JP5140321B2

JP5140321B2 - シャワーヘッド

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Publication number: JP5140321B2
Application number: JP2007144743A
Authority: JP
Inventors: 修入野; 正信畠中
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2007-05-31
Filing date: 2007-05-31
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2027-05-31
Also published as: JP2008297597A

Description

本発明は、シャワーヘッドに関する。

ＣＶＤ法やＡＬＤ法は、原料ガス及び反応ガス（支援ガス）など２以上のガスを用いる成膜方法である。これらの方法を実施する成膜装置では、原料ガスと反応ガスとが成膜空間に導入される前に混合してしまうとＣＶＤ反応（成膜反応）が生じてしまうので、これを防止するため、原料ガスがシャワーヘッド構造を介して成膜空間に導入されたときに初めて他のガスと接触するように構成する必要がある。そのような要件を満たした成膜装置として、原料ガス拡散室と反応ガス拡散室とをシャワーヘッド構造内に分離区画して別々に設け、各ガスが混合されずにシャワーヘッド構造を介して成膜空間に導入されるよう構成された成膜装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１２９７１２号公報（図１、段落００１７等）

しかしながら、上記の成膜装置では、反応ガス（支援ガス）用の第２の拡散室に連通した反応ガス導入口と、原料ガス用の第１の拡散室に連通した原料ガス導入口とは、成膜装置の天井部に間隔を開けて設けられ、シャワーヘッド本体内の各拡散室に連通しているため、原料ガスは、原料ガス用の拡散室の中央からややはずれたところから拡散室に導入されることになり、その結果、拡散室からノズルを通って処理空間に導入された後、ウエハ上に均一に供給できない。そのため、このようなシャワーヘッドを備えた装置を用いて成膜すると均一な膜を形成できないという問題がある。

そこで、本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、基板上に均一な膜を形成することができるＣＶＤ装置用又はＡＬＤ装置用のシャワーヘッドを提供することにある。

本発明のシャワーヘッドは、原料ガス拡散室及び反応ガス拡散室を備え、前記原料ガス拡散室と原料ガス導入管とを接続するガス通路は、１段以上の多段に構成され、各段は、２^ｎ−１（ｎは段数）で表されるガス通路を有し、１段目のガス通路は、前記原料ガス導入管に接続され、２段目以降の各ガス通路は、前段のガス通路と連通し、最終段の各ガス通路は、原料ガス拡散室に接続され、前記原料ガス拡散室は、前記反応ガス拡散室の底部に配置され、前記原料ガス導入管は、前記反応ガス拡散室の壁面に設けられていることを特徴とする。このようにガス通路が構成されていることで、成膜チャンバーに均一に原料ガスを導入し、均一な膜を形成することが可能となる。

この場合に、前記１段目のガス通路は、その中央に前記原料ガス導入管が接続され、前記２段目以降の各ガス通路は、その中央に前段のガス通路の両端に設けられた接続孔が接続して前段のガス通路と連通し、前記最終段の各ガス通路は、その各ガス通路の両端に形成された接続孔により、原料ガス拡散室に接続されていることが好ましい。
また、各段に形成された前記各ガス通路は、円弧状に形成されていることが好ましい。
さらに、前記ガス通路は、２段で構成され、１段目のガス通路は、その中央に前記原料ガス導入管が接続され、２段目の各ガス通路は、その中央に１段目のガス通路の両端に設けられた接続孔が接続して１段目のガス通路と連通し、かつ、その各ガス通路の両端に形成された接続孔により、四角形状の原料ガス拡散室の四隅に接続されていることが好ましい。

本発明のシャワーヘッドによれば、原料ガス拡散室に均一にガスを導入し、成膜チャンバー内に均一に原料ガスを供給することができるので、本発明のシャワーヘッドを備えた成膜装置を用いれば、均一な膜を形成できるという優れた効果を奏する。

