KR20210035048A - 반도체 처리 장치 - Google Patents

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KR20210035048A
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KR1020200119346A
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제렐드 리 윙클러
에릭 제임스 셰로
칼 루이스 화이트
샨카르 스와미나탄
부샨 조프
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에이에스엠 아이피 홀딩 비.브이.
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Abstract

반도체 처리 장치가 개시된다. 상기 장치는 반응기와 상기 반응기에 기화된 고체 반응물을 공급하도록 구성된 고체 소스 용기를 포함할 수 있다. 공정 제어 챔버는 고체 소스 용기와 반응기 사이에 배치될 수 있다. 상기 장치는 공정 제어 챔버의 상류에 밸브를 포함할 수 있다. 제어 시스템은 공정 제어 챔버 내의 측정된 압력의 피드백에 적어도 부분적으로 근거하여 밸브의 작동을 제어하도록 구성될 수 있다.

Description

반도체 처리 장치{SEMICONDUCTOR PROCESSING DEVICE}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2019년 9월 20일에 출원된 미국 가특허출원 제62/903,566호의 우선권을 주장하며, 그 내용은 전체가 본원에 참조로 그리고 모든 목적을 위해 포함된다.
기술분야
본 분야는 반도체 처리 장치, 특히 반응 챔버의 상류에 공정 제어 챔버를 포함한 반도체 처리 장치에 관한 것이다.
반도체 공정 중에, 다양한 반응물 증기가 반응 챔버 내에 공급된다. 일부 응용에서, 주위 압력과 온도에서 고체 상태인 공급원 화학 물질의 반응물 증기가 사용된다. 이들 고체 공급원 물질은 승화 가열되어 반응 공정, 가령 기상 증착을 위한 기화된 반응물을 생성할 수 있다. 화학 기상 증착(CVD)은 반응 챔버로의 반응물 증기의 연속 스트림의 공급을 필요할 수 있는 반면, 원자층 증착(ALD), 펄스 CVD 및 이들의 하이브리드는 시간 분할 및 공간 분할 펄스 공정을 포함하고 원하는 구성에 따라 연속 스트림 또는 펄스 공급을 요구할 수 있다. 이러한 고체 물질로부터의 기상 반응물은, 반도체 산업(예, 에칭, 도핑 등) 및 다양한 기타 산업에 있어서 다른 유형의 화학 반응에 또한 유용할 수 있다. 그러나, 기화 및 분해 온도 사이의 작은 공정 윈도우, 낮은 증기압 및 이러한 고체 반응물에 대한 균일한 투입량 요구에 부분적으로 기인하여, 고체 반응물 공급원으로부터의 증기 상태 전달에 대해 개선된 제어에 대한 요구가 계속 있다.
일 구현예에서, 반도체 공정 처리 장치가 개시된다. 반도체 처리 장치는, 반응기, 및 상기 반응기에 기화된 반응물을 공급하도록 구성된 고체 공급원 용기를 포함한다. 반도체 처리 장치는, 상기 고체 공급원 용기와 상기 반응기 사이에서, 상기 고체 공급원 용기 및 상기 반응기와 유체 연통하는, 공정 제어 챔버를 포함할 수 있다. 공정 제어 밸브는, 상기 고체 공급원 용기와 상기 공정 제어 챔버 사이에서, 상기 공정 제어 챔버의 상류에 배치될 수 있다. 반도체 처리 장치는, 상기 공정 제어 챔버에서 측정된 압력의 피드백에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 공정 제어 밸브의 작동을 제어하도록 구성된, 제어 시스템을 포함할 수 있다.
다른 구현예에서, 기화된 반응물을 형성하기 위한 장치가 개시된다. 장치는, 제1 온도에서 제1 열 구역에 배치된 고체 공급원 용기를 포함할 수 있다. 장치는, 상기 고체 공급원 용기와 유체 연통하고 이의 하류에 있는 공정 제어 챔버를 포함할 수 있다. 상기 공정 제어 챔버는 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 제2 열 구역에 배치될 수 있고, 상기 기화된 반응물을 상기 공정 제어 챔버의 하류에 있는 반응기에 전달하도록 구성될 수 있다. 장치는, 공정 제어 챔버의 상류에 있는 공정 제어 밸브를 포함할 수 있고, 상기 고체 공급원 용기와 상기 공정 제어 챔버 사이의 제2 열 구역에 배치될 수 있다. 제어 시스템은, 상기 공정 제어 챔버에서 측정된 압력의 피드백에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 공정 제어 밸브의 작동을 제어하도록 구성될 수 있다.
