JP5045000B2 - 成膜装置、ガス供給装置、成膜方法及び記憶媒体 - Google Patents

Description

本発明は、化学的蒸着（ＣＶＤ）によって基板に対して所定の薄膜を形成する成膜装置、ガス供給装置、成膜方法及びその方法を実施するコンピュータプログラムを含んだ記憶媒体に関する。

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（以下ウエハと称する）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。これら金属や金属化合物の薄膜の成膜手法の一つとしてＣＶＤ法があり、この方法は物理的蒸着（ＰＶＤ）に比べて埋め込み性が良好である利点がある。

ＣＶＤ成膜装置は、チャンバー内に設けられたヒータを内蔵したウエハのステージと、前記ステージの上方に対向する、処理ガス吐出用のシャワーヘッドとを備え、チャンバー内の処理空間を所定の真空度にするとともに、ステージ上のウエハを所定の温度に加熱しつつ、シャワーヘッドから処理ガスをチャンバー内に連続的に供給することで、ウエハ表面で化学反応を生じさせ、その反応物をウエハ表面に堆積させて成膜を行う。

ところで例えば処理ガスとしてＴｉＣｌ4とＮＨ3とを用いてウエハ上にＴｉＮ膜を形成する時に、処理ガスから生じた低次のＴｉＣｌｘのウエハへ付着を避けるために、シャワーヘッドにおける処理空間に接する部位の温度コントロールが必要となる場合がある。このためシャワーヘッド側にもヒータを設けている。

一方、良好な膜質の薄膜を密着性及びステップカバレージ良く形成するために、ＣＶＤの一つの手法であるＳＦＤ（シーケンシャルフローデポジション）とよばれる手法を用いて成膜処理を行う場合がある。このＳＦＤは、成膜原料を含んだ処理ガスをチャンバー内の処理空間に断続的に供給するサイクルを繰り返し行うことでウエハに分子層を積層させて所望の厚さの薄膜を形成する手法である。

このＳＦＤにより成膜を行う場合、短時間で処理ガスにエネルギーを与えて化学反応を起こさせるため、従来のＣＶＤを行う場合に比べて通常はステージに設けられたヒータの温度が高温に設定される。しかしそのようにステージのヒータの温度を高くすると、成膜処理中において処理空間に接するシャワーヘッド表面の温度が、そのヒータから輻射される熱を受けて上昇して、当該シャワーヘッド表面にも処理ガスによる膜が形成されやすくなる。

そのように膜がシャワーヘッドに付くと、その膜が熱を吸収してシャワーヘッドが昇温し、その昇温により更にシャワーヘッドに膜が付きやすくなり、当該シャワーヘッドが更に昇温するため、ヒータによる温度コントロールができなくなり、その結果として成膜処理に必要な温度制御が行われないおそれがある。またシャワーヘッドがニッケルの場合、ニッケル化合物が生成されてパーティクルの要因になる。

ここで特許文献１にはシャワーヘッドの上方に加熱手段が設けられ、その加熱手段の上方に冷却手段が設けられた成膜装置について記載されている。しかしＳＦＤのように、処理空間側からの熱によりシャワーヘッドが昇温し、その昇温を抑えるように温度制御する場合には、冷却手段の冷却作用が直接シャワーヘッドに働かずにヒータを介して行われるため、応答性が悪く、処理空間に面するシャワーヘッド表面の温度を精度よく制御できない。

特開２００２−３２７２７４（段落００３８、図１）

本発明はこのような問題を解決するためになされたものであって、その目的は、処理空間に面するシャワーヘッドの表面の温度を設定温度に精度よく制御することができる成膜装置、ガス供給装置、成膜方法及びその方法を実施するためのコンピュータプログラムを含んだ記憶媒体を提供することにある。

本発明の成膜装置は、基板に成膜処理を施す処理空間を形成するチャンバーと、このチャンバー内に設けられ、基板を載置するステージと、前記ステージに載置された基板を加熱する基板用加熱手段と、前記ステージ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、この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上方に設けられた、シャワーヘッドを冷却する冷却手段と、この冷却手段の上方に設けられ、当該冷却手段を介してシャワーヘッドを加熱するシャワーへッド用加熱手段と、を備えていることを特徴とする。
なお本発明の成膜装置により処理される基板としては、半導体ウエハやＬＣＤ基板、ガラス基板、セラミックス基板などが挙げられる。

また本発明のガス供給装置は、チャンバー内のステージに載置された基板に処理ガスを供給するためのガス供給装置において、前記ステージに対向して設けられるシャワーヘッドと、前記シャワーヘッドの上方に設けられた、シャワーヘッドを冷却する冷却手段と、この冷却手段の上方に設けられ、当該冷却手段を介してシャワーヘッドを加熱するシャワーへッド用加熱手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明の成膜装置及びガス供給装置において、冷却手段は、例えば冷却用フィンとこの冷却用フィンに冷却用ガスを供給する冷却用ガス供給路と、を備えており、この場合例えば各冷却用フィンは起立し、横方向に並行状に伸びるように配列され、冷却用ガス供給路は冷却用フィン間の横長の隙間の一端側から他端側に向けて冷却用ガスを通流させるために当該一端側にガス吹き出し口が開口している。

また冷却手段及びシャワーへッド用加熱手段は、排気口を備えた筐体の中に収納されていてもよく、シャワーヘッドは、ガス吐出孔に連通するガス拡散室を備え、このガス拡散室には、シャワーヘッドの上面部と下面部との間の熱伝導のための多数の柱部が島状に配置されていてもよい。また、例えばシャワーヘッドの下面に対応する温度を検出するための温度検出部と、この温度検出部の温度検出値に基づいてシャワーへッド用加熱手段を制御する制御部と、を備えていてもよい。
また冷却手段も温度検出値に基づいて温度制御してもよい。

