JP4371442B2 - 反応チャンバにガスを供給する為の面板、および、反応チャンバ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的には、半導体集積回路のような基板のプラズマ処理のための装置に関する。より詳細には、本発明は、プラズマリアクタ、特に化学的気相堆積用のプラズマリアクタにおけるガス流に必要とされる構成要素に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化学的気相堆積（ＣＶＤ）は、基板上に形成される半導体集積回路やその他の積層構造の製造のための周知プロセスである。ＣＶＤにおいては、半導体ウェハ又は他の基板が真空チャンバの内部において減圧下で前駆ガスにさらされる。この前駆ガスはウェハの表面で反応し、そのウェハ上に或る成分を堆積する。例えば、シリコン（ケイ素）を堆積するのに、シラン（ＳｉＨ₄）が前駆ガスとして用いられることが多く、また、二酸化ケイ素についてはＴＥＯＳ（tetraethylorthosilicate）がしばしば用いられている。ウェハが十分に高い温度に加熱された場合、反応は熱活性化される。しかし、多くの場合、熱活性化を効率よく行うために必要な温度は、極めて高温であると考えられる。別の方法、いわゆるプラズマ促進式ＣＶＤ、すなわちＰＥＣＶＤにおいては、前駆ガスをプラズマに励起するために電気的手段が用いられている。プラズマは、前駆ガス及びその成分のイオン及び／又はラジカルを生成する。これらは極めて容易に反応する。従って、ウェハの温度を非常に低温に保持することができる。
【０００３】
ＰＥＣＶＤ反応チャンバの一例が、Ｚｈａｏ等により、米国特許第５，５５８，７１７号明細書に開示されている。なお、この米国特許明細書の内容は本明細書で援用する。このタイプのＣＶＤリアクタは、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアルズインコーポレイテッドから、ＤｘＺチャンバの商品名で入手することができる。図１の断面図は前記米国特許のＣＶＤチャンバを示している。ウェハ（図示せず）は処理中にペデスタル１０上で支持される。また、このペデスタル１０は、下部チャンバボディ１４のスリットバルブ開口部１２及び下部チャンバボディ１４の内側のセラミックリング１６を通してウェハを真空チャンバ内に搬入するために又は真空チャンバから搬出するために、下降され得る。
【０００４】
堆積中、前駆ガス１８は、ウェハの上方にある中央供給分配システムを通り、アルミニウムのような導電性金属から成る面板２２における多数（数千）の噴射孔２０を通って流れる。このガス分配システムは、１９９６年１０月１８日に出願された米国特許出願第０８／７３４，０１５号（発明の名称：円錐形ドームを有する誘導結合型平行プレートプラズマリアクタ）に、Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ等により開示されている。噴射孔２０を有する面板２２の前面部分は、シャワーヘッド２４と呼ばれている。図示するように、処理中、シャワーヘッド２４はウェハに対向し近接して配置され、その孔開き領域はウェハの領域と実質的に同一面積で広がっている。処理ガスはシャワーヘッドの孔２０を通ってウェハ上に流れ、その後、ほぼ径方向外方に流れて環状のポンピングチャネル２６（これは、処理中、ペデスタル１０の上縁部を実質的に囲む）に至る。使用済みガスはポンピングチャネル２６の絞り２８を経て排気マニホールド２９に排気される。バルブ３０は、図示しない真空ポンピングシステムによりポンプ吸引される排気口３２に排気ガスを導く。
【０００５】
面板２２と、それに関連される部品とは、リッド（蓋）フレーム３４において保持されている。このリッドフレーム３４はＯリング３６により下部チャンバボディ１４にシールされている。リッドレーム３４は水平方向のヒンジ（図示せず）を中心として枢動し、下部チャンバボディ１４から上昇でき、技術者がチャンバの内部を保守することができるようになっている。図示するように、ポンピングチャネル２６は、リッドフレーム３４と、下部チャンバボディ１４と、チャンバボディ１４上に第１のセラミック製リング１６を介して支持された第２のセラミック製リング３８との間に形成されているが、このポンピングチャネル２６は主にリッド（蓋）内に延びている。
