JP6458547B2 - シャワーヘッド、シャワーヘッドシステム、及び成膜装置 - Google Patents

Description

本発明は、シャワーヘッド、シャワーヘッドシステム、及び成膜装置に関する。

従来、シャワーヘッドを用いて、成膜材料を含むガスを成膜室内に放出し、ウエハ上に薄膜を形成する技術が知られている（特許文献１参照）。

特許第３７５６４６２号公報

ウエハ上に、材料Ａから成る膜と、材料Ｂから成る膜とを交互に積層する場合、シャワーヘッドに、材料Ａを含む第１のガスと、材料Ｂを含む第２のガスとを交互に供給する。このとき、第１のガスの温度と、第２のガスの温度とが異なっていることがある。この場合、以下のような問題が生じる。

例えば、第１のガスの温度が低く、第２のガスの温度が高い場合、第１のガスの供給によって温度が低下したシャワーヘッドに第２のガスが導入され、シャワーヘッド内で第２のガスの温度が低下する。すると、第２のガスに含まれていた材料Ｂがシャワーヘッド内で析出し、成膜室内に導入される材料Ｂの量が減少する。その結果、成膜レートが低下してしまう。

本発明は、こうした問題にかんがみてなされたものであり、成膜レートを大きくすることができるシャワーヘッド、シャワーヘッドシステム、及び成膜装置を提供することを目的としている。

本発明のシャワーヘッドは、ガスの供給を受ける第１の供給口及び第２の供給口と、供給されたガスを成膜室内に放出する放出口とを備えたシャワーヘッドであって、シャワーヘッドの内部における、第１の供給口から放出口に至るガスの流路の途中に、第２の供給口が設けられている。本発明のシャワーヘッドによれば、成膜レートを大きくすることができる。

本発明のシャワーヘッドシステムは、上述したシャワーヘッドと、第１の供給口に第１の温度のガスを供給する第１の供給ユニットと、第２の供給口に第１の温度より低い第２の温度のガスを供給する第２の供給ユニットとを備える。本発明のシャワーヘッドシステムによれば、成膜レートを大きくすることができる。

本発明の成膜装置は、上述したシャワーヘッドシステムと、成膜室と、を備える。本発明の成膜装置によれば、成膜レートを大きくすることができる。

成膜装置１の構成を表す説明図である。 シャワーヘッドシステム３の構成を表す斜視図である。 図２におけるIII−III断面での断面図である。 図２におけるIV−IV断面での断面図である。 供給ユニット９の構成を表す説明図である。 成膜装置１０１の構成を表す説明図である。 シャワーヘッド１０７の構成を表す斜視図である。

本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
＜第１の実施形態＞
１．成膜装置１の構成
成膜装置１の構成を、図１〜図５に基づき説明する。図１に示すように、成膜装置１は、シャワーヘッドシステム３、及び成膜室５を備える。

シャワーヘッドシステム３は、図２〜図４に示すように、シャワーヘッド７と、供給ユニット９、１１、１３とを備える。シャワーヘッド７は、中空箱型の本体部１５と、その内部に設けられた邪魔板１７とを備える。邪魔板１７は、基本的には、本体部１５の内部を上下に二分する。ただし、本体部１５における一方の側面１５Ａの側では、邪魔板１７の端部と本体部１５の内面との間に通路１９が形成されている。本体部１５の内部のうち、邪魔板１７より上方の空間（以下では、上部空間２１とする）と、邪魔板１７より下方の空間（以下では、下部空間２３とする）とは、通路１９により連通している。

本体部１５は、その側面１５Ｂに、供給口２５、２７を備える。側面１５Ｂは、側面１５Ａに隣接する側面である。供給口２５、２７は、側面１５Ｂのうち、上端寄りの位置に設けられた貫通孔である。供給口２５の位置は、本体部１５の幅方向（図２、図３における左右方向）において、側面１５Ａ寄りの位置である。供給口２７の位置は、幅方向において、側面１５Ｄ（側面１５Ａと対向する側面）寄りの位置である。供給口２５、２７は、上部空間２１と、本体部１５の外部とを連通する。また、本体部１５は、その側面１５Ａに、供給口２９を備える。供給口２９は、側面１５Ａのうち、下端寄りの位置に設けられた貫通孔である。供給口２９は、下部空間２３と、本体部１５の外部とを連通する。

本体部１５は、その側面１５Ｃのうち、下端寄りの位置に、複数のスリット３１を備える。側面１５Ｃは側面１５Ｂと対向する側面であり、側面１５Ａ及び側面１５Ｄと隣接する側面である。複数のスリット３１は、下部空間２３と、本体部１５の外部とを連通している。複数のスリット３１は、相互に所定の間隔をおいて、幅方向に沿って配列されている。

