JP3809391B2

JP3809391B2 - 薄膜形成装置

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Publication number: JP3809391B2
Application number: JP2002117123A
Authority: JP
Inventors: 寛人内田; 勲木村; 健増田; 雅彦梶沼; 紅コウ鄒; 貴一山田; 正紀植松
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2002-04-19
Filing date: 2002-04-19
Publication date: 2006-08-16
Anticipated expiration: 2022-04-19
Also published as: JP2004002906A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜形成装置、特に、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を実施するためのＣＶＤ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体素子に対する高い集積化の要求を満足するためには、ＣＶＤ法により薄膜形成を行う際に、原料ガス中に含まれる異物微粒子や水分等を含む微少パーティクルをできるだけ少なくすることが必要である。従来から、例えば、これらのパーティクルをｐｐｔレベルまで除去するために、原料ガスを高い濾過特性を有するフィルター部材を通した後に、真空チャンバ（反応室）内へ導入することが提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＭＯＣＶＤ法によって薄膜を形成する場合、一般に、気化した原料ガスと反応ガスとからなる混合ガス（以下、「成膜ガス」とも称す。）を反応室である真空チャンバ内に導入し、チャンバ内に配設されたステージ上に載置した基板上で気相化学反応により成膜する。該真空チャンバの上面には、ステージに対向してシャワープレートのようなガスヘッドが配設され、このガスヘッドにはガス混合室が付設されている。成膜時に、混合室に供給された原料ガスと反応ガスとは、所定の混合比の混合ガスとして、ガスヘッドを介して所定の真空度に排気された真空チャンバ内に導入され、基板上での化学反応により薄膜が形成される。
【０００４】
この場合、基板上に均一な膜質及び膜厚分布を有する薄膜を形成するためには、真空チャンバ内や基板の直上における成膜ガスの均一な流れ分布、均一な濃度分布及び均一な温度分布が必要であると共に、成膜ガス、特に原料ガス中に含まれる微少パーティクルが少なければ少ないほどよい。
しかし、ＭＯＣＶＤ法により薄膜を形成する際に、上記従来技術におけるように、原料ガスをフィルターを通してから反応室内へ導入したとしても、フィルターを通しただけでは、パーティクルは完全には除去されないという問題や、その際のフィルター寿命が短いという問題がある。
【０００５】
本発明の課題は、上記したような従来技術の問題点を解決することにあり、パーティクルが生ずることなくＭＯＣＶＤ法を有効に実施することのできる薄膜形成装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明の薄膜形成装置によれば、内部に基板が載置されるステージを設けた真空チャンバを備え、該ステージに対向して該真空チャンバ上面に原料ガスと反応ガスとの混合ガスを真空チャンバ内に導入するためのガスヘッド、及び該ガスヘッドに接続して該混合ガスを生成するための混合室を配設し、さらに、該原料ガス用気化器( 以下、気化室とも称す )を設けた薄膜形成装置において、該気化器と該混合室との間、及び該混合室の下流側で該ガスヘッドの近傍に、それぞれ、温度コントロール可能なパーティクルトラップが配設されており、該混合室は、原料ガス導入管及び反応ガス導入管を備えた攪拌室と、該原料ガス及び反応ガスを攪拌・混合して得た混合ガスを拡散させる拡散室とを有し、該原料ガス導入管及び反応ガス導入管のそれぞれのガス導入口が互いに対向するようにして設けられており、該攪拌室と該拡散室との間に、該攪拌室の容積よりも該拡散室の容積の方が大きくなるように仕切り板が設けられ、該仕切り板には、該それぞれのガス導入口を結ぶ直線の鉛直方向下側の所定位置に一つのガス吹き出し口が設けられ、該ガス吹き出し口を介して該混合ガスが該攪拌室から該拡散室へと拡散されるように構成されていることを特徴とする。このように構成することにより、真空チャンバ内に導入される原料ガス中にパーティクルがほとんど含まれなくなり、良好な膜質を有する薄膜を形成することができる装置となる。
【０００７】
また、上記のような混合室を用いれば、攪拌室で攪拌・混合されて得られた混合ガスを仕切り板の所定の位置に設けられた一つのガス吹き出し口から拡散室へ拡散させるようにしてあるので、導入されるガスの分子量が大きく異なる場合であっても、容積の大きな混合室を用いることなく、複数のガスを均一に混合することができる。したがって、分子量の大きく異なる複数のガスを混合する際に、その流量や種類によって混合室の容積を変える必要がない。そのため、混合室と次の工程の真空チャンバとを無駄なく直結することができるので、混合ガスを次の工程で使用する際に、均一に混合されたガスが再び乱流に戻るということはない。混合室の攪拌室に導入された各ガスが、以下述べるような形状を有する仕切り板の表面等に沿って移動することで対流が生じ、その結果、攪拌室内において、導入された混合ガスを効率良く確実に均一に攪拌・混合することが可能になる。また、上記ガス吹き出し口の位置及び大きさを調整することによって、導入された各ガスを最適の状態で攪拌・混合することができ、その結果、均一な混合ガスとして拡散室へ導入することが可能になる。
