JP3649698B2

JP3649698B2 - Chemical vapor deposition apparatus and chemical vapor deposition method

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Publication number: JP3649698B2
Application number: JP2002054338A
Authority: JP
Inventors: 英昭島村
Original assignee: 株式会社半導体先端テクノロジーズ
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2005-05-18
Anticipated expiration: 2022-02-28
Also published as: JP2003257871A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学気相成長装置および化学気相成長法に関し、より詳しくは、材料ガスの流量を正確に測定することにより適正量の材料ガスを成膜チェンバに送ることのできる化学気相成長装置および化学気相成長法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体基板表面に原料となるガスを流して化学反応を起こし、所定の組成を有する膜を形成する化学気相成長法（ＣＶＤ法）において、液体状態で貯蔵された原料を気化させることにより原料ガスを安定供給する、液体材料気化供給装置を備えた化学気相成長装置が広く用いられている。図１４および図１５に従来の液体材料気化供給装置の例を示す。
【０００３】
図１４の液体材料気化供給装置１４は、液体材料をN_２またはＨｅ若しくはＡｒ等の不活性ガスをキャリアとしてその気流中で加熱気化させる気化器を備える。
【０００４】
図１４において、タンク１４０２内の液体材料１４０３は、圧力源としての圧送用ガス１４０１により、配管１４０４および配管１４０６を介して気化器１４０７に圧送される。圧送用のガスとしては、例えばＨｅガスが使用される。配管１４０４と配管１４０６の間には、液体材料１４０３の流量を制御する液体流量制御器（ＬＭＦＣ：ＬｉｑｕｉｄＭａｓｓＦｌｏｗＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ、以下ＬＭＦＣという）１４０５が配設されている。
【０００５】
気化器１４０７の内部には液体材料１４０３を十分に気化可能な温度に加熱する部位（図示せず）が存在し、液体材料１４０３は該加熱部位に導入されて気化する。また、該加熱部位には配管１４１４および配管１４１６を介してキャリアガス１４１３も導入される。配管１４１４と配管１４１６の間には気体流量制御器（ＧＭＦＣ：ＧａｓＭａｓｓＦｌｏｗＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ、以下ＧＭＦＣという）１４１５が配設されていて、キャリアガス１４１３の流量を制御する。
【０００６】
気化した液体材料１４０３は材料ガスとなって、キャリアガス１４１３とともに配管１４０８および配管１４１０を介して成膜チェンバ１４１１に送られる。配管１４０８と配管１４１０の間には気体流量メータ（ＧＭＦＭ：ＧａｓＭａｓｓＦｌｏｗＭｅｔｅｒ、以下ＧＭＦＭという）１４０９が配設されていて、材料ガスとキャリアガスとの混合ガスの流量を測定する。ＧＭＦＭ１４０９からの信号１４１７は、制御機構１４１８に入力される。
【０００７】
配管１４０８、ＧＭＦＭ１４０９および配管１４１０は材料ガスが再び液化することのないよう、温度保持機構（図示せず）によって高温に保持されている。この温度は材料ガスにより異なるが、例えば６０℃〜２００℃である。成膜を行わないときは、配管１４１２を通じて材料ガスおよびキャリアガスを排気する。
【０００８】
気化器１４０７から送り出される材料ガスの流量は、ＬＭＦＣ１４０５を製造レシピの値に設定して液体材料１４０３の流量により制御する場合もあるが、制御機構１４１８がＧＭＦＭ１４０９からの出力１４１７に基いて気化器１４０７に信号１４２０を入力し、直接に気化器１４０７内の配管１４０８へ接続するバルブ（図示せず）の開閉を制御することによって成膜チェンバ１４１１に送るガスの流量を制御する場合もある。
【０００９】
図１５の液体材料気化供給装置１５は、液体材料をバブリングにより気化させるバブリング用のタンク（以下、バブラという）を備える。
【００１０】
液体材料１５０６はバブラ１５０５内に貯蔵されており、ヒータ１５１２により加熱されて蒸気圧が高められ、配管１５０２および配管１５０４を介して導入されたキャリアガス１５０１によりバブリングされて気化する。キャリアガス１５０１としてはＮ_２またはＨｅ若しくはＡｒ等の不活性ガスが使用され、バブラ１５０５内に導入されるキャリアガス１５０１の流量は、配管１５０２と配管１５０４の間に配設されたＧＭＦＣ１５０３によって制御される。
【００１１】
気化した材料ガスは、キャリアガス１５０１とともに配管１５０７および配管１５０９を介して成膜チェンバ１５１０に送られる。配管１５０７と配管１５０９の間にはＧＭＦＭ１５０８が配設されていて、材料ガスおよびキャリアガス１５０１の流量を測定することにより、適正量のガスが成膜チェンバ１５１０に送られるように制御する。
【００１２】
配管１５０７、ＧＭＦＭ１５０８および配管１５０９は材料ガスが再び液化することのないよう、温度保持機構（図示せず）によって高温に保持されている。この温度は材料ガスにより異なるが、例えば６０℃〜２００℃である。成膜を行わないときは、配管１５１１を通じて材料ガスおよびキャリアガスを排気する。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記いずれの液体材料気化供給装置においても、半導体基板表面に所定の組成を有する信頼性の高い膜を安定して形成するためには、気化器から成膜チェンバに送られる材料ガスの流量を精密に制御することにより成膜条件に応じた適正量の材料ガスを成膜チェンバ内の半導体基板に供給する必要がある。しかしながら、従来のＧＭＦＭによる材料ガスの流量測定では、以下のような問題があった。
【００１４】
第１に、使用する材料ガスの流量に対してキャリアガスの流量が数倍〜数千倍と多いことから、測定対象である材料ガスのスペクトル強度がキャリアガスのスペクトル強度に対して非常に弱くなる上にノイズとの分離も難しくなるため、材料ガスの流量を精度よく測定することができなかった。図１２に従来のＧＭＦＭによる測定例を示す。図より、キャリアガスのスペクトル強度に比べて材料ガスのスペクトル強度が非常に小さいことがわかる。
【００１５】
第２に、液体材料気化供給装置においてはＧＭＦＭが高温下に曝されるために、用いる電気部品の材料として高耐熱性を有する材料であることが必要とされ、汎用材料を使用することができなかった。また、センサ部での温度は保温温度よりも更に高温になるために、センサキャピラリ部で材料ガスが分解することにより流量測定ができなくなる場合があった。さらに、かかる材料ガスの熱分解により不純物が発生する場合もあった。
【００１６】
第３に、従来の液体材料気化供給装置では、ＬＭＦＣで液相材料の流量を制御することによって、成膜チェンバに送る材料ガスの流量を制御していた。しかしながら、例えばＬＭＦＣで制御された流量の液体材料が全て気化器で気化したとしても、その後で冷却されて再度液化した場合には、実際に成膜チェンバに送られる材料ガスの流量はＬＭＦＣでの設定値よりも少なくなる。
【００１７】
図１３は、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏ−ＰｈｏｓｐｈｏＳｉｌｉｃａｔｅＧｌａｓｓ）膜をシリコンウェハ上に形成した場合において、膜厚方向でのホウ素およびリンの濃度分布を示したものである。図１３（１）は理想的な濃度分布を示したものであり、一方、図１３（２）は従来の液体材料気化供給装置を用いて成膜した場合の濃度分布を示したものである。図において横軸はＢＰＳＧ膜の膜厚を表しており、膜厚ゼロがシリコンウェハの表面に相当する。一方、縦軸はＢＰＳＧ膜中でのホウ素およびリンの濃度を表していて、これらの濃度は図１３（１）に示すように、ＢＰＳＧ膜の膜厚に依存せずにそれぞれ一定の値をとることが望ましい。しかし、図１３（２）からわかるように、従来の液体材料気化供給装置を用いて成膜した場合には、ホウ素およびリンの濃度はともにある膜厚から減少している。これは、ホウ素含有有機ガスおよびリン含有有機ガスが気化器で気化した後に、例えば気化器内のいずれかの場所において冷却されることによって液化したために、成膜チェンバに導入されるこれらガスの流量が減少したことによるものである。
【００１８】
したがって、上記のような場合、ＬＭＦＣによる制御のみでは成膜チェンバに送る材料ガスの流量を十分に制御することはできないことから、従来より、気化器を通過した後の材料ガスの流量をＧＭＦＭで測定し、測定結果をフィードバックすることによりＬＭＦＣを制御する方法がとられている。しかしながら、前述のように、ＧＭＦＭにおける材料ガスの信号はキャリアガスの信号に比べて非常に弱いためにＬＭＦＣで設定した材料ガスの流量とＧＭＦＭで測定した材料ガスの流量との差を補足することは困難であり、結果として設定値とは異なる流量の材料ガスが成膜チェンバへ送られることになるという問題があった。
