TW201433652A - 成膜裝置 - Google Patents

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Abstract

[課題]提供一種反應氣體與置換氣體之更換性高且可形成面內均勻性佳的膜之成膜裝置。[解決手段]在對真空環境之處理室內的基板(W)依序供給相互反應之複數個種類的反應氣體並進行成膜處理的成膜裝置中，與載置有基板(W)之載置部(2)對向設置，天井部(31)係具有從中央朝向外周逐漸擴展之形狀的傾斜面構造。設於該天井部(31)之中央區域的複數個氣體供給部(4)中，沿著圓周方向形成有複數個氣體吐出口(42)，而以從下方側覆蓋該些氣體供給部(4)的方式予以設置的噴頭(5)係經由複數個氣體供給口，朝向基板(W)噴灑狀地供給氣體。且，該噴頭(5)的外緣係位在比載置於載置部(2)之基板(W)的外緣更內側處。

Description

成膜裝置
本發明係對基板依序供給相互反應之複數個種類的反應氣體且形成膜的成膜裝置。
作為在基板之例如半導體晶圓(以下稱為「晶圓」)形成膜的手法，已知有被稱為對晶圓依序供給相互反應之複數個種類的反應氣體即所謂的ALD(Atomic Layer Deposition)法或MLD(Multi Layer Deposition)法(以下，將該些總稱為ALD法)等的方法。
在這樣的成膜方法中，提出對晶圓供給反應氣體之各種氣體供給機構。例如在引用文獻1、2中記載有噴頭，該噴頭係藉由上下隔開一間隔配置複數片板體，經由中段之板體構成上下層疊的氣體擴散空間(引用文獻1中係記載為空間11a、11b；引用文獻2中係記載為氣體擴散空間50、空間81)，並設置有從各個擴散空間朝最下層之噴灑板之下面形成開口的多數個氣體流路。
上述型式之噴頭，係從相互隔離之氣體擴散空間各別供給複數個種類的反應氣體，因此，能夠避免氣 體擴散空間內的反應氣體彼此混合，且能夠防止噴頭內的反應生成物沈積。
另一方面，為了從上下層疊的各氣體擴散空間，以不相互混合的方式供給反應氣體，因此，必須設置多數個貫穿下段側之氣體擴散空間且與上段側之氣體擴散空間連通的氣體流路用之導管，而使噴頭的構造變得非常複雜。
對於該課題，申請人開發了一種簡單構成的噴頭，該噴頭係在共通的氣體擴散空間進行切換並供給複數個種類的反應氣體。在利用共通的氣體擴散空間之情況下，為了防止反應生成物沈積，因此，必須在供給一反應氣體後直到供給接下來的反應氣體之間，供給惰性氣體等並進行氣體的置換。
在進行反應氣體的置換時，儘可能縮短置換操作所需的時間將成為有效地進行成膜的重要課題。又，近年來，有時會要求將以奈米級所成膜之膜的晶圓面內之膜厚的均勻性(例如後述之M-m值)設為5%左右以內，因此，望能開發一種不僅具有更換性佳且更能夠實現面內均勻性佳之成膜的噴頭。
對於該些要求，記載於引用文獻1、2的噴頭，係具備涵蓋對應於晶圓全面之區域而擴展的大氣體擴散空間，即使對氣體擴散空間的一側切換並供給反應氣體或置換氣體，亦需要長時間來進行置換操作。
又，在引用文獻1、2中，記載有對各氣體擴散空間供給反應氣體的氣體供給部(關於引用文獻1，係 設於管部10j的吐出口121；關於引用文獻2，係具備吐出口55之吐出埠56及氣體吐出管83)。但是，並未揭示在切換並供給反應氣體或置換氣體的噴頭中，對提高所進行成膜之膜的均勻性，應具備有該些氣體供給部之特別的技術特徵。
在此，申請人係藉由如引用文獻3所示，在具有從中央朝向外周逐漸擴展之形狀之傾斜面構造之天井部的中央區域中，設置面積小於成膜對象為晶圓的噴頭(在同文獻中係記載為「氣體供給噴嘴」)，來開發一種提高更換性的成膜裝置。
其中，多數個穿設在噴頭的氣體供給口中，例如將氣體導入至噴頭內之氣體供給路徑的正下方位置與遠離該位置的位置相比，從位於氣體供給路徑之正下方的氣體供給口流出之反應氣體的流速會變快。該結果，根據從各氣體供給口流出之氣體流速的不同，吸附於晶圓之反應氣體的量會有所差異，且在晶圓面內膜的厚度恐怕會稍微產生變化。但是，如上述，當M-m值被要求為設成5%以內的高面內均勻性，則亦必須改善該稍微產生變化之膜厚的差異。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2002-327274號公報： 0032~0034段；圖1、3、6、7
