JP3939372B2 - 均一なガス流パターンのための排気バッフル - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体処理チャンバに関する。より詳細には、本発明は、半導体処理チャンバにおける最適なガス流パターンを達成することに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体処理チャンバにおいて半導体基板を処理する場合の重要な目標は、所望の材料から成る均一な薄膜を基板上に堆積させることである。しかしながら、既知の基板堆積方法では、最適な薄膜均一性、例えば薄膜の厚さ及び組成の均一性の尺度である薄膜屈折率により表されるような最適な薄膜均一性を作り出せない。薄膜均一性の欠如によって、処理された基板は、その上に作り付けられる個々のデバイスの電気的特性が基板全域で相違することとなる。基板処理中における基板表面全域にわたる処理ガス流パターンの均一性の欠如が薄膜均一性低下の原因の一つと考えられる。
【０００３】
図１は、化学的蒸着法（ＣＶＤ）のような処理に用いられる従来の半導体処理チャンバを示す部分断面側面図である。
【０００４】
図１に示すように、半導体基板２８が、ロボットブレード１５により開口部２１を通して処理チャンバ２０に装荷される。また、サセプタ３０が、基板を支持し加熱すると共に、基板処理中にプラズマを発生させるためにＲＦ電圧が印加される電極として機能するようになっている。サセプタ３０は中央サセプタハブ３６により支持され、このサセプタハブ３６は、サセプタリフト機構（図示せず）に連結されたサセプタ支持アーム３１により支持されている。
【０００５】
基板装荷時、ブレード１５は基板をチャンバ開口部２１を通して挿入し、サセプタ３０の真上に基板を配置する。２以上のリフトフィンガ３９が基板移送位置の下方に配置されている。このリフトフィンガは、リフトフィンガ支持リング４０及びリフトフィンガ支持機構４１により支持されている。基板がロボットブレード１５により処理チャンバ内で適正に配置されたならば、リフトフィンガ３９は上昇し、ロボットブレード１５から基板２８を持ち上げる。この後、ブレードは引っ込められ、チャンバはシールされ、真空ポンプにより所望の処理圧力まで減圧される。
【０００６】
基板がリフトフィンガ上に配置されたならば、サセプタが上昇され基板と接触される。この後、参照符号２５で示すように、サセプタは基板２８を処理チャンバの中心軸線に沿って持ち上げ、基板２８を基板処理位置に配置する。
【０００７】
基板処理時、処理ガスが処理チャンバ内に圧送され、ポート５６を経てシャワーヘッドとも呼ばれる多孔型ガス分配プレート５５に導入される。そして、このガス分配プレート５５は処理ガスを基板の方に導く。処理ガスは、基板の上方でプラズマを発生させる強力な電場にさらされ、基板の薄膜堆積を増進させる気相化学反応を生じさせる。
【０００８】
一連の矢印（その一部が参照符号３７により示されている）は、処理チャンバ内での処理ガスの流れを示している。図１及び図２に示すように、処理ガスは基板表面を横切って流れ、排気バッフル６０に形成された穴６１を通り、サセプタを部分的に囲む排気プレナム２３内に流れる。排気プレナム２３は、処理チャンバ内での排気圧力の変動を最小にするよう働き、ガス流を基板表面全域に均等に分配するように処理チャンバからの抽気を制御すべく、穴付き排気バッフルと共働する。この後、ガスは、真空ポンプ（図示せず）により、排気プレナム２３から真空導管２４内に吸引される。サセプタ及び排気バッフルの隣合う縁部間は締りばめないしは密着（close fit ）され、処理ガスがその間を流通するのを防止している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ガス流パターンにおける望ましくない非均一性の原因の一つは、排気プレナム２３の対称性及び連続性を阻止するチャンバハードウェアである。例えば、基板挿入用開口部２１は、排気プレナム２３と同じ処理チャンバの高さ位置に配置されており、これにより、排気プレナム２３の連続性は開口部２１で阻害されることとなる。また、リフトフィンガ支持機構４１及びサセプタリフト機構は、排気プレナム２３と同じ処理チャンバの高さ位置にて、処理チャンバの中央コアに隣接して配置されている。従って、リフトフィンガ支持機構４１及びサセプタリフト機構のための空間を提供するために、排気プレナム２３の連続性は妨げられている。その結果、排気プレナムは典型的にはアーチ形状であり、間に間隙を画成する２つの端部を有しており、排気プレナムが基板を完全に取り囲めないようにしており、且つ、基板の全周にわたり均一に処理ガスを処理チャンバから吸引できないようにしている。
【００１０】
図２に示す従来の排気バッフル６０は、６辺の外縁部６４を有すると共に、円形のリング部分６３を含んでおり、このリング部分６３には、処理ガスを排気プレナムへと下方に流すことができるように、複数の穴が形成されている。排気バッフルリング上には２組の穴６６，６８が互いに対向して配置されている。これらの穴は、典型的には、処理チャンバの中心から等距離に配置されている。排気バッフルリングの一側であって前記２組の穴の中間位置には、第３の組の穴６７が配置されている。
【００１１】
