KR102372042B1 - 낮은 증기압 화학물질 전달 - Google Patents

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Abstract

반도체 처리 시스템에 가스들을 전달하기 위한 방법 및 장치가 제공된다. 일부 실시예들에서, 장치는, 유입 밸브를 갖는 가스 유입 라인; 배출 밸브를 갖는 가스 배출 라인; 유입 밸브를 통한 유동을 제어하도록 배열되는 가스 유동 제어기; 가스 배출 라인, 배출 밸브, 화학 앰풀 배출 밸브, 또는 배출 격리 밸브 중 적어도 하나 내에 포함되는 오리피스; 가스 유입 라인 및 가스 배출 라인 중 적어도 하나에 유체유동가능하게 결합되는 화학 앰풀; 및 처리 챔버를 포함한다. 일부 실시예들에서, 장치는, 체크 밸브, 하나 이상의 오리피스, 및/또는 가열식 전환 라인을 더 포함한다.

Description

낮은 증기압 화학물질 전달
본 발명의 실시예들은 일반적으로, 반도체 처리 시스템에 가스들을 전달하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 개시내용의 실시예들은, 기판 처리 챔버로의 전구체 전달을 개선하기 위한 방법들 및 장치에 관한 것이다.
낮은 증기압 화학물질 전달을 비롯하여, 고체 전구체들을 활용하는 기상 증착 공정들은, 여러 문제들로 어려움을 겪을 수 있다. 예컨대, 가스 유입 및 배출 라인들을 따른 바람직하지 않은 온도 차이들은 그 라인들에서 심각한 화학적 응축을 초래한다. 부가적으로, 기판 처리 동안의 가스의 초기 전달 급증(spike)들 및 불안정한 가스 유동들이 존재한다. 온도와 압력 편차들의 조합은, 기판 상의 증착에서 비-반복성 및 불균일성을 초래한다. 그러나, 기판들의 처리는, 처리 동안 사용되는 가스들의 전달에서 온도, 유량, 및 압력의 정밀한 제어를 요구한다.
실시예에서, 반도체 처리 시스템에 가스들을 전달하기 위한 장치가 제공된다. 장치는, 유입 밸브를 갖는 가스 유입 라인; 배출 밸브를 갖는 가스 배출 라인; 유입 밸브를 통한 유동을 제어하도록 배열되는 가스 유동 제어기; 가스 배출 라인, 배출 밸브, 화학 앰풀 배출 밸브, 또는 배출 격리 밸브 중 적어도 하나 내에 포함되는 오리피스; 가스 유입 라인 및 가스 배출 라인 중 적어도 하나에 유체유동가능하게(fluidly) 결합되는 화학 앰풀; 및 처리 챔버를 포함한다.
다른 실시예에서, 반도체 처리 시스템에 가스들을 전달하기 위한 장치가 제공된다. 장치는, 유입 밸브를 갖는 가스 유입 라인; 배출 밸브를 갖는 가스 배출 라인; 유입 밸브를 통한 유동을 제어하도록 배열되는 가스 유동 제어기; 배출 밸브, 가스 배출 라인, 또는 이들의 조합에 유체유동가능하게 결합되는 오리피스; 처리 챔버; 핫 캔(hot can); 가스 유입 라인에 유체유동가능하게 연결되는 체크 밸브; 핫 캔과 유체 연통하는 화학 앰풀; 가스 배출 라인, 및 처리 챔버를 우회하는 가열식 전환 라인에 결합되는 제3 배출 밸브 ― 처리 챔버는 가스 배출 라인에 결합됨 ―; 및 가스 배출 라인과 유체 연통하여 화학 앰풀로부터 처리 챔버로의 화학 전구체 및/또는 캐리어 가스의 유동을 허용하는 제4 배출 밸브를 포함한다.
다른 실시예에서, 반도체 처리 시스템에 가스들을 전달하기 위한 장치가 제공된다. 장치는, 유입 밸브를 갖는 가스 유입 라인; 배출 밸브를 갖는 가스 배출 라인; 유입 밸브를 통한 유동을 제어하도록 배열되는 가스 유동 제어기; 처리 챔버; 핫 캔; 가스 유입 라인에 유체유동가능하게 연결되는 체크 밸브; 배출 밸브, 가스 배출 라인, 또는 이들의 조합에 유체유동가능하게 결합되는 오리피스; 핫 캔과 유체 연통하는 화학 앰풀; 가스 배출 라인, 및 처리 챔버를 우회하는 가열식 전환 라인에 결합되는 제3 배출 밸브 ― 처리 챔버는 가스 배출 라인에 결합됨 ―; 가스 배출 라인과 유체 연통하여 화학 앰풀로부터 처리 챔버로의 화학 전구체 및/또는 캐리어 가스의 유동을 허용하는 제4 배출 밸브; 및 배출 밸브에 결합되는 교정 회로를 포함한다.
본 개시내용의 상기 언급된 특징들이 상세하게 이해될 수 있는 방식으로, 위에서 간략하게 요약된 본 개시내용의 보다 구체적인 설명이 실시예들을 참조하여 이루어질 수 있으며, 이러한 실시예들 중 일부가 첨부된 도면들에 예시되어 있다. 그러나, 첨부된 도면들은 단지 예시적인 실시예들을 예시하는 것이므로 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 하며, 다른 균등하게 유효한 실시예들을 허용할 수 있다는 것이 유의되어야 한다.
도 1은, 종래의 화학물질 전달 시스템의 개략도를 도시한다.
도 2는, 화학물질 전달 시스템의 개략도를 도시한다.
도 3은, 오리피스가 있는 그리고 오리피스가 없는 화학물질 전달 시스템에 대한 압력 대 시간의 플롯을 도시한다.
이해를 용이하게 하기 위해서, 도면들에 공통된 동일한 요소들을 지정하기 위해 가능한 경우 동일한 참조 번호들이 사용되었다. 일 실시예의 요소들 및 특징들은 추가적인 언급이 없이도 다른 실시예들에 유익하게 포함될 수 있는 것으로 고려된다.
