(57)【要約】【発明の課題】  より高いスループットで、ウェハー表面の汚染を生ずることなく当該ウェハー上に膜を堆積できるＣＶＤ装置を提供すること。【解決手段】  ＣＶＤ装置は、ウェハー搬入／搬出チャンバ１ａ，１ｂ、処理チャンバ３、ウェハー搬送チャンバ２を備える。処理チャンバは、２つまたはそれより多いウェハーステージ６ａ〜６ｄであって、当該ウェハーステージの各々は回転可能な中央ポールに水平アーム８ａ〜８ｄを介して連結されているものと、ウェハー・ロード／アンロード室５と、２つまたはそれより多い分離された処理反応容器４ａ，４ｂとで構成され、当該処理反応容器では各々に膜の化学的気相成長のために必要な１タイプの処理ガスのみが供給される。ウェハー・ロード／アンロード室と処理反応容器は、中央ポールから同じ半径距離に配置され、中央ポールが回転する時、ウェハーステージの各々は処理反応容器等を通って移動する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェハー搬入／搬出チャンバと、ウェハー処理チャンバおよびウェハー搬送チャンバと、を備えたＣＶＤ装置であって、前記ウェハー処理チャンバは、
２つまたはそれより多いウェハーステージであって、各々がアーム部材を介して回転可能な中央ポールに連結される前記ウェハーステージと、
ウェハー・ロード／アンロード室と、
２つまたはそれより多い分離された処理反応容器であって、それぞれ、膜の化学的気相成長のため必要とされる１つのタイプの処理ガスのみが供給され前記処理反応容器とから成り、
前記ウェハー・ロード／アンロード室と前記処理反応容器は、前記中央ポールから同じ半径距離で配置されており、その結果、前記中央ポールが回転するとき、前記ウェハーステージの各々は前記処理反応容器と前記ウェハー・ロード／アンロード室の各々を通過することを特徴とするＣＶＤ装置。
【請求項２】
化学的気相成長に必要な処理ガスは前記処理反応容器の各々を介して別々に供給され、前記ウェハーステージが前記処理反応容器の各々を通り抜けて通過するとき、前記ウェハーステージの上に搭載されたウェハーは前記処理ガスに晒され、前記ウェハーの表面の上で化学的気相成長作用が生じ、膜を形成することを特徴とする請求項１記載のＣＶＤ装置。
【請求項３】
前記処理反応容器は、前記ウェハーステージが、その下側の位置で通過する通路を有していることを特徴とする請求項１または２記載のＣＶＤ装置。
【請求項４】
原子層成長が前記処理反応容器の各々で実行されることを特徴とする請求項１または２記載のＣＶＤ装置。
【請求項５】
各処理反応容器は処理ガスの１つのみが連続モードで供給されるか、または、前記ウェハーステージが前記処理反応容器の中に入る時にガスパルスが作動するようにパルスモードで供給されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに１項に記載のＣＶＤ装置。
【請求項６】
前記ウェハー処理チャンバは非常に低い圧力に維持され、隣り合う２つの処理反応容器の間に相当な距離が設けられ、その結果、前記ウェハーステージが処理反応容器の１つから出るとき、前記ウェハーの表面の上に吸収される処理ガスを除いたすべての処理ガスは、前記ウェハーステージが次の処理反応容器の中に移動する前に除去され、１つの単層の膜のみが一度（at a time）に成長することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のＣＶＤ装置。
【請求項７】
要求される膜厚を有する膜が前記ウェハーの表面に堆積するまで、前記ウェハーステージは、前記中央ポールを予め定められた回転速度で回転することにより、連続的に回転させられることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のＣＶＤ装置。
【請求項８】
処理反応容器の１つまたは多くは、供給された処理ガスでプラズマを形成することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のＣＶＤ装置。
【請求項９】
処理反応容器の１つまたは多くは、電気的に加熱されたワイヤの支援で、供給された処理ガスを分解することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のＣＶＤ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＣＶＤ装置に関し、特に、複数のウェハー保持装置と各処理ガスのための分離された処理反応容器を備えたＣＶＤ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜の化学的気相成長（ＣＶＤ）はＳｉ（シリコン）または他のウェハーすなわち基板の上に集積回路を製作することにおいて、本質的な工程である。それは、次のように知られている。ウェハーの表面の上で化学的な反応作用が起きるとき、結果として、膜質良好な（conformal）膜が生じる。このことは、特に、マイクロスケールの孔および溝が形成されるパターン化されたウェハー上に膜を堆積させるときに重要である。最近、膜厚の精度については、デバイスの特徴サイズが０．１ミクロン（μｍ）より小さくなるというサイズ縮小のため、より重要になってきている。膜厚の制御性を改善する方法として、原子層成長（ＡＬＤ）の技術が応用されるようになってきており、そこでは、複数の処理ガスがウェハーの表面に分離して導入される。たとえ、この技術がパターン化されたウェハーの表面上に膜質良好な膜を与えるとしても、従来の反応容器の構成を用いて得られるするスループットは、より低い値にある。例えば１時間につき約１０枚のウェハーが処理される。この問題は、図１０、図１１および図１２を参照して説明される。
【０００３】
図１０は従来の化学的気相成長の反応容器の平面図を示し、そこでは膜は原子層成長（ＡＬＤ）の技術を用いて堆積させられる。この反応容器１００は、ウェハー搬入／搬出チャンバ１０１ａ，１０１ｂ、ウェハーアライメント室１０２、ウェハー搬送ロボット機構１０３ａを含むウェハー搬送室１０３、ＡＬＤモジュール１０４から構成されている。当該ＡＬＤモジュール１０４の概略図は図１１に示される。図１１は当該ＡＬＤモジュール１０４の縦断面図を示している。
【０００４】
図１１に示されるごとく、ＡＬＤモジュール１０４は、ウェハーステージ１０５と、ガス導入部１０６と、ガス切換装置１０７と、排気ポート１０８と、ウェハー搬入／搬出ポート１０４とから構成されている。ウェハー１０９は、ウェハーステージ１０５の上に配置され、ウェハーステージ１０５に組み込まれたヒータ１１０を用いて所望温度まで加熱されている。当該ヒータは電源１１１から電力を供給される。簡便化のため、膜の化学的気相成長のため「Ａ」と「Ｂ」と呼ばれる２つの処理ガスのみが必要であると仮定する。ガス供給器１１２は処理ガスＡを供給し、ガス供給器１１３は処理ガスＢを供給する。これらの処理ガスＡおよびＢは、図１２に示されるごとく、時間的に分離したショートパルス１２１としての導入状態でＡＬＤモジュール１０４の中に導入される。最初に、当該ガスの１つである処理ガスＡが短い時間周期の間に導入される。それから処理ガスＡは供給を停止され、ウェハー表面上の過剰なガスを除去するため、反応容器が真空排気される。すなわち、処理ガスＡの表面に吸収された単層のみがウェハー表面の上に残存する。それから処理ガスＢが短い時間周期の間に導入され、その供給が停止され、そして同様に真空排気される。表面で吸収されたガスＡおよびガスＢはウェハー表面上で反応し、膜の単一層（モノレイヤ）を形成する。このプロセスが、必要な膜の厚みが得られるまで繰り返される。
【０００５】
なお従来技術の１つとして次のような特許文献１が存在する。当該特許文献１は反応容器のサイズを縮小し、高い効率で原子層成長を実行し、信頼性を改善することのできる原子層成長技術を開示している。複数のガスセルの各々は、所定の大きさのガス排出ポートとガス拡散プレートとを有している。さらに上記反応容器は、複数のウェハーを搭載する回転可能なウェハーホルダを有している。これらのウェハーは、ガスセルの各々で、ガス拡散プレートに垂直となる状態で回転することができる。ガスセルの各々において、異なるガスが、原子層成長を繰り返す目的でウェハーに与えられる。当該ウェハーは垂直な位置で回転させられる。