本発明のシャワーヘッドについて図１を参照して説明する。

シャワーヘッド１は、円盤状部材１１と、リング状部材１２と、第１のシャワー板１３と、第２のシャワー板１４とからなり、適宜、固定具１５で固定されている。円盤状部材１１には、好ましくは、図示しないヒーター及び熱電対が設けられ、ヒーターにより、シャワーヘッド１を所定の温度（例えば１５０℃くらい）になるように加熱し、この加熱された温度を熱電対で測定し、モニターできるように構成される。また、円盤状部材１１には、図示しないガス導入室内部と連通する開口部が形成されており、この開口部と、リング状部材１２の開口部とから、反応ガスが導入され、拡散される反応ガス拡散室１６が構成されている。反応ガス拡散室１６は、反応ガスのラジカルが導入される場合には、そのラジカルの失活を防止するために石英製のインナーが内壁全体に設けられていてもよく、その底面には、複数の反応ガス噴出孔１６１が形成されている。この反応ガス噴出孔１６１は、第１のシャワー板１３及び第２のシャワー板１４を貫通してシャワーヘッド１の底面まで達している。

さらに、円盤状部材１１には、原料ガス導入管１１１が設けられ、この原料ガス導入管１１１は、ガス通路１７、即ち、リング状部材１２の外周部に設けられたガス通路１７ａ及び第１のシャワー板１３の外周部に設けられたガス通路１７ｂを介して、第２のシャワー板１４に形成された原料ガス拡散室１８に接続されている。ガス通路１７は、１以上の多段に構成され、各段は、２^ｎ−１（ｎは段数）で表される数のガス通路１７ａ及び１７ｂを有している。そして、ガス通路１７は、前記原料ガス導入管１１１と１段目のガス通路との接続位置から最終段のガス通路と原料ガス拡散室１８との各接続位置までの距離が全て等しいように構成されていることが好ましい。このガス通路について図２及び図３を用いて詳細に説明する。図２は、ガス通路１７を説明するための、（ａ）リング状部材１２、（ｂ）第１のシャワー板１３及び（ｃ）第２のシャワー板１４の横断面図であり、図３は、原料ガス導入管１１１、ガス通路１７及び原料ガス拡散室１８の配置関係を説明するための説明図である。

ガス通路１７は、リング状部材１１に設けられた円弧状の１つのガス通路１７ａと、第１のシャワー板１３の反応ガス噴出孔１６１が形成されている領域の周辺部に設けられた円弧状の２つのガス通路１７ｂとからなる。ガス通路１７ａの中央上部には、原料ガス導入管１１１が接続されている。そして、ガス通路１７ａの両端の底部にはそれぞれ接続孔１７ｃが形成され、この接続孔１７ｃは、第１のシャワー板１３に設けられたガス通路１７ｂの中央上部に接続され、ガス通路１７ａとガス通路１７ｂとは連通している。

また、各ガス通路１７ｂの両端の底部には、接続孔１７ｄが形成され、この接続孔１７ｄは、第２のシャワー板１４に設けられた原料ガス拡散室１８の四隅の上部に接続され、原料ガス拡散室１８に原料ガスが均一に吐出されるように構成されている。

このように、前記原料ガス拡散室１８と原料ガス導入管１１１とを接続するガス通路１７は、２段構成であり、１段目のガス通路１７ａは、その中央に前記原料ガス導入管１１１が接続され、２段目のガス通路１７ｂは、その中央に前段のガス通路１７ａの両端の底部に設けられた接続孔１７ｃが接続して前段のガス通路１７ａと連通し、かつ、その各ガス通路１７ｂの両端の底部に形成された接続孔１７ｄにより、原料ガス拡散室１８に接続されて、１つのガス流路として構成されている。そして、このガス通路１７では、原料ガス導入管１１１から各接続孔１７ｄまでの距離はどれも等しくなるように構成されているので、原料ガスが同時に原料ガス拡散室に同量到達し、均一に原料ガス拡散室１８に拡散できる。なお、図中では、ガス通路を２段構成として接続孔１７ｄを４つ設けているが、ガス通路を３段以上に構成して接続孔１７ｄの数を増やしてもよい。例えば、第１のシャワー板１２の底部に第１のシャワー板と同様の反応ガス噴出孔を形成し、ガス通路を４つ形成した第３のシャワー板を設け、この第３のシャワー板の４つのガス通路の各中央上部に第１のシャワー板の接続孔１７ｄが接続するようにし、この第３のシャワー板の各ガス通路の両端部に第２のシャワー板の原料ガス拡散室１８への接続孔をそれぞれ形成し、即ち、接続孔を８つ設け、それに併せて原料ガス拡散室の形状を設計して、より均等にガスが原料ガス拡散室１８内に拡散されるように構成してもよい。また、図中では原料ガス拡散室１８は四角形としたが、円形や他の多角形でもよい。

