JP2006526900A - 調節可能ガス供給システム - Google Patents

Abstract

本発明は、複数の排出口と、この排出口の少なくとも１つの中に配置された少なくとも１つの交換可能な挿入体とを含むガス供給装置を提供する。挿入体は、排出口の少なくとも１つの寸法及び／又は排出口の少なくとも１つから排出されるガスの方向を変えるように適合された通路を備える。挿入体は、実質的に直線状で且つ円筒形とすることができる通路を備える。該通路は、より小さい口径の第１の部分とより大きい口径の第２の部分とを有し、ガス供給装置内の排出口通路の寸法を選択的に変えることができる。或いは挿入体は、主通路と、該主通路から分岐し且つ傾斜された複数の二次通路とを備える。主通路と二次通路との間の角度は、約１０度〜約９０度の範囲内にある。１つの実施形態では、主通路と二次通路との間の角度は約９０度である。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２００３年５月３０日に出願された米国特許仮出願第６０／４７５，０７９号に基づく恩恵及び優先権を主張し、本開示内容は引用により本明細書に組み込まれる。
本発明は、一般に半導体デバイス及び加工の分野に関する。より具体的には、本発明は、半導体製造に有用な調節可能ガス供給装置に関する。

ウェーハ加工反応器システム及び方法は、半導体及び集積回路の製造に広く用いられている。１つの特定のタイプのウェーハ加工システムは、化学蒸着（ＣＶＤ）を用いて、半導体及び集積回路の製造の一段階として、基材の表面上に膜又は層を堆積させる。従来技術で説明されるように、半導体デバイスの製造における化学蒸着（又はある幾何形状的実体形において反応生成物が堆積又は形成されるよう望まれる他の化学反応器）においては、多くの場合、望ましい最終結果を達成するために必要な変化を与える単純な基本設計から、ガス分散装置を変更する必要がある。このようなシステムの実施例は、例えば、とりわけ米国特許第６，４１５，７３６号、６，４１０，０８９号、６，２８４，６７３号、６，０５０，５０６号、６，１８４，９８６号及び６，１２６，７５３号に示されている。

原子層堆積（ＡＬＤ）は、極めて薄い膜を堆積させるためのＣＶＤプロセスの代替方法である。ＡＬＤは、低温化に向かう業界の潮流に適合性があり、前駆体使用効率が高く、かつ共形の薄膜層を生成することができる比較的低温で行うことができる。更に有利なことには、ＡＬＤは、原子スケールで膜厚を制御することができ、「ナノ工学」複合体薄膜に用いることができる。ＡＬＤプロセスサイクルでは、各反応ガスをガス相の混合が起こらないように、例えばシャワーヘッドを通して別個に反応室内に導入される。単層の第１反応物は、基材表面上に物理吸着又は化学吸着される。過剰な第１反応物は、不活性パージガスを用いて反応室内から排出するのが好ましい。次いで第２の反応物を反応室内に導入して第１反応物と反応させ、自己限定性の表面反応によって所望の薄膜の単層を形成する。最初に吸着された第１反応物が完全に第２反応物と反応すると自己限定性の反応が止まる。過剰な第２反応物は、不活性パージガスを用いて排出されるのが好ましい。所望の膜厚は、必要に応じて堆積サイクルを繰り返すことによって得られる。膜厚は、堆積サイクルの数を単にカウントすることによって原子層精度にまで制御することができる。

多くのＣＶＤ又はＡＬＤ用途において、ガス供給装置内の排出孔の単純な基本幾何形状では、必要な堆積厚さの仕様が達成されない。排出孔又は「ピッチ」の一定のアレイは、必ずしもウェーハ上に均一な堆積をもたらさないことが実証された。従って、所望の端部効果をもたらすために、排出孔のパターン又は寸法を変更するのが望ましい。１つの従来技術の手法は、所望の堆積パターンを達成するために排出口の位置及び／又は寸法を変えることである。しかしながらこの手法では、排出口の構成によって影響を受ける可能性がある１つより多い特定のプロセス又は製法のため同じ装置を用いる際などのように、更に変更が必要な場合に調整することができないので、ある程度の成果しか得られなかった。従って、ＣＶＤ及びＡＬＤで有用なガス供給装置の更なる開発が必要とされる。

