JP4828918B2 - 気化器及び気相成長装置 - Google Patents

Description

本発明は成膜原料を気化してチャンバーへ供給する気化器及び気相成膜装置に関する。

図６に従来の気化器３０の１例を示す。気化器３０は原料ガスをＣＶＤ（化学的気相成長）やＡＬＤ（原子層成長）などにより、成膜を行うために気化し供給する装置である。この気化器では液体原料を原料配管２０ａから供給し、供給された原料をキャリアガス配管３６から供給したキャリアガスによってミスト化する。このミストが気化空間１３２内でガス化されて処理ガス配管４０から成膜装置へ供給される。(特許文献１：従来技術１)
特許文献２には様々なタイプの気化器が記載されているが、これらは気化空間内壁全体でガス化を行う気化器である。（従来技術２）
特許文献3には気化原料が流下する際に液体原料を滞留させる構造とした気化器が開示されている。（従来技術３）
特開2005-39120 特開2005-109349 特開2001-11634

しかしながら、上記の特許文献に示されたタイプの気化器では、成長された薄膜にミストが取り込まれ、膜の品質を低下させる問題がしばしば発生した。その原因を本発明者が究明したところ、以下のためであると推測された。

すなわち、従来の気化器ではミストが供給された後、気化空間内の底部である主気化面１５５に達してから気化される。本願発明者はこのミストが気化される流れは図６の１５６に示される経路であると推定した。この際に、主気化面１５５で気化されるはずであったミストの一部が、キャリアガスと共に排出されるのではなく、主気化面１５５から排出口１３９にかけての気化器側壁１５８を表面拡散し、装置側へと排出されると考える方が妥当であると様々な結果からわかった。

本発明の気化器は、スト供給口と気化空間とミスト供給口に対向して主気化面があり、ミスト供給口と主気化面とを接続する側壁に設けられた排出口とを備えた気化器であって、主気化面と排出口の間の側壁に主気化面の方向に先端が向くように突起を設けることによりミストの表面拡散を防止することを特徴としている。

本発明の気化器を用いることにより気化器からのミストの発生を防止できる。このため、ミストを含まない膜を成膜することのできる気層成長装置が提供される。この結果、高品質な膜を安定的に製造することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
＜実施形態１＞

図１に本発明の実施形態１に係わる気相成長装置１００を示す。本実施形態に係わる気相成長装置１００は成膜チャンバー２６と成膜チャンバー２６へ成膜ガスを導入するガス供給系１１０と成膜チャンバー２６からガスを排気する排気系２７からなる。

成膜チャンバー２６は成膜ガス供給孔２２のあいたシャワーヘッド２１と、ヒーター２５を有するウェハ保持台２４を有する。ウェハ２３への成膜は、成膜チャンバー２６内で行われる。ヒーター２５で加熱されたウェハ保持台２４上にウェハ２３を設置する。原料ガスはガス供給系１１０からシャワーヘッド２２へ供給され、ここから加熱されたウェハ２３に供給され、薄膜が成長される。このとき、チャンバー２６内の圧力は排気系２７によって適宜制御される。

成膜チャンバー２６へのガス供給系１１０は気化器３０から配管４０を通ってガスを供給する系と気化器を通さないで配管１０からガス１２を供給する系からなる。配管４０や１０からガスを導入する際には圧力制御装置６，７やバルブ８，９によりそれぞれガスの供給が制御できる。複数の原料ガスを用いる場合このガス供給系１１０は配管１０や４０以外に原料供給配管を設けることができる。

気化器３０には液体原料が液体原料供給源２０から液体原料ガス配管２０ａを通して圧送され、バルブ３５ａで供給量が制御される。キャリアガス配管３６からはキャリアガスが供給されバルブ３７で供給量が制御される。ここで、液体原料供給源２０には液体原料が貯蔵され、その液体原料は希釈されていても希釈されていなくてもよい。

図２に本実施形態の気化器３０の拡大図を示す。気化器３０内では液体原料ガス配管２０ａから液体原料が供給され、原料供給量をバルブ３５ａで制御しながら配管３５を通してミスト供給口５７に滴下される。一方、ミスト供給口５７にはキャリアガス配管３６からキャリアガスが供給され、それによりここでミストが発生し気化空間３２に供給される。

気化空間３２はヒーター３１、３３、３４が設置されて加熱されている。ここで、これらのヒーター温度はヒーター３１＝３３＜３４であることが望ましく、さらにミスト供給口５７からミスト供給口５７の下方のヒーター３４にかけては徐々に温度が高くなっていることが好ましい。このような温度設定を行うことにより、ミスト化した際の原料の分解を防止して気化することができる。

