(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板処理装置に反応性ガスを供給する方法において、前記基板処理装置は内部表面を備えた壁（１４）を有し、前記内部表面は、処理チャンバ（２１８）を画成し、前記処理チャンバ（２１８）は、サセプタ（２２）を収容し、前記サセプタ（２２）は基板（２０）を支持する、前記方法であって：
第１反応性ガス及び第２反応性ガスを別個に供給するステップであって、前記第１反応性ガス及び第２反応性ガスは、それぞれ上の通路（２３２ａ）及び下の通路（２３２ｂ）に沿って前記処理装置まで流れる、前記ステップと；
前記第１反応性ガス及び第２反応性ガスを混合し、その混合ガスを前記基板（２０）の方に流すステップと；
を備え、
前記チャンバ（２１８）は、前記サセプタ（２２）により上のゾーン（２１８ａ）及び下のゾーン（２１８ｂ）に分けられ、前記上の通路（２３２ａ）及び下の通路（２３２ｂ）は、前記第１反応性ガス及び第２反応性ガスを、前記チャンバ（２１８）の上のゾーン（２１８ａ）及び下のゾーン（２１８ｂ）内にそれぞれ流すこと及び前記第２反応性ガスを前記下のゾーン（２１８ｂ）から前記上のゾーン（２１８ａ）のチャンバに流すことを許容し、前記基板付近の前記上のゾーン（２１８ａ）内で前記第１反応性ガスと初めて混合する、前記方法。
【請求項２】
前記チャンバは、サセプタ外接リング（２４）を含み、前記リング（２４）は、それと前記サセプタ（２２）との間にスリットを画成し、
前記第２反応性ガスを前記チャンバの前記下のゾーン（２１８ｂ）から前記スリットを通過させ、前記チャンバ（２１８）の前記上のゾーン（２１８ａ）内で第１反応性ガスと混合するステップを更に備える、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記サセプタ外接リング（２４）は、予熱リングである、請求項２記載の方法。
【請求項４】
少なくとも一つのガス路（２３２ａ、２３２ｂ）内のガス流を制御するステップであって、中央ゾーン（３０８）を通る流量は、前記基板に対して、外部ゾーン（３１０）を通る流量から独立して制御される、前記ステップを更に備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記中央ゾーン（３０８）を通る流量は、２つに（３０８ａ、３０８ｂ）分配され、前記方法は、分配された流量を互いに独立して制御するステップを更に備える、請求項４記載の方法。
【請求項６】
基板（２０）を支持する為のサセプタ（２２）を収容する処理チャンバ（１８）を画成する内部表面を備えた壁と、前記サセプタ（２２）を囲む予熱リング（２４）と、前記チャンバ（１８）の内部壁の周りに延び、前記予熱リング（２４）を囲む、石英リング（１１８）と、第１ガスを混合ゾーンに供給する為の第１ガス路（１０８）、第１ガスと混合する混合ゾーンに第２ガスを供給する第２ガス路（１１０）を備える処理ガスシステムと、を有する基板処理装置において、
前記第１ガス路（１０８）と前記第２ガス路（１１０）は、前記石英リングから放出されたガスが前記予熱リング（２４）全体に流れ、その後、前記サセプタ（２２）を横切るように配置された、前記基板処理装置であって、
前記第１ガス路（１０８）と前記第２ガス路（１１０）は、前記石英リング（１１８）まで、あるいは前記石英リング（１１８）内に延び、前記混合ゾーンは、前記石英リング（１１８）内に置かれるか、前記石英リング（１１８）の内部表面と近接することを特徴とする、前記基板処理装置。
【請求項７】
前記ガスが前記混合ゾーンに入る前記石英リング（１１８）の側部において、前記石英リングは、ガス入口と、そのガス入口より高いレベルで排気口（３６）とを有する、請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記第１ガス路（１０８）と前記第２ガス路（１１０）は、互いに垂直にずれている、請求項６または７記載の装置。
【請求項９】
