KR19980018102A - 화학증착장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판의 표면에 대한 원료가스의 공급방법을 연구하여 원료가스를 균일하고도 효율적으로 공급하고, 균일성이 양호한 박막을 높은 성막속도로 작성하는 것을 과제로 한다.
가열된 기판(20)의 표면에 원료가스를 공급하는 원료가스공급계(4)는 기판(20)과 동축상의 가스도입구(443)의 주연으로부터 주변으로 감에 따라서 서서히 또는 단계적으로 기판(20)과의 거리가 좁게 되는 형상의 가스도입가이드(44)를 갖추고 있고, 기판(20)의 표면을 따르는 원료가스의 흐름속도가 실질적으로 제로라고 간주할 수 있는 기판(20)의 표면근처의 영역인 경계층의 두께분포가 거의 일정하거나 또는 흐름방향으로 서서히 얇게 되도록 원료가스가 공급된다.

Description

화학증착장치
본원발명은 반응성가스의 화학반응을 이용하여 박막을 작성하는 화학증착장치에 관한 것이다.
대규모집적회로(LSI)나 액정 디스플레이(LCD)의 제작에 있어서는 기판의 표면에 적당한 박막을 작성하는 공정이 필요하게 된다. 박막작성공정에 있어서는 박막의 조성비를 비교적 자유롭게 선택할 수 있기 때문에, 반응성가스의 화학반응을 이용하여 박막을 작성하는 화학증착(CVD) 장치를 사용하는 것이 널리 행해지고 있다.
도 10은 이러한 종래의 화학증착장치를 도시한 정면개략도이다. 도 10에 도시하는 장치(CVD 장치)는 배기계(11)를 갖춘 진공용기(1), 진공용기(1)내의 소정 위치에 처리할 기판(20)을 유지하는 기판홀더(2), 그 기판(20)을 설정온도로 가열하는 가열수단(3), 및 가열된 기판(20)의 표면에 원료가스를 공급하는 원료가스공급계(4)를 구비한다. 기판(20)의 표면 또는 표면근처에서의 화학반응을 이용하여 그 표면에 박막을 작성한다.
최근의 금속재료의 성막에서는 상온상압에서 액체인 유기계 금속화합물을 원료로서 사용하는 MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)가 열심히 연구되고 있다. 예컨대, 배선용의 금속재료의 분야에서는 높은 전기이동내성(electromigration resistance)으로 낮은 비저항을 가지는 구리(Cu)가 차세대의 배선재료로서 유력시되고 있다. Cu의 CVD 성막에서는 (트리메틸비닐실릴)헥사플루오로아세틸아세트산염구리(이하, Cu(hfac)(tmvs)라 한다)와 같은 상온상압에서 액체인 유기계 금속화합물을 원료로서 사용하는 일이 있다.
도 10에는 이러한 액체원료용의 원료가스공급계(4)가 예시되어 있다. 원료가스공급계(4)는 액체원료를 모은 원료용기(41), 액체원료를 기화시키는 기화기(42), 기화한 원료가스를 진공용기(1)에 보내는 가스도입용 배관(421), 및 거기에 갖추어진 밸브(422) 및 도면에 도시하지 않은 유량조정기로 이루어진다. 가스도입용 배관(421)의 종단에 진공용기(1)내에 설치된 샤워헤드(43)가 접속되어 있다.
샤워헤드(43)는 가스도입용 배관(421)에 연통한 내부공간을 가지는 원반형상의 부재이다. 이 샤워헤드(43)는 기판홀더(2)에 유지된 기판(20)에 대향하는 정면에 가스분출구멍(430)을 다수 가지고 있다. 가스분출구멍(430)으로부터 원료가스를 내뿜어 진공용기(1)내에 도입한다.
원료가스공급계(4)에는 원료가스를 진공용기(1)에 효율적으로 도입하기 위해서 원료가스에 혼합하는 운반가스를 도입하는 운반가스도입계(5)가 접속되어 있다. 기판홀더(2)는 화학반응을 기판(20)의 표면상에 생기게 하기 위해서 기판(20)을 설정온도로 가열하는 가열수단(3)을 내장하고 있다. 진공용기(1)의 외벽면에는 원료가스의 액화를 방지하는 히터(12)가 설치되어 있다.
상기한 종래의 화학증착장치의 동작에 관하여, Cu(hfac)(tmvs)를 원료로서 사용한 구리의 CVD 성막을 예로 들어 설명한다. 기판(20)을 기판홀더(2)에 지지시켜, 가열수단(3)에 의해 100∼300℃ 정도의 온도로 기판(2)을 가열한다. Cu(hfac)(tmvs)를 기화기(42)에 의해 기화시킨다. 운반가스로서 수소가스에 혼합한 기화한 Cu(hfac)(tmvs)를 샤워헤드(43)의 가스분출구멍(430)으로부터 내뿜어 진공용기(1)내에 도입한다. 도입된 Cu(hfac)(tmvs)의 가스는 기판(20)에 도달하고, 분해반응을 포함하는 일련의 화학반응이 열에 의해서 생기는 것으로 기판(20)의 표면에 Cu의 막이 퇴적한다.
샤워헤드(43)의 가스분출구멍(430)의 배치를 조정하는 것으로 기판(20)의 표면 전체에 균일하게 원료가스를 공급할 수 있다. 샤워헤드(43)는 막 두께분포의 균일성 및 막질(膜質)분포의 균일성의 점에서 양호한 것으로 되어 있다.
상기와 같은 종래의 화학증착장치(CVD 장치)에 있어서는 생산성의 향상을 위해 성막속도를 높이는 것이 중요한 과제가 되고 있다. 성막속도는 박막을 퇴적시키는 화학반응의 율속(律速) 조건에 의존한다. 일반적으로 어느 정도 높은 온도에서는 화학반응의 속도는 공급속도에 의해 지배되기 때문에 전구체(프리커서)의 공급량에 의해서 성막속도가 결정된다. 따라서, 공급속도에 의해 속도가 결정되는 화학반응에서는 프리커서로서의 원료가스를 어떻게 많이 기판표면에 공급하는지가 중요하게 된다.
