JP7345625B2 - エピタキシチャンバのための熱シールドアセンブリ - Google Patents

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Description

[0001]本開示の例は、概して、半導体処理のための装置に関する。より具体的には、本明細書に記載される例は、エピタキシチャンバのための熱シールドアセンブリに関する。
[0002]エピタキシは、半導体デバイス用の非常に均一な電気的特性を有する高品質の材料を製造するために、半導体処理において一般に使用されるプロセスである。半導体デバイスが小さくなり、製造ユニットが大きくなるにつれて、一つの製造された基板全体にわたる均一性はより重要になる。
[0003]エピタキシチャンバにおいて、処理ガスは、チャンバの一方の側面から、ガスが除去される他方の側面へ、基板全体にわたって流れる。基板は、不均一性の影響を最小限に抑えるために処理中に回転するように構成され得るが、それにもかかわらず、持続的な不均一性は、半径方向の変動として現れる場合がある。エピタキシチャンバは、サセプタを一周する熱シールドアセンブリを含み得る。熱シールドアセンブリは、サセプタ下方の過熱素子から熱を吸収することができ、熱シールドアセンブリの上にその熱を再放射する。
[0004]エピタキシチャンバ内での基板処理中、気体前駆体及びそれらの反応副生成物などの残留材料は、エピタキシチャンバ内の一又は複数の内部表面上に材料を望ましくなく堆積する可能性がある。堆積物の厚さは、基板が処理されるたびに増加し得る。残留材料堆積物の厚さが大きくなると、堆積物は、最終的にエピタキシ処理チャンバの表面から剥がれ落ち、処理空間内に望ましくない粒子汚染をもたらす。粒子汚染は、基板上に堆積された材料層の品質に悪影響を及ぼし得る。したがって、エピタキシチャンバは、そこから残留材料を除去するために、定期的に洗浄する必要がある。エピタキシ処理チャンバの洗浄には、基板処理操作間の定期的な洗浄サイクルの一方又は両方と、洗浄及び定期メンテナンスのためにチャンバを開くことが含まれる。そのような洗浄及びメンテナンスにより、基板のスループットは低下し、チャンバの休止時間は増加する。そのため、この洗浄及びメンテナンスは、処理チャンバの生産性が失われる可能性がある。
[0005]したがって、当該技術分野では、チャンバ汚染とエピタキシ処理チャンバにおける休止時間とを減少させることが必要である。
[0006]本明細書では、処理チャンバ用の熱シールドアセンブリが開示される。処理チャンバは、チャンバ本体の内部空間を画定する、側壁、底部、及びリッドを有する、チャンバ本体を含む。熱シールドアセンブリは、内部空間に配置される。熱シールドアセンブリは、熱シールド部材と、環状予熱部材とを含む。環状予熱部材は内周を含む。環状予熱部材は、環状熱シールドの下方に位置決めされる。サセプタは、内部空間内に配置され、基板を支持するように構成される。サセプタは、環状予熱部材の内周内に位置決めされる。環状開口部は、サセプタと環状予熱部材との間の位置決めされる。環状開口部の第1のセクションは、ガス入口に近接している。第1のセクションは、熱シールド部材によって覆われている。環状開口部の第2のセクションは、ガス出口に近接している。環状開口部の第2のセクションは、熱シールド部材によって覆われていない。
処理チャンバの別の例は、チャンバ本体の内部空間を画定する、側壁、底部、及びリッドを有する、チャンバ本体を含む。熱シールドアセンブリは、内部空間に配置される。熱シールドアセンブリは、熱シールド部材を含む。熱シールドアセンブリは、内周を有する環状予熱部材も含む。環状予熱部材は、環状熱シールドより下に位置決めされる。サセプタは、内部空間内に配置され、基板を支持するように構成される。サセプタは、環状予熱部材の内周内に位置決めされる。環状開口部は、サセプタと環状予熱部材との間の位置決めされる。環状開口部の第1のセクションは、ガス入口に近接している。第1のセクションは、熱シールド部材によって覆われている。環状開口部の円弧状開孔は、ガス出口に近接している。円弧状開孔は、熱シールド部材によって覆われていない。処理チャンバ内の円弧状開孔の位置は、サセプタの底部側又は処理チャンバの側壁上のコーティングに影響を及ぼす。
