(57)【要約】【課題】膜厚の面内均一性を高くすることが可能なシャワーヘッド装置を提供する。【解決手段】薄膜が形成される被処理体Ｗを収容する処理容器４内へガスを導入するシャワーヘッド装置４６において、内部にガスを拡散させるガス拡散室４８が形成されたシャワーヘッド本体５０と、シャワーヘッド本体のガス噴射板５２に設けられた複数のガス噴射孔５４とを有し、複数のガス噴射孔は、ガス噴射板の中心部を中心として仮想的に形成される複数の螺旋状の曲線８４に沿うように配置されている。これにより、ガスを平面方向へ均一に分散させて、膜厚の面内均一性を高くする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜が形成される被処理体を収容する処理容器内へガスを導入するシャワーヘッド装置において、
内部に前記ガスを拡散させるガス拡散室が形成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板に設けられた複数のガス噴射孔とを有し、
前記複数のガス噴射孔は、前記ガス噴射板の中心部を中心として仮想的に形成される複数の螺旋状の曲線に沿うように配置されていることを特徴とするシャワーヘッド装置。
【請求項２】
前記ガス噴射孔の開口面積は、周辺部より中心部に行くに従って次第に小さくなされていることを特徴とする請求項１記載のシャワーヘッド装置。
【請求項３】
フィボナッチ数列の中で隣り合う任意の３つの数値の内の最大値が、前記ガス噴射板の周辺部から中心部に時計回りの方向又は反時計回りの方向で向かう前記螺旋状の曲線をカウントした時の数値となるように設定されていることを特徴とする請求項１又は２記載のシャワーヘッド装置。
【請求項４】
前記最大値がカウントされる方向の螺旋状の曲線上には、前記３つの数値の内の最小値の数の前記ガス噴射孔が配置されていることを特徴とする請求項３記載のシャワーヘッド装置。
【請求項５】
前記複数の螺旋状の曲線は、前記複数のガス噴射孔の内の最外周の特定の基準位置に位置するガス噴射孔を起点として、黄金角度又はこれに近似する近似値に対応する回転角度だけ時計回り方向と反時計回り方向の内のいずれか一方の方向へ順次回転させると共に、回転の都度に１の螺旋状の曲線上に隣り合うガス噴射孔の前記ガス噴射板の半径方向におけるピッチの１／［螺旋状の曲線の数］の長さだけ前記半径方向内側へずらした位置に新たなガス噴射孔を順次配置させ、前記ガス噴射孔を半径方向へ連ねることにより仮想的に形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のシャワーヘッド装置。
【請求項６】
前記回転角度は、１３６〜１３８度の範囲内であって、３６０度を割り切れない数値であることを特徴とする請求項５記載のシャワーヘッド装置。
【請求項７】
前記螺旋状の曲線は、アルキメデス螺旋であることを特徴とする請求項１又は２記載のシャワーヘッド装置。
【請求項８】
前記螺旋状の曲線は、対数螺旋であることを特徴とする請求項１又は２記載のシャワーヘッド装置。
【請求項９】
前記複数の螺旋状の曲線は、１の前記螺旋状の曲線を黄金角度又はこれに近似する近似値に対応する回転角度だけ時計回り方向と反時計回り方向の内のいずれか一方の方向へ順次回転させることにより仮想的に形成されていることを特徴とする請求項７又は８記載のシャワーヘッド装置。
【請求項１０】
前記複数の螺旋状の曲線の数は、フィボナッチ数列の中で隣り合う任意の３つの数値の内の最大値の数値であり、１の螺旋状の曲線上には、前記ガス噴射孔は前記３つの数値の内の他の２つの数値の内のいずれか一方の数だけ配置されていることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか一項に記載のシャワーヘッド装置。
【請求項１１】
前記複数の螺旋状の曲線は、前記複数のガス噴射孔の内の最外周の特定の基準位置に位置するガス噴射孔を起点として、黄金角度又はこれに近似する近似値に対応する回転角度だけ時計回り方向と反時計回り方向の内のいずれか一方の方向へ順次回転させると共に、回転の都度に１の螺旋状の曲線上に隣り合うガス噴射孔の前記ガス噴射板の半径方向におけるピッチの１／［螺旋状の曲線の数］の長さだけ前記半径方向内側へずらした位置に新たなガス噴射孔を順次配置させ、前記ガス噴射孔を半径方向へ連ねることにより仮想的に形成されていることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか一項に記載のシャワーヘッド装置。
【請求項１２】
前記回転角度は、１３６〜１３８度の範囲内であって、３６０度を割り切れない数値であることを特徴とする請求項９又は１１記載のシャワーヘッド装置。
【請求項１３】
同一の前記螺旋状の曲線上に隣り合うガス噴射孔の最短周縁間距離は、前記ガス噴射孔の直径以下の大きさに設定されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のシャワーヘッド装置。
【請求項１４】
