JP3051941B2 - 半導体ウェーハを処理する装置 - Google Patents

半導体ウェーハを処理する装置

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体ウェーハを処理する化学蒸着（CVD）
処理装置、特に半導体ウェーハを処理するクラスタ工具
のCVD反応装置モジュールに関する。更に詳しくは、本
発明はタングステン、窒化チタンおよび他の金属および
誘電物質をシリコン半導体ウェーハ上に被覆するCVD、
および物質移動がその処理の現在のしかし制御できない
特徴であるシリコン処理に適用可能である。
発明の背景 半導体ウェーハおよび同様に製造される他の物品の製
造において、被覆、エッチング、熱処理およびパターン
処理（パターニング）を含む処理の手順は連続して行わ
れる。これらの処理の大半は、基体の表面に対する材料
の、通常は蒸気として移動されるが、化学的または物理
的な付与または除去を伴う。
このような手順におけるある種の処理は化学蒸着（CV
D）で遂行される。CVDは、例えば絶縁層等を横断して相
互接続を形成するために導電性フィルムを付与するよう
に、例えば基礎をなす層を通る穴の異なる方向に向いた
表面に対してフィルムを付与することに好適である。
穴すなわちバイアホールを充填するため、および半導
体上の層間に相互接続を形成するためのCVD処理の最終
的な結果は、しばしばフィルムの選択的な付着、すなわ
ちウェーハ表面の選択した部分のみに対する永久的なフ
ィルム形成である。このような被覆のCVDによる直接的
な選択付与はしばしば信頼性が低く、失敗したり、遅か
ったりして、したがって商業規模では望ましくないので
あり、商業規模においては迅速な処理能力および高価な
機械の効率よい使用が重要である。それ故に選択的な最
終製品であるフィルムはしばしば全面的（ブランケット
ファッション的）に付与され、その後で永久フィルムの
望まれない面積部分がエッチングされて元に戻される。
付着材料をエッチングして元に戻すことが後に行われ
るタングステンのような材料の全面CVDは、特に材料が
エッチングされるべき基体の表面において、全面フィル
ムの高度な均一性を必要とする。この被覆がエッチング
面積部分において不均一であると、エッチング処理はエ
ッチングすべき全面フィルムが薄いウェーハ領域におい
て下側に位置する基礎層を損傷することになるか、また
は残留フィルムが残される領域を生じることになり得
る。従来技術のCVD反応装置は、制限された均一性のも
とで、または制限された速度のもとで基体を被覆してい
る。したがって、特にタングステンのような材料を全面
被覆するための、より一層均一にフィルムを付与でき、
また高速度であるCVD反応装置が要求される。
CVDによりタングステンのようなフィルムを半導体ウ
ェーハに均一に付与するために、ウェーハ表面を横断し
て反応ガスの均一な供給を保証すること、および消費ガ
スおよび反応副産物を被覆される表面から均一に除去す
ることが望ましい。この点に関して、従来技術のCVD反
応装置はそれほどうまくはいっていなかった。同様に、
物理的および化学的なエッチング、および予熱および徐
冷を含む熱処理のような他の処理において、従来技術装
置は蒸気を被処理面に均一に接触させること、および被
処理面から除去することに適当ではなかった。したがっ
て、反応ガスまたは他のガスを被処理ウェーハ面、特に
CVD処理により被覆される被処理ウェーハ面に対して一
層均一に供給および除去することが必要である。
半導体ウェーハの効率のよい商業的な生産は、処理機
器ができるだけ継続して機能することを要求する。CVD
反応装置のような処理チャンバーの内部要素に付着が形
成されると、それらの要素の効率が悪くなり、清浄処理
するためにそれらの要素の使用は中断される。従来技術
の多くの反応装置は望ましくないほど頻繁に洗浄処理を
必要とするか、または清浄処理を行うことが非常に困難
で時間がかかり、したがって過剰な反応装置の休止時間
を生じた。したがってCVD反応装置処理チャンバーのよ
うな処理チャンバーにとっては、要素の希な清浄処理し
か必要とされないこと、要素に対する望ましくない付着
を減少すること、および一層迅速に清浄処理を行えるこ
と、が絶えぬ要求である。
従来技術のCVD反応装置および他のウェーハ処理装置
のチャンバー内において、反応ガスの流れの乱れが被覆
処理の効率および均一性を妨げ、また反応チャンバー内
での汚染物質の付着および移動を増大させてきた。した
がって、このようなチャンバー内での改良したガスの流
れ、ガス流れの乱れの軽減、が必要である。
半導体ウェーハにタングステン被覆を付与することに
関するこのようなCVD処理は、冷却壁反応装置内で典型
的に行われており、これにおいて被覆されるウェーハは
サスセプタ（susceptor）上で反応温度にまで加熱され
るが、反応装置の他の表面は反応温度より低い温度に維
持されてフィルムの付着を防止するようになされる。例
えば、タングステンCVDでは、反応装置の壁はしばしば
冷却され、しばしば室温とされる。これに代えて窒化チ
タン（TiN）CVDでは、壁は室温より高い温度であるが処
理される基体温度よりは低い温度にまで加熱される。こ
のような場合、異なる温度に維持される要素を有するこ
のようなウェーハ処理装置の設計には、ウェーハまたは
サスセプタと他の装置要素との間を熱が伝わることを防
止することが必要である。
タングステンCVD処理では、６フッ化タングステン（W
F6）が一般に使用される。このWF6ガスは他の多くのウ
ェーハ処理方法で使用されるガスと同様に高価である。
ガスの使用効率が従来技術の多くの反応装置の場合と同
じように低いと、ガスの費用は高くなる。多くのタング
ステンCVD反応装置によれば、WF6の使用効率は20％より
低く、WF6の費用はタングステンフィルムを付与する処
理の実施の全費用の30％をしばしば超えてしまう。した
がって、WF6のような反応ガスの消費において効率の一
層高いCVD反応装置が要求される。
CVD処理は２つの範疇、すなわち制御された物質移
動、および制御された表面状態すなわち温度、に分けら
れる。制御された物質移動処理は、典型的には、ヒ化ガ
リウムウェーハのような基体上にIII-IV族の物質をCVD
するか、またはエピタキシャル的にシリコンを成長させ
ることを伴う処理である。このような処理はウェーハ面
でガスを移動させ、またウェーハ面からガスを引き離す
ことで制御され、典型的には回転または他の運動をする
サスセプタ上に複数のウェーハを取付けて、サスセプタ
がそれらの基体を流動ガス内で軸線のまわりに公転させ
てウェーハを移動させるか、またはこの他にウェーハを
横断するガス流量を増大および制御する技術を使用し
て、行われている。典型的には物質移動を制御したCVD
処理はアレニウス（Arrhenius）のプロットに見られる
のであり、このプロットとは曲線における曲がり（kne
e）より高い温度の逆数に対する付着速度の対数のプロ
ットである。
ウェーハ温度または表面状態を制御したCVD処理は、
典型的にはアレニウスのプロット曲線の曲がりよりも低
いことが見られる。これらは低温および一般的に130か
ら13000N/m2（１〜100トル（Torr））の低圧で生じる。
一般に、このような処理は、低速移動にて助長される温
度すなわち反応の均一性の達成を除いて、ウェーハ移動
による向上に従うようには従来技術で考えられていなか
った。
発明の概要： 本発明の主目的は、半導体ウェーハのような物品の薄
膜処理のための効率的な生産装置を提供することであ
る。本発明の更に特定の目的は、例えばシリコン半導体
ウェーハ上にCVD処理で付着できるタングステン、窒化
チタンおよび同様材料の、例えば全面付着または選択付
着として半導体ウェーハ上へにフィルムを化学蒸着する
ことに主として有用であるこのような装置を提供するこ
とである。
本発明の他の目的は、CVD処理および他のシリコン処
理によってタングステン、他の金属および誘電物質の全
面フィルムを半導体ウェーハに均一に付与するためのCV
D装置のような前述のような処理装置を提供することで
あり、このシリコン処理は主として表面温度が制御され
且つまた表面温度に依存し、すなわち、平面であるか、
また一層重要なことであるが非平面またはパターン化さ
れているかどうかに拘わらずに、ウェーハ被覆または他
の処理面の品質および処理速度を向上させることに有効
なシリコン処理である。
本発明の他の目的は、加熱されるウェーハまたはサス
セプタから冷却保持されねばならない他の装置要素へ流
れる熱を最少限とされる冷却壁CVD反応装置のようなチ
ャンバーのシールされた処理装置を提供することであ
る。
本発明の更に他の目的は、内部の望ましくない付着蓄
積に対する抵抗性、および内部を通る汚染物質の伝播に
対する抵抗性を有し、清浄処理のための休止時間が僅か
で済む、すなわち効率的に清浄される処理装置を提供す
ることである。
本発明の特定の目的は、反応装置内でのガスの乱流を
軽減することにより、CVD処理装置での被覆付与におけ
る均一性を向上し、内面の清浄性を保持し、また加熱さ
れるウェーハまたはサスセプタを熱的に隔絶することで
ある。
本発明の他の目的は、ウェーハをサスセプタに対して
容易に保持できるようにするため、ウェーハとサスセプ
タとの間の伝導熱を増大させるため、望ましくない付着
および汚染から反応装置の内部要素を保護するため、お
