(57)【要約】  低コストで、ラジカルガスの失活を抑制でき、基板上に原料ガスを均一に導入することができるガスヘッド及び薄膜製造装置を提供する。  本発明に係るガスヘッド(１３)は、反応ガスが導入される反応ガス導入口(３０Ａ)と、原料ガスが導入される原料ガス導入口(３０Ｂ)と、原料ガス導入口(３０Ｂ)に対向配置され原料ガスを分散させる分散板(３２)とを備え、原料ガス導入口(３０Ｂ)は、反応ガス導入口(３０Ａ)の周囲を囲むように複数設けられている。反応ガス導入口(３０Ａ)に導入された反応ガスは、原料ガス導入口(３０Ｂ)に導入され分散板(３２)で分散された原料ガスと混合される。原料ガス導入口(３０Ｂ)は反応ガス導入口(３０Ａ)の周囲に複数設けられているが、シャワーホール等のような微細な孔にする必要はない。
2007066472.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のガスが導入される第１のガス導入口と、
第２のガスが導入される第２のガス導入口と、
前記第２のガス導入口に対向配置され前記第２のガスを分散させる分散板とを備え、
前記第２のガス導入口は、前記第１のガス導入口の周囲を囲むように複数設けられていることを特徴とするガスヘッド。
【請求項２】
前記複数の第２のガス導入口は、前記第１のガス導入口に対してそれぞれ等距離上に配置されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のガスヘッド。
【請求項３】
前記複数の第２のガス導入口は、前記第１のガス導入口の周囲に等角度間隔で配置されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のガスヘッド。
【請求項４】
前記第１，第２のガス導入口は、前記分散板に間隙をあけて対向配置されたベース部材にそれぞれ形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のガスヘッド。
【請求項５】
前記分散板には、前記第１のガス導入口と対向する領域に、当該第１のガス導入口よりも大きい開口が形成されていることを特徴とする請求の範囲第４項に記載のガスヘッド。
【請求項６】
前記第１のガス導入口は、前記分散板側に向かうにつれて開口径が大きくなるように形成されている
ことを特徴とする請求の範囲第４項に記載のガスヘッド。
【請求項７】
成膜室と、この成膜室を真空排気する排気手段と、前記成膜室内に設置され被処理基板を支持するステージと、前記ステージに対向配置され前記成膜室内へ成膜ガスを導入するガスヘッドとを備えた薄膜製造装置において、
前記ガスヘッドは、
中央部に第１の成膜ガス導入用の第１のガス導入口が形成され、この第１のガス導入口の周囲に第２の成膜ガス導入用の複数の第２のガス導入口が形成されたベース部材と、
前記ベース部材に間隔をあけて対向配置され、前記複数の第２のガス導入口を遮蔽するとともに前記第１のガス導入口と対向する領域には開口を有する分散板とを備えている
ことを特徴とする薄膜製造装置。
【請求項８】
前記第２のガス導入口は、前記第１のガス導入口に対してそれぞれ等距離上に等角度間隔で配置されていることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の薄膜製造装置。
【請求項９】
前記分散板の開口の面積は、前記第１ガス導入口の面積よりも大きいことを特徴とする請求の範囲第７項に記載の薄膜製造装置。
【請求項１０】
前記ガスヘッドには、前記第１の成膜ガスを励起するラジカル源が設置されていることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の薄膜製造装置。
【請求項１１】
前記第１の成膜ガスは反応ガス又は不活性ガスであり、前記第２の成膜ガスは原料ガスであることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の薄膜製造装置。
【請求項１２】
前記分散板の前記第２のガス導入口と対向する領域と、当該分散板の開口の周縁との間の距離が、少なくとも５０ｍｍ以上あることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の薄膜製造装置。
【請求項１３】