[專利文獻2]日本特開2006-299294號公報：0020、0024段；圖2、3、5
[專利文獻3]日本特開2009-224775號公報：0068~0072段；圖15~17
本發明係有鑑於該情況進行之發明，該目的係提供一種反應氣體與置換氣體之更換性高且可形成面內均勻性佳的膜之成膜裝置。
本發明之成膜裝置係對真空環境之處理室內的基板依序供給相互反應之複數個種類的反應氣體，在供給一反應氣體與供給接下來的反應氣體之間，供給置換用氣體並進行成膜處理，其特徵係具備：載置部，設於前述處理室，且載置有基板；天井部，與前述載置部對向設置，且具有從中央朝向外周逐漸擴展之形狀的傾斜面構造；複數個氣體供給部，設於前述天井部的中央區域，沿前述天井部之圓周方向形成氣體吐出口；噴頭，以從下方側覆蓋前述複數個氣體供給部的方式予以設置，並於與前述載置部對向之面形成複數個氣體供 給口；及排氣部，對前述處理室內進行真空排氣；前述噴頭的外緣，係位在比載置於前述載置部之基板的外緣更內側處。
上述之成膜裝置係亦可具備以下的特徵。
(a)形成於前述氣體供給部之氣體吐出口，係以平面觀看前述噴頭時，設於位在形成朝向該噴頭之中央部側與周緣部側擴展之氣體流向的位置。
(b)沿前述噴頭之圓周方向設有3個以上之前述氣體供給部。
(c)前述噴頭係具備沿著與前述載置部對向之面的外周而設的側壁部，在該側壁部設有朝向橫方向噴灑狀地供給氣體之複數個氣體供給口。
(d)前述基板為圓板，以平面觀看前述底面部時的形狀為圓形，而將前述圓板之半徑設為R，將前述底面部之圓的半徑設為r時，r/R的值係在4/15以上、2/3以下的範圍內。
本發明係使用面積小於成膜對象之基板的噴頭，並在該噴頭的內側設置複數個氣體供給部，因此能夠在短時間內置換反應氣體與置換用氣體。又，因為該噴頭係被設於具有從中央朝向外周逐漸擴展之形狀之傾斜面構造之天井部的中央區域，因此，基板與反應氣體接觸之空 間(處理空間)的容積變小，且在此亦能夠縮短置換反應氣體所需的時間。
且，在各氣體供給部中，沿天井部之圓周方向形成複數個氣體吐出口，反應氣體改變流動方向後，穿過設於噴頭之底面部的氣體供給口，因此，能夠均勻地從噴頭全面供給反應氣體，並提高成膜於基板之膜厚的面內均勻性。
W‧‧‧晶圓
1‧‧‧處理容器
2‧‧‧載置台
31‧‧‧頂板構件
313‧‧‧處理空間
4‧‧‧氣體供給部
41‧‧‧頭部
42‧‧‧氣體吐出口
5、5a~5c‧‧‧噴頭
51‧‧‧底面部
511‧‧‧氣體供給口
52‧‧‧側壁部
521‧‧‧氣體供給口
7‧‧‧控制部
[圖1]本發明之成膜裝置的縱剖面圖。
[圖2]前述成膜裝置的一部份擴大縱剖面圖。
[圖3]設於前述成膜裝置之頂板構件的立體圖。
[圖4]設於前述頂板構件之氣體供給部的縱剖面圖。
[圖5]表示前述氣體供給部之配置狀態之噴頭的橫剖平面圖。
[圖6]表示前述成膜裝置之作用的第1說明圖。
[圖7]表示前述成膜裝置之作用的第2說明圖。
[圖8]表示前述氣體供給部之其他配置狀態之噴頭的橫剖平面圖。
[圖9]第2例之成膜裝置之頂板構件的立體圖。
[圖10]第2例之成膜裝置的縱剖面圖。
[圖11]第3例之成膜裝置的縱剖面圖。
[圖12]第4例之成膜裝置的縱剖面圖。
[圖13]比較例之成膜裝置的縱向側視圖。
[圖14]表示實施例之成膜結果的第1說明圖。
[圖15]表示實施例之成膜結果的第2說明圖。
[圖16]表示比較例之成膜結果的說明圖。
[實施形態]
參閱圖1~圖5，說明本發明之實施形態之成膜裝置的構成。本成膜裝置係成膜對象為圓形的基板(圓板)，對例如直徑為300mm之晶圓W的表面，交互供給作為相互反應之反應氣體即氯化鈦(TiCl4)氣體(原料氣體)與氨(NH3)氣體(氣體氮化)，並藉由ALD法構成為形成氮化膜(TiN)的裝置。
如圖1、圖2所示，成膜裝置係藉由鋁等之金屬所構成，平面形狀大致為圓形的真空容器，具備：處理容器1，構成處理室；載置台(載置部)2，設於該處理容器1內，載置有晶圓W；頂板構件31，以與載置台2對向的方式設置，用於與載置台2之間形成處理空間313。在處理容器1的側面設有搬入搬出口11與閘閥12，該搬入搬出口11係在與載置台2之間進行晶圓W的收授時，用於使設於外部之真空搬送路徑的晶圓搬送機構進入至處理容器1內，該閘閥12係開/關該搬入搬出口11。
