JP2019019391A

JP2019019391A - 成膜装置

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Publication number: JP2019019391A
Application number: JP2017140349A
Authority: JP
Inventors: 雅通原田; Masamichi Harada
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2017-07-19
Filing date: 2017-07-19
Publication date: 2019-02-07

Abstract

【課題】基板の中央の直上からガスを供給し、基板の外周から排気するセンターフロー方式の成膜装置であって、面内均一に成膜が可能な成膜装置を提供する。【解決手段】本発明の一形態の成膜装置は、成膜室と、ステージと、シャワーヘッドとを具備する。上記ステージは、上記成膜室に設けられた被処理基板を支持する。上記シャワーヘッドは、上記ステージに対向配置され、上記成膜室内へ導入されるガスが通過する流路であって上記ステージに平行な面で切断した形状が円形であり上記ステージに向かって開口面積が大きくなる流路を有する。上記流路は、上記被処理基板の中央部に対応して設置され、上記ステージに平行な面で切断した上記流路の半径をｒとし、上記平行な面と上記ステージとの距離をｈとしたときに、上記ステージに平行な面すべてでｒ×ｈが一定となっている。【選択図】図２

Description

本発明は、例えばＡＬＤ（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法による成膜に用いられる成膜装置に関する。

ＭＯＳＦＥＴの高性能化、低消費電力化を進めるうえで欠かせないのがゲート絶縁膜の薄膜化である。これまではゲート絶縁膜としてＳｉＯ_２やＳｉＯＮが使われてきたが、これらの材料では薄膜化とともにリーク電流が急増してしまう。これを防ぐために、高誘電率（Ｈｉｇｈ−ｋ）ゲート絶縁膜とメタルゲートが必須となる。Ｈｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜としては、例えばＨｆＯ_２（二酸化ハフニウム）、ＨｆＡｌＯ、ＨｆＳｉＯ等が用いられている。
数ｎｍの厚さのＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜を基板に面内均一に形成するために、堆積膜厚の微細な制御が可能な原子層堆積（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＤ）法が用いられている。

ＡＬＤ法による成膜が可能な成膜装置では、基板に対して反応ガスを供給する供給口が基板の横に設けられ、基板を回転させた状態でガスが供給される（例えば特許文献１参照）。

国際公開第２００５／０８８６９２号

上述のような基板の横側からガスを供給するサイドフロー方式の成膜装置では、チャンバの容積が大きくなり、面内均一に成膜するためにガス導入の構造が複雑になる。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、基板の中央の直上からガスを供給し、基板の外周から排気するセンターフロー方式の成膜装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態の成膜装置は、成膜室と、ステージと、シャワーヘッドとを具備する。
上記ステージは、上記成膜室に設けられた被処理基板を支持する。
上記シャワーヘッドは、上記ステージに対向配置され、上記成膜室内へ導入されるガスが通過する流路であって上記ステージに平行な面で切断した形状が円形であり上記ステージに向かって開口面積が大きくなる流路を有する。上記流路は、上記被処理基板の中央部に対応して設置され、上記ステージに平行な面で切断した上記流路の半径をｒとし、上記平行な面と上記ステージとの距離をｈとしたときに、上記ステージに平行な面すべてでｒ×ｈが一定となっている。

本発明のこのような構成によれば、シャワーヘッドの流路が、ｒｈが一定となるように構成されているので、被処理基板に供給されるガスのフラックス（流束）を被処理基板の面内でほぼ均一とすることができる。これにより、被処理基板上に膜厚が面内でほぼ均一な膜を成膜することができる。

上記ガスの供給源と、上記供給源と上記シャワーヘッドとの間に配置された上記供給源からのガスを拡散する拡散板とを更に具備してもよい。

このように拡散板を設けることにより、断面積が比較的小さいガスの供給管からのガスを被処理基板と平行な面方向に拡散させることができる。これにより、平行な面方向に拡散させたガスがシャワーヘッドの流路を通って被処理基板へ供給されるので、被処理基板上に成膜される膜の膜厚を更に面内で均一なものとすることができる。

上記供給源は、原料ガスを供給する原料ガス供給源と反応ガスを供給する反応ガス供給源とを有し、上記原料ガス供給源からの上記被処理基板の表面への上記原料ガスの供給と、上記反応ガス供給源からの上記被処理基板上の上記原料ガスと反応する上記ガスの供給とが交互に繰り返し行われてもよい。

このように、原料ガスの供給と反応ガスの供給を交互に繰り返して成膜するＡＬＤ法による成膜に適用してもよい。

上記原料ガスは塩化ハフニウム（ＩＶ）であり、上記反応ガスは水蒸気であってもよい。
これにより、二酸化ハフニウムを成膜することができる。塩化ハフニウム（ＩＶ）のようなセルフリミテーションしないガスを用いた成膜においても、シャワーヘッドの流路が、ｒｈが一定となるように構成されているので、被処理基板に供給されるガスのフラックスを被処理基板の面内でほぼ均一とすることができるため、面内でほぼ均一な膜厚の二酸化ハフニウムを得ることができる。

