KR20080075111A - 가스 헤드 및 박막제조장치 - Google Patents

가스 헤드 및 박막제조장치 Download PDF

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Abstract

저비용으로, 래디칼 가스의 실활을 억제할 수 있고, 기판상에 원료가스를 균일하게 도입할 수 있는 가스 헤드 및 박막제조장치를 제공한다. 본 발명에 관한 가스 헤드(13)는, 반응가스가 도입되는 반응가스 도입구(30A)와, 원료가스가 도입되는 원료가스 도입구(30B)와, 원료가스 도입구(30B)에 대향 배치되어 원료가스를 분산시키는 분산판(32)을 구비하고, 원료가스 도입구(30B)는 반응가스 도입구(30A) 주위를 둘러싸도록 복수 설치되어 있다. 반응가스 도입구(30A)에 도입된 반응가스는, 원료가스 도입구(30B)에 도입되고 분산판(32)으로 분산된 원료가스와 혼합된다. 원료가스 도입구(30B)는 반응가스 도입구(30A) 주위에 복수 설치되어 있지만, 샤워 홀과 같은 미세한 구멍으로 할 필요는 없다.

Description

가스 헤드 및 박막제조장치{GAS HEAD AND THIN-FILM PRODUCTION APPARATUS}
본 발명은 예를 들면 MOCVD 장치 등에 이용되어 원료가스 및 반응가스, 불활성가스 등의 성막(막 형성)가스를 반응실로 도입하는 가스 헤드 및 이를 구비한 박막제조장치에 관한 것이다.
종래부터, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법과 같은 CVD법에 의해 박막을 제조할 때에, 막두께, 막재질, 막조성 등의 웨이퍼면 내의 분포균일성을 높이는 수단으로서 원료가스와 반응가스와의 균일한 혼합, 웨이퍼에 대한 균일한 가스분출 등에 대해 여러 가지의 기술이 제안되고 있다.
예를 들면 하기 특허문헌 1에는, MOCVD법에 따라 박막을 제조하는 박막제조장치에서, 기화한 원료가스와 반응로 이루어지는 혼합가스를 진공분위기의 성막실내로 도입하고, 성막실내에 배설된 스테이지상에 재치한 웨이퍼 등의 피처리기판 상에서 기체상 화학반응에 의해 막 형성하는 기술이 개시되어 있다. 성막실 상부에는 스테이지에 대향하여 샤워 헤드가 배설되고, 이 샤워 헤드를 통해 기판상에 혼합가스를 균일하게 흡출하도록 구성되어 있다.
도 10은 샤워 헤드(1)의 일구성예를 나타내고 있다. 샤워 헤드(1)는 원료가스와 반응가스로 이루어지는 혼합가스의 도입관(2a)이 설치된 금속제의 헤드 본 체(2)와, 이 헤드 본체(2) 개구부를 씌우는 금속제의 샤워 플레이트(3)로 구성되어 있다. 샤워 플레이트(3)에는 혼합가스가 통과하는 복수의 미세한 샤워 홀(3a)이 천설되어 있다. 헤드 본체(2)와 샤워 플레이트(3) 사이에는, 도입된 혼합가스를 샤워 홀(3a)의 형성 영역 전영역에 널리 퍼지게 하기 위한 공간부(4)가 설치되어 있다.
특허문헌 1: 일본국 특개 2004-35971호 공보
특허문헌 2: 일본국 특개평 11-54459호 공보
샤워 헤드(1)는 기판 표면에 대한 가스의 균일 공급성이 뛰어나서, CVD 프로세스에 대해 폭넓게 사용되어 있다. 샤워 홀(3a)은 용도에 따라 여러 가지이지만, 개구경은 1㎜ 전후의 것이 많고, 그 수는 수백∼수천에 달한다. 따라서, 샤워 헤드의 제작비용은 매우 높다.
또, 샤워 홀(3a)은 원료가스나 반응가스가 흐르는 경로이기 때문에 막부착이 일어나기 쉽고, 정기적인 메인터넌스(maintenance)가 필요하다. 그러나 미세한 샤워 홀(3a) 내에 부착한 막은 제거하기 어렵고, 제거할 수 없었던 막은 파티클(particle)의 발생원이 되어 버린다. 따라서, 샤워 플레이트의 재이용은 거의 불가능하기 때문에 정기적으로 교환할 필요가 생겨 이것이 원인으로 반도체 제조비용이 상승하고 있다는 문제가 있다.
더욱이, 샤워 헤드(1)를 이용한 박막제조장치에 있어서는, 샤워 홀(3a) 등의 컨덕턴스(conductance)가 작은 개소가 존재하면, 샤워 홀(3a)의 1차측{공간부(4)나 도입관(2a)의 내부} 가스가 2차측(성막실측)으로 배기되기 어려워져, 결과적으로 기판 1매 처리에 필요로 하는 배기시간(= 처리시간)이 길어져 생산성이 저하한다고 하는 문제가 있다.
