(57)【要約】【課題】有機材料を原料ガスとして用いる成膜装置に関し、異なる流路から供給される有機原料ガスとその他のガスを均一に混合してウェハ上に供給すること。【解決手段】基板５１が配置される雰囲気を有する反応室１と、反応室１内に第１ガスを供給するガス源１０と、液状の有機原料を気化して第２ガスを発生させて反応室１に供給する気化器１１と、ガス源１０内の第１ガスを反応室１に流すための直線状の主管７ａとこの主管７ａに側部から接続されて気化器１１内の第２ガスを主管７ａ内を通して反応室１内に流すための支管７ｂとを有するＴ字型のガス供給管７とを有し、主管７ａは支管７ｂとの接続部７ｃよりも上流側において第１のレイノルズ数で第１ガスを流すための大きさの内径を有し、支管７ｂは、接続部７ｃよりも上流側において第１のレイノルズ数よりも大きな第２のレイノルズ数で第２ガスを流すための大きさの内径を含む。【選択図】　図２
2004023077.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板が配置される雰囲気を有する反応室と、
前記反応室内に第１ガスを供給するガス源と、
液状の有機原料を気化して第２ガスを発生させて前記反応室に供給する気化器と、
前記ガス源内の前記第１ガスを前記反応室に流すための直線状の主管と該主管に側部から接続されて前記気化器内の前記第２ガスを前記主管内を通して前記反応室内に流すための支管とを有するＴ字型のガス供給管とを有し、
前記主管は、前記支管との接続部よりも上流側において第１のレイノルズ数で第１ガスを流すための大きさの内径を有し、
前記支管は、前記接続部よりも上流側において第１のレイノルズ数よりも大きな第２のレイノルズ数で第２ガスを流すための大きさの内径を有する
ことを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
前記第１のレイノルズ数をＲｅ１　とし、前記第２のレイノルズ数をＲｅ２　として、３＜（Ｒｅ２　／Ｒｅ１　）＜６の関係を有することを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
【請求項３】
前記主管と前記支管の前記接続部における前記第１ガスの流量をＶ１　とし、前記接続部における前記第２ガスの流量をＶ２　として、
Ｖ２　＜Ｖ１　の関係で前記ガス源からの前記第１ガスの流量を調整する流量調整器と、前記気化器からの前記第２ガスの流量を調整する流量調整器と
を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の成膜装置。
【請求項４】
前記主管の内径をＤ１　とし、前記支管の内径をＤ２　として、
０．１×（Ｄ２　／Ｖ２　）＜（Ｄ１　／Ｖ１　）
の関係を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の成膜装置。
【請求項５】
前記接続部における前記支管の中心軸から前記主管のガス放出端の長さをＬとし、前記主管の内径をＤ１　とし、
３３＜（Ｌ／Ｄ１　）
の関係を有することを特徴とする請求項３に記載の成膜装置。
【請求項６】
基板が配置される雰囲気を有する反応室と、前記反応室内に第１ガスを供給するガス源と、液状の有機原料を気化して第２ガスを発生させて前記反応室に供給する気化器と、前記ガス源内の前記第１ガスを前記反応室に流すための直線状の主管と該主管に側部から接続されて前記気化器内の前記第２ガスを前記主管を介して前記反応室内に流すための支管とを有するＴ字型のガス供給管とを有する成膜装置を使用し、
前記支管との接続部よりも上流側において第１のレイノルズ数となる条件で前記第１ガスを前記ガス源から前記主管に流し、
前記接続部よりも上流側において第１のレイノルズ数よりも大きな第２のレイノルズ数となる条件で第２ガスを前記気化器から前記支管に流し、
前記第１ガスと前記第２ガスを前記主管の前記接続部からその下流領域で混合し、
前記主管のガス放出口から放出された前記第１ガスと前記第２ガスを前記基板上に供給して気相成長させて膜を形成する
ことを特徴とする成膜方法。
【請求項７】
前記第１のレイノルズ数をＲｅ１　、前記第２のレイノルズ数をＲｅ２　として、
３＜（Ｒｅ２　／Ｒｅ１　）＜６の条件で前記第１ガスと前記第２ガスをそれぞれ前記ガス供給管に流すことを特徴とする請求項６に記載の成膜方法。
【請求項８】
前記主管と前記支管の前記接続部における前記第１ガスの流量をＶ１　とし、前記接続部における前記第２ガスの流量をＶ２　として、
Ｖ２　＜Ｖ１　の条件で前記第１ガスと前記第２ガスを前記ガス供給管に流すことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の成膜方法。
【請求項９】
前記主管の内径をＤ１　とし、前記支管の内径をＤ２　として、
０．１×（Ｄ２　／Ｖ２　）＜（Ｄ１　／Ｖ１　）
の条件で前記第１ガスと前記第２ガスを前記ガス供給管に流すことを特徴とする請求項８に記載の成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、成膜装置及び成膜方法に関し、より詳しくは、有機材料を原料ガスとして用いる成膜装置及び成膜方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＦｅＲＡＭ（ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｒａｎｄｏｍ　ａｃｃｅｓｓ　ｍｅｍｏｒｙ）に用いられる強誘電体キャパシタの強誘電体材料としてＰＺＴ、ＰＬＺＴなどが採用されており、その製造装置および成膜方法について、様々な装置および方法が提案されている。しかし、実際に量産され、実用化されているのは、ゾル・ゲル法やスパッタ法による成膜法である。近年、メモリ装置の集積度が次第にあがってきており、ＦｅＲＡＭの集積度も例外でない。特に、配線幅が０．１８μｍルールのＦｅＲＡＭを製造するには、強誘電体キャパシタの膜厚を薄くすることが要求される。
【０００３】
しかし、ゾル・ゲル法やスパッタ法のような強誘電体膜の製造方法では強誘電体膜の薄膜化を達成したり段差被覆性（カバレッジ）を良くすることは難しいので、ＭＯＣＶＤ法による薄膜製造装置とその製造方法の開発が待たれている。
【０００４】
ＰＺＴ膜をＣＶＤ法により形成することは、例えば特開平７−２０１７３６号公報に記載されている。
【０００５】
ＰＺＴ膜を形成するためのＭＯＣＶＤ装置として、例えば図１に示すように、有機原料ガスと酸素ガスを反応させる構造を有する装置を採用する。
【０００６】
図１に示したＭＯＣＶＤ装置は、原料容器１０１内の液状有機原料を気化して原料ガスを発生させる気化器１０２と、原料ガスと酸素ガスを混合するガス混合器１０３と、ガス混合器１０３内の混合ガスを成膜室１０４内のウェハ１０５に供給するガスシャワーヘッド１０６と、成膜室１０４内のガスと気化器１０３内のガスをそれぞれ排気するためのドライポンプ１０７と、ドライポンプ１０７から排気されたガスを無害化する除害装置１０８とを有している。
