JP7382514B2 - 半導体製造装置及び半導体製造装置のガス分配器 - Google Patents

半導体製造装置及び半導体製造装置のガス分配器 Download PDF

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Description

[0001]本開示は、一般に半導体テクノロジー分野に関し、より詳細には、半導体製造装置及び半導体製造装置のガス分配器に関する。
[0002]原子層堆積テクノロジーは、単一の原子層の形態で基板上に層ごとに吸着される薄膜調製テクノロジーである。原子層堆積テクノロジーは、主に2つの反応プロセスを含む。第1の反応プロセスは、第1の反応前駆体が反応チャンバに入り、基板に完全に吸着され、飽和状態に達した後、パージガスが反応チャンバに入り、残りの反応前駆体及び副生成物を除去することを含む。第2の反応プロセスは、第2の反応前駆体が反応チャンバに入り、基板の表面に吸着された基礎群と反応し、反応副生成物を放出することを含む。飽和吸着が形成された後、パージガスが反応チャンバに入り、残りの反応前駆体及びそれらの副生成物を除去する。
[0003]本開示は、既存のテクノロジーにおける技術的問題の少なくとも1つを解決することを意図しており、半導体製造装置及び半導体製造装置のガス分配器を提供する。
[0004]上記の目的を達成するために、本開示は、ガス出口端面を含む分配器本体を含む、半導体製造装置におけるガス分配器を提し、分配器本体は、ガス分配パイプライン群と、第1ガス入口パイプラインと、複数の第1ガス出口パイプラインとを含み、第1ガス入口パイプラインのガス出口端がガス分配パイプライン群のガス入口に連通し、複数の第1ガス出口パイプラインのガス入口端がガス分配パイプライン群の複数のガス出口に1対1に対応して連通し、分配器本体は、ガス分配チャンバと、第2のガス入口パイプラインと、複数の第2のガス出口パイプラインとを含み、ガス分配チャンバは、ガス分配パイプライン群の上に位置付けられ、第1のガス入口パイプラインの周りに配置され、ガス分配チャンバの高さは、第1のガス入口パイプラインに近い内周縁から第1のガス入口パイプラインから離れた外周縁まで徐々に減少し、第2のガス入口パイプラインのガス出口は、ガス分配チャンバのガス入口と連通し、複数の第2のガス出口パイプラインのガス入口は、ガス分配チャンバのガス出口と1対1の対応で連通し、第1のガス出口パイプラインおよび第2のガス出口パイプラインは、交互に配置され、第1のガス出口パイプライン及び第2のガス出口パイプラインのガス出口端は、分配器本体のガス出口端面に位置付けられる。
[0005]いくつかの実施形態では、内周縁におけるガス分配チャンバの高さは2mmから4mmであり、外周縁におけるガス分配チャンバの高さは0.5mmから1mmである。
[0006]いくつかの実施形態では、ガス分配パイプライン群は、複数のメインパイプラインを含む。複数のメインパイプラインは、第1のガス入口パイプラインから離れて異なる方向に第1のガス入口パイプラインから径方向に配置される。第1のガス入口パイプラインに近い複数のメインパイプラインの端は、第1のガス入口パイプラインのガス出口端と連通している。ガス分配パイプライン群は、複数のサブパイプライン群を更に含む。サブパイプライン群は、メインパイプラインと1対1に対応して配置される。サブパイプライン群のそれぞれは、対応するメインパイプラインの両側に、対応するメインパイプラインと予め定められた夾角で配置された複数のサブパイプラインを含む。サブパイプライングループのそれぞれの複数のサブパイプラインは、メインパイプラインの同じ側に位置付けられ、メインパイプラインの伸長方向に沿って間隔を置いて配置される。メインパイプラインに近いサブパイプラインのそれぞれの端は、メインパイプラインと連通する。ガス分配パイプライン群の複数のガス出口は、複数のサブパイプラインに配置される。
[0007]いくつかの実施形態では、ガス分配パイプライン群は、少なくとも1つの接続パイプラインをさらに含み、接続パイプラインは、接続パイプラインの伸長軌跡と交差するメインパイプライン及び/又はサブパイプラインと連通する。
[0008]いくつかの実施形態では、各接続パイプラインは環状パイプラインである。複数の環状パイプラインが含まれる。第1のガス入口パイプラインの径方向断面上の複数の環状パイプラインの正投影は、異なる直径を有し、第1のガス入口パイプラインの軸の正投影を中心として同心円状に配置される。任意の2つの隣接する環状パイプラインの正投影間の径方向距離は等しい。サブパイプラインのそれぞれのガス出口は、サブパイプラインが接続パイプラインと交差する位置に位置付けられる。
[0009]いくつかの実施形態では、第1のガス入口パイプラインに近いメインパイプラインの端から第1のガス入口パイプラインから離れた他端まで、メインパイプラインの内径は徐々に減少し、メインパイプラインに近いサブパイプラインの端からメインパイプラインから離れた他端まで、サブパイプラインの内径は徐々に減少する。
[0010]いくつかの実施形態では、任意の2つの隣接するメインパイプラインの間に位置付けられたすべてのサブパイプラインは、互いに平行である。
[0011]いくつかの実施形態では、同じサブパイプライン群のメインパイプラインの両側に位置付けられたサブパイプラインは、対称的に配置される。
[0012]いくつかの実施形態では、第2のガス入口パイプラインは、第1のガス入口パイプラインの周りに配置された環状ガス入口パイプラインである。
[0013]それに応じて、本開示は、ガス分配器を含む半導体製造装置をさらに提供する。第1のガス入口パイプラインのガス入口端は、第1の反応ガス供給デバイスと連通するように構成される。第2のガス入口パイプラインのガス入口端は、第2の反応ガス供給デバイスと連通するように構成される。第1の反応ガス供給デバイスは、第1の反応ガスを提供するように構成される。第2の反応ガス供給デバイスは、第2の反応ガスを提供するように構成される。第1の反応ガスの拡散係数は、第2の反応ガスの拡散係数よりも大きい。
