(57)【要約】【課題】    固体原料を効率よく気化させ、気化ガスを安定して供給できる固体原料気化装置を提供する。【解決手段】    固体原料を収容する原料容器と、前記原料容器内にガスを導入するガス導入口と、 前記原料容器からガスを排出するガス出口と、を備え、前記原料容器の内部空間の側壁は、内側に向けて突出した部分を有することを特徴とする固体原料気化装置を提供する。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体原料を収容する原料容器と、
前記原料容器内にガスを導入するガス導入口と、
前記原料容器からガスを排出するガス出口と、
を備え、
前記原料容器の内部空間の側壁は、内側に向けて突出した部分を有することを特徴とする固体原料気化装置。
【請求項２】
固体原料を収容する原料容器と、
前記原料容器内にガスを導入するガス導入口と、
前記原料容器からガスを排出するガス出口と、
前記原料容器の周囲に設けられたヒーターと、
を備え、
前記原料容器の内部空間は、略柱状をなし、
前記内部空間の側壁は、内側に向けて突出した部分を有することを特徴とする固体原料気化装置。
【請求項３】
前記内部空間の水平方向の断面の外周は、前記断面の面積と等しい面積を有する円の外周よりも長いことを特徴とする請求項１または２に記載の固体原料気化装置。
【請求項４】
前記側壁は、複数の前記内側に向けて突出した部分を有し、これらの間に、外側に向けて突出した部分を有し、
前記内部空間の上面の中央付近に、前記ガス導入口及び前記ガス出口のいずれか一方が設けられ、
前記外側に向けて突出した部分により形成される空間に向けて、前記ガス導入口及び前記ガス出口のいずれか他方が設けられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の固体原料気化装置。
【請求項５】
前記側壁は、複数の前記内側に向けて突出した部分を有し、これらの間に、外側に向けて突出した部分を有し、
前記側壁に、複数の前記外側に向けて突出した部分が設けられ、
前記内部空間の上面の中央付近に、前記ガス導入口及び前記ガス出口のいずれか一方が設けられ、
前記複数の前記外側に向けて突出した部分により形成される空間のそれぞれに向けて、前記ガス導入口及び前記ガス出口のいずれか他方がそれぞれ設けられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の固体原料気化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体原料気化装置に関し、特に、原料容器の側面形状を工夫した固体原料気化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造などに際しては、固体原料を気化させて薄膜などを堆積させる方法が採用される場合が多い。例えば、Ｗ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔａ、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＳｉＯ２、ＳｉＯＣ、ＳｉＮなどの様々な材料の薄膜（数ｎｍ〜数μｍ）を被覆性よく堆積することが要求される。
【０００３】
例えば、半導体装置の製造に際して、固体原料を用いて、バリアメタルを薄く均一な膜厚で形成することが必要とされる場合がある。以下、この具体例について説明する。
【０００４】
すなわち、半導体装置の配線抵抗を下げるため、Ｃｕ（銅）配線が導入されている。しかし、半導体装置にＣｕ配線を形成する場合、ＣｕのＳｉ中への拡散による素子特性の劣化、絶縁膜との密着性が乏しい事による加工性の劣化、不動態酸化膜を形成せずに酸化が内部まで進行することによる配線特性の劣化、などの課題を解決する必要がある。これらの課題を解決するための一手段として、バリアメタルが、Ｃｕと配線層間膜との界面に設けられる。バリアメタルとしては、ＴａやＴａＮなどの単層膜或いは多層膜が用いられ、その成膜方法としては、従来、スパッタ法が用いられている。
【０００５】
バリアメタルは、上述のようにＣｕ配線形成に必須であり、前記の課題を解決するための最低の膜厚が存在する。一方で、比抵抗の高いバリアメタルはＣｕ配線の抵抗を増加させるので、素子の高速化の観点からはバリアメタルの厚さはできるだけ薄くする必要があり、パターン上に前記最低膜厚で均一に堆積することが望ましい。
【０００６】
化学気相成長（chemical vapor deposition：ＣＶＤ）法は、そのような要求に適した方法として知られている。化学気相成長法においては、蒸気圧の低い固体原料を用いる場合、膜の成長に十分な量を確保するため、加熱により蒸気圧を高くすることが一般的である。