【特許文献１】特開平５−２３４８９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述した従来のＣＶＤ技術では、およそ数オングストロームの厚みを有した単層の膜のみが一度（at a time）に成長する。それ故に、相当なより厚い厚みを有する膜を得ることにおいてより長い時間を要する。このことはスループットを低減する。
【０００７】
さらに従来のＣＶＤ技術では、ＡＬＤモジュール１０４の反応容器の側壁上に膜が堆積するという他の問題がある。何故ならば、側壁は、同様にまた、ウェハー１０９と同じように両方の処理ガスＡ，Ｂに晒されるからである。たとえ側壁がその表面上における膜堆積を抑制する目的で加熱されていないとしても、その温度は、ウェハーステージ１０５が加熱されているので、熱伝導と熱放射の加熱メカニズムによって次第に上昇する。この温度の上昇は、側壁における膜の堆積を支持する。側壁に堆積された膜は、これらの膜が破片として剥がれ、そしてウェハーの表面を汚染するときに問題となる。この段階で、ウェハー上の膜堆積は停止されなければならず、反応容器の壁は適当な方法によって洗浄されなければならない。たびたび起きる反応容器のクリーニング工程は、さらに全体のスループットを減少させることになる。
【０００８】
加えて、特許文献１の原子層成膜技術では、ウェハーホルダにおいて垂直姿勢のウェハーを搭載させる各場所のためクランプユニットを必要とする。ウェハーをクランプするための構造はウェハー表面を汚染する可能性を作る。
【０００９】
本発明の目的は、より高いスループットで、かつウェハー表面の汚染を生ずることなく当該ウェハー上に膜を堆積させることができるＣＶＤ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のＣＶＤ装置は、前述した目的を達成するため次のように構成される。
【００１１】
本発明のＣＶＤ装置は、ウェハー搬入／搬出チャンバと、ウェハー処理チャンバと、ウェハー搬送チャンバとを備えている。この構造において、さらに、ウェハー処理チャンバは、２つまたはそれより多いウェハーステージであって、当該ウェハーステージの各々は回転可能であり、かつ好ましくは垂直な中央ポールに水平アーム部材を介して連結されている当該ウェハーステージと、ウェハー・ロード／アンロード室と、２つまたはそれより多い分離された処理反応容器とで構成され、当該処理反応容器では各々に膜の化学的気相成長のために必要な１タイプの処理ガスのみが供給されている。当該ウェハー処理チャンバにおいて、ウェハー・ロード／アンロード室と処理反応容器は、当該中央ポールから同じ半径距離に配置されており、その結果、中央ポールが回転する時、ウェハーステージの各々は処理反応容器およびウェハー・ロード／アンロード室の各々を通って移動する。
【００１２】
上記ＣＶＤ装置において、化学的気相成長のために必要な処理ガスは処理反応容器の各々を通して分けて供給され、ウェハーステージが処理反応容器の各々を通過するとき、ウェハーステージに搭載されたウェハーは処理ガスに晒され、ウェハーの表面の上で化学的気相成膜作用が生じて膜を形成する。
【００１３】
上記のＣＶＤ装置において、処理反応容器は、ウェハーステージがその下側で通過する通路を有している。
【００１４】
上記のＣＶＤ装置において、原子層成長が処理反応容器の各々において実行される。
【００１５】
上記のＣＶＤ装置において、各処理反応容器は、１つの処理ガスのみが連続モードで、またはウェハーステージが処理反応容器内に入ってくる時にガスパルスが起動するようパルスモードで供給される。
【００１６】
上記のＣＶＤ装置において、ウェハー処理チャンバは非常に低い圧力に維持され、任意の２つの隣り合う処理反応容器の間では相当な距離が設定され、その結果、ウェハーステージが１つの処理反応容器から出てくると、ウェハーの表面に吸収されたガス以外のすべての処理ガスが当該ウェハーステージが次の処理反応容器に移動する前に除去され、そして膜の１つの単層のみが一度（at a time）に成長する。
【００１７】
上記のＣＶＤ装置において、ウェハーステージは要求される膜厚を有する膜がウェハーの表面に堆積するまで、予め設定された回転速度で中央ポールを回転させることによって連続的に回転させられる。
【００１８】
上記のＣＶＤ装置において、処理反応容器１つまたは多くは供給された処理ガスでプラズマを形成する。
【００１９】
ＣＶＤ装置において、処理反応容器の１つまたは多くは電気的加熱ワイヤの支援のもとで、供給された処理ガスを分解する。
【００２０】
本発明のＣＶＤ（化学的気相成長）装置によれば、異なる処理反応容器のそれぞれに処理ガスを別々に導入することによってより高いスループットでウェハー上に膜を堆積することができる。これらの処理反応容器は円の線上に配列されている。ウェハーステージ上に搭載された２つ以上のウェハーは中央回転装置を用いることによって処理反応容器の各々を通過して回転する。
【００２１】
ウェハーステージは処理反応容器の各々を通過して速い速度で移動し、そしてＣＶＤプロセスによってウェハー表面上に膜を形成する。複数のウェハーステージを利用するため、この構成はより高いスループットとを与えることになる。処理ガス反応容器を分離した構造としたため、処理反応容器の側壁上で膜が堆積することは防止され、これがウェットクリーニングの前までの動作時間を延長し、そしてウェハー表面上のパーティクル汚染を減じる。
【００２２】
一般的に、本発明によって与えられるＣＶＤの構成または同様に構成されたＣＶＤ装置は、１時間またはそれよりも短い時間につき約１５枚のウェハーを生産する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、ＣＶＤ装置の処理チャンバでウェハー上に原子素成膜を代表的に実行するとき、より高いスループとが達成され且つウェハー表面上の汚染が減じられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に、添付された図面に従って好ましい実施形態が説明される。当該実施形態の説明を通して本発明の詳細が明らかにされる。
［実施形態１］
【００２５】
図１と図２を参照して本発明の第１実施形態を説明する。第１実施形態によるＣＶＤ装置はウェハー搬入／搬出チャンバ１ａ，１ｂと、ウェハー搬送チャンバ２と、処理チャンバ３とから構成される。処理チャンバ３の中には少なくとも２つの処理反応容器４ａ，４ｂとウェハー・ロード／アンロード室５が存在する。処理反応容器４ａ，４ｂ、およびウェハーロード／アンロード室５は処理チャンバ３の中心から同じ半径距離にて配置されている。図３において、処理チャンバ３の天井壁は省略されている。処理チャンバ３の内部は真空排気されている。
【００２６】
処理チャンバ３の中心には、所望の回転速度で回転することができる垂直なポール７が存在する。さらに、好ましくは、図１および図２に示されるごとく水平なアーム８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄを用いて中央ポール７に連結された好ましくは４つのウェハーステージ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが存在する。中央ポール７が回転するとき、４つのウェハーホルダー（ステージ）の各々は処理反応容器４ａ，４ｂを通過する。処理チャンバ３は、底壁に形成されたガス排出部９を通して、所定の非常に低い圧力になるまで真空排気されている。処理チャンバ３の内部の圧力の値は重要な事項ではないが、代表的には０．１パスカル（Ｐａ）よりも低い圧力に維持されている。
【００２７】
