JP2013541182A - ガス注入分散デバイスを備えるシャワーヘッドアセンブリ - Google Patents

Abstract

化学気相堆積および／または水素化物気相エピタキシャル（ＨＶＰＥ）堆積のために利用される方法および装置が提供される。この装置は、処理体積に入る前に処理ガスを混合させることなく個々の処理ガスをチャンバの処理体積内に送給するための個別の入口およびマニホールドを有するシャワーヘッドアセンブリを含む。シャワーヘッドは、複数のガス入口の内部に配設された複数のガス分散デバイスを含み、処理ガスの１つをマニホールド内に注入し、かつ処理ガスをマニホールドにわたって分散させて、チャンバの処理体積内に均一に送給する。各ガス分散デバイスは、好ましくは、マニホールド内部での処理ガスの再循環を最小限にしながら、各ガス分散デバイスを通って流れる処理ガスを均等に分散させるように構成されたノズルを有する。その結果、処理チャンバの処理体積内に位置決めされた複数の基板上で、堆積の均一性の改善が実現される。

Description

本発明の実施形態は、一般に、基板上で化学気相堆積（ＣＶＤ）を行うための方法および装置に関し、特に、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）および／または水素化物気相エピタキシ（ＨＶＰＥ）に使用されるシャワーヘッド設計に関する。

ＩＩＩ−Ｖ族の膜は、様々な半導体デバイス、例えば、短波長発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、ならびに高出力、高周波数、高温トランジスタおよび集積回路を含む電子デバイスの開発および製造においてますます重要になっている。例えば、短波長（例えば、青色／緑色〜紫外）ＬＥＤは、ＩＩＩ族窒化物半導体材料である窒化ガリウム（ＧａＮ）を使用して製造される。ＧａＮを使用して製造された短波長ＬＥＤは、ＩＩ−ＶＩ族材料など非窒化物半導体材料を使用して製造された短波長ＬＥＤよりもかなり効率が良く、かつ動作寿命が長いことがあることが観察されている。

ＧａＮなどＩＩＩ族窒化物を堆積するために使用されている１つの方法は、有機金属気相堆積法（ＭＯＣＶＤ）である。この化学気相堆積法は、一般に、ガリウム（Ｇａ）などＩＩＩ族からの少なくとも１つの元素を含む第１の前駆体ガスの安定性を保証するように温度制御された環境を有するリアクタ内で行われる。アンモニア（ＮＨ_３）など第２の前駆体ガスが、ＩＩＩ族窒化物を生成するのに必要な窒素を提供する。２つの前駆体ガスは、リアクタ内部の処理区域内に注入され、処理区域内で、混ざり合い、加熱された基板に向けて移動する。基板に向けた前駆体ガスの給送を支援するためにキャリアガスを使用することができる。前駆体は、加熱された基板の表面で反応して、ＧａＮなどＩＩＩ族窒化物の層を基板表面上に形成する。膜の品質は、１つには堆積の均一性によって決まり、堆積の均一性は、基板にわたる前駆体の均一な混合によって決まる。

基板キャリア上に複数の基板を配置することができ、各基板は、５０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内、または５０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内よりも大きい直径を有することがある。歩留まりおよびスループットを高めるために、より大きな基板および／またはより多くの基板、ならびにより大きな堆積面積にわたる前駆体の均一な混合が望ましい。これらの因子は、電子デバイスを製造するためのコスト、したがってデバイス製造業者の市場競争力に直接影響を及ぼすので重要である。

一般に、前駆体ガスと、ＬＥＤまたはＬＤ形成リアクタの処理区域内にしばしば設けられている高温ハードウェア構成要素との相互作用により、前駆体が分解して、これらの高温表面上に堆積する。典型的には、基板を加熱するために使用される熱源からの放射によって、高温のリアクタ表面が形成される。高温表面上への前駆体材料の堆積は、シャワーヘッドなど前駆体分散構成要素内または前駆体分散構成要素上で生じるときに、特に問題となることがある。前駆体分散構成要素上での堆積は、時間と共に、流れ分散の均一性に影響を及ぼす。したがって、ＭＯＣＶＤ前駆体またはＨＶＰＥ前駆体が、分解されてガス分散デバイスの性能に影響を及ぼす温度まで加熱される可能性をなくす、または減少させるガス分散装置が必要である。

また、ＬＥＤ、ＬＤ、トランジスタ、および集積回路の需要が高まるにつれて、高品質のＩＩＩ族窒化物の膜を堆積する効率が、より大きな重要性を持つ。したがって、より大きな基板、およびより大きな堆積面積にわたって一貫した膜の品質を提供することができる改良された堆積装置およびプロセスが必要である。したがって、後で堆積される膜の均一性をより大きな基板およびより大きな堆積面積にわたって改良することができるように、ガス分散デバイスを通したガス分散の均一性の改良が必要である。

本発明は、一般に、ＭＯＣＶＤおよび／またはＨＶＰＥプロセスを使用してＩＩＩ族窒化物の膜を堆積するための改良された方法および装置を提供する。

一実施形態は、内部に第１のガスマニホールドが形成されたシャワーヘッドと、シャワーヘッドを貫通して延在し、シャワーヘッドの出口表面に第１のガスマニホールドを流体結合する複数の第１のガス導管と、各々の内部に環状オリフィスが形成されている複数のガス分散デバイスとを備え、環状オリフィスが、第１のガスマニホールドと流体連絡し、ガス源に結合されるように構成されるシャワーヘッドアセンブリを提供する。

別の実施形態は、チャンバ本体と、基板支持体と、シャワーヘッドアセンブリとを備える基板処理装置であって、処理体積が、チャンバ本体と、基板支持体と、シャワーヘッドアセンブリとによって画定される基板処理装置を提供する。シャワーヘッドアセンブリは、内部に第１のガスマニホールドが形成されたシャワーヘッドと、シャワーヘッドを貫通して延在し、第１のガスマニホールドを処理体積に流体結合する複数の第１のガス導管と、第１のガスマニホールドに流体連絡する環状オリフィスをそれぞれが有する複数のガス分散デバイスとを備え、複数のガス分散デバイスが、単一のガス源に結合されるように構成される。

