JP6503730B2 - 成膜装置 - Google Patents

Description

本発明は、真空雰囲気下で基板の表面に処理ガスを供給して成膜する技術分野に関する。

基板である半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）に成膜を行う手法として、原料ガス、及び原料ガスと反応する反応ガスをウエハに対して順番に供給してウエハの表面に反応生成物の分子層を堆積させて薄膜を得るいわゆるＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法など呼ばれている手法が知られている。
ＡＬＤ法においては、原料ガスの供給と反応ガスの供給との間に雰囲気を置換するための置換ガスの供給を行う必要がある。そのため高いスループットを得るには、雰囲気の置換を迅速に行うことが重要であり、かつ成膜される膜の膜厚の面内均一性が良好なことが求められる。

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１σ％値（標準偏差σを平均値で割って百分率表示した値））を２％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ガス供給構造の開発が求められている。
ガス供給構造としては例えば特許文献１に記載されたようにシャワーヘッドから処理容器内に処理ガスを供給する装置が知られているが、シャワーヘッド内における処理ガスの分散性が悪く、成膜された膜の膜厚の面内均一性が悪いという課題があった。

また特許文献２に示すような拡散空間の狭く置換効率の良いシャワーヘッドを用い、拡散空間内に水平方向にガスを吐出するガス分散部を設け、吐出されたガスが流れ方向を変えてシャワーヘッドの底面を通り抜けるように構成された成膜装置が知られている。しかしながら拡散空間内において中央に配置されたガス分散部の下方におけるガスの流れが悪く、このため中央部とその周辺との間で膜厚差が大きくなり、膜厚の面内均一性を良好にすることが難しく、また基板の周縁部において処理ガスの供給が不十分になり、基板の周縁部の膜厚が安定しないという問題があった。

特開２０１３−１６５２７６号公報 特開２０１４−７０２４９号公報

本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、真空雰囲気にて互いに反応する複数種類の反応ガスを置換用のガスの供給を介して順番に供給して成膜処理を行う成膜装置において、反応ガスと置換用のガスとの置換性が高く、面内均一性の良好な成膜処理を行うことができる技術を提供することにある。

本発明の成膜装置は、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、
前記載置部の上方側に位置する天井部を構成し、ガスをシャワー状に吹き出すための複数のガス噴出孔が形成されると共に平面的に見て最も外側のガス噴出孔が基板の外周縁よりも外側に位置しているガス拡散板部と、
前記ガス拡散板部の上方側にガスの拡散空間を介して対向する対向部に設けられ、各々前記拡散空間に横方向にガスを分散させるようにその周方向に沿ってガス吐出口が形成された複数のガス分散部と、
前記処理室内の真空排気を行う真空排気部と、を備え、
前記複数のガス分散部は、平面的に見て前記載置部上の基板の中心部を中心とする第１の円に沿って等間隔に配置された３個以上の第１のガス分散部と、前記第１の円と同心で第１の円の外側に位置する第２の円に沿って等間隔に配置された５個以上の第２のガス分散部と、を備えたことを特徴とする。

本発明は、基板の載置部の上方に設けられたガス拡散板部のガス噴射孔を基板よりも広い領域に配置すると共に、このガス拡散板部の上のガス拡散空間に、横方向にガスを分散させるようにその周方向に沿ってガス吐出口が形成された複数のガス分散部を配置している。そして複数のガス分散部として、基板の中心部を中心とする内側の第１の円に沿って３個以上の第１のガス分散部を設け、更に第１の円の外側の第２の円に沿って３個以上の第２のガス分散部を用いている。従って、ガス拡散板部の上方のガス拡散空間において基板の中心部にガスが滞留しにくくなり、またガスの分散性が良いことから、面内均一性の良好な成膜処理を行うことができる。

