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CN108292603A - 气体供给装置 - Google Patents

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CN108292603A
CN108292603A CN201680068427.2A CN201680068427A CN108292603A CN 108292603 A CN108292603 A CN 108292603A CN 201680068427 A CN201680068427 A CN 201680068427A CN 108292603 A CN108292603 A CN 108292603A
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Abstract

本发明的目的在于，提供一种能够以超过马赫的超高速向处理对象衬底供给气体的气体供给装置。并且，本发明的气体供给装置的气体喷出器(1)具有喷嘴部(10)。构成喷嘴部(10)的第一段限制筒(13)的开口部截面形状呈直径r1的圆形。第二段限制筒(14)沿着Z方向与第一段限制筒(13)连续地形成，开口部截面形状呈直径r2的圆形，将从第一段限制筒(13)供给的原料气体(G1)向下方的低真空处理腔(18)进行供给。这时，直径r2被设定为满足“r2>r1”。

Description

气体供给装置
技术领域
本发明涉及一种用于成膜处理的气体供给装置。
背景技术
在半导体制造领域中，需要在晶圆等被处理体的衬底表面上进行绝缘膜等的成膜处理、或者对通过成膜而形成的膜表面进行刻蚀、清洗等处理，对于这些处理，谋求高速且高品质的技术。追求例如涉及包括高绝缘薄膜、半导体薄膜、高电介质薄膜、发光薄膜、高磁性体薄膜、超硬薄膜等的成膜在内的多方面的高性能优良的成膜处理以及高品质的刻蚀处理、剥离、清洗处理，重视在大面积的晶圆表面(处理对象衬底表面)实现高品质且均匀的成膜以及高的处理速度。
这种涉及多方面的薄膜技术或刻蚀、剥离、清洗处理不仅应用于半导体元件，也可应用于多种用途领域中。
其中，尤其是在薄膜成膜技术中，通过在金属或绝缘物的物质表面上的化学反应促进氮化/氧化/氢键的基础技术在薄膜形成中占有重要位置，以该基础技术为基础，加之对薄膜进行各种各样的热处理或化学反应处理，实现了高品质的薄膜形成。
具体而言，在半导体装置的制造中有：在半导体芯片内起到电路布线的作用的低阻抗高导电膜、具有电路的布线线圈功能或磁铁功能的高磁性膜、具有电路的电容器功能的高电介质膜以及具有电气性泄漏电流较少的高绝缘功能且基于氧化或氮化的高绝缘膜等高性能膜的成膜方法。为了实现这些高功能膜的成膜方法，采用热CVD(化学气相沉积：Chemical Vapor Deposition)装置、光CVD装置或者等离子体CVD装置或热ALD(原子层沉积法：Atomic Layer Deposition)装置、等离子体ALD装置。尤其是等离子体CVD/ALD装置被大量使用，与例如热/光CVD/ALD装置相比，等离子体CVD/ALD装置具有能够降低成膜温度且成膜速度快而能够实现短时间内的成膜处理等的优点。
例如，在将氮化膜(SiON、HfSiON等)或氧化膜(SiO2、HfO2)等栅极绝缘膜成膜于作为处理对象衬底的晶圆上的情况下，通常采用使用了等离子体CVD/ALD装置的以下技术。
热CVD/ALD装置使晶圆或容器内成为高温，提高供给气体的反应性，将膜成膜于晶圆上，但在将晶圆暴露于高温下时，由于热损害等会导致成品率下降。
因此，现在大多代替热CVD/ALD而采用使用了等离子体的等离子体CVD/ALD进行成膜。例如在专利文献1～专利文献3中公开有(等离子体)CVD/ALD技术。
在如专利文献1中公开的这种以前的等离子体CVD/ALD或热CVD/ALD等成膜处理装置中采用了下述方式：使成膜处理装置内充满气体，并用等离子体的能量或热能使充满的气体活化，通过与供给到晶圆表面上的气体之间的化学反应处理，使薄膜进行沉积。充满于成膜处理装置中的活化气体的气体流速仅是随机的布朗运动的气体流速，气体粒子本身不具有高速度，因此，尽管对于衬底表面上的沉积成膜反应是有效的，但不适合于衬底表面的凹凸非常大的面或三维成膜面上的均匀成膜。此外，在是高反应性气体的情况下，由于化学反应时间短，因此寿命非常短。因此，存在如下缺点：仅在衬底表面上反应被促进，而在凹凸非常大的高纵横比的面上供给气体到达不了而无法进行均匀成膜。该情况下需要在很快的时间内将反应气体引导到晶圆内表面，使其到晶圆内表面能够均匀地进行反应并成膜，或者对在晶圆内表面内充满的气体赋予能量而使其转换为活化气体。
专利文献2中公开的CVD/ALD的成膜处理装置中，虽然向容器内同样地供给气体并使其沉积在整个晶圆上，但在气体的反应性高的情况下会存在气体到达晶圆之前失去反应性的问题。因此，公知有在容器内使等离子体产生来生成高反应性的气体并供给到衬底上的方法、或者使容器内或晶圆成为高温来提高反应性的方法。
