JP7205021B2 - 気相ラジカルの制御のための複数ゾーンガス噴射 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年５月２４日に出願された「Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｚｏｎｅ Ｇａｓ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｇａｓ Ｐｈａｓｅ Ｒａｄｉｃａｌｓ」と題された米国仮特許出願第６２／６７６，１７３号明細書の優先権を主張するものであり、該出願の開示はその全体が、参照により本明細書に明示的に組み込まれる。

本開示は、基板の処理に関する。特に、本開示は基板の表面を処理するための装置及び方法を提供する。

原子層堆積は、基板上に層を形成するための既知の技術である。原子層堆積では、基板は、交互のガス種（又は前駆体）に周期的に曝される。ガス種は、基板の表面と自己制限的な又はほぼ自己制限的な態様で反応する。交互のガス種のサイクルを繰り返すことにより、薄膜を徐々に形成することができる。原子層堆積処理では、様々な処理ツールを利用することができる。例えば、バッチ炉タイプのシステムを利用することができる。処理チャンバが、単一の基板のためにガスで満たされ排気される単一基板システムも、利用することができる。更に別のシステムは、空間原子層堆積システムである。空間原子層堆積システムでは、基板は比較的に高速で移動してガス噴射器を通過するか、又はガスシャワーヘッドを通過するか、又は噴射器出口を備えたシャワーヘッドを通過し、これらは、基板が循環的な態様で通過するにつれて、基板の表面近くへ必要なガスを噴射して原子層堆積処理工程を実施する。

１つの既知の原子層堆積処理は、原子層堆積酸化膜、例えば酸化ケイ素の形成である。例示的な処理には、基板表面をケイ素含有ガスに順次曝し、その後基板表面を原子状酸素（Ｏ）に曝すことが含まれることがある。高品質の酸化ケイ素堆積膜をもたらす優れた酸化特性に起因して、原子状酸素が好ましいことがある。例示的な空間原子層堆積処理には、まず基板をケイ素含有ガス、例えばジクロロシラン（ＤＣＳ）、トリクロロシラン等に曝すことが含まれることがある。次に、基板は原子状酸素に曝されることがある。原子状酸素を生成するための典型的な技術には、基板表面の上に酸素（Ｏ２）と水素（Ｈ２）のガスの組み合わせを個別に噴射することが含まれ、そこで、Ｏ２とＨ２は混合されるとすぐに反応して、原子状酸素（Ｏ）などの気相副生成物が形成される。原子状酸素（Ｏ）は基板上のケイ素と反応して酸化ケイ素を形成することがある。そのような技術は、低圧ラジカル酸化（ＬＰＲＯ）として知られている。通常、この処理は、基板を加熱し、低圧（１０Ｔｏｒｒ未満）でＯ２及びＨ２を所望の比率で噴射することで、行われる。上述した化学反応は、酸化ケイ素の原子層堆積のための例示的な既知の化学反応に過ぎず、他の化学反応が存在することもあり、他の材料の原子層堆積が存在することもあることを、認識されたい。

空間システムのようなシステムにおける原子状酸素の生成には、原子層堆積処理に加えて他の使用方法がある場合もある。例えば、原子状酸素表面処理の他の使用方法が知られている。一実施形態では、原子状酸素を表面に提供し、表面に拡散させて拡散酸化ケイ素層を形成させることがある。

原子状酸素を利用するシステムに存在する課題とは、基板の表面全体に渡って均一な密度の原子状酸素を提供することである。不均一な密度の原子状酸素は、不均一に堆積された膜及び他の問題を引き起こすことがある。例えば、原子状酸素が不均一だと、基板に拡散する原子状酸素の量が変わり、拡散酸化ケイ素膜の構成が変わる。そのような拡散膜は、堆積膜の形成とは対照的に下にある材料を消費するので、一般的に、原子層堆積処理では望ましくない。更に、不均一な原子状酸素の密度は、吸着したケイ素種の不均一な酸化をもたらす。例えば、吸着した分子がＤＣＳである場合、ＤＣＳは完全には酸化されず、酸化ケイ素に変換されないことがある。後に続くＤＣＳ曝露のサイクルにより、ＤＣＳ吸着がより少なくなり、それによって、最終的に堆積される酸化ケイ素が不均一になることがある。

従って、基板の上に密度の均一性が改善された気相ラジカルを提供するシステム及び方法を提供することが望ましい。

気相ラジカルの制御が改善されたプロセス及び装置が提供される。一実施形態では、原子状酸素の改善された制御が提供される。一実施形態では、原子状酸素を利用するシステムが提供され、このシステムでは、原子状酸素を生成するガスが、処理空間に噴射される前に混合される。この混合は、シャワーヘッドの内部で行われることがあり、又は、シャワーヘッドに入る前に行われることもある。別の実施形態では、複数のゾーンを含むシャワーヘッドが提供される。シャワーヘッドのゾーンのうちの幾つかは、原子状酸素を生成するガスの混合物を処理空間に噴射することがある一方で、他のゾーンはその混交物を噴射しない。一実施形態では、原子状酸素を生成するガスの混合物が主ゾーンに噴射され、一方、それらのガスの部分集合が、シャワーヘッドの内側及び外側ゾーンに噴射される。このプロセス及び装置は、処理されている基板の全体に渡って均一な密度の原子状酸素を提供する。