【０００６】
図示のリアクタは、プラズマリアクタとして用いられるとしたものである。ペデスタル１０は通常接地されており、面板２２に機械的に且つ電気的に固定されたカバー４０は、ＲＦ（高周波）電源４２に接続されている。従って、処理空間４４は、シャワーヘッド２４とペデスタル１０とからそれぞれ成るＲＦ駆動電極により囲まれている。十分なＲＦ電力が加えられると、シャワーヘッド２４とペデスタル１０との間の処理空間４４内の処理ガスはプラズマに励起され、ウェハの表面上のＣＶＤ反応を活性化する。これにより、反応は比較的低温で行われ、形成される集積回路の熱合計（thermal budget）にもほとんど影響を与えない。
【０００７】
下部チャンバボディ１４は、通常、アルミニウムのような金属から作られ、安全上の理由から、接地されている。環状の絶縁体（アイソレータ）４６が、ＲＦ駆動の面板２４をリッドフレーム３４及び下部チャンバボディ１４から電気的に絶縁されているが、下部チャンバボディ１４には電気的に接続されている。絶縁体４６は、アルミナのようなセラミック材料又はテフロンのような強固なプラスチックから作られ、これらの材料は共に高い電気絶縁性を与える。
【０００８】
図１のチャンバは、２００ｍｍ（８インチ）ウェハ用に設計されたものである。３００ｍｍ（１２インチ）ウェハのためにチャンバを拡大することは、別の問題を引き起こすと共に、基本的設計を改良するための機会を与える。
【０００９】
図１のリアクタにおいて、面板２２とそのシャワーヘッド２４の温度は、厳密に制御されていない。ペデスタル１０は抵抗コイルにより積極的に加熱されるが、面板２２は積極的に加熱されたり冷却されたりはしない。シャワーヘッド２４は、プラズマからの衝突による加熱及びペデスタルの放射加熱のために、約２００℃であると見積もられている。温度はペデスタル１０とシャワーヘッド２４との間で平衡する傾向があるが、シャワーヘッドの熱のいくらかは、面板２２の外側部分と上部部分を通ってリッドフレーム３４に、そして最終的には下部チャンバボディ１４及び他の周辺部に取り付けられた部品に放散される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このような温度は過度に高くはないが、それでもなお、面板２２、リッドフレーム３４、チャンバボディ１４その他の部品をシールするＯリングにおいて信頼性及び寿命の問題を引き起こす。従って、面板２２の裏側の温度を減じることが望ましい。
【００１１】
シャワーヘッドの周縁部での熱吸収（heat sink）により、少なくとも２つの関連の問題が生ずる。熱生産はシャワーヘッドの全領域にわたりほぼ均一であり、熱は、ほぼ均一な熱伝導を有する経路を経て、より低温の周辺領域へと流れる。その結果として、シャワーヘッド２４の中心部は、周辺部の近傍部分よりも高温となる。温度のこの径方向の不均一性は、堆積率の均一性に影響を与え、また、シャワーヘッド２４に熱応力を発生させる。熱応力によりシャワーヘッド２４は湾曲し、その結果生ずる処理空間のギャップサイズの変動によりプラズマが不均一となり、堆積が不均一となる原因ともなる。この温度の不均一性は、より大きなウェハサイズでは相当に悪化する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、面板中央領域（通常は多数のガス噴射孔を有し、もってシャワーヘッドを構成する領域）を囲む２本の環状の溝を有するプラズマリアクタ用の面板として要約され得るものである。溝は、面板の両サイドから形成され、互いに横方向の面内で互いに離隔（オフセット）されており、また、溝間で薄い壁を形成するのに十分なほど深く形成されている。この壁は、シャワーヘッドをそのサポート及び真空シールから非常に有効に熱的に絶縁するサーマルチョーク（熱的絞り）として機能するものである。また、壁は、熱膨張を許容するための機械的なベローズとしても機能する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明は、シャワーヘッドをより低温のシャワーヘツド用サポートから熱的に良好に絶縁するために、また、熱膨張差を許容するために、面板のシャワーヘッド部分についてのサーマルチョーク及び機械的ベローズを提供する。図示のリアクタは、３００ｍｍウェハ用に設計されたものであるが、図１の２００ｍｍチャンバの特徴の多くが組み込まれている。