[0008]さらに別の例では、処理チャンバは、チャンバ本体の内部空間を画定する、側壁、底部、及びリッドを有する、チャンバ本体を含む。熱シールドアセンブリは、内部空間に配置される。熱シールドアセンブリは、熱シールド部材と、環状予熱部材とを含む。環状予熱部材は内周を含む。環状予熱部材は、環状熱シールドより下に位置決めされる。サセプタは、内部空間内に配置され、基板を支持するように構成される。サセプタは、環状予熱部材の内周内に位置決めされる。環状開口部は、サセプタと環状予熱部材との間の位置決めされる。環状開口部の第1のセクションは、ガス入口に近接している。第1のセクションは、熱シールド部材によって覆われている。環状開口部の第2のセクションは、ガス出口に近接している。第2のセクションは、熱シールド部材によって覆われていない。ガス出口に対する環状開口部の位置は、処理チャンバの上部ドーム又は下部ドーム上のコーティングに影響を及ぼす。
[0009]本開示の上述の特徴を詳細に理解することができるように、上記で簡単に要約された本開示のより具体的な説明は、実施例を参照することによって、得ることができる。そのうちのいくつかは、添付の図面で例示されている。しかし、添付の図面は、例のみを示すものであり、したがって、本開示の範囲を限定すると見なすべきではなく、その他の等しく有効な例も許容し得ることに、留意されたい。
[0010]実施態様による、熱シールドアセンブリを有する処理チャンバの概略断面図である。 [0011]実施態様による、図1の断面線A-Aに沿って見たときの、処理チャンバの平面図である。 [0012]実施態様による、ガス入口付近の図1に示す処理チャンバの概略断面図である。 [0013]実施態様による、図1の処理チャンバに示す熱シールドアセンブリの上面図である。 [0014]実施態様による、図1の処理チャンバで利用される熱シールドアセンブリの熱シールド部材の概略上面図である。 [0015]実施態様による、図1の処理チャンバで処理される基板の半径に関連する堆積厚さを示すグラフである。
[0016]理解を容易にするために、可能な場合には、特徴に共通する同一の要素を指し示すのに、同一の参照番号を使用した。一例の要素及び特徴は、更なる記述がなくとも、他の例に有益に組み込まれ得ると想定される。
[0017]本明細書では、処理チャンバ用の熱シールドアセンブリが開示される。処理チャンバの例は、チャンバ本体の内部空間を画定する、側壁、底部、及びリッドを有する、チャンバ本体を含む。内部空間内には、基板支持体及び熱シールドアセンブリが配置される。熱シールドアセンブリは、熱シールド部材と、環状予熱部材とを含む。環状開口部は、基板支持体と環状予熱部材との間に形成される。
[0018]環状開口部の一部は、熱シールド部材と重なっていない。ガス入口及びガス出口に対する環状開口部の重なっていない部分の位置は、内部空間内の表面上の堆積材料のコーティングに影響を及ぼす。より具体的には、熱シールド部材をガス出口から遠位に位置決めすることによって、処理チャンバの上部ドーム表面及び下部ドーム表面上の基板支持体上の堆積材料のコーティングが減少する。環状開口部の位置が処理チャンバの内部空間内の表面上の材料の堆積を減少させるため、処理チャンバの内部空間内の表面を洗浄するためのメンテナンスサイクルは、延長されるか又は改善される。上部ドーム及び下部ドーム並びに基板支持体上の堆積材料が減少することにより、内部空間のためのインシトゥ洗浄サイクルを実施する間の間隔を長くすることが可能になる。定期的なメンテナンスを減少させること及びインシトゥ洗浄の間のサイクルを長くすることにより、より高いスループットが実現される。本明細書で開示される例は、さらに、チャンバ内の望ましくないコーティングを減少させることによってプロセスの安定性の改善を可能にする。したがって、サービス間隔の間の平均時間が延長されるにつれて、処理チャンバの所有コストが削減される。
[0019]この開示において、「上部」、「底部」、「側面」、「上」、「下」、「アップ」、「ダウン」、「上方」、「下方」、「水平」、「垂直」等の用語は絶対方向を指すものではない。代わりに、これらの用語は、チャンバの基準平面、例えば処理チャンバの基板の表面に平行な平面に対する方向を指すものである。
[0020]図1は、熱シールドアセンブリ160を有する処理チャンバ100の概略断面図である。処理チャンバ100はチャンバ本体105を有する。チャンバ本体105は、チャンバ本体105の筐体109を画定する、側壁136と、底部106と、リッド130とを含む。上部ドーム128、下部ドーム114、及びライナ163は、筐体109内に配置される。ライナ163は、側壁136に固定されている。チャンバ本体105の内部空間101は、上部ドーム128と、下部ドーム114と、ライナ163によって画定される。内部空間101は、処理空間111及びパージ空間113を含む。