一実施形態では、基板を処理するためのシステムが提供される。システムはシャワーヘッドを備えることがあり、シャワーヘッドは少なくとも主ゾーン、内側ゾーン、及び外側ゾーンを有する。シャワーヘッドは更に、システムの処理空間に複数種のガスを噴射するようになっている複数の噴射器を備えることがあり、この複数の噴射器は、少なくとも１つの主ゾーン噴射器、少なくとも１つの内側ゾーン噴射器、及び少なくとも１つの外側ゾーン噴射器を含む。システムは更に、気相混合器を備えることがあり、この気相混合器は、２種以上のガスを受け取るようになっており、この２種以上のガスを少なくとも１つの主ゾーン噴射器に供給する前にこの２種以上のガスを混合するように配置される。更に、システムは、その２種以上のガスを処理し１種以上の気相ラジカルを生成して、基板の半径方向領域全体に渡って均一な密度の１種以上の気相ラジカルを生成するようになっている。

別の実施形態では、半導体基板を処理するためのシステムが提供される。システムはシャワーヘッドを備えることがあり、シャワーヘッドは少なくとも主ゾーン及び外側ゾーンを有する。シャワーヘッドは更に、システムの処理空間に複数種のガスを噴射するようになっている複数の噴射器を備えることがあり、この複数の噴射器は、少なくとも１つの主ゾーン噴射器及び少なくとも１つの外側ゾーン噴射器を含む。システムは更に、気相混合器を備えることがあり、この気相混合器は、２種以上のガスを受け取るようになっており、この２種以上のガスを少なくとも１つの主ゾーン噴射器に供給する前にこの２種以上のガスを混合するように配置される。更に、システムはこの２種以上のガスの部分集合を外側ゾーン噴射器に供給するようになっており、システムは、この２種以上のガスを利用して１種以上の気相ラジカルを処理空間内で生成するようになっている。

更に別の実施形態では、基板上に層を堆積させる方法が提供される。この方法は、複数種の処理ガスを供給するステップと、少なくとも主ゾーン及び外側ゾーンを有するシャワーヘッドを提供するステップとを含む。この方法は更に、シャワーヘッド主ゾーンを通して処理空間に第１の複数種のガスを供給するステップと、この第１の複数種のガスが処理空間に供給される前に、この第１の複数種のガスを予混合するステップと、を含む。この方法は更に、第１の複数種のガスから、処理空間内で気相ラジカルを取得するステップと、第１の複数種のガスの部分集合を外側ゾーンに供給するステップと、基板全体に渡って均一な密度の気相ラジカルを取得するステップと、を含む。この方法は更に、気相ラジカルを利用して基板上に層を堆積させるステップを含む。

更に別の実施形態では、原子層堆積処理の低圧ラジカル酸化ステップを実施する方法が提供される。この方法は、複数種の処理ガスを供給するステップと、少なくとも主ゾーン及び外側ゾーンを有するシャワーヘッドを提供するステップと、第１の複数種のガスをシャワーヘッド主ゾーンを通して処理空間に供給するステップと、を含む。この方法は更に、第１の複数種のガスが処理空間に供給される前に第１の複数種のガスを予混合するステップと、第１の複数種のガスから処理空間において原子状酸素（Ｏ）を取得するステップと、を含む。この方法は更に、第１の複数種のガスの部分集合を外側ゾーンに供給するステップと、基板全体に渡って均一な密度の原子状酸素（Ｏ）を取得するステップと、を含む。この方法は更に、原子状酸素（Ｏ）を利用して、低圧ラジカル酸化ステップ中に基板上に酸化物を含む層を堆積させるステップを含む。

本発明及びその利点のより詳細な理解が、添付の図面と併せて以下の説明を参照することによって得られ、図面では、同様の参照番号は同様の特徴を示す。しかしながら、添付の図面は、開示された概念の例示的な実施形態のみを示し、従って範囲を限定するものと見なされるべきではなく、開示された概念に対して他の同等に効果的な実施形態も許され得ることに留意されたい。

従来の空間原子層堆積システムを示す。 図１のシステムと共に使用するためのシャワーヘッドを示す。 低圧ラジカル酸化用のシャワーヘッド及び付随のガス分配システムの例示的な実施形態を示しており、予混合はシャワーヘッドの前に行われる。 複数のゾーンの結果としての基板全体に渡る例示的な原子状酸素密度を示す。 複数のゾーンを有する例示的なシャワーヘッドの底面図を示す。 図７のシャワーヘッドの上面図を示す。 低圧ラジカル酸化用のシャワーヘッド及び付随のガス分配システムの例示的な実施形態を示しており、予混合はシャワーヘッド内で行われる。 シャワーヘッド内でガスを予混合するための例示的な実施形態を示す。 本明細書で開示する技術を利用した例示的な方法を示す。

