(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体に所定の処理を施すための処理装置の処理容器に設けられるシャワーヘッド構造のガス供給装置において、
内部が、前記原料ガスをキャリアガスなしで導入して前記原料ガスを分散させるための原料ガス用のヘッド空間と酸化ガスを導入して拡散させるための酸化ガス用のヘッド空間とに２つに区画分離されたシャワーヘッド本体と、前記シャワーヘッド本体のガス噴射面に設けられて前記原料ガス用のヘッド空間と前記酸化ガス用のヘッド空間とにそれぞれ個別に連通されて前記各ガスを前記処理容器内に向けて個別に噴射する噴射孔とを有して、前記処理容器内へ前記原料ガスと前記酸化ガスとを個別に導入するように構成したことを特徴とするガス供給装置。
【請求項２】
前記原料ガスは、複数種類の有機金属材料ガスであり、前記シャワーヘッド本体には、前記複数種類の原料ガスを個別に導入する複数の原料ガス供給手段が接続されることを特徴とする請求項１記載のガス供給装置。
【請求項３】
前記原料ガス用のヘッド空間は、前記被処理体に対向するように水平方向に広がる分散室と、この分散室の中央部に連通されると共に前記複数の原料ガスを個別に導入して混合させる混合室とよりなることを特徴とする請求項２記載のガス供給装置。
【請求項４】
前記混合室には、前記各原料ガスがキャリアガスなしの状態で導入されることを特徴とする請求項３記載のガス供給装置。
【請求項５】
前記混合室及び前記分散室の中央部には、前記酸化ガスを導入するための酸化剤導入通路が貫通するように設けられることを特徴とする請求項３又は４記載のガス供給装置。
【請求項６】
前記酸化剤導入通路は、導入された酸化ガスを拡散させる前記酸化ガス用のヘッド空間に接続されており、前記分散室は前記混合室と前記酸化ガス用のヘッド空間との間に設置されていることを特徴とする請求項５記載のガス供給装置。
【請求項７】
前記混合室には、混合を促進するために不活性の分散ガスを導入するための分散ガス供給手段が接続されることを特徴とする請求項３乃至６のいずれか一項に記載のガス供給装置。
【請求項８】
前記分散室内には、複数の分散孔を有する分散板が設けられることを特徴とする請求項３乃至７のいずれか一項に記載のガス供給装置。
【請求項９】
前記原料ガスは、Ｐｂ（ＤＰＭ）２ と、Ｚｒ（ｔ−ＯＣ４ Ｈ９ ）４ 、Ｚｒ（ＤＰＭ）４ 、Ｚｒ（ｉ−ＯＣ３ Ｈ７ ）４ 、Ｚｒ（Ｃ５ Ｈ７ Ｏ２ ）４ 、Ｚｒ（Ｃ５ ＨＦ６ Ｏ２ ）４ よりなる群から選択される少なくとも１つと、及びＴｉ（ｉ−ＯＣ３ Ｈ７ ）４ 、Ｔｉ（ｉ−ＯＣ３ Ｈ７ ）２ （ＤＰＭ）２ よりなる群から選択される少なくとも１つとからなる有機金属原料の混合ガスであり、前記酸化ガスはＮＯ２ 、Ｏ２ 、Ｏ３ 、Ｎ２ Ｏよりなる群から選択される少なくとも１つであることを特徴とする請求項２乃至８のいずれか一項に記載のガス供給装置。
【請求項１０】
原料ガスと酸化ガスとを用いて被処理体に対して所定の処理を施す処理装置において、真空引き可能になされた処理容器と、前記被処理体を載置する載置台と、前記被処理体を加熱する加熱手段と、請求項１乃至９のいずれか一項に規定するガス供給装置とを備えたことを特徴とする処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等に成膜処理を施す成膜装置及びこれに用いられるガス供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
強誘電体メモリ素子は、主としてＩＣカード向けの次世代不揮発メモリとして注目を集め、活発に研究開発がなされている。この強誘電体メモリ素子は、２つの電極の間に強誘電体膜を介在させた強誘電体キャパシタをメモリセルに用いた半導体素子である。強誘電体は［自発分極］、つまり、一度電圧を加えると、電圧をゼロにしても電荷が残っているという特性（ヒステリシス）を持っており、強誘電体メモリ素子はこれを利用した不揮発性メモリである。
このような強誘電体メモリ素子の強誘電体膜としては、Ｐｂ（Ｚｒx ，Ｔｉi-x ）Ｏ3 （以下、ＰＺＴという）膜が広く用いられている。
【０００３】
