KR102135229B1 - 커스터마이즈 가능한 유동 주입을 구비하는 에피택셜 챔버 - Google Patents

커스터마이즈 가능한 유동 주입을 구비하는 에피택셜 챔버 Download PDF

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Abstract

프로세스 챔버에서 기판을 처리하기 위한 장치가 여기에 제공된다. 일부 실시예들에서, 프로세스 챔버에서 사용하기 위한 가스 주입기는, 평탄한 표면에 비스듬하게 제1 프로세스 가스의 경사진 주입을 제공하는 제1 집합의 배출 포트들; 및 제1 집합의 배출 포트들에 근접하며, 평탄한 표면을 실질적으로 따라 제2 프로세스 가스의 가압 층류를 제공하는 제2 집합의 배출 포트들을 포함하며, 평탄한 표면은 제2 집합의 배출 포트들에 수직으로 연장된다.

Description

커스터마이즈 가능한 유동 주입을 구비하는 에피택셜 챔버{EPITAXIAL CHAMBER WITH CUSTOMIZABLE FLOW INJECTION}
본 발명의 실시예들은 일반적으로 기판을 처리하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
기판 상에 층을 에피택셜 퇴적하는 것과 같은 일부 프로세스들에서, 프로세스 가스들은 동일한 방향으로 기판 표면을 가로질러 측방향으로(laterally) 유동될 수 있다. 예를 들어, 기판 표면 정상에 에피택셜 층을 성장시키기 위해, 하나 이상의 프로세스 가스는 프로세스 챔버의 대향하는 단부들에 배치된 유입 포트와 배기 포트 사이에서 기판 표면을 가로질러 유동될 수 있다.
일부 에피택셜 퇴적 챔버들에서, 프로세스에 대한 추가의 제어를 제공하기 위해, 추가의 측방 유동(side flow)이 주요 가스 유동 경로에 수직인 방향으로 도입될 수 있다. 그러나, 본 발명자들은, 추가의 측방 유동의 조정 능력(tuning capability)이 제한되며, 기판 상에서의 추가의 측방 유동의 유효 영역은 종종 주입 노즐들 부근에 국지적으로 한정된다는 것을 발견하였다.
추가로, 본 발명자들은, 주요 가스 유동 경로의 주입 노즐들에서의 유동 팽창(flow expansion)은, 가스들 중 일부가 상향 팽창하게 하고, 이들이 챔버에 들어가자마자 웨이퍼로부터 멀리 이동하게 할 수 있음을 관찰하였다. 따라서, 현재의 처리 장치 및 방법은, 낮은 결함 밀도, 조성 제어, 높은 순도, 모폴로지(morphology), 웨이퍼-내 균일성, 및/또는 런-투-런 재현성(run to run reproducibility)과 같은 적합한 재료 품질을 갖는 퇴적 막을 만들어내지 못할 수 있다.
따라서, 본 발명자들은 기판들을 처리하기 위한 개선된 방법 및 장치를 제공한다.
프로세스 챔버에서 기판을 처리하기 위한 장치가 여기에 제공된다. 일부 실시예들에서, 프로세스 챔버에서 사용하기 위한 가스 주입기는, 평탄한 표면에 비스듬하게 제1 프로세스 가스의 경사진 주입(angled injection)을 제공하는 제1 집합의 배출 포트들; 및 제1 집합의 배출 포트들에 근접하며, 평탄한 표면을 실질적으로 따라 제2 프로세스 가스의 가압 층류(pressurized laminar flow)를 제공하는 제2 집합의 배출 포트들을 포함하며, 평탄한 표면은 제2 집합의 배출 포트들에 수직으로 연장된다.
일부 실시예들에서, 기판을 처리하기 위한 것이며 가스 주입기가 내부에 배치된 프로세스 챔버는, 기판의 처리 표면이 평탄한 표면을 형성하기 위해, 프로세스 챔버 내의 원하는 위치에 기판을 지지하도록 내부에 배치된 기판 지지체; 가스 주입기에 의해 제공되는 가스 유동과는 상이한 제2 방향으로 기판의 처리 표면 위로 제3 프로세스 가스를 제공하는 제2 가스 주입기 - 제2 가스 주입기는, 제3 프로세스 가스의 가스 유동 속도, 가스 유동 형상 및 가스 유동 방향 중 적어도 하나를 조절하는 하나 이상의 노즐을 포함함 -; 및 프로세스 챔버로부터 제1 프로세스 가스, 제2 프로세스 가스 및 제3 프로세스 가스를 배기하기 위해 가스 주입기에 대향하여 배치된 배기 포트를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 기판을 처리하기 위한 장치는, 프로세스 챔버 - 프로세스 챔버는, 프로세스 챔버 내의 원하는 위치에 기판의 처리 표면을 지지하기 위해 프로세스 챔버 내부에 배치된 기판 지지체를 가짐 -; 제1 방향으로 기판의 처리 표면 위로 제1 프로세스 가스를 제공하기 위한 제1 주입기; 제1 방향과는 상이한 제2 방향으로 기판의 처리 표면 위로 제2 프로세스 가스를 제공하기 위한 제2 주입기 - 제2 주입기는, 제2 프로세스 가스의 가스 유동 속도, 가스 유동 형상 및 가스 유동 방향 중 적어도 하나를 조절하는 하나 이상의 노즐을 포함함 -; 및 프로세스 챔버로부터 제1 프로세스 가스 및 제2 프로세스 가스를 배기하기 위해 제1 주입기에 대향하여 배치된 배기 포트를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들 및 추가의 실시예들이 이하에 설명된다.
