(57)【要約】【課題】ガス分散チャンバ内の残留ガスを急速にパージすることにより、材料ガスの均一な供給を可能とし、高い生産性を達成する薄膜形成装置及び方法を与える。【解決手段】排気可能反応チャンバに結合するよう構成されたガス供給装置は、ヘッド表面を通じてチャンバ内にガスを導入するためのガス分散ヘッドを含む。該ガス分散ヘッドはサセプタ方向へヘッド表面を通じてガスを吐出すための第１セクション及びサセプタ方向へヘッド表面を通じてガスを吐出すための第２セクションを含む。第１及び第２セクションはガス分散ヘッド内で互いに分離され、その少なくともひとつのセクションが、ヘッド表面を通過することなく対応する第２セクション内に存在するガスをそこからパージするための排気システムへ結合されている。【選択図】図１
2005303292.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を載置するためのサセプタを具備する排気可能反応チャンバへ結合されるよう構成されたガス供給装置であって、
ヘッド表面を通じてチャンバ内にガスを導入するためのガス分散ヘッドであって、支持体方向へヘッド表面を通じてガスを吐出すための第１セクションと、支持体方向へヘッド表面を通じてガスを吐出すための第２セクションとから成り、前記第１及び第２セクションはガス分散ヘッド内部で互いに分離され、少なくともひとつのセクションがヘッド表面を通過することなく対応するセクション内部に存在するガスをそこからパージするための排気システムと結合されている、ところのガス分散ヘッドから成る装置。
【請求項２】
請求項１に記載のガス供給装置であって、第１セクションと第２セクションはヘッド表面に対し互いに平行に配置され、前記第２セクションは第１セクションよりもヘッド表面に近く、少なくとも第１セクションが排気システムに結合されている、ところの装置。
【請求項３】
請求項１に記載のガス供給装置であって、第１セクションと第２セクションはヘッド表面に対し互いに平行に配置され、前記第２セクションは第１セクションよりもヘッド表面に近く、第２セクションが排気システムに結合されている、ところの装置。
【請求項４】
請求項１に記載のガス供給装置であって、第１セクション及び第２セクションの両方がそれぞれ排気システムに結合されている、ところの装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載のガス供給装置であって、前記排気システムの排気コンダクタンスは対応するヘッド表面自体の排気コンダクタンスよりも３〜１００倍大きいことを特徴とする、ところの装置。
【請求項６】
請求項２に記載のガス供給装置であって、第１セクションは第２セクションよりも大きい容積を有する、ところの装置。
【請求項７】
請求項２に記載のガス供給装置であって、第１セクションは互いに連通することなく第２セクションを貫通してヘッド表面に達している、ところの装置。
【請求項８】
請求項７に記載のガス供給装置であって、第１セクション及び第２セクションは複数のボアを通じてヘッド表面と連通する、ところの装置。
【請求項９】
請求項２に記載のガス供給装置であって、第１セクションは中心分散ガス導入口及びそこから半径方向に伸張する円錐形分散板から成る、ところの装置。
【請求項１０】
請求項４に記載のガス供給装置であって、第１セクション及び第２セクションはヘッド表面に対して互いに平行に配置され、それぞれ別々にボアを通じてヘッド表面と連通し、前記第２セクションは第１セクションよりもヘッド表面に近い、ところの装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載のガス供給装置であって、第２セクションとヘッド表面とを連通させるボアはヘッド表面の主に中心領域に配置されているが、第１セクションとヘッド表面とを連通させるボアはヘッド表面に均一に分布している、ところの装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載のガス供給装置であって、第２セクションは、ガス分散ヘッド内に形成された内部空間を有し、前記内部空間へ一方から導入されたガスが前記ヘッド表面の中心領域に配置された前記ボアを通過し、さらに前記内部空間のもう一方から前記排気システムにより排気されることを特徴とする、ところの装置。
【請求項１３】
請求項１０に記載のガス供給装置であって、第１セクションとヘッド表面とを連通させるボアの総開口面積は、第２セクションとヘッド表面とを連通させるボアの総開口面積よりも大きい、ところの装置。
【請求項１４】
請求項１０に記載のガス供給装置であって、第１セクションとヘッド表面とを連通させるボアの平均ボアサイズは、第２セクションとヘッド表面とを連通させるボアの平均ボアサイズより大きい、ところの装置。
【請求項１５】
請求項２に記載のガス供給装置であって、さらに、RF電力をもっぱら第２セクションの内部へ印加するためのRF電源を含む、ところの装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載のガス供給装置であって、RF電源が第１セクションと第２セクションを物理的に分離しかつ絶縁する第１セクションの底板に結合されており、ヘッド表面が接地されている、ところの装置。
【請求項１７】
請求項１に記載のガス供給装置であって、さらに、反応チャンバの内部へRF電力を印加するためにガス分散ヘッドへ接続されたRF電源を含む、ところの装置。
【請求項１８】
請求項２または４に記載のガス供給装置であって、第１セクションはソースガスライン及びパージガスラインに接続され、第２セクションは添加ガスライン及びパージガスラインに接続されている、ところの装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載のガス供給装置であって、前記ソースガスはTa[NC(CH3)2C2H5][N(CH3)2]3、Ta(OC2H5)5、Ru(EtCp)2、Ru(Cp)2、Ti[N(CH3)2]4、Ti[N(C2H5)2]4、TiCl4、HfCl4、TaF5、WF6、Hf(NMe2)4、またはHf(OtBu)4のいずれかであり、前記添加ガスは、H2、NH3、O2、Ar、N2、またはHeのいずれかである、ところの装置。
【請求項２０】
請求項１５から１７のいずれかに記載のガス供給装置であって、前記第１セクションはソースガスラインに接続され、前記第２セクションは添加ガスラインに接続されている、ところの装置。
【請求項２１】
請求項２０に記載のガス供給装置であって、前記ソースガスはTa[NC(CH3)2C2H5][N(CH3)2]3、Ta(OC2H5)5、Ru(EtCp)2、Ru(Cp)2、Ti[N(CH3)2]4、Ti[N(C2H5)2]4、TiCl4、HfCl4、TaF5、WF6、Hf(NMe2)4、またはHf(OtBu)4のいずれかであり、前記添加ガスは、H2、NH3、O2、Ar、N2、またはHeのいずれかである、ところの装置。
【請求項２２】
薄膜形成装置であって、
基板を載置するための支持体を具備する排気可能な反応チャンバと、
請求項１に記載のガス供給装置と、
から成る薄膜形成装置。
【請求項２３】
請求項２２に記載の薄膜形成装置であって、ヘッド表面と支持体との間の空間は排気システムに結合されている、ところの薄膜形成装置。
【請求項２４】
請求項２３に記載の薄膜形成装置であって、ガス分散ヘッドを排気するための排気システム及びヘッド表面と支持体との間の空間を排気するための排気システムは単一の排気ラインに接続され統合されている、ところの薄膜形成装置。
【請求項２５】
基板上に薄膜を形成するための方法であって、
(i)反応チャンバの内部に基板を配置する工程と、
(ii)シャワーヘッド表面を通じてシャワーヘッドの第１経路を介し反応チャンバの内部へ第１ガスを導入する工程であって、前記第１ガスはシャワーヘッド表面の上流側から導入され、前記反応チャンバの内部はシャワーヘッド表面の下流側にある、ところの工程と、
(iii)シャワーヘッド表面の上流側から第１経路を排気しながら、パージガスによりシャワーヘッドの第１経路をパージする工程と、
