JP2015531171A - 基板処理装置 - Google Patents

Abstract

本発明の一実施形態によると、基板に対する処理が行われる基板処理装置において、上部が開放された形状を有し、一側に前記基板が出入する通路が形成されるメインチャンバと、前記メインチャンバの内部に設置されて前記基板が置かれるサセプタと、前記メインチャンバの開放された上部に設置され、前記サセプタの上部に位置する上部設置空間と前記上部設置空間の外側に配置されるガス供給通路を有するチャンバ蓋と、前記上部設置空間に設置されて前記基板を加熱するヒーティングブロックと、前記ガス供給通路と連結されて前記処理空間に向かってプロセスガスを供給するガス供給ポートと、を含む。

Description

本発明は基板処理装置に関するものであり、より詳しくは、ガス供給通路を基板の上部外側に配置して内部空間に向かってプロセスガスを供給する基板処理装置に関するものである。

半導体素子製造工程は高温における基板の均一な熱処理を要求する。このような工程の例としては、物質層が気体状態から反応器内のサセプタに置かれている半導体基板の上に蒸着される化学気相蒸着、シリコーンエピタクシャル成長などがある。サセプタは抵抗加熱、高周波加熱、赤外線加熱によって大体４００〜１２５０℃範囲の高温で加熱され、ガスが反応器を通過して化学反応によって気体状態で蒸着工程が基板表面に非常に近接して発生する。この反応によって基板の上に所望の生成物が蒸着される。

半導体装置はシリコーン基板の上に複数の層（layers）を有しており、これら複数の層は蒸着工程を介して基板の上に蒸着される。このような蒸着工程はいくつかの重要な課題を有しており、このような課題は蒸着された膜を評価し蒸着方法を選択するのに重要である。

先ず、重要な課題の一例は、蒸着された複数の膜の内の各膜の「質」（quality）である。これは成分（composition）、汚染度（contamination levels）、欠陥密度（defect density）、そして機械的・電気的特性（mechanical and electrical properties）を意味する。膜の成分は蒸着条件に応じて異なり、これは特定な成分（specific composition）を得るために非常に重要である。

次に、重要な課題の他の具体例は、ウェハにわたる均一な厚さ（uniform thickness）である。特に段差（step）が形成された非平面（nonplanar）形状のパターンの上部に蒸着された膜の厚さが非常に重要である。蒸着された膜の厚さが均一であるのか否かは、段差がある部分に蒸着された最小厚さをパターンの上部面に蒸着された厚さで除した値に定義されるステップカバレッジ（step coverage）により判定する。

蒸着に関する他の課題は空間を埋めること（filling space）である。これは金属ラインの間を、酸化膜を含む絶縁膜で詰めるギャップフィリング（gap filling）を含む。ギャップはメタル配線（metal line）を物理的及び電気的に絶縁するために提供される。このような課題のうち、均一度は蒸着工程に関する重要な課題の一つであり、不均一な膜は、メタル配線の上で高い電気抵抗（electrical resistance）をもたらし、機械的な破損の可能性を増加させる。

本発明の目的は、処理空間と区分された上部設置空間の外側にガス供給通路を配置してプロセスガスを供給する基板処理装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、処理空間と区分された上部設置空間にヒータを設置して基板の温度を制御する基板処理装置を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、後述する詳細な説明と添付した図面からより明確になるはずである。

本発明の一実施形態によると、上部が開放された形状を有するメインチャンバと、前記メインチャンバの内部に設置されて基板が置かれるサセプタと、前記メインチャンバの開放された上部に設置されて前記サセプタの上部に位置する上部設置空間と前記上部設置空間の外側に配置されるガス供給通路を有するチャンバ蓋と、前記上部設置空間に設置されて前記基板を加熱するヒーティングブロックと、前記ガス供給通路と連結されて前記メインチャンバの内部にプロセスガスを供給するガス供給ポートと、を含む。

前記メインチャンバは、一側に形成されて前記基板が出入する通路を有し、前記基板処理装置は前記サセプタと隣接した前記通路の一側に設置されて不活性ガスを噴射する補助ガスノズルを含む。

前記基板処理装置は、前記ガス供給通路の下端部に設置され、前記ガス供給ポートを介して供給されたプロセスガスを拡散する拡散板を更に含む。

前記ガス供給通路及び前記拡散板は前記サセプタと同心の円弧状であり、前記ガス供給通路及び前記拡散板の幅は前記基板の直径と大体一致する。

前記メインチャンバは底面から窪んで前記サセプタが収容される下部設置空間を有し、前記基板処理装置は前記サセプタを囲むように配置されて前記下部設置空間内に収容され、上部に向かって不活性ガスを噴射するノズルリングを更に含む。