상온상압에서 액체인 원료를 사용하는 경우, 원료가스의 공급량은 기화기(42)의 기화효율에 크게 의존하게 된다. 기화효율을 결정하는 주요한 인자는 기화기(42) 내부의 압력이다. 기화효율은 압력이 낮은 경우에는 높으나 압력이 높아짐에 따라서 저하한다.
상술한 종래의 화학증착장치에서는 샤워헤드(43)로부터 작은 가스분출구멍(430)을 통해서 가스를 내뿜게 하게 하기 때문에, 샤워헤드(43) 내부의 압력은 높아지지 않을 수가 없다. 샤워헤드(43)보다 상류측인 기화기(42)의 내부는 그것 보다도 더 높은 압력이 된다. 따라서, 샤워헤드(43)를 사용하는 종래의 화학증착장치에서는 기화기(42)의 기화효율을 높게 하는 것이 곤란하고, 이 때문에 프리커서의 공급량을 많게 할 수 없어 성막속도의 향상이 어렵다는 과제가 있었다.
샤워헤드(43)의 각 가스분출구멍(430)에서는 유로의 작은 부분에 가스유속(gas flow flux)이 모이기 때문에 거기서 압력이 상승하여 원료가스가 액화하는 문제가 있다. 원료가스가 액화하면 원료가스의 공급량의 재현성이 악화되어 안정된 성막을 할 수 없게 된다. 또한, 액화한 원료가스의 부착에 의해서 가스분출구멍(430)이 작아져 또한 압력이 상승하는 악순환을 초래한다. 최악의 경우는 분출구멍(430)이 막히는 사태가 생긴다. 이러한 막힘은 각 가스분출구멍(430)으로부터의 원료가스의 공급량이 불균일하게 되는 결과로도 이어진다.
또한, 도 10의 종래 CVD 장치의 문제로서, 샤워헤드(43)의 내외에 막, 예를들면 구리(Cu)의 막이 부착하기 쉽고, 분진의 오염원이 되기 쉽다. 가스분출구멍(430)을 가지는 샤워헤드(43)는 막이 부착하는 표면적이 넓고 또한 막이 부착하기 시작하는 각을 많이 가진다.
발명자들은 도 11에 도시하는 것 같은 샤워헤드(43)를 사용하지 않은 화학증착장치를 고안하였다. 도 11은 본원발명을 상도하는 과정에서 검토된 CVD 장치를 도시하는 정면개략도이다.
도 11에 도시하는 장치는 도 10에 도시하는 샤워헤드(43)의 대신에 컵형상의 가스도입가이드(44)를 사용하고 있다. 가스도입가이드(44)는 원형의 바닥판부(441)와 바닥판부(441)의 주연에 설치한 기판(20)을 향하여 신장하고 있는 측판부(442)로 이루어진다. 측판부(442)의 내경은 기판(20)의 지름보다도 약간 크다. 기판(20)의 중심과 동축상에 위치하는 바닥판부(441)의 중앙에 개구(이하, 가스도입구) (443)를 설치하고 있다. 이 가스도입구(443)에 가스도입용 배관(421)의 종단을 접속한다. 그 밖의 구성은 도 10에 도시하는 것과 거의 동일하다.
도 11에 도시하는 가스도입가이드(44)는 중앙에 설치된 하나의 가스도입구(443)로부터 진공용기(1)내에 가스를 도입한다. 가스도입구(443)는 도 10에 도시하는 샤워헤드(43)의 하나의 가스분출구멍(430)과 비교하여 상당히 크다. 따라서, 기화기(42)로부터 진공용기(1)에 이르는 배관(41)내의 압력은 도 10에 도시하는 장치와 비교하여 상당 정도 낮게 할 수 있다. 이 때문에, 도 10에 도시하는 장치와 비교하여 기화기(42)내의 압력을 낮게 유지하여 기화효율을 높게 유지할 수 있고, 원료가스의 공급효율의 향상에 의해서 성막속도가 높아진다.
그렇지만, 도 11에 도시하는 장치를 사용하여 실제로 성막을 행한 경우, 성막속도는 향상하지만, 막 두께분포의 불균일성의 문제가 새롭게 생기는 것이 발명자의 실험에 의해 판명되었다. 막 두께분포의 불균일성은 기판(20) 중앙부의 막 두께에 비하여 주변부의 막 두께가 저하하는 경향으로 나타났다.
이 원인에 대해서는 기판(20) 표면에서의 유체 역학상의 경계층의 두께분포의 불균일성이 영향을 미치고 있다. 이 점을 도 12를 사용하여 설명한다.
도 12는 도 11에 도시하는 장치에 있어서의 기판의 표면에 대한 원료가스흐름을 도시한 모식도이다. 도 11에 도시하는 장치를 동작시킨 경우, 운반가스를 혼합한 원료가스(40)는 가스도입구(443)로부터 기판(20)을 향해서 흘러 들어 온다. 이 원료가스(40)는 층류(laminar flow)의 상태로 기판(20)의 중앙으로부터 360도 주위로 넓어지도록 하여 기판(20)의 표면을 따라 흘러 기판(20)의 주연까지 달한다.
기판(20)의 표면에서의 가스흐름의 상태를 자세히 설명한다. 기판(20)의 표면을 따른 원료가스(40)의 흐름은 기화기(42) 및 가스도입용 배관(421)내와 진공용기(1)내의 압력차에 의한 큰 층류이다.
도 12에 도시한 바와 같이, 기판(20)의 표면에서는 이 흐름의 유속은 물리적으로 제로이다. 또한, 표면의 극히 근처의 영역이라도 흐름의 유속은 거의 제로이다. 기판(20) 표면의 극히 근처의 영역에서는 원료가스(40)의 큰 흐름은 거의 존재하지 않는다. 이 영역에 있어서의 원료가스(40)의 이동현상은 열연동(熱連動)에 의한 유체 역학상의「확산」이 지배적이다. 이 확산에 의해서 주로 원료가스(40)가 이동하는 기판근처의 영역(401)은, 정지하고 있는 고체(solid bulk)인 기판(20)의 영역과, 유체로서 원료가스(40)의 층류가스흐름영역(402)의 중간에 위치하는 영역이다. 이 영역은 유체 역학상의 용어에 따라「경계층(boundary layer)」이라고 부른다.
