JP4908738B2 - Ａｌｄ方法 - Google Patents

Description

本発明は、原子層蒸着（ALD）の分野に関し、特に高処理量と低コストでALDを行うためのシステム及び方法に関する。

薄膜蒸着は、半導体デバイス及び他の多くの有用なデバイスの製造において一般に実施されている。化学蒸着（CVD）の周知の技術は、反応チャンバ内で反応して所望の膜を基板上に堆積させる化学反応性分子を利用する。CVD用途に有用な分子状前駆体は、堆積させるべき膜を構成する元素（原子）及び典型的には追加の元素を含む。CVD前駆体は、気相にて、実用的に運ばれて基板で反応することができる揮発性分子である。

慣用のCVDは、種々の技術によって当該分野で実施されている。所望の薄膜特性及び費用効果的運転パラメータは、設備、前駆体組成、圧力範囲、温度、及び他の変数の選択に影響を与える。多くの異なる装置及び方法が成功裡に実現されている。ほとんどのCVD技術に共通することは、１種以上の分子状前駆体の良好に制御された流束のCVD反応器への適用である。基板は、副産物の効果的な堆積と同時に分子状前駆体の間の化学反応を促進するため、良好に制御された圧力条件下で良好に制御された温度に維持される。化学反応は、所望の膜厚を有する所望の薄膜を堆積させるように進行させられる。

最適なCVD性能は、避けることができない過渡が抑制又は最小化されているプロセス全体での流束、温度及び圧力の定常状態を達成し維持する能力と直接相関する。CVDは、再現可能な厚み及び並はずれた品質を有する均一な正角コーティングを提供している。

それにもかかわらず、集積回路デバイスにおいて、デバイス密度が増加し、デバイス幾何学がより複雑になるにつれて、優れた正角コーティング特性を有し、より薄い膜に対する必要性は、慣用のCVD技術の限界近くに達してしまい、新規な技術が必要となっている。異種CVD、原子層蒸着（ALD）の台頭は、アドバンスド薄膜蒸着に対する優れた厚み制御及び正角性を提供する。

ALDは、慣用の薄膜堆積プロセスを、自己終結し、自己終結暴露時間までもしくは自己終結暴露時間を超えて行われるとき、正確に１層の原子層を堆積する単層原子堆積工程に分割する。原子層は、典型的には、約０．１分子単層〜０．５分子単層と等しい。原子層の堆積は、反応性分子状前駆体と基板との間の化学反応の結果である。各別個のALD反応−堆積工程において、次の反応は、所望の原子層を堆積し、分子状前駆体に本来的に含まれている「過剰の」原子を排除する。

ALD用途において、典型的には２種の分子状前駆体を異なるステージにおいてALD反応器に導入する。例えば、金属前駆体分子ML_xは、原子若しくは分子リガンドLに結合する金属元素M（例えば、M=Al、W、Ta、Siなど）を含む。金属前駆体は、基板と反応する。このALD反応は、基板表面が分子状前駆体と直接反応するように調製されている場合にのみ生じる。例えば、基板表面は、典型的には、金属前駆体と反応性である水素含有リガンドAHを含むように調製される。気体状前駆体分子は、基板表面上の全てのリガンドと効果的に反応して、結果的に金属の原子層の蒸着を生じる：基板−AH＋ML_x→基板−AML_x-1＋HL（式中、HLは反応副産物である）。反応中、初期表面リガンドAHは消費され、表面はLリガンドで覆われるようになり、さらには金属前駆体ML_xと反応できない。したがって、表面上のすべての初期AHリガンドがAML_x-1種で置換されると、反応は自己終結する。

反応ステージは、典型的には、他の前駆体の別個の導入前にチャンバから金属前駆体を排除する不活性ガスパージステージへと続く。
次に、第２の分子状前駆体を用いて、基板の表面反応性を金属前駆体に復元する。これは、例えば、Lリガンドを除くことにより、AHリガンドを再度堆積させることによってなされる。この場合、第２の前駆体は、典型的には、所望の（通常は非金属）元素A（すなわち、O、N、S）及び水素（すなわち、H₂O、NH₃、H₂S）を含む。反応、基板−ML＋AH_y→基板−M-AL＋HL（ここで、簡略化のために、化学反応は平衡していない）は、表面をAH−被覆されている状態に変換して戻す。所望の追加の元素Aは、膜に組み込まれ、望ましくないリガンドLは揮発性副産物として排除される。再び、反応は、反応性サイト（このとき、L末端サイト）を消費し、基板上の反応性サイトが全体的に消費し尽くされると、自己終結する。次いで、第２の分子状前駆体は、第２のパージステージにおいて不活性パージガスを流すことによって、蒸着チャンバから除かれる。

基板表面をその初期反応性状態に復元する表面反応及び前駆体除去のこのシーケンスは、典型的なALD蒸着サイクルである。基板をその初期状態に復元することは、ALDの重要な特徴である。化学平衡、サイクルごとの堆積、組成、及び厚みにおいて全て同一である等価計量シーケンス（equal metered sequences）において、膜が下に層状（layered down）になり得ることを含意する。自己飽和表面反応は、ALD集中を不均一に移動させる。この不均一な移動は、エンジニアリング及びフローシステムの限界のいずれかに関連するかもしれないし、又は表面トポロジー（すなわち、３次元への体積、高さアスペクト比構造）に関連するかもしれない。化学物質の不均一な流束は、異なる領域での異なる完了時間のみを結果的に生じるだけである。しかし、各反応が基板表面全体で完了することができるならば、異なる完了速度（kinetics）は不利益を生じない。これは、最初に反応を完了する領域が反応を自己終結させ、表面上の残りの領域が反応を完了して、自己終結し、本質的に遅れを取り戻すことができるからである。

ALDの効率的な実施は、化学流束をML_xからAH_yへと突然に且つ早く変えることができる装置を必要とする。さらに、装置は、このシーケンスを多数のサイクルにおいて効果的に且つ信頼性良く行い、費用効果的な多数の基板のコーティングを容易にすることができるものでなければならない。典型的には、ALDプロセスは、ALDサイクルごとに膜の約0.1nmを堆積させる。有用且つ経済的な実行可能なサイクル時間は、殆どの半導体用途に対して約3nm〜30nmの範囲の厚みを累積させ、他の用途に対してはより厚い膜さえも累積させなければならない。産業処理量標準は、基板を２分〜３分で処理することを指定する。これはALDサイクル時間が約0.6秒〜6秒の範囲になければならないことを意味する。多くの技術的試行は、これまで、ALDシステム及び半導体デバイス及び他のデバイスの製造方法の費用効果的実施を妨害してきた。

一般に、ALDプロセスは、基板への化学流束を逐次的に交互に変えることを必要とする。代表的なALDプロセスは、上述のように、異なる４種の運転ステージを必要とする。
１．ML_x反応；
２．ML_xパージ；
３．AH_y反応；及び
４．AH_yパージ
短いサイクル時間に対する必要性を仮定すると、ALDにて使用するに適切な化学物質搬送システムは、流入する分子状前駆体の流れを交互に変えて、秒以下の応答時間でパージすることができなければならない。さらに、顕著な流れの不均一性が存在する場合には、これらは、最小の流束に暴露される領域によって指定された時間まで、反応ステージ時間を増加することによって、化学反応の自己終結性質を通して解決され得る。それにもかかわらず、サイクル時間が対応して増加するので、この必要性は処理量を減少させる。

ALD反応が自己終結に達するために必要とする時間を最小化するために、任意の所与の反応温度にて、ALD反応器への化学流束を最大化しなければならない。ALD反応器への化学流束を最大化するために、不活性ガスの最小の希釈で且つ高圧力にて、分子状前駆体をALD反応器に導入することが有利である。他方、短いサイクル時間を達成する必要性は、これらの分子状前駆体のALD反応器からの迅速な除去を要求する。迅速な除去は、次に、ALD反応器内での最小化されるべきガスの滞留時間を指定する。ガス滞留時間τは、反応器の容積V、ALD反応器内の圧力P、流れの逆数Qに比例するτ＝VP/Q。したがって、ALD反応器内でのより低い圧力（P）は、低いガス滞留時間を促進し、ALD反応器からの化学物質前駆体の除去（パージ）速度を増加させる。対比して、ALD反応時間を最小化することは、ALD反応器内での高圧力の使用を通じて、ALD反応器への化学物質前駆体の流束を最大化することを要求する。加えて、ガス滞留時間及び化学物質使用効率の両者は、流れに反比例する。よって、流れを低くすると効率は増加するが、ガス滞留時間も増加するであろう。

現存するALD装置は、反応時間を短縮して化学物質利用効率を改良する必要性と、他方ではパージガス滞留時間及び化学物質除去時間を最小化する必要性との間での兼ね合いを図ろうとしてきた。従来の２，３のALD装置は、多重バルブの同期作動を用いる化学物質搬送マニホルドを含む。このようなシステムにおいて、完全な同期を有するバルブ作動はそれ自体理論的に不可能であるから、流れの変位を十分に排除することは不可能である。その結果、不可避の流れの変位は、不利な化学物質の混合を導くガスの逆流を発生させるものとして広く知られている。

よって、逆流を防止しながら、短い反応時間及び良好な化学物質利用効率を達成することができ、パージガス滞留時間及び化学物質除去時間を最小化することができるALD装置に対する必要性が存在する。

慣用のALD装置を利用するから、「メモリー」効果は、ALD反応器の効率を減少させる傾向にある。このようなメモリー効果は、吸着エネルギー及び壁の温度によって指定される時間枠にて、ALD反応器の壁上に吸着しやすく、よってALD反応器の壁から逃げやすいという化学物質の傾向によって引き起こされる。この現象は、ALD反応器内での痕跡量の化学物質の滞留時間を増加させる傾向にある。結果的に、メモリー効果は、化学物質の除去に要するパージ時間を増加させる傾向にある。よって、メモリー効果を最小化するALD装置が必要性とされている。

膜は、化学物質に暴露される慣用のALD装置のすべての領域において成長する。特に、膜成長は、暴露されたチャンバ壁並びに基板上にて生じる。チャンバ壁上での膜成長は、膜の成長がALDチャンバの壁上の表面積を増加させる程度まで、ALD装置の性能を低下させる。チャンバ壁上で成長する膜の好ましくない傾向は、チャンバ壁の表面積で評価する。同様に、表面積の増加は、さらにチャンバメモリー効果を大きくする。表面積の増加は、あまり多孔性ではない膜堆積の成長の結果かもしれない。多孔性堆積をもたらす膜成長は、ポア内部の化学分子の捕捉により、チャンバメモリーを拡大することができる。よって、膜の成長及び堆積を最小に維持すること、及び生じる任意の膜成長を制御して表面積又は多孔度の増加なしに壁を効果的に被覆する高品質膜を堆積させることは、ALD装置の機能にとって必須の要素である。よって、膜成長を最小化して、生じ得る任意の膜成長の制御を行うALD装置に対するさらなる必要性が存在する。

良好に最適化されたALD装置及び方法は、基板上のALD蒸着が生じる反応スペース内でALD前駆体の適切な最小の共存を維持するように設計される。対照的に、ALD前駆体の不利な共存は、ALD反応スペースから下流側のシステムスペース内で事実上避けることができない。ただし、処理量はあまり折り合わない。不利な共存は、非常に多量の容積をパージすることによってのみ避けることができるので、ALDシステムの処理量を大幅に犠牲にする。典型的には、チャンバスペース内に共存するALD前駆体は、低品位の膜を製造する傾向にある。結果として、処理量が最適化されたALDシステムは、ALDスペースからすぐ下流にあるスペース内で低品位の固体堆積を成長させる傾向に悩まされる。低品位膜は増加した表面積を与え、前駆体の共存を強めるので、低品位膜の成長は、ますます悪くなり、問題は深刻化する。ALDスペースから非常に近接した下流の化学物質のいくらかはALD反応スペースに戻るので（例えば、拡散によって）、ALD性能は悪化する。さらに、結果的に、基板上に粒子の低品位な堆積が生じる。したがって、ピーク処理量にて運転される慣用のALDシステムは、汚染物質が早く蓄積して、ALD性能が早く劣化する運命にある。

処理量が最適化されたALDシステムは、ALD反応スペースからすぐ下流での前駆体共存によって特徴づけられるので、これらのシステムを長時間の費用効果的メンテナンスサイクルにわたってピーク性能に維持することは、避けることができない膜のダウンストリーム堆積が適切な品質及び好ましい位置に能動的に制御されるべきことを指示する。ALDスペースから下流での局部的な前駆体の排除は、さらに、ポンプ、バルブ及びゲージなどのダウンストリーム成分の摩耗をも実質的に減少させる。

冷たいトラップ及び熱いトラップは、周囲圧力範囲よりも低い圧力範囲でダウストリーム流出物から望ましくない汚染物質を除去するために広範囲にわたって用いられており、当業者には周知である。このために、プラズマ排除装置や滞留時間延長トラップなどの他の技術もまた効果的である。これらの排除解決法のほとんどは、種々の異なるシステムにおける効果的な使用に適応され得る「ターン−キー（turn-key）」機器として商業的に入手可能である。典型的には、これらの排除装置は、永久的に（例えば、化学反応により固体膜を堆積させるなど）又は瞬間的に反応性成分を効果的にトラップするための犠牲的排除表面を実装する。これらのトラップの大半は、理論的には、ALDシステムの下流に適合させられ得る。しかし、安全性の問題及び最適化されたALDシステムへ排除をシームレス的に一体化する必要性は、ほとんどの排除技術の実施可能性及び費用対効果を相当制限する。

原則的に、安全性の問題は、コールドトラップによるALD前駆体の化学物質排除を阻害する。ALD前駆体間の反応を促進するためのホットトラップの実装は、低品位膜の成長を防止するために慎重な設計及び条件の制御を必要とする。例えば、Al₂O₃ ALD膜を堆積させるために用いられる前駆体TMA及びH₂Oなど、典型的なALD前駆体の組み合わせのある種の特性は、ホットトラッププロセス条件の設計を特殊且つ制御困難なものとする。ALD条件下での排除は許容できない処理量損失を伴うので、排除スペースにおける反応物質の共存が要件である。したがって、低品位Al(OH)₃堆積の成長を避けることは困難である。高品位Al₂O₃堆積の成長を促進するために、Al(OH)₃成長を抑制することは、H₂Oレベルを非常に低レベルに維持することを必要とする。H₂Oの低い反応性は、高処理量プロセスにおける過剰量の投与を意味するから、このタスクは取るに足らないものではない。温度上昇は、TMA熱分解を避けるために３５０℃以下に制限される。TMA熱分解は、炭化され、より低品位のアルミナの堆積の成長を促進する。

同様に、他のALD前駆体システムの詳細な検査は、典型的なAHyタイプ前駆体が過剰に投与されなければならず、こうしてオキシ塩化物やアミン塩などの問題のある低品位堆積を作り出すことを明らかにしている。したがって残念ながら、ALD前駆体の組み合わせは並はずれた品質のALD膜を堆積可能であるが、CVD条件下で、AHy前駆体の濃度が高い典型的な排気条件下で反応させると、低品位膜を作り出すことが典型的な観察結果である。一般に、CVD堆積の品質は、温度を上昇させて、AHy前駆体の濃度を非常に低レベルに維持することによって改良する。

一般化されたALD排除解決法は、多くの異なるタイプのALDプロセスに適切であるべきである。米国特許公開公報U. S. Patent Application publication 2002/0187084には、基板と実質的に同じ反応条件下に維持されている犠牲物質まで、過剰の反応物質を送ることを含むALD反応プロセスから排出されたガス中の物質を除去する方法が記載されている。しかし、最適なALD処理量は妥協すべきではなく、排除表面における条件は、ALDスペース内の条件から明らかに逸脱していなければならない。特に、ALDスペースが高品位ALD膜を成長させるために最適化されるが、一方で排除表面におけるALD前駆体の共存は低品位膜の堆積を促進する。排除表面の実際の容量は、排除表面が非常に多孔性の要素からなるか、あるいは排除容積が非常に大容量からなるか、のいずれかを指示する。いずれにしても、得られる排除スペースは、ALD前駆体を製造する非固体を蓄積する傾向にあるであろう。なぜなら、これらの前駆体は、処理量が最適化されたALDプロセスにおいて、常に大過剰量で用いられるからである。例えば、TMA及びH₂OからAl₂O₃を堆積させるためにALDプロセスにて用いられるH₂O前駆体は、低品位膜の堆積を促進する実質的に高い分圧まで排除スペース内に蓄積する。このH₂Oの潜在的な蓄積は、低品位膜の堆積が過剰になると悪化し、蓄積されたH₂Oの反応スペースへの逆拡散は、ALD性能を劣化させる。したがって、米国特許公開公報U. S. Application Publication 2002/0187084に記載されているようなホットトラップは、典型的には過剰に用いられなければならないALD前駆体の蓄積を制御する手段が提供されるまでは、ALD排除に対する良好な選択ではない。一般的な排除解決法に対して、多様な条件下で高品位膜堆積を生じさせることができる一般的な排除手段を提供することもまた必要である。

現存のCVDシステム、PECVDシステム及びALDシステムにおいて、反応チャンバにおけるガス捕捉（entrapment）及びガスフロー乱れ、及び結果として得られる基板表面でのガスフロー及びガス圧の不均質は、通常、堆積した薄膜の厚み及び他の特性における不利な不均質をもたらす。ALDにおいて、適切に長い投与時間が実現される限り、化学物質投与中のガスフロー及びガス圧の不均質は、必ずしも膜の不均質をもたらすものではない。しかし、ガス捕捉及びガスフローの乱れは、しばしば、パージ工程の効率に重大で不利な影響を与える。例えば、単一ウェハ処理チャンバの壁内のウェハ搬送チャネルに関連する「デッド区間（dead-leg）」スペースは、CVD、エッチング、ALD及びPVDなどの従来のウェハ処理における公知の問題である。特に、このスペースの効果的なALDパージは典型的には不可能である。単一ウェハ蒸着の従来技術は、この問題に対する種々の効果的な改善方法を与えている。例えば、1996年9月24日発行のZhaoらの米国特許U. S. Patent No. 5,558,717は、環状フローオリフィス及び環状ポンプチャネルの有利な実装を教示する。この環状設計は、比較的広いプロセスチャンバ設計を要する。別の例において、2001年1月16日発行のDoeringらの米国特許U. S. Patent No. 6,174,377には、低いチャック位置でウェハを装填し、一方ウェハの処理は高いチャック位置で行われ、ウェハ搬送チャネルを出て、これに関連するフローの乱れはウェハレベルよりも実質的に低くなるように設計されたALDチャンバが記載されている。これら従来技術の解決法及び他の従来技術の解決法とも、ALDシステムにおける基板搬送機構に関連する問題を解決するには十分ではない。

よって、化学物質堆積プロセス、特にALD技術において、化学物質の均一で対称的な流束を基板表面に与え、デッド区間ウェハ装填空隙のない円滑なフロー経路構造を提供する装置に対する必要性が存在する。

本発明による実施形態は、上述の問題のいくつかを解決する補助となった。本発明によるシステム、装置及び方法は、化学プロセス、特に原子層蒸着プロセス及びシステムにおけるフローとドローとの同期調整（「SMFD」）を提供する。

原子層蒸着（「ALD」）は、好ましくは、パージ中に蒸着チャンバを通過する可能な限り最高の流量で、且つ、化学物質の投与中に可能な限り最低の流量で実施される。したがって、本発明によるALDシステムは、ALDサイクル中に、流量の顕著な変調を生じさせ吸収する。プロセスチャンバ（又はALDチャンバもしくは蒸着チャンバ）へのプロセスガス（不活性パージガス又は化学反応物質ガスのいずれか）の流れを本明細書において「フロー」と称し、プロセスチャンバから出るガスの流れを本明細書において「ドロー」と称する。定常状態条件下で、ドローは、一般にフローと一致する。過渡的流れ条件中、フロー及びドローは「不一致」である。

本発明による実施形態の重要な側面は、蒸着チャンバのパージ中には大きな流量を必要とし、化学物質投与中には小さな流量を必要とする２種の相反する要求の間で、慣用のALDシステムの兼ね合いを解決することである。本発明によるSMFDは、低圧及び高いパージガス流量にてプロセスチャンバをパージし、続いてプロセスチャンバ内で化学反応物質ガスの高圧及び低い流量での化学物質投与を行い、早い応答時間で圧力及びガス流量を緩和する能力を与える。