[0021]処理ガス入口174は、処理チャンバ100の側壁136を通って形成される。処理ガス入口174はまた、ライナ163を通って形成され、処理ガスを処理空間111内へ流すための経路を提供する。処理ガスの流れは、ガス源172から処理ガス入口174を通って、処理チャンバ100の内部空間101内に配置された基板支持体104全体にわたって流れる。
[0022]パージガス入口164は、パージガス源162に連結されている。パージガス入口164はまた、ライナ163を通って形成され、パージガスをパージ空間113内へ流すための経路を提供する。パージガスは、パージガス源162からパージガス入口164を通って流れる。
[0023]ガス出口178は、側壁136を通って配置され、ライナ163は、処理チャンバ100の内部空間101内の処理ガス入口174に実質的に対向している。ガス出口178は、内部空間101の処理空間111内の処理ガスが処理チャンバ100から排出されることを可能にする。内部空間101のパージ空間113内のパージガスは、ガス出口178を通って処理チャンバ100から排出される。真空源180は、ガス出口178に連結されて、処理ガス及びパージガスを処理チャンバ100の内部空間101から排出する。
[0024]基板支持体104は、処理チャンバ100内での処理操作中に、基板支持体104の上面110上に配置された基板108を支持するように構成されている。基板支持体104は、処理中に基板108を回転させて、基板108上に堆積された材料の均一性を改善させ得る。上部ドーム128は、基板支持体104の上方に配置され、基板支持体104の上面110及びライナ163と一緒に、処理空間111をさらに画定する。パージ空間113は、下部ドーム114と、基板支持体104の底面(図示せず)と、ライナ163とによってさらに画定される。
[0025]熱モジュール145は、処理中に処理チャンバ100に熱を提供する。熱モジュール145は、基板支持体104の上方又は下方に位置決めされ得る。図1に示される処理チャンバ100では、熱モジュール145は基板支持体104の下方に提供される。熱モジュール145は、レンズ、ライトパイプ、又は他の反射及び屈折要素などの光学要素115を含み得る。熱モジュール145は、複数の熱源102を含む。複数の熱源102は、下部ドーム114内に配置される。熱源102は、ランプ、発光ダイオード(LED)、及びレーザの任意の組み合わせであり得る。反射要素及び屈折要素は、個別に成形されて、熱源102によって放出されるエネルギーを基板支持体104へ向ける。熱モジュール145からの熱は、基板支持体104を加熱し、基板支持体104は、基板108が基板支持体104と接触している伝導によって、熱を基板108に伝達する。一部の例では、例えば、基板108が基板支持体104と接触していない場合、熱は、放射によっても伝達され得る。
[0026]熱シールドアセンブリ160は、基板支持体104を取り囲む。熱シールドアセンブリ160は、基板支持体104と同心である環状又はリング状の構造体である。熱シールドアセンブリ160の外半径120は、ライナ163の内半径121より短いため、熱シールドアセンブリ160は、ライナ163の内半径内に収まる。
[0027]熱シールドアセンブリ160は、環状予熱部材167と熱シールド部材168とを含む。環状予熱部材167は、環状又はリング状の形状である。環状予熱部材167は、基板支持体104の外半径133より大きい内半径132を有する。熱シールド部材168は、環状リングの扇形のように形作られている、すなわち、円弧状に形作られている。熱シールド部材168は、エッジ(図2の236)を有し、エッジは扇型の端部を画定する。環状開口部134は、環状予熱部材167と基板支持体104との間に配置される。以下で詳述するように、熱シールド部材168は、環状開口部134の一部と垂直に重なる。
