JP5535214B2 - 半導体プロセスチャンバのプロセスガス配送 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、一般的に、半導体処理装置に関し、具体的には、半導体プロセスチャンバ中にプロセスガスを導入するためのガス配送組立品に関する。
いくつかの半導体プロセスチャンバでは、複数のプロセスガスが、共通のガス入口、例えばプロセスチャンバの天井に配置されたガス注入ファンネルを通して、プロセスチャンバに送り出されることがある。そのような半導体プロセスチャンバには、化学気相堆積(CVD)または原子層堆積(ALD)に使用されるものがある可能性があり、これらでは、プロセスガスは、ある1つの層を少なくとも部分的に基板上に堆積させるために利用されることがある。
共通ガス入口の容積は、この入口にプロセスガスを供給するガス導管の容積よりも実質的に大きいことがある。その結果として、プロセスガスは、入口に入ったとき急速に膨張する。プロセスガスのこの急速な膨張は、プロセスガスの冷却‐ジュール・トンプソン冷却(Joule‐Thompson Cooling)として知られている効果‐をもたらすことがある。低蒸気圧を有するプロセスガス、例えば四塩化ハフニウム(HfCl)は、冷えると直ぐに凝縮し、したがって、入口を汚染するかプロセスガスの濃度変化を引き起こす可能性がある粒子を形成する。
さらに、共通ガス入口の中心軸に対してガス導管を接するように位置合せすると、ガス入口中および基板の上に回転するガス渦が生じることがある。この渦によって、例えばキャリアガスと反応蒸気を含むプロセスガスは分離されるようになり、プロセスガスの濃度ばらつきを引き起こすことがある。
それゆえに、当技術分野では、急速冷却および渦形成を妨げるガス配送組立品が必要とされている。
ガス配送組立品の方法および装置が本明細書で提供される。いくつかの実施形態では、ガス配送組立品は、第1の容積を有するガス入口ファンネルと、ガス導管とを含み、ガス導管が、ガスを受け取るための入口と、ガス導管から出て第1の容積に入るガスの流れを容易にするための出口とを有し、ガス導管が、第1の容積よりも小さな第2の容積と、入口付近の第1の断面から出口付近の第2の断面へと増大する断面とを有しており、第2の断面が非円形である。
いくつかの実施形態では、基板を処理するための装置が、ある内部容積を有するプロセスチャンバと、内部容積の中にプロセスガスを導入するようにプロセスチャンバに結合されたガス配送組立品とを含む。ガス配送組立品は、上で述べられたものと同じであることがある。
いくつかの実施形態では、基板を処理するための方法が、1つまたは複数の第1の容積を通して、各々の第1の容積よりも大きな第2の容積の中にプロセスガスを流し込むことであって、各第1の容積が、長手方向軸に沿って流れの方向に第1の断面から第2の断面へと増大する断面を有しており、第2の断面が非円形である、プロセスガスを流し込むことと、第2の容積を経由してプロセスガスを基板に送り出すこととを含む。
それで、本発明の上述の特徴が詳細に理解されるやり方、上で簡単に概要が示された本発明のより詳細な説明は、実施形態を参照して行われることがあり、実施形態のいくつかは、添付の図面に図示されている。しかし、留意すべきことであるが、添付の図面は、この発明の代表的な実施形態だけを図示し、この理由で、本発明の範囲を限定するものと考えるべきでない。というのは、本発明は、他の同等に効果的な実施形態を認めることができるからである。
本発明のいくつかの実施形態に従ったプロセスチャンバを示す模式化された断面図である。 本発明のいくつかの実施形態に従ったガス配送組立品およびガス導管を示す模式化された側面図である。 本発明のいくつかの実施形態に従ったガス導管を示す模式化された側面図である。 本発明のいくつかの実施形態に従ったガス配送組立品を示す模式化された上面図である。 本発明のいくつかの実施形態に従ったガス配送組立品を示す模式化された上面図である。 本発明のいくつかの実施形態に従った、基板を処理する方法を示す図である。
ガス配送組立品の方法および装置が本明細書で提供される。いくつかの実施形態では、ガス配送組立品は、第1の容積および1つまたは複数のガス導管を有するガス入口ファンネルを含む。各ガス導管は、入口と、そのガス導管を通って第1の容積の中へ入るガスの流れを容易にする出口とを有し、各ガス導管は、第1の容積よりも小さな第2の容積を有し、さらに各ガス導管は、入口付近の第1の断面から出口付近の第2の断面へと増大する断面を有しており、第2の断面は非円形である。ガス配送組立品は、プロセスチャンバへのプロセスガスの導入を容易にするためにプロセスチャンバに結合することができる。プロセスガスは、本発明の実施形態によって実現されまた以下で述べられる、ジュール・トンプソン冷却および/または渦形成によって生じるガス分離の軽減の恩恵を受ける可能性のある、例えば、キャリアガスと組み合わせて流される四塩化ハフニウム(HfCl)のようなハフニウム前駆物質または他の低蒸気圧反応ガスを含むことがある。