図２において参照符号６９で示される破線矢印は、ガス分配プレートの中心の近傍で処理チャンバ内に導入されたガスについての、基板表面を横切って排気バッフル６０の縁部の近傍の穴に流れる所期のガス流路を示している。図示するように、基板表面を横切り穴６６，６７，６８に向かう処理ガス流は幾つかの扇形部分を残し、この部分では処理ガスの十字流（cross flow）はほとんどなく、また、この部分は隣接の領域から流通するガス分子に対して極くわずかさらされるだけである。処理ガスはガス分配プレート５５から基板表面に直接圧送されるので、基板表面全体は処理ガスにある程度さらされるが、基板表面全体に処理ガス流が均一に分配されないことは、基板表面上の薄膜堆積が不均一となる重大な原因となるものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、処理チャンバ内での処理中に半導体基板の表面を横切る処理ガスの流れの均一性を向上させるものである。本発明は、少なくとも１つの穴が貫通形成された排気バッフルを提供するものであり、前記穴は、排気プレナムの境界を越えて排気プレナムの有効範囲を延ばす処理チャンバ内へのオフセット開口を提供するように適合されており、それにより、基板処理中に基板の全周における処理ガス流に影響を与える均一な処理ガス排気パターンを提供するようになっている。
【００１３】
本発明の好適な実施態様は、互いに対面接触状態の２つのプレート部分を有する複合型の排気バッフルを提供し、これらのプレート部分は、下側の排気プレナムからでは直接接近することができない領域から、処理チャンバからの処理ガスを導く少なくとも１つのオフセット流路を画成する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
典型的な処理チャンバは、例えば図１に示すように、半導体基板２８のような被加工物を囲む排気バッフル６０を含んでいる。本発明による改良型排気バッフル６０ａの平面図は、図３に示されている。排気バッフルは、処理チャンバ内に配置され且つ排気プレナム２３の上方に載置される。参照符号８８により破線で示される改良型排気バッフルを横切るガス流パターンは、図２に示される従来の排気バッフルと比較して、処理ガスが基板表面の領域を横切ってほぼ均一に分配されていることを示している。改良された処理ガス流パターンは、穴７６，７７，７８の新規な配置及び流路８１，８２の形態での２つのオフセット穴を有することにより達成される。なお、流路８１，８２は、排気プレナムを排気バッフルの表面の或る部分（流路８１，８２がなければ利用されない部分）に延ばし、それにより、基板の処理中、基板の全周における処理ガス流に影響を与える均一な排気パターンを提供する。
【００１５】
この改良型排気バッフル６０ａは、上部部分７１と下部部分７２とを有する複合構造である（図５参照）。排気バッフルは、下部部分７２の回りの周フランジとして機能する６辺のボーダーセクション（six-sided border section）７４を備えている。ここでは６面型処理チャンバ（six-sided process chamber ）に関連して本発明を説明しているが、本発明は他のいかなる処理チャンバ形状にも容易に適用できることは、当業者にとり容易に理解されよう。更に、本明細書では複合型排気バッフルについて述べているが、排気バッフルは単体構造でも複合構造でも既知の技術で容易に製造される。
【００１６】
図４は、本発明による排気バッフルの部分断面斜視図である。この図において、処理ガス流が、参照符号８９により示される一連の矢印で表されている。このように、処理ガスは、基板２８の上方に離隔配置されたガス導入プレート５５からチャンバ内に流入する（図１も参照）。ガスは、基板２８の表面を横切って流れ、排気バッフル６０ａの円形リング部分７３の周縁部に形成された穴７６，７７，７８及び流路８１，８２を通り、排気プレナム２３へと流れる。図４の分解図からは明らかでないが、図１及び図７は、排気バッフル６０ａが排気プレナム２３上に直接取り付けられていることを示している。
【００１７】
図４〜図７、特に図５に示すように、複合型の排気バッフル６０ａは、下部部分７２と上部部分７１とを含んでいる。下部部分７２の下面は排気プレナム上面２６と接し、両者間に実質的に気密のシールを提供している。下部バッフル部分７２には３組の真空穴７６，７７，７８が貫通して形成されており、これらの穴は、約９０度間隔で配置されたグループ毎に離隔されている。
【００１８】
３組の真空穴７６，７７，７８は排気プレナムの真上に配置され、排気プレナム内に直接開口している。一組の真空穴７７は、他の二組の真空穴の中間に配置されている。図１及び図４に示すように、真空ポンプ（図示せず）に延びる真空導管２４は、排気プレナムの中間部分に配置されている。従って、中間の組の穴のそれぞれは真空排気部の近傍に配置され、他の二組の穴は真空排気部から離隔されている。従って、中間部の穴のそれぞれは、これらの穴が処理ガス流に過度に影響を与えないよう、可能な限り互いに離れていることが好ましい。このようにしない場合には、チャンバの隣接領域に負の圧力勾配を生じさせることとなる。
【００１９】
更に、穴の幾つか或いは全ては、穴の内面、即ち穴を画成する排気バッフルの部分が排気バッフル表面に対して、前述したような直角ではなく、鋭角に向けられるように、排気バッフルを貫通して形成されるのがよく、穴により及ぼされる排気圧力が少なくとも部分的に基板表面を横切る方向に向けられるようにするのがよい。この実施形態においては、排気バッフル表面に対してより鋭角に穴を形成すること、即ち、開口部が排気バッフルの表面の方により指向するようにして穴を形成することは、穴によって及ぼされる圧力に対し、排気バッフルの表面を横切る方向の指向性を一層与えるものであり、一方、排気バッフル表面に対して余り鋭角とせずに穴を形成すること、即ち、開口部が排気バッフルの表面の方に余り指向しないようにして穴を形成することは、穴により及ぼされる圧力に対し、排気バッフルの表面を横切る方向の指向性を殆ど与えないものにする。このように、基板表面を横切る方向の処理ガス分布に最適な影響を与え、それによってガス量の均一性、ひいては処理の均一性を向上させるよう、各穴は適宜選ばれた角度で形成されるのがよい。図は、本発明のこの実施態様における角度付きの穴を詳細に示していないが、このような角度付きの穴を形成することは当業者の一般的な技術レベル内のものであることは理解されよう。例えば、このような穴は、工作台が傾斜された穿孔盤（drill press ）上の排気バッフルの表面に穿孔することによって、形成することができる。
