JP4260404B2

JP4260404B2 - Deposition equipment

Info

Publication number: JP4260404B2
Application number: JP2002030877A
Authority: JP
Inventors: 河西　　繁; 崇掛川
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2001-02-09
Filing date: 2002-02-07
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2022-02-07
Also published as: JP2002327274A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学的蒸着（ＣＶＤ）によって被処理基板に対して所定の薄膜を形成する成膜装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造工程においては、被処理体である半導体ウエハに形成された配線間のホールを埋め込むために、あるいはバリア層として、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ等の金属や、ＷＳｉ、ＴｉＮ、ＴｉＳｉ等の金属化合物を堆積させて薄膜を形成している。
【０００３】
従来、これら金属や金属化合物の薄膜は物理的蒸着（ＰＶＤ）を用いて成膜されていたが、最近ではデバイスの微細化および高集積化が特に要求され、デザインルールが特に厳しくなっており、埋め込み性の悪いＰＶＤでは十分な特性を得ることが困難となっている。そこで、このような薄膜をより良質の膜を形成することが期待できるＣＶＤで成膜することが行われている。
【０００４】
従来のＣＶＤ成膜装置は、Ｔｉ成膜用のものを例にとると、ヒーターを有するチャンバー内にヒーターを内蔵した半導体ウエハ載置用ステージおよびステージの上方に対向して処理ガス吐出用のシャワーヘッドを設け、チャンバーを所定温度に加熱し、かつチャンバー内を所定の真空度にするとともに、ステージ上の半導体ウエハを所定の温度に加熱しつつ、シャワーヘッドからＴｉＣｌ_４、Ｈ_２等の処理ガスを供給し、シャワーヘッドに高周波電力を供給してこれらのガスをプラズマ化して成膜を行う。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近時、半導体ウエハが３００ｍｍと大型化されつつあるため、このような成膜装置も大型化する必要があり、それにともなって以下のような問題点が顕在化するに至っている。
【０００６】
すなわち、ステージに対向して設けられたシャワーヘッドは、ステージ内のヒーターが昇温された際の輻射熱により加熱されるが、装置の大型化にともないシャワーヘッドも大型化しているためその熱容量が大きく、昇温時に温度が安定するまでに長時間を要する。つまり、スループットが悪くなる。一方、シャワーヘッドの温度、特にシャワーヘッドの表面の温度が安定しないで処理すると、均一処理がなされない。また、従来のシャワーヘッドは処理時の温度安定性を確保するために断熱性の高い構造となっており、例えばクリーニング時に所定の温度まで降温する際にもやはり極めて長時間を要する。このため、高温状態でクリーニングすることが考えられるが、高温状態でクリーニングするとシャワーヘッド部材へダメージを与える。
【０００７】
また、従来は、プラズマ処理すると、プラズマにより、チャンバ内の部材の温度が上昇する。特にシャワーヘッド表面は、ウエハ面と対向してプラズマに曝される面積が大きいため温度が高くなりやすい。しかし、アイドリングやクリーニングの後に成膜すると、ウエハ１枚目を成膜した際、成膜レートが低い場合がある。これは、シャワーヘッドの温度が、通常の成膜時に５００℃程度のものが４７０〜４８０℃と２０〜３０℃低いことが原因と考えられる。そのため、ステージ温度を成膜時の温度より高い温度に設定する必要がある。
【０００８】
さらに、従来は、シャワーヘッドのメンテナンスの際、装置の制約上、シャワーヘッドを含む上蓋を９０度以下の角度で開いてからシャワーヘッドの取り外し等のメンテナンスを行っていたが、成膜装置の大型化に伴ってシャワーヘッドが大型化し、重量が大きくなると、このような方法でシャワーヘッドのメンテナンスを行うことが困難である。
【０００９】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、シャワーヘッドを短時間で所望の温度にすることができ、かつシャワーヘッドの温度安定性が高い成膜装置を提供すること、およびシャワーヘッドのメンテナンス性が高い成膜装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、被処理基板に成膜処理を施すチャンバーと、チャンバー内で被処理基板を載置する載置台と、前記載置台に対向して設けられた多数のガス吐出孔を有するシャワーヘッドと、前記シャワーヘッドを介してチャンバー内に処理ガスを供給するガス供給機構と、前記シャワーヘッドの温度を制御するシャワーヘッド温度制御手段とを具備し、前記シャワーヘッドは、ガス拡散空間およびガス吐出孔を有するシャワーヘッド本体と、シャワーヘッド本体の外周上方に連続する環状の支持部とを有し、前記支持部は、シャワーヘッドからの熱の散逸を抑制するようにその肉厚を薄くすることを可能にする、該支持部の熱変形を抑制するためおよび支持強度を高めるための複数のリブが、所定間隔をおいて内周側から中央に向けて突出するように設けられていることを特徴とする成膜装置を提供する。
【００１２】
本発明によれば、シャワーヘッドに温度制御手段を設けたので、シャワーヘッドの加熱の際にステージからの輻射が支配的に作用するのではなく、積極的に所望の温度に制御することができ、大型の装置であっても、昇温および降温を短時間で行うことができる。また、このようにシャワーヘッドを積極的に温度制御することができることにより、シャワーヘッドの温度安定性を高めることができる。また、前記シャワーヘッドは、ガス拡散空間およびガス吐出孔を有するシャワーヘッド本体と、シャワーヘッド本体の外周上方に連続する環状の支持部とを有し、前記支持部は、シャワーヘッドからの熱の散逸を抑制するようにその肉厚を薄くすることを可能にする、複数の熱変形を抑制するためおよび支持強度を高めるためのリブがその内側に設けられているので、支持部のリブ以外の部分を薄くすることができ、支持部からの熱の散逸を少なくすることができ、温度制御性をより高めることができる。さらに、前記シャワーヘッド温度制御手段は、シャワーヘッドを加熱する加熱機構と、シャワーヘッドを冷却する冷却機構と、シャワーヘッドの温度を検出する温度検出機構と、温度検出機構の検出結果に基づいて少なくとも前記加熱機構を制御するコントローラとを有し、前記シャワーヘッドと前記断熱材との間には空間を有し、前記冷却機構は、前記空間に冷却ガスを供給することにより前記シャワーヘッドを冷却し、前記加熱機構は前記シャワーヘッドに埋設されたヒーターを有するようにしたので、昇温および降温のいずれの場合にもシャワーヘッドを迅速に所望の温度にすることが可能である。
【００１３】
さらに、例えば被処理基板への処理前の、シャワーヘッド等へプリコートを形成する場合や、被処理基板へ成膜した際に、シャワーヘッド表面にも成膜されるが、安定した膜をシャワーヘッドに成膜させるのに、中間反応で生じるＴｉＣｌ_ｘを揮発させる必要があることから、シャワーヘッドを４２５℃以上、好ましくは５００℃以上に昇温する必要がある。従来の技術ではシャワーヘッドの昇温に長時間を要したり、シャワーヘッドが所望の温度になっているか否かが不明確であったため安定した膜を生成し得ない場合も生ずるが、シャワーヘッドに温度制御手段を設けることにより、成膜や、プリコートの際にシャワーヘッドを所望温度に制御することができ、安定した膜をシャワーヘッドに確実に形成することができる。そして、最初の成膜を安定して行うことができる。
【００１４】
上記構成において、前記シャワーヘッドは、前記シャワーヘッド本体の上面が前記支持部の上面よりも低い位置にあって凹状をなしている構成とすることができる。また、前記シャワーヘッド温度制御手段は、シャワーヘッドを加熱する加熱機構と、シャワーヘッドを冷却する冷却機構と、シャワーヘッドの温度を検出する温度検出機構と、温度検出機構の検出結果に基づいて少なくとも前記加熱機構を制御するコントローラとを有する構成とすることができる。これにより、昇温および降温のいずれの場合にもシャワーヘッドを迅速に所望の温度にすることが可能である。
【００１５】
また、前記シャワーヘッドのチャンバーと反対側の面に面して設けられた断熱材をさらに具備し、前記シャワーヘッドと前記断熱材との間には空間を有し、前記冷却機構は、前記空間に冷却ガスを供給することにより前記シャワーヘッドを冷却し、前記加熱機構は前記シャワーヘッドに配置されたヒーターを有する構成とすることができる。
【００１６】
また、前記加熱機構は、前記シャワーヘッドの内側部分を加熱する内側ヒーターと、外側部分を加熱する外側ヒーターとを有し、前記温度検出機構は、前記内側部分の温度を検出する内側温度検出部と、前記外側部分の温度を検出する外側温度検出部とを有する構成とすることができる。また、前記コントローラは、前記内側温度検出部の検出値に基づいて設定温度になるように内側ヒーターを制御するとともに、内側温度検出部と外側温度検出部との検出温度差がゼロになるように外側ヒーターを制御する構成とすることができる。このような構成により、シャワーヘッドの外周部からの熱の散逸を抑制することができ、より高精度の温度制御を実現することができる。
【００１７】
さらに、前記シャワーヘッド本体は、上段プレートと、中段プレートと、下段プレートとを有し、前記上段プレートと前記中段プレートとによって第１の空間が形成され、前記中段プレートと前記下段プレートとによって第２の空間が形成され、前記第１の空間と前記第２の空間とは連通しておらず、前記第１の空間を介して第１のガスが吐出され、前記第２の空間を介して第２のガスが吐出される構成とすることができる。また、前記第１の空間に前記第１のガスを導入する第１のガス導入管と、前記第２の空間に第２のガスを導入する第２のガス導入管とを有する構成とすることができる。また、前記シャワーヘッドを支持する蓋体と、前記蓋体と前記支持部との間に設けられた保温部材とをさらに具備し、前記支持部はその上端が前記保温部材に支持されるようにフランジ状をなしている構成とすることができる。
【００１９】
さらにまた、前記チャンバーは真空引き可能に構成されていることが好ましい。この場合に、前記シャワーヘッドは、そのガス吐出孔形成面を含むチャンバー内に位置するチャンバー内部分と、チャンバー外の大気側に位置する大気側部分とを有し、前記シャワーヘッド温度制御手段は、前記チャンバーの大気側部分に設けられている構成とすることができる。これにより、温度制御手段を大気雰囲気で取り扱うことができ、取り扱いが容易である。
【００２０】
また、前記載置台を加熱する載置台加熱手段をさらに具備することが好ましく、前記チャンバーを加熱するチャンバー加熱手段をさらに具備することが好ましい。さらに、前記チャンバー内で処理ガスのプラズマを生成するためのプラズマ生成手段をさらに具備することができる。この場合に、前記チャンバーと前記シャワーヘッドとの間に設けられ、これらを絶縁するとともに断熱する絶縁部材をさらに具備する構成とすることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について、Ｔｉ薄膜形成用のＣＶＤ成膜装置を例にとって具体的に説明する。
【００２４】
図１は本発明の一実施形態に係るＴｉ薄膜形成用のＣＶＤ成膜装置を示す断面図であり、図２は図１のＣＶＤ成膜装置のシャワーヘッド上部を示す平面図である。このＣＶＤ成膜装置１は、気密に構成された略円筒状あるいは箱状のチャンバー２を有しており、その中には被処理体である半導体ウエハＷを水平に載置するためのステージ３が設けられている。チャンバー２の底部中央には下方に突出したステージ保持部材７がシールリングを介して取り付けられており、ステージ３に接合された円筒形状の部材４がステージ保持部材７に取り付けられている。チャンバー２、ステージ保持部材７は図示しない加熱機構を有し、これらは図示しない電源から給電されることにより所定の温度に加熱される。
【００２５】
ステージ３の外縁部には例えばプラズマの生成を安定させるリング５が設けられている。また、ステージ３内にはヒーター６が埋め込まれており、このヒーター６は図示しない電源から給電されることにより被処理体である半導体ウエハＷを所定の温度に加熱する。また、ステージ３のヒーター６の上方部分には、メッシュ電極７１が設けられている。
【００２６】
ステージ３には、ウエハＷを支持して昇降させるための３本（２本のみ図示）のウエハ支持ピン７５がステージ３の表面に対して突没可能に設けられ、これらウエハ支持ピン７５は支持板７６に固定されている。そして、ウエハ支持ピン７５は、エアシリンダ等の駆動機構７７により支持板７６を介して昇降される。
【００２７】
チャンバー２の側壁には、ウエハＷの搬入出を行うための搬入出口７３と、この搬入出口７３を開閉するゲートバルブ７４とが設けられている。
【００２８】
チャンバー２の上部には、ステージ３に対向するようにシャワーヘッド１０が設けられている。このシャワーヘッド１０は、上段プレート１０ａ、中段プレート１０ｂ、下段プレート１０ｃを有しており、平面形状が円形をなしている。
【００２９】
上段プレート１０ａは、中段プレート１０ｂおよび下段プレート１０ｃとともにシャワーヘッド本体部分を構成する水平部１０ｄと、この水平部１０ｄの外周上方に連続する環状の支持部１０ｅとを有し、凹状に形成されている。この支持部１０ｅの内側には、図１および図２に示すようにシャワーヘッド１０の中心に向かって等間隔にリブ１０ｆが配置されている。このリブ１０ｆの厚さは５ｍｍ以上が好ましい。このリブ１０ｆを形成したことにより、支持部１０ｅの熱変形を抑制し、かつ支持強度を高めることができ、支持部１０ｅの肉厚を薄くすることができる。これにより、シャワーヘッド１０からの熱の散逸を抑制することができる。
【００３０】
上段プレート１０ａはベース部材として機能し、この上段プレート１０ａの水平部１０ｄの外周下部に、環状に形成された凹状の中段プレート１０ｂの外周上部がネジ止めされている。また、中段プレート１０ｂの下面に、下段プレート１０ｃの上面がネジ止めされている。上段プレート１０ａの水平部１０ｄの下面と凹部を有する中段プレート１０ｂの上面との間に空間１１ａが気密に形成されている。中段プレート１０ｂの下面には、複数の溝が放射状に均等に形成されている。中段プレート１０ｂと下段プレート１０ｃとも気密に接合され、中段プレート１０ｂの下面に形成された複数の溝と下段プレート１０ｃの上面と間に空間１１ｂが形成されている。中段プレート１０ｂには、空間１１ａから中段プレート１０ｂに形成される複数の孔を介して下段プレート１０ｃへ貫通する多数の第１のガス通路１２ａと、空間１１ａへは連通せず空間１１ｂへ連通する第２のガス通路１２ｂとが形成されている。下段プレート１０ｃには、第１ガス通路１２ａに連通する多数の第１のガス吐出孔１３ａと、空間１１ｂに連通する多数の第２のガス吐出孔１３ｂとが形成されている。
【００３１】
ここで、中段プレート１０ｂに形成された第１のガス流路１２ａの内径は、例えばφ０．５〜３ｍｍ、好ましくは１．０〜２．０ｍｍである。また、下段プレート１０ｃに形成された第１のガス吐出孔１３ａは２段構造となっており、その内径は、空間１１ａ側が例えばφ１〜３．５ｍｍ、好ましくは１．２〜２．３ｍｍであって、下面の開口側が例えばφ０．３〜１．０ｍｍ、好ましくは０．５〜０．７ｍｍである。
【００３２】
上段プレート１０ａの上面には、第１のガス導入管１４ａと第２のガス導入管１４ｂとが接続されている。そして、第１のガス導入管１４ａは空間１１ａに連通しており、第２のガス導入管１４ｂは中段プレート１０ｂの第２のガス通路１２ｂに連通し、さらに空間１１ｂに連通している。したがって、第１のガス導入管１４ａを通って導入されたガスは、空間１１ａおよび第１のガス通路１２ａを通り、第１のガス吐出孔１３ａから吐出され、第２のガス導入管１４ｂを通って導入されたガスは、第２のガス通路１２ｂを通り空間１１ｂへ導入され、第２のガス吐出孔１３ｂから吐出される。すなわち、シャワーヘッド１０は、第１のガス導入管１４ａを介して供給されたガスと第２のガス導入管１４ｂを介して供給されたガスとがシャワーヘッド１０内で混ざらないように別々にチャンバー２内に供給されるマトリックスタイプとなっている。
【００３３】
図３は、図１のシャワーヘッド１０の拡大図である。図１および図３に示すように、上段プレート１０ａ上面の第２のガス導入管１４ｂとの接続部を含む部分には凸部１０ｇが形成されており、上段プレート１０ａの凸部１０ｇに対応する部分の下面には凹部１０ｈが形成されている。一方、中段プレート１０ｂの第２のガス導入管１４ｂと対応する位置には、その上面から上方に突出する、内部に第２のガス通路が形成された管部１０ｊが一体に設けられ、この管部１０ｊの上端には上記凹部１０ｈに嵌合するフランジ部１０ｉが一体に形成されている。上記凹部１０ｈにおいて、上段プレート１０ａの下面とフランジ部１０ｉの上面との間にはシールリング１０ｋが設けられている。これにより、第１のガス導入管１４ａおよび第２のガス導入管１４ｂから供給される各々のガスが混合されることをより確実に防止することができる。
【００３４】
図３のＡ−Ａ線による断面図を図４に、Ｂ−Ｂ線による断面図を図５に示す。図３および図４に示すように、中段プレート１０ｂと下段プレート１０ｃとはボルト１０１により締結されている。図５における矢印は、第２のガス通路１２ｂから空間１１ｂ内に供給されるガスの流れの概略方向を示している。第２のガス導入管１４ｂにつながる管部１０ｊの先端部分には、図５および図６に示すように、平面扇形状に形成された一対のスリット状の吐出口１２１が設けられており、第２のガス通路１２ｂを通過してきたガスがこれら吐出口１２１から矢印方向に吐出されるようになっている。平面扇形状の吐出口１２１の開口度は、第１のガス通路１２ａに連通しない程度、例えば１６０°より小さい開口度が好ましい。なお、図７に示すように、スリット状の吐出口１２１の代わりに複数の孔（図では両側に３個ずつ）からなる吐出口１２２を設けてもよい。この際の孔の配列は図示のような水平方向であっても垂直方向であってもよい。また、孔は第２のガス通路１２ｂより小さく、その数は片側１個であってもよい。
【００３５】
一方、図１に示すように、上段プレート１０ａに接続された第１および第２のガス導入管１４ａ，１４ｂの他端にはフランジ１４が溶接されている。フランジ１４には、第１のガス通路２４ａおよび第２のガス通路２４ｂを有する絶縁部材２４が接続されている。この絶縁部材２４の他方には、第１のガス通路２６ａおよび第２のガス通路２６ｂを有するガス導入部材２６が接続されている。ガス導入部材２６は蓋部材１５の上面に接続されている。蓋部材１５およびチャンバー２は、それぞれ第１のガス通路１５ａ，２ａおよび第２のガス通路１５ｂ，２ｂを有し、フランジ１４からチャンバー２までの各ガス通路接続部には、それぞれＯリング等のシールリングが介装されている。また、ガス配管２５ａがチャンバー２の第１のガス通路２ａに、ガス配管２５ｂが第２のガス通路２ｂに接続されている。ガス配管２５ａ，２５ｂの他端にはガス供給部３０が接続されている。
【００３６】
ガス供給部３０は、クリーニングガスであるＣｌＦ_３を供給するＣｌＦ_３ガス源３１、成膜ガスであるＴｉＣｌ_４を供給するＴｉＣｌ_４ガス源３２、キャリアガスであるＡｒを供給するＡｒガス源３３、還元ガスであるＨ_２を供給するＨ_２ガス源３４およびＴｉ膜の窒化の際に使用するＮＨ_３を供給するＮＨ_３ガス源３５を有している。ＣｌＦ_３ガス源３１、ＴｉＣｌ_４ガス源３２、Ａｒガス源３３にはそれぞれガス配管３６，３７，３８が接続されており、これらガス配管３６，３７，３８は、ガス配管２５ｂに接続されている。また、Ｈ_２ガス源３４およびＮＨ_３ガス源３５にはそれぞれガス配管３９，４０が接続されており、これらガス配管３９，４０はガス配管２５ａに接続されている。したがって、ＣｌＦ_３ガス源３１、ＴｉＣｌ_４ガス源３２、Ａｒガス源３３からのガスは、ガス配管２５ｂから、上記の各部品の第２のガス通路２ｂ，１５ｂ，２６ｂ，２４ｂおよびガス導入管１４ｂを通ってシャワーヘッド１０の中段プレート１０ｂの第２のガス通路１２ｂに至り、次いで空間１１ｂに導入され、下段プレート１０ｃの第２のガス吐出孔１３ｂから吐出される。また、Ｈ_２ガス源３４、ＮＨ_３ガス源３５からのガスは、ガス配管２５ａから、上記の各部品の第１のガス通路２ａ，１５ａ，２６ａ，２４ａおよびガス導入管１４ａを通ってシャワーヘッド１０の空間１１ａに導入され、そこから中段プレート１０ｂの第１のガス通路１２ａを通って下段プレート１０ｃの第１のガス吐出孔１３ａから吐出される。したがって、成膜処理の際には、ＴｉＣｌ_４ガスとＨ_２ガスとは、ガスの供給途中では混合されず、チャンバー２内に吐出した後に混合され、これらガスのプラズマが形成されて所望の反応が生じ、半導体ウエハＷ上にＴｉ膜が生じるようにされている。なお、各ガス源からのガス配管３６，３７，３８，３９，４０には、いずれもマスフローコントローラー４１およびマスフローコントローラを挟むように設けられた一対の開閉バルブ４２，４３が設けられている。ここでは図示されないが、ガス供給部３０には、Ｎ_２ガス源やその他の配管、開閉バルブ等を含んでいる。また、ガス導入部材２６内に形成されたの第１のガス通路２６ａおよび第２のガス通路２６ｂに接続するガス源を変更することによって、空間１１ａ，１１ｂに供給されるガスを変更してもよい。
【００３７】
上記チャンバー２の上面には、開口を有する蓋部材１５が取り付けられており、この蓋部材１５の内周部分には環状の絶縁部材１６が取り付けられている。そして、絶縁部材１６を介して上記上段プレート１０ａの支持部１０ｅが蓋部材１５に支持されている。支持部１０ｅの上は、保温のために環状の絶縁部材２１によってカバーされ、絶縁部材２１は蓋部材１５に支持されている。絶縁部材１６はシャワーヘッド１０とチャンバー２との間を絶縁し、かつ断熱の効果を有している。なお、チャンバー２と蓋部材１５との間、蓋部材１５と絶縁部材１６との間、絶縁部材１６と支持部１０ｅとの間にＯリング等のシールリングを介装することにより気密性を維持している。
【００３８】
上段プレート１０ａの水平部１０ｄの上面には、ステージ３上の半導体ウエハＷ全面に対応するように、内側ヒーター１７が配置されている。また、その外側を囲むように円環状（ドーナツ状）の外側ヒーター１８が嵌合されている。内側ヒーター１７は、例えば、ヒーター線を形成した薄いシートを一対のマイカ絶縁板でサンドイッチした構造を有している。また、外側ヒーター１８は、外管の内側に絶縁材が配され、その内側に発熱体が内装されたシース型である。なお、後述する図１６に示すように、外側ヒーターとして内側ヒーターと同じものを用いることもできる。これらヒーターは後述するシャワーヘッド温度制御手段の構成要素として機能する。
【００３９】
内側ヒーター１７と上段プレート１０ａの水平部１０ｄとの間には絶縁板７２が設けられている。また内側ヒーター１７の上方には空間１９が設けられ、その上には断熱部材２０が設けられている。断熱部材２０としては、Ａｌ_２Ｏ_３等のセラミックス、樹脂材等を挙げることができる。断熱部材２０は、冷却ガス通路２０ａと排出口２０ｂとを有し、内側冷却用のドライエアー供給配管６１ａがその上部に接続されている。そして、配管６１ａから吐出されたドライエアーは空間１９に供給されて内側ヒーター１７およびその周辺を冷却するようになっている。また、上段プレート１０ａの支持部１０ｅの上方には外側冷却用のドライエアー供給配管６１ｂが配置されている。この配管６１ｂは、絶縁部材２１の内周側に沿って環状に設けられた配管６１ｃに接続されており、この配管６１ｃには下向きにドライエアを吐出する孔が全周に均等に設けられている。この吐出されたドライエアは、絶縁部材１６と断熱部材２０との隙間およびその周辺に供給され、外側ヒーター１８およびその周辺を冷却するようになっている。
