气体供给装置以及基板处理装置的制作方法

专利名称：气体供给装置以及基板处理装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及气体供给装置以及使用该气体供给装置的基板处理装 置，该气体供给装置为了对例如基板实施规定的成膜处理，从与基板 相对的多个气体供给孔向处理容器内供给处理气体。
背景技术：
作为半导体制造工序之一有成膜处理，通常，该工序通过在真空 氛围下例如利用等离子体化方法或者热分解方法使处理气体活性化， 在基板表面上堆积活性种或者反应生成物来进行。在成膜处理中，具
有使多种气体反应以进行成膜的工序，作为该工序，列举有Ti、 Cu、 Ta等的金属或者TiN、 TiSi、 Wsi等的金属氧化物或者SiN、 Si02等的 被称为绝缘膜的薄膜的形成。
对于用于进行这种成膜处理的装置，配置有用于在成为真空腔室 的处理容器内载置基板的载置台，并且在处理容器内设置有气体供给 装置，而且还组装设置有作为用于向气体赋予能量的单元的加热装置、 等离子体产生单元等。气体供给装置一般被称为气体喷淋头，其被设 置成堵塞形成于处理容器的顶部的开口部并且与上述载置台相对。作 为气体供给装置的更具体的结构，在扁平的圆柱体内形成有气体的扩 散空间，形成有多个气体供给孔的喷淋板被配置在下面，处理气体从 外部流入到扩散空间，并从上述气体供给孔喷出到处理空间。
对于喷淋板而言，为了能够均匀地向基板上供给气体而使每单位 面积的气体供给孔的数量统一。作为气体供给孔的配置图案，公知有 如图IO所示的纵横排列配置成矩阵状的图案以及图11所示的等间隔 地排列配置在同心圆上的图案，这些配置图案分别记载在对比文件1 和对比文件2中。在图10、 11中，标号1为喷淋板，标号11为气体 供给孔。其中，在以300mm晶片所使用的实际的喷淋板中，气体供给 孔的口径越小，孔数以及同心圆的数量就越多。
4然而，在使用TiCU、 H2以及Ar的混合气体在半导体晶片(以下 称为"晶片")上形成Ti膜的工序中，当对晶片上的颗粒进行评价时可 知，在某一处理条件下，如图12所示，在晶片W上呈十字形地形成 有颗粒12过剩附着的区域。该十字形的颗粒附着图案P (实际上颗粒 密集，但是方便起见以斜线表示)，在从喷淋板1流入到处理氛围气体 中的气体的流速较大时并达到某一流速以上时发生，对于该发生点而 言，整体的气体流量越多，越向流速较大的一方偏移。换句话说，若 气体流量少，则即便是较小的流速，也会发生十字形的颗粒附着图案。
对该理由进行各种研究，确认与从晶片的中心部向着外周部的气 流的圆周方向的流速分布有关。即，对于这种成膜装置而言，因为利 用处理容器的下部进行排气，所以晶片表面的气体流动以从中心部向 着外周部的流动为支配地位，在现有的喷淋板中，该气流的流速存在 极端缓慢的区域。例如对于气体供给孔11呈矩阵状配置的喷淋板1而 言，如在图13中以方框围住的部分所示，从喷淋板1的中心部向着外 周部即向着半径方向存在气体供给孔11呈平行并且直线排列的区域。
在图13中，只表示出一个该区域，但是，在喷淋板1上，该区域 从中心部每隔90度偏移向四方延伸，整体呈十字形。对该框内的区域 进行研究，使其微观表现，则在晶片W侧，气体并没有被喷向与框内 相对的部位，从晶片W的中心部C向着外周的该部位的气流A的流速， 与和其邻接的两边气流的流速相比极其缓慢。若快速流速的区域与缓 慢流速的区域邻接，则在其边界部产生乱流，其结果引起生成物的异 常堆积，换言之，导致Ti发生异常成长。这种局部异常成长的部分， 从其它的区域观察为颗粒的集合区域，对于含有该部位的芯片在电特 性方面会带来恶劣影响。从喷淋板1喷出的气流的流速越快，在边界 部产生乱流的程度越大，因此十字形的颗粒附着图案P越容易产生， 这些是能够直观理解的，该实事与试验结果相吻合。