米国特許仮出願第６０／４７５，０７９号公報 米国特許第６，４１５，７３６号公報 米国特許第６，４１０，０８９号公報 米国特許第６，２８４，６７３号公報 米国特許第６，０５０，５０６号公報 米国特許第６，１８４，９８６号公報 米国特許第６，１２６，７５３号公報

半導体製造に有用な調節可能ガス供給装置が提供される。本発明の調節可能ガス供給装置は、ガス供給装置から排出されるガスの量及び／又は方向を変えることが可能であり、従って所望の最終応答を達成するために装置の構成を選択的に調整することができる。
１つの態様では、本発明は、複数の排出口と、該排出口の少なくとも１つの中に配置された少なくとも１つの交換可能な挿入体とを含む、ガス供給装置を提供する。挿入体は、排出口の寸法及び／又は該排出口の少なくとも１つから排出されるガスの方向を変えるように適合された通路を備える。挿入体は、ネジ止めによって排出口内に配置することができる。或いは挿入体は、圧入によって排出口内に配置することができる。

１つの実施形態では、挿入体は、実質的に直線状で且つ円筒形の通路を備えている。通路は、より小さい口径の第１の部分とより大きい口径の第２の部分とを有して、ガス供給装置内の排出口通路の寸法を選択的に変えることができる。

別の実施形態では、挿入体は、主通路と、該主通路から分岐し且つ傾斜された複数の二次通路とを備える。主通路と二次通路との間の角度は、約１０度〜約９０度の範囲内にある。１つの実施形態では、主通路と二次通路との間の角度は約９０度である。

別の態様では、本発明は、プロセス領域に面する表面を有する単体構造本体と、該単体構造本体の内部に形成され、ガスをプロセス領域内に供給するために表面を通って延びる複数の排出口通路とを備えたガス供給装置を提供する。少なくとも１つの交換可能な挿入体が、排出口通路の少なくとも１つに配置され、該排出口通路の少なくとも１つの寸法及び／又は排出口通路の少なくとも１つからプロセス領域内に排出されるガスの方向を変えることが可能となる。

本発明の他の目的及び利点は、以下に提示された本発明の詳細な説明を読み、添付図面を参照すると明らかになる。

半導体製造に有用な調節可能ガス供給装置が提供される。一般に、本発明の調節可能ガス供給装置は、複数のガス排出口と該排出口の１つ又はそれ以上に取付けられた１つ又はそれ以上の挿入体とを備え、これらにより、排出口の寸法及び／又はガス供給装置から出るガスの方向を変更し、従って特定のプロセス要件に対してガス流速及びパターンを選択的に調整することが可能となる。
同じ構成部品が同じ参照符号で示される各図面を参照して、本発明の調節可能ガス供給装置をより詳細に説明する。

図１は、本発明の１つ又はそれ以上の挿入体を用いることができるシャワーヘッド１０を示す。図１に示したシャワーヘッド１０は、例証の目的に過ぎず、本発明の技術的範囲をどのようにも制限するものではない点に留意されたい。以下で説明される挿入体は、装置から排出されるガスの流速及び／又は方向の調整が要求される場合のどのような他のガス配給装置において用いることができる。一般的にシャワーヘッドでは、複数のチャネル、通路、又は孔が生成され、部材内に内部ガス供給網が形成される。部材は、内部ガス供給網が形成される単一の単体ブロックとすることができる。部材はまた、その各々の内部に複数のチャネル、通路又は孔が形成される幾つかの個々のブロックから構成することができる。次に、これらの個々のブロックは、例えば複数のボルトによって一体として連結されかつ組立てられる。チャネル、通路又は孔は、穿孔、リーミング及び放電加工などのあらゆる適切な機械工法により形成することができる。