さらに別の実施形態は、基板を処理する方法であって、シャワーヘッドアセンブリの第１のガスマニホールドに結合された１つまたは複数の第１のガス入口内に配設された１つまたは複数のガス分散デバイスを通して、処理チャンバの処理体積内に第１のガスを導入するステップを含み、各ガス分散デバイスの内部には、第１のガスマニホールドに流体結合された環状オリフィスが設けられている。この方法は、さらに、シャワーヘッドアセンブリの第２のガスマニホールドに結合された第２のガス入口を通して、処理チャンバの処理体積内に第２のガスを導入するステップを含み、第１のガスマニホールドが、第２のガスマニホールドから隔離され、第１のガスが、複数の第１のガス導管を通して処理体積内に送給され、第２のガスが、複数の第２のガス導管を通して処理体積内に送給される。また、この方法は、シャワーへッドアセンブリに設けられた温度制御マニホールドを通して熱交換流体を流すことによってシャワーヘッドアセンブリを冷却するステップを含み、複数の第１および第２のガス導管が、温度制御マニホールドを貫通して設けられる。

本発明の上記の特徴を詳細に理解することができるように、いくつかの実施形態を参照して、上に簡単に要約した本発明をより詳細に説明することができ、実施形態のいくつかは添付図面に図示されている。しかし、添付図面は本発明の典型的な実施形態しか例示しておらず、したがって、本発明が他の同等に効果的な実施形態を含むこともあるので、添付図面が本発明の範囲を限定するとみなすべきではないことに留意すべきである。

本明細書で述べる実施形態による、複合窒化物半導体デバイスを製造するための処理システムの一実施形態を示す概略平面図である。 本発明の一実施形態による、複合窒化物半導体デバイスを製造するための有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）の概略断面図である。 図２に示される細部Ａの拡大図である。 一実施形態による、図２および図３に示されるガス分散デバイスの上面図である。 一実施形態による、図２に示されるシャワーヘッドアセンブリの概略上面図である。 一実施形態によるシャワーヘッドの概略断面図である。 一実施形態によるシャワーヘッドアセンブリの概略上面図である。

理解しやすくするために、可能な場合には、複数の図面に共通の同一の要素を表すために同一の参照番号を使用している。一実施形態の要素および特徴を、さらに記述することなく他の実施形態に有益に組み込むことができると考えられる。

本発明の実施形態は、一般に、ＭＯＣＶＤおよび／またはＨＶＰＥハードウェアを使用してＩＩＩ族窒化物の膜を堆積するために利用することができる方法および装置を提供する。一般に、装置は処理チャンバであり、この処理チャンバは、処理体積に入る前に処理ガスを混合させることなく個々の処理ガスをチャンバの処理体積内に送給するための個別の入口および通路を有するシャワーヘッドを含む。シャワーヘッドは、複数のガス入口の内部に配設された複数のガス分散デバイスを含み、処理ガスの１つをマニホールド内に注入し、かつ処理ガスをマニホールドにわたって分散させて、チャンバの処理体積内に均一に送給する。各ガス分散デバイスは、好ましくは、マニホールド内部での処理ガスの再循環を最小限にしながら、各ガス分散デバイスを通って流れる処理ガスを均等に分散するように構成されたノズルを有する。

図１は、処理システム１００の一実施形態を示す概略平面図であり、処理システム１００は、本明細書で述べる実施形態による複合窒化物半導体デバイスを製造するための１つまたは複数のＭＯＣＶＤチャンバ１０２を備える。一実施形態では、処理システム１００は、雰囲気に対して閉じられている。処理システム１００は、移送チャンバ１０６と、移送チャンバ１０６に結合されたＭＯＣＶＤチャンバ１０２と、移送チャンバ１０６に結合されたロードロックチャンバ１０８と、移送チャンバ１０６に結合された、基板を保管するためのバッチロードロックチャンバ１０９と、ロードロックチャンバ１０８に結合された、基板を装荷するためのロードステーション１１０とを備える。移送チャンバ１０６は、基板を取り上げて、ロードロックチャンバ１０８、バッチロードロックチャンバ１０９、およびＭＯＣＶＤチャンバ１０２の間で基板を移送するように動作可能なロボットアセンブリ（図示せず）を備える。ＭＯＣＶＤチャンバ１０２は１つだけ図示されているが、複数のＭＯＣＶＤチャンバ１０２、あるいはさらに、１つまたは複数のＭＯＣＶＤチャンバ１０２と１つまたは複数の水素化物気相エピタキシャル（ＨＶＰＥ）チャンバとの組合せを、移送チャンバ１０６に結合させることもできることを理解すべきである。また、クラスタツールが図示されているが、本明細書で述べる実施形態を、直線トラックシステムを使用して行うこともできることを理解すべきである。

一実施形態では、移送チャンバ１０６は、酸素（Ｏ_２）や水（Ｈ_２Ｏ）など基板がさらされる汚染物質の量を制御するために、基板移送プロセス中に真空下にある。移送チャンバの真空レベルは、ＭＯＣＶＤチャンバ１０２の真空レベルに一致するように調節することができる。例えば、移送チャンバ１０６からＭＯＣＶＤチャンバ１０２に（またはその逆に）基板を移送するときに、移送チャンバ１０６とＭＯＣＶＤチャンバ１０２を同じ真空レベルで保つことができる。次いで、移送チャンバ１０６からロードロックチャンバ１０８に（またはその逆に）、またはバッチロードロックチャンバ１０９に（またはその逆に）基板を移送するとき、ロードロックチャンバ１０８またはバッチロードロックチャンバ１０９とＭＯＣＶＤチャンバ１０２の真空レベルが異なることがあるにも関わらず、移送チャンバの真空レベルを、ロードロックチャンバ１０８またはバッチロードロックチャンバ１０９の真空レベルに一致するように調節することができる。したがって、移送チャンバ１０６の真空レベルは調節可能である。いくつかの実施形態では、基板は、高純度Ｎ_２環境など高純度不活性ガス環境で移送される。一実施形態では、基板は、Ｎ_２が９０％超の環境内で移送される。いくつかの実施形態では、基板は、高純度ＮＨ_３環境で移送される。一実施形態では、基板は、ＮＨ_３が９０％超の環境で移送される。いくつかの実施形態では、基板は、高純度Ｈ_２環境で移送される。一実施形態では、基板は、Ｈ_２が９０％超の環境で移送される。