よび反応装置を通る反応ガスの非乱流化を助成するため
に、反応装置内の不活性ガス流の形成を含む。
本発明の更に他の目的は、異なる寸法のウェーハを被
覆のために容易に受入れ、また異なる被覆処理を受入れ
るCVD反応装置を提供することである。
本発明の特定の目的は、ウェーハ処理クラスタ工具の
ための処理装置およびモジュール、または単一ウェーハ
回転サスセプタを使用する独立した処理装置、および特
に、例えばタングステン、窒化チタンおよびこのような
処理を受けることのできる前述のようなフィルムのよう
な他の材料のフィルムを、全面フィルムのように化学蒸
着するか、またはその代わりにこのような材料の選択的
な付着を行うための処理装置を提供することである。
本発明の原理によれば、単一ウェーハ回転サスセプタ
を有し、その上でウェーハが処理温度に維持され、また
反応室壁が異なる温度に保持される反応装置を備えたCV
D処理装置が提供される。タングステンのようなフィル
ムを付与するための反応装置において、壁はほぼ室温に
まで冷却されるが、窒化チタンフィルムを付与するため
の反応装置では、壁は室温よりも高いがサスセプタの最
適処理温度よりは低い温度にまで加熱される。
本発明の好ましい実施例は回転ウェーハ保持サスセプ
タを備え、このサスセプタは垂直軸線のまわりに回転さ
れ、上方へ面することが好ましいとされ、またシャワー
ヘッドから好ましくは下方へ導かれてウェーハへ向か
う、またウェーハに対して直角に向かう反応ガスの流れ
を有しており、このサスセプタが十分速く回転して、薄
い境界層がウェーハ表面上に形成されるようになされ、
これを横断してガスがウェーハ面と相互作用して拡散さ
れるようになされたウェーハ処理クラスタ工具のための
CVDモジュールを提供する。
本発明の好ましい実施例において、ガスはチャンバー
頂部に位置する下方へ向いたシャワーヘッドから、最少
限の乱れでもって流れ、上方へ向いたウェーハ面に対し
て下方向へ向かい、ウェーハ面を横断して半径方向外方
へ向かい、ウェーハを取り囲むリングまたはリップを超
え、サスセプタの側壁に沿って下方へ向かい、バッフル
により形成された環状開口を通り、その後シャワーヘッ
ドと反対側のチャンバー端部すなわち底部の単一の真空
圧排出口から出る。CVD適用例においては、プラズマ洗
浄電極が備えられ、またこれらの電極が非乱流ガス流動
を容易化する形状の構造部と組合わされる。サスセプタ
の壁は加熱された要素から反応装置の冷えている要素へ
の熱の流れを考慮した仕上げおよび横断面形状を有す
る。
本発明の１つの代替実施例において、不活性ガスがウ
ェーハ、ウェーハ支持部およびサスセプタ回転構造部の
まわりに導かれ、粒子および反応ガスによる汚染を防止
すると共に、サスセプタ要素の接合部を横断してチャン
バーを通るガスの滑らかな流れを容易にする。他の実施
例では、不活性ガスは相対的な真空圧によるサスセプタ
に対するウェーハの保持に使用され、またサスセプタお
よびウェーハの間の熱伝導を向上させるようになされ
る。不活性ガスがウェーハのリムの周囲に導入されてサ
スセプタに対してウェーハを真空クランプするようにな
された実施例においては、この不活性ガスは別個の供給
源から導入され、リム周囲のガスは処理チャンバーの圧
力またはそれより高い圧力で導入され、真空クランプす
るガスは更に低い圧力で導入される。
本発明の好ましい且つまた図示実施例によれば、水平
に配置されている下方へ向いた反応ガス分配シャワーヘ
ッドの下方に間隔を隔てて配置された上方に向いた回転
サスセプタを有し、このシャワーヘッドがサスセプタを
包囲する反応チャンバーからガス混合チャンバーを分離
しているCVD処理装置が提供される。反応チャンバーの
頂部に位置された混合チャンバーは、反応チャンバー壁
と共に比較的低温の、反応温度より低い温度に保持され
る。タングステン付着適用例においては、混合チャンバ
ーおよび反応チャンバー壁は、エチレングリコール、水
または他の何等かの適当な流体の何れかを使用してほぼ
室温にまで冷却される一方、窒化チタン付着適用例にお
いては、室温とサスセプタの反応温度との間の温度にま
で加熱される。
付着反応時にサスセプタは回転される。約6.5KN/m
2（50トル）の反応圧力のタングステン付着処理で150mm
のウェーハに関しては、サスセプタは少なくとも200RP
M、好ましくは2000RPMを超えない、最も好ましくは500
〜1500RPMの範囲で回転される。この回転によりウェー
ハ中心に淀み点を生じ、ウェーハ表面の直ぐ上方の境界
層の厚さを最少限にして、処理ガスがウェーハに高速で
到達でき、この処理の副生物がウェーハ上面から逃れる
ことができるようになる。それゆえに、これらの特徴は
CVDのような付着処理におけるだけでなく、エッチング
処理、および徐冷および脱ガス処理または他の熱処理の
ようなガスがウェーハ面に効率よく接触されねばならな
いか、表面から効率よく除去されねばならない他の処理
においても、利点を与える。
好ましい且つ図示された実施例において、サスセプタ
は約400〜550°Ｃ、好ましくは450°Ｃにまで加熱さ
れ、またこの加熱されたサスセプタからの熱がその取付
けおよび組立によってそのサスセプタを支持する回転シ
ャフトを強く加熱することは防止される。回転サスセプ
タの内側の全ての要素の面が高度に反射性を有すること
が、サスセプタの加熱されたウェーハ支持部および駆動
組立体の間の熱伝達を最少限にする。更に、半光沢面仕
上げが回転サスセプタの外面に備えられて、サスセプタ
から冷却されるチャンバー壁へ向かう熱輻射を最少限に
すると共に、加熱されるチャンバー壁からの熱の吸収を
最少限にするようになされる。極めて薄いサスセプタ壁
は、更にまた加熱されたウェーハ支持部と駆動組立体と
の間の熱伝達を最少限にする。
チャンバー壁はまた駆動組立体から熱的に独立されて
いる。サスセプタ取付けディスクはサスセプタ底部の環
状フランジをサスセプタ駆動シャフトの頂部に連結し、
また突出する支持構造部を備えて接触面積を最少限にす
るようになし、熱遮断部として作用させて加熱されたウ
ェーハ支持部と駆動組立体との間の熱伝達を更に低減す
るようにしている。
反応ガスは最少限の乱れでもってシャワーヘッドから
下方へと反応チャンバーの底部の単一の排出口へ流れる
ようにされる。チャンバーの底部領域に位置された多数
のバッフルがサスセプタシャフトを取り囲み、シャフト
の周囲に環状のガス流動開口を形成して、ガスが流れる
横断面積を次第に小さくして圧力勾配を与え、これがチ
ャンバー内に乱流を生じることなく排出ガスが容易にチ
ャンバー底部の単一開口を均等に通るようにする。回転
サスセプタの外形または覆いは滑らかな形状とされて乱
れを更に最少限になす。環状リップが加熱されたウェー
ハ支持部の上面のウェーハ周囲に備えられ、またウェー
ハの円形縁から僅かに間隔を隔ててその上面と同一面と
なるようにされて乱れを更に最少限にとどめると共に、
エッジ領域におけるウェーハの半径方向の温度勾配を排
除するようになされる。ウェーハ包囲クリップは別個の
環状部材であり、容易に取外しできると共に、異なる寸
法のウェーハを受入れるために異なる内径のクリップと
置換することができる。環状リップ部材の遠側の円形縁
の隅が丸められて、乱れを更に最小限にとどめる。この
リップ要素は実質的に上方へ向いた環状面を有して、未
使用の６フッ化タングステンガスまたは他の反応ガスを
掃出する掃出装置として作用し、これにより排出部から
洗い落とさねばならない反応ガスの量を最少限にとどめ
る。
この好ましい実施例において、一対の環状電極が、１
つはチャンバー頂部に、また１つはチャンバー底部に備
えられて、反応装置のプラズマ洗浄を行うようにされ
る。これらの電極の各々は、タングステン付着の場合に
チャンバー内にNF3ガスを、またこの処理に適当な他の
ある種の洗浄ガスを噴射するための開口を備えている。
これらの開口は上部および下部電極に円形配列にて配置
され、チャンバーの内部要素のプラズマ洗浄を容易にで
きるようにする。上部電極は円錐形の内面を有し、シャ
ワーヘッドの直径部から反応チャンバー壁へ向けて角度
を付され、これもまた乱れを最少限にとどめることに寄
与する。下部電極は最上位置のバッフルの中に組み入れ
られている。
更に本発明の１つの代替実施例によれば、真空圧通路
の上方および下方の、何れもチャンバー底部内で駆動シ
ャフトを取り囲む窒素ガス通路は、反応ガスおよび粒子
による軸受および他のシャフト支持駆動構造の汚染を低
減する。この特徴は、軸受の使用寿命を延長し、且つ保
守間隔を増大させることが望ましい場合に好ましい。
サスセプタに対するウェーハの真空保持が使用される
実施例においては、ヘリウムの漏洩路がサスセプタ面で
のウェーハリフトピンの周囲に形成され、これは回転サ
スセプタ内部の圧力がCVDチャンバーの圧力よりも低く
保持されるときにウェーハの真空グリップを容易とな
す。更に、ウェーハ裏面と加熱されたウェーハ支持部の
上面との間のウェーハ下側のヘリウムガスは、その圧力
が低すぎないならば、ウェーハ裏面とウェーハ支持部と
の間にガス相の熱伝導による熱伝達を与える。
本発明の好ましい実施例は、1.3から130KN/m2（10〜1
00トル）でウェーハ温度が425〜525°Ｃで行われるタン
グステンの全面CVDに最も有効である。この処理はWF6が
シラン（水素化ケイ素）で還元される凝集段階、これに
続くWF6が水素で還元される付着段階により好ましく遂