前記分散板の前記第２のガス導入口と対向する領域と当該分散板の開口の周縁との間の距離（Ｌ）に対する、前記ベース部材と前記分散板との間の間隔（Ｇ）の比（Ｇ／Ｌ）は０．０４以下であることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の薄膜製造装置。
【請求項１４】
前記分散板の開口の面積は、前記ステージ上に載置される被処理基板の面積の０．２５倍以上であることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の薄膜製造装置。
【請求項１５】
前記ステージと前記分散板との間の距離が４０ｍｍ以下であることを特徴とする請求の範囲第１４項に記載の薄膜製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばＭＯＣＶＤ装置等に用いられ、原料ガス及び反応ガス、不活性ガス等の成膜ガスを反応室へ導入するガスヘッド及びこれを備えた薄膜製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法のようなＣＶＤ法により薄膜を製造する際に、膜厚、膜質、膜組成等のウェーハ面内の分布均一性を高める手段として、原料ガスと反応ガスとの均一な混合、ウェーハに対する均一なガス噴出等について種々の技術が提案されている。【０００３】
例えば下記特許文献１には、ＭＯＣＶＤ法によって薄膜を製造する薄膜製造装置であって、気化した原料ガスと反応ガスとからなる混合ガスを真空雰囲気の成膜室内に導入し、成膜室内に配設されたステージ上に載置したウェーハ等の被処理基板上で気相化学反応により成膜する技術が開示されている。成膜室の上部にはステージに対向してシャワーヘッドが配設され、このシャワーヘッドを介して基板上に混合ガスを均一に吹き出すように構成されている。【０００４】
図１０は、シャワーヘッド１の一構成例を示している。シャワーヘッド１は、原料ガスと反応ガスとからなる混合ガスの導入管２ａが設けられた金属製のヘッド本体２と、このヘッド本体２の開口部を覆う金属製のシャワープレート３とで構成されている。シャワープレート３には混合ガスが通過する複数の微細なシャワーホール３ａが穿設されている。ヘッド本体２とシャワープレート３との間には、導入された混合ガスをシャワーホール３ａの形成領域全域に行き渡らせるための空間部４が設けられている。【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３５９７１号公報
【特許文献２】特開平１１−５４４５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
シャワーヘッド１は、基板表面に対するガスの均一供給性に優れており、ＣＶＤプロセスにおいて幅広く使用されている。シャワーホール３ａは用途により様々なものがあるが、開口径は１ｍｍ前後のものが多く、その数は数百〜数千にも及ぶ。従って、シャワーヘッドの製作コストは非常に高い。【０００７】
また、シャワーホール３ａは原料ガスや反応ガスが流れる経路であるため膜付着が起こり易く、定期的なメンテナンスが必要である。しかし、微細なシャワーホール３ａ内に付着した膜は除去しにくく、除去しきれなかった膜はパーティクルの発生源となってしまう。従って、シャワープレートの再利用はほとんど不可能であるため定期的に交換する必要が生じ、これが原因で半導体製造コストが上昇しているという問題がある。【０００８】
更に、シャワーヘッド１を用いた薄膜製造装置においては、シャワーホール３ａ等のコンダクタンスが小さい箇所が存在すると、シャワーホール３ａの１次側（空間部４や導入管２ａの内部）のガスが２次側（成膜室側）へ排気されにくくなり、結果的に基板１枚の処理に要する排気時間（＝処理時間）が長くなって生産性が低下するという問題がある。【０００９】
特に近年、上記特許文献２に開示されているようなＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）成膜の研究が盛んに行われているが、ＡＬＤはガスの導入／排気を数十サイクル繰り返す手法であるため、１サイクル当たりのガス排気時間の短縮効果はサイクル数に比例して大きくなる。従って、ガスの迅速な排気が生産性の向上に大きく貢献することになる。【００１０】
