JP2000144432A

JP2000144432A - ガス噴射ヘッド

Info

Publication number: JP2000144432A
Application number: JP10313752A
Authority: JP
Inventors: Kuniaki Horie; 邦明堀江; Tsutomu Nakada; 勉中田; Kiwamu Tsukamoto; 究塚本; Yuji Abe; 祐士阿部
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1998-11-04
Filing date: 1998-11-04
Publication date: 2000-05-26

Abstract

(57)【要約】【課題】濃度や成分の均一な混合ガスを早期反応を防
止しつつ安定した状態で基板に向けて均一に噴射するこ
とができるガス噴射ヘッドを提供する。【解決手段】少なくとも２種の反応ガスを個別に収容
する少なくとも２つのガス空間７０，７２を形成する噴
射ヘッド６６本体と、前記噴射ヘッド本体の下面に配置
された複数のガス噴射孔７８と、前記ガス噴射孔にそれ
ぞれ配置され、前記少なくとも２つのガス空間から前記
少なくとも２種の反応ガスを個別に導入して噴射する同
軸多流体ノズルとを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

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

【０００２】

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

【０００３】図８は、この種のチタン酸バリウム／スト
ロンチウム等の高誘電体又は強誘電体薄膜を形成するた
めの成膜装置の全体構成を示す図であり、液体原料を気
化する気化器１１０の下流側に原料ガス搬送流路１１２
を介して密閉可能な成膜室１１４が設けられ、さらにそ
の下流側の排気流路に真空ポンプ１１６が配置されて排
気配管１１８が構成されている。成膜室１１４には、酸
素等の酸化ガスを供給する酸化ガス配管１２０が接続さ
れている。

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

【０００５】

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

【０００６】また、原料ガスと酸化ガスの混合をノズル
を出てから行うようにした場合、ノズル穴での詰まりを
なくすことができるが、基板に至る短い過程で均一な混
合状態を得るのが難しい。充分な混合状態を得ようとす
ると、ノズル穴を細かく分布させたり、基板までの距離
を大きくするなどの必要があり、装置の複雑化や肥大化
を招き、実用的でない。

【０００７】本発明は、上述した事情に鑑みて為された
もので、濃度や成分の均一な混合ガスを早期反応を防止
しつつ安定した状態で基板に向けて均一に噴射すること
ができるガス噴射ヘッドを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、少なくとも２種の反応ガスを個別に収容する少なく
とも２つのガス空間を形成する噴射ヘッド本体と、前記
噴射ヘッド本体の下面に配置された複数のガス噴射孔
と、前記ガス噴射孔にそれぞれ配置され、前記少なくと
も２つのガス空間から前記少なくとも２種の反応ガスを
個別に導入して噴射する同軸多流体ノズルとを有するこ
とを特徴とするガス噴射ヘッドである。ここでいう「同
軸多流体ノズル」とは、複数の流路が同軸に形成された
ノズルである。また、ここでいう「反応ガス」とは、原
料ガス、酸化ガスの他、これらに補助的に添加される不
活性ガス等も含む概念である。

【０００９】これにより、複数の反応ガスが外側のノズ
ル内あるいはノズルを出た後に混合されるので、反応生
成物がノズル側に付着することが少ない。しかも、反応
ガスが同軸ノズルから噴射されるので、一方の反応ガス
が他方の反応ガスを包み込むように噴射され、ノズルの
開口での拡散作用により下流で均一にかつ効率良く混合
される。混合の過程において乱流の発生がほとんどな
く、従って、状態の変動による早期反応によってパーテ
ィクルを発生させることが防止される。３種以上のガス
を用いる場合には、３重以上のノズルを用いてもよく、
また、２重ノズルを多段に重ねて用いても良い。

【００１０】請求項２に記載の発明は、前記同軸多流体
ノズルは、外側ノズル孔と、該外側ノズル孔に所定長さ
挿入された内側ノズルとを有することを特徴とする請求
項１に記載のガス噴射ヘッドである。この挿入長さを適
宜に調整することにより、反応ガスの性質に合わせて混
合の効率等を適宜に調整することができる。例えば、外
側ノズル孔の内側ノズルより下流の部分は混合領域とし
て定義でき、これを充分採ることにより、混合効率を向
上させることができる（図３参照）。また、内側ノズル
をシャワーヘッドの末端まで伸ばした場合は、ガスの混
合は完全にシャワーヘッド外部で行われる（図４参
照）。

