(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気圧に等しいか又はそれ以上の圧力のプロセスガス中、高められた温度で半導体ウェハを処理するリアクタであって、
プロセス中少なくとも１つの半導体ウェハを収納するウェハチャンバを有するリアクタ容器であって、前記リアクタ容器を介して前記チャンバを加熱する加熱ポートを有するリアクタ容器と、
前記リアクタ容器の外側に設けられ、前記加熱ポートを介して前記チャンバ内にエネルギーを照射して前記ウェハの温度を上昇させる輻射エネルギー加熱手段と、
前記プロセスガスを前記チャンバ内に導入し、前記チャンバから前記プロセスガスを排気するガス手段と、及び、
中央窓部分を有し前記加熱ポート上に取り付けられるカバー部材であって、前記中央窓部分は、前記加熱手段からの輻射エネルギーを前記チャンバ内にほぼ透過する材料で作製され、前記中央窓部分は凹状の外側表面を画成する内側に向いた弓部を有するカバー部材と
を備えるリアクタ。
【請求項２】
前記中央窓部分は、透明な融解シリカ石英からなる請求項１に記載のリアクタ。
【請求項３】
前記窓部分の内側に向いた弓部は、１２７０ミリ以上の曲率半径を有する球形である請求項１に記載のリアクタ。
【請求項４】
大気圧以上の圧力のプロセスガス中、高められた温度で半導体ウェハを処理するリアクタであって、
プロセス中、少なくとも１つの半導体ウェハを収納するウェハチャンバを有するリアクタ容器であって、前記リアクタ容器を介して前記チャンバを加熱する加熱ポートを有するリアクタ容器と、
前記リアクタ容器の外側に設けられ、前記加熱ポートを介して前記チャンバ内にエネルギーを照射して前記ウェハの温度を上昇させる輻射エネルギー加熱手段と、
前記プロセスガスを前記チャンバに導入する第１のガス手段と、
前記ガスの流れを制限するフロー制限手段を有し、前記チャンバから前記プロセスガスを排気する第２のガス手段と、及び、
中央窓部分及びフランジ部分を有し前記加熱ポート上に取り付けられるカバー部材であって、前記中央窓部分は、前記加熱手段からの輻射エネルギーを前記チャンバ内にほぼ透過する材料で作製され、前記中央窓部分は凹状の外側表面を画成する内側に向いた弓部を有するカバー部材と
を備えるリアクタ。
【請求項５】
前記中央窓部分は、透明な融解シリカ石英からなる請求項４に記載のリアクタ。
【請求項６】
前記窓部分の内側弓部は、１２７０ミリ以上の曲率半径を有する球形である請求項４に記載のリアクタ。
【請求項７】
前記フロー制限手段は、スロットルバルブからなる請求項４に記載のリアクタ。
【請求項８】
前記フロー制限手段は、オリフィスからなる請求項４に記載のリアクタ。
【請求項９】
半導体ウェハを処理するリアクタを作動する方法であって、
ａ） 前記リアクタのプロセスチャンバ内に半導体ウェハを載置する工程と、
ｂ） 前記チャンバ内にプロセスガスを導入する工程と、
ｃ） プロセスガスの圧力を、周囲圧力より大きい高められた圧力に上昇させる工程と、及び
ｄ）前記リアクタの凹状の外側表面を画成する内側に向いた弓部を有する中央部分を有する窓を
介して輻射エネルギーにより前記チャンバを加熱して前記ウェハの温度を上昇させる工程と
を含む方法。
【請求項１０】
前記プロセスガスの圧力は、前記チャンバの温度が高められるのと同時に上昇される請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記プロセスガスの圧力は、大気圧より６８９４．７５７Ｐａ以上高い値に上昇される請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
半導体ウェハを処理するリアクタを作動する方法であって、
ａ） 前記リアクタのプロセスチャンバ内に半導体ウェハを載置する工程と、
ｂ） 前記チャンバ内に非反応性ガスを導入する工程と、
ｃ） 前記非反応性ガスの圧力を、周囲圧力より大きい高められた圧力に上昇させる工程と、
ｄ）前記リアクタの凹状の外側表面を画成する内側に向いた弓部を有する中央部分を有する窓を介して輻射エネルギーにより前記チャンバを加熱して前記ウェハの温度を上昇させる工程と、及び
ｅ）前記チャンバ内にプロセスガスを導入する工程と
を含む方法。
【請求項１３】
前記非反応性ガスの圧力は、前記チャンバの温度が高められるのと同時に上昇される請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記非反応性ガスの圧力は、大気圧より６８９４．７５７Ｐａ以上高い値に上昇される請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