行される。
本発明の代替実施例において、この反応装置は接点の
被覆およびバイヤ穴の充填を意図したタングステンの選
択的な付着に有利に使用できる。この実施例によれば、
ウェーハに接触するサスセプタ面、特にウェーハ縁を取
り囲むリップおよびウェーハが係止される支持上面、並
びに露出したねじおよびそれらを緊締する装置、および
それらに接触するリングシールは、タングステンが凝集
しないか、または非常に長い凝集時間をかけねば凝集し
ない材料で形成される。このような材料には酸化アルミ
ニウム、窒化ボロン、ポリイミド、および何等かの形態
の石英が含まれ得る。更に、リップリングおよびサスセ
プタの支持上面は取外し可能且つ交換可能とされ、サス
セプタは非選択的な適用例の間で変えることができる。
この選択的なタングステン付着適用例において、処理
は13から1300N/m2（0.1〜10.0トル）の圧力で、また250
〜400°Ｃの温度で好ましくは遂行される。このような
低圧では、ウェーハはウェーハ裏面の真空圧よりも寧ろ
静電気的クランプによりサスセプタ上に保持され得る。
本発明の装置は前述した目的を達成し、従来技術の問
題点を解決する。全面タングステン付着処理を使用し
て、50％を超えるWF6の消費が実現でき、従来達成でき
たよりも数倍速い付着速度を得ることができる。
本発明は、ウェーハ温度の制御された処理によりシリ
コンウェーハにフィルムをCVD付与する付与速度、品質
および均一性の向上に、また他の徐冷のような温度制御
されたシリコン処理方法に、特に有効である。本発明の
多くの特徴は、シリコン半導体ウェーハに対する全面的
なタングステン、選択的なタングステンおよび窒化チタ
ンのCVD、およびケイ化タングステン、酸化タングステ
ン、アルミニウムおよび銅、並びにSiO2のような酸化物
等の材料のCVDに有利である。
本発明の多くの特徴は回転サスセプタを含まない処理
装置で有用である。プラズマ洗浄の本発明の特徴は、こ
こに説明した半導体ウェーハ処理適用例、および付着お
よび汚染が形成する傾向を示す他の適用例に使用したと
きに、利点を与える。更に、サスセプタに対する熱を制
限する特徴、および反応装置内のガスの流れを滑らか
に、且つ乱れを生じないようにする特徴は半導体ウェー
ハ処理に広く利用できる。
本発明のこれらのおよび他の目的および利点は以下の
図面の詳細な説明から更に容易に明白となろう。
図面の簡単な説明： 第１図は、本発明の原理を具現するウェーハ処理クラ
スタ工具のCVDモジュールの立面図である。
第２図は、第１図のモジュールのCVD反応装置の横断
面図である。
第３図は、サスセプタの回転およびウェーハリフティ
ング部分を示す第２図の反応装置の下部の横断面図であ
る。
第3A図は、第３図の線3A-3Aに沿う横断面図である。
第４図は、処理チャンバー部分を示す第２図の反応装
置の上部の横断面図である。
第4A図は、第４図の線4A-4Aに沿う横断面図である。
第4B図は、第４図の線4B-4Bに沿う横断面図である。
第4C図は、第４図の線4C-4Cに沿う横断面図である。
第５図は、第４図のチャンバーの一部の拡大横断面図
であり、代替実施例の反応チャンバーのハウジングの底
部付近のサスセプタ駆動シャフトに関連する構造を示
す。
第６図は、第４図の反応チャンバー内部のサスセプタ
の拡大横断面図である。
第6A図は、第６図の線6A-6Aに沿う横断面図である。
第6B図は、全面タングステン付着処理に特に適した本
発明の代替実施例のサスセプタの第６図に類似した拡大
横断面図である。
第6C図は、第6B図の実施例の代替サスセプタの第６図
に類似した拡大横断面図である。
第７図は、ウェーハを取外した第6B図のサスセプタの
頂面図である。
第８図は、ウェーハを取外した第6C図のサスセプタの
頂面図である。
図面の詳細な説明： 第１図は本発明の特徴が具現されたウェーハ処理クラ
スタ工具のためのCVDモジュール10を示す。モジュール1
0は車輪付き底部12上に位置するフレーム11を含み、底
部はモジュール10のレベル調整を行い且つまたモジュー
ル10を床に据え付けるための垂下された１組の調整可能
な脚13を有する。モジュール10はフレーム11に固定され
たキャビネット14を含み、これは化学蒸着（CVD）反応
装置15に反応ガスを供給する入口ラインと接続された流
量制御装置を収容しており、この反応装置もフレーム11
に固定されている。キャビネット14は関連された反応装
置の支持装置の他の部品を有しており、それらは示され
ていないが流体導管、バルブ、ポンプ、制御装置、およ
び様々な反応ガス、不活性ガス、掃出ガスおよび洗浄ガ
ス、および反応装置15の冷却流体の供給部およびその供
給部に対する接続部を含む反応装置15を作動させるため
の関連するハードウェアを含む。
本発明の好ましい実施例において、反応装置15で行わ
れる主なるCVD処理のための反応ガスは、シリコン半導
体ウェーハ上を全面タングステン付着処理するように使
用されるガスでライン16を通して供給され、ライン16は
４本示されており、キャビネット14および反応装置15の
間を接続している。これらのガスは、例えば６フッ化タ
ングステン（WF6）、水素（H2）およびシラン（SiH4）
を含む。しかしながらこの反応装置はまた窒化チタンフ
ィルムおよびCVD処理で付与することのできる他の多く
のフィルムに対しても有用である。ライン16の１本を通
してアルゴンのような不活性ガスも供給され得る。更
に、３フッ化窒素（NF3）ガスのようなプラズマ清浄処
理のための反応ガスが、キャビネット14と反応装置15と
の間を接続するガス入口ライン17を通して供給される。
モジュール10はまた反応装置15の掃気のため、反応装置
15内に所定の作動圧力レベルの真空圧を保持するため、
および反応装置を通して流れる使用済み反応ガス、反応
副生物、洗浄ガスおよび不活性ガスを排出するために、
１つまたはそれ以上の真空ポンプ18、および通常は１つ
の大容量低真空圧ポンプおよび１つの小容量高真空圧ポ
ンプを含む。残留ガス分析口19がガスの連続監視のため
に備えられている。
反応装置15はその底部から垂下するサスセプタ回転お
よびウェーハ昇降機構20を含む。反応装置15の主なる排
気はその反応装置15と真空ポンプまたはポンプ組立体18
との間を接続する真空圧出口ライン21を通して行われる
一方、１つまたはそれ以上の補助真空圧出口ライン22が
備えられており、これらは機構20とポンプ組立体18との
間を接続する。組合わされた上部電極の電気的ターミナ
ルおよび冷却流体マニホルドコネクタ23、および組合わ
された下部電極の電気的ターミナルおよび洗浄ガスコネ
クタ24もまたキャビネット14の近くで反応装置15と支持
装置との間に接続されている。
第２図を参照すれば、CVD反応装置15はその内部にハ
ウジング26で包囲された反応チャンバー25をシールして
有し、このハウジングにより反応装置15はゴム製の振動
吸収パッド29を介してフレーム11に取付けられており、
またそのハウジングの底部で機構20が支持されている。
ハウジング26はアルミニウムで作られて内部を十分に研
磨されることが好ましく、また反応装置壁の加熱および
冷却の両方のために独立した温度制御装置を備えて、加
熱された反応装置壁から輻射熱でサスセプタが加熱され
るオーブン式反応装置とは区別され、しばしば冷却壁反
応装置と総称されるものを生むようになされる。ハウジ
ング26はエチレングリコールまたは水のような適当な流
体によって流体冷却されることが好ましい。更に、抵抗
加熱要素（図示せず）もまたハウジング26内に備えられ
てハウジングが加熱されるようになされるか、または代
替されるか追加されてロッド式加熱要素が様々な位置に
てチャンバー内に備えられ得る。意図される適用例に応
じて、加熱または冷却の１つまたはそれ以上の特徴が同
じ構造に使用できる。反応装置壁の加熱および冷却はゾ
ーン制御されることができ、また一層応答性の高い温度
調整および均一性を得るために加熱および冷却作動の両
方を同時に行うことができる。
ハウジング26はその頂部にアルミニウムで作られるこ
とが同様に好ましいチャンバーカバー27を有し、このカ
バーは内部に反応チャンバー25を閉じ込める。カバー27
はハウジング26の頂部、または使用されているならばス
ペーサ199に対して空気シールされ、空気作用で保持さ
れるか、ねじ28またはクランプにより機械的に固定され
る。第２図でねじ28はハウジング26の頂部に対して固定
スペーサ199を固定して示されている。カバー27は環状
の混合チャンバー壁で囲まれた反応ガス混合チャンバー
30を有し、この混合チャンバー壁はそのアルミニウム製
のチャンバーカバー27と一体形成されるか、機械加工で
きるセラミックまたは他のアルミニウムまたは他の金属
片のような別の材料で形成されてチャンバーカバー27の
下側に固定されることができる。混合チャンバー壁31
は、例えばタングステン付着処理のような処理が必要と
する場合には、壁31内部に形成された環状通路32を通し
て流れるように供給される冷却流体によって、ハウジン
グ26の温度およびチャンバーカバー27の温度とは別に反
応温度よりも低い温度に保つように、積極的に冷却され
ることができる。ハウジング26と同様に、混合チャンバ
ー壁31は抵抗加熱要素（図示せず）も備えて、窒化チタ
ンの付着のように処理が必要とする箇所の壁および混合
チャンバー30を加熱するようになされている。この環状
