(57)【要約】      （修正有）【課題】ＡＬＤ（原子層蒸着）サイクルについて処理条件の一貫性、制御可能性、及び／又は、再現性を向上させる改良された方法および装置を提供する。【解決手段】第１の温度に維持されているシャワーヘッドを介して処理チャンバ内に薄膜前駆体を流し、基板ホルダを実質的に第２の温度に維持しつつ、前駆体が吸着制限層を形成するように、基板ホルダに保持されている基板上に薄膜前駆体を吸着させる。第１の温度は、第２の温度より少なくとも約１０℃高くする。又は、第２の温度以下とする。さらに、吸着された薄膜前駆体の周りの空間から少なくとも一部の未吸着の薄膜前駆体を除去し、その後に、吸着され薄膜前駆体を反応させて、薄膜層を形成する。装置は、処理チャンバと、基板ホルダと、シャワーヘッドと、上述の薄膜蒸着技術を利用するように装置を操作するための１または複数のコントローラと、を備える。【選択図】図８
2016046524.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理チャンバ内で半導体基板上に材料の薄膜を蒸着させる方法であって、
（ａ）シャワーヘッドを実質的に第１の温度に維持しつつ、前記シャワーヘッドを介して処理チャンバ内に薄膜前駆体を流し、
（ｂ）基板ホルダを実質的に第２の温度に維持しつつ、前記薄膜前駆体が基板上に吸着制限層を形成するように、前記処理チャンバ内の前記基板ホルダに保持されている前記基板上に前記薄膜前駆体を吸着させ、
（ｃ）前記吸着された薄膜前駆体の周りの空間から少なくとも一部の未吸着の薄膜前駆体を除去し、
（ｄ）（ｃ）において未吸着の薄膜前駆体を除去した後に、吸着された薄膜前駆体を反応させて、前記基板上に薄膜層を形成すること、
を備え、
前記第１の温度は、前記第２の温度より少なくとも１０℃高い、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、さらに、
（ｅ）前記吸着された薄膜前駆体を反応させた後に、脱着した薄膜前駆体および／または反応副生成物が存在する場合に、前記薄膜層の周りの空間から除去することを備える、方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法であって、さらに、（ａ）〜（ｅ）を１回以上繰り返して、前記基板上に１または複数のさらなる薄膜層を蒸着させることを備える、方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、前記第２の温度は、約４５℃から５５℃の間である、方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、前記第１の温度は、前記第２の温度より約１０℃から２０℃高い、方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、前記第１の温度は、前記第２の温度より約１５℃から２５℃高い、方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法であって、前記シャワーヘッドの温度は、（ａ）〜（ｄ）の間に、前記第１の温度から約２℃未満変化する、方法。
【請求項８】
請求項１に記載の方法であって、前記シャワーヘッドの温度は、（ａ）〜（ｄ）の間に、前記第１の温度から約１℃未満変化する、方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法であって、前記基板の温度は、（ａ）〜（ｄ）の間に、前記第２の温度から約２℃未満変化する、方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の方法であって、前記基板の温度は、（ａ）〜（ｄ）の間に、前記第２の温度から約１℃未満変化する、方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の方法であって、前記基板ホルダは、前記基板ホルダを能動的に冷却することによって前記第２の温度に実質的に維持される、方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法であって、前記基板ホルダはペデスタルであり、前記ペデスタルは、前記ペデスタル内の導管を通じて流体を流すことによって能動的に冷却される、方法。
【請求項１３】
請求項１に記載の方法であって、前記シャワーヘッドは、前記シャワーヘッドを加熱することによって前記第１の温度に実質的に維持される、方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法であって。前記シャワーヘッドは、前記シャワーヘッドに埋め込まれている電気抵抗素子に電流を流すことによって加熱される、方法。
【請求項１５】
半導体基板上に材料の薄膜を蒸着させるための装置であって、
処理チャンバと、
前記処理チャンバ内の基板ホルダと、
前記処理チャンバ内に薄膜前駆体を流すためのシャワーヘッドと、
前記処理チャンバ内の前記基板の周りの空間から未吸着の薄膜前駆体を除去するための真空源と、
前記基板上に材料の薄膜を蒸着させるように、前記シャワーヘッドおよび真空源を操作するためのマシン読み取り可能な命令を備える１または複数のコントローラと、
を備え、
前記命令は、
（ａ）前記シャワーヘッドを実質的に第１の温度に維持しつつ、前記シャワーヘッドを介して前記処理チャンバ内に薄膜前駆体を流すための命令と、
（ｂ）前記第１の温度より少なくとも１０℃低い第２の温度に前記基板ホルダを実質的に維持しつつ、前記薄膜前駆体が、前記処理チャンバ内の前記基板ホルダに保持されている基板上に吸着されて前記基板上に吸着制限層を形成するように、前記処理チャンバ内の条件を制御するための命令と、
（ｄ）前記吸着され薄膜前駆体の周りの空間から少なくとも一部の未吸着の薄膜前駆体を除去するための命令と、
（ｅ）（ｄ）で未吸着の薄膜前駆体を除去した後に、吸着された薄膜前駆体を反応させて、前記基板上に薄膜層を形成するための命令と、
を含む、装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の装置であって、前記シャワーヘッドは、前記シャワーヘッドを加熱するための電気抵抗素子を備え、前記基板ホルダは、内部冷却導管を備えているペデスタルである、装置。
【請求項１７】
請求項１５に記載の装置であって、前記シャワーヘッドは、前記シャワーヘッドを加熱するための電気抵抗素子と、温度センサと、を備え、前記１または複数のコントローラの前記命令は、さらに、前記温度センサからの信号に応答して、前記電気抵抗素子を流れる電流を制御するための命令を含む、装置。
【請求項１８】
請求項１５に記載の装置であって、前記基板ホルダは、内部冷却導管を備えているペデスタルと、温度センサと、を備え、前記１または複数のコントローラの前記命令は、さらに、前記温度センサからの信号に応答して、前記冷却導管を流れる流体の流量を制御するための命令を含む、装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の装置であって、前記ペデスタル基板ホルダは、さらに、内部電気抵抗素子を備え、前記１または複数のコントローラの前記命令は、さらに、前記温度センサからの信号に応答して、前記電気抵抗素子を流れる電流を制御するための命令を含む、装置。
【請求項２０】
処理チャンバ内で半導体基板上に材料の薄膜を蒸着させる方法であって、
（ａ）シャワーヘッドを実質的に第１の温度に維持しつつ、前記シャワーヘッドを介して処理チャンバ内に薄膜前駆体を流し、
（ｂ）基板ホルダを実質的に第２の温度に維持しつつ、前記薄膜前駆体が基板上に吸着制限層を形成するように、前記処理チャンバ内の前記基板ホルダに保持されている前記基板上に前記薄膜前駆体を吸着させ、
（ｃ）前記吸着され薄膜前駆体の周りの空間から少なくとも一部の未吸着の薄膜前駆体を除去し、
（ｄ）（ｄ）で未吸着の薄膜前駆体を除去した後に、吸着された薄膜前駆体を反応させて、前記基板上に薄膜層を形成すること、
を備え、
前記第１の温度は、前記第２の温度以下である、方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
半導体産業においてデバイスおよびフィーチャ（構造）のサイズが縮小し続け、また、三次元デバイス構造（例えば、Ｉｎｔｅｌのトライゲートトランジスタアーキテクチャ）が集積回路（ＩＣ）設計で普及するにつれ、薄い共形膜（非平面でも、下層構造の形状に対して均一な厚さを有する材料薄膜）を蒸着できることが重要性を増し続けることになる。原子層蒸着（ＡＬＤ）は、１回のＡＬＤサイクルで単一の材料薄膜のみを蒸着するという事実により、共形薄膜の蒸着によく適合する薄膜形成技術であり、厚さは、薄膜形成化学反応自体の前に基板表面上に吸着しうる（すなわち、吸着制限層を形成する）１または複数の薄膜前駆体反応物質の量によって制限される。次いで、複数回の「ＡＬＤサイクル」が、所望の厚さの薄膜を形成するために用いられてよく、各層が薄く共形であるので、結果として得られる薄膜は、下層のデバイス構造の形状と実質的に共形になる。
【０００２】
しかしながら、ＡＬＤ処理に関連して多くの課題がある。しばしば、これらの課題は、１回のＡＬＤサイクルが薄い吸着制限層のみを蒸着することから、相当の厚さの薄膜を形成するには多回数のＡＬＤサイクルが必要になるという事実に関係している。この理由から、ＡＬＤによってウエハ間で均一な厚さの薄膜を蒸着するには、蒸着された薄膜における測定可能な変動に寄与しうる処理条件の任意の変動を最小化することが重要である。したがって、複数の半導体基板上に実行される複数回のＡＬＤサイクルについて処理条件の一貫性、制御可能性、および／または、再現性を向上させる改良された方法および装置が求められる。
【発明の概要】
【０００３】
処理チャンバ内で半導体基板上に材料の薄膜を蒸着させる方法が開示されている。方法は、実質的に第１の温度にシャワーヘッドを維持しつつ、シャワーヘッドを介して処理チャンバ内に薄膜前駆体を流し、基板ホルダを実質的に第２の温度に維持しつつ、前駆体が基板上に吸着制限層を形成するように、処理チャンバ内の基板ホルダに保持されている基板上に薄膜前駆体を吸着させることを備えてよい。方法は、さらに、吸着され薄膜前駆体の周りの空間から少なくとも一部の未吸着の薄膜前駆体を除去し、その後に、吸着され薄膜前駆体を反応させて、基板上に薄膜層を形成することを備えてよい。いくつかの実施形態において、第１の温度は、第２の温度より少なくとも１０℃高くてよい。
【０００４】
さらに、処理チャンバ内で半導体基板上に材料の薄膜を蒸着させる方法が開示されている。方法は、実質的に第１の温度にシャワーヘッドを維持しつつ、シャワーヘッドを介して処理チャンバ内に薄膜前駆体を流し、基板ホルダを実質的に第２の温度に維持しつつ、前駆体が基板上に吸着制限層を形成するように、処理チャンバ内の基板ホルダに保持されている基板上に薄膜前駆体を吸着させることを備えてよい。方法は、さらに、吸着された薄膜前駆体の周りの空間から少なくとも一部の未吸着の薄膜前駆体を除去し、その後に、吸着された薄膜前駆体を反応させて、基板上に薄膜層を形成することを備えてよい。いくつかの実施形態において、第１の温度は、第２の温度以下である。
【０００５】
また、半導体基板上に材料の薄膜を蒸着させるための装置が開示されている。装置は、処理チャンバと、処理チャンバ内の基板ホルダと、処理チャンバ内に薄膜前駆体を流すためのシャワーヘッドと、処理チャンバ内の基板の周りの空間から未吸着の薄膜前駆体を除去するための真空源と、１または複数のコントローラと、を備えてよい。１または複数のコントローラは、基板上に材料の薄膜を蒸着させるように、シャワーヘッドおよび真空源を操作するためのマシン読み取り可能な命令を備えてよい。命令は、シャワーヘッドを実質的に第１の温度に維持しつつ、シャワーヘッドを介して処理チャンバ内に薄膜前駆体を流すための命令と、第１の温度より少なくとも１０℃低い第２の温度に基板ホルダを実質的に維持しつつ、薄膜前駆体が、処理チャンバ内の基板ホルダに保持されている基板上に吸着されて基板上に吸着制限層を形成するように、処理チャンバ内の条件を制御するための命令と、吸着された薄膜前駆体の周りの空間から少なくとも一部の未吸着の薄膜前駆体を除去するための命令と、未吸着の薄膜前駆体を除去した後に、吸着された薄膜前駆体を反応させて基板上に薄膜層を形成するための命令と、を含んでよい。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】単一の処理ステーションを備えた処理チャンバを有する基板処理装置を示す概略断面図。
【０００７】
【図２】２つの処理ステーションから基板をロードおよびアンロードするための基板ハンドラロボットと、装置を操作するためのコントローラとを備えた４ステーション基板処理装置を示す概略図。
【０００８】
【図３Ａ】最初の２５ウエハの後に遠隔プラズマ洗浄によって中断された５０ウエハのバッチに対する（ＡＬＤによる）蒸着の結果を示す図。
【０００９】
【図３Ｂ】「厚さ差分」（遠隔プラズマ洗浄前後の蒸着膜厚さの変化）を、ペデスタル温度設定点５０、６０、および、７０℃の時のシャワーヘッド温度に対してプロットした図。
【００１０】
【図３Ｃ】シャワーヘッド温度調節を用いたいくつかの処理およびシャワーヘッド温度調節を用いない１つの処理の結果を、「厚さ差分」対シャワーヘッド温度でプロットした図。
【００１１】
【図３Ｄ】同時シャワーヘッド加熱がない場合の蒸着膜厚さ対ペデスタル温度設定点のプロットおよび回帰直線を示す図。
【００１２】
【図３Ｅ】８０℃の同時シャワーヘッド加熱を行った場合の蒸着膜厚さ対ペデスタル温度設定点のプロットおよび回帰直線を示す図。
【００１３】
【図４Ａ】温度調節および／または制御機能を有するシャワーヘッドを示す断面図。
【００１４】
【図４Ｂ】温度調節および／または制御機能を有するシャワーヘッドにおいて、図４Ａで強調した側面以外を強調した別の断面図。
【００１５】
【図４Ｃ】温度調節および／または制御機能を有するシャワーヘッドにおいて、図４Ａ〜図４Ｂで強調した側面以外を強調した別の断面図。
【００１６】
【図５】４つのシャワーヘッドに冷却を提供するよう構成された（あるいは、４つの基板ホルダに冷却を提供するよう構成されてもよい）熱交換器を有する冷却システムを示す概略図。
【００１７】
【図６】シャワーヘッド温度調節／制御システムを示す概略図。
【００１８】
【図７Ａ】内部加熱および冷却素子を有するペデスタル形状の基板ホルダを示す斜視図。
【００１９】
【図７Ｂ】ペデスタルの中央円筒部に組み込まれた冷却ブロックを有する内部ペデスタルインサート冷却素子を示す図７Ａのペデスタル形状の基板ホルダの切り欠き斜視図。
【００２０】
【図７Ｃ】図７Ｂのペデスタルインサート冷却素子を示す拡大斜視図。
【００２１】
【図７Ｄ】シャワーヘッドの面内に内部加熱および冷却素子を有するペデスタル形状の基板ホルダを示す断面図。
【００２２】
【図７Ｅ】内部加熱および冷却素子を示す図７Ｄのペデスタル形状の基板ホルダの切り欠き斜視図。
【００２３】
【図８】シャワーヘッドおよび／または基板ホルダの能動的温度調節および／または制御を含む本明細書に開示の技術によって一貫性の改善された薄膜を形成するための一連の原子層蒸着（ＡＬＤ）操作の例を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下の説明では、本発明の完全な理解を促すために、数多くの具体的な詳細事項が示されている。しかしながら、本発明は、これらの具体的な詳細事項の一部または全部がなくとも実施可能である。また、本稿の発明の態様が不必要に不明瞭となることを避けるため、周知の処理操作またはハードウェアの詳細な説明は省略した。特定の詳細な実施形態との関連で本発明について説明するが、これらの特定の詳細な実施形態は、本明細書に開示された発明の概念の範囲を限定する意図はないことを理解されたい。
【００２５】
本明細書では、原子層蒸着（ＡＬＤ）によって材料の薄膜を蒸着させるための改良された方法および装置が開示されている。ＡＬＤ技術を用いて材料薄膜を形成する半導体製造工程は、通例、複数回の順次的なＡＬＤサイクルを利用する。１回のＡＬＤサイクルは、１つの材料薄膜のみ（しばしば、１分子の層厚さのみ）を蒸着する。相当の所望の厚さの薄膜を形成するために、複数回のＡＬＤサイクルを実行することができる。したがって、順次繰り返される「ＡＬＤサイクル」の概念が存在する。以下で詳述するように、処理チャンバ内で基板上に単一の材料層を蒸着させるための基本的なＡＬＤサイクルは、以下を含んでよい。（ｉ）吸着制限層を形成するように薄膜前駆体を基板上に吸着させる操作、（ｉｉ）吸着された前駆体の周りの空間から（少なくとも一部の）未吸着の薄膜前駆体を除去する操作、および、（ｉｉｉ）未吸着の薄膜前駆体を除去した後、吸着された薄膜前駆体を反応させて基板上に薄膜層を形成する操作。しばしば、ＡＬＤサイクルは、さらに、（ｉｖ）吸着された薄膜前駆体の反応後に存在する場合、基板上に形成された薄膜の層の周りの空間から、脱着した薄膜前駆体および／または反応副生成物を除去する操作を含む。操作（ｉｉ）および（ｉｖ）における除去は、基板の周りの空間をパージする、ベース圧力までポンプダウンする（「ベースへのポンピング（ｐｕｍｐ−ｔｏ−ｂａｓｅ）」）ことで排気する、などによって行われてよい。いくつかの実施形態において、これらのパージは、本明細書において「一次パージ」すなわち「バーストパージ」および「二次パージ」と呼ばれるものに論理的に分類されうる。（一次／バーストパージおよび二次パージの利用については、２０１４年７月３０日出願の発明の名称を「ＭＥＴＨＯＤＳ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳＥＳ  ＦＯＲ  ＳＨＯＷＥＲＨＥＡＤ  ＢＡＣＫＳＩＤＥ  ＰＡＲＡＳＩＴＩＣ  ＰＬＡＳＭＡ  ＳＵＰＰＲＥＳＳＩＯＮ  ＩＮ  Ａ  ＳＥＣＯＮＤＡＲＹ  ＰＵＲＧＥ  ＥＮＡＢＬＥＤ  ＡＬＤ  ＳＹＳＴＥＭ」とする米国特許出願第１４／４４７，２０３号に詳細に記載されており、この出願は、参照によって全ての目的で本明細書にその全体が組み込まれる）。したがって、操作（ｉ）〜（ｉｉｉ）（いくつかの実施形態では、さらに（ｉｖ））は、１回のＡＬＤサイクルを構成し、そのサイクルは、さらなる薄膜層を基板上に蒸着させ、それにより、所望の通りの十分な厚さの薄膜を形成するために、１回以上繰り返されてよい。