(iv)シャワーヘッド表面を通じてシャワーヘッドの第２経路を介して反応チャンバの内部へ第２ガスを導入する工程であって、前記第１経路及び第２経路はシャワーヘッド内で互いに分離され、それによって第１ガス及び第２ガスは反応し、基板上に薄膜が形成される、ところの工程と、
から成る方法。
【請求項２６】
請求項２５に記載の方法であって、さらに、(v)シャワーヘッド表面の上流側から第２経路を排気しながら、パージガスによりシャワーヘッドの第２経路をパージする工程、を含む方法。
【請求項２７】
請求項２６に記載の方法であって、工程(ii)から(v)がひとつのサイクルを構成し、それが繰り返される、ところの方法。
【請求項２８】
請求項２７に記載の方法であって、第１に代わって第３ガスが第１ガスと交互に使用される、ところの方法。
【請求項２９】
請求項２５に記載の方法であって、工程(iv)において、第２ガスがシャワーヘッドの中心領域から導入される、ところの方法。
【請求項３０】
請求項２５に記載の方法であって、反応チャンバの内部はシャワーヘッド表面の下流から絶えず排気される、ところの方法。
【請求項３１】
請求項２５に記載の方法であって、さらに、シャワーヘッド表面の下流から反応チャンバの内部を排気しながら、パージガスによって反応チャンバの内部をパージする工程を含む、ところの方法。
【請求項３２】
請求項２５に記載の方法であって、さらに、シャワーヘッド内の第２経路に流入する際、第２ガスにRF電力を印加する工程を含む、ところの方法。
【請求項３３】
請求項２５に記載の方法であって、さらに、反応チャンバの内部へRF電力を印加する工程を含む、ところの方法。
【請求項３４】
原子層成長用の排気可能反応チャンバへ結合されるよう適応されたガス供給装置であって、
分散板と、
第１ガスが通過するところの第１ボアを有する第１プレートであって、前記分散板と前記第１プレートとの間に第１セクションが形成され、第１ガスは第１セクション内に導入されかつ前記第１ボアを通過する、ところの第１プレートと、
第２ガスが通過するところの第２ボアを有する第２プレートであって、第２セクションは第１プレートと第２プレートとの間に形成され、第２ガスは第２セクション内に導入されかつ第２ボアを通過し、前記第２プレートは第１ガスが通過するところの第３ボアを有し、第２セクションは第２ボアと連通することなく第２セクション内で各第１ボアと各第３ボアとを結合して連通させる、ところの第２プレートと、
から成り、
第１セクションまたは第２セクションの少なくともひとつは対応するボアを通過せずに対応するセクションが排気システムと結合される、ところの装置。
【請求項３５】
請求項３４に記載のガス供給装置であって、第１プレート及び第２プレートは互いに平行に配置され、分散板は円錐形状を有する、ところの装置。
【請求項３６】
請求項３４に記載のガス供給装置であって、分散板は第１セクション内に第１ガスを導入するための分散板の中心領域に配置された第１ガス導入口を具備する、ところの装置。
【請求項３７】
請求項３４に記載のガス供給装置であって、第２セクションは第２セクションの外周付近に配置された第２ガス導入口を具備する、ところの装置。
【請求項３８】
請求項３４に記載のガス供給装置であって、第１セクションは排気システムに結合され、第１セクション内に存在する第１ガスは分散板の外周付近から排気される、ところの装置。
【請求項３９】
請求項３４に記載のガス供給装置であって、第２セクションは排気システムに結合され、第２セクション内に存在する第２ガスは第２セクションの外周付近に配置された第２ガス排気口を通じて排気される、ところの装置。
【請求項４０】
請求項３４に記載のガス供給装置であって、第２ボアが第２プレートの主に中心領域に配置される、ところの装置。
【請求項４１】
請求項３４に記載のガス供給装置であって、第１ボアは第１プレート上に均一に分布し、第３ボアは各第１ボアの真下に配置される、ところの装置。
【請求項４２】
請求項３４に記載のガス供給装置であって、第３ボアは第２ボアより大きい総開口面積を有する、ところの装置。
【請求項４３】
請求項３４に記載のガス供給装置であって、第３ボアは第２ボアよりも大きい平均ボアサイズを有する、ところの装置。
【請求項４４】
請求項４０に記載のガス供給装置であって、第２セクションは排気システムに結合され、第２セクションの外周付近の第２ガス排気口及び第２ガス導入口を具備し、第２セクションは第２ボアを有する中心領域を介して導入口から排気口へ縦長形状を有する、ところの装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は被処理基板上に薄膜を形成する枚葉式の薄膜形成装置に関する。特に、本発明は薄膜形成装置内に設置されるよう適応されたガス供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子層成長処理用に使用される薄膜形成装置において、材料ガスはシャワーヘッドシステムを使用して均一ガス濃度で基板表面へ供給される。これに対して、層流システムでは、ガス制御器の上流及び下流のガス濃度が変化しやすい。シャワーヘッドを使って基板表面上にガスを均一に供給するために、ガスをシャワーヘッド内部に溜めた後、比較的小さいコンダクタンスを有する分散板から材料ガスを供給している。その結果、第１ガスが供給された後、残存する第１ガスは第２ガスを供給することにより排気され、その後第３ガスが供給される。第３ガスが供給される際に第１ガスがまだ残っていれば、気相化学反応により固体物質が形成される。このため、第３ガスが供給される際、分散装置内部の残留ガスが完全に排気される必要がある。特に、蒸気圧が低い材料ガスが使用される際、残留ガスを排気するために必要な排気時間は増加する。材料ガス供給システムの例として、米国特許公開２００３／０１４３３２８A１に記載されているようなものがある。
【特許文献１】米国特許公開２００３／０１４３３２８A１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
シャワーヘッド装置において、前駆体は、均一な濃度分布または所定の濃度分布で基板上へ供給される。均一な濃度分布を達成するために、分散板によりシャワーヘッドから基板へのコンダクタンスを制御することが必要であり、それはシャワーヘッドからの反応ガスパージの妨げとなる。少なくとも２種類の反応ガスが交互に供給されるため、反応ガスAが供給され、反応ガスAが完全にパージされた後に、反応ガスBが単独で供給される。よって、異なるガス経路を介してシャワーヘッドから均一に反応ガスA及び反応ガスBを供給するアプローチが効果的であり、反応ガスA及び反応ガスBは基板上において単独で反応する。
【０００４】
さらに、シャワーヘッドから反応ガスA及びBを素早くパージするための他のアプローチとして、ガスパージ中の短時間内でシャワーヘッドの内部を排気するために少なくとも一つの側面に排気口が与えられる。この方法は、シャワーヘッドにより原子層形成が邪魔される問題を解決することができる。
【０００５】