【００２０】
また、下部バッフル部分７２は、排気プレナム２３に開口する２つの流路８１／８１ａ，８２／８２ａを備えている（図５及び図６も参照）。図示するように、第１のバッフル下部流路８１は関連の穴８１ａと接続されており、第２のバッフル下部流路８２は関連の穴８２ａと接続されている。流路８１，８２は、２組の真空穴７６，７８のほぼ中間部である位置であって、第３組の穴７７にほぼ対向する位置にて、排気バッフルに配置されている。流路８１，８２内での処理残留物及び副生物の付着を防止ないしは最小化すると共に、例えば処理チャンバの洗浄時に、流路の効果的なクリーニングを可能とするために、流路８１，８２は円滑な表面を有するべきである。更に、流路８１，８２の両方又は一方の開口部は、前述したように、流路により及ぼされる排気圧力が少なくとも部分的に基板表面を横切る方向に向けられて基板表面を横切る方向の処理ガス分布に好影響が与えられるよう、排気バッフル表面及び基板表面に対して、直角ではなく、鋭角で方向付けされるとよい。
【００２１】
排気バッフルのＣ字状の上部部分７１（図５及び図６も参照）には、下部バッフル部分に形成された３組の穴７６，７７，７８に対応する複数の穴が貫通形成されている。この上部バッフル部分７１はまた、その端部８５，８６の方に延びる１対の流路８３，８４を有している。これらの流路８３，８４の形状は下部バッフル部分の流路８１，８２の形状と実質的に同じであるが、下部バッフル部分の流路８１，８２はＣ字状の上部バッフル部分７１の端部８５，８６を越えて延びるように形成されるのが好ましい。
【００２２】
図６には、上部プレート流路と下部プレート流路とにより形成された処理ガス導管９４の外観が示されている。上部バッフル部分はＣ字状である必要はなく、本発明が適用される用途に適した形状ならばどのような形状に形成してもよいことは理解されよう。更に、上部及び下部のバッフル部分は、複数の部材の集合体から形成されてもよい。更にまた、１つ以上の個別の（discrete）上部及び下部バッフル部分が設けられてもよい。
【００２３】
例えば処理チャンバの監視窓２２（図１）を通してオペレータがプラズマを監視できるように、ポート８７が排気バッフルに形成されるとよい。また、サセプタと排気バッフルとの間の間隙３５を最小にして、処理ガスが前記間隙を流れて排気プレナムに流入する傾向を減じるために、排気バッフルにフランジ９２を形成するのがよい。
【００２４】
典型的な排気バッフルは、内径が約２５．４ｃｍ（１０ｉｎ．）、外径が約３２．５ｃｍ（１２．７ｉｎ．）の下部部分を有している。この下部バッフル部分における流路８１の深さは約０．５ｃｍ（０．２００ｉｎ．）であり、そこに形成された流路の側部と底部は、約０．３２ｃｍ（０．１２５ｉｎ．）の半径を有している。一方、上部バッフル部分における流路８３の深さは約０．１３ｃｍ （０．０５０ｉｎ．）であり、そこに形成された流路の側部と底部は、約０．０５ｃｍ（０．０２０ｉｎ．）の半径を有している。流路８１，８２，８３，８４は、直線的な側部と、Ｒが付けられた隅部を有するべきである。下部部分の穴８１ａ，８２ａの径は約１．３ｃｍ（０．５ｉｎ．）であり、この径は、穴８１ａ，８２ａと流路８１，８２とが同一空間を占める位置において、流路８１，８２の幅と一致している。下部バッフル部分の流路８１，８２は、穴８１ａ，８２ａから延びるに従ってやや拡がっており、最終的には、流路８１，８２は、開放端部を有する浅く幅の広いスロットとして終端している。なお、この開放端部は、基板表面の方に部分的に向くよう形成されるのがよい。穴７６，７８，７７の径は約０．９５ｃｍ（０．３７５ｉｎ．）である。
【００２５】
上部及び下部のバッフル部分は、ねじ、ナット・ボルト、接着剤或いは溶接により、互いに位置合せした接触状態で保持される。また、上部及び下部バッフル部分は、アルミニウム、商品名「Ｋｏｖａｒ」或いは処理に適合した他の材料から、適宜、鋳造、打抜き加工、成型加工或いは機械加工によって製造され得る。
【００２６】
図７は、排気バッフル及び排気プレナムの部分切欠き斜視図てあり、処理ガスが、基板表面を横切り、本発明に従って形成された排気バッフルのオフセット穴内に流入する状態を示している。基板の処理中、処理ガスは、穴開きのガス導入プレート５５から、図４の参照符号８９で示される矢印によって表される一般的な方向に沿って、基板２８の方向に流れる。図４及び図７に示すように、処理ガスは、３組の穴７６，７７，７８及び流路８１，８２を通り、基板２８を囲む排気プレナム２３内に吸引される（図７において、符号１００により示される矢印によって明示されている）。３組の穴及び２つの流路の配列により、排気圧力が基板の周囲において均一に分配され、それにより処理チャンバ内でのガスの流れの分布が均一化される。
【００２７】
本明細書で述べている新規な排気バッフルによって、基板処理中に基板表面を横切るガス流が均一化され、その結果、堆積された薄膜の組成及び厚さにおける均一性が大幅に向上される。与えられた媒体、即ち堆積薄膜における光の速度に対する自由空間における光の速度の比として表される堆積薄膜の屈折率（これは、薄膜の組成及び厚さの均一性の標準的な計測値となる）が、ここで述べた本発明による排気バッフルを用いた場合に達成された堆積薄膜の組成の均一性における改善度を評価するために用いられた。
【００２８】
図８は、幾つかの基板に対する基板屈折率を示すグラフであり、第１のライン１０１は、従来技術により処理された基板についての屈折率をプロットしたものであり、第２のライン１０２は、本発明に従って処理された基板についての屈折率をプロットしたものである。この場合、堆積薄膜の屈折率が、基板上の５つの点、即ち、基板の中心点と、基板の中心点から等距離で離れ基板の縁部から約１．５ｃｍの位置にある他の４つの点（これらの４点は基板の中央に配置された正方形の隅部を形成するものである）とにおいて計測された。得られた計測値に対しては、各基板について「最大値マイナス最小値」の値を得るために、最大屈折率の値を最小屈折率の値から減算するという計算が行われた。
