膜の製造方法。
- 請求項１記載の半導体素子用薄膜の製造方法において、前記気化ノズル内管の開口より気体を噴出し、前記気化ノズル外管の前記開口の周辺より前記気体に向かって前記液体原料を噴出し衝突させることを特徴とする半導体素子用薄膜の製造方法。
- 請求項２記載の半導体素子用薄膜の製造方法において、前記気体の噴出方向を、前記液体原料を噴射する開口を含む面の法線に対して傾斜させることを特徴とする半導体素子用薄膜の製造方法。
- 請求項３記載の半導体素子用薄膜の製造方法において、前記液体原料の噴出方向を、前記気体を噴射する開口を含む面の法線に対して傾斜させることを特徴とする半導体素子用薄膜の製造方法。
- 請求項２記載の半導体素子用薄膜の製造方法において、前記液体原料の噴出方向を、その液体原料を噴射する開口を含む面の法線に対して傾斜させることを特徴とする半導体素子用薄膜の製造方法。
- 請求項３記載の半導体素子用薄膜の製造方法において、前記気体の噴出方向を、その気体を噴射する開口を含む面の法線に対して傾斜させることを特徴とする半導体素子用薄膜の製造方法。
- 請求項１記載の半導体素子用薄膜の製造方法において、前記気化機構への前記液体原料の供給を、前記薄膜の形成過程中に連続的に行うことを特徴とする半導体素子用薄膜の製造方法。
- 請求項１記載の半導体素子用薄膜の製造方法において、前記気化機構への前記液体原料の供給を、前記薄膜の形成過程中に間欠的に行うことを特徴とする半導体素子用薄膜の製造方法。
- 薄膜となる少なくとも一部の液体原料を、薄膜が形成される空間内で微粒子化してから気化させ、基板表面に供給することにより基板上に半導体素子用の薄膜を形成する半導体 素子用薄膜の製造方法において、
前記液体原料を微粒子化してから気化させる気化機構と、その気化機構と前記基板を収容する容器を有しかつその容器内を所定圧力および所定温度に保つ成膜機構とを用い、かつ
前記気化機構として、同心状の気化ノズル外管及び気化ノズル内管からなる二重管構造を有し、前記気化ノズル内管の開口より液体原料と気体の一方を噴出し、前記気化ノズル外管の前記開口の周辺より液体原料と気体の他方を噴出し、液体原料と気体を衝突させることで液体原料を微粒子化する気化機構を用い、前記液体原料と気体の流量比（気体の流量／液体原料の流量）を５００以上とし、
前記気体を噴射する開口を含む面の法線を回転軸として旋回させながら、前記気体を噴出することを特徴とする半導体素子用薄膜の製造方法。 - 請求項１記載の半導体素子用薄膜の製造方法において、前記気化機構への前記液体原料の供給を、前記液体原料の貯蔵側と噴射される側の圧力差を利用して行なうことを特徴とする半導体素子用薄膜の製造方法。
- 請求項１記載の半導体素子用薄膜の製造方法において、前記気化機構を一個用いることを特徴とする半導体素子用薄膜の製造方法。
- 請求項１記載の半導体素子用薄膜の製造方法において、前記気化機構を複数個用いることを特徴とする半導体素子用薄膜の製造方法。
- 請求項１記載の半導体素子用薄膜の製造方法において、前記気化機構への前記気体の供給を、前記気化機構への前記液体原料の供給に先立って行うことを特徴とする半導体素子用薄膜の製造方法。
- 請求項１記載の半導体素子用薄膜の製造方法において、前記気化機構への前記液体原料の供給停止を、前記気化機構への前記気体の供給停止に先立って行うことを特徴とする半導体素子用薄膜の製造方法。
- 請求項１記載の半導体素子用薄膜の製造方法において、前記気化機構により微粒子化した前記液体原料の微粒子の分布を、前記容器内の前記基板上方で均一にする整流手段を用いることを特徴とする半導体素子用薄膜の製造方法。
- 請求項２記載の半導体素子用薄膜の製造方法において、前記気化ノズル内管の前記液体原料を噴射する開口に至る流路内を加熱手段で加熱し、前記液体原料の蒸気を発生させることを特徴とする半導体素子用薄膜の製造方法。
- 請求項３記載の半導体素子用薄膜の製造方法において、前記気化ノズル外管の液体原料流路を加熱手段で加熱し、前記液体原料の蒸気を発生させることを特徴とする半導体素子用薄膜の製造方法。
- 請求項１記載の半導体素子用薄膜の製造方法において、前記成膜機構が化学蒸着を行う機構であることを特徴とする半導体素子用薄膜の製造方法。
- 請求項１記載の半導体素子用薄膜の製造方法を用いて製造された半導体ウェハ。
- 基板上に半導体素子用の薄膜を形成する半導体素子用薄膜の製造装置において、前記薄膜となる少なくとも一部の液体原料を微粒子化してから気化させる気化機構と、その気化機構および前記基板を収容する容器を有すると共にその容器内を所定圧力および所定温度に保つ成膜機構とを備え、
前記気化機構は、同心状の気化ノズル外管及び気化ノズル内管からなる二重管構造を有し、前記気化ノズル内管の開口より液体原料と気体の一方を噴出し、前記気化ノズル外管の前記開口の周辺より液体原料と気体の他方を噴出し、液体原料と気体を衝突させることで液体原料を微粒子化する構造を有し、前記液体原料と気体の流量比（気体の流量／液体原料の流量）を５００以上とし、
前記液体原料を噴射する開口を含む面の法線を回転軸として旋回しながら、前記液体原料を噴出させる旋回手段を設けたことを特徴とする半導体素子用薄膜の製造装置。 - 請求項２１記載の半導体素子用薄膜の製造装置において、前記気化機構は、前記気化ノズル内管の開口より液体原料を噴出し、前記気化ノズル外管の前記開口の周辺より前記液体原料に向かって前記気体を噴出し衝突させる構造を有することを特徴とする半導体素子用薄膜の製造装置。
- 請求項２１記載の半導体素子用薄膜の製造装置において、前記気化機構は、前記気化ノズル内管の開口より気体を噴出し、前記気化ノズル外管の前記開口の周辺より前記気体に向かって前記液体原料を噴出し衝突させる構造を有することを特徴とする半導体素子用薄膜の製造装置。
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