【０００７】
原料容器１０１は、給液管１０９と流量調整弁１１０を介して気化器１０２の原料液導入口に接続されている。
【０００８】
気化器１０２とガス混合器１０３には、気化器１０２内の有機原料ガスをガス混合器１０３に導入するための第１のガス導入管１１１が接続されている。気化器１０２と第１のガス導入管１１１は第１の開閉弁１１２を介して接続されている。また、気化器１０２には、有機原料ガスを第１のガス導入管１１１に送り出すためのキャリアガス（窒素ガス）を導入するキャリアガス導入管１１３が接続されている。
【０００９】
ガス混合器１０３には、第１のガス導入管１１１の他に、酸素ガスを導入するための第２のガス導入管１１４が接続されている。また、ガス混合器１０３内には、第１のガス導入管１１１と第２のガス導入管１１４からそれぞれ供給されたガスを拡散するための拡散板１０３ａが配置されている。
【００１０】
さらに、成膜室１０４の排気口は、第１の排気管１１５とＡＰＣバルブ１１６を介してドラインポンプ１０７に接続されている。また、気化器１０２の排気口は、第２の排気管１１７を介してドライポンプ１０７に接続されている。第２の排気管１１７と気化器１０２の接続部分には第２の開閉弁１１８が取り付けられている。また、ドライポンプ１０７の排気口は、第３の排気管１１９を介して除害装置１０８に接続されている。
【００１１】
そのようなＭＯＣＶＤ装置を用いてウェハ１０５の上にＰＺＴ膜を形成する場合には、気化器１０２内で気化されたＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉを含む有機原料ガスをキャリアガスとともに第１ガス供給管１１１を通してガス混合器１０３内に流す。これと同時に、第２ガス供給管１１４を通して酸素ガスをガス混合器１０３内に流す。ガス混合器１０３内に供給された有機原料ガスと酸素ガスはその中で混合されてガスシャワーヘッド１０６内に流され、さらにガスシャワーヘッド１０６内で拡散され、ガスシャワーヘッド１０６の多数のガス放出孔を通してウェハ１０５に供給される。ウェハ１０５の表面では有機原料と酸素の反応によってＰＺＴ膜が形成される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、１つの半導体ウェハには電子デバイスが多数個形成されるが、それらの電子デバイスの特性を均一にするためには、半導体ウェハ上に形成される種々の膜の厚さ分布、組成分布を均一にする必要がある。
【００１３】
従って、図１に示す成膜装置を用いてＭＯＣＶＤ法により形成される誘電体酸化膜も膜厚及び組成の分布を均一にする必要がある。誘電体酸化膜の厚さ及び組成の分布を均一にするためには、有機原料ガスと酸素ガスを半導体ウェハ表面にそれぞれ均一に供給する必要がある。
【００１４】
しかし、有機原料ガスと無機原料ガスはガス混合器１０３内で均一に混合されにくいので、それらのガスをウェハ１０５上で均一に分布させることは難しい。
【００１５】
例えば、図１に示した成膜装置を用いて半導体ウェハ上に形成されたＰＺＴ膜の膜厚分布を調べたところ、膜厚の分布が目標値に対して±３６％で不均一になった。これは、有機原料ガスと酸素ガスが混合器内でうまく混合されないからであると考えられる。
【００１６】
本発明の目的は、異なる流路から供給される有機原料ガスとその他のガスを均一に混合してウェハ上に供給する成膜装置及び成膜方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、基板が配置される雰囲気を有する反応室と、前記反応室内に第１ガスを供給するガス源と、液状の有機原料を気化して第２ガスを発生させて前記反応室に供給する気化器と、前記ガス源内の前記第１ガスを前記反応室に流すための直線状の主管と該主管に側部から接続されて前記気化器内の前記第２ガスを前記主管内を通して前記反応室内に流すための支管とを有するＴ字型のガス供給管とを有し、前記主管は、前記支管との接続部よりも上流側において第１のレイノルズ数で第１ガスを流すための大きさの内径を有し、前記支管は、前記接続部よりも上流側において第１のレイノルズ数よりも大きな第２のレイノルズ数で第２ガスを流すための大きさの内径を有することを特徴とする成膜装置によって解決される。
【００１８】
上記した課題は、基板が配置される雰囲気を有する反応室と、前記反応室内に第１ガスを供給するガス源と、液状の有機原料を気化して第２ガスを発生させて前記反応室に供給する気化器と、前記ガス源内の前記第１ガスを前記反応室に流すための直線状の主管と該主管に側部から接続されて前記気化器内の前記第２ガスを前記主管を介して前記反応室内に流すための支管とを有するＴ字型のガス供給管とを有する成膜装置を使用し、前記支管との接続部よりも上流側において第１のレイノルズ数となる条件で前記第１ガスを前記ガス源から前記主管に流し、前記接続部よりも上流側において第１のレイノルズ数よりも大きな第２のレイノルズ数となる条件で第２ガスを前記気化器から前記支管に流し、前記第１ガスと前記第２ガスを前記主管の前記接続部からその下流領域で混合し、前記主管のガス放出口から放出された前記第１ガスと前記第２ガスを前記基板上に供給して気相成長させて膜を形成することを特徴とする成膜方法により解決される。
【００１９】
次に、本発明の作用について説明する。
【００２０】
本発明によれば、成膜装置の反応室内に２系統でガスを供給するためにＴ字形のガス供給管を用い、ガス供給管の主管と支管の接続部のうち主管側の上流でのレイノルズ数Ｒｅ１　と支管側の上流でのレイノルズ数Ｒｅ２　を、Ｒｅ２　＞Ｒｅ１　の条件になるように主管内径、支管内径、ガス流量などを設定した。この場合、支管は、直線状の主管の側部にガス流路的に接合された構造となっている。
【００２１】
これにより、ガス供給管において主管と支管の接続部で合流する第１ガスと第２ガスは、主管のうち支管との接続部よりも下流側で均一に混合される。Ｒｅ２　とＲｅ１　は、３＜（Ｒｅ２　／Ｒｅ１　）＜６の関係にすることにより、第１ガスと第２ガスを均一に混合するための最適条件となる。
【００２２】
また、ガス供給管のうち主管と支管の接続部よりも上流側において、主管内の第１ガスの流量Ｖ１　と支管内の第２ガスの流量Ｖ２　をＶ２　＜Ｖ１　の条件にすることにより、ガス供給管内での第１ガスと第２ガスの流れと混合ガスの流れが安定になる。
【００２３】
また、主管の内径をＤ１　とし、支管の内径をＤ２　とする場合に、０．１×（Ｄ２　／Ｖ２　）＜（Ｄ１　／Ｖ１　）という条件にすることにより、ガス供給管内での第１ガスと第２ガスの流れと混合ガスの流れが安定になるとともに、主管のうち接続部よりも下流側で第１ガスと第２ガスがより均一に混合される。さらに、支管の中心軸と支管の中心軸の交点から支管のガス放出口までの長さをＬとした場合に、３３＜（Ｌ／Ｄ１　）の条件にすることにより、第１ガスと第２ガスはさらに均一に混合される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２５】