同一の前記螺旋状の曲線上において隣り合うガス噴射孔の最短周縁間距離は、前記ガス噴射板と、前記処理容器内に前記被処理体を保持させるために設置される保持手段の保持面との間の間隔以下に設定されていることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載のシャワーヘッド装置。
【請求項１５】
前記ガス噴射板の中心には、前記複数の螺旋状の曲線に沿って形成される前記複数のガス噴射孔とは異なる中心ガス噴射孔が形成されていることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載のシャワーヘッド装置。
【請求項１６】
前記ガス噴射板の中心部には、前記中心ガス噴射孔が形成されたネジ部材が取り付けられていることを特徴とする請求項１５記載のシャワーヘッド装置。
【請求項１７】
被処理体に対して薄膜を形成する成膜装置において、
前記被処理体を収容する処理容器と、
前記被処理体を保持する保持手段と、
前記被処理体を加熱する加熱手段と、
請求項１乃至１６のいずれか一項に記載のシャワーヘッド装置と、
前記処理容器内の雰囲気を排気する真空排気系と、
成膜装置全体の動作を制御する装置制御部と、
を備えたことを特徴とする成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハ等の被処理体の表面に薄膜を形成するためのシャワーヘッド装置及び成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体デバイス等を製造するためには、半導体ウエハ等の被処理体に対して、成膜処理、エッチング処理、アニール処理等の各種の処理が繰り返し行われる。例えば半導体ウエハを１枚ずつ処理する枚葉式の成膜装置を例にとれば、真空排気可能になされた処理容器内に半導体ウエハを設置し、このウエハを加熱しながら、処理容器の天井部に設けたシャワーヘッドのガス噴射孔から各種の成膜用のガスを噴射し、これによりウエハの表面に所望の膜種の薄膜を堆積するようになっている。
【０００３】
そして、最近にあっては、半導体デバイスの更なる高集積化、及び微細化等が要請されており、これに伴って薄自体をより薄膜化すること及び膜厚の面内均一性をより向上させることが求められている。
【０００４】
上述のように、膜厚の面内均一性を向上させるためには、従来よりシャワーヘッドのガス噴射孔の配列や形状や大きさ等を最適化することが種々検討されている（例えば特許文献１、２、３）。例えば特許文献１ではガス噴射孔を多重の円周上や螺旋状に配置しており、特許文献２ではガス噴射孔を螺旋状に配置しており、特許文献３ではシャワーヘッドに区画部材により筒状に形成された多数のガス流路を形成し、この出口であるスリット状のガス噴射孔から処理容器内へガスを供給するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０３−２４８４３１号公報
【特許文献２】特開２００９−１５２６０３号公報
【特許文献３】特開２００９−２３９０８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述したような従来のシャワーヘッドにあっては、ガス噴射孔の配列や形状は十分に最適化されているとはいい難く、膜厚の面内均一性が劣ってしまう、といった問題があった。特に最近にあっては、有機金属材料を用いて高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）の薄膜を形成する場合のように、成膜ガスの供給方法として、原料ガスとオゾン等の反応ガス（酸化ガス）とを間欠的に互いに交互に繰り返し供給して原子レベル或いは分子レベルの厚さの薄膜を積層するようにした、いわゆるＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ    Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が採用されている。
【０００７】
このＡＬＤ法では、数秒程度の短時間でシャワーヘッド内や処理容器内におけるガスの切り替えを上述したように行わなければならないが、膜厚の面内均一性を高く維持しつつシャワーヘッドのコンダクタンスを高くしてガスの切り替えを迅速に行うことは困難であった。
【０００８】
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。本発明は、膜厚の面内均一性を高くすることが可能なシャワーヘッド装置及び成膜装置である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るシャワーヘッド装置及び成膜装置によれば、次のような優れた作用効果を発揮することができる。
薄膜が形成される被処理体を収容する処理容器内へガスを導入するシャワーヘッド装置において、ガスを処理空間に均一に分散させて供給することができる。従って、被処理体に形成される膜厚の面内均一性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係るシャワーヘッド装置を用いた成膜装置を示す断面構成図である。
