(57)【要約】【解決手段】プロセスチャンバ内で利用されるシャワーヘッドは、内部に画成された内部プレナムの中央領域に第１の供給源から第１のガスを受け入れるための第１の入口を含む。複数の第２の入口が、第２の供給源から第２のガスを受け入れるためにシャワーヘッドの周辺領域に沿って画成される。第２のガスを内部プレナムに供給するため、複数の導管が、縁部プレナムを内部プレナムの外縁に結合する。第１のガスは、中央領域から内部プレナムの外縁へ半径方向外側に流れる内部流を作り出し、縁部プレナムによって供給される第２のガスは、内部プレナムの外縁から中央領域に向かって内側に流れる周囲流を作り出す。調整可能な半径を定めるよどみ点は、第１のガスと第２のガスの界面に形成される。複数の出口がシャワーヘッドの下面全体に内部プレナムの直径にわたって画成され、それにより、中央領域からよどみ点までは内部流からの第１のガスが複数の出口を出て、よどみ点から外縁までは周囲流からの第２のガスが複数の出口を出る。【選択図】  図３
2021532265.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を処理するために使用されるプロセスチャンバであって、
前記基板を支持するための基板支持面を有する下部チャンバ本体と、
前記下部チャンバ本体の上に嵌合するように構成され、シャワーヘッドを含む上部チャンバ本体と、を備えており、
前記シャワーヘッドは、
第１の供給源から内部プレナムの中央領域に第１のガスを受け入れるための第１の入口を有し、前記中央領域から前記内部プレナムの外縁に向かって半径方向外側に移動する前記第１のガスの内部流を作り出す内部プレナムと、
前記シャワーヘッドの周辺領域に沿って配置され、第２の供給源から第２のガスを受け入れるための１つまたは複数の第２の入口を有する縁部プレナムと、
前記内部プレナムの前記外縁において前記縁部プレナムを前記内部プレナムに結合する複数の導管であって、前記複数の導管は、前記第２のガスを前記縁部プレナムから前記内部プレナムに供給し、前記内部プレナムの前記外縁から前記中央領域に向かって内側に流れる前記第２のガスの周囲流を作り出すものであり、前記第２のガスの前記周囲流が前記第１のガスの内部流と接触するよどみ点が、前記内部プレナム内に定められる複数の導管と、
下面全体に前記内部プレナムの直径にわたって分散配置された複数の出口であって、前記複数の出口は、前記第１のガスおよび前記第２のガスを前記内部プレナムから前記基板支持面に送給するように構成される複数の出口と
を含み、
前記よどみ点によって、調整可能な半径が定められ、前記調整可能な半径において、前記中心から前記よどみ点までは前記内部流からの前記第１のガスが前記複数の出口を出て、前記よどみ点から前記外縁までは前記周囲流からの前記第２のガスが前記複数の出口を出る、
プロセスチャンバ。
【請求項２】
請求項１に記載のプロセスチャンバであって、
前記調整可能な半径は、前記縁部プレナムに入る前記第２のガスの流れを調整すること、または前記内部プレナムに入る前記第１のガスの流れを調整すること、または前記第１のガスおよび前記第２のガスの前記流れを調整することによって定められる、プロセスチャンバ。
【請求項３】
請求項１に記載のプロセスチャンバであって、
前記複数の出口は、
前記シャワーヘッドの中央部分に画成され、前記よどみ点にかけて広がる第１の出口の小群であって、前記第１の出口の小群は、前記第１のガスを前記内部流から前記基板支持面の中央部分に送給するように構成される第１の出口の小群と、
前記シャワーヘッドの周辺部分に沿って画成され、前記よどみ点から前記内部プレナムの前記外縁にかけて広がる第２の出口の小群であって、前記第２の出口の小群は、前記第２のガスを前記周囲流から前記基板支持面の縁部領域に送給するように構成される第２の出口の小群と
を含む、プロセスチャンバ。
【請求項４】
請求項３に記載のプロセスチャンバであって、
前記シャワーヘッド内の前記内部プレナムの前記直径は、少なくとも、前記プロセスチャンバに受け取られた前記基板の前記直径に等しく、それにより前記第１の出口の小群が前記基板の前記中央領域をカバーし、前記第２の出口の小群が前記基板の前記縁部領域をカバーする、プロセスチャンバ。
【請求項５】
請求項１に記載のプロセスチャンバであって、
前記第１の入口は、前記シャワーヘッドの中心に配置され、第１の流量弁を介して前記第１の供給源に結合され、前記１つまたは複数の第２の入口は、前記シャワーヘッドに画成された中央チャネルに接続され、前記中央チャネルは、前記第１の入口を囲んでおり、第２の流量弁を介して前記第２の供給源に結合される、プロセスチャンバ。
【請求項６】
請求項５に記載のプロセスチャンバであって、
前記第１の流量弁および前記第２の流量弁はコントローラに結合され、前記コントローラは、信号を前記第１の流量弁に提供して前記内部プレナムに入る前記第１のガスの流れを調整し、信号を前記第２の流量弁に提供して前記縁部プレナムに入る前記第２のガスの流れを調整するように構成される、プロセスチャンバ。
【請求項７】
請求項１に記載のプロセスチャンバであって、
前記第１の入口は、前記シャワーヘッドの中心に配置され、第１の流量弁を介して前記第１の供給源に結合され、
前記１つまたは複数の第２の入口は、前記シャワーヘッドの周辺領域に沿って配置される複数の第２の入口であり、前記複数の第２の入口の各々は、その各々に対応して上方に配置された別個の第２の流量弁を介して前記第２の供給源に結合され、
前記第１の流量弁、および前記別個の第２の流量弁の各々は、コントローラに結合され、前記コントローラは、個々の信号を前記第１の流量弁に提供して前記内部プレナムに入る前記第１のガスの流れを調整し、個々の信号を前記別個の第２の流量弁の各々に提供して前記縁部プレナムに入る前記第２のガスの流れを調整するように構成される、
プロセスチャンバ。
【請求項８】
請求項１に記載のプロセスチャンバであって、
コントローラと、
前記第１の入口、前記第１の供給源、および前記コントローラに接続された第１の流量弁であって、前記コントローラは、信号を前記第１の流量弁に提供し、前記第１の入口を通って前記内部プレナムに入る前記第１のガスの流れを調整するように構成される第１の流量弁と、
前記１つまたは複数の第２の入口、前記第２の供給源、および前記コントローラに接続された第２の流量弁であって、前記コントローラは、信号を前記第２の流量弁に提供し、前記１つまたは複数の第２の入口を通って前記縁部プレナムに入る前記第２のガスの流れを調整するように構成される第２の流量弁と
をさらに含み、
前記第１の流量弁および前記第２の流量弁は、前記シャワーヘッドの外側に配置されている、
プロセスチャンバ。
【請求項９】
請求項８に記載のプロセスチャンバであって、
前記コントローラは、前記内部プレナム内に定められる前記よどみ点の前記調整可能な半径を動的に変更するために、信号を選択的に提供するように構成されており、（ａ）前記第１の流量弁のみに信号を提供し、前記内部プレナムに入る前記第１のガスの前記流れを調整する、または（ｂ）前記第２の流量弁のみに信号を提供し、前記縁部プレナムに入る前記第２のガスの前記流れを調整する、または（ｃ）前記第１および前記第２の流量弁の両方に信号を提供し、前記内部プレナムに入る前記第１のガスの前記流れおよび前記縁部プレナムに入る前記第２のガスの前記流れを調整するように構成される、プロセスチャンバ。
【請求項１０】
請求項１に記載のプロセスチャンバであって、
前記１つまたは複数の第２の入口、前記第２の供給源、およびコントローラに結合された流量弁をさらに含み、前記コントローラは、前記内部プレナム内に定められる前記よどみ点の前記調整可能な半径を動的に変更するために、信号を前記流量弁に提供し、前記内部プレナムに入る前記第２のガスの前記周囲流を制御するように構成される、プロセスチャンバ。
【請求項１１】
請求項１に記載のプロセスチャンバであって、
前記第１の入口、前記第１の供給源、およびコントローラに結合された流量弁をさらに含み、前記コントローラは、前記内部プレナム内に定められる前記よどみ点の前記調整可能な半径を動的に変更するために、信号を前記流量弁に提供し、前記第１の入口を通って前記内部プレナムに入る前記第１のガスの流れを制御するように構成される、プロセスチャンバ。
【請求項１２】
請求項１に記載のプロセスチャンバであって、
前記縁部プレナムは、
前記１つまたは複数の第２の入口を有し、前記第２の供給源によって提供される前記第２のガスを受け入れて均等化する分配プレナムと、
第３の入口群を有し、前記分配プレナムから前記第２のガスを受け入れ、前記第２のガスを前記複数の導管を通して前記内部プレナムの外縁に供給する適用プレナムと