本発明の実施の形態に係る成膜装置の縦断面図である。 成膜装置の一部拡大縦断面図である。 成膜装置に設けられている天板部材の斜視図である。 成膜装置に設けられている天板部材の平面図である。 天板部材に設けられている第１のガス分散部の斜視図である。 天板部材に設けられている第２のガス分散部の斜視図である。 第１及び第２のガス分散部の縦断面図である。 成膜装置の作用を示す説明図である。 成膜装置の作用を示す説明図である。 第１及び第２のガス分散部の他の例を示す平面図である。 実施例及び比較例において成膜された膜の膜厚の面内分布を示す特性図である。 実施例及び比較例において成膜された膜の膜厚の面内分布を示す特性図である。

本発明の実施の形態に係わる成膜装置の構成について説明する。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（ＴｉＣｌ_４）ガス（原料ガス）とアンモニア（ＮＨ_３）ガス（反応ガス）とを交互に供給していわゆる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を備え、この処理容器１内には、ウエハＷが載置される載置部である載置台２が設けられている。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真空排気部に相当する。

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（ＳｉＯ_２）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℃〜５５０℃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よい。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が設けられている。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、周方向に亘ってその上端部が内側に向か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１〜５ｍｍ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台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、支持台２３２との間には、処理容器１内の雰囲気を外部と区画し、支持台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を突没させることにより、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が配置されている。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。一方、天板部材３１の下方位置には、当該天板部材３１の下面全体を覆うようにガス拡散板部であるシャワーヘッド５が設けられている。シャワーヘッド５は、載置台２と対向する平坦な面を備えた例えば金属製の円板部分と、この円板の周縁部に形成され、下方側に突出した環状突起部５３とを備える。前記天板部材３１や支持板３２は、本成膜装置の天井部を構成している。

載置台２を処理位置まで上昇させたとき、環状突起部５３の下端は、載置台２に設けられたカバー部材２２の上面と対向するように配置される。シャワーヘッド５の下面及び環状突起部５３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。

また図２に示すように、環状突起部５３の下端と、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。環状突起部５３の下端とカバー部材２２との隙間の高さｈは、例えば０．２〜１０．０ｍｍの範囲の３．０ｍｍに設定される。

天板部材３１と、シャワーヘッド５とは、両部材３１、５の下面、及び上面に形成された平坦な面同士を当接させて締結され、ガスを拡散させるための拡散空間５０が構成されている。この例では天板部材３１はシャワーヘッド５に対向する対向部に相当する。拡散空間５０の底部には、その全面に亘って多数のガス噴出孔５１１が穿設され、ウエハＷに向けて反応ガスを供給することができる。

本例のシャワーヘッド５は、拡散空間５０の直径（即ち、ガス供給領域５１の直径）が３１０ｍｍ（半径１５５ｍｍ）、拡散空間５０の高さ寸法が８ｍｍ、後述の第１及び第２のガス分散部４Ａ、４Ｂの体積を除いたシャワーヘッド５内の容積が６００ｃｍ^３となっている。
直径３００ｍｍ（半径１５０ｍｍ）のウエハＷに対して、拡散空間５０の直径が３１０ｍｍ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の最も外側のガス噴出孔５１１は平面的に見て、ウエハＷの外縁よりも外側に位置することになる。

載置台２上のウエハＷの上面から、ガス供給領域５１のガス噴出孔５１１までの高さｔは、６〜５０ｍｍ程度であり、より好ましくは７〜１７ｍｍ程度に設定される。この高さｔが５０ｍｍよりも大きくなると、ガスの置換効率が低下する。

載置台２を処理位置まで上昇させたとき、環状突起部５３の下端は、載置台２に設けられたカバー部材２２の上面と対向するように配置される。シャワーヘッド５の下面及び環状突起部５３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。

また図２に示すように、環状突起部５３の下端と、カバー部材２２の屈曲部の上面との間には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。

さらに図３、図４に示すように、拡散空間５０内には、平面的に見て載置台２に載置されたウエハＷの中心部を中心する第１の円に沿って等間隔に４個の第１のガス分散部４Ａが配置され、さらに第１の円と同心となり、第１の円の外側の第２の円に沿って等間隔に８個の第２のガス分散部４Ｂが配置されている。この例では、第１のガス分散部４Ａは、第２の円の円周を第２のガス分散部４Ｂの中心部により８等分される８個の円弧について、一つ置きの円弧の中点と第２の円の中心とを結ぶ直線上に配置されている。第２のガス分散部４Ｂは、平面的に見て載置台２に載置されたウエハＷの中心部から半径９０ｍｍ以内の範囲、即ちウエハＷの大きさの６０％以内の領域に含まれるように配置することが好ましく、本例では５０ｍｍである。図４中の鎖線は、投影したウエハＷの位置を示す。