在专利文献3中公开的使用了等离子体的等离子体CVD/ALD装置中，对供给中的气体赋予等离子体的能量，使其转换成高反应性的气体进行供给。该情况下具有与热成膜相比较能够较低地设定晶圆或容器内的温度的优点，但需要等离子体发生源与被处理面相靠近，因此还会有因为衬底靠近反而受到衬底自身等离子体的影响而受到损害的缺点。此外，将当前使用的等离子体CVD/ALD装置与以前的CVD/ALD的成膜处理装置进行比较，在具有比较小的凹凸的晶圆表面上的三维成膜处理中适用，但在实现具有更大凹凸的高纵横比的晶圆表面上的三维成膜处理并获得高品质的三维成膜结构的方面，实际上是不可能的。
在专利文献4中公开的制造三维结构半导体的制造方法中，位于TSV(through－silicon via：硅通孔)结构周围的阻挡膜必须要均匀成膜。该情况下，深度方向上的均匀成膜有一定限度，因此，在深度方向上分为多次而按照每次若干层地进行阻挡膜的成膜。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004－111739号公报
专利文献2：日本特开2013－219380号公报
专利文献3：日本特开2001－135628号公报
专利文献4：日本特开2014－86498号公报
发明内容
发明所要解决的问题
如上所述，以前的薄膜成膜技术是输送供给气体使成膜处理装置内形成规定压力后进行成膜处理，因此不需要高速下具有指向性。因此，不适用于在最近要求的对有凹凸的面进行的成膜处理、尤其是在以具有深度的孔形状为代表的具有高纵横比的晶圆进行的成膜处理中。
此外，为了将高反应性气体短时间供给到晶圆表面，作为向低真空处理腔快速地供给气体的手段，适用如下方法：设置单个的限制筒(孔口)来提高气体的供给速度，通过在低真空处理腔内，在低真空状态的环境下喷出气体，来使气体以超过马赫(Mach)的超高速喷出。该情况下，需要将气体供给装置内的压力和低真空状态的低真空处理腔内的压力之间的压力差设定为规定压力比以上，该压力差越大，并且低真空处理腔内的压力越低，越会成为高速的供给气体，从而能够短时间地向晶圆表面供给气体。在减小限制筒中的流通路径的开口部直径来增大压力差时，由于流速变快而气体供给时间变短。
但是，在以超过马赫的超高速喷出气体的情况下，气体速度在马赫速度的气体冲击压力和温度状态下，会对气体流速范围(气体射流速度)产生影响，会导致在某个喷出位置气体流速极端下降，其结果，产生了成为马赫盘状态(在某个喷出位置的地方气体流速极端下降的状态)的现象。虽然期望尽量减少成为该马赫盘状态的现象，但是还没有看到具体的解决对策。
在本发明中解决如上所述的问题点，其目的在于提供一种气体供给装置，该气体供给装置在以超过马赫的超高速向衬底供给气体时，能够有效地抑制伴随着向衬底供给的气体超高速化所引起的冲击压力或温度状态而在气体中产生极端减速的现象。
用于解决问题的手段
本发明涉及的气体供给装置具备：载置部，载置处理对象衬底；以及气体喷出器，设置于所述载置部的上方，从底面具有开口部的处理腔向所述处理对象衬底供给气体，所述气体喷出器具备：一次收纳室，暂时收纳从气体供给口供给的气体；所述处理腔；以及喷嘴部，设置于所述一次收纳室和所述处理腔之间，所述喷嘴部具有：第一限制筒，被形成为俯视下的开口部截面形状为第一直径的圆形，该第一限制筒向下方供给所述一次收纳室内的气体；以及第二限制筒，被形成为俯视下的开口部截面形状为第二直径的圆形，该第二限制筒朝向所述处理腔供给从所述第一限制筒供给的气体，所述第一直径被设定为使所述一次收纳室内和所述处理腔内的压力差成为规定压力比以上，所述第二直径被设定为比所述第一直径长。
发明效果：
技术方案1记载的本申请发明的气体供给装置的气体喷出器，能够通过喷嘴部中的具有第一直径的第一限制筒来使向处理腔喷出的气体具有指向性，因此，能够以超过马赫的超高速向处理对象衬底供给气体。这时，通过设置于第一限制筒和处理腔之间的第二限制筒的存在，能够抑制由于伴随着喷出的气体超高速化的冲击压力和温度状态而产生所喷出的气体极端减速的马赫盘现象。
其结果，技术方案1记载的本申请发明的气体供给装置达成如下效果：能够向处理对象衬底供给适合在高纵横比的晶圆表面上成膜的气体。
本发明的目的、特征、情形及优点可以通过以下详细的说明和附图得以更加清楚。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式1的气体供给装置的结构的说明图。
图2是示出本发明的实施方式2的气体供给装置的结构的说明图。
图3是示出本发明的实施方式3的气体供给装置的结构的说明图。
图4是示出本发明的实施方式4的气体供给装置的结构的说明图(其一)。
图5是示出本发明的实施方式4的气体供给装置的结构的说明图(其二)。
图6是示出本发明的实施方式5的气体供给装置的结构的说明图。
图7是示意地示出使用了实施方式1的气体供给装置的气体射流的速度状态的说明图。
图8是示意地示出使用了实施方式1的气体供给装置的气体射流的压力状态的说明图。
图9是示意地示出使用了以前的气体供给装置的气体射流的速度状态的说明图。
图10是示意地示出使用了以前的气体供给装置的气体射流的压力状态的说明图。
图11是示意地示出一次收纳室和低真空处理腔的压力比不足30倍的情况下的气体射流的速度状态的说明图。
图12是示意地示出一次收纳室和低真空处理腔的压力比不足30倍的情况下的气体射流的压力状态的说明图。
图13是示意地示出使用了以前的气体供给装置的情况下的产生马赫盘结构的说明图。
图14是示意地示出使用了本实施方式的气体供给装置的情况下的效果的说明图。
具体实施方式
<实施方式1>
图1是示出本发明的实施方式1的气体供给装置的结构的说明图。在图1中示出了XYZ正交坐标系。