以上述べたように、本発明によれば、面内でほぼ均一な膜厚の薄膜を成膜することができる成膜装置を提供することができる。

本発明の一実施形態の成膜装置の概観図であり、ＡＬＤモジュール及びガス導入系統を説明する図である。図１の成膜装置の部分拡大図である。図１に示す成膜装置のシャワーヘッド付近の部分拡大図である。図３のシャワーヘッドの曲面形状を説明するための図である。図１の成膜装置において、成膜室へ導入するガスのガス速度のＸ軸成分、Ｚ軸成分それぞれのガス速度分布をシュミレーションした図である。比較例のシャワーヘッドを備えた成膜装置において、成膜室へ導入したガスのガス速度のＸ軸成分、Ｚ軸成分それぞれのガス速度分布をシュミレーションした図である。図１に示す成膜装置における、図５を基に作成したガスのフラックス（Ｆｌｕｘ、流束）をシュミレーションした概念図である。比較例の成膜装置における、図６を基に作成したガスのフラックス（Ｆｌｕｘ、流束）をシュミレーションした概念図である。図１の成膜装置を用い、第一工程での塩化ハフニウム（ＩＶ）の導入時間を異ならせて、第一工程から第四工程を繰り返して成膜した二酸化ハフニウムの膜厚分布を示す。比較例の成膜装置を用い、第一工程での塩化ハフニウム（ＩＶ）の導入時間を振って、第一工程から第四工程を繰り返して成膜した二酸化ハフニウムの膜厚分布を示す。図１の成膜装置を用い、第三工程での水蒸気の導入時間を異ならせて、第一工程から第四工程を繰り返して成膜した二酸化ハフニウムの膜厚分布を示す。比較例の成膜装置を用い、第三工程での水蒸気の導入時間を異ならせて、第一工程から第四工程を繰り返して成膜した二酸化ハフニウムの膜厚分布を示す。比較例の成膜装置に設けられるステージと対向する面が平坦なシャワーヘッドにおける断面積Ｓとガス速度の関係をシュミレーションした図である。図１の成膜装置を用いて二酸化ハフニウムを成膜する際のガスの供給のタイミングを説明するタイミングチャートである。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

本発明の実施形態に係る成膜装置は、被処理基板の中央部の直上からガスを供給するセンターフロー方式の成膜装置である。本実施形態においては、ＡＬＤ法を用いて、薄膜として二酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）を成膜する例をあげて説明する。ここでは、塩化ハフニウム（ＩＶ）（ＨｆＣｌ_４）ガスとＨ_２Ｏ（水蒸気）がプリカーサとして用いられる。

［成膜装置］
図１は第１実施形態に係る成膜装置の概観図であり、ＡＬＤモジュール及びガス導入系統を説明する図である。図２は図１の成膜装置の部分拡大図であり、図２ではガス導入系統は簡略化して図示している。図３は、図２の成膜装置のシャワーヘッド付近の部分拡大図である。図４は図３のシャワーヘッドの底面の曲面形状を説明するための図である。

成膜装置１００は、成膜チャンバ１０１と、リッド部１０７と、成膜室１０５と、ヒータステージ１０４と、拡散板１２１と、ガス供給源１１１と、ガス供給バルブ１１２と、ガス供給管１１３とを具備する。

リッド部１０７は、リッド本体１０２とシャワーヘッド１０３とからなる。ヒータステージ１０４とシャワーヘッド１０３とは離間して対向配置される。また、成膜装置１００は、成膜装置１００の下部に設けられている排気ダクト１４０を介して成膜装置１００内のガスを排気する排気ポンプを有する。

成膜チャンバ１０１は、内部にヒータステージ１０４及びリッド部１０７を収納可能に構成される。リッド部１０７は、成膜チャンバ１０１の内底部とともに、被処理基板１１０上に薄膜を成膜する成膜室１０５を形成する。リッド部１０７の外形は直径ｇが４８０ｍｍの略円筒状を有している。尚、記載する各部の寸法はいずれも一例であり、これらに限定されない。

リッド部１０７の下部にはシャワーヘッド１０３が取り付けられている。リッド部１０７の略中央部にはガス供給源１１１からのガスが導入され、ガスを拡散する拡散室１２０が設けられている。またリッド部１０７の上部には拡散室１２０へガス供給源１１１からのガスを供給するためのガス供給路１０６が設けられている。

リッド部１０７の下部は、成膜室１０５を構成する空間が設けられており、この空間の直径ｆは４６０ｍｍである。拡散室１２０は、成膜室１０５とガス供給路１０６との間に位置する。

ガス供給路１０６は円筒状を有し、その直径ｎは２０ｍｍである。拡散室１２０は円筒状を有しており、その直径ｍは１００ｍｍ、高さｌは２５ｍｍである。ガス供給路１０６はＸＹ平面と平行な面で切断した断面が比較的小さく、拡散室１２０のＸＹ平面と平行な面で切断した断面はガス供給路１０６の断面よりも大きくなっている。

拡散室１２０の上部はガス供給路１０６と連通する開口を有する。シャワーヘッド１０３の上面１０３ｂは拡散室１２０の底面を形成する。これにより、拡散室１２０の下部はシャワーヘッド１０３に設けられている後述する流路１０３ａと連通する開口を有する。

拡散室１２０内には、その中央部にヒータステージ１０４と平行な平面形状（図上ＸＹ平面）が円形の拡散板１２１が配置される。拡散板１２１の厚さｋは３ｍｍ、直径ｍは１００ｍｍである。拡散板１２１にはガスが通過可能な貫通孔１２１ａが設けられている。拡散室１２０は、拡散板１２１によって図面上、上下に拡散室１２０ａ及び拡散室１２０ｂに仕切られる。拡散室１２０ｂの容積は拡散室１２０ａの容積よりも大きくなるように設計される。