【０００８】
この混合室の攪拌室において攪拌・混合された混合ガスが拡散室に導入される際に、攪拌室と拡散室との容積の差に起因する拡散現象によって自然に拡散されるため、また、その後、拡散室から均一に混合された混合ガスを効率よく真空チャンバ内に導入することができるため、混合ガスが乱流となることはない。したがって、原料ガス及び反応ガスの流量、種類によって容積が左右されない混合室内で、低い圧力でそれらのガスを均一に混合し、均一に混合した混合ガスを直結された真空チャンバ内にガスヘッドを介して導入することにより、混合ガスの乱流を抑え、成膜対象物上に形成する薄膜の膜質、膜厚分布を向上、安定化させることができる。
【０００９】
上記薄膜形成装置において、該温度コントロール可能なパーティクルトラップの少なくとも一つの設定温度を、該気化器内で原料ガスを得る際の気化温度及び原料ガスを流す配管の温度よりも５〜８０℃低く設定するように構成した。このように、パーティクルトラップの設定温度を気化温度や配管温度よりも低く設定することにより、原料に混入又は気化時に生成の可能性がある、原料化合物よりも蒸気圧の低い不純物や分解物を除去することができる。この温度範囲を外れると、不純物や分解物の除去が困難になる。
【００１０】
上記気化器と該混合室との間に配設したパーティクルトラップが慣性集塵式スクリーンからなり、また、該混合室の下流側で該ガスヘッドの近傍に配設したパーティクルトラップが多孔体フィルターからなることを特徴とする。この多孔体フィルターは、金属燒結フィルターであることが好ましい。
【００１１】
上記慣性集塵式スクリーンが、気体をほぼ４５度の傾斜角を持って導入する多数の透孔を同一方向に穴開けした網目状集塵スクリーン板からなり、該集塵式スクリーンが該集塵スクリーン板を複数枚積層したものである場合は、互いに隣接するスクリーン板のそれぞれの透孔の傾斜角の方向が交互に９０度交差した状態に構成されていることが好ましい。
パーティクルトラップを上記のように構成することにより、圧力損失が小さく、捕集量が大きく、目詰まりもなく、乾式／湿式のパーティクルを捕集することができので、混合室内に導入される原料ガス、ひいては真空チャンバ内に導入される混合ガス中にはパーティクルがほとんど存在しない。また、金属燒結フィルタのような多孔体フィルターの寿命も延びる。
【００１２】
上記仕切り板は、混合室の底部に対して凸状の２次曲線形状を有するものであることが好ましい。このように、所定の曲面形状を有する仕切り板を混合室内に配設するだけで、極めて簡単な構成の所望の混合室が得られる。また、この混合室では、ガス吹き出し口は、その位置及び大きさを適宜設定することによって攪拌室と拡散室との間に圧力差を設け、それにより攪拌室内に生じる強烈な対流により重量の異なるガスを均一に混合し、混合ガスが攪拌室から広い空間を有する拡散室内に拡散されるように構成されている。例えば、上記仕切り板の周縁部分からその底部までの鉛直距離の１／２に相当する位置に設けられていることが好ましい。これにより、均一に混合された混合ガスが効率よく攪拌室から拡散室へと拡散され得る。
【００１３】
請求項７記載の本発明の薄膜形成装置によれば、パーティクルトラップを配設することに加え、上記ステージの周囲を所定の長さを有する円筒形状のスリーブ部材で囲い、該スリーブ部材と真空チャンバ内壁面との間の間隙を介して、排ガスが該ガスヘッドとステージとが形成する第１空間内で対流することなく該第１空間から排気されるように、真空排気手段が接続されたステージ下方の第２空間の容積が第１空間の容積より大きくなる位置にステージの高さ位置を設定したことを特徴とする。上記真空チャンバの内壁面に沿って不活性ガスを該真空チャンバ内に均等に導入するガスリングを真空チャンバの上面に設けることが好ましい。また、該スリーブ部材と真空チャンバ内壁面との間の間隙を１０ｍｍ以上（好ましくは、１０〜１７ｍｍ）に設定し、また、該スリーブ部材の高さ寸法を７０ｍｍ以上に設定することが好ましい。該間隙、高さ寸法をこのような範囲に設定すれば、膜厚分布を所望の値以内に維持することができる。
【００１４】
上記のように構成することにより、混合室内に導入される原料ガス中、ひいては真空チャンバ内に導入される混合ガス中にパーティクルがほとんど含まれなくなると共に、基板の直上における混合ガスの均一な流れ分布、均一な濃度分布及び均一な温度分布が達成でき、その結果、基板上に均一な膜質及び膜厚分布を有する薄膜を形成することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる薄膜形成装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。
本発明の薄膜形成装置は、例えば、図１に示すように、気化器１と、網目状集塵スクリーン２と、混合室３とを、所定の温度、例えば、１８０〜２６０℃に保温された配管で連結してなり、混合室３には原料ガス用配管４及び反応ガス用配管（図示せず）の一端が接続されている。この原料ガス用配管４の他端は気化器１に接続され、有機溶媒で希釈した有機金属を気化して得た原料ガスを集塵式スクリーン２を経て混合室内に導入できるようになっている。混合室３からの混合ガスは付設されたガスヘッドを介して真空チャンバ内へと導入される。この混合室３の下流側でガスヘッドの近傍には、多孔体フィルター（図示せず）（以下、金属燒結フィルターを例にとり説明する。）が配設され、混合ガスをさらに濾過できるようになっている。この金属燒結フィルターは、メッシュサイズの異なる複数のフィルターを直接ないしはスペーサーを挟んで重ねて使用しても良い。
