JP2006520433A - 原子層堆積のサイクル時間改善のための方法と装置 - Google Patents

Abstract

反応器チャンバを名目上一定圧力に維持しながら、異なるパージ流と、場合によっては異なるポンピング能力を用いて、ＡＬＤサイクルの異なる段階を実行する。パージ流は、場合によっては、異なるガスを利用することができ、かつ／または異なる流路を通じて供給することができる。これらの動作は、ＡＬＤサイクル時間の改善、および消耗品の使用に関する経済的な動作をもたらす。いくつかの実施形態において、環状絞り弁の使用は、反応器チャンバからのガス流路における下流の流量制限コンダクタンスを制御する手段を提供する。

Description

関連出願

（関連出願）
本出願は、本出願の譲受人に授与され、参照により本明細書に組み込まれている、２００３年３月１４日に出願された「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｃｙｃｌｅ Ｔｉｍｅ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ＡＬＤ」という名称の米国暫定特許出願第６０／４５５，０３４号に関連し、ここにその優先権利益を主張するものである。

本発明は、薄膜処理に関し、より詳細には原子層堆積（ＡＬＤ）プロセスのサイクル時間の改善のための方法と装置に関する。

材料堆積の分野において、原子層堆積（ＡＬＤ）として知られるプロセスが、化学成長法（ＣＶＤ）技術の能力を拡大する有望な候補として誕生した。一般に、ＡＬＤは、従来のＣＶＤプロセスを、理論的には単一の分子または原子層の厚さのレベルで飽和を達成する（かつ自己限定的に成長する）個別的な順次堆積工程に分割するプロセスである。各堆積工程の後に、そこに使用された未反応化学前駆体（および反応の不要副生物）を反応器チャンバから除去しなければならない。それを行うための既存の技術としては、所謂「ポンプ」または「排気」法や「パージ」または「フロー」法が挙げられる。これらのうち、パージまたはフロー手順は、パージによる前駆体除去の効率が排気によってもたらされる前駆体除去効率より向上されているため、ＡＬＤ反応器の商業的操作に望まれる方法となっている。例えば、Ｍ．Ｒｉｔａｌａ ａｎｄ Ｍ．Ｌｅｓｋｅｌａ、「Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」、Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、Ｈ．Ｓ．Ｎａｌｗａ（編集）、第１巻、第２章（２００２年）を参照されたい。

パージまたはフロー法では、化学分子前駆体が反応器に個別に導入される。典型的には、各前駆体曝露後に、次の前駆体の導入の直前に反応器から余剰の反応性前駆体化学物質を除去するために、不活性ガス・パージを行う。所望の材料膜を完全に形成するために、この一連の工程を数回繰り返す。（ｉ）前駆体Ａの曝露、（ii）（未反応ガスＡを除去するための）不活性または中性ガス・パージ、（iii）前駆体Ｂの曝露、（iv）（未反応前駆体Ｂを除去するための）不活性または中性ガス・パージの一連の順次工程すなわち「段階」を実施するための全時間を「サイクル時間」（ＣＴ）と呼ぶ。上記４つの段階を、それぞれＡの曝露段階、Ａのパージ段階、Ｂの曝露段階、Ｂのパージ段階と呼ぶ。Ａの曝露段階と、それに続くＡのパージ段階とからなる時間を半サイクルＡと呼ぶ。同様に、Ｂの曝露段階と、それに続くＢのパージ段階とからなる時間を半サイクルＢと呼ぶ。

ウェハ・スループットをより高めるために、ＡＬＤプロセスのＣＴを低減することが半導体製造の目標である。多くのパルス／パージ時間が文献に報告され、パージ時間は、曝露パルス時間に比べて長いことが一般的に確認されている。このことは、大面積基板に対して極めて良好な膜均一性が望まれるときに特に当てはまる。したがって、当該技術の現行の状態では、一般的に、ＣＴに制限要因をもたらすのはＡＬＤサイクルのパージ構成要素である。実際、典型的な場合は、曝露時間の１.５から５倍のパージ時間を利用することができる。単一のパージ・プロセスのみが必要とされるプラズマ利用ＡＬＤの場合でもこれが当てはまることに留意されたい。例えば、本発明の譲受人に授与された米国特許第６，２００.８９３号（Ｓｎｅｈ）を参照されたい。

ウェハ・スループットの所望の上昇をもたらすためには、サイクル時間の縮小、特にパージ時間の縮小が必要である。これを達成できる１つの方法は、パージ・ガスの流量を増加させることである。より高い流速でパージ・ガスを供給すると、パージ段階を完了するのに必要な時間が最小限になる傾向がある。しかし、（一定のパージ・ガス流速を利用し、下流の絞り弁を使用して一定の反応器チャンバ圧を維持しようとする）従来のＡＬＤ反応器設計では、必要な前駆体曝露時間を増加させる傾向にある。これは、（曝露段階中に中性担持体として使用される）パージ・ガスの流速が上昇することで、化学前駆体をより低いパージ・ガス流速の場合より速く反応器チャンバから排出させる傾向にあるためである。そのため、単位時間間隔の化学前駆体のより大きいロスが予想されるため、曝露時間の増加が必要になる。

このような状況を回避するために、二段パージ・ガス流速を実施することがある。すなわち、前駆体曝露時は、（チャンバ内における前駆体の滞留時間を最大限にするために）比較的低いパージ・ガス流速を用い、パージ段階中は、（必要なパージ時間を最小限にするために）比較的高いパージ・ガス流速を用いることである。そのような二段パージ・ガス流速を実現するための最初の知られているシステムは、カリフォルニア州Ｓａｎ ＪｏｓｅのＭｏｄｕｌａｒ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（「ＭＰＴ」）のＳｔｅｖｅｎ Ｓｈａｔａｓによって１９９８年に開発された。後に、１９９９年になって、（顧客の１つと協働する）ＳｈａｔａｓとＭＰＴは、一対の質量流量コントローラによって誘導される二段パージ・ガス流量と、反応器チャンバから下流の高速切換絞り弁とを併用して、流速と反応器圧力の両方の制御を可能にした。このシステムは、オペレータが、ＡＬＤサイクル中の前駆体の滞留時間を変化させることによって、前駆体除去時の滞留時間を低くし、曝露時の滞留時間を高くすることができる。

最近になって、前駆体曝露時に（反応器チャンバの下流に位置する）ドロー・チャンバへのパージ・バイパスを用いる二段流量システムが、Ｓｎｅｈによって記載された。Ｏ．Ｓｎｅｈ、ＷＯ ０３／０６２４９０ Ａ２、「ＡＬＤ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ」（２００３年７月３１日）を参照されたい。この所謂「同期変調フロー・ドロー」（ＳＭＦＤ）プロセスでは、パージ中は反応器チャンバでの高い流速が維持されるが、堆積時は低い流速が用いられる。低流速は、反応器バイパス導管を介して下流のドロー・チャンバにパージ・ガスの大部分をダンピングすることによって達成される。したがって、堆積時は、パージ・ガス流の一部のみが反応器チャンバに進入するため、化学前駆体は、十分な滞留時間にわたってそこに留まることが可能になる。

二段または多段流量を提供するためのＳｈａｔａｓやＳｎｅｈのシステムには、いずれも欠陥がある。Ｓｈａｔａｓシステムでは、質量流量制御部品を使用した二重パージ源が設けられた。これらの部品は、その応答速度が限られているとともに、供給源が反応器に注入されない段階中は、中性パージ・ガスの補助的な流れ（ダンピング）を必要とする。これは、パージ・ガスの使用を比較的非効率的にする。同様に、ＳｎｅｈのＳＭＦＤデバイスでは、曝露時にパージ源が反応器をバイパスするが、パージ・ガスは、その供給源から常に高速で流れる。これは、パージ・ガスを無駄にする傾向がある。そのため、十分な前駆体滞留時間を維持しながらパージ時間を縮小するための新規の方法と装置が必要とされる。

一実施態様において、本発明は、第１のパージ流と第１のポンピング能力とを用いて、ＡＬＤプロセスの曝露段階（場合によってはプラズマ利用段階としてもよい）を実行し、第１のパージ流より大量の第２のパージ流と、第１のポンピング能力より高い第２のポンピング能力とを用いて、ＡＬＤプロセスのパージ段階を実行する。これらの手順は、反応器チャンバの下流の絞り弁を、曝露段階中よりパージ段階中の方がより大きく開くように操作することにより、その内部でＡＬＤプロセスが実行される反応器チャンバを名目上一定圧力に維持しながら実行することができる。第１のパージ流と第２のパージ流は、場合によっては、異なるガスを利用することができ、かつ／または異なる流路を通じて供給されうる。

場合によっては、曝露段階中の材料堆積の終了前に、第２のパージ流と第２のポンピング能力を開始することができる。代替的または追加的に、（例えば前駆体の除去を支援するために）反応器チャンバ内の乱流を断つように、第２のパージ流と第２のポンピング能力を活性化させることができる。また、それぞれ第１のパージ流と第１のポンピング能力と異なる第３のパージ流と第３のポンピング能力とを用いて、ＡＬＤプロセスの第２の曝露段階を実行することもできる。場合によっては、第３のパージ流は、パージ流の存在しないものであってもよい。