在位於比前述搬入搬出口11更上部側的位置，係由鋁等金屬所構成，使縱剖面之形狀為方形的管路圓環狀地彎曲而構成的排氣導管13，係以層疊於構成處理 容器1之本體之側壁上的方式予以設置。在排氣導管13的內周面形成有沿圓周方向延伸之狹縫狀的開口部131，從處理空間313所流出之氣體，係經由該開口部131被排氣至排氣導管13內。在排氣導管13的外壁面形成有排氣口132，該排氣口132中連接有由真空泵等所構成之排氣部65。排氣口132或排氣部65，係相當於處理空間313內進行真空排氣的排氣部。
在處理容器1內，於前述排氣導管13之內側的位置配置有載置台2。載置台2係由比晶圓W大的圓板構成，藉由例如氮化鋁(AlN)、石英玻璃(SiO2)等之陶瓷或鋁(Al)、赫史特合金(註冊商標)等的金屬而構成。在載置台2的內部，埋設有用於將晶圓W加熱至例如350℃~450℃之成膜溫度的加熱器21。又，因應所需，亦可設置未圖示之靜電夾盤，該靜電夾盤係用於將晶圓W固定於該載置台2之上面側的載置區域內。另外，在圖1以外的縱剖面圖中，省略加熱器21的記載。
在該載置台2中具備蓋構件22，該蓋構件22係以涵蓋圓周方向覆蓋前述載置區域之外周側的區域及載置台2的側周面之方式而予以設置。蓋構件22係由例如氧化鋁等所構成，上下端各自形成開口之概略圓筒形狀，且其上端部係朝向內側而涵蓋圓周方向沿水平方向彎曲。該彎曲部係在載置台2的周緣部被卡止，該彎曲部的厚度尺寸係比晶圓W的厚度尺寸(0.8mm)更厚，且形成為例如1mm~5mm範圍內的3mm。
在載置台2之下面側中央部，連接有貫穿處理容器1之底面並沿上下方向延伸之支撐構件23。該支撐構件23的下端部，係經由水平配置於處理容器1之下方側之板狀的支撐板232，與升降機構24連接。升降機構24，係在與由搬入搬出口11進入之晶圓搬送機構之間，在收授晶圓W之收授位置(以一點鏈線記載於圖1中)與該收授位置之上方側且對晶圓W進行成膜的處理位置之間，使載置台2進行升降。
在該支撐構件23所貫穿之處理容器1的底面與支撐板232之間，將處理容器1內的環境與外部區隔，且隨著支撐板232的升降動作進行伸縮的伸縮管231係以從圓周方向的外部側覆蓋前述支撐構件23的方式予以設置。
在載置台2的下方側，設有在與外部之晶圓搬送機構收授晶圓W時，從下面側支撐並抬起晶圓W的例如3根支撐銷25。支撐銷25係與升降機構26連接且可自由升降，經由上下方向貫穿載置台2的貫穿孔201，從載置台2的上面對支撐銷25進行突陷，藉此，進行與晶圓搬送機構之間晶圓W的收授。
在排氣導管13的上面側，設有堵塞圓形開口之圓板狀的支撐板32，在該些排氣導管13與支撐板32之間設有用於將處理容器1內保持氣密的O形環133。在支撐板32的下面側，設有用於對處理空間313供給反應氣體或置換氣體的頂板構件31，頂板構件31係藉由螺栓323被支撐固定於支撐板32。
在頂板構件31的下面側形成有凹部，該凹部之中央側的區域係形成為平坦的狀態。在該平坦之中央區域的外周側，形成有從中央側朝向外周側逐漸擴展之形狀的傾斜面。在該傾斜面的更外側，設有平坦的輪圈314。
使載置台2上升至處理位置時，頂板構件31係配置為設於載置台2之蓋構件22的上面與輪圈314的下面為彼此對向。由頂板構件31之凹部與載置台2之上面所包圍的空間，係形成對晶圓W進行成膜的處理空間313。設有前述凹部之頂板構件31，係構成本成膜裝置的天井部。
又，如圖2所示，在頂板構件31之輪圈314的下面與蓋構件22之彎曲部的上面之間，以形成高度h之空隙的方式，設定處理位置的高度位置。前述排氣導管13的開口部131，係朝向該空隙形成開口。輪圈314與蓋構件22之空隙的高度h，係設定為例如0.2mm~10.0mm之範圍的0.5mm。