다른 구현예에서, 기화된 반응물을 형성하는 방법이 개시된다. 상기 방법은 고체 반응물을 기화시켜 반응물 증기를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 반응물 증기를 공정 제어 챔버에 전달하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 공정 제어 챔버에서 측정된 압력의 피드백에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 공정 제어 챔버의 상류에 있는 공정 제어 밸브의 작동을 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 반응물 증기를 상기 공정 제어 챔버에서 상기 반응 챔버로 전달하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 특징, 양태 및 장점이 여러 가지 구현예의 도면을 참조하여 이제 설명될 것이며, 구현예는 본 발명을 예시하되 제한하지 않도록 의도된다.
도 1은 일 구현예에 따른 반도체 처리 장치의 개략적인 시스템 다이어그램이다.
도 2는 다양한 구현예에 따라, 반도체 처리 방법을 나타내는 흐름도이다.
본원에 개시된 구현예는, 고체 반응물, 가령 증착 전구체를 가스 상태로의 전달을 제어하는 것을 개선한 반도체 처리 장치에 관한 것이다. 본원에 개시된 구현예는 임의의 적합한 유형의 반도체 처리 장치와 함께 사용될 수 있고, 이는 원자층 증착(ALD) 장치, 화학 기상 증착(CVD) 장치, 이렇게 펄스화된 공정의 변형을 위해 구성된 장치, 금속유기 CVD(MOCVD) 장치, 물리 기상 증착 장치(PVD)등을 포함한다.
예를 들어, ALD는 기판 상에 상당히 균일한 박막을 성장하는 방법이다. 시간 분할 ALD 반응기에서, 기판은 불순물이 없는 반응 공간 내에 배치되고, 적어도 두 개의 상이한 전구체(전구체 또는 다른 반응물 증기)가 기상으로 교대 반복적으로 반응 공간 내에 주입된다. 따라서, 반응물 증기는, 하나 이상의 반응물 및 하나 이상의 용매를 포함한 증기를 포함할 수 있다. 막의 성장은 원자 또는 분자의 고체 상태 층을 형성하기 위해 기판의 표면 상에서 일어나는 교번적인 표면 반응에 기반하는데, 그 이유는 교번 주입된 기상 반응물의 분자는 그 표면 층을 가진 기판에서만 반응하도록 반응물 및 기판 온도가 선택되기 때문이다. 반응물은 각 주입 사이클 동안 표면이 거의 포화되도록 충분히 높은 주입량으로 주입된다. 따라서, 공정은 이론상 자기 조절적이고, 출발 물질의 농도에 의존하지 않음으로써 매우 높은 막 균일성, 및 단일 원자 또는 분자층의 두께 정확성을 달성할 수 있다. 공간 분할 ALD 반응기에서 유사한 결과가 얻어질 수 있으며, 기판은 상이한 반응물에 교대로 노출되는 구역으로 이동된다. 반응물은 성장하는 막(전구체)에 기여할 수 있고/있거나 후속 반응물의 반응 또는 흡착을 촉진하기 위해 전구체의 흡착된 종으로부터 리간드를 산화, 환원 또는 분해하는 것과 같은 다른 기능을 수행할 수 있다. ALD 방법은 원소성 및 화합물성 박막 모두 성장하는 데 사용될 수 있다. ALD는 사이클에서 반복되는 두 개 이상의 교번 반응물을 수반할 수 있으며, 상이한 사이클은 상이한 수의 반응물을 가질 수 있다. 진정한 ALD 반응은 사이클 당 단일층 미만을 생성하는 경향이 있다. ALD 원리의 실제 적용은 진정한 포화와 단일층 제한으로부터 실제 편차를 갖는 경향이 있고, 하이브리드 또는 변형 공정은 ALD의 등각성 및 제어 장점 중 일부 또는 전부를 달성하면서 더 높은 증착 속도를 얻을 수 있다.
본원에 설명된 바와 같이, 고체 반응물 공급원(또는 반응물-용매 혼합물)은 가열된 용기에서 승화되어서 반응기 또는 반응 챔버에 전달될 반응물 증기를 형성할 수 있다. 그러나, 고체 반응물 재료의 승화는 느린 공정일 수 있고, 예를 들어 액체 반응물 증발 시스템보다 차수 하나 크기로 더욱 느리다. 또한, 고체 반응물 재료의 승화 속도는, 공급원 용기 기하 구조, 고체 전구체 입자의 표면적, 불규칙하게 성형된 고체 반응물 입자, 및 반도체 처리 시스템의 다른 구성 요소에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에 고체 반응물 입자의 표면적은 고체 입자가 응집됨에 따라 작동하는 동안 변할 수 있다. 작동 동안에 승화 속도는 시간에 따라 변할 수 있고, 반응 챔버로의 기화된 반응물의 공급은 또한 비일관적이고 가변적일 수 있다.