【００１１】請求項３に記載の発明は、前記同軸多流体
ノズルに外側ノズル孔の内側ノズル孔への合流部又は合
流部の上流側に流路抵抗を付す抵抗体を設けたことを特
徴とする請求項１に記載のガス噴射ヘッドである。これ
により、外側ノズルのガスの分配性を向上させることが
できる。リング状の流路は断面円形の流路より面積が大
きいため抵抗体としての作用が不充分である。そのた
め、内側ノズルの外側ノズル内への挿入長さを十分長
くする、焼結体等のフィルタを挿入する、ラビリン
ス構造とする、流路に溝を形成してこの溝に流れを導
く、等の手段によって流路抵抗を付し、外側ノズルのガ
スの等分配性を向上させることができる（図５参照）。

【００１２】請求項４に記載の発明は、前記外側ノズル
孔には、前記内側ノズルの下流側に絞り部が形成されて
いることを特徴とする請求項２に記載のガス噴射ヘッド
である。これにより、外側ノズル孔からの反応ガスの流
れを絞って内側ノズルからの流れに当てるようにして混
合効率を向上させることができる。

【００１３】請求項５に記載の発明は、請求項１ないし
４に記載のガス噴射ヘッドを有する気密な成膜室と、該
ガス噴射ヘッドに反応ガスを供給するガス供給源と、前
記成膜室内に前記ガス噴射ヘッドに対向して配置された
基板保持台とを有することを特徴とする成膜装置であ
る。

【００１４】

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

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

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

【００１７】ガス噴射ヘッド２０は、成膜対象の基板Ｗ
に対向して配置されるノズル盤６０と、背板６２及び周
壁６４とによって中空円盤状に形成された噴射ヘッド本
体６６から構成されている。この噴射ヘッド本体６６の
内部には円盤状の中空体６８がノズル盤６０、背板６２
及び周壁６４から間隔をおいて配置されて、この噴射ヘ
ッド本体６６と中空体６８との間に第１のガス空間７０
が形成されている。中空体６８の内部にも円板状の仕切
板６９が中空体６８の上下壁及び側壁から間隔をおいて
配置されており、ここに第２のガス空間７２が形成され
ている。

【００１８】噴射ヘッド本体６６の背板６２側には、各
ガス空間７０，７２に反応ガスを個別に供給するガス供
給配管７４が接続されている。ガス供給配管７４は同軸
の多重管であり、中心にはノズル盤面に達する熱電対
（温度センサ）７６が挿入され、その外側に第２のガス
空間に通じる第２の反応ガス流路９８が、さらにその外
側に第１のガス空間７０に通じる第１の反応ガス流路９
６が形成されている。

【００１９】ノズル盤６０には所定の間隔をおいて多数
のガス噴射孔（外側ノズル孔）７８が設けられ、また、
各ガス噴射孔７８を取り囲むように熱媒体流路２８ａが
形成されており、これには入口２８ｂから熱媒体が供給
されて出口２８ｂ’から外部に排出されるようになって
いる。中空体６８の底板８０には、ノズル盤６０の各ガ
ス噴射孔７８と対向する位置にそれぞれ開口８６が形成
され、これには筒状のノズル部材（内側ノズル）８８の
上端が固着されている。従って、ガス噴射孔７８とノズ
ル部材８８の外面の間には、第１のガス空間７０につな
がる管状流路７０ａが形成されている。各ノズル部材８
８は、図３に示すように、上部のくびれ部と、その下部
の拡径部とを有するベンチュリタイプに形成され、この
ノズル部材８８の下端はガス噴射孔７８の内部に所定長
さだけ挿入され、これにより同軸の２流体ノズルが構成
されている。

【００２０】噴射ヘッド本体６６の各ガス空間７０，７
２は、それぞれ中空体６８及び仕切板６９によって上下
に区画されており、それぞれガス供給配管７４の反応ガ
ス流路９６，９８から個別に供給された第１及び第２の
反応ガスは、上側のガス空間を径方向外側に流れた後、
側壁６４及び８４で反転して下側のガス空間に外側縁部
から流入する。これにより、それぞれの下側ガス空間に
おいて、ノズルの配置密度に応じたガス流量分布が達成
され、ノズルからの流量が均等化される。

【００２１】なお、噴射ヘッド本体６６の形状はこれに
限られるものではなく、２つのガス空間を単純な２層の
円盤状空間に形成してもよく、また、仕切板６９の代わ
りに微細孔が形成されたガス分配板を用いても良い。さ
らに、噴射ヘッド本体６６の全体を下側に拡径するラッ
パ状に形成してもよい。

【００２２】周壁６４の内面、背板６２の上面、ガス供
給配管７４の外面を覆うように外被９２が設けられ、こ
れと周壁６４の間にはシールリング９４が配されて内部
を密閉している。この外被９２と背板６２の上面及びガ
ス供給配管７４の外面の間には、図２に示すように、熱
媒体流路２８ｃが形成されており、ガス供給配管７４と
噴射ヘッド本体６６内を流れる反応ガスを加熱してい
る。

