JP5001656B2

JP5001656B2 - 半導体ウェハ処理方法

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Publication number: JP5001656B2
Application number: JP2006541584A
Authority: JP
Inventors: ジャイアノラキス，スティーヴン; ジャナカイラマン，カーシック
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2003-11-19
Filing date: 2004-11-19
Publication date: 2012-08-15
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Description

発明の背景

[0001]半導体ウェハ処理システムは、一般に、プロセスチャンバーを備え、該チャンバー内にはプロセス領域付近に半導体ウェハを支持するためのペデスタル又はサセプタがある。チャンバーは、プロセス領域を一部分画成する真空エンクロージャーを形成する。ガス分配アセンブリ又はシャワーヘッドが１つ以上のプロセスガスをプロセス領域へ提供する。次いで、ガスを加熱し及び／又はそれにエネルギーを供給して、プラズマを形成し、ウェハに対して幾つかのプロセスを遂行することができる。これらのプロセスは、ウェハに膜を堆積するための化学気相堆積（ＣＶＤ）を含んでもよいし、又はウェハから材料を除去するためのエッチング反応を含んでもよい。

[0002]半導体デバイスのサイズ及び複雑さが増すにつれて、ウェハ上のスペースが益々貴重なものとなる。従って、デバイスをウェハの中心付近だけでなく、ウェハの外縁にできるだけ接近して配置することも望ましい。ウェハ周囲付近のデバイスの場所は、ウェハ処理ステップの半径方向均一性に対する需要を高めた。その結果、半導体製造プロセスがほぼウェハ全面にわたって均一性を達成できれば、望ましいことである。

[0003]図２は、従来のシャワーヘッド２２０を伴う従来の堆積チャンバー２１０を示している。従来のシャワーヘッド２２０は、その下面２２５にある複数の等離間されたホール２２２を特徴とする。プロセスガスは、２１５で示された方向に沿って、入口パイプ２１４を経てシャワーヘッド２２０へ流れ込む。ホール２２２は、シャワーヘッド内で方向２１８に沿ってプロセスガスを分配するように働く。プロセスガスは、ホール２２２を経てシャワーヘッドを出て、半導体ウェハ２３０の面と相互作用する。シャワーヘッド内のガスの空間的分布が、半導体ウェハ表面にわたって分布されるガスの均一性を決定する。

[0004]堆積プロセス中に、プロセスガスは、半導体ウェハ２３０の上面２３５に流れて、この面２３５又は他のガス状種と反応し、希望の膜２３６をウェハ表面２３５に形成する。ガスは、ウェハの縁を越えて方向２３８に流れ、環状の排気ポート２５０を通して排気される。

[0005]図２に示す従来の堆積チャンバーでは、排気ポート２５０に到達するために、シャワーヘッドによりウェハの中心上に導入されたプロセスガスは、一般に、ウェハ表面に沿って半径方向に且つ方向２３８に沿ってウェハの縁を越えて流れる。それ故、ガスがウェハの縁に向かって半径方向に流れるときに、ガス状種の速度が高くなることがある。

[0006]堆積プロセスでは、堆積率は、通常、半導体ウェハ表面への反応種の流れに依存する。反応種の速度が半径方向において高くなる場合には、堆積率が、ウェハの中心付近より、ウェハの周囲付近の方が大きくなって、膜厚みを非均一にすることがある。

[0007]それ故、この技術では、半導体ウェハに堆積される膜の均一性の改善を示す装置が要望される。

発明の概要

[0008]本発明による実施形態は、ワークピースの表面上にプロセスガスを分配するためのシステム及び方法に関する。本発明の一実施形態によれば、プロセスガスは、供給源から、複数のオリフィスを画成するガス分配シャワーヘッドを通してワークピースの面へ流される。ガス分配シャワーヘッドは、ウェハ表面の上から材料を除去するための複数の排気オリフィスも特徴とする。シャワーヘッドの排気オリフィスにより与えられる補足的排気は、ウェハ表面を横切る半径方向の流れに起因するガス速度の変化を減少するように働き、これにより、ウェハの縁・対・ウェハの中心の処理の均一性を向上させる。

[0009]本発明による装置の実施形態は、プロセスチャンバーを包囲する壁と、チャンバー内に位置されたウェハサセプタとを備えている。第１の排気コンジットがチャンバーに流体連通すると共に、プロセスガス源がガス分配シャワーヘッドを通してチャンバーに流体連通する。ガス分配シャワーヘッドは、プロセスガス源、及びシャワーヘッドの下面に分布したアパーチャーと流体連通する第１チャンネルと、この第１チャンネルとは別個のもので、第２排気コンジット、及びシャワーヘッドの下面に分布した排気アパーチャーに流体連通する第２チャンネルとを備えている。

[0010]半導体ワークピースを処理するための本発明による方法の実施形態は、ガス分配フェースプレートに位置された第１の複数のオリフィスを通して半導体ワークピースへプロセスガスを流すステップを備えている。チャンバー排気ポート、及びガス分配フェースプレートに位置された第２の複数のオリフィスを通して、半導体ワークピース上からガスが除去される。

[0011]チャンバー内で半導体ウェハを処理するための本発明による方法の実施形態は、半導体ウェハをチャンバーに挿入するステップと、第１の排気ポートを通してチャンバーをガス抜きするステップとを備えている。シャワーヘッドの表面に配置された第１セットのオリフィスを通して少なくとも１つのプロセスガスが導入される。第１排気ポートを通してガスが除去されると共に、シャワーヘッドの表面に位置された複数のオリフィスを通してガスが除去される。

[0012]半導体ウェハに堆積される膜の特性の均一性を制御するための本発明による方法の実施形態は、プロセスチャンバーにウェハを位置させるステップと、フェースプレートに位置された第１の複数のオリフィスを通してウェハにガスを導入するステップとを備えている。フェースプレートに位置された第２の複数のオリフィスを通してガスが除去されると共に、半径方向の排気経路を横切ってガスが同時に除去される。