ガス供給路１０６を拡散板１２１に投影したときに、ガス供給路１０６は拡散板１２１の領域内に位置する。これにより、ガス供給路１０６から拡散室１２０に供給されるガスは拡散板１２１に衝突し、拡散板１２１の上面に沿って流れ、その結果、対流が発生してガスが拡散室１２０ａ内で拡散される。この拡散されたガスは貫通孔１２１ａを通って拡散室１２０ｂに導入される。

拡散板１２１をシャワーヘッド１０３の上面１０３ｂに投影したとき、拡散板１２１の貫通孔１２１ａはシャワーヘッド１０３の上面１０３ｂ内に位置する。これにより、拡散板１２１の貫通孔１２１ａから拡散室１２０ｂに導入されるガスはシャワーヘッド１０３の上面に衝突し、シャワーヘッド１０３の上面１０３ｂに沿って流れ、その結果、対流が発生してガス拡散室１２０ｂ内で拡散される。拡散されたガスは流路１０３ａを通って、ヒータステージ１０４上に載置される被処理基板１１０へ供給される。

ヒータステージ１０４は、成膜チャンバ１０１の側面に設けられている基板の搬出入口１０８から搬入される被処理基板１１０を支持する。ヒータステージ１０４は、直径ｅが３３６ｍｍの円形の平面形状を有する。被処理基板１１０は直径ｏが３００ｍｍの円形状を有する。尚、被処理基板１１０の大きさはこれに限定されない。

ガス供給源１１１は、原料ガスとしての塩化ハフニウム（ＩＶ）（ＨｆＣｌ_４）を供給する原料容器１１１ａと、反応ガスとしての水蒸気（Ｈ_２Ｏ）を供給する水容器１１１ｃとを有する。

成膜チャンバ１０１には、ガス供給管１１３、原料（ＨｆＣｌ_４）容器１１１ａと、水（Ｈ_２Ｏ）容器１１１ｃ、アルゴン（Ａｒ）配管１１６が接続されている。原料（ＨｆＣｌ_４）容器１１１ａ及び水容器１１１ｃは、それぞれ１３６℃、５℃で温度制御されている。この２つの容器１１１ａ及び１１１ｃには、それぞれ流量を制御するＭＦＣ（Mass Flow Controller）１１４ａ及び１１４ｃが接続されている。このＭＦＣ１１４ａ及び１１４ｃによって、アルゴン配管１１５ａ、１１５ｃそれぞれを流れるアルゴンが流量制御され、原料容器１１１ａ、水容器１１１ｃにそれぞれ導入される。これにより、原料（ＨｆＣｌ_４）を含んだアルゴンガス、水を含んだアルゴンガスとして成膜室１０５に導入される。

アルゴン配管１１６から導入するアルゴンは、原料ガス及び反応ガスの供給を止めた後に流すパージ用ガスとして用いられる。アルゴン配管１１６には、流量を制御するＭＦＣ１１４ｂが接続されており、成膜室１０５には流量制御されたアルゴンガスが導入される。

ガス供給バルブ１１２はガス供給バルブ１１２ａ〜１１２ｃを有する。ガス供給バルブ１１２ａ〜１１２ｃは、それぞれ原料容器１１１ａ、アルゴン配管１１６、水容器１１１ｃから拡散室１２０へのガスの供給量を調整するものである。ガス供給バルブ１１２ａ〜１１２ｃは、原料容器１１１ａ、アルゴン配管１１５、水容器１１１ｃからのガスをガス供給路１０６に供給するガス供給管１１３に設けられる。

ガス供給源１１１（原料容器１１１ａ及び水容器１１１ｃ）、アルゴン配管１１６、ガス供給バルブ１１２、ガス供給管１１３は、ユニットとして構成されていてもよい。ガスの供給経路はヒータによって温度管理可能となっており、ヒータによりガスの蒸気圧が制御され、バルブにより供給量が制御される。

シャワーヘッド１０３は、ヒータステージ１０４と離間して対向配置される。シャワーヘッド１０３の中央部には、貫通孔である流路１０３ａが設けられている。流路１０３ａは、その中心が成膜時にヒータステージ１０４上に配置される被処理基板１１０の中心（典型的には、ヒータステージ１０４の中心）に対応するように設置される。これにより、被処理基板１１０の中央の直上からガスが供給される構成となる。

拡散室１２０から成膜室１０５へ流れるガスは、流路１０３ａを通過する。流路１０３ａのヒータステージ１０４に平行な面（ＸＹ平面）で切断した形状は円形である。流路１０３ａは、その開口面積が拡散室１２０からヒータステージ１０４に向かって徐々に大きくなっている。

上部からみたシャワーヘッド１０３の形状は、中央部に流路１０３ａが位置するリング状である。シャワーヘッド１０３は、拡散室１２０側に位置する上面１０３ｂと成膜室１０５側に位置する底面１０３ｃを有する。流路１０３ａは、上面１０３ｂから底面１０３ｃにかけて開口面積が徐々に大きくなる貫通孔である。

