JP2019054189A - 成膜装置および成膜方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ガス切り替え時間を短縮できる成膜装置および成膜方法を提供する。【解決手段】シャワーヘッド20は、バックプレート26の外周部26aと外周部の内側に配置された複数のガス噴出孔24aとを有するフェースプレート24と、フェースプレートに対向し、ガス導入路25aをもつ可動部22と、フェースプレートの外周部と可動部との間に介在されるOリングO4とを有する。可動部は、Oリングを介在させてフェースプレートに結合し、ガス導入路がガス噴出孔のみを介してチャンバー内に通じた第1位置と、フェースプレートから分離し、可動部とフェースプレートとの間の隙間を介してガス導入路がチャンバー内に通じた第2位置との間を第1方向に移動する。【選択図】図2

Description

実施形態は、成膜装置および成膜方法に関する。
例えばプラズマCVD(chemical vapor deposition)などにおいて、プロセスガス(成膜ガス)を切り替えるときに、シャワーヘッド内およびチャンバー内から残留気相反応物質を除去するパージ工程が行われている。
特開2015−15469号公報 特許第4152802号公報
実施形態は、ガス切り替え時間を短縮できる成膜装置および成膜方法を提供する。
実施形態によれば、成膜装置は、チャンバーと、前記チャンバー内に配置されたペデスタルと、前記ペデスタルに対して第1方向に離間して対向したシャワーヘッドと、を備えている。前記シャワーヘッドは、外周部と、前記外周部の内側に配置された複数のガス噴出孔と、を有するフェースプレートと、前記フェースプレートに対向し、ガス導入路をもつ可動部と、前記フェースプレートの前記外周部と、前記可動部との間に介在されるOリングと、を有する。前記可動部は、前記Oリングを介在させて前記フェースプレートに結合し、前記ガス導入路が前記ガス噴出孔を介して前記チャンバー内に通じた第1位置と、前記フェースプレートから分離し、前記可動部と前記フェースプレートとの間の隙間を介して前記ガス導入路が前記チャンバー内に通じた第2位置と、の間を前記第1方向に移動する。
実施形態の成膜装置の模式図。 (a)及び(b)は、実施形態のシャワーヘッドの模式断面図。 図2(a)及び(b)に示すシャワーヘッドの固定部の模式斜視図。 (a)及び(b)は、他の実施形態のシャワーヘッドの模式断面図。 実施形態の成膜方法のタイミングチャート。 成膜対象の一例の模式断面図。
以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。
図1は、実施形態の成膜装置の模式図である。
実施形態の成膜装置は、例えばプラズマCVD装置であり、上部電極として機能するシャワーヘッド20と、下部電極として機能するペデスタル50とを有する。
ペデスタル50はチャンバー10内に配置され、シャワーヘッド20はペデスタル50に対して第1方向に離間して対向している。第1方向は例えば鉛直方向(または上下方向)である。
ペデスタル50はヒーターを内蔵している。このペデスタル50の上に、成膜対象として例えば半導体ウェーハが支持される。
シャワーヘッド20はペデスタル50の上方に配置され、シャワーヘッド20の少なくとも後述するフェースプレートはチャンバー10内に配置されている。
チャンバー10に接続された図示しない排気系により、チャンバー10内は所定の減圧雰囲気にされる。そして、シャワーヘッド20を通じてチャンバー10内にプロセスガス(成膜ガス)が導入された状態で、シャワーヘッド20とペデスタル50との間に電力(例えば高周波電力)が印加され、シャワーヘッド20とペデスタル50との間にプラズマが発生する。そのプラズマ雰囲気下で、成膜ガスに含まれる元素を含む膜がウェーハに形成される。
図2(a)及び(b)は、実施形態のシャワーヘッド20の模式断面図である。
後述するように、シャワーヘッド20は、図2(a)に示す第1位置と、図2(b)に示す第2位置との間を第1方向(上下方向)に移動する可動部22を有する。