プラズマを使用する原子層形成(ALD)に関して、プラズマは反応ガスAには印加されず、ほとんどの場合、プラズマは活性化すべき反応ガスBへ印加される。この場合も同様に、異なるガス経路がシャワーヘッド内部に有効に設置され、プラズマは基板表面にわたって生成されるか、またはプラズマ生成用の空間はシャワーヘッド内部に形成される。低蒸気圧金属に対して、それはプラズマを生成させずに基板表面に導入され、一方有機金属材料の酸化、窒化または吸着を減少させるのに使用されるプラズマ生成用のガスは、簡単にパージされる酸素、窒素及び水素を含む。低蒸気圧金属材料のパージは速くはなく、材料が残っていれば、それがシャワーヘッド内のガスプラズマと反応するかまたは基板上に粒子を生成する。結果として、低蒸気圧金属材料が配置される部分に対して、非常に高速のガスパージが要求され、他のガスに対しては、パージは重要ではない。米国特許公開２００３／０１４３３２８A１において、低蒸気圧材料ガスの供給及び他の材料ガスの供給はそれぞれの異なる経路を通じて実行されるが、低蒸気圧材料ガスは基板表面に面して配置された下部から吐出され（プラズマ生成用のガスは下部より上の上部に与えられる）、よってウエハの中心点に関して対称的にガスを分配する十分な空間が存在せず、さらにガスを有効にパージすることは困難である（別個の排気装置が与えられていない）。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記に鑑み、ひとつの態様において、本発明は、半導体基板を載置するための支持体を具備する排気可能な反応チャンバに結合されるよう構成されたガス供給装置を与え、それは、ヘッド表面を通じてチャンバ内にガスを導入するためのガス導入ヘッドから成り、ガス導入ヘッドはヘッド表面を通じて支持体方向へガスを吐出するための第１セクション及びヘッド表面を通じて支持体方向へガスを吐出するための第２セクションから成り、当該第１及び第２セクションはガス分散ヘッド内で互いに分離されており、少なくとも一方のセクションがヘッド表面を通過しない対応するセクション内に存在するガスを排気するための排気装置と結合されている、ところの装置である。上記態様において、ガス供給装置は複数のガスラインまたは装置から成り、それらの少なくともひとつは排気装置に結合され、その結果複数のガスが高速または瞬時のパージ動作のために非常に有効に使用される。セクション内部に存在するガスは複数のボアを有するシャワーヘッド下面を通過せずにパージされる。低蒸気圧の一次材料及び低分子量の二次材料が効果的に使用される。
【０００７】
他の態様において、本発明は、(i)半導体基板を載置するための支持体を具備する排気可能な反応チャンバと、(ii)上記ガス供給装置と、から成る薄膜形成装置を与える。CVD装置（例えば、PECVD、熱CVD）のような薄膜形成装置内でガス供給装置を使用することにより、薄膜形成は短いサイクルで達成可能である。パージは仮想的に瞬時に実行されるので、異なるガスが混合することはない。異なるガスを交互に供給することにより、原子層または分子層ごとに薄膜を形成することができる。
【０００８】
本発明の他の態様において、基板上に薄膜を形成するための方法は、(i)反応チャンバの内部に基板を配置する工程と、(ii)シャワーヘッド表面を通ってシャワーヘッドの第１経路を介して反応チャンバの内部へ第１ガスを導入する工程であって、第１ガスはシャワーヘッド表面の上流側から導入され、反応チャンバの内部はシャワーヘッド面の下流側にある、ところの工程と、(iii)シャワーヘッド表面の上流側から第１経路を排気しながら、パージガスでシャワーヘッドの第１経路をパージする工程と、(iv)シャワーヘッド表面を通ってシャワーヘッドの第２経路を介して反応チャンバの内部へ第２ガスを導入する工程であって、第１経路及び第２経路はシャワーヘッド内部で互いに分離されており、それによって第１ガスと第２ガスが反応し、基板上に膜を形成することができるところの工程と、から成る。２種類以上のガスが使用されてもよい。
【０００９】
好適実施例において、本発明は、原子層成長処理または層毎の薄膜処理のために排気可能な反応チャンバへ結合されるよう適応されるガス供給装置を与える。当該装置は、(a)分散板と、(b)第１ガスが通過するところの第１ボアを有する第１プレートであって、第１セクションが分散板と第１プレートとの間に形成され、第１ガスが第１セクション内に導入され、第１ボアを通過するところの第１プレートと、(c)第２ガスが通過するところの第２ボアを有する第２プレートであって、第２セクションが第１プレートと第２プレートとの間に形成され、第２ガスが第２セクション内に導入され、第２ボアを通過し、第２プレートは第１ガスが通過する第３ボアを有し、第２セクションは第２ボアと連通することなく第２セクション内で各第１ボア及び各第３ボアを結合して連通させ、第１セクションまたは第２セクションの少なくともひとつは対応するボアを通過することなく対応するセクション内でガスを吐出する排気装置と結合されている、ところの第２プレートと、から成る。
【００１０】
さらに他の実施例において、本発明は、２種類またはそれ以上の異なるガスを交互に供給することにより原子層成長処理に使用されるシャワーヘッドが２つまたはそれ以上の別々のガス分配経路を有する点、及びシャワーヘッドの内部を排気するための手段が少なくともひとつのガス分配経路と連通する点に特徴を有する。さらに、この実施例において、プラズマがシャワーヘッドと基板表面との間かまたはシャワーヘッドの内部のいずれかで生成される。また、ひとつの態様において、プラズマが生成される際、本発明は、排気経路と連通するガス分配部分が与えられる代わりに、排気経路と連通しないガス分配部分が少なくとも基板側に与えられる点に特徴を有する。たとえ排気経路と連通しないガス分配部分が基板側に与えられても、シャワーヘッドの下流に配置された排気経路とそれを連通させることは可能である。しかし、排気経路を基板からより遠く離れた側に与えることにより、経路はより効率的になり、有利である。高圧力の下で低蒸気圧材料ガスを供給すること、及び比較的低い圧力の下でシャワーヘッド内へ低蒸気圧材料ガスを導入することは困難であるため、ガスを拡散させるための十分な容量または空間が必要である。この目的のため、ある態様において、より大きい容量を有する分散チャンバを基板から離れた側に与えることが有利である。さらに、この構造によりガスはチャンバの中心へ導入されるため、ガスはより均一に分散される。
【００１１】
上記したように、後混合(post-mixing)型のシャワーヘッドを使って、本発明の実施例に従う薄膜形成装置は、材料ガスを非常に均一に供給することができ、同時に、高い反応性を有する材料ガスの気相反応は、急速に開閉するバルブまたは可変コンダクタンスバルブを有する専用排気口をそれぞれのガス分散チャンバ内に設定することにより制御され、残留ガスのパージは、排気装置のコンダクタンスに依存して、例えば約１０msecから約５００msec（２５msec、５０msec、１００msec、２００msec、３００msec及びそれらの任意の２つの範囲、好適には約５０msecから約１００msecを含む）の高速で完了する。従来、短時間の間にシャワーヘッド内部に残留する反応ガスを排気することは不可能であった。結果として、本発明の実施例において、パーティクル汚染がより少なくなり、従来達成できなかった高い生産性を有する均一な薄膜形成が可能となった。また、反応において、RFが一種類のガスに印加されるときにのみ、反応は化学的に活性となり、プラズマの印加を止めると反応は停止するので、一種類のガスに対してはパージの必要がない。この場合、金属材料ガスが導入される分散チャンバ内にのみ専用排気口及び排気バルブを設定することにより、薄膜は非常に効率的に形成される。
【００１２】
発明及び関連技術に対して達成される利点を要約するために、いくつかの発明の目的及び利点が説明されてきた。もちろん、すべての目的または利点は発明の特定の実施例に従い必ずしも達成されるものではない。したがって、発明はここに教示されまたは示唆されるような他の目的または利点を必ずしも達成することなく、ここに教示されるような利点を達成または最適化する方法で実施されることは当業者の知るところである。
【００１３】
本発明の他の態様、特徴及び利点は以下の好適実施例の詳細な説明から明らかと成る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
発明は特定の実施例を参照して説明されるが、これに限定されるものではない。
【００１５】
上記したように、本発明の実施例において、ガス供給装置は、基板を載置するための支持体を具備する排気可能反応チャンバへ結合されるよう構成され、ヘッド表面を通じてチャンバ内へガスを導入するためのガス分散ヘッドから成る。ガス分散ヘッド（例えば、シャワーヘッド）は支持体方向へヘッド表面を通じてガスを吐出するための第１セクションと、支持体方向へヘッド表面を通じてガスを吐出するための第２セクションとから成る。第１及び第２セクションはガス分散ヘッド内で互いに分離され、少なくともひとつのセクションはヘッド表面を通過せずに対応するセクション内に存在するガスを排気するための排気装置へ結合されている。ガス分散ヘッドは、各セクションから反応チャンバ内部へガスが均一に吐出される限り、３または４個など２個以上のセクションから成ってもよい。
【００１６】