【００１６】
網目状集塵式スクリーン２は、気化器１と混合室３との間に配設され、原料ガス中のパーティクルを除去するための温度コントロール可能なパーティクルトラップとして機能する構成を有するものであればよい。例えば、この集塵式スクリーン２は、気体をほぼ４５度の傾斜角を持って導入する多数の透孔を同一方向に穴開けした網目状集塵スクリーン板からなり、この集塵式スクリーンが該集塵スクリーン板を複数枚積層したものである場合は、互いに隣接するスクリーン板のそれぞれの透孔の傾斜角の方向は交互に９０度交差した状態に構成されていることが好ましい。このような集塵スクリーン板として、例えば、株式会社布引製作所製のパイロ・スクリーン（登録商標）等を使用することができる。
また、原料ガス用配管４にはヒータ等の加熱手段４ａが設けられていることが好ましい。
【００１７】
図１に示す集塵式スクリーン２は、例えば、図２(ａ)及び(ｂ)に示すように配置・構成されたパーティクルトラップであり、ヒータ等の加熱手段Ｈにより、配管とは独立した温度コントロールが可能なように構成されている。
このパーティクルトラップの配置・構成は、パーティクルを捕集可能なものであれば特に制限はなく、例えば、図２(ａ)に示すように、気化器からの原料ガスを導入するための入口２０から排出するための出口２１へと向かう方向に対して、すなわち原料ガスの流れ方向に対して鉛直方向にスクリーン板２２が平行に複数枚積層されている。このスクリーン板２２が捕集されたパーティクルで汚れた場合、洗浄のために、上方から溶剤２３を流し、この溶剤を下方から排出（ドレイン２４）できるように構成されていることが好ましい。
【００１８】
また、図２(ｂ)に示すように、気化器からの原料ガスを下方の入口２０から導入して上方の出口２１から排出するように構成してもよい。この場合、スクリーン板２２は、原料ガスの流れ方向に対して鉛直方向に平行に複数枚積層されている。このスクリーン板２２が捕集されたパーティクルで汚れた場合、洗浄のために、上方から溶剤２３を流し、この溶剤を下方から排出（ドレイン２４）できるように構成されていることが好ましい。なお、積層されたスクリーン板の最上層の上で出口２１の手前にフィールター２５を設けてもよい。
【００１９】
上記集塵式スクリーンの材質については、原料ガスに対する耐食性や機械的特性及び耐熱性（３００℃程度）等を考慮して決められる。例えば、ニッケルやその合金（例えば、ハステロイ(登録商標)、インコネル(登録商標)等）、ステンレス鋼（３１６、３１６Ｌ等）、アルミニウム、チタン、セラミックス等から選択され得る。
【００２０】
本発明ではまた、図３に示すように、有機溶媒で希釈した有機金属を気化して得た原料ガスと酸素ガス等の反応ガスとを混合する混合室の下方に、混合ガスを真空チャンバ内の基板上に向かって導入するためのシャワープレートのようなガスヘッドが配設されている。この混合室の下流側でガスヘッドの近傍にパーティクルトラップとして、少なくとも一つの金属燒結フィルターが配設されており、このフィルターは温度コントロールができるようになっている。この金属燒結フィルターは、上記集塵式スクリーンによる原料ガスからのパーティクル除去に加えて、真空チャンバ内の基板上に向かって導入される混合ガス中に存在するパーティクルをさらに除去し、良好な膜質を有する薄膜を形成しようとするものである。この金属燒結フィルターはいわゆる多孔体のフィルターであるが、使用温度領域、使用するガス種によっては、金属燒結フィルターの他にセラミックス、石英、フルオロカーボン（樹脂）等の多孔体材からなるフィルターであっても良い。
なお、上記金属燒結フィルターは、外部からの加熱ないしはフィルターサポートの加熱により温度コントロールがなされ、配管温度よりも高温に設定することも可能である。
【００２１】
例えば、図３(ａ)に示す薄膜形成装置では、真空チャンバ３０に接続して設けた混合室３１の攪拌室３１ａの上部に気化器（図示せず）からの原料ガス用配管３２及び反応ガス源からの反応ガス用配管３３が設けられ、攪拌室で得られた混合ガスを拡散室３１ｂへ拡散せしめ、拡散室３１ｂからガスヘッド３４を経て真空チャンバ内へ混合ガスを導入せしめるように構成されている。この混合室３１の下流側には、固定治具により取り付けられた支持部材３５上に、板状の金属燒結フィルター３６が取り付けられている。このフィルター３６は、図示されていないがヒータ等の加熱手段で加熱しても良い。また、フィルターの濾過面積を増やすために、板状に加工したプリーツ式金属燒結フィルターを取り付けても良い。
【００２２】
また、図３(ｂ)に示す薄膜形成装置では、図３(ａ)の場合と同様に、真空チャンバ３０に接続して設けた混合室３１の攪拌室３１ａの上部に気化器(図示せず)からの原料ガス用配管３２及び反応ガス源からの反応ガス用配管３３が設けられ、攪拌室で得られた混合ガスを拡散室３１ｂへ拡散せしめ、拡散室３１ｂからガスヘッド３４を経て真空チャンバ内へ混合ガスを導入せしめるように構成されている。この混合室３１内には、円筒式のプリーツ式金属燒結フィルター３７が取り付けられている。このフィルター３７は、図示されていないがヒータ等の加熱手段で加熱しても良い。
上記金属燒結フィルタの材質については、原料ガスや反応ガスに対する耐食性や機械的特性及び耐熱性を考慮して決められる。例えば、ニッケルやその合金（例えば、ハステロイ(登録商標)、インコネル(登録商標)等）やステンレス鋼（３１６、３１６Ｌ等）等の金属細線燒結体等から選択され得る。フィルター形状は、板状でも、筒状でも良く、濾過面積を増やすために、プリーツ状（波うたせて）に加工したものでも良い。また、異なるメッシュサイズの複数のフィルターを組み合わせたものでも良い。
