KR100927495B1 - 향상된 과도 상태 기상 증착을 위한 가스 분배 시스템 - Google Patents

향상된 과도 상태 기상 증착을 위한 가스 분배 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예는 공정 챔버내로 가스를 보다 균일하게 분배하는 가스 분배 시스템에 관한 것이다. 일 실시예에서, 가스 분배 시스템은 외주면과 내주면을 갖는 가스 링과 가스 링의 외주면에 위치된 가스 흡입구(gas inlet)를 포함한다. 가스 흡입구는 가스 링의 외주면과 내주면 사이에 배치된 제 1 채널과 유동적으로 결합된다. 다수의 가스 배출구(gas outlet)는 가스 링의 내주면에 분포되고, 가스 링의 외주면과 내주면 사이에 배치된 제 2 채널과 유동적으로 결합된다. 다수의 오리피스(orifice)는 제 1 채널과 제 2 채널 사이에 유동적으로 결합된다. 다수의 오리피스는 가스 흡입구와 다수의 거리만큼 이격되며, 제 1 채널을 따라 측정된 가스 흡입구로부터의 거리에 따라 변하는 크기를 갖는다. 즉, 오리피스의 크기는 제 1 채널을 따라 측정된 오리피스와 가스 흡입구 사이의 거리가 증가함에 따라 증가한다.

Description

향상된 과도 상태 기상 증착을 위한 가스 분배 시스템{GAS DISTRIBUTION SYSTEM FOR IMPROVED TRANSIENT VAPOR PHASE DEPOSITION}
본 출원은 2004년 11월 29일에 출원된 미국 가특허출원 제 60/631,714호의 우선권을 주장하며, 이의 전체 내용을 본원에 참고문헌으로써 통합한다.
본 발명은 일반적으로 반도체 제조 공정에 관한 것이며, 보다 구체적으로는, 예를 들어 향상된 과도 상태(transient phase) 증착을 제공하기 위한 화학 기상 증착 챔버용의 향상된 가스 분배 시스템에 관한 것이다.
현대 반도체 디바이스를 제조하는데 있어서 중요한 스텝의 하나는, 가스들을 화학 반응하여 반도체 기판에 박막을 형성하는 것이다. 이러한 증착 공정을 일반적으로 화학 기상 증착("CVD")라고 한다. 전통적인 열적 CVD 공정은 열 유도(heat-induced) 화학 반응이 발생하는 기판 표면에 반응 가스들을 공급하여 희망하는 막을 생성한다. 다른 한편으로, 플라즈마 CVD("PECVD") 기술은 기판 표면에 가까운 반응 영역(reaction zone)으로의 무선주파수("RF") 에너지 인가에 의해 반응 가스들의 여기(excitation) 및/또는 해리(dissociation)를 촉진시켜, 플라즈마를 생성한다. 플라즈마에서 이러한 종들의 높은 반응성은 화학 반응이 발생하는데 필요한 에너지를 감소시키고, 이에 따라서 전통적인 열적 CVD 공정과 비교할 때 상기 CVD 공정에 필요한 온도를 낮춘다. 이러한 장점들은 고밀도플라즈마("HDP") CVD 기술에서 더욱 향상되며, 이 기술에서 플라즈마 종들이 더욱 반응적이도록 조밀한 플라즈마가 저 진공 압력에서 형성된다. "고밀도"는 1011 ions/cm3과 동일하거나 이를 초과하는 이온 밀도를 가지는 것을 의미한다.
HDP-CVD 기술을 효과적으로 사용하는데 제공되는 특정 어플리케이션들은, 셀로우-트렌치 분리(shallow-trench isolation: "STI"), 프리메탈 유전체(premetal dielectric: "PMD") 어플리케이션, 및 인터메탈 유전체(intermetal dielectric: "IMD") 어플리케이션을 포함한다. 다양한 상기 어플리케이션에서 증착 특성에 영향을 주는 한 가지 문제점은, 상이한 조성을 갖는 서로 인접한 막들 간의 확산이며, 이는 생성되는 막 구조의 희망하는 임의의 성질에 악영향을 끼칠 수 있다. 상기 확산을 방지하기 위해 사용되었던 한 가지 접근 방법은, 중간 배리어막의 증착을 추가적으로 포함하는 것이다. 예를 들면, 도핑된 실리콘 산화물이 IMD 어플리케이션 내에 증착되었을 때, 도펀트(dopant)의 메탈라인으로의 확산은 산화물/메탈 경계에서 바람직하지 않은 화학적 종의 형성을 야기할 수 있으며, 이는 산화물과 메탈 간의 열악한 부착을 야기한다. 도핑된 실리콘 산화물 막을 증착하기 전에 실리콘 풍부 라이너를 메탈 위에 증착하면 도펀트 확산을 막도록 기능한다. 배리어막을 포함하는 것은, 구조 내의 향상된 부착에 관한 긍정적인 효과를 갖는다. 이제는 임의의 구조를 형성하고자 할 때, 배리어막을 증착하는 것은 많은 어플리케이션에서 거의 일반적이다. 예를 들자면, HDP-CVD를 사용하는 플루오로실리케이트- 유리("FSG") 어플리케이션 내에 불소로 도핑된 실리콘 산화물 막을 증착하기 전에, 실리콘-리치 산화물 라이너를 기판 위에 형성하는 것이 일반적이다.