好適実施例において、第１セクション及び第２セクションはヘッド表面に対して互いに平行に配置され、第２セクションは第１セクションよりもヘッド表面に近く、少なくとも第１セクションは排気装置へ結合されている。各セクションはヘッド表面に対して平行に配置された部分を有し、また各セクションはボアを介してヘッド表面（例えば、シャワーヘッド下側面）と連通しており、その結果各ガス吐出はヘッド表面に関してサセプタ方向へ均一に実行される。この構成において、より多くのセクションが重ねられると、ヘッド表面から離れたセクションからのガスはヘッド表面に達するまでより長く移動し、それが不均一な分散を生じさせる。実施例において、排気装置はヘッド表面から遠く離れたセクションへ結合され、それによりガスのパージが瞬時に完了し、処理速度の低下またはパーティクル汚染の増加もなく、複数のガスが同一セクションを共有することができる。
【００１７】
実施例において、原子層成長反応は、複数のガスの互いの物理的接触の関数として制御され（温度は敏感に制御するのが単純ではない）、その場合、ガスのパージは有効であり、各セクションは排気装置へ結合される。好適には、拡散しにくいガスが流れるところの第１セクションは、拡散しやすいガスが流れるところの第２セクションより大きな容積を有する。
【００１８】
拡散しにくい分子量の大きい分子を気化状態で拡散させ、同時に導入した不活性ガスと混合するには、十分に拡散混合するだけの容積が必要であり、第１セクションは第２セクションよりもより大きい容積を有している。
【００１９】
実施例において、第１セクションは互いに連通することなく第２セクションを通じてヘッド表面に達している。ヘッド表面は各セクションから吐出された複数のガスにより共有されるため、ヘッド表面上の任意の位置で各ガスを均一に吐出するために、第１セクション及び第２セクションをヘッド表面と平行に配置しかつ第１セクション及び第２セクションを連通することなく複数のボアを通じて各々をヘッド表面と連通させることが好適である。
【００２０】
低蒸気圧材料ガスのような拡散しにくいガスを使用する際、実施例においてガスの流れる方向は重要である。第１セクションが中心分散導入口及びそこから半径方向に伸張する円錐形分散板から成るなら、局所的なガス流が防止される。円錐形分散板は底板の外周付近に、底板の中心に関して対称的に配置された曲線または直線状のスリットを有する底板を有する。
【００２１】
上記構成は各セクションまたはひとつのセクションのみが排気装置へ結合されているか否かに無関係に適応され得る。
【００２２】
特に、第１セクションは拡散しにくい高分子量の分子を導入すること、またはその不活性ガスとの混合を十分に行うために、容積が大きく、さらに、この混合ガスを基板上に均一に供給するための分散構造があるので、この第１セクションに排気システムを具備させて、原料ガス導入後のパージ工程においては積極的にこの第１セクションに具備した排気口より残留する分子量の大きい原料ガスを排気するとともに、不活性ガスのみを導入することにより、この分子量の大きい原料ガスをパージすること、特に、大流量のパージガスを導入して、短時間に排出可能な排気コンダクタンスの排気口を具備することにより、短時間に排出することができるという効果がある。一方、分子量が小さく、より容易に拡散混合、またはパージによる排出が可能なガスについては、排気システムを必ずしも具備しなくとも、短時間に排気することができる。もちろん、排気システムを具備することにより、より効率よく排気することができる。
【００２３】
実施例において、第２セクションとヘッド表面とを連通させるボアはヘッド表面の主に中心領域に位置し、一方第１セクションとヘッド表面とを連通させるボアはヘッド表面に均一に分布する。この実施例は拡散及びパージが容易なガスに適している。好適には、第２セクションは、ガス分散ヘッド内に形成された所望の内部空間を有し、基板に反応ガスを供給するサイクルでは、該内部空間へ一方から導入されたガスがヘッド表面の中心領域に配置されたボアを通過して基板に供給され、パージサイクルではさらに内部空間のもう一方から排気システムにより反応ガス及びパージガスが排気される。その結果、反応ガス流は非常に敏感に第２セクションに導入され、かつ容易に排出されるように制御される。この場合、第２セクションは中心領域を有し、両端にパイプ状のセクションが連通している。
【００２４】
実施例において、第１セクションとヘッド表面とを連通させるボアは、第２セクションとヘッド表面とを連通させるボアの総開口面積より大きな総開口面積をヘッド表面上に有する。この構成において、拡散及びパージがより困難なガス（例えば、より大きい分子量を有するガス）が第１セクション及びそのボアを通じて流れ、拡散及びパージがより容易なガス（例えば、より小さい分子量を有するガス）が第２セクションを通じて流れる。同様に、第１セクションとヘッド表面とを連通させるボアは平均ボアサイズ（例えば、０.５mm、１.０mm、１.５mm、２.０mm、３.０mm、及びこれらの任意の間の範囲、好適には０.５〜２.０mmを含む０.２〜５mm）を有し、それは第２セクションとヘッド表面とを連通させるボアの平均サイズより（例えば、５０％〜２００％だけ）大きい（例えば、０.２mm、０.５mm、１.０mm、２.０mm、及びそれらの任意の間の範囲、好適には０.２mm〜１.０mmを含む０.１〜３.０mm）。ボアのサイズは中心から外周へ向かって変化するか、ヘッド表面全体を通じて均一である。例えば、外周付近にスリットを有する底板を有する円錐形分散板が使用される際、第１セクションは中心領域でよりサイズの大きいボア及び外周に向かってよりサイズが小さいボアを有する。また、第２セクションとヘッド表面とを連通させるボアが中心領域にもっぱら配置されれば、ボアのサイズは第１セクションとヘッド表面とを連通させるボアのサイズと同じかまたはそれより大きい。
【００２５】
上記のヘッド表面のボア（吐出口）の排気コンダクタンスに比較して、第１セクションまたは第２セクションに具備された排気システムの排気コンダクタンスはそれぞれ大きいことが必要である。つまり、排気システムが作動することにより、第１セクションまたは第２セクションに残留するガスは、ヘッド表面のガス吐出口を経由して排出されるよりは、この排気システムより排出される速度が著しく速くなるように考慮されている。ヘッド表面のボアの排気コンダクタンスに対する排気システムの排気コンダクタンスの大きさは、２倍から１００倍、好適には３倍から５０倍、さらに好適には３倍から１０倍、最も好適には４倍から５倍である。これにより、パージ時間は著しく短縮される。
【００２６】
また、この排気システムを起動する場合には、それぞれのセクションのガス導入部より不活性ガスであるパージガスを導入し、このパージガスの排出により、原料ガスがスムースに排出されるような乱流が生じることのないガス流路となるように設計されていることが有効である。
【００２７】
ガス分散装置はさらにもっぱら第２セクションの内部にRF電力を印加するためのRF電源から成り、その結果RF電力は第２ガスへ印加されてプラズマを生成する。励起された第２ガスはヘッド表面から吐出され、ヘッド表面から吐出された第１ガスと反応し、それにより基板上に薄膜が形成される。実施例において、RF電源は、第２セクションから第１セクションを物理的に分離しかつ絶縁する第１セクションの底板に接続され、ヘッド表面は電気的ポテンシャルがゼロの状態に設定される。他の実施例において、RF電源は、反応チャンバの内部へRF電力を与えるようガス分散ヘッドへ接続されてもよい。RF電力の印加は敏感に制御され、たとえ第２ガスのパージが瞬時に達成されなくても、RF電力を停止させることにより第１ガスと第２ガスとの間の反応は打ち切られる。第２ガスのパージは反応チャンバの内部に存在するガスを排気するメイン排気システムにより達成される。好適には、メイン排気システムは、基板またはサセプタを包囲する環状スリットと、真空ポンプに結合されたダクトから成る。第２セクション内に存在するガスはボア及び環状スリットを通じてパージされる。
【００２８】
実施例において、パージガス及びプラズマ生成ガスは異なっても良く、特に、第２セクションがガス分散ヘッドへ直接結合された排気システムへ結合される場合、両者はリアクタチャンバの内部を通過せずに第２セクションから吐出される。