処理システム１００において、ロボットアセンブリ（図示せず）は、堆積を施すために、基板を装荷された基板キャリアプレート１１２を単一のＭＯＣＶＤチャンバ１０２内に移送する。一例として、基板キャリアプレート１１２は、約２００ｍｍ〜約７５０ｍｍの範囲内の直径を有することがある。基板キャリアプレート１１２は、ＳｉＣまたはＳｉＣ被覆黒鉛を含めた様々な材料から形成することができる。基板キャリアプレート１１２は、約１０００ｃｍ^２以上、好ましくは２０００ｃｍ^２以上、より好ましくは４０００ｃｍ^２以上の表面積を有することがある。いくつかまたはすべての堆積ステップが完了した後、基板キャリアプレート１１２は、移送ロボットによって、ＭＯＣＶＤチャンバ１０２からロードロックチャンバ１０８に移送して戻される。次いで、基板キャリアプレート１１２をロードステーション１１０に移送することができる。基板キャリアプレート１１２をロードロックチャンバ１０８またはバッチロードロックチャンバ１０９内に保管して、その後、ＭＯＣＶＤチャンバ１０２内でさらなる処理を行うこともできる。

システム制御装置１６０が、処理システム１００の活動および動作パラメータを制御する。システム制御装置１６０は、コンピュータ処理装置と、処理装置に結合されたコンピュータ可読メモリとを含む。処理装置は、メモリに記憶されたコンピュータプログラムなど、システム制御ソフトウェアを実行する。

図２は、本発明の一実施形態によるＭＯＣＶＤチャンバ１０２の概略断面図である。ＭＯＣＶＤチャンバ１０２は、チャンバ本体２０２と、前駆体ガス、キャリアガス、洗浄ガス、および／またはパージガスを送給するための化学物質送給モジュール２０３と、プラズマ源を備える遠隔プラズマシステム２２６と、サセプタまたは基板支持体２１４と、真空システム２１２とを備える。チャンバ本体２０２は、処理体積２０８を囲む。シャワーヘッドアセンブリ２０１が、処理体積２０８の一端に配設され、基板キャリアプレート１１２が、処理体積２０８の他端に配設される。基板キャリアプレート１１２は、基板支持体２１４の上に配設することができる。矢印２１５によって示されるように、アクチュエータアセンブリが、基板支持体２１４を、シャワーヘッドアセンブリ２０１に向かうように、またはシャワーヘッドアセンブリ２０１から離れるように垂直方向で移動させることができる。アクチュエータアセンブリは、基板支持体２１４を回転させることができることもある。処理中の、処理体積２０８に隣接するシャワーヘッドアセンブリ２０１の表面から基板キャリアプレート１１２までの距離は、好ましくは約４ｍｍ〜約４１ｍｍの範囲内である。いくつかの実施形態では、基板支持体２１４は、基板支持体２１４の温度を制御し、その結果、基板キャリアプレート１１２の温度、ならびに基板キャリアプレート１１２および基板支持体２１４の上に位置決めされた基板２４０の温度を制御するための加熱要素（例えば抵抗加熱要素（図示せず））を備える。

シャワーヘッドアセンブリ２０１はシャワーヘッド２０４を含む。一実施形態では、シャワーヘッド２０４は、複数のプレートを含み、プレートは、複数のマニホールドおよび内部にアパーチャが形成されるように機械切削されて、ろう付けや溶接などによって取り付けられている。シャワーヘッド２０４は、第１の前駆体または第１のプロセスガス混合物を処理体積２０８に送給するために、複数の第１の処理ガス入口２５９を介して化学物質送給モジュール２０３に結合された第１の処理ガスマニホールド２０４Ａを有する。第１の処理ガスマニホールド２０４Ａは、上壁２７５にウェルを形成するために上壁２７５の表面からある体積の材料を機械切削し、ろう付けや溶接などによって上壁２７５を第１の水平壁２７６に取り付けることによって形成することができる。一実施形態では、化学物質送給モジュール２０３は、第１の処理ガスマニホールド２０４Ａに有機金属前駆体を送給するように構成される。一例では、有機金属前駆体は、適切なガリウム（Ｇａ）前駆体（例えば、トリメチルガリウム（「ＴＭＧ」）、トリエチルガリウム（「ＴＥＧ」））、適切なアルミニウム前駆体（例えば、トリメチルアルミニウム（「ＴＭＡ」））、または適切なインジウム前駆体（例えば、トリメチルインジウム（「ＴＭＩ」））を含む。

一実施形態では、ガス分散デバイス２５５が、第１の処理ガス入口２５９それぞれの内部に配設される。ガス分散デバイス２５５は、化学物質送給モジュール２０３に結合され、化学物質送給モジュール２０３から受け取られたガスを第１の処理ガスマニホールド２０４Ａに均一に分散させるように構成される。ガス分散デバイス２５５は、一般に、そこを通る均一なガス分散を提供するように構造化され、それと同時に、その出口オリフィス形状の構成によって、ならびにガス流量および圧力の制御によって、第１の処理ガスマニホールド２０４Ａ内部でのガスの再循環を防止する。一実施形態では、複数の第１の処理ガス入口２５９と、対応するガス分散デバイス２５５とが、中央導管２０４Ｄの周りに同心状に位置決めされる。他の実施形態では、複数の第１の処理ガス入口２５９と、対応するガス分散デバイス２５５とが、第１の処理ガスマニホールド２０４Ａの周りで、均一なガス分散を最大にするように他の構成で位置決めされる。シャワーヘッドアセンブリ２０１は、約４個〜約１２個のガス分散デバイス２５５を含むことがある。一実施形態では、シャワーヘッドアセンブリ２０１は、約６個〜約８個のガス分散デバイス２５５を含む。

シャワーヘッド２０４は、第２の前駆体または第２のプロセスガス混合物を処理体積２０８に送給するために、第２の処理ガス入口２５８を介して化学物質送給モジュール２０３に結合された第２の処理ガスマニホールド２０４Ｂを有することがある。一実施形態では、化学物質送給モジュール２０３は、アンモニア（ＮＨ_３）または他のＭＯＣＶＤもしくはＨＶＰＥ処理ガスなど適切な窒素含有処理ガスを第２の処理ガスマニホールド２０４Ｂに送給するように構成される。第２の処理ガスマニホールド２０４Ｂは、シャワーヘッド２０４の第１の水平壁２７６によって第１の処理ガスマニホールド２０４Ａから隔てられる。第２の処理ガスマニホールド２０４Ｂは、第１の水平壁２７６にウェルを形成するために第１の水平壁２７６の表面からある体積の材料を機械切削し、ろう付けや溶接などによって第１の水平壁２７６を第２の水平壁２７７に取り付けることによって形成することができる。

