JP3735452B2

JP3735452B2 - 誘電体薄膜形成装置及び誘電体薄膜形成方法

Info

Publication number: JP3735452B2
Application number: JP29304897A
Authority: JP
Inventors: 巧三河
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-10-24
Filing date: 1997-10-24
Publication date: 2006-01-18
Anticipated expiration: 2017-10-24
Also published as: JPH11131238A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、誘電体成分を含む溶液をミスト化し、前記ミストを堆積させる基板に導くことにより、誘電体を成膜させる誘電体薄膜形成装置及び誘電体薄膜形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＤＲＡＭの高誘電体材料としての開発や強誘電体の残留分極を利用した不揮発性メモリの開発が活発化するなかで、強誘電体の成膜技術の開発に力が注力されてきている。強誘電体材料には、ビスマス・ストロンチウム・チタン酸化物（ＢＳＴ）やストロンチウム・ビスマス・タンタル酸化物（ＳＢＴ）などのペロブスカイト構造をもつ酸化物が中心であり、その成膜技術には、既に一部で商品化されつつある低集積度の１Ｍ以下のメモリ容量のデバイスでは、スピン塗布法が適用されている。将来的には高集積度のメモリ容量のデバイスに対応するために、段差被覆性の向上を図るためスパッタ技術やＭＯＣＶＤ技術なども開発されてきている。その中に強誘電体成分を含む溶液をミスト化し、そのミストを基板に導くことにより強誘電体を成膜させる薄膜形成法がある。その標準的な概要図を図４に示す。図４中の４１は強誘電体成分を含むミストを発生させるミスト発生器、４２はそのミストを運搬するためのキャリアガス源、４３はキャリアガス配管、４４は成膜用のプロセスチャンバー、４５はウエハなどの基板を設置するステージ、４６は上部プレート、４７はミスト噴出手段、４８は真空ポンプ、４９は基板を示す。ミスト発生器４１で発生したミストは、キャリアガス配管４３を通り、ミスト噴出手段４７からプロセスチャンバー４４内部に導かれる。ミスト噴出手段４７より導入されたミストは、真空ポンプ４８によって形成されたゆるやかな気流の流れにのって拡散し、ステージ４５と上部プレート４６との間のギャップに導かれ、ステージ４５上に設置された基板４９に堆積する。ステージ４５は膜厚均一性を向上させるためにゆるやかに回転している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の構成では、ミストを基板４９まで運ぶ役割をするキャリアガスの流量や圧力の小さな変動により、その影響を受けて強誘電体膜の面内の膜厚均一性が再現性を含めて悪いという欠点がある。次に基板４９以外のＳＵＳ構造のプロセスチャンバー４４内部にミストが付着し、メンテナンスを必要とすることから、スループットが低いという課題もある。さらに、現状の超音波発振によるミスト発生器４１では１．０μｍ以下にミスト径を小さくするには限界があり、微細パターンにおいての強誘電体膜の段差被覆性を向上させるという課題がある。
【０００４】
本発明はこのような従来の誘電体薄膜形成装置及び誘電体薄膜形成方法が有する上記課題を考慮して、誘電体膜の成膜の面内均一性を向上させ、装置メンテナンスの頻度を低減しスループットの向上を達成できる誘電体薄膜形成装置または誘電体薄膜形成方法を提供することを目的とするものである。更に、微細パターンにおける誘電体膜の段差被覆性の向上を達成できる誘電体薄膜形成装置を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明は、誘電体を含む成膜用ミストを基板上に堆積させるためのプロセスチャンバーと、前記プロセスチャンバーの内部に配置され、前記基板を載せて回転するステージと、前記ステージの上方に配置され、前記成膜用ミストを前記基板上に導入するシャワーヘッド型のミスト噴出手段とを備え、前記ミスト噴出手段は、前記成膜用ミストを拡散させるファン機構と、前記成膜用ミストを前記基板上に噴出する孔とを備え、前記ファン機構は前記孔の上方に配置していることを特徴とする誘電体薄膜形成装置である。
【０００６】