在頂板構件31的下面側中央區域，係以從下方側覆蓋前述之平坦區域及其外周側之傾斜面之一部份的方式設有噴頭5。噴頭5係具備：底面部51，由與載置台2對向設置之例如金屬製的圓板所構成；側壁部52，沿該底面部51之外周而設置；上面側為開口之托盤形狀的構件。本例中的噴頭5，係形成為直徑為166mm(半徑83mm)，從頂板構件31之平坦區域的下面起至底面部51之上面之高度方向的距離為8.5mm，不包含後述氣體供給部4之體積的噴頭5內的容積為146.5cm3。例如在側壁部52的上端部 設有未圖示之凸緣，噴頭5係藉由螺絲等經由該凸緣緊固於頂板構件31。
對於直徑300mm(半徑150mm)的晶圓W而言，將底面部51直徑為166mm(半徑83mm)的噴頭5配置於載置台2上之晶圓W中央部的上方位置時，噴頭5的外緣(底面部51的外周)係形成為位於比晶圓W之外緣更內側的位置。如此，藉由使用底面部51之面積小於晶圓W之面積的噴頭5，能夠以短時間進行置換氣體之反應氣體的置換。
如圖5所示，將噴頭5的半徑設為r、晶圓W之半徑設為R時，則r/R的值為4/15~2/3的範圍內為較佳，又，噴頭5內的高度為3~10mm，內部的容積為30~245cm3的範圍內為最佳。藉由對該噴頭5內供給例如2~6L/分之流量且前述容積之2~5倍量的置換氣體，能夠在0.1~0.5秒左右結束置換操作。
如圖3所示，在底面部51係於其全面穿設有多數個氣體供給口511，並能夠朝向載置於載置台2上的晶圓W供給反應氣體。又，在側壁部52中，沿著側壁部52的外周彼此隔一間隔形成複數個狹縫狀的氣體供給口521，且能夠朝橫方向吐出反應氣體。若至少在底面部51設有氣體供給口511，則在能夠實現對處理空間313供給均勻氣體的情況下，可省略在側壁部52設置氣體供給口521。又，不須在底面部51的全面設置氣體供給口511，在噴頭5內的氣體置換時間或形成於晶圓W之膜的均均性符合目標的範圍 內，亦可設為在例如底面部51的中央區域設置氣體供給口511的構成。另外，在圖3中，為了方便起見，僅圖示設於底面部51之全面之氣體供給口511的一部份。
又，從載置台2上之晶圓W的上面起至底面部51之氣體供給口511的高度t(底面部51為平板時，相當於從晶圓W之上面起至底面部51之底面的距離)係10~50mm左右，設定為15~20mm左右更佳。該高度形成為大於50mm時，氣體的置換效率會下降，另一方面，形成為小於10mm時，會使得設置氣體供給部4或噴頭5的空間變得不足或處理空間313內的氣體變得難以流動。
在由該底面部51所覆蓋之頂板構件31之下面側的中央區域，如圖3、圖5所示，在凹部的中央部配置有1個，以等間隔圓環狀地包圍該中央部的方式配置8個，總計共配置有9個氣體供給部4。在此，設於底面部51之內側的氣體供給部4的個數並不限於9個。若沿著噴頭5的圓周方向設置有例如至少2個、3個以上為較佳的氣體供給部4，則能夠在短時間內均勻地將氣體供給至噴頭5內。
如圖4所示，各氣體供給部4係形成為在內部為中空之圓筒形狀的頭部41覆蓋設於頂板構件31之氣體供給路徑312下端之開口部的構造。頭部41，係以從頂板構件31的下面朝向下方側突出的方式予以設置，在該側面形成有沿著圓周方向隔一間隔而設置之複數個氣體吐出口42。頭部41的側面，係以與頂板構件31之圓周方向一致的方式予以設置，因此，該些氣體吐出口42可以說是沿著頂 板構件31(天井部)的圓周方向予以設置。對於各頭部41，氣體吐出口42係設置例如3個以上為佳，在本例中係設置8個。又，由於頭部41的下面被堵塞且未設有氣體吐出口42，因此，流入頭部41內的氣體係以從各氣體吐出口42朝向橫方向均勻擴散的方式進行吐出。
如上述，氣體供給部4係構成為能夠朝向圓周方向均勻地擴散氣體，從該些氣體供給部4之氣體吐出口42所吐出的氣體充份地擴散至噴頭5內後，經由氣體供給口511、521，對處理空間313供給氣體，藉此，對載置台2上之晶圓W的表面均勻地供給氣體。該氣體供給部4被配置於噴頭5之側壁部52附近時，由氣體供給部4所吐出之氣體恐怕會從側壁部52的氣體供給口521直接噴出，且無法供給足夠的氣體至底面部51側，而導致從底面部51所供給的氣體流向產生偏移。
又，即使未在側壁部52設置氣體供給口521的情況下，由氣體供給部4所吐出之氣體亦猛勁地碰撞側壁部52的內壁面，在改變其流動方向後，由底面部51之氣體供給口511被供給至處理空間313內時，在與供給有流速大量下降之氣體之中央部側的氣體供給口511之間，氣體的供給速度上會出現不均等。在該情況下，氣體的流動亦會產生偏移，恐怕會對成膜結果的面內均勻性造成不良影響。
