JP2022546404A - 金属の堆積 - Google Patents
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Abstract
【課題】【解決手段】様々なシャワーヘッドおよび方法が提供される。シャワーヘッドは、前面および背面によって部分的に画定されたフェースプレートと、ガス入口、第1の円錐台面、および第2の円錐台面を有するバックプレートと、ガス入口に流体接続され、ガス入口、フェースプレートの背面、第1の円錐台面、および第2の円錐台面によって少なくとも部分的に画定されたプレナム容積と、バッフルプレートであって、プレナム容積内に位置決めされ、バッフルプレートを通って延びる複数のバッフルプレート貫通穴を有するバッフルプレートとを含むことができる。第2の円錐台面は、シャワーヘッドの中心軸に対して第1の円錐台面から半径方向外側に位置決めすることができ、第2の円錐台面は、第1の円錐台面よりもガス入口から離れて中心軸に沿って位置決めすることができる。【選択図】 図10
Description
<参照による援用>
本出願の一部として、本明細書と同時にPCT出願願書が提出される。この同時出願されたPCT出願願書に明記され、本出願が利益または優先権を主張する各出願は、参照によりその全体があらゆる目的で本明細書に組み込まれる。
本出願の一部として、本明細書と同時にPCT出願願書が提出される。この同時出願されたPCT出願願書に明記され、本出願が利益または優先権を主張する各出願は、参照によりその全体があらゆる目的で本明細書に組み込まれる。
化学気相堆積(CVD)技法を使用するタングステン(W)膜堆積は、半導体製作プロセスの不可欠な部分である。例えば、タングステン膜は、水平相互接続、隣接する金属層間のビア、および第1の金属層とケイ素基板上のデバイスとの間の接触の形で低抵抗率の電気接続として使用され得る。タングステン膜は、ダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)用の埋め込みワードライン(bWL)アーキテクチャ、3D NADN用のワードライン、および論理用途の形成を含む、様々なメモリ用途でも使用することができる。しかし、フィーチャサイズおよび膜厚の継続的な減少は、より薄い膜の高い抵抗率を含む様々な課題をもたらす。モリブデン(Mo)などの他の金属は、Wの低抵抗率の代替物として評価されている。
ここで提供される背景の説明は、本開示の内容を概ね提示することを目的とする。この背景技術のセクションで説明される範囲内における、現時点で名前を挙げられている発明者らによる研究、ならびに出願の時点で先行技術として別途みなされ得ない説明の態様は、明示または暗示を問わず、本開示に対抗する先行技術として認められない。
本明細書に記載の主題の1つまたは複数の実施態様の詳細は、添付の図面および以下の説明に記載されている。他の特徴、態様、および利点は、説明、図面、および特許請求の範囲から明らかになるであろう。以下の非限定的な実施態様は、本開示の一部と見なされ、他の実施態様は、本開示の全体および添付の図面からも明らかになるであろう。
いくつかの実施形態では、シャワーヘッドが提供され得る。シャワーヘッドは、フェースプレートであって、前面および背面によって部分的に画定され、前面から背面にフェースプレートを通って延びる複数のフェースプレート貫通穴を有するフェースプレートと、ガス入口、第1の円錐台面、および第2の円錐台面を有するバックプレートと、ガス入口に流体接続され、ガス入口、フェースプレートの背面、第1の円錐台面、および第2の円錐台面によって少なくとも部分的に画定されたプレナム容積と、バッフルプレートであって、プレナム容積内に位置決めされ、上面および底面によって部分的に画定され、上面から底面にバッフルプレートを通って延びる複数のバッフルプレート貫通穴を有するバッフルプレートとを含むことができる。第2の円錐台面は、シャワーヘッドの中心軸に対して第1の円錐台面から半径方向外側に位置決めすることができ、第2の円錐台面は、第1の円錐台面よりもガス入口から離れて中心軸に沿って位置決めすることができ、第1の円錐台面は、中心軸に対して第1の角度であり得、第2の円錐台面は、中心軸に対して第2の角度であり得る。
いくつかの実施形態では、第2の円錐台面の内周は、中心軸に対して第1の円錐台面の外周から半径方向外側に位置決めされてもよい。
いくつかの実施形態では、第1の角度は、第2の角度よりも大きくてもよい。
いくつかのそのような実施形態では、第1の角度は、約50°~約90°であり、第2の角度は、約45°~約85°である。
いくつかの実施形態では、バックプレートは、第1の円錐台面と第2の円錐台面との間にまたがる第3の表面をさらに含んでもよい。
いくつかのそのような実施形態では、第3の表面は、中心軸に垂直である平面部分を含んでもよい。
いくつかの実施形態では、バックプレートは、第3の円錐台面であって、中心軸に対して第2の円錐台面から半径方向外側に位置決めされ、それにより第2の円錐台面が第1の円錐台面と第3の円錐台面との間に半径方向に挿入される第3の円錐台面をさらに含んでもよく、第3の円錐台面は、中心軸に対して第3の角度で位置決めされてもよい。
いくつかのそのような実施形態では、第3の角度は、第1の角度および第2の角度よりも大きくてもよい。
いくつかの実施形態では、バッフルプレートの外縁は、中心軸に対して第1の円錐台面から半径方向外側に位置決めされてもよい。
いくつかのそのような実施形態では、バッフルプレートの外縁は、中心軸に対して、第2の円錐台面の内周と第2の円錐台面の外周との間に半径方向に挿入されて位置決めされてもよい。
いくつかの実施形態では、バッフルプレートは、第1の円錐台面がバッフルプレートよりもガス入口に近くなるように、中心軸に沿って位置決めされてもよい。
いくつかのそのような実施形態では、バッフルプレートの上面は、ガス入口に面してもよく、バッフルプレートの底面は、フェースプレートに面してもよく、バッフルプレートは、バッフルプレートの上面が第2の円錐台面の内周と第2の円錐台面の外周との間の中心軸に沿って挿入されるように、中心軸に沿ってさらに位置決めされてもよい。
いくつかのさらなるそのような実施形態では、バッフルプレートは、バッフルプレートの底面が第2の円錐台面の外周よりもガス入口から離れるように、中心軸に沿ってさらに位置決めされてもよい。
いくつかの実施形態では、バッフルプレートは、バックプレートに面するバッフルプレート円錐台面をさらに含んでもよい。
いくつかのそのような実施形態では、バッフルプレート円錐台面は、第2の角度と相補的である第4の角度だけ中心軸からオフセットされてもよい。
いくつかの実施形態では、複数のバッフルプレート貫通穴は、中心軸に対して半径方向の位置決めが増加するにつれて増加する外径を有してもよい。
いくつかのそのような実施形態では、第1の数のバッフルプレート貫通穴は、バッフルプレートの第1のセクションに位置決めされ、第1の外径を有してもよく、第2の数のバッフルプレート貫通穴は、バッフルプレートの第2のセクションに位置決めされ、第1の外径よりも大きい第2の外径を有してもよく、第2のセクションは、中心軸に対して第1のセクションから半径方向外側にオフセットされてもよい。
いくつかのさらなるそのような実施形態では、第1の外径は、約0.3mm~約0.65mmであってもよく、第2の外径は、約0.5mm~0.75mmであってもよい。
いくつかのさらなるそのような実施形態では、第3の数のバッフルプレート貫通穴は、バッフルプレートの第3のセクションに位置決めされ、第2の外径よりも大きい第3の外径を有してもよく、第3のセクションは、中心軸に対して第2のセクションから半径方向外側にオフセットされてもよい。
いくつかの実施形態では、第3の外径は、約0.7mm~約1.1mmである。
いくつかの実施形態では、第1の円錐台面の内周は、ガス入口を部分的に画定してもよい。
いくつかの実施形態では、フェースプレートは、フェースプレートの前面から中心軸に対して半径方向外側に位置決めされ、90°を超える第5の角度だけ中心軸からオフセットされるフェースプレート円錐台面をさらに含んでもよい。
いくつかの実施形態では、シャワーヘッドは、第1の端部、および第2の端部における開口部を含み、フェースプレートを通って延びるポートであって、開口部は、フェースプレート内にあり、前面から半径方向外側にあってもよいポートと、ポートの第1の端部に隣接して位置決めされた窓とをさらに含んでもよい。
いくつかのそのような実施形態では、シャワーヘッドは、センサであって、窓が第1の端部とセンサとの間に挿入されるように窓に隣接して位置決めされたセンサをさらに含んでもよい。
いくつかのさらなるそのような実施形態では、センサは、開口部の外側の物体の距離、開口部の外側の温度、および開口部の外側のガス種の1つまたは複数を決定するように構成されてもよい。
いくつかのそのような実施形態では、窓は、サファイアを含む材料で作製されてもよい。
いくつかのそのような実施形態では、シャワーヘッドは、3つのポートと、3つの窓とをさらに含んでもよい。各窓は、1つの対応するポートの第1の端部に隣接して位置決めされてもよく、3つのポートは、中心軸の周りに実質的に等間隔に配置されてもよい。
いくつかの実施形態では、フェースプレート貫通穴は、すべて同じ外径であってもよい。
いくつかのそのような実施形態では、フェースプレート貫通穴の各々の外径は、約0.03インチ~0.05インチ(約0.0762cm~0.127cm)であってもよい。
いくつかの実施形態では、方法が提供され得る。方法は、シャワーヘッドを通して反応物ガスの連続投与をプロセスチャンバに導入し、基板上に原子層堆積プロセスによって膜を堆積することを含むことができる。シャワーヘッドは、フェースプレートであって、前面および背面によって部分的に画定され、前面から背面にフェースプレートを通って延びる複数のフェースプレート貫通穴を有するフェースプレートと、ガス入口、第1の円錐台面、および第2の円錐台面を有するバックプレートと、ガス入口に流体接続され、ガス入口、フェースプレートの背面、第1の円錐台面、および第2の円錐台面によって少なくとも部分的に画定されたプレナム容積と、バッフルプレートであって、プレナム容積内に位置決めされ、上面および底面によって部分的に画定され、上面から底面にバッフルプレートを通って延びる複数のバッフルプレート貫通穴を有するバッフルプレートとを含むことができる。第2の円錐台面は、シャワーヘッドの中心軸に対して第1の円錐台面から半径方向外側に位置決めすることができ、第2の円錐台面は、第1の円錐台面よりもガス入口から離れて中心軸に沿って位置決めすることができ、第1の円錐台面は、中心軸に対して第1の角度であり得、第2の円錐台面は、中心軸に対して第2の角度であり得る。
いくつかの実施形態では、方法が提供され得る。方法は、構造を複数の堆積サイクルに曝露し、構造のフィーチャにおいてバルク導電層で構造のフィーチャを充填することを含むことができ、各堆積サイクルは、投与量の水素(H2)および窒素(N2)と並流される投与量の金属含有前駆体を連続的に送給することを含み得る。
いくつかの実施形態では、構造は、側壁、および側壁内の複数の開口部を備え、開口部を通して流体的にアクセス可能な複数の内部領域を有する複数のフィーチャをもたらす、部分的に製作された3次元(3D)NAND構造であってもよい。
いくつかの実施形態では、金属含有前駆体は、金属ハロゲン化物であってもよい。
いくつかの実施形態では、金属含有前駆体は、金属オキシハロゲン化物であってもよい。
いくつかの実施形態では、金属含有前駆体は、タングステン含有前駆体であってもよい。
いくつかのそのような実施形態では、タングステン含有前駆体は、六フッ化タングステン(WF6)、六塩化タングステン(WCl6)、五塩化タングステン(WCl5)、四塩化タングステン(WCl4)、二塩化タングステン(WCl2)、オキシ四塩化タングステン(WOCl4)、または二塩化タングステン二酸化物(WO2Cl2)であってもよい。
いくつかの実施形態では、金属含有前駆体は、モリブデン含有前駆体であってもよい。
いくつかのそのような実施形態では、モリブデン含有前駆体は、五塩化モリブデン(MoCl5)、六フッ化モリブデン(MoF6)、二塩化モリブデン二酸化物(MoO2Cl2)、オキシ四塩化モリブデン(MoOCl4)、およびオキシ四塩化モリブデン(MoOF4)であってもよい。
いくつかの実施形態では、方法は、複数の堆積サイクルの前にNH3浸漬をさらに含んでもよい。
いくつかの実施形態では、複数の堆積サイクルは、上記の実施形態のいずれかで提供されるシャワーヘッドを介して、投与量の水素(H2)および窒素(N2)と並流される投与量の金属含有前駆体の少なくとも1つを導入することを含んでもよい。
いくつかの実施形態では、方法が提供され得る。方法は、金属で充填される構造を提供することと、構造を複数の堆積サイクルに曝露することとを含むことができる。各堆積サイクルは、投与量の水素(H2)および窒素(N2)と並流される投与量の金属含有前駆体を連続的に送給することを含み得る。
本明細書に開示される様々な実施態様は、限定ではなく例として示されており、添付の図面の図において、同様の参照番号は同様の要素を指す。
以下の説明では、提示された実施形態の完全な理解を提供するために、多くの特定の詳細が記載されている。開示された実施形態は、これらの特定の詳細の一部またはすべてがなくても実施され得る。他の例では、開示された実施形態を不必要に不明瞭にしないために、周知のプロセス動作は詳細には説明されていない。開示された実施形態は特定の実施形態と併せて説明されるが、開示された実施形態を限定することを意図するものではないことが理解される。
フィーチャのタングステン(W)充填は、電気接点を形成するために半導体デバイス製造において使用される場合がある。タングステン膜を堆積する従来の方法では、核形成タングステン層が最初にビアまたは接点に堆積される。一般に、核形成層は、その上にバルク材料のその後の形成を容易にするのに役立つ薄い共形層である。タングステン核形成層は、フィーチャの側壁および底部を共形的にコーティングするために堆積させることができる。基礎となるフィーチャの底部および側壁への適合は、高品質の堆積をサポートするために重要であり得る。核形成層は、原子層堆積(ALD)またはパルス核形成層(PNL)法を使用して堆積されることが多い。
ALDまたはPNL技法において、反応物のパルスは、典型的には反応物間のパージガスのパルスによって、反応チャンバから連続的に注入されてパージされる。第1の反応物が基板上に吸着され得、これは次の反応物と反応するために利用可能である。プロセスは、所望の厚さが達成されるまで周期的に繰り返される。開示された実施形態の文脈において、化学気相堆積(CVD)は、反応物が気相または表面反応のために共にリアクタに導入されるプロセスを具体化する。PNLおよびALDプロセスはCVDプロセスとは異なり、逆もまた同様である。