壁31は非熱伝導材料またはカバー27のアルミニウム材料
から断熱されて導電性材料で作られ得るのであり、その
温度の制御に大幅な融通性を与える。混合チャンバー30
の上部は取外し可能なステンレス鋼で作られることが好
ましいカバーすなわち頂部プレート33で閉止され、これ
はボルト34（第４図）でチャンバーカバー27にシール可
能に連結される。チャンバーハウジング26、チャンバー
カバー27および頂部プレート33は内部容積を閉じ込める
密閉容器を形成し、この容器はモジュール10の作動時に
真空圧レベルに維持される。
ガス混合チャンバー30の底部は混合チャンバー壁31の
底部に連結された円形シャワーヘッド35で閉止されてい
る。このシャワーヘッド35はアルミニウムまたは機械加
工可能なセラミック材料で作られ、また十分に研磨され
た下面を有して、チャンバー25内の処理されるウェーハ
の面積部分からの高反応温度での輻射熱の吸収を減少さ
せるようになされ得る。シャワーヘッド35は１つの受入
れられる実施例において均一パターンで設けられた貫通
穴36（第４図）を有し、これらの穴は行列配置される
か、または反応装置15の垂直軸線37に位置する中心点の
まわりに複数の同心円で配置されることが好ましい。こ
の代わりに、シャワーヘッド35は多孔質金属またはセラ
ミックプレートで形成できる。
複数のガス入口38（第４図）がガスラインの接続され
た頂部プレート33に備えられている。回転ウェーハ支持
サスセプタ40はチャンバー25の内部に備えられている。
このサスセプタ40は軸線37上にてシャワーヘッド35の直
ぐ下側に位置され、軸線方向に整合されている。洗浄ガ
ス入口41はチャンバーカバー27に取付けられ、洗浄ガス
入口ライン17に接続されている。RF上部電極ターミナル
および冷却水コネクタ23もまたチャンバーカバー27に取
付けられている。下部電極RFターミナルおよび洗浄ガス
コネクタ24はハウジング26の側壁に取付けられている。
単一真空圧出口42がハウジング26の底部に備えられ、こ
れに真空圧出口ライン21が接続されてポンプ18へ通じて
おり、このポンプは400〜500リットル／秒の圧送流量で
作動して130から13000N/m2（１〜100トル）のウェーハ
処理圧力、13×10-3から13N/m20.1〜100トル）の洗浄圧
力、およびチャンバー25内の13×10-3N/m2（10-4トル）
のウェーハ移送圧力を達成している。ゲート穴43がハウ
ジング26の前壁に備えられてクラスタ工具の移送モジュ
ールまたはウェーハ操作モジュールに対する連結を行え
るようにされ、これに対してウェーハが処理のためにチ
ャンバー25に装填され、また取り出されるようになされ
る。ゲート43はサスセプタ40のウェーハを囲む上方へ向
いた頂面44とほぼ水平に整合され、この頂面上にウェー
ハはその上方へ向かう側をシャワーヘッド35と平行に水
平に配置して且つ垂直方向に整合されて、処理されるよ
うに支持される。複数の穴45が反応チャンバー25の反対
両側にてウェーハ支持面44またはハウジング26と水平に
整合されて備えられ、対角線状または他の方向に沿う装
備のために挿入できるようになされる。
ハウジング26の底部に固定され、反応装置の軸線37と
整合されてサスセプタ駆動支持フレーム47が備えられ
る。この駆動支持フレーム47の内部に中空のサスセプタ
駆動シャフト50が回転可能に取付けられる。この駆動シ
ャフト50はその軸線上で回転できるように取付けられ、
このシャフトは反応装置軸線37の上に位置して反応装置
ハウジング26の底部の穴51を通して延在し、サスセプタ
40の底部に剛性的に連結される。穴51において、シャフ
ト50は軸受52上に回転可能に支持され、この軸受は内側
レースがシャフト50を緊密に取り囲み、外側レースはハ
ウジング26の底部でフレーム47に固定されている。第２
軸受53はフレーム47の下端に連結され、駆動シャフト50
の下端を緊密に取り囲んで支持している。支持フレーム
47には軸受52の直ぐ下側でシャフト50を緊密に包囲する
強磁性流体シール54が固定されている。この強磁性流体
シール54は70°Ｃより低い温度の流体がそれを通して循
環され、シャフト50からの熱により内部の鉄流体が分解
されてその磁性を失うことを防止されている。フレーム
47内でシャフト50を同様に取り囲む第２軸受53の上方に
電気的スリップリングコネクタ55がある。このスリップ
リング55は回転シャフト50と電気的接続を形成して電気
エネルギーを回転サスセプタに供給し、またそれからの
計測された温度信号を受取る。シャフト50にはシール54
とスリップリング55との間で駆動プーリー56が固定さ
れ、このプーリーは駆動ベルト57を経てサスセプタ回転
駆動モーター58の出力部に駆動連結されている。
フレーム47の底部に固定された回転昇降機構20の下端
には、ウェーハリフト機構60があり、これは第３図に一
層詳細に示されている。このリフト機構60は外側の流体
密なシェル61を含み、このシェルは中空の垂直リフトチ
ューブ62の下端を取り囲む中空内部を有している。この
チューブ62はリフト機構60から上方へフレーム47を通
り、駆動シャフト50の内部を通り、反応装置の軸線37に
沿ってチャンバー25の中へ延在して、サスセプタ40の内
部で終端している。チューブ62は駆動シャフト50と共に
回転し、またその内部を軸線方向に約９ミリメートルほ
どの距離をスライドして、ウェーハを反応チャンバー25
内でサスセプタ40のウェーハ支持面44上で昇降させる。
チューブ62の下端はハブ部材63に固定され、このハブ部
材は強磁性流体シール64内に回転可能に支持されてお
り、この強磁性流体シールの外面はシェル61内を垂直方
向にスライド可能なスリップ65に固定されている。スリ
ップ65の下端は垂直アクチュエータ66にリンクされてお
り、このアクチュエータは線形作動空気式リフト66aの
シェル61の底部の穴67を通って延在している。他の強磁
性流体シール68がシェル61の内部の上部近くに備えられ
て、回転昇降機構20のフレーム47の底部の近くで軸線37
上のチューブ62を取り囲んでいる。強磁性流体シール54
と同様に、シール64および68は70°Ｃまたはそれより低
い温度に維持された流体を供給される。
ヘリウムガスの供給源（図示せず）がリフト機構60の
シェル61の底部のヘリウムガス入口70に接続されてい
る。この入口70はハブ部材63の底部のヘリウム入口チャ
ンネル71と通じており、これはハブ部材の中空内部を通
じてチューブ62の軸線方向の孔72と通じており、この孔
はチューブの長さを延在してチャンネル176と通じてい
る。
真空圧出口74がシェル61に備えられて細長い中空チュ
ーブ73に接続され、第3A図に示すようにチューブ62を取
り囲む上端にて駆動シャフト50内の中空空間75内に真空
圧を供給する。この中空空間75は駆動シャフト50の長さ
を延在し、また反応チャンバー25内でサスセプタ40の内
部と連通する。以下に第6B図に関連して詳細に説明され
る１つの実施例では、出口74における真空圧はチャンバ
ー25の圧力よりも十分低い圧力に維持され、処理の間に
サスセプタ40内に真空圧を形成してウェーハをサスセプ
タ面44に保持する真空チャックとして作用するようにな
される。この真空クランプ圧力は、駆動シャフト50の頂
部にて頂部62を取り囲み且つ頂部73内に位置した環状カ
ラム79を通して真空圧出口74および空間75の間を通じて
いる。真空クランプを使用しない他の実施例において、
出口74での真空圧はチャンバー25内の圧力に等しいかそ
れよりも僅かに高い真空圧をサスセプタ40内に発生させ
る。このようにして、反応ガスのサスセプタ内への侵入
は、以下に詳細に説明される第６図の実施例におけるよ
うに阻止される。
CVD反応装置の反応チャンバー部分の詳細は第４図に
示されている。ガス混合チャンバー30は４つの同芯的な
中空チューブ状リング77を備えており、それらは第４図
および第4A図に示されるように入口38の各々に１つずつ
接続されている。リング77の各々はそれに沿って間隔を
隔てて配置されて軸線37を取り囲む複数の穴76を有し、
入口38からガス混合チャンバー30内へのガスの各々の均
一な分散流れを可能にしており、そこにおいてガスは一
般に反応温度よりも低い温度で一様に混合される。この
ガス混合チャンバー30から、様々な入口38からの一様に
混合されたガスはシャワーヘッド35の複数の穴36を通し
て軸線37に平行に且つサスセプタ40のウェーハ支持面44
に直角に、矢印78で示されるように流下する。
シャワーヘッド35を取り囲んで、テフロンまたは他の
適当な絶縁材でできた絶縁部材81の上に取付けられた環
状プラズマ洗浄電極80が、アルミニウムのチャンバーカ
バー27に固定されている。この電極はチャンバーをプラ
ズマ洗浄するためのプラズマを発生させるように付勢さ
れる。電極80は、シャワーヘッド35の直径部からチャン
バーハウジング26の大きな直径部へ向けて滑らかに連な
るように切頭円錐形で角度を付された内面82を有し、下
方へ流れる反応ガス中の乱れを防止するようになされ
る。複数のガス入口オリフィス83が面82のまわりに備え
られ、洗浄ガス通路84と連通されており、この通路は環
状で電極80内に形成されている。通路84は供給チューブ
85と連通し、このチューブはガス入口41に連通し、この
入口に対して洗浄ガス入口ライン17が接続される。