前記メインチャンバはガス供給通路の反対側に形成された排気通路を有し、前記基板処理装置は前記サセプタの外側に配置され、前記ガス供給通路から供給された前記プロセスガスを前記排気通路に向かって案内するフローガイド（flow guide）を更に含む。

前記フローガイドは、前記サセプタと同心の円弧状であり、前記プロセスガスが通過する複数のガイド孔を有する円状ガイド部と、前記円状ガイド部の両側に連結されて前記サセプタの両側に配置され、前記ガス供給通路の中心と前記排気通路の中心を連結する直線と大体平行するガイド面を有する直線ガイド部と、を更に含む。

前記メインチャンバは底面から窪んで前記サセプタが収容される下部設置空間を有し、前記ガス供給通路は前記下部設置空間の外側に位置する前記メインチャンバの底面の上部に位置する。

本発明の一実施形態によると、処理空間と区分された上部設置空間にヒータを設置して基板の温度を制御することができる。また、上部設置空間の外側にプロセスガスを供給するガス供給通路を配置することでプロセスガスを基板に向かって一方向に均一に供給することができる。

本発明の一実施形態による基板処理装置を概略的に示す図である。 図１の基板処理装置の処理進行状態でのプロセスガスの流れを示す図である。 図２に示す処理空間に形成されたプロセスガスの流動を示す断面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付した図１乃至図３を参照してより詳細に説明する。本発明の実施形態は様々な形に変形してもよく、本発明の範囲が後述する実施形態に限られると理解してはならない。本実施形態は、当該発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に本発明をより詳細に説明するために提供されるものである。よって、図面に示す各要素の形状はより明確な説明を強調するために誇張されている可能性がある。また、以下では基板を例に挙げて説明するが、本発明は多様な被処理体に応用可能である。

図１は、本発明の一実施形態による基板処理装置を概略的に示す図である。図１に示すように、基板処理装置１はメインチャンバ１０とチャンバ蓋５０を含む。メインチャンバ１０は上部が開放された形状であり、一側に基板Ｗが出入可能な通路８を有する。ゲートバルブ５は通路８の外部に設置され、通路８はゲートバルブ５によって開放されるか閉鎖される。サセプタ２０はメインチャンバ１０の内部に設置されて上部に置かれた基板Ｗを加熱する。サセプタ２０は基板Ｗと対応する円盤（disc）形状を有し、基板Ｗがサセプタ２０の上部面に装着されて蒸着工程が行われる。また、リフトピン２５はサセプタ２０を貫通して設置され、通路８を介して移送された基板Ｗはリフトピン２５の上部に載置される。リフトピン２５はリフトピン駆動部２７によって昇降可能であり、基板Ｗが載置されるとリフトピン駆動部２７を下降して基板Ｗをサセプタ２０に装着させる。

チャンバ蓋５０はメインチャンバ１０の開放された上部に設置される。メインチャンバ１０とチャンバ蓋５０、そして後述するヒーティングブロック６０によって外部から遮断された内部空間が形成される。基板Ｗは通路８を介して内部空間内に載置され、基板Ｗに対する処理は処理空間内で行われる。チャンバ蓋５０はサセプタ２０の上部に位置し、処理空間と連通する上部設置空間５２を有する。

上部設置空間５２には基板Ｗを上部から加熱するヒーティングブロック６０が設置される。ヒーティングブロック６０は上部が開放された形状であり、ヒーティングブロック蓋６８は開放されたヒーティングブロック６０の上部を閉鎖して外部から遮断する。よって、ヒーティングブロック６０の内部に形成された収容空間６１は内部空間と区分されるだけでなく、外部から遮断される。収容空間６１にはヒータ６５が設置されるし、ヒータ（６５）はカンタルヒータ（kanthal heater）であってもよい。カンタルは鉄を主体とし、クローム−アルミニウムなどが加えられた合金であり、高い温度によく耐え、かつ電気抵抗力が大きい。

また、作業者はヒーティングブロック蓋６８を開け、ヒータ６５に接近可能であり、ヒータ６５を容易にメンテナンス（maintenance）することができるし、修理することもできる。この際、収容空間６１は処理空間と区分されるため、上部設置空間に設置されたヒータ６５のメンテナンス及び修理の際に処理空間の真空状態が大気状態に転換される必要がなく、単にヒーティングブロック蓋６８を介して大気状態の収容空間６１に接近し、メンテナンス及び修理が可能になる。