본 개시내용의 실시예들은, 화학 앰풀로부터 처리 챔버로의 화학물질 전달을 개선하기 위한 장치 및 방법들에 관한 것이다.
화학 앰풀들을 활용하는 종래의 처리 시스템들(또는 장치)의 가스 전달 라인들에서는 심각한 화학적 응축이 관측되었다. 도 1에 의해 예시된 종래의 장치(100)에서, 화학물질 전달 라인들을 따라, 예컨대, 약 91 ℃ 내지 약 180 ℃의 큰 온도 범위들이 존재한다. 응축은, 화학물질 전달 문제들, 웨이퍼 상의 입자들, 불균일성, 및 백-투-백 웨이퍼 작업들 동안의 첫 번째 웨이퍼 효과(first wafer effect)를 초래한다. 본 발명자들은, 이러한 문제들이, 온도 구배를 유지하는 균일한 전달 라인 가열, 및 가열식 캐리어 라인에 의해 해결될 수 있다는 것을 알게 되었다.
종래의 장치(100)는 또한, 기판 처리의 초기 스테이지들 동안의 바람직하지 않은 고압 전달 급증들 및 불안정한 가스 유동들을 나타낸다. 이는, 정상 상태 주입 조건들 동안의 챔버 내로의 일관성 없는 전구체의 유입뿐만 아니라 챔버 내의 불안정한 압력을 초래하여 불안정한 화학물질 전달을 나타내게 한다. 본 발명자들은, 도 2에 도시된 신규한 공정 화학물질 전달 시스템(또는 장치)(200)에 도시된 바와 같이 전달 라인에 오리피스를 부가하는 것이 전술된 문제들에 대한 해결책을 제공한다는 것을 알게 되었다. 오리피스는, 가열식 전환 라인 및 체크 밸브와 함께 또는 이들 없이 사용될 수 있다. 오리피스의 사용은, 밸브가 완전히 개방된 상태에서의 초기 급증을 감소시키고, 가스들의 유동을 제어한다. 가열식 전환 라인 및 체크 밸브의 사용은, 임의의 초기 가스 급증들을 분산시키고 화학 앰풀로부터 처리 챔버로의 가스들의 유동을 안정화시키는 것을 도울 수 있다. 체크 밸브의 주요 목적은, 전구체가 가스 유입 라인으로 역류하는 것을 방지하기 위한 것이다. 부가적으로, 체크 밸브는, 전구체를 핫 캔에 유지하기 위한 부가적인 툴을 제공할 수 있어서, 전구체가 캐리어 가스 라인에서 의도치 않게 응축될 수 없게 한다.
도 1은, 종래의 처리 화학물질 전달 시스템(또는 종래의 장치)(100)의 개략도를 도시한다. 종래의 장치(100)는, 처리 챔버(106), 페디스털(107), 캐리어 가스 소스(102a), 퍼지 가스 소스(104a) 및 화학 앰풀(110)을 포함한다. 처리 챔버(106)는, 열 증착 공정들, 또는 기화된 화학 전구체를 포함하는 기상 증착 공정들을 수행하기 위한 챔버일 수 있다.
화학 앰풀(110)은 앰풀 유입구(111) 및 앰풀 배출구(112)를 포함하고, 화학 앰풀(110)의 내부 용적과 유체 연통하는 부가적인 도관(113)을 또한 포함할 수 있다. 임의적 도관(113)은 격리 밸브(113a)를 포함할 수 있고, 화학 앰풀(110)을 가압 또는 감압하는 데 사용될 수 있다.
화학 앰풀(110)은 내부 몸체(114)를 포함하고, 내부 몸체(114)는 화학 전구체들을 보관할 수 있다. 앰풀 유입구(111)는, 화학 앰풀(110)이 연결되지 않을 때 앰풀 유입구(111)를 외부 환경으로부터 격리시키기 위한 유입 격리 밸브(111a)를 포함할 수 있다. 유사하게, 앰풀 배출구(112)는, 화학 앰풀(110)이 연결되지 않을 때 앰풀 배출구(112)를 외부 환경으로부터 격리시키기 위한 배출 격리 밸브(112a)를 포함할 수 있다. 유입 격리 밸브(111a) 및 배출 격리 밸브(112a)가 개방되어 화학 앰풀(110)의 내부 용적과의 유체 연통이 허용될 수 있다.
장치(100)는, 캐리어 가스(102) 또는 캐리어 가스 소스(102a)와 유체 연통하는 가스 유입 라인(115)을 포함한다. 캐리어 가스 소스(102a)는, 캐리어 가스 가열기(102b)에 의해 가열될 수 있다. 가스 유입 라인(115)은, 화학 앰풀(110) 내로의 캐리어 가스(102)의 유동을 제어하기 위해 앰풀 유입 밸브(115a) 및 격리 유입 밸브(115b)를 갖는다. 장치(100)는, 예컨대, 화학 앰풀(110)을 빠져나가는 전구체 증기 및 캐리어 가스의 유동을 제어하기 위해 앰풀 배출 밸브(117a) 및 격리 배출 밸브(117b)를 포함하는 가스 배출 라인(117)을 포함한다. 우회 라인(130)은, 가스 유입 라인(115) 및 가스 배출 라인(117)에 연결된다. 우회 라인(130)은, 화학 앰풀(110)이 존재할 때, 앰풀 배출 밸브(117a)의 하류에서 우회 밸브(130a)를 포함한다. 우회 밸브(130a)는, 캐리어 가스(102)를 화학 앰풀(110) 내로 유동시키지 않고도 캐리어 가스(102)가 가스 유입 라인(115)으로부터 유동하여 가스 배출 라인(117)을 퍼지할 수 있게 한다. 예컨대, 어떠한 화학 앰풀(110)도 존재하지 않을 때, 우회 밸브(130a)가 개방되어 캐리어 가스(102)의 유동을 허용할 수 있다. 일부 실시예들의 우회 라인(130) 및 우회 밸브(130a)는 앰풀 유입 밸브(115a)의 상류에 있다. 일부 실시예들에서, 우회 라인(130)은, 앰풀 유입 밸브(115a)의 하류에서 가스 유입 라인(115)에 연결된다. 일부 실시예들에서, 우회 라인(130) 및 우회 밸브(130a)는, 앰풀 배출 밸브(117a)의 하류에서 가스 배출 라인(117)과 연통한다. 일부 실시예들에서, 우회 라인(130)은, 앰풀 배출 밸브(117a)의 상류에서 가스 배출 라인(117)에 연결된다. 일부 실시예들에서, 우회 라인(130)은, 앰풀 유입 밸브(115a)의 상류에서 가스 유입 라인(115)에 연결되어 그와 유체 연통하고, 앰풀 배출 밸브(117a)의 하류에서 가스 배출 라인(117)에 연결되어 그와 유체 연통한다. 일부 실시예들에서, 우회 라인(130)은, 앰풀 유입 밸브(115a)의 하류에서 가스 유입 라인(115)에 연결되어 그와 유체 연통하고, 앰풀 배출 밸브(117a)의 상류에서 가스 배출 라인(117)에 연결되어 그와 유체 연통한다.