【０００７】
図９は、従来の固体原料気化装置を例示する模式図である。すなわち、図９（ａ）は、固体原料気化装置の模式縦断面図、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＡ−Ａ’線における模式横断面図である。  
従来の固体原料気化装置１０００は、固体原料１００を収容する原料容器１１０と、原料容器１１０内に供給されるガス導入口１２０と、ガス出口１３０と、を有する。そして、原料容器１１０の周囲に設けられた加熱ヒーター１４０によって、原料容器１１０内の固体原料１００が加熱されて気化される。そして、ガス導入口１２０から原料容器１１０内に供給される搬送ガスと、気化ガスとの混合ガスが、ガス出口１３０から、図示しない熱処理装置内に供給される。
【０００８】
同図に表すように、原料容器１１０のＡ−Ａ’線における断面形状は、円形である。
【０００９】
本発明者は、従来の固体原料気化装置において、固体原料が消費される途中経過について実験を行った。
【００１０】
図１０は、従来の固体原料気化装置において、固体原料が消費される途中経過を例示する模式図である。
【００１１】
図１０（ａ）は、蒸気圧の低い固体原料が消費される途中経過を例示する模式図である。同図に表すように、この従来の固体原料気化装置１０００によると、蒸気圧の低い固体原料１００は、原料容器１１０の側壁近傍から優先的に消費されることがわかった。すなわち、熱伝導の関係で、固体原料１００のうち、ヒーター１４０の近傍の部分と、固体原料１００の中央部分とで、温度勾配が生じることがわかった。蒸気圧の低い固体原料では、容器中の原料分圧はもともと低いから、搬送ガスによる原料分圧低下の影響は受けにくい。
【００１２】
その結果、固体原料１００がさらに消費されて原料容器１１０と接しなくなると、固体原料１００は加熱されにくくなるため気化されず、気化ガスの発生が不安定になるという問題があった。
【００１３】
すなわち、従来の固体原料気化装置において、蒸気圧の低い固体原料を気化する際、固体原料内の熱伝導率が低いため気化速度が遅く、固体原料が全域で均一に消費されないため気化ガスの発生が不安定であった。
【００１４】
図１０（ｂ）は、従来の固体原料気化装置において、蒸気圧の高い固体原料が消費される途中経過を例示する模式図である。同図に表すように、蒸気圧の高い固体原料１００は、搬送ガスが当たる部分が優先的に消費されることがわかった。すなわち、蒸気圧の高い固体原料１００は、比較的低温でも気化されるので、固体原料１００内の温度勾配の影響はあまり受けず、固体原料の分圧に依存することがわかった。それゆえ、搬送ガスにより原料分圧の低くなる部分から優先的に消費される。
【００１５】
すなわち、従来の固体原料気化装置において、蒸気圧の高い固体原料を気化する際、固体原料の分圧が、全域で均一ではないため気化ガスの発生が不安定であった。
【００１６】
また、このような問題を解決するために、原料容器内での、固体原料の表面積を増やす工夫をした固体原料気化装置も提案されている（例えば、特許文献１参照）。この提案では、固体原料をフィルム状にし、その裏面を非反応性の支持物体で覆い、他方の表面を雰囲気中に露出して、昇華表面としている。
【特許文献１】特開平１０−０２５５７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、固体原料をフィルム状にし、その裏面を非反応性の支持物体で覆い、他方の表面を雰囲気中に露出して、昇華表面とする工程には手間がかかる。  
すなわち、これまでの固体原料気化装置においては、固体原料内で温度差や圧力差が生じるため気化ガスの供給が不安定になるということと、加熱ヒーターの熱の伝達効率と搬送ガスのガス効率が低いから、固体原料の蒸気圧を効率よく上げていないということが問題であった。  
また、固体原料を高温に加熱しすぎると、固体原料が分解するなどの問題が生じるため加熱温度に上限が存在し、固体原料を十分に供給できないという問題があった。
【００１８】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、効率よく、気化ガスを安定して供給できる固体原料気化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、
固体原料を収容する原料容器と、
前記原料容器内にガスを導入するガス導入口と、
前記原料容器からガスを排出するガス出口と、
を備え、
前記原料容器の内部空間の側壁は、内側に向けて突出した部分を有することを特徴とする固体原料気化装置が提供される。