【図２】シャワーヘッド装置のガス噴射板の下面を示す平面図である。
【図３】図１中のＡ部を示す拡大断面図である。
【図４】ガス噴射板のガス噴射孔の配置を説明するための図である。
【図５】各ガスの供給のタイミングの一例を示すタイミングチャートである。
【図６】シャワーヘッド装置の変形実施例に用いる螺旋の態様を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明に係るシャワーヘッド装置及びこれを用いた成膜装置の一例を、添付図面に基づいて詳述する。図１は本発明に係るシャワーヘッド装置を用いた成膜装置を示す断面構成図、図２はシャワーヘッド装置のガス噴射板の下面を示す平面図、図３は図１中のＡ部を示す拡大断面図、図４はガス噴射板のガス噴射孔の配置を説明するための図である。
【００１２】
図１に示すように、本発明の成膜装置２は、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、ステンレススチール等により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６は、その中心部が下方向へ突状に窪ませて成形されており、この底部側壁に排気口８が設けられている。
【００１３】
この排気口８には、処理容器４内の雰囲気を排気する真空排気系１０が設けられる。具体的には、この真空排気系１０は、上記排気口８に接続された排気通路１２を有している。この排気通路１２には、その上流側より下流側に向けて上記処理容器４内の圧力を調整する圧力調整弁１４及び真空ポンプ１６が順次介設されている。
【００１４】
そして、この処理容器４内には、被処理体である例えば半導体ウエハＷを保持する保持手段１８が設けられている。ここでは上記保持手段１８は、処理容器４の底部６の中心に起立された支柱２０を有しており、この支柱２０の上端には円板状になされた載置台２２が設けられ、この載置台２２上に上記半導体ウエハＷが載置されるようになっている。この半導体ウエハＷの直径は、例えば３００ｍｍに設定されている。
【００１５】
上記載置台２２は、例えばＡｌＮ等のセラミック材やアルミニウム合金等により形成されており、この内部には、半導体ウエハＷを加熱するための加熱手段２４が設けられている。この加熱手段２４としては、例えばカーボンワイヤヒータ等の抵抗加熱ヒータが用いられ、ウエハ温度をコントロールできるようになっている。上記加熱手段２４として加熱ランプを用いるようにしてもよい。
【００１６】
上記載置台２２には、上記半導体ウエハＷを搬入、搬出する際にウエハＷを持ち上げ又は持ち下げるリフタ機構２５が設けられる。このリフタ機構２５は、載置台２２の周辺部に設けられた貫通孔２６内に昇降される複数の昇降ピン２８を有しており、この昇降ピン２８の下端部は昇降リング３０に支持されている。
【００１７】
そして、処理容器４の底部６にベローズ３２を介して貫通させて設けられる昇降ロッド３４により上記昇降リング３０を上下動させることによって、上記昇降ピン２８を載置台２２の上面より上方に出没させてウエハＷを持ち上げたり、持ち下げたりできるようになっている。上記昇降ロッド３４は、この下端部に設けたアクチュエータ３６により昇降される。上記昇降ピン２８は載置台２２の周方向に沿って均等に複数本、例えば３本（図示例では２本のみ記す）設けられている。
【００１８】
そして、処理容器４の側壁には、ウエハＷを搬出入するための搬出入口３８が設けられ、この搬出入口３８にはウエハの搬出入時に気密に開閉されるゲートバルブ４０が設けられている。また処理容器４の天井部には、Ｏリング等のシール部材４２を介して天井板４４が設けられている。この天井板４４には、処理容器４内へガスを導入する本発明に係るシャワーヘッド装置４６が上記載置台２２と対向させるようにして設けられている。
【００１９】
具体的には、このシャワーヘッド装置４６は、内部にガスを拡散させるガス拡散室４８が形成されたシャワーヘッド本体５０と、このシャワーヘッド本体５０の下面であるガス噴射板５２に設けた複数のガス噴射孔５４とにより主に構成されている。上記天井板４４は、上記ガス拡散室４８を区画するシャワーヘッド本体５０の一部として形成され、この天井板４４には、各種のガスを導入するガス導入口５６が形成されている。尚、このガス導入口５６をガス種に応じて複数個設けるようにしてもよい。
【００２０】
上記ガス導入口５６には、成膜に必要な各種のガス供給系が接続されている。具体的には、ここでは原料ガス供給系６０と反応ガス供給系６２とパージガス供給系６４とが接続されて各ガスを必要に応じてそれぞれ流量制御しつつ流すようになっている。上記原料ガス供給系６０は、上記ガス導入口５６に接続されるガス通路６６を有している。このガス通路６６には、開閉弁６８及びマスフローコントローラのような流量制御器７０が順次介設されており、後述するように原料ガスを間欠的に且つ流量制御しつつ流すようになっている。ここで原料ガスとしては、例えばハフニウム金属を含む有機金属材料であるテトラキス（エチルメチルアミノ）ハフニウム（ＴＥＭＡＨｆ）を用いている。