如该图所示，实施方式1的气体供给装置由对作为处理对象衬底的晶圆25进行载置的载置台19(载置部)和气体喷出器1构成，所述气体喷出器1设置于载置台19的上方，从底面具有开口部的低真空处理腔18(处理腔)向下方的晶圆25供给气体。
气体喷出器1具有一次收纳室11、气体供给口12、第一段限制筒13(第一限制筒)、第二段限制筒14(第二限制筒)以及低真空处理腔18(处理腔)作为主要构成部。
并且，由包含有限制筒群13和14的结构形成喷嘴部10。即，喷嘴部10被设置在一次收纳室11和低真空处理腔18之间。
构成喷嘴部10的第一段限制筒13的XY平面上的(俯视)的开口部截面形状呈(直)径r1(第一直径)的圆形，将一次收纳室11的原料气体G1向下方(－Z方向)进行供给。直径r1设定为使一次收纳室11和低真空处理腔18内的压力差成为规定压力比以上。
第二段限制筒14沿着Z方向与第一段限制筒13连续地形成，XY平面上的(俯视)底面的开口部截面形状呈(直)径r2(第二直径)的圆形，向下方的低真空处理腔18供给从第一段限制筒13供给的原料气体G1。直径r2设定为满足“r2>r1”。
例如，设第一段限制筒13的直径r1为直径1.35mm，深度(在Z方向上延伸的形成深度)为1mm，第二段限制筒14的直径r2为直径8mm，深度(在Z方向上延伸的形成深度)为4mm，以流量4slm(standard liter per minute：每分钟标准立升)供给作为原料气体G1的例如氮气。从而，经由第一段限制筒13的原料气体G1成为超高速气体，并经由第二段限制筒14而被供给到低真空处理腔18内。
一次收纳室11暂时收纳从气体供给口12供给的原料气体G1。该一次收纳室11内的压力成为一次压力。
从气体供给口12供给的原料气体G1在通过了一次收纳室11之后，由第一段限制筒13决定二次压力。原料气体G1经由第二段限制筒14被供给到低真空处理腔18内。
这时，一次收纳室11内的一次压力和低真空处理腔18内的二次压力的压力比PC被设定为30倍以上。于是，穿过了第一段限制筒13的原料气体G1的流速由于上述压力比PC而成为马赫以上的流速，在通过第二段限制筒14的存在而抑制了原料气体G1产生由于高速射流而生成的马赫盘状态的现象之后，被供给到低真空处理腔18内。
例如，设一次收纳室11内的一次压力为30kPa、低真空处理腔18内的压力为266Pa，原料气体G1作为超高速气体的最高马赫数超过“5”，被供给到载置台19上的晶圆25。
这时，担心会产生的马赫盘状态由于第二段限制筒14的存在而被有效地抑制，因此，与以前的技术相比，能够以高速的状态向晶圆供给气体。
即，通过设置有第二段限制筒14，在缓和了低真空处理腔18内的压力分布和流速分布而避免了马赫盘MD状态的产生的同时，原料气体G1被供给至低真空处理腔18内，并被供给到设置于载置台19(晶圆台)上面的晶圆25上。反应结束后的气体被从设置于气体喷出器1和载置台19之间的排气口21排出。
(与以前结构的比较等)
图7是示意地示出使用了具有喷嘴部10的实施方式1的气体供给装置的气体射流的速度状态的说明图。
图8是示意地示出使用了具有喷嘴部10的实施方式1的气体供给装置的气体射流的压力状态的说明图。
图9是示意地示出使用了具有仅由第一段限制筒13构成的喷嘴部的以前的气体供给装置的气体射流的速度状态的说明图。
图10是示意地示出使用了具有仅由第一段限制筒13构成的喷嘴部的以前的气体供给装置的气体射流的压力状态的说明图。在图7～图10中，最上部的斜线部分相当于例如后述的实施方式4中的上部电极22的形成区域。在图11和图12中，最上部的斜线部分相当于后述的实施方式4中的上部电极22的形成区域。
如图8和图10所示，上述的一次压力和二次压力的压力比PC被设定为30倍以上。
从图7和图9的比较可知，实施方式1的气体供给装置通过避免产生马赫盘MD的现象，能够在不使速度极端下降的情况下向晶圆25供给原料气体G1。另一方面，如图9所示，在以前的气体供给装置中产生了马赫盘MD。
图11是示意地示出在实施方式1的结构中一次收纳室11和低真空处理腔18的压力比PC不足30倍的情况下的气体射流的速度状态的说明图。
图12是示意地示出在实施方式1的结构中一次收纳室11和低真空处理腔18的压力比PC不足30倍的情况下的气体射流的压力状态的说明图。在图11和图12中，最上部的斜线部分相当于后述的实施方式4中的上部电极22的形成区域。
如图12所示，上述的一次压力和二次压力的压力比PC被设定为不足30倍。
从图7和图11的比较可知，压力比PC为30倍以上的情况与压力比PC不足30倍的情况相比，获得了射流速度更快的速度分布，能够可靠地向晶圆25的表面供给具有指向性的气体。
(第二段限制筒14所产生的效果)
图13是示意地示出使用了具有仅由第一段限制筒13构成的喷嘴部的以前的气体供给装置的情况下的产生马赫盘结构的说明图。
在作为供给气体的原料气体G1经由第一段限制筒13(孔口)时，在一次收纳室11的一次压力高于低真空处理腔18的二次压力、即来自第一段限制筒13的原料气体G1的喷出压力比低真空处理腔18内高的情况下，在第一段限制筒13的出口(孔口出口)流出的气流引起所谓激波单元结构(shock cell)的现象，在下游方向可以周期性地观察到上述激波单元结构。激波单元结构是指，后述的反射激波RS成为下一个所述的边界区域JB(Jet Boundary：射流边界)而反复得到的激波结构。