【００２９】
図８に示される値を得るために、１４０枚の基板がそれぞれ、従来の排気バッフルと上述の本発明による排気バッフルとを用いて処理された。そして、１０枚毎に得られた計測値がプロットされた。上側の曲線１０１は、図３に示す従来の排気バッフルを用いた場合に見出された屈折率の違いをプロットしたものである。下側の曲線１０２は、図４に示すような本発明による排気バッフルを用いた場合の同様な測定値をプロットしたものである。この図から、本発明よる排気バッフルは小さな屈折率を有する堆積薄膜を形成し、基板と基板との間でその屈折率の変動が小さいことが分かる。このように、基板表面を横切る処理ガス流の均一性が相当に向上され、それによって各基板の表面全域の堆積薄膜の組成及び厚さの均一性が向上されると共に、基板毎における屈折率の変動が小さくされる。従って、本発明は、基板縁部から基板中央に基板を横切って設けられる個々のデバイスが同一の電気的特性を呈するという基板を形成する手段となるものである。
【００３０】
なお、上記測定値が得られた際の基板に対する堆積処理条件は、次の通りである。２００ｍｍ径の基板を用い、サセプタ温度を４００℃、基板温度を約３７６℃、最大処理時間を５６秒とし、チャンバ圧力を４．２トールで維持し、処理ガスの成分と流量についてはＳｉＨ4 を２７０ｓｃｃｍ、Ｎ2 を４０００ｓｃｃｍ、ＮＨ2 を１２０ｓｃｃｍとした。そして、幾つかの、例えば５〜１０の処理サイクルの後、処理チャンバを、流量２２００ｓｃｃｍのＣＦ4 と流量７３３ｓｃｃｍのＮ2 Ｏの混合物を用いて洗浄することとした。
【００３１】
以上、好適な実施形態に沿って本発明を説明したが、上述の実施形態を本発明の精神及び範囲から逸脱することなく他の用途にも適用できることは、当業者にとり容易に理解されよう。
【００３２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明による新規な排気バッフルによって、基板処理中に基板表面を横切るガス流が均一化され、その結果、堆積される薄膜の組成及び厚さにおける均一性が大幅に向上される。従って、基板表面に形成される各デバイスの電気的特性はほぼ同一となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の処理チャンバを示す部分断面側面図である。
【図２】従来の排気バッフルを示す平面図である。
【図３】本発明による排気バッフルを示す平面図である。
【図４】本発明による排気バッフルを、部分的に切り欠き部分的に分解した状態で示す斜視図である。
【図５】本発明による２部材型排気バッフルにおける上部部分と下部部分を示す部分的な組立図である。
【図６】本発明による組立後の排気バッフルの斜視図である。
【図７】排気バッフルと排気プレナムの部分切欠き斜視図であり、処理ガスが基板表面を横切り、本発明に従って形成された排気バッフルのオフセット穴内に流れ込むところを示す図である。
【図８】複数枚の基板についての基板屈折率を示すグラフであり、第１のラインは従来技術により処理された基板の屈折率をプロットし、第２のラインは本発明に従って処理された基板の屈折率をプロットしたものである。
【符号の説明】
１５…ロボットブレード、２０…処理チャンバ、２３…排気プレナム、２８…基板、３０…サセプタ、５５…ガス分配プレート、６０ａ…排気バッフル、７１…上部バッフル部分、７２…下部バッフル部分、７３…円形リング部分、７６，７７，７８…穴、８１，８２，８３，８４…流路、８１ａ，８２ａ…穴。
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体処理チャンバに関する。より詳細には、本発明は、半導体処理チャンバにおける最適なガス流パターンを達成することに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体処理チャンバにおいて半導体基板を処理する場合の重要な目標は、所望の材料から成る均一な薄膜を基板上に堆積させることである。しかしながら、既知の基板堆積方法では、最適な薄膜均一性、例えば薄膜の厚さ及び組成の均一性の尺度である薄膜屈折率により表されるような最適な薄膜均一性を作り出せない。薄膜均一性の欠如によって、処理された基板は、その上に作り付けられる個々のデバイスの電気的特性が基板全域で相違することとなる。基板処理中における基板表面全域にわたる処理ガス流パターンの均一性の欠如が薄膜均一性低下の原因の一つと考えられる。
【０００３】
図１は、化学的蒸着法（ＣＶＤ）のような処理に用いられる従来の半導体処理チャンバを示す部分断面側面図である。
【０００４】
図１に示すように、半導体基板２８が、ロボットブレード１５により開口部２１を通して処理チャンバ２０に装荷される。また、サセプタ３０が、基板を支持し加熱すると共に、基板処理中にプラズマを発生させるためにＲＦ電圧が印加される電極として機能するようになっている。サセプタ３０は中央サセプタハブ３６により支持され、このサセプタハブ３６は、サセプタリフト機構（図示せず）に連結されたサセプタ支持アーム３１により支持されている。
【０００５】
基板装荷時、ブレード１５は基板をチャンバ開口部２１を通して挿入し、サセプタ３０の真上に基板を配置する。２以上のリフトフィンガ３９が基板移送位置の下方に配置されている。このリフトフィンガは、リフトフィンガ支持リング４０及びリフトフィンガ支持機構４１により支持されている。基板がロボットブレード１５により処理チャンバ内で適正に配置されたならば、リフトフィンガ３９は上昇し、ロボットブレード１５から基板２８を持ち上げる。この後、ブレードは引っ込められ、チャンバはシールされ、真空ポンプにより所望の処理圧力まで減圧される。