この原料ガス拡散室１８には、原料ガス噴出孔１８１が設けられており、この原料ガス噴出孔１８１もシャワーヘッド１の底面まで貫通している。この場合、均一に原料ガスが真空チャンバー内へ噴き出すように、噴出孔のコンダクタンスを小さくすることが好ましい。例えば、図１及び２に示す装置では、原料ガス噴出孔１８１を、孔径Φ０．７〜１ｍｍ程度、孔深さ１０ｍｍ程度として、原料ガスを均一に真空チャンバー内へ供給できるように構成している。

反応ガス噴出孔１６１はシャワーヘッド１の底面まで貫通しているので、このシャワーヘッド１の底面には、反応ガス噴出孔１６１と、原料ガス噴出孔１８１とがそれぞれ一定の距離をあけてマトリクス状に並んでおり、これによって、基板上にかたよりなく原料ガス及び反応ガスが照射されるように構成されている。各原料ガス噴出孔１８１の中心間距離と各反応ガス噴出孔１６１の中心間距離とは、同じ距離（例えば、１４ｍｍ）に設定されている。この場合、原料ガス噴出孔１８１の直径より反応ガス噴出孔１６１の直径の方が大きく、例えば、原料ガス噴出孔１８１の直径を１ｍｍとし、反応ガス噴出孔１６１の直径は５ｍｍとすることにより、反応ガスの流量が原料ガスの流量に比べて多くすることが必要なプロセスに対応することができる。

このように構成されたシャワーヘッド１では、反応ガスは、反応ガス拡散室１６全体に広がり、各反応ガス噴出孔１６１を経て真空チャンバー内に供給される。また、原料ガス導入管１１１から導入された原料ガスは、ガス通路１７に、ガス通路１７ａの中央部から導入され、ガス通路１７ａの左右に均等に分かれて接続孔１７ｃを介して下段に形成された各ガス通路１７ｂへ拡散する。そして、ガス通路１７ｂを左右に均等に分かれて進み、接続孔１７ｄから、原料ガス拡散室１８へ均一に拡散し、その後、原料ガス拡散室１８の底面の各原料ガス噴出孔１８１から真空チャンバー内に均一に供給される。

上記のシャワーヘッド１を備えた成膜装置について、図４を参照して、以下説明する。

成膜装置は、成膜チャンバー２と、成膜チャンバー２の天井部に設けられたシャワーヘッド１と、シャワーヘッド上部に設けられ、シャワーヘッドにガスを導入するためのガス導入手段３とからなる。成膜チャンバー２は、下部に排気手段２１が設けられており、天井部から導入した原料ガス及び反応ガスを適宜排気すると共に成膜チャンバー内を真空状態にすることができる。成膜チャンバー２のシャワーヘッド１に対向した位置に、基板載置部２２が設置され、この基板載置部２２には、加熱手段２３が設けられており、基板載置部２２に載置した基板Ｓを所定の温度、例えば、ＣＶＤ法を実施する場合には３００℃以上で加熱することが可能である。

シャワーヘッド１の上部に設けられたガス導入手段３は、例えば、マイクロ波によりガスを励起して反応ガス導入室に導入するためのものであり、上部の同軸型共振キャビティ３１と、同軸型共振キャビティ３１の底部に接続して設けられた反応ガス導入室３２と、同軸型共振キャビティに設けられたマイクロ波供給手段３３とからなる。

