JP4889173B2 - 半導体ウエハ上に窒化珪素層を形成するための方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、概して、集積回路チッププロセスにおける堆積技術に関し、より具体的には、窒化珪素膜の堆積に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体集積回路の製造には、半導体(シリコンなど)ウエハ上に物質層を複数層堆積する工程が、概して含まれており、この層のそれぞれは、特定の信号を通したり遮断したりすることに凡そ関係する特定の機能をなす。これらの層の1層以上には、窒化珪素(Si3N4)が絶縁体やマスクとして含まれている場合がある。ウエハ上に窒化珪素層を形成する従来からの方法では、プロセスチャンバ内のサセプタ上にウエハを配置させ、珪素ソースガスや窒素ソースガス等のガスとキャリアガスの混合ガスを処理チャンバ内に導入する工程を有している。これらガスは、圧力が約300ミリトール(mTorr)の処理チャンバ内で結合し、窒化珪素層(膜)を形成する。
【0003】
処理チャンバは、外付けの加熱ランプにより加熱されるが、この加熱ランプは、光を半導体処理チャンバの透過性の壁に発してチャンバを加熱する。熱電対、パイロメータ、熱カメラ等の温度測定装置を用いて、サセプタ上の位置での温度を検出してもよい。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
窒化珪素層の堆積速度、厚みや均一性は、様々なパラメータにより決まる場合があり、例えばチャンバ内の圧力や温度、チャンバ内に導入されるガスのタイプやウエハ上を通過するガス流量等を挙げることができる。更に、これらパラメータの1つ(例えば温度等)を高くすれば、他のパラメータ(例えば圧力等)に影響を及ぼす場合がある。例えば、高い温度では概して、使用する圧力を低く(例えば300mTorr)することができる。温度を高くすれば、ウエハ上への窒化珪素層の堆積速度を上げることができるが、高温での堆積には不利益もある。不利益の1つとしては、高温でのプロセスはドーパントが、半導体ウエハのP−型導電性の領域(P−ドープ領域)やN−型導電性の領域(N−ドープ領域)等から外側に拡散すること(アウトディフュージョン)が挙げられる。アウトディフュージョンは、ドープ領域から形成された電子部分(トランジスタ、キャパシタやダイオード等)を破壊することもある。このアウトディフュージョンを防止することは、デバイスの大きさが0.25μmよりも小さい場合では非常に重要である。
【0005】
従来技術で見られる不利な結果を防止しつつ、ウエハ上への窒化珪素層の堆積速度を上げる方法を与えることが望まれる。
【0006】
【課題を解決するための手段】
半導体ウエハ上に窒化珪素層を形成するための方法と装置を開示する。本発明の一具体例では、キャリアガスと、窒素ソースガスと、珪素ソースガスを有する混合ガスが、およそ100〜500Torrの範囲の圧力下の処理チャンバ内に導入されて、処理チャンバ内でウエハ上にSi3N4膜を形成する。本発明の別の具体例では、反応物をチャンバ内に導入するポンプ輸送チャンネルと連通する複数のガス孔(ガスホール)を側壁に有する円環形状のポンピングプレートを用いて、窒化珪素膜を形成する。本発明の他の特徴及び方法、そしてこれら方法を用いて成る装置について、添付の図面と関連させて以下に説明する。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下の記載では、説明の目的で多数の具体的な詳細が、本発明の完全な理解を提供するために記載される。しかしながら、本発明がこれらの具体的な詳細なしで実行可能であることは、当業者には明らかであろう。いくつかの例において、特定の装置、構造および方法は、本発明を不明瞭にしないために記載されていない。
【0008】
本発明は、シリコン窒化膜層を半導体ウエハといった基板上に形成する方法および装置に関する。実施例において、膜または層は、放射熱または抵抗熱を用いて加熱される枚葉式処理チャンバ内のサセプタに置かれる半導体ウエハ上に形成される。窒素種ガス、シリコン種ガス、及びキャリアガスを含むガス混合気は、Si3N4膜または層を形成するためにチャンバ内に導入される。ウエハは、600℃〜800℃のウエハ温度で混合気に曝露される。適切なSi3N4膜または層を形成するために、処理チャンバの圧力は、概ね100〜500トールの範囲で維持される。本発明の実施例において、窒化シリコン層は、ポンピング・プレートが第1のステップ部、第2のステップ部および第3のステップ部を有するポンピング・プレートを使用して形成される。シリコン種ガスおよび窒素種ガスは、Si3N4層または膜を形成するためにチャンバに導入される。一実施例において、チャンバにおけるシランのようなシリコン種ガスの分圧は概ね0.05〜5トールの範囲であり、アンモニアのような窒素種ガスは300トール以下の分圧を有する。使用する特定のガスに部分的に依存するシリコンおよび窒素種ガス用に、他の分圧を用いてもよい。
【0009】
本発明は、Si3N4層の改良された堆積速度および均一性を提供する処理条件を熟慮する。従来技術に教示された以上の反応圧力を増加させることによって、本発明のプロセスは、Si3N4堆積またはウエハに有害な影響を及ぼすことなく低温で作動可能である。Si3N4層は、スペーサ、エッチ・ストップ、ハードマスクまたは誘電体エレメントを形成するために用いることができる。
【0010】
請求項に係る発明は、抵抗加熱処理チャンバ(図1〜3)及び放射加熱処理チャンバ(図10〜11)に関連して記載されているが、処理チャンバの他のタイプが本願明細書において、記載されている技術と共に使われてもよいことは理解されるであろう。
【0011】
図面を参照すると、低圧化学気相堆積(LPCVD)チャンバが記載されている。図1〜3は、本発明を実行するのに用いられる抵抗リアクタといったリアクタの一つのタイプの断面図を示す。図1-3はそれぞれ、2つの異なる断面を介してのチャンバの断面図を示しており、各断面はチャンバのおよそ半分を表している。
【0012】
本実施例において、図1〜3で例示されるLPCVDチャンバは、100トール以上の圧力が維持可能になるような材料から造られる。図解の目的で、概ね8リットルの範囲のチャンバが記載されている。図1は、「ウエハ処理」のポジションにおけるプロセスチャンバ本体45の内部を示す。図2は、「ウエハ除去」のポジションにおける同一チャンバの図を示す。図3は、「ウエハ搬入」のポジションにおける同一チャンバの断面側面図を示す。各々の場合において、ウエハはチャンバ内での位置を示すために破線で示されている。
【0013】
図1-3は、単数または複数のプロセスガスとウエハ間で反応(例えばCVD反応)が起こる反応チャンバ90を画成するチャンバ本体45を示す。一実施例において、チャンバ本体45はアルミニウムから構築され、チャンバ本体45(例えば「コールドウォール」反応チャンバ)を冷やすために通路を介してポンピングされる水用の通路55を有する。チャンバ90のレジデントは、この図では、軸65で支えられるサセプタ5を含んでいる抵抗ヒータ80である。サセプタ5は、半導体ウエハ(破線で示す)のような基板を支持するのに十分な表面積を有する。
【0014】
一方、プロセスガスは、チャンバ本体45のチャンバ・リッド30の上面にあるガス分配ポート20を介して、密封チャンバ90に入る。プロセスガスは、次いでブロッカプレート24を通り抜け、ウエハの表面積と整合した区域の周りにガスを分配する。その後、プロセスガスは、この図では抵抗ヒータ80より上に位置し、チャンバ90内部のチャンバ・リッド30に結合する穿孔フェイスプレート25を通して分配される。本実施例において、フェイスプレート25とブロッカプレート24を組合せる1つの目的は、例えばウエハといった基板でプロセスガスの均一分布を起こさせるためである。
【0015】
ウエハのような基板は、チャンバ本体45の側部の入口ポート40を通して、ヒータ80のサセプタ5上のチャンバ90に置かれる。処理されるウエハを収容するために、ヒータ80は、サセプタ5の表面が図3に示すように入口ポート40の下になるように下げられる。一般的にロボットの搬送機構によって、ウエハは、例えば搬送ブレードを経由してサセプタ5の上位面のチャンバ90に装填される。一旦装填されると、入口ポート40が封止され、ヒータ80は、例えばステップモータといったリフターアセンブリ60によって、フェイスプレート25に向かって上位(例えば上方)の方向に進められる。ウエハがフェイスプレート25(図1参照)から短い距離(例えば400-700ミル)である場合、上昇は止まる。ウエハ-プロセス位置において、チャンバ90は、2つのゾーン、サセプタ5の上位面より上の第1ゾーンと、サセプタ5の下位面の下の第2ゾーンに事実上分割される。一般に膜形成を第1ゾーンに限定することが望ましい。
【0016】
ここで、ガス・パネルにより制御されるプロセスガスは、ガス分配ポート20、ブロッカプレート24および穿孔フェイスプレート25を通って、チャンバ90に流入する。プロセスガスは、概して反応するか又は膜をウエハ上に形成するためにウエハと接触する。同時に、例えば窒素といった不活性ボトムパージ・ガスは、第2チャンバ・ゾーンに導入され、そのゾーンにおける膜形成を阻止する。圧力制御システムにおいて、チャンバ90の圧力は確立され、チャンバ90に連結する単数または複数の圧力調整器により維持される。一実施例において、例えば、公知技術の様に、圧力は確立されて、チャンバ本体45に連結するベアトーン圧力調整器(単数/複数)により維持される。本実施例において、ベアトーン圧力調整器(単数/複数)は、100トール以上のレベルで圧力を維持する。適切な中レベルの圧力範囲は、およそ100-300トールである。
【0017】
残留プロセスガスは、ポンピング・プレート85を通して、チャンバ90からチャンバ本体45(真空ポンプアウト31)の側部の収集容器にポンピングされる。ポンピング・プレート85は、基板上に均一なSi3N4層を生成するガス流パターンに結びつく2つの流れ領域をつくる。
【0018】
装置2の外部に配置されたポンプ32は、ポンピング・チャネル4140(図1-3のチャネル414の下)内に真空圧力を提供し、真空ポンプアウト31を通してチャンバ90からプロセス及びパージ・ガス双方を引き出す。ガスは、放出導管33に沿ってチャンバ90から放出される。チャネル4140を介して放出されたガスの流量は、導管33に沿って配置されているスロットルバルブ34により制御されるのが好ましい。処理チャンバ90内の圧力は、センサー(図示せず)によって、モニタされ、スロットルバルブ34によって、導管33の断面積を変化させることにより制御される。コントローラまたはプロセッサは、チャンバ圧力を示すセンサーから信号を受け取って、それに応じてチャンバ90内で所望の圧力が維持されるようにスロットルバルブ34を調整するのが好ましい。本発明での使用に適切なスロットルバルブは、マードック(Murdoch)に付与され、Applied Materials社に譲渡された米国特許番号5,000,225に記載されており、その全文は本願明細書に引用される。
【0019】