基板処理装置に処理ガスを供給する方法において、前記基板処理装置は、基板（２０）を支持する為のサセプタ（２２）を収容する処理チャンバ（１８）を画成する内部表面を備えた壁（１４）、前記サセプタ（２２）を囲む予熱リング（２４）、前記チャンバの前記内部壁の周囲に延び、前記予熱リング（２４）を囲む、石英リング（１１８）を有し、前記方法は：
第１ガス路（１０８）及び第２ガス路（１１０）に沿って、それぞれ、前記処理装置まで、第１処理ガス及び第２処理ガスを別個に供給するステップと；
前記混合ゾーンで前記第１ガスと前記第２ガスを混合するステップと；
前記石英リング（１１８）から放たれる前記第１ガスと前記第２ガスを前記予熱リング（２４）全体に前記サセプタ（２２）を横切って流すステップと；
を備え、
前記第１ガス路（１０８）と前記第２ガス路（１１０）は、前記石英リング（１１８）まで、あるいは前記石英リング（１１８）内に延び、前記混合ゾーンは、前記石英リング（１１８）内に置かれるか、前記石英リング（１１８）の内部表面と近接することを特徴とする、前記方法。
【請求項１０】
前記第１処理ガスと第２処理ガスを供給するステップは、互いに垂直にずれている第１ガス路（１０８）と第２ガス路（１１０）に沿って、前記第１ガス及び第２ガスを流す工程を含む、請求項９記載の装置。
【請求項１１】
前記第１ガスは、ドーパントガスであり、前記第２ガスは、反応性ガスである、請求項９または１０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体処理装置に関し、更に詳細には、２種類の処理ガスを半導体ウェハ処理チャンバに供給する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日の半導体産業の設備は、処理チャンバを小型にすることができかつ処理をより制御することができることから、単一式或いは枚葉式基板処理に移行してきている。更に、基板を真空環境から取り出さずに基板に１処理工程以上（の工程）を行う新しい半導体真空処理装置が開発されてきた。そのような真空装置を使用すると、処理中ウェハ表面を汚染する多くの微粒子が減少し、そのことにより生産効率が改善される。
【０００３】
従来のＣＶＤ処理装置の代表例を図１に示す。この図面においては、シリコンウェハ２０のような一枚の基板を載置することができるチャンバ１８を共に画成している上部１２、側壁部１４及び底部１６を含む単一式或いは枚葉式基板反応室１０が示されている。ウェハ２０がサセプタ２２上に取り付けられ、ドライブ２３が回転して円筒状に対称のウェハ２０用時間均一環境を与えることができる。
【０００４】
予熱リング２４がチャンバ１８内に支持され、サセプタを取り囲んでいる。ウェハ２０及び予熱リング２４は、反応室の外に取り付けられた２６として模式的に示された複数の強力なランプの光で加熱される。反応室１０の上部１２及び底部１６は、通常、ランプ２６の光に対し透過性の透明石英でできている。石英は、一般に、可視及びＩＲ両周波数の光に透明であり、構造強度が比較的高くかつチャンバのプロセス環境に化学的に安定であるために、上部１２及び底部１６を形成するために用いられる。
【０００５】
堆積プロセスでは、処理ガス（反応性ガス又はドーパントガス）が２つのタンク２８で模式的に表されている外部原料からチャンバ１８の内部に供給される。
ガスは、ガス供給タンク２８からガス供給ライン３０に沿って流れ、ガス入口３２を介してチャンバ１８に入る。ガスは、入口３２から、それが加熱される予熱リング２４を横切り、サセプタ２２及びウエハ２０を横切り、チャンバ１８から排気口３６に排気されるべき矢印の方向に流れる。ガスの主な流量プロファイルは、ガス入口３２が予熱リング２４及びウエハ２０を横切り、排気口３６に至るまで、ウェハ２０の回転とランプ２６の熱による熱勾配が流れの形状にわずかに影響するとしても層流である。
【０００６】
上記のＣＶＤ処理チャンバは適応させることができ、異なった多くの処理が行われる。各処理は所望の最終結果によって異なり、それに伴って種々の問題がある。