화학증착에 의한 성막에서는 상술한대로, 기판(20) 표면에 어떻게 효율적으로 원료가스(40)를 공급하는지가 중요하게 된다. 기판(20) 표면에서 생기는 열화학반응에 대해서는 상술한 대로 확산에 의해서 주로 원료가스(40)가 공급된다. 이 확산에 의한 원료가스(40)의 공급에는 경계층(401)의 두께가 영향을 미친다. 경계층(401)이 얇은 경우, 원료가스(40)는 확산이동으로 경계층(401)의 얇은 단면을 가로 지르므로 기판(20)의 표면에 도달하는 것이 빠르다. 따라서, 기판(20) 표면에의 원료가스(40)의 공급효율은 높아져서 성막속도는 향상된다.
경계층(401)이 두꺼운 경우, 원료가스(40)는 긴 거리를 이동하지 않으면 기판(20)의 표면에 도달할 수 없다. 원료가스(40)의 공급효율이 낮게 되어 성막속도도 저하한다. 바꿔 말하면, 경계층(401)의 두께를 균일하게 하면, 기판(20)의 표면상에서의 성막속도도 균일하게 되어, 작성되는 박막의 막 두께분포도 균일하게 된다.
도 11에 도시하는 장치에 의한 성막에 있어서, 기판중앙부에서 막 두께가 두껍고, 기판주변부에서 얇던 것은 상기와 같은 현상에 근거하는 것으로 생각된다. 가스도입구(443)에 가까운 기판중앙부에서는 원료가스(40)의 흐름에 의한 영향이 커서 경계층(401)의 두께가 얇다. 기판주변부에서는 가스도입구(443)로부터 멀리 떨어지게 되기 때문에, 원료가스(40)의 흐름의 영향이 작아져 경계층(401)이 두껍게 된다. 이 결과, 상술한 막 두께분포의 불균일이 생긴다.
이 경향은 기화기(42) 및 가스도입용 배관(421)내와 진공용기(1)내의 압력차를 크게 하여 가스도입구(443)로부터의 가스흐름유속을 빠르게 하려고 한 경우도 마찬가지이었다. 가스도입구(443)로부터의 유속을 빠르게 하더라도 단지 기판중앙부의 경계층(401)이 점점 더 얇게 될 뿐이고, 기판중앙부와 기판주변부의 경계층(401)의 두께 불균일은 해소되지 않는다.
본원발명은, 이러한 검토 및 지견을 근거로 하여 행해진 것으로서, 기판전면에 원료가스를 균일하고도 효율적으로 공급함에 의해 막 두께분포를 균일하게 하는 화학증착장치의 제공을 목적으로 하고 있다.
도 1은 본원발명의 제1실시형태의 화학증착장치를 도시하는 정면개략도이다.
도 2는 도 1의 장치에 채용된 가스도입가이드를 도시하는 사시개략도이다.
도 3은 도 1의 장치에 채용된 가스도입가이드에 있어서의 원료가스흐름을 도시하는 모식도이다.
도 4는 본원발명의 제2실시형태의 화학증착장치를 도시하는 정면개략도이다.
도 5는 도 4에 도시하는 가스도입가이드에 있어서의 원료가스흐름을 도시하는 모식도이다.
도 6은 본원발명의 제3실시형태의 화학증착장치의 가스도입가이드에 있어서의 원료가스흐름을 도시하는 모식도이다.
도 7은 가스도입가이드에 있어서의 중심축으로부터의 거리에 대한 원료가스 유로(流路)의 단면적의 관계를 도시한 그래프이다.
도 8은 가스도입가이드에 있어서의 중심축으로부터의 거리에 대한 성막속도의 의존성을 도시한 도면이다.
도 9a는 다른 가스도입가이드를 도시하는 정면단면개략도이다.
도 9b는 다른 가스도입가이드를 도시하는 아래 쪽에서 본 평면도이다.
도 10은 종래의 화학증착장치를 도시한 정면개략도이다.
도 11은 별도의 종래의 화학증착장치를 도시하는 정면개략도이다.
도 12는 도 11의 화학증착장치에 있어서의 기판의 표면에 대한 원료가스의 공급상황을 도시한 모식도이다.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1: 진공용기11: 배기계
2: 기판홀더20:기판
3: 가열수단4: 원료가스공급계
41: 원료용기42: 기화기
421: 가스도입용 배관44: 가스도입가이드
443: 가스도입구444: 대향면
45: 온도조절기구5: 운반가스공급계
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 화학증착장치의 원료가스공급계가 기판의 표면을 따라서 층류로 원료가스가 흐르도록 공급함과 동시에, 원료가스흐름에 있어서 기판상에 생성된 경계층의 두께분포가 거의 일정하거나 또는 흐름방향으로 서서히 얇게 되도록 원료가스를 공급하는 것을 특징으로 한다.
그 화학증착장치는 배기계를 갖춘 진공용기, 진공용기내에 기판을 유지하는 기판홀더, 그 기판을 설정온도로 가열하는 가열수단 및 가열된 기판의 표면에 원료가스를 공급하는 원료가스공급계를 가진다. 그 화학증착장치는 기판의 표면 또는 표면근처에서의 화학반응을 이용하여 기판표면에 막 두께분포가 균일한 박막을 작성한다.
그 원료가스공급계는 기판홀더에 유지된 기판에 대향하도록 하여 진공용기내에 배치된 가스도입가이드를 가진다. 가스도입가이드는 가스도입구의 주연으로부터 주변으로 감에 따라서 서서히 또는 단계적으로 기판과의 거리가 좁게 되는 형상을 가지고 있다. 이 가스도입가이드는 중앙에 가스도입구를 가지며 이 가스도입구의 중심축이 기판의 중심과 동축상이 되는 위치에 배치되어 있다. 또한,가스도입용의 배관이 이 가스도입구에 연통되어 있다.
바람직하게는 가스도입가이드의 기판에 대향한 면이, 기판의 중심과 동축상의 원추형의 사면을 가지는 형상이다.
바람직하게는 가스도입가이드의 기판에 대향한 면이, 그 면과 중심축으로부터의 거리를 r, 그 면과 기판의 거리를 h 로 하였을 때, r과 h의 곱이 r의 크기에 관계 없이 거의 일정한 쌍곡선을 중심축의 회전으로 회전시켜 얻을 수 있는 회전쌍곡면이다.