様々な実施態様において、曝露段階中の材料堆積の終了前に、第１のポンピング能力が第２のポンピング能力に切り換えられるのと実質的に同時点で、あるいは第１のポンピング能力が第２のポンピング能力に切り換えられるのと異なる時点で、第１のパージ流を第２のパージ流に切り換えることができる。反応器チャンバの下流に位置する第２の流量制限コンダクタンスが、反応器チャンバからの第２のガス流路から切り換えられるのと実質的に同時点で、反応器チャンバの上流に位置する第１の流量制限コンダクタンスを反応器チャンバに至る第１のガス流路から切り換えることによって、パージ流を切り換えることができる。

さらなる実施態様において、本発明は、部分的に反応器チャンバ内の環状ガス流路の第１のコンダクタンスによって定められる第１のパージ流を用いて、ＡＬＤプロセスの曝露段階を半サイクル内において実行し、第１のパージ流より大量で、部分的に反応器チャンバ内の環状ガス流路の第２のコンダクタンスによって定められる第２のパージ流を用いて、ＡＬＤプロセスのパージ段階を実行する。反応器チャンバの圧力を曝露とパージ段階中に名目上一定になるように維持することができ、場合によっては、第１のパージ流と第２のパージ流は、異なるガスを利用することができ、かつ／または異なる流路を通じて供給してもよい。

本発明のさらなる実施態様は、反応器チャンバの上流の第１のガス流路内に位置する第１の流量制限コンダクタンスと、反応チャンバの下流の第２のガス流路内に位置する第２の流量制限コンダクタンスとを流れる第１の圧力の第１のパージ流を用いて、ＡＬＤプロセスの曝露段階を実行し、第１のガス流路内に位置する第３の流量制限コンダクタンスと、第２のガス流路内に位置する第４の流量制限コンダクタンスとを流れる、第１の圧力より高い第２の圧力の第２のガス流を用いて、ＡＬＤプロセスのパージ段階を実行し、第２の流量制限コンダクタンスに対する第１の流量制限コンダクタンスの割合は、第４の流量制限コンダクタンスに対する第３の流量制限コンダクタンスの割合に等しく、反応器チャンバの圧力はＡＬＤプロセス中に名目上一定に維持される。

他の実施態様は、反応器の上流に連結された第１のパージ流路と、反応器の上流に連結された第２のパージ流路と、反応器の下流に連結され、第１のパージ流路が活性状態の場合における第１のポンピング能力と、第２のパージ流路が活性状態の場合における、第１のポンピング能力より高い第２のポンピング能力との間で切り換えられるように構成されたポンピング機構とを含むＡＬＤシステムを提供する。第１と第２のパージ流路は、１つまたは複数の前駆体注入路を備えた共通のガス流マニホールドを共用することができ、パージ流路の少なくとも１つを他の流路から独立して反応器に直接結合させることができる。場合によっては、第１と第２のポンピング能力は、単一の物理的ポンプの２つの動作モードを備える。

本発明のさらなる実施態様は、低流量モードと高流量モードを含む２つ以上の動作モードを有する選択可能な流量制限コンダクタンスを通じて反応器チャンバの上流に連結されたパージ流路と、低流量モードと高流量モードを含む２つ以上の動作モードを有する選択可能な下流の流量制限コンダクタンスを通じて反応器チャンバの下流に連結されたポンピング機構とを有し、上流の流量制限コンダクタンスと下流の流量制限コンダクタンスは、時系列で動作モードを互いに切り換えるように構成されているＡＬＤシステムを提供する。上流の流量制限コンダクタンスは、下流の流量制限コンダクタンスが動作モードを切り換える前に動作モードを切り換えるように構成されていてもよい。場合によっては、下流の流量制限コンダクタンスは、反応器チャンバ内に位置する環状絞り弁であってもよい絞り弁を含む。

本発明のさらなる実施態様は、反応器チャンバから、下流に連結されたポンピング・システムに至るガス流路内に位置する環状絞り弁が内部に配置された反応器チャンバに連結されたガス配送システムを含むＡＬＤシステムを提供する。環状絞り弁は、それぞれが、反応器チャンバから異なる流路コンダクタンスを提供するように構成された２つ以上の動作モードを有することができる。

本発明を、添付の図面で、例として限定することなく説明する。

参照を容易にするために、典型的には、添付の図面における参照番号は、「図面番号」の後に２つの数字ｘｘが続く形をとる。例えば、図４における参照番号は、４ｘｘと番号付けされ、図５では、参照番号は５ｘｘと番号付けされうるといった具合である。特定の場合において、ある参照番号が１つの図面に導入され、（異なる図面番号指標を有する）同じ参照番号が他の図面に利用されて、同じ項目を示すこともある。

ＡＬＤプロセスにおけるサイクル時間改善のための方法とシステムを説明する。様々な実施形態において、本発明は、圧力制御および／または受動コンダクタンス部品を二重（または、より一般的な多重）ポンプ（または二重または多重ポンプ能力）機構と併用した多段流供給源を提供する。先に説明した多段流システムと異なり、本発明では、曝露パルス中に高パージ流を流さなくてもよいため、消耗品使用に関しての処理がより経済的になる。いくつかの実施形態において、質量流量コントローラの代わりに圧力制御部品を使用することによって、より経済的かつ良好な動的時間依存性能が得られる。さらに、いくつかの実施形態において、パージ・バイパスの代わりに、中性ガス流のための独立した直結導管を使用することで、高パージ流の連続処理を必要としない多段パージ源能力を提供する。

消耗品の消費が低減されるのに加えて、本発明の二段または多段流パージ処理によってもたらされる他の利点は、より良好なステップカバレッジである。より良好なステップカバレッジを達成するために、より高度な曝露（分圧に曝露時間をかけたものとして定義される）が必要とされる。本発明は、ポンピング速度と前駆体の希釈率を制限することによって、所定の曝露段階において、高アスペクト比／高トポロギー構造の端部および／またはトレンチの底に、より多くの分子が確実に到達することができる。

本明細書に記載されている様々な実施形態は、本発明を取り入れたシステムと方法を単に例示するためのもので、本発明の全体的な範囲を限定するものではないことに留意されたい。ＡＬＤプロセス時の滞留時間を変化させる時系列多段流の原理を、ＡＬＤサイクルにわたって流量を変化させるとともに圧力を制御するための方法について記載することができ、その手順を実現する多くの異なる様式が存在する。例えば、一定でない反応器チャンバ圧力での処理の如き、制約がない場合は、理想的な手順は以下のようになる。

ｉ）反応物曝露時に下流の絞り弁を指示により閉じる（または閉位置の方へ動かす）。これにより、前駆体は、実質的に約９９％またはそれ以上の完了度の飽和ＡＬＤ半反応を達成するのに十分長くチャンバ内に滞留することが可能になる。
ii）余剰の前駆体をできるだけ迅速に除去する。これは、上流のより高圧レベル供給源を使用した切換作用により、パージ段階中に、パージ・ガス流速をより高い値に分割することによって実施できる。
しかし、反応器チャンバ圧力が名目上一定に制約される場合は、本発明は、反応物曝露時のより低い流速においては絞り弁の開きをより小さく維持し、パージ時のより高い流速においては絞り弁の開きをより大きく維持することによって同じことを可能にする。さらに、第１の前駆体（Ａ）に対するＡＬＤ半反応は、第２の前駆体（Ｂ）に対するそれと大きく異なるため、Ａサイクル時の流速とＢサイクル時の流速は異なる。前駆体条件が異なることにより曝露流速を変える必要性に対応するために、本発明は、２つ以上の流量レベルよりなる「多値」または「多段」流速を提供する。

概して、本発明は、曝露時の低いポンピング能力に匹敵する低流量レベル、およびパージ時間中のより高いポンピング能力に匹敵する高流量レベルを提供するシステムと方法を提供する。流量コントローラ法もしくは圧力制御方法（例えば、本発明の譲受人に授与され、参照により本明細書に組み込まれている米国特許第６，５０３，３３０号を参照されたい）、または「チャージチューブ」から配送されるＡＬＤ前駆体（Ｇａｄｇｉ他、ＷＯ００７９０１９号を参照されたい）もしくは加圧前駆体容量を用いた化学的配送支援による技術の如き、当該技術分野で知られている他のサイクル時間改善技術を本方法と装置と併用することができる。

本発明の実施形態を詳細に説明する前に、現行技術のＡＬＤ反応器設計に関するある程度の背景を提示することが役立つ。これにより、その技術に不慣れな読者にも、本発明をより深く理解するための十分な基礎が提示される。したがって、ＡＬＤ処理システム１００を示し、本譲受人の上記米国特許より適用される図１を参照する。