同軸型共振キャビティ３１は、例えば銅製やアルミ製で、この同軸型共振キャビティ３１には、非金属パイプ３１１がキャビティの天井壁と底壁とを貫通して設けられている。この非金属パイプ３１１の上部には、図示しない反応ガスのガス源が流量制御手段を介して接続される。この非金属パイプ３１１としては、石英管、サファイア管又はアルミナ管を用いることができるが、パーティクルをより低減すべく、サファイア管かアルミナ管を用いることが好ましい。

この非金属パイプ３１１の上部には、その周囲を覆うように、同心円状の可動自在の上部導体３１２が設けられ、また、この上部導体３１２の下方では、同軸型共振キャビティ３１の底壁が下部導体３１３として機能している。二つの導体間では、非金属パイプ３１１は露出しており、この露出部３１１ａにマイクロ波が照射される。なお、図４中では、同軸型共振キャビティ３１の底壁が下部導体３１３として機能しているが、下部導体３１３を、別の部材として同軸型共振キャビティ３１の底部に設けてもよい。

非金属パイプ３１１の露出部３１１ａの領域においてプラズマを生成するために、マイクロ波供給手段３３が、同軸型共振キャビティ３１の側壁面の露出部３１１ａに対応する位置に設けられている。このマイクロ波供給手段３３は、マイクロ波を発振するマグネトロン３３１と、このマグネトロン３３１を作動させるためのマイクロ波電源３３２と、マグネトロン３３１に接続され、マグネトロン３３１から発振された共振周波数（例えば、２．４５ＧＨｚ）のマイクロ波を同軸型共振キャビティ３１に供給するアンテナ３３３と、アンテナ３３３とマグネトロン３３１とをつなぐ同軸ケーブル３３４とからなる。マイクロ波電源３３２を作動せしめると、マグネトロン３３１からマイクロ波が発振され、このマイクロ波が同軸ケーブル３３４を通って、壁面に設けられたアンテナ３３３に到達する。そして、アンテナ３３３からマイクロ波が同軸型共振キャビティ３１内に供給されると、非金属パイプ３１１上部から導入されている反応ガスが露出部３１１ａの領域においてプラズマ状態に変化し、ガスの流路である非金属パイプ３１１の下部から、プラズマ化したガスとして反応ガス導入室３２へ供給される。このように、本装置では、マイクロ波を伝播するための導波管を設けていないので、マイクロ波を発振すると、すぐにプラズマを生成できる。なお、図４中、アンテナ３３３を一つだけ設ける例を説明したが、２つ以上設けてもよい。また、上記したように上部導体３１２は可動であるので、その位置を変えて上部導体３１２と下部導体３１３との間の電界の発生状態を変えることで、プラズマの生成状態を変えることが可能である。

ところで、一般に、プラズマ生成空間においてプラズマが生成されると、プラズマ生成空間の電界分布が変化して共振周波数が変化し、プラズマの生成効率が悪くなってしまう。この場合に、マイクロ波供給手段を調整すると、マイクロ波発振と、プラズマ生成との間でタイムラグが生じる。

そこで、第１の成膜装置では、プラズマ生成の前後で共振周波数が変化しないように、同軸型共振キャビティ３１内の高さＬが、励振波長の１／２の整数倍となるように構成している。これは、同軸型共振キャビティ３１の電界分布がプラズマ生成前にはＴＭモードになっているが、プラズマ生成後にはＴＥＭモードになることに鑑みて、各モードにおける電気的等価回路からプラズマ生成前後の各共振周波数を求め、これらの共振周波数が等しくなるように計算することにより、得られたものである。上記構成により、プラズマ生成前後で、共振周波数の変化を抑えることが可能である。

このように同軸型共振キャビティ３１内の高さＬを設定してもなお、プラズマ生成後にキャビティ内の周波数がわずかながら変動する場合もあるので、第１の成膜装置のマイクロ波供給手段３３に、励磁電流制御回路を設けることが好ましい。この制御回路は、同軸型共振キャビティ３１内でのプラズマ発生前後の周波数をモニターして、この周波数が変化した場合に、変化分に対応する信号を受け取り、この信号に相当する電流を励磁電流としてマグネトロン３３１内の図示しない励磁コイルに送ることで供給するマイクロ波の波長が一定になるように、構成される。