一方、シャワーヘッド以外に成膜室内にガスを導入する方法はいくつか有る。例えば、ガスリングノズルがある。しかし、ガスリングノズルは、リングへのガス導入口（リングに繋がる直線状のガス配管）に近い孔の方がガスの噴出速度が速く、その結果、ガス導入口に近い側の孔からのガス供給量が多くなってしまう。これにより、膜厚分布、組成分布等の膜性能に悪影響を与えてしまう。特に、ＣＶＤプロセスはガス流れの影響が非常に強く膜に現れてしまうため、大量生産装置では上述したシャワーヘッドが採用されている。【００１１】
また、デバイスの信頼性の確保および工程劣化の低減を目的として成膜温度の低温化の要望が強い。成膜温度を低温化するには、低温でも反応が開始するように（或いは促進するように）反応ガスを活性化するのが有効とされる。活性化した反応ガス、即ちラジカルガスを導入して成膜する方法は、基板上での反応温度を低く抑えることができるからである。【００１２】
その一方で、ラジカルガスは、金属に接すると失活する性質があるため、石英管や高純度セラミックス管で成膜室に導入する必要がある。また、ラジカルガスは反応性が高く、原料ガスに接触すると気相反応するため、ラジカルガスと原料ガスを成膜室内に別々に導入しなければならない。更に、膜厚や膜質、膜組成の分布均一性を確保するために、原料ガス又は原料ガスと反応ガスの混合ガスをシャワーヘッドなどのガスヘッドを介して成膜室へ導入することが必要とされる。【００１３】
しかしながら、シャワーヘッドは主に金属製であるため、シャワーホールを通過する際にラジカルガスの多くは金属面に接触して失活してしまう。一方、シャワーヘッドを石英や高純度セラミックスで製作すればラジカルガスの失活は低減できるものの、シャワーヘッドの製作コストは更に嵩み、非常に高価な部品となってしまう。また、上述したように膜除去可能性あるいは再利用性、コンダクタンスに関する問題も依然として残るので、半導体製造コストの低下及び生産性の向上は望めない。【００１４】
このように、従来の薄膜製造装置においては、失活を防ぐためのラジカル導入構造を優先すると原料ガスの濃度分布が悪化して面内均一性が得られず、また、原料ガスの濃度分布を優先するとラジカルが失活するという問題があった。【００１５】
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、低コストで、ラジカルガスの失活を抑制でき、基板上に原料ガスを均一に導入することができるガスヘッド及び薄膜製造装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
以上の課題を解決するに当たり、本発明のガスヘッドは、第１のガスが導入される第１のガス導入口と、第２のガスが導入される第２のガス導入口と、この第２のガス導入口に対向配置され第２のガスを分散させる分散板とを備え、第２のガス導入口は、第１のガス導入口の周囲を囲むように複数設けられている。【００１７】
本発明のガスヘッドにおいて、第２のガス導入口は、第１のガス導入口の周囲に複数設けられているが、シャワーホール等のような微細な孔にする必要はない。すなわち本発明では、分散板による分散作用で第２のガス濃度の均一化を図るようにしており、構成の簡素化と洗浄による繰り返し使用を可能としている。【００１８】
本発明のガスヘッドにおいては、シャワーホール等のように微細な孔を必要としないので、ガスヘッドの加工コストを低減し、付着膜の完全除去も可能となる。また、コンダクタンスの低下も影響が少ないので、成膜室の排気時間の短縮に寄与する。更に、反応ガスにラジカルガスが用いられても、ラジカルの失活を抑制することができるので、成膜温度の低温下を実現できる。なお、ガスヘッドの構成材質は金属でもよいし、石英ガラスや高純度セラミックスであってもよい。【００１９】
本発明のガスヘッドの構成としては、中央部に第１のガス導入口が形成されその周囲に複数の第２のガス導入口が形成されたベース部材と、このベース部材に間隔をあけて対向配置され複数の第２ガス導入口を遮蔽するとともに上記開口を有する分散板とを備える。【００２０】
反応ガスにラジカルガスを用いる場合には、成膜室への導入前に反応ガスを励起できるように、ガスヘッドの上流側にラジカル源を配置するのが好適である。ラジカル源としては、高温加熱した触媒線やマイクロ波発生源あるいはプラズマ発生源などが適用される。【００２１】