【００２１】
また、上記反応ガス供給系６２は、上記ガス導入口５６に接続されるガス通路７２を有している。このガス通路７２には、開閉弁７４及びマスフローコントローラのような流量制御器７６が順次介設されており、後述するように反応ガスを間欠的に且つ流量制御しつつ流すようになっている。ここで反応ガスとしては、酸化ガスである例えば水蒸気（Ｈ２ Ｏ）を用いている。
【００２２】
また、上記パージガス供給系６４は、上記ガス導入口５６に接続されるガス通路７８を有している。このガス通路７８には、開閉弁８０及びマスフローコントローラのような流量制御器８２が順次介設されており、後述するようにパージガスを間欠的に且つ流量制御しつつ流すようになっている。ここでパージガスとしては、例えば希ガスのＡｒを用いている。尚、パージガスとしては、Ｈｅ等の他の希ガスや不活性ガスであるＮ２ ガスを用いるようにしてもよい。
【００２３】
上記のような各ガスは、ガス拡散室４８内で周辺方向へ拡散されつつ各ガス噴射孔５４よりガス噴射板５２と載置台２２との間の処理空間Ｓへ流すようになっている。上記ガス噴射板５２と載置台２２の上面（ウエハ載置面）との間の距離Ｈ１は、処理空間Ｓにおけるガスの切り替えを容易にするためにできるだけ狭くなされており、例えば１０ｍｍ程度に設定されている。
【００２４】
ここで、本発明の特徴とするシャワーヘッド装置４６における上記ガス噴射孔５４の配置例について詳しく説明する。図２にも示すように、ガス噴射板５２の直径Ｄ１は、半導体ウエハＷの直径よりも大きい値、例えば３６０ｍｍ程度に設定され、上記ガス噴射孔５４が形成されている円形領域８３の直径Ｄ２も、半導体ウエハＷの直径よりも大きい値、例えば３１０ｍｍ程度に設定されている。
【００２５】
そして、上記複数のガス噴射孔５４は、ガス噴射板５２の中心部を中心として仮想的に形成される複数の螺旋状の曲線８４に沿うように配置されている。図２において、上記仮想的な螺旋状の曲線８４を、本発明の理解を容易にするために一部可視化して示している。そして、この螺旋状の曲線８４に沿って形成される各ガス噴射孔５４の開口面積は、ガス噴射板５２の周辺部より中心部に行くに従って次第に小さくなされている。
【００２６】
この場合、ガス噴射孔５４の開口面積は、ガス噴射板５２の中心部に向かうに従って、１つ隣りに行く毎に少しずつ小さくてもよいし、複数個、例えば隣りに連続する２〜３個のガス噴射孔５４の開口面積は同じに設定して、２〜３個ずつ中心部に行くに従って少しずつ小さくなるようにしてもよい。いずれにしても、平面的に隣り合うガス噴射孔５４同士が連結しないように中心部に行くに従ってその開口面積が少しずつ小さくなるように設定している。
【００２７】
図示例では各ガス噴射孔５４の形状は円形になされている。そして、図２では各ガス噴射孔５４の配列は、フィボナッチ数列の中で隣り合う任意の３つの数値を用いて形成されている。ここでフィボナッチ数列とは、以下に示すような数列であり、どの項（数値）もその前の２つの項の和となっている数列である。
【００２８】
０，１，１，２，３，５，８，１３，２１，３４，５５，８９，１４４，２３３，……
【００２９】
このフィボナッチ数列は、自然界の現象に数多く出現し、例えばヒマワリの種の配列等に現れている。ここでは上記フィボナッチ数列の隣り合う３つの数値、例えば”１３，２１，３４”を選択して用いている。
【００３０】
具体的には、上記複数の螺旋状の曲線８４の内で、上記ガス噴射板５２の周辺部から中心部へ時計回り方向９０で向かう螺旋状の曲線８４Ａの全体数は、カウントすると上記３つの選択された数値の内の最大値である”３４”本になるように設定されている。そして、上記時計回り方向９０の螺旋状の１本の曲線８４Ａ上には、ガス噴射孔５４が上記３つの選択された数値の内の最小値である”１３”個になるように設定されている。従って、ガス噴射板５２に配置されるガス噴射孔５４の数は”４４２”個（＝３４×１３）となっている。
【００３１】
そして、前述したように、上記螺旋状の曲線８４Ａ上に配置されるガス噴射孔５４の開口面積、すなわちここでは直径は、ガス噴射板５２の周辺部から中心部に向かうに従って小さくなされており、隣り合う孔同士が連通しないようになっている。そして、上記ガス噴射板５２の中心には、上記各ガス噴射孔５４とは異なる中心ガス噴射孔９４が形成されており、ウエハＷの中心部における膜厚の面内均一性を改善するようになっている。
【００３２】
尚、ここで上記複数の螺旋状の曲線８４の内で、上記ガス噴射板５２の周辺部から中心部へ反時計回り方向９２で向かう螺旋状の曲線８４Ｂの全体数は、カウントすると上記３つの選択された数値の内の中間値である”２１”本になるように設定されている。すなわち、１つのガス噴射孔５４は、上記２つの螺旋状の曲線８４Ａ、８４Ｂ上に位置することになる。
【００３３】
