KR101336363B1

KR101336363B1 - 성막 장치 및 가스 토출 부재

Info

Publication number: KR101336363B1
Application number: KR1020117020104A
Authority: KR
Inventors: 데루오 이와타; 료 구와지마; 마나부 아미쿠라; 츠요시 하시모토; 히로아키 우치다
Original assignee: 도쿄엘렉트론가부시키가이샤
Priority date: 2009-01-29
Filing date: 2010-01-28
Publication date: 2013-12-04
Also published as: KR20110122147A; CN102301460A; WO2010087385A1; US20110283942A1; JP5513413B2; TW201040308A; JPWO2010087385A1; EP2383774A1

Abstract

성막 장치(100)는 웨이퍼(W)를 수용하는 챔버(1)와, 챔버(1)내에서 웨이퍼 W를 탑재하는 서셉터(2)와, 서셉터(2)상의 웨이퍼 W를 가열하는 히터(5a, 5b)와, 서셉터(2)에 대향해서 마련되고, 웨이퍼(W)를 향해 성막을 위한 처리 가스를 토출하는 본체가 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 샤워 플레이트(12)를 구비하고, 웨이퍼(W)의 표면에, 성막 온도에 있어서 열팽창율이 샤워 플레이트(12)의 본체(13)의 열팽창율보다 5×10^-6/℃ 이상 낮은 막을 성막하는 것이며, 샤워 플레이트(12)는 본체(13)의 서셉터(2)에 대향하는 면에 두께가 10㎛ 이상의 양극 산화 피막(14)이 형성되어 있다.

Description

성막 장치 및 가스 토출 부재{FILM DEPOSITION DEVICE AND GAS EJECTION MEMBER}

본 발명은 가스 토출 부재를 거쳐서 처리 가스를 토출하고, 그 반응에 의해 피처리 기판 상에 고유전율막 등의 막을 성막하는 성막 장치 및 그것에 이용되는 가스 토출 부재에 관한 것이다．

최근, LSI의 고집적화 및 고속화가 요구됨에 따라 LSI를 구성하는 반도체 소자의 디자인 룰이 점점 미세화되고, 그것에 수반해서 CMOS 디바이스에 있어서는 게이트 절연막이 SiO₂ 용량 환산 막두께인 EOT(Equivalent Oxide Thickness)로서 1.5㎚ 정도 이하의 값이 요구되고 있다. 이러한 얇은 절연막을 게이트 리크 전류를 증가시키지 않고 실현하는 재료로서 고유전율 재료, 소위 High-k 재료가 주목받고 있다.

게이트 절연막으로서 고유전율 재료가 이용될 경우에는, 고유전율 재료와 실리콘 기판이 서로 확산되지 않고 열역학적으로 안정될 필요가 있으므로, 하프늄, 지르코늄 혹은 란탄계 원소의 산화물 또는 그 실리케이트 등이 유망시되고 있다.

한편, 이러한 고유전율 재료를 성막하는 경우에 한정되지 않고, 성막 장치로서는 챔버내에 피처리 기판인 반도체 웨이퍼를 탑재하는 탑재대를 마련하고, 가스 토출 부재로서, 다수의 가스 토출 구멍을 갖는 샤워 플레이트를 탑재대에 대향하도록 마련한 것이 이용된다. 그리고, 성막시에는 탑재대 상의 반도체 웨이퍼를 가열하는 동시에, 샤워 플레이트의 가스 토출 구멍으로부터 성막을 위한 처리 가스를 토출하여 피처리 기판 상에서 처리 가스를 반응시키고, 피처리 기판 표면에 소정의 막을 성막한다.

이러한 종류의 성막 장치에 있어서는 샤워 플레이트로서, 일반적으로 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 이용되고, 방사율 조정 및 내식성 향상을 목적으로 피처리 기판과 대향하는 면에 얇은 양극 산화 피막(알루마이트 피막)이 형성된다(일본 특허공개공보 제2000-303180호 등).

그러나, 상기 성막 장치를 이용하여 산화 하프늄 등의 고유전율 재료로 이루어지는 막(고유전율막)을 성막하는 경우에는 성막시에 샤워 플레이트 표면에도 막이 형성되고, 웨이퍼에 대한 성막을 반복해 가는 동안에, 샤워 플레이트에 형성된 막에 크랙이 발생하거나, 경우에 따라서는 벗겨짐이나 탈락이 발생한다. 또한, 웨이퍼 상의 막의 막두께 재현성 및 면내 막두께 분포의 안정성이 악화되고, 웨이퍼상의 파티클 수가 많아지는 경향이 있다.

본 발명의 목적은 성막 처리시에, 가스 토출 부재의 표면에 형성된 막의 크랙, 벗겨짐, 탈락이 발생하기 어려운 성막 장치 및 그것에 이용하는 가스 토출 부재를 제공하는 것에 있다.

본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위해 검토를 거듭한 결과, 종래의 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 가스 토출 부재를 이용한 경우에는, 산화 하프늄막과 같은 고유전율막은 처리온도에 있어서의 열팽창율이 가스 토출 부재의 본체의 열팽창율과는 크게 다르고, 성막시에 가스 토출 부재에 부착된 고유전율막이 성막 처리중에 본체와의 열팽창 차로 벗겨지기 쉬워지는 것 및 이러한 벗겨짐은 고유전율막에 한정되지 않고, 성막온도에 있어서, 가스 토출 부재와 성막하고자 하는 막의 열팽창율 차가 5×10^-6/℃ 이상인 경우에 발생하기 쉬워지는 것을 발견하였다.

따라서, 가스 토출 부재를, 성막하고자 하는 막과의 열팽창율 차가 5×10^-6/℃보다 작은 것으로 하는 것이 유효하지만, 가스 토출 부재 본체와 막의 열팽창율 차가 5×10^-6/℃ 이상이어도, 가스 토출 부재의 표면에 성막 하고자 하는 막과의 열팽창율 차가 5×10^-6/℃보다 작은 산화 피막을 10㎛ 이상의 두께로 형성하면, 가스 토출 부재와 가스 토출 부재에 형성된 막의 열팽창 차를 완화할 수 있는 것을 발견하였다. 예를 들면, 종래의 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 가스 토출 부재를 이용하는 경우에는 표면에 10㎛ 이상의 두께로 양극 산화 피막을 형성하는 것에 의해, 가스 토출 부재와 가스 토출 부재에 형성된 막의 열팽창 차를 완화할 수 있다. 또한, 가스 토출 부재의 방사율이 막의 방사율보다도 작은 경우에는 가스 토출 부재에의 막의 형성이 진행해 가는 것에 의해 가스 토출 부재의 방사율이 서서히 변화한다. 이러한 방사율의 변화에 의한 방사 입열의 상승에 의해 가스 토출 부재의 온도가 상승한다. 그런데, 온도 상승이 크면, 가스 토출 부재와 그것에 형성된 막의 사이의 열팽창 차에 의해, 막에 응력이 발생하여 크랙이 생길 우려가 있는 것을 발견하였다.

