KR101419382B1 - 저온 ｃｖｄ 시스템들에서의 가스 반응 운동 및 전구체 해리 제어를 위한 독립적인 방사 가스 예열 - Google Patents

저온 ｃｖｄ 시스템들에서의 가스 반응 운동 및 전구체 해리 제어를 위한 독립적인 방사 가스 예열 Download PDF

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Abstract

본 명세서에서는 프로세스 챔버로 전구체 재료들을 전달하기 위한 장치 및 방법이 설명된다. 이러한 장치는 다수의 가스 전달 영역들을 가지는 가스 분배 조립체를 포함한다. 각각의 존은 적외선 광선 공급원과 같은 비-열 에너지의 하나 이상의 공급원과 전구체 가스를 수용하기 위한 유입부를 가지는 플레넘을 포함할 수 있다. 비-열 에너지의 하나 이상의 공급원은 적외선 광선 공급원으로부터의 파장들의 강도를 제어하기 위해 변화될 수 있다.
프로세스 챔버, 예열, 비-열 에너지

Description

저온 ＣＶＤ 시스템들에서의 가스 반응 운동 및 전구체 해리 제어를 위한 독립적인 방사 가스 예열 {INDEPENDENT RADIANT GAS PREHEATING FOR PRECURSOR DISASSOCIATION CONTROL AND GAS REACTION KINETICS IN LOW TEMPERATURE CVD SYSTEMS}
본 발명의 실시예들은 일반적으로 반도체 제조 프로세스를 위한 가스들의 예열에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 에피택셜 증착 프로세스(epitaxial deposition process) 또는 다른 화학 기상 증착 프로세스와 같이, 반도체 기판 상의 증착 반응 및 식각 반응에 사용되는 가스들의 예열에 관한 것이다.
실리콘 및/또는 게르마늄 함유 막의 에피택셜 성장(epitaxial growth)은 다른 장치들 중에서도 어드밴스드 로직(advanced logic) 및 DRAM 장치들에 대해 새로이 적용됨으로써 점점 중요해졌다. 이러한 적용(application)들에 있어 중요한 요건은 장치 피처(device feature)들이 제조과정 동안 손상되지 않도록 하는 저온 프로세스라는 것이다. 저온 프로세스는 또한 피처의 크기들이 45 nm 내지 65 nm의 범위에 있는 장래의 시장들에서 중요하며, 인접한 재료들의 확산 방지가 극히 중요하다. 보다 낮은 프로세스 온도들은 또한 실리콘 및/또는 게르마늄 함유 에피택셜 막의 성장 이전 및 에피택셜 막의 선택적 또는 전면적(blanket) 성장 동안의 기판 세정 모두에 요구될 수 있다. 선택적 성장(selective growth)이란, 일반적으로, 기판 표면상에 하나보다 많은 재료를 포함하는 기판상에서 막이 성장하고, 여기에서 막은 상기 기판의 제1 재료의 표면상에서 선택적으로 성장하며 상기 기판의 제2 재료의 표면상에서는 최소한의 성장으로부터 완전히 성장하지 않은 것을 의미한다.
약, 700℃ 미만의 온도들에서 성장하는, 실리콘 및/또는 게르마늄을 함유하는 선택적 및 전면적(blanket)(비-선택적 성장) 에피택셜 막들, 및 이러한 에피택셜 막들의 왜곡의 실시예(strained embodiments)가, 현재의 대부분의 반도체 응용에 요구되고 있다. 더욱이, 제거 시간이 단축될 때 더 높은 온도가 허용될 수도 있지만, 약 650℃ 또는 그 미만의 범위의 온도에서 달성되는 에피택셜 막의 형성 이전에 저절로 산화층 및 탄화수소를 제거하는 것이 바람직할 수 있다.
이러한 보다 낮은 온도 프로세싱은 원활히 작동하는 장치를 형성하는데 중요할 뿐만 아니라, 준안정 왜곡 층(metastable strain layers)의 완화(relaxation)를 방지하거나 최소화시키고, 도펀트 확산(dopant diffusion)을 방지하거나 최소화시키는 것을 도우며, 에피택셜 막 구조 내의 도펀트의 분리(segregation)를 방지하는 것을 돕는다. 저온 프로세스(저 열량 프로세스)에 의해 가능하게 되는 단 채널 효과들(short channel effects) 및 각면 형성(facet formation)의 억제는 고성능 장치들을 얻는데 있어서 중요한 요인이다.
도핑된 및 도핑되지 않은 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), SiGe, 및 탄소 함유 막들의 선택적 및 전면적 에피택셜 성장을 위한 현재의 기술들은 통상적으로, 또한 RPCVD 또는 저압 CVD(LPCVD)로 불리는 감압 화학적 기상 증착(CVD)을 사용하여 실행된다. 약 200 Torr 미만과 같은, 통상적인 감압 프로세스는 허용할 수 있는 막 성장 속도를 얻기 위하여 약 700℃ 이상, 통상적으로는 750℃ 이상의 온도에서 실행된다. 일반적으로, 막 증착을 위한 전구체 화합물들은 실레인들(silanes), 저메인들(germanes), 이들의 화합물들 또는 이들의 유도체들과 같은 실리콘 및/또는 게르마늄 함유 화합물들이다. 일반적으로, 선택성 증착 프로세스들을 위하여, 이러한 전구체 화합물들은, 예를 들어 염소(Cl2), 염화 수소(HCl), 및 선택적으로 브롬화 수소(HBr)와 같은 추가 반응물들과 화합한다. 탄소-함유 실레인 전구체 화합물, 예를 들어 메틸실레인(CH3SiH3)이 도펀트로서 사용될 수 있다. 대안적으로, 예를 들어 다이보레인(B2H6), 아르신(AsH3), 및 포스핀(PH3)과 같은 무기 화합물들이 도펀트들로서 또한 사용될 수 있다.