容易想象得到，上述现象在同心圆上等间隔配置气体供给孔的情 况下也会发生。目卩，因为在该情况下，也呈十字形地存在有气体供给 孔11从喷淋板1的中心部向着外周部呈平行并且直线排列的区域。
在这种现有技术的喷淋头中，存在下述问题，S卩，因为根据处理 条件而产生十字形的颗粒附着图案P，所以处理条件的设定自由度存在限制。例如，存在不能为了提高处理效率而较大地设定气体流量等的 不利方面。
此外，在专利文献1以及专利文献2中并不是着眼于解决上述问
题，这些文献中记载的喷淋板，都是从能够容易地统一 (排列设计) 每单位面积内的气体供给孔的数量的观点出发而采用的。
专利文献l:日本特开平5 —152218:图4
专利文献2:日本特开2004 — 76023号公报图22、第0100段

发明内容
本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于提供一种喷淋 板以及使用该喷淋板的基板处理装置，在向处理容器内供给处理气体 的气体供给装置中，与现有技术相比能够统一 (均衡整理)圆周方向 之间的流速分布，由此抑制颗粒的产生，而且能够提高处理条件的自 由度。
本发明的气体供给装置，其特征在于-
该气体供给装置具有为了向设置有载置基板的载置台的处理容器 内供给处理气体而与所述载置台相对设置、并且穿设有多个气体供给 孔的喷淋板，
所述气体供给孔被配置在多个同心圆上，
所述气体供给孔的配置图案为，对于除最外周以及最内周之外的 任意的同心圆，该同心圆上的气体供给孔和与内侧邻接的同心圆以及 与外侧邻接的同心圆的各自最接近的气体供给孔没有在同心圆的半径 上并排。
此外，优选使每单位面积(例如2cmX2cm的正方形区域)的气 体供给孔的数量统一。
所述气体供给孔的配置图案可以通过如下所述的方式而形成，在 各同心圆上以等间隔沿着圆周方向配置气体供给孔并且以各同心圆的 一个气体供给孔彼此在同心圆的半径上并排的方式暂时配置，以使这 些在半径上排列的气体供给孔沿着从同心圆的中心伸出的代数螺旋曲 线并排的方式，在保持圆周方向的配置间距为等间隔的状态下重新配 置。此外，气体供给孔的排列配置图案可以设计成存在有气体供给孔以第一间距排列的同心圆；与该同心圆相比位于外侧并且气体供给 孔以比第一间距大的第二间距排列的同心圆；和与该同心圆相比位于 外侧并且气体供给孔以比第二间距小的第三间距排列的同心圆。
本发明可以作为基板处理装置例如成膜装置而构成，其特征在于， 该装置包括气密密封的处理容器；设置在该处理容器内，用于载置 基板的载置台；对处理容器内的气体进行排气的排气单元；和权利要 求1 4中的任一项所述的气体供给装置，利用从气体供给装置供给的 处理气体对载置台上的基板进行处理。
在本发明中，喷淋板的气体供给孔被配置在多个同心圆上，气体 供给孔的配置图案为，同心圆上的气体供给孔和与内侧邻接的同心圆 以及与外侧邻接的同心圆的各自最接近的气体供给孔没有在同心圆的 半径上并排，以该方式来设定气体供给孔的配置图案。因此，因为不 会形成从同心圆的半径方向延伸的、不含有气体供给孔的带状的所谓 的死区空间(dead space),所以能够抑制流速非常缓慢的区域的形成。 其结果，能够防止如已说明的十字形颗粒附着图案那种从基板的中心 部观察在沿着特定方向延伸的区域中进行异常处理的不良情况。而且， 虽然在现有技术中通过调节处理条件也能够避免该不良情况，但是在 本发明中，因为处理条件的限制被缓和，所以处理条件的设定自由度 变广，能够进行例如为了提高生产率而增大气体流量等的条件设定。