ＡＬＤ処理システム１００は、（供給源１０４からの）中性パージ・ガスと、１つまたは複数の化学物質源（プロセス・ガス）１０６、１０８を反応器チャンバ１１０に配送することができる分流ガス切換マニホールド１０２を含む。中性キャリヤ・ガスが、化学前駆体に付随してもしなくてもよい。チャンバ１１０内に加熱器アセンブリ１１２があり、その上に半導体ウェハ１１４が配置されている。遮断弁１１６、１１８がともに閉じ、中性パージ・ガスが反応器１１０を流れると、ベースライン・パージ流量と圧力条件が確立される。一般的に、分流マニホールドは、反応器１１０に至る１つまたは複数の注入導管を含む。システム１００は二重注入で説明される。

前駆体注入前に、パージ・ガス源１０４で設定される上流圧力、反応器チャンバ１１０で設定される圧力、さらに下流絞り弁１２０の動作によって、反応器１１０における流量と圧力が決定される。絞り弁１２０は、様々な化学前駆体が反応器１１０に導入されているときに反応器チャンバにおける圧力を一定（またはほぼ一定）に維持するように動作する。有用と思われる様々な「レストリクタ」や導管コンダクタンス制限を（反応器パージ流路１２６、１２４内の）ガス切換マニホールド１０２に設けることができるが、それらは詳細に示されていない。そのようなレストリクタやコンダクタンスを用いることで、定量的な圧力と流量値を求めることもできる。しかし、全体的には、分流構造は、図２に示すように、ＡＬＤ動作についての名目上一定ガス圧力と（連続）流量背景を提供する。

（パージ・ガスとは異なる）中性キャリヤ・ガスを使用して、前駆体の注入を実施し、前駆体化学物質をパージ流内に移動させる。すなわち、前駆体は、それぞれ弁１１６、１１８を介してそれぞれの供給源１０６、１０８からパージ流に導入される。時間的に交互かつ順次行われる。

弁１１６（または１１８）におけるパージ流への注入の条件は、コントローラ１１７（１１９）によって弁１１６（または１１８）の上流位置のすぐ上に設定された圧力値によって確立される。これにより、マニホールド１０２の両側のパージ・ガス流への前駆体の注入または混入が可能になる。チャンバへの入力１２８において、（多数の注入物を形成する）反応器への入口に２つの前駆体ラインが開いている。

前駆体を伴う担持体の流量がベースライン・パージ流量に加わると、反応器１１０における全体的な流量が増加することになる。ありうる（そしてしばしば生じる）ケースとして、担持体流量がパージに比べて小さい場合は、図３Ａに示されるように、総流量の増加と反応器圧力の増加は小さくなるが、観察可能である。ベースライン値を上回るこの圧力上昇の１つの理由は、絞り弁１２０の応答時間が、注入弁１１６、１１８の応答時間に比べて長いためであろう。すなわち、絞り弁１２０の慣性により、パージ段階中の反応器圧力が変動する。注入弁１１６、１１８の典型的な応答時間は、２０から３０ミリ秒のオーダであるのに対して、典型的な下流絞り弁１２０の応答時間は、（応答時間が１００ミリ秒未満の絞り弁が最近利用可能になったが）５００から１０００ミリ秒のオーダである。したがって、反応器１１０における圧力は、流量の増加と平行して上昇する。

実際、反応器１１０における圧力は、図３Ｂに示されるように、曝露パルスの段階中と段階後に、ベースライン流量レベルの圧力の上下に変化・変動する。典型的には、絞り弁１２０とその閉ループ制御システム１２２は、所望の反応器圧力を再設定するように補正されるため、総合的な反応器圧力は、前駆体の分圧が、他の前駆体注入を開始するのに十分低くなるパージ半サイクルの中間と終わりに向けて維持される。適切に設計されたシステムは、時間に対して滑らかな圧力の減衰を示す。

このように、現行技術のＡＬＤ処理システムを説明したが、ここで本発明の説明に移る。上述したように、本発明は、時系列多段流量を利用して、ＡＬＤプロセス中の前駆体滞留時間を変化させる。滞留時間は、反応ガスの分子が、特定の体積の空間（例えば反応器チャンバ）を移動する時間と定義される。反応ガスの圧力をｐ、空間の体積をＶ、流速をＦとすると、滞留時間ｒ.ｔ.はｒ.ｔ.＝ｐＶ／Ｆで与えられる。例えば、ｐ＝２００ｍＴｏｒｒ（０.２／７６０Ａｔｍ）、Ｖ＝１０００ｃｍ³、Ｆ＝２００ｓｃｃｍ（３.３３ｃｍ³／秒）とすると、ｒ.ｔ.＝０.０７９秒＝７０ミリ秒となる。代替的に、または追加的に、滞留時間を、反応器体積（Ｖ）、および前駆体が、その体積から除去されるオリフィスにおける有効ポンピング速度（Ｓ）の観点で表すことができる：ｒ.ｔ.〜Ｖ／Ｓ。

（歴史的に数百ミリ秒のオーダまたはそれ以上のパルス時間としても知られている）反応物曝露時間中は、（例えば高アスペクト比のデバイスを相似的にコートするために）長い滞留時間を有するのが望ましい。反応器チャンバの容積と圧力は比較的一定で、滞留時間は流速に逆比例するため、より長い滞留時間を達成するためには、より低い流速が望ましい。しかし、より長い滞留時間はより長いパージ時間を意味するため、反応物除去時間（パージ時間）中は、長い滞留時間は望ましくない。より短い滞留時間を達成するためには、より大きい流速が必要である。したがって、反応物曝露のニーズと反応物除去のニーズの間には矛盾がある。

本発明による時系列多段流量の利用は、反応物分子の滞留時間をＡＬＤサイクルの異なる段階において最適化することができるように異なるパージ流速を用いることによってこの矛盾を克服する。そうすることによって、全体的なＡＬＤサイクル時間を（従来のシステムが必要とする時間に比べて）短縮し、より高いウェハ・スループットを可能にする。重要なこととして、本発明は、この利点を達成しながら、不経済になりがちな連続的な高流量パージを用いる必要はない。実際、単にパージ流がＡＬＤサイクル全体にわたって増加するのであれば、前駆体は、曝露時間中にあまりにも速く反応器チャンバから導出され、露出時間を長くするため不利である。前駆体曝露時に比較的低い流速を用いることにより、本発明は、いくつかの実施形態において、実際に、パルス時間を短縮して、全体的なＡＬＤサイクル時間を短縮するのにさらに有用である。

時系列多段流量を用いるのに加えて、本発明のいくつかの実施形態は、異なるＡＬＤ半サイクル中に異なるパージ・ガスを利用する。すなわち、異なるパージ・ガスは、曝露段階中ではなく、パージ段階中に使用される。この異なるパージ・ガスの使用の根拠を理解するために、以下のことを考慮されたい。硬球の衝突理論を用いて、前駆体「Ａ」または「Ｂ」に対するパージ・ガス「Ｐ」の単位時間単位体積あたりの衝突の回数を推定することができる。例えば、Ｋ．Ｊ．Ｌａｏｄｌｅｒ、Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｋｉｎｅｔｉｃｓ、頁８１〜８７（１９８７年）を参照されたい。２つの異なる分子について、衝突率は以下のようになる。
Ｎ_P×Ｎ_A×ｒ²×（ｋＴ／ｍ^＊）^1／2
ここで、Ｎ_Pはパージ・ガスの濃度、Ｎ_Aは前駆体ガス「Ａ」の濃度、ｍ^＊は、パージおよび前駆体分子の有効質量（ｍ_Aｍ_P／ｍ_A＋ｍ_P）である。これは、パージ／ガス密度の濃度がより高くなると、衝突率が増加し、前駆体ガスを除去するための順方向運動量が増加することを示唆している。有効質量が１／√ｍ^＊だけ低下するため、衝突率はより高くなるが、前駆体ガスへの移行運動量は、中性パージ・ガス分子の質量おいて線形であるため、ｍ^＊の平方根だけ重い質量のパージ・ガスを選択するのがよい。この点において、原子質量４０のＡｒの方が、原子質量２８のＮ₂より好ましいといえる。したがって、本発明のいくつかの実施形態では、パージ段階中にＡｒを使用し、曝露段階中に独立制御ガスとしてＮ₂を使用して、ガス使用コストを低減させることができる。

最後に、本発明の実施形態は、反応器圧力を名目上一定に維持する。そのような条件は、反応器チャンバ内の粒子汚染を最小に維持するのに有用であるため、ＡＬＤ（およびＣＶＤ）プロセス時に望ましい。この理由を理解するために、すべての化学堆積技術には、反応器の壁と表面への寄生堆積が伴うことを考慮されたい。一定の全体の厚さと蓄積後に、応力効果により堆積物が剥がれ、二次的な巨大粒子汚染をもたらす。これらの粒子は、ミクロン単位の粒径を有することができる（それらを、気相核形成によって生じるはるかに小さいミクロン未満の粒径の粒子と区別する）。反応器内の圧力が大きく変動すると、これらの粒子の早発的な剥離が生じ、堆積反応器の整備を困難にする状況になる可能性がある。ＣＶＤまたはＡＬＤプロセスにおいて反応器圧力を制御すべき適切に定められた範囲は存在しないが、膜堆積に許容できる実験的に定めた動作圧力の範囲は、ベースライン動作圧力のおよそ１から３倍の「実質的に一定の圧力」は好適であるが、ベースライン圧力の５倍を上回る圧力の変動は不適切である（しかし、場合によっては、そのような動作は、反応器チャンバにトラップされたと思われる前駆体を除去するのに役立つ乱流を断つのに望ましい）ことを示唆する。

