JP5933372B2 - 原料容器および原料容器の使用方法 - Google Patents
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Description
本発明は、被処理体に成膜処理を行うプロセスチャンバへ、成膜原料の前駆体を昇華させた気相原料を供給する際の前駆体を収容する原料容器およびその原料容器の使用方法に関する。
集積回路の製造のためのメタライゼーション工程においては、被処理体である基板をプロセスチャンバに配置し、原料容器から、原料の前駆体を昇華させた気相原料を、例えばＣＯ等をキャリアガスとしてプロセスチャンバへ導入し、基板に成膜処理を行う。
このとき、前駆体としては、例えばルテニウムカルボニル等の金属カルボニル前駆体が使用されるが、このような低蒸気圧前駆体を効率良く昇華させるために、原料容器は、内部を多段トレイ構造として、キャリアガスの流路における前駆体の表面積を確保している。このような原料容器は、例えば特許文献１に開示されている。
ところが、上記特許文献１に示すような多段トレイ構造の原料容器の場合、各トレイが浅くなるため、運搬時の振動や傾きなどにより、上段のトレイから下段のトレイに前駆体がこぼれ落ちてしまうことがある。前駆体が少なくなったトレイからは十分な昇華量が得られず、その結果、気相原料の供給量が不足して安定した成膜処理が行えず、成膜プロセスの不良を引き起こす原因となる場合がある。
本発明は、上記のような従来の原料容器が有する問題点に鑑みてなされたものであり、原料容器内の前駆体を効率良く昇華させることを目的としている。
上記問題を解決するため、本発明は、被処理体に成膜処理を行うプロセスチャンバへ、原料の前駆体を昇華させた気相原料を供給するための前記前駆体を収容する原料容器であって、前記プロセスチャンバへ連通する開口を有する筐体内に、前記前駆体を収容するトレイ及び蓋が上下に複数段積み重ねられ、前記各トレイは、キャリアガスを前記トレイ内に取り込む入口およびキャリアガスが前記前駆体の気相原料とともに流れ出て前記開口へ連通する出口を有し、前記各蓋は、昇降機構により上下方向に移動することが可能であることを特徴としている。
上記原料容器において、前記蓋は、前記前駆体の上部を覆い、前記トレイの上方に移動して当該蓋の直上段のトレイの底部に接触することができることが好ましい。また、前記蓋は、前記トレイの下方に移動して前記トレイ内の前駆体の上面に接することができることが好ましい。
上記原料容器において、前記蓋は、裏面にメッシュ状のかごを備え、前記かご内に前記前駆体が収容されていてもよい。前記蓋は、前記前駆体と同じ材質で形成されていてもよい。前記昇降機構はベローズからなるものでもよい。前記前駆体は、金属カルボニル膜の固体状の前駆体でもよい。
また、本発明によれば、上記の原料容器の使用方法であって、前記蓋が下方へ移動した後、前記筐体内の減圧を開始し、前記筐体内が成膜処理時の圧力まで減圧された後、前記蓋が上方へ移動することを特徴とする、原料容器の使用方法が提供される。この原料容器の使用方法において、前記キャリアガスの供給開始とともに減圧を開始してもよい。
本発明によれば、輸送時にトレイの蓋を閉じておくことにより、原料容器が傾いたり揺れたりしても、前駆体がトレイからこぼれるのを防ぐことができる。一方、成膜処理時には、蓋を開放すれば、十分なコンダクタンスを確保しつつ、昇華した気相原料がキャリアガスにより運搬されるので、安定した成膜を行うことができる。すなわち、十分な昇華量を長時間保つことができるので、安定した成膜レートを長時間維持することができる。
以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