図２は、本発明の実施形態に係るＭＯＣＶＤ成膜装置の構成図である。
【００２６】
図２において、上部にシャワーヘッド２が取り付けられた成膜室１は、その中央にウェハ載置台３を有し、また、底部の両側方に排気口５を有し、また、ウェハ載置台３とシャワーヘッド２の間の空間の側方にはウェハ搬送口（不図示）を有している。さらに、ウェハ載置台３の中にはウェハ５１を加熱するためのホットプレート４が取り付けられている。
【００２７】
シャワーヘッド２は、その内部に導入されたガスが横方向に拡散されるような空間を有している。また、シャワーヘッド２は、その下面に複数のガス放出孔２ａを有し、ガス放出孔２ａがウェハ５１に対向するように成膜室１内の上部に取り付けられている。シャワーヘッド２の上には、ステンレス製のＴ字状のガス供給管７が接続されている。
【００２８】
Ｔ字状のガス供給管７は、図３に示すように、直線状の主管７ａと、主管７ａの中心軸に対して約９０度の角度θ０　で接続される中心軸を有する支管７ｂとを有しており、主管７ａと支管７ｂの接続部及びその下流側がガス合流部となっている。主管７ａの内径Ｄ１　は、支管７ｂの内径Ｄ２　よりも大きい。例えば、主管７ａの内径Ｄ１　は１０ｍｍであり、支管７ｂの内径Ｄ２　は４ｍｍである。
【００２９】
主管７ａのガス下流側に位置する第１の端部７ｘは、ガス放出口を有し、シャワーヘッド２に接続されている。また、主管７ａのガス上流側に位置する第２の端部７ｙは、第１のガス導入口を有し、熱交換機８と流量調整弁９を介して酸素源１０に接続されている。主管７ａの中心軸と支管７ｂの中心軸の交点から第１の端部７ｘまでの長さＬは、合流管長と呼ばれて、例えば７７０ｍｍとなっている。また、支管７ｂのうち主管７ａに接続されないガス上流側に位置する第３の端部７ｚは、第２のガス導入口を有し、他のガス管を介して又は直に有機原料気化器１１のガス供給口に接続されている。なお、有機原料気化器１１のガス供給口には第１の開閉弁１２が取り付けられている。また、ガス供給管７の支管７ｂを通して第１の開閉弁１２に至るガス経路の外周にはヒータ１３が取り付けられている。
【００３０】
有機原料気化器１１の原料導入口には、キャリアガス、例えば窒素ガスを導入するためのキャリアガス供給管２０が接続されている。また、原料導入口には、強誘電体膜を形成するために必要な元素を含む液状の有機系材料を収容する第１〜第４の原料容器２１〜２４が、それぞれ第１〜第４の給液管２５〜２８を介して接続されている。
【００３１】
第１〜第４の原料容器２１〜２４内には、不活性ガス、例えばヘリウムガスを導入するための不活性ガス供給管２９が接続されている。また、第１〜第４の原料容器２１〜２４内の液体には、それぞれ、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａと液体流量調整弁２１ｂ，２２ｂ，２３ｂ，２４ｂが取り付けられた第１〜第４の給液管２５〜２８の一端が差し込まれている。また、第１〜第４の給液管２５〜２８のそれぞれの他端は有機原料気化器１１の原料導入口に接続されている。
【００３２】
なお、原料容器２１〜２４、マスフローコントローラ２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａ及び液体流量調整弁２１ｂ，２２ｂ，２３ｂ，２４ｂは、主原料供給器３０を構成する。
【００３３】
第１の原料容器２１には、例えば鉛（Ｐｂ）供給用のＰｂ（ＤＰＭ）２（Ｐｂ（Ｃ１１Ｈ１９Ｏ２）２　）が濃度０．３ｍｏｌ／ｌｉｔｔｅｒでＴＨＦ（ＴｅｔｒａＨｙｄｒｏＦｕｒａｎ　：Ｃ４Ｈ８Ｏ　）液に溶かして詰め込まれている。第２の原料容器２２には、例えばジルコニウム（Ｚｒ）供給用のＺｒ（ＤＭＨＤ）４　（　Ｚｒ（（Ｃ９Ｈ１５Ｏ２）４）が濃度０．３ｍｏｌ／ｌｉｔｔｅｒでＴＨＦ液に溶かして詰め込まれる。第３の原料容器２３には、例えばチタン（Ｔｉ）供給用のＴｉ（Ｏ−ｉＰｒ）２（ＤＰＭ）２（Ｔｉ（Ｃ３Ｈ７Ｏ）２（Ｃ１１Ｈ１９Ｏ２）２　）が濃度０．３ｍｏｌ／ｌｉｔｔｅｒでＴＨＦ液に溶かして詰め込まれる。さらに、第４の原料容器２４には例えばＴＨＦ液が詰め込まれる。
【００３４】
上記した成膜室１の排気口５には、ＡＰＣバルブ３２が取り付けられてドライポンプ３３に繋がる第１の排気管３４が接続されている。ドライポンプ３３の排気部には、第２の排気管３５を介して除害装置３６が接続されている。除害装置３６は、例えば触媒による熱分解方式により排ガス処理を行う構造を有する。　有機原料気化器１１の排気口には第２の開閉弁３８が取り付けられ、また、第２の開閉弁３８の排出側とドライポンプ３３は第３の排気管３７を介して接続されている。第２の開閉弁３８と第１の開閉弁１２は、いずれか一方が開かれていて他方が閉じられる切り換えバルブを構成している。
【００３５】
次に、上記した成膜装置を用いて強誘電体膜をウェハ５１上に形成する方法を説明する。
【００３６】
まず、ドライポンプ３３を駆動して成膜室（反応室）１及びシャワーヘッド２内を減圧する。そして、成膜室１内の減圧雰囲気中のウェハ載置台３上に半導体ウェハ（基板）５１を載置する。その半導体ウェハ５１上には、図４（ａ）　に示すように、絶縁膜５２が形成され、その絶縁膜５２の上には酸化イリジウムとプラチナの二層構造からなる第１金属膜５３が形成されている。
【００３７】
成膜室内１内の圧力は例えば５Ｔｏｒｒ程度に減圧されている。この場合、ガス供給管７に接続される第１の開閉弁１２は閉じられる。また、酸素源１０から酸素ガスがガス供給管７の主管７ａの第２の端部７ｙから第１の端部７ｘに向けて一定流量で流される。この場合の酸素ガスの流量を例えば１．８６×１０−３ｍｏｌ／ｓｅｃ．とする。酸素ガスの流量はガス流量調整弁９によって調整され、さらに酸素ガスの温度は、有機系原料ガスを冷却しない値となるように熱交換機８によって調整される。
【００３８】
また、不活性ガス供給管２９を通して不活性ガス、例えばヘリウムを第１〜第３の原料容器２１〜２３内に流すことにより、第１〜第３の原料容器２１〜２３内の原料は有機原料気化器１１に送り込まれる。
【００３９】
また、有機金属原料の流量を変化させた時に、主原料供給器３０から有機系原料気化器１５内に送られる液体の全流量を一定に保つために、第４の原料容器２４に不活性ガスを流すことにより、第４の原料容器２４からＴＨＦが有機原料気化器１１に送られる。即ち、主原料供給器３０から有機系原料気化器１１に送られる液の総流量が所定の値を保つように第４の原料容器２４から出るＴＨＦの流量が調整される。
【００４０】
