JP2011528069A - ガス供給デバイス - Google Patents

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Abstract

本発明は、基板位置において低圧原子層堆積に使用するためのガス供給デバイスに関する。このデバイスは、処理ゾーン(22)に処理ガスを供給するための第1の概して細長い注入器(21)と、処理ゾーン(22)の周囲にある第1の排出ゾーン(23)と、処理ゾーンを包囲する出口において、パージガス又は不活性ガスを供給するための、第1の排出ガスの周囲にあるさらなる注入器であって、少なくとも1つの部分ガスシール部を画定するための出口の周囲にある基板位置に対面する壁を有するさらなる注入器とを含む。

Description

本発明は、低圧原子層堆積に使用するためのガス供給デバイス及び処理チャンバと、低圧原子層堆積を行う方法とに関する。
原子層堆積(ALD)の処理は周知である。その処理は、本質的に、最初の単分子層が基板の表面に化学的に吸収されるような化学的な層を堆積することと、その後、同じでも又は互いに異なる化学的性質であってもよいさらなる単分子層を構築することができるように、処理チャンバを浄化するのに使用されることもできるパージガスを使用して、過剰な材料を吹き飛ばすこととを含む。
ALDを、大気及び低圧の両方で行うことができる。大気圧において、克服されるべき大気圧のために、多量のガスが供給されなければならず、結果として生じるガスの流速は、基板が処理ガスの線又は円錐を確認する傾向となり、基板は、処理ガスの下を次第に通過する。それに対して、低圧において、より遅い流速でより少量のガスを供給することができ、それにより、ガスが拡散されることが可能になり、それにより、基板の表面の全体までを、同時に処理することができる。したがって、経済性及び均一性の理由のために、低圧ALDにおいて著しい利点があるが、互いに全く異なる流れの特徴により、大気ALDのために開発された方法及び技術を低圧ALDの構成に自動的に組み込むことができなくなる。
今日まで、大気であろうと低圧であろうと大抵のALDは、単一のウェーハ上で作用する。大抵の堆積処理と同様に、均一性が維持されることが提供されるバッチ処理を達成することができるならば、かなりの経済的な利点がある。
様々なアプローチが提案されており、それにより、バッチALDが達成されるであろう。特許文献1は典型的でない例ではなく、他のアプローチを特許文献2において理解することができる。各特許文献は、ウェーハが様々な処理セクタによって円形の進路に沿って進むことを想定している。この構成において、ウェーハの処理は、行われる最も遅い処理によってもっぱら決定され、使用時における柔軟性がほとんどない。さらに、注入器セクタは発散的であり、実際には、セクタの小さい部分のみが使用され、又は著しい均一性の課題が存在する。類似する構成が特許文献3に提案される一方で、特許文献4は、線形アプローチを提案している。
他の試みが特許文献5に示される。これは、単一のチャンバ内において複数のシャワヘッドを使用し、不活性ガスが供給される中間シャワヘッドを有することによって活性処理領域を分離することを試み、処理ガス同士の間の反応を行うことができる。提案された構成が実際に実用的であるかは、全くわからない。そのような技術を使用するチャンバを直径方向に横断する全直径アルゴン‘カーテン’を実現させることは、著しく困難であることがわかるからである。
1989年まで遡って、例えば特許文献6を見ると、CVDのための線形注入器がガスを処理領域に供給し、その後にこの処理領域の両側に排出することができるものであることが、公知となっている。不活性ガス又はパージガスを、処理領域の両側に供給することができる。線形注入器の最も洗練された構成はおそらく、特許文献7に示されている。“シーリング”が、扱われている基板の移動の線形方向でのみ説明されることに留意する。
米国特許第6821563号明細書 米国特許第7104476号明細書 米国特許出願公開第2005/0084610号明細書 米国特許出願公開第2007/007356号明細書 米国特許第6902620号明細書 米国特許第4834020号明細書 米国特許第6200389号明細書