次いで、本発明の一実施形態において、閉ループ・フィードバック制御、または指示制御開ループ下流絞り弁を使用して、名目上一定圧力でＡＬＤ反応器を制御する。反応器に対して許容可能な実質的に一定の圧力に維持することによって、二次的な巨大粒子汚染を最小限にする。パージ・ガスの流速が、低い値まで急速に低下した場合は、絞り弁は、（少なくとも最初は）閉位置の方へ移動し、反応チャンバ内の前駆体の滞留時間が長くなる。これは、パルス時間中は望ましいが、パージ時間中は望ましくない。結果として、本発明は、絞り弁に加えて、二または多段パージ流機能を取り入れる。２つのパージ流量レベル（低および高）が用いられる場合は、曝露パルス中は低パージ流量を用い（前駆体曝露量を比較的増加させ、所定時間における化学吸着および化学物質利用量を増加させる）、パージ中は（残留前駆体の滞留時間を短縮するために）高パージ流量を用いて、曝露とパージの半サイクルの両方に対して有利な状況を確保する。

より広くは、本発明は、時系列多段流量（ＴＭＦ）ＡＬＤプロセスの動作についてのいくつかの代替的な実施形態を提供する。その１つの方法は、２つ以上の上流パージ流量（例えば低レベルと高レベルの間）で実質的に時系列的に切り換えられる２つ以上の下流ポンプ（または単一のポンプが使用される場合はポンプ能力）を使用することを含む。この方法は、２つのモードのいずれか、すなわちより低い流量レベルのパージ中により長い滞留時間を可能にするために第２のポンプ（ポンプ能力）を使用しないモードＩ、またはより高い流量レベルのパージ中に第２のポンプ（またはポンプ能力）をオンに切り換えるモードＩＩで用いることができる。より高いレベルの流量が、併せたポンプのポンピング能力（または単一のポンプが使用される場合はより高いポンピング能力）と匹敵する場合は、圧力を名目上一定に維持することができる。

第２の方法において、上流の流量制限コンダクタンス（例えば、それぞれ低および高流量に対する低値から高値まで）を下流コンダクタンス（例えば、それぞれ低流量および高流量に対して低レベルから高レベルまで）と時系列で切り換えることによってパージ流を制御する。この方法は、ここでは、システムにおける「トラッキング・コンダクタンス」と称する。このアプローチは、（切換サイクル中の任意の時点において上流と下流のコンダクタンスの部分が同じであれば）反応器の圧力を名目上一定に維持する能力を提供するだけでなく、広いダイナミック・レンジのパージ流を可能にする。上流の切換コンダクタンスを様々な構成、例えば分流化学物質マニホールドと縦列の構成、またはそれに埋め込んだ構成、あるいは化学物質配送マニホールド・ラインと平行する構成として配置することができる。下流の切換コンダクタンスを様々な位置、例えば反応帯からちょうど下流の第１の絞りの位置に配置してもよいし、下流絞り弁の一部として統合してもよい（この場合は、設計位置または開口を想定するように独立的に制御され、閉ループ制御モードで使用されない）。

第３の方法において、分流マニホールドにおける化学物質供給源から独立した（直結導管またはＤＤＣとも呼ぶことができる）個別的なパージ・ガス制御ラインを、絞り弁の上方または絞り弁の下方の反応器ポンプ・スタック、あるいは反応空間から導かれる第１の絞りに供給する。この流路を使用して、独立的な制御ガス流量レベルを独立的な圧力調節器で設定することができる。供給源は、主要なＡＬＤ反応器パージ（例えばＡｒ）として使用されるものと相対的な独立的なガス・タイプ（例えばＮ₂またはＨｅ）であってもよい。この独立的パージ・ガス制御ラインを（所望の活動の段階の前の）曝露パルスの終了の段階に対して非同期として、多段流量を最適化するための柔軟性を提供することもできる。このラインの独立的なより高度な温度制御は、また、低い分解温度を有する前駆体の分解を促進させることなくより良好なパージ機能を提供する。

一般に、ＤＣＣは、分流マニホールドに平行して通っていてもよいし、そのすべての供給源が反応器に直結されたＡＬＤシステムの一部であってもよい。したがって、多段流量パージ・ガスは、化学物質供給源と平行に流れてもよいし、そこを直列に流れてもよい。その考え方を実証するために、第２の中性パージ導管ラインを、適切な高速ガス切替弁機構を有する装置に加えることができる。残留ガス分析器を使用して、どの程度前駆体濃度が変化しているかを検知することができる。パージ・ラインを制御する弁がチャンバからかなり離れている場合は、応答時間が長くなって好ましくない（例えば２秒間）。この問題を最小限にするためには、弁を好適にチャンバに近づけて配置することができ、かつ／または上流圧力源とチャンバの間により大径のパージ・ラインを使用することができる。すべての制御弁を共通のハブまたはブロックに統合し、当該技術分野で知られているような最小の応答時間を保証することができる。

上述の多段パージ方法を達成するために、化学ガス切換マニホールドの上流に第１のパージ導管と平行して導入される第２のパージ導管を有するＡＬＤ装置４００を提供する。この機構（二重流パージ・マニホールド４０３と命名することができる）を図４に示す。大きく異なっていてもよい圧力の設定点により（例えば圧力コントローラ４０９、４１１を使用して）両方のパージ源を圧力制御することができる。現行の技術では、圧力コントローラ４０９、４１１は、数百ミリ秒未満の高速ガス切換が不可能である（しかし、将来の圧力コントローラは、直接的な高速電子制御を可能にする）。加圧ガスを高速切換空圧弁（圧力源４０９／４１１から反応器４１０への入口４２８まで、かつそれを含むの間のラインの導管ライン、エルボウ、弁、任意のレストリクタ部品によって決まるコンダクタンスとともに）に通すことによってこの欠点を回避する。この実装形態は、切替弁４０５、４０７に至る各パージ導管を有する。これらの弁は、前駆体注入弁４１６、４１８に対して使用されるのと同じくらい高速とすることができる（例えば２０ミリ秒のオーダ）。

二重流量パージ・マニホールド４０３内において、弁４０５を、曝露パルス中での使用に好適な比較的低圧を下回る圧力で作動するように構成することができる。他方で、弁４０７を、パージ段階中での使用に好適な比較的高い圧力を下回る圧力で作動するように構成させることができる。これらのバルブをオン・オフに切り換える厳密なタイミングは、１０から３０ミリ秒付近の時間の範囲とすることができる。始動と遮断時間は、曝露パルスの始動と遮断時間と一致する必要もないし、一致させるものでもない。これは、反応器チャンバ４１０内の曝露流とパージ流の実際の切換えの間の時間を最適化し、最小限にするための確実なソフトウェア制御を可能にする。これについては、非同期流のコンセプトを用いた最適な時系列多段流のコンセプトの開発において、以下にさらに説明する。

ＡＬＤ装置４００は、第１のシステムポンプ４３０とともに、下流位置に配置された第２のポンプ４３２も設けられる。上流のより高圧の弁４０７の始動と実質的に同時に弁４３４を開くことによってポンプ４３２を動作に切り換えることができる。ここに記載する２つのポンプは、２つの物理的なポンプ、または単一の物理的ポンプのポンピング能力の２つの部分とすることができる。後者は、仮想ポンプと称する。弁４３４のコンダクタンスが適切に選択されると、その結果は、ＡＬＤサイクル全体を通じて名目上一定圧力に維持することができる。

この二段ＡＬＤパージ装置４００による動作を多くのモードで実施することができ、そのうちのいくつかを以下の表に示す。それらの表に反映されている時間要素は、特定の期間Ｔ_Xまたは特定の瞬間ｔ_xを表す。これらの時間または瞬間の図解が図３Ｂに反映されているが、同図における反応器圧力の説明は、表に反映されている動作条件に対応することを必ずしも意味するものではない。

動作モードＩ：非一定圧力。（表１に示す）このモードの動作では、下流の絞り弁４２０を一定の位置、例えば所望の反応器ベースライン圧力に対応する位置に設定してもよいし、または全開（ｏ）として固定してもよい。弁４０７を通じて上流のより高レベルの圧力をオンに切り換えると、パルス・パージ動作の時間フレームにおける反応器チャンバ４１０内の圧力が変化する。このモードでは、ポンプ４３２を使用せず、弁４３４を閉（ｃ）にする。