특히 근년, 상기 특허문헌 2에 개시되어 있는 바와 같은 ALD(Atomic Layer Depositon) 막 형성 연구가 활발히 행해지고 있지만, ALD는 가스의 도입/배기를 수십 사이클 반복하는 수법이기 때문에, 사이클당 가스 배기시간의 단축효과는 사이클수에 비례해 커진다. 따라서, 가스의 신속한 배기가 생산성의 향상에 크게 공헌하게 된다.
한편, 샤워 헤드 이외에 성막실내에 가스를 도입하는 방법은 몇 가지가 있다. 예를 들면, 가스 링 노즐이 있다. 그러나 가스 링 노즐은 링으로의 가스 도입구(링에 매달은 직선상의 가스 배관)에 가까운 구멍이 가스의 분출 속도가 빠르고, 그 결과, 가스 도입구에 가까운 쪽의 구멍으로부터의 가스 공급량이 많아져 버린다. 이에 의해, 막 두께 분포, 조성 분포 등의 막성능에 악영향을 주어 버린다. 특히, CVD 프로세스는 가스 흐름의 영향이 매우 강하게 막에 나타나 버리기 때문에, 대량생산장치에서는 상술한 샤워 헤드가 채용되고 있다.
또, 디바이스의 신뢰성 확보 및 공정 열화의 저감을 목적으로 해 성막온도의 저온화 요망이 강하다. 성막온도를 저온화하려면, 저온에서도 반응이 개시하도록(혹은 촉진하도록) 반응가스를 활성화하는 것이 유효하게 된다. 활성화한 반응가스, 즉 래디칼 가스를 도입하여 막 형성하는 방법은, 기판상에서의 반응온도를 낮게 억제할 수 있기 때문이다.
다른 한편으로, 래디칼 가스는 금속에 접하면 실활(失活)하는 성질이 있기 때문에, 석영관이나 고순도 세라믹스관으로 성막실에 도입할 필요가 있다. 또, 래디칼 가스는 반응성이 높고, 원료가스에 접촉하면 기상(氣相)반응하기 때문에, 래디칼 가스와 원료가스를 성막실 내로 따로따로 도입하지 않으면 안 된다. 더욱, 막 두께나 막재질, 막조성의 분포균일성을 확보하기 위해서, 원료가스 또는 원료가스와 반응가스의 혼합가스를 샤워 헤드 등의 가스 헤드를 통해 성막실에 도입하는 것이 필요하게 된다.
그렇지만, 샤워 헤드는 주로 금속제이기 때문에, 샤워 홀을 통과할 때에 래디칼 가스의 상당수는 금속면에 접촉해 실활해 버린다. 한편, 샤워 헤드를 석영이나 고순도 세라믹스로 제작하면 래디칼 가스의 실활은 저감할 수 있지만, 샤워 헤드의 제작비용은 더욱 커져, 매우 고가의 부품이 되어 버린다. 또, 상술한 바와 같이 막제거 가능성 혹은 재이용성, 컨덕턴스에 관한 문제도 여전히 남으므로, 반도체 제조비용의 저하 및 생산성의 향상은 바랄 수 없다.
이와 같이, 종래의 박막제조장치에 있어서는, 실활을 막기 위한 래디칼 도입 구조를 우선으로 하면 원료가스의 농도분포가 악화되어 면내 균일성을 얻지 못하고, 또, 원료가스의 농도분포를 우선으로 하면 래디칼이 실활 한다는 문제가 있었다.
본 발명은 상술의 문제를 감안해서, 저비용으로 래디칼 가스의 실활을 억제할 수 있고, 기판상에 원료가스를 균일하게 도입할 수가 있는 가스 헤드 및 박막제조장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
이상의 과제를 해결함에 있어서, 본 발명의 가스 헤드는 제1 가스가 도입되는 제1 가스도입구와, 제2 가스가 도입되는 제2 가스도입구와, 이 제2 가스도입구에 대향 배치되고 제2 가스를 분산시키는 분산판을 구비하고, 제2 가스도입구는 제1 가스도입구 주위를 둘러싸도록 복수 설치되어 있다.
본 발명의 가스 헤드에 있어서, 제2 가스도입구는 제1 가스도입구 주위에 복수 설치되어 있지만, 샤워 홀 등과 같은 미세한 구멍으로 할 필요는 없다. 즉, 본 발명에서는, 분산판에 의한 분산작용으로 제2 가스농도의 균일화를 꾀하도록 해, 구성의 간소화와 세정에 의한 반복 사용을 가능하게 하고 있다.
본 발명의 가스 헤드에 있어서는, 샤워 홀 등과 같이 미세한 구멍을 필요로 하지 않으므로, 가스 헤드의 가공비용을 저감하고, 부착막의 완전 제거도 가능해진다. 또, 컨덕턴스의 저하도 영향이 적기 때문에, 성막실의 배기시간 단축에 기여한다. 더욱 반응가스에 래디칼 가스가 이용되어도, 래디칼의 실활을 억제할 수가 있으므로, 성막온도의 저온하를 실현할 수 있다. 덧붙여 가스 헤드의 구성 재질은 금속이라도 좋고, 석영 유리나 고순도 세라믹스이어도 좋다.
