(57)【要約】【課題】基板面内膜厚均一性を改善することができるシャワーヘッドを与える。【解決手段】半導体処理装置用のシャワーヘッドが与えられる。当該シャワーヘッドは、天板、側壁及び底板により画成された内部空間と、内部空間に結合されたガス導入口と、底板に設けられた複数の細孔を有するシャワープレートと、内部空間にシャワープレートと平行に対向して設置された、複数の孔を有するブロックプレートと、内部空間内にあって、ブロックプレートと、シャワープレートとに平行に設置された絞り機構とを備えたことを特徴とする。【選択図】図２
0003149701.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
半導体処理装置用のシャワーヘッドであって、
天板、側壁及び底板により画成された内部空間と、
前記内部空間に結合されたガス導入口と、
前記底板に設けられた複数の細孔を有するシャワープレートと、
前記内部空間に前記シャワープレートと平行に対向して設置された、複数の孔を有するブロックプレートと、
前記内部空間内にあって、前記ブロックプレートと、前記シャワープレートとに平行に設置された絞り機構と、
を備えたことを特徴とするシャワーヘッド。
【請求項２】
前記絞り機構は少なくとも２つの絞り羽根を有し、前記絞り羽根を移動することにより、プロセスガスの半導体基板面内のガス分布が制御される、
ことを特徴とする請求項１記載のシャワーヘッド。
【請求項３】
前記絞り機構は、前記ブロックプレートと、前記シャワープレートとの間に設置される、
ことを特徴とする請求項１記載のシャワーヘッド。
【請求項４】
前記ブロックプレートは、前記絞り機構と、前記シャワープレートとの間に設置される、
ことを特徴とする請求項１記載のシャワーヘッド。
【請求項５】
前記ブロックプレートの前記孔は、前記シャワープレートの前記細孔よりも直径が大きい、
ことを特徴とする請求項１記載のシャワーヘッド。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、半導体処理装置用のシャワーヘッドの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体基板の表面に薄膜を堆積処理するために、プラズマＣＶＤ法が多く使用されている。プラズマＣＶＤ法は、リアクタ内部の反応空間に、高周波電力を印加してプロセスガスをプラズマ化し、それにより生成されたプラズマ活性種により半導体基板表面付近で化学反応を生じさせ、半導体基板上に薄膜を堆積させるものである。
【０００３】
一般に、プラズマＣＶＤ装置は、リアクタと、リアクタ内部に設置された半導体基板を載置するためのサセプタと、リアクタ内部にあってサセプタと平行かつ対向して配置されたシャワーヘッドと、高周波電力（ＲＦ）発振器と、リアクタを真空排気するための排気装置を有する。
【０００４】
サセプタは接地されてプラズマ放電のための下部電極を構成し、シャワーヘッドは高周波電力発振器に接続されてプラズマ放電のための上部電極を構成する。シャワーヘッドの底面には、半導体基板に均一にプロセスガスを噴射するための複数の細孔が設けられている。
【０００５】
従来のプラズマＣＶＤ装置を使用した場合、半導体基板上に堆積される膜厚の面内均一性が±２％以上であり、これでは、半導体基板の大口径化及び微細化のトレンドの要求に応えることができない。
【０００６】
そこで、シャワーヘッドの内部にガス分散板を挿入することにより、プロセスガスの流れを一度分散してからシャワープレートに流す構造が考案された（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
しかしながら、この構造でも十分な膜厚均一性を達成することができない。
【０００８】
また、膜厚均一性を制御する方法として、反応空間の電場、半導体基板の温度分布、圧力等を調節する方法があるが、作業が複雑で所望の膜厚均一性を達成することは困難である。
【０００９】
さらに、膜厚均一性は、成膜処理を重ねる度に変化するため、ウエハ間での膜厚均一性を所望の範囲に制御するのは極めて困難である。
【００１０】
さらにまた、シャワープレートは一般に半導体製造レシピやプロセスアプリケーションに応じて交換される。この交換作業に伴い、スループットが低下するという問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平９−２３２２９８号公報
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【００１２】