ヒーティングブロック６０は収容空間６１の内部に設置されたヒータ６５によって加熱される。また、基板Ｗはヒーティングブロック６０とサセプタ２０の内部に設置されたヒータのうちいずれか一つ又は両者によって加熱される。即ち、基板はサセプタ２０と接触して伝導（conduction）を介して加熱され、ヒーティングブロック６０の輻射（radiation）を介して加熱される。伝導は接触を介して熱が伝達されるため、サセプタ２０は多くの熱を容易に伝達して基板を加熱する一方、サセプタ２０内部のヒータの位置に応じて基板に伝達される熱量が異なるため基板の位置による熱偏差が不可避である。しかし、輻射は電磁波を介してエネルギーを伝達するため、ヒーティングブロック６０は多くの熱を伝達することができない一方、ヒーティングブロック６０はヒータ６５の配置とは関係なく基板の熱偏差を最小化する。よって、基板Ｗの上下部にそれぞれ配置されたヒーティングブロック６０及びサセプタ２０を利用して基板Ｗの上の熱偏差を最小化することができる。

サセプタ２０及びヒーティングブロック６０は基板Ｗと実質的に（substantially）平行に配置される。また、サセプタ２０及びヒーティングブロック６０の基板Ｗと対向する面はそれぞれ基板Ｗを均一に加熱するために基板Ｗの面積より広く、基板Ｗの形状と対応する円状ディスクであってもいい。よって、基板Ｗの上下部で基板Ｗを加熱して基板Ｗに対する熱偏差を最小化し、基板Ｗ上の処理の不均一の原因及び蒸着された薄膜の厚さに偏差が発生することを防止する。

また、基板Ｗの上下部で基板Ｗをそれぞれ加熱することで基板Ｗを処理温度に加熱する時間を短縮し、加熱による基板の変形（warpage）を防止する。サセプタ２０を介して基板Ｗの下部面のみを加熱する場合、基板Ｗの上部面と下部面の熱膨張係数が異なって基板Ｗの変形要因となる。しかし、基板Ｗの上部面と下部面を同時に加熱する場合、基板Ｗの変形を防止することができる。

また、チャンバ蓋５０の上部設置空間の外側にはガス供給通路７０が形成される。ガス供給通路７０はチャンバ蓋５０に形成され、通路８と後述する処理空間Ｃとの間に配置される。ガス供給通路７０の上端部にはガス供給ポート８０が設置され、プロセスガス供給管８３はガス供給ポート８０の一側に挿入設置されてガス供給ポート８０を介してプロセスガスがメインチャンバ１０の内部空間に供給される。プロセスガス供給管８３はプロセスガス貯蔵タンク８８と連結されてプロセスガスを基板処理装置１の内部に供給し、プロセスガス供給バルブ８５を開閉してプロセスガスの投入量を調節する。また、ガス供給ポート８０はリモートプラズマシステム（ＲＰＳ、remote plasma system）９０と連結された洗浄ガス供給管９２を介してチャンバの内部にプラズマを供給する。

拡散板７５はガス供給通路７０の下端部に配置される。拡散板７５は複数個の拡散孔７６が具備されてプロセスガス供給管８３を介して供給されたプロセスガスをメインチャンバ１０の内部空間に向かって拡散する。拡散孔７６は排気通路４５に向かって下向きに傾斜する形状を有するため、拡散板７５を介して処理空間に供給されたプロセスガスは通路８の反対側に形成された排気通路４５に向かって流れる。排気通路４５は排気ポート４６を介して排気ポンプ４８に連結され、処理空間の内部に流入されたプロセスガスを外部に強制排出する。

拡散板７５の外側には補助ガスノズル３０が設置される。補助ガスノズル３０は第１不活性ガス貯蔵タンク３３から供給された不活性ガスを内部空間に向かって噴射することで、拡散板７５を介して流入されるプロセスガスが基板Ｗに向かって拡散するように誘導すると共にプロセスガスが通路８に移動することを防止する。メインチャンバ１０は底面から窪んでサセプタ２０が設置される下部設置空間Ｄを有する。下部設置空間Ｄにはサセプタ２０及びサセプタ２０の周りに沿ってノズルリング３５が設置される。ノズルリング３５はサセプタ２０とチャンバ本体１０の底面との間に設置され、サセプタ２０とチャンバ本体１０の底面との間の隙にプロセスガスが浸透することを防止するために不活性ガスを噴射する。ノズルリング３５は補助ガスノズル３０と同じく第２不活性ガス貯蔵タンク３８から不活性ガスが供給されて上部に向かって不活性ガスを噴射する。