動作モードII：名目上一定圧力。ここでは、下流絞り弁４２０を一定の位置、例えば所望の反応器ベースライン圧力に対応する位置に設定してもよいし、または全開として固定してもよい。表２に示すように、弁４０７を通じて上流のより高レベルの圧力をオンに切り換え、弁４３４を介してポンプ４３２に切り換えるために下流絞り弁４２０を動作させることで、パルス・パージ動作の時間フレームにおいて、ベースライン反応器圧力への補正を行うことができる。

異なる動作モードに対する追加的な構成変形または組合せをもちろん用いることができる。その１つの構成は、（適切な時系列を用いた）反応器直通の不活性パージ・ガスの流路で、前駆体切換マニホールド４０２をバイパスするように平行に走る。パージ工程中に追加的なパージ・ガスの流量を増加させて、全流量を増加させ、パージ時間を縮小することができる。最大のパージ効率のために、特殊設計ガス・マニホールドを通じてこのガスを配送することができる。

図４に示す設計の変形は、絞り弁４２０の上のポンプ・スタックに接続された（ポンプ４３２と弁４３４の代わり、またはそれらの追加としての）ポンプおよび接続弁を有するＡＬＤ装置を含む。そのような構成によって、より効率的なポンピングが可能になる。その弁は、大径の空圧切替弁の平行配列、または高速切換（例えば１００ミリ秒のオーダ、または１００ミリ秒未満）絞り弁であってもよい。

他の変形は、反応器４１０に直接かつ独立に接続された高流量パージ源を含む。この高流量パージ源は、化学物質切換マニホールド４０２から独立し、それに平行している。この場合、（複数のパージ流を含むことができる）独立パージ源は、高流量であっても低流量であってもよく、他は、化学物質切換マニホールド４０２から得たパージである。

上述の直結導管（ＤＣＣ）に関して、そのような導管を実現するＡＬＤ装置５００の一実施形態が図５に示されている。ここで、導管５３６は、弁５３８によってパージ切換を可能にするように、分流マニホールド５０２をバイパスするように平行に走る。この高流量パージ・ラインは、圧力源５０９、５１１からのラインの一方または双方でありうる、化学物質切換マニホールドを通る主要パージ・ラインから独立している。そのような独立ラインを使用して、下流での曝露時のポンピング速度を制限して、反応器ゾーンにおけるポンプの効果的なポンピング速度に影響を与えることができる。高流量は、圧力コントローラ５４０によって駆動され、パージ中に弁５３８によって流れることができる。サイクルの曝露部分を通じて弁５１６、５１８が閉じている場合には、キャリヤ・ガスを使用し、または使用せずに、またパージによる中性ガスを使用し、または使用せずに前駆体化学物質を注入することができる。

代替的な実施形態において、ＤＣＣを、分流経路をバイパスして（またはバイパスせずに）弁５０７（または５０５）の下流側から直接反応器５１０に通すことができる。あるいは、非分流マニホールドが使用される場合は、独立的な前駆体導管が、ＡＬＤ反応器に前駆体を供給することができ、それと平行してＤＣＣを通すことができる。そのような場合は、パージ段階中に高レベルの中性ガス流のみを含むことにより、かつ／または前駆体供給ラインに対して反応器チャンバのパージを促進する比較的大きいコンダクタンスにより、反応器チャンバに供給する他のラインからＤＣＣパージを区別することができる。

さらに他の実施形態において、（例えば圧力コントローラ５４０と弁５３８を分割または多重供給源マニホールドに代えることによって）２つまたは多段流制御を可能にするようにＤＣＣそのものを改造することができる。そのような実施形態では、曝露中はＤＣＣ６３３を介するより低い流量レベルを用い、パージ中はより高い流量レベルを用いることができる。この構成では、中性ガスを希釈せずに、いずれかまたは両方の化学前駆体を通すことができる。

図６に示されている他の実施形態を用いて、上述したトラッキング・コンダクタンス・アプローチを実現することができる。ＡＬＤ装置６００では、圧力コントローラ６４２を使用し、上流のパージ圧力が共通かつ一定である。低および高コンダクタンス値を有する２つの異なる制限コンダクタンス（例えば計量弁）６４８、６５０を通じて上流の流れを（例えば弁６４４、６４６を介して）切り換えることによって、全体的なパージ流（それぞれ低または高）を設定することができる。低および高流量は、（それぞれ低および高流量に対して）低レベルから高レベルまで、下流のコンダクタンスによって時系列で実質的に切り換えられる。このアプローチは、上流と下流のコンダクタンスの部分が切換サイクル中の任意の時点で同一であれば、反応器の圧力を名目上一定に維持する能力を提供する。確かに、これは、曝露段階とパージ段階の定常設定点において当てはまる。この解決策は、パージ流の幅広い動作範囲、ならびに名目上一定圧力で動作するように制限された設計を確保するものである。

上流流量制限コンダクタンスと下流流量制限コンダクタンスの間に直列配置された（供給源６４２からの直列のコンダクタンスと比較して）非常に大きいコンダクタンスの反応器に対する反応器圧力をチャンバ圧力の式で近似することができる。
Ｐ_cham〜^uＰ×［（１／^dＣ）／（１／^dＣ＋１／^uＣ）］ （１）
上式において、^uＰは、圧力コントローラによって設定できる上流圧力で、^dＣおよび^uＣは、それぞれ下流と上流のコンダクタンスである。コンダクタンスの逆数は、流量インピーダンスに比例するため、任意の一定流量において、チャンバ圧力は、全インピーダンスに対する下流インピーダンスの圧力降下の割合に等しい。

このモデルは、式１を記述するのに用いられ、一定電源電圧Ｖｓ（上流の圧力と類似）、上流直列抵抗Ｒｕ（上流のコンダクタンスの逆数と類似）とＲｕ未満のノード電圧（チャンバ圧力と類似）、下流抵抗（下流のコンダクタンスの逆数と類似）とグラウンド（下流ポンプと類似）を用いた電気回路によって与えられる式と類似している。この線形等価回路では、ノード電圧は以下の式によって与えられる。
Ｖｓ×［Ｒｄ／（Ｒｄ＋Ｒｕ）］
ガス流の場合の主な相違は、コンダクタンス要素は、それらの圧力への依存性に関して、直線範囲内で動作できないということである。しかし、コンダクタンスの圧力降下の関数形式にかかわらず、そのような比例関係を利用することが可能である。

上流圧力は、典型的には約数１０から１００Ｔｏｒｒで、チャンバ圧力は、約１００ミリＴｏｒｒから１Ｔｏｒｒである。したがって、全体に対する下流の典型的なインピーダンス比は１０から１００倍である。本発明に従って構成されたＡＬＤ装置は、典型的には、約１００までの範囲の比に対する流速を提供するが、下流インピーダンスは、主に絞り弁の位置（最小）とポンプ能力（最大）によって求められるため、場合によってはより高い比の値が存在しうる。

次いで、典型的な場合を考えると、流量に対する全インピーダンスは、約１００倍以上変化することが可能でなければならない。^dＣの値が、最も低い値で約１０ ｌ／ｓ（下流の絞り弁は閉に近い状態）の場合は、対応する約^UＣの値を設計により約０.５ ｌ／ｓになるように設定して、２１：１の圧力降下を確保することができるが、流量は小さく、上流制限コンダクタンスによって制限される。上流圧力が１０Ｔｏｒｒである場合は、チャンバ圧力は１０／２１または約５００ミリＴｏｒｒとなり、流量は１０×０.５Ｔｏｒｒ ｌ／ｓである。これは、流量が低状態にあるときの流量と圧力の条件を表す。

^dＣの値が最も高い値で約１０００ ｌ／ｓ（下流の絞り弁が開に近い状態）である場合は、対応する^UＣの値を設計により約５０ ｌ／ｓになるように設定して、ここでも２１：１の圧力降下を確保することができるが、流量はいまは大きく、上限制限コンダクタンスによって制限される。上流圧力が１０Ｔｏｒｒである場合は、チャンバ圧力はやはり１０／２１または約５００ミリＴｏｒｒとなり、流量は１０×５０Ｔｏｒｒ ｌ／ｓである。これは、流量が、低状態の１００倍である高状態にあるときの流量と圧力の条件を表す。

チャンバ内の圧力が、ＡＬＤサイクルにおいて常に名目上一定に維持されるように、本例を一般化することが可能である。これは、上流と下流のコンダクタンスが、常に同じ部分になるその全範囲の部分値を有する場合に実施できる。
Ｐ_cham〜^UＰ×［１／^dｆ^dＣ］／（１／^dｆ^dＣ＋１／^uｆ^uＣ）］ （２）
ここで、^dｆおよび^uｆは、それぞれ下流と上流コンダクタンスのコンダクタンスの範囲の部分である。^uｆ（ｆと呼ぶ）に対する^dｆ比が任意の時点で常に同一で、下流と上流の弁またはレストリクタのコンダクタンスの範囲の共通部分ｆである場合は、ｆ値は式の中で打ち消し合い、圧力は基本的に一定になる（Ｐ_cham〜^uＰ×［（１／^dＣ）／（１／^dＣ＋ｆ／^uＣ）］）。