将这种的孔口出口上的压力大于低真空处理腔18内的压力的情况叫做不充足膨胀(under expansion)，气流在流出孔口出口后发生膨胀。
在孔口出口的压力进一步大于低真空处理腔18的压力的情况下，气体还没有充分膨胀，因此，从孔口出口的边缘产生膨胀波EW(Expansion Waves)，气体向外侧大幅膨胀。在气体的马赫数较大的情况下，该膨胀波EW在边界区域JB(Jet Boundary)反射成为压缩波，并返回到喷射中心轴一侧。再有，压缩波是指，压力高于基准且通过时该点的压力上升的波，膨胀波是指，压力低于基准且通过时该点压力下降的波。
像这样地，在穿过喷嘴部前后的前后压力差较大的情况下，所形成的压缩波追上前头的压缩波，形成酒桶状的桶状激波BS(Barrel Shock)。在压力差进一步变大时，桶状激波BS无法在射流中心轴上正常交叉，在轴对称的射流中形成被叫作马赫盘MD(马赫激波)的圆盘状的垂直激波。之后的气流成为亚音速流。此外，还会从桶状激波BS的一端产生反射激波RS(Reflection Shock)。再有，三重点TP是作为压缩波的桶状激波BS、马赫盘MD、反射激波RS相交的点。
另一方面，如图14所示，通过在实施方式1的气体喷出器1中设置与第一段限制筒13连续形成的第二段限制筒14，扩展波EW在第二段限制筒14的侧面进行反射，由此，桶状激波BS能够在射流中心轴XC上正常交叉，因此，能够避免马赫盘MD的产生。
(发明效果等)
实施方式1的气体供给装置的气体喷出器1，能够通过设置于喷嘴部10中且具有直径r1的开口部的第一段限制筒13，使向低真空处理腔18喷出的原料气体G1具有指向性，因此，能够以超过马赫的超高速向作为处理对象衬底的晶圆25供给气体。这时，通过设置于第一段限制筒13和低真空处理腔18之间的第二段限制筒14的存在，能够有效地抑制由于伴随喷出的原料气体G1气体超高速化的冲击压力和温度而极端减速的这种马赫盘MD的产生。
其结果，实施方式1的气体供给装置能够达到如下效果：能够将作为原料气体G1的例如反应性气体供给到晶圆25上，使得能够通过在高纵横比的晶圆25的表面上成膜来实现三维结构的成膜。
另外，在实施方式1的气体供给装置中，通过将一次收纳室11内的一次压力和低真空处理腔18内的二次压力的压力比PC设定为30倍以上，能够向作为处理对象衬底的晶圆25供给高速状态的原料气体G1。
此外，在实施方式1的气体供给装置中，通过将第二段限制筒14的直径r2设定为直径30mm以内，能够更有效地抑制马赫盘MD。
此外，期望采用如下的第一方式：在构成气体喷出器1的气体供给口12、一次收纳室11、第一段限制筒13和第二段限制筒14中。以石英或氧化铝材料作为构成材料来形成与原料气体G1相接触的区域即气体接触区域。
作为原料气体G1，通常使用反应性气体。从而，采用了第一方式的实施方式1的气体喷出器1使用石英或者氧化铝材料至少形成上述气体接触区域的材质，由于石英材料面或氧化铝面是相对上述反应性气体而化学性稳定的物质，因此，能够在反应性气体与所接触的气体接触区域之间化学反应较少的状态下，向低真空处理腔18内供给反应性气体。
进而，也能够减少伴随着与气体喷出器1内的反应性气体之间的化学反应的、作为副生成物的腐蚀性物质的生成，其结果，所供给的反应性气体中不含有污染物，能够将干净的反应性气体作为原料气体G1供给到低真空处理腔18内，产生了提高晶圆25上形成的膜的成膜品质的效果。
进而，期望采用如下的第二方式：在向晶圆25供给原料气体G1时，将气体喷出器1加热到100℃以上，将加热后的原料气体G1供给到晶圆25上。再有，作为加热处理，可以考虑例如在气体喷出器1的附近设置加热板等加热处理机构等的结构。
在采用了第二方式的气体供给装置中，作为原料气体G1所使用的反应性气体通过加热处理接收热能，能够作为反应性更高的气体供给到低真空处理腔18内，产生了能更高速地在晶圆25上成膜的效果，从而产生了能进行高速成膜处理的效果。
此外，期望采用如下的第三方式：从气体供给口12供给的原料气体G1为至少含有氮、氧、氟、氢的气体。
采用了第三方式的气体供给装置将从气体供给口12供给的原料气体G1设为至少含有氮、氧、氟、氢气的气体，因此，不仅用于形成氮化膜或氧化膜的绝缘膜的成膜，也能用于在抗蚀剂剥离或者在刻蚀气体、作为清洗气体的氟化气体的活性气体下的高纵横比的晶圆25的表面处理中。另外，通过将氢自由基气体等的超高速气体喷到晶圆25的表面上，还能够在绝缘膜形成、刻蚀处理、清洗功能以外的用途中供给可利用的原料气体G1，因此，能够在多种成膜处理中利用气体供给装置。
也可以取代上述第三方式，而采用从气体供给口12供给的原料气体G1为前驱气体(precursor gas)的第四方式。
通过将从气体供给口12供给的原料气体G1设为前驱气体(前体气体)，不仅能使用作为反应性气体的高纵横比的晶圆25的表面处理用气体，还能将晶圆25上的成膜所需的、成膜时成为沉积金属原料的前驱气体供给到晶圆25的表面进行成膜。
期望将如下构成作为第五方式：设置有流量控制部，该流量控制部控制从气体供给口12供给的原料气体G1的气体流量，使得将低真空处理腔18内设定为大气压(1013.25hPa)以下且10kPa以上的压力。再有，还可以考虑到如下构成：作为流量控制部，例如在原料气体G1的供给部至气体供给口12间的供给路径上设置气体流量控制设备(质量流控制器；MFC)，对气体流量控制设备进行控制等。