일부 반도체 처리 장치에서, 고체 공급원 반응물 용량은 고체 공급원 용기 내의 증기압, 고체 공급원 용기를 통한 유량, 및 펄스 시간을 제어함으로써 제어될 수 있다. 예를 들어, 마스터 흐름 제어기(MFC) 또는 압력 제어기와 같은 제어 장치가 고체 공급원 용기의 상류에 제공될 수 있다. 제어 장치는 고온 환경과 호환되지 않기 때문에, 제어 장치는 고체 반응물 공급원을 승화시키는데 사용되는 열원으로부터 멀리 있을 수 있다. 승화 속도가 변하면, 상기에서 설명된 바와 같이, 펄스 당 전달되는 반응물의 양은 변할 수 있으며, 이는 웨이퍼 수율을 감소시키고 비용을 증가시킬 수 있다. 따라서, 기화된 고체 반응물을 반응기로 공급하는 것을 개선할 필요성이 계속 있다.
도 1은 다양한 구현예에 따른 반도체 처리 장치(1)의 개략적인 시스템 다이어그램이다. 장치(1)는, 기화된 고체 반응물을 반응기(21)에 공급하도록 구성된 고체 공급원 용기(2)를 포함할 수 있다. 고체 공급원 용기(2)는, 고체 반응물 공급원 입자를 기화된 반응물로 승화시키는 히터를 포함할 수 있다. 본원에 개시된 장치(1)에 사용될 수 있는 고체 공급원 용기의 예는, 임의의 적합한 유형의 고체 공급원 용기일 수 있으며, 미국 특허 제7,122,085호 및 제8,137,462호, 및 미국 특허공보 제2018/0094350호에 나타내고 설명된 것을 포함하고, 이들 각각의 전체 내용이 본원에 참조로 전체가 그리고 모든 목적을 위해 포함된다.
비활성 가스 공급원(3)은 비활성 가스 라인(4)을 따라 비활성 캐리어 가스를 고체 공급원 용기(2)에 공급할 수 있다. 다양한 구현예에서, 가스 질량 흐름 제어기(MFC)는 비활성 가스 라인(4)을 따라 가스 공급을 계량할 수 있다. 비활성 가스 밸브(6)가 비활성 가스 라인(4)을 따라 제공되어, 비활성 가스의 고체 공급원 용기(2)로의 흐름을 조절할 수 있다. 비활성 가스 밸브(6)는, 일부 구현예에서 복수의 흐름 컨덕턴스 설정을 갖는 조절 밸브를 포함할 수 있다. 다른 구현예에서, 비활성 가스 밸브(6)는 이원 온/오프 밸브를 포함할 수 있고, 여기서 밸브(6)는 비활성 가스 라인(4)을 따라 비활성 가스의 흐름을 허용하거나 차단한다. 도 1의 구현예에서, 비활성 가스는 반응물 증기를 반응기(21)에 공급하고 운반하는 것을 보조할 수 있다.
고체 공급원 용기(2)의 압력 및 온도는 고체 반응물 입자가 반응물 증기로 승화되도록 제어될 수 있다. 나타낸 구현예에서, 비활성 가스 공급원(3)으로부터의 비활성 캐리어 가스는 반응물 증기를 반응기(21)로 운반하거나 구동시키는 역할을 할 수 있다. 다른 구현예에서, 증기를 흡인하는 하류 진공원 및/또는 가열된 반응물의 증기압에 기초하여 별도의 비활성 캐리어 가스 공급부를 사용하지 않고 공급 라인(5)을 따라, 반응물 증기를 공급할 수 있다. 공급 라인(5)을 통해 반응물 증기를 운반하기 위한 별도의 비활성 가스 공급원을 생략하면, 유익하게도 장치(1)와 연관된 비용 및 복잡성을 감소시킬 수 있다. 반응물 증기는, 반응물 증기 공급 라인(5)을 따라 필터(8)로 공급될 수 있다. 반응물 가스 밸브(7)는, 고체 공급원 용기(2)에서 필터(8)로 반응물 증기의 공급을 계량하기 위해 제공될 수 있다. 반응물 가스 밸브(7)는, 조절 밸브 또는 이원 온/오프 밸브와 같은 임의의 적합한 유형의 밸브를 포함할 수 있다. 나타낸 구현예에서, 예를 들어 반응물 가스 밸브(7)는 용기 격리 밸브, 예를 들어 이원 온/오프 밸브를 포함할 수 있다. 필터(8)는, 불완전한 승화로 인해 존재하는 임의의 액적 또는 고체 미립자를 포획하고 기화시키도록 구성될 수 있다.