さらに、シャワーヘッド２０４は、シャワーヘッド２０４の温度を調整する助けとなるようにシャワーヘッド２０４を通して熱交換流体を流すための熱交換システム２７０に結合された温度制御マニホールド２０４Ｃを含むことがある。適切な熱交換流体としては、限定はしないが、水、水ベースのエチレングリコール混合物、ペルフルオロポリエーテル（例えばＧａｌｄｅｎ（登録商標）流体）、油ベースの伝熱流体、または同様の流体が挙げられる。第２の処理ガスマニホールド２０４Ｂは、シャワーヘッド２０４の第２の水平壁２７７によって温度制御マニホールド２０４Ｃから隔てられる。温度制御マニホールド２０４Ｃは、シャワーヘッド２０４の第３の水平壁２７８によって処理体積２０８から隔てることができる。温度制御マニホールド２０４Ｃは、第２の水平壁２７７にウェルを形成するために第２の水平壁２７７の表面からある体積の材料を機械切削し、ろう付けや溶接などによって第２の水平壁２７７を第３の水平壁２７８に取り付けることによって形成することができる。

図３は、図２に示される細部Ａの拡大図であり、図４は、図３に示されるガス分散デバイス２５５の上面図である。図２、図３、および図４を参照すると、一実施形態では、有機金属前駆体など第１の前駆体または第１の処理ガス混合物が、化学物質送給モジュール２０３から、シャワーヘッド２０４の上壁２７５を貫通して設けられた複数の第１の処理ガス入口２５９を通して、複数のガス分散デバイス２５５を通過して第１の処理ガスマニホールド２０４Ａ内に送給される。

各ガス分散デバイス２５５は、一般に、円筒体部分３０２と、円筒体部分３０２に取り付けられた中央部分３０４とを含む。中央部分３０４は、ガス受取り部分３０６と、ガス分散部分３１６とを含むことがあり、ガス受取り部分３０６とガス分散部分３１６の間に切頭円錐形部分３１０が延在する。ガス受取り部分３０６は、逆さの切頭円錐形状を概して有し、その周縁は、第１の組の向かい合う側面３０７（図４）で円筒体部分３０２に取り付けられ、向かい合う側面３０８では頂部を切り取られ、それにより、ガス受取り部分３０６と円筒体部分３０２の間に上側ガス通路３０９が形成される。

切頭円錐形部分３１０は、ガス受取り部分３０６から下方向へ、第１の処理ガスマニホールド２０４Ａ内に延在する。円筒体部分３０２は、切頭円錐形部分３１０の表面３１１の形状とほぼ同じ形状の内面３０３を有し、それにより、円筒体部分３０２と切頭円錐形部分３１０との間に環状ガス通路３１２が形成される。ガス分散部分３１６は、概して円板形状であり、第１の処理ガスマニホールド２０４Ａの内部で切頭円錐形部分３１０の下端部に位置決めされ、それにより、ガス分散部分３１６の上面３７１と円筒体部分３０２の下面３０１との間に環状オリフィス３１８が形成される。

切頭円錐形部分３１０とガス分散部分３１６は、切頭円錐形部分３１０の表面３１１とガス分散部分３１６の上面３１７とが角度Ｂを成すように互いに位置決めされる。角度Ｂは、約４５度〜約７５度でよい。一例では、角度Ｂは、約６０度である。

動作時、第１の前駆体または第１の処理ガス混合物が、化学物質送給モジュール２０３からガス分散デバイス２５５に送給される。ガスは、ガス受取り部分３０６を越えて、上側ガス通路３０９を通って、切頭円錐形部分３１０と本体部分３０２の間の環状ガス通路３１２内に流れる。次いで、ガスは、環状ガス通路３１２を通り、ガス分散部分３１６と本体部分３０２の間の環状オリフィス３１８を通って、第１の処理ガスマニホールド２０４Ａ内に流れる。ガス分散デバイス２５５の各部分のそれぞれの形状および位置により、処理ガスは、ガス分散デバイス２５５を通して第１の処理ガスマニホールド２０４Ａ内に均一に送給され、第１の処理ガスマニホールド２０４Ａ内部の注入点での処理ガスの再循環は生じない。さらに、前述したように、複数のガス分散デバイス２５５の数および位置により、化学物質送給モジュール２０３から第１の処理ガスマニホールド２０４Ａ内への均一なガス分散が提供される。

有機金属前駆体など第１の前駆体または第１の処理ガス混合物は、第１の処理ガスマニホールド２０４Ａから、複数の内側ガス導管２４６を通して、第２の処理ガスマニホールド２０４Ｂおよび温度制御マニホールド２０４Ｃを通して処理体積２０８内に送給することができる。内側ガス導管２４６は、シャワーヘッド２０４の第１の水平壁２７６、第２の水平壁２７７、および第３の水平壁２７８を貫通して設けられた整合穴の内部に位置された円筒形管でよい。一実施形態では、内側ガス導管２４６はそれぞれ、ろう付けなど適切な手段によってシャワーヘッド２０４の第１の水平壁２７６に取り付けられる。

処理中、有機金属前駆体など第１の前駆体ガスは、ガス分散デバイス２５５のアレイの使用により、第１の前駆体ガスを第１の処理ガスマニホールド２０４Ａの内部で均等に分散させることによって処理体積２０８内に均一に送給することができる。一例では、図５に示されるように、ガス分散デバイス２５５のアレイは、半径方向に位置決めされた６つのガス分散デバイス２５５を含み、ガス分散デバイス２５５は、シャワーヘッドアセンブリ２０１の中心の周りに同心状に位置決めされる。各ガス分散デバイス２５５は、複数のガス導管２５６によって相互に流体接続され、これらのガス導管２５６はすべて化学物質送給モジュール２０３に接続されている。図５は、一実施形態による、図２に示されるシャワーヘッドアセンブリ２０１の上面図である。化学物質送給モジュール２０３内部の前駆体ガス流量制御デバイス（図示せず）は、各ガス分散デバイス２５５への均等に分散された前駆体ガスの流れを提供するように構成される。流量制御デバイスは、各ガス分散デバイス２５５に送給される前駆体ガスの流量および／または圧力をそれぞれ調節することができる個別の流量制御装置を含むことがある。一構成では、前駆体ガス流量制御デバイスは、１つまたは複数の質量流量制御装置（図示せず）を備える。