[0014]いくつかの実施形態では、半導体デバイスは、分配器本体上に配置されたガス入口ブロックをさらに含む。第1の伝達チャネルおよび第2の伝達チャネルが、ガス入口ブロック内に配置される。第1の伝達チャネルは、第1のガス入口パイプラインを第1の反応ガス供給デバイスと連通するように構成される。第2の伝達チャネルは、第2のガス入口パイプラインを第2の反応ガス供給デバイスと連通するように構成される。ガス入口ブロックと分配器本体との間には、第1のシールリングと、この第1のシールリングを取り囲む第2のシールリングとが配置されている。第1の伝達チャネルと第1のガス入口パイプラインとの間の接続位置は、第1のシールリングの内側に位置付けられる。第2の伝達チャネルと第2のガス入口パイプラインとの間の接続位置は、第1のシールリングと第2のシールリングとの間に位置付けられる。
[0015]本開示の実施形態によって提供される半導体デバイス内のガス分配器が薄膜蒸着を実行するために使用されるとき、拡散及びパージが容易な反応ガスが、第1のガス入口パイプラインからガス分配パイプライン群内に導入されることができる。ガス分配パイプライン群によって分配された後、反応ガスは、第1のガス出口パイプラインから出力されてもよい。粘着性があり、凝縮しやすく、パージするのが困難な反応ガスは、第2のガス入口パイプラインからガス分配チャンバに導入されてもよい。このような反応ガスがガス分配チャンバ内で拡散した後、反応ガスを第2のガス出口パイプラインから出力することができる。既存のガス分配パイプラインと比較して、ガス分配チャンバは、ガスが拡散するのにより有益であるかもしれず、残留物が残りにくく、これは、ガス分配チャンバ内のパイプライン内のガス残留物に起因してガス出口で化学蒸着が発生する状況を回避することができる。これにより、基板上に蒸着される薄膜の均一性を向上させることができる。一方、ガス分配チャンバの高さを、第1のガス入口パイプラインに近い内周縁から第1のガス入口パイプラインから離れた外周縁まで徐々に減少させることによって、ガス分配チャンバの容積は、内側から外側まで徐々に減少することができる。したがって、ガス分配チャンバ内のガス圧力は、ガス拡散速度を増加させるのをさらに助けるようにバランスをとることができる。さらに、ガス分配チャンバは一体の空のチャンバであるので、死角位置は存在しない。したがって、反応ガスの残留物が残りにくくなり、ガス分配器の洗浄が容易になり、ガス分配器の使用寿命を向上させる。
[0016] 付随図面は、本開示のさらなる理解を提供するために使用され、本明細書の一部を構成し、以下の特定の実施形態と併せて本開示を説明するために使用されるものであり、本開示に対する限定を構成するものではない。
添付の図面において、
[0017]図1は、本開示の実施形態にしたがう、原子層堆積装置の概略図である。 [0018]図2は、本開示のいくつかの実施形態にしたがう、ガス分配器におけるガス分配パイプラインを示す概略図である。 [0019]図3は、既存のガス分配器によって堆積された膜の厚さ分布を示す概略図である。 [0020]図4は、本開示のある実施形態にしたがう、ガス分配器の概略上面図である。 [0021]図5は、図4中の線A-A’に沿った概略断面図である。 [0022]図6は、図4中の線B-B’に沿った概略断面図である。 [0023]図7は、本開示のある実施形態にしたがう、ガス分配パイプラインの概略構造図である。 [0024]図8は、本開示の実施形態にしたがう、半導体製造装置の概略図である。 [0025]図9は、本開示の態様にしたがう、半導体製造装置によって堆積された膜の厚さ分布の概略図である。
[0026]本開示の特定の実施形態が、付随図面を参照して以下に詳細に説明される。ここで説明される特定の実施形態が、本開示を例示および説明するためだけに使用され、本開示を限定するために使用されるものではないことを理解されたい。
[0027]図1は、本開示の実施形態にしたがう、原子層堆積装置の概略図である。図1に示すように、反応チャンバ1には、ベース3とガス分配器4とが設けられている。ガス分配器4には、ガス分配パイプライン6が形成されている。既存のガス分配パイプライン6の特定の構造を図2中に示している。ガス分配パイプライン6には、4本のメインパイプライン8,9,10,11の内端同士が接続されて互いに連通している。分配ブランチは、分配ブランチ8-1から8-8、分配ブランチ9-1から9-8、分配ブランチ10-1から10-8、及び分配ブランチ11-1から11-8を含む、メイン分配パイプラインのそれぞれの両側に配置される。図1に示すように、複数のガス出口パイプライン7が分配ブランチの下に均等に分配されている。原子層堆積プロセスの間、ガス源によって提供されるガスは、ガス入口パイプライン5を通ってガス分配ネットワーク6に入り、ガス分配ネットワーク6内で拡散した後、ガス出口パイプライン7を通って膜が堆積される基板2上に均一に噴霧される。
[0028]上述のガス分配パイプライン6の2つの層を有するガス分配器を採用する解決策もある。2層のガス分配パイプライン6は、2種類の反応ガスをそれぞれ送るするように構成することができる。上述のガス分配パイプライン6は、拡散しやすく、パージしやすいNH3、O2、Ar、およびN2などの反応ガスの迅速な移送およびパージを容易に実現することができる。しかしながら、ガス化したH2O、TMA、TiCl4、PDMAT等の反応ガスは、粘着性があり、低温で凝縮しやすく、パージが容易ではないので、このようなガスが上述のガス分配パイプライン6によって送られるとき、パイプラインに残留物が残りやすいかもしれない。したがって、ガス出口パイプライン7の開口部の周囲に生じる化学蒸着により薄膜を形成するかもしれない。残留ガスは、縁領域と比較して、ガス分配パイプライン6の中央領域により多く存在するので、基板上に堆積される薄膜は、縁で厚く、中央で厚くなるかもしれない。図3は、既存のガス分配器により堆積された膜の厚さ分布を示す概略図である。図3から、薄膜の厚さの均一性が悪いことが分かる。