一側面において、本発明による方法は、第１の化学反応物質ガスを選択された第１の投与流量にて且つ独立に選択された第１の投与圧力にて、蒸着チャンバを貫通して流す第１の化学物質投与ステージを行い、；第二に、第１のパージガスを選択された第１のパージ流量にて且つ独立に選択された第１のパージ圧力にて、蒸着チャンバを貫通して流すことにより第１のパージステージを行い；第三に、第２の化学反応物質ガスを選択された第２の投与流量にて且つ独立に選択された第２の投与圧力にて、蒸着チャンバを貫通して流すことを含む第２の化学物質投与ステージを行い；第四に、第２のパージガスを選択された第２のパージ流量にて且つ独立に選択された第２のパージ圧力にて、蒸着チャンバを貫通して流すことにより第２のパージステージを行う、サイクルを含む。典型的には、第１のパージガス及び第２のパージガスは同じであり、共通のパージガス源により供給される。本発明による方法の固有の特徴は、第１の化学物質投与ステージ、第１のパージステージ、第２の投与ステージ、及び第２のパージステージが、それぞれ、選択され制御された時間で行われ、サイクルの各繰り返しにおいて同じものが残ることである。典型的な４ステージサイクルは、通常、ALDプロセスにおける単一の薄膜を堆積するために、多数回又は数百回、繰り返される。本発明による実施形態の重要な利点は、サイクルの各ステージの持続時間であり、よってサイクルの総持続時間が典型的には慣用のALDプロセス及びシステムにて実際に実現可能な時間よりも非常に短いことである。ゆえに、第１の化学物質投与ステージ、第１のパージステージ、第２の化学物質投与ステージ、第２のパージステージを逐次的に行うことは、典型的には、３秒未満でシーケンスを行うこと、好ましくは１秒未満で、より好ましくは０．５秒未満でシーケンスを行うことを含む。例えば、Al₂O₃の優れたALD薄膜は、サイクル時間がわずかに４５０ミリ秒(「msec」)である本発明による方法によって製造される。良好な薄膜品質を維持しながら処理量を最大化するために、各４ステージの持続時間は、典型的には他のステージとは異なる。さらに、各ステージの流量は、典型的には、サイクルにおける他のステージの流量とは異なる。一般に、第１のパージ流量は第１の投与流量よりも大きく、第１のパージ流量の第１の投与流量に対する比率は、典型的には１．５を超え、通常は２０を超え、好ましくは１００を超える。同様に、第２のパージ流量は一般に、第２の投与流量よりも大きく、第２の投与流量に対する第２のパージ流量の比率は、典型的には１．５を超え、通常は２０を超え、好ましくは１００を超える。

別の側面において、第１の化学物質投与ステージを開始することは、第１の化学反応物質ガスを第１の過渡的流量にて最初に流すことを含み、第１の過渡的流量は第１の投与流量よりも最初は実質的に大きい。また別の側面において、第２の化学物質投与ステージを開始することは、第２の化学反応物質ガスを第２の過渡的流量にて最初に流すことを含み、第２の過渡的流量は第２の投与流量よりも最初は実質的に大きい。

別の側面において、第１の化学反応物質ガスを選択された第１の投与流量にて且つ独立に選択された第１の投与圧力にて流すことは、蒸着チャンバへの第１の化学反応物質ガスの第１の投与流量を制御し、独立に、蒸着チャンバから出る第１の化学反応物質ガスの第１の化学物質ドローを第１の投与流量と実質的に一致させることを含む。別の側面において、蒸着チャンバから出る第１の化学反応物質ガスの第１の化学物質ドローを独立に実質的に一致させることは、蒸着チャンバから下流の第１の投与ドロー圧力を制御することを含む。別の側面において、第１の投与ドロー圧力を制御することは、ドロー制御チャンバを貫通して第１の投与ドローガス流量にてドローガスを流すこと、及び第１の投与ドローガス流量を制御して第１の投与ドロー圧力を達成することを含み、ドロー制御チャンバは蒸着チャンバから下流に位置づけられている。

別の側面において、選択された第１のパージ流量にて且つ独立に選択された第１のパージガス圧力にて蒸着チャンバを貫通して第１のパージガスを流すことは、蒸着チャンバへの第１のパージガスの第１のパージ流量を制御すること、蒸着チャンバを出る第１のパージガスの第１のパージドローを第１のパージ流量に独立に実質的に一致させること、を含む。別の側面において、蒸着チャンバを出る第１のパージガスの第１のパージドローを独立に実質的に一致させることは、蒸着チャンバから下流の第１のパージドロー圧力を制御することを含む。別の側面において、第１のパージドロー圧力を制御することは、ドロー制御チャンバを貫通して、第１のパージドローガス流量にてドローガスを流すこと、及び第１のパージドロー流量を制御して第１のパージドロー圧力を達成すること、を含む。

別の側面において、第２の化学反応物質ガスを選択された第２の投与流量にて且つ独立に選択された第２の投与圧力にて流すことは、蒸着チャンバへの第２の化学反応物質ガスの第２の投与流量を制御して、蒸着チャンバを出る第２の化学反応物質ガスの第２の化学物質ドローを第２の投与流量に独立に実質的に一致させることを含む。別の側面において、蒸着チャンバを出る第２の化学反応物質ガスの第２の化学物質ドローを独立に実質的に一致させることは、蒸着チャンバから下流の第２の投与ドロー圧力を制御することを含む。別の側面において、第２の投与ドロー圧力を制御することは、ドローガスを第２の投与ドローガス流量にてドロー制御チャンバを貫通して流すこと、及び第２の投与ドローガス流量を制御して第２の投与ドロー圧力を達成すること、を含む。

別の側面において、第２のパージガスを選択された第２のパージ流量にて且つ独立に選択された第２のパージ圧力にて蒸着チャンバを貫通して流すことは、蒸着チャンバへの第２のパージガスの第２のパージ流量を制御すること、及び蒸着チャンバを出る第２のパージガスの第２のパージドローを第２のパージ流量に独立に実質的に一致させること、を含む。別の側面において、蒸着チャンバを出る第２のパージガスの第２のパージドローを独立に実質的に一致させることは、蒸着チャンバから下流の第２のパージドロー圧力を制御することを含む。別の側面において、第２のパージドロー圧力を制御することは、ドローガスを第２のパージドロー流量にてドロー制御チャンバを貫通して流すこと、第２のパージドローガス流量を制御して第２のパージドロー圧力を達成すること、を含み、ドロー制御チャンバは蒸着チャンバから下流に位置づけられている。

別の側面において、第１の化学反応物質ガスを選択された第１の投与流量にて且つ独立に選択された第１の投与圧力にて流すことは、蒸着チャンバへの第１の化学反応物質ガスの第１の投与流量を制御すること、蒸着チャンバから下流のドロー圧力を制御することによって蒸着チャンバから出る第１の化学反応物質ガスの第１の投与流量と第１の化学物質ドローとの間の不一致を独立に実質的に発生させることを含み、圧力移行期間中、蒸着チャンバ内の第１の投与圧力が実質的に変動し、こうして第１の化学物質ドローを第１の投与流量に実質的に一致させる。

別の側面において、第２の化学反応物質ガスを選択された第２の投与流量にて且つ独立に選択された第２の投与圧力にて流すことは、蒸着チャンバへの第２の化学反応物質ガスの第２の投与流量を制御すること、及び蒸着チャンバから下流のドロー圧力を制御することによって第２の投与流量と、蒸着チャンバから出る第２の化学反応物質ガスの第２の化学物質ドローとの間に不一致を独立に意図的に発生させること、圧力移行期間中、蒸着チャンバ内での第２の投与圧力が実質的に変動して実質的に不一致を減少させ、こうして第２の化学物質ドローを第２の投与流量に実質的に一致させること、を含む。

別の側面において、第１の化学反応物質ガスを蒸着チャンバに流通させることは、既知の第１源圧力を有する第１の反応物質ガス源を提供することと、第１の化学物質ガスを第１の反応物質ガス源から第１の源流量制限要素（FRE）を通して蒸着チャンバに流すことと、を含む。

別の側面において、第２の化学反応物質ガスを蒸着チャンバに流通させることは、既知の第２源圧力を有する第２の反応物質ガス源を提供することと、第２の化学反応物質ガスを第２の反応物質ガス源から第２の源FREを通して蒸着チャンバに流すことと、を含む。

さらに別の側面において、本発明による方法は、好ましくは、第１の源FREから下流側で且つ蒸着チャンバから上流側に位置づけられている第１のブースターチャンバを、第１の化学物質投与ステージを含まない期間中に、実質的に既知の第１源圧力における第１の化学反応物質ガスで充填することと、続いて、第１のブースターチャンバと蒸着チャンバとの間で連続流体連通状態にある第１の化学物質遮断弁を開いて第１の化学物質投与ステージを開始することとをさらに含み、こうして第１の化学反応物質ガスを、第１の投与流量よりも最初は実質的に大きな第１の過渡的流量にて最初に流す。

さらにまた別の側面において、本発明による方法は、好ましくは、第２の源FREから下流側で且つ蒸着チャンバから上流側に位置づけられている第２のブースターチャンバを、第２の化学物質投与ステージを含まない期間中に、実質的に既知の第２源圧力における第２の化学反応物質ガスで充填することと、続いて、第２のブースターチャンバと蒸着チャンバとの間で連続流体連通状態にある第２の化学物質遮断弁を開いて第２の化学物質投与ステージを開始することとをさらに含み、こうして第２の化学反応物質ガスを、第２の投与流量よりも最初は実質的に大きい第２の過渡的流量にて最初に流す。

一側面において、本発明による装置は、プロセスチャンバ内のガスのフロー、ドロー及び圧力を同期的に調整することができる。ここで、用語「同期的に」とは、早い応答時間で、ガス流量の圧力の未制御の変位を最小にして、素早い制御された連続状態を意味する。本発明によるシステムは、プロセスチャンバ（PC）へのガスの流れを調整することができ、PC内のガスの流れ及び滞留時間を実質的に調整しながら、蒸着全体にわたって実質的に定常圧力を維持するため、プロセスチャンバから出るガスのドローと、フローとを、実質的に同時に且つ独立に一致させることができる装置である。大きな流れ調整に対応することは、パージステージ及び投与ステージの独自の最適化を可能とし、SMFD実装の重要な利点である。それにもかかわらず、いくつかの実施形態において、いくらかの制限された意図的な圧力調整、特に化学物質投与中の所望の圧力増加が、流れ調整に加えて、実施される。このような圧力調整は、フロー調整と同時のドロー調整がある種の所定の不一致を伴う場合に、達成される。この不一致は、申し分なく設計されたSMFD装置及び方法に逆流を発生させないものであるが、圧力移行期間中に、PC内の圧力に変化を生じさせてフローとドローとの一致に到達させ、こうして同期圧力調整を効果的にする。

別の側面において、装置は、プロセスチャンバと、プロセスチャンバへのガスの流量を制御するためのプロセスチャンバに接続されているプロセスガス導管と、ドローガスフロー用に構成されているドロー制御チャンバ（DC）と、プロセスチャンバとドロー制御チャンバとの間で連続流体連通状態にあるプロセスチャンバ流量制限要素（FRE）と、ドロー制御チャンバと連続流体連通状態にあるドロー排気ラインと、ドロー排気ラインと連続流体連通状態にあるドロー制御FREと、を含む。一般に、FREは、ガス流路にある種のコンダクタンス（または逆に抵抗）を与えるように設計されている。別の側面において、システムは、さらに、ドロー制御チャンバを通るドローガスの流れを制御するためのドロー源遮断弁を含む。また別の側面において、システムは、ドロー遮断弁及びドロー制御チャンバと連続流体連通状態にあるドロー源FREを含む。別の側面において、システムは、プロセスガス導管と連続流体連通状態にある複数のプロセスガス遮断弁をさらに含む。各遮断弁は、プロセスチャンバへのプロセスガスの流入を制御するように構成されている。別の側面において、プロセスガス遮断弁の一つは、プロセスチャンバと連続流体連通状態にあるプロセスチャンバへのパージガスの流れを制御するための１個のパージ源遮断弁を含む。別の側面において、システムは、パージ源遮断弁と連続流体連通状態にある１個のパージ源FREをさらに含む。別の側面において、システムは、複数のプロセスガスFREをさらに含み、各プロセスガスFREはプロセスガス遮断弁の一つと連続流体連通状態にある。別の側面において、システムは、複数のブースターチャンバをさらに含み、各ブースターチャンバはプロセスガス導管と連続流体連通状態にあり、各ブースターチャンバはプロセスガス遮断弁の一つから上流側に且つプロセスガスFREの一つから下流側に位置している。別の側面において、システムは、複数のブースターFREをさらに含み、各ブースターFREはブースターチャンバの一つから下流側にある。別の側面において、システムは、プロセスガス遮断弁とプロセスチャンバとの間で連続流体連通状態にあり且つパージ源遮断弁とプロセスチャンバとの間で連続流体連通状態にある１個のガス分配チャンバと、ガス分配チャンバとプロセスチャンバとの間で連続流体連通状態にある１個のガス分配FREとをさらに含む。また別の側面において、ガス分配FREは、ノズル列を含む。別の側面において、ノズル列は、１．５以上のアスペクト比を有する複数のノズルを含む。

別の側面において、システムは、ガス分配チャンバと連続流体連通状態にあるパージ排気ラインと、ガス分配チャンバとパージ排気ラインとの間で連続流体連通状態にあるパージ排気遮断弁と、をさらに含む。別の側面において、システムは、パージ排気遮断弁と連続流体連通状態にあるパージ排気FREをさらに含む。別の側面において、いくつかのプロセスガス遮断弁は、複数の非共通ポートと複数の共通ポートとを有する多方向バルブを含み、各非共通ポートはプロセスガス源と連続流体連通状態にあり、複数の共通ポートはプロセスチャンバと連続流体連通状態にあり、少なくとも１個の共通ポートはパージ源遮断弁と連続流体連通状態にある。

いくつかの好ましい実施形態において、装置は、プロセスチャンバとドロー制御チャンバとの間で連続流体連通状態にあるドローガス導入チャンバ（DGIC）と、DGICへのドローガスの流れを制御するドロー源遮断弁と、プロセスチャンバとDGICとの間に位置づけられているプロセスチャンバFREと、DGICとドロー制御チャンバとの間に位置づけられているDGIC-FREと、をさらに含む。別の側面において、システムは、ドロー源遮断弁とDGICとの間で連続流体連通状態に位置づけられているドロー源−FREをさらに含む。

別の側面において、システムは、ドロー制御チャンバ内に位置づけられている排除表面（abatement surface）をさらに含む。また別の側面において、システムは、化学物質排除を増強させるため、反応性ガスをドロー制御チャンバ内に導入するための反応性ガス入口をさらに含む。別の側面において、反応性ガス入口は、ドロー制御チャンバに近接する反応性ガスプレナムを含む。別の側面において、システムは、ドロー制御チャンバから下流側に位置づけられている排除チャンバをさらに含む。

別の側面において、システムは、ドロー制御チャンバから下流側に位置づけられており且つドロー制御チャンバ及びドロー排気ラインと連続流体連通状態にある圧力制御チャンバをさらに含む。別の側面において、プロセスチャンバは、原子層蒸着チャンバ（ALDC）である。

別の側面において、本発明によるシステムは、反応容器壁と容器内部とを有し、容器内部に蒸着チャンバと、DGICと、ドロー制御チャンバとが囲包されている反応容器を含む。
別の側面において、本発明によるシステムは、周囲スロットバルブ（PSV）を包含する反応容器を含む。周囲スロットバルブは、反応容器壁を貫通する基板搬送スロットと、反応容器壁内の連続周囲空隙と、連続周囲シーリングポペット弁と、シーリングポペット弁を開位置と閉位置との間で移動させるためのアクチュエータと、を含む。シーリングポペット弁は、閉位置にあるときに周囲空隙内に移動し、開位置にあるときに周囲空隙から出るように移動する。基板搬送スロットは、基板ホルダーの基板支持表面と実質的に面一であり、周囲空隙は基板搬送スロットと実質的に面一である。シーリングポペット弁が開位置にあるとき、基板搬送スロットは、反応容器壁を基板ホルダーまで貫通する基板搬送チャネルを画定する。シーリングポペット弁が閉位置にあるとき、シーリングポペット弁は基板搬送スロットを容器内部から分離する。

いくつかの実施形態において、プロセスチャンバ（又はALDチャンバ）内の圧力は、同期フロー−ドロー調整中、実質的に一定に維持される。本発明による他の実施形態において、処理量及び物質利用率は、高圧にて、１以上の化学物質投与ステージを行うことにより、さらに改良される。例えば、いくつかの実施形態において、パージ中の圧力は、約３０mTorr〜１００mTorrの範囲に維持され、化学物質投与中のALD圧力は約２００mTorr〜１０００mTorrの範囲に維持される。

別の側面において、本発明による実施形態は、プロセスチャンバへプロセスガスを流すことにより、また、プロセスチャンバと流体連通状態にありプロセスチャンバから下流側にあるドロー制御チャンバへドロー制御ガスを流すことにより、プロセスチャンバ内の圧力を制御し、こうして、プロセスチャンバから下流側のドロー圧力を制御する。別の側面において、ドロー制御チャンバへドロー制御ガスを流入させることは、ドロー制御チャンバ内化学物質排除を促進するために反応性ガスを流すことを含む。別の側面において、ドロー圧力は、１atm未満に、典型的には５Torr未満に、制御される。

［好ましい実施形態の詳細な説明］
図面を参照することにより、本発明をより完全に理解できるであろう。
図１〜１７を参照しながら、本発明を説明する。明確にするために、いくつかの図面において、類似又は同一の成分に対しては同じ参照符号を用いる。図１〜１７に概略的に示されている構造及びシステムは例示であり、本発明による実際の構造及びシステムの正確な図示ではないことは理解されるべきである。さらに、本明細書に記載された実施形態は、例示であり、特許請求の範囲に規定されている本発明の範囲を限定するものではない。以下、本発明による実施形態を、単一の２００mmウェハ基板上のALD蒸着のためのシステム及び方法を主として参照しながら記載する。本発明は、より大規模又はより小規模でも有用であり、以下に記載する寸法及び運転変数は適宜スケールアップしたりスケールダウンしたりすることができることは理解されよう。

原子層蒸着（ALD）は、好ましくは、パージ中に蒸着チャンバを通過する可能な限り最高の流量で実施され、化学物質投与中に可能な限り最低の流量で実施される。したがって、効果的なALDシステムは、流量の大幅な調整を生じさせ且つ吸収することができる。定常状態条件下にて、チャンバ内へのプロセスガス（不活性パージガス又は化学反応物質ガスのいずれか）の流れ（本明細書にて「フロー」という）は、チャンバから出るガスの流れ（本明細書にて「ドロー」という）と一致する。

大幅な流れ調整を吸収するために、本発明によるシステムは、フローとドローとを実質的に一致させることができる。たとえば、代表的なALDサイクルは、それぞれ、10sccm、1000sccm、５sccm、及び1000sccmのガス流量での化学物質Ａ投与、化学物質Ａパージ、化学物質Ｂ投与、化学物質Ｂパージのシーケンスを含む。実質的に同じ流量にて同期的に調整するためにドローが制御される場合には、プロセス圧力は、実質的に定常に維持される。

ドローの調整がフロー調整と実質的に一致しない場合には、システムはプロセス圧力を維持しない。代わりに、システムは、フロー及びドローを一致させる実質的に異なる圧力に不可避的に遷移する。