一例では、処理中、約５ｓｃｃｍ／ｌ〜約１５ｓｃｃｍ／ｌのＴＭＧ前駆体の流れが、シャワーヘッドアセンブリ２０１を通過して、内側ガス導管２４６を通して処理体積２０８内に送給され、処理体積２０８は、約１００Ｔｏｒｒ〜約５００Ｔｏｒｒの圧力で保たれる。シャワーヘッドアセンブリ２０１は、約４７００個〜約６７００個の内側ガス導管２４６を含むことがあり、各内側ガス導管が、約０．４ｍｍ〜約０．８ｍｍの直径を有する。この例では、内側ガス導管２４６への均一に分散されたＴＭＧ前駆体の流れは、ＴＭＧ前駆体を第１の処理ガスマニホールド２０４Ａおよび内側ガス導管２４６内に均等に送給する各ガス分散デバイス２５５（図５）にＴＭＧ前駆体の流れを送給することによって実現される。ガス分散デバイス２５５に形成された通路のサイズおよび形状により、前駆体ガスの流れを均一に送給および制御することができる。一実施形態では、第１の処理ガスマニホールド２０４Ａの高さ３３１（図３）は、約０．１５インチ〜約０．２５インチであり、環状オリフィス３１８の幅３３２（図３）は、約１ｍｍ〜約３ｍｍであり、環状ガス通路３１２の幅３３３は、約１ｍｍ〜約３ｍｍである。

窒素前駆体など第２の前駆体または第２の処理ガス混合物は、第２の処理ガスマニホールド２０４Ｂから、複数の外側ガス導管２４５を介し、温度制御マニホールド２０４Ｃを通して処理体積２０８内に送給することができる。外側ガス導管２４５は、それぞれの内側ガス導管２４６の周りにそれぞれ同心状に位置された円筒形管でよい。外側ガス導管２４５は、シャワーヘッド２０４の第２の水平壁２７７および第３の水平壁２７８を貫通して設けられた整合穴の内部に位置される。一実施形態では、外側ガス導管２４５はそれぞれ、ろう付けなど適切な手段によってシャワーヘッド２０４の第２の水平壁２７７に取り付けられる。

前述したように、ＭＯＣＶＤチャンバ１０２は、ＩＩＩ族窒化物の膜を堆積するために使用することができる。一般に、ＩＩＩ族窒化物の膜は、約５５０℃を超える温度で堆積される。処理中、温度制御マニホールド２０４Ｃを通して冷却流体が循環されて、シャワーヘッド２０４を冷却し、特に、温度制御マニホールド２０４Ｃを貫通して延在する内側ガス導管２４６を通して送給される有機金属前駆体を冷却し、処理体積２０８内に導入される前に有機金属前駆体が分解するのを防止する。さらに、各内側ガス導管２４６を通って流れる有機金属前駆体を、第２の処理ガスマニホールド２０４Ｂおよび各外側ガス導管２４５を通る窒素含有ガスの流れで取り囲むことが、追加の冷却、および処理体積２０８の内部の高い処理温度からの断熱を提供して、処理体積２０８内に導入される前に有機金属前駆体が分解するのを防止すると考えられる。さらに、上述したように、第１の処理ガスマニホールド２０４Ａの内部での均一なガス分散により、チャンバ１０２の処理体積２０８内に有機金属前駆体をより均等に分散させることができ、基板２４０上でのＩＩＩ族窒化物の膜のより均等な堆積をもたらす。

再び図２を参照すると、下側体積２１０の一端に下側ドーム２１９が配設され、下側体積２１０の他端に基板キャリアプレート１１２が配設される。基板キャリアプレート１１２は、高いプロセス位置で図示されているが、下側位置に移動させることができ、下側位置で、例えば基板２４０を装荷または除荷することができる。下側体積２１０内で堆積が生じるのを防止する助けとなるように、また排気ガスをチャンバ１０２から排気口２０９に向ける助けにもなるように、基板キャリアプレート１１２の周縁に巡らせて排気リング２２０が配設される。下側ドーム２１９は、透明材料、例えば高純度水晶から形成することができ、基板２４０の放射加熱のために光が通過できるようにする。放射加熱は、下側ドーム２１９の下に配設された複数の内側ランプ２２１Ａおよび外側ランプ２２１Ｂによって提供することができる。内側ランプ２２１Ａおよび外側ランプ２２１Ｂによって提供される放射エネルギーへのチャンバ１０２の露出を制御する助けとなるように、反射器２６６を使用することができる。また、基板２４０のより精密な温度制御のために、ランプの追加のリング（図示せず）を使用することができる。

本発明のいくつかの実施形態では、パージガス（例えば窒素含有ガス）が、パージガス源２８２に結合された１つまたは複数のパージガスチャネル２８１を通してシャワーヘッド２０４からチャンバ１０２内に送給される。この実施形態では、パージガスは、シャワーヘッド２０４の周縁に巡らせた複数のオリフィス２８４を通して分散される。複数のオリフィス２８４は、シャワーヘッド２０４の周縁に巡らせて円形パターンで構成することができ、基板キャリアプレート１１２の周縁に巡らせてパージガスを分散させるように位置決めすることができ、基板キャリアプレート１１２の縁部、シャワーヘッド２０４、およびチャンバ１０２の他の構成要素上での望ましくない堆積を防止する。そのような堆積は、粒子形成を生じ、最終的には基板２４０の汚染をもたらす。パージガスは、環状排気チャネル２０５に巡らせて設けられた複数の排気口２０９内へ、下に向かって流れる。排気導管２０６が、環状排気チャネル２０５を真空システム２１２に接続し、真空システム２１２は、真空ポンプ２０７を含む。チャンバ１０２の圧力は、排気ガスが環状排気チャネル２０５から引き出される速度を制御する弁システムを使用して制御することができる。