최초 증착 막 또는 라이너의 증착은 HDP-CVD 반응기 내에서의 플라즈마 손상를 방지함에 있어서 중요한 요소이다. 과도 상태의 최초 증착에서 균일한 라이너를 달성하는 것은 불균일한 가스 분배로 인해 실질적으로 어렵다. 균일한 라이너를 증착하기 위한 현재의 한 가지 접근 방법은, 플라즈마가 없는 챔버에서 혼합된 가스를 포함한 저압 포격(strike)을 사용한다. 혼합 스텝동안, 기판은 플라즈마 없이 냉각되며, 이에 따라 라이너의 증착 온도를 낮춘다. 라이너 선구 가스(liner precursor gases)는 전형적으로 산소 및 실란과 같은 실리콘-소스 가스, 및 아마도 SiF4와 같은 불소-함유 가스도 포함될 수 있다. 선-혼합(premixing) 스텝 후의 플라즈마 포격(striking)은, "HDP-CVD 챔버 내의 저압 포격"라는 제목으로 1999년 12월 23일에 제출된 동시계속 중이고, 공통적으로 양수된, 미국 특허 출원 제 09/470,819호에서 개시된 것과 같이 저압 포격에 의해 처리할 수 있다. 또한, 저압 포격을 사용하면, 플라즈마 스테이지 점화(ignition) 기간 동안 플라즈마 불안정을 피할 수도 있으며, 그렇지 않으면, 막의 일관성 없는(inconsistent) 품질을 생성할 것이다.
다른 한편으로, 증착 온도를 최대화하는 것은 HDP-CVD 반응기 내의 중요한 갭 충진(gapfill) 요소라고 알려져 있다. 저압 포격을 사용하여 증착 온도를 낮춤으로써, 갭 충진 특성은 나빠지는 경향이 생길 것이다.
본 발명의 실시예는 가스가 가스 분배 시스템을 통해서 공정 챔버 안으로 처음으로 흐를 때, 즉, 과도 상태 동안 가스를 보다 균일하게 공정 챔버 안으로 분배시키는 가스 분배 시스템에 관한 것이다. 특정 실시예에서, 가스 분배 시스템은 외부 채널과 내부 채널 사이의 가변 오리피스 크기를 포함한다. 가스는 가스 흡입구를 통해 외부 채널 안으로 흐르고, 그 다음, 상이한 크기를 갖는 오리피스들을 통과해 내부 채널로 이동한다. 오리피스의 크기는 외부 채널을 따라 측정된, 오리피스와 가스 흡입구 사이의 거리에 따라 증가한다. 이 방법에서, 가스의 흐름은 챔버 둘레에 배치된 다수의 가스 배출구와 유동적으로 연결된 내부 가스 채널 안으로 보다 균등하게 분배되어 챔버 안으로 가스를 주입시킨다. 외부 및 내부 채널은 원형 가스 링 내에 공정 챔버의 둘레에 구성된다. 가스 분배 시스템은 저압 포격 접근 방법에서 사용된 것과 같이 초기 증착 온도를 낮추지 않고도 균일한 라이너를 증착시키는데 사용될 수 있으며, 따라서 좋은 갭 충진 특성을 포함한 증착의 품질을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따라서, 가스 분배 시스템은 외주면(outer periphery)과 내주면(inner periphery)을 포함하는 가스 링, 및 가스 링의 외주면에 배치된 가스 흡입구를 포함한다. 가스 흡입구는 가스 링의 외주면과 내주면 사이에 배치된 제 1 채널과 유동적으로 결합된다. 다수의 가스 배출구는 가스 링의 내주면에 분포되고, 가스 링의 외주면과 내주면 사이에 배치된 제 2 채널과 유동적으로 결합된다. 다수의 오리피스는 제 1 채널과 제 2 채널 사이에 유동적으로 결합된다. 다수의 오리피스는 가스 흡입구로부터 다수의 거리만큼 이격되며, 제 1 채널을 따라 측정된 오리피스와 가스 흡입구 간의 거리가 증가함에 따라 오리피스의 크기가 증가하도록, 제 1 채널을 따라 측정된 가스 흡입구로부터의 거리에 따라 변하는 크기를 갖는다.
본 발명의 다른 측면에 따라서, 기판을 처리하는 동안 챔버 안으로 흐르는 가스를 분배하는 방법은, 외주면과 내주면을 포함하는 가스 링, 외주면과 내주면 사이에 배치된 제 1 채널, 및 외주면과 내주면사이에 배치된 제 2 채널을 제공하는 단계를 포함한다. 제 1 채널은 다수의 오리피스를 통해서 제 2 채널과 유동적으로 결합된다. 가스는 가스 링의 외주면에 배치된 가스 흡입구를 통해서 가스 링으로 주입된다. 가스는 가스 흡입구를 통해서 제 1 채널 안으로, 다수의 오리피스를 통해서 제 2 채널 안으로, 제 2 채널과 유도적으로 연결된 다수의 가스 배출구를 통해서 챔버 안으로 흐른다. 다수의 오리피스는 다수의 거리만큼 가스 흡입구와 이격된다. 가스가 처음으로 가스 링 안으로 주입되는, 과도기(transient period) 동안 가스 배출기를 통해 챔버 안으로 실질적으로 균일한 가스의 분배를 제공하도록 상이한 크기들을 갖는다.
도 1은 본 발명에 따라 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착(HDP-CVD) 시스템의 일 실시예의 간략화된 도면이다.
도 2는 도 1의 예시적인 HDP-CVD 시스템과 결합하여 사용될 수 있는 가스 링의 간략화된 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가스 링의 단면도이다.