蒸着チャンバ又は他のタイプのプロセスチャンバへのフローは、一般に、プロセス圧力とは実質的に独立に、アップストリームマニホルドを用いて制御される。ドローは、一般に、プロセスチャンバ出口のコンダクタンスC_PCにより、及び出口を横断する差圧ΔＰ＝P_PC−P_DRAWによって決定される。したがって、ドロー＝C_PCΔＰ。一般に、ドロー調整は、コンダクタンスC_PC又は差圧ΔＰの一方又は双方を調整することによって達成され得る。プロセスチャンバから出るコンダクタンスを調整することは、一般に、スロットルバルブと名付けられた機械的装置を用いて、CVD、PVD及びエッチングシステムなどのプロセスフローシステムの分野で用いられている。スロットルバルブは、これらのシステムにおいて定常状態圧力を制御するために適切に用いられているが、これらは、現在、SMFDシステムに必要とされる早い応答時間に適応するには、ゆっくりすぎる。加えて、スロットルバルブは、望ましくない流れの乱れを引き起こし、粒子を発生させる。流れひずみ及び粒子発生問題を回避するために、スロットルバルブは、典型的には、プロセスゾーンから大きく離れている下流側位置で、従来利用されている。しかし、好ましいALDシステム設計は、ALD蒸着チャンバ容積を最小化し、ドロー制御の位置を基板に近づける。プロセス出口の温度を変化させるなど、コンダクタンスを調整する他の手段は、範囲がより限定され非常に遅い。最後に、ドロー調整は、真空ポンプのポンプ排気速度を調整することにより、達成され得る。しかし、大きなポンプ排気速度調整は、ゆっくりと応答し、所望のALDスイッチング速度にて試行される際に、さらにポンプを大きく摩耗させる。

本発明によるドローの調整に最も適するのは、ΔＰ調整である。プロセスチャンバ圧力P_PCを実質的に一定に維持しながらのΔＰの調整は、P_DRAWを調整することにより、本発明によって行われる。たとえば、ドロー制御チャンバ（DC）は、プロセスチャンバから下流側に位置づけられており、ドロー制御チャンバはコンダクタンスC_DRAWの出口を有する。ドロー制御チャンバ内へ及び貫通して制御ガスを流すことにより、P_DRAWは、プロセスチャンバ又は蒸着チャンバ上流における圧力P_PCとは独立に制御され得る。ドロー制御チャンバへのガスのフローは、プロセスチャンバからのドローと直接挿入されたドローガス流れとの合計である。ドローは、ΔＰの関数であるから、ΔＰの独立制御は、フローとは独立に、ドローをフローに実質的に一致させる。原則的に、ドローチャンバは非常に小さく作ることができるので、ある種の実施形態におけるΔＰの調整は、ミリ秒以下の速度で行われる。本発明のある種の実施形態は、小容量DC チャンバで有利に実行され、短い過渡時間でプロセス条件を推進する。別の実施形態は、有利に、ドロー制御速度を犠牲にして、実質的により大きなドロー制御チャンバを与える。容量数リットルのドロー制御チャンバは、化学物質のトラップ又は排除に有用である。結果として、ドロー制御応答時間は、典型的な２００mmウェハ蒸着システムにおいて１０msec〜２０msec範囲にあるが、約３リットルの使用可能なドロー制御チャンバスペースの利点を有する。この「よりゆっくり」なドロー応答時間は、典型的には、化学物質投与ステージの終わりに、蒸着チャンバ内に約５％〜１５％の圧力変動を生じさせ、シミュレーション及び実際の稼働の結果は、これらの圧力変動がALD性能に無視できる影響を与えることを示す。不可避的なプロセス圧力変動は、高パージフローの始まりの時のALDチャンバの典型的に短い（例えば、２msec〜４msec）応答時間と、ドローチャンバのより長い（例えば１０msec〜２０msec）応答時間との間の差に関連する。ある種の実施形態において、素早く応答するドローチャンバとより大容量の排除チャンバとの両者は、ドロー制御チャンバに対して下流側に位置づけられた別個の追加の排除チャンバを有する小さなドロー制御チャンバ（約４０ｍｌ）を用いることにより与えられる。この場合、ドローチャンバFREでの圧力降下が好ましくは大きいので、大容量排除チャンバを用いて追加の排除チャンバ内の滞留時間は適度に長く維持される。例えば、ドロー制御FREが全体の１／１０だけ圧力降下である場合には、同様の効果的な排除を提供するために、排除チャンバは、１０倍大きくなければならず、典型的には１リットル〜５リットルではなく１０リットル〜５０リットルでなければならない。このサイズ比較は、理想的なSMFD性能との妥協の利点を説明し、ほとんどの場合、ドロー制御チャンバ内の化学物質のトラップ又は排除の見込みに十分である、と考えられる。したがって、ドローチャンバがドロー制御の目的だけに用いられている場合（ドローチャンバが非常に小さいことを意味する）には、低品位膜成長がドロー制御チャンバ内で生じることのないように、ドロー制御チャンバを含むまでALDパージステージを拡大させるよう注意を払うべきである。これは、無視できる処理量の犠牲を有する（ただし、ドローチャンバ流路は十分に設計され、ドローチャンバ壁は適切な温度まで制御される）。なぜなら、これらのチャンバは、典型的な２００mmウェハシステム用に、３０cc〜７０ccの容積を有して作られているからであり、さらに、高いドロー流量は本質的に化学物質投与中に化学物質を希釈する作用をするので、これらのチャンバは化学物質投与中に、化学物質の非常に小さな分圧にさらされる。

ΔP調整の応答時間は、P_DC調整の応答時間に直接的に関連し、DC容積、DC出口のコンダクタンス及びフローに依存する。
図１は、本発明による同期調整フロードロー（SMFD）ALDシステム１００の基本的な実施形態のフローダイアグラムを示す。

システム１００は、圧力安定化不活性パージガス源１０１を具備する。パージガスは、パージ源遮断弁１０２及びパージ源流量制限要素（FRE）１０３を通って、通常は慣用のシャワーヘッドであるガス分配チャンバ１０４に供給される。図１に示すように、パージ源遮断弁１０２及びパージ源FRE１０３は、パージガス源１０１とガス分配チャンバ１０４との間に連続流体連通状態を与える。本明細書において、流量制限要素（FRE）は、ガスがこれらを流通する際に圧力減少（ステップダウン）を生じさせる。純粋な化学物質ガス、液体又は固体化学物質からの蒸気、または蒸気もしくは不活性ガスを伴うガス化学物質の混合物の形態での化学反応物質前駆体は、十分に制御された圧力にて、複数の化学物質ガス源１０５、１０５’にて提供される。化学物質ガス源１０５は、化学物質源FRE１０６を介して、ブースターチャンバ１０７と連続流体連通状態にある。ブースターチャンバ１０７は、化学物質投与遮断弁１１０及びブースターFRE１０９を介して、ガス分配チャンバ（シャワーヘッド）１０４と連続流体連通状態にある。ガス分配チャンバ１０４は、ブースターFRE１０９、パージ排気遮断弁１０８、及びパージ排気FRE１１１を介して、パージ排気ライン１１２と連続流体連通状態にある。図１に示すように、化学物質投与遮断弁１１０及びパージ排気遮断弁１０８は、それぞれ、接合部１２３から枝分かれしているシステム１００のガスマニホルドシステムの平行分枝内に単一の２方向バルブを具備する。

図１に示すように、第２の化学物質ガス源１０５’は、シャワーヘッド１０４及び化学物質ガス源１０５に関する参照符号で記載した装置に対応する装置を有するパージ排気ライン１１２に接続している。

ガス分配FRE１１３は、ガス分配チャンバ１０４と原子層蒸着チャンバ（蒸着チャンバ）１１４との間に連続流体連通状態を与える。ガス分配チャンバ１０４がシャワーヘッド装置である好ましい実施形態において、ガス分配FRE１１３は、通常のノズル列１１３である。ノズル列は、ガス分配チャンバ１０４から、処理中の基板を包含する蒸着チャンバ１１４に至る制限された均一なフローを提供する。蒸着チャンバ１１４は、蒸着チャンバFRE１１５を介して、ドロー制御チャンバ１１６と連続流体連通状態に接続されている。ドロー制御チャンバ１１６は、ドロー制御出口１２４を具備し、ドロー制御FRE１１７及び真空ライン１１８を介して真空ポンプ１２５と連続流体連通状態に接続されている。ドローガス源１０１は、ドローガスライン１１９、ドロー源遮断弁１２０及びドロー源FRE１２１を介して、ドロー制御チャンバ１１６に連続流体連通状態に接続されている。

典型的なALD運転中、装置１００は、本質的に２つの定常モード、パージモード及び化学物質投与モードの間で切り替わる。２つの基本的な運転モードの代表的なバルブ設定は、Table 1に示されている。

明瞭にするために、SMFDシステムを運転する方法を定常圧力プロセスの場合について記載する。上記に説明したように、このモードは、一般に、重要な用途に対して良好な結果を与える。さらに、上述したように、ALDプロセスは、典型的には、少なくとも４つの別個のステージを有するサイクルを含み、このサイクルは所望の薄膜を堆積させるために複数回連続して繰り返されることが理解される。Table 1及び図１を参照して記載した２つのモードは、典型的な４ステージサイクルの化学物質投与ステージ及びパージステージを代表する。パージモードにおいて、パージガス源１０１の既知のパージ源圧力に対して、FRE１０３及び１１３は、パージガス源１０１からのパージガスの所望の流れQ_PURGEを分配チャンバ１０４に送り、次いで、ガス分配チャンバ１０４、蒸着チャンバ１１４及びドロー制御チャンバ１１６を通ってドロー制御出口１２４に送り、次いでFRE１０９及びパージ排気遮断弁１０８を通ってパージ排気ライン１１２に送るように設計されている。このとき、シャワーヘッド圧力P^SH _PURGE及びALD蒸着チャンバP₁₁₄は維持されている。化学物質投与モードにおいて、化学物質ガス源１０５の既知の圧力に対して、FRE１０６及び１０９は、典型的には、好ましくはQ_PURGEよりも実質的に小さい化学物質投与流量Q_CDにて、化学反応物質ガスをガス分配チャンバ（シャワーヘッド）１０４に送るように設計されている。この低い流量は、シャワーヘッド圧力P^SH _CDを低下させることにより達成される。蒸着チャンバ１１４及びガス分配チャンバ１０４内の圧力P₁₁₄及びP₁₀₄は、それぞれ、化学物質ガス源１０５の圧力（典型的にはTorrの単位で測定される）よりも非常に低く（典型的にはmTorrの単位で測定される）、FRE１０６及び１０９は、化学物質投与流量Q_CDが圧力P₁₁₄及びP₁₀₄とは事実上独立するように、典型的に設計されている。化学物質投与モードにおいて、既知のドローガス源圧力であるドローガス源１０１は、所望のドローガス流量にてドローガスを、FRE１２１を通してドロー制御チャンバ１１６に供給する。本発明によれば、ドローガス源１０１及びFRE１２１におけるドローガス源圧力は、ドロー制御チャンバ１１６を通るドローガス流量を決定する。このドローガス流量及びFRE１１７は、ドロー制御チャンバ１１６内での化学物質投与ドロー圧力を確立する。ドロー圧力は、ドローガス流量が増加すると共に増加する。蒸着チャンバ１１４及びドロー制御チャンバ１１６の間の圧力における差は、FRE１１５のコンダクタンスと一緒に、蒸着チャンバ１１４から出る未反応化学物質前駆体を含むプロセスガスのドローを決定する。蒸着チャンバ１１４からドロー制御チャンバ１１６へ入り且つドロー制御チャンバ１１６を通るプロセスガスのドローもまた、ドロー制御チャンバ１１６を通るガスの総流量、したがってドロー圧力にわずかに貢献する。ドロー制御チャンバ１１６内の化学物質投与ドロー圧力における増加は、蒸着チャンバ１１４からドロー制御チャンバ１１６に入り且つ貫通するドローを減少させる。逆に、ドロー制御チャンバ１１６内の化学物質投与ドロー圧力における減少は、蒸着チャンバ１１４からのドローを増加させる。

本発明による好ましい実施形態において、２つの静的モード、すなわちパージモード及び定常状態化学物質投与モードに加えて、重要な過渡的なモードが化学物質投与の開始の設計に盛り込まれている。最初の過渡的流量は、ブースターチャンバ１０７からの化学物質ガス流により発生する。バルブ１１０が閉じている場合、平衡になるために時間を仮定すると、ブースターチャンバ１０７内の圧力は、化学物質ガス源１０５における圧力と等しくなる、P^static ₁₀₇＝P₁₀₅。バルブ１１０が開いている場合、定常状態条件下では、１０７における定常状態圧力P^SS ₁₀₇は、FRE１０６での圧力傾斜ゆえに、P₁₀₅よりも小さい。遮断弁１１０が開くように作動されると、ブースターチャンバ１０７における初期圧力はP₁₀₅から定常状態圧力P^SS ₁₀₇まで下がるように遷移する。化学物質投与中のガス分配チャンバ１０４への化学反応物質ガスのフローは、ブースターチャンバ１０７における圧力及びFRE１０９のコンダクタンスにより決定される。ブースターチャンバ１０７における圧力遷移（pressure transient）は、ガス分配チャンバ１０４における圧力遷移を引き起こす。結果として、ブースターチャンバ１０７における圧力遷移中に、蒸着チャンバ１１４への化学的反応性ガスの対応するフローが、定常状態流量まで徐々に減少する初期脈動に一致する。並行して、ドロー制御チャンバ１１６内のドロー圧力は、減少方向に移り変わる初期脈動に一致する。過渡時間（transient time）は、ドロー制御チャンバ１１６の容積、ドロー流量、及びFRE１１７のコンダクタンスによって決定される。１１６における圧力遷移中、蒸着チャンバ１１４から出るドローは、下向き過渡（down transient）に追従する。ドロー制御流量のFRE１０６、ブースターチャンバ１１７の容積のFRE１０９及びドロー制御流量１１６のFRE１１７のコンダクタンスの選択的設計を通じて、蒸着チャンバ１１４内の圧力のずれを最小化するように、過渡的フロー（transient flow）及び過渡的ドロー（transient draw）を一致させる。しかし、過渡的時間定数が完全に一致せず種々のバルブ作動が好ましく同期しない場合であっても、圧力のずれが、SMFDシステムにより（特に定常圧力で運転されるとき）内部に抑止されることは、本発明の重要な側面である。事実、本発明の実施形態のいくつかに教示されているようなSMFD実装の主要な利点は、装置及び方法の不備に対する簡便で費用効果的な性能の不感性である。

好ましくは、投与工程は、化学流束を最大化して、化学物質の利用を最小にするように設計される。極端な例としては、２００mmウェハの処理用の典型的に３００cc〜４００ccのALDチャンバは、２００ｍTorrからの化学物質投与圧力にて、化学物質枯渇効果が事実上ないままである。したがって、２００ｍTorrでの１００％化学物質の投与を実行することは、ブースターの効果を超える投与化学物質の些細な追加のフローを典型的に必要とする。実際、我々は、３００℃でのAl₂O₃のALDに対して用いられるトリメチルアルミニウム（TMA）のブースター投与を超える追加の投与の影響が、２００ｍTorrでの未希釈前駆体の投与条件下で２％未満であったことを経験的に知見している。したがって、TMA定常状態流れの典型的な＜１０sccmの実行は、最適化されたALD性能を達成するために十分であった。

化学物質投与ステージ中の定常状態流量は、パージステージ中のパージガス流束の典型的には1/10〜1/100である。したがって、化学物質投与の定常状態を確立するための時間尺度は、許容できないほど長い。この処理量の損失を避けるため、本発明の実施形態によれば、効果的な化学物質投与工程は、化学物質投与工程の初期ステージにて化学物質の初期の素早い流れを提供するように誂えられる。したがって、初期流れ過渡(initial flow transient)は、化学物質投与ステージの応答時間を大幅に減少させるように作用する。この減少された応答時間は、ALDプロセスの効率及び処理量を増強させるために重要である。化学物質投与ステージの初期の過渡的部分中、ガス分配チャンバ１０４及び蒸着チャンバ１１４の容積は、最初は高い圧力及び対応する最初は高い過渡的流束での化学物質ガスの脈動により、速やかに充填される。化学物質投与中の初期過渡的流量は、典型的には調節されて、先行するパージステージ中の不活性パージガスのパージ流量と一致する。したがって、フローの連続性は保存される。ガス分配チャンバ１０４及び蒸着チャンバ１１４は、化学物質ガスで速やかに充填される。なぜなら、最初は高い化学物質投与流量に対応して、チャンバを流通する化学物質ガスの滞留時間は短いからである。ブースターチャンバ容積及びブースターFREは、化学物質投与の初期ステージにおけるドローチャンバ圧力増に実質的に一致するように、選択的に設計される。ブースターチャンバ容積もまた、投与中に、ALDチャンバの１圧力×容積−２圧力×容積相当量のオーダーでの総合ブースター暴露を提供するように設計される。例えば、蒸着チャンバ容積が４００ccで投与圧力が２００ｍTorrである場合、ブースター容積は、０．０８リットル×Torr−０．１６リットル×Torrのブースター暴露を提供するように設計される。ALDシステム１００が化学物質投与モードからパージモードに切り替わるとき、過渡は通常、それほど重要ではない。ガス分配チャンバ１０４の比較的少量の容積は、FRE１０３の比較的高いコンダクタンスを通してP^SH _PURGEまで速やかに負荷がかけられる。小容量のドロー制御チャンバが実装される場合、ドロー制御チャンバ１１６内の化学物質投与ドロー圧力からパージドロー圧力までの圧力降下は、パージ滞留時間よりも非常に速やかであり、投与からパージへの切り替えは数msecの時間尺度で生じる。しかし、ドローチャンバの容積が大きい場合には、ドロー制御チャンバ圧力降下に要する応答時間は、プロセスチャンバ内でのパージ滞留時間よりも長い。例えば、２００mmウェハでのALDに用いられる典型的なプロセスにおいて、プロセスチャンバ内での滞留時間は、３msecである。化学物質投与とパージとの間のドロー圧力調整は、総ドロー圧力の１０％〜２０％のオーダーである。典型的には、システムに排除能を一体化するために、１リットル〜５リットルのドロー制御チャンバ容積が簡便である（後述する）。したがって、ドローチャンバ圧力調整は、１０msec〜２０msecの典型的な一定時間で追従する。結果として、いくらかのプロセスチャンバのずれが投与工程の終わりには避けることができない。それにもかかわらず、これらの圧力調整は、計測できない程度の性能損失を生じるだけである。さらに、化学物質投与ステージの初期脈動の場合におけるなど、故意に過渡を生じさせる理由はない。したがって、化学物質投与ステージを終了させることに関連する過渡効果は少ない。

上述のように、本発明によるSMFD ALDシステムは、パージ中（効果的且つ短時間のパージを可能とするため）の高い流量（及び低い圧力）に対する必要性と、化学物質投与中（素早い反応及び高い化学物質利用性を可能とするため）の低い流量（及び高い圧力）に対する必要性との間の従来の兼ね合いを解決する。定常圧力実施形態において、システムは、実質的に一定のプロセス圧力を維持することができ、一方、流量は1/10超過分、調整される。事実、本発明によるプロセスハードウェア及び方法は、定常圧力にて1/100を超えるフロー及びドローの制御された調整を生じさせるために成功裡に使用されている。あるいは、事実上、兼ね合い効果なしに、パージ及び化学物質投与ステージに対するより高い効率を得るために、圧力及び流量の両者を調整することもできる。本発明による装置及び方法は、蒸着チャンバへ入るガスのフローを調整しながら、同時にドロー（蒸着チャンバから出るガスの流量）を調整することにより、この所望の能力を達成する。