[0013]本発明のこれら及び他の実施形態、並びにその特徴及び幾つかの潜在的な利点は、添付図面を参照して以下に詳細に説明する。

発明の詳細な説明

[0032]本発明による実施形態は、ワークピースの表面上にプロセスガスを分配するシステム及び方法に関する。本発明の一実施形態によれば、プロセスガスは、供給源から、複数のオリフィスを画成するガス分配シャワーヘッドを通してワークピースの表面へ流される。又、ガス分配シャワーヘッドは、ウェハ表面の上から材料を除去するための複数の排気オリフィスも特徴とする。シャワーヘッドの排気オリフィスにより与えられる補足的排気は、ウェハ表面を横切る半径方向の流れに起因するガス速度の変化を減少するように働き、これにより、ウェハの縁・対・ウェハの中心の処理の均一性を向上させる。

[0033]図３Ａは、本発明の一実施形態による堆積チャンバー３００を示す。プロセスガスは、二重チャンネルフェースプレート３１１を伴うシャワーヘッド３１０を通してチャンバーに入り、半導体ウェハ３２０の表面上に配置された円筒状体積部３０５へと流れ込む。チャンバーへのプロセスガスの流れは、シャワーヘッドの下面のフェースプレートを通して延びる矢印３１２で示されている。ウェハの面積、及びウェハとフェースプレートとの間の距離により画成される円筒状体積部３０５は、反応領域とも称される。堆積ガスが互いに反応し且つ半導体ウェハと反応すると、半導体ウェハ３２０の上面に膜３２１が堆積される。

[0034]サセプタの縁を通過した後、ガスは、一次又はメイン排気ポート３４０を通して排気され、この排気ポートは、ある実施形態では、ホール３４９を含むセラミックリング３４１によりプロセスチャンバーから分離されてもよい。ウェハ表面付近の領域からこの排気経路を通過する排気ガスは、サセプタ３３０の周縁に置かれた矢印３２２で示されている。このメイン排気ポート３４０は、この排気ポートを通して流れる排気ガスの量を制御することにより希望のプロセス圧力を維持するに充分な容量を有する。

[0035]本発明による実施形態では、排気ガスの量は、特定のレシピで識別される。ある実施形態では、このメイン排気ポートは、プラズマを持続するに充分な低い圧力をプロセスチャンバー内に確実に維持するに充分な容量を有する。又、ポート３４０を通してガスを排気することで、非反応ガスがチャンバーから排気されずにウェハの表面へと戻される場合に生じ得る再堆積を最小にする。

[0036]オペレータは、ウェハ対フェースプレートの距離に基づく種々のプロセスパラメータの影響を補償するために、半導体ウェハ３２０とフェースプレート３１０との間の距離の制御を望むことがある。このようなプロセスパラメータは、反応種の濃度、反応種の滞在時間、及び温度を含むが、これらに限定されない。

[0037]サセプタの縁の周りに設けられた一次排気経路３２５に加えて、本発明による実施形態は、二重チャンネルシャワーヘッドを通る追加の補足的排気経路も提供する。より詳細には、図３Ａの矢印３１４及び３１６は、フェースプレート３１１の下面を通ってシャワーヘッドの側部から出る補足的排気経路を示している。図３Ａに示すように、シャワーヘッドに接続された排気管路３１８は、メインチャンバー３００の外側に引き回され、経路３１４及び３１６に沿って流れる補足的シャワーヘッド排気ガスを、経路３２２に沿って流れる一次半径方向排気ガスから分離させる。補足的排気ガスの流量及び圧力に対して制御を与えるために、排気管路３１８にはバルブ３４６が設置される。図３Ａに示す特定の実施形態では、メイン排気ポート３４０に接続された排気管路３４２と、シャワーヘッドの補足的排気経路に接続された排気管路３１８は、チャンバー３００の外部で再接合され、同じフォアライン(foreline)ポンプ３４４に接続される。一次排気ガスの流量及び圧力に対して制御を与えるために排気管路３４２にはバルブ３４８が設置される。

[0038]図３Ｂは、シャワーヘッド３６０に接続された排気管路３６７がチャンバー３５０の内部に保持される本発明による別の実施形態を示す。プロセスガスは、二重チャンネルフェースプレート３６１を伴うシャワーヘッド３６０を通してチャンバーに入る。チャンバーへのプロセスガスの流れは、シャワーヘッドの下面のフェースプレートを通して延びる矢印３６２で示されている。堆積ガスが互いに反応し且つ半導体ウェハと反応すると、半導体ウェハ３７０の上面に膜３７１が堆積される。サセプタ３５５の外縁付近のギャップは、一次排気経路を画成する。ウェハ表面付近の領域からこの排気経路を通過する排気ガスは、サセプタ３５５の周縁に置かれた矢印３７２で示されている。

[0039]シャワーヘッド３６６からの排気ガス及び半径方向排気ガス３７２は、領域３６８で合成され、真空ポンプ３７４によりメイン排気ポート３７３を経て除去される。チャンバー３５０を排気するために、単一のフォアラインポンプが排気ポート３７３に接続される。

[0040]本発明による付加的な実施形態が図３Ｃに示されている。図３Ｃに示すプロセスチャンバーアーキテクチャーでは、一次ポンプ３９０及び二次ポンプ３９１の両方がチャンバーからガスを排気する。

[0041]プロセスガスは、二重チャンネルフェースプレート３７８を伴うシャワーヘッド３７７を通してチャンバー３７６に入る。チャンバーへのプロセスガスの流れは、シャワーヘッドの下面のフェースプレートを通して延びる矢印３８５で示されている。堆積ガスが互いに反応し且つ半導体ウェハと反応すると、半導体ウェハ３８１の上面に膜３８２が堆積される。

[0042]一次ポンプ３９０は、半径方向排気経路３８６に沿ってガスを排気し、二次ポンプ３９１は、補足的排気経路３８７及び３８８に沿ってガスを排気する。

[0043]サセプタ３８０の外縁付近の環状排気ポートは、堆積ガスのための排気経路を画成する。ウェハ表面付近の領域からこの排気経路を通過する排気ガスは、サセプタ３８０の周縁に置かれた矢印３８６で示されている。シャワーヘッド３７７に接続される排気管路３９５は、メインチャンバー３７６の外部へ引き回され、シャワーヘッド排気ガス３８７及び３８８を半径方向排気ガス３８６から分離させる。