処理反応容器４（４ａまたは４ｂ）は、図３に示されるごとく、簡単構造を有する小さい空洞である。処理反応容器の断面の形状は重要ではない。それは矩形形状または円形形状にしてもよい。処理ガスは、処理反応容器４の中に、連続モードまたはパルスモードで導入される。具体的に、処理ガスＡ，Ｂは、図２に示されるごとく、それぞれ処理反応容器４ａ，４ｂに導入される。仮に処理ガスがパルスとして導入されるならば、当該パルスはウェハーステージ（６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ）が処理反応容器４の中に入ってくる時に起動される。当該ウェハーステージ６を通過させるため、各々の処理反応容器４には狭いスリット１０が存在する。狭いスリット１０の下側に側壁を設けない処理反応容器４を用いることが可能であるから、狭いスリット１０よりも下側の側壁１１は必要ではない。すなわち、ウェハーステージ６は単純に処理反応容器１１の下側を通過する。当該処理反応容器４にとっては底板は存在しない。それ故に、処理反応容器４ａ，４ｂは、同様にまた、処理チャンバ３のガス排出部９を通して真空排気される。
【００２８】
処理ガスＡ，Ｂはそれぞれ処理反応容器４ａ，４ｂにガス導入部１２を経由して導入される。処理ガスＡ，Ｂは、それぞれ、ガス切換装置２８を経由して処理ガス供給器２６，２５から供給される。図３は処理反応容器４内の１つのガス導入部１２を示しているが、処理反応容器４の内部にシャワーヘッドのごときいくつかのガス導入部を作ることも可能である。
【００２９】
処理反応容器の他の構成が、図４に、修正例として示されている。この場合にはｒｆ電極１３が存在している。当該ｒｆ電極１３は絶縁部材２１で覆われることにより処理反応容器４の残りの部分から電気的に絶縁されている。ｒｆ電極１３は整合回路１４を介してｒｆ電源１５からｒｆ電流を供給されている。処理ガスは、図４に示されるごとく、ｒｆ電極１３への組付け部分であるガスシャワーヘッド１３ａを通して導入される。処理反応容器４のその他のハードウェア構成は、既に説明されたそれと同じである。
【００３０】
このプラズマ支援の処理反応容器４を用いることで、処理ガスは分解され、ラジカルとイオンになり、それからこれらの種はウェハーステージ６の上に搭載されたウェハーの表面に衝突する。それ故に、このプラズマ支援処理反応容器４が使用される時、化学的気相成長反応の１つの反応物質がイオンまたはラジカルまたは両方に分解する。
【００３１】
図５は、処理反応容器４のための他の可能な構成を示している。ここでは、処理ガスは加熱ワイヤ３１を用いることによって分解され、ラジカルを形成する。それ故に、ウェハー表面上の化学的気相成長反応の１つの種はラジカルの形で存在する。加熱ワイヤ３１は適当な電源３２からＤＣ電流またはＡＣ電流を供給される。同時に、電源３２は電極１３に対し必要な電流を供給する。加熱ワイヤ１４の温度は、通常、約１０００℃またはそれよりも高く、かつそれは応容器４の中に導入される処理ガスのタイプに依存して決定される。処理反応容器４の他のハードウェアは先に説明されたそれと同じである。
【００３２】
図６は、ウェハーステージ（６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ）、中央ポール７、そして当該中央ポール７にウェハーステージ６を結合する水平なアーム８（８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ）の断面図を示す。ウェハーステージ６の中に組み込まれたヒータ１６が存在する。通常、ヒータ１６は誘電体部材１８の中に埋設される。ウェハーステージ６の上部プレート１９は誘電体または金属の部材で作られる。誘電体部材１８の厚み、および上部電極１９の厚みはウェハーステージ６の全体の厚みを最小にするために、可能な限り薄くなるよう採用されている。ヒータ１６に対する電気的接続１７は中央ポール７および水平アーム８を通して供給される。中央ポール７および水平アーム８は好ましくは金属で作られている。
【００３３】
ウェハー２０をウェハーカセットからウェハーステージ６（６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ）へ搬送するため、ウェハー搬送チャンバ２にはロボットアームが設けられている。ウェハーステージ６がウェハー・ロード／アンロード室５の中に入ってくると、ウェハーステージ６はウェハー２０を受け取る。最初に、ウェハー２０は、中央ポール７を回転することによって、各ウェハーステージ６の上に搭載される。それから、中央ポール７は一定して各ウェハーステージを処理反応容器４（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）の中を通過させるために回転させられる。ウェハーステージ６が反応容器４（４ａ）の中に入ってくると、ウェハー２０は処理ガス（ＡとＢ）の中の１つのガス（Ａ）に晒される。それから圧力が非常に低いレベルにある処理反応容器からウェハーステージ６は出て、移動する。この段階で、ウェハー表面における過剰な処理ガスは除去され、処理ガスの１つの原子層または分子層のみが弱い化学吸着によってウェハー表面の上に残存することになる。
【００３４】
それからウェハーステージ６は次の処理反応容器４（４ｂ）に移動し、そして化学的気相成長の反応に要求される他の処理ガスＢに晒される。この第２のガス（Ｂ）に晒されることで、ウェハー表面の上で化学反応が進行し、膜を形成する。第１の処理ガスの単一の原子層または分子層のみが存在するので、単層の膜のみが形成される。ウェハーステージ６が第２の処理反応容器４（４ｂ）から出てくると、残存したまたは過度な処理ガスはウェハー表面から真空排気で排出される。これはひとつの処理サイクルを完結する。このサイクルが、膜の厚みが所望の値に至るまで、中央ポール７の回転で連続的に進行する。当該膜が所望の厚みになるよう形成されるとき、ウェハー２０はウェハー・ロード／アンロード室５を用いて各ウェハーステージ６から取り除かれる。
【００３５】
図１および図２においては、中央ポール７に結合された４つのウェハーステージ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが存在している。それ故に、従来技術の箇所で説明した単一のウェハー反応容器と比較するとき、そのスループットは４倍増加する。さらに、図７に示されるごとく、中央ポール７に対して、４つのウェハーステージ６よりも多い、８個のウェハーステージ６が存在するように設けることもできる。図７で与えられた構成はスループットを８倍に増加する。
【００３６】
さらに、図１および図２では、ＣＶＤ処理のため２つのタイプの処理ガス（Ａ，Ｂ）のみが用いられることを要約するものとして、２つの処理反応容器４ａ，４ｂのみが示されている。例えば、ＴｉＮ成膜においては、好ましくはＴｉＣｌ4とＮＨ3の各ガスが不活性キャリアガスと共に用いられる。しかしながら、処理チャンバの内部の処理反応容器４の数は重要なことではなく、２より多くすることもできる。例えば、図８は６つの処理反応容器４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆが設けられた他の構成を示している。もし２つの処理ガスのみがＣＶＤプロセスに用いられるとするならば、各処理ガスは処理反応容器を通して交互に追加することができる。この方法は中央ポールが１回のサイクルを完結するときウェハーの上に３層のＣＶＤ膜を形成する。このことは同様にまたスループットの増大に貢献する。
【００３７】
第１実施形態の他の利点は、各々の処理反応容器において、１つかつ同一の処理ガスのみが、不活性キャリアガスと共に、または不活性キャリアガスがない状態で、流されるということである。それ故に、処理反応容器４の側壁は膜の成長に必要な第２のガスに晒されることがない。従って、この構成は処理反応容器４の側壁に化学的気相成長膜が形成されるのを防止する。このことが処理チャンバ３のウェットクリーニングの間の時間を長くし、ウェハー２０のパーティクル汚染を最小化する。
【００３８】