半導体ウェハを処理するリアクタを作動する方法であって、
ａ） 前記リアクタのプロセスチャンバ内に半導体ウェハを載置する工程であって、前記チャンバは、凹状の外側表面を画成する内側に向いた弓部を有する窓部分によって少なくとも部分的に画成され、
ｂ） 中央部分を有する前記窓を介して輻射エネルギーにより前記チャンバを加熱して前記ウェハの温度を上昇させる工程と、及び
ｃ）前記チャンバ内にプロセスガスを導入する工程と
を含む方法。
【請求項１６】
前記プロセスガスの圧力は、ほぼ大気圧に維持される請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェハを処理するサーマルリアクタ、さらに詳細には、大気圧又は大気圧以上の圧力におけるプロセスで応力が減少したドーム型の窓を有するリアクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の技術的進歩は、半導体プロセスの進歩によって可能になる電子回路の小型化を増大することにほぼ一致する。ある先進のプロセス技術は、慎重に制御された条件下で反応ガスに半導体構造をさらすことを必要とする。このようなプロセスの例は、化学気相堆積及びエッチングプロセスを含む。均一な結果例えばウェハを横切る堆積厚さを確保するために、温度及びガス流の均一性は特別な関心事である。
【０００３】
半導体ウェハ（または基板）上に層を堆積させるプロセスは、通常、サーマルリアクタチャンバ内に基板を配置し、ウェハの表面を横切る反応ガス流内にウェハを保持することを伴う。加熱ポートを介してリアクタチャンバ内に赤外線を照射する外部ランプによって、サーマルリアクタは加熱される。加熱ポートは、赤外線を透過する石英窓に覆われている。
【０００４】
先行技術の堆積プロセスは、周囲圧力及び準周囲圧力における反応ガスの堆積を伴う。図１は、減圧動作で使用されるサーマルリアクタ１００の断面図を示す。リアクタ１００は、ウェハ表面上にプロセスガスが流れるのを容易にするチャンバ１０２を含む。ハウジングは、ガス吸気口１０６及びガス排気口１０８を有するベースプレート１０４を含む。上部クランプリング１１０及び下部クランプリング１１２は、それぞれその場所で石英カバー部材１１４及び石英下部部材１１６を保持するように作用する。カバー部材１１４は、一般にフランジ部分１１８及び中央窓部分１２０を含む。フランジ部分１１８は、弾力性のあるＯ−リング１２２によってベースプレート１０４及びクランプリング１１０間で弾力的に支持される。ガスソースに接続されているガス吸気口１０６を通して、プロセスガスはチャンバ１０２内に注入される。残余のプロセスガス及び種々の廃棄物は、排気口１０８を通して連続的にチャンバ１０２の内部から除去される。サセプタ１２４は、半導体／層堆積プロセスの間、その位置でウェハを保持する。サセプタ支持体シャフト１２６は、半導体製造プロセスの間、ウェハを位置決めして回転するためにサセプタ１２４に結合される。石英中央窓部分１２０は、凸状外側表面を形成する外側弓部を有する。外側弓部は、ウエハ処理の間、チャンバ１０２の減少された内圧に対して周囲圧力の圧縮力に対抗するのに十分にカーブしている。加熱ランプ１２８及び１３０は、赤外線照射を透過する窓部分１２０及び石英下部部材１１６を介して、チャンバ内に赤外線放射熱を提供する。
【０００５】
周囲圧力でのウエハ処理がしばしば望ましく、これは、プロセスガスの堆積速度は、減圧下より周囲圧力の方が高いためである。周囲圧力プロセスもまた、所定の化学種、例えばトリクロロシランの使用を可能とし、この化学種は減圧下でチャンバ壁をコーティングする望ましくない効果を有する。
【０００６】
図２は、周囲圧力サーマルリアクタ２００の断面図を示す。図２で示すように、リアクタ２００は、図１の準周囲圧力リアクタの外側に弓形の窓の代わりに、平らな石英窓２０２を含む。平らな窓は、ウェハ表面を横切る均一な反応ガス流を提供するが、窓の表面を横切る差圧が存在するプロセス用途には使用できない。チャンバが過圧又は低圧条件に曝される時、平らな窓を横切る差圧は局部的な応力を生じ、窓の破損を招く。平らな窓デザインに関連する他の問題は、窓内の温度勾配に起因する高い内部引っ張り応力が窓を破損する結果となることである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
