JP2007100172A - 成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＣＶＤ装置のガス供給ゾーンにおける材料ガスの反応を抑えて、パーティクル発生を抑える。
【解決手段】 ＣＶＤ装置１０は、材料ガスをガス供給ゾーン５１に供給する２重に構成されたガス供給管２６、２７を備えている。ガス供給管２６、２７を通る材料ガスは、その先端に設けられた微小なオリフィス２８、２９を通って、成膜ゾーン５２に到達してウェハ４１、４２上に薄膜を形成する。材料ガスは、ガス供給管２６，２７のオリフィス２８，２９に至るまでは所定の高圧を維持しており、ガス供給ゾーン５１で断熱膨張することによって材料ガスは冷却され、材料ガスの温度は反応温度以下に低下する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、成膜装置に関し、特に材料ガスの供給温度を制御可能な成膜装置に関する。

成膜装置、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置は、材料ガスを供給して、半導体ウェハ上に薄膜を成長させる装置である。このような成膜装置では、材料ガスを分解して反応させるために、高い温度で成膜している。したがって、反応容器の温度が高くなり、各種の材料ガスが供給ゾーンで混合する際に反応生成物が生じ、この反応生成物のパーティクルが成膜を阻害するという問題があった。

従来の装置では、供給ガス圧を供給元で定圧化するため、供給ゾーンにガスが到達するまでに装置内部の温度（１５００〜２０００℃）によって昇温し、供給ゾーンで高温化したガスが反応するもので、パーティクルの発生は、原理的に避けられないものであった。

近年、ガス流路周辺に冷媒（冷却液体）を流すことによりこの問題に対処することが提案されている（特許文献１参照）。図３及び図４を参照して、提案されているガス冷却器を付加した減圧ＣＶＤ装置７０を説明する。図４は、図３の要部を拡大したものである。

減圧ＣＶＤ装置７０は、減圧された反応容器を備えており、反応容器内には、その下部に配置された円板状のウェハ加熱ユニット７１に対向して、中央部には、２本のガス供給管７２、７３が並んで配置され、その周囲には、ウェハを支持するとともにウェハを回転するウェハ保持ユニット７５、７６が配置されている。ウェハ保持ユニット７５、７６に保持された半導体ウェハ９１、９２が、ウェハ加熱ユニット７１に対向する成膜ゾーン９５で、材料ガスが反応してウェハ９１、９２上に薄膜が形成される。なお、ウェハ加熱ユニット７１とウェハ保持ユニット７５、７６とは、図３の矢印ｒに示すように回転可能である。

材料ガスは、２本のガス供給管７２、７３から供給される。ガス供給管７２と７３の周囲にガス冷却器８０が設けられ、ガス冷却器８０には冷媒である液体８１が満たされている。冷媒８１は、冷媒導入口（図示せず）から導入され、冷媒排出口（図示せず）から排出される。ガス供給管７２、７３の端部出口から材料ガスが導入されるとき、材料ガスが混合しても反応しないように、ガス供給管７２、７３は、ガス冷却器８０によって冷却される。

しかしながら、ガス冷却器を付加した減圧ＣＶＤ装置には、次のような問題点がある。
（１）高温部周辺を液体冷却することから、気密性が要求され構造が複雑となる。
（２）供給口まで冷却することが困難で、ガスの冷却効果を高めることが困難である。
（３）液体が高温装置内に漏れると瞬時に気化し装置内部圧力が急激に上昇するので、装置を損傷するおそれもある。
したがって、このような方式では、量産性の高いシステムとすることが難しいものであった。

なお、従来、薄膜形成装置で二重構造のガス導入管を備え、外管に比べ内管の原料ガスの濃度を低くした状態で流すもの（特許文献２参照）、プロセス温度を低温に維持するために断熱膨張を利用するもの（特許文献３参照）が公知である。

特開２００４−５０７８９８号公報 特開２００４−２９２２５５号公報 特開平１−２０６６２９号公報

本発明は、上記の問題点に鑑み、簡単な構成で、ガス供給管の供給口でガス温度を下げることができる装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明による成膜装置は、請求項１に記載のとおり、その反応容器（１）内に、基板保持部（２）と、基板加熱部（３）と、異なるガスをそれぞれ供給する多重に配置された複数のガス供給管（２１，２２）とを備え、このガス供給管の供給口は、供給口まで前記ガスを所定の圧力に保持する開口からななり、該開口から前記ガスが供給される際の断熱膨張により前記ガスを冷却することを特徴とする。