このＰＺＴ膜は、例えばＰｂ（ＤＰＭ）2 （＝Ｂｉｓｄｉｐｉｖａｌｏｙｌｍｅｔｈａｎａｔｏｌｅａｄ：Ｐｂ（Ｃ11Ｈ19Ｏ2 ）2 ）（以下、Ｐｂ原料とも称す）、Ｚｒ（ｔ−ＯＣ4 Ｈ9 ）4 ）（＝Ｔｅｔｒａｔｅｒｔｉａｒｙｂｕｔｏｘｙｚｉｒｃｏｎｉｕｍ（以下、Ｚｒ原料とも称す）及びＴｉ（ｉ−ＯＣ3 Ｈ7 ）4 ）（＝Ｔｅｔｒａｉｓｏｐｒｏｐｏｘｙｔｉｔａｎｉｕｍ）（以下、Ｔｉ原料とも称す）よりなる有機金属原料と、酸化剤として例えばＮＯ2 とを用いてＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置により、Ｐｂ（Ｚｒx Ｔｉ1-x ）Ｏ3 のペロブスカイト構造の結晶膜を形成することにより得られる。尚、Ｐｂは鉛、Ｚｒはジルコニウム、Ｔｉはチタンをそれぞれ示す。
【０００４】
このＰＺＴ膜を、上述のようなＣＶＤ法によって成膜する場合、各原料ガスと酸化ガスとをシャワーヘッド構造により処理容器内へ個別に導入する。これら各原料ガスと酸化ガスは、この処理容器内にて初めて混合し、処理容器内に置かれた半導体ウエハに供給される。この半導体ウエハは、ＰＺＴ膜の成長に最適な温度になされているので、供給された原料ガスは酸化ガスと反応を起こし、その結果、半導体ウエハ上にＰＺＴ膜が堆積する。尚、上述したような原料ガスと酸化ガスとを処理容器内にて初めて混合するガス供給方法をいわゆるポストミックスと称する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記ＰＺＴ膜は強誘電体物質であるので、ヒステリシス特性を有するが、この電気的特性を高く維持するためには、ＰＺＴ膜中のＰｂ、Ｚｒ及びＴｉの各組成比を最適な値に均一に維持する必要がある。
しかしながら、従来の成膜装置では、ＰＺＴ膜中のＰｂ、Ｚｒ及びＴｉの各組成比の均一性をウエハの面内に亘って高く維持することはかなり困難であり、特にウエハ周縁部におけるＰｂ濃度の低下が著しかった。その理由は、キャリアを用いずに微量の原料ガスを流すと、ウエハの中心部分に濃度が高くなってしまうからである。そこで、この濃度を均一にするためにシャワーヘッドの穴径を小さくすることも考えられるが、この場合には、シャワーヘッドの内圧が上昇し、低蒸気圧の原料を供給することが難しくなる、といった問題がある。
【０００６】
このため、不活性ガスと単独で流量制御された原料ガスとを混合させることも考えられるが、この場合には、一般的に上述したような有機金属原料の原料ガスは、その蒸気圧が例えば１３３〜３９９Ｐａ（１〜３Ｔｏｒｒ）程度であってかなり低い。そして、従来のシャワーヘッド構造では、例えば処理容器内にてプロセス圧力が１３Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）程度の成膜処理を行なうと、シャワーヘッド構造内の圧力は例えば１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）程度になってしまう。このため、シャワーヘッド構造内の圧力（１３３Ｐａ）とガス源から供給されてくる原料ガスの蒸気圧（１３３〜３９９Ｐａ）との差圧が非常に少なくなり、この結果、原料ガスが円滑に流れなかったり、また、シャワーヘッド構造内における圧力の増加により、原料ガス同士が反応して均一な反応が起きない。従って、この場合にも前述したように各金属元素の組成比が不均一になる、といった問題が発生してしまう。このような問題は、特に、半導体ウエハのサイズが６インチ及び８インチから１２インチへと大型化するに従って、益々、組成の面内均一性を高く維持することが難しくなった。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、金属酸化物、特に複数の金属原料による多元素の強誘電体膜の膜中における元素組成の均一性を高く維持することができるガス供給装置及び処理装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に規定する発明は、被処理体に所定の処理を施すための処理装置の処理容器に設けられるシャワーヘッド構造のガス供給装置において、内部が、前記原料ガスをキャリアガスなしで導入して前記原料ガスを分散させるための原料ガス用のヘッド空間と酸化ガスを導入して拡散させるための酸化ガス用のヘッド空間とに２つに区画分離されたシャワーヘッド本体と、前記シャワーヘッド本体のガス噴射面に設けられて前記原料ガス用のヘッド空間と前記酸化ガス用のヘッド空間とにそれぞれ個別に連通されて前記各ガスを前記処理容器内に向けて個別に噴射する噴射孔とを有して、前記処理容器内へ前記原料ガスと前記酸化ガスとを個別に導入するように構成したものである。