本発明によるシステム及び方法の利点は、本発明を実施する構造体及び技術のいくつかが、新規な組み合わせにて市販のパーツを用い、本発明の実施形態を低コストで設計し及び有用とすることである。たとえば、ある種の実施形態は、既知の圧力における不活性ガスの集中単一ポイント供給を含み、ガスは、システム内の流量制限要素を通って、選択的に制御された態様で分配される。不活性ガス源の例は、商業的に入手可能な圧力コントローラ（例えば、MKS 640Aシリーズ）及びガス容器である。別の例は、単純な圧力レギュレータである。本発明によるある種の実施形態において、約１００msecの期間は、化学物質投与ステージ及びパージステージの各々に対する実用的な目標である。対応するシステムのガス力学は、典型的には、５msec未満のシステム応答時間の目標を持って設計される。したがって、バルブ１０２、１２０、１０８及び１１０の間並びに他の化学物質源に関連するバルブにおける望ましくない過渡状態、圧力不安定さ及び微小変動（ジッター：未制御で再現性のない遅れ）を避けるために、５msec未満の速度で作動することができるバルブを用いることが好ましい。バルブ１０８及び１１０は、１つの化学物質源に対する１セットのバルブを表す。図１の図により表される特定の実施形態において、ALDシステムは、各化学物質ガス源用にこのようなバルブを２個含む。ALDは、典型的には、少なくとも２個の異なる化学物質ガス源を要求する。５msec以下の作動速度は、UHPダイアフラム空気制御弁の典型的な性能よりも素早い。それにもかかわらず、UHPソレノイドバルブ（例えば、Parker General Valve シリーズ９９、Fujikinn ECVシリーズ）、圧電バルブ、電気式燃料噴射器、比例弁及び高速MFC（たとえば、AE-EMCOのMach One）を含む商業的技術のいくつかのタイプを実装することができる。

本発明による実施形態は、FREを利用する、例えば、FREは、調整可能な成分（例えば、メータリングバルブ、プロポーショナルバルブ（比例弁）、加熱されたオリフィス（heated orifice）、高速MFC）又は受動成分（オリフィス、バッフル、キャピラリー、多孔性媒体）であってもよい。受動FREは、典型的には、調節可能なFREよりも高価ではなく堅牢である。それにもかかわらず、調整可能なFREは、通常、最適化調整にとってより良好に適する。遮断弁を包含しないガス流路の部分において、必要なFREコンダクタンスは、流路のコンダクタンス設計に好ましくは盛り込まれる。遮断弁及びFREを包含するガス流路の部分において、好ましい設計は、FREと遮断弁とを一体化する。一体化されたバルブ−FREにおいて、完全に開いたときに、必要なコンダクタンスを有するように、バルブを設計することが好ましい。あるいは、プロポーショナルバルブやMach One高速MFCなどの装置は、所望のコンダクタンスまで開くことができる。本発明によるシステム及び方法の最適化において、FRE１０３、１０６、１０９、１１１及び１２１の調整可能性は、定常パージモード、定常化学物質投与モード及び化学物質投与過渡性能の効果的で且つ独立した最適化を可能とする。

化学物質ガス源１０５の圧力は、好ましくは１Torrよりも高く、簡便な使用のために十分高くあるべきである。加えて、化学物質ガス源１０５は、化学物質投与ステージ中に、圧力を持続しなければならない。

用語「チャンバ」及び関連する用語は、少なくとも１つの入口及び１つの出口を有する比較的大きな囲包された容積Ｖを有する成分をいい、有用な流量Ｑの範囲内で、チャンバ内の平均圧力Ｐよりも、チャンバを横断する（例えば入口と出口との間）圧力傾斜ΔＰが実質的に小さい。一般に、本発明による実施形態において、Ｖが約１０００ccでチャンバを貫通する流量Qが約１０００sccｍ以下である場合、チャンバの比率ΔＰ／Ｐは、０．１未満である。さらに、本明細書において、ガスは、チャンバ内部での実質的な滞留時間を有し、滞留時間はτ＝VP/Qで定義される。一般に、本明細書において、チャンバ内の滞留時間τは、典型的には５０μsec以上である。

対比して、用語「流量制限要素（FRE）」とは、無視できるほどの容積を有し、典型的には１つの入口と一つの出口とを有する成分をいい、有用な流量Qの範囲内で、FREの入口及び出口の間の平均圧力Pと比較して圧力傾斜ΔPが比較的大きい。一般に、本明細書におけるFREにて、FREを貫通するフローQが約1000sccm以下である場合、比率ΔP／Pは、０．１よりも大きい。さらに、本明細書にて、FRE内でのガスの滞留時間τは、比較的短く、一般には５０μsec未満である。

レジスタ（抵抗器）、キャパシタ（コンデンサ）及びインダクタ（誘電器）などの基本的な受動素子を有する電気回路と同様に、ΔＰ＝０（非FRE特性）を有するチャンバ及びV=0を有するFREは、実際には存在しない。それにもかかわらず、電気回路の慣例に類似して、ALD及びチャンバやFREを含む他の流体フローネットワークは、純粋な成分特性を基本的な要素に割り当てることによって、実際的に表現することができ、設計することができる。

したがって、当業者は、チャンバ及びFREの理想的な特性を用いるフローシステムの記述及び設計を理解する。例えば、用語「プロセスチャンバ」とは、フローシステム中の流れが存在するいかなる場所でも圧力傾斜が存在することは明らかであるが、プロセススペースにおいて圧力傾斜が一般に最小になることを意味する。実際、本発明によるSMFDのある種の実施形態において、細長いプロセスチャンバは、そこを横断する圧力傾斜を含むように設計される。

FREは、V=0を有するFREを実装する実際的な方法はないことは当業者には公知であるが、典型的に設計され、ゼロ又は最小の容積を有するように理想化される。特に言及しない限り、ΔPが無視できるチャンバ内でプロセスは有利に実施されることも理解される。他方、いくつかの例において、無視できるＶ（又はτ）を有するFREは実際的ではない。けれども、大きな容積を有するFREが、性能の損失なしに一般に用いられる。大きな容積を有するFREの特性は、純粋なチャンバ、V及び純粋なFREを組み合わせることにより、「等価回路」により記載される電気回路素子、例えば抵抗を有する誘電器の電気的な記載と同様に、実際に記載され設計される。

FREの容積を考慮に入れることは、近似チャンバの「効果的な」容積を増加させることにより設計に含まれ得る。チャンバの流量制限特性を考慮に入れることは、チャンバの残留コンダクタンスをダウンストリームFREのコンダクタンスに加えることによって達成され、「効果的なFRE」コンダクタンスC_effを得ることができる。

実際に、直列及び平行な数個のFREを有するシステムは、システムの記載を改良するために効果的なFREによって表すことができる。例えば、共にFREであるキャピラリー及びバルブを含むラインは、単一の効果的なFREにより表すことができる。本発明による好ましい実施形態において、フロー抵抗特性は、バルブの構成の設計に盛り込まれる。

図２は、本発明によるSMFD ALD反応容器２００の概略横断面図である。明瞭にするために、ウェハ装填ポート、ウェハリフトピン及び電気的フィードスルーなどの従来、標準である装置２００のいくつかの成分は、図２に含めていない。

ガス分配チャンバ（シャワーヘッド）２０１は、１００mmの内径を有し、内容積内部は３mm高さである。シャワーヘッドは、ウェハ基板表面領域のすべてを覆う必要はない。したがって、シャワーヘッド容積は２３．６ｃｍ³である。ノズル列（FRE）２０２は、ガス分配チャンバ２０１の底部を蒸着チャンバ２０３から分離する。２００mmの半導体ウェハ２０４を、熱伝導性金属（例えばW、Mo、Al、Ni）又はホットサスセプター（熱感受体）及びチャック用に当該分野で通常用いられている他の材料から作られた加熱された基板ホルダー２０５の上に位置づける。ホットプレートの周囲は、FRE２０６に良好な熱接触で取り付けられている（又はワンピースとして機械加工されている）。FRE２０６は、一列の半径方向スロットとして形成されている。図２の右側は、スロットなしの断面の一部２０７を示す。運転中、ガスは蒸着チャンバ２０３から蒸着チャンバFRE２０６を通ってドロー制御チャンバ２０８まで流れる。ガスは、ドロー制御チャンバ２０８からドロー制御されたFRE２０９を通って真空ポート２１０まで流れる。ドローガスは、ドローガスライン２１１、ドロー源遮断弁２１２及びドロー源FRE２１３を通ってドロー制御チャンバ２０８まで流れ、ドロー制御チャンバ２０８内のドロー圧力を管理する。典型的なALD運転中、ドロー制御チャンバ２０８へのドローガスの流量は、選択的に制御されて、さまざまに、第１の化学物質投与ステージ中に第１の投与ドロー圧力を達成し、パージステージ中にパージドロー圧力を達成し、第２の化学物質投与ステージ中に第２の投与圧力を達成する。通常は、ドロー制御チャンバ２０８へのドローガスの流量は、ドロー制御チャンバ２０８内の圧力（投与ドロー圧力）を増加させるためのパージステージ中の流量に対して、化学物質投与ステージ中に増加し、こうして蒸着チャンバ２０３から出るプロセスガスのドロー（化学反応物質前駆体を含む）を減少させ、こうして化学物質の廃棄を最小化し、必要であれば、蒸着チャンバ２０３内の圧力及び化学流束を増加させる。パージステージ中、ドロー制御チャンバ２０８へのドローガスの流量は、典型的にはより低い流量に減少して戻され、ドロー制御チャンバ２０８内の圧力（パージドロー圧力）を減少させ、こうして蒸着チャンバ２０３から出るパージガスのドローを増加させることは、より高いパージガス流量及び必要に応じてより低いパージ圧力を吸収する。さらに図２に示されているのは、化学物質源ライン２１４、化学物質源FRE２１５、ブースターチャンバ２１６、化学物質投与遮断弁２１７、パージ排気遮断弁２１８及びブースターFRE２１９である。さらに示されているのは、反応容器壁２２１と反応容器頂部２２２との間の熱伝導を阻止するように構成された熱バリア２２０である。この熱バリアは、チャンバ壁２２１及びシャワーヘッド（ガス分配チャンバ）２０１が異なる制御温度にて運転される実施形態において有用である。

化学物質の使用速度及び化学物質除去速度の両者は、蒸着チャンバ２０３の容積が減少するにつれて改良される。種々の技術において実装されているような、半導体デバイス製造にて通常使用されている２００mm及び３００mm円形シリコンウェハなどの基板サイズは、蒸着チャンバのサイズを決定する。たとえば、２００mm円形ウェハを処理するための蒸着チャンバは、少なくとも２００mmの直径である円形領域を有していなければならない。ガス流力学は、この蒸着チャンバの高さが数ミリメートルを含むことを示す。したがって、このような２００mm蒸着チャンバの容積は、一般的に、少なくとも１５０cm³であり、より典型的には３００cm³以上である。０．６秒までの典型的に望ましいサイクル時間は、化学物質除去パージステージに要する最大許容可能な時間を約０．１秒〜０．２秒の範囲に制限する。この時間の間、蒸着チャンバ内の化学物質前駆体反応物質の濃度は初期値の１％以下まで減少することが一般に望ましい。より正確には、化学物質除去の程度は、堆積した膜の特定の化学及び品質に対する特定の必要性によって決まる。ALDサイクルのパージステージ中、蒸着チャンバ内の化学物質濃度は、exp(-t/τ)［ここでｔは化学物質除去時間である］に比例する。したがって、１％レベル未満を達成するために、ｔは４．６τ以上に等しくなる必要がある。４．６τ＜０．２秒を達成するために、VP/Qは、約０．０４４秒である。典型的には約３００cm²よりも大きい範囲に制限されているVで、P/Qは０．１４５秒／リットルよりも小さい範囲に限定される。たとえば、Qが５００sccm（６．３３リットルTorr/sec）であったら、プロセス圧力は０．９２Torr以下に等しくなるであろう。例として、０．０００１％よりも低い化学物質除去が必要であったら、パージ中のチャンバ内の圧力は、３００ｍTorr以下の範囲に制限されるであろう。

本発明による例示的な実施形態において、シャワーヘッド（ガス分配チャンバ）は、V_SH＝２３．６cm³の容積を有する。シャワーヘッド圧力は、Ｐ^PURGE _SH＝５００ｍTorrである。ALDスペースの容積は、約４００cm³である。プロセス蒸着チャンバ定常圧力は、P₁₁₄=100mTorrである。パージステージ中のシャワーヘッドを通る蒸着チャンバへのパージガスの流量は、Q^PURGE=1000sccmに制御される。したがって、パージステージ中のガス滞留時間τ＝VP/Qは、シャワーヘッドについて１msecであり、蒸着チャンバについて３msecである。ALDシステム及びプロセスは、４００msec〜５００msecの範囲にあるサイクル時間でALDを行うように設計される。各サイクルは、典型的には、第１の化学物質投与ステージ、続いてパージステージ、次に第２の化学物質投与ステージ、続いて別のパージステージを含む。したがって、各ステージの目標時間は、約１００msecである。これらの例示的な設計寸法及び運転条件で、パージステージ中に、例示的なALDシステムは、シャワーヘッドの１００回の容積掃引及び蒸着チャンバの３０回以上の容積掃引を与える。これらの掃引回数は、慣用のALD技術を用いて通常達成される回数（例えば、典型的には、パージ時間の１秒〜５秒にわたり、蒸着チャンバについて３回の容積掃引〜１０回の容積掃引）をはるかに超えている。これらの実質的に改良されたパージ性能及び短縮されたパージ時間は、改良された化学物質利用と共に、慣用のALD方法及び装置を凌駕するSMFD装置及び方法の大きな利点を代表する。したがって、パージステージ中のシャワーヘッドコンダクタンスは、Ｃ^PURGE _SH＝Q^PURGE／（P^PURGE _SH ― P₁₁₄）＝３．１７リットル／秒として計算され設計される。本発明によるSMFD ALDシステムの好ましい設計は、シャワーヘッド圧力に対するシャワーヘッド流量の高い感受性を含む。したがって、ノズル列FRE内のノズルは、実際に可能である程度に高いアスペクト比を有するように設計される。例えば、直径１００mmを有するノズル列プレートを横断する６００本のノズルの密集したパターンにおいて、パージステージ中のノズル１本当たりのガス処理量は約１．６７sccmである。３．１２５mm（1/8インチ）の厚みを有するノズル列プレートにおいて、チューブ型ノズルは、約３mmの長さを有する。ノズル直径の予測値は、ポアズイユの式（１）：

を用いて計算される。
ここで、パージガスの粘度は、２５０℃にてη＝２７０μポイズであるＮ₂の粘度として理想化される。対応するガス処理量は、式（２）：

により計算される。
比較するために、典型的なシャワーヘッド設計による、１００mmの直径のノズル列プレートに無視できる開口長さを有する３００本の開口型ノズルを有するシャワーヘッド設計を考える。ノズルごとのコンダクタンスＣ＝Ｑ／ΔＰは、１０５．６cm³／secである。ノズルの面積は式（３）：

によって計算される。
ここで、P^PURGE _SH及びＰ₁₁₄は、それぞれ、シャワーヘッド圧力及びチャンバ圧力（Torr）であり、ガス熱容量比γ＝C_v/C_pは２５０℃のN₂に対して約１．４である。T₁は、シャワーヘッド温度（これもまたガス温度であると仮定する）であり、２５０℃＝５２３Kとして換算する。Mは、ガスの分子量（M_N2＝２８gm/moleとして理想化する）である。これらの変数値で、式（３）により計算されたシャワーヘッドノズルのおよその面積は、Ａ＝４．４×１０^-3cm²である。したがって、ノズル直径は、約７５０μｍである。パージガス処理量は式（４）：

により計算される。
図３は、上述の開口型ノズル列設計及び好ましいチューブ型ノズル列設計に対するP_SHの計算値をQ^CDの関数としてプロットしたグラフを示す。図３は、シャワーヘッドにおけるチューブ型ノズル列設計が好ましい処理量圧力依存性を与えることを示す。設計によるＰ対Ｑの２つの曲線は、約０．５Torr−１０００sccmポイントにて交差する。しかし、チューブノズル列は、１０sccm未満に降下する安定な圧力依存性処理量制御を可能とし、一方、開口型設計は、約４００sccm以下の流量にて非常に制限された制御を可能とするだけである。化学物質投与ステージの定常状態部分中、シャワーヘッドにおける圧力は、P^CD _SHまで降下する。この減少したシャワーヘッド圧力は、ALD蒸着チャンバへの流量を低下させ、本発明による蒸着チャンバからのドローを低下させることで補償される。純粋な化学反応物質前駆体ガスの各１００mTorrの圧力について、２５０℃における化学物質濃度は約２×１０¹⁵分子／cm³である。４００cm³の蒸着チャンバ容積内の前駆体分子の総数は、８×１０¹⁷まで（〜８×１０¹⁷）である。蒸着チャンバは、非基板領域を含み、総表面積１０００cm²を有すると予想される。典型的な中間ALD表面上の反応性サイトの数密度は、約１×１０¹⁴サイト／cm²〜７×１０¹⁴サイト／cm²の範囲にあるか、又は蒸着チャンバ面積（ウェハ上及び他の露出表面上）あたり１×１０¹⁷サイト〜蒸着チャンバ面積当たり７×１０¹⁷サイトの範囲にあると予測される。この予測に従い、停滞している（充填されている）ALD蒸着チャンバの完全な反応の後の枯渇レベルは、約１０％〜９０％の範囲にある。化学物質の１００％濃度未満が投与されると、枯渇効果は対応してより顕著になる。化学物質の枯渇は、ALD反応の完了時間を延長する。化学反応物質前駆体分子の分圧が枯渇ゆえに減少すると、衝突する分子の流束は比例して減少する。したがって、多くのALDプロセスが化学物質の停滞した（充填した）圧力で良好に行われるが、ある種のプロセスは蒸着チャンバへの化学反応性ガスの有限流量により再び充填されるべきことを要求する。実際、ある種のシステムは、不活性キャリアガスで化学物質を希釈して化学物質の搬送を促進することを要求する。加えて、ダイナミックランダムアクセスメモリ（DRAM）製造用等の高密度高表面積デバイスを有するウェハは、典型的により多くの枯渇効果を引き起こす。

化学物質投与ステージ中、表面に到達する分子の流束は、２５０℃における純粋な化学反応物質圧力の各１００mTorrに対して、

（ここで、化学物質前駆体の分子量Mは、一般的な控えめの見積もりで、１００gm/moleであるとして理想化されている）したがって、１００msec脈動中、表面はcm²あたり１．５×１０⁸までの衝突（〜１．５×１０⁸衝突／cm²）にさらされる。経験的に、ALD反応は、１×１０¹⁶衝突／cm²〜３×１０¹⁷衝突／cm²の暴露範囲内で飽和する（＞９９％反応した）。したがって、１００ｍTorrのプロセス圧力は、典型的には十分である。ALD化学物質投与ステージのタイミングは比較的短い（例えば、１００msec）が、必要な暴露は比較的小さい。飽和暴露レベルは、特定の反応の固有反応性固着係数σ_Rに依存する。反応性固着係数は、以下の式：

に従う実際の流束に対する成功した表面反応の比として定義される。式中、ｎは反応性サイト／cm²の数密度を示し、ｋは反応速度である。例えば、金属前駆体トリメチルアルミニウムは、３００℃でのAl₂O₃のALD中、中間Al-OH表面を反応させて飽和させるために、典型的には約３×１０¹⁶分子／cm²の暴露を要求する。ALD反応は、

によって表される。ここで、BULKは中間基板である。反応性サイトの数密度は３．９×１０¹⁴と予測される。したがって、反応性固着係数は、σ_R=５×３．９×１０¹⁴／暴露＝約０．０６４であり、ここで、exp(-5)=exp[暴露×σ_R／（３．９×１０¹⁴）]〜６．７×１０^-3が飽和の定義として採用される（すなわち、反応が反応性サイトの９９％を超えて進行する）。ほとんどの金属ALD前駆体は、０．００６〜０．０８の範囲にあるσ_Rを有する。Ｈ₂Ｏ、ＮＨ₃、Ｈ₂Ｓなどの典型的な非金属性前駆体は、あまり反応性ではなく、これらのσ_R値は典型的には約０．００１〜０．００５の範囲にある。このような低い反応性固着係数を有することは、１００℃を超えるガス温度及び１Torr以下のプロセス圧力における拡散による化学物質搬送に比較して、ウェハに近い領域での化学物質の堆積が無視できることを意味する。したがって、遷移層及び拡散制限搬送の存在は、典型的には考慮しない。それにもかかわらず、DRAMウェハの場合におけるなど、高密度高表面積特性がウェハ上に存在するある種の用途においては、遷移層効果は基板の領域における局部的な枯渇を引き起こし得る。したがって、これらの局部的な枯渇効果を抑制するために、典型的ななめらかな表面暴露よりも２〜４倍高い暴露が有用である。