第２のガスの均一分散を図るためには、第２のガス導入口を第１のガス導入口に対してそれぞれ等距離上に配置したり、第２のガス導入口を第１のガス導入口の周囲に等角度間隔で配置するのが好適である。また、第２のガス導入口に対向配置される分散板は、適度な間隔をおいて配置される必要がある。【００２２】
好適には、分散板の第２のガス導入口と対向する領域と、当該分散板の開口の周縁との間の距離（Ｌ）が、少なくとも５０ｍｍ以上あればよい。また、上記距離Ｌに対するベース部材と分散板との間の間隔（Ｇ）の比（Ｇ／Ｌ）は０．０４以下とする。【００２３】
第２のガス導入口の開口径は特に限定されないが、例えば、第１のガス導入口の開口径よりも小さく形成される。第２のガス導入口の数も特に制限されず、少なくとも２つ以上あればよいが、数が多いほど第２のガス濃度の均一性を高めることができる。【００２４】
また、ステージと分散板との間の距離（Ｓ）は４０ｍｍ以下とする。この場合、分散板の開口の面積は、ステージ上に載置される被処理基板の面積の０．２５倍以上とするのが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
以上述べたように、本発明によれば、シャワーホールのような複数の微細孔を必要とすることなくガス濃度の分散均一化を図ることができる。これにより、ガスヘッドの低コスト化、洗浄による再利用化及び高コンダクタンス化を実現し、半導体デバイスの生産コストの低減と生産性の向上を図ることができる。また、反応ガスにラジカルガスを用いた際にラジカルの失活を抑制できるので、成膜温度の低温化を可能とし、デバイスの信頼性の確保と工程劣化の低減を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態による薄膜製造装置の配管構成図である。
【図２】反応ガス源の構成の一例を示す図である。
【図３】反応ガス源の構成の他の例を示す図である。
【図４】薄膜製造装置の概略断面図である。
【図５】本発明に係るガスヘッドの構成を示す図であり、Ａは平面図、Ｂは側断面図、Ｃは底面図である。
【図６】本発明に係るガスヘッドの他の構成例を示す図であり、Ａは平面図、Ｂは側断面図、Ｃは底面図である。
【図７】成膜ガスの導入形態の一例を示すタイミング図である。
【図８】本発明の実施例において説明するサンプル膜のオージェ電子分光分析図である。
【図９】本発明の実施例において説明するサンプル膜の基板面内分布の一実験結果であり、Ａは比較例、Ｂは実施例を示している。
【図１０】シャワーヘッドの概略構成図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０    薄膜製造装置
１１    成膜室
１２    真空チャンバ
１３    ガスヘッド
１４    ステージ
２１    反応ガス供給ライン
２２    原料ガス供給ライン
２３    ラジカル源
２４    バイパス配管
２５    真空排気ライン
２６    真空排気装置
３０Ａ  反応ガス導入口
３０Ｂ  原料ガス導入口
３１    ベース部材
３２    分散板
３３    スペーサ
３４    開口
Ｄ      開口の径
ｄ      反応ガス導入口の径
Ｇ      ベース部材と分散板との間隔
Ｌ      遮蔽距離
Ｓ      分散板とステージ間の距離
Ｗ      基板  
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。【００２９】
図１は本発明の実施の形態による薄膜製造装置１０の成膜ガス供給ライン及び真空排気ラインの配管構成図である。なお、本明細書において「成膜ガス」とは、化学反応に用いる原料ガス、反応ガス、不活性ガスなどの単ガス又は混合ガスをいう。【００３０】
薄膜製造装置１０は、成膜室（反応室）１１を内部に形成する真空チャンバ１２と、成膜室１１に原料ガス及び反応ガスを導入するガスヘッド１３と、成膜室１１に設置され半導体ウェーハがガラス基板等の被処理基板（以下「基板」という）Ｗを支持するステージ１４とを備えている。【００３１】
成膜室１１は、真空排気ライン２５を介して真空排気装置２６に接続されており、メインバルブＶ０を開弁することで所定の減圧雰囲気に真空排気可能に構成されている。ステージ１４は、ガスヘッド１３に対向して配置されている。このステージ１４は例えばホットプレートからなり、このステージ１４の上に載置される基板Ｗを所定温度に加熱可能とされている。【００３２】