環状冷却通路87はチューブ88を経て冷却液体および上
部電極コネクタ23（図示されていないが冷却液体のため
の給送および戻りラインの両方を含む）と通じている。
無線周波数（RF）エネルギーはチューブ88を通してコネ
クタ23が給送される。エチレングリコールや水のような
冷却液は冷却液入口および戻り口89を経て混合チャンバ
ー壁31の冷却通路32に別々に供給される。
下部プラズマ洗浄電極90はチャンバー25の底部で同様
に適当部材で作られた電気的絶縁部材91上にてチャンバ
ーハウジング26に取付けられて備えられる。電極90は環
状リングの形状をしており、第４図、第4B図および第4C
図に示されるようにチャンバー25の処理部分と真空圧出
口42との間のガス流バッフルとして作用する。電極90
は、ハウジング26の底部に固定され且つサスセプタ駆動
シャフト50を取り囲むスリーブ93との間に環状のガス流
開口92を画成しており、洗浄ガスおよび洗浄副生物がチ
ャンバー25から排出される際にこの開口を通して流下さ
れる。電極90の頂部のまわりに備えられた開口94は電極
90の環状通路95と通じており、この環状通路は更に洗浄
ガス供給チューブ96と通じており、このチューブは更に
また下部電極ターミナルおよび洗浄ガスコネクタ24の洗
浄ガス入口97と通じている。電極90はRFエネルギーをチ
ューブ96を通して下部電極ターミナルおよびコネクタ24
から下部電極90へ供給する電源（図示せず）に電気的に
接続される。チャンバー25の内部要素の内側をプラズマ
洗浄するためのNF3のような洗浄ガスは、それぞれ電極8
0および90の開口83および94を通して流入し、出口42を
通して排出される。
２つの付加的なアルミニウムバッフル101および102は
ハウジング26の底部でスペーサ104上に垂直方向に重ね
られて複数のボルト105で固定されている。上側の１つ
のバッフル101はディスク形状をしており、スリーブ93
から外方へ延在してハウジング26の側壁のまわりに環状
の空間106を形成している。下側の１つのバッフル102も
また円形ディスクの形状をして、ハウジング26の側壁か
ら内方へ延在してスリーブ93のまわりに環状の空間107
を形成している。
サスセプタ40は、チャンバー25内の反応ガスの流れの
乱れを最少限にするために、滑らかに輪郭を形成された
外側表面110を有する。この面110は最大幅の部分でサス
セプタ40とチャンバーハウジング26の側壁との間に空間
すなわち開口を形成する。この開口111の水平横断面積
は電極90により形成された開口すなわち空間92の水平横
断面積よりは大きく、この空間はバッフル101が形成す
る空間106の水平面積よりも大きく、この空間は更にバ
ッフル102により形成された開口107の水平横断面積より
も大きい。これらの面積比は反応ガスがチャンバー25を
通して流れるときに圧力勾配を与え、これは乱れを最少
限に抑えると共に、チャンバー25を通して単一真空圧出
口42に流れるガス流のサスセプタ40のまわりの均一性を
与える。この流れは矢印112、113、114および115で示さ
れている。
ある状況において、例えばシールの寿命がスケジュー
ルされた反応装置の保守の時間間隔を短縮してしまう場
合、主軸受52の信頼性を向上して寿命を延長するために
代替構造を組み込むことが望まれ得る。シャフト50がハ
ウジング26の底部を通過する箇所におけるこのような代
替構造が第５図に示されている。この代替構造におい
て、ハウジング26の底部は窒素ガス入口117および窒素
ガス真空圧出口118（破線）を備えており、これを通し
て窒素ガスが第５図に示されるようにサスセプタ駆動シ
ャフト50とスリーブ93との間の空間120内を流れるよう
にされる。入口117を通して流れる窒素ガスはスリーブ9
3の底部にてシャフト50を取り囲む環状通路内に噴射さ
れ、矢印122の方向にスリーブ93の通路121の上方の環状
通路123内へ流入し、次ぎに出口118を通して流出する。
同様に、窒素ガスは通路123の上方の第３環状空間124内
へ入口117から流入する。通路124からのガスの一部は矢
印125の方向へ通路123へと流れ、出口118から流出する
一方、通路124からのガスの一部は矢印126の方向へ空間
120内へと流れ、次ぎに下部洗浄電極90の外縁のまわり
の空間すなわち開口92のほぼ付近で矢印127の方向に反
応チャンバー内へと流入する。矢印127の付近の窒素ガ
スのこの外方へ向かう流れは、反応処理時に反応ガスが
空間120に流入することを防止する。また、粒子や他の
汚染物質が空間127に流入することも防止する。
サスセプタ40は第６図および第6B図の２つの実施例に
示されている。これらの実施例の何れも幾つかの代替特
徴を含んでおり、それらは適用例に応じて望ましいとさ
れるものである。第6A図は、第６図または第6B図の実施
例の一方または両方に見られる特徴の配置を示す横断面
図である。第６図の実施例のサスセプタ40は静電気的ウ
ェーハクランプ、電気的絶縁性のウェーハ支持面、この
ウェーハ支持面の外縁のまわりの絶縁リング、ウェーハ
支持部における温度検出のためのRTD、ウェーハのリム
のまわりの不活性掃出ガス、およびチャンバー25内の圧
力と同じか、それよりも僅かに高い圧力のサスセプタ内
の不活性ガスを使用している。第６図の実施例の特徴の
多くは、以下に説明するようにタングステンのようなあ
る種の材料を選択的に付着させることに一層適してい
る。
第6B図の実施例サスセプタ40は真空圧ウェーハクラン
プ、金属製ウェーハ支持部およびウェーハ支持部のまわ
りの金属製掃気リング、ウェーハ支持部の温度を検出す
るサーモカップル、およびチャンバー25よりも低い圧力
のサスセプタ内の不活性ガスを使用している。第6B図の
実施例の特徴の多くは、以下に説明するように窒化チタ
ンおよびタングステンのような材料を全面的に付着させ
ることに適している。
第６図、第6A図および第6B図のサスセプタ40は薄い外
側金属壁130を備えており、１つの実施例のサスセプタ
構造を示す第６図によく示されているように、この壁は
ボルト131により駆動シャフト50の頂部に取付けられて
いる。この壁130は高伝熱性材料、例えばアルミニウム
ような金属、で作られており、サスセプタの上部からシ
ャフト50へ流れる熱量を最少限にするために薄い横断面
を有している。サスセプタ40の表面110を外面として有
する壁130は十分に磨かれて反射するようになされた内
面132を有しており、サスセプタ40の加熱された上部の
下方へ向いた面129からサスセプタ40の中空内部空間135
を通る熱を反射し、したがってその吸収を最少限に抑え
るようになされている。外面110は壁130からの熱輻射を
最大限にするように半光沢仕上げとされている。
サスセプタ壁130の底部には下方へ延在するカラー136
が一体に形成されており、これはシャフト50を取り囲む
と共に、カラー136とシャフト50との間に僅かな円筒形
の間隙137を残すように間隔を隔てられていて、壁130か
らシャフト50への直接的な熱伝導を低減するようになさ
れている。カラー136から内方へ突出して、サスセプタ
取付けフランジ138が壁130と一体形成されている。シャ
フト50の上端には環状の上方へ突出するショルダー140
が形成され、この上にフランジ138が、したがって壁130
が支持されてサスセプタ140をシャフト50と一緒に回転
させるように支持する。ショルダー140はフランジ138と
小さな接触面積を有し、両者間の熱接触を最少限にする
と共に、サスセプタ壁130からシャフト50への熱移動を
最少限にする。上方へ延在するショルダー140はシャフ
ト50の頂部とフランジ138との間に小さな間隙141を形成
し、フランジ138の内部とシャフト50の頂部との間の直
接的な熱伝導を更に低減するようになされる。
ディスク142を通してボルト131が延在し、このボルト
はシャフト50の頂部にねじ込まれている。第６図の実施
例において、フランジ138はそれからディスク142の間隔
を隔てるために上方へ延在するショルダー143を有し、
両者間に最少限の接触面積を与えて熱伝導を低減し、ま
たフランジ138および壁130とディスク142との間に更に
間隙144を形成するようにしている。これらのショルダ
ー143は第6B図の代替実施例では省略されている。必要
とするならば、断熱ワッシャまたはスペーサのような断
熱材料層をフランジ138およびシャフト50の間に備える
ことで、付加的な断熱がサスセプタ40とシャフト50との
間に達成され得る。シール145（第６図にＯ−リングと
して、また第6A図にソフトメタルシールとして示されて
いる）がシャフト50とカラー136とサスセプタ壁130のフ
ランジ138との間で、シャフト50の上端の外側のまわり
に形成された環状空間146内に備えられている。複数の
穴147がディスク142を貫通して備えられ、シャフト50内
の中空空間75とサスセプタ40内の空間135との間を連通
して、約1.3KN/m2（10トル）の空間135内の真空圧を維
持するようになされている。
軸線37上のディスク142の頂部から上方へ垂直ハブ部
分149が突出しており、このハブ部分は内部穴を有し、
この穴を通して中空リフトロッド62の頂端が延在してい
る。
サスセプタ40の上部は、上側ディスク151および下側
ディスク152を含む一対のディスクで形成されたウェー
ハ支持構造部150を含む。
