JP5270057B2 - シャワーヘッド - Google Patents

Description

本発明は、一般に、プロセスチャンバ内のガス分配用の装置に関する。

集積回路は、単一チップ上に非常に多くのトランジスタ、キャパシタおよび抵抗を有することができる複合デバイスに発展した。チップ設計の発展は、益々増大する正確な製造プロセスを要求する速い回路と多きな回路密度を連続的に必要とする。しばしば用いられる１つの製造プロセスは、化学気相堆積（ＣＶＤ）である。

ＣＶＤは、一般に基板または半導体ウエハ上に薄膜を堆積するために用いられる。ＣＶＤは、一般に先駆物質（原料）のガスを真空チャンバへ導入することに行なわれる。先駆物質ガスは、一般にチャンバの上部近くに仕置するシャワーへッドを通して指向される。先駆物質ガスは、加熱された基板支持体上に配置された基板の表面上に物質の層を形成するために反応する。反応中に生成される揮発性の副産物は、排気装置によってチャンバから吸い上げられる。ＣＶＤプロセスを用いて基板上にしばしば形成される１つの物質は、タングステンである。タングステンを形成するために用いることができる先駆物質ガスは、一般にタングステンヘキサフロライド（ＷＦ₆）とシランを含んでいる。シランとタングステンヘキサフロライドの混合物として、幾らかの“ストレイ”タングステン（すなわち、基板上に堆積しないタングステン）がシャワーヘッドおよび他のチャンバ要素上に凝縮し、堆積する。一般に、タングステンは、チャンバの冷たい領域上に急速に凝縮する。これは、特にシャワーヘッドにおいては問題である。

シャワーヘッドは、一般に基板支持体とチャンバの蓋の間に位置される。この基板支持体は、処理中、約３００℃と約５５０℃の間に加熱される。蓋は、一般に蓋を約４５℃に保つために水冷却される。シャワーヘッドは、一般に基板支持体によって加熱されるが、一方蓋によって冷却される。シャワーヘッドは、蓋に物理的に接触しているので、シャワーヘッドから離れている熱を伝導する蓋の冷却効果は、シャワーヘッドを蓋の温度に近い温度に保つ。したがって、シャワーヘッドの低温は、シャワーヘッド上にタングステンの望ましくない堆積を不利に促進する。シャワーヘッド上に形成されるタングステンは、潜在的な粒子の汚染源であり、フッ素をベースとしたクリーニングプロセスを用いて、一般にエッチングによって周期的にクリーニングされなければならない。結局、タングステンの形成は、シャワーヘッドの孔をふさぎ、先駆物質ガスがそこを通過するのを妨害する。この状態において、シャワーヘッドは取り外され、クリーニングされるか、或いは他のものに置き換えられる。

したがって、ＣＶＤプロセスにおいてシャワーヘッド上への堆積物の形成を最小にするシャワーヘッドが必要である。

本発明の１つの特徴は、一般に半導体プロセスチャンバにガスを分配するためのシャワーヘッドを提供することである。１つの実施の形態において、シャワーヘッドは、孔のあいた中央部分、この孔のあいた中央部分の周囲を囲む取り付け部分およびこの取り付け部分から伸びる複数のボスを有しており、各々のボスは、ボスを通して設けれたた孔を有している。本発明の他の実施の形態は、孔のあいた中央部分の周囲を囲む第１の側を有する取付け部分を有するシャワーヘッドを提供する。リングが取付け部分の第１の側から伸びている。複数の取付け孔がリングのいずれかの側へ取付け部分に放射状に設けられる。

本発明の教示は、添付図面とともに以下の詳細な説明によって容易に理解されるであろう。

理解を容易にするために、同一の符号は、可能な限り、図面に共通する同一の素子を示すために用いられる。

本発明は、一般にタングステン膜の堆積に有利な処理装置およびシャワーヘッドを提供する。本発明は、カルフォルニア州、サンタモニカのアプライドマテリアルズ社から利用可能なＷｘＺ^TM金属化学気相堆積（ＭＣＶＤ）装置のようなＣＶＤ装置を参照して以下に説明される。しかし、本発明は、他の膜を堆積し、および他の装置構成で、シャワーヘッドを通してチャンバへガスを供給する場合にも有用性を有していることを理解すべきである。