【０００７】
多結晶シリコン堆積工程においては、通常、減圧化学気相成長（ＣＶＤ）のような処理を用いてドープされた又はドープされないシリコン層がウェハに堆積される。このプロセスにおいては、シリコン源（例えば、シリコン、ジシラン、ジクロロシラン、トリクロロシラン又は四塩化シリコン）のような反応性混合ガス及び場合によってはドーパントガス（例えばホスフィン、アルシン又はジボラン）を加熱し、ウェハ上を通過させてその表面にシリコン膜を堆積させる。ある場合には、水素のような非反応性キャリヤガスが反応性又はドーパントガスのいずれかあるいは双方と共に処理チャンバに注入される。この処理においては、堆積したシリコンの結晶学的種類は、堆積温度に左右される。低い反応温度で堆積したシリコンはほとんどが単結晶であり、高い堆積温度が用いられる場合は単結晶シリコンと多結晶シリコンとの混合又は多結晶シリコン単独が堆積される。
【０００８】
ドープされた多結晶シリコン堆積による１つの課題は、ドーパント混入の温度依存性が多結晶シリコン堆積速度の温度依存性と相反することである。これは、多結晶シリコン層において厚さの均一性を得るために温度を調節すると一様でないドーパント混入を生じるためである。これは、過去においてはドーパントガスがチャンバに注入される前に処理ガスに混合されていたためである。従って、シリコン化学種の処理ガスの流れと独立してドーパントガス流れが制御されていない。
【０００９】
別の処理、窒化物堆積工程においては、アンモニア（ＮＨ3 ) と種々のシラン化学種の１種との混合がチャンバに注入される。これら２種類のガスは、室温で反応して小さな結晶を生じる。図１に示されている配置においては、ガスストレージ２８は２つのタンクを含むように記載されており、その両方が１つの供給ライン３０に供給される。これらのタンクが各々アンモニアとシランを含有しかつライン３０が室温であった場合には、この反応が起こり、粒子が供給ライン３０の全長に沿って及びマニホールド３２内に生じる。これらの粒子は、チャンバ１８の汚染源であるので好ましくなく、従ってその存在は除去されねばならない。
【００１０】
更に、反応性ガスが予熱リング２４とサセプタ２２との間の隙間を通過することがわかった。これにより、サセプタ２２の裏面及びチャンバ１８の下の部分の他の構成部分に堆積する。このような堆積は共に不経済であり、除去のために更に洗浄を必要とするので好ましくない。
【００１１】
従って、これらの種々の課題を克服する反応性ガス／ドーパントガスを半導体処理チャンバに供給する装置が求められている。
【００１２】
【課題を解決するための手段および作用】
簡単に述べると、本発明は、壁を有しその内壁が基板支持サセプタが配置されている処理チャンバを画成している基板処理装置に処理流体を供給するシステムを提供するものである。このシステムは、別個の処理流体を各々貯蔵する多数の流体ストレージ、処理流体が流体ストレージから処理装置に流れる少なくとも２つの流体管路、及び流体管路を処理チャンバに接続する流体入口からなる。入口は、それに沿って形成された別個の流体通路を有し、流体管路の各々に対応している。各流体通路は、壁の内壁あるいはその付近で開いて共に流体混合ゾーンを形成するので、１つの流体通路に沿って移動する流体が混合領域に到達するまで他の通路に沿って移動する流体と混合しないように防止する。
【００１３】
通常、少なくとも２つの流体通路は、相互に垂直にずれて少なくとも部分的に上下流体流路を画成している。流体入口には壁の内壁にあるいはその付近に形成された混合キャビティがあるので、混合領域が混合キャビティの境界により規定される。混合キャビティは、上下流体流路間に配置された概略垂直なチャネルであってもよい。
【００１４】
また、チャンバはサセプタで上下部分に分けられ、上下流体流路はチャンバの上下部分に各々開くように配置される。本配置においては、チャンバは、通常、サセプタ外接リングを含み、それ自体とサセプタとの間に環を形成する。下の流体流路が環を含み、作動中にチャンバの下部に移る処理流体がこの環を通過してチャンバの上の部分で処理流体と混合する。