[0029]第1の態様において、本開示の実施形態は、半導体製造装置のガス分配器を提供する。いくつかの実施形態では、半導体製造装置は薄膜蒸着装置であってもよい。図4は、本開示の実施形態にしたがうガス分配器の概略上面図である。図5は、図4中の線A-A’に沿った概略断面図である。図6は、図4中の線B-B’に沿った概略断面図である。図4から図6を参照すると、ガス分配器は分配器本体110を含む。分配器本体110は、ガス出口端面111を含む。ガス分配パイプライン群120、第1のガス入口パイプライン130、及び複数の第1のガス出口パイプライン140が分配器本体110中に配置される。第1のガス入口パイプライン130のガス出口端は、ガス分配パイプライン群120のガス入口と連通している。複数の第1のガス出口パイプライン140のガス入口端は、ガス分配パイプライン群120の複数のガス出口に1対1で対応する。加えて、分配器本体110は、ガス分配チャンバ150(図5及び図6に示される斜線部分)、第2のガス入口パイプライン160、及び複数の第2のガス出口パイプライン170を更に含む。ガス分配チャンバ150は、ガス分配パイプライン群120の上方に位置付けられ、第1のガス入口パイプライン130の周りに配置される。第2のガス入口パイプライン160のガス出口端は、ガス分配チャンバ150のガス入口と連通している。複数の第2のガス出口パイプライン170のガス入口端は、ガス分配チャンバ150の複数のガス出口と1対1の対応で連通する。第1のガス出口パイプライン140及び第2のガス出口パイプライン170は、交互に配置される。第1のガス出口パイプライン140及び第2のガス出口パイプライン170のガス出口端は、分配器本体110のガス出口端面111上に位置付けられる。ガス分配チャンバ150がガス分配パイプライン群120の上方に位置付けられることは、ガス分配チャンバ150がガス出口端面111から離れたガス分配パイプライン群120の側に位置付けられることを示すことができることを理解されたい。
[0030]ガス分配チャンバ150は、第1のガス入口パイプライン130を囲む空のチャンバであってもよい。空のチャンバは、連続した一体構造を有することができる。ガス流量に影響を与える構造部材は、ガス分配チャンバ150内に配置されなくてもよい。既存のガス分配パイプラインと比較して、ガス分配チャンバは、ガス拡散のためにより有益であるかもしれず、残留物が容易に生じ得ない。粘着性があり、低温で凝縮しやすく、パージするのが容易ではない反応ガスについて、パイプライン中のそのようなガスの残留物に起因してガス出口で生じる化学蒸着の状況は、ガス分配チャンバ内で防止されてもよい。これにより、基板上に堆積される薄膜の均一性を向上させることができる。
[0031]いくつかの実施形態では、図5に示すように、ガス分配チャンバ150の空気入口は、ガス分配チャンバ150の内周縁に近い位置に位置付けられる。したがって、ガスは、ガス分配チャンバ150の内周縁に近い位置から外周縁に拡散することができる。
[0032]ガス分配チャンバ150の高さは、第1のガス入口パイプライン130の内周縁から第1のガス入口パイプライン130から離れた外周縁まで徐々に減少することができ、これは、ガス分配チャンバの容積を内側から外側まで徐々に減少させることができる。したがって、ガス分配チャンバ内のガス圧力を確実に均一にすることができ、これはガス拡散速度を向上させるのに役立つ。ガス分配チャンバ150の高さは、ガス分配チャンバ150の軸方向におけるガス分配チャンバ150の寸法、またはガス分配チャンバ150の上面と底面との間の垂直距離であってもよいことを理解されたい。
[0033]本開示の実施形態のガス分配器は、反応ガスを反応チャンバ内の基板に出力するように構成されてもよい。ガス分配パイプライン群120の構造は、本開示の実施形態において特に限定されなくてもよい。例えば、反応ガスを反応チャンバの複数の位置に迅速かつ均一に送るために、ガス分配パイプライン群120は、図2に示すものと同一または類似のネットワークパイプライン構造を採用することができる。薄膜蒸着中、拡散およびパージが容易な反応ガス(例えば、NH3、O2、Ar、N2など)を、第1のガス入口パイプライン130からガス分配パイプライン群120に導入することができる。ガス分配パイプライン群120によって分配された後、反応ガスは、第1のガス出口パイプライン140から出力することができる。
[0034]比較的粘着性があり、凝縮しやすく、パージしにくい反応ガス(例えば、ガス化H2O、TMA、TiCl4、PDMATなど)は、第2のガス入口パイプライン160を通してガス分配チャンバ150に導入することができる。ガス分配チャンバ150内で拡散した後、そのような反応ガスは、第2のガス出口パイプライン170から出力されてもよい。図2のガス分配パイプライン6と比較して、ガス分配チャンバ150がガス拡散を収容するので、残留物が発生しにくく、これは、ガス分配チャンバ内のガスのパイプライン中の残留物に起因してガス出口で化学蒸着が発生する状況を防止することができる。したがって、ガス分配チャンバ150の異なる領域内のガスは、第2のガス出口パイプライン170から均一に流出して、基板上に堆積される薄膜の均一性を向上することができる。加えて、ガス分配チャンバ150は、一体型の空のチャンバであるため、死角位置が存在し得ない。したがって、反応ガスの残留物が残りにくくなり、ガス分配器の洗浄が容易になり、ガス分配器の寿命が向上する。
[0035]ガス分配器から出力されるガスの均一性を向上させるために、第1のガス出口パイプライン140及び第2のガス出口パイプライン170は、分配器本体110内に均等に分配させることができる。したがって、第1のガス出口パイプライン140および第2のガス出口パイプライン170のガス出口端は、分配器本体のガス出口端面111に対して均等に配置することができる。さらに、第1空気出口パイプライン140の内径と第2空気出口パイプライン170の内径とは同じであってもよい。具体的には、第1空気出口パイプライン140及び第2空気出口パイプライン170の内径は、0.5mmから1mmであってもよい。好ましくは、第1空気出口パイプライン140及び第2空気出口パイプライン170の内径は1mmであってもよい。