他の実施形態では、パージガス管２８３が、チャンバ本体２０２の底部付近に設けられる。この構成では、パージガスは、チャンバ１０２の下側体積２１０に入り、上へ向かって、基板キャリアプレート１１２および排気リング２２０を越えて、複数の排気ポート２０９内へ流れる。

上述したように、化学物質送給モジュール２０３は、化学物質をＭＯＣＶＤチャンバ１０２に供給する。反応ガス（例えば第１の前駆体ガスと第２の前駆体ガス）、キャリアガス、パージガス、および洗浄ガスを、化学物質送給システムから供給ラインを通してチャンバ１０２内に供給することができる。ガスは、供給ラインを通してガス混合ボックス内に供給することができ、ガス混合ボックス内で混合されて、シャワーヘッドアセンブリ２０１に送給される。一般に、各ガスのための供給ラインは、関連のラインへのガスの流れを自動または手動で遮断するために使用することができる遮断弁と、供給ラインを通るガスまたは液体の流量を測定する質量流量制御装置または他のタイプの制御装置とを含む。また、各ガスのための供給ラインは、前駆体濃度を監視して、実時間フィードバックを提供するための濃度モニタを含むこともある。前駆体ガス濃度を制御するために、背圧調整装置が含まれることもある。迅速で正確な弁切替え機能のために、弁切替え制御機構を使用することができる。ガスライン内の水分センサが水分レベルを測定して、システムソフトウェアへのフィードバックを提供することができ、システムソフトウェアがさらに操作者への警告／警報を提供することができる。また、前駆体および洗浄ガスが供給ライン内で凝縮するのを防止するために、ガスラインを加熱することもできる。使用されるプロセスに応じて、ガス源のいくつかは、ガスではなく液体でよい。液体源が使用されるとき、化学物質送給モジュールは、液体を気化させるために、液体注入システムまたは他の適切なメカニズム（例えば、バブラ）を含む。次いで、当業者に理解されるように、通常は、液体からの蒸気がキャリアガスと混合される。

遠隔プラズマシステム２２６は、チャンバ洗浄またはプロセス基板からのエッチング残渣など、選択される用途のためのプラズマを生成することができる。遠隔プラズマシステム２２６内で、入力ラインを通して供給された前駆体から生成されたプラズマ種は、中央導管２０４Ｄを通して送られて、シャワーヘッド２０４を通してＭＯＣＶＤチャンバ１０２に拡散される。洗浄用途での前駆体ガスは、塩素含有ガス、フッ素含有ガス、ヨウ素含有ガス、臭素含有ガス、窒素含有ガス、および／または他の反応性元素を含むことがある。また、遠隔プラズマシステム２２６は、ＣＶＤ層を堆積するように適合させることもでき、層堆積プロセス中に、適切な堆積前駆体ガスを遠隔プラズマシステム２２６内に流す。一実施形態では、遠隔プラズマシステム２２６は、ＭＯＣＶＤチャンバ１０２の内部を洗浄する目的で、処理体積２０８に活性塩素種を送給するために使用される。

さらに、ＭＯＣＶＤチャンバ１０２の壁、および排気経路など周囲の構造の温度は、チャンバ１０２の壁内のチャネル（図示せず）を通して熱交換液体を循環させることによって制御することができる。望まれる効果に応じて、熱交換液体を使用してチャンバ本体２０２を加熱または冷却することができる。例えば、高温液体は、熱的堆積プロセス中に平らな熱勾配を保つ助けとなることがあり、一方、冷却液体は、インサイチュプラズマプロセス中にシステムから熱を除去するため、またはチャンバの壁での堆積生成物の形成を制限するために使用することができる。「熱交換器」による加熱とも呼ばれるこの加熱は、有益には、望ましくない反応生成物の凝縮を減少させ、またはなくし、プロセスガスの揮発性生成物および他の汚染物質の除去を改良する。そのような汚染物質は、冷却真空通路の壁で凝縮して、ガスの流れがない期間中に処理チャンバ内に移行して戻る場合に、プロセスを汚染することがある。

一実施形態では、処理中、第１の前駆体ガスが、第１の処理ガスマニホールド２０４Ａからシャワーヘッド２０４内に流れ、第２の前駆体ガスが、シャワーヘッド２０４に形成された第２の処理ガスマニホールド２０４Ｂから基板２４０の表面に向けて流れる。上述したように、第１の前駆体ガスおよび／または第２の前駆体ガスは、１つまたは複数の前駆体ガスまたはプロセスガスを含むことがあり、さらに、前駆体ガスと混合することができるキャリアガスおよびドーパントガスを含むことがある。排気ポート２０９からの引き出しによってガス流に影響を及ぼすことができ、それにより、プロセスガスは、基板２４０に対して実質的に接線方向に流れ、基板堆積表面をわたって層流で半径方向に均一に分散することができる。一実施形態では、処理体積２０８は、約７６０Ｔｏｒｒ〜約８０Ｔｏｒｒの圧力で保つことができる。

図６は、別の実施形態によるシャワーヘッド２０４の概略断面図である。図６に示される実施形態の特徴の多くは、図２および図３に図示して説明したものと同じであり、ここでさらには述べない。図６に示されるように、シャワーヘッド２０４は、単一の第１の処理ガスマニホールド２０４Ａではなく、第１の内側処理ガスマニホールド６０１Ａと、第１の内側処理ガスマニホールド６０１Ａに外接し、環状壁６０２によって隔てられた第１の外側処理ガスマニホールド６０１Ｂとを有する。第１の内側処理ガスマニホールド６０１Ａは、第１の内側ガス入口６０３Ａの内部に配設されたガス分散デバイス２５５を介して化学物質送給モジュール２０３に結合される。第１の外側処理ガスマニホールド６０１Ｂは、第１の外側ガス入口６０３Ｂの内部に配設されたガス分散デバイス２５５を介して化学物質送給モジュール２０３に結合される。化学物質送給モジュール２０３は、第１の内側処理ガスマニホールド６０１Ａと第１の外側処理ガスマニホールド６０１Ｂに同じまたは異なるガス混合物を送給するように構成することができる。一実施形態では、同じ処理ガスが、異なる流量および／または圧力で、第１の内側処理ガスマニホールド６０１Ａと第１の外側処理ガスマニホールド６０１Ｂに送給される。

