JP6123208B2 - 成膜装置 - Google Patents
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Description
本発明は、基板に対して互いに反応する複数種類の反応ガスを順番に供給して膜を形成する成膜装置に関する。
基板である例えば半導体ウエハ（以下「ウエハ」と言う）に膜を成膜する手法として、互いに反応する複数種類の反応ガスをウエハに対して順番に供給するいわゆるＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＭＬＤ（Ｍｕｌｔｉ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法（以下、これらを総合してＡＬＤ法と称する）などと呼ばれる方法が知られている。
このような成膜方法においてウエハに反応ガスを供給する種々のガス供給機構が提案されている。例えば引用文献１、２には、複数枚のプレートを上下に間隔を開けて配置することにより、中段のプレートを介して上下に積み重ねられたガス拡散空間（引用文献１では空間１１ａ、１１ｂ、引用文献２ではガス拡散空間５０、空間８１と記載）を構成し、各々の拡散空間から最下段のシャワープレートの下面に開口する多数のガス流路を設けたシャワーヘッドが記載されている。
上記のタイプのシャワーヘッドは、互いに隔離されたガス拡散空間から、複数種類の反応ガスを別々に供給するので、ガス拡散空間内での反応ガス同士の混合を避け、シャワーヘッド内での反応生成物の堆積を防止できる。
一方で、上下に積層された各ガス拡散空間から、互いに混ざらないように反応ガスを供給するためには、下段側のガス拡散空間を貫通して上段側のガス拡散空間へと連通するガス流路用の導管を多数設ける必要があり、シャワーヘッドの構造が非常に複雑になる。
一方で、上下に積層された各ガス拡散空間から、互いに混ざらないように反応ガスを供給するためには、下段側のガス拡散空間を貫通して上段側のガス拡散空間へと連通するガス流路用の導管を多数設ける必要があり、シャワーヘッドの構造が非常に複雑になる。
このような課題に対し、出願人は、共通のガス拡散空間に複数種類の反応ガスを切り替えて供給する簡素な構成のシャワーヘッドの開発を行っている。共通のガス拡散空間を利用する場合には、反応生成物の堆積を防止するために、一の反応ガスを供給してから、次の反応ガスを供給するまでの間に、不活性ガスなどを供給してガスの置換を行う必要がある。
反応ガスの置換を行う場合には、置換操作に要する時間をできる限り短くすることが成膜を効率的に行う上での重要な課題となる。また近年は、ナノメートルのオーダーで成膜される膜のウエハ面内における膜厚の均一性（例えば後述のＭ−ｍ値）を５％程度以内とすることが要求される場合があるため、置換性の良さのみならず、より面内均一性の良好な成膜を実現できるシャワーヘッドの開発が求められている。
これらの要求に対し、引用文献１、２に記載のシャワーヘッドは、ウエハの全面に対応する領域に亘って広がる大きなガス拡散空間を備えており、ガス拡散空間の一方側に反応ガスや置換ガスを切り替えて供給したとしても置換操作に長時間を要してしまう。
また、引用文献１、２には、各ガス拡散空間に反応ガスを供給するガス供給部の記載がある（引用文献１につき、管部１０ｊに設けられた吐出口１２１、引用文献２につき、吐出口５５を備えた吐出ポート５６、及びガス吐出管８３）。しかしながら、反応ガスや置換ガスを切り替えて供給するシャワーヘッドにおいて、成膜される膜の均一性を向上させるうえでこれらのガス供給部が備えるべき特段の技術的特徴は開示されていない。
そこで出願人は、引用文献３に示すように、中央から外周に向けて末広がりの形状の傾斜面構造を有する天井部の中央領域に、成膜対象のウエハよりも面積の小さなシャワーヘッドを設けることにより（同文献中では「ガス供給ノズル」と記載している）、置換性を高めた成膜装置を開発した。
ところが、シャワーヘッドに多数穿設されたガス供給口のうち、例えばシャワーヘッド内にガスを導入するガス供給路の直下の位置と、この位置から離れた位置とを比べると、ガス供給路の直下に位置するガス供給口から流出する反応ガスの流速が高くなることがある。この結果、各ガス供給口から流出するガス流速の違いによってウエハに吸着する反応ガスの量に違いが生じ、ウエハの面内で膜の厚さが僅かに変化するおそれがある。しかしながら既述のように、Ｍ−ｍ値が５％以内といった高い面内均一性が要求されるようになると、このような僅かな膜厚の違いも改善する必要が生じてきている。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、反応ガスと置換ガスとの置換性が高く、面内均一性の良好な膜を成膜可能な成膜装置を提供することにある。
本発明に係る成膜装置は、真空雰囲気である処理室内の基板に対して互いに反応する複数種類の反応ガスを順番に供給し、一の反応ガスの供給と次の反応ガスの供給との間に置換用のガスを供給して成膜処理を行う成膜装置において、
前記処理室に設けられ、基板が載置される載置部と、
前記載置部に対向して設けられ、中央から外周に向けて末広がりの形状の傾斜面構造を有する天井部と、
前記天井部の中央領域から下方側へ向けて突出するヘッド部を備え、前記ヘッド部の側面に設けられ、当該ヘッド部の周方向に沿った異なる位置からガスを吐出するガス吐出口が形成された複数のガス供給部と、
ガス供給路を介して前記複数のガス供給部の各々と接続され、これらのガス供給部に対して前記複数種類の反応ガスを供給するための共通のガス拡散空間と、