【００２９】
ある実施例において、第１セクションはソースガスライン及びパージガスラインへ接続され、第２セクションは添加ガスライン及びパージガスラインへ接続される。他の実施例において、各排気システムは別個のシステムであってもよい。ここで、ソースガスはTa[NC(CH3)2C2H5][N(CH3)2]3、Ta(OC2H5)5、Ru(EtCp)2、Ru(Cp)2、Ti[N(CH3)2]4、Ti[N(C2H5)2]4、TiCl4、HfCl4、TaF5、WF6、Hf(NMe2)4、またはHf(OtBu)4のいずれかであり、添加ガスは、H2、NH3、O2、Ar、N2、またはHeのいずれかである。
【００３０】
本発明の他の態様において、薄膜形成装置は、(i)基板を載置するための支持体を具備する排気可能な反応チャンバと、(ii)上記いずれかのエレメントから成るガス供給装置と、から成る。
【００３１】
好適実施例において、ガス分散ヘッドを排気するための排気システム及びヘッド表面と支持体との間の空間を排気するための排気システムは単一の排気ラインへ接続されかつ統合され、その結果バルブ操作によって、単一の排気ポンプを使って各セクションのパージを制御することが可能である。ある実施例において、第１セクションに結合された排気システムは、第１セクションの内部が瞬時に排気されるように、例えば直径約４０mmのバルブを使用する。第２セクションの容積が第１セクションの容積より小さければ、第２セクションへ結合される排気システムは第１セクションに使用されるバルブより直径の小さいバルブを使用する。実施例において、第２セクションは縦長形状（例えば、中心領域を有するパイプ形状）を有し、その場合、第２セクションは約１／４インチだけ直径が小さい。
【００３２】
本発明は、基板上へ薄膜を形成するための方法へ同様に応用できる。当該方法は、(i)反応チャンバの内部に基板を配置する工程と、(ii)シャワーヘッド表面を通じてシャワーヘッドの第１経路を介して反応チャンバの内部へ第１ガスを導入する工程であって、第１ガスはシャワーヘッド表面の上流側から導入され、反応チャンバの内部はシャワーヘッド表面の下流側にある、ところの工程と、(iii)シャワーヘッド表面の上流側から第１経路を排気しながらパージガスによってシャワーヘッドの第１経路をパージする工程と、(iv)シャワーヘッド表面を通じてシャワーヘッドの第２経路を介して反応チャンバの内部へ第２ガスを導入する工程であって、第１経路及び第２経路はシャワーヘッド内部で互いに分離され、それによって第１ガス及び第２ガスが反応し、基板上に薄膜が形成される、ところの工程と、から成る。この方法は以下の実施例を含むがこれに限定されるものではない。
【００３３】
該方法はさらに、(v)シャワーヘッド表面の上流側から第２経路を排気しながらパージガスによりシャワーヘッドの第２経路をパージする工程を含む。工程(ii)から(v)は１サイクルを構成し、繰り返される。第１ガスの代わりに第３ガスが第１ガスと交互に使用されてもよい。工程(iv)において、第２ガスはシャワーヘッドの中心領域から導入される。反応チャンバの内部はシャワーヘッド表面の下流から絶えず排気される。方法はさらに、(vi)シャワーヘッド表面の下流から反応チャンバの内部を排気しながらパージガスにより反応チャンバの内部をパージする工程を含む。方法はさらに、シャワーヘッド内の第２経路へ流入した際に第２ガスへRF電力を印加する工程を含む。方法はさらに、反応チャンバの内部へRF電力を印加する工程を含む。上記において、実施例中の任意の工程は入れ替えて他の実施例に適用することができる。
【００３４】
好適には、当該方法は原子層成長処理（例えば、一つの層の厚さは１原子である）に使用されるが、概して層毎の薄膜処理に応用可能である。原子層成長処理において、１サイクルは原子の形成速度、例えば分子サイズにもよるが充満速度及びパージ速度により制御される。前のガスが十分にパージされなければ、現在のガスは基板の上流側の反応チャンバの内部で前のガスと反応し、所望のものより不必要に厚くかつ非原子層成長により形成された層を含む原子層が生成される。本発明の実施例において、ガスのパージは瞬時に達成されるため、１サイクルは大幅に短縮される。ガスの種類及びその分子サイズによるが、ある実施例において、パージは約０.１秒で完了し、それに対してガス導入は約０.１〜約１.０秒で完了する。また、ある実施例において、RF電力をプラズマ生成ガスへ印加する際、プラズマ生成ガスの導入後RF電力が約０.１秒から約０.３秒生起され（真空圧力を安定化させるため）、RF電力が約０.１秒から０.３秒の間印加される。
【００３５】
本発明の他の態様において、ガス供給装置は原子層成長処理用の排気可能反応チャンバへ結合されるよう適応され、当該装置は、(a)分散板、(b)第１ガスが通過する第１ボアを有する第１プレートであって、第１セクションが該分散板と第１プレートとの間に形成され、第１ガスが第１セクション内に導入されかつ第１ボアを通過するところの第１プレートと、(c)第２ガスが通過する第２ボアを有する第２プレートであって、第２セクションが第１プレートと第２プレートとの間に形成され、第２ガスが第２セクション内に導入されかつ第２ボアを通過し、第２プレートは第１ガスが通過する第３ボアを有し、第２セクションは第２ボアと連通せずに各第１ボアと各第３ボアを結合するコネクタを具備し、第１セクションまたは第２セクションの少なくともひとつは対応するボアを通過することなく対応するセクション内にガスを吐出する排気システムへ接続されている、ところの第２プレートと、から成る。ガス供給装置は以下の実施例を含むがこれに限定されるものではない。
【００３６】
第１プレート及び第２プレートは互いに平行に配置されてもよく、分散板は円錐形でもよい。分散板は第１ガスを第１セクション内へ導入するための、分散板の中心領域に配置された第１ガス導入口を具備する。第２ガスセクションは第２セクションの外周付近に配置された第２ガス導入口を具備してもよい。第１セクションは排気システムへ結合され、第１セクション内に存在する第１ガスは分散板の外周付近から排気される。第２セクションは排気システムに結合され、第２セクション内に存在する第２ガスが第２セクションの外周付近に配置された第２ガス排気口を通じて排気される。第２ボアは第２プレートの主に中心領域内に配置される。第１ボアは第１プレート上に均一に分布し、第３ボアは各第１ボアのすぐ下に配置される。第３ボアは第２ボアより大きい総開口面積を有する。第３ボアは第２ボアより大きい平均ボアサイズを有する。第２セクションは排気システムへ結合され、第２セクションの外周付近に第２ガス導入口及び第２ガス排気口を具備し、第２セクションは第２ボアを有する中心領域を介して導入口から排気口へ縦長形状を有する。
【００３７】
上記において、実施例の任意のエレメントは他の実施例のエレメントと交換可能である。
【００３８】
本発明は図面を参照してさらに詳細に説明されるが、これに限定されるものではない。
【００３９】
図１は本発明の実施例に従う薄膜形成装置の構造を示す。薄膜形成装置は被処理体である半導体基板をゲートバルブ200を通じて真空搬送チャンバ（図示せず）から反応チャンバ1へ搬入し、反応チャンバ1内部で薄膜形成処理を実行する。搬入された基板14はサセプタ2上に載置され、反応チャンバの内側はバルブ27またはゲートバルブ28を通じてターボ分子ポンプ(TMP)29により排気される。この後、基板サセプタ2はベローズ140を使って上昇し、シャワープレート4から最適な距離に配置される。反応ガスがシャワープレートから供給された後、基板14の表面に供給され、排気ダクト13を介して吐出されるように、設計されている。このとき、バルブ31を開いて不活性ガスを供給することにより、シャワープレート4からベローズのある搬送チャンバ側へ供給される反応ガスの拡散は防止される。
【００４０】
反応チャンバは、排気ダクト3、シャワープレート4及び上蓋13（シャワープレート4と上蓋13との間にはガス分配ノズル11が存在する）並びに、ガス導管10と連通するガス分散ガイド8の多層構造から成る。
【００４１】