[0036]いくつかの実施形態では、ガス分配チャンバ150の内周縁におけるガス分配チャンバ150の高さは、2mmから4mmの範囲であってもよい。ガス分配チャンバ150の外周縁におけるガス分配チャンバ150の高さは、0.5mmから1mmの範囲であってもよい。好ましくは、ガス分配チャンバ150の高さは、内周縁で3mm、外周縁で1mmであってもよい。ガス分配チャンバ150の底面は、ガス分配器のガス出口端面111に実質的に平行であってもよい。ガス分配チャンバ150の上面と底面との間の垂直距離は、第1のガス入口パイプライン130に近い内周縁から第1のガス入口パイプライン130から離れた外周縁まで徐々に減少することができる。
[0037]図4及び図5に示すように、一部の実施形態では、第2のガス入口パイプライン160は、第1のガス入口パイプライン導管130の周りに配置された環状ガス入口パイプラインである。すなわち、上述のガス出口端面111に平行な第2のガス入口パイプライン160の断面は、環状形状である。対応して、ガス分配チャンバ150のガス入口は、環状ガス入口であってもよい。したがって、環状ガス入口からガス分配チャンバ150に入るガスが外周縁に拡散する距離を同じにすることができ、これは、ガス流量の均一性を改善するのに有益である。
[0038]図7は、本開示のある実施形態にしたがう、ガス分配パイプラインの概略構造図である。図4、図5及び図7に示すように、ガス分配パイプライン群120は、複数のメインパイプライン121と複数のサブパイプライン群とを含む。複数のメインパイプライン121は、第1のガス入口パイプライン130から離れて異なる方向に第1のガス入口パイプライン130から径方向に配置される。例えば、第1のガス入口パイプライン130の径方向断面において、複数のメインパイプライン121は、第1のガス入口パイプライン130の軸の正投影を中心として、第1のガス入口パイプライン130の異なる径方向に配置されてもよい。複数のメインパイプライン121の内端(すなわち、第1のガス入口パイプライン130に近い端)は、第1のガス入口パイプラインのガス出口と連通することができる。第1のガス入口パイプライン130から流出するガスは、メインパイプライン121内で拡散することができる。例えば、図7に示すように、メインパイプライン121の数は4である。各2つの隣接するメインパイプライン121は、互いに垂直である。サブパイプライン群は、メインパイプライン121と一対一に対応するように配置されてもよい。各サブパイプライン群は、対応するメインパイプライン121の両側に配置され、対応するメインパイプライン121と予め定められた夾角を有する複数のサブパイプライン122を含む。各サブパイプライン群において、メインパイプライン121の同じ側の複数のサブパイプラインは、メインパイプライン121の伸長方向に沿って間隔を置いて配置されてもよい。いくつかの実施形態では、各サブパイプライン群内のメインパイプライン121の同じ側に位置付けられた複数のサブパイプライン122は、互いに平行であってもよい。また、各サブパイプライン122の内端(すなわち、メインパイプライン121に近い端)は、メインパイプライン121と連通することができる。ガス分配パイプライン群120の複数のガス出口は、図7の黒丸のような、サブパイプライン122に配置されたガス出口122aである。上述の予め定められた角度は、30°、45°、又は60°等の鋭角であってもよい。
[0039]いくつかの実施形態では、任意の2つの隣接するメインパイプライン121間に位置付けられたサブパイプライン122は、互いに平行であってもよい。すなわち、任意の2つの隣接するメインパイプライン121は、それぞれ、第1のメインパイプラインおよび第2のメインパイプラインと呼ばれてもよい。第2のメインパイプラインに近い側に位置付けられた第1のメインパイプラインに対応するサブパイプライン群の複数のサブパイプラインは、第1のメインパイプラインに近い側に位置付けられた第2のメインパイプラインに対応するサブパイプライン群の複数のサブパイプラインと平行であってもよい。したがって、ガス分配パイプライン群120が反応ガスを反応チャンバに均一に出力することが有益である。隣接する2つのメインパイプライン121の間の複数のサブパイプライン122は、均等に配置されることが好ましい。
[0040]いくつかの実施形態では、同じサブパイプライン群内の対応するメインパイプライン121の両側に位置付けられたサブパイプライン122は、対称的に配置されてもよい。例えば、メインパイプライン121の異なる側のサブパイプライン122の内端は、1対1の対応でメインパイプライン121の同じ位置に接続されてもよく、これは、ガス分配パイプライン群120が反応ガスを反応チャンバに均一に出力するのに有益である。具体的には、2つの隣接するメインパイプライン121の間で、各隣接する2つのサブパイプライン122の間の距離は等しくてもよい。距離は、例えば約21mmであってもよい。
[0041]加えて、メインパイプ121の内端(第1のガス入口パイプライン130に近い端)から外端(第1のガス入口パイプライン130から離れた端)まで、メインパイプライン121の内径は徐々に減少することができる。内端(メインパイプライン121に近い端)から外端(メインパイプライン121から離れた端)まで、サブパイプライン122の内径は徐々に減少してもよい。これにより、ガス分配パイプライン群120内のガス圧力のバランスを確保することができる。具体的には、メインパイプライン121の内端の内径は2から4mmの範囲であってもよい。メインパイプライン121の外端の直径は、1から2mmの範囲であってもよい。サブパイプライン122の外端の内径は、1から2mmの範囲であってもよい。サブパイプライン122の内端の内径は、メインパイプライン121とサブパイプライン121との接続位置の内径に応じて設定されてもよい。例示的に、メインパイプライン121の内端の内径は2.5mmであってもよく、メインパイプライン121の外端の内径及びサブパイプライン122の外端の内径はいずれも1.5mmであってもよい。