【００２６】
複数回のＡＬＤサイクルが、材料の膜を蒸着するために実行され、さらに、複数の基板上に蒸着するために（典型的なウエハ製造処理の流れの中で）多くの半導体基板に繰り返し実行されるので、結果として得られる蒸着膜が、均一な組成および一貫した厚さを有するように、各ＡＬＤサイクルは、制御可能、予測可能、および、再現可能であることが重要である。したがって、蒸着膜の「ウエハ内での」ばらつき（例えば、ウエハ面上の異なる点での蒸着膜の厚さのばらつき）および所与のバッチ内のウエハ間での蒸着膜のばらつきの両方を最小化することが望ましい。通例、薄膜前駆体および／または共反応物質の組成および反応処理チャンバへの流量を制御することに加えて、薄膜蒸着処理の再現性は、処理チャンバ内の環境条件の制御を維持することを含む。
【００２７】
処理チャンバ内の温度（より具体的には、薄膜が蒸着されている基板の温度）が、通常、ＡＬＤ処理で形成される薄膜の一貫性に著しい影響を与える。例えば、特定の低温（例えば、５０℃）ＡＬＤ処理では、ペデスタル／ウエハ／シャワーヘッドシステムにおける著しい温度のばらつきが、ＡＬＤ処理自体によって引き起こされる。プラズマ活性化が用いられる実施形態において、例えば、上記の操作（ｉｉｉ）のプラズマ活性化が、基板または処理チャンバの「プラズマ加熱」につながりうる。所与のウエハへのＡＬＤ操作の合間または異なるウエハの処理の合間に実行される他の操作（チャンバ洗浄操作など）も、処理チャンバ内の温度変動をもたらしうる。結果として、以下に述べるように、無視できない蒸着速度変化が観察されている（これは、上述のように、共形薄膜の応用例で望ましくない）。
【００２８】
しかしながら、薄膜形成中の基板温度が影響を受け、処理チャンバの内部空間と熱的に接触する様々なハードウェア構成要素の温度調節を通じて或る程度まで安定化および制御されうることがわかっている。特に、薄膜前駆体（および／または共反応物質）を分配するために用いられるシャワーヘッドの能動的な温度調節（能動加熱または冷却）、ならびに、基板が保持されるペデスタル（より一般的には基板ホルダと呼ばれる）の能動的な温度調節が、基板の熱的挙動および熱的特性をＡＬＤ処理中に変えうるメカニズムを提供する。例えば、後に詳述するように、いくつかの実施形態において、基板ホルダが維持される温度を超える高い温度（例えば、少なくとも約５または１０または１５または２０℃だけ高い温度）にシャワーヘッドを実質的に維持することが、基板の熱安定性の改善およびＡＬＤ処理で蒸着される薄膜の一貫性の向上につながりうることがわかった。
【００２９】
シャワーヘッドと基板ホルダとの間の上述の温度差は、シャワーヘッド温度を能動的に温度調節および／または温度制御することによって、いくつかの実施形態では、さらに、基板ホルダ温度のかかる能動的な温度調節／温度制御を用いることによって、維持されうる。したがって、いくつかの実施形態では、シャワーヘッドが、能動加熱によってより高い温度で操作されうると同時に、基板ホルダ（例えば、ペデスタル型の装置）が、能動冷却によって下げられた／より低い温度で独立的に操作されうる。要するに、かかるＡＬＤ処理において、シャワーヘッドが実質的に第１に温度に維持された状態で、薄膜前駆体がシャワーヘッドを介して処理チャンバ内に流れされてよく、次いで、薄膜前駆体は、基板ホルダが、第１の温度とは異なる（そして、低い）第２の温度に実質的に維持された状態で、処理チャンバ内の基板ホルダ上に保持されている基板上に吸着されうる。
【００３０】
例えば、第１の温度（シャワーヘッドの温度）は、第２の温度（基板ホルダの温度）よりも高くなるように、選ぶ、選択する、プログラムする、設定する、維持するなどされてよい。例えば、第１の温度は、第２の温度より少なくとも約５℃、第２の温度より少なくとも１０℃、第２の温度より少なくとも約１５℃、第２の温度より少なくとも２０℃、または、第２の温度より少なくとも約３０℃高くてよい。いくつかの実施形態において、第１および第２の温度の間の差は、可能な温度差値の範囲内にあってもよい。したがって、例えば、いくつかの実施形態において、第１および第２の温度の間の差は、約５℃および３０℃の間、約１０℃および２０℃の間、約１０℃および１５℃の間、約１５℃および２０℃の間、約５℃および２０℃の間、もしくは、約１０℃および３０℃の間、などであってよい。より一般的に、実施形態に応じて、第１および第２の温度の間の差は、以下の温度差値の任意のペアによって規定された値の範囲内にあってよい。５、１０、１５、２０、２５、および、３０℃。したがって、例えば、第１の温度は、第２の温度よりも約１０から２０℃高くてもよいし、第１の温度は、第２の温度よりも約１５から３０℃高くてもよい、などである。
【００３１】
温度差が重要でありうると同時に、絶対温度も重要でありうる。したがって、例えば、いくつかの実施形態において、第２の温度（基板ホルダの温度）は、約２０℃および１００℃の間、約３０℃および７０℃の間、約３５℃および６５℃の間、約４０℃および６０℃の間、約４５℃および５５℃の間、もしくは、約４８および５２℃の間であってよい。より一般的に、実施形態に応じて、好ましいＡＬＤ処理中に実質的に維持される基板ホルダの温度は、以下の温度の任意のペアによって規定される範囲を含む可能な温度範囲内にあってよい。２０、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、８０、９０、および、１００℃。さらに、いくつかの実施形態において、上述の対策は、上記の操作（ｉ）〜（ｉｉｉ）および／または（ｉｖ）中に約２℃未満だけ変動する、もしくは、これらの操作中に約１℃未満だけ変動するように、基板の温度を安定化させうる。同様に、いくつかの実施形態において、上述の対策は、上記の操作（ｉ）〜（ｉｉｉ）および／または（ｉｖ）中に約２℃未満だけ変動する、もしくは、これらの操作中に約１℃未満だけ変動するように、シャワーヘッドの温度を安定化させうる。
【００３２】
このように、実施形態に応じて、一方で、シャワーヘッドは、プラズマ加熱およびチャンバ洗浄に関連するエッチング処理による加熱にそれほど敏感ではない温度レジームで操作されてよいが、同時に、基板は、実行中の低温ＡＬＤ処理に適切なより低い温度に保持されてよい。そうすることで、能動的温度調節／温度制御がない場合の蒸着速度に比べて、ウエハ間（および、ウエハバッチ間）でのＡＬＤ蒸着速度の一貫性および安定性が著しく改善されうる。他の潜在的な利点も、ペデスタルおよびシャワーヘッドシステムの独立した温度制御によって提供されるさらなる柔軟性に関連しうる。温度調節／制御能力および／または温度選択は、一般に、処理の調整および欠陥レベルの低減に有用なさらなるパラメータを提供しうる。例えば、シャワーヘッドの温度を上げると、シャワーヘッド上の前駆体凝縮のリスクを低減または排除できる。
【００３３】
あるいは、別の実施形態において、シャワーヘッドおよび基板ホルダは、シャワーヘッドを基板ホルダの温度付近またはそれ以下の温度に維持するために、温度調節および／または温度制御されてよい。この後者の実施形態では、プラズマによって発生した熱負荷をシャワーヘッドから除去することによってシャワーヘッドの熱的安定性を促すために、能動冷却が用いられる。このレジームにおいて、より高い温度のシャワーヘッドから熱伝導される熱がなく、すなわち、シャワーヘッドの温度（上記の第１の温度）が、基板ホルダの温度（上記の第２の温度）付近またはそれ以下になるので、（例えば、能動的に冷却されたペデスタルを介しての）基板の能動冷却は、不必要でありうる。
【００３４】
したがって、実施形態に応じて、第１の温度は、第２の温度未満に選ばれ／選択され／プログラムされ／設定され／維持されるなどしてよく、例えば、第１の温度は、第２の温度より少なくとも約５℃、第２の温度より少なくとも約１０℃、第２の温度よりも少なくとも約１５℃、または、第２の温度よりも少なくとも約２０℃低くてよい。いくつかの実施形態において、第１および第２の温度の間の差は、可能な温度差値の範囲内にあってもよい。したがって、例えば、いくつかの実施形態において、第１および第２の温度の間の差は、約５℃および２０℃の間、約１０℃および２０℃の間、約１０℃および１５℃の間、約１５℃および２０℃の間、約５℃および１５℃の間、もしくは、約５℃および１０℃Ｃの間、などであってよい。また、シャワーヘッドと基板ホルダとの間の温度差は、シャワーヘッドが基板ホルダよりも低温に維持されるこれらの実施形態においては重要でありうるが、関係する絶対温度も重要でありうる。したがって、例えば、上述の可能な基板ホルダ温度範囲は、具体的な構成（例えば、温度制御および冷却能力がどの程度利用可能であるか）によっては、これらの低温シャワーヘッド実施形態にも当てはまりうる。また、実際の基板での対応する温度のばらつきも、上述のように、例えば、＋／−１℃でありうる。
【００３５】
薄膜蒸着装置の概要
半導体基板上に薄膜を蒸着させるための操作は、一般に、図１に示すような基板処理装置で実行されてよい。以下で詳述する図１の装置１００は、真空ポンプ１１８によって真空に維持されうる内部空間内に単一の基板ホルダ１０８を備えた単一の処理チャンバ１０２を有する。また、（例えば）薄膜前駆体、搬送ガスおよび／またはパージガスおよび／または、処理ガス、二次反応物質／共反応物質などの供給のために、ガス供給システム１０１およびシャワーヘッド１０６が、チャンバに流体接続されている。処理チャンバ内でプラズマを生成するための装置も、図１に示されており、これについては、後に詳述する。いずれにせよ、後に詳述するように、図１に概略的に示した装置は、半導体基板にＡＬＤなどの薄膜蒸着操作を実行するための基本的な機器を提供する。
【００３６】
いくつかの状況では、図１のような基板処理装置で十分であるが、時間のかかる薄膜蒸着操作が含まれる場合、複数の半導体基板に同時並行で複数回の蒸着操作を実行することにより、基板処理スループットを高めることが有利でありうる。このために、図２に概略的に示すようなマルチステーション基板処理装置が用いられてよい。図２の基板処理装置２００でも、単一の基板処理チャンバ２１４を用いるが、処理チャンバの壁によって規定された単一の内部空間内に、複数の基板処理ステーションがあり、各々が、その処理ステーションでウエハホルダに保持されている基板に処理操作を実行するために用いられてよい。この特定の実施形態において、マルチステーション基板処理装置２００は、図に示すように、４つの処理ステーション２０１、２０２、２０３、および、２０４を有する。装置は、さらに、処理ステーション２０１および２０２に基板をロードするための基板ロード装置（この例では、基板ハンドラロボット２２６）と、様々な処理ステーション２０１、２０２、２０３、および、２０４の間で基板を搬送するための基板搬送装置（この例では、基板カルーセル（回転式コンベヤ）２９０）とを用いる。他の同様のマルチステーション処理装置が、実施形態と、例えば、所望の並列ウエハ処理レベル、サイズ／スペースの制約、コスト制約などとに応じて、より多くまたはより少ない処理ステーションを有してもよい。図２には、コントローラ１５０も示されており、以下で詳述する。いくつかの実施形態において、コントローラ１５０は、シャワーヘッド、基板ホルダ（例えば、ペデスタル）、および／または、チャンバ壁などの温度を調節および／または制御してよく、そうすることで、（ＡＬＤ操作を受ける）複数のウエハの間および複数のウエハバッチの間で一貫した再現可能な基板蒸着操作を実行する目標を支援する。
【００３７】
装置コストおよび運転費用の両方に関して、図２に示したようなマルチステーション処理装置の利用により、様々な効率化が達成されうることに注意されたい。例えば、単一の真空ポンプ（図２には図示しないが、例えば、図１の１１８）を用いて、すべての４つの処理ステーションに関して、使用済み処理ガスを排出する、単一の高真空環境を作り出すなどすることができる。同様に、いくつかの実施形態において、単一のシャワーヘッドが、単一の処理チャンバ内のすべての処理ステーションの間で共有されてよい。
【００３８】
ただし、いくつかの実施形態では、各処理ステーションが、ガス供給のために独自の専用シャワーヘッド（例えば、図２の１０６などを参照）を有してよいが、特定のかかる実施形態において、共通のガス供給システムが用いられてもよい（図１の１０１など）。処理ステーションごとに専用シャワーヘッドを有する実施形態においては、それぞれの温度が個別に調節および／または制御されてよい。例えば、各シャワーヘッドは、ガスの供給先である基板に対して、または、関連のある基板ホルダに対して、温度調節されてよい。同じ手段により、基板ホルダが、例えば、加熱および／または冷却で能動的に温度制御／調節される実施形態において、各基板ホルダの温度は、個別に調節されてよい。
【００３９】
処理ステーションの間で共有されてもよいし、複数存在して処理ステーションごとに個別に専用となってもよい他のハードウェア要素は、プラズマ発生器の特定の要素を含む。すべての処理ステーションが、例えば、共通のプラズマ電源を共有してよいが、一方で、専用シャワーヘッドが存在して、プラズマ生成電位を印加するために用いられる場合（以下の図１の議論を参照）、それらは、異なる処理ステーションに専用のプラズマ生成ハードウェアの要素を表す。再び、これらの処理ステーションに固有のシャワーヘッドの各々は、例えば、特定の処理ステーションの熱特性の差および使用中のＡＬＤ処理の詳細事項に従って、個別に温度を調節される。もちろん、２、３、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、または、１６、もしくは、それより多い反応チャンバあたりの処理ステーションなど、より多くまたはより少ない数の処理ステーションを処理チャンバごとに用いて、程度の差はあるが、かかる効率化を達成できることを理解されたい。
【００４０】
シャワーヘッドおよび／または基板ホルダの温度調節および／または制御による蒸着速度の一貫性および均一性の改善
順次実行されるＡＬＤ処理の均一性は、用いられる処理チャンバ空間内で一貫した環境処理条件を維持することに依存する。しかしながら、例えば、遠隔プラズマ洗浄（ＲＰＣ：ｒｅｍｏｔｅ  ｐｌａｓｍａ  ｃｌｅａｎ）操作から生じる処理チャンバ内の温度変動が条件を変えて、蒸着薄膜の望ましくないばらつきにつながりうる。図３Ａは、例えば、最初の２５ウエハの後に遠隔プラズマ洗浄（ＲＰＣ）によって中断された５０ウエハのバッチに対する（ＡＬＤによる）蒸着の結果を示す。この図は、ＲＰＣの直後（すなわち、ウエハ番号２５から２６への移行時）に、蒸着速度および蒸着薄膜厚さに明らかな低下が見られることを示す。具体的には、２０分のＰＲＣ後の図３に示された厚さの低下は、−１．８Åであることがわかった。５００枚のウエハへの蒸着後に１時間４０分のＲＰＣを含む別の実験では、厚さの低下が、６．０Åであることがわかり、少なくともこの例では、洗浄時間が長くなると、蒸着薄膜の厚さのばらつき（すなわち「厚さ差分」）および対応する蒸着速度のばらつきが大きくなることを示した。
【００４１】
遠隔プラズマ洗浄を扱うこれらの実験およびさらなる実験の結果を、関連するコメントと共に表Ｉに示す。具体的には、表Ｉは、一連のウエハに実行された操作／処理のシーケンスを列挙しており、洗浄操作によって引き起こされるばらつきの改善について、遠隔プラズマ「洗浄」操作の影響および様々な他の処理操作（シャワーヘッド加熱および冷却試験など）の影響を示す。表の操作１は、図３Ａに示して上で説明した操作に対応する。操作２は、チャンバをＨｅガスで８Ｔｏｒｒまで満たして３時間にわたってシャワーヘッドを冷却することが、洗浄操作によって引き起こされる厚さ差分を０．５Å（すなわち、Ｈｅで冷却しない場合の厚さのばらつきの１／３未満）まで減少させることを示す。しかしながら、２５ウエハのみを処理した後にシャワーヘッドの冷却で３時間中断することは、スループットの観点からは明らかに望ましくない。操作３は、チャンバ内でＡｒ／Ｎ２プラズマを作用させる影響を示しており、有意な厚さのばらつきにつながらないことを示している。しかしながら、操作４および５は、６分間または洗浄操作後の２分間だけ、Ｎ２Ｏプラズマ（著しい加熱を引き起こすことが知られている）を作用させることが、有意な厚さのばらつき（それぞれ、１．３Åおよび２．２Åの厚さ差分）につながることを示している。
【００４２】
処理６〜９は、洗浄操作の後にシャワーヘッドを冷却するためにシャワーヘッドを介して流した高圧（１８Ｔｏｒｒ）ヘリウム流の影響を示す。結果は、高圧ヘリウム流の利用が、（操作２で８Ｔｏｒｒヘリウム流に用いられた８時間の冷却に対して）シャワーヘッド冷却に必要な時間を１時間のオーダーまで削減するが、洗浄によって引き起こされる蒸着速度のばらつきを完全には排除していないことを示している。さらに、操作１０〜１４は、５００枚のウエハ処理後に１時間２０分の長時間洗浄を行った場合（上述のように、６．０Åの厚さ差分につながる）を示しており、ここで、このレジームでは、不均一性を低減するために（１８Ｔｏｒｒのヘリウムでチャンバを満たすことによる）２時間のＨｅ冷却を必要になることがわかり、これは、処理スループットの観点から許容できない。最後に、操作１５は、すでに清浄なチャンバにＲＰＣを実行する操作であり、厚さ差分は生じず、シャワーヘッド加熱が起きなかったことを示している。これは、ＲＰＣからの加熱が、（洗浄の目的である）チャンバ内に堆積した薄膜の発熱エッチング自体によって引き起こされることを示す傾向にある。
