(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガス導入部と基板保持体を備えた反応容器を有し、前記基板保持体の上に配置された基板に対して前記反応ガス導入部から反応ガスを導入し、前記基板に薄膜を堆積する薄膜形成装置において、
前記反応ガス導入部の周囲にガスの流れを作るガス導入部を設け、このガス導入部は、前記反応容器の上壁に等間隔に形成された複数のガス導入孔と、前記ガス導入孔につながり前記上壁の内面側に形成された通路と、この通路を覆う多孔板とから成り、外部に設けたガス供給機構から前記ガス導入孔に前記ガスが供給されることを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項２】
前記反応容器の下壁に対称の位置に複数の排気口が設けられ、前記ガス導入部によって生成される前記ガスの流れは前記排気口に向かって生じることを特徴とする請求項１記載の薄膜形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は薄膜形成装置に関し、特に、プラズマや化学反応を利用して気相成長（ＣＶＤ）により基板上に薄膜を堆積する薄膜形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体製造装置の分野では素子の集積化と微細化が進んでいる。素子の微細化は、製造工程において新しい技術を要求する。例えば、微細ホール内へ十分な膜を埋め込むこと、素子内の段差を軽減すること、高電流密度を原因とした発熱やエレクトロマイグレーションによる断線を防止することを要求する。スパッタリング法はこれらの要求を満たすことができない。ホールが微細化されると、段差被覆性が悪くなるからである。そこで、近年では、プラズマＣＶＤ法や熱ＣＶＤ法が注目されている。プラズマＣＶＤ法ではプラズマと化学反応を利用し、熱ＣＶＤ法は化学反応のみを利用する。ＣＶＤ法によれば、アスペクト比が大きい微細ホールに、その底まで薄膜を均一に形成することができる。プラズマＣＶＤ法による薄膜の例として、拡散防止膜として使用されるＴｉＣｌ4 を原料としたＴｉ膜あるいはＴｉＮ膜がある。熱ＣＶＤによる薄膜の例として、配線として使用されるブランケットタングステン膜がある。
【０００３】
次に、Ｔｉ膜やＴｉＮ膜を形成する従来のプラズマＣＶＤ装置の一例を図４を参照して説明する。気密性を有する反応容器１１１は、下部中央に基板保持体１１２を備え、上部に円板状の反応ガス導入部１１３を備える。基板保持体１１２と反応ガス導入部１１３はほぼ平行に対向している。反応ガス導入部１１３は下面にガス吹出し孔が形成されている。ガス吹出し孔は、外部の反応ガス供給機構１１４に接続されている。反応ガス導入部１１３は、反応容器１１１の上壁１１５に、リング状絶縁体１１６を介して固定される。反応ガス導入部１１３と反応容器１１１はリング状絶縁体１１６により電気的に絶縁されている。反応容器１１１は接地され、接地電位に保持される。これに対して、反応ガス導入部１１３は整合回路１１７を介して高周波電源１１８に接続され、高周波電力が給電される。
【０００４】
反応容器１１１の底壁に複数の排気口１１９が形成される。排気口１１９は排気機構１２０に接続される。排気機構１２０によって反応容器１１１の内部は所望の減圧状態に保たれる。
【０００５】
基板保持体１１２は反応容器１１１の底壁に固定される。基板保持体１１２は接地されている。基板保持体１１２の上面には静電吸着板１２１が設けられる。静電吸着板１２１は静電吸着制御電源１２２に接続される。基板保持体１１２上に載置された基板１２３は静電吸着板１２１によって固定される。基板保持体１１２の内部にはヒータ１２４が配置され、かつ温度検出作用を有する熱電対１２５が配置される。熱電対１２５の検出信号は加熱制御機構１２６に入力され、加熱制御機構１２６から出力される制御信号はヒータ１２４に与えられる。
【０００６】
反応容器１１１内に搬送された基板１２３は基板保持体１１２の上に配置される。基板保持体１１２は、熱電対１２５と加熱制御機構１２６とヒータ１２４によって所定の温度に保持されている。基板１２３は、静電吸着板１２１によって固定される。
【０００７】