ガス分散ノズル11は図２に示す構造を有する（実際の比率及びサイズと符合していない）。すなわち、ノズル11は側面及び底面にガスが通過する複数の開口を有する。ガスガイド8が底板の外周に向かって開口またはスリットを有する底板を有するとき、ガスはノズルからスリットの方へ横に流れ、その後複数の穴またはボアを有するシャワープレート表面上へ流れる。
【００４２】
また、ガス分散ガイド8に沿って、分散部を排気するために使用される排気バルブ9が結合される。付加的に、ガス導入部5、ガス導入バルブ24、及びガス排気用に使用されるバルブ32がシャワープレート4へ結合されている。パージに使用するための不活性ガスを導入するのに使用されるバルブ23もまたシャワープレート4へ結合されている。不活性ガスを導入するのに使用されるガス導入バルブ21及びバルブ20がガス導管10へ結合されている。材料ガスはバルブ21から導入される。付加的に、大量の不活性ガスを導入するために使用されるバルブ22が形成される。
【００４３】
バルブ21からガス導管10へ導入され、ガス分散ノズル11により分散され、ガス分散ガイドに沿って通過した後、ガスAはシャワープレート4を貫通するガス吐出口12を通過し、基板14上へ供給される。ガスバルブ24から供給されたガスBはシャワープレート4内部に設置されたガス導入部5を介してガス分散チャンバ7内部に拡散され、ガス吐出口6から基板14上へ供給される。付加的に、基板14上に供給されたガスは排気ダクト3、排気バルブ25及び圧力制御器(APC)26を介して真空ポンプ30により排気される。
【００４４】
反応ガスパージにおいて、不活性ガスがガスバルブ20及び22から導入され、その後バルブ9が開放され、残留ガスAは排気バルブ9から排気される。このとき、ガスは排気バルブ9とともに排気ダクト3からも排気されるが、バルブ9からの排気コンダクタンスレベルがそれ以外（例えば、シャワープレート内部）より一桁高いように設計されているので、ほとんどの残留ガスは排気バルブ9を介して吐出される。実施例において、バルブ9のコンダクタンスはシャワープレートの内部よりも３〜１００倍、好適には１０〜５０倍である。ガスバルブ24から供給されるガスBがパージされるとき、不活性ガスが同様にバルブ23から導入され、排気バルブ32が残留ガスを吐出すよう開放される。このとき、排気ダクト3を介してガス吐出口6から排気されるガスが存在し得るが、排気バルブ32のガス吐出コンダクタンスがより大きいためほとんどのガスは排気バルブ32を通じて吐出される。実施例において、排気バルブ32のコンダクタンスはシャワープレート内部の３〜５０倍、好適には５〜３０倍である。
【００４５】
上記機能を使って、反応ガスA及びBが交互に供給されるところの原子層成長処理、または層毎の薄膜形成処理に最適な処理装置が与えられる。
【００４６】
図４はガス供給装置の実施例を詳細に示す略示断面図である。ここには、基板加熱支持体またはサセプタ及びすべてのガスバルブが示されていない。低蒸気圧材料ガスのような第１ガスがガスライン121を通じて中央ガス管110へ導入される。その後第１ガスはガス分散板111を通じてガスガイド108の第１室82内へ導入される。第１室82はスリットを有する底板を有し、第１ガスはそのスリットを通過し、複数のボア112を有する上部シャワープレート141の上面の上にある第２室81へ流れ込む。第１室82及び第２室81は第１セクションを構成する。第１室82が底板を有しないとき、第１室82と第２室81との間にはっきりとした境界は存在しない。その後、第１ガスは下部シャワープレート140内に形成されたボア112及び114を通じて反応チャンバ1の内部41へ吐出される。ボア112及び114は位置合わせされて結合される。上記処理中、内部41は環状スリット40を通じて排気ダクト103を使って絶えず排気され、ガスは内部41の外周方向へ半径方向に引かれる。
【００４７】
ガスガイド108は、その上に絶縁板150が配置される上蓋プレート113を介して上部シャワープレート141へ固定される。蓋プレート113及びガスガイド108は別々の部材である必要はないが、可能なら単一部材で作られる。ガスガイド108及び上部シャワープレート141は互いに直接接触せず、環状ギャップ83がガスガイド108の外周に沿って形成されている。この環状ギャップ83は上蓋プレート113を通じて排気バルブ109（図示せず）へ結合される。
【００４８】
第１セクション81、82をパージする際、パージガスがガスライン120、中央ガス管110、及びガス分散板111を通じて導入される。同時に、第１セクションは環状ギャップ83を通じて排気バルブ109を使って排気される。内部41はスリット40及び排気ダクト103を通じて絶えず排気されるが、排気バルブ109のコンダクタンスはスリットより非常に大きいため、第１セクション内に存在するガスは主に排気バルブ109の方向へ瞬時に引かれる。したがって、第１セクションのパージは瞬時に完了し、内部41のパージもまた排気バルブ109及びスリット40を使って瞬時に完了する。
【００４９】
第２ガスはガス供給口105から第２セクション107へ導入される。第２セクション107は第１セクション81、82と連通していない。複数のボア112は、第２セクション107と連通していない下部シャワープレート140内に形成されたボア114に結合されている。第２ガスはボア106を通じてチャンバ1の内部41へ吐出される。第２セクション107のパージは、ガス供給口105より大きいガス経路を有し、そのためコンダクタンスがスリット40より大きい排気経路170を使って達成される。第２セクション107のパージは排気経路170を使って瞬時に達成される。
【００５０】
実施例において、上部シャワープレート141のボアの数は制限されないが、５０〜２０００個であり、好適には５００〜１５００個である。下部シャワープレート140のボアの数は制限されないが、５〜２０００個であり、好適には１０〜１０００個、及びセクションが縦長の実施例では好適に１０〜１００個である。概して、ボア112の数はボア106の数より多い。ボア114の数はボア112の数と等しくてもよいが、１個のボア112あたり２個またはそれ以上のボア114を使用することが可能である。
【００５１】
図３は図１（図４）に示される構造を使用するガス導入シーケンスを示すテーブルである。反応ガスA及びBを使用する処理工程が示されている。基本シーケンスとしてガスA及びBが交互に導入される際の典型的なバルブ動作が示されている。
【００５２】
図５は本発明の実施例に従う薄膜形成装置の断面構造を示す。図１との違いは、この装置がさらにRFプラズマ生成用の構造を含む点である。図７には、本発明の他の実施例に従う薄膜形成装置の断面構造が示されている。図５との違いは、この装置はRFプラズマがガス分散チャンバ内部で生成されるという点に特徴を有することである。付加的に、ガス分散チャンバ内部のガスが排気されるところのバルブは金属材料ガスが分散されるチャンバに対してのみ設置され、プラズマが生成されるところの分散チャンバ内には設置されない。
【００５３】
図５に示される装置において、RF導入端子32がシャワープレート4’内に装着され、サセプタ2の電気的ポテンシャルはゼロに設定され、その結果、プラズマはシャワープレートとサセプタ（基板）との間のチャンバの内部に生成される。他の構造は図１に示された装置と同じである。
【００５４】
図７に示される装置において、RF導入端子35は、接地34されかつ絶縁リング33によりシャワープレート4’’の下部から分離されたシャワープレート4’’内に装着され、その結果プラズマはシャワープレート（第２セクション7’）内で生成される。この実施例において、反応（ガスの励起）はRF電力の導入により制御されるため、たとえガスが第２セクション内に残っていても第２セクションのパージは重要ではない（第２ガスがプラズマにより励起されなければ、第１ガスは第２ガスと反応しない）。よって、この実施例において、シャワープレート4’’は第２セクションへ結合された排気経路を有しない。第２ガスはガス供給口5’を通じて第２セクションへ導入され、ボア6を通じて排気ダクト3へ吐出される。また、この実施例において、第１セクションは図１より大きい容積を有し、その結果第１ガスはシャワープレートからより均一に吐出されかつ励起された第２ガスと反応し、それによって基板上に薄膜が形成される。他の構造は図１に示された装置と同じである。