気相ラジカルの制御が改善されたプロセス及び装置が提供される。一実施形態では、原子状酸素の改善された制御が提供される。一実施形態では、原子状酸素を利用するシステムが提供され、このシステムでは、原子状酸素を生成するガスが、処理空間に噴射される前に混合される。この混合は、シャワーヘッドの内部で行われることがあり、又は、シャワーヘッドに入る前に行われることもある。別の実施形態では、複数のゾーンを含むシャワーヘッドが提供される。シャワーヘッドのゾーンのうちの幾つかは、原子状酸素を生成するガスの混合物を処理空間に噴射することがある一方で、他のゾーンはその混交物を噴射しない。一実施形態では、原子状酸素を生成するガスの混合物が主ゾーンに噴射され、一方、それらのガスの部分集合が、シャワーヘッドの内側及び外側ゾーンに噴射される。このプロセス及び装置は、処理されている基板の全体に渡って均一な密度の原子状酸素を提供する。

一実施形態では、気相ラジカルの制御を改善したプロセス及び装置は、空間原子層堆積のためのシステム及び方法であり得る。より特定の実施形態では、このプロセス及び装置は、空間原子層堆積のための原子状酸素密度の制御の改善をもたらす。

一実施形態では、本明細書で説明するプロセス及び装置は、図１に示すような回転テーブルを利用した空間原子層堆積ツールに組み込まれることがある。図１の従来の空間原子層堆積ツールの一般的な構造は、当技術分野で知られているものと類似していることがある。しかしながら、本明細書で説明する概念は、広範な他の基板処理ツールに組み込むことができることを、認識されたい。図１に示すように、基板処理ツール１００は、基板処理ツール１００の処理チャンバ１０５の内部を見た上面図で示される。基板１１５のうちの１つ又は複数を保持するテーブル１１０が設けられる。基板１１５は、基板を加熱することができるサセプタ上に保持されることがある。ＬＰＲＯシャワーヘッド１２０は、テーブル１１０の上方に配置される。ケイ素前駆体シャワーヘッド１２５も、テーブル１１０の上方に配置される。テーブル１１０は、（矢印によって示されるように）回転し、その結果、基板１１５のうちの１つ又は複数が、ケイ素前駆体シャワーヘッド１２５の下、次いでＬＰＲＯシャワーヘッド１２０の下を順次移動することができる。このようにして、空間原子層堆積処理を行うことができる。ガス出口ポンプポート１３０も、図示するように設けられる。コントローラが、例えば、温度、ガス流、圧力、回転速度、原子層堆積サイクルの数などを含むがこれらには限定されない、システムの様々な動作パラメータを制御するように設けられることがある。基板処理ツール１００は、窒素（Ｎ２）パージ源１２８も含むことがある。Ｎ２パージ源１２８は、基板が回転してＬＰＲＯシャワーヘッド１２０及びケイ素前駆体シャワーヘッド１２５を通過した後で、Ｎ２パージを提供する。Ｎ２パージ源１２８は、ガス噴射器のライン、別個の分割されたゾーン内のガス噴射器のライン、シャワーヘッドなどの、任意の数の態様で構成されることがある。

図２は、基板１１５がＬＰＲＯシャワーヘッド１２０の下で回転しているときの、テーブル１１０、基板１１５、及びＬＰＲＯシャワーヘッド１２０の断面を示す。ＬＰＲＯシャワーヘッドは、基板１１５の上の処理空間２１０に（矢印２０５によって示されるように）ガスを噴射する。ＬＰＲＯシャワーヘッド１２０から処理空間２１０に噴射されたガスは、原子堆積処理の一部として利用される。ＬＰＲＯシャワーヘッド１２０、基板１１５、及びテーブル１１０のより詳細な図が、図３に見られる。図３に示すように、ＬＰＲＯシャワーヘッド１２０は、矢印２０５によって示すように、処理空間２１０にガスを噴射するための噴射器穴３０５を含むことがある。図示するように、スカート３１０が噴射器穴３０５を取り囲むことがある。ＬＰＲＯシャワーヘッド１２０、スカート３１０、及び噴射器穴３０５の斜視図が図４に示されている。図２～４のシャワーヘッドは従来のものである。本明細書に記載するように、改善されたシャワーヘッド及びそのような改善されたシャワーヘッドを使用するための技術について説明する。

本明細書に記載するように、改善されたシャワーヘッド及びそのような改善されたシャワーヘッドを使用するための技術について説明する。本明細書で開示する技術によれば、ＬＰＲＯシャワーヘッドは異なるガス噴射ゾーンを備え、複数種の反応性ガスが、基板の上の処理空間にそれらのガスを噴射する前に混合される。しかしながら、予混合の概念とガスゾーンの概念を組み合わせて利用する必要はなく、むしろ単独で利用してもよく、その際依然として、従来技術に比べて利点があることを、認識されたい。

一実施形態では、Ｏ２及びＨ２が、処理空間に噴射される前に予混合される。窒素（Ｎ２）などのキャリアガスも含まれることがある。混合は、様々な方法で実施することができる。一実施形態では、混合は、ガス分配多岐管又は特別なミキシングプレナムで行われることがある。別の実施形態では、混合はＬＰＲＯシャワーヘッド内部で行われることがある。ガスを処理空間（処理空間２１０など）に注入する前に混合する混合処理を提供するために、他の混合技術も利用することができる。そのような予混合は、処理空間にガスを別々に噴射する（混合が処理空間内で行われる）場合と比べると、より均質な混合物を提供し、原子状酸素を形成するためのより均一な処理をもたらす。

