JP2013541848A - 二重デリバリチャンバ設計 - Google Patents

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Abstract

基板処理システムは、処理チャンバに隣接する熱プロセッサまたはプラズマ発生装置を含む。第１の処理ガスは熱プロセッサまたはプラズマ発生装置に入る。次に、第１の処理ガスは、シャワーヘッドを直接通って処理チャンバに流れ込む。第２の処理ガスは、シャワーヘッドを通る第２の流路を通って流れる。第１および第２の処理ガスは、シャワーヘッドより下で混合され、材料の層がシャワーヘッドの下の基板に堆積される。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、「Ｄｕａｌ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ Ｃｈａｍｂｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ」という名称で、２０１０年１０月２０日に出願された米国特許出願第１２／９０８，６１７号の一部継続出願であり、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は半導体ウエハ処理システムに関し、より詳細には、半導体ウエハ処理システムの反応チャンバに少なくとも２つのプロセスガスを供給するためのガス分配シャワーヘッドに関する。
半導体ウエハ処理システムは、一般に、処理領域に隣接してチャンバ内で半導体ウエハを支持するためのペデスタルを有するプロセスチャンバを含む。チャンバは、プロセス領域を部分的に画定する真空エンクロージャを形成する。ガス分配アセンブリまたはシャワーヘッドは１つまたは複数のプロセスガスをプロセス領域に供給する。ガスは、ＲＦエネルギーで加熱され、かつ／またはＲＦエネルギーを供給され、それにより、分子を解離させることができる。次に、プロセスガスを混合および使用して、ウエハにいくつかのプロセスを行うことができる。これらのプロセスは、ウエハ上に膜を堆積させるための化学気相堆積（ＣＶＤ）、またはウエハから材料を除去するエッチングを含むことができる。いくつかの実施形態では、プロセスガスにエネルギーを与えて、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）またはプラズマエッチングなどのウエハ上へのプロセスを行うことができるプラズマを形成することができる。
多数のガスを必要とするプロセスでは、ガスは、一般に、処理チャンバから離れ、かつ導管を介してシャワーヘッドに結合された混合チャンバ内で組み合わされる。次に、ガス状混合物は導管を通って分配プレートまで流れ、プレートは、ガス状混合物がプロセス領域に均等に分配されるように複数の孔を含む。ガス状混合物がプロセス領域に入るとき、エネルギーを与えられた粒子および／または中性ラジカルは材料の層をウエハにＣＶＤ反応で堆積させる。
プロセス領域への放出の前にガスを混合して、ガスがプロセス領域に均一に確実に分配されるのは一般に有利であるが、ガスは還元を始めるか、またはさもなければ混合チャンバ内で反応する傾向がある。その結果、ガス状混合物がプロセス領域に達する前に、混合チャンバ、導管、および他のチャンバ構成要素への堆積またはエッチングが生じることがある。さらに、反応副生成物がチャンバガスデリバリ構成要素に蓄積することがある。ガスが分配プレートを出てプロセス領域に入るまで、ガスを別個の通路に維持する目的で、ガスが分配プレートを出てプロセス領域に入るまで、いくつかのシャワーヘッドが２つのガスを別個の通路に維持する。別個の通路を使用することによって、ガスは、ウエハの近くのプロセス領域に達するまで互いに混合または反応しない。
いくつかの用途では、前駆体ガスのうちの１つは除去処理チャンバ中で生成される中性ラジカルとすることができる。中性ラジカルは、遠隔の熱処理チャンバまたはプラズマ処理チャンバで生成することができる。中性ラジカルは、遠隔チャンバから導管を通ってシャワーヘッドまで流れ、さらにシャワーヘッドの第１の組の分配出口を通ってウエハ基板の上の処理チャンバに流れ込むことができる。同時に、第２の前駆体ガスは、供給源からシャワーヘッドの第２の組の出口を通って流れることができる。次に、中性ラジカルは第２の前駆体ガスと混合し、基板上で所望の化学反応を行うことができる。遠隔プラズマ源に関する問題は、中性ラジカルの、８０％である場合もある大きい割合が、ウエハ処理チャンバに達する前に再結合されることである。
他の実施形態では、遠隔プラズマ源を使用することができる。プラズマガスは導管を通ってシャワーヘッドまで流れることができる。プラズマは、シャワーヘッドの第１の組の出口を通ってウエハ基板の上の処理チャンバに流れ込むことができる。同時に、第２の前駆体ガスは、やはり、シャワーヘッドの第２の組の出口を通って流れることができる。次に、プラズマは前駆体ガスと混合し、基板上で所望の化学反応を行うことができる。再び、遠隔プラズマ源に関する問題は、プラズマによって生成された荷電化学種の大きい割合が、ウエハ処理チャンバに達する前に再結合されることである。
したがって、当技術分野では、非常に高い割合の中性ラジカルまたはプラズマを基板に供給することができ、プロセス領域に達する前にガスを混合することなく少なくとも２つのガスをプロセス領域内に運搬するシステムへの必要性がある。
本発明は、ＣＶＤ処理チャンバに直接隣接するアンテチャンバを含むＣＶＤ処理チャンバを対象とする。アンテチャンバは、プロセスガスがＣＶＤ処理チャンバに入る前にプロセスガスへの処理を行うことができる。一実施形態では、アンテチャンバは、様々な異なるプロセスを行うように構成することができるモジュール構造である。アンテチャンバは、ヒータを含むことができる熱処理チャンバとすることができる。ヒータは、前駆体ガスへの熱処理を行うことができる。例えば、前駆体ガスはアンテチャンバに入ることができ、熱解離がプロセスガスに行われて、荷電化学種および中性ラジカルを生成することができる。次に、中性ラジカルは、シャワーヘッドを通って基板処理チャンバに流れ込むことができる。