위에서 간략하게 요약하고 이하에 더 상세하게 논의되는 본 발명의 실시예들은 첨부 도면들에 도시된 본 발명의 예시적인 실시예들을 참조하여 이해될 수 있다. 그러나, 본 발명은 동등한 효과의 다른 실시예들을 허용할 수 있으므로, 첨부 도면들은 본 발명의 전형적인 실시예들만을 도시하며, 따라서 그것의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 점에 주목해야 한다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 프로세스 챔버의 개략적인 측면도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 프로세스 챔버의 개략적인 상면도를 도시한다.
도 3a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 주입기의 등척도(isometric view)를 도시한다.
도 3b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 주입기의 개략적인 상부 단면도를 도시한다.
도 3c는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 주입기의 다른 등척도를 도시한다.
도 3d는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 주입기의 개략적인 정면 단면도를 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 주입기로부터 기판 표면 위로의 가스 분포들의 개략적인 상면도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일부 실시예들에 따라 기판 상에 층을 퇴적하기 위한 방법의 흐름도를 도시한다.
도 6은 도 5에 도시된 방법에 따라 기판 상에 퇴적된 층을 도시한다.
이해를 쉽게 하기 위해, 가능한 경우에는 도면들에 공통인 동일한 구성요소를 지칭하는 데에 동일한 참조 번호들이 이용되었다. 도면들은 비례에 맞춰 그려지지는 않으며, 명확성을 위해 단순화될 수 있다. 일 실시예의 구성요소들 및 특징들은 더 이상의 언급 없이도 다른 실시예들에서 유리하게 포함될 수 있을 것으로 생각된다.
기판 상에 층을 퇴적하기 위한 방법 및 장치가 여기에서 개시된다. 본 발명자들은, 종래의 프로세스들 동안에 기판 표면 상에 성장된 에피택셜 층들에 바람직하지 않은 두께 및/또는 조성 불균일들이 존재한다는 것을 관찰하였다. 본 발명자들은, 두께 및 조성에서의 그러한 불균일들이 더 작은 임계 치수들 및/또는 더 고도의 조성 부하(compositional loading)(즉, 기판 상에 매우 다양한 에피택셜 층들을 성장시킬 때)에서 훨씬 더 바람직하지 않게 될 수 있음을 또한 관찰하였다. 여기에 개시된 본 발명의 방법 및 장치의 실시예들은, 퇴적을 위해 이용되는 프로세스 가스들 간의 유동 상호작용(flow interaction)을 발생시킴으로써, 퇴적된 층들에서의 두께 및/또는 조성 불균일들을 유리하게 극복할 수 있다. 일부 실시예들에서, 에지 및 전체 기판 표면 균일성은, 주요 가스 유동 경로에 수직인 방향으로 추가의 가스 측방 유동을 도입하고, 조절가능한 주입 노즐들의 이용을 통해 가스 속도들, 가스 분포 영역들 및 가스 유동 방향들을 변화시킴으로써 개선될 수 있다.
추가로, 본 발명자들은, 주요 가스 유동 제트 스트림의 초기 속도, 질량 유량(mass flow rate) 및/또는 질량을 변화시킴으로써, 기판 상에서의 반응 위치와 퇴적 속도가 조정될 수 있음을 관찰하였다. 예를 들어, 제1 프로세스 가스가 기판의 표면을 가로질러 제공되는 동안, 기판의 표면을 향한 제2 프로세스 가스의 경사진 주입은 제2 종의 가스(species of gas)의 하향 모멘텀(downwards momentum)을 유리하게 증가시키며, 이는 제1 종의 프로세스 가스와 제2 종의 프로세스 가스 간의 혼합을 개선한다. 또한, 한정된 플레넘들(restricted plenums)의 이용을 통해 기판의 표면을 가로지르는 제1 프로세스 가스의 가압 가스 층류(pressurized laminar gas flow)를 제공함으로써, 기판에 걸친 농도 경사(concentration gradient)가 평활화될 것이고, 이는 챔버 내의 유동 균일성을 증강시킬 것이다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 프로세스 챔버(100)의 개략적인 측면도를 도시한다. 프로세스 챔버(100)는, 캘리포니아주 산타클라라의 Applied Materials, Inc.로부터 입수가능한 RP EPI® 리액터와 같이, 상업적으로 입수가능한 프로세스 챔버, 또는 에피택셜 실리콘 퇴적 프로세스를 수행하도록 되어 있는 임의의 적합한 반도체 프로세스 챔버로부터 수정된 것일 수 있다. 프로세스 챔버(100)는 위에서 논의된 바와 같이 에피택셜 실리콘 퇴적 프로세스를 수행하도록 되어 있을 수 있고, 예시적으로 챔버 바디(110), 하나 이상의 가스를 제1 주입기(180)에 공급하는 제1 유입 포트(114), 제2 주입기(170), 및 기판 지지체(124)의 제2 측(129)에 배치된 배기 포트(118)를 포함한다. 배기 포트(118)는 접착 감소 라이너(adhesion reducing liner)(117)를 포함할 수 있다. 제1 주입기(180) 및 배기 포트(118)는 기판 지지체(124)의 대향 측들에 배치된다. 제2 주입기(170)는, 제1 주입기(180)에 대해, 제1 주입기(180)에 의해 제공되는 제1 프로세스 가스에 비스듬하게 제2 프로세스 가스를 제공하도록 구성된다. 제2 주입기(170)와 제1 주입기(180)는 챔버의 어느 한 쪽에서 약 145도까지의 방위각(azimuthal angle)(202)만큼 분리될 수 있으며, 이는 프로세스 챔버(100)의 상면도를 도시하는 도 2에 관련하여 이하에 설명된다. 프로세스 챔버(100)는 이하에 더 상세하게 논의되는 지원 시스템들(130) 및 제어기(140)를 더 포함한다.
