(57)【要約】【課題】熱安定性の低い低蒸気圧の液体原料を安定して気化供給することができるＣＶＤ装置を与える。【解決手段】被処理体上に薄膜を成膜するための枚葉式ＣＶＤ装置は、反応チャンバと、反応チャンバ内にあって、被処理体を載置するためのサセプタと、サセプタと平行に対向して設置された、被処理体に反応ガスを噴射するためのシャワープレートと、反応チャンバの天井部を貫通して設けられた、液体原料及びキャリアガスを反応チャンバ内に導入するためのオリフィスと、反応チャンバの天井部とシャワープレートとの間の空間内に設けられた、液体原料を蒸発させるための蒸発板手段と、シャワープレート及び蒸発板手段をそれぞれ所定の温度に制御するための温度制御機構と、から成る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体上に薄膜を成膜するための枚葉式ＣＶＤ装置であって、
反応チャンバと、
前記反応チャンバ内にあって、前記被処理体を載置するためのサセプタと、
前記サセプタと平行に対向して設置された、前記被処理体に反応ガスを噴射するためのシャワープレートと、
前記反応チャンバの天井部を貫通して設けられた、液体原料及びキャリアガスを反応チャンバ内に導入するためのオリフィスと、
前記反応チャンバの天井部と前記シャワープレートとの間の空間内に設けられた、前記液体原料を蒸発させるための蒸発板手段と、
前記シャワープレート及び前記蒸発板手段をそれぞれ所定の温度に制御するための温度制御機構と、
から成る装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、前記蒸発板手段の底面積は、前記空間の底面積の８０％以上１２０％以下である、ところの装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置であって、前記蒸発板手段の所定の温度は４０℃以上３００℃以下である、ところの装置。
【請求項４】
請求項３に記載の装置であって、前記シャワープレートの所定の温度は、前記蒸発板手段の温度からプラス５０℃までの範囲である、ところの装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置であって、前記温度制御機構は、
前記蒸発板手段及び前記シャワープレートに近接配置されたひとつ若しくはそれ以上の加熱手段と、
前記蒸発板手段及び前記シャワープレートに近接配置されたひとつ若しくはそれ以上の冷却手段と、
前記蒸発板手段及び前記シャワープレートにそれぞれ結合された温度測定手段と、
前記加熱手段、前記冷却手段及び前記温度測定手段に結合された温度調節手段と、
から成る、ところの装置。
【請求項６】
請求項１に記載の装置であって、前記液体原料は、成膜処理時に用いられる金属錯体原料若しくは固体原料を溶媒に溶かしたものである、ところの装置。
【請求項７】
請求項１に記載の装置であって、前記キャリアガスは、不活性ガスである、ところの装置。
【請求項８】
請求項１に記載の装置であって、さらに
前記反応チャンバの天井部と前記蒸発板手段との間の空間の圧力を検知する手段及び前記シャワープレートと前記サセプタとの間の圧力を検知する手段を含む、装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハを一枚ずつ成膜処理するための枚葉式ＣＶＤ（化学気相成長）装置に関し、特に、液体原料を気化する機構を組み込んだＣＶＤ装置に関する。
【０００２】
【従来技術及び発明が解決しようとする課題】
近年、半導体装置の高集積化に伴い、従来の高圧ガス材料若しくは比較的蒸気圧の高い液体原料の他に、熱安定性の低い低蒸気圧の液体原料または固体原料が反応材料として使用されるようになってきた。同時に、生産性を向上させるために半導体ウエハの大口径化が進み成膜反応に必要とされる液体原料の気化量が増加している。
【０００３】