[0044]図３Ｃに示す実施形態では、メイン排気ポート３９４に接続された排気管路３９６が一次フォアラインポンプ３９０に接続される。シャワーヘッドに連通する補足的排気管路３９５に接続された排気管路３９３には、個別のフォアラインポンプ３９１が接続される。従って、図３Ｃに示す実施形態では、別々のポンプが、別々の半径方向排気経路及び補足的排気経路からガスを排気する。

[0045]更に、図３Ｃに示す実施形態では、排気管路３９６にはバルブ３９７が配置され、排気管路３９３にはバルブ３９２が配置される。本発明のある実施形態では、バルブ３９２及び３９２は、一次排気経路と補足的排気経路との間に差のポンピング圧力を生じさせるように使用されてもよい。

[0046]ある実施形態では、排気経路専用のフェースプレートの面積が、フェースプレートの中心からの半径方向距離の関数である。二重チャンネルフェースプレートにより与えられる付加的な排気経路は、当業者が、ウェハの中心からの半径方向距離の関数としてプロセスパラメータに対して正確な制御を与えることで、堆積プロセスを最適化できるようにする。これらのパラメータは、反応種の濃度、反応種の滞在時間、担体ガスの濃度、ガスの流速、及び反応領域のガス圧力を含んでもよいが、これらに限定されない。

[0047]本発明の実施形態による二重チャンネルフェースプレートアーキテクチャーを使用して堆積プロセスを最適化することで、ウェハ表面にわたる膜厚みの均一性を高めることができる。又、プロセスの最適化で、ウェハの中心からの半径方向距離の関数として、膜の厚み、密度、屈折率、誘電率又は他の膜特性の優先的変化を生じさせることもできる。

[0048]図４Ａは、本発明の一実施形態による分配／排気シャワーヘッドの細部を示す拡大断面図である。シャワーヘッド４００は、大きなチャンバー４４０の一構成要素である。分配／排気シャワーヘッド４００のこの実施形態は、フェースプレート４０５の下面の種々の場所に配置されたガス分配アパーチャー４１０を備えている。プロセスガスは、分配チャンネル４１０及び分配アパーチャー４１１を通して注入され、線４１２に沿って流れ、半導体ウェハ４３０の上面に接触する。排気ガスは、線４１８に沿って流れ、次いで、半導体ウェハ４３０の縁を越えて半径方向に排気されるときに排気経路４１９を通して流れる。本発明のある実施形態では、排気経路４１９は、一次排気経路と称されてもよい。

[0049]又、分配／排気シャワーヘッド４００は、フェースプレート４０５の下面の種々の場所に配置されたガス排気アパーチャー４１５も備えている。付加的な排気ガスは、半導体ウェハ４３０の上面付近の領域から、ガス排気アパーチャー４１５及びガス排気チャンネル４１６を通して流れる。これらの排気ガスは、線４１７に沿って流れ、反応チャンバーから排気される。本発明の一部の実施形態では、チャンネル４１６を通る排気経路は、補足的排気経路と称される。排気チャンネル４１９及び排気チャンネル４１６を通して排気されるガスのパーセンテージは、他のファクタの中でも、ウェハの表面に沿ったガス圧力並びに一次及び二次排気チャンネル内のガス圧力に依存する。

[0050]図４Ｂは、本発明によるフェースプレートの実施形態を示す部分底面図である。この実施形態では、ガス分配アパーチャーは、フェースプレートの底部にわたり種々の場所に配置された注入ホール４５０を含む。ガス排気アパーチャーは、フェースプレートの底部にわたり種々の他の場所に配置された排気ホール４５５を含む。

[0051]ここに取り上げる簡単な部分底面図（図４Ｂ−図８）では、図示及び説明を容易にするために円筒状の対称的な特徴が省略されている。図４Ｃ−４ＣＡは、図４Ｂ−図８に示された簡単な部分底面図が、より大きなフェースプレート設計にいかに関係しているか示している。これらの部分底面図は、図４Ｃに示すフェースプレート４７５の部分４８５についての、図４ＣＡの拡大図４８０を表わしている。従って、当業者に明らかなフェースプレートの円形特性に関する細部は、これらの底面図から省略されている。

[0052]反応ガスが半導体ウェハの表面に到達する前に混合されないことを堆積プロセスが要求する場合には、ガスが表面に到達する前に混合するのを防止するために、ガス分配チャンネル及びそれに対応するアパーチャーを細分化することができる。本発明の譲受人に譲渡された参考としてここに援用する米国特許第６，０８６，６７７号は、プロセスガスを、混合せずに、共通のフェースプレートを通してプロセス領域に配送できるフェースプレート及びガス分配マニホールドアセンブリを説明している。

[0053]図４Ｂに示す実施形態では、ガス分配アパーチャーを含むフェースプレートの面積を加算して、合成（又は合計フェースプレート）分配面積を決定することができる。同様に、排気アパーチャーを含むフェースプレートの面積を加算して、合成（又は合計フェースプレート）排気面積を決定することができる。図４Ｂに示す実施形態では、合成分配面積と合成排気面積との比が約４：１である。更に、合成分配／排気面積のこの比は、フェースプレートの表面にわたって一定である。

[0054]本発明の実施形態によれば、ガス分配アパーチャー及びガス排気アパーチャーの両方の数は、種々のプロセスガスの比及び流量を最適にするように選択することができる。例えば、一実施形態によれば、排気アパーチャーの数、ひいては、排気アパーチャーの面積は、プロセス要件に基づいてガス状種の局部的な流れを制御するようにフェースプレートの位置の関数として変化させてもよい。

[0055]或いは又、ガス分配及び排気アパーチャーの数を変化させるのに加えて、ガス分配及び排気アパーチャー両方のサイズをプロセス要求に基づいて変化させることができる。小さなアパーチャーサイズが望ましい実施形態では、少数の大きなアパーチャーで得られるのと同じアパーチャー面積を得るように、多数の小さなアパーチャーをフェースプレートに配置することができる。逆に、少数の大きなアパーチャーが望ましいことを特定の用途で命令される場合には、本発明による実施形態は、この目標を達成するように必要な融通性を発揮する。