ミスト供給口５７から供給されたミストは、気化空間内で最も温度が高くなっている主気化面５５に達する。主気化面５５はミスト供給口５７に対向していればよく、本実施形態では一例として下面にある場合で説明する。主気化面５５で気化された液体原料ガスは排出口３９から配管４０を通って成膜チャンバー２６に供給される。

理想的には主気化面５５では全てのミストが気化される。しかしながら気化されないミストが実際には残る。気化空間３２の側壁５８には突起４２が主気化面５５から排出口３９の間、全面に設けられている。この突起４２は気化空間円周に沿って設けられており、気化された液体原料ガスの流れ方向に垂直面に形成されている。ここで、側壁５８と突起４２の先端の距離５９は例えば２ｍｍであり、その間隔６０も例えば２ｍｍである。気化されないで残ったミストはこの突起４２により排出口への移動が妨げられる。この突起４２の形状や高さ、間隔は一例であり、気化器の形状に合わせて適宜設定できる。また、突起４２がスパイラル形状ではなく円周に沿って設けられる方がミストの移動を防止する点で好ましい。

ここで、この間隔６０を０ｍｍにならないように設定すると、側壁５８は突起部と側壁面が露出した部分で構成される。間隔６０を０ｍｍに設定した場合には４２’のような側壁形状となる。突起が４２の形状であると、側壁面が露出した部分が存在することにより４２’に比べて突起と側壁の間に角６１が余分に形成されるため、ミストの移動をより妨げやすくなる。

また、側壁に設ける突起４２の数は主気化面５５近傍と排出口３９近傍で変化させることができる。場所によって突起４２の数を変えることは例えば間隔６０を場所によって変えればよい。主気化面５５近傍で突起４２の数をより多くすることにより、表面拡散を妨げられたミストがより温度の高い主気化面５５近傍で気化されることを促進することができる。

側壁５８に設ける突起の先端は突起４２に示すように、主気化面５５の方向を向いている必要がある。これは突起の先端の向きが考慮されてない単なる凹凸であるとするとミストの大きさは０．１−０．５um程度であり、表面拡散を妨げることが出来ないためである。突起の先端が主気化面５５の方向を向いていることにより、このような移動を妨げることが出来る。突起の形状の他の例を図３に示す。突起の形状４３や４４は突起の形状４２に比べて、より主気化面側を向いているためミスト拡散防止の効果が大きくなり好ましい。これら突起の形状は全て同じ大きさをしていなくてもよく排出口３９にかけて段階的に大きさが変わるように設けられてもよい。

このようにして排出口３９からミストの排出が防止されるため、排出口３９からは気化された液体原料ガスのみが成膜チャンバー２６に供給される。成膜チャンバー２６にはミストを含まない気化された液体原料ガスとその他の原料ガスが供給され、結果としてミストを含まない薄膜を安定的に成膜することができる。

本実施形態の気化器３０で気化を行う液体原料は主に有機金属原料である。ここで、気化器３０を用いた気相成長装置１００で例えばＨｉｇｈ−ｋ膜を成膜する。Ｈｉｇｈ−ｋ膜としてはＺｒＯ２膜やＨｆＯ２膜などがあり、ＺｒＯ２膜であれば、配管４０からＴＥＭＡＺ(TetraEthylMethylAminoZirconium)やＴＤＥＡＺ(Tetradiethylaminozirconium)などＺｒ系の液体原料を気化器３０で気化した液体原料ガスを、配管１０から酸素系のガスを供給することにより成膜する。また、ＴＥＭＡＨ(TetraEthylMethylAminoHafnium)やＴＤＥＡＨ(Tetradiethylaminohafnium)などのＨｆ系ガスを代わりに用いることによってＨｆＯ２膜が成膜できる。ＨｆやＺｒ系の液体原料ガスはその他の有機金属化合物を用いることも可能であり、Ｓｉを含んだ原料ガスを用いることによりシリケート膜を形成することも可能である。

ここで、液体原料としてＴＥＭＡＺを用いる場合には例えばヒーター３１、３３は１００℃に設定され３４は１６０℃に設定される。このような温度に設定されることによりミスト供給口での温度は約６０−８０℃、排出口３９付近での温度は約１００−１４０℃、主気化面５５での温度は約１４０−１６０℃となっている。また、排気口３９から主気化面５５にかけての側壁５８の温度は徐々に高くなっている。側壁での温度が徐々に変化していることにより、特定の場所での熱分解や液化が防止される。