例えば、Ａｌより電気抵抗の低いＣｕ配線を形成するために用いる液体原料のＣｕ（ｈｆａｃ）ｔｍｖｓ（Ｈｅｘａｆｌｕｏｒｏａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｏｃｏｐｐｅｒ：ｔｒｉｍｅｔｈｙｌｖｉｎｙｌｓｉｌａｎｅ　ａｄｄｕｃｔ）の蒸気圧は０．３ｍｍＨｇ／４３℃と低い。直径２００ｍｍの半導体ウエハでは１．５ｇ／ｍｉｎの気化量でよいが、より口径の大きい直径３００ｍｍの半導体ウエハに対しては３．０ｇ／ｍｉｎの気化量が必要となる。この気化量を得るためには、従来の気化器を８０℃に加熱しなければならないが、このＣｕ（ｈｆａｃ）ｔｍｖｓは熱的に不安定であるため４０℃以上に加熱すると分解が始まってしまうという問題がある。
【０００４】
またｈｉｇｈ−Ｋゲート及びキャパシタンス用の高誘電膜若しくはＭＲＡＭ等に検討されているＨｆ（ハフニュウム）、Ｓｒ（ストロンチューム）、Ｂａ（バリュウム）等の原料として用いられる塩化物若しくは有機金属錯体は固体である。この場合、固体原料を反応チャンバ内に導入する方法として、固体原料を昇華させてキャリアガスにより供給する方法及び溶媒に固体原料を溶かした液体を気化器により気化させる方法がある。前者は、加熱による固化等により固体原料の表面積が変化し供給量が安定しないという問題を有する。一方、後者は、固体原料と溶媒の気化温度が異なるため溶媒のみ気化し気化器内で固体原料が詰まるという問題を有する。
【０００５】
さらに、低蒸気圧材料は反応装置外部に設けられた気化器によって気化され、配管及びバルブを通って反応装置内部に運ばれる。従来、配管及びバルブでの圧力損失（コンダクタンスの低下）による液化若しくは固化を防止するために必要以上の気化量を得るべく気化器の温度を上げる必要があった。ここに参考文献として組み込む、特許第３１１２７２１号、特開２００１−１４８３４７号、特開２０００−１９９０６７号及び特開２００１−１１６３４号には、気化器の表面積を増加させることにより液体原料の気化量を増やす技術が開示されている。また、ここに参考文献として組み込む、日本エム・ケー・エス株式会社の荒井真弓氏による、日本工業出版「計測技術」第２５巻第１２号（日工Ｎｏ．９７．１０．０８．２０００）ｐ．４４〜ｐ．４７には、溶媒に溶かした固体原料を気化する方法として高圧送液によって溶媒と固体原料の蒸気圧を近づけて気化する技術が開示されている。
【０００６】
しかしながら、これらの方法は気化器単体で液体若しくは固体原料を気化していることから反応チャンバまでの配管及びバルブ等の圧力損失の影響を受け、また配管及びバルブの加温状態によって気化状態が左右されるという問題を有する。
【０００７】
上記のような問題が生じる他の原料として、ＴＤＥＡＨ（Ｔｅｔｒｋｉｓ−ｄｉｅｔｈｙｌａｍｉｄ−ｈａｆｎｉｕｍ）、Ａｃａｃ２Ｂａ（Ｂｉｓ−ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｏ−ｂａｒｉｕｍ）、ＤＰＭ２Ｂａ　（Ｂｉｓ−ｄｉｐｉｖａｌｏｙｌｍｅｔｈａｎａｔｏ−ｂａｒｉｕｍ）、ＤＰＭ２Ｂａ：（ｔｅｔｒａｅｎｅ）ｎ　（Ｂｉｓ−ｄｉｐｉｖａｌｏｙｌｍｅｔｈａｎａｔｏｂａｒｉｕｍ：Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌｅｎｐｅｎｔａｍｉｎｅ　ａｄｄｕｃｔ）、ＤＰＭ３Ｂｉ（Ｔｒｉｓ−ｄｉｐｉｖａｌｏｙｌｍｅｔｈａｎａｔｏ−ｂｉｓｍｕｔｈ）、ＤＰＭ２Ｃｕ（Ｂｉｓ−ｄｉｐｉｖａｌｏｙｌｍｅｔｈａｎａｔｏ−ｃｏｐｐｅｒ）、（ｈｆａｃＣｕ）２ＤＭＶＳ（Ｂｉｓ−ｈｅｘａｆｌｕｏｒｏａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｏ−ｃｏｐｐｅｒ：Ｄｉｍｅｔｈｙｌｄｉｖｉｎｙｌｓｉｌａｎｅ　ａｄｄｕｃｔ）、ＤＰＭ３Ｒｕ（Ｔｒｉｓｄｉｐｉｖａｌｏｙｌｍｅｔｈａｎａｔｏ−ｒｕｔｈｅｎｉｕｍ）、　ＤＰＭ２Ｓｒ（Ｂｉｓｄｉｐｉｖａｌｏｙｌｍｅｔｈａｎａｔｏ−ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ）、ＤＰＭ２Ｓｒ：（ｔｅｔｒａｅｎｅ）（　Ｂｉｓｄｉｐｉｖａｌｏｙｌｍｅｔｈａｎａｔｏ−ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ：ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌｅｎｅｐｅｎｔａｍｉｎｅ　