【００１４】
図２は、新規な面板１００の側部の断面図である図２に示すように、シャワーヘッド１０２は多数の噴射孔１０４（図には数本のみ示す）を有している。シャワーヘッド１０２は、処理領域１０８を横切って配置されたペデスタル１０６に面している。ウェハ（図示せず）は、孔１０４を通して処理領域１０８内に噴射される処理ガスからＣＶＤ堆積が行われるよう、ペデスタル１０６の凹部１１０内に支持される。また、ウェハを適正な堆積温度に加熱するために、電気ヒータ（図示せず）がペデスタル１０６内に保持されている。
【００１５】
シャワーヘッド１０２を含む面板１００は、シャワーヘッド１０２の後方で、径方向外方に延びる面板フランジ１１６を介してリッド（蓋）フレーム１１４上に支持されている。リッドフレーム１１４と面板フランジ１１６との間にはＬ字状の環状絶縁体１１８が配置されており、電気的にバイアスされる面板１００を接地されたリッドプレーム１１４から電気的に絶縁するようになっている。面板フランジ１１６、絶縁体１１８及びリッドフレーム１１４を真空シールするために、２本のＯリング溝１２０，１２２内にＯリングが嵌合されている。ガス入口マニホールドのためのカバー１２４が面板フランジ１１６の上面に支持され、Ｏリング溝１２６内のＯリングにより面板フランジ１１６に対してシールされている。カバー１２４は面板に対して機械的に且つ電気的に接続されており、ＲＦ電源により電気的にバイアスされる。リッドフレーム１１４はＯリング溝１２８内のＯリングにより下部チャンバボディ１４に対してシールされている。前述したように、これらのＯリングが受ける温度を減じることが望まれている。
【００１６】
シャワーヘッド１０２と面板フランジ１１６との間には円筒形のハンガ壁１３０が垂直方向に延びており、これは、水平方向に広がるリム１３２（その厚さはシャワーヘッド１０２の厚さよりも小さい）によりシャワーヘッド１０２に連結されている。リム１３２の水平方向の広がりは、図１のリアクタの対応部分よりも薄いハンガ壁１３０により、適応されている。
【００１７】
サーマルチョーク及び伸縮ベローズが、噴射孔１０４の領域の外側で面板１００のリム１３２に形成された２本の深い環状の溝１４０，１４２によって形成されている。溝１４０，１４２は、互いに径方向に離隔ないしはオフセットされており、また、リム１３２の両面から、リム１３２の厚さの半分よりも相当に大きな深さで機械加工されたものである。その結果として、薄い環状壁１４６が溝１４０，１４２の間に形成されている。この構造の機械的な強度は、面板リム１３２の上面から内側溝１４０を、そして、下面から外側溝１４２を機械加工することにより薄い壁１４６に適当な張力をかけた状態で維持することによって、増強される。本発明の特定の実施形態において、溝１４０，１４２は、それぞれ対応する面から、リム１３２の厚さの約３分の２の距離をもって延びており、８０ｍｉｌ（２ｍｍ）の幅を有している。また、これらの溝１４０，１４２は、薄い壁１４６が８０ｍｉｌ（２ｍｍ）の厚さを有するよう、径方向にオフセットされている。溝及び壁の幅についての寸法は、４０〜１６０ｍｉｌ（１〜４ｍｍ）の範囲内であることが好適である。
【００１８】
この構造は、少なくとも２つの有益な機能、すなわちサーマルチョーク及び伸縮ベローズとしての機能を果たす。シャワーヘッド１０２からハンガ壁１３０及び面板フランジ１１６までの熱の経路は、薄い壁１４６を通っている。この壁１４６は、機械的な支持に必要とされる面板１００の他の部分の厚さよりも相当に薄い。薄い壁１４６における熱的経路のこの薄さないしは短さは、当該壁１４６での熱的抵抗を大きなものとする。この熱的抵抗は、シャワーヘッド１０２の熱的抵抗やハンガ壁１３０及び面板フランジ１１６の熱的抵抗よりも遙かに大きい。その結果、薄い壁１４６の前後での温度差は、シャワーヘツド１０２の前後或はハンガ壁１３０と面板フランジ１１６との組合せ物の前後での温度差よりも相当に大きなものとなる。従って、シャワーヘッド１０２は比較的に均一な温度分布となり、堆積は均一なものとなる。また、これに対応して、ハンガ壁１３０及び面板フランジ１１６（非常に低い温度まで熱吸収されている）の前後にわたる温度降下が小さいことは、溝１２０，１２２，１２６，１２８内におけるＯリングはシャワーヘッド１０２の２００℃よりも相当に低い温度にさらされることを意味する。