これにより、ガス供給本体であるシャワーヘッド本体に形成された比較的大きな容量を持つ原料ガス用のヘッド空間へ導入された例えば複数の原料ガスは、このヘッド空間内で十分に分散乃至拡散されて、噴射孔より処理容器内へ供給されることになる。このように、例えば複数の原料ガスがヘッド空間内で十分に分散されて処理空間へ供給されることから、このヘッド空間内の圧力が処理容器内のプロセス圧力に対してそれ程上昇させることなく、従って、例えば複数の原料ガス源側からはその流れがガス供給装置内の圧力上昇により阻害されることなく例えば複数の原料ガスを円滑に流すことができ、また、原料ガスも十分に分散することから、膜中の例えば複数の金属元素の面内均一性を大幅に改善することが可能となる。
【０００８】
請求項２に規定するように、例えば前記原料ガスは、複数種類の有機金属材料ガスであり、前記シャワーヘッド本体には、前記複数種類の原料ガスを個別に導入する複数の原料ガス供給手段が接続される。これによれば、堆積された膜中の金属元素の組成比の面内均一性を大幅に向上させることが可能となる。
請求項３に規定するように、例えば前記原料ガス用のヘッド空間は、前記被処理体に対向するように水平方向に広がる分散室と、この分散室の中央部に連通されると共に前記複数の原料ガスを個別に導入して混合させる混合室とよりなる。これによれば、混合室内でまず複数の原料カスを混合し、この混合ガスを分散室の中央から周辺に向けて等方的に分散させるようにしたので、分散がより効率的に行われ、金属元素の組成比の面内均一性を一層向上させることが可能となる。
【０００９】
また、請求項４に規定するように、例えば前記混合室には、前記各原料ガスがキャリアガスがない状態で導入される。従って、キャリアガスを用いる場合よりも、より正しく所定の流量の原料を送ることができる。
また、請求項５に規定するように、例えば前記混合室及び前記分散室の中央部には、前記酸化ガスを導入するための酸化剤導入通路が貫通するように設けられる。これによれば、酸化ガスも被処理体上に均一に分散させることができるので、金属元素の組成比の面内均一性を更に向上させることが可能となる。
また、請求項６に規定するように、前記酸化剤導入通路は、導入された酸化ガスを拡散させる前記酸化ガス用のヘッド空間に接続されており、前記分散室は前記混合室と前記酸化ガス用のヘッド空間との間に設置されている。
また、請求項７に規定するように、例えば前記混合室には、混合を促進するために不活性の分散ガスを導入するための分散ガス供給手段が接続されるようにしてもよい。これによれば、不活性の分散ガスにより、原料ガスの分散効率を一層向上させることが可能となる。この場合には、処理容器内のプロセス圧力よりも、ガス供給本体内の圧力を僅かに大きくするように分散ガス量を導入することにより、均一な膜形成を可能とすると共に、ガス供給本体内の圧力上昇を小さくしているので、低蒸気圧の原料ガスの供給が妨げられることはない。
【００１０】
また、請求項８に規定するように、例えば前記分散室内には、複数の分散孔を有する分散板が設けられる。
請求項９に規定するように、例えば前記原料ガスは、Ｐｂ（ＤＰＭ）2 と、Ｚｒ（ｔ−ＯＣ4 Ｈ9 ）4 、Ｚｒ（ＤＰＭ）4 、Ｚｒ（ｉ−ＯＣ3 Ｈ7 ）4 、Ｚｒ（Ｃ5 Ｈ7 Ｏ2 ）4 、Ｚｒ（Ｃ5 ＨＦ6 Ｏ2 ）4 よりなる群から選択される少なくとも１つと、及びＴｉ（ｉ−ＯＣ3 Ｈ7 ）4 、Ｔｉ（ｉ−ＯＣ3 Ｈ7 ）2 （ＤＰＭ）2 よりなる群から選択される少なくとも１つとからなる有機金属原料の混合ガスであり、前記酸化ガスはＮＯ2 、Ｏ2 、Ｏ3 、Ｎ2 Ｏよりなる群から選択される少なくとも１つである。
【００１１】