本明細書で使用されるような「原子層堆積」(ALD)または「循環的堆積」は、基板表面上に材料の1つの層を堆積させるために2以上の反応性化合物を連続して導入することを意味する。2、3またはそれ以上の反応性化合物が、交互に、処理チャンバの反応ゾーンの中に導入されることがある。通常、各反応性化合物は時間遅延によって分離されて、各化合物が基板表面に付着しおよび/またはその上で反応することができるようになる。一態様では、ハフニウム前駆物質などの第1の前駆物質または化合物Aが、反応ゾーンにパルス的に送り込まれ、その後に第1の時間遅延が続く。次に、酸化性ガスなどの第2の前駆物質または化合物Bが、反応ゾーンにパルス的に送り込まれ、その後に第2の遅延が続く。酸化性ガスは、インサイチュ(in−situ)水および酸素などのいくつかの酸化性化学物質を含むことがある。各時間遅延中に、窒素などのパージガスが、処理チャンバ中に導入されて、反応ゾーンをパージし、または別の方法で反応ゾーンから任意の残留反応性化合物または副生成物を除去する。あるいは、パージガスは、反応性化合物のパルスとパルスの間の時間遅延中にパージガスだけが流れるように、堆積プロセス中ずっと連続して流れることがある。所望の膜または膜厚が基板表面に形成されるまで、反応性化合物は、交互にパルス的に送られる。どのシナリオでも、化合物「A」のパルス、パージガス、化合物Bのパルス、またはパージガスのALDプロセスは、サイクルである。サイクルは、化合物Aか化合物Bかのどちらかで始まり、所望の厚さの膜を実現するまで、サイクルのそれぞれの順序を続ける。
図1は、本発明のいくつかの実施形態に従ったプロセスチャンバ100の模式化された断面図である。プロセスチャンバ100は、原子層堆積(ALD)または高速化学気相堆積(高速CVD)などの循環的堆積に適合されたガス配送組立品130を含む。本明細書で使用されるようなALDおよび高速CVDという用語は、基板の上に薄い層を堆積させるために反応物を連続して導入することを意味する。反応物の連続した導入は、複数の薄い層を堆積させて所望の厚さの共形の層を形成するように繰り返されることがある。
プロセスチャンバ100は、側壁110および底106を有するチャンバ本体104を含む。プロセスチャンバ100のスリットバルブ102は、ロボット(図示せず)がプロセスチャンバ100中に基板112を送り出しまた取り出すアクセスを可能にする。本発明のいくつかの実施形態では、基板112は、200mmまたは300mmの直径を有する半導体ウェーハまたはガラス基板であることがある。プロセスチャンバ100は、本明細書で開示される発明の装置および方法の恩恵を受ける可能性のあるALDまたは高速CVD用に構成された任意の適切なチャンバを含むことができる。いくつかの例示のプロセスチャンバは、「Apparatuses and Methods for Atomic Layer Deposition of Hafnium-Containing High-K Dielectric Materials」という名称の2005年5月12日に出願され本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願公開第2005‐0271813号、および「Gas Delivery Apparatus and Method for Atomic Layer Deposition」という名称の2001年12月21日に出願された米国特許出願公開第2003‐0079686号に記載されており、これらの出願は、その全体が参照して本明細書に組み込まれる。発明の技術の少なくとも一部を実施するのに適した2つの例示のチャンバには、Applied Materials Inc.から入手することができるGEMINI ALDまたはCVDがある可能性がある。
基板支持体108は、プロセスチャンバ100中で、基板受入れ面191上に基板112を支持する。基板支持体(または、ペデスタル)108は、基板支持体108およびその上に配置された基板112を上昇および下降させるように、リフトモータ114に取り付けられている。リフトモータ118に接続されたリフト板116は、プロセスチャンバ100中に取り付けられ、基板支持体108を貫通して動けるように配置されたピン120を上昇および下降させる。ピン120は、基板支持体108の表面の上で基板112を上昇および下降させる。本発明のいくつかの実施形態では、基板支持体108は、処理中基板112を基板支持体108に固定する真空チャック、静電チャック、または締付けリングを含むことがある。
基板支持体108は、その上に配置された基板112の温度を上げるために加熱されることがある。例えば、基板支持体108は、抵抗ヒータなどの埋込み加熱素子を使用して加熱されることがあり、または、基板支持体108の上に配置された加熱ランプなどの放射熱を使用して加熱されることがある。基板112の周辺部への堆積を妨げるように基板112の周辺部にパージガスを供給するパージチャネル124を画定するために、パージリング122が基板支持体108上に配置されることがある。