供給ユニット９は、供給口２５に接続し、本体部１５内にガスを供給する配管である。供給ユニット１１は、供給口２７に接続し、本体部１５内にガスを供給する配管である。供給ユニット１３は、供給口２９に接続し、本体部１５内にガスを供給する配管である。

供給ユニット９は、図５に示すように、成膜材料３８が収容された材料容器３９と、その材料容器３９を通る主配管４１と、材料容器３９をバイパスするバイパス配管４３と、を備える。主配管４１は材料容器３９の両側に開閉バルブ４５、４７を備え、バイパス配管４３は開閉バルブ４９を備える。主配管４１の上流側からはキャリアガス（Ｎ_２）が供給される。

開閉バルブ４５、４７を開とし、開閉バルブ４９を閉とした状態（以下では材料供給状態とする）では、キャリアガスは材料容器３９を通り、気相の成膜材料３８を含有して、供給口２５に至る。気相の成膜材料３８を含むガスは、さらに、シャワーヘッド７から成膜室５に放出される。その結果、成膜室５内で、その成膜材料３８による成膜が行われる。一方、開閉バルブ４５、４７を閉とし、開閉バルブ４９を開とした状態（以下ではバイパス状態とする）では、キャリアガスは材料容器３９を通らず、成膜材料３８を含有することなく、供給口２５に至る。

供給ユニット９は、図示しない加熱ユニットにより加熱される。その結果、供給ユニット９が供給するガスの温度は所定の温度Ｔ_Ｈにまで昇温され、その温度で維持される。温度Ｔ_Ｈは、例えば、１５０〜４００°とすることができる。

供給ユニット１１も、供給ユニット９と同様の構成を有する。供給ユニット１３は、図１に示すように、並列に配置された５つのガス供給系統１３Ａ〜１３Ｅが１つにまとまり、供給口２９に接続する構成を有する。各ガス供給系統は、供給ユニット９と同様の構成を有する。ただし、各ガス供給系統が供給するガスの温度は、温度Ｔ_Ｌに制御される。温度Ｔ_Ｌは、温度Ｔ_Ｈよりも低い温度であって、例えば、室温〜１５０°とすることができる。

供給ユニット９からシャワーヘッド７に供給されたガスは、シャワーヘッド７の内部を、以下の流路に沿って流れる。まず、供給口２５から上部空間２１に入る。次に、上部空間２１内を、側面１５Ａの方向に流れる。次に、通路１９を通り、下部空間２３に入る。次に、下部空間２３内を、側面１５Ｄの方向に流れる。次に、スリット３１から放出される。上記の流路は、邪魔板１７により、屈曲した形状となっている。

供給ユニット１１からシャワーヘッド７に供給されたガスは、シャワーヘッド７の内部を、以下の流路に沿って流れる。まず、供給口２７から上部空間２１に入る。次に、上部空間２１内を、側面１５Ａの方向に流れる。次に、通路１９を通り、下部空間２３に入る。次に、下部空間２３内を、側面１５Ｄの方向に流れる。次に、スリット３１から放出される。上記の流路は、邪魔板１７により、屈曲した形状となっている。

供給ユニット１３からシャワーヘッド７に供給されたガスは、シャワーヘッド７の内部を、以下の流路に沿って流れる。まず、供給口２９から下部空間２３に入る。次に、下部空間２３内を、側面１５Ｄの方向に流れる。次に、スリット３１から放出される。供給口２９は、供給ユニット９、１１からシャワーヘッド７に供給されたガスの流路の途中に設けられている。

図１に示すように、シャワーヘッド７は、スリット３１が成膜室５に対向するように、成膜室５に取り付けられている。成膜室５は、その内部にシリコンから成るウエハ３５を載置することができる。成膜室５は排気口３７を備え、その内部を減圧することができる。成膜室５は図示しないホットプレートを備え、ウエハ３５を加熱することができる。

なお、供給口２５、２７は、第１の供給口の一例である。供給口２９は、第２の供給口の一例である。スリット３１は、放出口の一例である。供給ユニット９、１１は、第１の供給ユニットの一例である。供給ユニット１３は、第２の供給ユニットの一例である。温度Ｔ_Ｈは第１の温度の一例である。温度Ｔ_Ｌは第２の温度の一例である。

２．成膜装置１を用いた成膜方法
（２−１）成膜の準備
供給ユニット１１の材料容器３９に、成膜材料として、ビス（２、２、６、６−テトラメチル−３、５−ヘプタンジオン酸）ストロンチウムを収容した。また、供給ユニット１３のうち、ガス供給系統１３Ａの材料容器３９に、成膜材料として、トリメチルアルミニウムを収容した。