タングステン核形成層が堆積された後、バルクタングステンは、水素(H2)などの還元剤を使用して六フッ化タングステン(WF6)を還元することによって、CVDプロセスによって堆積させることができる。バルクタングステンは、タングステン核形成層とは異なる。本明細書で使用されるバルクタングステンは、フィーチャの少なくとも約50%など、フィーチャのほとんどまたはすべてを満たすために使用されるタングステンを指す。その上にバルク材料のその後の形成を容易にするのに役立つ薄い共形膜である核形成層とは異なり、バルクタングステンは、電流を運ぶために使用される。バルクタングステンは、核形成膜と比較して、より大きな粒子サイズおよびより低い抵抗率によって特徴付けられ得る。様々な実施形態において、バルクタングステンは、少なくとも50Åの厚さまで堆積されたタングステンである。同様に、モリブデンの堆積は、最初に核形成層を堆積させ、続いてより低い抵抗率のバルク層を堆積させることを伴い得る。
デバイスがより小さなテクノロジーノードに拡張され、より複雑なパターニング構造が使用されるため、導電性充填には様々な課題が存在する。1つの課題は、構造全体に材料が均一に分布するように、これらの構造に共形堆積を行うことである。フィーチャまたは構造内の材料の分布は、そのステップカバレッジによって特徴付けられ得る。この説明の目的のために、「ステップカバレッジ」は、2つの厚さの比率として定義される。例えば、ステップカバレッジは、フィーチャの内側の材料の厚さを開口部の近くの材料の厚さで割ったものにすることができる。本明細書の目的のために、「フィーチャの内側」という用語は、フィーチャの軸に沿ったフィーチャの中間点の周りに位置するフィーチャの中央部分、例えば、距離の約25%から75%の間の領域、または特定の実施形態では、フィーチャの開口部から測定してフィーチャの深さに沿った距離の約40%から60%の間の領域、または開口部から測定してフィーチャの軸に沿った距離の約75%から95%の間に位置するフィーチャの端部を表す。「フィーチャの開口部の近く(near the opening of the feature)」または「フィーチャの開口部の近く(near the feature’s opening)」という用語は、開口部の縁部または開口部の縁部を表す他の要素の25%以内、より具体的には10%以内に位置するフィーチャの上部を表す。例えば、フィーチャ開口部よりもフィーチャの中央または底部近くでより広いフィーチャを充填することによって、100%を超えるステップカバレッジを達成することができる。
別の課題は、堆積された膜中のフッ素濃度または含有量を低減することであり、これは、フッ素含有金属前駆体を使用するときに問題となる可能性がある。より大きなフィーチャと比較して、より大きなフィーチャと同じ膜中のフッ素濃度を有するより小さなフィーチャは、より実質的にデバイスの性能に影響を及ぼす。例えば、フィーチャが小さいほど、膜はより薄く堆積される。結果として、堆積された膜中のフッ素は、より薄い膜を通って拡散する可能性が高く、それによって潜在的にデバイスの故障を引き起こす。3D NAND構造などの構造の場合、側壁の粗さを含む粗さもまた課題となる。
フィーチャの充填ならびに他の堆積および非堆積プロセスに関する別の課題は、均一性である。ウエハまたは他の基板全体にわたる不均一な処理は、統合の課題およびデバイスの故障につながる可能性がある。
本明細書では、導電性膜で構造を充填する方法および装置が提供される。方法は、原子層堆積(ALD)プロセスを使用して、還元剤として水素(H2)を使用してバルク層を堆積することを伴う。ALDプロセスは、金属含有前駆体および金属含有前駆体と共に流される窒素(N2)を伴うH2の連続投与を伴う。方法を実施するように構成された装置もまた、提供される。
様々な実施形態によれば、1つまたは複数の利点を実現することができる。いくつかの実施形態では、金属含有前駆体と共にN2を流すことにより、より高い堆積温度で良好な充填を得ることができ、より低い応力の膜を堆積させることが可能になる。窒素の使用はまた、堆積された膜の滑らかな形態を提供し得る。いくつかの実施形態では、これにより、核形成層を介在させることなく、バルク金属膜を酸化物表面上に直接堆積させることが可能になる。
堆積および他の基板処理のための装置で使用され得る低容積のシャワーヘッドもまた、提供される。いくつかの実施形態では、シャワーヘッドは、バックプレートの複数の円錐台面によって部分的に画定されたプレナム容積と、プレナム容積の内側に位置決めされた貫通穴を有するバッフルプレートとを含む。これらの特徴は、シャワーヘッドの内部容積の減少、シャワーヘッド内のより均一な流れ、およびシャワーヘッド内の粒子生成の減少の1つまたは複数をもたらし得る。様々な実施形態によれば、1つまたは複数の利点を実現することができる。いくつかの実施形態では、反応物の消費およびパージ時間が短縮される。いくつかの実施形態では、シャワーヘッド内の均一な流れは、堆積された膜の均一性を改善する。
図1A~図8は、導電性膜で構造を充填するための方法および装置を説明している。図9~図17Dは、基板処理用の低容積のシャワーヘッドを説明している。いくつかの実施形態では、方法は、低容積のシャワーヘッドを使用して実施される。
最初に、導電性膜の堆積に目を向けると、図1Aおよび図1Bは、本明細書に記載の方法および装置を使用して形成され得る材料スタックの概略例である。図1Aおよび図1Bは、特定のスタック内の材料の順序を示し、図2、図3A、および図3Bに関して以下でさらに説明するように、任意の適切なアーキテクチャおよび用途で使用することができる。図1Aの例では、基板102は、その上に堆積された核形成層108を有する。基板102は、ケイ素または他の半導体ウエハ、例えば、200mmウエハ、300mmウエハ、または450mmウエハであり得、誘電性材料、導電性材料、または半導電性材料などの材料の1つまたは複数の層がその上に堆積されたウエハを含む。方法はまた、ガラス、プラスチックなどの他の基板上にメタライゼーションスタック構造を形成するために適用され得る。
図1Aでは、誘電体層104が基板102上にある。誘電体層104は、基板102の半導体(例えば、Si)表面上に直接堆積され得るか、または任意の数の介在層が存在し得る。誘電体層の例には、ドープおよび非ドープの酸化ケイ素、窒化ケイ素、および酸化アルミニウムの層が挙げられ、特定の例には、ドープまたは非ドープの層SiO2およびAl2O3が挙げられる。また、図1Aでは、拡散バリア層106が、核形成層108と誘電体層104との間に配置される。拡散バリア層の例には、窒化チタン(TiN)、チタン/窒化チタン(Ti/TiN)、窒化タングステン(WN)、および窒化タングステン炭素(WCN)が挙げられる。金属層110は、核形成層108上に堆積され、核形成層108が金属成長のためのテンプレートを提供する構造の主導体(バルク導体またはバルク層とも呼ばれる)である。金属層の例には、タングステン(W)層およびモリブデン(Mo)層が挙げられる。核形成層108は、金属層110と同じまたは異なる金属を含み得る。
図1Bは、材料スタックの別の例を示す。この例では、スタックは、基板102と、誘電体層104とを含み、核形成層108は、介在する拡散バリア層なしに誘電体層104上に直接堆積される。図1Aの例のように、金属層110が核形成層108上に堆積され、構造の主導体である。
図1Aおよび図1Bはメタライゼーションスタックの例を示すが、方法および結果として得られるスタックはそのように限定されない。例えば、いくつかの実施形態では、核形成層108は省略されてもよく、主導体は下層上に直接堆積される。いくつかの実施形態では、核形成層は、金属成長のためのテンプレートとして、Siまたは他の半導体基板上に直接堆積され得る。本明細書に記載の方法は、チャンバ内に収容され得る基板上で実施される。
上記および以下でさらに説明される材料スタックは、様々な構造で実装され得る。図2、図3A、および3図Bは、スタックが使用され得る構造の例を提供する。図2は、ケイ素基板202内に埋め込みワードライン(bWL)210を含むDRAMアーキテクチャの概略例を図示する。bWL210は、ケイ素基板202にエッチングされたトレンチ内に形成される。共形核形成層208、および共形核形成層208とケイ素基板202との間に配置された絶縁層204がトレンチを裏打ちする。図2の例では、絶縁層204は、酸化ケイ素または窒化ケイ素材料などのhigh-k誘電性材料から形成されたゲート酸化物層であり得る。いくつかの実施形態では、TiNまたはタングステン含有層などの共形バリア層を、核形成層208と絶縁層204との間に挿入することができる。
図3Aは、基板300上に形成された3D NAND構造323におけるワードライン310の概略例を図示する。ワードライン310は、酸化物層311によって分離されている。図3Bでは、酸化アルミニウム(Al2O3)の層304および核形成層308を含む、ワードライン310と酸化物層311との間の界面の詳細が示されている。いくつかの実施形態では、核形成層308は、本明細書に記載のように、酸化物層311上に直接、またはTiNもしくは他のバリア層上に堆積され得る。核形成層は、例えば、約10nm~100nmの厚さのワードライン310の堆積のために、約10Å~100Å、または10Å~50Åであり得る。
図3Cは、部分的に製作された3D NAND構造333の断面側面図を提示し、金属充填の課題を示している。構造330は、半導体基板300上に形成され、3D NANDスタック(左325および右326)と、中央垂直構造330と、中央垂直構造330の反対側の側壁340上に開口部322を有する複数の積み重ねられたワードラインフィーチャ320とを含む。図3Cは、示された部分的に製作された3D NAND構造333の2つのスタック325および326を示し、これら共にトレンチ状の中央垂直構造330を形成するが、特定の実施形態では、順番に配置され、互いに空間的に平行に延びる3つ以上のスタックがあり得、図3Cに明示的に示されるように、各隣接する対のスタック間のギャップが中央垂直構造330を形成することに留意されたい。図3Cの例では、ワードラインフィーチャ320は、開口部322を通って中央垂直構造330から流体的にアクセス可能である。図には明示的に示されていないが、図3Cに示す3D NANDスタック325および326(すなわち、左側の3D NANDスタック325および右側の3D NANDスタック326)の両方に存在する水平フィーチャ320はまた、追加の3D NANDスタック(左端および右端にあるが、示されていない)によって形成された同様の垂直構造を通して、スタックの反対側(それぞれ、左端および右端)からもアクセス可能である。言い換えれば、各3D NANDスタック325、326は、中央垂直構造330を通して3D NANDスタックの両側から流体的にアクセス可能なワードラインフィーチャのスタックを含む。
3D NANDスタックにおけるワードラインフィーチャは、酸化ケイ素層と窒化ケイ素層の交互のスタックを堆積し、次に窒化物層を選択的に除去してそれらの間にギャップを有する酸化物層311のスタックを残すことによって形成され得る。これらのギャップは、ワードラインフィーチャ320である。利用可能な構造を形成するための技法、ならびに垂直フィーチャの実質的にボイドフリーの充填を首尾よく達成するために利用可能な技法がある限り、任意の数のワードラインをそのような3D NAND構造に垂直に積み重ねることができる。したがって、例えば、3D-NANDスタックは、2~256個の水平ワードラインフィーチャ、または8~128個の水平ワードラインフィーチャ、または16~64個の水平ワードラインフィーチャなどを含み得る(列挙された範囲は、記載のエンドポイントを含むと理解される)。
図3Dは、図3Cに示すのと同じ3D NAND構造の断面上面図を提示し、図3Cの水平の破線によって示されるように、水平断面360を通る断面を示す。図3Cの断面は、半導体基板300の基部から3D NANDスタックの上部に垂直に延びるピラー355のいくつかの列を示している。いくつかの実施形態では、これらのピラー355は、ポリシリコン材料から形成され、3D NAND構造333にとって構造的および機能的に重要である。いくつかの実施形態では、そのようなポリシリコンピラーは、ピラー内に形成された積み重ねられたメモリセルのためのゲート電極として機能し得る。図3Dの上面図は、ピラー355が開口部322にワードラインフィーチャ320への狭窄部を形成すること、すなわち、開口部322(図3Dの矢印によって示される)を介した中央垂直構造330からのワードラインフィーチャ320の流体アクセス可能性がピラー355によって阻害されることを示している。いくつかの実施形態では、隣接するポリシリコンピラー間の水平ギャップのサイズは、約1~20nmである。流体アクセス可能性のこの減少は、導電性材料でワードラインフィーチャ320を均一に充填することの困難さを増大させる。
図4A~図4Cは、金属で3D NAND構造を充填するために実施され得る方法を説明している。最初に図4Aを参照すると、図4Aの動作402~410が、ALDによって核形成層を堆積するために実施される。本明細書に記載のいくつかの実施形態では、動作402~410は、動作480における後続のバルク堆積よりも低い圧力で実施される。例えば、動作402~410は、タングステン堆積のために約10Torr(約1333.22Pa)未満の低圧で実施され得る。いくつかの例では、動作402~410は、タングステン堆積のために約10Torr(約1333.22Pa)の圧力、または約3Torr(約399.967Pa)の圧力で実施される。モリブデン核形成層の堆積は、より高い圧力、例えば、10~60Torr(1333.22Pa~7999.34Pa)を使用することができる。この範囲の下端の圧力を使用して、フッ素の取り込みを軽減することができる。
いくつかの実施態様では、低圧で動作402~410を実施すると、膜が堆積されるときのチャンバ内のフッ素含有前駆体(使用される場合)の分圧が低くなり、膜に組み込まれるフッ素が少なくなるため、堆積された膜中のフッ素濃度を低減する。
動作402において、基板は、金属含有前駆体に曝露される。この動作は、「パルス」または「投与」と呼ばれることがあり、本明細書では互換的に使用されてもよい。金属含有前駆体は、核形成層の主成分となる金属を含み、多くの実施形態では(必ずしもではないが)、その後に堆積されるバルク層を含む。
核形成層の例には、タングステン含有核形成層およびモリブデン含有核形成層が挙げられ、これらは、それぞれタングステン含有前駆体およびモリブデン含有前駆体を使用する。タングステン含有前駆体の例には、ハロゲン化タングステンおよびオキシハロゲン化タングステンが挙げられる。ハロゲン化タングステンの例には、六フッ化タングステン(WF6)、六塩化タングステン(WCl6)、五塩化タングステン(WCl5)、四塩化タングステン(WCl4)、二塩化タングステン(WCl2)を含む塩化タングステン(WClx)、ならびにオキシ四塩化タングステン(WOCl4)および二塩化タングステン二酸化物(WO2Cl2)などのオキシ塩化タングステン(WOxCly)が挙げられる。さらなる例には、タングステンヘキサカルボニルW(CO)6、ならびにMDNOW(メチルシクロペンタジエニル-ジカルボニルニトロシル-タングステン)およびEDNOW(エチルシクロペンタジエニル-ジカルボニルニトロシル-タングステン)などの有機タングステン前駆体が挙げられる。
