JP2000252270A - ガス噴射ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 原料ガスを付着防止ガスと分離した状態で基
板に向けて噴射することができ、しかも原料ガスの副生
成物の付着を極力防止できるガス噴射ヘッドを提供する 【解決手段】 成膜室１０内に配置された基板Ｗに向け
て成膜用の原料ガスを噴射するガス噴射ヘッド２０にお
いて、前記基板に対向して配置されたノズル盤６０を有
し、前記ノズル盤には、原料ガスを前記基板に噴射する
原料ガス噴射ノズル８８と、付着防止ガスを前記ノズル
盤の表面に沿って流す付着防止ガス噴射ノズル７８とが
設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気相成長装置に用
いるガス噴射ヘッドに係り、特に、チタン酸バリウム／
ストロンチウム等の高誘電体又は強誘電体薄膜を気相成
長させるのに好適なガス噴射ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体産業における集積回路の集
積度の向上はめざましく、現状のメガビットオーダか
ら、将来のギガビットオーダを睨んだＤＲＡＭの研究開
発が行われている。かかるＤＲＡＭの製造のためには、
小さな面積で大容量が得られる素子が必要である。この
ような大容量素子の製造に用いる誘電体薄膜として、誘
電率が１０以下であるシリコン酸化膜やシリコン窒化膜
に替えて、誘電率が２０程度である五酸化タンタル（Ｔ
ａ_２Ｏ_５）薄膜、あるいは誘電率が３００程度であるチ
タン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸ストロンチ
ウム（ＳｒＴｉＯ_３）又はこれらの混合物であるチタン
酸バリウムストロンチウム等の金属酸化物薄膜材料が有
望視されている。このような金属酸化物薄膜を気相成長
させる際には、１又は複数の有機金属化合物のガス原料
と酸化ガスとを混合し、一定の温度に加熱した被成膜基
板に噴射する。

【０００３】図６は、この種のチタン酸バリウム／スト
ロンチウム等の高誘電体又は強誘電体薄膜を形成するた
めの成膜装置の全体構成を示す図であり、液体原料を気
化する気化器１１０の下流側に原料ガス搬送流路１１２
を介して密閉可能な成膜室１１４が設けられ、さらにそ
の下流側の排気流路に真空ポンプ１１６が配置されて排
気配管１１８が構成されている。成膜室１１４には、酸
素等の酸化ガスを供給する酸化ガス配管１２０が接続さ
れている。

【０００４】このような構成の成膜装置により、基板Ｗ
を基板保持台１２４に設けた加熱板上に載置し、基板Ｗ
を所定温度に維持しつつガス噴射ヘッド１２８のガス噴
射孔１２６から原料ガスと酸化ガスとの混合ガス（反応
ガス）を基板Ｗに向けて噴射して、基板Ｗの表面に薄膜
を成長させる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、有機金属化
合物ガスと酸化ガスの混合ガスを安定供給できる温度域
は一般に狭く、基板へ導く途中で温度の不均一などがあ
るとガスの凝縮や分解が起こりやすい。従って、混合ガ
スの流路が長くなると、基板へ到達する前の早期反応に
より析出物を生成しやすくなる。このように生成した析
出物は、ガス噴射孔を閉塞させたり、あるいは下流に流
れてチャンバ内のパーティクルの発生源となる。

【０００６】また、ガス噴射ヘッドの基板保持台との対
向面（下面）は、基板保持台に内蔵されているヒータに
よる輻射を受けており、原料ガスの分解による副生成物
が付着しやすい環境にある。そして、一旦付着物が発生
すると、ガス噴射ヘッドを保温していても、付着物表面
がヒータからの輻射熱を受け、次第に変質してガス噴射
ヘッドから剥離し、基板へのパーティクル源となってし
まう。

【０００７】本発明は、上述した事情に鑑みて為された
もので、原料ガスを付着防止ガスと分離した状態で基板
に向けて噴射することができ、しかも原料ガスの副生成
物の付着を極力防止できるガス噴射ヘッドを提供するこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、成膜室内に配置された基板に向けて成膜用の原料ガ
スを噴射するガス噴射ヘッドにおいて、前記基板に対向
して配置されたノズル盤を有し、前記ノズル盤には、原
料ガスを前記基板に噴射する原料ガス噴射ノズルと、付
着防止ガスを前記ノズル盤の表面に沿って流す付着防止
ガス噴射ノズルとが設けられていることを特徴とするガ
ス噴射ヘッドである。