ガス配送組立品130は、チャンバ本体104の上部に配置されて、プロセスガスおよび/またはパージガスなどのガスをプロセスチャンバ100に供給する。例えば、いくつかの実施形態では、プロセスガスは、ハフニウム前駆物質または低蒸気圧の他の適切な反応ガスおよびキャリアガスを含むことがある。真空システム178は、ポンピングチャネル179と連通して、プロセスチャンバ100から任意の所望のガスを排出し、さらにプロセスチャンバ100のポンピングゾーン166の内部を所望の圧力または所望の圧力範囲に維持するのを助ける。
ガス配送組立品130は、さらに、チャンバ蓋132を含むことがある。チャンバ蓋132は、チャンバ蓋132の中心部から延びるガス入口ファンネル134、およびガス入口ファンネル134からチャンバ蓋132の周辺部に延びる底表面160を含むことができる。底表面160は、基板支持体108上に配置された基板112を実質的に覆うようにサイズ設定され、また形作られる。チャンバ蓋132は、基板112の周囲に隣接したチャンバ蓋132の周辺部にチョーク162を有することがある。キャップ部172は、ガス入口ファンネル134の一部およびガス入口136A、136B、136C、136Dを含む。ガス入口ファンネル134は、2つの同様なバルブ142A、142B、142C、142Dからのガス流を供給するガス入口136A、136B、136C、136Dを有する。バルブ142A、142B、142C、142Dからのガス流は、一緒におよび/または別々に供給されることがある。
ジュール・トンプソン冷却および渦形成によって生じるガス分離の軽減を容易にすることができるガス入口組立品の実施形態は、図2A〜Bおよび3A〜Bに関して以下で述べられる。一般に、そのような実施形態は、1つまたは複数のガス導管150の断面形状、およびガス入口ファンネル134に対するそれらの導管の向きに関係している。
図2A〜Bは、本発明のいくつかの実施形態に従ったガス入口ファンネル134および1つまたは複数のガス導管150を含んだガス配送組立品130の一部の3次元図を描いている。図1を参照すると、ガス導管150A、150B、150C、および150Dは、ガス入口136A、136B、136C、136Dとバルブ142A、142B、142C、142Dの間に配置されている。
図2Aに描かれたガス入口ファンネル134は、形が全体的に円筒形であり、第1の容積およびガス入口ファンネル134を貫通して配置された中心軸を有することがある。図1に描かれたものなどのいくつかの実施形態では、ガス入口ファンネル134は、中心軸の少なくとも一部に沿ってガス流の方向に拡大する断面を有することができる。ガス入口ファンネル134は、テーパの付いた真っ直ぐな表面、凹表面、凸表面、またはこれらの組合せなどの1つまたは複数のテーパ付き内部表面(図示せず)を備えることがあり、または、1つまたは複数のテーパ付き内部表面の区間(すなわち、テーパ付き部分および非テーパ付き部分)を備えることがある。
ガス導管150A、150B、150C、および150Dは、それぞれガス入口136A、136B、136C、および136Dでガス入口ファンネル134に結合される。図2Bに図示されるように、各ガス導管は、入口151と、長手方向軸に沿って導管を通り抜け各ガス入口136を通ってガス入口ファンネル134によって画定された第1の容積の中へ入るプロセスガスの流れを容易にする出口152とを有する。各ガス導管150は、ガス入口ファンネル134の第1の容積よりも小さな第2の容積を画定する。第1の容積と第2の容積の違いは、本発明の存在しない状態でガス導管150の第2の容積からガス入口ファンネルの第1の容積に流れ込むプロセスガスがジュール・トンプソン冷却効果を経験することがあり、このジュール・トンプソン冷却効果が、プロセスガスからの微細粒子の形成および基板に送り出されるプロセスガスの濃度ばらつきを引き起こすことができるようなものである。
ジュール・トンプソン冷却を軽減させるために、各ガス導管150は、入口151付近の第1の断面から出口152付近の非円形の第2の断面へと増大する断面を有するように形作られることがある。入口151と出口152の間でガス流の方向に沿って大きくなる断面は、ガス導管の容積を徐々に拡大し、それによって、例えば低蒸気圧反応ガスの化学的平衡を維持する。したがって、各ガス導管150の断面の漸進的な拡大は、反応ガスの急速な温度降下を減少させることができる。いくつかの実施形態では、非限定の例として、入口151付近の第1の断面は円形であることがある。しかし、第1の断面に任意の適切な形を選ぶことができる。