このように、本発明は、供給される材料ガス圧力に着目し、材料ガスが反応容器に供給される際の断熱膨張による冷却効果を利用するもので、所定の開口を設けるという簡素な構成により、ガス温度を低下させ、パーティクルの発生を抑え、成膜ゾーンに材料ガスを安定供給することができる。また、冷却材を用いて冷却するものではないので、冷却材漏れによる故障の心配はない。

開口は、請求項２に記載のとおり、ガス供給管端部の側壁に設けることができ、これによれば、成膜ゾーンへ短距離でガスを供給することができる。

開口は、請求項３に記載のとおり、微小なオリフィスから構成されても、請求項４に記載のとおり、開口面積が可変なバルブ構造をもつように構成されてもよい。開口を、微小なオリフィスで構成すると、簡単な構成によりガス温度を制御でき、開口面積が可変なバルブから構成すると、開口面積の調節が容易である。

さらに、請求項５に記載のように、多重管の最外周の供給管には、より熱耐性の高いガスを通過させると、内側を通過するガスの熱上昇をより防止でき、さらに冷却効果を高めることができる。

また、請求項６に記載のように、基板保持部（２１，２２）と前記基板加熱部（３）とを対向して配置する成膜装置に本発明が適用されるときには、本発明の冷却効果が顕著となる。

請求項７に記載のように、基板保持部（２１，２２）の基板回転手段によりそれぞれが保持した基板を回転させるようにすると、膜厚が不均一になることなくさらに安定な成膜を行うことができる。

請求項８に記載のように、基板加熱部（３）の加熱部回転手段により基板加熱部を回転させると、基板をさらに均一に加熱することができる。

以下、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態である減圧ＣＶＤ装置１０の断面を示す概略図であり、図２は、その要部の拡大図である。

本実施形態では、減圧ＣＶＤ装置１０は、Ｓｉ基板にＳｉＣを気相成長させるために使用される。材料ガスは、プロパンガス（Ｃ_３Ｈ_８）、シランガス（ＳｉＨ₄）であり、キャリアガスは、水素Ｈ₂である。

減圧ＣＶＤ装置１０は、本体１１と上蓋１３とで気密に構成された反応容器１を有する。反応容器１の下部には、ウェハ加熱ユニット３が設けられる。その上部の中心部には、ガス供給管２６と、その外周に形成されたガス供給管２７の２本のガス供給管が配置されている。ガス供給管２６とガス供給管２７とは、中心軸を共有する２重管となっている。また、２本のガス供給管２６，２７の周囲には、ウェハ４１、４２を保持するウェハ保持ユニット２１、２２が配置される。なお、ウェハ加熱ユニット３を上部に配置し、ウェハ保持ユニット２１、２２を下部に配置することもできる。

本実施形態では、２本のガス供給管２６，２７とウェハ保持ユニット２１、２２とは、ウェハ加熱ユニット３に対向する部材として、上部支持体２により一体に組み付けられている。上部のガス供給管２６，２７とウェハ保持ユニット２１、２２と、下部のウェハ加熱ユニット３との間に形成される空間は、中心部は、ガス供給管２６，２７の供給口が配置されたガス供給ゾーン５１であり、周辺部は、ウェハ４１、４２とウェハ加熱ユニット３が対向する成膜ゾーン５２となっている。ガス供給ゾーンに供給された反応ガスとも呼ばれる材料ガスは、キャリアガスに乗って成膜ゾーンに到達し、ウェハ４１、４２上にＳｉＣ膜を成長させる。

ウェハ保持ユニット２１、２２は、保持したウェハを回転あるいは旋回させるためのウェハ回転あるいは旋回手段をもつ。ウェハ保持ユニット２１、２２は、ウェハ４１、４２を保持する保持部と回転可能な支軸を有し、ウェハ保持ユニット２１、２２に保持したウェハ４１、４２をウェハの中心軸の周りに水平面内で回転させることができる。これは、ガス供給ゾーン５１から供給されるガスの上流側（中心側）と下流側（周辺側）とではガス濃度に差があるので、ウェハを旋回させることによって、実質的にガス濃度を均一にして膜の厚みに差がでないようにするためである。なお、図には示されていないが、上部支持体２には、もう一つのウェハ保持ユニットが設けられていて、反応容器１内では一度に合計３枚のウェハを処理できるようになっている。