【００１９】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものである。即ち、本発明は、材料ガスの流量を正確に測定することにより適正量の材料ガスを成膜チェンバに送ることのできる液体材料気化供給装置を有する化学気相成長装置および化学気相成長法を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本願請求項１に係る発明は、液体材料を気化して材料ガスを発生させる気化器と、前記気化器に導入する前記液体材料を所望の流量に制御する液体流量制御器と、キャリアガス源から前記気化器に導入するキャリアガスの流量を検出するとともに制御するガス流量制御器と、前記気化器からの前記材料ガスおよび前記キャリアガスを導入して、収納された基板上に成膜する成膜チェンバと、前記気化器と前記成膜チェンバを接続する配管に設けられ、前記材料ガスの赤外線透過率を測定する赤外線センサと、前記赤外線センサで測定した赤外線透過率と前記ガス流量制御器によって検出したキャリアガスの流量とから前記材料ガスの流量を算出して設定値と比較し、この比較結果に基づいて前記気化器から前記成膜チェンバに導入する前記材料ガスの流量を、前記気化器のバルブの開閉を制御することによって、または、前記材料ガスの流量が前記設定値に対して所定の許容範囲を超えた場合に警報信号を発生させることによって制御する制御機構とを備えたことを特徴とする。
【００２１】
本願請求項２に係る発明は、請求項１に記載の化学気相成長装置において、前記液体材料は２種類以上あり、前記気化器および前記キャリアガス源は前記液体材料に対応して２以上配置され、前記気化器で発生する前記２種類以上の材料ガスの合流位置と前記成膜チェンバの間に１の前記赤外線センサが配置されることを特徴とする。
【００２２】
本願請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の化学気相成長装置において、前記赤外線センサは、発光部からの赤外線を前記材料ガスを充満させたセル内を通過させて受光部で受けることにより、前記材料ガスについての赤外線透過率Ｔを測定する手段と、透過率Ｔと設定値Ｔ_１とを比較して、Ｔ＞Ｔ_１である場合には、透過率Ｔから、前記セル内に前記材料ガスがない状態での透過率であるバックグラウンドの透過率を差し引く補正をする手段と、Ｔ＜Ｔ_１である場合には、警報信号を発して測定を中止する手段とを含むことを特徴とする。
【００２３】
本願請求項４に係る発明は、請求項３に記載の化学気相成長装置において、前記赤外線センサがさらに前記発光部からの赤外線を反射させて前記受光部に入射させる反射部を有することにより、前記発光部から前記受光部までの光路長を変えることができることを特徴とする。
【００２４】
本願請求項５に係る発明は、請求項４に記載の化学気相成長装置において、前記反射部が金属蒸着した鏡であることを特徴とする。
【００２５】
本願請求項６に係る発明は、請求項４に記載の化学気相成長装置において、前記反射部がハーフミラーであることを特徴とする。
【００２６】
本願請求項７に係る発明は、請求項３に記載の化学気相成長装置において、前記材料ガスの進行方向に対する前記セルの断面積が、前記気化器から前記セルに前記材料ガスを導入する配管部の断面積および前記セルから前記成膜チェンバへ前記材料ガスを排出する配管部の断面積より大きいことを特徴とする。
【００２７】
本願請求項８に係る発明は、液体流量制御器を介して導入された所定の流量の液体材料を気化して材料ガスを発生させる気化器に、キャリアガス源からガス流量制御器を介してキャリアガスを導入し、そして前記材料ガスおよび前記キャリアガスを前記気化器から成膜チェンバに供給して基板上に成膜する化学気相成長法において、前記気化器と前記成膜チェンバとを接続する配管に設けた赤外線センサで前記材料ガスの赤外線透過率測定を行い、該透過率と前記ガス流量制御器によって検出される前記キャリアガスの流量とから前記材料ガスの流量を算出するとともに該流量と設定値とを比較し、この比較結果に基いて前記気化器から前記成膜チェンバに供給する前記材料ガスの流量を、前記気化器のバルブの開閉を制御することによって、または、前記材料ガスの流量が前記設定値に対して所定の許容範囲を超えた場合に警報信号を発生させることによって制御する化学気相成長法であることを特徴とする。
【００２８】
本願請求項９に係る発明は、請求項８に記載の化学気相成長法において、前記赤外線透過率測定は、発光部からの赤外線を前記材料ガスを充満させたセル内を通過させて受光部で受けることにより、前記材料ガスについての赤外線透過率Ｔを測定する処理と、透過率Ｔと設定値Ｔ_１とを比較する処理と、前記比較した結果がＴ＞Ｔ_１である場合には、透過率Ｔから、前記セル内に前記材料ガスがない状態での透過率であるバックグラウンドの透過率を差し引く補正をする処理と、前記比較した結果がＴ＜Ｔ_１である場合には、警報信号を発して測定を中止する処理とを含むことを特徴とする。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００３０】
実施の形態１
図１は、本発明の実施の形態１に係る液体材料気化供給装置の一例を示したものである。図１において、液体材料気化供給装置１は、液体材料を貯蔵するタンク１０１、液体材料を気化する気化器１０５、キャリアガスを供給する供給系１０６および成膜チェンバ１１３を有する。タンク１０１内の液体材料は配管１０２および配管１０４を介して気化器１０５に導入される。配管１０２と配管１０４の間にはＬＭＦＣ１０３が配設され、気化器１０５に導入される液体材料が所望の量となるように液体材料の流量を制御する。一方、供給系１０６からキャリアガスが配管１０７および配管１０９を介して気化器１０５に導入される。配管１０７と配管１０９の間にはＧＭＦＣ１０８が配設されていて、気化器１０５に導入されるキャリアガスの流量が制御される。キャリアガスとしては、例えば、Ｈｅ、Ａｒ等の不活性ガスやＮ_２ガスを用いることができる。
【００３１】
気化器１０５で気化した材料ガスとキャリアガスとの混合ガスは、配管１１０および配管１１２を介して成膜チェンバ１１３に送られる。配管１１０と配管１１２の間には赤外線センサ（以下、ＩＲセンサという）１１１が配設されていて、材料ガスの流量を検出するのに用いる。ここで、赤外線はＨｅ，Ａｒ等の不活性ガスに対しては原理的に感度がないことから、キャリアガスとして不活性ガスを用いた場合、材料ガスに対してキャリアガスの量がいかに多くとも材料ガスの流量検出の妨げとなることはない。図２に、ＩＲセンサによる測定例を示す。図より、ＩＲセンサは材料ガスのみ検出し、キャリアガスについては検出しないことがわかる。
【００３２】
一方、赤外線はＮ_２に対しては感度を有する。したがって、キャリアガスとしてＮ_２を使用する場合には、材料ガス検出の妨げとなるおそれがある。しかし、かかる場合であっても材料ガスの波数を適当に選択すれば、上記不活性ガスの場合と同様に、Ｎ_２からの信号による妨げを受けることなく材料ガスを検出することができる。
【００３３】
ＩＲセンサ１１１からの出力１１５は制御機構１１６に送られ、制御機構１１６内の演算機能によって測定結果はリアルタイムでフーリエ変換されて材料ガスごとに特有のスペクトル強度が算出される。一方、予め材料ガスの流量とスペクトル強度との関係を実験により求めておく。ここで、図３は、キャリアガス流量を変えた場合の材料ガスの流量とスペクトル強度との関係の一例を示したものである。図より、材料ガスの流量が同じであってもキャリアガスの流量によってスペクトル強度が変化することがわかる。これは、キャリアガスの量を変えることによって混合ガス中に占める材料ガスの濃度が変化することによるものである。したがって、スペクトル強度から材料ガスの流量を求めるためには、予め、キャリアガスの流量に応じた材料ガス流量値とスペクトル強度との関係を把握することが必要である。
【００３４】
上記関係を求めることにより、上記制御機構１１６によって算出されたスペクトル強度と、ＧＭＦＣ１０８からの出力値１１７によって把握されるキャリアガスの流量とから、実際に気化器１０５から発生する材料ガスの流量を求めることができる。そして、この値を制御機構１１６から気化器１０５に信号１１８によってフィードバックし、成膜条件に適した流量となるように、気化器１０５のバルブ（図示せず）の開閉を制御する。
【００３５】
制御機構１１６は、前記フィードバックする構成ではなく、制御機構１１６で求まる材料ガスの流量を監視し、材料ガスの流量が設定値に対して所定の許容範囲を超えた場合には警報信号を発するような構成としてもよい。
【００３６】
図４は、本実施の形態に係るＩＲセンサの平面図を示す。ＩＲセンサ３は、セル３０２、発光部３０４、受光部３０５を有する。材料ガスとキャリアガスの混合ガスは、気化器（図示せず）より配管１１０を通じて矢印Ａの方向に進行し、セル３０２に導入される。赤外線３０３は、発光部３０４から出てセル３０２の長手方向の一端に取り付けられた透過窓３０６を透過し、セル３０２内を長手方向に沿って進行した後、セル３０２の長手方向の他端に取り付けられた透過窓３０６′を透過して受光部３０５に到達する。
【００３７】
透過窓の材料としては、例えば、石英を用いることができる。腐食性ガスを含有または発生する材料ガスを用いる場合には、透過窓を構成する材料の腐食を防止するため、腐食性成分に対して耐性を有する材料を透過窓構成材料として選択する。または、透過窓の表面若しくはセル内に面する側（図４の３０６ａおよび３０６′ａ）を該材料でコーティングしてもよい。例えば、材料ガスがフッ酸を含有または発生する場合には、透過窓の表面またはセル内に面する側にシリコンコーティングする。さらに、石英を透過窓構成材料として用いた場合約５μｍより長波長の成分については透過率が低くなることから、かかる長波長の成分を透過させることが必要である場合には、例えば、ＣａＦ_２，ＢａＦ_２およびＺｎＳｅ等の蛍石構造の単結晶を用いる。
【００３８】
透過率測定の際には、材料ガスによる吸収の他に、透過窓を構成する材料自身による吸収や前記腐食防止の目的で表面コーティングした材料等による吸収（バックグラウンド）があることを考慮し、測定結果からかかるバックグラウンドの吸収を差し引く補正をする必要がある。バックグラウンドによる吸収は、セル内に材料ガスがない状態で、赤外線透過率を測定することにより求められる。一方、腐食による透過窓構成材料のエッチング等によってバックグラウンドが変動する場合があることから、かかる変動の有無を把握し、変動がある場合には変動値を把握した上で上記補正を行う必要がある。
【００３９】