바람직하게는 가스도입가이드의 기판에 대향한 면이, 그 면과 중심축으로부터의 거리를 r, 그 면과 기판의 거리를 h 로 하였을 때, r과 h의 곱이 r이 커짐에 따라서 작아지는 곡선을 기판의 중심과 동축상의 회전축의 회전으로 회전시켜 얻을 수 있는 회전곡면이다.
또한, 바람직하게는 가스도입가이드의 기판에 대향한 면의 크기는 기판의 표면보다 크다.
또한, 바람직하게는 가스도입가이드에는 그 표면에 박막이 퇴적하지 않도록 하는 온도조정기구가 설치된다.
화학증착장치는 원료가스공급계가 상온상압에서 액체인 원료를 사용할 때는 원료를 기화시키는 기화기를 갖추고 있다.
(발명의 실시형태)
이하, 본원발명의 실시형태에 관하여 설명한다.
도 1은 본원발명의 제1실시형태의 화학증착장치의 정면개략도, 도 2는 도 1의 장치에 채용된 가스도입가이드의 사시개략도, 도 3은 도 1의 장치에 채용된 가스도입가이드에 있어서의 원료가스흐름을 도시하는 모식도이다.
도 1에 도시하는 CVD 장치는 배기계(11)를 갖춘 진공용기(1), 기판(20)을 유지하는 기판홀더(2), 그 기판(20)을 설정온도로 가열하는 가열수단(3) 및 가열된 기판(20)의 표면에 원료가스를 공급하는 원료가스공급계(4)를 갖추고 있다. 도 1에 도시하는 장치는 기판(20)의 열에 의해서 원료가스의 화학반응을 생기게 하는 열 CVD(thermal CVD)에 의해서 기판표면에 박막을 작성한다.
진공용기(1)는 도면에 도시하지 않은 게이트 밸브를 갖춘 기밀한 용기이다. 진공용기(1)의 외벽면에는 히터(12)가 부설되어 있다. 이 히터(12)는 원료가스공급계(4)에 의해 공급된 원료가스가 진공용기(1)의 내벽면에 응축하지 않도록 진공용기(1)를 가열한다. 기름확산펌프나 터보분자펌프같은 진공펌프를 갖추고 있는 배기계(11)는 진공용기(1)내를 1×10-2Pa 정도 이하의 압력까지 배기한다.
기판홀더(2)는 표면에 기판(20)을 얹어 놓아 유지한다. 기판홀더(12)는 정전기에 의해 기판(20)을 흡착하는 도면에 도시하지 않은 정전흡착기구가 필요에 따라서 설치된다. 가열수단(3)에는 카트리지 히터같은 시판의 저항발열방식의 히터가 기판홀더(2)내에 설치된다. 가열수단(3)은 CVD의 화학반응을 생기게 하는데 필요한 온도로 기판(20)을 가열한다. 이 온도는 150℃에서 250℃ 정도의 범위이다.
본 실시형태의 장치는 상온상압에서 액체인 원료를 사용한다. 원료가스공급계(4)는 이 액체의 원료를 기화시켜 기판(20)에 공급한다. 구체적으로는 원료가스공급계(4)는 액체인 원료를 모은 원료용기(41), 액체의 원료를 기화시키는 기화기(42), 기화한 원료를 진공용기(1)내에 도입하는 가스도입용 배관(421), 및 가스도입용 배관(421)의 종단에 접속한 가스도입가이드(44)로 이루어진다.
원료용기(41)와 기화기(42)를 잇는 송액용 배관(411)에는 펄프(412) 및 도면에 도시하지 않은 액체유량조정기가 설치된다. 기화기(42) 는 액체의 원료를 넣은 기밀한 용기를 가열하기도 하고, 용기내의 공간을 배기하여 감압하기도 하고, 또는 교반기로 액체의 원료를 버블링하기도 하고, 또는 그것들을 병용하기도 하여 원료로를 기화시킨다.
기화기(42)로부터 진공용기(1)로의 가스도입용 배관(421)에는 밸브(422)나 도면에 도시하지 않은 가스유량조정기가 설치된다. 가스도입용 배관(421)에는 그것을 가열하는 히터(423)가 부설되어 있고, 가스도입용 배관(421)의 온도를 원료가스의 액화를 방지하는 정도의 온도로 설정하고 있다.
본 실시형태의 CVD 장치의 큰 특징점인 가스도입가이드(44)는 기판(20)의 중심과 동축상에 가스도입구(443)를 가진다. 도 11에 도시하는 종래 CVD 장치와 같이, 이 가스도입구(443)에 가스도입용 배관(421)의 종단이 접속되어 있다. 본 실시형태의 가스도입가이드(44)는 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 기판(20)에 대향 한 면(이하, 대향면)(444)이 기판(20)의 중심과 동축상의 원추형을 가지는 형상으로 되어 있다. 도 2 및 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이 본 실시형태에 있어서의 가스도입가이드(44)의 전체형상은 굳이 말한다면「깔때기」혹은「뿔(horn)」이라고 표현하여도 좋다.
스테인레스나 알루미늄같은 금속으로 형성된 가스도입가이드(44)는 표면이 알루마이트 처리되어 있다. 석영제의 가스도입가이드(44)가 사용되는 경우도 있다. 가스도입가이드(44)는 대향면(444)의 주연으로부터 기판(20)에 대하여 평행하게 연장되는 부착부(445)에 의해서 진공용기(1)에 부착되어 있다. 부착부(445)에도 원료가스의 액화를 방지하기 위한 히터(446)가 설치된다.
본 실시형태에 있어서의 가스도입가이드(44)는 상술한 깔때기 또는 뿔 같은 형상이기 때문에 대향면(444)과 기판(20) 표면의 거리가 가스도입구(443)의 주연으로부터 주변으로 감에 따라서 서서히 좁게 되어 있다.
상술한 바와 같이 도 11에 도시하는 종래 CVD 장치에서는 기판(20)의 표면을 따라서 원료가스가 흘렀을 때, 기판(20)의 중앙에 비하여 주변에서 경계층이 두껍게 되고 이결과 막 두께가 기판(20)의 주변에서 얇게 되는 불균일성이 생긴다. 상술한 본 실시형태의 가스도입가이드(44)의 구성은 이 결점을 해소하기 위해서 주변으로 감에 따라서 기판(20)과의 거리 즉 가스의 유로를 작게 하고 있다.