본 발명은 이러한 지견에 의거하여 완성된 것이다.

즉, 본 발명의 제 1 관점에 의하면, 처리 가스를 가열된 피처리 기판 상에서 반응시키고, 피처리 기판의 표면에, 막을 성막하는 성막 장치로서, 피처리 기판을 수용하는 처리용기와, 상기 처리용기 내에서 피처리 기판을 탑재하는 탑재대와, 상기 탑재대 상의 피처리 기판을 가열하는 가열 기구와, 상기 처리용기 내에 상기 탑재대에 대향해서 마련되고, 피처리 기판을 향해 상기 처리 가스를 토출하는 가스 토출 부재를 구비하고, 상기 가스 토출 부재는 성막온도에 있어서 열팽창율이 상기 막보다도 5×10^-6/℃ 이상 높은 본체와, 상기 본체의 상기 탑재대에 대향하는 면에 본체를 산화 처리해서 형성된 두께가 10㎛ 이상의 산화 피막이 형성되어 있는 성막 장치가 제공된다.

본 발명의 제 2 관점에 의하면, 처리 가스를 가열된 피처리 기판 상에서 반응시키고, 피처리 기판의 표면에, 막을 성막하는 성막 장치로서, 피처리 기판을 수용하는 처리용기와, 상기 처리용기내에서 피처리 기판을 탑재하는 탑재대와, 상기 탑재대 상의 피처리 기판을 가열하는 가열 기구와, 상기 처리용기내에 상기 탑재대에 대향해서 마련되고, 피처리 기판을 향해 상기 처리 가스를 토출하는 가스 토출 부재를 구비하고, 상기 가스 토출 부재는 성막온도에 있어서의 상기 막과의 열팽창율 차가 5×10^-6/℃보다 작은 재료로 이루어지는 성막 장치가 제공된다.

본 발명의 제 3 관점에 의하면, 처리 가스를 가열된 피처리 기판 상에서 반응시키고, 피처리 기판의 표면에, 막을 성막하는 성막 장치로서, 피처리 기판을 수용하는 처리용기와, 상기 처리용기 내에서 피처리 기판을 탑재하는 탑재대와, 상기 탑재대 상의 피처리 기판을 가열하는 가열 기구와, 상기 처리용기 내에 상기 탑재대에 대향해서 마련되고, 피처리 기판을 향해 상기 처리 가스를 토출하는 가스 토출 부재를 구비하고, 상기 가스 토출 부재는 본체와, 상기 본체의 상기 탑재대에 대향하는 면에 형성되고, 상기 막과의 방사율 차가 0.09 이하의 피막을 갖는 성막 장치가 제공된다.

본 발명의 제 4 관점에 의하면, 처리 가스를 처리용기내의 가열된 피처리 기판 상에서 반응시키고, 피처리 기판의 표면에 막을 성막하는 성막 장치에 있어서, 상기 처리용기 내에 피처리체를 탑재하는 탑재대에 대향해서 마련되고, 피처리 기판을 향해 상기 처리 가스를 토출하는 가스 토출 부재로서, 성막온도에 있어서 열팽창율이 상기 막보다도 5×10^-6/℃ 이상 높은 본체와, 상기 본체의 상기 탑재대에 대향하는 면에 본체를 산화 처리해서 형성된 두께가 10㎛ 이상의 산화 피막을 갖는 가스 토출 부재가 제공된다.

본 발명의 제 5 관점에 의하면, 처리 가스를 처리용기 내의 가열된 피처리 기판 상에서 반응시키고, 피처리 기판의 표면에 막을 성막하는 성막 장치에 있어서, 상기 처리용기 내에 피처리체를 탑재하는 탑재대에 대향해서 마련되고, 피처리 기판을 향해 상기 처리 가스를 토출하는 가스 토출 부재로서, 성막온도에 있어서의 상기 막과의 열팽창율 차가 5×10^-6/℃보다 작은 재료로 이루어지는 가스 토출 부재가 제공된다.

본 발명의 제 6 관점에 의하면, 처리 가스를 처리용기 내의 가열된 피처리 기판 상에서 반응시키고, 피처리 기판의 표면에 막을 성막하는 성막 장치에 있어서, 상기 처리용기 내에 피처리체를 탑재하는 탑재대에 대향해서 마련되고, 피처리 기판을 향해 상기 처리 가스를 토출하는 가스 토출 부재로서, 본체와, 상기 본체의 상기 탑재대에 대향하는 면에 형성되고, 상기 막과의 방사율 차가 0.09 이하의 피막을 갖는 가스 토출 부재가 제공된다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 성막 장치를 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 성막 장치의 샤워 플레이트를 나타내는 단면도이다.
도 3은 두께 20㎛의 양극 산화 피막을 갖는 샤워 플레이트를 장착한 성막 장치를 이용하여 10000장의 웨이퍼에 대해 연속해서 HfSiO_x막을 성막 했을 때의 웨이퍼상의 HfSiO_x막의 막두께 변화 및 막두께의 편차 변화를 나타내는 도면이다.
도 4는 두께 20㎛의 양극 산화 피막을 갖는 샤워 플레이트를 장착한 성막 장치를 이용하여 10000장의 웨이퍼에 대해 연속해서 HfSiO_x막을 성막 했을 때의 20장 걸러 샘플링한 웨이퍼에 있어서의 0.12㎛을 초과하는 크기의 파티클의 개수를 나타내는 도면이다.
도 5는 두께 20㎛의 양극 산화 피막을 갖는 샤워 플레이트를 장착한 성막 장치를 이용하여 10000장의 웨이퍼에 대해 연속해서 HfSiO_x막을 성막 했을 때의 샤워헤드 및 샤워 플레이트의 온도 변화를 나타내는 도면이다.
도 6a는 두께 20㎛의 양극 산화 피막을 갖는 샤워 플레이트를 장착한 성막 장치에서 10000장의 웨이퍼에 대해 HfSiO_x막의 연속 성막을 실행한 후의 샤워 플레이트 표면의 박리 시험을 실행한 결과를 나타내는 사진이다.
도 6b는 종래의 두께 0.7㎛의 양극 산화 피막을 갖는 샤워 플레이트를 장착한 성막 장치에서 10000장의 웨이퍼에 대해 HfO₂막의 연속 성막을 실행한 후의 샤워 플레이트 표면의 박리 시험을 실행한 결과를 나타내는 사진이다.
도 6c는 종래의 두께 0.7㎛의 양극 산화 피막을 갖는 샤워 플레이트를 장착한 성막 장치에서 10000장의 웨이퍼에 대해 HfSiO_x막의 연속 성막을 실행한 후의 샤워 플레이트 표면의 박리 시험을 실행한 결과를 나타내는 사진이다.
도 7은 두께 20㎛의 양극 산화 피막을 갖는 샤워 플레이트를 장착한 성막 장치를 이용하여 10000장의 웨이퍼에 대해 연속해서 HfSiO_x막을 성막한 후의 샤워 플레이트의 단면을 나타내는 주사형 전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 8은 두께 0.7㎛의 양극 산화 피막을 갖는 샤워 플레이트를 장착한 성막 장치를 이용하여 10000장의 웨이퍼에 대해 연속해서 HfSiO_x막을 성막 한 후의 샤워 플레이트의 단면을 나타내는 주사형 전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 9는 종래의 알루미늄제의 샤워 플레이트를 이용하여 5000장의 웨이퍼에 대해 HfO₂막을 연속 성막했을 때의 샤워 플레이트의 온도 변화를 나타내는 도면이다.
도 10은 종래의 알루미늄제의 샤워 플레이트를 이용한 경우와 표면에 양극 산화 피막을 형성한 샤워 플레이트를 이용한 경우에서 10000장의 웨이퍼에 대해 HfSiO_x막을 연속 성막했을 때의 샤워 플레이트의 온도 변화를 비교해서 나타내는 도면이다.
도 11은 표면에 양극 산화 피막을 형성한 샤워 플레이트를 이용하여 HfSiO_x막을 연속 성막했을 때의 샤워 플레이트의 온도 변화를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 12는 도 13의 A, B, C로 나타내는 상황에서의 샤워 플레이트의 상태를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 13은 5000장의 웨이퍼에 대해 HfSiO_x(Si 30%)을 연속 성막했을 때에 있어서의 막두께가 규격보다도 작아지는 「막두께 저하」가 발생하는 상황을 조사한 결과를 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 성막 장치의 샤워 플레이트를 나타내는 단면도이다.
도 15는 본 발명의 제 3 실시형태에 관한 성막 장치의 샤워 플레이트를 나타내는 단면도이다.
도 16은 Ti 플레이트에 TiO₂막을 형성한 샤워 플레이트를 장착한 성막 장치를 이용하여 5000장 이상의 웨이퍼에 대해 연속해서 HfSiO_x막을 성막했을 때의 웨이퍼 상의 HfSiO_x막의 막두께 변화 및 막두께의 편차 변화를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대해 설명한다.