【００４０】
シャワーヘッド１０の上段プレート１０ａには、その上方から延びる給電棒４５が接続されており、この給電棒４５には、整合器４６を介して高周波電源４７が接続されている。そして、この高周波電源４７からシャワーヘッド１０に高周波電力が供給され、これによって前記メッシュ電極７１との間に形成された高周波電界により、チャンバー２内に供給された処理ガスがプラズマ化され、成膜反応が促進される。
【００４１】
シャワーヘッド１０の下部の周囲の、上段プレート１０ａ、中段プレート１０ｂ、下段プレート１０ｃの側方と、絶縁部材１６の下面と、蓋部材１５の下面および側面と、チャンバー２の側壁とで囲まれた空間に、プラズマが形成されることを防止するための環状の石英製のフィラー４８が嵌め込まれている。図８に示すように、このフィラー４８はその外側部分に凹部４８ａを有し、この凹部４８ａに、蓋部材１５にネジ止めされた複数個の支持部材４９の凸部４９ａが嵌め込まれてフィラー４８を支持するようになっている。そして、フィラー４８の凹部４８ａの側面と支持部材４９の凸部４９ａの側面との間にはフッ素ゴム等の弾性材料からなる複数の弾性部材５０が介装されている。この弾性部材５０の存在により、シャワーヘッド１０のセンター合わせを容易に行うことができるとともに、フィラー４８の着脱を簡略化することができ、さらに、熱による伸縮等によるフィラー４８の破損を防止することができる。また、フィラー４８と蓋部材１５との間にも弾性部材５１が介装されており、この弾性部材５１もフィラー４８の破損防止機能を有する。
【００４２】
チャンバー２の底部に取り付けられた円筒状のステージ保持部材７の底部側壁には、排気管５２が接続されており、この排気管５２には排気装置５３が接続されチャンバー２内を排気するようになっている。図示していないが、この排気装置５３の上流側には、未反応物や副生成物を捕捉する装置を有する。そしてこの排気装置５３を作動させることによりチャンバー２内を所定の真空度まで減圧することが可能となっている。また、蓋部材１５上にはシールドボックス２３が設けられ、その上部には、排気ポート５４が設けられている。この排気ポート５４からシールドボックス２３内のインナードライエアおよびアウタードライエアの熱排気がなされるようになっている。
【００４３】
また、本実施形態に係るＣＶＤ成膜装置１は、シャワーヘッド１０の温度を制御するシャワーヘッド温度制御手段６０が設けられている。以下、この温度制御手段６０について詳細に説明する。
【００４４】
このシャワーヘッド温度制御手段６０は、加熱機構として上述した内側ヒーター１７および外側ヒーター１８と、冷却機構としてドライエアーを供給するドライエアー供給配管６１ａ，６１ｂと、内側ヒーター１７、外側ヒーター１８、シャワーヘッド１０の下段プレート１０ｃの温度を検出する熱電対６５ａ，６５ｂ，６６ａ，６６ｂと、これらを制御するコントローラ６２とを有している。
【００４５】
図９に拡大して示すように、内側ヒーター１７には電源６３が接続されており、外側ヒーター１８には電源６４が接続されている。また、シャワーヘッド１０の上段プレート１０ａ上の内側に配置される内側ヒーター１７に対応する位置には、それぞれ内側ヒーター１７近傍と下段プレート１０ｃの内側の温度を検出するための熱電対６５ａ，６５ｂが設けられている。熱電対６５ａは内側ヒーター１７を貫通してその先端が絶縁板７２の上面に位置し、熱電対６５ｂの先端は下段プレート１０ｃの内部に達している。また、上段プレート１０ａ上の外周側に配置される外側ヒーター１８に対応する位置には、それぞれ上段プレート１０ａの外側および下段プレート１０ｃの外側の温度を検出するための熱電対６６ａ，６６ｂが設けられている。熱電対６６ａ，６６ｂの先端はそれぞれ上段プレート１０ａ，下段プレート１０ｃの内部に達している。これら熱電対６５ａ，６５ｂ，６６ａ，６６ｂは複数設けることができる。さらに、コントローラ６２の指令および熱電対６５ａまたは６５ｂの検出信号に基づいて、内側ヒーター１７の出力をＰＩＤ制御して温度調節を行う内側温度制御器６７と、コントローラ６２の指令および熱電対６６ａまたは６６ｂの検出信号に基づいて、外側ヒーター１８の出力をＰＩＤ制御して温度調節を行う外側温度制御器６８とを有している。そして、これらにより加熱時におけるシャワーヘッド１０の温度制御が実現される。
【００４６】
一方、上記冷媒体として、上記ドライエアー供給配管６１ａより供給されたドライエアーは、断熱部材２０の冷却ガス通路２０ａを通り空間１９へ導入され、内側ヒーター１７から空間１９内に放出された熱を奪い、排出口２０ｂを経て、蓋部材１５上部に設けられたシールドボックス２３の排気ポート５４から排出される。また、ドライエアー供給配管６１ｂに供給されたドライエアーは、配管下方の吐出孔より供給され、シャワーヘッド外側部の熱を奪い、シールドボックス２３の排気ポート５４から排出される。ドライエアー供給配管６１ａおよび６１ｂには、それぞれエアーオペレーションバルブ６９ａ，６９ｂが設けられており、これらエアーオペレーションバルブ６９ａ，６９ｂはコントローラ６２により制御が行われる。
【００４７】
このようなシャワーヘッド温度制御手段６０を用いた加熱時においては、図１０に示すように制御することにより、好ましい温度制御を実現することができる。図１０の制御においては、コントローラ６２に温度設定を行い、熱電対６５ａまたは６５ｂの検出温度が設定温度となるように温度制御器６７により内側ヒーター１７の出力を制御するとともに、この熱電対６５ａまたは６５ｂの検出値がコントローラ６２から温度制御器６８に出力され、外側ヒーター１８に対応する位置の熱電対６６ａまたは６６ｂの検出温度と内側ヒーター１７に対応する熱電対６５ａまたは６５ｂの検出温度との差が０になるように温度制御器６８により外側ヒーター１８の出力を制御する。これにより、シャワーヘッド１０の外側部分が内側部分と略同じ温度になるように制御される。
【００４８】
なお、シャワーヘッド１０の上段プレート１０ａの上面およびその上の部分は、大気雰囲気に曝されている。つまり、シャワーヘッド温度制御手段６０の熱電対６５ｂ，６６ｂはシャワーヘッド１０内に配置されており真空中であるが、それ以外の構成要素は大気雰囲気に配置される。
【００４９】
図２に示すように、シャワーヘッド１０は、ヒンジ機構からなる反転機構８０によりチャンバー２外へ反転可能となっており、これによりシャワーヘッド１０は、図１１に示すように、そのガス吐出面を上にした状態でほぼ完全にチャンバー２外に存在させることができるので、シャワーヘッド１０のメンテナンスを極めて容易に行うことが可能となる。具体的には、図１１の状態から、まず複数の支持部材４９を固定ネジを外すことで容易に取り外すことができ（矢印▲１▼）、支持部材４９が取り外されると、フィラー４８を上方へ容易に取り外すことが可能となる（矢印▲２▼）。そして、フィラー４８が取り外されると、シャワーヘッド１０のメンテナンスを容易に行うことが可能となる。例えば下段プレート１０ｃおよび中段プレート１０ｂを容易に上方へ取り外すことが可能となる（矢印▲３▼）。シャワーヘッド１０を反転させる際には、シャワーヘッド１０が１８０度回転した位置に存在することが好ましいが、その近傍の角度であればよい。なお、シャワーヘッド１０をこのような角度に保持するために、例えばガススプリング等を用いることができる。
【００５０】
次に、このように構成されるＣＶＤ成膜装置１の処理動作について説明する。はじめに、半導体ウエハＷ上にＴｉ薄膜を形成するに先立って、次の手順でシャワーヘッド１０やステージ３等の表面上にＴｉのプリコート膜を成膜する。まず、チャンバー２周辺、ステージ３のヒーター６、シャワーヘッド１０の内側および外側ヒーター１７，１８を加熱し、排気装置５３によりチャンバー２内を排気しつつ、所定のガスを所定の流量比でチャンバー２内に導入し、チャンバー２内を所定の圧力にする。次いで、Ｈ_２ガス、ＴｉＣｌ_４ガス、その他のガスを含む成膜ガスを所定流量でチャンバー２内に供給し、高周波電源４７からシャワーヘッド１０に高周波電力を供給してチャンバー２内にプラズマを生成させ、シャワーヘッド１０やステージ３等の表面にＴｉ膜を成膜する。次いで、高周波電源４７の給電とＴｉＣｌ_４ガスの供給を停止し、ＮＨ_３ガスおよびその他のガスを所定流量で供給し、再び高周波電源４７からシャワーヘッド１０に高周波電力を供給してプラズマを生成させ、成膜されたＴｉ膜の表面を窒化する。これにより、シャワーヘッド１０およびステージ３等の表面に安定したプリコート膜が形成される。窒化処理終了後、高周波電源４７の給電とＮＨ_３ガスの供給を停止する。
【００５１】
プリコート終了後、ゲートバルブ７４を開にして半導体ウエハＷをチャンバー２内に搬入し、突出されたウエハ支持ピン７５へ受け渡し、ウエハ支持ピン７５を下降させてステージ３上に載置する。次いでＨ_２、ＴｉＣｌ_４ガス、その他のガスを所定流量で供給し、高周波電源４７からシャワーヘッド１０に高周波電力を供給してチャンバー２内にプラズマを生成させ、半導体ウエハＷ上にＴｉ膜を成膜する。次いで、高周波電源４７の給電とＴｉＣｌ_４ガスの供給を停止し、ＮＨ_３ガスおよびその他のガスを所定流量で供給し、再び高周波電源４７からシャワーヘッド１０に高周波電力を供給してプラズマを生成させ、半導体ウエハＷに成膜されたＴｉ膜を窒化する。窒化処理終了後、高周波電源４７の給電とＮＨ_３ガスの供給を停止する。このようにして成膜処理が終了した後、チャンバー２から半導体ウエハＷを搬出し、次に処理する半導体ウエハＷを搬入し、その上に同様の成膜処理を行う。
【００５２】
このような成膜処理を所定枚数の半導体ウエハＷについて行った後、ステージ３、シャワーヘッド１０を所定温度まで降温させ、クリーニングガスであるＣｌＦ_３ガスをチャンバー２内に供給し、クリーニングを行う。
【００５３】
以上のような一連の工程において、本実施形態では、シャワーヘッド１０にシャワーヘッド温度制御手段６０を設けたことにより以下のような効果を得ることができる。
【００５４】
プリコートや成膜の際に、ＴｉＣｌ_ｘ（ｘ＝１，２，３）が発生するが、シャワーヘッドに安定した膜を形成するためこのようなＴｉＣｌ_ｘをガスとして揮発させる必要がある。そのためには、４２５℃以上の温度が必要であるが、従来のシャワーヘッドの加熱はステージ内のヒーターによる受動的な加熱であったため、シャワーヘッドが必ずしも４２５℃以上になる保証はなく、シャワーヘッドに対して安定したプリコート膜を形成し得ない場合が生じていた。これに対し、本実施形態のようにシャワーヘッド１０にシャワーヘッド温度制御手段６０を設けることにより、シャワーヘッド１０を積極的に４２５℃以上好ましくは５００℃以上にすることができ、シャワーヘッド１０に確実に安定したプリコート膜を形成することができる。
【００５５】
また、チャンバー２内を成膜温度まで加熱する際に、従来のようにシャワーヘッド１０をステージ３の輻射熱のみで昇温する場合には、所定の加熱温度に安定するまで長時間を要するが、本実施形態ではステージ３のヒーター６からの受動的な加熱に加えて、シャワーヘッド温度制御手段６０の構成要素であるヒーター１７，１８により予めシャワーヘッド１０を積極的に加熱することができるため、短時間でシャワーヘッド１０の全体が加熱されて、シャワーヘッド１０の下段プレート１０ｃの表面の温度がほぼ一定の温度に安定化される。このため、チャンバー２内の温度を短時間で所定温度に安定させることができる。このように、シャワーヘッド１０の温度が均一に制御されることで、半導体ウエハＷ上にＴｉ膜を均一に成膜することが可能となる。特に、半導体ウエハが３００ｍｍと大型化したことに伴って装置が大型化した場合にその効果が著しい。
【００５６】
さらに、アイドリングの際には高周波電源がオフにされていることから、シャワーヘッド１０の温度を所定の温度に保持するため、従来ではステージ内のヒーターの温度を高めに設定していた。これに対して、このようにシャワーヘッド温度制御手段６０によりシャワーヘッド１０の温度を制御することにより、アイドリングの際の温度を所定の温度に保持し、安定化させることができる。
【００５７】
さらにまた、クリーニングの際には、シャワーヘッド１０の温度を成膜温度から２００〜３００℃のクリーニング温度まで低下させなくてはならず、従来は、シャワーヘッドの放熱性が悪かったため温度低下に長時間を要していたが、本実施形態ではシャワーヘッド温度制御手段６０の構成要素であるドライエアー供給配管６１ａ，６１ｂから冷媒体としてのドライエアーをシャワーヘッド１０上部に供給して冷却することにより、チャンバー２内を速やかにクリーニング温度まで低下させることができる。
【００５８】
本実施形態の装置において、シャワーヘッド１０はその上段プレート１０ａの上面が大気雰囲気に存在しているため、シャワーヘッド温度制御手段６０の大部分の部材は大気雰囲気に設けることができ、シャワーヘッド温度制御手段６０の取扱いが容易である。
【００５９】
また、上述のように、シャワーヘッド温度制御手段６０の加熱機構として、内側ヒーター１７と外側ヒーター１８とを設け２ゾーン制御とし、図９に示すように、熱電対６５ａまたは６５ｂの検出温度が設定温度となるように温度制御器６７により内側ヒーター１７の出力を制御するとともに、外側ヒーター１８に対応する位置の熱電対６６ａまたは６６ｂの検出温度と、内側ヒーター１７に対応する熱電対６５ａまたは６５ｂの検出温度との差が０になるように温度制御器６８により外側ヒーター１８の出力を制御することにより、シャワーヘッド１０の外側部分が内側部分と常に同じ温度になるように制御されるため、シャワーヘッド１０の外側部分からの熱の散逸を抑制することができ、温度制御性を高めることができる。特に、半導体ウエハのサイズが３００ｍｍと大型化した場合に、シャワーヘッド１０の外側から熱が散逸しやすいため、このような制御がより有効である。
【００６０】
シャワーヘッド１０のメンテナンス時には、シャワーヘッド１０を反転機構８０によりチャンバー２外へ反転する。これによりシャワーヘッド１０は、図１１に示すように、そのガス吐出面を上にした状態でメンテナンスが可能であるため、メンテナンスを極めて容易に行うことが可能となる。具体的には、図１１の状態から、まず複数の支持部材４９を外側へ外し、次いでフィラー４８を上方へ取り外し、その後シャワーヘッド１０の下段プレート１０ｃおよび中段プレート１０ｂを上方へ取り外すことができるので、これらの取り外し動作が極めて容易であるため、メンテナンスを極めて容易に行うことが可能となる。
【００６１】
なお、本発明は上記実施形態に限らず本発明の思想の範囲内で種々変形が可能である。以下、そのような変形例について具体的に説明する。
【００６２】
図５、図６に示すように、上記実施形態においては、第２のガス通路１２ｂを介して供給されるガスは、空間１１ｂの略中央部分における第２ガス通路１２ｂの吐出口１２１から直接的に空間１１ｂ内に拡散するようになっている。しかしながら、このような態様では、第２のガス通路１２ｂを介して供給されるガスの空間１１ｂへの拡散が不十分な場合があり得る。そこで、空間１１ｂの略中央部分における第２のガス通路１２ｂの吐出口１２１にガス拡散促進用パイプを連結することが好ましい。このような例を図１２に示す。図１２の例では下段プレート１０ｃの上方の空間１１ｂ内に、略Ｈ字状のガス拡散促進用パイプ１１０が設けられている。このガス拡散促進用パイプ１１０は、両側の吐出口１２１に直接嵌合された中央管１１０ａと、この中央管１１０ａの両端にこれに垂直に接合（溶接）され一体化された２つの側部管１１０ｂ，１１０ｃとを有している。側部管１１０ｂ，１１０ｃの両端部にガス吐出口１１０ｄが上段プレート１０ａ側に向けて開口するように形成されている。そして、吐出口１２１から吐出されたガスが、中央管１１０ａおよび側部管１１０ｂ，１１０ｃを通って側部管１１０ｂ，１１０ｃの両端部にそれぞれ設けられた合計４つのガス吐出口１１０ｄから図の矢印方向に吐出されるようになっている。したがって、第２のガス通路１２ｂを介して供給されるガスが空間１１ｂ内に十分に均等に拡散可能である。側部管１１０ｂ，１１０ｃの両端部は２つの支持部材１１０ｅ，１１０ｆにより支持されており、これにより中央管１１０ａのぶれが防止される。なお、ガス吐出口１１０ｄの個数および開口の態様は、第２のガス通路１２ｂを介して供給されるガスが空間１１ｂ内に十分に均等に拡散できるものであれば特に限定されない。ただし、ガス吐出口１１０ｄは空間１１ｂ内に均等に配置されることが好ましい。図１３は、図１２に示す下段プレート１０ｃおよびガス拡散促進用パイプ１１０に対して中段プレート１０ｂを取り付けた状態の断面図である。この図から理解されるように、支持部材１１０ｅは上方から側部管１１０ｂ，１１０ｃを支持しており、支持部材１１０ｆは中段プレート１１０ｂと下段プレート１１０ｃとの間に挟持された状態で側部管１１０ｂ，１１０ｃを支持している。
【００６３】
また、図１４および図１５は、制御系に関する変形例を示している。図１４は、図９の加熱機構に相当する部分の変形例を示す模式図であり、図１５は、図１０の制御態様の変形例を示す図である。図１４の例では制御系と各熱電対６５ａ，６５ｂ，６６ａ，６６ｂとの間に、また図１５の例では制御系と各ヒータ１７，１８との間にノイズフィルタ１２０が設けられている。このようにノイズフィルタ１２０を設けることにより、高周波電源４７からのノイズを有効に除去することができ、制御特性を向上させることができる。
【００６４】
さらに、図１６に示す変形例では、断面円形のリング状のシース型ヒーターである外側ヒーター１８の代わりに、内側ヒーター１７と同様の平板状ヒーターをドーナツ状とした外側ヒーター１１８を配置している。このように、ヒーターの形状は特に限定されない。また、内側ヒーター１７と上段プレート１０ａとの間には絶縁部材７２の代わりに、より厚い絶縁板１３１が介在され、外側ヒータ１１８と上段プレート１０ａとの間にも厚い絶縁板１３２が介在されている。上段プレート１０ａは、プラズマ生成用電極として機能するため、ヒーターが受けるノイズの影響を抑制する必要があり、そのため、このように厚い絶縁板１３１および１３２を設けることが好ましい。ノイズの影響を有効に防止する観点からこのような絶縁板の厚さは０．５〜１０ｍｍであることが好ましい。このような絶縁板１３１および１３２は、高い熱伝導率と耐熱性を有する必要がある。したがって、絶縁板１３１および１３２の材料としては、窒化アルミニウムのような熱伝導率および耐熱性の高いセラミックスが好適である。
【００６５】
さらにまた、図１７に示す変形例では、図８のフィラー４８の凹部４８ａの側面と支持部材４９の凸部４９ａの側面との間に介装された弾性部材５０の代わりに、例えばインコネル等のＮｉ合金材で形成された耐食性メタルスプリングからなる弾性部材１５０が介装されている。このように、フィラー４８の凹部４８ａの側面と支持部材４９の凸部４９ａの側面との間に介装される弾性部材の態様は特に限定されない。
【００６６】
その他、上記実施形態ではＴｉ膜の成膜処理を例にとって説明したが、これに限らずＴｉＮ膜等他の膜のＣＶＤ成膜処理に適用することもできる。また、プラズマを形成した場合を例にとって説明したが、プラズマは必ずしも必須なものではない。シャワーヘッドの温度制御手段についても上記構成に限るものではなく、その制御方法も上記方法に限るものではない。例えば冷媒としてドライエアーを用いたがＡｒ、Ｎ_２等他のガスであってもよい。プラズマを用いない場合には、冷媒として水等の液体を用いることもできる。さらに、半導体ウエハの処理を例にとって説明したが、これに限るものではなく、液晶表示装置用ガラス基板等、他の基板に対する処理にも適用することができる。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、シャワーヘッドに温度制御手段を設けたので、シャワーヘッドが輻射によって加熱されるのではなく、積極的に所望の温度に制御することができ、大型の装置であっても、昇温および降温を短時間で行うことができる。また、このようにシャワーヘッドを積極的に温度制御することができることにより、チャンバー内の温度安定性を高めることができる。また、前記シャワーヘッドは、ガス拡散空間およびガス吐出孔を有するシャワーヘッド本体と、シャワーヘッド本体の外周上方に連続する環状の支持部とを有し、前記支持部は、シャワーヘッドからの熱の散逸を抑制するようにその肉厚を薄くすることを可能にする、複数の熱変形を抑制するためおよび支持強度を高めるためのリブがその内側に設けられているので、支持部のリブ以外の部分を薄くすることができ、支持部からの熱の散逸を少なくすることができ、温度制御性をより高めることができる。
【００６９】
さらに、このようにシャワーヘッドに温度制御手段を設けることにより、成膜やプリコートの際にシャワーヘッドを所望温度に制御することができるため、シャワーヘッドに安定した膜を形成することができ、被処理体上に均一な膜を確実に形成することができる。
【００７０】
さらにまた、シャワーヘッドの温度制御手段を大気側部分に設けたので、温度制御手段を大気雰囲気で取り扱うことができ、取扱いが容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るＣＶＤ成膜装置を示す断面図。
【図２】本発明の一実施形態に係るＣＶＤ成膜装置のシャワーヘッド上部を示す平面図。
【図３】図１の装置のシャワーヘッドを示す拡大図。
【図４】図３のＡ−Ａ線による断面図。
【図５】図３のＢ−Ｂ線による断面図。
【図６】第２のガス通路からのガス吐出部を示す下面図および側面図。
【図７】第２のガス通路からのガス吐出部の他の例を示す下面図および側面図。
【図８】図１の装置のフィラー部分を拡大して示す断面図。
【図９】図１の装置の温度制御手段のうち、加熱機構に相当する部分を示す模式図。
【図１０】図１の装置の温度制御手段により加熱制御する場合の好ましい制御態様を示す図。
【図１１】図１の装置のシャワーヘッドを反転機構により反転させた状態を示す断面図。
【図１２】ガス拡散促進用パイプが設けられた場合の下段プレートを示す平面図。
【図１３】図１２の下段プレートおよびガス拡散促進用パイプに中段プレートを取り付けた状態の断面図。
【図１４】図１の装置の温度制御手段のうち、図９の加熱機構に相当する部分の変形例を示す模式図。
【図１５】図１４の温度制御手段により加熱制御する場合の好ましい制御態様を示す図。
【図１６】加熱機構に相当する部分の変形例を示す断面図。
【図１７】図８のフィラー部分の変形例を示す断面図。
【符号の説明】
１；ＣＶＤ成膜装置
２；チャンバー
３；ステージ
６；ヒーター
１０；シャワーヘッド
１０ａ；上段プレート
１０ｂ；中段プレート
１０ｃ；下段プレート
１０ｄ；水平部
１０ｅ；支持部
１０ｆ；リブ
１４ａ，１４ｂ；ガス導入管
１５；蓋部材
１７；内側ヒーター（加熱機構）
１８；外側ヒーター（加熱機構）
２０；断熱部材
２５ａ，２５ｂ；ガス配管
３０；ガス供給部
４７；高周波電源
４８；フィラー
４９；支持部材
５０，５１；弾性部材
５３；排気装置
６０；シャワーヘッド温度制御手段
６１ａ，６１ｂ；ドライエアー供給配管（冷却機構）
６２；コントローラ
６３，６４；電源
６５ａ，６５ｂ，６６ａ，６６ｂ；熱電対（温度検出機構）
６７，６８；温度制御器
８０；反転機構
Ｗ；半導体ウエハ（被処理基板）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a film forming apparatus for forming a predetermined thin film on a substrate to be processed by chemical vapor deposition (CVD).
[0002]
[Prior art]
In a semiconductor manufacturing process, a metal such as Ti, Al, or Cu, or a metal compound such as WSi, TiN, or TiSi is used as a barrier layer in order to embed holes between wirings formed in a semiconductor wafer that is an object to be processed. Is deposited to form a thin film.
