KR20230151975A - 가스 시일링을 갖는 화학적 증착 챔버 - Google Patents

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KR20230151975A
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라메시 찬드라세카란
제레미 터커
사안그루트 상플렁
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램 리써치 코포레이션
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Abstract

화학적 분리 챔버 내에 형성된 화학적 증착 챔버를 갖는 화학적 증착 장치는 가스 시일링을 포함한다. 화학적 증착 챔버는 반도체 기판을 프로세싱하기 위해 웨이퍼 캐비티로 반응기 화학물질들을 전달하기 위한 가스 유입부들을 갖는 대면 플레이트를 갖는 샤워헤드 모듈을 포함한다. 샤워헤드 모듈은 웨이퍼 캐비티로부터 반응 가스 화학물질들 및 불활성 가스들을 제거하기 위한 1차 배기 가스 유출부들을 포함한다. 불활성 가스 피드부는 가스 시일링을 형성하기 위해 적어도 부분적으로 샤워헤드 모듈의 단차와 페데스탈 모듈 사이의 갭을 통해 방사상 내측으로 흐르는 시일링 가스를 전달한다. 2차 배기 가스 유출부들은 큰 페클릿 수 (Peclet number) 를 제공하도록 갭을 통해 흐르는 적어도 일부 불활성 가스를 인출한다.

Description

가스 시일링을 갖는 화학적 증착 챔버{CHEMICAL DEPOSITION CHAMBER HAVING GAS SEAL}
본 발명은 화학적 증착을 수행하기 위해 그리고 플라즈마 강화된 화학적 증착들을 수행하는데 사용하기 위한 프로세스들 및 장치들에 관한 것이다.
플라즈마 프로세싱 장치들은 에칭, PVD (physical vapor deposition), CVD (chemical vapor deposition), PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition), ALD (atomic layer deposition), PEALD (plasma enhanced atomic layer deposition), PDL (pulsed deposition layer), PEPDL (plasma enhanced pulsed deposition layer) 프로세싱 및 레지스트 제거를 포함하는 기법들에 의해 반도체 기판들을 프로세싱하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 프로세싱에 사용된 일 타입의 플라즈마 프로세싱 장치는 상단 전극 및 하단 전극을 포함하는 반응 챔버 또는 증착 챔버를 포함한다. RF (radio frequency) 전력이 반응 챔버 내에서 반도체 기판들을 프로세싱하기 위해 프로세스 가스를 플라즈마로 여기하도록 전극들 사이에 인가된다.
일 실시예에 따라, 가스 시일링을 갖는 화학적 증착 챔버는 대면 플레이트 밑의 웨이퍼 캐비티 내에 반도체 기판을 지지하도록 구성된 샤워헤드 모듈 및 페데스탈 모듈을 포함한다. 대면 플레이트는 웨이퍼 캐비티로 프로세스 가스를 전달하도록 구성된 복수의 가스 유입부들을 포함한다. 샤워헤드 모듈은 웨이퍼 캐비티로부터 반응 가스 화학물질들 및 불활성 가스들을 제거하도록 구성된 1차 배기 가스 유출부들을 포함한다. 샤워헤드 모듈은 웨이퍼 캐비티의 외측 주변부의 단차부 및 단차부와 페데스탈 모듈 사이의 갭에 가스 시일링을 형성하기 위해 불활성 가스를 전달하도록 구성된 불활성 가스 피드부를 포함한다. 샤워헤드 모듈은 주 배기 가스 유출부들의 방사상 외측에 위치된 2차 배기 가스 유출부들로서, 2차 배기 가스 유출부들은 갭을 통해 방사상 내측으로 흐르는 불활성 가스 중 적어도 일부를 제거하도록 구성되는, 2차 배기 가스 유출부들을 포함한다.
또 다른 실시예에 따라, 상기 기술된 화학적 증착 챔버의 웨이퍼 캐비티로부터 반응 가스 화학물질들이 탈출하는 것을 억제하는 (containing) 방법은 다음의 단계들: (a) 페데스탈 모듈 상에 반도체 기판을 지지하는 단계; (b) 대면 플레이트의 가스 유입부들을 통해 프로세스 가스를 흘리는 단계; (c) 웨이퍼 캐비티로부터 1차 배기 가스 유출부들을 통해 가스들을 인출하는 단계; (d) 불활성 가스 피드를 통해 불활성 가스를 흘림으로써 단차부와 페데스탈 모듈 사이의 갭에 가스 시일링을 유지하는 단계; 및 (e) 2차 배기 가스 유출부들을 통해 갭을 통해 방사상 내측으로 흐르는 불활성 가스의 적어도 일부를 인출하는 단계를 포함한다.
도 1a는 예시적인 실시예에 따른 페데스탈을 갖는 화학적 증착 장치를 도시하는 개략도이다.