第１〜第３の原料容器２１〜２３からの有機金属原料の流量調整と、第４の原料容器２４からの溶媒の流量調整は、それぞれ液体用のマスフローコントローラ２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａによって行われる。送られた液体原料は有機系原料気化器１１内で溶媒とともに気化されて有機原料ガスとなる。その有機系原料ガスは、キャリアガス供給管２０から送られるキャリアガス、例えば窒素ガスとともに温度管理されてガス供給管７の支管７ｂ及び主管７ａを通ってシャワーヘッド２に送られる。この場合、ガス供給管７に供給される有機原料ガスの流量を例えば４．７７×１０−４ｍｏｌ／ｓｅｃ．とする。ガス供給管７の支管７ｂ内の温度管理はヒータ１３によっても行われる。
【００４１】
有機原料ガスのうちＴＨＦが約９８％であり、有機原料気化器１１からガス供給管７に流されるガスにおいてＴＨＦと窒素が殆どを占めることになる。
【００４２】
有機系原料ガスを有機系原料気化器１１からシャワーヘッド２に流す場合には第１の開閉弁１２を開く。なお、第１の開閉弁１２を開いている間は第２の開閉弁３８は閉じられる。
【００４３】
ガス供給管７の支管７ｂを通って主管７ａに流れる有機原料ガスは、主管７ａと支管７ｂの接続部７ｃからその下流にかけて酸素ガスと混合され、主管７ａの第２の端部７ｙから供給された酸素ガスとともに主管７ａの第１の端部７ｘからシャワーヘッド２内に流されてその中で拡散され、さらに複数のガス拡散孔２ａを通して半導体ウェハ５１に降り注がれる。
【００４４】
半導体ウェハ５１の温度はホットプレート４の加熱により５００〜６５０℃になっているので、半導体ウェハ５１に供給された混合ガス中の有機金属ガスは，半導体ウェハ５１の表面温度の熱エネルギーで分解されるとともに酸化される。この結果、図４（ｂ）　に示すように、ＰＺＴ薄膜（強誘電体薄膜）５４が第１金属膜５３上に形成される。
【００４５】
ＰＺＴ薄膜５４の形成を終えた後に、第１の開閉弁１２を閉じてＴ字状のガス供給管７への有機原料ガスの供給を停止すると同時に第２の開閉弁３８を開く。これにより、有機系原料気化器１１内の有機原料ガスは、第３の排気管３７を通してドライポンプ３３によって排気され、さらに除害装置３６によって無害化される。
【００４６】
以上のような工程によりＰＺＴ薄膜５４の形成が終了した後には、半導体ウェハ５１は成膜室１から取り出され、さらに、図４（ｃ）　に示すように、ＰＺＴ薄膜５４上に第２金属膜５５が形成される。その後に、第２金属膜５５、ＰＺＴ膜５４、第２金属膜５３のパターニングによってキャパシタ５６が形成される。
【００４７】
上記した成膜装置において、酸素源１０と有機系原料気化器１１からそれぞれシャワーヘッド２にガスを供給するためにＴ字状のガス供給管７を用いている。しかし、Ｔ字状のガス供給管であっても、主管の内径や支管の内径の違い、酸素ガスの流量の違い、有機金属ガスの流量の違い等によって酸素ガスと有機金属ガスの混合の状態が異なる。
【００４８】
そこで、図３に例示したように、主管７ａの内径を支管７ｂの内径よりも大きくしたＴ字状のガス供給管７によるガス混合状態と、図５に示すように主管１７ａの内径と支管１７ｂの内径を同じにしたＴ字状のガス供給管１７によるガス混合状態とを比較する。
【００４９】
ここで、図５に示したガス供給管１７は、直線状の主管１７ａと、主管１７ａの中心軸に対して約９０度の角度θ０　で接続される中心軸を有する支管１７ｂとを有している。そして、主管１７ａと支管１７ｂの接続部１７ｃとその下流側がガス合流部となっている。主管１７ａの内径φ１　は、支管１７ｂの内径φ２　と同じであり、例えば４ｍｍとする。主管１７ａの中心軸と支管１７ｂの中心軸の交点から第１の端部１７ｘのガス放出口までの合流管長Ｌ１　は、例えば２００ｍｍとなっている。また、主管１７ａの第２の端部１７ｙには第１のガス導入口が形成されている。支管１７ｂのうち主管１７ａに接続されない第３の端部１７ｚには第２のガス導入口が形成されている。
【００５０】
図３に示したガス供給管７を第１のガス供給管とし、図５に示したガス供給管１７を第２のガス供給管とする。
【００５１】
第１のガス供給管７において、主管７ａの第２の端部７ｙから第１の端部７ｘに向けて酸素源１０から流量１．８６×１０−３ｍｏｌ／ｓｅｃ．で酸素ガスを流すとともに、支管７ｂの第３の端部７ｚから主管７ａに向けて有機系原料気化器１１から流量４．７７×１０−４ｍｏｌ／ｓｅｃ．で有機原料ガスを流す。同様に、第２のガス供給管１７において、主管１７ａの第２の端部１７ｙから第１の端部１７ｘに向けて酸素源１０から流量１．８６×１０−３ｍｏｌ／ｓｅｃ．で酸素ガスを流すとともに、支管１７ｂの第３の端部１７ｚから主管１７ａに向けて有機系原料気化器１１から流量４．７７×１０−４ｍｏｌ／ｓｅｃ．で有機原料ガスを流す。
【００５２】
これらの場合の有機原料ガスは、液状の有機金属材料をＴＨＦのような有機溶媒で希釈したものを有機系原料気化器１１内で気化して窒素ガスで圧送されたガスである。有機原料ガスは、原料濃度０．３ｍｏｌ／ｌｉｔｔｅｒの場合に溶媒のＴＨＦが有機原料ガス中の約９８％を占めるので、その成分は殆どＴＨＦである。有機原料ガスに対する酸素ガスの供給量を過剰にして酸素供給濃度を十分に取ることによってウェハ表面に形成される膜の酸化反応を安定させることが、本願の装置を用いずに、一般に行われている。
【００５３】
第１のガス供給管７では、主管７ａと支管７ｂの接続部７ｃとその下流領域において酸素ガスと有機原料ガスが十分に混合される。従って、第１のガス供給管７を用いた成膜装置により、ウェハ５１上にＰＺＴ膜を形成したところ、例えばＰＺＴ膜厚目標値１５０ｎｍに対して約±１％の膜厚バラツキが生じ、膜厚分布が均一化した。この原因は、図６に示すように、有機原料ガスと酸素ガスは、主管７ａのうち接続部７ｃより下流側において、それぞれ層流状態にならずに均一に混合してシャワーヘッド２に向けて流れるからである。図６は、流体解析によって求められたガス濃度分布である。
【００５４】
なお、図６は、第１のガス供給管７の形状、酸素流量、有機原料ガス流量等の条件は、後述する表１の解析番号４に示す条件とした。
【００５５】
図６の状態では、第１のガス供給管７のガス放出口である第１の端部７ｘにおける有機原料ガスの濃度分布σは０．１６％であった。なお、濃度分布σは、Ｔ字状のガス供給管における主管と支管の接続部よりも下流側の第１の端部のガス放出口を評価面とした場合、その評価面における全ガス中のＴＨＦ濃度の標準偏差で示される。即ち、濃度分布σが大きくなるほど評価面におけるＴＨＦ濃度にバラツキが生じてウェハ上に均一な膜が形成できない確率が高くなる。
【００５６】
