JP2023068637A - 基材処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】膜を含む半導体構造体を形成するための垂直炉および方法を提供する。
【解決手段】好ましい実施形態では、この垂直炉は、プロセス空間および開口部を画定する内側エンクロージャを含む。このプロセス空間は、垂直方向に延在し、開口部は、複数のウエハを受けるためのものである。この垂直炉は、内側エンクロージャを囲む外側エンクロージャを備える。さらに、プロセスガスをプロセス空間内に注入するためのガスインジェクターを含む。また、プロセス空間を排出するための排出ガス出口を含む。この垂直炉は、複数のウエハを加熱するためのランプを備える。このランプは、内側エンクロージャと外側エンクロージャとの間の内部空間に周方向に配置される。この垂直炉は、内部空間内に冷却流体を供給して内部空間を冷却するための冷却入口をさらに備える。
【選択図】図１

Description

本開示は、半導体デバイス製作の分野に関する。より具体的には、基材処理装置に関する。さらに、そこから半導体構造体を形成する方法に関する。

半導体業界は、デバイスのスケーリングが続くにつれて、製造の面で、より多くの要件に直面している。ウエハ１枚あたりに生産されるチップ数を増やす目的でウエハサイズが増加するにつれて、クリーンルームスペースの経済的使用のためのコスト削減の必要性も増している。

バッチ処理ツールの利用が、この点について前進する一つの方法であってもよい。これは、バッチ処理ツールによって複数のウエハを同時に処理できる、という事実による。しかしながら、それらは、その内部で処理されるウエハの信頼性、プロセス自体の収率、およびずっと大規模に得られるスループットに影響を与えうるという、その使用に関連する他の課題を提起する場合がある。バッチツールでの費用効率の高い大規模なウエハ処理を可能にするために、設計を変更する試みがなされてきた。

バッチツールを用いた処理はかなり進歩してきたが、プロセス空間の内壁で発生する堆積を減少させたバッチ処理ツール、特に垂直のツールを提供することには依然として困難が伴う。

それ故に、ウエハ処理のための改善された垂直炉を提供する当技術分野でのニーズがある。

改善された堆積特性を有するバッチ処理装置を提供することが本開示の目的である。より具体的には、基材上の堆積を可能にする垂直炉を提供して、それによって、内側エンクロージャの壁、特にウエハボートに面する内側エンクロージャの壁上の堆積を低減することができるようにすることが目的であってもよい。この目標を少なくとも部分的に達成するために、本開示は、独立請求項に定義されるような、半導体構造体を形成するための垂直炉および方法を提供しうる。垂直炉および方法のさらなる実施形態は、従属請求項で提供される。

第一の態様では、本開示は垂直炉に関する。この垂直炉は、プロセス空間および開口部を画定する内側エンクロージャを備えてもよい。このプロセス空間は、垂直方向に延在してもよく、開口部は、複数のウエハを受けるためのものであってもよい。この垂直炉は、内側エンクロージャを囲みうる外側エンクロージャを備えてもよい。さらに、プロセスガスをプロセス空間内に注入するためのガスインジェクターを含んでもよい。また、プロセス空間を排出するための排出ガス出口を含んでもよい。この垂直炉は、複数のウエハを加熱するためのランプを備えてもよい。このランプは、内側エンクロージャと外側エンクロージャとの間の内部空間に周方向に配置されてもよい。この垂直炉は、内部空間内に冷却流体を供給して内部空間を冷却するための冷却入口をさらに備えてもよい。

第一の態様による本発明の垂直炉は、内部空間に供給される冷却流体のおかげで、内側エンクロージャの壁をプロセス空間よりも低い温度に維持できるようにしうる。これは、例えば、内側エンクロージャの壁、特にウエハボートに面する内側エンクロージャの壁で発生する堆積などの望ましくないプロセスを低減する利点を有しうる。したがって、堆積が減少することで、メンテナンスサイクルの数が低減されうるため、この垂直炉のダウンタイムを減少させうる。

内部空間の温度が、その中に供給される冷却流体のおかげで、低めの温度に維持されうることが、第一の態様の実施形態の利点であってもよい。

複数のウエハに対して一つの加熱システムを提供しうることが、第一の態様の実施形態の利点であってもよい。これにより、製造コストの最適化が可能になり、さらにプロセスの熱予算を経済的な方法で設定することが可能となる。

低めの温度での処理も可能にすることが、第一の態様の実施形態の利点であってもよい。これは、堆積膜中の応力緩和に関する問題を低減するという利点を有する場合がある。応力緩和は、ウエハの反りの増大、膜の剥離または層間剥離を引き起こし、それによって垂直炉内の粒子汚染をもたらすことがありうる。

より経済的なウエハ処理が達成されうるということが、第一の態様の実施形態の利点であってもよい。これは、この垂直炉内の複数の基材上に膜を堆積させ、それによってウエハ処理のコストを削減することができるという事実による場合がある。

プロセスガスが、複数のウエハを一度に処理するために提供されて、それによってプロセスのスループットが増加しうることが、第一の態様の実施形態の利点であってもよい。

さらに、この垂直炉内でのウエハ処理のスループットが増大しうることが、第一の態様の実施形態の利点であってもよい。これはまた、この垂直炉内での複数の基材に対する処理が、所定の処理時間でより多くのウエハを処理することにつながるという事実による場合もある。

この垂直炉におけるウエハ処理の収率が、例えば、応力緩和や、ウエハ全体でのまたは複数のウエハでの堆積膜の厚さの変化などに関する問題が低減されるおかげで、増大しうることが、第一の態様の実施形態の利点であってもよい。

第二の態様では、本開示は、膜を含む半導体構造体を形成する方法に関する。この方法は、ウエハボート内に配置されうる複数のウエハを提供することを含んでもよい。このウエハボートは、第一の態様の実施形態による垂直炉のプロセスチャンバ内に装填されてもよい。方法は、プロセス空間を加熱して、それによって、膜を形成するのに適した所定温度まで温度を上昇させることをさらに含んでもよい。プロセスガスは、プロセス空間内に供給されてもよい。このプロセスガスは、所定温度で複数のウエハ上に膜を形成するのに好適である場合がある。その後、内部空間を冷却するために、冷却流体が内部空間内に供給されてもよい。

