TWI392762B - A gas supply device and a substrate processing device - Google Patents

Description

氣體供給裝置及基板處理裝置

本發明是關於例如對基板進行指定成膜處理時所使用的將處理氣體從相向於基板的多數氣體供給孔供給至處理容器內的氣體供給裝置及使用該氣體供給裝置的基板處理裝置。

半導體製造工序之一有成膜處理，該成膜處理通常是在真空環境氣下將處理氣體例如透過等離子體化或進行熱分解使其活化，在基板表面上堆積活性種或反應形成物以形成薄膜。接著，於成膜處理作業中，有可使複數種類的氣體反應形成薄膜的工序，該工序，例如是可形成Ti、Cu、Ta等的金屬薄膜，或形成TiN、TiSi、WSi等的金屬化合物薄膜，或形成SiN、SiO2等絕緣膜薄膜。

上述成膜處理執行用的裝置是於成為真空室的處理容器內配置有基板載置用的載置台之同時於處理容器設有氣體供給裝置，再加上又組合設有對氣體施加能量用之手段的加熱裝置或等離子體產生手段等。氣體供給裝置一般稱氣體噴頭，設置成可封閉形成在處理容器平頂部的開口部並且設立成和上述載置台成相向。氣體供給裝置的更具體性構造是構成為於扁平圓柱體內形成有氣體擴散空間，形成有多數氣體供給孔的噴淋板配置在下面，處理氣體從外部流入擴散空間，從上述氣體供給孔噴出至處理空間。

噴淋板是以每單位面積的氣體供給孔數量一致，形成可將氣體均勻地供給在基板上。接著，氣體供給孔的排列模式，已知有如第10圖所示的縱橫排列成矩陣狀的排列模式或如第11圖所示的以等間隔排列在同心圓上的排列模式，該等排列模式，分別是記載於專利文獻1及專利文獻2。第10圖、第11圖中，圖號11為氣體供給孔。另，對於300mm晶圓實際使用的噴淋板，其氣體供給孔的口徑是更小，孔數及同心圓的數量是更多。

不過，針對使用TiCl4、H2及Ar的混合氣體在半導體晶圓(以下稱晶圓)上成形Ti薄膜的成膜處理，進行晶圓上的微粒評估，得知於某處理條件下晶圓W上會形成有如第12圖所示十字形的微粒12過多附著區域。該十字形的微粒附著模樣P(實際上是微粒密集形成模樣，但為方便圖示是以斜線標示)，是於氣體從噴淋板1流入處理環境氣內時的流速變大達到某流速以上時就會產生，其產生的關鍵是在於全體的氣體流量愈多，則流速愈偏向大。換句話說，減少氣體流量時，則即使是小流速還是會產生十字形的微粒附著模樣。

針對該理由進行各種檢討的結果，查出是和從晶圓中心部往外圍部的氣體流的圓周方向的流速分佈有關。即，此種成膜裝置因是在處理容器下部進行排氣，所以晶圓表面的氣體流是被支配成從中心部往外圍部流動，於習知的噴淋板中，有該氣體流的流速為極端慢的區域。例如就氣體供給孔11排列成矩陣狀的噴淋板1而言，如第13圖的框格所示，有從噴淋板1中心部往外圍面即朝半徑方向平行排列成直線的氣體供給孔11區域。

於第13圖中，該區域只圖示1處，但於噴淋板1上該區域是從中心部每錯開90度朝4方向延伸，全體形成為十字形。以該框內的區域來看時，微觀性加以表現時，得知於晶圓W側在框內相向的部位是氣體噴不到，所以從晶圓W中心部往外圍之該部位的氣體流A的流速，就會變成比其兩旁的氣體流的流速還極端慢。如上述快流速的區域和慢流速的區域相鄰時，則在該邊界部會產生亂流，其結果形成物的堆積就會異常，換句話說Ti就會異常成長。如上述該局部性異常成長的部份，從其他的區域來看就是微粒的集合區域，對包括有該部位的晶片而言電氣特性會變差。於是，直覺地可理解到從噴淋板1噴出的氣體流的流速愈快，則在邊界部亂流產生的程度愈大，因此容易產生十字形的微粒附著模樣P，這個理論是和實驗結果形成整合。