[0042]ガス分配パイプライン群120内のガス拡散スピードを増加させ、パージ効率を向上させするために、本開示の実施形態におけるガス分配パイプライン群120は、少なくとも1つの接続パイプラインを更に含むことができる。接続パイプラインは、接続パイプラインの伸長軌跡と交差するメインパイプライン121及び/又はサブパイプライン122と連通することができる。
[0043]好ましくは、各接続パイプラインは環状パイプラインであってもよく、複数の環状パイプラインが含まれてもよい。例えば、5つの環状パイプライン1231から1235が図7に示されている。第1のガス入口パイプラインの径方向断面において、5つの環状パイプライン1231から1235の正投影の内径は異なる。5つの環状パイプライン1231から1235は、第1のガス入口パイプライン130の軸の正投影を中心として同心円状に配置することができる。任意の2つの隣接する環状パイプラインの正投影間の径方向距離は、互いに等しくてもよい。また、各サブパイプライン122のガス出口122aは、サブパイプライン122が接続パイプラインと交差する位置に配置されてもよい。図7に示すように、いくつかのガス出口122aは、サブパイプライン122が環状パイプラインと交差するが、メインパイプライン121とは交差しない位置に位置付けることができる。いくつかのガス出口122aは、サブパイプライン122が環状パイプラインおよびメインパイプライン121の両方と交差する位置に位置付けられてもよい。
[0044]さらに、いくつかの実施形態では、第1のガス入口パイプライン130の径方向断面において、任意の2つの隣接する環状パイプラインの正投影間の径方向距離は等しくてもよい。これにより、ガス分配パイプライン群120内における反応ガスの拡散の均一性をさらに向上させることができる。
[0045]図7は、5つの環状パイプライン1231から1235が配置された状況を概略的に示すことに留意されたい。しかしながら、他の数の環状パイプラインを配置することもできることを理解されたい。例えば、図7の1231、1233、1235の3つの環状パイプラインのみを配置してもよい。
[0046]第2の態様において、本開示の実施形態は、半導体製造装置をさらに提供する。半導体製造装置は、薄膜蒸着を実行するように構成することができる。図8は、本開示のいくつかの実施形態にしたがう、半導体製造装置の概略図である。図8に示すように、半導体製造装置は、反応チャンバ300と、上述の実施形態によって提供されるガス分配器とを含む。ガス分配器は、第1固定ピン430を通して反応チャンバ300の上部に固定されてもよい。反応チャンバ300は、ベース301をさらに含む。ベース301は、堆積されるべき薄膜の基板302を担持するように構成されてもよい。ガス分配器の第1のガス入口パイプライン130は、第1の反応ガス供給デバイスと連通するように構成されてもよい。ガス分配器の第2のガス入口パイプライン160のガス入口は、第2の反応ガス供給デバイスと連通するように構成されてもよい。第1の反応ガス供給デバイスは第1の反応ガスを供給するように構成されてもよく、第2の反応ガス供給デバイスは第2の反応ガスを供給するように構成されてもよい。第1反応ガスの拡散係数は、第2反応ガスの拡散係数より大きくてもよい。
[0047]拡散係数は、ガス拡散度を示すパラメータであってもよい。拡散係数が大きいほど、ガスは拡散およびパージしやすくなる。拡散係数が小さいほど、粘着性があり、凝縮しやすく、ガスをパージすることがより困難である。
[0048]本開示の実施形態では、拡散しやすく凝縮しにくい第1の反応ガスは、ガス分配パイプライン群120に導入することができ、ガス分配パイプライン群120内で迅速かつ均一に拡散することができ、次いで、反応チャンバ300の様々な位置に均一に出力することができる。他の遮蔽構造は、ガス分配チャンバ150内に配置されなくてもよい。したがって、粘着性があり、凝縮しやすく、パージするのが困難な第2の反応ガスをガス分配チャンバ150内に導入することによって、ガス分配器内の第2の反応ガスの拡散効率が高まり、それにより、ガス分配器内の第2の反応ガスの残留が防止される。これにより、薄膜蒸着の均一性を向上させることができる。ガス分配チャンバ150には死角がない。したがって、ガス分配チャンバ150は、清掃が容易であってもよく、これは、ガス分配器の使用寿命を増加させることができる。
[0049]いくつかの実施形態では、半導体製造装置は、ガス入口ブロック200をさらに含む。ガス入口ブロック200は、第2の固定ピン440を通して分配器本体110上に固定して配置することができる。ガス入口ブロック200には、第1の伝達チャネル210および第2の伝達チャネル220をさらに配置することができる。第1の伝達チャネル210は、第1のガス入口パイプライン130を第1の反応ガス供給デバイスと連通するように構成することができる。第2の伝達チャネル220は、第2のガス入口パイプライン160を第2の反応ガス供給デバイスと連通するように構成することができる。
[0050]第1のシールリング410と、第1のシールリング410を取り囲む第2のシールリング420とが、ガス入口ブロック200と分配器本体110との間に配置されてもよい。第1の伝達チャネル210と第1のガス入口パイプライン130との間の接続位置は、第1のシールリングの内側に位置付けられてもよい(すなわち、第1の伝達チャネル210と第1のガス入口パイプライン130との間の接続位置は、第1のシールリングによって囲まれてもよい)。第2の伝達チャネル220と第2のガス入口パイプライン160との間の接続位置は、第1のシールリング410と第2のシールリング420との間に位置付けられてもよい。第1のシーリングリング410は、ガス流入ブロック200と分配器本体110との接続位置で第1反応ガスと第2反応ガスとが反応することを防止することができる。第2のシーリングリング420は、第2の反応ガスを外気から隔離することができる。