前記複数のガス供給部を下方側から覆うように設けられると共に、前記載置部と対向する面に複数のガス供給口が形成されたシャワーヘッドと、
前記処理室内の真空排気を行う排気部と、を備え、
前記シャワーヘッドの外縁は、前記載置部に載置された基板の外縁よりも内側に位置していることと、
前記シャワーヘッドは、前記載置部と対向する面の外周に沿って設けられた側壁部を備え、この側壁部には、横方向へ向けてシャワー状にガスを供給する複数のガス供給口が設けられていることと、を特徴とする。
前記処理室に設けられ、基板が載置される載置部と、
前記載置部に対向して設けられ、中央から外周に向けて末広がりの形状の傾斜面構造を有する天井部と、
前記天井部の中央領域から下方側へ向けて突出するヘッド部を備え、前記ヘッド部の側面に設けられ、当該ヘッド部の周方向に沿った異なる位置からガスを吐出するガス吐出口が形成された複数のガス供給部と、
ガス供給路を介して前記複数のガス供給部の各々と接続され、これらのガス供給部に対して前記複数種類の反応ガスを供給するための共通のガス拡散空間と、
前記複数のガス供給部を下方側から覆うように設けられると共に、前記載置部と対向する面に複数のガス供給口が形成されたシャワーヘッドと、
前記処理室内の真空排気を行う排気部と、を備え、
前記シャワーヘッドの外縁は、前記載置部に載置された基板の外縁よりも内側に位置していることと、
前記シャワーヘッドは、前記載置部と対向する面の外周に沿って設けられた側壁部を備え、この側壁部には、横方向へ向けてシャワー状にガスを供給する複数のガス供給口が設けられていることと、を特徴とする。
上述の成膜装置は以下の特徴を備えていてもよい。
（ａ）前記ガス供給部に形成されたガス吐出口は、前記シャワーヘッドを平面でみたとき、当該シャワーヘッドの中央部側と周縁部側とに向けて広がるガスの流れを形成する位置に設けられていること。
（ｂ）前記ガス供給部は、前記シャワーヘッドの周方に沿って３個以上設けられていること。
（ｃ）前記基板が円板であり、前記底面部を平面で見たときの形状が円形であって、前記円板の半径をＲ、前記底面部の円の半径をｒとしたとき、ｒ／Ｒの値が４／１５以上、２／３以下の範囲内であること。
（ａ）前記ガス供給部に形成されたガス吐出口は、前記シャワーヘッドを平面でみたとき、当該シャワーヘッドの中央部側と周縁部側とに向けて広がるガスの流れを形成する位置に設けられていること。
（ｂ）前記ガス供給部は、前記シャワーヘッドの周方に沿って３個以上設けられていること。
（ｃ）前記基板が円板であり、前記底面部を平面で見たときの形状が円形であって、前記円板の半径をＲ、前記底面部の円の半径をｒとしたとき、ｒ／Ｒの値が４／１５以上、２／３以下の範囲内であること。
本発明は、成膜対象の基板よりも面積の小さなシャワーヘッドを用い、このシャワーヘッドの内側に複数のガス供給部を設けているので、反応ガスと置換用のガスとの置換を短時間で行うことができる。また、このシャワーヘッドは、中央から外周に向けて末広がりの形状の傾斜面構造を有する天井部の中央領域に設けられているので、基板が反応ガスと接触する空間（処理空間）の容積も小さくなり、ここでも反応ガスの置換に要する時間を短くできる。
さらに、各ガス供給部には、天井部の周方向に沿って複数のガス吐出口が形成されており、反応ガスは流れ方向を変えてからシャワーヘッドの底面部に設けられたガス供給口を通り抜けるので、シャワーヘッドの全面から均一に反応ガスが供給され、基板に成膜される膜厚の面内均一性を向上させることができる。
さらに、各ガス供給部には、天井部の周方向に沿って複数のガス吐出口が形成されており、反応ガスは流れ方向を変えてからシャワーヘッドの底面部に設けられたガス供給口を通り抜けるので、シャワーヘッドの全面から均一に反応ガスが供給され、基板に成膜される膜厚の面内均一性を向上させることができる。
本発明の実施の形態に係わる成膜装置の構成について、図１〜図５を参照して説明する。本成膜装置は、成膜対象の円形の基板（円板）であり、例えば直径が３００ｍｍのウエハＷの表面に、互いに反応する反応ガスである塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガス（原料ガス）とアンモニア（ＮＨ３）ガス（窒化ガス）とを交互に供給してＡＬＤ法により窒化チタン（ＴｉＮ）膜を成膜する装置として構成されている。
図１、図２に示すように成膜装置は、アルミニウム等の金属により構成され、平面形状が概ね円形の真空容器であり、処理室を構成する処理容器１と、この処理容器１内に設けられ、ウエハＷが載置される載置台（載置部）２と、載置台２と対向するように設けられ、載置台２との間に処理空間３１３を形成するための天板部材３１と、を備えている。処理容器１の側面には、載置台２との間でウエハＷの受け渡しを行う際に、外部の真空搬送路に設けられたウエハ搬送機構を処理容器１内に進入させるための搬入出口１１と、この搬入出口１１を開閉するゲートバルブ１２とが設けられている。
前記搬入出口１１よりも上部側の位置には、アルミニウム等の金属からなり、縦断面の形状が角型のダクトを円環状に湾曲させて構成した排気ダクト１３が、処理容器１の本体を構成する側壁の上に積み重なるように設けられている。排気ダクト１３の内周面には、周方向に沿って伸びるスリット状の開口部１３１が形成されており、処理空間３１３から流れ出たガスはこの開口部１３１を介して排気ダクト１３内に排気される。排気ダクト１３の外壁面には排気口１３２が形成されており、この排気口１３２には真空ポンプなどからなる排気部６５が接続されている。排気口１３２や排気部６５は、処理空間３１３内の真空排気を行う排気部に相当する。