他の実施形態では、アンテチャンバはプラズマ発生装置を含むことができる。容量結合、誘導結合、光学、または任意の他の好適なタイプのプラズマ発生装置を含む様々なタイプのプラズマ発生装置を使用することができる。プラズマ発生装置はシャワーヘッドの直上にあり、基板およびペデスタルを含む処理チャンバはシャワーヘッドの直下にあるので、荷電化学種の損失が最小にされる。
一実施形態では、プラズマ発生装置は前駆体ガスマニホルド、ガスボックス、ブロッカプレート、およびスペーサリングを含むことができる。マニホルドはガスボックスの上に取り付けることができ、ブロッカプレートはガスボックスの下に取り付けることができる。プラズマ発生装置チャンバは、ブロッカプレートの下部表面、シャワーヘッドの上部表面、およびスペーサリングの内径によって画定することができる。ブロッカプレートおよびシャワーヘッドの上部表面は電極として機能する。ＲＦ電源はブロッカプレートに結合され、面板は接地される。
一実施形態では、シャワーヘッドは、２つの処理ガス用の別個の流路を含む。第１の流路は、シャワーヘッドを垂直に通ってプラズマ発生装置から処理チャンバにおける第１のアレイの出口孔まで延びる第１のアレイの入口孔を含むことができる。シャワーヘッドを通る第２の流路は第２の組の入口と第２の流路とを含み、それらは、シャワーヘッドを水平に通って第２のアレイの垂直出口孔まで第２の処理ガスを誘導して処理チャンバに入れることができる。第１のアレイの出口孔は、第２のアレイの出口孔と混在することができ、その結果、第１および第２の処理ガスがシャワーヘッドを通って流れた後、それらは、ペデスタルに取り付けた基板と接触する前に処理チャンバの最上部で混合される。
シャワーヘッドの直上のプラズマ発生装置の構成は、処理チャンバに入る反応性ガスであって、中性ラジカルまたは荷電粒子とすることができる反応性ガスの割合を改善する。したがって、遠隔のプラズマ源と比べると、中性ラジカルまたは荷電粒子の非常により高い割合が処理チャンバに入る。システムの効率が大幅に増強されるので、所要のウエハ処理を行うのに極めてよりわずかな中性ラジカルまたは荷電粒子しか生成する必要がない。
異なる実施形態では、プラズマ発生装置は、処理チャンバの用途に応じて異なるスペーサリングで構成することができる。例えば、スペーサリングは、使用される材料に応じて熱伝導体および／またはＲＦ隔離体として働くことができる。これらの異なる構成は、処理チャンバによって行われるプロセスに依存することができる。
ガスボックスは熱的加熱ユニットを含むことができる。一実施形態では、ガスボックスはガスボックスヒータを使用して１６０℃に加熱することができる。この熱は、スペーサ材料に応じて面板から隔離するか、または面板に移送することができる。熱隔離が望ましい場合、スペーサリングは、アルミナなどの熱絶縁性セラミックで製作することができる。逆に、熱は、アルミニウムまたはステンレス鋼などの熱伝導性材料で製作されたスペーサリングを使用することによって面板に移送される必要がある。
別の実施形態では、スペーサリングはヒータを含むことができる。ヒータリングは、リングに埋め込まれる加熱要素を含むことができる。リングによって生成された熱を調節することができるように温度センサをヒータに結合することもできる。加熱要素は面板を約２００℃以上に加熱することができる。
本発明の処理システムは、基板が１００℃未満に保たれる基板の「冷熱」処理に使用することができる。冷たい処理温度では基板の熱損傷が防止される。プロセッサは、ＲＦエネルギーを基板から離しておくことによって基板を冷たく保つことができる。ＲＦエネルギーは面板によって基板から隔離される。温度制御ペデスタルは、２００９年１２月１８日に出願された米国特許出願第１２／６４１，８１９号のＭｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｈｅａｔｅｒ／Ｃｈｉｌｌｅｒ Ｐｅｄｅｓｔａｌ Ｆｏｒ Ｗｉｄｅ Ｒａｎｇｅ Ｗａｆｅｒ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌに開示されており、参照により本明細書に組み込まれる。
処理チャンバは広範な処理条件で動作することができる。前駆体および酸化剤の流量は、約１０から４０標準リットル毎分（ＳＬＭ）の間とすることができる。温度範囲は、約３０℃から２００℃の間とすることができる。圧力範囲は、約２から１００トルとすることができる。
これらの動作条件は、特に、いくつかの低温処理ステップに適することができる。例えば、低温ＳｉＯライナをパターン化済みフォトレジスト層に堆積させることができる。堆積温度はフォトレジスト材料への損傷を避けるために非常に低くなければならない。この用途では、温度は１００℃未満とすることができる。これらの実施形態では、ペデスタルおよび基板処理温度を約５０℃〜１００℃の間に維持するために冷却流体をペデスタルに通すことができる。
他の実施形態では、処理チャンバは熱および／またはプラズマ処理に使用することができる。ペデスタルは、基板と、処理チャンバ内で熱反応を引き起こすことができる処理チャンバとを加熱するヒータを含むことができる。プラズマモードでは、シャワーヘッドは、誘電性隔離体によってペデスタルから電気的に分離される。処理チャンバ内にプラズマを発生させるために、ＲＦ電力がペデスタルとシャワーヘッドとの間に印加される。