【０００９】これにより、ガス噴射ヘッドのノズル盤の
表面への原料や反応生成物の付着を簡単な構成で効率的
に防止し、円滑な稼動と品質の高い成膜を行なうことが
できる。付着防止ガスとしては、ガス自体が付着物を含
まないあるいは生成しないものであれば適宜のものを用
いることができ、不活性ガスが最も好適であるが、原料
ガスの一部や酸化ガス等であっても、上記の条件を満た
せば用いることができる。この場合、これらガスは基板
への成膜に用いられることになり、付着防止の専用ガス
は不要になる。原料ガスや酸化ガスを不活性ガスと混合
して用いても良い。

【００１０】請求項２に記載の発明は、前記付着防止ガ
ス噴射ノズルには、付着防止ガスをノズル盤の表面に沿
った方向に偏向させる偏向部材が設けられていることを
特徴とする請求項１に記載のガス噴射ヘッドである。こ
れにより、簡単な構成でノズル盤の表面に沿った付着防
止ガスの流れを形成することができる。偏向部材として
は、例えば、円錐面を有するコーン状の部材等が好適で
ある。偏向部材はノズル盤に接触させて温度を適宜に維
持することが好ましい。偏向部材を多孔質体で構成して
それ自体への付着を防止するようにようにしてもよい。
偏向部材の下面をノズル盤の下面より凹ませて付着を防
止してもよい。

【００１１】請求項３に記載の発明は、前記付着防止ガ
スの温度を調整する温度調整機構が設けられていること
を特徴とする請求項１に記載のガス噴射ヘッドである。
これは、成膜室に供給されるガスの急激な温度の変化を
防止するために、あるいはノズル盤の表面の温度が過熱
されないように制御するために用いることができる。

【００１２】請求項４に記載の発明は、前記原料ガス噴
射ノズルと前記付着防止ガス噴射ノズルが同軸の２流体
ノズルとして構成されていることを特徴とする請求項１
に記載のガス噴射ヘッドである。これにより、付着防止
ガス噴射ノズルの配置スペースの節約と、付着防止ガス
自体を原料ガスと混合して用いる際の均一性の向上を図
ることができる。もちろん、原料ガス噴射ノズルと付着
防止ガス噴射ノズルとを別に、例えば、交互に配置して
もよい。

【００１３】請求項５に記載の発明は、請求項１ないし
４に記載のガス噴射ヘッド及び基板を保持する基板保持
台とを有する気密な成膜室と、ガス噴射ヘッドに原料ガ
ス及び付着防止ガスを供給するガス供給源と、成膜室内
から不要ガスを排気する排気装置とを有することを特徴
とする成膜装置である。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図１ないし図３を参照し
て、本発明の第１の実施の形態を説明する。この第１の
実施の形態の薄膜気相成長装置は、気密な成膜室１０を
構成する容器本体１２と、容器底部１４の中央に開口す
る筒状部１６内を昇降可能な基板保持台（サセプタ）１
８と、容器本体１２の頂部に取り付けられたガス噴射ヘ
ッド（シャワーヘッド）２０とを備えている。

【００１５】これら容器本体１２、容器底部１４及び筒
状部１６とガス噴射ヘッド２０には、オイルのような熱
媒体を流通させる熱媒体流路２２，２４，２６，２８
ａ，２８ｃが形成され、これらの流路は外部熱媒体配管
３０を介して、ポンプ等の抽送手段３２、及びヒータ等
の加熱手段３４からなる熱媒体ユニット３６に流通して
いる。また、必要箇所を冷却するために冷却水循環ユニ
ットが設けられている（図示せず）。容器底部１４に
は、生成ガスを排気する排気孔３８が開口し、これは図
示しない真空ポンプに連結している。

【００１６】基板保持台１８は成膜室１０の下方に配置
された昇降装置４２に支持軸４０を介して連結され、こ
れにより筒状部１６の中を昇降する。筒状部１６の所定
高さには、搬送用のロボット４４を有するロボット室４
６に向かう位置に基板搬送口４８が開口しており、これ
は通路５０を介してロボット室４６のゲート５２に接続
されている。この基板搬送口４８にはパージガス供給口
５４が開口している。基板保持台１８には基板Ｗを加熱
するためのヒータ５６が設けられ、所定位置に取り付け
られた基板温度センサの検出値に基づいてヒータ５６へ
の電力を調整して基板温度を一定に維持するようにして
いる。