第６図のこの実施例において、下側ディスク152は外
縁がサスセプタ130と一体形成された内方へ延在した支
持フランジ153上に支持され、このフランジは上面に環
状チャンネル154を有し、そのチャンネルはシール155を
収容して、ディスク152の外側リムおよび壁130の間に形
成された環状空間156および空間135を隔離している。こ
の実施例では、空間156はヘリウム分配チャンネルであ
り、円周方向に間隔を隔てた１組のダクト157を通して
ヘリウム供給チューブ158と通じており、このチューブ
はハブ149の頂面の上方で半径方向に延在してチューブ6
2の頂端に機械的に接続されている。この構造により、
ヘリウムガスはチューブ62を通して上方へ流れ、チュー
ブ158を通して外方へ流れ、そしてダクト157を通して上
方へ流れてチャンネル156に入る。チューブ158は可撓性
の中央部分159を有しており、リフトロッド62が壁130に
対して垂直方向に移動できるようにする一方、チューブ
158の外端はフランジ153に対して静止される。このヘリ
ウムガスは、間隙166の直ぐ上方を流れる反応ガスの圧
力と等しいか、ほんの僅かに高い圧力を生じるように、
別個に調整された圧力に維持される。
また第６図の実施例で、上側ディスク151は下側ディ
スク152の頂部に支持され、また上部ウェーハ支持面160
を有しており、この支持面は上部サスセプタ44の一部を
形成し、残る部分は環状サスセプタリップ部分162の上
面で形成される。第4B図および第６図に示されるよう
に、リップ部材162はボルト163でサスセプタ壁130の頂
部にボルト止めされている。リップ部材162はその上面1
61が、ウェーハ165が面160上に支持されたときにウェー
ハ165の上面164と同一水平面に位置するように、形成さ
れる。ウェーハ165のシャワーヘッド周囲のまわりの僅
かな環状間隙166は、リップ162とウェーハ165との間に
十分な間隙を形成して、ウェーハの熱膨張およびウェー
ハ直径の誤差を許容する。ウェーハ165に対するリップ
の関係は、したがってウェーハ165の表面およびサスセ
プタ40の上面44を横断するガスの流れに乱れが生じるこ
とを防止する。
第６図の実施例で、ディスク151は下側ディスク152の
頂面のチャンネル172内のシール171上に係止され、更に
他のシール173がリップ162とサスセプタ壁130との間で
サスセプタ壁130の頂端のチャンネル174内に備えられ
る。
第６図の実施例のサスセプタにおいて、サスセプタ13
0の上部およびリップ162を通して円形配列のダクト175
があり、このダクトはヘリウムチャンネル156とリップ1
62の下方の上側ディスク151を取り囲む円周方向チャン
ネル176との間を連通する。これは、ヘリウムガスが環
状空間すなわちチャンネル156、ダクト175、チャンネル
176から、ウェーハ165の周縁をまわる間隙166を通して
外部へ流れて、ウェーハ165の表面164およびリップ162
の表面161を横断して外方へと反応ガスの滑らかな流動
を形成する通路を形成する。リップ162の外縁178は丸め
られて、サスセプタ40の縁をまわってガスが流れるとき
に乱れが生じることを更に防止する。
タングステンの全面付着のような使用に関して、支持
構造部150およびリップ162は、NF3によるプラズマ洗浄
時のスパッタリングに対して他の何れの金属よりも優れ
た耐性を備えたモネル（Monel）で作られることが好ま
しい。このような処理では、リップ162は未使用反応ガ
スの掃出部として作用する。選択的な付着処理に関して
は、ディスク151およびリップ162は、ウェーハに隣接し
たサスセプタ表面上での材料の凝集がその表面の近くで
全面的にウェーハに付着されるようになされるときに、
付着されるタングステンが凝集しない材料で作られる。
第６図の実施例のサスセプタは選択的タングステンの
付着処理に好適な特徴を含む。この実施例のディスク15
1および152は黒鉛のような断熱材料で作られ、支持部に
対して凝集すること、およびサスセプタに対するウェー
ハの静電気的クランプのための電荷を支持することの両
方を阻止する。選択的な付着に関しては、130N/m2（１
トル）またはそれより低い圧力で処理することがしばし
ば望まれることから、真空クランプは効果的でない。真
空圧クランプが行われないことは、ヘリウムをキャビテ
ィ176の中に噴射して与えられるエッジパージング（edg
epurging）の特徴を一層効果的にするのであり、この特
徴が精巧なシール機構を必要とせずにヘリウムガスをウ
ェーハの下側に流してウェーハを真空クランプするため
に必要な圧力差を壊してしまうか、またはウェーハの下
側およびサスセプタ内空間135内への反応ガスの流れを
容易にする逆効果を有することになり得るからである。
第６図の実施例において、複数の、好ましくは３つの
リフトピン184が備えられており、各ピンはサスセプタ4
0のディスク151および152を通る穴181内でスライド可能
である。穴181はピン184をスライドさせるために必要と
される以上には、また穴181を通るウェーハの裏面とサ
スセプタ内空間135との間でのガスの流れを最少限にす
るために必要とされる以上には大きくない。
第6B図の実施例のサスセプタの特徴は、全面タングス
テンの付着に一層好適であり、したがってサスセプタ40
の構造部の残りの部分はこの図の実施例に関して説明さ
れる。
第6B図を参照すれば、ディスク151および152はモネル
のような材料で作られ得る。ディスク151内には、望ま
れるならばディスク151とウェーハ165との間の熱ガス導
入のためにウェーハ165の裏面を横断してヘリウムガス
を分配するために、ダクト180（破線で示されている）
が交互に備えられ得る。これらのダクト180はウェーハ1
65のリムのまわりの縁空間166から離されており、ウェ
ーハ裏面の空間内への反応ガスの流入がこれによって増
大されることはない。
ダクト180は第７図に示されるようにディスク150の上
面の溝とされる。これらは120°の間隔を隔てた３組の
半径方向の溝により相互接続された３つの同芯的な円形
溝180a、180bおよび180cを含んでなり、これらの半径方
向の溝はサスセプタ37の軸線上で交差し、最内溝180aま
で延在する溝181a、円形溝180a、中間の円形溝180b（複
数）の１つおよびそれぞれ１つの穴182と相互接続され
た半径方向溝181b、および円形溝180bを最外円形溝180c
と相互接続する半径方向溝181cを含む。
ウェーハ165の裏面においてガスは、過大寸法の垂直
穴182により反応チャンバー25内よりも低い圧力に維持
され、この穴は第６図の実施例とは相違してリフトピン
184のまわりに緩く嵌合し、したがってウェーハ165の裏
面とサスセプタ40内空間135との間に連通を形成して表
面160に対するウェーハ165の真空クランプを形成する。
空間135を充満するヘリウムガスはディスク142の開口14
7を通して別個に調整された圧力に維持されたヘリウム
であり、この開口が空間135と空間75との間を駆動シャ
フト50の頂部で連通する。ヘリウムは第6B図の実施例で
は短いチューブ158aを通して空間135内に供給される。
この真空クランプの圧力は空間135内では約1.3KN/m2（1
0トル）に維持され、ウェーハ165の上方のチャンバー25
の反応空間内の反応圧力は、全面タングステンCVD処理
の場合は約6.5から7.8KN/m2（50〜60トル）である。
ウェーハを真空クランプするよりも、むしろ13から65
0N/m2（0.1〜5.0トル）で実視され得る選択的なタング
ステンCVDのような処理によれば、第６図に示されるよ
うに静電気的クランプのような他のクランプ手段が好ま
しいとされ得るが、幾らかのヘリウムが反応チャンバー
の圧力の、またはそれよりもほんの僅かに高い圧力にて
ウェーハの裏面に依然として与えられ、ウェーハとディ
スク151との間の熱移動を増大させるようになす。
第6B図の実施例において、上側ディスク151はサスセ
プタ壁130の頂部を超えて延在して、埋め込みボルト168
で直接にボルト止めされ、これにより平坦な柔軟材料の
シール169をディスク151とサスセプタ壁130との間に圧
縮する。リップ162の代替形状部材170がねじ168の上か
ら皿ぐりねじによってディスク151の頂部に緊締されて
同一平面的に取付けられ、これによりウェーハ44の頂面
164およびサスセプタ壁130の外面110と連続面を形成す
るようになされる。リップ170のこの形状はモネルのよ
うな金属材料で作られる場合に最も適当である。
第６図および第6B図の実施例の両方におけるサスセプ
タにおいて、水平テーブル183がチューブ158の上方およ
びディスク142のハブすなわちブッシュ149の直ぐ上方で
リフトロッド62のチューブに取付けられ、このテーブル
はリフトロッド62と一緒に昇降方向に移動する。複数
の、好ましくは３つのリフトピン184がテーブル183の周
辺から穴181（第６図）または182を通して上方へ延在し
ており、これらのピンは上昇されたときにウェーハ165
の下面に接触して面160から持ち上げるか、または穴181
または182の中に降下して（位置は第６図および第6B図
に示されている）ウェーハ165を面160上に下げる。テー
ブル183の上昇位置において、ウェーハ165はゲート開口
43（第４図）を通してチャンバー内へまたはチャンバー