なお成膜装置における成膜処理は、例えば第１の処理ガスと第２の処理ガスとを同時あるいは別々に多数回処理空間に供給することにより薄膜の成分層を基板に重ねて積層することで成膜を行うものであり、この場合例えば第１の処理ガスはチタン化合物であり、第２の処理ガスはアンモニアガスである。

本発明の成膜方法は、基板に成膜処理を施す処理空間を形成するチャンバーと、このチャンバー内に設けられ、基板を載置するステージと、前記ステージに載置された基板を加熱する基板用加熱手段と、前記ステージ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、を備えた成膜装置を用いて基板に成膜を行う方法について、基板をステージに載置する工程と、基板を基板用加熱手段により加熱する工程と、ガス供給機構によりシャワーヘッドを介して処理空間に処理ガスを供給する工程と、シャワーヘッドの上方に設けられた冷却手段によりシャワーヘッドを冷却する工程と、前記冷却手段の上方に設けられた、シャワーヘッド用加熱手段により当該冷却手段を介してシャワーヘッドを加熱する工程と、を含むことを特徴とする。

さらに本発明の記憶媒体は、基板に成膜処理を施す処理空間を形成するチャンバーと、このチャンバー内に設けられ、基板を載置するステージと、前記ステージに載置された基板を加熱する基板用加熱手段と、前記ステージ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、を備えた成膜装置を用いて基板に成膜を行う方法を実施するコンピュータプログラムを備えた記憶媒体において、既述の成膜方法を実施するためのステップ群を含んだコンピュータプログラムを備えたことを特徴とする。

本発明は、シャワーヘッドの上方に冷却手段を設け、更にその上にシャワーへッド用加熱手段を設けている。このため処理空間側からの熱によってシャワーヘッドが昇温しすぎる場合にはシャワーヘッドの直ぐ上に設けられた冷却手段の冷却作用により昇温が抑えられ、そして冷却手段の上方の加熱手段を補助的に活用して冷却作用が調整されるので処理空間に面するシャワーヘッド表面の温度が設定温度より上昇することが抑えられ、しかも設定温度に精度よくコントロールできる。従って基板間で均一性の高い成膜処理を行うことができる。

図１は本発明の一実施形態に係るＳＦＤにより基板であるウエハＷにＴｉＮ薄膜を形成する成膜装置を示す概略断面図である。この成膜装置１は、気密に構成された略円筒状のチャンバー２を有しており、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２１がシールリングを介して取り付けられている。図中Ｓはチャンバーに囲まれる処理空間である。チャンバー２、ステージ保持部材２１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。

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２２と、この搬入出口２２を開閉するゲートバルブ２３とが設けられている。

ステージ保持部材２１は、円筒状に構成されており、その側壁には排気管２４が接続されている。この排気管２４には排気手段２５が接続されており、この排気手段２５が後述の制御部１００からの制御信号を受けて作動することによりチャンバー２内が所定の真空度まで減圧される。

チャンバー２の中には基板であるウエハＷを水平に載置するための載置台であるステージ３が設けられており、ステージ３は円筒形状の支持部材３１により支持されている。支持部材３１の下端は図示しないシールリングを介してステージ保持部材２１に取り付けられている。

前記ステージ３内にはウエハ用ヒータ３２が埋め込まれており、このウエハ用ヒータ３２は図示しない電源から給電されることによりウエハＷを所定の温度に加熱する。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３３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３３は支持板３４に固定されている。そして、ウエハ支持ピン３３は、例えばモータを含んだ駆動機構３５により支持板３４を介して昇降される。

チャンバー２の上部には支持部材２ａが設けられており、この支持部材２ａを介してステージ３に対向するようにシャワーヘッド４が設けられている。図２はシャワーヘッド４の縦断面図であり、この図を参照しながらシャワーヘッド４の構成について説明する。シャワーヘッド４は、ベース部４１、スペーサ部５１及びシャワープレート４２により構成されており、ベース部４１の中央下面部にはスペーサ部５１が設けられ、またスペーサ部５１の下面側にはシャワープレート４２が設けられている。図中４０は、スペーサ部５１及びシャワープレート４２をベース部４１に固着するためのねじであり、図中４０ａはねじ穴である。

ベース部４１は偏平な円形状に形成されており、その下端の外側にはフランジ部が設けられ、このフランジ部が前記支持部材２ａに支持される。ベース部４１の内部には互いに区画された第１のガス流路４１ａ及び第２のガス流路４１ｂが夫々形成されている。またベース部４１の上側部にはその上側部の温度を検出する検出部であるセンサ４Ａが設けられており、この温度検出センサ４Ａは、検出した温度に対応する電気信号を後述する制御部１００に送信する。なおこの温度検出センサ４Ａにより検出される温度はシャワーヘッド４において処理空間Ｓに面する表面の温度に対応する。

図３、図４はスペーサ部５１の上面側、下面側の構造を夫々示したものである。スペーサ部５１は、円板部５２とその円板部５２の周縁において上下に夫々突き出した突縁部５３、５４とを有しており、突縁部５３の上面は前記ベース部４１に、突縁部５４の下面はシャワープレート４２に夫々密着する。突縁部５３、円板部５２及びベース部４１に囲まれる空間は第１のガス拡散室５２ａとして構成されており、また突縁部５４、円板部５２及びシャワープレート４２に囲まれる空間は第２のガス拡散室５２ｂとして構成されている。