をさらに含む、プロセスチャンバ。
【請求項１３】
請求項１に記載のプロセスチャンバであって、
前記縁部プレナム内の前記第２の入口の数は、前記縁部プレナムを前記内部プレナムに結合する前記複数の導管の数よりも少ない、プロセスチャンバ。
【請求項１４】
基板を処理するために使用される基板処理システムのシャワーヘッドであって、
第１の供給源から内部プレナムの中央領域に第１のガスを受け入れるための第１の入口を有し、前記中央領域から前記内部プレナムの外縁に向かって半径方向外側に移動する前記第１のガスの内部流を作り出す内部プレナムと、
前記シャワーヘッドの周辺領域に沿って配置され、第２の供給源から第２のガスを受け入れるための複数の第２の入口を有する縁部プレナムと、
前記内部プレナムの前記外縁において前記縁部プレナムを前記内部プレナムに結合する複数の導管であって、前記複数の導管は、前記第２のガスを前記縁部プレナムから前記内部プレナムに供給し、前記内部プレナムの前記外縁から前記中央領域に向かって内側に流れる前記第２のガスの周囲流を作り出すものであり、前記第２のガスの前記周囲流が前記第１のガスの内部流と接触するよどみ点が、前記内部プレナム内に定められる複数の導管と、
下面全体に前記内部プレナムの直径にわたって分散配置された複数の出口であって、前記複数の出口は、前記基板処理システムに基板が存在するとき、前記第１のガスおよび前記第２のガスを前記内部プレナムから前記基板に送給するように構成される複数の出口と
を備え、
前記よどみ点によって、調整可能な半径が定められ、前記調整可能な半径において、前記中央領域から前記よどみ点までは前記内部流からの前記第１のガスが前記複数の出口を出て、前記よどみ点から前記外縁までは前記周囲流からの前記第２のガスが前記複数の出口を出る、
シャワーヘッド。
【請求項１５】
請求項１４に記載のシャワーヘッドであって、
前記第１の入口は第１の流量弁を介して前記第１の供給源に接続され、前記第１の流量弁はコントローラに結合され、前記コントローラは、信号を前記第１の流量弁に提供し、前記第１の入口を通って前記内部プレナムに入る前記第１のガスの流れを調整するように構成され、
前記複数の第２の入口の各々は第２の流量弁を介して前記第２の供給源に接続され、前記第２の流量弁は前記コントローラに結合され、前記コントローラは、信号を前記第２の流量弁に提供し、前記複数の第２の入口の各々を通って前記縁部プレナムに入る前記第２のガスの流れを調整するように構成される、
シャワーヘッド。
【請求項１６】
請求項１５に記載のシャワーヘッドであって、
前記第１の流量弁および前記第２の流量弁が前記シャワーヘッドの外側に配置されている、シャワーヘッド。
【請求項１７】
請求項１５に記載のシャワーヘッドであって、
前記第１の流量弁および前記第２の流量弁が前記シャワーヘッドの内側に配置されている、シャワーヘッド。
【請求項１８】
請求項１４に記載のシャワーヘッドであって、
前記第１の入口は前記シャワーヘッドの中心に配置され、前記複数の第２の入口は前記シャワーヘッドの周辺領域に沿って分散配置され、前記複数の第２の入口の各々は中央チャネルを通して前記第２の供給源に接続され、前記中央チャネルは前記第１の入口を囲むように画成される、シャワーヘッド。
【請求項１９】
請求項１４に記載のシャワーヘッドであって、
前記シャワーヘッドは、前記基板処理システムの一部であるプロセスチャンバの上部チャンバ本体の一部であり、前記上部チャンバ本体は、前記プロセスチャンバの下部チャンバ本体と嵌合するように構成され、前記下部チャンバ本体は、処理のために基板を受け取ったときに前記基板を支持するための基板支持面を含む、シャワーヘッド。
【請求項２０】
請求項１９に記載のシャワーヘッドであって、
前記複数の出口は、
前記シャワーヘッドの中央部分に画成され、前記よどみ点にかけて広がる第１の出口の小群であって、前記第１の出口の小群は、基板が前記基板支持面に受け取られたとき、前記第１のガスを前記内部流から基板の中央領域に送給するために使用される第１の出口の小群と、
前記シャワーヘッドの周辺部分に沿って画成され、前記よどみ点から前記内部プレナムの前記外縁にかけて広がる第２の出口の小群であって、前記第２の出口の小群は、前記第２のガスを前記周囲流から前記基板支持面上に受け取られた前記基板の縁部領域に送給するために使用される第２の出口の小群と
を含む、シャワーヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本実施形態は、半導体ウエハ処理機器ツールに関し、より具体的には、異なるプレナムのガスを基板の表面に提供するためのシャワーヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製作分野で一般的に使用されている膜堆積プロセスには、多くのタイプが存在する。いくつかの例示的な堆積プロセスには、原子層堆積（ＡＬＤ）およびプラズマ強化化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）が挙げられる。ＡＬＤプロセスは、プラズマエネルギーを使用して基板表面上に非常に薄い膜を堆積する。ＡＬＤプロセスは一連の投入およびパージステップを含み、これらのステップでは、プロセスチャンバに受け取られた加熱基板上に揮発性ガスまたは蒸気が順次導入され、パージされる。例えば、第１の前駆体をガスとして導入し、基板表面上に吸収または吸着させ、そのガス状前駆体をプロセスチャンバから除去する（すなわち、パージする）。第２の前駆体をガスとして導入し、吸収された第１の前駆体と反応させて所望の材料の原子層を形成する。第１および第２のガス状前駆体を導入して除去するプロセスを数ステップ繰り返して、特定の厚さの層を形作る。基板上方での２つ以上の反応性ガスの連続的な流れを繰り返し切り替えてこの手順を調節することによって、ＡＬＤによって形成される膜は一度に１原子層ずつ堆積される。
【０００３】
ＰＥＣＶＤプロセスでは、液体前駆体が蒸気前駆体に変換され、プロセスチャンバに送給される。蒸気前駆体を提供するために、ＰＥＣＶＤシステムには、制御された方法で液体前駆体を気化させて蒸気前駆体を生成する気化器を含めることができる。
【０００４】
ＰＥＣＶＤおよびＡＬＤプロセスの処理に使用されるチャンバで採用されるシャワーヘッドは、様々なガス状前駆体を正確に送給するためにシャワーヘッドにプレナムが画成されている。その結果、基板上に堆積される膜は可能な限り均一であり、プロセスは基板間で再現可能である。しかし、既存のシャワーヘッド内のプレナムは、各プレナムの有効半径が固定されて設計されている。半径を変更する唯一の方法は、シャワーヘッドを交換することである。言い換えれば、様々なガスの適用半径は、シャワーヘッドを交換せずに調整することができない。
【０００５】
本開示の実施形態は、このような状況で生じるものである。
【発明の概要】
【０００６】
本開示の実施形態は、基板の上面に適用されるガスの有効半径を調整するために使用することができるシャワーヘッド設計を提供する。シャワーヘッドは、半径方向に調整可能な様々なガスの複数のプロセスウィンドウを開くように構成される。様々なガスは、異なる組成のものであってもよいし、同じ組成で異なる濃度のものであってもよい。シャワーヘッドは、異なるプレナムの半径を動的に調整することによって、複数のプロセスウィンドウのサイズ調整に柔軟性を提供するように設計されている。この柔軟性は、シャワーヘッド内で縁部プレナムを内部プレナムに接続し、ガス（例えば、ガス状前駆体）の流量を制御して内部プレナムおよび縁部プレナムから送給される２つのガスの有効半径を調整することによって提供される。シャワーヘッドは、２つの入口、すなわち、第１の供給源から内部プレナムに第１のガスを受け入れる第１の入口と、第２の供給源から縁部プレナムを通して内部プレナムに第２のガスを受け入れる第２の入口とを含み、内部プレナム内で２つのガスを十分に分離した状態で保つ。異なるプロセスウィンドウのサイズは、ガスを半径方向に調節するように制御され、そのような調節には、ガスのガス濃度を調節すること、および堆積中に基板表面の異なる部分へガスを投入送給することが含まれる。ガス濃度の半径方向の調節を制御することによって、基板の様々なエリアに形成される膜の厚さを制御することができる。
【０００７】