【００１７】ガス噴射ヘッド２０は、図２に詳細に示す
ように、成膜対象の基板Ｗに対向して配置されるノズル
盤６０と、背板６２及び周壁６４とによって中空円盤状
に形成された噴射ヘッド本体６６から構成されている。
この噴射ヘッド本体６６の内部には円盤状の中空体６８
がノズル盤６０、背板６２及び周壁６４から間隔をおい
て配置され、この噴射ヘッド本体６６と中空体６８との
間に付着防止ガス空間７０が形成されている。中空体６
８の内部にも円板状の仕切板６９が中空体６８の上下壁
及び側壁９４から間隔をおいて配置されており、ここに
原料ガス空間７２が形成されている。

【００１８】噴射ヘッド本体６６の背板６２側には、各
ガス空間７２，７０に例えば高誘電体又は強誘電体薄膜
を形成するための有機金属化合物を含む原料ガスと、例
えば酸化ガス等のその付着防止ガスを個別に供給するガ
ス供給配管７４が接続されている。ガス供給配管７４は
同軸の多重管であり、中心にはノズル盤面に達する熱電
対（温度センサ）７６が挿入され、その外側に原料ガス
空間７２に通じる原料ガス流路８４が、さらにその外側
に付着防止ガス空間７０に通じる付着防止ガス流路８２
が形成されている。

【００１９】ノズル盤６０には、全面に渡って均等な間
隔をおいてガス噴射ノズル７７が設けられている。この
ガス噴射ノズル７７は、付着防止ガス噴射ノズル７８と
原料ガス噴射ノズル８８からなる同軸の２流体ノズルと
して構成されている。ガス噴射ノズル７７を取り囲むよ
うに熱媒体流路２８ａが形成されており、これには入口
２８ｂから熱媒体が供給され、出口２８ｂ’から外部に
排出されるようになっている。原料ガス噴射ノズル８８
は、付着防止ガス空間７０中を延びて中空体６８の底板
８０の対応する位置に形成された開口８６に固着されて
いる。

【００２０】付着防止ガス噴射ノズル７８は、原料ガス
以外の付着防止ガス、すなわち、この例では酸化ガス噴
射用のもので、その先端には、ガスの流れの方向に沿っ
て円錐状に拡径してガスを放射状に拡散させる拡散部７
８ａが形成されている。一方、原料ガス噴射ノズル８８
は、原料ガス噴射用のもので、直線状に延びる円筒管で
構成されている。原料ガス噴射ノズル８８の先端には、
拡散部７８ａの形状に沿った形状の、例えば焼結体のよ
うな多孔質体で構成された拡散コーン９０が、その下面
がノズル盤６０の下面と略面一となるように固着されて
いる。従って、付着防止ガス噴射ノズル７８の拡散部７
８ａの内面と拡散コーン９０との間には、下流に向かっ
て円錐状に急速に拡がる管状流路９２が形成されてい
る。この拡散コーン９０には、円周方向に沿った所定の
間隔をおいて付着防止ガス噴射ノズル７８の壁面に接触
するリブ９０ａが設けられ、また中心部には、原料ガス
噴射ノズル８８に連通するガス噴射口９０ｂが設けられ
ている。

【００２１】噴射ヘッド本体６６の各ガス空間７０，７
２は、それぞれ中空体６８及び仕切板６９によって上下
に区画されており、それぞれガス供給配管７４のガス流
路８２，８４から個別に供給された原料ガス及びその付
着防止ガスは、上側のガス空間を径方向外側に流れた
後、周壁６４及び９４で反転して下側のガス空間に外側
縁部から流入する。これにより、それぞれの下側ガス空
間において、ノズルの配置密度に応じたガス流速分布が
達成され、ノズルからの流量が均等化される。

【００２２】なお、噴射ヘッド本体６６の形状はこれに
限られるものではなく、２つのガス空間を単純な２層の
円盤状空間に形成してもよく、また、仕切板６９の代わ
りに微細孔が形成されたガス分配板を用いても良い。さ
らに、噴射ヘッド本体６６の全体を下側に拡径する円錐
形状に形成してもよい。

【００２３】周壁６４の内面、背板６２の上面、ガス供
給配管７４の外面を覆うように外被９６が設けられ、こ
れと周壁６４の間にはシールリング９８が配されて内部
を密閉している。この外被９６と背板６２の上面及びガ
ス供給配管７４の外面の間には、図２に示すように熱媒
体流路２８ｃが形成されており、ガス供給配管７４と噴
射ヘッド本体６６内を流れる原料ガス及びその付着防止
ガスを加熱している。