공정 제어 챔버(10)는 고체 공급원 용기(2)와 반응기(21) 사이에 배치될 수 있다. 공정 제어 챔버(10)는, 반응물 공급 라인(5)을 따라 반응기(21)에 공급된 반응물 증기의 양을 계량하거나 제어할 수 있다. 공정 제어 챔버(10)는, 반응물이 반응기(21)에 전달되기 전에 증기 형태로 수집되는 중간 부피로 역할할 수 있다. 공정 제어 챔버(10)를 사용하여 반응기(21)에 반응물 증기의 공급을 제어하면, 유리하게 반응기(21)로의 반응물 증기 투입량을 더 정확하게 제어할 수 있다.
공정 제어 밸브(9)는 공정 제어 챔버(10)의 상류에 배치될 수 있다. 나타낸 구현예에서, 공정 제어(9)는 필터(8)와 공정 제어 챔버(10) 사이에 배치될 수 있다. 다른 구현예에서, 공정 제어 밸브(9)는 필터(8)와 고체 공급원 용기(2) 사이에 배치될 수 있다. 일부 구현예에서, 공정 제어 밸브(9)는 기화된 반응물이 공정 제어 챔버(10)에 흐르는 것을 허용하거나 차단하는 이원 온/오프 밸브를 포함할 수 있다. 유익하게도, 공정 제어 밸브(9)용 이원 온/오프 밸브를 사용하면, 고온 환경에서 비교적 저렴하고 내구성이 있을 수 있다. 다른 구현예에서, 공정 제어 밸브(9)는, 기화된 반응물이 공정 제어 챔버(10)로의 흐름 컨덕턴스를 제어하기 위한 다이어프램 또는 비례 밸브를 포함할 수 있다. 반응기 공급 밸브(11)는, 공정 제어 챔버(10)의 하류에, 예를 들어 공정 제어 챔버(10)와 반응기(21) 사이에 배치될 수 있다. 일부 구현예에서, 반응기 공급 밸브(11)는 흐름 컨덕턴스를 제어하기 위한 이원 온/오프 밸브 또는 조절 밸브를 포함할 수 있다. 예를 들어, 나타낸 구현예에서, 반응기 공급 밸브(11)는 고온 환경에서 작동하도록 구성된 이원 밸브를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 압전 밸브는 반응기 공급 밸브(11)에 사용될 수 있다. 다양한 구현예에서, 고온 비례 밸브가 사용될 수 있다. 다른 유형의 밸브가 다른 구현예에 적합할 수 있다.
반응물 가스 공급 라인(5)은 반응물 증기를 반응기(21)의 유입구 매니폴드(18)에 공급할 수 있다. 유입구 매니폴드(18)는, 반응물 증기를 반응기(21)의 반응 챔버(30)에 공급할 수 있다. 나타낸 바와 같은 샤워헤드 또는 다른 구현예에서 수평 주입 장치를 포함하는 분산 장치(35)는, 복수의 개구(19)와 유체 연통하는 플레넘(32)을 포함할 수 있다. 반응물 증기는 개구(19)를 통과하여 반응 챔버(30) 내로 공급될 수 있다. 기판 지지부(22)는, 반응 챔버(30) 내에서 웨이퍼와 같은 기판(36)을 지지하도록 구성되거나 크기를 갖거나 형상화될 수 있다. 분산된 반응물 증기는 기판과 접촉하고 반응하여 기판 상에 층(예, 단층)을 형성할 수 있다. 분산 장치(35)는, 기판 상에 균일한 층을 형성하기 위한 방식으로 반응물 증기를 분산시킬 수 있다.
배기 라인(23)은 반응 챔버(30)와 유체 연통할 수 있다. 진공 펌프(24)는 흡입력을 배기 라인(23)에 인가하여, 증기와 과잉의 물질을 반응 챔버(30)로부터 배기할 수 있다. 반응기(21)는 원자층 증착(ALD) 장치, 화학 기상 증착(CVD) 장치 등과 같은 임의의 적합한 유형의 반도체 반응기를 포함할 수 있다.