上述現象，可想而知也是會發生在氣體供給孔以等間隔配置在同心圓上的狀況。即，於該狀況也是有從噴淋板1中心部往外圍面平行排列成直線的氣體供給孔11區域。

如上述，就習知噴淋板而言，會根據處理條件而產生十字形的微粒附著模樣P，所以就會有處理條件設定自由度受限的課題。例如在提昇生產能力時就會有無法將氣體流量設定成較大等不利狀況。

另，於專利文獻1及專利文獻2則完全沒有注意到上述考量，該等文獻所記載的噴淋板是基於每單位面積的氣體供給孔數量一致並且容易設計的觀點成為採用標的。

〔專利文獻1〕日本特開平5－152218號公報：第4圖〔專利文獻2〕日本特開2004－76023號公報：第22圖、段落0100

本發明是有鑑於上述情況而為的發明，其目的是針對可將處理氣體供給至處理容器內的氣體供給裝置，提供一種可針對從基板中心部朝外圍面流動的氣體流以較習知還能夠使圓周方向之間的流速分佈完整的構成，就可抑制微粒的產生，並且能夠擴大處理條件自由度的噴淋板及使用該噴淋板的基板處裝置。

本發明是於具備有為了將處理氣體供給至設有基板載置用載置台的處理容器內而配置成相向於上述載置台，貫穿設有多數氣體供給孔的噴淋板之氣體供給裝置中，以下述為其特徵：上述氣體供給孔是排列在多數的同心圓上，上述氣體供給孔的排列模式是針對最外圍及最內圍以外的任意同心圓，其同心圓上的氣體供給孔，和於內側彼此相鄰的同心圓及於外側彼此相鄰的同心圓之各最接近的氣體供給孔並不排列在同心圓的半徑上。

此外，氣體供給孔的排列模式是以每單位面積(例如2cm×2cm)的氣體供給孔數量形成一致為佳。

上述氣體供給孔的排列模式是透過下述方式就可形成，即，針對各同心圓將氣體供給孔以等間隔排列在圓周方向的同時一旦將各同心圓的一氣體供給孔彼此配置成排在同心圓的半徑上，接著以圓周方向排列間距為等間隔的狀態對該等排列在半徑上的氣體供給孔進行重新排列使氣體供給孔沿著從同心圓中心延伸的代數螺線曲線形成排列。此外，氣體供給孔的排列模式，可設計成具有：氣體供給孔以第1間距形成排列的同心圓；比該同心圓還位於外側，氣體供給孔以較第1間距還寬的第2間距形成排列的同心圓；及比該同心圓還位於外側，氣體供給孔以較第2間距還窄的第3間距形成排列的同心圓。

本發明，基板處理裝置例如也可以是成膜裝置，該裝置，其特徵為，具備有：形成氣密的處理容器；設置在該處理容器內，載置基板用的載置台；處理容器內氣體排氣用的排氣手段；及本發明的氣體供給裝置，構成為利用氣體供給裝置所供給的處理氣體對載置台上的基板進行加工處理。

本發明是將噴淋板的氣體孔排列在多數的同心圓上，氣體供給孔的排列模式是設定成同心圓上的氣體供給孔，利於內側彼此相鄰的同心圓及於外側彼此相鄰的同心圓之各最接近的氣體供給孔並不排列在同心圓的半徑上。因此不會形成有朝同心圓半徑方向延伸，不包括氣體孔之帶狀的即所謂死角空間，所以針對從同心圓中心部朝噴淋板外圍部流動的氣體流流速，能夠抑制極端流速變慢之區域的形成。其結果，能夠防止因異常處理執行在從基板的中心側看朝特定方向延伸的區域形成上述十字形微粒附著模樣的不利狀況產生。接著，雖然於習知技術中只要調整處理條件也是能夠避免上述不利狀況產品，但是於本發明中因處理條件的限制較寬鬆，所以處理條件設定的自由度就變寬廣，例如是為了提高生產能力是可執行氣體流量變多等的條件設定。