モリブデン含有前駆体の例には、ハロゲン化モリブデンおよびオキシハロゲン化モリブデンが挙げられる。ハロゲン化モリブデンの例には、五塩化モリブデン(MoCl5)および六フッ化モリブデン(MoF6)が挙げられる。オキシハロゲン化モリブデンの例には、二塩化モリブデン二酸化物(MoO2Cl2)、オキシ四塩化モリブデン(MoOCl4)、およびオキシ四塩化モリブデン(MoOF4)が挙げられる。
金属含有前駆体は、これらの化合物の組み合わせを含み得る。いくつかの実施形態では、窒素(N2)、アルゴン(Ar)、ヘリウム(He)、または他の不活性ガスなどのキャリアガスが、動作402の間に流れることができる。
動作402は、任意の適切な期間および任意の適切な温度で実施することができる。いくつかの例では、動作402は、約0.25秒~約30秒、約0.25秒~約5秒、または約0.5秒~約3秒の期間実施され得る。この動作は、いくつかの実施形態では、基板の表面上の活性部位を飽和させるのに十分な期間実施されてもよい。
動作404において、チャンバは、基板の表面に吸着しなかった過剰の前駆体を除去するために、任意選択でパージされる。パージは、一定の圧力で不活性ガスを流し、それによってチャンバの圧力を低減し、別のガス曝露を開始する前にチャンバを再加圧することによって実施することができる。
動作406において、基板は、核形成層を堆積させるために共反応物に曝露される。いくつかの実施形態では、共反応物は、水素(H2)、ボラン、シラン、またはゲルマンなどの還元剤である。例示的なボランには、ボラン(BH3)、ジボラン(B2H6)、トリボラン、アルキルボラン、アミノボラン、カルボボラン、およびハロボランが挙げられる。例示的なシランには、シラン(SiH4)、ジシラン(Si2H6)、トリシラン(Si3H8)、アルキルシラン、アミノシラン、カルボシラン、およびハロシランが挙げられる。ゲルマンは、GenHn+4、GenHn+6、GenHn+8、およびGenHmを含み、nは、1~10の整数であり、nは、mとは異なる整数である。他のゲルマン、例えば、アルキルゲルマン、アミノゲルマン、カルボゲルマン、およびハロゲルマンも使用することができる。一般に、ハロゲルマンは有意な還元の可能性を有さない可能性があるが、ハロゲルマンを使用する膜形成に適したプロセス条件および前駆体が存在する場合がある。
いくつかの実施形態では、アモルファス核形成層は、金属ハロゲン化物または金属オキシハロゲン化物前駆体およびアンモニア(NH3)などの窒素含有還元剤を使用して堆積され得る。そのような核形成層は、2019年1月28日に出願の米国仮特許出願第62/797,860号に記載されており、金属酸窒化物または金属窒化物の核形成層として特徴付けられ得る。金属酸窒化物または金属窒化物の核形成層は、バルク層の堆積中を含む後続の処理において金属層に変換され得る。
動作406は、任意の適切な期間実施され得る。例示的な期間には、約0.25秒~約30秒、約0.25秒~約5秒、または約0.5秒~約3秒が挙げられる。いくつかの実施形態では、この動作は、基板の表面上の金属含有前駆体の吸着層と反応するのに十分であり得る。動作406は、これらの例示的な範囲外の期間実施され得る。いくつかの実施形態では、例えば、アルゴン(Ar)、ヘリウム(He)、または窒素(N2)などのキャリアガスが使用されてもよい。
動作408の後、フィーチャの表面上の金属含有前駆体と反応しなかった、まだ気相にある過剰の共反応物をパージするための任意選択のパージステップがあり得る。パージは、一定の圧力で不活性ガスを流し、それによってチャンバの圧力を低減し、別のガス曝露を開始する前にチャンバを再加圧することによって実施することができる。
動作402~408の各繰り返しは、ALD「サイクル」と呼ばれることがある。動作402および406の順序が逆になり得、それにより共反応物が特定のサイクルで最初に導入され、パージにより金属含有前駆体および共反応物の投与が任意選択に分離されることが理解されよう。動作410において、核形成層が適切な厚さまで堆積されたか、または事前設定されたサイクル数まで堆積されたかどうかが決定される。そうでない場合、動作402~408が繰り返される。
核形成層が適切な厚さに堆積された後、動作480において、バルク金属が以下に説明されるように堆積される。様々な実施形態において、動作280は、動作202~210の間の圧力よりも高い圧力で実施され得る。例えば、動作280は、タングステンバルク層の場合、約10Torr(約1333.22Pa)以上、例えば約10Torr(約1333.22Pa)、または約40Torr(約5332.89Pa)の圧力で実施されてもよい。いくつかの実施形態では、核形成層堆積とバルク層堆積の両方の間の圧力は、約5~20Torr(約666.612Pa~約2666.45Pa)、または10Torr(2666.45Pa)であり得る。他の実施形態では、同じ圧力を使用することができ、および/またはより低い圧力を動作280で使用することができる。モリブデン堆積の場合、圧力は、いくつかの実施形態では約10~60Torr(約1333.22Pa~7999.34Pa)、または30~60Torr(3999.67Pa~7999.34Pa)であり得る。
図4Bは、動作480の間に実施され得る動作についてのプロセスフロー図を提供する。図4Bの動作は、図4Aの動作を実施せずに実施することができることに留意されたい。すなわち、いくつかの実施形態では、図4Bの方法は、最初に核形成層を堆積することなく実施され得る。図4Cは、プロセス400におけるALDの例示的なサイクルを図示するタイミングシーケンス図を提供する。
図4Bでは、動作482において、基板が共反応物に曝露される。いくつかの実施形態では、これは、別の反応物を流すことなくパルス化することができるH2などの還元剤である。共反応物パルスは動作482~488によって定義されるサイクルにおける最初のパルスであると説明されているが、いくつかの実施形態では、動作482および486の順序を逆にして金属含有前駆体を最初にすることができる。動作482は、表面上へのH2分子の吸着および/または金属含有前駆体分子との反応を伴い、膜のサブ単層の単層を形成することができる。
いくつかの実施形態では、キャリアガスを流すことができる。キャリアガスは、図4Aの動作404に関して上述されたもののいずれかであり得る。動作482は、任意の適切な期間にわたって実施することができる。いくつかの例では、例示的な期間には、約0.25秒~約30秒、約0.25秒~約5秒、または約0.5秒~約3秒が挙げられる。
図4Bに戻ると、動作484において、チャンバはパージされる。このパージ動作は、気相に残った過剰の共反応物を除去し得る。上述のように、パージは、一定の圧力で不活性ガスを流し、それによってチャンバの圧力を低減し、別のガス曝露を開始する前にチャンバを再加圧することによって実施することができる。チャンバは、任意の適切な期間、例えば、約0.1秒~約3秒の期間パージされ得る。動作486において、基板は、金属含有前駆体に曝露される。これは、基板上に膜のサブ単層または単層を形成し得る。様々な実施形態において、金属含有前駆体は、この動作中、約0.1秒~約3秒、または約0.5秒の期間チャンバに流される。いくつかの実施形態では、金属含有前駆体は、投与前にガスラインおよびライン交換を充填するように迂回させることができる。
金属前駆体の例には、六フッ化タングステン(WF6)、六塩化タングステン(WCl6)、五塩化タングステン(WCl5)、四塩化タングステン(WCl4)、二塩化タングステン(WCl2)を含む塩化タングステン(WClx)、ならびにオキシ四塩化タングステン(WOCl4)および二塩化タングステン二酸化物(WO2Cl2)などのオキシ塩化タングステン(WOxCly)が挙げられる。さらなる例には、タングステンヘキサカルボニルW(CO)6、ならびにMDNOW(メチルシクロペンタジエニル-ジカルボニルニトロシル-タングステン)およびEDNOW(エチルシクロペンタジエニル-ジカルボニルニトロシル-タングステン)などの有機タングステン前駆体が挙げられる。さらなる例には、ハロゲン化モリブデンおよびオキシハロゲン化モリブデンなどのモリブデン含有前駆体が挙げられる。ハロゲン化モリブデンの例には、五塩化モリブデン(MoCl5)および六塩化モリブデン(MoCl6)が挙げられる。オキシハロゲン化モリブデンの例には、二塩化モリブデン二酸化物(MoO2Cl2)およびオキシ四塩化モリブデン(MoOCl4)が挙げられる。
図4Bの動作488において、チャンバは、チャンバから反応した副生成物および気相金属含有前駆体を除去するためにパージされる。いくつかの実施形態では、パージ期間は、約0.1秒~約2秒である。
図4Bの動作490において、バルク金属が適切な厚さまで堆積されたか、または事前設定されたサイクル数が完了したかどうかが決定される。そうでない場合、動作482~488は、所望の厚さが堆積されるまで繰り返される。いくつかの実施形態では、動作482~488は、フィーチャが充填されるまで繰り返される。
動作480で使用される金属含有前駆体は、核形成層の堆積に使用されるものと同じであっても異なっていてもよい。異なる場合、同じまたは異なる金属を含んでもよく、例えば、タングステンバルク層は、いくつかの実施形態ではタングステン核形成層上に、またはいくつかの実施形態ではモリブデン核形成層上に堆積され得る。
方法は、ALDサイクル、例えば、図4Aの動作402および/または図4Bの動作486において、金属含有前駆体と窒素(N2)を並流させることを含む。図4Cは、プロセス400においてH2還元剤および金属含有前駆体を使用するALDの例示的なサイクルを図示するタイミングシーケンス図を提供する。タイミングシーケンス図は、図4Bのものと同様であり、金属前駆体投与中にN2を並流させることを含む。特に、図4Cは、図4Bの動作482に対応し得る堆積サイクル411AにおけるH2投与420Aを示す。H2投与420Aの間、キャリアガスが流され得、H2還元剤がパルス化され、金属含有前駆体およびN2の流れがオフにされる。これに続いて、パージ段階440Aを行うことができる。堆積サイクル411Aは、金属含有前駆体+N2投与460Aおよびパージ段階470Aをさらに含む。図4Cに示すように、パージ段階440Aおよび470Aの間、キャリアガスは、他の流れがオフにされた状態で流れる。これらの動作は、後続の堆積サイクルにおいて、420B、440B、460B、および470Bに示すように繰り返される。
図4Cの各投与の大きさは、例示の目的でほぼ同じである。Arまたは他のキャリアガスは、最高の流量を有することができる。
キャリアガスはプロセス全体を通して一定であると示されているが、H2流および/または金属含有前駆体-N2並流を独立して提供することができる。例えば、H2(または他の共反応物)は、キャリアガスの流れなしで投与420Aおよび420Bで提供され得る。
いくつかの実施形態では、N2は、金属含有前駆体投与中に加えて、H2投与段階420Aおよび420B中、および/またはパージ段階440Aおよび440B中に流れることができる。
いくつかの実施形態では、金属含有前駆体は、WF6などのフッ素含有前駆体である。フッ素含有前駆体とN2を並流させることによって、金属層中のフッ素濃度が低減される。図5は、以下のプロセスによって堆積されたタングステン膜についての原子/ccでのF濃度の比較を示す:
N2 H2並流:N2+H2/パージ/WF6/パージ
N2 WF6並流:H2/パージ/N2+WF6/パージ
N2 H2並流:N2+H2/パージ/WF6/パージ
N2 WF6並流:H2/パージ/N2+WF6/パージ
特に、1~10nmでの濃度は、堆積された膜中のF含有量を示し、N2 H2並流プロセスの場合と同様に、N2 WF6並流プロセスの場合に桁違いに低い(1×1017対6×1018)。
加えて、より低い抵抗率が達成され、抵抗率は、200Åの膜に対するN2 H2並流よりも約10%改善される。
いくつかの実施形態では、金属含有前駆体の消費が低減される。上述のN2 WF6並流プロセスにおける金属含有前駆体の消費は、N2 H2並流よりも17%少なかった。
いくつかの実施形態では、堆積速度およびスループットが改善される。WF6の量が両方のプロセスで一定である(300sccm)にもかかわらず、N2 WF6並流についての堆積速度は、N2 H2並流の場合よりも30%高かった。いくつかの実施形態では、粗さは、金属含有前駆体とN2を並流させることによって大幅に低減される。
バルク層のALD堆積は、高応力膜をもたらす場合がある。これは高温を使用することによって軽減することができるが、高温は不十分な充填につながる可能性がある。いくつかの実施形態では、低応力膜は、金属含有前駆体とN2を並流させることによって、本明細書に記載の方法によって堆積させることができる。タングステンのALD中の温度は、200℃~550℃、例えば、300℃~450℃であり得る。モリブデンのALD中の温度は、450℃~800℃、例えば、600℃~750℃であり得る。
いくつかの実施形態では、堆積の前に窒素含有浸漬、特に、NH3浸漬を行ってもよい。
最も低い粗さは、NH3/N2並流プロセスで観察され、最も高い粗さは、浸漬なし/並流なしプロセスで観察された。
装置
任意の適切なチャンバを使用して、開示された実施形態を実施することができる。例示的な堆積装置は、様々なシステム、例えば、カリフォルニア州フリーモントのLam Research社から入手可能なALTUS(登録商標)およびALTUS(登録商標)Max、または様々な他の市販の処理システムのいずれかを含む。いくつかの実施形態では、原子層堆積(ALD)が、単一の堆積チャンバ内に位置決めされた2つ、5つ、またはさらに多くの堆積ステーションの1つである第1のステーションで実施され得る。したがって、例えば、水素(H2)および六フッ化タングステン(WF6)または他の金属含有前駆体は、基板表面に局所的な雰囲気を作り出す個々のガス供給システムを使用して、第1のステーションにおいて半導体基板の表面に交互のパルスで導入することができる。タングステンバルク層の堆積のために、別のステーションが使用されてもよい。2つ以上のステーションを使用して、並列処理でタングステンを堆積することができる。あるいは、ウエハにインデックス付けし、連続して2つ以上のステーションで動作を実施することも可能である。
任意の適切なチャンバを使用して、開示された実施形態を実施することができる。例示的な堆積装置は、様々なシステム、例えば、カリフォルニア州フリーモントのLam Research社から入手可能なALTUS(登録商標)およびALTUS(登録商標)Max、または様々な他の市販の処理システムのいずれかを含む。いくつかの実施形態では、原子層堆積(ALD)が、単一の堆積チャンバ内に位置決めされた2つ、5つ、またはさらに多くの堆積ステーションの1つである第1のステーションで実施され得る。したがって、例えば、水素(H2)および六フッ化タングステン(WF6)または他の金属含有前駆体は、基板表面に局所的な雰囲気を作り出す個々のガス供給システムを使用して、第1のステーションにおいて半導体基板の表面に交互のパルスで導入することができる。タングステンバルク層の堆積のために、別のステーションが使用されてもよい。2つ以上のステーションを使用して、並列処理でタングステンを堆積することができる。あるいは、ウエハにインデックス付けし、連続して2つ以上のステーションで動作を実施することも可能である。