また、同軸型共振キャビティ３１内の周波数が変化した状態でマイクロ波を発振すると、プラズマ生成室内部で反射波が生じる場合には、この反射波を検出し、この検出した反射波と、発振したマイクロ波の進行波との位相差に相当する電圧を、マグネトロン内の陽極電極に重畳して印加して、共振周波数に近づくように動作する陽極電圧制御回路を設けてもよい。この場合、反射波はマイクロ波供給手段において熱に変換されるので、陽極電圧制御回路を設けた場合に反射波に起因する熱によって回路がダメージを受けないように注意する必要がある。さらに、下部導体３１３の中に、発振波長の４分の１の長さに相当するチョーク構造を設けて、露出部３１１ａから漏洩されるマイクロ波を抑制するように構成しても良い。

このように、同軸型共振キャビティ３１内の高さＬを励振波長の１／２の整数倍になるように構成し、一定の共振周波数を発振できるとともに、励磁電流制御回路及び陽極電圧制御回路を設けることで、プラズマ生成前後で仮に共振周波数がずれたとしても周波数を自動的にマッチングするように構成されている。さらに、このシャワーヘッド１を備えた成膜装置は、マイクロ波発振とプラズマ生成にタイムラグが発生しないので、プラズマの生成を極めて短い間隔、例えば０．５秒くらいから制御でき、吸着工程及び改質工程を多数回繰り返して成膜するＡＬＤ法に非常に適している。

この同軸型共振キャビティ３１の非金属パイプ３１１内でプラズマにより励起された反応ガスは、反応ガス導入室３２へ導入される。反応ガス導入室３２は、例えばアルミ製であり、その内壁には、パーティクル発生防止のために石英製インナーを設けることが好ましい。この場合、図４中に示したように、インナーをガス導入室３２の内壁の下方領域（シャワーヘッド１側）に設けてもよいが、好ましくは、内壁全面に石英製インナーを設けることである。また、ラジカル状態のガスを死活し難くするために、反応ガス導入室３２の内壁表面をアルマイト加工してもよい。

また、反応ガス導入室３２は、図示しない冷却手段によって、冷却されていてもよい。反応ガス導入室３２とシャワーヘッド１との間には、セラミックフランジ３２１（例えば、厚さ１０ｍｍ）を設けてある。このセラミックフランジ３２１は、シャワーヘッド１の熱により反応ガス導入室３２が加熱されないように熱を遮断するために設けられたものであり、真空シール性、耐熱性、熱遮断性からアルミナセラミックであることが好ましい。このように構成された反応ガス導入室３２は、反応ガス拡散室１６へ連通しているので、非金属パイプ３１１から導入された反応ガスは、反応ガス導入室３２を介して反応ガス拡散室１６へ導入され、拡散し、その後、反応ガス噴出孔１６１を通過して成膜チャンバー２内へ導入される。
なお、図４では、ガス導入手段３として、反応ガスを生成したプラズマにより励起して原料ガスに反応させる場合の構成を示したが、原料ガス及び反応ガスを直接シャワーヘッド１に導入するように成膜装置を構成してもよい。