例えば、日本精線株式会社製のステンレス鋼繊維からなるフィルターを使用することができる。
【００２３】
本発明によれば、集塵式スクリーン及び金属燒結フィルターからなるパーティクルトラップを上記のように配置することにより、圧力損失が小さく、捕集量が大きく、目詰まりもなく、乾式／湿式のパーティクルを効率的に捕集することができるので、真空チャンバ内に導入される混合ガス中にはパーティクルがほとんど存在しない。また、金属燒結フィルター寿命もフィルターのみを配設した場合と比べて延びる。
【００２４】
次に、本発明の薄膜形成装置で用いる混合室の一実施の形態を図４を参照して説明する。
図４は混合室の内部構成を模式的に示す断面図であり、図５(ａ)は、図４の混合室内の撹拌室の内部構成を模式的に示す断面図であり、図５(ｂ)は、図５(ａ)の模式的上面図である。図４及び５において、同じ構成要素は同じ参照符号で示す。なお、図５(ａ)及び(ｂ)において、実線及び点線、並びに一点鎖線及び二点鎖線の矢印線は、それぞれ、反応ガス流及び原料ガス流のコンピューターシミュレーションによる流体解析結果の傾向を、それぞれのガスの流れとガス分布とに関して例示するものである。
【００２５】
図４に示すように、混合室４１は、所定の大きさの中空円筒形状を有し、撹拌室４２、拡散室４３、及び撹拌室と拡散室との間を仕切るための仕切り板４４から構成されており、得られた成膜ガスを用いて次の処理を行うための真空チャンバと直接に結合されている。撹拌室４２の上方部分には、少なくとも１種の原料ガスを導入するための原料ガス導入管４５、及び反応ガス導入管４６が取り付けられ、そのガス導入口４５ａ及び４６ａが互いに対向するように配置されている。仕切り板４４には、混合された原料ガスと反応ガスとからなる成膜ガスを撹拌室４２から拡散室４３へ効率よく導入するために、ガス導入口４５ａと４６ａとを結ぶ直線の鉛直方向下側で、仕切り板４４の周縁部分からその底部までの鉛直距離の１／２程度に相当する位置に所定の大きさの一つのガス吹き出し口４７が設けられている。
【００２６】
これらの原料ガス導入管４５及び反応ガス導入管４６は、図４、図５(ａ)及び図５(ｂ)に示すように、混合室４１の上側壁面に、仕切り板４４の中央部分（変曲点近傍）に対応する位置で、仕切り板４４の中心点に対して点対称の位置に取り付けられ、ガス導入口４５ａと４６ａとは上記したようにそのガス導入方向が対向するように配置される。
上記混合室においては、仕切り板４４は、２次曲線形状の凹面状仕切面を有する半球形状に形成されたものであり、原料ガス導入管４５及び反応ガス導入管４６が取り付けられた混合室の上方壁面側にその周縁が隙間のないように取り付けられている。
【００２７】
上記したように、混合室４１の内部は、仕切り板４４によって、攪拌室４２と拡散室４３とに仕切られ、拡散室４３の容積が攪拌室４２の容積よりも大きくなるように構成されている。上記混合室の場合、攪拌室４２の容積と拡散室４３の容積との比は特に限定されないが、攪拌・混合と拡散とを満足に行うという観点からは、通常、１：５〜１：２程度とすることが好ましい。
【００２８】
上記のように構成された混合室においては、これに直結された真空チャンバ内を真空にした状態で、原料ガス導入管４５及び反応ガス導入管４６から、それぞれ、ガス導入口４５ａ及び４６ａを介して、少なくとも１種の原料ガスと反応ガスとを混合室４１の攪拌室４２内に導入する。これにより、図５(ａ)及び(ｂ)に示すように、攪拌室４２内において、原料ガス流が反応ガス流により分断され、かつ仕切り板４４の表面では両ガスとも板４４に沿って流れ、その結果、対流が発生して原料ガスと反応ガスとが攪拌され、混合される。次いで、図４に示すように、この混合された原料ガスと反応ガスとからなる成膜ガスは、ガス吹き出し口４７を介して拡散室４３内に円滑に導入され、拡散される。上記したように攪拌室４２の容積より拡散室４３の容積の方が大きいため、成膜ガスは、攪拌室４２から拡散室４３内に導入される際に、その容積の差によって拡散現象が起こり、均一な混合ガス流として導入され、拡散される。
【００２９】
上記混合室を備えた薄膜形成装置は、真空排気システムに接続された真空チャンバを有し、この真空チャンバ内には、成膜対象物である基板を支持するためのウェハステージが配設されている。真空チャンバの上面にはガスヘッドが設けられ、このガスヘッドは、真空チャンバの上部に取り付けられた混合室に直接接続されている。そして、この混合室は、原料ガスの気化システムにパーティクルトラップとしての集塵式スクリーンを介して連結されるとともに、反応ガス源にも連結されている。上記のようにして均一に混合された成膜ガスは、混合室に隣接配置され、直接接続されたガスヘツドに対して最短距離で導入され、真空チャンバ内において乱流になることなくウェハステージ上に載置された成膜対象物表面に供給される。
【００３０】
上記したような混合室によれば、原料ガスと反応ガスとを攪拌室４２において攪拌・混合した後、この攪拌・混合されて得られた成膜ガスを拡散室４３において拡散させるようにしたことから、原料ガスと反応ガスとの分子量が大きく異なる場合であっても、原料ガスと反応ガスとを均一に混合することができ、従来のように容積の大きな混合室を用いる必要がない。したがって、成膜ガスの流量や種類によって混合室の容積が左右されることはなく、混合室と真空チャンバとを直結することができるので、均一に混合された成膜ガスが再び乱流になることはない。
【００３１】