ガスヘッド１３は、詳細を後述するように、反応ガス源に連絡する反応ガス供給ライン２１と、原料ガス源と連絡する原料ガス供給ライン２２とが各々接続されており、成膜室１１内に反応ガス、原料ガス又はこれらの混合ガスを導入する。特にガスヘッド１３は、ステージ１４上の基板Ｗに対して原料ガスを面内均一に導入する機能を有している。【００３３】
ここで、反応ガスは本発明の「第１のガス」に対応し、原料ガスは本発明の「第２のガス」に対応する。なお後述するように、第１のガスとして、反応ガスに代えて又は反応ガスとともに不活性ガスが用いられることもある。反応ガスとしては、ＮＨ３（アンモニアガス）やＨ２（水素ガス）等が用いられる。原料ガスとしては成膜金属（Ｔａ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ）の有機金属材料が用いられ、成膜対象（配線膜、バリア膜等）に合わせて選択される。この場合、反応ガスに活性化されたアンモニアガス等の窒化ガスを用いることでこれらの金属の窒化膜が作製される。不活性ガスとしては、Ｎ２やＡｒが用いられる。【００３４】
ここで、反応ガス源について説明する。反応ガス源は、図２に示すようにマスフローコントローラ（ＭＦＣ）を用いてガス流量を制御できる一般的なガス源（反応ガス源、不活性ガス源等）である。このガス源は集積により１つのガス源から複数のガスを出すことが可能である。図３にガス源の集積例を示す。図示の例において、反応ガス１はＮＨ３、反応ガス２はＨ２、不活性ガスはＮ２である。これらの単ガス又は混合ガスをガス源として用いることができる。【００３５】
原料ガス源は、固体又は液体の有機金属原料をガス化し原料ガスとするシステムが用いられている。液体原料の場合は、液を気化器へ送り気化する気化システム又はバブリングシステムが用いられる。固体原料の場合は、固体を加熱液化した後気化器で気化する原料加熱システムと気化システムの複合システム、又は加熱システムとバブリングシステムの複合システム、或いは固体原料をガス化する昇華システム等が用いられる。なお、原料ガスは有機金属材料に限られず、ＷＦ６等の半導体製造プロセスで一般的に使用されているガスを使用することも可能である。【００３６】
成膜室１１に導入された反応ガス及び原料ガスは、相互に化学反応を起こして基板Ｗ上に金属薄膜を形成する。副生成物や余剰のガスは、真空排気ライン２５を介して排気される。【００３７】
反応ガスと原料ガスは成膜室１１内に同時に導入されてもよいし、別々に導入されてもよい。原料ガス供給ライン２１は第１バルブＶ１を開閉することで原料ガスの導入／非導入の切替が行われる。なお、第１バルブＶ１の閉弁時、第２バルブＶ２を開弁することで原料ガスがバイパス配管２４を介して、成膜室１１を経由せずに排気できるようにも構成されている。この場合、第２バルブＶ２は、成膜時に閉弁し、成膜終了後に開弁する。このような方法で原料ガスを供給することで、成膜室１１に原料ガスを安定して導入することが可能となる。【００３８】
また、反応ガスを活性化させて成膜室１１へ導入することも可能である。本実施の形態では、反応ガス供給ライン２１を介して供給される反応ガスを励起してラジカルを生成するためのラジカル源２３をガスヘッド１３の近傍に設置している。ラジカル源２３としては、例えば、高温加熱された触媒線が用いられる。【００３９】
次に、ガスヘッド１３は、基板Ｗの表面に原料ガスを均一な濃度で供給する機能を有しており、これにより基板Ｗに形成される薄膜の膜厚、膜質、膜組成の面内均一性を確保するようにしている。以下、このガスヘッド１３の詳細について説明する。図４は薄膜製造装置１０の概略構成図であり、図５はガスヘッド１３の（Ａ）平面図、（Ｂ）側断面図及び（Ｃ）底面図である。【００４０】
ガスヘッド１３は、ベース部材３１と分散板３２とスペーサ３３との組合せ体で構成され、真空チャンバ１２の上部に設置されている。ベース部材３１と分散板３２との間は、これらの最外周部においてボルト等の締結手段（図示略）を介して着脱自在に組み立てられている。なお必要に応じて、ベース部材３１と分散板３２との間にシール部材が介装されていてもよい。【００４１】
ガスヘッド１３を構成するベース部材３１、分散板３２、スペーサ３３はそれぞれアルミニウムやステンレス鋼等の金属製とされるが、石英や高純度セラミックス等で構成されてもよく、使用されるガスの種類等に応じて適宜選定することができる。【００４２】