도 4는 도 3의 가스 링의 일부분에 대한 확대 단면도이다.
도 5는 종래의 가스 링을 사용하여 기판 상에 증착된 막의 두께 변화를 도시하는 도면이다.
도 6은 도 5의 막에 대한 조건과 동일한 조건 하에서, 본 발명의 실시예에 따른 가스 링을 사용하여 기판 상에 증착된 막의 두께 변화를 도시하는 도면이다.
도 1은 유전체 층이 증착될 수 있는 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착(HDP-CVD) 시스템(10)의 일 실시예를 도시한다. 시스템(10)은 챔버(13), 진공 시스템(70), 소스 플라즈마 시스템(80A), 바이어스 플라즈마 시스템(80B), 가스 전달 시스템(33), 및 원격 플라즈마 세정 시스템(50)을 포함한다.
챔버(13) 상부는 알루미늄 산화물 또는 알루미늄 질화물과 같은 세라믹 유전체 물질로 구성된 돔(14)을 포함한다. 돔(14)은 플라즈마 처리 영역(16)의 상부 경계를 나타낸다. 플라즈마 처리 영역(16)은 기판(17)의 상부 표면 및 기판 지지부(18)에 의해 하부 경계가 설정된다.
가열 플레이트(23) 및 냉각 플레이트(24)는 돔(14) 위에 배치되어, 돔(14)과 열적으로 결합된다. 가열 플레이트(23) 및 냉각 플레이트(24)는 약 100℃ 내지 약 200℃ 범위에 걸쳐 약 ±10℃ 이내로 돔 온도를 제어한다. 이는 다양한 공정에서 돔 온도를 최적화시킨다. 예를 들어, 증착 공정보다도 세정 또는 식각 공정에서 보다 높은 온도로 돔을 유지하는 것이 바람직하다. 또한, 돔 온도의 정확한 제어는 챔버 내의 박편 또는 미립자 수를 감소시켜 증착된 층과 기판 사이의 접착력을 향상시킨다.
일반적으로, 플라즈마에 노출시키면, 기판 지지부(18) 상에 위치한 기판이 가열된다. 기판 지지부(18)는 열전달 가스(때때로는 후방 냉각 가스로 언급됨)를 기판의 후방으로 전달할 수 있는 내부 및 외부 통로(미도시)를 포함한다.
챔버(13)의 하부는 진공 시스템과 챔버를 결합시키는 몸체부(22)를 포함한다. 기판 지지부(18)의 베이스 부(21)는 몸체부(22) 위에 장착되어 몸체부(22)와 연속적인 내부 표면을 형성한다. 챔버(13)의 측면에 있는 삽입/제거 오리피스(미도시)를 통해 로봇 블레이드(미도시)는 기판을 챔버(13) 안팎으로 전달한다. 상부 로딩 위치(57)의 로봇 블레이드에서 하부 처리 위치(56)로 기판을 이동시키기 위해, 리프트 핀들(미도시)은 모터(미도시)의 제어에 따라 상승되고 또 하강되며, 하부 처리 위치에서 기판은 기판 지지부(18)의 기판 수용부(19) 위에 위치한다. 기판 수용부(19)는 기판 처리 동안 기판 지지부(18)에 기판을 고정하는 정전기 척(20)을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 기판 지지부(18)는 알루미늄 산화물 또는 알루미늄 세라믹 물질로 형성된다.
진공 시스템(70)은 트로틀 바디(25)를 포함하며, 트로틀 바디(25)는 3-블레이드 트로틀 밸브(26)를 수용하고 게이트 밸브(27) 및 터보-분자 펌프(28)에 부착된다. 트로틀 바디(25)가 가스 흐름에 대한 방해를 최소화시키고, 대칭 펌핑을 허용한다는 것을 주목해야 한다. 게이트 밸브(27)는 트로틀 바디(25)와 펌프(28)를 절연시킬 수 있고, 또한 트로틀 밸브(26)가 완전히 개방되는 경우 배기 흐름 용량을 제한함으로써 챔버 압력을 제어할 수 있다. 트로틀 밸브, 게이트 밸브, 및 터 보-분자 펌프를 설치하여 약 1milli-torr 내지 약 2 torr 사이에서 챔버 압력을 정확히 안정하게 제어할 수 있다.
소스 플라즈마 시스템(80A)은 돔(14) 상에 장착된 상부 코일(29) 및 측면 코일(30)을 포함한다. 대칭적 접지 실드(미도시)는 코일들 사이의 전기적 결합을 감소시킨다. 상부 코일(29)은 상부 소스 RF(SRF) 발생기(31A)에 의해 전력이 공급되고, 측면 코일(30)은 측면 SRF 발생기(31B)에 의해 전력이 공급되어, 각각의 코일에 대하여 독립적인 동작 주파수 및 전력 레벨을 공급할 수 있다. 이러한 이중 코일 시스템에 의해 챔버(13) 내의 방사 이온 밀도(radial ion density)를 제어하는 것이 가능하며, 이는 플라즈마 균일성을 개선시킨다. 측면 코일(30) 및 상부 코일(29)은 전형적으로 유도적으로 구동되며, 보조 전극이 필요하지 않다. 특정 실시예에서, 상부 소스 RF 발생기(31A)는 공칭적으로 2㎒에서 약 8000W(7㎾) 까지 또는 그보다 높은 RF 전력을 제공하며, 측면 소스 RF 발생기(31B)는 공칭적으로 2㎒에서 8000W(5㎾) 까지 또는 그보다 높은 RF 전력을 제공한다. 상부 및 측면 RF 발생기의 동작 주파수는 플라즈마-발생 효율을 개선시키기 위해 공칭 동작 주파수(예를 들어, 각각 1.7-1.9㎒ 및 1.9-2.1㎒)로부터 오프셋 된다.