すなわち、上記構成により、誘電体膜の面内均一性の向上を図ることができる。さらに、そのシャワーヘッド内部に制御回路により回転数を制御することを可能とした複数の羽根を備えることによって、シャワーヘッド中心から外周に向かってミストの流れを変更できる上にミストの到達距離を羽根の回転数に置き換えて制御でき、誘電体膜の面内均一性の更なる向上を達成することができる。
【０００７】
また、本発明は、誘電体を含む成膜用ミストを基板上に堆積させて成膜させるためのプロセスチャンバーと、前記プロセスチャンバーの内部に配置され、前記基板を載せて回転するステージと、前記プロセスチャンバーの内部に配置され、前記成膜用ミストを前記基板上に導入するミスト噴出手段と、前記ステージの外周を取り囲むように形成された外周囲み手段とを備え、前記外周囲み手段の上面は前記基板の上面と面一であり、前記ステージと前記外周囲み手段とは同方向に回転することを特徴とする誘電体薄膜形成装置である。
【０００８】
すなわち、上記構成により、基板の最外周部での気流の乱れを緩和されることにより、基板の最外周部での誘電体膜の成膜レートが上昇し、誘電体膜の面内均一性の向上を図ることができる。さらに、基板を設置するステージの回転数よりその外周囲み手段の回転数を小さくすることによって、基板の最外周部での気流の乱れは更に緩和され、誘電体膜の面内均一性の更なる向上を達成することができる。
【０００９】
さらに、本発明は、前記プロセスチャンバー内部の内壁および前記プロセスチャンバーの内部に配置された各部材の少なくとも一部の少なくとも表面は、石英であることを特徴とする上記誘電体薄膜形成装置である。
【００１０】
すなわち、上記構成により、ミストをプロセスチャンバー内部の内壁を含む各部材に付着しにくくすることによって、装置のメンテナンス頻度を低減あるいは簡素化し成膜のスループットを向上させることができる。
【００１１】
また、本発明は、前記ミストを発生させる発生器から前記ミスト噴出手段までの間に設置されたフィルターをさらに備えることを特徴とする上記誘電体薄膜形成装置である。
【００１２】
すなわち、上記構成により、基板内の微細パターンへも誘電体を含むミストを導入することができ、微細パターン部での誘電体膜厚の段差被覆性を向上させることができる。
【００１３】
さらに、本発明は、基板上に誘電体を含む成膜用ミストを堆積させる際に、前記成膜用ミストをファン機構により拡散し、前記拡散された前記成膜用ミストをシャワーヘッド型のミスト噴出手段により、前記基板に導入することを特徴とする誘電体薄膜形成方法である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施の形態における誘電体薄膜形成装置の概要を示す断面図である。
【００１６】
図１において、１１は、例えば、ビスマス・ストロンチウム・チタン酸化物（ＢＳＴ）やストロンチウム・ビスマス・タンタル酸化物（ＳＢＴ）などのペロブスカイト構造をもつ酸化物であるところの強誘電体成分を含むミストを発生させるミスト発生器、１２はそのミストを運搬するためのキャリアガス源、１３はキャリアガス配管、１４は成膜用のプロセスチャンバー、１５は制御回路により回転数を制御できる複数の羽根を備えた、本発明のミスト噴出手段であるところのシャワーヘッド、１６はウエハなどの基板を設置する、本発明のステージであるところの内部ステージ、１７は本発明の外周囲み手段であるところの外部ステージ、１８は真空ポンプ、１９は基板を示す。
【００１７】
また、図２は、シャワーヘッド１５の内部構造を含めた詳細図である。図２において、２１はシャワーヘッド本体、２２は羽根の回転軸、２３は回転数を制御する、本発明の制御手段であるところの制御装置、２４はキャリアガス配管、２５は羽根（ファン）、２６は本発明の孔であるところのミスト噴出口である。羽根の回転軸２２および羽根２５は本発明のファン機構を構成している。また、（ａ）は上から見た上部断面図、（ｂ）は横から見た断面図、（ｃ）は下から見たときの図である。
【００１８】
つぎに、このような本実施の形態の動作を説明する。ミスト発生器１１で発生した誘電体成分を含むミストは、キャリアガス配管１３を通り、シャワーヘッド１５に導かれる。図２において、シャワーヘッド１５の内部では、制御装置２３によって、ミストの回転軸２２からの到達距離が基板１９の最外周部になるように最適化された回転数で、羽根２５が回転して、回転軸２２中心から外向きの気流を発生させている。ミストはその流れに沿って拡散し、ミスト噴出口２６よりプロセスチャンバー１４内部に導かれ、シャワーヘッド１５の直下にある基板１９に堆積する。ミスト噴出手段は前述の流れを補助するために最外周部のミスト噴出手段の大きさを中心部のミスト噴出手段の大きさの２倍とし、その間のミスト噴出手段の大きさも中心からの距離にしたがって変化させている。