ベース部材３１の中央部には反応ガスが導入される反応ガス導入口（第１のガス導入口）３０Ａが設けられており、この反応ガス導入口３０Ａの周囲には原料ガスが導入される原料ガス導入口３０Ｂが設けられている。反応ガス導入口３０Ａは、ステージ１４上の基板Ｗの中央部に位置している。原料ガス導入口３０Ｂは、図５Ａに示すように、反応ガス導入口３０Ａの周囲を囲むように複数（本例では４個）設けられている。【００４３】
原料ガス導入口３０Ｂの開口径は特に限定されないが、本実施の形態では反応ガス導入口３０Ａよりも小径で、それぞれ同一径（例えば直径１５ｍｍ）の丸孔で形成されている。各々の原料ガス導入口３０Ｂは、反応ガス導入口３０Ａに対してそれぞれ等距離上に配置されている。また、各々の原料ガス導入口３０Ｂは、原料ガス導入口３０Ａの周囲に等角度間隔で配置されている。【００４４】
分散板３２は原料ガス導入口３０Ｂを遮蔽するようにベース部材３１の下面に対向配置されている。分散板３２とベース部材３１（原料ガス導入口３０Ｂ）との間の間隔は、スペーサ３３の厚さで調整される。スペーサ３３は単独の部品で構成されていてもよいし、ベース部材３１の下面周縁あるいは分散板３２の上面周縁に一体形成されていてもよい。【００４５】
分散板３２の中央部には、反応ガス導入口３０Ａと対向する領域に開口３４が設けられている。開口３４の形状は任意であるが、本実施の形態では反応ガス導入口３０Ａの開口径よりも大きな径の丸孔とされている（図５Ｃ）。なお、反応ガス導入口３０Ａは、分散板３２側に向かうにつれて開口径が大きくなる（ｄ１＜ｄ２）円錐台形状とされているが、これに限らず、開口径（ｄ）が不変の直円筒形状でもよい。【００４６】
分散板３２の開口３４の面積（あるいは直径Ｄ）としては、ステージ１４上に載置される基板Ｗの面積に対応して設定することができる。本実施の形態では、開口３４の面積は、基板Ｗの面積の０．２５倍以上に設定されている。この場合、ステージ１４と分散板３２との間の距離Ｓは４０ｍｍ以下とする。【００４７】
図５Ｃに示すように、分散板３２上の原料ガス導入口３０Ｂとの対向領域と、開口３４の周縁との間の距離（以下「遮蔽距離」という）Ｌの大きさは、小さすぎると原料ガスの分散方向が固定化されて分散性が悪化する。このため、本実施の形態では遮蔽距離Ｌの大きさを少なくとも５０ｍｍ以上としている。【００４８】
また、分散板３２とベース部材３１との間隔Ｇ（図５Ｂ）の大きさは、必要以上に小さいと原料ガスの流速が大きくなり過ぎて分散性が悪くなる。そこで本実施の形態では、遮蔽距離Ｌの大きさに合わせてスペーサ３３の形成厚Ｇも調整するようにしており、本実施の形態では、Ｇ／Ｌの大きさが０．０４以上となるようにしている。従って、Ｌ＝５０ｍｍの場合、Ｇの大きさは２ｍｍ以上となる。【００４９】
なお、ガスヘッド１３のベース部材３１及び分散板３２は図５に示したような平面視円形状のものに限らず、図６に示すように平面視正方形状等の矩形状のものでもよい。図６の例では、各々の原料ガス導入口３０Ｂは、ベース部材３１の対角位置にそれぞれ形成されている。なお図６において、図５と対応する部分についてはそれぞれ同一の符号を付している。【００５０】
次に、以上のように構成される本実施の形態の薄膜製造装置１０及びガスヘッド１３の作用について説明する。【００５１】
反応ガス導入口３０Ａに導入された反応ガス（又はラジカルガス、不活性ガス）は、分散板３３の開口３４を通って直下方に配置されたステージ１４上の基板Ｗの表面に供給される。一方、原料ガスは、複数の原料ガス導入口３０Ｂに同時に導入されて分散板３２によって分散される。分散された原料ガスは、分散板３２の開口３４を通り、ステージ１４の周囲に形成される排気流れに沿って基板Ｗの表面に供給される。【００５２】
本実施の形態のガスヘッド１３においては、原料ガスの導入口３０Ｂを複数箇所に設置し、各々のガス導入口から導入された原料ガスを分散させて開口３４の形成位置に集約することで、基板Ｗの表面全域に亘り面内均一なガス量で原料ガスを導入する。これにより基板Ｗに形成される薄膜の膜厚、膜質、膜組成の面内均一性を確保することができる。【００５３】
原料ガスと反応ガスは成膜室１１に同時に導入されてもよいし、別々に導入されてもよい。また、反応ガスをラジカル源２３で励起し活性化されたラジカルガスとして成膜室１１へ導入してもよい。更に、反応ガスに代えて又は反応ガスとともに不活性ガスが導入されてもよい。すなわち、成膜プロセスの種類に応じてこれらの成膜ガスの導入形態を異ならせることができる。【００５４】