内側エンクロージャの壁が、内部空間に供給される冷却流体の供給のおかげで、プロセス空間の壁よりも低い温度に保たれうることが、第二の態様の実施形態の利点であってもよい。これにより、例えば、この垂直炉の内側エンクロージャの壁、特にウエハボートに面する壁で発生する堆積などの望ましくないプロセスを回避することができうる。

複数の基材を低めの温度でも処理できるようにしうることが、第二の態様の実施形態の利点であってもよい。これは、複数の基材上に設けられる膜の応力緩和を低減するのに有利である場合がある。これがさらに、この垂直炉内での処理の収率を増加させる場合がある。

この分野では継続的な開発が行われてきたが、現在の概念は実質的な新しい開発を表すものと考えられている。先行技術の慣行から逸脱することは、改善された垂直炉をもたらす本発明の概念に含まれる。

本開示の上記および他の特性、特徴および利点は、含まれる図面と併せて考慮される以下の詳細な説明から明らかになる。図面は、例証として、本開示の原理を図示する。この記述は、本開示の範囲を限定することなく、例示のためにのみ与えられる。下記に参照した参照図は、含まれる図面に関する。

本開示の特定の態様および好ましい態様は、添付の独立請求項および従属請求項に記載されている。従属請求項の特徴は、独立請求項の特徴と組み合わせられてもよい。従属請求項の特徴は、必要に応じて他の従属請求項の特徴と組み合わされてもよく、また単に請求項に記載されているものでなくてもよい。

本発明の概念の、上記の目的、特徴、および利点だけでなく、追加的な目的、特徴、および利点は、以下の図示的かつ非限定的な発明を実施するための形態を通してより良好に理解されるであろう。参照は含まれている図面にも行われる。別段の記載のない限り、図面では同様の要素に対して同様の参照番号が使用されることになる。

本開示の第一の態様の実施形態による垂直炉の概略上面図である。 本開示の第一の態様の実施形態によるランプを備える垂直炉の概略断面図である。 本開示の第一の態様の実施形態による複数のランプを備える垂直炉の概略断面図である。 本開示の第一の態様の実施形態による反射器アセンブリの傾斜図を概略的に示す。 本開示の第一の態様の実施形態による反射器アセンブリの傾斜図を概略的に示す。 本開示の第一の態様の実施形態による反射器アセンブリの傾斜図を概略的に示す。 図５ａおよび５ｂは、本開示の第一の態様の実施形態による垂直炉への最適な熱的結合についての２組のシミュレーション結果（Ａ、Ｂ）を示す。５ａでは、ウエハの温度（℃）および内側エンクロージャの温度（℃）はランプ温度（℃）の関数としてであり（黒丸はウエハスタックの温度で、黒三角は内側エンクロージャの温度）、５ｂでは、電力使用量（ｋＷ）は、異なる垂直炉構成（１、２）用のランプを用いたシミュレーションの結果として得られたウエハ温度の関数である。 図５ａおよび５ｂは、本開示の第一の態様の実施形態による垂直炉への最適な熱的結合についての２組のシミュレーション結果（Ａ、Ｂ）を示す。５ａでは、ウエハの温度（℃）および内側エンクロージャの温度（℃）はランプ温度（℃）の関数としてであり（黒丸はウエハスタックの温度で、黒三角は内側エンクロージャの温度）、５ｂでは、電力使用量（ｋＷ）は、異なる垂直炉構成（１、２）用のランプを用いたシミュレーションの結果として得られたウエハ温度の関数である。 本開示の第二の態様の実施形態による例示的な方法のフローチャートを示す。

本開示は、特定の実施形態に関して、かつある特定の図面を参照して記述される。しかしながら、本開示は、それに限定されるものではなく、特許請求の範囲のみによって限定される。記述される図面は、概略的なものであり、かつ非限定的である。寸法は、本開示を実施するための実際の縮小には対応しない。一部の要素のサイズは、図面では、例示の目的で実寸に比例して描かれていない場合がある。

特許請求の範囲で使用される「含む」という用語は、その後に列挙される手段に制限されるものとして解釈されるべきではないことに注意されるべきである。この用語は、他の要素やステップを除外するものではない。したがって、この用語は、記載された特徴、ステップ、または構成要素が言及されるように存在することを明記するものとして解釈されるべきである。しかしながら、１つ以上の他のステップ、構成要素、または特徴、またはそれらのグループが存在すること、または追加されることを妨げない。

本明細書全体を通して、本明細書中の様々な場所における「実施形態」への参照は、必ずしもすべて同じ実施形態を指すとは限らないが、そのように指す場合もある。さらに、特定の特徴、構造体、または特性は、本開示から当業者には明らかであることになるように、１つ以上の実施形態では、任意の好適な様態で組み合わされてもよい。

当然のことながら、本開示の例示的な実施形態の記述では、本開示の様々な特徴は、ときには発明の態様のうち１つ以上の理解を助けるために、単一の実施形態、図、または説明でグループ化される。詳細な説明に続く特許請求の範囲は、各請求項が開示の別個の実施形態として独自で存在して、本明細書で発明を実施するための形態に組み込まれる。

本明細書に記載される一部の実施形態は、他の実施形態に含まれる一部の特徴を含むが、他の特徴を含まない。しかしながら、異なる実施形態の特徴の組み合わせは、本開示の範囲内であり、当業者であれば理解するであろう異なる実施形態を形成することを意味する。含まれる特許請求の範囲において、例えば、特許請求される実施形態のいずれも、任意の組み合わせで使用することができる。

以下の用語は、本開示の理解を助けるためにのみ提供される。

本明細書で使用される場合、かつ別段の定めがない限り、「ランプのピッチ値」という用語は、ランプのうちの１つの直径とそのランプと隣接するランプとの間の間隔との和を指す。