도 1b는 예시적인 실시예에 따른 페데스탈을 갖지 않은 화학적 증착 장치를 도시하는 개략도이다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 가스 기반 시일링 시스템의 단면도이다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 가스 기반 시일링 시스템의 단면도이다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 가스 기반 시일링 시스템의 단면도이다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 가스 기반 시일링 시스템의 단면도이다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른 가스 기반 시일링 시스템의 단면도이다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 가스 기반 시일링 시스템의 개략도이다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른 가스 기반 시일링 시스템에 대한 압력 및 밸브 각도 대 시간을 도시하는 차트이다.
도 9는 시일링 가스 장치 및 대면 플레이트의 주변부 둘레의 주 배기 가스 유출부들을 갖는 샤워헤드 모듈 내 가스 플로우를 예시한다.
도 10은 가스 시일링 장치, 대면 플레이트의 주변부 둘레의 주 배기 가스 유출부들 및 주 배기 가스 유출부들의 외측 및 시일링 가스 유입부들의 내측의 2차 배기 가스 유출부들을 갖는 샤워헤드 모듈의 가스 플로우를 예시한다.
도 11은 주 배기 가스 유출부들 및 2차 배기 가스 유출부들을 갖는 샤워헤드 모듈에 대한 가스 플로우를 예시한다.
도 12는 내측 링의 하부 표면에 시일링 가스 유출부들을 갖는 2-피스 격리 링 및 내측 링의 내측 표면의 2차 배기 가스 유출부들을 갖는 샤워헤드 모듈을 예시한다.
도 13은 내측 링이 샤워헤드 모듈의 대면 플레이트 및 백킹 플레이트 둘레에 어떻게 피팅하는 (fit) 지를 도시한다.
도 14는 샤워헤드 모듈의 상단 플레이트의 2차 배기 통로들로 연결하는 가스 연결부들을 도시한다.
이하의 상세한 개시에서, 예시적인 실시예들은 본 명세서에 개시된 장치 및 방법들의 이해를 제공하기 위해 언급되었다. 그러나, 당업자에게 자명한 바와 같이, 예시적인 실시예들은 이들 구체적인 상세들 없이 또는 대안적인 엘리먼트들 또는 프로세스들을 사용함으로써 실시될 수도 있다. 다른 예들에서, 공지의 프로세스들, 절차들, 및/또는 컴포넌트들은 본 명세서에 개시된 실시예들의 양태들을 불필요하게 모호하게 하지 않도록 기술되지 않았다.
예시적인 실시예에 따라, 본 명세서에 개시된 장치들 및 연관된 방법들은 PECVD와 같은 화학적 증착에 사용될 수 있다. 장치 및 방법들은 다단계 증착 프로세스들 (예를 들어, ALD (atomic layer deposition), PEALD (plasma enhanced atomic layer deposition), PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition), PDL (pulsed deposition layer), 또는 PEPDL (plasma enhanced pulsed deposition layer) 프로세싱) 에서 자기제한 증착 단계들의 분리를 요구하는 반도체 제조 기반 유전체 증착 프로세스와 함께 사용될 수 있지만, 이렇게 제한되지 않는다.
나타낸 바와 같이, 본 실시예들은 PECVD와 같은 화학적 증착을 수행하기 위한 장치 및 연관된 방법들을 제공한다. 장치 및 방법들은 다단계 증착 프로세스들 (예를 들어, ALD (atomic layer deposition), PEALD (plasma enhanced atomic layer deposition), PDL (pulsed deposition layer), 또는 PEPDL (plasma enhanced pulsed deposition layer) 프로세싱) 에서 자기제한 증착 단계들의 분리를 요구하는 반도체 제조 기반 유전체 증착 프로세스와 함께 사용하기에 특히 적용가능하지만, 이렇게 제한되지 않는다.
전술한 프로세스들은 증착된 재료를 수용하는 웨이퍼 또는 기판에 걸쳐 불균일한 온도들과 연관된 일부 결함들을 겪을 수 있다. 예를 들어, 불균일한 온도들은 주변 챔버 컴포넌트들과 열적으로 콘택트하는 패시브 가열된 샤워헤드가 주변 컴포넌트들로 열을 손실할 때 기판을 가로질러 전개될 수도 있다. 따라서, 프로세싱 존의 상부 벽을 형성하는 샤워헤드는 등온 프로세싱 존이 형성될 수도 있어서 기판에 걸쳐 균일한 온도들을 형성하도록 주변 컴포넌트들로부터 열적으로 분리되는 것이 바람직하다. 기판에 걸쳐 균일한 온도들은 기판의 균일한 프로세싱을 돕고, 기판 온도는 증착 프로세스를 위한 활성화 에너지를 제공하고 따라서 증착 반응을 구동하기 위한 제어 수단이다.
더욱이, 일반적으로 2 개의 주요 타입의 증착 샤워헤드들, 즉 샹들리에 타입 (chandelier type) 및 플러시 마운트 (flush mount) 타입이 있다. 샹들리에 타입 샤워헤드들은 그 일단이 챔버의 상단에 부착되고 타단이 대면플레이트에 부착된 스템부를 가지며 이로써 샹들리에와 유사하다. 이 스템부의 일부는 가스 라인들과 RF 전력의 접속을 가능하게 하도록 챔버 상단으로부터 돌출할 수도 있다. 플러시 마운트 타입 샤워헤드들은 챔버의 상단 내로 통합되며 스템부를 가지지 않는다. 본 실시예들은 플러시 마운트 타입 샤워헤드에 관한 것이며, 플러시 마운트 타입 샤워헤드는 챔버 공간 (chamber volume) 을 감소시키고, 챔버 공간은 프로세싱 동안에 진공 소스에 의해서 배기되어야 한다.