請求項１０に規定する発明は、上記ガス供給装置を採用した処理装置であり、すなわち、原料ガスと酸化ガスとを用いて被処理体に対して所定の処理を施す処理装置において、真空引き可能になされた処理容器と、前記被処理体を載置する載置台と、前記被処理体を加熱する加熱手段と、上記ガス供給装置とを備えたことを特徴とする処理装置である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るガス供給装置及び処理装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係るガス供給装置（シャワーヘッド構造）を備えた処理装置を示す構成図、図２は図１中に示すシャワーヘッド構造のガス噴射面を示す平面図、図３はシャワーヘッド構造の概略分解図、図４はシャワーヘッド構造の上側ヘッド部材を示す上面図である。ここでは、原料ガスとしてＰｂ（ＤＰＭ）2 、Ｔｉ（ｉＯＰｒ）4 及びＺｒ（ＯｔＢｔ）4 を用い、また、酸化ガスとしてＮＯ2 ガスを用いて、ＰＺＴ膜のような強誘電体膜を成膜する場合を例にとって説明する。
【００１３】
この処理装置２は、図示するように例えばアルミニウムにより略筒体状に成形された処理容器４を有している。この処理容器４の底部側壁の一部は、外方へ突出されて形成され、この側壁には大口径の排気口６が形成されている。そして、この排気口６には、真空ポンプ等を介設した図示しない真空排気系が接続されており、処理容器４内を真空引き可能としている。また、この処理容器４の底部側壁の他の一部は、外方へ突出されて形成され、この側壁には、被処理体としての半導体ウエハＷをこの処理容器４内に対して、搬入・搬出する際に開閉されるゲートバルブ８が設けられている。
【００１４】
また、この処理容器４の底部は開口されていると共に、この処理容器４内には、非導電性材料、例えばアルミナ製の円板状の載置台１０が設けられ、この載置台１０は、例えばアルミニウムよりなる円柱状の載置台ベース１１の上端に固定される。この載置台ベース１１は、上記処理容器４の底部４Ａの開口を貫通するように設けられており、この載置台ベース１１の下端に取り付けたベース板１２と上記処理容器４の底部４Ａの開口周辺部との間には、気密に伸縮可能になされたベローズ１４が介設して接続されており、処理容器４内の気密性を維持しつつこの載置台１０と載置台ベース１１との一体構造物を上下動可能としている。尚、この載置台ベース１１の昇降移動は、図示しない昇降機構により行われ、図中、一点鎖線は降下された時の載置台１０及び半導体ウエハＷの位置を示す。
【００１５】
また、この載置台ベース１１には、上記載置台１０の下面周縁部に設けた不活性ガス吐出口１６に連通されたガス通路１８が形成されており、プロセス時等に、Ｎ2 ガス等の不活性ガスを上記不活性ガス吐出口１６から噴射して、反応ガスである有機金属原料、或いはＮＯ2 などが回り込み、堆積物が生成することがないようになっている。
また、上記載置台１０には、加熱手段として例えば、ＳｉＣによりコーティングされたカーボン製の抵抗発熱体２０が埋め込まれており、この上面側に載置される被処理体としての半導体ウエハＷを所望の温度に加熱し得るようになっている。この載置台１０の上部は、内部に銅などの導電板よりなるチャック用電極（図示せず）を埋め込んだ薄いセラミックス製の静電チャック（図示せず）として構成されており、この静電チャックが発生するクーロン力により、この上面にウエハＷを吸着保持するようになっている。尚、この静電チャックに代えて、メカニカルクランプを用いてもよいし、また、図示されないが、載置台１０及び載置台ベース１１にはウエハの搬出入時にウエハを支持するリフタピンも設けられている。
【００１６】
また、処理容器４の天井部には、本発明の特徴とするガス供給装置としてのシャワーヘッド構造２２が一体的に設けられた天井板２４がＯリング等のシール部材２６を介して気密に取り付けられており、上記シャワーヘッド構造２２は載置台１０の上面の略全面を、或いはこれよりも広く覆うように対向させて設けられ、載置台１０との間に処理空間Ｓを形成している。このシャワーヘッド構造２２は処理容器４内に成膜用の原料ガスと酸化ガスとをシャワー状にそれぞれに個別に導入するものであり、このシャワーヘッド構造２２のガス供給本体としてのシャワーヘッド本体２８の下面のガス噴射面３０の略全面にはそれぞれのガスを個別に噴出するための多数の噴射孔として、図２にも示すように原料ガス用の噴射孔３２（図２中、白丸で示す）と酸化ガス用の噴射孔３４（図２中、黒丸で示す）がそれぞれ略均等に分散されて形成される。
