JP4782761B2

JP4782761B2 - 成膜装置

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Publication number: JP4782761B2
Application number: JP2007287768A
Authority: JP
Inventors: 河西　　繁; 崇掛川
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2001-02-09
Filing date: 2007-11-05
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2022-02-07
Also published as: JP2008106366A

Description

本発明は、化学的蒸着（ＣＶＤ）によって被処理基板に対して所定の薄膜を形成する成膜装置に関する。

半導体製造工程においては、被処理体である半導体ウエハに形成された配線間のホールを埋め込むために、あるいはバリア層として、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ等の金属や、ＷＳｉ、ＴｉＮ、ＴｉＳｉ等の金属化合物を堆積させて薄膜を形成している。

従来、これら金属や金属化合物の薄膜は物理的蒸着（ＰＶＤ）を用いて成膜されていたが、最近ではデバイスの微細化および高集積化が特に要求され、デザインルールが特に厳しくなっており、埋め込み性の悪いＰＶＤでは十分な特性を得ることが困難となっている。そこで、このような薄膜をより良質の膜を形成することが期待できるＣＶＤで成膜することが行われている。

従来のＣＶＤ成膜装置は、Ｔｉ成膜用のものを例にとると、ヒーターを有するチャンバー内にヒーターを内蔵した半導体ウエハ載置用ステージおよびステージの上方に対向して処理ガス吐出用のシャワーヘッドを設け、チャンバーを所定温度に加熱し、かつチャンバー内を所定の真空度にするとともに、ステージ上の半導体ウエハを所定の温度に加熱しつつ、シャワーヘッドからＴｉＣｌ_４、Ｈ_２等の処理ガスを供給し、シャワーヘッドに高周波電力を供給してこれらのガスをプラズマ化して成膜を行う。

しかしながら、近時、半導体ウエハが３００ｍｍと大型化されつつあるため、このような成膜装置も大型化する必要があり、それにともなって以下のような問題点が顕在化するに至っている。

すなわち、ステージに対向して設けられたシャワーヘッドは、ステージ内のヒーターが昇温された際の輻射熱により加熱されるが、装置の大型化にともないシャワーヘッドも大型化しているためその熱容量が大きく、昇温時に温度が安定するまでに長時間を要する。つまり、スループットが悪くなる。一方、シャワーヘッドの温度、特にシャワーヘッドの表面の温度が安定しないで処理すると、均一処理がなされない。また、従来のシャワーヘッドは処理時の温度安定性を確保するために断熱性の高い構造となっており、例えばクリーニング時に所定の温度まで降温する際にもやはり極めて長時間を要する。このため、高温状態でクリーニングすることが考えられるが、高温状態でクリーニングするとシャワーヘッド部材へダメージを与える。

また、従来は、プラズマ処理すると、プラズマにより、チャンバー内の部材の温度が上昇する。特にシャワーヘッド表面は、ウエハ面と対向してプラズマに曝される面積が大きいため温度が高くなりやすい。しかし、アイドリングやクリーニングの後に成膜すると、ウエハ１枚目を成膜した際、成膜レートが低い場合がある。これは、シャワーヘッドの温度が、通常の成膜時に５００℃程度のものが４７０〜４８０℃と２０〜３０℃低いことが原因と考えられる。そのため、ステージ温度を成膜時の温度より高い温度に設定する必要がある。

さらに、従来は、シャワーヘッドのメンテナンスの際、装置の制約上、シャワーヘッドを含む上蓋を９０度以下の角度で開いてからシャワーヘッドの取り外し等のメンテナンスを行っていたが、成膜装置の大型化に伴ってシャワーヘッドが大型化し、重量が大きくなると、このような方法でシャワーヘッドのメンテナンスを行うことが困難である。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、シャワーヘッドを短時間で所望の温度にすることができ、かつシャワーヘッドの温度安定性が高い成膜装置を提供すること、およびシャワーヘッドのメンテナンス性が高い成膜装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、被処理基板に成膜処理を施すチャンバーと、チャンバー内で被処理基板を載置する載置台と、前記載置台に対向して設けられた多数のガス吐出孔を有するシャワーヘッドと、前記チャンバーの上に設けられ、前記シャワーヘッドを支持する蓋部材と、前記シャワーヘッドを介してチャンバー内に処理ガスを供給するガス供給機構と、前記シャワーヘッドの温度を制御するシャワーヘッド温度制御手段と、前記シャワーヘッドを前記蓋部材とともに前記チャンバーの外側へ旋回させて前記シャワーヘッドのガス吐出面が上になるように反転させる反転機構とを具備し、前記ガス供給機構は、前記シャワーヘッドに処理ガスを供給するガス流路を有し、このガス流路は、前記チャンバーおよび前記蓋部材の内部を通って前記シャワーヘッドに達しており、前記蓋部材のガス流路と前記チャンバーのガス流路との間にはシールリングが介装されていることを特徴とする成膜装置を提供する。

上記構成の本発明によれば、シャワーヘッドに温度制御手段を設けたので、シャワーヘッドの加熱の際にステージからの輻射が支配的に作用するのではなく、積極的に所望の温度に制御することができ、大型の装置であっても、昇温および降温を短時間で行うことができる。また、このようにシャワーヘッドを積極的に温度制御することができることにより、シャワーヘッドの温度安定性を高めることができる。また、シャワーヘッドを蓋部材とともにチャンバーの外側へ旋回させて反転させる反転機構を設けたので、これによりシャワーヘッドをほぼ完全にチャンバー外へ存在させることができ、シャワーヘッドのメンテナンスを極めて容易に行うことが可能となる。処理に際しては、シャワーヘッドを元に戻すことにより、蓋部材のガス流路とチャンバーのガス流路との間がシールリングによりシールされる。