処理ガスを時間および空間の点で分離して適用することにより、膜の化学的気相成長のための前述した装置は、より高いスループットを生じさせ、かつウェハー表面のパーティクル汚染を最小化する。
［実施形態２］
【００３９】
第２の実施形態は図９を参照して説明される。この構成は第１実施形態を拡張したものである。処理チャンバ３において、２つまたはそれよりも多い処理反応容器４ａ，４ｂと他のプラズマ生成反応容器２４が設けられている。プラズマ生成反応容器２４は、図４を参照して説明されたそれと同様なｒｆ電極処理ガス導入部から構成される。ｒｆ電極は整合回路２２を介してＡＣ電源２３からｒｆ電流を供給される。さらに、プラズマ生成反応容器２４はプラズマを生成するために処理ガス２７を供給されている。プラズマ生成反応容器２４の目的は、成膜を完了した後において、ウェハーステージ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを洗浄することにある。
【００４０】
第１に、第１実施形態で説明されたように、処理反応容器４ａ，４ｂを用いることで成膜が実行され、他方、プラズマ生成反応容器２４にはオフ状態に維持されている。成膜が行われている間、膜は処理ガスに晒されたウェハーステージの上面の上に堆積されると同様にウェハー表面の上にも堆積される。ひとたび膜堆積が完了すると、ウェハーはすべてのウェハーステージから取り除かれる。それから、ウェハーステージは回転させられ、プラズマ生成反応容器２４のみが起動させられる。プラズマ生成反応容器２４の中に導入される処理ガスとして、先に堆積した膜を化学反応によって取り除く適当なガス化学作用が選択される。
【００４１】
同じ処理チャンバ３の内部の当該ウェハーステージクリーニング工程はウェットクリーニングの間の時間をさらに長くするようにし、かつウェハー表面のパーティクル汚染を減少させる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、より高い効率を有しかつ汚染がないように原子層成長方法を基礎にしてウェハー上に膜を堆積するのに用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】この図は、ＣＶＤ装置の処理チャンバの内部の全体構成を示す本発明に係る第１実施形態の概略図である。
【図２】この図は、第１実施形態における処理チャンバの内部構成を示す平面図である。
【図３】この図は、処理チャンバにおける処理反応容器の一例の縦断面図である。
【図４】この図は、プラズマによってラジカルとイオンが生成される処理反応容器の他の例の縦断面図である。
【図５】この図は、加熱ワイヤを用いることで熱的乖離によって処理ガスのラジカルが形成される処理反応容器の他の例の縦断面図である。
【図６】この図は、中央ポールに結合するための構造を示すウェハーステージの縦断面図である。
【図７】この図は、８個のウェハーステージを備えた処理チャンバの他の構成例を示す平面図である。
【図８】この図は、いくつかの処理反応容器を備えた処理チャンバの他の構成を示す平面図である。
【図９】この図は、第２の実施形態の平面該略図である。
【図１０】この図は、従来のＣＶＤ反応容器であり、膜が原子層成長技術によって堆積させられる当該従来装置の構成を示す平面図である。
【図１１】この図は、図１０に示された従来のＡＬＤモジュールの縦断面図である。
【図１２】この図は、従来のＡＬＤモジュールの中への処理ガス導入の方法を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００４４】
１ａ，１ｂ        ウェハー搬入／搬出チャンバ
２                ウェハー搬送チャンバ
３                処理チャンバ
４，４ａ，４ｂ    処理反応容器
５                ウェハー搬送室
６，６ａ−６ｄ    ウェハーステージ
７                中央ポール
１０              狭いスリット
【図１】
2006028577.tif 000003
【図２】
2006028577.tif 000004
【図３】
2006028577.tif 000005
【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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【図９】
2006028577.tif 000011
【図１０】
2006028577.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【外国語明細書】
[Title of the Invention]    CVD system
[Technical Field]
[0001]
The present invention relates to a CVD system, and more particularly, a CVD system having a multiple wafer holding system and separate process-reactors for each process gas.
[Background Arts]
[0002]
Chemical vapor deposition (CVD) of thin films is an essential step in the fabrication of integrated circuits on Si or other wafers or substrates. It is known that, when chemical reactions are occurred on a wafer surface, a conformal film is resulted. This is specially important when depositing films on patterned wafers where holes and trenches of micro-scale are fabricated. Recently, the accuracy of film thickness becomes more important due to the shrink of device feature size to below 0.1 micron. As a method in improving the film thickness controllability atomic layer deposition (ALD) technique came into application, where process gases are separately introduced onto the wafer surface. Even though this technique gives a conformal film on the surface of the patterned wafers, the throughput obtained with conventional reactor configurations of these reactors lies at a lower value, for example, about 10 wafers per hour. This problem is explained with reference to Figs. 10, 11 and 12. 
[0003]
