JP4387029B2

JP4387029B2 - Process gas supply structure and film forming apparatus

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Publication number: JP4387029B2
Application number: JP2000095503A
Authority: JP
Inventors: 徹辰巳; 博神力; 賢治松本
Original assignee: Tokyo Electron Ltd; NEC Corp
Current assignee: Tokyo Electron Ltd; NEC Corp
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2000-03-30
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2020-03-30
Also published as: JP2001284335A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等に成膜処理を施す成膜処理装置及びこれに用いられる処理ガス供給構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
強誘電体メモリ素子は、主としてＩＣカード向けの次世代不揮発メモリとして注目を集め、活発に研究開発がなされている。この強誘電体メモリ素子は、２つの電極の間に強誘電体膜を介在させた強誘電体キャパシタをメモリセルに用いた半導体素子である。強誘電体は［自発分極］、つまり、一度電圧を加えると、電圧をゼロにしても電荷が残っているという特性（ヒステリシス）を持っており、強誘電体メモリ素子はこれを利用した不揮発性メモリである。
このような強誘電体メモリ素子の強誘電体膜としては、Ｐｂ（Ｚｒ_x ，Ｔｉ_i-x ）Ｏ₃ （以下、ＰＺＴという）膜が広く用いられている。
【０００３】
このＰＺＴ膜は、例えばＰｂ（ＤＰＭ）₂ （＝Ｂｉｓｄｉｐｉｖａｌｏｙｌｍｅｔｈａｎａｔｏｌｅａｄ：Ｐｂ（Ｃ₁₁Ｈ₁₉Ｏ₂ ）₂ ）（以下、Ｐｂ原料とも称す）、Ｚｒ（ｔ−ＯＣ₄ Ｈ₉ ）₄ ）（＝Ｔｅｔｒａｔｅｒｔｉａｒｙｂｕｔｏｘｙｚｉｒｃｏｎｉｕｍ（以下、Ｚｒ原料とも称す）及びＴｉ（ｉ−ＯＣ₃ Ｈ₇ ）₄ ）（＝Ｔｅｔｒａｉｓｏｐｒｏｐｏｘｙｔｉｔａｎｉｕｍ）（以下、Ｔｉ原料とも称す）よりなる有機金属原料と、酸化剤として例えばＮＯ₂ とを用いてＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置により、Ｐｂ（Ｚｒ_x Ｔｉ_1-x ）Ｏ₃ のペロブスカイト構造の結晶膜を形成することにより得られる。尚、Ｐｂは鉛、Ｚｒはジルコニウム、Ｔｉはチタンをそれぞれ示す。
【０００４】
このＰＺＴ膜を、上述のようなＣＶＤ法によって成膜する場合、各原料ガスと酸化ガスとをシャワーヘッド構造により処理容器内へ個別に導入する。これら各原料ガスと酸化ガスは、この処理容器内にて初めて混合し、処理容器内に置かれた半導体ウエハに供給される。この半導体ウエハは、ＰＺＴ膜の成長に最適な温度になされているので、供給された原料ガスは酸化ガスと反応を起こし、その結果、半導体ウエハ上にＰＺＴ膜が堆積する。尚、上述したような原料ガスと酸化ガスとを処理容器内にて初めて混合するガス供給方法をいわゆるポストミックスと称する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記ＰＺＴ膜のヒステリシス特性やリーク特性などの、いわゆる電気的特性を向上させるためには、ＰＺＴ膜中のＰｂ、Ｚｒ及びＴｉの各組成比、例えばＰｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）をある特定の範囲内に維持する必要がある。しかしながら、従来の成膜装置及び成膜方法では、ＰＺＴ膜中のＰｂ、Ｚｒ及びＴｉの各組成比をウエハの面内の全域に亘って均一に維持することはかなり困難であり、特にウエハ周縁部におけるＰｂ濃度の低下が著しかった。このような問題は、特に、半導体ウエハのサイズが６インチ及び８インチから１２インチへと大型化するに従って、顕著に現れるであろうことが容易に想像できる。
【０００６】
半導体デバイスが高密度化、高集積化するに伴って、デザインルールは年々微小化の一途をたどっており、その要求に答えるためには、ＰＺＴ膜の膜厚をウエハ面内の全域に亘って均一に維持しなければならないのは明白である。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、多元素からなる金属酸化物薄膜を化学気相成長法によって成膜するに際し、膜中における各元素の面内組成均一性及び面内膜厚均一性を高く維持することができる処理ガス供給構造及び成膜処理装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、多元素系金属酸化物の原料ガス及びその酸化ガスの供給方法について鋭意研究した結果、プロセス圧力を高真空領域とし、且つ処理ガス供給構造にも工夫を施すことにより、大面積の半導体ウエハ上に各元素の面内組成均一性及び面内膜厚均一性の高い膜を堆積できる、という知見を得ることにより本発明に至ったものである。ここで、そのメカニズムについて記述する。
【０００８】
半導体ウエハ上にＰＺＴ膜を堆積する場合、堆積したＰＺＴ膜が良好な電気的特性をもつためには、最適な圧力の下で成膜処理を行わなければならない。現在のところ、我々の実験によれば、その最適圧力は、例えば１３．３Ｐａ以下であるような高真空の領域であることがわかっている。このような圧力領域で前記成膜処理を行なうに際し、一般的なシャワーヘッド（ここで言う一般的なシャワーヘッドとは、成膜処理圧力が１３３Ｐａ〜１３３０Ｐａ以上の粘性流領域で用いられるものを指す）をそのまま適用すると、シャワーヘッド内部も比較的高真空に近い、いわば粘性流から外れた圧力領域となる。そのため、シャワーヘッド内部に入った原料ガス、酸化ガスの大部分は、そこから最も近いシャワーヘッド本体の噴射孔から、成膜処理容器内部に導入される。一方、ウエハは円形であるので、通常、それに合わせてシャワーヘッドも円形になっており、特殊な事情がない限り原料ガスと酸化ガスはシャワーヘッドの略中心部分からシャワーヘッド内部に供給される。