処理空間内の原子状酸素の密度の不均一性は、様々な要因から生じ得ることも分かった。例えば、Ｎ２の侵入が、シャワーヘッドの内側及び外側の半径方向部分で発生することがあり、反応化学作用が弱まり、原子状酸素の密度が不均一になり得ることが分かった。更に、シャワーヘッドの内側及び外側の半径方向部分でガス温度がより低くなり、原子状酸素の形成を更に弱めることが分かった。本明細書で説明するように、これらの効果は、これらの内側及び外側の半径方向ゾーンに少量の追加のＨ２を噴射することを通じて、処理のＨ２／Ｏ２比率にバイアスをかけることによって、打ち消される。これにより、温度及びＮ２希釈の効果を打ち消すのに十分な程、Ｈ２／Ｏ２比率が上昇する。従って、処理空間の異なる領域に対して特定のガス制御を提供できるように複数のゾーンを有するガス噴射器及び／又はシャワーヘッド構成が提供されることがある。一実施形態では、主ゾーン、内側ゾーン、及び外側ゾーンが設けられ、そのそれぞれに個別のガス制御が提供される。一実施形態では、主ゾーンには全てのガスが供給されるが、内側ゾーン及び外側ゾーンにはガスの部分集合のみが供給される。

上述した技術を実現するための１つの例示的なシステムが図５に示されている。図５に示すように、基板処理ツールはＬＰＲＯシャワーヘッド５００を含む。ＬＰＲＯシャワーヘッド５００は、図示するようにスカート５０５を含む。ＬＰＲＯシャワーヘッド５００は、外側ゾーンガス入口５１５を含み、これは、図示するように、外側ゾーンＨ２マスフローコントローラ５１０及び外側ゾーンガス噴射器５１７に接続される。ＬＰＲＯシャワーヘッド５００は、内側ゾーンガス入口５２５を含み、これは、図示するように、内側ゾーンＨ２マスフローコントローラ５２０及び内側ゾーンガス噴射器５２７に接続される。ＬＰＲＯシャワーヘッド５００は、ガス混合器５５０に接続された第１の主ゾーンガス入口５６０及び第２の主ゾーンガス入口５７０も含む。ガス混合器５５０は、図５に示すように、Ｈ２マスフローコントローラ５３０、Ｏ２マスフローコントローラ５４０、及びＮ２マスフローコントローラ５４５に接続される。ＬＰＲＯシャワーヘッド５００の主ゾーンは、図示するように、シャワーヘッド主ゾーンチャンバ５７２及び複数の主ゾーンガス噴射器５７５を含む。動作時には、ガスが、図の矢印によって示すように、これらのマスフローコントローラから噴射器に流れ、処理空間２１０へと流れる。基板１１５は、他の図で示されたテーブルに類似したテーブル１１０上に提供される。

図５の実施形態では、処理の反応性ガス（Ｈ２及びＯ２）は、処理空間２１０に入る前に予混合される。図５の実施形態では、予混合はガス混合器５５０内で行われる。ガス混合器５５０は、基板処理ツールの多岐管システムの一部であることがあり、又は、特別なミキシングプレナムであり得る。ガスを予混合するための代替的な実施形態を利用することもできることを、認識されたい。更に、図５に示すように、処理空間に噴射されるガスは、原子状酸素の形成の均一さを改善するように、処理空間全体に渡って可変的に制御されることがある。図示した例では、主ゾーンは内側及び外側のサイドゾーンと共に設けられる。図６に、異なるゾーンの関係が示され得る。図６に示すように、処理空間２１０、外側ゾーンガス噴射器５１７、主ゾーンガス噴射器５７５、及び内側ゾーンガス噴射器５２７が設けられる。図６は、処理空間２１０内部の原子状酸素の密度のグラフも示す。より具体的には、正味の原子状酸素の密度６３０が、密度と処理空間２１０に渡る位置との関数としてプロットされている。図示するように、正味の原子状酸素の密度は、基板１１５の上方の領域全体に渡って、比較的に均一である。正味の原子状酸素の密度６３０は、シャワーヘッドの各ゾーンに噴射されたガスに起因する原子状酸素の形成の関数である。図示するように、主ゾーン原子状酸素密度６１５は、基板の縁部の近くで低下する。内側ゾーン及び外側ゾーンを使用すると、これらの領域におけるＨ２／Ｏ２比率を調節するように追加のＨ２を噴射することを通じて、これらのサイドゾーンにおける原子状酸素の形成の局所的な増加をもたらすことにより、この低下が相殺される。従って、図示するように、内側ゾーン原子状酸素密度６１０及び外側ゾーン原子状酸素密度６２０は、主ゾーン原子状酸素密度６１５と組み合わさって、正味の原子状酸素密度６３０を提供する。