図５に示すように４個の第１のガス分散部４Ａは、天板部材３１に締結される共通の台座部４３を備え、この台座部４３の下面側に内部が中空の第１のヘッド部４１Ａが４個設けられている。また図６に示すように第２のガス分散部４Ｂは、８個の第２のガス分散部４Ｂの夫々が個別に台座部４４を備え、この台座部４４の下面側に第２のヘッド部４１Ｂが１つ設けられている。
天板部材３１の下面には、前記第１のガス分散部４Ａの台座部４３が挿入される凹部が１か所と、前記第２のガス分散部の台座部４４が挿入される凹部が８か所形成されている。
図７（ａ）、（ｂ）は、夫々第１のガス分散部４Ａ、及び第２のガス分散部４Ｂの縦断面図を示す。このように各台座部４３、４４を対応する凹部内に嵌合させたとき、第１のヘッド部４１Ａ及び第２のヘッド部４１Ｂが、天板部材３１の下面から拡散空間５０内に突出した状態となる。

各台座部４３、４４には、ねじ穴４３１が形成され、当該ねじ穴４３１、及び天板部材３１側の前記凹部内に形成されたねじ穴にねじ４３５を螺合させることにより、天板部材３１に対して台座部４３が締結される。
ここで台座部４３、４４と天板部材３１との間に反応ガスが侵入して膜が成膜され、これらの部材に固着すると、第１及び第２のガス分散部４Ａ、４Ｂを取り外す際などにパーティクルが発生する原因となる。そこで、本例の台座部４３、４４は、このようなパーティクルの発生を抑制できる構成となっている。

台座部４３、４４は天板部材３１側の凹部よりも一回り小さく形成されており、台座部４３、４４の外周面と天板部材３１側の凹部の内周面との間には例えば、０．１〜１ｍｍ程度の隙間３１４が形成される。また、台座部４３、４４におけるねじ穴４３１の上端部には、上部側へ向けて突出する扁平なリング状の突部４３２が突出している。台座部４３、４４はこの突部４３２の上面側の接触面を介して天板部材３１と接触し、台座部４３、４４の上面と、天板部材３１側の凹部の下面との間にも側面側と同程度の隙間３１４が形成される。

さらに台座部４３、４４には、台座部４３、４４を上下方向に貫通するように、天板部材３１に形成されている後述のガス供給路３１２に連通する連通路４３４が形成されている。連通路４３４の上端側の開口部の周囲には、ガス供給路３１２と連通路４３４とを気密に接続するパッキング部材であるＯリング４３３が設けられている。

この結果、天板部材３１と接触する部分は前記突部４３２の上面側の接触面及びＯリング４３３に限定され、その他の部分では台座部４３、４４と天板部材３１との間に比較的大きな隙間３１４が形成されることになる。従って、台座部４３、４４と天板部材３１との隙間３１４に反応ガスおよびクリーニングガスが進入し、膜が形成されても台座部４３、４４と天板部材３１とが固着しにくく、第１及び第２のガス分散部４Ａ，４Ｂの取り外しの際などにおけるパーティクルの発生を抑えることができる。

第１及び第２のヘッド部４１Ａ、４１Ｂは、連通路４３４の下端側の開口部を台座部４３、４４の下面側から覆うように設けられる。第１及び第２のヘッド部４１Ａ、４１Ｂは、夫々例えば直径が８〜２０ｍｍの範囲内の例えば１９ｍｍの大きさの扁平な円筒形状のカバーとして構成される。また第１のヘッド部４１Ａは、台座部４３から下方に３ｍｍ突出するように設けられ、第２のヘッド部４１Ｂは、台座部４４から下方に５ｍｍ突出するように設けられている。従って拡散空間５０内において、第１のガス分散部４Ａの下面の高さ位置は、第２のガス拡散部４Ｂの下面の高さ位置よりも２ｍｍ高い位置となる。なお図１においては、記載が煩雑になるのを避けるため、第１のヘッド部４１Ａ及び第２のヘッド部４１Ｂを同じ大きさで記載している。

