JPH04233723A - 可変分配率ガス流反応室 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は一般的に反応室に関し、
更に詳しくはこの種の反応室に対する反応ガスの供給に
関する。

【０００２】

【本発明の背景】図において、参照番号で指示された各
部品は、これらの部品が現われる図の全てにおいて同一
の参照番号を用いて表示してある。２個ないし３個から
成るこれら参照番号の何れにおいても、頭初の１文字は
この部品が初めに現われた図面の番号を示している。

【０００３】集積回路製造上、価格を競合力のある状態
にとどめるには、ウエハーの処理システムの処理能力を
連続的に増すことが重要である。これまでに処理能力を
あげるためにバッチ（ある数量を一括する）処理システ
ムが採用されている。しかし、装置に関しては、特定寸
法の技術を達成する上で必要な処理の均一性を達成する
ために単一ウエハー処理システムを利用することが不可
欠である。回線幅に関する技術を達成するために利用さ
れる装置にとっては、ウエハー全体を横断する処理の均
一性を出来るだけ高度に達成することが特に重要である
。

【０００４】集積回路の特定寸法は収縮し、またウエハ
ー寸法は増大するので、全ウエハーを横断して均一な処
理を達成するため、各種のウエハー処理段階の割合正確
に制御することが益々その重要さを増しつつある。全処
理段階により得られる均一性は、全てのプラズマ処理な
らびに化学的蒸着処理を含めて、処理ガスが処理室内に
分布することによって達成される。現行の多くのシステ
ムにおいては、処理ガスは、これら処理ガスがウエハー
に到達する前にガスの均一な分布がなされるように、ウ
エハーから遠く離れた場所において、処理室の中に噴射
される。このウエハーは標準的には遠隔ガス流入口と排
出口との間に配置されていて反応ガス流がウエハーを通
過するようになっている。処理の均一性を更に改善する
ために、多くのシステムでは、処理中のウエハーの時間
平均による物理的ならびに化学的環境の均一性を増大す
るため処理中にウエハーを回転する能力をもたせている
。しかし、プロセス制御の改善を達成するには、現在行
なっている以上に高度の制御を、反応室内のガスの分布
に対して行なうことが有利である。

【０００５】

【本発明の概要】図解の好適実施態様によれば、ガス流
れシステムが現わしていることは、このシステムが、処
理中にウエハーを横断するガス流量と組成とを正確に制
御することを可能とし、その結果、ウエハー全体を横断
するウエハー処理速さの分布を制御する能力を増大する
。このガス流れシステムは、バッチ式処理システムに適
用可能であるが、単一ウエハー処理システムにおいて最
適に実行される。このガス流システムは、ウエハーにお
けるガスの流量と濃度とが一層正確に制御できるように
、ウエハー（もしくは複数個のウエハー）に隣接するガ
ス流入口から処理ガスを供給する。好ましくは、これら
のガスは、ウエハーの１側面において、このウエハーの
縁近傍に与えられ、そしてこのガスはウエハーを横切っ
て流れて、ガス流入口に対して、ウエハーを横切って直
径方向対抗位置にある排出口に向う。好ましくは、ガス
流入口とウエハーの最も近い縁との間の間隙は、排出口
とウエハーの最も近い縁との間の間隙と同様に、小さく
、その結果、システム内には非常に低減された量のデッ
ドスペース（死空間）があり、そのためウエハーを横断
するガスの分布制御は強化される。かくして、反応器に
とっては、ウエハーの側部を密接に取巻く円筒形部分を
有することが有利である。流入口及び排出口は、これら
両方の口を、ウエハーのところでそれぞれガスを流入、
排出させるために、この円筒形部分に配置させることが
できる。

【０００６】ガス供給多岐管は、ガス流入口を横切って
ガスの組成と流量とを変えることを可能とし、その結果
、ウエハー表面におけるガス組成と流量の空間的分布全
体の制御を可能にするために、ガス流入口に取りつけら
れる。このガス供給多岐管は、それぞれが流れ制御装置
を通って関連のガス供給源に連結されているガス噴射器
のセットを保有する。ガス流入口は好ましくは細い長穴
の形であって、ウエハーに平行であり、その結果この流
入口はガスをウエハーの縁に直接する周辺に供給する。 排出口は、また、好ましくは、細い出口長穴形状であっ
て、ウエハーに平行であって、その結果この排出口はガ
スをウエハーの縁に直接する周辺から排出する。