본 발명의 가스 헤드의 구성으로서는, 중앙부에 제1 가스도입구가 형성되고 그 주위에 복수의 제2 가스도입구가 형성된 베이스 부재와, 이 베이스 부재에 간격을 두고 대향 배치되고 복수의 제2 가스도입구를 차폐함과 함께 상기 개구를 가지는 분산판을 구비한다.
반응가스에 래디칼 가스를 이용하는 경우에는, 성막실로의 도입전에 반응가스를 여기할 수 있도록, 가스 헤드 상류측에 래디칼원을 배치하는 것이 적합하다. 래디칼원으로서는, 고온 가열한 촉매선이나 마이크로파 발생원 혹은 플라스마 발생원 등이 적용된다.
제2 가스의 균일 분산을 꾀하기 위해서는, 제2 가스도입구를 제1 가스도입구에 대해 각각 등거리상에 배치하거나, 제2 가스도입구를 제1 가스도입구 주위에 등각도 간격으로 배치하는 것이 적합하다. 또, 제2 가스도입구에 대향 배치되는 분산판은 적당한 간격을 두어 배치될 필요가 있다.
바람직하게는, 분산판의 제2 가스도입구와 대향하는 영역과, 해당 분산판의 개구 주연과의 사이 거리(L)가, 적어도 50㎜ 이상이면 좋다. 또, 상기 거리(L)에 대한 베이스 부재와 분산판 사이의 간격(G) 비(G/L)는 0.04 이하로 한다.
제2 가스도입구의 개구경은 특히 한정되지는 않지만, 예를 들면, 제1 가스도입구의 개구경보다 작게 형성된다. 제2 가스도입구의 수도 특히 제한되지 않고, 적어도 2개 이상이면 좋지만, 수가 많을수록 제2 가스농도의 균일성을 높일 수가 있다.
또, 스테이지와 분산판 사이의 거리(S)는 40㎜ 이하로 한다. 이 경우, 분산판의 개구 면적은 스테이지상에 재치되는 피처리기판 면적의 0.25배 이상으로 하는 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 박막제조장치의 배관구성도이다.
도 2는 반응가스원 구성의 일례를 나타내는 도이다.
도 3은 반응가스원 구성의 다른 예를 나타내는 도이다.
도 4는 박막제조장치의 개략 단면도이다.
도 5는 본 발명에 관한 가스 헤드의 구성을 나타내는 도이고, A는 평면도, B는 측단면도, C는 저면도이다.
도 6은 본 발명에 관한 가스 헤드의 다른 구성예를 나타내는 도이고, A는 평면도, B는 측단면도, C는 저면도이다.
도 7은 성막가스 도입형태의 일례를 나타내는 타이밍도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 대해 설명하는 샘플막의 오제이 전자분광분석도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 대해 설명하는 샘플막의 기판면내 분포의 일 실험 결과이고, A는 비교예, B는 실시예를 나타내고 있다.
도 10은 샤워 헤드의 개략구성도이다.
*부호의 설명*
10: 박막제조장치 11: 성막실
12: 진공챔버 13: 가스 헤드
14: 스테이지 21: 반응가스 공급라인
22: 원료가스 공급라인 23: 래디칼원
24: 바이패스 배관 25: 진공배기라인
26: 진공배기장치 30A: 반응가스 도입구
30B: 원료가스 도입구 31: 베이스 부재
32: 분산판 33: 스페이서
34: 개구 D: 개구 직경
d: 반응가스 도입구의 직경 G: 베이스 부재와 분산판과의 간격
L: 차폐거리 S: 분산판과 스테이지간의 거리
W: 기판
이하, 본 발명의 실시형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 박막제조장치(10)의 성막가스 공급라인 및 진공배기라인의 배관구성도이다. 덧붙여, 본 명세서에 있어서 「성막가스」란, 화학반응에 이용하는 원료가스, 반응가스, 불활성가스 등의 단일가스 또는 혼합가스를 말한다.
박막제조장치(10)는 성막실(반응실; 11)을 내부에 형성하는 진공챔버(12)와, 성막실(11)에 원료가스 및 반응가스를 도입하는 가스 헤드(13)와, 성막실(11)에 설치되고 반도체 웨이퍼나 유리기판 등의 피처리기판(이하 「기판」이라 함; W)을 지지하는 스테이지(14)를 구비하고 있다.
성막실(11)은 진공배기라인(250을 통해 진공배기장치(26)에 접속되어 있고, 메인 밸브(V0)를 여는 것으로 소정의 감압분위기에서 진공배기 가능하게 구성되어 있다. 스테이지(14)는 가스 헤드(13)에 대향해 배치되어 있다. 이 스테이지(14)는 예를 들면 핫 플레이트로 되고, 이 스테이지(14) 위에 재치되는 기판(W)을 소정온도로 가열 가능하게 되어 있다.
가스 헤드(13)는 상세를 후술하는 바와 같이, 반응가스원에 연락하는 반응가스 공급라인(21)과, 원료가스원과 연락하는 원료가스 공급라인(22)이 각각 접속되어 있고, 성막실(11) 내에 반응가스, 원료가스 또는 이러한 혼합가스를 도입한다. 특히, 가스 헤드(13)는 스테이지(14)상의 기판(W)에 대해서 원료가스를 면내 균일하게 도입하는 기능을 가지고 있다.