さらに、例えば被処理基板への処理前の、シャワーヘッド等へプリコートを形成する場合や、被処理基板へ成膜した際に、シャワーヘッド表面にも成膜されるが、安定した膜をシャワーヘッドに成膜させるのに、中間反応で生じるＴｉＣｌ_ｘを揮発させる必要があることから、シャワーヘッドを４２５℃以上、好ましくは５００℃以上に昇温する必要がある。従来の技術ではシャワーヘッドの昇温に長時間を要したり、シャワーヘッドが所望の温度になっているか否かが不明確であったため安定した膜を生成し得ない場合も生ずるが、シャワーヘッドに温度制御手段を設けることにより、成膜や、プリコートの際にシャワーヘッドを所望温度に制御することができ、安定した膜をシャワーヘッドに確実に形成することができる。そして、最初の成膜を安定して行うことができる。

本発明において、前記シャワーヘッドの周囲と前記チャンバー壁面との間に設けられた環状の充填部材と、前記蓋部材に固定されて前記充填部材を支持する支持部材とを有し、前記反転機構により前記シャワーヘッドを反転させた際に、前記支持部材を外し、次いで前記充填部材を外して前記シャワーヘッドのメンテナンスを行うようにすることが好ましい。また、前記充填部材と前記支持部材との間に弾性部材が介在されていることが好ましい。この弾性部材により、固定部材との隙間を均等にすることができ、また、例えば充填部材に石英やセラミックス等を使用した場合、破損を防止することができる。

前記チャンバーは真空引き可能に構成されており、前記シャワーヘッドは、そのガス吐出面を含むチャンバー内に位置するチャンバー内部分と、チャンバー外の大気側に位置する大気側部分とを有し、前記シャワーヘッド温度制御手段は、前記チャンバーの大気側部分に設けられていることが好ましい。これにより、温度制御手段を大気雰囲気で取り扱うことができる。

前記チャンバーを加熱するチャンバー加熱手段をさらに具備することが好ましい。また、前記シャワーヘッド温度制御手段は、シャワーヘッドを加熱する加熱機構と、シャワーヘッドを冷却する冷却機構と、シャワーヘッドの温度を検出する温度検出機構と、温度検出機構の検出結果に基づいて少なくとも前記加熱機構を制御するコントローラとを有する構成とすることができる。これにより、昇温および降温のいずれの場合にもシャワーヘッドを迅速に所望の温度にすることが可能である。

さらにまた、前記チャンバー内で処理ガスのプラズマを生成するためのプラズマ生成手段をさらに具備することができる。

本発明によれば、シャワーヘッドに温度制御手段を設けたので、シャワーヘッドが輻射によって加熱されるのではなく、積極的に所望の温度に制御することができ、大型の装置であっても、昇温および降温を短時間で行うことができる。また、このようにシャワーヘッドを積極的に温度制御することができることにより、チャンバー内の温度安定性を高めることができる。また、シャワーヘッドを蓋部材とともにチャンバーの外側へ旋回させて反転させる反転機構を設けたので、これによりシャワーヘッドをほぼ完全にチャンバー外へ存在させることができ、シャワーヘッドのメンテナンスを極めて容易に行うことが可能となる。また、シャワーヘッドを元に戻すことにより、蓋部材のガス流路とチャンバーのガス流路との間がシールリングによりシールされ、処理が可能となる。

さらに、このようにシャワーヘッドに温度制御手段を設けることにより、成膜やプリコートの際にシャワーヘッドを所望温度に制御することができるため、シャワーヘッドに安定した膜を形成することができ、被処理体上に均一な膜を確実に形成することができる。

以下、本発明の一実施形態について、Ｔｉ薄膜形成用のＣＶＤ成膜装置を例にとって具体的に説明する。

図１は本発明の一実施形態に係るＴｉ薄膜形成用のＣＶＤ成膜装置を示す断面図であり、図２は図１のＣＶＤ成膜装置のシャワーヘッド上部を示す平面図である。このＣＶＤ成膜装置１は、気密に構成された略円筒状あるいは箱状のチャンバー２を有しており、その中には被処理体である半導体ウエハＷを水平に載置するためのステージ３が設けられている。チャンバー２の底部中央には下方に突出したステージ保持部材７がシールリングを介して取り付けられており、ステージ３に接合された円筒形状の部材４がステージ保持部材７に取り付けられている。チャンバー２、ステージ保持部材７は図示しない加熱機構を有し、これらは図示しない電源から給電されることにより所定の温度に加熱される。

ステージ３の外縁部には例えばプラズマの生成を安定させるリング５が設けられている。また、ステージ３内にはヒーター６が埋め込まれており、このヒーター６は図示しない電源から給電されることにより被処理体である半導体ウエハＷを所定の温度に加熱する。また、ステージ３のヒーター６の上方部分には、メッシュ電極７１が設けられている。

ステージ３には、ウエハＷを支持して昇降させるための３本（２本のみ図示）のウエハ支持ピン７５がステージ３の表面に対して突没可能に設けられ、これらウエハ支持ピン７５は支持板７６に固定されている。そして、ウエハ支持ピン７５は、エアシリンダ等の駆動機構７７により支持板７６を介して昇降される。

チャンバー２の側壁には、ウエハＷの搬入出を行うための搬入出口７３と、この搬入出口７３を開閉するゲートバルブ７４とが設けられている。

チャンバー２の上部には、ステージ３に対向するようにシャワーヘッド１０が設けられている。このシャワーヘッド１０は、上段プレート１０ａ、中段プレート１０ｂ、下段プレート１０ｃを有しており、平面形状が円形をなしている。

上段プレート１０ａは、中段プレート１０ｂおよび下段プレート１０ｃとともにシャワーヘッド本体部分を構成する水平部１０ｄと、この水平部１０ｄの外周上方に連続する環状の支持部１０ｅとを有し、凹状に形成されている。この支持部１０ｅの内側には、図１および図２に示すようにシャワーヘッド１０の中心に向かって等間隔にリブ１０ｆが配置されている。このリブ１０ｆの厚さは５ｍｍ以上が好ましい。このリブ１０ｆを形成したことにより、支持部１０ｅの熱変形を抑制し、かつ支持強度を高めることができ、支持部１０ｅの肉厚を薄くすることができる。これにより、シャワーヘッド１０からの熱の散逸を抑制することができる。