図１は、ＣＶＤ装置１００の１つの実施の形態の断面図である。この装置は、一般にガス源１０４に接続されたチャンバ１０２を有する。このチャンバ１０２は、プロセスボリューム１１２を画定する壁１０６、底部１０８および蓋１１０を有している。壁１０６および底部１０８は、一般にアルミニウムの単位ブロックから製造される。壁１０６は、壁１０６の温度を制御するために、液体を通す導管（図示せず）を有する。チャンバ１００は、プロセスボリューム１１２を排気ポートへ接続するポンプリング１１４および他のいろいろなポンプ要素（図示せず）を有する。

加熱された支持体アッセンブリ１３８がチャンバ内の中央に設けられる。この支持体アッセンブリ１３８は処理中に基板１４０を支持する。支持体アッセンブリ１３８は、一般にアルミニウム、セラミックまたはアルミニウムとセラミックの組合せから製造され、また一般に真空ポート（図示せず）と少なくとも１つ以上の埋め込まれた加熱素子１３２を有する。真空ポートは、基板１４０と基板支持体１３８間に真空を与えるために用いられ、処理中に基板を基板支持体に固定する。加熱素子１３２、例えば基板支持体１３８に設けられた電極が電源１３０に接続され、基板支持体１３８とそこに位置された基板１４０を所定の温度に加熱する。プロセスボリューム１１２は、一般に基板１４０のチャンバ１０２へおよびチャンバの外への移動を容易にする、壁１０６にあるポート（図示せず）を通してアクセスされる。

一般に、支持体アッセンブリ１３８は、ステム１４２に結合されている。このステム１４２は、支持体アッセンブリ１３８と装置１００の他の要素間に電気リード、真空およびガス供給ライン用の導管を与える。ステム１４２は、上昇された位置（図示されるている）および下降された位置の間で支持体アッセンブリを移動させる昇降装置に支持体アッセンブリ１３８を結合する。ベローズ１４６は、支持体アッセンブリ１３８の動きを容易にすると共にチャンバボリューム１１２とチャンバ１０２外の環境との間に真空シールを与える。リフトピンおよび関連した機構は明りょうにするために省略されている。

支持体アッセンブリ１３８は、さらに周囲にあるシャドーリング１４８を支持する。このシャドウリング１４８は、形状が環状であり、例えばアルミニウムナイトライドのようなセラミックから構成されている。一般に、シャドーリング１４８は、基板１４０が支持体アッセンブリ１３８に粘着しないように、基板１４０と支持体アッセンブリ１３８のエッジにおける堆積を防止する。選択的に、パージガスがシャドーリング１４８と支持体アッセンブリ１３８間に供給されて、基板のエッジにおける堆積を防止するのを助ける。

蓋１１０は、壁１０６によって支持され、チャンバ１０２を運転するために移動することができる。この蓋１１０は、一般にアルミニウムから構成され、さらにそこに形成された熱移送用の流体チャネル１２４を含む。チャネル１２４は、蓋１１０を通して熱移送用の流体を流す流体源（図示せず）に結合される。チャネル１２４を通して流れる流体は、蓋１１０の温度を代表的に速く１２０℃と約１４５℃の間に調整する。

混合ブロック１３４が蓋１１０に設けけられる。この混合ブロック１３４は、ガス源１０４に接続される。一般に、ガス源１０４からの各々のガスの流れが混合ブロック１３４において混合される。これらのガスは、混合ブロック１３４において単一で、均質のガス流に混合され、そのガス流をチャンバ壁１０６へ向かって外方へ拡散するシャワーヘッドを通過した後、プロセスボリューム１１２へ導入される。