例として、化学物質投与中に枯渇に対処するために、５０sccmの流量が望ましいと仮定する。したがって、１００msec化学物質投与ステージ中に、ALD蒸着チャンバは２回掃引され、枯渇効果の抑止を３倍に引き上げる。５０sccmにて、シャワーヘッド及びALD容積の応答時間は、それぞれ２０msec及び６０msecである。３００℃でのAl₂O₃ ALD中、TMA投与を維持するために十分な定常状態投与＜１０sccmにて、低い定常状態流れ条件下での投与の応答時間は、一様に長い。これらの時間応答は、１００msecの所望の化学物質投与時間に関して長い。したがって、ALD蒸着チャンバ内のガスを１００％不活性ガスから１００％まで（〜１００％）の化学反応したガスに変えるために要した時間故に、１００msec化学物質投与中の化学物質暴露は、（化学物質投与流量５０sccmで）約５０％まで低下する。好ましい実施形態において、この潜在的な問題は、上述したように、化学反応物質ガスの初期過渡増加により矯正される。

図４は、化学物質投与ステージの初期における化学物質のブースター発生の過渡的脈動のある場合とない場合で、画分的化学物質投与（化学反応物質ガスによる不活性パージガスの置換）をシャワーヘッド及び蒸着チャンバに対する化学物質投与時間の関数としてプロットしたグラフを示す。曲線は、化学物質投与ステージの先端にて過渡を実行することの利点を明らかに示す。５０msec〜１００msecの有用な短い投与時間の範囲における累積暴露は、過渡のない場合よりもブースター過渡を用いる場合で２倍以上高い。

上述のように、ブースター脈動による化学物質投与ステージの開始は、残りの化学物質のガス放出からの不利な堆積効果を減少させるに有効である。化学物質投与ステージの初期には、化学反応物質ガスの流量は、最初は比較的高く（続いて生じる定常状態化学物質投与流量と比較して）、こうして（あらかじめ投与された化学物質からの）ガス放出残渣化学物質の初期高度希釈を提供する。同時に、ガス放出源は、典型的には投与中の主要な化学物質と反応して、隙間及び他のガス放出領域の内部に膜を形成する。得られる膜が多孔性ではない場合（これは、通常、化学物質の非常に大きな集中が捕捉されなかった場合である）、滴定プロセスにより形成された膜は基板堆積にあまり不利な効果を生じさせず、一方、ガス放出源は本質的に滴定で除かれる。この機構によれば、過渡的流量が顕著に減少してしまう時間により、ガス放出もまた典型的に非効率的なレベルまで減少する。高濃度での短い化学物質投与ステージもまた、残渣ガス放出からの寄生的堆積を減少させるに効果的である。

図５は、上述のように、本発明によるALDの実施形態に対する実際の化学物質使用量を現在当該分野で実施されているような慣用の連続流プロセスと比較するグラフを示す。化学物質投与ステージごとの物質使用量は、続くパージ工程中にシャワーヘッド及びALDスペースから取り除かれた化学物質を含む。５０sccmでの定常状態投与の場合について、本発明によるSMFD ALDでの物質使用量は、慣用のALDにおけるよりも５倍以上小さい。もっと減少した化学物質使用と一緒に、本発明によるSMFD ALDは、慣用のALDにより得られたレベルと同様の流束レベル及び暴露を達成する。慣用のALDシステムにおける連続流の１０００sccmの流量は、非常に高い化学物質使用コストではあるが、慣用のシステムで本発明による上述の化学物質パージ性能を達成させることができる。しかし、このような高い化学物質投与速度を実施することは、蒸着システムにとって有害となるので、パージ最適化及び投与最適化の間の兼ね合いに従って、慣用のALD装置及び方法は、パージ効率とより低い流量での運転との妥協をしなければならない。慣用のALDに対してより低くより典型的な流量を用いる場合、化学物質利用は改良されるが、パージ性能は相当低下する。

効率的なALDの課題は、効率的なパージと効率的な化学物質投与とに対する矛盾する要求から生じる。これらの重要なモードのいずれも、全体の効率及び実際に低いメンテナンスを達成するに際して、それほど妥協できない。化学物質投与ステージは、最大の前駆体束を伴い、できるだけ短くすべきである。化学物質の濃度及び化学流束が高くなるほど、投与工程は短くなる。さらに、残渣化学物質の寄生的源は、投与中の主要な化学物質のより高い化学流束によって、より良好に扱われる。多くのALD前駆体は比較的低い蒸気圧を有し、高い化学物質流量の搬送を困難にする。この点に関して、本発明による実施形態は、未希釈化学物質を搬送する能力を増強する。

化学物質の効率的な利用は、化学物質排除及びチャンバメンテナンスに対して、あまり妥協せず、より実際的な解決に力を貸す。好ましくは、ALDシステムは、化学的に反応性である前駆体の少なくとも１種、例えばML_x前駆体を排除するように設計される。入手可能な実験データから、本発明による好ましい実施形態におけるTMA利用は、現在、約２０％よりも大きい（ウェハ上の薄膜に形成される物質に対して）ことが知られている。したがって、化学物質のほとんどは、任意の条件下で廃棄される。ALD蒸着チャンバ内での熱気に暴露された領域は、典型的にはALD膜で覆われる。３０％よりも多くが、蒸着チャンバ内の非ウェハ表面上に堆積されていると予測される。したがって、現行の好ましい実施形態において、蒸着チャンバに入る化学反応前駆体ガスの５０％未満が、ドローにて、蒸着チャンバを出る。対比して、慣用のALDシステムにおいて、本発明により達成されるよりも約１０倍以上の化学反応物質ガスが蒸着チャンバを出る。

フローとドローとの同期調整を提供しない慣用のALDシステムにおいて、フロー調整は有利ではない。フローを増加させると残留時間の減少を大きく制限するであろう圧力増加を招くので、パージ効率は、パージフローを増加させても改良できない。例えば、パージフローを１００倍に増加することにより得られる最大の残留時間減少は、チャンバ出口コンダクタンスにおける最大の理論的増加に関連して、及び増加したチャンバ圧力に関連して、１０倍である。例えば１００倍小さい流量での化学物質投与は、投与圧力の不利な減少を少なくとも１０分の１にする。したがって、１０sccmにおける化学物質投与及び１００ｍTorrの投与圧力にて運転する慣用のALDシステムは、パージを1000sccmにしようとする場合、１Torr（少なくとも）の圧力にならざるを得ないであろう。少なくとも理論的に、SMFDのパージ性能を一致させるために、慣用のシステムにおけるパージ流量を１０００００sccmの理論的最小値に設定する必要があるであろう。理論的には、パージ圧力は１０Torrに（及び好ましくは１０Torrを超えて）到達するであろう。これらの流れ条件下で、及び２００mmウェハなどの実質的に狭い基板全体に堆積するためのALDチャンバの典型的な幾何学で、レイノルズ数は過剰に高くなり、許容できない乱流を生じさせるであろう。さらに、これらの高い流量でポンプ排気することは、法外に費用がかかる。

実質的な圧力のずれは、ALDシステム及び他のシステムにおいて、多くの理由により望ましくない。これらは、高レベルの粒子を発生させ、ALDの場合には逆流過渡を誘うであろう。

図１の議論において、化学物質ガス源１０５からの化学反応物質ガスは、化学物質源FRE１０６、ブースターチャンバ１０７及びブースターFRE１０９を貫通して流れる。化学物質源１０５での代表的な圧力は、１０Torrである。したがって、ブースターチャンバ１０７内の圧力は、連続化学物質投与間に、P₁₀₇=P₁₀₅=10Torrに等しい圧力に達するように理想化された。化学物質投与中、定常状態流れが確立されるまで、P₁₀₇はP₁₀₅から過渡的に下降する。１００msecの第１化学物質投与ステージ、１００msecのパージ、他の化学物質源からの１００msecの第２の化学物質投与ステージ及び１００msecの第２のパージを含むサイクルシーケンスを有する代表定なプロセスにおいて、特定の化学物質源からの連続的な化学物質投与の間の時間は３００msecであり、これはブースターチャンバ１０７の回収時間でもある。本発明によるシステム及び方法の設計において、化学物質投与流量における対応する減少を生じさせるための化学物質源FRE１０６、ブースターチャンバ１０７及びブースターFRE１０９の組み合わされたフローコンダクタンスにおける減少が、ブースターチャンバ１０７内の定常状態圧力を減少させ、さらに、応答時間を増加させ、ブースターチャンバ１０７は、３００msec回収期間中に、実質的に再加圧される、と考えることは重要である。

化学物質投与流量が５０sccmである本発明による代表的な実施形態において、ブースターチャンバ１０７内の定常状態圧力は、２．２４Torrである。ブースター容器からシャワーヘッドに至る処理量は、Q₁₀₇=0.127(P² ₁₀₇-P² _SH)により計算される。ポアズイユの式を用いて、FRE１０９の形状寸法を予測できる：

１cm長さのFREに対して、直径（２５０℃でのN₂に対してη＝２７０μポイズ）は約０．２cmである。設計直径が０．３１２５cm（1/8インチ）である場合、長さは５．３cmである。実際には、化学物質投与遮断弁１１０（図１）は、流れに対していくらかの抵抗を与える。したがって、FRE１０９は、追加の流量制限を供給する必要があるだけである。同様の態様にて、FRE１０６の形状寸法は、

から求めることができる。したがって、FRE１０６は、直径０．３１２５cm（1/8インチ）を有する８６cm長さの管状材料から作ることができる。しかし、化学物質搬送ラインはもっと短いことが好ましいから、FRE１０６は、より短い管状材料と連続してより狭いキャピラリーを追加することにより実行され得る。

パージ中、FRE１０９は、パージ排気ライン１１２へパージされる。このパージは、バルブ１０８を開くと同時に作動する。このパージライン中の流れは、FRE１０９及びFRE１１１のコンダクタンスの組み合わせにより影響を受ける。パージされるべき所要容量は非常に小さい（例えば、１cm³〜２cm³）から、効果的なパージは非常に少量の処理量で得られる。例えば、２msec〜４msecの応答時間を得るために、２０sccmで十分である。したがって、このチャネル内の流れは、シャワーヘッド圧力及び蒸着チャンバ１１４に入るパージガスの流れに軽微な効果を与える。ALDは、一般に、２個（又は２個以上）の化学物質前駆体で実行される。１種の前駆体Aでの投与ステージ中、第２の前駆体Bのマニホルド内のシャワーヘッド１０４からバルブ１０８’に至るライン区域は、加圧されたデッド区間のままである。したがって、前駆体Bのマニホルド内のこの区域への前駆体Aのいくらかの侵入が生じ得る。したがって、各化学物質投与ステージに続くパージステージ中に、化学物質制限ガスマニホルド全体のパージが行われることが好ましい。

例えば、ALD蒸着チャンバ１１４内の圧力が１００ｍTorrである場合、蒸着チャンバ１１４及びFRE１１７（図１）を通るパージガスの代表的な処理量は１０００sccmである。パージ中、ポンプ排気経路（pumping path）のコンダクタンスC_PP＝（1/C₁₁₅ + 1/C₁₁₇）^-1 = Q/(P₁₁₄-P_pump)、式中P₁₁₄ = 100 mTorrであり、P_pumpはポンプでの圧力である。ポンプでの圧力は、ポンプの選択及びポンプ排気速度に依存する。例えば、１０００ リットル／秒〜２０００リットル／秒のポンプ排気速度を有するターボ分子ポンプが、ポンプにおける約７００ｍTorr以下の圧力に対して、適切な処理量ハンドリングを提供するために有用である。２００リットル／秒〜４００リットル／秒のポンプ排気速度を有する分子吸収ポンプは、約６０ｍTorr以上の範囲での圧力における処理量のハンドリングに有用である。高処理量を取り扱うために、BOC Edwards（前のセイコー精機）のSTPA 1303C又はAlcatel ATH 1600M又はATH 2300Mなどが本発明による実施形態に好ましい。現在代表的な計算において、２０００リットル／秒のターボポンプ及び６．３mTorrのポンプ圧力を仮定した。したがって、C_PP = １３５リットル／秒の値が計算された。

FRE１１５のコンダクタンスが、フローにて約１０００リットル／秒であり、対応するドローにて１０００sccmである場合、ドロー制御チャンバ１１６での圧力P₁₁₆は、P₁₁₆ = 0.1 - Q/C₁₁₅ = 87.3 mTorrとして計算される。FRE１１７のコンダクタンスは、C₁₁₇ = (1/C_pp - 1/C₁₁₅)^-1 = 156 l/secとして計算される。図２に示したような例示的な装置において、基板ホルダー２０５は、約２２０mmの直径を有する。FRE１１５は、湾曲した細長いスロットとして構成される。これらのスロットの一つは、ウェハ装填をなすために用いられる。幅１cm、直径２２０mmの台形スペーサと一緒に、２２０mm直径にて、３個の同一のスロットが周囲に沿って位置づけられている。隠すロットの幅は約２２cmである。スロットの長さは、１cmと考えられる。単一のスロットのコンダクタンスは、約３３３リットル／秒である。コンダクタンスは、矩形断面に対するHeinzeの式：

で概算される。ここで、ａは矩形の短辺であり、ｂは長辺であり、ψはWilliamsらのグラフによりａ／ｂの関数として与えられる。ηは５２３ＫのＮ₂に対して、２７０μポイズまで（〜２７０μポイズ）とする。０．０４まで（〜０．０４）のａ／ｂを仮定すると、ψは０．９７まで（〜０．９７）と概算される。スロットの高さａは、

により計算される。このギャップは狭いが、ウェハ装填末端効果器及びウェハハンドリング用のウェハを収容するには十分である。スロット直径比ａ／ｂ＝〜０．０３７、ψ＝〜０．９７は、仮定と一致する（他のエラー因子が及ばない）。直径が２２cmで高さが約１cmである蒸着チャンバ２０３の例示的な寸法について、V_ALD = 〜４００ cm³である。例えば、蒸着チャンバ２０３の高さは、ウェハ領域での１cmからスロットでの０．８２cmまで円滑に遷移する。

図２におけるFRE２０９のコンダクタンスは、インサート（挿入体）２０７及びチャンバ壁２２１との間のギャップにより影響される。別の実施形態において、インサート２０７とチャンバ壁２２１との間のギャップは、非常に小さくなるように設計され、インサート２０７の底部における他の開口部はFRE１１７に対する主要なコンダクタンスを与える。コンダクタンスの領域は、式（１４）：

を用いて概算される。
FRE１１７の場合、P_pumpとは事実上独立のコンダクタンスを作るために、開口型コンダクタンスが有用である。したがって、P_pump/P₁₁₆が０．１未満である場合、C₁₁₇は事実上圧力独立であり、

により計算される。ここでAは開口の総面積である。FRE117のこの特徴は、本発明によるAMFD ALDシステムの性能を、ポンプ排気速度ドリフトに対して比較的感受性とし、典型的な実施形態において能動的なポンプ圧力制御を不要とする。

化学物質投与ステージの定常状態期間中、ドロー制御ガスは、ドロー源遮断弁１２０を通ってドロー制御チャンバ１１６に流入する（図１）。ドロー制御チャンバ１１６内のドロー圧力は、こうして上昇し、蒸着チャンバ１１４から出る化学反応物質ガスのドローを減少させ、こうして化学反応物質ガスのドローと蒸着チャンバ１１４に入る化学反応物質のフローとは独立に一致する。蒸着チャンバ１１４に入る化学反応物質ガスの定常状態流れが５０sccmである場合、ドロー制御チャンバ１１６内の化学物質投与ドロー圧力は、

まで上昇するはずである。バルブ１２０を通るフロー処理量は、１１６にてこの圧力を維持させなければならない。ドロー制御チャンバ１１６からポンプに至る処理量は、Q₁₂₀ = C₁₁₇(P₁₁₆ - P_pump) = 156×(0.0994-0.0063) = 14.5 liter Torr/sec ≒ 1150 sccmである。この処理量のうち５０sccmは、蒸着チャンバ１１４からのドローであり、１１００sccmはバルブ１２０を取って流れたドローガスである。

本発明により十分に設計されたSMFD ALDシステムの性能は、ガス流量及び圧力の正確な制御に臨界的に依存するものではない。したがって、十分に設計されたSMFD ALD装置は、パーツ製造及び市販の設備機器及び成分の標準的且つ慣用的な誤差に対して感受性ではない。例えば、ドロー制御チャンバ１１６内の化学物質投与ドロー圧力における増加は、ドローのフローに対する独立の実質的な一致及び化学物質投与特性に大きな影響を与えずに、５％〜１０％だけ変動し得る。化学物質投与中の化学物質の定常状態流れは、蒸着チャンバ内の圧力に対して比較的不感性である。定常状態流れのゆらぎ又はドリフトも重要ではない。バルブ１２０を通ってドロー制御チャンバ１１６に至るドローガスの流量が変動又はドリフトする場合、ドロー制御チャンバ１１６内のドロー圧力及び蒸着チャンバ１１４内の圧力の両者は、同時にドリフトし、プロセス圧力における僅かで取るに足らないドリフトを伴うが、ドロー制御チャンバ１１６内へのドローガス流量におけるいかなる顕著なドリフトに対しても円滑に補償する。

本発明によるシステム及び方法のこの重要な「自己修正」特性を、図６を参照しながら説明する。図６は、本発明によるSMFD ALDシステムを通るガスの種々の流れストリームを概略図で示す。蒸着チャンバ１１４への化学物質の流量Q1は、アップストリームマニホルド（源１０１、FRE１０３、源１０５、FRE１０６、ブースター１０７、FRE１０９、FRE１１３）により決定され、蒸着チャンバ１１４内の圧力P₁₁₄に非常に敏感である。蒸着チャンバ１１４からドロー制御チャンバ１１６へのドローQ2は、FRE１１５のコンダクタンス及び圧力P₁₁₄及びP₁₁₆によって決定される。バルブ１２０を通る区画１１６へのドローガスの流量Q3は、ドロー制御チャンバ１１６内内の圧力P₁₁₆に非常に敏感であり、主としてFRE１２１及びその後の圧力によって決定される。ドロー制御チャンバ１１６から出るガスの流量Q4は、FRE１１７のコンダクタンス（〜１５６リットル／秒）及び圧力P₁₁₆及びP_pumpにより決定される。化学物質投与中のシステムにおける全圧力及び全処理量の時間依存性挙動は、下記の単純化された式：

を用いてシミュレートされる。さらに、蒸着チャンバ１１４の容積は０．４リットルであり、ドロー制御チャンバ１１６の容積は３リットルである。計算は、図６に示すモデル及び式（１６）、（１７）及び（１８）を用いて行った。

図７は、前述の計算によれば最適値に近いと評価されたQ3が１１００sccmである場合のQ1、Q2及びQ4の時間依存性の計算値をグラフに示したものである。Q4は、化学物質投与ステージの初期過渡的部分中に、定常状態値を通り過ぎる。このオーバーシュートは、我々の実験にて与えられた過渡的なQ1とP₁₁₆との間の不一致による。過渡的な変数は、システムの重要なパラメータ（すなわち、P₁₁₄、ΔP = P₁₁₄ - P₁₁₆、Q1、Q2）における少量の効果だけとの実質的な不一致を有し得る。図８は、P₁₁₄、P₁₁₆、ΔP = P₁₁₄ - P₁₁₆の時間依存性を示す。過渡的不一致ゆえに、過渡的領域（１００ｍTorr〜１０５ｍTorr）でのP₁₁₄のわずかな増加がある。この取るに足らない圧力上昇は、滑らかで、システム性能に効果を有さない。この圧力上昇は、P₁₁₆の過渡をより緩やかに調整することによって矯正される。しかし、システム性能に取るに足りない効果を与えたとしても最適化は実際には必要ではない。より重要なことに、図８は、チャンバ内の圧力が１０１ｍTorrで平坦になり、ΔP = P₁₁₄ - P₁₁₆が常にゼロよりも大きい、ことを示す。この重要な特性は、システムがドロー制御チャンバ１１６内から蒸着チャンバ１１４に戻る逆流に抵抗することを意味する。広範囲のバリエーションでシミュレートしてテストしたところ、この逆流に対する耐性が強靱で、Q3の主要ドリフト並びにバルブの非同期作動に不感性である。