【００４３】
したがって、表Ｉは、Ｈｅ冷却が蒸着速度および蒸着厚さをＲＰＣ前の値まで（短くはない時間の後に）回復できるという事実によってわかるように、遠隔プラズマ洗浄（ＲＰＣ）後の蒸着厚さおよび蒸着速度のばらつきが、ＲＰＣによるチャンバ環境条件（特に、温度）の変化から生じると考えられることを示す。
【００４４】
【表１】
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【００４５】
表Ｉに示した実験結果は、ジレンマを示しているが、高ウエハスループット処理操作を維持すると同時に、厚さのばらつきを排除する方法を示唆してはいない。この課題への完全に異なるアプローチは、シャワーヘッドが蒸着処理またはその間の洗浄操作によって温度変化を示さない処理装置設計を利用することである。処理チャンバ内部で生成される熱エネルギからシャワーヘッドを絶縁することが、１つのかかるアプローチである。別のアプローチは、シャワーヘッドが、かなりの量の熱エネルギに曝される可能性があっても、熱エネルギがシャワーヘッド温度の上昇につながりうる前に奪われるように、能動的に冷却される処理装置を利用することである。先述のもの（および、表Ｉの実験によって示されたもの）に対してほとんど不適切に思われる第３のアプローチは、蒸着または洗浄操作によって生成された熱エネルギがシャワーヘッドの温度を大きく変化させないように、意図的にシャワーヘッドを高温に加熱することである。
【００４６】
表ＩＩは、この第３のアプローチを達成するためにシャワーヘッド（ＳＨＤ）の作動温度の適切な範囲を決定するように設計された実験の結果を示す。この実験に用いた基板処理装置は、（上述したように）各ステーションに専用のシャワーヘッドを備えた４処理ステーション装置（例えば、図２に示したのと同様の装置）である。表ＩＩには、処理ステーション３および４に関連するシャワーヘッドの温度、ならびに、（ウエハホルダとして機能する）４つのペデスタル１〜４の温度が示されている。
【００４７】
操作１は、基準温度を確立しており、両シャワーヘッド３および４は３８℃であり、４つのペデスタルは５０℃に加熱される。操作２において、Ｎ２Ｏプラズマが、１／２分間印加され、その結果、ＳＨＤ３はわずかに加熱し、ＳＨＤ４の温度には変化がない。しかしながら、次の操作３において、（本明細書で述べる他のＲＰＣ洗浄のように特定のエンドポイントが検出されるまでではなく、３００秒間の後に６００秒間という２工程で）時限付きの遠隔プラズマ洗浄が実行され、その結果、両シャワーヘッド３および４で１７℃というかなりの温度上昇が見られた。
【００４８】
（シャワーヘッド３および４は熱電対を備えているので、これらの操作を通じて温度を直接測定できたことに注意されたい）。次いで、操作４〜６のさらなるプラズマ処理でも、シャワーヘッドの温度上昇につながることが示されている。具体的には、操作４、５、および、６におけるそれぞれ２分間、６分間、および、１０分間のＮ２Ｏプラズマの印加が、操作６において、シャワーヘッド３で１２５℃およびシャワーヘッド４で６８℃に至る大幅な温度上昇につながる。シャワーヘッド３および４の間の温度変化の差は、ステーション３および４の間のプラズマ電力の差が３倍であることに起因する。これらの結果でも、処理プラズマ印加操作および遠隔プラズマ洗浄（ＲＰＣ）操作の両方がシャワーヘッド加熱につながることが示されている。表Ｉと同様に、操作７では、Ｈｅ冷却が基準値付近までシャワーヘッド温度を確かに回復させることが確認されている。ペデスタル温度がこれらのプラズマ処理を通して安定したままであることは、操作５における安定した一定の読み取り値によって支持される（ただし、ペデスタル３の温度は、おそらくステーション３で用いたより高いプラズマ電力のために、約３℃高い）。
【００４９】
次に、操作８および９でも、蒸着処理（ここでは、５００ワットプラズマ活性化工程で一連の２５ウエハに蒸着される）の後に遠隔プラズマ洗浄を行うと、シャワーヘッド温度が徐々に上がる（ここでも、ステーション３の方が大きく上がる）ことを示しているが、温度制御されたペデスタルでは大きい影響がない。シャワーヘッド温度の上昇は、処理ステーションによって約１０〜２０℃の間であることがわかる。しかしながら、操作１０における次のヘリウム冷却後、４μｍのＳｉＯ２を蒸着する操作に続いて遠隔プラズマ洗浄を行うと、ペデスタルが５０℃のままで、両ステーション３および４で２０℃の一貫した温度上昇が起きることがわかる。温度調節および／または制御がなければ、シャワーヘッドは、ペデスタルの設定温度５０℃より約１０℃低い温度から、ペデスタルの設定温度より約１０〜２０℃高い温度に至ると予測できると結論づけられる。
【００５０】
【表２】
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【００５１】
表ＩＩによると、一連のＡＬＤ実験で、シャワーヘッドおよびペデスタルの温度の様々な組み合わせを用いて、各組み合わせがＲＰＣ前後の蒸着速度および膜厚のばらつきを最小化できる能力を評価している。図３Ｂは、結果を表す。具体的には、図３Ｂは、「厚さ差分」（４μｍＳｉＯ２蒸着後のＲＰＣ前後の蒸着膜厚さの変化）を、ペデスタル温度設定点５０、６０、および、７０℃の時のシャワーヘッド温度に対してプロットしたものである。データは、約１Å以下の厚さ差分を生じたシャワーヘッド／ペデスタル温度の２つの組み合わせを示す。６５℃シャワーヘッドと〜５０℃のペデスタル（実際の温度は５６℃）で、１Å未満の厚さ差分が達成され、８０℃のシャワーヘッドと６０℃のペデスタルでは、ＲＰＣ前後で基本的に厚さの減少が生じなかった。前者は、実際のペデスタル温度より９℃すなわちペデスタル温度設定点より約１５℃高いシャワーヘッド温度を表し、後者は、ペデスタル温度設定点より２０℃高いシャワーヘッド温度を表す。（これらの場合の両方で、ペデスタル温度が、洗浄前後で〜１℃増加したことに注意されたい）。したがって、これらの例は、基板温度および／またはペデスタル温度設定点より少なくとも約１０℃高くなるように、シャワーヘッドの温度を調節することにより、ＡＬＤ処理における洗浄前後の蒸着速度のばらつきを大幅に低減できることを示している。
【００５２】
さらに他の実施形態において、ＡＬＤ処理での蒸着のばらつきを低減するために、基板処理チャンバ内で、能動的な基板ホルダ（例えば、ペデスタル）冷却のためのメカニズムを用いてもよい。これを行う際、実施形態に応じて、同時のシャワーヘッド温度調節／制御を実行してもしなくてもよい。一実施形態において、かかる能動的ペデスタル冷却は、冷却された下側チャンバ壁を用いることによって達成されてよく、下側チャンバ壁は、ペデスタルおよび基板からの熱を熱拡散させるためのシンクとして機能することによって所望の効果を奏しうる。別の実施形態では、能動冷却のための内部メカニズムを有するペデスタルを利用することが、より便利かつ少なくとも同等に効果的でありうる。例えば、ペデスタル構造を介して冷却流体を流すための内部導管を有するペデスタルを用いることにより、冷却流体は、ペデスタルおよび基板に対してより速やかな冷却効果を奏しうる。冷却流体および加熱流体を循環させるために別個の導管を用いる能動冷却ペデスタルの一例について後述し、図７Ａ〜７Ｅに概略的に図示する。
【００５３】
一連の例において、表ＩＩＩは、能動的ペデスタル冷却のためのメカニズムを用いた結果の厚さ差分を示す。これは、ペデスタル自体を介して冷水を循環させることによってなされるか、または、特に表の中で示した場合には、能動的に冷却されたチャンバ壁を用いてなされた。いずれのハードウェア構成においても、効果は基本的に、５０℃の設定点への温度制御を向上させるために、さらなる能動冷却をペデスタルに提供することである。これは、基板自体に対して十分な温度制御を提供する場合にシャワーヘッドの熱的安定性はそれほど重要でないという観点から理解できる。しかしながら、表ＩＩＩは、シャワーヘッドの温度制御も行った場合に、厚さ差分が改善されることも示している。例えば、シャワーヘッド温度調節を利用しない処理３の結果として得られた関連する厚さ差分は、所望の１Åという目標レベルにあるが、８０°および６０°のシャワーヘッド温度設定点を用いる処理１および２は、１Åの厚さ差分未満を達成する。これらの結果を、図３Ｃでグラフに示す。処理４で、プラズマ電力を４倍の２０００ワットまで上げても、−０．８Åの厚さ差分により、シャワーヘッドおよびペデスタルの温度設定点のこの組み合わせで、より高いプラズマ電力に対処できることが示されている。処理４と同じ温度設定点およびプラズマ電力を用いる処理５で２μｍまで蒸着物を堆積させると、厚さ差分が１から１．３Åに増大し、これは、典型的な測定エラーバーの範囲内で実際的には無視でき、バッチ間の良好な蒸着速度制御が、より大きいバッチサイズ（２μｍ）で維持されることを示している。これらの結果も、図３Ｃでグラフに示す。図３Ｃを図３Ｂと比較すると、ペデスタルの能動冷却を温度調節されたシャワーヘッドと併用すると（図３Ｃ）、温度調節されたシャワーヘッドのみを用いた場合（図３Ｂ）よりも良好に、洗浄前後の厚さ差分を所望の１Åの目標範囲内に維持できる。
【００５４】
【表３】
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【００５５】
（例えば、冷却された下側チャンバ壁を用いて）基板ホルダの改良温度制御を利用することによって提供される有益な効果の基礎をより良く理解するために、同時シャワーヘッド加熱を行う場合および行わない場合にペデスタル温度設定点の関数として蒸着膜厚を測定するさらなる一連の実験を行った。図３Ｄは、シャワーヘッド加熱なしで行われたこれらの実験結果をプロットしたものであり、図３Ｅは、８０℃までシャワーヘッドを同時に加熱した場合の結果をプロットしたものである。両方の場合において、蒸着膜厚とペデスタル温度設定点との間には、負の直線相関が見られるが、８０℃に加熱されたシャワーヘッドの例での最良適合線の傾きは、非加熱シャワーヘッドの約２倍（−０．９７５８および−１．０７８２Å／℃対−０．５８３５Å／℃）である。換言すると、データは、加熱シャワーヘッドの存在下でペデスタル温度が上昇すると、より大きく蒸着速度が遅くなることを示している。以下のような理由が想定される。シャワーヘッドからの加熱がないと、ウエハは、一般に、ペデスタルの設定温度より幾分低い温度を有するので、蒸着速度へのペデスタル加熱の影響は、幾分低減する。対照的に、シャワーヘッドがペデスタルよりも高い温度に能動的に加熱された場合、一般に、ウエハもペデスタルより高い温度を有するため、ペデスタルからの加熱は、より顕著かつ減少しない効果を有する。これらの理由から、冷却された下側チャンバ壁と加熱シャワーヘッドとの併用に関連する洗浄前後の厚さ差分のさらなる低減は、シャワーヘッドが加熱された場合に基板がペデスタルから熱エネルギをより強く吸着する傾向の結果であると理解できる。
【００５６】
したがって、これらの実験は、加熱されたシャワーヘッドを用いる装置において、基板温度制御がより重要であることを示唆している。冷却された下側チャンバ壁の追加が、かかる改良温度制御を提供することを確認するために、いくつかのさらなる測定を行って、表ＩＶに示した。表ＩＶは、測定された実際のペデスタル温度と、冷却された下側チャンバ壁を用いる装置の２つの処理ステーション（ステーション３および４）で蒸着された膜厚とを示す。温度および蒸着膜厚は、２つのシャワーヘッド温度設定点６５℃および８０℃で比較されている。冷却された下側チャンバ壁を用いる利点は、両方のシャワーヘッド設定点が一貫した実際のペデスタル温度および膜厚をもたらすことを示す表ＩＶ内のデータによって裏付けられる。具体的には、このデータおよび上記のデータは、１Åの公差範囲内に洗浄前後の厚さ差分を維持するには、シャワーヘッドがペデスタル温度よりも数℃高く加熱された状態で、＋／−１℃の範囲内に制御されたペデスタル温度を維持することが有益でありえることを示唆する。
【００５７】
【表４】
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【００５８】
原子層蒸着技術および蒸着薄膜の詳細な説明
上述のように、デバイスサイズが縮小し続け、ＩＣが三次元トランジスタおよびその他の三次元構造の利用に移行しているので、正確な量（厚さ）の共形薄膜材料（特に誘導体だが、様々なドーパント含有材料も）を蒸着できることが、ますます重要になっている。原子層蒸着は、所望の膜厚を達成するために、通例は複数サイクルの蒸着を含む共形薄膜蒸着を実行するための一技術である。
【００５９】
薄膜を蒸着させるために熱的に活性化された気相反応を用いる化学蒸着（ＣＶＤ）処理とは対照的に、ＡＬＤ処理は、表面媒介性の蒸着反応を用いて、一層ずつ薄膜を蒸着する。例えば、或る種のＡＬＤ処理では、第１の薄膜前駆体（Ｐ１）が気相で処理チャンバ内に導入され、基板に暴露され、基板の表面（通例、一群の表面活性部位）上に吸着することを許容される。Ｐ１の分子の一部は、Ｐ１の化学吸着種および物理吸着分子を含む凝集相を基板表面上に形成しうる。次いで、基板表面の周りの空間は、化学吸着種だけが残るように、気相および物理吸着されたＰ１を除去するために排気される。次いで、第２の薄膜前駆体（Ｐ２）が、基板表面にＰ２分子の一部を吸着させるように、処理チャンバに導入されてよい。処理チャンバ内の基板の周りの空間は、ここで未結合のＰ２を除去するために、再び排気されてよい。その後、基板に供給されたエネルギ（例えば、熱エネルギまたはプラズマエネルギ）が、Ｐ１およびＰ２の吸着分子の間の表面反応を活性化し、薄膜層を形成する。最後に、基板の周りの空間は、未反応のＰ１および／またはＰ２および／または反応副生成物が存在する場合にそれらを除去するために再び排気され、１回のＡＬＤサイクルが終了する。
【００６０】
様々な化学物質を有する共形薄膜を蒸着させるためのＡＬＤ技術と、基本的なＡＬＤ処理シーケンスの多くの変形例については、２０１１年４月１１日出願の発明の名称を「ＰＬＡＳＭＡ  ＡＣＴＩＶＡＴＥＤ  ＣＯＮＦＯＲＭＡＬ  ＦＩＬＭ  ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ」とする米国特許出願第１３／０８４，３９９号（代理人整理番号ＮＯＶＬＰ４０５）、２０１１年９月２３日出願の発明の名称を「ＰＬＡＳＭＡ  ＡＣＴＩＶＡＴＥＤ  ＣＯＮＦＯＲＭＡＬ  ＤＩＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＦＩＬＭ  ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ」とする米国特許出願第１３／２４２，０８４号すなわち米国特許第８，６３７，４１１号（代理人整理番号ＮＯＶＬＰ４２７号）、２０１１年９月１日出願の発明の名称を「ＰＬＡＳＭＡ  ＡＣＴＩＶＡＴＥＤ  ＣＯＮＦＯＲＭＡＬ  ＤＩＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＦＩＬＭ  ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ」とする米国特許出願第１３／２２４，２４０号（代理人整理番号ＮＯＶＬＰ４２８号）、および、２０１２年９月７日出願の発明の名称を「ＣＯＮＦＯＲＭＡＬ  ＤＯＰＩＮＧ  ＶＩＡ  ＰＬＡＳＭＡ  ＡＣＴＩＶＡＴＥＤ  ＡＴＯＭＩＣ  ＬＡＹＥＲ  ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ  ＡＮＤ  ＣＯＮＦＯＲＭＡＬ  ＦＩＬＭ  ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ」とする米国特許出願第１３／６０７，３８６号（代理人整理番号ＮＯＶＬＰ４８８号）に詳細に記載されており、これらの各々は、参照によって全ての目的で本明細書に組み込まれる。これらの先行出願に記載のように、基板上に単一の材料層を蒸着させるための基本的なＡＬＤサイクルは、以下を含んでよい。（ｉ）吸着制限層を形成するように薄膜前駆体を基板上に吸着させる操作、（ｉｉ）吸着された前駆体の周りの空間から未吸着の前駆体を除去する操作、（ｉｉｉ）基板上に薄膜の層を形成するように、吸着された前駆体を反応させる操作、ならびに、（ｉｖ）基板上に形成された薄膜の層の周りの空間から、脱着した薄膜前駆体および／または反応副生成物を除去する操作。操作（ｉｉ）および（ｉｖ）における除去は、基板の周りの空間をパージする、排気する、ベース圧力までポンプダウンする（「ベースへのポンピング」）などによって行われてよい。操作（ｉ）ないし（ｉｖ）のこの基本的なＡＬＤシーケンスは、上述の例のように２つの化学吸着された反応種Ｐ１およびＰ２を含む必要も、第２の反応種を含む必要もないが、これらの可能性／選択肢は、含まれる所望の蒸着化学物質に応じて用いられてもよいことに注意されたい。
【００６１】