処理システムの断面図である。 処理ガス流が示された処理システムの断面図である。 シャワーヘッドの上部ガス分配プレートの断面図である。 シャワーヘッドの上部ガス分配プレートの上面図である。 シャワーヘッドの下部ガス分配プレートの断面図である。 シャワーヘッドの下部ガス分配プレートの上面図である。 ヒータによって生成された熱を制御するため制御システムを示す図である。 スペーサリングによって阻止された熱流路を示す図である。 スペーサリングを通る熱流路を示す図である。 スペーサリング中のヒータからの熱流路を示す図である。 シャワーヘッドの出口孔の実施形態を示す図である。
本開示は、化学気相堆積（ＣＶＤ）で使用されるモジュール式前駆体ガス処理システムに関する。図１を参照すると、ＣＶＤ処理システム１０１の一実施形態の断面図が示される。プラズマ処理システム１０１は、アンテチャンバ１１１と、処理チャンバ１２１と、アンテチャンバ１１１を処理チャンバ１２１から分離するシャワーヘッド１０７とを含む。システム１０１は、マニホルド１０３、ガスボックス１１３、スペーサリング１１５、ブロッカプレート１１９、ペデスタル１１７、隔離体１２９、および本体１３１をさらに含む。
半導体ウエハなどの基板１０６は処理チャンバ１２１に隣接してペデスタル１１７上に維持される。ペデスタル１１７は、処理チャンバ１２１内で垂直に移動して、下げた位置にいる間にスリットバルブ（図示せず）を通して基板１０６を処理チャンバ１２１に挿入するか、またはそれから取り出すことができる位置までペデスタル１１７を下げるのを可能にすることができる。ペデスタル１１７が下げた位置にいるとき、新しい基板１０６がペデスタル１１７上に位置づけられ、プロセス位置に持ち上げられ、それにより、基板１０６はプロセス領域に隣接して配置される。
一実施形態では、ペデスタル１１７はヒータ１１８および／または冷却機構１２２を含むことができる。２００９年１２月１８日に出願されたＭｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｈｅａｔｅｒ／Ｃｈｉｌｌｅｒ Ｐｅｄｅｓｔａｌ Ｆｏｒ Ｗｉｄｅ Ｒａｎｇｅ Ｗａｆｅｒ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌという米国特許出願第１２／６４１，８１９号は参照により本明細書に組み込まれ、ヒータ１１８および冷却機構１２２を含むペデスタルの実施形態に関する追加の詳細を開示している。ヒータ１１８および冷却機構１２２を使用して、任意の所望の温度に基板１０６を維持することができる。
プロセスガスはシャワーヘッド１０７を通して供給される。本発明の好ましい実施形態では、複数のガスを使用して基板１０６を処理する。これらのガスは、ウエハを処理するのに必要とされるガス状混合物を形成する、すなわち、ウエハ上に堆積物を形成するか、または基板１０６を化学的にエッチングする。一実施形態では、シャワーヘッド１０７の底面と基板１０６の上部表面との間の距離は約０．２〜２．０インチ（０．５１〜５．１センチメートル）とすることができる。この距離はプロセスガスの混合を最適化するように調整することができる。処理チャンバ１２１は、熱プロセッサとして、またはプラズマチャンバとして機能するように構成することができる。熱処理モードでは、隔離体１２９は、金属材料などの導電性でもある熱伝導性材料で製作することができる。プラズマチャンバ構成では、隔離体１２９は、シャワーヘッド１０７をペデスタル１１７から電気的に分離する誘電性材料で製作することができる。電源１２４からのＲＦ電力は、導電性本体１３１に結合することができるペデスタル１１８とシャワーヘッド１０７との間に印加することができる。例えば、ＲＦ電源はシャワーヘッド１０７に結合することができ、ペデスタル１１８は接地することができる。電界は、処理チャンバ１２１内のガスにエネルギーを与えてプラズマにすることができる。
アンテチャンバ１１１は、様々なプロセスを行うように構成することができるモジュール構造とすることができる。一実施形態では、アンテチャンバ１１１は熱処理ユニットとすることができる。他の実施形態では、アンテチャンバ１１１はプラズマ発生装置とすることができる。アンテチャンバ１１１設計をモジュールとすることができるので、アンテチャンバ１１１は、ユーザによる必要に応じて異なる機能を行うように取外しおよび取替えを行うことができる。
一実施形態では、アンテチャンバ１１１は、１つまたは複数のヒータ３０３、３０４を含む熱処理ユニットである。いくつかの前駆体ガスは、加熱されると、解離して、基板を処理するのに使用することができる中性ラジカルを生成することができる。加熱温度はプロセスガスの解離温度によって決めることができる。一実施形態では、熱処理ユニットは、約５５０℃から６００℃以上まで加熱することができる。他の実施形態では、様々な他のプロセスをアンテチャンバで行って中性ラジカルを生成することができる。例えば、アンテチャンバは、前駆体ガスを解離させるために使用される光エネルギー源を含むことができる。前駆体ガスがオゾンである場合、オゾンを１８５ｎｍまたは２５４ｎｍの波長の光にさらすと、酸素ラジカルの生成をもたらすことができる。
別の実施形態では、アンテチャンバ１１１は、各々電極として機能するブロッカプレート１１９の底面とシャワーヘッド１０７の上部表面とに容量的に結合することができるプラズマ発生装置を含む。ブロッカプレート１１９はＲＦ電源に結合することができ、シャワーヘッド１０７は電気的に接地することができる。プラズマ発生装置アンテチャンバ１１１の体積部はスペーサリング１１５で囲まれる。スペーサリング１１５は、この実施形態では、ブロッカプレート１０９をシャワーヘッド１０７から分離するので、スペーサリング１１５は電気的に絶縁性である。他の実施形態では、アンテチャンバ１１１は、誘導コイル１１２または任意の他の好適なエネルギー源を含めて、プラズマを生成するための他のタイプのエネルギー源を含むことができる。