上段プレート１０ａはベース部材として機能し、この上段プレート１０ａの水平部１０ｄの外周下部に、環状に形成された凹状の中段プレート１０ｂの外周上部がネジ止めされている。また、中段プレート１０ｂの下面に、下段プレート１０ｃの上面がネジ止めされている。上段プレート１０ａの水平部１０ｄの下面と凹部を有する中段プレート１０ｂの上面との間に空間１１ａが気密に形成されている。中段プレート１０ｂの下面には、複数の溝が放射状に均等に形成されている。中段プレート１０ｂと下段プレート１０ｃとも気密に接合され、中段プレート１０ｂの下面に形成された複数の溝と下段プレート１０ｃの上面と間に空間１１ｂが形成されている。中段プレート１０ｂには、空間１１ａから中段プレート１０ｂに形成される複数の孔を介して下段プレート１０ｃへ貫通する多数の第１のガス通路１２ａと、空間１１ａへは連通せず空間１１ｂへ連通する第２のガス通路１２ｂとが形成されている。下段プレート１０ｃには、第１ガス通路１２ａに連通する多数の第１のガス吐出孔１３ａと、空間１１ｂに連通する多数の第２のガス吐出孔１３ｂとが形成されている。

ここで、中段プレート１０ｂに形成された第１のガス流路１２ａの内径は、例えばφ０．５〜３ｍｍ、好ましくは１．０〜２．０ｍｍである。また、下段プレート１０ｃに形成された第１のガス吐出孔１３ａは２段構造となっており、その内径は、空間１１ａ側が例えばφ１〜３．５ｍｍ、好ましくは１．２〜２．３ｍｍであって、下面の開口側が例えばφ０．３〜１．０ｍｍ、好ましくは０．５〜０．７ｍｍである。

上段プレート１０ａの上面には、第１のガス導入管１４ａと第２のガス導入管１４ｂとが接続されている。そして、第１のガス導入管１４ａは空間１１ａに連通しており、第２のガス導入管１４ｂは中段プレート１０ｂの第２のガス通路１２ｂに連通し、さらに空間１１ｂに連通している。したがって、第１のガス導入管１４ａを通って導入されたガスは、空間１１ａおよび第１のガス通路１２ａを通り、第１のガス吐出孔１３ａから吐出され、第２のガス導入管１４ｂを通って導入されたガスは、第２のガス通路１２ｂを通り空間１１ｂへ導入され、第２のガス吐出孔１３ｂから吐出される。すなわち、シャワーヘッド１０は、第１のガス導入管１４ａを介して供給されたガスと第２のガス導入管１４ｂを介して供給されたガスとがシャワーヘッド１０内で混ざらないように別々にチャンバー２内に供給されるマトリックスタイプとなっている。

図３は、図１のシャワーヘッド１０の拡大図である。図１および図３に示すように、上段プレート１０ａ上面の第２のガス導入管１４ｂとの接続部を含む部分には凸部１０ｇが形成されており、上段プレート１０ａの凸部１０ｇに対応する部分の下面には凹部１０ｈが形成されている。一方、中段プレート１０ｂの第２のガス導入管１４ｂと対応する位置には、その上面から上方に突出する、内部に第２のガス通路が形成された管部１０ｊが一体に設けられ、この管部１０ｊの上端には上記凹部１０ｈに嵌合するフランジ部１０ｉが一体に形成されている。上記凹部１０ｈにおいて、上段プレート１０ａの下面とフランジ部１０ｉの上面との間にはシールリング１０ｋが設けられている。これにより、第１のガス導入管１４ａおよび第２のガス導入管１４ｂから供給される各々のガスが混合されることをより確実に防止することができる。

図３のＡ−Ａ線による断面図を図４に、Ｂ−Ｂ線による断面図を図５に示す。図３および図４に示すように、中段プレート１０ｂと下段プレート１０ｃとはボルト１０１により締結されている。図５における矢印は、第２のガス通路１２ｂから空間１１ｂ内に供給されるガスの流れの概略方向を示している。第２のガス導入管１４ｂにつながる管部１０ｊの先端部分には、図５および図６に示すように、平面扇形状に形成された一対のスリット状の吐出口１２１が設けられており、第２のガス通路１２ｂを通過してきたガスがこれら吐出口１２１から矢印方向に吐出されるようになっている。平面扇形状の吐出口１２１の開口度は、第１のガス通路１２ａに連通しない程度、例えば１６０°より小さい開口度が好ましい。なお、図７に示すように、スリット状の吐出口１２１の代わりに複数の孔（図では両側に３個ずつ）からなる吐出口１２２を設けてもよい。この際の孔の配列は図示のような水平方向であっても垂直方向であってもよい。また、孔は第２のガス通路１２ｂより小さく、その数は片側１個であってもよい。

一方、図１に示すように、上段プレート１０ａに接続された第１および第２のガス導入管１４ａ，１４ｂの他端にはフランジ１４が溶接されている。フランジ１４には、第１のガス通路２４ａおよび第２のガス通路２４ｂを有する絶縁部材２４が接続されている。この絶縁部材２４の他方には、第１のガス通路２６ａおよび第２のガス通路２６ｂを有するガス導入部材２６が接続されている。ガス導入部材２６は蓋部材１５の上面に接続されている。蓋部材１５およびチャンバー２は、それぞれ第１のガス通路１５ａ，２ａおよび第２のガス通路１５ｂ，２ｂを有し、フランジ１４からチャンバー２までの各ガス通路接続部には、それぞれＯリング等のシールリングが介装されている。また、ガス配管２５ａがチャンバー２の第１のガス通路２ａに、ガス配管２５ｂが第２のガス通路２ｂに接続されている。ガス配管２５ａ，２５ｂの他端にはガス供給部３０が接続されている。