上記混合室を使用する場合、仕切り板４４に設けられたガス吹き出し口４７は、図４、図５(ａ)及び図５(ｂ)に示すように、原料ガス導入管４５の近傍に設けられており、この部分で激しく対流する成膜ガスは、ガス吹き出し口４７を介して円滑に拡散室４３内に導入される。なお、仕切り板４４に設けられたガス吹き出し口４７は、反応ガス導入管４６の近傍に設けられていても良い。そして、上記したように、攪拌室４２の容積より拡散室４３の容積の方が大きいため、成膜ガスが攪拌室４２から拡散室４３内に導入される際に、その容積の差によって拡散現象が起こり、均一に混合される。この均一に混合された成膜ガスは、隣接配置され、直接接続されたガスヘツドに対して最短距離で導入され、真空チャンバ内において乱流になることなく基板に供給される。
【００３２】
上記した本発明の薄膜形成装置は、特定形状の仕切板が配設された混合室を備えているため、また、混合室の攪拌室において攪拌・混合されて得られる成膜ガスが拡散室に導入される際に、攪拌室と拡散室との容積の差に起因する拡散現象によって自然に拡散されるため、さらには、上記したようなパーティクルトラップが配設されているため、この薄膜製造装置を用いれば、非常に簡単な構成で良好な膜質を有する薄膜を形成することができる。すなわち、パーティクルがほとんどなく、かつ、均一に混合されている成膜ガスを真空チャンバ内に直接導入することができるため、成膜ガスが乱流となることはなく、形成される薄膜の膜質及び膜厚分布を向上及び安定化させることが可能になる。
【００３３】
本発明おいては、上記実施の形態に限られることなく、種々の変更を行うことができる。例えば、仕切り板について、上記においては、半球形状の仕切り板を用いたが、この仕切り板の曲率、形状（例えば、円柱形状、立方体形状、円錐形状）、大きさ等は、使用するガスの種類やプロセスに応じて適宜設計変更することが可能である。また、仕切り板に設けられるガス吹き出し口の位置や形状についても、原料ガスと反応ガスが攪拌・混合された後に拡散室に均一に導入されるように構成されている限り、プロセスに応じて適宜設計変更することができる。上記したように、攪拌室内のガスが激しく対流する部分の近傍にガス吹き出し口を設けるようにすれば、成膜ガスを円滑に拡散室内に導入することができる。例えば、原料ガスの導入口と反応ガスの導入口とを結ぶ直線の中心点からその直線の上下方向に４５°以内の範囲内にガス吹き出し口を設ければ、両ガスを均一に混合し、円滑に拡散室内に導入することが可能である。
【００３４】
上記においては、仕切り板を混合室のガス導入側壁面に対して隙間が生じないように設けたが、成膜ガスが十分に攪拌・混合される限り、仕切り板周縁部と混合室のガス導入側壁面との間に隙間を設けるようにすることも可能である。
また、上記では、それぞれ１つの攪拌室と拡散室を設けた場合を例にとって説明したが、２つ以上の攪拌室と拡散室を設けて成膜ガスの混合を行うようにすることも可能である。
さらに、目的とする混合状態の程度によっては、拡散室を設けずに、攪拌室から成膜ガスを直接に真空チャンバに導入して、反応を行わせることも可能である。
【００３５】
上記した混合室は、ＭＯＣＶＤ法において、常温で液体である原料を用いる場合に、格別な効果がある。というのは、常温で液体である原料は、気化しても重いからである。
上記した薄膜形成装置を用いれば、原料源としてＰｔ、Ｉｒ、Ｒｕ等を用いて電極膜、また、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｌ等の原料を用いて窒化物膜や酸化物膜からなるバリア膜等を形成することができる。また、形成される薄膜の膜特性をさらに改善するために、添加材（原料源）として、La(DPM)_３、Sr(DPM)_３、Ca(DPM)_２等を使用することもできる。
【００３６】
次に、上記したようなパーティクルトラップ及び混合室を備えた薄膜形成装置を用い、強誘電体であるＰＺＴの原料ガスと反応ガスである酸素ガス(Ｏ_２)とを適宜選択して、ＰＺＴ薄膜を形成せしめる。

【００３７】
真空チャンバ内の圧力を６Ｔｏｒｒに調圧する。この時の混合室の拡散室内の圧力は１３Ｔｏｒｒであり、原料ガスの気化部の圧力は１８Ｔｏｒｒである。一般に液体原料の安定気化は３０Ｔｏｒｒ以下が望ましいため、十分にその要件を満足している。
【００３８】
まず、図４に示す半球型仕切り板４４を設けた混合室４１内に、上記原料ガス及び反応ガスを、それぞれ、ガス導入管４５及び４６を経てガス導入口４５ａ及び４６ａから混合室内へ導入して攪拌・混合・拡散し、混合室４１から真空チャンバ内に成膜ガスを導入し、この真空チャンバ内で、ＭＯＣＶＤ方法によって通常の条件で基板上にＰＺＴ薄膜を形成する。真空チャンバ内に導入された成膜ガス中にはパーティクルは含まれていない。かくして形成された薄膜の膜厚分布の概略を図６(ａ)に示す。図中、６０は基板、６１は膜厚の厚い部分、６２は膜厚の薄い部分を示す。この図から明らかなように、混合室内に仕切り板４４を設けたものを使用した場合は、基板６０上に形成された膜の厚さが均一であり、良好な膜質を有する膜を連続的に形成することができる。この時の膜厚分布は±１．２％であり、デバイス製作上の観点から半導体チップの歩留まりを上げるために必要な±３％以下を充分に満足する。この結果は、所定の仕切り板４４を設けたことにより、撹拌室４２及び拡散室４３での対流・撹拌・混合・拡散が効率よく行われ、原料ガスと反応ガスとが均一に混合され、均一な厚さを有する薄膜が形成されたことを示している。
【００３９】