各ガス導管150の出口152付近の第2の断面は、非円形であることがある。図2Bに描かれるように、第2の断面は、全体的に長方形であることがある。しかし、他の適切な形が考えられる可能性がある。いくつかの実施形態では、第1の断面の面積と第2の断面の面積の比は、約3:1以上である。当業者は、入口151と出口152の間の拡大する断面の各ガス導管に沿って、ジュール・トンプソン冷却によって生じるプロセスガスの温度降下をうまく処理するような他の比を使用する可能性がある。
いくつかの実施形態では、ガス導管を流れるプロセスガスが接触するガス導管の表面積を最大にするように、非円形の形が第2の断面に選ばれる。例えば、外部ヒータが各ガス導管の外部表面に結合されるいくつかの実施形態では、表面積を最大にするそのような非円形の形が選ばれることがある。外部ヒータは、入口151と出口152の間の各ガス導管の拡大する断面によって生じるジュール・トンプソン冷却を軽減させるさらなる手段として、熱を供給することができる。ヒータに接触する第2の断面の最大にされた表面積は、第2の断面に沿って最大熱伝達を容易にすることができる。
図2Aに戻ると、いくつかの実施形態では、各ガス導管150は、ガス入口ファンネル134の中心軸154と交差する長手方向軸152を有する。そのような向きは、ガス入口ファンネル134内でプロセスガスの層流を実現することができ、したがって渦形成を減少させる。さらに、ガス入口ファンネル134内の層流は、ガス入口ファンネル134の内部表面およびチャンバ蓋132の他の表面のパージングを改善することができる。
さらに、非限定の例として、各ガス導管150は、ガス導管150A、150B、150C、および150Dについて図2Aに描かれているものなどの、ガス入口ファンネル134の中心軸に垂直な長手方向軸を有することができる。しかし、1つまたは複数のガス導管150は、必要に応じて、ガス入口ファンネル134の中心軸に対してある角度で向けられることがある。
いくつかの実施形態では、少なくとも2つの導管が、完全に対向した長手方向軸152を有することがある。例えば、図2Aに描かれているように、ガス導管150A、150Bおよびガス導管150C、150Dは、完全に対向した長手方向軸152を有する。完全に対向した長手方向軸は、図3Aの上面図に図示されるように、ガス入口ファンネル134の中心軸と交差する。
ガス導管150の他の構成が可能である。いくつかの実施形態では、図3Bの上面図に描かれているように、ガス導管150A、150Bなどの少なくとも2つのガス導管は、ガス入口ファンネル134の中心軸154と交差する垂直な長手方向軸156、158を有することがある。当業者は、上で述べられたように、ガス入口ファンネル134に沿って1つまたは複数の向きのガス導管150A、150B、150C、150Dを利用することができる。
図1に戻ると、いくつかの実施形態では、バルブ142A、142B、142C、および142Dは、別個の反応ガス源に結合されるが、好ましくは同じパージガス源に結合される。例えば、バルブ142Aは、反応ガス源138Aに結合され、バルブ142Bは反応ガス源138Bに結合され、さらに両方のバルブ142A、142Bは、パージガス源140に結合されている。各バルブ142A、142B、142C、142Dは、配送ライン143A、143B、143C、および143Dを含む。配送ライン143A、143B、143C、143Dは、反応ガス源138A、138B、138C、138Dと連通し、さらに、ガス導管150A、150B、150C、150Dを通してガス入口ファンネル134のガス入口136A、136B、136C、136Dと連通している。いくつかの実施形態では、追加の反応ガス源、配送ライン、ガス入口およびバルブが、ガス配送組立品130に付け加えられることがある。145A、145B、145C、および145Dなどのパージラインは、パージガス源140と連通しており、パージライン145A、145B、145C、および145Dの流れは、バルブ146A、146B、146C、および146Dによってそれぞれ制御される。パージライン145A、145B、145C、および145Dは、バルブ142A、142B、142C、および142Dで配送ライン143A、143B、143C、および143Dと交差する。反応ガス源138A、138B、138C、138Dから反応ガスを送り出すためにキャリアガスが使用される場合、一実施形態では、同じガスがキャリアガスおよびパージガスとして使用される(例えば、窒素がキャリアガスおよびパージガスとして使用される)。バルブ142A、142B、142C、および142Dは、ダイアフラムを備える。いくつかの実施形態では、ダイアフラムは、それぞれ、片寄って開くか閉じていることがあり、また閉じるか開くように動かすことができる。ダイアフラムは、空気圧で動かすことができ、または、電気的に動かすことができる。空気圧作動バルブの例には、オハイオ州ソロンのSwagelockから入手することができる空気圧作動バルブがある。空気圧作動バルブは、約0.020秒程度の時間のパルスのガスを供給することができる。電気的作動バルブは、約0.005秒程度の時間のパルスのガスを供給することができる。電気的作動バルブは、典型的には、バルブと148A、148Bなどのプログラム可能論理制御装置との間に結合されたドライバを使用することを必要とする。