濃度分布σは、評価面内でガスセンサを複数配置して各センサの測定値を収集することにより求めることができる。しかし、評価面が狭くなるとガスセンサを配置することはガス流れの障害になる。そのような場合には、例えば汎用熱流体解析プログラムを用いることにより、Ｔ字状ガス管とガス分子量、ガス温度、ガス流量、圧力、ガス粘性係数、ガス熱伝導率など種々の条件に基づいて濃度分布σを算出してもよい。汎用熱流体解析プログラムは、非構造格子を用いることにより複雑なモデル形状を忠実に表現し、解析できる。さらに、そのプログラムは、局所分割メッシュ機能や完全不連続メッシュ機能によってモデルスケールに適した柔軟なセル分割ができる。そのようなプログラムとして、例えば株式会社シーディー・アダプコ・ジャパンのＳＴＲ−ＣＤがある。
【００５７】
例えば、評価面を０．０８ｍｍ２　のメッシュで均一に細分化する。例えば、ガス管の内径１０ｍｍ２　の評価面は９８４に分割され、また、内径４ｍｍ２　の評価面は１５８に分割される。そして、評価面内のメッシュ毎に原料濃度平均値を汎用熱流体解析プログラムによりサンプリングする。そして、サンプリングしたデータをもとに統計処理する。統計処理は、具体的には、各メッシュ毎の原料平均濃度値に基づいて評価面での標準偏差を求めた後に、目標値に対する標準偏差の割合をσとする。従って、σが小さいほど有機ガスのバラツキが少なくなる。この場合の目標値は、酸素ガスと有機原料ガスが合流した後のガスにおける有機原料（ＴＨＦ）のモル流量比である。モル流量比は、酸素ガスの流量と有機原料ガスの流量の和に対する有機原料ガスの流量の割合である。
【００５８】
気化仕様が３０Ｔｏｒｒ以下の有機原料気化器１１と第１のガス供給管７を有する成膜装置において、成膜室１内の圧力を５Ｔｏｒｒに設定すると、有機原料気化器１１内の圧力が約２３Ｔｏｒｒとなるので、有機原料気化器１１はその仕様に合った状態で使用されることになる。
【００５９】
従って、第１のガス供給管７において、第１のガス供給管７から供給された有機原料ガスと酸素ガスは、接続部７ｃとその下流において一様に混合して第１の端部７ｘのガス放出口を通してシャワーヘッド２に供給され、さらにシャワーヘッド２内で拡散される。これにより、ウェハ５１上での有機原料ガスと酸素ガスの分布はほぼ均一になるので、ウェハ５１上に形成されたＰＺＴ膜５３の膜厚分布は従来よりも均一化される。
【００６０】
一方、第２のガス供給管１７において、主管１７ａの接続部１７ｃとその下流領域では、酸素ガスと有機原料ガスが十分に混合されず、それらのガスの濃度分布が不均一になり、その濃度分布のバラツキがそのままウェハ５１上の成膜状態に反映される。具体的には、ウェハ５１上の膜厚分布において、支管１７ｂの配置側で厚くなるとともに支管１７ｂが配置されない側で薄くなる。例えば、膜厚目標値１５０ｎｍに対して実際の膜厚は１３９〜１６４ｎｍとなって、約±９％の膜厚バラツキが生じていた。
【００６１】
そのような膜厚のバラツキは、図７に示すようなガスの流れが生じることが原因である。なお、図６は、第２１のガス供給管１７の形状、酸素流量、有機原料ガス流量等の条件は、後述する表１の解析番号１に示す条件とした。
【００６２】
図７において、有機原料ガスは、支管１７ｂから主管１７ａに流れる際に主管１７ａのうち支管１７ｂとの接続部１７ｃ側に近い管内壁面に沿って曲がり、その下流でわずかに酸素と混合した層流状態で主管１７ａ内を第１の端部１７ｘに向けて流れる。同じように、酸素ガスは、主管１７ａの接続部１７ｃより下流側において、有機原料ガスの層流に隣接して層流状態で第１の端部１７ｘに向けて流れることが原因である。図７は、流体解析によって求められたガス濃度分布である。
【００６３】
第２のガス供給管１７から供給された有機原料ガスと酸素ガスは、接続部１７ｃとその下流領域において殆ど混合せず、それぞれほぼ層流状態で第１の端部１７ｘを通してシャワーヘッド２内に供給される。さらに、シャワーヘッド２内でも有機原料ガスと酸素ガスは互いに分離しながら左右に拡散することになる。これにより、ウェハ５１上での有機原料ガスと酸素ガスのそれぞれの濃度は不均一になって、第１のガス供給管７を使用した場合に比べてＰＺＴ膜の膜厚分布は不均一になる。
【００６４】
図７の状態では、第２のガス供給管１７のガス放出口である第１の端部１７ｘにおける有機原料ガスの濃度分布σは５６％であった。
【００６５】
また、第２のガス供給管１７によれば、酸素ガスと有機原料ガスとの合流領域よりも下流側の主管１７ａの内径が４ｍｍ程度と小さいので、圧力損失が大きくなり、上流側の第２、第３の端部１７ｙ、１７ｚの圧力が上昇する。特に、有機原料ガスを供給する支管１７ｂの上流にある有機原料気化器１１において圧力が上昇すると、有機原料気化器１１の原料気化能力の低下を招き、有機原料気化器１１の目詰まりの原因となる。例えば、気化仕様が３０Ｔｏｒｒ以下の有機原料気化器１１と第２のガス供給管１７を有する成膜装置において、成膜室１内の圧力を５Ｔｏｒｒに設定すると、有機原料気化器１１内の圧力が仕様外の約５０Ｔｏｒｒとなって、有機原料気化器１１が正常に動作しなくなるおそれがある。
【００６６】
半導体装置において歩留まりを高めるためには、ウェハ上の面内膜厚分布を±３％以下の誤差にする必要があり、第２のガス供給管１７を用いた場合に得られる±９％では歩留まり向上には不十分である。有機原料ガスの濃度分布σは、膜厚分布にそのまま反映され、濃度分布σと膜厚誤差はほぼ比例関係にあるため、濃度分布σを小さくすることは膜厚均一性を向上させる効果が大きい。具体的には、濃度分布σを５６％の１／３以下、即ち１８％以下にする必要がある。
【００６７】
次に、Ｔ字状のガス供給管において、酸素ガスと有機原料ガスの合流領域から下流側での有機原料ガスの濃度分布を解析する。解析条件を表１に示す。
【００６８】
【表１】
2004023077.tif 000003
【００６９】
ここで、主管からの酸素ガスの流入条件と支管からの有機原料ガスの流入条件は、以下の換算により、それぞれレイノルズ数Ｒｅによって無次元化して表される。レイノルズ数Ｒｅは、流体に働く慣性力と粘性力との比に対応する無次元数であり、次の式（１）から求められる。但し、Ｄは管の直径、Ｖはガス流量、ρはガス密度、ηはガス粘度、ｕは平均流速である。平均流速ｕは、ｕ＝Ｖ／（πＤ２　／４）の関係にある。動粘度はη／ρで表される。
【００７０】
Ｒｅ＝ｕＤ／（η／ρ）＝（４ρＶ）／（πＤη）　　　（１）
ここで、図３、図５に例示したようなＴ字状のガス供給管７，１７の主管７ａ，１７ａの内径をＤ１　とし、支管７ｂ，１７ｂの内径をＤ２　とし、また、主管７ａ，１７ａに供給された酸素ガスのレイノルズ数をＲｅ１　とし、支管７ｂ，１７ｂに供給された有機原料ガスのレイノルズ数をＲｅ２　とする。また、Ｒｅ１　に対するＲｅ２　の割合（Ｒｅ２　／Ｒｅ１　）をレイノルズ数比（Ｒｅ比）とする。
【００７１】
そして、表１に示すように、主管の内径Ｄ１　、支管の内径Ｄ２　、合流管長Ｌ、有機原料ガス流量などの値を変えてＲｅ比を求めた。そして、Ｒｅ比と濃度分布σの関係を調べたところ、図８に示すような関係になった。
【００７２】