기판상에 에피택셜 층을 증착하기 위한 통상적인 LPCVD 프로세스에서, 전구체들은 가스 분배 조립체에 의해 챔버 내의 프로세싱 영역으로 분사되며, 이러한 전구체들은, 자외선 및/또는 적외선 스펙트럼에서와 같이, 통상적으로 저 파장 방사선인, 프로세싱 영역 내의 전구체들의 조사(irradiation)에 의하여 챔버 내의 기판 표면 위에서 활성화된다(energize). 반응재료들을 해리시키기 위해 플라즈마 발생이 또한 이용될 수 있다. 기판 온도는 반응 종들(reactive species)의 흡착 및/또는 프로세스 부산물들(byproducts)의 탈착을 보조하기 위해 통상적으로 상승되며, 전구체들의 활성화(energization)를 최적화시키고 증착 또는 탈착 프로세스를 강화시키기 위하여 기판 온도와 프로세싱 영역 내의 전구체 온도 사이의 차이(delta)를 최소화시키는 것이 바람직하다.
보다 효율적인 해리 프로세스를 가능하게 하기 위해서는, 전구체들을 프로세싱 영역으로의 전달에 앞서 예열하여 기판 위에서 전구체들의 더 빠르고 더 효과적인 해리를 가능하게 하는 것이 바람직하다. 전구체들을 가열하기 위한 여러 방법들이 사용되었으나, 기판 표면 위에서 에너지 주입에 앞서 예열 온도를 안정화시키는 것이 과제로 남아 있다. 예를 들어, 전구체 온도는 가스 분배 조립체로의 유입에 앞서 또는 유입시에 원하는 온도로 상승될 수 있으나, 전구체의 온도는 가스 분배 조립체를 통한 유동에서 및/또는 기판 위의 프로세싱 영역으로의 유동 경로를 따른 열 손실에 의해서 낮아질 수 있다.
따라서, 프로세싱 영역과 전구체들의 유입 온도 사이의 온도 범위 차이를 최소화시키기 위한 방법 및 장치, 그리고 역시 전구체의 해리에 앞서 열 손실을 최소화시키는 가스 유입 지점에서 전구체들을 예열하기 위한 방법 및 장치가 본 발명이 속하는 기술분야에서 요구되고 있다.
본 명세서에 기재된 실시예들은 챔버 내의 프로세싱 영역으로 프로세스 가스를 전달하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
일 실시예에서, 가스 분배 조립체가 기술된다. 이러한 가스 분배 조립체는 두 개 이상의 가스원들로부터 복수의 플레넘들로 전구체 가스를 제공하기 위하여 하나 이상의 유입부를 가지는 몸체; 상기 복수의 플레넘들 각각 및 상기 두 개 이상의 가스원들 중 하나 또는 둘 다로부터 전구체 가스에 에너지를 제공하도록 위치하는 하나 이상의 비-열 에너지원; 상기 하나 이상의 비-열 에너지원과 소통되는 냉각제원을 포함하고, 상기 비-열 에너지는 상기 복수의 플레넘들 각각에서 독립적으로 제어된다.
다른 실시예에서, 증착 장치가 개시된다. 이러한 증착 장치들은 종축을 가지는 챔버, 및 상기 챔버의 측벽에 결합하는 가스 분배 조립체를 포함한다. 상기 가스 분배 조립체는 하나 또는 그보다 많은 가스원들에 결합하는 복수의 플레넘들, 상기 복수의 플레넘들 각각에 에너지를 제공하도록 위치하는 비-열 에너지원, 및 상기 비-열 에너지원에 결합하는 가변 전원을 포함하며, 상기 가스 분배 조립체가 상기 챔버의 종축에 수직인 상기 챔버를 통한 유동 경로를 제공한다.
또 다른 실시예에서, 챔버 내의 프로세싱 영역으로 예열된 전구체 가스를 전달하는 방법이 개시된다. 이러한 방법은 상기 프로세싱 영역과 소통되는 가스 분배 조립체에 전구체 가스를 제공하는 단계, 비-열 에너지를 이용하여 상기 가스 분배 조립체 내의 유입 지점에서 상기 전구체 가스를 가열하는 단계, 및 상기 프로세싱 영역과 상기 유입 지점 사이에 형성된 유동 경로를 따라 상기 전구체 가스에 제공된 열의 적어도 일부를 유지시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 상술한 특징들이 자세하게 이해될 수 있도록 하기 위하여, 위에서 간략하게 설명된 본 발명의 보다 구체적인 설명이 실시예들을 참조하여 이루어질 수 있으며, 이들 중 일부는 첨부된 도면들에 도시되어 있다. 그러나 첨부된 도면들은 단지 본 발명의 전형적인 실시예들을 도시하고 있을 뿐이며, 따라서 본 발명은 여타의 균등한 효과적인 실시예들을 허용할 수 있으므로 첨부된 도면이 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 고려되지 않아야 한다는 점에 주목하여야 한다.
도 1은 증착 챔버의 일 실시예의 개략적인 횡단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 증착 챔버의 일부에 대한 개략적인 평면도이다.
도 3은 가스 분배 조립체의 일 실시예의 개략적인 측면도이다.
도 4는 가스 분배 조립체의 다른 실시예의 개략적인 사시도이다.
도 5는 가스 분배 조립체의 다른 실시예의 개략적인 사시도이다.
도 6은 가스 분배 조립체의 다른 실시예의 개략적인 사시도이다.