処理容器１内には、前記排気ダクト１３の内側の位置に、載置台２が配置されている。載置台２は、ウエハＷよりも一回り大きい円板からなり、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、石英ガラス（ＳｉＯ２）等のセラミックスやアルミニウム（Ａｌ）、ハステロイ（登録商標）等の金属により構成されている。載置台２の内部には、ウエハＷを例えば３５０℃〜４５０℃の成膜温度に加熱するためのヒーター２１が埋設されている。また必要に応じて、ウエハＷを当該載置台２の上面側の載置領域内に固定するための図示しない静電チャックを設けても良い。なお、図１以外の縦断面図においてはヒーター２１の記載を省略してある。
この載置台２には、前記載置領域の外周側の領域、及び載置台２の側周面を周方向に亘って覆うように設けられたカバー部材２２を備えている。カバー部材２２は例えばアルミナなどからなり、上下端が各々開口する概略円筒形状に形成されると共に、その上端部が内側に向かって周方向に亘って水平方向に屈曲している。この屈曲部は、載置台２の周縁部にて係止されており、当該屈曲部の厚み寸法は、ウエハＷの厚み寸法（０．８ｍｍ）よりも厚く、例えば１ｍｍ〜５ｍｍの範囲内の３ｍｍとなっている。
載置台２の下面側中央部には、処理容器１の底面を貫通し、上下方向に伸びる支持部材２３が接続されている。この支持部材２３の下端部は、処理容器１の下方側に水平に配置された板状の支持板２３２を介して昇降機構２４に接続されている。昇降機構２４は、搬入出口１１から進入してきたウエハ搬送機構との間でウエハＷを受け渡す受け渡し位置（図１に一点鎖線で記載してある）と、この受け渡し位置の上方側であって、ウエハＷへの成膜が行われる処理位置との間で載置台２を昇降させる。
この支持部材２３が貫通する処理容器１の底面と、支持板２３２との間には、処理容器１内の雰囲気を外部と区画し、支持板２３２の昇降動作に伴って伸び縮みするベローズ２３１が、前記支持部材２３を周方向の外部側から覆うように設けられている。
載置台２の下方側には、外部のウエハ搬送機構とのウエハＷの受け渡し時に、ウエハＷを下面側から支持して持ち上げる例えば３本の支持ピン２５が設けられている。支持ピン２５は、昇降機構２６に接続されて昇降自在となっており、載置台２を上下方向に貫通する貫通孔２０１を介して載置台２の上面から支持ピン２５を突没することにより、ウエハ搬送機構との間でのウエハＷの受け渡しを行う。
排気ダクト１３の上面側には、円形の開口を塞ぐように円板状の支持板３２が設けられており、これら排気ダクト１３と支持板３２との間には処理容器１内を気密に保つためのＯリング１３３が設けられている。支持板３２の下面側には、処理空間３１３に反応ガスや置換ガスを供給するための天板部材３１が設けられており、天板部材３１はボルト３２３によって支持板３２に支持固定されている。
天板部材３１の下面側には凹部が形成されており、この凹部の中央側の領域は平坦になっている。この平坦な中央領域の外周側には、中央側から外周側へ向けて末広がりの形状の傾斜面が形成されている。この傾斜面のさらに外側には、平坦なリム３１４が設けられている。
載置台２を処理位置まで上昇させたとき、天板部材３１は、載置台２に設けられたカバー部材２２の上面と、リム３１４の下面とが互いに対向するように配置される。天板部材３１の凹部と載置台２の上面とによって囲まれた空間は、ウエハＷに対する成膜が行われる処理空間３１３となる。前記凹部が設けられた天板部材３１は、本成膜装置の天井部を構成している。
また図２に示すように、天板部材３１のリム３１４の下面と、カバー部材２２の屈曲部の上面との間には高さｈの隙間が形成されるように処理位置の高さ位置が設定されている。前記排気ダクト１３の開口部１３１は、この隙間に向けて開口している。リム３１４とカバー部材２２との隙間の高さｈは、例えば０．２ｍｍ〜１０．０ｍｍの範囲の０．５ｍｍに設定される。
天板部材３１の下面側中央領域には、既述の平坦な領域、及びその外周側の傾斜面の一部を下方側から覆うように、シャワーヘッド５が設けられている。シャワーヘッド５は、載置台２と対向するように設けられた例えば金属製の円板からなる底面部５１と、この底面部５１の外周に沿って設けられた側壁部５２とを備え、上面側が開口したトレイ形状の部材である。本例のシャワーヘッド５は、直径が１６６ｍｍ（半径８３ｍｍ）、天板部材３１の平坦な領域の下面から底面部５１の上面までの高さ方向の距離が８．５ｍｍ、後述のガス供給部４の体積を除いたシャワーヘッド５内の容積が１４６．５ｃｍ３となっている。例えば側壁部５２の上端部には、不図示のフランジが設けられており、シャワーヘッド５は、ネジなどによりこのフランジを介して天板部材３１に締結されている。
直径３００ｍｍ（半径１５０ｍｍ）のウエハＷに対して、底面部５１の直径が１６６ｍｍ（半径８３ｍｍ）のシャワーヘッド５を載置台２上のウエハＷの中央部の上方位置に配置すると、シャワーヘッド５の外縁（底面部５１の外周）は、ウエハＷの外縁よりも内側に位置することになる。このように、底面部５１の面積がウエハＷの面積よりも小さなシャワーヘッド５を用いることにより、置換ガスによる反応ガスの置換を短時間で行うことができる。
図５に示すように、シャワーヘッド５の半径をｒ、ウエハＷの半径をＲとすると、ｒ／Ｒの値は４／１５〜２／３の範囲内であることが好ましく、また、シャワーヘッド５内の高さは３〜１０ｍｍ、内部の容積は３０〜２４５ｃｍ３の範囲内であることが好適である。このシャワーヘッド５内に例えば２〜６Ｌ／分の流量で前記容積の２〜５倍の量の置換ガスを供給することにより、０．１〜０．５秒程度で置換操作を終えることができる。