本発明の上記パーティクルトラップを備えているが、上記仕切り板を有しない従来型の混合室を用い、混合室内に上記と同じ原料ガス及び反応ガスを導入して混合・拡散し、ＭＯＣＶＤ方法によって薄膜を形成する。かくして形成された薄膜の膜厚分布の概略を図６(ｂ)に示す。図中、符号６０、６１、６２は図６(ａ)の場合と同じである。この場合、基板６０上に形成された膜の厚さの厚い部分６１は反応ガス導入口側に偏っており、薄い部分６２は原料ガス導入口側に偏っている。また、混合室内の空間（仕切り板を設けた場合の撹拌室と拡散室とを合わした空間）において、その空間の底では、各導入口の位置に対する各ガス濃度の比較的濃い領域の反転現象が起こり、成膜ガス排出口からガスヘッドまでその反転現象を引きずったまま層流となり、基板へその濃度分布が転写されたものと推察される。この時の膜厚分布は±６．３％であり、デバイス製作上の観点から半導体チップの歩留まりを上げるために必要な±３％以下の倍以上であり、好ましくない。
【００４０】
上記ＰＺＴの原料ガスとして、Zr(DPM)_４/THFの代わりにZr(DMHD)_４/THFを用いて、また、ＢＳＴの原料ガスと反応ガスとを用いて、上記方法を繰り返す。ここで、DMHDはジメチルヘプタジオナト、C_７H_１３O_２を意味する。両者とも、形成された薄膜の膜質も膜厚分布も上記と同じ傾向が得られ、本発明の薄膜製造装置を用いれば、パーテイクルのない成膜ガスを用いて、効率よく均一な膜厚分布を有する薄膜を連続的に製造することができる。膜厚分布は±３％を充分に満足する。
【００４１】
次いで、本発明の薄膜形成装置に係わる別の実施の形態について、図７、図８(ａ)及び図８(ｂ)を参照して説明する。
図７において、薄膜形成装置７０は円筒形状の真空チャンバ７１を有している。該真空チャンバ７１の内部には、シリコンウェハー等の基板が載置される円筒形状のステージ７２が設けられている。ステージ７２には基板を加熱するための加熱手段（図示せず）が組み込まれている。また、ステージ７２を、真空チャンバ７１の成膜位置と真空チャンバ下方の基板搬送位置との間で昇降自在に構成するための手段を備えている。
【００４２】
真空チャンバ７１の下方には２個所の排気ポート７３が設けられ、排気ポート７３には、ターボ分子ポンプ、ロータリポンプ等の真空ポンプから構成される真空排気手段７４が排気管７５を介して接続されている。真空チャンバ７１上側の中央部には、ステージ７２に対向してガスヘッド７６が設けられている。
【００４３】
ガスヘッド７６の上流側には混合室７７が設けられ、該混合室７７には、一端が気化室７８に接続された原料ガス用配管７９の他端及び一端がガス源に接続された反応ガス用配管８０の他端がそれぞれ接続されている。そして、図７に示す薄膜形成装置においては、図２に示す集塵式スクリーンである集塵式スクリーン８１が混合室７７と気化室７８との間に設けられ、また、図３に示す金属燒結フィルターである金属燒結フィルター８２が混合室７７の下流側でガスヘッド７６の近傍に設けられている。このように構成することにより、混合室７７に原料ガスと反応ガスとをマスフローコントローラ（図示せず）により流量制御して供給し、該混合室７７で所定の混合比に均一に混合され、パーティクルの除去された混合ガスがガスヘッド７６から基板の中央部に向かって噴出される。すなわち、原料ガスは、気化室７８から集塵式スクリーン８１を経て混合室７７へ導入され、また、混合ガスは、金属燒結フィルター８２を経て、混合室７７からガスヘッド７６を介して真空チャンバ７１内へ導入される。
【００４４】
ところで、ＭＯＣＶＤ法により基板上に薄膜を形成する場合、原料ガスが気化温度以下に低下する場合、原料ガスがパーティクルとして析出し、真空チャンバ７１内での成膜ダストの原因ともなる。このため、原料ガス用配管７９に、温度調節手段である熱交換器（図示せず）を設けてもよい。また、原料ガスの析出を防止するため、真空チャンバ７１の外壁やステージ７２にヒータのような加熱手段を設けてもよい。
ここで、ＭＯＣＶＤプロセスにおいて基板上の薄膜の膜厚分布及び組成分布を均一にすると共にその再現性を高めるには、基板の周囲から、プロセスに寄与しない混合ガス等を含む排ガスを等方排気してガスヘッド７６から真空排気手段７４までのガス流を均一にすることが重要になる。このため、特に、ガスヘッド７６下方であってステージ７２上方の第１空間７１ａでの対流、乱流の発生を防止する必要がある。
【００４５】
そのため、所定の高さ寸法Ｌを有するスリーブ部材８３でステージ７２の周囲を囲うこととする。この場合、スリーブ部材８３と真空チャンバ７１内壁面とが形成する環状の間隙(ｒ)を介して排ガスが等方排気されるように、ステージ下側の第２空間７１ｂの容積を第１空間７１ａより大きく設定する。ＭＯＣＶＤプロセスに応じて圧力条件が変更可能であるように、排気管７５に圧力調節バルブ７５ａを設けてもよい。
【００４６】
上記したように、基板を所定の温度まで加熱するためにステージ７２に加熱手段を組み込んだ場合、基板の上方で熱対流が発生し得る。そこで、真空チャンバ７１の内壁面に沿って不活性ガスを真空チャンバ７１内に均等に導入するガスリング８４を、ガスヘッド７６を囲うように真空チャンバ７１の上部に設ける。ガスリング８４から噴射される不活性ガスの強制的な整流作用により、スリーブ部材８３と真空チャンバ７１の内壁面との間の間隙を通過して第２空間７１ｂに排気される排ガスを、スリーブ部材８３の周囲からより確実に等方排気ができるようになる。これにより、第１空間での乱流、対流及び熱対流を防止できる。なお、ステージ７２の成膜位置における第１空間の容積が、例えば、２．８Ｌ、第２空間の容積を１３Ｌとなるように設定することができる。
【００４７】
ところで、真空チャンバ７１内のステージ７２の高さ位置は、図８(ａ)に示すように、ガスヘッド７６からステージ７２までの距離が長いと、排ガスが排気されず真空チャンバ７１の上方の隅部で対流Ｃが発生し得る。他方で、図８(ｂ)に示すように、ガスヘッド７６からステージ７２までの距離が短いと、ガスヘッド７６から噴出された混合ガスが基板で反射されて真空チャンバ７１の上方の隅部で対流Ｃが発生し得る。このため、成膜位置でのガスヘッド７６とステージ７２との距離はそのような対流Ｃが生じ難い距離に設定するように構成する。