ガス供給部３０は、クリーニングガスであるＣｌＦ_３を供給するＣｌＦ_３ガス源３１、成膜ガスであるＴｉＣｌ_４を供給するＴｉＣｌ_４ガス源３２、キャリアガスであるＡｒを供給するＡｒガス源３３、還元ガスであるＨ_２を供給するＨ_２ガス源３４およびＴｉ膜の窒化の際に使用するＮＨ_３を供給するＮＨ_３ガス源３５を有している。ＣｌＦ_３ガス源３１、ＴｉＣｌ_４ガス源３２、Ａｒガス源３３にはそれぞれガス配管３６，３７，３８が接続されており、これらガス配管３６，３７，３８は、ガス配管２５ｂに接続されている。また、Ｈ_２ガス源３４およびＮＨ_３ガス源３５にはそれぞれガス配管３９，４０が接続されており、これらガス配管３９，４０はガス配管２５ａに接続されている。したがって、ＣｌＦ_３ガス源３１、ＴｉＣｌ_４ガス源３２、Ａｒガス源３３からのガスは、ガス配管２５ｂから、上記の各部品の第２のガス通路２ｂ，１５ｂ，２６ｂ，２４ｂおよびガス導入管１４ｂを通ってシャワーヘッド１０の中段プレート１０ｂの第２のガス通路１２ｂに至り、次いで空間１１ｂに導入され、下段プレート１０ｃの第２のガス吐出孔１３ｂから吐出される。また、Ｈ_２ガス源３４、ＮＨ_３ガス源３５からのガスは、ガス配管２５ａから、上記の各部品の第１のガス通路２ａ，１５ａ，２６ａ，２４ａおよびガス導入管１４ａを通ってシャワーヘッド１０の空間１１ａに導入され、そこから中段プレート１０ｂの第１のガス通路１２ａを通って下段プレート１０ｃの第１のガス吐出孔１３ａから吐出される。したがって、成膜処理の際には、ＴｉＣｌ_４ガスとＨ_２ガスとは、ガスの供給途中では混合されず、チャンバー２内に吐出した後に混合され、これらガスのプラズマが形成されて所望の反応が生じ、半導体ウエハＷ上にＴｉ膜が生じるようにされている。なお、各ガス源からのガス配管３６，３７，３８，３９，４０には、いずれもマスフローコントローラ４１およびマスフローコントローラを挟むように設けられた一対の開閉バルブ４２，４３が設けられている。ここでは図示されないが、ガス供給部３０には、Ｎ_２ガス源やその他の配管、開閉バルブ等を含んでいる。また、ガス導入部材２６内に形成された第１のガス通路２６ａおよび第２のガス通路２６ｂに接続するガス源を変更することによって、空間１１ａ，１１ｂに供給されるガスを変更してもよい。

上記チャンバー２の上面には、開口を有する蓋部材１５が取り付けられており、この蓋部材１５の内周部分には環状の絶縁部材１６が取り付けられている。そして、絶縁部材１６を介して上記上段プレート１０ａの支持部１０ｅが蓋部材１５に支持されている。支持部１０ｅの上は、保温のために環状の絶縁部材２１によってカバーされ、絶縁部材２１は蓋部材１５に支持されている。絶縁部材１６はシャワーヘッド１０とチャンバー２との間を絶縁し、かつ断熱の効果を有している。なお、チャンバー２と蓋部材１５との間、蓋部材１５と絶縁部材１６との間、絶縁部材１６と支持部１０ｅとの間にＯリング等のシールリングを介装することにより気密性を維持している。

上段プレート１０ａの水平部１０ｄの上面には、ステージ３上の半導体ウエハＷ全面に対応するように、内側ヒーター１７が配置されている。また、その外側を囲むように円環状（ドーナツ状）の外側ヒーター１８が嵌合されている。内側ヒーター１７は、例えば、ヒーター線を形成した薄いシートを一対のマイカ絶縁板でサンドイッチした構造を有している。また、外側ヒーター１８は、外管の内側に絶縁材が配され、その内側に発熱体が内装されたシース型である。なお、後述する図１６に示すように、外側ヒーターとして内側ヒーターと同じものを用いることもできる。これらヒーターは後述するシャワーヘッド温度制御手段の構成要素として機能する。

内側ヒーター１７と上段プレート１０ａの水平部１０ｄとの間には絶縁板７２が設けられている。また内側ヒーター１７の上方には空間１９が設けられ、その上には断熱部材２０が設けられている。断熱部材２０としては、Ａｌ_２Ｏ_３等のセラミックス、樹脂材等を挙げることができる。断熱部材２０は、冷却ガス通路２０ａと排出口２０ｂとを有し、内側冷却用のドライエアー供給配管６１ａがその上部に接続されている。そして、配管６１ａから吐出されたドライエアーは空間１９に供給されて内側ヒーター１７およびその周辺を冷却するようになっている。また、上段プレート１０ａの支持部１０ｅの上方には外側冷却用のドライエアー供給配管６１ｂが配置されている。この配管６１ｂは、絶縁部材２１の内周側に沿って環状に設けられた配管６１ｃに接続されており、この配管６１ｃには下向きにドライエアーを吐出する孔が全周に均等に設けられている。この吐出されたドライエアーは、絶縁部材１６と断熱部材２０との隙間およびその周辺に供給され、外側ヒーター１８およびその周辺を冷却するようになっている。

シャワーヘッド１０の上段プレート１０ａには、その上方から延びる給電棒４５が接続されており、この給電棒４５には、整合器４６を介して高周波電源４７が接続されている。そして、この高周波電源４７からシャワーヘッド１０に高周波電力が供給され、これによって前記メッシュ電極７１との間に形成された高周波電界により、チャンバー２内に供給された処理ガスがプラズマ化され、成膜反応が促進される。

シャワーヘッド１０の下部の周囲の、上段プレート１０ａ、中段プレート１０ｂ、下段プレート１０ｃの側方と、絶縁部材１６の下面と、蓋部材１５の下面および側面と、チャンバー２の側壁とで囲まれた空間に、プラズマが形成されることを防止するための環状の石英製のフィラー４８が嵌め込まれている。図８に示すように、このフィラー４８はその外側部分に凹部４８ａを有し、この凹部４８ａに、蓋部材１５にネジ止めされた複数個の支持部材４９の凸部４９ａが嵌め込まれてフィラー４８を支持するようになっている。そして、フィラー４８の凹部４８ａの側面と支持部材４９の凸部４９ａの側面との間にはフッ素ゴム等の弾性材料からなる複数の弾性部材５０が介装されている。この弾性部材５０の存在により、シャワーヘッド１０のセンター合わせを容易に行うことができるとともに、フィラー４８の着脱を簡略化することができ、さらに、熱による伸縮等によるフィラー４８の破損を防止することができる。また、フィラー４８と蓋部材１５との間にも弾性部材５１が介装されており、この弾性部材５１もフィラー４８の破損防止機能を有する。