本明細書で使用される場合、かつ別段の定めがない限り、「ポケットのベース幅」という用語は、反射器アセンブリの部分的非反射部分を反射部分に接続する、ポケットの２点間の距離を指す。

本明細書で使用される場合、かつ別段の定めがない限り、「ポケットの高さ」という用語は、反射器アセンブリの部分的非反射部分を画定する軸と交差する点に延在するポケットの最高点から測定される距離を指す。

本明細書で使用される場合、かつ別段の定めがない限り、「内部空間」という用語は、垂直炉内に含まれる内側エンクロージャと外側エンクロージャとの間の空間体積を指す。

本明細書で使用される場合、かつ別段の定めがない限り、「システム構成」という用語は、ランプの構成と供給される冷却の構成とを合わせたものを指す。

本明細書で使用される場合、特定の要素の「それぞれ」への言及（例えば、「冷却ガス入口のそれぞれ」、複数のランプのそれぞれ、およびポケットのそれぞれ）は、２つ以上の要素を指してもよく、要素のすべてを指すとは限らない。例えば、「冷却ガス入口のそれぞれ」は、複数の冷却ガス入口に含まれる個々の冷却ガス入口を指してもよく、必ずしもすべての冷却ガス入口を指す必要はない。

本明細書で使用される場合、「垂直方向」への言及は、垂直軸に沿った方向を表す。

ここで、本開示の一部の実施形態の詳細な記述によって本開示を記述する。本開示の他の実施形態を、本開示の技術的教示から逸脱することなく、当業者の知識に従って構成することができ、本開示は含まれる特許請求の範囲の条件によってのみ限定されることは明らかである。

本開示の第一の態様の実施形態による垂直炉の概略上面図が図１に示されている。

図２は、本開示の第一の態様の実施形態による垂直炉の概略断面図を示す。

この垂直炉は、プロセス空間（１９０）および開口部（図示せず）を画定する内側エンクロージャ（１３０）を含んでもよい。このプロセス空間（１９０）は、垂直方向に延在してもよく、開口部は、複数のウエハを受けるためのものであってもよい。実施形態では、複数のウエハは、ウエハボート（１２０）内に配置されてもよい。実施形態では、内側エンクロージャ（１９０）の内壁は、ウエハボートに面してもよい。実施形態では、内側エンクロージャの壁の厚さは、３ｍｍ～１０ｍｍの範囲内であってもよい。好ましい実施形態では、これは５ｍｍ～６ｍｍの範囲内であってもよい。実施形態では、内側エンクロージャ（１３０）は、３５０ｍｍ～４３０ｍｍの範囲の直径を有してもよい。この垂直炉はまた、外側エンクロージャ（１８０）を含んでもよい。この外側エンクロージャ（１８０）は、内側エンクロージャ（１３０）を囲んでもよい。実施形態では、外側エンクロージャ（１８０）は、４８０ｍｍ～６３０ｍｍの範囲の直径を有してもよい。

ガスインジェクター（図示せず）は、プロセスガスをプロセス空間（１９０）に注入するためのこの垂直炉にも含まれてもよい。実施形態では、ガスインジェクターは、プロセス空間（１９０）内に配置されてもよい。実施形態では、ガス入口（１４０）は、プロセスガスをガスインジェクターに供給するために存在してもよい。ガスインジェクターに到達すると、プロセスガスは、このガスインジェクターによってプロセス空間（１９０）内に供給されてもよい。

この垂直炉は、プロセス空間を排出するための排出ガス出口（１５０）をさらに含んでもよい。実施形態では、排出ガスは、未反応プロセスガスおよび／またはプロセスガスが複数のウエハと接触した結果生成されるガスを含んでもよい。この垂直炉は、複数のウエハを加熱するためのランプ（１１０）を備えてもよい（図２）。実施形態では、このランプは、例えば、ハロゲンランプであってもよい。このランプ（１１０）は、内部空間内に周方向に配置されてもよい。この内部空間は、内側エンクロージャ（１３０）と外側エンクロージャ（１８０）との間に位置してもよい。この垂直炉は、内部空間内に冷却流体を供給して内部空間を冷却するための冷却入口（図示せず）をさらに備えてもよい。実施形態では、冷却流体は、その流れ方向が冷却チャネル（１６０）を通して方向付けられ、それによって内部空間を冷却するように、内部空間内に供給されてもよい。内部空間の冷却は、内側エンクロージャ（１３０）の内壁がプロセス空間（１９０）のそれよりも低い温度に保たれうるという利点を提供しうる。これは、冷却チャネル（１６０）内の冷却流体の流れによって外壁に提供される冷却効果によって、内側エンクロージャ（１３０）の外壁で発生する熱伝達の結果である場合がある。これにより、例えば、プロセス空間（１９０）の温度と比較して内壁の温度が低いために、この垂直炉の内側エンクロージャ（１３０）の内壁で発生する、堆積または粒子汚染などの望ましくないプロセスを回避することができる場合がある。

実施形態では、この垂直炉は、例えば、酸化、膜堆積、または拡散などのプロセスを実施するための炉であってもよい。この垂直炉は、実施形態では、エピタキシャル層を堆積させるためのエピタキシャル堆積ツールであってもよい。したがって、有利なことに、このような垂直炉はより低い製造コストでより速いプロセスを提供するために、エピタキシャル堆積に使用されてもよい。

実施形態では、冷却流体は、液体またはガスであってもよい。実施形態では、この液体は、冷却に適した液体混合物を含んでもよい。好ましい実施形態では、この冷却流体はガスであってもよい。したがって、この冷却ガスは、例えば、空気、窒素ガス、または二酸化炭素ガスであってもよい。さらに好ましい実施形態では、このガスは空気であってもよい。実施形態では、この冷却ガスは、１０℃～１５０℃の範囲の温度で供給されてもよい。好ましい実施形態では、これは２０℃～５０℃の範囲の温度で供給されてもよい。この冷却ガスの流量は、内側エンクロージャと部分的非反射部分との間に、より速い熱伝達が発生して、最小限の時間で内側エンクロージャ（１３０）のより速い冷却が可能になるように構成されてもよい。したがって、冷却は、内側エンクロージャ（１３０）の外壁上で発生してもよい。流量は、実施形態では、例えば、２００ｍ^３／時～２０００ｍ^３／時の範囲内であってもよい。実施形態では、冷却ガスの流量は、約５００ｍ^３／時であってもよい。