【０００６】
基板がリフトフィンガ上に配置されたならば、サセプタが上昇され基板と接触される。この後、参照符号２５で示すように、サセプタは基板２８を処理チャンバの中心軸線に沿って持ち上げ、基板２８を基板処理位置に配置する。
【０００７】
基板処理時、処理ガスが処理チャンバ内に圧送され、ポート５６を経てシャワーヘッドとも呼ばれる多孔型ガス分配プレート５５に導入される。そして、このガス分配プレート５５は処理ガスを基板の方に導く。処理ガスは、基板の上方でプラズマを発生させる強力な電場にさらされ、基板の薄膜堆積を増進させる気相化学反応を生じさせる。
【０００８】
一連の矢印（その一部が参照符号３７により示されている）は、処理チャンバ内での処理ガスの流れを示している。図１及び図２に示すように、処理ガスは基板表面を横切って流れ、排気バッフル６０に形成された穴６１を通り、サセプタを部分的に囲む排気プレナム２３内に流れる。排気プレナム２３は、処理チャンバ内での排気圧力の変動を最小にするよう働き、ガス流を基板表面全域に均等に分配するように処理チャンバからの抽気を制御すべく、穴付き排気バッフルと共働する。この後、ガスは、真空ポンプ（図示せず）により、排気プレナム２３から真空導管２４内に吸引される。サセプタ及び排気バッフルの隣合う縁部間は締りばめないしは密着（close fit ）され、処理ガスがその間を流通するのを防止している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ガス流パターンにおける望ましくない非均一性の原因の一つは、排気プレナム２３の対称性及び連続性を阻止するチャンバハードウェアである。例えば、基板挿入用開口部２１は、排気プレナム２３と同じ処理チャンバの高さ位置に配置されており、これにより、排気プレナム２３の連続性は開口部２１で阻害されることとなる。また、リフトフィンガ支持機構４１及びサセプタリフト機構は、排気プレナム２３と同じ処理チャンバの高さ位置にて、処理チャンバの中央コアに隣接して配置されている。従って、リフトフィンガ支持機構４１及びサセプタリフト機構のための空間を提供するために、排気プレナム２３の連続性は妨げられている。その結果、排気プレナムは典型的にはアーチ形状であり、間に間隙を画成する２つの端部を有しており、排気プレナムが基板を完全に取り囲めないようにしており、且つ、基板の全周にわたり均一に処理ガスを処理チャンバから吸引できないようにしている。
【００１０】
図２に示す従来の排気バッフル６０は、６辺の外縁部６４を有すると共に、円形のリング部分６３を含んでおり、このリング部分６３には、処理ガスを排気プレナムへと下方に流すことができるように、複数の穴が形成されている。排気バッフルリング上には２組の穴６６，６８が互いに対向して配置されている。これらの穴は、典型的には、処理チャンバの中心から等距離に配置されている。排気バッフルリングの一側であって前記２組の穴の中間位置には、第３の組の穴６７が配置されている。
【００１１】
図２において参照符号６９で示される破線矢印は、ガス分配プレートの中心の近傍で処理チャンバ内に導入されたガスについての、基板表面を横切って排気バッフル６０の縁部の近傍の穴に流れる所期のガス流路を示している。図示するように、基板表面を横切り穴６６，６７，６８に向かう処理ガス流は幾つかの扇形部分を残し、この部分では処理ガスの十字流（cross flow）はほとんどなく、また、この部分は隣接の領域から流通するガス分子に対して極くわずかさらされるだけである。処理ガスはガス分配プレート５５から基板表面に直接圧送されるので、基板表面全体は処理ガスにある程度さらされるが、基板表面全体に処理ガス流が均一に分配されないことは、基板表面上の薄膜堆積が不均一となる重大な原因となるものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、処理チャンバ内での処理中に半導体基板の表面を横切る処理ガスの流れの均一性を向上させるものである。本発明は、少なくとも１つの穴が貫通形成された排気バッフルを提供するものであり、前記穴は、排気プレナムの境界を越えて排気プレナムの有効範囲を延ばす処理チャンバ内へのオフセット開口を提供するように適合されており、それにより、基板処理中に基板の全周における処理ガス流に影響を与える均一な処理ガス排気パターンを提供するようになっている。
【００１３】
本発明の好適な実施態様は、互いに対面接触状態の２つのプレート部分を有する複合型の排気バッフルを提供し、これらのプレート部分は、下側の排気プレナムからでは直接接近することができない領域から、処理チャンバからの処理ガスを導く少なくとも１つのオフセット流路を画成する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
典型的な処理チャンバは、例えば図１に示すように、半導体基板２８のような被加工物を囲む排気バッフル６０を含んでいる。本発明による改良型排気バッフル６０ａの平面図は、図３に示されている。排気バッフルは、処理チャンバ内に配置され且つ排気プレナム２３の上方に載置される。参照符号８８により破線で示される改良型排気バッフルを横切るガス流パターンは、図２に示される従来の排気バッフルと比較して、処理ガスが基板表面の領域を横切ってほぼ均一に分配されていることを示している。改良された処理ガス流パターンは、穴７６，７７，７８の新規な配置及び流路８１，８２の形態での２つのオフセット穴を有することにより達成される。なお、流路８１，８２は、排気プレナムを排気バッフルの表面の或る部分（流路８１，８２がなければ利用されない部分）に延ばし、それにより、基板の処理中、基板の全周における処理ガス流に影響を与える均一な排気パターンを提供する。