一実施態様では、基板を処理するために使用されるプロセスチャンバが開示される。プロセスチャンバは、基板がプロセスチャンバに受け取られたとき、基板を支持するための基板支持面を有する下部チャンバ本体と、下部チャンバ本体の上に嵌合するように構成された上部チャンバ本体とを含む。上部チャンバ本体は、シャワーヘッドを含む。シャワーヘッドは、第１の供給源から内部プレナムの中央領域に第１のガスを受け入れるための第１の入口を備え、中央領域から内部プレナムの外縁に向かって半径方向外側に移動する第１のガスの内部流を作り出す内部プレナムを含む。シャワーヘッドはまた、シャワーヘッドの周辺領域に沿って配置される縁部プレナムを含む。縁部プレナムは、第２の供給源から第２のガスを受け入れるための１つまたは複数の第２の入口を含む。複数の導管が、内部プレナムの外縁において縁部プレナムを内部プレナムに結合する。複数の導管は、第２のガスを縁部プレナムから内部プレナムに供給し、内部プレナムの外縁から中央領域に向かって内側に流れる第２のガスの周囲流を作り出す。第２のガスの周囲流が第１のガスの内部流と接触するよどみ点が、内部プレナム内に定められる。複数の出口が、下面全体に内部プレナムの直径にわたって分散配置される。複数の出口は、第１のガスおよび第２のガスを内部プレナムから基板支持面に送給するように構成される。よどみ点によって、調整可能な半径が定められ、この調整可能な半径において、中心からよどみ点までは第１のガスの内部流が複数の出口を出て、よどみ点から外縁に向かっては第２のガスの周囲流が複数の出口を出る。
【０００８】
いくつかの実施態様では、調整可能な半径は、縁部プレナムに入る第２のガスの流れを調整すること、または内部プレナムに入る第１のガスの流れを調整すること、または第１のガスおよび第２のガスの流れを調整することによって定められる。
【０００９】
いくつかの実施態様では、出口群が、シャワーヘッドの中央部分に画成され、よどみ点にかけて広がる第１の出口の小群と、シャワーヘッドの周辺領域に沿って画成され、よどみ点から内部プレナムの外縁にかけて広がる第２の出口の小群とを含む。第１の出口の小群は、第１のガスを内部流から基板支持面の中央部分に送給するように構成される。第２の出口の小群は、第２のガスを周囲流から基板支持面の縁部領域に送給するように構成される。
【００１０】
いくつかの実施態様では、内部プレナムの直径は、少なくとも、プロセスチャンバに受け取られた基板の直径に等しく、それにより、基板がプロセスチャンバに受け取られたとき、第１の出口の小群が基板の中央領域をカバーし、第２の出口の小群が基板の縁部領域をカバーする。
【００１１】
いくつかの実施態様では、第１の入口は、シャワーヘッドの中心に配置され、第１の流量弁を介して第１の供給源に結合され、１つまたは複数の第２の入口は、シャワーヘッドに画成された中央チャネルに接続される。中央チャネルは、第１の入口を囲むように画成され、第２の流量弁を介して第２の供給源に結合される。
【００１２】
いくつかの実施態様では、第１の入口は、シャワーヘッドの中心に配置され、第１の流量弁を介して第１の供給源に結合され、第２の入口は、シャワーヘッドの周辺領域に沿って配置される複数の第２の入口を含む。複数の第２の入口の各々は、その各々に対応して上方に配置された別個の第２の流量弁を介して第２の供給源に結合される。第１の流量弁、および複数の第２の流量弁の各々は、コントローラに結合される。コントローラは、個々の信号を第１の流量弁に提供して内部プレナムに入る第１のガスの流れを調整し、個々の信号を別個の第２の流量弁の各々に提供して縁部プレナムに入る第２のガスの流れを調整するように構成される。
【００１３】
いくつかの実施態様では、コントローラは、内部プレナム内に定められるよどみ点の調整可能な半径を動的に変更するために、信号を選択的に提供するように構成されており、第１の流量弁のみに信号を提供し、内部プレナムに入る第１のガスの流れを調整する、第２の流量弁のみに信号を提供し、縁部プレナムに入る第２のガスの流れを調整する、または第１の流量弁と第２の流量弁の両方に信号を提供し、内部プレナムに入る第１のガスの流れおよび縁部プレナムに入る第２のガスの流れを調整するように構成される。
【００１４】
いくつかの実施態様では、プロセスチャンバは、１つまたは複数の第２の入口、第２の供給源、およびコントローラに結合された流量弁を含む。コントローラは、内部プレナム内に定められるよどみ点の調整可能な半径を動的に変更するために、信号を流量弁に提供し、内部プレナムに入る第２のガスの周囲流を制御するように構成される。
【００１５】
いくつかの実施態様では、プロセスチャンバは、第１の入口、第１の供給源、およびコントローラに結合された流量弁を含む。コントローラは、信号を流量弁に提供し、第１の入口を通って内部プレナムに入る第１のガスの流れを制御するように構成される。第１のガスの流れを調整することにより、内部プレナム内に定められるよどみ点の調整可能な半径を動的に変更する。
【００１６】
いくつかの実施態様では、縁部プレナムは、分配プレナムと適用プレナムをさらに含む。分配プレナムは、１つまたは複数の第２の入口を含み、第２の供給源によって提供される第２のガスを受け入れて第２のガスを均等化する。適用プレナムは、第３の入口群を含み、分配プレナムから第２のガスを受け入れ、第２のガスを複数の導管を通して内部プレナムの外縁に供給する。
【００１７】
いくつかの実施態様では、縁部プレナム内の第２の入口の数は、縁部プレナムを内部プレナムに結合する複数の導管の数よりも少ない。
【００１８】
別の実施形態では、基板処理システムのシャワーヘッドが開示される。このシャワーヘッドは、第１の供給源から内部プレナムの中央領域に第１のガスを受け入れるための第１の入口を有し、中央領域から内部プレナムの外縁に向かって半径方向外側に移動する第１のガスの内部流を作り出す内部プレナムを含む。また、このシャワーヘッドは、シャワーヘッドの周辺領域に沿って配置される縁部プレナムを含む。縁部プレナムは、第２の供給源から第２のガスを受け入れるための複数の第２の入口を含む。複数の導管が、内部プレナムの外縁において縁部プレナムを内部プレナムに結合する。複数の導管は、第２のガスを縁部プレナムから内部プレナムに供給し、外縁から中央領域に向かって内側に流れる第２のガスの周囲流を作り出す。第２のガスの周囲流が第１のガスの内部流と接触するよどみ点が、内部プレナム内に定められる。複数の出口が、下面全体に内部プレナムの直径にわたって画成される。複数の出口は、基板処理システムに基板が存在するとき、第１のガスおよび第２のガスを内部プレナムから基板に送給するように構成される。よどみ点によって、調整可能な半径が定められ、この調整可能な半径において、中央領域からよどみ点までは第１のガスの内部流が複数の出口を出て、よどみ点から外縁に向かっては第２のガスの周囲流が複数の出口を出る。
【００１９】
プロセスチャンバは、コントローラと、第１の流量弁と、第２の流量弁とを含む。第１の流量弁は、第１の入口、第１の供給源、およびコントローラに接続される。コントローラは、信号を第１の流量弁に提供し、第１の供給源から第１の入口を通って内部プレナムに供給される第１のガスの流れを調整するように構成される。第２の流量弁は、複数の第２の入口の各々、第２の供給源、およびコントローラに接続される。コントローラは、信号を第２の流量弁に提供し、第２の供給源から複数の第２の入口の各々を通って縁部プレナムに入る第２のガスの流れを調整するように構成される。
【００２０】
シャワーヘッド内で縁部プレナムを内部プレナムに接続することによってシャワーヘッドに複数のプロセスウィンドウを提供することの１つの利点は、内部プレナムおよび／または縁部プレナムから流れるガスの流れを調整することによってプロセス領域の半径を動的に調整できることである。半径の動的な調整は、内部プレナムの内部流に入る第１のガスの流れを制御すること、または内部プレナムの周囲流に流入する第２のガスを制御すること、または内部プレナムに流入する第１のガスと第２のガスの両方を制御することによって実施できる。縁部プレナムが内部プレナムに内部接続されたシャワーヘッドにより、基板表面に供給されるガスの適用半径を動的に変化させることができるため、ガス適用領域の異なる半径をカバーするためにシャワーヘッドを交換する必要はない。
【００２１】
シャワーヘッドを交換する従来の方法は、一連の動作を実施する必要があるため、多くの時間と労力を伴う。実施する必要があるいくつかの動作は、プロセスチャンバ内の真空を破ること、プロセスチャンバを開くこと、既存のシャワーヘッドを取り外すこと、シャワーヘッドを、必要な半径をカバーするプロセスウィンドウを備えた別のシャワーヘッドと交換すること、プロセスチャンバを閉じること、およびシャワーヘッドが動作可能になる前に、プロセスチャンバを真空状態にポンプで戻すことを含む。
【００２２】
本明細書に記載の様々な実施形態は、基板上のプロセス領域に適用される様々なガスの半径が内部プレナムに供給されるガスの一方または両方の流れを調整するだけで制御できるようにシャワーヘッドの内部に画成されたデュアルプレナムを備えたシャワーヘッドを使用することによって、そのような交換に伴うプロセスを回避する。