シャワーヘッド１１８は、一般に蓋１１０の内側に結合され、それらの間に気体充満空間１２２を画定する。孔のあいた阻止板１３６をシャワーヘッド１１８と蓋１１０の間の気体充満空間１２２に選択的に設けることができる。混合ブロック１３４を通してチャンバに入るガス（すなわち、プロセスガスおよび他のガス）は、ガスがシャワーヘッド１１８の裏側の気体充満空間に充満するに従って、阻止板１３６によって先ず拡散される。その後、ガスは、シャワーヘッド１１８を通過し、チャンバ１０２へ入る。気体充満空間１２２、阻止板１３６およびシャワーヘッド１１８は、シャワーヘッド１１８を通してチャンバ１０２へ入るガスに均一な流れを与えるように構成されている。この均一なガスの流れは、基板上に均一な堆積を与えるために必要である。

図２は、シャワーヘッドの１つの実施の形態の断面図である。このシャワーヘッド１１８は、一般にはアルミニウムから作られる。代わりに、シャワーヘッド１１８は腐食性の環境において使用するためにセラミックで作ることもできる。シャワーヘッド１１８は、一般に中央部分２０４の周囲を囲む取り付け部分２０２を有する。この中央部分２０４は、流体（例えば、がス）がシャワーヘッド１１８を通過することができる孔のあいた部分２１４を有している。取り付け部分２０２は、複数のボス２１０と一方の側から延びるリング２１２を有する。一般に、取り付け部分は、少なくとも２つ、またはそれ以上のボス２１０を有する。これらのボス２１０の内側に位置して示されたリング２１２は、ボス２１２の何れかの側に位置させることもできる。代わりに、ボス２１２はリング２１２の両側に位置させるることもできる。

図３は、シャワーヘッド１１８の位置を断面で示している。取り付け部分２０２は、一般に第１の側２０６の反対側にある第２の側３０２を有する。この第２の側は、シャワーヘッド１１８の周囲に設けられたフランジ３０４を有する。このフランジ３０４は、一般には第１の側２０６の面より下に窪みがつけられている。変わりに、フランジ３０４は、第１の側２０６と同一平面でも、或いは第１の側より上方に延びていても良い。フランジ３０４は、そこをとおる複数の取り付け孔３０６を有する。各々の孔３０６は、フランジを通過しており、シャワーヘッド１１８の第１の側２０６上に設けられたボス２１０の一つをそれぞれ通過している。各々の孔３０６は、フランジ３０４上に設けられたカウンターボア３０８を有する。飛び出した取り付けスクリュー３１０は取り付け孔３０６をとおり、蓋１１０にあるネジ孔３１２にネジ止めする。カウンターボア３０８はボルとの頭３１４を受け入れ、その頭３１４はフランジ３０４と同一面か或いは僅かに凹んで位置される。

ボス２１０およびリング２１２は、シャワーヘッド１１８の第１の側２０６から、蓋１１０より所定の距離（すなわち、ギャップ３２２を画定する）にある取り付け部分２０２の第１の側２０６を維持する高さ“Ｈ”まで延びている。ボス２１０は壁の厚み“Ｗ_b”を有している。この壁の厚み“Ｗ_b”は、ボス２１０の断面が最小になるように構成される。１つの実施例では、シャワーヘッド１１８は、取付け部分２０２の周りに間隔を空けて配置された、約０．０６０インチの壁厚と０．２５０インチの高さを有する８つのボス２１２を有している。