一旦ウエハ処理が終了すると、チャンバ90は、例えば不活性ガス(例えば窒素)によって、パージされてよい。処理およびパージ後に、ヒータ80は、リフターアセンブリ60によって、図2に示される位置に向かって下位の方向に進められる(例えば下げられる)。ヒータ80が移動すると、サセプタ5の表面の開口部または孔を通って延びている末端と、サセプタ5の下位表面からカンチレバー方式で延びている第2の末端とを有するリフト・ピン95が、チャンバ90の基部に配置されたリフト・プレート75に接触する。図2に図示するように、一実施例において、ここで、リフト・プレート75はウエハ-プロセス位置に残る(つまり、図1に示されたプレートと同位置)。ヒータ80が、リフターアセンブリ60の作用で、下位方向に動き続けると、リフト・ピン95は静止したままであり、最終的にサセプタ5の上位または上面より上に延び、被処理ウエハをサセプタ5の表面から分離させる。サセプタ5の表面は、開口部40の下の位置へ移動する。
【0020】
一旦被処理ウエハがサセプタ5の表面から分離されると、ロボット機構の搬送ブレード41は、リフト・ピン95のヘッド及びリフト・ピンで支えられるウエハの下の開口部40を通って挿入される。次に、リフターアセンブリ60は、ヒータ80及びリフト・プレート75を「ウエハ・ロード」位置に向かって下位に移動させる(例えば下げる)。下位の方向にリフト・プレート75を移動させることによって、リフト・ピン95もまた、被処理ウエハの表面が搬送ブレードに接触するまで下位の方向に移動する。次いで、被処理ウエハは、例えば、ウエハを取り除いて、ウエハを次の処理ステップへ搬送するロボット搬送機構によって、入口ポート40を通して取り除かれる。次いで、第2のウエハがチャンバ90に装填可能である。上記ステップは、一般に、プロセス位置にウエハを持ってくるためには逆転する。1つの適切なリフターアセンブリ60の詳細な説明は、サンタクララ(カリフォルニア)のApplied Materials社に譲渡された米国特許番号5,772,773に記載されている。
【0021】
高温操作(例えばSi3N4膜を形成するLPCVD処理)において、チャンバ90内部の反応温度は、750℃以上程度の高さが可能である。したがって、チャンバ90の露出した構成部分は、この種の高温処理と互換性を持たなければならない。この種の材料はまた、プロセスガス、及びチャンバ90に導入可能なクリーニングケミカル(例えばNF3)といった他の化学製品とも互換性を持たなければならない。材料がプロセスと互換性を持つと仮定した場合、ヒータ80の露出した表面は様々な材料を含んでよい。例えば、ヒータ80のサセプタ5及び軸65は、類似したアルミニウム窒素化合物材を含んでもよい。あるいは、サセプタ5の表面が(140W/mKから200W/mKの熱伝導率を有する95%純度のオーダーの)高い熱伝導性のアルミニウム窒素化合物材を含み、一方、軸65が低い熱伝導性のアルミニウム窒素化合物を含んでもよい。結合が同様にチャンバ90の環境に耐えるように、ヒータ80のサセプタ5は、概して拡散ボンディングまたは鑞付けで軸65に結合される。
【0022】
図1はまたヒータ80の一部の断面を示しており、サセプタ5の本体および軸65の断面を含む。この図において、図1は、内部で形成される2つの発熱体、第1の発熱体50および第2の発熱体57を有するサセプタ5の本体を示す。各々の発熱体(例えば発熱体50および発熱体57)は、サセプタの材料と同様の熱膨張特性を有する材料でできている。適切な材料は、モリブデン(Mo)を含む。各々の発熱体は、巻きつけられた構成のモリブデン材の薄い層を含む。
【0023】
図1において、第2の発熱体57は、第1の発熱体50に対して(図のサセプタの表面と関連して)下位に位置するサセプタ5の本体の平面において、形成される。第1の発熱体50および第2の発熱体57は、別々にパワー・ターミナルに連結する。長手方向に延びている開口部および軸65を通って、サセプタ5の表面を加熱するのに必要なエネルギーを供給する電源に伝導する下位の方向に、パワー・ターミナルは延びている。チャンバ・リッドの開口部を通って延びるのは、2つのパイロメータ、第1のパイロメータ10および第2のパイロメータ15である。各々のパイロメータは、サセプタ5の表面(又はサセプタ5上のウエハ表面)の温度データを提供する。また、図1に示されるヒータ80の断面に熱電対70があることに注意されたい。熱電対70は、長手方向に伸びている開口部および軸65を介して、サセプタ5の上位面または上面のすぐ下の点に向かって延びる。
【0024】
本発明の一実施例に従って、Si3N4膜をウエハ上に形成した場合、ガスは、キャリアガス200、窒素種ガス220、およびシリコン種ガス210を含む。適切なキャリヤ・ガスソースは、水素(H2)、窒素(N2)、アルゴン(Ar)およびヘリウム(He)を含むが、これに限定されるものではない。適切な窒素種ガスはアンモニア(NH3)を含むが、これに限定されるものではない。適切なシリコン種ガスは、シラン、二塩化シラン、およびデシリン(disilene)を含むが、これに限定されるものではない。窒素種ガスおよびシリコン種ガスは組み合わされて、ウエハ上にSi3N4層を生成する。
【0025】
使用においては、シリコン種ガス210は、処理チャンバ90への導入前または導入中にキャリアガス200に混ぜ合わされてもよい。キャリアガスとシリコン種ガスの混合気は、次いでチャンバ90のガス入口20に導入される。窒素種ガス220もまた、ガス入口20に導入されて、キャリアガスとシリコン種ガスの混合気と混ざることができる。プロセスガスは、ブロッカプレート24の複数の穴を通過し、次いでフェイスプレート25の複数の穴を通過する。これらのガスは、次いで、ガスがウエハにさらされるチャンバ90に流入する。その後、プロセスガスは、ポンピング・プレート85を通ってポンピング・チャネル414に出る。
【0026】
ガスの流量は、半導体処理チャンバ90のサイズに依る。一実施例において、ガスの全流量は、1〜9リットルの処理チャンバの全有効容積に基づいて毎分5〜15リットルの範囲に及ぶ。チャンバに対する少なくとも1つのガスの割合または総ガス流量は、チャンバ容積のリットルにつき毎分0.50〜8リットルである。
【0027】
ガス混合気へのウエハの曝露は、熱化学気相堆積法則に従ってウエハ上に窒化シリコン(Si3N4)層の堆積を引き起こす。昇温状態でウエハにガスを曝露することによって、シリコン種ガスおよび窒素種ガスの分子のより小さい分子への解離が生じる。次いで、より小さい分子は互いに再結合する。このプロセスで起こる一般の化学反応が以下に示される。化学式によると、シランは、一般にアンモニアと反応する:
3SiH4+4NH3-> Si3N4+12H2
一般の規則では、チャンバ90内の温度、したがって、ウエハおよびサセプタの温度がより高くなると、窒化シリコン層は、より速く形成される。
【0028】
一実施例において、SiH4、NH3およびN2は、SiH4が毎分100規格立方センチ(sccm)、NH3が毎分5規格リットル(slm)、N2が10slmで導入され、一方、ウエハは600℃〜800℃の温度で加熱される。堆積中、チャンバ圧力は100〜500トールで維持される。適切な中レベルの圧力範囲は、100トール〜350トールより大きい。一実施例において、シランの分圧はおよそ0.05〜5トルの範囲であり、アンモニアはチャンバ内で300トール以下の分圧を有する。しかしながら、他の分圧が、使用する特定のガスに依存する可能性のあるシリコンおよび窒素種ガスに使われてもよい。
【0029】
別の実施例において、ガスは以下の割合で使われてよい:SiH4:70 sccm、NH3:2 slm、N2:8 slm。更に別の実施例において、ガスは以下の割合で使われてよい:二塩化シラン(SiH2Cl2):230 sccm、NH3:1,000 sccm、H2:9,000 sccm。N2がキャリアガスとして用いられた場合、毎分約50〜5,000Åの堆積速度が600℃程度の低温で達成可能である。
【0030】
上記の実施例には、反応チャンバ内の状態を制御してウエハ上にSi3N4膜を形成することが記載されていた。手動またはシステムコントローラを用いてこの種の制御を行ってもよいことは理解されよう。前例において、オペレータは、温度を制御するために電源をヒータに合うように調整かつモニタし、圧力を制御するために真空ソースをモニタかつ調整できる。オペレータはまた、手動で個々のガスに関連するバルブを調整してガスの混合および流量を制御できる。
【0031】
システムコントローラはまた、システム制御と関連するコントロール作業を取り扱うために使用されてもよい。図1は、電源およびガスマニホールドに連結するシステムコントローラまたはプロセッサを示す。コントローラは、温度表示器で測定される温度を記録して、例えば、温度差の相対値を求めて、それに応じて発熱体を調整するアルゴリズムに基づいて、発熱体に供給される電力が制御されるように構成されてもよい。コントローラはまた、処理チャンバへのガスの混合および流量を制御するために構成されてもよい。LPCVD反応プロセスにおいて、コントローラは、チャンバ圧力を調整するために、真空ソースと同様にチャンバ圧力を測定する圧力表示器に更に連結されてよい。
【0032】
システムコントローラは、制御信号生成ロジックを供給される。コントローラはまた、オペレータが、例えば所望の反応温度、表示器間の温度差の許容可能な公差(例えば+−3℃)、反応圧力、および処理チャンバへのガスの流れといった反応パラメータを入力できるユーザ・インタフェースに連結可能である。
【0033】
制御信号生成ロジックは、例えば、コントローラのメモリといったコンピュータ可読媒体に格納されたコンピュータプログラムであるソフトウェア命令ロジックの形で、システムコントローラに供給される。コンピュータプログラムは、タイミング、ガス混合気、チャンバ圧力、チャンバ温度および特定のプロセスの他のパラメータを命令するインストラクションの集合を含む。フロッピーディスクを含むが、これに限定されるものではない別のメモリ・デバイスに格納されたプログラムといった他のコンピュータプログラムが、システムコントローラを操作するのに用いられてよいことは理解されよう。
【0034】
コンピュータプログラム・コードは、例えば、68000アセンブリー言語、C、C++、パスカル、フォートラン等といったコンピュータ可読プログラミング言語で書くことができる。適切なプログラムコードは、一般に、テキストエディタを使用している単一ファイルまたはマルチプル・ファイルに入力される。入力されたコードテキストが高級言語である場合、コードはコンパイルされ、次いで、得られたコンパイラコードは、オブジェクトコードまたはプレコンパイルされたオブジェクトコードにリンクされ、システムはオブジェクトコードを呼び出す。これによって、コンピューターシステムは、コードをメモリにロードし、メモリから中央処理装置がコードを読み込んで実行してプログラムで確認されたタスクを実行する。
【0035】
本発明の一態様において、プロセス/反応ガス分配の均一性を改善する装置および方法が記載されている。上述したように、シリコン種ガスおよび窒素種ガス(キャリアガスとともに)のようなプロセスガスは、ガス分配ポート20を通してチャンバ90に導入される。プロセスガスは、サセプタ5の表面上のウエハの表面にわたるプロセスガスのカスケードのようなシャワーヘッドをつくるブロッカプレート24およびフェイスプレート25を介して流れる。ガスがチャンバ90に導入されると、処理中に所定の圧力が維持されるように、ガスもまた取り除かれる。図1-3に示されるチャンバの構成において、例えば、真空ポンプアウト31で示される一方の側部でポンプアウトされるように、ガスはチャンバの一側面から取り除かれる。従来技術の装置において、チャンバの一方からのガスの非対称除去は、チャンバ内の圧力差をつくりだした。例えば、チャンバ内でチャンバポンプアウトにより近いポイントで測定された圧力は、ポンプアウトから遠いポイントで測定された圧力とは異なる(より低い)。この圧力差は、ウエハ上への膜堆積の不均一性の一因となっていた。