具体的には図１は、シャワーヘッド１０の外観図を示す。図２は、シャワーヘッド１０内部に形成された内部ガス供給網１２を示す。複数の水平チャネル１４は、単体構造円筒形部材１６内に形成される。単体構造部材１６は、アルミニウム、鋼鉄、又はニッケルベースの合金ブロック、もしくは他の何らかの適切な材料から構成することができる。これらの水平チャネル１４は、合流点１８に集まり、円筒形部材１６の外周表面２０に放射状外方に延びる。外周表面２０は閉鎖される。水平チャネル１４は、外周表面２０から穿孔によって形成することができる。外周表面上の不必要な開口は、例えば、チャネル１４が形成された後シールプラグによって閉鎖される。垂直な吸入口通路２２が形成され合流点１８と連結される。吸入口通路１８は、単体構造部材１６の上表面２４の上方へ貫通して延びて、ガス源（図示せず）に連結される。ガスは、吸入口通路２２を通って導入され、合流点１８を介して水平チャネル１４内に供給される。

複数の排出口通路又は排出孔２６は、水平チャネル１４の経路に沿って形成される。これら排出孔２６は、単体構造部材１６の底面２８の下方へ貫通して延びる。明確且つ簡単にするために、一部の排出孔のみが図１及び図２に示されている。多数の水平チャネルと該水平チャネルに沿った排出口通路又は排出孔とを形成することができる点に留意されたい。排出孔の様々なパターン及び構成は、工程仕様書に従って設計することができる。排出孔の口径は、シャワーヘッドの底面全体を通して均一とすることができる。或いは、排出孔の口径は異なるものであってもよい。例えば、排出孔の口径は、背圧を均一にするためにシャワーヘッド底面の内方領域をより大きくし、外方領域をより小さくすることができる。シャワーヘッドの排出貫通孔のいずれか又は全ては、排出口寸法又は口径及び／又はシャワーヘッドから排出されるガスの方向の変更を可能にするために、以下に説明する挿入体を含むことができる。

挿入体は、図１及図２に示すように、例えばシャワーヘッド上に取付けて、シャワーヘッド内部の内部ガス供給網から処理チャンバ又は領域に至る、既知の口径通路を形成するように設計される。挿入体は、小さな精密機械加工部品とすることができる。該挿入体は、シャワーヘッド本体と同じ材料で作ることができる。或いは、挿入体は、高温で用いる時に挿入体とシャワーヘッド本体との間のシールを改善するために、異なる熱膨張係数などの望ましい物理的特性の差異を生かして異なる材料で作られる。挿入体は、穿孔、リーミング及び放電加工、及び同様のものなどの、あらゆる適切な機械工法による通路を備えている。

図３〜図６は、本発明の１つの実施形態によるスクリュー型挿入体３０を示している。挿入体３０は、該挿入体３０を排出口通路２６と係合するためのネジ山３２を備え、この実施形態では、排出口通路もまた該挿入体３０を受けるためのネジ山を備えている。取付けは、上流側すなわち排出口通路２６からのガスが挿入体３０内の精密通路を通る以外に経路が確実に見つからないように該挿入体が十分に着座するまで、挿入体３０をシャワーヘッド排出口２６内にネジ止めすることによって完了する。円筒形通路３４は、挿入体３０内に形成され、該挿入体３０の底面３６を貫通して延びる。取付けられると、挿入体通路３４は、排出口通路２６と同軸で且つ流体連通する。内部供給網１２からのガスは、挿入体３０を介してシャワーヘッド１０から該シャワーヘッド１０の底面２８に対して垂直方向に排出される。挿入体通路３４の口径は、特定のプロセス要件に対してガス流速を合わせるように変えることができる。例えば、挿入体通路は、ガス供給チャネル１４に対して近位にある小口径の第１の部分３８と、供給チャネル１４に対し遠位にある大口径の第２の部分３９とを有することができる。第１の部分３８内の小さい方の口径は、均一な背圧を生成するための計測機能を可能にする。第２の部分３９内の大きい方の口径により、ガス流の「ジェット」効果の低減を可能にし、挿入体３０の取付け及び取り外しを容易にする。