图1是安装有本发明的实施方式所涉及的气体供给装置的成膜装 置的纵截面图。
图2是详细表示上述实施方式所涉及的气体供给装置的纵截面图。 图3是表示上述实施方式所涉及的气体供给装置的喷淋板的气体
供给孔的配置图案的平面图。
图4是放大表示喷淋板的气体供给孔的配置图案的一部分的平面图。 图5是用于说明喷淋板的气体供给孔的配置图案的形成方法的说明图。
图6是表示用于在喷淋板的圆周方向上得到每1度的气体供给孔 的数量的分布的方法的说明图。
7周方向上每1度的气体供给孔的数 量的分布的说明图。
图8是表示用于在喷淋板的圆周方向上每1度的流速分布的模拟
结果的说明图。
图9是表示在喷淋板上在周方向的流速分布的模拟结果的说明图。 图10是表示现有的喷淋板的气体供给孔的配置图案的平面图。 图11是表示现有的喷淋板的气体供给孔的配置图案的平面图。 图12是表示使用现有的喷淋板时的半导体晶片上的颗粒分布的平 面图。
图13是用于说明在现有的喷淋板中的颗粒产生的主要推断原因的 说明图。
具体实施例方式
对在利用等离子体CVD进行成膜用的成膜装置中组装有本发明 的气体供给装置的实施方式进行说明。首先，关于成膜装置的整体结 构，参照图1的简图对简要结构进行说明。在图1中，标号2表示例 如由铝构成的作为真空腔室的处理容器，该处理容器2形成为其上侧 为大径(大直径)的圆筒部2a并且在其下侧连接设置有小径(小直径) 的圆筒部2b的所谓的伞形(蘑菇形状)，并且设置有用于对其内壁进 行加热的图未示出的加热机构。在处理容器2内设置有成为水平载置 作为基板的例如半导体晶片(以下称为晶片)W用的基板载置台的台 21 ，该台21经由支撑部件22支撑在小径部2b的底部。
在台21内设置有作为晶片W的调温单元的图未示出的加热器以 及成为后述的下部电极的图未示出的导电部件。此外，可以根据需要 设置用于静电吸附晶片W的图未示出的静电卡盘。而且，在台21上 例如还设置有三个用于保持晶片W以使其升降的支撑销23，该支撑销 23能够相对于台21的表面自如地伸出缩回(突没)，该支撑销23经由 支撑部件24与处理容器2的外部的升降机构25连接。排气管26的一 端侧连接在处理容器2的底部，该排气管26的另一段侧连接着作为真 空排气单元的真空泵27。此外，在处理容器2的大直径部2a的侧壁形 成有通过门阀28进行开闭的搬送口 29。
8而且，在处理容器2的顶部形成有开口部31，以封闭该开口部31
并且与台21相对的方式设置有作为本发明的气体供给装置的气体喷淋 头4。此处，气体喷淋头4以及台21分别兼用作上部电极和下部电极， 气体喷淋头4通过匹配器32与高频电源部33连接，并且作为下部电 极的台21接地。其中，在图1中简要记载有配线图，但是实际上台21 与处理容器2电连接，从处理容器2的上部通过图未示出的匹配箱接 地，形成为由高频导电路包围处理空间的状态。
如图2所示，气体喷淋头4包括封塞处理容器1的上部的开口 部的、由扁平形状的有底筒状体构成的基体部件41;和设置在该基体 部件41的底面部的下方侧的喷淋板5。因为基体部件41起到分隔处理 容器1内的真空氛围和大气氛围的作用，所以，上端周缘部的凸缘部 42和处理容器1的开口部的周缘部43通过环状的作为树脂密封部件的 0环44而气密(气体密封)地结合。