シャワーヘッド１０３の平面形状の外形は直径ｂが４５９ｍｍの直径を有する円形状である。シャワーヘッド１０３のＺ軸方向に沿った厚みｉは２６ｍｍである。上面１０３ｂに形成される流路１０３ａの円形状の開口の直径ａは４０ｍｍであり、底面１０３ｃに形成される流路１０３ａの円形状の開口の直径ｃは３８０ｍｍである。成膜時、シャワーヘッド１０３の上面１０３ｂとステージ１０４の上面１０４ａとの距離ｐは３３ｍｍとなるように設定される。

シャワーヘッド１０３をヒータステージ１０４の上面１０４ａと垂直な方向（Ｚ軸方向）で切断したとき、流路１０３ａを形成する部分は曲線を有している。

流路１０３ａをヒータステージ１０４の上面１０４ａに平行な面で切断したときの円形の断面の半径をｒ［ｍｍ］とし、その切断面とヒータステージ１０４の上面１０４ａとの距離をｈ［ｍｍ］としたときに、流路１０３ａにおいてヒータステージ１０４に平行な面すべてでｒｈ（ｒ×ｈの値。以下同じ。）が一定となる曲面を有するようにシャワーヘッド１０３の流路１０３ａは形成されている。図３に、切断面１５０における半径ｒ、距離ｈの一例を示す。

図４はシャワーヘッド１０３の底面の曲面領域における距離ｈと段面積Ｓとの関係を示す。断面積Ｓは、Ｓ＝２πｒｈで表される。拡散室１２０から成膜室１０５に供給されるガスは、シャワーヘッド１０３とヒータステージ１０４との間を、被処理基板１１０の中心からエッジ部（周縁部）に向かって広がって流れていく。断面積Ｓは、拡散室１２０から供給されるガスの流路の断面積に相当する。

図４の横軸は、図３のＸＹ平面におけるシャワーヘッド１０３の中心からの距離［ｍｍ］を示し、流路１０３ａのＸＹ平面と平行な面で切断した切断面１５０における半径ｒを示す。シャワーヘッド１０３の中心は、シャワーヘッド１０３の流路１０３ａのＸＹ平面における中心と一致し、シャワーヘッド１０３の中心を通るＸＹ平面の垂線は、被処理基板１１０の中心を通る。

図４の左縦軸は、Ｚ軸方向に沿ったヒータステージ１０４の上面１０４ａからの距離ｈ［ｍｍ］を示す。図４の右縦軸は、断面積Ｓ［ｍｍ^２］示す。

本実施形態においては、被処理基板１１０を底面１０３ｃに投影したとき、シャワーヘッド１０３のｒｈが一定の曲面を有する流路１０３ａの外形の領域内に被処理基板１１０が位置する。すなわち、流路１０３ａの最も大きい開口となる円形の領域の直径よりも円形の被処理基板１１０の直径の方が小さくなるように設計される。

尚、シャワーヘッド１０３の底面１０３ｃは、被処理基板１１０に対応する領域、すなわち直径３００ｍｍの円形の領域において、少なくともｒｈが一定となるような曲面を有するようにすればよい。これにより、ガスの流束の減少が抑制されながらガスが被処理基板１１０の周縁部までいきわたり、被処理基板１１０の膜厚の均一性が向上する。

底面１０３ｃを構成する曲面としては、断面が二次曲線或いはこれらの近似曲線で構成される曲面をいい、本実施形態では、シャワーヘッド１０３とヒータステージ１０４との間の距離がＡ／ｒ（Ａは定数、ｒは切断面１５０における半径）で決められる曲線（１／Ｒ曲線（Ｒ=ｒ／Ａ））で構成される曲線形状が採用される。

更に好ましくは、本実施形態のように、被処理基板１１０に対応する領域よりも大きい領域で、シャワーヘッド１０３の底面１０３ｃにｒｈが一定となる曲面が形成されるとよい。これによりガスの流束の減少が抑制されながら十分にガスが被処理基板１１０の周縁部までより確実にいきわたり、被処理基板１１０の周縁部における膜厚の均一性が更に向上する。これにより、被処理基板１１０上に面内均一な膜厚で成膜を行うことができる。

成膜チャンバ１０１の底部には、図示しない排気ポートを介して成膜室１０５を排気する排気ポンプが接続されている。排気ポンプは、ターボ分子ポンプやドライポンプ等の各種真空ポンプによって構成されるものであって、成膜装置１００での成膜処理を行うときには、成膜室１０５内の圧力を例えば１Ｐａ〜１０００Ｐａの所定圧力に減圧する。

［二酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）の成膜方法］
次に、上記の成膜装置１００を用いた二酸化ハフニウムの成膜方法について説明する。図１４はガスの供給のタイミングを説明するタイミングチャートである。

まずヒータステージ１０４上に被処理基板１１０を載置し、成膜室１０５内に被処理基板１１０を搬入する。

次に、第一の工程として、原料ガス供給源１１１ａから塩化ハフニウム（ＩＶ）を導入する。拡散室１２０へ導入された塩化ハフニウム（ＩＶ）は拡散室１２０内で拡散し、拡散された塩化ハフニウム（ＩＶ）は成膜室１０５へ放出される。これにより、被処理基板１１０の表面に塩化ハフニウム（ＩＶ）ガスの分子が化学吸着する（被覆工程）。被処理基板１１０の表面に塩化ハフニウム（ＩＶ）ガスの分子を化学吸着させた後、原料ガス供給源１１１ａからの塩化ハフニウム（ＩＶ）の導入を停止する。