【００１７】
このシャワーヘッド本体２８内は、原料ガス用のヘッド空間３６と酸化ガス用ヘッド空間３８とに２つに区画分離されている。この原料ガス用のヘッド空間３６は本発明においては、ここに導入された原料ガスを十分に分散し得る程の比較的大きな容量を有している。このヘッド空間３６の大きさは、例えば処理空間Ｓにおけるプロセス圧力が１３Ｐａ程度の時に、このヘッド空間３６内の圧力が例えば１３３Ｐａ以下になるような大きさに設定される。具体的には、この原料ガス用のヘッド空間３６は、上記天井板２４の中央部に、この上方へ突出するように気密に取り付け固定された円筒体状の混合ヘッド４０により仕切られる混合室３６Ａと、天井板２４の下方にシャワーヘッド本体２８の側壁と下部壁面とによって仕切られる直径が大きな円柱状の分散室３６Ｂとにより構成される。
【００１８】
従って、上記分散室３６Ｂの中央部上面に、上記混合室３６Ａの下端が連なるような状態で、両室３６Ａ、３６Ｂは連通されている。上記混合室３６Ａの容量は、これに導入された複数の原料ガスが十分に混合できるように十分な大きな容量に設定され、また、上記分散室３６Ｂの容量は、上記混合室３６Ａから流下してくる混合ガスがその中心部より周辺部に向けて水平方向へ放射状に十分に分散乃至拡散し得る程に比較的大きな容量に設定されている。
【００１９】
具体的には、６インチサイズのウエハ態様の場合には、混合室３６Ａの内径Ｌ１は３ｃｍ以上、例えば５ｃｍ程度、高さＬ２は５ｃｍ以上、例えば１０ｃｍ程度に設定し、分散室３６Ｂの内径Ｌ３は１５ｃｍ以上、例えば２０ｃｍ程度に設定し、高さＬ４は１．０ｃｍ以上、例えば１．５ｃｍ程度に設定し、従来装置のシャワーヘッド構造の場合よりもかなり大きな容量を確保し、プロセス時における処理空間Ｓの圧力とこの原料ガス用のヘッド空間３６の圧力との間の差圧ができるだけ小さくなるように設定している。そして、この分散室３６Ｂ内には、複数の分散孔４１を有する薄板状の分散板４２が水平方向に沿って配置されており、混合ガスの分散効率を向上させるようになっている。
【００２０】
そして、上記シャワーヘッド本体２８は、図３にも示すように、上下に分解できる上側ヘッド部材２８Ａと下側ヘッド部材２８Ｂとにより主に構成される。上側ヘッド部材２８Ａの底部には、混合ガスを通すための多数のガス通路４４が穿孔により形成されており、中央部には酸化ガスを通すためのガス通路４４Ａが穿孔されている。また、下側ヘッド部材２８Ｂの上面には、図４にも示すように、その周辺部にリング状の接合枠４６が上方へ突出させて形成されると共に、その内側には、直径の小さな円柱状の接合突起４８が多数分散させて形成されている。上記各接合突起４８は、上記ガス通路４４に対向するように配置されており、この接合突起４８にはこれを上下に貫通して原料ガス通路５０が形成されて、この原料ガス通路５０と上記ガス通路４４とが上下に連通する。従って、このガス通路４４の下端開口が上記原料ガス用の噴射孔３２となる。
【００２１】
また、この下側ヘッド部材２８Ｂの接合突起４８を設けていない部分には、図４にも示すように酸化ガスを通す酸化ガス通路５２が形成されており、従って、この酸化ガス通路５２の下端開口が上記酸化ガス用の噴射孔３４となる。そして、上記上側ヘッド部材２８Ａと下側ヘッド部材２８Ｂとを上下方向より例えばボルト等により接合することにより、両部材２８Ａ、２８Ｂの接合部分に前記酸化ガス用のヘッド空間３８が形成されることになる。尚、両部材２８Ａ、２８Ｂ間には、適切にガス孔が形成された図示しない気密性保持用のパッキン等が介在されるのは勿論である。また、上記原料ガス用の噴射孔３２の内径は例えば２．０ｍｍ〜１ｃｍ程度、上記酸化ガス用の噴射孔３４の内径は０．３〜２．０ｍｍ以下にそれぞれ設定されている。
【００２２】
そして、図１へ戻って、上記混合室３６Ａ及び分散室３６Ｂの略中央部には、れを貫通するようにして細管よりなる酸化剤導入通路５２が穿孔で設けられており、この通路５２の先端は上記酸化ガス用のヘッド空間３８に連通されて、この空間３８に酸化ガスを導入し得るようになっている。