透過率が変動した場合の処理方法を図５を用いて説明する。発光部として、赤外線強度が既知である光源または標準黒体炉を用いて所定の測定間隔でガスを通過させない状態での透過率を測定し、バックグラウンドの透過率Ｔを求めておく。一方、所定の基準となる透過率Ｔ_１を設定し、Ｔ＞Ｔ_１である場合には測定を行うこととしてガスを通過させた状態での透過率を求め、測定結果からバックグラウンドの吸収を差し引く補正をすることにより、材料ガスによる吸収を算出する。一方、Ｔ＜Ｔ_１である場合には警報信号を発して測定を中止し、バックグラウンドが大きく変動している原因を究明した後、透過窓を交換するなどの対策を行う。以上のルーチンを所定のタイミングで繰り返し、測定結果を制御機構に送る。
【００４０】
材料ガスの濃度が低い場合、分光測定においては一般に光路長を長くする方法がとられる。しかしながら、セルの長さを長くすることにより光路長を長くしようとする場合には、気化器から成膜チェンバまでの距離が長くなることになるため、温度が低下することによる材料ガスの液化が起こるおそれがある。
【００４１】
本発明によれば、図６の例に示すように、反射板を設け、赤外光を反射させることにより実効的な光路長を長くする方法をとる。図６では、発光部６０４から出た赤外線６０３は透過窓６０６および６０６′を透過した後、反射板６０７′で反射し、再び透過窓６０６′および６０６を透過する。そして、また反射板６０７で反射する。これを複数回繰り返した後に受光部６０５に達して、所望の光路長での測定とする。反射板としては、例えば、アルミニウム蒸着した鏡を用いることができる。反射表面をグレーティング構造としてもよい。
【００４２】
また、本発明によれば、図７の例に示すように、透過窓に適当な半透明材料を用いてハーフミラーとすることにより、透過窓間で反射させて実効的な光路長を長くしてもよい。図７では、光源７０４から出た赤外線７０３は透過窓７０６を透過してＩＲセル７０２内に入った後、透過窓７０６′で反射して進行方向を変え、再び透過窓７０６で反射する。これを複数回繰り返した後に受光部７０５に達して、所望の光路長での測定とする。
【００４３】
さらに、本発明によれば、濃度の低い材料ガスの測定をする場合、図８の例に示すように、矢印Ｂで示す材料ガスの進行方向について、セル８０２の断面積を、配管８１０および配管８１２の断面積より大きくしてもよい。図８において、配管８１０は気化器（図示せず）からセル８０２に材料ガスを導入する配管であり、配管８１２はセル８０２から成膜チェンバ（図示せず）へ材料ガスを排出する配管である。かかる構造にすることによって、混合ガスのセル内での滞留時間を長くして見かけの材料ガスの濃度を大きくすることができるので、スペクトル強度を大きくすることができるとともに、測定時間の短縮を図ることができる。さらに、Ｓ／Ｎ比を大きくして測定分解能の向上を図ることができる。
【００４４】
このように、ＩＲセンサを用いて気化器に導入する材料ガスの流量を成膜条件に応じた適正な値とすることにより、所定の組成を有する信頼性の高い膜を安定して形成することができる。
【００４５】
図１において、成膜に使用されないガスは配管１１４を通じて排出される。また、配管１１０、１１２およびＩＲセンサ１１１は材料ガスが再び液化することのないよう、温度保持機構（図示せず）によって高温に保持されている。この温度は材料ガスにより異なるが、例えば６０℃〜２００℃である。
【００４６】
本実施の形態は、２種類以上の材料ガスを用いて成膜する場合にも適用できる。図９に、ＢＰＳＧ膜を成膜する場合の液体材料気化供給装置９の例を示す。図では、タンク９０１にはエチルシリケート（ＴＥＯＳ：ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ、以下ＴＥＯＳという）が、タンク９２０にはホウ素含有有機液体ソースが、そしてタンク９３７にはリン含有有機液体ソースがそれぞれ貯蔵されている。これらの液体材料に対応して気化器９０５、９２４および９４１並びにキャリアガス源９０６，９２５および９４２が配置されている。各液体材料がそれぞれ材料ガスとなるまでの動作は、前記図１で説明したのと同様である。
【００４７】
図９において、気化器９０５、９２４および９４１で発生した各材料ガスの流量は、ＩＲセンサ（９１１、９３０、９４７）からの出力（９１６、９３３、９４９）とＧＭＦＣ（９０８、９２７、９４４）に基いて、制御機構（９１７、９３４、９５０）によって求められ、適正量のＴＥＯＳガス、ホウ素含有有機ガスおよびリン含有有機ガスが成膜チェンバ９１４に送られてＢＰＳＧ膜の形成に使用される。
【００４８】
実施の形態２
図１０に、本実施の形態２に係る液体材料気化供給装置１０の例を示す。図１０ではＢＰＳＧ膜を形成する場合の例を示しており、各液体材料が気化器で材料ガスとなるまでの動作は、前記図１および図９で説明したのと同様である。
【００４９】
本実施の形態では、各材料ガスごとにＩＲセンサおよび制御機構を設けるのではなく、装置全体でただ１つのみのＩＲセンサおよび制御機構を有することを特徴とする。
【００５０】
気化器１００５は、配管１００９、配管１０１０および配管１０１２を介して成膜チェンバ１０１４に接続している。また、配管１０１０と配管１０１２の間にはＩＲセンサ１０１１が配設されている。一方、気化器１０４１に接続した配管１０１６は配管１０１０に接続しており、気化器１０２４に接続した配管１０１７は配管１０１６に接続している。したがって、気化器１０２４で発生したホウ素含有有機ガスは、配管１０１７を通った後、配管１０１６において気化器１０４１で発生したリン含有有機ガスと混合する。一方、気化器１００５で発生したＴＥＯＳガスは配管１００９を通過した後、配管１０１０でホウ素含有有機ガスおよびリン含有有機ガスと混合する。そして、これらはキャリアガスとともに成膜チェンバ１０１４に送られるが、その流量はＩＲセンサ１０１１を用いて検出される。成膜に用いられないガスは配管１０１５から排出される。また、尚、材料ガスが再び液化することのないよう、各気化器から成膜チェンバまでの配管およびＩＲセンサが温度保持機構（図示せず）によって高温に保持されているのは、実施の形態１と同様である。この温度は材料ガスにより異なるが、例えば６０℃〜２００℃である。
【００５１】
ＩＲセンサ１０１１で測定されたキャリアガスを除く上記混合ガスについての測定結果は、出力１０１６として制御機構１０１７に送られ、制御機構１０１７内の演算機能によってフーリエ変換された後、分離されて、ＴＥＯＳガス、ホウ素含有有機ガスおよびリン含有有機ガスのそれぞれについてスペクトル強度が算出される。
【００５２】
尚、測定時間の短縮化を図るためには、ＩＲセンサ１０１１内の赤外線参照光の強度を強くすればよい。また、制御機構１０１７での演算機能の単一化（例えば、各材料ガスに特徴的な波数に絞った演算処理）によっても測定時間の短縮化を図ることができるとともに、該方法によればコストダウンも達成できる。
【００５３】
スペクトル強度から各材料ガスの流量を求める方法は、実施の形態1と同様である。即ち、上記制御機構１０１７によって算出されたスペクトル強度と、ＧＭＦＣ１００８、ＧＭＦＣ１０２７およびＧＭＦＣ１０４４からの各出力値（１０１８，１０３５，１０５１）によって把握されるキャリアガスの流量とから、予め求めておいたキャリアガスの流量に応じた各材料ガスの流量値とスペクトル強度との関係に基いて、ＴＥＯＳガス、ホウ素含有有機ガスおよびリン含有有機ガスのそれぞれの流量を求めることができる。
【００５４】
求めた各材料ガスの流量値は制御機構１０１７から各気化器（１００５，１０２４，１０４１）に信号１０１９、信号１０３６および信号１０５２によってフィードバックされ、成膜条件に適した流量となるように、各気化器（１００５，１０２４，１０４１）のバルブ（図示せず）の開閉が制御される。
【００５５】
制御機構１０１７は、前記フィードバックする構成ではなく、制御機構１０１７で求まる材料ガスの流量を監視し、材料ガスの流量が設定値に対して所定の許容範囲を超えた場合には警報信号を発するような構成としてもよい。
【００５６】
本実施の形態では、ＢＰＳＧ膜を成膜する場合の液体材料気化供給装置の例を示したが、本発明は本実施の形態に限定されるものではない。即ち、ＢＰＳＧ膜以外の他の膜、例えばシリコン酸化膜、タリウム酸化膜または低誘電率層間絶縁膜（ｌｏｗ−ｋＦｉｌｍ）等の成膜にも適用することができる。また、材料ガスの種類も３種類以外の２種類または４種類以上であってもよい。
【００６８】
本発明は、本発明の主旨を逸脱しない範囲で実施の形態の変更が可能である。上記実施の形態１および２では熱ＣＶＤ法についてのみ言及したが、例えばプラズマＣＶＤや減圧ＣＶＤ等のように、液体材料を気化して供給することを必要とするプロセスであれば本発明の適用が可能である。その場合、使用する液体材料に適した温度に気化器および配管等の温度を設定し、材料ガスを検出可能な波数の赤外線を用いて材料ガスの流量を検出する。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、不活性ガスや窒素ガス等のキャリアガスに混合した材料ガスの流量をキャリアガスの量にかかわらず正確に測定することができる。
【００７０】
本発明によれば、気化器で気化されて成膜チェンバに送られる材料ガスの実際の流量を正確に測定して測定結果を気化器に入力することにより材料ガスの流量を制御して、成膜チェンバに所望の流量の材料ガスを導入することができる。
【００７１】
本発明によれば、材料ガスの流量を正確に測定することができるので設定値からの測定値のずれにより、例えば材料ガスが冷却されることによる液化現象等を把握することができる。したがって、材料ガスの流量を所望の値となるように調節することによって、成膜チェンバに導入される材料ガスの流量を一定にして組成の安定した膜を基板上に形成することができる。
【００７２】