供給ユニット９、１１により供給するガスの温度Ｔ_Ｈを２５０℃に維持した。また、供給ユニット１３により供給するガスの温度Ｔ_Ｌを室温に維持した。供給ユニット９、１１、１３が供給するガスの流量をそれぞれ０．３０ＳＬＭとした。成膜室５内の温度は３００℃とし、成膜室５内の圧力は５００Ｐａ以下とした。成膜室５内にウエハ３５を載置した。

（２−２）高温のガスによる成膜
上記（２−１）の状態において、供給ユニット１１を材料供給状態とし、供給ユニット９、及び供給ユニット１３の全ガス供給系統をバイパス状態とした。このとき、供給ユニット１１から、ビス（２、２、６、６−テトラメチル−３、５−ヘプタンジオン酸）ストロンチウムを含むガスがシャワーヘッド７に供給され、さらに、そのガスがスリット３１から成膜室５内に放出された。その結果、成膜室５内に載置されたウエハ３５の表面に、ビス（２、２、６、６−テトラメチル−３、５−ヘプタンジオン酸）ストロンチウムの層が形成された。その層の膜厚は０．１〜５ｎｍ程度であった。

（２−３）低温のガスによる成膜
次に、供給ユニット１３のうち、ガス供給系統１３Ａを材料供給状態とし、供給ユニット９、供給ユニット１１、及び供給ユニット１３のガス供給系統１３Ｂ〜１３Ｅをバイパス状態とした。このとき、ガス供給系統１３Ａから、トリメチルアルミニウムを含むガスがシャワーヘッド７に供給され、さらにそのガスがスリット３１から成膜室５内に放出された。その結果、ビス（２、２、６、６−テトラメチル−３、５−ヘプタンジオン酸）ストロンチウムの層の上に、トリメチルアルミニウムの層が形成された。その層の膜厚は０．１〜５ｎｍ程度であった。

（２−４）成膜の繰り返し
前記（２−２）、（２−３）の工程を、交互に数十〜数百回繰り返し、合計膜厚５０ｎｍの積層膜を形成した。

３．成膜された積層膜の評価
積層膜の膜厚を、ウエハ３５の５点でそれぞれ測定し、膜厚の分布（標準偏差）を算出した。その結果、膜厚の分布は±２．５％以下であり、顕著に小さかった。また、高温のガスによる成膜における成膜レートと、低温のガスによる成膜における成膜レートとをそれぞれ算出した。その値はいずれも０．１ｎｍ／ｃｙｃであり、顕著に大きかった。

４．成膜装置１及びシャワーヘッド７が奏する効果
（１Ａ）成膜装置１を用いれば、成膜レートを大きくし、膜厚の分布を小さくすることができる。その理由は以下のように推測される。

シャワーヘッド７において、供給口２５、２７からスリット３１に至るガスの流路の途中に、供給口２９が設けられている。そのため、供給口２５、２７から供給された温度Ｔ_Ｈのガスの流路のうち、供給口２９から供給された温度Ｔ_Ｌのガスによって温度が低下した区間の割合が低くなる。その結果、温度Ｔ_Ｈのガスの温度がシャワーヘッド７内で下がり難く、温度Ｔ_Ｈのガスに含まれる成膜材料がシャワーヘッド７内で析出し難いので、成膜レートが大きくなる。また、シャワーヘッド７内での成膜材料の析出が抑制されるため、成膜室５内に放出される成膜材料の量が安定し、膜厚の分布が小さくなる。

（１Ｂ）シャワーヘッド７は、屈曲したガスの流路を有する。そのことにより、ガスの流路を長くすることができ、供給口２５、２７の位置と、供給口２９の位置とを十分に離すことが可能になる。その結果、前記（１Ａ）の効果が一層顕著になる。

（１Ｃ）シャワーヘッド７は、邪魔板１７によりガスの流路を屈曲させる。そのため、簡易な構造により、屈曲したガスの流路を実現することができる。
（１Ｄ）シャワーヘッド７は、ガスの流路に沿って配列された複数のスリット３１を備える。そのため、成膜室５内にガスを均等に放出することができる。
＜第２の実施形態＞
１．成膜装置１０１の構成
本実施形態における成膜装置１０１の構成は、基本的には前記第１の実施形態と同様であるため、共通する構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。

図６、図７に示すように、成膜装置１０１は、円筒形状を有するシャワーヘッド１０７を備えている。シャワーヘッド１０７は、その側面１０９のうち、軸方向における一方の端部１０７Ａ寄りの位置に、複数のスリット３１を備えている。複数のスリット３１は、相互に所定の間隔をおいて、シャワーヘッド１０７の軸方向に沿って配列されている。