采用了第五方式的气体供给装置能够提高从气体喷出器1的喷嘴部10向低真空处理腔18内喷出的原料气体G1中的超高速气体流速的稳定性，能够发挥使成膜于晶圆25的表面上的成膜厚度等均匀化等、提高成膜品质的效果。
<实施方式2>
图2是示出本发明的实施方式2的气体供给装置的结构的说明图。图2中示出了XYZ正交坐标系。
如该图中所示，实施方式2的气体供给装置由载置作为处理对象衬底的晶圆25的载置台19(载置部)和气体喷出器2构成，所述气体喷出器2设置于载置台19的上方，从具有开口部的低真空处理腔18内向晶圆25供给气体。
气体喷出器2具有一次收纳室11、气体供给口12、第一段限制筒13(第一限制筒)、第二段限制筒14(第二限制筒)、第三段限制筒15(第三限制筒)以及低真空处理腔18作为主要构成部。
并且，由包含有3个限制筒群13～15的结构形成喷嘴部20。即，喷嘴部20被设置在一次收纳室11和低真空处理腔18之间。
构成喷嘴部20的第一段限制筒13与实施方式1同样，俯视下的开口部截面形状呈直径r1的圆形，将一次收纳室11的原料气体G1向下方进行供给。
第二段限制筒14沿着Z方向与第一段限制筒13连续地形成，与实施方式1同样，俯视下的底面的开口部截面形状呈直径r2的圆形，将从第一段限制筒13供给的原料气体G1向下方进行供给。
第三段限制筒15沿着Z方向与第二段限制筒14连续地形成，XY平面上的(俯视下的)底面的开口部截面形状呈(直)径r3(第三直径)的圆形，将从第二段限制筒14供给的原料气体G1向下方的低真空处理腔18进行供给。设定直径r3满足“r3>r2”。
例如，在设第一段限制筒13的直径r1为直径1.35mm、深度为1mm、第二段限制筒14的直径r2为直径8mm、深度为4mm的情况下，设定第三段限制筒15的直径r3为直径20mm、深度(在Z方向上延伸的形成深度)为46mm，以流量4slm供给例如氮气，由此，经由第一段限制筒13的原料气体G1成为超高速气体，并经由第二段限制筒14和第三段限制筒15而被供给到低真空处理腔18内。
再有，气体喷出器2中的其他结构与实施方式1的气体喷出器1同样，因此适当地标注同一符号并省略说明。
实施方式2的气体供给装置的气体喷出器1中，由分别具有直径r1、直径r2和直径r3的开口部的第一段限制筒13、第二段限制筒14和第三段限制筒15构成喷嘴部20，由此能够使向低真空处理腔18喷出的原料气体G1具有指向性。这时，与实施方式1同样，通过第二段限制筒14的存在，能够有效地抑制马赫盘MD现象。
此外，实施方式2的气体供给装置取得了与实施方式1的气体供给装置同样的效果，并且具有采用了第一～第五方式的情况下的效果。
进而，实施方式2的气体喷出器2通过进一步设置第三段限制筒15作为喷嘴部20，并且将第三段限制筒15的直径r3设定得比第二段限制筒14的直径r2长，由此，与实施方式1相比，能够在进一步抑制了由压力比PC产生的高速射流所引起的马赫盘MD的产生的状态下，将原料气体G1供给到晶圆25上。
<实施方式3>
图3是示出本发明的实施方式3的气体供给装置的结构的说明图。图3中示出了XYZ正交坐标系。
如该图所示，实施方式3的气体供给装置由载置作为处理对象衬底的晶圆25的载置台19(载置部)和气体喷出器3构成，所述气体喷出器3设置于载置台19的上方，从具有开口部的低真空处理腔18内部向晶圆25供给气体。
气体喷出器3具有一次收纳室11、气体供给口12、第一段限制筒13(第一限制筒)、半球状限制筒17(第二限制筒)以及低真空处理腔18作为主要构成部。
并且，由包含有2个限制筒群13和17的结构形成喷嘴部30。即，喷嘴部30被设置在一次收纳室11和低真空处理腔18之间。
构成喷嘴部30的第一段限制筒13(第一限制筒)与实施方式1同样，开口部截面形状呈直径r1的圆形，将一次收纳室11的原料气体G1向下方进行供给。
半球状限制筒17沿着Z方向与第一段限制筒13连续地形成，XY平面上的底面的开口部截面形状呈(直)径r2b(第二直径)的圆形，将从第一段限制筒13供给的原料气体G1向下方的低真空处理腔18进行供给。关于底面的直径r2b，设定为满足“r2b>r1”。
其中，将半球状限制筒17形成为最顶部具有开口部的半球形，开口部的直径r2被设定成从上到下(－Z方向)地变大。即，将半球状限制筒17的俯视下的开口部的直径r2设定为：从最顶部的直径r2t(＝直径r1)到底面的直径r2b随着向下而变长。
再有，气体喷出器3中的其他结构与实施方式1的气体喷出器1同样，因此适当地标注同一符号并省略说明。
实施方式3的气体供给装置的气体喷出器1中，由具有直径r1、直径r2(r2t～r2b)的开口部的第一段限制筒13及半球状限制筒17构成喷嘴部30，由此能够使向低真空处理腔18喷出的原料气体G1具有指向性。这时，与实施方式1同样，由于半球状限制筒17的存在，取得了抑制马赫盘MD现象的效果。
此外，实施方式3的气体供给装置取得了与实施方式1的气体供给装置同样的效果，并且具有采用了第一～第五方式的情况下的效果。
另外，实施方式3的气体喷出器3中的半球状限制筒17(第二限制筒)以使开口部的直径r2随着朝向低真空处理腔18的方向(－Z方向)变长的方式形成为半球状，因此，与实施方式1相比，能够在进一步抑制了由于压力比PC而产生的高速射流所引起的马赫盘MD的产生的状态下，将原料气体G1供给到晶圆25上。