장치(100)는, 퍼지 가스(104) 및/또는 퍼지 가스 소스(104a)와 유체 연통하는 퍼지 라인(155)을 포함한다. 퍼지 가스 소스는, 퍼지 가스 가열기(104b)에 의해 가열될 수 있다. 퍼지 라인(155)은, 퍼지 라인(155)과 유체 연통하여 퍼지 가스(104)가 처리 챔버(106)로 유동할 수 있게 하는 퍼지 배출 밸브(155a)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 퍼지 배출 밸브(155a)는, 퍼지 라인(155)과 유체 연통하는 제1 유입부(156a), 및 가스 배출 라인(117)과 유체 연통하는 제2 유입부(156b)를 포함한다. 퍼지 배출 밸브(155a)는 또한, 처리 챔버(106) 쪽으로 유동을 지향시키기 위한 제1 배출구(156c)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 퍼지 배출 밸브(155a)는, 가스 배출 라인(117) 및 퍼지 라인(155) 중 하나만으로부터의 유동을 처리 챔버(106)로 전달할 수 있거나 가스 배출 라인(117) 및 퍼지 라인(155)으로부터의 유동을 혼합할 수 있는 3방 밸브 또는 프로포셔닝 밸브이다. 혼합되는 유동은, 전체 가스 배출 라인(117)으로부터 전체 퍼지 라인(155)까지 및 그 사이의 모든 상태들의 범위일 수 있다.
핫 캔(105)(파선들로 표시됨)은, 가스 전달 시스템을 따른 균일한 온도 구배를 보장하기 위해 가스 유입 라인(115) 및 가스 배출 라인(117)의 일부분을 둘러싸고, 전달 라인 내의 밸브들을 가열하고, 기판을 망칠 수 있는 불순물들의 퇴적을 방지하는 것을 돕는다. 핫 캔(105)은, 핫 캔(105) 내의 구성요소들에 대한 열을 수용하고 유지하는 데 사용되는 하우징이다. 가열기가 하우징 내부 또는 외부에 있을 수 있다. 구성요소들은, 예컨대, 강제 열풍(forced hot air), 카트리지 가열기들, 저항성 가열기들, 및 가열식 랩들에 의해 가열될 수 있다.
종래의 장치(100) 내에서의 압력 및 열에서의 변동들 및 화학적 응축은, 챔버 내로의 전구체 가스의 일관성 없는 유입 및 불안정한 화학물질 전달을 야기하며, 따라서, 공정들이 비-반복가능해지고 기판 처리가 불균일해진다. 따라서, 압력 및 열에서의 변동들 및 화학적 응축을 최소화하기 위한 메커니즘들을 부가하는 것이 필요하다. 도 2에 예시된 신규한 시스템에서 아래에 설명되는 바와 같이, 다른 구성요소들 중에서도, 오리피스는, 각각의 작업에 대한 제어된 화학 증기 전달 및 안정한 증기압을 허용한다.
도 2는, 신규한 공정 화학물질 전달 시스템(200)의 개략도를 도시한다. 신규한 공정 화학물질 전달 시스템(또는 장치)(200)은, 처리 챔버(206), 페디스털(207), 캐리어 가스 소스(202a)(임의적으로 가열됨), 퍼지 가스 소스(204a)(임의적으로 가열됨), 및 화학 앰풀(210)을 포함한다. 처리 챔버(206)는, 열 증착 공정들, 또는 기화된 화학 전구체를 포함하는 기상 증착 공정들을 수행하기 위한 챔버일 수 있다. 처리 챔버(206)는 일반적으로, 화학 기상 증착(CVD) 챔버, 원자 층 증착(ALD) 챔버이거나, 또는 이들의 파생물일 수 있다.
장치(200)는 화학 앰풀(210)을 갖는다. 실시예에서, 화학 앰풀(210)은 장치(200)와 함께 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 화학 앰풀(210)은 장치(200)의 일부가 아닐 수 있다. 화학 앰풀(210)은, 임의의 낮은 증기압 전구체들의 전달에 사용되는 임의의 앰풀, 예컨대, 승화 앰풀 또는 증발 앰풀일 수 있다. 화학 앰풀(210)은, 증착 공정에 사용하기에 적합한 임의의 형태의 전구체를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 화학 앰풀(210)은 하나 이상의 고체 전구체를 포함한다. 일부 실시예들에서, 화학 앰풀(210)은 하나 이상의 액체 전구체를 포함한다. 일부 실시예들에서, 화학 앰풀(210)은 하나 이상의 고체 전구체 및 하나 이상의 액체 전구체를 포함한다. 일부 실시예들에서, 화학 앰풀(210)은 내부 몸체(214)를 포함하고, 내부 몸체(214)는 전구체들을 보관할 수 있다.