【００２３】このように構成されたガス噴射ヘッド２０
の作用を説明する。反応ガス、すなわち、この例では原
料ガスと酸化ガスは、図示しない供給源からガス供給配
管７４にそれぞれ導入される。原料ガスは、例えば、Ｂ
a（ＤＰＭ）_２、Ｓr（ＤＰＭ）_２及びＴi（i−ＯＣ_３Ｈ
_７）_４等の有機金属化合物を溶剤に溶解して気化し、Ａ
r等のキャリアガスと混合したものであり、酸化ガス
は、例えば、Ｏ_２，Ｎ_２Ｏ，Ｈ_２Ｏ等の酸素含有ガス、
あるいはこれにオゾナイザにより生成されたオゾン（Ｏ
_３）を含むようにしたものである。

【００２４】反応ガスのうち、酸化ガスは、ガス供給配
管７４の第１のガス供給路９６から第１のガス空間７０
に、原料ガスは、ガス供給配管７４の第２のガス供給路
９８から第２のガス空間７２に、それぞれ上側ガス空間
を一旦外側に流れてから下側ガス空間に中心に向かって
流れて導入される。そして、酸化ガスは、ノズル盤６０
の各ガス噴射孔７８から基板Ｗに向けて噴射され、原料
ガスは、底板８０の各通孔８６に設けられたノズル部材
８８から噴射される。

【００２５】原料ガスはノズル部材８８からガス噴射孔
７８の内部に噴射され、一方、酸化ガスはガス噴射孔７
８とノズル部材８８の間の筒状流路７０ａを通ってガス
噴射孔７８の内部に原料ガスを包み込むように噴射され
る。両者はガス噴射孔７８内のノズル部材８８より下の
領域（混合領域）をさらに下降する過程で均一に混合さ
れ、ガス噴射孔７８を出て成膜室１０内部の空間をさら
に基板Ｗに向けて下降する。このように、混合される２
つの反応ガスが同軸ノズルから噴射されるので、混合の
過程において乱流の発生がほとんどなく、早期に反応し
てパーティクルを発生させることが防止される。しか
も、噴射された後に狭い混合領域を通過するので、成膜
室１０に直接噴射される場合に比べて混合効率が高い。

【００２６】なお、この実施の形態のように、内側のノ
ズル部材から原料ガスを流し、ガス噴射孔７８の周壁に
沿って酸化ガスを流すことにより、ガス噴射孔７８の周
壁に酸化ガス層を形成して、ガス噴射孔７８の壁面への
析出物等の付着を最小限にすることができる。熱媒体は
熱媒体ユニット３６から熱媒体配管３０を介してノズル
盤６０、周壁６４、及び外被９２と背板６２の間の熱媒
体流路２８に供給することにより、各部を所定温度に維
持して、ノズル部材を含むこれらの箇所への析出物等の
付着を抑制している。

【００２７】図４は、この発明の第２の実施の形態のガ
ス噴射ヘッドを示すもので、ノズル部材８８がガス噴射
孔７８の末端まで延びて形成されている。この場合は、
ガスの混合はシャワーヘッドの外で行われる。これは、
２つのガスの反応生成物がガス噴射孔７８に非常に付着
しやすい場合に用いられる。なお、さらに付着しやすい
場合には、ノズル部材８８をガス噴射孔７８の先端から
突出させるようにしてもよい。

【００２８】図５は、この発明の第３の実施の形態のガ
ス噴射ヘッドを示すもので、ノズル部材８８はガス噴射
孔７８の途中まで延びており、ガス噴射孔７８のノズル
部材８８より下流側の位置には段差面７８ｂが形成さ
れ、ここに、管状流路７０ａを塞ぐように所定のメッシ
ュの焼結体等からなるフィルタ９９が装着されている。
これにより、リング状であるため抵抗体としての作用が
不充分であるガス噴射孔（外側ノズル孔）７８のガスの
分配性を向上させることができる。なお、上記では、フ
ィルタ９９は２つのガスの合流部の上流側に設けたが、
これに限らずガス噴射口７８内の、２つのガスの合流部
に環状フィルタを装着するようにしてもよい。

【００２９】図６は、この発明の第４の実施の形態のガ
ス噴射ヘッドを示すもので、ノズル盤６０のガス噴射孔
７８の内周面に、ノズル部材８８の下端に対向する位置
に、下方に向けて徐々に縮径する絞り部７８ａを形成し
ている。このように構成することにより、ガス噴射孔７
８から噴射される酸化ガスが、絞り部７８ａに沿って中
心に向かい、ノズル部材８８から噴射される原料ガスに
衝突するようにして、混合効率を高めることができる。