そして、各ガス噴射孔５４の直径の大きさは、そのガス噴射孔５４とその周辺に隣り合うガス噴射孔５４との間の間隔以上の大きさとなるように設定されている。具体的には、図２中において、ある特定のガス噴射孔５４Ａに注目した場合、このガス噴射孔５４Ａの直径をＸ１とし、このガス噴射孔５４Ａに対して時計回り方向９０で向かう螺旋状の曲線８４Ａ上において両方で隣り合うガス噴射孔５４との間の間隔をそれぞれＸａ、Ｘｂとし、上記ガス噴射孔５４Ａに対して反時計回り方向９２で向かう螺旋状の曲線８４Ｂ上において両方で隣り合うガス噴射孔５４との間の間隔をそれぞれＸｃ、Ｘｄとすると、間隔Ｘａ〜Ｘｄのいずれもが直径Ｘ１以下の大きさとなるような寸法に設定する。従って、実際には、ガス噴射孔５４の直径は図示されているよりも大きい。なお、図示するように、「間隔Ｘａ〜Ｘｄ」とは隣接する２つのガス噴射孔５４の周縁間の最短距離である。
【００３４】
すなわち、上述したような寸法に設定することにより、各ガス噴射孔５４に対して、これに隣り合う周辺部のガス噴射孔５４との間の間隔が過度に広くならないようにして、すなわち隣接するガス噴射孔５４の間の領域が広くなりすぎないようにして、膜厚の面内均一性の向上を図るようにしている。
【００３５】
更に、上記同一の螺旋状の曲線８４上に隣り合うガス噴射孔５４の間隔Ｘａ〜Ｘｄは、上記ガス噴射板５２と上記載置台２２との間の間隔Ｈ１（図１参照）以下、好ましくは間隔Ｈ１の０．９倍以下の大きさとなるように設定されており、複数のガス噴射孔５４から噴射されたガスがウエハＷに到達するまで処理空間Ｓ内において十分に拡散することからウエハＷ上でガスの濃淡が発生するのを防止して、膜厚の面内均一性の向上を図るようにしている。なお、後述するガス噴射孔５４の配置規則によれば、一つの螺旋状の曲線８４（８４Ａ，８４Ｂ）上で隣り合うガス噴射孔５４の中心間距離は外側ほど大きくなるが、外側のガス噴射孔５４においても、上記の間隔Ｈ１と間隔Ｘａ〜Ｘｄとの関係が成立するように、外側のガス噴射孔５４の方が直径が大きくなっている。
【００３６】
上記中心ガス噴射孔９４は、図３に示すようにネジ部材９６に上下方向へ貫通させて設けられており、このネジ部材９６を、ガス噴射板５２の中心部にネジにより着脱可能に取り付けるようになっている。この場合、中心ガス噴射孔９４の内径が異なるネジ部材９６を交換できるため必要に応じて最適な中心ガス噴射孔９４を選択することができる。この中心ガス噴射孔９４の内径の大きさは、１．０〜１．３ｍｍ程度であり、内径が１．０ｍｍよりも小さいと、ガスの流量が少な過ぎてこの中心ガス噴射孔９４を設けた効果がなくなり、逆に１．３ｍｍよりも大きいと、ガスが過度に流れて膜厚の面内均一性に悪影響を与えてしまう。ここでは上記中心ガス噴射孔９４の内径は１．２ｍｍ程度に設定されている。
【００３７】
ここで上記フィボナッチ数列を用いた各ガス噴射孔５４の配列の幾何学的特徴について図４も参照して詳しく説明する。図４は図２中のガス噴射孔５４のみを取り出して描いた図である。まず、複数のガス噴射孔５４の内、最外周の特定の基準位置Ｓ０に位置させるべきガス噴射孔５４を基準ガス噴射孔５４Ａとする。この基準ガス噴射孔５４Ａは、全てのガス噴射孔５４の内でガス噴射板５２の中心位置より最も遠い位置にある。
【００３８】
そして、上記基準ガス噴射孔５４Ａを起点として、黄金角度又はその近似値に対応する回転角度だけ時計回り方向と反時計回り方向の内のいずれか一方、ここでは反時計回り方向９２へ順次回転すると共に、回転の都度に１つの螺旋状の曲線上に隣り合うガス噴射孔のガス噴射板５２（図４参照）の半径方向におけるピッチＰ１の１／［螺旋状の曲線の数］の長さだけ半径方向内側へずらした位置に新たなガス噴射孔を順次配置させるようにして全体が形成されている。そして、全てのガス噴射孔５４を半径方向へ曲線状に連ねることにより、上記螺旋状の曲線が仮想的に形成されることになる。ここで、ピッチＰ１とは、１本の螺旋状の曲線８４（８４Ａ、８４Ｂ）上において隣接する２つのガス噴射孔５４において、ガス噴射板５２の中心からそれぞれのガス噴射孔５４の中心までの距離の差を意味する。
【００３９】
具体的には、黄金比は”１：（１＋√５）／２”であり、黄金角度は、黄金比で円周を分割したときの短い弧に対応する中心角として定義され、以下の式で求められる。
３６０度×１／［１＋（１＋√５）／２］＝１３７．５０７７…
上記の回転角度は、厳密に黄金角度である必要はなく、黄金角度の近似値例えば１３６〜１３８度の範囲内の角度を用いることもできる。回転角度は、３６０度を割り切れない角度に設定される。
【００４０】
ここでは、上記回転角度として１３７．５度を用い、上記基準位置Ｓ０を起点（基準）として反時計回り方向９２へ１３７．５ずつ回転し、回転の都度に曲線上に隣り合うガス噴射孔のガス噴射板中心方向におけるピッチの”１／３４”（３４：螺旋状の曲線の数）の長さだけガス噴射板の中心方向へ位置ずれさせた位置にガス噴射孔を配置するように設定されている。上述のようなガス噴射孔５４の配列は、分数多角形で表現すると１３分の３４角形（２１分の３４角形でもある）となる。