여기서, 반응가스는 본 발명의 「제1 가스」에 대응하고, 원료가스는 본 발명의 「제2 가스」에 대응한다. 또한 후술하는 바와 같이, 제1 가스로서 반응가스에 대신해 또는 반응가스와 함께 불활성 가스가 이용되는 일도 있다. 반응가스로서는, NH3(암모니아 가스)나 H2(수소 가스) 등이 이용된다. 원료가스로서는 성막 금속(Ta, Cu, Al, Ti, Zr, V, Nb)의 유기 금속재료가 이용되고 성막 대상(배선막, 배리어막 등)에 맞추어 선택된다. 이 경우, 반응가스에 활성화된 암모니아 가스등의 질화가스를 이용하는 것으로 이들 금속의 질화막이 제작된다. 불활성 가스로서는 N2나 Ar이 이용된다.
여기서, 반응가스원에 대해 설명한다. 반응가스원은 도 2에 나타내듯이 매스 플로우 콘트롤러(MFC)를 이용해 가스 유량을 제어할 수 있는 일반적인 가스원(반응가스원, 불활성가스원 등)이다. 이 가스원은 집적에 의해 1개의 가스원으로부터 복수의 가스를 내는 것이 가능하다. 도 3에 가스원의 집적예를 나타낸다. 도시의 예에 있어서, 반응가스 1은 NH3, 반응 가스 2는 H2, 불활성 가스는 N2이다. 이러한 단일가스 또는 혼합가스를 가스원으로서 이용할 수가 있다.
원료가스원은 고체 또는 액체의 유기 금속 원료를 가스화해 원료가스로 하는 시스템이 이용되고 있다. 액체 원료의 경우는 액을 기화기에 보내 기화하는 기화 시스템 또는 버블링 시스템이 이용된다. 고체 원료의 경우는 고체를 가열 액화한 후 기화기에서 기화하는 원료 가열 시스템과 기화 시스템의 복합 시스템, 또는 가열 시스템과 버블링 시스템의 복합 시스템, 혹은 고체 원료를 가스화하는 승화 시스템 등이 이용된다. 덧붙여 원료가스는 유기 금속재료에 한정되지 않고, WF6 등의 반도체 제조 프로세스에서 일반적으로 사용되고 있는 가스를 사용하는 것도 가능하다.
성막실(11)에 도입된 반응가스 및 원료가스는 서로 화학반응을 일으켜 기판(W)상에 금속 박막을 형성한다. 부생성물이나 잉여가스는, 진공배기라인(25)을 통해 배기된다.
반응가스와 원료가스는 성막실(11)내에 동시에 도입되어도 좋고, 따로따로 도입되어도 좋다. 원료가스 공급라인(21)은 제1 밸브(V1)를 개폐하는 것으로 원료가스의 도입/비도입의 전환이 된다. 덧붙여 제1 밸브(V1)의 폐쇄시, 제2 밸브(V2)를 개방하는 것으로 원료가스가 바이패스 배관(24)을 통해, 성막실(11)을 경유하지 않고 배기할 수도 있도록 구성되어 있다. 이 경우, 제2 밸브(V2)는 성막시에 폐쇄하고 성막 종료후에 개방한다. 이러한 방법으로 원료가스를 공급하는 것으로, 성막실(11)에 원료가스를 안정하게 도입하는 것이 가능해진다.
또, 반응가스를 활성화시켜 성막실(11)에 도입하는 것도 가능하다. 본 실시형태에서는, 반응가스 공급라인(21)을 통해 공급되는 반응가스를 여기해 래디칼을 생성하기 위한 래디칼원(23)을 가스 헤드(13) 근방에 설치하고 있다. 래디칼원(23)으로써는, 예를 들면, 고온 가열된 촉매선이 이용된다.
다음으로, 가스 헤드(13)는 기판(W) 표면에 원료가스를 균일한 농도로 공급하는 기능을 가지고 있어, 이에 의해 기판(W)에 형성되는 박막의 막두께, 막재질, 막조성의 면내 균일성을 확보하도록 하고 있다. 이하, 이 가스 헤드(13)의 상세에 대하여 설명한다. 도 4는 박막제조장치(10)의 개략구성도이고, 도 5는 가스 헤드(13)의 (A) 평면도, (B) 측단면도 및 (C) 저면도이다.
가스 헤드(13)는 베이스 부재(31)와 분산판(32)과 스페이서(33)의 조합체로 구성되고, 진공챔버(12) 상부에 설치되어 있다. 베이스 부재(31)와 분산판(32) 사이는 이들 최외주부에 있어 볼트 등의 체결수단(도시생략)을 통해 착탈자재하게 조립되어 있다. 또한 필요에 따라서, 베이스 부재(31)와 분산판(32) 사이에 씰부재가 개재되어 있어도 좋다.