【００１９】
また、膜厚均一性を向上させるために、５．０ｒｐｍの回転数で回転している内部ステージ１６の外部にそれより小さい回転数２．５ｒｐｍで回転する外部ステージ１７を設置し、基板１９の最外周部での気流の乱れを低減することにより、最外周部での誘電体膜厚のデポレートの向上を図っている。なお、外部ステージ１７の上面は、基板１９の上面と面一であることが望ましい。
【００２０】
また、本実施の形態において、キャリアガス配管１３、プロセスチャンバー１４、シャワーヘッド１５、内部ステージ１６、外部ステージ１７、及びシャワーヘッド１５内の回転軸２２、羽根２５の誘電体を含むミストが直接接触する部分に石英の材料を使うことによって、石英とミストでは摩擦係数が低く、ミストが付着しにくく、メンテナンス頻度を低減することができる。
【００２１】
さらに、本実施の形態でミスト発生器１１からシャワーヘッド１５の間にフィルターを設置することにより、ミスト径を小さくし、微細パターン部での段差被覆性を向上させることができる。この原理を図３を使って説明する。図３は段差被覆性を向上について説明する成膜原理図である。図３において、３１は基板、３２は１．０μｍ以下の直径をもつミスト、３３は１．０μｍ以上の直径をもつミストである。図３の（ａ）及び（ｂ）はフィルターを入れない場合であり、この場合ミスト発生器１１で発生したミストはその超音波振動子の振動数に比例したある値を中心に正規分布を持つ。現状のミスト発生器１１の平均ミスト径は約１．０μｍであることから、基板３１上では１．０μｍを中心にミスト径が小さいものから大きいものまで様々なミストが入り乱れていると考えられる。この様子を図３（ａ）に示す。つまり、１．０μｍ以上のミスト３３等は、段差部のスペースが１．０μｍ以下になった場合、段差部に侵入できないか、あるいは段差部を埋めてしまう状態となり、良好な段差被覆性が得られない。段差部を埋めてしまった状態を図３（ｂ）に示す。次にフィルターを使用した場合を図３（ｃ）及び（ｄ）に示す。微細な段差より小さいフィルター（例えば１．０μｍのフィルター）をミストが通過することにより、基板３１には１．０μｍ以下のミスト３２だけが成膜されることになり、微細な段差部にも１．０μｍ以上の大きいミストに妨害されることなく十分侵入することができ、段差部での段差被覆性を向上することができる。この様子を図３（ｄ）に示した。
【００２２】
なお、本発明の回転数は、本実施の形態では、内部ステージ１６を回転数５．０ｒｐｍに、外部ステージ１７を回転数２．５ｒｐｍとして説明したが、これに限らず、回転数をそれぞれ変えた場合（双方の回転数を同じにした場合も含む）でも、効果に差があるものの、従来例に比し、誘電体膜の面内均一性の向上を達成することができる。
【００２３】
また、本発明のフィルターは、本実施の形態では、１．０μｍのものを用いるとして説明したが、これに限るものではなく、細かいものを使うほど、効果は向上する。
【００２４】
さらに、本発明のミスト噴出手段は、本実施の形態では、本発明のファン機構を有し、その個々の孔の径がその中心から外周にかけて大きくなっているとして説明したが、これに限らず、ファン機構がない場合、および／または、個々の孔の径が上記の構成によらない場合においても、従来例に比し、誘電体膜の面内均一性の向上を達成することができる。
【００２５】
また、本発明のファン機構は、本実施の形態では、本発明の制御手段によって回転数を制御されているとして説明したが、これに限るものではなく、制御手段による制御を受けなくとも、従来例に比し、誘電体膜の面内均一性の向上を達成することができる。
【００２６】
さらに、本実施の形態では、プロセスチャンバーの内壁およびプロセスチャンバーの内部に配置された部材のミストが直接接触する部分全てに石英の材料を使うとして説明したが、これに限るものではなく、それらの少なくとも一部が石英の材料を使ってさえおれば、従来例に比し、ミストが付着しにくく、メンテナンス頻度を低減することができる。
【００２７】
なお、本実施の形態においては、本発明の誘電体薄膜形成装置を中心に説明したが、本発明の誘電体薄膜形成方法は、基板上に誘電体を含む成膜用ミストを堆積させて成膜させる際に、前記基板を回転させるとともに、前記基板の外周を取り囲むように形成された外周囲み手段を同方向に回転させる形成方法である。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したところから明らかなように、本発明は、誘電体膜の面内均一性の向上を達成する誘電体薄膜形成装置を提供することができる。