このようにヒーター３１、３３、３４により気化空間内壁の温度制御を精度よく行うことにより、液体原料はミスト供給口５７から供給された後、主気化面５５でガス化され排出口３９へ到達する流れを制御することができる。この制御を行って、さらに突起４２を設けているため、ミストの発生を効果的に抑えることができミストを含まないＨｉｇｈ−ｋ膜が安定的に成膜される。このような効果は特に蒸気圧が低く、気化温度と分解温度が近い特性の液体原料を使用する際に効果がある。

次に本実施形態での効果を説明する。ミスト供給口５７から供給されたミストは主気化面５５で気化され排出口３９から配管４０を通って成膜チャンバー２６へ気化された液体原料ガスとして供給される。この際に気化されなかったミストは従来技術１に示した気化器では側壁５８を表面拡散して排出口３９から排出されていた。これに対して本願発明では側壁５８に先端が主気化面方向を向いた突起４２を設けたためミストの表面拡散が防止される。これにより、気化器からのミストの発生が防止され、ミストを含まない薄膜が安定的に製造される。

これまで、一般的にミストはミスト供給口５７から排出口３９へ直接排出されることにより発生すると考えられていた。しかしながら、本願発明者は同じ気化器で同じミスト供給条件を用いても、気化器によって成膜された薄膜に含まれるミストの数が異なることに新たに気がついた。ミストがミスト供給口５７からキャリアガスと共に排出口３９へ直接排出されているならば常に一定のミストが薄膜に含まれると考えられる。このためミストは側壁５８を表面拡散して排出口３９から排出されていると考えられる。本願はこのような考察に基づいて発明にいたったものである。

従来技術２に示される気化器は気化空間全体が一定の温度に制御されており、気化空間内すべての内壁が気化面となっている。この気化面全体にミストの排出方向が考慮されていない凹凸が設けられている。このためミストはこれらの凹凸に遮られることなく排出口から排出されてしまう。このため、ミスト排出防止用のフィルターが排出口に必要であった。このようなフィルターは目詰まりを起こすことなどによるパーティクル発生を引き起こすため、安定的に薄膜を製造することを困難としていた。

従来技術３に示される気化器も気化面とミストの排出方向を考慮しないで気化面に凹凸が設けられている。このため、ミストは気化面を表面拡散し排出口から簡単に排出されてしまう。これに対して本願発明では、先端が気化空間内の主気化面方向を向いた突起を設けたため、ミストの表面拡散を効果的に防止できる。このため、これらの従来技術に比べてミストを含まない薄膜を安定的に製造することができる。
＜実施形態２＞

実施形態２では実施形態１と同様の気相成長装置１００において図４に示す気化器３０を用いている点が異なっている。また、図４に示した気化器３０では図１に示した気化器３０に比べて突起が側壁５８全面に形成されておらず、主気化面５５と排出口３９の間の一部分に突起４５が形成されている点が異なっている。ここで、主気化面５５はミスト供給口５７に対向していればよく、本実施形態では一例として下面にあるものを示した。

図４に示すように側壁５８の一部分に突起４５を設けるだけでもミストの拡散は防止される。本実施形態においても、先端が気化空間内の主気化面方向を向いた突起４５を設けたため、ミストの表面拡散を効果的に防止できる。このため、従来に比べてミストを含まない薄膜を安定的に成膜することができる。

本実施形態２のように部分的にミスト拡散防止用の突起４５を設ける場合には、気化器３０の製造時に気化空間内壁の加工が簡易となる。このため気化器３０の個体間ばらつきがなくなる。このような気化器を使用することにより、薄膜成膜時の安定性の向上につながる。また、この突起４５は先端が主気化面５５の方向を向いていれば、図３に示すような他の形状の突起であってもよい。

本実施形態では突起４５を側壁５８の排出口に近い部分に設けられているが、この場所であることは限られない。この突起４５は排出口３９に比べて主気化面５５に近い部分にあっても先端が主気化面５５の方向を向いていれば、所望の効果は得られる。ここで、より好ましいのは主気化面５５の近傍に突起４５を設ける場合である。これは主気化面５５の近傍でより温度が高いため表面拡散を阻止されたミストの気化がより起こりやすいためである。ミスト排出の完全な防止を行う目的であれば実施形態１に示すように主気化面５５から排出口３９にかけて全面に突起を設けるのが最も好ましい。
＜実施形態３＞