追加の計算は、異なる５個のQ3値、すなわちQ3=９００、１０００、１１００、１２０、１３００sccmでのP₁₁₄の時間依存性をシミュレートする。P₁₁₄の計算値は、狭い範囲で変動した。たとえば、初期値１００ｍTorrで開始し、１００msec後、Q3=１３００sccmでP₁₁₄は約１１８ｍTorrで落ち着き、Q3=９００sccmでP₁₁₄は８４ｍTorrで落ち着いた。より重要なことに、ΔP = P₁₁₄ - P₁₁₆の計算値は、９００sccmと１３００sccmとの間のQ3のすべての値に対して常に正であった。ΔP=１２．５ｍTorr、時間＝０で開始すると、２０msec後、Δｐの計算値は約５ｍTorr〜７ｍTorrの範囲内であった。ゆえに、Q3における４０％変動にもかかわらず、チャンバ内の圧力は、比較的狭い範囲内で滑らかにドリフトする。加えて、圧力差ΔP = P₁₁₄ - P₁₁₆は、負にはならなかった。これは、システムが、非常に効果的に自己反応して、ドロー制御チャンバ１１６から蒸着チャンバ１１４に至る逆流を防止した、ことを示す。シミュレーション結果は、Q3の極端で現実味のないドリフト下でさえも、システム性能における効果は取るに足りないものであることを示した。当該分野で公知の方法及び設備機器を用いて、P₁₁₄における揺らぎを１００±５ｍTorrの範囲内に容易におさめるように、Q3を１１００±５０sccmに維持することができる。実施例１にて後述するように、本発明による例示的な実施形態の運転から得られる実際の実験データは、シミュレーション挙動を確認した。事実、SMFD ALDシステムは、１００ｍTorr〜５００ｍTorrの範囲内に投与圧力を制御しながら、適切に機能し得る４００sccm〜１５００sccmの範囲内でテストした。

システム堅牢度は、本発明による実施形態のすべての重要な側面にあてはまる。例えば、シミュレーションモデルの計算は、ドロー制御チャンバ１１６の容積に対するP₁₁₄の感受性をテストするために行った。ドロー制御チャンバ１１６の容積V₁₁₆は、１．５リットル〜１２リットルの範囲で変動させた。ドローガスの流量Q3（図６参照）は、１１００sccmに設定した。時間＝０、P₁₁₄ = 100 mTorrで開始し、P₁₁₄は９５ｍTorr〜１１５ｍTorrの範囲内にとどまった。対応するΔP = P₁₁₄ - P₁₁₆の計算は、実際にV₁₁₆に依存しなかったことを示した。同様の計算をQ3＝１２００sccm及びQ3＝９００sccmについても行い、V₁₁₆に対するP₁₁₄及びΔPの感受性が同様に小さいことを示した。これらの計算は、本発明によるSMFDシステムが認容することができる過渡的不一致の広い範囲を示した。

上述のシミュレーション計算は、定常状態化学投与流量Q1の値、５０sccmを用いた。シミュレーションモデルによる更なる計算をQ1の値２５sccm及び１００sccmについても設定した。これらのシミュレーションに対して、V₁₁₆=３リットル、２５sccmの場合に

１００sccmの場合に

であった。ドローガスの流量Q3を９００sccm、１１００sccm（理想ケース）及び１３００sccmについてシミュレートした。種々のシミュレート条件下でP₁₁₄の得られた計算値は、すべて、約８０ｍTorr〜１２０ｍTorrの範囲内にあった。これは、システムが安定で性能が確固不動のものであることを示す。シミュレーション計算は、さらにバルブ１１０及び１２１の非同期作動により生じるシステムの不安定性もまた、システム及び得られる僅かなP₁₁₄の揺らぎにより十分に吸収されることを示した。±５msecの同期不一致は、９００sccm〜１３００sccmのQ3値の範囲全体にわたり、システムにより十分に対処される。

P₁₁₄のずれは、設計値の１０％以内に制御され得る。このレベルにて、これらの圧力過渡は、何らの顕著な性能損失をもたらさない。１０％以内の小さな圧力増加は、パージ中、わずかなガス滞留時間の増加を引き起こす。それにもかかわらず、約１０¹⁴ｘのパージ効率の点から、パージ効率におけるわずかな減少（テストされたシミュレーション条件下で最悪でも約６ｘとシミュレートされる）は取るに足らないものである。したがって、化学物質投与遮断弁１１０、１１０’を閉じることにより引き起こされるP₁₁₄過渡は、大きな設計上の考慮点ではない。それにもかかわらず、これらの過渡は、必要であれば、以下の方法の一つ又は組み合わせを用いて、効果的に矯正され得る。（１）パージガス搬送ライン１０１、１０２、１０３（図１）を２本のラインに分割して、１０００sccm不活性パージを全体で１０００sccmとなる同一又は異なる処理量に分け：化学物質投与遮断弁を閉じると同時に、一方のパージガスラインを作動させ：次に、いくらかの遅れを持って第２のパージガスラインを作動させる；（２）ドロー制御チャンバ１１６の容積を減少させる；（３）ガス分配チャンバ（シャワーヘッド）１０４の容積を増加させる；及び（４）数ミリ秒の十分に制御された遅れを用いて、ドロー源遮断弁１２０を閉じ、次にパージ源遮断弁１０２を開く。例えば、０msec〜１０msecの範囲にある遅れを導入することによって、化学物質投与工程の開始時における化学物質投与バルブ１１０、１１０’及びドロー制御バルブ１２０（図１２）の間の同期を変化させる。５００msec以下のサイクル時間でAl₂O₃を堆積させるために最適化されたTMA投与工程及びH₂O投与工程の両者とも、テストした。テストした範囲内で、我々は、この全体のバルブ非同期の影響は本質的になかったことを知見した。

本発明によるいくつかの好ましい実施形態において、圧力調整は流れ調整と同期させた。たとえば、化学物質投与中のより高い圧力は、区画１１６への流量Q3（図６）を増加させることにより実行される。たとえば、シミュレーション計算は、Q3に対する蒸着チャンバ圧力P₁₁₄の半線形依存性を示した。したがって、P₁₁₄（ｍTorr）は、式：７．５＋０．０８５×Q3により近似される。H₂O投与の反応速度は、TMAが飽和してH₂Oが７０％飽和した条件下でAl₂O₃の堆積中に、テストした。定性的に、H₂O反応速度は、より高い投与圧力にて増強された。より高い圧力は、化学物質投与ステージ中、流束を増加させ反応をスピードアップさせるために有利であり得る。しかし、ほとんどのALDプロセスは、１０msec〜５０msec以内で、１００ｍTorr〜２００ｍTorrの範囲内の圧力にて、飽和に達した。したがって、圧力調整は典型的には必要ではない。さらに、異なる化学物質の異なる化学物質投与ステージ中に異なる圧力を用いる流れ及び圧力の同期調整の実行が可能であり、例えばドロー制御チャンバ１１６への３種の（選択可能な）異なるドローガス流量を推進するために、１２０及び１２１に平行な追加のドロー源シャットオフバルブ及びドロー源FREを要求する。平行な追加の遮断弁及びドロー源FREの例は、図１０に示したALDシステム５００に示されている。システム５００は、１２０及び１２１に平行なドロー源遮断弁５３０及びドロー源FRE５３２を具備する。

設計により、ALD化学は、固体膜を製造する。これらの膜は、ポンプ、バルブ及びゲージ内部に堆積されたならば、ダウンストリームマニホルドを加速度的に劣化させる。実用上及び費用の考慮により、ダウンストリームマニホルドにて維持され得る温度は２００℃以下に制限され、典型的には約１００℃以下である。したがって、ダウンストリームマニホルドの壁は、ALDタイプの化学物質の顕著な吸着及び多孔性で目の粗い堆積成長に影響されやすい。これらの低品位堆積は、ダウンストリームマニホルドを迅速に詰まらせ、さらにシステムにおける重篤な粒子汚染を引き起こす。加えて、メンテナンスは一般に、ダウンストリームマニホルドの完全な分解を要求し、洗浄プロセスは退屈で費用がかかる。

本発明による好ましい実施形態は、非基板表面上での化学物質の堆積に関連する問題を減少させ及び避けるために、化学物質排除を提供する。効果的な化学物質排除は、蒸着チャンバに出て行くプロセスガスストリーム（ドローへ）内に存在する未反応化学物質を取り除き、こうしてメンテナンスフリーのダウンストリームマニホルドを提供し、ポンプ、バルブ及びゲージの寿命を延ばす。この結果、多額の費用削減及び稼働時間の延長をもたらす。一体化された排除システムは、ALDシステムの性能又は効率に影響を与えずに、種々の設計で実行可能である。

本発明によるSMFD ALDシステム及び方法における蒸着チャンバから流出するプロセスガスストリーム（ドロー）は、慣用のALDシステムにおける未反応化学反応物質ガスの量のほぼ1/10を含む。このため、本発明による実施形態は、ほぼ完全な化学物質排除を達成するために特に良好に適する。加えて、ドロー制御チャンバ、例えば図１におけるドロー制御チャンバ１１６は、化学物質排除に良好に適する。なぜなら、強靱な逆流抑制により、蒸着チャンバ内の滞留時間とは結びつけられない非常に長期化された滞留時間により、及び最も重要なことに、不活性でも反応性でもよく且つ容易に除去可能な表面上もしくはドロー制御チャンバ内部にて容易にその場洗浄ができる表面上の高品位膜の実質的に効率的な堆積を誘引するために用いられ得るガスを高処理量で化学物質投与ステージ中に流すことができる能力により、特徴づけられるからである。

本発明による一体化された化学物質排除の目的は、ALD蒸着チャンバからのドロー中のプロセスガスから反応性化学物質を取り除き、こうしてさらに下流側での固体堆積物の低位品位堆積を防止するため、十分に画定された場所及び十分に画定され且つ費用効果的に維持可能な表面を提供することである。したがって、蒸着チャンバにできる限り近接して化学物質排除を行うことが望ましい。なぜなら、流路内での堆積成長なしに、さらに下流側に流出物を運ぶことは複雑で、費用がかかり、しばしば不可能だからである。一体化された排除の別の目的は、排除装置の容量を増加させ、要求されるメンテナンス間隔を延ばす、実質的に大きな表面上の高品位膜に化学物質を変換することである。

今日知られているほとんどのALDプロセスは、異なる２種の化学物質、例えばMLx及びAHyで実行されている。これらの化学物質の一方、典型的にはMLx（金属又は半導体原子を含む前駆体）は、他の前駆体よりも実質的に反応性である。化学物質排除は、より反応性の前駆体、例えばMLxが実質的に排除され、あまり反応性ではない前駆体、例えばAHyだけが流出出口に残る場合に、効果的に達成される。簡便には、固体製造前駆体MLxの排除は、効果的に残りの流出ガスを不活性で揮発性にする。結果として、固体堆積の成長は、効果的に抑制される。なぜなら、良好なALD前駆体は、定義によると、安定で単独では反応せず分解しない。金属前駆体MLxを排除することにより、ダウンストリームマニホルドにおける固体物質の蓄積は防止される。次いで、ポンプの上流又は下流で、慣用の公知の化学物質排除技術を用いて、あまり反応性ではない化学物質前駆体、反応副産物、及び他の揮発性化合物を取り除くことができる。

典型的には、ただ一つのALD前駆体、金属（又は半導体）含有前駆体MLx（例えばトリメチルアルミニウム）が固体堆積を作る。しばしば、他の前駆体AHy（例えばH₂O）が高圧にて好ましく投与されて、緩やかな反応を加速させる。必要であれば、SMFDは、AHyを１００％濃度でさえも投与することができる。したがって、排除プロセスは、MLxの全量又はほとんど及び典型的にはAHyの小画分のみを消費する。

任意の実際のALDシステム、慣用のALD又は本発明によるSMFD ALDは、効率的に運転されて、蒸着チャンバから出るALD前駆体をパージするためのパージ時間を最小にする。MLx前駆体は排除プロセスにより排除され得るが、AHy前駆体は排除スペースに蓄積する傾向にある。したがって、排除チャンバは、比較的大きな容積を有し、さらに高い表面積を含むものでなければならず、パージをより困難にし、AHy前駆体の蓄積の影響をより受けやすくする。最適化された高処理量ALDプロセス中、排除チャンバ内のAHyの有限の分圧の累積は、一般に避けることができない。排除膜（堆積）の品質は、AHyの分圧に逆に依存する。AHyの分圧が高いほど、膜の品位は低下する。排除の目的は、高品位膜堆積の成長を促進することにある。SMFDは、化学物質投与中にドロー制御排除チャンバを通るドローガスの高希釈流れを提供し、パージステージ中にパージガスのより高い流量を提供することにより、排除スペース内のAHyの分圧を効果的に減少させる。ゆえに、SMFDは、排除膜の改良された品質のための機構を本来的に提供する。

慣用のALDシステムにおいて、AHyの分圧の累積は、不利な排除チャンバから上流側に戻って蒸着チャンバに至るAHyの逆拡散を引き起こす。結果として、AHyは、蒸着チャンバ内に不利なCVDシグネチャーを作り得る。対比して、本発明によるSMFDは、AHyの累積した分圧を減少させることにより、並びに拡散を阻止する実質的に前向きの流れを提供することにより、ドロー制御排除チャンバからの潜在的な拡散を効果的に抑制する。

一体化された化学物質排除を有する本発明によるSMFDのある種の実施形態は、ALD化学物質を用いて、ドロー制御チャンバ内部に位置づけられた高表面積排除要素におけるCVD及びALD反応を促進する。たとえば、ホットプレート温度もしくは個別に制御された昇温された温度に維持されているドロー制御チャンバ２０８の熱い内壁２２５（図２）は、表面積が増加されている多孔性金属又はセラミックスを用いて製作される。ドロー制御チャンバ２０８内の高表面積及び比較的長い滞留時間は、効率のよい、最も反応性である化学物質の１００％近い枯渇のために設計される。こうして、ダウンストリーム固体堆積のほとんどは、その場以外（ex-situ）の洗浄のために取り除くことができるか又はチャンバ２０８内部にてその場洗浄ができる、取り外し可能なインサート上の高度に局部化された高品位膜に制限される。ドロー制御チャンバ２０８の外壁２２１（図２）は、その場洗浄が望ましくない場合には、取り外し可能なライナーにより保護される。

排除要素の設計及び物質組成、並びに多孔度は、ALDプロセスの特定の化学反応物質及びSMFD反応容器の設計に依存する。例示的な化学物質排除要素４００の設計は、図９に概略的に示されている。排除要素４００は、５０％多孔度、約５０μmのポアサイズ及び1/8インチの厚みを有する多孔性タングステンを含む。排除要素４００は、ウェハ加熱チャック２０５（図２）の底部にフランジ４０１を用いて取り付けられる。２つの要素４００がチャック２０５に取り付けられて、半径方向要素を形成する。２片のピースは、突き合わせ段差４０５で所定位置にロックするように設計されている。内壁４０２は、環状ドロー制御チャンバ２０８の内壁２２５（図２）を形成する。排除要素４００は、メンテナンス中に素早い組み立て及び分解に良好に適する２個の相補的なパーツから組み立てられる。外部リング４０３（図２には示されていない）は、追加の面積拡張を表し、ドロー制御チャンバ２０８の外壁２２１に非常に引接している。リング４０２及び４０３は、多孔性Ｗから同様に作られたいくつかのフィン４０４により相互に連結されている。一対の組み立てられた排除要素４００は、約１０００cm²〜２０００cm²巨視的面積（平坦なタングステンの面積）及び約１５，０００cm²から３０，０００cm²の実際の面積を与える。組み立てられた対は２リットルのドロー制御チャンバに嵌合し、高品位Al₂O₃膜を成長させるために通常用いられるTMA-H₂O ALDプロセス中に、蒸着チャンバから出るドローストリームからトリメチルアルミニウム（TMA）の約９９．９％を捕捉するように設計されている。

本発明によるSMFD装置及び方法を用いるAl₂O₃のALD堆積は、排ガスのストリームからのTMAの効果的な排除を示した。SMFDの良好な化学物質利用効率故に、及び慣用のALD装置と比較してSMFDは排除スペースを通る不活性ガスの高い連続フローによってAHyをより低いレベルに本来的に維持するので、ドロー制御チャンバ内に位置づけられた排除表面上での良好な品質のAl₂O₃膜の成長が達成された。飽和をいくらか上回った高H₂O投与条件下で、排除要素のある領域における低品位膜のいくらかの成長が観察された。高品位排除膜は、透明で、良好なインターフェアレンスパターンを有していた。対比して、低品位膜は、白色粉末状の外観を有していた。したがって、排除装置及び方法は、ドローガスの流量を増加させることにより、さらにH₂O利用性を改良し、同時にドローチャンバ内のH₂Oの追加の希釈が提供された。したがって、TMA排除は、TMA投与工程中及び少し後のTMA投与工程の完了時に、ドロー／排除チャンバへのオゾンの緩やかな流れを注入することによりもっと改良された。このオゾンの注入は、後述するように、ALDプロセスと同期されていた。

ドロー制御チャンバが小容量（例えば、１リットル以下）である場合、又はALD前駆体が排除要素４００に提示される温度にて十分早くは反応しない場合、又はより小さい面積の排除要素が（チャンバメモリを抑圧することにより）AHy累積効果を減少させるためにもしくは費用を低減させるために望ましい場合、本発明による実施形態は、以下の方法その他の１種又は数種を用いて、ALD性能を犠牲にせずに、排除効率を増加させるように変更される。

MLx化学物質の化学物質投与ステージ中に不活性ガスに代えてもしくは不活性ガスに加えて、ドロー制御チャンバ１１６に反応性排除ガスを流すことは、化学物質排除を増強する。選択された反応性ガスの添加は、反応性CVD経路を提供し、排除要素の領域上に高品位固体膜堆積を発生させ、こうして、プロセスストリームから化学物質を排除する。例えば、TMAの化学物質投与中のドロー制御チャンバ１１６へのオゾンの添加は、排除表面上のAl₂O₃ CVD膜の非常に効率的な堆積を引き起こす。オゾン排除プロセスは拮抗し、実質的により小さな領域表面で効率的な排除を可能としながら、ALD前駆体間での望ましくないCVD反応に優位する。このアプローチは、ほとんどのALDプロセスについて容易に実行され、排出流出部からほとんどの反応性前駆体（例えば金属）を排除する。オゾンは、発生させることが容易で、MKS ASTeX AX8400など種々の適切な商業的オゾン発生器が入手可能である。

ドロー制御チャンバ１１６のガス力学又は滞留時間に負の影響を与えずに、第２の別個の排除要素を有する排除スペースのより大きな容積を提供することは、化学物質排除を増強する。図１０は、排除及び実質的なガス滞留時間のために大きな表面積を提供する別個の排除チャンバ５０２を具備する本発明によるSMFD ALDシステム５００を概略的に示す。未反応化学物質前駆体を含有するガスは、ドロー制御チャンバ１１６から流出して、ドロー制御FRE１１７に流通する。排除チャンバ５０２での化学反応の後、ガスは、排除チャンバFRE５０４を通して真空ポンプ１２５へ流れる。ある種の実施形態において、排除チャンバ５０２とドロー制御チャンバ１１６との間に連続流体連通状態に、隔離ゲートバルブが位置づけられ、蒸着チャンバにて真空を遮断する必要性なしに、排除チャンバの稼働を可能とする。さらに、上述のような反応性ガスは、排除チャンバ５０２の効率及び堆積の品質をさらに改良するために有用である。ある種の実施形態において、不活性ガス保護導管を用いて、ドロー制御チャンバ１１６と排除チャンバ５０２との間の導管区域内での堆積成長を防止することができる。このタイプの導管の設計は、１９９８年１０月２７日発行のYoufan Guの米国特許U. S. Patent No. 5,827,370（本願明細書に参照として組み込む）に記載されている。

排除チャンバ５０２内部でプラズマを発生させることは、化学物質排除をさらに増強する。Arなどのプラズマ形成ガスは、プラズマ特性を改良するために有用であり、ドロー制御ガスの一部又は全体として提供され得る。