【００２０】
また、本発明の他の一態様によれば、
固体原料を収容する原料容器と、
前記原料容器内にガスを導入するガス導入口と、
前記原料容器からガスを排出するガス出口と、
前記原料容器の周囲に設けられたヒーターと、
を備え、
前記原料容器の内部空間は、略柱状をなし、
前記内部空間の側壁は、内側に向けて突出した部分を有することを特徴とする固体原料気化装置が提供される。
【００２１】
これら固体原料気化装置において、前記内部空間の水平方向の断面の外周は、前記断面の面積と等しい面積を有する円の外周よりも長いものとすることができる。  
また、前記内側に向けて突出した部分は、曲面状に突出してなるものとすることができる。
【００２２】
また、前記側壁は、複数の前記内側に向けて突出した部分を有し、これらの間に、外側に向けて突出した部分を有するものとすることができる。  
また、前記外側に向けて突出した部分は曲面状に突出してなるものとすることができる。
【００２３】
また、前記内部空間の上面の中央付近に、前記ガス導入口及び前記ガス出口のいずれか一方が設けられ、
前記外側に向けて突出した部分により形成される空間に向けて、前記ガス導入口及び前記ガス出口のいずれか他方が設けられたものとすることができる。
【００２４】
また、前記側壁に、複数の前記外側に向けて突出した部分が設けられ、
前記内部空間の上面の中央付近に、前記ガス導入口及び前記ガス出口のいずれか一方が設けられ、
前記複数の前記外側に向けて突出した部分により形成される空間のそれぞれに向けて、前記ガス導入口及び前記ガス出口のいずれか他方がそれぞれ設けられたものとすることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、固体原料を効率よく気化させ、気化ガスを安定して供給できる固体原料気化装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【００２７】
図１は、本発明の実施の形態にかかる固体原料気化装置の垂直方向の断面構造を例示する模式図である。  
本実施形態の固体原料気化装置１は、固体原料１０を収容する原料容器１１と、原料容器１１内に供給されるガス導入口１２と、ガス出口１３と、を有する。本実施形態の固体原料気化装置１においても、原料容器１１の周囲に設けられた加熱ヒーター１４によって、原料容器１１内の固体原料１０が加熱されて気化される。そして、ガス導入口１２から原料容器１１内に供給される搬送ガスと、気化ガスとの混合ガスが、ガス出口１３から、図示しない熱処理装置内に供給される。
【００２８】
固体原料１０としては、例えば、粉末状のペンタジメチルアミノタンタリウム（Ｔａ［Ｎ（ＣＨ３）２］５：ＰＤＭＡＴ）などを挙げることができる。この材料を気化させ、アンモニア（ＮＨ３）と同時にあるいは交互に基板上に供給すると、ＴａＮ（窒化チタン）の薄膜を形成できる。
【００２９】
図２は、本実施形態の固体原料気化装置の水平方向の断面構造を例示する模式図である。すなわち、同図は、図１に表した固体原料気化装置のＡ−Ａ’線における断面構造を表す。
【００３０】
図２に表すように、原料容器１１の側壁は、星形をなし、複数の内側に向けて突出した部分１１Ｒを有する。これら内側に向けて突出した部分１１Ｒどうしの間には、外側に向けて突出した部分１１Ｐが設けられている。また、図２に例示した容器１１の断面形状は、容器の中心点１１Ｃに対して略対称な形状である。
【００３１】
原料容器１１の側壁の断面の外周は、等しい面積を有する円の円周よりも大きい。それゆえ、容器側壁の面積について、原料容器１１と同一底面積及び同一高さを有する円柱状の容器と比べると、本発明の実施形態における原料容器１１の側壁積の方が大きい。
【００３２】
このように、原料容器１１の側壁に、複数の内側に向けて突出する部分１１Ｒを設け、側壁の断面の外周を、同一面積を有する円の円周よりも大きくすることによって、原料容器１１の側壁の面積が大きくなる。つまり、原料容器１１内の固体原料１０の、原料容器１１の側壁への接触面積が大きくなる。それによって、原料容器１１の周囲に設けられた加熱ヒーター１４による固体原料１０の加熱面積が増えるから、固体原料１０への熱伝導が増加する。その結果として、同一のヒーター熱量において固体原料１０が大面積で加熱され、気化量が増大する。すなわち、気化ガスの供給量を増加できる。
【００３３】
すなわち、本実施形態の固体原料気化装置によると、原料容器１１の水平方向の断面の外周が、同一面積を有する円の円周よりも大きくなるように側壁の形状を工夫することによって、固体原料１０のヒーターに対する対向面積を増加させ、気化ガスの供給量を増加することができる。また、気化ガスの供給量が増加するので、熱処理装置内で気化ガス不足を生じさせるおそれもなくなる。