以上のような成膜処理圧力とシャワーヘッド形状により、ウエハ上に到達する原料ガスと酸化ガスは、ウエハ中心部において極大となる。
【０００９】
ウエハ上にＰＺＴ膜のような酸化膜を成膜処理する場合、酸化ガスは原料ガスの数倍の流量が必要であることが多い。高真空領域で、このようなガス構成により一般的なシャワーヘッドを用いて成膜処理を行なうと、ウエハ中心部においては酸化ガスの分圧が最適分圧よりも高くなり、その分、原料ガスがウエハ周辺部へ排除される格好になる。これにより、ウエハ周辺部では逆に原料ガスの分圧が最適分圧よりも高くなる。ここで言う最適分圧とは、良好な電気的特性を持つＰＺＴ膜をウエハ上に堆積させるのに最も適した、原料ガスと酸化ガスの分圧のことである。
【００１０】
ここで、各元素のウエハへの付着係数は、Ｔｉ＞Ｐｂ＞Ｚｒとなる傾向があるため、ウエハ周辺部に多く集まったＴｉ原料は、優先的にウエハ周辺部に堆積する。一方、Ｐｂの堆積量はＴｉの堆積量と相反する（つまり、Ｔｉの多く堆積したところにはＰｂが少ししか堆積せず、Ｔｉが少しだけ堆積しているところにはＰｂが多く堆積する）傾向があるのと、ＴｉやＺｒに比べてＰｂは、堆積する際に酸化ガスを多く必要とするため、酸化ガスの分圧が比較的高いウエハ中央部に多く堆積する。
以上のような理由から、酸化ガスの偏った分布をつくらないことが重要であり、ひいては、ウエハ上の全域において原料ガス、酸化ガスの分圧が等しくなるように、シャワーヘッドの孔パターンを考慮しなければならない。すなわち、酸化ガスがシャワーヘッド中央部に集中しないような、また、原料ガスが周辺部に排除されないようなシャワーヘッドの孔パターンとしなければならない。
ここでは、ＰＺＴ膜を成膜する際のメカニズムについて述べたが、これに限定されず、同様なメカニズムを持つＢＳＴ膜（ＢＳＴ＝（Ｂａ_x ，Ｓｒ_1-x ）ＴｉＯ₃ ）、ＳＢＴ膜（ＳＢＴ＝ＳｒＢｉ₂ Ｔａ₂ Ｏ₉ ）等を成膜する場合についても適用できる。
【００１１】
請求項１に規定する発明は、原料ガスと酸化ガスとをシャワーヘッド本体の噴射孔より処理容器内へ個別に導入して被処理体に成膜処理を施す成膜処理装置の処理ガス供給構造において、前記噴射孔を同心状に内周、中周及び外周の少なくとも３つのゾーンに区分し、前記内周ゾーンの噴射孔からは原料ガスを導入し、前記中周ゾーンの噴射孔からは原料ガスと酸化ガスとを個別に導入し、前記外周ゾーンの噴射孔からは酸化ガスを導入させるように構成したものである。
【００１２】
これにより、例えば多元素系金属酸化物の原料ガスにより被処理体の表面に形成される膜中の元素組成の面内均一性及び面内膜厚均一性を大幅に向上させることが可能となる。
この場合、請求項２に規定するように、例えば前記中周ゾーンの原料ガス用の噴射孔は、前記内周ゾーンの噴射孔の直径よりも小さな直径である噴射孔を含むことを特徴とする。また請求項３に規定するように、前記中周ゾーンの酸化ガス用の噴射孔の直径は、前記外周ゾーンの噴射孔の直径より小さく設定されることを特徴とする。つまり、成膜処理圧力、処理容器形状、真空排気系の能力等に応じて、原料ガス、酸化ガスの噴射孔の直径を適宜設定することにより、これら原料ガス、酸化ガスが被処理体の表面に均等に到達するようになる。
【００１３】
また、例えば請求項４に規定するように、前記成膜処理は、１３．３Ｐａ以下の圧力で行なう。それは、半導体ウエハ上にＰＺＴ膜を堆積する場合、堆積したＰＺＴ膜が良好な電気的特性をもつためには、最適な圧力の下で成膜処理を行わなければならないが、現在のところ、我々の実験によれば、その最適圧力は、例えば１３．３Ｐａ以下であるような高真空の領域であることがわかっているからである。
また、例えば請求項５に規定するように、前記原料ガスは、Ｐｂ（ＤＰＭ）_２とＺｒ（ｔ−ＯＣ_４Ｈ_９）_４、Ｚｒ（ＤＰＭ）_４、Ｚｒ（ｉ−ＯＣ_３Ｈ_７）_４、Ｚｒ（Ｃ_５Ｈ_７Ｏ_２）_４、Ｚｒ（Ｃ_５ＨＦ_６Ｏ_２）_４よりなる群から選択される１つと、及びＴｉ（ｉ−ＯＣ_３Ｈ_７）_４、Ｔｉ（ｉ−ＯＣ_３Ｈ_７）_２（ＤＰＭ）_２よりなる群から選択される１つとからなり、前記酸化ガスはＮＯ_２、Ｏ_２、Ｏ_３、Ｎ_２Ｏよりなる群から選択される少なくとも１つである。
【００１４】
請求項６に規定する発明は、原料ガスと酸化ガスとを用いて被処理体に対して成膜処理を施す成膜装置において、真空引き可能になされた処理容器と、前記被処理体を載置する載置台と、前記被処理体を加熱する加熱手段と、請求項１乃至５のいずれか一項に規定する処理ガス供給構造とを備えたことを特徴とする成膜処理装置である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る処理ガス供給構造及び成膜処理装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係る成膜処理装置を示す構成図、図２は図１中に示す処理ガス供給構造のガス噴射面を示す平面図である。ここでは、材料ガスとしてＰｂ（ＤＰＭ）₂ 、Ｔｉ（ｉ−ＯＣ₃ Ｈ₇ ）₄ 及びＺｒ（ｔ−ＯＣ₄ Ｈ₉ ）₄ を用い、これらを混合させて原料ガスとし、また、酸化ガスとしてＮＯ₂ ガスを用いて、ＰＺＴ膜を成膜する場合を例にとって説明する。
【００１６】
この処理装置２は、図示するように例えばアルミニウムにより筒体状に成形された処理容器４を有している。この処理容器４の底部６の中心部には、給電線挿通孔８が形成されると共に周辺部には、真空引きポンプ、例えばターボ分子ポンプ１０及びドライポンプ１２を介設した真空排気系１４に接続された排気口１６が設けられており、容器内部を真空引き可能としている。この排気口１６は、容器底部６に複数個、例えば等間隔で同一円周上に４個程度設けられ、各排気口１６は、真空排気系１４により共通に連通されている。
また、この処理容器４の側壁の一部には、ウエハ搬出入口７６が設けられ、ここに真空引き可能になされたロードロック室７８との間を連通・遮断する前記ゲートバルブ８０を設けている。
【００１７】
この処理容器４内には、非導電性材料、例えばアルミナ製の円板状の載置台１８が設けられ、この載置台１８の下面中央部には下方に延びる中空円筒状の脚部２０が一体的に形成され、この脚部２０の下端は上記容器底部６の給電線挿通孔８の周辺部にＯリング等のシール部材（図示せず）を介在させてボルト等を用いて気密に取り付け固定される。従って、この中空脚部２０内は、外側に開放され、処理容器４内に対して気密状態となっている。