바이어스 플라즈마 시스템(80B)은 바이어스 RF(BRF) 발생기(31C) 및 바이어스 정합 회로망(32C)을 포함한다. 바이어스 플라즈마 시스템(80B)은 기판부(17)를 보조 전극으로서의 기능하는 몸체부(22)와 용량적으로 결합시킨다. 바이어스 플라즈마 시스템(80B)은 소스 플라즈마 시스템(80A)에 의해 생성된 플라즈마 종들(예를 들어 이온들)을 기판 표면으로 전달하는 것을 강화하도록 기여한다. 특정 실시예에서, 바이어스 RF 발생기는 13.56㎒에서 8000W 까지 또는 그보다 높은 RF 전력을 제공한다.
RF 발생기(31A 및 31B)는 디지털방식으로 제어되는 합성기를 포함하며 약 1.8㎒ 내지 약2.1 ㎒ 사이의 주파수 범위에 걸쳐서 작동한다. 당업자에게 공지된 바와 같이, 각각의 발생기는 챔버 및 코일로부터 발생기로 거꾸로 반사되는 전력을 측정하고, 반사 전력을 최소화하기 위해 동작 주파수를 조절하는 RF 제어 회로(미도시)를 포함한다. 통상적으로 RF 발생기는 50Ω의 특성 임피던스를 갖는 부하(load)에서 동작하도록 설계된다. RF 전력은 발생기와 상이한 특성 임피던스를 가지는 부하에서 반사될 수 있다. 이는 부하에 전달되는 전력을 감소시킬 수 있다. 또한, 부하에서 발생기로 거꾸로 반사되는 전력은 발생기에 과부화로 작용하여 발생기를 손상시킬 수 있다. 여러 요인들 가운데 플라즈마 이온 밀도에 따라 플라즈마 임피던스는 5Ω보다 작은 범위에서부터 900Ω보다 큰 범위까지이고, 반사된 전력은 주파수에 대한 함수이기 때문에, 반사된 전력에 따라서 발생기 주파수를 조절하면 RF 발생기에서 플라즈마로 전달되는 전력을 증가시키고 발생기를 보호할 수 있다. 반사된 전력을 감소시키고 효율을 강화시키는 또 다른 방법은 정합 회로망을 사용하는 것이다.
정합 회로망(32A 및 32B)은 발생기(31A 및 31B)의 출력 임피던스를 각각의 코일(29, 30)과 정합시킨다. RF 제어 회로는 정합 회로망 내의 커패시터 값을 변화시킴으로써 양 정합 회로망을 조절하여, 부하가 변화하더라도 부하와 발생기를 정합시킬 수 있다. 부하에서 발생기로 거꾸로 반사되는 전력이 일정한 한계를 초과할 때에도, RF 제어 회로는 정합 회로망을 조절할 수 있다. 일정한 정합을 제공 하고 RF 제어 회로가 정합 회로망을 조절하는 것을 효과적으로 디세이블 하기 위한 방법 중 하나는, 반사된 전력 한계치를 반사된 전력의 임의의 예상 값보다 크게 설정하는 것이다. 이는 정합 회로망을 가장 최근의 상태에서 일정하게 유지시킴으로써, 소정의 조건하에서 플라즈마를 안정화시키는데 도움을 줄 수 있다. 플라즈마의 안정화를 돕는 다른 방법이 있을 수 있다. 예를 들어, RF 제어 회로는 부하(플라즈마)에 전달되는 전력을 결정하는데 사용될 수 있으며, 층을 증착하는 동안 실질적으로 일정하게 전달된 전력을 유지하도록 발생기 출력 전력을 증가 또는 감소시킬 수 있다.
가스 전달 시스템(33)은 몇 개의 소스(34A-34E)에서 기판 제조용 챔버로 가스 전달 라인(단지 일부만이 도시됨)을 통해 가스를 공급한다. 본 기술분야의 당업자가 알고 있다시피, 소스(34A-34E)용으로 사용되는 실제 소스 및 챔버(13)와 전달 라인(38) 간의 실제 연결은, 챔버(13) 내에서 수행되는 증착 및 세정 공정에 따라 변한다. 가스는 가스 링(37) 및/또는 상부 노즐(45)을 통해 챔버(13)에 주입된다. 도 2는 가스 링(37)의 추가적인 세부 사항을 도시하는 챔버(13)의 간략화된 부분 단면도이다.
일 실시예에서, 제 1 및 제 2 가스 소스(34A 및 34B) 및 제 1 및 제 2 가스 흐름 제어기(35A' 및 35B')는, 가스 전달 라인(단지 몇 개만이 도시됨)을 통해 가스 링(37)의 링 플레넘(36)으로 가스를 공급한다. 가스 링(37)은 기판 전체에 균일한 가스 흐름을 제공하는 다수의 가스 노즐(39)(설명을 위해 단지 한 개만을 도시함)을 포함한다. 노즐 길이 및 노즐 각도는 각각의 챔버 내의 특정 공정에 대한 균일성 프로파일 및 가스 활용 효율성에 맞춰지도록 변경될 수 있다. 일 실시예에서, 가스 링(37)은 알루미늄 산화물 세라믹으로 만들어진 24개의 가스 노즐(39)을 포함한다.