도 1의 구현예에서, 압력 변환기(12)는 공정 제어 챔버(10) 내의 압력을 모니터링할 수 있다. 피드백 회로는 압력 변환기(12)를 공정 제어 밸브(9)와 전기적으로 연결할 수 있다. 제어 시스템(34)은 장치(1)의 다양한 구성 요소의 작동을 제어할 수 있다. 제어 시스템(34)은, 밸브(6, 7, 9, 11), 압력 변환기(12), 공정 제어 챔버(10), 반응기(21)(및 그 내부의 다양한 구성 요소), 및 진공 펌프(24) 중 하나 이상의 작동을 제어하도록 구성된 프로세싱 전자 장치를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 고체 공급원(2)을 교체 또는 재충전하기 위해 하나 이상의 밸브(예컨대 밸브(7))를 수동으로 제어할 수 있다. 도 1에서 단일 구조체로 나타내었지만, 제어 시스템(34)은, 장치(1)의 다양한 구성 요소의 작동을 제어하는 프로세서, 메모리 소자, 및 다른 전자 구성 요소를 갖는 복수의 제어기 또는 서브 시스템을 포함할 수 있음을 이해해야 한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "제어 시스템"은 다른 장치(예컨대, 밸브, 센서 등)와 통합되거나 연결될 수 있는 개별 제어기 장치 및 프로세싱 전자 장치의 임의의 조합을 포함한다. 따라서, 일부 구현예에서, 제어 시스템(34)은, 다중(또는 모든) 시스템 구성 요소의 작동을 제어하는 중앙 집중식 제어기를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 제어 시스템(34)은, 하나 이상의 시스템 구성 요소의 작동을 제어하는 복수의 분산 제어기를 포함할 수 있다. 제어 순서는 제어 시스템(34) 내로 하드와이어 또는 프로그래밍될 수 있다.
전술한 바와 같이, 반응기(21)로의 전달을 위한 고체 반응물 공급원의 승화를 제어하는 것이 도전 과제일 수 있다. 유익하게, 도 1의 구현예는 공정 제어 챔버(10)에 제공되는 기화된 반응물의 농도 또는 투입량을 제어하기 위해, 공정 제어 챔버(10)에서 측정된 압력의 피드백 제어를 포함할 수 있다. 예를 들어, 공정 제어 밸브(9)는 제어 시스템(34)에 의해 활성화되어 공정 제어 챔버(10) 내의 측정된 압력에 기초하여 폐쇄되고 개방될 수 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 장치(1)는 제1 온도로 유지되는 제1 열 구역(13), 및 제2 온도로 유지되는 제2 열 구역(14)을 포함할 수 있다. 다양한 구현예에서, 제2 열 구역(14)의 제2 온도는 제1 열 구역(13)의 제1 온도보다 높아 자연적으로 고체 반응물의 응측 위험성을 최소로 할 수 있다. 다양한 구현예에서, 예를 들어 제2 온도는 5°C 내지 45°C의 범위, 10°C 내지 40°C 범위, 또는 20°C 내지 30°C 범위의 온도 차이만큼 제1 온도보다 높을 수 있다. 다양한 구현예에서, 고체 공급원 용기(2), 비활성 가스 밸브(6), 및 반응물 가스 밸브(7) 중 하나 이상은 제1 열 구역(13) 내에 배치될 수 있다. 제1 열 구역은 고체 반응물 입자를 기화된 반응물로 승화시키기 위해 충분히 높은 온도로 유지될 수 있지만, 반응물의 열적 분해를 야기할 만큼 높지는 않다. 제2 열 구역(14)은, 제2 열 구역(14) 내의 구성 요소를 연결하는 공급 라인과 함께, 필터(8), 공정 제어 밸브(9), 공정 제어 챔버(10), 압력 변환기(12) 및 반응기 공급 밸브(11)를 포함할 수 있다. 압력 변환기(12)는 제2 열 구역(14) 내에, 예를 들어 공정 제어 챔버(10) 내부에 배치될 수 있다.
열 구역(13, 14)이 분리되는 경우, 구역 사이에서의 공급 라인(5) 부분에 히터 재킷을 구비하여 제1 열 구역(13)의 온도 이상으로 라인을 유지할 수 있다. 가열된 제2 열 구역(14) 내에 필터(8)를 배치하면, 필터(8)를 통해 전달될 수 있는 액적과 고체 미립자의 포획 및 기화를 유익하게 향상시킬 수 있다.
나타낸 구현예에서, 공정 제어 밸브(9), 반응기 공급 밸브, 압력 변환기(12), 및/또는 제어 시스템(34)의 전자 구성 요소는 고온 처리와 호환되도록 제조될 수 있다. 예를 들어, 공정 제어 밸브(9)는 오하이오주 솔론 소재의 Swagelok사에 의해 제조된 ALD 또는 DH 시리즈 밸브와 같이, 고속 반응을 갖는 고온 다이어프램 밸브를 포함할 수 있다. 마찬가지로 압력 변환기(12)는 용량성 마노미터 압력 변환기와 같은 고온 호환 센서를 포함할 수 있다. 제어 시스템(34)의 일부 구성 요소 또는 와이어는 또한 고온 환경에서 작동하도록 구성될 수 있다.