【００１５】
【実施例】
図２、３及び４について共に言及すると、本発明の通常１００として示される改良ガス入口マニホールドが示されている。半導体処理装置１８の側壁１４（上下クランプリング４０、４２及びベースリング４４で構成される）に接続されるマニホールド１００は、図２及び３に示されている。
【００１６】
３種のこれらの図すべてにおいて、マニホールド１００は、コネクタキャップ１０２、拡散プレート１０４及びインターフェース１０６を含めて示されている。コネクタ１０２及びインターフェース１０６は、その中に形成された上下流体通路１０８、１１０を有する。図４から明らかなように、これらの上下流体通路は、断面が扁円(oblate)である。一方の拡散プレート１０４は、その中に形成された円形の穴１１２の上下列を有する。プレート１０４がキャップ１０２とインターフェース１０６との間の位置にあると、穴１１２の上下列は上下流体通路１０８、１１０に各々対応する。これらの穴の機能は、後に記載される。
【００１７】
コネクタキャップ１０２は、複数の上下ガス管路１１４、１１６に接続される。これらの管路１１４、１１６は、ガス供給システム（図示せず）の一部であり、処理ガスをガス供給タンクからチャンバ１８に輸送するために働く。チャンバ１８の内壁に沿って、円形の石英リング１１８が配置される。マニホールド１００の付近に、石英リングはその中に形成された上下ガス通路１２０、１２２を有する。これらの上下ガス通路１２０、１２２は、一列に並び、インターフェース１０６の中に形成されたガス通路１０８、１１０と直接通じている。石英リングの本体には、下のガス通路１２２が上のガス通路１２０に垂直に配置された平面で見た場合、弧を形成するスロット１２４によって接続される。
【００１８】
作動中、処理ガスはマニホールド１００に管路１１４、１１６によって供給される。これらのガスは別々に維持され、各々上下管路１０８、１１０に沿って流れる。ガスが個々のガスパイプ１１４、１１６から上下管路１０８、１１０に供給されるので、個々のガス流は、各々が管路１１４、１１６の１つに関係し、コネクタキャップ１０２の中にある。
【００１９】
これらのガスは、拡散プレート１０４の上流側に向かって上がり(bank up) 、その中に形成された穴１１２を通過する。拡散プレートの結果として、上下管路１０８、１１０に各々見られたガス流は破壊され、インターフェース１０６の中で実質的にガスの層流を形成する。下の管路１１０のガスが石英リング１１８に到達すると、下のガス通路１２２及び垂直に配置されたスロット１２４に沿って移動して上の管路１０８でそのガスと交わり混合する。この時点で、ランプで加熱されている石英リング１１８によってある程度まで加熱されている。この配置の結果として、混合が起こる前にガスが予熱され、好ましくない結晶が生じない。次いでこの混合ガスは、予熱リング２４、サセプタ２２及びウェハ２０を横切り、実質的に層流パターンで移動して排気口３６を通って排気することができる。
【００２０】
図３及び４から分かるように、インターフェース１０６は平らな上流面１３０及びカーブした下流面１３２を有する。これにより、インターフェース１０６は、一方で平らな面のコネクタキャップ１０２及び拡散プレート１０４、他方で円形の石英リング１１８との間にガス流路を与えることができる（図２参照）。更に、図２及び４は、拡散プレート１０４がコネクタキャップ１０２内に形成された溝１３４に適合することを示している。この配置の結果として、通常、石英で形成されたインターフェース１０６は拡散プレート１０４及びコネクタキャップ１０２の双方に接している。
【００２１】