図３に示すように、底面部５１にはその全面に多数のガス供給口５１１が穿設されており、載置台２上に載置されたウエハＷに向けて反応ガスを供給することができる。また、側壁部５２にはスリット状のガス供給口５２１が、側壁部５２の外周に沿って、互いに間隔をおいて複数形成されており、横方向に向けて反応ガスを吐出することができる。少なくとも底面部５１にガス供給口５１１が設けられていれば、処理空間３１３への均一なガス供給を実現できる場合には、側壁部５２にガス供給口５２１を設けることを省略できる。また、ガス供給口５１１を底面部５１の全面に設けることも必須ではなく、シャワーヘッド５内のガスの置換時間やウエハＷに成膜される膜の均一性が目標を満足する範囲内で、例えば底面部５１の中央領域にガス供給口５１１を設ける構成としてもよい。なお図３においては、便宜上、底面部５１の全面に設けられたガス供給口５１１の一部のみを図示してある。
また、載置台２上のウエハＷの上面から、底面部５１のガス供給口５１１までの高さｔ（底面部５１が平板である場合には、ウエハＷの上面から底面部５１の底面までの距離に相当する）は、１０〜５０ｍｍ程度であり、より好ましくは１５〜２０ｍｍ程度に設定される。この高さが５０ｍｍよりも大きくなると、ガスの置換効率が低下する一方、１０ｍｍよりも小さくなると、ガス供給部４やシャワーヘッド５を設けるスペースがなくなったり、処理空間３１３内をガスが流れにくくなったりする。
この底面部５１で覆われた天板部材３１の下面側の中央領域には、図３、図５に示すように、凹部の中央部に１個、この中央部を円環状に等間隔で囲むように８個、合計で９個のガス供給部４が配置されている。ここで、底面部５１の内側に設けられるガス供給部４の個数は、９個の場合に限られるものではない。例えば少なくとも２個、好ましくは３個以上のガス供給部４がシャワーヘッド５の周方向に沿って設けられていれば、短時間でシャワーヘッド５内に均一にガスを供給することができる。
図４に示すように各ガス供給部４は、天板部材３１に設けられたガス供給路３１２の下端の開口部を、内部が中空の円筒形状のヘッド部４１にて覆った構造となっている。ヘッド部４１は、天板部材３１の下面から下方側へ向けて突出するように設けられており、その側面には、周方向に沿って間隔をおいて設けられた複数のガス吐出口４２が形成されている。ヘッド部４１の側面は、天板部材３１の周方向と一致するように設けられているので、これらガス吐出口４２は、天板部材３１（天井部）の周方向に沿って設けられているといえる。各ヘッド部４１に対してガス吐出口４２は例えば３個以上設けることが好ましく、本例では８個設けられている。また、ヘッド部４１の下面は塞がれていてガス吐出口４２が設けられていないので、ヘッド部４１内に流れ込んだガスは、各ガス吐出口４２から横方向へ向けて均一に広がるように吐出される。
上述のようにガス供給部４は、周方向に向けて均一にガスを広げることができるように構成されており、これらガス供給部４のガス吐出口４２から吐出されたガスがシャワーヘッド５内に十分に広がってからガス供給口５１１、５２１を介して処理空間３１３にガスが供給されることにより、載置台２上のウエハＷの表面に均一にガスが供給される。このガス供給部４がシャワーヘッド５の側壁部５２の直近に配置されていると、ガス供給部４から吐出されたガスが側壁部５２のガス供給口５２１から直接、吹き抜けてしまい、十分なガスが底面部５１側に供給されず、底面部５１から供給されるガスの流れに偏りが発生してしまうおそれがある。
また、側壁部５２にガス供給口５２１が設けられていない場合であっても、ガス供給部４から吐出されたガスが勢いよく側壁部５２の内壁面にぶつかり、その流れ方向を変えてから底面部５１のガス供給口５１１より処理空間３１３内に供給されると、十分に流速が低下したガスが供給される中央部側のガス供給口５１１との間でガスの供給速度にムラができる。この場合にも、ガスの流れに偏りが生じ、成膜結果の面内均一性に悪影響を及ぼすおそれがある。
そこで本例のガス供給部４は、側壁部５２の内壁面（本例におけるシャワーヘッド５の外縁に相当する）から天板部材３１の下面側に形成された凹部の中心に向かって離れた位置に配置されていている。そしてヘッド部４１の側面に沿って均一にガス吐出口４２が設けられていることにより、図５に示すようにシャワーヘッド５を平面で見たとき、シャワーヘッド５の中央部側と周縁部側とに向けて広がるガスの流れが形成される。ここで側壁部５２の内壁面からガス供給部４までの距離ｄは、例えば１０〜３０ｍｍ以上離れていれば、ガス供給部４のガス吐出口４２から吐出されたガスの流速も十分に低下し、シャワーヘッド５の各ガス供給口５１１、５２１から均一にガスを供給することができる。
ガス供給部４が設けられた天板部材３１には、図１、図２に示すように、各ガス供給部４へガスを供給するためのガス供給路３１２が形成されている。これらのガス供給路３１２は、天板部材３１の上面と支持板３２の下面との間に形成されたガスの拡散空間３１１に接続されている。
支持板３２には、前記拡散空間３１１にアンモニアガス及び置換用の窒素ガスを供給するためのアンモニア供給路３２１、及び同じく拡散空間３１１に塩化チタンガス及び置換用の窒素ガスを供給するための塩化チタン供給路３２２が形成されている。アンモニア供給路３２１及び塩化チタン供給路３２２は、配管を介してアンモニアガス供給部６２、塩化チタンガス供給部６４に接続されており、これらの配管は、各々途中で分岐して窒素ガス供給部６１、６３に接続されている。各配管には、ガスの給断を行う開閉バルブ６０２と、ガス供給量の調整を行う流量調整部６０１とが設けられている。なお図示の便宜上、図１においては窒素ガス供給部６１、６３を別々に示したが、これらは共通の窒素供給源を用いてもよい。