[0003]
Conventionally, thin films of these metals and metal compounds have been formed using physical vapor deposition (PVD), but recently, miniaturization and high integration of devices are particularly required, and design rules are particularly strict. It is difficult to obtain sufficient characteristics with PVD having poor embedding properties. Therefore, such a thin film is formed by CVD which can be expected to form a higher quality film.
[0004]
When a conventional CVD film forming apparatus is used for Ti film formation, for example, a semiconductor wafer mounting stage in which a heater is built in a chamber having a heater, and a shower for discharging a processing gas facing above the stage. A head is provided, the chamber is heated to a predetermined temperature, the inside of the chamber is set to a predetermined degree of vacuum, and the semiconductor wafer on the stage is heated to a predetermined temperature, while the TiCl is transferred from the shower head.₄, H₂A process gas such as the above is supplied, high frequency power is supplied to the shower head, and these gases are turned into plasma to form a film.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, recently, since the size of the semiconductor wafer is increasing to 300 mm, it is necessary to increase the size of such a film forming apparatus, and accordingly, the following problems have become apparent.
[0006]
In other words, the shower head provided facing the stage is heated by the radiant heat generated when the heater in the stage is heated, but the shower head is also enlarged with the increase in the size of the apparatus, so the heat capacity is large. It takes a long time for the temperature to stabilize when the temperature is raised. That is, the throughput is deteriorated. On the other hand, if the temperature of the shower head, particularly the temperature of the surface of the shower head, is not stabilized, uniform processing is not performed. Further, the conventional shower head has a structure with high heat insulation in order to ensure temperature stability during processing. For example, it takes a very long time to lower the temperature to a predetermined temperature during cleaning. For this reason, it can be considered that the cleaning is performed at a high temperature, but if the cleaning is performed at a high temperature, the shower head member is damaged.
[0007]
Conventionally, when the plasma treatment is performed, the temperature of the members in the chamber rises due to the plasma. In particular, the temperature of the showerhead surface is likely to be high because the surface exposed to the plasma is large facing the wafer surface. However, when the film is formed after idling or cleaning, the film formation rate may be low when the first wafer is formed. This is thought to be because the temperature of the shower head is about 470 ° C. to 20 ° C., which is about 500 ° C. during normal film formation. Therefore, it is necessary to set the stage temperature to a temperature higher than the temperature at the time of film formation.
[0008]
Furthermore, conventionally, maintenance of the shower head has been performed such as removing the shower head after opening the upper lid including the shower head at an angle of 90 degrees or less due to restrictions on the apparatus. As the shower head becomes larger and the weight increases as the size of the shower head increases, it is difficult to perform maintenance of the shower head by such a method.
[0009]
The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a film forming apparatus that can bring a shower head to a desired temperature in a short time and has high temperature stability of the shower head, and a shower head. An object of the present invention is to provide a film forming apparatus having high maintainability.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above problems, the present invention provides a chamber for performing a film forming process on a substrate to be processed, a mounting table for mounting the substrate to be processed in the chamber, and a number of gases provided to face the mounting table. A shower head having discharge holes, a gas supply mechanism for supplying a processing gas into the chamber through the shower head, and a shower head temperature control means for controlling the temperature of the shower head, A shower head main body having a gas diffusion space and a gas discharge hole, and an annular support portion continuous above the outer periphery of the shower head main body, and the support portion suppresses heat dissipation from the shower head. Which makes it possible to reduce the wall thickness,Of the supportA plurality of ribs for suppressing thermal deformation and increasing support strengthProjecting from the inner circumference toward the center at a predetermined intervalA film forming apparatus is provided.
[0012]
  According to the present invention, since the temperature control means is provided in the shower head, radiation from the stage does not act dominantly when the shower head is heated, but can be actively controlled to a desired temperature. Even in a large apparatus, the temperature can be raised and lowered in a short time. In addition, since the temperature of the shower head can be positively controlled as described above, the temperature stability of the shower head can be improved.The shower head includes a shower head main body having a gas diffusion space and a gas discharge hole, and an annular support portion that is continuous above the outer periphery of the shower head main body, and the support portion is configured to absorb heat from the shower head. Since ribs for suppressing multiple thermal deformations and for increasing support strength are provided on the inside thereof, which makes it possible to reduce the thickness so as to suppress dissipation, other than the ribs of the support part A part can be made thin, the dissipation of the heat from a support part can be decreased, and temperature controllability can be improved more. Further, the shower head temperature control means includes at least a heating mechanism for heating the shower head, a cooling mechanism for cooling the shower head, a temperature detection mechanism for detecting the temperature of the shower head, and a detection result of the temperature detection mechanism. A controller for controlling the heating mechanism, and a space is provided between the shower head and the heat insulating material, and the cooling mechanism cools the shower head by supplying a cooling gas to the space. Since the heating mechanism has a heater embedded in the shower head, the shower head can be quickly brought to a desired temperature in both cases of temperature increase and temperature decrease.
[0013]
Furthermore, for example, when a precoat is formed on a showerhead or the like before processing on the substrate to be processed, or when a film is formed on the substrate to be processed, the film is also formed on the surface of the showerhead. TiCl generated in the intermediate reaction to form a film_xTherefore, it is necessary to raise the temperature of the shower head to 425 ° C. or higher, preferably 500 ° C. or higher. In the conventional technology, it takes a long time to raise the temperature of the shower head, or it is unclear whether the shower head is at a desired temperature, so there are cases where a stable film cannot be produced. By providing the temperature control means, the shower head can be controlled to a desired temperature during film formation or pre-coating, and a stable film can be reliably formed on the shower head. Then, the initial film formation can be performed stably.
[0014]
  The above configurationIn the above, the shower head may have a concave shape in which the upper surface of the shower head main body is lower than the upper surface of the support portion. The shower head temperature control means includes at least a heating mechanism for heating the shower head, a cooling mechanism for cooling the shower head, a temperature detection mechanism for detecting the temperature of the shower head, and a detection result of the temperature detection mechanism. And a controller for controlling the heating mechanism. This makes it possible to quickly bring the shower head to a desired temperature in both cases of temperature rise and temperature drop.
[0015]
  In addition, a heat insulating material provided on a surface opposite to the chamber of the shower head is further provided, and a space is provided between the shower head and the heat insulating material, and the cooling mechanism includes the space The shower head is cooled by supplying a cooling gas to the heating head, and the heating mechanism may have a heater disposed on the shower head.
[0016]
The heating mechanism includes an inner heater that heats an inner portion of the shower head and an outer heater that heats an outer portion, and the temperature detecting mechanism detects an inner temperature of the inner portion. And an outer temperature detection unit that detects the temperature of the outer portion. Further, the controller controls the inner heater so as to reach a set temperature based on the detection value of the inner temperature detection unit, and the detected temperature difference between the inner temperature detection unit and the outer temperature detection unit becomes zero. It can be set as the structure which controls an outside heater. With such a configuration, heat dissipation from the outer periphery of the shower head can be suppressed, and more accurate temperature control can be realized.
[0017]
Furthermore, the shower head main body includes an upper plate, a middle plate, and a lower plate, and a first space is formed by the upper plate and the middle plate, and a first space is formed by the middle plate and the lower plate. 2 spaces are formed, the first space and the second space are not in communication, the first gas is discharged through the first space, and the second space is passed through the second space. The second gas can be discharged. In addition, the first gas introduction pipe for introducing the first gas into the first space and the second gas introduction pipe for introducing the second gas into the second space are provided. Can do. Further, the apparatus further comprises a lid for supporting the shower head, and a heat retaining member provided between the lid and the support portion, the upper end of the support portion being supported by the heat retaining member. It can be set as the structure which has comprised the flange shape.