図７〜図１０は、本発明の別の実施形態による圧入型挿入体４０を示す。圧入取付けは、ねじ結合の必要を軽減する。主通路４２は、挿入体４０内に形成され、複数の二次通路４４に分岐される。この実施形態では、４つの分岐通路４４が形成されている。分岐通路４４は、挿入体４０の側面４６を貫通して延びている。分岐通路４４の各々は、主通路４２から約１０度〜８９度の範囲内で傾斜している。挿入体４０を取付けた後には、挿入体主通路４２は排出口通路２６と同軸にある。挿入体４０は、該挿入体４０側面４６上の分岐通路４２の開口がシャワーヘッド１０の底面２８の平面外に位置決めされてガスを加工領域内へ導くようにシャワーヘッド１０底面２８から外に延びている。この実施形態では、ガスは、分岐通路４４からシャワーヘッド１０の底面２８又はプロセス領域内の基材に対して非垂直方向に、例えば底面２８に対して約１０度〜約８９度の角度で排出される。このフローパターンは、「スポット」、すなわち排出口の間隔に一致する堆積厚さが変わる従来技術の問題を最小限に抑える。流れ方向を変更することにより、プロセス領域に入るガス流の下向きのモーメントが低減し、結果として、ガスがプロセス領域内により均一に供給される。従って、ガス流れ方向又はフローパターンは、分岐通路４４と主通路４２との間の角度を選択的に選ぶことによって変えることができる。

図１１〜図１４は、本発明の１つの実施形態による別の圧入型挿入体５０を示す。図７〜図１０に示した挿入体４０と比較して、図１１〜図１４に示した挿入体５０は、１つの主通路５２と、９０度で主通路５２と交差する４つの分岐通路５４とを有する。挿入体５０が取付けられると、供給チャネル１４からのガスは、分岐通路５４の開口からシャワーヘッド１０の底面２８に対して平行な方向に排出される。

図１５〜図２０は、シャワーヘッド１０内に排出口２６との本発明の圧入型挿入体６０の係合を詳細に示す。係合領域６２では、挿入体６０の外径（Ｄ２）は、非係合領域６４の外径（Ｄ１）よりも僅かに大きい。試験又は試用段階において、予挿入体は、挿入体の取り付け及び取り外しを容易にするために、係合領域のセクションが非係合領域内のセクションよりも実質的に短い（Ｌ２＜Ｌ１）ような寸法にすることができる。ネジ山７０を予挿入体内に設けて、挿入体６０の取り付け及び取り外しを容易にすることができる。望ましい挿入体通路の寸法が決定すると、予挿入体を取り外して、図１９及び図２０に示すように、より大きな係合セクションを有する最終挿入体７２と取り替える。最終挿入体７２では、係合セクションは非係合セクションよりも実質的に長い（Ｌ２＞Ｌ１）。挿入体と排出口との間の大きな係合セクションは、内部間隙すなわちポケットの容積を最小限に抑え、挿入体とシャワーヘッドとの間のシールの強化を補償する。