動作の間、第１の処理ガスは、マニホルド１０３を通ってブロッカプレート１１９の上の体積部に流れ込むことができる。第１の処理ガスはアンテチャンバ１１１の幅の端から端までブロッカプレート１１９によって分配され、孔を通ってアンテチャンバ１１１に流れ込む。ＲＦ電力は、ブロッカプレート１１９とシャワーヘッド１０７との間にＡＣ電界を生成する。第１のプロセスガスの原子はイオン化され、電子を放出し、電子はＲＦ界によって加速される。電子は、さらに、衝突によって直接または間接的に第１のプロセスガスをイオン化し、二次電子を生成することができる。電界は電子雪崩を発生させ、豊富な自由電子により導電性プラズマを生成することができる。
図２を参照すると、基板処理システム１０１の断面図が示され、第１の処理ガス２０１および第２のプロセスガス２０２の流路が示される。第１の処理ガス２０１は、マニホルド１０３を通り、ガスボックス１１３を垂直に通り、ブロッカプレート１１９まで流れ、ブロッカプレート１１９は第１のプロセスガス２０１を分配する。第１のプロセスガス２０１は、ブロッカプレート１１９を通ってアンテチャンバ１１１に流れ込む。一実施形態では、熱処理を第１のプロセスガス２０１に行い、イオンおよび中性ラジカル２０９が生成される。中性ラジカル２０９は、シャワーヘッド１０７の垂直孔２５５を通って処理チャンバ１２１に流れ込む。
第２の処理ガス２０２は、マニホルド１０３およびガスボックス１１３を通って流れることができる。次に、第２の処理ガス２０２は、スペーサリング１１５を通ってシャワーヘッド１０７まで流れることができる。第２の処理ガス２０２は外径の近くの多数の場所でシャワーヘッド１０７に入り、シャワーヘッド１０７を水平に通り、中性ラジカル２０９の流路から分離された流路を通って流れる。したがって、シャワーヘッド１０７内で、中性ラジカル２０９と第２の処理ガス２０２との間に接触はない。第２のプロセスガス２０２は底面のアレイの孔２５５を通ってシャワーヘッド１０７を出ていき、中性ラジカル２０９は第２のプロセスガス２０２と混合する。混合されたプロセスガス２０２、２０９の反応により、ペデスタル１１７に配置された基板１０６に材料の層を堆積させることができる。熱プロセッサが処理チャンバ１２１の極めて近くにあるので、中性ラジカル２０９は、処理チャンバに達する前にはほとんど失われない。
図３を参照すると、一実施形態では、アンテチャンバ１１１はプラズマ発生装置を含む。この実施形態では、第１の処理ガスはエネルギーを与えられてプラズマ２０３になる。プラズマによって生成された荷電化学種２１０は、シャワーヘッド１０７の垂直孔２５５を通って処理チャンバ１２１まで流れることができ、荷電化学種２１０は第２の処理ガス２０２と混合される。荷電化学種２１０と第２の処理ガスとの反応は、基板１０６への材料の層の堆積を引き起こすことができる。一実施形態では、プラズマ発生装置は容量的に結合することができ、ブロッカプレート１１９とシャワーヘッド１０７との間に生成される電界を発生させることができる。他の実施形態では、プラズマ発生装置は誘導的に結合することができ、スペーサリング１１５に誘導コイル１１４を含むことができる。
一実施形態では、垂直孔２５５は、５：１を超える「長さ対幅アスペクト比」を有することができる。孔２５５は幅よりも非常に長いので、プラズマ２０３はこれらの孔２５５を通り抜けることができない。例えば、長さ対幅比は約５：１を超えることがある。したがって、第１のプロセスガスの荷電化学種２０９は処理チャンバ１２１に入り、基板１０６は、Ｏ、Ｏ２、Ｃｌ、またはＯＨプラズマなどのプラズマまたは活性ラジカルにさらされないことになる。処理チャンバのこの特徴は、アンテチャンバ１１１がプラズマ発生装置であるいくつかの処理方法に適用可能とすることができる。他の実施形態では、孔２５５の長さ対幅アスペクト比は５未満とすることができる。
プラズマ発生装置アンテチャンバ１１１は処理チャンバ１２１の極めて近くに位置づけられるので、遠隔プラズマ源によるよりもはるかに多くの荷電化学種２０９が処理チャンバ１２１に達する。処理チャンバ１２１に達する荷電化学種２０９の割合は８０％を超えることができる。対照的に、遠隔プラズマ源によって生成されたプラズマのわずか２０％が脱イオン化される前に処理チャンバに達すると見積もられる。したがって、プラズマ処理システム１０１は遠隔プラズマ処理システムよりも効率的である。
第１の処理ガス２０１からの荷電化学種２０９に加えて、基板１０６は、さらに、第２のプロセスガス２０２により処理される。一実施形態では、第２の処理ガス２０２は、面板１０７に入る前にマニホルド１０３およびスペーサリング１１５を通って流れる。図面はスペーサリング１１５を通して形成された２つの孔を示しているが、いくつかの追加の孔をスペーサリング１１５のまわりに均等に間隔をおいて配置することができる。一実施形態では、第２の処理ガス２０２は脱イオン化のままとすることができる。イオン化を避けるために、スペーサリング１１５を通る孔の設計は、ＲＦスクラバーとして働き、第１の処理ガスのイオン化を防止する高いアスペクト比を有することができる。一実施形態では、第２の処理ガス２０２用のスペーサリング１１５を通る孔は、５：１以上のアスペクト比を有することができる。これらの孔は直径を約０．０２０インチ（０．５０８ミリメートル）から１．２０インチ（３．０４８センチメートル）の間とすることができ、孔の長さは約０．１００インチ（２．５４ミリメートル）から６．００インチ（１５．２４センチメートル）にわたることができる。他の実施形態では、スペーサリング１１５を通る孔のアスペクト比は５：１未満とすることができる。