図５及び図６は、ＬＰＲＯシャワーヘッド５００の断面図を提供する。図７は、ＬＰＲＯシャワーヘッド５００の底面図を提供する。図７に示すように、ＬＰＲＯシャワーヘッド５００は、主ゾーン７０５、内側ゾーン７１０、及び外側ゾーン７１５を取り囲むスカート５０５を含む。図７の実施形態は単なる例示に過ぎず、ゾーンの具体的な構成及びゾーンの数は変えることができることを認識されたい。従って、図７は、基板に隣接する処理空間においてより均一な反応結果をもたらすために、ＬＰＲＯシャワーヘッド全体に渡り反応性ガスを調節する１つの方法を示すに過ぎない。更に、図７は、内側ゾーン７１０、主ゾーン７０５、及び外側ゾーン７１５内部の内側ゾーンガス噴射器５２７、主ゾーンガス噴射器５７５、及び外側ゾーンガス噴射器５１７をそれぞれ示す。各ゾーン内部の噴射器の具体的なパターン及び数は変えることができ、図に示した構成は単なる例示に過ぎないことを、認識されたい。

図８は、図５～７のＬＰＲＯシャワーヘッド５００の上面図を示す。図８に示すように、ＬＰＲＯシャワーヘッド５００は、内側ゾーンガス入口５２５、第１の主ゾーンガス入口５６０、第２の主ゾーンガス入口５７０、及び外側ゾーンガス入口５１５を含む。

上述のように、基板上により均一な処理結果を提供するように、処理空間に噴射する前に反応性ガスを予混合することが有利である。図５～８に示すように、予混合はシャワーヘッドに注入する前に実施されることがある。図９は、混合をシャワーヘッド自体の中で行うことができる実施形態を示す。図９の実施形態は、図５の実施形態と似ているが、ガス混合器５５０が利用されないという点が異なる。その代わりに、図示するように、ガスＨ２、Ｏ２、及びＮ２は、関連付けられたマスフローコントローラからＨ２ガス入口９０５、Ｏ２ガス入口９１０、及びＮ２ガス入口９１５にそれぞれ供給される。この実施形態では、次いで、これらのガスは、主ゾーンガス噴射器５７５を通って処理空間２１０に進む前に、シャワーヘッド主ゾーンチャンバ５７２の中で混合することができる。従って、混合は、シャワーヘッド自体の機能と統合することができる。主ゾーンチャンバ５７２は開放チャンバとして示されているが、主ゾーンチャンバ５７２は、処理ガスの混合を促進するラビリンス、バッフル、空間、又は他のチャネルから構成されることがあることを認識されたい。

シャワーヘッド自体の中でガスを予混合するための１つの例示的な実施形態が、図１０及び図１１に示されている。図１０に示すように、シャワーヘッドの限定領域、より具体的には、シャワーヘッドの主ゾーン領域が示されている。図１０に示すように、第１の主ゾーンガス入口１００５及び第２の主ゾーンガス入口１０１０が設けられる（図５の第１の主ゾーンガス入口５６０及び第２の主ゾーンガス入口５７０と同様）。例えば、第１の主ゾーンガス入口１００５は酸素（Ｏ２）供給源に接続されることがあり、第２の主ゾーンガス入口１０１０は水素（Ｈ２）供給源に接続されることがある。第１の主ゾーンガス入口１００５及び第２の主ゾーンガス入口１０１０に接続されているのはラビリンス１０１５であり、ラビリンス１０１５の内部で、それらの入口からのガスを混合することができる。ラビリンス１０１５は、ポート１０２５を有する多岐管１０２０に接続されることがある。シャワーヘッド１１０５内部の図１０の構造の断面が図１１に示されている。図示するように、第１の主ゾーンガス入口１００５、第２の主ゾーンガス入口１０１０、ラビリンス１０１５、多岐管１０２０、及びポート１０２５は、ガスが混合され、シャワーヘッド主ゾーンチャンバ５７２に入り、次いで主ゾーンガス噴射器５７５を通って処理空間に出てゆくための経路を提供する。シャワーヘッド及び構成要素は、１つの例示的な実施形態では、アルミニウムから形成されることがある。