図6は、実施形態による堆積プロセスを実施するのに適したプロセスシステムの概略図である。システム600は、移送モジュール603を含む。移送モジュール603は、処理中の基板が様々なリアクタモジュール間を移動するときの基板の汚染リスクを最小化するために、清潔な加圧環境を提供する。移送モジュール603には、様々な実施形態に従ってALDおよびCVDを実施することが可能なマルチステーションリアクタ609が取り付けられている。マルチステーションリアクタ609は、開示された実施形態による動作を連続して実施することができる複数のステーション611、613、615、および617を含むことができる。例えば、マルチステーションリアクタ609は、ステーション611が金属ハロゲン化物または金属オキシハロゲン化物を使用して核形成層堆積を実施し、ステーション613が様々な実施形態によるALDバルク堆積動作を実施するように構成することができる。
ステーションは、加熱された台座または基板支持体、1つまたは複数のガス入口またはシャワーヘッドまたは分散プレートを含むことができる。基板支持体702およびシャワーヘッド703を含む、堆積ステーション700の一例が図7に図示されている。台座部分701には、ヒータを設けることができる。
図6に戻ると、また、移送モジュール503には、プラズマによる前洗浄または化学的(非プラズマ)前洗浄、他の堆積動作、またはエッチング動作を実施することが可能な、1つまたは複数のシングルまたはマルチステーションモジュール607が取り付けられてもよい。モジュールはまた、例えば、堆積プロセスのための基板を準備する様々な処理に使用されてもよい。システム600はまた、処理前および処理後のウエハを格納する1つまたは複数のウエハソースモジュール601を含んでいる。大気移送チャンバ619内の大気ロボット(図示せず)は、最初にウエハをソースモジュール601から取り出してロードロック621へ移送することができる。移送モジュール603内のウエハ移送デバイス(一般的には、ロボットアームユニット)は、ウエハをロードロック621から移送モジュール603に取り付けられたモジュールに移動させたり、モジュール間で移動させたりする。
様々な実施形態において、システムコントローラ629を用いて、堆積中のプロセス条件を制御する。コントローラ629は、典型的には、1つまたは複数のメモリデバイスと、1つまたは複数のプロセッサとを含む。プロセッサは、CPUまたはコンピュータ、アナログおよび/またはデジタル入出力接続、ステッピングモータコントローラボードなどを含むことができる。
コントローラ629は、堆積装置の活動のすべてを制御することができる。システムコントローラ629は、タイミング、ガスの混合、チャンバ圧力、チャンバ温度、ウエハ温度、無線周波数(RF)電力レベル、ウエハチャック位置または台座位置、および特定のプロセスの他のパラメータを制御するための一連の命令を含むシステム制御ソフトウェアを実行する。いくつかの実施形態では、コントローラ629に関連するメモリデバイスに格納された他のコンピュータプログラムを用いることができる。
典型的には、コントローラ629に関連するユーザインターフェースが存在する。ユーザインターフェースは、ディスプレイ画面、装置および/またはプロセス条件のグラフィカルソフトウェアディスプレイ、ならびにポインティングデバイス、キーボード、タッチスクリーン、マイクロフォンなどのユーザ入力デバイスを含むことができる。
システム制御論理は、任意の適切な方法で構成することができる。一般に、論理はハードウェアおよび/またはソフトウェアで設計または構成することができる。駆動回路を制御するための命令は、ハードコードされるか、またはソフトウェアとして提供され得る。命令は、「プログラミング」によって提供されてもよい。そのようなプログラミングは、デジタル信号プロセッサのハードコードされた論理、特定用途向け集積回路、およびハードウェアとして実装された特定のアルゴリズムを有する他のデバイスを含む、あらゆる形式の論理を含むと理解される。プログラミングはまた、汎用プロセッサで実行され得るソフトウェアまたはファームウェア命令も含むと理解される。システム制御ソフトウェアは、任意の適切なコンピュータ可読プログラミング言語でコード化され得る。
プロセスシーケンスにおけるゲルマニウム含有還元剤パルス、水素フロー、およびタングステン含有前駆体パルス、ならびに他のプロセスを制御するためのコンピュータプログラムコードは、任意の従来のコンピュータ可読プログラミング言語(例えば、アセンブリ言語、C、C++、パスカル、フォートランなど)で書かれ得る。コンパイルされたオブジェクトコードまたはスクリプトは、プログラムに識別されたタスクを実施するためにプロセッサによって実行される。また、示されているように、プログラムコードはハードコードされてもよい。
コントローラパラメータは、例えば、プロセスガス組成および流量、温度、圧力、冷却ガス圧力、基板温度、ならびにチャンバ壁温度などのプロセス条件に関連している。これらのパラメータは、レシピの形態でユーザに提供され、ユーザインターフェースを利用して入力することができる。
プロセスを監視するための信号は、システムコントローラ629のアナログおよび/またはデジタル入力接続によって提供されてもよい。プロセスを制御するための信号は、堆積装置600のアナログおよびデジタル出力接続で出力される。
システムソフトウェアは、多くの異なる方法で設計または構成することができる。例えば、様々なチャンバ構成要素サブルーチンまたは制御オブジェクトは、開示された実施形態による堆積プロセスを実行するために必要なチャンバ構成要素の動作を制御するために書かれてもよい。この目的のためのプログラムまたはプログラムのセクションの例には、基板位置決めコード、プロセスガス制御コード、圧力制御コード、およびヒータ制御コードが挙げられる。
いくつかの実施態様では、コントローラ629はシステムの一部であり、そのようなシステムは上述した例の一部であってもよい。そのようなシステムは、1つまたは複数の処理ツール、1つまたは複数のチャンバ、1つまたは複数の処理用プラットフォーム、および/または特定の処理構成要素(ウエハ台座、ガス流システムなど)を含む半導体処理装置を含むことができる。これらのシステムは、半導体ウエハまたは基板の処理前、処理中、および処理後のシステム動作を制御するための電子機器と一体化されてもよい。そのような電子機器は「コントローラ」と呼ばれることがあり、1つまたは複数のシステムの様々な構成要素または副部品を制御してもよい。コントローラ629は、処理要件および/またはシステムのタイプに応じて、本明細書に開示されるプロセスのいずれかを制御するようにプログラムされてもよい。そのようなプロセスとしては、処理ガスの送給、温度設定(例えば、加熱および/または冷却)、圧力設定、真空設定、電力設定、一部のシステムにおける無線周波数(RF)発生器設定、RF整合回路設定、周波数設定、流量設定、流体送給設定、位置および動作設定、ツールに対するウエハの搬入と搬出、ならびに、特定のシステムに接続または連動する他の搬送ツールおよび/またはロードロックに対するウエハの搬入と搬出が含まれる。
広義には、コントローラは、命令を受信し、命令を発行し、動作を制御し、洗浄動作を可能にし、エンドポイント測定を可能にするなどの様々な集積回路、ロジック、メモリ、および/またはソフトウェアを有する電子機器として定義されてもよい。集積回路は、プログラム命令を記憶するファームウェアの形式のチップ、デジタル信号プロセッサ(DSP)、特定用途向け集積回路(ASIC)として定義されたチップ、および/または1つまたは複数のマイクロプロセッサ、すなわちプログラム命令(例えば、ソフトウェア)を実行するマイクロコントローラを含んでもよい。プログラム命令は、様々な個々の設定(またはプログラムファイル)の形式でコントローラに通信される命令であって、特定のプロセスを半導体ウエハ上で、または半導体ウエハ用に、またはシステムに対して実行するための動作パラメータを定義してもよい。動作パラメータは、いくつかの実施形態では、1つまたは複数の層、材料、金属、酸化物、ケイ素、二酸化ケイ素、表面、回路、および/またはウエハダイの製作における1つまたは複数の処理ステップを実現するためプロセスエンジニアによって定義されるレシピの一部であってもよい。
コントローラ629は、いくつかの実施態様では、システムと統合または結合されるか、他の方法でシステムにネットワーク接続されるコンピュータの一部であってもよく、またはそのようなコンピュータに結合されてもよく、またはそれらの組み合わせであってもよい。例えば、コントローラ629は、「クラウド」内にあってもよいし、ファブホストコンピュータシステムのすべてもしくは一部であってもよい。これにより、ウエハ処理のリモートアクセスが可能となる。コンピュータは、システムへのリモートアクセスを可能にして、製作動作の現在の進捗状況を監視し、過去の製作動作の履歴を検討し、複数の製作動作から傾向または性能基準を検討し、現在の処理のパラメータを変更し、現在の処理に続く処理ステップを設定するか、または新しいプロセスを開始してもよい。いくつかの例では、リモートコンピュータ(例えば、サーバ)は、ネットワークを通じてプロセスレシピをシステムに提供することができる。そのようなネットワークは、ローカルネットワークまたはインターネットを含んでいてもよい。リモートコンピュータは、パラメータおよび/または設定のエントリまたはプログラミングを可能にするユーザインターフェースを含んでもよく、そのようなパラメータおよび/または設定は、その後リモートコンピュータからシステムに通信される。いくつかの例では、コントローラは命令をデータの形式で受信する。そのようなデータは、1つまたは複数の動作中に実施される各処理ステップのためのパラメータを特定するものである。パラメータは、実施されるプロセスのタイプ、およびコントローラが連動または制御するように構成されるツールのタイプに特有のものであってもよいことを理解されたい。したがって、上述したように、コントローラは、例えば、互いにネットワーク接続され共通の目的(本明細書で説明されるプロセスおよび制御など)に向けて協働する1つまたは複数の個別のコントローラを含むことによって分散されてもよい。このような目的のための分散型コントローラの例として、チャンバ上の1つまたは複数の集積回路であって、(例えば、プラットフォームレベルで、またはリモートコンピュータの一部として)遠隔配置されておりチャンバにおけるプロセスを制御するよう組み合わせられる1つまたは複数の集積回路と通信するものが挙げられるであろう。
例示的なシステムは、プラズマエッチングチャンバまたはモジュール、堆積チャンバまたはモジュール、スピンリンスチャンバまたはモジュール、金属めっきチャンバまたはモジュール、洗浄チャンバまたはモジュール、ベベルエッジエッチングチャンバまたはモジュール、物理気相堆積(PVD)チャンバまたはモジュール、CVDチャンバまたはモジュール、ALDチャンバまたはモジュール、原子層エッチング(ALE)チャンバまたはモジュール、イオン注入チャンバまたはモジュール、追跡チャンバまたはモジュール、ならびに半導体ウエハの製作および/または製造に関連するか使用されてもよい任意の他の半導体処理システムを含むことができるが、これらに限定されない。
上述のように、ツールによって実施される1つまたは複数のプロセスステップに応じて、コントローラは、1つまたは複数の他のツール回路もしくはモジュール、他のツール構成要素、クラスタツール、他のツールインターフェース、隣接するツール、近接するツール、工場全体に位置するツール、メインコンピュータ、別のコントローラ、または半導体製造工場内のツール場所および/もしくはロードポートに対してウエハの容器を搬入および搬出する材料搬送に使用されるツールと通信してもよい。
コントローラ629は、様々なプログラムを含んでもよい。基板位置決めプログラムは、基板を台座またはチャック上にロードし、基板とガス入口および/またはターゲットなどのチャンバの他の部分との間隔を制御するために使用されるチャンバ構成要素を制御するためのプログラムコードを含むことができる。プロセスガス制御プログラムは、チャンバの圧力を安定化するために、ガス組成、流量、パルス時間を制御するためのコード、および任意で堆積前にガスをチャンバに流すためのコードを含むことができる。圧力制御プログラムは、例えば、チャンバの排気システムのスロットル弁を調節することによってチャンバの圧力を制御するためのコードを含み得る。ヒータ制御プログラムは、基板を加熱するために使用される加熱ユニットへの電流を制御するためのコードを含むことができる。あるいは、ヒータ制御プログラムは、ウエハチャックへの熱伝達ガス(ヘリウムなど)の送給を制御することができる。
堆積中に監視することができるチャンバセンサの例は、マスフローコントローラ、圧力センサ(圧力計など)、および台座またはチャック内に位置する熱電対を含む。適切にプログラムされたフィードバックおよび制御アルゴリズムをこれらのセンサからのデータと共に使用して、所望のプロセス条件を維持することができる。
装置は、図8に概略的に示すように、ラインチャージを様々なガス分配ラインに提供するガスマニホールドシステムを含み得る。マニホールド804は、金属含有前駆体ガスの供給源801、窒素(N2)の供給源802、およびアルゴン(Ar)または他のキャリアガスの供給源803からの入力を有する。マニホールド811は、水素(H2)または他の還元ガス(図示せず)の供給源からの入力809を有する。上述のように、キャリアガスからマニホールド811への入力がある場合とない場合がある。マニホールド821は、不活性パージガス819の供給源からの入力を有する。マニホールド804、811、および821は、金属含有前駆体ガスおよびN2並流ガス、共反応物ガス、ならびにパージガスを、それぞれ弁付き分配ライン805、813、および825を通して堆積チャンバに提供する。様々な弁を開閉してラインチャージを提供する、すなわち、分配ラインを加圧することができる。例えば、分配ライン805を加圧するために、弁806は閉じて真空にされ、弁808も閉じられる。適切な時間増分の後、弁808が開かれ、並流ガスがチャンバに送給される。ガスの送給に対する適切な時間の後、弁808が閉じられる。次に、弁806を真空に対して開くことによって、チャンバを真空にパージすることができる。
同様のプロセスを使用して、還元ガスおよびパージガスを送給することができる。例えば、還元ガスを導入するために、分配ライン813は、弁815を閉じ、弁817を閉じて真空にすることによってチャージされる。弁815の開放により、チャンバへの還元ガスの送給が可能になる。同様に、パージガスを導入するために、分配ライン825は、弁827を閉じ、弁823を閉じて真空にすることによってチャージされる。弁827の開放により、チャンバへのアルゴンまたは他の不活性パージガスの送給が可能になる。ラインチャージに許容される時間量により、ガスの最初の送給の量およびタイミングが変更される。