しかしながら、ＡＬＤの吸着制限される性質により、１回のＡＬＤサイクルで蒸着されるのは、１つの材料薄膜のみであり、しばしば、材料の１つの単分子層のみである。例えば、薄膜前駆体供給操作の暴露時間および（基板表面への）薄膜前駆体の付着係数に応じて、各ＡＬＤサイクルは、約０．５から３オングストローム厚だけの薄膜層を蒸着しうる。したがって、典型的なＡＬＤサイクル内の一連の操作（上述の操作（ｉ）ないし（ｉｖ））は、一般に、所望の厚さの共形薄膜を形成するために、複数回繰り返される。したがって、いくつかの実施形態において、操作（ｉ）ないし（ｉｖ）は、少なくとも１回、少なくとも２回、少なくとも３回、少なくとも５回、少なくとも７回、または、少なくとも１０回連続で繰り返される。ＡＬＤ薄膜は、ＡＬＤサイクルごとに約０．１Åから２．５Åの間、ＡＬＤサイクルごとに約０．２Åから２．０Åの間、ＡＬＤサイクルごとに約０．３Åから１．８Åの間、ＡＬＤサイクルごとに約０．５Åから１．５Åの間、ＡＬＤサイクルごとに約０．１Åから１．５Åの間、ＡＬＤサイクルごとに約０．２Åから１．０Åの間、ＡＬＤサイクルごとに約０．３Åから１．０Åの間、または、ＡＬＤサイクルごとに約０．５Åから１．０Åの間、の割合で蒸着されうる。
【００６２】
一部の薄膜形成化学物質では、「薄膜前駆体」と呼ばれるものに加えて、補助反応物質または共反応物質が用いられてもよい。特定のかかる実施形態において、補助反応物質または共反応物質は、上記の工程が繰り返される際に、工程（ｉ）ないし（ｉｖ）の一部の間または工程（ｉ）ないし（ｉｖ）の各々を通して、連続的に流されてよい。いくつかの実施形態において、この他の反応化学種（補助反応物質、共反応物質など）は、（上述の前駆体Ｐ１およびＰ２を含む例のように）薄膜前駆体との反応の前に薄膜前駆体を有する基板表面上に吸着されてよいが、別の実施形態においては、それ自体が、基板の表面上に事前に吸着することなしに、吸着された薄膜前駆体と接触した時に反応してもよい。また、いくつかの実施形態において、吸着された薄膜前駆体を反応させる操作（ｉｉｉ）は、吸着された薄膜前駆体をプラズマに接触させることを含んでよい。プラズマは、基板表面上での薄膜形成反応を促進するためのエネルギを提供しうる。特定のかかる実施形態において、プラズマは、適切なＲＦ電力を印加して反応チャンバ内で生成された酸化プラズマであってよい（ただし、いくつかの実施形態では、遠隔で生成されてもよい）。別の実施形態では、酸化プラズマの代わりに、不活性プラズマが用いられてもよい。酸化プラズマは、１または複数の酸化剤（Ｏ２、Ｎ２Ｏ、または、ＣＯ２など）から形成されてよく、１または複数の希釈剤（Ａｒ、Ｎ２、または、Ｎｅなど）を任意選択的に含んでもよい。別の実施形態では、酸化プラズマは、Ｏ２およびＡｒから形成される。適切な不活性プラズマが、１または複数の不活性ガス（ＨｅまたはＡｒなど）から形成されうる。ＡＬＤ処理に関するさらなる変形例については、上述の先行特許出願（参照によって組み込まれている）に詳述されている。
【００６３】
いくつかの実施形態では、多層の蒸着薄膜が、例えば、或る組成を有する複数の層を連続的に共形蒸着し、次いで、別の成分を有する複数の層を共形蒸着し、その後、これら２つのシーケンスを潜在的に繰り返して交互に行うことによって形成された交互の組成を持つ領域／部分を含んでよい。蒸着ＡＬＤ薄膜のこれらの態様の一部は、例えば、２０１２年９月７日出願の発明の名称を「ＣＯＮＦＯＲＭＡＬ  ＤＯＰＩＮＧ  ＶＩＡ  ＰＬＡＳＭＡ  ＡＣＴＩＶＡＴＥＤ  ＡＴＯＭＩＣ  ＬＡＹＥＲ  ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ  ＡＮＤ  ＣＯＮＦＯＲＭＡＬ  ＦＩＬＭ  ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ」とする（米国特許出願第１３／６０７，３８６号代理人整理番号ＮＯＶＬＰ４８８）に記載されており、この出願は、参照によって全ての目的で本明細書にその全体が組み込まれる。交互の組成を持つ部分を有する共形薄膜のさらなる例（下側のターゲットＩＣ構造または基板領域にドープするために用いられる薄膜など）と、これらの薄膜の形成方法については、以下に詳述されている。２０１１年４月１１日出願の発明の名称を「ＰＬＡＳＭＡ  ＡＣＴＩＶＡＴＥＤ  ＣＯＮＦＯＲＭＡＬ  ＦＩＬＭ  ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ」とする米国特許出願第１３／０８４，３９９号（代理人整理番号ＮＯＶＬＰ４０５）、２０１１年９月２３日出願の発明の名称を「ＰＬＡＳＭＡ  ＡＣＴＩＶＡＴＥＤ  ＣＯＮＦＯＲＭＡＬ  ＤＩＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＦＩＬＭ  ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ」とする米国特許出願第１３／２４２，０８４号、すなわち、米国特許第  ８，６３７，４１１号（代理人整理番号ＮＯＶＬＰ４２７）、２０１１年９月１日出願の発明の名称を「ＰＬＡＳＭＡ  ＡＣＴＩＶＡＴＥＤ  ＣＯＮＦＯＲＭＡＬ  ＤＩＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＦＩＬＭ  ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ」とする米国特許出願第  １３／２２４，２４０号（代理人整理番号ＮＯＶＬＰ４２８）、２０１２年９月７日出願の発明の名称を「ＣＯＮＦＯＲＭＡＬ  ＤＯＰＩＮＧ  ＶＩＡ  ＰＬＡＳＭＡ  ＡＣＴＩＶＡＴＥＤ  ＡＴＯＭＩＣ  ＬＡＹＥＲ  ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ  ＡＮＤ  ＣＯＮＦＯＲＭＡＬ  ＦＩＬＭ  ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ」とする米国特許出願第１３／６０７，３８６号（代理人整理番号ＮＯＶＬＰ４８８）、および２０１４年２月２８日出願の発明の名称を「ＣＡＰＰＥＤ  ＡＬＤ  ＦＩＬＭＳ  ＦＯＲ  ＤＯＰＩＮＧ  ＦＩＮ−ＳＨＡＰＥＤ  ＣＨＡＮＮＥＬ  ＲＥＧＩＯＮＳ  ＯＦ  ３−Ｄ  ＩＣ  ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲＳ」とする米国特許出願第１４／１９４，５４９号。これらは各々、参照によって全ての目的で本明細書にその全体が組み込まれる。
【００６４】
上記参照した明細書で詳述されているように、ＡＬＤ処理は、しばしば、共形の酸化シリコン薄膜（ＳｉＯｘ）を蒸着させるために用いられるが、先述の組み込まれた明細書にも開示されているように、他の化学物質の共形誘電体薄膜を蒸着させるために用いられてもよい。ＡＬＤで形成された誘電体薄膜は、いくつかの実施形態において、炭化シリコン（ＳｉＣ）材料、窒化シリコン（ＳｉＮ）材料、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）材料、または、それらの組み合わせを含んでよい。シリコン−炭素−酸化物およびシリコン−炭素−酸窒化物、ならびに、シリコン−炭素−窒化物が、いくつかの実施形態のＡＬＤ形成された薄膜に形成されてもよい。これらのタイプの薄膜を蒸着する方法、技術、および、操作については、２０１２年６月１２日出願の発明の名称を「ＲＥＭＯＴＥ  ＰＬＡＳＭＡ  ＢＡＳＥＤ  ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ  ＯＦ  ＳｉＯＣ  ＣＬＡＳＳ  ＯＦ  ＦＩＬＭＳ」とする米国特許出願第１３／４９４，８３６号（代理人整理番号ＮＯＶＬＰ４６６／ＮＶＬＳ００３７２２）、２０１３年５月３１日出願の発明の名称を「ＭＥＴＨＯＤ  ＴＯ  ＯＢＴＡＩＮ  ＳｉＣ  ＣＬＡＳＳ  ＯＦ  ＦＩＬＭＳ  ＯＦ  ＤＥＳＩＲＥＤ  ＣＯＭＰＯＳＩＴＩＯＮ  ＡＮＤ  ＦＩＬＭ  ＰＲＯＰＥＲＴＩＥＳ」とする米国特許出願第１３／９０７，６９９号（代理人整理番号ＬＡＭＲＰ０４６／３１４９）、発明の名称を「ＧＲＯＵＮＤ  ＳＴＡＴＥ  ＨＹＤＲＯＧＥＮ  ＲＡＤＩＣＡＬ  ＳＯＵＲＣＥＳ  ＦＯＲ  ＣＨＥＭＩＣＡＬ  ＶＡＰＯＲ  ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ  ＯＦ  ＳＩＬＩＣＯＮ−ＣＡＲＢＯＮ−ＣＯＮＴＡＩＮＩＮＧ  ＦＩＬＭＳ」とする米国特許出願第１４／０６２，６４８号、および、２０１４年２月２８日出願の発明の名称を「ＣＡＰＰＥＤ  ＡＬＤ  ＦＩＬＭＳ  ＦＯＲ  ＤＯＰＩＮＧ  ＦＩＮ−ＳＨＡＰＥＤ  ＣＨＡＮＮＥＬ  ＲＥＧＩＯＮＳ  ＯＦ  ３−Ｄ  ＩＣ  ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲＳ」とする米国特許出願第１４／１９４，５４９号に詳述されており、これらは各々、参照によって全ての目的で本明細書にその全体が組み込まれる。
【００６５】
ＡＬＤによる薄膜蒸着の他の例は、上記列挙して参照によって組み込まれた特許出願に記載されるように、ドーパント含有薄膜を蒸着させるための化学物質を含む（米国特許出願第１３／０８４，３９９号、第１３／２４２，０８４号、第１３／２２４，２４０号、および、第１４／１９４，５４９号）。それらに記載されているように、様々なドーパント含有薄膜前駆体が、ホウ素ドープケイ酸塩ガラス（ＢＳＧ）、リンドープケイ酸塩ガラス（ＰＳＧ）、ホウ素リンドープケイ酸塩ガラス（ＢＰＳＧ）、ヒ素（Ａｓ）ドープケイ酸塩ガラス（ＡＳＧ）などのドーパント含有薄膜を形成するために用いられてよい。ドーパント含有薄膜は、Ｂ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ、Ｐ２Ｏ５、Ｐ２Ｏ３、Ａｓ２Ｏ３、Ａｓ２Ｏ５などを含みうる。したがって、ホウ素以外のドーパントを有するドーパント含有薄膜が実現可能である。例としては、ガリウム、リン、または、ヒ素ドーパント、もしくは、半導体基板のドープに適切な他の元素（他のＩＩＩ価およびＶ価の元素など）が含まれる。
【００６６】
ＡＬＤ処理条件に関して、ＡＬＤ処理は、様々な温度で実行されてよい。いくつかの実施形態において、ＡＬＤ反応チャンバ内の適切な温度は、約２５℃から４５０℃の間、約５０℃から３００℃の間、約２０℃から４００℃の間、約２００℃から４００℃の間、または、約１００℃から３５０℃の間、の範囲でありうる。
【００６７】
同様に、ＡＬＤ処理は、様々なＡＬＤ反応チャンバ圧力で実行されてよい。いくつかの実施形態において、反応チャンバ内の適切な圧力は、約１０ｍＴｏｒｒから１０Ｔｏｒｒの間、約２０ｍＴｏｒｒから８Ｔｏｒｒの間、約５０ｍＴｏｒｒから５Ｔｏｒｒの間、または、約１００ｍＴｏｒｒから２Ｔｏｒｒの間、の範囲であってよい。
【００６８】
様々なＲＦ電力レベルが、操作（ｉｉｉ）で用いられる場合にプラズマを生成するために用いられてよい。いくつかの実施形態において、適切なＲＦ電力は、約１００Ｗから１０ｋＷの間、約２００Ｗから６ｋＷの間、約５００Ｗから３ｋＷの間の間、または、約１ｋＷから２ｋＷの間、の範囲であってよい。
【００６９】
様々な薄膜前駆体流量が、操作（ｉ）で用いられてよい。いくつかの実施形態において、適切な流量は、約０．１ｍＬ／分から１０ｍＬ／分の間、約０．５ｍＬ／分から５ｍＬ／分の間、または、約１ｍＬ／分から３ｍＬ／分の間、の範囲であってよい。
【００７０】
様々なガス流量が、様々な操作で用いられてよい。いくつかの実施形態において、一般的なガス流量は、約１Ｌ／分から２０Ｌ／分の間、または、約２Ｌ／分から１０Ｌ／分の間、の範囲であってよい。操作（ｉｉ）および（ｉｖ）の随意的な不活性パージ工程については、用いられるバースト流量が、約２０Ｌ／分から１００Ｌ／分の間、または、約４０Ｌ／分から６０Ｌ／分の間、の範囲であってよい。
【００７１】
再び、いくつかの実施形態において、ベースへのポンピング工程とは、１または複数の真空ポンプを直接作用させることによって、反応チャンバをベース圧力までポンプで減圧することである。いくつかの実施形態において、ベース圧力は、通例、ほんの数ミリＴｏｒｒであってよい（例えば、約１から２０ｍＴｏｒｒの間）。さらに、上述のように、ベースへのポンピング工程は、不活性パージを伴っても伴わなくてもよく、したがって、１または複数のバルブが真空ポンプへの導通路を開いた時に搬送ガスが流れてもよいし流れなくてもよい。
【００７２】
また、再び、複数回のＡＬＤサイクルが、共形層のスタックを形成するために繰り返されてよい。いくつかの実施形態において、各層は、実質的に同じ組成を有してよいが、別の実施形態において、連続的にＡＬＤ蒸着された層が、異なる成分を有してもよく、また、特定のかかる実施形態において、上述のように、組成が層から層へ交互に変わってもよいし、異なる組成を有する一連の層の繰り返しがあってもよい。したがって、実施形態に応じて、上記列挙して参照によって組み込まれた特許出願（米国特許第１３／０８４，３９９号、１３／２４２，０８４号、および、１３／２２４，２４０号）に開示されたような特定の積層工学概念は、これらの薄膜内のホウ素、リン、または、ヒ素の濃度を調節するために利用できる。
【００７３】
基板処理装置の詳細な説明
本明細書に記載の方法は、任意の適切な半導体基板処理装置で実行されてよい。適切な装置は、本明細書に開示した様々なチャネルドープ方法に従って、処理操作を完了するためのハードウェアと、処理操作を制御するための命令を有するシステムコントローラとを備える。いくつかの実施形態において、ハードウェアは、マルチステーション基板処理ツールに含まれる１または複数の処理ステーションと、本明細書に開示の処理技術に従って処理操作を制御するためのマシン読み取り可能な命令を有する（または、命令にアクセスできる）コントローラとを含んでよい。
【００７４】
したがって、いくつかの実施形態において、複数の半導体基板上に材料の薄膜を蒸着させるのに適切な装置は、処理チャンバに含まれる基板ホルダをそれぞれ有する１または複数の処理ステーションの第１のセットと、処理チャンバに含まれる基板ホルダをそれぞれ有する１または複数の処理ステーションの第２のセットと、処理ステーションへの薄膜前駆体の流れを制御するための１または複数のバルブと、１または複数の処理チャンバに含まれる処理ステーションの周りの空間から薄膜前駆体を除去するための１または複数のバルブ式真空源と、を備えてよい。また、かかる装置は、基板上に材料の薄膜を蒸着する際に、基板ロード装置と、基板搬送装置と、１または複数のバルブと、真空源とを操作するためのマシン読み取り可能な命令を有する（または、命令にアクセスできる）コントローラを備えてもよい。
【００７５】
したがって、いくつかの実施形態において、コントローラによって実行される上記の命令は、処理チャンバに含まれる複数の処理ステーションで複数の基板上に薄膜を形成するための命令を含んでよく、ここで、複数層の薄膜は、一連のＡＬＤサイクルによって各基板上に形成される。したがって、特定のかかる実施形態において、コントローラによって実行される上記の命令は、上述のようにＡＬＤ操作（ｉ）から（ｉｖ）を実行するための命令と、基板処理装置の複数の処理ステーションで複数の基板上に複数層の薄膜を形成するために、ＡＬＤ操作（ｉ）から（ｉｖ）を複数回繰り返すための命令と、を含んでよい。
【００７６】
したがって、図１は、基板処理装置１００の一実施形態を概略的に示す。簡単のために、処理装置１００は、低圧環境を維持するために処理チャンバ本体１０２を有する独立型の処理ステーションとして図示されている。しかしながら、本明細書に記載するように、複数の処理ステーションが、共通の処理ツール環境に（例えば、共通の反応チャンバ内に）含まれてもよいことがわかる。例えば、図２は、マルチステーション処理ツールの一実施形態を示す。さらに、いくつかの実施形態において、処理装置１００の１または複数のハードウェアパラメータ（上で詳述したパラメータなど）が、１または複数のシステムコントローラによってプログラム的に調整されてよいことがわかる。
【００７７】
処理ステーション１００は、分配シャワーヘッド１０６に処理ガスを供給するための反応物質供給システム１０１と流体連通している。反応物質供給システム１０１は、シャワーヘッド１０６への供給に向けて処理ガスを混合および／または調整するための混合容器１０４を備える。１または複数の混合容器入口バルブ１２０が、混合容器１０４への処理ガスの導入を制御しうる。
【００７８】
いくつかの反応物質が、気化およびその後の処理チャンバ１０２への供給の前に、液体の形態で収容されてよい。図１の実施形態は、混合容器１０４に供給される液体反応物質を気化させるための気化ポイント１０３を備える。いくつかの実施形態において、気化ポイント１０３は、加熱された液体注入モジュールであってよい。いくつかの実施形態において、気化点ポイント１０３は、加熱された気化器であってよい。かかるモジュール／気化器から生み出された飽和反応物質蒸気は、適切な制御が行われない場合（例えば、液体反応物質を気化／霧化する際にヘリウムを用いなかった場合）、下流の供給配管内で凝結しうる。凝結した反応物質に相性の悪いガスを暴露させると、小粒子が発生しうる。これらの小粒子は、配管を詰まらせる、バルブ操作を妨げる、基板を汚染するなどすることがある。これらの課題に対処するためのいくつかのアプローチは、残留した反応物質を除去するために、供給配管を一掃（ｓｗｅｅｐ）および／または排気することを含む。しかしながら、供給配管を一掃することは、処理ステーションのサイクル時間を長くして、処理ステーションのスループットを低下させうる。したがって、いくつかの実施形態において、気化ポイント１０３の下流の供給配管が、熱処理されてもよい。いくつかの例において、混合容器１０４が熱処理されてもよい。非限定的な一例において、気化ポイント１０３の下流の配管は、約１００℃から混合容器１０４で約１５０℃まで増加してゆく温度プロファイルを有する。
【００７９】