ａｄｄｕｃｔ）、Ｔａ［Ｎ（ＣＨ３）２］５（Ｐｅｎｔａｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ−ｔａｎｔａｌｕｍ）、ＰＥＴ（Ｐｅｎｔａｅｔｈｏｘｙｔａｎｔａｌｕｍ）、ＴＤＥＡＴ（Ｔｅｔｒａｋｉｓ−ｄｉｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ−ｔｉｔａｎｉｕｍ）、ＤＰＭ３Ｙ（Ｔｒｉｓｄｉｐｉｖａｌｏｙｌｍｅｔｈａｎａｔｏ−ｙｔｔｒｉｕｍ）等がある。
【０００８】
したがって、本発明の目的は、熱安定性の低い低蒸気圧の液体原料若しくは溶媒に溶かした固体原料を安定して気化供給することができるＣＶＤ装置を与えることである。
【０００９】
本発明の他の目的は、バルブ及び配管での圧力損失を生じることなく、液体原料を低温で気化供給することができるＣＶＤ装置を与えることである。
【００１０】
本発明の他の目的は、従来の気化器とリアクタとの間に介在したバルブ及び配管を省略することで、部品点数を減らし、装置コストを削減することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る装置は以下の手段から成る。
【００１２】
被処理体上に薄膜を成膜するための枚葉式ＣＶＤ装置は、
反応チャンバと、
反応チャンバ内にあって、被処理体を載置するためのサセプタと、
サセプタと平行に対向して設置された、被処理体に反応ガスを噴射するためのシャワープレートと、
反応チャンバの天井部を貫通して設けられた、液体原料及びキャリアガスを反応チャンバ内に導入するためのオリフィスと、
反応チャンバの天井部とシャワープレートとの間の空間内に設けられた、液体原料を蒸発させるための蒸発板手段と、
シャワープレート及び蒸発板手段をそれぞれ所定の温度に制御するための温度制御機構と、
から成る。
【００１３】
好適には蒸発板手段の底面積は、上記空間の底面積の８０％以上１２０％以下である。
【００１４】
好適には蒸発板手段の所定の温度は４０℃以上３００℃以下である。
【００１５】
好適にはシャワープレートの所定の温度は、蒸発板手段の温度からプラス５０℃までの範囲である。
【００１６】
本発明にしたがうＣＶＤ装置は、さらに
反応チャンバの天井部と蒸発板手段との間の空間の圧力を検知する手段及びシャワープレートとサセプタとの間の圧力を検知する手段を含むことができる。
【００１７】
【発明の実施の態様】
以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。図１は、本発明に係る枚葉式ＣＶＤ装置の好適実施例を略示したものである。リアクタ１は反応チャンバ７及び基板搬送チャンバ８を含む。リアクタ１内部には半導体ウエハ９を載置するためのサセプタ５が設けられており、該サセプタ５は昇降機構（図示せず）によって上昇及び下降する。好適には、サセプタ５は半導体ウエハ９を加熱する手段を含む。反応チャンバ７の内部には、サセプタ５と平行に対向してシャワープレート４が設置されている。シャワープレート４の表面には半導体ウエハ９に材料ガスを噴射するための多数の細孔１４が設けられている。また、シャワープレート４の内部には加熱・冷却手段１７及びシャワープレート４の温度を測定するための温度測定手段２０が与えられる。リアクタ１の側面には排気口１５が設けられ、外部の真空ポンプ（図示せず）と接続されている。
【００１８】
リアクタ１の天井部であるアッパーボディー１３の略中央部には、液体原料及びキャリアガスを反応チャンバ７内部に導入するためのオリフィス２がアッパーボディー１３を貫通して与えられる。ここで、液体原料とは、成膜処理時に用いられる液体の金属錯体原料若しくは固体原料を溶媒に溶かしたものである。また、キャリアガスは好適にはＡｒガスであるがＨｅガス若しくは他の不活性ガスでもよい。
【００１９】