図１にＡＬＤモジュール及びガス導入系の概念図を示す。
被覆条件は、被処理基板の温度を３００℃、塩化ハフニウム（ＩＶ）の原料容器１１１ａの温度を１３６℃、成膜チャンバ１０１内の圧力を１３０Ｐａ、塩化ハフニウム（ＩＶ）の導入時間を０．６秒〜１．５秒とし、図１に示す原料容器１１１ａに流量を３００ｓｃｃｍとしてアルゴンを導入し、容器１１１ａ中に気化している塩化ハフニウム（ＩＶ）ガスとアルゴンを混合させてから成膜室１０５に導入する。尚、以降の処理においても、被処理基板の温度は３００℃に設定している。

次に、第二の工程として、パージガス供給源１１１ｂからパージガスとしてアルゴンガスを導入する。拡散室１２０へ導入されたアルゴンガスは拡散室１２０内で拡散し、拡散されたアルゴンガスは成膜室１０５へ放出される。パージガスにより拡散室１２０内の圧力が高まり、拡散室１２０から原料ガスが押し出される。成膜室１０５内に拡散していた原料ガスは、排気ポンプにより真空排気される（パージ工程）。

パージ条件は、アルゴンガスの導入時間を１．５秒、成膜チャンバ１０１内の圧力を１３０Ｐａ、アルゴンガスの流量を４００ｓｃｃｍとした。

次に、第三の工程として、反応ガス供給源１１１ｃから反応ガスとして水蒸気を導入する。拡散室１２０へ導入された水蒸気は拡散室１２０内で拡散し、拡散された水蒸気は成膜室１０５へ放出される。水蒸気は被処理基板１１０の表面に付着していた塩化ハフニウム（ＩＶ）ガスの分子と反応して塩化ハフニウム（ＩＶ）を酸化し、二酸化ハフニウムの薄膜が形成される（酸化工程）。被処理基板１１０の表面の原料ガス（塩化ハフニウム（ＩＶ））の分子と反応ガス（水蒸気）を反応させた後、反応ガス供給源１１１ｃからの反応ガスの導入を停止する。

酸化条件は、水蒸気の導入時間を０．５秒、図１の水容器１１１ｃの温度を５℃、成膜チャンバ１０１内の圧力を１３０Ｐａとし、水容器１１１ｃに流量を５０ｓｃｃｍとしたアルゴンを導入して、容器１１１ｃ中の水蒸気とアルゴンを混合させてから成膜室１０５に導入する。

次に、第四の工程として、パージガス供給源１１１ｂからパージガスとしてアルゴンガスを導入する。拡散室１２０へ導入されたアルゴンガスは拡散室１２０内で拡散し、拡散されたアルゴンガスは成膜室１０５へ放出される。パージガスにより拡散室１２０内の圧力が高まり、拡散室１２０から反応ガスが押し出される。成膜室１０５内に拡散していた反応ガスは、排気ポンプにより真空排気される（パージ工程）。

所望の厚みの二酸化ハフニウムの薄膜が形成されるまで上記第一〜第四の工程を順に複数サイクル繰り返す。本実施形態においては、サイクル数を３２回とし、２〜３ｎｍの膜厚の二酸化ハフニウムを得た。

本実施形態においては、ｒｈが一定の曲面を備えたシャワーヘッド１０３を備える成膜装置１００を用いて成膜を行うことにより、被覆工程において、被処理基板１１０上に面内でほぼ均一に原料ガスが供給することが可能となる。更に、酸化工程において、被処理基板１１０上に面内でほぼ均一に反応ガスが供給することが可能となるので、面内でむらなく酸化反応を生じさせることができる。これにより面内均一の膜厚の二酸化ハフニウムの薄膜が得られる。

［本実施形態と比較例との比較］
次に、本実施形態のｒｈが一定となる曲面を有するシャワーヘッド１０３を用いた場合と、比較例としてのシャワーヘッド底面とヒータステージとの距離ｈが一定である底面形状が平坦なシャワーヘッドを用いた場合を比較する。
比較例のシャワーヘッドの中央部には、ガスが通過する円柱状の直径４０ｍｍの流路が設けられているとする。比較例の成膜装置と本実施形態の成膜装置とは、シャワーヘッドの底面形状のみが異なる、その他の構成は同様である。

被処理基板１１０の直上から供給されるガスは、被処理基板１１０の中心から周縁部（エッジ部）にむかって広がっていく。
図５は、本実施形態のシャワーヘッド１０３を備えた成膜装置１００の成膜室１０５へ導入したガスの広がりに伴うガス速度の変化を示し、ガス速度のＸ軸成分Ｖ_Ｘ、Ｚ軸成分Ｖ_Ｚそれぞれのガス速度分布をシュミレーションした図である。図７は、本実施形態のシャワーヘッド１０３を備えた成膜装置１００における、図５を基に作成したガスのフラックス（Ｆｌｕｘ、流束）の変化をシュミレーションした図である。

図６は、比較例のシャワーヘッドを備えた成膜装置の成膜室１０５へ導入したガスの広がりに伴うガス速度の変化を示し、ガス速度のＸ軸成分Ｖ_Ｘ、Ｚ軸成分Ｖ_Ｚそれぞれのガス速度分布をシュミレーションした図である。図８は、比較例のシャワーヘッドを備えた成膜装置１００における、図６を基に作成したガスのフラックスの変化をシュミレーションした図である。