【００４１】
図４においては、１の螺旋状の曲線上に隣り合うガス噴射孔のガス噴射板の中心方向におけるピッチＰ１は１１．５ｍｍに設定されており、従って、基準位置Ｓ０から反時計回り方向へ１３７．５度ずつ回転する毎に０．３３ｍｍ（＝１１．５ｍｍ／３４）だけガス噴射板の中心方向へ位置ずれさせる。
よって、各ガス噴射孔の位置は、極座標系を用いて以下のように表記することができる。
（ｒｎ，θｎ）＝（ｒ０−０. ３３ｎ，θ０＋１３７. ５ｎ）
但し、（ｒ０，θ０）は基準位置Ｓ０の極座標、ｎは回転回数であり、回転角度は反時計回り方向を正方向とする。
図４中では、１回目の回転後の位置を位置Ｓ１、２回目の回転後の位置を位置Ｓ２、３回目の回転後の位置を位置Ｓ３として表している。そして、上記回転を繰り返し行って３４回目（螺旋状の曲線８４Ａの本数と同じ回数）になると、その回転後の位置は位置Ｓ３４として表される。ここで基準位置Ｓ０と位置Ｓ３４とは、同一の螺旋状の曲線８４Ａ（図２参照）上における隣り合うガス噴射孔５４同士の位置となる。この際、基準位置Ｓ０と位置Ｓ３４とがガス噴射板中心に対してなす角度θは”５度”となる。
【００４２】
ここで、上記”５度”は次のようにして求まる。
１３７．５度×３４（螺旋状の曲線の数）＝４６７５度
４６７５度−（３６０度×１２）＝−３５５度
３５５度−３６０度＝−５度
すなわち、ある一つの螺旋状の曲線８４Ａにおいて基準位置Ｓ０にあるガス噴射孔５４Ａに隣接するガス噴射孔５４の角度位置は、基準位置Ｓ０から「５度」だけ時計回り方向へ戻った角度位置である。本実施形態では、上記操作により定められるガス噴射孔５４の総数は、４４２個である。
また、前述のように、ある一つの螺旋状の曲線８４Ａにおいて隣接するガス噴射孔５４の、ガス噴射板５２の半径方向のピッチはＰ１（ここでは１１．５ｍｍ）である。
従って、ある一つの螺旋状の曲線８４Ａにおける各ガス噴射孔５４の位置は、極座標系を用いて以下のように表記することができる。
（ｒｍ，θｍ）＝（ｒａ−１１．５（ｍ−１），θａ−５（ｍ−１））
但し、「（ｒａ，θａ）」は当該螺旋状の曲線８４Ａ上に位置するもっとも外側のガス噴射孔５４の極座標、「ｍ」はそのガス噴射孔５４が外側から何番目かをそれぞれ意味し、また、回転角度は反時計回り方向を正方向とする。
【００４３】
上述したように、上記回転角度は黄金角度である１３７．５度に限らずに僅かにずれても膜厚の面内均一性に悪影響を与えることは少なく、その範囲は黄金角度の近似値である１３６〜１３８度の範囲内の角度を用いることもできる。但し、回転角度は３６０度を割り切れない数値である。この値で３６０度を割り切れると、ガス噴射孔５４の配列が、ガス噴射板５２の中心から複数の方向に沿って放射状に規則的に配列された状態となってしまい、周方向へ分散されて配列された状態とならず、この結果、面内におけるガス濃度に偏りが生じる危惧が発生してしまう。尚、ここでは上記最外周のガス噴射孔の直径は１０ｍｍに設定され、最内周のガス噴射孔の直径は２ｍｍに設定され、ガス噴射孔の直径は同一の螺旋状の曲線上で外周より中心部側へ行くに従って、ほぼ０．５ｍｍ程度ずつ小さくしている。
このように、本実施形態のガス噴射孔５４は、通常のシャワーヘッドのガス噴射板のガス噴射孔と比較して、かなりサイズが大きい。これにより、コンダクタンスを良くすることができ、ガスの導入及び置換を速やかに行うことができる。しかしながら、ガス噴射孔のサイズ（直径）を大きくしすぎると、ガス噴射孔の周辺のみでガス濃度が高くなり、均一性が悪くなる。本実施形態では、可能な限り大きな直径のガス噴射孔のサイズを大きくしてコンダクタンスを向上させる一方で、ガス噴射孔をフィボナッチ数列に基づいて配列することによりガス濃度の均一性も維持している。
【００４４】
以上のように形成された成膜装置全体の動作は、例えばコンピュータ等よりなる装置制御部１００により制御されるようになっており、この動作を行うコンピュータのプログラムは、記憶媒体１０２に記憶されている。この記憶媒体１０２は、例えばフレキシブルディスク、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｄｉｓｃ）、ハードディスク、フラッシュメモリ或いはＤＶＤ等よりなる。具体的には、この装置制御部１００からの指令により、各ガスの供給の開始、停止や流量制御、プロセス温度やプロセス圧力の制御等が行われる。
【００４５】
＜成膜方法＞
次に、以上のように構成された成膜装置を用いて行われる成膜方法について図５も参照して説明する。図５は各ガスの供給のタイミングの一例を示すタイミングチャートである。ここでは、成膜方法として各ガスを間欠的に交互に供給して薄膜を積層させるＡＬＤ法を例にとって説明する。
【００４６】
まず、真空引きのなされた処理容器４内へウエハＷを搬入してこれを載置台２２上に載置したならば、この処理容器４内を密閉する。そして、載置台２２に設けた加熱手段２４によりウエハＷを所定のプロセス温度まで昇温してこの温度を維持する。これと同時に、処理容器４の天井部に設けたシャワーヘッド装置４６のガス噴射板５２のガス噴射孔５４より処理空間Ｓに向けて各ガスを図５に示すような順序に従って導入する。