以上に説明した構成を備えた成膜装置は、図１に示すように制御部７と接続されている。制御部７は例えば図示しないＣＰＵと記憶部とを備えたコンピュータからなり、記憶部には成膜装置の作用、即ち載置台２上に載置されたウエハＷを処理位置まで上昇させ、処理空間３１３内に予め決められた順番で反応ガス及び置換用のガスを供給してＴｉＮの成膜を実行し、成膜が行われたウエハＷを搬出するまでの制御についてのステップ（命令）群が組まれたプログラムが記録されている。このプログラムは、例えばハードディスク、コンパクトディスク、マグネットオプティカルディスク、メモリーカード等の記憶媒体に格納され、そこからコンピュータにインストールされる。
続いて、本成膜装置の作用について図６、図７を参照しながら説明する。はじめに、予め処理容器１内を真空雰囲気に減圧した後、載置台２を受け渡し位置まで降下させる。そして、ゲートバルブ１２を開放し、搬入出口１１と接続された真空搬送室に設けられたウエハ搬送機構の搬送アームを進入させ、支持ピン２５との間でウエハＷの受け渡しを行う。しかる後、支持ピン２５を降下させ、ヒーター２１によって既述の成膜温度に加熱された載置台２上にウエハＷを載置する。
次いで、ゲートバルブ１２を閉じ、載置台２を処理位置まで上昇させると共に、処理容器１内の圧力調整を行った後、塩化チタンガス供給部６４より塩化チタンガスを供給する（図６）。供給された塩化チタンガスは、塩化チタン供給路３２２→拡散空間３１１→ガス供給路３１２を介して、各ガス供給部４へ流れ込む。
ガス供給部４内に流れ込んだ塩化チタンガスは、ガス吐出口４２を介してシャワーヘッド５内に流入し、さらにシャワーヘッド５に形成されたガス供給口５１１、５２１を介して処理空間３１３内に供給される。
各ガス供給口５１１、５２１のうち、側壁部５２のガス供給口５２１から処理空間３１３に供給された塩化チタンガスは、処理空間３１３の天井部の傾斜面に案内されながら、天板部材３１の中央部側から外周部側へ向け、径方向に沿って放射状に広がっていく。また、当該塩化チタンガスは、下方側に向けても広がり、載置台２上のウエハＷの表面に接触すると、塩化チタンガスはウエハＷに吸着する。
各ガス供給口５１１、５２１のうち、側壁部５２のガス供給口５２１から処理空間３１３に供給された塩化チタンガスは、処理空間３１３の天井部の傾斜面に案内されながら、天板部材３１の中央部側から外周部側へ向け、径方向に沿って放射状に広がっていく。また、当該塩化チタンガスは、下方側に向けても広がり、載置台２上のウエハＷの表面に接触すると、塩化チタンガスはウエハＷに吸着する。
一方、底面部５１のガス供給口５１１から供給された塩化チタンガスは、処理空間３１３内を降下して載置台２上のウエハＷに到達し、その一部はウエハＷに吸着する。残る塩化チタンガスは、一部がウエハＷの表面に吸着しながらウエハＷの表面に沿って径方向に放射状に広がる。ウエハＷの表面に沿って流れる塩化チタンガスには、側壁部５２のガス供給口５２１から供給された塩化チタンガスが合流する。
処理空間３１３内を流れ、リム３１４とカバー部材２２との間の隙間に到達した塩化チタンガスは、当該隙間から処理容器１内に流れ出た後、排気ダクト１３を介して外部へ排出される。
上述の流れにおいて、天板部材３１の下面に末広がりの形状の傾斜面が形成されていることにより、塩化チタンガスのガス溜まりが形成されにくく、処理空間３１３に供給された塩化チタンガスを効率的にウエハＷ表面に供給することができる。
上述の流れにおいて、天板部材３１の下面に末広がりの形状の傾斜面が形成されていることにより、塩化チタンガスのガス溜まりが形成されにくく、処理空間３１３に供給された塩化チタンガスを効率的にウエハＷ表面に供給することができる。
次に、塩化チタンガスの供給を停止すると共に、窒素ガス供給部６３から置換用のガスである窒素ガスを供給する（図６）。窒素ガスは、塩化チタンガスと同様の経路を通って処理空間３１３内に供給され、当該経路及び処理空間３１３内の塩化チタンガスが窒素ガスと置換される。
こうして、所定時間、窒素ガスの供給を行い、ガスの置換を行ったら、窒素ガスの供給を停止し、アンモニアガス供給部６２からアンモニアガスを供給する（図７）。供給されたアンモニアガスは、アンモニア供給路３２１→拡散空間３１１→ガス供給路３１２を介して、各ガス供給部４へ流れ込む。そして、ガス供給部４からシャワーヘッド５内に吐出されたアンモニアガスは、塩化チタンの場合と同様の流れを形成して処理空間３１３内に供給される。
処理空間３１３内を流れるアンモニアガスがウエハＷの表面に到達すると、先にウエハＷに吸着している塩化チタンガスの成分を窒化して窒化チタンが形成される。しかる後、ガス供給路３１２に供給されるガスを窒素ガス供給部６１からの置換用の窒素ガスに切り替えて、アンモニアガスの供給経路及び処理空間３１３内のアンモニアガスを窒素ガスと置換する（図７）。
このようにして、塩化チタンガス→窒素ガス→アンモニアガス→窒素ガスの順番で反応ガス（塩化チタンガス、アンモニアガス）と置換用のガス（窒素ガス）とを供給することにより、ウエハＷの表面に窒化チタン（ＴｉＮ）の分子層が積層され、窒化チタンの膜が成膜される。