例えば、通常のＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）法においては、ガスヘッド１３に対して反応ガスと原料ガスが同時に導入されて基板Ｗの成膜が行われる。このときの成膜ガスの導入例を図７Ａに示す。不活性ガスは反応ガス用のキャリアガスとして用いられる。反応ガスと原料ガスは、ガスヘッド１３の開口３４とステージ１４との間の反応空間で混合される。原料ガスは反応ガスとの接触により化学反応を起こし、その反応生成物が基板Ｗ上に堆積して所定の金属膜を形成する。特に、反応ガスにアンモニアガス等の窒素を含むガスを用いることで、金属窒化膜を形成することができる。反応により生成した副生成物や余剰の成膜ガスはステージ周囲を介して成膜室１１の外部へ排気される。【００５５】
本実施の形態によれば、ガスヘッド１３によって原料ガスを基板表面に均一に導入することができるので、成膜される金属膜の膜厚や膜質、膜組成等の面内均一性を安定して得ることができる。また、ガスヘッド１３自体の構成も簡素であり、シャワーホールのような微細孔は設けられていないので、分解洗浄が容易に行え、繰り返し使用も可能である。これにより、ガスヘッドの使用コストの低減を図ることができる。【００５６】
更に、本実施の形態のガスヘッド１３においては、反応ガスと原料ガスとを成膜室１１へ別々に導入しているので、導入前における反応を防ぐことができる。これにより、ガス供給ラインのクリーン度を高めて安定したガス供給とメンテナンスサイクルの長期化を図ることができる。【００５７】
反応ガスは、ラジカル源２３によって活性化しラジカルガスとして成膜室１１へ導入することができる。これにより、基板Ｗの成膜温度を低温下できデバイスの信頼性確保と基板Ｗの工程劣化を抑えることができる。特に本実施の形態のガスヘッド１３は、ガスの導入経路にシャワーホールのような微細孔が用いられていないので、ラジカルの失活を抑制し、基板の低温成膜を維持することができる。【００５８】
一方、反応ガスと原料ガスとが成膜室１１へ交互に導入される。このような成膜ガスの導入形態は、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）成膜プロセスに好適に用いることができる。ＡＬＤ成膜法は、反応ガス（ラジカルガス）及び原料ガスのうち、一方のガスを成膜室に導入した後排気し、更に他方のガスを成膜室に導入した後排気する工程を複数回行うことで、基板Ｗ上に金属薄膜を数原子層単位で堆積させる成膜プロセスである（上記特許文献２参照）。【００５９】
導入したガスの排気には不活性ガスがアシストガスとして用いられる場合が多い。アシストガスは、反応ガス又は原料ガスを成膜室１１から素早く追い出す機能と、成膜室１１の圧力変化を最小限に抑えて基板温度の変化を低減する機能を有している。【００６０】
このようなＡＬＤプロセスのガス導入タイミング例を図７Ｂ，Ｃに示す。図７Ｂの例は反応ガス及び原料ガスの導入時に不活性ガスが同時に導入される例を示しており、図７Ｃの例は反応ガスの導入時に不活性ガスの導入が停止される例を示している。これらのガス導入タイミングは一例であって、プロセスごとに最適な導入フローが採用される。【００６１】
本実施の形態によれば、ガスヘッド１３のガス導入経路にシャワーホールのような微細孔が用いられていないので、ガスヘッド１３を介してのガスの排気を迅速に行うことができ、上述したようなＡＬＤプロセスにおけるガスの置換時間が短縮されて生産性の向上を図ることができる。
【実施例】
【００６２】
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は以下の実施例に限定されない。【００６３】
図５を参照して説明したガスヘッド１３を作製し真空チャンバに組み込んだ。ここで、反応ガス導入口３０Ａの開口径は１００ｍｍ（ｄ１＝ｄ２）、原料ガス導入口３０Ｂの開口径は１５ｍｍ、原料ガス導入口３０Ｂと分散板３２との間隔Ｇは２ｍｍ、分散板３２の開口３４の直径Ｄは２４０ｍｍ、分散板３２の遮蔽距離Ｌは５０ｍｍ、ステージ１４と分散板３２との間の距離Ｓは３５ｍｍとした。【００６４】
成膜ガスを導入してＴａＮ膜を作製した。成膜ガスの種類、流量等の成膜条件は以下のとおりである。