1つの態様から、本発明は、基板位置での低圧原子層堆積に使用するためのガス供給デバイスであって、
処理ゾーンに処理ガスを供給するための第1の概して細長い注入器と、
処理ゾーンの周囲にある第1の排出ゾーンと、
処理ゾーンを包囲する出口において、パージガス又は不活性ガスを供給するための、第1の排出ガスの周囲にあるさらなる注入器であって、少なくとも1つの部分ガスシール部を画定するための出口の周囲にある基板位置に対面する壁を有するさらなる注入器と、
を含む、
デバイスから構成される。
この仕様のために、部分ガスシール部は、漏れが10,000ppm未満のものである。
好ましくは、注入器は、ポートの1又は複数の線を有し、処理領域は、処理ガスの拡散を可能にするように高さ15〜25mmであることができ、それにより、基板は、処理ガスの均一な雲又は霧を効果的に確認することができる。
内部の及び外部のパージガス注入器によって画定されるプラズマ領域が存在してもよく、プラズマ領域は、部分ガスシール部の内側にあってもよい。
装置はさらに、さらなる注入器の周囲にあるさらなるガス排出領域を含んでもよい。
他の態様から、本発明は、ガス供給デバイスであって、処理チャンバ内に置くことができ、かつ、その周囲全体の周りにガスシール部を有するガス供給デバイスを含んでもよい。
デバイスはさらに、さらなる注入器の周囲にあるさらなるガス排出領域を含んでもよい。
さらなる態様から、本発明は、
少なくとも1つのガス注入器と、
上記記載で画定されたような少なくとも1つのガス供給デバイスと、
を有する処理チャンバと、
基板を、処理チャンバの周りに、かつガス供給デバイスの処理領域を通って移動させるための回転可能支持体と、
を含む基板上に層を形成するための低圧原子層堆積装置から構成される。
装置はさらに、ガス供給デバイスを作動状態又は非作動状態にするための制御機構を含んでもよく、それにより、基板が、基板上で行われるべき処理に応じて、チャンバ内において単独で、又はガス供給デバイスから処理チャンバに順次に、若しくは逆もまた同様に、処理されることができる。
部分ガスシール部を、少なくとも部分的に、幅約1.5mm〜約3mmの通路によって構成することができる。この通路を、使用中に、基板(例えば半導体ウェーハ)の表面と基板位置に対面する壁の面との間の距離によって画定することができる。好都合には、これら壁は、出口の両側に対称的に延びることができ、又は簡易に、出口の一側、好ましくは処理領域から最も遠い一側に延びることができる。
部分ガスシール部を、少なくとも部分的に、長さ約30mm〜約100mmの上述のような通路、特に好都合には、長さ約60mm〜約100mmかつ幅約1.5mm〜約3mmの通路によって構成することができる。これらの寸法は、処理ガス又はパージガスとして使用されている1又は複数のガスの分子のサイズに応じていくらか変わることができる。これらの寸法は、前記ゾーンと前記チャンバとの間のガス圧力及び圧力差に応じて拡大及び縮小することが可能である。
好ましくは、処理領域内の圧力は、チャンバ内の圧力の約133.3Pa(1Torr)から±約30Pa(+/−0.25Torr)の範囲を出ない。
さらなる注入器においてガスの速度は、少なくとも約50m/sであることができる。この速度又は流速は、ガス供給システムの排出能力を超えるべきでない。
さらなる態様から、本発明は、処理チャンバから分離処理領域を画定するための全周シール作用を有するガス供給デバイスと、処理チャンバの周りにかつ処理領域を通って基板を移動させるための回転可能支持体とを含む処理チャンバ内において、低圧原子層堆積を行う方法であって、この方法では、基板が、この方法の少なくとも一部の間に、チャンバ及び処理領域内の両方において処理される方法から構成される。
例えば、ガス供給デバイスを、支持体の1回転又はそれ以上の回転の間に停止することができる。このことにより、基板例えば半導体ウェーハが、所望の期間にわたって処理チャンバ内で処理ガスに露出され、その後に処理領域内で後続の処理をすることが可能になる。このことは、処理時間が著しく不均一なときに、バッチでのウェーハの処理の特に有用なやり方である。したがって、処理ガスを処理チャンバに供給することができ、又は過剰な堆積物を取り除くためのパージガスを処理チャンバに供給することができ、この場合に、ガス供給デバイスは、他の1又は複数の処理を行うことができる。