도 1a 및 도 1b는 본 명세서에서 개시된 실시예들에 따른 화학적 증착 장치 (100) 를 도시하는 개략도들이다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 화학적 증착 장치는 화학적 격리 챔버 또는 하우징 (110), 증착 챔버 (120), 샤워헤드 모듈 (130) 및 이동형 페데스탈 모듈 (140) 을 포함하며, 이동형 페데스탈 모듈은 페데스탈 모듈 (140) 의 상부 표면 상의 기판 (또는 웨이퍼) (190) 위치를 상승 및 하강시키도록 샤워헤드 모듈 (130) 에 대해서 수직으로 상승 또는 하강될 수 있다. 샤워헤드 모듈 (130) 도 또한 수직으로 상승 및 하강될 수 있다. 반응 물질 가스들 (또는 프로세스 가스들)(192)(도 3) 이 샤워헤드 모듈 (130) 의 중앙 플레넘 (202)(도 6) 을 통해 가스 라인들 (112) 을 통해 서브-챔버 (또는 웨이퍼 캐비티)(150) 내로 도입된다. 가스 라인들 각각 (112) 은 격리 밸브들 (미도시) 을 사용하여 장치 (100) 로부터 격리될 수 있는 대응하는 축적기 (accumulator)(미도시) 를 가질 수 있다. 예시적인 실시예에 따라, 장치 (100) 는 사용되는 반응 가스들의 수에 따라 격리 밸브들 및 축적기들을 갖는 하나 이상의 가스 라인들 (112) 을 갖도록 수정될 수 있다. 또한, 반응 가스 전달 라인들 (112) 은 복수의 화학적 증착 장치들 또는 다중-스테이션 시스템 간에서 공유될 수 있다.
예시적인 실시예에 따라, 챔버 (120) 는 진공 소스 (미도시) 에 연결된 하나 이상의 진공 라인들 (160)(도 2) 을 통해서 배기될 수 있다. 예를 들어, 진공 소스는 진공 펌프 (미도시) 일 수 있다. 멀티-스테이션 반응기들에서, 예를 들어, 동일한 증착 프로세스를 수행하는 복수의 스테이션들 또는 장치들 (100) 을 갖는 멀티-스테이션 반응기들에서, 다른 스테이션으로부터의 진공 라인 (160) 은 진공 라인 (160) 과 공통 포어라인 (foreline) 을 공유할 수 있다. 또한, 장치 (100) 는 스테이션 또는 장치 (100) 마다 하나 이상의 진공 라인들 (160) 을 갖도록 수정될 수 있다.
예시적인 실시예에 따라, 복수의 배기 도관들 (evacuation conduits) (170) 이 샤워헤드 모듈 (130) 의 대면플레이트 (136) 내의 하나 이상의 배기 유출부들 (174) 과 유체로 연통하도록 구성될 수 있다. 배기 유출부들 (174) 은 증착 프로세스들 간에서 웨이퍼 캐비티 (150) 로부터 프로세스 가스들 또는 반응기 화학물질들 (192) 을 제거하도록 구성될 수 있다. 복수의 배기 도관들 (170) 은 또한 하나 이상의 진공 라인들 (160) 과 유체로 연통한다. 복수의 배기 도관들 (170) 은 기판 (190) 주변의 원주 방향으로 이격될 수 있고 균일하게 이격될 수도 있다. 몇몇 예들에서, 복수의 배기 도관들 (170) 의 이격은 진공 라인들 (160) 의 위치들을 보상하도록 설계될 수도 있다. 일반적으로 복수의 배기 도관들 (170) 보다 더 적은 개수의 진공 라인들 (160) 이 존재하기 때문에, 진공 라인 (160) 에 가장 가까운 도관 (170) 을 통한 흐름은 더 멀리 떨어진 도관을 통한 흐름보다 높을 수도 있다. 평활한 흐름 패턴을 보장하기 위해서, 도관들 (170) 은 이들이 진공 라인들 (160) 로부터 멀리 떨어져 있으면 서로 보다 가깝게 이격될 수 있다. 가변 플로우 전달기 (variable flow conductor) 를 포함하는 복수의 도관들 (170) 을 포함하는 화학적 증착 장치 (100) 의 예시적인 실시예는 공동으로 양도된 미국 특허 제 7,993,457 호에서 찾을 수 있으며, 이 문헌은 그 전체가 본 명세서에서 참조로서 인용된다.