これら反応ガスや置換用のガスの供給時におけるガス供給部４及びシャワーヘッド５の作用を説明する。まず、ガス供給路３１２からガス供給部４に供給されたガスは、ヘッド部４１の周方向に沿って間隔をおいて設けられた複数のガス吐出口４２から、横方向に広がるようにシャワーヘッド５内の空間に吐出される。このとき、円環状に配置されたガス供給部４は側壁部５２の内壁面から距離ｄだけ離れた位置に配置されていることから、ガス吐出口４２から吐出されたガスの一部は、流速が十分に低下してから、側壁部５２に到達する。一方、ガス吐出口４２から吐出されたガスの残部は、シャワーヘッド５内で下方側に向けて流れを変え、底面部５１に到達する。底面部５１及び側壁部５２に到達したガスは、各ガス供給口５１１、５２１を介し、シャワーヘッド５から見て径方向外側及び下方側へ向けて処理空間３１３内に均一に供給される（図５〜図７）。
ガス供給部４から吐出されたガスの流速がシャワーヘッド５の内部で十分に低下し、また、多数のガス供給口５１１、５２１を介してガスが処理空間３１３に分散して供給されるので、反応ガス（塩化チタンガス、アンモニアガス）の場合には、各ガス供給口５１１、５２１から吐出されるガスの流速が小さくなる。この結果、ウエハＷの表面に到達する際の反応ガスの流速が低くなり、膜厚の面内均一性が向上する。
一方、置換用のガス（窒素ガス）の供給時には、底面部５１の面積がウエハＷの面積よりも小さく、小型のシャワーヘッド５を用いていることにより、シャワーヘッド５内の容積が小さいことからガスを置換する操作に要する時間が短い。また、シャワーヘッド５の外側においても、天板部材３１の下面（天井面）に末広がりの形状の傾斜面が形成されており、当該天井面が平坦な場合に比べて処理空間３１３が小さく、ガスが渦を巻いてガス溜まりを形成する角状の空間を有さないことから、処理空間３１３のガスの置換に要する時間も短くできる。
こうして塩化チタンガスの供給とアンモニアガスの供給とを例えば数十回〜数百回繰り返し、所望の膜厚の窒化チタンの膜を成膜したら、置換用の窒素ガスを供給して最後のアンモニアガスを排出した後、載置台２を受け渡し位置まで降下させる。そしてゲートバルブ１２を開いて搬送アームを進入させ、搬入時とは逆の手順で支持ピン２５から搬送アームにウエハＷを受け渡し、成膜後のウエハＷを搬出させた後、次のウエハＷの搬入を待つ。
本実施の形態に係わる成膜装置によれば以下の効果がある。成膜対象のウエハＷよりも面積の小さなシャワーヘッド５を用い、このシャワーヘッド５の内側に複数のガス供給部４を設けているので、反応ガスと置換用のガスとの置換を短時間で行うことができる。また、このシャワーヘッド５は、中央から外周に向けて末広がりの形状の傾斜面構造を有する天板部材３１（天井部）の中央領域に設けられているので、ウエハＷが反応ガスと接触する処理空間３１３の容積も小さくなると共に、ガス溜まりが形成されにくく、ここでも反応ガスの置換に要する時間を短くできる。
さらに、各ガス供給部４は、横方向にガスを広げる複数のガス吐出口４２が形成されており、また側壁部５２の内壁面から距離ｄだけ離れた位置に配置されていることにより、シャワーヘッド５の全面から均一に反応ガスが供給され、ウエハＷに成膜される膜厚の面内均一性を向上させることができる。
ここでシャワーヘッド５内におけるガス供給部４の配置は、図５に示したように中央のガス供給部４の周囲に円環状にガス供給部４を配置する例に限定されない。例えば図８に示すように、碁盤の目状にガス供給部４を配置してもよい。また、図５、図８の配置例において中央のガス供給部４を設けなくてもよい。図８に示した配置の場合においても、側壁部５２に最も近いガス供給部４は、側壁部５２の内壁面から距離ｄ以上だけ離して配置することが好ましい。
次に図９、図１０は、シャワーヘッド５ａの直径、及び高さをさらに小さくして反応ガスの置換性を向上させた例を示している。この例では、シャワーヘッド５ａの底面部５１から各ガス供給部４ａの下端部を貫通させ、これらガス供給部４ａによってシャワーヘッド５ａを支持する構造となっている。詳細には、各ガス供給部４ａの下端部には、円板状に広がるヘッド部４３が設けられており、このヘッド部４３にてシャワーヘッド５ａの底面部５１を下方側から支持する。一方、各ガス供給部４ａの上端側は、雄ネジ部４４となっていて、シャワーヘッド５ａを支持した各ガス供給部４ａをガス供給路３１２に沿って形成された雌ネジ部に嵌合させることにより、天板部材３１にシャワーヘッド５ａが固定される。
図５に示すように９個のガス供給部４が配置されているとき、シャワーヘッド５ａは、直径が１１６ｍｍ（半径５８ｍｍ）、天板部材３１の平坦な領域の下面から底面部５１の上面までの高さ方向の距離が４ｍｍ、ガス供給部４の体積を除いたシャワーヘッド５内の容積が３７ｃｍ３となっている。
図５に示すように９個のガス供給部４が配置されているとき、シャワーヘッド５ａは、直径が１１６ｍｍ（半径５８ｍｍ）、天板部材３１の平坦な領域の下面から底面部５１の上面までの高さ方向の距離が４ｍｍ、ガス供給部４の体積を除いたシャワーヘッド５内の容積が３７ｃｍ３となっている。
後述の実施例に示すように、底面部５１の直径が異なるシャワーヘッド５、５ａを比較すると、直径の大きなシャワーヘッド５を用いた方が均一な膜厚を有する膜を成膜できる。一方で小さなシャワーヘッド５ａは置換性が高く、成膜処理に要する時間を短縮できる。このため、シャワーヘッド５のサイズは、成膜される膜の面内均一性に関する品質要求と、成膜処理の時間とを勘案して総合的に決定される。
また底面部５１は平板である場合に限定されず、図１１に示すように球面の一部を下に凸となるように配置してシャワーヘッド５ｂを構成してもよいし、図１２に示すようにウエハＷから見て凹部が形成されたシャワーヘッド５ｃを用いて容積を小さくしてもよい。