上記載置台１８には、加熱手段として例えば、ＳｉＣによりコーティングされたカーボン製の抵抗発熱体２２が埋め込まれており、この上面側に載置される被処理体としての半導体ウエハＷを所望の温度に加熱し得るようになっている。
【００１８】
上記抵抗発熱体２２には、絶縁された給電用のリード線２８が接続され、このリード線２８は、処理容器４内に晒すことなく円筒状の脚部２０内及び給電線挿通孔８を通って外へ引き出され、開閉スイッチ３０を介して給電部３２に接続される。尚、ウエハを加熱する加熱手段として上記抵抗発熱体２２に代え、ハロゲンランプ等の加熱ランプを用いて加熱するようにしてもよい。
【００１９】
また、処理容器４の天井部には、本発明の特徴とする処理ガス供給構造としてのシャワーヘッド構造５０が一体的に設けられた天井板５１がＯリング等のシール部材５３を介して気密に取り付けられており、上記シャワーヘッド構造５０は載置台１８の上面の略全面を、或いはこれよりも広く覆うように対向させて設けられ、載置台１８との間に処理空間Ｓを形成している。このシャワーヘッド構造５０は処理容器４内に成膜用の原料ガスと酸化ガスとをシャワー状にそれぞれに個別に導入するものであり、このシャワーヘッド構造５０のシャワーヘッド本体５５の下面のガス噴射面５７にはそれぞれのガスを個別に噴出するための多数の噴射孔として、原料ガス用の噴射孔５２と酸化ガス用の噴射孔５４がそれぞれ形成される。
【００２０】
このシャワーヘッド本体５５内は、原料ガス用ヘッド空間５６と酸化ガス用ヘッド空間５８とに２つに区画分離されている。この原料ガス用ヘッド空間５６に連通するガス導入ポート６０には、原料供給通路６２が接続され、この原料供給通路６２は３つの分岐路６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃに分岐される。そして、各分岐路６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃには、それぞれ例えばマスフローコントローラのような流量制御器６４Ａ、６４Ｂ、６４Ｃが介設されており、それぞれ材料ガスとして所定量のＰｂ（ＤＰＭ）₂ ガス、Ｚｒ（ｔ−ＯＣ₄ Ｈ₉ ）₄ ガス及びＴｉ（ｉ−ＯＣ₃ Ｈ₇ ）₄ ガスを流すようになっている。従って、これらの３種のガスは途中で混合されて原料ガスとなり、原料ガス用ヘッド空間５６内へ導入されるようになっている。尚、上記原料供給通路６２や分岐路６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃには、再固化もしくは再液化防止用のヒータ（図示せず）が設定されている。
【００２１】
また、酸化ガス用ヘッド空間５８は、図示例ではリング形状になされたものが同心円状に複数個形成されており、リング状の各酸化ガス用ヘッド空間５８は連通されて一体化されている。そして、その内の１つの、或いは複数の酸化ガス用ヘッド空間５８に連通されるガス導入ポート６８には酸化供給通路７０が接続される。そして、この通路７０にはマスフローコントローラのような流量制御器７２が介設されて、酸化ガスとして所定量の例えばＮＯ₂ ガスを流すようになっている。そして、上記原料ガス用ヘッド空間５６は上記各原料ガス用の噴射孔５２に連通されており、また、酸化ガス用ヘッド空間５８は各酸化ガス用の噴射孔５４に連通されており、両噴射孔５２、５４から噴出された原料ガスと酸化ガスとを処理空間Ｓにて混合して、いわゆるポストミックス状態で供給するようになっている。
【００２２】
ここで、図２も参照して、上記原料ガス用の噴射孔５２と酸化ガス用の噴射孔５４との配列について詳しく説明する。図２では両噴射孔５２、５４の配列を概略的に示しており、実際には、シャワーヘッド本体の寸法にもよるが、全体で１００〜２００個程度の噴射孔が設けられる。図中、白丸印は酸化ガス用の噴射孔を表し、斜線丸印は原料ガス用の噴射孔を表しており、また、その直径寸法は概略を示している。原料ガス用の噴射孔５２は、直径が比較的大きく、例えば３〜７ｍｍ程度に設定された大口径噴射孔５２Ａと、直径が比較的小さく、例えば１〜３ｍｍ程度に設定された小口径噴射孔５２Ｂとよりなる。また、酸化ガス用の噴射孔５４にも、直径が比較的大きく、例えば３〜７ｍｍ程度に設定された大口径噴射孔５４Ａと直径が比較的小さく、例えば１〜３ｍｍ程度に設定された小口径噴射孔５４Ｂとよりなる。
【００２３】
そして、図２に示すように、シャワーヘッド本体５５のガス噴射面５７は、便宜上、同心状に内周ゾーン７４Ａ、中周ゾーン７４Ｂ及び外周ゾーン７４Ｃの３つのゾーンにリング状に区分されている。図中の２本の破線Ｘ１、Ｘ２は各ゾーンの境界線を示し、一点鎖線Ｙ１はこれに投影されたウエハＷの寸法を示しており、ガス噴射面の有効面積と略同じ寸法となっている。さて、ここで、図示する如く、中心部の円形の内周ゾーン７４Ａ内には、図示例では原料ガス用の４つの大口径噴射孔５２Ａが配置されている。また、リング状の中周ゾーン７４Ｂ内には、原料ガス用の大口径噴射孔５２Ａと小口径噴射孔５２Ｂ及び酸化ガス用の小口径噴射孔５４Ｂが配置され、すなわち原料ガスと酸化ガスの噴射孔が混在状態で配置されている。そして、リング状の外周ゾーン７４Ｃ内には、酸化ガス用の大口径噴射孔５４Ａが配置されている。尚、中周ゾーン７４Ｂには、原料ガス用の噴射孔として、大口径と小口径噴射孔５２Ａ、５２Ｂに代えて、これらの中間の大きさの中口径噴射孔を設けてもよい。
【００２４】
このようにして、原料ガスの噴射量は、ヘッド中心部程多くして周辺部に行く程少なくし、外周ゾーンでは供給量はゼロである。これに対して、酸化ガスは上記と反対にし、外周ゾーンで多くして中心側に行く程少なくし、中心ゾーンでは供給量はゼロである。
ここで、このシャワーヘッド構造が例えば６インチサイズのウエハＷに対応すると仮定すると、内周ゾーン７４Ａの直径Ｄ１は５０〜６０ｍｍ程度の範囲内、中周ゾーン７４Ｂの直径Ｄ２は１００〜１３０ｍｍ程度の範囲内に設定するのが好ましい。
【００２５】
次に、以上のように構成された成膜処理装置を用いて行なわれる成膜処理について説明する。
まず、真空状態に維持された処理容器４内に、ロードロック室７８側からウエハ搬出入口７６を介して未処理の半導体ウエハＷを搬入し、これを載置台１８上に載置する。
そして、抵抗発熱体２２によりウエハＷを所定の処理温度に維持すると共に、処理容器４内を真空引きして所定の処理圧力に維持しつつ、原料ガスと酸化ガスをシャワーヘッド構造５０から供給して成膜を開始する。