一般に、ボス２１０は、直径“Ｄ_b”を有するボルトサークル上に配置される。直径“Ｄ_b”は、従来のウエハ処理装置に使用されるシャワーヘッド上に見られる取付け孔の位置の外方に取付け孔３０６を位置している。取り付け孔３０６の外側の位置は、孔のあいた部分２１４のすぐ外側及び同一平面に滑らかな面３２４を設けることによって孔のあいた部分２１４を通過するガスの乱れを最小にする。１つの実施例では、面３２４は、約０．２５インチ（約０．６３５センチ）、好ましくは、２００ｍｍの基板に対しては約１．２５インチ（約３．１７５センチ）より大きな幅“Ｗ”を有する。３００ｍｍの基板においては、幅Ｗは、約０．４５インチ（約１．１４３センチ）より大きくする必要がある。一般に、孔のあいた領域に近い取り付け孔を利用する従来の装置は、シャワーヘッドを通して流れるガスの乱れを最小にする面３２４によって与えられる幅Ｗと匹敵する幅を有していない（すなわち、取り付けボルトの頭は隣接する面を妨げ、孔のあいた部分の外側領域近くのガスの流れを乱す）。

リング２１２は、一般にボス２１０の内方に配置される。リング２１２は、プロセスガスと他のガスが混合ブロック１３４と阻止板１３６を出て、シャワーヘッド１１８の孔のあいた部分２１４を介して気体充満空間１２２へ及びチャンバ１０２へのチャネルを作る。

リング２１２は直径“Ｄｒ”を有する。この直径Ｄｒは、一般にシャワーヘッド１１８の孔のあいた部分２１４の直径“Ｄｐ”より大きくなるように選択される。リング２１２は壁厚”Ｗｒ”を有する。リング２１２の高さは、一般にボスと同じ高さＨである。しかし、リング２１２の高さは、取付け部分２０２か蓋１１０の何れか一方の表面形状の変化に適用するために変えることができる。高さＨ、壁厚Ｗｒ及び直径Ｄｒは、一般にリング２１２の断面積を最小にするように構成される。

一般に、リング２１２はゼロより大きい、好ましくは約０．６５より大きいアスペクト比（すなわち、高さＨと壁厚Ｗｒの比）を有する。大きなアスペクト比は、リング２１２と蓋１１０間の熱伝達を減少する。例えば、約０．２５インチ（約０．６３５センチ）の高さと約０．０６インチ（約０．１５２４センチ）の壁厚を有するリング２１２は、４．１６のアスペクト比を有する。

孔のあいた部分２１４は、シャワーヘッド１１８を通過する複数の孔３１６からなる。一般に、孔３１６は、基板１４０の直径より大きい直径Ｄｐ内のポーラアレイに設けられる。孔３１６は、代わりに他のパターンに設けられるか、孔のあいた部分２１４のいたるところにランダンムに設けられる。孔３１６は、狭い直径区分３１８と同心円の広い直径区分３２０を任意に含むこともできる。狭い直径区分３１８は、シャワーヘッド１１８の第２の側３０２に一般に開口しており、一方広い直径区分３２０は第１の側２０６に一般に開口している。広い直径区分３２０は、狭い直径区分３１８の穴あけの間、道具が破壊する可能性を最小にすることによって、シャワーヘッド１１８の製造を容易にするために利用される。孔３１６の数及び孔の直径は、一般にシャワーヘッドを通るガスの流れを均一にするために選ばれる。１つの実施例では、孔のあいた部分２１４は約６２００の孔３１６を有する。

いろいろな構造及び形状によって、例えば、シャワーヘッド１１８と蓋１１０の間隔のあいた関係によって確定されたギャップによって、シャワーヘッド１１８と蓋１１０間の温度制御が可能になる。ギャップ３２２の距離はボス２１０とリング２１２の高さＨによって制御されるが、ギャップ３２２は固体と固体（すなわち、金属と金属）の接触を妨げ、従って、それらの間の導通を最小にする。例えば、シャワーヘッド１１８と蓋１１０間の熱伝達の速度は、高さＨを増加することによって減少することができ、それによって、ギャップ３２２を横切って流れる熱伝達の速度を減少する。１つの実施例では、高さＨは０．２５インチ（約０．６３５センチ）である。