【００２３】
これらおよび他の利点は、以下で論じられ、本明細書、図面、および特許請求の範囲を読むと当業者によって理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、一実施形態による、基板を処理するために使用されるプロセスチャンバを備えた例示的な基板処理システムを示す図である。
【００２５】
【図２Ａ】図２Ａは、一実施形態による、縁部プレナムが内部プレナムに接続されるシャワーヘッドの再設計の概略図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、一実施形態による、縁部プレナムが内部プレナムに接続されるシャワーヘッドの再設計の概略図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、一実施形態による、縁部プレナムが内部プレナムに接続されるシャワーヘッドの再設計の概略図である。
【００２６】
【図３】図３は、一実施形態による、再設計シャワーヘッドが使用される基板処理システムの概略図である。
【００２７】
【図４Ａ】図４Ａは、いくつかの実施態様における、内部プレナムに入る第２のガスの流れを調整することにより第１のガスおよび第２のガスの有効半径を動的に調整する例示的な実施形態を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、いくつかの実施態様における、内部プレナムに入る第２のガスの流れを調整することにより第１のガスおよび第２のガスの有効半径を動的に調整する例示的な実施形態を示す図である。
【００２８】
【図５Ａ】図５Ａは、いくつかの実施態様における、縁部プレナムに入る第２のガスの流れを制御する複数のガス流量弁を含む例示的なシャワーヘッドを示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、いくつかの実施態様における、シャワーヘッドの縁部プレナム内の分配プレナムおよび適用プレナムを図示する、シャワーヘッドの一部の垂直断面図である。
【００２９】
【図６Ａ】図６Ａは、一実施態様による、第１および／または第２のガスの流れを調整することによって達成できる第１および第２のガスの様々な半径を示す、シャワーヘッドに画成された内部プレナムの俯瞰図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、一実施態様による、第１および／または第２のガスの流れを調整することによって達成できる第１および第２のガスの様々な半径を示す、シャワーヘッドに画成された内部プレナムの俯瞰図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、一実施態様による、第１および／または第２のガスの流れを調整することによって達成できる第１および第２のガスの様々な半径を示す、シャワーヘッドに画成された内部プレナムの俯瞰図である。
【００３０】
【図７】図７は、一実施態様による、プロセスレシピおよび基板処理システムのハードウェアを含む、様々な側面を制御するための例示的な制御モジュールを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本開示の実施形態は、半導体基板を処理するために使用されるプロセスチャンバを含む。プロセスチャンバは、上面に均一な膜層を堆積するために、プロセスチャンバ内に受け取られた基板の上面に様々なガスを正確に送給するシャワーヘッドを含む。プロセスチャンバは、シングルステーションプロセスチャンバまたはマルチステーションプロセスチャンバとすることができる。シャワーヘッドは、内部プレナムと縁部のプレナムを含むように設計されている。縁部プレナムは、シャワーヘッド内で内部プレナムに接続され、２つのプロセスウィンドウ（すなわち、内部プレナムから画成され、第１のガスを送給する第１のウィンドウ、および内部プレナムの外縁において縁部プレナムから画成され、第２のガスを送給する第２のウィンドウ）を備えた単一プレナムを画成する。２つのプロセスウィンドウのサイズは、内部プレナムおよび／または縁部プレナムに流入するガス（例えば、ガス状前駆体）の流れを調整することによって、いつでも動的に調整することができる。内部プレナムおよび縁部プレナムに送給される様々なガスは、異なる組成または異なる濃度比とすることができる。プロセスウィンドウのサイズをこのように動的に調整することにより、基板表面の異なる部分に形成される膜層の厚さを制御することができる。
【００３２】
従来のシャワーヘッドは、異なるガス状前駆体を基板の中心（「内部」プレナムを介して）と縁部（「縁部」プレナムを介して）に送給するように設計されていた。しかし、従来のシャワーヘッドの設計は、第１のガスを基板の中央エリアに供給するプレナム（すなわち、内部プレナム）と、第２のガスを基板の縁部エリアに供給するプレナム（すなわち、縁部プレナム）が、これら２つのプレナムを分離する規定の境界、およびシャワーヘッドの内部プレナムと縁部プレナムの各々に画成された別々の出口群によって区別して維持されており、基板がプロセスチャンバに受け取られたときに第１および第２のガスを供給して基板表面の様々なエリアを処理するものであった。内部プレナムおよび縁部プレナムがカバーするエリアのサイズを変更する必要がある場合、プロセスチャンバ内で使用されていたシャワーヘッドを、調整後のエリアのサイズをカバーするように設計された別のシャワーヘッドと交換する必要があった。シャワーヘッドの交換には、チャンバの真空を破り、既存のシャワーヘッドを新しいシャワーヘッドと交換し、チャンバを使用可能とする前にチャンバを真空シールする必要があるので、時間と労力の両方を要する。
【００３３】
従来のシャワーヘッド設計の制限を克服するために、新しいシャワーヘッド設計が開示される。この新しい設計において、シャワーヘッドは、２つの異なるガスを受け入れる別々の内部プレナムと縁部プレナムを含んでおり、縁部プレナムがシャワーヘッドの内側から内部プレナムに接続される。シャワーヘッドの新しい設計では、縁部プレナムからプロセスチャンバへの従来の直接経路は使用できない。代わりに、シャワーヘッド内に、縁部プレナムと内部プレナムとの新しい接続が画成される。この新しい接続は、内部プレナムの外縁の近位に設けられる複数の導管を含む。新しい設計により、単一の連続プレナムをシャワーヘッド内に形成することが可能になり、ガスを分離する界面によどみ点が定められる。
【００３４】
内部プレナムはシャワーヘッドの中央部分に形成され、縁部プレナムはシャワーヘッドの周辺部分に形成される。縁部プレナムからのガスは、複数の導管によって内部プレナムの外縁に供給される。シャワーヘッドの下面全体に形成された出口群により、内部プレナムからの様々なガスを基板表面の様々なエリアに適用することができる。内部プレナムに受け入れられたガスの流れを調整すると、内部プレナム内の様々なガスの半径が動的に調整され、その結果、内部プレナム内のガスを分離するよどみ点が動的に調整される。新しいシャワーヘッド設計は、基板の様々なエリアを処理するために使用される様々なガスの処理ウィンドウのサイズを動的に制御する効率的な方法を提供する。
【００３５】
本実施形態は、プロセス、装置、システム、デバイス、または方法などの多数の形式で実施できることを理解されたい。いくつかの実施形態を以下に説明する。
【００３６】
図１は、一実施態様における、基板１０１を処理するために使用される例示的な基板処理システム１００を示している。システムは、下部チャンバ本体１０２ｂおよび上部チャンバ本体１０２ａを有するプロセスチャンバを含む。下部チャンバ本体１０２ｂに画成される中柱は、台座１４０を支持するように構成される。台座１４０は、一実施形態では給電電極である。台座１４０は、処理する基板を受け取る基板支持面を提供する。台座１４０は、整合ネットワーク１０６を介して電源１０４に電気的に結合される。電源は、制御モジュール１０００（例えば、コントローラ）によって制御される。制御モジュール１０００は、プロセス入力・制御１０８の実行によって基板処理システム１００を動作させるように構成される。プロセス入力・制御１０８には、ＡＬＤ法またはＰＥＣＶＤ法を介して基板１０１上に膜を堆積または形成するために、電力レベル、タイミングパラメータ、プロセスガス（例えば、前駆体）、プロセスガスの流量、基板１０１の機械的移動、圧力、プロセスチャンバ内の温度等のようなプロセスレシピを含めることができる。
【００３７】