原料ガスとしては、固体のＰｂ（ＤＰＭ）₂ 、Ｚｒ（ｔ−ＯＣ₄ Ｈ₉ ）₄ 及びＴｉ（ｉ−ＯＣ₃ Ｈ₇ ）₄ の各材料をそれぞれ気化させて、これらを所定の流量ずつ流して混合させることにより原料ガスを形成し、これを用いる。上記Ｐｂ、Ｚｒ及びＴｉの各材料の流量は、それぞれ０．１〜１０ｓｃｃｍ、０．１〜１０ｓｃｃｍ及び０．１〜１０ｓｃｃｍ程度である。シャワーヘッド構造５０に到達した混合状態の原料ガスは、原料ガス用ヘッド空間５６に一旦流れ込み、これよりガス噴射面５７に設けた各原料ガス用の噴射孔５２Ａ、５２Ｂから処理空間Ｓに供給されることになる。
【００２６】
一方、酸化ガス供給通路７０内を流れてきたＮＯ₂ ガスはシャワーヘッド構造５０の同心状に配列した各酸化ガス用ヘッド空間５８に到達し、これよりガス噴射面５７に設けた各酸化ガス用の噴射孔５４から処理空間Ｓに供給されることになる。このように処理空間Ｓに噴出された原料ガスとＮＯ₂ ガスは、この処理空間Ｓで混合されて反応し、ウエハ表面にＣＶＤにより、例えばＰＺＴ膜を堆積することになる。この時の成膜処理条件は、処理温度は４００〜６００℃の範囲内、処理圧力は従来のこの種の処理圧力よりも低い圧力、例えば１３．３Ｐａ以下、好ましくは１．３Ｐａ前後の圧力である。
【００２７】
ここで、本発明にあっては、図２に示したように、内周ゾーン７４Ａにおいては大口径の原料ガス用の噴射孔５２Ａから原料ガスのみを流し、中周ゾーン７４Ｂにおいては大口径及び小口径の原料ガス用の噴射孔５２Ａ、５２Ｂから原料ガスを流すと共に小口径の酸化ガス用の噴射孔５４Ｂから酸化ガス（ＮＯ₂ ガス）を流し、外周ゾーン７４Ｃにおいては大口径の酸化ガス用の噴射孔５４Ａから酸化ガスのみを流すようにしたので、ウエハＷ上に形成されるＰＺＴ膜中の各元素組成の面内均一性、すなわち面内組成均一性の大幅な向上と共に、面内膜厚均一性をも大幅に向上させることが可能となる。このように処理空間の中心側においては原料ガスを多量に流すようにし、そして、周辺に行くに従って原料ガスの供給を抑制すると共に周辺に行くに従って逆に酸化ガスの供給を開始して次第にその供給を多くし、更にその周辺を酸化ガスにより完全に囲むようにすることにより、Ｐｂ（Ｚｒ_1-x Ｔｉｘ）Ｏ₃ のペロブスカイト構造の酸化物結晶膜の形成において面内組成均一性及び面内膜厚均一性の極めて良好なＰＺＴ膜を得ることができた。特に、Ｐｂ濃度の分布は電気的特性において重要であるが、ＰＺＴ膜中のこのＰｂ濃度の面内均一性を大幅に向上させることができた。
【００２８】
図３は従来のシャワーヘッド構造と本発明の処理ガス供給構造としてのシャワーヘッド構造を用いて成膜した時のＰＺＴ膜中のＰｂ濃度の分布を示す図、図４は図３中の表をグラフ化したものであってＰＺＴ膜中のＰｂ濃度を示すグラフである。また、ウエハは６インチ（１５ｃｍ）サイズのものを用いた。
このグラフから明らかなように、従来構造の場合には、ウエハ中心から中周においてＰｂ濃度はやや高く、ウエハエッジにおいて急激に低下しており、全体として組成の面内均一性が劣っている。
これに対して、本発明構造の場合には、ウエハの中心からエッジまでＰｂ濃度は略一定となっており、従って、組成の面内均一性を大幅に改善できたことが判明した。
【００２９】
本実施例では、６インチサイズのウエハを例にとって説明したが、これに限定されず、図２に示したような内周ゾーン７４Ａの直径Ｄ１、中周ゾーン７４Ｂの直径Ｄ２は、それぞれ８インチ或いは１２インチなどのウエハサイズに対応して同等の比率で大きく設定されるのは勿論である。
また、上記実施例では、シャワーヘッド構造を、内周、中周、外周の３つのゾーン７４Ａ、７４Ｂ、７４Ｃに区画したが、これに限定されず、内周ゾーン７４Ａと外周ゾーン７４Ｃの２つのゾーンに区画してもよい。この場合には、例えば図２において内周ゾーン７４Ａをもう少し半径方向外方へ広くし、また、外周ゾーン７４Ｃをもう少し半径方向内方へ広くして２ゾーンにする。この場合にも、図２に示したシャワーヘッド構造の場合と略同様な作用効果を発揮することが可能となる。
また、ここでは、強誘電体膜としてＰＺＴ膜を成膜する場合を例にとって説明したが、これに限定されず他の有機金属材料を用いて成膜する場合、例えばＢＳＴ（＝（Ｂａ_x ，Ｓｒ_1-x ）ＴｉＯ₃ ）やＳＢＴ（＝ＳｒＢｉ₂ Ｔａ₂ Ｏ₉ ）等を成膜する場合にも、全て適用できるのは勿論である。また、酸化ガスとしてはＮＯ₂ のみならず、他のガス、例えばＯ₂ 等も用いることができる。更に、被処理体としては、半導体ウエハに限定されず、ＬＣＤ基板、ガラス基板等にも適用できるのは勿論である。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の処理ガス供給構造及び成膜処理装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
本発明によれば、例えば多元素系金属酸化物の原料ガスにより被処理体の表面に形成される膜の面内組成均一性及び面内膜厚均一性を大幅に向上させることができる。従って、半導体装置のキャパシタ等に最適な強誘電体膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る成膜処理装置を示す構成図である。
【図２】図１中に示す処理ガス供給構造のガス噴射面を示す平面図である。
【図３】従来のシャワーヘッド構造と本発明の処理ガス供給構造であるシャワーヘッド構造を用いて成膜した時のＰＺＴ膜中のＰｂ濃度の分布を示す図である。
【図４】図３中の表をグラフ化したものであってＰＺＴ膜中のＰｂ濃度を示すグラフである。
【符号の説明】
２処理装置
４処理容器
１８載置台
２２抵抗発熱体（加熱手段）
５０シャワーヘッド構造（処理ガス供給構造）
５２原料ガス用の噴射孔
５４酸化ガス用の噴射孔
５５シャワーヘッド本体
５６原料ガス用ヘッド空間
５７ガス噴射面
５８酸化ガス用ヘッド空間
７４Ａ内周ゾーン
７４Ｂ中周ゾーン
７４Ｃ外周ゾーン
Ｗ半導体ウエハ（被処理体）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a film forming apparatus for performing a film forming process on a semiconductor wafer or the like and a processing gas supply structure used therefor.