작동 중에, 압력 변환기(12)는 공정 제어 챔버(10)의 압력을 모니터링하고 제어 시스템(34)에 측정된 압력을 전달할 수 있다. 밸브(9)가 이원 온/오프 밸브를 포함하는 구현예에서, 제어 시스템(34)은 측정된 압력에 기초하여, 밸브(9)를 개방하거나 폐쇄하기 위해 제어 밸브(9)에 명령을 전송할 수 있다. 예를 들어, 다양한 구현예에서, 폐쇄 루프 제어 시스템은, 압력 변환기(12)에 의해 측정된 공정 제어 밸브(9)의 압력 피드백에 기초하여 밸브(9)의 개방 및/또는 폐쇄를 제어(예, 타이밍, 주파수 등)할 수 있다. 다양한 구현예에서, 예를 들어 비례-적분-미분(PID) 제어기가 제어 밸브(9)의 작동을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 제어 시스템(34)은, 제어 밸브(9)가 개방되어야 하는 지속 시간을 결정하여, PID 또는 다른 제어기에 제공되는 공정 챔버 설정 희망 압력에 도달하거나 유지할 수 있다. 또한, 반응기 공급 밸브(11)는, 공정 제어 챔버(10)용 설정 압력에, 예를 들어 공정 제어 챔버(10) 내 반응물 증기의 압력에 적어도 부분적으로 기초하여, 원하는 양의 반응물 증기를 반응 챔버(30)에 생성하도록 선택된 펄스 시간을 갖게 프로그래밍될 수 있다. 반응 챔버(30)에 대한 반응물 증기의 유량은, 공정 제어 챔버의 압력(예, 설정 압력과 거의 유사함)과 반응기 공급 밸브(11)의 펄스 시간에 적어도 부분적으로 기초하여 결정될 수 있다. 고체 공급원 용기(2)에서 소비된 고체 공급원의 양은, 유량에 기초하여 추정될 수 있다. 다양한 구현예에서, 반응기 공급 밸브(11)의 펄스 시간은, 용기(2) 내의 고체 공급원 소비량을 고려하여 조절될 수 있다. 반응물의 승화 속도가 변화하면, 제어 시스템(34)은, 공정 제어 챔버(10)의 재충전 시간을 자동적으로 조절할 수 있다. 챔버(10) 내의 측정된 압력에 기초하여 공정 제어 챔버(10)에 반응물 증기의 계량을 제어하면, 웨이퍼 수율과 증착 균일성을 유리하게 개선할 수 있다. 다른 구현예에서, 제어 시스템(34)은 흐름 컨덕턴스를 조절하기 위해 제어 밸브(9)에 명령을 전송하여, 복수의 흐름 컨던턴스 값을 따라 밸브(9)를 통한 반응물 증기의 유량을 증가 또는 감소시킨다.
다양한 구현예에 따른 제어 시스템(34)은 또한 시간 경과에 따른 승화 속도의 변화를 자동으로 고려할 수 있다. 고체 전구체의 경우, 승화 속도는 공급원 용기(2)의 기하 구조에 적어도 부분적으로 의존할 수 있다. 예를 들어, 고체 전구체가 소비됨에 따라, 공급원 용기(2)의 내부 부피는 변할 수 있고, 고체 재료의 노출된 표면적이 또한 변할 수 있는데, 그 이유는 고체 재료의 덩어리가 용기(2)의 일부 영역에 배치될 수 있는 반면에 용기(2)의 다른 영역은 고체 재료가 없을 수 있기 때문이다. 공급원 용기(2) 부피 및 노출된 고체 전구체 표면적의 변화는, 승화 속도를 변화시킬 수 있고, 반응기에 전달된 가스의 반응물 함량에 영향을 미칠 수 있다. 제어 밸브(9)용 압력 설정은, 고체 공급원의 증기압보다 낮은 수준으로 설정될 수 있고, 승화 속도를 변경하여 자동 보상하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 승화 속도가 감소하면, 밸브(9)는 제어 압력 설정점에 도달하기 위해 더 긴 기간 동안 개방된 상태로 자동 보상할 수 있다. 제어 밸브(9)에 대한 폐쇄 루프 피드백 제어를 사용하면, 따라서 사용자가 승화 속도 변화를 지속적으로 모니터링 및 보상하지 않으면서 승화 속도의 변화를 자동 보상할 수 있다.
따라서, 제어 시스템(34)을 갖는 공정 제어 밸브(9), 압력 변환기(12) 및 피드백 회로는, 고체 반응물 공급원으로부터 기상 반응물의 효율적이고 효과적인 용량 계량 또는 전달을 제공하기 위해, 공정 제어 챔버(10)의 압력을 정확하게 제어할 수 있다. 고온 호환성 밸브(9), 압력 변환기(12), 및/또는 제어 시스템(34)의 구성 요소를 사용하면, 시스템의 전체 크기를 또한 감소시킬 수 있고, 기화된 반응물을 반응기(21)에 정확하게 공급하는 폐쇄 루프 피드백 제어를 제공할 수 있다.