(제 1 실시형태)

우선, 본 발명의 제 1 실시형태에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 성막 장치를 나타내는 단면도이다. 이 성막 장치(100)는 기밀하게 구성된 대략 원통 형상의 챔버(1)를 갖고 있으며, 그 중에는 피처리 기판인 반도체 웨이퍼(이하 단지 웨이퍼라 함) W를 수평으로 지지하기 위한 서셉터(2)가 그 중앙 하부에 마련된 원통 형상의 지지 부재(3)에 의해 지지된 상태로 배치되어 있다. 이 서셉터(2)는 AlN 등의 세라믹스로 이루어져 있다. 또한, 서셉터(2)에는 히터(5a, 5b)가 매립되어 있다. 히터(5a)는 서셉터의 중심에 마련되어 있고, 히터(5b)는 히터(5a)의 외측에 도넛형상으로 마련되어 있다. 이들 히터(5a, 5b)에는 히터 전원(6a, 6b)이 접속되어 있다. 그리고, 서셉터(2)에 마련된 열전쌍(thermocouple)(도시하지 않음)의 검출 신호에 의거하여 히터 컨트롤러(7)에 의해 히터 전원(6a 및 6b)을 독립적으로 제어하여, 웨이퍼 W의 온도 제어를 실행하도록 되어 있다.

챔버(1)의 천벽(1a)에는 원형의 구멍(1b)이 형성되어 있으며, 그곳으로부터 챔버(1)내로 돌출하도록 샤워헤드(10)가 끼워 넣어져 있다. 샤워헤드(10)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되어 있다. 샤워헤드(10)의 상면에는 가스 도입구(11)가 마련되어 있고, 샤워헤드(10)의 하부에는 원판형상을 이루는 오목부가 형성되어 있다. 샤워헤드(10)의 하면에는 오목부를 덮도록 가스 토출 부재로서의 샤워 플레이트(12)가 부착되어 있고, 오목부와 샤워 플레이트(12)에 의해 형성되는 공간이 가스 확산 공간(15)으로서 기능한다. 또, 2종류 또는 그 이상의 처리 가스의 반응에 의해 성막하는 경우에는 이들 가스를 샤워헤드(10)내에서 각각의 루트를 경유하여 샤워 플레이트(12)로부터 토출하고, 토출 후에 이들 처리 가스를 혼합하는 포스트믹스 타입이어도 좋다.

샤워헤드(10)의 가스 도입구(11)에는 처리 가스 공급 기구(20)로부터 연장하는 가스 공급 배관(21)이 접속되어 있다.

처리 가스 공급 기구(20)는 서셉터(2)상의 웨이퍼 W 상에 소정의 막을 성막하기 위한 처리 가스를 챔버(1)내에 공급하기 위한 것이다. 본 실시형태에서는 샤워 플레이트(12)의 본체(13)를 구성하는 재료의 성막 처리 온도에 있어서의 열팽창율보다도 5×10^-6/℃ 이상 낮은 열팽창율을 갖는 막, 전형적으로는 고유전율막(High-k막)을 성막한다. 이들 High-k막 중에서도 산화 하프늄(HfO₂)막이나 하프늄 실리케이트(HfSiO_x(x는 1∼2))막을 성막하는 경우가 바람직하다. 그 밖에, 산화 지르코늄(ZrO_x)막, 지르코늄 실리케이트(ZrSiO_x)막, 산화 란탄(LaO_x)막, 란탄 실리케이트(LaSiO_x)막, 산화 탄탈(TaO_x)막, 티탄산 스트론튬(SrTiO_x)막, 산화 이트륨(YO_x)막, 및 산화 티탄(TiO_x)을 들 수 있다. 이들 막은 처리 가스로서, 예를 들면, 유기 금속화합물 및 필요에 따라 산화제나 실리케이트를 형성하기 위한 실리콘 화합물을 처리 가스 공급 기구(20)로부터 가스 공급 배관(21) 및 가스 확산 공간(15)을 경유해서 샤워 플레이트(12)로부터 웨이퍼 W에 공급하는 것에 의해 성막된다. 예를 들면, HfO₂막을 성막하는 경우에는 유기 금속화합물로서 하프늄테트라 터셔리부톡시드(HTB) 등의 금속 알콕시드나 테트라키스디메틸아미노하프늄(TDMAH) 등의 아민계의 유기 금속화합물 등을 이용할 수 있다. 또한, 산화제로서는 O₃ 가스, H₂O 가스, O₂ 가스 등을 들 수 있다. 또한, 실리콘 화합물로서는 테트라에톡시실란(TEOS), 디실란(Si₂H₆) 등의 실란계 화합물을 들 수 있다.