そして、上記混合ヘッド４０には、３つの原料ガス供給手段５４、５６、５８と分散ガス供給手段６０とが別個独立させて接続されている。上記３つの原料ガス供給手段５４、５６、５８は、それぞれ有機金属原料ガスとして、Ｐｂ（ＤＰＭ）2 、Ｚｒ（ＯｔＢｔ）4 及びＴｉ（ｉＯＰｒ）4 を供給するものであり、各供給系にそれぞれの原料タンク６２、６４、６６が接続されており、液体または固体の原料を、例えば１５０〜２００℃程度に加熱することにより原料ガスを発生するようになっている。
【００２３】
そして、各供給系には、開閉弁６８や高温マスフローコントローラ７０がそれぞれ介設されており、キャリアガスなしで純粋な原料ガスのみを流量制御しつつ供給できるようになっている。
そして、高温マスフローコントローラ７０を含む各供給系は、例えばテープヒータ７１等が巻回して設けられており、これらを各原料ガスの気化温度以上で且つ分解温度以下の範囲、例えば２００℃程度に加熱するようになっている。
また、上記分散ガス供給手段６０の供給系には、分散ガスとして例えば不活性のＮ2 ガスを貯留するＮ2 ガス源７２が接続されており、Ｎ2 ガスをマスフローコントローラ７４により流量制御しつつ供給できるようになっている。
また、前記シャワーヘッド構造２２の側壁には、ヘッド加熱ヒータ８０が設けられており、また、上記処理容器４の側壁及び底部には容器加熱ヒータ８２が設けられており、共に原料ガスの気化温度以上、例えば２００℃程度に加熱されている。
【００２４】
次に、以上のように構成された処理装置を用いて行なわれる成膜処理について説明する。
まず、載置台１０を図１中の一点鎖線で示す搬出入位置まで降下させ、真空状態に維持された処理容器４内に、図示しないロードロック室側から開放したゲートバルブ８を介して未処理の半導体ウエハＷを搬入し、これを載置台１０上に載置して静電チャックのクーロン力により吸着保持する。そして、ゲートバルブ８を閉じると共に載置台１０をプロセス位置まで上昇させる。そして、抵抗発熱体２０によりウエハＷを所定のプロセス温度に維持すると共に、処理容器４内を真空引きして所定のプロセス圧力に維持しつつ、原料ガスと酸化ガスをシャワーヘッド構造２２から供給して成膜を開始する。
【００２５】
原料ガスとしては、固体状のＰｂ（ＤＰＭ）2 を昇華させ、また液体状のＺｒ（ＯｔＢｔ）4 及びＴｉ（ｉＯＰｒ）4 を気化させて、各原料ガスを所定の流量ずつ流して混合室３６Ａ内で混合させることにより混合ガスを形成し、これを分散室３６Ｂ内で分散させて用いる。上記Ｐｂ、Ｚｒ及びＴｉの各原料の流量は、それぞれ０．１〜１．０ｓｃｃｍ、０．１〜１．０ｓｃｃｍ及び０．１〜１．０ｓｃｃｍ程度である。このようにシャワーヘッド構造２２にて混合された原料ガスは、ガス噴射面３０に設けた各原料ガス用の噴射孔３２から処理空間Ｓに供給されることになる。
【００２６】
一方、シャワーヘッド構造２２の中心に設けた酸化剤導入通路５２内を流れてきた酸化ガス、例えばＮＯ2 ガスは直接的に酸化ガス用のヘッド空間３８に到達してこの空間３８内を半径方向へ放射状に拡散乃至分散しつつ、ガス噴射面３０に設けた各酸化ガス用の噴射孔３４から処理空間Ｓに供給されることになる。このように処理空間Ｓに噴出された混合原料ガスと酸化ガスであるＮＯ2 ガスは、この処理空間Ｓで混合されて反応し、ウエハ表面にＣＶＤにより、例えばＰＺＴ膜を堆積することになる。この時のプロセス条件は、プロセス温度は４００〜４５０℃の範囲内、プロセス圧力は従来のこの種のプロセス圧力よりも低い圧力、例えば２６．６Ｐａ（２００ｍＴｏｒｒ）以下、好ましくは１３．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）前後の圧力である。
【００２７】
ここで、上記シャワーヘッド構造２２内では、原料ガス用のヘッド空間３６の空間を、十分に大きく設定しているので、原料ガスが中心から周辺に向けて十分に分散しつつ且つ混合されることになる。このように、原料ガスの分散が十分に行なわれると、処理空間Ｓと原料ガス用のヘッド空間３６との圧力差が従来装置の場合と比較して小さくなり、従って、原料ガス用のヘッド空間３６内の圧力がその分低くなり、蒸気圧が１３３〜３９９Ｐａ程度であって比較的低い金属原料ガスは比較的円滑に高温マスフローコントローラ７０内を流れてこの原料ガス用のヘッド空間３６内へ供給されることになる。従って、ウエハＷの表面に堆積される膜中の金属元素の組成比の面内均一性を向上させることが可能となる。また、ヘッド空間３６内の圧力を前述のように下げることができるので、その分、この部分での原料ガス同士の反応も抑制することが可能となる。