【0036】
本発明の一実施形態において、ポンピングプレートが、チャンバのガスの流れを向けるために提供される。本発明のポンピングプレートは、2つのガス流れ領域を定める。それは、サセプタ5の表面上のウエハに向けられるプロセスガスの第1の流れ領域と、主に、チャンバから放出されるガスのポンピングプレートに関する放射型チャネルによって定められる第2の流れ領域とである。2つの領域を作ることによって、より同一の圧力が、チャンバにおいて維持されることができる。本発明は、ウエハを覆う膜のより均一な堆積に寄与する、チャンバの全体にわたる2つの流れ領域の間の静的圧力差が確立されるであろうことを予想する。
【0037】
図4〜10を参照し、チャンバのプロセスガスの均一な流れを調整するために利用される本発明の構成部分を、図1〜3に記載した抵抗加熱処理チャンバでの使用に関連して、今詳述する。図4は、処理チャンバの部分の概略断面側面図を示す。図4は、2つのガス流れ領域を説明するための、単一の横断面を通る位置のチャンバ部を説明する。横断面は、ポンピングプレート85に関するサセプタ5の位置を説明するために、チャンバの中心軸を通っている。ウエハ−プロセス位置で、サセプタ5の部分は、ポンピングプレート85(サセプタ5を囲むポンピングプレート85の部分は、この横断面の切欠図である)の環状開口部の中に着座している。
【0038】
図4の図に示すように、ポンピングプレート85はチャンバ壁45の内側チャンバ部41に置かれている。ポンピングプレート85の下側と内側チャンバ部41はチャンバの周りの円周上に延びたチャネル4140を画成している。チャネル4140は、同じチャンバ領域の部分が、ウエハのロード及び除去のためのエントリポート40によって利用されるように、チャンバ周りに完全に延びてはいない。一実施形態で、チャネル4140は、チャンバ周りにほぼ270度延びている。真空ポンプアウト31はチャネル4140にリンクし、チャンバからガスを排出するようになっている。
【0039】
図4に示すように、ポンピングプレート85は、(この見地から)垂直環状第1ステップ部464を含み、フェイスプレート25に対する長手方向の円周エッジ又は垂直壁形成している。第2ステップ部466は横方向部を含み、円周エッジから突き出している。また、第1ステップ464部及び第2のステップ部466は、表面プレート25とチャンバ壁40及びポンピングプレート85間のチャネル414を画成している。垂直壁は、ガスがチャンバから放出される第2の領域1010から、プロセスガスがウエハ(サセプタ5のウエハポケット6に取り付けられる)に向けられる第1の流れ領域1000を切り離す。第1の流れ領域1000からのガスは、ポンピングプレート85の第1の部分464のまわりに延びた円周上に位置するホール(ガス孔490)を通って、第2の流れ領域1010に入る。第2の流れ領域1010のガスの流れは放射型であり、第2の流れ領域1010はチャンバからガスを排気するためにチャネル4140に通じている。
【0040】
図5及び6は、チャンバによるプロセスガスの一般的な流れ方向の概略図を示す。図5は、サセプタ5の部分を囲むポンピングプレート85を示す、チャンバを横切る横断面である。図5の、プロセスガスは、チャンバのガス引入口を通して入り、ブロッキングプレート24及び表面プレート25を通過するように示されている。第1の流れ領域1000で、プロセスガスがサセプタ5の表面に到着し、サセプタ5のポケット6内のウエハと反応して、例えば、Si3N4又は他の所望の材料(例えばSiO2、ポリシリコン等)の膜を形成する。ボトムパージガス1030と同様に剰余のプロセスガスは、第2の流れ領域1010に向けられ、チャンバから放出される。ガスは、ポンピングプレート85のまわりで円周上に離隔配置されたガス孔490によって、第2の流れ領域1010に入る。本実施形態において、ガス孔490は、処理中、サセプタ5上のウエハの上面より上にあるように配置される。一般に、ヒータが「ウエハ処理」のポジションにあるときに、ガス孔490はウエハの高さに又はウエハより上に少なくとも配置される。
【0041】
図6は、更にポンピングプレート85を出入りするガスのプロセス流れを示す。図6は、抵抗型ヒータ、チャンバリッド、ブロッキングプレート及びフェイスプレートのない上面の斜視図である。図6は、実質的にサセプタを囲んで、第2の流れ領域1010を画成する、一般にU字形のポンピングチャネル414を示す。放射状に向きを定められたガス孔490は、ポンピングプレートの全ての周辺部のまわりに配置されて、ポンピングチャネル414に通じている。ポンピングプレート85の側壁のガス孔490によって、ガスはポンピングチャネル414に水平に流れることができる。ポンピングチャネル414は、チャネル414内の2つの大きい開口部、ポンピングプレート85の横方向の第2のステップ部466の一部分の欠如によって定められる開口部を通してチャネル4140に通じている。第2のステップ部466は、2つのフランジ部(図7を参照)を含む。第2のフランジ部がチャネル414を真空ポンプアウト31によって占有されるチャネル4140の領域から切り離すと共に、一つのフランジ部はチャネル414をエントリポート40から分離する。このようにフランジ部を構成することは、チャネル414の均一の圧力を維持するのに役立つ。
【0042】
ポンピングプレート85の第1のステップ部464のガス孔490は、互いに実質的に均一に離隔配置されており、それを図6に示す。更に、ガス孔は、一般にポンピングプレート85の第1のステップ部464に集中している。ポンピングプレート85の側壁のガス孔498の配置及び、第1の流れ領域1000及び第2の流れ領域1010の分割は第1の流れ領域1000と第2の流れ領域1010との間の一様な圧力差を作る。この特徴によって、チャンバ内のガス流れを従来技術構成よりも均一にできる。従来技術でポンピングプレートは、ポンピングプレートに沿った様々な位置で、圧力差の変化を生じていた。それは、非均一のガス流れ領域を結果として生じた。
【0043】
図7〜12は、本発明のポンピングプレートの、一実施形態又は実施形態の一部の、異なる図を説明する。図7は、上斜面図、図8は側面図、図9は上面図、及び図10は底面図である。図11〜12は、より明らかに特定の特徴を説明するためのポンピングプレートの部分を示す。
【0044】
ポンピングプレート85は、一般に環状部材460を含む。位一実施形態において、部材460は、アルミニウム合金又は好ましくはC275アルミニウム合金等の、プロセス互換性を持つ金属を含む一体部分であり、個々の半導体処理チャンバ内に適合するように最適の形に作られる。C275アルミニウム合金は、アルコア アドバンスト テクノロジーズ オブ イングルウッド(コロラド)(Alcoa Advanced Technologies of Engelwood, Colorado.)で市販されている。部材460は、好ましくは、部材460の異なる部分と、金属の単一の一体部分から作られるが、ポンピングプレート85は、接続するか又は一つに結合する部分から構成されることができる。
【0045】
本願明細書において記載されている特定の構成において、部材460は、第1のステップ部464、第2のステップ部466及び第3のステップ部468を含む。第1のステップ部464は、チャネル414を定めて、第2の流れ領域1010を第1の流れ領域1000から切り離すための垂直側壁を形成する。第2のステップ部466は、横方向の部分又はポンピングチャネル414のフロアを画成する。第3のステップ部468は、処理チャンバの中の所定の位置にポンピングプレート85を整列するのに役立つ。
【0046】
図1〜3に関して記載された8リットルの処理チャンバにおいて、第1のステップ部468の厚みは、約0.06インチ〜0.10インチであり、好ましくは0.06インチである。図8〜9に関して、例えば、第2のステップ部466の内径ID10は、例えば9.572インチであり、外径OD10は、例えば11.25インチである。サセプタ5が、ポンピングプレート85の環状部材460の開口部の範囲内に適合するように、第2のステップ部466の内径ID10はサセプタ5の直径より僅かに大きい。一実施形態において、サセプタ5と第2のステップ部466との間は、約0.12〜0.18インチ離隔配置されている。第1のステップ部464のID20は、10.4インチである。第1のステップ部464のOD20は、10.9インチである。図11に示すように、本実施形態におけるポンピングプレート85の高さ488は、1.20インチである。ポンピングプレートのベース489(第3のステップ部468のベース)と、第1のステップ部464を通って延びているガス孔490の中心位置との間の距離は、0.728インチである。
【0047】
第2のステップ部466は、OD10からOD11まで外部の直径を延びる2つのフランジ部を含む。OD11は、12.93インチの直径から変動する。各々のフランジ部は、それぞれ、環状部材460の第1及び第2の部分の2つの半径の間で定められる弧に比例して、ある領域を有する。図9は、55度の弧に比例した領域を有する双セクションを有する各々のフランジを示す。
【0048】
第2のステップ部466(すなわち横方向の部分)のフランジ部分は、チャネル414及び第2の流れ領域1010のベースを画成する。各々のフランジ部の間には、チャネル4140及び真空ポンプアウト31に対する開口部が設けられている。一実施形態において、フランジ部間の領域は、70度の弧に比例している。
【0049】
図10の底面図において示すように、第3のステップ部は、ポンピングプレート85のための台座を作り、内側のチャンバ部41に載るようになっている。本実施形態において、第3のステップ部468は、第2のステップ部466のフランジ部分の一つの領域と同じ領域と一致した単一のリップ部を含む。一つの見地において、リップ部は、チャンバのポンピングプレート85の向きを定めるために役に立つ。
【0050】
ポンピングプレートの、第1、第2及び第3のステップ部の直径は、個々の堆積装置の特性に依存する。その特性とは、搾穴されたフェイスプレート25の直径、ポンピングチャネル414とチャンバ90との間の半径の距離、サセプタ5の高さ(すなわち、チャネル414とチャンバ90との間の軸の距離)の高さ、及びサセプタ5の直径等である。
【0051】
ポンピングプレート85は、チャネル414及び第2の流れ領域1010を第1の流れ領域1000に連通する、第1のステップ部464の側壁を通る複数のガス孔490を含む。一実施形態において、48のガス孔490が、ポンピングプレート85に位置する。特に図7〜8に示すように、ガス孔490は、ガス孔490を通してのプロセスガスの均一の放出を容易にするためにボディ部材460の環状開口部462のまわりに円周上に離隔配置される。一つの構成で、一つのガス孔490は、他のガス孔490から7.5度で離隔配置されている。図11は、一部のポンピングプレート85の拡大された側面の平面図を示す。図12は、一つのガス孔の拡大された平面図を示す。図12は、ガス孔490を示し、該ガス孔は凹形側壁を有し、ガス孔の入口及び放出口で、外径496が内径494より大きくなるようになっている。凹形側壁は、非均一なガス流れの一因となる可能性のあるガスの乱気流の作成を低減するために、好ましくは滑らかである。ガス孔490の凹形は、また、全てのガス孔を通した流れの均一性を増加する一因となる、個々のガス孔を通る個々の流れを制限するために役に立つ。図11〜12に示すように、ガス孔490は、ポンピングプレート85を通して実質的にまっすぐに延びている。一実施形態において、ガス孔490は、約0.120〜0.130インチ、より好ましくは、0.122〜0.125インチの直径を有する。