図3は、シャワーヘッド20の固定部21の模式斜視図である。
シャワーヘッド20は、固定部(アウターピース)21と、可動部(インナーピース)22とを有する。
固定部21は、フランジ部29と、側壁部27と、フェースプレート24とを有する。固定部21は、チャンバー壁に対して固定されている。
フランジ部29はチャンバーリッド(または上壁)11の上に配置されている。Oリング(ガスケット)O1がフランジ部29とチャンバーリッド11との間に介在され、フランジ部29とチャンバーリッド11との間の隙間を通じたチャンバー10内外の連通が遮断されている。
チャンバーリッド11には開口11aが形成され、その開口11aを通じて、側壁部27がフランジ部29から下方のチャンバー10内に延びている。側壁部27の下端にフェースプレート24が設けられている。
図3に示すように、複数の柱状の側壁部27がフランジ部29とフェースプレート24とをつないでおり、フェースプレート24は複数の側壁部27およびフランジ部29によって、チャンバーリッド11に対して支持されている。
複数の側壁部27はリング状のフランジ部29の周方向に沿って互いに離間して配置され、隣り合う側壁部27の間にスリット28が形成されている。
フェースプレート24は、円板状に形成され、外周部24bと、外周部24bの内側に配置された複数のガス噴出孔24aとを有する。フェースプレート24は、チャンバー10内で図1に示すペデスタル50に対向している。複数のガス噴出孔24aはフェースプレート24を貫通し、ガス噴出孔24aの出口はチャンバー10内におけるペデスタル50上の空間に通じている。
図3に示す複数のスリット28は、フェースプレート24における複数のガス噴出孔24aが配置された領域よりも外側に位置する。
可動部22は、固定部21の内側に上下動可能に配置されている。固定部21の内側の空間はリッド23によって塞がれている。
リッド23の外周部は、固定部21のフランジ部29の上に配置されている。OリングO2がリッド23の外周部と固定部21のフランジ部29との間に介在されている。
可動部22は、上下方向に延びるステム25と、ステム25の下端に設けられたバックプレート26とを有する。上面視で円形状のバックプレート26の中心にステム25が配置されている。
ステム25内にガス導入路25aが形成され、ガス導入路25aは図示しない配管を通じてガス供給源に接続している。
ステム25は、リッド23の中央に形成された開口を貫通している。OリングO3が、ステム25の側面とリッド23との間に介在している。
OリングO2およびOリングO3によって、固定部21の内側の空間と、シャワーヘッド20の外側の空間との間の連通が遮断されている。
OリングO3はリッド23に装着され、そのOリングO3に対してステム25の側面が気密に接触した状態で、ステム25は上下動することができる。また、OリングO3は、ステム25の横ずれを規制してステム25の上下動をガイドする。
バックプレート26は、固定部21の内側の空間内でフェースプレート24の上面(背面)に対向している。
図2(a)に示すように、成膜時にはフェースプレート24の外周部24bと、バックプレート26の外周部26aとの間にOリングO4が介在して、バックプレート26がフェースプレート24に対して結合する。
この状態で、バックプレート26とフェースプレート24との間の空間(プレナム空間)32は、OリングO4によって、図3に示すスリット28と遮断される。ガス導入路25aは、OリングO4によって周方向の端が閉塞された上記空間32に通じている。さらに、その空間32は、複数のガス噴出孔24aに通じている。したがって、ガス導入路25aは、固定部21の側壁に形成されたスリット28にはつながらずに、バックプレート26とフェースプレート24との間の空間32および複数のガス噴出孔24aのみを通じて、チャンバー10内に通じている。
可動部22は、例えば図示しない電動モータを動力源にもつ機構によって、上下動される。