在此，本例之氣體供給部4，係被配置在從側壁部52的內壁面(相當於本例之噴頭5的外緣)朝向形成 於頂板構件31之下面側之凹部的中心所遠離的位置。且，藉由沿著頭部41的側面均等地設有氣體吐出口42，如圖5所示，以平面觀看噴頭5時，形成有朝向噴頭5之中央部側與周緣部側擴展之氣體的流向。在此，從側壁部52之內壁面起至氣體供給部4的距離d，係遠離例如10~30mm以上的話，則由氣體供給部4之氣體吐出口42所吐出之氣體的流速亦充份下降，且能夠從噴頭5之各氣體供給口511、521均勻的供給氣體。
在設有氣體供給部4的頂板構件31中，如圖1、圖2所示，形成有用於向各氣體供給部4供給氣體的氣體供給路徑312。該些氣體供給路徑312，係與形成於頂板構件31之上面與支撐板32之下面之間的氣體擴散空間311連接。
在支撐板32中形成有氨供給路徑321及氯化鈦供給路徑322，該氨供給路徑321係用於對前述擴散空間311供給氨氣及置換用之氮氣，該氯化鈦供給路徑322係相同用於對擴散空間311供給氯化鈦氣體及置換用之氮氣。氨供給路徑321及氯化鈦供給路徑322，係經由配管與氨氣供給部62、氯化鈦氣體供給部64連接，該些配管係各別在中途分歧且與氮氣供給部61、63連接。在各配管中，設有進行供給/切斷供給氣體的開關閥602與進行調整氣體供給量的流量調整部601。另外，圖示中，為了方便起見，雖在圖1中各別表示氮氣供給部61、63，但該些亦可使用共通的氮氣供給源。
具備以上所說明之構成的成膜裝置，係如圖1所示，與控制部7連接。控制部7係由具備未圖示之CPU與記憶部的電腦所構成，在記憶部中記錄有程式，該程式係在成膜裝置進行作用，亦即使載置於載置台2上的晶圓W上升至處理位置，而依照事先於處理空間313內所決定的順序來供給反應氣體及置換用氣體，並執行TiN的成膜，並組成關於至搬出所進行成膜之晶圓W為止之控制的步驟(指令)群組。該程式係儲存於例如硬碟、光碟、磁光碟、記憶卡等之記憶媒體，並由此安裝於電腦。
接下來，參閱圖6、圖7並同時說明本成膜裝置的作用。一開始，事先將處理容器1內減壓至真空環境後，使載置台2下降至收授位置。且，打開閘閥12，使設於與搬入搬出口11連接之真空搬送室之晶圓搬送機構的搬送臂進入，並在與支撐銷25之間進行晶圓W的收授。然後，使支撐銷25下降，藉由加熱器21將晶圓W載置於被加熱至上述之成膜溫度的載置台2上。
接下來，關閉閘閥12，使載置台2上升至處理位置，並對處理容器1內進行壓力調整後，藉由氯化鈦氣體供給部64供給氯化鈦氣體(圖6)。所供給之氯化鈦氣體，係經由氯化鈦供給路徑322→擴散空間311→氣體供給路徑312，流入各氣體供給部4。
流入氣體供給部4內的氯化鈦氣體，係經由氣體吐出口42流入噴頭5內，進一步經由形成於噴頭5之氣體供給口511、521被供給至處理空間313內。
各氣體供給口511、521中，從側壁部52之氣體供給口521被供給至處理空間313的氯化鈦氣體，係被引導至處理空間313之天井部的傾斜面，並同時從頂板構件31之中央部側朝向外周部側沿徑方向放射狀擴散。又，該氯化鈦氣體亦朝向下方側擴散，當與載置台2上之晶圓W的表面接觸時，則氯化鈦氣體會吸附於晶圓W。
另一方面，從底面部51之氣體供給口511所供給之氯化鈦氣體，係在處理空間313內下降而到達載置台2上的晶圓W，其一部份係吸附於晶圓W。剩餘之氯化鈦氣體的一部份係吸附於晶圓W的表面，並同時沿晶圓W的表面向徑方向放射狀擴散。沿晶圓W的表面流動之氯化鈦氣體，係與從側壁部52之氣體供給口521所供給之氯化鈦氣體進行匯流。
流經處理空間313內且到達輪圈314與蓋構件22之間之空隙的氯化鈦氣體，係由該空隙流出至處理容器1內後，經由排氣導管13被排出至外部。
在上述流動中，藉由形成有朝頂板構件31的下面逐漸擴展之形狀的傾斜面，而不易形成氯化鈦氣體的滯留，且能夠有效率地將被供給於處理空間313之氯化鈦氣體供給至晶圓W表面。
接下來，停止供給氯化鈦氣體，並從氮氣供給部63供給作為置換用氣體之氮氣(圖6)。氮氣係通過與氯化鈦氣體相同的路徑並被供給至處理空間313內，該路徑及處理空間313內的氯化鈦氣體被置換為氮氣。