図２１〜図２４は、本発明の１つの実施形態による、別のスクリュー型挿入体８０を示す。挿入体８０は、六角形セクション８２と円筒形セクション８４とを有する。円筒形セクション８４は、シャワーヘッド１０の排出口２６と挿入体８０を係合するためのネジ山８６を備え、シャワーヘッドもまた、挿入体８０を受けるためのネジ山を備えている。主通路８８は、円筒形セクション８４内に形成され、六角形セクション８２内に延びている。主通路８８は、六角形セクション８２内で放射状及び外方に延びる複数の水平通路９０に分岐している。水平通路９０は、六角形セクション８２の側面９２を貫通して延びて、ガスをプロセス領域に導く。六角形構造もまた、挿入体８０を取り付け及び取り外すための工具係合手段を提供する。挿入体８０が取付けられると、該挿入体の六角形セクション８２は、シャワーヘッド１０の底面２８の外に延びる。挿入体８０の主通路８８は、シャワーヘッド１０内の排出口通路２６と同軸にある。ガスは主通路８８を通って流れ、図２４の矢印で示すように流れ方向をシャワーヘッド１０の底面２８に対して垂直から水平に変える。

有利には、本発明の挿入体は、どのような選択された排出口内にも配置され、大きさ及び／又は装置から排出されるガスの方向を変えることができる。プロセスの結果は、対応する挿入体を変更するためのフィードバックとして用いて、望ましい最終応答を達成することができる。その結果として得られた構成は、現状のまま用いてもよく、或いは最小のプロセス変動要素が要求される製造環境で好ましいものとなる、固定すなわち調節不能なタイプのシャワーヘッドを複製する設計基準を形成するのに用いることができる。

上述のように、調節可能ガス供給装置が本発明によって提供された。本発明の特定の実施形態の上述の説明は、例証及び説明の目的で提示された。これらは、網羅的なものではなく、本発明を開示された精密な形態に制限するものでもなく、上述の教示に照らして明らかに多くの修正形態、実施形態、及び変形形態が可能である。本発明の技術的範囲は本明細書に添付された請求項及びこれらの均等物によって定義されるものとする。

本発明の１つ又はそれ以上の交換可能な挿入体を取付けることができる複数の排出貫通孔を示すシャワーヘッドの外観図である。 図１に示したシャワーヘッド内部の内部ガス供給網を示す図である。 本発明の１つの実施形態によるスクリュー型挿入体の正面図である。 本発明の１つの実施形態による、図３で示したスクリュー型挿入体の平面図である。 本発明の１つの実施形態による、図４で示したスクリュー型挿入体の線Ａ−Ａに沿った断面図である。 本発明の１つの実施形態による、図３〜図５で示した挿入体が取付けられたシャワーヘッドの部分断面図である。 本発明の１つの実施形態による、主通路から傾斜した複数の分枝通路を有する圧入型挿入体の正面図である。 本発明の１つの実施形態による、図７で示した圧入型挿入体の平面図である。 本発明の１つの実施形態による、図８で示した圧入型挿入体の線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。 本発明の１つの実施形態による、図７〜図９で示した圧入型挿入体が取付けられたシャワーヘッドの部分断面図である。 本発明の１つの実施形態による、主通路に対して直角の複数の分岐通路を有する圧入型挿入体の正面図である。 本発明の１つの実施形態による図１１で示した圧入型挿入体の平面図である。 本発明の１つの実施形態による図１２で示した圧入型挿入体の線Ｃ−Ｃに沿った断面図である。 本発明の１つの実施形態による図１１〜図１３で示した圧入型挿入体が取付けられたシャワーヘッドの部分断面図である。 本発明の１つの実施形態による圧入係合領域の詳細を示す圧入型挿入体の正面図である。 本発明の１つの実施形態による図１５で示した圧入型挿入体の平面図である。 本発明の１つの実施形態による図１６で示した圧入型挿入体の線Ｄ−Ｄに沿った断面図である。 本発明の１つの実施形態による図１５〜図１７で示した圧入型挿入体とシャワーヘッド内の排出口との間の係合の詳細を示すシャワーヘッドの部分断面図である。 本発明の１つの実施形態による圧入係合領域の詳細を示す圧入型挿入体の正面図である。 本発明の１つの実施形態による図１９で示した圧入型挿入体の平面図である。 本発明の１つの実施形態による複数の通路を示すスクリュー型挿入体の正面図である。 本発明の１つの実施形態による図２１で示したスクリュー型挿入体の平面図である。 本発明の１つの実施形態による図２２で示したスクリュー型挿入体の線Ｆ−Ｆに沿った断面図である。 本発明の１つの実施形態による図２１〜図２３で示したスクリュー型挿入体を取付けたシャワーヘッドの部分断面図である。