〔發明之最佳實施形態〕

以下，針對本發明的氣體供給裝置組入在利用等離子CVD進行成膜用的成膜裝置時之實施形態進行說明。首先，針對成膜裝置的全體構成，根據第1圖的概略圖先說明構成的概略。於第1圖中，圖號2例如是由鋁形成的真空室即處理容器，該處理容器2是上側為大徑的圓筒部2a，於該下側連接設有小徑圓筒部2b，形成為所謂蕈狀，設有其內壁加熱用的加熱機構(未圖示)。於處理容器2內，設有可成為基板例如半導體晶圓(以下稱晶圓)W水平載置用的基板載置台之平台21，該平台21是透過支撐構件22支撐在小徑部2的底部。

於平台21內，設有可成為晶圓調溫手段的加熱器(未圖示)及可成為下述下部電極的導電構件(未圖示)。此外，根據需求設有以靜電吸附晶圓W的靜電夾具(未圖示)。再加上，於平台21設有可突沒自如於平台21表面保持著晶圓W進行昇降用的例如3支的支撐插銷23，該支撐插銷23是透過支撐構件24連接在處理容器2外的昇降機構25。於處理容器2的底部是連接有排氣管26的一端側，於該排氣管26的另一端側連接有真空排氣手段即真空泵浦27。另外，於處理容器2的大徑部2a的側壁，形成有透過閘閥28開閉的搬運口29。

再加上，於處理容器2的平頂部形成有開口部31，設有可封閉該開口部31並且設置成相向於平台21的本發明氣體供給裝置即氣體噴頭4。於此，氣體噴頭4及平台21分別兼為上部電極及下部電極，氣體噴頭4是透過整合器32連接於高頻電源部33的同時，成為下部電極的平台21是形成接地。另，於第1圖中，配線圖是以概略性記載，但於實際上平台21是電連接於處理容器2，從處理容器2的上部透過匹配箱(未圖示)形成接地，形成為高頻導電路包圍著處理空間。

氣體噴頭4，如第2圖所示，具備有：可封閉處理容器2上部開口部，由扁平有底筒狀體形成的底座構件41；及設置在該底座構件41底面部下方側的噴淋板5。底座構件41又具有可使處理容器2內的真空環境氣和大氣環境氣形成區隔的功能，因此上端周緣部的凸緣部42和處理容器2開口部的周緣部43是由環狀樹脂密封構件即O環44氣密接合著。

此外，於底座構件41的中央部，連接有2支氣體供給管61及62，構成該等氣體供給管61及62的氣體是分別從形成分離的噴淋板5氣體供給孔7(7a)及7(7b)噴出。即，於噴淋板5上，層疊著已形成有可連通一方氣體供給管61之空間63的擴散板64的同時，該擴散板64的上方是連通於另一方的氣體供給管62並且形成可和上述空間63區隔的空間65。接著，一方的氣體供給孔7(7a)是連通於上述空間63，另一方的氣體供給孔7(7b)是連通於上述空間65。另，有關該噴淋板5的細部是於稍後加以說明。

上述一方的氣體供給管61，如第1圖所示，例如是連接於TiCl4氣體源102、Ar氣體源103及ClF3氣體源104，此外，上述另一方的氣體供給管62，例如是連接於H2氣體源106及NH3氣體源107。另，以一點虛線圈圍的108標示的部份，是表示設置在各氣體供給路的閥或質量流量控制器等氣體供給機器的群組。

其次，針對噴淋板5進行詳細說明。該例的噴淋板5是使用在300mm晶圓，如第3圖及第4圖所示，沿著以圓形板本體50中心為中心形成的19個同心圓51分別以等間隔貫穿設有氣體供給孔7，再加上於同心圓的中心(噴淋板5的中心)又貫穿設有氣體供給孔7。氣體供給孔7是包括彼此噴出不同氣體的氣體供給孔7a、7b，但該等氣體供給孔7a、7b是交替配置在圓周方向，於以下說明將該等氣體供給孔7a、7b整合成氣體供給孔7進行說明。氣體供給孔7的口徑例如為1mm。於19個同心圓51中，最外圍同心圓51的半徑為163mm，各同心圓彼此的間隔是設定成等間隔。針對各同心圓51的氣體供給孔7的數量，從內側依順序為8個、12個、18個、24個、30個、36個、42個、48個、54個、60個、66個、72個、78個、84個、90個、96個、102個、108個、114個。