일반적으로, 경계층의 두께는 층류가스흐름 영역에 있어서의 유속에 의존한다(δ= k * v­1/2, δ:경계층의 두께, v: 가스유속, k: 정수). 그 유속은 유로의 단면적에 반비례한다. 유로의 양단의 압력차가 일정하다고 하면 유로의 단면적이 작아지면 유속은 높아져서 경계층의 두께는 얇게 된다.
여기서, 도 11에 도시하는 종래의 가스도입가이드(44)에서는 가스유로의 단면적 s는 s = 2πrh 로 표시된다. r이 커짐에 따라서 가스유로의 단면적은 일차 함수적으로 커진다. 이것은 유로의 가스유속이 r이 커짐에 따라서 감소하는 것을 의미한다. 도 11의 가스도입가이드(44)에서는 기판주변으로 감에 따라서 경계층이 서서히 커진다. 이것이 원인이 되어 막 두께분포의 불균일성이 생기고 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 실시형태의 가스도입가이드(44)에서는 기판주변으로 감에 따라서 기판(20)과의 거리가 좁게 된다. 도 11에 도시되는 종래 CVD 장치의 샤워헤드와 비교하여 기판주변으로 감에 따라서 가스유로의 단면적이 작아지기 때문에 보다 균일한 두께의 경계층(401)이 형성되게 된다. 기판 전표면에 대하여 경계층(401)을 경유하여 공급되는 프리커서의 양이 균일하게 된다.
대향면(444)이 기판(20)의 중심과 동축상의 원추형을 포함하는 형상으로 되어 있는 가스도입가이드(44)는 기판(20)의 중심과 동축상의 원주방향으로의 경계층의 두께분포도 개선된다. 후술하는 제2, 제3 실시형태와 비교하면 단순한 원추형을 포함하는 형상인 가스도입가이드(44)는 절삭가공에 의해 용이하게 제작할 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 가스도입가이드(44)의 대향면(444)의 크기는 기판(20)의 표면보다 커지고 있다. 기판(20)의 주연에 이를 때까지 상술한 바와 같이 경계층의 두께분포를 일정하게 되도록 최적화시킬 수 있다.
대향면(444)의 크기가 기판(20)의 표면보다 작은 경우, 대향면(444)으로 부터 밀려 나오고 있는 기판(20)의 표면부분에서 경계층의 두께를 조정할 수 없게 된다. 같은 크기의 경우에도 대향면(444)의 에지부분에서 생기는 원료가스의 난류에 의해 기판(20) 주연부근에서 경계층의 두께 조정이 곤란하게 된다. 구체적으로는 도 1의 CVD 장치의 경우, 대향면(444)의 반경은 기판(20)의 반경보다도 2 mm 이상 크게 설정되는 것이 바람직하다.
가스도입구의 크기(반경 r0)는 기판의 크기(반경 W)의 1/30내지 1/3정도인 것이 바람직하다. r0가 W의 1/30이하이면 가스도입구(443)의 콘덕턴스가 저하하고, 도 10에 도시하는 종래의 장치의 가스분출구멍(430)의 경우와 같이, 기화기(42)의 기화효율을 저하시키기도 하고, 가스도입구멍(443)에 있어서의 원료가스의 액화를 생기게 하기도 하는 문제가 있다. r0가 W의 1/3 이상이면, 상술한 경계층의 두께분포의 최적화의 효과가 충분히 얻어지지 않을 우려가 있다. 구체적으로는 기판(20)이 8인치 크기의 반도체 웨이퍼인 경우, r0는 15∼25 mm 정도로 하는 것이 바람직하다.
도 1로부터 알 수 있는 바와 같이 가스도입가이드(44)는 기판홀더(2)에 접근하고 있다. 따라서, 기판홀더(2)로부터의 열이 전해져 온도가 상승하기 쉽다. 가스도입가이드(44)의 온도가 어느 정도까지 상승하면, 가스도입가이드(44)의 표면에서도 화학반응이 생겨 박막이 퇴적하여 버리는 경향이 있다. 가스도입가이드(44)에 박막이 퇴적하는 것은 원료가스가 비경제적으로 소비되어 생산성을 저하시키는 것 외에 퇴적한 박막이 박리하여 분진 입자를 발생시키는 문제를 초래하는 일이 있다.
본 실시형태에서는 가스도입가이드(44)의 온도를 설정온도로 조절하는 온도조절기구(45)가 설치된다. 온도조절기구(45)는 가스도입가이드(44)의 이면에 접촉하여 설치된 온도조절블록(451), 온도조절블록(451)에 냉매를 유통시키는 냉매유통기(452), 가스도입가이드(44)의 온도를 검출하는 온도 센서(453), 및 온도센서(453)로부터의 신호에 의해 냉매유통기(452)를 제어하는 제어부(454)로 구성되어 있다.
구리와 같은 열전도성이 양호한 재료로 형성된 온도조절블록(451)은 가스도입가이드(44)의 이면에 용접에 의해 밀착성이 좋게 설치된다. 온도조절블록(451)의 내부에는 냉매를 유통시키는 냉매유통로(455)가 형성되어 있다. 냉매유통기(452)로부터 냉각수와 같은 냉매가 이 냉매유통로(455)에 유통되어, 온도조절블록(451)을 냉각(11)하도록 되어 있다.
온도 센서(453)로부터의 신호에 의해 제어부(454)가 냉매유통기(452)를 제어하여, 가스도입가이드(44)의 온도를 설정온도이하로 조절한다. 이 조절로 가스도입가이드(44)의 표면에서의 박막 퇴적이 억제되도록 되어 있다.
가스도입가이드(44)의 온도를 너무 지나치게 낮추면, 대향면(444)상에서 원료가스가 액화할 우려가 있다. 따라서, 가스도입가이드(44)의 온도는 화학반응이 생기지 않고 또한 원료가스가 액화하지 않는 온도범위로 유지하는 것이 바람직하다. 보통은, 히터(447)를 병용하면서 온도조절을 행한다. 한편, 가스도입가이드(44)내에 냉매유통로를 설치하여 냉매를 유통시키도록 구성하더라도 좋다. 또한, 가스도입가이드(44)가 석영으로 형성되는 경우, 내부를 중공형상으로 형성하여 그 내부에 냉매를 흘리는 구성이 적합하게 채용된다.