챔버 바디(110)는 일반적으로 상측 부분(102), 하측 부분(104) 및 인클로저(120)를 포함한다. 상측 부분(102)은 하측 부분(104) 상에 배치되고, 리드(lid)(106), 라이너(116), 하나 이상의 선택적인 상부 램프(136), 및 상부 고온계(pyrometer)(156)를 포함한다. 일 실시예에서, 리드(106)는 돔형 폼 팩터(dome-like form factor)를 갖지만, 다른 폼 팩터들을 갖는 리드들(예를 들어, 평평한 리드 또는 S자형 커브 리드(reverse curve lid))도 예상된다. 하측 부분(104)은 제1 유입 포트(114), 제1 주입기(180), 제2 주입기(170) 및 배기 포트(118)에 연결되고, 베이스플레이트 어셈블리(121), 하부 챔버 라이너(131), 하부 돔(132), 기판 지지체(124), 예비 가열 링 지지체(122), 예비 가열 링 지지체(122)에 의해 지지되는 예비 가열 링(125), 기판 리프트 어셈블리(160), 기판 지지 어셈블리(164), 하나 이상의 하부 램프(152 및 154)를 포함하는 가열 시스템(151), 및 하부 고온계(158)를 포함한다. 예비 가열 링 지지체(122) 및 예비 가열 링(125)과 같은 프로세스 챔버의 소정 컴포넌트들을 설명하기 위해 "링"이라는 용어가 이용되지만, 이러한 컴포넌트들의 형상은 원형일 필요는 없으며, 직사각형, 다각형, 타원형 등을 포함하지만 그에 한정되지는 않는 임의의 형상을 포함할 수 있음이 예상된다.
도 2는 챔버(100)의 개략적인 상면도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 제1 주입기(180), 제2 주입기(170) 및 배기 포트(118)는 기판 지지체(124) 주위에 배치된다. 배기 포트(118)는 기판 지지체(124)에서 제1 주입기(180)에 대향하는 측에 배치될 수 있다(예를 들어, 배기 포트(118) 및 제1 주입기(180)는 대체로 서로에 정렬된다). 제2 주입기(170)는 기판 지지체(124) 주위에, 그리고 (도시된 것과 같은) 일부 실시예들에서는 배기 포트(118)나 제1 주입기(180) 어느 것에도 대향하지 않게 배치될 수 있다. 그러나, 도 2에서의 제1 및 제2 주입기(180, 170)의 위치 지정은 예시적일 뿐이고, 기판 지지체(124) 주위의 다른 위치들도 가능하다.
제1 주입기(180)는 제1 방향(208)으로 기판(123)의 처리 표면 위로 제1 프로세스 가스를 제공하도록 구성된다. 여기에서 이용될 때, 프로세스 가스라는 용어는 단일 가스(singular gas) 및 복수의 가스의 혼합물 둘 다를 지칭한다. 또한, 여기에서 이용될 때, "방향"이라는 용어는 프로세스 가스가 주입기 포트를 빠져나가는 방향을 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 방향(208)은 대향하는 배기 포트(118)를 대체로 향하게 된다.
제1 주입기(180)는 단일 배출 포트 - 단일 배출 포트를 통해 제1 프로세스 가스가 제공됨 - 를 포함할 수 있거나(도시되지 않음), 또는 하나 이상의 배출 포트 집합(214) - 각각의 배출 포트 집합(214)이 하나 이상의 배출 포트(210)를 포함할 수 있음 - 을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 배출 포트 집합(214)은 약 1개 내지 15개의 배출 포트(210)를 포함할 수 있지만, 더 많은 배출 포트가 제공될 수 있다(예를 들어, 하나 또는 그 이상). 제1 주입기(180)는, 예를 들어 수 개의 프로세스 가스의 혼합물일 수 있는 제1 프로세스 가스를 제공할 수 있다. 대안적으로, 제1 주입기(180)의 제1 배출 포트 집합(214)은 적어도 하나의 다른 배출 포트 집합(214)과는 상이한 하나 이상의 프로세스 가스를 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 프로세스 가스들은 제1 주입기(180)의 플레넘 내에서 실질적으로 균일하게 혼합되어, 제1 프로세스 가스를 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서는, 제1 프로세스 가스가 의도적인 불균일한 조성을 갖도록, 프로세스 가스들은 제1 주입기(180)를 빠져나온 후에 대체로 함께 혼합되지 않을 수 있다. 하나 이상의 배출 포트 집합(214)의 각각의 배출 포트(210)에서의 유량, 프로세스 가스 조성 등은 독립적으로 제어될 수 있다. 일부 실시예들에서, 아래에 논의되는 바와 같이, 예를 들어, 제2 주입기(170)에 의해 제공되는 제2 프로세스 가스와의 원하는 유동 상호작용을 달성하기 위해, 배출 포트들(210) 중 일부는 처리 동안 유휴 상태(idle)이거나 펄스화될(pulsed) 수 있다. 또한, 제1 주입기(180)가 단일 배출 포트를 포함하는 실시예들에서, 단일 배출 포트는 위에서 논의된 것과 유사한 이유로 펄스화될 수 있다.