Fig. 10 shows a plan view of a conventional chemical vapor deposition reactor where films are deposited by atomic layer deposition (ALD) technique. This reactor 100 comprised of a wafer input/output chambers 101a and 101b, wafer alignment compartment 102, wafer transfer compartment 103 including a wafer transfer robot mechanism 103a, and an ALD module 104. A schematic diagram of the ALD module 104 is shown in Fig. 11. Fig. 11 shows a longitudinal cross sectional view of the ALD module 104.
[0004]
As shown in Fig. 11, the ALD module 104 is comprised of a wafer stage 105, gas inlet 106, gas switching device 107, vacuuming port 108, and a wafer input/output port 114. A wafer 109 is placed on the wafer stage 105 and heated to a desired temperature with the use of heater 110 assembled within the wafer stage 105. The heater is supplied with electric power from a power source 111. For the simplicity lets assume that only two process gases called "A" and "B" are needed for the chemical vapor deposition of the film. A gas supplier 112 supplies the process gas A and the gas supplier 113 supplies the process gas B. These process gases A and B are introduced into the ALD module 104 as short pulses 121 separated with time as shown in Fig. 12. First, one of the gases, the process gas A is introduced for a short period of time. Then the process gas A is stopped and vacuumed the reactor to remove excess gas on the wafer surface. That is only surface-absorbed one layer of the process gas A remains on the wafer surface. Then process gas B is introduced for a short period of time, stopped and vacuumed. The surface absorbed gases A and B react on the wafer surface and from a mono-layer of film. This process is repeated until the required film thickness is obtained.
[0005]
In addition, there is the following patent document 1 as one of the conventional arts. The document 1 discloses the atomic layer deposition technique of enabling to reduce the size of reactor, perform the atomic layer deposition with higher efficiency, and improve reliability. The reactor shown in this document has four gas sells. Each of the gas sells has a gas outlet port with a predetermined size and a gas diffusion plate. Further, the above reactor has a rotatable wafer holder loading a plurality of wafers. These wafers can be rotated in state of being perpendicular to the gas diffusion plate at each of the gas sells. In each of the gas sells, different gases are given to the wafer in order to repeat the atomic layer deposition. The wafers are is rotated in a vertical position.
[Patent Document 1]    JP-A-5-234899
[Disclosure of the Invention]
[Subject to be solved by the Invention]
[0006]
In the above-mentioned conventional CVD technique only a mono-layer of film with a thickness approximately few angstroms is grown at a time. Therefore, in obtaining a considerably thicker film it takes a longer time. This reduces the throughput.
[0007]
Further, in the conventional CVD technique, there is another problem of depositing films on the sidewalls of the reactor of the ALD module 104. Because, sidewalls also exposes to both process gases A and B the same as the wafer 109. Even though the sidewalls are not heated in order to suppress the film deposition on its surfaces, its temperature can be rise gradually by the conduction and radiation heating mechanisms because the wafer stage 105 is heated. This temperature rise supports the film deposition on the sidewalls. Films deposited on the sidewall become a problem when these films are peeled off as flakes and contaminate the wafer surface. At this stage film deposition on wafers has to be stopped and reactor walls has to be cleaned by a suitable method. Frequent reactor cleaning step further reduces the overall throughput.