챔버(1)의 저벽(1c)에는 아래쪽을 향해 돌출된 배기실(30)이 마련되어 있다. 배기실(30)의 측면에는 배기관(31)이 접속되어 있고, 이 배기관(31)에는 배기 장치(32)가 접속되어 있다. 그리고, 이 배기 장치(32)를 작동시키는 것에 의해 챔버(1)내를 소정의 진공도까지 감압하는 것이 가능하게 되어 있다.

챔버(1)의 측벽에는 웨이퍼 반송실(도시하지 않음)과의 사이에서 웨이퍼 W의 반입 반출을 실행하기 위한 반입출구(33)와, 이 반입출구(33)를 개폐하는 게이트 밸브(34)가 마련되어 있다.

상기 샤워 플레이트(12)는 도 2에 나타내는 바와 같이, 성막온도에 있어서 열팽창율이 상기 성막될 막보다도 5×10^-6/℃ 이상 높은 재료인 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 본체(13)와, 본체(13)의 하면에 형성된 양극 산화 피막(Al₂O₃)(14)을 갖고 있으며, 다수의 가스 토출 구멍(12a)이 형성되어 있다. 양극 산화 피막(14)은 열팽창율이 큰 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 본체(13)와 성막시에 샤워 플레이트(12)의 표면에 부착되는 막의 사이의 열팽창 차를 완화하는 기능을 갖는다. 즉, 샤워 플레이트(12)의 표면에는 웨이퍼 W에 성막되는 막과 동일한 막이 부착되기 때문에, 부착되는 막과 본체(13)의 사이에는 큰 열팽창 차가 존재한다. 이 때문에, 본체(13)에 직접 이러한 막이 부착되면, 성막 처리시의 가열에 의한 열팽창 차에 의해 그 막이 벗겨질 우려가 있다. 그러나, 본체(13)의 하면에 양극 산화 피막(14)이 형성되는 것에 의해, 이들 사이의 열팽창 차를 완화할 수 있고, 부착된 막의 벗겨짐을 억제할 수 있다.

이러한 열팽창 차를 완화하는 작용을 발휘하기 위해서는 양극 산화 피막(14)의 두께는 10㎛ 이상 필요하다. 양극 산화 피막(14)의 두께가 10㎛ 미만이면, 양극 산화 피막(14)의 열팽창이 본체(13)의 열팽창의 영향을 받아 커지고, 열팽창 차를 완화하는 작용을 충분히 발휘하는 것이 곤란하다. 바람직하게는 15㎛ 이상이다. 열팽창 차를 완화하는 작용을 발휘하는 관점에서는 양극 산화 피막(14)의 막두께에 상한은 존재하지 않지만, 100㎛을 초과해도 효과가 포화하고, 비용이 들 뿐이므로, 100㎛가 사실상의 상한이 된다.

이와 같이 구성된 성막 장치에 있어서는 우선, 챔버(1)내를 배기해서 소정의 감압 상태, 예를 들면, 400Pa 정도로 하고, 히터(5a, 5b)에 의해 웨이퍼 W를 소정의 온도로 가열한다. 가열 온도는 성막하는 막이 HfO₂인 경우에도, HfSiO_x인 경우에도, 200∼600℃ 정도이다.

이 상태에서 처리 가스 공급 기구(20)로부터 성막을 위한 처리 가스를 가스 공급 배관(21) 및 가스 확산 공간(15)을 경유해서 샤워 플레이트(12)의 가스 토출 구멍(12a)으로부터 웨이퍼 W를 향해 처리 가스를 토출한다. 그러면, 미리 가열되어 있는 웨이퍼 W상에서 처리 가스가 반응하고, 웨이퍼 W 표면에, 예를 들면, HfO₂막이나 HfSiO_x막과 같은 High-k막이 성막된다. 그리고, 이러한 성막을 복수의 웨이퍼 W에 대해 연속적으로 실행한다.

이 성막시에, 성막반응은 샤워 플레이트(12)의 표면에서도 생기므로, 샤워 플레이트(12)의 표면에도 성막해야 할 막이 부착된다. 이러한 성막 처리를 복수의 웨이퍼 W에 대해 연속적으로 실행하면, 샤워 플레이트(12)의 표면에 부착되는 막의 부착량이 증가해 간다.

종래는 샤워 플레이트(12)의 표면의 양극 산화 피막은 0.7㎛ 정도로 얇기 때문에, 양극 산화 피막은 알루미늄이나 알루미늄 합금으로 이루어지는 본체와 대략 동일한 만큼 열팽창해 버린다. 예를 들면 샤워 플레이트의 본체를 알루미늄으로 구성하고, 성막하는 막이 HfO₂막이나 HfSiO_x막인 경우에는 알루미늄의 열팽창율이 23×10^-6/℃이며, HfO₂이나 HfSiO_x의 열팽창율이 5∼8×10^-6/℃이기 때문에, 열팽창율 차는 15∼18×10^-6/℃나 되고, 샤워 플레이트(12)에 부착된 막이 벗겨지기 쉬운 상태로 되어 있었다. 그리고, 이러한 막 벗겨짐이 발생하면, 웨이퍼 W 상에서의 파티클이 증가하는 동시에, 샤워헤드(12) 표면의 표면적이 증가하는 것에 의해, 성막을 위한 처리 가스가 샤워 플레이트(12)에서 많이 소비되고, 웨이퍼 W에 공급되는 처리 가스의 양이 줄어, 웨이퍼상의 막의 막두께 재현성이나 면내 막두께 분포의 안정성이 악화되어 버린다.

이에 반해, 본 실시형태에서는 샤워 플레이트(12)의 본체(13)의 표면에 두께 10㎛ 이상의 양극 산화 피막을 형성하므로, 그 열팽창 차를 완화하는 작용에 의해 샤워 플레이트(12)에 부착된 막의 벗겨짐을 억제할 수 있다. 즉, 양극 산화 피막(14)은 Al₂O₃로서, 그 열팽창율은 6∼8×10^-6/℃이며, 그 두께가 10㎛ 이상이기 때문에, 양극 산화 피막(14)이 부착된 막에 접하고 있는 부분의 열팽창율은 6∼8×10^-6/℃에 가까운 값이며, 양극 산화 피막(14)과 부착된 막의 사이에는 열팽창 차가 거의 없고, 부착된 막의 벗겨짐을 충분히 억제할 수 있다. 이 때문에, 웨이퍼 상의 파티클 수를 적게 유지할 수 있고, 웨이퍼상의 막의 막두께 재현성, 면내 막두께 분포의 안정성을 양호하게 할 수 있다.

이러한 막 벗겨짐은 샤워 플레이트(12)의 본체(13)와 성막 대상막과의 열팽창율 차가 5×10^-6/℃ 이상인 경우에 발생하기 쉬운 경향이 있다. 즉, 이러한 성막 대상막은 본체(13)를 구성하는 재료의 성막 처리 온도에 있어서의 열팽창율보다도 5×10^-6/℃ 이상 낮은 열팽창율을 갖는다. 상술한 하프늄 실리케이트(HfSiO_x), 산화 란탄(LaO_x), 산화 티탄(TiO_x), 산화 탄탈(TaO_x) 등도 거의 마찬가지의 경향을 갖는 것으로 고려된다. 또한, 이 범위의 열팽창율을 갖는 재료로서는 상술한 바와 같이, 그 밖에, 산화 지르코늄(ZrO_x)막, 지르코늄 실리케이트(ZrSiO_x)막, 란탄 실리케이트(LaSiO_x)막, 티탄산 스트론튬(SrTiO_x)막, 및 산화 이트륨(YO_x)막 등이 있다.