上述した装置及び方法は、処理空間にガスを噴射するためにシャワーヘッドの使用を必要とする広範な用途において有用である。一実施形態では、この装置及び技術は、原子層堆積装置及び処理に対して有用である。より特定の実施形態では、この装置及び技術は、空間原子層堆積処理、より具体的には、原子層堆積処理のＬＰＲＯステップに対して有用である。１つの項目、ＬＰＲＯステップでは、この装置及び技術は、Ｈ２及びＯ２ガスから原子状酸素を形成するのに有用である。広範な処理条件を利用して、そのような反応を促進することができる。一実施形態では、処理条件には、摂氏約７６０度の処理温度、６５００毎分標準立方センチメートル（ｓｃｃｍ）の主ゾーンＯ２ガス流量、３５００ｓｃｃｍの主ゾーンＨ２ガス流量、８０００ｓｃｃｍの主ゾーンＮ２ガス流量、５０～１５０ｓｃｃｍの内側ゾーンＨ２ガス流量、及び４５０～５００ｓｃｃｍの外側ゾーンガス流量、が含まれることがある。更に、処理空間における圧力は、全ガス流量及び温度に応じて、約２０Ｔｏｒｒもの高圧から１００ｍＴｏｒｒもの低圧に至ることがある。全ガス流量が少ないと、反応性ガスの滞留時間が長くなり、化学反応を起こすための時間及びより徹底した加熱がもたらされる。そのような処理条件は単なる例示に過ぎず、具体的な用途及び処理の必要性に応じて、広範な処理条件を利用することができることを認識されたい。一実施形態では、主ゾーン内のガス比率は、ピーク生産比率から僅かに外れて偏っている。例えば、原子状酸素のピーク生産比率が、４０％のＨ２と６０％のＯ２との混合で生じる場合、主ゾーン比率は、僅かにより低いＨ２濃度（例えば、３５％）とされることがあり、縁部のゾーンでのＨ２の噴射により、縁部のゾーンで発生することがあるＮ２希釈などの損失が補償される。具体的なハードウェア、処理、及び処理条件のバリエーションに応じて、処理が逆になることがある。例えば、Ｈ２が豊富な処理が、主ゾーンにおいて実行されることがある（例えば、５０％のＨ２及び５０％のＯ２）。次いで、Ｏ２を縁部ゾーンに噴射して、これらのゾーンにおけるピーク生産に有利な態様で処理にバイアスをかけ、従って、縁部ゾーンにおける原子状酸素の減少を補償することがある。例示的な実施形態では、内側ゾーン又は外側ゾーンに供給される唯一のガスはＨ２であることがあり、又はＯ２であることがある。しかしながら、他の実施形態では、他のガスが含まれることもある。

本明細書で説明する概念は、処理ツール処理チャンバ内で回転する複数の基板を処理する空間原子層堆積ツールの文脈において、提供されてきた。しかしながら、本明細書で説明する概念は、単一基板チャンバ設計（例えば、単一シリコンウェハ設計）に適用することもできることを認識されたい。そのような場合には、ゾーンは、１つの円形の主ゾーン（円形の基板の場合）と、これを取り囲む、この円形の主ゾーンの最も外側の辺縁部に沿って３６０度に及ぶ１つの外側ゾーンと、を含むようになっていることがある。やはり、具体的な用途及び利用されるハードウェアに応じて、他の構成も可能である。

一実施形態では、基板の上方の処理空間における原子状酸素密度のばらつきが５％未満であり、一実施形態では更には１．０～２．５％の間であり得るので、処理空間での基板の上方での原子状酸素の実質的な均一性が得られることがある。このようにして、気相ラジカルの半径方向の制御が、基板全体に渡って提供されて、実質的に均一な気相ラジカル、一実施形態では原子状酸素、が提供され得る。

本明細書で説明する装置及び技術は、広範な処理化学作用において利用することができることを認識されたい。例えば、酸窒化ケイ素の原子層堆積では、Ｏ２及びアンモニア（ＮＨ３）反応性ガスが、主ゾーンにおいて利用されることがある。更に、外側ゾーン及び内側ゾーンは、それらのゾーンの中に噴射されたＮＨ３を有することがある。一般的に、少数派のガス（又は律速ガス）を、シャワーヘッドの中心軸に沿って又は外側の縁部に沿って、周縁領域に噴射する。これは、酸窒化ケイ素の場合、ＮＨ３濃度（又はＮＨ３／Ｏ２比率、但しＮＨ３＜Ｏ２）が、最終的な膜に取り入れられる窒素の量を決定するのに重要であるからである。この場合には、ＮＨ３の希釈が、所望の膜均一性を達成する上での制限要因になる。従って、縁部ゾーンへのＮＨ３流を変化させて（即ち、増加させて）所望のＮＨ３／Ｏ２比率を回復させることが、より効率的である。前述のように、本明細書で提供される反応化学の実施形態は、単なる例示に過ぎない。

上述した予混合及びゾーン分割技術は、組み合わせて又は単独で利用することができる。そのような技術は、低濃度から高濃度までの原子状酸素を生成しながら、基板全体に渡って所望の均一性結果を維持するための、広いダイナミックレンジをもたらす。主ゾーンの外側のガス流を調節して、そうしなければ発生し得る様々な縁部の不均一性を補償することができる。考察した例示的な実施形態では、反応性ガスの部分集合が、主ゾーンの外側のゾーンに供給される。１つの特定の実施形態では、Ｈ２が主ゾーンの外側に供給され、一方、Ｏ２及びＨ２が主ゾーンに供給される。ゾーンの使用は、全てのゾーンに渡って同じ反応性ガスを含むこともあるが、ガスの流量及び／又は比率は、基板に渡る変動を補償するように調節されることを、認識されたい。従って、基板全体に渡り（一例では、半導体ウェハ、より具体的にはシリコンウェハの半径方向に渡り）均一な密度の気相ラジカル（一例では、原子状酸素）を提供することができるシステム及び方法が説明される。このシステム及び方法は、流量、温度、基板回転速度等における処理の変動を補償するための調節可能性を提供する。この技術を利用して、原子層堆積処理の開始時に供給される低い原子状酸素濃度を制御することができ、これは有益である、というのも、原子層堆積処理の開始時の低い原子状酸素濃度は基板消費を低減するからである。所望の気相ラジカル密度を含む、処理目的を達成するために、システムの動作変数を制御するようになっているコントローラを利用して、本明細書で開示する予混合及び／又は複数ゾーンの概念を利用したシステムを制御することができる。