当然のことながら、代替的な実施形態では、この冷却ガスはまた、冷却に適したガス混合物を含んでもよい。

実施形態では、垂直炉は、冷却流体を供給するための複数の冷却入口（図示せず）を備えてもよい。これにより、内部空間内に冷却ガスを均等に分配することが可能となりうる。これにより、バランスのとれた冷却効果を内側エンクロージャ（１３０）の周りで周方向に提供しうる。冷却流体によってもたらされる冷却効果により、熱伝導が増強され、それによって内側エンクロージャ（１３０）の内壁の温度が低下する。実施形態では、複数の冷却入口は、冷却流体の流れがその垂直軸に沿って垂直炉の上端から下端まで、冷却チャネル（１６０）内で均等に配向されることができるように、垂直炉の上側部分に位置してもよい。冷却ガスは、主冷却ガス入口を通して垂直炉に供給されてもよい。さらに、この主冷却ガス入口を通して、冷却ガスはさらに、冷却ガス入口のそれぞれに分配されてもよい。

代替的な実施形態では、複数の冷却入口は、これらの冷却入口のそれぞれを通して冷却チャネル（１６０）内への冷却流体の進入時に、冷却流体が冷却チャネル（１６０）内で周方向に移動し、その後、冷却出口を通して冷却チャネルを出るように、垂直炉の垂直方向に沿って共線的に位置付けられうるように構成されてもよい。冷却出口は、これらの実施形態では、冷却入口に隣接して整列されてもよい。これらの実施形態では、好ましくは、この冷却流体は冷却ガスであってもよい。これらの実施形態では、冷却ガスは、冷却出口を通して冷却チャネル（１６０）から出る前に、軌道によって周囲の周りを回転し続けるために、所定の圧力値が提供されてもよい。これらの実施形態は、複数のランプの冷却に関連する問題に対処する利点を提供しうる。これらの実施形態はさらに、複数のランプの電気的および／または機械的な接続点を保護するという利点を提供しうる。

さらに代替的な実施形態では、複数の冷却入口は、これらの冷却入口のそれぞれを通して冷却チャネル内への冷却流体の進入時に、冷却流体が冷却チャネル（１６０）内で周方向に移動し、その後、複数の冷却出口を通して冷却チャネルを出るように、垂直炉の垂直方向に沿って互いに対角的に位置付けられうるように構成されてもよい。これらの実施形態では、冷却出口はまた、冷却入口に隣接して整列されてもよい。これらの実施形態は、複数のランプの冷却に関連する問題に対処する利点を提供しうる。これらの実施形態はさらに、複数のランプの電気的および／または機械的な接続点を保護するという利点を提供しうる。

当然のことながら、実施形態では、冷却入口は、垂直方向に沿って共線的または対角的に位置付けられてもよいが、これら冷却入口の間隔および冷却入口を通して提供される冷却ガスの流量は、所望の冷却効果を達成でき、その結果、内側エンクロージャ（１３０）の内壁への堆積を低減することができるように構成されうる。

実施形態では、垂直炉は、内部空間（１９０）内で周方向に配置されうる複数のウエハを加熱するための複数のランプ（１１０）を含んでもよい。これにより、バランスのとれた熱分布を内部空間の周方向に提供することが可能になりうる。バランスのとれた熱分布は、例えば、堆積膜の厚さのばらつき、堆積膜のドーパント分布、またはギャップ充填特性など、ウエハ全体でのプロセス特性の変動を克服しうる。これは、プロセス特性は通常、温度駆動型であり、ウエハ表面全体での温度の変動が、このような差異をもたらす可能性があるためである。

実施形態では、複数のランプ（１１０）は、垂直方向に沿って１０ｃｍ～２５ｃｍの範囲のピッチ値を有してもよい。これにより、垂直方向に沿って複数のランプ（１１０）のバランスのとれた分布をもたらしうる。当然のことながら、ランプ（１１０）のサイズおよびランプがどの程度高温になりうるかに応じて、ピッチ値をさらに調整して、プロセス空間（１９０）にできるだけ多くの熱を供給し、それによってウエハボート内のウエハを十分に加熱することができる。より大きなサイズのランプを使用する場合には、それらは特定のピッチ値で間隔が置かれてもよい。ウエハボートは回転されうるため、温度が均一化されることができ、それによってこれらのランプにより供給される熱からの利益がある。この範囲よりも小さいピッチ値では、ランプのサイズはより小さい必要がある場合がある。したがって、これは、ランプが脆弱になりうるという事実につながりうる。この範囲よりも大きいピッチ値は、ウエハボート内のウエハ全体での均一性に影響を与える場合がある。図３は、複数のランプ（１１０）を含む垂直炉の概略断面図を示す。実施形態では、複数のランプ（１１０）は、互いから規則的な間隔で周方向に位置付けられてもよく、それらは垂直方向に沿って延在してもよい。周方向に互いに規則的な間隔で位置付けられていることは、ウエハが均一な熱曝露を受けることができるという利点を有しうる。実施形態では、複数のランプは、垂直方向に沿って互いに規則的な間隔（Ｘ）で延在してもよい。これは、垂直方向に沿ったバランスのとれた熱の分布の提供に寄与する場合がある。このようにして、複数のランプ（１１０）は、熱を供給するという点で、複数のウエハに対して一度に役目を果たしうる。これは、この垂直炉の垂直方向に沿ったバランスのとれた熱の分布を提供しうるため、有利である場合がある。垂直方向に沿ったバランスのとれた熱の分布は、ウエハボート内のウエハ間のプロセス変動を克服することを可能にしうる。これらのウエハ間変動は、例えば、堆積膜の厚さ変動、堆積膜中のドーパント分布、またはギャップ充填特性でありうる。これは、ウエハボート内のウエハ間変動は、この垂直炉で実行されるプロセスの収率の減少につながる可能性があるため、有利である場合がある。さらに、一部のウエハはプロセス仕様を満たさなくなるため、結果的に製造コストが増加する場合がある。