図8はまた、システムをパージするためにそれぞれ弁806、817、および823を開くことができる真空ポンプを示す。様々な分配ラインを通したガスの供給は、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサなどによって制御されるマスフローコントローラなどのコントローラによって制御され、コントローラは、流量、流れの期間、およびプロセスの順序でプログラムされる。
上述のプロセスは、堆積中に試薬のパルスを半導体基板に供給する弁およびマスフローコントローラ(MFC)の正確なタイミングを必要とし得ることに留意されたい。これを可能にする1つの方法として、弁およびMFCコマンドは、堆積シーケンスのすべてまたは一部に対するすべての時間クリティカルなコマンドについての命令を含む情報の個別のパケットで、組み込みデジタル入出力コントローラ(IOC)に送給される。Lam ResearchのALTUSシステムは、少なくとも1つのIOCシーケンスを提供する。IOCは、装置内の様々なポイント、例えば、プロセスモジュール内、またはプロセスモジュールからある程度離れて存在するスタンドアロン型の電力ラック上に物理的に位置することができる。各モジュールには、複数のIOCが存在し得る(例えば、モジュールごとに3つ)。シーケンスに含まれる実際の命令に関して、弁を制御し、MFCについての(すべてのキャリアおよび反応物ガスについての)流量を設定するためのすべてのコマンドを単一のIOCシーケンスに含めることができる。これは、すべてのデバイスのタイミングが絶対的な観点から、また互いに対して厳密に制御されることを確実にする。典型的には、任意の所与の時間に実行されている複数のIOCシーケンスが存在する。これにより、例えば、ALDをステーション1~2で実行し、それらのステーションにALD核形成層を堆積するために必要なすべてのハードウェア構成要素に対してすべてのタイミングを制御することが可能になる。同じモジュール内の他の堆積ステーションで上述のタイミングシーケンスを使用してバルク金属を堆積するために、第2のシーケンスが同時に実行されている場合もある。ステーション3~4への試薬の送給を制御するデバイスの相対タイミングはそのデバイスのグループ内で重要であるが、ステーション1~2でのALDプロセスの相対タイミングは、ステーション3~4の相対タイミングからオフセットされ得る。IOCは、パケット化されたシーケンスで情報を変換し、デジタルまたはアナログのコマンド信号を、弁を制御するMFCまたは空気圧ソレノイドバンクに直接送給する。
金属含有前駆体ガスのパルスは、以下のように生成され得る。最初に、システムは、MFCまたは他の流量制御デバイスが安定化する間、一定期間にわたってWF6を真空ポンプに迂回させる。これは、一例では約0.5~5秒の期間にわたって行うことができる。次に、システムは、迂回出口606と出口608の両方を堆積チャンバに閉じることによって、タングステンガス送給マニホールドを加圧する。これは、例えば、堆積チャンバへの出口が開かれたときに試薬の最初のバーストを作り出すために、約0.1~5秒の期間にわたって行われ得る。これは、一例では約0.1~10秒間にわたって出口弁808を開くことによって達成される。その後、タングステン含有ガスが、適切なパージガスを使用して堆積チャンバからパージされる。他の試薬のパルスフローもまた、同様の方式で行うことができる。
上に示したように、いくつかの実施形態では、本明細書に記載の装置は、低容積のシャワーヘッドを含み得る。半導体処理装置において、シャワーヘッドは、半導体基板全体にプロセスガスを分配するために使用される場合がある。シャワーヘッドは、バックプレート、およびシャワーヘッドの外側につながる複数のガス分配穴を備えたフェースプレートによって境界が定められたプレナム容積を含むことができる。フェースプレートは、半導体処理チャンバまたは他の反応チャンバ内の基板反応領域に面し、基板は、ウエハを支持する台座上など、半導体処理チャンバ内のフェースプレートの下に載置される。
堆積プロセスで使用される反応物は高価である場合があり、それらの消費を低減することにより、各ウエハの処理に関連するコストが削減される。様々な処理ステップも最小の完了時間を有する可能性があり、上述のようなALD堆積サイクルにおけるプロセスステップ間のシャワーヘッドをパージするための時間など、これらの時間のいくつかを短縮することにより、スループットが向上する可能性がある。気相での反応物の送給における流れの均一性を高めることは、堆積された膜の均一性を改善し得る。これは、特に投与中、および実施される場合にはプラズマ動作中である。しかし、シャワーヘッド内のパージ流の均一性を高めることは、シャワーヘッドをより効果的にパージし、シャワーヘッド内の不要なガス(反応する可能性のあるガスを含む)を除去することによって、膜の均一性も改善し得る。
低容積のシャワーヘッドは、シャワーヘッドと台座との間のギャップ(以下、「ギャップ」または「シャワーヘッド-台座ギャップ」と呼ぶ)を低減するように構成された外部形状を含み得る。このギャップを低減することは、ガス消費を低減し、堆積された膜の均一性を改善する。いくつかの台座は、基板が位置決めされる基板支持面、および基板支持面の周りおよび上に延びる外壁によって部分的に画定される空洞内に基板を位置決めすることができる。シャワーヘッドのこの外部形状は、シャワーヘッドの一部をこの台座空洞内に位置決めすることを可能にし得る。いくつかの実施形態では、外部形状は、ウエハに面するシャワーヘッドの前面の外径のサイジングを含み得、台座外壁の内径よりも小さい、ガスをウエハ上に分配するための貫通穴を含む。外部形状はまた、シャワーヘッド前面の周りに延び、シャワーヘッドと外壁との間にクリアランスを提供して前面を台座空洞内に位置決めすることを可能にする、外側円錐台面、例えば、チャンファを含み得る。
いくつかの実施形態では、シャワーヘッドは、チャンバの態様を測定する1つまたは複数のセンサを有するように構成され得る。シャワーヘッドは、フェースプレートに開口部を備えたポートと、ポートに隣接して、またはポートの一端に位置決めされた窓と、窓、ポート、および開口部を通してシャワーヘッドの外側の態様を検出することができる、窓に隣接して位置決めされたセンサとを有することができる。例えば、ポートは台座の上に位置決めされ得、レーザを有するセンサはシャワーヘッド内に位置決めされ得、それによりレーザは、シャワーヘッドと台座との間の距離を測定するために、窓、ポート、および開口部を通して台座上にビームを放出することができる。場合によっては、台座は、垂直、水平(例えば、xとy方向の両方)、ならびに1つまたは複数の軸の周りの角回転、およびある点の周りの傾斜運動を含む、多数の方向に移動するように構成されてもよい。台座は、台座支持面をシャワーヘッドの前面と平行にするまたは平行に近づけることを含めて、台座およびシャワーヘッドを位置合わせするために、シャワーヘッドのセンサによって提供される測定値に基づいて調整することができる。
本明細書に記載のシャワーヘッドは、約214ミリリットルを含む、250ミリリットル以下の内部プレナム容積を有するような低容積のシャワーヘッドと見なすことができる。比較すると、ほとんどの従来のシャワーヘッドは、500ミリリットルを超える総内部容積を有する。
一般に、シャワーヘッドには、シャンデリアタイプとフラッシュマウントタイプの2つの主なタイプがある。シャンデリアタイプのシャワーヘッドは、一端がチャンバの上部に取り付けられ、他端がフェースプレートまたはバックプレートに取り付けられたステムを有する。ステムの一部は、ガスラインおよびRF電力を接続するためにチャンバ上部から突出し得る。フラッシュマウントシャワーヘッドタイプは、チャンバの上部に統合され、典型的にはステムを有さない。図示の図面は一般にフラッシュマウントタイプのシャワーヘッドを参照しているが、本開示は、シャンデリアタイプのシャワーヘッドにも適用することができることを理解されたい。さらに、本明細書に記載のシャワーヘッドは熱またはプラズマ強化ALDプロセスを実施するために実装され得るが、反応物の消費および処理の均一性が懸念される他の処理技法においても実装されてもよい。処理技法には、化学気相堆積(CVD)、プラズマ強化CVD、および原子層エッチング(ALE)プロセスを含むエッチングが挙げられる。
図9は、開示された実施形態による例示的なシャワーヘッドの等角図を図示する。この図では、シャワーヘッド900は、ガス入口904を備えたバックプレート902と、バックプレート902に接続されたフェースプレート906とを含む。
図10は、図9のシャワーヘッドの断面側面図を図示する。この断面図は、図9の断面線A-Aに沿って取られている。バックプレート902およびフェースプレート906は共に、シャワーヘッド900内にプレナム容積908を部分的に画定し、バッフルプレート910は、プレナム内に位置決めされる。バックプレート102およびフェースプレート104は、それらが互いに面する表面を有するように、シャワーヘッド内で互いに対向して位置決めされ得る。一般に、プレナム容積130の第1の表面は、シャワーヘッドが使用するように構成される基板の直径と同様または実質的に同様の直径を有することができる。フェースプレート906は、プレナム容積908を部分的に画定し、バックプレート902に面する背面912と、処理チャンバ内に位置決めされた基板に面するように構成された前面914とを含む。フェースプレート906はまた、背面912から前面914にフェースプレート906を通って延び、流体がプレナム容積908からシャワーヘッド902の外側に、そして基板上に進行することを可能にする複数の貫通穴916(1つが図10で識別される)を含む。
図10にさらに見られるように、フェースプレート906は、バックプレート902の下でバックプレート902に接続され、1つの貫通穴916が、背面912から前面914にフェースプレート906を通って延びる。これらの貫通穴916の配置および構成は、以下でより詳細に説明される。プレナム容積908は、流体がガス入口904を通ってプレナム容積908に流れ、貫通穴916を介してフェースプレート906を通って流れることができるように、ガス入口904および貫通穴916に流体接続される。プレナム容積には、ガス入口を介して、反応物ガスまたはパージガスなどのガスを供給することができる。ガス入口は、ガスの送給のための1つまたは複数のガス供給部に接続することができる。 ガス入口は、ステム(図示せず)を含むことができる。
プレナム容積は、図11A~図11Eを使用してさらに説明される。図11Aでは、図10の断面図は暗い陰影で描かれたプレナム容積908で図示されているが、説明および明確化の目的で、バッフルプレート906は、フェースプレート906およびバックプレート902のクロスハッチングと共に除去されている。図11Bでは、プレナム容積のみのシャワーヘッドの中心軸を通る断面スライスが図示されている。フェースプレート906の背面914は、図11Aおよび図11Bに見られるように、プレナム容積908を部分的に画定する。いくつかの実施形態では、図10~図11Eに示されるように、バックプレート902は、プレナム容積908を部分的にも画定する複数の表面を含む。
この複数の表面は、1つまたは複数の円錐台面を含み得る。
この複数の表面は、1つまたは複数の円錐台面を含み得る。
円錐台面は、尖った端のない円錐面であり、円錐台の基部に垂直な平面は、点をスライスまたは切断する。図12は、例示的な円錐台面を図示する。見てわかるように、円錐台面Sは、第1の半径R1を有する第1の円周C1、および第1の半径R1よりも大きい第2の半径R2を有する第2の円周C2によって画定される。2つの円周は、高さHだけ互いにオフセットされる。円錐台面の長さLは、第1および第2の円周C1およびC2の間にまたがっている。円錐台面はまた、中心軸を有し、第1の角度θ1だけ中心軸からオフセットされる。
いくつかの実施形態では、図9~図11Eに示すように、バックプレートは、3つの円錐台面を含み得る。本明細書の説明は3つの円錐台面のみに限定されず、いくつかの実施形態では、バックプレートは2つの円錐台面を有し得、他の実施形態では、4つ以上の円錐台面を有し得る。図11Bは、第1の円錐台面918の2つのスライス、第2の円錐台面920の2つのスライス、および第3の円錐台面922の2つのスライスを識別する。図11Cは、バックプレートの部分プロファイルの断面側面図を図示する。ここでは、プロファイルは、太い太線で図11Bにおいてそれぞれ識別される3つの円錐台面918、920、および922の各々の2つのスライスを示し、バックプレートの他の表面は、点線で図示されている。3つの円錐台面918、920、および922の各々は、それぞれ長さL1、L2、およびL3を有し、また、図11Cに示すように、シャワーヘッドの中心軸924からそれぞれ第1の角度θ1、第2の角度θ2、および第3の角度θ3によってオフセットされる。各円錐台面の内側および外側半径も図11Cに図示されており、第1の円錐台面918は、内側半径R1Aおよび外側半径R2Aを有し、第2の円錐台面920は、内側半径R1Bおよび外側半径R2Bを有し、第3の円錐台面922は、内側半径R1Cおよび外側半径R2Cを有する。
図11Dは、バックプレート902の下側の平面図を図示する。3つの円錐台面918、920、および922は、陰影で識別される。これらの3つの円錐台面は、バックプレート902の中心軸924(「X」でマークされている)の周りに完全に延び、これらの円錐台面の各々の中心軸は、互いに同一直線上にあり、バックプレート902の中心軸924と同一直線上にある。これらの3つの円錐台面の各々は、その表面の内側半径によって画定された第1の円周、およびその表面のより大きな外側半径によって画定された第2の円周を有し、それによって第2の円周は第1の円周よりも大きくなる。図11Dは、第1の円錐台面918の第1の円周C1Aおよび第2の円周C2A、第2の円錐台面920の第1の円周C1Bおよび第2の円周C2B、ならびに第3の円錐台面922の第1の円周C1Cおよび第2の円周C2Cの識別を含む。
いくつかの実施形態では、図11B~図11Eに示されるように、バックプレートの円錐台面は、ガス入口904から半径方向外側に、およびガス入口904の周りに位置決めされ得る。これらの表面はまた、様々な半径方向位置およびバックプレートの中心軸からの間隔において間隔を空けることができる。図11B~図11Eでは、第1の円錐台面918がガス入口904に隣接して見られ、場合によっては、第1の円錐台面の内側半径がガス入口904の境界を形成し得る。第2の円錐台面920は、バックプレート902の中心軸924に対して、第1の円錐台面918から半径方向外側にオフセットされ、それにより第1の円錐台面918は、図11B~図11Eに図示されるように、中心軸に沿って見たとき、断面として見たとき、および中心軸に垂直に見たときなど、ガス入口904と第2の円錐台面920との間に挿入される。いくつかのそのような実施形態では、第1の円錐台面918の外側半径R1Bは、第2の円錐台面920の内側半径R2Aよりも小さい。