第１のガス拡散室５２ａはベース部４１の第１のガス流路４１ａと連通している。また図３、図４では図示を省略しているが、図２に示すように円板部５２の厚さ方向に沿って設けられた、区画された中間路５０を介してベース部４１の第２のガス供給路４１ｂと第２のガス拡散室５２ｂとが連通している。

図３に示すように円板部５２の上面側には例えば互いに間隔をおいて上方に向かう多数の柱部であるボス５５が、島状に設けられており、これら各ボス５５の上面（先端面）はベース部４１の下面に接する。冷却部材６によりベース部４１が冷却された際に各ボス５５はスペーサ部５１に効率良くベース部４１の冷気を伝え、当該スペーサ部５１の表面及びこのスペーサ部５１に接続されるシャワープレート４２の表面の温度を高精度に制御する役割を有する。例えばこのスペーサ部５１の直径は３４０ｍｍであり、このスペーサ部５１においてベース部４１に接する面積の合計は例えば３８５ｃｍ2程度である。この合計面積はスペーサ部５１のベース部４１への投影領域の面積の約４２％である。

図４に示すように円板部５２の下面には間隔をおいて、その下面全体に亘り、多数の突起（ボス）５６が設けられており、これら各ボス５６先端面はシャワープレート４２の上面に接する。また各ボス５６及び円板部５２を厚さ方向に貫くようにガス導入孔５７ａが穿設されており、この第１のガス導入孔５７ａは、前記第１のガス拡散室５２ａと連通している。なお図３では図示の便宜上ガス導入孔５７ａは数個しか描かれていないが実際は図４のボス５６に対応するように多数設けられている。また図３、図４は円板部の上面、下面を夫々模式的に示したものにすぎず、ボス５５及びボス５６の大きさ、各ボス間の間隔、各ボス５５，５６の個数は夫々適宜変更し得るものである。

シャワープレート４２は円板状に形成された部材であり、厚さ方向に穿設された多数のガス吐出孔を有し、前記ガス吐出孔は、例えばシャワープレート４２全体に亘ってマトリクス状に配列されている。これらのガス吐出孔は、第１のガス拡散室５２ａに連通する第１のガス吐出孔４２ａ及び第２のガス拡散室５２ｂに連通する第２のガス吐出孔４２ｂにより構成されており、第１及び第２のガス吐出孔４２ａ、４２ｂは夫々交互に配列されている。

第１のガス流路４１ａに供給されたガスは、第１のガス拡散室５２ａ及びガス導入孔５７ａを介してガス吐出口４２ａからシャワー状に処理空間Ｓに吐出され、ステージ３上のウエハＷに供給される。また第２のガス流路４１ｂに供給されたガスは、中間路５０、第２のガス拡散室５２ｂを介してガス吐出口４２ｂからシャワー状に処理空間Ｓに吐出され、ステージ３上のウエハＷに供給される。これら第１及び第２のガス流路４１ａ、４１ｂに供給された各ガスはシャワーヘッド４内では互いに混合されない。

図５はベース部４１の上部の構成を示した斜視図であり、この図に示すようにベース部４１上には例えばアルミニウムにより構成される冷却部材６が設けられている。図６は冷却部材６の上面図であり、冷却部材６は円板状の基部６１と、その基部６１の上面に起立する多数の冷却用フィン６２とによって構成されており、各冷却用フィン６２は基部６１の接線方向に沿って夫々並行するように伸長している。基部６１の中央は、後述するガス供給ブロック８１の接続領域となっており、当該中央には角形の孔６１ａが基部６１の厚さ方向に設けられている。この孔６１ａを介して後述のガス供給ブロック８１がシャワーヘッド４に接続されている。

この図６に示すように基部６１上には当該基部６１の一端から中心に向かうように冷却ガス導入管６３が配設されており、この冷却ガス導入管６３は、基部６１上をその直径に沿って伸長する冷却ガス吐出管６４の中央部に接続されている。また基部６１上には前記ガス供給ブロック８１の接続領域を囲うように側管６５が設けられ、側管６５の両端は冷却ガス吐出管６４に接続されている。冷却ガス吐出管６４及び側管６５には各冷却用フィン６２間の横長の隙間に、冷却用フィン６２の伸長方向に沿ってガスを吐出するためのガス吹き出し口である冷却ガス吐出孔６６が各々間隔をおいて設けられており、また冷却ガス導入管６３には冷却ガスとして例えばドライ・エアが貯留された冷却ガス供給源６７が接続されている。図中Ｖ１はバルブであり制御部１００の電気信号を受けて冷却ガス供給源６７から冷却ガス導入管６３への冷却ガスの給断を制御する。

制御部１００の電気信号を受けてバルブＶ１が開かれると、図７に示すように所定の流量の冷却ガスが、冷却ガス供給源６７から冷却ガス導入管６３を介して冷却ガス吐出管６４及び側管６５に流入し、冷却ガス吐出孔６６から吐出される。吐出された冷却ガスは、図中矢印で示すように冷却用フィン６２に沿って冷却部材６の周縁部へと向かい、冷却用フィン６２及び基部６１の表面がこの冷却ガスの気流に曝されて冷却される。このように冷却部材６が冷却されると、隣接するシャワーヘッド４が冷却される。なお冷却部材６、冷却ガス導入管６３、冷却ガス吐出管６４、側管６５及び冷却ガス供給源６７は特許請求の範囲でいう冷却手段を構成し、また冷却ガス導入管６３、冷却ガス吐出管６４及び側管６５は冷却用ガス供給路を構成する。