【００３４】
すなわち、気化ガスを安定して、熱処理装置内に供給できるので、半導体基板上に均一な薄膜を堆積できる。
【００３５】
その結果として、例えば、ＣｕのＳｉ中への拡散による素子特性の劣化、絶縁膜との密着性が乏しい事による加工性の劣化、不動態酸化膜を形成せずに酸化が内部まで進行することによる配線特性の劣化などを防ぐことができる信頼性の高いバリアメタルを形成できる。
【００３６】
以下、本発明の固体原料気化装置の他の具体例について説明する。
【００３７】
まず、原料容器１１の側壁の形状に関する具体例のいくつかについて説明する。  
図３は、本発明の第２の具体例としての固体原料気化装置の水平方向の断面構造を例示する模式図である。すなわち図３は、図１に表した固体原料気化装置の、Ａ−Ａ’線における水平方向の断面構造に対応する。  
同図に表すように、本具体例における原料容器１１のＡ−Ａ’線における断面も、複数の内側に向けて突出した部分１１Ｒを有する。これら内側に向けて突出した部分１１Ｒの間には、外側に向けて突出した部分１１Ｐが設けられている。図２に関して前述した断面構造と比較すると、本具体例における断面の外周、すなわち側壁は、円弧を組み合わせた形状となっていて、丸みを持った凹部１１Ｒと凸部１１Ｐとが交互に連続している。
【００３８】
本実施例においても、原料容器１１の断面の外周は、等しい面積を有する円の円周よりも大きいので、前述した実施形態において得られる効果と同様の効果を得られる。
【００３９】
さらに、本実施例においては、断面の外周に丸みがあるので、ガスの流れを乱したり妨げるおそれが少ない。また、外側に向けて突出した部分１１Ｐが曲面状に形成されているので、その先端付近の隅部にガスが滞流するおそれがなくなる。その結果、ガスの対流の効率や、ヒーターの加熱による熱対流の効率がよくなり、固体原料１０内の温度差や圧力差を軽減することができ、効率よく、気化ガスの供給量を増加できる。
【００４０】
このように、本具体例によると、原料容器１１の断面の外周が、同一面積を有する円の円周よりも大きくなるように側面の形状を工夫し、特に、側壁を丸みを持った形状にすることによって、固体原料１０の加熱面積を増加させるとともに効率よく、気化ガスの供給量を増加することができる。
【００４１】
図４乃至図６は、本発明の第３乃至第５の具体例の固体原料気化装置の水平方向の断面構造を例示する模式図である。すなわち同図も、図１のＡ−Ａ’線における断面構造を表す。  
図４に表した具体例においても、容器１１の側壁に、複数の内側に向けて突出した部分１１Ｒが設けれている。そして、これらの間に設けられた外側に向けて突出した部分１１Ｐに大きな丸みが与えられている。外側に向けて突出した部分１１Ｐの空間を大きく確保することにより、ガスの滞留を防ぐ効果が期待できる。
【００４２】
図５に表した具体例においても、容器１１の側壁に、複数の内側に向けて突出した部分１１Ｒが設けられている。そして、これら内側に向けて突出した部分１１Ｒの間には、矩形の外側に向けて突出した部分１１Ｐが設けられている。外側に向けて突出した部分１１Ｐを矩形とすることにより、側壁の面積をさらに拡大させ、外部のヒーターからの熱導入を促進できる。  
図６に表した具体例においても、容器１１の側壁に、複数の内側に向けて突出した部分１１Ｒが設けられている。これら内側に向けて突出した部分１１Ｒの間には、外側に向けて突出した部分１１Ｐが設けられている。そして、外側に向けて突出した部分１１Ｐのそれぞれは、複数の小さな凸部１１Ｓにより形成されている。このようにすると、容器１１の側壁の面積をさらに拡大させ、外部のヒーターからの熱導入をさらに促進できる。  
以上説明した図４乃至図９に表した具体例のいずれにおいても、原料容器１１の水平方向の断面の外周は、等しい面積を有する円の円周よりも大きいので、前述した実施形態において得られる効果と同様の効果を得られる。
【００４３】
また、気化量の増加量は、原料容器１１の外周長／底面積に比例するから、同一の底面積の場合、外周長が長いほど、気化量は増える。従って本実施例にあげた例の外周長はいずれも、前述した実施形態における外周長よりも大きいので、気化量をさらに増加させる事ができる。
【００４４】
ただし、原料容器１１の側壁をあまりに複雑な形状にすると、装置のメンテナンス性が低下するおそれがある。それゆえ、固体原料の種類によって、当業者がメンテナンスなどを容易になし得る範囲内で様々な形状とすればよい。
【００４５】