いくつかの実施形態では、1つまたは複数の別の表面が、第1および第2の円錐台面918および920の間にまたがることができる。例えば、図11Bに見られるように、表面926(陰影なし)が、第1の円錐台面918の外側半径R2Aと第2の円錐台面920の内側半径R1Bとの間にまたがる。場合によっては、この表面は、平面であり、バックプレート902の中心軸924に垂直である1つまたは複数の部分を含み得る。この垂直性は正確ではない場合があり、例えば、製造公差および不完全性のために実質的に垂直であると見なされ得る。この表面926はまた、平面表面と円錐台面との間に滑らかな遷移を形成してこれらの表面に沿った滑らかな流体の流れを可能にするために、1つまたは複数の湾曲部分を含み得る。この表面はまた、図11Cにも見られる。
いくつかの他の実施形態では、図9~図11Eには図示されていないが、第1および第2の円錐台面918および920は、第1の円錐台面918の外側半径R2Bが第2の円錐台面920の内側半径R1Bと同じになるように、互いに直接隣接してもよい。いくつかのそのような例では、第1の円錐台面918の第2の円周C2Aは、第2の円錐台面920の第1の円周C1Bと同じであり得る。
図11B~11Eに戻ると、第3の円錐台面922は、バックプレート902の中心軸924に対して、第2の円錐台面920から半径方向外側に位置決めされ得、それにより第2の円錐台面920は、図11Cおよび図11Eに図示されるように、中心軸924に沿って見たとき、または断面として見たとき、および中心軸に垂直に見たとき、第1の円錐台面918と第3の円錐台面922との間に挿入される。いくつかのそのような実施形態では、図11Dに見られるように、第2の円錐台面920の外側半径R2Bは、第3の円錐台面922の内側半径R1Cよりも小さい。上記と同様に、いくつかの実施形態では、別の表面928は、第2および第3の円錐台面920、922の間にまたがることができる。この他の表面は、表面926と同様に、中心軸924に垂直な1つまたは複数の平面部分を有し得、また、これらの表面に沿った滑らかな流れを可能にするために、円錐台面と接続する1つまたは複数の湾曲面を含み得る。例示的な湾曲面930A、930B、および930Cが、図11Cおよび図11Dに示されている。
いくつかの実施形態では、バックプレートの円錐台面は、バックプレートの中心軸に沿って互いに垂直にオフセットされ得る。場合によっては、第1の円錐台面は、ガス入口に最も近い、または隣接する中心軸に沿って位置決めされ、ならびにガス入口と同じ位置で中心軸に沿って位置決めされ得る。図11Cの右側の表面を図示する図11Eでは、表面の垂直オフセットが示されている。ここでは、第1の円錐台面918の第1の円周C1Aは、中心軸924に沿って、ガス入口904と同じ位置に位置決めされる。第1の円錐台面918の第2の円周C2Aは、第1の高さH1だけ中心軸924に沿ってオフセットされる。第2の円錐台面は、第1の円錐台面よりもガス入口から離れて中心軸に沿って垂直にオフセットされ得る。いくつかのそのような例では、第1の円錐台面の第2の円周は、中心軸に沿って、第2の円錐台面の第1の円周と同じ位置にあってもよく、他の実施形態では、第2の円錐台面の第1の円周は、第1の円錐台面の第2の円周よりも中心軸に沿ってガス入口から離れてオフセットされてもよい。図11Eでは、第2の円錐台面920の第1の円周C1Bは、中心軸924に沿って、第1の円錐台面918の第2の円周C2Aと同じ位置に位置決めされる。第2の円錐台面920の第2の円周C2Bは、第2の高さH2だけ中心軸924に沿ってオフセットされる。いくつかのそのような実施形態では、第1の円錐台面は、ガス入口と第2の円錐台面との間の中心軸に沿って挿入されていると見なすことができる。
同様に、第3の円錐台面は、第1および第2の円錐台面よりもガス入口から離れて中心軸に沿って垂直にオフセットされ得る。いくつかのそのような例では、第2の円錐台面の第2の円周は、中心軸に沿って、第3の円錐台面の第1の円周と同じ位置にあってもよく、他の実施形態では、第3の円錐台面の第1の円周は、第2の円錐台面の第2の円周よりも中心軸に沿ってガス入口から離れてオフセットされてもよい。図11Eでは、第3の円錐台面922の第1の円周C1Cは、中心軸924に沿って、第2の円錐台面920の第2の円周C2Bと同じ位置に位置決めされる。第3の円錐台面922の第2の円周C2Cは、第3の高さH3だけ中心軸924に沿ってオフセットされる。いくつかのそのような実施形態では、第2の円錐台面は、第1および第3の円錐台面の間の中心軸に沿って挿入されていると見なすことができる。
いくつかの実施形態では、第1の円錐台面918の内側半径R1Aは、約0.20インチ~0.045インチ(約0.508~0.1143cm)であり得、0.3インチ(0.762cm)を含み、第1の円錐台面918の外側半径R2Aは、約1.25インチ~3.0インチ(約3.175~7.62cm)であり得、1.5インチ(3.81cm)を含む。第2の円錐台面920の内側半径R1Bは、約2.00インチ~3.75インチ(約5.08~9.525cm)であり得、3.0インチ(7.62cm)を含み、第2の円錐台面920の外側半径R2Bは、約2.5インチ~4.25インチ(約6.35~10.795cm)であり得、3.5インチ(8.89cm)を含む。第3の円錐台面922の内側半径R1Cは、約4.25インチ~5.75インチ(約10.795~14.605cm)であり得、約5.00インチ(約12.7cm)を含み、第3の円錐台面922の外側半径R2Cは、約4.75インチ~6.25インチ(約12.065cm~15.875cm)であり得、5.75インチ(14.605cm)を含む。いくつかの実施形態では、第1の円錐台面918の長さL1は、約1.15インチ~2.5インチ(約2.921~6.35cm)であり得、約1.5インチ(約3.81cm)を含み、第2の円錐台面920の長さL2は、0.25インチ~1.5インチ(0.635cm~3.81cm)であり得、0.5インチ(1.27cm)を含み、第3の円錐台面922の長さL3は、約0.25インチ~1.75インチ(約0.635cm~4.445cm)であり得、0.75インチ(1.905cm)を含む。いくつかの実施形態では、第1の円錐台面918の第1の角度θ1は、約50°~95°であり得、第2の円錐台面920の第2の角度θ2は、約45°~85°であり得、第3の円錐台面922の第3の角度θ3は、65°~89°であり得る。いくつかの実施形態では、第1の円錐台面918の第1の高さH1は、約0.1インチ~0.5インチ(約0.254cm~1.27cm)であり得、0.17インチ(0.4318cm)を含み、第2の円錐台面920の第2の高さH2は、約0.1インチ~0.3インチ(約0.254cm~0.762cm)であり得、第3の円錐台面922の第3の高さH3は、約0.005インチ~0.25インチ(約0.0127cm~0.635cm)であり得、0.04インチ(0.1016cm)を含む。本発明者らは、これらの寸法が、いくつかの実施形態では、シャワーヘッドのプレナム容積を有利に低減しながら、シャワーヘッド内およびフェースプレートからの流れの均一性を改善し得ることを決定した。
次に、バッフルプレートの態様について説明する。図10に戻ると、バッフルプレート910は、シャワーヘッド900のプレナム容積908内に位置決めされる。バッフルプレートは、バックプレート902のガス入口904に面する上面と、フェースプレート906に面する底面と、上面から底面にバッフルプレート910を通って延びるバッフルプレート貫通穴とを含む。バッフルプレート910は、プレナム容積908内に位置決めされ、プレナム容積908全体にわたって外側に、かつバッフルプレート910を通してフェースプレート906に向かって下側にガスを誘導する。図13Aは、バッフルプレートの側面図を図示し、図13Bは、バッフルプレートの上面図を図示する。図13Aでは、バッフルプレート910の上面932および底面934が識別される。いくつかの実施形態では、バッフルプレートの上面および底面は、平面であり、互いに平行であり得、製造公差および他の公差を考慮して互いに実質的に平行である。バッフルプレート910はまた、シャワーヘッド内の均一なガス流を提供するために、ガス入口904の中心にあってもよい。
図13Aに示すようないくつかの実施形態では、バッフルプレート910は、バッフルプレートの外側領域の周りに円錐台面936を有し得る。円錐台面936は、バックプレート906に面し得、中心軸に平行な角度成分を有し得、場合によっては、バックプレート908の第2の円錐台面920に面し得る。この円錐台面936の第1の円周は、上面932の外径938によって画定することができる場合によっては、円錐台面936の第2の円周は、バッフルプレート910の外径942を形成し得る湾曲面940などの別の表面と交差し得る。同様に、上面932と円錐台面936との間に湾曲面があり得、図13Aおよび図13Bにおいて937として識別される。いくつかの実施形態では、外径942は、約140mm~200mmであってもよい。これらの表面および構成は、バッフルプレートの周囲の均一な流体の流れを可能にし、バッフルプレートにかかる剪断力を低減し、したがって粒子の生成を低減することが可能である。
いくつかの実施形態では、バッフルプレート910の中心軸に平行な軸から測定される、バッフルプレートの円錐台面936の角度θ4は、バックプレート902の第2の円錐台面920の角度と相補的であり得る。これにより、バックプレート902の第2の円錐台面920およびバッフルプレートの円錐台面は互いに平行になることができる。図14は、図10のシャワーヘッドの断面図の右半分の拡大部分を図示する。バッフルプレート910は、プレナム容積908の内側に位置決めされ、バッフルプレートの円錐台面936、軸中心軸924からのその角度θ4、バックプレート902の第2の円錐台面920、および第2の角度θ2が識別される。これらの表面および角度は、角度θ4および第2の角度θ2が互いに相補的であり、合計で180°になるように構成される。いくつかの実施形態では、製造の不正確さおよび公差を考慮すると、これらの角度は正確に相補的ではない可能性があるが、代わりに、180°の+/-5°以内など、非常に近く実質的に相補的であり得る。いくつかの実施形態では、角度θ4は約110°であってもよく、第2の角度θ2は約70°であってもよい。図13Bのバッフルプレートの上面図に戻ると、陰影で強調された円錐台面936は、バッフルプレート910のすべての周りに延びているのが見られる。
バッフルプレートの貫通穴は、バッフルプレートを横切ってバッフルプレートを通過することを含めて、プレナム容積全体に均一な流れを少なくとも部分的に可能にするように構成することができる。いくつかの実施態様では、バッフルプレート910における貫通穴の数は、バッフルプレート910を横切って通過する流れの均一性に影響を及ぼし得る。一般に、ガスは最も抵抗の少ない経路に沿って流れるので、例えば、バッフルプレート910の貫通穴が低い圧力降下を引き起こす場合、ガスの流れは、バッフルプレート910の中央領域における貫通穴およびフェースプレートの中央領域における貫通穴を通って噴出し得る。しかし、圧力降下が高いと、ガスの流れをバッフルプレート910の縁部およびフェースプレートの縁部に向かってより外側に押し出すことになる。これらの潜在的な結果は、フェースプレートからの不均一な流れをもたらす可能性があり、基板上の不均一性の増加につながり得る。より高い圧力降下を容易にするために、バッフルプレート910における貫通穴の数、貫通穴の直径、またはその両方を減少させ、従来のシャワーヘッドからの内部容積の減少を伴うことができる。そうでなければ、バッフルプレート910に過剰な数の貫通穴がある場合、貫通穴の直径が大きすぎる場合、またはその両方である場合、圧力降下が低すぎる可能性があり、流束は中心から縁部までバッフルプレート910全体において均一ではない。したがって、バッフルプレートにおける貫通穴の数およびそれらの直径は、バッフルプレートを通過して横切る均一な流れを提供するように構成される。図14では、例示的な流れベクトルが黒い矢印として示されており、ガス入口904から、バッフルプレート910の一部を横切って、フェースプレート906の縁部に向かって、ならびにバッフルプレート貫通穴946を通ってガスが流れることを示している。
図13Bに戻ると、上面から底面にバッフルプレート910を通って延びる複数のバッフルプレート貫通穴が見られる。図13Bに図示されるようないくつかの実施形態では、いくつかの貫通穴は、他の貫通穴の外径とは異なる外径を有し得る。いくつかのそのような例では、貫通穴の外径は、バッフルプレートの中心からの半径方向の距離が増加するにつれてサイズが大きくなる場合がある。例えば、バッフルプレートの第1のセクションは、各々が第1の外径を有する第1の数の貫通穴を有してもよく、バッフルプレート中心軸に対して第1のセクションから半径方向外側にオフセットされた第2のセクションは、各々が第1の外径よりも大きい第2の外径を有する第2の数の貫通穴を有してもよい。
図13Cは、図13Bの拡大図を図示する。ここでは、バッフルプレート910の様々なセクションは陰影を付けられ、バッフルプレートの中心軸951は「X」として図示され、上記のように、バッフルプレートの中心軸951は、シャワーヘッドの中心軸924と同一直線上にあり得る。暗い陰影で示されるバッフルプレートの第1のセクション944は、バッフルの中心軸951に最も近く位置決めされ、それを取り囲み、第1の数の貫通穴946Aがこのセクション内にあり、それらはすべて第1の外径を有する。これらの貫通穴946Aはまた、バッフルプレートの中心軸951の周りに延びるリングに配置される。光の陰影で示される第2のセクション948は、中心軸951に対して第1のセクション944から半径方向外側にオフセットされ、第1のセクションに隣接しており、この第2のセクション948は、第1のセクション944よりも中心軸951から離れている。第2のセクション948は、第2の数の貫通穴946Bを含み、それらは第1のセクション944における第1の数の貫通穴946Aの第1の直径よりも大きい第2の外径を有する。暗い陰影で示される第3のセクション950は、第1のセクション944と第2のセクション948の両方から半径方向外側にオフセットされ、第2のセクション948に隣接しており、この第3のセクション950は、第1および第2のセクションよりも中心軸951から離れている。第3のセクション950は、第3の数の貫通穴946Cを含み、それらは第1のセクション944における第1の数の貫通穴946Aの第1の直径と、第2のセクション946における第2の数の貫通穴946Bの第2の直径の両方よりも大きい第3の外径を有する。第3の数の貫通穴946Cもまた、中心軸951の周りの3つのリングに沿って配置され、第1および第2のセクションは、穴の2つのリングを有する。
バッフルプレートの3つの追加のセクションもまた、陰影で強調される。第4のセクション952は、第3のセクション950から半径方向外側に位置決めされ、第3の外径よりも大きい第4の外径を有する第4の数の貫通穴(符号なし)を含み、このセクションはまた、貫通穴の3つのリングを含む。同様に、第5のセクション954は、第4のセクション952から半径方向外側に位置決めされ、第4の外径よりも大きい第5の外径を有する第5の数の貫通穴(符号なし)を含み、このセクションはまた、貫通穴の3つのリングを含む。第6のセクション956は、第5の外径よりも大きい第6の外径を有する第6の数の貫通穴(符号なし)を含み、このセクションは、貫通穴の2つのリングを含む。いくつかの実施形態では、第1の直径は、約0.30mm~0.65mmであり得、第2の直径は、約0.50mm~0.75mmであり得、第3の直径は、約0.60mm~0.9mmであり得、第4の直径は、約0.7mm~1.1mmであり得、第5の直径は、0.8mm~1.25mmであり得、第6の直径は、約0.9mm~1.4mmであり得る。バッフルプレートの構成は、バッフルプレートを通過する、全体にわたる、およびその周囲を含む、プレナム容積を通る均一な流れを提供する。