또한, 가스 링(37)은 다수의 가스 노즐(40)(단지 하나만이 도시됨)을 포함하며, 바람직한 실시예에서 가스 노즐(40)은 소스 가스 노즐(39)과 동일한 길이로 공면 상에 위치하며, 일 실시예에서 바디 플레넘(41)으로부터 가스를 수용한다. 챔버(13)에 가스를 주입하기 전에 가스들을 혼합하지 않는 것이 바람직한 소정 실시예에서, 가스 노즐(39 및 40)은 유동적으로 결합되지 않는다. 다른 실시예에서, 바디 플레넘(41)과 가스 링 플레넘(36) 사이에 오리피스(미도시)를 제공함으로써 챔버(13)에 가스를 주입하기 이전에 가스들을 혼합할 수 있다. 일 실시예에서, 제 3, 제 4 가스 소스(34C 및 34D)와 3 및 제 4 가스 흐름 제어기(35C 및 35D')는 가스 전달 라인(38)을 통해 바디 플레넘으로 가스를 공급한다. 43B(다른 밸브는 도시되지 않음)와 같은 추가 밸브들은 흐름 제어기에서 챔버로 가스가 공급되는 것을 차단할 수 있다.
가연성, 독성, 또는 부식성 가스가 사용되는 실시예에서, 증착 이후에 가스 전달 라인에 남아있는 가스를 소거하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 밸브(43B)와 같은 3식 밸브를 사용하여 달성될 수 있으며, 전달 라인(38A)과 챔버(13)를 분리시키고 전달 라인(38A)을 진공 포어라인(foreline: 44)으로 배기시킨다. 도 1에 도시된 것처럼, 34A 및 43C와 같은 다른 유사한 밸브들은 다른 가스 전달 라인 상에 포함될 수 있다. 상기 3식 밸브는 배기되지 못한 가스 전달 라인(3식 밸브와 챔버 사이)의 체적을 최소화하도록 챔버(13)에 근접하게 위치될 수 있다. 또한, 2식(온-오프) 밸브(미도시)는 유량 제어기("MFC")와 챔버 사이 또는 가스 소스와 MFC 사이에 위치될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 챔버(13)는 상부 노즐(45) 및 상부 배기구(46)를 포함한다. 상부 노즐(45)과 상부 배기구(46)는 가스의 상부 및 측면 흐름의 독립적인 제어를 가능하게 하여 막 균일성을 개선시키고, 또한 막의 증착 및 도핑 파라미터의 미세한 조절을 가능하게 한다. 상부 배기구(46)는 상부 노즐(45) 둘레의 환형 오리피스이다. 일 실시예에서, 제 1 가스 소스(34A)는 소스 가스 노즐(39)과 상부 노즐(45)로 공급한다. 소스 노즐 MFC(35A')은 소스 가스 노즐(39)로 전달되는 가스의 양을 제어하며, 상부 노즐 MFC(35A)는 상부 가스 노즐(45)로 전달되는 가스의 양을 제어한다. 유사하게, 두 개의 MFC(35B 및 35B')는 소스(34B)와 같은 단일 산소 소스로부터 상부 배기구(46) 및 산화제 가스 노즐들(40)로의 산소 흐름을 제어하는데 이용될 수 있다. 상부 노즐(45) 및 상부 배기구(46)에 공급된 가스들은, 가스들을 챔버(13)로 흐르기 전에는 분리되어 유지되도록 할 수도 있고, 또는 가스들이 챔버(13)로 흐르기 전에 상부 플레넘(48)에서 혼합될 수 있다. 동일한 가스로 된 개별 소스들은 챔버의 다양한 부분에 공급하는데 사용될 수도 있다.
도 1 및 2에서 도시된 실시예에서, 원격 마이크로파-생성 플라즈마 세정 시스템(50)은 챔버 구성요소들로부터 증착 잔류물들을 주기적으로 제거하도록 제공된다. 세정 시스템은 반응기 캐비티(53) 내의 세정 가스 소스(34E)(예를 들어, 플루오르 분자, 삼불화 질소, 다른 플루오르카본 또는 등가물)로부터 플라즈마를 생성 하는 원격 마이크로파 생성기(35)를 포함한다. 이러한 플라즈마로부터 발생하는 반응성 종들은 어플리케이터 튜브(55)를 통해 세정 가스 공급 포트(54)를 거쳐 챔버(13)로 전달된다. 세정 플라즈마를 포유하는데 사용되는 물질(예를 들어, 캐비티(53) 및 어플리케이터 튜브(55))들은 플라즈마에 의한 충격을 견뎌야만 한다. 희망하는 플라즈마 종들의 농도가 반응기 캐비티(53)에서 멀어질수록 감소할 수 있기 때문에, 반응기 캐비티(53)와 공급 포트(54) 사이의 간격은 실시 가능한 한 짧게 유지되어야 한다. 원격 캐비티에서 세정 플라즈마를 생성하면, 마이크로파 생성기를 효율적으로 사용할 수 있으며, 인-시튜로 형성된 플라즈마에 존재할 수 있는 글로 방전의 충격, 온도, 또는 방사에 챔버 구성요소들이 영향을 받지 않을 수 있다. 결과적으로, 정전기 척(20)과 같은 상대적으로 민감한 구성요소들은, 인-시튜 플라즈마 세정 공정에서 필요할 수도 있는, 더미 웨이퍼로 커버되거나 또는 다른 방법으로 보호되어야 할 필요가 없다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 링(300)을 도시한다. 가스 링(300)은 외주면 또는 외주면(outer periphery: 302)및 내주면 또는 내주면(inner periphery: 304)을 포함한다. 가스 흡입구(306)는 가스 링(300)의 외주면(302)에 배치되며, 제 1 채널 또는 플레넘(308)과 유동적으로 결합된다. 제 1 채널(308)은 가스 링(300)의 외주면(302)과 내주면(304) 사이에 배치된다. 제 2 채널 또는 플레넘(310)은 가스 링(300)의 외주면(302)과 내주면(304) 사이에 배치되며, 다수의 오리피스 또는 오리피스(312)를 통해 제 1 채널(308)과 유동적으로 결합된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 채널은 외부 채널(308)이며, 제 2 채널은 외부 채널(308)과 가스 링(300)의 내주면 사이에 배치된 내부 채널(310)이다. 그러나, 다른 실시예에서, 제 1 및 제 2 채널(308 및 310)은 상이하게 배열될 수도 있다. 예를 들면, 상기 두 채널은 가스 링(300)의 축을 따라 서로 측면으로 이격되고, 대략 동일한 원주를 가질 수도 있다.