도 3a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 예시적인 제1 주입기(180)의 등척도를 도시한다. 제1 주입기(180)는 제1 집합의 배출 포트들(302) 및 제2 집합의 배출 포트들(304, 306, 308)을 포함할 수 있다. 주입기(180)의 개략적인 상부 단면도를 도시하는 도 3b에 도시된 바와 같이, 제2 집합의 배출 포트들(304, 306, 308)의 각각의 배출 포트는 배출 포트들(304, 306, 308)을 빠져나가기 전에 프로세스 가스들을 혼합하기 위한 플레넘 구역(314, 316, 318)을 포함할 수 있다. 제2 집합의 배출 포트들(304, 306, 308) 및 플레넘 구역들(314, 316, 318) 각각은 플레넘 구역들(314, 316, 318) 간의 프로세스 가스들이 혼합되는 것을 방지하기 위해 벽(310)에 의해 분리될 수 있다. 각각의 플레넘 구역 사이의 벽들(310)은 또한 각각의 배출 포트/플레넘에 의해 얼마나 많은 프로세스 가스가 제공되는지를 제어하는 능력을 제공하여, 가스 조성 균일성, 그리고 그에 따른 기판 균일성(예를 들어, 기판 상의 퇴적 막 균일성)에 대한 더 세밀한 제어(more granular control)를 용이하게 한다. 일부 실시예들에서, 프로세스 가스들은 유입 포트(114)로부터 가스 입력부들(312)을 통해 각각의 플레넘 구역들(314, 316, 318)에 들어갈 수 있다. 제2 집합의 배출 포트들(304, 306, 308)은 기판의 표면에 실질적으로 평행하게 그 표면을 가로질러 프로세스 가스들을 방출한다.
일부 실시예들에서는, 도 3c에 도시된 바와 같이, 제1 집합의 배출 포트들(302)은 기판의 표면을 향해 유입 포트(114)로부터 도관(350)에 의해 제공되는 제1 프로세스 가스(322)의 경사진 주입(324)을 제공하도록 구성된다. 본 발명자들은, (예를 들어, 배출 포트들(304, 306, 308)을 통해) 제1 프로세스 가스가 기판의 표면을 가로질러 제공되는 동안, 기판의 표면을 향한 제2 프로세스 가스의 경사진 주입은 제2 종의 가스의 하향 모멘텀을 유리하게 증가시키며, 이는 제1 종의 프로세스 가스와 제2 종의 프로세스 가스 간의 혼합을 개선한다는 것을 관찰하였다. 배출 포트(302)로부터의 프로세스 가스의 방향의 각도(336)는 수직(vertical)으로부터 약 70도 내지 약 90도일 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 집합의 배출 포트들(302)은 프로세스 가스의 높은 유동 속도 및/또는 질량 유량을 제공하도록 구성된다. 배출 포트(302)를 빠져나가는 프로세스 가스들로부터의 체적 유량(volumetric flow rate)은 포트당 약 0.2 slm(standard liters per minute) 내지 약 1.0 slm일 수 있다.
도 3c에 도시된 것과 같은 일부 실시예들에서, 제1 주입기(180)는, 플레넘 구역(314, 316, 318)에서의 압력을 증가시키고 제2 집합의 배출 포트들(304, 306, 308)을 통한 균일한 가스 배출을 용이하게 하는 유동 한정(flow restriction)을 유리하게 제공하는 립(lip)(320)을 포함할 수 있다. 한정된 플레넘들의 이용을 통해 기판의 표면을 가로지르는 프로세스 가스의 가압 가스 층류를 제공함으로써, 기판에 걸친 농도 경사가 평활화될 것이고, 이는 챔버 내의 유동 균일성을 증강시킬 것이다. 일부 실시예들에서, 제2 집합의 배출 포트들(304, 306, 308)을 통한 프로세스 가스들의 유량은 유입 포트(114)를 통해 가스를 제공하는 질량 유동 제어기들(mass flow controllers)에 의해 제어될 수 있다. 그러나, 일부 실시예들에서, 제2 집합의 배출 포트들(304, 306, 308) 중 하나 이상에 대해 더 작은 출구 영역(exit area)을 만들어내도록 립(320)이 증가될 수 있으며, 이는 가스 유동 속도를 증가시킬 것이다. 일부 실시예들에서, 배출 포트들(304, 306, 308)을 빠져나가는 프로세스 가스들로부터의 체적 유량은 포트당 약 1.0 slm 내지 약 3.0 slm일 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 집합의 배출 포트들(302)을 통해 유동되는 제1 프로세스 가스(322)는 제2 집합의 배출 포트들(304, 306, 308)을 통해 유동되는 제2 프로세스 가스와는 상이한 가스 종들일 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 프로세스 가스는 제1 캐리어 가스 내에 하나 이상의 Ⅲ족 원소를 포함할 수 있다. 예시적인 제1 프로세스 가스들은 트리메틸갈륨, 트리메틸인듐 또는 트리메틸알루미늄 중 하나 이상을 포함한다. 도펀트들 및 염화 수소(HCl)도 또한 제1 프로세스 가스에 첨가될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 프로세스 가스는 제2 캐리어 가스 내에 하나 이상의 Ⅲ/Ⅴ족 원소를 포함할 수 있다. 예시적인 제2 프로세스 가스들은 디보란(diborane)(B2H6), 아르신(arsine)(AsH3), 포스핀(phosphine)(PH3), 3급 부틸 아르신(tertiarybutyl arsine), 3급 부틸 포스핀 등 중 하나 이상을 포함한다. 도펀트들 및 염화 수소(HCl)도 또한 제2 프로세스 가스에 첨가될 수 있다.
주입기(180) 피쳐들의 상이한 치수들 및 기하형상들이 이용될 수 있지만, 적어도 일부 실시예들에 따라 이용되는 일부 예시적인 범위의 치수들 및 단면 기하형상들이 주입기(180)의 개략적인 정면 단면도를 도시하는 도 3d와 관련하여 아래에 설명된다. 일부 실시예들에서, 제1 집합의 배출 포트들(302)은 원형의 단면을 가질 수 있다. 배출 포트들(302)의 직경(330)은 약 1mm 내지 약 5mm일 수 있다. 일부 실시예들에서, 배출 포트들(302)은 제2 집합의 배출 포트들(304, 306, 308)과 공면에(coplanar) 있을 수 있지만, 배출 포트들(302) 및 배출 포트들(304, 306, 308)로부터의 프로세스 가스들의 혼합 및 가스 확산이 충분하지 않을 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, 배출 포트들(302)은 주입기(180)에서 배출 포트들(304, 306, 308)보다 높은 수직 레벨에서 하향 각도로(at a downward angle) 대체로 배치되어, 기판의 표면을 향해 그리고 배출 포트들(304, 306, 308)로부터의 가스 유동을 향해/통해 프로세스 가스들을 주입하여, 배출 포트들(302) 및 배출 포트들(304, 306, 308)로부터의 가스들의 혼합을 용이하게 한다. 일부 실시예들에서, 배출 포트들(302)은 배출 포트들(304, 306, 308)의 최상부보다 약 1mm 내지 약 10mm 위의 높이(338)에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 배출 포트들(302)은 기판(123)보다 약 1mm 내지 약 10mm 위의 높이(334)에 배치될 수 있다.