【００２９】
また、本発明は、基板の最外周部での誘電体膜の成膜レートが上昇し、誘電体膜の面内均一性の向上を達成する誘電体薄膜形成装置を提供することができる。
【００３０】
さらに、本発明は、装置のメンテナンス頻度を低減あるいは簡素化し成膜のスループットを向上させる誘電体薄膜形成装置を提供することができる。
【００３１】
また、本発明は、基板内の微細パターンへも誘電体を含むミストを導入することができ、微細パターン部での誘電体膜厚の段差被覆性を向上させる誘電体薄膜形成装置を提供することができる。
【００３２】
さらに、本発明は、誘電体膜の成膜の面内均一性を向上させる誘電体薄膜形成方法を提供することができる。
駆動装置である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における誘電体薄膜形成装置の断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態における誘電体薄膜形成装置のシャワーヘッドの内部構造の詳細を示す断面図。
【図３】段差被覆性を向上について説明する成膜原理図。
【図４】従来の誘電体薄膜形成装置を示す図。
【符号の説明】
１１ミスト発生器
１２キャリアガス源
１３キャリアガス配管
１４プロセスチャンバー
１５シャワーヘッド
１６内部ステージ
１７外部ステージ
１８真空ポンプ
１９基板
２１シャワーヘッド本体
２２羽根の回転軸
２３制御装置
２４キャリアガス配管
２５羽根（ファン）
２６ミスト噴出口
３１基板
３２１．０μｍ以下の直径をもつミスト
３３１．０μｍ以上の直径をもつミスト
４１ミスト発生器
４２キャリアガス源
４３キャリアガス配管
４４プロセスチャンバー
４５ステージ
４６上部プレート
４７ミスト噴出手段
４８真空ポンプ
４９基板

Claims

誘電体を含む成膜用ミストを基板上に堆積させるためのプロセスチャンバーと、前記プロセスチャンバーの内部に配置され、前記基板を載せて回転するステージと、前記ステージの上方に配置され、前記成膜用ミストを前記基板上に導入するシャワーヘッド型のミスト噴出手段とを備え、前記ミスト噴出手段は、前記成膜用ミストを拡散させるファン機構と、前記成膜用ミストを前記基板上に噴出する孔とを備え、前記ファン機構は前記孔の上方に配置していることを特徴とする誘電体薄膜形成装置。
前記ファン機構の回転数を制御する制御手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の誘電体薄膜形成装置。
複数の前記孔を備え、前記複数の孔の径は、前記ミスト噴出手段の中心から外周にかけて、大きくなっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の誘電体薄膜形成装置。
誘電体を含む成膜用ミストを基板上に堆積させて成膜させるためのプロセスチャンバーと、前記プロセスチャンバーの内部に配置され、前記基板を載せて回転するステージと、前記プロセスチャンバーの内部に配置され、前記成膜用ミストを前記基板上に導入するミスト噴出手段と、前記ステージの外周を取り囲むように形成された外周囲み手段とを備え、前記外周囲み手段の上面は前記基板の上面と面一であり、前記ステージと前記外周囲み手段とは同方向に回転することを特徴とする誘電体薄膜形成装置。
前記外周囲み手段の回転数は、前記ステージの回転数より小さいことを特徴とする請求項４に記載の誘電体薄膜形成装置。
前記ミスト噴出手段は、前記成膜用ミストを拡散させるファン機構を含むことを特徴とする請求項４に記載の誘電体薄膜形成装置。
前記プロセスチャンバー内部の内壁および前記プロセスチャンバーの内部に配置された各部材の少なくとも一部の少なくとも表面は、石英であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の誘電体薄膜形成装置。
前記ミストを発生させる発生器から前記ミスト噴出手段までの間に設置されたフィルターをさらに備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の誘電体薄膜形成装置。
基板上に誘電体を含む成膜用ミストを堆積させる際に、前記基板を回転させるとともに、前記基板の外周を取り囲むように形成された外周囲み手段を同方向且つ前記基板の回転数より小さい回転数で回転させることを特徴とする誘電体薄膜形成方法。
基板上に誘電体を含む成膜用ミストを堆積させる際に、前記成膜用ミストをファン機構により拡散し、前記拡散された前記成膜用ミストをシャワーヘッド型のミスト噴出手段により、前記基板に導入することを特徴とする誘電体薄膜形成方法。