基板１２３に対向する反応ガス導入部１１３から、Ｔｉ膜の成膜の場合にはＨ2 、ＴｉＮ膜の成膜の場合にはＨ2 とＮ2 が、所定量導入される。一方、反応容器１１１の内部は排気口１１９を通して排気機構１２０によって排気される。これにより反応容器１１１の内部は所定の圧力に保たれる。反応容器１１１内のガスの流れが対称的になるように、複数の排気口１１９が対称的な位置関係で設けられている。さらに、高周波電源１１８から反応ガス導入部１１３に高周波電力を供給すると、反応ガス導入部１１３と基板１２３の間にプラズマが生成される。高周波としては１０〜１００ＭＨｚのＨＦ帯からＶＨＦ帯が使用される。
【０００８】
放電が安定した時点で、反応ガス導入部１１３よりＴｉＣｌ4 が導入され、その結果、高温の基板１２３上にＴｉ膜またはＴｉＮ膜が形成される。成膜中に生じた未反応ガスおよび副生成ガスは排気口１１９を通して排気機構１２０により排気される。
【０００９】
なお、通常のＴｉまたはＴｉＮの成膜条件に関し、反応ガスＴｉＣｌ4 の流量は２〜１０sccm、Ｈ2 の流量は３００〜１０００sccm、ＳｉＨ4 の流量は０．２〜４sccm、Ｎ2 の流量は１０〜１００sccm（ＴｉＮ膜の場合のみ）であり、また基板保持体１１２の温度は４００〜７００℃、さらに、反応ガス導入部１１３に給電される高周波の電力は５０〜３０００Ｗ、周波数は１０〜１００ＭＨｚである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来のプラズマＣＶＤ装置では、図４で明らかなように、構造上、反応容器１１１の上壁の近傍で反応ガス導入部１１３の周囲にデッドスペース１２７が形成されている。特に、プラズマＣＶＤ装置の場合には、基板保持体１１２と反応ガス導入部１１３の距離を縮めるため、および上部電極である反応ガス導入部１１３を反応容器１１１の壁から離し、それらの間での放電の発生を防止するため、必然的に上記デッドスペース１２７が作られる。さらにプラズマＣＶＤ装置と熱ＣＶＤ装置で、例えば四角形を利用してなる反応容器の中に円形を利用してなる反応ガス導入部を配置すると、デッドスペース１２７が作られる。さらに反応容器の上部に開閉構造を有する部分を設けると、反応ガス導入部の周囲に必然的にデッドスペース１２７が形成される。
【００１１】
上記のデッドスペース１２７は、反応ガス導入部１１３から排気口１１９に至るガスの流れる流路から外れ、当該流路の上方に位置する。基板１２３の周辺ではガスが加熱され、熱対流が起きやすい。このような熱対流が起きると、図５に示すように、デッドスペース１２７において反応ガスの循環流１２８が生じ、反応ガスが滞留する。ガスの流れは数値計算によるシミュレーションで得られた結果に基づいている。そのため、デッドスペース１２７の近傍の反応容器壁に膜が付着しやすく、これがパーティクルを発生し、半導体製造における歩留まりの原因になっていた。
【００１２】
本発明の目的は、上記の課題を解決することにあり、デッドスペースで反応ガスの滞留等が生じないようにした薄膜形成装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段および作用】
第１の本発明（請求項１に対応）に係る薄膜形成装置は、反応ガス導入部と基板保持体を備えた反応容器を有し、基板保持体の上に配置された基板に対して反応ガス導入部から反応ガスを導入し、基板に薄膜を堆積する薄膜形成装置であり、上記目的を達成するために、さらに、反応ガス導入部の周囲に、当該周囲のいわゆるデッドスペースにパージガス等のガスの流れを作るためのガス導入部を設け、さらにガス導入部が、反応容器の上壁に等間隔に形成された複数のガス導入孔と、ガス導入孔につながり上壁の内面側に形成された通路と、この通路を覆う多孔板とから成り、外部に設けられたガス供給機構からガス導入孔に対して上記のガスが供給され、上記のガスの流れを作り出すように構成する。上記のようなガスの流れを、反応ガス導入部の周囲のデッドスペースに作ると、デッドスペースに滞留しやすい反応ガス等も併せて押し流され、これにより、反応ガスの循環流がなくなり、滞留の発生を防止することができる。特に複数のガス導入孔から導入されたガスは、一時的に通路に蓄積され、多孔板の多数の微細な孔から吹出される。反応容器のデッドスペースで上記のガスは均一に流れ、滞留が偏って発生するのを防止する。
【００１５】