供給口２５は、シャワーヘッド１０７における、端部１０７Ａとは反対側の端部１０７Ｂに設けられている。供給口２５には、供給ユニット９が接続している。供給口２９は、シャワーヘッド１０７の側面１０９のうち、スリット３１と供給口２５との間に設けられている。供給口２９には、供給ユニット１３が接続している。

供給ユニット９からシャワーヘッド１０７に供給されるガスは、供給口２５からシャワーヘッド１０７内に入り、シャワーヘッド１０７の内部を流れ、スリット３１から成膜室５に向けて放出される。また、供給ユニット１３からシャワーヘッド１０７に供給されるガスは、供給口２９からシャワーヘッド１０７内に入り、シャワーヘッド１０７の内部を流れ、スリット３１から成膜室５に向けて放出される。

上記のように、供給口２９は、シャワーヘッド１０７のうち、スリット３１と供給口２５との間に設けられているので、供給口２９は、供給ユニット９からシャワーヘッド１０７に供給されたガスの流路の途中に設けられていることになる。

２．成膜装置１０１を用いた成膜方法
本実施形態の成膜装置１０１を用いれば、前記第１の実施形態と同様に成膜を行うことができる。

３．成膜装置１０１が奏する効果
以上詳述した第２の実施形態によれば、前述した第１の実施形態の効果（１Ａ）、（１Ｄ）に加え、以下の効果が得られる。

（２Ａ）本実施形態のシャワーヘッド１０７は、その構造を簡略化することができる。
＜その他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得る。

（１）供給ユニット９、１１における材料容器３９に収容する成膜材料３８は適宜選択することができ、例えば、ニッケル等を用いることができる。
（２）供給ユニット１３における材料容器３９に収容する成膜材料３８は適宜選択することができ、例えば、四塩化チタン等を用いることができる。

（３）ウエハ３５の材料はシリコン以外のものであってもよい。
（４）シャワーヘッド７内の屈曲したガスの流路は、邪魔板１７以外の構成により実現してもよい。例えば、前記第２の実施形態における円筒形状のシャワーヘッド１０７を屈曲させることで、屈曲したガスの流路を実現してもよい。

（５）シャワーヘッド７、１０７において、ガスを成膜室５に放出する放出口は、スリット３１以外のものであってもよい。例えば、丸い孔、楕円形の孔、ランダムな形状の孔等とすることができる。

（６）キャリアガスはＮ_２以外のものであってもよい。例えば、アルゴン等の不活性ガスを用いることができる。
（７）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合させたりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。

（８）上述したシャワーヘッド、成膜装置の他、成膜装置を構成要素とするシステム、当該成膜装置を制御する制御装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム、このプログラムを記録した媒体、成膜方法等、種々の形態で本発明を実現することもできる。

１、１０１…成膜装置、３…シャワーヘッドシステム、５…成膜室、７、１０７…シャワーヘッド、９、１１、１３…供給ユニット、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅ…ガス供給系統、１５…本体部、１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄ…側面、１７…邪魔板、１９…通路、２１…上部空間、２３…下部空間、２５、２７、２９…供給口、３１…スリット、３５…ウエハ、３７…排気口、３８…成膜材料、３９…材料容器、４１…主配管、４３…バイパス配管、４５、４７、４９…開閉バルブ、１０７Ａ、１０７Ｂ…端部、１０９…側面

Claims (4)

1. ガスの供給を受ける第１の供給口及び第２の供給口と、供給された前記ガスを成膜室内に放出する放出口とを備えたシャワーヘッドであって、
   前記シャワーヘッドの内部における、前記第１の供給口から前記放出口に至るガスの流路の途中に、前記第２の供給口が設けられており、
   前記放出口は、前記ガスの流路に沿って配列された複数のスリットであり、
   前記ガスの流路は屈曲した形状を有することを特徴とするシャワーヘッド。
2. 請求項１に記載のシャワーヘッドであって、
   前記シャワーヘッドの内部に、前記流路を屈曲させる邪魔板を備えることを特徴とするシャワーヘッド。
3. シャワーヘッドシステムであって、
   ガスの供給を受ける第１の供給口及び第２の供給口と、供給された前記ガスを成膜室内に放出する放出口とを備えたシャワーヘッドと、
   前記第１の供給口に第１の温度のガスを供給する第１の供給ユニットと、
   前記第２の供給口に前記第１の温度より低い第２の温度のガスを供給する第２の供給ユニットと、
   を備え、
   前記シャワーヘッドの内部における、前記第１の供給口から前記放出口に至るガスの流路の途中に、前記第２の供給口が設けられていることを特徴とするシャワーヘッドシステム。
4. 請求項３に記載のシャワーヘッドシステムと、前記成膜室と、を備えることを特徴とする成膜装置。

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