【0052】
プロセスガスは、比較的狭いガス分散ポート20(図1〜3)を通って、処理チャンバに入る。均一にプロセスガスを分散するために、本発明の処理チャンバは、ブロッカプレート24及びフェイスプレート25を備えている。図13は、ブロッカプレート24の平面図を示す。ブロッカプレート24は、形が実質的に円形で、円周上に配置された固定穴を通してチャンバリッド30に結合している。ブロッカプレート24はブロッカプレート24を穿孔されたフェイスプレート25に結合させるための貫通穴23を有する。図1〜3に関して記載されている8リットル処理チャンバに適した実施形態において、ブロッカプレート24は、0.010インチ〜0.020インチ、好ましくは0.014〜0.016インチの直径を有する穴23を約1,122有する。本実施形態において、貫通穴23は、一般に円形のパターンで配置される。ブロッカプレート24は、約0.180〜約0.190インチの範囲の厚みを有する。好ましくは、ブロッカプレート24の厚みは、0.185インチである。ブロッカプレート24は、ブロッカプレート24領域の上のガス分散ポート20を通るプロセスガスの比較的狭い流れを広げることによって、チャンバボディ45内のガスの均一の流れを引き起こすことに役立つ。
【0053】
図14〜15は、各々フェイスプレート25の頂部及び側部の平面図を示す。図16はフェイスプレート25一部の断面側面の平面図を示す。フェイスプレート25は円形である。フェイスプレート25は、一つの見地において、ウエハ上のプロセスガスの均一の分散を援助するために役に立つ。ガスがフェイスプレート25を接触すると、ブロッカプレート24の円周の領域に、すでに再分散されているプロセスガスは更に制限される。一実施形態において、フェイスプレート25の貫通穴は、ブロッカプレート24の貫通穴と同じ直径を有する。
【0054】
フェイスプレート25は、実質的に円形で、円周上に配置された固定穴26を通してチャンバリッド30に結合する。フェイスプレート25の中心部の貫通穴27がフェイスプレート25を通って延びている。上記した8リットルの処理チャンバの実施形態で、穿孔されたフェイスプレートの内径は、約9.10〜9.30インチであり、穿孔されたフェイスプレート25の外径は、約10.7〜10.10インチである。フェイスプレート25は、2つのステップ部を含む。フェイスプレート25をチャンバに結合させる外側部分31の厚みは、約0.800インチであり、貫通穴27を有する内側部分32は約0.400インチである。
【0055】
一実施形態において、穿孔されたフェイスプレート25の入口側の入口の貫通穴27は、プロセスガスがチャンバの反応部分に入る放出口側より大きい直径を有する。これの一つの理由は、適当な直径の貫通穴を形成する上での材料における機械的制約であり、例えば、ドリルビットに損害を与えるといったことである。図16は、穿孔されたフェイスプレート25の貫通穴27の入口と出口との間の直径の差を示す。各々の貫通穴に対する入口28A(ガス入口は、ブロッカプレート24に隣接した、穿孔されたフェイスプレート25の上位の側にある)は、0.016インチの出口直径28Bより大きい約0.62インチの直径を有する。ガス孔の深さは、約0.400インチである。より小さい直径の開口部は、約0.030インチの長さ(参照番号29によって数字で表されている)を有する。
【0056】
以下、本発明に従って半導体ウエハを処理する方法について説明する。ウエハは、ロボットのウエハ移送システムの支持ブレード(図示せず)を有するサセプタ5の表面上に、最初に配置される。サセプタ5は、油圧リフト等の、従来の手段によってプロセスチャンバ45の内の上部処理位置に上がり、ウエハが、プレート85の中心開口部の範囲内に入る。チャンバ45はその後適切な負圧に排気される。一方で、ウエハ及びサセプタ5は最適に加熱される。SiH4及びNH3等の、プロセスガスは、マニホールドヘッド(図示せず)のチャンバで混合され、ポート20を通り、ブロッカプレート24を通り、穿孔されたフェイスプレート25を経て一様に外側のウエハに一様に分散される。個々のプロセスに従い、プロセスガスは、ウエハに接触して、酸化物又は窒化物膜等の膜を形成する。
【0057】
堆積プロセスの間、ポンプ32は、ポンピングチャネル414の中で負圧を生成するために動作し、それによって、処理チャンバ90から、ポンピングプレート85のガス孔490を通してプロセスガス及び/又はプラスマ残渣を引く。加えて、窒素等のパージガス(底部パージガス)1030が入口18を通して向けられ、サセプタ及びポンピングプレート85間のギャップを通して処理チャンバ90に入る。パージガスは、チャンバの下部へのプロセスガスの漏洩を最小にする。剰余のガス及びパージガスは、一様にガス孔490に及びポンピングチャネル414に流れる。出てくるガスは、真空ポンプアウト31を通して放出されて、ライン33に沿って放出される。
【0058】
ポンピングプレート85は、ガス流を2つの流れ領域に分ける。第1の流れ領域1000は、サセプタ5(又はサセプタ5上のウエハ)の表面に向けられ、第2の流れ領域1010は、チャネル414内及びチャネル4140と連絡する。一つの方法では、本発明は、第1の流れ領域において測定される圧力と、第2の流れ領域1030において測定される圧力の間の圧力差が、チャンバのまわりでどの点においても同じであると考えている。一様な圧力差は、チャンバ全体のガスの均一な流れ及びウエハ上のより均一の膜堆積に寄付する。100Torrより大きいチャンバ圧の範囲で作動することによって、プロセスは、100のTorrより少ない範囲で作動している従来のプロセスよりも、堆積速度においてより大きな柔軟性及びウエハ全体の温度敏感度の減少を提供する。温度敏感度の減少は、従来の方法より均一のウエハにわたる膜堆積をもたらす。
【0059】
図面を参照し、低圧気相堆積(LPCVD)チャンバを説明する。図1〜3は、本発明を実施するために使用する抵抗型リアクタ等のリアクタの、一つの形態の断面図を示す。図1〜3は、各々2つの異なる横断面によるチャンバの断面図を示し、各々チャンバの約半分を通る図を表す横断面である。
【0060】
図1〜3で説明するLPCVDチャンバは、本実施形態において、100Torr以上の圧力が維持されることができるような材料から作られる。説明の目的で、チャンバは約8リットルで記載されてある。図1は、「ウエハ−処理」位置でのプロセスチャンバボディ45の内部を説明する。図2は、「ウエハ分離」位置でのチャンバの同じ図を示す。図3は、「ウエハ−ロード」位置でのチャンバの同じ断面側面図を示す。各々のケースにおいて、ウエハはチャンバ内での位置を示すために点線で示される。
【0061】
図1〜3は、反応チャンバ90を画成するチャンバボディ45を示す。ここで、プロセスガス又はガスとウエハとの間の反応が起こる(例えば、CVD反応)。チャンバボディ45は、一実施形態において、アルミニウムであり、またポンプで揚げられる水のための通路55を有するように作られ、チャンバボディ45を冷却するようになっている(例えば、「コールドウォール」反応チャンバ)。チャンバ90内にあるのは、この見地から、軸65で支えられるサセプタ5を含む抵抗型ヒータ80である。サセプタ5は、半導体ウエハ(点線に示す)等の、基板を支えるのに十分な表面領域を有する。
【0062】
プロセスガスは、さもなくば、チャンバボディ45のチャンバリッド30の上面のガス分散ポート20を通して密封されたチャンバ90に入る。プロセスガスは、その後ブロッカプレート24を通り抜け、ウエハの表面領域と一致した領域のまわりにガスを分散する。その後、プロセスガスは、この見地から、上記抵抗型ヒータ80上のフェイスプレート25を通して分散され、チャンバ90内でチャンバリッド30に結合する。本実施形態におけるブロッカプレート24とフェイスプレート25との組合せの一つの目的は、基板、例えばウエハ等でプロセスガスの均一の分散を作ることである。
【0063】
ウエハ等の基板は、チャンバボディ45の横の部分のエントリポート40を通してヒータ80のサセプタ5上のチャンバ90に置かれる。処理のためにウエハを収納するために、図3に示すように、サセプタ5の表面がエントリポート40の下になるようにヒータ80が下げられる。一般的にロボットの移送メカニズムによって、例えば、ウエハはサセプタ5の上位の表面上へ、チャンバ90に移送ブレードを経由して載せられる。ロードされると、エントリポート40はシールされる、例えば、ステップモータであるリフタアセンブリ60によって、ヒータ80はフェイスプレート25の方へ上位(例えば、上方)方向に進められる。ウエハがフェイスプレート25(図1を参照)からの近距離(例えば、400−700ミル)になると前進は止まる。ウエハ−プロセス位置で、チャンバ90は、サセプタ5の上面より上の第1のゾーン及びサセプタ5の下面の下の第2のゾーン2つのゾーンに事実上分割される。一般に膜形成を第1のゾーンに限定することは、望ましい。
【0064】
この点で、ガスパネルによって制御されるプロセスガスは、ガス分散ポート20を通り、ブロッカプレート24、穿孔されたフェイスプレート25を通り、チャンバ90に流れる。プロセスガスは、膜をウエハの上に形成するために、ウエハと一般的に反応するか又は接触する。同時に、不活性ボトムパージガス(例えば、窒素)が、そのゾーンでの膜形成を禁止するために第2のチャンバゾーンに導入される。圧力制御システムでチャンバ90の圧力が確立され、チャンバ90に結合するレギュレータ又は圧力レギュレータによって維持される。一実施形態において、例えば従来技術において周知のように、圧力はチャンバボディ45に結合するベアトン(baretone)圧力レギュレータによって確立されて維持される。本実施形態において、ベアトン圧力レギュレータは、100Torr以上のレベルで圧力を維持する。好適な中間レベル圧力範囲はほぼ100〜300Torrである。
【0065】
残留処理ガスは、チャンバ本体45の側部(真空ポンプアウト31)で、チャンバ90から、ポンピングプレート85を通って、コレクション容器まで、真空引きされる。ポンピングプレート85は、基板上に均一なSi3N4層を生成するガス流パターンを生じさせる2つの流れ領域を生成する。
【0066】
装置2の外側に配置されたポンプ32は、(図1−図3内のチャネル414下方の)真空引きチャネル4140内で真空圧力を提供し、処理ガスとパージガスの両方をチャンバ90から真空ポンプアウト31を通して引き出す。ガスは、放電導管33に沿ってチャンバ90から放出される。チャネル4140を通じて放出されるガスの流量は、導管33に沿って配置されたスロットルバルブ34により制御されるのが好ましい。処理チャンバ90内の圧力は、センサ(図示せず)によってモニタされ、スロットルバルブ34を用いて導管33の横断面積を変えることにより制御される。チャンバ圧を表示し、それに応じてスロットルバルブ34を調節し、チャンバ90内で所望の圧力を維持するセンサから、コントローラまたはプロセッサが信号を受けるのが好ましい。本発明を用いて使用される適切なスロットルバルブは、マードックに対し発行されアプライドマテリアルズ社に譲渡された、完全な開示内容が本願に参考により導入される、米国特許第5,000,225号に記述されている。