【００１９】
シャワーヘッド１０２におけるより均一な温度分布は、シャワーヘッド１０２が受ける熱応力差が小さく、従って湾曲が小さいということを意味する。この湾曲は、ウェハ全面にわたる堆積の不均一性の原因となるものである。
【００２０】
溝１４０，１４２の周りの金属製面板１００の連続性は、取扱い容易な部材を提供するものであり、処理領域１０８においてプラズマを励起するのにＲＦ電力を印加するために、面板フランジ１１６からシャワーヘッド１０２への電気的接触を可能とするものである。
【００２１】
深い溝１４０，１４２と、これらに関連される薄い壁１４６とにより機能されるサーマルチョークを横切る方向での大きな温度差のために、高温のシャワーヘッド１０２は低温のハンガ壁１３０に対して膨張する。しかし、薄い壁１４６は、その長さが厚さよりも非常に大きくされている。従って、壁１４６は面板１００の径方向においてたわみ或は湾曲し、これによって熱的歪みを許容すると共に、シャワーヘッド１０２の位置への影響を極く最小限とすることができる。すなわち、２本の溝１４０，１４２は、垂直方向の支持と真空シールとを可能とすると共に幾らかの水平方向の動きを許容することのできる機械的ベローズとして機能する。熱応力下でのシャワーヘッド１０２の機械的安定性が改善されることにより、プラズマの均一性、ひいては堆積の均一性が改善される。
【００２２】
例えば、絶縁体１１８の後方において、リッドフレーム１１４、下部チャンバ壁１４及びセラミック製リング１６によりポンピングチャネル１５０が画成されている。ポンピングチャネル１５０の壁面にはチャネルライナが配置されるのがよく、その正確な形状は堆積プロセス及びガス流にとり最適化され得る。
【００２３】
以上、本発明についてＣＶＤリアクタに関して説明したが、面板の同様な設計構造はエッチングリアクタ、特にプラズマ式エッチング装置に適用可能である。
【００２４】
このように、本発明は、熱勾配及び機械的変形を低減することにより、より均一な堆積を可能とするが、かかる改良は、既存の設計の非常に簡単な変更によって得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＣＶＤリアクタの断面図である。
【図２】本発明の一実施形態におけるＣＶＤリアクタの一部を示す断面図である。
【符号の説明】
１００…面板、１０２…シャワーヘッド、１０４…噴射孔、１０６…ペデスタル、１０８…処理領域、１１４…リッドフレーム、１１６…面板フランジ、１１８…絶縁体、１３０…ハンガ壁、１３２…リム、１４０，１４２…溝、１４６…薄い壁。

Claims (21)

1. 反応チャンバにガスを供給する為の面板であって、
   シャワーヘッドと、
   可撓性の壁と、
   を備え、
   前記シャワーヘッドは、該シャワーヘッドの上面から該シャワーヘッドの下面まで延びる複数のガス流通孔を有し、ガスが該シャワーヘッドの上方から該ガス流通孔を通って該シャワーヘッドの下方の領域に流れることができるように構成されており、
   前記可撓性の壁の下部は、前記シャワーヘッドに接続されており、前記可撓性の壁の上部は、前記可撓性の壁の該下部の上方に延びている、
   面板。
2. 反応チャンバ内において基板が配置される位置に向けてガスを供給する為に該位置の上方に設置されるべき面板であって、
   複数のガス流通孔を有するシャワーヘッドと、
   可撓性の壁と、
   を備え、
   前記可撓性の壁の下部は、前記シャワーヘッドに接続されており、当該面板が前記反応チャンバに取り付けられると前記可撓性の壁が前記下部から上方に延びて前記位置から遠ざかるように構成されている面板。
3. 前記面板内の溝であって、前記可撓性の壁と前記シャワーヘッドの周縁とに隣接し、これらの間に位置する溝を更に備える、請求項１または２に記載の面板。
4. 前記面板内の溝であって、前記可撓性の壁の径方向内側の面に連続している溝を更に備える、請求項１または２に記載の面板。
5. 前記可撓性の壁は、１から４ｍｍの範囲の厚みを有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の面板。