第２の本発明（請求項２に対応）に係る薄膜形成装置は、上記の各発明の構成において、反応容器の下壁に対称の位置にて複数の排気口が設けられ、ガス導入部によって生成される上記ガスの流れは排気口に向かって生じる。上記ガスの流れは、いわゆるダウンフローとして発生し、デッドスペースにおける反応ガスの滞留を防ぐようにしている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１は本発明に係る薄膜形成装置を示し、より具体的にはＴｉ膜またはＴｉＮ膜を成膜するプラズマＣＶＤ装置の内部構造を示している。この薄膜形成装置の基本的な構成部分は従来装置として説明した装置と同じである。気密性を有する反応容器１１は、その内部で、下部中央に基板保持体１２を備え、上部に円板状の反応ガス導入部１３を備える。基板保持体１２と反応ガス導入部１３は、ほぼ平行な状態で対向している。反応ガス導入部１３はリング状絶縁体１４を介して反応容器１１の上壁１１ａに固定される。上壁１１ａは反応容器１１の周囲壁１１ｂに対してヒンジ部１５を開して取り付けられる。従って、反応容器１１において上壁１１ａは開閉自在である。
【００１８】
反応ガス導入部１３は、その下面に多数のガス吹出し孔１３ａが形成されている。ガス吹出し孔１３ａは外部に設けられた反応ガス供給機構１６に接続されており、反応ガス供給機構１６から反応ガス導入部１３に対して供給された反応ガスは、ガス吹出し孔１３ａを通って、反応容器１１の内部における基板保持体１２の上側の空間に導入される。
【００１９】
反応ガス導入部１３と反応容器１１はリング状絶縁体１４によって電気的に絶縁されている。反応容器１１は接地されて接地電位に保持され、これに対して反応ガス導入部１３は整合回路１７を介して高周波電源１８に接続され、高周波が給電されている。高周波としては１０〜１００ＭＨｚのＨＦ帯からＶＨＦ帯が使用される。反応ガス導入部１３に高周波電力が供給されることにより、反応ガス導入部１３と基板保持体１２との間で反応ガスが励起され、放電が生じ、プラズマが生成される。
【００２０】
反応容器１１の底壁１１ｃに複数の排気口１９が形成される。排気口１９は排気機構２０に接続される。複数の排気口１９は反応容器１１の底壁１１ｃの周縁部の回りに対称的な位置関係で配置され、これによって排気作用が生じるとき反応容器１１内のガスの流れは対称になる。また排気機構２０によって反応容器１１の内部は所望の減圧状態に保たれる。
【００２１】
基板保持体１２は反応容器１１の底壁１１ｃに支持体１２ａで固定される。基板保持体１２も接地されている。基板保持体１２の上面には静電吸着板２１が設けられる。静電吸着板２１は静電吸着制御電源２２に接続される。基板保持体１２上に載置された基板２３は静電吸着板２１によって固定される。基板保持体１２の内部にはヒータ２４が配置され、かつ温度検出作用を有する熱電対２５が配置される。熱電対２５の検出信号は加熱制御機構２６に入力され、加熱制御機構２６から出力される制御信号はヒータ２４に与えられる。
【００２２】
反応容器１１内に搬送された基板２３は基板保持体１２の上に配置される。基板保持体１２は、熱電対２５と加熱制御機構２６とヒータ２４によって所定の温度に保持されている。基板２３は静電吸着板２１によって固定される。
【００２３】
上記の上壁１１ａには、その周縁部に沿って複数の孔２７がほぼ等間隔で形成されている。各孔２７は、供給路２８を介して外部のパージガス供給機構２９につながっている。上壁１１ａの内面側には、図１および図２に示すように、周縁部に沿ってまたは各孔２７に対応して通路３０が形成され、さらにその下側には通路３０を覆うように多孔板３１が取り付けられている。多孔板３１は細かい孔３１ａが多数形成されている。パージガス供給機構２９から供給されるパージガスは、供給路２８を通って孔２７に導かれる。パージガスは孔２７を通って一旦通路３０の中に充満し、その後、多孔板３１の細孔３１ａを通って反応容器１１内に吹き出される。
【００２４】
本実施形態の場合には、孔２７は上壁１１ａにおいて例えば４箇所に等間隔に形成されている。また多孔板３１は厚さが１〜５ｍｍであり、その細孔３１ａは直径が例えば０．１〜１ｍｍである。細孔３１ａは、同一の径のものが、多孔板３１において均一に形成されている。
【００２５】
反応容器１１内に搬送された基板２３は所定温度に保持された基板保持体１２の上に固定される。基板２３に対向する反応ガス導入部１３から、Ｔｉ膜の成膜の場合にはＨ2 、ＴｉＮ膜の成膜の場合にはＨ2 とＮ2 が、所定量導入される。一方、反応容器１１の内部は排気口１９を通して排気機構２０によって排気される。これにより反応容器１１の内部は所定の減圧状態に保たれる。通常のＴｉ膜またはＴｉＮ膜の成膜条件は、従来技術の箇所で説明した条件と同じである。さらに、パージガス供給機構２９から孔２７を通して反応容器１１の内部に導入されるパージガスの流量は例えば５０〜１００sccmである。