본 명세서에 개시된 실시예들은 바람직하게는 플라즈마 강화된 화학 기상 증착 장치 (예를 들어, PECVD 장치, PEALD 장치 또는 PEPDL 장치) 에서 구현된다. 이러한 장치는 상이한 형태를 취할 수 있는데, 이 장치는 하나 이상의 기판들 (190) 을 하우징하고 기판 프로세싱에 적합한, 상술한 바와 같이 멀티 스테이션들 또는 증착 챔버들 (120) 을 포함할 수 있는, 하나 이상의 챔버들 또는 "반응기들" (110) 을 포함할 수 있다. 챔버 각각 (120) 은 프로세싱을 위해서 하나 이상의 기판들을 하우징할 수도 있다. 하나 이상의 챔버들 (120) 은 구획된 위치 또는 위치들에서 (이러한 위치에서 예를 들어, 회전, 진동 또는 다른 요동과 같은 움직임을 가지면서 또는 가지지 않으면서) 기판 (190) 을 유지한다. 일 실시예에서, 증착 및 처리를 받고 있는 기판 (190) 은 프로세스 동안에 장치 (100) 내에서 일 스테이션 (예를 들어, 증착 챔버 (120)) 으로부터 또 다른 스테이션으로 전달될 수 있다. 프로세스 동안에, 기판 (190) 각각은 페데스탈 모듈 (140) 의 페데스탈, 웨이퍼 척 및/또는 다른 웨이퍼 홀딩 장치에 의해서 제자리에서 홀딩된다. 기판 (190) 이 가열될 특정 동작들을 위해서, 페데스탈 모듈 (140) 은 가열 플레이트와 같은 가열기를 포함할 수도 있다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 가스 기반 시일링 시스템 (200) 을 갖는 화학적 증착 장치 (100) 의 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 화학적 증착 장치 (100) 는 페데스탈 모듈 (140) 의 상부 표면 (142) 으로부터 반도체 기판 (또는 웨이퍼) (190) 을 수용하고 그리고/또는 방출하도록 구성되는 기판 페데스탈 모듈 (140) 을 포함한다. 하부 위치에서, 기판 (190) 은 페데스탈 모듈 (140) 의 표면 (142) 상에 배치되고, 이어서 샤워헤드 모듈 (130) 을 향해 수직으로 상향으로 상승된다. 예시적인 실시예에 따라, 웨이퍼 캐비티 (150) 를 형성하는 페데스탈 모듈 (140) 의 상부 표면 (142) 과 샤워헤드 모듈 (130) 의 하부 표면 (132) 사이의 거리는 약 0.2 인치 (5 ㎜) 내지 약 0.6 인치 (15 ㎜) 일 수 있다. 웨이퍼 캐비티 (150) 에 가까워지도록 페데스탈 모듈 (140) 로의 상향으로 수직 이동은 샤워헤드 모듈 (130) 의 대면 플레이트 (136) (도 1a 및 도 1b) 의 외측 부분 (131) 둘레에 페데스탈 모듈 (140) 과 단차부 (135) 사이에 좁은 갭 (240) 을 생성한다.
예시적인 실시예에서, 챔버 (120) 내부 온도는 샤워헤드 모듈 (130) 및/또는 페데스탈 모듈 (140) 내의 가열 메카니즘을 통해서 유지될 수 있다. 예를 들어, 기판 (190) 은 샤워헤드 모듈 (130) 및 페데스탈 모듈 (140) 이 목표된 온도로 기판 (190) 을 유지하도록 구성되는 등온 분위기 내에 위치될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 샤워헤드 모듈 (130) 은 250 ℃ 보다 높은 온도로 가열되고 그리고/또는 페데스탈 모듈 (140) 도 50 ℃ 내지 550 ℃ 범위로 가열될 수 있다. 증착 챔버 또는 캐비티 (150) 는 페데스탈 모듈 (140) 과 함께 동작하는 샤워헤드 모듈 (130) 을 포함하는 용량 결합형 플라즈마 타입 시스템에 의해서 생성되는 플라즈마를 담는 역할을 한다.
매칭 네트워크 (미도시) 에 연결된 고주파수 (HF) RF 생성기 및 저주파수 (LF) RF 생성기와 같은 RF 소스(들)(미도시) 가 샤워헤드 모듈 (130) 에 연결된다. 매칭 네트워크에 의해서 공급되는 전력 및 주파수는 프로세스 가스/증기로부터 플라즈마를 생성하기 충분하다. 일 실시예에서, HF 생성기 및 LF 생성기 모두가 사용될 수 있다. 통상적인 프로세스에서, HF 생성기는 일반적으로 약 2 내지 100 ㎒의 주파수에서 동작하며, 바람직한 실시예에서는 13.56 ㎒에서 동작한다. LF 생성기는 일반적으로 약 50 ㎑ 내지 2 ㎒의 주파수에서 동작하며, 바람직한 실시예에서는 350 내지 600 ㎑에서 동작한다. 프로세스 파라미터들은 챔버 공간, 기판 크기, 및 다른 인자들에 따라서 크기가 조절될 수 있다. 예를 들어, HF 생성기 및 LF 생성기의 전력 출력들은 통상적으로 기판의 증착 표면적에 직접적으로 비례한다. 예를 들어, 300 ㎜ 웨이퍼들에서 사용되는 전력은 일반적으로 200 ㎜ 웨이퍼들에서 사용되는 전력보다 적어도 2.25 높을 것이다. 마찬가지로, 표준 증기 압력과 같은 플로우 레이트들은 예를 들어, 증착 챔버 (120) 의 자유 공간 (free volume) 에 의존할 수 있다.