各バルブ142A、142B、142C、142Dは、反応ガス138A、138B、138C、138Dとパージガス140の組み合わされたガス流および/または個別ガス流を供給するように適合されることがある。バルブ142Aに関して、バルブ142Aによって供給される反応ガス138Aとパージガス140の組み合わされたガス流の1つの例は、パージライン145Aを通ったパージガス源140からのパージガスの連続した流れと、配送ライン143Aを通った反応ガス源138Aからのパルスの反応ガスを含む。
バルブ142A、142B、142C、および142Dの配送ライン143A、143B、143C、および143Dは、ガス導管150A、150B、150C、および150Dを通ってガス入口136A、136B、136C、および136Dに結合されている。ガス導管150A、150B、150C、および150Dは、バルブ142A、142B、142C、および142Dに一体化されることがあり、または別個であることがある。一実施形態では、バルブ142A、142B、142C、および142Dは、配送ライン143A、143B、143C、143Dおよびバルブ142A、142B、142C、142Dとガス入口136A、136B、136C、136Dの間のガス導管150A、150B、150C、150Dの任意の不必要な容積を減らすように、ガス入口ファンネル134に近接して結合される。
ガス入口136A、136B、136C、136Dは、ガス入口ファンネル134の上部137に隣接して位置付けされる。他の実施形態では、1つまたは複数のガス入口136A、136B、136C、136Dが、上部137と下部135の間のガス入口ファンネル134の長さに沿って位置付けされることがある。
チャンバ蓋132の底表面160の少なくとも一部は、改善された速度分布のガス流をガス入口ファンネル134から基板112の表面全体にわたって(すなわち、基板112の中心から基板112の縁まで)供給するのを助けるように、ガス入口ファンネル134からチャンバ蓋132の周辺部までテーパを付けられることがある。いくつかの実施形態では、底表面160は、真っ直ぐな表面、凹表面、凸表面、またはこれらの組合せなどの1つまたは複数のテーパ付き表面を含むことがある。いくつかの実施形態では、底表面160は、ファンネルの形にテーパを付けられる。
プログラムされたパーソナルコンピュータ、ワークステーションコンピュータ、または同様なものなどの制御ユニット180が、処理条件を制御するようにプロセスチャンバ100に結合されることがある。例えば、制御ユニット180は、基板プロセスの順序の様々な段階で、バルブ142A、142B、142C、142D、146A、146B、146C、146Dによって、ガス源138A、138B、138C、138D、140からの様々なプロセスガスおよびパージガスの流れを制御するように構成されることがある。例示として、制御ユニット180は、中央処理装置(CPU)182、支援回路184、および関連した制御ソフトウェア183を含むメモリ186を備える。制御ユニット180は、プロセスチャンバ100の各構成要素を直接制御することができるが、これは、制御ユニット180を各チャンバ構成要素に結合する複数の制御線188で図示されている。あるいは、制御ユニット180は、各チャンバシステムの個々の制御ユニット(図示せず)に結合されて、それを制御することがある。例えば、制御ユニット180は、ガス配送組立品130の個々の制御ユニット(図示せず)に結合されることがあり、この場合には、ガス配送組立品130の個々の制御ユニットが、ガス配送組立品130の各構成要素、例えばガス源138A〜Dを制御する。
図4は、本発明のいくつかの実施形態に従って基板112を処理する方法を図示する。処理は、例えば、ALDプロセスによって基板の上に酸化ハフニウム(HfO)膜を堆積させることを含むことがある。堆積プロセスは、急速に膨張する容積のあるときジュール・トンプソン冷却を受けるかまたはガス入口ファンネルに入るとき渦形成の結果としてキャリアガスから分離されることがあるハフニウム前駆物質を、一般に、窒素(N)のようなキャリアガスと組み合わせて供給することを含む。したがって、上で説明されたガス導管150およびガス入口ファンネル134の実施形態は、そのような望ましくない効果の発生を防ぐ方法400を用いて有利に利用される可能性がある。
方法400は、図1に描かれたプロセスチャンバ100に関連して説明される。ステップ402で、基板112は、プロセスチャンバ100に装填される。