【0067】
ひとたびウエハ処理が終了すると、チャンバ90は、例えば不活性ガス(例えば、窒素)によりパージされる。処理およびパージの後、ヒータ80は、リフターアセンブリ60により、図2に示される位置まで、下位の方向に進められる。開口または通し孔を通ってサセプタ5内に伸びる端部と、サセプタ5の下位(下部)の面から片持ち梁様式に伸びた第2端部とを有する、リフトピン95は、ヒータ80が移動すると、チャンバ90の基部に位置されたリフトプレート75に接触する。図2に示されるように、一実施例において、この地点で、リフトプレート75は、ウエハ処理位置(図1においてプレートが存在した同一位置)に残る。ヒータ80がリフタアセンブリ60を介して下位方向に移動を続けると、リフトピン95は、静止したままになり、最終的にはサセプタ5の上位または上面の上方に伸び、処理済みウエハをサセプタ5の表面から分離する。サセプタ5の表面は、開口40の下方に移動する。
【0068】
一旦、処理済みウエハがサセプタ5の表面から分離されると、ロボット機構の搬送ブレード40は、リフトピン95のヘッド、および当該リフトピンにより支えられたウエハの下にある開口40を通って挿入される。次に、リフターアセンブリ60は、ヒータ80とリフトプレート75を、ウエハ装填位置まで、下位に移動(下降)させる。下位方向にリフトプレート75を移動させることにより、処理済みウエハが搬送ブレードに接触するまで、リフトピン95も同様に下位方向に移動する。ウエハを取り外し次の処理ステップにウエハを搬送する例えばロボット搬送機構により、処理済みウエハは、その後、入り口40を通って排除される。第2のウエハは、それから、チャンバ90に装填されてもよい。上記したステップは、処理位置にウエハを持ってくるため、一般に逆にされる。一つの適切なリフターアセンブリ60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社に譲渡された米国特許第5,772,773号に記載されている。
【0069】
例えばSi3N4膜を形成する為のLPCVD処理等の高温動作において、チャンバ90内の反応温度は、750℃以上のような高い温度でもよい。したがって、チャンバ90内に露出される構成部品は、この種の高温処理にて共存できなければならない。この種の材料も、処理ガスや、チャンバ90に導入される可能性がある他の化学物質(例えば、NF3)と共存すべきである。材料が処理と共存できるのであれば、ヒータ80の露出面は、様々な材料から構成されてもよい。たとえば、ヒータ80のサセプタ5とシャフト65は、同様のアルミニウム窒素化合物材料から構成されてもよい。代替え的に、サセプタ5の表面は、(140 W/mKから 200 W/mKの熱伝導性を有する95%純度レベルの)高い熱伝導性アルミニウム窒素化合物から構成されてもよいが、シャフト65は、低い熱伝導性アルミニウム窒素で構成される。ヒータ80のサセプタ5は、通常、拡散ボンディングや鑞付けを介してシャフト65に結合されるが、これは、そのような結合がチャンバ90の環境に等しく耐えるからである。
【0070】
図1も、サセプタ5の本体横断面とシャフト65の横断面を含む、ヒータ80の一部の横断面を示す。この図において、図1はサセプタ5の本体を示し、その中には2つの加熱素子(第1加熱素子50、第2加熱素子57)が形成されている。各加熱素子(例えば、第1加熱素子50、第2加熱素子57)は、サセプタの材料に似た熱膨張特性を備えた材料で作られている。適切な材料には、モリブデン(Mo)がある。各加熱素子は、コイル状に巻かれた構成のモリブデン材の薄膜を含む。
【0071】
図1において、第1加熱素子50に対し(図のサセプタ面に関し)下位に置かれたサセプタ5の本体の平面に形成されている。第1加熱素子50と第2加熱素子57は、別々に電源ターミナルに結合されている。電源ターミナルは、下位方向に、導電性リードとして、長手方向に伸びた開口通しシャフト65を介して、電源に伸びており、電源は、サセプタ5の表面を加熱する必要エネルギーを供給する。チャンバリッドの開口を通って伸びているのは、2つのパイロメータ(第1パイロメータ10,第2パイロメータ15)である。各パイロメータは、サセプタ5の表面(または、サセプタ5上のウエハの表面)の温度に関する情報を提供する。また、図1に示されるように、ヒータ80の横断面における記号は、熱電対70の存在を意味する。熱電対70は、長手方向に伸びた開口通しシャフト65を通って、サセプタ5の上位または上面の丁度下方まで伸びている。
【0072】
ウエハ上にSi3N4を形成する本発明の一実施例によると、ガスには、キャリアガス200,窒素ソースガス220、シリコンソースガス210がある。適切なキャリアガスソースは、水素(H2)、窒素(N2)、アルゴン(Ar)、ヘリウム(He)を含むが、これらに限定されるものではない。適切な窒素ソースガスは、アンモニア(NH3)を含むが、これらに限定されるものではない。適切なシリコンソースガスは、シラン、二塩化シラン、ジシランを含むが、これらに限定されるものではない。窒素ソースガスおよびシリコンソースガスは、ウエハ上にSi3N4層を生成する為に結合する。
【0073】
使用において、シリコンソースガス210は、処理チャンバ90に導入前または導入中、キャリアガス200と混合される。キャリアガスおよびシリコンソースガスの混合物は、その後、チャンバ90のガス入口20に導入される。窒素ソースガス220も同様に、ガス入口20に導入され、キャリアガスとシリコンソースガスの混合物と混合し得る。処理ガスは、ブロッカプレート24内の複数の孔を通過し、その後、フェースプレート25内の複数の孔を通過する。これらのガスは、その後、ガスが水に晒されるチャンバ90内に流される。その後、処理ガスは、ポンピングプレート85を通り、ポンピングチャネル414内に出る。
【0074】
ガスの流量は、半導体処理チャンバ90の大きさに依存する。一実施例において、ガスの全流量は、1から9リットルの処理チャンバの全有効容積に基づくと、1分間当たり、5リットルから15リットルの範囲にある。チャンバに関連する、少なくとも一つのガス流量または全ガス流量は、1リットルチャンバ容積当たり、かつ1分当たり、0.5から8リットルである。
【0075】
ガスの混合物に対するウエハの露出は、化学気相堆積法原理に従い、ウエハ上に、窒化シリコン(Si3N4)層を堆積させる。高温でガスをウエハに露出することにより、より小さい分子にシリコンソースガス及び窒素ソースガスの分子が解離される。より小さい分子は、その後、互いに再結合する。以下に提供されるのは、この処理で起こる一般的な化学反応である。シランは、化学式によると、一般的にアンモニアと反応する。
【0076】
3SiH4+4NH3-> Si3N4+12H2
一般法則によれば、チャンバ90の温度が、従ってウエハとサセプタの温度が、高ければ高いほど、窒化シリコン層は速く形成される。
【0077】
一実施例において、100毎分標準立法センチメートル(sccm)のSiH4、5毎分標準リットル(slm)のNH3、10slmのN2の割合で、SiH4、NH3、N2が導入されるが、ウエハは600℃から800℃の間の温度に加熱される。堆積中、チャンバ内の圧力は、100から500Torrに維持される。適切な中間レベルの圧力範囲は、100Torrから350Torrより大きい範囲である。一実施例において、シランの分圧は、ほぼ、0.05から5Torrの範囲にあり、アンモニアは、チャンバ内で300Torr以下の分圧を有する。しかし、使用される特定ガスに依存する可能性のある他の分圧は、シリコン及び窒素ソースガスに対し使用してもよい。
【0078】
他の実施例において、以下の比率(SiH4:70sccnm NH3:2slm, N2:8slm)でガスが使用されてもよい。更に他の実施例において、以下の比率(ジクロロシラン(SiH2Cl2):230sccnm NH3:1000sccm, H2:9000sccm)でガスが使用されてもよい。N2がキャリアガスとして使用される場合、600℃という低い温度で、毎分約50〜5000Åの堆積速度が達成される。
【0079】
上記実施例は、ウエハ上にSi3N4膜を形成する為の反応チャンバ内の制御条件が記述されている。この種の制御は、手動あるいはシステムコントローラの援助を持って行われることが分かっている。前例において、オペレータは、温度を制御する為にヒータに対する電源をモニタして調整し、圧力を制御する為に真空ソースをモニタして調整してもよい。オペレータは、また、混合物やガス流量を調整する為に、個々のガスに結合されたバルブを手動で調整してもよい。
【0080】
また、システム制御に伴う制御タスクを扱う為に、システムコントローラが使われてもよい。図1は、電源及びガスマニフォールドに結合されたプロセッサまたはシステムコントローラを図示する。コントローラは、温度インジケータで測定される温度を記録し、例えば、温度差の相対値を決定し、それに応じて、加熱素子を調整するアルゴリズムに基づき、その加熱素子に供給されるパワーを制御するように、構成されてもよい。コントローラは、また、処理チャンバに対し、ガスの混合および流量を制御するように構成されてもよい。LPCVD反応処理において、コントローラは、更に、チャンバと真空ソース内の圧力を測定する真空ソース圧力インジケータに結合され、チャンバ内の圧力を調整してもよい。
【0081】
システムコントローラは、制御信号発生ロジックを供給される。コントローラは、また、オペレータに反応パラメータ(所望の反応温度、インジケータ間の許容可能な温度差の誤差(例えば、3℃)、反応圧力、処理チャンバに対するガス流量)を入力させるユーザインターフェースに結合されてもよい。
【0082】
制御信号発生ロジックは、コントローラのメモリのようなコンピュータ読み取り可能な媒体に記憶されたコンピュータプログラムである、例えばソフトウエアインストラクションの形式で、システムコントローラに供給される。コンピュータプログラムは、タイミング、ガス混合物、チャンバ圧力、チャンバ温度、特定処理の他のパラメータを指示する一連のインストラクションを含む。フロッピィディスクに限定されるわけではないが、フロッピィディスクを含む他のメモリ装置に記憶されたような他のコンピュータプログラムが、システムやコントローラを動かす為に使用されてもよいことは理解されよう。
【0083】
コンピュータプログラムコードは、コンピュータ読み取り可能なプログラミング言語(例えば68000アセンブリ言語、C、C++、パスカル、フォートラン他)で書き込むことができる。適切なプログラムコードは、一般に、テキストエディタを用いて、単一ファイルや複数ファイルに入力される。入力されたコードテキストが高級言語であり、コードがコンパイルされて得られたコンパイラコードが、その後、オブジェクトコードまたはコンパイル前のオブジェクトコードにリンクされる場合、システムはオブジェクトコードを呼び出し、コンピュータシステムにメモリ内でコードをロードさせ、そこから、中央処理装置がコードを読み、実行し、プログラムに特定されたタスクを行う。
【0084】