この他、ガス供給部４のヘッド部４１に設けられたガス吐出口４２の構成は、図４に例示したものに限られない。例えばヘッド部４１の側面の周方向に伸びる１本のスリットを形成してもよいし、このスリットを網目状の部材で覆った構成としてもよい。さらに、ガス供給部４にヘッド部４１を設けることも必須の要件ではない。例えばガス供給路３１２から吐出されるガスが旋回流を形成しながらシャワーヘッド５内に吐出されるようにらせん状の流路などによりガス供給路３１２を形成してもよい。この場合にも旋回流を形成しながら吐出されたガスは、シャワーヘッド５内を横方向に広がり、流速が低下した後、ガス供給口５１１、５２１から処理空間３１３へと均一に供給される。
この他、天板部材３１の形状についても図１、図２等に示した例に限定されるものではなく、例えば凹部の中央に平坦な領域を設けず、凹部の中心から周縁へ向け広がる傾斜面にシャワーヘッド５を設けてもよい。また、リム３１４が形成されていない天板部材３１を用いてもよいことは勿論である。
さらに本発明の成膜装置では、既述のＴｉＮ膜の成膜の他に、金属元素、例えば周期表の第３周期の元素であるＡｌ、Ｓｉ等、周期表の第４周期の元素であるＴｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇｅ等、周期表の第５周期の元素であるＺｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ等、周期表の第６周期の元素であるＢａ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、ｌｒ、Ｐｔ等の元素を含む膜を成膜してもよい。ウエハＷ表面に吸着させる金属原料としては、これらの金属元素の有機金属化合物や無機金属化合物などを反応ガス（原料ガス）として用いる場合が挙げられる。金属原料の具体例としては、上述のＴｉＣｌ４の他に、ＢＴＢＡＳ（（ビスターシャルブチルアミノ）シラン）、ＤＣＳ（ジクロロシラン）、ＨＣＤ（ヘキサジクロロシラン）、ＴＭＡ(トリメチルアルミニウム)、３ＤＭＡＳ（トリスジメチルアミノシラン）などが挙げられる。
また、ウエハＷの表面に吸着した原料ガスを反応させて、所望の膜を得る反応には、例えばＯ２、Ｏ３、Ｈ２Ｏ等を利用した酸化反応、Ｈ２、ＨＣＯＯＨ、ＣＨ３ＣＯＯＨ等の有機酸、ＣＨ３ＯＨ、Ｃ２Ｈ５ＯＨ等のアルコール類等を利用した還元反応、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ２等を利用した炭化反応、ＮＨ３、ＮＨ２ＮＨ２、Ｎ２等を利用した窒化反応等の各種反応を利用してもよい。
更に、反応ガスとして、３種類の反応ガスや４種類の反応ガスを用いてもよい。例えば３種類の反応ガスを用いる場合の例としては、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）を成膜する場合があり、例えばＳｒ原料であるＳｒ（ＴＨＤ）２（ストロンチウムビステトラメチルヘプタンジオナト）と、Ｔｉ原料であるＴｉ（ＯｉＰｒ）２（ＴＨＤ）２（チタニウムビスイソプロポキサイドビステトラメチルヘプタンジオナト）と、これらの酸化ガスであるオゾンガスが用いられる。この場合には、Ｓｒ原料ガス→置換用のガス→酸化ガス→置換用のガス→Ｔｉ原料ガス→置換用のガス→酸化ガス→置換用のガスの順でガスが切り替えられる。また、成膜処理を行う基板として円形のウエハＷについて説明したが、例えば矩形のガラス基板（ＬＣＤ用基板）に対して本発明を適用してもよい。
（実験）
異なるタイプの天板部材３１を用い、処理空間３１３内に塩化チタンガスとアンモニアガスを供給して窒化チタンの膜を成膜し、その面内均一性を測定した。
Ａ．実験条件
（実施例１） 図２、図５に示した構成のガス供給部４、及びシャワーヘッド５を設けた天板部材３１を用いて直径３００ｍｍのウエハＷに対して窒化チタンの膜を成膜した。シャワーヘッド５の構成を再記すると、直径が１６６ｍｍ（半径８３ｍｍ）、天板部材３１の平坦な領域の下面から底面部５１の上面までの高さ方向の距離が８．５ｍｍ、ガス供給部４の体積を除いたシャワーヘッド５内の容積は１４６．５ｃｍ３である。塩化チタンガスは５０ｓｃｃｍで０．０５秒間、アンモニアガスは２７００ｓｃｃｍで０．３秒間、窒素ガスは置換操作毎に６Ｌ流した。
そして、成膜された膜の膜厚を分光エリプソメトリー式の膜厚計により測定し、下記（１）式により面内均一性（Ｍ−ｍ値）を計算した。
（Ｍ−ｍ値）＝｛（最大膜厚（Ｍ値）−最小膜厚（ｍ値））
／（２×平均膜厚）｝×１００（％）…（１）
（実施例２） 実施例１に記載のシャワーヘッド５に替えて、図１０に示した小型のシャワーヘッド５ａを用いて直径３００ｍｍのウエハＷに対して窒化チタンの膜を成膜し、実施例１と同様の手法により面内均一性を計算した。シャワーヘッド５ａの構成を再記すると、直径が１１６ｍｍ（半径５８ｍｍ）、天板部材３１の平坦な領域の下面から底面部５１の上面までの高さ方向の距離が４ｍｍ、ガス供給部４の体積を除いたシャワーヘッド５内の容積は３７ｃｍ３である。
（比較例１） 図１３に示すように、下面側の中央部に向けて開口する１本のガス供給路３１２を備えた天板部材３１を用いて直径３００ｍｍのウエハＷに対して成膜し、実施例１と同様の手法により面内均一性を計算した。
異なるタイプの天板部材３１を用い、処理空間３１３内に塩化チタンガスとアンモニアガスを供給して窒化チタンの膜を成膜し、その面内均一性を測定した。
Ａ．実験条件