図８において、主管の内径と支管の内径が同じ４ｍｍの場合には、濃度分布σは約５８％と大きくなるので、主管のガス放出口における有機原料ガスの濃度の変動が大きくなる。これに対して、主管の内径Ｄ１　が支管の内径Ｄ２　よりも大きくなるほど濃度分布σは小さくなり、主管のガス放出口における有機原料ガスの濃度は安定する。
【００７３】
図８によれば、Ｒｅ比を１よりも大きくすること、即ちＲｅ１　＜Ｒｅ２　とすることによって、比較的良好なガス混合効果を得ることができる。さらに、Ｒｅ比が３＜Ｒｅ比＜６の範囲内の条件では、濃度分布σの変化は緩やかでσが１８％以下になり、その範囲でＲｅ比が変動してもガス混合状態の変動が緩やかで、流量が安定した均一な濃度の酸素・有機原料混合ガスを得ることができる。
【００７４】
Ｒｅ比＝２．０８となる場合のＴ字状のガス供給管における酸素及び有機原料ガス濃度分布の流体解析を行うと、図９に示すようになる。
【００７５】
図９において、有機原料ガスは、支管７ｂからほぼ直進して主管７ａの壁に到達し、さらに酸素ガスと良好に混合しながら下流に流れている。そして、酸素ガスと合流した領域の下流では、Ｒｅ比＝０．８３を示す図７に比べて、有機原料ガスの濃度分布が緩やかに広がっていることがわかる。これはガス混合を良好にするための条件であるＲｅ１　＜Ｒｅ２　の効果によるものである。
【００７６】
しかし、酸素ガスと有機原料ガスの合流領域から距離が短い下流領域では、酸素ガスの一部は管壁に沿った層流状態を維持しているので有機原料ガスを酸素ガスに一様に混合させにくく、合流領域から離れるほど有機原料ガスは徐々に酸素ガスと混合しながら広がる。従って、Ｒｅ比は２．０８よりも大きく、例えば３以上に設定されることが要求される。
【００７７】
次に、Ｔ字状のガス供給管において、合流管長に対する主管の直径の比、即ちＬ／Ｄ１　を表１に示す条件から求め、さらに、Ｌ／Ｄ１　に対する濃度分布σの関係を調べたところ図１０に示すような関係になった。図１０によれば、ガス供給管内において、酸素ガスと有機原料ガスの合流箇所からガス放出口までの合流管長Ｌが主管の内径Ｄ１　に対して大きくなるほど濃度分布σが小さくなった。
【００７８】
　　図３に示したガス供給管７では、主管７ａの内径Ｄ１　を１０ｍｍ、合流管長Ｌを７７０ｍｍとしているので、図１０によれば、濃度分布σは約３％となり、主管７ａのガス放出口、即ち第１の端部７ｘでの全ガスに対する有機原料ガスの濃度が安定することになる。従って、合流管長Ｌを長くすることによりガス混合効果を向上することができ、Ｌ／Ｄ１　＞３３以上にすることにより濃度分布σを１８％以下にできる。
【００７９】
なお、図５に示したように、主管１７ａの直径と支管１７ｂの内径を同じ４ｍｍにした場合に合流管長Ｌ２　を長くすると、圧力損失がより増大し、有機原料気化器の気化能力が低下する。従って、Ｔ字状のガス供給管では、少なくとも上記した流入条件を確保し、圧力損失を抑える配管を選択した上で、合流管長Ｌを長くすることが、良好なガス混合効果を得るために有効である。圧力損失については後述する。
【００８０】
ところで、酸素ガスと有機原料ガスの物性値を動粘度（η／ρ）で比較すると酸素の動粘度が有機原料ガスの動粘度より大きい。
【００８１】
ＭＯＣＶＤ法において、一般に用いられる有機原料の有機溶媒であるＴＨＦとキャリアガスである窒素を有する有機原料ガスの動粘度をν２　とする。また、酸素ガスの動粘度をν１　とする。そして、有機原料ガスの動粘度ν２　に対する酸素ガスの動粘度ν１　の割合を示す動粘度比ν１　／ν２　は、有機溶媒としてＴＨＦを用いる場合には１．５〜５となり、有機溶媒として酢酸ブチル（Ｃ６Ｈ１２Ｏ２　）を用いる場合には１．９〜９となる。
【００８２】
ここで、上記したようなレイノルズ数条件であるＲｅ１　＜Ｒｅ２　から、１＜（Ｒｅ２　／Ｒｅ１　）となる。また、酸素ガスの動粘度ν１　はν１　＝η１　／ρ１　として示される。但し、η１　は酸素ガスの粘度、ρ１　は酸素ガスの密度である。さらに、有機原料ガスの動粘度ν２　は、ν２　＝η２　／ρ２　として示される。但し、η２　は有機原料ガスの粘度、ρ２　は有機原料ガスの密度である。また、
１＜（Ｒｅ２　／Ｒｅ１　）＝（Ｄ１　Ｖ２　ν１　）／（Ｄ２　Ｖ１　ν２　）
の関係から、
（ν２　／ν１　）×（Ｄ２　／Ｖ２　）＜（Ｄ１　／Ｖ１　）
となる。ここで、ν２　／ν１　＝１／（１．５〜９）≒０．１〜０．７となる。
【００８３】
従って、動粘度ν２　が最も小さい有機原料ガスを用いる場合、即ち動粘度比ν１　／ν２　が９となる場合に、０．１×（Ｄ２　／Ｖ２　）＜（Ｄ１　／Ｖ１　）の条件を満たすＴ字形のガス供給管を用いることにより良好なガス混合効果を得ることができる。これは、動粘度比が大きいほど、有機原料ガスと酸素ガスとの混合が良好にならない傾向にあるからである。
【００８４】
ところで、Ｔ字形のガス供給管では、主管のガス導入口から導入される酸素ガスと支管を通る有機原料ガスとの合流に伴って流体抵抗が変化し、次のような流れの損失が生じる。
【００８５】
まず、主管での酸素ガスの流れの損失係数をζ１　とし、支管から主管への有機原料ガスの流れの損失係数をζ２　とする。それらの損失係数は、ガス供給管を流れる際に生じる圧力の損失率である。水頭圧の損失はζｖ２　／２ｇ（ζ：損失係数、ｖ：平均流速、ｇ：重力加速度）となる。
【００８６】
圧力損失が大きくなると、ガス供給システムの下流の流れを一定に保とうとするとき上流に負荷が加わるので、上流にある機器の圧力と下流の圧力をマッチングし難くなる。圧力マッチングがしにくくなると、例えば、有機原料気化器１１が安定動作圧力範囲を超えることになる。従って、圧力損失を抑制できる配管構造が望ましい。
【００８７】
図３に示したＴ字形のガス供給管７において、主管７ａに供給される酸素ガスの流量をＶ１　とし、支管７ｂに供給される有機原料ガスの流量をＶ２　とし、第１の端部７ｘ（ガス放出口）から流れ出るガス総流量をＶ３　とすると、Ｖ３　＝Ｖ１　＋Ｖ２　の関係になる。
【００８８】
ここで、Ｖ３　に対するＶ１　の流量比Ｖ１　／Ｖ３　と損失係数の関係を示すと、図１１に示すようになる。図１１によれば、支管７ｂの損失係数ζ２　は、Ｖ１　／Ｖ３　＞０．５の領域においてＶ１　／Ｖ３　が大きくなるほど減少している。また、主管７ａの損失係数ζ１　は、Ｖ１　／Ｖ３　が０から大きくなるにつれて徐々に減少して、特にＶ１　／Ｖ３　が０．７以上になると０又はそれ以下になって圧力損失を生じないことになる。
【００８９】
図１１において、Ｖ１　／Ｖ３　＜０．５の場合にはＶ１　＜　Ｖ２　となり、Ｖ１　／Ｖ３　＝０．５の場合にはＶ１　＝Ｖ２　となり、Ｖ１　／Ｖ３　＞０．５の場合にはＶ１　＞Ｖ２　となる。
【００９０】
従って、Ｔ字状のガス供給管７では、Ｖ１　＞Ｖ２　の流量となる条件で酸素ガスと有機原料ガスを合流させることが、圧力損失を抑制するために好ましい条件となる。特に、Ｖ１　／Ｖ２　＞２．３の条件で圧力損失が更に抑制される。
【００９１】