[0008]
In addition, the atomic layer deposition technique of the patent document 1 needs the clamping unit for each spot loading the wafer of vertical position in the wafer holder. The structure for claming the wafer makes possibility of contaminating the wafer surface.
[0009]
The object of the present invention is to provide a CVD system capable of depositing films on the wafers with a higher throughput and without a contamination on the wafer surface.
[Means to solve the Problem]
[0010]
A CVD system of the present invention is configured as follows in order to attain the above-mentioned object.
[0011]
A CVD system of the present invention is provided with wafer input/output chambers, a wafer-process chamber and a wafer transfer chamber. In this structure, further, the wafer-process chamber is comprised of two or more wafer stages each of which is connected to a rotatable and preferably vertical central pole via a horizontal arm member, a wafer load/unload compartment, and two or more separate process-reactors wherein each process-reactor is supplied only one type of process gas that needed for the chemical vapor deposition of a film. In the wafer-process chamber, the wafer load/unload compartment and the process-reactors are placed at the same radial distance from the central pole so that, when the central pole is rotated, each of the wafer stage passes through each of the process-reactors and the wafer load/unload compartment.
[0012]
In the above CVD system, process gases needed for the chemical vapor deposition are separately supplied through each of the process-reactors, and when the wafer stage passes through each of the process-reactors, a wafer loaded on the wafer stage exposes to the process gases and a chemical vapor deposition reactions occur on the surface of the wafer and form a film. 
[0013]
In the above CVD system, the process-reactor has a passage through which the wafer stage passes at lower side thereof.
[0014]
In the above CVD system, atomic layer deposition is carried out in each of the process-reactors.
[0015]
In the above CVD system, each process-reactor is supplied only one of the process gases in a continuous mode, or in a pulse mode so that gas-pulse activates when the wafer stage comes into said process-reactor.
[0016]
In the above CVD system, the wafer-process chamber is at a very low pressure and there is a considerable distance between any two neighboring process-reactors so that, when the wafer stage comes out from one of the process-reactors, all process gases except that absorbed onto the surface of the wafer are removed before the wafer stage moves into next process-reactor, so that only a one mono-layer of film growths at a time.  
[0017]
In the above CVD system, the wafer stages are continuously rotated by rotating the central pole with a predetermined rotation speed until a film with the required film thickness is deposited on the surface of the  wafer. 
[0018]
In the above CVD system, one or many of process-reactors form plasma with the supplied process gas.
[0019]
In the CVD system, one or many of process-rectors decompose the supplied process gas with the assist of electrically heated wire. 
[0020]
In accordance with the CVD (chemical vapor deposition) system of the present invention, it is possible to deposit films on wafers with a higher throughput by introducing process gas separately in different process-reactors. These process-reactors are aligned in a circular line. Two or more wafers loaded on the wafer stages are rotated through each of the process-reactors by using a central rotating system.
[0021]
The wafer stages rapidly move through each of the process-reactors and form a film on the wafer surface by CVD process. Owing to the use of multiple wafer stages this configuration gives a higher throughput. Due to the separate process-gas reactors film depositions on the process-reactor sidewalls are prevented which lengthen the operational time before wet cleaning and reduce the particle contamination on the wafer surface.
[0022]
Generally, the CVD configuration given by the present invention or a similar configured CVD systems yield about 15 wafers per hour or less. 
[Effect of the Invention]
[0023]
In accordance with the present invention, when typically carrying out the atomic layer deposition onto the wafers in the process chamber of the CVD system, a higher throughput can be attained and a contamination on the wafer surface can be reduced.
[Best Working Examples for carrying out the Invention]
[0024]
Hereinafter, preferred working examples will be explained according to the attached drawings. Through the explanation of the working examples, the details of the present invention will be clarified.
[Working Example 1]
[0025]
A first working example of the present invention is explained with reference to Figs. 1 and 2. The CVD system of the first working example is comprised of wafer input/output chambers 1a and 1b, wafer transfer chamber 2, and a process chamber 3. There are at least two process-reactors 4a and 4b and a wafer load/unload compartment 5 within the process chamber 3. The process-reactors 4a and 4b, and the wafer load/unload compartment 5 are placed at the same radial distance from the center of the process chamber 3. In Fig. 3, the top wall of the process chamber 3 is omitted. The inside of the process chamber 3 is evacuated.
[0026]
At the center of the process chamber 3 there is a vertical pole 7 that can be rotated with a desired rotation speed. Further, there are preferably four wafer stages 6a, 6b, 6c and 6d, which are connected to the central pole 7 with horizontal arms 8a, 8b, 8c and 8d as shown in Figs. 1 and 2. When the central pole 7 is rotated, each of four wafer holders passes through the process-reactors 4a and 4b. The process chamber 3 is vacuumed through a gas outlet 9 formed in a bottom wall to a predetermined very low pressure. The value of the pressure inside the process chamber 3 is not critical but typically maintained at a pressure lower than 0.1 Pa.
[0027]
The process-reactor 4 (4a or 4b) is simply a small cavity as shown in Fig. 3. The cross sectional shape of the process-reactor is not important. It may be of square or circular shape. A process gas is fed into the process reactor 4 in a continuous mode or a pulse mode. Concretely, the process gases A and B are fed into the process reactors 4a and 4b respectively as shown in Fig. 2. If the process gas is fed as a pulse, the pulse is activated when the wafer stage 6 (6a, 6b, 6c or 6d) comes into the process-reactor 4. There is a narrow slit 10 in each process-reactor 4 in order to pass the wafer stage 6. The sidewalls 11 below the narrow slit 10 are not necessary, so that one can use the process-reactor 4 without the sidewall below the narrow slit 10; that is the wafer stage 6 simply passes below the process-reactor 11. There is no bottom plate for the process-reactor 4. Therefore, the process-reactors 4a and 4b are also vacuumed through the gas outlet 9 of the process chamber 3.