これらの問題を解決する１つの方法は、窓の壁厚を増大することである。しかし、石英の内部表面温度は壁厚が増大するにつれて増加する望ましくない結果を生ずる。この温度増加は、石英窓の内部表面への堆積を招き、続いて窓を通る輻射熱伝導を減少する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
半導体ウェハを処理するサーマルリアクタが開示される。サーマルリアクタ容器は、凹状外部表面で画成される内側弓部を有する中央石英窓部分を備えたカバー部材を含む。石英窓の独特な形状は、サーマルリアクタチャンバの動作圧力が大気圧より大きい圧力に維持されるのを許容する。正のチャンバ圧力は、サーマルリアクタの加熱中に生成される熱膨張によって生じる応力を補償することによって、加熱されたカバー部材における応力レベルを減少する。したがって、本発明に従って、ウェハ表面上への層の堆積は、チャンバ内のサセプタ上にウェハを載置し、プロセス反応ガスでチャンバを大気圧以上に加圧することによって達成される。一旦チャンバが加圧されると、ウェハは石英中央窓部分を通して輻射熱により加熱され、反応ガスはチャンバ内に導入されウェハ上に流される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明は、添付の図面によってさらに詳細に説明されるが、これに限定されるものではなく、図中、同一符号は同一部材を示す。
【図１】従来の準周囲圧力のサーマルリアクタの代表的な断面図を示す。
【図２】従来の準周囲圧力のサーマルリアクタの代表的な断面図を示す。
【図３】本発明の一実施形態によるサーマルリアクタの断面図を示す。
【図４】本発明の他の実施形態によるサーマルリアクタの断面図を示す。
【図５】本発明による半導体ウェハの処理方法の流れ図である。
【図６】本発明による半導体ウェハの処理方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
サーマルリアクタのための石英窓が開示される。以下の記載において、本発明を十分に理解するために、材料タイプ、寸法、その他の数値的な詳細が述べられる。しかし、本発明がこれらの特定な詳細なしに実施されてもよいことは、当業者にとって自明である。他の例において、周知な構造及び処理工程は、本発明との不要な混乱を避けるために、特に詳細は示さなかった。
【００１１】
図３を参照すると、本発明の一実施形態によるサーマルリアクタが示される。サーマルリアクタ３００は、ウェハリアクタチャンバ３０４を画成するリアクタ容器３０２で形成される。チャンバ３０２は、部分的には、上部熱源３０８の下に取り付けられるカバー部材３０６と、下部熱源３１２の上に取り付けられる下部部材３１０とによって画成される。カバー部材３０６及び下部部材３１０は、一般に石英で作られている。赤外線を透過する部材３０６及び３１０を通して、熱源３０８及び３１２はチャンバ内に赤外線輻射熱を供給する。ウェハカバー部材３０６は、中央窓部分３１４と、中央窓部分を支持する周辺フランジ部分３１６を含む。中央窓部分３１４は、代表的には透明な融解石英で作製され、一方、フランジ部分は不透明な石英で作製されている。フランジは、ベースプレート３１８及び上部クランプリング３２０の間で保持される。クランプリング３２０は、適当な締め付け手段例えばボルト３２２によりベースプレート３１８に固定される。カバー部材３１６は、完全に単一の材料例えば融解シリカ石英から作られてもよいことが認められるであろう。さらに、カバー部材がリアクタハウジングに取り付けられる方法に、本発明は限定されないことを理解されるであろう。
【００１２】
カバー部材３０６は、ベースプレート３１８及びフランジ３１６の間に位置するベースシーリングリング３２４のような緩衝材によって、弾力性に富んで支持される。カバー部材３０６はさらに、クランプリング３２０及びフランジ３１６の間に位置するクランプシーリングＯ−リング３２６によって支持される。Ｏ−リングは、締め付けボルト３２２により予め取り付けられ、チャンバ３０４内のプロセスガスが周囲雰囲気に漏れるのを防ぐために、二重のシールを提供する。下部部材３１０もまた、窓部分３２８及びフランジ部分３３０を有し、上述と同様に、締め付けボルト３３４及びＯ−リング３３６及び３３８によりベースプレート３１８及び下部クランプリング３３２の間に取り付けられる。
【００１３】
プロセスガスは、ガス入口ポート３４０を通ってチャンバ３０４に入り、出口ポート３４２を通ってチャンバを出る。チャンバ内のガスの圧力は、出口ポート３４２からのガス流を測定することによって維持する。