また、主管７ａの内径が支管７ｂの内径よりも大きい場合に、支管７ｂに流入する有機原料ガスの流量Ｖ２　よりも主管７ａに流入する酸素ガスの流量Ｖ１　を多くすることによって、酸素ガスと有機原料ガスとの合流領域よりも下流領域で安定した混合ガスの流れを得ることができる。これと反対に、支管７ｂに流入する有機原料ガス流量Ｖ２　よりも主管７ａに流入する酸素ガス流量Ｖ１　を少なくすれば、支管７ｂからの有機原料ガス流れが主管７ａ内の酸素ガスの流れを妨げるので、合流領域の下流側では酸素ガスの流れが不安定になってガスの混合が十分行われない。
【００９２】
Ｔ字状のガス供給管は、図１２に示すように、有機原料気化器１１のガス放出口に取り付けられた第１の開閉弁１２から出る有機原料ガスにキャリアガスを混合させるために使用されることもある。この場合に使用されるＴ字状のガス供給管１８は、主管１８ａのガス導入端をキャリアガス源に接続し、支管１８ｂのガス導入端を有機原料気化器１１に接続する。さらに、主管１８ａのガス放出端を図３に示したガス供給管１７の第３の端部１７ｚに接続する。キャリアガスとしては、酸素、窒素、一酸化窒素、二酸化窒素、アルゴン、ヘリウムのうち少なくとも１種類の元素からなるガスを用いる。
【００９３】
なお、図１２に示したガス供給管１８の主管１８ａには、キャリアガスの他に無機ガス、有機ガスが流されることがある。有機ガスとしては、例えばカルシウム、ランタンなどのＰＺＴ膜のドーパント元素を含むガスがある。
【００９４】
この場合、主管１８ａと支管１８ｂの接続部から下流側において有機原料ガスとキャリアガスが層流状態にならないように混合する必要がある。従って、上記した条件で主管１８ａ、支管１８ｂに導入されるガスのレイノルズ数Ｒｅ１　，Ｒｅ２　を決定したり、主管１８ａの内径Ｄ１　、主管１８ａ内のガス流量Ｖ１　を決定したり、支管１８ｂの内径Ｄ２　、支管１８ｂ内のガス流量Ｖ２　を決定したり、合流管長Ｌを決定したりする必要がある。
【００９５】
即ち、Ｄ１　＞Ｄ２　、Ｒｅ１　＜Ｒｅ２　とする。特に、レイノルズ数比は、３＜Ｒｅ２　／Ｒｅ１　＜６の関係にあることが好ましい。また、キャリアガスと有機原料ガスのそれぞれのガス流量は、Ｖ２　＜Ｖ１　の関係にあることが好ましく、主管と支管の内径を考慮すると、０．１×（Ｄ２　／Ｖ２　）＜（Ｄ１　／Ｄ２　）となることが好ましい。主管の内径と合流管長の関係は、３３＜（Ｌ／Ｄ１　）となることが好ましい。
【００９６】
ところで、図２においては、複数の原料容器２１〜２４に入れられた複数の液状有機原料を１つの有機原料気化器によって気化し、有機原料気化器内で発生した有機原料ガスを１つのＴ字状のガス供給管を介してシャワーヘッド２に供給している。しかし、複数の液状有機原料を別々に気化し、気化された複数の有機原料ガスを別々のＴ字形のガス供給管を介してシャワーヘッドに供給するようにしてもよい。
【００９７】
例えば、図１３に示すように、別々の原料容器２１〜２４に個別に入れられた複数の液状有機原料をそれぞれ別々の気化器１１ａ〜１１ｄによって気化し、さらに、各気化器１１ａ〜１１ｄに接続されたＴ字形のガス供給管４１〜４４の支管４１ｂ〜４４ｂを経てシャワーヘッド２に有機原料ガスを供給するようにしてもよい。この場合、Ｔ字形のガス供給管として例えば図３に示すガス供給管７と同じ構造のものを用いて、複数のガス供給管４１〜４４の主管４１ａ〜４４ａを直列に接続する。その主管４１ａ〜４４ａには図２と同様に酸素源１０からシャワーヘッド２へと酸素ガスを流すものとする。
【００９８】
なお、図１３において、符号１２ａ〜１２ｄは、気化器１１ａ〜１１ｄからシャワーヘッド２へのガス流路に接続される給気用開閉弁、符号３７ａ〜３７ｄは気化器１１ａ〜１１ｄからドライポンプ３３にそれぞれ排気管、符号３８ａ〜３８ｄに接続する排気用開閉弁をそれぞれ示している。また、図１３において、図２と同じ符号は同じ要素を示している。
【００９９】
図１３に示すＴ字形のガス供給管４１〜４４のそれぞれにおいて、主管４１ａ，４２ａ，４３ａ，４４ａと支管４１ｂ，４２ｂ，４３ｂ，４４ｂの接続部とその下流領域において有機原料ガスと酸素ガスが層流状態にならないようにする必要があるので、上記した条件で主管４１ａ，４２ａ，４３ａ，４４ａ、支管４１ｂ，４２ｂ，４３ｂ，４４ｂのそれぞれのレイノルズ数を決定したり、主管の内径、主管内のガス流量を決定したり、支管の内径、支管内のガス流量を決定したり、合流管長を決定したりする必要がある。
【０１００】
なお、図１３の気化器１１ａ〜１１ｄにおいても、それぞれ図１２に示した構造のキャリアガス供給用のガス供給管を接続してもよい。
（付記１）基板が配置される雰囲気を有する反応室と、
前記反応室内に第１ガスを供給するガス源と、
液状の有機原料を気化して第２ガスを発生させて前記反応室に供給する気化器と、
前記ガス源内の前記第１ガスを前記反応室に流すための直線状の主管と該主管に側部から接続されて前記気化器内の前記第２ガスを前記主管内を通して前記反応室内に流すための支管とを有するＴ字型のガス供給管とを有し、
前記主管は、前記支管との接続部よりも上流側において第１のレイノルズ数で第１ガスを流すための大きさの内径を有し、
前記支管は、前記接続部よりも上流側において第１のレイノルズ数よりも大きな第２のレイノルズ数で第２ガスを流すための大きさの内径を有する
ことを特徴とする成膜装置。
（付記２）前記反応室に取り付けられ且つ前記主管のガス放出端が接続されるシャワーヘッドをさらに有することを特徴とする付記１に記載の成膜装置。
（付記３）前記主管の中心軸は、前記支管の中心軸と直交していることを特徴とする付記１又は付記２に記載の成膜装置。
（付記４）前記第１のレイノルズ数をＲｅ１　とし、前記第２のレイノルズ数をＲｅ２　として、３＜（Ｒｅ２　／Ｒｅ１　）＜６の関係を有することを特徴とする付記１乃至付記３のいずれかに記載の成膜装置。
（付記５）前記主管と前記支管の前記接続部における前記第１ガスの流量をＶ１　とし、前記接続部における前記第２ガスの流量をＶ２　として、
Ｖ２　＜Ｖ１　の関係で前記ガス源からの前記第１ガスの流量を調整する流量調整器と、前記気化器からの前記第２ガスの流量を調整する流量調整器と
を有することを特徴とする付記１乃至付記４のいずれかに記載の成膜装置。
（付記６）前記主管の内径をＤ１　とし、前記支管の内径をＤ２　として、
０．１×（Ｄ２　／Ｖ２　）＜（Ｄ１　／Ｖ１　）
の関係を有することを特徴とする付記５に記載の成膜装置。
（付記７）前記接続部における前記支管の中心軸から前記主管のガス放出端の長さをＬとし、前記主管の内径をＤ１　とし、
３３＜（Ｌ／Ｄ１　）
の関係を有することを特徴とする付記５に記載の成膜装置。
（付記８）前記有機原料は、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉを含む有機原料であって有機溶媒が加えられていることを特徴とする付記１乃至付記７のいずれかに記載の成膜装置。