ステップ404で、ガスが、1つまたは複数の第1の容積(すなわち、ガス導管150)を通って第2の容積(すなわち、ガス入口ファンネル134)の中に流し込まれる。いくつかの実施形態では、ハフニウム前駆物質が1つのガス導管150を通って流され、さらに酸素含有前駆物質が他のガス導管150を通って流される。ハフニウム前駆物質および酸素含有前駆物質は、ALDプロセスで別々にまたは同時にパルス的に送られて、基板112上に酸化ハフニウム膜を形成することができる。
ガス入口ファンネル134およびガス導管150は、上で述べられたように、任意の適切な配列に配列することができる。最低限、上で述べられたように、各ガス導管150は、ガス入口ファンネル134の中心軸と交差する長手方向軸を有する。有利なことには、この向きは、ガスがガス導管150から出てガス入口ファンネル134に流れ込むときに渦形成を防ぐことができる。さらに、上で述べられたように、各ガス導管150は、最低限、長手方向軸に沿って第1の断面から第2の断面へと増大する断面を有し、第2の断面は非円形である。ガス導管のこの形状大きさは、上で述べられたように、有利なことに、ジュール・トンプソン冷却を軽減させ、熱伝達のためにより多くの表面積を提供する。
いくつかの実施形態では、ガス(例えば、ハフニウム前駆物質およびキャリアガス)が各ガス導管を流れるときに、ガス導管150A、150B、150C、および150Dに沿って温度が降下する。従来の設計における摂氏約200度から摂氏108度への大きな温度降下とは異なり、温度は、摂氏約190度から約183度にほんの僅かに下がるだけである。従来の設計は、例えば、急速に拡大する断面を有するガス導管であることがある。各ガス導管150の温度を摂氏約180度より上に維持することは、ハフニウム前駆物質を蒸気の形に保つのに役立つ。いくつかの実施形態では、上で述べられたように、ヒータが、各ガス導管150に結合され、各ガス導管150を流れるプロセスガスの温度降下をさらに減少させるために利用されることがある。
ステップ406で、ガスは、第2の容積(すなわち、ガス入口ファンネル134)を通って基板112に送り出される。いくつかの実施形態では、ハフニウム前駆物質は、ガス導管150およびガス入口ファンネル134を通って、約5mg/mから約200mg/mまでの率でプロセスチャンバ100に導入される。ハフニウム前駆物質は、通常、窒素などのキャリアガスと共に導入され、全流量は約50sccmから約2,000sccmの範囲である。従来のALDプロセスでは、ハフニウム前駆物質は、特定のプロセスおよび所望のハフニウム含有化合物に依存して、約1秒から約10秒までの継続時間でパルス的にプロセスチャンバ100に送り込まれる。高度先進ALDプロセスでは、ハフニウム前駆物質は、約50msから約3秒までのより短い継続時間でパルス的にプロセスチャンバ100に送り込まれる。いくつかの実施形態では、ハフニウム前駆物質は、四塩化ハフニウム(HfCl)であることがある。いくつかの実施形態では、ハフニウム前駆物質は、テトラカス(ジエチルアミン)ハフニウム((EtN)HfまたはTDEAH)であることがある。
酸素含有前駆物質は、約10sccmから約1,000sccmの範囲、好ましくは約30sccmから約200sccmの範囲の率でプロセスチャンバ100に導入される。従来のALDプロセスでは、酸化性ガスは、特定のプロセスおよび所望のハフニウム含有化合物に依存して、約0.1秒から約10秒までの率でパルス的にプロセスチャンバに送り込まれる。高度先進ALDプロセスでは、酸化性ガスは、約50msから約3秒までのより短い継続時間でパルス的にプロセスチャンバに送り込まれる。
それから、基板112は、約0.1秒から約5秒の範囲の時間の間、プロセスチャンバ100に導入されるパルスのハフニウム前駆物質に曝される。次に、パルスの酸素含有前駆物質が処理チャンバ100の中に導入される。いくつかの実施形態では、酸素含有前駆物質は、インサイチュ水および酸素などのいくつかの酸化性化学物質を含むことがある。適切なキャリアガスまたはパージガスには、ヘリウム、アルゴン、窒素、水素、フォーミングガス、酸素およびそれらの組合せがある可能性がある。本明細書で使用されるような「パルス」は、処理チャンバ100の反応ゾーンの中に断続的にまたは非連続的に導入されるある量の特定の化合物を意味する意図である。
各堆積サイクルの後で、酸化ハフニウムなどの特定の厚さのハフニウム含有化合物が、基板112の表面に堆積される。いくつかの実施形態では、各堆積サイクルは、約1〜10オングストロームの範囲の厚さを有する層を形成する。特定のデバイス要求条件に依存して、続いて起こる堆積プロセスは、所望の厚さを有するハフニウム含有化合物を堆積させることを必要とされる可能性がある。そのようなものとして、ハフニウム含有化合物の所望の厚さが実現されるまで、堆積プロセスは繰り返される。その後で、所望の厚さが実現されたとき、プロセスは中止される。