다음에, 상술한 본 실시형태의 CVD 장치의 전체 동작을 설명한다.
도면에 도시하지 않은 게이트밸브를 통해서 기판(20)을 진공용기(1)내에 반입하여, 기판홀더(2)의 표면에 얹어 놓아 유지시킨다. 이 때, 가열수단(3)이 미리 동작하여 기판홀더(2)를 가열하고 있고, 기판(20)은 기판홀더(2)에 얹혀 놓임으로써, 150℃에서 250℃ 정도의 범위의 온도로 가열된다. 배기계(11)가 동작하여 진공용기(1)내를 1 × l0-2Pa 정도까지 배기한 후, 원료가스공급계(4)를 동작시켜 원료가스를 기판(20)에 공급한다.
진공용기(1)에 로드로크챔버(load lock chamber)같은 보조챔버가 배설되는 경우, 보조챔버와 진공용기(1)내와 같은 정도의 압력까지 배기한 후, 기판(20)을 보조챔버로부터 진공용기(1)내에 반입한다. 그 후 게이트 밸브를 폐쇄하여 원료가스를 공급하도록 한다.
원료가스는 동작압력 0.1 내지 0.4 Torr의 것으로 기판(20)의 표면 또는 표면 근처에서 일련의 화학반응을 일으켜 박막을 그 표면에 퇴적시킨다. 이 때, 상술한 대로 형성되는 경계층의 두께분포가 균일하게 되기 때문에, 막 두께분포가 균일하다. 또한 막질이 균일한 박막이 작성된다. 한편,「기판의 표면 또는 표면 근처에서의 일련의 화학반응」이란, 「화학반응이 바로 기판의 표면상에서 생기는 경우」,「표면에서 떨어진 공간사이에서 생기는 경우」,「표면보다 아래의 기판내부에서 생기는 경우」중의 어느 것을 포함한 개념이다.
본 실시형태의 CVD 장치에 의하면, 검토된 도 11의 종래 CVD 장치의 결점이 해소되고 보다 균일한 성막이 행해질 수 있다. 그리고, 도 10에 도시하는 종래 CVD 장치같은 샤워헤드(43)를 사용하지 않고 하나의 가스도입구(443)로부터 원료가스를 도입하는 가스도입가이드(44)를 사용하기 때문에, 가스도입구(443)에 있어서의 압력상승을 방지할 수 있다. 이 때문에 기화기(42) 내의 압력이 높아지는 것이 억제되어 기화기(42)의 기화효율을 높게 유지할 수 있다. 또한, 샤워헤드(43)의 가스분출구멍(430)에서 보였던 것 같은 원료가스의 액화나 막힘같은 문제도 완전히 해소된다.
상술한 Cu(hfac)(tmvs)를 사용하여 배선재료로서의 구리의 박막을 작성하는 경우, Cu(hfac)(tmvs)를 0.3그램/분의 유량으로 기판(20)에 공급하고, 기판(20)을 온도 170℃로 설정하면, 400옹스트롬/분 정도의 성막속도로 구리박막이 작성된다. Cu(hfac)(tmvs)를 0.6그램/분의 유량으로 기판(20)에 공급하고, 기판(20)을 온도 200℃로 설정하면, 1,000옹스트롬/분 정도의 성막속도로 구리박막이 작성된다.
다음에, 본원발명의 제2실시형태의 화학증착장치에 관하여 설명한다.
도 4는 본원발명의 제2실시형태의 화학증착장치를 도시하는 정면개략도, 도 5는 도 4에 도시하는 가스도입가이드(44)에 있어서의 원료가스흐름을 도시하는 모식도이다.
이 제2실시형태의 CVD 장치는 가스도입가이드(44)를 제외하고 제1실시형태와 동일하다. 이 가스도입가이드(44)의 대향면(444)은 그 면의 임의의 점의 중심축으로부터의 거리를 r, 그 점에서의 기판(20)과의 거리를 h 로 하였을 때, r과 h의 곱이 r의 크기에 관계 없이 일정한 쌍곡선을 기판(20)의 중심과 동축상의 회전축의 회전으로 회전시켜 얻을 수 있는 회전쌍곡면으로 되어 있다.
이 제2실시형태는 제1실시형태와 비교하여 경계층의 두께분포를 또한 균일하게 한다. 이 점을 도 5를 사용하여 자세히 설명한다.
상술한 바와 같이 경계층의 두께는 층류가스흐름 영역에 있어서의 유속에 의존하고, 유속은 유로의 크기에 의존한다. 중앙의 가스도입구(443)로부터 가스를 유입시켜 기판(20)의 표면을 따라서 주변을 향하여 분산시켜 흘리는 각 실시형태에서유로의 크기는 중심축 회전의 원통면 형상에 의해 결정된다.
이 원통면형상의 유로의 크기 즉 단면적은 도 5에 도시한 바와 같이 대향면(444)의 임의의 점의 중심축으로부터의 거리를 r, 그 점에서의 기판(20)과의 거리를 h 로 하였을 때, 2πrh 가 된다. 따라서, 2πrh의 값이 r의 크기에 관계 없이 일정하고 또한 2hδ이면, 분산하는 가스유로의 크기는 항상 일정하게 되어 경계층의 두께분포는 보다 균일하게 된다.
여기서, 2πrh가 일정하다고 하는 것은 rh가 일정하다는 것이 분명하므로 rh가 쌍곡선을 그린다는 것이 된다. 그리고, 대향면(444)은 이 쌍곡선을 기판(20)의 중심과 동축상의 회전축의 회전으로 회전시켜 얻을 수 있는 회전쌍곡면이 되는 것이다.
이와 같이, 제2실시형태에서는 경계층의 두께 분포를 보다 균일하게 할 수 있기 때문에 막 두께분포의 균일성을 또한 높일 수 있다.
다음에, 본원발명의 제3실시형태에 관하여 설명한다. 도 6은 본원발명의 제3실시형태의 화학증착장치에 있어서의 가스도입가이드(44)에 있어서의 원료가스흐름을 도시하는 모식도이다. 이 제3실시형태의 장치도, 가스도입가이드(44)이외는 제1실시형태와 동일하다.