再有，在上述实施方式3的结构中，作为变形例，也可以在半球状限制筒17的下方与实施方式2的第三段限制筒15同样地还设置有第三段限制筒。作为实施方式3的第三段限制筒的形状，可以考虑是与半球状限制筒17的底面直径r2b相同的直径的圆柱形状等。
<实施方式4>
图4和图5是示出本发明的实施方式4的气体供给装置的结构的说明图。图4是剖视图，图5是立体图。图4和图5中分别示出了XYZ正交坐标系。
如这些图所示，实施方式4的气体供给装置由载置作为处理对象衬底的晶圆25的载置台19(载置部)和气体喷出器4构成，所述气体喷出器4置于载置台19的上方，从具有开口部的低真空处理腔18内向晶圆25供给气体。
气体喷出器4具有一次收纳室11、气体供给口12、第一段限制筒13X(第一限制筒)、第二段限制筒14X(第二限制筒)、上部电极22、下部电极24以及低真空处理腔18作为主要构成部。
并且，由包含有2个限制筒群13X和14X以及下部电极24的结构形成喷嘴部40。即，喷嘴部40被设置在一次收纳室11和低真空处理腔18之间。
在相互对置的面上具有氧化铝等电介质的上部电极22和下部电极24，分别在XY平面上(俯视下)为圆形，且设置为相互面对。再有，也可以构成为仅在上部电极22和下部电极24中的一方的电极的对置面上具有电介质。
即，气体喷出器4具有相互面对设置的上部电极22和下部电极24(第一和第二电极)，并在上部电极22和下部电极24之间形成放电空间，上部电极22和下部电极24中的至少一方在形成上述放电空间的面上具有电介质。
具体而言，上部电极22配置在一次收纳室11内的底面附近。另一方面，下部电极24以形成一次收纳室11的底面的一部分的方式，配置在一次收纳室11的底面下，设置于下部电极24中心的贯通口形成为第一段限制筒13X。
构成喷嘴部40的第一段限制筒13X(第一限制筒)与实施方式1的第一段限制筒13同样，XY平面上的(俯视下的)开口部截面形状呈直径r1(第一直径)的圆形，将一次收纳室11的原料气体G1向下方进行供给。
第二段限制筒14X沿着Z方向在包括第一段限制筒13X在内的下部电极24的正下方连续地形成，与实施方式1的第二段限制筒14同样，XY平面上的(俯视下的)开口部截面形状呈(直)径为r2(第二直径)的圆形，将从第一段限制筒13供给来的原料气体G1供给至下方的低真空处理腔18。设定直径r2满足“r2>r1”。
这样地，实施方式4的气体喷出器4在内部具有气体电离部，该气体电离部在经由电介质相互对置的上部电极22和下部电极24间的放电空间中使原料气体G1电离，并使其离子化或者自由基化。
上述气体电离部在相互对置的上部电极22和下部电极24之间具有带有电介质的放电空间，能够对上部电极22和下部电极24间施加交流电压，使放电空间中产生电介质阻挡放电，从而使原料气体G1离子化或者自由基化，并将得到的离子化气体或自由基化气体经由第二段限制筒14X供给到低真空处理腔18内。
其特征在于，像这样地在一次收纳室11和喷嘴部40之间的边界区域附近设置气体电离部，该气体电离部通过使从气体供给口12供给的原料气体G1电离，得到使原料气体G1离子化或者自由基化后的离子化气体或者自由基化气体。
再有，气体喷出器4中的其他结构与实施方式1的气体喷出器1同样，因此，适当地标注同一符号并省略说明。
实施方式4的气体供给装置的气体喷出器1中，由具有直径为r1和直径为r2的开口部的第一段限制筒13X和第二段限制筒14X构成喷嘴部40，由此能够使向低真空处理腔18喷出的原料气体G1具有指向性。这时，与实施方式1同样，取得由于第二段限制筒14X的存在而能够抑制马赫盘MD现象这一效果。
此外，实施方式4的气体供给装置取得了与实施方式1的气体供给装置同样的效果，并且具有采用了第一～第五方式的情况下的效果。这时，作为实施方式4的第二方式的加热处理，能够利用上部电极22和下部电极24间的放电处理。
另外，实施方式4的气体喷出器4能够通过上述气体电离部在气体喷出器4内使气体放电，能够将离子化气体或者自由基化气体作为具有指向性的超高速射流气体，从低真空处理腔18直接抵接晶圆25的表面。因此，与以前的成膜处理装置内的等离子体CVD/ALD装置相比，能够在更高密度的情况下将高电场的活性的离子化气体或者自由基化气体抵接到晶圆25的表面，能够实现更高品质的成膜处理，具有能够容易执行对纵横比较高的晶圆25进行的成膜或三维结构的成膜的效果。
另外，实施方式4的气体喷出器4在内部的上述气体电离部中，在相互对置的上部电极22和下部电极24之间经由电介质形成放电空间，对上部电极22和下部电极24间施加交流电压，放电空间内使电介质阻挡放电产生，使原料气体G1离子化或者自由基化，能够提供所得到的离子化气体或者自由基化气体。这时，考虑离子化气体、自由基化气体的寿命非常短，为了能够将所产生的离子化气体、自由基化气体在短时间内抵接到处理对象衬底表面，通过在气体喷出器4内设置电介质阻挡放电机构(上部电极22和下部电极24)，能够取得使利用所供给的离子化气体、自由基化气体进行高品质成膜处理成为可能的效果。
具体而言，第一段限制筒13X构成为形成于下部电极24(第二电极)上的贯通口，通过向低真空处理腔18内喷出放电气体，能够在非常短的毫秒以下的短时间内，将由电介质阻挡放电生成的离子化气体、自由基化气体抵接到晶圆25的表面。从而，实施方式4的气体供给装置中，即便是由放电生成的寿命非常短的离子化气体、自由基化气体，也能够将衰减抑制到最小限度并使其抵接到晶圆25的表面，能够发挥使低温下的成膜成为可能或者谋求成膜速度的提高这样的效果。