此外，基体部件41的中央部连接有两根气体供给管61和62，构 成为这些气体供给管61和62中的气体分别从分离的喷淋板5的气体 供给孔7 (7a)和7 (7b)喷出。即，在喷淋板5之上，层叠着与一方 的气体供给管61连通的形成有空间63的扩散板64，并且该扩散板64 的上方形成为与另一方的气体供给管62连通并且与上述空间63相划 分开的空间65。 一方的气体供给孔7 (7a)与上述空间63连通，另一 方的气体供给孔7 (7b)与上述空间65连通。其中，将在后面对该喷 淋板6进行详细说明。
上述一方的气体供给管61如图1所示与TiCU气体源102、 Ar气 体源103以及C1F3气体源104连接，此外，另一方的气体供给管62例 如与H2气体源106以及NH3气体源107连接。其中，由点划线围住的 108所表示的部分为设置在各气体供给路上的阀门、质量流量控制器等 的气体供给机器的组。
接着，对喷淋板5进行详细说明。该例子的喷淋板5为相对于 300mm晶片所使用的喷淋板，如图3和图4所示，分别沿着以圆形的 板主体50的中心为中心的19个同心圆51以等间隔穿设有气体供给孔 7，而且，在同心圆的中心(喷淋板5的中心)穿设有气体供给孔7。 气体供给孔7包括喷出互相不同的气体的气体供给孔7a、 7b，这些气
9体供给孔7a、 7b交互配置在圆周方向，在以下的说明中总括其作为气 体供给孔7进行说明。气体供给孔7的口径例如为lmm。在19个同心 圆51中，最外周的同心圆51的半径为163mm，以等间隔设定各同心 圆相互的间隔。各同心圆51的气体供给孔7的数量从内侧开始依次为 8、 12、 18、 24、 30、 36、 42、 48、 54、 60、 66、 72、 78、 84、 90、 96、 102、 108、 114。
关于该气体供给孔7的配置图案的设计方法，可以为下述方法， 即，首先以各同心圆51的一个气体供给孔7彼此排列在同心圆51的 半径上的方式暂时配置，接着，如图5所示，以使这些在半径上排列 的气体供给孔7沿着从同心圆51的中心伸出的代数螺旋曲线S排列的 方式，在保持圆周方向的配置间距为等间隔的状态下通过重新配置而 形成。
代数螺旋曲线S为以r=ae表示的阿基米德螺旋线(Archimedes Spaiml)， r、 e为以同心圆51的中心为零点的极坐标中的距离以及从 基准方向的角度，a为变量。
关于各同心圆51中的气体供给孔7的配置间隔以及该代数螺旋曲 线S的设定，以在各方向之间使从同心圆51的半径方向伸出的微小区 域中的气体供给孔7的排列密度统一的方式来进行。即，如图6所示， 使不包括同心圆51的中心C，但是包括最内周的同心圆51与最外周 的同心圆51的带状区域(细长的长方形区域)L在圆周方向以一刻度 (一度)旋转，计算测量各角度位置中的带状区域L中的气体供给孔7 的数量，取得其数量的分布。图7表示的是使带状区域L从1度旋转 至90度取得的气体供给孔数量的分布，带状区域L的宽度2d的d相 当于角座标分辨能力(angle resolution (角分辩率)(角度分解能))， 至少将宽度2d设定为配置间距以下例如4mm。如图7所示，各角度位 置的气体供给孔7的数量为15个 20个以内。
此外，以统一每单位面积的气体供给孔7的数量的方式配置气体 供给孔7。该每单位面积为，将最外周的同心圆51内的区域分割成例 如2cmx2cm的正方形的格子(度量)时(与最外周的同心圆51连接 的区域除外)，在各分割区域之间统一气体供给孔7的数量，在该例子 中，各分割区域内的孔数的最小值为5个，最大值为7个。对图1的成膜装置中的晶片W的处理进行说明。首先，将作为基