이 제3실시형태의 가스도입가이드(44)는 대향면(444)이, 그 면의 임의의 점의 중심축으로부터의 거리를 r, 그 점에서의 기판(20)과의 거리를 h 로 하였을 때, r이 커짐에 따라서 r과 h의 곱이 작아지는 곡선을 기판(20)의 중심과 동축상의 회전축의 회전으로 회전시켜 얻을 수 있는 회전곡면으로 되어 있다.
r과 h의 곱을 r이 커짐에 따라서 작아지도록 하는 것은, 상술한 2πrh가 주변으로 감에 따라서 서서히 작아지는 것을 의미한다. 이 제3실시형태에서는 경계층의 두께가 주변으로 감에 따라서 서서히 얇게 된다. 이것에 의해서, 주변으로 감에 따라서 원료가스의 소비가 증가하도록 하였다.
가스도입구(443)로부터 공급되는 원료가스는 기판(20)의 표면을 따라서 중앙부에서 주변부를 향하여 흐른다. 이 흐름의 과정에서 원료가스의 프리커서로 화학반응이 생겨 박막이 퇴적한다. 따라서, 원료가스는 프리커서를 소비하면서 주변을 향하여 흐르기 때문에, 기판(20)의 중앙부와 비교하여 주변부에서는 원료가스중의 프리커서의 함유율이 약간 저하하게 된다.
상기한 점을 고려하여, 본 실시형태에서는 경계층의 두께분포는 주변으로 감에 따라서 서서히 얇게 되도록 하고 있다. 경계층의 두께분포가 얇게 되면, 프리커서가 확산하여 기판(20)의 표면에 도달하는 거리가 서서히 줄어들기 때문에, 표면에의 프리커서의 공급효율이 서서히 높아진다. 프리커서의 함유율저하가 보충되고 프리커서의 공급량이 균일화되며, 그러한 이유로, 균일성이 높은 막 두께분포가 얻어진다.
도 7은 각 가스도입가이드(44)에 있어서의 중심축으로부터의 거리 r 에 대한 원료가스유로의 단면적 s의 관계를 도시한 도면이다. 횡축(11)이 기판(20)의 중심축으로부터의 거리 r로, 세로축이 원료가스유로의 단면적 s로 되어 있다.
도 7중, 일점 쇄선 A는 제1실시형태의 가스도입가이드(44)를 사용한 경우의 단면적의 분포를, 이점 쇄선 B는 제2실시형태의 가스도입가이드(44)를 사용한 경우의 단면적의 분포를, 삼점 쇄선 C는 제3실시형태의 가스도입가이드(44)를 사용한 경우의 단면적의 분포를, 실선 D는 도 11에 도시하는 종래예의 가스도입가이드(44)를 사용한 경우의 단면적의 분포를 각각 보이고 있다. 한편, s0는 가스도입구(443)의 주연에 있어서의 유로의 단면적(f0×h0)이다.
제1실시형태의 가스도입가이드(44)에서는 가스유로의 단면적 s(일점쇄선 A)는 상세한 설명은 생략하나, r=(h0+ ar0)/2a의 위치(a는 비례정수)에서 극대값이 되면서 볼록형의 포물선을 그린다. 이 경우, 대향면(444)과 기판(20)의 표면이 이루는 각을 작게 하면, 포물선은 보다 편평한 형상이 되어 이점 쇄선 B로 도시하는 제2실시형태와 거의 같다고 간주할 수 있다.
상술한대로 경계층의 두께는 단면적의 크기에 의존하기 때문에, 각 실시형태에 있어서의 경계층의 분포도 도 7의 각각의 곡선에 따른 것이 된다. 본원발명의 제1, 제2 실시형태에서는 경계층의 두께분포는 일정 또는 거의 일정하고, 제3실시형태에서는 가스흐름에 따라서 서서히 작아지게 되고 있다.
도 8은 중심축으로부터의 거리에 대한 성막속도의 의존성을 도시한 도면이다. 도 8의 그래프의 가로축이 중심축으로부터의 거리 r이고, 세로축이 성막속도(임의 단위)로 되어 있다. 선 X는 각 실시형태의 가스도입가이드(44)에 있어서의 성막속도의 분포를 포괄적으로 나타내고, 선 Y는 도 11의 종래예의 장치에 의한 성막속도의 분포를 나타내고, 면 Z는 도 10의 종래예의 장치에 의한 성막속도의 분포를 보이고 있다.
이 도 8로부터 알 수 있듯이, 각 실시형태의 장치에서는 도 11의 종래예의 장치와 비교하여 성막속도의 균일성의 점에서 현저한 개선이 이루어지고 있고, 도 10의 종래예의 장치에 대하여 성막속도의 향상의 점에서 현저한 개선이 이루어지고 있다.
본원발명에 있어서의 가스도입가이드(44)의 다른 예에 관하여 설명한다.
도 9는 다른 가스도입가이드(44)를 도시한 개략도이다. 도 9a 는 정면단면개략도, 도 9b는 아래 쪽에서 본 평면도이다. 이 도 9a 및 9b에 도시하는 가스도입가이드(44)는 가스도입구(443)의 주연으로부터 주변으로 감에 따라서 단계적으로 기판(20)과의 거리가 좁게 되는 형상이다. 이러한 가스도입가이드(44)를 사용하면, 경우에 따라서는 경계층의 두께분포가 주변으로 감에 따라서 단계적으로 얇게 될 수도 있다.
이 도 9a 및 9b의 가스도입가이드(44)의 경우, 각 단의 각의 부분을 밟은 궤적(도면중 점선)이, 도 l과 같은 직선 또는 도 5 및 도 6에 도시하는 것 같은 곡 선이 되도록 하면 적합하다. 이와 같이 단계적으로 좁게 되는 경우, 하나의 단의 지름방향의 길이가 너무 길면 효과가 약해진다. 하나의 단의 지름방향의 길이는 기판(20)의 반경의 1/5이하의 길이로 하는 것이 바람직하다. 또한, 단의 형상에 있어서는 톱형상의 것이라도 좋다.
(실시예)
다음에, 상술한 제1, 제2 및 제3실시형태에 있어서의 각 가스도입가이드(44)의 에 관하여 실시예를 설명한다.