第２のプロセスガス２０２は、スペーサリング１１５からシャワーヘッド１０７に流れ込む。第２の処理ガス２０２は、シャワーヘッド１０７の内部体積部を水平に通り、シャワーヘッド１０７の下部表面からアレイの孔を通って流れ、そこから第２の処理ガス２０２は処理チャンバ１２１に流れ込む。一実施形態では、シャワーヘッド１０７は、２つの処理ガスがシャワーヘッド１０７内で混合することなくシャワーヘッド１０７を通って流れることができる特別な設計を有する。シャワーヘッド１０７は２つの構成要素、すなわち、下部ガス分配プレート１４８と上部ガス分配プレート１５０とを含む。これらの２つのプレート１４８、１５０は、２つのプロセスガス２０２、２０１がプロセスチャンバ１２１に入るための２つの別個の通路を画定する様々なチャネルおよび孔を含む。
シャワーヘッド１０７の構成要素の例が図４〜７に示される。チャネルおよび孔を密閉して第１および第２のプロセスガスを隔離するために、下部ガス分配プレート１４８および上部ガス分配プレート１５０を互いに融着させて単一シャワーヘッド１０７を形成することができる。融着は、ろう付け、溶接、接着剤、または任意の他の好適な融着プロセスで行うことができる。他の実施形態では、下部ガス分配プレート１４８および上部ガス分配プレート１５０は一緒に結合させることができ、金属またはＯリングなどのシールを使用して、異なるガス流路を分離するようにシャワーヘッド１０７のチャネルおよび孔を密閉することができる。下部ガス分配プレート１４８および上部ガス分配プレート１５０は、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、および他の好適な材料を含む様々な異なる材料で製作することができる。
図４は、シャワーヘッドの下部ガス分配プレート１５０の一実施形態の断面図を示す。図５は、下部ガス分配プレート１５０の一実施形態の平面図を示す。図６は上部ガス分配プレート１４８の一実施形態の断面図を与え、図７は上部ガス分配プレート１４８の一実施形態の底面図を示す。上部ガス分配プレート１４８は、約１．６ｍｍの直径を有する複数の孔６０４を含み、ポスト６０５を通って延びる。これらの孔６０４は、下部ガス分配プレート１４８のボア２１０と位置合わせされる。下部ガス分配プレート１４８は、シャワーヘッド１０７の底部から外にポスト６０５の間のチャネル２０８から第２の処理ガスを分配するのに使用される複数の孔６６１をさらに含む。一実施形態では、上部ガス分配プレート１４８には約６００個から２０００個の孔があり、それらは第１のガス孔２０６および下部ガス分配プレート１４８の関連するカウンタボア２１０の配列に全く同じに一致する。下部ガス分配プレート１４８のチャネル２０８にガスを供給するガス分配孔６０６は、各々が約０．１２５インチ（０．３１８センチメートル）から０．３７５インチ（０．９５３センチメートル）の直径を有する８つの孔が存在するように上部ガス分配プレート１５０の周囲に配置される。
シャワーヘッド１０７を組み立てるために、下部分配プレート１４８および上部分配プレート１５０は一緒に融着することができる。一実施形態では、下部分配プレート１４８と上部分配プレート１５０とは互いにクランプされ、そのアセンブリは炉に入れられ、そこでガス分配プレート１４８、１５０は互いにロウ付けされる。他の実施形態では、エラストマまたは金属Ｏリングを使用して、面板１３０内にガスを保持するか、またはガスの分離を維持することができる。
底部プレート１４８と最上部プレート１５０とは、フランジ２０２とフランジ支持体６００との接合部で融着される。加えて、プレート１４８および１５０は、孔２０４および２０６の最上部に隣接する表面６０８で連結される。具体的には、フランジ２０２とフランジ支持体６００とを外側エッジ９０２で融着して、十分な密閉を形成し、ガスのすべてをシャワーヘッド内に維持する。さらに、上部ガス分配プレート１５０と下部ガス分配プレート１４８のフランジ２０２とは、下部ガス分配プレート１４８に形成されたガスチャネル２０８にガスを供給する円周方向プレナム９００を形成する。上部ガス分配プレート１５０は、第２のプロセスガスを下部ガス分配プレート１４８の孔２０４に分配するために均一な長方形断面チャネル２０８を形成するようにチャネル２０８の最上部を形成する。上部ガス分配プレート１５０の孔６０４は、下部ガス分配プレート１４８の穴２１０と位置合わせされ、それにより、第１のプロセスガスは、処理チャンバのプロセス領域に達するのを妨げられずに両方の分配プレート１４８および１５０を通過することができる。
他の実施形態では、他のシャワーヘッド構成が可能である。例えば、シャワーヘッドは平面の上部および下部プレートを有することができる。上部プレートは第１のプロセスガス用の孔を有することができ、下部プレートは第１のプロセスガスおよび第２のプロセスガス用の孔を有することができる。図１〜６に示したように、第１のプロセスガス用の孔は、下部プレートの最上部に接触する上部プレートのカラムを通って延びる。他の実施形態では、シャワーヘッドの上部表面と下部表面との間のカラムは、中性ラジカルまたは荷電化学種の再結合を低減することができるセラミック、金属、または他の好適な材料などの異なる材料で製作することができる。
図１を参照すると、一実施形態では、基板処理システム１０１は処理ガスおよび基板を加熱するように構成することもできる。一実施形態では、ヒータ３０３はガスボックス１１３に結合される。第２のプロセスガス２０２がガスボックス１１３を通って流れるとき、ヒータ３０３はガスを加熱する。一実施形態では、ガスボックス１１３は、第２のプロセスガス２０２を約１２０℃から１８０℃、または任意の他の好適な温度まで加熱することができる。追加のヒータ３０４を、アンテチャンバ１１１のまわりのスペーサリング１１５に取り付けることができる。ヒータ３０４は、アンテチャンバ１１１を約１２０℃から１８０℃の温度、または任意の他の好適な温度まで加熱することができる。