【００２８】
この場合、上記原料ガス用のヘッド空間３６を、共に比較的大きな容量を有する混合室３６Ａと分散室３６Ｂとに２つに分けて、このヘッド空間３６内で３つの各原料ガスの混合と一部分散を行なうようにしているので、混合効率及び分散効率を更に向上させることが可能となる。従って、この場合には、膜中の金属元素の組成比の面内均一性を一層高めることが可能となる。
また、必要に応じて分散ガス供給手段６０より、分散ガスとして不活性なＮ2 ガスを混合室３６Ａ内へ適当量加えることにより、原料ガスの分散がより促進されるので、その分、膜中の金属元素の組成比の面内均一性を高めることができる。
また更に、ＮＯ2 ガスは酸化ガス用のヘッド空間３８の略中心に導入してそれより周辺に放射状に拡散させるようにしたので、このＮＯ2 ガスを面内方向に迅速に且つ均等分散させることができ、従って、その分、膜中の金属元素の組成比の面内均一性を高めることが可能となる。
ここで上記したシャワーヘッド構造２２における混合室３６Ａにおける圧力と従来構造のシャワーヘッド構造の混合室の圧力を実際に測定したのでその比較結果について説明する。
図５は本発明のシャワーヘッド構造の混合室と従来のシャワーヘッド構造の混合室のガス（Ｎ2 ）流量に対する圧力変化を示すグラフである。このグラフから明らかなように、従来のシャワーヘッド構造ではガス流量が０〜１００ｓｃｃｍまで大きくなるに従って、その圧力は略直線的に増加しており、例えばガス量が１００ｓｃｃｍでは５２Ｐａ（０．４Ｔｏｒｒ）程度まで圧力が増加している。
これに対して、本発明のシャワーヘッド構造では、導入されるガス量に関係なく、混合室内の圧力は処理空間Ｓの圧力と略同じ１３Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）程度を安定的に維持しており、良好な特性を示していることが判明した。
【００２９】
次に、上記した処理装置を用いて、実際に６インチサイズの半導体ウエハ上にＰＺＴ膜を堆積させたので、その評価結果について説明する。
図６はＰＺＴ膜中のＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉの各元素の組成比の分布を示すグラフである。尚、ＰＺＴ膜の膜厚は２５０ｎｍ、プロセス圧力は１２Ｐａ（０．０９Ｔｏｒｒ）、プロセス温度は４３０℃である。更に、ガスの流量は、Ｐｂ用原料ガスが０．２６ｓｃｃｍ、Ｔｉ用原料ガスが０．３２ｓｃｃｍ、Ｚｒ用原料ガスが０．２５ｓｃｃｍ、酸化ガス（ＮＯ2 ）が３．６ｓｃｃｍ、分散ガス（Ｎ2 ）が１５０ｓｃｃｍで２０分間の成膜を行なった。
【００３０】
図６において、実線は本発明装置の場合の各元素の組成比を示す。従来装置の場合には、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉの組成比がウエハの半径方向において大きく異なって金属元素の組成比の面内均一性がかなり劣っていたが、図示するように本発明装置の場合には、金属元素の組成比は、ウエハの半径方向において略一定であり、その組成比の面内均一性を大幅に改善できたことが判明した。
また、図７は再現性を示すデータであり、２００回にわたってＰＺＴ膜を半導体ウエハに成膜した結果を示している。このデータによれば、ウエハ間における金属元素の組成比Ｐｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）は、全て１．０５〜１．０７の範囲内に入っており、その変動はほとんどないので高い再現性を維持できることが判明した。
尚、上記実施例では、原料ガス用のヘッド空間３６を混合室３６Ａと分散室３６Ｂとに連通された２つの空間に分けているが、これらを分けることなく、両室の３６Ａ、３６Ｂを合わせた容量を有する１つの円筒状の空間として形成してもよいのは勿論である。
【００３１】