도 2는 다양한 구현예에 따라, 반도체 처리 방법(40)을 나타내는 흐름도이다. 방법(40)은 블록(41)에서 시작하고, 여기서 고체 반응물(예, 증착 전구체) 미립자는 승화 공정을 통해 반응물 증기로 기화된다. 예를 들어, 고체 반응물의 입자는 고체 공급원 용기에 배치되어 승화 온도 초과의 온도로 가열될 수 있다. 일부 구현예에서, 반응물 증기를 반응기에 전달하는 것을 보조하기 위해 비활성 캐리어 가스가 제공될 수 있다. 다른 구현예에서, 별도의 비활성 캐리어 가스를 사용하지 않을 수 있다. 다양한 구현예에서, 고체 공급원 용기는 제1 열 구역에 배치될 수 있고, 이는 제1 열 구역의 제1 온도를 반응물 재료의 승화 온도 위로 유지하도록 구성된 하나 이상의 히터를 포함한다. 다양한 구현예에서, 예를 들어 제1 열 구역에서 온도가 더 높으면 고체 전구체의 활용도를 증가시킬 수 있다. 제1 열 구역의 온도는 (예를 들어, 승화 온도 초과로) 충분히 높아서, 상기 기화된 전구체의 재고상화를 방지할 수 있다.
블록(42)을 보면, 반응물 증기는 공정 제어 챔버로 전달될 수 있다. 예를 들어, 밸브(예컨대 반응물 밸브(7))는, 공급원(2)에서 반응물 가스 라인으로 반응물 증기를 전달하기 위해 제어 가능하게 개방되고 폐쇄될 수 있다. 전술한 바와 같이, 다양한 구현예에서, 반응물 밸브(7)는 온/오프 밸브를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 반응물 증기는, 고체 입자 또는 액적을 포획하는 가열된 필터를 통과할 수 있고, 전달된 반응물이 기체 상태임을 보장할 수 있다. 공정 제어 챔버는, 기화된 반응물이 반응기의 반응 챔버에 전달되기 전에 수집되는 중간 계량 부피로 역할할 수 있다.
블록(43)에서, 공정 제어 챔버의 상류에 위치하는 공정 제어 밸브의 작동은 제어 시스템에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 다양한 구현예에서, 공정 제어 밸브는 상기 공정 제어 챔버의 측정된 압력에 적어도 부분적으로 기초하여, 조절될(예, 개폐 또는 설정 흐름 컨덕턴스로 조절될) 수 있다. 본원에서 설명되는 바와 같이, 압력 변환기는 공정 제어 챔버 내의 압력을 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 제어 시스템은, 공정 제어 밸브를 통해 공정 제어 챔버로 반응물 증기의 유입을 제어하기 위해 적절한 제어 방법(예컨대 PID 제어기의 설정 압력을 통해 폐쇄 루프 제어)을 이용할 수 있다. 다양한 구현예에서, 공정 제어 챔버(10), 필터(8), 공정 제어 밸브(9), 및 압력 변환기(12) 중 하나 이상은, 제1 열 구역과 비교시 더 높은 온도로 설정될 수 있는 제2 열 구역에 배치될 수 있다.
블록(44)을 보면, 공정 제어 챔버 내의 기화된 반응물을 반응기로 전달할 수 있다. 다양한 구현예에서, 공정 제어 챔버의 하류에 있는 반응기 공급 밸브는 기화된 반응물을 반응 챔버에 공급하도록 활성화될 수 있다. 다양한 구현예에서, 예를 들어 반응기 공급 밸브는 기화된 반응물을 반응기 내로 펄스화하도록 구성될 수 있다. 제어 시스템 내로 하드와이어 또는 프로그래밍될 수 있는 증착 공정 레시피에 따라 제어 시스템으로 반응기 공급 밸브의 펄스화를 제어할 수 있다.
전술한 것이 명확성 및 이해의 목적을 위해 예시 및 실시예로서 상세하게 설명되었지만, 특정 변경 및 변형이 실시될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 설명 및 실시예가 본 발명의 범주를 본원에 기술된 특정 구현예 및 실시예로 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며, 오히려 개시된 구현예의 진정한 범주 및 사상에 따른 모든 변형 및 대안도 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 본원에서 설명된 모든 특징, 양태 및 장점이 본 구현예를 실시하기 위해 반드시 요구되는 것은 아니다.