図５（ａ）−５（ｅ）においては、石英リング１１８内に形成された通常１４０として示される種々の配置のチャネルが示されている。これらのチャネル１４０は、すべて図２に示されているチャネル１２０、１２２とほぼ同様に機能し、これらの図はガスが石英リング１１８の内部面のできるだけ近くで混合するように用いられる多数の異なった配置のチャネルを示すものである。種々の配置のチャネル１４０とは別に、図５（ａ）−５（ｅ）に示されている他の構成部分は全て図２〜４に示された対応する構成部分と同一あるいは類似のものである。従って、同一符号が付けられている。
【００２２】
従って、これらの図２〜５で示されている実施例は、上記窒化物堆積工程において供給管路と入口マニホールドの中で自然に反応するガスの課題を解決するものである。これらの図に示された原理は、窒化物堆積工程以外の工程に適用し得ることは理解されるであろう。
【００２３】
本発明の別の実施例が図６に示される。この図は、通常２１０として示される典型的なＣＶＤ堆積チャンバを示すものである。図１に示されている従来技術の成長室のように、この装置は上部１２、側壁部１４及び底部１６を含み、これらは共に処理チャンバ２１８を画成している。チャンバ２１８内部では半導体ウェハ２０がサセプタ２２上で支持される。サセプタ外接予熱リング２４も示されている。処理ガスは、種々の供給源（図示せず）から導入マニホールド２３２によってチャンバ内に導入され、排気口３６によってチャンバから排気される。明瞭にするために、ヒータランプ及び装置の他の構成部分は示されていない。
【００２４】
この図から明らかなように、予熱リング２４及びサセプタ２２は、チャンバ２１８を各々上下ゾーン２１８ａ及び２１８ｂに分けている。
【００２５】
本発明の実施例は、窒化物堆積工程においてアンモニアとシリコン化学種ガスとの間の好ましくない反応を排除するために用いることもできる。これは、各々のガスを種々の供給源から別個にチャンバ２１８の上下部分の１つに各々上下通路２３２ａ及び２３２ｂを介して注入することにより行われる。これは、ガスがチャンバ２１８内に充分になるまで混合しないことを意味している。
【００２６】
例えば、シリコン化学種ガスが上のゾーン２１８ａに注入されるとともにアンモニア系ガスが下のゾーン２１８ｂに導入される。下のゾーン２１８ｂへのアンモニア導入が上のゾーン２１８ａへのシリコン化学種ガス導入よりわずかに高い圧力である場合には、アンモニアガスは予熱リング２４とサセプタ２２との間のスリットによって矢印２２０の方向に下のゾーンから上のゾーンに流れる（矢印２２０で示される方向に）。即ち、アンモニアガスとシリコンガスの双方がチャンバ内で加熱された後、相互に接触する。更に、ガスの混合がウェハであるいはそれに近接して起こり、望まれていない粒子形成が減少する。
【００２７】
この配置(configuration) は、また、予熱リング２４とサセプタ２２との間のスリットを通って移動するガスが上のゾーン２１８ａから下のゾーン２１８ｂへガスが移動しないように防止する利点もある。これは、サセプタ２２の裏側及び処理装置２１０の下のゾーン２１８ｂ内の他の構成部分で生じる堆積量を制限する。温度測定（通常外部高温計によって行われる）に悪影響を及ぼしまたウェハ２０の処理に悪影響を及ぼすサセプタの裏側の堆積を制限することは重要である。下のゾーン２１８ｂ内の他の構成部分に堆積すると、除去されない場合には粒子の発生を招くので好ましくない。更に、ウェハ移動はこの下のゾーン２１８ｂ内で起こり、実質的な粒子発生はこのゾーン内の移動部分に悪影響を及ぼす。
【００２８】
本発明の実施例は、また、ドープされた多結晶シリコン堆積に伴う課題（上述した）を減少させるために用いることができる利点がある。再び述べられるように、ドーパント混入の温度依存性は多結晶シリコン堆積速度の温度依存性と相反する。本実施例は、下のゾーン２１８ｂにドーパントガスを導入しかつその流れを独立して制御することができる適応性を示すものである。従って、ドーパント混入を用いた追加及び独立した制御が達成される。
【００２９】