【０００７】ガス流入口内には、多数の垂直な羽根板が
設けられていてこの入口に物理的強度を与えている。加
えて、これらの羽根板は、ウエハーの縁からのガス噴射
装置の距離よりも、ウエハーの縁に対してもっと近接し
た点に、これらガスが達するまでの、ガス供給多岐管の
異る入口噴射口からの噴射ガスの混合を防止することが
できる。隣り合う羽根板の各対は、ガス輸送溝の側面を
形成し、この溝は異る溝間のガスの混合を防止している
。標準的には、流入ガス噴射装置の場合と同様に多くの
異るガス輸送溝を設けることは可能である。これらの溝
の内側端部において、ガス流入口は曲りくねって狭い流
入長穴の中に入り、この長穴は、この処理システム内で
処理されるウエハーの直径よりも若干広い寸法をもつ。 この事実が、これらのガスがウエハーの近傍に近づく前
にガスの局部的混合を可能とする。この事実が、これら
のガスがウエハーに達する前に流入ガスの濃度と流れの
外形態とを円滑にし、しかもウエハーを横切って達成さ
れる不定濃度ならびに流れの外形態を可能とする。

【０００８】予熱サセプタリングが流入長穴とウエハー
との間に設けられ、ガスがウエハーに到達する前に噴射
されたガスを予熱する。このリングは、好ましくは、ウ
エハーに対して対称図形的な温度環境を提供するように
ウエハーの周囲を完全に取り囲んで設けられる。光源か
らの強い光により生成される高い処理温度の中にある処
理システムでは、このサセプタは光して対して不透過性
な材料を選んで用いるべきである。この材料に対しては
、また、温度が光源によって迅速に変化されるように低
い熱的質量をもつのが有利である。

【０００９】もし、ガス流量と濃度とが、ガス流入口を
横切る方向で一定であるならば、ウエハーの周囲におい
ては処理速さが増大する結果となる。この事実は、反応
物がウエハーの処理のためにウエハーを横切って流れる
際に、低減されるから生ずるのである。この事は特に、
これら反応ガスの一部がウエハー上に蒸着する場合に照
らしてみれば明らかであるが、例えば、反応ガスがこの
処理段階の経過中に使用されるエッチング処理のような
他の処理の場合に対しても、やはり真実である。従って
、一般に、ウエハーの中心近傍を横切る反応ガス流の部
分に対しては、より一層高度の濃度及び／あるいはより
一層大きい流量を与えるのが有利である。好ましくは、
ウエハーを横切る方向で、ガスの流れ及び／または濃度
が一定でないにもかかわらず、瞬間的に平均化され、し
かも半径方向に対称図形的なウエハーに対する処理をす
るために、ウエハーは回転される。

【００１０】反応室内のガス流に乱流を一般に発生させ
ない程度に、ガス流量とウエハー回転速度とを充分に低
く保っても、各種要因間の複雑な相互作用が、所望の流
れならびに濃度の外形態を理論的に正確に決定する能力
に制限を加える。この事実は、特に、反応器の好適実施
態様の大部分において真実であって、その依って立つ根
拠は、加熱効果間の複雑な相互作用、ウエハーの回転、
流量、濃度、回転中のウエハーシステムにおけるガスの
逆流、温度、ガスの分解、そして反応ガスとウエハーと
の間の複雑な反応である。このような理論的な解析は、
出発点ではありうるが、最適化は、一般に、経験にもと
づいてなされる。

【００１１】

【実施例】図１は本発明に係るウエハー処理反応器の側
面図である。壁１１〜１３は反応室１４を閉塞し、この
反応室内においてウエハーの処理が行われる。この室の
中のウエハー受台１５は、回転軸上に中心合わせをして
置かれたウエハー１６に対して時間平均的環境を生成す
ることにより、ウエハーの軸線対称的処理を実施するよ
うに回転される。