[0056]図４Ｂに示す実施形態は、分配／排気面積比が半径方向距離の関数として一定であることを特徴とするが、これは、本発明により要求されることではない。別の実施形態によれば、分配アパーチャー面積と排気アパーチャー面積との比は、プロセスの均一性又は変化を必要に応じて促進するようにフェースプレートにわたって変化させてもよい。

[0057]従って、図５は、排気アパーチャー５２０の数を、図４Ｂに示されたものより増加して、合成排気面積を増加する本発明の別の実施形態を示す。この実施形態では、分布アパーチャー５１０の数は、不変に保たれる。図４Ｂに示すガス排気アパーチャーのサイズを増加して同様の作用を達成し、同じ数の分配及び排気アパーチャーを維持しながら、合成分配面積と合成排気面積との比を減少することができる。

[0058]ある堆積用途では、半導体ウェハを、堆積プロセス中に水平面内でスピンすることができる。ウェハをスピンすると、求心力によりウェハ表面に沿ってガスの流れが増加することがある。従って、図６は、堆積膜の半径方向均一性を更に確保するために使用できる本発明の別の実施形態を示す。この部分底面図において、ウェハの中心からの半径方向距離６３０が増加するにつれて、排気アパーチャー５２０の数が増加する。それ故、図６の実施形態は、ウェハの中心からの半径方向距離が増加するにつれて付加的な排気アパーチャー面積を与える。図６の実施形態は、ガス分配面積とガス排気面積との局部的な比を、ウェハの中心からの半径方向距離の関数として増加する。これに対して、図７は、排気アパーチャー面積が半径方向距離６３０と共に減少する別の機能的関係を示す。

[0059]本発明によるある実施形態では、排気面積の増加を、式１で示すように、半径方向距離に対して直線的とすることができる。図６は、２つの排気ブロックの各グループで単位面積当たり付加的な排気アパーチャー５２０だけ排気面積が増加するので、段階的な直線関係を示している。

面積_排気＝Ｋ・距離_半径方向（式１）
[0060]しかしながら、別の実施形態では、シャワーヘッドにおける排気アパーチャー面積の増加は、半径に対して非直線的でもよい。このような非直線的な関係は、例えば、半径方向距離の平方と共に排気面積を増加するように、距離と共に単調に増加又は減少する関数の形態をとることができる。

[0061]図８は、ウェハの中心で始めて、排気アパーチャー面積が半径方向距離と共に増加し、最大値に到達し、次いで、半径方向距離がフェースプレートの半径へと増加するにつれて減少するような更に別の機能的関係を示す。当業者であれば、他の種々の非直線的な関係も明らかであろう。アパーチャーサイズの減少及びアパーチャー密度の増加は、図６、７及び８に示す段階的変化を「平滑化」するように働くことができる。

[0062]上述した実施形態は、ガス分配面積とガス排気面積との局所的な比の変化を半径方向距離の関数として生じさせるように局所的な排気面積を増加又は減少させる。或いは又、ウェハの中心からの半径方向距離の関数としての局所的なガス分配面積を、希望の結果を得るように変化させることもできる。排気面積の変化に関して説明するように、ガス分配アパーチャーのサイズ及び数を、反応種の希望の分布を得るように変化させることもできる。

[0063]上述したように、サセプタは、垂直方向に制御可能に並進移動できる。サセプタの垂直移動は、ウェハのロード及びアンロード操作や、堆積中にウェハからフェースプレートまでの距離を変化させるために、しばしば使用される。

[0064]堆積中のウェハからフェースプレートまでの距離の変化は、体積プロセスに多大な影響を及ぼし得る。通常、堆積プロセスは、ウェハとフェースプレートとの間に広い間隔（≧１５０ミル）を使用している。１５０ミル以下の間隔では、反応領域におけるガス圧力がウェハ表面にわたって非均一になり、ウェハの縁の圧力が、通常、ウェハの中心の圧力より小さくなることがある。ウェハ周囲のこの圧力低下は、反応種の濃度を下げると共に、ウェハ縁における堆積を減少させる。

[0065]しかしながら、本発明の実施形態によるフェースプレートを使用すると、ウェハの縁に対応する排気面積を増加させて、ウェハの縁への反応種の流れを増加することにより、この縁の希薄化に反作用することができる。図６に示す特定の実施形態は、排気面積が半径方向距離と共に増加するので、このような用途に有用である。半径方向距離と共に排気面積の非直線的増加を示す別の実施形態も有用である。

[0066]他の用途では、処理速度及びスループットを向上させるために、ウェハとフェースプレートとの間の間隔を１５０ミル未満に減少することを要求する場合もある。シャワーヘッドがウェハに接近し、反応領域の体積が減少するにつれて、ウェハの中心付近に分布した反応種は、より長い滞在時間を経験し、ウェハの中心付近に堆積される膜の厚みがより大きくなる。

[0067]従って、本発明のある実施形態では、ウェハの中心付近で排気ガスの流れを増加して、反応種の濃度を局所的なスケールで減少し、その結果、堆積率を減少するために、シャワーヘッドに付加的な排気面積を設けることができる。図７は、このような実施形態を示すもので、排気アパーチャーの数、ひいては、排気面積は、フェースプレートの中心の方が縁付近より大きい。排気アパーチャーの数を変えることとは別に又はそれに関連して、個々の排気アパーチャーのサイズを増加して、排気面積の同じ増加を達成することもできる。

[0068]更に別の処理システムでは、サセプタ又は他の支持構造体が、非均一な温度分布を特徴とすることがある。例えば、サセプタアセンブリの張力ストレスや考えられる割れを招くことなくサセプタの迅速な冷却を可能とするように、サセプタの中心の温度をサセプタの周囲より高い温度に維持することができる。堆積率は、一部分、温度の関数であるので、サセプタの中心の温度が高いと、サセプタの縁に対して局所的な堆積率を下げることがある。本発明の実施形態は、ウェハの中心付近の排気流を増加して、反応種の濃度、ひいては、反応率を高めることにより、このような非均一な堆積に反作用することができる。

[0069]又、基板の種々の領域に異なる処理形態を課そうとする要望が他の処理ステップの指図のために生じることがある。例えば、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）技術は、ＣＶＤにより堆積された材料の層を平坦化するために広く利用されている。しかしながら、完全に平坦なウェハ表面を形成するのではなく、ＣＭＰプロセスは、それ自体、表面の平坦性及び膜厚みに半径方向変化を招き得る。それ故、ＣＭＰ技術を利用するあるプロセスでは、特別に仕立てられた非均一な厚みプロフィールをもつ膜の堆積が要望されることになる。