[0028]図2は、図1の断面線A-Aに沿って見た処理チャンバ100の平面図である。基板支持体104はサセプタ204を有する。いくつかの例では、サセプタ204は、基板支持体104と一体であるか又はその一部である。あるいは、サセプタ204は、サセプタ204が基板支持体104から可動式に切り離されることができるように、基板支持体104に連結され得る。サセプタ204は、半径212によって画定される外周214を有する。環状予熱部材167の内周216は、その内半径132によって画定される。環状開口部134は、サセプタ204の外周214と環状予熱部材167の内周216との間の空間によって画定される。環状開口部134は、第1の部分224と第2の部分228とを含む。環状開口部134の第1の部分224は、熱シールド部材168によって覆われている。処理ガス入口174は、環状開口部134の第1の部分224に近接している。環状開口部134の第2の部分228は、熱シールド部材168によって覆われていない。ガス出口178は、環状開口部134の第2の部分228に近接している。環状開口部134の第2の部分228は、円弧状開孔232である。円弧状開孔232は、サセプタ204の外周と、環状予熱部材167の内周216と、熱シールド部材168のエッジ236とによって画定される空間である。よって、熱シールド部材168は、環状開口部134の第1の部分224のみを通る処理空間111からパージ空間113への直接的な見通し線を防ぐ。
[0029]処理ガス入口174及びパージガス入口164から流れるガスは、ガス出口178を通って出るガスの速度よりも速い速度で、処理チャンバ100に入る。ガス出口178に近接するパージ空間113内のガスは、速度及び質量流量が低くなる。同様に、ガス出口178に近接する処理空間111内のガスは、速度及び質量流量が低くなる。ガス出口178での速度及び質量流量が低くなることは、円弧状開孔232全体にわたる圧力変動(図3に関して以下で説明する)を減少させるのに役立つ。環状開口部134での圧力変動を低くすることにより、処理空間内の基板108上への材料の均一な堆積を容易にするが、これは、環状開口部134での圧力変動の減少によって、パージガスが処理空間111内へ入る可能性を減少させるためである。同様に、環状開口部134全体にわたる圧力変動の減少によって、処理ガスがパージ空間113内へ入る可能性を減少させる。よって、熱シールドアセンブリ160の円弧状開孔232での圧力変動は、基板108全体にわたる処理ガスの方位角圧力プロアイルに影響を及ぼす。このように、円弧状開孔232の位置は、下部ドーム114、上部ドーム128、及びライナ163の内面上への望ましくない材料の堆積を減少させる。円弧状開孔232をガス出口178に近接して位置決めすることにより、処理チャンバ100の内面上への望ましくない堆積材料の量を減少させることが可能になる。
[0030]図3は、図1に示される、ガス入口付近の処理チャンバ100の概略断面図である。いくつかの例では、サセプタ204は、基板支持体104によって支持することができる。サセプタ204は、貫通孔320を有する凹部312を有し得る。凹部312は、基板108を垂直方向に支持するよう構成される。サセプタ204は、複数の開口部324を有する上昇部分316も有し得る。基板支持体104の上昇部分316は、基板108を横方向に保持し、よって、基板が水平又は半径方向にスライドすることを防ぐ。各開口部324の直径は、各貫通孔320の直径よりも大きい。上昇部分316は基板108を取り囲む。
[0031]処理ガス304は、所与の圧力で処理ガス入口174から処理空間111に入る。処理ガス304は、通常、基板108の上方でガス出口178へ向かって引き込まれる。パージガス328は、加圧されて、パージガス入口164を通ってパージ空間113へ入る。処理ガス304及びパージガス328は圧力下で処理チャンバ100へ入るため、圧力の差によって、環状開口部134の領域内に圧力変動332がもたらされ得る。さらに、パージガス328の速度及び処理ガス304の速度は、処理ガス入口174及びパージガス入口164の近くでより速いため、処理ガス入口174及びパージガス入口164の近くのエリアでは質量流量も増加する。
[0032]熱シールド部材168は、環状開口部134の上方に垂直に位置決めされて、環状開口部134のエリアにおける圧力変動322を減少させる。圧力変動332の減少によって、パージガス328が処理空間111へ入る可能性が減少する。よって、圧力変動332を低くすることによって、処理空間111内の基板上への材料の均一な堆積が容易になる。