도 3은 제 1 채널(308) 또는 제 2 채널(310)의 원주를 따라 실질적으로 균일하게 이격된 6개의 오리피스(312)를 도시한다. 다수의 제 1 가스 배출구(316)는 가스 링(300)의 내주면(304)에 분포되며, 제 2 채널(310)과 유동적으로 결합된다. 도 3은 24개의 제 1 가스 배출구(316)를 도시한다. 제 2 채널(310)과 유동적으로 절연되고, 다른 가스 소스로부터의 가스를 공정 챔버 안으로 주입하도록 구성된 12개의 제 2 가스 배출구(318)가 있다. 예를 들면, 제 1 가스 배출구(316)는 실란과 같은 실리콘-소스 가스를 주입하는데 사용될 수 있고, 제 2 가스 배출구(318)는 산소와 같은 다른 반응 가스를 주입하는데 사용될 수 있다.
도시된 특정 실시예에서, 제 2 채널(310)은 가스 링(300)의 내주면(304) 둘레에 360°로 연장하며, 제 1 채널(308)은 제 1 채널의 두 단부(320)가 서로 이격되어 가스 링(300)의 내주면(304)의 둘레에 부분적으로 360°미만으로 연장한다. 오리피스(312)는 두 제 1 채널의 단부(320)의 각각의 근처에 배치되고, 도 3에서 도시된 것과 같이 6개의 균등하게 이격된 오리피스(312)를 포함하는 가스 링(300) 내에서 약 60°로 서로 등각 이격된다. 가스 흡입구(306)는 제 1 채널(308)을 따라 측정된 거리상으로 두 제 1 채널의 단부(320) 사이의 대략 중간쯤에 제 1 채널(308)과 결합된다. 대개, 다수의 오리피스(312)는 2보다 큰 짝수 개의 오리피스(312)를 포함한다. 다수의 오리피스(312)는 가스 흡입구(306)와 제 1 채널(308)의 원주 중심을 통과하는 선(324)에 대해 실질적으로 대칭적으로 배치된다. 가스 흡입구(306)와 제 1 채널(308)의 원주 중심을 통과하는 선 위에 놓인 오리피스(312)는 없다. 물론, 선택적인 실시예에서, 오리피스(312)의 개수와 위치는 변할 수도 있다.
다수의 오리피스(312)는 가스 흡입구(306)와 다수의 거리만큼 이격된다. 오리피스는 가스가 가스 링(300) 내로 처음으로 주입될 때, 즉 과도기 동안 가스 배출구(316)를 통해 실질적으로 균일한 가스 분배를 제공하도록 상이한 크기를 갖는다. 일반적으로 오리피스(312)는 제 1 채널(308)을 따라 측정된 가스 흡입구(306)로부터의 거리에 따라 변하는 크기를 가지며, 오리피스(312)의 크기는 제 1 채널(308)을 따라 측정된 오리피스(312)와 가스 흡입구(306) 간의 거리가 증가함에 따라 증가한다.
도 4는 제 1 채널의 단부(320) 중 하나의 주변 영역에 대한 확대도이다. 오리피스를 제조하는 한 가지 방법은, 외주면(302)에서 제 1 채널(308)을 지나 제 2 채널(310)까지 가스 링(300)의 일부분을 관통해 홀을 천공하는 것이다. 그 때, 외주면(302)과 제 1 채널(308) 사이의 홀은 플러그(330)에 의해 폐공될 수 있다.