上記したシャワーヘッド１、ガス導入手段３を備えた成膜装置を用いて、原料ガス及び反応ガスの２種類、もしくはそれ以上のガスを用いるＣＶＤ法や、ＡＬＤ法を実施しうる。

本発明のシャワーヘッド１を備えた成膜装置において、ＣＶＤ法を実施するためには、例えば、基板Ｓを基板載置台２２に載置し、加熱手段２３により基板温度が１８０〜２６０℃未満となるように加熱した後、反応ガスとして非金属パイプ３１１からＮ_２ガスを１０〜５０００ｓｃｃｍの条件で、原料ガスとして原料ガス導入管１１１から原料タンク内のＺｒ（ＢＨ_４）_４に対し、バブリングガス（アルゴン）を１０００ｓｃｃｍ導入しバブリングして得たＺｒ（ＢＨ_４）_４からなる原料ガスを導入すると共に、投入パワーを０．１〜５ｋＷとしてマイクロ波供給手段３３により、マイクロ波を発振し反応ガスを励起して、５〜１８０秒間成膜を行うと、所望のＺｒＢＮ膜を基板Ｓ上に形成できる。
ＡＬＤ法を実施する場合には、例えば、シャワーヘッド１を備えた成膜装置を用いて、基板Ｓを基板載置台２２に載置し、基板温度が１５０℃となるように加熱した後、反応ガスとしてＮ_２ガスを１〜１００ｓｃｃｍ導入するとともに、原料タンク内のＺｒ（ＢＨ_４）_４に対し、バブリングガス（アルゴン）を１０００ｓｃｃｍ導入しバブリングにより得たＺｒ（ＢＨ_４）_４ガスを原料ガスとして導入して（吸着工程）、所定時間後、原料ガスを止め、反応ガスの流量を１０〜５００ｓｃｃｍにあげると共に、投入パワーを０．１〜５ｋＷとしてマイクロ波を発振し反応ガスを励起して導入し（改質工程）、これらの工程を数回〜数百回繰り返して行って、所望の厚さのＺｒＢＮ膜を均一に形成できる。

本発明によれば、原料ガスを原料ガス拡散室に均一に導入できるので、本発明のシャワーヘッドを備えた成膜装置を用いれば、ＣＶＤ法又はＡＬＤ法を実施した場合に、均一な膜を形成できる。したがって、本発明は、半導体技術において利用可能である。

本発明のシャワーヘッド１を説明するための断面模式図である。（ａ）リング状部材１２、（ｂ）第１のシャワー板１３及び（ｃ）第２のシャワー板１４の横断面図である。原料ガス導入管１１１、ガス通路１７及び原料ガス拡散室１８の配置関係を説明するための説明図である。本発明のシャワーヘッド１を備えた成膜装置の断面模式図である。

符号の説明

１シャワーヘッド
２成膜チャンバー
３ガス導入手段
１１円盤状部材
１２リング状部材
１３第１のシャワー板
１４第２のシャワー板
１５固定具
１６反応ガス拡散室
１７ガス通路
１７ａガス通路
１７ｂガス通路
１７ｃ接続孔
１７ｄ接続孔
１８原料ガス拡散室
２１排気手段
２２基板載置部
３１同軸型共振キャビティ
３２反応ガス導入室
３３マイクロ波供給手段
１１１原料ガス導入管
１６１反応ガス噴出孔
１８１原料ガス噴出孔
３１１非金属パイプ
３１１ａ露出部
３１２上部導体
３１３下部導体
３３１マグネトロン
３３２マイクロ波電源
３３３アンテナ
３３４同軸ケーブル

Claims

原料ガス拡散室及び反応ガス拡散室を備え、前記原料ガス拡散室と原料ガス導入管とを接続するガス通路は、１段以上の多段に構成され、各段は、２^ｎ−１（ｎは段数）で表されるガス通路を有し、１段目のガス通路は、前記原料ガス導入管に接続され、２段目以降の各ガス通路は、前段のガス通路と連通し、最終段の各ガス通路は、原料ガス拡散室に接続され、
前記原料ガス拡散室は、前記反応ガス拡散室の底部に配置され、前記原料ガス導入管は、前記反応ガス拡散室の壁面に設けられていることを特徴とするシャワーヘッド。
前記１段目のガス通路は、その中央に前記原料ガス導入管が接続され、前記２段目以降の各ガス通路は、その中央に前段のガス通路の両端に設けられた接続孔が接続して前段のガス通路と連通し、前記最終段の各ガス通路は、その各ガス通路の両端に形成された接続孔により、原料ガス拡散室に接続されていることを特徴とする請求項１記載のシャワーヘッド。
各段に形成された前記各ガス通路は、円弧状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のシャワーヘッド。
前記ガス通路は、２段で構成され、１段目のガス通路は、その中央に前記原料ガス導入管が接続され、２段目の各ガス通路は、その中央に１段目のガス通路の両端に設けられた接続孔が接続して１段目のガス通路と連通し、かつ、その各ガス通路の両端に形成された接続孔により、四角形状の原料ガス拡散室の四隅に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のシャワーヘッド。