上記の問題点に鑑み、本願考案の目的は、膜厚の基板面内均一性を改善することができるシャワーヘッドを与えることである。
【００１３】
本願考案の他の目的は、作業が単純で、所望の膜厚面内均一性を達成することが可能なシャワーヘッドを与えることである。
【００１４】
本願考案の他の目的は、ウエハ間での膜厚面内均一性の差異を最小限に抑えることが可能なシャワーヘッドを与えることである。
【００１５】
本願考案の他の目的は、半導体製造レシピやアプリケーションに応じてシャワープレートを交換する必要がなく、スループットを向上させることができるシャワーヘッドを与えることである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本考案のひとつの態様において、半導体処理装置用のシャワーヘッドが与えられ、当該シャワーヘッドは、
天板、側壁及び底板により画成された内部空間と、
前記内部空間に結合されたガス導入口と、
前記底板に設けられた複数の細孔を有するシャワープレートと、
前記内部空間に前記シャワープレートと平行に対向して設置された、複数の孔を有するブロックプレートと、
前記内部空間内にあって、前記ブロックプレートと、前記シャワープレートとに平行に設置された絞り機構と、
を備えたことを特徴とする。
【００１７】
前記絞り機構は少なくとも２つの絞り羽根を有し、前記絞り羽根を移動することにより、プロセスガスの半導体基板面内のガス分布が制御される、
ことを特徴とする。
【００１８】
ひとつの態様において、前記絞り機構は、前記ブロックプレートと、前記シャワープレートとの間に設置されることを特徴とする。
【００１９】
他の態様において、前記ブロックプレートは、前記絞り機構と、前記シャワープレートとの間に設置されることを特徴とする。
【００２０】
前記ブロックプレートの前記孔は、前記シャワープレートの前記細孔よりも直径が大きいことを特徴とする。
【考案の効果】
【００２１】
本願考案によれば、膜厚の基板面内均一性を改善することが可能なシャワーヘッドを与えることができる。
【００２２】
また、本願考案によれば、作業が単純で、所望の膜厚面内均一性を達成することが可能なシャワーヘッドを与えることができる。
【００２３】
さらに、本願考案によれば、ウエハ間での膜厚面内均一性の差異を最小限に抑えることが可能なシャワーヘッドを与えることができる。
【００２４】
さらにまた、本願考案によれば、半導体製造レシピやアプリケーションに応じてシャワープレートを交換する必要がなく、スループットを向上させることが可能なシャワーヘッドを与えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本願考案に係るシャワーヘッドを使用する半導体処理装置の断面を概略的に示したものである。
【図２】図２は、本願考案の第１の実施形態に従うシャワーヘッドの断面図を概略的に示したものである。
【図３】図３は、本願考案に係るシャワーヘッドに使用する絞り機構の第１の実施形態を概略的に示した平面図である。
【図４】図４は、本願考案に係るシャワーヘッドに使用する絞り機構の第２の実施形態を概略的に示した平面図であり、絞りの開始状態を示している。
【図５】図５は、本願考案に係るシャワーヘッドに使用する絞り機構の第２の実施形態を概略的に示した平面図であり、絞りの終了状態を示している。
【図６】図６は、本願考案の第２の実施形態に従うシャワーヘッドの断面図を概略的に示したものである。
【考案を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照しながら、本考案の実施形態について説明する。
【００２７】
［考案の第１の実施形態］
図１は、本考案に係るシャワーヘッドを使用する半導体処理装置を概略的に示したものである。半導体処理装置１は、リアクタ２と、該リアクタ２の内部に設置され半導体基板３を支持するためのサセプタ４と、リアクタ２内部にあって、該サセプタ４と対向しそれと平行に配置されたシャワーヘッド５とを備えて構成されている。
【００２８】
サセプタ４は、例えば抵抗加熱型ヒータ６を埋設しており、半導体基板３を所望の温度に加熱保持することができる。また、サセプタ４は昇降機構７と結合されており、垂直方向に上下移動することができる。さらに、半導体処理装置１がプラズマＣＶＤ装置の場合には、サセプタ４は電気的に接地８されており、プラズマ放電のための一方の電極を画成する。
【００２９】