チャンバー２の底部に取り付けられた円筒状のステージ保持部材７の底部側壁には、排気管５２が接続されており、この排気管５２には排気装置５３が接続されチャンバー２内を排気するようになっている。図示していないが、この排気装置５３の上流側には、未反応物や副生成物を捕捉する装置を有する。そしてこの排気装置５３を作動させることによりチャンバー２内を所定の真空度まで減圧することが可能となっている。また、蓋部材１５上にはシールドボックス２３が設けられ、その上部には、排気ポート５４が設けられている。この排気ポート５４からシールドボックス２３内のインナードライエアおよびアウタードライエアの熱排気がなされるようになっている。

また、本実施形態に係るＣＶＤ成膜装置１は、シャワーヘッド１０の温度を制御するシャワーヘッド温度制御手段６０が設けられている。以下、この温度制御手段６０について詳細に説明する。

このシャワーヘッド温度制御手段６０は、加熱機構として上述した内側ヒーター１７および外側ヒーター１８と、冷却機構としてドライエアーを供給するドライエアー供給配管６１ａ，６１ｂと、内側ヒーター１７、外側ヒーター１８、シャワーヘッド１０の下段プレート１０ｃの温度を検出する熱電対６５ａ，６５ｂ，６６ａ，６６ｂと、これらを制御するコントローラ６２とを有している。

図９に拡大して示すように、内側ヒーター１７には電源６３が接続されており、外側ヒーター１８には電源６４が接続されている。また、シャワーヘッド１０の上段プレート１０ａ上の内側に配置される内側ヒーター１７に対応する位置には、それぞれ内側ヒーター１７近傍と下段プレート１０ｃの内側の温度を検出するための熱電対６５ａ，６５ｂが設けられている。熱電対６５ａは内側ヒーター１７を貫通してその先端が絶縁板７２の上面に位置し、熱電対６５ｂの先端は下段プレート１０ｃの内部に達している。また、上段プレート１０ａ上の外周側に配置される外側ヒーター１８に対応する位置には、それぞれ上段プレート１０ａの外側および下段プレート１０ｃの外側の温度を検出するための熱電対６６ａ，６６ｂが設けられている。熱電対６６ａ，６６ｂの先端はそれぞれ上段プレート１０ａ，下段プレート１０ｃの内部に達している。これら熱電対６５ａ，６５ｂ，６６ａ，６６ｂは複数設けることができる。さらに、コントローラ６２の指令および熱電対６５ａまたは６５ｂの検出信号に基づいて、内側ヒーター１７の出力をＰＩＤ制御して温度調節を行う内側温度制御器６７と、コントローラ６２の指令および熱電対６６ａまたは６６ｂの検出信号に基づいて、外側ヒーター１８の出力をＰＩＤ制御して温度調節を行う外側温度制御器６８とを有している。そして、これらにより加熱時におけるシャワーヘッド１０の温度制御が実現される。

一方、上記冷媒体として、上記ドライエアー供給配管６１ａより供給されたドライエアーは、断熱部材２０の冷却ガス通路２０ａを通り空間１９へ導入され、内側ヒーター１７から空間１９内に放出された熱を奪い、排出口２０ｂを経て、蓋部材１５上部に設けられたシールドボックス２３の排気ポート５４から排出される。また、ドライエアー供給配管６１ｂに供給されたドライエアーは、配管下方の吐出孔より供給され、シャワーヘッド外側部の熱を奪い、シールドボックス２３の排気ポート５４から排出される。ドライエアー供給配管６１ａおよび６１ｂには、それぞれエアーオペレーションバルブ６９ａ，６９ｂが設けられており、これらエアーオペレーションバルブ６９ａ，６９ｂはコントローラ６２により制御が行われる。

このようなシャワーヘッド温度制御手段６０を用いた加熱時においては、図１０に示すように制御することにより、好ましい温度制御を実現することができる。図１０の制御においては、コントローラ６２に温度設定を行い、熱電対６５ａまたは６５ｂの検出温度が設定温度となるように温度制御器６７により内側ヒーター１７の出力を制御するとともに、この熱電対６５ａまたは６５ｂの検出値がコントローラ６２から温度制御器６８に出力され、外側ヒーター１８に対応する位置の熱電対６６ａまたは６６ｂの検出温度と内側ヒーター１７に対応する熱電対６５ａまたは６５ｂの検出温度との差が０になるように温度制御器６８により外側ヒーター１８の出力を制御する。これにより、シャワーヘッド１０の外側部分が内側部分と略同じ温度になるように制御される。

なお、シャワーヘッド１０の上段プレート１０ａの上面およびその上の部分は、大気雰囲気に曝されている。つまり、シャワーヘッド温度制御手段６０の熱電対６５ｂ，６６ｂはシャワーヘッド１０内に配置されており真空中であるが、それ以外の構成要素は大気雰囲気に配置される。

図２に示すように、シャワーヘッド１０は、ヒンジ機構からなる反転機構８０によりチャンバー２外へ反転可能となっており、これによりシャワーヘッド１０は、図１１に示すように、そのガス吐出面を上にした状態でほぼ完全にチャンバー２外に存在させることができるので、シャワーヘッド１０のメンテナンスを極めて容易に行うことが可能となる。具体的には、図１１の状態から、まず複数の支持部材４９を固定ネジを外すことで容易に取り外すことができ（矢印１）、支持部材４９が取り外されると、フィラー４８を上方へ容易に取り外すことが可能となる（矢印２）。そして、フィラー４８が取り外されると、シャワーヘッド１０のメンテナンスを容易に行うことが可能となる。例えば下段プレート１０ｃおよび中段プレート１０ｂを容易に上方へ取り外すことが可能となる（矢印３）。シャワーヘッド１０を反転させる際には、シャワーヘッド１０が１８０度回転した位置に存在することが好ましいが、その近傍の角度であればよい。なお、シャワーヘッド１０をこのような角度に保持するために、例えばガススプリング等を用いることができる。