이해를 돕기 위하여, 가능한 한, 도면에서 공통적인 동일한 요소들을 나타내기 위하여 동일한 참조 부호들이 사용되었다. 또한, 일 실시예에서 개시되는 요소들이 특별한 언급이 없더라도 다른 실시예들에 유리하게 사용할 수 있는 것으로 의도된다.
도 1은 에피택셜 증착을 위해 구성된 증착 챔버(100)의 개략적인 횡단면도를 도시하는데, 이러한 챔버는 캘리포니아, 산타 클라라의 Applied Materials, Inc. 로부터 입수 가능한 CENTURA® 통합 프로세싱 시스템의 일 부분일 수 있다. 증착 챔버(100)는, 알루미늄 또는 스테인리스 강, 예를 들어 316L 스테인리스 강과 같은 프로세스 내성 재료(process resistant material)로 제조되는 하우징 구조체(101)를 포함한다. 하우징 구조체(101)는 프로세스 용적(118)이 포함되어 있는, 상부 챔버(105) 및 하부 챔버(124)를 포함하는 석영 챔버(130)와 같은 프로세스 챔버(100)의 다양한 기능성 요소들을 둘러싼다. 가스 분배 조립체(150)에 의하여 석영 챔버(130)로 반응성 종들(reactive species)이 제공되며, 프로세싱 부산물들은, 통상적으로 진공원(도시되지 않음)과 소통되는 배출부(138)에 의하여 프로세싱 용적(118)으로부터 제거된다.
기판 지지부(117)는 프로세스 용적(118)으로 전달되는 기판(114)을 수용하도록 구성된다. 기판 지지부(117)는 증착 챔버(100)의 종축(102)을 따라 배치된다. 기판 지지부는, 실리콘 카바이드와 같은 실리콘 재료로 코팅된 그래파이트 재료 또는 세라믹 재료, 또는 다른 프로세스 내성 재료로 제조될 수 있다. 전구체 반응 재료들로부터의 반응성 종들은 기판(114)의 표면(116)에 가해지며, 부산물들은 후속적으로 표면(116)으로부터 제거될 수 있다. 프로세스 용적(118) 및/또는 기판(114)의 가열은 상부 램프 모듈(110A)들 및 하부 램프 모듈(110B)들과 같은 방사원들(radiation source)에 의해 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 상부 램프 모듈(110A)들 및 하부 램프 모듈(110B)들은 적외선(IR) 램프들이다. 상부 램프 모듈(110A)들 및 하부 램프 모듈(110B)들로부터의 비-열 에너지 또는 방사(non-thermal energy or radiation)는 상부 석영 챔버(105)의 상부 석영 윈도우(104)를 통해서, 그리고 하부 석영 챔버(124)의 하부 석영 부분(103)을 통해서 이동한다. 필요하다면, 상부 석영 챔버(105)를 위한 냉각 가스들이 유입부(112)를 통해 들어와 배출부(113)를 통해 배출된다. 전구체 반응 재료들뿐만 아니라 챔버(100)를 위한 희석(diluent), 정화(purge), 및 환기(vent) 가스들이 가스 분배 조립체(150)를 통해 들어와 배출부(138)를 통해 배출된다.
기판(114)의 표면(116)으로부터 프로세스 부산물들의 탈착 및 반응재료들의 흡착을 보조하고 반응성 종들에 에너지를 가하는데 사용되는 프로세스 용적(118) 내의 저 파장 방사선은 전형적으로 약 0.8 μm 내지 약 1.2 μm 의 범위들, 예를 들어 약 0.95 μm 내지 약 1.05 μm 이며, 예를 들어 에피택셜 성장되는 막의 조성에 따라서 다양한 파장들의 조합이 제공된다. 다른 실시예에서는, 상부 램프 모듈(110A)들 및 하부 램프 모듈(110B)들이 자외선(UV) 광원일 수 있다. 일 실시예에서, UV 광원은 엑시머 램프(excimer lamp)이다. 다른 실시예에서, UV 광원들은 상부 석영 챔버(105) 및 하부 석영 챔버(124) 중 하나 또는 이들 모두의 IR 광원들과 결합하여 사용될 수 있다. IR 방사원들(radiation source)과 조합하여 사용되는 UV 방사원들의 예는 2005년 12월 15일에 미국 특허 공개공보 제2005/0277272호로 공개된 2004년 6월 10일에 출원되고 미국 특허 출원 제10/866,471호에 기재될 수 있으며, 상기 특허는 그 전체 내용이 인용에 의해 본원에 포함된다.
성분 가스(component gas)들은 가스 분배 조립체(150)를 통해 프로세스 용적(118)으로 들어간다. 가스는 가스 분배 조립체(150)로부터 유동하여 일반적으로 도면 부호 "122"로 도시된 바와 같이 포트(138)를 통해 배출된다. 기판 표면을 세정/부동화(passivate) 하거나 에피택셜 성장되는 실리콘 및/또는 게르마늄 함유 막을 형성하는데 사용되는 성분 가스들의 조합들은 전형적으로 프로세스 용적 내부로 들어가기에 앞서 혼합된다. 프로세스 용적(118) 내의 전체 압력은 배출 포트(138) 상의 밸브(도시되지 않음)에 의하여 조정될 수 있다. 프로세스 용적(118)의 내부 표면의 적어도 일부분은 라이너(131)로 덮여 있다. 일 실시예에서, 라이너(131)는 불투명한 석영 재료를 포함한다. 이러한 방식으로, 챔버 벽은 프로세스 용적(118) 내의 열로부터 단열된다.