[0070]従って、本発明による実施形態を使用して、ＣＭＰプロセスの非均一作用に反作用するように、ウェハの中心からの半径方向距離の関数として非均一な厚みを有する膜を堆積することができる。このような２段階の堆積／研磨プロセスの最終的な結果として、希望の厚み均一性を示す膜が形成される。

[0071]本発明による実施形態は、半導体ウェハを処理する多数の方法をシステムオペレータに与えるものである。例えば、図９Ａは、本発明により堆積システムを運転できる方法９００を示すフローチャートである。第１に、ステップ９１０において、当業者に知られた手段により堆積チャンバーにウェハを挿入する。ステップ９１２において、チャンバーを密閉し、低い圧力へガス抜きする。図９Ａに示す実施形態では、一次ポンプに接続されたフォアラインのバルブを開くことにより、チャンバーをガス抜きすることができる。別の実施形態では、二次排気ポンプ、又は一次及び二次の両ポンプの組合せに接続されたフォアラインのバルブを開くことにより、チャンバーをガス抜きすることができる。本発明によるある実施形態では、チャンバー内のプラズマ発生をサポートするに充分なレベルまで圧力を下げることができる。例えば、５乃至２０トールの圧力まで圧力を下げることができる。

[0072]チャンバーが希望の圧力に到達すると、ステップ９１２において、シャワーヘッドのフェースプレートに配置された複数のオリフィスを通してチャンバーにプロセスガスが導入される。これらガス分配アパーチャーの数、サイズ及び分布は、前記で広範囲に説明した。プロセスガスは、半導体ウェハの上面に流れて、その面又は他のガス状種と反応し、ウェハ表面上に希望の膜を形成する。

[0073]プロセスガス及び反応副産物は、ステップ９１６において一次半径方向排気経路を通して且つステップ９１８においてシャワーヘッドの排気チャンネルを含む二次排気経路を通して、チャンバーから同時に排気される。これら別々の排気経路を通過するガス量の比は、各経路の排気管路に設置されたバルブの相対的な位置により制御できる。

[0074]堆積プロセスが完了すると、ステップ９２０において、プロセスガスの配送を中止する。ステップ９２２及び９２４では、各々、チャンバーを大気圧に復帰し、ウェハを除去する。

[0075]図９Ｂは、本発明により堆積システムを運転する方法の別の実施形態を示すフローチャートである。方法９０１のステップ９３０において、堆積チャンバーにウェハを挿入する。ステップ９３２において、チャンバーを密閉し、一次排気経路を使用して低い圧力へガス抜きする。図９Ｂに示す方法の別の実施形態では、一次排気ポンプに接続されたフォアラインに配置されたバルブを開くことにより、チャンバーをガス抜きする。チャンバーが希望の圧力に到達すると、ステップ９３４において、シャワーヘッドのフェースプレートに配置された複数のオリフィスを通してプロセスガスが導入される。ステップ９３６において、プロセスガス及び反応副産物の最初の排気が、一次排気チャンネルの使用により達成される。その後、プロセスガス及び反応副産物は、ステップ９３８において第１の半径方向排気経路を通して且つステップ９４０においてシャワーヘッドの排気チャンネルを含む第２の排気経路を通して、チャンバーから同時に排気される。図９Ｂに示す方法９０１の別の実施形態では、排気ガスの大部分が一次排気チャンネル、管路及びポンプを通過する。二次排気経路を使用して、一次排気経路より少ない量のガスをチャンバーから除去し、プロセスパラメータに対する「微同調」制御をオペレータに与える。一次及び二次排気経路を通過するガス量の比を、ゼロに近い値と１との間で変化させることができる。

[0076]堆積プロセスが完了すると、ステップ９４２において、プロセスガスの配送を中止する。ステップ９４４及び９４６では、各々、チャンバーを大気圧に復帰し、ウェハを除去する。

[0077]図９Ｃは、本発明によりチャンバーを運転する方法の更に別の実施形態のフローチャートである。方法９０２のステップ９５０において、チャンバーにウェハを挿入する。ステップ９５２においてチャンバーをガス抜きし、ステップ９５４においてチャンバーにプラズマを当てる。チャンバーは、一次排気経路又は二次排気経路のいずれか或いはその２つの組合せによるガスの排気でガス抜きすることができる。プラズマが安定した後、ステップ９５６において、フェースプレートの表面に配置された複数のオリフィスを通してチャンバーにプロセスガスを導入する。

[0078]プロセスガス及び反応副産物は、ステップ９５８及び９６０において、各々、一次及び二次排気経路の両方を通してチャンバーから除去される。図９Ｃに示す方法９０２の実施形態では、ステップ９６２及び９６４の堆積プロセス中に一次及び二次排気経路の排気率を調整する。ある実施形態では、堆積プロセス中に排気率を変化させて、堆積膜の特性を調節することができる。これらの特性は、膜厚み、密度、屈折率、又は誘電率を含むが、これらに限定されない。

[0079]堆積プロセスが完了すると、ステップ９６６において、プロセスガスの流れを中止する。ステップ９６８及び９７０では、各々、チャンバーを大気圧に通気し、ウェハを除去する。

[0080]本発明による実施形態のシャワーヘッドを通して与えられる補足的排気経路は、従来技術に勝る幾つかの効果を発揮する。サセプタ縁に与えられる慣習的な排気経路（図３Ａの流れ線３２２を参照）に加えて、シャワーヘッドに存在する排気アパーチャーは、ウェハ表面付近の反応種の流れを最適化するに有用な補足的な排気経路を与える。更に、半径方向距離の関数としての分配面積対排気面積の比の変化は、プロセスガス及び反応副産物の分配及び排気の両方に対して空間的制御を与える。