[0033]図4は、図1の処理チャンバに利用される熱シールドアセンブリ160の上面図である。熱シールド部材168は、環状予熱部材167上におかれる。熱シールド部材168の内周216は、内向きに延びて、環状開口部134を覆う。よって、環状予熱部材167の内周216は、熱シールド部材168の内半径412よりも大きい。環状予熱部材167の外半径416はまた、熱シールド部材168の外半径424よりも大きい。
[0034]熱シールド部材168は、環状予熱部材167の一部442を曝露する間隙420を有する。つまり、間隙420は、熱シールド部材168に加えて、環状リング形状を完成させるセクターを表す。しかしながら、間隙420はセグメント又は他の形状ではなく、熱シールド部材168内の開口部にすぎず、よって、熱シールド部材168内の前記開口部を通って受け入れられるであろう任意の形状として等しく説明することができることを理解されたい。曝露部分422は、曝露部分422をガス出口178に近接して置くことによって、処理ガス入口174からガス出口178へ向かって、環状予熱部材167全体にわたって基板支持体104へガスを流すためのより直接的な熱曝露を提供する。処理ガス入口174からガス出口178へ流れる処理ガス304は、パージガス入口164からガス出口178へ向かって流れるパージガス328に直接曝露される。熱シールド部材168の内周216は、公称直径300mmの基板を収容するために150mmを超えてもよい。例えば、内周216は、直径300mmの基板では、約151mmから約155mmであり得る。いくつかの例では、基板は6インチ又は8インチであり得る。したがって、基板は、約150mmから約300mmの直径を有し得る。間隙420は、ガス出口178で処理チャンバ100を出るガスに所望の量の熱曝露を提供するように選択される寸法を有し得る。
[0035]図5を見ると、図5は、図1の処理チャンバ100に利用される熱シールドアセンブリ160の熱シールド部材168の概略上面図である。間隙420は、寸法502を有するように示される。寸法502は、約50mmから約180mmの幅を有し得る。間隙420の寸法520は、図2に示す円弧状開孔232に対応する。したがって、基板半径240に対する間隙420の比620も、図6で観察され且つ以下で説明される堆積厚さの均一性に対応する。
[0036]間隙420は、第1のエッジ504及び第2のエッジ506を有する。間隙420の第1のエッジ504及び第2のエッジ506は、熱シールド部材168のエッジ236に対応する。第1のエッジ504及び第2のエッジ506は、概して、間隙420によってなされる角510を二分するラジアルライン508に対して平行である。間隙420は、処理ガス304及びパージガス328の均一な層流を促進する。他の例では、エッジ504及び506は、任意の所望の方向付けを有し得る。例えば、各エッジ504又は506は、それぞれのエッジ504又は506と交差するラジアルライン508に対して平行であり得る。第1のエッジ504又は第2のエッジ506のいずれかは、処理チャンバ100の動作中に熱シールド部材168が移動するのを防ぐための特徴512を有し得る。別の例では、間隙420のいずれかの側上のエッジ504及び506の2つの外周コーナは、丸みを帯びた形状、すなわち特徴512を有する。特徴512の丸みを帯びたコーナは円形であるが、任意の所望の形状がエッジ504又は506のいずれかのコーナに加えられてもよい。例えば、特徴512は、任意の適切な角のチャンファーであり得る。特徴512の丸みを帯びたコーナは、約0.01mmと約1.5mmの間、例えば、約0.1mmと約1.0mmの間、例えば約0.3mm、0.4mm、又は0.5mmの曲率半径を有する。
[0037]図6は、処理チャンバ100で処理される基板の半径に関連する堆積厚さを示すグラフ600である。グラフ600は、基板半径を示すx軸と、堆積厚さを示すy軸608とを有する。グラフ600は、ガス出口178に近接して位置決めされた円弧状開孔232を有する熱シールドアセンブリ160を有する処理チャンバ100から得た。基板108全体にわたる堆積の均一性は、円弧状開孔232の位置に対応する。前述したように、円弧状開孔232での圧力変動332を減少させることにより、基板108全体にわたる処理ガスの方位角圧力プロファイルは増加する。図2に示すように、基板108は、所与の基板半径240を有する。
[0038]グラフ600の横座標、すなわちx軸604に示される変数xは、グラフ中のプロセス実行数の乗数であり、6以上12未満であり得る。例えば、x=10であるとき、x軸604上の識別子は20、40、60などであり得る。半径が4x以下であるとき、基板180全体にわたる堆積均一性は、所与の範囲内で観察された。しかしながら、半径が4xより大きいとき、基板108全体にわたる堆積均一性の減少が観察された。