板的晶片W通过图未示出的搬送臂经由门阀28被打开的搬送口 29搬 入到处理容器2内，通过与支撑销23协同动作交接至台21上。在关 闭门阀28之后，从气体供给源102、 103经由气体供给管61向气体喷 淋头4送出作为第一气体的TiCU气体以及Ar气体的混合气体，此外， 从气体供给源106经由气体供给管62向喷淋头4送出作为第二气体的 H2气体。然后，从喷淋板5的气体供给孔7 (7a)、 (7b)向处理氛围 分别供给第一气体和第二气体。
另一方面，通过真空泵27对处理容器2内进行真空排气，调整设 置在排气管26上的图未示出的压力调整阀使得处理容器2内的压力为 设定压力，并且从高频电源部33向作为上部电极的气体喷淋头4和作 为下部电极的台21之间供给高频电力，使处理气体即第一气体和第二 气体等离子体化，通过H2将TiCU还原，在晶片W的表面形成Ti膜。 此时，作为反应副生成物的HC1与未反应的气体一起被排出。
其中，有时接着Ti膜的成膜使Ti膜氮化形成TiN膜，此时，停止 作为第一气体的TiCU气体和作为第二气体的Hb气体的供给，并且开 始NH3气体(氨气)的供给。此时也向处理空间供给高频电力，利用 NH3的活性种使已经在晶片W上形成的Ti薄膜的表面氮化。在氮化结 束后，停止高频电力的供给和NH3气体的供给，之后按照与上述搬入 动作相反的动作将晶片W从处理容器2搬出。
对上述喷淋板5的效果进行说明。现有的喷淋板仅仅是关注每单 位面积的气体供给孔的数量，但是在上述实施方式的喷淋板5中，在 晶片W上从中心部向外周的气流为支配地位，关注半径方向(包括从 图10明确所示的大致半径方向)的气流的流速非常慢的区域的产生和 气体供给孔7的配置图案之间的关系，以使从喷淋板5的中心部观察 在各方向的气流的流速大致统一的方式进行研究。
具体而言，在多个同心圆51上配置气体供给孔7的数量，以等间 隔在每个同心圆51上排列气体供给孔7。这样以等间隔进行排列是为 了使气体供给孔7的数量在每单位面积上统一。然后，为了使背景技 术部分中的图12所示的带状的空白区域不存在，对于除最外周与最内 周之外的任意的同心圆51，只要使该同心圆51上的气体供给孔7和与
ii内侧邻接的同心圆51以及与外侧邻接的同心圆51的各自最接近的气 体供给孔7不在同心圆51的半径上并排的方式，即在互相邻接的同心 圆51中3个气体供给孔7没有在半径上并排的方式进行设计即可。为 了得到这种配置图案，在该实施方式中如上所述，使用螺旋曲线使各 同心圆51的气体供给孔7错开。
图8表示的是，使图6所示的带状区域L沿圆周方向按照每一度 进行旋转，对带状区域L中的从同心圆51的中心部向着外周的流速针 对每个角度位置进行计算，由此得到的圆周方向的流速分布。具体而 言，根据半径为170mm、 120mm、 60mm、 40mm的四个圆将喷淋板三 分割成同心圆状，a、 b、 c分别表示这些分割区域的流速分布。对于流 速分布，根据上述3个分割区域各自存在的气体供给孔7的数量求出 每单位面积的流量，从各流量和对应的角度的带状区域的气体供给孔7 的数量计算出各角度区域(带状区域L)的流速。
该流速分布与图7所示的气体供给孔的数量的分布对应，得知各 方向的流速统一。图9表示的是计算晶片W上的面内的流速分布，以 黑白图像复制分颜色求出的结果，图9 (a)表示的是使用上述实施方 式的喷淋板5的情况的结果，图9 (b)表示的是使用以矩阵状配置气 体供给孔的喷淋板(参照图10)的情况的结果。从该结果得知，在现 有技术的喷淋板中，流速非常小的区域形成为十字状，对应如背景技 术中所述的晶片W上的十字状的颗粒附着图案。因此，十字状的颗粒 附着图案的原因通过流速分布的结果可以理解为与喷淋板的气体供给 孔的配置图案相对应。