ヒータ３０３、３０４、および１１８は、電気エネルギーを熱に変換し、伝導および対流によって熱を送出する電気抵抗ヒータとすることができる。ヒータ３０３、３０４、および１１８は電気抵抗器を含むことができ、電圧を抵抗器の両端に印加して熱を発生させることができる。一実施形態では、温度は、ヒータおよび温度センサに結合される１つまたは複数のコントローラで調節することができる。設定温度をコントローラに入力することができ、ヒータ３０３、３０４、および１１８への電力を調節して設定温度を維持することができる。温度センサは、ガスボックス１１３、アンテチャンバ１１１、およびペデスタル１１７などのヒータ３０３、３０４、および１１８のまわりの処理チャンバの実際の温度を検出することができる。検出された温度はコントローラに送出することができ、次に、コントローラはヒータ３０３、３０４、および１１８への電力を調整して所要の設定温度を維持することができる。ヒータ３０３、３０４、および１１８で使用される電力は、電力源によって供給される電力とすることができる。
一実施形態では、ヒータ３０３で生成された熱をガスボックス１１３のみに隔離し、熱がプラズマ処理システム１０１の他の構成要素に移送されないようにすることが望ましいことがある。ガスボックス１１３はスペーサリング１１５と直接接触することができるが、スペーサリング１１３が熱絶縁性材料で製作される場合、ガスボックスヒータ３０３の熱はシャワーヘッド１０７に移送されないことになる。図８を参照すると、他の実施形態では、スペーサリング１１５は熱絶縁性材料で製作することができる。ヒータ３０３は、ガスボックス１１３を約１２０℃から１８０℃の温度に加熱する。しかし、スペーサリング１１５の絶縁の性質により、熱３５０はガスボックス１１３からシャワーヘッド１０７に移送されるのを防止される。したがって、この構成では、シャワーヘッド１０７はガスボックス１１３よりも実質的に冷たくことができる。熱的隔離スペーサリング材料の例にはアルミナなどのセラミックスが含まれる。熱はヒータ３０３からガスボックス１１３およびスペーサリング１１５を通ってシャワーヘッド１０７に移送されるので、ガスボックス１１３は、一般に、シャワーヘッド１０７よりも熱いことになる。シャワーヘッドをガスボックスよりも冷たくしておくことによって、第２のプロセスガスは早すぎた分解をしないことができる。より具体的には、第２のプロセスガスは、より冷たいシャワーヘッドを通って流れ、元の状態で処理チャンバに入ることができる。次に、第２のプロセスガスは、第１のプロセスガスからの中性ラジカルまたは荷電化学種と反応することができる。この反応は、基板への材料層の化学気相堆積をもたらすことができる。
他の実施形態では、ヒータ３０３によって生成された熱がプラズマ処理システム１０１の他の部分に移送されることが望ましいことがある。図９を参照すると、スペーサリング１１５が熱伝導性材料で製作される場合、熱３５０はガスボックス１１３からスペーサリング１１５を通ってシャワーヘッド１０７に移送されることになる。熱伝導性の誘電体材料の例にはＡｌＮおよびグラファイトが含まれる。他の実施形態では、スペーサリング１１５は、良好な熱伝導率と良好な誘電体またはＲＦ隔離体特性とを有する他の材料で製作することができる。シャワーヘッドを加熱することによって、第２のプロセスガスは加熱することができ、それにより、第２のプロセスガスがシャワーヘッドを出る前に荷電化学種への分解がもたらされる。第２のプロセスガスイオンからの荷電化学種は、第１のプロセスガスからの中性ラジカルまたは荷電化学種と反応することができる。第１のプロセスガスのイオンと第２のプロセスガスのイオンとの間のこの反応は、基板への層の化学気相堆積をもたらすことができる。
別の実施形態では、図１０を参照すると、スペーサリング１１５は埋込み加熱要素１４５を含むことができる。ヒータ１４５によって生成された熱３５０は、ガスボックス１１３およびシャワーヘッド１０７の両方に移送され得る。ヒータ１４５はガスボックス１１３とシャワーヘッド１０７との間に位置するので、熱はこれらの構成要素により均等に分配することができる。一実施形態では、ヒータ１４５はスペーサリング１１５を約１８０℃から２２０℃に加熱することができる。図７を参照して上述したように、一実施形態では、ヒータ１４５はコントローラおよび温度センサに結合して、スペーサリング１１５を所望の温度設定で維持することができる。
さらなる別の実施形態では、スペーサリング１１５用の導電性材料を使用することが可能である。この実施形態では、ブロッカプレート１１９が面板１０７に短絡することになり、ブロッカプレート１１９と面板１０７との間に電界が存在できないので、プラズマ発生装置アンテチャンバ１１１は第１のプロセスガスにエネルギーを与えるのに使用されないことになる。しかし、ガスボックスヒータ３０３および／またはスペーサリングヒータ３０４によるプロセスガスの加熱は図８〜１０を参照して上述したように制御することができ、システムはプラズマのないＣＶＤ処理チャンバとして使用することができる。導電性で熱伝導性のスペーサリング材料の例にはアルミニウム、ステンレス鋼、および他の材料が含まれる。
ヒータおよび異なるスペーサリング材料の使用によって、プラズマ処理システム１０１は、第１および第２の処理ガスの必要な処理を行うための様々な異なる様式で構成することができる。処理システム１０１の構成は、行われることになる基板処理によって決めることができる。