上述した処理フローは例示に過ぎず、他の多数の処理及び用途が有利にも本明細書で開示する技術を使用することができることを、認識されたい。図１２～図１３は、本明細書で説明する処理技術を使用するための例示的な方法を示す。図１２～図１３の実施形態は単なる例示であり、追加の方法が本明細書に説明された技術を利用できることを、認識されたい。更に、説明したステップは、排他的であることを意図していないので、図１２～図１３に示す方法にさらなる処理ステップを追加することができる。更に、ステップの順序は、異なる順序が生じることがあり、且つ／又は様々なステップが組み合わされるか若しくは同時に実行されることがあるので、図面に示す順序には限定されない。

図１２には、基板上に層を堆積させる方法が示されている。この方法は、複数種の処理ガスを供給するステップ１２０５と、少なくとも主ゾーン及び外側ゾーンを有するシャワーヘッドを提供するステップ１２１０とを含む。この方法は更に、シャワーヘッド主ゾーンを通して処理空間に第１の複数種のガスを供給するステップ１２１５と、この第１の複数種のガスが処理空間に供給される前に、この第１の複数種のガスを予混合するステップ１２２０と、を含む。この方法は更に、第１の複数種のガスから処理空間において気相ラジカルを取得するステップ１２２５と、第１の複数種のガスの部分集合を外側ゾーンに供給するステップ１２３０と、を含む。この方法は、基板全体に渡り均一な密度の気相ラジカルを取得するステップ１２３５と、気相ラジカルを利用して基板の上に層を堆積させるステップ１２４０と、も含む。

図１３には、基板上で原子層堆積処理の低圧ラジカル酸化ステップを実施する方法が示されている。この方法は、複数種の処理ガスを供給するステップ１３０５と、少なくとも主ゾーン及び外側ゾーンを有するシャワーヘッドを提供するステップ１３１０とを含む。この方法は更に、シャワーヘッド主ゾーンを通して処理空間に第１の複数種のガスを供給するステップ１３１５と、この第１の複数種のガスが処理空間に供給される前に、この第１の複数種のガスを予混合するステップ１３２０と、を含む。この方法は更に、第１の複数種のガスから処理空間において原子状酸素（Ｏ）を取得するステップ１３２５と、第１の複数種のガスの部分集合を外側ゾーンに供給するステップ１３３０と、を含む。この方法は更に、基板全体に渡り均一な密度の原子状酸素（Ｏ）を取得するステップ１３３５と、原子状酸素（Ｏ）を利用して、低圧ラジカル酸化ステップ中に基板上に酸化物を含む層を堆積させるステップ１３４０と、を含む。

本発明のさらなる修正形態及び代替的な実施形態が、この明細書の記載を考慮すると当業者には明らかであろう。従って、本明細書の記載は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実施する方法を当業者に教示する目的のためのものである。本明細書に示され且つ記載された本発明の形態及び方法は、現在好ましい実施形態として解釈されるべきであることを理解されたい。本明細書に例示及び説明されたものの代わりに等価な技術を使用することができ、また本発明の特定の特徴は、他の特徴の使用とは無関係に利用することができ、これらは、全て本発明のこの明細書の記載の利益を享受した後に当業者に明らかになるであろう。

Claims (15)