일부 실시예들에서, 제2 집합의 배출 포트들(304, 306, 308)은 직사각형의 단면을 가질 수 있지만, 다른 실시예들에서는 상이한 단면 기하형상들이 이용될 수 있다. 배출 포트들(304, 306, 308)의 크기 및 형상은 배출 포트들(304, 306, 308)의 바닥 부분을 형성하도록 예비 가열 링 지지체(122)와 접촉하는 벽(310)의 바닥 및 립(320)에 의해 정의될 수 있다. 일부 실시예들에서, 주입기(180)는 유입 포트(114)에 연결되고 유입 포트(114)에 의해 지지될 수 있다. 일부 실시예들에서, 주입기(180)는 또한 예비 가열 링 지지체(122)에 의해 지지될 수 있다. 일부 실시예들에서, 배출 포트들(304, 306, 308)의 폭(332)은 약 40mm 내지 약 80mm일 수 있다. 일부 실시예들에서, 배출 포트들(304, 306, 308)의 개구의 높이(340)는 약 3mm 내지 약 10mm일 수 있다. 일부 실시예들에서, 높이(340)는 립(320)이 배출 포트들(304, 306, 308)의 개구를 차단하기 위해 얼마나 멀리까지 하향 연장되는지에 기초할 수 있다. 일부 실시예들에서, 배출 포트들(304, 306, 308)의 바닥은 기판(123)보다 약 1.5mm 내지 약 5mm 위의 높이(342)에 배치될 수 있다.
도 2를 다시 참조하면, 일부 실시예들에서, 제2 주입기(170)는 기판(123)의 표면을 가로지르는 프로세스 가스의 도입 가스 유동 속도, 가스 유동 형상 및 가스 유동 방향을 변경하도록 구성된 하나 이상의 조절가능한 노즐을 포함한다. 제2 주입기(170)는 제1 주입기(180)에 의해 제공되는 제1 방향(208)과는 상이한 하나 이상의 제2 방향(216)으로 하나 이상의 프로세스 가스를 제공한다. 제2 주입기(170)에 의해 제공되는 프로세스 가스는 제1 주입기(180)에 의해 제공되는 것과 동일하거나 상이한 종의 가스일 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 주입기(170)는, 하나 이상의 조절가능한 노즐의 단면 형상, 또는 기판에 대한 하나 이상의 조절가능한 노즐의 각도 중 적어도 하나를 조절하기 위해 이용될 수 있는 하나 이상의 제어가능한 노브(knob)(도시되지 않음)를 포함한다. 각각의 노즐이 상이한 각도들에서 가스를 주입하게 조절될 수 있도록, 하나 이상의 조절가능한 노즐은 별개로 제어가능하다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 조절가능한 노즐은, 하나 이상의 조절가능한 노즐의 단면 형상을 조절함으로써 상이한 유량들 및 분포 영역을 제공하도록 별개로 제어가능하다. 추가로, 하나 이상의 조절가능한 노즐의 단면 형상 및/또는 주입 각도는 기판 상의 특정 반경 구역을 표적으로 하도록 최적화될 수 있다. 제2 주입기(170)는 기판(123)보다 약 1mm 내지 약 10mm 위의 높이에서 하나 이상의 프로세스 가스를 주입할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제2 주입기(170)는 도 4a에 도시된 것과 같은 단일의 조절가능한 노즐(402)을 포함할 수 있다. 조절가능한 노즐(402)은 기판(123)의 표면을 가로질러 유동될 프로세스 가스(예를 들어, 수 개의 프로세스 가스의 혼합물일 수 있음)를 제공할 수 있다. 단일의 조절가능한 노즐(402)은 직사각형 단면을 갖는 조절가능한 슬롯 노즐일 수 있다. 조절가능한 슬롯 노즐 개구의 높이는 약 0.5mm 내지 약 10mm일 수 있다. 조절가능한 슬롯 노즐 개구의 폭은 약 2mm 내지 약 25mm이다. 표적으로 되는 기판 위에서의 가스의 분포 영역(414)뿐만 아니라, 특정 프로세스를 위한 프로세스 가스들의 압력 및 전체 유동(total flow)과 같은 프로세스 조건들에 따라, 조절가능한 노즐의 다른 단면 영역들이 이용될 수 있다. 슬롯 노즐의 단면 영역 및 주입 각도는 위에서 논의된 제어가능한 노브들을 이용하여 조절될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 주입기(180)의 제1 방향(208)과 제2 주입기(170)의 제2 방향(216) 간의 관계는 방위각(202)에 의해 적어도 부분적으로 정의될 수 있다. 방위각(202)은 기판 지지체(124)의 중심 축(200)에 대하여 제1 방향(208)과 제2 방향(216) 사이에서 측정된다. 방위각들(202)은 최대 약 145도, 또는 약 0도 내지 약 145도일 수 있다. 방위각들(202)은 제2 주입기(170)로부터의 프로세스 가스들과 제1 주입기(180)로부터의 프로세스 가스들 간의 원하는 양의 유동-간 상호작용(cross-flow interaction)을 제공하도록 선택될 수 있다.