図７に示されるように、ＤＣＣ７３６を用いてトラッキング・コンダクタンス・アプローチを実施することが可能である。ＤＣＣガス圧力レベルを独立的な圧力調節器７４２によって設定することができ、供給源は、供給源７５２からの主要ＡＬＤ反応器パージ（例えばＡｒ）として使用されるものに対して独立したガス・タイプ（例えばＮ₂またはＨｅ）であってもよい。低（曝露）流量と高（パージ）流量に対してそれぞれトラッキング・コンダクタンス７４８、７５０を設定することができる。曝露およびパージ中に名目上一定の圧力を達成するために、絞り弁７２０の下流コンダクタンスの設定と実質的に同時に、低および高流量に対して切替弁７４４、７４６を設定することができる。

上流コンダクタンスと下流コンダクタンス（トラッキング・コンダクタンス）の比のマッチングは、高滞留時間に対応する曝露時の低流量、および低滞留時間に対応する前駆体除去またはパージ時の高流量を達成するように設計される。コンダクタンスの比を一定（またはほぼ一定）に維持することによって、反応器における実質的に一定の圧力を達成する。異なる流量を保ちながらも一定圧力を達成するための代替的な方法は、独立した直結導管ラインを使用することである。第１のガス・ラインは、レベル「Ｆｐ」のパージ流を反応空間に直接注入することができ、反応空間の下流に直結された第２の独立（個別９ラインは、ポンプに対して適切な流量レベル「Ｆｅ」を供給することができる。上流および下流の流量値は、パージおよび曝露の段階中に反応器で達成すべき名目上一定の圧力（例えば平均の＋／−５０％の範囲内の圧力）を確保するように選択される。小さい流量制限コンダクタンスが下流注入位置と反応空間の間に存在する場合は、流量は実質的に同一である。前駆体反応物質を除去するためのその誘引を向上させるように上流パージを選択することができる。例えば、（比較的高質量を有する）Ａｒを使用して、パージ時の誘引を最大限にすることができる。より重い中性ガス（Ｋｒ、Ｘ等）は、誘引ガスとしてより効果的であるが、商用反応器に使用するにはあまりにも高価のようである。下流パージは、パージ中に活性状態にならないためにコストを削減するように選択することができ、Ｎ₂は望ましいガスである（ＨｅはＮ₂より高価である）。

他の代替形態は、曝露時間中に反応チャンバ７１０に対する効果的なポンピング速度を低減するポンプ７３０に流れを供給するための独立的なガス制御ラインを通し、その中の前駆体の滞留時間を長くすることである。そのような装置において、ＤＣＣライン７３６は、反応器７１０ではなく、絞り弁７２０とポンプ７３０の間のゾーンまで通されることになる。

一実施形態において、ＡＬＤ装置７００は、分流マニホールドに流入する、３５Ｔｏｒｒの上流調節導入圧力を有する多レベル流量源に対応することができる。分流マニホールドは、Ｃｖが０.００５から０.０３の測量ニードル弁（例えば、型式ＳＳＶＲ４）によって求められた１０ｓｃｃｍに設定された低流量枝と、Ｃｖが０.０５から０.３の測量弁（例えば、型式ＳＳ−４ＢＭＲＣ−ＶＣＲ）によって求められた１０００ｓｃｃｍに設定された高流量枝とを有する。低流量枝は、ニードル弁の上流に位置する高速切換空圧弁（例えば、型式Ｖｅｒｉｆｌｏ９５５ＡＯＬＰ、Ｃｖ＝０.５５）を有する。ＡおよびＢ化学物質供給流ラインから独立した反応器の（２００ミリＴｏｒｒでよい）反応帯にパージ流を入力できる。具体的には、パージ流は、７０より大きい流量係数（Ｃｖ）を有し、著しい圧力降下をもたらさないガス分配モジュールを通り、そこからウェハ外周の上の（Ｃｖが１５０より大きい）外周オリフィス環帯を通って、反応容器の下部に達することができる。ガス流路は、反応容器から、高速切換圧力制御絞り弁（例えば、型式ＶＡＴ６１（４インチ・スロート））によって設定された絞りを通って、６インチ径の予備ラインから、２００ミリＴｏｒｒの反応器圧力で２０００ｓｃｃｍを十分に上回るガス流量を維持することができる荒引きポンプ（例えば、型式ＢＯＣ Ｅｄｗａｒｄｓ ｉＨ１８００）に到達することができる。絞り弁に対する制御可能コンダクタンス範囲は、１から１４００ ｌ／ｓである。そのようなシステムでは、２００ミリＴｏｒｒの反応器圧力における１００ｓｃｃｍの流量には６.３ ｌ／ｓのコンダクタンスが必要とされ、１０００ｓｃｃｍの流量には６３ ｌ／ｓのコンダクタンスが必要とされるが、どちらも十分に絞り弁の範囲内にある。

独立パージ・ラインは、曝露時間を最適に最小にするための柔軟性を提供する。ＤＣＣ切換が、ある時間、すなわち曝露時間の作動前ｄｔだけ前に開始させれば、反応空間への出口オリフィスの点における有効ポンピング能力を、反応空間への前駆体の到達と一致するように時系列化することが可能である。このように、反応チャンバに到達する低下ポンピング速度の遅れを、上流切換マニホールドを通じて前駆体の到達と一致させることができる。ｄｔは、注入弁と反応チャンバの間の前駆体ガスの滞留時間によって与えられ、接続ライン、オリフィス、分配モジュール（例えばシャワーヘッド部品）のコンダクタンスを含む。我々は、この方法を、サイクル時間における曝露段階と除去段階の縁を最適化するための非同期タイミング（ＡＴ）と呼ぶ。ＡＴを、本明細書に記載されている本発明の方法または装置のいずれかに適用することが可能である。

さらに他の実施形態では、図８に示されるＡＬＤ装置８００について説明されているように、環状絞り弁（ＡＴＶ）８５４を使用して、トラッキング・コンダクタンス・アプローチを具体化することができる。ＡＴＶ８５４は、反応器でのガス流速を調整できるように、反応器８１０における環状ガス流路のコンダクタンスを調整するのに使用される。体積Ｖで流速Ｆの空間における分子の滞留時間（ｒ.ｔ.）は、ｒ.ｔ.＝ｐＶ／Ｆで与えられることを思い出してみよう。ＡＴＶ８５４が開のときは、高コンダクタンス（すなわち高流速）をもたらす。したがって、反応分子の滞留時間は短い。ＡＴＶ８５４が閉のときは、低コンダクタンス（すなわち低流量）をもたらす。したがって、反応分子の滞留時間は長い。したがって、ＡＴＶを（例えば全開位置と全閉位置の間、またはその間のあらゆる位置で）調整することによって、曝露時間と除去時間における異なる要件に応じて滞留時間または前駆体を調整することが可能である。

このアプローチは、制限コンダクタンスを可能な限り反応空間に近づけて、（例えば１００ミリ秒未満または１００ミリ秒のオーダの）高速切換を定める。これは、前駆体の逆流を最小限にしながら厳密な滞留時間制御を行うという利点を提供する。すなわち、ＡＴＶの低コンダクタンス状態を通してはほとんどまたは全く前駆体が流れることはなく、滞留時間への影響は、最小の遅れをもって知覚される。

本発明のＡＴＶ８５４は、環状断面を有する導管のコンダクタンスを調整する絞り弁である。ＡＴＶのコンダクタンスを電気的に、磁気的に、機械的に、空圧的に、または他の方法によって調整（例えば、開放、閉鎖、または全く個別のモードが与えられた場合はそれらの間の位置に移動させる）することができる。ＡＴＶを任意の便利な開放／閉鎖構成に適用することができ、そのような構成のいくつかの例を図９に示す。これらのＡＴＶの各々は、環状断面を有する開口部９５８を通じて変化するコンダクタンスを提供するように設計されている。

第１の例において、くさび形の羽根ＡＴＶ９６０は、連続的コンダクタンス調整手段を提供する。このＡＴＶは、それぞれが（実例では紙面に存在する）軸９６４のまわりを回転することができる複数のくさび形羽根９６２を有する。羽根の平面が、ウェハ・ホルダ（サセプタ）の平面に平行であるときは、羽根は、全閉位置になる。（独立制御することができる）羽根のすべてがこの位置にあるときは、ＡＴＶ９６０は全閉位置になり、導管のコンダクタンスが最小になる。羽根の平面がウェハ・ホルダの平面と垂直になるときは全開位置になる。羽根のすべてがこの位置にあるときは、ＡＴＶ９６０は全開で、導管のコンダクタンスが最大になる。全開または全閉羽根の数を変化させることによって、導管のコンダクタンスをその最小値（すべての羽根が全閉）からその最大値（すべての羽根が全開）に調整することが可能である。もちろん、導管のコンダクタンスを調節するという観点から、「微調整」機能を提供するように、全開または全閉以外の位置をとることができる羽根を具現化することも可能である。概して、高速応答時間を可能にするために、羽根の重量および慣性モーメントを最小限にする必要がある。