次に、このように構成されるＣＶＤ成膜装置１の処理動作について説明する。はじめに、半導体ウエハＷ上にＴｉ薄膜を形成するに先立って、次の手順でシャワーヘッド１０やステージ３等の表面上にＴｉのプリコート膜を成膜する。まず、チャンバー２周辺、ステージ３のヒーター６、シャワーヘッド１０の内側および外側ヒーター１７，１８を加熱し、排気装置５３によりチャンバー２内を排気しつつ、所定のガスを所定の流量比でチャンバー２内に導入し、チャンバー２内を所定の圧力にする。次いで、Ｈ_２ガス、ＴｉＣｌ_４ガス、その他のガスを含む成膜ガスを所定流量でチャンバー２内に供給し、高周波電源４７からシャワーヘッド１０に高周波電力を供給してチャンバー２内にプラズマを生成させ、シャワーヘッド１０やステージ３等の表面にＴｉ膜を成膜する。次いで、高周波電源４７の給電とＴｉＣｌ_４ガスの供給を停止し、ＮＨ_３ガスおよびその他のガスを所定流量で供給し、再び高周波電源４７からシャワーヘッド１０に高周波電力を供給してプラズマを生成させ、成膜されたＴｉ膜の表面を窒化する。これにより、シャワーヘッド１０およびステージ３等の表面に安定したプリコート膜が形成される。窒化処理終了後、高周波電源４７の給電とＮＨ_３ガスの供給を停止する。

プリコート終了後、ゲートバルブ７４を開にして半導体ウエハＷをチャンバー２内に搬入し、突出されたウエハ支持ピン７５へ受け渡し、ウエハ支持ピン７５を下降させてステージ３上に載置する。次いでＨ_２、ＴｉＣｌ_４ガス、その他のガスを所定流量で供給し、高周波電源４７からシャワーヘッド１０に高周波電力を供給してチャンバー２内にプラズマを生成させ、半導体ウエハＷ上にＴｉ膜を成膜する。次いで、高周波電源４７の給電とＴｉＣｌ_４ガスの供給を停止し、ＮＨ_３ガスおよびその他のガスを所定流量で供給し、再び高周波電源４７からシャワーヘッド１０に高周波電力を供給してプラズマを生成させ、半導体ウエハＷに成膜されたＴｉ膜を窒化する。窒化処理終了後、高周波電源４７の給電とＮＨ_３ガスの供給を停止する。このようにして成膜処理が終了した後、チャンバー２から半導体ウエハＷを搬出し、次に処理する半導体ウエハＷを搬入し、その上に同様の成膜処理を行う。

このような成膜処理を所定枚数の半導体ウエハＷについて行った後、ステージ３、シャワーヘッド１０を所定温度まで降温させ、クリーニングガスであるＣｌＦ_３ガスをチャンバー２内に供給し、クリーニングを行う。

以上のような一連の工程において、本実施形態では、シャワーヘッド１０にシャワーヘッド温度制御手段６０を設けたことにより以下のような効果を得ることができる。

プリコートや成膜の際に、ＴｉＣｌ_ｘ（ｘ＝１，２，３）が発生するが、シャワーヘッドに安定した膜を形成するためこのようなＴｉＣｌ_ｘをガスとして揮発させる必要がある。そのためには、４２５℃以上の温度が必要であるが、従来のシャワーヘッドの加熱はステージ内のヒーターによる受動的な加熱であったため、シャワーヘッドが必ずしも４２５℃以上になる保証はなく、シャワーヘッドに対して安定したプリコート膜を形成し得ない場合が生じていた。これに対し、本実施形態のようにシャワーヘッド１０にシャワーヘッド温度制御手段６０を設けることにより、シャワーヘッド１０を積極的に４２５℃以上好ましくは５００℃以上にすることができ、シャワーヘッド１０に確実に安定したプリコート膜を形成することができる。

また、チャンバー２内を成膜温度まで加熱する際に、従来のようにシャワーヘッド１０をステージ３の輻射熱のみで昇温する場合には、所定の加熱温度に安定するまで長時間を要するが、本実施形態ではステージ３のヒーター６からの受動的な加熱に加えて、シャワーヘッド温度制御手段６０の構成要素であるヒーター１７，１８により予めシャワーヘッド１０を積極的に加熱することができるため、短時間でシャワーヘッド１０の全体が加熱されて、シャワーヘッド１０の下段プレート１０ｃの表面の温度がほぼ一定の温度に安定化される。このため、チャンバー２内の温度を短時間で所定温度に安定させることができる。このように、シャワーヘッド１０の温度が均一に制御されることで、半導体ウエハＷ上にＴｉ膜を均一に成膜することが可能となる。特に、半導体ウエハが３００ｍｍと大型化したことに伴って装置が大型化した場合にその効果が著しい。

さらに、アイドリングの際には高周波電源がオフにされていることから、シャワーヘッド１０の温度を所定の温度に保持するため、従来ではステージ内のヒーターの温度を高めに設定していた。これに対して、このようにシャワーヘッド温度制御手段６０によりシャワーヘッド１０の温度を制御することにより、アイドリングの際の温度を所定の温度に保持し、安定化させることができる。

さらにまた、クリーニングの際には、シャワーヘッド１０の温度を成膜温度から２００〜３００℃のクリーニング温度まで低下させなくてはならず、従来は、シャワーヘッドの放熱性が悪かったため温度低下に長時間を要していたが、本実施形態ではシャワーヘッド温度制御手段６０の構成要素であるドライエアー供給配管６１ａ，６１ｂから冷媒体としてのドライエアーをシャワーヘッド１０上部に供給して冷却することにより、チャンバー２内を速やかにクリーニング温度まで低下させることができる。