【００１４】
サセプタ３４４は、ウェハ３４６を支持するためにチャンバ３０４内に提供される。サセプタ３４４は、モーター（図示しない）に接続されたマウントシャフト３４８を含む。このように、ウェハ３４８は、プロセス中より均一な加熱及び堆積を可能とするために、回転させてもよい。
【００１５】
上述したように、周囲圧力におけるプロセスはしばしば望ましい。これは、プロセスガスの堆積速度が減圧下におけるより周囲圧力での方が高いためである。しかし、既存の周囲圧力サーマルリアクタと関連する問題は、このようなリアクタに使用される平らな窓が、チャンバが過圧又は許容以下の圧力になった場合に破損しがちであることである。窓部分３１４の石英材料は、著しく吸収されることなく窓を介してチャンバに通り抜ける赤外線加熱ランプからの直接放射を、一般に透過する。しかし、加熱されたウェハ及びサセプタから再放射される低周波数エネルギーの一部は、窓材料によって著しく吸収され石英窓を透過する。これらの再放射は、窓内で熱を発生し、熱膨張力を生じる。従来のサーマルリアクタにおける平らな窓は、窓の熱膨張のために起こる高内部張力ストレスから破損し易い。その結果、平らな窓は、刻み目または欠け傷が存在するかもしれないフランジ部分の外端部に沿って、特に破損に弱い。
【００１６】
本発明の顕著な特徴は、カバー部材３０６の構成にある。本発明によれば、カバー部材３０６の窓部分３１４は、わずかに内側に弓型を有し、わずかに凹状の外側表面を形成する。内側弓部は、中央窓部分３１４内の応力をフランジ部分３１６に伝達する。従ってフランジ部分は、カバーを横切る圧力差によるドーム型カバー部材３０６の外側への膨張及び／又は中央窓部分３１４の加熱による熱膨張に抵抗する作用をする。窓の内側弓部は、従来の周囲圧力サーマルリアクタの平らな窓に非常に近似しており、従って、プロセスガスのより望ましいフロー断面となる。
【００１７】
窓部分３１４の直径は、１つのサーマルリアクタから他のサーマルリアクタへ著しく変動しても良い。１つの典型的な実施形態において、窓部分３１４は４４．４５ｃｍ（１７．５インチ）の直径を有する。中央窓部分３１４の曲率半径は、比較的大きく、代表的には、図１の準周囲圧力ドーム型窓の３〜１０倍である。１つの実施形態において、窓部分３１４は２．５４ｍ（１００インチ）の曲率半径を有する。特定の用途に依っては、曲率半径は代表的には１．２７ｍ〜７．６２ｍ（５０〜３００インチ）の範囲にある。中央窓部分３１４の厚さは、一般に２．５４ｍｍ〜５．０８ｍｍ（０．１〜０．２インチ）の範囲にある。フランジ部分３１６の厚さは、１．９０５ｃｍ〜３．８１ｃｍ（０．７５〜１．５インチ）の範囲にある。
【００１８】
石英の作動強度は、３４．４７ＭＰａないし９６．５３ＭＰａ（１平方インチにつき５，０００〜１４，０００ポンド（p.s.i.））の範囲にある。材料品質の変動による安全係数を提供するために、石英窓の内部張力の応力を１３．７９ＭＰａ（２，０００p.s.i.）までに制限することが望ましい。カバー部材３０６の独特な形状は、チャンバ３０４の動作圧力を大気圧より僅かに大きい圧力で維持されるのを可能とする。正のチャンバ圧力は、加熱時に生ずる熱膨張によって生成するストレスを補償することによって、カバー部材３０６における応力レベルを実際に減少する。したがって、本発明によれば、ウェハ３４６の表面上への層の堆積は、ウェハをサセプタ３４４上に載置し、プロセス反応ガスで大気圧以上にチャンバを加圧することによって達成されてもよい。１つの実施形態において、チャンバ圧力は、約２０６８５Ｐａの圧力差（３p.s.i.g.））で維持される。しかし、本発明は高められたチャンバ作動圧力のいずれかに限定されないことを理解されたい。チャンバ作動圧力は、およそ約６８９５Ｐａ〜６８９５０Ｐａの圧力差（１〜１０p.s.i.g. ）までの範囲である。チャンバ３０４の加圧は、チャンバに存在するガスの流れを制限することによって達成される。最初にチャンバ３０４を加圧するために使用されるガスは、非反応性ガス例えばヘリウムであってもよく、或いはプロセス反応ガスを含んでもよい。反応ガスは、多数のガス例えば水素または水素／堆積種混合ガスのいずれかを含んでもよい。堆積種は、トリクロロシラン、ジクロロシラン、シラン又は種々のドーパント種のいずれかを含んでもよい。図４に示すように、ガスの流れを制限するために、スロットルバルブ４０２をプロセスガス管４０４に配置してもよい。チャンバ３０４を加圧するバックプレッシャを生成するために、ガスの流れを制限する、オリフィスまたは他の制限手段もまた使用してもよい。一旦チャンバが加圧されると、ウェハ３４６は中央窓部分３１４を通して輻射熱で加熱され、反応ガスがチャンバ３０４内に導入され、ウェハ３４６上を流れる。図５は、プロセスの流れ図である。他の実施形態において、チャンバは、加圧され同時に加熱される。