[0039]基板半径240が閾値612以下であるとき、熱シールドアセンブリ160は、下部ドーム114、上部ドーム128、及びライナ163の内面上への望ましくない材料の堆積を減少させる。一例では、基板半径240に対する間隙420の幅の比620は、約1対約3(すなわち、1/3又は0.33)である。比620は、6対5、又は約1.2でもあり得る。比620は、0.33と1.2との間の値も含み、そのそれぞれは、基板108に堆積された堆積材料の均一性を増加させる。しかしながら、基板半径が閾値612を超えて増加するとき、それらの内面への材料の堆積は増加し始める。
[0040]図2及び3に関して上述したように、処理空間111とパージ空間113との間の環状開口部134での圧力変動332は、処理チャンバ100内の円弧状開孔232の位置に対応する。
[0041]基板108上の堆積材料の均一性は、処理チャンバ100内での複数のプロセスを実行する間に増加する。この例では、変数xは、グラフ中のプロセス実行数の乗数である。変数xは、2以上10未満であり得る。例えば、x=2であるとき、識別子は2、4、6、8等になり得る。xでの初回のプロセス実行と5xでのプロセス実行との間の堆積厚さの平均差は約0.05μmである。この同じ0.05μmの平均差が、xでの初回のプロセス実行と7xでの最終のプロセス実行との間で観察される。xでの初回のプロセス実行から7xでの最終のプロセス実行までの平均堆積厚さの変動は、約0.0408である。この例では、xでの初回のプロセス実行と7xでの最終プロセス実行との間には、0.08%の平均差がある。言い換えれば、円弧状開孔232を有する熱シールドアセンブリ160は、少なくとも7xのプロセス実行に対して、最大0.08%の堆積均一性を可能にする。
[0042]本開示は、処理チャンバ用の熱シールドアセンブリに関する。先の記述は、特定の例を対象としているが、その基本的な範囲から逸脱することなく他の例が考案されてよく、その範囲は、下記の特許請求の範囲によって定められる。

Claims (7)

  1. 処理チャンバであって、
    チャンバ本体の内部空間を画定する、側壁と、底部と、リッドとを有する、チャンバ本体と、
    前記内部空間に配置された熱シールドアセンブリであって、
    熱シールド部材と、
    内周を有する環状予熱部材であって、前記熱シールド部材の下方に位置決めされた、環状予熱部材と、
    を含む熱シールドアセンブリと、
    前記内部空間内に配置され、上に基板を支持するよう構成されたサセプタであって、前記環状予熱部材の前記内周内に位置決めされた、サセプタと、
    前記サセプタと前記環状予熱部材との間の環状開口部であって、
    前記環状開口部の第1のセクションがガス入口に近接しており、前記第1のセクションが前記熱シールド部材によって覆われており、
    前記環状開口部の第2のセクションがガス出口に近接しており、前記第2のセクションが前記熱シールド部材によって覆われておらず、前記第2のセクションが、前記熱シールド部材の第1のエッジ及び第2のエッジから延びる円弧である、
    環状開口部と
    を含む、処理チャンバ。
  2. 前記円弧の中心点から前記円弧を二等分して延びるラジアルラインに対して、前記第1のエッジおよび前記第2のエッジのそれぞれが平行である、請求項1に記載の処理チャンバ。
  3. 前記環状予熱部材が、前記熱シールド部材を受け取る凹部を含む、請求項1または2に記載の処理チャンバ。
  4. 前記環状予熱部材の内半径が、前記熱シールド部材の内半径よりも大きい、請求項1から3のいずれか一項に記載の処理チャンバ。
  5. 基板の半径に対する前記第1のエッジと前記第2のエッジとの間の間隙の幅の比が、0.33以上である、請求項1から4のいずれか一項に記載の処理チャンバ。
  6. 前記比が1.2以下である、請求項5に記載の処理チャンバ。
  7. 前記処理チャンバ内の前記円弧の位置が、前記処理チャンバの上部ドーム又は下部ドーム上の堆積材料のコーティングを減少させる、請求項1から6のいずれか一項に記載の処理チャンバ。
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