[0028]
The process gases A and B are respectively fed into the process-reactors 4a and 4b via the gas inlet 12. The process gas A and B are respectively supplied from process gas suppliers 26 and 25 through a gas switching system 28. Fig. 3 shows only one gas inlet 12 within the process-reactor 4, however, one can make several gas inlets, such as a showerhead within the process-reactor 4. 
[0029]
Another configuration for the process-reactor is shown in Fig. 4 as a modified example. In this case, there is a rf electrode 13 made of a metal to generate a capacitively coupled plasma within the process-reactor 4. The rf electrode 13 is electrically isolated from the rest of the process-reactor 4 by covering with an insulating member 21. The rf electrode 13 is supplied a rf current from a rf power source 15 via a matching circuit 14. The process gas is fed through a gas showerhead 13a that is an integrated part of the rf electrode 13 as shown in Fig. 4. Other hardware of the process-reactor 4 is the same as that explained previously.
[0030]
With the use of this plasma-assisted process-rector 4 the process gas can be decomposed into radicals and ions and then these species bombard on the surface of the wafer on loaded on the wafer stage 6. Therefore, when this plasma-assisted process-reactor 4 is used, one reactant of the chemical vapor deposition reaction decomposes to ions or radicals or both.
[0031]
Fig. 5 shows another possible configuration for the process-reactor 4. Here, the process gas is decomposed by the use of a heated wire 31 and forms radicals. Therefore, one species of the chemical vapor deposition reaction on the wafer surface is in the form of radicals. The heated wire 31 is supplied a DC current or an AC current from a suitable power sources 32. At the same time, the power source 32 supplies the necessary current to the electrode 13. The temperature of the heated wire 14 is usually around 1000 ℃ or higher, and is determined depending on the type of the process gas fed into the process-reactor 4. Other hardware of this process-reactor 4 is the same as that explained previously. 
[0032]
Fig. 6 shows a cross sectional view of the wafer stage 6 (6a, 6b, 6c or 6d), central pole 7, and horizontal arm 8 (8a, 8b, 8c, or 8d) that connect the wafer stage 6 to the central pole 7. There is a heater 16 embedded within the wafer stage 6. Usually the heater 16 is embedded within a dielectric member 18. The upper plate 19 of the wafer stage 6 may be made of a dielectric or a metal member. The thickness of the dielectric member 18 and the upper plate 19 are taken as thinner as possible in order to minimize the overall thickness of the wafer stage 6. The electrical connections 17 to the heater 16 are supplied through the central pole 7 and the horizontal arm 8. The central pole 7 and the horizontal arm 8 are preferably made of a metal.
[0033]
There is a robotic arm in the wafer transfer chamber 2 to transfer the wafers 20 from wafer cassettes to the wafer stage 6 (6a, 6b, 6c or 6d). When the wafer stage 6 comes into the wafer load/unload compartment 5, the wafer stage 6 receives the wafer 20. First, the wafer 20 is loaded on each wafer stage 6 by rotating the central pole 7. Then the central pole 7 is constantly rotated in order to pass each wafer stage through the process-reactors 4 (4a and 4b). When the wafer stage 6 comes into the process-reactor 4 (4a), the wafer 20 is exposed to one (A) of the process gases (A and B). Then the wafer stage 6 moves out of the process-reactor where the pressure lies at a very low level. At this stage the excess process gas on the wafer surface is removed and only one atomic or molecular layer of process gas is remained on the wafer surface due to weak chemisorptions.
[0034]
Then the wafer stage 6 moves into next process-reactor 4 (4b) and exposes to the other process gas (B) that required for the reaction of chemical vapor deposition. With the expose to this second gas (B), chemical reaction goes on the wafer surface and forms a film.  Since there is only one atomic or molecular layer of the first process gas, only a mono layer of film is formed.  When the wafer stage 6 comes out from the second process-reactor 4 (4b) the remaining or excess process gas is vacuumed out from the wafer surface. This completes one process cycle. This cycle continuously goes on with the rotation of the central pole 7 until film thickness comes to the required value. When the film is formed to the required thickness, the wafers 20 are removed from each wafer stage 6 using wafer load/unload compartment 5.
[0035]
In Figs. 1 and 2, there are four wafer stages 6a, 6b, 6c and 6d connected to the central pole 7. Therefore, the throughput increases by 4 time when compared to a single wafer reactor as explained in the prior art section. Moreover, one can fix more than 4 wafer stages 6 to the central pole 7 as shown in Fig. 7 where there are 8 wafer stages 6. The configuration given in Fig. 7 increases the throughput by 8 times. 
[0036]
Moreover, only two process-reactors 4a and 4b are shown in Figs. 1 and 2 assuming that only two types of process gases (A and B) are used for the CVD process. For example, in TiN deposition TiCl4 and NH3 gases are used preferably with an inert carrier gas. However, the number of process-reactors 4 within the process chamber 2 is not critical and can be more than two. For example, Fig. 8 shows another configuration where there are six process-reactors 4a, 4b, 4c, 4d, 4e and 4f. If only two process gases are used for the CVD process, each process gas can be alternatively add through the process-reactors. This method forms three layers of CVD film on a wafer when the central pole completes one cycle. This also contributes to an increase of throughput.
[0037]
The other advantage of the first working example is in each process reactor only one and the same process gas is flown with or without an inert carrier gas. Therefore, the sidewalls of the process-reactors 4 are not exposed to the second gas that needed for the deposition of film. Accordingly, this configuration prevents the formation of chemical vapor deposited films on the sidewalls of the process-reactors 4. This lengthens the time between wet cleaning of process chamber 3 and minimizes the particle contamination to the wafer 20.
[0038]
The above-mentioned system for the chemical vapor deposition of a film by applying process gas separated with time and space yield a higher throughput and minimizes the particle contamination to the wafer surface. 
[Working Example 2]
[0039]
A second working example is explained with reference to Fig. 9. This configuration is an extension of the first working example.  In the process chamber 3 there are two or more process-reactors 4a and 4b and another plasma-generating reactor 24. The plasma-generating reactor 24 is comprised of a rf electrode process gas inlet similar to that explained with reference of Fig. 4. The rf electrode is supplied a rf current from an AC power source 23 via a matching circuit 22. Further, the plasma-generating reactor 24 is supplied with a process gas 27 to generate the plasma. The purpose of this plasma-generating reactor 24 is to clean the wafer stages 6a, 6b, 6c and 6d after completing the film depositions. 