また、中柱はリフトピン制御１２２によって制御されるリフトピン１２０を含んだ状態で示されている。リフトピン１２０は、基板１０１を台座１４０から持ち上げてエンドエフェクタに基板を拾い上げさせるため、およびエンドエンドエフェクタによる載置後に基板１０１を下げるために使用される。基板処理システム１００は、プロセスガス源１１４（例えば、設備からのガス供給部）に接続されたガス供給マニホールド１１２をさらに含む。実施される処理に応じて、制御モジュール１０００は、ガス供給マニホールド１１２を介したシャワーヘッド１５０へのプロセスガス１１４の送給を制御する。次に、プロセスガスは、シャワーヘッド１５０において基板１０１に面する面と台座１４０に受け取られた基板１０１との間の空間容積によって画成されたプロセス領域に分配される。プロセスガスは、シャワーヘッドに画成された内部プレナムおよび／または縁部プレナムに入るプロセスガスの流れを制御することによって制御されるプロセスウィンドウに供給される。
【００３８】
さらに、ガスは予混合されていてもよく、予混合されていなくてもよい。プロセスの堆積段階およびプラズマ処理段階中に正しいガスが確実に送給されるようにするため、適切な弁操作および質量流量制御（ＭＦＣ）メカニズムを採用することができる。プロセスガスは、出口（図示せず）を介してチャンバを出る。真空ポンプ（図示せず）（例えば、１段または２段の機械式ドライポンプおよび／またはターボ分子ポンプ）が、スロットル弁または振り子弁などの閉ループ制御の流量制限デバイスによって、プロセスガスを引き出し、プロセスチャンバ内の適切な低圧を維持する。
【００３９】
基板処理システム１００は、台座１４０の外側領域を取り囲むキャリアリング１５３をさらに含む。キャリアリング１５３は、台座１４０の中心の基板支持領域より一段低いキャリアリング支持領域に載置されるように構成される。キャリアリング１５３はディスク構造を有し、ディスク構造の外縁側（例えば、外半径）と、ディスク構造の基板縁側であって基板１０１の載置場所に最も近い側（例えば、内半径）とを含む。キャリアリング１５３の基板縁側は、キャリアリング１５３がフォーク１８０によって持ち上げられたときに基板１０１を持ち上げるように構成された複数の接触支持構造を含む。キャリアリング１５３の移動は、キャリアリング持ち上げ・回転制御１２４によって制御されており、制御信号はキャリアリング持ち上げ・回転制御１２４が結合されているコントローラ１１０によって提供される。例えば、キャリアリング持ち上げ・回転制御１２４を用いて、キャリアリング１５３を基板１０１と共に持ち上げ、プロセスチャンバに出し入れすることができる（例えば、シングルステーションシステムの場合）。あるいは、キャリアリング持ち上げ・回転制御１２４を用いて、キャリアリング１５３を基板１０１と共に別のステーションに回転させることができる（例えば、マルチステーションシステムの場合）。
【００４０】
ＲＦ電力をチャンバの電極（例えば、下部チャンバ部分１０２ｂ内に設けられ、給電電極である台座１４０）に供給し、堆積のためにプラズマを生成できるようにする。代替の実施態様では、プラズマを遠隔で生成し、シャワーヘッドを通してプロセスチャンバに供給してもよい。さらに他の実施態様では、上部チャンバ部分を給電電極として、下部チャンバ部分（すなわち、台座１４０）を接地してもよい。そのような実施態様では、ＲＦ電力は、プラズマを生成するために給電電極に供給される。
【００４１】
堆積プロセス中に別々の送給プレナムのガスを基板表面の異なる部分に提供する際に使用されていた従来のシャワーヘッドは、縁部プレナムとは別に画成された内部プレナムを含んでいた。内部プレナムは、プロセスチャンバ内に受け取られたた基板の表面の中央部分をカバーするように、第１のガスを第１の供給源からプロセスチャンバに直接提供していた。縁部プレナムは、基板表面の縁部部分をカバーするように、第２のガスを第２の供給源からプロセスチャンバに直接提供していた。内部プレナムおよび縁部プレナムの半径は固定されていた。その結果、内部プレナムからの第１のガスおよび縁部プレナムからの第２のガスによってカバーされるエリアは各々、基板表面の固定された半径をカバーしていた。このシャワーヘッド設計では、シャワーヘッドを交換せずに内部プレナムおよび縁部プレナムの半径を調整することができない。
【００４２】
シャワーヘッドの従来の代替設計では、シャワーヘッドが別個の内部プレナムおよび縁部プレナムを使用していた。シャワーヘッドの底面に出口が配置されたため、内部プレナムからのガスがシャワーヘッドの特定の半径にわたってプロセスチャンバに適用され、縁部プレナムが内部プレナムの縁部部分と重なっていた。その結果、このシャワーヘッドを使用してガスを基板の表面に適用すると、基板表面の縁部部分は内部プレナムおよび縁部プレナムからの混合ガスに曝露され、基板表面の中央部分は内部プレナムの第１のガスに曝露されていた。基板表面の縁部部分に適用される混合ガスおよび中央部分に適用される内部プレナムの第１のガスの幅は固定されており、調整することはできなかった。適用幅の変更は、特定の適用幅に合わせて設計された別のシャワーヘッドでシャワーヘッドを変更することによってのみ達成することができた。
【００４３】
例えば、ある従来のシャワーヘッドは、内部プレナムから画成され有効半径約１４７ｍｍのエリアをカバーする第１のプロセスウィンドウと、縁部プレナムから画成され有効リング半径約１５２ｍｍ〜約１６３ｍｍの半径のエリアをカバーする第２のプロセスウィンドウとによる別個に固定されたプロセスウィンドウを含んでおり、第１のプロセスウィンドウと第２のプロセスウィンドウとの間（すなわち、約１４７ｍｍ〜約１５２ｍｍ）に出口は画成されていなかった。異なるサイズのプロセスウィンドウをカバーするために、異なるサイズのプロセスウィンドウを備えた多数のシャワーヘッドが設計されていた。例えば、第２の従来のシャワーヘッドは、有効半径約１４０ｍｍのエリアをカバーする第１のプロセスウィンドウと、有効リング半径約１４５ｍｍ〜約１６３ｍｍをカバーする第２のプロセスウィンドウとを含むように設計され、第１および第２のプロセスウィンドウの間（すなわち、約１４０ｍｍ〜約１４５ｍｍ）に出口は画成されていなかった。同様に、第３の従来のシャワーヘッドは、有効半径約１２５ｍｍのエリアをカバーする第１のプロセスウィンドウと、有効リング半径約１３０〜約１６３ｍｍをカバーする第２のプロセスウィンドウとを含み、第１および第２のプロセスウィンドウの間（すなわち、約１２５ｍｍ〜約１３０ｍｍ）に出口は画成されていなかった。上記の３つの例示的なシャワーヘッドは、有効半径約１５０ｍｍの基板の表面処理に使用されていた。他のシャワーヘッドは、内部プレナムと縁部プレナムに異なるカバーエリアを提供するように設計されていた。したがって、特定の処理ウィンドウが必要なとき、異なるプレナムのサイズが固定されて調整することができなかったため、所望の処理ウィンドウをカバーする特定のシャワーヘッドを選択して使用していた。
【００４４】
図２Ａ〜図２Ｃは、従来のシャワーヘッドを再設計して本開示の発明の特徴を達成するために必要とされた段階的な構造変化を示している。図２Ａは、既存の従来のシャワーヘッド１５０の一部を概略的に示している。シャワーヘッド１５０は、別個に分離されている送給プレナム（例えば、シャワーヘッド１５０の中央部分に画成された内部プレナム２１０、およびシャワーヘッド１５０の外周の近位に画成された縁部プレナム２２０）を含む。シャワーヘッドの中心に画成された第１の入口は、第１のガスを内部プレナム２１０に送給するための第１の供給源に結合される。縁部プレナム２２０には１つまたは複数の第２の入口が画成され、第２の供給源から第２のガスを受け入れるように構成される。シャワーヘッド１５０の設計は、第１のガスをシャワーヘッドの内部プレナムからプロセスチャンバ内の処理領域に供給するために下面全体に画成された第１の出口群を含む。処理領域は、プロセスチャンバ内で、シャワーヘッドの下面と基板支持システム（例えば、台座）の上面との間に画成される。第２の出口群は縁部プレナムに画成され、縁部プレナム２２０から処理領域に入る第２のガスの直接経路５１０を提供する。
【００４５】
図２Ｂは、導管群を通してシャワーヘッド内で縁部プレナムが内部プレナムに結合された再設計シャワーヘッド１６０を定義するため、シャワーヘッド１５０の構造に加える変更を示している。この結合により、第１および第２のガスを供給する異なるプロセスウィンドウを定める半径の動的調整が可能になる。既存のシャワーヘッド構造に加える変更は、縁部プレナム２２０から処理領域への直接経路５１０を提供する第２の出口群の除去を含む。第２の出口群の代わりに、１つまたは複数の導管５２０が、縁部プレナム２２０を内部プレナム２１０に結合してシャワーヘッド内で縁部プレナム２２０を内部プレナム２１０の外縁に接続するように画成される。１つまたは複数の導管は、縁部プレナムからの第２のガスが内部プレナム２１０の外縁に供給可能となるように画成される。縁部プレナム２２０から供給される第２のガスは、第１のガスの外縁から第２の半径で外側に広がる。