第１及び第２のヘッド部４１Ａ、４１Ｂ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。第１及び第２のヘッド部４１Ａ、４１Ｂ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、本例では等間隔に１２個設けられている。また、第１及び第２のヘッド部４１Ａ、４１Ｂ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、第１及び第２のヘッド部４１Ａ、４１Ｂ内に流れ込んだガスは、各ガス吐出口４２から水平方向へ向けて均一に広がるように吐出される。

図１、図２に戻って第１及び第２のガス分散部４Ａ、４Ｂが設けられた天板部材３１には、第１及び第２のガス分散部４Ａ、４Ｂ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バッファ室を構成する拡散部３１１に接続されている。

支持板３２には、前記拡散部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、及び同じく拡散部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。

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、本発明の実施の形態に係る成膜装置の作用について説明する。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、例えば４４０℃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し、供給された塩化チタンガスは、塩化チタン供給路３２２→拡散部３１１→ガス供給路３１２を介して、第１及び第２のガス分散部４Ａ、４Ｂへ流れ込む。

そしてガス供給路３１２から第１及び第２のガス分散部４Ａ、４Ｂに供給された塩化チタンガスは、図８に示すように第１及び第２のヘッド部４１Ａ、４１Ｂの周壁に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拡散空間５０内に吐出される。
第１及び第２のガス分散部４Ａ、４Ｂは、図４に示すように平面的に見るとウエハＷの中心部を囲む二重の円に沿って配置されており、拡散空間５０の中央部にてウエハＷの径方向、周方向に集約されているいわば二重のガス分散部４Ａ、４Ｂが各々ガス分散源になっている。更にこの例では、外側の第２のガス分散部４Ｂの配列の間に臨むように内側の第１のガス分散部４Ａが配置されていることから、このガス分散源からガスが周方向のガス濃度の均一性が高い状態で外側に広がっていく。

一方、第１及び第２のガス分散部４Ａ、４Ｂの各々からこれらで囲まれる内側の領域に向けて、種々の方向にガスが吐出して分散していく。そしてウエハＷの中心部に相当する拡散空間５０の中心部は、全周から集中的にガスが向かう領域であるが、この領域にはガス分散部が設けられていないため、ガスが円滑に流れ、ガス溜まりが形成されにくい。更にまた第１のガス分散部４Ａの下面は、第２のガス分散部４Ｂの下面よりも高い位置にあるため、気流が流れやすい。こうしたことから、第１及び第２のガス分散部４Ａ、４Ｂの内側においても、拡散空間５０の中心部を含めて、ガス濃度の均一性が高い状態でガスが拡散していく。この結果、第１及び第２のガス分散部４Ａ、４Ｂの外側、内側及び下方側において、高い拡散性、均一性をもってガスが分散して充満する。
こうして拡散空間５０内に吐出されたガスは、シャワーヘッド５の多数のガス噴出孔５１１を通過するときに圧損により十分に速度が低下し、図９に示すように処理空間３１３に分散して供給される。

処理空間３１３に供給された塩化チタンガスは、図９に示すようにウエハＷの周縁方向に向かって流れて排気される。そのためシャワーヘッド５の上方側の拡散空間５０から処理空間３１３側に流れた塩化チタンガスは、処理空間３１３の周縁方向に流れながらウエハＷに供給されることになる。例えばガス噴出孔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。

処理空間３１３内を流れ、環状突起部５３の下端とカバー部材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。処理空間３１３に供給された塩化チタンガスは、ウエハＷの周縁方向に流れながら、ウエハＷに供給されるため、ウエハＷの中央部は、塩化チタンガスが供給されにくく、ウエハＷの周縁側ほど塩化チタンガスが供給されやすくなる。