ガス供給デバイスの周りに完全シール部が存在するときに、処理同士の間の相互汚染は、発生すべきでない。
本発明は上記記載において画定されているが、本発明が上記記載に示された特徴又は以下の記載にある特徴のあらゆる発明的な組み合わせを包含することが、理解されるべきである。
本発明の特に簡易な実施形態の平面図。 さらに複雑なバッチ処理機の対応する平面図。 バッチ処理機のさらなる実施形態のさらに詳細な概略図。 図5のIV−IV線に沿った、ガス供給デバイスの略断面図。 平面図。 シール作用の有効性に対する様々なパラメータの変化の結果を示すグラフであって、図4に示されたガス供給デバイスの区域でのシミュレーションモデルの結果を図示する一連のグラフである。左方の軸から延びかつ降下している線は、処理領域の中心からの位置でのTiClの濃度を示し、右から左に降下している他の線は、NHの濃度である。 シール作用の有効性に対する様々なパラメータの変化の結果を示すグラフであって、図4に示されたガス供給デバイスの区域でのシミュレーションモデルの結果を図示する一連のグラフである。左方の軸から延びかつ降下している線は、処理領域の中心からの位置でのTiClの濃度を示し、右から左に降下している他の線は、NHの濃度である。 シール作用の有効性に対する様々なパラメータの変化の結果を示すグラフであって、図4に示されたガス供給デバイスの区域でのシミュレーションモデルの結果を図示する一連のグラフである。左方の軸から延びかつ降下している線は、処理領域の中心からの位置でのTiClの濃度を示し、右から左に降下している他の線は、NHの濃度である。 シール作用の有効性に対する様々なパラメータの変化の結果を示すグラフであって、図4に示されたガス供給デバイスの区域でのシミュレーションモデルの結果を図示する一連のグラフである。左方の軸から延びかつ降下している線は、処理領域の中心からの位置でのTiClの濃度を示し、右から左に降下している他の線は、NHの濃度である。 シール作用の有効性に対する様々なパラメータの変化の結果を示すグラフであって、図4に示されたガス供給デバイスの区域でのシミュレーションモデルの結果を図示する一連のグラフである。左方の軸から延びかつ降下している線は、処理領域の中心からの位置でのTiClの濃度を示し、右から左に降下している他の線は、NHの濃度である。 シール作用の有効性に対する様々なパラメータの変化の結果を示すグラフであって、図4に示されたガス供給デバイスの区域でのシミュレーションモデルの結果を図示する一連のグラフである。左方の軸から延びかつ降下している線は、処理領域の中心からの位置でのTiClの濃度を示し、右から左に降下している他の線は、NHの濃度である。 シール作用の有効性に対する様々なパラメータの変化の結果を示すグラフであって、図4に示されたガス供給デバイスの区域でのシミュレーションモデルの結果を図示する一連のグラフである。左方の軸から延びかつ降下している線は、処理領域の中心からの位置でのTiClの濃度を示し、右から左に降下している他の線は、NHの濃度である。 ガス供給デバイスの別の実施形態に関する、図3に対応する図。 ガス供給デバイスの別の実施形態に関する、図4に対応する図。 プラズマ処理段階の組み込みを図示するガス供給デバイスの概略図。
本発明を、添付の図面を参照しつつ、例としてこれより説明される様々なやり方及び特定の実施形態で実施することができる。
図1は、低圧ALDの使用に適した装置10を図示する。装置10は処理チャンバ11を有し、処理チャンバ11は、参照番号12で概して示された標準ロードロック構造を通して供給されることができ、それにより、ウェーハを自動的に、チャンバ11に入れ、かつチャンバ11から取り除くことができる。放出器13は、チャンバ11内部に延びる。チャンバ11は、ポンプポート14を通して排気される。典型的な圧力は、約66.66〜約1333Pa(0.5〜10Torr)の範囲内である。