[0051]一例としてTiN薄膜の調製を取り上げると、半導体製造装置の膜形成プロセスを以下に紹介することができる。このうち、TiN薄膜は、第1反応ガス(例えば、NH3)と第2反応ガス(Tiハロゲン化物又はTi有機金属化合物、例えば、TiCl4)との反応を通じて形成されることができる。図5、図6および図8に関連して、膜形成プロセスは以下の通りである。
[0052]ステップ1:関連する成長パラメータが設定される。具体的には、反応チャンバ300の温度は300℃から550℃であってもよい。反応圧力は0.5から10トールであってもよい。使用されるパージガスは、高純度の窒素や不活性ガスであってもよい。パージガスの流量は、10から5000標準ミリリットル/分であってもよい。
[0053]ステップ2:第2の反応ガス(TiCl4)が反応チャンバ300内に導入される。具体的には、第2の反応ガスは、希釈ガス(例えば、高純度窒素ガスまたは不活性ガス)と混合され、次いで、ガス分配チャンバ150に導入されてもよい。ガス分配チャンバ150内で、第2の反応ガスは、希釈ガスと共に急速に分散することができ、次いで、基板302に向かって第2のガス出口パイプライン170から出力することができ、基板302上に均一に分配することができる。第2の反応ガス供給デバイスの蒸気圧は1トールに制御されてもよく、第2の反応ガスのガス流量は20から500標準ミリリットル/分、好ましくは20から80標準ミリリットル/分から選択されてもよい。希釈ガス流量は、400から5000標準ミリリットル/分、好ましくは500から1000標準ミリリットル/分から選択されてもよい。基板302上への第2反応ガスの吸着時間は、飽和吸着を達成するために、0.05から1秒、好ましくは0.1から0.5秒の範囲であってもよい。
[0054]一方、希釈ガスは、第1のガス入口パイプライン130を通してガス分配パイプライン群120に導入することができる。希釈ガスは、ガス分配パイプライン群120内で迅速に分散することができ、次いで、第1のガス出口パイプライン140から出力することができる。第1のガス入口パイプライン130に入る希釈ガスの流量は、400から5000標準ミリリットル/分の範囲であってもよく、好ましくは3000標準ミリリットル/分である。希釈ガスをガス分配パイプライン群120に導入することには、第2の反応ガスがガス分配パイプライン群120に入って残留物を形成するのを防止することができる。
[0055]ステップ3:ガス分配チャンバ150内の残留ガスに対してパージが実行される。具体的には、ステップ2に基づいて、第2の反応ガスは、ガス分配チャンバ150内に導入されるのを停止されてもよく、希釈ガスは、ガス分配チャンバ150及びガス分配パイプライン群120内に導入され続けてもよい。この状態は、0.1から5秒間、好ましくは0.5から2秒間持続してもよい。次いで、残留する第2の反応ガスをパージすることができる。
[0056]ステップ4:第1の反応ガス(NH3)が反応チャンバに導入される。具体的には、第3のステップに基づいて、第1の反応ガスが希釈ガスと混合された後、混合ガスは、第1のガス入口パイプライン130からガス分配パイプライン群120に入ることができる。ガス分配パイプライン群120では、第1の反応ガスが希釈ガスで急速に分散された後、第1の反応ガスは、基板302上に均一に分配されるように第1のガス出口パイプライン140から出力されてもよい。一方、希釈ガスは、ガス分配チャンバ150内に導入され続けてもよい。このプロセスにおいて、第1の反応ガスの流量は、500から5000標準ミリリットル/分、好ましくは2000から4000標準ミリリットル/分の範囲であってもよい。希釈ガス流量は、400から5000標準ミリリットル/分、好ましくは500から1000標準ミリリットル/分の範囲であってもよい。基板302上への第1の反応ガスの吸着時間は、1から5秒、好ましくは1から3秒の範囲であってもよい。そして、飽和吸着を達成することができる。
[0057]ステップ5:ガス分配パイプライン群120内の残留ガスをパージする。具体的には、ステップ4に基づいて、ガス分配パイプライン群120への第1の反応ガスの導入を停止してもよい。希釈ガスは、ガス分配チャンバ150及びガス分配パイプライン群120内に流れ続けることができる。この状態は、0.1から5秒間、好ましくは0.5から1秒間持続してもよい。そして、ガス分配パイプライン群120内に残留する第1の反応ガスをパージすることができる。
[0058]ステップ6:薄膜蒸着が完了したかどうかが決定され、完了した場合、プロセスは終了し、そうでない場合、ステップ2に戻る。
[0059]図9は、本開示の実施形態にしたがう、半導体製造装置によって堆積される膜の厚さ分布の概略図である。横軸は、薄膜の位置の横座標を示している。縦軸は、薄膜の位置の縦座標を示している。図中の異なるグレースケールは、膜層の厚さを表す。図3の厚さ分布と比較して、本開示の実施形態で形成された薄膜の厚さ均一性が著しく向上していることが分かる。
[0060]また、ガス分配パイプライン群120に環状パイプラインが配置されていない場合、ステップ4における第1の反応ガス(NH3)の導入時間がステップ4において2秒であってもよく、ステップ5におけるパージ時間が1秒以上であるとき、堆積された薄膜の均一性は約1%であってもよいことを実験は示している。ステップ5におけるパージ時間が1秒未満であるとき、堆積された薄膜の均一性は、2%から10%の間であってもよい。ガス分配器が図7に示す構造を採用し、ステップ4における第1の反応ガス(NH3)の導入時間が2秒であり、ステップ5におけるパージ時間が0.7秒であるとき、薄膜の均一性は1%を達成することができる。環状パイプラインを配置することによって、ガス分配パイプラインのパージ効率が約30%向上できることが分かる。
[0061]上記の実施形態は、本開示の原理を例示するために採用される単に例示的な実施形態に過ぎず、本開示はそれに限定されないことを理解されたい。当業者であれば、本開示の主旨及び本質から逸脱することなく、様々な修正及び改良を行うことができ、これらの修正及び改良も本開示の保護範囲とみなされる。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[1] 分配器本体を備える半導体装置のガス分配器であって、前記分配器本体はガス出口端面を含み、前記分配器本体は、