上述の流れにおいて、シャワーヘッド５の周縁部に環状突起部５３が設けられ、載置台２（カバー部材２２）との間の隙間の高さが適切に設定されていることにより、処理空間３１３から周囲の排気ダクト１３側へ向けてガスが流れる際の圧力損失が調整される。この結果、ウエハＷに吸着するのに十分な時間だけ各反応ガスを処理空間３１３に滞留させた後、当該隙間が形成されている周方向外側へ向けて反応ガスを均等に排出することができる。

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。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。供給されたアンモニアガスは、アンモニア供給路３２１→拡散部３１１→ガス供給路３１２を介して、第１及び第２のガス分散部４Ａ、４Ｂへ流れ込む。そして、第１及び第２のガス分散部４Ａ、４Ｂから拡散空間５０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。

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。

また拡散空間５０内に複数の第１及び第２のガス分散部４Ａ、４Ｂによりガスを供給している。そのため拡散空間５０の高さを低い場合にも、拡散空間５０内にガスを広く供給でき、拡散空間５０内のガスは効率よく置換される。従って、拡散空間５０の高さを低くして、シャワーヘッド５内の容積が小さくすることで、置換ガスにより、置換する操作に要する時間が短くすることができる。

またＡＬＤに用いられる反応ガスは、各々異なる流動性を有している。例えば塩化チタンは狭い流路にも広がり易い特徴を有している一方、アンモニアガスは塩化チタンに比べて広がりにくい。このとき、載置台２上のウエハＷに対向するシャワーヘッド５の下面が平坦になっていて、ウエハＷの上面とシャワーヘッド５の下面との距離が一定となっていることにより、反応ガスはその流動性の違いによらず、高さ寸法が均一な処理空間３１３内を均一に広がることができる。この結果、ウエハＷに成膜される膜の厚さの面内均一性が良好になる。

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後、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。

上述の実施の形態に係る成膜装置においては、ウエハＷの載置台２の上方に設けられたシャワーヘッド５のガス噴出孔５１１をウエハＷよりも広い領域に配置している。そしてシャワーヘッド５の上方の拡散空間５０に、横方向にガスを分散させるようにその周方向に沿ってガス吐出口４２が形成された複数のガス分散部を配置している。複数のガス分散部として、ウエハＷの中心部を中心とする内側の第１の円に沿って４個の第１のガス分散部４Ａを設け、更に第１の円の外側の第２の円に沿って８個の第２のガス分散部４Ｂを用いている。従って拡散空間５０においてウエハＷの中心部にガスが滞留しにくくなり、またガスの分散性が良いことから、面内均一性の良好な成膜処理を行うことができる。

また本発明の他の実施の形態として、第１のガス分散部４Ａ、及び第２のガス分散部４Ｂを水平方向に回転させて処理ガスを吐出する方向を調整できるように構成してもよい。例えば図１０に示すように各第１のヘッド部４１Ａ及び各第２のヘッド部４１Ｂを夫々個別の円板状の台座部４５に接続し、台座部４５と天板部材３１とをねじ４３２により固定するためのねじ穴部４５１に遊びを設け、ガスの吐出方向を調整する例が挙げられる。このように第１及び第２のガス分散部４Ａ、４Ｂの各々のガスの吐出方向を調整することにより、拡散空間５０におけるガスの流れの方向を調整することができる。前述のように拡散空間５０内に置いて、第１及び第２のガス分散部４Ａ、４Ｂ同士の距離や壁面との距離により、ガスの流れやすさ及び溜まりやすさは異なる。そのため、ガスの吐出方向を調整することにより、ウエハＷに供給される処理ガスの濃度の面内分布が調整され、ウエハＷに成膜される膜の膜厚分布を調整することができる。