図１３は、比較例のシャワーヘッドにおける断面積Ｓとガスの流速の関係をシュミレーションした図である。図１３において、横軸は被処理基板の半径に沿った被処理基板の中心からの距離、左縦軸はガス速度、右縦軸は断面積Ｓを示し、点線は断面積Ｓ、実線はガス速度を示す。図１３に示すように、断面積Ｓはガスの広がりに伴い徐々に増大する右上がりの直線で表される。

図５及び図６において、横軸は、円形の被処理基板１１０の半径に沿った被処理基板１１０の中心からの距離を示し、縦軸はガス速度を示す。ガス速度Ｖ［ｍ／ｓｅｃ］、流量をＱ［Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃ］、圧力をＰ［Ｐａ］とすると、Ｖ＝Ｑ／［Ｐ・Ｓ］で求められる。

図７及び図８において、横軸は、被処理基板１１０の半径に沿った被処理基板１１０の中心からの距離を示し、縦軸は、ガス濃度、フラックス、ガス速度の大きさを示す。フラックスはガス速度とガス濃度との積により決定する。

図６、図８及び図１３に示すように、比較例における底面形状が平坦なシャワーヘッドにおいては、シャワーヘッドの流路に対応する被処理基板の領域、すなわち、被処理基板の中心からの距離が約２０ｍｍまでの領域では、ガス速度は徐々に増大しているが、２０ｍｍを超えたあたりから、ガス速度は減少していく。
また、ガスは、被処理基板１１０や成膜室１０５の壁面に吸着や分解して消費されるため、被処理基板１１０の周縁部に向かって徐々にガス濃度は低下していく。
このように、比較例におけるシャワーヘッドでは、ガス速度及びガス濃度が被処理基板の周縁部に向かうに従って低下していくため、ガスのフラックスは被処理基板の周縁部に向かうに従って徐々に低下していく。そのため、被処理基板の特に周縁部での膜厚が薄くなり、面内で均一な膜厚を得ることが困難であった。

これに対し、図５及び図７に示すように、本実施形態におけるｒｈが一定の曲面を備えたシャワーヘッド１０３においては、シャワーヘッドの流路１０３ａの拡散室１２０側の直径ａが４０ｍｍの開口に対応する被処理基板の領域、すなわち、被処理基板の中心から約２０ｍｍまでの領域ではガス速度は徐々に増大し、２０ｍｍを超えたあたりからガス速度は減少し、約４０ｍｍから再びガス速度は徐々に増加している。また、ガスは、被処理基板や成膜室１０５の壁面に吸着や分解して消費されるため、被処理基板１１０の周縁部に向かって徐々にガス濃度は低下していく。

本実施形態におけるシャワーヘッド１０３では、一度ガス速度が減少するものの再びガス速度が増加し、このガス速度の増加は被処理基板１１０の周縁部まで継続しているので、ガスが被処理基板１１０の中心から周縁部に向かって流れるに伴って、ガスのフラックスの減少が比較例のシャワーヘッドと比較して抑制され、被処理基板１１０の中心から約４０ｍｍを超えてからはガスのフラックスの大きさはほぼ一定となる。

このように、本実施形態では、被処理基板１１０に供給されるガスのフラックスが被処理基板の周縁部に向かうに従って減少することが抑制されるので、被処理基板１１０上にほぼ面内均一に原料ガスが供給され、更に、ほぼ面内均一に水蒸気が供給されて面内で均一な酸化処理が施されるので、膜厚の面内均一性が向上した薄膜を得ることができる。

また、シャワーヘッド１０３の流路１０３ａに供給されるガスは拡散板１２１により拡散されるので、流路１０３ａに導入されるガスは面内でほぼ均一の濃度となっている。これにより、被処理基板１１０に成膜される薄膜の膜厚の面内均一性を更に向上させることができる。

次に、塩化ハフニウム（ＩＶ）の導入時間に関し、本実施形態と比較例とを比較する。
図９は、本実施形態におけるシャワーヘッド１０３を備えた成膜装置１００を用い、上記第一工程での塩化ハフニウム（ＩＶ）の導入時間を異ならせて、上記第一工程から第四工程を３２サイクル繰り返して成膜した二酸化ハフニウムの被処理基板１１０の膜厚分布を示す。図９において、横軸は被処理基板１１０の半径に沿った中心からの距離を示し、縦軸は、二酸化ハフニウムの膜厚を示す。図９は、塩化ハフニウム（ＩＶ）の導入時間を０．５秒、０．８秒、０．９秒、１．０秒、１．２秒、１．５秒の６通りに振って、その他の条件は上述した条件で成膜した薄膜の膜厚分布である。

図１０は、図９の比較例となる。比較例では、上記比較例であげたシャワーヘッド底面とヒータステージの上面との距離ｈが一定である底面形状が平坦なシャワーヘッドを備えた成膜装置を用いて成膜を行った。図１０は、図９と同様の成膜条件で成膜した二酸化ハフニウムの被処理基板１１０の膜厚分布を示す。図１０において、横軸は被処理基板１１０の半径に沿った中心からの距離を示し、縦軸は、二酸化ハフニウムの膜厚を示す。図１０は、塩化ハフニウム（ＩＶ）の導入時間を０．５秒、０．８秒、０．９秒、１．０秒、１．２秒、１．５秒の６通りに振って、その他の条件は上述した条件で成膜した薄膜の膜厚分布である。