本発明によれば、材料ガスの流量を正確に測定することができるので、設定値からの測定値の変動を監視することにより、規格から外れた膜が形成されているか否かの判断を容易にすることができる。そして、外れている場合には直ちに所望の値となるように流量を調節することによって、規格外の製品の生成を最小限にとどめることができるので、製品歩留まりの向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る化学気相成長装置において、液体材料気化供給装置を示す構成図である。
【図２】ＩＲセンサによる測定例を説明する図である。
【図３】キャリアガスの流量を変えた場合の材料ガスの流量とスペクトル強度との関係の一例を示す図である。
【図４】本発明に係るＩＲセンサの平面図である。
【図５】透過率補正を説明する図である。
【図６】本発明に係るＩＲセンサの平面図である。
【図７】本発明に係るＩＲセンサの平面図である。
【図８】本発明に係るＩＲセンサの平面図である。
【図９】本発明の実施の形態１に係る化学気相成長装置において、液体材料気化供給装置を示す構成図である。
【図１０】本発明の実施の形態２に係る化学気相成長装置において、液体材料気化供給装置を示す構成図である。
【図１１】従来のＧＭＦＭによる測定例を説明する図である。
【図１２】従来の化学気相成長装置によるＢＰＳＧ膜のホウ素およびリンの濃度分布を説明する図である。
【図１３】従来の化学気相成長装置において、液体材料気化供給装置を示す構成図である。
【図１４】従来の化学気相成長装置において、液体材料気化供給装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１，９，１０，１１，１４，１５液体材料気化供給装置１０３，１４０５ＬＭＦＣ、１０８，９０８，９２７，９４４１００８，１０２７，１０４４，１４１５，１５０３ＧＭＦＣ、１０５，９０５，９２４，９４１，１００５，１０２４，１０４１，１４０７気化器、１５０５バブラ、１１１，９１１，９３０，９４７，１０１１ＩＲセンサ、１１６，９１７，９３４，９５０，１０１７制御機構、１１３，９１４，１０１４成膜チェンバ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a chemical vapor deposition apparatus and a chemical vapor deposition method. More specifically, the present invention relates to chemical vapor deposition that can send an appropriate amount of a material gas to a film forming chamber by accurately measuring the flow rate of the material gas. The present invention relates to an apparatus and a chemical vapor deposition method.
[0002]
[Prior art]
In a chemical vapor deposition method (CVD method) in which a gas that is a raw material flows on the surface of a semiconductor substrate to cause a chemical reaction to form a film having a predetermined composition, the raw material gas is vaporized by vaporizing the raw material stored in a liquid state A chemical vapor deposition apparatus equipped with a liquid material vaporization supply apparatus that stably supplies the liquid is widely used. 14 and 15 show an example of a conventional liquid material vaporizing and supplying apparatus.
[0003]
The liquid material vaporization supply device 14 in FIG.₂Alternatively, a vaporizer that heats and vaporizes in an air flow using an inert gas such as He or Ar as a carrier is provided.
[0004]
In FIG. 14, the liquid material 1403 in the tank 1402 is pumped to the vaporizer 1407 via a pipe 1404 and a pipe 1406 by a pumping gas 1401 as a pressure source. As the gas for pumping, for example, He gas is used. A liquid flow controller (LMFC: Liquid Mass Flow Controller, hereinafter referred to as LMFC) 1405 that controls the flow rate of the liquid material 1403 is disposed between the pipe 1404 and the pipe 1406.
[0005]
Inside the vaporizer 1407, there is a portion (not shown) for heating the liquid material 1403 to a temperature at which the liquid material 1403 can be sufficiently vaporized, and the liquid material 1403 is introduced into the heating portion and vaporizes. In addition, a carrier gas 1413 is also introduced into the heating portion via a pipe 1414 and a pipe 1416. A gas flow controller (GMFC: Gas Mass Flow Controller, hereinafter referred to as GMFC) 1415 is disposed between the pipe 1414 and the pipe 1416 to control the flow rate of the carrier gas 1413.
[0006]
The vaporized liquid material 1403 becomes a material gas and is sent to the film forming chamber 1411 through the pipe 1408 and the pipe 1410 together with the carrier gas 1413. A gas flow meter (GMFM: Gas Mass Flow Meter, hereinafter referred to as GMFM) 1409 is disposed between the pipe 1408 and the pipe 1410, and measures the flow rate of the mixed gas of the material gas and the carrier gas. A signal 1417 from the GMFM 1409 is input to the control mechanism 1418.
[0007]
The piping 1408, the GMFM 1409, and the piping 1410 are held at a high temperature by a temperature holding mechanism (not shown) so that the material gas is not liquefied again. Although this temperature changes with material gas, it is 60 to 200 degreeC, for example. When film formation is not performed, the material gas and the carrier gas are exhausted through the pipe 1412.
[0008]
The flow rate of the material gas delivered from the vaporizer 1407 may be controlled by the flow rate of the liquid material 1403 by setting the LMFC 1405 to the value of the manufacturing recipe, but the control mechanism 1418 is based on the output 1417 from the GMFM 1409. In some cases, the flow rate of the gas sent to the deposition chamber 1411 may be controlled by inputting a signal 1420 to the valve and controlling the opening and closing of a valve (not shown) directly connected to the pipe 1408 in the vaporizer 1407.