さらに第１のガス分散部４Ａは２個以下であると、拡散空間５０内においてガスの水平方向の分布が均一になりにくいため、３個以上設けることが好ましい。第２のガス分散部４Ｂの設置数は、５個以上が好ましく、更には第１のガス分散部４Ａの設置数に対して、２倍以上の個数を設けることが好ましい。第２のガス分散部４Ｂが設けられる第２の円は、第１のガス分散部４Ａが設けられる第１の円の外側に位置するので、第２のガス分散部４Ｂの数が少ないと拡散空間５０の周縁寄りの領域において処理ガスの濃度が低くなってしまう。そのため第２のガス分散部４Ｂの数を少なくとも５個、より好ましくは、第１のガス分散部４Ａの２倍以上の個数設けることにより、拡散空間５０内において外周寄りの領域のガス濃度の低下を抑制することができ、ウエハＷに成膜処理を行った場合にウエハＷの周縁部の膜厚の低下を抑制することができる。

更に既述の第２の円の半径方向で見たときに第１のガス分散部４Ａと第２のガス分散部４Ｂとが一直線上に並ばないように配置されることが好ましい。例えば第１のガス分散部４Ａの配置個数（ｎ）に対して第２のガス分散部４Ｂの配置個数が２倍（２ｎ）である場合には、先の実施形態の配置レイアウトを採用することが好ましい。即ち、第２の円の円周を第２のガス分散部４Ｂの中心部により２ｎ等分される２ｎ個の円弧について、一つ置きの円弧の中点と第２の円の中心とを結ぶ直線上に第１のガス分散部４Ａを配置することが好ましい。このように構成することで、第１のガス分散部４Ａから吐出されるガスが第２のガス分散部４Ｂの設置されている間を流れやすくなり、第２のガス分散部４Ｂから吐出されるガスが第１のガス分散部４Ａの設置されている間を流れやすくなる。そのため拡散空間５０内において、処理ガスが均一に広がり、ガスがたまりにくくなるため、よりウエハＷに成膜される膜の膜厚の面内均一性が良好になる。

本発明は、第１のガス分散部４Ａと第２のガス分散部４Ｂとが夫々第１の円及び第２の円の上に等間隔に配置されていることが必要であるが、「等間隔」とは、取り付け誤差によりわずかに互いの離間間隔が異なる場合も含まれる。また互いの間の円周の寸法を数％ずらす実益はないが、このように数％ずれている場合であっても、本発明の効果を得ることができることから、「等間隔」に含まれる。

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ＴｉＣｌ_４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Ｏ_２、Ｏ_３、Ｈ_２Ｏ等を利用した酸化反応、Ｈ_２、ＨＣＯＯＨ、ＣＨ_３ＣＯＯＨ等の有機酸、ＣＨ_３ＯＨ、Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ等のアルコール類等を利用した還元反応、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_２Ｈ_４、Ｃ_２Ｈ_２等を利用した炭化反応、ＮＨ_３、ＮＨ_２ＮＨ_２、Ｎ_２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（ＳｒＴｉＯ_３）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。

本発明の効果を検証するために以下の試験を行った。
（実施例１）
図１に示した成膜装置を用い、ウエハＷに実施の形態に示したＡＬＤ法により成膜を行い窒化チタン膜の膜厚の面内均一性を調べた。原料ガスとして塩化チタンガス、反応ガスとしてアンモニアガスを用い、成膜時の設定温度を５３０℃に設定し目標膜厚１５０Åとする成膜処理と、設定温度を４４０℃に設定し目標膜厚１００Åとする成膜処理と、を行った。
（実施例２）
第１のガス分散部４Ａの第１のヘッド部４１Ａを第２のガス分散部４Ｂの第２のヘッド部４１Ｂに代えたことを除いて、実施例１と同様の条件で成膜処理を行った。
（比較例）
第１のガス分散部４Ａに代えて、第２のガス分散部４Ｂと同じ大きさのガス拡散部を、拡散空間５０の中心部に１つ設けたことを除いて、実施例１と同様の条件で成膜処理を行った。

図１１は、成膜時の温度を５３０℃に設定した場合の実施例１、２及び比較例において成膜された膜の膜厚の面内分布を示し、図１２は、成膜時の温度を４４０℃に設定した場合の実施例１、２及び比較例において成膜された膜の膜厚の面内分布を示す。図１１及び図１２の横軸は、ウエハＷの中心部を通る直線上におけるウエハＷの中心からの距離を示し、縦軸はウエハＷごとの平均膜厚を１として、各位置における膜厚を規格化した値を示している。