【００１２】ウエハー１６はランプ列１７によって加熱
されるのであって、これらランプの列は、ウエハー１６
を直角に通過する軸線上に中心を置いた環の中に配置さ
れている。これらランプの頂部断面図は図２に示してあ
る。ウエハー受台は好ましくは不透明材料がよく、この
材料は処理温度に耐えその結果、このウエハーがランプ
１７からの光に対して透明体であったとしても、このラ
ンプ１７からの光がウエハーを加熱することになる。

【００１３】ウエハーが熱サイクルを受ける速さを増す
ため、ランプ１７の列は、受台１５の上方ならびに下方
の双方に設けられる。この光を受台にまで到達させるた
め、壁１１と１３とは、これらのランプからの光に対し
て透明体である。これらの壁用材料の好適材料として選
択すると石英があり、その理由は石英の透明性と、強度
（これらの壁を横切る差圧に耐える力）そして、ウエハ
ー処理中に適用される高温（標準的には５００〜１２０
０℃）に耐える能力があるためである。標準的処理圧力
は、これらの壁が圧力の全体雰囲気に耐えられるように
、２〜３Ｔｏｒｒ程度の低い圧力でよい。側壁１２は標
準的には石英のような材料の機械仕上げブロックである
。 他の用途、例えば、他のＣＶＤ（化学的蒸着法）もしく
はエッチッグ法などにおいては、適性に選択された材料
としてはアルミニウム及びステンレス鋼がある。水素と
か窒素などの添加用ガスは、ガス流入口１９を通して反
応室１４に噴射して入れ、反応ガスが、処理室の底半分
の中に流入するのを防止する。赤外線検出装置１１０の
セットを利用してウエハー温度を測定し、ウエハー温度
を規制するためランプ１７用電源にフィードバックする
。この種の反応器は、１９９０年３月９日付けで、Ｒｏ
ｇｅｒ　Ｎ．　Ａｎｄｅｒｓｏｎ　らによって出願され
た、名称が「Ｄｏｕｂｌｅ−Ｄｏｍｅ　Ｒｅａｃｔｏｒ
　Ｆｏｒ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｐｒｏｓｅｓ
ｓｉｎｇ」である米国特許出願の中に非常に詳しく開示
してある。

【００１４】図３は図１のウエハー処理用反応器を、ガ
ス流入口３１及びガス排出口３２を含む平面で切った頂
部断面図である。穴３３は、反応室１４内のガス温度を
測定する熱電対のような各種の機器用として設けられて
いる。長穴３４はウエハーを反応室に対して入出移動さ
せるためのものである。矢印３５は、受台１５とウエハ
ー１６とが、ウエハー上に実質的に中心を持ち、しかも
ウエハーの頂面に対して実質的に直角である軸線Ａの周
囲に回転されることを示している。予熱リングサセプタ
３６が設けてあるのは、ガスがウエハーに到達する前に
これらの噴射されたガスを加熱するためである。これは
、ウエハーを包囲していない予サセプタによってなされ
るが、ウエハーを包囲するのが有利であって、この包囲
により一層均一な処理環境を経験するのである。この予
熱リングサセプタ３６はランプ１７からの光に対して不
透明であり、この実施態様においては、炭化けい素をコ
ーティングした黒鉛である。反応ガスならびに搬送ガス
は、図４に一層詳細に示してあるガス供給多岐管３７に
よりガス流入口３１の中に供給される。