例示の用途では、処理システムは２ステップの堆積プロセスで使用することができる。図１を参照すると、この用途では、処理チャンバのリッドスタック部分はアルミニウム合金６０６１で製作することができ、スペーサリング１１５は導電性とすることができ、その結果、アンテチャンバ１１１はプラズマ発生装置として機能しない。セラミック隔離体１２９をＲＦ隔離のためにシャワーヘッド１０７と本体１３１との間に配置することができ、その結果、シャワーヘッド１０７とペデスタル１１７との間に電荷を印加することができ、プラズマを処理チャンバ１２１に発生させることができる。第１のシーズニングステップでは、約２００〜１０００ｍｇ／ｍｉｎのＴＥＯＳおよび５〜１０ｓｌｍのＯ２が、アンテチャンバ１１１およびシャワーヘッド１０７のチャネルの両方を通って流れる。ＲＦ電力が、多数の電力および周波数で、シャワーヘッド１０７とペデスタル１１７との間に印加される。例えば、高周波ＲＦ電力の１０００ワットおよび低周波数電力の４００ワットを処理チャンバ１２１に印加することができる。ＴＥＯＳおよびＯ２は、処理チャンバ１２１をシーズニングするためにエネルギーが与えられてプラズマになることができる。
シーズニングの後、第２の主堆積ステップを行うことができる。処理チャンバ１２１を熱反応に使用することができるようにＲＦ電力は除去することができる。第１の処理ガスはヘリウムキャリア中のビス（ジエチルアミノ）シラン（ＢＤＥＡＳ）ＳｉＨ２（ＮＥｔ２）２とすることができ、ブロッカプレート１１９およびアンテチャンバ１１１を通って流れる。ＢＤＥＡＳ流量は約２０００ｍｇ／ｍｉｎとすることができる。第２のプロセスガスは、５重量％で約１０標準リットル毎分（ｓｌｍ）の流量を有するオゾンとすることができる。プロセスガスは、マニホルド１０３、ガスボックス１１３、アンテチャンバ１１１、およびシャワーヘッド１０７を通る別個のチャネルを通って流れることができる。次に、プロセスガスはシャワーヘッド１０７の下方で混合することができる。処理チャンバ１２１およびペデスタル１１７は、ＢＤＥＡＳとオゾンとの間で熱反応を引き起こす約５０〜１００℃の温度に維持することができる。熱反応により、基板１０６にＳｉＯの層を堆積させることができる。この例では、堆積均一性は１％未満とすることができる。
第２の例示の用途では、別の２ステップの堆積プロセスが説明される。第１のステップでは、処理システムは、主堆積ステップの酸化ケイ素層のプラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）に使用することができ、第２のステップでは、ＴＥＯＳキャップが酸化ケイ素層に堆積される。図１を参照すると、スペーサリング１１５は、アンテチャンバ１１１がプラズマ発生装置として機能することができるように誘電性材料で製作することができる。主ＳｉＯ堆積ステップでは、第１の処理ガスは、アンテチャンバ１１１チャンバへの５重量％で約１０標準リットル毎分（ｓｌｍ）の流量を有するオゾンとすることができる。ＲＦ電力は、ガスボックス１１９とシャワーヘッド１０７の上部表面との間に印加することができる。一実施形態では、ＲＦ電力は、高周波の１０００Ｗおよび低周波の４００Ｗとすることができる。プラズマは、シャワーヘッド１０７を通って流れる中性酸素ラジカルを生成する。第２の処理ガスはＢＤＥＡＳおよびヘリウムとすることができ、それらはシャワーヘッド１０７の第２のチャネルを通って流れる。中性酸素ラジカルはＢＤＥＡＳと反応し、基板にＳｉＯの層を堆積させることができる。
ＳｉＯ層を堆積させた後、ＴＥＯＳキャップを第２の処理ステップで堆積させることができる。ＴＥＯＳおよびオゾンは、電力がガスボックス１１９とシャワーヘッド１０７の上部表面との間に印加されるときアンテチャンバ１１１を通って流れることができる。次に、プロセスガスはシャワーヘッドを通って流れ、基板１０６上の酸化ケイ素層にＴＥＯＳキャップを堆積させることができる。この用途では、ガスボックス温度は、約１００〜１４０℃とすることができ、基板温度は約１００〜２００℃とすることができる。
他の実施形態では、処理システム１０１は、様々な他のタイプの基板処理のために異なる処理ガスおよび動作条件で使用することができる。特に、アンテチャンバおよび処理チャンバの温度は個別に制御することができる。一実施形態では、アンテチャンバおよび処理チャンバの両方は約１５０℃未満に保たれる。他の実施形態では、アンテチャンバは熱処理に使用し、非常に熱い動作温度を有することができる。例えば、アンテチャンバは約４００〜６００℃とすることができる。処理チャンバは、やはり、４００〜６００℃の同様の高温に維持することができる。さらなる他の実施形態では、アンテチャンバは処理チャンバよりも非常に熱い温度に加熱することができ、または逆に、アンテチャンバは処理チャンバよりも非常に冷たくすることができる。
前の図では、シャワーヘッド１０７の出口孔は簡単にするために直線の孔であるとして示した。しかし、他の実施形態では、出口孔は異なる形状を有する。例えば、図１１を参照すると、様々な出口孔の幾何学的形状３０５〜３１３がある。出口孔３０５は、狭い上部部分および円錐状下部部分を有する。出口孔３０６は、狭い上部部分および凹面楕円状下部部分を有する。出口孔３０７は、逆円錐状上部部分、狭い円筒状中心部分、および円錐状下部部分を有する。出口孔３０９は、逆円錐状上部部分、狭い円筒状中心部分、および凹面楕円状下部部分を有する。出口孔３１１は、凹面楕円状上部部分、狭い円筒状中心部分、および円錐状下部部分を有する。出口孔３１３は、凹面楕円状上部部分、狭い円筒状中心部分、および凹面楕円状部分を有する。
特定の実施形態を参照しながら本発明のシステムを説明したが、本発明のシステムの範囲から逸脱することなくこれらの実施形態に追加、削除、および変更を行うことができることを理解されよう。説明したシステムは様々な構成要素を含むが、これらの構成要素および説明した構成は様々な他の構成に変形および再編成することができることがよく理解されよう。

Claims (22)

  1. シャワーヘッドの上部表面に結合されたサーマルチャンバ、前記シャワーヘッドの下部表面に結合された処理チャンバ、および基板を支持する前記処理チャンバ中のペデスタルを提供することと、
    前記サーマルチャンバ中の第１の処理ガスを加熱して中性ラジカルを作り出すことと、