[0009]
The liquid material vaporization supply device 15 in FIG. 15 includes a bubbling tank (hereinafter referred to as a bubbler) that vaporizes the liquid material by bubbling.
[0010]
The liquid material 1506 is stored in the bubbler 1505, heated by the heater 1512 to increase the vapor pressure, and bubbled by the carrier gas 1501 introduced through the pipe 1502 and the pipe 1504 to be vaporized. Carrier gas 1501 is N₂Alternatively, an inert gas such as He or Ar is used, and the flow rate of the carrier gas 1501 introduced into the bubbler 1505 is controlled by the GMFC 1503 disposed between the pipe 1502 and the pipe 1504.
[0011]
The vaporized material gas is sent to the film forming chamber 1510 through the pipe 1507 and the pipe 1509 together with the carrier gas 1501. A GMFM 1508 is disposed between the pipe 1507 and the pipe 1509, and the flow rate of the material gas and the carrier gas 1501 is measured so that an appropriate amount of gas is sent to the film forming chamber 1510.
[0012]
The pipe 1507, the GMFM 1508, and the pipe 1509 are held at a high temperature by a temperature holding mechanism (not shown) so that the material gas is not liquefied again. Although this temperature changes with material gas, it is 60 to 200 degreeC, for example. When film formation is not performed, the material gas and the carrier gas are exhausted through the pipe 1511.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
In any of the above liquid material vaporization supply devices, in order to stably form a reliable film having a predetermined composition on the surface of the semiconductor substrate, the flow rate of the material gas sent from the vaporizer to the film formation chamber is precisely set. Therefore, it is necessary to supply an appropriate amount of material gas corresponding to the film formation condition to the semiconductor substrate in the film formation chamber. However, the conventional material gas flow rate measurement by GMFM has the following problems.
[0014]
First, since the flow rate of the carrier gas is several times to several thousand times higher than the flow rate of the material gas used, the spectral intensity of the measurement target material gas is very weak relative to the spectral intensity of the carrier gas. In addition, separation from noise becomes difficult, so the flow rate of the material gas cannot be measured with high accuracy. FIG. 12 shows an example of measurement by a conventional GMFM. From the figure, it can be seen that the spectral intensity of the material gas is much smaller than the spectral intensity of the carrier gas.
[0015]
Second, since GMFM is exposed to a high temperature in the liquid material vaporization and supply device, it is necessary that the material of the electrical component to be used is a material having high heat resistance, and a general-purpose material can be used. There wasn't. In addition, since the temperature at the sensor portion is higher than the heat retention temperature, the flow rate measurement may not be possible due to decomposition of the material gas at the sensor capillary portion. Furthermore, impurities may be generated by the thermal decomposition of the material gas.
[0016]
Thirdly, in the conventional liquid material vaporization supply apparatus, the flow rate of the material gas sent to the film forming chamber is controlled by controlling the flow rate of the liquid phase material by the LMFC. However, for example, even if all of the liquid material having a flow rate controlled by the LMFC is vaporized by the vaporizer, if the liquid material is cooled and then liquefied again, the flow rate of the material gas actually sent to the film forming chamber is the same as that of the LMFC. Less than the set value.
[0017]
FIG. 13 shows the concentration distribution of boron and phosphorus in the film thickness direction when a BPSG (Boro-Phospho Silicate Glass) film is formed on a silicon wafer. FIG. 13 (1) shows an ideal concentration distribution, while FIG. 13 (2) shows the concentration distribution when a film is formed using a conventional liquid material vaporizer. In the figure, the horizontal axis represents the film thickness of the BPSG film, and zero film thickness corresponds to the surface of the silicon wafer. On the other hand, the vertical axis represents the concentrations of boron and phosphorus in the BPSG film, and these concentrations take a constant value without depending on the film thickness of the BPSG film, as shown in FIG. It is desirable. However, as can be seen from FIG. 13 (2), when the film is formed using the conventional liquid material vaporizing and supplying apparatus, both the concentrations of boron and phosphorus are reduced from a certain film thickness. This is because, after the boron-containing organic gas and the phosphorus-containing organic gas are vaporized in the vaporizer, they are liquefied by being cooled, for example, anywhere in the vaporizer, so that the flow rates of these gases introduced into the film forming chamber This is due to the decrease.
[0018]
Therefore, in the above case, the flow rate of the material gas sent to the film forming chamber cannot be sufficiently controlled only by the control by the LMFC. A method of controlling the LMFC by measuring and feeding back the measurement result is employed. However, as mentioned above, the material gas signal in GMFM is much weaker than the carrier gas signal, so the difference between the material gas flow rate set by LMFC and the material gas flow rate measured by GMFM should be supplemented. As a result, there is a problem that a material gas having a flow rate different from the set value is sent to the film forming chamber.
[0019]
The present invention has been made in view of such problems. That is, the present invention relates to a chemical vapor deposition apparatus and a chemical vapor deposition method having a liquid material vaporization supply device capable of sending an appropriate amount of material gas to a film forming chamber by accurately measuring the flow rate of the material gas. The purpose is to provide.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
  The invention according to claim 1 of the present application includes a vaporizer that vaporizes a liquid material to generate a material gas;A liquid flow rate controller for controlling the liquid material introduced into the vaporizer to a desired flow rate;A gas flow rate controller for detecting and controlling the flow rate of the carrier gas introduced into the vaporizer from a carrier gas source, and the material gas and the carrier gas from the vaporizer are introduced to form a substrate on the housed substrate. Film forming chamber for film formation and vaporizerWhenAn infrared sensor that is provided in a pipe connecting the film forming chamber and measures the infrared transmittance of the material gas, the infrared transmittance measured by the infrared sensor, and the flow rate of the carrier gas detected by the gas flow controller The flow rate of the material gas is calculated and compared with a set value, and the flow rate of the material gas introduced from the vaporizer into the film forming chamber is calculated based on the comparison result.By controlling the opening and closing of the valve of the vaporizer or by generating an alarm signal when the flow rate of the material gas exceeds a predetermined allowable range with respect to the set valueAnd a control mechanism for controlling.
[0021]
The invention according to claim 2 of the present application is the chemical vapor deposition apparatus according to claim 1, wherein there are two or more types of the liquid material, and two or more of the vaporizers and the carrier gas sources are arranged corresponding to the liquid material. The one infrared sensor is arranged between a joining position of the two or more kinds of material gases generated in the vaporizer and the film forming chamber.
[0022]
The invention according to claim 3 of the present application is the chemical vapor deposition apparatus according to claim 1 or 2, wherein the infrared sensor passes the infrared rays from the light emitting part through the cell filled with the material gas to receive the light. Means for measuring the infrared transmittance T of the material gas, the transmittance T and the set value T₁And T> T₁In this case, correction means for subtracting from the transmittance T the background transmittance, which is the transmittance in the absence of the material gas in the cell, and T <T₁In this case, a means for issuing an alarm signal to stop the measurement is included.
[0023]
The invention according to claim 4 of the present application is the chemical vapor deposition apparatus according to claim 3, wherein the infrared sensor further includes a reflection part that reflects infrared light from the light emitting part and enters the light receiving part. The optical path length from the light emitting part to the light receiving part can be changed.
[0024]
The invention according to claim 5 of the present application is the chemical vapor deposition apparatus according to claim 4, wherein the reflecting portion is a metal-deposited mirror.
[0025]
The invention according to claim 6 of the present application is the chemical vapor deposition apparatus according to claim 4, wherein the reflecting portion is a half mirror.
[0026]
  The invention according to claim 7 of the present application is the chemical vapor deposition apparatus according to claim 3,The cross-sectional area of the cell with respect to the traveling direction of the material gas is a cross-sectional area of a pipe part that introduces the material gas from the vaporizer to the cell and a pipe part that discharges the material gas from the cell to the film forming chamber. Greater than cross-sectional areaIt is characterized by that.
[0027]
  The invention according to claim 8 of the present application isA predetermined flow rate introduced via the liquid flow controller.A carrier gas is introduced from a carrier gas source through a gas flow controller to a vaporizer that vaporizes a liquid material to generate a material gas, and the material gas and the carrier gas are supplied from the vaporizer to a film forming chamber. Then, in the chemical vapor deposition method for forming a film on a substrate, infrared transmittance of the material gas is measured with an infrared sensor provided in a pipe connecting the vaporizer and the deposition chamber, and the transmittance and the The flow rate of the material gas is calculated from the flow rate of the carrier gas detected by the gas flow rate controller, and the flow rate is compared with the set value, and the vaporizer supplies the film formation chamber based on the comparison result. The flow rate of the material gasBy controlling the opening and closing of the valve of the vaporizer or by generating an alarm signal when the flow rate of the material gas exceeds a predetermined allowable range with respect to the set valueIt is a chemical vapor deposition method to be controlled.