図１０に示すように、比較例においては、塩化ハフニウム（ＩＶ）の導入時間に係らず、成膜された二酸化ハフニウムの膜は被処理基板１１０の周縁部にいくに従って膜厚が薄くなっている。上述したとおり、通常、ガスの濃度は、被処理基板や壁面に吸着や分解して消費されるため、ガスの下流側、すなわち被処理基板の周縁部側に向かって徐々に低下していく。これに加え、平坦なシャワーヘッドを備えた比較例の成膜装置においては、ガス速度も下流側（被処理基板の周縁部側）で低下していくため、ガスのフラックスは被処理基板の周縁部に向かうに従って低下することになる。このため、図１０に示すように、底面形状が平坦なシャワーヘッドを備えた成膜装置で成膜した二酸化ハフニウムの膜厚は、中心部付近の膜厚が厚くなり、中心部から周縁部に向かうに従って膜厚が徐々に薄くなり、面内での膜厚分布が不均一となる。

これに対し、本実施形態においては、図９に示すように、塩化ハフニウムの導入時間が０．８秒以上であれば、成膜した二酸化ハフニウムの膜厚は、中心部から周縁部に向かうに従って若干膜厚が薄くなっていくものの、被処理基板の周縁部付近も十分成膜されており、比較例と比較して、大幅に膜厚の面内均一性が向上している。尚、塩化ハフニウムの導入時間が０．５秒のとき、外周部における膜厚が中心部と比較して極端に薄い二酸化ハフニウムとなっているが、これは、ガスが被処理基板の周縁部まで十分にいきわたるまでの時間が足りなかったためと推測される。

このように、ｒｈが一定の曲面を備えたシャワーヘッド１０３を備える成膜装置１００を用いて成膜を行うことにより、被処理基板面内での成膜レートをほぼ均一にすることができる。また、図９に示すように、塩化ハフニウム（ＩＶ）の導入時間を０．８秒以上とすれば、被処理基板面内での成膜レートをほぼ均一にすることができ、０．８秒から１．５秒の間では成膜レートはほぼ同じ挙動を示し、面内で膜厚がほぼ均一な薄膜を得ることができる。尚、塩化ハフニウム（ＩＶ）の導入時間は１．５秒以下、更に好ましくは１．０秒以下であることが望ましく、１．５秒よりも長いと基板毎の処理時間が長くなり、生産性上実用的ではない。

また、被処理基板面内での成膜レートを更に均一にするために、酸化工程時の水蒸気の導入時間を調整してもよい。
次に、水蒸気の導入時間に関し、本実施形態と比較例とを比較する。

図１１は、本実施形態におけるシャワーヘッド１０３を備えた成膜装置１００を用い、上記第三工程での水蒸気の導入時間を異ならせて、上記第一工程から第四工程を３２サイクル繰り返して成膜した二酸化ハフニウムの膜厚分布を示す。ここでは、第一工程での塩化ハフニウム（ＩＶ）の導入時間を０．８秒とし、それ以外は上記の二酸化ハフニウムの成膜方法の第一工程で説明した被覆条件と同様とした。また、パージ条件は、上記第二工程及び第四工程のパージ条件と同様とした。第三工程の酸化条件は、水蒸気の導入時間以外は上記酸化条件と同様の条件とした。

図１１において、横軸は円形の被処理基板１１０の半径に沿って周縁部に向かう中心からの距離を示し、縦軸は、二酸化ハフニウムの膜厚を示す。図１１では、水蒸気の導入時間を０．５秒、０．７秒、０．８秒、０．９秒、１．０秒の５通りに振って成膜した薄膜について図示している。

図１２は、図１１の比較例となる。比較例では、上記比較例と同様のシャワーヘッドの底面とヒータステージの上面との距離ｈが一定である底面形状が平坦なシャワーヘッドを備えた成膜装置を用いて成膜を行った。図１２は、図１１に示す二酸化ハフニウムと同様の成膜条件で成膜した二酸化ハフニウムの被処理基板１１０における膜厚分布を示す。ここでは、第一工程での塩化ハフニウム（ＩＶ）の導入時間を１．０秒とし、それ以外は上記の二酸化ハフニウムの成膜方法の第一工程で説明した被覆条件と同様とした。また、パージ条件は、上記第二工程及び第四工程のパージ条件と同様とした。第三工程の酸化条件は、水蒸気の導入時間以外は上記酸化条件と同様の条件とした。

図１２において、横軸は円形の被処理基板１１０の半径に沿って周縁部に向かう中心からの距離を示し、縦軸は、二酸化ハフニウムの膜厚を示す。図１２では、水蒸気の導入時間を０．３秒、０．５秒、０．７秒、１．０秒の４通りに振って成膜した薄膜について図示している。

図１２に示すように、比較例においては、水蒸気の導入時間に係らず、成膜された二酸化ハフニウムの膜は被処理基板１１０の周縁部に近づくほど膜厚が薄くなっている。特に、水蒸気の導入時間が１．０秒の場合は、被処理基板の面内における膜厚のばらつきが、他の導入時間と比較して大きかった。これは、水蒸気の供給が過剰になって多層吸着するため、水成分の過剰なＨｆＯ_ｘ（ｘ＞２）になるためと考えられる。
このように、平坦なシャワーヘッドを備えた成膜装置で成膜した二酸化ハフニウムの膜厚は、中心部と比較して被処理基板１１０の周縁部付近においては極端に膜厚が薄くなり、面内での膜厚分布が不均一となる。