第２の例において、カメラ・シャッタ（またはアイリス絞り）型ＡＴＶ９６６も連続的コンダクタンス調整手段を提供する。このＡＴＶは、サセプタの平面にほぼ平行な面内で移動する複数のブレード９６８を有する。それは、カメラ・シャッタは、一定の直径から直径ゼロの位置まで閉じるのに対して、このＡＴＶは、リングの外形の位置からリングの内径の位置まで閉じるという点を除いては、カメラ・シャッタに類似している。リングの内径は、通常はサセプタの直径に極めて近い。カメラ・シャッタ型ＡＴＶ９６６のブレードが全開位置から全閉位置に移動するときに、導管のコンダクタンスを連続的に調整することができる。

実例における第３の例は、二状態（開＆閉）動作を可能にするバッフルＡＴＶ９７０を示す。このＡＴＶは、一方が他方の上に配置され、その各々の内部一群の穴９７２が導管として作用する２つの同一の環状部品またはブレードよりなる。２つの部品の穴が一致すると、ガスは、穴を流れることができ、ＡＴＶは開いていると言われる。それら２つの部品が、どの穴も重ならないように互いに対する角度変位を有する場合は、ガスは流れることができず、ＡＴＶは閉じていると言われる。ブレードの互いに対する環状変位を変化させることによって、導管のコンダクタンスをオン・オフすることができる。２つの群の穴が部分的に重なり合うように２つのブレードの変位を慎重に制御することができる場合は、全開と全閉状態の間でコンダクタンスを連続的に調整することができる。代替的または追加的に、穴の位置を変化させるか、または（恐らくそれぞれ穴のレイアウトおよび／またはサイズが異なる）ブレードの数を増やすことによって、その各々が、ガスを通過させるための異なる数の開口（および恐らくはサイズ）を提供する（そのため異なるコンダクタンスを提供する）３、４またはそれ以上の動作モードを有するようにこの形のＡＴＶを適応させることが可能である。

従来の絞り弁に比べて、環状絞り弁はウェハにより近く、（弁の上方の体積の減少により）チャンバ圧力応答時間をより短くする。それは、反応物使用効率をも高める。Ｓｎｅｈが記載する「ドロー制御チャンバ」法に比べると、環状絞り弁の重要な利点は、前駆体分布に干渉する反応帯への逆拡散を防止できることである。

ＡＴＶを上述した従来の絞り弁と極めて類似した様式で動作させることができる。概して、ＡＴＶは、時系列多段流量を提供する上流モジュールとの連結をより効率的にする。表３は、ＡＴＶについてのいくつかの動作モードを示す。

このように、ＡＬＤプロセスにおけるサイクル時間改善のための方法と装置を説明した。前述の説明において、本発明をその様々な例示的な実施形態について説明したが、これらの説明は便宜的に示されたにすぎず、本発明のより広い範囲を制限するものとして解釈されるべきでないことに留意されたい。例えば、上述の方法と装置を熱ＡＬＤについて説明したが、それらはプラズマ利用ＡＬＤに対しても等しく利用可能である。そのような場合は、前駆体の１つをプラズマを用いずに曝露し、その後に高流量レベルのパージ処理を行い、次いで第２の前駆体のプラズマ利用曝露を行った後に、パージを行わないか、またはより高流量レベルのパージを行うことができる。プラズマ利用プロセスに対するサイクル時間改善の利点は、プラズマ利用半反応に続くパージ段階がなくてもプラズマ利用ＡＬＤサイクルを実行できるため、熱ＡＬＤの利点に比べて定量的に小さいといえる。しかし、より高い流動圧力でのプラズマ利用工程は、いくつかの用途では有益である。加えて、プラズマ・パージングが基板／ウェハに対して堆積膜の悪影響を与えない場合は、中性プラズマ・モードでパージを動作させるように選択することができる。プラズマ中の活性パージングに使用される好適に設計された電極構成により、反応が制限され、膜質の向上に向けて表面前駆体吸着時の表面反応が良好に制御される。最後に、準飽和ＡＬＤの如き、本明細書に記載されている方法と装置と同時に本発明人のいずれかによって開発された古典的なＡＬＤの特定の変形（例えば、中間的強化ＡＬＤおよび不完全反応ＡＬＤ）を、本方法と装置を用いることによってさらに向上させることが可能である。これらのプロセスにおいて、自己制限ＡＬＤ反応は、単に飽和の開始点に到達するように設計されるか、または完了に至らないようにする。したがって、本発明の全範囲は、請求項の観点からのみ測られるべきである。

分流ガス・マニホールドを有する従来のＡＬＤ処理装置を示す図である。 一定の圧力と流量のＡＬＤ反応器に対する従来の（理想化された）ベースライン条件を示す図である。 化学前駆体の導入によるＡＬＤ反応器流量の変動を示すグラフである。 ＡＬＤ反応器圧力に対する化学前駆体導入の影響を示すグラフである。 本発明の実施形態による二段パージ源および二重ポンプ機能機構を備えて構成されたＡＬＤ処理装置を示す図である。 本発明のさらなる実施形態による直結パージ流導管の使用を示す図である。 本発明のさらに他の実施形態による、トラッキング・コンダクタンスの使用を通じた多段パージ流を提供するように構成されたＡＬＤ装置を示す図である。 本発明の他の実施形態による、直結パージ・ガス導管を使用したトラッキング・コンダクタンス動作に向けて構成されたＡＬＤ装置を示す図である。 本発明のさらに他の実施形態による環状絞り弁を備えて構成されたＡＬＤ装置を示す図である。 本発明の実施形態により使用される環状絞り弁の様々な例を示す図である。

Claims (55)