도 5 및 6은 종래 가스 링(500)과 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 가스 링(300)을 사용하여 기판 상에 라이너 또는 라이닝 막을 증착한 실험적인 결과를 도시한다. 도 5에서, 종래 가스 링(500)은 외부 채널(504)과 유동적으로 결합된 가스 흡입구(502)를 포함하며, 외부 채널(504)은 180°로 떨어져 배치된 두 개의 오리피스(508)에 의해 내부 채널(506)과 유동적으로 결합된다. 24개의 제 1 가스 배출구(510)는 내부 채널(506)과 유동적으로 결합되며, 12개의 제 2 가스 배출구(412)는 다른 가스 소스와 유동적으로 결합된다. 오리피스(508)의 지름은 약 0.188인치이다. 가스 링(300)은 6개의 오리피스(312)를 포함하며, 이 6개의 오리피스 중 2개의 오리피스(312a)는 가스 흡입구(306)에서 약 30°만큼 이격되어 있으며, 다른 2개의 오리피스(312b)는 가스 흡입구(306)에서 약 90°만큼, 나머지 2개의 오리피스(312c)는 가스 흡입구에서 약 150°만큼 이격되어 있다. 가장 가까운 오리피스(312a)의 지름은 약 0.093인치이며, 중간 오리피스(312b)의 지름은 약 0.125인치이고, 가장 먼 오리피스(312c)의 지름은 약 0.221인치이다.
배치된 라이너는 HDP-CVD 시스템(10)을 사용하여 플라즈마 화학 기상 증착에 의해 형성된 실리콘 산화물 라이너이다. 공정 가스는 제 1 가스 배출구(316 또는 510)를 통해 주입된 실란, 및 제 2 가스 배출구(318 또는 512)를 통해 주입된 산소(O2)를 포함한다. 인가된 에너지는 상부 코일(29)에 약 1500W, 및 측면 코일(30)에 약 5000W를 포함한다. 동작 온도는 약 450℃이며, 동작 압력은 약 6 milli-torr이다. 기판(520 및 620)의 지름은 300㎜이다. 증착 시간은 약 3초이다.
종래 가스 링(500)을 사용하여 기판(520)에 형성된 라이너는 8.10%의 편차로 약 241.8Å의 두께를 갖는다. 도 5에서 도시된 것과 같이, 라이너는 두 오리피스(508)에 가장 가까운 두 측부가 더 두껍다. 본 발명의 가스 링(300)을 사용하여 기판(620)에 형성된 라이너는 3.62%의 편차로 약 216.5Å의 두께를 갖으며, 이는 현저하게 4.48%가 향상된 결과이다. 두께의 편차는 절반보다 더 감소되었다. 도 6에서 도시된 것과 같이, 라이너 두께는 기판(620)의 중심에 대해 보다 대칭적이다. 라이너의 대칭 값(symmetry value)은 도 6에서는 2.66(Å/Å)이며, 도 5에서는 4.2이다. 다수의 테스트가 상이한 오리피스 크기에 대해 수행되었고, 제 1 채널(308)을 따라 측정된 가스 흡입구(306)와 오리피스(312) 사이의 거리가 증가함에 따라 오리피스(312)의 크기를 증가시킴으로써 라이너의 균일성이 향상된다는 것이 확립되었다. 테스트 결과에서, 과도기 후의 보다 안정 상태 하에서의 증착에서도, 가변 오리피스(312)와 함께 가스 링(300)을 사용할 때 일반적으로 균일한 막의 생성을 지속한다는 것을 더 보여준다.
상기 설명은 예시적인 의도이지 제한하고자 함이 아니라는 것을 알 것이다. 많은 실시예는 상기 설명을 검토하면 본 기술분야의 당업자에게 명백할 것이다. 예시적으로, 본 발명은 다른 형태의 챔버 및 기판을 처리하기 위한 다른 공정으로 확대할 수 있다. 가변 오리피스(312)의 개수, 크기, 및 배열도 특정 상황에 맞게 수정되어 적용될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 범위는 상기 설명을 참조하여 결정되어서는 안 되며, 대신 이들의 균등한 전체 범위에 따라 첨부한 청구항을 참조로 결정되어야만 한다.

Claims (20)

  1. 외주면(302)과 내주면(304)을 구비하는 가스 링(300);
    상기 가스 링(300)의 상기 외주면(302)에 배치되고, 상기 가스 링(300)의 상기 외주면(302)과 상기 내주면(304) 사이에 배치되는 제 1 채널(308)과 유동적으로 결합되는 가스 흡입구(306);
    상기 가스 링(300)의 상기 내주면(304)에 걸쳐서 분포되고, 상기 가스 링(300)의 상기 외주면(302)과 상기 내주면(304) 사이에 배치되는 제 2 채널(310)과 유동적으로 결합되는 다수의 가스 배출구(316); 및
    상기 제 1 채널(308)과 상기 제 2 채널(310) 사이에 유동적으로 결합되고, 상기 가스 흡입구(306)와 다수의 거리만큼 이격된 다수의 오리피스(312)로서, 상기 오리피스(312)는 상기 제 1 채널(308)을 따라 측정될 때 상기 가스 흡입구(306)로부터의 거리에 따라 변하는 크기를 가져서, 상기 제 1 채널(308)을 따라 측정될 때 상기 오리피스(312)와 상기 가스 흡입구(306) 사이의 거리가 증가함에 따라 상기 오리피스(312)의 크기가 증가하는, 다수의 오리피스(312)를 포함하는 가스 분배 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 오리피스(312)는 상기 제 1 채널(308)의 원주를 따라서 균등하게 이격된, 가스 분배 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 채널(310)은 상기 가스 링(300)의 상기 내주면(304) 둘레에 360°로 연장한, 가스 분배 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 채널(308)은 상기 제 1 채널(308)의 두 단부(320)가 서로 이격되도록 상기 가스 링(300)의 상기 내주면(304)의 둘레에서 부분적으로 360°미만으로 연장한, 가스 분배 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 가스 흡입구(306)는 상기 제 1 채널(308)을 따라 측정될 때, 거리상 상기 제 1 채널(308)의 상기 두 단부(320) 사이의 중간인 위치에서 상기 제 1 채널(308)과 결합되고, 상기 다수의 오리피스(312)는 2보다 큰 짝수 개의 오리피스(312)를 포함하는, 가스 분배 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 다수의 오리피스(312)는 상기 제 1 채널(308)의 원주의 중심 및 상기 가스 흡입구(306)를 통과하는 선에 대해서 대칭적으로 배치된, 가스 분배 시스템.