또, 본체(13)와 양극 산화 피막(14)의 사이에는 큰 열팽창율 차가 있지만, 이들 사이는 정합성이 양호하기 때문에, 이들 사이에 벗겨짐 등이 생기는 일은 없다.

이와 같이, 본 실시형태에 의하면, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 본체의 표면에 양극 산화 피막을 10㎛ 이상의 두께로 형성하여 가스 토출 부재인 샤워 플레이트를 구성하므로, 처리온도에 있어서의 가스 토출 부재의 본체와의 열팽창율 차가 5×10^-6/℃ 이상의 열팽창율이 낮은 막을 성막할 때에, 가스 토출 부재의 본체와 가스 토출 부재의 표면에 부착된 막의 열팽창 차를 완화할 수 있고, 가스 토출 부재에 부착된 막의 크랙, 벗겨짐, 탈락을 발생하기 어렵게 할 수 있다. 이 때문에, 가스 토출 부재 표면에 형성된 막의 벗겨짐이나 탈락을 경감할 수 있고, 기판상의 막의 막두께 재현성 및 면내 막두께 분포의 안정성을 개선하고 기판상의 파티클 수를 줄일 수 있다.

또, 종래의 가스 토출 부재로서의 샤워 플레이트도 표면에 양극 산화 피막이 형성되어 있지만, 상술한 바와 같이 그 목적은 방사율 조정 및 내식성 향상을 위한 것으로서, 통상, 막두께는 0.7㎛ 정도로 얇고, 열팽창의 완화 작용은 거의 얻어지지 않는다.

본 실시형태에 있어서, 양극 산화 피막(14)의 방사율은 0.6 이상인 것이 바람직하다. 이와 같이 양극 산화 피막(14)의 방사율이 높은 경우에는 서셉터(2)로부터의 열의 흡수가 양호하게 되고, 양극 산화 피막(14)의 온도가 높아지며, 양극 산화 피막(14)에 부착되는 막이 더욱 치밀한 것으로 되고, 더욱 벗겨지기 어려워진다. 양극 산화 피막(14)의 방사율은 피막 표면의 거칠기를 크게 하는 것에 의해, 크게 할 수 있다. 양극 산화 피막(14)의 표면 거칠기 Ra(ISO4287-1997)을 3.2이상으로 하는 것에 의해, 방사율을 0.8 이상으로 할 수 있다.

다음에, 본 실시형태의 효과를 파악한 실험 결과에 대해 설명한다.

알루미늄제의 본체에 두께 20㎛의 양극 산화 피막을 형성한 샤워 플레이트를 장착한 성막 장치를 이용하여, 성막용의 처리 가스로서 하프늄테트라터셔리부톡시드(HTB)를 이용하여, 웨이퍼상에의 HfO₂막의 성막 처리를 10000장의 웨이퍼에 대해 연속해서 실행하였다.

우선, 그 10000장의 연속 성막시의 웨이퍼상의 HfSiO_x막의 막두께 변화 및 막두께의 편차 변화를 파악하였다. 그 결과를 도 3에 나타낸다. 도 3은 10000장의 웨이퍼에 대해 연속해서 HfSiO_x막을 성막했을 때의 웨이퍼상의 HfSiO_x막의 막두께 변화 및 막두께의 편차 변화를 나타내는 도면이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 막두께는 안정되어 있으며, 7000장까지의 웨이퍼간의 막두께 편차는 1σ에서 0.94%, 10000장까지의 웨이퍼간의 막두께 편차는 1σ에서 1.60%로 허용 범위이었다.

다음에, 상기 10000장의 연속 성막시의 웨이퍼에의 파티클의 부착에 대해 파악하였다. 그 결과를 도 4에 나타낸다. 도 4는 20장 간격으로 샘플링한 웨이퍼에 있어서의 0.12㎛를 초과하는 크기의 파티클의 개수를 나타내는 도면이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 0.12㎛를 초과하는 크기의 파티클은 극히 적은 것이 확인되었다.

다음에, 상기 10000장의 연속 성막시의 샤워헤드 및 샤워 플레이트의 온도 변화의 안정성에 대해 파악하였다. 그 결과를 도 5에 나타낸다. 도 5는 10000장의 연속 성막시의 샤워헤드 및 샤워 플레이트의 온도 변화를 나타내는 도면이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 샤워헤드의 온도는 변화가 보이지 않지만, 샤워 플레이트의 온도는 서서히 상승하였다. 이것은 샤워 플레이트의 양극 산화 피막의 방사율이 0.6 이상으로 높은 것에 의한다.

다음에, 상기 두께 20㎛의 양극 산화 피막을 형성한 샤워 플레이트를 이용하여 상기 10000장의 웨이퍼에 대한 HfSiO_x막의 연속 성막을 실행한 후의 샤워 플레이트에 대해 박리 시험을 실행하였다. 비교를 위해, 종래의 두께 0.7㎛의 양극 산화 피막을 형성한 샤워 플레이트를 이용하여 10000장의 웨이퍼에 대해 HfO₂막 및 HfSiO_x막의 연속 성막을 실행한 후의 샤워 플레이트에 대한 박리 시험도 실행하였다. 박리 시험은 10000장 성막 후의 샤워 플레이트의 표면에 테이프를 붙이고, 그것을 벗긴 후에, 테이프에 부착된 부착물을 육안으로 확인하는 것에 의해 실행하였다. 그 결과를 도 6a∼도 6c에 나타낸다. 도 6a∼도 6c는 박리 시험 후의 테이프에의 부착물의 부착 상태를 나타내는 사진이며, 도 6a는 본 실시형태의 두께 20㎛의 양극 산화 피막을 형성한 샤워 플레이트를 이용하여 HfSiO_x막의 연속 성막을 실행한 결과를 나타내는 것이며, 도 6b, 도 6c는 종래의 샤워 플레이트를 이용하여, 각각 HfO₂막 및 HfSiO_x막의 연속 성막을 실행한 후의 결과를 나타내는 것이다. 이들 사진으로부터, 본 발명과 같이 두꺼운 양극 산화 피막을 형성한 샤워 플레이트를 이용하는 것에 의해, 그 표면에 부착된 막이 벗겨지기 어려워지는 것이 확인되었다.