[0081]本発明の一実施形態によれば、ウェハ表面を横切って半径方向に流れて半径方向排気経路を通して流出するガスの量を、フェースプレートの設計により変更することができる。このような実施形態では、ウェハ表面を横方向に流れる反応ガス種の量及び濃度を、補足的なシャワーヘッド排気経路を通るプロセスガス及び反応副産物の選択的排気により制御することができる。特定の実施形態では、横方向流量が増加された領域において排気アパーチャーの面積を増加することにより、ウェハを横切って流れる反応ガス種の量及び濃度を、半径方向距離の関数として一定値に維持することができる。このような改良されたプロセス制御は、優れた膜均一性を生じさせることができる。

[0082]本発明の他の実施形態において、ウェハ表面における反応種の滞在時間は、シャワーヘッドの排気アパーチャー面積の空間的分布により制御することができる。例えば、図８に示す本発明の実施形態では、ウェハの中心８３５及び縁８４０付近でシャワーヘッドにより与えられる排気アパーチャー面積は、フェースプレート半径の１／２に等しい距離における排気アパーチャー面積より小さい。フェースプレート半径の１／２に等しい距離における領域は、中間半径領域８３０と称することができる。従って、ウェハの中心８３５に導入されたプロセスガスは、この中間半径領域８３０の近くに導入されたプロセスガスよりも、この中間半径領域８３０においてフェースプレートを通る反応領域を出るまでに、ウェハ表面を横切ってより大きな距離を進行する。別の実施形態では、中間半径領域付近でウェハを横切るプロセスガスの流れは、ガス分配アパーチャー及びガス排気アパーチャーの選択的配置によって向上される。

[0083]本発明の方法を実施できる１つの適当なＣＶＤ装置が図１Ａに示されており、これは、チャンバー壁１５ａ及びチャンバー蓋アセンブリ１５ｂを含む真空チャンバー即ちプロセスチャンバー１５を有するＣＶＤシステム１０の縦断面図である。チャンバー壁１５ａ及びチャンバー蓋アセンブリ１５ｂは、図１Ｂ及び１Ｃに分解斜視図で示されている。

[0084]ＣＶＤシステム１０は、プロセスチャンバー内の中心にある加熱ペデスタル１２にのせられた基板（図示せず）へプロセスガスを分散させるためのガス分配マニホールド１１を備えている。処理中に、基板、例えば、半導体ウェハは、ペデスタル１２のフラットな（又は若干凸状の）面１２ａ（図１Ｂ）に位置される。ペデスタルは、下方のロード／オフロード位置（図示せず）と、マニホールド１１に接近隣接する上方の処理位置（図１Ａに示す）との間を制御可能に移動することができる。センターボード（図示せず）は、ウェハの位置に関する情報を与えるためのセンサを備えている。

[0085]堆積ガス及び担体ガスは、上記で広範囲に述べたように、フラットな円形のガス分配フェースプレート１３ａの穿孔ホール１３ｂ（図１Ｃ）を通してチャンバー１５に導入される。より詳細には、堆積プロセスガスは、入口マニホールド１１を通り（図１Ａに矢印４０で示す）、従来の穿孔ブロッカープレート４２を通り、次いで、ガス分配フェースプレート１３ａにおけるホール１３ｂを通してチャンバーへ流れ込む。

[0086]マニホールドに到達する前に、堆積ガス及び担体ガスは、ガス配送システム７（図１Ａ）のガス源７ａからガス供給管路８を経て混合システム９へ入力され、そこで、合成されて、マニホールド１１へ送り込まれる。一般に、各プロセスガスの供給管路は、（ｉ）チャンバーへのプロセスガスの流れを自動的又は手動でシャットオフするのに使用できる多数の安全シャットオフバルブ（図示せず）と、（ii）供給管路を通るガスの流れを測定する質量流量コントローラ（これも図示せず）とを備えている。有毒ガス（例えば、オゾン又はハロゲン化ガス）をプロセスに使用するときには、従来の構成では多数の安全シャットオフバルブが各ガス供給管路に位置される。

[0087]ＣＶＤシステム１０において遂行される堆積プロセスは、熱プロセス又はプラズマエンハンストプロセスのいずれでもよい。プラズマエンハンストプロセスにおいては、ＲＦ電源４４がガス分配フェースプレート１３ａとペデスタルとの間に電力を印加してプロセスガス混合物を励起させ、フェースプレート１３ａとペデスタルとの間の「反応領域」と称される円筒状領域内にプラズマを形成する。プラズマの成分が反応して、ペデスタル１２に支持された半導体ウェハの表面に希望の膜を堆積する。ＲＦ電源４４は、通常、１３．５６ＭＨｚの高いＲＦ周波数（ＲＦ_１）と、３６０ＫＨｚの低いＲＦ周波数（ＲＦ_２）の電力を供給して、真空チャンバー１５へ導入された反応種の分解作用を向上させる混合周波数ＲＦ電源である。熱プロセスでは、ＲＦ電源４４が使用されず、プロセスガス混合物は熱的に反応して、ペデスタル１２に支持された半導体ウェハの表面に希望の膜を堆積し、ペデスタル１２は、反応のための熱エネルギーを与えるように抵抗加熱される。

[0088]プラズマエンハンスト堆積プロセス中に、プラズマは、排気通路２３及びシャットオフバルブ２４を取り巻くチャンバー本体１５ａの壁を含むプロセスチャンバー１０全体を加熱する。プラズマがターンオンされないとき又は熱堆積プロセス中には、チャンバーを高い温度に維持するためにプロセスチャンバーの壁１５ａを通して高温液体が循環される。チャンバーの壁１５ａを加熱するのに使用する流体は、典型的な流体形式、即ち水系のエチレングリコール又は油系の熱伝達流体を含む。この加熱は、有利なことに、望ましからぬ反応生成物の凝結を減少又は排除すると共に、冷たい真空通路の壁に凝結したり、ガスが流れない周期中にプロセスチャンバーへ戻されたりした場合にプロセスを汚染することのあるプロセスガスの揮発性生成物及び他の汚染物の排除を改善する。

[0089]層に堆積しなかったガス混合物の残部は、反応生成物も含めて、フォアライン５５により排気通路２３に接続された真空ポンプ５０によりチャンバーからガス抜きされる。より詳細には、ガスは、反応領域を取り巻く環状のスロット状オリフィス１６を通して環状の排気プレナム１７へと排気される。環状スロット１６及びプレナム１７は、チャンバーの円筒状側壁１５ａの頂部（壁の上部誘電体ライニング１９を含む）と、円形のチャンバー蓋２０の底部との間のギャップにより画成される。ウェハにわたるプロセスガスの均一な流れを達成してウェハに均一な膜を堆積するためには、スロットオリフィス１６及びプレナム１７の３６０°の円対称性及び均一性が通常重要である。