【００１５】本実施態様においては、ガス供給多岐管３
７は、一対の異るガスを供給するだけである。これらの
ガスの内の最初のガスは第１ガス源から第１パイプ４１
へ、そしてこれらのガスの内の第２のガスは第２ガス源
から第２パイプ４３に供給される。これら２種のパイプ
のそれぞれは７本のパイプに分配され、その各々のパイ
プは、入口３１０のセットの１つにおいて、ガス流入口
３１の異る溝５１（図５に示してあり、この図５につい
ては以下に論ずる）を形成する。パイプ４１と、そして
、パイプ４１からガス入口溝への７本のパイプのそれぞ
れとの間には、連結された流量制御装置４２がある。 同様に、パイプ４３と、パイプ４３からガス入口溝への
７本のパイプのそれぞれとの間には、連結された流量制
御装置４４がある。この構成により、７本の溝のそれぞ
れに対するこれら２種のガスのそれぞれの流量が独立に
制御可能となっている。溝内の濃度は、かくして、これ
ら溝内のこれら２種のガスを混合することにより、そし
てこれら２種のガスの濃度により決定される。別な実施
態様においては、例えば４１及び４３の２本のパイプ以
上のパイプが提供可能であって、これによりガスの流れ
ならびに濃度について一層制御を可能とする。例えば、
各種の搬送ガスは多重反応ガスと同様に提供できる。ま
た、これらのガスを分配するために、７よりも若干少い
かもしくは多い本数の溝が利用可能である。

【００１６】図５はガス流入口３１の側面断面図である
。羽根板３８のセットがガス流入口の底壁５２から頂壁
５３にまで伸びて設けられ、このガス流入口のための保
持部材となっている。これらの羽根板はまた、このガス
流入口を７本の溝５１のセットの中に分割され、この溝
５１は、処理されるウエハーの縁に一層接近する点に到
るまで噴射されたガスが混合するのを防止する能力を提
供する。標準的な流れの外形態は図６中に点線６１で示
してあり、この点線は隣接する溝５１からのガス流間の
境界線を示す。この流れの外形態は、これら７本の溝５
１のそれぞれを通る全ガス流量を変えることによって変
えられる。反応プロセスは、またこれらの溝のそれぞれ
を通るガスの相対的混合を変えることによって変えられ
る。

【００１７】図３に図示するように、羽根板３８の端部
とウエハーとの間には細い長穴３９があり、この長穴を
通して、反応ガスと搬送ガスとが、反応室に入る前に通
過する。羽根板はこの領域に伸びないので、隣り合う溝
からのガスが混合し初めることが可能で、その結果、こ
れらのガスがウエハーの近傍に到達する前に濃度と流れ
との外形態を平滑化する。この狭い長穴は、羽根板を有
する領域の中のガス流入口３１の幅と等しい幅をもった
幅Ｗをもつ。高さ（すなわち、図３の図に直角なこの長
穴の寸法）は３ｍｍ程度であり、その結果、ガスはウエ
ハー縁部において高さの小さい領域内に噴射される。そ
の結果、この細い領域は、反応室を横切って均一に排出
口にまで流れを伸ばすから、反応ガスの有効利用をうる
ことができる。

【００１８】一般に、中間溝においては、一層反応ガス
の多い流れが必要とされるから、ウエハーの周囲におけ
るよりもウエハーの中心部近傍における方が比較的に高
い流れを生ずる。この高い流動は、ウエハーの周囲領域
全体ならびに、中央部分の上をこの流動が通過する際に
、濃度が部分的に枯渇されるため、これらの溝内に必要
とされる。更に、ウエハーの周囲領域は内部の溝からの
ガスと相互作用を持つでけではなくて、領域６３と６４
とにおいて、外側の溝を通って供給されるガスと相互作
用をもつ。

【００１９】加熱効果の間の複雑な相互作用、ウエハー
の回転、流量、濃度、回転中のウエハーシステム内のガ
スの逆流、温度、ガスの分解、熱的対流、そして、反応
ガスとウエハーとの間の複雑な反応は、流量と濃度との
どの組合わせが最適組合わせであるかを正確に予言する
ことを極めて困難となし、その結果、理論的考察が、一
般に、それぞれの溝を通るガスの流量と濃度を選択する
上での単なる出発点となるのである。ウエハー表面はラ
ンプ１７からの光により加熱されるので、局部対流セル
が局部流れパターンを支配できる。経験による測定がほ
とんどの場合処理の最適化に必要とされる。図７はこの
ような経験データの標準的セットを示す。