프로세스 용적(118) 내의 표면의 온도는, 상부 석영 윈도우(104) 위에 위치하는 상부 램프 모듈(110A)들로부터의 방사와 조합하여, 포트(112)를 통해 들어와 포트(113)를 통해 배출되는 냉각 가스 유동에 의하여 약 200℃ 내지 약 600℃, 또는 그 이상의 온도 범위 내에서 제어될 수 있다. 하부 석영 챔버(124) 내의 온도는, 도시되지 않은 송풍 유닛(blower unit)의 속도를 조절함으로써 그리고 하부 석영 챔버(124)의 아래에 배치되는 하부 램프 모듈(110B)로부터의 방사선에 의하여 약 200℃ 내지 약 600℃ 또는 그 이상의 온도 범위 내에서 제어될 수 있다. 프로세스 용적(118) 내의 압력은 약 5 Torr 내지 약 30 Torr 사이와 같이, 약 0.1 Torr 내지약 600 Torr 사이에 있을 수 있다.
기판(114) 표면(116) 상의 온도는 하부 석영 챔버(124) 내의 하부 램프 모듈(110B)들에 대한 전력 조정에 의하여, 또는 상부 석영 챔버(104)를 덮는 상부 램프 모듈(110A)들 및 하부 석영 챔버(124) 내의 하부 램프 모듈(110B) 모두에 대한 전력 조정에 의하여 제어될 수 있다. 프로세스 용적(118) 내의 전력 밀도는, 약 80 W/cm2 내지 약 120 W/cm2 와 같이 약 40 W/cm2 내지 약 400 W/cm2 사이에 있을 수 있다.
일 양태에서, 가스 분배 조립체(150)는 기판(114) 또는 챔버(100)의 종축(102)에 대해 수직하게 또는 종축에 대해 반경 방향(106)으로 배치된다. 이러한 배향에서, 가스 분배 조립체(150)는 기판(114)의 표면(116)에 평행하게 또는 기판의 표면을 가로질러 반경 방향(106)으로 프로세스 가스들을 유동시키도록 구성된다. 하나의 적용에서, 프로세스 용적(118)으로의 유입에 앞서 가스들의 예열을 개시하기 위하여 및/또는 가스들 내의 특수한 결합들을 끊기 위하여 프로세스 가스들이 챔버(100)로의 유입 지점에서 예열된다. 이러한 방식에서는, 표면 반응 운동(surface reaction kinetics)이 기판(114)의 열적 온도로부터 무관하게 수정될 수 있다.
도 2는 기판(114)이 도시되고 있지 않다는 점을 제외하고는, 도 1에 도시된 챔버와 유사한 증착 챔버(100)의 일부에 대한 개략적인 평면도이다. 가스 분배 조립체(150)는 하우징 구조체(101)에 결합되어 도시되었다. 가스 분배 조립체(150)는 하나 또는 그보다 많은 가스원(140A 및 140B)들에 결합되는 분사 블록(210)을 포함한다. 가스 분배 조립체(150)는 또한 비-열적 가열 조립체(220)를 포함하는데, 이는 적어도 부분적으로 분사 블록(210) 내에 배치되는 IR 램프(225A-225F)들과 같은 복수의 방사 열원들을 포함한다. 분사 블록(210)은 또한 내부 플레넘(2242) 및 외부 플레넘(2241 및 2243)들과 같이, 천공 플레이트(154)의 개구(158)들의 상류에 배치되는 하나 또는 그보다 많은 플레넘(224N)들을 포함하며, IR 램프(225A-225F)들은 적어도 부분적으로 플레넘(224N)들 내에 배치된다
6개의 IR 램프들이 도시되어 있지만, 가스 분배 조립체(150)는 더 많거나 적은 IR 램프들을 포함할 수 있다. IR 램프(225A-225F)들은 특별한 프로세스에 필요한 방사 강도 및/또는 가스 분배 조립체(150)에 사용되는 IR 램프들의 개수에 따라 약 300와트 내지 약 1200와트 사이의 와트수를 가지는 급속 열 프로세싱(Rapid Thermal Processing; RTP) 램프들 또는 할로겐 타입 램프들을 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, IR 램프(225A-225F)들은 약 500 와트 내지 약 750 와트 사이의, 예를 들어 약 80 볼트 전력 인가로 약 500 와트 내지 약 550 와트 사이의 와트수를 가지는 RTP 형 램프들이다. 하나의 적용에서, 각각의 IR 램프(225A-225F)들에 의해 제공되는 전력 밀도가 플레넘(224N)들에서 약 25 W/cm2 내지 약 40 W/cm2 일 수 있다. 일 실시예에서는 IR 램프(225A-225F)들이 약 50℃ 내지 약 250℃의, 각 플레넘(224N) 내에서의 다양한 온도를 제공한다.
작동 중, Si 및 SiGe 전면적(blanket) 또는 선택적 막들을 형성하기 위한 전구체들이 하나 또는 그보다 많은 가스원(140A 및 140B)들로부터 가스 분배 조립체(150)로 제공된다. 가스원(140A, 140B)들은, 외부 플레넘(2241 및 2243)들로 도시된 외부 존 및 내부 플레넘(2242)으로 도시된 내부 존과 같이 가스 분배 조립체(150) 내의 유입 존들을 보조하도록 구성되는 방식으로, 가스 분배 조립체(150)에 결합될 수 있다. 가스원(140A, 140B)들은 플레넘(224N)들로의 유입 속도를 제어하기 위해 밸브(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 플레넘(224N)들은 하나의 가스원과 소통될 수 있거나 또는 다른 가스원들이 부가되어 더 많은 유입 존들을 형성할 수 있다.