[0090]排気プレナム１７から、ガスは、排気プレナム１７の横方向延長部２１の下を流れ、点検口（図示せず）を通過し、下方に延びるガス通路２３を通り、真空シャットオフバルブ２４を通過し（その本体は、下部チャンバー壁１５ａと一体化される）、次いで、排気出口２５へ流れ込み、これは、フォアライン５５を通して外部真空ポンプ５０に接続されている。

[0091]ペデスタル１２のウェハ支持プラッター（好ましくは、アルミニウム、セラミック、又はその組合せ）は、平行な同心円の形態の２つの完全巻回を作るように構成された埋め込まれた単一ループ埋設ヒータ素子を使用して抵抗性加熱される。ヒータ素子の外側部分は、支持プラッターの周囲付近に延び、一方、その内側部分は、小さい半径をもつ同心円の経路上に延びる。ヒータ素子への配線は、ペデスタル１２のステムを通過する。

[0092]通常、チャンバーのライニング、ガス入口マニホールドのフェースプレート、及び種々の他のリアクタハードウェアのいずれか又は全部は、アルミニウム、アノード処理アルミニウム、又はセラミックのような材料から作られる。このようなＣＶＤ装置の一例が、「CVD Processing Chamber」と題する米国特許第５，５５８，７１７号に説明されている。この第５，５５８，７１７号の特許は、本発明の譲受人であるアプライド・マテリアルズ・インクに譲渡され、全ての目的で参考としてここに援用する。

[0093]ウェハがチャンバー１０の側部の挿入／除去開口２６を通してロボットブレード（図示せず）によりチャンバーの本体へ及びチャンバーの本体から移送されるときに、リフトメカニズム及びモータ（図示せず）が加熱型ペデスタルアセンブリ１２及びそのウェハリフトピン１２ｂを上下させる。モータは、処理位置１４と下方のウェハロード位置との間でペデスタル１２を上下させる。モータ、供給管路８に接続されたバルブ又は流れコントローラ、ガス配送システム、スロットルバルブ、ＲＦ電源４４、並びにチャンバー及び基板加熱システムは、全て、システムコントローラ３４（図１Ａ）により制御ライン３６を経て制御されるが、その若干しか示されていない。コントローラ３４は、光学的センサからのフィードバックに基づいて、コントローラ３４の制御のもとで適当なモータにより移動されるスロットルバルブ及びサセプタのような可動の機械的アセンブリの位置を決定する。

[0094]一実施形態において、システムコントローラは、ハードディスクドライブ（メモリ３８）と、フロッピーディスクドライブと、プロセッサ３７とを備えている。プロセッサは、単一ボードコンピュータ（ＳＢＣ）と、アナログ及びデジタル入力／出力ボードと、インターフェイスボードと、ステップモータコントローラボードとを備えている。ＣＶＤシステム１０の種々の部分は、ボード、カードケージ、並びにコネクタの寸法及び形式を規定するベルサ・モジュラー・ヨーロピアン（ＶＭＥ）規格に合致する。又、ＶＭＥ規格は、バス構造を、１６ビットデータバス及び２４ビットアドレスバスを有するものとして規定する。

[0095]システムコントローラ３４は、ＣＶＤマシンの全てのアクティビティを制御する。システムコントローラは、メモリ３８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システム制御ソフトウェアを実行する。メモリ３８は、ハーディスクドライブであるのが好ましいが、他の種類のメモリであってもよい。コンピュータプログラムは、特定のプロセスについてのガスの導入及びガス抜きのタイミング、ガスの混合、チャンバー圧力、チャンバー温度、ＲＦ電力レベル、サセプタの位置、及び他のパラメータを指図する命令のセットを含む。又、例えば、フロッピーディスク又は他の別の適当なドライブを含む他のメモリ装置に記憶された他のコンピュータプログラムを使用して、コントローラ３４を動作してもよい。

[0096]上記リアクタの説明は、主として、例示のためであり、他のプラズマＣＶＤ装置、例えば、電子サイクロトロン共振（ＥＣＲ）プラズマＣＶＤ装置、誘導性結合ＲＦ高密度プラズマＣＶＤ装置等を使用してもよい。更に、上述したシステムの変形、例えば、ペデスタル設計、ヒータ設計、ＲＦ電力周波数、ＲＦ電力接続の位置、及びその他の変形も考えられる。例えば、ウェハは、サセプタにより支持されて、石英ランプにより加熱されてもよい。本発明の層及びこのような層を形成する方法は、特定の装置や特定のプラズマ励起方法に限定されない。

[0097]ここに述べる発明は、シャワーヘッドを使用してプロセスガスを基板へ分配するいかなる基板処理システムにも使用できることを理解されたい。これは、幾つか例を挙げると、ＣＶＤ、窒化、酸化、エッチング及び洗浄システムを包含する。本発明の教示を組み込んだ種々の実施形態を図示して詳細に説明したが、当業者であれば、これらの教示を組み込んだ他の多数の変形実施形態も容易に案出できよう。

[0098]他の実施形態は、特許請求の範囲内に包含される。

ＣＶＤシステムの簡単な概略図である。ＣＶＤシステムのチャンバー壁部分の簡単な分解斜視図である。ＣＶＤシステムのチャンバー蓋アセンブリの簡単な分解斜視図である。従来の堆積チャンバー及びシャワーヘッドを示す簡単な概略図である。本発明の一実施形態による堆積チャンバーの簡単な概略図である。本発明の別の実施形態による堆積チャンバーの簡単な概略図である。本発明の更に別実施形態による堆積チャンバーの簡単な概略図である。本発明の一実施形態によるシャワーヘッドの簡単な側面断面図である。本発明の一実施形態によるシャワーヘッドの簡単な底面図である。シャワーヘッドの簡単な底面図で、底面図と底面図との関係を示す図である。図４Ｃに示すシャワーヘッドの下面の一部分の拡大図である。本発明の別の実施形態によるシャワーヘッドの簡単な底面図である。本発明の一実施形態によるシャワーヘッドの半径方向区分の簡単な底面図である。本発明の別の実施形態によるシャワーヘッドの半径方向区分の簡単な底面図である。本発明の別の実施形態によるシャワーヘッドの半径方向区分の簡単な底面図である。本発明による堆積チャンバーを運転する方法の一実施形態を示すフローチャートである。本発明による堆積チャンバーを運転する方法の別に実施形態を示すフローチャートである。本発明による堆積チャンバーを運転する方法の更に別の実施形態を示すフローチャートである。