【００４８】
また、ステージ７２まで基板を搬送するための基板搬送口を第１空間７１ａを臨む位置に設けたのでは、基板搬送口の周辺で乱流が発生し得る。このため、ステージ７２が、真空チャンバ７１上側の成膜位置と下側の基板搬送位置との間で昇降自在となるようにステージ７２に昇降手段（図示せず）を付設する。そして、基板搬送位置に対応して真空チャンバ７１に基板搬送口８６（図７）を設ける。
【００４９】
図７に示す薄膜形成装置の場合、ＭＯＣＶＤ法において原料ガスがパーティクルとして析出しないように、ガスリング８４から噴出される不活性ガスの温度が調節できるように、ガスリング８４に通じるガス配管８５に温度調節手段である熱交換器８５ａを設けてもよい。
次に、図７に示す薄膜形成装置を用いて、ＭＯＣＶＤ法によりＰＺＴ膜を成膜する例を説明する。Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉの各原料ガス濃度及び流量とキャリアガスＮ_２及び反応ガスＯ_２の流量は以下の条件とする。そして、８インチの電極基板上にＰＺＴ膜を形成する。なお、真空チャンバ内の圧力は、圧力調整バルブで５Ｔｏｒｒに維持する。
【００５０】

【００５１】
図９に、真空チャンバ７１内壁面とスリーブ部材８３との間の間隙（排気口の大きさ）の寸法ｒ（排気クリアランスｒ：ｍｍ）とスリーブ部材の高さ寸法Ｌを変化させて、膜厚１００ｎｍのＰＺＴ膜を成膜したときの膜厚分布（％）を示す。図１０に、間隙ｒと高さ寸法Ｌを変化させてＰＺＴ膜を成膜したときの基板中央部の成膜レート(Ｒａｔｅ)(ｎｍ/ｍｉｎ)を示す。
【００５２】
ここで、膜厚分布を２％以内に維持するには、高さ寸法Ｌ７０ｍｍ以上の場合、間隙ｒを１０ｍｍ以上に設定する必要がある。量産性を考慮すれば、成膜時間は３ｍｉｎ以下が望ましいので、膜厚１００ｎｍの薄膜を成膜する場合、成膜レートが３５ｎｍ／ｍｉｎ以上でなければならない。従って、図１０から明らかなように、間隙の寸法ｒを１０ｍｍ以上、好ましくは１０ｍｍから１７ｍｍに、高さ寸法Ｌを７０ｍｍ以上に設定しておけば、良好な膜厚分布と量産に適した成膜レートとが得られる。
【００５３】
次に、上記条件より間隙ｒを１５ｍｍ、高さ寸法Ｌを７０ｍｍに設定して、ガスリング８４からプロセスに寄与しない不活性ガスＮ_２を真空チャンバ７１内に導入して膜厚分布と成膜ダストとを測定する。図１１は、ガス(Ｇａｓ)ヘッド周り不活性ガスを０〜４０００ｓｃｃｍの流量の範囲で変化させて８インチの電極基板上にＰＺＴ膜を形成したときの膜厚分布と成膜ダスト（パーティクルＴｏｔａｌ）の関係を示す。図１１から明らかなように、ガスリング８４から１０００〜２０００ｓｃｃｍの範囲で不活性ガスを流した場合、パーティクル数が最も小さくなった。このため、不活性ガスを流さない場合に比べて優位性を有する。
【００５４】
図１２は、上記と同様に、間隙ｒを１５ｍｍ、高さ寸法Ｌを７０ｍｍに設定すると共に、ガスリング８４から不活性ガスＮ_２を０〜４０００ｓｃｃｍの流量の範囲で変化させて真空チャンバ７１内に導入し、８インチの電極基板上にＰＺＴ膜の成膜したときの組成比（線ａ）と膜厚分布（線ｂ）とを示す。図１２によれば、不活性ガスの流量を変更しても膜厚分布に変化は見られないが、不活性ガス流量が２０００ｓｃｃｍの近傍で組成比が乱れる。なお、組成比は、Ｚｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）の比を意味する。
【００５５】
図９〜１２から明らかなように、図７に示す薄膜形成装置では、間隙ｒが１０ｍｍ以上、好ましくは１０〜１７ｍｍ、スリーブ部材８３高さ寸法Ｌが７０ｍｍ以上、及びガスリング８４から真空チャンバ７１に導入される不活性ガスの流量を１０００〜１５００ｓｃｃｍの範囲にすると、ガスリング８４からの不活性ガス自体が乱流、対流の発生源とはならず、その整流作用を最大限に発揮させることができる。その結果、膜厚分布（２％以下）、組成比、組成分布及び成膜レートが良好であって、安定し、その上、成膜ダストが少なく（０．２μｍ以上のパーティクルが２０個以下）、連続成膜を行い得る。
【００５６】
ＰＺＴ膜の代わりにＢＳＴ膜を形成する場合も、上記と同様の結果が得られる。
また、ステージ７２に昇降手段を付設しなくても防着板を配置することで、対流、乱流及び熱対流することなく等方排気するようにすれば混合ガスのガス流を均一にできる。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によれば、原料ガス中のパーティクルを除去するために、特定のパーティクルトラップを、気化器と混合室との間に、また、混合室の下流側でガスヘッドの近傍に、それぞれ、少なくとも一つ配設してあるので、特に、気化器と混合室との間に慣性集塵式スクリーンを配設し、また、混合室の下流側で該ガスヘッドの近傍にフィルターを配設してあるので、原料ガス、ひいては成膜ガス中のパーティクルをほとんど除去することが可能であり、その結果、良好な膜質を有する薄膜を形成しうる薄膜形成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の薄膜形成装置の構成の概略を模式的に示す構成図。
【図２】本発明で用いる集塵式スクリーンの構成・配置を模式的に示す図であり、(ａ)はその構成・配置の一例を模式的に示す断面図、(ｂ)はその構成・配置の別の例を模式的に示す断面図。