上述のように、いくつかの実施形態において、気化ポイント１０３は、加熱された液体注入モジュール（略して「液体インジェクタ」）であってよい。かかる液体インジェクタは、混合容器の上流の搬送ガス流に液体反応物質のパルスを注入しうる。１つのシナリオにおいて、液体インジェクタは、高圧から低圧へ液体を流す（ｆｌａｓｈ）ことによって反応物質を気化させてよい。別のシナリオにおいて、液体インジェクタは、分散した微液滴に液体を霧化してよく、その後、微液滴は、加熱された供給菅内で気化される。小さい液滴は、大きい液滴よりも速く気化して、液体注入と完全な気化との間の遅延を低減しうることがわかる。より迅速に気化すれば、気化ポイント８０３から下流の配管の長さを短くすることができる。１つのシナリオにおいて、液体インジェクタは、混合導管８０４に直接取り付けられてよい。別のシナリオにおいて、液体インジェクタは、シャワーヘッド１０６に直接取り付けられてもよい。
【００８０】
いくつかの実施形態において、気化ポイント１０３の上流に、液体流コントローラ（ＬＦＣ）が、気化および処理チャンバ１０２への供給に向けて液体の質量流量を制御するために提供されてよい。例えば、ＬＦＣは、ＬＦＣの下流に配置された熱マスフローメータ（ＭＦＭ）を含みうる。次いで、ＬＦＣのプランジャバルブが、ＭＦＭと電気通信して比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラによって提供されたフィードバック制御信号に応答して調節されてよい。しかしながら、フィードバック制御を用いて液体流を安定化するには、１秒以上かかりうる。これは、液体反応物質を供給する時間を延長しうる。したがって、いくつかの実施形態において、ＬＦＣは、フィードバック制御モードと直接制御モードとの間で動的に切り替えられてよい。いくつかの実施形態において、ＬＦＣは、ＬＦＣの検知菅およびＰＩＤコントローラを無効にすることによって、フィードバック制御モードから直接制御モードに動的に切り替えられてよい。
【００８１】
シャワーヘッド１０６は、処理ガスおよび／または反応物質（例えば、薄膜前駆体）を処理ステーションの基板１１２に分配し、その流れは、シャワーヘッドの上流の１または複数のバルブ（例えば、バルブ１２０、１２０Ａ、１０５）によって制御される。図１に示した実施形態において、基板１１２は、シャワーヘッド１０６の下方に配置され、ペデスタル１０８上に図示されている。シャワーヘッド１０６は、任意の適切な形状を有してよく、基板１１２へ処理ガスを分配するための任意の適切な数および配列のポートを有してよいことがわかる。
【００８２】
いくつかの実施形態において、微小空間１０７が、シャワーヘッド１０６の下方に配置されている。処理チャンバの空間全体ではなく基板付近の処理ステーション内の微小空間でＡＬＤ処理を実行することで、反応物質暴露時間および一掃時間を短縮する、処理条件（例えば、圧力、温度など）を変更するための時間を短縮する、処理ステーションロボットの処理ガスへの暴露を制限するなど、を実現できる。微小空間のサイズの例は、０．１リットルから２リットルまでの間の体積を含むが、これに限定されない。
【００８３】
いくつかの実施形態において、ペデスタル１０８は、微小空間１０７に基板１１２を暴露させるため、および／または、微小空間１０７の体積を変化させるために、上下されてよい。例えば、基板搬送段階中に、ペデスタル１０８は、ペデスタル１０８上に基板１１２をロードできるように下げられてよい。基板処理段階の蒸着中に、ペデスタル１０８は、微小空間１０７内に基板１１２を配置するように上げられてよい。いくつかの実施形態において、微小空間１０７は、基板１１２とペデスタル１０８の一部とを完全に取り囲んで、蒸着処理中にフローインピーダンスの高い領域を作りうる。
【００８４】
任意選択的に、ペデスタル１０８は、微小空間１０７内の処理圧力、反応物質濃度などを調節するために、蒸着処理中の一部の間に下げられてよい、および／または、上げられてよい。処理チャンバ本体１０２が処理中にベース圧力のままである１つのシナリオにおいて、ペデスタル１０８を下げることにより、微小空間１０７の排気を可能にしてよい。処理チャンバ空間に対する微小空間の比の例は、１：５００から１：１０の間の体積比を含むが、それに限定されない。いくつかの実施形態において、ペデスタルの高さは、適切なシステムコントローラによってプログラム的に調節されてよいことがわかる。
【００８５】
別のシナリオにおいて、ペデスタル１０８の高さの調節は、例えばＡＬＤまたはＣＶＤ処理に含まれるプラズマ活性化および／または処理サイクル中に、プラズマ密度を変化させることを可能にしうる。蒸着処理段階の最後に、ペデスタル１０８は、ペデスタル１０８から基板１１２を回収できるように、別の基板搬送段階中に下げられてよい。
【００８６】
本明細書に記載の微小空間の変更の例では、高さ調節可能なペデスタルに言及しているが、いくつかの実施形態において、微空間１０７の体積を変化させるために、シャワーヘッド８０６の位置をペデスタル１０８に対して調節してもよいことがわかる。さらに、ペデスタル１０８および／またはシャワーヘッド１０６の垂直位置は、本開示の範囲内の任意の適切なメカニズムによって変更されてよいことがわかる。いくつかの実施形態において、ペデスタル１０８は、基板１１２の向きを回転させるための回転軸を備えてよい。いくつかの実施形態において、これらの調節の例の内の１または複数は、先述の操作の全部または一部を実行するためのマシン読み取り可能な命令を有する１または複数の適切なシステムコントローラによってプログラム的に実行されてよいことがわかる。
【００８７】
図１に示した実施形態に戻ると、シャワーヘッド１０６およびペデスタル１０８は、プラズマに電力供給するために、ＲＦ電源１１４および整合回路網１１６と電気的に通信する。いくつかの実施形態において、プラズマエネルギは、処理ステーション圧力、ガス濃度、ＲＦ源電力、ＲＦ源周波数、および、プラズマ電力パルスタイミングの内の１または複数を制御することにより、（例えば、適切なマシン読み取り可能な命令を有するシステムコントローラを用いて）制御されてよい。例えば、ＲＦ電源１１４および整合回路網１１６は、所望の組成のラジカル種を有するプラズマを形成するために、任意の適切な電力で操作されてよい。適切な電力の例については上述した。同様に、ＲＦ電源１１４は、任意の適切な周波数のＲＦ電力を供給してよい。いくつかの実施形態において、ＲＦ電源１１４は、高周波ＲＦ電源および低周波ＲＦ電源を互いに独立して制御するよう構成されてよい。低周波ＲＦ周波数の例は、５０ｋＨｚから５００ｋＨｚの間の周波数を含みうるが、これに限定されない。高周波ＲＦ周波数の例は、１．８ＭＨｚから２．４５ＧＨｚの間の周波数を含みうるが、これに限定されない。任意の適切なパラメータが、表面反応にプラズマエネルギを提供するために離散的または連続的に調整されてよいことがわかる。非限定的な一例において、プラズマ電力は、連続的に電力供給されたプラズマと比べて基板表面とのイオン衝撃を削減するために、間欠的にパルス化されてよい。
【００８８】
いくつかの実施形態において、プラズマは、１または複数のプラズマモニタによってその場で監視されてよい。１つのシナリオでは、プラズマ電力が、１または複数の電圧、電流センサ（例えば、ＶＩプローブ）によって監視されてよい。別のシナリオでは、プラズマ密度および／または処理ガス濃度が、１または複数の発光分光法（ＯＥＳ）センサによって測定されてもよい。いくつかの実施形態において、１または複数のプラズマパラメータが、かかるその場プラズマ監視からの測定値に基づいてプログラム的に調整されてよい。例えば、ＯＥＳセンサが、プラズマ電力のプログラム制御を提供するためにフィードバックループで用いられてよい。いくつかの実施形態において、他のモニタが、プラズマおよびその他の処理特性を監視するために用いられてもよいことがわかる。かかるモニタは、赤外線（ＩＲ）モニタ、音声モニタ、および、圧力変換器を含みうるが、これらに限定されない。
【００８９】
いくつかの実施形態において、プラズマは、入力／出力制御（ＩＯＣ）シーケンシング命令によって制御されてよい。一例において、プラズマ活性化段階のプラズマ条件を設定するための命令は、処理レシピの対応するプラズマ活性化レシピ段階に含まれてよい。一部の例では、処理レシピ段階は、連続的に配列されてよく、その結果、処理段階のためのすべての命令が、その処理段階と同時に実行される。いくつかの実施形態において、１または複数のプラズマパラメータを設定するための命令が、プラズマ処理段階の前のレシピ段階に含まれてよい。例えば、第１のレシピ段階が、不活性ガス（例えば、ヘリウム）および／または反応ガスの流量を設定するための命令と、プラズマ発生器を電力設定点に設定するための命令と、第１のレシピ段階のための時間遅延命令とを含んでよい。次の第２のレシピ段階が、プラズマ発生器を有効にするための命令と、第２のレシピ段階のための時間遅延命令とを含んでよい。第３のレシピ段階が、プラズマ発生器を無効にするための命令と、第３のレシピ段階のための時間遅延命令とを含んでよい。これらのレシピ段階は、本開示の範囲内で、任意の適切な方法でさらに分割および／または反復されてもよいことがわかる。
【００９０】
一部の蒸着処理において、プラズマ衝突は、数秒以上のオーダーの持続期間にわたって続く。本明細書に記載の特定の実施例では、はるかに短いプラズマ衝突が、処理サイクル中に適用されてもよい。これらは、５０ミリ秒から１秒のオーダーであってよい（具体的な例において、０．２５秒）。かかる短いＲＦプラズマ衝突は、プラズマの迅速な安定化を必要とする。これを達成するために、プラズマ発生器は、周波数が変動することが許容された状態でインピーダンス整合が特定の電圧に予め設定されるように構成されてよい。従来、高周波プラズマは、約１３．５６ＭＨｚのＲＦ周波数で生成される。本明細書に記載の様々な実施形態において、周波数は、この標準値とは異なる値に変動することを許容される。インピーダンス整合を所定の電圧に固定しつつ周波数の変動を許すことにより、プラズマは、はるかに迅速に安定化することが可能であり、この結果は、ＡＬＤサイクルに関連する非常に短いプラズマ衝突を利用する場合に重要でありうる。
【００９１】
いくつかの実施形態において、ペデスタル１０８は、ヒータ１１０を用いて温度制御されてよい。さらに、いくつかの実施形態において、処理装置１００のための圧力制御が、バタフライバルブ１１８など１または複数のバルブ式真空源によって提供されてよい。図１の実施形態に示すように、バタフライバルブ１１８は、下流の真空ポンプ（図示せず）によって提供された真空をスロットル調整する。しかしながら、いくつかの実施形態において、処理装置１００の圧力制御は、処理チャンバ１０２に導入される１または複数のガスの流量を変化させることによって調節されてもよい。いくつかの実施形態において、１または複数のバルブ式真空源（バタフライバルブ１１８など）は、適切なＡＬＤ操作段階中に処理ステーションの周りの空間から薄膜前駆体を除去するために用いられてよい。
【００９２】
上述のように、１または複数の処理ステーションが、マルチステーション基板処理ツールに含まれてよい。図２は、共通の低圧処理チャンバ２１４内に複数の処理ステーション２０１、２０２、２０３、２０４を含むマルチステーション処理ツール２００の一例を概略的に示す。低圧環境内に各ステーションを維持することにより、薄膜蒸着処理の合間の真空破壊によって引き起こされる欠陥を回避できる。
【００９３】
図２に示すように、マルチステーション処理ツール２００は、基板ロードポート２２０と、ポッド２２８からロードされたカセットから、大気ポート２２０を介して、処理チャンバ２１４内、最終的には処理ステーション上に、基板を移動させるよう構成された基板ハンドラロボット２２６と、を有する。具体的には、この例において、基板ハンドラロボット２２６は、処理ステーション２０１および２０２に基板をロードし、基板搬送装置（この例では、基板カルーセル２９０）が、様々な処理ステーション２０１、２０２、２０３、および、２０４の間で基板を搬送する。図２に示した実施形態において、基板ロード装置は、基板操作のための２つのアームを有する基板ハンドラロボット２２６として図示されており、したがって、図に示すように、ステーション２０１および２０２の両方に（おそらくは同時に、または、おそらくは順次）基板をロードできる。次いで、ステーション２０１および２０２へのロード後、基板搬送装置（図２に示したカルーセル２９０）は、１８０°回転（基板の平面と実質的に直交し（ページから出て）、基板から実質的に等距離にある中心軸に関して回転）し、ステーション２０１および２０２からステーション２０３および２０４に２つの基板を搬送することができる。この時点で、ハンドラロボット２２６は、ステーション２０１および２０２に２つの新しい基板をロードして、ロード処理を完了できる。アンロードするには、４つのウエハの複数組が処理される場合に、処理ロボット２２６による２つの基板の各アンロードに続いて、搬送カルーセル２９０を１８０°回転させる前に２つの新しい基板をロードすることを除けば、上記の工程を逆転させればよい。同様に、１ステーション（例えば、２０１）だけに基板を配置するよう構成された１アームのハンドラロボットを用いると、すべての４ステーションに基板をロードするために、カルーセル２９０の４回の９０°回転を伴う４工程のロード処理が行われる。
【００９４】
図２に示した処理チャンバ２１４は、４つの処理ステーション２０１、２０２、２０３、および、２０４を提供する。各ステーションは、加熱されたペデスタル（処理ステーション９０１については２１８と図示されている）と、ガスライン流入口と、を有する。いくつかの実施形態において、各処理ステーションは、異なる目的すなわち複数の目的を有してもよいことがわかる。例えば、いくつかの実施形態において、１つの処理ステーションが、ＡＬＤ処理モードおよびＣＶＤ処理モードの間で切り替え可能であってもよい。追加的または代替的に、いくつかの実施例において、処理チャンバ２１４は、１または複数のマッチドペアのＡＬＤ／ＣＶＤ処理ステーションを備えてもよい。図の処理チャンバ２１４は４つの処理ステーションを備えるが、本開示に従った処理チャンバは、任意の適切な数のステーションを有してよいことがわかる。例えば、いくつかの実施形態において、処理チャンバは、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、または、それより多い処理ステーションを備えてよい（もしくは、１組の実施形態が、上記の値の任意のペアによって規定される範囲内の数の処理ステーションを反応チャンバごとに有する（例えば、反応チャンバごとに２から６の処理ステーション、反応チャンバごとに４から８の処理ステーション、または、反応チャンバごとに８から１６処理ステーションを有するなど）ように記載されてもよい）。
【００９５】
上述のように、図２は、処理チャンバ２１４内の処理ステーション２０１、２０２、２０３、および、２０４の間で基板を搬送するための基板搬送装置２９０の一実施形態を示す。任意の適切な基板搬送装置が用いられてよいことがわかる。非限定的な例は、ウエハカルーセルおよび基板ハンドラロボットを含む。
【００９６】
能動的に温度調節できる／温度制御されるシャワーヘッドの詳細な説明
上述のように、本明細書に開示された様々な蒸着処理および技術は、温度調節および／または制御機能を有しうる薄膜前駆体供給のためのシャワーヘッドを用いる。温度調節可能および／または温度制御シャワーヘッドは、ＡＬＤ処理によって蒸着される薄膜のウエハ間およびバッチ間の均一性を改善しうるが、非処理遅延を排除し、望ましくない温度変動の低減によって粒子生成を削減することにより、スループットも増大させ、一般に、薄膜特性を微調整するためのさらなる有益な処理パラメータを提供しうる。温度制御されたシャワーヘッドを利用することで、温度が連続的なバッチ内のウエハにわたってあまり変化せず、例えば、バッチ内の最初のウエハが冷えたシャワーヘッドを用いて蒸着され、バッチ内の最後のウエハが平衡温度に達したシャワーヘッドを用いて蒸着されるシナリオが避けられるので、ＡＬＤで形成される薄膜の均一性が、バッチ内のウエハ間で改善しうる。同様に、チャンバ内のすべてのシャワーヘッドを同じ温度になるように制御することにより、異なるサブ層の間の薄膜特性の均一性が改善されうる。非処理時間（すなわち、シャワーヘッドを加熱するだけの疑似蒸着時間）がなくなるため、スループットが向上しうる。同様に、シャワーヘッドが冷えるのを許容する代わりに、ステーションがアイドル状態または洗浄中にある間に、シャワーヘッドの温度を維持できるので、温度サイクリングが低減されうる。温度サイクリングの低減が、チャンバ構成要素（および、構成要素上のコーティング）の間で異なる熱膨張係数の影響を低減することにより、粒子生成を低減するというさらなる利点がありうる。
【００９７】
いくつかの実施形態において、適切な温度調節可能シャワーヘッドは、シャンデリア型のシャワーヘッドであってよく、さらに、かかるシャワーヘッドの設計の特徴は、印加された熱（加熱の負荷サイクルの増および／または減）もしくは冷却の増大への迅速な熱応答を可能にするシャワーヘッド面と本体との間の界面の断熱であってよい。かかる迅速な応答は、間のプラズマ洗浄工程（連続的な基板バッチに実行されるＡＬＤ操作の合間に実行される）が、シャワーヘッドに大きい熱エネルギを供給するために、シャワーヘッドの温度調節および／または制御ハードウェアが、（例えば、熱の発生を削減する、または、冷却剤流量を上げることによって）温度変動に迅速に反応しなければならない場合に有益でありうる。ここで、かかるシャワーヘッドの特定の例について、詳細に説明する。
【００９８】