また図８に示すように冷却用フィン６２の上部にはアルミニウムからなる板状部材７０を介してシャワーへッド用加熱手段である円板状のシャワーへッド用ヒータ７１が設けられており、このヒータ７１は、板状部材７０及び冷却部材６を介してシャワーヘッド４を加熱する。シャワーへッド用ヒータ７１は、発熱抵抗体７２を上下から絶縁材であるゴムシート７３で挟んだ構成を有する。図中７４は例えばアルミニウムからなる板状部材である。このヒータ７１としては金属板に発熱抵抗体が埋め込まれたようなものを用いてもよいが、装置の軽量化を図る観点から上述のような構成にすることが好ましい。

シャワーヘッド４の温度検出センサ４Ａから電気信号を受けた制御部１００は、その温度検出センサ４Ａが例えば予め設定された温度となるようにシャワーへッド用ヒータ７１に電気信号を送信して、そのヒータ７１の出力を調整し、ヒータ７１は冷却部材６を介してシャワーヘッド４を加熱する。

ヒータ７１から発する熱と既述の冷却部材６の冷気とによって、シャワーヘッド４の処理空間Ｓに面する表面が、その表面においてＴｉＮ膜の成膜が抑えられ、かつ処理空間ＳにおいてウエハＷに良好な成膜処理が行える温度に制御される。なお成膜処理中において前記シャワーヘッド４表面へのＴｉＮ膜の形成を防ぐためにその表面の温度は、１８５℃以下に制御されることが好ましい。

ベース部４１の上部中央にはガス供給ブロック８１が設けられている。図１に示すようにガス供給ブロック８１には第１のガス供給管８１ａ、第２のガス供給管８１ｂが設けられている。第１のガス供給管８１ａの一端は第１のガス流路４１ａに接続されており、その他端は分岐して第１の処理ガスであるＮＨ3ガス及びキャリアガスであるＮ2（窒素）ガスが夫々貯留されたガス供給源８２,８３に接続されている。

また第２のガス供給管８１ｂの一端は第２のガス流路４１ｂに接続されており、その他端は分岐して第２の処理ガスであるＴｉＣｌ4ガス、キャリアガスであるＮ2ガス及びクリーニングガスであるＣｌＦ3ガスが夫々貯留されたガス供給源８４,８５,８６に接続されている。また各ガス供給管８１ａ，８１ｂにはバルブ及びマスフローコントローラなどにより構成されるガス供給機器群８７が介設されており、このガス供給機器群８７は後述の制御部１００からの制御信号を受信して各処理ガスの給断を制御する。なお各ガス供給源８２〜８６、各ガス供給管８１ａ，８１ｂ、ガス供給機器群８７は特許請求の範囲でいうガス供給機構を構成する。

図９は成膜装置１の上面を示した斜視図であり、この図に示すようにチャンバー２上には板部材２ｂを介して、冷却部材６及びヒータ７１を収納するように筺体であるカバー２７が設けられている。図１中２７ａはこのカバー２７に囲まれる排気空間であり、カバー２７の上部にはこの排気空間２７ａに向けて開口した排気口２８ａが設けられている。排気口２８ａには排気管２９の一端が接続されており、排気管２９の他端は排気手段２９ａに接続されている。

吐出孔６６から吐出された冷却ガスは、冷却部材６を冷却した後、排気手段２９ａによって排気空間２７ａを介して排気管２９に流入して除去される。

この成膜装置１には例えばコンピュータからなる制御部１００が設けられている。制御部１００はプログラム、メモリ、ＣＰＵからなるデータ処理部などを備えており、前記プログラムには制御部１００が成膜装置１の各部に制御信号を送り、後述の作用を実施することでウエハＷに対してＴｉＮ膜が成膜できるように命令が組まれている。また、例えばメモリには処理圧力、処理時間、ガス流量、電力値などの処理パラメータの値が書き込まれる領域を備えており、ＣＰＵがプログラムの各命令を実行する際これらの処理パラメータが読み出され、そのパラメータ値に応じた制御信号がこの成膜装置１の各部に送られることになる。

このプログラム（処理パラメータの入力用画面に関連するプログラムも含む）は、例えばフレキシブルディスク、コンパクトディスク、ＭＯ（光磁気ディスク）などにより構成される記憶媒体である記憶部１０１に格納されて制御部１００にインストールされる。

次いで上述の成膜装置１の作用としてウエハＷ表面にＴｉＮ膜を成膜する成膜方法について図１０を参照しながら説明する。先ず排気手段２５によりチャンバー２内を真空引きし、ガス供給源８３から不活性ガスであるＮ2ガスが所定の流量でチャンバー２内に供給される。またこのときヒータ３２によりステージ３が所定の温度例えば６００℃〜７００℃程度まで加熱されると共にチャンバー２の不図示のヒータが加熱され、チャンバー２内が所定の温度に維持される。

ヒータ３２及びチャンバー２の前記不図示のヒータの昇温後、冷却ガス供給源６７から冷却ガスが、冷却ガス吐出管６４に例えば流量１５０Ｌ／ｍｉｎで供給され、その冷却ガスがガス吐出孔６６から吐出されて冷却部材６が冷却され（ステップＳ１）、例えば冷却ガスの供給と略同時に、排気手段２９ａが作動して排気空間２７ａが排気される。また冷却ガスが供給されると、ガスシャワーヘッド用ヒータ７１が昇温して、冷却部材６を介してシャワーヘッド４に熱が伝わり、例えば温度検出センサ４Ａにより検出される温度が、例えば１６５℃に維持されるようにシャワーヘッド４の温度が制御される（ステップＳ２）。