本実施形態の装置において、シャワーヘッド１０はその上段プレート１０ａの上面が大気雰囲気に存在しているため、シャワーヘッド温度制御手段６０の大部分の部材は大気雰囲気に設けることができ、シャワーヘッド温度制御手段６０の取扱いが容易である。

また、上述のように、シャワーヘッド温度制御手段６０の加熱機構として、内側ヒーター１７と外側ヒーター１８とを設け２ゾーン制御とし、図９に示すように、熱電対６５ａまたは６５ｂの検出温度が設定温度となるように温度制御器６７により内側ヒーター１７の出力を制御するとともに、外側ヒーター１８に対応する位置の熱電対６６ａまたは６６ｂの検出温度と、内側ヒーター１７に対応する熱電対６５ａまたは６５ｂの検出温度との差が０になるように温度制御器６８により外側ヒーター１８の出力を制御することにより、シャワーヘッド１０の外側部分が内側部分と常に同じ温度になるように制御されるため、シャワーヘッド１０の外側部分からの熱の散逸を抑制することができ、温度制御性を高めることができる。特に、半導体ウエハのサイズが３００ｍｍと大型化した場合に、シャワーヘッド１０の外側から熱が散逸しやすいため、このような制御がより有効である。

シャワーヘッド１０のメンテナンス時には、シャワーヘッド１０を反転機構８０によりチャンバー２外へ反転する。これによりシャワーヘッド１０は、図１１に示すように、そのガス吐出面を上にした状態でメンテナンスが可能であるため、メンテナンスを極めて容易に行うことが可能となる。具体的には、図１１の状態から、まず複数の支持部材４９を外側へ外し、次いでフィラー４８を上方へ取り外し、その後シャワーヘッド１０の下段プレート１０ｃおよび中段プレート１０ｂを上方へ取り外すことができるので、これらの取り外し動作が極めて容易であるため、メンテナンスを極めて容易に行うことが可能となる。

なお、本発明は上記実施形態に限らず本発明の思想の範囲内で種々変形が可能である。以下、そのような変形例について具体的に説明する。

図５、図６に示すように、上記実施形態においては、第２のガス通路１２ｂを介して供給されるガスは、空間１１ｂの略中央部分における第２ガス通路１２ｂの吐出口１２１から直接的に空間１１ｂ内に拡散するようになっている。しかしながら、このような態様では、第２のガス通路１２ｂを介して供給されるガスの空間１１ｂへの拡散が不十分な場合があり得る。そこで、空間１１ｂの略中央部分における第２のガス通路１２ｂのスリット１２１にガス拡散促進用パイプを連結することが好ましい。このような例を図１２に示す。図１２の例では下段プレート１０ｃの上方の空間１１ｂ内に、略Ｈ字状のガス拡散促進用パイプ１１０が設けられている。このガス拡散促進用パイプ１１０は、両側のスリット１２１に直接嵌合された中央管１１０ａと、この中央管１１０ａの両端にこれに垂直に接合（溶接）され一体化された２つの側部管１１０ｂ，１１０ｃとを有している。側部管１１０ｂ，１１０ｃの両端部にガス吐出口１１０ｄが上段プレート１０ａ側に向けて開口するように形成されている。そして、スリット１２１から吐出されたガスが、中央管１１０ａおよび側部管１１０ｂ，１１０ｃを通って側部管１１０ｂ，１１０ｃの両端部にそれぞれ設けられた合計４つのガス吐出口１１０ｄから図の矢印方向に吐出されるようになっている。したがって、第２のガス通路１２ｂを介して供給されるガスが空間１１ｂ内に十分に均等に拡散可能である。側部管１１０ｂ，１１０ｃの両端部は２つの支持部材１１０ｅ，１１０ｆにより支持されており、これにより中央管１１０ａのぶれが防止される。なお、ガス吐出口１１０ｄの個数および開口の態様は、第２のガス通路１２ｂを介して供給されるガスが空間１１ｂ内に十分に均等に拡散できるものであれば特に限定されない。ただし、ガス吐出口１１０ｄは空間１１ｂ内に均等に配置されることが好ましい。図１３は、図１２に示す下段プレート１０ｃおよびガス拡散促進用パイプ１１０に対して中段プレート１０ｂを取り付けた状態の断面図である。この図から理解されるように、支持部材１１０ｅは上方から側部管１１０ｂ，１１０ｃを支持しており、支持部材１１０ｆは中段プレート１１０ｂと下段プレート１１０ｃとの間に挟持された状態で側部管１１０ｂ，１１０ｃを支持している。

また、図１４および図１５は、制御系に関する変形例を示している。図１４は、図９の加熱機構に相当する部分の変形例を示す模式図であり、図１５は、図１０の制御態様の変形例を示す図である。図１４の例では制御系と各熱電対６５ａ，６５ｂ，６６ａ，６６ｂとの間に、また図１５の例では制御系と各ヒータ１７，１８との間にノイズフィルタ１２０が設けられている。このようにノイズフィルタ１２０を設けることにより、高周波電源４７からのノイズを有効に除去することができ、制御特性を向上させることができる。

さらに、図１６に示す変形例では、断面円形のリング状のシース型ヒーターである外側ヒーター１８の代わりに、内側ヒーター１７と同様の平板状ヒーターをドーナツ状とした外側ヒーター１１８を配置している。このように、ヒーターの形状は特に限定されない。また、内側ヒーター１７と上段プレート１０ａとの間には絶縁部材７２の代わりに、より厚い絶縁板１３１が介在され、外側ヒータ１１８と上段プレート１０ａとの間にも厚い絶縁板１３２が介在されている。上段プレート１０ａは、プラズマ生成用電極として機能するため、ヒーターが受けるノイズの影響を抑制する必要があり、そのため、このように厚い絶縁板１３１および１３２を設けることが好ましい。ノイズの影響を有効に防止する観点からこのような絶縁板の厚さは０．５〜１０ｍｍであることが好ましい。このような絶縁板１３１および１３２は、高い熱伝導率と耐熱性を有する必要がある。したがって、絶縁板１３１および１３２の材料としては、窒化アルミニウムのような熱伝導率および耐熱性の高いセラミックスが好適である。