シャワーヘッド１１８と蓋１１０間の熱伝達を制御するための他の構造は、リング２１２とボス２１０の小さな断面積によって与えられる。この小さな断面積（もし、ボス２１０とリング２１２に対してでないならば、蓋１１０と接触している取り付け部分２０２の面積に対して）は、シャワーヘッド１１８と蓋１１０間の伝導速度を制限する。例えば、シャワーヘッド１１８と蓋１１０間の熱伝達の速度は、ボス２１０またはリング２１２の断面積を減少することによって、或いはリング２１２のアスペクト比を増加することによって減少される。例証として、直径Ｄｒ、壁厚Ｗｒ、壁厚Ｗｂ、またはそれらの組合せがシャワーヘッド１１８と蓋１１０間の熱伝達を妨げるために、減少されるても良い。代わりに、ボス２１０の数を減少することは、ボス２１０の実効的な全断面積を減少し、それによって、各々のボス２１０の壁厚Ｗｂを変更することなくそれらを通る熱伝達を減少する。選択として、壁厚Ｗｂとボス２１０の数の双方が蓋１１０とシャワーヘッド１１８間の熱伝達を妨げるように減少することができる。

動作では、図１に示された半導体基板１４０は、半導体基板１４０と支持アッセンブリ１３８間を真空状態にすることによって、支持アッセンブリ１３８に固定される。ガス上成分、１つの実施例では、シランとタングステンヘキサフロライドを含むガス状成分がガスパネルから混合ブロック１３４とシャワーヘッドを通ってチャンバへ供給され、ガス状混合物を形成する。シャワーヘッド１１８の取付け孔３０６と孔のあいた部分２１４に隣接する滑らかな面３２４の外側位置は、ガス状の混合物がシャワーヘッド１１８を通過するに従って、チャンバ１１８内の乱れを最小にし、基板１４０上に均一な堆積を行なう。ガス状の混合物は反応、または分解して、基板１４０上にタングステンの層を形成する。チャンバ壁の表面温度は、装置１００の壁１０６と蓋１１０に配置されている液体を含む導管を用いて制御される。

基板１４０の温度は、支持体アッセンブリ１３８の温度を安定にすることによって主に制御される。蓋１１０、壁１０６及び支持体アッセンブリ１３８の温度制御によって、基板１４０は３５０℃から５５０℃までの温度に保たれる。

シャワーヘッド１１８の温度は、シャワーヘッド１１８と冷却された蓋１１０間の熱伝達を最小にすることによって上昇された温度に保たれる。シャワーヘッド１１８からの最小の熱伝達によって、シャワーヘッド１１８を約１５０℃まで及びそれを越える温度に保つ能力を生じる。シャワーヘッド１１８の上昇した温度によって、シャワーヘッド１１８の表面には物資が殆ど堆積されない。さらに、シャワーヘッド１１８を通る孔３１６を詰まらせる堆積物質の速度が減少され、シャワーヘッドのクリーニング動作間に処理される基板の数を３から４倍にする。

本発明の教示はここに詳細にしめされ、説明されたけれども、この分野の当業者は、本発明の教示を含み、本発明の範囲および精神から逸脱しない範囲で変更された実施の形態を容易に考えることができる。

シャワーヘッドの１つの実施の形態を示すプロセスチャンバの概略断面図である。 図１の２−２線に沿ったシャワーヘッドの断面図である。 図２の３−３線に沿ったシャワーヘッドの部分断面図である。

Claims (21)

1. シャワーヘッドであって、
   孔のあいた中央部分と、
   前記孔のあいた中央部分を囲み、第１の側を有する取付け部分と、
   前記取付け部分の前記第１の側から延びる複数のボスであって、それぞれがシャワーヘッドの前記取付け部分と一体とされ、かつ、それぞれに取付け孔が設けられているボスと、
   を有することを特徴とするシャワーヘッド。
   
2. 前記取付け部分はアルミニウムであることを特徴とする請求項１に記載のシャワーヘッド。
   
3. さらに、前記取付け部分の前記第１の側に設けられたリングを有することを特徴とする請求項１に記載のシャワーヘッド。
   
4. さらに、前記取付け部分の前記第１の側に設けられたリングであって、前記リングは、前記ボスの何れかの側に位置していることを特徴とする請求項１に記載のシャワーヘッド。
   