如此，以預定時間進行氮氣的供給，且在置換氣體後，停止供給氮氣並從氨氣供給部62供給氨氣(圖7)。所供給之氨氣，係經由氨供給路徑321→擴散空間311→氣體供給路徑312，流入各氣體供給部4。且，從氣體供給部4吐出至噴頭5內的氨氣，係形成與氯化鈦的情形相同的流動，且被供給至處理空間313內。
流經處理空間313內之氨氣到達晶圓W的表面時，首先，對吸附於晶圓W之氯化鈦氣體的成份進行氮化並形成氮化鈦。然後，將被供給至氣體供給路徑312之氣體切換成來自氮氣供給部61的置換用之氮氣，並將氨氣之供給路徑及處理空間313內的氨氣置換為氮氣(圖7)。
如此，依氯化鈦氣體→氮氣→氨氣→氮氣的順序供給反應氣體(氯化鈦氣體、氨氣)與置換用氣體(氮氣)，藉此，在晶圓W的表面積層氮化鈦(TiN)的分子層，並形成氮化鈦的膜。
說明供給該些反應氣體或置換用氣體時之氣體供給部4及噴頭5的作用。首先，從氣體供給路徑312被供給至氣體供給部4的氣體，係以從沿著頭部41的圓周方向隔一間隔所設置的複數個氣體吐出口42朝橫方向擴散的方式，被吐出至噴頭5內的空間。此時，圓環狀所配置之氣體供給部4，係配置於遠離側壁部52之內壁面距離d的位置，因此，從氣體吐出口42所吐出之氣體的一部份係其流速大幅降低後，到達側壁部52。另一方面，從氣體吐出口42所吐出之氣體的剩餘部分，係在噴頭5內朝向下方側改 變流向，而到達底面部51。到達底面部51及側壁部52的氣體，係經由各氣體供給口511、521，從噴頭5觀看朝向徑方向外側及下方側，被均勻地供給至處理空間313內(圖5~圖7)。
從氣體供給部4所吐出之氣體的流速在噴頭5的內部大幅下降，又，經由多數個氣體供給口511、521，氣體分散且被供給至處理空間313，因此，在反應氣體(氯化鈦氣體、氨氣)的情況下，從各氣體供給部511、521所吐出之氣體的流速將變小。該結果，到達晶圓W之表面時之反應氣體的流速會下降，且提高膜厚的面內均勻性。
另一方面，在供給置換用氣體(氮氣)時，藉由使用底面部51之面積小於晶圓W之面積的小型的噴頭5，由於噴頭5內的容積小，因此，置換氣體操作所需的時間短。又，在噴頭5的外側亦形成有向頂板構件31之下面(天井面)逐漸擴展之形狀的傾斜面，與該天井面為平坦的狀態相比，處理空間313小且氣體會形成旋渦並不具有形成氣體滯留之角狀的空間，因此，亦能夠縮短處理空間313之氣體置換所需的時間。
如此，反覆供給氯化鈦氣體與氨氣例如數十次~數百次，形成所期望之膜厚之氮化鈦的膜後，供給置換用之氮氣並排出最後的氨氣後，使載置台2下降至收授位置。且，打開閘閥12並使搬送臂進入，搬入時係以相反的順序從支撐銷25將晶圓W收授至搬送臂，搬出成膜後的 晶圓W後，等待搬入接下來的晶圓W。
根據本實施形態之成膜裝置，具有以下的效果。使用面積小於成膜對象之晶圓W的噴頭5，在該噴頭5的內側設置複數個氣體供給部4，因此能夠在短時間內置換反應氣體與置換用氣體。又，該噴頭5係設於具有從中央朝向外周逐漸擴展之形狀之傾斜面構造之頂板構件31(天井部)的中央區域，因此，晶圓W與反應氣體接觸之處理空間313的容積亦會變小且不易形成氣體滯留，在此亦能夠縮短置換反應氣體所需的時間。
且，各氣體供給部4係形成有於橫方向擴散氣體之複數個氣體吐出口42，又，配置於遠離側壁部52之內壁面距離d的位置，藉此，能夠從噴頭5的全面均勻地供給反應氣體，且提高成膜於晶圓W之膜厚的面內均勻性。
在此，噴頭5內之氣體供給部4的配置，如圖5所示，並不限定於在中央之氣體供給部4的周圍圓環狀地配置氣體供給部4的例子。例如如圖8所示，亦可棋盤格狀地配置氣體供給部4。又，在圖5、圖8的配置例中，亦可不設置中央的氣體供給部4。在如圖8所示之配置的情況下，最靠近側壁部52之氣體供給部4，係遠離側壁部52之內壁面距離d以上予以配置為較佳。
接下來，圖9、圖10係表示進一步使噴頭5a的直徑及高度變小，且提高反應氣體之更換性的例子。該例子中，係形成從噴頭5a之底面部51使貫穿各氣體供給部4a的下端部，且藉由該些氣體供給部4a支撐噴頭5a的構造。 詳細來說，在各氣體供給部4a之下端部設有圓板狀擴展的頭部43，在該頭部43從下方側支撐噴頭5a的底面部51。另一方面，各氣體供給部4a的上端側，係形成為公螺紋部44，且使支撐噴頭5a之各氣體供給部4a與沿氣體供給路徑312而形成之母螺紋部嵌合，藉此，噴頭5a被固定於頂板構件31。