1. 基板を処理するシステムであって、前記基板はシリコンウェハであり、
   当該システムは、
   シャワーヘッドであって、少なくとも主ゾーン、内側ゾーン、及び外側ゾーンを有し、当該システムの処理空間に複数種のガスを噴射するように構成された複数の噴射器を更に含み、前記複数の噴射器は、少なくとも１つの主ゾーン噴射器、少なくとも１つの内側ゾーン噴射器、及び少なくとも１つの外側ゾーン噴射器を有する、シャワーヘッドと、
   気相混合器であって、２種以上のガスを受容するように構成され、前記２種以上のガスを前記少なくとも１つの主ゾーン噴射器に提供する前に、前記２種以上のガスを混合するように配置された、気相混合器と、
   を有し、
   当該システムは、前記２種以上のガスを処理し、１種以上の気相ラジカルを生成して、前記基板の半径方向領域全体に渡って、前記１種以上の気相ラジカルの均一な密度を生成するように構成され、
   前記１種以上の気相ラジカルは、原子状酸素（Ｏ）を含み、
   前記２種以上のガスは、酸素（Ｏ_２）及び水素（Ｈ_２）を含み、
   前記主ゾーンは、前記処理空間にＯ_２及びＨ_２を含むガスの組み合わせを提供するために使用され、
   前記内側ゾーン及び前記外側ゾーンは、前記基板の縁部に前記原子状酸素を供給して、前記基板の前記縁部における原子状酸素の減少を補償する、システム。
2. 前記２種以上のガスの処理及び前記１種以上の気相ラジカルの生成により、前記１種以上の気相ラジカルに曝された前記基板の表面上に酸化ケイ素膜が生じる、請求項１に記載のシステム。
3. 処理目的を達成するために、当該システムの動作変数を制御するように構成されたコントローラを更に有する、請求項２に記載のシステム。
4. 前記気相混合器は、前記シャワーヘッドと一体化されている、請求項２に記載のシステム。
5. 前記気相混合器は、前記２種以上のガスが前記シャワーヘッドに供給される前に配置される、請求項２に記載のシステム。
6. 前記内側ゾーン及び前記外側ゾーンを介して、Ｈ _２ が提供される、請求項１に記載のシステム。
7. 前記主ゾーンにおけるＯ_２に対するＨ_２の主ゾーン比率は、前記原子状酸素を生成するためのピーク生産比率よりも低くなるように調節される、請求項１に記載のシステム。
8. 当該システムは、複数のウェハを処理するように構成される、請求項１に記載のシステム。
9. 前記２種以上のガスは、アンモニア（ＮＨ_３）を含む、請求項１に記載のシステム。
10. 基板を処理するシステムであって、前記基板は、シリコンウェハであり、
    当該システムは、
    シャワーヘッドであって、少なくとも主ゾーン、内側ゾーン、及び外側ゾーンを有し、前記シャワーヘッドは、さらに、当該システムの処理空間に複数のガスを噴射するように構成された複数の噴射器を有し、前記複数の噴射器は、少なくとも1つの主ゾーン噴射器、少なくとも1つの内側ゾーン噴射器、及び少なくとも1つの外側ゾーン噴射器を有する、シャワーヘッドと、
    気相混合器であって、２種以上のガスを受容するように構成され、前記２種以上のガスを前記少なくとも1つの主ゾーン噴射器に提供する前に、前記２種以上のガスを混合するように配置された、気相混合器と、
    を有し、
    当該システムは、前記２種以上のガスを処理し、１種以上の気相ラジカルを生成して、前記基板の半径方向領域全体に渡って、前記1種以上の気相ラジカルの均一な密度を生成するように構成され、
    前記１種以上の気相ラジカルは、原子状酸素（Ｏ）を含み、
    前記２種以上のガスは、酸素（Ｏ_２）及び水素（Ｈ_２）を含み、
    前記主ゾーンは、Ｏ_２及びＨ_２を含むガスの組み合わせを前記処理空間に提供するために使用され、
    前記主ゾーンにおけるＯ_２に対するＨ_２の主ゾーン比率は、前記原子状酸素を生成するためのピーク生成比率よりも低くなるように調整される、システム。
11. 前記内側ゾーンおよび前記外側ゾーンを介して、Ｏ_２のみが提供される、請求項１０に記載のシステム。
12. 半導体基板を処理するシステムであって、
    当該システムは、
    シャワーヘッドであって、少なくとも主ゾーン及び外側ゾーンを有し、当該システムの処理空間に複数種のガスを噴射するように構成された複数の噴射器を更に含み、前記複数の噴射器は、少なくとも１つの主ゾーン噴射器及び少なくとも１つの外側ゾーン噴射器を含む、シャワーヘッドと、
    気相混合器であって、２種以上のガスを受容するように構成され、前記２種以上のガスを前記少なくとも１つの主ゾーン噴射器に供給する前に、前記２種以上のガスを混合するように配置された、気相混合器と、
    を有し、
    当該システムは、前記２種以上のガスの部分集合を前記外側ゾーン噴射器に提供するように構成され、
    当該システムは、前記２種以上のガスを利用して前記処理空間内に１種以上の気相ラジカルを生成するように構成され、
    当該システムは、さらに、
    第１の主ガスゾーン入口と、
    第２の主ガスゾーン入口であって、前記第１及び第２の主ガスゾーン入口は、前記気相混合器と前記少なくとも１つの主ゾーン噴射器との間に提供され、前記少なくとも１つの主ゾーン噴射器に、異なる配置で、別個の入口が提供される、第２の主ガスゾーン入口と、
    を有し、
    前記少なくとも１つの主ゾーン噴射器の上には、主ゾーンチャンバが設置され、前記少なくとも１つの主ゾーン噴射器は、複数の主ゾーン噴射器を有し、該複数の主ゾーン噴射器は、前記主ゾーンチャンバから前記処理空間にガスを噴射し、
    前記第１及び第２の主ガスゾーン入口は、前記主ゾーンチャンバへの入口であり、
    当該システムは、さらに、前記第１及び第２の主ガスゾーン入口から分離された外側ゾーンガス入口を有し、
    前記外側ゾーンガス入口は、前記主ゾーンチャンバを介さずに、前記少なくとも１つの外側ゾーン噴射器に少なくとも１つのガスを供給する、システム。
13. 前記半導体基板はシリコンウェハであり、前記２種以上のガスは酸素（Ｏ_２）及び水素（Ｈ_２）を含み、前記１種以上の気相ラジカルは原子状酸素（Ｏ）を含む、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記２種以上のガスの処理及び１種以上の相ラジカルの生成により、前記１種以上の相ラジカルに曝された前記シリコンウェハの表面上に、酸化ケイ素膜が生成される、請求項１３に記載のシステム。
15. 当該システムは、単一のシリコンウェハを処理するように構成される、請求項１４に記載のシステム。

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