【００１５】
この改良型排気バッフル６０ａは、上部部分７１と下部部分７２とを有する複合構造である（図５参照）。排気バッフルは、下部部分７２の回りの周フランジとして機能する６辺のボーダーセクション（six-sided border section）７４を備えている。ここでは６面型処理チャンバ（six-sided process chamber ）に関連して本発明を説明しているが、本発明は他のいかなる処理チャンバ形状にも容易に適用できることは、当業者にとり容易に理解されよう。更に、本明細書では複合型排気バッフルについて述べているが、排気バッフルは単体構造でも複合構造でも既知の技術で容易に製造される。
【００１６】
図４は、本発明による排気バッフルの部分断面斜視図である。この図において、処理ガス流が、参照符号８９により示される一連の矢印で表されている。このように、処理ガスは、基板２８の上方に離隔配置されたガス導入プレート５５からチャンバ内に流入する（図１も参照）。ガスは、基板２８の表面を横切って流れ、排気バッフル６０ａの円形リング部分７３の周縁部に形成された穴７６，７７，７８及び流路８１，８２を通り、排気プレナム２３へと流れる。図４の分解図からは明らかでないが、図１及び図７は、排気バッフル６０ａが排気プレナム２３上に直接取り付けられていることを示している。
【００１７】
図４〜図７、特に図５に示すように、複合型の排気バッフル６０ａは、下部部分７２と上部部分７１とを含んでいる。下部部分７２の下面は排気プレナム上面２６と接し、両者間に実質的に気密のシールを提供している。下部バッフル部分７２には３組の真空穴７６，７７，７８が貫通して形成されており、これらの穴は、約９０度間隔で配置されたグループ毎に離隔されている。
【００１８】
３組の真空穴７６，７７，７８は排気プレナムの真上に配置され、排気プレナム内に直接開口している。一組の真空穴７７は、他の二組の真空穴の中間に配置されている。図１及び図４に示すように、真空ポンプ（図示せず）に延びる真空導管２４は、排気プレナムの中間部分に配置されている。従って、中間の組の穴のそれぞれは真空排気部の近傍に配置され、他の二組の穴は真空排気部から離隔されている。従って、中間部の穴のそれぞれは、これらの穴が処理ガス流に過度に影響を与えないよう、可能な限り互いに離れていることが好ましい。このようにしない場合には、チャンバの隣接領域に負の圧力勾配を生じさせることとなる。
【００１９】
更に、穴の幾つか或いは全ては、穴の内面、即ち穴を画成する排気バッフルの部分が排気バッフル表面に対して、前述したような直角ではなく、鋭角に向けられるように、排気バッフルを貫通して形成されるのがよく、穴により及ぼされる排気圧力が少なくとも部分的に基板表面を横切る方向に向けられるようにするのがよい。この実施形態においては、排気バッフル表面に対してより鋭角に穴を形成すること、即ち、開口部が排気バッフルの表面の方により指向するようにして穴を形成することは、穴によって及ぼされる圧力に対し、排気バッフルの表面を横切る方向の指向性を一層与えるものであり、一方、排気バッフル表面に対して余り鋭角とせずに穴を形成すること、即ち、開口部が排気バッフルの表面の方に余り指向しないようにして穴を形成することは、穴により及ぼされる圧力に対し、排気バッフルの表面を横切る方向の指向性を殆ど与えないものにする。このように、基板表面を横切る方向の処理ガス分布に最適な影響を与え、それによってガス量の均一性、ひいては処理の均一性を向上させるよう、各穴は適宜選ばれた角度で形成されるのがよい。図は、本発明のこの実施態様における角度付きの穴を詳細に示していないが、このような角度付きの穴を形成することは当業者の一般的な技術レベル内のものであることは理解されよう。例えば、このような穴は、工作台が傾斜された穿孔盤（drill press ）上の排気バッフルの表面に穿孔することによって、形成することができる。
【００２０】
また、下部バッフル部分７２は、排気プレナム２３に開口する２つの流路８１／８１ａ，８２／８２ａを備えている（図５及び図６も参照）。図示するように、第１のバッフル下部流路８１は関連の穴８１ａと接続されており、第２のバッフル下部流路８２は関連の穴８２ａと接続されている。流路８１，８２は、２組の真空穴７６，７８のほぼ中間部である位置であって、第３組の穴７７にほぼ対向する位置にて、排気バッフルに配置されている。流路８１，８２内での処理残留物及び副生物の付着を防止ないしは最小化すると共に、例えば処理チャンバの洗浄時に、流路の効果的なクリーニングを可能とするために、流路８１，８２は円滑な表面を有するべきである。更に、流路８１，８２の両方又は一方の開口部は、前述したように、流路により及ぼされる排気圧力が少なくとも部分的に基板表面を横切る方向に向けられて基板表面を横切る方向の処理ガス分布に好影響が与えられるよう、排気バッフル表面及び基板表面に対して、直角ではなく、鋭角で方向付けされるとよい。
【００２１】
排気バッフルのＣ字状の上部部分７１（図５及び図６も参照）には、下部バッフル部分に形成された３組の穴７６，７７，７８に対応する複数の穴が貫通形成されている。この上部バッフル部分７１はまた、その端部８５，８６の方に延びる１対の流路８３，８４を有している。これらの流路８３，８４の形状は下部バッフル部分の流路８１，８２の形状と実質的に同じであるが、下部バッフル部分の流路８１，８２はＣ字状の上部バッフル部分７１の端部８５，８６を越えて延びるように形成されるのが好ましい。
【００２２】
図６には、上部プレート流路と下部プレート流路とにより形成された処理ガス導管９４の外観が示されている。上部バッフル部分はＣ字状である必要はなく、本発明が適用される用途に適した形状ならばどのような形状に形成してもよいことは理解されよう。更に、上部及び下部のバッフル部分は、複数の部材の集合体から形成されてもよい。更にまた、１つ以上の個別の（discrete）上部及び下部バッフル部分が設けられてもよい。