バッフルプレートはまた、シャワーヘッドを通るより速くより均一な流体の流れを提供するために、プレナム容積内に位置決めされる。いくつかの実施形態では、これは、バックプレートのガス入口の中心軸と同一直線上にあるようにバッフルプレートの中心軸を位置決めすることを含む。これはまた、バッフルプレートが第1の円錐台面よりも中心軸に沿ってガス入口からより離れるように、中心軸に沿ってバッフルプレートを位置決めすることを含み得る。これはまた、バッフルプレートの上面が第2の円錐台面の第1の円周よりもガス入口から中心軸に沿って離れるようにバッフルプレートを位置決めすることを含み得、これは、第2の円錐台面の第1および第2の円周の間の中心軸に沿ってバッフルプレート上面を位置決めすることをさらに含み得る。場合によっては、バッフルプレートの底面は、第3の円錐台面の第1の円周よりもガス入口から離れて中心軸に沿って位置決めされてもよい。バッフルプレートの底面はまた、フェースプレートから中心軸に沿ってオフセットされ得る。
図14に戻ると、バッフルプレートは、バッフルプレート910が第1の円錐台面918よりも中心軸924に沿ってガス入口904からより離れるように、バッフルプレート910の上面932が第2の円錐台面920の第1の円周C1Bよりもガス入口904から中心軸924に沿って離れるように、上面932もまた第2の円錐台面920の第1および第2の円周C1BおよびC2Bの間の中心軸924に沿って位置決めされるように、そしてバッフルプレート910の底面934が第3の円錐台面922の第1の円周C1Cよりもガス入口904から離れて中心軸924に沿って位置決めされるように、プレナム容積内に位置決めされる。図14にも見られるように、第3の円錐台面922の第2の円周C2Cは、フェースプレート906の背面912から中心軸に沿ってオフセットされる。プレナム容積内のバッフルプレートのこの位置決めは、シャワーヘッドを通る均一で迅速かつ効率的な流体の流れを可能にする一方、シャワーヘッドの容積を低減し、これにより流体消費を低減し、粒子汚染を低減する。本明細書で説明されるように、バッフルプレートの位置決めおよび構成により、ガス流は、バッフルプレート貫通穴を通ってだけでなく、プレナム容積全体にわたってフェースプレートの縁部に向かって外側に誘導される。貫通穴を通してプレナム容積全体にわたって外側にガスの流れを誘導することによって、従来のシャワーヘッドと比較してシャワーヘッドの全体的な内部容積を低下させても、より空間的に均一なガスの流れを得ることができる。
上記のように、フェースプレートはまた、フェースプレートを通って延び、ガスがプレナム容積からシャワーヘッドの外側および基板上に流れることを可能にする複数の貫通穴を含む。バッフルプレート貫通穴について上述したのと同様に、フェースプレート906における貫通穴の数もまた、フェースプレート906を横切る流れの均一性に影響を及ぼし得る。ここでは、より高い圧力降下を容易にするために、フェースプレート906における貫通穴の数を減少させ、従来のシャワーヘッドからの内部容積の減少を伴うことができる。フェースプレート906に過剰な数の貫通穴がある場合、圧力降下が低すぎる可能性があり、流束は中心から縁部までフェースプレート906全体において均一ではない場合がある。いくつかの実施態様では、フェースプレート906における貫通穴の数は、約1000~約3,000個の貫通穴、または約2500~約2,750個の貫通穴であってもよい。
いくつかの実施形態では、これらの貫通穴はすべて、同じ外径、例えば約0.015インチ~0.1インチ(約0.015cm~0.254cm)であり得る。これらのフェースプレート貫通穴はまた、フェースプレートから均一な流れを作り出すために、フェースプレート全体に配置することもできる。図15Aは、前面(基板に面するように構成された表面)および可視の貫通穴を備えたフェースプレートの平面図を図示する。見てわかるように、フェースプレート906の貫通穴916は、フェースプレートおよび前面914を通って延びる。これらの貫通穴はまた、フェースプレートの中心軸の周りに中心があり、穴を互いにオフセットする複数の円に沿って配置される。例えば、フェースプレートは、フェースプレートの中心軸の中心にある貫通穴を有することができ、これは、図11Aで識別される貫通穴916である。この中心貫通穴のすぐ隣には、第1の直径を有する第1の円に沿って等間隔に配置された複数の穴があり得、この円からすぐ半径方向外側には、該複数の穴よりも多くの穴を有する第2の複数の穴を有する別の円があり得、この第2の複数の穴は、この第2の円に沿って等間隔に配置され得る。この等間隔は常に正確であるとは限らず、実質的に等間隔であると見なされる場合があり、これは製造または他の不整合に起因するものであり得、それにより間隔が等間隔の約+/-5%以内となり得る。
図15Bは、図15Aのフェースプレートの中央の部分拡大セクションを図示する。中心貫通穴916が識別され、複数の他の貫通穴が見られる。中心貫通穴は、フェースプレートの中心軸の中心にあり得る。第1の参照円958が中心貫通穴916の周りに延びているのが見られ、6つの穴がこの第1の参照円に沿って等間隔に配置されている。2つの貫通穴は、データム961の中心にある。第2の参照円960は、第1の参照円958から半径方向にオフセットされ、その周りに延びる。12個の貫通穴がこの第2の参照円960の周りに等間隔に配置されるが、これらの貫通穴は、第1の角度(例えば15°)だけデータム961からオフセットされる。第3の参照円962は、第2の参照円960から半径方向にオフセットされ、その周りに延びる。18個の貫通穴がこの第3の参照円962の周りに等間隔に配置され、これらの貫通穴は、データム961からオフセットされない。第4の参照円964は、第3の参照円962から半径方向にオフセットされ、その周りに延びる。24個の貫通穴がこの第4の参照円964の周りに等間隔で配置されるが、これらの貫通穴は、第2の角度(例えば7.5°)だけデータム961からオフセットされる。この間隔は、図15Cに示す表に記載されるように続くことができ、これは、フェースプレート906が各々直径約0.04インチ+/-0.001インチ(約0.1016cm+/-0.00254cm)である合計2,610個の貫通穴を含むように、フェースプレート貫通穴の仕様を図示している。いくつかの実施形態では、貫通穴は、直径約0.03~0.05インチであり得、0.04インチを含む。提供される角度も正確ではない場合があり、変動性および製造の不正確さのために、例えば、+/-1°または0.5°以内である可能性がある。
フェースプレートの外部はまた、従来のシャワーヘッドよりも台座上に位置決めされた基板の近くに位置決めされるように構成され得、これは流体消費を低減し、均一性を改善するのに役立ち得る。上記のように、台座および静電チャック(ESC)などのいくつかの基板支持体は、基板支持面(その上に基板が位置決めされる)および基板支持面の上にある外壁によって部分的に画定される空洞内に基板を位置決めすることができる。多くのシャワーヘッドは、基板支持体の空洞の上および外に留まるように設計されている。本明細書に開示されるフェースプレートの外部形状は、この台座空洞内にその一部を位置決めすることを可能にし、したがって台座シャワーヘッドギャップを低減することができる。
図16Aは、シャワーヘッドおよび例示的な台座の断面側面図を図示する。例示的な台座1680は、基板を保持および支持するように構成された基板支持面1682と、壁上面1686を有する外壁1684(点線形状によって包含される)と、基板支持面1682および外壁1684によって少なくとも部分的に画定された空洞1688(陰影および破線で示される)とを含む。フェースプレート906の前面914は、台座1680に面しており、フェースプレート906の前面914と基板支持面1682との間で測定された台座シャワーヘッドギャップ1690が示されている。フェースプレート906の前面914、およびフェースプレート906の一部もまた、台座の空洞1688内に位置決めされているのが見られ、したがって前面914が基板支持面1682に近くなり、すなわち、台座シャワーヘッドギャップ1690は、壁上面1686と基板支持面1682との間の距離よりも小さい。
図16Bは、図16Bが台座1680の一部を含むことを除いて、図14と同様の図16Aの拡大部分を図示する。ここでは、シャワーヘッド900と台座1680との間の間隔が示されている。この場合も、フェースプレート906の前面914は、台座1680および台座シャワーヘッドギャップ1690に面し、フェースプレート906の前面914は、壁上面1686と基板支持面1682との間の距離よりも基板支持面1682の近くに位置決めすることができる。フェースプレート906はさらに、台座1680の空洞1688内に位置決めすることができる。
いくつかの実施形態では、フェースプレート906の前面914の外径は、フェースプレートが基板支持キャビティ内に適合することができるように、台座壁の内径よりも小さいサイズにすることができる。加えて、フェースプレートは、シャワーヘッドの中心軸の周りに延びる円錐台面を有し得、これにより、フェースプレートの前面を台座のより近くに位置決めすることがさらに可能になる。図11A、図14、および図16では、フェースプレート円錐台面966が識別される。図15では、フェースプレート円錐台面966も陰影で示されており、この表面966は、フェースプレート906全体の周りに延び、中心軸924に対して前面914から半径方向外側にオフセットされる。いくつかの実施形態では、この円錐台面は、約0.05インチ~0.4インチ(約0.127cm~1.016cm)の長さと、約0.02インチ~1.0インチ(約0.0508cm~2.54cm)の高さと、中心軸924から約90°よりも大きい角度(約95°~150°)とを有し得る。
シャワーヘッドのいくつかの要素は、金属または金属合金で作製されてもよい。例えば、バックプレート、バッフルプレート、およびフェースプレートはすべて、アルミニウム、アルミニウム6061、石英、およびステンレス鋼などの金属または金属合金で構成され得る。材料は、遠隔洗浄と互換性があり得、そして不動態化するか、またはアンモニア/フッ素ラジカルと容易に反応しない材料であり得る。
シャワーヘッドはまた、センサがシャワーヘッドの外側からデータを得ることができるようにするために、シャワーヘッドの一部を通って延びる1つまたは複数のポートを有し得る。各ポートは、基板支持体に面するように構成されたシャワーヘッドのフェースプレートに開口部を有する場合がある。いくつかの実施形態では、窓を端部にまたはポートに沿って位置決めし、シャワーヘッドの外側の環境からセンサを保護しながら、センサがポートを通してデータを収集することを可能にすることができる。図10および図11Aを参照すると、シャワーヘッドは、フェースプレート906およびバックプレート902を通って延びるポート968(破線形状によって囲まれる)を含み、フェースプレート902に開口部970を有し、窓972もまた、ポート968の後端974に位置決めされ、これらの特徴は、図14の拡大部分でも識別される。シャワーヘッドはまた、フェースプレート906における各ポート968の開口部970を識別する、図15Aに見られるような2つ以上(例えば3つ)のポートを含み得る。ポートは、図10、図11A、図14、および図15に見られるように、フェースプレート前面914から半径方向外側に位置決めすることができる。ポートは、フェースプレートの円周に沿って等間隔に配置され得る。場合によっては、この等間隔は常に正確であるとは限らず、実質的に等間隔であると見なされる場合があり、これは製造または他の不整合に起因するものであり得、それにより間隔が等間隔の約+/-5%以内となり得る。窓はこれらの図にも見られ、サファイアおよび石英など、様々な処理ガスへの曝露に耐えることができる材料で作製されてもよい。
シャワーヘッドは、窓に隣接して位置決めされ、シャワーヘッドにおけるポートの開口部の外側からデータを得るように構成された様々なセンサを含み得る。いくつかの実施形態では、シャワーヘッドは3つのレーザを含み得、各レーザはポートに隣接して位置決めされ、それによりレーザは、窓、ポート、および開口部を通してレーザ光を放出することができる。これらのレーザは、シャワーヘッドから離れた基板支持体の距離を検出するように構成することができ、これらの距離測定値は、様々な有利な調整に使用することができる。例えば、レーザからの距離測定値は、台座シャワーヘッドギャップをより的確かつ正確に検出することができるものであり得、その結果このギャップを低減することができ、これにより均一性を改善し、ガス消費を低減することができる。従来の台座およびシャワーヘッド構成は、レーザ測定値を使用して得ることができる程度まで台座シャワーヘッドギャップを的確に測定することができない。加えて、これらのレーザは、台座およびシャワーヘッドが真空中で高熱(例えば、450℃)にあり、これらの要素を反らせる可能性がある場合の処理中の測定を可能にする。台座シャワーヘッドギャップを的確かつ正確に測定してその場の距離および条件を得ることにより、シャワーヘッドおよび台座を正しい所望の距離および位置に位置決めおよび調整することができる。
場合によっては、これらの測定値は、シャワーヘッドが台座と平行であるかどうかの決定にも役立つ。これは、シャワーヘッドと台座との間の平行度と見なすことができる。平行度は、台座外壁または台座基板支持面とシャワーヘッドの前面との間で測定することができる。台座とシャワーヘッドとの間の平行度の偏差は、ガス消費およびウエハの均一性を含む、ウエハ上へのガス流に対する大きな割合の影響を及ぼし得る。このシャワーヘッドによって台座シャワーヘッドギャップが小さくなるほど、ウエハ上へのガス流に及ぼされる平行度の割合の影響がより大きくなり得る。
いくつかの実施形態では、台座またはESCは、シャワーヘッドの中心軸に平行である垂直z方向、ならびにz方向に垂直なx-y平面内、および1つまたは複数の軸または点の周りの1つまたは複数の傾斜方向を含む、様々な方向に調整可能であり得る。基板支持体が450℃などの高い動作温度にあるとき、基板支持体は反り、中心軸が非平行になる、オフセットされる、および非同一直線上になることを含めて、シャワーヘッドからずれてしまう可能性がある。シャワーヘッド上のセンサによる測定値を使用して、シャワーヘッドに対する基板支持体の位置を決定し、シャワーヘッドと台座をより位置合わせすることができるように基板支持体に対する調整を決定することができる。これは、例えば、基板支持体を測定すること、基板支持体の平面を決定すること、および基板の平面がシャワーヘッドとの位置合わせの特定の閾値内にあるかどうかを決定すること、ならびにシャワーヘッドを1つまたは複数の方向に移動、回転、またはその両方をさせることを含み得る。例えば、基板支持体とシャワーヘッドとの間の距離の3つの測定値が等しくないか、または互いに特定の閾値内にない場合、基板支持体はシャワーヘッドと平行ではないと決定され得る。これらの測定値を使用して、基板支持体をシャワーヘッドとより平行にすることができる軸の周りで基板支持体を回転させる、例えば、3点での距離が互いにより等しくなるようにするなど、基板支持体がより位置合わせされるように移動する方法を決定することができる。