대안적으로, 제2 유입 포트(170)는 도 4b에 도시된 것과 같은 복수의 조절가능한 노즐(404, 406)을 포함할 수 있다. 복수의 조절가능한 노즐(404, 406) 각각은 예를 들어 수 개의 프로세스 가스의 혼합물일 수 있는 프로세스 가스를 제공할 수 있다. 대안적으로, 복수의 조절가능한 노즐(404, 406) 중 하나 이상은 복수의 조절가능한 노즐(404, 406) 중 적어도 하나의 다른 노즐과는 상이한 하나 이상의 프로세스 가스를 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 프로세스 가스들은 제2 주입기(170)를 빠져나온 후에 실질적으로 균일하게 혼합되어, 제2 프로세스 가스를 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서는, 제2 프로세스 가스가 의도적인 불균일한 조성을 갖도록, 프로세스 가스들은 제2 주입기(170)를 빠져나온 후에 대체로 함께 혼합되지 않을 수 있다. 각각의 노즐이 상이한 각도들에서 가스를 주입하게 조절될 수 있도록, 하나 이상의 조절가능한 노즐(404, 406)은 별개로 제어가능하다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 조절가능한 노즐(404, 406)은, 하나 이상의 조절가능한 노즐(404, 406)의 단면 형상을 조절함으로써 상이한 유량들 및 분포 영역을 제공하도록 별개로 제어가능하다. 추가로, 하나 이상의 조절가능한 노즐(404, 406)의 단면 형상 및/또는 주입 각도는 기판 상의 특정 반경 구역을 표적으로 하도록 최적화될 수 있다. 조절가능한 노즐들(404, 406)의 단면 형상은, 표적으로 되는 기판 위에서의 가스의 분포 영역들(416, 418)에 따라, 직사각형, 원형 또는 다른 단면 영역들일 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들어 제1 주입기(180)에 의해 제공되는 프로세스 가스와의 원하는 유동 상호작용을 달성하기 위해, 제2 주입기(170), 또는 조절가능한 노즐들(402, 404, 406) 중 일부 또는 전부는 처리 동안 유휴 상태이거나 펄스화될 수 있다.
도 1로 되돌아가면, 기판 지지 어셈블리(164)는 기판 지지체(124)에 연결된 복수의 지지 핀(166)을 갖는 지지 브라켓(134)을 일반적으로 포함한다. 기판 리프트 어셈블리(160)는 기판 리프트 샤프트(126), 및 기판 리프트 샤프트(126)의 개별 패드들(127) 상에 선택적으로 놓이는 복수의 리프트 핀 모듈(161)을 포함한다. 일 실시예에서, 리프트 핀 모듈(161)은 기판 지지체(124)에서의 제1 개구(162)를 관통하여 이동가능하게 배치된 리프트 핀(128)의 선택적인 상측 부분을 포함한다. 동작 시에, 기판 리프트 샤프트(126)는 리프트 핀들(128)에 체결되도록 이동된다. 체결된 때, 리프트 핀들(128)은 기판(123)을 기판 지지체(124)보다 높게 상승시키거나, 기판(123)을 기판 지지체(124)로 하강시킬 수 있다.
기판 지지체(124)는, 기판 지지 어셈블리(164)에 연결된 리프트 메커니즘(172) 및 회전 메커니즘(174)을 더 포함한다. 리프트 메커니즘(172)은 중심 축(200)을 따라 기판 지지체(124)를 이동시키기 위해 이용될 수 있다. 회전 메커니즘(174)은 중심 축(200)에 대하여 기판 지지체(124)를 회전시키기 위해 이용될 수 있다.
처리 동안, 기판(123)은 기판 지지체(124) 상에 배치된다. 램프들(136, 152 및 154)은 적외선(IR) 복사(즉, 열)의 소스들이고, 동작 시에 기판(123)에 걸쳐 미리 결정된 온도 분포를 생성한다. 리드(106) 및 하부 돔(132)은 석영으로 형성되지만, 다른 IR-투과(transparent) 및 프로세스 호환 재료들도 이러한 컴포넌트들을 형성하기 위해 또한 이용될 수 있다.
지원 시스템들(130)은, 프로세스 챔버(100)에서 미리 결정된 프로세스들(예를 들어, 에피택셜 실리콘 막들의 성장)을 실행하고 모니터링하기 위해 이용되는 컴포넌트들을 포함한다. 그러한 컴포넌트들은 프로세스 챔버(100)의 다양한 서브시스템(예를 들어, 가스 패널(들), 가스 분배 도관, 진공 및 배기 서브시스템 등) 및 디바이스들(예를 들어, 전원, 프로세스 제어 기기 등)을 일반적으로 포함한다. 이러한 컴포넌트들은 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 잘 알려져 있으며, 명확성을 위해 도면들에서 생략된다.
제어기(140)는 중앙 처리 유닛(CPU)(142), 메모리(144) 및 지원 회로들(146)을 일반적으로 포함하며, (도 1에 도시된 바와 같이) 직접, 또는 대안적으로는 프로세스 챔버 및/또는 지원 시스템들에 연관된 컴퓨터들(또는 제어기들)을 경유하여, 프로세스 챔버(100) 및 지원 시스템들(130)에 연결되어 그들을 제어한다.
도 5는 기판(123) 상에 층(600)을 퇴적하는 방법(500)에 대한 흐름도를 도시한다. 방법(500)은 프로세스 챔버(100)의 실시예들에 따라 이하에 설명된다. 그러나, 방법(500)은, 방법(500)의 요소들을 제공할 수 있는 임의의 적합한 프로세스 챔버에서 이용될 수 있으며, 프로세스 챔버(100)에 한정되지 않는다.