[0019]
  FurthermoreThe chamber is preferably configured to be evacuated. In this case, the shower head has a chamber inner part located in the chamber including the gas discharge hole forming surface and an atmosphere side part located on the atmosphere side outside the chamber, and the shower head temperature control means , And can be configured to be provided in the atmosphere side portion of the chamber. Thereby, the temperature control means can be handled in an air atmosphere, and the handling is easy.
[0020]
  Moreover, it is preferable to further include a mounting table heating means for heating the mounting table, and it is preferable to further include a chamber heating means for heating the chamber. Furthermore, plasma generation means for generating plasma of the processing gas in the chamber can be further provided. In this case, an insulating member that is provided between the chamber and the shower head and insulates and insulates them can be further provided.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail by taking a CVD film forming apparatus for forming a Ti thin film as an example.
[0024]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a CVD film forming apparatus for forming a Ti thin film according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a plan view showing an upper portion of a shower head of the CVD film forming apparatus of FIG. This CVD film-forming apparatus 1 has a substantially cylindrical or box-shaped chamber 2 that is hermetically configured, and a stage 3 for horizontally mounting a semiconductor wafer W that is an object to be processed therein. Is provided. A stage holding member 7 protruding downward is attached to the center of the bottom of the chamber 2 via a seal ring, and a cylindrical member 4 joined to the stage 3 is attached to the stage holding member 7. The chamber 2 and the stage holding member 7 have a heating mechanism (not shown), and these are heated to a predetermined temperature by being fed from a power source (not shown).
[0025]
At the outer edge of the stage 3, for example, a ring 5 that stabilizes the generation of plasma is provided. In addition, a heater 6 is embedded in the stage 3, and the heater 6 is heated by a power source (not shown) to heat the semiconductor wafer W as an object to be processed to a predetermined temperature. A mesh electrode 71 is provided on the upper portion of the heater 6 of the stage 3.
[0026]
The stage 3 is provided with three wafer support pins 75 (only two are shown) for supporting the wafer W to be moved up and down so as to protrude and retract with respect to the surface of the stage 3, and these wafer support pins 75 are supported. It is fixed to the plate 76. The wafer support pins 75 are moved up and down via a support plate 76 by a drive mechanism 77 such as an air cylinder.
[0027]
On the side wall of the chamber 2, a loading / unloading port 73 for loading / unloading the wafer W and a gate valve 74 for opening / closing the loading / unloading port 73 are provided.
[0028]
A shower head 10 is provided above the chamber 2 so as to face the stage 3. The shower head 10 includes an upper plate 10a, a middle plate 10b, and a lower plate 10c, and the planar shape is circular.
[0029]
The upper plate 10a has a horizontal portion 10d that constitutes a shower head body portion together with the middle plate 10b and the lower plate 10c, and an annular support portion 10e that is continuous above the outer periphery of the horizontal portion 10d, and is formed in a concave shape. Yes. Inside the support portion 10e, ribs 10f are arranged at equal intervals toward the center of the shower head 10 as shown in FIGS. The thickness of the rib 10f is preferably 5 mm or more. By forming this rib 10f, the thermal deformation of the support portion 10e can be suppressed, the support strength can be increased, and the thickness of the support portion 10e can be reduced. Thereby, dissipation of heat from the shower head 10 can be suppressed.
[0030]
The upper plate 10a functions as a base member, and the outer peripheral upper portion of a concave middle plate 10b formed in an annular shape is screwed to the lower peripheral portion of the horizontal portion 10d of the upper plate 10a. Further, the upper surface of the lower plate 10c is screwed to the lower surface of the middle plate 10b. A space 11a is airtightly formed between the lower surface of the horizontal portion 10d of the upper plate 10a and the upper surface of the middle plate 10b having a recess. A plurality of grooves are uniformly formed radially on the lower surface of the middle plate 10b. The middle plate 10b and the lower plate 10c are also hermetically joined, and a space 11b is formed between a plurality of grooves formed on the lower surface of the middle plate 10b and the upper surface of the lower plate 10c. The middle plate 10b communicates with a plurality of first gas passages 12a penetrating from the space 11a to the lower plate 10c through a plurality of holes formed in the middle plate 10b, without communicating with the space 11a. A second gas passage 12b is formed. A large number of first gas discharge holes 13a that communicate with the first gas passage 12a and a large number of second gas discharge holes 13b that communicate with the space 11b are formed in the lower plate 10c.
[0031]
Here, the inner diameter of the first gas flow path 12a formed in the middle plate 10b is, for example, φ0.5-3 mm, preferably 1.0-2.0 mm. The first gas discharge hole 13a formed in the lower plate 10c has a two-stage structure, and the inner diameter thereof is, for example, φ1 to 3.5 mm, preferably 1.2 to 2.3 mm on the space 11a side. The opening side of the lower surface is, for example, φ0.3 to 1.0 mm, preferably 0.5 to 0.7 mm.
[0032]
A first gas introduction pipe 14a and a second gas introduction pipe 14b are connected to the upper surface of the upper plate 10a. The first gas introduction pipe 14a communicates with the space 11a, and the second gas introduction pipe 14b communicates with the second gas passage 12b of the middle plate 10b and further communicates with the space 11b. Therefore, the gas introduced through the first gas introduction pipe 14a passes through the space 11a and the first gas passage 12a, is discharged from the first gas discharge hole 13a, and passes through the second gas introduction pipe 14b. The introduced gas passes through the second gas passage 12b, is introduced into the space 11b, and is discharged from the second gas discharge hole 13b. That is, the shower head 10 has a separate chamber so that the gas supplied through the first gas introduction pipe 14 a and the gas supplied through the second gas introduction pipe 14 b are not mixed in the shower head 10. 2 is a matrix type to be supplied.
[0033]
FIG. 3 is an enlarged view of the shower head 10 of FIG. As shown in FIGS. 1 and 3, a convex portion 10g is formed in a portion including a connection portion with the second gas introduction pipe 14b on the upper surface of the upper plate 10a, and corresponds to the convex portion 10g of the upper plate 10a. A recess 10h is formed on the lower surface of the portion. On the other hand, at a position corresponding to the second gas introduction pipe 14b of the middle plate 10b, a pipe portion 10j protruding upward from its upper surface and having a second gas passage formed therein is provided integrally. A flange portion 10i that fits into the concave portion 10h is integrally formed at the upper end of the portion 10j. In the recess 10h, a seal ring 10k is provided between the lower surface of the upper plate 10a and the upper surface of the flange portion 10i. Thereby, it can prevent more reliably that each gas supplied from the 1st gas introduction pipe | tube 14a and the 2nd gas introduction pipe | tube 14b is mixed.
[0034]
4 is a sectional view taken along the line AA in FIG. 3, and FIG. 5 is a sectional view taken along the line BB. As shown in FIGS. 3 and 4, the middle plate 10 b and the lower plate 10 c are fastened by bolts 101. The arrows in FIG. 5 indicate the general direction of the flow of gas supplied from the second gas passage 12b into the space 11b. As shown in FIGS. 5 and 6, a pair of slit-like discharge ports 121 formed in a flat fan shape are provided at the tip of the pipe portion 10j connected to the second gas introduction pipe 14b. The gas that has passed through the second gas passage 12b is discharged from these discharge ports 121 in the direction of the arrow. The opening degree of the flat fan-shaped discharge port 121 is preferably such that it does not communicate with the first gas passage 12a, for example, smaller than 160 °. As shown in FIG. 7, instead of the slit-like discharge port 121, a discharge port 122 composed of a plurality of holes (three on each side) may be provided. The arrangement of the holes at this time may be in the horizontal direction as shown or in the vertical direction. Further, the holes may be smaller than the second gas passage 12b, and the number thereof may be one on one side.
[0035]
On the other hand, as shown in FIG. 1, a flange 14 is welded to the other ends of the first and second gas introduction pipes 14a and 14b connected to the upper plate 10a. An insulating member 24 having a first gas passage 24 a and a second gas passage 24 b is connected to the flange 14. The other side of the insulating member 24 is connected to a gas introduction member 26 having a first gas passage 26a and a second gas passage 26b. The gas introduction member 26 is connected to the upper surface of the lid member 15. The lid member 15 and the chamber 2 have first gas passages 15a and 2a and second gas passages 15b and 2b, respectively. Each gas passage connection portion from the flange 14 to the chamber 2 has an O-ring or the like. A seal ring is interposed. The gas pipe 25a is connected to the first gas passage 2a of the chamber 2, and the gas pipe 25b is connected to the second gas passage 2b. A gas supply unit 30 is connected to the other ends of the gas pipes 25a and 25b.
[0036]