その後、ゲートバルブ２３を開き、図示しない搬送アームによりウエハＷがチャンバー２内に搬入される。そして当該搬送アームとウエハ支持ピン３３との協働作業によりウエハＷをステージ３の上面に載置し、ゲートバルブ２３を閉にする（ステップＳ３）。

図１１は、ウエハＷにＴｉＮ膜の薄膜を形成する工程におけるガスの給断及び圧力の制御を時系列に沿って示したものである。ステージ３に載置されたウエハＷが所定の温度で加熱され（ステップＳ４）、チャンバー２内の温度が所定の温度に維持されると共にチャンバー２内の圧力が例えば２６０Ｐａに維持されると、図示するように時刻ｔ１にて両処理ガスの供給がＯＮになり、先ず時刻ｔ１からｔ2に至るまで例えばＴｉＣｌ4ガスとＮＨ3ガスとが夫々所定の流量でチャンバー２内に供給され、これらＴｉＣｌ4ガスとＮＨ3ガスとが下記の（１）式のように反応してウエハＷの表面にＴｉＮ膜が成膜される（ステップＳ５）。
６ＴｉＣｌ4＋８ＮＨ3→６ＴｉＮ＋２４ＨＣｌ＋Ｎ2 …（１）

続いて時刻ｔ２にてＴｉＣｌ4ガス及びＮＨ3ガスの供給を停止し、チャンバー２内に残留した未反応のガスや反応副生成物を除去する。この際には、例えばＮ2ガスを供給してもよい。その後ＴｉＣｌ4ガスの供給を停止したまま、ＮＨ3ガスの供給を所定の流量で所定時間行い（詳しくはＮＨ3ガスに加えてそのキャリアガスとしてＮ2ガスも供給される）、ウエハＷ上に成膜したＴｉＮの中に含まれる残留塩素をＮＨ3ガスにより還元し、この還元反応によって生じた塩化物がチャンバー２内から除去される。

そしてＮＨ3ガスの供給を停止し、当該チャンバー２内の残留ＮＨ3ガスが排気される。このとき例えばＮ2ガスを供給してもよい。以上で時刻ｔ３に至った時点で１サイクルが終了する。

この後、時刻ｔ１から当該時刻ｔ３に至るまでに行ったのと同様のステップ群が繰り返され、それ以後このステップ群が繰り返されて例えば時刻ｔ１〜ｔ３までのステップが１０サイクル以上、好ましくは３０サイクル以上、所望のＴｉＮ膜を得られるまで繰り返される。このサイクル数については１サイクルで形成される薄膜の膜厚によって適宜調整される。

ウエハＷ表面へのＴｉＮ膜の形成完了後、ＴｉＣｌ４及びＮＨ3の両処理ガスの供給を停止し、所定の時間チャンバー２内のパージを行い、しかる後ＮＨ3ガスをキャリアガスであるＮ2ガスと共にチャンバ２内に供給して、ウエハＷ上のＴｉＮ膜表面の窒化処理を行う。こうして所定枚数のウエハＷに対して同様の工程で繰り返し成膜処理が行われる。

所定枚数のウエハＷへの成膜処理後、チャンバー２内に付着した不要な成膜物を除去するため、当該チャンバー２内にＣｌＦ3ガスを供給してクリーニングが行われる。

上述の成膜装置１によれば、シャワーヘッド４の上方に冷却ガスにより冷却される冷却部材６を設け、更にその上にシャワーへッド用ヒータ７１を設けている。このため処理空間Ｓ側からのウエハ用ヒータ３２により輻射された熱やチャンバー２の図示しない加熱手段から輻射された熱によってシャワーヘッド４の温度が昇温しすぎる場合にはシャワーヘッド４の直ぐ上に設けられた冷却部材６の冷却作用により昇温が抑えられ、そして冷却手段６の上方のシャワーヘッド用ヒータ７１を補助的に活用して冷却作用が調整されるので処理空間Ｓに面するシャワーヘッド表面の温度が設定温度より上昇することが抑えられ、しかも設定温度に精度よくコントロールできる。従って、ウエハＷ間で均一性の高いＴｉＮ膜の成膜処理を行うことができる。

またシャワーヘッド４に設けられた処理ガスの第１の拡散室５２ａを構成するスペーサ部５１の上面には、多数のボス５５が設けられ、処理ガスの第２の拡散室を構成するスペーサ部５１の下面には多数のボス５６が設けられ、ボス５５はベース部４１に、ボス５６はシャワープレート４２に夫々接することにより、ベース部４１とスペーサ部５１及びシャワープレート４２との間で熱伝導が効率良く行われるため、スペーサ部５１及びシャワープレート４２表面の温度をより高い精度で設定温度に制御することができる。

なお冷却手段として上述の成膜装置のように冷却部材６及びガス吐出管６４などを設ける代わりに、例えば内部に通気室を設けたブロックをシャワーヘッド４とヒータ７１との間に設置し、当該通気室に冷却ガスを流通させるようなものであってもよく、またペルチェ素子により構成された冷却部材を用いてもよい。