다음에, 상기 두께 20㎛의 양극 산화 피막을 형성한 샤워 플레이트를 이용하여 상기 10000장의 웨이퍼에 대한 HfSiO_x막의 연속 성막을 실행한 후의 샤워 플레이트 표면에의 HfSiO_x막의 부착 상태를 파악하였다. 그 결과를 도 7에 나타낸다. 도 7은 10000장 연속 성막 후의 샤워 플레이트의 단면을 나타내는 주사형 전자 현미경(SEM) 사진이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 샤워 플레이트에 형성된 HfSiO_x막에는 벗겨짐이 발생하고 있지 않은 것이 확인되었다. 또, 크랙이 발생하고 있지만, 이것은 샤워 플레이트를 떼어낼 때의 급격한 온도 변화에 의한 것이다. 비교를 위해, 종래의 두께 0.7㎛의 양극 산화 피막을 형성한 샤워 플레이트에 대해 마찬가지로 10000장의 웨이퍼에 대한 HfSiO_x막의 연속 성막을 실행한 후의 샤워 플레이트의 단면을 나타내는 주사형 전자 현미경(SEM) 사진을 도 8에 나타낸다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 종래의 샤워 플레이트에서는 HfSiO_x막의 벗겨짐이 발생하고 있는 것이 확인되었다.

그런데, 종래의 샤워 플레이트는 극히 얇은 양극 산화 피막이 형성되어 있을 뿐이기 때문에, 샤워 플레이트의 방사율은 대략 알루미늄의 방사율인 0.05 정도이다. 이에 대해 성막하고자 하는 막이 HfO₂나 HfSiO_x인 경우에는 방사율이 0.9정도로 높고, 다수의 웨이퍼에 대해 연속적으로 성막을 실행하면, 샤워 플레이트 표면의 방사율이 서서히 상승해 가고, 샤워 플레이트에의 HfO₂이나 HfSiO_x의 부착이 진행함에 따라, 방사 입열이 커지고, 샤워 플레이트의 온도가 상승한다. 도 9는 HfO₂막을 성막한 경우의 종래의 샤워 플레이트의 온도 상승을 나타내는 것이지만, 이 도면에 나타내는 바와 같이, 5000장의 웨이퍼에 관한 연속 성막으로 샤워 플레이트의 온도가 70℃ 이상이나 상승한다. 즉, 상술한 열팽창율 차에 의한 샤워 플레이트에 부착된 HfSiO_x막이나 HfO₂막의 크랙이나 벗겨짐은 샤워 플레이트의 방사율 변화에 의한 온도 변화에 의해 조장된다고 고려된다.

이에 대해, 본 실시형태와 같이, 본체(13)의 표면에 양극 산화 피막(14)을 형성해서 샤워 플레이트(12)를 구성하는 것에 의해, 샤워 플레이트(12)의 표면의 방사율을 종래보다도 높게 할 수 있다. 양극 산화 피막(14)의 방사율이 0.8인 경우에는 도 10에 나타내는 바와 같이, 종래의 얇은 양극 산화 피막뿐인 경우에 비해 초기온도를 높게 할 수 있고, 샤워 플레이트의 온도의 변화를 작게 할 수 있다.

이러한 점에서, 부착되는 막의 방사율이 0.9인 경우에는 양극 산화 피막(14)의 방사율은 0.8 이상이 바람직하다. 일반화하면, 양극 산화 피막(14)과 부착되는 막의 방사율의 차가 0.1 이하인 것이 바람직하다. 단, 도 10에 나타내는 바와 같이, 방사율이 0.8의 양극 산화 피막(14)에 방사율 0.9의 HfSiO_x막이 부착되는 경우에는 방사율 차는 0.1이지만, 다수의 웨이퍼에 연속적으로 성막하는 동안에, 샤워 플레이트(12)의 방사 입열이 증가하고, 그에 수반해서 샤워 플레이트(12)의 온도는 서서히 상승한다. 샤워 플레이트(12)의 온도는 2000장 정도의 연속 성막으로 초기온도보다도 15℃ 정도, 5000장 정도의 연속 성막으로 초기온도보다도 30℃ 정도 높아진다. 그 때문에, 그 온도차에 기인하는 열팽창 차를 무시할 수 없는 것으로 되는 경우가 있고, 그러한 경우에는 부착된 HfSiO_x막에 응력이 발생한다. 즉, 이 때의 방사율 차에 기인하는 온도 변화를 모식적으로 도 11에 나타내면, 초기단계의 A에서는 도 12의 A에 나타내는 바와 같이, 샤워 플레이트에 부착된 HfSiO_x막에는 응력이 거의 발생하지 않지만, 웨이퍼의 개수가 증가해서 B에 도달하면, 도 12의 B에 나타내는 바와 같이 HfSiO_x막에 인장 응력이 발생하고, 웨이퍼의 개수가 1000∼2000장 정도의 C가 되면, 도 12의 C에 나타내는 바와 같이 HfSiO_x막은 인장 응력에 견딜 수 없게 되어, HfSiO_x막 중에 크랙이 발생하는 경우도 발생한다. 샤워 플레이트에 부착된 HSifOx막에 크랙이 발생하면, 성막시의 성막 원료가 크랙으로 소비되고, 막두께 및 면내 분포의 변동이 커지는 경향을 나타낸다.

이러한 막두께 변동이 발생했을 때의 상태를 도 13에 나타낸다. 도 13은 5000장의 웨이퍼에 대해 HfSiO_x(Si 30%)을 연속 성막했을 때에 있어서의 막두께가 규격보다도 작아지는 「막두께 저하」가 생기는 상황을 조사한 결과를 나타내는 도면이고, 양극 산화 피막(두께 20㎛)을 형성한 샤워 플레이트를 이용한 경우(1st 및 2nd의 2종류)에 대해 나타내는 것이다. 비교를 위해, 종래의 알루미늄제의 샤워 플레이트를 이용하여 1000장의 웨이퍼에 대해 HfSiO_x(Si 30%)을 연속 성막했을 때의 상황도 나타낸다. 도 13에 나타내는 바와 같이, 양극 산화 피막을 형성한 경우에도 온도차가 13℃ 이상에서 「막두께 저하」가 생기는 것이 확인되었다. 또, 종래의 알루미늄제의 샤워 플레이트에서는 1000장 연속 성막한 시점에서 「막두께 저하」가 발생하고 있었다.

이러한 방사율 차에 기인하는 불합리는 양극 산화 피막(14)의 방사율과 부착되는 막, 즉 성막하고자 하는 막의 방사율과의 차가 0.09 이하이면, 거의 해소할 수 있다. 부착되는 막이 방사율이 0.9의 HSifOx 또는 HfO₂의 경우에는 양극 산화 피막(14)의 방사율이 0.81∼0.99의 범위가 되도록 하면 좋고, 그를 위해서는 양극 산화 피막의 표면 거칠기 Ra를 3.2보다도 더욱 크게 하는 것이 유효하다. 더욱 바람직한 방사율의 차는 0.05 이하(즉 HSifO_x나 HfO₂의 경우에는 양극 산화 피막(14)의 방사율이 0.85∼0.95)이다.