1. 第１のパージ流と第１のポンピング能力とを用いて、原子層堆積（ＡＬＤ）プロセスの曝露段階を実行し、前記第１のパージ流より大量の第２のパージ流と、前記第１のポンピング能力より高い第２のポンピング能力とを用いて、前記ＡＬＤプロセスのパージ段階を実行することを含む方法。
2. 前記ＡＬＤプロセスが実行される反応器チャンバの圧力を、前記曝露段階と前記パージ段階中に名目上一定に維持することをさらに含む請求項１に記載の方法。
3. 前記反応器チャンバは、絞り弁が、前記曝露段階中より前記パージ段階中の方が広く開くように、前記反応器チャンバの下流の絞り弁の動作によって、前記反応器チャンバの圧力を名目上一定に維持する請求項２に記載の方法。
4. 前記第１のパージ流と前記第２のパージ流は異なるガスを含む請求項１に記載の方法。
5. 前記第１のパージ流と前記第２のパージ流は異なる流路を通じて供給される請求項１に記載の方法。
6. 前記第２のパージ流と前記第２のポンピング能力は前記曝露段階中の材料堆積の終了前に活性化される請求項１に記載の方法。
7. 前記第２のパージ流と前記第２のポンピング能力が、ＡＬＤプロセスが実行される反応器チャンバ内の既存の乱流を断つように活性化される請求項１に記載の方法。
8. それぞれ前記第１のパージ流と第１のポンピング能力と異なる第３のパージ流と第３のポンピング能力を用いて、前記ＡＬＤプロセスの第２の曝露段階を実行することをさらに含む請求項１に記載の方法。
9. 前記第３のパージ流は、パージ流が存在しないものを含む請求項８に記載の方法。
10. 前記曝露段階は、プラズマ利用プロセスを含む請求項１に記載の方法。
11. 前記第１のパージ流は、前記第１のポンピング能力が前記第２のポンピング能力に切り換えられるのと実質的に同時点で前記第２のパージ流に切り換えられる請求項１に記載の方法。
12. 前記第１のパージ流は、前記曝露半サイクル中の材料堆積の完了の前に前記第２のパージ流に切り換えられる請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１のパージ流は、前記第１のポンピング能力が前記第２のポンピング能力に切り換えられるのと異なる時点で、前記第２のパージ流に切り換えられる請求項１に記載の方法。
14. 前記第１のパージ流は、前記第１のポンピング能力が前記第２のポンピング能力に切り換えられる前に、前記第２のパージ流に切り換えられる請求項１３に記載の方法。
15. 前記第１のパージ流は、前記第１のポンピング能力が前記第２のポンピング能力に切り換えられた後で、前記第２のパージ流に切り換えられる請求項１３に記載の方法。
16. 前記第１のパージ流は、前記反応器チャンバの下流に位置する第２の流量制限コンダクタンスが前記反応器からの第２のガス流路から切り換えられるのと実質的に同時点で、前記ＡＬＤプロセスが実行される反応器チャンバの上流に位置する第１の流量制限コンダクタンスを前記反応器チャンバに至る第１のガス流路から切り換えることによって、前記第２のパージ流に切り換えられる請求項１に記載の方法。
17. 原子層堆積（ＡＬＤ）サイクルの第１の段階を、ＡＬＤプロセスが行われる反応器チャンバ内の環状ガス流路の第１のコンダクタンスによって部分的に定められる第１のパージ流を用いて実行し、前記ＡＬＤサイクルの第２の段階を、前記第１のパージ流より大量で、前記反応器チャンバ内の前記環状ガス流路の第２のコンダクタンスによって部分的に定められる第２のパージ流を用いて実行することを特徴とする方法。
18. 前記第１の段階と前記第２の段階中に、前記反応器チャンバの圧力を名目上一定に維持することをさらに含む請求項１７に記載の方法。
19. 前記第１のパージ流と前記第２のパージ流は、異なるガスを含む請求項１７に記載の方法。
20. 前記第１のパージ流と前記第２のパージ流は、異なる流路を通じて供給される請求項１７に記載の方法。
21. 前記第２のパージ流が、前記第１の段階中の材料堆積の終了前に生じる請求項１７に記載の方法。
22. 部分的に前記環状ガス流路の第３のコンダクタンスによって定められ、前記第１と第２のパージ流と異なる第３のパージ流を用いて、前記ＡＬＤサイクルの第３の段階を実行することをさらに含む請求項１７に記載の方法。
23. 前記第３のパージ流はパージ流が存在しないものを含む請求項２２に記載の方法。
24. 前記第１の段階はプラズマ利用プロセスを含む請求項１７に記載の方法。
25. 前記第１のパージ流は、部分的に、前記反応器チャンバ内の前記環状ガス流路の前記第２のコンダクタンスが、前記反応器チャンバからの第２のガス流路に切り換えられるのと実質的に同時点で、前記反応器チャンバの上流に位置する第１の流量制限コンダクタンスを前記反応器チャンバに至る第１のガス流路から切り換えることによって、前記第２のパージ流に切り換えられる請求項１に記載の方法。
26. ＡＬＤプロセスが実行される反応器チャンバの上流の第１のガス流路内に位置する第１の流量制限コンダクタンスと、前記反応器チャンバの下流の第２のガス流路内に位置する第２の流量制限コンダクタンスとを通る第１の圧力の第１のパージ流を用いて、原子層堆積（ＡＬＤ）プロセスの曝露段階を実行し、前記第１のガス流路内に位置する第３のコンダクタンスと、前記第２のガス流路内に位置する第４のコンダクタンスとを通る、前記第１の圧力より高い第２の圧力の第２のパージ流を用いて、前記ＡＬＤプロセスのパージ段階を実行することを含み、前記第２のコンダクタンスに対する前記第１のコンダクタンスの割合は、前記第４のコンダクタンスに対する前記第３のコンダクタンスの割合に等しく、前記反応器チャンバは、前記ＡＬＤプロセスを通じて名目上一定に維持されることを特徴とする方法。
27. 前記第２のパージ流に使用される第２のパージ・ガスは、前記第１のパージ流に使用される第１のパージ・ガスと異なる請求項２６に記載の方法。
28. 前記曝露段階はプラズマ利用プロセスである請求項２６に記載の方法。
29. 前記第１のパージ流は、前記第１のガス流路内の前記第１のコンダクタンスが前記第３のコンダクタンスに切り換えられるのと実質的に同時点で、前記第２のパージ流に切り換えられる請求項２６に記載の方法。
30. 前記第１のパージ流は、前記曝露段階中の材料堆積の完了前に、前記第２のパージ流に切り換えられる請求項２６に記載の方法。
31. 前記第１のパージ流は、前記第２のガス流路における前記第２のコンダクタンスが、前記第４のコンダクタンスに切り換えられるのと異なる時点で、前記第２のパージ流に切り換えられる請求項２６に記載の方法。
32. 反応器の上流に連結された第１のパージ流路と、
    前記反応器の上流に連結された第２のパージ流路と、
    前記反応器の下流に連結され、前記第１のパージ流路が活性状態の場合における第１のポンピング能力と、前記第２のパージ流路が活性状態の場合における、前記第１のポンピング能力より高い第２のポンピング能力との間で切り換えられるように構成されたポンピング機構とを備えた原子層堆積（ＡＬＤ）システム。
33. 前記第１と第２のパージ流路は、１つまたは複数の前駆体注入路を有する共通のガス流マニホールドを共用する請求項３２に記載のＡＬＤシステム。
34. 前記第１と第２のパージ流路の少なくとも一方は、他方から独立して前記反応器に直結される請求項３２に記載のＡＬＤシステム。
35. 前記第１と第２のポンピング能力は、単一の物理的ポンプの２つの動作モードを含む請求項３２に記載のＡＬＤシステム。
36. 前記反応器チャンバの下流の絞り弁をさらに備える請求項３２に記載のＡＬＤシステム。
37. 前記第２のポンピング能力が、少なくとも一部に、前記反応器チャンバの下流であって、前記絞り弁の上流に連結された物理的ポンプによって与えられる請求項３６に記載のＡＬＤシステム。
38. 前記第１と第２のポンピング能力が、前記絞り弁の下流に連結された１つまたは複数のポンプによって与えられる請求項３６に記載のＡＬＤシステム。
39. 前記第１と第２のパージ流路は、それぞれ第１と第２のパージ・ガス圧力で動作するように構成されており、前記第１の圧力が前記第２の圧力より低い請求項３２に記載のＡＬＤシステム。
40. 前記第１と第２のパージ流路が、１つまたは複数の前駆体注入路を有する共通のガス流マニホールドを共用する請求項３９に記載のＡＬＤシステム。
41. 前記第１と第２のパージ流路の少なくとも一方は、他方から独立して前記反応器に直結される請求項３９に記載のＡＬＤシステム。
42. 低流量モードと高流量モードを含む２つ以上の動作モードを有する選択可能な上流流量制限コンダクタンスを通じて反応器の上流に連結されたパージ流路と、
    低流量モードと高流量モードを含む２つ以上の動作モードを有する選択可能な下流流量制限コンダクタンスを通じて前記反応器の下流に連結されたポンピング機構とを備え、
    前記上流流量制限コンダクタンスと下流流量制限コンダクタンスは、動作モードを互いに時系列で切り換えるように構成されている原子層堆積（ＡＬＤ）システム。
43. 前記上流流量制限コンダクタンスは、前記下流流量制限コンダクタンスが動作モードを切り換える前に、動作モードを切り換えるように構成される請求項４２に記載のＡＬＤ装置。
44. 前記下流流量制限コンダクタンスが絞り弁を含む請求項４２に記載のＡＬＤ装置。
45. 前記絞り弁は、前記反応器チャンバ内に位置する環状絞り弁を備える請求項４４に記載のＡＬＤ装置。
46. 前記パージ流路は、前記反応器チャンバへの１つまたは複数の共通の入力を共用するパージ・ガスと化学前駆体に対する多重ガス流路を備える請求項４２に記載のＡＬＤ装置。
47. 前記パージ・ガス流路の少なくとも１つは、前記化学前駆体に対する前記ガス流路から独立している請求項４６に記載のＡＬＤ装置。
48. 反応器チャンバからその反応器チャンバの下流に連結されたポンピング・システムに至るガス流路内に環状絞り弁が配置されている反応器チャンバに連結されたガス配送システムを備えた原子層堆積（ＡＬＤ）システム。
49. 前記環状絞り弁は、それぞれ前記反応器チャンバからの異なる流路コンダクタンスを提供するように構成された２つ以上の動作モードを有する請求項４８に記載のＡＬＤシステム。
50. 前記ガス配送システムは、２つ以上の流量レベルのパージ流を供給するように構成されている請求項４９に記載のＡＬＤシステム。
51. 前記環状絞り弁は、名目上一定の反応器チャンバ圧力を維持するように、パージ流量レベルに従って前記環状絞り弁の動作モードを切り換えるように構成された制御システムに連結されている請求項５０に記載のＡＬＤシステム。
52. 前記環状絞り弁は、そのまわりを個々の羽根が第１の位置から第２の位置に回転する軸をそれぞれ有する複数の羽根を含む請求項４８に記載のＡＬＤシステム。
53. 前記環状絞り弁は、絞り構成で配列された複数のブレードを含む請求項４８に記載のＡＬＤシステム。
54. 前記環状絞り弁は、それぞれいくつかの穴を有する複数のブレードを有し、前記ブレードの少なくとも１つは、そのブレードを貫通する穴が、他のブレードの少なくとも１つのブレードの穴と整列して、前記環状絞り弁を通る通路を提供するように、軸のまわりを回転可能である請求項４８に記載のＡＬＤシステム。
55. ＡＬＤサイクルのパージ段階中にＡｒガス流量レベルを反応空間に注入するように構成された第１の中性ガス・ラインと、Ｎ₂ガス流量レベルを前記反応空間の下流に注入するように構成された異なる第２の中性ガス・ラインとを備え、前記ガス流量レベルは、前記反応空間において実質的に一定圧力を確保するように選択されるＡＬＤ装置。

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