一般に、シャンデリア型シャワーヘッドは、チャンバの上部に取り付けられたステムを一端に有し、フェースプレートを他端に有しており、そのため、シャンデリアのように見える。ステムの一部が、ガスラインおよびＲＦ電力の接続を可能にするために、チャンバ上部から突出していてよい。温度を制御するために、シャワーヘッド温度に基づいて、熱の追加または除去が行われる。荷電粒子がシャワーヘッドと衝突してエネルギを付与する、および／または、印加されたＲＦエネルギがシャワーヘッドに結合されるので、プラズマがオンの時に、シャワーヘッド温度が上昇する。また、外部熱が、例えば電気ヒータからの電気エネルギとして、意図的に加えられるために、シャワーヘッド温度が上昇しうる。シャワーヘッド温度は、より低温の物質（例えば、低温の反応ガスまたは大気温のウエハなど）がチャンバに入った時、伝導（例えば、シャワーヘッドステム材料を介してチャンバ天井に至る熱伝導など）によって熱が除去された時、ならびに、シャワーヘッド面からの放射によって低下する。これらの熱イベントのいくつかは、通常のチャンバ操作の一部として発生し、他の熱イベントは、シャワーヘッド温度を制御するために利用されうる。
【００９９】
図４Ａ、図４Ｂ、および、図４Ｃは、本発明の様々な実施形態に従って、シャワーヘッドを示す概略断面図である。図４Ａを参照すると、シャワーヘッド４００は、ステム４０４、バックプレート４０６、および、フェースプレート４１０を備える。ステム４０４は、上側部分および下側部分に分けられてよく、それらの部分は、異なる直径を有してよい。一実施形態において、上側ステムは、約１．５ないし２インチ（好ましくは、約１．７５インチ）の直径を有する。下側ステムの直径は、約２ないし２．５インチ（好ましくは、約２．２５インチ）である。フェースプレートの直径は、ウエハサイズよりも若干大きくて同等であるか、または、若干大きくてよい（好ましくは、ウエハサイズの約１００％ないし１２５％）。例えば、３００ｍｍ（１２インチ）の処理チャンバに対して、フェースプレートの直径は、約１３インチまたは約１５インチであってよい。フェースプレートおよびバックプレートは、各々、約０．２５ないし０．５インチ、約０．１２５ないし０．５インチ、または、約０．２５ないし０．３７５インチの厚さを有してよい。フェースプレートは、アルミニウム、陽極酸化アルミニウムまたは被覆アルミニウム、もしくは、高温、化学物質、および、プラズマ耐性を持つように構成された他の金属で製造されてよい。
【０１００】
一実施形態において、バックプレートは、約０．５インチの厚さであり、フェースプレートは、約３／８インチである。反応ガスが、シャワーヘッドステム４０４のガス流入路４０２を介して導入され、バックプレート４０６を通過して、バックプレート４０６およびフェースプレート４１０の間のマニホルド領域４０８に入る。図４Ｂを参照すると、バッフル４１２が、マニホルド領域４０８にわたって均等にガスを分配する。バッフル４１２は、バッフルプレートのねじ込みインサートまたはねじ穴４４２と、複数のねじ４４４とによって、バックプレート４０６に取り付けられてよい。マニホルド領域の体積は、バックプレートおよびフェースプレートの間のギャップによって規定される。ギャップは、約０．５ないし１インチ（好ましくは、０．７５インチ）であってよい。ギャップ内で均一なガス流を維持するために、ギャップは、バックプレートおよびフェースプレートの間で様々な位置（例えば、３、６、または、最大１０までの位置）に配置された複数のセパレータ／スペーサ４３２によって、一定に維持されてよい。図に示すように、ねじ４３８が、セパレータ／スペーサ４３２を通って、バックプレート４０６をフェースプレートのねじ切り止まり穴４２８に固定する。別の実施形態において、雌ねじを備えたまたは備えない様々な形状のスペーサまたはブッシングが用いられてもよい。図のねじは、バックプレートに入り、フェースプレートに螺入するが、逆の構成が用いられてもよい。例えば、ねじが、フェースプレートに埋め込まれてもよく、スペーサを通じてバックプレートの貫通孔に入る。ねじは、ナットでバックプレートに固定されてもよい。
【０１０１】
ガスは、ウエハの表面上への蒸着を引き起こすように、フェースプレート４１０の穿孔すなわち孔（４３４）を通って処理領域に入る。貫通孔は、機械加工、ミリング加工、または、ドリル穿孔されてよい。各孔は、約０．０４インチの直径、または、約０．０１ないし０．５インチの直径を有してよい。一部の孔が、異なるサイズを有してもよい。孔の数は、１００〜１０，０００、２〜５０００、約３〜４０００、または、約２００〜２０００であってよい。孔は、様々なパターン（例えば、蜂の巣パターン、または、次第に大きくなる円など）でフェースプレートにわたって均等に分布されてよい。所望の膜均一性、膜プロファイル、および、ガス流量を含む様々な要素に応じて、孔は、フェースプレートの中央で高密度に分布する、または、フェースプレートの縁部で高密度に分布するなど、様々なパターンの不均一な分布を有してもよい。一実施形態において、孔は、中心から離れるにつれて次第に離れるように孔が配置される一様に離間された円のパターンを有してよい。一般に、様々な孔のパターンおよび密度が用いられてよい。
【０１０２】
一部の例において、フェースプレート４１０は、穿孔／孔の構成を容易に変更し、フェースプレートを洗浄できるように、バックプレート４０６に着脱可能に取り付けられる。フェースプレート４１０の背面は、バックプレートへの着脱のためのはめ合い形状を備えてよい。図に示すように、はめ合い形状は、溝４３０およびねじ切り止まり穴４４６であってよい。溝４３０は、バックプレート上の対応するリップにはめ合ってよい。バックプレートまたはフェースプレートには、ねじ穴４４０が、円周方向に配置されており、孔４４６と一致する。ねじは、バックプレートおよびフェースプレートを互いに取り付ける。円周方向に配置されるねじの数は、５以上、１１以上、約２４、または、最大約５０であってよい。バックプレートおよびフェースプレートのための他のはめ合い形状が用いられてもよい。例えば、他の固定メカニズムは、ストラップまたはクリップを備えてもよいし、フェースプレートの寸法がバックプレートの対応する受け部の寸法と厳密に一致する単純な摩擦による係合が用いられてもよい。図４Ａに示すように、フェースプレートは、レッジ（棚部）を有する周縁側壁を備えてよい。バックプレートは、レッジ上に配置され、ねじで取り付けられてよい。一実施形態では、かみ合いメカニズムが用いられ、バックプレートまたはフェースプレートの周縁側壁の縁部上に特に機械加工されたノッチが、相手側の歯とかみ合う。バックプレートおよびフェースプレートは、シャワーヘッドが加熱され、歯およびノッチが膨張すると、摩擦によって取り付けられうる。動かない部品を含むかかるメカニズムは、螺入しなければならないために粒子を剥離して放出しうるねじよりも好ましい場合がある。さらに別の可能なメカニズムは、それぞれの相手側に螺入できるねじ切りをフェースプレートまたはバックプレートの周縁側壁上に備える。はめ合い形状および固定メカニズムにかかわらず、バックプレートおよびフェースプレートは、それらの間に良好な電気的および熱的接触を維持するように取り付けられる。
【０１０３】
操作中、シャワーヘッドのフェースプレートは、チャンバ内でストレスの掛かる条件を経験する。例えば、非常に高い温度（例えば、３００℃超）までの温度変化からの熱ストレスが、バックプレートまたはフェースプレートをゆがめて材料を劣化させうる。作用中のプラズマは、表面材料を腐食させ、粒子および弱い箇所を引き起こしうる。反応物質も、化学的侵食でフェースプレートを腐食させうる（例えば、フッ素ガス）。反応生成物または副生成物の望ましくない蒸着が、ガス流孔を詰まらせて処理性能に影響する、薄膜が表面上で成長する時に粒子を起き起こす、または、フッ化アルミニウムの場合にプラズマ特性に影響を与えることがある。累積的に、これらのイベントは、粒子、均一性、および、プラズマ性能の観点で処理性能に影響しうる。フェースプレートだけを洗浄または交換できれば、シャワーヘッドアセンブリ全体を交換する必要がなく、コスト効率が高い。
【０１０４】
再び、図４Ａを参照すると、電気抵抗素子の形態のヒータ４１４が、図に示すようにバックプレート４０６に熱的に取り付けられてよい。いくつかの実施形態において、ヒータ４１４は、バックプレート４０６に埋め込まれてよい。ヒータは、真空ろう付け処理によって取り付けられてよい。電気抵抗素子の形態のヒータ４１４は、ステムを介して電気抵抗素子に接続されたヒータワイヤ４１６によって制御される。シャワーヘッドは、チャンバの操作中に高ＲＦエネルギを受けるので、電気抵抗素子の全部または一部が、ＲＦから絶縁および分離されてよい。ＲＦ分離は、ＥＭＩ／ＲＦＩフィルタまたは任意の他の市販のＲＦ分離装置によって達成されてよい。
【０１０５】
図４Ｃは、他の要素を強調するためにシャワーヘッドの若干違った断面を示す。この図では、温度センサ４１８が、シャワーヘッドの温度（特に、シャワーヘッドのフェースプレートにおける温度）を測定するためにフェースプレート４１０と熱的に接触する様子が示されている。いくつかの実施形態において、図４Ｃに示したものなど、温度センサ４１８は、熱電対であってよい。ここで、熱電対／温度センサ４１８は、上側ステムから、バックプレート４０６およびフェースプレート４１０の間のスタンドオフ４２０を通って接続される。フェースプレート４１０で、熱電対は、センサ接触孔の中のフェースプレート材料と接触しうる。ヒータワイヤおよびヒータ素子と同様に、熱電対も、ＲＦから絶縁および分離される。ＲＦ分離は、或る周波数のＲＦトラップおよび別の周波数のＲＦフィルタによって達成されてよい。別の実施形態において、他のタイプの温度検知装置が、フェースプレートの温度を測定するために用いられてもよい。特に、非接触式の温度センサが用いられてもよい。例としては、パイロメトリ、蛍光温度測定、および、赤外線温度測定が挙げられる。
【０１０６】
温度制御されたシャワーヘッドは、伝導、対流、および、放射によって熱除去を強化する。熱は、チャンバ上部に接続されたシャワーヘッドステム自体を介して伝導される。ステム直径は、チャンバ上部への伝導熱損失を最大化するように設計されてよい。熱は、ステム４０４内の冷却流体導管を流れる冷却流体を介して対流によって除去されてもよい。図４Ｃの実施形態は、冷却流体流入口４２２を備えており、そこに、冷却流体、例えば、クリーンドライエア（ＣＤＡ）、アルゴン、ヘリウム、窒素、水素、または、それらの混合物が流されてよい。流体は、らせん状の経路を辿って、ステムを下がってよい。らせん状の経路は、対流冷却流体通路の導管４２４として図４Ｃに示されている。冷却流体は、１または複数の冷却流体流出路４２６を通ってステムから出てよい。一実施形態では、２つの冷却流体流出路が提供される。この例では、らせん状の通路を用いているが、当業者であれば、シャワーヘッドから冷却流体に熱を効果的に伝えるように、別の蛇行した通路を設計しうる。
【０１０７】
流体冷却導管（すなわち、流路）は、排出流体がシャワーヘッドステムの温度まで完全に加熱されるように設計されてよい。フェースプレート温度およびステム温度は相関しているので、排出流体の温度を測定することによってフェースプレート温度を推定することができる。排出流体の温度は、ＲＦによって引き起こされる電磁干渉を避けて測定されうる。この設計によれば、シャワーヘッド内の熱電対およびそれに関連するＲＦフィルタ回路を利用しなくてもよい。
【０１０８】
別にシナリオにおいて、冷却流体は、さらに、冷却量を制御するために調節されてもよい。出て行く流体の温度に基づいたフィードバックループが、冷却量を変更するために流量を増減させうる。この冷却は、バックプレート上の加熱に加えてまたはその代わりに行われてよい。要求の多くない用途では、冷却だけが、シャワーヘッド温度を制御するために用いられてよく、ヒータ素子およびＲＦ分離装置は省略されてもよい。要求の多い用途では、冷却流体の調節は、シャワーヘッド温度を制御するためのさらなるパラメータになる。
【０１０９】
伝導および対流に加えて、熱は、バックプレートでシャワーヘッドから放射しうる。放射冷却を高めるために、バックプレートの外面は、高放射率材料で被覆されてよい。例えば、被覆は、陽極酸化アルミニウムであってよい。放射は、チャンバの上部によって吸収されてよい。チャンバ上部も、放射熱伝達を増加させるために、高放射率材料で処理されてよい。チャンバ上部の内面は、陽極酸化アルミニウムで被覆されてよい。チャンバ上部は、例えば、冷却水ラインで、独立して冷却されてよい。
【０１１０】
伝導および放射による熱除去は、電気ヒータが正確に加熱し直すことができるほど十分低い温度にシャワーヘッドを維持する。熱除去がなければ、シャワーヘッド温度は、高いままで制御不能になる。熱除去は、温度制御のための余地（ｈｅａｄｒｏｏｍ）を作る。一実施形態において、熱除去は、シャワーヘッド温度を約２００℃未満に維持する。ヒータは、フェースプレートおよびバックプレートの間の熱伝達のほとんどが周辺で起きるので、バックプレートの周辺の単純なコイルであってよい。シャワーヘッドおよびバックプレートの間のより良い熱接触も、伝導性の熱伝達ひいてはステムを通した熱損失が強化されるので、温度制御を改善する。
【０１１１】
いくつかの実施形態において、冷却システムが、図４に示したような１または複数のシャワーヘッドステムに接続されてよく、シャワーヘッドステムを介して流れる対流冷却流体を冷却してよい。冷却システムは、液冷式の熱交換器と、シャワーヘッドへの接続部とを備える。図５は、本発明の一実施形態に従って冷却システムを示す概略図である。この実施形態では、熱交換器５０１が、４つのシャワーヘッド５１１、５１３、５１５、および、５１７に接続されている。対流冷却流体は、各シャワーヘッドおよび熱交換器５０１のコンパートメントを順次流れる。ただし、実施形態に応じて、４つのシャワーヘッド５１１、５１３、５１５、および、５１７を４つのペデスタルタイプの基板ホルダで概略的に置き換えた場合に、冷却流体の流量、熱交換器の能力などを適切に調整して、４つのシャワーヘッド対４つの基板ホルダに対応する総熱負荷の差を調整すると仮定すれば、上述の冷却システムは、基板ホルダ冷却システムの実施例としても機能しうることに注意されたい。
【０１１２】
いずれにしても、図５のシャワーヘッド５１１、５１３、５１５、および、５１７によって概略的に示したように能動的にシャワーヘッドを冷却するために実装されたかかる冷却システムの例を用いる場合、対流冷却流体は、流入口５０９でシステムに入り、そこで、第１のシャワーヘッドステムに入る。１つのシャワーヘッドを介して流れた後、対流冷却流体は、次のシャワーヘッドに流れる前に、熱交換器の液体冷却剤によって冷却される。熱交換器の最後のコンパートメントでの最後の冷却後、対流冷却流体は、流出口５１１で冷却システムから排出される。対流冷却流体は、クリーンドライエア（ＣＤＡ）、アルゴン、ヘリウム、窒素、水素、または、これらの内の１または複数の組み合わせであってよい。温度調節／制御されるペデスタルの場合には、冷却水が用いられてもよい。一実施形態において、対流冷却流体は、施設圧（ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ）で施設に提供されたＣＤＡである。異なる施設圧には、異なる流量が必要とされうる。例えば、施設圧８０ｐｓｉで、１００標準リットル毎分（ｓｌｍ）のＣＤＡが用いられてよい。排気は、ほぼ周囲温度および周囲圧力であるか、または、それより若干高くてよい。対流冷却流体がシステムに戻らないオープンシステムが図示されているが、シャワーヘッドを流れる直列の流れおよび１つの熱交換器による中間冷却の概念が、クローズドシステムで実施されてもよい。
【０１１３】
いくつかの実施形態において、シャワーヘッドから出てくる冷却流体の温度が測定され、シャワーヘッド温度を決定するために用いられる。温度センサ５４１、５４３、５４５、および、５４７が、出てくる冷却流体と熱的に結合されてよく、さらにＲＦ干渉の範囲外でありうる。この構成は、ＲＦフィルタリング装置の必要性を排除する。上述のように、対流冷却通路は、出てくる冷却流体の温度がシャワーヘッドステムの温度と同じになるように設計されてよい。当業者であれば、測定された排出流体温度をシャワーヘッド温度と相関させて様々な構成要素の熱特性を知るためのアルゴリズムを考案できる。
【０１１４】
特定の実施形態において、シャワーヘッドは、バックプレートに取り付けられたヒータを備えなくてもよい。シャワーヘッド温度は、処理、予熱、および、遠隔プラズマ洗浄中に上昇する。これらの実施形態において、冷却流体による能動冷却が、シャワーヘッド温度を制御するために用いられてよい。制御バルブ５２１、５２３、５２５、および、５２７が、コントローラからの入力に基づいて、シャワーヘッドへの冷却流体の流量を制御する。冷却流体は、シャワーヘッドステムに流れるか、または、迂回ループ５３１、５３３、５３５、または、５３７に迂回される。シャワーヘッドへの冷却流体の流量に基づいて、冷却の程度が変化しうる。能動冷却のみの設計は、許容可能なシャワーヘッド温度の範囲が広い要求の多くない特定の用途において、もしくは、シャワーヘッド温度を安定させ、遠隔プラズマ洗浄による温度変動を最小化または防止するために、能動的なシャワーヘッド冷却が用いられる実施形態において、適切でありうる。これらの実施形態において、シャワーヘッド温度は、排出冷却流体温度に基づいて決定されたシャワーヘッド温度であってもよいし、接触型の熱電対または非接触型の熱検知手段によってシャワーヘッドで測定されてもよい。
【０１１５】