가스원(140A, 140B)들은 실레인(SiH4), 다이실레인(Si2H6), 디클로로실레인(SiH2Cl2), 헥사클로로실레인(Si2Cl6), 디브로모실레인(SiH2Br2), 고차 실레인(high order silanes)들, 이들의 유도체들, 및 이들의 화합물들을 포함하는 실레인들과 같은 실리콘 전구체들을 포함할 수 있다. 가스원(140A, 140B)들은 또한 저메인(GeH4), 다이저메인(Ge2H6), 게르마늄 테트라클로라이드(GeCl4), 디클로로저메인(GeH2Cl2), 이들의 유도체들, 및 이들의 화합물과 같은 게르마늄 함유 전구체들을 포함할 수 있다. 실리콘 및/또는 게르마늄 함유 전구체들은 염화수소(HCl), 염소가스(Cl2), 브롬화 수소(HBr), 및 이들의 화합물들과 조합하여 사용될 수 있다. 가스원(140A, 140B)들은 가스원(140A, 140B)들 중 하나 또는 이들 모두에 실리콘과 게르마늄 함유 전구체들 중 하나 또는 그보다 많은 전구체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 외부 플레넘(2241 및 2243)들과 소통될 수 있는 가스원(140A)은, 수소 가스(H2) 또는 염소 가스(Cl2)와 같은 전구체 재료들을 포함할 수 있는 반면, 가스원(140B)은 실리콘 및/또는 게르마늄 함유 전구체들, 이들의 유도체들, 또는 이들의 화합물들을 포함할 수 있다.
가스원(140A, 140B)들로부터의 전구체 재료들은 플레넘(224N)들로 전달되며, IR 램프(225A-225F)들로부터의 비-열 에너지는 유입 지점에 있는 플레넘(224N)들 내에서 IR 에너지로 전구체 재료들을 조사(illuminate)한다. 비-열 에너지의 파장은 전구체 재료들의 진동성 스트레치 모드(vibrational stretch mode)를 이용하여 전구체 재료들을 공진시키고 여기시키며, 에너지가 전구체 재료들로 흡수되는데, 이는 프로세스 용적으로 들어가기에 앞서 전구체 재료들을 예열시키게 된다. IR 램프(225A-225F)들을 포함하는 분사 블록(210)은 스테인리스 강과 같은 고 반사율을 가지는 재료로 제조되는데, 분사 블록은 반사율을 높이기 위해 연마된(polished) 표면을 또한 포함할 수도 있다. 분사 블록(210)에 대한 재료의 반사 특성은 또한 분사 블록의 가열을 최소화하기 위한 단열체로서도 작동할 수 있으며, 이로써 분사 블록(210)에 근접할 수 있는 직원에 대한 안전을 높이게 된다. 일 실시예에서, 분사 블록(210)은 스테인리스 강을 포함하며, 플레넘(224N)들의 내부 표면은 연마된다. 다른 실시예에서는, 분사 블록(210)이 알루미늄을 포함하며 플레넘(224N)들의 내부 표면이 연마된다.
전구체 재료들은 이러한 여기 상태(excited state)에서 천공 플레이트(154) 내의 개구(158)들을 통해 프로세스 용적(118)으로 들어가며, 이러한 플레이트는 일 실시예에서 개구(158)들이 관통 형성되는 석영 재료이다. 이러한 실시예에서 천공 플레이트는 IR 에너지를 투과시키며, 투명한 석영 재료로 제조될 수 있다. 다른 실시예들에서, 천공 플레이트(154)는 IR 에너지를 투과시키는 임의의 재료일 수 있으며 프로세스 화학작용 및 기타의 프로세스 파라미터들에 내성을 가진다. 활성화되는 전구체 재료들은 천공 플레이트(154) 내의 복수의 홀(158)들을 통해, 그리고 복수의 채널(152N)들을 통해 프로세스 용적(118)을 향해 유동한다. IR 램프(225A-225F)들로부터의 비-열 에너지 및 광자(photon)들 중 일부도, 분사 블록(210)의 표면 및/또는 고 반사성 재료에 의하여 촉진되어, 또한 홀(158)들, 천공 플레이트(154), 및 채널(152N)들을 통과하고, 이로써 전구체 재료들의 유동 경로를 조사된다(도 3의 화살표 325로 도시됨). 이러한 방식에서, 전구체 재료들의 진동 에너지는 프로세스 용적(118)으로의 유입 지점으로부터 유동 경로를 따라 유지될 수 있다.
복수의 IR 램프(225A-225F)들에서의 IR 파장들의 강도는 프로세스에 따라 증가되거나 감소될 수 있다. 하나의 적용에서, IR 램프들의 강도가 필터 요소(405)들(도 4), 및 윈도우(610)(도 6)에 의하여 제어될 수 있다. 다른 실시예에서는, 덮개(sheath; 315)(도 3)가 IR 램프(225A-225F)들의 적어도 일 부분 위에 배치될 수 있고, 이러한 덮개는 램프들의 강도를 제어하는 필터 요소로서 구성될 수 있다. 일 예에서, 필터 요소들은 특정 파장들의 선택적 투과에 의하여 대역폭을 조절하도록 구성된 슬리브(sleeve), 시이트(sheet), 또는 렌즈일 수 있다. 필터 요소들은 IR 램프(225A-225F)들 중 하나 이상 또는 모든 IR 램프(225A-225F)들 모두에 대해 사용될 수 있다. 대안적으로, 상이한 IR 램프(225A-225F)들에 상이한 필터 요소들이 사용될 수 있다. 일 예에서, 외부 플레넘(2241 및 2243)들이 특정 스펙트럼을 흡수하거나 차단하도록 구성된 제1 필터를 사용하여 제1 레벨의 강도를 수용할 수 있는 반면, 내부 플레넘(2242)은 상이한 특정 스펙트럼을 흡수하거나 차단하도록 구성된 제2 필터를 사용하여 제2 레벨의 강도를 수용할 수 있다.