（実施例１） 図２、図５に示した構成のガス供給部４、及びシャワーヘッド５を設けた天板部材３１を用いて直径３００ｍｍのウエハＷに対して窒化チタンの膜を成膜した。シャワーヘッド５の構成を再記すると、直径が１６６ｍｍ（半径８３ｍｍ）、天板部材３１の平坦な領域の下面から底面部５１の上面までの高さ方向の距離が８．５ｍｍ、ガス供給部４の体積を除いたシャワーヘッド５内の容積は１４６．５ｃｍ３である。塩化チタンガスは５０ｓｃｃｍで０．０５秒間、アンモニアガスは２７００ｓｃｃｍで０．３秒間、窒素ガスは置換操作毎に６Ｌ流した。
そして、成膜された膜の膜厚を分光エリプソメトリー式の膜厚計により測定し、下記（１）式により面内均一性（Ｍ−ｍ値）を計算した。
（Ｍ−ｍ値）＝｛（最大膜厚（Ｍ値）−最小膜厚（ｍ値））
／（２×平均膜厚）｝×１００（％）…（１）
（実施例２） 実施例１に記載のシャワーヘッド５に替えて、図１０に示した小型のシャワーヘッド５ａを用いて直径３００ｍｍのウエハＷに対して窒化チタンの膜を成膜し、実施例１と同様の手法により面内均一性を計算した。シャワーヘッド５ａの構成を再記すると、直径が１１６ｍｍ（半径５８ｍｍ）、天板部材３１の平坦な領域の下面から底面部５１の上面までの高さ方向の距離が４ｍｍ、ガス供給部４の体積を除いたシャワーヘッド５内の容積は３７ｃｍ３である。
（比較例１） 図１３に示すように、下面側の中央部に向けて開口する１本のガス供給路３１２を備えた天板部材３１を用いて直径３００ｍｍのウエハＷに対して成膜し、実施例１と同様の手法により面内均一性を計算した。
Ｂ．実験結果
実施例１、２及び比較例１にて成膜された膜の膜厚の変位を各々図１４〜図１６に各々示す。各図の横軸は、ウエハＷの直径方向の位置であり、縦軸は、Ｍ−ｍ値に対する膜厚の相対的な変化を示している。
実施例１、２及び比較例１にて成膜された膜の膜厚の変位を各々図１４〜図１６に各々示す。各図の横軸は、ウエハＷの直径方向の位置であり、縦軸は、Ｍ−ｍ値に対する膜厚の相対的な変化を示している。
図１４、図１５に示した結果によれば、大型のシャワーヘッド５を用いた実施例１ではＭ−ｍ値が１．８％となる一方、小型のシャワーヘッド５ａを用いた実施例２ではＭ−ｍ値が３．８％となり、いずれも５％以内の高い面内均一性が達成された。また、実施例１と実施例２とを比較すると、ガス供給部４の設置数、配置状態が同じであっても、直径が小さいシャワーヘッド５ａを用いた実施例２よりも、直径の大きなシャワーヘッド５を用いた実施例１の方が面内均一性の高い膜を成膜できた。
一方、天板部材３１の中央部に設けられた開口からガスを供給した比較例１では、図１６に示すようにガスが供給される開口部の下方位置の膜厚が最も厚く、ウエハＷの外周側へ向かうに従って、膜厚が急激に薄くなる山状の膜厚分布が確認された。そして、比較例１のＭ−ｍ値は、１１％であり、要求値（５％）の２倍以上になった。これは、反応ガスが高速でウエハＷに到達する領域と、その外側の領域との間で原料ガスの吸着量が変化してしまったためであると考えられる。
Ｗ ウエハ
１ 処理容器
２ 載置台
３１ 天板部材
３１３ 処理空間
４ ガス供給部
４１ ヘッド部
４２ ガス吐出口
５、５ａ〜５ｃ
シャワーヘッド
５１ 底面部
５１１ ガス供給口
５２ 側壁部
５２１ ガス供給口
７ 制御部
１ 処理容器
２ 載置台
３１ 天板部材
３１３ 処理空間
４ ガス供給部
４１ ヘッド部
４２ ガス吐出口
５、５ａ〜５ｃ
シャワーヘッド
５１ 底面部
５１１ ガス供給口
５２ 側壁部
５２１ ガス供給口
７ 制御部
Claims (4)
- 真空雰囲気である処理室内の基板に対して互いに反応する複数種類の反応ガスを順番に供給し、一の反応ガスの供給と次の反応ガスの供給との間に置換用のガスを供給して成膜処理を行う成膜装置において、
前記処理室に設けられ、基板が載置される載置部と、
前記載置部に対向して設けられ、中央から外周に向けて末広がりの形状の傾斜面構造を有する天井部と、
前記天井部の中央領域から下方側へ向けて突出するヘッド部を備え、前記ヘッド部の側面に設けられ、当該ヘッド部の周方向に沿った異なる位置からガスを吐出するガス吐出口が形成された複数のガス供給部と、
ガス供給路を介して前記複数のガス供給部の各々と接続され、これらのガス供給部に対して前記複数種類の反応ガスを供給するための共通のガス拡散空間と、
前記複数のガス供給部を下方側から覆うように設けられると共に、前記載置部と対向する面に複数のガス供給口が形成されたシャワーヘッドと、
前記処理室内の真空排気を行う排気部と、を備え、
前記シャワーヘッドの外縁は、前記載置部に載置された基板の外縁よりも内側に位置していることと、
前記シャワーヘッドは、前記載置部と対向する面の外周に沿って設けられた側壁部を備え、この側壁部には、横方向へ向けてシャワー状にガスを供給する複数のガス供給口が設けられていることと、を特徴とする成膜装置。 - 前記ガス供給部に形成されたガス吐出口は、前記シャワーヘッドを平面でみたとき、当該シャワーヘッドの中央部側と周縁部側とに向けて広がるガスの流れを形成する位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
- 前記ガス供給部は、前記シャワーヘッドの周方に沿って３個以上設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の成膜装置。
- 前記基板が円板であり、前記シャワーヘッドの底面部を平面で見たときの形状が円形であって、前記円板の半径をＲ、前記底面部の円の半径をｒとしたとき、ｒ／Ｒの値が４／１５以上、２／３以下の範囲内であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の成膜装置。
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