[0002]
[Prior art]
Ferroelectric memory devices have attracted attention mainly as next-generation nonvolatile memories for IC cards, and are actively researched and developed. This ferroelectric memory element is a semiconductor element in which a ferroelectric capacitor in which a ferroelectric film is interposed between two electrodes is used for a memory cell. Ferroelectrics have [spontaneous polarization], that is, once a voltage is applied, there is a characteristic (hysteresis) that charges remain even if the voltage is reduced to zero. It is memory.
As a ferroelectric film of such a ferroelectric memory element, a Pb (Zr _x , Ti _ix ) O ₃ (hereinafter referred to as PZT) film is widely used.
[0003]
This PZT film is made of, for example, Pb (DPM) ₂ (= Bisdipivaloylmethanatolead: Pb (C ₁₁ H ₁₉ O ₂ ) ₂ ) (hereinafter also referred to as Pb raw material), Zr (t-OC ₄ H ₉ ) ₄ ) (Hereinafter also referred to as Zr raw material) and Ti (i-OC ₃ H ₇ ) ₄ ) (= Tetraisopropoxytitanium) (hereinafter also referred to as Ti raw material) and CVD using, for example, NO ₂ as an oxidizing agent ( It is obtained by forming a crystal film having a perovskite structure of Pb (Zr _x Ti _1-x ) O ₃ by using a chemical vapor deposition (equipment) apparatus. Pb represents lead, Zr represents zirconium, and Ti represents titanium.
[0004]
When the PZT film is formed by the CVD method as described above, each source gas and oxidizing gas are individually introduced into the processing vessel by the shower head structure. These raw material gases and oxidizing gas are mixed for the first time in the processing container and supplied to the semiconductor wafer placed in the processing container. Since this semiconductor wafer is at an optimum temperature for the growth of the PZT film, the supplied raw material gas reacts with the oxidizing gas, and as a result, the PZT film is deposited on the semiconductor wafer. The gas supply method in which the raw material gas and the oxidizing gas as described above are mixed for the first time in the processing container is referred to as a so-called postmix.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in order to improve so-called electrical characteristics such as hysteresis characteristics and leakage characteristics of the PZT film, the composition ratios of Pb, Zr and Ti in the PZT film, for example, Pb / (Zr + Ti), are within a certain range. Need to be kept within. However, with the conventional film forming apparatus and film forming method, it is quite difficult to maintain the composition ratios of Pb, Zr, and Ti in the PZT film uniformly over the entire surface of the wafer. The decrease in Pb concentration in the area was remarkable. It can be easily imagined that such a problem will be particularly noticeable as the size of the semiconductor wafer increases from 6 inches and 8 inches to 12 inches.
[0006]
As semiconductor devices become higher in density and higher in integration, design rules are becoming smaller year by year. In order to meet this requirement, the film thickness of the PZT film is spread over the entire area of the wafer surface. Obviously, it must be kept uniform.
The present invention has been devised to pay attention to the above problems and to effectively solve them. An object of the present invention is to maintain a high in-plane composition uniformity and in-plane film thickness uniformity of each element in a film when a metal oxide thin film composed of multiple elements is formed by chemical vapor deposition. An object of the present invention is to provide a process gas supply structure and a film forming apparatus that can be used.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
As a result of earnest research on the source gas of the multi-element metal oxide and the method of supplying the oxidizing gas, the present inventors have made the process pressure high vacuum region and devised the processing gas supply structure. The present invention has been achieved by obtaining the knowledge that a film having high in-plane composition uniformity and in-plane film thickness uniformity of each element can be deposited on a semiconductor wafer having an area. Here, the mechanism is described.
[0008]
In the case of depositing a PZT film on a semiconductor wafer, in order for the deposited PZT film to have good electrical characteristics, a film forming process must be performed under an optimum pressure. At present, according to our experiments, it is known that the optimum pressure is in a high vacuum region, for example, 13.3 Pa or less. When performing the film forming process in such a pressure region, a general shower head (the general shower head here refers to one used in a viscous flow region having a film forming process pressure of 133 Pa to 1330 Pa or more. ) Is applied as it is, the inside of the shower head is also close to a relatively high vacuum, that is, a pressure region out of the viscous flow. For this reason, most of the raw material gas and the oxidizing gas that have entered the shower head are introduced into the film-forming treatment container from the injection holes of the shower head body closest thereto. On the other hand, since the wafer is circular, the shower head is also circular in accordance with it, and unless otherwise specified, the source gas and the oxidizing gas are supplied into the shower head from the substantially central portion of the shower head.
Due to the film forming pressure and the showerhead shape as described above, the source gas and the oxidizing gas that reach the wafer are maximized at the center of the wafer.
[0009]
When an oxide film such as a PZT film is formed on a wafer, the oxidizing gas often requires a flow rate several times that of the source gas. When film formation is performed using a general showerhead with such a gas configuration in a high vacuum region, the partial pressure of the oxidizing gas is higher than the optimum partial pressure at the center of the wafer, and the source gas Is removed to the periphery of the wafer. Thereby, on the contrary, the partial pressure of the source gas becomes higher than the optimum partial pressure at the wafer peripheral portion. The optimum partial pressure referred to here is a partial pressure of the source gas and the oxidizing gas, which is most suitable for depositing a PZT film having good electrical characteristics on the wafer.
[0010]
Here, since the adhesion coefficient of each element to the wafer tends to be Ti>Pb> Zr, the Ti raw material gathered in the wafer peripheral portion preferentially deposits on the wafer peripheral portion. On the other hand, the amount of Pb deposited is opposite to the amount of Ti deposited (that is, a little Pb is deposited where much Ti is deposited, and a lot of Pb is deposited where Ti is deposited a little). As a tendency, Pb deposits more in the center of the wafer where the partial pressure of the oxidizing gas is relatively high because Pb requires a larger amount of oxidizing gas for deposition than Ti and Zr.