図2(a)に示すように、第1位置にある可動部22は、バックプレート26とフェースプレート24との間にOリングO4を介在させてフェースプレート24に結合している。
その第1位置から可動部22を上方に移動させ、可動部22は図2(b)に示す第2位置に移動する。この第2位置で、可動部22のバックプレート26はフェースプレート24から分離し、バックプレート26の外周部26aとフェースプレート24の外周部24bとの間に隙間35が形成される。その隙間35は、図3に示すスリット28を介してチャンバー10内に通じている。この第2位置において、ガス導入路25aは、ガス噴出孔24aだけでなく、隙間35およびスリット28を通じてもチャンバー10内に通じる。
ガス導入路25aから隙間35およびスリット28を介してチャンバー10内に通じるガス流路のコンダクタンスは、ガス導入路25aから複数のガス噴出孔24aを介してチャンバー10内に通じるガス流路のコンダクタンスよりも大きい。
例えば、隙間35の高さは、ガス噴出孔24aの直径よりも大きい。隙間35の周方向に沿ったトータルの断面積、および複数のスリット28のトータルの断面積は、複数のガス噴出孔24aのトータルの断面積よりも大きい。
次に、図2(a)及び(b)に示すシャワーヘッド20を有する成膜装置による成膜方法について説明する。
図5は、その成膜方法のタイミングチャートである。
図5において、シャワーヘッドのUpはバックプレート26とフェースプレート24が上下方向に分離した図2(b)に示す状態を、Downはバックプレート26とフェースプレート24がOリングO4を介して結合した図2(a)に示す状態を表す。
プロセスガスのOnはガス導入路25aへのプロセスガスの供給を表し、プロセスガスのOffはガス導入路25aへのプロセスガスの供給停止を表す。
同様に、パージガスのOnはガス導入路25aへのパージガスの供給を表し、パージガスのOffはガス導入路25aへのパージガスの供給停止を表す。
図2(a)に示す状態で、ガス導入路25aに第1プロセスガス(第1成膜ガス)が供給され、ペデスタル50上のウェーハに第1膜が形成される(ステップA)。すなわち、バックプレート26の外周部26aとフェースプレート24の外周部24bとの間がOリングO4によって気密に閉塞され、ガス導入路25aに導入されたガスは、複数のガス噴出孔24aのみを通じてチャンバー10内のウェーハに供給される。
第1膜の成膜が終わると、図2(a)に示す状態のまま、ガス導入路25aに供給されるガスが、成膜ガスからパージガス(例えば不活性ガス)に切り替えられる(ステップB)。ガス導入路25aに導入されたパージガスは、複数のガス噴出孔24aのみを通じてチャンバー10内に供給される。
その後、可動部22を上方に引き上げて、図2(b)に示すように、バックプレート26をフェースプレート24から分離させる。バックプレート26の外周部26aとフェースプレート24の外周部24bとの間に隙間35が形成される。ガス導入路25aに供給されたパージガスは、上記隙間35および図3に示す固定部21の側壁のスリット28を通じてチャンバー10内に流れる(ステップC)。
このとき、パージガスはガス導入路25aからフェースプレート24のガス噴出孔24aを通じてもチャンバー10内に流れる。前述したように、隙間35およびスリット28を通るガス流のコンダクタンスは、ガス噴出孔24aを通るガス流のコンダクタンスよりも大きいため、パージガスのほとんどは、隙間35およびスリット28を通ってチャンバー10内に流れる。
ステップBおよびステップCに示すパージ工程により、第1膜の成膜時に使用した残留気相反応物質がシャワーヘッド20内から除去され、さらにチャンバー10内からも残留気相反応物質が排気される。
このパージ工程の後、図2(a)に示すように可動部22を押し下げて、次の成膜プロセスの準備状態となる(ステップD)。そして、再びステップAに戻り、上記第1プロセスガスとは異なる第2プロセスガス(第2成膜ガス)を用いて第2膜の成膜を行う。その後、ステップB以降が繰り返される。
パージ工程(ステップB、C)および準備状態(ステップD)では、電圧印加は停止され、チャンバー10内にプラズマは生起されない。