実施形態では、この垂直炉は、内部空間内に垂直方向に配置される反射器アセンブリをさらに備えてもよく、プロセス空間（１９０）を囲む円筒形状で形成されてもよい。反射器アセンブリは、部分的非反射部分（１１１）と交互に配置される反射部分（１１３）（図２）を備えてもよい。実施形態では、この反射器アセンブリは、プロセス空間の高さ（１９０）に対応する高さに沿って位置付けられてもよい。複数のウエハは、ウエハボート内に配置されてもよく、これはプロセス空間に嵌合することができる。したがって、プロセス空間（１９０）の高さに対応する高さを有する反射器アセンブリは、処理に必要な複数のウエハに必要な熱を供給すること、および内側エンクロージャ（１３０）の内壁を、その上への堆積を最小化するのに十分に低温に保つことを可能にしうる。

この反射部分（１１３）は、部分的非反射部分（１１１）から突出するポケット（１１２）として形成されてもよく、内側エンクロージャ（１３０）から離れて延在してもよい。複数のランプ（１１０）のそれぞれは、各ポケット（１１２）の内側に個別に位置付けられてもよい。実施形態では、これらのポケット（１１２）はまた、部分的非反射部分（１１１）の凹部を指してもよく、内側エンクロージャ（１３０）から離れて延在してもよい。このように、ランプによる所望の加熱効率が提供されうるため、部分的非反射部分（１１１）を有することが有利な場合がある。

実施形態では、突出ポケット（１１２）は、正方形、半円形、放物線、三角形、または台形の形状を有してもよい。これらの形状を有する突出ポケット（１１２）は、十分な光線が得られるように、それらの内部に位置するランプを囲んでもよい。さらに、これらの形状は、ウエハボート（１２０）に向かって熱を誘導するのに役立つ場合がある。これらの複数のポケット（１１２）が存在するため、ウエハボート（１２０）に向かってバランスのとれた熱曝露が提供されうる。実施形態では、これらの突出ポケット（１１２）は、５０ｍｍ～７０ｍｍの範囲の基部幅を有してもよい。実施形態では、これらの突出ポケット（１１２）は、３０ｍｍ～６０ｍｍの範囲の高さを有してもよい。加熱用ランプのサイズが１４ｎｍ～１５ｎｍの範囲でもよいという事実を考慮すると、所与の範囲で与えられる突出ポケット（１１２）の基部幅および高さは、必要な熱を供給するのに十分でありうる。当然のことながら、使用されるランプのサイズに応じて、突出ポケット（１１２）の基部幅および高さがさらに構成されてもよい。したがって、実施形態では、これらの突出ポケット（１１２）の基部幅および高さは、ランプがこれらのポケット内に配置された時に頑丈であるように十分に小さく構成されてもよく、また、ウエハ全体での均一性が損なわれないように十分に大きく構成されてもよい。

実施形態では、反射部分（１１３）は、ランプ（１１０）に面する反射器を含んでもよい。これは、ポケット（１１２）内部での完全な反射を可能にすることによって、内側エンクロージャ（１３０）上に効率的な熱伝達を提供するという利点を有する場合がある。ポケット（１１２）内での完全な反射は、内側エンクロージャ（１３０）の外壁で得られるよりも低い温度を得ることにつながりうる。実施形態では、この反射器は、銀合金またはアルミニウム合金を含みうる。この銀合金は、実施形態では、放射エネルギーを反射する能力を保存できるようなものであってもよい。これにより、反射器の効率が経時的に減少しないようにしうる。実施形態では、この銀合金は、その寿命が短くならないように、製造の影響を受けやすい成分を含んでもよい。実施形態では、このアルミニウム合金は、関連する反射率が変化せず、それによってその機能性が損なわれないように、酸化に抵抗できるようなものであってもよい。実施形態では、この銀合金またはアルミニウム合金は、反射器上に施されうるコーティングの形態で提供されてもよい。これは、例えば、それに関連する摩耗問題などがある場合に、簡単な交換をもたらしうるか、または再コーティングの可能性につながりうる。これは、経済的プロセスの提供および垂直炉のダウンタイムの低減という利点を有しうる。

実施形態では、反射器アセンブリの部分的非反射部分（１１１）は、１０ｍｍ～４０ｍｍの範囲の距離（ｄ）だけ内側エンクロージャ（１３０）から離れて位置付けられ、それによって冷却流体を流すことによって内側エンクロージャ（１３０）を冷却するための通路（１６０）を形成してもよい。この距離（ｄ）がこの範囲であることは、この距離（ｄ）の値が増加すると、内側エンクロージャの壁がより高温になる場合があるため、内側エンクロージャ（１３０）の壁に必要とされる冷却効果を提供するために有利である場合がある。したがって、この距離（ｄ）は、この種の冷却効果を提供するために必要な最小距離であってもよい。こうした冷却効果が提供されるとき、内側エンクロージャ（１３０）の壁上に望ましくない膜堆積または粒子汚染を有する確率が低減されうる。一方で、この距離（ｄ）の値が低いほど、電力使用量が大きくなる可能性がある。したがって、冷却チャネル（１６０）に供給される冷却ガスの流量および距離（ｄ）は併せて、内側エンクロージャ（１３０）の壁の効率的な冷却につながる一方、経済的なエネルギー消費を提供するという利点を提供しうる。距離（ｄ）は、隣接する任意の二つの突出ポケット（１１２）の間の点から測定されてもよく、したがって、第二の軸に沿って延在する部分的非反射部分（１１１）上の任意の点から、内側エンクロージャ（１３０）上の点まで測定されてもよく、第二の軸は、垂直方向に直角をなす。反射器アセンブリの部分的非反射部分（１１１）の表面積は、例えば、６００℃のウエハ温度に対して５Ｋｗ／ｍ^２など、この部分の上の熱損失が最小限に保たれるように構成されてもよく、その結果、複数のランプ（１１０）によって供給される熱は、プロセス空間（１９０）内で均一な温度を維持して、望ましい基材処理を実施するのに十分でありうる。したがって、複数のランプ（１１０）が可能な限り高温になり、それによって可能な限り多くの熱を供給することが有利である場合がある。このように、冷却効果が冷却チャネル（１６０）内に流れる冷却流体によってもたらされる一方で、ランプは、依然として、ウエハボート（１２０）内に配置された複数のウエハ上のプロセス空間（１９０）内で必要な処理を実施するために必要な温度を提供することができる。