シャワープレート４とアッパーボディー１３との間には空間６が形成され、その空間６の内部に液体原料を蒸発させるための蒸発板３が設けられている。蒸発板３の気化面は好適には円錐面であるが、球面若しくは他の曲面であってもよい。蒸発板３の底面は平坦面であり、その面積は空間６の底面、すなわちシャワープレート４の上端面２４の面積の８０％以上１２０％以下である。図２（Ａ）及び（Ｂ）は蒸発板３の平面図及び底面図をそれぞれ示したものである。蒸発板３の気化面３０の円周部には等間隔に複数の孔３２が設けられている。蒸発板３の底面３１には同心円状に複数の孔３３が設けられている。孔３２及び３３の数、形状及び配置は任意に選択可能である。図３は図１の部位Ａを拡大したものである。蒸発板３は、その底面３１の周縁部４１がシャワープレート４の段部４０と係合することによって、空間６内で担持される。この際、蒸発板３の底面３１はシャワープレートの上端面２４と平行となり、孔３３はシャワープレート４の細孔１４の上に位置する。図１に示されるように、蒸発板３の内部には加熱・冷却手段１８及び蒸発板３の温度を測定するための温度測定手段１９が与えられる。
【００２０】
シャワープレート４の上流側である空間６内の圧力を検知するための圧力センサ２２が空間６内部に与えられる。また、シャワープレート４の下流側である反応チャンバ７内の圧力を検知するための圧力センサ２３が反応チャンバ７内に与えられる。好適には、圧力センサ（２２，２３）は、リアクタ外部の圧力モニター装置２７に接続される。
【００２１】
リアクタ１の外部にはバルブユニット１０が設けられている。バルブユニット１０は２つの吸気口（１１，１２）及び１つの排気口１６を有する。吸気口１１はキャリアガス供給手段（図示せず）と結合され、そこからキャリアガス（Ａｒ）がバルブユニット内に導入される。吸気口１２は液体質量流量計２６を介して液体原料、例えばＣｕ（ｈｆａｃ）ｔｍｖｓ（銅含有錯体）を貯留する原料タンク２５に結合されている。排気口１６はオリフィス２の一端に結合される。
【００２２】
また、リアクタ１の外部には温度調節手段２１が設けられている。該温度調節手段２１は、加熱・冷却手段（１７，１８）及び温度測定手段（１９，２０）と接続され、それらは全体として温度制御機構を構成する。該温度制御機構によって、蒸発板３の温度は好適に４０℃〜３００℃の範囲の所定の温度に制御される。所定の温度は使用する液体原料によって適時決定される。この温度は、特に金属膜成膜及び強誘電体に多用される有機金属錯体の分解温度以下であり且つ成膜反応圧力にて凝縮しない温度以上でなければならない。温度制御機構によって、シャワープレート４の温度は好適には蒸発板３の温度からプラス５０℃までの範囲に制御される。成膜条件により気化流量が少ない場合にはシャワープレート４の温度は蒸発板３の温度と等しく制御され、気化流量が多い場合にはシャワープレート４の温度は蒸発板３の温度より高く（ｍａｘ５０℃）制御される。それによって、シャワープレート４内での再液化若しくは再固化が防止される。尚、シャワープレート４の温度を蒸発板３の温度より５０℃を超えて設定すると、シャワープレート４において成膜が生じ、その結果半導体ウエハ９への原料供給不足が起こり、メンテナンスサイクルも短くなるという問題が生じるので注意する必要がある。
【００２３】
次に、本発明に係る枚葉式ＣＶＤ装置の動作について説明する。ここではＣｕ薄膜の成膜反応を例に説明するが、本発明はそれに限定されるものではない。まず、真空排気されたロードロックチャンバ（図示せず）から半導体ウエハ９が基板搬送チャンバ８内に搬送される。半導体ウエハ９がサセプタ５上に載置され真空チャック等で固定された後、サセプタ５を昇降機構（図示せず）によって反応位置まで上昇させる。バルブユニット１０の吸気口１１からオリフィス２を介してＡｒガス１ＳＬＭを反応チャンバ７内に供給する。温度制御機構によって蒸発板３の温度を６０℃に、シャワープレート４の温度を８０℃にそれぞれ制御する。シャワープレート４の細孔１４からＡｒガスが噴射された状態で、半導体ウエハ９の温度を１５０℃まで加熱する。このときの反応チャンバ７内の圧力はＡＰＣ（図示せず）により成膜時と同じ３Ｔｏｒｒに制御する。この状態で１２０秒間半導体ウエハ９を昇温させる。
【００２４】