방법(500)은 기판(123)과 같은 기판을 제공함으로써 블록(502)에서 시작한다. 기판(123)은, 결정질 실리콘(예를 들어, Si<100> 또는 Si<111>), 실리콘 산화물, 스트레인드 실리콘(strained silicon), 실리콘 게르마늄, 도핑된 또는 도핑되지 않은 폴리실리콘, 도핑된 또는 도핑되지 않은 실리콘 웨이퍼, 패터닝된 또는 패터닝되지 않은 웨이퍼, SOI(silicon on insulator), 카본 도핑된 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 도핑된 실리콘, 게르마늄, 갈륨 비소, 유리, 사파이어 등과 같은 적합한 재료를 포함할 수 있다. 또한, 기판(123)은 복수의 층을 포함할 수 있거나, 또는 예를 들어 트랜지스터, 플래시 메모리 디바이스 등과 같은 부분적으로 제조된 디바이스들을 포함할 수 있다.
블록(504)에서, 제1 프로세스 가스는 제1 방향에서, 예를 들어 제1 방향(208)에서 기판(123)의 처리 표면을 가로질러 유동될 수 있다. 제1 프로세스 가스는 제1 주입기(180)로부터, 또는 가압 층류 배출 포트들(304, 306, 308) 중 하나 이상으로부터, 제1 방향(208)으로 처리 표면을 가로질러 배기 포트(118)를 향해 유동될 수 있다. 제1 프로세스 가스는 기판(123)의 처리 표면에 평행한 제1 방향(208)으로 제1 주입기(180)로부터 유동될 수 있다. 제1 프로세스 가스는 하나 이상의 프로세스 가스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 프로세스 가스들은 트리메틸갈륨을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 가압 층류 배출 포트들(304, 306, 308)을 이용하여 주입된 가스들은 예를 들어 균일한 성장 속도(즉, 느린 크래킹 속도(cracking rates))를 갖는 가스들일 수 있다.
블록(506)에서, 제2 프로세스 가스는 높은 유동 속도의 배출 포트들(302)을 통해 하향 각도로 기판(123)의 처리 표면을 향해 아래로 유동될 수 있다. 챔버(100)의 실시예들에 따라 위에서 논의된 바와 같이, 하향 각도는 수직으로부터 약 70도 내지 약 90도일 수 있다. 제2 프로세스 가스는 제1 프로세스 가스와 동일하거나 상이할 수 있다. 제2 프로세스 가스는 하나 이상의 프로세스 가스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 프로세스 가스들은 3급 부틸 아르신을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 높은 유동 속도의 배출 포트들(302)을 이용하여 주입된 가스들은 예를 들어 불균일한 성장 속도(즉, 빠른 크래킹 속도)를 갖는 가스들일 수 있다.
블록(508)에서, 층(600)(도 6에 도시됨)은 적어도 부분적으로는 제1 프로세스 가스와 제2 프로세스 가스의 유동 상호작용으로부터 기판(123) 정상에 퇴적된다. 일부 실시예들에서, 층(600)은 약 1 내지 약 10,000 나노미터의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 층(600)은 실리콘 및 게르마늄을 포함한다. 층(600)에서의 게르마늄의 농도는 약 5 내지 약 100 원자 퍼센트(즉, 게르마늄만 있음)일 수 있다. 하나의 특정 실시예에서, 층(600)은 약 25 내지 약 45 원자 퍼센트의 게르마늄 농도를 갖는 실리콘 게르마늄(SiGe) 층이다.
층(600)은 하나 이상의 처리 방법에 의해 퇴적될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 프로세스 가스의 유량들은 층(600)의 두께 및/또는 조성을 조정하도록 변할 수 있다. 또한, 유량들은 층의 결정화도(crystallinity)를 조절하도록 변할 수 있다. 예를 들어, 높은 유량은 층의 결정화도를 향상시킬 수 있다. 다른 프로세스 변형들은, 제1 및 제2 프로세스 가스 중 하나 또는 둘 다가 유동하고 있는 동안, 중심 축(200)에 대하여 기판(123)을 회전시키고/시키거나 이 중심 축을 따라 기판을 이동시키는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 제1 및 제2 프로세스 가스 중 하나 또는 둘 다가 유동하고 있는 동안, 기판(123)이 회전된다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 각각의 프로세스 가스의 유량들을 조절하기 위해, 제1 및 제2 프로세스 가스 중 하나 또는 둘 다가 유동하고 있는 동안, 기판(123)이 중심 축(200)을 따라 이동된다.
층을 퇴적하는 다른 변형들이 가능하다. 예를 들어, 제1 프로세스 가스 및 제2 프로세스 가스는 교대 또는 순환 패턴(alternating or cyclical pattern) 중 하나로 펄스화될 수 있다. 일부 실시예들에서, 층의 선택적 에피택셜 성장은 제1 및 제2 주입기(180, 170) 중 어느 하나 또는 둘 다로부터의 퇴적 및 에칭 가스들을 교대로 펄스화함으로써 수행될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 프로세스 가스의 펄스화는 다른 처리 방법들과 함께 발생할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 프로세스 가스 중 하나 또는 둘 다의 제1 펄스는 중심 축(200)을 따른 제1 기판 위치에서 발생할 수 있고, 다음으로, 제1 및 제2 프로세스 가스 중 하나 또는 둘 다의 제2 펄스는 중심 축(200)을 따른 제2 기판 위치에서 발생할 수 있다. 또한, 펄스화는 기판이 중심 축(200)에 대하여 회전하는 것과 함께 발생할 수 있다.