Claims (20)

  1. 반도체 처리 장치로서,
    반응기;
    기화된 반응물을 상기 반응기에 공급하도록 구성된 고체 공급원 용기;
    상기 고체 공급원 용기와 상기 반응기 사이에서, 상기 고체 공급원 용기 및 상기 반응기와 유체 연통하는, 공정 제어 챔버;
    상기 고체 공급원 용기와 상기 공정 제어 챔버 사이에서, 상기 공정 제어 챔버의 상류에 있는 공정 제어 밸브; 및
    상기 공정 제어 챔버에서 측정된 압력의 피드백에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 공정 제어 밸브의 작동을 제어하도록 구성된 제어 시스템을 포함하는, 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공정 제어 챔버 내 압력을 측정하도록 구성된 압력 변환기를 추가로 포함하는 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제어 시스템은 비례-적분-미분(PID) 제어기를 포함하는, 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 공정 제어 밸브는 온/오프 이원 밸브를 포함하는, 장치.
  5. 제1항에 있어서, 제1 온도에서의 제1 열 구역과 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서의 제2 열 구역을 추가로 포함하되, 상기 고체 공급원 용기는 상기 제1 열 구역에 배치되고, 상기 공정 제어 밸브와 상기 공정 제어 챔버는 상기 제2 열 구역에 배치되는, 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제2 온도는 5°C 내지 45°C 범위의 양만큼 상기 제1 온도보다 높은, 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 고체 공급원 용기와 상기 공정 제어 챔버 사이에 필터를 추가로 포함하는, 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 기화된 반응물을 상기 반응기로 펄스화하도록 구성되며 상기 공정 제어 챔버와 상기 반응기 사이에 있는 반응기 공급 밸브를 추가로 포함하는 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 반응기는 반응 챔버, 및 상기 기화된 반응물을 상기 반응 챔버 내로 분산시키는 분산 장치를 포함하는, 장치.
  10. 기화된 반응물을 형성하기 위한 장치로서, 상기 장치는,
    제1 온도에서 제1 열 구역에 배치된 고체 공급원 용기;
    상기 고체 공급원 용기의 하류에 있고 이와 유체 연통하며, 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 제2 열 구역에 배치되고 상기 기화된 반응물을 상기 공정 제어 챔버의 하류에 있는 반응기에 전달하도록 구성되는 공정 제어 챔버;
    상기 공정 제어 챔버의 상류에 있고 상기 고체 공급원 용기와 상기 공정 제어 챔버 사이의 상기 제2 열 구역에 배치된 공정 제어 밸브; 및
    상기 공정 제어 챔버에서 측정된 압력의 피드백에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 공정 제어 밸브의 작동을 제어하도록 구성된 제어 시스템을 포함하는, 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 공정 제어 챔버 내 압력을 측정하도록 구성된 압력 변환기를 추가로 포함하는 장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 제어 시스템은 비례-적분-미분(PID) 제어기를 포함하는, 장치.
  13. 제10항에 있어서, 상기 공정 제어 밸브는 온/오프 이원 밸브를 포함하는, 장치.
  14. 제10항에 있어서, 상기 고체 공급원 용기와 상기 공정 제어 챔버 사이의 필터를 추가로 포함하는, 장치.
  15. 제10항에 있어서, 상기 기화된 반응물을 상기 반응기로 펄스화하도록 구성되며 상기 공정 제어 챔버와 상기 반응기 사이에 있는 반응기 공급 밸브, 및 상기 공정 제어 부피 하류에 있는 상기 반응기를 추가로 포함하는, 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 반응기는 반응 챔버, 및 상기 기화된 반응물을 상기 반응 챔버 내로 분산시키는 분산 장치를 포함하는, 장치.
  17. 기화된 반응물을 형성하는 방법으로서, 상기 방법은,
    고체 반응물을 기화시켜 반응물 증기를 형성하는 단계;
    상기 반응물 증기를 공정 제어 챔버로 전달하는 단계;
    상기 공정 제어 챔버에서 측정된 압력의 피드백에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 공정 제어 챔버의 상류에 있는 공정 제어 밸브의 작동을 제어하는 단계; 및
    상기 반응물 증기를 상기 공정 제어 챔버에서 반응 챔버로 전달하는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서, 압력 변환기를 이용해 상기 공정 제어 챔버 내의 압력을 측정하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 공정 제어 밸브의 작동을 제어하는 단계는 비례-적분-미분(PID) 제어기를 사용하는 단계를 포함하는, 방법.
  20. 제17항에 있어서, 상기 공정 제어 밸브의 작동을 제어하는 단계는 상기 공정 제어 밸브가 개방되는 지속 시간을 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
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