続いて、原料タンク２５内の液体原料Ｃｕ（ｈｆａｃ）ｔｍｖｓを液体質量流量計２６によって４ｇ／ｍｉｎに流量制御し、バルブユニット１０の吸気口１２へ導入する。Ａｒガスと混合されミスト状になった液体原料がオリフィス２から反応チャンバ７内に供給される。図３に示されるように、室温で供給された液体原料は蒸発板３の気化面３０上を矢印４２方向へ流れながら気化し、孔３２及び３３を通過し、さらにシャワープレート４の細孔１４を通じて半導体ウエハ９上へ噴射される。この際、圧力センサ（２２，２３）により、シャワープレート４の上流側の圧力及び下流側の圧力を検知し、それを圧力モニター装置２７でモニターすることにより、液体原料が正常に気化しているかどうかを確かめることができる。図４は、Ａｒガス及びＣｕ（ｈｆａｃ）ｔｍｖｓを供給したときのシャワープレート４上流側の空間６内の圧力Ｐ１及びシャワープレート４下流側の反応チャンバ７内の圧力Ｐ２の経時変化を示す。図４（Ａ）は、液体原料が供給されている間Ｐ１及びＰ２が安定しており、液体原料の気化が正常に行われていることを示している。一方、図４（Ｂ）は、液体原料の供給量が適量を超えているためＰ１が安定せず（図中矢印部）、液体原料の気化が正常に行われていないことを示している。この場合、作業者は、液体質量流量計２６でＣｕ（ｈｆａｃ）ｔｍｖｓの流量を及び／または温度制御機構で蒸発板３の温度を適正な値に修正することで、液体原料の気化を正常化することができる。
【００２５】
約１分間の成膜処理が終了した後、バルブユニット１０によってＣｕ（ｈｆａｃ）ｔｍｖｓの供給を停止し、反応チャンバ７内の残留ガスをＡｒガスによりパージする。その後、バルブユニット１０によってＡｒガスの供給を停止し、反応チャンバ７内を真空排気する。つづいて、基板搬送チャンバ８内を真空排気し、サセプタ５を搬送位置まで下降させる。その後、真空排気されたロードロックチャンバへ処理済みの半導体ウエハ９を搬出する。
【００２６】
【効果】
本発明により、熱安定性の低い低蒸気圧の液体原料及び固体原料を安定して気化供給することが可能となった。
【００２７】
また本発明により、気化器はリアクタ内部に内設されることから、従来のような気化器とリアクタとの間に介在した配管及びバルブが不要となり、圧力損失分の蒸気圧を補償する必要がなくなるため、低温で気化することが可能となった。その結果、液体材料の分解による気化器内部のつまりが無くなり安定して成膜処理を行うことが可能となった。
【００２８】
さらに本発明により、配管及びバルブが不要となったため部品点数を減らすことができ、装置コストを削減することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明にしたがう枚葉式ＣＶＤ装置の好適実施例を示す。
【図２】図２は、本発明に従う蒸発板の平面図及び底面図を示す。
【図３】図３は、図１の部位Ａの拡大図であり、液体原料が気化して流れる様子を示す。
【図４】図４は、液体原料及びキャリアガスを供給したときの、シャワープレートの上流側及び下流側の圧力の経時変化を示す。
【符号の説明】
１　　　　　　　　リアクタ
２　　　　　　　　オリフィス
３　　　　　　　　蒸発板
４　　　　　　　　シャワープレート
５　　　　　　　　サセプタ
６　　　　　　　　シャワープレートの上流側空間
７　　　　　　　　反応チャンバ
８　　　　　　　　基板搬送チャンバ
９　　　　　　　　半導体ウエハ
１０　　　　バルブユニット
１１　　　　吸気口
１２　　　　吸気口
１３　　　　アッパーボディー
１４　　　　細孔
１５　　　　排気口
１６　　　　排気口
１７　　　　加熱・冷却手段
１８　　　　加熱・冷却手段
１９　　　　温度測定手段
２０　　　　温度測定手段
２１　　　　温度調節手段
２２　　　　圧力センサ
２３　　　　圧力センサ
２４　　　　シャワープレートの上端面
２５　　　　原料タンク
２６液体質量流量計
２７　　　　圧力モニター装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004047887.tif 000005
【図４】
2004047887.tif 000006