如圖5所示，配置9個氣體供給部4時，噴頭5a係形成為直徑116mm(半徑58mm)，從頂板構件31之平坦區域的下面起至底面部51之上面之高度方向的距離為4mm，不包含氣體供給部4之體積的噴頭5內的容積為37cm3。
如後述之實施例所示，比較直徑不同之底面部51的噴頭5、5a，使用直徑大的噴頭5較能夠形成具有均勻膜厚的膜。另一方面，較小的噴頭5a更換性高且能夠縮短進行成膜處理所需的時間。因此，噴頭5的尺寸係考慮所形成膜的面內均勻性之品質要求與成膜處理的時間，來綜合性決定。
又，並不限定底面部51為平板的狀態，如圖11所示，亦可以將球面的一部份朝下形成凸形的方式予以配置並構成噴頭5b，或如圖12所示，亦可從晶圓W觀看使用形成有凹部的噴頭5c而使容積變小。
另外，設於氣體供給部4之頭部41之氣體吐出口42的構成，係不限於如圖4所舉例者。亦可形成沿例如頭部41之側面之圓周方向延伸的1條狹縫，亦可設成為以網目狀的構件來覆蓋該狹縫的構成。且，在氣體供給部4 設置頭部41並非是必要的要件。亦可以從例如氣體供給路徑312所吐出之氣體形成旋轉流並同時吐出至噴頭5內的方式，藉由螺旋狀的流路等來形成氣體供給路徑312。在該情況下，形成旋轉流而同時吐出之氣體亦在噴頭5內朝橫方向擴散，而流速下降後，從氣體供給口511、512均勻地被供給至處理空間313。
另外，關於頂板構件31的形狀亦並不限定為如圖1、圖2等所示的例子者，亦可不在例如凹部的中央設置平坦的區域，而在從凹部之中心朝向周緣擴展的傾斜面設置噴頭5。又，當然亦可使用未形成有輪圈314的頂板構件31。
且，在本發明的成膜裝置中，除了上述之TiN膜之成膜，亦可形成包含金屬元素例如周期表之第3周期元素的Al、Si等、周期表之第4周期元素的Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ge等、周期表之第5周期元素的Zr、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag等、周期表之第6周期元素的Ba、Hf、Ta、W、Re、lr、Pt等之元素的膜。作為使吸附於晶圓W表面的金屬原料，可舉出將該些金屬元素的有機金屬化合物或無機金屬化合物等用來作為反應氣體(原料氣體)的情況。除了上述的TiCl4，另外舉出BTBAS(二三階四碳氨基矽甲烷)、DCS(二氯矽烷)、HCD(六氯二矽甲烷)、TMA(三甲基鋁)、3DMAS(三(二甲胺基)矽烷)等作為金屬原料的具體例。
又，在使吸附於晶圓W表面之原料氣體產生反 應而得所期望之膜的反應中，亦可利用以下各種反應，其包括：利用例如O2、O3、H2O等的氧化反應；利用H2、HCOOH、CH3COOH等的有機酸、CH3OH、C2H5OH等之醇類等的還原反應；利用CH4、C2H6、C2H4、C2H2等的碳化反應；利用NH3、NH2NH2、N2等之氮化反應等。
且，亦可使用3種類的反應氣體或4種類的反應氣體作為反應氣體。作為使用例如3種類之反應氣體時的例子，有形成鈦酸鍶(SrTiO3)膜的情形，例如使用Sr原料之Sr(THD)2(雙四甲基庚二酮酸鍶)、Ti原料之Ti(OiPr)2(THD)2(雙異丙氧基雙四甲基庚二酮酸鈦)、該些之氧化氣體之臭氧氣體。在該情況下，以Sr原料氣體→置換用氣體→氧化氣體→置換用氣體→Ti原料氣體→置換用氣體→氧化氣體→置換用氣體的順序切換氣體。又，雖說明了以圓形的晶圓W作為進行成膜處理之基板，但對於例如矩形之玻璃基板(LCD用基板)亦適用本發明。
[實施例] (實驗)
使用不同種類的頂板構件31，對處理空間313內供給氯化鈦氣體與氨氣且形成氮化鈦的膜，並測定其面內均勻性。
A. 實驗條件