図６に示されるシャワーヘッド２０４は、さらに、第２の内側処理ガスマニホールド６０４Ａと、第２の内側処理ガスマニホールド６０４Ａに外接し、環状壁６０５によって隔てられた第２の外側処理ガスマニホールド６０４Ｂとを含む。第２の内側処理ガスマニホールド６０４Ａは、内側ガス入口６０６Ａを介して化学物質送給モジュール２０３に結合される。第２の外側処理ガスマニホールド６０４Ｂは、外側ガス入口６０６Ｂを介して化学物質送給モジュール２０３に結合される。化学物質送給モジュール２０３は、第２の内側処理ガスマニホールド６０４Ａと第２の外側処理ガスマニホールド６０４Ｂに同じまたは異なるガス混合物を送給するように構成することができる。一実施形態では、同じ処理ガスが、異なる流量および／または圧力で、第２の内側処理ガスマニホールド６０４Ａと第２の外側処理ガスマニホールド６０４Ｂに送給される。

処理中、ガス分散デバイス２５５のアレイの使用により、有機金属前駆体など第１の処理ガス混合物を第１の内側処理ガスマニホールド６０１Ａ内に均一に送給することができる。一例では、図７に示されるように、ガス分散デバイス２５５のアレイは、半径方向に位置決めされた３つのガス分散デバイス２５５を含み、ガス分散デバイス２５５は、シャワーヘッドアセンブリ２０１の中心の周りに同心状に位置決めされる。ガス分散デバイス２５５は、複数のガス導管２５６によって相互に流体接続され、これらのガス導管２５６はすべて化学物質送給モジュール２０３に接続されている。ガス分散デバイス２５５のアレイの使用により、同じまたは異なる第１の処理ガス混合物を第１の外側処理ガスマニホールド６０１Ｂ内に均一に送給することができる。図７に示される例では、ガス分散デバイス２５５のアレイは、半径方向に位置決めされた３つのガス分散デバイス２５５を含み、ガス分散デバイス２５５は、シャワーヘッドアセンブリ２０１の中心の周りに同心状に位置決めされる。ガス分散デバイス２５５は、複数のガス導管４５６およびリングマニホールド４５７を介して化学物質送給モジュール２０３に相互に流体接続される。

化学物質送給モジュール２０３内部の前駆体ガス流量制御デバイス（図示せず）は、ガス分散デバイス２５５を通して、第１の内側マニホールド６０１Ａと第１の外側マニホールド６０１Ｂに同じまたは異なるガス流を提供するように構成される。流量制御デバイスは、内側マニホールド６０１Ａと外側マニホールド６０１Ｂに送給される前駆体ガスの流量および／または圧力をそれぞれ調節することができる個別の流量制御装置を含むことがある。一構成では、前駆体ガス流量制御デバイスは、少なくとも２つの質量流量制御装置（図示せず）を備える。

第１の処理ガス混合物は、第１の内側処理ガスマニホールド６０１Ａから、複数の第１の内側ガス導管６４６Ａを介して、第２の内側処理ガスマニホールド６０４Ａおよび温度制御マニホールド２０４Ｃを通して処理体積２０８内に送給することができる。同じガス混合物を、異なる流量および／または圧力で、第１の外側処理ガスマニホールド６０１Ｂから、複数の第２の内側ガス導管６４６Ｂを介して、第２の外側ガスマニホールド６０４Ｂおよび温度制御マニホールド２０４Ｃを通して処理体積内に送給することができる。第１の内側ガス導管６４６Ａと第２の内側ガス導管６４６Ｂは、シャワーヘッド２０４の第１の水平壁２７６、第２の水平壁２７７、および第３の水平壁２７８を貫通して設けられた位置決め穴の内部に位置された円筒形管でよい。第１の内側ガス導管６４５Ａおよび第２の内側ガス導管６４５Ｂは、ろう付けなど適切な手段によってシャワーヘッド２０４の第１の水平壁２７６に取り付けることができる。

窒素前駆体など第２の処理ガス混合物は、第２の内側処理ガスマニホールド６０４Ａから、複数の第１の外側ガス導管６４５Ａを介して、温度制御マニホールド２０４Ｃを通して処理体積２０８内に送給することができる。同じガス混合物を、異なる流量および／または圧力で、第２の外側処理ガスマニホールド６０４Ｂから、複数の第２の外側ガス導管６４５Ｂを介して 、温度制御チャネル２０４Ｃを通して処理体積２０８内に送給することができる。第１の外側導管６４５Ａは、それぞれの第１の内側ガス導管６４６Ａの周りにそれぞれ同心状に位置された円筒形管でよく、第２の外側ガス導管６４５Ｂは、それぞれの第２の内側ガス導管６４６Ｂの周りにそれぞれ同心状に位置された円筒形管でよい。第１の外側ガス導管６４５Ａと第２の外側ガス導管６４５Ｂは、シャワーヘッド２０４の第２の水平壁２７７および第３の水平壁２７８を貫通して設けられた整合穴の内部に位置される。第１の外側ガス導管６４６Ａおよび第２の外側ガス導管６４６Ｂは、ろう付けなど適切な手段によってシャワーヘッド２０４の第２の水平壁２７７に取り付けることができる。

要約すると、本発明の実施形態は、処理体積に入る前に処理ガスを混合させることなく個々の処理ガスをチャンバの処理体積内に送給するための個別の入口およびマニホールドを有するシャワーヘッドアセンブリを含む。シャワーヘッドは、複数のガス入口の内部に配設された複数のガス分散デバイスを含み、処理ガスの１つをマニホールド内に注入し、かつ処理ガスをマニホールドにわたって分散させて、チャンバの処理体積内に均一に送給する。各ガス分散デバイスは、好ましくは、マニホールド内部での処理ガスの再循環を最小限にしながら、各ガス分散デバイスを通って流れる処理ガスを均等に分散させるように構成されたノズルを有する。その結果、処理チャンバの処理体積内に位置決めされた複数の基板上で、改良された堆積の均一性が実現される。

前述したことは本発明のいくつかの実施形態を対象とするが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく本発明の他の実施形態およびさらなる実施形態を開発することができ、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって決定される。例えば、シャワーヘッドアセンブリ２０１のいくつかの実施形態は、マニホールド２０４Ｂおよび／またはマニホールド２０４Ｃを有さない。

Claims (15)