図４ａ～図４ｃは、本開示の第一の態様の実施形態による反射器アセンブリの傾斜図を概略的に示す。実施形態では、これらの図で概略的に表される複数のランプ（１１０）は、それらをオンにするために単一の電源に接続されてもよい。代替的な実施形態では、これらの図で表される複数のランプ（１１０）のそれぞれは、別々にオン・オフされてもよい。これは、ウエハボート内のウエハ負荷、またはプロセス空間（１９０）内の処理に必要なプロセス温度に応じて、個々のランプを必要に応じて点灯または消灯することができるという利点を有しうる。実施形態では、複数のランプ（１１０）は、図４ａに概略的に表されるように、垂直方向に沿って互いに共線的に位置付けられてもよい。垂直方向に共線的に位置付けられることに加えて、複数のランプは、これらの実施形態では、周方向に共線的であってもよい。これは、それらが、垂直方向に対して垂直である複数の平行な周方向軸に沿って整列されうることを意味する場合がある。言い換えれば、これは、複数のランプは、垂直方向に対して９０°に位置付けられていると推測しうる。当然のことながら、垂直方向の複数のランプ（１１０）間の間隔は、複数の平行な周方向軸に沿った複数のランプ（１１０）間の間隔と同一であってもよく、または異なっていてもよい。複数のランプ（１１０）のこの種の構成は、ウエハボート（１２０）内に配置されたウエハを処理するためのプロセス空間（１９０）に、複数のランプ（１１０）のそれぞれによって提供されるバランスが取れた均等な熱流束という利点を提供しうる。バランスが取れた均等な熱分布は、例えば、堆積膜の厚さのばらつき、堆積膜のドーパント分布、またはギャップ充填特性など、ウエハ全体でのプロセス特性の変動を克服しうる。これは、プロセス特性は通常、温度駆動型であり、ウエハ表面全体での温度の変動が、このような差異をもたらす可能性があるためである。

当然のことながら、代替的な実施形態では、複数のランプ（１１０）の機能は、互いに周方向に位置付けられる機能ランプの数が垂直軸に沿って異なり、その結果、バランスのとれた熱流束が得られるように構成されてもよい。

実施形態では、図４ａに概略的に示されるように、これは、複数の平行な周方向軸に沿って整列される各行の異なる数のランプをオンにする一方で、他のランプをオフ状態のままに保つことを示しうる。これはさらに、ウエハボート内のウエハ負荷および／または所望のウエハ処理を実施するために必要な熱流束に従って機能ランプの数を調整するという利点を提供しうる。これは、異なるウエハ処理の関数として電力消費量を調整するという利点をさらに提供しうる。

実施形態では、複数のランプ（１１０）は、図４ｂに概略的に表されるように、垂直方向に沿って互い違いに位置付けられてもよい。これは、垂直方向に沿って共線的に整列された複数のランプ（１１０）が、複数の平行な周方向軸に沿った整列という点で、互いに対してシフトされて位置付けられてもよいことを示しうる。互い違いの位置決めは、ウエハ全体での均一性の効果を最小化するという利点を提供しうる。これは、ランプの長さおよび幅に沿ったガウス分布に従う、ランプの放射線束の交差による可能性がある。

実施形態では、複数のランプ（１１０）はまた、図４ｃに概略的に表されるように、垂直方向に沿って互いに対して対角的に位置付けられてもよい。これは、複数のランプが、垂直方向にらせん状に下向きに見えるように位置付けられてもよいことを意味しうる。

実施形態では、複数のランプは、垂直方向に対して１５°～９０°の角度で対角的に位置付けられてもよい。代替的な実施形態では、複数のランプは、垂直方向に対して、３０°～６０°の角度で対角的に位置付けられてもよい。これにより、ユーザフレンドリーな電気接続が提供され、それによってランプのより容易な機能化が促進されうる。さらに、ランプのこの種の位置決めは、ウエハ全体での均一性の効果を最小化するという点で有利な場合がある。

当然のことながら、図４ｂおよび図４ｃに概略的に表される複数のランプの構成は、図４ａに概略的に表される構成を提供した後、ランプのいくつかを非機能化することによって、その結果、互い違い（図４ｂ）または対角位置（図４ｃ）が最終的に達成できるようにして得られてもよい。実施形態では、複数のランプ（１１０）のそれぞれが、電源に別々に接続されうる場合、こうした非機能化は、必要に応じて、図４ａに概略的に示される構成について容易に行われてもよく、それによって図４ｂまたは図４ｃに概略的に示される構成が得られる。

実施形態では、垂直炉は、内部空間（１９０）の温度を測定するための手段を含んでもよく、この内部空間は、プロセス空間の高さに対応する高さに沿って垂直方向に位置付けられる。こうした構成は、プロセス空間（１９０）内に設けられたウエハボート（１２０）の高さに沿っても正確に温度測定されるという利点を提供する可能性があり、このプロセス空間内に複数のウエハが配置されてもよい。

実施形態では、温度を測定する手段は、熱電対、赤外線センサ、状態変化センサ、抵抗温度測定器またはパイロメーター（熱探知カメラとしても知られる）を含みうる。実施形態では、温度を測定するための手段は、複数のパイロメーターを含んでもよい。複数のパイロメーターの存在は、垂直方向にプロセス空間の高さ（１９０）に沿って正確な温度監視を提供するという利点を有する。炉内で行われるプロセスは、典型的には温度駆動型であるため、したがって、正確な温度の制御および監視はプロセスの収率を増加させうる。収率の増加は、結果的に製造コストの低減をもたらしうる。