図１０におけるシステム５００は、さらに、オゾン発生器を具備する。酸素は、酸素源５１０からオゾン発生器５１２に供給され、ここで酸素は連続的にオゾンに部分変換される。O₂/O₃の混合物は、オゾン真空バルブ５１４及びオゾン真空FRE５１６を通って、真空ポンプ１２５まで通過する。前駆体の一つ、例えばMLxの化学物質投与中に、排除が必要な場合、O₂/O₃の混合物は、オゾン混合物がオゾン源FRE５２２を通って排除チャンバ５０２に流入するように、真空バルブ５１４を閉じて、オゾン源バルブ５２０を開くことにより、排除チャンバ５０２内に送られる。

本発明によるSMFDシステムに対するメンテナンス手順は、用途に応じて変わる。一般に、その場メンテナンスが好ましい。ドロー制御チャンバ１１６及び／又は排除チャンバ５０２のその場メンテナンスは、システムの逆流抑制特性を用いて好ましく行われ、さもなければ蒸着チャンバ１１４を損傷するかもしれないチャンバ１１６及び５０２の積極的な洗浄を提供する。例えば、シリコン又はタングステン化合物は、NF₃、ClF₃その他のフッ素源で排除され得る。最初に、蒸着チャンバ１１４及びドロー制御チャンバ１１６内の堆積が穏やかな手順で洗浄されて、ウェハチャック、ウェハリフトピンなどの蒸着チャンバ内部の感受性要素に対する潜在的な損傷を防止する。蒸着チャンバが洗浄されると、蒸着チャンバはガス分配チャンバを通しての不活性ガスの緩慢なフローによって保護される。次に、ドロー制御チャンバ１１６及び排除チャンバ５０２内部のより実質的な堆積を実質的により積極的な洗浄手順で洗浄し、逆流抑制が高レベルフッ素及び他の強力な種の蒸着チャンバに対する影響を防止する。

他の一般的な場合において、Al₂O₃、HfO₂などの有用なALD膜はその場洗浄することはできない。これらの場合、取り除き可能なインサート（挿入体）を蒸着チャンバから取り除いて、清浄なインサートで置換する。

上述のように、一体化された排除は、メンテナンススケジュールを延ばし、性能劣化を効果的に抑制する。堆積は、ほとんどの場合、ピーリングなしに１００μmよりも厚い厚さまで成長し得る高品位膜に制限される。したがって、システムがその場洗浄され得ない場合であっても、多数のウェハをメンテナンスによる中断なしに処理することができる。加えて、メンテナンス手順は、２，３のパーツの置換及び再認定のための停止時間を数時間の業界標準まで減少する。さらに、排除は、ダウンストリームライン及び成分から固体堆積を排除する。

一般に、圧力に対する能動制御を実行することは必要ではない。図６及び式（１６）、（１７）及び（１８）に関して記載したように、SMFD ALDチャンバ内の圧力は、多数のFRE、並びにドローガス源１０１、パージガス源１０１及び化学物質源１０５（図１）などのガス源の制御された圧力によって決定される。さらに、ポンプ排気速度ドリフトが蒸着チャンバ圧力P₁₁₄及びガスフローとドローに僅かに小さな効果を生じさせることは知られている。したがって、ポンプ、例えばFRE１１７の出口（図１）における圧力の能動制御は、一般に不要である。それにもかかわらず、必要な場合もしくは望ましい場合には、能動圧力制御は、メカニカル（ターボ分子、ドライポンプ、ルート−ブロワーなど）ポンプの速度を制御するなどの慣用の技術により、又は一般的なスロットル装置を用いることにより、真空ポンプにて実行される。あるいは、図１１に示すように、本発明によるシステム５００は、ドロー制御チャンバ１１６から下流側でドロー制御FRE１１７と真空ポンプ１２５との間に位置づけられた圧力制御チャンバ５６０を具備する。圧力制御FRE５６２は、圧力制御チャンバ５６０と真空ポンプ１２５との間に位置づけられている。不活性ガス（例えば、ドローガス源１０１から）は、比例バルブ５６４を通って、FRE５６６を通って、圧力制御チャンバ５６０まで通過する。圧力は、適切な圧力ゲージ、例えばキャパシタンスマノメータ５６８により計測される。FRE１１７の下流側に十分に制御された圧力を提供することは、ポンプドリフトに対する追加の安定性を与える。フィードバック制御は比較的緩慢な変化を補償し、任意の早い変化、例えば１０秒よりも早いスケールでの変化は電気的にフィルターがかけられる。

本発明によるフローとドローとの同期調整は、化学物質投与を非常に低い流量で可能とする。一般に、小容量のドロー制御チャンバは、大容量のものよりも好ましい。第一に、小容量ドロー制御チャンバは、システムに素早いドロー制御応答を与える。第二に、小容積は、パージステージ中に、大容積よりもより効率的にパージされる。例えば、２００mmシリコンウェハの処理用に適切に設計された約４００ccの容積を有する蒸着チャンバは、１００cc以下の容積を有するドロー制御チャンバと一緒に良好に運転する。

本発明による実施形態は、比較的低い化学物質投与フロー及びドローによって特徴づけられる。慣用のALD装置において、数百sccmの典型的な化学物質投与流量は、ガスの比較的高い置換によって、拡散を大幅に抑制する。対比して、本発明による実施形態においては、化学物質投与流量は設計により小さい（例えば５０sccm未満）。小さなドロー制御チャンバ容積は、パージステージ中に、効果的にパージされ、こうして、残留化学物質を取るに足りない低レベルまで抑制する。加えて、化学物質投与ステージ中の典型的に高いドローガス流量は、さらに、残留化学物質の濃度を希釈する。したがって、拡散は効果的に抑制される。

それにもかかわらず、排除を行うことができる大容量ドロー制御チャンバを利用することがしばしば望ましい。したがって、ドロー制御チャンバ内の排除要素は、ドロー制御チャンバの内の化学物質の効果的な滞留時間を大幅に増加させる。システム１００において、図１に示したように、化学物質投与中に維持されている蒸着チャンバからの小さなドローは、大容量制御チャンバが実装される場合、蒸着チャンバへの拡散逆流による物質搬送を抑制するために十分なガス置換を必ずしも提供するとは限らない。たとえば、３００℃におけるN₂中H₂Oは、N₂の２００ｍTorr中約３０００cm²／secの拡散定数Dを有する。したがって、ドロー制御チャンバ１１６から上流の蒸着チャンバ１１４へのH₂Oの拡散は、ある状況下で、H₂Oのかなり大きな流束を蒸着チャンバ１１４に送る。

したがって、ある種の好ましい実施形態において、効果的な逆流拡散の抑制は、蒸着チャンバとドロー制御チャンバの間に、小容量ドローガス導入チャンバ（DGIC）を備えることにより得られる。DGICから上流の蒸着チャンバへの逆流拡散は、実際は無視できる。大容量（及び設計によっては長いメモリ）ドロー制御排除チャンバからDGICへの拡散、及び続く蒸着チャンバへの拡散は、DGICからドロー制御チャンバへのドローガスの高い流量により抑制される。

図１２は、高品位ALD薄膜を提供するため、DGICを具備し且つ本発明により運転される、例示的なSMFD ALDガスマニホルドシステム６００を概略的に示す。
システム６００は、圧力安定化不活性ガス導管６０２を具備し、ここから不活性パージガス及び不活性ドローガスが流れる。不活性ガスシリンダ６０４は、当該分野で公知のガス圧力レギュレータを介して圧力コントローラ６０６に接続されている。例えば、MKS 640A型圧力コントローラが適切である。質量流量計６０８は、定常状態流れ条件下での流量を簡便に画定し測定する。導管６０２における圧力のうねりは、ガス予熱容器６１０により、例えば０．１％以下の適切なレベルまで抑制される。例えば１．５リットルのガス容器６１０の容積が選択されて、圧力のうねりを抑制して、ALDガスマニホルドの温度又は任意の他の選択された温度に実質的に到達するために不活性ガスに対する十分な滞留時間を提供する。

不活性ガスフローは、導管６０２にて、パージFRE１０３を含むALDパージライン６１２及びドロー制御ライン１１９に分けられる。別の実施形態（図示せず）は、別個の圧力コントローラと、マニホルドのパージ部分及びドロー部分用の加熱容器とを含む。本発明によれば、マニホルドの完全な分離、異なる別個のガス源の使用、パージ制御及びドロー制御用の異なるガス温度を含むパージガス搬送及びドローガス搬送の多くの異なる配置を実行することができる、ことが当業者には理解される。

加圧されたガス導管６０２は、パージ源FRE１０３及びパージ源遮断弁１０２を介して、ガス分配チャンバ１０４と連続流体連通状態にある。好ましい実施形態において、バルブ１０２とFRE１０３との間の容積から生じる圧力の急激な上昇を最小化するように、FRE１０３の機能は設計され、遮断弁１０２の構造に組み込まれて、単一の装置を作る。

パージガスは、パージ源遮断弁１０２及びパージ源流量制限要素（FRE）１０３を通って、通常はシャワーヘッドであるガス分配チャンバ１０４に供給される。図１２に示すように、パージ源遮断弁１０２及びパージ源FRE１０３は、パージガス源１０１とガス分配チャンバ１０４との間に連続流体連通状態を与える。純粋な化学物質ガスの形態である化学反応物質前駆体、液体又は固体化学物質からの蒸気、又は不活性ガスとのガス化学物質の蒸気との混合物が、複数の化学物質ガス源１０５、１０５’における十分に制御された圧力にて、提供される。化学物質ガス源１０５は、化学物質源FRE１０６を介して、ブースターチャンバ１０７と連続流体連通状態に接続されている。ブースターチャンバ１０７は、化学物質投与遮断弁１１０及びブースターFRE１０９を介して、ガス分配チャンバ（シャワーヘッド）１０４と連続流体連通状態に接続されている。図１２に示すように、化学物質投与遮断弁１１０及びパージ排気遮断弁１０８は、接合部１２３から枝分かれするシステムのガスマニホルドシステムの平行な分枝中に、単純な２方向バルブを具備する。

図１２に示すように、第２の化学物質ガス源１０５’は、化学物質ガス源１０５に関する記載に対応する装置を有するシャワーヘッド１０４に接続されている。
好ましい実施形態において、単一の装置を作り、FRE１０９とバルブ１１０との間の容積に生じる圧力のうなりを最小化するように、FRE１０９の機能は設計され、化学物質投与遮断弁１１０の構成に組み込まれる。同様に、追加の化学物質源、例えば化学物質ガス源１０５’は、対応するマニホルド要素１０６’、１０７’、１０９’及び１１０’を介してフロー分配チャンバ１０４に接続される。

ガス分配FRE１１３は、ガス分配チャンバ１０４と原子層蒸着チャンバ（ALDC又は蒸着チャンバ）１１４との間に連続流体連通状態を提供する。ガス分配チャンバ１０５がシャワーヘッド装置である好ましい実施形態において、ガス分配FRE１１３は、通常、ノズル列１１３である。ノズル列は、ガス分配チャンバ１０４から、加熱された基板ホルダー６２０を包含する蒸着チャンバ１１４へ、制限された均一な流れを提供する。蒸着チャンバ１１４は、蒸着チャンバFRE１１５を介して、小容量ドローガス導入チャンバ（DGIC）６３０に連続流体連通状態に接続されている。不活性ドローガス源６０４は、ドローガスライン１１９、ドロー源遮断弁１２０及びドロー源FRE１２１を介して、DGIC６３０に連続流体連通状態に接続されている。ドローガス導入チャンバ６３０は、DGIC-FRE６３２を介して、ドロー制御チャンバ（DC）１１６に連続流体連通状態に接続されている。化学物質排除要素６３４は、ドロー制御チャンバ１１６内部に配設されている。ドロー制御チャンバ１１６は、ドロー制御出口１２４及びドロー制御FRE１１７を介して、ポンプチャンバ６３６に連続流体連通状態に接続されている。圧力ゲージ６３８は、ドロー制御チャンバ１１６に接続されている。圧力ゲージ６３８、例えば、MKS Baratoron model 628 型は、プロセスの始めから終わりまで、例えばドロー制御チャンバ１１６内の平均圧力をモニターする。同様に、他のプロセスモニター装置（図示せず）、例えばガス分析器をドロー制御チャンバ１１６に簡便に接続させることもできる。低圧ゲージ６６４、例えばHPS I-Mag冷陰極ゲージをポンプチャンバ６３６に取り付けて、あそび時間中、チャンバ圧力をモニターする。ターボ分子ポンプ６４０は、ポンプ排気ゲートバルブ６４２を介してポンプチャンバ６３６に接続され、あそび時間中に高真空を容易にし、ALD運転中に高処理量流れを容易にする。例えば、BOC-Edwards STPAシリーズから選択されるポンプが適切である。２００mmシリコンウェハ上のALD堆積に対する良好な性能は、STPA 1303Cポンプを用いて得られた。ターボ分子ポンプ６４０は、バッキングポンプ６４２を用いて排気される。例えば、BOC QDP40又は等価物は、バッキングポンプ６４２として十分に作用する。本発明による他の実施形態において、より高いポンプ排気速度のポンプ配置、例えばBOC EdwardsからのQMBシリーズなどは、当該分野で公知のように、ドライポンプの遠隔位置配置を容易にする。

ある種の実施形態において、反応性ガスは、ドロー制御チャンバ１６に添加されて、化学物質排除を増強する。したがって、システム６００はオゾン供給マニホルドを具備する。酸素又は酸素−窒素混合物は、ガスシリンダ６５０から供給される。質量流量コントローラ６５２は、市販のオゾン発生器６５４へのガスのフローを制御する。例えば、MKS Astex AX8407シリーズオゾン発生器は、SMFDシステム６００にて十分に機能する。オゾン発生器６５４からの出力は、オゾンモニター６５６によりモニターされ、オゾン濃度フィードバック制御安定化を可能とする。圧力コントローラ６５８、例えばMKS 640A型は、オゾン発生器６５４内部の選択された一定圧を維持する。オゾン発生器６５４の正確な運転のために必要とされる制御された流れ及び圧力を維持しながら、DC１１６へオゾンを脈動させるために、オゾン槽６６０は、オゾン発生器６５４内部の圧力へのオゾン脈動の衝撃を抑制するために選択された容積を有する。これは、オゾン発生器６５４内での所望の流れ及び圧力を維持しながら、ドロー制御チャンバ１１６への反応性オゾンの脈動を可能とする。圧力コントローラ６６２は、オゾン槽６６０内の圧力を制御する。オゾン供給マニホルドを実質的に室温に維持することにより、またオゾン発生器６５４とＤＣ１１６との間の停滞容積を最小化することにより、オゾン分解はシステムマニホルド６００内で最小化される。例えば、停滞容積は、図１２において、バルブ６６４と接合部６６８との間のデッド区間により概略的に示される。オゾンは、二重壁ラインの内側管状部材を介してオゾン遮断弁６６４及びオゾン源FRE６６６に供給され、内側管状部材及び外側管状部材の間の戻り流により圧力コントローラ６６２の入口に供給される。この態様において、停滞スペースでのオゾン枯渇の影響は、バルブ６６４と接合部６６８との間のデッド区間を１cc未満まで減少させることにより、最小化される。好ましくは、オゾン排除触媒変換器６７０をポンプ６４２の出口に配設して、大気中へのオゾン放出を抑止する。

好ましい実施形態において、化学物質投与遮断弁１１０，１１０’の機能は、図１３に示すような多重ポート化学物質導入バルブ７００に一体化された。バルブ７００は、入口７０１から出口７０２に至るパージガス経路を含む。化学物質ラインは、当該分野で公知であるように、標準的な接続、例えばVCR又はｃ−シール、例えばVCR2コネクター（1/8インチ標準面シール）７０６を用いて接続されている。化学物質は、流路７１６を通して供給される。バルブは、シール７１２を用いてバルブ本体７１８に対して外部からシールされている、通常は閉じられているアクチュエータ７０８によりシールされている。アクチュエータ７０８が作動していないとき、オリフィス７１４は、エラストマー７１０により動的にシールされている。アクチュエータ７０９について示されているように、アクチュエータが作動するとき、流路は開く。この設計は、バルブマニホルドに関連するデッド区間を最小化する。なぜなら、７１４の容積は１〜５×１０^-4ccに維持され得るからである。ミリ秒及びミリ秒以下の範囲での応答時間で電気的に作動されるバルブは、アクチュエータとして最も適切である。例えば、Parker HannifinのGeneral Valve Divisionにより製造されたシリーズ99ポペット弁（puppet valve）は、信頼できる性能で実装される。長さ２mm、直径２mm（〜０．０００４cc容積）であるガス経路７１４を有する設計バルブ７００は、５００sccm〜１２００sccmの範囲のパージガス及び２Torr〜１０Torrの範囲の圧力の条件下で、テストされ、適切に機能した。化学物質導入バルブ７００は、図１におけるライン１１２などのバルブデッド区間パージ排気ラインの必要性を排除することにより、ALDマニホルド設計を簡略化する。追加の簡略化は、図１における１０８などの化学物質パージ排気バルブの必要性を排除することにより達成される。

図１２のシステム６００に対応する例示的なSMFD ALDシステムは、反応物質ガストリメチルアルミニウム（TMA）及びH₂Oを用いてAl₂O₃を堆積させるために、本発明によるSMFD ALDを行うように設計され構築された。例示的なシステムの図１２の参照符号を用いて区別された種々の成分の説明は、下記Table 2に含め、適切な物理的設計、寸法及び機能的特性を記入した。例示的なシステムの運転中に設定し、計測し又は計算したプロセスパラメータの好ましい値は、Table 3に掲載した。Table 3の下に掲載した定義及び注意書きは、番号（１）〜（１１）によりTable 2及び3において参照される。

Table 2及び3についての定義及び注意書き：
１．ＭＦＭ−質量流量計
２．２００mTorr及び３００℃でのＮ₂
３．しかし、SMFDは、特に円形ではない基板をコーティングするために、線形流設計又は他の任意の設計であってもよい。
４．２５０Torr及び１４０℃でのＮ₂
５．２０Torr及び１４０℃でのH₂O
６．１２Torr及び１４０℃でのＴＭＡ
７．２５０Torr及び３５℃でのＮ₂
８．２５０Torr及び３０℃でのO₂
９．１４０℃でのＮ₂当量
１０．Epichemデータに基づく
１１．計算した
例示的なSMFD ALDシステムにおいて、化学物質投与遮断弁１１０、１１０’の機能は、図１３に示すような多重ポート化学物質導入バルブ７００に一体化させた。

反応物質ガストリメチルアルミニウム（TMA）及びH₂Oを用いるAl₂O₃のSMFD ALD堆積は、Table 2及び3に特定した装置及び運転パラメータを用いて本発明に従って行った。バルブ１０２、７００及び１２０は、本発明に従って、TMA投与、TMAパージ、H₂O投与及びH₂Oパージを含むALDサイクルを効果的に行うように作動させた。投与時間及びパージ時間を変えて、結果を研究して、以下のような最小の投与時間及びパージ時間を決定した。

薄膜及びガス組成物の計測により、好ましい運転条件として、下記の結果を得た。

加えて、オゾンを用いて、排気ストリームからTMAを除去して、排除要素６３４（図１２）上に高品位堆積を製造することにより、効果的な排除を容易にした。特に、Table 3に記載したプロセスに関して、粗アルミニウムから作った僅かに３０００cm²までの面積を有する排除要素を用いた。オゾンを直接、図１２に示す装置によるドローチャンバに供給した。１５０sccm〜２５０sccmの範囲内の流量を効果的に実行した。

SMFDは、標準的な半導体ウェハでの秒以下のサイクル時間でALDを実行可能とした。例えば、４５０msecのサイクル時間での２４０サイクルを用いて、２００mmウェハを並はずれた均一性及び再現性で被覆した。図１４は、Table 2及び3に掲載したシステム及び運転パラメータを用いて堆積させたAl₂O₃薄膜のウェハ均一度マップである。基板ヒーターは３００℃に設定した。Woollam M-44偏光解析装置を用いて膜を計測した。均一度マップは、３．５mmエッジ除外での交差パターンにて計測した３４個の計測点を含む。ウェハノッチの方向を示す。４５０msecサイクル時間条件下でのウェハ−ウェハ再現性は、累積した厚みの１４００Åでテストした０．２％（１σ）よりも良好である。１４００Åは、５０Å厚を有する典型的な２５ウェハロット（総合で１２５０Å）と比較するために、ウェハ−ウェハ再現性の標準として用いた。累積した厚みが数ミクロンの堆積の後、チャンバメンテナンスなしに、いかなる大きな劣化もない適切な性能が維持された。