For these reasons, it is important not to create an uneven distribution of the oxidizing gas. As a result, the hole pattern of the shower head is taken into consideration so that the partial pressures of the source gas and the oxidizing gas are equal over the entire area of the wafer. Must. That is, the hole pattern of the shower head must be such that the oxidizing gas does not concentrate in the central portion of the shower head and the source gas is not excluded in the peripheral portion.
Here, the mechanism for forming the PZT film has been described. However, the present invention is not limited to this, and a BST film (BST = (Ba _x , Sr _1-x ) TiO ₃ ) and SBT film (SBT) having the same mechanism are described. = SrBi ₂ Ta ₂ O ₉ ) or the like can also be applied.
[0011]
The invention defined in claim 1 is a processing gas supply structure of a film forming apparatus for introducing a raw material gas and an oxidizing gas into the processing container individually from the injection holes of the shower head body and performing a film forming process on the object to be processed. The injection holes are concentrically divided into at least three zones of an inner circumference, a middle circumference, and an outer circumference, a raw material gas is introduced from the injection holes in the inner circumference zone, and a raw material is introduced from the injection holes in the middle circumference zone A gas and an oxidizing gas are separately introduced, and the oxidizing gas is introduced from the injection hole in the outer peripheral zone.
[0012]
Thereby, for example, the in-plane uniformity and the in-plane film thickness uniformity of the elemental composition in the film formed on the surface of the object to be processed can be greatly improved by the multi-element metal oxide source gas. .
In this case, as defined in claim 2 , for example, the injection hole for the source gas in the middle peripheral zone includes an injection hole having a diameter smaller than the diameter of the injection hole in the inner peripheral zone. . Also, as prescribed in claim 3, the diameter of the injection hole of the oxidation gas in said peripheral zone, characterized in that it is smaller than the diameter of the injection hole of the outer peripheral zone. In other words, by appropriately setting the diameters of the injection holes for the source gas and the oxidizing gas according to the film forming process pressure, the shape of the processing vessel, the capacity of the vacuum exhaust system, etc., the source gas and the oxidizing gas are brought into contact with the surface of the workpiece. To reach evenly.
[0013]
Further, for example, as prescribed in claim 4, wherein the film forming process is performed at pressures 13.3 Pa. When depositing a PZT film on a semiconductor wafer, in order for the deposited PZT film to have good electrical properties, the film forming process must be performed under an optimal pressure. This is because the optimum pressure is known to be in a high vacuum region such as 13.3 Pa or less.
For example , as defined in claim 5, the source gas is Pb (DPM) ₂ , Zr (t-OC ₄ H ₉ ) ₄ , Zr (DPM) ₄ , Zr (i-OC ₃ H ₇ ) _4. _{_{_{_{, Zr (C 5 H 7 O}}}} 2) 4, Zr (C 5 HF 6 O 2) 1 bract is selected from the group consisting of _4, and _{_{_{Ti (i-OC 3 H 7}}} ) 4, Ti (i-OC 3 H ₇ ) ₂ (DPM) ₂ is selected from the group consisting of ₂ and the oxidizing gas is at least one selected from the group consisting of NO ₂ , O ₂ , O ₃ , and N ₂ O.
[0014]
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a film forming apparatus for performing a film forming process on an object to be processed using a source gas and an oxidizing gas, and mounting a processing container that can be evacuated, and the object to be processed. a mounting table for location, a heating means for heating the object to be processed, the film formation processing apparatus characterized by comprising a process gas supply structure as defined in claims 1 to 5, whichever is one wherein is there.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a processing gas supply structure and a film forming apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a film forming apparatus according to the present invention, and FIG. 2 is a plan view showing a gas injection surface of the processing gas supply structure shown in FIG. Here, Pb (DPM) ₂ , Ti (i-OC ₃ H ₇ ) ₄ and Zr (t-OC ₄ H ₉ ) ₄ are used as material gases, and these are mixed to form a raw material gas, and as an oxidizing gas A case where a PZT film is formed using NO ₂ gas will be described as an example.
[0016]
As shown in the figure, the processing apparatus 2 has a processing container 4 formed into a cylindrical shape with, for example, aluminum. A feeding line insertion hole 8 is formed at the center of the bottom 6 of the processing container 4 and a vacuum pumping pump 14 such as a turbo molecular pump 10 and a dry pump 12 are provided at the periphery. A connected exhaust port 16 is provided, and the inside of the container can be evacuated. A plurality of exhaust ports 16 are provided in the container bottom 6, for example, about four at the same circumference at equal intervals, and the exhaust ports 16 are connected in common by a vacuum exhaust system 14.
In addition, a wafer carry-in / out port 76 is provided in a part of the side wall of the processing container 4, and the gate valve 80 is provided to communicate with or shut off the load lock chamber 78 that can be evacuated. .
[0017]
In the processing container 4, a disk-shaped mounting table 18 made of a non-conductive material, for example, alumina, is provided, and a hollow cylindrical leg 20 extending downward is integrally formed at the center of the lower surface of the mounting table 18. The lower end of the leg portion 20 is hermetically attached and fixed using a bolt or the like with a seal member (not shown) such as an O-ring interposed in the peripheral portion of the feed line insertion hole 8 of the container bottom 6. Is done. Therefore, the inside of the hollow leg portion 20 is open to the outside and is airtight with respect to the inside of the processing container 4.
In the mounting table 18, for example, a carbon resistance heating element 22 coated with SiC is embedded as a heating means, and the semiconductor wafer W as an object to be processed placed on the upper surface side is placed at a desired temperature. It can be heated to.
[0018]
An insulated power supply lead wire 28 is connected to the resistance heating element 22. The lead wire 28 passes through the inside of the cylindrical leg 20 and the power supply wire insertion hole 8 without being exposed to the inside of the processing container 4. And is connected to the power feeding unit 32 via the opening / closing switch 30. Note that a heating lamp such as a halogen lamp may be used instead of the resistance heating element 22 as a heating means for heating the wafer.
[0019]
In addition, a ceiling plate 51 integrally provided with a shower head structure 50 as a processing gas supply structure which is a feature of the present invention is hermetically sealed through a sealing member 53 such as an O-ring on the ceiling portion of the processing container 4. The shower head structure 50 is provided so as to cover substantially the entire upper surface of the mounting table 18 or to cover the mounting table 18 wider than the upper surface, and forms a processing space S with the mounting table 18. . This shower head structure 50 is for individually introducing a film forming raw material gas and an oxidizing gas into the processing vessel 4 in a shower-like manner, and gas injection on the lower surface of the shower head main body 55 of the shower head structure 50. The surface 57 is formed with an injection hole 52 for a source gas and an injection hole 54 for an oxidizing gas, as a large number of injection holes for individually ejecting each gas.