図１は、例えばルテニウム（Ｒｕ）金属膜などの薄膜を基板Ｗに堆積させて成膜する成膜システム１の一例を示す。成膜システム１は、基板Ｗを支持する基板ホルダ１１を有するプロセスチャンバ２を備える。プロセスチャンバ２は、気相原料供給部３を介して原料容器４と連結されている。成膜システム１において、プロセスチャンバ２、気相原料供給部３、原料容器４の温度や後述するポンプの動作等は、制御部５で制御される。
プロセスチャンバ２および原料容器４は、気相原料供給部３の途中に設けられたダクト１２を介して真空ポンプ６に連結されている。真空ポンプ６は、プロセスチャンバ２、気相原料供給部３、および原料容器４から排気して、プロセスチャンバ２内を、基板Ｗ上に薄膜を形成するのに適する圧力に、また、原料容器４内を、前駆体の気相化に適する圧力になるようにする。
原料容器４は、成膜原料の前駆体を貯蔵するとともに、前駆体を昇華または蒸発させるのに十分な温度まで加熱するよう構成される。原料容器４内で気相状態になった原料は、気相原料供給部３へ導入される。前駆体は、例えば固体の膜前駆体であり、金属カルボニル、具体的には、例えばルテニウムカルボニル（Ｒｕ３（ＣＯ）１２）等が用いられる。その他、前駆体として、例えばレニウムカルボニル（Ｒｅ２（ＣＯ）１０）や、Ｗ（ＣＯ）６、Ｍｏ（ＣＯ）６、Ｃｏ２（ＣＯ）８、Ｒｈ４（ＣＯ）１２、Ｃｒ（ＣＯ）６、またはＯｓ３（ＣＯ）１２が含まれてもよい。以下、本発明の実施形態の一例として、固体の前駆体の場合について説明する。
原料容器４は、固体の前駆体を昇華させる温度を達成するため、制御部５により温度制御される。原料の前駆体が加熱されて昇華する際、その気相原料をプロセスチャンバ２まで運搬するために、キャリアガスを流す。キャリアガスは、制御部５で制御されるキャリアガス供給部７から、キャリアガス供給管１３を通って原料容器４へ送られる。キャリアガスとしては、例えば一酸化炭素（ＣＯ）が用いられる。図示していないが、キャリアガス供給部７は、ガス源と、１又は２以上の制御バルブと、１又は２以上のフィルタと、マスフロコントローラとを備えることができる。
原料容器４で昇華された前駆体の気相原料は、キャリアガスとともに流れ、気相原料供給部３を通って、プロセスチャンバ２へ流入する。前駆体の気相原料が凝結したり分解したりするのを防止するため、気相原料供給部３は、制御部５によって温度制御される。気相原料供給部３の温度は、例えば原料容器４の温度とほぼ等しい程度に設定するとよい。
プロセスチャンバ２の上部に流入した気相原料は、気相原料分散板１４を通過して分散され、基板Ｗの上方の処理室２０内に流入する。気相原料分散板１４を制御部５によって温度制御してもよい。気相原料分散板１４の温度は、例えば気相原料供給部３の温度とほぼ等しいか、または高い値としてもよい。
前駆体の気相原料が処理室２０へ流入すると、気相原料は、基板Ｗの表面に吸着し、基板Ｗ上に薄膜が形成される。基板ホルダ１１は、制御部５により温度制御される。基板Ｗの温度は、例えば約２００℃まで上昇される。また、プロセスチャンバ２の壁面の温度を制御部５で制御し、プロセスチャンバ２内の温度を制御してもよい。
以上の成膜システム１において、本発明の原料容器の実施形態の一例について、以下に説明する。
図２は、本実施形態にかかる原料容器４の断面図である。原料容器４は、円板状の底板２１と、上部にフランジ２２ａを有する略円筒状の側板２２と、側板２２上部のフランジ２２ａに密着され中央に開口３０が設けられた天板２３とで構成された筐体２４を有する。開口３０は、図１に示す気相原料供給部３を介して成膜システム１のプロセスチャンバ２に連通される。筐体２４は、熱伝導率に優れた材質、例えばアルミニウム等で製造され、コーティングが施されてもよい。
筐体２４の側板２２の外側には、ヒータ３１が取り付けられ、図１に示す制御部５によって、例えば原料容器４内を８０℃に保つように温度制御される。上述のように、原料容器４内が所定の温度まで加熱されると、前駆体が昇華して、前駆体の気相原料が生成される。この気相原料は、気相原料供給部３を通ってプロセスチャンバ２へ輸送される。