【００５５】
図６は図５に示された構造を使用したガス導入シーケンスを示すテーブルである。反応ガスA及びBを使った処理工程が示されている。ガスA及びBがベースシーケンスとして交互に導入される際の典型的なバルブ動作及びプラズマ発生状態が示されている。
【００５６】
図８〜１０は本発明の他の実施例を示す。図８は上部シャワープレート141’と下部シャワープレート140’とから成るシャワープレートを示し、それらの間にはガス供給口105’及び排気経路170’が形成されている。上部シャワープレート141’の上面は第１セクションを構成し、下部シャワープレート140’の下面は反応チャンバの内部を構成する。第２セクションが上部シャワープレート141’と下部シャワープレート140’との間に形成される。第１セクションとチャンバ内部は互いに、上部シャワープレート内に形成されたボア112’及び下部シャワープレート140’内に形成されたボア114’を通じて連通している。ボア112’及びボア114’は互いに連通し、第１セクションからチャンバの内部へ向かう連続経路を形成する。ボア112’及び114’は、上部シャワープレート141’の上面及び下部シャワープレート140’の下面にそれぞれ均一に分布する。対照的に、第２セクションとチャンバ内部とは互いにボア106’を通じて連通し、それは下部シャワープレート140’のもっぱら中心領域において下部シャワープレート140’内に形成されている。
【００５７】
図１０は、サイズがmmの単位で示されたボア106’の実施例（下部シャワープレートの部分底面図）を示す。この実施例において、１２.９９mmの半径を有する円に沿って一定間隔で１２個のボアが配置されている。ボアの直径は０.５mmである。ボア114’は下部シャワープレートの下面に均一に形成され、第２セクション107’により包囲される中心部を含む。第２セクション107’はボア114’と実質的に干渉することなく配置され、その結果第１ガスは第２セクションと無関係に下部シャワープレートから均一に吐出される。さらに、ガスの流れをスムースにするために、角が丸められても良い（R6、R2、R2）。
【００５８】
図９は、シャワープレートに付加するガス供給構造体の略示図である。この略示図は細部を省略しており、縮尺及びサイズは正確ではない。また、アライメント、ギャップ及びクリアランスは正確ではない。この実施例において、WF6のような第１ガスが、バルブ210を介して、中心ガスパイプ110を通じてガスガイド108’の内側面に沿って第１セクション81’内に導入される。その後WF6はボア112’及び114’を通じて下部シャワープレート140’の下面の下側にあるチャンバの内部へ吐出される。第１セクション81’をパージする際、バルブ20’を介して中心ガスパイプ110を通じて第１セクション内へアルゴン(Ar)が導入される。ガスは環状ギャップ83’及びバルブ109を通じて第１セクションからパージされる。テトラエチルボロン(TEB)がバルブ21を介し、中心ガスパイプ110を通じて、ガスガイド108’の内側面に沿って第１セクション81’内へ導入される。その後TEBはボア112’及び114’を通じて下部シャワープレート140’の下面の下側にあるチャンバ内部へ吐出される。第１セクション81’をパージする際、Arがバルブ20を介して中心ガスパイプ110を通じて第１セクション内へ導入される。ガスは環状ギャップ83’及びバルブ109を通じて第１セクションからパージされる。NH3がバルブ24を介してガス供給口105’を通じて第２セクション107’内へ導入される。その後NH3はボア106’を通じてシャワープレート140’の下面の下側にあるチャンバ内部へ吐出される。第２セクション107’をパージする際、Arがバルブ23を介してガス供給口105’を通じて第２セクション内へ導入される。ガスは排気経路170’及びバルブ132を通じて第２セクションからパージされる。
【００５９】
処理例
特定の実施例が以下に示されるが本発明はこれに限定されるものではない。
【００６０】
実施例１
図１に示される構造を有する処理装置を使って特定の処理を実行する例が示される。材料ガスとして塩化チタン(TiCl4)及びアンモニア(NH3)を使用してTiN膜を形成する処理が示されている。シリコン基板が真空搬送チャンバ（図示せず）から反応チャンバ1へ搬入された後、残留する水分、酸素等はターボポンプ29によって十分に排気される。基板は基板サセプタ2の上下機構により所定の位置まで移動される。このとき、シャワーヘッドプレート4と基板表面との間のギャップは約２mmから約８mmの範囲に設定される。この例では、ギャップが５mmに設定されて処理が実行された。
【００６１】
図３に示されるテーブルは処理シーケンスを示す。反応チャンバは排気ダクト3から排気される。このとき、基板サセプタ2と排気ダクトとの間隔を狭くすることにより、反応ガスはほとんどが排気ダクト3から排気される。基板サセプタ2及び排気ダクト3を接触させると間隔は無くなる。しかし、この例において、基板サセプタと排気ダクト3との間隔を狭めることにより、及び導入すべき窒素の量を制御して搬送空間内の圧力を制御することにより、搬送チャンバ側へ進入する反応ガスの量は制御可能である。基板サセプタの温度は３２０℃（１００℃から７００℃、好適には２５０℃から４５０℃）に維持される。
【００６２】
テーブルに示されるように、工程１で、５００sccmのArガスがバルブ20及びバルブ23から供給される。処理の開始時に、この状態で約３０秒間反応チャンバがバルブ25を通じて排気された後、処理が開始される。バルブ21を開くことにより、TiCl4ガスが所定の時間の間供給される。通常、材料ガスは約０.１秒から約０.２秒間供給される。工程３において、バルブ21を閉じると同時に、ガスはバルブ9を全開することによりシャワーヘッド側から排気される。ほぼ同時にバルブ22を開くことにより、約２０００sccmのパージガスが導入される。パージガスは約０.１秒間供給され、ガス分散ガイド8が設けられたガス分散チャンバ内部に残ったTiCl4ガスがガス分散ノズル11及びガス導管10から排気され、バルブ22が閉じられ、その後バルブ9が閉じられる。
【００６３】
次の工程において、バルブ24が開かれ、１０００sccmのNH3ガスが導入される。通常、約０.１秒から０.３秒間ガスが供給された後、バルブ24が閉じられる。ほぼ同時にバルブ32が開かれ、分散部分7内部のガスが排気される。ほぼ同時にバルブ23からのArガス流量を２０００sccmまで増加させることにより、分散部分7の内部はより速く排気される。
【００６４】
次の工程において、方法は、TiCl4ガスが導入される第１工程に戻り、目標の膜厚に従い所定の回数だけ工程を繰り返すことにより、膜形成が達成される。本発明に従う方法を使用して、TiCl4ガスは均一な表面密度でシャワーヘッド内部から供給され、後混合型のシャワーヘッド内で、それぞれのガス分散部分に排気口及び排気バルブが与えられることで、シャワープレートを介して分散チャンバから材料ガスを排気するためのパージが約１桁速い速度で達成される。その結果、一つのサイクルに必要な時間が短縮され、同時に気相反応が制御される。この場合の効果はシャワーヘッドへ接続された排気部分の排気コンダクタンスに依存する。しかし、シャワーヘッドの各ガス分散部分の排気コンダクタンスをシャワープレートのガス吐出部分の排気コンダクタンスと比べ約１桁またはそれ以上のレベルに設定することにより、残留ガスは非常に効果的に排気された。
【００６５】
この例において、直径１mmの８４７個のガス吐出口12が与えられ、プレートの厚さは３０mmであり、直径０.５mmの８４７個のガス吐出口6が与えられ、プレートの厚さは１０mmである。それに対応して、直径４０mmの排気ダクトが使用されるため、排気バルブのコンダクタンスは大きい。この場合、排気バルブが使用されなければ、材料ガスがシャワーヘッドのプレートからのみパージされるのに約２.５倍のパージ時間を要する。材料ガスが排気バルブから排気されるとき、パージは０.１から０.０５秒で完了する。