이와 같이, 기판 상에 층을 퇴적하기 위한 방법 및 장치가 여기에서 개시되었다. 본 발명의 방법 및 장치는, 퇴적을 위해 이용되는 프로세스 가스들 간의 유동 상호작용을 발생시킴으로써, 퇴적된 층에서의 두께 및/또는 조성 불균일들을 유리하게 극복한다. 또한, 본 발명의 방법 및 장치는 퇴적된 층에서의 결함/입자 형성을 감소시키고, 퇴적된 층의 두께 및/또는 조성 및/또는 결정화도의 조정을 허용한다.
상술한 것은 본 발명의 실시예들에 관한 것이지만, 본 발명의 다른 실시예들 및 추가의 실시예들은 그것의 기본 범위로부터 벗어나지 않고서 고안될 수 있다.

Claims (15)

  1. 프로세스 챔버에서 사용하기 위한 가스 주입기로서,
    상기 프로세스 챔버 상에 배치된 기판의 처리 표면에 비스듬하게 제1 프로세스 가스의 경사진 주입(angled injection)을 제공하는 제1 집합의 배출 포트들; 및
    상기 제1 집합의 배출 포트들에 근접하며, 제2 프로세스 가스의 가압 층류(pressurized laminar flow)를 상기 기판의 상기 처리 표면에 평행하게 상기 처리 표면을 따라 제공하는 제2 집합의 배출 포트들
    을 포함하고,
    상기 제2 집합의 배출 포트들의 각각의 배출 포트는 플레넘 구역(plenum zone)을 포함하고, 플레넘 구역 각각의 출구 영역은 상기 제2 프로세스 가스의 압력 및 유동 균일성을 증가시키는 립(lip)에 의해 부분적으로 차단되는, 가스 주입기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 프로세스 가스 및 상기 제2 프로세스 가스는 동일한 종(species)의 가스들인, 가스 주입기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 프로세스 가스 및 상기 제2 프로세스 가스는 상이한 종의 가스들인, 가스 주입기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 집합의 배출 포트들은 상기 가스 주입기에서 상기 제2 집합의 배출 포트들과는 상이한 수직 레벨에 배치되는, 가스 주입기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 집합의 배출 포트들 및 상기 제2 집합의 배출 포트들은 상기 가스 주입기의 동일한 공면(coplanar) 레벨에 배치되는, 가스 주입기.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 집합의 배출 포트들은, 상기 기판의 상기 처리 표면을 향해 포트당 0.2 slm (standard liters per minute) 내지 1.0 slm의 체적 유량(volumetric flow rate)으로 상기 제1 프로세스 가스를 제공하는 복수의 홀로 구성되는, 가스 주입기.
  9. 기판을 처리하기 위한 장치로서,
    프로세스 챔버 - 상기 프로세스 챔버는, 상기 프로세스 챔버 내의 원하는 위치에 기판의 처리 표면을 지지하기 위해 내부에 배치된 기판 지지체를 가짐 -;
    제1 방향으로 상기 기판의 상기 처리 표면 위로 제1 프로세스 가스를 제공하기 위한 제1 주입기 - 상기 제1 주입기는 상기 기판의 상기 처리 표면에 제1 프로세스 가스의 경사진 주입을 제공하는 제1 집합의 배출 포트들, 및 상기 제1 집합의 배출 포트들에 근접하며 제2 프로세스 가스의 가압 층류를 상기 기판의 상기 처리 표면에 평행하게 상기 처리 표면을 따라 제공하는 제2 집합의 배출 포트들을 포함하고, 상기 제2 집합의 배출 포트들의 각각의 배출 포트는 플레넘 구역을 포함하고, 플레넘 구역 각각의 출구 영역은 상기 제2 프로세스 가스의 압력 및 유동 균일성을 증가시키는 립에 의해 부분적으로 차단됨 -;
    상기 제1 방향과는 상이한 제2 방향으로 상기 기판의 상기 처리 표면 위로 제3 프로세스 가스를 제공하기 위한 제2 주입기 - 상기 제2 주입기는, 상기 제3 프로세스 가스의 가스 유동 속도, 가스 유동 형상 및 가스 유동 방향 중 적어도 하나를 조절하는 하나 이상의 노즐을 포함함 -; 및
    상기 프로세스 챔버로부터 상기 제1 프로세스 가스, 상기 제2 프로세스 가스 및 상기 제3 프로세스 가스를 배기하기 위해 상기 제1 주입기에 대향하여 배치된 배기 포트
    를 포함하는 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 하나 이상의 노즐은 조절가능한 노즐들이고, 상기 장치는, 상기 하나 이상의 조절가능한 노즐의 단면 형상, 또는 상기 기판에 대한 상기 하나 이상의 조절가능한 노즐의 각도 중 적어도 하나를 조절하는 하나 이상의 제어가능한 노브(knob)를 더 포함하는 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 하나 이상의 조절가능한 노즐의 단면 형상은 상기 기판 상의 특정 반경 구역을 표적으로 하도록 조절되는, 장치.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 하나 이상의 조절가능한 노즐의 각도는 상기 기판 상의 특정 반경 구역을 표적으로 하도록 조절되는, 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제2 주입기는 하나의 조절가능한 슬롯 노즐을 포함하는, 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 하나의 조절가능한 슬롯 노즐은, 상기 기판 지지체의 중심 축에 대하여 상기 제1 방향과 상기 제2 방향 사이에서 측정되는, 최대 145도의 방위각(azimuthal angle)에서 제2 가스를 제공하는, 장치.
  15. 제13항에 있어서, 상기 제2 주입기는 복수의 조절가능한 노즐을 포함하고, 상기 복수의 조절가능한 노즐의 제1 조절가능한 노즐 및 제2 조절가능한 노즐 각각은 상기 하나 이상의 제어가능한 노브에 의해 별개로 제어가능하고, 상기 제1 조절가능한 노즐은 상기 제2 조절가능한 노즐과는 상이한 각도에서 상기 제2 프로세스 가스를 제공하는, 장치.
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