증착 챔버 (120) 내에서, 페데스탈 모듈 (140) 은 재료들이 증착될 수도 있는 기판 (190) 을 지지한다. 페데스탈 모듈 (140) 은 통상적으로 증착 및/또는 플라즈마 처리 반응들 동안에 그리고 이들 간에서 기판을 홀딩 및 전달하는 척, 포크 또는 리프트 핀들을 포함한다. 페데스탈 모듈 (140) 은 정전 척, 기계적 척, 또는 본 산업 및/또는 연구에서 사용되도록 입수가능한 다양한 다른 타입의 척을 포함할 수도 있다. 페데스탈 모듈 (140) 은 목표된 온도로 기판 (190) 을 가열하기 위해서 가열기 블록에 커플링될 수 있다. 일반적으로, 기판 (190) 은 증착될 재료에 따라 약 25 ℃ 내지 500 ℃ 온도에서 유지된다.
예시적인 실시예에 따라, 가스 기반 시일링 시스템 (200) 은 프로세스 재료 또는 퍼지 가스의 플로우 동안 웨이퍼 캐비티 (150) 로부터의 플로우를 제어하고 조절하는 것을 돕도록 구성될 수 있다. 예시적인 실시예에 따라, 웨이퍼 캐비티 (150) 의 배기 또는 퍼지는 샤워헤드 모듈 (130) 을 통해 웨이퍼 캐비티 (150) 내로 피드되는 불활성 가스 또는 퍼지 가스 (미도시) 를 사용한다. 예시적인 실시예에 따라, 하나 이상의 도관들 (170) 은 페데스탈 모듈 (140) 아래 존으로부터 불활성 시일링 가스 (182) (도 2) 를 제거하도록 구성되는, 환형 배기 통로 (176) 를 통해 진공 라인들 (160) 에 연결될 수 있다.
예시적인 실시예에 따라, 샤워헤드 모듈 (130) 은 웨이퍼 캐비티 (또는 반응 챔버) (150) 로 반응기 화학물질들을 전달하도록 구성된다. 샤워헤드 모듈 (130) 은 복수의 유입부들 또는 쓰루홀들 (138) 및 백킹 플레이트 (139) 를 갖는 대면 플레이트 (136) 를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에 따라, 대면 플레이트 (136) 는 대면 플레이트 (136) 의 외주부 (137) 주변으로 연장하는 복수의 유입부들 또는 쓰루홀들 (138) 및 단차부 (135) 를 갖는 단일 플레이트일 수 있다. 대안적으로, 단차부 (135) 는 대면 플레이트 (136) 의 외측 부분 (131) 의 하부 표면에 고정되는 분리 링 (133) 일 수 있다. 예를 들어, 단차부 (135) 는 스크류들 (143) 을 사용하여 대면 플레이트 (136) 의 외측 부분 (131) 에 고정될 수 있다. 동심형 배기 유출부들 (174) 을 갖는 대면 플레이트 (136) 를 포함하는 프로세스 가스들의 분배를 위한 샤워헤드 모듈 (130) 의 예시적인 실시예는 전체가 참조로서 본 명세서에 인용되는, 공동으로 양도된 미국 특허 제 5,614,026 호에서 알 수 있다. 예를 들어, 예시적인 실시예에 따라, 배기 유출부들 (174) 은 복수의 유입부들 (138) 을 둘러싼다.
예시적인 실시예에 따라, 웨이퍼 캐비티 (150) 는 샤워헤드 모듈 (130) 의 대면 플레이트 (136) 의 하부 표면 (132) 및 기판 페데스탈 모듈 (140) 의 상부 표면 (142) 아래에 형성된다. 샤워헤드 모듈 (130) 의 대면 플레이트 (136) 내 복수의 동심 배기 도관들 또는 배기 유출부들 (174) 은 증착 프로세스들 사이의 웨이퍼 캐비티 (150) 로부터 프로세스 가스들 또는 반응기 화학물질들 (192) 을 제거하도록 복수의 도관들 (170) 중 하나 이상에 유체로 연통할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 장치 (100) 는 또한 하나 이상의 도관들 (184) 을 통해 가스 기반 시일링 시스템 (200) 의 외측 플레넘 (204) 으로 피딩되는,불활성 가스 또는 시일링 가스 (182) 의 소스 (180) 를 포함한다. 예시적인 실시예에 따라, 불활성 가스 또는 시일링 가스 (182) 는 질소 가스 또는 아르곤 가스일 수 있다. 예시적인 실시예에 따라, 불활성 가스 소스 (180) 는 웨이퍼 캐비티 (150) 로부터 외측으로 연장하고 대면 플레이트 (136) 의 외주부 (137) 및 페데스탈 모듈 (140) 상부 표면 (142) 둘레에서 단차부 (135) 의 하부 표면 (134) 사이에 형성되는 좁은 갭 (240) 을 통해 방사상 내측으로 흐르도록 하나 이상의 도관들 (184) 을 통해 불활성 시일링 가스 (182) 를 피딩하도록 구성된다. 예시적인 실시예에 따라, 불활성 시일링 가스 (182) 는 프로세싱 동안 가스 시일링을 형성하도록 좁은 갭 (240) 내 웨이퍼 캐비티 (150) 로부터의 프로세스 가스들 또는 반응기 화학물질들 (192) (도 3) 과 연통한다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 불활성 시일링 가스 (182) 만이 반응기 화학물질들 (192) 과 좁은 갭 내 불활성 가스 (182) 사이에 가스 시일링을 형성하는 좁은 갭 (240) 으로 부분적으로 들어간다. 대안적으로, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 불활성 가스 (182) 의 플로우는 웨이퍼 캐비티 (150) 의 외측 에지로 일 수 있고 샤워헤드 모듈 (130) 내 하나 이상의 배기 유출부들 (174) 을 통해 웨이퍼 캐비티 (150) 로부터 제거된다.