5. さらに、前記取付け部分の前記第１の側に設けられたリングであって、前記リングは、０．６５より大きなアスペクト比を有することを特徴とする請求項１に記載のシャワーヘッド。
   
6. 前記取り付け部分上に間隔をあけて設けられている８つのボスを有することを特徴とする請求項１に記載のシャワーヘッド。
   
7. さらに、前記取付け部分の前記第１の側に設けられたリングであって、前記リングは、前記ボスの何れかの側に位置し、０．６５より大きなアスペクト比を有することを特徴とする請求項１に記載のシャワーヘッド。
   
8. さらに、前記孔のあいた部分と同一平面で、前記孔のあいた部分の周囲を囲み、０．６３５ｃｍより大きな幅を有する面を有することを特徴とする請求項１のシャワーヘッド。
   
9. シャワーヘッドであって、
   孔のあいた中央部分と、
   前記孔のあいた中央部分を囲み、第１の側を有する取付け部分と、
   前記取付け部分の前記第１の側から延びるリングであって、前記リングの何れかの側で前記取付け部分に設けられた複数の取付け孔を有するリングと、
   前記取付け部分の前記第１の側から延びる複数のボスであって、それぞれがシャワーヘッドの前記取付け部分と一体とされているボスと、
   を有することを特徴とするシャワーヘッド。
   
10. 前記取付け孔の各々は、さらに前記取付け部分の前記第１の側に設けられ、各ボスは、それを通る取付け孔を有することを特徴とする請求項９に記載のシャワーヘッド。
    
11. 間隔をあけて配置された８つの取付け孔を有することを特徴とする請求項９に記載のシャワーヘッド。
    
12. 前記取付け部分はアルミニウムであることを特徴とする請求項９に記載のシャワーヘッド。
    
13. 前記ボスは、前記リングの何れかの側に配置されることを特徴とする請求項９に記載のシャワーヘッド。
    
14. 前記リングは、０．６５より大きなアスペクト比を有することを特徴とする請求項９に記載のシャワーヘッド。
    
15. さらに、前記孔のあいた部分と同一平面で、前記孔のあいた部分の周囲を囲み、０．６３５ｃｍより大きな幅を有する面を有することを特徴とする請求項９に記載のシャワーヘッド。
    
16. 半導体プロセスチャンバであって、
    内部のボリュームを画定する壁および蓋を有する処理チャンバと、
    前記蓋に結合され、前記蓋との間に気体充満空間を確定するシャワーヘッドであって、孔のあいた中央部分及び前記孔のあいた中央部分を周囲を囲む取付け部分を有するシャワーヘッドと、
    前記蓋と前記取付け部分間に設けられ、間隔をあけて前記蓋と前記取付け部分を保持するリングと、
    前記取付け部分の前記第１の側から延びる複数のボスであって、それぞれがシャワーヘッドの前記取付け部分と一体とされているボスと、
    を有することを特徴とする半導体プロセスチャンバ。
    
17. 前記シャワーヘッドはアルミニウムであることを特徴とする請求項１６に記載の半導体プロセスチャンバ。
    
18. 前記取付け部分に間隔を空けて設けられた８つのボスを有することを特徴とする請求項１６に記載の半導体プロセスチャンバ。
    
19. さらに、前記取り付け部分の前記第１の側に設けられ、前記リングの何れかの側に位置している複数のボスを有することを特徴とする請求項１６に記載の半導体プロセスチャンバ。
    
20. 前記リングは、０．６５より大きいアスペクト比を有することを特徴とする請求項１６に記載の半導体プロセスチャンバ。
    
21. さらに、前記孔のあいた部分と同一平面で、前記孔のあいた部分の周囲を囲み、０．６３５ｃｍより大きな幅を有する面を有することを特徴とする請求項１６に記載の半導体プロセスチャンバ。

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