    前記中性ラジカルを、前記サーマルチャンバから、前記シャワーヘッドを通って延びる第１のアレイの孔を通して、前記処理チャンバまで送出することと、
    第２の処理ガスを、前記第１のアレイの孔から隔離されている前記シャワーヘッドの第２のアレイの孔を通して送出することと、
    前記中性ラジカルを前記第２のプロセスガスと混合することと、
    前記処理チャンバ中で前記基板に材料の層を堆積させることと
    を含む装置。
  2. 前記シャワーヘッドと前記ペデスタルとの間にＲＦ電力を印加することと、
    前記基板より上の前記処理チャンバ中でプラズマを発生させることと
    をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  3. 処理の間、前記ペデスタルを１００℃未満に冷却すること
    をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記サーマルチャンバ中のヒータから熱を発生させることと、
    前記熱を前記サーマルチャンバからスペーサリングを通して前記シャワーヘッドまで熱伝導することと、
    前記第２のプロセスガスが前記シャワーヘッドの前記第２のアレイの孔を通って流れる間に前記第２のプロセスガスを加熱することと
    をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  5. 熱を前記サーマルチャンバから熱伝導性のスペーサリングを通して前記シャワーヘッドまで隔離すること
    をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  6. 前記スペーサリングに結合されたか、またはその中に埋め込まれたヒータ
    をさらに備える、請求項１に記載の装置。
  7. 前記サーマルチャンバに結合されたヒータ
    をさらに備える、請求項１に記載の装置。
  8. 前記サーマルチャンバが、前記サーマルチャンバに前記第１のプロセスガスを分配するブロッカプレートを含む、請求項１に記載の装置。
  9. 前記シャワーヘッドが、前記上部表面と前記下部表面との間の内部体積部と、前記内部体積部への入口孔と、前記第２のプロセスガスが前記処理チャンバまで流れるための前記下部表面の第２のアレイの孔とを含む、請求項１に記載の装置。
  10. 前記シャワーヘッドは、各々が、前記上部表面から前記下部表面まで延びる前記第１のアレイの孔と位置合わせされた貫通孔を有する複数の隆起カラムを含む、請求項１に記載の装置。
  11. 前記複数の隆起カラムがセラミック材料で製作される、請求項１０に記載の装置。
  12. シャワーヘッドの上部表面に結合されたプラズマ発生チャンバと、前記シャワーヘッドの下部表面に結合された処理チャンバと、基板を支持する前記処理チャンバ中のペデスタルとを提供することと、
    前記プラズマ発生チャンバと前記シャワーヘッドの前記上部表面との間に電力を印加することと、
    前記プラズマ発生チャンバ中の第１のプロセスガスにエネルギーを与えてプラズマを発生させることと、
    前記プラズマ発生チャンバに隣接し、上部表面および下部表面を有し、前記上部表面から前記下部表面まで延びる第１のアレイの孔を有するシャワーヘッドであり、前記シャワーヘッドの前記上部表面が前記プラズマ発生チャンバの下部電極であるシャワーヘッドと、
    処理チャンバであり、前記シャワーヘッドの前記下部表面が前記処理チャンバの上部表面である処理チャンバと、
    前記シャワーヘッドの前記下部表面に隣接する基板を支持するための前記処理チャンバ内のペデスタルと
    を含む方法。
  13. 前記シャワーヘッドの下部表面に結合されたＲＦ電源をさらに含み、
    前記ペデスタルが接地される、
    請求項１２に記載の装置。
  14. 前記ペデスタルが、処理の間、前記ペデスタルに配置された基板を１００℃未満に保つための冷却機構を含む、請求項１２に記載の装置。
  15. 前記シャワーヘッドが、前記上部表面と前記下部表面との間の内部体積部と、前記内部体積部への入口孔と、第２のプロセスガスが前記処理チャンバまで流れるための前記下部表面の第２のアレイの孔とを含む、請求項１２に記載の装置。
  16. 前記プラズマ発生チャンバの上部電極が、前記第１の処理ガスを分配するためのブロッカプレートである、請求項１２に記載の装置。
  17. 前記上部電極と前記下部電極との間のスペーサリングであり、誘電性で熱伝導性であるスペーサリング
    をさらに備える、請求項１２に記載の装置。
  18. 前記上部電極と前記下部電極との間のスペーサリングであり、誘電性で熱絶縁性であるスペーサリング
    をさらに含む、請求項１２に記載の装置。
  19. 前記上部電極と前記下部電極との間のスペーサリングと、
    前記スペーサリングに結合されたか、またはその中に埋め込まれたヒータと
    をさらに備える、請求項１２に記載の装置。
  20. 前記プラズマ発生チャンバに結合されたヒータ
    をさらに備える、請求項１２に記載の装置。
  21. 前記シャワーヘッドを通って垂直に延びる複数の孔であり、前記孔が５：１を超える深さ対幅比を有する複数の孔
    をさらに含む、請求項１２に記載の装置。
  22. 前記上部電極と前記下部電極との間のスペーサリングと、
    前記スペーサリングを通って垂直に延びる複数の孔であり、前記孔が５：１を超える深さ対幅比を有する複数の孔
    をさらに含む、請求項１２に記載の装置。
JP2013534927A 2010-10-20 2011-09-28 二重デリバリチャンバ設計 Withdrawn JP2013541848A (ja)

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