から外へ移動される位置であり、ウェーハ165が面160上
に降下されるテーブル183の下降位置において、ウェー
ハは処理のための所定位置に位置決めされる。
第６図および第6B図の実施例の両方におけるサスセプ
タ内には、ディスク151および152の間にて抵抗ヒーター
185も取付けられており、このヒータは中央円形要素18
6、中間環状要素187および外側環状要素188を含み、こ
れらの何れも複数の別々に制御される加熱領域をウェー
ハ支持部150の様々な半径位置に備えている。第６図の
実施例において、各領域はRTDまたはサーモカップル式
の温度検出要素191、192および193を要素186、187およ
び188により加熱される領域にそれぞれ対応して備えて
いる。各要素はばね荷重を付与された電気接点組立体19
5（中間要素187に関して１つだけが第６図に示されてい
る）を備えている。２つの接点が加熱要素186、187およ
び188の各々に備えられている。これらの要素およびセ
ンサー191、192および193のための導電体198はシャフト
50を通して下方へ延在し、スリップリング55（第２図）
を経て適当な電源および制御回路と電気的接続を確立す
る。
第6B図の実施例において、サーモカップル式の３つの
温度検出要素189（１つだけが第6B図に示されている）
がヒーター186、187および188の穴を通してディスク151
の後方の凹部へ延在し、加熱領域の各々と１つずつ直接
に位置される。これらのサーモカップルの読み値はヒー
ター制御装置（図示せず）へ送り返されて、ディスク15
1に一様な温度を維持するようになす。サーモカップル1
89の各々は壁130に且つ空間135内にブラケットで取付け
られたコネクタ190においてシャフト50内のワイヤーを
経て制御装置に接続される。ヒーターのターミナルに対
する電気的接続は第6B図の実施例に好ましい形態196で
示されており、下側プレート152の下面129は凹まされ、
セラミックねじ194によりリード線198に接続されてい
る。
第６図および第6B図に示されるように、スリーブ93が
500〜1500rpmで回転されて面164の上方の境界層の厚さ
を最少限にするようになされたことを除いて、組立体全
体は処理ガスがウェーハにまで迅速に到達できるよう
に、且つまたCVD処理による副生物がウェーハ面164から
一層容易に逃れられるようにしている。この流れは第４
図に矢印78および197で示されている。このような流れ
は、ウェーハ165の面164と交差する軸線37上の中心198
に淀み点を形成する。リップ162は掃出装置として作用
する実質的に上方へ向いた面161を備えており、６フッ
化タングステンのような未使用反応ガスに関してタング
ステンが凝集する材料で作られ且つまた全面付着処理に
使用された場合、これによりチャンバー25から排出され
る６フッ化タングステンの量は最少限となる。リップ16
2は取外し可能で、異なる内径を有する内方へ延在する
部分を有するリップと交換可能であり、これにより異な
る寸法のウェーハ165を受入れることができる。
第6C図は第６図、第6B図および第6C図におけるサスセ
プタの代替例に対する更に他の代替例を示している。第
6C図の実施例は、多少の改良がなされているが第6B図の
実施例に大方の点で類似し、また第６図の実施例のウェ
ーハのエッジパージの特徴の改良した形態を含む。第８
図に示されるように、第6C図の実施例は第6B図の溝180
a、180b、181aおよび181bを含む。しかしながら溝181c
は省略されており、また溝180cは機能的に第６図の環状
溝すなわちチャンネル176を置換しているが、ウェーハ1
65の縁またはリムの内側に位置する。この溝181cは第6C
図の実施例ではチューブ158によりチューブ62の穴72か
ら別個に調整されたガスの供給源に接続されており、チ
ューブ158は一対の剛性チューブ158aを通して穴付きプ
ラグにより担持されたそれぞれの対をなす開口158b、お
よびそれぞれ対をなす半径方向に配向された開口158cと
通じている。このガスはチャンバー25内の圧力と等しい
か、または僅かに高い、例えば約65から130N/m2（0.5〜
1.0トル）ほど高い圧力で供給されるのであり、この圧
力は典型的に1.3KN/m2（10トル）である溝180a、180b、
181aおよび181bの圧力よりも低い。ガスはヘリウムのよ
うな不活性ガス、またはウェーハ165およびリップ162ま
たは170の間の空間166内で形成され得るCVD処理による
付着物質を洗浄する反応性ガス、例えばタングステンが
付与される場合のNF3とされ得る。
更に、ウェーハ面上の最適な反応ガスの流れはガスシ
リンダーヘッド５とサスセプタ40との間の空間を変化さ
せて達成される。このためにスペーサリング199のよう
な１つまたはそれ以上のスペーサリングを反応装置ハウ
ジング26の頂縁およびチャンバーカバー27（第２図）の
間に付与してこの準備がなされる。
半導体シリコンウェーハに対するタングステンの全面
または選択的な付着に関する上述したモジュール10の作
動は、ロバート・エフ・フォスター氏およびヘレン・イ
ー・レーベン氏のパターン化されたウェーハ基体にフィ
ルムを化学蒸着（CVD）する方法と題するこれと同日出
願された関連する共通して譲渡された特許出願に詳細に
記載されており、ここで特に参照することでここに組み
入れられる。
上述した本発明の実施例は化学蒸着（CVD）式の処理
装置に関するが、回転ディスクサスセプタ、ガスの流
れ、温度維持および本発明の他の特徴は他の形式の処理
装置に関係して使用でき、特に迅速且つ均一な蒸気物質
のウェーハ面に対する移動が望ましい場所に使用でき
る。例えば、窒化チタンフィルムの付着に関して、脱ガ
ス処理がTiN付着の前に別個のモジュールで行われるこ
とが好ましい。このような処理において、例えばTiN処
理の前にウェーハに付着されたフォスフォシリケートガ
ラス（PSG）またはボロフォスフォシリケートガラス（B
PSG）のフィルムに吸収されるように、ウェーハに吸収
された水はウェーハを加熱することで除去される。ま
た、TiNフィルムの付着に引き続いて、塩素が別個のモ
ジュールでの徐冷（焼きなまし）処理によって除去され
得る。このような処理において、上述したような別個の
提供された処理モジュールが例えばアルゴンまたは窒素
ガスと共に予熱または脱ガス処理の遂行に使用できる一
方、他の提供される同様なモジュールが徐冷処理の遂行
において例えばアンモニアと共に使用できる。何れの適
用例においても、このようなモジュールはCVD処理にお
いて行われるような基体に材料を追加する代わりに、基
体から材料を除去することを除いて、上述したCVDモジ
ュールと同様に機能する。回転ディスクの利点および本
発明の他の特徴はそれでも尚このような処理に与えられ
る。これらの利点には、サスセプタを回転させることで
薄くされた均一な境界層が含まれ、これは更に迅速な水
または塩素の除去速度および一層均一なウェーハ面を横
断する除去速度を生じる。更に、ガスの半径方向外方へ
向かう流れは水、塩素または他の物質をウェーハ表面か
ら一掃することに寄与し、除去効率を高める。これは溶
解（desorbed）した材料がウェーハの表面に再付着する
ことを阻止する。
本発明の原理を脱ガス徐冷モジュールに適用するにお
いて、上述で説明した実施例におけるCVD適用例に望ま
しい構造の全てを必要とするわけではない。例えば、RF
洗浄電極80および90、並びに電力接続およびそれらに電
力を供給する供給源は省略できる。更に、チャンバー25
の底部のただ１つのバッフルで通常は十分である。ガス
供給源および組み合わされる機器の個数は勿論のこと適
用例に必要とされる数によって制限される。更に、この
ような処理は基本的には熱処理であるので、チャンバー
ハウジング26は外部から隔絶されることが好ましい。
上述した実施例に記載した回転サスセプタにより最適
な処理の均一性を達成するために、処理は回転速度で指
示される状態のもとで作動しなければならない。CVDの
応用例において、この最適化はフィルムの均一性または
特性を犠牲にすることなく最高の付着速度および反応物
質の交換を達成する。このような状態を生じるために、
サスセプタ表面上を半径方向外方へ流れるガスの全質量
流量は、シャワーヘッドから軸線に沿ってサスセプタ面
に向けて流れるガスの等しい質量流量と適合される。下
方へ流れる流量は入口ガスの噴射流量により供給され制
御される。入口ガス流量が小さすぎるならば、サスセプ
タは流体に欠乏し、入口ガス流量が多すぎると、流体は
サスセプタ面の近くで停滞する。何れの場合も、速度分
布はサスセプタ面の近くに均一な境界層厚さを与えるの
に適当な形状とならず、したがって回転の利点は十分に
実現されない。与えられた温度、圧力、入口ガス成分、
およびサスセプタ回転速度において、ある入口ガス流量
または入口ガス流量の狭い幅が最適作動を与える。この
流量は与えられた１組の条件に一般に「適合された流
量」と称される。これらの理論的または経験的に各処理
および各反応装置に関して決定され、また第１に理論的
に、次ぎに経験的に実証されまたは微調整されることが
好ましい。全面または選択的なタングステンCVDに関し
て、入口ガス流量は一般に上述の温度、圧力、ガス成
分、および回転速度に関して0.5slpm〜5.0slpmの範囲内
に入る。例えば、全面タングステン付着については、2.