The gas supply unit 30 is a cleaning gas, ClF.₃To supply ClF₃Gas source 31, TiCl which is a film forming gas₄TiCl to supply₄Gas source 32, Ar gas source 33 for supplying Ar as a carrier gas, and H as a reducing gas₂H to supply₂NH used for nitriding the gas source 34 and Ti film₃NH to supply₃A gas source 35 is provided. ClF₃Gas source 31, TiCl₄Gas pipes 36, 37, and 38 are connected to the gas source 32 and the Ar gas source 33, respectively, and these gas pipes 36, 37, and 38 are connected to the gas pipe 25b. H₂Gas source 34 and NH₃Gas pipes 39 and 40 are connected to the gas source 35, respectively, and these gas pipes 39 and 40 are connected to the gas pipe 25a. Therefore, ClF₃Gas source 31, TiCl₄The gas from the gas source 32 and Ar gas source 33 passes from the gas pipe 25b through the second gas passages 2b, 15b, 26b, and 24b of each of the above components and the gas introduction pipe 14b to the middle plate 10b of the shower head 10. The second gas passage 12b is then introduced into the space 11b and discharged from the second gas discharge hole 13b of the lower plate 10c. H₂Gas source 34, NH₃The gas from the gas source 35 is introduced into the space 11a of the shower head 10 from the gas pipe 25a through the first gas passages 2a, 15a, 26a, 24a and the gas introduction pipe 14a of the above-described components. The gas is discharged from the first gas discharge hole 13a of the lower plate 10c through the first gas passage 12a of the middle plate 10b. Therefore, during the film formation process, TiCl₄Gas and H₂The gas is not mixed during the gas supply, but is mixed after being discharged into the chamber 2, and a plasma of these gases is formed to cause a desired reaction, and a Ti film is formed on the semiconductor wafer W. Yes. The gas pipes 36, 37, 38, 39, 40 from the respective gas sources are each provided with a mass flow controller 41 and a pair of on-off valves 42, 43 provided so as to sandwich the mass flow controller. Although not shown here, the gas supply unit 30 includes N₂Includes gas sources, other piping, open / close valves, etc. Further, even if the gas supplied to the spaces 11a and 11b is changed by changing the gas source connected to the first gas passage 26a and the second gas passage 26b formed in the gas introduction member 26. Good.
[0037]
A lid member 15 having an opening is attached to the upper surface of the chamber 2, and an annular insulating member 16 is attached to the inner peripheral portion of the lid member 15. The support portion 10 e of the upper plate 10 a is supported by the lid member 15 through the insulating member 16. The top of the support portion 10e is covered with an annular insulating member 21 for heat insulation, and the insulating member 21 is supported by the lid member 15. The insulating member 16 insulates between the shower head 10 and the chamber 2 and has a heat insulating effect. In addition, airtightness is maintained by interposing a seal ring such as an O-ring between the chamber 2 and the lid member 15, between the lid member 15 and the insulating member 16, and between the insulating member 16 and the support portion 10e. is doing.
[0038]
An inner heater 17 is disposed on the upper surface of the horizontal portion 10 d of the upper plate 10 a so as to correspond to the entire surface of the semiconductor wafer W on the stage 3. An annular (doughnut-shaped) outer heater 18 is fitted so as to surround the outside. For example, the inner heater 17 has a structure in which a thin sheet on which a heater wire is formed is sandwiched between a pair of mica insulating plates. The outer heater 18 is a sheath type in which an insulating material is disposed on the inner side of the outer tube and a heating element is provided on the inner side. In addition, as shown in FIG. 16 mentioned later, the same thing as an inner side heater can also be used as an outer side heater. These heaters function as components of showerhead temperature control means described later.
[0039]
An insulating plate 72 is provided between the inner heater 17 and the horizontal portion 10d of the upper plate 10a. A space 19 is provided above the inner heater 17, and a heat insulating member 20 is provided thereon. As the heat insulating member 20, Al₂O₃Examples thereof include ceramics and resin materials. The heat insulating member 20 has a cooling gas passage 20a and a discharge port 20b, and a dry air supply pipe 61a for inner cooling is connected to the upper part thereof. The dry air discharged from the pipe 61a is supplied to the space 19 to cool the inner heater 17 and its surroundings. Further, a dry air supply pipe 61b for outer cooling is disposed above the support portion 10e of the upper plate 10a. The pipe 61b is connected to a pipe 61c provided in an annular shape along the inner peripheral side of the insulating member 21, and the pipe 61c is provided with holes for discharging dry air downward evenly over the entire circumference. . The discharged dry air is supplied to the gap between the insulating member 16 and the heat insulating member 20 and the periphery thereof to cool the outer heater 18 and the periphery thereof.
[0040]
A power feeding rod 45 extending from above is connected to the upper plate 10 a of the shower head 10, and a high frequency power supply 47 is connected to the power feeding rod 45 via a matching unit 46. Then, high frequency power is supplied from the high frequency power supply 47 to the shower head 10, whereby the processing gas supplied into the chamber 2 is turned into plasma by a high frequency electric field formed between the mesh electrode 71 and a film is formed. The reaction is promoted.
[0041]
Surrounded by the side of the upper plate 10a, the middle plate 10b, the lower plate 10c, the lower surface of the insulating member 16, the lower surface and side surfaces of the lid member 15, and the side wall of the chamber 2 around the lower portion of the shower head 10. An annular quartz filler 48 for preventing the formation of plasma is fitted in the space. As shown in FIG. 8, the filler 48 has a concave portion 48 a on the outer portion thereof, and the convex portions 49 a of a plurality of support members 49 screwed to the lid member 15 are fitted into the concave portion 48 a so that the filler 48 is inserted. Has come to support. A plurality of elastic members 50 made of an elastic material such as fluororubber are interposed between the side surface of the concave portion 48 a of the filler 48 and the side surface of the convex portion 49 a of the support member 49. The presence of the elastic member 50 makes it possible to easily center the shower head 10, simplify the attachment / detachment of the filler 48, and prevent damage to the filler 48 due to expansion and contraction due to heat. Can do. Further, an elastic member 51 is also interposed between the filler 48 and the lid member 15, and this elastic member 51 also has a function of preventing the filler 48 from being damaged.
[0042]
An exhaust pipe 52 is connected to the bottom side wall of the cylindrical stage holding member 7 attached to the bottom of the chamber 2, and an exhaust device 53 is connected to the exhaust pipe 52 so that the inside of the chamber 2 is exhausted. It has become. Although not shown, an upstream side of the exhaust device 53 has a device for capturing unreacted substances and by-products. By operating the exhaust device 53, the inside of the chamber 2 can be depressurized to a predetermined degree of vacuum. Further, a shield box 23 is provided on the lid member 15, and an exhaust port 54 is provided on the upper portion thereof. Thermal exhaust of the inner dry air and the outer dry air in the shield box 23 is performed from the exhaust port 54.
[0043]
In addition, the CVD film forming apparatus 1 according to the present embodiment is provided with a shower head temperature control means 60 for controlling the temperature of the shower head 10. Hereinafter, the temperature control means 60 will be described in detail.
[0044]
The shower head temperature control means 60 includes the inner heater 17 and the outer heater 18 described above as heating mechanisms, dry air supply pipes 61a and 61b that supply dry air as cooling mechanisms, the inner heater 17, the outer heater 18, and the shower head. 10 includes thermocouples 65a, 65b, 66a, 66b for detecting the temperature of the lower plate 10c, and a controller 62 for controlling them.
[0045]
As shown in an enlarged view in FIG. 9, a power source 63 is connected to the inner heater 17, and a power source 64 is connected to the outer heater 18. In addition, thermocouples 65a and 65b for detecting temperatures in the vicinity of the inner heater 17 and the inner side of the lower plate 10c are respectively provided at positions corresponding to the inner heater 17 disposed on the inner side of the upper plate 10a of the shower head 10. Is provided. The thermocouple 65a penetrates the inner heater 17 and its tip is located on the upper surface of the insulating plate 72, and the tip of the thermocouple 65b reaches the inside of the lower plate 10c. Further, thermocouples 66a and 66b for detecting temperatures outside the upper plate 10a and outside the lower plate 10c are provided at positions corresponding to the outer heaters 18 arranged on the outer peripheral side on the upper plate 10a. ing. The tips of the thermocouples 66a and 66b reach the inside of the upper plate 10a and the lower plate 10c, respectively. A plurality of these thermocouples 65a, 65b, 66a, 66b can be provided. Further, based on the command of the controller 62 and the detection signal of the thermocouple 65a or 65b, the inner temperature controller 67 that performs temperature adjustment by PID-controlling the output of the inner heater 17, and the command of the controller 62 and the thermocouple 66a or 66b And an outside temperature controller 68 that performs temperature adjustment by PID-controlling the output of the outside heater 18 based on the detection signal. And the temperature control of the shower head 10 at the time of a heating is implement | achieved by these.
[0046]
On the other hand, the dry air supplied from the dry air supply pipe 61a as the refrigerant body is introduced into the space 19 through the cooling gas passage 20a of the heat insulating member 20, and the heat released from the inner heater 17 into the space 19 is discharged. It is discharged from the exhaust port 54 of the shield box 23 provided on the top of the lid member 15 through the discharge port 20b. Further, the dry air supplied to the dry air supply pipe 61b is supplied from the discharge hole below the pipe, removes heat from the outside of the shower head, and is discharged from the exhaust port 54 of the shield box 23. Air operation valves 69 a and 69 b are provided in the dry air supply pipes 61 a and 61 b, respectively, and these air operation valves 69 a and 69 b are controlled by the controller 62.