(實施例1)使用設置如圖2、圖5所示之構成之氣體供給部4及噴頭5的頂板構件31，形成氮化鈦的膜。再記述噴頭5的構成，直徑為166mm(半徑83mm)，從頂板構件31之平坦區域的下面起至底面部51之上面之高度方向的距離為8.5mm，不包含氣體供給部4之體積的噴頭5內的容積為146.5cm3。氯化鈦氣體係以50sccm、0.05秒，氨氣係以2700sccm、0.3秒，氮氣係在每個置換操作注入6L。
且，藉由光譜式橢圓偏光儀式的膜厚計來測定所形成之膜的膜厚，藉由下記(1)式來計算面內均勻性(M-m值)。
(M-m值)={(最大膜厚(M值)-最小膜厚(m值))/(2×平均膜厚)}×100(%)…(1)
(實施例2)替換為記載於實施例1之噴頭5，使用如圖10所示之小型的噴頭5a形成氮化鈦的膜，並藉由與實施例1相同的手法來計算面內均勻性。再記述噴頭5a的構成，直徑為116mm(半徑58mm)，從頂板構件31之平坦區域的下面起至底面部51之上面之高度方向的距離為4mm，不包含氣體供給部4之體積的噴頭5內的容積為37cm3。
(比較例1)如圖13所示，利用具備朝向下面側之中央部形成開口的1條氣體供給路徑312的頂板構件31進行成膜，並藉由與實施例1相同的手法來計算面內均勻性。
B. 實驗結果
各圖14~圖16中，各別表示在實施例1、2及比較例1所形成之膜之膜厚的變位。各圖的橫軸係晶圓W之直徑方向的位置，縱軸係表示對於M-m值之膜厚的相對變化。
根據如圖14、圖15所示的結果，在使用大型噴頭5之實施例1中，M-m值形成為1.8%，而另一方面，在使用小型噴頭5a的實施例2中，M-m值形成為3.8%，皆可達成5%以內的高面內均勻性。又，比較實施例1與實施例2，即使氣體供給部4的設置數、配置狀態相同，比起使用直徑小的噴頭5a之實施例2，使用直徑大的噴頭5之實施例1較能夠形成面內均勻性高的膜。
另一方面，在從設於頂板構件31之中央部的開口供給氣體的比較例1中，如圖16所示，確認了供給有氣體之開口部之下方位置的膜厚最厚，且隨著朝向晶圓W的外周側，膜厚急速變薄之山狀的膜厚分佈。且，比較例1的M-m值係11%，形成為要求值(5%)的2倍以上。這是因為反應氣體以高速到達晶圓W的區域時，導致與該外側的區域之間，原料氣體的吸附量產生變化的緣故。
2‧‧‧載置台
4‧‧‧氣體供給部
5‧‧‧噴頭
22‧‧‧蓋構件
31‧‧‧頂板構件
32‧‧‧支撐板
42‧‧‧氣體吐出口
51‧‧‧底面部
52‧‧‧側壁部
311‧‧‧擴散空間
312‧‧‧氣體供給路徑
313‧‧‧處理空間
314‧‧‧輪圈
321‧‧‧氨供給路徑
322‧‧‧氯化鈦供給路徑
511‧‧‧氣體供給口
521‧‧‧氣體供給口

Claims (5)

  1. 一種成膜裝置，對真空環境之處理室內的基板依序供給相互反應之複數個種類的反應氣體，在供給一反應氣體與供給接下來的反應氣體之間供給置換用氣體並進行成膜處理，其特徵係具備：載置部，設於前述處理室，且載置有基板；天井部，與前述載置部對向設置，且具有從中央朝向外周逐漸擴展之形狀的傾斜面構造；複數個氣體供給部，設於前述天井部的中央區域，沿前述天井部之圓周方向形成氣體吐出口；噴頭，以從下方側覆蓋前述複數個氣體供給部的方式予以設置，並於與前述載置部對向之面形成複數個氣體供給口；及排氣部，對前述處理室內進行真空排氣；前述噴頭的外緣，係位在比載置於前述載置部之基板的外緣更內側處。
  2. 如申請專利範圍第1項之成膜裝置，其中，形成於前述氣體供給部之氣體吐出口，係以平面觀看前述噴頭時，設於位在形成朝向該噴頭之中央部側與周緣部側擴展之氣體流向的位置。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之成膜裝置，其中，前述氣體供給部，係沿著前述噴頭的圓周方向設有3個以上。
  4. 如申請專利範圍第1~3項中任一項之成膜裝置，其 中，前述噴頭係具備沿著與前述載置部對向之面的外周而設的側壁部，在該側壁部設有朝向橫方向噴灑狀地供給氣體之複數個氣體供給口。
  5. 如申請專利範圍第1~4項中任一項之成膜裝置，其中，前述基板為圓板，以平面觀看前述底面部時的形狀為圓形，將前述圓板之半徑設為R，將前述底面部之圓的半徑設為r時，r/R的值係在4/15以上、2/3以下的範圍內。
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