一般的なシャワーヘッドにおけるバックプレートとフェースプレートとの間のプレナム空間において、ガス噴出孔が形成された領域の外周領域(直下にガス噴出孔が無い領域)は、ガスが滞留しやすくガス置換時間(パージ時間)の短縮の妨げになる。
これに対して、実施形態によれば、パージ工程の際には、図2(b)に示すように、バックプレート26の外周部26aとフェースプレート24の外周部24bとを上下に離間させ、複数のガス噴出孔24aが配置された領域の外周側に隙間35を生じさせる。そして、その隙間35を介してパージガスをチャンバー10内に流す。
このような実施形態によれば、プレナム空間32の外周領域(直下にガス噴出孔24aが無い領域)でのガス滞留を生じさせることなく、迅速にシャワーヘッド内の残留ガスをシャワーヘッド内から掃気(パージ)することができる。これは、ガス切り替え時間を短縮するとともに、残留ガスによる成膜対象のコンタミネーションも防ぐことができる。
図6は、成膜対象の一例の模式断面図である。
基板70上に、第1膜71と、第1膜71とは異種の第2膜72とが交互に形成される。第1膜71の成膜と第2膜72の成膜とが交互に繰り返され、複数の第1膜71と複数の第2膜72を含む積層体100が基板70上に形成される。
図5におけるステップAにおいて、例えば酸素とシリコンを含む第1プロセスガス(成膜ガス)を用いて第1膜71としてシリコン酸化膜が形成される。その後、ステップBおよびステップCにて、パージガスを用いたパージ工程が行われ、ステップDで次の第2膜72の成膜に備える。
そして、再びステップAにおいて、例えば窒素とシリコンを含む第2プロセスガス(成膜ガス)を用いて第2膜72としてシリコン窒化膜が形成される。その後、ステップBおよびステップCにて、パージガスを用いたパージ工程が行われ、ステップDで次の第1膜71の成膜に備える。
このような第1膜71の成膜、パージ工程、第2膜72の成膜、パージ工程、第1膜71の成膜、……が繰り返され、基板70上に複数の第1膜71と複数の第2膜72を含む積層体100が形成される。
図4(a)及び(b)は、他の実施形態のシャワーヘッド40の模式断面図である。
このシャワーヘッド40も、図4(a)に示す第1位置と、図4(b)に示す第2位置との間を上下方向に移動する可動部42を有する。
シャワーヘッド40は、図1に示すペデスタル50の上方に配置され、シャワーヘッド40の少なくとも後述するフェースプレートはチャンバー10内に配置されている。
シャワーヘッド40は、チャンバー壁に対して固定された固定部41と、可動部42とを有する。
固定部41は、フランジ部47と、ステム45と、バックプレート46とを有する。
フランジ部47はチャンバーリッド11の上に配置されている。Oリング(ガスケット)O5がフランジ部47とチャンバーリッド11との間に介在され、フランジ部47とチャンバーリッド11との間の隙間を通じたチャンバー10内外の連通が遮断されている。
チャンバーリッド11には開口11aが形成され、その開口11aを通じて、ステム45がフランジ部47から下方のチャンバー10内に延びている。ステム45の下端にバックプレート46が設けられている。上面視で円形状のバックプレート46の中心にステム45が配置されている。
ステム45内にガス導入路45aが形成され、ガス導入路45aは図示しない配管を通じてガス供給源に接続している。
可動部42は、ロッド43とフェースプレート44とを有する。ロッド43の下端は、上面視で円形状のフェースプレート44の中心に結合している。ロッド43は、ステム45の内側のガス導入路45aに上下動可能に配置されている。
フェースプレート44は、円板状に形成され、外周部44bと、外周部44bの内側に配置された複数のガス噴出孔44aとを有する。フェースプレート44は、チャンバー10内で図1に示すペデスタル50に対向している。複数のガス噴出孔44aはフェースプレート44を貫通し、ガス噴出孔44aの出口はチャンバー10内におけるペデスタル50上の空間に通じている。