화학 앰풀(210)은 앰풀 유입구(211) 및 앰풀 배출구(212)를 포함하고, 화학 앰풀(210)의 내부 용적과 유체 연통하는 부가적인 도관(213)을 또한 포함할 수 있다. 임의적 도관(213)은 격리 밸브(213a)를 포함할 수 있고, 화학 앰풀(210)을 가압 또는 감압하는 데 사용될 수 있다. 앰풀 유입구(211)는, 화학 앰풀(210)이 연결되지 않을 때 앰풀 유입구(211)를 외부 환경으로부터 격리시키기 위한 유입 격리 밸브(211a)를 포함할 수 있다. 유사하게, 앰풀 배출구(212)는, 화학 앰풀(210)이 연결되지 않을 때 앰풀 배출구(212)를 외부 환경으로부터 격리시키기 위한 배출 격리 밸브(212a)를 포함할 수 있다. 유입 격리 밸브(211a) 및 배출 격리 밸브(212a)가 개방되어 화학 앰풀(210)의 내부 용적과의 유체 연통이 허용될 수 있다.
장치(200)는, 캐리어 가스(202) 또는 캐리어 가스 소스(202a)와 유체 연통하는 가스 유입 라인(215)을 포함한다. 캐리어 가스 소스(202a)는, 캐리어 가스 가열기(202b)에 의해 가열될 수 있다. 가스 유입 라인(215)은, 화학 앰풀(210) 내로의 캐리어 가스(202)의 유동을 제어하기 위해 앰풀 유입 밸브(215a) 및 격리 유입 밸브(215b)를 갖는다. 장치(200)는, 예컨대, 화학 앰풀(210)을 빠져나가는 전구체 증기 및 캐리어 가스(202)의 유동을 제어하기 위해 앰풀 배출 밸브(217a) 및 격리 배출 밸브(217b)를 포함하는 가스 배출 라인(217)을 포함한다. 우회 라인(230)은, 가스 유입 라인(215) 및 가스 배출 라인(217)에 연결된다. 우회 라인(230)은, 화학 앰풀(210)이 존재할 때, 앰풀 배출 밸브(217a)의 하류에서 우회 밸브(230a)를 포함한다. 우회 밸브(230a)는, 캐리어 가스(202)를 화학 앰풀(210) 내로 유동시키지 않고도 캐리어 가스(202)가 가스 유입 라인(215)으로부터 유동하여 가스 배출 라인(217)을 퍼지할 수 있게 한다. 예컨대, 어떠한 화학 앰풀(210)도 존재하지 않을 때, 우회 밸브(230a)가 개방되어 캐리어 가스(202)의 유동을 허용할 수 있다. 일부 실시예들의 우회 라인(230) 및 우회 밸브(230a)는 앰풀 유입 밸브(215a)의 상류에 있다. 일부 실시예들에서, 우회 라인(230)은, 앰풀 유입 밸브(215a)의 하류에서 가스 유입 라인(215)에 연결된다. 일부 실시예들에서, 우회 라인(230) 및 우회 밸브(230a)는, 앰풀 배출 밸브(217a)의 하류에서 가스 배출 라인(217)과 연통한다. 일부 실시예들에서, 우회 라인(230)은, 앰풀 배출 밸브(217a)의 상류에서 가스 배출 라인(217)에 연결된다. 일부 실시예들에서, 우회 라인(230)은, 앰풀 유입 밸브(215a)의 상류에서 가스 유입 라인(215)에 연결되어 그와 유체 연통하고, 앰풀 배출 밸브(217a)의 하류에서 가스 배출 라인(217)에 연결되어 그와 유체 연통한다. 일부 실시예들에서, 우회 라인(230)은, 앰풀 유입 밸브(215a)의 하류에서 가스 유입 라인(215)에 연결되어 그와 유체 연통하고, 앰풀 배출 밸브(217a)의 상류에서 가스 배출 라인(217)에 연결되어 그와 유체 연통한다.
가스 유입 라인(215)은, 가스 유동을 정확하게 측정하도록 구성되는 유입 교정 회로(239)에 결합될 수 있다. 유입 교정 회로(239)는, 처리 챔버(206) 내로의 유동을 요구하지 않으면서 시스템 구성요소들의 유동 검증을 수행하는 데 활용될 수 있다. 가스 유입 라인(215)은 체크 밸브(240)에 결합될 수 있다. 체크 밸브(240)의 주요 목적은, 전구체가 가스 유입 라인(215)으로 역류하는 것을 방지하기 위한 것이다. 부가적으로, 체크 밸브(240)는, 전구체를 핫 캔(205)(파선들로 표시됨)에 유지하기 위한 부가적인 툴을 제공할 수 있어서, 전구체가 캐리어 가스 라인에서 의도치 않게 응축될 수 없게 한다. 유입 교정 회로(239)는, 체크 밸브(240)의 상류 또는 하류에 있을 수 있다.
일 실시예에서, 유입 교정 회로(239)는, 가스 소스, 전환 밸브, 조절 디바이스, 및 감지 회로를 포함한다. 감지 회로는, 유입 및 배출 밸브들을 통과하는 가스들의 유동을 수용하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 유입 교정 회로(239)는, 가스 유동을 수용하기 위해 교정 용적을 활용한다. 교정 용적 내의 가스로부터 측정된 특성들 및/또는 속성들로부터, 감지 회로에 진입하는 가스의 유량 및/또는 압력이 검증될 수 있다. 다른 실시예에서, 유입 교정 회로(239)는, 가스 유동을 수용하기 위해 비-교정 용적을 활용한다. 시간 경과에 따라 측정된 비-교정 용적 내의 가스의 특성들 및/또는 속성들에서의 변화들로부터, 감지 회로에 진입하는 가스의 유량 및/또는 압력이 검증될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 유입 교정 회로(239)는, 교정 용적에 배치되는 진동 부재를 포함한다. 다른 실시예들에서, 유입 교정 회로(239)는, 교정 용적에 배치되는, 가스들의 전기 또는 자기 특성들 중 적어도 하나를 검출하도록 구성되는 센서를 포함할 수 있다. 따라서, 유입 교정 회로(239)는, 앰풀 유입 밸브(215a) 및 앰풀 배출 밸브(217a)를 통해 유동이 유지되는 동안, 앰풀 유입 밸브(215a) 및 앰풀 배출 밸브(217a)를 통한 유동을 측정함으로써, 밸브들의 유효 개방 영역을 교정하도록 구성된다.