예시적인 실시예에 따라, 환형 배기 통로 (176) 는 복수의 배기 도관들 (170) 중 하나 이상으로 유체로 연결된다. 예시적인 실시예에 따라, 환형 배기 통로 (176) 는 하나 이상의 유출부들 (미도시) 을 갖고 기판 (190) 주변부 둘레의 존으로부터 불활성 가스들 (182) 을 제거하도록 구성되고 불활성 가스들 (182) 은 좁은 갭 (240) 을 통해 방사상 내측으로 이동하거나 흐른다. 배기 통로 (176) 는 기판 페데스탈 (140) 의 외측 부분 (144) 내에 형성된다. 환형 배기 통로 (176) 는 또한 기판 페데스탈 (140) 아래로부터 불활성 가스들 (182) 을 제거하도록 구성될 수 있다. 176과 유사한 복수의 도관들을 사용한 다른 실시예들은 보다 많은 불활성 가스 (182) 를 인출하고 배기 통로들 (178) 및 페데스탈 모듈 (140) 아래 부분 내로 불활성 가스의 보다 높은 플로우를 인에이블하는 것을 도울 수 있다. 배기 통로들 (178) 은 또한 웨이퍼 캐비티 (150) 내로 시일링 가스의 보다 적은 확산 및 시일링 가스에 대한 보다 큰 압력 강하를 생성하는 것을 도울 수 있다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 가스 기반 시일링 시스템 (200) 을 갖는 화학적 증착 장치 (100) 의 증착 챔버 (120) 의 일부의 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 외측 플레넘 (204) 은 대면 플레이트 (136) 의 외측 부분 (131) 내에 형성될 수 있다. 외측 플레넘 (204) 은 불활성 가스 소스 (180) 로부터 불활성 가스 (182) 를 수용하도록 구성되는 하나 이상의 도관들 (220) 을 포함할 수 있다. 불활성 가스 (182) 는 외측 플레넘 (204) 을 통해 하나 이상의 도관들 (220) 을 통해 하부 유출부 (228) 로 흐른다. 하부 유출부 (228) 는 좁은 갭 (240) 과 유체로 연통한다. 예시적인 실시예에 따라, 웨이퍼 캐비티 (150) 의 외측 에지 (152) 로부터 외측 플레넘 (204) 과 연통하는 대면 플레이트 (136) 의 외측 주변부 (141) 로의 거리는 무한하게 제어된 거리이다. 예를 들어, 캐비티 (150) 의 외측 에지 (152) 로부터 외측 플레넘 (204) 과 연통하는 대면 플레이트 (136) 의 외측 에지 (141) 로의 거리 (또는 폭) 는 약 5.0 ㎜ 내지 25.0 ㎜일 수 있다.
예시적인 실시예에 따라, 외측 플레넘 (204) 은 외측 환형 리세스 (222) 일 수 있다. 외측 환형 리세스 (222) 는 하나 이상의 도관들 (220) 을 통해 웨이퍼 캐비티 (150) 의 외측 에지 상의 좁은 갭 (240) 과 유체로 연통하도록 구성된다. 외측 환형 리세스 (222) 는 상부 환형 리세스 (224) 및 하부 환형 리세스 (226) 를 갖도록 구성될 수 있고, 상부 환형 리세스 (224) 는 하부 환형 리세스 (226) 보다 큰 폭을 갖는다. 예시적인 실시예에 따라, 하부 유출부 (228) 는 좁은 갭 (240) 과 유체로 연통하는 하부 환형 리세스 (226) 의 하부 부분 상의 환형 유출부이다.