また、筐体２４は、例えば図２に示すように天板２３を貫通するキャリアガス導入口３２を有し、図１に示すように、キャリアガス供給管１３を介して、キャリアガス供給部７に、密閉状に連結されている。
図２に示すように、原料容器４は、筐体２４の内部に、上下方向に積み重ねられた複数段のトレイ４１を有する。各トレイ４１は、本実施形態では、図３に示すように、外周壁４２と、底部４３と、内周壁４４を有し、それぞれのトレイ４１は、中心部が空洞になっている。これにより、トレイ４１を重ねたときに、図２に示すように、原料容器４の中心部に、縦方向に空洞部２５が形成される。最下段のトレイ４１は筐体２４の底板２１に載置され、上段の各トレイ４１は、底部４３が下段の外周壁４２の上端に積み重ねられる。図２に示すように、各トレイ４１の外周壁４２と筐体２４の側板２２との間には、隙間が設けられている。また、各トレイ４１の内周壁４４の上端と、直上のトレイ４１の底部４３との間には、後述するキャリアガスの流路を確保するため、隙間２８が設けられている。これらの各トレイ４１に、成膜原料の前駆体５０が収容される。成膜原料の前駆体は、例えば固体の前駆体であり、固体粉末であってもよいし、固体タブレットであってもよい。なお、図２に示す例では、原料容器４のトレイ４１の段数は５段であるが、５段に限るものではない。
さらに、図３に示すように、各トレイ４１の外周壁４２の上部には、キャリアガスをトレイ４１内に取り込む入口としての複数の孔４５が形成されている。これにより、キャリアガス供給部７（図１参照）から原料容器４に向けて供給されたキャリアガスは、ガス導入口３２（図２（ａ）参照）から原料容器４内に導入され、さらに各トレイ４１の孔４５を通ってトレイ４１内部に入る。そして、前駆体５０の上を流れ、トレイ４１の内周壁４４と直上のトレイ４１の底部４３との隙間２８（出口）を通って、原料容器４の中央に形成された空洞部２５に流れる。したがって、前駆体５０が昇華されると、キャリアガスが、気相原料とともに、原料容器４の空洞部２５に沿って流れ、上部中央に形成された開口３０から流出する。キャリアガスがトレイ４１内に確実に導入されるために、各トレイ４１に収容する前駆体５０の量は、外周壁４２の孔４５の位置よりも下方までとする。
各トレイ４１には、原料容器４が運搬時等に傾いてもトレイ４１内の前駆体５０がこぼれ落ちないように、トレイ４１の上方を覆う蓋４６が設けられている。一方、筐体２４の中心の空洞部２５には、縦方向に延びる柱体２６が設けられ、柱体２６を上下方向に昇降させる例えばアクチュエータ等の昇降機構２７が、筐体２４の底板２１の中央に設置されている。各段のトレイ４１の蓋４６は、図４に示すように、例えば複数のブラケット４７によって、この柱体２６に連結される。そして、原料容器４の運搬時等、トレイ４１内の前駆体５０を昇華させないときには、図２（ａ）に示すように、蓋４６がトレイ４１を閉じる高さとし、成膜処理時には、昇降機構２７を作動させて蓋４６を上方へ移動させる。蓋４６を上げたときには、図２（ｂ）に示すように、蓋４６が直上のトレイ４１の底部４３に接触するようにする。こうすることにより、トレイ４１からの伝熱で蓋４６が保温され、蓋４６の温度が低下し気相原料が冷えて固化するのを防ぐことができる。なお、柱体２６を上下移動させる手段は、アクチュエータに限らず、ネジまたはラッチ構造として手動で行ってもよい。
また、本発明の実施形態の一例として、昇降機構２７としてベローズを取り付け、ベローズの上端に柱体２６を連結してもよい。この場合、原料容器４内が大気圧に保たれているときには、蓋４６や柱体２６およびベローズ自体の自重により、蓋４６が閉じるようにする。成膜処理を行うために原料容器４が減圧され、所定の圧力まで下がると、大気による押し上げ力がこれらの自重を上回り、ベローズが持ち上がって、これに伴い蓋４６が持ち上がるようにベローズを設定する。この実施形態によれば、簡単な構造で、特別な操作を行うことなく、原料容器４の使用時に自然に蓋４１を開くようにすることができる。