此外，在上述实施方式4中示出了上部电极22和下部电极24的平面形状为圆形的情况，当然并不限定于该形状。
<实施方式5>
图6是示出本发明的实施方式5的气体供给装置的结构的说明图。图6中示出了XYZ正交坐标系。
如该图所示，实施方式5的气体供给装置由载置作为处理对象衬底的晶圆25的载置台19(载置部)和气体喷出器100构成，所述气体喷出器100设置于载置台19的上方，从具有开口部的低真空处理腔18内向晶圆25供给气体。
气体喷出器100具有一次收纳室110、气体供给口12、第一段限制筒13a～13d(多个第一限制筒)、第二段限制筒14a～14d(多个第二限制筒)以及低真空处理腔180作为主要构成部。
并且，由包含有第一段限制筒13a～13d和第二段限制筒14a～14d的结构来形成喷嘴部10a～10d。即，喷嘴部10a～10d被设置在一次收纳室110和低真空处理腔180之间。喷嘴部10a由第一段限制筒13a和第二段限制筒14a构成，喷嘴部10b由第一段限制筒13b和第二段限制筒14b构成，喷嘴部10c由第一段限制筒13c和第二段限制筒14c构成，喷嘴部10d由第一段限制筒13d和第二段限制筒14d构成。
第一段限制筒13a～13d(多个第一限制筒)分别与实施方式1的第一段限制筒13同样，俯视下的开口部截面形状呈直径r1的圆形，将一次收纳室110的原料气体G1向下方进行供给。
第二段限制筒14a～14d(第二限制筒)分别沿着Z方向而与第一段限制筒13a～13d连续地形成，与实施方式1的第二段限制筒14同样，俯视下的开口部截面形状呈直径r2的圆形，将分别从第一段限制筒13a～13d供给来的原料气体G1向下方进行供给。反应结束后的气体从设置于气体喷出器100和载置台19间的排气口210排出。
再有，气体喷出器100中的其他结构与实施方式1的气体喷出器1同样，因此适当地标注同一符号并省略说明。
实施方式5的气体供给装置的气体喷出器1由于分别具有直径r1和直径r2的第一段限制筒13a～13d和第二段限制筒14a～14d而具有喷嘴部10a～10d(多个喷嘴部)，由此，能够使向低真空处理腔180喷出的原料气体G1具有指向性。这时，与实施方式1同样，通过第二段限制筒14a～14d的存在，取得了能够有效地抑制马赫盘MD现象的效果。
此外，实施方式5的气体供给装置取得了与实施方式1的气体供给装置同样的效果，并且具有采用了第一～第五方式的情况下的效果。
另外，实施方式5的气体喷出器100能够使得从喷嘴部10a～10d(多个喷嘴部)喷出的具有指向性的高速气体均匀地抵接到晶圆25的整个面，在对纵横比大的晶圆25进行的成膜时，或在三维结构的晶圆25的表面上进行的三维结构的成膜时，也能够在比较短的时间内执行优良品质且均匀的成膜处理。
此外，也可以采用如下第六方式：在将第一段限制筒13a～13d的直径r1设为直径r1a～r1d时，设定为在直径r1a～r1d之间不同的值。即，也可以采用将各个喷嘴部10a～10d的直径r1设定为在喷嘴部10a～10d之间不同的值的第六方式。
采用了第六方式的实施方式5的气体供给装置，能够按照在喷嘴部10a～10d间不同的内容，对喷出的气体流量、气体速度进行控制。因此，例如，如果与抵接在晶圆25表面上的位置相对应地，在喷嘴部10a～10d之间独立控制包括离子化气体、自由基化气体等在内的原料气体G1的喷射气体量，则会产生能够均匀成膜于整个晶圆25表面等、这种关系到成膜品质的提高的效果。
此外，也可以采用如下第七方式：使各个喷嘴部10a～10d的结构成为与实施方式4的喷嘴部40相同的结构，使得能够相互独立地控制与喷嘴部10a～10d相对应设置的多个气体电离部。
由于能够相互独立地控制与喷嘴部10a～10d(多个喷嘴部)相对应地设置的多个气体电离部，因此，通过对多个离子化气体、自由基化气体的喷射气体量以及放电电力进行控制，能够与例如抵接到晶圆25表面的位置相对应地来控制离子化气体、自由基化气体的喷射的气体量以及放电电力。其结果，实施方式5的气体供给装置中的第七方式产生了能够在晶圆25的整个面上进行均匀成膜等、关系到成膜品质提高的效果。
再有，在上述实施方式5中，作为各个喷嘴部10a～10d的结构，采用了与实施方式1的喷嘴部10同样的结构，但作为各个喷嘴部10a～10d的结构，也可以采用与实施方式2的喷嘴部20、实施方式3的喷嘴部30或者实施方式4的喷嘴部40同样的结构。
在实施方式5的第六方式中，在将第一段限制筒13a～13d的直径r1设为直径r1a～r1d时，设定为在直径r1a～r1d之间不同的值，但也可以进一步地在将第二段限制筒14a～14d的直径r2设为直径r2a～r2d时，设定为在直径r2a～r2d之间不同的值(第一变形例)。加之，在实施方式5的各个喷嘴部10a～10d如实施方式2那样地进一步具有第三段限制筒15(15a～15d)的结构的情况下，也可以在将第三段限制筒15a～15d的直径r3设为直径r3a～r3d时，设定为在直径r3a～r3d之间不同的值(第二变形例)。