該氣體供給孔7排列模式的設計手法，可透過下述方式形成，即首先將各同心圓51的一氣體供給孔7彼此一旦先排列在同心圓51的半徑上，接著，如第5圖所示，以圓周方向排列間距為等間隔的狀態對該等排列在半徑上的氣體供給孔7進行重新排列使氣體供給孔7沿著從同心圓51中心延伸的代數螺線S形成排列。

代數螺線曲線S是以r＝a θ表示的阿基米德螺線，r、θ是表示以同心圓51中心為0點之極座標的距離及從基準方向起算的角度，a是表示變數。

各同心圓51的氣體供給孔7的排列間距及該代數螺線S的設定，是以可使朝同心圓51半徑方向延伸的微少區域之氣體供給孔7的排列密度在各方向之間形成一致的條件下進行設定。即，如第6圖所示，將不包括同心圓51的中心C但包括最內圍的同心圓51及最外圍的同心圓51之帶狀區域(細長的長方形區域)L朝圓周方向旋轉1刻度，對各角度位置之帶狀區域L中的氣體供給孔7數量進行計測，取得該數量的分佈。第7圖是將帶狀區域L從1度旋轉至90度所獲得的氣體供給孔數量分佈，帶狀區域L的寬幅2d的d是相當於角解析度，例如至少是設定成4mm以使寬幅2d成為排列間距以下。如第7圖所示，各角度位置的氣體供給孔7的數量是在15個~20個的範圍。

此外，氣體供給孔7是以每單位面積的氣體供給孔數量為一致的狀況下形成排列。該每單位面積是指最外圍同心圓51內的區域例如分割成2cm×2cm之正方形的升斗量時(鄰接最外圍同心圓51的區域除外)，在各分割區域之間氣體供給孔7的數量是一致，該例中，各分割區域內的孔數最小值為5個，最大製為7個。

接著，針對第1圖成膜裝置的晶圓W處理進行說明。首先，利用未圖示的搬運臂將成為基板的晶圓W經由成為開狀態之閘閥28的搬運口29搬入至處理容器2內，利用搬運臂和支撐插銷23的共同合作作用使晶圓W交接在平台21上。關閉閘閥28後，從氣體供給源102、103使成為第1氣體之TiCl4氣體及Ar氣體的混合氣體經由氣體供給管61送至氣體噴頭4，此外從氣體供給源106成為第2氣體的H2氣體經由氣體供給管62送至氣體噴頭4。接著，從噴淋板5的氣體供給孔7(7a)、(7b)使第1氣體及第2氣體分別供給至處理周圍環境。

另一方面，利用真空泵浦27進行處理容器2內的真空排氣，對設置在排氣管26上的未圖示壓力調整閥進行調整使處理容器2內的壓力成為設定壓力的同時，從高頻電源部33將高頻電力供給在成為上部電極的氣體噴頭4和成為下部電極的平台21之間，使處理氣體即第1氣體及第2氣體等離子化，利用H2使TiCl4還原將Ti膜形成在晶圓W的表面。此時，成為反應副產物的HCl是和未反應氣體一起形成排氣。

另，有時是在Ti膜形成後就接著使Ti膜氮化形成TiN膜，於該狀況時，停止供給成為第1氣體的TiCl4氣體和成為第2氣體的H2氣體，於同時開始供給NH3(氨)氣體。此時同樣是將高頻電力供給至處理空間，使已經形成在晶圓W上的Ti薄膜表面利用Nh3的活性種形成氮化。氮化結束後，停止供給高頻電力和NH3氣體，然後以和上述搬入動作相反的動作將晶圓W從處理容器2搬出。

其次，針對上述噴淋板5的效果進行說明。習知的噴淋板是只注重在每單位面積的氣體供給孔數量，但於上述實施形態的噴淋板5中，在晶圓W上從中心部朝外圍流動的氣體流為支配性氣體流，所以是注重在半徑方向(從第10圖可明確得知也大致包括半徑方向)的氣體流流速極端變慢之區域的產生和氣體供給孔7排列方式的關聯性，將氣體供給裝置構成從噴淋板5的中心部看時各方向的氣體流的流速大概形成一致。