下側のウェハ加熱ユニット３は、円板状のカーボンからなる加熱板を備え、加熱板の下側には、高周波誘導コイル（図示せず）をトロイダル状に配置し、加熱板を誘導加熱する。加熱された加熱板からの輻射熱により、対向するウェハ４１、４２を加熱する。また、ウェハ加熱ユニット３は、回転可能な支軸を有して、水平面内に回転可能に構成されており、加熱板が均一に加熱されない場合であっても、ウェハ４１、４２を均一に加熱できるように構成されている。

反応容器１内の同心円筒で構成されたガス供給管５１、５２の先端部は閉塞され、閉塞された先端部近傍の側壁に複数の微小な開口すなわちオリフィス２８、２９が、ガス供給口として形成されている。内側のガス供給管２６については、外側の供給管２７よりも突出しており、その突出部の内壁にオリフィス２８が設けられる。

この微小なオリフィス２７、２９は、材料ガスを反応容器内に導入するともに、材料ガス供給タンク（図示せず）から供給管２６，２７の供給口まで材料ガスの圧力を所定の高圧に維持する働きをする。なお、供給管５１が供給管５２から突出しているのに対応して。ウェハ加熱ユニット３の中心部には凹部が形成されているが、これは、ウェハ加熱ユニット３からの距離をとって、ガス供給管５１の過熱を防ぐためである。

このような構成の減圧ＣＶＤ装置１０の動作は、次のとおりである。
まず、反応容器１の上蓋１３を開けて、薄膜を形成する基板であるウェハをウェハ保持ユニット２１、２２等にセットする。

次に、上蓋１３を閉じて反応容器１を気密に保って、排気手段（図示せず）を用いて２０Ｔｏｒｒまで減圧する。

その後、加熱ユニット３の下部に配置された高周波コイル（図示せず）に電流を流し加熱ユニット３の加熱板を加熱して、輻射熱によりウェハ４１、４２を加熱する。ここで、加熱ユニット３は中心軸の回りに水平回転するので、均一なウェハ加熱が行われる。

所定の高温に達したことを検出して、所定の圧力、例えば０．２ＭＰａを保持したまま材料ガス（プロパン、シラン）をキャリアガス（水素）とともに、供給管を通して供給する。本実施形態では、内側のガス供給管２６には、シランガスを通し、外側のガス供給管２７には、プロパンガスと、キャリアガスである水素Ｈ２を通すようにする。これは、プロパンガスと水素は、シランガスに比較して熱耐性が高く、ウェハ加熱ユニット３からの熱を受けて、プロパンガスあるいは水素ガスの温度上昇があってもその影響は比較的に少ないからである。

２重管に代えて３重管を用いて、最外周には供給するガスのうちで最も熱耐性のある水素ガスを導入し、その内側にプロパンガス、最も内側に配置された供給管には、シランガスを通すようにすると、よりいっそうウェハ加熱ユニットよりの熱の影響を少なくできる。

ガス供給管２６、２７を通って流れてくる材料ガス等は、供給管の先端の周囲に設けられた供給口である各オリフィス２８、２９から供給ゾーン５１に噴出し、その後材料ガス（プロパン、シラン）は、キャリアである水素ガスに運ばれて成膜ゾーン５２に供給される。

供給口まで所定の圧力０．２ＭＰａで供給されたガスは、圧力２６．６ｋＰａの供給ゾーン５１にオリフィス２８、２９から噴射し、断熱膨張することによりガスの温度が低下する。したがって、１５００〜２０００℃に達する反応容器内のガス供給管の内部で、ガス温度が反応温度まで上昇しているとしても、ガス供給管２６，２７の供給口であるオリフィス２８，２９から噴出するガスは、断熱膨張して冷却されるので、ガス自体の温度を反応温度及び分解温度例えば５００℃以下に低下させることができる。したがって、ガス供給ゾーン５１では、ガス供給管２６、２７を通って供給されるプロパンとシランが混ざりあうが、ガスの温度を反応温度及び分解温度以下に抑えられているので、反応あるいは分解することなく、成膜不良の原因となるパーティクルの発生を抑えることができる。