【００６６】
本発明の実施例に従う薄膜形成装置を使って、TiCl4及びNH3は後混合構造を具備するシャワーヘッド内に与えられる排気バルブから非常に効率的に吐出され、シャワーヘッド内部の薄膜形成は制御され、TiN膜が非常に高い生産性で形成される。類似の効果は材料ガスとしてWF6及びNH3、WF6及びTEB及びNH3、等を使って達成される。特に、WF6及びTEB及びNH3の場合、シャワーヘッドの一方からTEB及びNH3を導入しながら、WF6とNH3との反応が制御される間に原子層成長が効果的に達成される。
【００６７】
例２
この例において、有機金属材料のTa及び材料ガスとしてのNH3を含む、ターシャリーアミルイミドトリス（ジメチルアミド）タンタル：TaN(C4H9)(NC2H6)3を使った窒化タンタル膜形成処理が示されている。図５に示される装置は端子32を通じてRF電力が図１に示される装置に印加される構造を有し、その結果RF電力はシャワープレート4’へ印加される。この場合、基板サセプタは接地され、RF電力はシャワープレート側へ印加される。シリコン基板が真空搬送チャンバ（図示せず）から反応チャンバ1へ搬入された後、残留する水分、酸素等はターボポンプ29によって完全に排気される。基板は基板サセプタ2の上下機構により所定位置まで移動される。このとき、分散板4と基板面との間のギャップは約２mmから約８mmへ設定される。この例において、ギャップは５mmに設定されて処理が実行された。
【００６８】
処理シーケンスは図６に示されたテーブルに示されている。反応チャンバ内のガス等は排気ダクト3から排気される。このとき、基板サセプタ2と排気ダクト3との間隔を狭くすることにより、反応ガスのほとんどは排気ダクト3から排気される。間隔は基板サセプタ2と排気ダクト3を接触させると無くなる。しかし、この例では、基板サセプタ2と排気ダクト3との間隔を狭くし、窒素ガスの導入量を制御して搬送空間内部の圧力を制御することによって、搬送チャンバ側に流入する反応ガスの量を制御することができる。基板サセプタの温度は３２０℃（１００℃から７００℃、好適には２５０℃から４５０℃）に維持される。
【００６９】
テーブルに示されるように、工程１において、５００sccmのArガスがバルブ20及びバルブ23から供給される。処理の始めに、反応チャンバがこの状態で約３０秒間排気された後、処理が開始される。バルブ21を開くことにより、TaMOガスが所定の時間の間供給される。通常、材料ガスは約０.１秒から約０.２秒間供給される。工程３において、バルブ21を閉じると同時に、ガスはバルブ9を全開することによりシャワーヘッド側から排気される。バルブ22をほぼ同時に開くことにより、約２０００sccmのパージガスが導入される。パージガスは約０.１秒間供給され、ガス分散ガイド8を具備するガス分散チャンバ内に残留するTaMOガスはガス分散ノズル11及びガス導管10から排気され、その後バルブ22が閉じられ、バルブ9が閉じられる。
【００７０】
次の工程において、バルブ24が開かれて、１０００sccmのN2/H2混合ガスが導入される。約０.１秒から０.３秒後、約０.１秒から０.３秒間プラズマが通常に生成され、バルブ24が閉じられる。ほぼ同時に、バルブ32が開かれ、分散部部7内部のガスが排気される。ほぼ同時に、バルブ23からのArガス流量を２０００sccmまで増加させることにより、分散部分7の内部がより速く排気される。
【００７１】
次の工程において、方法はTaMOガス導入工程である第１工程に戻り、目標の膜厚にしたがって所定回数だけ工程を繰り返すことにより、膜形成が達成される。
【００７２】
本発明のこの実施例に従う方法を使って、TaMOガスは均一な表面密度でシャワーヘッドから供給され、後混合型のシャワーヘッド内に、それぞれのガス分散部分に排気口及び排気バルブを与えることで、シャワープレートを介して分散チャンバから材料ガスを排気するためのパージが約１桁速く達成される。その結果、気相反応が制御されながら、１サイクルに必要な時間が短縮される。この場合の効果は、シャワーヘッドへ結合された排気部分の排気コンダクタンスに依存する。しかし、シャワーヘッドの各分散部分の排気コンダクタンスレベルをシャワープレートのガス吐出口の排気コンダクタンスに比べ約１桁またはそれ以上の大きさ設定することにより、残留ガスを非常に効率的に排気することが可能である。
【００７３】
この例において、直径１mmの８４７個のガス吐出口12が設けられ、プレートの厚さは３０mmであり、直径０.５mmの８４７個のガス吐出口6が設けられ、プレートの厚さは１０mmである。対応して、直径４０mmの排気ダクトが使用されるため、排気バルブのコンダクタンスは大きい。この場合、排気バルブが使用されなければ、材料ガスはシャワーヘッドのプレートからのみパージされ約２.５倍以上のパージ時間が必要になる。材料ガスが排気バルブから排気されるとき、パージは０.１から０.０５秒で完了する。
【００７４】
本発明のこの実施例に従う薄膜形成装置を使って、TaMOガス及びN2/H2混合ガスは後混合構造を具備するシャワーヘッド内に設置された排気バルブから非常に効率的に吐出され、シャワーヘッド内の薄膜形成は制御可能であり、TaN膜は非常に高い生産性で形成可能となった。材料ガスとしてWF6及びN2/H2、WF6及びTEB及びN2/Ar、等を使用しても同様な効果が達成できる。特に、WF6及びTEB及びN2/Arの場合には、シャワーヘッドの一方側からTEB及びN2/Arを導入しかつN2/Arが供給されたときのみプラズマを印加することにより、薄膜が効率的に形成される。特に、N2/H2またはN2/Arの場合には、プラズマの印加が停止されていればそれらは反応しないためこれらのガスのパージは必要ではなく、よってパージ時間は短縮される。結果として、この場合、シャワーヘッドの排気口をTaMOガス側にのみ設けることも可能である。しかし、TEB及びN2/Arガスが同じシャワーヘッド側から供給されるなら、スループットを改善するために両方の分散部分にシャワーヘッドの排気部分を設けることは有効である。この例において、シャワープレートとサセプタ上に載置された基板との間にRFプラズマが生成されるように設計されている。図７に示されるように、言うまでもなく、絶縁リング33を挿入しかつシャワープレートを接地34することにより、ひとつの分散チャンバ内にプラズマが生成されるように構成することが可能である。この場合、N2/H2またはN2/Arプラズマはシャワーヘッド分散チャンバ内部に生成されかつシャワーヘッドから基板へ供給され、薄膜が形成される。
【００７５】
本発明の思想から離れることなくさまざまな変更及び修正が可能であることは当業者の知るところである。したがって、本発明の形式は例示に過ぎず、本発明の態様を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】図１は、本発明の実施例に従う薄膜形成装置の略示図である。
【図２】図２は、本発明の実施例で使用可能なガス分散板の略示図である。
【図３】図３は、本発明の実施例で原子層成長のためのバルブ動作を示すチャート図である。
【図４】図４は、本発明の実施例に従うガス供給装置を示す断面略示図である。
【図５】図５は、RF電力がシャワーヘッドとサセプタとの間に印加されるところの、本発明に従う薄膜形成装置を示す略示図である。
【図６】図６は、本発明の実施例で原子層成長のためのバルブ動作を示すチャート図である。
【図７】図７は、RF電力がシャワーヘッドに印加されるところの、本発明の実施例に従う薄膜形成装置の略示図である。
【図８】図８は、本発明の実施例に従う、楕円で囲まれた中心領域内により少ないボアを有するシャワーヘッド板を示す断面略示図である。
【図９】図９は、本発明の実施例に従うシャワーヘッドを示す断面略示図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施例に従うシャワーヘッドプレートの部分底面図である。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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