これは、平坦な底面形状を有するシャワーヘッドを備えた比較例の成膜装置では、塩化ハフニウム（ＩＶ）も水蒸気も同じように、そのフラックスが被処理基板の周縁部に向かうに従って低下するため、塩化ハフニウム（ＩＶ）と水蒸気の導入時間を変化させても、膜厚分布が面内均一になる最適条件がないか、または、マージンが狭くなるからと考えられる。

これに対し、本実施形態においては、図１１に示すように、水蒸気の導入時間が０．５秒以上であれば、水蒸気の導入時間に係らず、成膜された二酸化ハフニウムの膜は被処理基板１００の面内でほぼ均一となった。特に、水蒸気の導入時間が０．９秒以上とすることにより、他の導入時間と比較して、成膜された二酸化ハフニウムの膜厚の面内均一性が更に向上した。

図１１に示すように、第三工程における水蒸気の導入時間を０．５秒以上とすれば、被処理基板面内での成膜レートがほぼ均一となって二酸化ハフニウムの膜厚の面内均一性が向上する。更に好ましくは０．９秒以上とすれば成膜レートの面内均一性が更に向上し、二酸化ハフニウムの膜厚の面内均一性を更に向上させることができる。
尚、水蒸気の導入時間は１．５秒以下、更に好ましくは１．０秒以下であることが望ましく、１．５秒よりも長いと、基板毎の処理時間が長くなり、生産上実用的でない。

このように、本実施形態においては、ｒｈが一定の曲面を有する流路を備えたシャワーヘッド１０３を具備する成膜装置１００を用いて成膜を行うことにより、被処理基板面内での成膜レートをほぼ均一にすることができる。

以上のように、ｒｈが一定の曲面を有する流路を備えたシャワーヘッド１０３を具備する成膜装置１００でＡＬＤ法を用いて二酸化ハフニウムを成膜する場合においては、塩化ハフニウムの導入時間を０．８秒〜１．０秒とし、水蒸気の導入時間を０．５秒〜１．０秒とすることにより、膜厚の面内均一性が向上した二酸化ハフニウムを得ることができる。

本実施形態では、ＡＬＤ法を用いて二酸化ハフニウムを成膜する場合を一例として挙げた。原料ガスとなる塩化ハフニウム（ＩＶ）は、成長の自己停止（セルフリミテーション）をしない原料であるため、被覆工程時、原料ガスの分子の被処理基板への吸着量は、ガスの輸送量の分布に大きく影響する。輸送量はガスのフラックスによって決まる為、被処理基板面内で供給されるガスのフラックスを一定にしないと原料ガス分子の吸着量を被処理基板面内で均一とすることが困難である。

本実施形態の成膜装置は、ｒｈが一定の曲面を備えたシャワーヘッドを備えているので、被処理基板に供給されるガスのフラックスが被処理基板の面内でほぼ一定とすることができ、被処理基板面内で均一な膜厚の膜を成膜することができる。このように、本実施形態の成膜装置は、セルフリミテーションしない原料ガスを用いたとしても、被処理基板面内でほぼ均一な膜厚の膜を成膜することが可能となり、セルフリミテーションしない原料ガスを用いる際に特に有効である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。本実施形態においては、ＡＬＤ法を用いた成膜において二酸化ハフニウムの成膜を例にあげて説明したが、これに限定されず、例えばＡｌ_２Ｏ_３の成膜にも適用することができる。Ａｌ_２Ｏ_３の成膜では、原料ガスとしてＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、反応ガスとして水蒸気を用いる。

１００…成膜装置
１０３…シャワーヘッド
１０３ａ…流路
１０４…ヒータステージ（ステージ）
１０５…成膜室
１１１…ガス供給源
１１０…被処理基板
１２１…拡散板

Claims

成膜室と、
前記成膜室に設けられた被処理基板を支持するステージと、
前記ステージに対向配置され、前記成膜室内へ導入されるガスが通過する流路であって上記ステージに平行な面で切断した形状が円形であり上記ステージに向かって開口面積が大きくなる流路を備えたシャワーヘッドと
を具備し、
前記流路は、前記被処理基板の中央部に対応して設置され、前記ステージに平行な面で切断した前記流路の半径をｒとし、前記平行な面と前記ステージとの距離をｈとしたときに、前記ステージに平行な面すべてでｒ×ｈが一定となる
成膜装置。
請求項１に記載の成膜装置であって、
前記ガスの供給源と、
前記供給源と前記シャワーヘッドとの間に配置された前記供給源からのガスを拡散する拡散板と
を更に具備する成膜装置。
請求項１又は２に記載の成膜装置であって、
前記供給源は、原料ガスを供給する原料ガス供給源と反応ガスを供給する反応ガス供給源とを有し、
前記原料ガス供給源からの前記被処理基板の表面への前記原料ガスの供給と、前記反応ガス供給源からの前記被処理基板上の前記原料ガスと反応する前記ガスの供給とが交互に繰り返し行われる
成膜装置。
請求項３に記載の成膜装置であって、
前記原料ガスは塩化ハフニウム（ＩＶ）であり、前記反応ガスは水蒸気である
成膜装置。