【００２６】
次に、上記構成を有するプラズマＣＶＤ装置によれば、反応ガス導入部１３と反応容器１１の壁部との間における反応ガスの滞留や循環が抑制される作用について説明する。図３は、本装置による反応容器１１内における反応ガスの流れ３２とパージガスの流れ３３を示したものである。図３で、装置構成の図示は一部が簡略化されている。これらのガスの流れ３２，３３は、数値計算によるシミュレーションに基づいて得られたものである。図３で明らかなように、反応ガス導入部１３の周囲の上壁１１ａからパージガスを導入し、デッドスペースにパージガスを流すようにしたため、反応ガス導入部１３の側壁と反応容器１１の壁部の間の空間での反応ガスの循環流や滞留はなくなった。この空間では、パージガスの下方向への流れ（ダウンフロー）だけが生じている。当該空間における反応ガスの循環流等を完全になくすためには、反応容器１１の内部に対してパージガスが均一に吹き出されることが重要である。反応容器１１へのパージガスの均一の吹出しは、孔２７の形成位置と、多孔板３１の構造によって達成される。
【００２７】
数値計算によるシミュレーションに基づいてＴｉＣｌ4 の温度分布を調べた結果、反応ガス導入部１３の側面と反応容器１１の壁部との間の空間におけるＴｉＣｌ4 の濃度は、従来装置と比較して約１／１０以下に低減できることが判明した。
【００２８】
実際の成膜においても、反応容器１１の壁部の内面への膜付着量は約１／１０以下に減少し、パーティクルの発生も従来装置に比較して減少した。さらに、反応容器１１の壁部の内面に付着した膜の量が減少したので、メンテナンスのサイクルを従来装置の場合に比較して１．５倍から２倍に長くすることができた。
【００２９】
さらに、副次的な効果として、本装置よる膜の成膜速度は、従来装置における膜の成膜速度に比較して約１０％程度増大させることができた。かかる成膜速度の増大は、パージガスのダウンフローによって、原料であるＴｉＣｌ4 の反応容器内での拡散を防止し、使用効率を高めることができたからである。
【００３０】
上記の実施形態では、プラズマＣＶＤ装置に関して説明したが、同様な構成は熱ＣＶＤ装置や類似の薄膜形成装置に適用できるのは勿論である。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、対向して配置された基板保持体と反応ガス導入部を内蔵する反応容器を備え、反応ガス導入部から反応ガスを導入し、かつ基板保持体上に配置される基板の前面空間でプラズマ等を生成して化学反応により当該基板に薄膜を堆積させる装置において、反応ガス導入部の周囲のデッドスペースにパージガスを流すように構成したため、デッドスペースにおける反応ガス等の循環を抑制して滞留をなくし、気相反応による膜の付着を防止することができ、パーティクルの発生を低減することができる。従って、生産の歩留まりを向上でき、成膜速度が高くなり、生産性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る薄膜形成装置の代表的実施形態を示す縦断面図である。
【図２】多孔板および通路の部分を拡大して示した断面図である。
【図３】反応ガスとパージガスの流れを示す図である。
【図４】従来の薄膜形成装置を示す縦断面図である。
【図５】従来の薄膜形成装置におけるデッドスペースと反応ガスの滞留状態を示す図である。
【符号の説明】
１１                  反応容器
１２                  基板保持体
１３                  反応ガス導入部
１４                  リング状絶縁体
１５                  ヒンジ部
２１                  静電吸着板
２３                  基板
２７                  孔
３０                  通路
３１                  多孔板
３１ａ                細孔
【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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