1. 内部に第１のガスマニホールドが設けられたシャワーヘッドと、
   前記シャワーヘッドを貫通して延在し、前記シャワーヘッドの出口表面に前記第１のガスマニホールドを流体結合する複数の第１のガス導管と、
   各々の内部に環状オリフィスが形成された複数のガス分散デバイスであって、前記環状オリフィスが、前記第１のガスマニホールドと流体連絡し、ガス源に結合されるように構成されている複数のガス分散デバイスと
   を備えたシャワーヘッドアセンブリ。
2. 前記シャワーヘッドを貫通して設けられた中央導管をさらに備えており、前記複数のガス分散デバイスが前記中央導管の周りに同心状に位置決めされている、請求項１に記載のアセンブリ。
3. 各ガス分散デバイスが、中央部分に取り付けられた円筒体部分を備えていることにより、環状ガス通路が、前記ガス分散デバイスを通して形成されて、前記環状オリフィスに結合される、請求項１に記載のアセンブリ。
4. 前記中央部分が、前記第１の処理ガスマニホールド内に延在する切頭円錐形部分と、第１の処理ガスマニホールドの内部で前記切頭円錐形部分から延在する分散部分とを含んでいる、請求項３に記載のアセンブリ。
5. 前記分散部分が、円板形状の部材であり、前記環状ガス通路を通って流れるガスが前記環状オリフィスを均等に通って分散されるように前記円筒体部分に対して位置決めされている、請求項４に記載のアセンブリ。
6. 前記シャワーヘッド内に設けられて、前記第１のガスマニホールドから隔離されている第２のガスマニホールド、及び前記シャワーヘッド内に形成されて、前記第１および第２のガスマニホールドから隔離されている温度制御マニホールドと、
   前記温度制御マニホールドを貫通して延在し、前記第２のガスマニホールドを前記シャワーヘッドの前記出口表面に流体結合する複数の第２のガス導管であって、前記第１のガス導管が前記温度制御マニホールドを貫通して延在する複数の第２のガス導管と
   をさらに備えている、請求項１に記載のアセンブリ。
7. 前記シャワーヘッド内で前記第１のガスマニホールドの周りに同心状に設けられて、第２の複数のガス分散デバイスと流体連絡する第３のガスマニホールドと、
   前記温度制御マニホールドを貫通して延在し、前記第３のガスマニホールドを前記シャワーヘッドの前記出口表面に流体結合する複数の第３のガス導管と、
   前記シャワーヘッド内で、前記第２のガスマニホールドの周りに同心状に設けられた第４のガスマニホールドと、
   前記温度制御マニホールドを貫通して延在し、前記第４のガスマニホールドを前記シャワーヘッドの前記出口表面に流体結合する複数の第４のガス導管と
   をさらに備えている、請求項６に記載のアセンブリ。
8. チャンバ本体と、
   基板支持体と、
   シャワーヘッドアセンブリと
   を備えた基板処理装置であって、処理体積が、前記チャンバ本体と、前記基板支持体と、前記シャワーヘッドアセンブリとによって画定されており、前記シャワーヘッドアセンブリが、
   内部に第１のガスマニホールドが形成されたシャワーヘッドと、
   前記シャワーヘッドを貫通して延在し、前記第１のガスマニホールドを前記処理体積に流体結合する複数の第１のガス導管と、
   前記第１のガスマニホールドに流体連絡する環状オリフィスをそれぞれが有する複数のガス分散デバイスと
   を備えており、前記複数のガス分散デバイスが単一のガス源に結合されるように構成されている、基板処理装置。
9. 前記シャワーヘッドアセンブリが、前記シャワーヘッドを貫通して設けられて、前記第１のガスマニホールドを貫通して延在している中央導管をさらに備えており、前記複数のガス分散デバイスが前記中央導管の周りに同心状に位置決めされている、請求項８に記載の装置。
10. 内部に設けられて、前記第１のガスマニホールドから隔離されている第２のガスマニホールドと、
    前記第２のガスマニホールドを前記処理体積に流体結合する複数の第２のガス導管と
    をさらに備えており、前記複数の第１のガス導管が前記第２のガスマニホールドを貫通して延在している、請求項９に記載の装置。
11. 前記シャワーヘッド内で前記第１のガスマニホールドの周りに同心状に設けられて、第２の複数のガス分散デバイスと流体連絡する第３のガスマニホールドと、
    前記温度制御マニホールドを貫通して延在し、前記第３のガスマニホールドを前記シャワーヘッドの前記出口表面に流体結合する複数の第３のガス導管と、
    前記シャワーヘッド内で前記第２のガスマニホールドの周りに同心状に設けられた第４のガスマニホールドと、
    前記温度制御マニホールドを貫通して延在し、前記第４のガスマニホールドを前記シャワーヘッドの前記出口表面に流体結合する複数の第４のガス導管と
    をさらに備えている、請求項１０に記載の装置。
12. 基板を処理する方法であって、
    シャワーヘッドに形成された第１のガスマニホールドに流体結合された環状オリフィスをそれぞれが有する複数のガス分散デバイスを通して、処理チャンバの処理体積内に第１のガスを導入するステップであって、前記第１のガスが、前記第１のガスマニホールドから複数の第１のガス導管を通して前記処理体積内に送給されるステップと、
    前記シャワーヘッドに形成された第２のガスマニホールドを通して前記処理チャンバの前記処理体積内に第２のガスを導入するステップであって、前記第２のガスが、前記第２のガスマニホールドから複数の第２のガス導管を通して前記処理体積内に送給され、前記第１のガスマニホールドが前記第２のガスマニホールドから隔離されるステップと、
    前記シャワーへッドアセンブリに設けられた温度制御マニホールドを通して熱交換流体を流すことによって前記シャワーヘッドアセンブリを冷却するステップであって、前記複数の第１および第２のガス導管が前記温度制御マニホールドを貫通して設けられるステップと
    を含む方法。
13. 各ガス分散デバイスが、中央部分に取り付けられた円筒体部分を備えていることにより、環状ガス通路が、前記ガス分散デバイスを通して形成され、前記環状オリフィスに結合される、請求項１２に記載の方法。
14. 前記中央部分が、前記第１の処理ガスマニホールド内に延在する切頭円錐形部分と、第１の処理ガスマニホールドの内部で前記切頭円錐形部分から延在する分散部分とを含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記第１のガスが有機金属前駆体であり、前記第２のガスが窒素含有ガスである、請求項１２に記載の方法。

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