４つのシャワーヘッドおよび４つのコンパートメントが図５に示されているが、冷却システムは、別の数のシャワーヘッドおよびコンパートメントを備えるように設計されてもよいことに注意されたい。かかる冷却システムは、実施形態に応じて、４つの基板ホルダに冷却を提供するように構成されてもよい。いくつかの実施形態において、冷却システムは、２以上の半導体処理チャンバまたはツールのためのシャワーヘッドを冷却するよう機能してもよい。例えば、各半導体処理ツールが４つのステーションをそれぞれ備えた１つのマルチステーションチャンバを有する場合、８つのシャワーヘッドに接続する８つのコンパートメントを有する冷却システムが、２つのツールに対応するように設計されてよい。一部の半導体処理ツールが、２以上のマルチステーションチャンバを有してもよい。その場合、冷却システムは、１つのツール上の２以上のチャンバ内のすべてのシャワーヘッドに対応するように設計されてよい。４コンパートメントの熱交換器が２以上の４ステーションチャンバを有するツール上で用いられる場合、ツールあたり２以上の熱交換器が用いられてよい。
【０１１６】
一部の例において、シャワーヘッドの内の１または複数が、対流冷却流体の流れについて完全に迂回されてもよい。したがって、各シャワーヘッド接続が、対応するバルブを備えた迂回ループを備えてもよい。特定の処理については、必ずしもすべてのステーションが、ウエハ上に材料を蒸着するように、または、温度制御されたシャワーヘッドを必要とするように構成されなくてもよい。その場合、バイパスループは、ステーション４で用いられてよい。
【０１１７】
熱交換器５０１のための液体冷却剤は、流入口５０５でシステムに入り、冷却剤流路５０３を辿った後に、流出口５０７でシステムを出る。冷却剤流路５０３について１つのループだけが図示されているが、冷却剤流路は、冷却剤流路の直径、必要とされる熱伝達、流入口で冷却剤温度、および、出口での任意の冷却剤温度要件に応じて、多くのループからなってもよい。液体冷却剤は、水、または、任意のその他のタイプの既知の液体冷却剤（例えば、フレオンなど）であってよい。一実施形態において、液体冷却剤は、施設に供給された水である。熱交換器を出た後、液体冷却剤は、例えば、排液管に放出される前に、さらに処理されてもよいし処理されなくてもよい。例えば、液体冷却剤としての施設供給された水は、直接排出されてよい。しかしながら、その他の液体冷却剤を用いる場合、冷却剤が、圧縮されて熱交換器に再循環され、クローズドループの冷却剤システムを作ってもよい。
【０１１８】
様々な設計の熱交換器５０１が用いられてよい。図５は、流れが互いにほぼ直交して流れる直交流熱交換器を示している。ただし、逆流熱交換器または並流熱交換器が用いられてもよい。当業者であれば、所望の熱伝達を引き起こすのに十分な表面積を備えた熱交換器を設計できる。特定の実施形態において、熱交換器５０１は、液体冷却剤および対流冷却流体の配管を囲む鋳造金属であってよい。金属は、所望の熱伝達特性を有するアルミニウムまたはその他の金属であってよい。鋳造金属設計は、小さいフットプリントまたは空間要件を持つコンパクトな熱交換器を可能にする。
【０１１９】
シャワーヘッド（同様に、温度調節可能／制御可能な基板ホルダ）は、温度制御システムにリンクされてよい。シャワーヘッド温度制御システムが、図６に概略的に図示されており、１つのシャワーヘッドに関連して、温度制御システムの主要な構成要素（冷却サブシステムなど）が示されている。この図のシャワーヘッドは、チャンバ上部への取り付け部品を備えることに注意されたい。対流冷却流体が、構成要素６０２からシャワーヘッドステムに流れ、そこで、シャワーヘッドを冷却する過程で加熱され、熱交換器６０６へ出る。いくつかの実施形態において、シャワーヘッドへの冷却流体の流量は、制御バルブまたはその他の流量調節器６２２によって調節される。流量を調節することにより、冷却流体によって提供される冷却の強さを増減させることができる。
【０１２０】
熱交換器６０６から、上述のように、対流冷却流体が、別の構成要素（６０４など）に流されてよい。シャワーヘッドがチャンバ内の第１のステーションとして構成される場合、構成要素６０２は、施設の空気であってよく、構成要素６０４は、別のシャワーヘッド（ステーションシャワーヘッドなど）であってよい。シャワーヘッドが第１のステーションとして構成されない場合、構成要素６０２および６０６は、同じ構成要素、すなわち、上述のような液冷式熱交換器であってよい。この冷却ループは、多少の冷却を調節しうるフィードバックループを持たなくてよいことに注意されたい。単純な設計は、電子ヒータ６１８が特定の温度にシャワーヘッドを正確に加熱できるのに十分なだけシャワーヘッドを冷却するだけである。
【０１２１】
熱電対６１０が、上述のように、フェースプレートと物理的に接触している。熱電対６１０は、電極としてのシャワーヘッドに印加されたＲＦの影響を熱電対信号から除去するために、ＲＦ分離装置６１２に接続されている。通例、ＰＥＣＶＤで印加されるＲＦは、２つの周波数成分、すなわち、高周波（たとえば、１３．５６ＭＨｚ）トラップおよび低周波（例えば、４００ｋＨｚ）を有する。ＲＦ分離装置は、１または複数のフィルタを備えてよい。一実施形態において、ＲＦ分離装置は、高周波フィルタおよび低周波フィルタを備える。ＲＦ分離がなければ、ＲＦ干渉が非常に大きいため、熱電対測定が役に立たないと考えられる。
【０１２２】
図６を再び参照すると、ヒータ素子６１８は、そのＲＦ分離装置６０８に接続される。ＲＦ分離装置６０８は、印加されたＲＦの影響からヒータの電気信号を分離するためのＲＦフィルタまたはその他の利用可能な装置であってよい。温度コントローラ６１６が、分離装置６１２を介して熱電対６１０から温度情報を読み取り、フィードバックループ内のＲＦ分離装置６０８を介してヒータ６１８への入力を調整する。
【０１２３】
別の実施形態では、排出冷却流体の温度が、ＲＦ干渉の範囲外にある温度検知装置６２０によって測定されてもよい。この実施形態において、温度検知装置６２０にはＲＦフィルタが必要ない。コントローラは、排出冷却流体温度をシャワーヘッド温度と相関させてよい。
【０１２４】
温度コントローラ６１６は、構成要素６１４からフィードフォワード情報を取得してもよい。フィードフォワード情報は、プラズマが点火するまでの期間であってよい。一部の例において、フィードフォワード情報は、冷えたウエハでのウエハ処理、シャワーヘッドへのガス流量など、シャワーヘッド温度に影響するその他の予測可能なイベントを含んでもよい。コントローラは、冷却イベント（例えば、チャンバパージ）を予測してヒータ入力を上げてもよいし、加熱イベント（例えば、プラズマ「オン」）を予測してヒータ入力を下げてもよい。コントローラは、加熱イベントを予測して、冷却流体の流量を上げることによって冷却を強くしてもよいし、冷却イベントを予測して、冷却流体の流量を下げることによって冷却を弱くしてもよい。
【０１２５】
様々な組み合わせの入力および出力構成要素が、異なる制御スキームで用いられてよい。例えば、いくつかの実施形態において、（冷却流体の流量を調節する）能動冷却が、シャワーヘッド温度を正確に制御するために、能動加熱（バックプレート内のヒータ）と共に用いられてよい。実施形態に応じて、シャワーヘッド温度は、フェースプレートに取り付けられた熱電対から直接測定されてもよいし、排出冷却流体の温度から間接的に決定されてもよい。いくつかの実施形態において、能動冷却または能動加熱のみが、制御システムに含まれてもよい。シャワーヘッドから除去された熱を正確に決定するための流入口での冷却流体の温度検知など、さらに別の入力が含まれてもよい。特定の実施形態において、温度コントローラは、システムコントローラと一体化されてもよい。したがって、いくつかの実施形態において、シャワーヘッドに関する上述の温度調節／制御技術／操作を実施するＡＬＤ処理によって基板上に薄膜を形成するための装置は、シャワーヘッドを加熱するための電気抵抗素子および温度センサを有するシャワーヘッドと、温度センサからの信号に応答して電気抵抗素子を流れる電流を制御するための命令を有する１または複数のコントローラと、を備えてよい。かかる装置のこれらの操作およびその他の操作を制御するためのかかるコントローラについては、後に詳述する。
【０１２６】
上述のものと類似の温度調節／制御システムが、例えば、以下に述べるように冷却流体を流すための導管を有する基板ホルダなど、温度調節および／または制御機能を有する基板ホルダの温度調節／制御に用いられてもよいことに注意されたい。特定の実施形態において、かかる温度調節／制御システムは、上述のＡＬＤ処理を達成するために、温度調節および／または制御機能をそれぞれ有するシャワーヘッドおよび基板ホルダの両方を並行して制御してもよい。
【０１２７】
能動的に温度調節できる／制御される基板ホルダの詳細な説明
上述のように、温度調節および／または制御機能を有する基板ホルダが、プラズマ洗浄前後の蒸着のばらつきを低減するための上述のＡＬＤ処理を実施するために、温度調節および／または制御機能を有するシャワーヘッドと組み合わせて用いられてもよい。いくつかの実施形態において、基板ホルダは、ペデスタル形状の構成を有してよく、いくつかの実施形態において、１または複数の内部加熱素子と、１または複数の内部冷却素子を備えるように形成されてよい。
【０１２８】
別個の内部加熱素子および冷却素子を有するペデスタル形状基板ホルダの一例を、図７Ａ〜図７Ｃに概略的に図示する。この種の設計では、ペデスタルインサート７５０（図７Ｃを参照）が、能動冷却を提供するために用いられ、加熱は、ディスク形状の基板支持体に形成された加熱素子７７０（この例では、電気抵抗コイル加熱素子）によって提供される。
【０１２９】
図７Ａは、外部斜視図でのこの例の基板ホルダ７００を示す。基板ホルダ７００は、処理される基板の底側と接触するための上側接触面７１０と、基板支持体を支持する基板ホルダの中央支持柱７３０に接続する下側面７２０と、を備えたディスク形状の基板支持体を有する。この図では、ペデスタルのチャンバ設置を容易にするペデスタルの中央支持柱７３０の周囲のディスク形状取り付けフランジ７４０も示されている。ディスク形状支持体の上側面７１０および下側面７２０は、基板ホルダの熱容量および／または熱慣性が低減されることで、内部温度制御メカニズムが所望の効果をより迅速に達成することを可能にするように、比較的低いプロファイルを作り出すことに注意されたい。
【０１３０】
図７Ｂは、中央支持柱７３０に組み込まれた（能動冷却のための）ペデスタルインサート７５０を示す切り欠き斜視図であり、図７Ｃは、冷却流体導管７６０と共に冷却ブロック７５５からなるペデスタルインサート７５０の拡大斜視図である。図７Ｂ〜図７Ｃから、冷却ブロック７５５および導管７６０は、中央支持柱７３０内で、その中心軸に沿った向きの円筒形の空間に納まっていることがわかる。冷却ブロック７５５は、金属（例えば、アルミニウム）などの熱伝導材料で製造されてよい。したがって、冷却流体が冷却導管７６０を介して流されると、ペデスタルは、能動的に冷却されうる。冷却導管７６０を流れる冷却流体（「冷却剤」）の流量、および、選択された特定の冷却流体の熱特性も、ペデスタルが能動的に冷却される程度に影響しうる。
【０１３１】
さらに、基板ホルダの熱応答は、ペデスタルインサート７５０を含む中央支持柱７３０の熱伝導率、および、（上側面７１０および下側面７２０によって規定される）ディスク形状の支持体へのそれらの物理的接続によって影響を受けることに注意されたい。例えば、冷却導管７６０は、ほとんどが低い熱伝導率を有する空間／大気などである中央支持柱７３０内で領域を規定する。したがって、冷却ブロック７５５によって満たされたこの円筒形空間の体積比も、支持柱７３０の熱伝導率を調整するために用いられてよい。図７Ｂ〜Ｃにおいて、例えば、この体積比は、約１：４（冷却ブロック：空間）であることがわかる。支持柱のかかる熱伝導率調整は、基板ホルダの温度感受性全体的を変化させうる。さらに、実施形態に応じて、冷却ブロック７５５の半径が、中央から縁部まで差のある（中心対称性の）加熱および／または冷却を実現するために用いられてよいことにも注意されたい。したがって、蒸着制御と、中央から縁部までの特定の温度プロファイルが、特定の実施形態において組み合わされてよい。
【０１３２】
内部冷却素子を有するペデスタル形状の基板ホルダの別の例を、図７Ｄ〜図７Ｅに概略的に図示する。図７Ｄおよび図７Ｅは、それぞれ、この基板ホルダの内部加熱素子７７０および冷却素子７８０の断面図および切り欠き図を示す。図７Ｄの断面図は、この実施形態において、加熱素子７７０が冷却素子７８０の平面より上の平面に配置されていることを示す。この特定の実施形態において、加熱素子７７０は、（図７Ａ〜図７Ｂに示した実施形態のように）電気抵抗コイルであり、冷却素子７８０は、冷却流体導管であり、共にディスク形状の基板支持体の中に形成されている。ただし、別の実施形態では、加熱素子も流体導管（その場合、加熱流体を流す）であってよいことに注意されたい。
【０１３３】
図７Ｅの切り欠き図に示すように、各平面内で、加熱素子および冷却素子は、それらの構造の一部が、基板ホルダの上側接触面７１０全体と合理的に近い空間的近接の範囲内にある（したがって、合理的に良好な熱接触をする）ように設計されている。もちろん、これらの素子について、構造の一部が基板ホルダの上側接触面７１０のすべての領域と合理的に近い近接の範囲内にあることを保証する多くの複雑な設計が想到されうる。例えば、加熱素子および冷却素子は、どの素子が基板に最も近い平面を占めるのかを選択する必要がなくなるように、それらの構造が垂直に交互配置される／織り交ぜられるよう設計されてよい。冷却流体（冷却剤）および加熱流体（加熱素子が加熱流体を用いる場合）には、様々な選択肢がある。本明細書で用いられているように、流体とは、液体および気体の両方を指す。したがって、加熱流体は、例えば、加熱された不活性ガスであってよく、冷却流体は、例えば、フレオン、冷水、または、ガルデンなどの冷却剤であってよい。（「ガルデン」は、Ｓｏｌｖａｙ  Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ  Ｐｏｌｙｍｅｒｓ社から市販されている一群の熱伝達流体である）。図７Ｄの断面図は、さらに、ディスク形状の基板支持体内の冷却流体導管に、中央支持柱７３０を介して上下に流体を流すための導管から冷却流体が供給されることを示している。
【０１３４】
加熱流体および冷却流体のための別個の流体導管を有する設計は、原理上は非常に柔軟な温度制御機能を提供しうるが、加熱または冷却のいずれかが、最重要であるか、または、唯一重要であると見なされるシナリオでは、単一の流体流導管を用いて、若干単純な設計を作ってもよい。かかる単一導管設計は、能動加熱から能動冷却への需要の切り替えが十分に低頻度である場合、または、能動加熱から能動冷却への切り替えが単一で流れる流体自体の温度を調節することによって調整されうる場合にも、十分でありうる。単一導管設計は、図７Ｄ〜図７Ｅに示した実施形態のように１または複数の電気抵抗コイル加熱素子を用いるなど、別のメカニズムが能動加熱のために選択される場合にも、よい選択でありうる。これは、上側接触面７１０全体の分散加熱を提供しうる。
【０１３５】
上述のように、シャワーヘッド温度を調節および／制御するための図６に関して上述したシステムと同様の温度制御システムが、例えば、図７Ｄ〜図７Ｅに示した加熱素子および冷却素子ならびに任意選択的に１または複数の温度センサを利用して、基板ホルダ温度を調節／制御するために用いられてもよい。（実施形態に応じて、温度センサは、温度調節可能／制御シャワーヘッドに関して上述したタイプであってよい）。さらに、かかる温度制御システムは、上述の蒸着のばらつきを低減するための様々なＡＬＤ方法の文脈でなされうるように、シャワーヘッドおよび基板支持体の両方の温度を並行して調節および／または制御してもよい。同様に、シャワーヘッド温度を調節および／または制御するための図５に関して上述したシステムと同様の流体冷却システムが、図５の５０１と同様の液冷式の熱交換器を利用して、図７Ｄ〜図８Ｅの導管７８０を介して流れる冷却流体の温度を冷却および調節するために用いられてよいことに注意されたい。かかる実施形態において、冷えた冷却流体は、熱交換器から冷却流体導管８８０内に受け入れられてよく、そこで、ペデスタル基板ホルダに対して冷却効果を奏し、その後、導管７８０を出た後に、熱交換器に戻されてよい。したがって、いくつかの実施形態において、シャワーヘッドおよび基板ホルダに関する上述の温度調節／制御技術／操作を実施するＡＬＤ処理によって基板上に薄膜を形成するための装置は、内部冷却導管および温度センサを有するペデスタル基板ホルダと、温度センサからの信号に応答して冷却導管を流れる流体の流量を制御するための命令を有する１または複数のコントローラと、を備えてよい。かかる装置のこれらの操作およびその他の操作を制御するためのかかるコントローラについては、後に詳述する。
【０１３６】
処理フローの例
図８は、シャワーヘッドおよび基板ホルダの能動的温度調節および／または制御によってＡＬＤ薄膜の一貫性を改善するための本明細書に開示の技術に従った一連のＡＬＤ操作を示すフローチャートの一例を提供する。
【０１３７】
図に示すように、基板上に単一の薄膜層を形成するためのＡＬＤ処理は、シャワーヘッドが実質的に第１の温度に維持されている間に、シャワーヘッドを介して処理チャンバに薄膜前駆体を流す操作８１０で始まる。次いで、操作８１１で、薄膜前駆体は、基板ホルダが実質的に第２の温度に維持されている間に、前駆体が基板上に吸着制限層を形成するように、処理チャンバ内の基板ホルダに保持されている基板上に吸着される。図８に示すように、この特定の例において、第１の温度は、第２の温度より少なくとも約１０℃高い。吸収操作の後、操作８１２で、吸着された前駆体の周りの空間から少なくとも一部の未吸着の薄膜前駆体が除去され、その後、操作８１３で、吸着された薄膜前駆体は、基板上に薄膜層を形成するために反応される。最後に、いくつかの実施形態において（図８の破線ボックスに示すように）、薄膜形成反応の化学物質に応じて、操作８１３で吸着された前駆体を反応させた後に存在する場合に薄膜層の周りの空間から脱着した薄膜前駆体および／または反応副生成物を除去するために、操作８１４を操作８１３の後に実行してもよい。