以下でさらに詳細に説明されるように、注入器13の注入器デバイス15は、処理ガスを供給するための主要要素であり、この要素は、ガスが処理チャンバからガス供給デバイス15の中央処理領域に入ることができず、処理ガスがガス供給デバイス15から処理チャンバ11内部に漏れることもできないという意味では、主処理チャンバ11から360°にわたり効果的にシールされている。矢印Aで概略的に示されるように、処理チャンバは、この分野で周知であるタイプの回転可能支持体を含み、半導体ウェーハなどの基板16は、ガス供給デバイス15の下を通過するように、回転可能支持体上に位置しかつチャンバの周りに回転されることができる。ガス供給デバイス15を作動状態又は非作動状態にするために制御機構17が設けられ、制御機構17は、支持体の回転速度及びロードロック12の作用などの、装置10の他の態様を制御することもできる。
処理チャンバ11には、1つ又は複数の処理ガス入口を設けることができ、そのうちの1つは、参照番号18で概略的に説明される。
使用中に、ウェーハを、バッチで支持体の上に導入し、チャンバ11の周りを回転させることができる。目的とされる化学的性質に応じて、チャンバ11が処理の少なくともいくつかの段階でパージガスを容れることができ、ガス供給デバイス15が処理の様々な段階で作動状態であってもよいし、又は作動状態でなくてもよい。
例として、TiNは、まず基盤16の表面をNHで処理することにより堆積されることができ、その後に引き続いてTiClに露出される。NHへの通常の露出は1秒以上である一方で、TiClへの0.1秒未満の露出が必要とされる。このことは、初めにガス供給システムを停止し、所望の期間にわたって処理チャンバ11にNHを供給し、その後にTiClを供給するためにガス供給デバイス15を起動することによって、チャンバ11内で非常に便利に達成されることができる。例えばTiClの濃度を変更することによって、1回転以内のタイミングとバランスを取ることが多くの場合にできるであろう。この場合では、NHを永久に残しておくことができる。確実にウェーハが処理の最初の部分の間にガス供給システム15の下に位置しないように、又は確実に支持体がガス供給デバイス15に対応する間隙に関して不変であることができるように、ウェーハを、全ての段階の間で回転することができる。
先行技術で説明された装置では、そのような大きな露出の相違は、調節することが困難である。しかしながら、本発明の装置は、ガスの堆積期間が互いに類似する処理を互いに等しく良好に調節することができことが、同様に理解されることになる。装置を、基板16がガス供給デバイス15から出てくるときに、過剰な材料を取り除くパージガスで満たすことができる処理チャンバ11と共に使用することもできる。
図2では、同種類の構成が示されるが、複数のガス供給デバイスを有することの可能性が図示される。
図3は、標準のチャンバ及びロードロックを利用する図1及び図2よりもむしろ、目的のために具体的に構成されている実施形態の装置10を図示する。具体的には、回転可能プラテン20に5つのウェーハ16を支持していることが図示されている。ロボットアーム19は、ウェーハ16をプラテン20に、及びウェーハ16をプラテン20からロードロック12に移送する。
ガス供給デバイス15の特性は、図4及び図5においてさらに詳細に示される。ここでは、例えばTiClの注入を可能にするための中央注入器21が存在することが理解される。注入器21は、処理領域又は処理ゾーン22を画定し、排出ダクト23によって包囲される。排出ダクト23は次いで、矩形アルゴン入口25を含む厚壁24によって包囲される。
使用中に、ウェーハは、チャンバ11から入口26によって生成されたアルゴンのカーテンの下を通過し、壁25の部分の下を通過し、排出ダクト23を通り越して処理領域22を、いわば右から左に通過し、その後ウェーハが再びチャンバ11に到達するまで外部に向かって進み続ける。
大部分のTiClが、包囲している排出ダクト23によって排出されることが理解される。排気ダクト23を越えて拡散するあらゆるものは次いで、通路27を下方に通過しなくてはならず、入口26によって生成されたアルゴンカーテンによって捕獲され、かつ排出ダクト23に向かって追い返されやすい。ウェーハに対する損害又は過剰な引きずりを生成するリスクなしにできるだけ狭い通路の幅を作ることによって、任意の分子が通路の下方に漏れる可能性が、著しく減少される。通路の長さも、関係のある要素である。他の要素は、出口26を通るアルゴンの流速である。