図６の実施例は、更に図７及び８に示される処理チャンバに流し込む異なった種類のガスの制御を改善するシステムと共に用いられる。これらの図は、インターフェイシングコネクタ３０６、処理装置の一部、ウェハ２０、サセプタ２２、予熱リング２４及びガス出口３６のみ示している。図７はガスを処理チャンバの上のゾーンに供給するガス入口の部分のみ示すものであり、図８はガス制御システムの概略図である。
【００３０】
インターフェイシングコネクタ３０６は、中央ゾーン３０８及び外部ゾーン３１０で構成されるように示されている。本発明の実施例に従って、更に図８に示されるように、中央ゾーン３０８に流し込まれるガスの組成は、外部ゾーン３１０に流し込まれるガスの組成と独立して制御される。更に、中央ゾーンの２つのバルブ３０８ａ、３０８ｂのいずれかへのガスの流速も相互に独立して制御される。これにより、半導体ウェハ２０に堆積される層の組成を制御する目的の場合ガス流装置は２段階の制御がなされる。更に、チャンバ加熱装置により、第３の可変制御が与えられる（即ち温度）。従来のように、サセプタ２２はウェハ２０の堆積の均一性を改善するために回転される。
【００３１】
ここで図８によると、シリコン含有ガス及び水素キャリヤガスは容器３０２、３０４からチャンバ３１８に独立したマスフローコントローラ３０３、３０５によって供給される。この混合ガスは２つのベロー調整バルブ３１１、３１２を介して流れ、これらは可変レストリクターとして作動しかつシリコン含有ガスの主の流れを各々中央ゾーン及び外部ゾーン３０８、３１０の間に分配する。更に、ドーパント源であるガス（例えば水素で希釈されたジボラン）はストレージ３１４から２種類のマスフローコントローラ３１６、３２０に供給され、次いでベロー調整バルブ３１１、３１２の下流のシリコン源に調整される。これらの配置の結果として、中央ゾーン及び外部ゾーン３０８、３１０に各々流れ込むドーパントガス濃度を別個に制御することができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によると、流体通路は、壁の内壁あるいはその付近で開いて共に流体混合ゾーンを形成するので、１つの流体通路に沿って移動する流体が混合領域に到達するまで他の通路に沿って移動する流体と混合しないように防止する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術のＣＶＤ半導体ウェハ処理チャンバの断面図。
【図２】本発明の実施例のガス入口マニホールドの断面図。
【図３】図２のマニホールドの構成部分を示すＣＶＤ処理チャンバの一部の平面図。
【図４】図２のマニホールドの構成部分を示す分解図。
【図５】図２に示されたマニホールドに対する別の実施例の断面図。
【図６】図１と同様の図であるが、ウェハの裏面堆積を減少するようにガスがチャンバに供給されることを模式的に示す図。
【図７】異なった種類のガス供給を許容するようにマニホールドが分けられることを示す図３と同様の平面図。
【図８】種々の混合ガスが調整され、エピタキシャル堆積チャンバに供給されることを示す概略図。
【符号の説明】
１０…反応室、１２…上部、１４…側壁部、１６…底部、１８…チャンバ、２０…ウエハ、２２…サセプタ、２３…ドライブ、２４…予熱リング、２６…ランプ、２８…ガス供給タンク、３０…ガス供給ライン、３２…入口（マニホールド）、３６…排気口、１００…マニホールド、１０２…コネクタ、１０４…拡散プレート、１０６…インターフェース、１０８、１１０…上下流体通路、１１２…穴、１１４、１１６…管路、１１８…石英リング、１２０、１２２…上下ガス通路、１２４…スロット、２１０…ＣＶＤ堆積チャンバ、２１８…処理チャンバ、３０２、３０４…容器、３０３、３０５、３１６、３２０…マスフローコントローラ、３０６…インターフェイシングコネクタ、３０８…中央ゾーン、３１０…外部ゾーン、３１１、３１２…ベロー調整バルブ、３１４…ストレージ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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