6. 前記可撓性の壁は、前記シャワーヘッドの径方向に撓み、湾曲することができる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の面板。
7. 前記可撓性の壁は、前記シャワーヘッドの熱的歪みを許容するように撓み、湾曲することができる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の面板。
8. 前記可撓性の壁は、前記シャワーヘッドの熱膨張を許容するように撓み、湾曲する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の面板。
9. 前記面板は、金属の単体である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の面板。
10. 反応チャンバであって、
    反応チャンバボディと、
    複数のガス流通孔を有するシャワーヘッドと、
    前記反応チャンバボディに接続された上部および前記シャワーヘッドに接続された下部を有する可撓性の壁と、
    を備える反応チャンバ。
11. 反応チャンバであって、
    反応チャンバボディと、
    複数のガス流通孔を有するシャワーヘッドと、
    前記反応チャンバボディに接続された上部および前記シャワーヘッドに接続された下部を有し、前記反応チャンバボディ内で前記シャワーヘッドを支持する可撓性の壁と、
    を備える、反応チャンバ。
12. 反応チャンバであって、
    反応チャンバボディと、
    シャワーヘッド及び可撓性の壁を含む面板と、
    を備え、
    前記シャワーヘッドは、上面、下面、側面を備え、
    前記シャワーヘッドは、前記上面及び前記下面間に延びる複数のガス流通孔を有し、
    前記面板の前記壁は、前記反応チャンバボディに接続された上部および前記シャワーヘッドに接続された下部を有し、
    前記面板は、溝を含み、該溝は、前記面板の前記壁と前記シャワーヘッドの前記側面とに隣接し、これらの間に位置している、反応チャンバ。
13. 反応チャンバであって、
    反応チャンバボディと、
    シャワーヘッド及び可撓性の壁を含む面板と、
    を備え、
    前記シャワーヘッドは、複数のガス流通孔を有し、
    前記面板の前記壁は、前記反応チャンバボディに接続された上部および前記シャワーヘッドに接続された下部を有し、
    前記面板は、溝を含み、該溝は、前記面板の前記壁の径方向内側の面に連続している、反応チャンバ。
14. 前記面板は、前記反応チャンバボディと前記面板の前記壁との間に連結されたフランジを更に備える、請求項１２又は１３に記載の反応チャンバ。
15. 前記壁は、１から４ｍｍの範囲の厚みを有する、請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の反応チャンバ。
16. 前記壁は、前記シャワーヘッドの径方向に撓み、湾曲することができる、請求項１０〜１５のいずれか一項に記載の反応チャンバ。
17. 前記壁は、前記シャワーヘッドの熱的歪みを許容するように撓み、湾曲することができる、請求項１０〜１５のいずれか一項に記載の反応チャンバ。
18. 前記壁は、前記シャワーヘッドの熱膨張を許容するように撓み、湾曲することができる、請求項１０〜１５のいずれか一項に記載の反応チャンバ。
19. 前記面板は、金属の単体である、請求項１０〜１８のいずれか一項に記載の反応チャンバ。
20. 反応チャンバであって、
    反応チャンバボディと、
    シャワーヘッド及び可撓性の壁を含む面板と、
    を備え、
    前記シャワーヘッドは、複数のガス流通孔を有し、
    前記面板の前記壁は、前記反応チャンバボディに接続された上部および前記シャワーヘッドに接続された下部を有し、
    前記面板は、溝を含み、該溝は、前記面板の前記壁の径方向外側の面に隣接しており、
    前記溝は、前記面板の下方を向いた面から前記面板内に向かって上方に延びている、反応チャンバ。
21. 前記面板は、前記面板の前記壁の径方向内側の面に隣接する第２の溝を更に備えており、この第２の溝が、前記面板の上方を向いた面から前記面板内に向かって下方に延びている、請求項２０に記載の反応チャンバ。

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