【０１３８】
上述の一連の操作８１０ないし８１４は、単一の薄膜層の形成をもたらす１回のＡＬＤサイクルを表す。ただし、ＡＬＤによって形成された単一の薄膜層は、通例、非常に薄い（しばしば、１分子の厚さのみである）ため、適切な厚さの薄膜を形成するために、複数回のＡＬＤサイクルが、順次繰り返される。したがって、図８を再び参照すると、例えばＮ層の薄膜が蒸着される（等価的に、薄膜のＮ層と言ってもよい）ことが求められる場合、複数回のＡＬＤサイクル（操作８１０ないし８１４）が順次繰り返され、各ＡＬＤサイクルが操作８１４で終了した後に、操作８１５で、ＮサイクルのＡＬＤが実行されたか否かが判定される。Ｎサイクルが実行されると、薄膜形成操作は終了し、実行されていない場合には、処理シーケンスは操作８１１に戻り、次のＡＬＤサイクルを開始する。それにより、所望の厚さの共形薄膜が蒸着されうる。
【０１３９】
システムコントローラ
図２は、さらに、処理ツール２００およびその処理ステーションの処理条件およびハードウェア状態を制御するために用いられるシステムコントローラ２５０の一実施形態を示す。システムコントローラ２５０は、１または複数のメモリデバイス２５６と、１または複数のマスストレージデバイス２５４と、１または複数のプロセッサ２５２と、を備えてよい。プロセッサ２５２は、１または複数のＣＰＵ、ＡＳＩＣ、汎用コンピュータ、および／または、専用コンピュータ、１または複数のアナログおよび／またはデジタル入力／出力接続、１または複数のステッパモータコントローラボードなどを備えてよい。
【０１４０】
いくつかの実施形態において、システムコントローラ２５０は、個々の処理ステーションの操作を含む処理ツール２００の操作の一部または全部を制御する。システムコントローラ２５０は、プロセッサ２５２上でマシン読み取り可能なシステム制御命令２５８を実行してよく、いくつかの実施形態において、システム制御命令２５８は、マスストレージデバイス２５４からメモリデバイス２５６にロードされる。システム制御命令２５８は、タイミング、気体および液体反応物質の混合、チャンバおよび／またはステーションの圧力、チャンバおよび／またはステーションの温度、ウエハ温度、目標電力レベル、ＲＦ電力レベル、ＲＦ暴露時間、基板ペデスタル、チャック、および／または、サセプタの位置、ならびに、処理ツール２００によって実行される特定の処理の他のパラメータ、を制御するための命令を備えてよい。これらの処理は、基板への薄膜の蒸着に関連する処理など、様々なタイプの処理を含みうるが、それらに限定されない。システム制御命令２５８は、任意の適切な方法で構成されてよい。例えば、様々な処理ツールの処理を実行するために必要な処理ツール構成要素の操作を制御するために、様々な処理ツール構成要素サブルーチンまたは制御オブジェクトが書かれてよい。システム制御命令２５８は、任意の適切なコンピュータ読み取り可能プログラム言語でコードされてよい。いくつかの実施形態において、システム制御命令２５８は、ソフトウェアで実装され、別の実施形態において、命令は、ハードウェアで実装されてもよく（例えば、ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）内にロジックとしてハードコードされる）、また、別の実施形態において、ソフトウェアおよびハードウェアの組み合わせとして実装されてもよい。
【０１４１】
いくつかの実施形態において、システム制御ソフトウェア２５８は、上述の様々なパラメータを制御するための入力／出力制御（ＩＯＣ）シーケンス命令を備えてよい。例えば、１または複数の蒸着処理の各段階が、システムコントローラ２５０による実行のための１または複数の命令を備えてよい。例えば、薄膜蒸着処理段階のための処理条件を設定するための命令が、対応する蒸着レシピ段階に含まれてよい。いくつかの実施例において、レシピ段階は、連続的に配列されてよく、その結果、処理段階のためのすべての命令が、その処理段階と同時に実行される。
【０１４２】
システムコントローラ２５０に関連付けられたマスストレージデバイス２５４および／またはメモリデバイス２５６に格納された他のコンピュータ読み取り可能な命令および／またはプログラムが、いくつかの実施形態において用いられてもよい。プログラムまたはプログラムセクションの例は、基板位置決めプログラム、処理ガス制御プログラム、圧力制御プログラム、ヒータ制御プログラム、および、プラズマ制御プログラムを含む。
【０１４３】
基板位置決めプログラムは、基板をペデスタル２１８上にロードすると共に基板と処理ツール２００の他の部品との間の間隔を制御するために用いられる処理ツール構成要素のための命令を備えてよい。位置決めプログラムは、基板上に薄膜を蒸着するために、必要に応じて、反応チャンバに基板を適切に出し入れするための命令を備えてよい。
【０１４４】
処理ガス制御プログラムは、ガス組成および流量を制御するため、ならびに、任意選択的に、蒸着の前に１または複数の処理ステーションの周りの空間内にガスを流して、これらの空間内の圧力を安定させるための命令を備えてよい。いくつかの実施形態において、処理ガス制御プログラムは、基板への薄膜蒸着中に処理チャンバ内の１または複数の処理ステーションの周りの空間に特定のガスを導入するための命令を備えてもよい。処理ガス制御プログラムは、さらに、蒸着される薄膜の組成に応じて、同じ持続時間で同じ流量で、もしくは、異なる流量および／または異なる持続時間で、これらのガスを供給するための命令を備えてもよい。処理ガス制御プログラムは、さらに、加熱された注入モジュール内で、ヘリウムまたはその他の搬送ガスの存在下で、液体反応物質を霧化／気化させるための命令を備えてもよい。
【０１４５】
圧力制御プログラムは、例えば、処理ステーションの排気システムのスロットルバルブ、処理ステーションへのガス流量などを調節することにより、処理ステーション内の圧力を制御するための命令を備えてよい。圧力制御プログラムは、基板への様々な薄膜タイプの蒸着中に、同じまたは異なる圧力を維持するための命令を備えてよい。
【０１４６】
ヒータ制御プログラムは、基板を加熱するために用いられる加熱ユニットへの電流を制御するための命令を備えてよい。代替的または追加的に、ヒータ制御プログラムは、基板への熱伝達ガス（ヘリウムなど）の供給を制御してもよい。ヒータ制御プログラムは、基板への様々な薄膜タイプの蒸着中に、反応チャンバ内および／または処理ステーションの周りの空間内で、同じまたは異なる温度を維持するための命令を備えてよい。
【０１４７】
プラズマ制御プログラムは、本明細書の実施形態に従って、１または複数の処理ステーションにおけるＲＦ電力レベル、周波数、および、暴露時間を設定するための命令を備えてよい。いくつかの実施形態において、プラズマ制御プログラムは、基板への薄膜蒸着中に、同じまたは異なるＲＦ電力レベルおよび／または周波数および／または暴露時間を利用するための命令を備えてよい。
【０１４８】
いくつかの実施形態において、システムコントローラ２５０に関連したユーザインターフェースがあってよい。ユーザインターフェースは、表示スクリーン（装置および／または処理条件のグラフィカルソフトウェアディスプレイ）と、ポインティングデバイス、キーボード、タッチスクリーン、マイクなどのユーザ入力デバイスと、を備えてよい。
【０１４９】
いくつかの実施形態において、システムコントローラ２５０によって調整されるパラメータは、処理条件に関してよい。非限定的な例は、処理ガスの組成および流量、温度（例えば、基板ホルダおよびシャワーヘッドの温度）、圧力、プラズマ条件（ＲＦバイアス電力レベルおよび暴露時間）などを含む。これらのパラメータは、レシピの形態でユーザに提供されてよく、ユーザインターフェースを用いて入力されうる。
【０１５０】
処理を監視するための信号が、様々な処理ツールセンサから、システムコントローラ２５０のアナログおよび／またはデジタル入力接続によって提供されてよい。処理を制御するための信号は、処理ツール２００のアナログおよびデジタル出力接続で出力されてよい。監視されうる処理ツールセンサの非限定的な例は、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）、圧力センサ（マノメータなど）、温度センサ（熱電対など）などを含む。適切にプログラムされたフィードバックアルゴリズムおよび制御アルゴリズムが、処理条件を維持するためにこれらのセンサからのデータと共に用いられてよい。
【０１５１】
システムコントローラ２５０は、上述の蒸着処理を実施するためのマシン読み取り可能な命令を提供しうる。命令は、ＤＣ電力レベル、ＲＦバイアス電力レベル、圧力、温度など、様々なプロセスパラメータを制御しうる。命令は、本明細書に記載の薄膜蒸着操作を実行するために、パラメータを制御してよい。
【０１５２】
したがって、システムコントローラは、通例、１または複数のメモリデバイスと、装置が本明細書に記載の処理に従って操作を実行するようにマシン読み取り可能な命令を実行するよう構成された１または複数のプロセッサと、を備える。本発明に開示の基板処理操作に従って操作を制御するための命令を含むマシン読み取り可能な非一時的媒体が、システムコントローラに接続されてよい。
【０１５３】
上述の様々な装置および方法は、例えば、半導体デバイス、ディスプレイ、ＬＥＤ、光起電力パネルなどの加工または製造のために、リソグラフィパターニングツールおよび／または処理と共に用いられてもよい。通例、必ずしもそうとは限らないが、共通の製造施設で一緒および／または同時に、かかるツールが利用され、また、処理が実行される。
【０１５４】
いくつかの実施例において、コントローラは、システムの一部であり、システムは、上述の例の一部であってよい。かかるシステムは、１または複数の処理ツール、１または複数のチャンバ、処理のための１または複数のプラットフォーム、および／または、特定の処理構成要素（ウエハペデスタル、ガスフローシステムなど）など、半導体処理装置を備えうる。これらのシステムは、半導体ウエハまたは基板の処理前、処理中、および、処理後に、システムの操作を制御するための電子機器と一体化されてよい。電子機器は、「コントローラ」と呼ばれてもよく、システムの様々な構成要素または副部品を制御しうる。コントローラは、処理要件および／またはシステムのタイプに応じて、処理ガスの供給、温度設定（例えば、加熱および／または冷却）、圧力設定、真空設定、電力設定、高周波（ＲＦ）発生器設定、ＲＦ整合回路設定、周波数設定、流量設定、流体供給設定、位置および操作設定、ならびに、ツールおよび他の移動ツールおよび／または特定のシステムと接続または結合されたロードロックの内外へのウエハ移動など、本明細書に開示の処理のいずれを制御するようプログラムされてもよい。
【０１５５】
概して、コントローラは、命令を受信する、命令を発行する、操作を制御する、洗浄操作を可能にする、エンドポイント測定を可能にすることなどを行う様々な集積回路、ロジック、メモリ、および／または、ソフトウェアを有する電子機器として定義されてよい。集積回路は、プログラム命令を格納するファームウェアの形態のチップ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）として定義されるチップ、および／または、プログラム命令（例えば、ソフトウエア）を実行する１または複数のマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラを含みうる。プログラム命令は、様々な個々の設定（またはプログラムファイル）の形態でコントローラに伝えられて、半導体ウエハに対するまたは半導体ウエハのための特定の処理を実行するための操作パラメータ、もしくは、システムへの操作パラメータを定義する。操作パラメータは、いくつかの実施形態において、１または複数の層、材料、金属、酸化物、シリコン、二酸化シリコン、表面、回路、および／または、ウエハのダイの加工中に１または複数の処理工程を達成するために処理エンジニアによって定義されるレシピの一部であってよい。
【０１５６】
コントローラは、いくつかの実施例において、システムと一体化されるか、システムに接続されるか、その他の方法でシステムとネットワーク化されるか、もしくは、それらの組み合わせでシステムに結合されたコンピュータの一部であってもよいし、かかるコンピュータに接続されてもよい。例えば、コントローラは、「クラウド」内にあってもよいし、ウエハ処理のリモートアクセスを可能にできるファブホストコンピュータシステムの全部または一部であってもよい。コンピュータは、製造操作の現在の進捗を監視する、過去の製造操作の履歴を調べる、複数の製造操作からの傾向または性能指標を調べる、現在の処理のパラメータを変更する、現在の処理に従って処理工程を設定する、もしくは、新たな処理を開始するために、システムへのリモートアクセスを可能にしうる。いくつかの例では、リモートコンピュータ（例えば、サーバ）が、ネットワーク（ローカルネットワークまたはインターネットを含みうる）を介してシステムに処理レシピを提供してよい。リモートコンピュータは、パラメータおよび／または設定の入力またはプログラミングを可能にするユーザインターフェースを備えてよく、パラメータおよび／または設定は、リモートコンピュータからシステムに通信される。いくつかの例において、コントローラは、データの形式で命令を受信し、命令は、１または複数の操作中に実行される処理工程の各々のためのパラメータを指定する。パラメータは、実行される処理のタイプならびにコントローラがインターフェース接続するまたは制御するよう構成されたツールのタイプに固有であってよいことを理解されたい。したがって、上述のように、コントローラは、ネットワーク化されて共通の目的（本明細書に記載の処理および制御など）に向けて操作する１または複数の別個のコントローラを備えることなどによって分散されてよい。かかる目的のための分散コントローラの一例は、チャンバでの処理を制御するために協働するリモートに配置された（プラットフォームレベルにある、または、リモートコンピュータの一部として配置されるなど）１または複数の集積回路と通信するチャンバ上の１または複数の集積回路である。
【０１５７】
限定はしないが、システムの例は、プラズマエッチングチャンバまたはモジュール、蒸着チャンバまたはモジュール、スピンリンスチャンバまたはモジュール、金属メッキチャンバまたはモジュール、洗浄チャンバまたはモジュール、ベベルエッジエッチングチャンバまたはモジュール、物理蒸着（ＰＶＤ）チャンバまたはモジュール、化学蒸着（ＣＶＤ）チャンバまたはモジュール、原子層蒸着（ＡＬＤ）チャンバまたはモジュール、原子層エッチング（ＡＬＥ）チャンバまたはモジュール、イオン注入チャンバまたはモジュール、トラックチャンバまたはモジュール、ならびに、半導体ウエハの加工および／または製造に関連するかまたは利用されうる任意のその他の半導体処理システムを含みうる。
【０１５８】
上述のように、ツールによって実行される１または複数の処理工程に応じて、コントローラは、他のツール回路またはモジュール、他のツール構成要素、クラスタツール、他のツールインターフェース、隣接するツール、近くのツール、工場の至る所に配置されるツール、メインコンピュータ、別のコントローラ、もしくは、半導体製造工場内のツール位置および／またはロードポートに向かってまたはそこからウエハのコンテナを運ぶ材料輸送に用いられるツール、の内の１または複数と通信してもよい。
【０１５９】
リソグラフィパターニング
薄膜のリソグラフィパターニングは、通例、以下の操作の一部または全部を含み、各操作は、複数の可能なツールで実現される。（１）スピンオンまたはスプレーオンツールを用いて、基板（窒化シリコン薄膜を上に形成された基板など）上にフォトレジストを塗布する操作、（２）ホットプレートまたは炉またはその他の適切な硬化ツールを用いて、フォトレジストを硬化させる操作、（３）ウエハステッパなどのツールで可視光またはＵＶまたはｘ線にフォトレジストを暴露させる操作、（４）ウェットベンチまたはスプレー現像装置などのツールを用いて、選択的にレジストを除去することによってパターニングするためにレジストを現像する操作、（５）ドライエッチングツールまたはプラズマ支援エッチングツールを用いて、下層の膜または基板にレジストパターンを転写する操作、ならびに、（６）ＲＦプラズマまたはマイクロ波プラズマレジストストリッパなどのツールを用いて、レジストを除去する操作。いくつかの実施形態において、アッシング可能なハードマスク層（アモルファス炭素層など）および別の適切なハードマスク（反射防止層など）が、フォトレジストの塗布前に蒸着されてよい。
【０１６０】
別の実施形態
上述の開示されている技術、操作、処理、方法、システム、装置、ツール、薄膜、化学物質、および、組成は、簡潔さおよび理解を促進するために具体的な実施形態の文脈で詳細に記載されているが、当業者にとって、本開示の精神および範囲の中に含まれる上述の実施形態を実施する多くの別の方法があることは明らかである。したがって、本明細書に記載の実施形態は、限定的ではなく、開示された発明の概念を例示するものと見なされるべきであり、最終的には本開示の主題に向けられた任意の請求項の範囲を不当に限定するための容認できない根拠として用いられるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
2016046524.tif 000022
【図７Ｅ】
2016046524.tif 000023
【図８】
2016046524.tif 000024
【外国語明細書】
2016046524000001.pdf