符号の説明

１０ シャワーヘッド
１６ 単体構造部材、円筒形構造部材
２０ 外周表面
２４ 上面
２６ 排出孔
２８ 底面

Claims (23)

1. プロセス領域に面する表面を有する本体と、
   前記本体内部に形成され、前記プロセス領域内にガスを供給するために前記表面を通って延びる複数の排出口通路と、
   前記排出口通路の少なくとも１つに配置され、前記排出口通路の少なくとも１つの寸法及び／又は前記排出口通路の少なくとも１つから前記プロセス領域内に排出されるガスの方向を変更するように適合された通路を備えた少なくとも１つの交換可能な挿入体と、
   を備えることを特徴とするガス供給装置。
2. 前記挿入体通路が、実質的に円筒形であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記挿入体通路が、より小さい口径を有する第１の部分と、より大きい口径を有する第２の部分とを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記挿入体通路が、該挿入体と共に配置された前記排出口の通路と同軸であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記挿入体通路が、該挿入体と共に配置された前記排出口の通路と同軸の第１の部分と、前記プロセス領域内にガスを導くために前記第１の部分から分岐し且つ傾斜された複数の第２の部分とを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記挿入体通路の第２の部分が、前記第１の部分から約１０度〜約９０度の範囲で傾斜されていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記挿入体通路の第２の部分が、前記第１の部分に対して直角であることを特徴とする請求項５に記載の装置。
8. 前記挿入体通路の第２の部分が、単体構造本体の表面に対して平行であることを特徴とする請求項５に記載の装置。
9. 前記排出口通路が、実質的に円筒形であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
10. 前記排出口通路が、より小さい口径を有する第１の部分と、より大きい口径を有する第２の部分とを含むことを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 前記挿入体が、圧入によって前記排出口通路内に配置されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
12. 前記排出口通路及び挿入体が、ネジ山を備え、該挿入体がネジ止めによって前記排出口通路内に配置されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
13. 前記挿入体が、取付工具を係合する手段を含むことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 前記複数の排出口と、該排出口の少なくとも１つに配置され、前記排出口の寸法及び／又は前記排出口の少なくとも１つから排出されるガスの方向を変えるように適合された通路を備えた少なくとも１つの交換可能な挿入体とを含むガス供給装置。
15. 前記挿入体通路が、実質的に円筒形であることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
16. 前記挿入体通路が、該挿入体と共に配置された前記排出口と同軸であることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
17. 前記挿入体通路が、より小さい口径を有する第１の部分と、より大きい口径を有する第２の部分とを含むことを特徴とする請求項１５に記載の装置。
18. 前記挿入体通路が、該挿入体と共に設置された排出口と同軸の第１の部分と、前記第１の部分から分岐し且つ傾斜された複数の第２の部分とを含むことを特徴とする請求項１４に記載の装置。
19. 前記挿入体通路の第２の部分が、前記第１の部分から約１０度〜約９０度の範囲で傾斜されていることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
20. 前記挿入体通路の第２の部分が、前記第１の部分に対して直角であることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
21. 前記挿入体が、圧入によって前記排出口内に配置されていることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
22. 前記排出口及び挿入体が、ネジ山を備え、該挿入体がネジ切りによって前記排出口内に配置されていることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
23. 前記挿入体が、取付工具を係合する手段を含むことを特徴とする請求項２２に記載の装置。

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