【００４６】
図２Ｃは、シャワーヘッド１６０の内側で縁部プレナム２２０を内部プレナム２１０の外縁に接続する１つまたは複数の導管５２０を備えた再設計シャワーヘッド１６０を示している。内部プレナムの縁にある導管５２０の場所は、第２の供給源（図示せず）から受け入れられる第２のガスの周囲流を作り出す。第１のガスは、シャワーヘッド１６０の中心に画成された第１の入口１６２を通して第１の供給源（図示せず）から受け入れられる。第１のガスの導入は、内部プレナム内に第１のガスの内部流を作り出す。内部流は、中央領域から内部プレナムの外縁に向かって半径方向外側に移動する。導管５２０は、第２のガスが縁部プレナム２２０から内部プレナム２１０の外縁へ流れることを可能にする。第２のガスの流れは、内部プレナムの外縁から中央領域に向かって内側に流れる周囲流を作り出す。周囲流は、内部プレナム内のよどみ点において、第２のガスを内部流から流れる第１のガスと接触させる。よどみ点は、第１のガス、第２のガス、または第１および第２のガスの両方の流れを調整することによって制御できる調整可能な半径を定める。
【００４７】
図２Ｃは、内部プレナムの第１のガス（青線で表示）が１つまたは複数の導管５２０を通って流れる縁部プレナムの第２のガス（赤線および赤色矢印で表示）と合流する中心半径での合流点（すなわち、よどみ点５３０）の場所を示している。台座に面するシャワーヘッド１６０の下面に設けられた複数の出口は、基板がプロセスチャンバ内の台座に受け取られたとき、内部プレナムからの第１および第２のガスが基板の上面に適用されるようにする（青色矢印および赤色矢印で示す）。よどみ点半径の内側のガスは主に内部流からの第１のガスであり、よどみ点半径の外側のガスは主に周囲流からの第２のガスである。その結果、内部流からの第１のガスはシャワーヘッドの中心に画成された第１の出口群から出て、周囲流からの第２のガスはシャワーヘッドの周辺領域に画成された第２の出口群から出る。２つのガスをプロセスチャンバに供給する前に内部プレナムで組み合わせることによって、基板表面の様々なエリアに適用される２つのガスの有効半径（すなわち、異なるプロセスウィンドウのサイズ）を調整することが一層簡単になる。再設計シャワーヘッド１６０は、異なるプレナムに供給される異なるガスのいずれか一方または両方の流れを調整することによって、それらのガスの半径方向の調節（すなわち、複数のウィンドウのサイズの調整）を可能にする。
【００４８】
図３は、一実施態様における、シャワーヘッドの内部プレナム内に画成されたデュアルプレナムを備えた再設計シャワーヘッド１６０の概略図を示す。この実施態様におけるシャワーヘッド１６０は、第１の供給源（図示せず）から第１のガス（例えば、Ｃｈｅｍ１）を受け入れるためにシャワーヘッド１６０の中心に画成された第１の入口６１０を含む。第１の入口６１０は、第１の流量弁６０５（例えば、マルチフロー制御流量弁またはＭＦＣ１ａ）を通して第１の供給源に接続される。第１の流量弁６０５は、内部プレナムに入る第１のガスの流れを制御する。次に、第１の流量弁６０５（ＭＦＣ１ａ）は、第１の入口６１０を通る第１のガスの流量を制御するために、信号を第１の流量弁６０５（ＭＦＣ１ａ）に提供するコントローラ７００（図１のコントローラ１１０と同様）に接続される。第１の入口６１０は、第１のガスを第１の供給源から内部プレナム２１０に供給する。第１のガスは、出口群を通して基板の上面に適用される前にこの内部プレナム２１０において均等化される。均等化の一部として、第１のガスは、シャワーヘッドの中心から半径方向外側に内部プレナム２１０の外縁に向かって流れる内部流を作り出す。第１のガスに加えて、前駆体化学物質を第１の入口６１０を通して提供することもでき、第１の入口６１０は、第３の流量弁６１５（ＭＦＣ１ｂ）を通して前駆体源（図示せず）に接続される。前駆体化学物質は、アルゴンなどの不活性ガスに混合されたガスの混合物とすることができ、このガスは、前駆体機能を提供する第１のガスまたは任意の他のガスとすることができる。前駆体化学物質は、プロセスチャンバから第１のガスをパージした後に提供することができる。第３の流量弁６１５はコントローラ７００に接続されており、コントローラ７００は、内部プレナムを通ってプロセスチャンバに入る前駆体化学物質の流れを制御する信号を提供する。前駆体化学物質は、予め規定された期間にわたって適用して、その後パージすることができる。
【００４９】
シャワーヘッド１６０はまた、第２の供給源（図示せず）から第２のガス（例えば、Ｃｈｅｍ２）を受け入れるために、シャワーヘッド１６０の周辺領域に沿って画成された縁部プレナム２２０を含む。縁部プレナムは、図３に示される実施態様では、シャワーヘッド１６０に画成された中央チャネル６２０を通して第２の供給源から第２のガスを受け入れる。中央チャネル６２０は、第２の流量弁６４０（例えば、ＭＦＣ２）を介して第２の供給源に接続される。次に、第２の流量弁６４０は、コントローラ７００に接続され、縁部プレナム２２０に入る第２のガスの流量を制御する。中央チャネル６２０は、第１の入口６１０を囲んでいる。第２のガスは、第１のガスが内部プレナムに供給されるのとほぼ同時に縁部プレナムに供給されるので、２つのガスのそれぞれの流量を調整することによって２つのガスの半径を調整することができる。
【００５０】
図３に示される実施態様では、縁部プレナム２２０は、分配プレナム６２５と適用プレナム６３５を含む。分配プレナム６２５は、第２の供給源から供給される第２のガスを受け入れ、第２のガスを均等化する。次に、均等化された第２のガスは、適用プレナム６３５および複数の導管５２０を介して内部プレナム２１０の外縁に供給される。第１および／または第２のガスの流量制御は、内部プレナム内の第１および第２のガスの半径を制御し、それによって内部プレナム内の２つのガスの界面に定められるよどみ点の半径を調整するように行われる。例えば、第１のガスの流れを一定に保ちながら縁部プレナムからの第２のガスの流れを増やすと、よどみ点が内側に移動する。その逆もまた同様である。
【００５１】
図４Ａ〜図４Ｂは、縁部プレナムからの第２のガスの流れを、内部プレナム内の第１のガスの半径および第２のガスの半径に基づいて調整する効果を示している。図４Ａに示されている一実施態様では、縁部プレナムを通して内部プレナムに供給される第２のガスの流れが内部プレナムに供給される第１のガスの流れよりも大きいとき、内部プレナム内の第２のガスプレナムの有効サイズが増加し、これに対応して内部プレナム内の第１のガスプレナムの有効サイズは減少する。その結果、よどみ点５３０はシャワーヘッドの中心に向かって内側に移動し、これにより第１のガスの内部ガス流と第２のガスの周囲ガス流との界面に定められるよどみ点５３０の半径が小さくなる。同様に、縁部プレナムを通って内部プレナムに供給される第２のガスの流れが内部プレナムに入る第１のガスの流れよりも小さいとき、図４Ｂに示されるように、内部プレナム内で第２のガスプレナムの有効サイズが減少し、第１のガスプレナムの有効サイズは増加する。その結果、よどみ点５３０が外側に移動し、これによりよどみ点５３０の半径が大きくなる。
【００５２】
代替の実施態様では、内部プレナム内の第１および第２のガスプレナムの有効サイズを調整するために、縁部プレナムからの第２のガスの流れを調整する代わりに第１のガスの流れを制御してもよい。例えば、第１のガスの流量を減少させると、内部プレナム内で第２のガスプレナムの有効サイズが増加するとともに第１のガスの有効サイズが減少するため、よどみ点５３０が内側に移動する。これは、第１のガスの流量と比較して、第２のガスの流量のほうが多いためである。さらに他の実施態様では、第１および第２のガスの両方の流量を調整して内部プレナム内でそれぞれのプレナムの有効サイズを増加または減少させることによって、各プレナムの有効半径方向サイズを制御してもよい。第１および第２のガスの一部は、よどみ点の近くで混ざり合うことに留意されたい。このように２つのガスが混ざり合うことにより、２つのガスの濃度は基板上方で滑らかでありながら連続的に遷移する。
【００５３】