1slpmの全流量に対して、0.1slpmのWF6および2.0slpmの
H2が425°Ｃ、10.4KN/m2（80トル）および750RPMに関し
て好ましいことが見い出された。選択的なタングステン
CVDに付いては、3.0slpmの全流量に対して、0.1slpmのS
iH4、0.15slpmのWF6および2.75slpmのH2が280°Ｃ、0.6
5KN/m2（５トル）および250RPMに関して好ましいことが
見い出された。一般に、流量は温度、回転速度または粘
性が増大するとき、または圧力が低下されて他のパラメ
ータが一定に維持されるときに増大する。
上述した詳細説明は本発明の好ましい実施例を説明し
たが、この分野の熟知した者には、本発明の基本から逸
脱せずに変形例および改良例がなされ得ることが明白と
なろう。本発明の原理はCVDに最も有用な、また他のウ
ェーハ処理応用例、特に材料がガスからウェーハへ、ま
たはウェーハからガスへ移動される幾つかの概念を含
む。説明した実施例の反応装置の各種詳細は設計におい
て改良され、同じ構造に組み合わされることができる。
例えば、下部プラズマ電極が説明され、バッフルを形成
する構造と組み合わされる。同様に、上部プラズマ電極
は好ましい実施例では別の構造に備えられているが、シ
ャワーヘッドと組み合わされ、またはシャワーヘッドに
組み込まれることができる。したがって、本発明の主問
題は、以下の請求の範囲によってのみ制限されることが
意図される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 レブランク，レーン イー. アメリカ合衆国 06405 コネチカット 州ブランフォード，タートル ベイ 199 (72)発明者 ホワイト，カール エル. アメリカ合衆国 85234 アリゾナ州ギ ルバート，イスランディア ドライブ 1518 (72)発明者 アローラ，リックヒット アメリカ合衆国 85210 アリゾナ州メ サ，ウエスト ベースライン ロード 1055，アパートメント ナンバー 2046 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/205 H01L 21/365

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体ウェーハを処理する装置（10）にお
    いて、 内部容積を包囲するシール容器（26）であって、該容積
    の一端に連結されて該容積を真空圧レベルに維持する排
    気手段（18,42）を有する前記シール容器（26）、 該容器（26）の該内部容積内の処理空間（25）内にある
    サスセプタ（40）であって、該軸線（37）に直角に配向
    されたウェーハ支持面（44）を有する前記サスセプタ
    （40）、 該排気手段（18,42）から該サスセプタ（40）の反対側
    の該内部容積の一端に配置されたガス導入手段（35）、
    および 少なくとも一つの処理ガスを該ガス導入手段（35）へ供
    給する手段（30）を含み、 該ガス導入手段（35）が該ウェーハ支持面（44）から離
    隔して配置され、かつ大体において該軸線（37）を軸に
    して芯出しされて、該サスセプタ（40）の該ウェーハ支
    持面（44）に向かってかつ直角に該軸線（37）に対して
    平行に該処理ガスの流れを処理空間内へ方向づけし、 さらに被覆されるウェーハの面が芯出しされかつ該ガス
    導入手段（35）に面する状態で該ウェーハを処理のため
    該支持面に支持する、該サスセプタ（40）により担持さ
    れた手段を含み、 該ガス導入手段からの円滑な非乱流の流れ内のガスを、
    ウェーハ（165）を横切って該サスセプタ（40）を越え
    て該排気手段（18,42）まで方向づける、該軸線の周り
    に均一に分布された手段が提供され、該方向づけ手段が
    該サスセプタ（40）上にあって該ウェーハ支持面（44）
    を囲む環状リップ（162,170）を含み、この環状リップ
    は該ウェーハ支持面（44）上に支持されたウェーハ（16
    5）の円形外縁に接近して離隔した大きさの内部開口を
    有し、該環状リップ（162,170）はウェーハ（165）の面
    （164）と同一平面になるように位置していること特徴
    とする装置（10）。
  2. 【請求項２】該排気手段が排気口（42）を含み、該装置
    がさらに該軸線（37）を囲みかつ該サスセプタの該ウェ
    ーハ支持面（44）と該排気手段（18,42）との間に軸線
    方向に位置決めされ、該処理空間（25）の内部に乱流を
    生じさせずに該排気口（42）を通るガスの排気を容易に
    するバッフル手段（90,101,102）を含むことを特徴とす
    る請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】該バッフル手段（90,101,102）がそれぞれ
    該軸線（37）の周りに環状通路（92,106,107）を画成す
    る複数の軸線方向に離隔したバッフルを含み、該環状通
    路（92,106,107）が該排気口（42）に接近するにつれて
    減少する断面積を有し、該処理空間が容器ハウジング
    （26）により境界をつけられ、該サスセプタ（40）が輪
    郭をつけられた円滑な外形を有する外壁手段（110）を
    有し、該サスセプタの該外壁手段が該容器ハウジングか
    ら離隔してその間に通路（111）を形成し、この通路が
    該環状通路（92,106,107）よりも大きい断面積を有する
    ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
  4. 【請求項４】該装置（10）がCVD反応器であり、該処理
    ガスが少なくとも一つの反応ガスを含み、該環状リップ
    （162,170）の表面手段（161）が未使用の反応ガス用の
    掃出装置として働くのに十分に実質的な面積を有し、か
    つ該反応ガスが核となって被覆を沈積する材料で作ら
    れ、それにより該環状リップ（162,170）を越して該反
    応空間へ流入する反応物の量を低減することを特徴とす
    る請求項１から３までのいずれか一つの項に記載の装
    置。
  5. 【請求項５】該装置（10）がCVD反応器であり、該処理
    ガスが少なくとも一つの反応ガスを含み、該ウェーハ支
    持手段がウェーハ（165）とウェーハ支持面（44）との
    間に非反応ガスの流れを導入し、かつウェーハ（165）
    とウェーハ支持面（44）との間に、該反応空間内の圧力
    より低い真空圧を維持してサスセプタ（40）にウェーハ
    を支持させるのを容易にする手段（70-74,117-121,12
    3）を含むことを特徴とする請求項４に記載の装置。
  6. 【請求項６】該環状リップ（162,170）が丸みのある円
    形外縁リム手段（178）を有することを特徴とする請求
    項１から５までのいずれか一つの項に記載の装置。
  7. 【請求項７】該ウェーハ支持面上に支持された第１の大
    きさのウェーハの円形外縁に接近して離隔した大きさの
    内部開口を有し、該装置がさらに該第１の大きさとは異
    なる第２の大きさのウェーハの円形外縁に接近して離隔
    した大きさの内部開口を有する第２の代替的なリップ
    （162,170）を含み、かくして該サスセプタ（40）が種
    々の大きさのウェーハに適応し、該環状リップ（162,17
    0）が除去可能にかつ交換可能に該サスセプタ（40）に
    取り付け可能であることを特徴とする請求項１から６ま
    でのいずれか一つの項に記載の装置。
  8. 【請求項８】半導体ウェーハを処理する装置（10）にお
    いて、 内部容積（25）を包囲するシールハウジング（26）を有
    するシール容器であって、該容積の一端に連結されて該
    容積を真空圧レベルに維持する排気手段（18,42）を有
    し、該ハウジングがサスセプタ取付け部（50）を含むよ
    うな前記シール容器、および該シール容器の該内部容積
    内の処理空間（25）内の該取付け部（50）に支持された
    サスセプタ（40）であって、ウェーハ支持面（44）を有
    する前記サスセプタ（40）を含み、該装置が該支持面
    （44）に支持されたウェーハ（165）を処理温度まで加
    熱する手段（185）と、該サスセプタ（40）と該取付け
    部（50）との間にある低熱伝導性取付け構造部（110,13
    0,132,136,138,140,142,143）を含む装置（10）。
  9. 【請求項９】該サスセプタ（40）がサスセプタ壁（13
    0）により境界をつけられた内部と中空内部を有し、該
    サスセプタ壁（130）の該内部（132）が該サスセプタの
    該ウェーハ支持面（44）とサスセプタ取付け部（50）へ
    の熱移動を低減する高反射性表面手段を有し、該サスセ
    プタ壁（130）の外側（110）が該サスセプタ（40）から
    離れる熱放射を増す低高反射性表面手段を有し、それに
    より該ウェーハ支持面（44）と該取付け部（50）との間
    の熱移動を減らし、該サスセプタ壁（130）が薄く該ウ
    ェーハ支持面（44）と該取付け部（50）との間の熱移動
    を減らすことを特徴とする請求項８に記載の装置。
  10. 【請求項１０】さらに該サスセプタ（40）と該取付け部
    （50）との間にあって、該サスセプタ（40）を該取付け
    部（50）に固定し、また該ウェーハ支持面（44）と該取
    付け部（50）との間の熱移動を減らす熱ブロックを提供
    する低熱伝導性取付け手段（136,138,140,142,143）を
    含むことを特徴とする請求項８または９に記載の装置。
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