また例えば冷却液が通流する流路が表面に設けられたプレートを冷却手段としてシャワーヘッド４上に設けてもよいが、既述の実施形態のように冷却ガスによる冷却手段を設けた方が冷却液が通流する配管の引き回しが不要になり、成膜装置１を構成する部品のレイアウトの自由度が高くなると共に装置の大型化を抑えることができるため好ましい。また上述の実施形態において、各冷却用フィン６２は起立して設けられ、各フィン６２間の隙間に冷却ガスが通流される構成であるため、冷却ガスに曝される冷却部材６の表面積を大きくとることができる一方で冷却部材６の床面積を抑えることができる。従って装置の大型化をより抑えることができる。

なお上述の成膜工程では処理ガスをパルス的にチャンバー２内に導入するプロセスを繰り返し行い、膜を段階的に積層させているが、処理ガスを連続的に供給するＣＶＤ成膜処理を行ってもよい。またＴｉＣｌ4ガス及びＮＨ3ガスを同時にチャンバー２内に供給するのではなく夫々交互に供給することにより処理空間Ｓの雰囲気をＴｉＣｌ4ガスによる雰囲気と、ＮＨ3ガスによる雰囲気とに交互に多数回、切り替えて、ウエハＷ上にＴｉ原子層（あるいは分子層）の形成と窒化とを交互に形成することでＴｉＮ膜を形成してもよい。
例えばシャワーヘッド４に高周波を印加し、チャンバー２内にプラズマを発生させ、そのプラズマのエネルギーとウエハ用ヒータ３２の熱エネルギーとを利用してウエハＷに成膜を行ってもよい。その他に上記実施の形態ではＴｉＮ膜の成膜処理を例にとって説明したが、これに限らず成膜装置１は、Ｔｉ膜など他の膜のＣＶＤ成膜処理に適用することもできる。

また上述の成膜装置１のシャワーヘッド４と、その上方の冷却部材６及びその冷却部材６に冷却ガスを供給する各配管と、ヒータ７１とからなるガス供給装置を構成してもよい。

なお成膜装置１を含む本発明の成膜装置及びガス供給装置は、ＳＦＤのように何も温度コントロールをしなかったらシャワーヘッド４が設定温度よりも高くなってしまうプロセスを行う場合に有効である。

続いて本発明の効果を確認するために以下の実施例及び比較例を行った。以下の実施例においては既述の成膜装置１を用いて、比較例においては図１２に示した成膜装置９を用いてウエハＷに対して処理を行った。成膜装置９は成膜装置１と略同様に構成されており、図中、成膜装置１と同様の構成を有する各部については成膜装置１に対して用いた符号と同一の符号を用いている。なおこの成膜装置９に設けられる制御部の図示は省略しているが、この成膜装置９の制御部は制御部１００と同様にウエハＷにＴｉＮ膜が成膜されるように当該成膜装置９の各部を制御する。

成膜装置９においてはシャワーヘッド４の上方には冷却部材６及びカバー２９などが設けられておらず、その代わりにヒータ９１がシャワーヘッド４上に積層されている。またヒータ９１上には断熱材９２が積層されている。

またこの成膜装置９のシャワーヘッド４はスペーサ部５１の代わりに、従来のシャワーヘッドに用いられるスペーサ部９３を備えており、図１３はこのスペーサ部９３の上面の構成を示した図である。この図に示すように円板部５２の上面にはボス５５が設けられておらず、その代わりに円板部５２の直径方向に沿って、互いに直交する２本のリブ９４が設けられている。リブ９４の上面はベース部４１の下面に密着する。またスペーサ部９３の直径は成膜装置１のスペーサ部５１の直径と同じ３４０ｍｍである。スペーサ部９３においてベース部４１に接する面積の合計は２７６ｃｍ2であり、これはスペーサ部９３のベース部４１への投影領域の面積の約３０％に相当し、スペーサ部５１がベース部４１に接する面積よりも小さい。

（実施例１−１）
成膜装置１を用いて上述の実施の形態に示した手順に従ってウエハＷに対してＴｉＮ膜の成膜を行った。成膜処理中のヒータ７１の温度は１６５℃に設定し、またガス供給源６７から冷却部材６に供給される冷却ガスの流量は１５０Ｌ／ｍｉｎに設定した。またシャワーヘッド４の表面に熱電対からなる温度検出センサ（ＴＣ）を取り付け、そしてステージ３のウエハ用ヒータ３２の温度を変更して、前記ＴＣにより検出されるシャワーヘッド４の温度を調べた。

（比較例１−１）
実施例１−１と同様の手順でステージ３のウエハ用ヒータ３２の設定温度を変更して、実施例１−１と同様に、シャワーヘッド４の表面に取り付けたＴＣにより検出される当該シャワーヘッド４の温度を調べた。ただしシャワーヘッド４上のヒータ９１の設定温度は１７０℃とした。

図１４（ａ）は実施例１−１及び比較例１−１の結果を示したグラフである。このグラフに示すようにステージ３のヒータ３２の温度が高く設定されると、実施例１−１に比べて比較例１−１は急激にシャワーヘッド４表面のＴＣにより検出される温度が高くなっている。従ってこのグラフから実施例１−１における処理空間Ｓに面するシャワーヘッド４の表面温度は、比較例１−１におけるシャワーヘッド４の表面温度に比べて抑えられているといえる。

また実施例１−１のグラフの傾きは、比較例１−１のグラフの傾きに比べて小さいことから、実施例１−１では比較例１−１に比べてシャワーヘッド４の温度上昇が抑えられているといえる。

（実施例１−２）
予め処理空間Ｓに面するシャワーヘッド４表面にＴｉＮ膜を形成（プリコート）してから既述の実施形態と同様にウエハＷの処理を行った他は実施例１−１と同じく、ステージ３のヒータ３２の設定温度を変更して、シャワーヘッド４表面のＴＣにより検出される温度を調べた。