가스 배출 라인(217)은, 가스 유동을 정확하게 측정하도록 구성되는 배출 교정 회로(241)에 결합될 수 있다. 배출 교정 회로(241)는, 처리 챔버(206) 내로의 유동을 요구하지 않으면서 시스템 구성요소들의 유동 검증을 수행하는 데 활용될 수 있다. 그러한 경우들에서, 배출 교정 회로(241)는, 연결 밸브들을 통해 유동이 유지되는 동안, 오리피스(250)를 통한 유동을 측정함으로써, 오리피스의 영역을 교정하도록 구성된다(그러한 경우들에서는, 오리피스 교정 회로임). 가스 배출 라인(217)은, 임계 유동(chocked flow) 조건을 제공하도록 크기가 정해지는 오리피스(250)를 포함한다. 임계 유동 조건을 설정하는 것은, 처리 챔버(206) 내로 스위핑하는 가스들의 압력의 급증들을 최소화한다. 오리피스(250)는, 기판 처리 시스템들에서 발견되는 화학물질들 및 부산물들과 상용가능한 임의의 물질로 만들어질 수 있다. 오리피스(250)는, 가스 배출 라인(217)에 적합하도록 크기가 정해진다. 오리피스(250)는, 가스들이 처리 챔버(206) 내로 유동하고 있을 때 존재하는 조건들과 유사한 유동 조건들을 가스 배출 라인(217)에 생성한다. 오리피스(250)의 크기는, 실험, 경험적 분석에 의해, 또는 다른 적합한 방법에 의해 결정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 오리피스(250)의 크기는, 오리피스(250)의 하류에서의 압력을 측정하고 원하는 압력이 실현될 때까지 오리피스(250)의 크기를 조정함으로써 결정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 배출 밸브들, 가스 배출 라인들, 또는 이 둘의 조합의 개개의 것들에 하나 이상의 오리피스가 유체유동가능하게 결합된다.
장치(200)는, 배출 밸브들 중 적어도 하나를 빠져나가는 가스로부터 유동, 압력, 또는 화학 현상(chemistry) 중 적어도 하나의 메트릭을 제공하도록 배열되는, 가스 배출 라인(217)을 따른 적어도 하나의 센서(218a/218b)를 포함할 수 있다. 장치(200)는 가스 유동 제어기(219)를 포함할 수 있으며, 가스 유동 제어기(219)는, 적어도 하나의 센서(218a/218b)에 의해 가스 유동 제어기(219)에 제공되는 메트릭에 대한 응답으로, 가스 유입 라인들 중 적어도 하나 내에서 유동하는 가스의 특성을 조정하도록 구성된다.
장치(200)는, 퍼지 가스(204) 및/또는 퍼지 가스 소스(204a)와 유체 연통하는 퍼지 라인(255)을 포함한다. 퍼지 가스 소스(204a)는, 퍼지 가스 가열기(204b)에 의해 가열될 수 있다. 퍼지 라인(255)은, 퍼지 라인(255)과 유체 연통하여 퍼지 가스(204)가 처리 챔버(206)로 유동할 수 있게 하는 퍼지 배출 밸브(255a)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 퍼지 배출 밸브(255a)는, 퍼지 라인(255)과 유체 연통하는 제1 유입부(256a), 및 가스 배출 라인(217)과 유체 연통하는 제2 유입부(256b)를 포함한다. 퍼지 배출 밸브(255a)는 또한, 처리 챔버(206) 쪽으로 유동을 지향시키기 위한 제1 배출구(256c)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 퍼지 배출 밸브(255a)는, 가스 배출 라인(217) 및 퍼지 라인(255) 중 하나만으로부터의 유동을 처리 챔버(206)로 전달할 수 있거나 가스 배출 라인(217) 및 퍼지 라인(255)으로부터의 유동을 혼합할 수 있는 3방 밸브 또는 프로포셔닝 밸브이다. 혼합되는 유동은, 전체 가스 배출 라인(217)으로부터 전체 퍼지 라인(255)까지 및 그 사이의 모든 상태들의 범위일 수 있다.
도 2에 도시된 실시예에서, 장치(200)는 핫 캔(205)(파선들로 표시됨)을 포함한다. 본 개시내용의 오리피스(250)는, 핫 캔과 처리 챔버 사이에서 연장되는 가스 배출 라인(217)과 인터페이싱된다. 본 개시내용의 체크 밸브(240)는, 핫 캔(205)과 핫 캔(205)에 의해 감싸인 부분 사이에서 연장되는 가스 유입 라인(215)과 인터페이싱된다. 핫 캔(205)은, (예컨대, 가스 유입 라인(215) 및 가스 배출 라인(217)의 일부분을 둘러쌈으로써) 장치(200)의 적어도 일부분을 따른 균일한 온도 구배를 보장하고, 밸브들을 균일하게 가열하고, 기판을 망칠 수 있는 불순물들의 퇴적을 방지하는 것을 돕는다. 핫 캔의 추가적인 논의가 위에 설명된다. 일부 실시예들에서, 오리피스(250) 및/또는 체크 밸브(240)는 핫 캔(205) 외부에 있을 수 있다. 그러한 경우들에서, 가스 유입 라인(215) 및 가스 배출 라인(217)을 따른 가스 가열기들이 사용되어, 증기가 라인들에서 응축되는 것이 야기되지 않도록, 개개의 라인을 통해 유동하는 가스의 온도를 상승시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, 장치는, 오리피스(250), 체크 밸브(240), 전환 라인(263)(가열될 수 있음), 또는 이들의 조합을 포함한다.