図５Ａは、一実施態様における、図３を参照して説明されたシャワーヘッド１６０の代替設計を示している。この実施態様では、第１の入口６１０がシャワーヘッドの中心に画成され、複数の第２の入口６３０がシャワーヘッドの周辺部分に沿って画成された分配プレナムの上面の上方に画成される。第１の入口６１０は、第１の流量弁ＭＦＣ１ａを通して第１の供給源に接続される。第１の流量弁ＭＦＣ１ａは、コントローラ７００に接続されている。コントローラ７００は、信号を第１の流量弁に提供して内部プレナムの中心への第１のガスの流れを調整し、第１のガスの内部流を引き起こす。この内部流により、第１のガスがシャワーヘッドの周辺に向かって外側に流れる。第２の入口群６３０の各々は、対応する第２の流量弁を通して第２の供給源（すなわち、Ｃｈｅｍ２供給源）に接続される。図５Ａに示すシャワーヘッド１６０の簡略断面図では、複数の第２の流量弁（図５Ａに示すＭＦＣ２ａ〜２ｆ）がシャワーヘッドの周辺領域に沿って均一に分散配置され、単一の第２の供給源（例えば、Ｃｈｅｍ２供給源）に接続されている。
【００５４】
図５Ａでは、約１０個の第２の流量弁が、シャワーヘッド１６０の周辺領域に沿って均一に分散配置されている。代替の実施態様では、２つ、４つ、８つ、またはそれ以上の第２の流量弁をシャワーヘッドの周辺領域に沿って均一に分散配置して、縁部プレナムに入る第２のガスの流れを制御してもよい。代替の実施態様では、複数の第２の入口６３０は、単一の第２の流量弁を通して第２の供給源に接続される。図５Ａに示される実施態様では、複数の第２の流量弁が、シャワーヘッドの外側で、複数の第２の入口６３０の対応するものの上方に配置される。代替の実施態様では、複数の第２の流量弁が、シャワーヘッドの内側で、第２の入口群６３０の対応するものの下方に配置されてもよい。図５Ａに示される実施態様では、第２の流量弁は単一の第２の供給源に接続される。代替の実施態様では、２つ以上の第２の供給源を使用して第２のガスを縁部プレナムに供給してもよく、第２の流量弁の１つまたは複数は、対応する第２の流量弁を介して第２の供給源の別個のものに接続される。第２の流量弁の数に関係なく、第２の流量弁の各々はコントローラ７００に接続されており、コントローラは、縁部プレナムに入る第２のガスの流れを制御するために、信号を第２の流量弁のうち選択されたもの、または第２の流量弁のすべてに提供するように構成される。
【００５５】
図５Ｂは、縁部プレナム２２０を画成するシャワーヘッドの一部の拡大断面図を示している。縁部プレナムは、複数の第２の入口６３０を通して、第２の流量弁（ＭＦＣ２Ａ）に結合される。第２のガスは、第２の供給源から複数の第２の入口６３０を通って分配プレナム６２５に流れ、その流れは、１つまたは複数の第２の流量弁によって制御される。第２のガスは、分配プレナム６２５と適用プレナム６３５の間に画成された第３の入口群６３０ａを通って適用プレナム６３５に出る前に、分配プレナム６２５内で均等化される。第２のガスが均等化される前に内部プレナムに押し込まれることを回避するため、第３の入口群６３０ａの各々は、縁部プレナムと内部プレナムの間に画成された導管５２０からずらして画成される。適用プレナム６３５に送り込まれた第２のガスは、縁部プレナム２２０と内部プレナム２１０の間に画成された複数の導管５２０を通って内部プレナムに流入する。導管５２０の場所、サイズ、および導管５２０の数は、第１のガスが内部プレナムにおいて供給され均等化されるのとほぼ同時に、第２のガスが十分な流れで内部プレナムの外縁において確実に受け入れられるようなものとする。第２の入口６３０の場所、サイズ、および数、第３の入口群６３０ａの数、ならびに導管５２０の数は、（ａ）分配プレナム６２５内の第２のガスを均等化し、（ｂ）適用プレナムを介して内部プレナムに適用するのにかかる時間が、内部プレナムに適用される第１のガスが均等化されるのにかかる時間とほぼ同じになるように定められる。このようにすれば、内部プレナム内で２つのプレナムを効果的に半径方向に調整することが可能になると思われる。
【００５６】
いくつかの実施態様では、適用プレナム６３５への第３群の第２の入口の数は、第２のガスを分配プレナム６２５に供給する第２の入口６３０の数よりも多い。これは、第２のガスが高速かつ効率的に内部プレナムに供給されるようにするとともに、第２のガスが内部プレナムに不均一に適用されないようにするするためである（第２のガスが内部プレナムに不均一に適用されると、結果的に２つのガスの有効半径の制御の仕方に影響する可能性がある）。例えば、１つまたはごく少数の第２の入口６３０がシャワーヘッド内に不均一に分散配置されているとき、または第３の入口群６３０ａの場所が導管５２０と一列に並んでいるとき、不均一な分配が生じて、分配プレナム６２５に供給される第２のガスが分配プレナムで均等化される前に１つまたはいくつかの特定の場所で内部プレナムを氾濫させ、その一方で内部プレナムの残りの場所が第２のガスを全く受け取っていないということが起こり得る。いくつかの実施態様では、分配プレナム６２５への第２の入口６３０がシャワーヘッドの周辺領域に沿って４個または８個以上画成され、第３の入口群６３０ａが分配プレナム６２５と適用プレナム６３５との界面に８個または１２個以上設けられる。様々な入口および出口の数は単なる例示であり、限定であると見なされるべきではないことに留意されたい。
【００５７】
いくつかの実施態様では、第２のガス流量弁は、シャワーヘッド１６０の上方、かつプロセスチャンバの外側に配置される。第２のガス流量弁をプロセスチャンバの外側に設けることの利点は、第２のガス流量弁がコントローラを介してオンにされるとき、第２のガスが実質的に同時に縁部プレナムに送給されることである。いくつかの実施態様では、第２のガス流量弁は、複数の第２の入口からすぐ近くの周辺領域に沿って配置される。代替の実施態様では、第２のガス流量弁をシャワーヘッドの内側に配置してもよい。適用プレナム６３５から流出する第２のガスは、内部プレナムの外縁からシャワーヘッドの中心に向かって流れる周囲流を作り出し、第１の半径の外縁において第１のガスの内部流と合流する。第１のガスまたは第２のガスの流れは、第２のガスの周囲流が第１のガスの内部流の進行を制御するように、またはその逆になるように制御される。内部流と周囲流が接触する点は、内部プレナム内で第１および第２のガスを十分に分離したまま、第１のガスの一部が第２のガスと混ざり合うよどみ点によって定められる。いくつかの実施態様では、２つの連続する第２の入口６３０と２つの連続する第３の入口６３０ａとの間の距離は、第２のガスの流れが処理領域を十分にカバーするように定められる。例えば、一実施態様において、１０ｍｍのプロセスウィンドウを同等のサイズの基板の縁部を処理するために画成するには、第２の入口６３０をシャワーヘッドの周囲に互いに１０ｍｍ離して画成し、第３の入口群をシャワーヘッドの周囲に互いに５ｍｍ離して画成することも考えられる。いくつかの実施態様では、第３の入口群をシャワーヘッドの周囲に複数列で画成してもよく、第３の入口群の各列の入口を他の列の対応する入口からずらして配置する。あるいは、第３の入口群の各列の入口が他の列の対応する入口と一致していてもよい。
【００５８】
いくつかの実施態様では、コントローラは、信号を第２のガス流量弁のうち選択されたもの、またはすべての第２のガス流量弁に送信し、分配プレナムに適用される第２のガスの流れを制御するように構成されてもよい。例えば、第２のガスの半径方向の幅を小さくする必要がある場合、第２の入口の一部のみを使用して第２のガスを適用し、縁部プレナムに適用される第２のガスの流量を減らすことができる。したがって、コントローラは、第２の入口６３０のうち選択されたもの（例えば、１つおき、または２つおき等）を通して第２のガスを供給するように第２のガス流量弁に信号を提供してもよい。あるいは、第２の入口６３０のすべてを使用し、第２の入口のすべてを通る第２のガスの流れを調整するように、コントローラから第２のガス流量弁へ信号を送ってもよい。
【００５９】
図６Ａ〜図６Ｃは、いくつかの実施態様における、シャワーヘッドの内部プレナム内の第１および第２のガスの半径の俯瞰図を示している。シャワーヘッドの中心から適用される第１のガスは、シャワーヘッドの中心から内部プレナムの周辺領域に向かって外側に流れる内部流を作り出す。第２のガスは、シャワーヘッドの周辺部分に沿って画成された第２の入口群を通して内部プレナムの外縁に供給される。第２のガス流は、周辺領域から中心に向かって流れ、よどみ点５３０で第１のガスの内部流と合流する周囲流を作り出す。図６Ａに示されるように、第１のガスは、第１の半径「ｒ１」に広がる。第２のガスは、第１の半径ｒ１の外縁から第２の半径「ｒ２」に広がって、第２のガスの幅「ｄ１」を定める。幅「ｄ１」はｒ２とｒ１との差であると決定される。図６Ｂでは、第１のガスが第１の半径ｒ１’に広がり、第２のガスが第１の半径ｒ１’の外縁から第２の半径ｒ２’に広がって、第２のガスの幅「ｄ２」を定める。幅「ｄ２」はｒ２’とｒ１’との差として算出される。同様に、図６Ｃでは、第１のガスが第１の半径ｒ１’’に広がり、第２のガスが第１の半径ｒ１’’の外縁から第２のガス半径ｒ２’’に広がって第２のガスの幅「ｄ３」を定める。幅「ｄ３」はｒ２’’とｒ１’’との差として算出される。図６Ａ〜図６Ｃから、幅ｄ２がｄ１よりも大きく、幅ｄ３がｄ２およびｄ１よりも大きいと簡単に推定することができる。内部プレナム内の２つのガスプレナムの流れを動的に調整すると、それに応じて２つのプレナムの半径方向の幅が調整され、基板表面の様々な領域に影響を与える。