さらにまた、図１７に示す変形例では、図８のフィラー４８の凹部４８ａの側面と支持部材４９の凸部４９ａの側面との間に介装された弾性部材５０の代わりに、例えばインコネル等のＮｉ合金材で形成された耐食性メタルスプリングからなる弾性部材１５０が介装されている。このように、フィラー４８の凹部４８ａの側面と支持部材４９の凸部４９ａの側面との間に介装される弾性部材の態様は特に限定されない。

その他、上記実施形態ではＴｉ膜の成膜処理を例にとって説明したが、これに限らずＴｉＮ膜等他の膜のＣＶＤ成膜処理に適用することもできる。また、プラズマを形成した場合を例にとって説明したが、プラズマは必ずしも必須なものではない。シャワーヘッドの温度制御手段についても上記構成に限るものではなく、その制御方法も上記方法に限るものではない。例えば冷媒としてドライエアーを用いたがＡｒ、Ｎ_２等他のガスであってもよい。プラズマを用いない場合には、冷媒として水等の液体を用いることもできる。さらに、半導体ウエハの処理を例にとって説明したが、これに限るものではなく、液晶表示装置用ガラス基板等、他の基板に対する処理にも適用することができる。

本発明の一実施形態に係るＣＶＤ成膜装置を示す断面図。本発明の一実施形態に係るＣＶＤ成膜装置のシャワーヘッド上部を示す平面図。図１の装置のシャワーヘッドを示す拡大図。図３のＡ−Ａ線による断面図。図３のＢ−Ｂ線による断面図。第２のガス通路からのガス吐出部を示す下面図および側面図。第２のガス通路からのガス吐出部の他の例を示す下面図および側面図。図１の装置のフィラー部分を拡大して示す断面図。図１の装置の温度制御手段のうち、加熱機構に相当する部分を示す模式図。図１の装置の温度制御手段により加熱制御する場合の好ましい制御態様を示す図。図１の装置のシャワーヘッドを反転機構により反転させた状態を示す断面図。ガス拡散促進用パイプが設けられた場合の下段プレートを示す平面図。図１２の下段プレートおよびガス拡散促進用パイプに中段プレートを取り付けた状態の断面図。図１の装置の温度制御手段のうち、図９の加熱機構に相当する部分の変形例を示す模式図。図１４の温度制御手段により加熱制御する場合の好ましい制御態様を示す図。加熱機構に相当する部分の変形例を示す断面図。図８のフィラー部分の変形例を示す断面図。

符号の説明

１；ＣＶＤ成膜装置
２；チャンバー
３；ステージ
６；ヒーター
１０；シャワーヘッド
１０ａ；上段プレート
１０ｂ；中段プレート
１０ｃ；下段プレート
１０ｄ；水平部
１０ｅ；支持部
１０ｆ；リブ
１４ａ，１４ｂ；ガス導入管
１５；蓋部材
１７；内側ヒーター（加熱機構）
１８；外側ヒーター（加熱機構）
２０；断熱部材
２５ａ，２５ｂ；ガス配管
３０；ガス供給部
４７；高周波電源
４８；フィラー
４９；支持部材
５０，５１；弾性部材
５３；排気装置
６０；シャワーヘッド温度制御手段
６１ａ，６１ｂ；ドライエアー供給配管（冷却機構）
６２；コントローラ
６３，６４；電源
６５ａ，６５ｂ，６６ａ，６６ｂ；熱電対（温度検出機構）
６７，６８；温度制御器
８０；反転機構
Ｗ；半導体ウエハ（被処理基板）

Claims

被処理基板に成膜処理を施すチャンバーと、
チャンバー内で被処理基板を載置する載置台と、
前記載置台に対向して設けられた多数のガス吐出孔を有するシャワーヘッドと、
前記チャンバーの上に設けられ、前記シャワーヘッドを支持する蓋部材と、
前記シャワーヘッドを介してチャンバー内に処理ガスを供給するガス供給機構と、
前記シャワーヘッドの温度を制御するシャワーヘッド温度制御手段と、
前記シャワーヘッドを前記蓋部材とともに前記チャンバーの外側へ旋回させて前記シャワーヘッドのガス吐出面が上になるように反転させる反転機構と
を具備し、
前記ガス供給機構は、前記シャワーヘッドに処理ガスを供給するガス流路を有し、このガス流路は、前記チャンバーおよび前記蓋部材の内部を通って前記シャワーヘッドに達しており、前記蓋部材のガス流路と前記チャンバーのガス流路との間にはシールリングが介装されていることを特徴とする成膜装置。
前記シャワーヘッドの周囲と前記チャンバー壁面との間に設けられた環状の充填部材と、前記蓋部材に固定されて前記充填部材を支持する支持部材とを有し、前記反転機構により前記シャワーヘッドを反転させた際に、前記支持部材を外し、次いで前記充填部材を外して前記シャワーヘッドのメンテナンスを行うことを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
前記充填部材と前記支持部材との間に弾性部材が介在されていることを特徴とする請求項２に記載の成膜装置。
前記チャンバーは真空引き可能に構成されており、前記シャワーヘッドは、そのガス吐出面を含むチャンバー内に位置するチャンバー内部分と、チャンバー外の大気側に位置する大気側部分とを有し、前記シャワーヘッド温度制御手段は、前記チャンバーの大気側部分に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の成膜装置。
前記チャンバーを加熱するチャンバー加熱手段をさらに具備することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の成膜装置。
前記シャワーヘッド温度制御手段は、シャワーヘッドを加熱する加熱機構と、シャワーヘッドを冷却する冷却機構と、シャワーヘッドの温度を検出する温度検出機構と、温度検出機構の検出結果に基づいて少なくとも前記加熱機構を制御するコントローラとを有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の成膜装置。
前記チャンバー内で処理ガスのプラズマを生成するためのプラズマ生成手段をさらに具備することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の成膜装置。