【００３０】図７は、この発明の第５の実施の形態のガ
ス噴射ヘッドを示すもので、３種の反応ガスを混合する
のに適している。すなわち、第２のガス空間７２の上方
に、第３の反応ガスが導入される第３のガス空間１０４
が底板１００及び天板１０２によって区画形成されてい
る。この底板１００には、ノズル部材８８に対向する位
置に形成した開口１０６にノズル部材１０８が取り付け
られ、その下端は、下方に位置するノズル部材８８の内
部に所定距離挿入されてノズル部材８８との間に管状流
路７２ａを形成している。この例では、第１及び第２の
ノズル部材１０８，８８のいずれにも絞り部７８ａ，８
８ａが形成されている。

【００３１】このような構成により、第１の反応ガス、
第２の反応ガス及び第３の反応ガスは、第１のガス空間
７０、第２のガス空間７２及び第３のガス空間１０４に
個別に導入される。そして、第３の反応ガスは、第３の
ノズル部材１０８から第２のノズル部材８８の中に噴射
され、第３のノズル部材１０８の外側より供給された第
２の反応ガスと混合しつつ下降して第１のノズル部材７
８の中に噴射され、さらに第２のノズル部材８８の外側
より供給された第１の反応ガスと混合しつつ下降し、最
終的に成膜室１０内の空間に噴射される。

【００３２】このように、３種のガスを順次混合して均
一な混合ガスを噴射することができる。この場合、成膜
室１０で行われる反応の種類に応じてそれぞれの反応性
ガスをどの順序で混合していくかを決めることができ
る。例えば、酸化ガスのような反応性ガスは、事前反応
を防ぐ意味からは最後に、すなわち、第１のガス空間に
供給するのがよい。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、早期反応を抑制してパーティクルの発生を防止しつ
つ、濃度や成分の均一な混合ガスを安定した状態で基板
に向けて均一に噴射することができ、それにより、気相
成長装置において、高・強誘電体等の比較的不安定な原
料ガスを用いる成膜を、安定的にかつ品質良く行うこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の気相成長装置の概
略を示す断面図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態のガス噴射ヘッドの
断面図である。

【図３】図２の要部を拡大して示す要部拡大断面図であ
る。

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

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

【図６】本発明の第４の実施の形態のガス噴射ヘッドの
要部を拡大して示す断面図である。

【図７】本発明の第５の実施の形態のガス噴射ヘッドの
要部を拡大して示す断面図である。

【図８】成膜装置の全体構成を示す図である。

【符号の説明】

１０成膜室１８基板保持台２８ａ，２８ｃ熱媒体流路６０ノズル盤６６噴射ヘッド本体７０，７２，１０４ガス空間７４ガス供給配管７８ガス噴射孔７８ａ，８８ａ絞り部８０，１００底板８６，１０６通孔８８，１０８ノズル部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者塚本究東京都大田区羽田旭町11番１号株式会社荏原製作所内 (72)発明者阿部祐士東京都大田区羽田旭町11番１号株式会社荏原製作所内Ｆターム(参考） 4G035 AB02 AC48 AE13 4K030 AA11 AA14 BA01 BA42 BA46 EA05 EA06 GA02 KA25 LA01 LA15 5F045 AA03 AB31 AC07 AC11 DP03 DQ10 EF05 EF08 EM10 EN04 5F058 BA20 BB06 BC03 BF03 BF27 BF29 BG01 BG02 BG03 BG04 BJ01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも２種の反応ガスを個別に収容
する少なくとも２つのガス空間を形成する噴射ヘッド本
体と、前記噴射ヘッド本体の下面に配置された複数のガス噴射
孔と、前記ガス噴射孔にそれぞれ配置され、前記少なくとも２
つのガス空間から前記少なくとも２種の反応ガスを個別
に導入して噴射する同軸多流体ノズルとを有することを
特徴とするガス噴射ヘッド。
【請求項２】前記同軸多流体ノズルは、外側ノズル孔
と、該外側ノズル孔に所定長さ挿入された内側ノズルと
を有することを特徴とする請求項１に記載のガス噴射ヘ
ッド。
【請求項３】前記同軸多流体ノズルには、外側ノズル
孔の内側ノズル孔への合流部又は合流部の上流側に流路
抵抗を付す抵抗体を設けたことを特徴とする請求項１に
記載のガス噴射ヘッド。
【請求項４】前記外側ノズル孔には、前記内側ノズル
の下流側に絞り部が形成されていることを特徴とする請
求項２に記載のガス噴射ヘッド。
【請求項５】請求項１ないし４に記載のガス噴射ヘッ
ドを有する気密な成膜室と、該ガス噴射ヘッドに反応ガスを供給するガス供給源と、前記成膜室内に前記ガス噴射ヘッドに対向して配置され
た基板保持台とを有することを特徴とする成膜装置。