另一方面，在上述实施方式的喷淋板5中，圆周方向的流速大致 统一，观察不到流速非常缓慢的区域，因此，消除了十字形颗粒附着 图案的发生。因此，因为能够缓和处理条件的限制，所以处理条件的 设定的自由度较大，例如为了使生产效率得到提高能够进行使气体流 量增多等的条件设定。
其中，上述气体喷淋头4为向处理容器2内分别供给第一气体和 第二气体的类型的后混合型，但是也能够适用于在预先混合两气体之 后向处理氛围进行供给的前混合型。
此外，本发明并不局限于Ti的成膜，也适用于在进行通过半导体
12制造工序进行的高温下的成膜处理等的气体处理时，例如W、 Cu、 Ta、 Ru、 Hf等金属或者TiN、 TiSi、 WSi等金属化合物、或者称为SiN、 Si02等的绝缘膜的薄膜的形成等。而且，作为使用本发明的气体喷淋 头的基板处理装置，并不局限于等离子体CVD装置，也可以适用于热 CVD装置、蚀刻装置、灰化装置、喷镀装置、退火装置等。
权利要求
1. 一种气体供给装置，其特征在于该气体供给装置具有为了向设置有载置基板的载置台的处理容器内供给处理气体而与所述载置台相对设置、并且穿设有多个气体供给孔的喷淋板，所述气体供给孔被配置在多个同心圆上，所述气体供给孔的配置图案为，对于除最外周以及最内周之外的任意的同心圆，该同心圆上的气体供给孔和与内侧邻接的同心圆以及与外侧邻接的同心圆的各自最接近的气体供给孔没有在同心圆的半径上并排。
2. 如权利要求1所述的气体供给装置，其特征在于 使每单位面积的气体供给孔的数量统一。
3. 如权利要求1所述的气体供给装置，其特征在于 所述气体供给孔的配置图案通过如下所述的方式形成， 在各同心圆上以等间隔沿着圆周方向配置气体供给孔并且以各同心圆的一个气体供给孔彼此在同心圆的半径上并排的方式暂时配置， 以使这些在半径上并排的气体供给孔沿着从同心圆的中心伸出的代数 螺旋曲线排列的方式，在保持圆周方向的配置间距为等间隔的状态下 重新配置。
4. 如权利要求l所述的气体供给装置，其特征在于-该气体供给装置具有气体供给孔以第一间距排列的同心圆；与该同心圆相比位于外侧并且气体供给孔以比第一间距大的第二间距排 列的同心圆；和与该同心圆相比位于外侧并且气体供给孔以比第二间 距小的第三间距排列的同心圆。
5. —种基板处理装置，其特征在于，包括气密的处理容器；设置在该处理容器内，用于载置基板的载置台； 对处理容器内的气体进行排气的排气单元；和权利要求1 4中任一项所述的气体供给装置，利用从气体供给装置供给的处理气体对载置台 上的基板进行处理。
全文摘要
本发明提供一种气体供给装置以及基板处理装置，在称为气体喷淋头等的气体供给装置中，对于从基板的中心部向外周部的气流，通过比现有技术更加均衡地整理圆周方向之间的流速分布，来抑制例如十字状的颗粒密集区域的产生，而且能够提高处理条件的自由度。设置气体供给装置的喷淋板上所穿设的气体供给孔的配置图案，使得这些气体供给孔配置在多个同心圆上，并且使同心圆上的气体供给孔和与内侧邻接的同心圆以及与外侧邻接的同心圆的各自最接近的气体供给孔不在同心圆的半径上排列。
文档编号C23C16/455GK101501244SQ20078002909
公开日2009年8月5日 申请日期2007年7月31日 优先权日2006年8月4日
发明者多田国弘, 成嶋健索, 斋藤哲也, 若林哲 申请人:东京毅力科创株式会社