采用了第六方式的第一和第二变形例的实施方式5的气体供给装置，能够在喷嘴部10a～10d间按照不同的内容对喷出的气体流量、气体速度进行多样控制。此外，将各个喷嘴部10a～10d设为实施方式3的喷嘴部30或者实施方式4的喷嘴部40的结构的情况下，也可以采用上述的第一或者第二变形例，将半球状限制筒17的直径r2(包括变形例的第三段限制筒的直径)或第二段限制筒14X的直径r2等设定为在喷嘴部10a～10d间不同的值。
<其他>
再有，在上述实施方式中示出了限制筒的个数为最多3段的结构(实施方式2)，但当然也能够想到例如在实施方式2的第三段限制筒15的下方进一步设置第四段限制筒等、设置4段以上的限制筒的结构。
对本发明进行了详细说明，但上述的说明在全部方面仅是例示，本发明并不限定于该说明。应理解为能够在不脱离本发明的范围的情况下想到未示例的无数变形例。
符号说明
1～4、100 气体喷出器
11、110 一次收纳室
12 气体供给口
13、13a～13d、13X 第一段限制筒
14、14a～14d、14X 第二段限制筒
15 第三段限制筒
17 半球状限制筒
18、180 低真空处理腔
19 载置台
22 上部电极
24 下部电极
25 晶圆

Claims (15)

1.一种气体供给装置，具备：
载置部(19)，载置处理对象衬底(25)；以及
气体喷出器(1～4、100)，设置于所述载置台的上方，从底面具有开口部的处理腔(18、180)向所述处理对象衬底(25)供给气体，
所述气体喷出器具备：
一次收纳室(11、110)，暂时收纳从气体供给口(12)供给的气体；
所述处理腔；以及
喷嘴部(10、20、30、40、110)，设置在所述一次收纳室和所述处理腔之间，
所述喷嘴部具有：
第一限制筒(13、13X)，被形成为俯视下的开口部截面形状为第一直径的圆形，该第一限制筒将所述一次收纳室内的气体向下方供给；以及
第二限制筒(14、14X、17)，被形成为俯视下的开口部截面形状为第二直径的圆形，该第二限制筒朝向所述处理腔供给从所述第一限制筒供给的气体，
所述第一直径被设定为使所述一次收纳室内和所述处理腔内的压力差为规定压力比以上，
将所述第二直径设定得比所述第一直径长。
2.根据权利要求1所述的气体供给装置，其特征在于，
所述规定压力比为30倍，
将所述第一限制筒的所述第一直径设定为直径2mm以下，将形成深度设定为2mm以下，
使所述一次收纳室内的压力和所述处理腔内的压力的压力差为30倍以上。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的气体供给装置，其特征在于，
将所述第二限制筒的所述第二直径设定为直径30mm以内。
4.根据权利要求1至权利要求3中的任一项所述的气体供给装置，其特征在于，
所述喷嘴部(30)进一步包括第三限制筒(15)，该第三限制筒(15)被形成为俯视下的开口部截面形状为第三直径的圆形，朝向所述处理腔供给从所述第二限制筒供给的气体，
所述第三直径比所述第二直径长。
5.根据权利要求1至权利要求3中的任一项所述的气体供给装置，其特征在于，
所述喷嘴部(40)中的所述第二限制筒(17)以使所述第二直径越靠近所述处理腔越变长的方式形成为半球状。
6.根据权利要求1至权利要求5中的任一项所述的气体供给装置，其特征在于，
将石英或氧化铝材料作为构成材料形成所述气体喷出器中作为与气体相接触的区域的气体接触区域。
7.根据权利要求1至权利要求6中的任一项所述的气体供给装置，其特征在于，
通过将所述气体喷出器加热到100℃以上，将加热后的气体向所述处理对象衬底供给。
8.根据权利要求1至权利要求7中的任一项所述的气体供给装置，其特征在于，
从所述气体供给口供给的气体是至少含有氮、氧、氟、氢的气体。
9.根据权利要求1至权利要求7中的任一项所述的气体供给装置，其特征在于，
从所述气体供给口供给的气体是前驱气体。
10.根据权利要求1至权利要求9中的任一项所述的气体供给装置，其特征在于，
对从所述气体供给口供给的气体的气体流量进行控制，使得将所述处理腔内的压力设定为大气压以下且10kPa以上的压力。
11.根据权利要求1至权利要求10中的任一项所述的气体供给装置，其特征在于，
所述喷嘴部包括多个喷嘴。
12.根据权利要求11所述的气体供给装置，其特征在于，
将多个喷嘴部的各个喷嘴部中的所述第一限制筒的所述第一直径设定为在所述多个喷嘴部间不同的值。
13.根据权利要求1至权利要求10中的任一项所述的气体供给装置，其特征在于，
在所述一次收纳室和所述喷嘴部之间的边界区域附近设置有气体电离部(22、24)，该气体电离部(22、24)使从所述气体供给口供给的气体电离而离子化或自由基化，得到离子化气体或者自由基化气体。
14.根据权利要求13所述的气体供给装置，其特征在于，
所述气体电离部具有相互对置设置的第一电极和第二电极(22、24)，在所述第一电极和所述第二电极之间具有放电空间，所述第一电极和第二电极中的至少一方在形成所述放电空间的面上具有电介质，
利用在所述第二电极上形成的贯通口形成所述第一限制筒，
在所述第一电极和第二电极间施加交流电压，将在所述放电空间中产生电介质阻挡放电而得到的所述离子化气体或者所述自由基化气体向所述处理腔内进行供给。
15.根据权利要求13或权利要求14所述的气体供给装置，其特征在于，
所述喷嘴部包括多个喷嘴，
所述气体电离部包括与所述多个喷嘴部相对应地设置的多个气体电离部，能够相互独立地控制所述多个气体电离部。
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