일부 실시예들에서, 가열식 전환 라인이 사용된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 가스 배출 라인(217)과 유체 연통하는 제3 배출 밸브(260)는, 예컨대, 화학 앰풀(210)로부터의 화학 전구체 및/또는 캐리어 가스의 유동이 전환 라인(263)을 통해 배기 라인(포어라인)(265)으로 지향되어 처리 챔버(206)를 우회할 수 있게 한다. 전환 라인은, 전환 라인 가열기(263a)에 의해 가열될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제3 배출 밸브(260)는, 가스 배출 라인(217), 및 처리 챔버(206)를 우회하는 가열식 전환 라인에 결합되며, 여기서, 처리 챔버(206)는 가스 배출 라인(217)에 연결된다. 일부 실시예들에서, 제3 배출 밸브(260)는, 가스 배출 라인(217)과 유체 연통하는 우회 라인(230)의 하류에 있다. 이러한 구성은, 화학 앰풀(210)이 존재할 때 또는 어떠한 화학 앰풀(210)도 존재하지 않을 때, 가스가 포어라인(265)으로 지향될 수 있게 한다. 하나 이상의 실시예에서, 제3 배출 밸브(260)는, 우회 라인(230)의 상류에 있고 가스 배출 라인(217)과 유체 연통한다.
가스 배출 라인(217)과 유체 연통하는 제4 배출 밸브(270)는, 화학 앰풀(210)로부터의 화학 전구체 및/또는 캐리어 가스의 유동이 처리 챔버(206)로 지향될 수 있게 한다. 일부 실시예들에서, 제4 배출 밸브(270)는, 가스 배출 라인(217)과 유체 연통하는 우회 라인(230)의 하류에 있다. 이러한 구성은, 화학 앰풀(210)이 존재할 때 또는 어떠한 화학 앰풀(210)도 존재하지 않을 때, 가스가 처리 챔버(206)로 지향될 수 있게 한다. 하나 이상의 실시예에서, 제4 배출 밸브(270)는, 우회 라인(230)의 상류에 있고 가스 배출 라인(217)과 유체 연통한다.
도 2의 장치와 함께 논의된 바와 같이, 단일 구역 온도 제어, 예컨대, 핫 캔만이 아니라, 온도 제어를 위한 다수의 구역들이 존재한다. 다수의 온도 제어 구역들의 활용은, 화학물질 전달 장치의 라인들을 따른 더 적은 응축 및 더 적은 화학 잔류물을 허용한다. 종래의 장치(단일 구역 온도 제어)에 대한 라인들을 따른 최소 및 최대 온도는 각각 91.6 ℃ 및 179.41 ℃이다. 본원에 개시된 새로운 장치의 경우, 라인들을 따른 최소 및 최대 온도는 각각 154 ℃ 및 160 ℃이다.
화학 앰풀(210)은 내부 몸체(214)를 포함한다. 화학적 상용성 및 기계적 강도의 이유들로 인해, 내부 몸체(214)는 전형적으로, 스테인리스 강, 이를테면 316 스테인리스 강(316 SST)으로 만들어진다. 내부 몸체(214)의 물질은, 고도로 반응성인 물질들과 같은 상이한 유형들의 화학 전구체들이 내부 몸체(214) 내에 보관될 수 있으므로, 화학적으로 상당히 불활성이어야 한다. 화학 앰풀(210)의 내부 몸체(214)에 대해서는, 상당한 기계적 강도가 바람직한 특성이다. 일부 실시예들에서, 내부 몸체(214)는, 공정들 동안 대기압 미만에서 동작될 수 있고, 운반 및 보관을 위해 대기압 초과로 가압될 수 있다. 그러므로, 내부 몸체(214)는, 진공 챔버로서 또는 압력 용기로서 활용되는 한편 유독성 화학 전구체에 대한 신뢰가능한 격납 용기의 역할을 해야 한다.
316 SST는 열 전도율에 있어 불량한 매질이기 때문에, 사용 동안 내부 몸체(214) 내부에 바람직하지 않은 열 구배들이 발생할 수 있다. 예컨대, 액체 화학 전구체가 내부 몸체(214) 내부에 수용될 때, 액체 전구체가 고갈됨에 따라 내부 몸체(214)의 더 많은 용적이 증기로 채워지고, 내부 몸체(214)의 불량한 열 전도율은, 앰풀의 수명 후반에 액체 전구체 내에 불균등한 가열(예컨대, 핫 스팟들)을 초래할 수 있다. 다른 예에서, 이를테면, 내부 몸체(214)가 고체 화학 전구체를 수용할 때, 내부 몸체(214)의 불량한 열 전도율은 앰풀의 수명 전반에 걸쳐 핫 스팟들을 생성할 수 있다. 어느 경우에서든, CVD 공정 또는 ALD 공정은 그러한 온도 불균일성들에 의해 해로운 영향을 받을 수 있다.
공정 가스들을 형성하는 데 사용될 수 있는 고체 화학 전구체들은, 탄탈럼 전구체들, 이를테면, 펜타키스(디메틸아미도) 탄탈럼(PDMAT; Ta(NMe2)5), 펜타키스(디에틸아미도) 3급아밀이미도-트리스(디메틸아미도) 탄탈럼(TAIMATA, (t-AmyIN)Ta(NMe2)3)을 포함하며, 여기서, t-아밀은 3급 아밀기(C5H11 또는 ―CH3CH2C(CH3)2―), 또는 이들의 유도체들이다. 일 실시예에서, PDMAT는 낮은 할로겐 함량(예컨대, Cl, F, I, 또는 Br)을 갖는다. PDMAT는, 약 100 ppm 미만의 할로겐 농도를 가질 수 있다. 예컨대, PDMAT는, 약 100 ppm 미만, 바람직하게는, 약 20 ppm 미만, 더 바람직하게는, 약 5 ppm 미만, 더 바람직하게는, 약 1 ppm 미만, 이를테면, 약 100 ppb 이하의 염소 농도를 가질 수 있다.