【００４７】
この場合、原料ガスであるＴＥＭＡＨｆガスは原料ガス供給系６０によりシャワーヘッド本体５０のガス拡散室４８内へ供給され、反応ガス（酸化ガス）である水蒸気は反応ガス供給系６２によりシャワーヘッド本体５０のガス拡散室４８内へ供給され、パージガスであるＡｒガスはパージガス供給系６４によりシャワーヘッド本体５０のガス拡散室４８内へ供給される。各ガスは、上記ガス拡散室４８内へ水平方向へ拡散しつつ各ガス噴射孔５４から下方の処理空間Ｓに向けて流れて行く。各ガスの供給の開始と供給の停止は、対応する各開閉弁６８、７４、８０を開閉することにより行う。
【００４８】
上記各ガスの供給のタイミングの一例は図５に示されており、原料ガスであるＴＥＭＡＨｆ（図２（Ａ））と反応ガスである水蒸気（図２（Ｂ））とを交互に間欠的に繰り返供給して、パルス状の供給態様としている。そして、原料ガスの供給休止期間と反応ガスの供給休止期間とが重なる期間にはパージガスであるＡｒガスを流しており、処理容器４内の残留ガスの排出を促進させている。上記原料ガスの供給時にはＴＥＭＡＨｆガスがウエハＷの表面に吸着し、そして、反応ガスの供給時には上記ウエハＷ上に吸着していたＴＥＭＡＨｆガスが反応ガスである水蒸気と反応して酸化させて薄い原子レベル、或いは分子レベルの厚さの酸化ハフニウムが形成されることになる。この操作を繰り返すことにより上記薄膜が積層されて、必要な回数（サイクル）だけ繰り返すことにより所望の厚さの酸化ハフニウム膜が得られる。
【００４９】
ここで原料ガスの供給期間の開始から次の原料ガスの供給期間の開始までの間が１サイクルとなる。一例として原料ガスの供給期間Ｔ１は、０．１〜５．０秒程度であり、反応ガスの供給期間Ｔ２は、０．１〜５．０秒程度であり、パージ期間Ｔ３は、０．１〜１０．０秒程度である。また各ガスの供給量の一例は、ＴＥＭＡＨｆガスが１〜５００ｍｇ／ｍｉｎ程度であり、水蒸気が１〜５００ｍｇ／ｍｉｎ程度であり、Ａｒガスが１００〜５０００ｓｃｃｍ程度である。またプロセス圧力は、１〜１０Ｔｏｒｒの範囲内であり、ここでは１〜３Ｔｏｒｒの範囲内に設定している。また、プロセス温度は、２００〜５００℃程度である。尚、図２に示すＡＬＤ法による各ガスの供給態様は単に一例を示したに過ぎず、これに限定されない。
【００５０】
ここで、本発明のシャワーヘッド装置４６では、ガス噴射板５２の中心部を中心として仮想的に形成される複数の螺旋状の曲線８４に沿って各ガス噴射孔５４を配置するようにしたので、この下方に位置する処理空間Ｓに向けて各ガスを平面方向に均一に分散させて供給することが可能となる。従って、半導体ウエハＷの表面に形成される薄膜の面内均一性を向上させることができる。
【００５１】
特に、本実施例では、フィボナッチ数列の中で隣り合う任意の３つの数値の内の最大値が、ガス噴射板５２の周辺部から中心部に例えば時計回り方向９０で向かう螺旋状の曲線８４Ａをカウントした時の数値となるようにし、更に、この曲線８４Ａ上に上記３つの数値の内の最小値の数のガス噴射孔５４を配置するようにしたので、半導体ウエハＷの表面に形成される薄膜の面内均一性を一層向上させることができる。
【００５２】
尚、図２及び図３に示す装置例では、螺旋状の曲線の数を時計回り方向９０へカウントした場合に”３４”とし、反時計回り方向９２へカウントした場合に”２１”となるように設定したが、両者を互いに逆方向となるように設定してもよい。
【００５３】
＜本発明の評価＞
次に、上述したようにフィボナッチ数列の内の”１３、２１、３４”の３つの数値を用いた本発明に係るシャワーヘッド装置を有する成膜装置を用いて実際に半導体ウエハの表面に薄膜を堆積する実験を行ったので、その評価結果について説明する。原料ガスとしてＴＥＭＡＨｆガスを用い、反応ガスとして水蒸気を用いてハフニウム酸化膜を成膜した。ここでＴＥＭＡＨｆの流量は１００ｍｇ／ｍｉｎ、水蒸気の流量は４０ｍｇ／ｍｉｎ、成膜のサイクル数は１２回である。中心ガス噴射孔９４の内径は１．２ｍｍに設定し、プロセス圧力は８０Ｐａ、プロセス温度は３５０℃にそれぞれ設定した。
【００５４】
比較例として、先の特許文献３に示されるようなスリット状のガス噴射孔を有するシャワーヘッドを備えた成膜装置を用いた。このシャワーヘッドの中心には内径が１．３ｍｍの中心ガス噴射孔が形成されている。他のプロセス条件は、上記本発明のシャワーヘッド装置を用いた場合と同様になるように設定した。
【００５５】
この結果、従来のシャワーヘッドを用いた場合には、膜厚の平均が３４．３Åのときに膜厚の面内均一性は１．０４％であったのに対して、本願発明のシャワーヘッド装置を用いた場合には、膜厚の平均が３６．１Åのときに膜厚の面内均一性は０．９８％であった。このように、本発明のシャワーヘッド装置を用いた場合には、膜厚の面内均一性を向上させることができることを確認することができた。
【００５６】