【００２０】この図は、けい素蒸着のプロセスを表わし
、ウエハーの中心からの半径方向の関数としての厚さ（
ミクロン単位）を表示しており、これはウエハーの上に
生成された蒸着層に関するものである。上左隅には、７
本の溝のそれぞれの中の全体的流量が示してある。これ
らの試験では相対的流量の対称的パターンが利用される
ので、４個だけの数字が指示されている。かくして、頂
部の曲線に関しては、第１番目と第７番目の溝（すなわ
ち最外端の溝）はガス流が零であり、第２番目及び第６
番目の溝（すなわち、２番目に外側にある溝）は、流量
が４であり、第３番目と第５番目の溝は流量が４．５で
あり、第４番目の溝（すなわち中央の溝）は流量５をも
つ。この打点が示していることは、第１番目と第７番目
の溝は、ウエハーの外側領域に対する蒸着に対して強力
な影響をもつという期待される結果である。いささか驚
異的なことに、これら曲線の内、第３番目と第４番目の
曲線が示していることは、第３番目と第５番目との溝に
おけるガス流は、中央の溝における流量がなす以上に、
ウエハーの中心部における厚さに及ぼす影響が大きいと
いうことである。

【００２１】標準的な処理においては、ガス入口１９を
通る全流量は、毎分当り８リッターの程度であり、ガス
流入口を通る全流量は、毎分当り２０〜３０リッターの
程度である。けい素蒸着の処理に対する最適均一性は、
溝１ないし７において、それぞれ、１１、９、１０、１
０、１０、９及び１１の相対流量をもって達成される。 この選択は、これらの流量が全て同じ値である場合より
も一層よい均一性を生成する。測微弁ならびに固定オリ
フィスが流量を制御するため流量制御装置４２及び４４
として利用される。流量を制御するためのその他の装置
には、質量の流れ制御装置、もしくはその他の変動要因
制限装置がある。

【００２２】図１ないし図６において、羽根板３８は全
て平行状態にあり、しかも図３と図６に見られるように
充分に真直ぐに指向している。代替の実施態様において
は、これらの羽根板の方向は、また調整可能なプロセス
パラメータでありうる。羽根板は、また、流れパターン
を変えるため入口もしくは排出口３１１の長穴領域に配
置される。その他の変更では、他の寸法に対する流れ溝
幅Ｗの変更、もしくは、排出口に用いられる数とは別個
な、入口に用いられる流れ溝の数を変更することが含ま
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るウエハー処理用反応器の側面図で
ある。

【図２】図１のウエハー処理用反応器の頂面断面図であ
って、ウエハーを加熱するために用いる加熱ランプ列を
示す図である。

【図３】図１のウエハー処理用反応器に対して、ガス流
入口ならびにガス排出口を含む平面を介して見た頂面断
面図である。

【図４】図３に指示したような、ガス供給多岐管の側面
図である。

【図５】図３に指示したような、ガス流入口の側面断面
図である。

【図６】ガス流入口からガス流出口へのガス流線を示す
図である。

【図７】７本の異るガス輸送溝に対するガス流量の数種
の選択におけるウエハー半径の関数としてのウエハー上
の蒸着厚さの経験的打点を示す図である。

【符号の説明】

１１〜１３　　壁 １４　　反応室 １５　　ウエハー受台 １６　　ウエハー １７　　ランプ列 １９　　ガス入口 ３１　　ガス流入口 ３２　　ガス排出口 ３３　　穴 ３４　　長穴 ３５　　矢印 ３６　　予熱リングサセプタ ３７　　ガス供給多岐管 ３８　　羽根板