NHに関する限りは、同じ基準の通路の寸法及び空気のカーテンにより、チャンバから処理領域22を通しての拡散の可能性を減少させた。例え分子が通路27の左手末端に達したとしても、分子は、排出ダクト23によって排出されやすいであろう。
図6〜図10は、チャンバ11が約133.3Pa(1T)の処理圧力及び300℃のプラテン20の温度でどのように作用するかを示し、処理領域22からの存在又はチャンバ11からの進入の百万分率は、上述のパラメータの変動と共に変わる。通路27の幅である、壁25の半分幅(セミシールとしても公知である)は、特に著しい違いを作り出すことができ、前記間隙でも同様に著しい違いを作り出すことができる。半分幅が大きければ大きいほど、より許容範囲である間隙が大きくなる。
一定の状況では、通路がアルゴン入口とチャンバ11との間に延びることが必要であるにすぎない。このことは、処理領域内部へのガスのほんの低い流速の場合に特に当てはまり、通路が本質的に、NHの進入を防ぐことが簡易に試されていた。
図11及び図12は、ガス供給デバイス15のさらなる実施形態を図示する。ここで、ガス供給要素21は、包囲矩形不活性ガス供給部26によって画定される排出チャンバ23内部にあり、包囲矩形不活性ガス供給部26は次いで、周囲壁29によって画定されるさらなる排出チャンバ28内部にある。
図11で理解できるように、使用中に、ガス供給装置15を回転支持体20のすぐ上に置くことができ、その結果、ウェーハ16を、矢印Bによって示される方向に移動するように壁29の底端部の下を通過させることができ、ウェーハ16は、排出チャンバ28を通過し、不活性ガス供給部26の下を通過し、排出チャンバ23を通過し、処理領域22内部を通過し、供給部21の下を通過する。処理領域22は、ウェーハの少なくとも直径にわたって縦方向に延びるであろうが、一度に全部のウェーハ16を収容するのに十分に大きくてもよく、又はウェーハの直径よりも狭くてもよい。
ウェーハは次いで、同じ方向にさらに進み続けて、デバイス15から出て行く。
図11で理解されるように、チャンバ23,28は、例えばポンプ19に接続されることによって排気される。アルゴンは、不活性ガス入口26に供給され、不活性ガス入口26において、排出チャンバ23の周りひいては処理領域の周りに効果的な不活性ガスのスクリーンを形成し、さらにパージガスとして作用することができる。壁29の下(矢印C参照)を漏れるあらゆるガスは、チャンバ28を通して排気され、若しくはアルゴンカーテンによって遮断され、又はそれらの両方が行われる。同様に、供給部21に供給されるTiClなどの処理ガスは、処理領域22を通過し、チャンバ23を通して排出される。処理ガスが、アルゴンカーテンによって横方向に存在するのを防ぐ。
したがって、図5、図11及び図12の構成は、処理ガス21の周りの360°シール作用を提供し、したがって、処理チャンバの残りの部分から処理領域22を隔離する。この特徴は特に、上述の装置10の使用の柔軟性を高める。図13に図示されるようなさらに複雑なガス供給ヘッド15を構成することによって、このように隔離する能力をさらに利用することもできる。ここで、参照番号30において概して示されるプラズマ処理領域は、第1の浄化供給部31によって包囲され、第2の浄化供給部32によって処理領域22から分離される。このように、所望のとおりに、事前のプラズマ処理又は事後のプラズマ処理を基板の表面に行うことができる。あるいは、この活性領域30は、UV又は熱線の励起作用を提供することができる。同様に、そのような励起源を、処理ガスを励起するために、チャンバ11内に設けることができる。
図5、図11、図12及び図13を参照しつつ図示されかつ説明されるガス供給デバイス15の原理を、様々な形状で組み込み、かつさらに複雑な連続の処理領域と組み合わせることができることが理解されるであろう。

Claims (19)

  1. 基板位置での低圧原子層堆積に使用するためのガス供給デバイスであって、