実施形態３では実施形態１と同様の気相成長装置１００において図５に示す気化器３０を用いている点が異なっている。ここで、図５に示した気化器３０は図１に示した気化器３０に比べて気化空間３２の側壁部分５９の形状が異なっている。図５に示すような側壁５９とすることにより主気化面５５の面積が増加する。このため、気化効率がよくなり、薄膜成膜時の安定性の向上に寄与する。本実施形態では側壁５９を他の形状の一例として示したが、これ以外に曲線形状などの側壁の形状を用いてもよい。また、突起４６の形状は図３に示したように突起の先端がより主気化面方向を向いたような他の形状でもよい。ここで、主気化面５５はミスト供給口５７に対向していればよく、本実施形態では一例として下面にあるものを示した。

以上、本発明の構成について説明したが、これらの構成を任意に組み合わせたものも本発明の態様として有効である。

実施形態１に示した気相成長装置１００に図２の気化器３０を使用して薄膜の成長を行った。液体原料にはＴＥＭＡＺ、酸化剤として酸素を用いてALDでＺｒＯ２薄膜１０ｎｍをシリコンウェハ上に成長した。このとき、シリコンウェハ上に付着したミストの数をパーティクルカウンターで、形状を表面ＳＥＭにて調べた。この結果シリコンウェハ上にミストは見られなかった。

シリコンウェハ上に実施例１のＺｒＯ２薄膜の成長を１００枚行ってシリコンウェハ上に付着したミストの数を観測した。この結果１００枚成長を終えてもシリコンウェハ上にミストは見られなかった。
（比較例）

図１に示した気相成長装置１００に図６の従来例タイプの気化器３０を使用して薄膜の成長を行った。使用原料及び成長条件は実施例１と同様な条件で行った。このとき、シリコンウェハ上に付着したミストの数を調べた結果シリコンウェハ上には１００個から１０００個程度のミストが見られた。

実施形態１に係わる気相成長装置 実施形態１に係わる気化器 実施形態１、２、３に係わる突起の形状の例 実施形態２に係わる気化器 実施形態３に係わる気化器 従来技術１に係わる気化器 従来技術２に係わる気化器 従来技術３に係わる気化器

符号の説明

１００ 気相成長装置
３０ 気化器
２０ 液体原料供給源
２６ 成膜チャンバー
２０ａ 液体原料ガス供給配管
２３ ウェハー
２７ 排気系
３２ 気化空間
３６ キャリアガス供給配管
３９ 排出口
４２−４６ 突起
５５ 主気化面
５７ ミスト供給口
５８ 側壁
１３２ 従来例の気化空間
１３９ 従来例の排出口
１５５ 従来例主気化面
１５６ ミストの流れ
１５８ 従来例側壁
２４１ 従来例２の噴霧口
２４１ａ 従来例２の第１の気化面
２４２ａ 従来例２の第２の気化面
２４２Ｓ 従来例２の気化空間
２４３ 従来例２の排出口
２４４ フィルタ
３０８ 従来例３の原料供給配管
３１５ 従来例３の気化面
３１６ 従来例３の気化面
３１８ 従来例３の排出口
４０８ 従来例３のキャリアガス配管
Ｖ 従来例３の気化空間

Claims (12)

1. ミスト供給口と気化空間と
   前記ミスト供給口に対向して主気化面があり、前記ミスト供給口と前記主気化面とを接続する側壁に設けられた排出口とを備えた気化器であって、
   前記主気化面と前記排出口の間の側壁に前記主気化面の方向に先端が向くように突起を設けることを
   特徴とする気化器。
2. 前記突起が円周に沿って設けられていることを特徴とする請求項１に記載の気化器。
3. 前記側壁面が露出されるように前記突起が間隔をもって設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の気化器。
4. 前記突起が前記主気化面と前記排出口の間の全面に設けられていることを特徴とする請求項1乃至３のいずれか一項に記載の気化器。
5. 前記突起の数が前記排出口近傍に比べて前記主気化面近傍で多いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の気化器。
6. 前記側壁が円筒形状であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の気化器。
7. 前記ミスト供給口が液体原料供給配管とキャリアガス供給配管を備えたことを特徴とする請求項1乃至６のいずれか一項に記載の気化器。
8. 前記主気化面の温度が前記ミスト供給口の温度に比べて高くなるように制御されていることを特徴とする請求項1乃至７のいずれか一項に記載の気化器。
9. 前記気化空間の前記ミスト供給口から前記主気化面にかけての温度が徐々に高くなるように制御されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の気化器。
10. 前記液体原料が金属有機化合物であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の気化器。
11. 請求項１乃至１０いずれか一項に記載の気化器を用いた気相成長装置。
12. ジルコニウムまたはハフニウムを含んだ酸化物系薄膜を成長することを特徴とする請求項１１に記載の気相成長装置。

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