[0047]
At the time of heating using such a shower head temperature control means 60, preferable temperature control can be realized by controlling as shown in FIG. In the control of FIG. 10, the controller 62 sets the temperature, and the temperature controller 67 controls the output of the inner heater 17 so that the detected temperature of the thermocouple 65a or 65b becomes the set temperature, and the thermocouple 65a or The detected value of 65b is output from the controller 62 to the temperature controller 68, and the difference between the detected temperature of the thermocouple 66a or 66b at the position corresponding to the outer heater 18 and the detected temperature of the thermocouple 65a or 65b corresponding to the inner heater 17 is detected. The output of the outer heater 18 is controlled by the temperature controller 68 so that becomes zero. As a result, the outer portion of the shower head 10 is controlled to have substantially the same temperature as the inner portion.
[0048]
Note that the upper surface of the upper plate 10a of the shower head 10 and the portion above the upper plate 10a are exposed to the air atmosphere. That is, the thermocouples 65b and 66b of the shower head temperature control means 60 are disposed in the shower head 10 and are in a vacuum, but the other components are disposed in an air atmosphere.
[0049]
As shown in FIG. 2, the shower head 10 can be reversed out of the chamber 2 by a reversing mechanism 80 comprising a hinge mechanism. As a result, the shower head 10 has its gas discharge surface as shown in FIG. Since it can exist almost completely outside the chamber 2 in the above state, the maintenance of the shower head 10 can be performed very easily. Specifically, from the state of FIG. 11, first, the plurality of support members 49 can be easily removed by removing the fixing screws (arrow (1)), and when the support member 49 is removed, the filler 48 is moved upward. It can be easily removed (arrow (2)). When the filler 48 is removed, the shower head 10 can be easily maintained. For example, the lower plate 10c and the middle plate 10b can be easily removed upward (arrow 3). When the shower head 10 is reversed, the shower head 10 is preferably present at a position rotated by 180 degrees, but any angle in the vicinity thereof may be used. In order to hold the shower head 10 at such an angle, for example, a gas spring or the like can be used.
[0050]
Next, the processing operation of the CVD film forming apparatus 1 configured as described above will be described. First, prior to forming a Ti thin film on the semiconductor wafer W, a Ti precoat film is formed on the surface of the shower head 10, the stage 3, and the like by the following procedure. First, the periphery of the chamber 2, the heater 6 of the stage 3, the inside and outside heaters 17 and 18 of the shower head 10 are heated, and the inside of the chamber 2 is exhausted by the exhaust device 53 while a predetermined gas is supplied at a predetermined flow ratio. The chamber 2 is introduced to a predetermined pressure. Then H₂Gas, TiCl₄A film-forming gas containing a gas and other gases is supplied into the chamber 2 at a predetermined flow rate, high-frequency power is supplied from the high-frequency power supply 47 to the shower head 10 to generate plasma in the chamber 2, and the shower head 10 and the stage 3. A Ti film is formed on the surface. Next, the power supply of the high frequency power supply 47 and TiCl₄Stop the gas supply, NH₃Gas and other gases are supplied at a predetermined flow rate, and high frequency power is again supplied from the high frequency power supply 47 to the shower head 10 to generate plasma, and the surface of the formed Ti film is nitrided. Thereby, a stable precoat film is formed on the surfaces of the shower head 10 and the stage 3. After the nitriding process is completed, power supply from the high frequency power supply 47 and NH₃Stop supplying gas.
[0051]
After the pre-coating is completed, the gate valve 74 is opened and the semiconductor wafer W is loaded into the chamber 2 and delivered to the protruding wafer support pins 75. The wafer support pins 75 are lowered and placed on the stage 3. Then H₂TiCl₄Gas and other gases are supplied at a predetermined flow rate, high frequency power is supplied from the high frequency power supply 47 to the shower head 10 to generate plasma in the chamber 2, and a Ti film is formed on the semiconductor wafer W. Next, the power supply of the high frequency power supply 47 and TiCl₄Stop the gas supply, NH₃Gas and other gases are supplied at a predetermined flow rate, high frequency power is again supplied from the high frequency power supply 47 to the shower head 10 to generate plasma, and the Ti film formed on the semiconductor wafer W is nitrided. After the nitriding process is completed, power supply from the high frequency power supply 47 and NH₃Stop supplying gas. After the film formation process is completed in this way, the semiconductor wafer W is unloaded from the chamber 2, the next semiconductor wafer W to be processed is loaded, and a similar film formation process is performed thereon.
[0052]
After such a film forming process is performed on a predetermined number of semiconductor wafers W, the temperature of the stage 3 and the shower head 10 is lowered to a predetermined temperature, and ClF which is a cleaning gas is used.₃Gas is supplied into the chamber 2 to perform cleaning.
[0053]
In the above-described series of steps, in the present embodiment, the following effects can be obtained by providing the shower head temperature control means 60 in the shower head 10.
[0054]
TiCl during pre-coating and film formation_x(X = 1, 2, 3) occurs, but such a TiCl is used to form a stable film on the showerhead._xMust be volatilized as a gas. For this purpose, a temperature of 425 ° C. or higher is required. However, since conventional heating of the shower head was passive heating by a heater in the stage, there is no guarantee that the shower head will always be 425 ° C. or higher. In some cases, a stable precoat film could not be formed. On the other hand, by providing the shower head temperature control means 60 in the shower head 10 as in this embodiment, the shower head 10 can be actively set to 425 ° C. or higher, preferably 500 ° C. or higher. A stable precoat film can be formed reliably.
[0055]
Further, when the temperature of the shower head 10 is increased only by the radiant heat of the stage 3 as in the prior art when heating the inside of the chamber 2 to the film formation temperature, it takes a long time to stabilize to the predetermined heating temperature. In the present embodiment, in addition to passive heating from the heater 6 of the stage 3, the shower head 10 can be positively heated in advance by the heaters 17 and 18 which are constituent elements of the shower head temperature control means 60. The entire shower head 10 is heated in a short time, and the temperature of the surface of the lower plate 10c of the shower head 10 is stabilized at a substantially constant temperature. For this reason, the temperature in the chamber 2 can be stabilized at a predetermined temperature in a short time. As described above, the temperature of the shower head 10 is uniformly controlled, so that a Ti film can be uniformly formed on the semiconductor wafer W. In particular, the effect is remarkable when the size of the apparatus is increased as the size of the semiconductor wafer is increased to 300 mm.
[0056]
Further, since the high frequency power supply is turned off during idling, the temperature of the heater in the stage has been conventionally set high to maintain the temperature of the shower head 10 at a predetermined temperature. On the other hand, by controlling the temperature of the shower head 10 by the shower head temperature control means 60 in this way, the temperature during idling can be maintained at a predetermined temperature and stabilized.
[0057]
Furthermore, during cleaning, the temperature of the shower head 10 must be lowered from the film forming temperature to a cleaning temperature of 200 to 300 ° C. Conventionally, since the heat dissipation of the shower head is poor, the temperature drop is long. Although it took time, in this embodiment, by supplying dry air as a refrigerant body to the upper part of the shower head 10 from the dry air supply pipes 61a and 61b which are components of the shower head temperature control means 60, and cooling it. The inside of the chamber 2 can be quickly lowered to the cleaning temperature.
[0058]
In the apparatus of the present embodiment, since the upper surface of the upper plate 10a of the shower head 10 is present in the air atmosphere, most of the members of the shower head temperature control means 60 can be provided in the air atmosphere. The control means 60 is easy to handle.
[0059]
Further, as described above, as the heating mechanism of the shower head temperature control means 60, the inner heater 17 and the outer heater 18 are provided for two-zone control, and the detection temperature of the thermocouple 65a or 65b is set as shown in FIG. The temperature controller 67 controls the output of the inner heater 17 so as to reach the temperature, and the detected temperature of the thermocouple 66a or 66b at the position corresponding to the outer heater 18 and the thermocouple 65a or 65b corresponding to the inner heater 17 By controlling the output of the outer heater 18 by the temperature controller 68 so that the difference from the detected temperature becomes zero, the outer portion of the shower head 10 is controlled to always have the same temperature as the inner portion. Heat dissipation from the outer portion of the head 10 can be suppressed, and temperature controllability can be improved. In particular, when the size of the semiconductor wafer is increased to 300 mm, such control is more effective because heat is easily dissipated from the outside of the shower head 10.
[0060]
During maintenance of the shower head 10, the shower head 10 is reversed outside the chamber 2 by the reversing mechanism 80. As a result, as shown in FIG. 11, the shower head 10 can be maintained with its gas discharge surface facing up, so that maintenance can be performed very easily. Specifically, from the state of FIG. 11, it is possible to first remove the plurality of support members 49 outward, then remove the filler 48 upward, and then remove the lower plate 10 c and the middle plate 10 b of the shower head 10 upward. Since these removal operations are extremely easy, maintenance can be performed very easily.