【図３】本発明で用いる金属燒結フィルターの配置・構成を模式的に示す図であり、(ａ)は板状の金属燒結フィルターの配置・構成の一例を模式的に示す断面図、(ｂ)はプリーツ式金属燒結フィルターの配置・構成の一例を模式的に示す断面図。
【図４】本発明の薄膜形成装置で用いる混合室の一例を模式的に示す断面図。
【図５】図４に示す混合室の撹拌室の内部構成を模式的に示す図であり、(ａ)は断面図、(ｂ)は上面図。
【図６】本発明及び従来技術の薄膜形成装置を用いて形成した薄膜の膜厚分布の概略を説明するための図であり、(ａ)は本発明の場合、(ｂ)は従来技術の場合の基板の上面図。
【図７】本発明の薄膜形成装置の別の構成の概略を模式的に示す構成図。
【図８】図７に示す装置において、真空チャンバ内の混合ガスのガスの流れを説明する図であり、(ａ)はステージとガスヘッドとの間隔が広い場合、(ｂ)はステージとガスヘッドとの間隔が狭い場合についての真空チャンバ断面図。
【図９】図７に示す装置で間隙ｒ及び高さ寸法Ｌを変化させてＰＺＴ膜を形成したときの膜厚分布を示すグラフ。
【図１０】図７で示す装置で間隙ｒと高さ寸法Ｌを変化させてＰＺＴ膜を成膜したときの基板中央部の成膜レートを示すグラフ。
【図１１】図７に示す装置でガスリングを介して不活性ガスの流量を変化させて基板上にＰＺＴ膜を形成したときの膜厚分布と成膜ダストの関係を示すグラフ。
【図１２】図７に示す装置でガスリングからの不活性ガスの流量を変化させて真空チャンバ内に導入し、基板上にＰＺＴ膜を形成したときの組成分布と膜厚分布とを示すグラフ。
【符号の説明】
１気化器２集塵式スクリーン
３混合室４原料ガス用配管
２２スクリーン板２５フィルター
３０真空チャンバ３１混合室
３１ａ攪拌室３１ｂ拡散室
３２原料ガス用配管３３反応ガス用配管
３４ガスヘッド３６板状フィルター
３７プリーツ式フィルター４１混合室
４２撹拌室４３拡散室
４４仕切り板４５原料ガス導入管
４５ａ原料ガス導入口４６反応ガス導入管
４６ａ反応ガス導入口４７ガス吹き出し口
６０基板６１膜厚の厚い部分
６２膜厚の薄い部分７０薄膜形成装置
７１真空チャンバ７１ａ第一空間
７１ｂ第二空間７２ステージ
７６ガスヘッド７７混合室
７８気化室８１集塵式スクリーン
８２金属燒結フィルター８３スリーブ部材
８４ガスリング
８６基板搬送口

Claims

内部に基板が載置されるステージを設けた真空チャンバを備え、該ステージに対向して該真空チャンバ上面に原料ガスと反応ガスとの混合ガスを真空チャンバ内に導入するためのガスヘッド、及び該ガスヘッドに接続して該混合ガスを生成するための混合室を配設し、さらに、該原料ガス用気化器を設けた薄膜形成装置において、該気化器と該混合室との間、及び該混合室の下流側で該ガスヘッドの近傍に、それぞれ、温度コントロール可能なパーティクルトラップが配設されており、該混合室は、原料ガス導入管及び反応ガス導入管を備えた攪拌室と、該原料ガス及び反応ガスを攪拌・混合して得た混合ガスを拡散させる拡散室とを有し、該原料ガス導入管及び反応ガス導入管のそれぞれのガス導入口が互いに対向するようにして設けられており、該攪拌室と該拡散室との間に、該攪拌室の容積よりも該拡散室の容積の方が大きくなるように仕切り板が設けられ、該仕切り板には、該それぞれのガス導入口を結ぶ直線の鉛直方向下側の所定位置に一つのガス吹き出し口が設けられ、該ガス吹き出し口を介して該混合ガスが該攪拌室から該拡散室へと拡散されるように構成されていることを特徴とする薄膜形成装置。
請求項１において、該温度コントロール可能なパーティクルトラップの少なくとも一つの設定温度を、該気化器内で原料ガスを得る際の気化温度及び原料ガスを流す配管の温度よりも５〜８０℃低く設定するように構成したことを特徴とする薄膜形成装置。
請求項１又は２において、該気化器と該混合室との間に配設したパーティクルトラップが慣性集塵式スクリーンからなり、また、該混合室の下流側で該ガスヘッドの近傍に配設したパーティクルトラップが多孔体フィルターからなることを特徴とする薄膜形成装置。
請求項３において、該慣性集塵式スクリーンが、気体をほぼ４５度の傾斜角を持って導入する多数の透孔を同一方向に穴開けした網目状集塵スクリーン板からなり、該集塵式スクリーンが該集塵スクリーン板を複数枚積層したものである場合は、互いに隣接するスクリーン板のそれぞれの透孔の傾斜角の方向が交互に９０度交差した状態に構成されていることを特徴とする薄膜形成装置。
請求項１〜４のいずれかにおいて、該仕切り板が、該混合室の底部に対して凸状の２次曲線形状を有するものであることを特徴とする薄膜形成装置。
請求項１〜５のいずれかにおいて、該ガス吹き出し口が、該仕切り板の周縁部分からその底部までの鉛直距離の１／２に相当する位置に設けられていることを特徴とする薄膜形成装置。
請求項１〜４のいずれかにおいて、該ステージの周囲を所定の長さを有する円筒形状のスリーブ部材で囲い、該スリーブ部材と真空チャンバ内壁面との間の間隙を介して、排ガスが該ガスヘッドとステージとが形成する第１空間内で対流することなく該第１空間から排気されるように、真空排気手段が接続されたステージ下方の第２空間の容積が第１空間の容積より大きくなる位置にステージの高さ位置を設定したことを特徴とする薄膜形成装置。
請求項７において、該真空チャンバの内壁面に沿って不活性ガスを該真空チャンバ内に均等に導入するガスリングを真空チャンバの上面に設けたことを特徴とする薄膜形成装置。
請求項７又は８において、該スリーブ部材と真空チャンバ内壁面との間の間隙を１０ｍｍ以上に設定し、また、該スリーブ部材の高さ寸法を７０ｍｍ以上に設定したことを特徴とする薄膜形成装置。
請求項３において、該多孔体フィルターが金属燒結フィルターであることを特徴とする薄膜形成装置。