本明細書に記載のコントローラは、基板支持体を制御してそのような移動を実施するための、センサを制御するための、および本明細書に記載の上記の決定を行うための命令を含むことができる。
本明細書に記載のシャワーヘッドは、1つまたは複数の利点を提供し得る。プレナム容積の表面(例えば、円錐台面)、バッフルプレート、およびプレナム容積内のバッフルプレートの位置決めの構成は、シャワーヘッドのプレナム容積を低減し、これにより前駆体投与中ならびにパージ中にシャワーヘッドを通って基板上に流れる流体消費量が減少する。この容積の低減によりシャワーヘッドを通って流れる時間を短縮し、これはパージ時間を短縮し、また投与(および実施される場合、プラズマ活性化時間)を短縮することができる。これらの時間の短縮により、スループットが向上する。本発明者らは、同じプロセスレシピ(ガス、流量、時間など)を使用するいくつかの実験において、従来のシャワーヘッドを使用すると、基板あたり10Lの前駆体を使用してある厚さを有する膜が製造され、本明細書に記載のシャワーヘッドを使用すると、基板あたり6.5Lの前駆体を使用して同じ厚さの膜が製造されることを発見した。
本明細書に記載のシャワーヘッドの構成はまた、流れの均一性を改善し、次いで充填性能および膜の均一性を改善する。堆積性能の1つの尺度は、堆積された膜の充填ボイドであり、充填ボイドが低いほど、より良好な充填および堆積を示す。本明細書に記載のシャワーヘッドを使用すると、従来のシャワーヘッドと比較して、堆積された膜の充填ボイドが改善される。以下の表1に見られるように、本発明者らは、同じガスレシピが本明細書に開示されるシャワーヘッドおよび従来のシャワーヘッドを通って特定の時間にわたって流れるという4つの実験を実施した。見てわかるように、開示されたシャワーヘッドを使用すると、同じプロセスレシピに対する従来のシャワーヘッドよりも、充填ボイドが低くなり、したがって堆積性能が向上した。
本明細書に記載のシャワーヘッドを使用すると、堆積された膜の均一性も改善される。均一性の1つの測定指標は、堆積された膜の抵抗、Rs NUであり、これは、膜の均一性の逆数である。図17Aおよび図17Bは、2つの堆積された膜の抵抗不均一性の測定値を図示する。これらの膜は、図17Aに示す測定値が従来のシャワーヘッドに対するものであり、図17Bに示す測定値が本明細書に開示されるシャワーヘッドに対するものであることを除いて、同じプロセスレシピを使用して堆積された。これらの2つの図からわかるように、図17Bは、開示されたシャワーヘッドが膜全体でより均一な抵抗をもたらしたことを示し、これはより均一な膜を有することを示す。同様に、図17Cおよび図17Dは、図17Cに示す測定値が従来のシャワーヘッドに対するものであり、図17Dに示す測定値が本明細書に開示されるシャワーヘッドに対するものであることを除いて、同じプロセスレシピを使用して堆積されたが図17Aおよび図17Bとは異なる2つの他の堆積された膜の抵抗不均一性の測定値を図示する。この場合も、図17Dは、開示されたシャワーヘッドが膜全体にわたってより均一な抵抗、したがってより均一な膜をもたらしたことを示す。
本開示の低容積のシャワーヘッドは、半導体プロセスチャンバに設置することができる。プロセスチャンバは、チャンバハウジングの上部に取り付けられた低容積のシャワーヘッドを含むことができる。基板支持体は、プロセスチャンバ内および低容積のシャワーヘッドの下で半導体基板を支持し得る。マイクロ容積は、基板支持体と低容積のシャワーヘッドとの間に形成され得る。マイクロ容積は、基板反応領域として機能し、処理中に半導体基板の近くにプロセスガスを集中および保持するのを助けることができる。基板支持体は、ロードおよびアンロード動作を容易にするために上下に移動するように構成することができる。いくつかの実施態様では、低容積のシャワーヘッドは、ステムによってプロセスチャンバの蓋から吊り下げられ、それ自体がプロセスチャンバの「蓋」の一部を形成しない場合がある。そのような実施態様では、低容積のシャワーヘッドは、基板のロードおよびアンロード動作を容易にするために上下に移動するように構成され得る。
いくつかの実施態様では、1つまたは複数のプロセスチャンバが、マルチステーション半導体処理ツールにおけるプロセスステーションとして提供され得る。マルチステーションチャンバの一例は、図6に関して上に与えられている。いくつかの実施態様では、単一のプロセスチャンバは、複数の処理ステーションを含み得、それらの一部またはすべては、本明細書で説明されるように、それら自体のシャワーヘッドアセンブリを有し得る。
以上、シングルまたはマルチチャンバの半導体処理ツールにおける開示された実施形態の実施について説明した。本明細書で説明される装置およびプロセスは、例えば、半導体デバイス、ディスプレイ、LED、太陽光パネルなどの製作または製造のために、リソグラフィパターニングツールまたはプロセスと併せて使用されてもよい。典型的には、必須ではないが、そのようなツール/プロセスは、共通の製作施設で共に使用または実施される。膜のリソグラフィパターニングは、典型的には、以下のステップのいくつかまたはすべてを含み、各ステップが使用可能な多くのツールを用いて可能にされる:(1)スピンオンツールまたはスプレーオンツールを使用して、ワークピース(すなわち、基板)にフォトレジストを塗布するステップ、(2)ホットプレートまたは炉またはUV硬化ツールを使用してフォトレジストを硬化するステップ、(3)ウエハステッパなどのツールを用いて可視光またはUV光またはX線光でフォトレジストを露光するステップ、(4)ウェットベンチなどのツールを使用して、レジストを現像してレジストを選択的に除去し、それによってレジストをパターニングするステップ、(5)ドライエッチングツールまたはプラズマ支援エッチングツールを使用することによって、下層の膜またはワークピースにレジストパターンを転写するステップ、および(6)RFまたはマイクロ波プラズマレジストストリッパなどのツールを使用してレジストを除去するステップ。
結論
前述の実施形態は、明確な理解のために多少詳しく説明されてきたが、一定の変更および修正が添付の特許請求の範囲の範囲内で実施されてもよいことは明らかであろう。本実施形態のプロセス、システム、および装置の実施には多くの別の方法があることに留意されたい。したがって、本実施形態は、限定ではなく例示と見なされるべきであり、それらの実施形態は本明細書に述べられる詳細に限定されるべきではない。
前述の実施形態は、明確な理解のために多少詳しく説明されてきたが、一定の変更および修正が添付の特許請求の範囲の範囲内で実施されてもよいことは明らかであろう。本実施形態のプロセス、システム、および装置の実施には多くの別の方法があることに留意されたい。したがって、本実施形態は、限定ではなく例示と見なされるべきであり、それらの実施形態は本明細書に述べられる詳細に限定されるべきではない。
Claims (29)
- シャワーヘッドであって、
フェースプレートであって、前面および背面によって部分的に画定され、前記前面から前記背面に前記フェースプレートを通って延びる複数のフェースプレート貫通穴を有するフェースプレートと、
ガス入口、第1の円錐台面、および第2の円錐台面を有するバックプレートと、
前記ガス入口に流体接続され、前記ガス入口、前記フェースプレートの前記背面、前記第1の円錐台面、および前記第2の円錐台面によって少なくとも部分的に画定されたプレナム容積と、
バッフルプレートであって、前記プレナム容積内に位置決めされ、上面および底面によって部分的に画定され、前記上面から前記底面に前記バッフルプレートを通って延びる複数のバッフルプレート貫通穴を有するバッフルプレートと
を備え、
前記第2の円錐台面は、前記シャワーヘッドの中心軸に対して前記第1の円錐台面から半径方向外側に位置決めされ、
前記第2の円錐台面は、前記第1の円錐台面よりも前記ガス入口から離れて前記中心軸に沿って位置決めされ、
前記第1の円錐台面は、前記中心軸に対して第1の角度であり、
前記第2の円錐台面は、前記中心軸に対して第2の角度である、
シャワーヘッド。 - 請求項1に記載のシャワーヘッドであって、
前記第2の円錐台面の内周は、前記中心軸に対して前記第1の円錐台面の外周から半径方向外側に位置決めされる、シャワーヘッド。 - 請求項1に記載のシャワーヘッドであって、
前記第1の角度は、前記第2の角度よりも大きい、シャワーヘッド。 - 請求項3に記載のシャワーヘッドであって、
前記第1の角度は、約50°~約90°であり、前記第2の角度は、約45°~約85°である、シャワーヘッド。 - 請求項1に記載のシャワーヘッドであって、
前記バックプレートは、前記第1の円錐台面と前記第2の円錐台面との間にまたがる第3の表面をさらに含む、シャワーヘッド。 - 請求項5に記載のシャワーヘッドであって、
前記第3の表面は、前記中心軸に垂直である平面部分を含む、シャワーヘッド。 - 請求項1に記載のシャワーヘッドであって、
前記バックプレートは、第3の円錐台面であって、前記中心軸に対して前記第2の円錐台面から半径方向外側に位置決めされ、それにより前記第2の円錐台面が前記第1の円錐台面と前記第3の円錐台面との間に半径方向に挿入される第3の円錐台面をさらに含み、
前記第3の円錐台面は、前記中心軸に対して第3の角度で位置決めされる、
シャワーヘッド。 - 請求項7に記載のシャワーヘッドであって、
前記第3の角度は、前記第1の角度および前記第2の角度よりも大きい、シャワーヘッド。 - 請求項1に記載のシャワーヘッドであって、
前記バッフルプレートの外縁は、前記中心軸に対して前記第1の円錐台面から半径方向外側に位置決めされる、シャワーヘッド。 - 請求項9に記載のシャワーヘッドであって、
前記バッフルプレートの前記外縁は、前記中心軸に対して、前記第2の円錐台面の内周と前記第2の円錐台面の外周との間に半径方向に挿入されて位置決めされる、シャワーヘッド。 - 請求項1に記載のシャワーヘッドであって、
前記バッフルプレートは、前記第1の円錐台面が前記バッフルプレートよりも前記ガス入口に近くなるように、前記中心軸に沿って位置決めされる、シャワーヘッド。 - 請求項11に記載のシャワーヘッドであって、
前記バッフルプレートの前記上面は、前記ガス入口に面し、前記バッフルプレートの前記底面は、前記フェースプレートに面し、
前記バッフルプレートは、前記バッフルプレートの前記上面が前記第2の円錐台面の内周と前記第2の円錐台面の外周との間の前記中心軸に沿って挿入されるように、前記中心軸に沿ってさらに位置決めされる、
シャワーヘッド。 - 請求項12に記載のシャワーヘッドであって、
前記バッフルプレートは、前記バッフルプレートの前記底面が前記第2の円錐台面の前記外周よりも前記ガス入口から離れるように、前記中心軸に沿ってさらに位置決めされる、シャワーヘッド。 - 請求項1に記載のシャワーヘッドであって、
前記バッフルプレートは、前記バックプレートに面するバッフルプレート円錐台面をさらに含む、シャワーヘッド。 - 請求項14に記載のシャワーヘッドであって、
前記バッフルプレート円錐台面は、前記第2の角度と相補的である第4の角度だけ前記中心軸からオフセットされる、シャワーヘッド。 - 請求項1に記載のシャワーヘッドであって、
前記複数のバッフルプレート貫通穴は、前記中心軸に対して前記半径方向の位置決めが増加するにつれて増加する外径を有る、シャワーヘッド。 - 請求項16に記載のシャワーヘッドであって、
第1の数のバッフルプレート貫通穴は、前記バッフルプレートの第1のセクションに位置決めされ、第1の外径を有し、
第2の数のバッフルプレート貫通穴は、前記バッフルプレートの第2のセクションに位置決めされ、前記第1の外径よりも大きい第2の外径を有し、
前記第2のセクションは、前記中心軸に対して前記第1のセクションから半径方向外側にオフセットされる、
シャワーヘッド。 - 請求項17に記載のシャワーヘッドであって、
前記第1の外径は、約0.3mm~約0.65mmであり、前記第2の外径は、約0.5mm~0.75mmである、シャワーヘッド。 - 請求項17に記載のシャワーヘッドであって、
第3の数のバッフルプレート貫通穴は、前記バッフルプレートの第3のセクションに位置決めされ、前記第2の外径よりも大きい第3の外径を有し、
前記第3のセクションは、前記中心軸に対して前記第2のセクションから半径方向外側にオフセットされる、
シャワーヘッド。 - 請求項19に記載のシャワーヘッドであって、
前記第3の外径は、約0.7mm~約1.1mmである、シャワーヘッド。 - 請求項1に記載のシャワーヘッドであって、
前記第1の円錐台面の内周は、前記ガス入口を部分的に画定する、シャワーヘッド。 - 請求項1に記載のシャワーヘッドであって、
前記フェースプレートは、前記フェースプレートの前記前面から前記中心軸に対して半径方向外側に位置決めされ、90°を超える第5の角度だけ前記中心軸からオフセットされるフェースプレート円錐台面をさらに含む、シャワーヘッド。 - 請求項1に記載のシャワーヘッドであって、
第1の端部、および第2の端部における開口部を含み、前記フェースプレートを通って延びるポートであって、前記開口部は、前記フェースプレート内にあり、前面から半径方向外側にあるポートと、
前記ポートの前記第1の端部に隣接して位置決めされた窓と
をさらに備える、シャワーヘッド。 - 請求項23に記載のシャワーヘッドであって、
センサであって、前記窓が前記第1の端部と前記センサとの間に挿入されるように前記窓に隣接して位置決めされたセンサをさらに備える、シャワーヘッド。 - 請求項24に記載のシャワーヘッドであって、
前記センサは、前記開口部の外側の物体の距離、前記開口部の外側の温度、および前記開口部の外側のガス種の1つまたは複数を決定するように構成される、シャワーヘッド。 - 請求項23に記載のシャワーヘッドであって、
前記窓は、サファイアを含む材料で作製される、シャワーヘッド。 - 請求項23に記載のシャワーヘッドであって、
3つのポートと、3つの窓とをさらに備え、
各窓は、1つの対応するポートの前記第1の端部に隣接して位置決めされ、
前記3つのポートは、前記中心軸の周りに実質的に等間隔に配置される、
シャワーヘッド。 - 請求項1に記載のシャワーヘッドであって、
前記フェースプレート貫通穴は、すべて同じ外径である、シャワーヘッド。 - 請求項28に記載のシャワーヘッドであって、
前記フェースプレート貫通穴の各々の前記外径は、約0.03インチ~0.05インチ(約0.0762cm~0.127cm)である、シャワーヘッド。
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