具體而言，於多數的同心圓51上排列氣體供給孔7的數量，針對各同心圓51使氣體供給孔7以等間隔形成排列。形成如此等間隔的理由是為了讓每單位面積的氣體供給孔7數量一致。接著，為消除本說明書習知技術欄如第12圖所示的帶狀空白區域，針對最外圍及最內圍以外的任意同心圓51，只要將該同心圓51上的氣體供給孔7，和於內側彼此相鄰的同心圓51及於外側彼此相鄰的同心圓51之各最接近的氣體供給孔7，設計成不排列在同心圓51的半徑上即可，即只要設計成於彼此相鄰的同心圓51，3個氣體供給孔7不排列在半徑上即可。為獲得上述排列模式，於該實施形態利用如上述的螺線使各同心圓51的氣體供給孔7錯開形成配置。

第8圖是表示將第6圖所示的帶狀區域L朝圓周方向旋轉1刻度，針對各角度位置計算帶狀區域L中從同心圓51中心部朝外圍流動的流速，藉此獲得的圓周方向流速分佈。具體而言，將噴淋板由半徑170mm、120mm、60mm、40mm的4個圓分割成3個同心圓狀，a、b、c是分別表示各分割區域的流速分佈。針對流速分佈是從分別存在於上述3個分割區域的氣體供給孔7的數量算出每單位面積的流量，從各流量和相對應角度之帶狀區域的氣體供給孔7數量計算各角度區域的流速。

該流速分佈是對應第7圖所示的氣體供給孔7數量分佈，從該圖得知各方向的流速為一致。第9圖表示對晶圓W上的面內流速分佈進行計算，以顏色加以區分的黑白影印圖，第9(a)圖是使用上述實施形態之噴淋板時的結果，第9(b)圖是使用氣體供給孔排列成矩陣狀之噴淋板(參照第10圖)時的結果。從該結果得知，於習知的噴淋板中，流速極端小的區域是形成為十字形，如本說明書習知技術欄所述，其是對應於晶圓W上的十字形微粒附著模樣。因此，十字形微粒附著模樣的原因，透過流速分佈結果可理解到其是對應於噴淋板的氣體供給孔排列模式。

另一方面，於上述實施形態的噴淋板5中，圓周方向的流速是大概一致，由於看不到有流速極端慢的區域，所以是消除了十字形微粒附著模樣的產生。因此處理條件的限制變寬鬆，所以處理條件的設定自由度變寬廣，例如提高生產能力時就能夠進行氣體流量變多等的條件設定。

另，上述氣體噴頭4是可將第1氣體和第2氣體分別供給至處理容器2內的到位混合型氣體噴頭，但也可採用預先混合兩氣體再供給至處理環境氣的預先混合型氣體噴頭。

此外，本發明並不限於Ti的成膜，在半導體製造過程所要執行之高溫下成膜處理等的氣體處理時，還可應用在例如W、Cu、Ta、Ru、Hf等金屬，或TiN、TiSi、Wsi金屬化合物，或者是SiN、SiO2等絕緣膜的薄膜形成。再加上，應用本發明之氣體噴頭的基板處理裝置，並不限於等離子CVD裝置，還可應用在熱CVD裝置、蝕刻裝置、抗蝕劑剝離裝置、濺鍍裝置、退火裝置等。

1．．．噴淋板(習知技術)

11．．．氣體供給孔(習知技術)

12．．．微粒(習知技術)

2．．．處理容器(真空室)

2a．．．大徑圓筒部

2b．．．小徑圓筒部

21．．．平台(基板載置台)

22．．．支撐構件

23．．．支撐插銷

24．．．支撐構件

25．．．昇降機構

26．．．排氣管

27．．．真空泵浦(真空排氣手段)