가스 헤드(13)를 구성하는 베이스 부재(31), 분산판(32), 스페이서(33)은 각각 알루미늄이나 스텐레스강 등의 금속제로 되지만, 석영이나 고순도 세라믹스 등으로 구성되어도 좋고, 사용되는 가스의 종류 등에 따라 적절히 선정할 수가 있다.
베이스 부재(31) 중앙부에는 반응가스가 도입되는 반응가스 도입구(제1 가스도입구; 30A)가 설치되어 있고, 이 반응가스 도입구(30A) 주위에는 원료가스가 도입되는 원료가스 도입구(30B)가 설치되어 있다. 반응가스 도입구(30A)는 스테이지(14) 위의 기판(W) 중앙부에 위치하고 있다. 원료가스 도입구(30B)는 도 5A에 나타내듯이, 반응가스 도입구(30A) 주위를 둘러싸도록 복수(본 예에서는 4개) 설치 되어 있다.
원료가스 도입구(30B)의 개구직경은 특히 한정되지 않지만, 본 실시형태에서는 반응가스 도입구(30A)보다도 작은 지름으로, 각각 동일 지름(예를 들면 직경 15㎜)의 환공으로 형성되어 있다. 각각의 원료가스 도입구(30B)는 반응가스 도입구(30A)에 대해서 각각 등거리 상에 배치되어 있다. 또, 각각의 원료가스 도입구(30B)는 원료가스 도입구(30A) 주위에 등각도 간격으로 배치되어 있다.
분산판(32)은 원료가스 도입구(30B)를 차폐하도록 베이스 부재(31)의 아랫면에 대향 배치되어 있다. 분산판(32)과 베이스 부재[31{원료가스 도입구(30B)}] 사이의 간격은 스페이서(33)의 두께로 조정된다. 스페이서(33)는 단독 부품으로 구성되어 있어도 좋고, 베이스 부재(31)의 아래면 주연 혹은 분산판(32)의 상면 주연에 일체 형성되어 있어도 좋다.
분산판(32) 중앙부에는 반응가스 도입구(30A)와 대향하는 영역에 개구(34)가 설치되어 있다. 개구(34) 형상은 임의적이지만, 본 실시형태에서는 반응가스 도입구(30A)의 개구경보다도 큰 지름의 환공으로 되어 있다(도 5C). 덧붙여 반응가스 도입구(30A)는 분산판(32)측으로 향함에 따라 개구경이 커지는(d1<d2) 원추대 형상으로 되어 있지만, 이에 한정하지 않고, 개구경(d)이 불변의 직원통 형상이라도 좋다.
분산판(32)의 개구(34) 면적(혹은 직경 D)으로서는, 스테이지(14)상에 재치되는 기판(W) 면적에 대응해 설정할 수가 있다. 본 실시형태에서는, 개구(34) 면적, 기판(W) 면적의 0.25배 이상으로 설정되어 있다. 이 경우, 스테이지(14)와 분 산판(32) 사이의 거리(S)는 40㎜이하로 한다.
도 5C에 나타내듯이, 분산판(32) 상의 원료가스 도입구(30B)와의 대향 영역과 개구(34) 주연 사이의 거리(이하 「차폐거리」라고 함; L) 크기는, 너무 작으면 원료가스의 분산방향이 고정화되어 분산성이 악화된다. 이 때문에, 본 실시형태에서는 차폐거리(L) 크기를 적어도 50㎜이상으로 하고 있다.
또, 분산판(32)과 베이스 부재(31)의 간격(G; 도 5B) 크기는 필요 이상으로 작으면 원료가스의 유속이 너무 커져 분산성이 나빠진다. 그래서, 본 실시형태에서는, 차폐거리(L) 크기에 맞추어 스페이서(33)의 형성 두께(G)도 조정하도록 하고 있고, 본 실시형태에서는 G/L 크기가 0.04 이상이 되도록 하고 있다. 따라서, L=50㎜의 경우, G의 크기는 2㎜이상이 된다.
또, 가스 헤드(13)와 베이스 부재(31) 및 분산판(32)은 도 5에 나타낸 바와 같은 평면으로 보아 원형상의 것에 한정하지 않고, 도 6에 나타내듯이 평면으로 보아 정방형상 등의 사각상의 것이라도 좋다. 도 6의 예에서는 각각의 원료가스 도입구(30B)는 베이스 부재(31)의 대각위치에 각각 형성되어 있다. 또한, 도 6에 대해 도 5와 대응하는 부분에 대해서는 각각 동일의 부호를 붙이고 있다.
다음에, 이상과 같이 구성되는 본 실시형태의 박막제조장치(10) 및 가스 헤드(13)의 작용에 대해 설명한다.
반응가스 도입구(30A)에 도입된 반응가스(또는 래디칼 가스, 불활성 가스)는 분산판(33)의 개구(34)를 통해 직하방에 배치된 스테이지(14)상의 기판(W) 표면에 공급된다. 한편, 원료가스는 복수의 원료가스 도입구(30B)에 동시에 도입되어 분산 판(32)에 의해 분산된다. 분산된 원료가스는 분산판(32)의 개구(34)를 통해 스테이지(14) 주위에 형성되는 배기흐름에 따라 기판(W) 표면에 공급된다.