以上のように、本発明によれば、原料容器４が運搬時等に傾いても、トレイ４１から前駆体５０がこぼれ落ちることなく保持されるので、各段のトレイ４１の前駆体５０の量を一定に保つことができ、長時間安定して効率的に気相原料を供給できる。
また、図５は、本発明の異なる実施形態の例を示す。各トレイ４１の蓋４６は、トレイ４１内の前駆体５０に接して前駆体５０上面を覆う蓋部６１と、トレイ４１の内側壁の上方に突出する立ち上がり部６２とを有する。原料容器４の運搬時等には、図５（ａ）に示すように、蓋部６１が前駆体５０の上面を押さえることにより、前駆体５０の落下だけでなく、傾きを防止することもできる。したがって、トレイ４１内の前駆体５０の量が偏らず、均一な気相原料の放出が行える。蓋４６の開放時には、蓋部６１が直上のトレイ４１の底部４３に接触するようにする。このとき、図５（ｂ）に示すように、立ち上がり部６２が直上のトレイ４１の内周壁４４よりも内側に位置するように、各段のトレイ４１は、上段に向けて徐々に内周壁４４の位置が外周壁４２側に近づくように形成される。
また、図６は、本発明のさらに異なる実施形態の例を示し、図７は、図６の実施形態の蓋４６の一部の拡大図である。各トレイ４１の蓋４６の下方には、メッシュ状のかご６３が備えられ、かご６３の中にも前駆体５０が収容されている。かご６３は、トレイ４１内に収まる形状および大きさとする。この場合、蓋４６を閉じたときには、図６（ａ）に示すように、かご６３がトレイ４１内の前駆体５０を押さえ付けることで、前駆体５０の偏りを防ぐことができる。蓋４６の開放時には、図６（ｂ）に示すように、蓋４６が直上のトレイ４１の底部４３に接触し、かご６３内の前駆体５０が、直上のトレイ４１の裏面に配置される。そして、キャリアガスが、かご６３とトレイ４１内の前駆体５０との間を通過し、かご６３およびトレイ４１内の両方の前駆体５０が昇華した気相原料をキャリアガスが運搬するため、前駆体５０の表面積を、より大きく確保することができる。
次に、本発明の原料容器を用いて基板に成膜する手順を、図８に従って説明する。
先ず、成膜システム１のプロセスチャンバ２内に、基板Ｗを載置する（図８の工程Ｓ１）。次いで、成膜原料となる前駆体５０を各段のトレイ４１に収容した原料容器４が、成膜システム１に導入される（図８の工程Ｓ２）。
その後、原料容器４の加熱、真空ポンプ６による真空引き、およびキャリアガス供給部７によるキャリアガスの導入を、同時に行う（図８の工程Ｓ３）。加熱は、原料容器４内が例えば８０℃になるまで行う。真空引きは、原料容器４内が例えば０．１Ｔｏｒｒ（１３．３Ｐａ）になるまで行う。
蓋４６がベローズに連結されている場合には、原料容器４内が所定の圧力まで減圧されたときに、蓋４６が持ち上がる。昇降機構２７として例えばアクチュエータ等を用いる場合には、所定の圧力、例えば０．１Ｔｏｒｒ（１３．３Ｐａ）まで減圧された後に、蓋４６を開く（図８の工程Ｓ４）。
前駆体が昇華し、気相原料が生成されて、キャリアガスにより運搬されてプロセスチャンバ２へ送られる（図８の工程Ｓ５）。プロセスチャンバ内では、気相原料が分解するに十分な基板温度にまで基板が加熱され、基板が気相原料に晒される（図８の工程Ｓ６）。
大気圧状態にある原料容器４内を真空引きすると、原料容器４内の圧力が急激に低下し、原料容器４内のガス流速が上昇して前駆体が昇華せずに巻き上がり、プロセスチャンバに吸い込まれてしまう。そのため、従来は、長い時間と手間をかけて徐々に減圧していた。本発明では、トレイ４１の蓋４６を閉じた状態で真空引きすることにより、前駆体５０の巻き上がりを抑制し、迅速な減圧が行える。すなわち、図９に示すように、成膜処理時の処理圧力に達するまでの時間が、従来の時間ｔ２から時間ｔ１に短縮され、真空引きに要する時間や手間を大幅に低減できる。また、その間のＣＯ導入時間も短縮できるので、使用量を低減でき、大幅なコスト削減効果が得られる。