バックプレート46は、フェースプレート44の上面(背面)に対向している。図4(a)に示すように、成膜時にはフェースプレート44の外周部44bと、バックプレート46の外周部46aとの間にOリングO6が介在して、バックプレート46がフェースプレート44に対して結合する。
この状態で、バックプレート46とフェースプレート44との間の空間(プレナム空間)33の周方向の端はOリングO6によって気密に塞がれている。空間33は、ガス導入路45aおよび複数のガス噴出孔44aに通じている。図4(a)に示す状態で、ガス導入路45aは、複数のガス噴出孔44aのみを通じて、チャンバー10内に通じている。
ロッド43は、例えば図示しない電動モータを動力源にもつ機構によって、上下動される。ロッド43を下降させることで、フェースプレート44は、図4(a)に示す第1位置から図4(b)に示す第2位置に移動する。
この第2位置で、フェースプレート44はバックプレート46から分離し、バックプレート46の外周部46aとフェースプレート44の外周部44bとの間に隙間36が形成される。この第2位置において、ガス導入路45aは、ガス噴出孔44aだけでなく、隙間36を介してもチャンバー10内に通じる。
ガス導入路45aから隙間36を介してチャンバー10内に通じるガス流路のコンダクタンスは、ガス導入路45aから複数のガス噴出孔44aを介してチャンバー10内に通じるガス流路のコンダクタンスよりも大きい。
例えば、隙間36の高さは、ガス噴出孔44aの直径よりも大きい。隙間36の周方向に沿ったトータルの断面積は、複数のガス噴出孔44aのトータルの断面積よりも大きい。
次に、図4(a)及び(b)に示すシャワーヘッド40を有する成膜装置による成膜方法について説明する。
図4(a)に示す状態で、ガス導入路45aに第1プロセスガス(第1成膜ガス)が供給され、ペデスタル50上のウェーハに第1膜が形成される。すなわち、バックプレート46の外周部46aとフェースプレート44の外周部44bとの間がOリングO6によって気密に閉塞され、ガス導入路45aに導入されたガスは、複数のガス噴出孔44aのみを通じてチャンバー10内のウェーハに供給される。
第1膜の成膜が終わると、図4(a)に示す状態のまま、ガス導入路45aに供給されるガスが、成膜ガスからパージガス(例えば不活性ガス)に切り替えられる(図5のステップBに対応する)。ガス導入路45aに導入されたパージガスは、複数のガス噴出孔44aのみを通じてチャンバー10内に供給される。
その後、可動部42を下方に下げて、図4(b)に示すように、フェースプレート44をバックプレート46から分離する。バックプレート46の外周部46aとフェースプレート44の外周部44bとの間に隙間36が形成される。ガス導入路45aに供給されたパージガスは、隙間36を通じてチャンバー10内に流れる(図5のステップCに対応する)。
このとき、パージガスはガス導入路45aからフェースプレート44のガス噴出孔44aを通じてもチャンバー10内に流れる。前述したように、隙間36を通るガス流のコンダクタンスは、ガス噴出孔44aを通るガス流のコンダクタンスよりも大きいため、パージガスのほとんどは、隙間36を通ってチャンバー10内に流れる。
上記パージ工程により、第1膜の成膜時に使用した残留気相反応物質がシャワーヘッド40内から除去され、さらにチャンバー10内からも残留気相反応物質が排気される。
このパージ工程の後、図4(a)に示すように可動部42を引き上げて、次の成膜プロセスの準備状態となる(図5のステップDに対応する)。そして、上記第1プロセスガスとは異なる第2プロセスガス(第2成膜ガス)を用いて第2膜の成膜を行う。その後、ステップB以降が繰り返される。
図4(a)及び(b)に示す実施形態においても、パージ工程の際には、図4(b)に示すように、バックプレート46の外周部46aとフェースプレート44の外周部44bとを上下に離間させ、複数のガス噴出孔44aが配置された領域の外周側に隙間36を生じさせる。そして、その隙間36を介してパージガスをチャンバー10内に流す。