    処理ゾーンに処理ガスを供給するための第1の概して細長い注入器と、
    処理ゾーンの周囲にある第1の排出ゾーンと、
    処理ゾーンを包囲する出口において、パージガス又は不活性ガスを供給するための、第1の排出ガスの周囲にあるさらなる注入器であって、少なくとも1つの部分ガスシール部を画定するための出口の周囲にある基板位置に対面する壁を有するさらなる注入器と、
    を含む、
    デバイス。
  2. 内部及び外部のパージガス注入器によって画定され、かつさらなる排出領域内部に画定される活性領域(プラズマ/UV又は熱線の励起作用)が存在する、
    請求項1に記載のデバイス。
  3. 処理領域が、典型的には高さ10mm〜40mmである、
    請求項1又は2に記載のデバイス。
  4. さらに、さらなる注入器の周囲にあるさらなるガス排出領域を含む、
    請求項1〜4のいずれか1項に記載のデバイス。
  5. ガス供給デバイスであって、
    処理チャンバ内に置くことができ、かつ、
    ガス処理領域を画定するように、その周囲全体の周りにガスシール部を有する
    ガス供給デバイス。
  6. 基板上に層を形成するための低圧原子層堆積装置であって、
    少なくとも1つのガス注入器と、
    請求項1〜5のいずれか1項に記載の少なくとも1つのガス供給デバイスと、
    を有する処理チャンバと、
    基板を、処理チャンバの周りに、かつガス供給デバイスの処理領域を通って移動させるための回転可能支持体と、
    を含む、
    装置。
  7. さらに、ガス供給デバイスを作動状態又は非作動状態にするための制御機構を含み、それにより、基板が、基板上で行われるべき処理に応じて、チャンバ内において単独で、又はガス供給デバイスから処理チャンバに順次に、若しくは逆もまた同様に、処理されることができる、
    請求項6に記載の装置。
  8. 少なくとも部分的に、幅約1.5mm〜約3mmの通路によって構成される部分ガスシール部により、反応ゾーン同士の間で10,000ppm未満の閉じ込め作用をもたらす、
    請求項5〜7のいずれか1項に記載の装置。
  9. 部分ガスシール部が、少なくとも部分的に、長さ約30mm〜約100mmの通路によって構成される、
    請求項5〜7のいずれか1項に記載の装置。
  10. 通路が、
    長さ約60mm〜約100mmであり、
    幅約15mm〜3mmである、
    請求項9に記載の装置。
  11. 部分ガスシール部が、反応ゾーン同士の間で10,000ppm未満の閉じ込め作用をもたらす、
    請求項5〜7のいずれか1項に記載の装置。
  12. 前記処理領域での圧力が、前記チャンバ内の圧力の約±50%の範囲を出ない、
    請求項5〜10のいずれか1項に記載の装置。
  13. さらなる注入器でのガスの速度が、少なくとも約50m/sである、
    請求項5〜11のいずれか1項に記載の装置。
  14. 処理チャンバから分離処理領域を画定するための全周シール作用を有するガス供給デバイスと、処理チャンバの周りにかつ処理領域を通って基板を移動させるための回転可能支持体とを含む処理チャンバ内において、原子層堆積を行う方法であって、
    基板が、この方法の少なくとも一部の間に、チャンバ及び処理領域内の両方において処理される、
    方法。
  15. ガス供給デバイスが、支持体の1回転又はそれ以上の回転の間に停止される、
    請求項7に記載の方法。
  16. 処理ガスが、処理チャンバに供給される、
    請求項14に記載の方法。
  17. プラズマ/UV又は熱線の励起によって励起された処理ガスが、処理チャンバに供給される、
    請求項14に記載の方法。
  18. 処理チャンバが、プラズマ、UV又は熱線の励起源を含む、
    請求項14〜16のいずれか1項に記載の方法。
  19. パージガスが、処理チャンバに供給される、
    請求項14〜17のいずれか1項に記載の方法。
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