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ウエハー処理用反応器であって：被処
   理ウエハーが内部で処理される反応室を閉塞してなる反
   応器壁と；少なくとも１種の処理ガスを前記反応室内に
   供給するガス流入口と；そして、ガス供給多岐管であっ
   て、前記ガス流入口に向う複数個の部分的に分割された
   入口に対して少なくとも１種類の処理ガスを噴射し、そ
   の結果、前記少なくとも１種の処理ガスの、ガス流分配
   を、前記ガス流入口を介して制御する能力を提供するガ
   ス供給多岐管とから成ることを特徴とするウエハー処理
   用反応器。
2. 【請求項２】　　少なくとも２種類の異なる処理ガスが
   流入口を介して噴射され、その結果、ガス組成の分配に
   対して、流量と同様に制御を可能とすることを特徴とす
   る請求項１に記載のウエハー処理用反応器。
3. 【請求項３】　　前記流入口のそれぞれを介してガス流
   量を制御する手段を更に有することを特徴とする請求項
   １記載のウエハー処理用反応器。
4. 【請求項４】　　前記ガス流量制御手段が、１つの処理
   ガス供給源と１つの前記流入口とを結ぶ１つの流路内に
   、それぞれ配置された複数個の流量制御装置を有してな
   ることを特徴とする請求項１記載のウエハー処理用反応
   器。
5. 【請求項５】　　前記流量制御装置のそれぞれは、質量
   の流れ制御装置、固定オリフィス及びマイクロメータ弁
   からなるセットの内から選択されることを特徴とする請
   求項４に記載のウエハー処理用反応器。
6. 【請求項６】　　前記流量のそれぞれは少なくとも２種
   類の処理ガス供給源に連結可能であって、これにより、
   処理ガスの全体流量ならびに相対濃度は前記流入口のそ
   れぞれを介して制御されることを特徴とする請求項４に
   記載のウエハー処理用反応器。
7. 【請求項７】　　前記ガス流入口の中に更に：複数個の
   羽根板であって、このガス流入口を複数個のガス流溝に
   分割し、その結果、異る流入口を介して噴射されるガス
   の混合物が、これらの異る流入口を介して流れる処理ガ
   スがこれらの羽根板の末端に到達するまで遅延させられ
   ることを特徴とする請求項１に記載のウエハー処理用反
   応器。
8. 【請求項８】　　前記羽根板は全てが平行に設けられて
   なることを特徴とする請求項７記載のウエハー処理用反
   応器。
9. 【請求項９】　　前記羽根板が、ウエハーが処理される
   ために配置される前記反応器内の１つの配置に向けて最
   も近接する方向で処理ガスが流れるように方向づけられ
   てなることを特徴とする請求項７に記載のウエハー処理
   用反応器。
10. 【請求項１０】　　前記羽根板のそれぞれがウエハーが
    処理されるために中心合わせを施される１点に向けて方
    向づけられて成ることを特徴とする請求項９に記載のウ
    エハー処理用反応器。
11. 【請求項１１】　　前記羽根板は全て平行に設けられ、
    かくして、これらの羽根板は、ウエハーが処理されるた
    めに前記反応室内に配置されると、ウエハーのところで
    、ウエハーを横切って横方向に対称図形をもつような流
    れパターンを生ずることを特徴とする請求項９に記載の
    ウエハー処理用反応器。
12. 【請求項１２】　　前記反応器壁の１個の側壁部分に、
    この側壁を介して１個の長穴が開けてあり、この長穴は
    前記羽根板の末端と前記処理室との間に存在しており、
    この処理室内では異る溝からの処理ガスが、ウエハーが
    処理されるために配置される場所に到達する前に混合開
    始が可能であり、その結果、ウエハーが処理されるため
    に配置される前記場所にこれらのガスが到達する前に前
    記溝を介して流れるガスの流量の外形態を円滑形態とす
    ることを更に有してなることを特徴とする請求項７に記
    載のウエハー処理用反応器。
13. 【請求項１３】　　前記長穴と、ウエハーが処理される
    場所との間に、ガスがウエハーに到達するに先立ってこ
    れらガスを予備加熱する予熱リングを設けて成ることを
    更に有することを特徴とする請求項１０に記載のウエハ
    ー処理用反応器。
14. 【請求項１４】　　前記羽根板は全てが平行でないこと
    を特徴とする請求項７に記載のウエハー処理用反応器。
15. 【請求項１５】　　前記壁の前記側壁部分が円筒形部分
    （３１１）を有し、この円筒形部分は、ウエハーが処理
    されるためにその中に配置される円形領域であって、し
    かもこの円形領域を横切って前記少なくとも１種の処理
    ガスが流れる円形領域を包囲してなることを特徴とする
    請求項１に記載のウエハー処理用反応器。