本発明の一態様では、処理/反応ガス分配の均一性を改良する装置と方法を説明する。上述したように、処理ガス(例えば、シリコンソースガス、窒素ソースガス)は、(キャリアガスとともに)ガス分配ポート20を通してチャンバ90内に導入される。サセプタ5の表面上のウエハ表面にわたり、処理ガスのカスケードのようなシャワーヘッドを作る、ブロッカプレート24及びフェースプレート25を通して、処理ガスは流れる。ガスがチャンバ90に導入されるとき、所定圧力が処理中に維持されるように、ガスもまた排除される。図1から図3に示されるチャンバ構成では、ガスはチャンバの片側から排気され、例えば、真空ポンプアウト31として示した片方側からポンプ排気される。従来のシステムでは、チャンバの片側からの非対称的な排気によりチャンバ内には圧力差が生じ、例えば、チャンバ内のチャンバポンプアウト付近の点で測定した圧力は、ポンプアウトから遠い点で測定した圧力と異なる(より小さい)。この圧力差は、ウエハ上の膜堆積の非均一性を招いていた。
【0085】
本発明の一実施例では、チャンバ内のガス流れを導くようポンピングプレートが提供されている。本発明のポンピングプレートは、2つのガス流量領域(サセプタ5の表面上のウエハに導かれた処理ガスの第1流量領域、主としてチャンバから放出されるガスのポンピングプレート周りの放射状チャネルによって規定される第2流量領域)を画成する。2つの領域を生成することにより、より大きなの均一圧力がチャンバ内で維持できる。本発明が意図しているのは、2つの流量領域間の静圧差が、チャンバ全体にわたって確立され、ウエハ全体の、より均一な膜堆積に貢献することである。
【0086】
図4から図10を参照して、チャンバ内の処理ガスの一様流を調整する為に利用される本発明の構成部品を、図1から図3に記述された抵抗加熱処理チャンバにおける、それらの使用に関連して詳細に説明する。図4は、処理チャンバの一部の概略的な横断側面図を示す。図4は、2つのガス流領域を図示する為に、一つの横断面を介して、ある位置におけるチャンバの一部を図示する。横断面は、ポンピングプレート85に関しサセプタ5の配置を図示するため、チャンバの中心軸を通っている。ウエハ処理位置において、サセプタ5の一部は、ポンピングプレート85(この横断面において、サセプタ5を囲むポンピングプレート85の一部は、切欠図である)の環状開口内にある。
【0087】
図4に図示されたように、ポンピングプレート85は、チャンバ壁45の内側チャンバ部41に載っている。ポンピングプレート85と内側チャンバ部41の下側は、チャンバの周りを円周上に伸びるチャネル4140を画成する。同様のチャンバ領域の一部は、ウエハを装填及び排除するために入り口40により利用されているので、チャネル4140は、完全にはチャンバ周りに伸びていない。一実施例において、チャネル4140は、チャンバ周りに、ほぼ伸びている。真空ポンプアウト31は、チャンバからガスを放出する為に、チャネル4140にリンクしている。
【0088】
図4に示すように、ポンピングプレート85は、(この図では)フェースプレート25に対し、細長いか垂直な壁の円周端部を形成する、垂直環状第1階段部464を含む。第2階段部466は、円周縁から突出する横方向部分を備える。第1階段部464と第2階段部466は、共に、フェースプレート25、チャンバ壁40、ポンピングプレート85間のチャネル414を画成する。垂直壁は、処理ガスが(サセプタ5のウエハポケット6に置かれる)ウエハに向けられる第1流領域1000を、ガスがチャンバから放出される第2領域1010から分離する。第1流領域1000からガスは、ポンピングプレート85の第1部464周りに伸びる円周上に配置された孔(ガス孔490)を通って、第2流領域1010に入る。第2流領域1010内のガス流は、放射状であり、第2流領域1010は、チャンバからガスを排除する為にチャネル4140に連通している。
【0089】
図5及び図6は、チャンバを通る処理ガスの全体的な流れ方向の概略図を示す。図5は、チャンバを貫通した横断面であり、サセプタ5の一部を囲むポンピングプレート85を示す。図5には、チャンバのガス入り口を通って入り、ブロッキングプレート24とフェースプレート25を通過する、処理ガスが図示されている。第1流領域1000において、処理ガスは、サセプタ5の表面に到達し、サセプタ5のポケット6内のウエハと反応し、例えば、Si3N4 又は他の所望の材料(SiO2、ポリシリコンなど)の膜を形成する。底部のパージガス1030と残留処理ガスは、チャンバから放出される第2流領域1010に向けられる。ガスは、ポンピングプレート85周りに間隔を開けて円周上に配置されたガス孔490により、第2流領域1010に入る。この実施例において、ガス孔490は、処理中、サセプタ5上のウエハ上面の上方にくるように位置している。一般に、ヒーターがウエハ処理位置にあるとき、ガス孔490は、少なくとも、ウエハレベル又はウエハ上方に位置している。
【0090】
図6は、ポンピングプレート85に入出するガスの処理の流れを示す。図6は、抵抗ヒータ、チャンバリッド、ブロッキングプレート、フェースプレートを持たない頂部の斜視図である。図6は、実質的にサセプタを囲み、第2流領域1010を画成する、概略U字状のポンピングチャネル414を示す。放射状に向きが定められたガス孔490は、ポンピングプレートの全周付近に位置し、ポンピングチャネル414と連通する。ポンピングプレート85の側壁にあるガス孔490は、ガスをポンピングチャネル414内で水平に流れさせる。ポンピングチャネル414は、チャネル414内の広い2つの開口(ポンピングプレート85の横方向の第2階段部466の断面欠如により画成された開口)と連通している。第2階段部466は、2つのフランジ部分(図7参照)から構成されている。一つのフランジ部分は、チャネル414を入り口40から隔離するが、第2のフランジ部分は、チャネル414を、真空ポンプアウト31により占有されたチャネル4140の領域から分離する。このようにフランジ部分を構成することは、チャネル414における等圧を維持するのを助ける。
【0091】
ポンピングプレート85の第1の階ステップ状部分464にあるガス孔490は、互いに間隔を開けて実質的に均一に配置されて、図6に示されている。その上、ガス孔は、ポンピングプレート85の第1階ステップ状部分464内で、全体的にセンタリングされている。ポンピングプレート85の側壁におけるガス孔498と、第1流領域1000及び第2流領域1010の分割との配置は、第1流領域1000と第2流領域1010間の一貫した圧力差をつくる。この特徴によって、チャンバ内のガス流は、従来構成より、いっそう一様になる。従来技術において、ポンピングプレートは、ポンピングプレートに沿った様々な地点で様々な圧力差を有しており、これが、一様でないガス流領域が生じさせた。
【0092】
図7から図12は、本発明のポンピングプレートの一実施例または実施例の一部の異なる図を示す。図7は、上から見た斜視図、図8は、平らな側面図、図9は、平らな上面図、図10は、平らな底面図である。図11から図12は、一定の特徴をより明らかに記述する為に、ポンピングプレートの一部を示す。
【0093】
ポンピングプレート85は、概略環状部材460を備える。一実施例において、部材460は、アルミニウム合金、好ましくはC275アルミニウム合金のような、処理互換性金属を備える一体片であり、特定半導体処理チャンバ内部に適合するように適切に形成される。C275アルミニウム合金は、コロラド州エンゼルウッドにある、アルコアアドバンストテクノロジ社から商業的に入手可能である。部材460は、部材460の異なる部分を備えた金属の、単一の一体片から構成されるのが好ましいが、ポンピングプレート85は、一緒に連結され、又は結合された複数片から構成されてもよい。
【0094】
ここで説明された特定構成において、部材460は、第1階ステップ状部分464、第2階ステップ状部分466、第3階ステップ状部分468を含む。第1階ステップ状部分464は、垂直側壁を形成し、チャネル414を画成し、第1流領域1000から第2流領域1010を分離する。第2階ステップ状部分466は、ポンピングチャネル414の床や横方向部分を画成する。第3階ステップ状部分468は、処理チャンバ内部の所定位置にポンピングプレート85を整列させるのに役立つ。
【0095】
図1〜3を参照して説明してきた8リットル用プロセッシングチャンバにおいては、第1のステップ状部分468の厚さは、約0.06〜0.10インチであり、好ましくは0.06インチである。図8〜9を参照すると、第2のステップ状部分466の内径ID10は、例えば9.572インチであり、外径OD10は、例えば11.25インチである。第2のステップ状部分466の内径ID10は、サセプタ5の直径よりもわずかに大きいので、サセプタ5は、ポンピングプレート85の環状部材460の開口内に適合する。1つの実施例においては、サセプタ5と第2のステップ状部分466の間には、約0.12〜0.18インチの間隙がある。第1のステップ状部分464のID20は、10.4インチである。第1のステップ状部分464のOD20は、10.9インチである。図11に示すように、本実施例におけるポンピングプレート85の高さ488は、1.20インチである。ポンピングプレートのベース489(第3のステップ状部分468のベース)と、第1のステップ状部分464を通って伸張しているガス孔490の中央点との間の間隔は、0.728インチである。
【0096】
第2のステップ状部分466は、OD10からOD11へと外径が伸張する2つのフランジ部分を備えている。OD11の直径は、12.93インチの値からの範囲である。各々のフランジ部分は、それぞれ、環状部材460の第1部分と第2部分の2つの半径の間に規定されるアークに比例する領域を有している。図9は、55°のアークに比例する領域を有する、2セクションの各々のフランジを示す。
【0097】
第2のステップ状部分466(例えば、側部部分)のフランジ部分は、チャネル414及び第2の流領域1010のベースを規定する。チャネル4140及び真空ポンプアウト31への開口が、各々のフランジ部分の間に供給されている。1つの実施例において、フランジ部分間の領域は、70°のアークに比例している。
【0098】
図10の底面図に示されるように、第3のステップ状部分は、ポンピングプレート85がチャンバの内側部分41上に静止するための座席の作っている。本実施例において、第3のステップ状部分468は、第2のステップ状部分466のフランジ部分のうちの1つの領域に類似する領域と一致している単一のリップ部分を含んでいる。一つの態様では、リップ部分は、チャンバ内のポンピングプレート85の向きを定めるために役に立っている。
【0099】
ポンピングプレートの第1のステップ状部分、第2のステップ状部分、第3のステップ状部分のそれぞれの直径は、個々の堆積装置の特性に左右される。これらの特性とは、穿孔フェースプレート(多孔プレート)25の直径、ポンピングチャネル414とチャンバ90の間の半径方向距離、サセプタ5の高さ(例えば、チャネル414とチャンバ90との間の軸方向距離)、及びサセプタ5の直径等である。
【0100】
ポンピングプレート85は、第1の流領域1000をチャネル414及び第2の流領域1010と通じさせる第1のステップ状部分464の側壁を通してガス孔490を備えている。1つの実施例において、48個のガス孔490がポンピングプレート85にある。特に、図7〜8に示されるように、ガス孔490は、ガス孔490を通してプロセスガスの均一吐出しを容易にするために、ボデー部材460の環状開口462のまわりに円周上に間隔をあけて置かれている。1つの構成では、1つのガス孔490は、他のガス孔490から、7.5°の間隔に置かれている。図11は、ポンピングプレート85の一部を拡大した側面平面図を示す。図12は、1つのガス孔を拡大した平面図を示す。図12は凹形側壁を有するガス孔490を示し、ガス孔の外径496は、ガス孔の注入口及び排気坑で、ガス孔の内径494よりも大きい。凹形の側壁は、不均一なガス流動の一因となるかもしれないガスの乱流生成を減らすために滑らかであることが好ましい。また、ガス孔490の凹形状は、特定のガス孔の各々を通っての流れを制限するのに役立つ。これは、全てのガス孔を通して均一な流れが増大する一因である。図11〜12に示されるように、ガス孔490は、ポンピングプレート85を通って実質的にはまっすぐに伸びている。1つの実施例において、ガス孔490は、約0.120〜0.130インチの範囲の直径を有する。より好ましくは、直径の範囲は、0.122〜0.125インチである。