필터들과 조합하여 또는 단독으로 사용될 수 있는 다른 적용에서, 플레넘(224N)들에 의하여 한정되는 다수의 존들의 IR 강도가 전원(205) 및 제어기에 결합하는 리드(lead)(226A-226F)들에 의하여 개별적으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 외부 플레넘(2241 및 2243)들은 제1 레벨의 강도를 수용할 수 있는 반면, 내부 플레넘(2242)은 IR 램프(225A-225F)들에 제공되는 신호들의 변동에 의하여 제2 레벨의 강도를 수용한다. 대안적으로, 각각의 IR 램프(225A-225F)들은 제어기에 의해 제공되는 신호들의 변동에 의하여 제각기 제어될 수 있다. IR 램프(225A-225F)의 강도는 개-루프 모드 또는 폐-루프 모드에서 제어될 수 있다. 따라서, 전구체 재료들은 예열되거나 활성화되는 상태에서 프로세싱 용적(118)으로 들어가게 되고, 이는 흡착 또는 탈착 시간 프레임 또는 해리(disassociation) 시간을 줄일 수 있고, 이는 계속해서 처리량을 증가시키게 된다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 가스 분배 조립체(150)의 일 실시예의 개략적인 측면도이다. 플레넘(2242) 내부로 적어도 부분적으로 삽입되어 있는 IR 램프(225C)의 일부를 수용하기 위해서 분사 블록(210) 내에 구멍(305)이 형성된다. 전구체 재료들은 분사 블록(210) 내에 배치되는 포트(320)에 의하여 플레넘(2242)으로 공급된다. 구멍(305)은 IR 램프(225C)의 일부를 둘러싸도록 구성된 덮개(315)를 위한 공간을 마련하도록 IR 램프(225C)보다 약간 더 큰 크기일 수 있다. 일 실시예에서, 덮개(315)는 예를 들어 석영, 플루오르화 마그네슘, 플루오르화 칼슘, 사파이어와 같이 IR 에너지를 투과시키는 재료로 제조된다. 다른 실시예에서, 덮개(315)는 특정 파장들을 선택적으로 투과시킴으로써 대역폭을 조절하기 위한 필터 요소로서 구성될 수 있다. 서모커플(thermocouple)들과 같은 온도 감지 장치(도시되지 않음)들이 분사 블록(210) 내에 배치되어 덮개의 온도 및/또는 플레넘(2242) 내의 온도를 모니터할 수 있다. 구멍(305)은 또한, 예를 들면 고온 시일(seal; 323), 특히 Teflon® 재료, 폴리에테르니트릴(polyethernitrile), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리아릴에테르케톤(PAEK)과 같이 상승된 온도들에서 견딜 수 있도록 구성된 중합체 재료로 제조되는 O-링을 수용하기 위해, 플레넘(2242)에 대향하는 단부에 더 큰 직경 부분을 포함한다.
도 2 및 도 3을 참조하면 IR 램프(225A-225F)들은 IR 램프(225A-225F)들을 냉각시키기 위한 냉각 장치(310)에 결합한다. 하나의 적용에서, 냉각 장치(310)는 유입 포트(260A) 및 배출 포트(260B)를 가지는 관형 부재(156)와 같은 도관을 포함하며, 복수의 IR 램프(225A-225F)들에 냉각제를 제공하도록 구성된다. (도 2 및 도 3에 도시되지 않은) 다른 실시예들에서는, 냉각 장치가 단일 IR 램프에 결합된 하우징일 수 있다. 냉각 장치(310)는 IR 램프(225A-225F)들로부터의 열 전달을 촉진시키기 위하여 관형 부재(156)를 통해 순환하는 냉각제원(coolant source)(311)으로부터의 액체 또는 가스와 같은 냉각 유체를 포함할 수 있다. 관형 부재(156)는 또한 IR 램프(225A-225F)들의 일부를 수용하도록 구성된 구멍(306)들을 포함한다. 구멍들 중 하나 이상은 IR 램프의 일부를 수용하도록 그리고 관형 부재(156)를 밀봉하도록 구성된, 스테인리스 강 VCO 부품(fitting)과 같은, 부품(308)을 포함한다. 일 실시예에서, 냉각제원(311)으로부터의 냉각 유체는 질소 가스이며, 이는 관형 부재(156)를 통해 순환한다.
작동 중, 도 3을 참조하면, 가스원(140B)으로부터의 전구체 재료들은 포트(320)에 의하여 플레넘(2242)으로 유입되며, 그리고 전구체 재료들은 이러한 유입 지점에서 IR 램프(225C)에 의하여 방사방식으로 가열된다. (이 도면에는 도시되지 않은) 프로세싱 용적(118) 내의 낮은 부분 압력은 개구(158) 및 채널(152N)을 통한 유동 경로(325)를 형성한다. 전구체 재료들은 플레넘(2242)에서 활성화되며, 채널(152N) 내부로 반사되고 및/또는 채널 내부로 통과하는 비-열 에너지에 의하여 유동 경로(325)를 따라 활성화되는 상태로 유지된다. 따라서, 전구체 재료들의 예열, 그리고 활성화되는 전구체 재료들의 유지가 강화된다. 이러한 비-열 에너지를 사용하게 되면 전구체 유입 지점에서 또는 그 근방에서 저항성 또는 대류성(convective) 가열 요소들에 대한 필요성이 최소화되거나 제거되어 챔버 사용의 안전성을 향상시킬 수 있게 되며, 챔버에 대한 확장 냉각 시스템에 대한 요구가 최소화된다.