또, 본 실시형태에서는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 본체에 양극 산화 피막(Al₂O₃)을 형성하는 경우에 대해 나타냈지만, 이것에 한정되지 않고, 본체와 형성하고자 하는 막의 열팽창율 차가 5×10^-6/℃ 이상의 재료이며, 그 표면에 본체 재료의 산화물을 형성하고, 그 산화막과 형성하고자 하는 막의 열팽창율 차가 5×10^-6/℃ 이하이면 적용 가능하다. 예를 들면, HfSiO_x막 또는 HfO₂막을 성막하는 경우에, 본체 재료로서 Ti, Mo, Ta, W 등의 고융점 금속을 들 수 있다. 또한, 본 실시형태에서는 HfSiO_x막이나 HfO₂막으로 대표되는 High-k막의 성막을 예로 들어 설명했지만, 성막온도에 있어서 열팽창율이 상기 가스 토출 부재의 본체의 열팽창율보다도 5×10^-6/℃이상 낮은 막의 성막이면, High-k막에 한정되지 않는다. 또한, 장치 구성에 대해서도 상기 실시형태는 예시이며, 각종 형태가 가능하다.

(제 2 실시형태)

다음에, 본 발명의 제 2 실시형태에 대해 설명한다.

도 14는 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 성막 장치의 샤워 플레이트를 나타내는 단면도이다. 본 실시형태에서는 샤워 플레이트 이외의 구성은 제 1 실시형태와 마찬가지이기 때문에, 설명을 생략한다.

본 실시형태의 성막 장치는 HfO₂막이나 HfSiO막과 같은 High-k막을 성막하는 것이다. 샤워 플레이트(42)는 성막하고자 하는 High-k막과의 성막온도에 있어서의 열팽창율 차가 5×10^-6/℃보다 작은 재료로 이루어지고, 다수의 가스 토출 구멍(42a)을 갖고 있다.

HfO₂막이나 HfSiO막과 같은 High-k막은 열팽창율이 5∼8×10^-6/℃정도이기 때문에, 샤워 플레이트(42)의 재료로서는 High-k막의 열팽창 계수에 가까운 열팽창율이 8.9×10^-6/℃인 Ti가 바람직하다. High-k막을 성막하는 경우에 있어서의 샤워 플레이트(42)의 재료로서는 Ti 이외에, Mo(열팽창율 4.9×10^-6/℃), Ta(열팽창율 6.3×10^-6/℃), W(열팽창율 4.3×10^-6/℃) 및 Ni기 합금인 하스테로이(등록상표)(열팽창율 12.4×10^-6/℃)를 들 수 있다.

이와 같이, 성막하고자 하는 막의 열팽창율에 가까운 열팽창율을 갖는 재료로 이루어지는 샤워 플레이트(42)를 마련하는 것에 의해, 성막 처리시의 가열에 의해 샤워 플레이트(42)의 온도가 상승해도, 샤워 플레이트(42)와 샤워 플레이트(42)에 부착된 막의 열팽창 차를 작게 할 수 있고, 샤워 플레이트(42)에 부착된 막에 생기는 응력을 저감할 수 있다. 따라서, 샤워 플레이트(42)에 부착된 막의 크랙, 벗겨짐, 탈락이 발생하기 어렵고, 웨이퍼상의 막의 막두께 재현성, 면내 막두께 분포의 안정성을 높게 할 수 있고, 또한 웨이퍼상의 파티클 수를 적게 할 수 있다.

또, 본 실시형태에서는 High-k막을 성막하는 성막 장치에 있어서, 샤워 플레이트(42)를 구성하는 성막하고자 하는 막과의 열팽창율 차가 5×10^-6/℃보다 작은 재료로서, Ti, Mo, Ta, W, 니켈기 합금인 하스테로이(등록상표)를 이용한 예를 나타냈지만, 이것에 한정되지 않고, 어떠한 막의 성막이어도 좋고, 샤워 플레이트(42)의 재료가, 성막하고자 하는 막과의 열팽창율 차가 5×10^-6/℃보다 작은 것이면 좋다.

(제 3 실시형태)

다음에, 본 발명의 제 3 실시형태에 대해 설명한다.

도 15는 본 발명의 제 3 실시형태에 관한 성막 장치의 샤워 플레이트를 나타내는 단면도이다. 본 실시형태에서는 샤워 플레이트 이외의 구성은 제 1 실시형태와 마찬가지이기 때문에, 설명을 생략한다.

본 실시형태의 성막 장치는 HfSiO_x막이나 HfO₂막과 같은 High-k막을 성막하는 것이다. 샤워 플레이트(52)는 본체(53)와, 본체(53)의 표면에 형성된 고방사율막(54)을 갖고 있고, 다수의 가스 토출 구멍(52a)이 형성되어 있다.

본체(53)의 재료는 특히 한정되지 않는다. 예를 들면, 종래부터 이용되고 있는 알루미늄 또는 알루미늄 합금이어도 좋고, 상술한 Ti, Mo, Ta, W, Ni기 합금을 이용할 수도 있다. 이들 중에서, Ti, Mo, Ta, W, Ni기 합금이 바람직하다.

고방사율막(54)은 성막하고자 하는 막의 방사율과 근접한 방사율을 갖고, 양자의 차가 0.09 이하로 되는 바와 같은 재료로 구성되어 있다. 예를 들면 성막하고자 하는 막이 HfSiO_x막이나 HfO₂막이면, 방사율이 대략 0.9이고, 고방사율막(54)으로서는 방사율이 0.81∼0.99의 재료가 선택된다. 방사율의 차의 더욱 바람직한 범위는 0.05이며, 이 때 성막하고자 하는 막이 HfSiO_x막이나 HfO₂막일 때 고방사율막(54)으로서는 0.85∼0.95의 것이 선택된다. 방사율이 이러한 범위의 재료로서는 TiO₂를 들 수 있다. TiO₂의 방사율은 0.87∼0.94이며, 0.81∼0.99의 범위 내이다. 고방사율막(54)을 구성하는 다른 재료로서는 Fe계 산화물(방사율 0.9), 크롬계 산화물(방사율 0.9), 카본(방사율 0.9), HfO₂(방사율 0.9)를 들 수 있다.

형성 방법은 특히 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, 증착, 양극 산화로 형성할 수 있다. 또한, 고방사율막(54)이 본체(53)를 구성하는 재료의 산화물인 경우에는 본체(53)에 산화 처리를 실시하는 것에 의해 고방사율막(54)을 형성할 수 있다. 예를 들면, 본체(53)가 알루미늄인 경우에는 고방사율막(54)으로서 표면 거칠기를 크게 한 양극 산화 피막(Al₂O₃)을 이용할 수 있고, 본체(53)가 Ti인 경우에는 이것에 산화 처리를 실시해서 TiO₂로 이루어지는 고방사율막(54)을 형성할 수 있다.

고방사율막(54)의 두께는 그 재료 본래의 방사율을 발휘할 수 있는 두께이면 좋고, 1∼50㎛ 정도로 충분하다.