[0020]
The shower head body 55 is divided into two parts, a source gas head space 56 and an oxidizing gas head space 58. A raw material supply passage 62 is connected to the gas introduction port 60 communicating with the raw material gas head space 56, and the raw material supply passage 62 is branched into three branch passages 62A, 62B, and 62C. Each branch passage 62A, 62B, 62C is provided with a flow rate controller 64A, 64B, 64C such as a mass flow controller, for example, and a predetermined amount of Pb (DPM) ₂ gas, Zr as a material gas, respectively. (T-OC ₄ H ₉ ) ₄ gas and Ti (i-OC ₃ H ₇ ) ₄ gas are allowed to flow. Therefore, these three kinds of gases are mixed on the way to become a raw material gas and are introduced into the raw material gas head space 56. A heater (not shown) for preventing re-solidification or re-liquefaction is set in the raw material supply passage 62 and the branch passages 62A, 62B, and 62C.
[0021]
In the illustrated example, the oxidant gas head space 58 is formed in a ring shape in a plurality of concentric shapes, and the oxidant gas head spaces 58 are connected and integrated. An oxidation supply passage 70 is connected to the gas introduction port 68 that communicates with one or a plurality of oxidation gas head spaces 58. A flow rate controller 72 such as a mass flow controller is interposed in the passage 70 so that a predetermined amount of, for example, NO ₂ gas flows as an oxidizing gas. The raw material gas head space 56 communicates with the raw material gas injection holes 52, and the oxidizing gas head space 58 communicates with the respective oxidizing gas injection holes 54. The raw material gas ejected from the holes 52 and 54 and the oxidizing gas are mixed in the processing space S and supplied in a so-called postmixed state.
[0022]
Here, the arrangement of the raw material gas injection holes 52 and the oxidizing gas injection holes 54 will be described in detail with reference to FIG. FIG. 2 schematically shows the arrangement of the two injection holes 52 and 54. Actually, about 100 to 200 injection holes are provided depending on the size of the shower head body. In the drawing, white circles represent the injection holes for the oxidizing gas, hatched circles represent the injection holes for the raw material gas, and the diameter dimensions thereof are schematically shown. The injection hole 52 for the source gas has a relatively large diameter, for example, a large-diameter injection hole 52A set to about 3 to 7 mm, and a small-diameter injection hole set to a relatively small diameter, for example, about 1 to 3 mm. 52B. The oxidant gas injection hole 54 has a relatively large diameter, for example, a large-diameter injection hole 54A set to about 3 to 7 mm and a small diameter, for example, about 1 to 3 mm. It consists of the injection hole 54B.
[0023]
As shown in FIG. 2, the gas ejection surface 57 of the shower head main body 55 is concentrically divided into three zones of an inner circumferential zone 74A, an intermediate circumferential zone 74B, and an outer circumferential zone 74C for convenience. . The two broken lines X1 and X2 in the figure indicate the boundary lines of each zone, and the alternate long and short dash line Y1 indicates the dimension of the wafer W projected thereon, which is approximately the same as the effective area of the gas injection surface. Yes. As shown in the drawing, in the illustrated example, four large-diameter injection holes 52A for source gas are arranged in a circular inner peripheral zone 74A at the center. Further, a large-diameter injection hole 52A and a small-diameter injection hole 52B for the source gas and a small-diameter injection hole 54B for the oxidizing gas are arranged in the ring-shaped middle peripheral zone 74B, that is, injection of the source gas and the oxidizing gas. The holes are arranged in a mixed state. A large-diameter injection hole 54A for oxidizing gas is disposed in the ring-shaped outer peripheral zone 74C. In addition, instead of the large-diameter and small-diameter injection holes 52A and 52B, medium-diameter injection holes having an intermediate size may be provided in the middle circumferential zone 74B as the injection holes for the source gas.
[0024]
In this way, the injection amount of the raw material gas is increased toward the head center and decreased toward the periphery, and the supply amount is zero in the outer peripheral zone. On the other hand, the oxidizing gas is opposite to the above, increasing in the outer peripheral zone and decreasing toward the center, and the supply amount is zero in the central zone.
Assuming that this showerhead structure corresponds to, for example, a 6-inch wafer W, the diameter D1 of the inner circumferential zone 74A is in the range of about 50 to 60 mm, and the diameter D2 of the middle circumferential zone 74B is about 100 to 130 mm. It is preferable to set within the range.
[0025]
Next, a film forming process performed using the film forming apparatus configured as described above will be described.
First, an unprocessed semiconductor wafer W is loaded into the processing container 4 maintained in a vacuum state from the load lock chamber 78 side through the wafer loading / unloading port 76 and mounted on the mounting table 18.
Then, while the wafer W is maintained at a predetermined processing temperature by the resistance heating element 22, the source gas and the oxidizing gas are supplied from the shower head structure 50 while evacuating the processing container 4 and maintaining the predetermined processing pressure. To start film formation.
As the source gas, solid Pb (DPM) ₂ , Zr (t-OC ₄ H ₉ ) ₄ and Ti (i-OC ₃ H ₇ ) ₄ are vaporized and flowed at a predetermined flow rate. The raw material gas is formed by mixing and used. The flow rates of the Pb, Zr, and Ti materials are about 0.1 to 10 sccm, 0.1 to 10 sccm, and 0.1 to 10 sccm, respectively. The mixed source gas that has reached the shower head structure 50 once flows into the source gas head space 56, and is supplied to the processing space S from the source gas injection holes 52 A and 52 B provided on the gas injection surface 57. Will be.
[0026]
On the other hand, the NO ₂ gas flowing in the oxidizing gas supply passage 70 reaches each oxidizing gas head space 58 concentrically arranged in the shower head structure 50, and thereby, for each oxidizing gas provided on the gas injection surface 57. Is supplied from the injection hole 54 to the processing space S. Thus, the raw material gas and NO ₂ gas ejected into the processing space S are mixed and reacted in the processing space S, and a PZT film, for example, is deposited on the wafer surface by CVD. The film forming process conditions at this time are as follows: the process temperature is in the range of 400 to 600 ° C., and the process pressure is lower than the conventional process pressure of this type, for example, 13.3 Pa or less, preferably about 1.3 Pa. is there.