フローガイド４０はサセプタ２０の外側に配置され、ガス供給通路７０から排気通路４５に向かってプロセスガスの流れを案内する。即ち、本発明はプロセスガス供給管８３が基板Ｗの外側に設置されてプロセスガスが基板Ｗを通過しながら蒸着処理を行うことができる。次に図２及び図３を介して処理の進行状態でのプロセスガスの流れ及びフローガイド４０を介したプロセスガスの流動を説明する。

図２は図１の基板処理装置の処理の進行状態でのプロセスガスの流れを示す図であり、図３は図２に示す処理空間に形成されたプロセスガスの流動を示す断面図である。図２に示したように、メインチャンバ１０の内部空間はゲートを介して基板Ｗが内部に進入する通路８が位置する通路空間Ａ、通路８とサセプタ２０との間に配置されてガス供給通路７０が位置する拡散空間Ｂ、サセプタ２０の上部に位置して基板Ｗに対する処理が行われる処理空間Ｃ及び処理空間Ｃの下部に位置してサセプタ及びノズルリングが設置される下部設置空間Ｄに区画される。

上述したように、ガス供給通路７０の反対側には排気通路４５が形成され、排気通路４５に連結された排気ポンプ４８によってポンピング（pumping）され、プロセスガスが排気通路４５に向かって流動される。それをより補完するために、通路区間Ａの上には補助ガスノズル３０が設置されて拡散板７５を介して拡散区間Ｂに流入された処理ガスが処理区間Ｃに向かって流動するように不活性ガスを噴射する。よって、拡散区間Ｂに向かって流入されたプロセスガスは基板Ｗを横切って排気通路４５に向かって流動される。

図３に示すように、ガス供給通路７０を介して供給されたプロセスガスは拡散板７５に形成された複数個の拡散孔７６によって拡散されて処理空間に向かって拡散される。この際、ガス供給通路７０の下端（又は拡散板７５）はメインチャンバ１０の底面の上部に位置し、プロセスガスは拡散板７５を介して排出されて１次に拡散された後、メインチャンバ１０の底面と衝突してからプロセスガス自体の運動エネルギーを介して２次に拡散される。拡散されたプロセスガスは処理空間Ｃに向かって移動する。よって、プロセスガスは十分に拡散された状態で処理空間Ｃに移動し、ガス供給通路７０の位置とは関係なく基板Ｗの中央部と縁部９（フローガイド４０と隣接する部分）全てで均一な処理が行われる。

拡散板７５の形状はサセプタ２０と同心の円弧状を有し、拡散板７５の外側に設置される補助噴射ノズル３０も同じく拡散板７５と対応する円弧状を有する。拡散板７５及び拡散板７５が設置されるガス供給通路７０の幅Ｅは基板Ｗの直径と大体一致するためプロセスガスを基板Ｗに向かって拡散することができる。補助噴射ノズル３０から不活性ガスを上部に噴射することで、拡散板７５を介して流入されたプロセスガスが通路８側に向かって流動することを遮断することによって殆どのプロセスガスが基板Ｗに対する処理に使用になるようにする。

また、上述したようにサセプタ２０とメインチャンバ１０との間の空間にプロセスガスの流入を防止するようにサセプタ２０の周りを囲むようにノズルリング３５を設置し、ノズルリング３５に形成された複数個の第２噴射孔３６を介して不活性ガスを処理空間に向かって噴射する。よって、拡散板７５を介して供給された殆どのプロセスガスは基板Ｗに対する処理に使用される。

すなわち、拡散板７５を介して流入されたプロセスガスは排気通路４５に連結された排気ポンプ４８によってポンピングされて排気通路４５に向かって流動される。一般に、基板Ｗに対する処理が行われる基板処理装置１は基板Ｗの形状に対応する処理空間を有する。基板Ｗは円形のディスク状を有するため処理空間も基板Ｗと対応する円形のディスク形状を有する。処理空間が円形のディスク形状を有するためプロセスガスが基板Ｗと反応しない空間も発生する。

それを補完するために、基板Ｗと反応しない空間の減少及びプロセスガスが排気通路４５に向かって円滑に移動するように案内するためにフローガイド４０が設置される。プロセスガスは排気通路４５に向かって移動するため、プロセスガスを基板Ｗの表面に均一に分布させるためにはプロセスガスが基板Ｗの上に均一に反応するように案内する必要がある。よって、フローガイド４０はメインチャンバ１０に設置されてノズルリング３５の外側に配置され、基板Ｗと反応しない空間を減らす直線ガイド部４２及びプロセスガスが排気通路４５に向かって均一に移動するように案内する複数のガイド孔４３を有する円状ガイド部４４を含む。