ガス分配パイプライン群と、第1のガス入口パイプラインと、複数の第1のガス出口パイプラインとを含み、前記第1のガス入口パイプラインのガス出口端は前記ガス分配パイプライン群のガス入口に連通し、前記複数の第1のガス出口パイプラインのガス入口端は前記ガス分配パイプライン群の複数のガス出口に1対1に対応して連通し、
前記分配器本体は、
ガス分配チャンバと、第2のガス入口パイプラインと、複数の第2のガス出口パイプラインとを含み、前記ガス分配チャンバは、前記ガス分配パイプライン群の上に位置付けられ、前記第1のガス入口パイプラインの周りに配置され、前記ガス分配チャンバの高さは、前記第1のガス入口パイプラインに近い内周縁から前記第1のガス入口パイプラインから離れた外周縁まで徐々に減少し、前記第2のガス入口パイプラインのガス出口は、前記ガス分配チャンバのガス入口と連通し、前記複数の第2のガス出口パイプラインのガス入口は、前記ガス分配チャンバのガス出口と1対1の対応で連通し、前記第1のガス出口パイプラインおよび前記第2のガス出口パイプラインは、交互に配置され、前記第1のガス出口パイプライン及び前記第2のガス出口パイプラインのガス出口端は、前記分配器本体のガス出口端面に位置付けられる、ガス分配器。
[2] 前記内周縁における前記ガス分配チャンバの高さは2mmから4mmであり、前記外周縁における前記ガス分配チャンバの高さは0.5mmから1mmである、[1]に記載のガス分配器。
[3] 前記ガス分配パイプライン群は、複数のメインパイプラインを含み、前記複数のメインパイプラインは、前記第1のガス入口パイプラインから離れて異なる方向に前記第1のガス入口パイプラインから径方向に配置され、前記第1のガス入口パイプラインに近い前記複数のメインパイプラインの端は、前記第1のガス入口パイプラインのガス出口端と連通し、
前記ガス分配パイプライン群は、複数のサブパイプライン群をさらに含み、前記サブパイプライン群は、前記メインパイプラインと1対1に対応して配置され、前記サブパイプライン群のそれぞれは、前記対応するメインパイプラインの両側に、前記対応するメインパイプラインと予め定められた夾角で配置された複数のサブパイプラインを含み、前記メインパイプラインの同じ側に位置付けられた前記サブパイプライン群のそれぞれの複数のサブパイプラインは、前記メインパイプラインの伸長方向に沿って間隔を置いて配置され、前記メインパイプラインに近い前記サブパイプラインのそれぞれの端は、前記メインパイプラインと連通し、前記ガス分配パイプライン群の複数のガス出口は、前記複数のサブパイプラインに配置される、[1]に記載のガス分配器。
[4] 前記ガス分配パイプライン群は、少なくとも1つの接続パイプラインを更に含み、
前記接続パイプラインは、前記接続パイプラインの伸長軌跡と交差する前記メインパイプライン及び/又は前記サブパイプラインと連通する、[3]に記載のガス分配器。
[5] 各接続パイプラインは環状パイプラインであり、複数の環状パイプラインが含まれ、前記第1のガス入口パイプラインの径方向断面における前記複数の環状パイプラインの正投影は異なる直径を有し、前記第1のガス入口パイプラインの軸の正投影を中心として同心円状に配置され、任意の2つの隣接する環状パイプラインの正投影間の径方向距離は等しく、前記サブパイプラインのそれぞれの前記ガス出口は、前記サブパイプラインが前記接続パイプラインと交差する位置に位置付けられる、[4]に記載のガス分配器。
[6] 前記第1のガス入口パイプラインに近い前記メインパイプラインの一端から前記第1のガス入口パイプラインから離れた他端まで、前記メインパイプラインの内径は徐々に減少し、前記メインパイプラインに近い前記サブパイプラインの一端から前記メインパイプラインから離れた他端まで、前記サブパイプラインの内径は徐々に減少する、[3]に記載のガス分配器。
[7] 任意の2つの隣接するメインパイプラインの間に位置づけられたすべてのサブパイプラインが互いに平行である、[3]に記載のガス分配器。
[8] 同じサブパイプライン群の前記メインパイプラインの両側に位置付けられた前記サブパイプラインは、対称に配置される、[3]に記載のガス分配器。
[9] 前記第2のガス入口パイプラインは、前記第1のガス入口パイプラインの周りに配置された環状ガス入口パイプラインである、[1]から[8]のいずれか一項に記載のガス分配器。
[10] [1]から[9]のいずれか一項に記載のガス分配器を備える半導体装置であって、前記第1のガス入口パイプラインのガス入口端は、第1の反応ガス供給デバイスと連通するように構成され、前記第2のガス入口パイプラインのガス入口端は、第2の反応ガス供給デバイスと連通するように構成され、前記第1の反応ガス供給デバイスは、第1の反応ガスを提供するように構成され、前記第2の反応ガス供給デバイスは、第2の反応ガスを提供するように構成され、前記第1の反応ガスの拡散係数は、前記第2の反応ガスの拡散係数よりも大きい、半導体装置。
[11] 前記分配器本体上に配置されたガス入口ブロックをさらに備え、第1の伝達チャネルおよび第2の伝達チャネルが前記ガス入口ブロック内に配置され、前記第1の伝達チャネルは、前記第1のガス入口パイプラインを前記第1の反応ガス供給デバイスと連通するように構成され、前記第2の伝達チャネルは、前記第2のガス入口パイプラインを前記第2の反応ガス供給デバイスと連通するように構成され、
前記ガス入口ブロックと前記分配器本体との間には、第1のシールリングと、前記第1のシールリングを取り囲む第2のシールリングとが配置され、前記第1の伝達チャネルと前記第1のガス入口パイプラインとの間の接続位置は、前記第1のシールリングの内側に位置付けられ、前記第2の伝達チャネルと前記第2のガス入口パイプラインとの間の接続位置は、前記第1のシールリングと前記第2のシールリングとの間に位置付けられる、[10]に記載の半導体装置。

Claims (10)