・原料ガス：ＰＥＭＡＴ：Ｔａ［Ｎ（ＣＨ3）（Ｃ2Ｈ6）］5  ０．７ｍｇ／ｍｉｎ
Ｎ２（キャリアガス）  ５００ｓｃｃｍ
・反応ガス：ＮＨ３                ２００ｓｃｃｍ
・分圧調整／アシストガス：Ａｒ    ４６０ｓｃｃｍ
・成膜圧力：圧力調整バルブにより常に１Ｔｏｒｒ一定に調整。
・基板温度：３１８℃【００６５】
常温で液体のＰＥＭＡＴを用いるに当たり、原料ガス源は気化システムを用いた。気化器では、Ｎ２（ＰＥＭＡＴの霧化を補助しキャリアとしても働く）と気化したＰＥＭＡＴの混合気体（＝原料ガス）が作られる。【００６６】
また、反応ガス源からラジカル源２３にＮＨ３を導入し、ＮＨ３原子が活性化されたラジカルガスとして成膜室１１へ導入した。成膜は、基板Ｗをステージ１４に載置し、成膜室１１に成膜ガスを導入して行った。【００６７】
成膜ガスの導入順序は、原料ガス→アシストガス→ラジカルガス→アシストガスとし、このサイクルを複数回繰り返した。原料ガスにてＴａ膜を生成させ、ラジカルガスはＴａ膜中の不純物を取り去り、Ｔａ膜を窒化させてＴａＮ膜を生成させることで、基板上に膜厚３０ｎｍのＴａＮ膜を成膜した。【００６８】
図８は、作製したＴａＮ膜のＡＥＳ（Auger Electron Spectroscopy：オージェ電子分光分析）による分析結果を示している。膜厚方向に一定の組成の膜が形成されており、成膜過程での原料ガスの供給濃度が安定に維持されていることがわかる。【００６９】
また、ラジカルの失活が抑えられて、基板温度が３１８℃でも良質のＴａＮ膜を作製することができた。つまり、ラジカルガスを用いない通常のＭＯＣＶＤ法では４００℃以上の基板温度が必要であることに比べて、成膜温度の低温下が実現されていることがわかる。【００７０】
次に、図９は、作製したＴａＮ膜の基板面内の比抵抗（膜厚）分布を示しており、Ａはガスヘッド１３の分散板３２の遮蔽距離Ｌの大きさが３０ｍｍのとき、Ｂは遮蔽距離Ｌの大きさが５０ｍｍのときの図である。図中、面内の破線は分布勾配の等高線に相当する。また、図中矢印は原料ガスの導入方向（４方向）を示している。【００７１】
図９Ａに示すように、遮蔽距離Ｌが３０ｍｍの場合は、面内の比抵抗分布が原料ガスの導入方向とそれ以外の方向とで大きく異なっている。これはガス導入口付近での膜厚が大きく比抵抗分布に影響を及ぼしているからである。【００７２】
これに対して、図９Ｂに示すように遮蔽距離Ｌが５０ｍｍの場合は、原料ガスの導入方向に関係なく、基板周縁部から中心部に向かって一様な比抵抗分布で推移しており、面内分布均一性が改善されていることがわかる。面内分布の均一性は分散板３２の遮蔽距離Ｌが大きいほど高いので、本例の場合、遮蔽距離Ｌは少なくとも５０ｍｍ以上あれば良好な面内分布均一性が得られることがわかった。【００７３】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。【００７４】
例えば以上の実施の形態では、原料ガス導入口３０Ｂを反応ガス導入口３０Ａの周囲に計４箇所設けたが、勿論この数に限定されることはなく、更に設置数を増加してもよい。また、各ガス導入口３０Ａ，３０Ｂの開口形状は円形に限らず、楕円状や円弧状、矩形状等としてもよい。【００７５】
また、分散板３２による原料ガスの分散機能を高めるために、原料ガス導入口３０Ｂに対向する分散板３２上の領域を粗面化してもよい。また、原料ガスを分散させた後のガスの導入方向を制御するために、開口３４の周縁を下向きテーパー状に形成する等してもよい。【００７６】
更に、以上の実施の形態では、本発明に係るガスヘッド１３を薄膜製造装置１０に適用した例について説明したが、これに代えて、エッチング装置用のガスヘッドとして適用することも可能である。この場合、上述の実施の形態において反応ガス導入口３０Ａに対応する第１のガス導入口には例えばＨ２ガスやＮ２ガスを導入することができ、原料ガス導入口３０Ｂに対応する第２のガス導入口にはＮＦ３ガスを導入することができる。
【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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【国際調査報告】
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