본 실시형태의 가스 헤드(13)에 있어서는, 원료가스 도입구(30B)를 복수 개소에 설치해, 각각의 가스도입구로부터 도입된 원료가스를 분산시켜 개구(34)의 형성 위치에 집약하는 것으로, 기판(W) 표면 전역에서 항상 면내 균일한 가스량으로 원료가스를 도입한다. 이에 의해 기판(W)에 형성되는 박막의 막두께, 막재질, 막조성의 면내 균일성을 확보할 수 있다.
원료가스와 반응가스는 성막실(11)에 동시에 도입되어도 좋고, 따로따로 도입되어도 좋다. 또, 반응가스를 래디칼원(23)으로 여기해 활성화된 래디칼 가스로서 성막실(11)에 도입해도 좋다. 더욱, 반응가스에 대신해 또는 반응가스와 함께 불활성 가스가 도입되어도 좋다. 즉, 성막 프로세스의 종류에 따라 이들 성막가스의 도입형태를 다르게 할 수가 있다.
예를 들면, 통상의 CVD(MOCVD)법에 있어서는, 가스 헤드(13)에 대해서 반응가스와 원료가스가 동시에 도입되어 기판(W)의 막 형성을 한다. 이때의 성막가스 도입예를 도 7A에 나타낸다. 불활성 가스는 반응가스용 캐리어 가스로서 이용된다. 반응가스와 원료가스는 가스 헤드(13)의 개구(34)와 스테이지(14) 사이의 반응공간에서 혼합되고, 원료가스는 반응가스와의 접촉에 의해 화학반응을 일으켜, 그 반응생성물이 기판(W) 위에 퇴적하여 소정의 금속막을 형성한다. 특히, 반응가스에 암모니아 가스 등의 질소를 포함한 가스를 이용하는 것으로 금속 질화막을 형성할 수가 있다. 반응에 의해 생성한 부생성물이나 잉여 성막가스는 스테이지 주 위를 통해 성막실(11) 외부로 배기된다.
본 실시형태에 의하면, 가스 헤드(13)에 의해 원료가스를 기판 표면에 균일하게 도입할 수가 있으므로, 성막되는 금속막의 막두께나 막재질, 막조성 등의 면내 균일성을 안정하게 얻을 수 있다. 또, 가스 헤드(13) 자체의 구성도 간소하고, 샤워 홀과 같은 미세 구멍은 설치되지 않기 때문에, 분해 세정이 용이하게 행해지고 반복사용도 가능하다. 이에 의해, 가스 헤드의 사용 비용 저감을 꾀할 수가 있다.
더욱이, 본 실시형태의 가스 헤드(13)에 있어서는 반응가스와 원료가스를 성막실(11)에 따로따로 도입하고 있으므로, 도입전에 있어서의 반응을 막을 수가 있다. 이에 의해, 가스공급라인의 클린도를 높여 안정된 가스공급과 메인터넌스 사이클의 장기화를 꾀할 수가 있다.
반응가스는 래디칼원(23)에 의해 활성화해 래디칼 가스로서 성막실(11)에 도입할 수가 있다. 이에 의해, 기판(W)의 성막온도를 저온하할 수 있고 디바이스의 신뢰성 확보와 기판(W)의 공정 열화를 억제할 수가 있다. 특히, 본 실시형태의 가스 헤드(13)는 가스의 도입 경로에 샤워 홀과 같은 미세 구멍이 이용되지 않기 때문에, 래디칼의 실활을 억제해, 기판의 저온 성막을 유지할 수가 있다.
한편, 반응가스와 원료가스가 성막실(11)에 교대로 도입된다. 이러한 성막가스의 도입형태는, ALD(Atomic Layer Deposition) 성막 프로세스에 적합하게 이용할 수 있다. ALD 성막법은 반응가스(래디칼 가스) 및 원료가스 가운데, 한쪽의 가스를 성막실에 도입한 후 배기하고, 다시 다른 한쪽의 가스를 성막실에 도입한 후 배기하는 공정을 여러 차례 실시하는 것으로, 기판(W)상에 금속 박막을 수원자층 단위로 퇴적시키는 성막 프로세스이다(상기 특허문헌 2 참조).
도입한 가스의 배기에는 불활성 가스가 어시스트 가스로서 이용되는 경우가 많다. 어시스트 가스는 반응가스 또는 원료가스를 성막실(11)로부터 재빠르게 내쫓는 기능과, 성막실(11)의 압력 변화를 최소한으로 억제해 기판온도의 변화를 저감하는 기능을 가지고 있다.
이러한 ALD 프로세스의 가스도입 타이밍 예를 도 7B, C에 나타낸다. 도 7B의 예는 반응가스 및 원료가스의 도입시에 불활성 가스가 동시에 도입되는 예를 나타내고 있고, 도 7C의 예는 반응가스의 도입시에 불활성 가스의 도입이 정지되는 예를 나타내고 있다. 이들의 가스도입 타이밍은 일례이며, 프로세스마다 최적인 도입 플로우가 채용된다.