[0040]
First, the film deposition is carried out as explained in the first working example using process-reactors 4a and 4b, while the plasma-generating reactor 24 kept off. It is known that during the film deposition, film is deposited on the wafer surface as well as on the upper surface of the wafer stage that exposes to the process gases. Once the film deposition is completed, wafers are removed from all wafer stages. Then wafer stages are rotated and only the plasma-generating reactor 24 is activated. As the process gas into the plasma-generating reactor 24, suitable gas chemistry is selected that removes the previously deposited film by a chemical reaction. 
[0041]
This wafer stage cleaning process within the same process chamber 3 enhances the time between wet cleaning and reduces the particle contamination on the wafer surface.
[Usability in Industry]
[0042]
The present invention is used for depositing the films on the wafers based on the atomic layer deposition method with higher efficiency and without the contamination.
[Explanation of Figure]
[0043]
[Fig. 1]
This figure is a schematic view of the first working example of the present invention showing a whole inside configuration of the process chamber of a CVD system. 
[Fig. 2]
This figure is a plan view showing the inside configuration of the process chamber in the first working example.
[Fig. 3]
This figure is a longitudinal cross sectional view of one example of the process-reactor in the process chamber.
[Fig. 4]
This figure is a longitudinal cross sectional view of another example of the process reactor where radicals and ions are generated by a plasma.
[Fig. 5]
This figure is a longitudinal cross sectional view of another example of the process reactor where radicals of the process gas are formed by a thermal dissociation with the use of a heated wire.
[Fig. 6]
This figure is a longitudinal cross sectional view of a wafer stage showing structure for connection to the central pole.
[Fig. 7]
This figure is a plan view showing another configuration of the process chamber with eight wafer stages.
[Fig. 8]
This figure is a plan view showing another configuration of the process chamber with several process reactors. 
[Fig. 9]
This figure is a plan schematic view of the second working example. 
[Fig. 10]
This figure is a plane vies showing a configuration of a conventional CVD reactor where films are deposited by atomic layer deposition technique.
[Fig. 11]
This figure is a longitudinal cross sectional view of the conventional ALD module shown in Fig. 10.
[Fig. 12]
This figure is a timing chart showing the method of process gas introduction into the conventional ALD module.
[Explanation of Reference Signs]
[0044]
1a, 1b     Wafer input/output chambers
2          Wafer transfer chamber
3          Process chamber
4, 4a, 4b  Process-reactors
5          Wafer-transfer compartment
6, 6a-6d   Wafer stage
7          Central pole
10         Narrow slit
[Claim 1]
A CVD system having wafer input/output chambers, a wafer-process chamber and a wafer transfer chamber, and said wafer-process chamber is comprised of: 
two or more wafer stages each of which is connected to a rotatable central pole via an arm member, 
a wafer load/unload compartment, and 
two or more separate process-reactors wherein each process-reactor is supplied only one type of process gas that needed for the chemical vapor deposition of a film,
wherein said wafer load/unload compartment and said process-reactors are placed at the same radial distance from said central pole so that, when said central pole is rotated, each of said wafer stage passes through each of said process-reactors and said wafer load/unload compartment.
[Claim 2]
A CVD system according to claim 1, wherein process gases needed for the chemical vapor deposition are separately supplied through each of said process-reactors, and when said wafer stage passes through each of said process-reactors, a wafer loaded on said wafer stage exposes to said process gases and a chemical vapor deposition reactions occur on the surface of said wafer and form a film. 
[Claim 3]
A CVD system according to claim 1 or 2, wherein said process-reactor has a passage through which said wafer stage passes at lower side thereof.
[Claim 4]
A CVD system according to claim 1 or 2, wherein atomic layer deposition is carried out in each of said process-reactors.
[Claim 5]
A CVD system according to any one of claims 1-4, wherein each process-reactor is supplied only one of the process gases in a continuous mode, or in a pulse mode so that gas-pulse activates when said wafer stage comes into said process-reactor.
[Claim 6]
A CVD system according to any one of claims 1-5, wherein said wafer-process chamber is at a very low pressure and there is a considerable distance between any two neighboring process-reactors so that, when said wafer stage comes out from one of said process-reactors, all process gases except that absorbed onto the surface of said wafer are removed before said wafer stage moves into next process-reactor, so that only a one mono-layer of film growths at a time.  
[Claim 7]
A CVD system according to any one of claims 1-6, wherein said wafer stages are continuously rotated by rotating said central pole with a predetermined rotation speed until a film with the required film thickness is deposited on the surface of said wafer. 
[Claim 8]
A CVD system according to any one of claims 1-7, wherein one or many of process-reactors form plasma with the supplied process gas.
[Claim 9]
A CVD system according to any one of claims 1-8 wherein one or many of process-rectors decompose the supplied process gas with the assist of electrically heated wire. 
[Abstract]
[Subject of the present invention]     To provide a CVD system capable of depositing films on the wafers with a higher throughput and without a contamination on the wafer surface.
[Means to solve the Problem]     A CVD system is provided with wafer input/output chambers 1a and 1b, a process chamber 3 and a wafer transfer chamber 2. The process chamber is comprised of two or more wafer stages 6a-6d each of which is connected to a rotatable central pole 7 via an arm 8a-8d, a wafer load/unload compartment 5, and two or more separate process-reactors 4a and 4b wherein each process-reactor is supplied only one type of process gas that needed for the chemical vapor deposition of a film. The wafer load/unload compartment and process-reactors are placed at the same radial distance from the central pole so that, when the central pole is rotated, each of the wafer stage passes through each of the process-reactors and the wafer load/unload compartment.
[Representative Figure]   Fig. 1
【Fig. 1】
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【Fig. 2】
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【Fig. 3】
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【Fig. 4】
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【Fig. 5】
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【Fig. 6】
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【Fig. 7】
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【Fig. 8】
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【Fig. 9】
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【Fig. 10】
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【Fig. 11】
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【Fig. 12】
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