供給ガスゾーン５１から水素ガスにより成膜ゾーンに運ばれるプロパンガスとシランガスとは、高温に保持されている成膜ゾーンで反応して、Ｓｉウェハ上にＳｉＣ皮膜を成長させることになる。なお、ここでは、前述のように、ウェハ保持ユニット２１、２２によりウェハが水平回転して、均一な成膜を可能にしている。

本発明によるガスの冷却は、圧縮流体が断熱膨張することにより低温化する原理を用いるものであるから、熱力学的理論に基づいて、オリフィスの数あるいはオリフィス径とガス供給圧とを変更することで、低下させる温度を任意に設定できる。一般に、供給圧が高いほど、低温のガスを得ることができる。

このようにして、供給されるガスの温度を反応温度及び分解温度以下に低下させると、供給ゾーン５１での材料ガスの反応や分解は抑制される。その結果、成膜不良を引き起こすパーティクルの発生も抑えられ、材料ガスを成膜ゾーン５２に安定供給でき、欠陥のない成膜を可能となる。

本実施形態では、ガス供給口はオリフィスで構成したが、単なる開口ではなく、開口面積を適宜変更するために、開口面積が可変で調節可能なニードルバルブ等のバルブ構造を採用してもよい。開口面積が調節可能なバルブを用いると、冷却目標となる温度の設定等において、開口面積を容易に変更できる。なお、オリフィスあるいはバルブの数や位置については、特に限定されるものではなく、所定の圧力に保持することができるものであればよい。本実施形態では、ガス供給管の側壁にオリフィスを設けたが、例えばガス供給管の閉塞した端部に設けるようにしてもよい。これらのガス供給管の開口部の構造は、ガスの流れやガス量に応じて選択し、設定することができる。

さらに多くの材料ガスを供給する場合には、材料ガスあるいはキャリアガスの数に対応する数の多重管を備えて、各ガスを供給するようにしてもよい。

さらに、本発明は、実施形態で説明した装置に限定されることなく、ガスを供給して加熱により成膜する装置であれば、どのような装置でも適用できる。

本発明の実施形態である減圧ＣＶＤ装置の断面を示す概略図である。 図１の減圧ＣＶＤ装置の要部の断面を示す概略拡大図である。 従来のガス冷却器を備えた減圧ＣＶＤ装置の断面を示す概略図である。 図３の減圧ＣＶＤ装置の要部の断面を示す概略拡大図である。

符号の説明

１０ 減圧ＣＶＤ装置
１ 反応容器
１１ 上蓋
１３ 本体
２ 上部支持体
２１、２２ ウェハ保持ユニット
２６、２７ ガス供給管
３ ウェハ加熱ユニット
４１、４２ ウェハ
５１ ガス供給ゾーン
５２ 成膜ゾーン

Claims (8)

1. 反応容器（１）に配置された基板上にガスを供給して、該基板に膜を形成する成膜装置であって、前記反応容器（１）は、
   前記基板を保持する基板保持部（２１、２２）と、
   前記基板を加熱する基板加熱部（３）と、
   少なくとも異なるガスを供給する多重に配置された複数のガス供給管（２６、２７）とを備え、
   前記ガス供給管の供給口（２８、２９）は、該供給口まで前記ガスを所定の圧力に保持する開口からなり、該開口から前記ガスが供給される際の断熱膨張により前記ガスを冷却することを特徴とする成膜装置。
2. 前記開口は、ガス供給管端部の側壁に設けられる請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記開口は、微小なオリフィスからなる請求項１又は２に記載の成膜装置。
4. 前記開口は、開口面積が可変なバルブ構造をもつ請求項１又は２に記載の成膜装置。
5. 前記多重に配置された複数のガス供給管（２６、２７）の最外周の供給管には、より熱耐性の高いガスを通過させる請求項１〜４のいずれか１項に記載の成膜装置。
6. 前記基板保持部（２１、２２）と前記基板加熱部（３）とは、対向して配置される請求項１〜５のいずれか１項に記載の成膜装置。
7. 前記基板保持部（２１、２２）は基板回転手段を備え、該基板回転手段によりそれぞれが保持した基板を回転させる請求項１〜６のいずれか１項に記載の成膜装置。
8. 前記基板加熱部（３）は加熱部回転手段を備え、該加熱部回転手段により基板加熱部を回転させる請求項１〜７のいずれか１項に記載の成膜装置。

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