また、本実施例では、６インチサイズのウエハを例にとって説明したが、これに限定されず、８インチ或いは１２インチなどにも適用でき、この場合にはウエハサイズに対応して同等の比率で各寸法が大きく設定されるのは勿論である。また、ＰＺＴ膜を堆積させる原料として、ここではＺｒ原料としてＺｒ（ｔ−ＯＣ4 Ｈ9 ）4 を用いたが、これに替えて、Ｚｒ（ＤＰＭ）4 、Ｚｒ（ｉ−ＯＣ3 Ｈ7 ）4 、Ｚｒ（Ｃ5 Ｈ7 Ｏ2 ）4 、Ｚｒ（Ｃ5 ＨＦ6 Ｏ2 ）4 等、或いはこれらのＺｒ原料群より選択される２以上の原料を用いてもよく、また、Ｔｉ原料としてＴｉ（ｉ−ＯＣ3 Ｈ7 ）4 を用いたが、これに替えてＴｉ（ｉ−ＯＣ3 Ｈ7 ）2 （ＤＰＭ）2 等を用いてもよい。
また、ここでは、強誘電体膜としてＰＺＴ膜を成膜する場合を例にとって説明したが、これに限定されず他の有機金属材料を用いて成膜する場合、例えばＢａＳｒ1-x ＴｉｘＯ3 等を成膜する場合にも、全て適用できるのは勿論である。また、酸化ガスとしてはＮＯ2 のみならず、他のガス、例えばＯ2 、Ｏ3 、Ｎ2 Ｏ等、或いはこれらの酸化ガス群より選択される２以上のガスも用いることができる。更に、被処理体としては、半導体ウエハに限定されず、ＬＣＤ基板、ガラス基板等にも適用できるのは勿論である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のガス供給装置及び処理装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
請求項１及び１０に規定する発明によれば、キャリアガスなしで導入した原料ガスを分散する原料ガス用のヘッド空間をガス供給本体であるシャワーヘッド本体に持たせるようにしたので、原料ガスがヘッド空間内で十分に分散されて処理空間へ供給されることから、このヘッド空間内の圧力が処理容器内のプロセス圧力に対してそれ程上昇せず、従って、原料ガス源側からはその流れが阻害されることなく原料ガスを円滑に流すことができ、また、原料ガスも十分に分散することから、膜中の金属元素の面内均一性を大幅に改善することができる。
請求項２、６、８、９に規定する発明によれば、堆積された膜中の金属元素の組成比の面内均一性を大幅に向上させることができる。
請求項３及び４に規定する発明によれば、混合室内でまず複数の原料カスを混合し、この混合ガスを分散室の中央から周辺に向けて分散させるようにしたので、分散がより効率的に行われ、金属原元の組成比の面内均一性を一層向上させることができる。
請求項５に規定する発明によれば、酸化ガスも十分に分散させることができるので、金属元素の組成比の面内均一性を更に向上させることができる。
請求項７に規定する発明によれば、不活性の分散ガスにより、原料ガスの分散効率を一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガス供給装置（シャワーヘッド構造）を備えた処理装置を示す構成図である。
【図２】図１中に示すシャワーヘッド構造のガス噴射面を示す平面図である。
【図３】シャワーヘッド構造の概略分解図である。
【図４】シャワーヘッド構造の上側ヘッド部材を示す上面図である。
【図５】本発明のシャワーヘッド構造の混合室と従来のシャワーヘッド構造の混合室のガス（Ｎ2 ）流量に対する圧力変化を示すグラフである。
【図６】本発明装置の場合の各元素の組成比と、従来装置の場合の各元素の組成比を示すグラフでる。
【図７】再現性のデータを示す図である。
【符号の説明】
２  処理装置
４  処理容器
１０  載置台
２０  加熱手段（抵抗発熱体）
２２  シャワーヘッド構造（ガス供給装置）
２８  シャワーヘッド本体（ガス供給本体）
２８Ａ  上側ヘッド部材
２８Ｂ  下側ヘッド部材
３０  ガス噴射面
３２  原料用ガス用の噴射孔
３４  酸化ガス用の噴射孔
３６  原料ガス用のヘッド空間
３６Ａ  混合室
３６Ｂ  分散室
３８  酸化ガス用のヘッド空間
５４，５６，５８  原料ガス供給手段
６０  分散ガス供給手段
６２，６４，６６  原料タンク
Ｗ  半導体ウエハ（被処理体）
【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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【図７】
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