예시적인 실시예에 따라, 도 3에 도시된 바와 같이, 불활성 가스 (182) 는 유한하게 제어된 거리로 이격된 웨이퍼 캐비티 (150) 의 외측 에지에서 외측 플레넘 (204) 을 통해 피딩된다. 외측 플레넘 (204) 을 통해 흐르는 불활성 가스 (182) 의 플로우 레이트는 페클릿 수가 약 1.0 보다 크도록, 따라서 도 3에 도시된 바와 같이, 웨이퍼 캐비티 (150) 내에 반응기 가스 화학물질들 (192) 을 억제한다. 예를 들어, 페클릿 수가 1.0보다 크다면, 불활성 가스 (182) 및 반응기 가스 화학물질들 (192) 은 좁은 갭 (240) 의 내측 부분 (242) 내에서 평형을 확립할 수 있다. 그 결과, 반응기 가스 화학물질들 (192) 이 기판 페데스탈 모듈 (140) 및 웨이퍼 캐비티 (150) 외부 증착 챔버 (120) 의 오염된 부분들 밑으로 흐르는 것이 방지될 수 있다.
예시적인 실시예에 따라, 프로세스가 일정한 압력 프로세스이면, 페데스탈 모듈 (140) 아래로부터 압력과 조합하여 불활성 가스 (182) 의 단일 (또는 일정한) 플로우는 웨이퍼 캐비티 (150) 내 반응기 가스 화학물질들 (192) 과 좁은 갭 (240) 을 통해 방사상 내측으로 흐르는 불활성 가스 (180) 사이에 불활성 가스 시일링을 보장하기에 충분할 수 있다. 예를 들어, 예시적인 실시예에 따라, 가스 기반 시일링 시스템 (200) 은, 일반적으로 상대적으로 일정한 압력 모드에서 실행될 수 있는, ALD Si의 옥사이드들과 함께 사용될 수 있다. 이에 더하여, 가스 기반 시일링 시스템 (200) 은, 예를 들어, 불활성 가스 (182) 의 플로우 레이트 또는 페데스탈 모듈 (140) 아래의 압력 및/또는 둘의 조합을 가변함으로써 ALD 나이트라이드 프로세스 동안 상이한 프로세스들에 걸친 가스 시일링 및 증착 챔버 (120) 및 웨이퍼 캐비티 (150) 내 압력 레짐들을 제어하기 위한 수단으로서 역할을 할 수 있다.
예시적인 실시예에 따라, 개별적으로 개시된 바와 같이 또는 배기 도관들 (174, 176) 과 연관된 압력들과 조합하여, 시일링 가스 시스템 (200) 은 프로세싱 동안 웨이퍼 캐비티 (150) 로부터 반응기 화학물질들 (192) 의 플로우 및/또는 확산을 방지하는 것을 도울 수 있다. 이에 더하여, 개별적으로, 또는 배기 도관들 (174, 176) 및 배기 도관들 (174, 176) 와 연관된 압력과 조합하여, 시스템 (200) 은 또한 웨이퍼 캐비티 (150) 내로 그리고 기판 (190) 상에 걸쳐 불활성 가스 (182) 의 벌크를 방지할 수 있다. 웨이퍼 캐비티 (150) 를 격리하기 위해 좁은 갭 (240) 내로 불활성 가스 (182) 의 플로우 레이트는 배기 유출부들 (174) 에 의해 상성된 압력에 기초하여 조정될 수 있다. 예시적인 실시예에 따라, 예를 들어, 불활성 가스 또는 시일링 가스 (182) 는 외측 플레넘 (204) 을 통해 약 100 cc/분 내지 약 5.0 slm (standard liters per minute) 의 레이트로 피딩될 수 있고, 이는 웨이퍼 캐비티 (150) 를 격리하도록 사용될 수 있다.
예시적인 실시예에 따라, 하나 이상의 배기 캐비티들 (250) 은 웨이퍼 캐비티 (150) 을 둘러싸는 페데스탈 모듈 (140) 의 외측 부분에 위치될 수 있다. 하나 이상의 배기 캐비티들 (250) 은 좁은 갭 (240) 및 하부 유출부 (228) 와 유체로 연통할 수 있고, 웨이퍼 캐비티 (150) 로부터 불활성 가스 소스 또는 피드 (180) 로 압력 강하를 부가할 수 있다. 하나 이상의 배기 캐비티들 (250) (또는 환형 채널) 은 또한 다양한 프로세스 및 압력 레짐들에 걸쳐, 예를 들어, ALD 나이트라이드 프로세싱 동안, 가스 시일링을 인에이블하도록 부가된 제어 메커니즘을 제공할 수 있다. 예시적인 실시예에 따라, 하나 이상의 배기 캐비티들 (250) 은 증착 챔버 (120) 둘레에 동일하게 이격될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 하나 이상의 배기 캐비티들 (250) 은 하부 유출부 (228) 보다 큰 폭이고 동심원인 환형 채널일 수 있다.