[0028]
The invention according to claim 9 of the present application is the chemical vapor deposition method according to claim 8, wherein the infrared transmittance measurement is performed by passing the infrared rays from the light emitting portion through the cell filled with the material gas and receiving the light receiving portion. The process of measuring the infrared transmittance T for the material gas, the transmittance T and the set value T₁And the result of the comparison is T> T₁In this case, the correction result is obtained by subtracting the background transmittance, which is the transmittance when the material gas is not present in the cell, from the transmittance T, and the result of the comparison is T <T.₁In this case, the method includes a process of issuing an alarm signal and stopping the measurement.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0030]
Embodiment 1
FIG. 1 shows an example of a liquid material vaporizing and supplying apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, the liquid material vaporization supply apparatus 1 includes a tank 101 that stores a liquid material, a vaporizer 105 that vaporizes the liquid material, a supply system 106 that supplies a carrier gas, and a film formation chamber 113. The liquid material in the tank 101 is introduced into the vaporizer 105 through the pipe 102 and the pipe 104. An LMFC 103 is disposed between the pipe 102 and the pipe 104, and the flow rate of the liquid material is controlled so that the liquid material introduced into the vaporizer 105 becomes a desired amount. On the other hand, carrier gas is introduced from the supply system 106 into the vaporizer 105 via the pipe 107 and the pipe 109. A GMFC 108 is disposed between the pipe 107 and the pipe 109, and the flow rate of the carrier gas introduced into the vaporizer 105 is controlled. Examples of the carrier gas include inert gases such as He and Ar, and N₂Gas can be used.
[0031]
The mixed gas of the material gas and the carrier gas vaporized by the vaporizer 105 is sent to the film forming chamber 113 via the pipe 110 and the pipe 112. An infrared sensor (hereinafter referred to as an IR sensor) 111 is disposed between the pipe 110 and the pipe 112 and is used to detect the flow rate of the material gas. Here, since infrared rays are in principle insensitive to inert gases such as He and Ar, when an inert gas is used as a carrier gas, no matter how much the amount of carrier gas is relative to the material gas. This does not hinder the detection of the material gas flow rate. FIG. 2 shows a measurement example using an IR sensor. From the figure, it can be seen that the IR sensor detects only the material gas and not the carrier gas.
[0032]
On the other hand, infrared is N₂Is sensitive. Therefore, N as the carrier gas₂When using, there is a risk of hindering detection of material gas. However, even in such a case, if the wave number of the material gas is appropriately selected, as in the case of the inert gas, N₂The material gas can be detected without being hindered by a signal from.
[0033]
The output 115 from the IR sensor 111 is sent to the control mechanism 116, and the measurement result is Fourier-transformed in real time by the calculation function in the control mechanism 116 to calculate a specific spectral intensity for each material gas. On the other hand, the relationship between the flow rate of the material gas and the spectral intensity is obtained in advance by experiments. Here, FIG. 3 shows an example of the relationship between the flow rate of the material gas and the spectral intensity when the carrier gas flow rate is changed. From the figure, it can be seen that the spectral intensity changes depending on the flow rate of the carrier gas even if the flow rate of the material gas is the same. This is because the concentration of the material gas in the mixed gas changes by changing the amount of the carrier gas. Therefore, in order to obtain the flow rate of the material gas from the spectrum intensity, it is necessary to grasp the relationship between the material gas flow rate value corresponding to the flow rate of the carrier gas and the spectrum intensity in advance.
[0034]
By obtaining the above relationship, the flow rate of the material gas actually generated from the vaporizer 105 is obtained from the spectral intensity calculated by the control mechanism 116 and the flow rate of the carrier gas grasped by the output value 117 from the GMFC 108. be able to. This value is fed back from the control mechanism 116 to the vaporizer 105 by a signal 118 to control the opening and closing of a valve (not shown) of the vaporizer 105 so that the flow rate is suitable for the film forming conditions.
[0035]
The control mechanism 116 is not configured to feed back, but monitors the flow rate of the material gas obtained by the control mechanism 116, and issues an alarm signal when the flow rate of the material gas exceeds a predetermined allowable range with respect to the set value. It is good also as a simple structure.
[0036]
FIG. 4 is a plan view of the IR sensor according to the present embodiment. The IR sensor 3 includes a cell 302, a light emitting unit 304, and a light receiving unit 305. A mixed gas of material gas and carrier gas travels in the direction of arrow A through a pipe 110 from a vaporizer (not shown) and is introduced into the cell 302. Infrared rays 303 exit from the light emitting unit 304, pass through a transmission window 306 attached to one end of the cell 302 in the longitudinal direction, travel in the cell 302 along the longitudinal direction, and then reach the other end of the cell 302 in the longitudinal direction. The light passes through the attached transmission window 306 ′ and reaches the light receiving unit 305.
[0037]
For example, quartz can be used as the material of the transmission window. When a material gas containing or generating a corrosive gas is used, a material having resistance to corrosive components is selected as the transmission window constituent material in order to prevent corrosion of the material constituting the transmission window. Alternatively, the surface of the transmission window or the side facing the cell (306a and 306'a in FIG. 4) may be coated with the material. For example, when the source gas contains or generates hydrofluoric acid, the surface of the transmission window or the side facing the cell is coated with silicon. Further, when quartz is used as the transmission window constituent material, the transmittance of components having a wavelength longer than about 5 μm is low. Therefore, when it is necessary to transmit such a component having a longer wavelength, for example, CaF₂, BaF₂And a single crystal having a fluorite structure such as ZnSe.
[0038]
When measuring the transmittance, in addition to the absorption by the material gas, taking into account the absorption by the material constituting the transmission window itself and the absorption (background) by the material coated on the surface for the purpose of preventing the corrosion, It is necessary to correct by subtracting the background absorption from the measurement result. Absorption due to background is determined by measuring infrared transmittance in the absence of a material gas in the cell. On the other hand, since the background may vary due to etching of the transmission window constituent material due to corrosion, it is necessary to grasp the presence or absence of such variation and, if there is variation, to perform the above correction after grasping the variation value. is there.
[0039]
A processing method when the transmittance varies will be described with reference to FIG. Using a light source or a standard black body furnace with known infrared intensity as the light emitting part, the transmittance in a state where gas is not passed at a predetermined measurement interval is measured, and the background transmittance T is obtained. On the other hand, the transmittance T serving as a predetermined reference₁And T> T₁In this case, the transmittance in a state in which the gas is passed is obtained by performing measurement, and the absorption due to the material gas is calculated by performing correction for subtracting the background absorption from the measurement result. On the other hand, T <T₁If this is the case, stop the measurement by issuing an alarm signal, investigate the cause of the large fluctuation of the background, and take measures such as replacing the transmission window. The above routine is repeated at a predetermined timing, and the measurement result is sent to the control mechanism.
[0040]
When the concentration of the material gas is low, a method of increasing the optical path length is generally used in spectroscopic measurement. However, when trying to increase the optical path length by increasing the length of the cell, the distance from the vaporizer to the film forming chamber will be increased, so that the liquefaction of the material gas due to the temperature decrease is reduced. May happen.
[0041]
According to the present invention, as shown in the example of FIG. 6, a method is employed in which a reflector is provided and the effective optical path length is increased by reflecting infrared light. In FIG. 6, the infrared rays 603 emitted from the light emitting unit 604 are transmitted through the transmission windows 606 and 606 ′, then reflected by the reflection plate 607 ′, and transmitted through the transmission windows 606 ′ and 606 again. And it reflects with the reflecting plate 607 again. After this is repeated a plurality of times, the light reaches the light receiving unit 605 and is measured with a desired optical path length. As the reflecting plate, for example, a mirror on which aluminum is deposited can be used. The reflective surface may be a grating structure.
[0042]
Further, according to the present invention, as shown in the example of FIG. 7, by using a suitable semitransparent material for the transmission window to form a half mirror, the effective optical path length is increased by reflecting between the transmission windows. May be. In FIG. 7, the infrared light 703 emitted from the light source 704 passes through the transmission window 706 and enters the IR cell 702, is reflected by the transmission window 706 ′, changes its traveling direction, and is reflected by the transmission window 706 again. After this is repeated a plurality of times, the light reaches the light receiving unit 705 and is measured with a desired optical path length.