【００６０】
シャワーヘッドの様々な実施態様により、シャワーヘッドを通して基板の上面に供給される様々なガスの半径方向の制御が可能になる。シャワーヘッドは、基板表面に適用される様々なガスに対して異なるプロセスウィンドウを画成するために様々なガスの流れを動的に調節する効果的な方法を可能にしており、シャワーヘッドの交換を必要とせずにそのような調節を実行することができる。本明細書では、２つの異なるプロセスウィンドウの提供に関する様々な実施態様を説明してきたことに留意されたい。実施形態は、別の導管をシャワーヘッドに追加して内部プレナム内に異なるガスの追加プレナムを画成することによって、３つ以上の異なるプロセスウィンドウを提供するように拡張できる。本明細書を読むと、当業者には様々な利点が明らかになるであろう。
【００６１】
図７は、上述のシステムを制御するための制御モジュール７００（図１の制御モジュール１１０と同様）を示す。一実施形態では、図１の制御モジュール１１０は、例示的な構成要素のうちいくつかを含むことができる。単なる例示として、制御モジュール７００には、プロセッサと、メモリと、１つまたは複数のインターフェースとを含めることができる。制御モジュール７００は、検知値に部分的に基づいてシステム内のデバイスを制御するために用いることができる。例えば、制御モジュール７００は、検知値および他の制御パラメータに基づいて、弁７０２、フィルタヒータ７０４、ポンプ７０６、および他のデバイス７０８の１つまたは複数を制御することができる。制御モジュール７００は、単なる例示として、圧力計７１０、流量計７１２、温度センサ７１４、および／または他のセンサ７１６から検知値を受信する。制御モジュール７００はまた、前駆体の送給中および膜の堆積中のプロセス条件を制御するために用いられてもよい。制御モジュール７００は、典型的には、１つまたは複数のメモリデバイスと、１つまたは複数のプロセッサとを含む。
【００６２】
制御モジュール７００は、前駆体送給システムおよび堆積装置の動作を制御することができる。制御モジュール７００は、プロセスタイミング、送給システム温度、フィルタ間の圧力差、弁位置、ガスの混合、チャンバ圧力、チャンバ温度、ウエハ温度、ＲＦ電力レベル、ウエハチャック位置または台座位置、および特定のプロセスの他のパラメータを制御するための命令のセットを含むコンピュータプログラムを実行する。制御モジュール７００はまた、圧力差を監視し、蒸気前駆体の送給をある１つまたは複数の経路から別の１つまたは複数の経路に自動的に切り替えることができる。いくつかの実施形態では、制御モジュール７００に関連するメモリデバイスに格納された他のコンピュータプログラムを用いることができる。
【００６３】
典型的には、制御モジュール７００に関連するユーザインターフェースが存在する。ユーザインターフェースは、ディスプレイ７１８（例えば、装置条件および／またはプロセス条件を表示するディスプレイ画面および／またはグラフィカルソフトウェアディスプレイ）およびユーザ入力デバイス７２０（例えば、ポインティングデバイス、キーボード、タッチスクリーン、マイクロフォン等）を含むことができる。
【００６４】
プロセスシーケンスにおける前駆体の送給、堆積、および他のプロセスを制御するためのコンピュータプログラムは、任意の従来のコンピュータ可読プログラミング言語（例えば、アセンブリ言語、Ｃ、Ｃ＋＋、パスカル、フォートラン他）で書くことができる。コンパイルされたオブジェクトコードまたはスクリプトは、プログラム中で識別されたタスクを実施するためプロセッサによって実行される。
【００６５】
制御モジュールのパラメータは、例えば、フィルタ圧力差、プロセスガスの組成および流量、温度、圧力、ＲＦ電力レベルおよび低周波ＲＦ周波数などのプラズマ条件、冷却ガス圧力、ならびにチャンバ壁温度などのプロセス条件に関連している。
【００６６】
システムソフトウェアは、多くの異なる方法で設計または構成することができる。例えば、様々なチャンバ構成要素サブルーチンまたは制御オブジェクトは、本発明の堆積プロセスを実行するために必要なチャンバ構成要素の動作を制御するために書かれてもよい。この目的のためのプログラムまたはプログラムのセクションの例としては、基板位置決めコード、プロセスガス制御コード、圧力制御コード、ヒータ制御コード、およびプラズマ制御コードが挙げられる。
【００６７】
基板位置決めプログラムは、基板を台座またはチャック上にロードし、基板とガス入口および／またはターゲットなどのチャンバの他の部分との間隔を制御するために使用されるチャンバ構成要素を制御するためのプログラムコードを含むことができる。プロセスガス制御プログラムは、ガスの組成および流量を制御するためのコード、および任意で、チャンバ内の圧力を安定させるために堆積前にガスをチャンバに流すためのコードを含むことができる。フィルタ監視プログラムは、測定された差を所定の値と比較するコード、および／または経路を切り替えるコードを含む。圧力制御プログラムは、例えば、チャンバの排気システム内のスロットル弁を調節することによってチャンバ内の圧力を制御するためのコードを含むことができる。ヒータ制御プログラムは、前駆体送給システム内の構成要素、基板、および／またはシステムの他の部分を加熱するための加熱ユニットへの電流を制御するためのコードを含むことができる。あるいは、ヒータ制御プログラムは、ヘリウムなどの熱伝達ガスのウエハチャックへの送給を制御してもよい。
【００６８】
堆積中に監視され得るセンサの例としては、質量流量制御モジュール、圧力センサ（圧力計７１０など）、および送給システム、台座またはチャックに設けられる熱電対（例えば、温度センサ７１４）が挙げられるが、これらに限定されない。適切にプログラムされたフィードバックおよび制御アルゴリズムをこれらのセンサからのデータと共に使用して、所望のプロセス条件を維持することができる。以上は、シングルまたはマルチチャンバ半導体処理ツールにおける本発明の実施形態の実施態様を説明している。
【００６９】
実施形態に関する以上の説明は、例示および説明を目的として提供されたものであり、本発明を網羅することまたは限定することを意図するものではない。特定の実施形態の個々の要素または特徴は、一般にその特定の実施形態には限定されず、該当する場合には、たとえ具体的に図示または説明されていなくても選択された実施形態において代替可能であり、使用可能である。また、特定の実施形態の個々の要素または特徴は、様々な形で変更されてもよい。そのような変形は、本発明からの逸脱と見なされるべきではなく、そのようなすべての修正は、本発明の範囲内に含まれることが意図されている。
【００７０】
前述の実施形態は、明確な理解のために多少詳しく説明されているが、一定の変更および修正を添付の特許請求の範囲の範囲内で実施できることは明らかであろう。したがって、本実施形態は、限定ではなく例示と見なされるべきであり、実施形態は、本明細書に述べられる詳細に限定されるべきではなく、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内で修正されてもよい。
【図１】
2021532265.tif 000003
【図２Ａ】
2021532265.tif 000004
【図２Ｂ】
2021532265.tif 000005
【図２Ｃ】
2021532265.tif 000006
【図３】
2021532265.tif 000007
【図４Ａ】
2021532265.tif 000008
【図４Ｂ】
2021532265.tif 000009
【図５Ａ】
2021532265.tif 000010
【図５Ｂ】
2021532265.tif 000011
【図６Ａ】
2021532265.tif 000012
【図６Ｂ】
2021532265.tif 000013
【図６Ｃ】
2021532265.tif 000014
【図７】
2021532265.tif 000015
【国際調査報告】
2021532265.tif 000016
2021532265.tif 000017