본 실시형태에 의하면, 가스 헤드(13)의 가스도입 경로에 샤워 홀과 같은 미세 구멍이 이용되지 않기 때문에, 가스 헤드(13)를 통해 가스의 배기를 신속히 행할 수 있고, 상술한 바와 같은 ALD 프로세스에 있어 가스의 치환 시간이 단축되어 생산성 향상을 꾀할 수가 있다.
실시예
이하, 본 발명의 실시예에 대해 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되지 않는다.
도 5를 참조하여 설명한 가스 헤드(13)를 제작하고 진공챔버에 조립했다. 여기서, 반응가스 도입구(30A)의 개구경은 100㎜(d1=d2), 원료가스 도입구(30B)의 개구경은 15㎜, 원료가스 도입구(30B)와 분산판(32)과의 간격(G)은 2㎜, 분산판(32)의 개구(34) 직경(D)은 240㎜, 분산판(32)의 차폐거리(L)는 50㎜, 스테이지(14)와 분산판(32) 사이의 거리(S)는 35㎜로 했다.
성막가스를 도입하여 TaN막을 제작했다. 성막가스의 종류, 유량 등의 성막조건은 이하와 같다.
·원료가스: PEMAT: Ta[N(CH3)(C2H6)]5 0.7㎎/min
N2(캐리어 가스) 50Osccm
·반응가스: NH3 200sccm
·분압조정/어시스트 가스: Ar 460sccm
·성막압력: 압력조정밸브에 의해 항상 1Torr 일정하게 조정.
·기판온도: 318℃
상온에서 액체의 PEMAT를 이용함에 있어, 원료가스원은 기화 시스템을 이용했다. 기화기에서는 N2{PEMAT의 무화(霧化)를 보조하고 캐리어로 하여도 일어남}와 기화한 PEMAT의 혼합기체(=원료가스)가 만들어진다.
또, 반응가스원으로부터 래디칼원(23)에 NH3를 도입하고, NH3 원자가 활성화된 래디칼 가스로서 성막실(11)에 도입했다. 성막은 기판(W)을 스테이지(14)에 재치하고, 성막실(11)에 성막가스를 도입하여 행했다.
성막가스의 도입순서는 원료가스→어시스트 가스→래디칼 가스→어시스트 가 스로 하고, 이 사이클을 여러 차례 반복했다. 원료가스로서 Ta막을 생성시키고, 래디칼 가스는 Ta막중의 불순물을 제거하고, Ta막을 질화시켜 TaN막을 생성시키는 것으로, 기판상에 막두께 30㎚의 TaN막을 막 형성했다.
도 8은 제작한 TaN막의 AES(Auger Electron Spectroscopy: 오 제이 전자분광분석)에 의한 분석결과를 나타내고 있다. 막두께방향으로 일정한 조성막이 형성되고 있어 성막과정에서의 원료가스 공급농도가 안정되게 유지되고 있는 것을 알 수 있다.
또, 래디칼의 실활이 억제되고, 기판온도가 318℃에서도 양질의 TaN막을 제작할 수가 있었다. 즉, 래디칼 가스를 이용하지 않는 통상의 MOCVD법에서는 400℃이상의 기판온도가 필요한 것에 비해, 성막온도의 저온하가 실현되는 것을 알 수 있었다.
다음으로, 도 9는 제작한 TaN막의 기판면내의 비저항(막두께) 분포를 나타내고 있고, A는 가스 헤드(13) 분산판(32)의 차폐거리(L) 크기가 30㎜일 때, B는 차폐거리(L) 크기가 50㎜일 때의 도면이다. 도면중, 면내 파선은 분포 기울기의 등고선에 상당한다. 또, 도면중 화살표는 원료가스 도입방향(4방향)을 나타내고 있다.
도 9A에 나타내듯이, 차폐거리(L)가 30㎜인 경우는, 면내의 비저항 분포가 원료가스 도입방향과 그 이외의 방향으로 크게 차이가 난다. 이는 가스도입구 부근에서의 막두께가 크고 비저항 분포에 영향을 미치고 있기 때문이다.
이에 대해서, 도 9B에 나타내듯이 차폐거리(L)가 50㎜인 경우는, 원료가스 도입방향에 관계없이, 기판 주연부에서 중심부로 향해 한결같은 비저항 분포로 추이(推移)하고 있고, 면내 분포균일성이 개선되고 있는 것을 알 수 있었다. 면내 분포의 균일성은 분산판(32)의 차폐거리(L)가 큰 만큼 높기 때문에, 본 예의 경우, 차폐거리(L)는 적어도 50㎜ 이상이면 양호한 면내 분포균일성을 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다.
이상 본 발명의 실시형태에 대해 설명했지만, 물론, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상에 근거하여 여러 가지의 변형이 가능하다.
예를 들면 이상의 실시형태에서는, 원료가스 도입구(30B)를 반응가스 도입구(30A) 주위에 합계 4개소 설치했지만, 물론 이 수로 한정되는 것은 아니고, 더욱이 설치수를 증가해도 좋다. 또, 각 가스도입구(30A, 30B)의 개구형상은 원형으로 한정하지 않고, 타원상이나 원호상, 사각형상 등으로 해도 좋다.