図５ａは、本開示の第一の態様の実施形態による２組のシミュレーション結果（Ａ、Ｂ）によって得られた、垂直炉への最適な熱結合の例を示す。シミュレーションは、単一のウエハに基づき、反復的な境界条件を用いて行われ、それによってウエハボート内に配置されたウエハのスタックを表している。Ｂのシミュレーションケースでは、反射器アセンブリは、内側エンクロージャの外壁に近づけられ、それによって距離（ｄ）を調整する。さらに、ランプを収容する目的で、部分的非反射部分から突出するポケットが予見される。２つの異なるセットのシミュレーションが実施され、それぞれが異なるパラメータセットを有する。内側エンクロージャ（１３０）の温度およびウエハボート（１２０）内に配置されたウエハスタックの温度は、ランプ（１１０）温度の関数として提示されている。

ウエハスタック（１２０）および内側エンクロージャ（１３０）の温度はどちらも、両方のシミュレーションケース（Ａ、Ｂ）でのランプ温度の上昇の関数として上昇することが観察されている。さらに、ケースＡからケースＢに移ると、異なる設計パラメータのセットをさらに提供することで、内側エンクロージャ（１３０）とウエハスタック（１２０）との間で、より大きな温度差が得られることが観察されている。内側エンクロージャ（１３０）とウエハスタック（１２０）との間で観察された、より大きな温度差は、熱伝達の促進によるより効率的な冷却効果を提供するのに、さらに有益なものでありうる。これは、内側エンクロージャ（１３０）の温度はウエハスタック（１２０）上で得られた温度よりも低いため、冷却流体によって提供される有利な冷却効果をさらに示しうる。内側エンクロージャ（１３０）の温度とウエハスタック（１２０）の温度の間に観察された差（前者は後者よりも小さい）は、所望のプロセスがプロセス空間（１９０）内で実施できるようにウエハスタック（１２０）が十分に高温になりうる一方、冷却効果のおかげで、内側エンクロージャ（１３０）の壁は十分に低温にできることを示すものでありうる。これは、内側エンクロージャ（１３０）の内壁上の堆積または粒子汚染を低減する有利な効果を提供しうる。実施形態では、内側エンクロージャ（１３０）の温度とウエハスタック（１２０）の温度との間のこの温度差は、この有利な効果を達成するために、２００℃～５５０℃の範囲内としうる。実施形態では、内側エンクロージャ（１３０）の温度とウエハスタック（１２０）の温度との間のこの温度差は、２００℃～３００℃の範囲内であってもよい。これは、効率的な電力使用量が得られうるというさらなる利点を提供しうる。これはその結果、製造コストの改善において役割を果たす可能性がある。

図５ｂは、異なる垂直炉構成（１、２）のランプを用いたシミュレーションの結果として得られたウエハ温度の関数としての電力使用量（ｋＷ）の例を示す。構成１では、ランプは反射器アセンブリの非存在下で存在し、構成２は図１で概略的に表されるものと類似している。これは、ランプによってウエハ温度の関数として提供される電力を表す。必要なウエハ温度が増加するにつれて、ランプによって提供される電力も増加することが観察される。この結果は、ランプの選択における重要性をさらに示すものでありうる。ウエハ温度の上昇に伴いランプから得られる電力が増加するが、当然のことながら、ウエハ処理のエネルギー効率は、ランプの適切な選択によって、および／またはシステムに応じて、なおも調整されることができる。当然のことながら、ランプおよび／またはシステム構成の選択は、次に、ウエハ処理のスループットに影響を与えうる。これは、より高い電力値を所与のウエハ温度で提供することが、スループットの増加に影響を与えうるという事実に起因する可能性がある。ランプ構成によって、ランプが垂直炉内でどのように構成されるかが理解されうる。これは、それらの存在と、反射器アセンブリに対する位置を示しうる。冷却構成によって、冷却チャネルがどのように設計され、冷却流体が何であるか、および冷却チャネルを通る冷却流体の流量がいくらであるかが理解されうる。

図６は、本開示の第一の態様の実施形態による垂直炉で実施されうる、本開示の第二の態様の実施形態による例示的な方法のフローチャートを示す。

膜を含む半導体構造体を形成する方法（５００）は、ウエハボート内に配置された複数のウエハを提供する工程（５１０）を含みうる。このウエハボートは、第一の態様の実施形態による垂直炉のプロセスチャンバ内に含まれるプロセス空間（１９０）内に装填されてもよい（５２０）。プロセス空間（１９０）は加熱されて（５３０）、それによって、膜を形成するのに適した所定の温度まで温度を上昇させてもよい。当然のことながら、所定の温度は、垂直炉内で、および／または形成される膜のタイプで実施される処理の必要性に応じて上がるように設定されてもよい。実施形態では、この膜は、酸化物、窒化物であってもよく、または半導体材料を含んでもよい。実施形態では、この酸化物は、絶縁酸化物または金属酸化物であってもよい。実施形態では、この窒化物は、窒化ケイ素または金属窒化物であってもよい。実施形態では、半導体材料は、第ＩＶ族の半導体材料または第ＩＩＩ族～第Ｖ族の半導体材料であってもよい。実施形態では、膜はエピタキシャル層であってもよい。プロセスガスは、所定の温度で複数のウエハ上に膜を形成するために、プロセス空間（１９０）に供給されてもよい（５４０）。その後、内部空間を冷却するために、内部空間内に冷却流体が供給されてもよい（５５０）。実施形態では、プロセスガスは、この垂直炉に備えられうるガスインジェクターによってプロセス空間（１９０）に供給されてもよい。ガスインジェクターは、プロセス空間（１９０）内で垂直方向に延在してもよい。

実施形態では、内側エンクロージャ（１３０）の内壁は、ウエハボート（１２０）に面してもよく、一方、内側エンクロージャ（１３０）の外壁は、反射器アセンブリに面してもよい。