【００２３】
例えば処理チャンバの監視窓２２（図１）を通してオペレータがプラズマを監視できるように、ポート８７が排気バッフルに形成されるとよい。また、サセプタと排気バッフルとの間の間隙３５を最小にして、処理ガスが前記間隙を流れて排気プレナムに流入する傾向を減じるために、排気バッフルにフランジ９２を形成するのがよい。
【００２４】
典型的な排気バッフルは、内径が約２５．４ｃｍ（１０ｉｎ．）、外径が約３２．５ｃｍ（１２．７ｉｎ．）の下部部分を有している。この下部バッフル部分における流路８１の深さは約０．５ｃｍ（０．２００ｉｎ．）であり、そこに形成された流路の側部と底部は、約０．３２ｃｍ（０．１２５ｉｎ．）の半径を有している。一方、上部バッフル部分における流路８３の深さは約０．１３ｃｍ （０．０５０ｉｎ．）であり、そこに形成された流路の側部と底部は、約０．０５ｃｍ（０．０２０ｉｎ．）の半径を有している。流路８１，８２，８３，８４は、直線的な側部と、Ｒが付けられた隅部を有するべきである。下部部分の穴８１ａ，８２ａの径は約１．３ｃｍ（０．５ｉｎ．）であり、この径は、穴８１ａ，８２ａと流路８１，８２とが同一空間を占める位置において、流路８１，８２の幅と一致している。下部バッフル部分の流路８１，８２は、穴８１ａ，８２ａから延びるに従ってやや拡がっており、最終的には、流路８１，８２は、開放端部を有する浅く幅の広いスロットとして終端している。なお、この開放端部は、基板表面の方に部分的に向くよう形成されるのがよい。穴７６，７８，７７の径は約０．９５ｃｍ（０．３７５ｉｎ．）である。
【００２５】
上部及び下部のバッフル部分は、ねじ、ナット・ボルト、接着剤或いは溶接により、互いに位置合せした接触状態で保持される。また、上部及び下部バッフル部分は、アルミニウム、商品名「Ｋｏｖａｒ」或いは処理に適合した他の材料から、適宜、鋳造、打抜き加工、成型加工或いは機械加工によって製造され得る。
【００２６】
図７は、排気バッフル及び排気プレナムの部分切欠き斜視図てあり、処理ガスが、基板表面を横切り、本発明に従って形成された排気バッフルのオフセット穴内に流入する状態を示している。基板の処理中、処理ガスは、穴開きのガス導入プレート５５から、図４の参照符号８９で示される矢印によって表される一般的な方向に沿って、基板２８の方向に流れる。図４及び図７に示すように、処理ガスは、３組の穴７６，７７，７８及び流路８１，８２を通り、基板２８を囲む排気プレナム２３内に吸引される（図７において、符号１００により示される矢印によって明示されている）。３組の穴及び２つの流路の配列により、排気圧力が基板の周囲において均一に分配され、それにより処理チャンバ内でのガスの流れの分布が均一化される。
【００２７】
本明細書で述べている新規な排気バッフルによって、基板処理中に基板表面を横切るガス流が均一化され、その結果、堆積された薄膜の組成及び厚さにおける均一性が大幅に向上される。与えられた媒体、即ち堆積薄膜における光の速度に対する自由空間における光の速度の比として表される堆積薄膜の屈折率（これは、薄膜の組成及び厚さの均一性の標準的な計測値となる）が、ここで述べた本発明による排気バッフルを用いた場合に達成された堆積薄膜の組成の均一性における改善度を評価するために用いられた。
【００２８】
図８は、幾つかの基板に対する基板屈折率を示すグラフであり、第１のライン１０１は、従来技術により処理された基板についての屈折率をプロットしたものであり、第２のライン１０２は、本発明に従って処理された基板についての屈折率をプロットしたものである。この場合、堆積薄膜の屈折率が、基板上の５つの点、即ち、基板の中心点と、基板の中心点から等距離で離れ基板の縁部から約１．５ｃｍの位置にある他の４つの点（これらの４点は基板の中央に配置された正方形の隅部を形成するものである）とにおいて計測された。得られた計測値に対しては、各基板について「最大値マイナス最小値」の値を得るために、最大屈折率の値を最小屈折率の値から減算するという計算が行われた。
【００２９】
図８に示される値を得るために、１４０枚の基板がそれぞれ、従来の排気バッフルと上述の本発明による排気バッフルとを用いて処理された。そして、１０枚毎に得られた計測値がプロットされた。上側の曲線１０１は、図３に示す従来の排気バッフルを用いた場合に見出された屈折率の違いをプロットしたものである。下側の曲線１０２は、図４に示すような本発明による排気バッフルを用いた場合の同様な測定値をプロットしたものである。この図から、本発明よる排気バッフルは小さな屈折率を有する堆積薄膜を形成し、基板と基板との間でその屈折率の変動が小さいことが分かる。このように、基板表面を横切る処理ガス流の均一性が相当に向上され、それによって各基板の表面全域の堆積薄膜の組成及び厚さの均一性が向上されると共に、基板毎における屈折率の変動が小さくされる。従って、本発明は、基板縁部から基板中央に基板を横切って設けられる個々のデバイスが同一の電気的特性を呈するという基板を形成する手段となるものである。
【００３０】
なお、上記測定値が得られた際の基板に対する堆積処理条件は、次の通りである。２００ｍｍ径の基板を用い、サセプタ温度を４００℃、基板温度を約３７６℃、最大処理時間を５６秒とし、チャンバ圧力を４．２トールで維持し、処理ガスの成分と流量についてはＳｉＨ4 を２７０ｓｃｃｍ、Ｎ2 を４０００ｓｃｃｍ、ＮＨ2 を１２０ｓｃｃｍとした。そして、幾つかの、例えば５〜１０の処理サイクルの後、処理チャンバを、流量２２００ｓｃｃｍのＣＦ4 と流量７３３ｓｃｃｍのＮ2 Ｏの混合物を用いて洗浄することとした。
【００３１】
以上、好適な実施形態に沿って本発明を説明したが、上述の実施形態を本発明の精神及び範囲から逸脱することなく他の用途にも適用できることは、当業者にとり容易に理解されよう。