[0061]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made within the scope of the idea of the present invention. Hereinafter, such a modification will be specifically described.
[0062]
As shown in FIGS. 5 and 6, in the above-described embodiment, the gas supplied through the second gas passage 12b is directly from the discharge port 121 of the second gas passage 12b in the substantially central portion of the space 11b. It diffuses in the space 11b. However, in such an aspect, there may be a case where the diffusion of the gas supplied through the second gas passage 12b into the space 11b is insufficient. Therefore, it is preferable to connect a gas diffusion promoting pipe to the discharge port 121 of the second gas passage 12b in the substantially central portion of the space 11b. Such an example is shown in FIG. In the example of FIG. 12, a substantially H-shaped gas diffusion promoting pipe 110 is provided in the space 11b above the lower plate 10c. The gas diffusion promoting pipe 110 includes a central tube 110a that is directly fitted to the discharge ports 121 on both sides, and two side tubes that are vertically joined (welded) to and integrated with both ends of the central tube 110a. 110b, 110c. Gas discharge ports 110d are formed at both ends of the side tubes 110b and 110c so as to open toward the upper plate 10a. Then, the gas discharged from the discharge port 121 passes through the central tube 110a and the side tubes 110b and 110c, and the arrows in the figure from a total of four gas discharge ports 110d provided at both ends of the side tubes 110b and 110c, respectively. It is discharged in the direction. Therefore, the gas supplied through the second gas passage 12b can diffuse sufficiently evenly in the space 11b. Both end portions of the side tubes 110b and 110c are supported by two support members 110e and 110f, thereby preventing the central tube 110a from shaking. The number of gas discharge ports 110d and the mode of opening are not particularly limited as long as the gas supplied through the second gas passage 12b can be diffused sufficiently uniformly into the space 11b. However, it is preferable that the gas discharge ports 110d are evenly arranged in the space 11b. 13 is a cross-sectional view of a state in which the middle plate 10b is attached to the lower plate 10c and the gas diffusion promoting pipe 110 shown in FIG. As can be understood from this figure, the support member 110e supports the side tubes 110b and 110c from above, and the support member 110f is sandwiched between the middle plate 110b and the lower plate 110c, and the side tubes are supported. 110b and 110c are supported.
[0063]
FIG. 14 and FIG. 15 show modifications regarding the control system. FIG. 14 is a schematic diagram showing a modified example of a portion corresponding to the heating mechanism of FIG. 9, and FIG. 15 is a diagram showing a modified example of the control mode of FIG. In the example of FIG. 14, a noise filter 120 is provided between the control system and each thermocouple 65 a, 65 b, 66 a, 66 b, and in the example of FIG. 15, a noise filter 120 is provided between the control system and each heater 17, 18. By providing the noise filter 120 in this way, noise from the high frequency power supply 47 can be effectively removed, and control characteristics can be improved.
[0064]
Further, in the modification shown in FIG. 16, an outer heater 118 in which a flat plate heater similar to the inner heater 17 has a donut shape is arranged instead of the outer heater 18 which is a ring-shaped sheath heater having a circular cross section. . Thus, the shape of the heater is not particularly limited. Further, a thicker insulating plate 131 is interposed between the inner heater 17 and the upper plate 10a instead of the insulating member 72, and a thick insulating plate 132 is also interposed between the outer heater 118 and the upper plate 10a. Yes. Since the upper plate 10a functions as a plasma generating electrode, it is necessary to suppress the influence of noise received by the heater. Therefore, it is preferable to provide the thick insulating plates 131 and 132 as described above. From the viewpoint of effectively preventing the influence of noise, the thickness of such an insulating plate is preferably 0.5 to 10 mm. Such insulating plates 131 and 132 need to have high thermal conductivity and heat resistance. Therefore, as the material of the insulating plates 131 and 132, a ceramic having high thermal conductivity and high heat resistance such as aluminum nitride is suitable.
[0065]
Furthermore, in the modification shown in FIG. 17, instead of the elastic member 50 interposed between the side surface of the concave portion 48a of the filler 48 and the side surface of the convex portion 49a of the support member 49 in FIG. An elastic member 150 made of a corrosion-resistant metal spring formed of a Ni alloy material is interposed. Thus, the aspect of the elastic member interposed between the side surface of the concave portion 48a of the filler 48 and the side surface of the convex portion 49a of the support member 49 is not particularly limited.
[0066]
In addition, although the film forming process of the Ti film has been described as an example in the above-described embodiment, the present invention is not limited to this and can be applied to the CVD film forming process of other films such as a TiN film. Moreover, although the case where plasma was formed was described as an example, the plasma is not necessarily essential. The shower head temperature control means is not limited to the above configuration, and the control method is not limited to the above method. For example, dry air was used as the refrigerant, but Ar, N₂Other gases may be used. When plasma is not used, a liquid such as water can be used as the coolant. Further, the processing of the semiconductor wafer has been described as an example, but the present invention is not limited to this, and the present invention can be applied to processing on other substrates such as a glass substrate for a liquid crystal display device.
[0067]
【The invention's effect】
  As described above, according to the present invention, since the temperature control means is provided in the shower head, the shower head is not heated by radiation, but can be actively controlled to a desired temperature, Even an apparatus can raise and lower the temperature in a short time. In addition, since the temperature of the shower head can be positively controlled as described above, the temperature stability in the chamber can be improved.The shower head includes a shower head main body having a gas diffusion space and a gas discharge hole, and an annular support portion that is continuous above the outer periphery of the shower head main body, and the support portion is configured to absorb heat from the shower head. Since ribs for suppressing multiple thermal deformations and for increasing support strength are provided on the inside thereof, which makes it possible to reduce the thickness so as to suppress dissipation, other than the ribs of the support part A part can be made thin, the dissipation of the heat from a support part can be decreased, and temperature controllability can be improved more.
[0069]
  Furthermore, by providing the shower head with temperature control means in this way, the shower head can be controlled to a desired temperature during film formation or pre-coating, so that a stable film can be formed on the shower head. A uniform film can be reliably formed on the treatment body.
[0070]
  Furthermore, since the temperature control means of the shower head is provided in the atmosphere side portion, the temperature control means can be handled in the atmosphere and easy to handle.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a CVD film forming apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing an upper part of a shower head of a CVD film forming apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is an enlarged view showing a shower head of the apparatus of FIG. 1. FIG.
4 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
5 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
FIG. 6 is a bottom view and a side view showing a gas discharge portion from a second gas passage.
FIGS. 7A and 7B are a bottom view and a side view showing another example of a gas discharge portion from a second gas passage. FIGS.
8 is an enlarged cross-sectional view showing a filler portion of the apparatus of FIG.
9 is a schematic diagram showing a portion corresponding to a heating mechanism in the temperature control means of the apparatus of FIG.
FIG. 10 is a diagram showing a preferred control mode in the case where heating control is performed by the temperature control means of the apparatus of FIG.
11 is a cross-sectional view showing a state where the shower head of the apparatus of FIG. 1 is reversed by a reversing mechanism.
FIG. 12 is a plan view showing a lower plate when a gas diffusion promoting pipe is provided.
13 is a cross-sectional view of a state in which a middle plate is attached to the lower plate and the gas diffusion promoting pipe in FIG. 12;
14 is a schematic diagram showing a modification of a portion corresponding to the heating mechanism of FIG. 9 in the temperature control means of the apparatus of FIG. 1;
15 is a diagram showing a preferred control mode when heating control is performed by the temperature control means of FIG. 14;
FIG. 16 is a cross-sectional view showing a modification of a portion corresponding to a heating mechanism.
17 is a cross-sectional view showing a modification of the filler portion of FIG.
[Explanation of symbols]
1: CVD film forming equipment
2; chamber
3; Stage
6; Heater
10; Shower head
10a; upper plate
10b; middle plate
10c; lower plate
10d; horizontal part
10e; support part
10f; rib
14a, 14b; gas introduction pipes
15; Lid member
17; Inner heater (heating mechanism)
18; Outer heater (heating mechanism)
20; Thermal insulation member
25a, 25b; gas piping
30; gas supply unit
47; high frequency power supply
48; Filler
49; support member
50, 51; elastic member
53; exhaust system
60; shower head temperature control means
61a, 61b; dry air supply pipe (cooling mechanism)
62; Controller
63, 64; power supply
65a, 65b, 66a, 66b; thermocouple (temperature detection mechanism)
67, 68; temperature controller
80; reversing mechanism
W: Semiconductor wafer (substrate to be processed)