【００１９】
サーマルリアクタを正の圧力で作動することによって、チャンバ内のより高いガス密度のために高い成長速度が達成される。サーマルリアクタを正の圧力で作動する他の利点は、チャンバ圧力を所定の値に制御することができ、これにより、プロセスの繰返し性及び均一性を改善する。さらに、正の圧力で作動することにより、サーマルリアクタチャンバは、周囲圧力サーマルリアクタよりも正確にリークチェックをすることができる。
【００２０】
本発明は、プロセスチャンバ内に正の圧力が確立され維持される場合に限定されないことは、重要である。本発明のサーマルリアクタはまた、周囲圧力プロセスのために使用されてもよい。周囲圧力プロセスの間、チャンバ窓の内側弓部は、過圧状況における窓の亀裂や破壊を妨げる作用をする。
【００２１】
図６は、本発明の他の実施形態によるサーマルリアクタ５００を示す。サーマルリアクタ５００は、ウェハリアクタチャンバ５０４を画成するリアクタ容器５０２で形成される。部分的には、チャンバ５０２は上部熱源５０８の下に取り付けられる上部カバー部材５０６と、下部熱源５１２の上に取り付けられる下部カバー部材５１０とによって画成される。カバー部材５０６及び５１０は、一般に石英で作製される。熱源５０８及び５１２は、赤外線照射を透過する部材５０６及び５１０を通して、チャンバ内に赤外線輻射熱を供給する。カバー部材５０６及び５１０の各々は、中央窓部分５１４及び５１５並びに周縁フランジ部分５１６及び５１７をそれぞれ含む。フランジ部分５１６及び５１７が不透明な石英で作られているのに対して、中央窓部分５１４及び５１５は代表的には透明な溶融シリカ石英で作られている。上部フランジ部分５１６は、ベースプレート５１８及び上部クランプリング５２０間に保持されている。クランプリング５２０は、締め付けボルト５２２のような適当な締め付け手段によってベースプレート５１８に固定される。上部カバー部材５０６は、ベースプレート５１８及びフランジ５１６間に位置するベースシールングリング５２４のような緩衝材によって、弾力性に富んで支持される。カバー部材５０６は、クランプリング５２０及びフランジ５１６の間に位置する締め付け封止（クランプシーリング）Ｏ−リング５２６によって、さらに支持される。Ｏ−リングは、二重のシールを提供するために締め付けボルト５２２により予め取り付けられ、これにより、チャンバ５０４内のプロセスガスが周囲雰囲気に漏れるのを防止する。下部カバー部材５１０は、締め付けボルト５３４及びＯ−リング５３６及び５３８により、ベースプレート５１８及び下部クランプリング５３２の間で同様に取り付けられる。
【００２２】
プロセスガスは、ガス入口ポート５４０を通してチャンバ５０４に入り、出口ポート５４２を通してチャンバを出る。チャンバ内のガスの圧力は、出口ポート５４２を流出するガスを測定することにより代表的に維持される。
【００２３】
サセプタ５４４は、ウェハ５４６を支持するためにチャンバ５０４内に備えられる。サセプタ５４４は、チャンバ内でサセプタを支持する取り付け治具５４５を含む。図６はチャンバ内で固定して支持されているサセプタを示すが、サセプタはプロセス動作中、サセプタの回転を許容するように回転可能にマウントされてもよいと認められる。
【００２４】
本発明の方法及び装置は、マルチウエハプロセス及びシングルウェハプロセスのために使用されてもよいと認められる。明細書中で述べられた相対的な寸法、幾何学的な形状、材料及びプロセス技術は、開示された実施形態の例示に過ぎないことを理解されたい。上述の記載を読んだ当業者にとって、本発明の多くの変更及び修正が疑いなく明らかとなると思われるが、例示として示された特定の実施形態に本発明を限定する意図はないことを理解されたい。したがって、示された線図の詳細は、請求の範囲を限定することを意図するものではなく、請求の範囲それ自体は本発明の本質的な特徴のみを列挙するものである。
【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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