（比較例１−２）
実施例１−２と同様に予め処理空間Ｓに面するシャワーヘッド４表面にＴｉＮ膜をプリコートした他は比較例１−１と同様にステージ３のヒータ３２の設定温度を変更して、シャワーヘッド４表面のＴＣにより検出される温度を調べた。

図１４（ｂ）は実施例１−２及び比較例１−２の結果を示したグラフである。このグラフに示すように比較例１−２に比べて実施例１−２で前記ＴＣにより検出されるシャワーヘッド４の温度は低く、従って実施例１−２のシャワーヘッド４の表面温度は比較例１−２のシャワーヘッド４の表面温度に比べて抑えられていることが分かる。

また図１４（ｂ）のグラフの６００℃〜７００℃付近の温度範囲において実施例１−２のグラフの傾きは比較例１−２のグラフの傾きよりも小さく、従ってこの範囲において実施例１−２では比較例１−２に比べてシャワーヘッド４の温度上昇が抑えられているといえる。

（実施例２）
実施例２では既述の成膜装置１を用いて実施の形態に示した手順に従って５００枚のウエハＷに順次ＴｉＮ膜を成膜し、この成膜時における温度検出センサ４Ａが示すシャワーヘッド４の温度の変化と、シャワーヘッド４上のヒータ７１の出力とをモニタした。なお制御部１００のプログラムには成膜処理中にセンサ４Ａの温度が１６５℃に維持されるようにヒータ７１の温度が調整されるように設定されている。

（比較例２）
比較例２では既述の成膜装置９を用いて実施の形態に示した手順に従って５００枚のウエハＷに順次ＴｉＮ膜を成膜し、この成膜時における温度検出センサ４Ａの示す値の変化と、シャワーヘッド４上のヒータ９２の出力とをモニタした。なおこの成膜装置９の制御部のプログラムには成膜処理中にセンサ４Ａの温度が１７０℃に維持されるようにヒータ９２の温度が調整されるように設定されている。

図１５（ａ）は実施例２及び比較例２のモニタされた温度を示しており、実施例２では設定通りの温度１６５℃で推移しているのに対し、比較例２では処理開始直後に設定された温度１７０℃を超え、その後時間が経過するにつれて温度が上昇している。

図１５（ｂ）は実施例２のヒータ７１及び比較例２のヒータ９２の出力を示しており、このグラフの横軸に示す時間は、図１５（ａ）のグラフの横軸に示す時間に対応している。このグラフに示すように実施例のヒータ７１の出力は処理開始直後に９０％程度に上昇した後５０％に下降し、その５０％周辺で安定しているが、比較例２においては開始直後から出力が低下し、略０％になっている。

従って図１５（ａ），（ｂ）のグラフから実施例２においては冷却部材６及びヒータ７１によりシャワーヘッド４を安定して温度制御することができるため、シャワーヘッド４の処理空間Ｓに向かう表面の温度を制御でき、その表面においてＴｉＮ膜の成膜を抑えることができることが示された。一方、比較例２においてはヒータ７１の出力がゼロになってもシャワーヘッド４の温度は上昇し続けており、そのシャワーヘッド４の温度が制御できなくなっていることが分かる。

本発明の一実施形態に係る成膜装置を示す断面図である。前記成膜装置のシャワーヘッドを示す拡大図である。前記シャワーヘッドを構成するスペーサ部の上面の斜視図である。前記スペーサ部の下面の斜視図である。前記シャワーへッドの上方の各部の構成を示す斜視図である。前記シャワーヘッドの上方の冷却部材の上面図である。冷却部材に冷却ガスが供給される様子を示した説明図である。シャワーヘッドの上方のヒータの断面図である。成膜装置の上面の構成を示した斜視図である。ウエハへの成膜工程を示すフロー図である。成膜処理における各処理ガスの供給のオン、オフを示す説明図である。比較例で用いる成膜装置を示す断面図である。前記成膜装置のシャワーヘッドを構成するスペーサ部の上面図である。本発明の成膜装置及び従来の成膜装置の成膜処理時におけるシャワーヘッドの温度を示したグラフである。本発明の成膜装置及び従来の成膜装置のシャワーヘッドの温度及びシャワーヘッドのヒータの出力の変化を示したグラフである。

符号の説明

Ｗ 半導体ウエハ
１ 成膜装置
２ チャンバー
３ ステージ
３２ ウエハ用ヒータ
４ シャワーヘッド
６ 冷却部材
７１ シャワーへッド用ヒータ

Claims (23)