SMFDは、研究目的の＜１cm²から大型の＞１ｍ²まで広範囲の基板面積サイズの基板に膜を堆積させるために有用である。基板の物理的寸法は、ALDチャンバの形状及び容積を指定し、ほとんどの設計特性及びプロセスパラメータの倍率変更を指定する。本明細書に記載した本発明の実施形態は、特に実施例１において、主として２００mm半導体ウェハの処理用に設計されたものである。異なる半導体技術分野並びに他の用途分野における異なるサイズの基板及び製造要求について、本発明によるSMFDシステム及びプロセスを倍率変更することができることは、当業者には明らかである。加えて、ほとんどの装置及びプロセスは、真空ポンプの特性でパラメータスケールを設計する。したがって、システム性能及び装置設計は、真空ポンプの選択に縛られる。特に、Table2及び3に例示した実施形態は、BOC Edwards-セイコー精機STPTA 1303Cで適切に利用され得る最大流量すなわち約１５００sccmと指定されている。

図１５及び１６は、好ましいALD反応容器８００の断面図を概略的に示す。図１５に図示されているように、反応容器８００は、容器内部８０８を画定する反応容器壁８０２、反応容器頂部８０４及び容器底部８０６を具備する。反応容器８００は、ガス分配チャンバ（シャワーヘッド）２０１を包含する。シャワーヘッド入口８０９は、頂部８０４にて、シャワーヘッド２０１への化学反応物質ガス及びパージガスの入口として作用する。ノズル列（FRE）２０２は、ガス分配チャンバ２０１の底部をALD蒸着チャンバ（プロセスチャンバ）２０３から分離する。基板２０４は、熱伝導性金属（例えば、W、Mo、Al、Ni）又はホットサスセプター（hot susceptor）及びチャックとして当該分野で通常用いられている他の物質から作られた、加熱されたウェハチャック（基板ホルダー）２０５上に担持されている。ウェハチャック２０５は、ウェハリフトピン機構８１０を含む。ウェハ搬送は、当該分野で公知のように、リフトピン８１２（３個のピンのうち１個だけを図示した）の補助によって達成される。ウェハリフトピン８１２は、アクチュエータ８１４及び浮揚アーム８１６を用いて、ウェハ基板２０４をチャック２０５の上面よりも上に持ち上げるように作動する。蒸着チャンバ２０３は、蒸着チャンバFRE２０６により限定される。ドローガス導入チャンバ（DGIC）８２０は、蒸着チャンバ２０３から下流側でFRE２０６とDGIC-FRE８２２との間に位置づけられている。ドロー制御チャンバ（DC）２０８は、DGICから下流側に位置づけられており、DGIC-FRE８２２及びドロー制御FREバッフル２０９によって限定される。化学物質排除要素８２４は、ドロー制御チャンバ２０８内部に配設される。スペーサ８２６は、化学物質排除要素８２４及びドロー制御FREバッフル２０９の加熱されたウェハチャック２０５との直接熱接触を与える。

ドローガス入口８３０は、ドローガスマニホルド（図示せず）とドローガスプレナム８３２との間に連続流体連通状態を提供する。当業者は、多くの異なる形状でのドローガスプレナム８３２を実装することができ、図１５及び１６に示した実施形態は非限定的実施例である。図１５に示すように、ドローガス入口８３０は、半径方向プレナムスペース８３２と連続流体連通状態にある。半径方向プレナムスペース８３２は、半径方向ノズル列（図示せず）を介してDGIC８２０とさらに連通する。ノズルは、適当に離隔されており、DGIC８２０へのガスの半径方向フロー分配を均一にし且つDGIC８２０の上流部分へドローガスを送るように設計されている。当業者は、蒸着システムの対称性、たとえば、図１５及び１６に示されたシステムの径方向対称性に従わせるために、ドローガス及び反応性排除ガスのフローを適切に均一にすることの重要性を理解する。

場合によっては、反応性ガスは、反応性ガスマニホルド（図示せず）からライン８４０を介して反応性ガスプレナム８４２に送られる。反応性ガスプレナム８４２は、ドローチャンバ２０８への反応性排除ガスの均一な半径方向フロー分配を方向づけるように作用する。たとえば、反応性ガスは、適切に離隔されて設計されている複数の水平方向ノズルを介してドローチャンバ２０８と連通している半径方向チャネルに送られる。当業者は、本発明に従って、反応性ガスプレナムシステム８４２が多くの異なる形状で実装され得ることを理解することができる。

ALD処理中、パージステージ中のパージガス及び化学物質投与ステージ中の化学反応物質ガスが、プロセスガス流路に沿って、シャワーヘッド入口８０９から下流側方向にある反応容器内部８０８を経由して、シャワーヘッド２０１、蒸着チャンバ２０３、DGIC８２０及びドロー制御チャンバ２０８をこの順番で経由して流れ、真空ポンプポート２１０を経由して反応器８００から流出する。同様に、DGIC８２０に導入されたドローガスは、DGIC８２０から下流側方向に流れ、ドロー制御チャンバ２０８に流入し、次いで、真空ポート２１０を経由して流出する。本明細書で用いられている「下流側」及び「上流側」とは、通常の意味である。上記に説明したように、ガスの逆流、すなわち「上流」方向でのガスの流れが決して生じないことが、本発明による実施形態の特性である。本明細書にて、用語「上流（アップストリーム）」は、しかし、システムの成分及びパーツの相対位置を指定するために用いられる。

反応容器８００は、さらに、周囲スロットバルブ（PSV）８５０を含む。図１５及び１６に示すように、PSV８５０は、反応容器壁８０２を貫通する基板搬送スロット８５２と、反応容器壁８０２内にある連続周囲空隙８５４（図１６）と、連続周囲シーリングポペット弁８５６と、シーリングポペット弁８５６を開位置（図１６）と閉位置（図１５）との間で移動させるアクチュエータ８５８と、を具備する。シーリングポペット弁８５６は、閉位置にあるとき（図１５）に周囲空隙８５４内に入るように移動し、開位置（図１６）にあるときに周囲空隙８５４から出るように移動する。基板搬送スロット８５２は、基板ホルダー２０５の基板支持表面と実質的に面一である。周囲空隙８５４は、基板搬送スロット８５２と実質的に面一である。基板搬送スロット８５２は、シーリングポペット弁８５６が開位置（図１６）にあるとき、基板ホルダー２０５まで反応容器壁８０２を貫通する基板搬送チャネルを画定する。シーリングポペット弁８５６は、閉位置（図１５）にあるとき、基板搬送スロット８５２を容器内部８０８から分離する。

図１６に示すように、反応容器壁８０２は反応容器壁内に容器周囲８６０を画定し、シーリングポペット弁８５６は閉位置（図１５）にある時容器周囲８６０を限定する。周囲空隙８５４は、蒸着チャンバ２０３及びDGIC８２０を空隙が連続的に取り巻く、という意味で連続している。シーリングポペット弁８５６は、閉位置にあるとき、蒸着チャンバ２０３及びDGIC８２０を取り巻く周囲空隙８５４を連続的に塞ぎ、こうして内部８０８を基板搬送スロット８５２から及び容器８００外部から連続的にシールする、という意味において連続している。図１５及び１６に示すように、反応容器壁８０２は実質的に半径方向対称形状であり、シーリングポペット弁８５６は実質的に半径方向対称形状である。本発明による反応容器８００及びPSV８５０の他の実施形態は、他の幾何学的形状を有し得ることは理解されるべきである。図１５に示すように、閉位置にあるシーリングポペット弁８５６は、容器内部８０８にプロセスガス流路の内側シーリング壁８６２を形成する。内側シーリング壁８６２は、半径方向対称形状を有し、プロセスガス流路に沿ってのガスの半径方向対称流れを促進し、こうして、均一な堆積を増長し、固体堆積の形成を減少させる。図１５に示すような反応容器８００の特定の実施形態において、内側シーリング壁８６２の一部は、DGIC８２０の一部を画定する。図１６に示すように、PSV８５０は、固定上部シーリング表面８７０と、固定上部シーリング表面８７０に対応する上部ポペット弁シーリング表面８７２と、上部周囲シール８７３と、固定下部シーリング表面８７４と、固体下部シーリング表面８７４に対応する下部ポペット弁シーリング表面８７６と、下部周囲シール８７７と、を具備する。上部シーリング表面８７０及び８７２、下部シーリング表面８７４及び８７６、周囲シール８７３及び８７７は、シーリングポペット弁８５６が閉位置（図１５）にあるとき、容器内部をシールするように構成されている。

図１６に示すように、上部周囲シール８７３及び下部周囲シール８７７は、それぞれ、ポペット弁シーリング表面８７２及び８７６上に組み立てられる。さらに、シール８７３及び８７７は、Ｏ−リングとして構成される。異なるタイプのシール、例えば平坦なガスケットシールが有用であり、シール８７３及び８７７はポペット弁シーリング表面８７２及び８７６上ではなく固定シーリング表面８７０及び８７４上に組み立てられてもよいことは明らかである。シール８７３及び８７７として適切な材料としては、Viton、Kalrez、Chemraz又は等価物から作られたエラストマー材料を挙げることができる。

基板搬送スロット８５２及びスロット８５２を介して連通している関連するウェハ搬送システムは、PSV８５０が閉じているとき、反応容器内部８０８内のALDプロセスシステムから完全に隔離されている。

本発明による好ましい実施形態の運転は、化学物質投与中に、DFICの先端への不活性ガスの高い流量が、８０４と８５６との間及び８５６と８０２との間に形成される半径方向空隙内での潜在的な膜形成に対する良好な保護を与えるに十分であった、ことを明らかにした。したがって、PSVは、メンテナンスサイクルに不利な影響を与えずに実行された。

図１７は、プロセスチャンバ内の非中心対称流れ用に設計された本発明によるSMFDシステム９００を概略的に示す。本発明による好ましい実施形態は、主として中心対称流れシステムに関して記載したが、当業者にはSMFD設計が他の流れ設計にも適用可能であることを理解したであろう。典型的には、蒸着チャンバ及び流路の設計が、基板の形状及び基板温度を制御するための選択方法について最適化されるべきである。たとえば、半導体ウェハ等、基板の一側面に堆積する傾向にある円形の薄い基板は、加熱可能なチャックを支持する底部を有する中心対称システムに最もよく適するであろう。しかし、中心対称システムは、実質的に円形ではない基板に最もよく適するものではない。たとえば、図１７のSMFDシステム９００は、棒状又は管状基板９０５上の効率的な堆積のために設計されている。基板は、好ましくは実質的に同一の幾何学的寸法（基板９０５に対して）を有する細長いチャンバ９０４内に配設されている。たとえば、蒸着チャンバ９０４は、基板９０５よりも１０ミリメートル幅広のガラス管から作られているものでもよい。基板９０５は、クランプ９１４によって端部にて支持される。加熱は、例えば、誘導コイルにより、あるいは慣用の炉加熱ジャケット内部に蒸着チャンバ９０４を置くことにより、なされてもよい。ガスは、９０１からガス分配チャンバ９０２に供給され、さらにノズル列９０３により分配される。蒸着チャンバ９０４は、FRE９０６を介してDGIC９０７に接続される。DGIC９０７は、SMFD方法の原理に従い、ドロー制御ガス９１６と一緒に供給される。DGIC９０７は、さらに、FRE９０８を介してDC９０９に接続されている。排除要素９１５は、DC９０９内に位置づけられている。反応性ガス入口９１７は、DC９０９に接続され、効率的な排除を容易にする。DC９０９は、さらに、FRE９１０を介してポンプ区画９１１に接続されている。ポンプ区画９１１は、フォアライン９１２を経由してポンプ９１３により排気される。好ましくは、ポンプ排気は、BOC Edwards iQMB 1200F又はBOC Edwards IPX500A又は等価ポンプを用いて、達成される。

本発明により設計され運転されるシステム、装置及び方法は、ALD技術において特に有用である。しかし、広範囲の状況及び用途にもまた、フロー及びドローの同期調整、SMFDは有用である。本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、記載された特定の実施形態の多数の使用及び変更を当業者がなすことができることが明らかである。ある例において、記載された工程は、異なる順番で行われてもよく、あるいは等価な構造及びプロセスを記載された構造及びプロセスと置換してもよいことも明らかであろう。本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、上述のシステム及び方法にいくつかの変更がなされ得るから、上述の記載に含まれるか又は添付図面に示されているすべての主題は説明のためであり、限定する意味ではない。したがって、本発明は、特許請求の範囲に記載されたシステム、装置及び方法に存在するか又はこれらが本来有している各新規な特徴及び特徴の新規な組み合わせを包含するものとして解釈されるべきである。

図１は、本発明による同期調整フロー・ドロー（SMFD）ALDシステムの基本的な実施形態のフローダイアグラムを示す。 図２は、本発明によるSMFD ALD反応容器の概略断面図を示す。 図３は、シャワーヘッド圧力の計算値が、シャワーヘッドにおける開口型ノズル列設計及び好適なチューブ型ノズル列設計に対する化学物質投与流量の関数としてプロットされたグラフを示す。 図４は、化学物質投与ステージの初期に化学物質のブースター発生過渡脈動のある場合及びない場合のシャワーヘッド及び蒸着チャンバについて、部分化学物質投与量（化学反応物質ガスによる不活性パージガスの置換）が、化学物質投与時間の関数としてプロットされているグラフであり、化学物質投与効率におけるブースターチャンバの効果を示す。 本発明によるALDの実施形態についての実際の化学物質使用量と、当該分野で現在実施されているものとして慣用の連続流プロセスと、を比較するグラフを示す。 図６は、本発明によるSMFD ALDシステムを通るガスの種々の流れストリームの概略図である。 図７は、Q3を１１００sccmに設定した場合の流量Q1、Q2及びQ4（図６参照）の時間依存性の計算値を示すグラフである。 図８は、（図６の）Q3を１１００sccmに設定した場合の蒸着チャンバ圧力、ドローチャンバ圧力、及びこれらの差圧ΔＰの時間依存性を示す。 図９は、本発明による化学物質排除要素の一例の設計を示す概略図である。 図１０は、ドロー制御チャンバから下流側の独立の排除チャンバを含む補の発明によるALDシステムのフローダイアグラムを示す。 図１１は、能動圧力制御チャンバを含む本発明によるALDシステムのフローダイアグラムを示す。 図１２は、本発明によるDGICを含むSMFD ALDシステムの一例の概略図を示す。 図１３は、本発明により用いられる多重ポートガス搬送バルブを示す。 図１４は、薄膜厚が、本発明によるSMFD ALD装置及び方法を用いてAl₂O₃が堆積された２００ｎｍウェハ基板上のウェハ−位置の関数としてプロットされている３次元グラフを示す。 図１５は、本発明によるDGIC及びPSV（閉位置）を包含するALD反応容器の好ましい実施形態の概略断面図を示す。 図１６は、PSVが開位置にある場合の図１５の反応容器を示す。 図１７は、プロセスチャンバ内での非中心対称流れ用に設計された本発明によるSMFDシステムの概略図を示す。

Claims (4)

1. 第１の化学反応物質投与工程を行い、次いで第１のパージ工程を行い、第２の化学反応物質投与工程を行い、次いで第２のパージ工程を行うことを含む原子層蒸着方法であって、
   蒸着チャンバ、該蒸着チャンバの下流に位置づけられているドロー制御チャンバ及びドロー制御ガス源を設ける工程、
   該ドロー制御ガス源からのドロー制御ガスを該ドロー制御チャンバ内に流して蒸着チャンバのドロー流量を決定する工程、
   第1の化学反応物質投与工程を行うことは、選択された第１の投与流量及び該第１の投与流量とは無関係である選択された第１の投与圧力で、第１の化学反応物質ガスを該蒸着チャンバに流すことを含み、
   第1のパージ工程を行うことは、選択された第1のパージ流量及び該第１のパージ流量とは無関係である選択された第１のパージ圧力で、第１のパージガスを該蒸着チャンバに流すことを含み、
   選択された第1の投与流量及び選択された第1の投与圧力で第1の化学反応物質ガスを流すことは、蒸着チャンバへの第1の化学反応物質ガスの第1の投与流量を制御することと；及び独立に、第1の投与ドロー制御ガス流量でドロー制御ガスを蒸着チャンバの下流側にあるドロー制御チャンバを通して流すことにより、及び第1の投与ドロー圧力を達成するように第1の投与ドロー制御ガス流量を制御することにより、蒸着チャンバから出る第1の化学反応物質ガスの第1の化学物質ドロー流量を第1の投与流量に実質的に一致させることを含み、
   選択された第1のパージ流量及び選択された第1のパージ圧力で第1のパージガスを蒸着チャンバに流すことは、蒸着チャンバへの第1のパージガスの第1のパージ流量を制御することと；及び独立に、第1のパージドロー制御ガス流量でドロー制御ガスを蒸着チャンバの下流側にあるドロー制御チャンバに流すことにより、及び第1のパージドロー圧力を達成するように第1のパージドロー制御ガス流量を制御することにより、蒸着チャンバを出る第1のパージガスの第1のパージドロー流量を第1のパージ流量に実質的に一致させることを含む、ことを特徴とする方法。
2. 第２の化学物質投与工程を行うことは、選択された第２の投与流量及び該第２の投与流量とは無関係である選択された第２の投与圧力で、第２の化学反応ガスを該蒸着チャンバに流すことを含み、
   第２のパージ工程を行うことは、選択された第２のパージ流量及び該第２のパージ流量とは無関係である選択された第２のパージ圧力で、第２のパージガスを該蒸着チャンバに流すことを含み、
   選択された第２の投与流量及び選択された第２の投与圧力で、第２の化学反応物質ガスを流すことは、蒸着チャンバへの第２の化学反応物質ガスの第２の投与流量を制御することと；蒸着チャンバから下流側のドロー制御チャンバに第２の投与ドローガス流量でドロー制御ガスを流すこと、及び第２の投与ドロー圧力を達成するように第２の投与ドロー制御ガス流量を制御することを含み、
   選択された第２のパージ流量及び選択された第２のパージ圧力で、第２のパージガスを蒸着チャンバに流すことは、蒸着チャンバへの第２のパージガスの第２のパージガス流量を制御することと；蒸着チャンバから下流側にあるドロー制御チャンバを通して第２のパージドロー制御ガス流量でドローガスを流すこと、及び第２のパージドロー圧力を達成するように第２のパージドロー制御ガス流量を制御することを含む、ことをさらに特徴とする請求項1に記載の方法。
3. 選択された第1の投与流量及び選択された第1の投与圧力で第1の化学反応物質ガスを流すことは、
   蒸着チャンバへの第1の化学反応物質ガスの第1の投与流量を制御することと；及び独立に、蒸着チャンバの下流側のドロー圧力を制御することにより第1の投与流量と蒸着チャンバから出る第1の化学反応物質ガスの第1の化学物質ドロー流量との間の不一致を故意に発生させ、圧力移行期間中に蒸着チャンバ内の第1の投与圧力が実質的に変化して当該不一致を実質的に減少させ、こうして第1の化学物質ドロー流量を第1の投与流量に実質的に一致させることを含む、ことをさらに特徴とする請求項1に記載の方法。
4. 選択された第２の投与流量及び選択された第２の投与圧力で、第２の化学反応物質ガスを流すことは、
   蒸着チャンバへの第２の化学反応物質ガスの第２の投与流量を制御することと；及び独立に、蒸着チャンバの下流側のドロー圧力を制御することにより、第２の投与流量と蒸着チャンバから出る第２の化学反応物質ガスの第２の化学物質ドロー流量との間の不一致を故意に発生させ、圧力移行期間中に蒸着チャンバ内の第２の投与圧力を実質的に変化させて当該不一致を実質的に減少させ、こうして第２の化学物質ドロー流量を第２の投与流量に実質的に一致させることを含む、ことをさらに特徴とする請求項２に記載の方法。

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