符号の説明

７・・・ガス配送システム、７ａ・・・ガス源、８・・・ガス供給管路、９・・・混合システム、１０・・・ＣＶＤシステム、１１・・・マニホールド、１２・・・ペデスタル、１２ｂ・・・ウェハリフトピン、１３ａ・・・ガス分配フェースプレート、１３ｂ・・・穿孔ホール、１５・・・プロセスチャンバー、１５ａ・・・チャンバー壁、１５ｂ・・・チャンバー蓋アセンブリ、１６・・・環状スロット、１７・・・プレナム、２０・・・チャンバー蓋、２３・・・排気通路、２４・・・シャットオフバルブ、２５・・・排気出口、３４・・・システムコントローラ、３７・・・プロセッサ、３８・・・メモリ、４２・・・ブロッカープレート、４４・・・ＲＦ電源、５０・・・真空ポンプ、３００・・・堆積チャンバー、３０５・・・円筒状堆積部、３１０・・・シャワーヘッド、３１１・・・フェースプレート、３１４、３１６・・・経路、３２０・・・半導体ウェハ、３２１・・・膜、３２２・・・経路、３２５・・・一次排気経路、３３０・・・サセプタ、３４０・・・環状排気ポート、３４１・・・セラミックリング、３４４・・・ポンプ、３４６、３４８・・・バルブ、３４９・・・ホール、３５０・・・チャンバー、３５５・・・サセプタ、３６０・・・シャワーヘッド、３６７・・・排気ライン、３７０・・・半導体ウェハ、３７１・・・膜、３７２・・・半径方向排気ガス、３７３・・・排気ポート、３７４・・・ポンプ、３７６・・・チャンバー、３７７・・・シャワーヘッド、３７８・・・フェースプレート、３８１・・・半導体ウェハ、３８２・・・膜、３８６・・・半径方向排気経路、３９０・・・一次ポンプ、３９１・・・二次ポンプ、３８７、３８８・・・補足的排気経路

Claims

半導体ワークピースを処理する方法において、
プロセスチャンバー内のサセプタ上に半導体ワークピースを配置するステップと、
前記半導体ワークピースをスピンさせるステップと、
ガス分配フェースプレートに位置された第１の複数のオリフィスを通して前記半導体ワークピースへプロセスガスを流すステップと、
チャンバー排気ポート、及び上記ガス分配フェースプレートに位置された第２の複数のオリフィスを通して、上記半導体ワークピース上からガスを除去するステップと
を備え、
前記第２の複数のオリフィスの密度は前記半導体ワークピースの中心から径方向に増加する一方、前記第１の複数のオリフィスの密度は一定である
ことを特徴とする方法。
上記プロセスガスを流す前に上記チャンバー排気ポートのみを経て上記ガスを除去するステップを更に備えた、請求項１に記載の方法。
上記プロセスガスを流す前に上記チャンバー排気ポート及び上記第２の複数のオリフィスを経て上記ガスを除去するステップを更に備えた、請求項１に記載の方法。
上記チャンバー排気ポートのみを経て最初に前記ガスを除去するステップを更に備えた、請求項１に記載の方法。
処理中に上記チャンバー排気ポートを通る前記ガスの除去率を調整するステップを更に備えた、請求項１に記載の方法。
処理中に上記第２の複数のオリフィスを通る前記ガスの除去率を調整するステップを更に備えた、請求項１に記載の方法。
チャンバー内で半導体ウェハを処理する方法において、
半導体ウェハを上記チャンバーに挿入するステップと、
チャンバー排気ポートのみを通して上記チャンバーをガス抜きするステップと、
その後、シャワーヘッドの表面に配置された第１の複数のオリフィスを通して少なくとも１つのプロセスガスを導入するステップと、
上記チャンバー排気ポートを通してガスを除去するステップと、
上記シャワーヘッドの表面に位置された第２の複数のオリフィスを通してガスを除去するステップと
を備え、
前記第２の複数のオリフィスの密度は前記半導体ワークピースの中心から径方向に増加する一方、前記第１の複数のオリフィスの密度は一定である
ことを特徴とする方法。
上記複数の第２のオリフィスを通して除去されるより多量のガスが、上記チャンバー排気ポートを通して除去される、請求項７に記載の方法。
上記チャンバー排気ポート及び上記第２の複数のオリフィスを通してのガスの除去は実質的に同時に行われる、請求項７に記載の方法。
半導体ウェハに堆積される膜の特性の均一性を制御する方法において、
プロセスチャンバーにウェハを位置させるステップと、
フェースプレートに位置された第１の複数のオリフィスを通して上記ウェハにガスを導入するステップと、
上記フェースプレートに位置された第２の複数のオリフィスを通して上記ガスを除去するとともに、チャンバー排気ポートを通して上記ガスを除去するステップであって、上記チャンバー排気ポートを通じた上記ガスの除去率が、プロセス中に調整されるステップと、
を備えた方法。
上記ガスを流す前に、上記チャンバー排気ポートのみを通じて上記チャンバーのガス抜きするステップを更に備えた、請求項１０に記載の方法。
上記ガスを流す前に、上記チャンバー排気ポート及び上記第２の複数のオリフィスを通じて上記チャンバーをガス抜きするステップを更に備えた、請求項１０に記載の方法。
上記チャンバー排気ポートのみを通して最初に上記ガスを除去するステップを更に備えた、請求項１０に記載の方法。
上記第２の複数のオリフィスのみを通して最初に上記ガスを除去するステップを更に備えた、請求項１０に記載の方法。
上記第２の複数のオリフィスを通るガスの除去率が処理中に調整される、請求項１０に記載の方法。