＜変形実施例＞
次に、本発明のシャワーヘッド装置の変形実施例について説明する。ここではガス噴射孔を配置するための螺旋状の曲線としてアルキメデス螺旋と対数螺旋とを用いている。図６はシャワーヘッド装置の変形実施例に用いる螺旋の態様を示す図であり、図６（Ａ）は第１変形実施例に用いる対数螺旋の一例を示し、図６（Ｂ）は第２変形実施例に用いるアルキメデス螺旋の一例を示している。
【００５７】
ここでアルキメデス螺旋とは、以下の極座標の式によって表される曲線である。
ｒ＝ａθ
ｒ：原点からの距離、ａ：定数、θ：回転角
対数螺旋とは、極座標表示（ｒ、θ）で以下の式によって表される曲線である。
ｌｏｇ（ｒ）＝ｂθ・ｌｏｇ（ａｅ）
ｒ：原点からの距離、ｅ：ネイピア数、ａ，ｂ：固定された定数、θ：回転角
この場合、上記螺旋状の１の曲線（アルキメデス螺旋又は対数螺旋のいずれか）を、黄金角度又はその近似値に対応する角度だけ時計回り方向と反時計回り方向の内のいずれか一方の方向へ順次回転させることにより、ガス噴射孔を配置するための複数の螺旋状の曲線が定義されることになる。この点は、図２及び図４に示す場合と類似している。
【００５８】
この場合、全体で形成される複数の螺旋状の曲線の数は、フィボナッチ数列の中で隣り合う任意の３つの数値の内の最大値となるように設定する。そして、１の螺旋状の曲線上には、ガス噴射孔が上記３つの数値の内の他の２つの数値の内のいずれか一方の数だけ配置されるようになっている。
【００５９】
具体的には、前述のようにフィボナッチ数列の中で隣り合う任意の３つの数値として”１３、２１、３４”を選択した場合には、螺旋状の曲線の数を”３４”に設定する。そして、全ての螺旋状の曲線に対して、１つの螺旋状の曲線上には、ガス噴射孔を”１３”個配置するようにしてもよいし、或いは”２１”個配置するようにしてもよい。
【００６０】
この場合、螺旋状の曲線を、例えば３４本形成すると、互いに交差する場合も生ずるが、交差点上にガス噴射孔を配置する場合には、そのガス噴射孔は交差する２本の螺旋状の曲線上に共通に存在するように配置されることになる。そして、先の実施例と同様に、ガス噴射孔の開口面積は、ガス噴射板の周辺部より中心部に行くに従って次第に小さくなされている。
【００６１】
また、螺旋状の曲線の回転角度は、先に図２及び図４を参照して説明した場合と同様に、１３６〜１３８度の範囲内であって、３６０度を割り切れない数値である。この第１及び第２実施例の場合にも、先に図２等を参照して説明した実施例と同様な作用効果を発揮することができる。
【００６２】
尚、上記各実施例では、フィボナッチ数列から隣り合う任意の３つ数として”１３、２１、３４”を選択した場合を例にとって説明したが、これに限定されず、ガス噴射板の直径を考慮した場合、実用的には”８、１３、２１、３４、５５、８９、１４４”の中から隣り合う任意の３つ数を選択するのがよい。
【００６３】
また、上記各実施例では、ガス噴射孔の形状は、これを円形に設定した場合を例にとって説明したが、これに限定されず、ガス噴射孔の形状は三角形、四角形、楕円形状等に設定してもよい。また、上記各実施例では、成膜時の原料として、有機金属材料であるＴＥＭＡＨｆを用いた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、例えばＴＥＭＡＺｒ、Ｌａ（ａｍｄ）等を用いてもよいし、更には有機金属材料に限定されず、他の成膜用の原料を用いてもよい。
【００６４】
更には、上記各実施例では、反応ガスとして、酸化ガスである水蒸気を用いたが、他の酸化ガス、例えばＯ２ 、Ｏ３ 等を用いてもよいし、或いは反応ガスとして成膜すべき膜種によってはＨ２ 、ＳｉＨ４ 、有機酸等の還元ガスやＮＨ３ 等の窒化ガスを用いる場合もある。
【００６５】
また、ここでは被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、この半導体ウエハにはシリコン基板やＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＧａＮなどの化合物半導体基板も含まれ、更にはこれらの基板に限定されず、液晶表示装置に用いるガラス基板やセラミック基板等にも本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００６６】
２  成膜装置
４  処理容器
１０  真空排気系
１８  保持手段
２２  載置台
４６  シャワーヘッド装置
４８  ガス拡散室
５０  シャワーヘッド本体
５２  ガス噴射板
５４  ガス噴射孔
６０  原料ガス供給系
６２  反応ガス供給系
６４  パージガス供給系
８４  螺旋状の曲線
８４Ａ  時計回り方向の曲線
８４Ｂ  反時計回り方向の曲線
９４  中心ガス噴射孔
９６  ネジ部材
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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