（付記９）前記第１ガスは、無機ガス、有機原料ガス、キャリアガスのいずれかであることを特徴とする付記１乃至付記８のいずれかに記載の成膜装置。
（付記１０）基板が配置される雰囲気を有する反応室と、前記反応室内に第１ガスを供給するガス源と、液状の有機原料を気化して第２ガスを発生させて前記反応室に供給する気化器と、前記ガス源内の前記第１ガスを前記反応室に流すための直線状の主管と該主管に側部から接続されて前記気化器内の前記第２ガスを前記主管を介して前記反応室内に流すための支管とを有するＴ字型のガス供給管とを有する成膜装置を使用し、
前記支管との接続部よりも上流側において第１のレイノルズ数となる条件で前記第１ガスを前記ガス源から前記主管に流し、
前記接続部よりも上流側において第１のレイノルズ数よりも大きな第２のレイノルズ数となる条件で第２ガスを前記気化器から前記支管に流し、
前記第１ガスと前記第２ガスを前記主管の前記接続部からその下流領域で混合し、
前記主管のガス放出口から放出された前記第１ガスと前記第２ガスを前記基板上に供給して気相成長させて膜を形成する
ことを特徴とする成膜方法。
（付記１１）前記第１のレイノルズ数をＲｅ１　、前記第２のレイノルズ数をＲｅ２　として、
３＜（Ｒｅ２　／Ｒｅ１　）＜６の条件で前記第１ガスと前記第２ガスをそれぞれ前記ガス供給管に流すことを特徴とする付記１０に記載の成膜方法。
（付記１２）前記主管と前記支管の前記接続部における前記第１ガスの流量をＶ１　とし、前記接続部における前記第２ガスの流量をＶ２　として、
Ｖ２　＜Ｖ１　の条件で前記第１ガスと前記第２ガスを前記ガス供給管に流すことを特徴とする付記１０又は付記１１に記載の成膜方法。
（付記１３）前記主管の内径をＤ１　とし、前記支管の内径をＤ２　として、
０．１×（Ｄ２　／Ｖ２　）＜（Ｄ１　／Ｖ１　）
の条件で前記第１ガスと前記第２ガスを前記ガス供給管に流すことを特徴とする付記１２に記載の成膜方法。
（付記１４）前記接続部における前記支管の中心軸から前記主管のガス放出端の長さをＬとし、前記主管の内径をＤ１　とし、
３３＜（Ｌ／Ｄ１　）
の関係を有することを特徴とする付記１１に記載の成膜方法。
（付記１５）前記ガス供給管内において混合された前記第１ガスと前記第２ガスをシャワーヘッドによって拡散して前記基板上に供給することを特徴とする付記１１乃至付記１４のいずれかに記載の成膜方法。
（付記１６）前記第１ガスは酸素ガスであって、前記膜は酸化物強誘電体膜であることを特徴とする付記１０乃至付記１５いずれかに記載の成膜方法。
（付記１７）前記有機原料は、Ｐｂ、Ｔｉを含んでいることを特徴とする付記１０乃至付記１６のいずれかに記載の成膜方法。
（付記１８）前記気化器にキャリアガスを供給することにより、前記第２ガスを前記ガス供給管の前記支管に流すことを特徴とする付記１０乃至付記１７のいずれかに記載の成膜方法。
（付記１９）前記第１ガスは、無機ガス、有機原料ガス、キャリアガスのいずれかであることを特徴とする付記１０乃至付記１８のいずれかに記載の成膜方法。
【０１０１】
【発明の効果】
以上述べたように成膜装置の反応室内に２系統でガスを供給するためにＴ字形のガス供給管を用い、ガス供給管の主管と支管の接続部のうち主管側の上流でのレイノルズ数Ｒｅ１　と支管側の上流でのレイノルズ数Ｒｅ２　を、Ｒｅ２　＞Ｒｅ１　の条件になるように主管内径、支管内径、ガス流量などを設定したので、ガス供給管において主管と支管の接続部で合流する第１ガスと第２ガスを主管・支管接続部よりも下流側で均一に混合することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、従来の成膜装置の構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係る成膜装置の構成図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態に係る成膜装置に用いられるＴ字形のガス供給管を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態に係る成膜装置を用いて半導体ウェハに強誘電体膜を形成し、さらにキャパシタを形成する工程を示す断面図である。
【図５】図５は、成膜装置に比較例として取り付けられるＴ字形のガス供給管を示す断面図である。
【図６】図６は、図３に示したガス供給管内の有機原料ガスと酸素ガスの流れを示すガス濃度分布図である。
【図７】図７は、図５に示したガス供給管内の有機原料ガスと酸素ガスの流れを示すガス濃度分布図である。
【図８】図８は、成膜室にガスを供給するために使用されるＴ字形のガス供給管におけるレイノルズ数比Ｒｅ２　／Ｒｅ１　と濃度分布σの関係を示す図である。
【図９】図９は、Ｔ字形のガス供給管におけるレイノルズ数比Ｒｅ２　／Ｒｅ１　＝１の場合のガス供給管内の有機原料ガスと酸素ガスの流れを示すガス濃度分布図である。
【図１０】図１０は、成膜室にガスを供給するために使用されるＴ字形のガス供給管におけるＬ／Ｄ１　と濃度分布σの関係を示す図である。
【図１１】図１１は、Ｔ字形のガス供給管内での合流に伴う流れの損失係数とガス流量比との関係を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施形態に係る成膜装置のガス供給経路の他の例を示す構成図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施形態に係る成膜装置の別の例を示す構成図である。
【符号の説明】
１…成膜室（反応室）、２…シャワーヘッド、３…ウェハ載置台、４…ホットプレート、５…排気口、７…ガス供給管、７ａ…主管、７ｂ…支管、８…熱交換機、９…流量調整弁、１０…酸素源、１１…有機原料気化器、１１ａ〜１１ｂ…気化器、１２…開閉弁、１３…ヒータ、１７…ガス供給管、２０…キャリアガス供給管、２０ａ〜２０ｄ…キャリアガス供給管、２１〜２４…原料容器、２５〜２８…給液管、２９…不活性ガス供給管、３０…主原料供給器、３３…ドライポンプ、３４，３５，３７…排気管、３７ａ〜３７ｄ…排気管、３６…除害装置、３８…開閉弁、４１〜４４…ガス供給管。
【図１】
2004023077.tif 000004
【図２】
2004023077.tif 000005
【図３】
2004023077.tif 000006
【図４】
2004023077.tif 000007
【図５】
2004023077.tif 000008
【図６】
2004023077.tif 000009
【図７】
2004023077.tif 000010
【図８】
2004023077.tif 000011
【図９】
2004023077.tif 000012
【図１０】
2004023077.tif 000013
【図１１】
2004023077.tif 000014
【図１２】
2004023077.tif 000015
【図１３】
2004023077.tif 000016