【００２４】このように構成されたガス噴射ヘッド２０
の作用を説明する。原料ガスとその付着防止ガス（この
例では酸化ガス）は、図示しない供給源からガス供給配
管７４にそれぞれ導入される。原料ガスは、例えば、Ｂ
a（ＤＰＭ）_２、Ｓr（ＤＰＭ）_２及びＴｉ（ｉ−ＯＣ_３
Ｈ_７）_４等の有機金属化合物を溶剤に溶解して気化し、
Ａr等のキャリアガスと混合したものであり、酸化ガス
は、例えば、Ｏ_２，Ｎ _２Ｏ，Ｈ_２Ｏ等の酸素含有ガス、
あるいはこれにオゾナイザにより生成されたオゾン（Ｏ
_３）を含むようにしたものである。

【００２５】反応ガスのうち、酸化ガスは、ガス供給配
管７４の付着防止ガス流路８２から付着防止ガス空間７
０に、原料ガスは、ガス供給配管７４の原料ガス流路８
４から原料ガス空間７２に、それぞれ上側ガス空間を一
旦外側に流れてから下側ガス空間に中心に向かって流れ
て導入される。そして、酸化ガスは、ノズル盤６０の各
付着防止ガス噴射ノズル７８から基板Ｗに向けて噴射さ
れ、原料ガスは、底板８０の各開口８６に設けられた原
料ガス噴射ノズル８８から噴射される。

【００２６】この時、酸化ガスの多くは、付着防止ガス
噴射ノズル７８の先端を拡散部７８ａの内面と拡散コー
ン９０との間に形成された円錐状に拡がる管状流路９２
に沿って流れた後に成膜室１０内に噴射されて水平方向
に一様に拡散し、噴射ヘッド本体６６の下面に沿って流
れて下面を覆う。一方、原料ガスは、原料ガス噴射ノズ
ル８８から拡散コーン９０のガス噴射口９０ｂ内を通過
して略直下方に噴射される。これにより、原料ガスが噴
射ヘッド本体６６の下面側に流入することが阻止され
て、原料ガスの副生成物の噴射ヘッド本体６６の下面へ
の付着が極力防止される。そして、噴射ヘッド本体６６
の下面に沿って流れた酸化ガスは、原料ガス噴射ノズル
８８から略直下方に噴射された原料ガスに巻き込まれ
て、成膜室１０内部の空間をさらに基板Ｗに向けて下降
しつつ効率よく混合される。

【００２７】この実施の形態では、拡散コーン９０を焼
結体で構成することで、拡散コーン９０の内部を微量の
酸化ガスが流れて拡散コーン９０の下面から流れ出して
おり、拡散コーン９０自体の下面への副生成物の付着が
防止される。

【００２８】熱媒体は、熱媒体ユニット３６から外部熱
媒体配管３０を介してノズル盤６０、周壁６４、及び外
被９６と背板６２の間の熱媒体流路２８に供給すること
により、各部を所定温度に維持する。特に、拡散コーン
９０は、基板保持台１８内に内蔵されたヒータ５６の輻
射熱を受けるが、これをリブ９０ａを介してノズル盤６
０に接触させてノズル盤６０への熱移動によって冷却す
ることで、この異常加熱が防止される。

【００２９】なお、拡散コーン９０の温度が上昇しすぎ
る場合には、酸化ガスの温度を熱媒体の温度、あるいは
原料ガスの温度よりも下げた状態で供給することによ
り、拡散コーン９０を原料ガスの副生成物の付着が発生
しにくいような温度に維持するようにしてもよい。

【００３０】図４は、本発明の第２の実施の形態のガス
噴射ヘッドを示すもので、拡散コーン９０はその下面が
ノズル盤６０の下面よりやや凹んだ位置に位置するよう
に配置されている。この場合は、拡散コーン９０の下面
の面積を減少させて、下面への副生成物の付着をより少
なくする。

【００３１】図５は、本発明の第３の実施の形態のガス
噴射ヘッドを示すもので、これは酸化ガス噴射用の付着
防止ガス噴射ノズル７８と原料ガス噴射用の原料ガス噴
射ノズル８８とが同軸の二重ノズルではなく、別個のノ
ズルとして噴射ヘッド本体６６の下面に交互に配置され
ている例である。つまり、付着防止ガス噴射ノズル７８
の先端の拡散部７８ａには、中実の拡散コーン９０が配
置され、原料ガス噴射ノズル８８は、付着防止ガス噴射
ノズル７８と異なる位置において中空体６８の底板８０
の開口８６に固着されている。