リアクタ２には、ゲートバルブ９を介して、搬送室（図示せず）が結合されている。また、リアクタ２の側面底部には、排気口１０が設けられており、該排気口１０は、コンダクタンス調整バルブ１１を介して真空排気ポンプ（図示せず）に結合され、リアクタ２内部が所望の圧力に制御される。
【００３０】
シャワーヘッド５は、以下で詳細に説明するように、天板、側壁及び底板により画成された内部空間２０から成る中空構造を有し、該内部空間２０には、ブロックプレート２６及び絞り機構２８が設けられている（図２参照）。シャワーヘッド５の底板には、複数の細孔が設けられ、シャワープレート２５が画成される（図２参照）。シャワーヘッド５の天板にはプロセスガス用のガス導入口１２が設けられ、該ガス導入口１２は、ガス導入管１３を通じてプロセスガス供給装置（図示せず）と結合されている。
【００３１】
半導体処理装置１がプラズマＣＶＤ装置の場合には、シャワーヘッド５は、高周波発振器１４（例えば、１３．５６MHz）と出力ケーブル１５を介して電気的に接続されており、プラズマ放電のもう一方の電極を画成する。高周波電力及び低周波電力（例えば、４００kHz）を混合させて使用する場合には、高周波発振器とシャワーヘッド５との間には、整合回路１６が設けられる。
【００３２】
本考案の第１の実施形態に従うシャワーヘッドを図２に示す。ここで、図１と同じ構成要素については同一符号で示す。
【００３３】
本考案の第１の実施形態に従うシャワーヘッド５は、天板２０、側壁２１、及び底板２２から画成された内部空間２３から成る中空構造を有する。天板２０の略中央部には、ガス導入口１２が設けられている。底板２２には、当該底板２２を貫通する直径が０．１ｍｍから数ｍｍのオーダーの細孔２４が数百から数千個設けられ、シャワープレート２５を構成する。細孔２４のピッチ及び範囲は任意に設計することが可能である。
【００３４】
内部空間２３には、シャワープレート２５と平行にブロックプレート２６が設けられている。該ブロックプレート２６には、直径が数ｍｍから数十ｍｍのオーダーの孔２７が数十個から数百個設けられている。孔２７の直径は、概して、細孔２４の直径よりも大きい。孔２７のピッチ及び範囲は任意に設計することが可能である。
【００３５】
シャワープレート２５及びブロックプレート２６は、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金から研磨または研削により作製されるが、それ以外の金属、セラミック等から作製されてよい。
【００３６】
第１の実施形態において、内部空間２３の、シャワープレート２５とブロックプレート２６との間には、それらと平行に絞り機構２８が設けられている。絞り機構２８は、以下で詳細に説明するように、中央の開口部２９及び少なくとも２枚の絞り羽根を有し、該絞り羽根を移動させることにより、ウエハの中心からウエハ外周方向へ放射状に流れるプロセスガスの流れを自動的に制御するものである。
【００３７】
図３は、絞り機構２８のひとつの実施形態について示したものである。絞り機構２８は、基板３０と、該基板の中央部にガスが流れる開口部３１を有し、その左右に打ち抜き加工を施した絞り羽根３２、３３が左右逆に配置されている。絞り羽根３２、３３を同時に逆方向に平行移動させることにより、該開口部３１の開口径を可変させてプロセスガスの流量の調節が可能となるように構成されている。絞り羽根３３はガイド孔３４、駆動モータ（図示せず）と機械的に結合するガイドピン３５を有し、絞り羽根３２には基板３０に取付けるための孔３７が設けられている。絞り羽根３２、３３の稼働位置を制御するピン３６が基板３０に取付けられている。絞り羽根の形状は図３に示すもの限定されず、さまざまな形状が実施可能である。
【００３８】
図４及び図５は、絞り機構の他の実施例について示したものである。図４は絞り機構２８’が開始位置にある状態を示し、図５は絞り機構２８’が動作終了状態にあることを示している。
【００３９】
この実施形態において、絞り機構２８’は、基板４０、該基板４０の中央部にガスが流れる開口部４１を有し、絞りリング４２と７枚の絞り羽根４３が開口部４１の円周の周りに配置されている。絞りリング４２には略等角度間隔に７つのカム溝４４が形成され、該絞りリング４２の外周の所定の角度範囲には歯部４５が形成されている。また、該絞りリング４２の外周の所定位置には遮光部４９が設けられている。そして、遮光部４９は、フォトセンサ４９ａの発光部と受光部の間に出入りするように構成されている。ここで、絞り羽根４３は、すべて同一形状を有し、基板４０側に軸ピン４３ａと、係合ピン４６を有し、軸ピン４３ａを基板４０に形成されている孔に回転可能に嵌合させ、係合ピン４６を絞りリング４２に挿入している。
【００４０】