【００３２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明による新規な排気バッフルによって、基板処理中に基板表面を横切るガス流が均一化され、その結果、堆積される薄膜の組成及び厚さにおける均一性が大幅に向上される。従って、基板表面に形成される各デバイスの電気的特性はほぼ同一となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の処理チャンバを示す部分断面側面図である。
【図２】従来の排気バッフルを示す平面図である。
【図３】本発明による排気バッフルを示す平面図である。
【図４】本発明による排気バッフルを、部分的に切り欠き部分的に分解した状態で示す斜視図である。
【図５】本発明による２部材型排気バッフルにおける上部部分と下部部分を示す部分的な組立図である。
【図６】本発明による組立後の排気バッフルの斜視図である。
【図７】排気バッフルと排気プレナムの部分切欠き斜視図であり、処理ガスが基板表面を横切り、本発明に従って形成された排気バッフルのオフセット穴内に流れ込むところを示す図である。
【図８】複数枚の基板についての基板屈折率を示すグラフであり、第１のラインは従来技術により処理された基板の屈折率をプロットし、第２のラインは本発明に従って処理された基板の屈折率をプロットしたものである。
【符号の説明】
１５…ロボットブレード、２０…処理チャンバ、２３…排気プレナム、２８…基板、３０…サセプタ、５５…ガス分配プレート、６０ａ…排気バッフル、７１…上部バッフル部分、７２…下部バッフル部分、７３…円形リング部分、７６，７７，７８…穴、８１，８２，８３，８４…流路、８１ａ，８２ａ…穴。
Claims (12)
- 半導体処理チャンバ内の半導体基板の表面全域における処理ガス分布を制御するための装置において、
前記処理チャンバから前記処理ガスが通過して排出される処理チャンバ真空系に接続されている排気プレナムであって、前記排気プレナムは、間に間隙を画成する２つの端部を有する部分を含み前記排気プレナムの連続性が前記間隙により妨げられる、前記排気プレナムと、
前記排気プレナムに接続された下部表面を有するバッフルであって、前記処理ガスが前記処理チャンバから直接前記排気プレナムに排気可能な複数の穴を有し、更に、前記間隙から前記処理ガスを吸引するよう前記排気プレナムと連通し且つ前記プレナムからオフセットされた位置に配置された少なくとも１つの流路を備え、前記穴及び前記流路は下側の前記排気プレナムと連通し、基板処理中において前記基板表面を横切るガス流の均一性を向上させるようになっている、前記バッフルと、
を備える前記装置。 - 前記複数の穴と前記流路は、前記基板表面を横切って前記処理ガスを吸引する為に、前記基板表面に対して鋭角になっている、請求項１記載の処理ガス分布制御装置。
- 前記流路は、前記バッフルの上面（baffle upper surface）でほぼ円形形状を有するが、そこから拡がり、開放端部を有する幅の広いスロットとして終端している、請求項１記載の装置。
- 前記流路は、前記基板表面の方向に面するよう構成されている、請求項１記載の装置。
- 前記バッフルは、更に、
前記排気プレナムに隣接して配置された下部バッフル部分と、
前記下部バッフル部分と接触係合状態にある上部バッフル部分と、
を備えており、
前記下部バッフル部分は前記穴及び前記流路の下部部分を含み、前記上部バッフル部分は前記穴及び前記流路の対応の上部部分を含んでいる、請求項１記載の装置。 - 前記上部バッフル部分はほぼＣ字状であり、前記流路はそのＣ形の開放端部にて前記バッフルに開口している、請求項５記載の処理ガス分布制御装置。
- 半導体処理チャンバ内の半導体基板の表面全域における処理ガス分布を制御するための方法であって、
処理チャンバ内でバッフルにより覆われた上面を有する排気プレナムを提供する工程であって、前記排気プレナムは、間に間隙を有する２つの端部を有する部分を含み前記排気プレナムの連続性が前記間隙により妨げられ、前記排気プレナムは、処理チャンバ真空系に接続された下部側を有し、そこを通って前記処理ガスが前記処理チャンバから排気される、前記工程と、
前記バッフルを貫通して形成された複数の穴を通して前記処理チャンバから前記排気プレナム内に前記処理ガスを直接吸引する工程と、
前記バッフルを貫通して形成され、前記排気プレナムと連通し且つ前記排気プレナムからオフセットされた位置に配置された少なくとも１つの流路を通して、前記間隙から前記処理ガスを吸引する工程と、を備えており、
前記穴及び前記流路を通過した処理ガスは、基板処理中において、前記基板表面を横切る均一なガス流を形成する、前記方法。 - 前記複数の穴と前記流路は、前記基板表面を横切って前記処理ガスを吸引する為に、前記基板表面に対して鋭角になっている、請求項７記載の方法。
- 前記流路は排気プレナム側バッフル表面でほぼ円形形状を有しており、そこから前記流路は拡がり、バッフル上面でほぼスロット状の形状を呈するようになっている、請求項７記載の方法。
- 前記流路は、前記基板表面の方向に面するよう構成されている、請求項７記載の方法。
- 前記バッフルは、更に、前記排気プレナムに隣接して配置された下部バッフル部分と、
前記下部バッフル部分と接触係合状態にある上部バッフル部分と、を備えており、前記下部バッフル部分は前記穴及び前記流路の下部部分を含み、前記上部バッフル部分は前記穴及び前記流路の対応の上部部分を含んでいる、請求項７記載の処理ガス分布制御方法。 - 前記上部バッフル部分はほぼＣ字状であり、前記流路はそのＣ形の開放端部にて前記バッフルに開口している、請求項１１記載の処理ガス分布制御方法。
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