[0027]
Here, in the present invention, as shown in FIG. 2, in the inner peripheral zone 74A, only the raw material gas flows from the large-diameter raw material gas injection holes 52A, and in the intermediate peripheral zone 74B, the large diameter and A raw material gas is supplied from the small-diameter raw material gas injection holes 52A and 52B, and an oxidizing gas (NO ₂ gas) is supplied from the small-diameter oxidizing gas injection hole 54B. In the outer peripheral zone 74C, the large-diameter oxidizing gas is supplied. Since only the oxidizing gas is allowed to flow from the injection holes 54A, the in-plane uniformity of each elemental composition in the PZT film formed on the wafer W, that is, the in-plane composition uniformity is greatly improved, and the in-plane film It is possible to greatly improve the thickness uniformity. In this way, a large amount of source gas is allowed to flow at the center of the processing space, and the supply of the source gas is suppressed as it goes to the periphery, and the supply of the oxidizing gas is started gradually toward the periphery. In addition, in the formation of an oxide crystal film having a perovskite structure of Pb (Zr _1-x Tix) O ₃ , the in-plane composition uniformity and the in-plane film are completely surrounded by an oxidizing gas. A PZT film with extremely good thickness uniformity could be obtained. In particular, the distribution of the Pb concentration is important in terms of electrical characteristics, but the in-plane uniformity of the Pb concentration in the PZT film can be greatly improved.
[0028]
FIG. 3 is a diagram showing the distribution of Pb concentration in the PZT film when the film is formed using the conventional shower head structure and the shower head structure as the processing gas supply structure of the present invention, and FIG. 4 is a table in FIG. It is what was graphed and is a graph which shows Pb density | concentration in a PZT film | membrane. A wafer having a size of 6 inches (15 cm) was used.
As is apparent from this graph, in the case of the conventional structure, the Pb concentration is slightly high from the center of the wafer to the middle periphery, sharply decreases at the wafer edge, and the in-plane uniformity of the composition as a whole is inferior.
On the other hand, in the case of the structure of the present invention, the Pb concentration was substantially constant from the center to the edge of the wafer, and thus it was found that the in-plane uniformity of the composition could be greatly improved.
[0029]
In this embodiment, a 6-inch wafer has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the diameter D1 of the inner circumferential zone 74A and the diameter D2 of the middle circumferential zone 74B as shown in FIG. Alternatively, it is of course set to be large at an equivalent ratio corresponding to a wafer size such as 12 inches.
In the above embodiment, the shower head structure is divided into three zones 74A, 74B, and 74C of the inner circumference, the middle circumference, and the outer circumference. However, the present invention is not limited to this, and there are two zones, the inner circumference zone 74A and the outer circumference zone 74C. You may divide into zones. In this case, for example, in FIG. 2, the inner peripheral zone 74A is made slightly wider outward in the radial direction, and the outer peripheral zone 74C is made slightly wider in the radial direction to make two zones. Also in this case, it is possible to exhibit substantially the same operational effects as in the case of the shower head structure shown in FIG.
Here, the case where the PZT film is formed as the ferroelectric film has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and when the film is formed using another organometallic material, for example, BST (= (Ba _x , Needless to say, the present invention can be applied to the case of forming Sr _1-x ) TiO ₃ ), SBT (= SrBi ₂ Ta ₂ O ₉ ), or the like. Further, as the oxidizing gas, not only NO ₂ but also other gases such as O ₂ can be used. Furthermore, the object to be processed is not limited to a semiconductor wafer, but can be applied to an LCD substrate, a glass substrate, or the like.
[0030]
【The invention's effect】
As described above, according to the processing gas supply structure and the film forming apparatus of the present invention, the following excellent operational effects can be exhibited.
According to the present invention, for example, the in-plane composition uniformity and the in-plane film thickness uniformity of a film formed on the surface of an object to be processed can be greatly improved by a multi-element metal oxide source gas. Therefore, it is possible to form an optimum ferroelectric film for a capacitor of a semiconductor device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a film forming apparatus according to the present invention.
2 is a plan view showing a gas injection surface of the processing gas supply structure shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a distribution of Pb concentration in a PZT film when a film is formed using a conventional shower head structure and a shower head structure which is a processing gas supply structure of the present invention.
4 is a graph showing the table in FIG. 3 and showing the Pb concentration in the PZT film.
[Explanation of symbols]
2 Processing device 4 Processing container 18 Mounting table 22 Resistance heating element (heating means)
50 Shower head structure (process gas supply structure)
52 Material gas injection hole 54 Oxidation gas injection hole 55 Shower head body 56 Material gas head space 57 Gas injection surface 58 Oxidation gas head space 74A Inner peripheral zone 74B Middle peripheral zone 74C Outer peripheral zone W Semiconductor wafer (covered) Processing body)

Claims

In a processing gas supply structure of a film forming apparatus for introducing a raw material gas and an oxidizing gas into a processing container individually from the injection holes of the shower head body and performing a film forming process on the object to be processed, the injection holes are concentric. The gas is divided into at least three zones, an inner circumference, a middle circumference, and an outer circumference. A raw material gas is introduced from the injection holes in the inner circumference zone, and a raw material gas and an oxidizing gas are individually introduced from the injection holes in the middle circumference zone. And the process gas supply structure characterized by having comprised so that oxidizing gas may be introduce | transduced from the injection hole of the said outer periphery zone.

Injection holes for the raw material gas in said peripheral zone, the process gas supply structure according to claim 1 Symbol mounting, characterized in that it comprises an injection hole is also smaller than the diameter of the inner peripheral zone of the injection hole.

The diameter of the injection hole of the oxidation gas in said peripheral zone, according to claim 1 or 2 Symbol placement of process gas supply mechanism, characterized in that it is smaller than the diameter of the injection hole of the outer peripheral zone.

The film forming process, a process gas supply structure according to claim 1乃Optimum 3 Neu deviation or claim, characterized in that conducted at pressures 13.3 Pa.

The source gases are Pb (DPM) ₂ , Zr (t-OC ₄ H ₉ ) ₄ , Zr (DPM) ₄ , Zr (i-OC ₃ H ₇ ) ₄ , Zr (C ₅ H ₇ O ₂ ) ₄ , _{_{_{Zr (C 5 HF 6 O 2}}} ) 1 bract is selected from the group consisting of _4, and _{_{_{Ti (i-OC 3 H 7}}} ) from _{_{_{4, Ti (i-OC 3}}} H 7) 2 (DPM) group consisting of ₂ consists one selected, one of the oxidizing gas is _{_{NO 2, O 2, O 3}} , N 2 claim, characterized in that the _O consisting from the group is at least one selected 1乃Itaru 4 The processing gas supply structure according to one item.

In a film forming apparatus that performs a film forming process on an object to be processed using a raw material gas and an oxidizing gas, a processing container that can be evacuated, a mounting table on which the object to be processed is mounted, and the object to be processed heating means for heating the body, thin film deposition apparatus, characterized by comprising a process gas supply mechanism as defined in claim 1乃optimum 5, whichever is one wherein.