1. 基板に成膜処理を施す処理空間を形成するチャンバーと、
   このチャンバー内に設けられ、基板を載置するステージと、
   前記ステージに載置された基板を加熱する基板用加熱手段と、
   前記ステージ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、
   この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上方に設けられた、シャワーヘッドを冷却する冷却手段と、
   この冷却手段の上方に設けられ、当該冷却手段を介してシャワーヘッドを加熱するシャワーへッド用加熱手段と、
   を備えていることを特徴とする成膜装置。
2. 冷却手段は、冷却用フィンと、
   この冷却用フィンに冷却用ガスを供給する冷却用ガス供給路と、を備えていることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
3. 各冷却用フィンは起立し、横方向に並行状に伸びるように配列され、冷却用ガス供給路は冷却用フィン間の横長の隙間の一端側から他端側に向けて冷却用ガスを通流させるために当該一端側にガス吹き出し口が開口していることを特徴とする請求項２記載の成膜装置。
4. 冷却手段及びシャワーへッド用加熱手段は、排気口を備えた筐体の中に収納されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一に記載の成膜装置。
5. シャワーヘッドは、ガス吐出孔に連通するガス拡散室を備え、このガス拡散室には、シャワーヘッドの上面部と下面部との間の熱伝導のための多数の柱部が島状に配置されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一に記載の成膜装置。
6. シャワーヘッドの下面に対応する温度を検出するための温度検出部と、この温度検出部の温度検出値に基づいてシャワーへッド用加熱手段を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一に記載の成膜装置。
7. 成膜処理は、第１の処理ガスと第２の処理ガスとを同時あるいは別々に多数回処理空間に供給することにより薄膜の成分層を基板に重ねて積層することで成膜することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一に記載の成膜装置。
8. 第１の処理ガスはチタン化合物であり、第２の処理ガスはアンモニアガスであることを特徴とする請求項７記載の成膜装置。
9. チャンバー内のステージに載置された基板に処理ガスを供給するためのガス供給装置において、
   前記ステージに対向して設けられるシャワーヘッドと、
   前記シャワーヘッドの上方に設けられた、シャワーヘッドを冷却する冷却手段と、
   この冷却手段の上方に設けられ、当該冷却手段を介してシャワーヘッドを加熱するシャワーへッド用加熱手段と、
   を備えたことを特徴とするガス供給装置。
10. 冷却手段は、冷却用フィンと、
    この冷却用フィンに冷却用ガスを供給する冷却用ガス供給路と、を備えていることを特徴とする請求項９に記載のガス供給装置。
11. 各冷却用フィンは起立し、横方向に並行状に伸びるように配列され、冷却用ガス供給路は冷却用フィン間の横長の隙間の一端側から他端側に向けて冷却用ガスを通流させるために当該一端側にガス吹き出し口が開口していることを特徴とする請求項１０記載のガス供給装置。
12. 冷却手段及びシャワーへッド用加熱手段は、排気口を備えた筐体の中に収納されていることを特徴とする請求項９ないし１１のいずれか一に記載のガス供給装置。
13. シャワーヘッドは、ガス吐出孔に連通するガス拡散室を備え、このガス拡散室には、シャワーヘッドの上面部と下面部との間の熱伝導のための多数の柱部が島状に配置されていることを特徴とする請求項９ないし１２のいずれか一に記載のガス供給装置。
14. シャワーヘッドの下面に対応する温度を検出するための温度検出部と、この温度検出部の温度検出値に基づいてシャワーへッド用加熱手段を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする請求項９ないし１３のいずれか一に記載のガス供給装置。
15. 基板に成膜処理を施す処理空間を形成するチャンバーと、このチャンバー内に設けられ、基板を載置するステージと、前記ステージに載置された基板を加熱する基板用加熱手段と、前記ステージ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、を備えた成膜装置を用いて基板に成膜を行う方法について、
    基板をステージに載置する工程と、
    基板を基板用加熱手段により加熱する工程と、
    ガス供給機構によりシャワーヘッドを介して処理空間に処理ガスを供給する工程と、
    シャワーヘッドの上方に設けられた冷却手段によりシャワーヘッドを冷却する工程と、
    前記冷却手段の上方に設けられた、シャワーヘッド用加熱手段により当該冷却手段を介してシャワーヘッドを加熱する工程と、
    を含むことを特徴とする成膜方法。
16. 冷却手段による冷却は、冷却用フィンに冷却用ガスを供給する工程であることを特徴とする請求項１５記載の成膜方法。
17. 冷却用フィンは起立し、横方向に並行状に伸びるように配列され、冷却用ガス供給路は冷却用フィン間の横長の隙間の一端側から他端側に向けて冷却用ガスを通流させるために当該一端側にガス吹き出し口が開口していることを特徴とする請求項１６記載の成膜方法。
18. 冷却手段及びシャワーへッド用加熱手段は、排気口を備えた筐体の中に収納されていることを特徴とする請求項１５ないし１７のいずれか一に記載の成膜方法。
19. シャワーヘッドは、ガス吐出孔に連通するガス拡散室を備え、このガス拡散室には、シャワーヘッドの上面部と下面部との間の熱伝導のための多数の柱部が島状に配置されていることを特徴とする請求項１５ないし１８のいずれか一に記載の成膜方法。
20. 温度検出部によりシャワーヘッドの下面に対応する温度を検出する工程と、
    その温度検出部の温度検出値に基づいてシャワーへッド用加熱手段を制御する工程と、
    を備えたことを特徴とする請求項１５ないし１９のいずれか一に記載の成膜方法。
21. 第１の処理ガスと第２の処理ガスとを同時あるいは別々に多数回処理空間に供給し、薄膜の成分層を基板に重ねて積層する工程を含むことを特徴とする請求項１５ないし２０のいずれか一に記載の成膜方法。
22. 第１の処理ガスはチタン化合物であり、第２の処理ガスはアンモニアガスであることを特徴とする請求項２１記載の成膜方法。
    
23. 基板に成膜処理を施す処理空間を形成するチャンバーと、このチャンバー内に設けられ、基板を載置するステージと、前記ステージに載置された基板を加熱する基板用加熱手段と、前記ステージ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、を備えた成膜装置を用いて基板に成膜を行う方法を実施するコンピュータプログラムを備えた記憶媒体において、
    請求項１５ないし２２のいずれか一に記載の成膜方法を実施するためのステップ群を含んだコンピュータプログラムを備えたことを特徴とする記憶媒体。
    

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