  1. 分配器本体を備える半導体製造装置のガス分配器であって、前記分配器本体はガス出口端面を含み、前記分配器本体は、
    ガス分配パイプライン群と、第1のガス入口パイプラインと、複数の第1のガス出口パイプラインとを含み、前記第1のガス入口パイプラインのガス出口端は前記ガス分配パイプライン群のガス入口に連通し、前記複数の第1のガス出口パイプラインのガス入口端は前記ガス分配パイプライン群の複数のガス出口に1対1に対応して連通し、
    前記分配器本体は、
    ガス分配チャンバと、第2のガス入口パイプラインと、複数の第2のガス出口パイプラインとを含み、前記ガス分配チャンバは、前記ガス分配パイプライン群の上に位置付けられ、前記第のガス入口パイプラインの周りに配置され、前記ガス分配チャンバの高さは、前記第のガス入口パイプラインに近い内周縁から前記第のガス入口パイプラインから離れた外周縁まで徐々に減少し、前記第2のガス入口パイプラインのガス出口は、前記ガス分配チャンバのガス入口と連通し、前記複数の第2のガス出口パイプラインのガス入口は、前記ガス分配チャンバのガス出口と1対1の対応で連通し、前記第1のガス出口パイプラインおよび前記第2のガス出口パイプラインは、交互に配置され、前記第1のガス出口パイプライン及び前記第2のガス出口パイプラインのガス出口端は、前記分配器本体のガス出口端面に位置付けられ、
    前記ガス分配パイプライン群は、複数のメインパイプラインを含み、前記複数のメインパイプラインは、前記第1のガス入口パイプラインから離れて異なる方向に前記第1のガス入口パイプラインから径方向に配置され、前記第1のガス入口パイプラインに近い前記複数のメインパイプラインの端は、前記第1のガス入口パイプラインのガス出口端と連通し、
    前記ガス分配パイプライン群は、複数のサブパイプライン群をさらに含み、前記サブパイプライン群は、前記メインパイプラインと1対1に対応して配置され、前記サブパイプライン群のそれぞれは、前記対応するメインパイプラインの両側に、前記対応するメインパイプラインと予め定められた夾角で配置された複数のサブパイプラインを含み、前記メインパイプラインの同じ側に位置付けられた前記サブパイプライン群のそれぞれの複数のサブパイプラインは、前記メインパイプラインの伸長方向に沿って間隔を置いて配置され、前記メインパイプラインに近い前記サブパイプラインのそれぞれの端は、前記メインパイプラインと連通し、前記ガス分配パイプライン群の複数のガス出口は、前記複数のサブパイプラインに配置される、ガス分配器。
  2. 前記内周縁における前記ガス分配チャンバの高さは2mmから4mmであり、前記外周縁における前記ガス分配チャンバの高さは0.5mmから1mmである、請求項1に記載のガス分配器。
  3. 前記ガス分配パイプライン群は、少なくとも1つの接続パイプラインを更に含み、
    前記接続パイプラインは、前記接続パイプラインの伸長軌跡と交差する前記メインパイプライン及び/又は前記サブパイプラインと連通する、請求項1に記載のガス分配器。
  4. 各接続パイプラインは環状パイプラインであり、複数の環状パイプラインが含まれ、前記第1のガス入口パイプラインの径方向断面における前記複数の環状パイプラインの正投影は異なる直径を有し、前記第1のガス入口パイプラインの軸の正投影を中心として同心円状に配置され、任意の2つの隣接する環状パイプラインの正投影間の径方向距離は等しく、前記サブパイプラインのそれぞれの前記ガス出口は、前記サブパイプラインが前記接続パイプラインと交差する位置に位置付けられる、請求項3に記載のガス分配器。
  5. 前記第1のガス入口パイプラインに近い前記メインパイプラインの一端から前記第1のガス入口パイプラインから離れた他端まで、前記メインパイプラインの内径は徐々に減少し、前記メインパイプラインに近い前記サブパイプラインの一端から前記メインパイプラインから離れた他端まで、前記サブパイプラインの内径は徐々に減少する、請求項1に記載のガス分配器。
  6. 任意の2つの隣接するメインパイプラインの間に位置づけられたすべてのサブパイプラインが互いに平行である、請求項1に記載のガス分配器。
  7. 同じサブパイプライン群の前記メインパイプラインの両側に位置付けられた前記サブパイプラインは、対称に配置される、請求項1に記載のガス分配器。
  8. 前記第2のガス入口パイプラインは、前記第1のガス入口パイプラインの周りに配置された環状ガス入口パイプラインである、請求項1から7のいずれか一項に記載のガス分配器。
  9. 請求項1から8のいずれか一項に記載のガス分配器を備える半導体製造装置であって、前記第1のガス入口パイプラインのガス入口端は、第1の反応ガス供給デバイスと連通するように構成され、前記第2のガス入口パイプラインのガス入口端は、第2の反応ガス供給デバイスと連通するように構成され、前記第1の反応ガス供給デバイスは、第1の反応ガスを提供するように構成され、前記第2の反応ガス供給デバイスは、第2の反応ガスを提供するように構成され、前記第1の反応ガスの拡散係数は、前記第2の反応ガスの拡散係数よりも大きい、半導体製造装置。
  10. 前記分配器本体上に配置されたガス入口ブロックをさらに備え、第1の伝達チャネルおよび第2の伝達チャネルが前記ガス入口ブロック内に配置され、前記第1の伝達チャネルは、前記第1のガス入口パイプラインを前記第1の反応ガス供給デバイスと連通するように構成され、前記第2の伝達チャネルは、前記第2のガス入口パイプラインを前記第2の反応ガス供給デバイスと連通するように構成され、
    前記ガス入口ブロックと前記分配器本体との間には、第1のシールリングと、前記第1のシールリングを取り囲む第2のシールリングとが配置され、前記第1の伝達チャネルと前記第1のガス入口パイプラインとの間の接続位置は、前記第1のシールリングの内側に位置付けられ、前記第2の伝達チャネルと前記第2のガス入口パイプラインとの間の接続位置は、前記第1のシールリングと前記第2のシールリングとの間に位置付けられる、請求項9に記載の半導体製造装置。
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