さらに、従来、原料容器を加熱した後、所定の圧力に減圧されるまでの間に前駆体が分解するのを抑制するため、原料容器内をＣＯで満たしてから真空引きを行っていたが、この場合も、従来は、ＣＯに誘導されて、昇華せずに前駆体の粒子が舞い上がって基板上に落ち、均一な成膜が行えないことがあった。本発明によれば、所定の圧力に減圧されるまでは蓋が閉じられているため、昇華していない前駆体の粒子が基板上に落ちることはなくなる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば、前記各実施形態では、蓋４６は、各トレイ４１の上部を覆うものとしたが、図１０（ａ）に示すように、トレイ４１の内周壁４４と直上のトレイ４１との隙間を塞ぐリング状の蓋４６であってもよい。この場合、開放時には、蓋４６は、図１０（ｂ）に示すように、直上のトレイ４１の内周壁４４の内側に接触させる。
また、本発明にかかる蓋４６は、トレイ４１内の前駆体５０と同じ材質で形成してもよい。この場合、例えば図２の実施形態において、蓋４６の開放時に、各段のトレイ４１の上下両側に前駆体５０が配置され、その間をキャリアガスが通過するため、前駆体５０の表面積が大きくなり、効率よく昇華させることができる。
本発明において、トレイ４１の形状は、図３に示すように環状でなくてもよい。さらに、トレイ４１の内周壁４４によって形成される原料容器４の空洞部２５は、円柱状でなくてもよい。
成膜原料の前駆体は、固体の金属カルボニル前駆体等に限らず、液体の前駆体であってもよい。
１ 成膜システム
２ プロセスチャンバ
４ 原料容器
２４ 筐体
３０ 開口
４１ トレイ
４５ 孔
４６ 蓋
５０ 前駆体
Ｗ 基板
２ プロセスチャンバ
４ 原料容器
２４ 筐体
３０ 開口
４１ トレイ
４５ 孔
４６ 蓋
５０ 前駆体
Ｗ 基板
Claims (9)
- 被処理体に成膜処理を行うプロセスチャンバへ、原料の前駆体を昇華させた気相原料を供給するための前記前駆体を収容する原料容器であって、
前記プロセスチャンバへ連通する開口を有する筐体内に、前記前駆体を収容するトレイ及び蓋が上下に複数段積み重ねられ、
前記各トレイは、キャリアガスを前記トレイ内に取り込む入口およびキャリアガスが前記前駆体の気相原料とともに流れ出て前記開口へ連通する出口を有し、
前記各蓋は、昇降機構により上下方向に移動することが可能であることを特徴とする、原料容器。 - 前記蓋は、前記前駆体の上部を覆い、前記トレイの上方に移動して当該蓋の直上段のトレイの底部に接触することができることを特徴とする、請求項１に記載の原料容器。
- 前記蓋は、前記トレイの下方に移動して前記トレイ内の前駆体の上面に接することができることを特徴とする、請求項１または２に記載の原料容器。
- 前記蓋は、裏面にメッシュ状のかごを備え、前記かご内に前記前駆体が収容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原料容器。
- 前記蓋は、前記前駆体と同じ材質で形成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の原料容器。
- 前記昇降機構はベローズからなることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の原料容器。
- 前記前駆体は、金属カルボニル膜の固体状の前駆体であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の原料容器。
- 請求項１〜７のいずれかに記載の原料容器の使用方法であって、
前記蓋が下方へ移動した後、前記筐体内の減圧を開始し、前記筐体内が成膜処理時の圧力まで減圧された後、前記蓋が上方へ移動することを特徴とする、原料容器の使用方法。 - 前記キャリアガスの供給開始とともに減圧を開始することを特徴とする、請求項８に記載の原料容器の使用方法。
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