円状ガイド部４４は拡散板７５の反対側に設置され、隣接したノズルリング３５と対応する円弧状を有する。円状ガイド部４４には予め設定された間隔に複数個のガイド孔４３が形成されて拡散板７５を介して流入されたプロセスガスが基板Ｗに向かって均一に流動するように案内する。

直線ガイド部４２は円状ガイド部４４と連結されてサセプタ２０の両側に配置される。図３に示したように、直線ガイド部４２はガス供給通路７０の中心と排気通路４５（又は排出口４６ａ）の中心を連結した直線Ｌと平行に配置されたガイド面４１を有し、直線ガイド部４２は拡散板７５から円状ガイド部４４に向かって互いに平行する直線方向の流動が形成されるように案内する。また、直線ガイド部４２を介して処理空間Ｃの容積を縮小してプロセスガスと基板Ｗの反応性を上げプロセスガスの消費を最小化することができる。

よって、本発明は基板Ｗの外側からプロセスガスを供給して蒸着工程を行う。したがって、最近にあって基板Ｗが次第に巨大化されるにつれても、プロセスガスを基板Ｗの上部から供給する限界を克服することができる。また、基板Ｗの上下部にそれぞれ配置されたヒーティングブロック６０及びサセプタ２０を利用して基板Ｗを加熱するため、温度勾配を制御して基板Ｗの歪み現象（warpage）を防止することができる。それだけでなく、フローガイド４０をメインチャンバ１０に設置して実質的に基板Ｗに対する処理が行われる処理空間を減らし、基板Ｗの上のプロセスガスを均一に案内することで基板Ｗの中心部と縁部の均一度を向上させることができる。

好ましい実施形態を介して本発明を詳細に説明したが、それとは異なる実施形態ないし実施形も可能である。よって、後述する特許請求の範囲の技術的思想と範囲は好ましい実施形態に限定されない。

本発明は、多様な形態の半導体製造設備及びその製造方法に応用される。

Claims (8)

1. 上部が開放された形状を有するメインチャンバと、
   前記メインチャンバの内部に設置されて、基板が置かれるサセプタと、
   前記メインチャンバの開放された上部に設置されて、前記サセプタの上部に位置する上部設置空間と前記上部設置空間の外側に配置されるガス供給通路を有するチャンバ蓋と、
   前記上部設置空間に設置されて、前記基板を加熱するヒーティングブロックと、
   前記ガス供給通路と連結されて前記メインチャンバの内部にプロセスガスを供給するガス供給ポートと、を含むことを特徴とする基板処理装置。
2. 前記メインチャンバは一側に形成されて前記基板が出入する通路を有し、
   前記基板処理装置は前記サセプタと隣接した前記通路の一側に設置されて不活性ガスを噴射する補助ガスノズルを含むことを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。
3. 前記基板処理装置は、
   前記ガス供給通路の下端部に設置され、前記ガス供給ポートを介して供給された前記プロセスガスを拡散する拡散板を更に含むことを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。
4. 前記ガス供給通路及び前記拡散板は前記サセプタと同心の円弧状であり、
   前記ガス供給通路及び前記拡散板の幅は前記基板の直径と大体一致することを特徴とする請求項３記載の基板処理装置。
5. 前記メインチャンバは底面から窪んで前記サセプタが収容される下部設置空間を有し、
   前記基板処理装置は前記サセプタを囲むように配置されて前記下部設置空間内に収容され、上部に向かって不活性ガスを噴射するノズルリングを更に含むことを特徴とする請求項３記載の基板処理装置。
6. 前記メインチャンバはガス供給通路の反対側に形成された排気通路を有し、
   前記基板処理装置は、
   前記サセプタの外側に配置され、前記ガス供給通路から供給された前記プロセスガスを前記排気通路に向かって案内するフローガイドを更に含むことを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。
7. 前記フローガイドは、
   前記サセプタと同心の円弧状であり、前記プロセスガスが通過する複数のガイド孔を有する円状ガイド部と、
   前記円状ガイド部の両側に連結されて前記サセプタの両側に配置され、前記ガス供給通路の中心と前記排気通路の中心を連結する直線と大体平行するガイド面を有する直線ガイド部と、を更に含むことを特徴とする請求項６記載の基板処理装置。
8. 前記メインチャンバは底面から窪んで前記サセプタが収容される下部設置空間を有し、
   前記ガス供給通路は前記下部設置空間の外側に位置する前記メインチャンバの底面の上部に位置することを特徴とする請求項３記載の基板処理装置。

Images