次に、ガス導入口１２とガス出口１３との配置及び数量を工夫した具体例について説明する。  
図７及び図８は、本発明の第６及び第７の具体例の固体原料気化装置の水平方向の断面構造を例示する模式図である。すなわちこれらの図は、図１のＡ−Ａ’線における断面構造を表す。  
図７に表した具体例の場合、原料容器１１の中心にガス導入口１２を一つ設け、原料容器１１の周囲の凸部１１Ｐにそれぞれガス出口１３を設けている。このように、ガス導入口１２及びガス出口１３を、原料容器１１の中心に対して略対称となるように設けることによって、原料容器１１の中心に対して対称にガスが流れるから、固体原料１０も一方向から優先的にではなく、左右対称な方向に消費される。その結果、固体原料１０の気化速度も安定し、安定して気化ガスを供給できる。
【００４６】
また、ガス出口１３を複数設けることにより、固体原料１０内のガス流のコンダクタンスが増加し、気化効率が上がる。すなわち、加熱ヒーターによる熱が、熱伝導だけでなくガスの流れ効果によっても伝達されるので、固体原料１０の気化速度を上げることができる。  
またさらに、凸部１１Ｐのそれぞれにガス出口１３を設けることにより、凸部１１Ｐでのガスの滞留や流れの乱れなどを抑制できる。
【００４７】
図８に表した具体例の場合、原料容器１１の中心にガス出口１３を一つ設け、原料容器１１の周囲の凸部１１Ｐにそれぞれガス導入口１２が設けられている。凸部１１Ｐにガス導入口１２を設けた場合、導入されたガスは、容器１１の側壁の外側に設けられたヒーターからの熱をすぐに受けて加熱される。つまり、熱交換効率が上がるという点で有利である。ガス導入口１２から導入されたガスは、凸部１１Ｐの側壁においてヒーターからの熱を高い効率で受け取って加熱され、固体原料１０を気化させて容器中央に設けられたガス出口１３から排出される。つまり、固体原料の気化を促進させ、気化ガスの排出量を増加させることができる。  
またさらに、本具体例においても、凸部１１Ｐのそれぞれにガス導入口１２を設けることにより、凸部１１Ｐでのガスの滞留や流れの乱れなどを抑制できる。
【００４８】
以上具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。  
すなわち、本発明の固体原料気化装置を構成する材料、構造、形状、サイズ、各部品の配置について当業者が設計変更を加えたものであっても、本発明の要旨を備えたものであれば、本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態にかかる固体原料気化装置の垂直方向の断面構造を例示する模式図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかる固体原料気化装置の水平方向の断面構造を例示する模式図である。
【図３】本発明の第２の具体例としての固体原料気化装置の水平方向の断面構造を例示する模式図である。
【図４】本発明の第３の具体例としての固体原料気化装置の水平方向の断面構造を例示する模式図である。
【図５】本発明の第４の具体例としての固体原料気化装置の水平方向の断面構造を例示する模式図である。
【図６】本発明の第５の具体例としての固体原料気化装置の水平方向の断面構造を例示する模式図である。
【図７】本発明の第６の具体例としての固体原料気化装置の水平方向の断面構造を例示する模式図である。
【図８】本発明の第７の具体例としての固体原料気化装置の水平方向の断面構造を例示する模式図である。
【図９】従来の固体原料気化装置を例示する模式図である。
【図１０】従来の固体原料気化装置において、固体原料が消費される途中経過を例示する模式図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 固体原料気化装置
１０ 固体原料
１１ 原料容器
１１Ｐ 凸部
１１Ｒ 凹部
１２ ガス導入口
１３ ガス出口
１４ 加熱ヒーター
１００ 固体原料
１０００ 固体原料気化装置
１１０ 原料容器
１２０ ガス導入口
１３０ ガス出口
１４０ 加熱ヒーター
【図１】
2006144051.tif 000003
【図２】
2006144051.tif 000004
【図３】
2006144051.tif 000005
【図４】
2006144051.tif 000006
【図５】
2006144051.tif 000007
【図６】
2006144051.tif 000008
【図７】
2006144051.tif 000009
【図８】
2006144051.tif 000010
【図９】
2006144051.tif 000011
【図１０】
2006144051.tif 000012