  7. 삭제
  8. 공정 가스를 챔버 안으로 흐르게 하고, 상기 챔버 안에서 상기 공정 가스의 반응을 야기함으로써 반도체 기판을 처리하기 위한 장치에서, 상기 공정 가스의 흐름을 상기 챔버 안으로 향하게 하는 가스 분배 시스템에 있어서,
    외주면(302)과 내주면(304)을 구비하는 가스 링(300);
    상기 가스 링(300)의 상기 외주면(302)에 배치되고, 상기 가스 링(300)의 상기 외주면(302)과 상기 내주면(304) 사이에 배치되는 제 1 채널(308)과 유동적으로 결합되는 가스 흡입구(306); 및
    상기 가스 링(300)의 상기 내주면(304)에 분포되고, 상기 가스 링(300)의 상기 외주면(302)과 상기 내주면(304) 사이에 배치되는 제 2 채널(310)과 유동적으로 결합되는 다수의 가스 배출구(316)를 포함하며,
    상기 제 1 채널(308)은 상기 가스 흡입구(306)와 다수의 거리만큼 이격된 다수의 오리피스(312)를 통해서 다수의 위치에서 상기 제 2 채널(310)과 유동적으로 결합되며, 상기 오리피스(312)는 상기 가스 링(300) 안으로 처음으로 가스가 주입되는 과도기 동안 상기 가스 배출구(316)를 통해 균일한 가스 분배를 제공하도록 상이한 크기를 갖는, 가스 분배 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 오리피스(312)의 크기는 상기 제 1 채널(308)을 따라 측정될 때 상기 가스 흡입구(306)로부터의 거리에 따라 변하는 크기를 가져서, 상기 제 1 채널(308)을 따라 측정될 때 상기 오리피스(312)와 상기 가스 흡입구(306) 사이의 거리가 증가함에 따라 상기 오리피스(312)의 크기가 증가하는, 가스 분배 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 다수의 오리피스(312)는 상기 제 1 채널(308)의 원주의 중심 및 상기 가스 흡입구(306)를 통과하는 선에 대해서 대칭적으로 배치되는, 가스 분배 시스템.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 다수의 오리피스(312)는 2보다 큰 짝수 개의 오리피스(312)를 포함하고, 상기 제 1 채널(308)의 원주의 중심 및 상기 가스 흡입구(306)를 통과하는 선 상에는 상기 오리피스(312)가 없는, 가스 분배 시스템.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 다수의 오리피스(312)는 상기 제 1 채널(308)의 원주를 따라서 균등하게 이격된, 가스 분배 시스템.
  13. 기판을 처리하기 위해 챔버 안으로 흐르는 가스를 분배하는 방법으로서,
    외주면(302)과 내주면(304)을 구비하는 가스 링(300), 상기 외주면(302)과 상기 내주면(304) 사이에 배치된 제 1 채널(308), 및 상기 외주면(302)과 상기 내주면(304) 사이에 배치된 제 2 채널(310)을 제공하는 단계로서, 상기 제 1 채널(308)은 다수의 오리피스(312)를 통해 상기 제 2 채널(310)과 유동적으로 결합되는, 가스 링(300), 제 1 채널(308), 및 제 2 채널(310) 제공 단계; 및
    상기 가스 링(300)의 상기 외주면(302)에 배치된 가스 흡입구(306)를 통해서 가스를 상기 가스 링(300) 안으로 주입하는 단계로서, 상기 가스는 상기 가스 흡입구(306)를 통해서 상기 제 1 채널(308)로 흐르고, 상기 다수의 오리피스(312)를 통해서 상기 제 2 채널(310)로 흐르고, 상기 제 2 채널(310)과 유동적으로 결합된 다수의 가스 배출구(316)를 통해서 챔버 안으로 흐르는, 가스 주입 단계를 포함하며,
    상기 다수의 오리피스(312)는 상기 가스 흡입구(306)와 다수의 거리만큼 이격되며, 상기 오리피스(312)는 상기 가스가 상기 가스 링(300)으로 처음으로 주입되는 과도기 동안 상기 가스 배출구(316)를 통해 상기 챔버 안으로 상기 가스의 균일한 분배를 제공하도록 상이한 크기를 갖는, 가스 분배 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 오리피스(312)의 크기는 상기 제 1 채널(308)을 따라서 측정될 때 상기 가스 흡입구(306)로부터의 상기 거리에 따라 변화하여, 상기 제 1 채널(308)을 따라 측정될 때 상기 오리피스(312)와 상기 가스 흡입구(306) 사이의 거리가 증가함에 따라 상기 오리피스(312)의 크기가 증가하는, 가스 분배 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 다수의 오리피스(312)는 상기 제 1 채널(308)의 원주의 중심 및 상기 가스 흡입구(306)를 통과하는 선에 대해 대칭적으로 배치되는, 가스 분배 방법.
  16. 삭제
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 다수의 오리피스(312)는 상기 제 1 채널(308)의 원주를 따라 균등하게 이격된, 가스 분배 방법.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
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