[0043]
Furthermore, according to the present invention, when measuring a low concentration material gas, as shown in the example of FIG. It may be larger than the cross-sectional area of 812. In FIG. 8, a pipe 810 is a pipe for introducing a material gas from a vaporizer (not shown) into a cell 802, and a pipe 812 is a pipe for discharging the material gas from the cell 802 to a film forming chamber (not shown). . By adopting such a structure, the residence time of the mixed gas in the cell can be increased to increase the apparent concentration of the material gas, so that the spectral intensity can be increased and the measurement time can be shortened. be able to. Further, the measurement resolution can be improved by increasing the S / N ratio.
[0044]
In this way, a highly reliable film having a predetermined composition can be stably formed by setting the flow rate of the material gas introduced into the vaporizer using the IR sensor to an appropriate value according to the film forming conditions. Can do.
[0045]
In FIG. 1, a gas that is not used for film formation is exhausted through a pipe 114. Further, the pipes 110 and 112 and the IR sensor 111 are held at a high temperature by a temperature holding mechanism (not shown) so that the material gas is not liquefied again. Although this temperature changes with material gas, it is 60 to 200 degreeC, for example.
[0046]
This embodiment can also be applied to the case where a film is formed using two or more kinds of material gases. FIG. 9 shows an example of the liquid material vaporization supply device 9 in the case of forming a BPSG film. In the figure, the tank 901 stores ethyl silicate (TEOS), the tank 920 stores a boron-containing organic liquid source, and the tank 937 stores a phosphorus-containing organic liquid source. Corresponding to these liquid materials, vaporizers 905, 924 and 941 and carrier gas sources 906, 925 and 942 are arranged. The operation until each liquid material becomes a material gas is the same as described in FIG.
[0047]
In FIG. 9, the flow rate of each material gas generated in the vaporizers 905, 924 and 941 is output to the outputs (916, 933, 949) and GMFCs (908, 927, 944) from the IR sensors (911, 930, 947). Based on the control mechanism (917, 934, 950), appropriate amounts of TEOS gas, boron-containing organic gas, and phosphorus-containing organic gas are sent to the film forming chamber 914 and used for forming the BPSG film.
[0048]
Embodiment 2
In FIG. 10, the example of the liquid material vaporization supply apparatus 10 which concerns on this Embodiment 2 is shown. FIG. 10 shows an example in which a BPSG film is formed, and the operation until each liquid material becomes a material gas in the vaporizer is the same as that described in FIGS.
[0049]
In the present embodiment, an IR sensor and a control mechanism are not provided for each material gas, but the entire apparatus has only one IR sensor and control mechanism.
[0050]
The vaporizer 1005 is connected to the film forming chamber 1014 via a pipe 1009, a pipe 1010, and a pipe 1012. An IR sensor 1011 is disposed between the pipe 1010 and the pipe 1012. On the other hand, the pipe 1016 connected to the vaporizer 1041 is connected to the pipe 1010, and the pipe 1017 connected to the vaporizer 1024 is connected to the pipe 1016. Therefore, the boron-containing organic gas generated in the vaporizer 1024 is mixed with the phosphorus-containing organic gas generated in the vaporizer 1041 in the pipe 1016 after passing through the pipe 1017. On the other hand, the TEOS gas generated in the vaporizer 1005 passes through the pipe 1009 and is then mixed with the boron-containing organic gas and the phosphorus-containing organic gas in the pipe 1010. These are sent to the film forming chamber 1014 together with the carrier gas, and the flow rate is detected using the IR sensor 1011. Gas that is not used for film formation is discharged from the pipe 1015. It should be noted that the piping from each vaporizer to the film forming chamber and the IR sensor are held at a high temperature by a temperature holding mechanism (not shown) so that the material gas is not liquefied again. Same as 1. Although this temperature changes with material gas, it is 60 to 200 degreeC, for example.
[0051]
The measurement result of the mixed gas excluding the carrier gas measured by the IR sensor 1011 is sent to the control mechanism 1017 as an output 1016, and after Fourier transform by the calculation function in the control mechanism 1017, it is separated and TEOS gas The spectral intensity is calculated for each of the boron-containing organic gas and the phosphorus-containing organic gas.
[0052]
In order to shorten the measurement time, the intensity of the infrared reference light in the IR sensor 1011 may be increased. In addition, the measurement time can be shortened by unifying the calculation function in the control mechanism 1017 (for example, calculation processing focused on the wave number characteristic of each material gas). Down can also be achieved.
[0053]
The method for obtaining the flow rate of each material gas from the spectral intensity is the same as in the first embodiment. That is, from the spectrum intensity calculated by the control mechanism 1017 and the flow rate of the carrier gas obtained from the output values (1018, 1035, 1051) from the GMFC 1008, GMFC 1027, and GMFC 1044, the carrier gas determined in advance is obtained. Based on the relationship between the flow rate value of each material gas corresponding to the flow rate and the spectral intensity, the respective flow rates of TEOS gas, boron-containing organic gas, and phosphorus-containing organic gas can be obtained.
[0054]
The flow rate values of the obtained material gases are fed back from the control mechanism 1017 to the vaporizers (1005, 1024, 1041) by signals 1019, 1036, and 1052, so that each vaporization is performed so that the flow rate is suitable for the film formation conditions. The valve (not shown) of the container (1005, 1024, 1041) is controlled to open and close.
[0055]
The control mechanism 1017 is not configured to feed back, but monitors the flow rate of the material gas obtained by the control mechanism 1017, and issues an alarm signal when the flow rate of the material gas exceeds a predetermined allowable range with respect to the set value. It is good also as a simple structure.
[0056]
In the present embodiment, an example of a liquid material vaporization supply apparatus in the case of forming a BPSG film has been shown, but the present invention is not limited to this embodiment. That is, the present invention can also be applied to film formation other than the BPSG film, such as a silicon oxide film, a thallium oxide film, or a low dielectric constant interlayer insulating film (low-k film). Further, the types of material gas may be two types other than three types, or four or more types.
[0068]
  The embodiments of the present invention can be modified without departing from the gist of the present invention. Embodiment 1 aboveAnd 2In the above description, only the thermal CVD method is mentioned. However, the present invention can be applied to any process that needs to vaporize and supply a liquid material, such as plasma CVD or low pressure CVD. In that case, the temperature of the vaporizer, piping, etc. is set to a temperature suitable for the liquid material to be used, and the flow rate of the material gas is detected using infrared rays having a wave number capable of detecting the material gas.
[0069]
【The invention's effect】
According to the present invention, the flow rate of a material gas mixed with a carrier gas such as an inert gas or a nitrogen gas can be accurately measured regardless of the amount of the carrier gas.
[0070]
  According to the present invention, the actual flow rate of the material gas vaporized by the vaporizer and sent to the film forming chamber is accurately measured, and the measurement result is input to the vaporizer to control the flow rate of the material gas. A material gas with a desired flow rate can be introduced into the membrane chamber.The
[0071]
According to the present invention, since the flow rate of the material gas can be accurately measured, for example, a liquefaction phenomenon due to cooling of the material gas can be grasped based on the deviation of the measured value from the set value. Therefore, by adjusting the flow rate of the material gas to a desired value, a film having a stable composition can be formed on the substrate while keeping the flow rate of the material gas introduced into the deposition chamber constant.
[0072]
According to the present invention, since the flow rate of the material gas can be accurately measured, it is easy to determine whether or not a film deviating from the standard is formed by monitoring the variation of the measured value from the set value. Can be. If the flow rate deviates, the flow rate is immediately adjusted to a desired value, so that the production of non-standard products can be minimized, so that the product yield can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a liquid material vaporization supply apparatus in a chemical vapor deposition apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of measurement using an IR sensor.
FIG. 3 is a diagram showing an example of the relationship between the flow rate of the material gas and the spectral intensity when the flow rate of the carrier gas is changed.
FIG. 4 is a plan view of an IR sensor according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating transmittance correction.
FIG. 6 is a plan view of an IR sensor according to the present invention.
FIG. 7 is a plan view of an IR sensor according to the present invention.
FIG. 8 is a plan view of an IR sensor according to the present invention.
FIG. 9 is a configuration diagram showing a liquid material vaporization supply device in the chemical vapor deposition apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 10 is a configuration diagram showing a liquid material vaporization supply apparatus in the chemical vapor deposition apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 11 is a diagram for explaining an example of measurement by a conventional GMFM.
FIG. 12 is a diagram for explaining the concentration distribution of boron and phosphorus in a BPSG film by a conventional chemical vapor deposition apparatus.
FIG. 13 is a configuration diagram showing a liquid material vaporizing and supplying apparatus in a conventional chemical vapor deposition apparatus.