Claims

A chamber for performing a film forming process on the substrate to be processed;
A mounting table for mounting the substrate to be processed in the chamber;
A shower head having a large number of gas discharge holes provided facing the mounting table;
A gas supply mechanism for supplying a processing gas into the chamber through the showerhead;
And a shower head temperature control means for controlling the temperature of the shower head,
The shower head includes a shower head main body having a gas diffusion space and a gas discharge hole, and an annular support portion that is continuous above the outer periphery of the shower head main body, and the support portion dissipates heat from the shower head. A plurality of ribs for suppressing the thermal deformation of the support portion and for increasing the support strength, which can be reduced in thickness so as to suppress, are directed from the inner peripheral side to the center at predetermined intervals. A film forming apparatus characterized by being provided so as to protrude .

The film forming apparatus according to claim 1, wherein the shower head has a concave shape in which an upper surface of the shower head main body is located at a position lower than an upper surface of the support portion.

The shower head temperature control means includes a heating mechanism for heating the shower head, a cooling mechanism for cooling the shower head, a temperature detection mechanism for detecting the temperature of the shower head, and at least the heating based on a detection result of the temperature detection mechanism. The film forming apparatus according to claim 1, further comprising a controller that controls the mechanism.

Further comprising a heat insulating material provided facing the surface of the shower head opposite to the chamber, a space is provided between the shower head and the heat insulating material, and the cooling mechanism cools the space. The film forming apparatus according to claim 3, wherein the shower head is cooled by supplying a gas, and the heating mechanism includes a heater disposed on the shower head.

The heating mechanism includes an inner heater that heats an inner portion of the shower head and an outer heater that heats an outer portion, and the temperature detection mechanism includes an inner temperature detection unit that detects a temperature of the inner portion; The film forming apparatus according to claim 3, further comprising an outer temperature detecting unit that detects a temperature of the outer portion.

The controller controls the inner heater so as to reach a set temperature based on the detection value of the inner temperature detection unit, and the outer heater so that the detected temperature difference between the inner temperature detection unit and the outer temperature detection unit becomes zero. The film forming apparatus according to claim 5, wherein the film forming apparatus is controlled.

The cover further includes a lid for supporting the shower head, and a heat retaining member provided between the lid and the support, and the support has a flange shape so that an upper end of the support is supported by the heat retaining member. The film forming apparatus according to claim 1, wherein the film forming apparatus is configured as follows.

The shower head body includes an upper plate, a middle plate, and a lower plate,
The upper plate and the middle plate form a first space, the middle plate and the lower plate form a second space, and the first space and the second space communicate with each other. The first gas is discharged through the first space, and the second gas is discharged through the second space. 2. The film forming apparatus according to item 1.

The first gas introduction pipe for introducing the first gas into the first space, and the second gas introduction pipe for introducing a second gas into the second space. Item 9. The film forming apparatus according to Item 8.

The chamber deposition apparatus according to claims 1 to 9, characterized in that it is can be evacuated configured.

The shower head has a chamber inner portion located in the chamber including the gas discharge hole forming surface and an atmosphere side portion located on the atmosphere side outside the chamber, and the shower head temperature control means The film forming apparatus according to claim 10 , wherein the film forming apparatus is provided in an atmosphere side portion.

Film forming apparatus according to any one of claims 11 to comprise further a mounting table heating means for heating the mounting table from claim 1, wherein.

Film forming apparatus according to any one of claims 1 to 12, characterized by further comprising a chamber heating means for heating the chamber.

Film forming apparatus according to any one of claims 13 claim 1, further comprising a plasma generating means for generating a plasma of the processing gas in the chamber.

15. The film forming apparatus according to claim 14 , further comprising an insulating member that is provided between the chamber and the shower head and insulates and insulates them.