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（ＨｆＣｌ４）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（ＨｆＣｌ４）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（ＨｆＯｘ）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（Ｎ２）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（ＨｆＣｌ４）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（（Ｅｔ２Ｎ）４Ｈｆ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ＨｆＯＸを有する。酸化ハフニウムは、分子化学式ＨｆＯ２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ＨｆＯ２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ＨｆＣｌ４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、Ｏ２とＨ２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。Ｈ２およびＯ２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、Ｈ２、Ｏ２、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ＨｆＣｌ４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Ｏ２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. ガ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容積を有し、
    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、３：１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り、
    前記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. 各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. 各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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