このような実施形態によれば、プレナム空間33の外周領域(直下にガス噴出孔44aが無い領域)でのガス滞留を生じさせることなく、迅速にシャワーヘッド内の残留ガスをシャワーヘッド内から掃気(パージ)することができる。これは、ガス切り替え時間を短縮するとともに、残留ガスによる成膜対象のコンタミネーションも防ぐことができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
10…チャンバー、11…チャンバーリッド、20…シャワーヘッド、21…固定部、22…可動部、24…フェースプレート、24a…ガス噴出孔、25a…ガス導入路、26…バックプレート、28…スリット、40…シャワーヘッド、41…固定部、42…可動部、44…フェースプレート、44a…ガス噴出孔、45a…ガス導入路、46…バックプレート、50…ペデスタル

Claims (5)

  1. チャンバーと、
    前記チャンバー内に配置されたペデスタルと、
    前記ペデスタルに対して第1方向に離間して対向したシャワーヘッドと、
    を備え、
    前記シャワーヘッドは、
    外周部と、前記外周部の内側に配置された複数のガス噴出孔と、を有するフェースプレートと、
    前記フェースプレートに対向し、ガス導入路をもつ可動部と、
    前記フェースプレートの前記外周部と、前記可動部との間に介在されるOリングと、
    を有し、
    前記可動部は、
    前記Oリングを介在させて前記フェースプレートに結合し、前記ガス導入路が前記ガス噴出孔を介して前記チャンバー内に通じた第1位置と、
    前記フェースプレートから分離し、前記可動部と前記フェースプレートとの間の隙間を介して前記ガス導入路が前記チャンバー内に通じた第2位置と、の間を前記第1方向に移動する成膜装置。
  2. 前記シャワーヘッドは、前記フェースプレートをチャンバー壁に対して支持する側壁部を有し、
    前記側壁部に、前記隙間および前記チャンバー内に通じたスリットが形成されている請求項1記載の成膜装置。
  3. チャンバーと、
    前記チャンバー内に配置されたペデスタルと、
    前記ペデスタルに対して第1方向に離間して対向したシャワーヘッドと、
    を備え、
    前記シャワーヘッドは、
    外周部と、前記外周部の内側に配置された複数のガス噴出孔と、を有するフェースプレートと、
    前記フェースプレートに対向し、ガス導入路をもつ固定部と、
    前記フェースプレートの前記外周部と、前記固定部との間に介在されるOリングと、
    を有し、
    前記フェースプレートは、
    前記Oリングを介在させて前記固定部に結合し、前記ガス導入路が前記ガス噴出孔を介して前記チャンバー内に通じた第1位置と、
    前記固定部から分離し、前記固定部と前記フェースプレートとの間の隙間を介して前記ガス導入路が前記チャンバー内に通じた第2位置と、の間を前記第1方向に移動する成膜装置。
  4. シャワーヘッドにおけるガス導入路から複数のガス噴出孔を通じてチャンバー内にプロセスガスを供給して、前記チャンバー内に配置された成膜対象に膜を形成し、
    前記シャワーヘッドにおける前記ガス導入路をもつ第1部分と、前記ガス噴出孔をもつ第2部分とを分離して、前記複数のガス噴出孔が配置された領域の外周側に隙間を生じさせ、前記隙間を介して前記ガス導入路から前記チャンバー内にパージガスを流す成膜方法。
  5. 第1プロセスガスを前記ガス導入路から前記複数のガス噴出孔を通じて前記チャンバー内に導入して、前記成膜対象に第1膜を形成し、
    第2プロセスガスを前記ガス導入路から前記複数のガス噴出孔を通じて前記チャンバー内に導入して、前記成膜対象に第2膜を形成し、
    前記第1膜の成膜と前記第2膜の成膜とが交互に複数回繰り返され、
    前記第1膜の成膜と前記第2膜の成膜との間に、前記隙間を介して前記ガス導入路から前記チャンバー内に前記パージガスを流す請求項4記載の成膜方法。
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