28．．．閘閥

29．．．搬運口

31．．．開口部

32．．．整合器

33．．．高頻電源部

4．．．噴頭

41．．．底座構件

42．．．凸緣部

43．．．周緣部

44．．．O環

5．．．噴淋板

50．．．板本體

51．．．同心圓

61、62．．．氣體供給管

63．．．空間

64．．．擴散板

65．．．空間

7、7a、7b．．．氣體供給孔

102．．．TiCl₄ 氣體源

103．．．Ar氣體源

104．．．ClF₃ 氣體源

106．．．H₂ 氣體源

107．．．NH₃ 氣體源

108．．．氣體供給機器群組

a、b、c．．．分割區域的流速分佈

A．．．氣體流

C．．．晶圓之中心部

P．．．十字形微粒附著模樣

S．．．代數螺線

W．．．半導體晶圓(晶圓)

L．．．帶狀區域

第1圖為表示組入有本發明實施形態相關氣體供給裝置的成膜裝置縱剖面圖。

第2圖為表示上述實施形態相關氣體供給裝置的細部縱剖面圖。

第3圖為表示上述實施形態相關氣體供給裝置的噴淋板氣體供給孔排列模式平面圖。

第4圖為表示噴淋板氣體供給孔排列模式的局部放大平面圖。

第5圖為表示噴淋板氣體供給孔排列模式形成方法說明用的說明圖。

第6圖為表示針對噴淋板的圓周方向，獲得1刻度氣體供給孔數量分佈時使用的手法說明圖。

第7圖為表示針對噴淋板的圓周方向，1刻度氣體供給孔數量分佈說明圖。

第8圖為表示針對噴淋板的圓周方向，1刻度流速分佈的電腦模擬結果說明圖。

第9圖為表示針對噴淋板，圓週方向流速分佈的電腦模擬結果說明圖。

第10圖為表示習知噴淋板氣體供給孔的排列模式平面圖。

第11圖為表示習知噴淋板氣體供給孔的排列模式平面圖。

第12圖為表示使用習知噴淋板時的半導體晶圓上的微粒分佈平面圖。

第13圖為習知噴淋板造成微粒產生之主因推定說明用的說明圖。

4．．．氣體噴頭

41．．．底座構件

42．．．凸緣部

43．．．周緣部

44．．．O環

5．．．噴淋板

61、62．．．氣體供給管

63．．．空間

64．．．擴散板

65．．．空間

7、7a、7b．．．氣體供給孔

Claims (5)

1. 一種氣體供給裝置，具備有為了將處理氣體供給至設有基板載置用載置台的處理容器內而配置成相向於上述載置台，貫穿設有多數氣體供給孔的噴淋板(shower plate)之氣體供給裝置，其特徵為：上述氣體供給孔是排列在多數的同心圓上，上述氣體供給孔的排列模式是針對最外圍及最內圍以外的任意同心圓，使其同心圓上的氣體供給孔，和於內側彼此相鄰的同心圓及於外側彼此相鄰的同心圓之各最接近的氣體供給孔，不排列在同心圓的半徑上。
2. 如申請專利範圍第1項所記載的氣體供給裝置，其中，每單位面積的氣體供給孔數量為一致。
3. 如申請專利範圍第1項所記載的氣體供給裝置，其中，上述氣體供給孔的排列模式，是透過下述方式形成：針對各同心圓將氣體供給孔以等間隔排列在圓周方向，同時將各同心圓的一氣體供給孔彼此暫先配置成排成在同心圓的半徑上，接著以圓周方向排列間距為等間隔的狀態對該等排列在半徑上的氣體供給孔進行重新排列，使氣體供給孔沿著從同心圓中心延伸的代數螺線曲線排列。
4. 如申請專利範圍第1項所記載的氣體供給裝置，其中，存在有：氣體供給孔以第1間距排列的同心圓；比該同心圓還位於外側，氣體供給孔以較第1間距還寬的第2間距排列的同心圓；及比該同心圓還位於外側，氣體供給孔以較第2間距還窄的第3間距形成排列的同心圓。
5. 一種基板處理裝置，其特徵為，具備有：氣密的處理容器；設置在該處理容器內，用以載置基板的載置台；將處理容器內氣體予以排氣的排氣手段；及申請專利範圍第1項至第4項任一項所記載的氣體供給裝置，並利用由氣體供給裝置所供給的處理氣體來處理載置台上的基板。