승화 공정을 통해 공정 가스들을 형성하는 데 사용될 수 있는 다른 고체 화학 전구체들은, 사염화하프늄(HfCl4), 이플루오린화제논, 니켈 카르보닐, 및 텅스텐 헥사카르보닐 또는 이들의 유도체들을 포함한다. 다른 실시예들에서, 액체 화학 전구체들이 증발되어 본원에 설명된 앰풀들 내에 공정 가스들을 형성할 수 있다. 공정 가스들을 형성하는 데 사용될 수 있는 다른 화학 전구체들은, 텅스텐 전구체들, 이를테면, 육플루오린화텅스텐(WF6), 탄탈럼 전구체들, 이를테면, 탄탈럼(PDEAT: Ta(NEt2)5), 펜타키스(메틸에틸아미도) 탄탈럼(PMEAT: Ta(NMeEt)5), tert부틸이미노-트리스(디메틸아미노) 탄탈럼(TBTDMT, t-BuNTa(NMe2)3), tert부틸이미노-트리스 (디에틸아미노) 탄탈럼(TBTDET, t-BuNTa(NEt2)3), tert부틸이미노-트리스(메틸에틸아미노) 탄탈럼(TBTMET, t-BuNTa(NMeEt)3) 또는 이들의 유도체들, 티타늄 전구체들, 이를테면, 사염화티타늄(TiCl4), 테트라키스(디메틸아미노) 티타늄(TDMAT, (Me2N)4Ti), 테트라키스(디에틸아미노) 티타늄(TEMAT, (Et2N)4Ti) 또는 이들의 유도체들, 루테늄 전구체들, 이를테면, 비스(에틸시클로펜타디에닐) 루테늄((EtCp)2Ru), 하프늄 전구체들, 이를테면, 테트라키스(디메틸아미노) 하프늄(TDMAH, (Me2N)4Hf), 테트라키스(디에틸아미노) 하프늄(TDEAH, (Et2N)4Hf), 테트라키스(메틸에틸아미노) 하프늄(TMEAH, (MeEtN)4Hf) 또는 이들의 유도체들, 및 알루미늄 전구체들, 이를테면, 1-메틸피롤리드라진:알란(MPA, MeC4H3N:AlH3), 피리딘:알란(C4H4N:AlH3), 알킬아민:알란 복합물들(예컨대, 트리메틸아민:알란(Me3N:AlH3), 트리에틸아민:알란(Et3N:AlH3), 디메틸에틸아민:알란(Me2EtN:AlH3)), 트리메틸알루미늄(TMA, Me3Al), 트리에틸알루미늄(TEA, Et3Al), 트리부틸알루미늄(Bu3Al), 염화디메틸알루미늄(Me2AlCl), 염화디에틸알루미늄(Et2AlCl), 수소화디부틸알루미늄(Bu2AlH), 염화디부틸알루미늄(Bu2AlCl) 또는 이들의 유도체들을 포함한다. 하나 이상의 실시예에서, 전구체는 사염화하프늄이다.
퍼지 가스는, 관련 기술분야에 알려져 있는 임의의 적합한 퍼지 가스일 수 있다. 적합한 퍼지 가스들은, 헬륨, 질소, 네온, 아르곤, 크립톤, 및 제논을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 일부 실시예들에서, 퍼지 가스는 질소이다.
가열식 전환 라인 및/또는 체크 밸브와 같은 부가적인 요소들과 함께 또는 그러한 요소들 없이, 화학물질 전달 시스템에 오리피스를 부가함으로써 우수한 화학물질 전달이 달성된다. 도 3은, 이러한 특징들을 갖는 화학물질 전달과 이러한 특징들이 없는 화학물질 전달 사이의 성능 비교이다. 부가된 특징들은 초기 압력 급증을 완화시키고, 챔버 내로의 전구체 유입의 점진적인 증가를 허용한다. 부가적으로, 정상 상태 주입 조건들 동안의 챔버에서의 안정한 압력은 안정한 화학물질 전달을 나타낸다.
본원의 발명이 특정 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 이러한 실시예들은 단지 본 발명의 원리들 및 응용들을 예시한다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명의 방법 및 장치에 대해 다양한 수정들 및 변형들이 이루어질 수 있다는 것이 관련 기술분야의 통상의 기술자들에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항들 및 그 등가물들의 범위 내에 있는 수정들 및 변형들을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (19)

  1. 반도체 처리 시스템으로의 가스의 전달을 위한 장치로서,
    화학 앰풀의 화학 앰풀 유입구에 결합되는 유입 밸브를 갖는 가스 유입 라인;
    화학 앰풀 배출 밸브의 하류에 배치되는 배출 밸브 및 상기 배출 밸브의 하류에 배치되는 배출 격리 밸브를 갖는 가스 배출 라인;
    상기 유입 밸브를 통한 유동을 제어하도록 배열되는 가스 유동 제어기;
    상기 배출 격리 밸브의 하류에서 상기 가스 배출 라인에 적합하고 상기 가스 배출 라인 내에 포함되도록 크기가 정해지는 오리피스 - 상기 오리피스의 영역은 상기 가스 배출 라인을 통해 상기 화학 앰풀을 빠져나가는 전구체의 임계 유동을 제공하도록 크기가 정해짐 -; 및
    센서의 하류에서 상기 가스 배출 라인에 결합되는 오리피스 교정 회로 - 상기 센서는 상기 오리피스의 하류에 배치됨 -
    를 포함하는, 반도체 처리 시스템으로의 가스의 전달을 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 유입 라인 내의 체크 밸브를 더 포함하는, 반도체 처리 시스템으로의 가스의 전달을 위한 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 센서는 상기 배출 밸브를 빠져나가는 가스로부터 유동, 압력, 또는 화학 현상(chemistry) 중 적어도 하나의 메트릭을 제공하도록 배열되는, 반도체 처리 시스템으로의 가스의 전달을 위한 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    제어기를 더 포함하며, 상기 제어기는, 상기 센서에 의해 상기 제어기에 제공되는 상기 메트릭에 대한 응답으로, 상기 가스 유입 라인 내에서 유동하는 가스의 특성을 조정하도록 구성되는, 반도체 처리 시스템으로의 가스의 전달을 위한 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 가스 배출 라인, 및 상기 화학 앰풀을 우회하는 가열식 전환 라인에 결합되는 제3 배출 밸브를 더 포함하며, 상기 가스 배출 라인에 처리 챔버가 결합되는, 반도체 처리 시스템으로의 가스의 전달을 위한 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가스 배출 라인과 유체 연통하여 상기 화학 앰풀로부터 상기 처리 챔버로의 화학 전구체 및/또는 캐리어 가스의 유동을 허용하는 제4 배출 밸브를 더 포함하는, 반도체 처리 시스템으로의 가스의 전달을 위한 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 화학 앰풀은, 승화 앰풀, 증발 앰풀, 또는 이들의 조합인, 반도체 처리 시스템으로의 가스의 전달을 위한 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    퍼지 라인을 더 포함하며, 상기 퍼지 라인은, 처리 챔버에 퍼지 가스를 유동시키도록 상기 퍼지 라인과 유체 연통하는 퍼지 배출 밸브를 포함하는, 반도체 처리 시스템으로의 가스의 전달을 위한 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 유입 밸브 및 상기 배출 밸브를 통해 유동이 유지되는 동안 상기 유입 밸브 및 상기 배출 밸브를 통한 유동을 측정함으로써 밸브의 유효 개방 영역을 교정하도록 구성되는 교정 회로를 더 포함하는, 반도체 처리 시스템으로의 가스의 전달을 위한 장치.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 오리피스 교정 회로는 상기 유입 밸브 및 상기 배출 밸브를 통해 유동이 유지되는 동안 상기 오리피스를 통한 유동을 측정함으로써 상기 오리피스의 상기 영역을 교정하도록 구성되는, 반도체 처리 시스템으로의 가스의 전달을 위한 장치.