また表１、表２は、夫々成膜温度を５３０℃、４４０℃に設定した際の実施例１、２及び比較例の各々における膜の膜厚の最大値(Ｍａｘ：Å）、膜厚の最小値(Ｍｉｎ：Å）、平均膜厚(Ａｖｅ：Å）、最大値と最小値の差[（Ｍａｘ−Ｍｉｎ）：Å]、平均膜厚に対する最大値と最小値の差の割合[１００×（Ｍａｘ−Ｍｉｎ）／Ａｖｅ]及び１σ％（標準偏差σを平均値で割って百分率表示した値）を示す。

（表１）

（表２）

この結果によれば、図１１及び表１に示すように成膜温度を５３０℃に設定した場合には、比較例においては、ウエハＷの中央部の膜厚が厚く、中心部から５０ｍｍ程度の位置において膜厚が薄くなり、更に外周側において膜厚が厚くなっていることがわかる。また膜厚の最大値と最小値との差は、１２．０Åであり、１σ％の値は、２．０であった。
一方実施例１、２においては、膜厚の最大値と最小値との差は各々１．６Åであった。更に１σ％の値も０．３となっていた。

また図１２及び表２に示すように成膜温度を４４０℃に設定した場合には、比較例においては、ウエハＷの中央部の膜厚が厚く、中心部から５０ｍｍ程度の位置において膜厚が薄くなり、更に外周側において膜厚が厚くなっており、膜厚の最大値と最小値との差は２．３Åであり、１σ％の値は、０．６であった。
これに対して実施例１では、ウエハＷの中心部において膜厚が薄くなっており、膜厚の最大値と最小値との差は１．７Åであった。更に実施例２においても、実施例１と同様にウエハＷの中心部において膜厚が低くなっており、膜厚の最大値と最小値との差は１．９Åであり、１σ％の値は、０．４であった。
以上の結果から成膜処理の温度が４４０℃、５３０℃のいずれの場合においても膜厚の面内均一性について実施例１、２の方が比較例よりも優れていることが分かる。
この結果によれば本発明の成膜装置を用いて成膜することで、膜厚の面内均一性が良好になるといえる。

１ 処理容器
２ 載置台
４Ａ 第１のガス分散部
４Ｂ 第２のガス分散部
５ シャワーヘッド
３１ 天板部
６５ 排気部
Ｗ ウエハ

Claims (5)

1. 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、
   前記載置部の上方側に位置する天井部を構成し、ガスをシャワー状に吹き出すための複数のガス噴出孔が形成されると共に平面的に見て最も外側のガス噴出孔が基板の外周縁よりも外側に位置しているガス拡散板部と、
   前記ガス拡散板部の上方側にガスの拡散空間を介して対向する対向部に設けられ、各々前記拡散空間に横方向にガスを分散させるようにその周方向に沿ってガス吐出口が形成された複数のガス分散部と、
   前記処理室内の真空排気を行う真空排気部と、を備え、
   前記複数のガス分散部は、平面的に見て前記載置部上の基板の中心部を中心とする第１の円に沿って等間隔に配置された３個以上の第１のガス分散部と、前記第１の円と同心で第１の円の外側に位置する第２の円に沿って等間隔に配置された５個以上の第２のガス分散部と、を備えたことを特徴とする成膜装置。
2. 前記天井部における前記ガス噴出孔の配置領域よりも外側から、前記載置部の上面との間に隙間を形成するように、天井部の周方向に沿って下方側に突出して設けられた環状突起部を備えたことを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
3. 前記第２のガス分散部の個数は第１のガス分散部の個数の２倍以上であ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。
4. 前記第１のガス分散部の下面の高さ位置は、前記第２のガス分散部の下面の高さ位置よりも高いことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の成膜装置
5. 前記第２のガス分散部は、前記基板の直径の６０％以内の領域に配置されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の成膜装置。

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