도 3에 따라서 기판(20)이 8인치 웨이퍼인 경우의 제1실시형태의 실시예에 관해서는 가스도입구(443)의 반경 r0가 25mm, 가스도입구(443)의 주연의 높이 h0가 40mm, 대향면(444)의 최대반경 R이 105mm, 최대반경 R 에서의 높이 H가 9mm인 것이 바람직하다.
도 5에 따라서 제2실시형태의 실시예에 관하여 설명한다. 기판(20)이 8인치웨이퍼인 경우, 대향면(444)은 rh= r0h0의 쌍곡선을 기판(20)의 중심과 동축상의 회전축의 회전으로 회전시킨 회전쌍곡면이 된다. r0가 25mm, h0가 40mm, R이 105mm, H가 9.5mm인 것이 바람직하다.
다음에, 도 6에 따라서 제3실시형태의 실시예에 관하여 설명한다. 기판(20)이 8인치 웨이퍼인 경우, 대향면(444)은 (r-120)2+(h-152.41)2=148.182의 곡선을 기판(20)의 중심과 동축상의 회전축의 회전으로 회전시킨 회전곡면이 된다. r0가 25mm, h0가 40mm, R가 105mm, H가 6mm인 것이 바람직하다.
이상 설명한 대로, 원료가스흐름중에 생기는 기판상의 경계층의 두께분포가 거의 일정하거나 또는 흐름방향으로 서서히 얇게 되도록 하기 때문에 막 두께분포의 균일성이 향상된다.
가스도입구의 주연으로부터 주변으로 감에 따라서 서서히 또는 단계적으로 기판의 거리가 좁게 되는 형상을 가지고 있는 가스도입가이드가 사용되므로 경계층의 두께분포가 거의 일정하거나 또는 흐름방향으로 서서히 얇게 된다.
가스도입가이드의 기판에 대향한 면이, 기판의 중심과 동축상의 원추형의 사면의 일부를 가지는 형상이기 때문에, 원주방향으로의 경계층의 두께분포도 개선된다. 또한, 가스도입가이드의 제작이 비교적 용이하다는 효과를 얻을 수 있다.
가스도입가이드의 기판에 대향한 면이, 그 면과 중심축으로 부터의 거리를 r, 그 면과 기판의 거리를 h 로 하였을 때, r과 h의 곱이 r의 크기에 관계 없이 거의 일정한 쌍곡선을 중심축의 회전으로 회전시켜 얻을 수 있는 회전쌍곡면이기 때문에 원료가스유로의 단면적이 일정하게 된다. 따라서, 경계층의 두께분포가 일정하게 된다. 또한, 원주방향으로서의 경계층의 두께분포도 개선된다.
가스도입가이드의 기판에 대향한 면이, 그 면과 중심축으로부터의 거리를 r, 그 면과 기판의 거리를 h 로 하였을 때, r과 h의 곱이 r이 커짐에 따라서 작아지는 곡선을 중심축의 회전으로 회전시켜 얻을 수 있는 회전곡면이기 때문에, 원료가스유로의 단면적이 가스흐름방향으로 서서히 작아진다. 그 결과 원료가스의 소비에 따르는 프리커서의 함유율의 저하를 보상한다. 또한, 원주방향으로의 경계층의 두께분포도 개선된다.
가스도입가이드의 대향면의 크기가 기판의 표면보다 크기 때문에, 대향면의 에지에 있어서의 소용돌이의 발생이 감소된다.
가스도입가이드에 온도조정기구가 설치되기 때문에, 가스도입가이드의 표면퇴적막의 박리낙하에 의한 문제가 억제된다.
화학증착장치는 기화기를 갖추고 있기 때문에, 샤워헤드를 사용한 경우와 같이 기화기내의 압력이 높아져 버리는 문제가 없다. 원료가스의 공급효율이 높아져서 생산성의 향상에 기여할 수 있다.

Claims (8)

  1. 기판의 표면을 따라서 층류로 원료가스가 흐르도록 공급함과 동시에, 원료가스흐름에 있어서 기판상에 생성된 경계층의 두께분포가 거의 일정하거나 또는 흐름방향으로 서서히 얇게 되도록 원료가스를 공급하는 원료가스공급계를 가지는 것을 특징으로 하는 화학증착장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 그 원료가스공급계는 기판홀더에 유지된 기판에 대향하도록 하여 진공용기내에 배치된 가스도입가이드를 갖고, 여기에서 가스도입가이드는 가스도입구의 주연으로부터 주변으로 감에 따라서 서서히 또는 단계적으로 기판과의 거리가 좁게 되는 형상을 갖고, 이 가스도입가이드는 중앙에 가스도입구를 가지며 이 가스도입구의 중심축이 기판의 중심과 동축상이 되는 위치에 배치되고, 또한 가스도입용의 배관이 이 가스도입구에 연통되어 있는 것을 특징으로 하는 화학증착장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 가스도입가이드의 기판에 대향한 면이, 기판의 중심과 동축상의 원추형의 사면을 가지는 형상인 것을 특징으로 하는 화학증착장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 가스도입가이드의 기판에 대향한 면이, 그 면과 중심축으로부터의 거리를 r, 그 면과 기판의 거리를 h 로 하였을 때, r과 h의 곱이 r의 크기에 관계 없이 거의 일정한 쌍곡선을 중심축의 회전으로 회전시켜 얻을 수 있는 회전쌍곡면인 것을 특징으로 하는 화학증착장치.
  5. 제 2 항에 있어서, 가스도입가이드의 기판에 대향한 면이, 그 면과 중심축으로부터의 거리를 r, 그 면과 기판의 거리를 h 로 하였을 때, r과 h의 곱이 r이 커짐에 따라서 작아지는 곡선을 기판의 중심과 동축상의 회전축의 회전으로 회전시켜 얻을 수 있는 회전곡면인 것을 특징으로 하는 화학증착장치.
  6. 제 2 항에 있어서, 가스도입가이드의 기판에 대향한 면의 크기는 기판의 표면보다 큰 것을 특징으로 하는 화학증착장치.
  7. 제 2 항에 있어서, 가스도입가이드에는 그 표면에 박막이 퇴적하지 않도록 하는 온도조정기구가 설치되는 것을 특징으로 하는 화학증착장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 그 화학증착장치는 원료가스공급계가 상온상압에서 액체인 원료를 사용할 때는 원료를 기화시키는 기화기를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 화학증착장치.
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