【００３２】この実施の形態においては、原料ガスと酸
化ガス（付着防止ガス）は、噴射ヘッド本体６６の下面
から交互に噴射され、付着防止ガス噴射ノズル７８から
噴射された酸化ガスは、噴射ヘッド本体６６の下面に沿
って流れて下面を覆い、一方、原料ガスは、原料ガス噴
射ノズル８８から略直下方に噴射される。これにより、
酸化ガスが原料ガスの噴射ヘッド本体６６の下面側への
流入を阻止するように作用する。噴射ヘッド本体６６の
下面に沿って流れた酸化ガスは、隣接する原料ガス噴射
ノズル７８から略直下方に噴射された原料ガスに巻き込
まれて、成膜室１０内部の空間をさらに基板Ｗに向けて
下降しつつ効率よく混合される。

【００３３】なお、上述した実施の形態においては、付
着防止ガスとして酸化ガスを使用した例を示している
が、酸化ガスだけではガス量が不足する場合には、適当
な不活性ガスを混合して用いればよい。また、付着防止
ガスとして付着しやすい成分を含まない不活性ガスを使
用し、これを原料ガスと分離した状態で導入してガス噴
射ヘッドの下面から噴出させ、この不活性ガス等でガス
噴射ヘッドの下面を覆うようにしてもよい。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
原料ガスを付着防止ガスと分離した状態で基板に向けて
噴射してパーティクルの発生を防止し、しかも原料ガス
がヒータからの輻射熱を受けるガス噴射ヘッドの下面に
流入することを阻止して下面への原料ガスの副生成物の
付着を極力防止することができ、これにより、高・強誘
電体等の比較的不安定な原料ガスを用いる成膜を、安定
的にかつ品質良く行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の気相成長装置の概
略を示す断面図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態のガス噴射ヘッドの
断面図である。

【図３】図２の要部を拡大して示す要部拡大断面図であ
る。

【図４】本発明の第２の実施の形態のガス噴射ヘッドの
要部を拡大して示す断面図である。

【図５】本発明の第３の実施の形態のガス噴射ヘッドの
要部を拡大して示す断面図である。

【図６】成膜装置の全体構成を示す図である。

【符号の説明】

１０ 成膜室 １８ 基板保持台 ２０ ガス噴射ヘッド ３６ 熱媒体ユニット ３８ 排気孔 ６０ ノズル盤 ７８ 付着防止ガス噴射ノズル ８８ 原料ガス噴射ノズル ９０ 拡散コーン（偏向部材） ９０ａ リブ Ｗ 基板

フロントページの続き (72)発明者 鈴木 秀直 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 (72)発明者 荒木 裕二 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 Ｆターム(参考） 4K030 AA11 AA14 BA42 BA46 EA05 EA06 KA25 KA41 LA01 LA15 5F045 AB40 AC07 AC11 BB15 DP03 EE14 EE20 EF05 EF13 EJ05

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 成膜室内に配置された基板に向けて成膜
   用の原料ガスを噴射するガス噴射ヘッドにおいて、 前記基板に対向して配置されたノズル盤を有し、 前記ノズル盤には、原料ガスを前記基板に噴射する原料
   ガス噴射ノズルと、付着防止ガスを前記ノズル盤の表面
   に沿って流す付着防止ガス噴射ノズルとが設けられてい
   ることを特徴とするガス噴射ヘッド。
2. 【請求項２】 前記付着防止ガス噴射ノズルには、付着
   防止ガスをノズル盤の表面に沿った方向に偏向させる偏
   向部材が設けられていることを特徴とする請求項１に記
   載のガス噴射ヘッド。
3. 【請求項３】 前記付着防止ガスの温度を調整する温度
   調整機構が設けられていることを特徴とする請求項１に
   記載のガス噴射ヘッド。
4. 【請求項４】 前記原料ガス噴射ノズルと前記付着防止
   ガス噴射ノズルが同軸の２流体ノズルとして構成されて
   いることを特徴とする請求項１に記載のガス噴射ヘッ
   ド。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４に記載のガス噴射ヘッ
   ド及び基板を保持する基板保持台とを有する気密な成膜
   室と、 ガス噴射ヘッドに原料ガス及び付着防止ガスを供給する
   ガス供給源と、 成膜室内から不要ガスを排気する排気装置とを有するこ
   とを特徴とする成膜装置。