FIG. 14 is a configuration diagram showing a liquid material vaporizing and supplying apparatus in a conventional chemical vapor deposition apparatus.
[Explanation of symbols]
1,9,10,11,14,15 Liquid material vaporizer 103, 1405 LMFC, 108,908,927,9441008,1027,1044, 1415,1503 GMFC, 105,905,924,941,1005,1024,1041,1407 vaporizer, 1505 Bubbler, 111,911,930,947,1011 IR sensor, 116, 917, 934, 950, 1017 Control mechanism, 113,914,1014 completionMembrane chamber.

Claims

液体材料を気化して材料ガスを発生させる気化器と、
前記気化器に導入する前記液体材料を所望の流量に制御する液体流量制御器と、
キャリアガス源から前記気化器に導入するキャリアガスの流量を検出するとともに制御するガス流量制御器と、
前記気化器からの前記材料ガスおよび前記キャリアガスを導入して、収納された基板上に成膜する成膜チェンバと、
前記気化器と前記成膜チェンバを接続する配管に設けられ、前記材料ガスの赤外線透過率を測定する赤外線センサと、
前記赤外線センサで測定した赤外線透過率と前記ガス流量制御器によって検出したキャリアガスの流量とから前記材料ガスの流量を算出して設定値と比較し、この比較結果に基づいて前記気化器から前記成膜チェンバに導入する前記材料ガスの流量を、前記気化器のバルブの開閉を制御することによって、または、前記材料ガスの流量が前記設定値に対して所定の許容範囲を超えた場合に警報信号を発生させることによって制御する制御機構とを備えたことを特徴とする化学気相成長装置。A vaporizer that vaporizes a liquid material to generate a material gas;
A liquid flow rate controller for controlling the liquid material introduced into the vaporizer to a desired flow rate;
A gas flow rate controller for detecting and controlling the flow rate of the carrier gas introduced into the vaporizer from a carrier gas source;
A film forming chamber for introducing the material gas and the carrier gas from the vaporizer to form a film on a stored substrate;
An infrared sensor that is provided in a pipe connecting the vaporizer and the film forming chamber, and that measures the infrared transmittance of the material gas;
The flow rate of the material gas is calculated from the infrared transmittance measured by the infrared sensor and the flow rate of the carrier gas detected by the gas flow rate controller, and is compared with a set value. The flow rate of the material gas introduced into the film forming chamber is alarmed by controlling the opening and closing of the valve of the vaporizer or when the flow rate of the material gas exceeds a predetermined allowable range with respect to the set value. A chemical vapor deposition apparatus comprising: a control mechanism that controls by generating a signal .

前記液体材料は２種類以上あり、前記気化器および前記キャリアガス源は前記液体材料に対応して２以上配置され、前記気化器で発生する前記２種類以上の材料ガスの合流位置と前記成膜チェンバの間に１の前記赤外線センサが配置される請求項１に記載の化学気相成長装置。 There are two or more types of the liquid material, and two or more vaporizers and the carrier gas sources are arranged corresponding to the liquid material. The chemical vapor deposition apparatus according to claim 1, wherein one infrared sensor is disposed between the chambers.

前記赤外線センサは、
発光部からの赤外線を前記材料ガスを充満させたセル内を通過させて受光部で受けることにより、前記材料ガスについての赤外線透過率Ｔを測定する手段と、
透過率Ｔと設定値Ｔ_１とを比較して、Ｔ＞Ｔ_１である場合には、透過率Ｔから、前記セル内に前記材料ガスがない状態での透過率であるバックグラウンドの透過率を差し引く補正をする手段と、
Ｔ＜Ｔ_１である場合には、警報信号を発して測定を中止する手段とを含む請求項１または２に記載の化学気相成長装置。The infrared sensor is
Means for measuring the infrared transmittance T of the material gas by receiving the infrared light from the light emitting portion through the cell filled with the material gas and receiving it in the light receiving portion;
When the transmittance T and the set value T ₁ are compared, and T> T ₁ , the background transmittance, which is the transmittance in the state where the material gas is not present in the cell, is determined from the transmittance T. Means for subtracting the correction,
3. The chemical vapor deposition apparatus according to claim 1, further comprising means for issuing an alarm signal and stopping the measurement when T <T ₁ .

前記赤外線センサがさらに前記発光部からの赤外線を反射させて前記受光部に入射させる反射部を有することにより、前記発光部から前記受光部までの光路長を変えることができる請求項３に記載の化学気相成長装置。 The optical path length from the said light emission part to the said light-receiving part can be changed because the said infrared sensor further has the reflection part which reflects the infrared rays from the said light emission part, and injects into the said light-receiving part. Chemical vapor deposition equipment.

前記反射部が金属蒸着した鏡である請求項４に記載の化学気相成長装置。 The chemical vapor deposition apparatus according to claim 4, wherein the reflecting portion is a metal-deposited mirror.

前記反射部がハーフミラーである請求項４に記載の化学気相成長装置。 The chemical vapor deposition apparatus according to claim 4, wherein the reflecting portion is a half mirror.

前記材料ガスの進行方向に対する前記セルの断面積が、前記気化器から前記セルに前記材料ガスを導入する配管部の断面積および前記セルから前記成膜チェンバへ前記材料ガスを排出する配管部の断面積より大きい請求項３に記載の化学気相成長装置。 The cross-sectional area of the cell with respect to the traveling direction of the material gas is a cross-sectional area of a pipe part that introduces the material gas from the vaporizer to the cell, and a pipe part that discharges the material gas from the cell to the film forming chamber. The chemical vapor deposition apparatus according to claim 3, wherein the chemical vapor deposition apparatus is larger than the cross-sectional area.

液体流量制御器を介して導入された所定の流量の液体材料を気化して材料ガスを発生させる気化器に、キャリアガス源からガス流量制御器を介してキャリアガスを導入し、そして前記材料ガスおよび前記キャリアガスを前記気化器から成膜チェンバに供給して基板上に成膜する化学気相成長法において、
前記気化器と前記成膜チェンバとを接続する配管に設けた赤外線センサで前記材料ガスの赤外線透過率測定を行い、該透過率と前記ガス流量制御器によって検出される前記キャリアガスの流量とから前記材料ガスの流量を算出するとともに該流量と設定値とを比較し、この比較結果に基いて前記気化器から前記成膜チェンバに供給する前記材料ガスの流量を、前記気化器のバルブの開閉を制御することによって、または、前記材料ガスの流量が前記設定値に対して所定の許容範囲を超えた場合に警報信号を発生させることによって制御することを特徴とする化学気相成長法。 A carrier gas is introduced from a carrier gas source through a gas flow controller to a vaporizer that vaporizes a liquid material having a predetermined flow rate introduced through the liquid flow controller to generate a material gas, and the material gas In the chemical vapor deposition method in which the carrier gas is supplied from the vaporizer to the film forming chamber to form a film on the substrate,
Infrared transmittance of the material gas is measured by an infrared sensor provided in a pipe connecting the vaporizer and the film forming chamber, and from the transmittance and the flow rate of the carrier gas detected by the gas flow controller. The flow rate of the material gas is calculated and the flow rate is compared with a set value. Based on the comparison result, the flow rate of the material gas supplied from the vaporizer to the deposition chamber is determined by opening and closing the valve of the vaporizer. Or by generating an alarm signal when the flow rate of the material gas exceeds a predetermined allowable range with respect to the set value .

前記赤外線透過率測定は、発光部からの赤外線を前記材料ガスを充満させたセル内を通過させて受光部で受けることにより、前記材料ガスについての赤外線透過率Ｔを測定する処理と、
透過率Ｔと設定値Ｔ_１とを比較する処理と、
前記比較した結果がＴ＞Ｔ_１である場合には、透過率Ｔから、前記セル内に前記材料ガスがない状態での透過率であるバックグラウンドの透過率を差し引く補正をする処理と、
前記比較した結果がＴ＜Ｔ_１である場合には、警報信号を発して測定を中止する処理とを含む請求項８に記載の化学気相成長法。The infrared transmittance measurement is a process of measuring the infrared transmittance T of the material gas by passing the inside of the cell filled with the material gas and receiving the infrared light from the light emitting portion at the light receiving portion.
A process of comparing the transmittance T and the set value T _1,
When the result of the comparison is T> T ₁ , a process of correcting the transmittance T by subtracting the background transmittance, which is the transmittance in a state where the material gas is not present in the cell,
9. The chemical vapor deposition method according to claim 8, further comprising: processing to stop the measurement by issuing an alarm signal when the comparison result is T <T ₁ .