【0101】
プロセスガスは、比較的狭いガス分配ポート20(図1〜3)を介して、プロセッシングチャンバに入る。均一にプロセスガスを分配するために、本発明のプロセッシングチャンバは、ブロッカプレート24及びフェースプレート25を備えている。図13は、ブロッカプレート24の平面図を示す。ブロッカプレート24は、実質的には円形状であって、円周に配置された結合孔を介して、チャンバふた30に連結されている。ブロッカプレート24は、穿孔フェースプレート25にブロッカプレート24を結合するのための貫通孔23を有している。図1〜3を参照して説明した8リットルのプロセッシングチャンバに適している実施例においては、ブロッカプレート24は、0.010インチ〜0.020インチの範囲の直径、好ましくは0.014インチ〜0.016インチの範囲の直径を有する、1122個の貫通孔23を有する。本実施例において、貫通孔23は、一般的に円パターンに配置されている。ブロッカプレート24は、約0.180〜約0.190インチの範囲の厚さを有している。好ましくは、ブロッカプレート24の厚さは、0.185インチである。ブロッカプレート24は、ブロッカプレート24の領域にわたって、ガス分配ポート20を介して、プロセスガスの比較的狭い流れを広めることによって、チャンバボデー45内にガスの均一な流れを作るのを援助している。
【0102】
図14及び15は、フェースプレート25の上面平面図及び側面平面図をそれぞれ示す。図16は、フェースプレート25の一部の横断面側平面図を示す。フェースプレート25は、円形状である。1つの形態では、フェースプレート25は、ウエハにわたってプロセスガスを均一に分配することを援助する。ガスがフェースプレート25に接触すると、ブロッカプレート24の周囲領域にすでに再分配されているプロセスガスがさらに制限される。1つの実施例において、フェースプレート25の貫通孔は、ブロッカプレート24の貫通孔と同様の直径を有する。
【0103】
フェースプレート25は、実質的には円形状であって、周囲に配置された固定裂孔26を介してチャンバふた30に連結されている。フェースプレート25の中心部の貫通孔27は、フェースプレート25を通って伸張している。上述した8リットルのプロセッシングチャンバの実施例において、穿孔フェースプレートの内径は、約9.10〜9.30インチの範囲であり、穿孔フェースプレート25の外径は、約10.7〜10.10インチである。フェースプレート25は、2つのステップ状部分を含んでいる。チャンバにフェースプレート25を連結する外面部分31の厚さは、約0.800インチである。一方、貫通孔27を有する内側部分32は、約0.400インチである。
【0104】
1つの実施例において、穿孔フェースプレート25の注入口側面の貫通孔27は、プロセスガスがチャンバの反応部分に入る、排気坑側面よりも大きな直径を有する。この1つの理由は、材料中に適切な直径の貫通孔を形成することの機械的拘束である(例えば、ドリルの刃先の損壊)。図16は、穿孔フェースプレート25にある貫通孔27の注入口と排気坑の直径の相違を示す。各々の貫通孔への注入口28Aは、(ガス注入口は、ブロッカプレート24に隣接している穿孔フェースプレート25の上位側面にある)約0.62インチの直径を有し、この直径は、016インチの排気坑直径28Bよりも大きい。ガス孔の深さは、約0.400インチである。より小さな直径開口部は、約0.030インチの長さ(参照符号29によって表されている)を有する。
【0105】
以下、本発明による半導体ウエハのプロセス方法について説明する。まず、ロボットウエハ搬送システムの支持ブレード(図示せず)を使って、サセプタ5の上面の上にウエハを位置させる。従来の手段(例えば水圧エレベータ)を介して、プロセスチャンバ45内の上部プロセッシング位置内へ、サセプタ5を上昇させる。その結果、ウエハはプレート85中央の開口内に静止する。その後、チャンバ45を、適切な真空圧に排気する。その一方で、ウエハ及びサセプタ5を適切に加熱する。プロセスガス(例えばSiH4及びNH3)を、マニホルドヘッド(図示せず)のチャンバ内で混合し、ブロッカプレート24を通して注入口20に導入し且つ穿孔フェースプレート25を介してウエハにわたって均一に分配させる。特定のプロセスに従い、プロセスガスはウエハに接触して膜(例えば酸化物又は窒化膜)を形成する。
【0106】
堆積プロセスの間、ポンプ輸送チャネル414内の真空圧を作り出すために、ポンプ32を作動させる。そして、ポンプ輸送板85の孔490を通して、プロセッシングチャンバ90からプラズマ残留物及び/又はプロセスガスを出す。加えて、窒素等のパージガス(底部パージガス)1030を、注入口18を通して方向付けて、サセプタとポンプ輸送板85との間のギャップを通してプロセッシングチャンバ90内へとに向けることができる。パージガスは、チャンバの下部へのプロセスガスの漏れを最小にする。残留ガス及びパージガスは、ガス孔490及びポンプ輸送チャネル414内へに均一に流れ込む。脱出するガスは、真空ポンプアウト31を通って排出し且つライン33に沿って排出する。
【0107】
ポンピングプレート85は、ガス流を2つの流れ領域に分ける:第1の流れ領域1000は、サセプタ5(又はサセプタ5上のウエハ)の表面に向けられており、第2の流れ領域1010は、チャネル414の中で、チャネル4140と通じている。1つの態様では、本発明は、第1の流れ領域で測定される圧力と第2の流れ領域1030で測定される圧力間の圧差が、チャンバのまわりでどの点においても同様であることを意図している。始終一貫した圧差は、チャンバを通してのより均一なガス流と、ウエハ上での均一な膜堆積とに寄与する。100トールより大きいチャンバ圧力の範囲においてプロセスを作動すると、100トール未満の範囲で作動する以前のプロセスに比べ、堆積速度にかなりの融通性が与えられ、ウエハ全体の温度感受性が減少する。温度感受性が減少することにより、従来の方法に比べてより均一な膜がウエハ上に堆積される。
【0108】
図17は、輻射加熱されるプロセッシングチャンバを例示する。これまで、このようなチャンバが、100トール未満のプロセス圧力又はそれに近いプロセス圧力で使われてきたが、これらの使用は、より高い圧入プロセスに適してもいる。100トールよりも大きな圧力で作動することに対する設計考慮が意図される。単一基板リアクタ131は、上面壁132、側壁133、及び底部壁134を含んでおり、単一基板(例えばウエハ)がロードされるリアクタ131を画定している。ウエハは、円筒状に対称的であるウエハのための時間平均環境を供給するために、モータ137によって回転するサセプタ105上に取り付けられる。予加熱リング140は、チャンバ130内に支持され且つウエハを囲んでいる。ウエハ及び予加熱リング140は、リアクタ131の外に取り付けられた複数の高強度ランプ138及び139からの光によって加熱される。チャンバ130の上面壁132及び底部壁134は、光に対して実質的に透明であって、外部ランプ138及び139からの光がリアクタ131に入って、サセプタ105、ウエハ及び予予加熱リング140を加熱することを可能にしている。クオーツ(石英)は、上面壁132及び底部壁134用に有効な材質である。それは、クオーツが、可視及び赤外(IR)振動数の光に対して透明だからであり、これらの壁全域での大きな圧差を維持することができる比較的高い力価材質だからであり、そして、低速度の脱気を有するからである。
【0109】
堆積の間、反応ガスが加熱される予加熱リング140の全域へ、ウエハ上に所望の膜を堆積するために矢印141の方向のウエハ表面全域へ、そして、排気口311内へ、ガス入力ポートから反応ガス流が流れる。ガス入力ポートは、ガスマニホルド(図示せず)に連結されている。ガスマニホルドは、ガス入力ポート内への複数のパイプを介して、1種のガス又はガス混合物がリアクタ131に入るように供給している。これらのパイプの入力端部の位置、ガス濃度及び/又は、これらのパイプの各々を通しての流速は、プロセッシング均一性を最適化する反応物ガス流及び濃度のプロフィールをもたらすために選択される。基板の回転、並びに、ランプ138及び139からの熱が原因となる温度勾配が、リアクタ131のガス流プロフィールに影響を及ぼせるが、ガス流プロフィールの優位な形状は、ガス入力ポートから、予加熱リング140及びウエハ全域にわたり、排気口311への層流である。1つの実施例においては、ウエハの温度は、約600℃〜約800℃の範囲である。チャンバ内の圧力は、約100〜約500トールの範囲であり、適切な中間レベルの圧力範囲は、100トールよりも大きく350トールまでである。また、より高い圧力(例えば、500トールに近い圧力)が、堆積速度の融通性とウエハ全域での温度感受性の減少に寄与することは認識されよう。
【0110】
図18は、輻射加熱プロセッシングチャンバ(例えば、図17に関連して記載されたもの)において、本発明による方法を実行するためのシステム100を例示しているブロック図である。システム100は、ガスマニホルド120と、サセプタ160を収容しているプロセッシングチャンバ250と、半導体プロセッシングチャンバ250の領域を加熱するシステム180(この例では、放射熱システム)を含んでいる。プロセッシングチャンバ250は、スリット(図示せず)を有しており、このスリットを通して、プロセッシングチャンバ250内のサセプタ160上に、基板260(例えば、ウエハ)を挿入することができる。プロセッシングチャンバ250の一部は、クオーツ等の透明材質でできていてもよい。
【0111】
半導体プロセッシングチャンバ250の領域を加熱するシステム180は、プロセッシングチャンバ250の上方及び下方に配置され且つプロセッシングチャンバ250内に光エネルギーを方向付ける、加熱ランプ240A、240B、240C及び240Dと、プロセッシングチャンバ250内の温度を測定する温度検出器300(例えば温度計又は熱カメラ)と、コントローラ280とを含んでいる。
【0112】
温度検出器300は、サセプタ下部面上の温度を検出するために、位置を定められ且つ一列に並べられている。温度検出器300は、サセプタ160上で測定される温度を示すコントローラ280に信号を送る。コントローラ280は、電源290に連結されている。コントローラ280は、加熱ランプ240A、240B、240C及び240Dの各々に電源290によって供給される電力を、温度検出器300によって測定される温度に従い調節する。例えば、測定温度があまりに低くなる場合、加熱ランプ240A、240B、240C及び240Dに供給される電力は増大される。加熱ランプ240A、240B、240C及び240Dの各々に供給される電力は、互いに異なって選択できる。
【0113】