ALDプロセスによって堆積された酸化ハフニウムは、実験化学式HfOを有する。酸化ハフニウムは、分子化学式HfOを有するが、プロセス条件(例えば、時間的調節、温度、前駆物質)を変えることによって、酸化ハフニウムは、完全には酸化されず、例えばHfO1.8+などであることがある。好ましくは、酸化ハフニウムは、本明細書のプロセスによって、約HfO以下の分子化学式の状態で堆積される。
いくつかの実施形態では、図1の循環的堆積プロセスまたはALDプロセスは、約1トルから約100トルの範囲、好ましくは約1トルから約20トルの範囲、例えば約1トルから約10トルまでの圧力で行われる。いくつかの実施形態では、基板112の温度は、通常、摂氏約70度から摂氏約1,000度、好ましくは摂氏約100度から摂氏約650度、より好ましくは摂氏約250度から摂氏約500度の範囲である。
ハフニウム前駆物質は、一般に、ハフニウム前駆物質を含むバブラの中にキャリアガスを導入することによって、プロセスチャンバ100に計量分配される。PROE‐VAP(登録商標)などの適切なバブラは、コネティカット州ダンベリにあるAdvanced Technology Materials Inc.から入手することができる。バブラの温度は、内部のハフニウム前駆物質に依存してある温度に、例えば摂氏約100度から摂氏約300度までの温度などに維持される。例えば、バブラは、摂氏約150度から摂氏約200度までの温度のHfClを含むことがある。
いくつかの実施形態では、酸化性ガスは、1つのラインでプロセスチャンバ100に流体連通している水蒸気発生器(WVG)システムで生成される。WVGシステムは、OとHの触媒反応によって超高純度水蒸気を発生する。燃焼の結果として水蒸気を生成する高温発生器とは異なって、WVGシステムは、触媒で内側が覆われた反応器または触媒カートリッジを有し、その中で、化学反応によって水蒸気が発生される。HおよびOの流れを調節することで、濃度1%から100%までの任意の点に濃度を正確に制御することができるようになる。水蒸気は、水、H、O、およびこれらの組合せを含む可能性がある。適切なWVGシステムは市販されており、例えば、カリフォルニア州サンタクララにあるFujikin of America Inc.によるWVGおよびカリフォルニア州メンローパークにあるUltra Clean TechnologyによるCSGS(Catalyst Steam Generator System(触媒蒸気発生システム))などがある。
パルスのパージガス、好ましくはアルゴンまたは窒素は、約1slmから約20slmまでの率、好ましくは約2slmから約6slmまでの率で導入される。各処理サイクルは、約0.01秒から約20秒続く。例えば、いくつかの実施形態では、処理サイクルは約10秒であるが、いくつかの他の実施形態では、処理サイクルは約2秒である。約10秒続くより長い処理ステップは、優れたハフニウム含有膜を堆積させるが、スループットが低下する。特定の圧力および時間は、実験によって得られる。
多くの前駆物質が本発明の範囲内にある。1つの重要な前駆物質の特徴は、好都合な蒸気圧を有することである。前駆物質は、大気温度および圧力で気体、液体または固体であることがある。しかし、ALDチャンバ内では、蒸発した前駆物質が利用される。有機金属化合物または合成物は、金属と少なくとも1つの有機基、例えばアミド、アルキル、アルコキシル、アルキルアミドおよびアニリドなどを含む任意の化学物質を含む。前駆物質は、有機金属化合物、無機化合物およびハロゲン化化合物を含むことがある。
例示のALDプロセスは、水発生器で形成されたインサイチュ蒸気と共にハフニウム前駆物質を連続してパルス的に送ることによって成長された酸化ハフニウム膜である。基板表面は、ヒドロキシル基を形成するための前処理に曝される。ハフニウム前駆物質HfClは、前駆物質バブラ中で、摂氏約150〜200度の温度に維持される。窒素のようなキャリアガスが、約400sccmの流量でバブラに送り込まれる。ハフニウム前駆物質は、キャリアガスを飽和させ、3秒間チャンバにパルス的に送り込まれる。窒素のパージガスが3秒間チャンバ100にパルス的に送り込まれて、任意の未結合ハフニウム前駆物質を取り除く。水素ガスおよび酸素ガスが、それぞれ120sccmおよび60sccmの流量で、水蒸気発生器(WVG)システムに供給される。インサイチュ蒸気が、おおよそ60sccmの水蒸気でWVGから出て行く。インサイチュ蒸気は、1.7秒間パルス的にチャンバに送り込まれる。窒素のパージガスは、4秒間パルス的にチャンバ100に送り込まれて、任意の未結合または未反応試薬、例えば副生成物、ハフニウム前駆物質、酸素および/または水またはHClのような任意の副生成物などを取り除く。基板112の温度は、摂氏約400〜600度の温度に維持される。例示として、各ALDサイクルは、約0.8オングストロームの酸化ハフニウム膜を形成することがある。