ウエハボートに面する内側エンクロージャ（１３０）の内壁は、内部空間に供給される冷却流体によって達成される冷却効果のおかげで、プロセス空間（１９０）の温度よりも低い温度に維持されうるという利点がありうる。これにより、例えば、内側エンクロージャ（１３０）の内壁上に発生する堆積または粒子汚染などの望ましくないプロセスを回避できるようにしうる。こうした望ましくないプロセスが回避されると、垂直炉のメンテナンスサイクル数が減少する場合があり、それによって垂直炉のダウンタイムも減少しうる。メンテナンスサイクル数の減少はまた、連続するメンテナンスサイクル間の時間の増加を示すものでありうる。内部空間は、内側エンクロージャ（１３０）と垂直炉内に含まれる外側エンクロージャ（１８０）との間の空間の体積である。内側エンクロージャ（１３０）は、プロセス空間（１９０）を画定しうる。

実施形態では、冷却流体は、液体またはガスであってもよい。実施形態では、この液体は、冷却に適した液体混合物を含んでもよい。好ましい実施形態では、この冷却流体はガスであってもよい。したがって、この冷却ガスは、例えば、空気、窒素ガス、または二酸化炭素ガスであってもよい。さらに好ましい実施形態では、この冷却ガスは空気であってもよい。この冷却ガスの流量は、プロセス空間（１９０）内で最速の冷却を最小時間で可能にするように構成されてもよい。流量は、実施形態では、例えば、４００ｍ^３／時～６００ｍ^３／時の範囲内であってもよい。実施形態では、冷却ガスの流量は、約５００ｍ^３／時であってもよい。

当然のことながら、代替的な実施形態では、この冷却ガスはまた、冷却に適したガス混合物を含んでもよい。

Claims (18)

1. 垂直方向に延在するプロセス空間および複数のウエハを受けるための開口部を画定する内側エンクロージャと、
   前記内側エンクロージャを囲む外側エンクロージャと、
   プロセスガスを前記プロセス空間内に注入するためのガスインジェクターと、
   前記プロセス空間を排出するための排出ガス出口と、を備える垂直炉であって、
   前記垂直炉が、前記複数のウエハを加熱するためのランプを備え、前記ランプが、前記内側エンクロージャと前記外側エンクロージャとの間の内部空間内に周方向に配置され、前記垂直炉が、前記内部空間を冷却するために前記内部空間内に冷却流体を供給するための冷却入口をさらに備える、垂直炉。
2. 前記垂直炉が、前記内部空間内に周方向に配置された前記複数のウエハを加熱するための複数のランプを備える、請求項１に記載の垂直炉。
3. 前記垂直炉が、前記冷却流体を供給するための複数の冷却入口を備える、請求項１に記載の垂直炉。
4. 前記複数の冷却入口が、前記複数の冷却入口のそれぞれを通して冷却チャネル内に前記冷却流体が入る時に、前記冷却流体が前記冷却チャネル内で周方向に移動し、その後、複数の冷却出口を通して前記冷却チャネルを出るように、前記垂直炉の前記垂直方向に沿って共線的に位置するように構成されている、請求項３に記載の垂直炉。
5. 前記複数の冷却入口が、前記複数の冷却入口のそれぞれを通して冷却チャネル内に前記冷却流体が入る時に、前記冷却流体が前記冷却チャネル内で周方向に移動し、その後、複数の冷却出口を通して前記冷却チャネルを出るように、前記垂直炉の前記垂直方向に沿って互いに対角的に位置するように構成されている、請求項３に記載の垂直炉。
6. 前記複数の冷却出口が、前記複数の冷却入口に隣接して整列している、請求項４または５に記載の垂直炉。
7. 前記内部空間内に垂直方向に配置され、前記プロセス空間を囲む円筒形に形成される反射器アセンブリをさらに備え、前記反射器アセンブリが、部分的非反射部分と交互に配置される反射部分を備え、前記反射部分が、前記部分的非反射部分から突出し、前記内側エンクロージャから離れて延在するポケットとして形成され、各ランプが各ポケットの内側に位置する、請求項１に記載の垂直炉。
8. 前記反射器アセンブリの部分的非反射部分が、１０ｍｍ～４０ｍｍの範囲の距離だけ前記内側エンクロージャから離れて位置することによって、前記冷却流体を流して前記内側エンクロージャを冷却するための通路を形成する、請求項７に記載の垂直炉。
9. 前記複数のランプが、互いに周方向に一定の間隔で位置し、垂直方向に沿って延在する、請求項２に記載の垂直炉。
10. 前記複数のランプが、垂直方向に沿って互いに共線的に位置する、請求項９に記載の垂直炉。
11. 前記複数のランプの機能が、互いに周方向に位置するランプの数が垂直方向に沿って異なることによってバランスのとれた熱流束を提供するように構成されている、請求項１０に記載の垂直炉。
12. 前記複数のランプが垂直方向に沿って互い違いに位置する、請求項９に記載の垂直炉。
13. 前記複数のランプが垂直方向に沿って互いに対角的に位置する、請求項９に記載の垂直炉。
14. 前記複数のランプが、垂直方向に対して１５°～９０°の角度で対角的に位置する、請求項１３に記載の垂直炉。
15. 前記反射部分が、前記ランプに面した反射器を備える、請求項７に記載の垂直炉。
16. 前記反射器が銀合金またはアルミニウム合金を含む、請求項１５に記載の垂直炉。
17. 前記反射器アセンブリが、前記プロセス空間の高さに対応する高さに沿って位置する、請求項７に記載の垂直炉。
18. 膜を含む半導体構造体を形成する方法であって、
    ウエハボート内に配置された複数のウエハを提供することと、
    前記ウエハボートを、請求項１に記載の垂直炉のプロセスチャンバ内に含まれるプロセス空間に装填することと、
    前記プロセス空間を加熱することによって、膜を形成するのに適した所定温度まで温度を上昇させることと、
    前記プロセス空間内に、前記複数のウエハ上に前記膜を前記所定温度で形成するためのプロセスガスを供給することと、その後、
    前記内部空間を冷却するために、前記内部空間内に冷却流体を供給することと、を含む方法。

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