ガスマニホルド120は、プロセッシングチャンバ250に複数(例えば3種)ガスを供給することができる。この例では、ガスには、キャリアガス200、窒素源ガス220及びシリコン源ガス210が含まれる。適切なキャリアガスソースには、水素(H2)、窒素(N2)、アルゴン(Ar)及びヘリウム(He)が含まれるが、これらに限定されるわけではない。適切な窒素源ガスとしてはアンモニア(NH3)があるが、これに限定されるわけではない。適切なシリコン源ガスとしては、シラン、ジクロロシラン、ジシランがあるが、これらに限定されるわけではない。窒素源ガス及びシリコン源ガスは結合して、ウエハ260上にSi3N4層をもたらす。
【0114】
使用に際し、プロセッシングチャンバ250に導入する前又は導入中に、シリコン源ガス210をキャリアガス200と混合することができる。その後、キャリアガスとシリコン源ガスとの混合物は、半導体プロセッシングチャンバ250のベースリング(図示せず)内に導入される。また、窒素源ガス220も、ベースリングに導入され、キャリヤーガスとシリコン源ガスとの混合物と混合される。これらのガスは、半導体プロセッシングチャンバ250内へ流れ込み、そこでガスは、ウエハ260に晒される。ガスの流速は、プロセッシングチャンバ250の大きさによる。1つの実施例では、ガス全体の流速は、5リットル/分〜15リットル/分の範囲であり、これは、1〜9リットルのプロセッシングチャンバのトータル有効容積に基づいたものである。チャンバ1リットルに対して、少なくとも1種のガス又は全体ガスの流速は、0.7〜5リットル/分である。ガス混合物にウエハを晒すことにより、熱化学気相堆積原理に従い、ウエハ260上に窒化珪素(Si3N4)層の堆積が起こる。ウエハは、ランプ240A及び240Bと、サセプタ160とによって加熱される。チャンバ内に熱を発生させるために、ランプ240C及び240Dを使うこともできる。上昇した温度でガスにウエハを晒すことにより、シリコン源ガス及び窒素源ガス分子が小さな分子に分離する。その後、小さな分子は互いに結合する。
【0115】
1つの実施例では、100標準cm3/分(sccm)のSiH4、5標準リットル/分(slm)のNH3、10slmのN2で、SiH4、NH3及びN2が導入される。一方、ウエハ260は、600℃〜800℃の間の温度に加熱される。堆積の間、チャンバの圧力は、100〜500トールの間に維持される。もう1つの実施例では、以下の比でガスを使うことができる:SiH4:70sccm、NH3:2slm、N2:8slmである。さらにもう1つの実施例では、以下の比でガスを使うことができる:ジクロロシラン:230sccm、NH3:1000sccm、H2:9000sccmである。キャリアガスとして窒素が使われる場合、600℃までの低温で約50〜5000Å/分の堆積速度を達成することができる。
【0116】
上述したプロセッシングチャンバ内でより高い圧力(例えば、100トールを超える圧力)を使うことによって、より低いチャンバ温度を使うことができる。低温堆積は、多くの理由により望ましい。例えば、より低い温度での堆積は、ウエハのP又はNドープ領域で不純物が拡散し出すリスクを減少させる。P又はNドープ領域の外拡散は、トランジスタ等の電気的構成要素の操作に支障を引き起こす可能性があり、0.25μm間隔のドープされた領域から不純物が外へ拡散することを防止又は減少させるには、100〜500トールの圧力範囲であることが好ましい。
【0117】
図19は、表Iに示された第1の実施例に従って、ウエハ上に薄い窒化珪素膜を堆積する厚さマップである。図18に示される厚さマップのために、49点が測定された。エリプソメータを使って、膜の平均厚さは1004.6Åであり、1%の正確度を有した。これにより、優れた膜均一性が約2000Å/分の堆積速度で得られたことが示された。
【0118】
【表1】
図20は、表IIに示された第2の実施例に従って、ウエハ上に薄い窒化珪素膜を堆積する厚さマップである。再び、図20に示される厚さマップのために49点が測定された。エリプソメータを使って、膜の平均厚さは99.72Åであり、1%の正確度を有した。これにより、優れた膜均一性が約300Å/分の堆積速度で得られたことが示された。測定された膜の屈折率から、化学量論的膜であることが示された。
【0119】
【表2】
本発明の窒化珪素薄膜は、例えば、シリコン基板にわたって、シリコン酸化物にわたって堆積されるか、又は、標準半導体素子プロセッシングに従って、酸化ケイ素層にはさまれて堆積される。窒化珪素を堆積する前に、基板を特別に前処理することは必要でない。しかし、単結晶シリコンであるにせよ多結晶シリコンであるにせよ、シリコン上に窒化珪素膜を直に堆積する前に、天然のシリコン酸化物が除去されてもよい。これは、窒化珪素堆積に使われるのと同じチャンバか、マルチ-チャンバ真空処理システムの他のチャンバにおいて、標準的前洗浄エッチング工程によって達成される。
【0120】
所望の厚さの窒化珪素膜を得るためにプロセッシングパラメータを変えることができる。堆積の間の温度は、例えば、約600℃〜約800℃で変えることができる。例えば、堆積温度を800℃まで上げることによって、堆積速度を上げることができる。このことは、単一の基板プロセッシングチャンバ内において、特定速度で約1000Åオーダーの厚さの厚い膜を堆積する場合に望ましい。また、堆積速度の変化に影響を及ぼすために、圧力を変えることもできる。一般に、圧力が増大するにつれて堆積速度は増大する。
【0121】
窒化珪素膜は、スタンドアロンLPCVDチャンバにおいて堆積することができる。あるいは、このようなチャンバはマルチ-チャンバ真空処理システムの部分であることが好ましい。このような場合、本発明のプロセッシングチャンバは、中央搬送チャンバからLPCVDチャンバに基板を搬送するために、又はLPCVDチャンバから基板を搬送するために、その側壁にポートを有する。
【0122】
図21は、ウエハ上に窒化珪素を堆積する速度が、ウエハ温度、チャンバの圧力、シランガスに対するアンモニアガスの比の流速と関連して示される本発明の1つの実施例を示す。チャンバの圧力は、約100トール〜275トールまで変化した。
【0123】
図22は、チャンバの圧力が約100トールで維持される本発明の他の実施例を示す。一般に、温度が増大するにつれて窒化珪素の堆積速度は増大する。
【0124】
基板プロセッシングチャンバの特定の種類に関して本発明を記載してきたが、装置及び設計の変更は、当業者によってなされ得ることであり、本願明細書に含まれる。本発明は、添付の請求の範囲によって制限されるのみである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一具体例に従った、「ウエハ処理」のポジションにある、抵抗ヒータを備える処理チャンバの側面断面図であり、チャンバの半分ずつ、第1の断面図と第2の断面図に分かれている。
【図2】 図1と同様の側面断面図であり、ウエハ取り出しのポジションにある。
【図3】 図1と同様の側面断面図であり、ウエハ搬入のポジションにある。
【図4】 本発明の一具体例に従った、ポジションにある、処理チャンバの一部の側面断面図である。
【図5】 本発明の一具体例に従った、ポジションにある、処理チャンバの一部の別の側面断面図である。
【図6】 本発明の一具体例に従った、チャンバリッドを取り外した処理チャンバの一部の上面斜視図である。
【図7】 本発明の一具体例に従った、ポンピングプレートの上面斜視図である。
【図8】 本発明の一具体例に従った、ポンピングプレートの側面図である。
【図9】 本発明の一具体例に従った、ポンピングプレートの上面図である。
【図10】 本発明の一具体例に従った、ポンピングプレートの底面からの図である。
【図11】 本発明の一具体例に従った、ポンピングプレートの側面断面図である。
【図12】 本発明の一具体例に従った、シングルガス孔プレートを有するポンピングプレートの側面図である。
【図13】 本発明の一具体例に従った、ブロッカプレートの上面図である。
【図14】 本発明の一具体例に従った、フェースプレートの上面図である。
【図15】 本発明の一具体例に従った、フェースプレートの側面断面図である。
【図16】 本発明の一具体例に従った、フェースプレートの一部の側面断面図である。
【図17】 枚葉式放射加熱チャンバの断面概略図である。
【図18】 本発明の一具体例に従った方法を実施するために用いられるシステムを例示するブロック線図である。
【図19】 本発明の一具体例に従って堆積された膜の厚み測定を例示する厚みマップである。
【図20】 本発明の一具体例に従って堆積された膜の厚み測定を例示する厚みマップである。
【図21】 本発明の一具体例を示すものであり、ウエハ上に堆積した窒化珪素の堆積速度を、チャンバ圧力、シランガス流量、アンモニアガス対シランガスの流量比に対して示す。
【図22】 本発明の一具体例を示すものであり、圧力が約100Torrにおいて、窒化珪素の堆積速度を温度に対して示す。
【符号の説明】
31…真空ポンプアウト、32…ポンプ、45…チャンバ本体、85…ポンピングプレート、90…チャンバ。
Claims (5)
- 化学気相堆積チャンバ内で基板上に窒化珪素膜を堆積する方法であって、
(a)チャンバ内で基板1枚を支持し、
(b)圧力を100Torr〜350Torrに調節し、基板を約600℃〜800℃の温度に加熱し、
(c)珪素ソースガスをチャンバ内に通過させ、
(d)フェイスプレートに対する縦又は垂直の壁の円周エッジを形成する垂直環状の第1のステップ状部分と、前記円周エッジから突出した横方向部及びガスの流れを制限する2つのフランジを含む第2のステップ状部分と、前記フランジ部の1つの領域に一致する単一のリップ部を有する第3の部分とを備えたポンピングプレートを通して、チャンバからガスを除去する、
方法。 - 窒化物の層が、毎分40オングストローム〜毎分5000オングストロームの速度で形成される請求項1に記載の方法。
- 装置であって、
基板を処理のために収容するような構成が与えられたチャンバと、
チャンバにつながった窒素ソースガス源と、
チャンバにつながった珪素ソースガス源と、
窒素ソースガス源から窒素ガスを、珪素ソースガス源から珪素ガスを、チャンバ内に導入することを制御するよう構成されたシステムコントローラと、
チャンバに接続され、100Torrから350Torrの圧力を発生させることが可能な、少なくとも1つのポンプと、
システムのオペレーションを指示するためのコンピュータ読み出し可能プログラムを自身の中に統合して有するコンピュータ読み出し可能媒体を備えた、コントローラにつながったメモリであって、該コンピュータ読み出し可能プログラムは、窒素ソースガスと珪素ソースガスとチャンバ内圧力とを制御するための指示を備え、該指示は、チャンバ内の圧力を100Torr〜350Torrに維持するためのパラメータを備える、前記メモリと、
チャンバリッドと多孔フェースプレートにつながったブロッカプレートであって、該多孔フェースプレートはポンピングプレートにつながる、ブロッカプレートと、
を備え、
ポンピングプレートは、フェイスプレートに対する縦又は垂直の壁の円周エッジを形成する垂直環状の第1のステップ状部分と、前記円周エッジから突出した横方向部及びガスの流れを制限する2つのフランジを含む第2のステップ状部分と、前記フランジ部の1つの領域に一致する単一のリップ部を有する第3の部分とを備える装置。 - 珪素ガス源が、シラン及びジシランからなる群から選択される請求項1に記載の方法。
- 珪素ガス源が、シラン及びジシランからなる群から選択される請求項3に記載の装置。
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