本発明の実施形態は、ハフニウム含有化合物を堆積させるように説明されたが、WVGシステムから得られる酸化性ガス、例えば水蒸気およびOの流体などと金属前駆物質を交互にパルス的に送ることによって、ハフニウム含有化合物以外に、様々な金属酸化物および/または金属珪酸塩を形成することができる。ハフニウムおよび/または珪素前駆物質の代わりに他の金属前駆物質を使用することによって、上で開示されたALDプロセスを変えて、アルミン酸ハフニウム、珪酸チタン、酸化ジルコニウム、珪酸ジルコニウム、アルミン酸ジルコニウム、酸化タンタル、珪酸タンタル、酸化チタン、珪酸チタン、酸化珪素、酸化アルミニウム、珪酸アルミニウム、酸化ランタン、珪酸ランタン、アルミン酸ランタン、これらの窒化物、およびこれらの組合せなどの材料を形成することができる。
ガス配送組立品の方法および装置が本明細書で提供される。ガス配送組立品は、有利なことには、任意選択的に外部ヒータに結合される拡大する非円形断面を有するガス導管によって、ジュール・トンプソン冷却の軽減を実現することができる。各導管の長手方向軸がガス入口ファンネルの中心軸と交差するようにガス導管を方向付けすることで、有利なことに、ガス入口ファンネル中の渦形成を軽減することができる。
上述のことは、本発明の実施形態を対象にしているが、本発明の他のさらなる実施形態を、本発明の基本的な範囲から逸脱することなしに考案することができる。

Claims (15)

  1. ス入口ファンネルと、
    前記ガス入口ファンネルと交差するガス導管とを備え、
    前記ガス導管が、ガスを受け取るための入口と、ガス導管から出て前記ガス入口ファンネルに入る前記ガスの流れを容易にするための出口とを有し、
    前記ガス導管が、前記ガス入口ファンネルの容積よりも小さなを有し
    前記ガス導管が、前記ガス導管の入口付近の第1の断面から前記ガス導管の出口付近の第2の断面へと増大する断面を有し
    前記第2の断面が非円形である、
    ガス配送組立品。
  2. 前記ガス導管が、前記ガス入口ファンネルの中心軸と交差する長手方向軸を有する、請求項1に記載のガス配送組立品。
  3. 2つのガス導管をさらに備え、前記2つのガス導管が、完全に対向する長手方向軸を有する、請求項2に記載のガス配送組立品。
  4. 2つのガス導管をさらに備え、前記2つのガス導管が、直角に交わる長手方向軸を有する、請求項1または2のいずれかに記載のガス配送組立品。
  5. 各ガス導管が、前記ガス入口ファンネルの前記中心軸に垂直な長手方向軸を有する、請求項1ないし4のいずれかに記載のガス配送組立品。
  6. 各ガス導管が、前記ガス入口ファンネルの前記中心軸に対してある角度で配置された長手方向軸を有する、請求項1ないし4のいずれかに記載のガス配送組立品。
  7. 前記各ガス導管に結合されてその導管を流れるガスを加熱するヒータをさらに備える、請求項1ないし6のいずれかに記載のガス配送組立品。
  8. 前記ガス入口ファンネルが、前記中心軸の少なくとも一部に沿ってガス流の方向で増大する断面を有する、請求項1ないし7のいずれかに記載のガス配送組立品。
  9. 各ガス導管の前記出口と前記入口の断面積の比が、:1以上である、請求項1ないし8のいずれかに記載のガス配送組立品。
  10. 基板を処理するための装置であって、
    ある内部容積を有するプロセスチャンバと、
    前記プロセスチャンバの中にプロセスガスを導入するように前記プロセスチャンバに結合された、請求項1ないし9のいずれかに記載のガス配送組立品と
    を備える、装置。
  11. 基板を処理するための方法であって、
    1つまたは複数のガス導管を通して、前記1つまたは複数のガス導管と交差するガス入口ファンネルの中にプロセスガスを流し込むこと
    前記ガス入口ファンネルが、前記1つまたは複数のガス導管の各々の容積よりも大きな容積を有しており、
    前記1つまたは複数のガス導管の各々が、長手方向軸に沿って流れの方向に第1の断面から第2の断面へと増大する断面を有しており、
    前記第2の断面が非円形であ
    ガス入口ファンネルを経由して前記プロセスガスを前記基板に送り出すことと
    を含む方法。
  12. ガス導管の長手方向軸が、前記ガス入口ファンネルの中心軸と交差する、請求項11に記載の方法。
  13. 少なくとも2つのガス導管から前記プロセスガスを流すことをさらに含み、前記少なくとも2つのガス導管が、完全に対向する長手方向軸を有する、請求項11ないし12のいずれかに記載の方法。
  14. 少なくとも2つのガス導管から前記プロセスガスを流すことをさらに含み、前記少なくとも2つのガス導管が、直角に交わる長手方向軸を有する、請求項11ないし12のいずれかに記載の方法。
  15. ガス導管に流される前記プロセスガスを加熱することをさらに含む、請求項11ないし14のいずれかに記載の方法。
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