  12. 반도체 처리 시스템으로의 가스의 전달을 위한 장치로서,
    화학 앰풀에 결합되는 유입 밸브를 갖는 가스 유입 라인;
    상기 화학 앰풀을 처리 챔버에 결합하기 위한 배출 밸브, 화학 앰풀 배출 밸브, 또는 배출 격리 밸브 중 하나 이상을 갖는 가스 배출 라인;
    상기 유입 밸브를 통한 유동을 제어하도록 배열되는 가스 유동 제어기;
    상기 배출 밸브, 상기 가스 배출 라인, 또는 이들의 조합에 유체유동가능하게 결합되는 오리피스 - 상기 오리피스의 영역은 상기 가스 배출 라인을 통해 상기 화학 앰풀을 빠져나가는 전구체의 임계 유동을 제공하도록 크기가 정해짐 -;
    센서의 하류에서 상기 가스 배출 라인에 결합되는 오리피스 교정 회로 - 상기 센서는 상기 오리피스의 하류에 배치됨 -;
    상기 화학 앰풀에 유체 연통하는 핫 캔(hot can);
    상기 화학 앰풀의 상류에서 상기 가스 유입 라인에 유체유동가능하게 연결되는 체크 밸브;
    상기 가스 배출 라인, 및 상기 화학 앰풀을 우회하는 가열식 전환 라인에 결합되는 제3 배출 밸브 - 상기 처리 챔버는 상기 가스 배출 라인에 결합됨 -; 및
    상기 가스 배출 라인과 유체 연통하여 상기 화학 앰풀로부터 상기 처리 챔버로의 화학 전구체 및/또는 캐리어 가스의 유동을 허용하는 제4 배출 밸브를 포함하는, 반도체 처리 시스템으로의 가스의 전달을 위한 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 센서는 상기 배출 밸브를 빠져나가는 가스로부터 유동, 압력, 또는 화학 현상 중 적어도 하나의 메트릭을 제공하도록 배열되는, 반도체 처리 시스템으로의 가스의 전달을 위한 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    제어기를 더 포함하며, 상기 제어기는, 상기 센서에 의해 상기 제어기에 제공되는 상기 메트릭에 대한 응답으로, 상기 가스 유입 라인 내에서 유동하는 가스의 특성을 조정하도록 구성되는, 반도체 처리 시스템으로의 가스의 전달을 위한 장치.
  15. 반도체 처리 시스템으로의 가스의 전달을 위한 장치로서,
    화학 앰풀에 결합되는 유입 밸브를 갖는 가스 유입 라인;
    상기 화학 앰풀 및 처리 챔버에 결합되는 배출 밸브를 갖는 가스 배출 라인;
    상기 유입 밸브를 통한 유동을 제어하도록 배열되는 가스 유동 제어기;
    상기 화학 앰풀에 유체 연통하는 핫 캔;
    상기 화학 앰풀을 우회하는 가열식 전환 라인의 상류에서 상기 가스 유입 라인에 유체유동가능하게 연결되는 체크 밸브;
    상기 배출 밸브, 상기 가스 배출 라인, 또는 이들의 조합에 유체유동가능하게 결합되는 오리피스 - 상기 오리피스의 영역은 상기 가스 배출 라인을 통해 상기 화학 앰풀을 빠져나가는 전구체의 임계 유동을 제공하도록 크기가 정해짐 -;
    센서의 하류에서 상기 가스 배출 라인에 결합되는 오리피스 교정 회로 - 상기 센서는 상기 오리피스의 하류에 배치됨 -;
    상기 가스 배출 라인 및 상기 가열식 전환 라인에 결합되는 제3 배출 밸브;
    상기 가스 배출 라인과 유체 연통하여 상기 화학 앰풀로부터 상기 처리 챔버로의 화학 전구체 및/또는 캐리어 가스의 유동을 허용하는 제4 배출 밸브; 및
    상기 배출 밸브에 결합되는 교정 회로를 포함하는, 반도체 처리 시스템으로의 가스의 전달을 위한 장치.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 화학 앰풀은, 승화 앰풀, 증발 앰풀, 또는 이들의 조합인, 반도체 처리 시스템으로의 가스의 전달을 위한 장치.
  17. 제12항에 있어서,
    퍼지 라인을 더 포함하며, 상기 퍼지 라인은, 상기 처리 챔버에 퍼지 가스를 유동시키도록 상기 퍼지 라인과 유체 연통하는 퍼지 배출 밸브를 포함하는, 반도체 처리 시스템으로의 가스의 전달을 위한 장치.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 화학 앰풀은, 승화 앰풀, 증발 앰풀, 또는 이들의 조합인, 반도체 처리 시스템으로의 가스의 전달을 위한 장치.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 화학 앰풀 유입구의 상류에서 상기 가스 유입 라인에 유체유동가능하게 연결되는 체크 밸브를 더 포함하는, 반도체 처리 시스템으로의 가스의 전달을 위한 장치.
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