도 4-6은 도 1의 챔버(100)와 결합할 수 있는 가스 분배 조립체(150)의 다양한 실시예의 개략적인 사시도들이다. 가스 분배 조립체(150)는, 포트(320)들에 결합하는 가스원(140A) 및/또는 가스원(140B)과 같은 가스원과 소통되는 적어도 하나의 IR 램프(425)를 가지는 분사 블록(210)을 포함한다. 도시되지는 않았지만, 각각의 포트는 가스 분사 블록(210) 내에 배치되는 플레넘(224N)과 소통된다. 도 4 내지 도 6에 도시된 실시예들에서, 각각의 IR 램프(425)는, 전기적 접속(도시되지 않음)들과 냉각 성능들을 제공하는 하우징(410)에 의하여 분사 블록(210)에 개별적으로 결합한다. 일 실시예에서, 각각의 하우징(410)은 냉각제원(311)(도 3)에 결합할 수 있는 포트(415)를 포함한다. 하나의 적용에서, 각각의 포트(415)가 냉각 유체에 대한 유입부 및 유출부로서 작용한다.
도 4에 도시된 실시예에서, 복수의 IR 램프(425)들이 챔버(100)(도 1)에 대한 반경 방향에서 배치된다. 이러한 실시예에서, 각각의 IR 램프(425)는 포트(320)들의 방향적 배향(directional orientation)에 의해 한정되는 가스 분사 경로에 수직으로 배치된다. 추가로, 하나 또는 그보다 많은 IR 램프(425)들은 IR 램프(425)로부터의 특정 파장들의 선택적 투과에 의해 대역폭을 조정하도록 구성된 필터 요소(405)를 포함할 수 있다. 필터 요소(405)는 덮개(sheath), 플레이트, 시이트, 또는 특정 파장들을 차단하도록 구성된 임의의 제품이나 장치일 수 있다.
도 5에 도시된 실시예에서는, 복수의 IR 램프(425)들이 챔버(100)(도 1)의 종축에 대해 평행한 배향으로 배치된다. 이러한 실시예에서는, 각각의 IR 램프(425)가 포트(320)들의 방향적 배향에 의해 한정되는 가스 분사 경로에 실질적으로 평행하게 배치된다. 도시되지는 않았지만, 하나 또는 그보다 많은 IR 램프(425)들은 IR 램프(425)로부터의 특정 파장들의 선택적 투과에 의해 대역폭을 조정하도록 구성된 필터 요소(도 4)를 포함할 수 있다.
도 6에 도시된 실시예에서는, 단일 IR 램프(425)가 챔버(100)(도 1)에 대한 반경방향으로 배치된다. 이러한 실시예에서, IR 램프(425)는 포트(320)들의 방향적 배향에 의해 한정되는 가스 분사 경로에 수직으로 배치된다. 추가로, 가스 분사 블록(210)은 IR 램프(425) 및 플레넘(224N)(이 도면에는 도시되지 않음) 사이에 위치하는 플레이트(610)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 플레이트(610)는 IR 광선에 투과성인 재료로 제조되는 윈도우로 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 플레이트(610)는 IR 램프(425)로부터의 특정 파장들의 선택적 투과에 의해 대역폭을 조정하도록 구성된 필터 요소로서 구성될 수 있다. 또 다른 실시예에서는, 플레이트(610)가 각각의 존에서 특정 파장들을 차단하도록 구성되는 다수의 존(615A, 615B)들을 가지는 필터 요소로서 구성될 수 있다.
실시예 (EXAMPLES)
일 예에서, 전면적(blanket) SiGe 막이 도 2에 도시된 가스 분배 조립체(150)를 사용하여 챔버(100) 내에서 300mm 웨이퍼 상에 형성되었다. 챔버에는 약 45 W/cm2 의 전력 밀도로 약 750℃의 프로세싱 영역(118) 내의 표면 온도와 약 10 Torr의 압력이 제공된다. 디클로로실레인과 저메인(germane)은 각각 약 0.5% 및 0.01% 에서 가스 분배 조립체(150)로부터 프로세싱 영역(118)으로 유입되었다. 약 30와트의 전력에서 작동하는 IR 램프(225A-225F)들로부터의 비-열 에너지는 약 138℃의, 덮개(315)에서 측정된 온도를 발생시켰다. 이는 막 성장 속도에서의 현저한 저하 및 막 내의 게르마늄 백분율에서의 증가를 초래하였다.
다른 예에서, 선택적인 SiGe 막이 도 2에 도시된 가스 분배 조립체(150)를 사용하여 챔버(100) 내에서 300mm 웨이퍼 상에 형성되었다. 챔버에는 약 45 W/cm2 의 전력 밀도로 약 750℃의 프로세싱 영역(118) 내의 표면 온도와 약 10 Torr의 압력이 제공된다. 디클로로실레인과 저메인이 각각 약 0.5% 및 0.01% 에서 가스 분배 조립체(150)로부터 프로세싱 영역(118)으로 유입되었다. 염화 수소가 또한 약 0.5%에서 제공되었다. 약 30와트의 전력에서 작동하는 IR 램프(225A-225F)들로부터의 비-열 에너지는 약 138℃의, 덮개(315)에서 측정된 온도를 발생시켰다. 이는 막 프로파일의 향상 및 막 성장 속도에서의 상당한 감소를 야기하였다.
다른 예에서, 선택적인 SiGe 막이 도 2에 도시된 가스 분배 조립체(150)를 사용하여 챔버(100) 내에서 300mm 웨이퍼 상에 형성되었다. 챔버에는 약 45 W/cm2 의 전력 밀도로 약 750℃의 프로세싱 영역(118) 내의 표면 온도와 약 10 Torr의 압력이 제공되었다. 실레인과 염화수소가 각각 약 0.25% 및 1.125% 에서 가스 분배 조립체(150)로부터 프로세싱 영역(118)으로 유입되었다. 약 25와트의 전력에서 작동하는 IR 램프(225A-225F)들로부터의 비-열 에너지는 약 110℃의, 덮개(315)에서 측정된 온도를 발생시켰다. 이는 막 성장 속도에서의 감소 및 막 내의 게르마늄의 백분율에서의 주목할 만한 증가를 초래하였다.