絞り機構の駆動用のアクチュエータは周知のステップモータから成る。回転子４７はその軸部と一体成形された出力歯車４７ａを含み、基板４０に回転可能に取付けられている。また、減速歯車４８を含み、親歯車と子歯車とから成る２段歯車であって、基板４０に対して回転可能に取付けられている。ここで、親歯車が回転子４７の出力歯車４７ａと噛合し、子歯車は絞りリング４２の歯部４５と噛合する。
【００４１】
図４において、絞り機構の電源がオンになると、ステップモータが始動して、回転子４７の出力歯車４７ａが減速歯車４８を介して絞りリング４２を回転させ、絞りリングの遮光部４９がフォトセンサ４９ａの光路を遮り、フォトセンサ４９ａはＬレベルの信号を発し、回転子４７が停止し、図４に示すような絞り羽根４３の初期位置が得られる。
【００４２】
図５において、コイル５０、５１にパルス信号が発せられると、回転子４７が停止することなく、時計方向の回転が続行される。その結果、絞りリング４２のカム溝４４が、絞り羽根４３の係合ピン４６を押し始め、７枚の絞り羽根４３を同時に反時計回りに回転させ、開口部４１に進入していく。ステップモータへのパルス信号の印加により、回転子４７の回転が停止し、図５に示すような、所定の絞り開口制御位置で７枚の絞り羽根４３が停止する。
【００４３】
本考案で使用可能な絞り機構は、これらに限定されない。また、絞り羽根の数は任意であり、絞り開口の調節は、コンピュータ等により自動的に制御可能であることは言うまでもない。
【００４４】
シャワーヘッド内部に上記した絞り機構を設けることにより、シャワープレートを介して半導体基板上に噴射されるプロセスガスのガス分布を調節することが可能となる。結果として、ウエハ面内の膜厚均一性が改善される。
【００４５】
また、絞り機構を制御するだけで、電場や温度分布を変化させずに、ガス分布を調節することができる。結果として、膜厚制御作業が単純化される。
【００４６】
さらに、プロセスステップ毎に絞り機構を制御することができる。結果として、半導体基板毎の膜厚均一性の差異を低減することができる。
さらにまた、半導体製造レシピに応じて絞り機構の制御を最適化することができる。結果として、プロセスマージンが広がり、アプリケーション間でシャワープレートの共有化が可能となり、部品交換による生産性の低下を防止することができる。それにより、スループットが向上する。
【００４７】
このように、本考案の第１の実施形態に従うシャワーヘッドによれば、半導体基板上のガス分布が調節され、膜厚均一性が改善される。
【００４８】
［考案の第２の実施形態］
次に、本考案の第２の実施形態について説明する。図６は本考案の第２実施形態に従うシャワーヘッド５’の断面を概略的に示したものである。第１の実施形態と同一構成要素については、同一符号で示す。
【００４９】
第２実施形態に従うシャワーヘッド５’は、絞り機構２８とブロックプレート２６の配置が逆になっている点で、第１実施形態と異なる。その他の構成は第１実施形態と同様なので説明を省略する。
【００５０】
本考案の第２の実施形態においても、半導体基板上のガス分布が調節され、膜厚均一性が改善される。
【００５１】
［その他］
以上、本考案の特定の実施形態について説明してきたが、ここに開示される装置の構造は例示に過ぎず、実用新案登録請求の範囲に記載された本考案の思想から離れることなく、さまざまな修正及び変更が可能であることは当業者の知るところである。
【００５２】
例えば、本考案の実施形態は、プラズマＣＶＤ装置に関連して説明してきたが、熱ＣＶＤ装置、原子層堆積装置（ＡＬＤ）、プラズマ強化原子層堆積装置（ＰＥ−ＡＬＤ）、物理的気相成長装置（ＰＶＤ）についても同様に適用可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１・・・半導体製造装置、２・・・リアクタ、３・・・半導体基板、４・・・サセプタ、５・・・シャワーヘッド、６・・・シースヒータ、７・・・昇降装置、８・・・接地、９・・・ゲートバルブ、１０・・・排気口、１１・・・コンダクタンス調整弁、１２・・・ガス導入口、１３・・・配管、１４・・・高周波発振器、１５・・・出力ケーブル、１６・・・整合回路、２０・・・天板、２１・・・側壁、２２・・・底板、２３・・・内部空間、２４・・・細孔、２５・・・シャワープレート、２６・・・ブロックプレート、２７・・・孔、２８・・・絞り機構、２９・・・開口部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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