이와 같이, 샤워 플레이트(52)로서 본체(53)의 표면에 HfSiO_x막이나 HfO₂막과 같은 High-k막과의 방사율 차가 0.09 이하의 고방사율막(54)을 형성하는 것에 의해, 다수의 웨이퍼에 대해 연속적으로 성막을 실행하여, 샤워 플레이트(52)의 표면에 대한 High-k막의 부착이 진행해도, 방사율은 거의 변화하지 않고, 샤워 플레이트(52)의 온도 상승을 작게 할 수 있으며, 본체(53)와 샤워 플레이트(52)에 부착된 High-k막의 열팽창 차에 의한 High-k막에 가해지는 응력을 극히 작게 할 수 있다. 이 때문에, 샤워 플레이트(52)의 표면에 부착된 High-k막에의 크랙 발생을 효과적으로 억제할 수 있다. 이 때문에, 웨이퍼 상의 막의 막두께 재현성, 면내 막두께 분포의 안정성을 높게 할 수 있고, 또한, 웨이퍼 상의 파티클 수를 적게 할 수 있다.

이러한 High-k막에서의 크랙 발생을 더욱 효과적으로 억제하기 위해서는 본체(53)의 재료를 제 2 실시형태의 샤워 플레이트(42)의 재료와 마찬가지로, 성막하고자 하는 High-k막과의 성막온도에 있어서의 열팽창율 차가 5×10^-6/℃보다 작은 재료, 예를 들면, Ti, Mo, Ta, W, 하스테로이(등록상표)를 이용하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 샤워 플레이트(52)의 초기의 온도 변동 및 성막이 진행했을 때의 온도변동의 양쪽을 매우 유효하게 억제할 수 있고, 샤워 플레이트(52)에 부착된 High-k막에 가해지는 응력을 한층 더 작게 할 수 있다. 구체적으로는 HfSiO_x막이나 HfO₂막을 성막하는 경우에는 본체(53)의 재료로서 Ti를 이용하고, 고방사율막(54)으로서 TiO₂막을 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 조합이면, 상기 열팽창율 차 및 방사율 차를 매우 작게 할 수 있을 뿐만 아니라, 고방사율막(54)을 본체(53)의 산화에 의해 용이하게 형성할 수 있으며, 이들은 정합성이 높고 밀착성이 좋기 때문에, 고방사율막(54)의 박리도 발생하지 않는다.

티탄제의 본체에 TiO₂막을 형성한 샤워 플레이트를 장착한 성막 장치를 이용하여, 성막용의 처리 가스로서 하프늄테트라터셔리부톡시드(HTB)를 이용하여, 웨이퍼상에의 HfSiO_x막의 성막 처리를 5000장 이상의 웨이퍼에 대해 연속해서 실행하고, 웨이퍼상의 HfSiO_x막의 막두께 변화 및 막두께의 편차 변화를 파악하였다. 그 결과를 도 16에 나타낸다. 도 16은 Ti 플레이트에 TiO₂막을 형성한 샤워 플레이트를 장착한 성막 장치를 이용하여 5000장 이상의 웨이퍼에 대해 연속해서 HfSiO_x막을 성막했을 때의 웨이퍼상의 HfSiO_x막의 막두께 변화 및 막두께의 편차 변화를 나타내는 도면이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 막두께는 안정되어 있으며, 5000장을 초과해도 웨이퍼간의 막두께 표준편차는 1σ에서 1.2% 정도이었다.

또, 본 실시형태에서는 High-k막을 성막하는 성막 장치에 있어서, 샤워 플레이트(52)를 본체(53) 및 고방사율막(54)으로 이루어지는 것으로 하고, 고방사율막(54)을 구성한다, 성막하고자 하는 High-k막과의 방사율 차가 0.09 이하의 재료로서, TiO₂, Fe산화물, 크롬계 산화물, 카본, HfO₂를 이용한 예를 나타냈지만, 이것에 한정되지 않고, 고방사율막(54)의 재료가, 성막하고자 하는 막과의 방사율 차가 0.09 이하인 것이면 어떤 것이라도 좋다.

Claims

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처리 가스를 가열된 피처리 기판상에서 반응시키고, 피처리 기판의 표면에 High-k 막을 성막하는 성막 장치로서,
피처리 기판을 수용하는 처리용기와,
상기 처리용기내에서 피처리 기판을 탑재하는 탑재대와,
상기 탑재대 상의 피처리 기판을 가열하는 가열 기구와,
상기 처리용기내에 상기 탑재대에 대향해서 마련되고, 피처리 기판을 향해 상기 처리 가스를 토출하는 가스 토출 부재를 구비하고,
상기 가스 토출 부재는, 본체와, 상기 본체의 상기 탑재대에 대향하는 면에 형성된 피막을 구비하며,
상기 피막의 표면 거칠기 Ra가 3.2 이상이고, 상기 피막의 방사율이 0.6 이상이고, 상기 피막의 방사율과 상기 High-k 막의 방사율의 차가 0.09 이하인
성막 장치.
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청구항 13에 있어서,
상기 High-k 막은 산화 하프늄막, 하프늄 실리케이트막, 산화 지르코늄막, 지르코늄 실리케이트막, 산화 란탄막, 란탄 실리케이트막, 산화 탄탈막, 티탄 산 스트론튬막, 및 산화 이트륨막으로 이루어지는 군에서 선택되는 막인 성막 장치.
청구항 15에 있어서,
상기 High-k 막은 산화 하프늄막 또는 하프늄 실리케이트막인 성막 장치.
청구항 16에 있어서,
상기 피막의 방사율은 0.81∼0.99인 성막 장치.
청구항 17에 있어서,
상기 피막은 TiO₂, Fe 산화물, 크롬계 산화물, 카본, 산화 하프늄으로 이루어지는 군에서 선택된 재료로 구성되어 있는 성막 장치.
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청구항 13에 있어서,
상기 가스 토출 부재는 Ti, Mo, Ta, W, 하스테로이(등록상표)로 이루어지는 군에서 선택된 재료로 이루어지는 성막 장치.
청구항 13에 있어서,
상기 본체가 Ti로 구성되고, 상기 피막이 TiO₂로 구성되어 있는 성막 장치.
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처리 가스를 처리용기내의 가열된 피처리 기판상에서 반응시키고, 피처리 기판의 표면에 High-k 막을 성막하는 성막 장치에 있어서, 상기 처리용기내에 피처리 기판을 탑재하는 탑재대에 대향해서 마련되고, 피처리 기판을 향해 상기 처리 가스를 토출하는 가스 토출 부재로서,
본체와, 상기 본체의 상기 탑재대에 대향하는 면에 형성된 피막을 구비하며,
상기 피막의 표면 거칠기 Ra가 3.2 이상이고, 상기 피막의 방사율이 0.6 이상이고, 상기 피막의 방사율과 상기 High-k 막의 방사율의 차가 0.09 이하인
가스 토출 부재.