또, 분산판(32)에 의한 원료가스의 분산기능을 높이기 위해서, 원료가스 도입구(30B)에 대향하는 분산판(32)상의 영역을 조면화(粗面化)해도 좋다. 또, 원료가스를 분산시킨 후의 가스 도입방향을 제어하기 위해서, 개구(34) 주연을 하향 테이퍼상으로 형성해도 좋다.
더욱이, 이상의 실시형태에서는 본 발명에 관한 가스 헤드(13)를 박막제조장치(10)에 적용한 예에 대해 설명했지만, 이에 대신해, 에칭장치용 가스 헤드로서 적용하는 것도 가능하다. 이 경우, 상술한 실시형태에 있어 반응가스 도입구(3OA)에 대응하는 제1 가스도입구에는 예를 들면 H2가스나 N2가스를 도입하는 것이 가능 하고, 원료가스 도입구(30B)에 대응하는 제2 가스도입구에는 NH3가스를 도입하는 것이 가능하다.
이상 기술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 샤워 홀과 같은 복수의 미세 구멍을 필요로 하지 않고 가스 농도의 분산 균일화를 꾀할 수가 있다. 이에 의해, 가스 헤드의 저비용화, 세정에 의한 재이용 및 고컨덕턴스화를 실현하고, 반도체 디바이스의 생산비용의 저감과 생산성의 향상을 꾀할 수가 있다. 또, 반응가스에 래디칼 가스를 이용할 때에 래디칼의 실활을 억제할 수 있으므로, 성막온도의 저온화를 가능하게 하고, 디바이스의 신뢰성 확보와 공정 열화의 저감을 꾀하는 것이 가능해진다.

Claims (15)

  1. 제1 가스가 도입되는 제1 가스도입구와,
    제2 가스가 도입되는 제2 가스도입구와,
    상기 제2 가스도입구에 대향 배치되고 상기 제2 가스를 분산시키는 분산판을 구비하고,
    상기 제2 가스도입구는 상기 제1 가스도입구 주위를 둘러싸도록 복수 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 헤드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 제2 가스도입구는 상기 제1 가스도입구에 대해서 각각 등거리 상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 헤드.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 제2 가스도입구는 상기 제1 가스도입구 주위에 등각도 간격으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 헤드.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1, 제2 가스도입구는 상기 분산판에 틈(간격)을 두고 대향 배치된 베이스 부재에 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 헤드.
  5. 제4항에 있어서, 상기 분산판에는 상기 제1 가스도입구와 대향하는 영역에, 해당 제1 가스도입구보다도 큰 개구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 헤 드.
  6. 제4항에 있어서, 상기 제1 가스도입구는 상기 분산판측으로 향함에 따라 개구경이 커지게 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 헤드.
  7. 성막실과, 이 성막실을 진공 배기하는 배기수단과, 상기 성막실내에 설치되어 피처리기판을 지지하는 스테이지와, 상기 스테이지에 대향 배치되고 상기 성막실내로 성막가스를 도입하는 가스 헤드를 구비한 박막제조장치에 있어서,
    상기 가스 헤드는,
    중앙부에 제1 성막가스 도입용 제1 가스도입구가 형성되고, 이 제1 가스도입구 주위에 제2 성막가스 도입용 복수의 제2 가스도입구가 형성된 베이스 부재와,
    상기 베이스 부재에 간격을 두고 대향 배치되고, 상기 복수의 제2 가스도입구를 차폐하는 것과 함께 상기 제1 가스도입구와 대향하는 영역에는 개구를 가지는 분산판을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 박막제조장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제2 가스도입구는 상기 제1 가스도입구에 대해서 각각 등거리 상에 등각도 간격으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 박막제조장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 분산판의 개구 면적은 상기 제1 가스도입구 면적보다도 큰 것을 특징으로 하는 박막제조장치.
  10. 제7항에 있어서, 상기 가스 헤드에는 상기 제1 성막가스를 여기하는 래디칼원이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 박막제조장치.
  11. 제7항에 있어서, 상기 제1 성막가스는 반응가스 또는 불활성 가스이고, 상기 제2 성막가스는 원료가스인 것을 특징으로 하는 박막제조장치.
  12. 제7항에 있어서, 상기 분산판의 상기 제2 가스도입구와 대향하는 영역과, 해당 분산판의 개구 주연 사이의 거리가 적어도 50㎜이상인 것을 특징으로 하는 박막제조장치.
  13. 제7항에 있어서, 상기 분산판의 상기 제2 가스 도입구와 대향하는 영역과, 해당 분산판의 개구 주연과의 사이 거리(L)에 대한 상기 베이스 부재와 상기 분산판 사이의 간격(G) 비(G/L)는 0.04 이하인 것을 특징으로 하는 박막제조장치.
  14. 제7항에 있어서, 상기 분산판의 개구 면적은 상기 스테이지 상에 재치되는 피처리기판 면적의 0.25배 이상인 것을 특징으로 하는 박막제조장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 스테이지와 상기 분산판 사이의 거리가 40㎜이하인 것을 특징으로 하는 박막제조장치.
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