다른 예에서, 선택적인 SiGe 막이 도 2에 도시된 가스 분배 조립체(150)를 사용하여 챔버(100) 내에서 300mm 웨이퍼 상에 형성되었다. 챔버에는 약 45 W/cm2 의 전력 밀도로 약 750℃의 프로세싱 영역(118) 내의 표면 온도와 약 10 Torr의 압력이 제공되었다. 실레인과 저메인이 각각 0.25% 및 1.225% 에서 가스 분배 조립체(150)로부터 프로세싱 영역(118)으로 유입되었다. 염화 수소가 또한 약 0.575%에서 제공되었다. 약 25와트의 전력에서 작동하는 IR 램프(225A-225F)들로부터의 비-열 에너지는 약 110℃의, 덮개(315)에서 측정된 온도를 발생시켰다. 이는 막 성장 속도에서의 상당한 감소(약 56.5 Å/분) 및 막 내의 게르마늄의 백분율에서의 상당한 증가(약 0.25%)를 초래하였다.
전술한 설명이 본 발명의 실시예들에 관한 것이지만 본 발명의 다른 및 추가 실시예들이 본 발명의 기본적인 범위로부터 벗어나지 않으면서 안출될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 청구범위들에 의해 결정된다.

Claims (25)

  1. 가스 분배 조립체로서,
    두 개 이상의 가스원들로부터 복수의 플레넘들로 전구체 가스를 제공하기 위하여 하나 이상의 유입부를 가지는 몸체;
    상기 복수의 플레넘들 각각의 하나 이상의 측부와 경계를 이루는 천공 플레이트;
    상기 두 개 이상의 가스원들 중 하나 또는 둘 다로부터 상기 전구체 가스에 에너지를 제공하고 상기 천공 플레이트 내의 개구들을 통하여 활성화된 가스를 유동시키기 위해 상기 복수의 플레넘들의 각각 내에 위치하는, 하나 이상의 비-열 에너지원; 및
    상기 하나 이상의 비-열 에너지원과 소통되는 냉각제원(coolant source)을 포함하고,
    상기 복수의 플레넘들 각각에서 상기 비-열 에너지가 독립적으로 제어되는,
    가스 분배 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 비-열 에너지원에 결합되는 덮개를 더 포함하는,
    가스 분배 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 비-열 에너지원에 결합되는 가변 전원을 더 포함하는,
    가스 분배 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 비-열 에너지원이 적외선 램프인,
    가스 분배 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 천공 플레이트는 비-열 에너지에 대해 투명한 재료를 포함하는,
    가스 분배 조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 플레넘들의 적어도 일 부분은 내부 존 및 외부 존을 포함하며 각각의 존에 대한 에너지가 독립적으로 제어되는,
    가스 분배 조립체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 활성화된 가스는 상기 가스 분배 조립체가 결합하는 챔버의 종축에 수직인 방향으로 챔버 내로 유동하도록 지향되는,
    가스 분배 조립체.
  8. 증착 장비로서,
    종축을 가지는 챔버; 및
    상기 챔버의 측벽에 결합되는 가스 분배 조립체;를 포함하고,
    상기 가스 분배 조립체가,
    하나 또는 그보다 많은 가스원들에 결합되는 복수의 플레넘들;
    상기 복수의 플레넘들 각각에 에너지를 제공하도록 위치하는 비-열 에너지원; 및
    상기 비-열 에너지원에 결합되는 가변 전원;을 포함하며,
    상기 가스 분배 조립체가 상기 챔버의 종축에 수직인, 상기 챔버를 통과하는 유동 경로를 제공하는,
    증착 장비.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 비-열 에너지원은 적외선 램프인,
    증착 장비.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 비-열 에너지원이 복수의 적외선 램프들이며, 상기 복수의 적외선 램프들 중 하나 이상이 각각의 플레넘 내에 부분적으로 또는 전체적으로 배치되는,
    증착 장비.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 플레넘들의 일부 또는 전체가 내부 존 및 외부 존을 포함하며, 각각의 존으로의 에너지가 독립적으로 제어되는,
    증착 장비.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 비-열 에너지원이 상기 챔버의 종축에 수직한 가스 분배 조립체에 결합되는,
    증착 장비.
  13. 제8항에 있어서,
    각각의 비-열 에너지원이 냉각제원에 결합되는,
    증착 장비.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 비-열 에너지원으로부터의 상기 비-열 에너지의 일부를 차단하도록 위치하는 필터 요소를 더 포함하는,
    증착 장비.
  15. 증착 장비로서,
    종축을 가지는 챔버; 및
    상기 챔버의 측벽으로 결합되는 가스 분배 조립체를 포함하고,
    상기 가스 분배 조립체는:
    두 개 이상의 가스원들로부터 복수의 플레넘들로 전구체 가스를 전달하도록 하나 이상의 유입부를 가지는 주입 블록;
    상기 복수의 플레넘들의 하나 이상의 측부와 경계를 이루는 천공 플레이트; 및
    상기 복수의 플레넘들의 각각 및 두 개 이상의 가스원들 중 하나 또는 둘 다로부터 상기 전구체 가스로 에너지를 제공하도록 위치되는 하나 이상의 에너지원을 포함하며,
    상기 가스 분배 조립체는 상기 챔버의 종축에 대해 수직인, 상기 챔버를 통과하는 유동 경로를 제공하는,
    증착 장비.
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