도 4는 가스 기반 시일링 시스템 (200) 을 갖는 화학적 증착 장치 (100) 의 증착 챔버 (120) 의 일부의 단면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 반응기 화학물질들 (192) 의 플로우 레이트가 불활성 가스 (182) 의 플로우 레이트보다 크거나 거의 같다면, 반응기 화학물질들 (192) 의 플로우는 웨이퍼 캐비티 (150) 외부로 연장될 수도 있고, 이는 바람직하지 않을 수도 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 환형 배기 통로 (176) 는 대면 플레이트 (136) 내 주 배기 통로 (174) 에 더하여 2차 배기 통로를 제공한다. 환형 배기 통로 (176) 는 기판 페데스탈 (140) 밑으로부터 그리고 기판 (190) 의 주변부를 둘러싸는 존으로부터 불활성 가스들 (182) 을 제거하도록 구성된다. 예시적인 실시예에 따라, 환형 배기 통로 (176) 는 하나 이상의 유출부들 (미도시) 을 갖고 기판 (190) 의 주변부를 둘러싸는 존으로부터의 불활성 가스들 (182) 및 좁은 갭 (240) 을 통해 방사상 내측으로 흐르거나 확산하는 불활성 가스들 (182) 을 제거하도록 구성된다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 가스 기반 시일링 시스템 (200) 을 갖는 화학적 증착 장치 (100) 의 증착 챔버 (120) 의 일부의 단면도이다. 외부 캐비티 (150) 로부터 불활성 가스 (182) 의 플로우는 반응기 화학물질들 (192) 의 플로우 레이트를 감소시킴으로써 또는 불활성 가스 (182) 의 플로우 레이트를 상승시킴으로써 생성될 수 있다. 예시적인 실시예에 따라,외측 플레넘 (204) 으로부터의 불활성 가스 (182) 는 웨이퍼 캐비티 (150) 내로 흐를 것이고 샤워헤드 모듈 (130) 내 하나 이상의 배기 유출부들 (174) 을 통해 제거될 수 있다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른 가스 기반 시일링 시스템 (300) 를 갖는 화학적 증착 장치 (100) 의 증착 챔버 (120) 의 일부의 단면도이다. 예시적인 실시예에 따라, 샤워헤드 모듈 (130) 의 중앙 플레넘 (202) 은 반응기 화학물질들 (192) 을 웨이퍼 캐비티 (150) 로 전달하는 복수의 유입부들 또는 쓰루홀들 (138) 을 포함한다. 웨이퍼 캐비티 (150) 는 또한 웨이퍼 캐비티 (150) 로부터 반응기 화학물질들 (192) 및 불활성 가스들 (182) 을 제거하는 동심 도관들 또는 배기 유출부들 (174) 을 포함한다. 동심 도관들 또는 배기 유출부들 (174) 은 백킹 플레이트 (139) 와 상부 플레이트 (310) 사이의 중간 플레넘 (208) 과 유체로 연통할 수 있다. 중간 플레넘 (208) 은 복수의 배기 도관들 (170) 중 하나 이상과 유체로 연통한다.
샤워헤드 모듈 (130) 은 또한 대면 플레이트 (136) 의 외주부 (137) 둘레에 불활성 가스 (182) 를 전달하도록 구성되는 수직 가스 통로 (370) 을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에 따라, 외측 플레넘 (206) 은 대면 플레이트 (136) 의 외주부 (137) 와 격리 링 (214) 의 내측 주변부 또는 에지 (212) 사이에 형성될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 시스템 (300) 은 상부 플레이트 (310) 내 내측 채널 (360) 내에 형성된 수직 가스 통로 (370) 및 백킹 플레이트 (139) 의 외측 부분 (320) 을 포함한다. 수직 가스 통로 (370) 는 불활성 가스 소스 또는 피드 (180) 로부터 불활성 가스 (182) 를 수용하도록 구성되는 하나 이상의 도관들 (312, 322) 을 포함한다. 예시적인 실시예에 따라, 불활성 가스 (182) 는 상부 플레이트 (310) 및 백킹 플레이트 (139) 의 외측 부분 (320) 을 통해 하나 이상의 도관들 (312, 322) 을 통해 하나 이상의 리세스들 및/또는 채널들 (330, 340, 350) 로 그리고 웨이퍼 캐비티 (150) 의 외측 에지로 흐른다.
예시적인 실시예에 따라, 하나 이상의 도관들 (312) 은 상부 환형 리세스 (314) 및 하부 외측 환형 리세스 (316) 를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에 따라, 상부 리세스 (314) 는 하부 리세스 (316) 보다 큰 폭을 갖는다. 이에 더하여, 하나 이상의 도관들 (322) 은 상부 플레이트 (310) 및 백킹 플레이트 (139) 의 외측 부분 (320) 내일 수 있다. 하나 이상의 도관들 (322) 은 상부 플레이트 (310) 상의 유출부 (318) 와 유체로 연통하는 유입부 (326) 및 좁은 갭 (240) 과 유체로 연통하는 유출부 (328) 를 갖는 환형 리세스를 형성할 수 있다. 예시적인 실시예에 따라, 외측 부분 (320) 내 유출부 (328) 는 좁은 갭 (240) 의 외측 에지 (243) 으로 샤워헤드 모듈 (130) 의 대면 플레이트 (136) 의 외측 주변부 둘레로 불활성 가스 (182) 의 플로우를 가이드하는 하나 이상의 리세스들 및/또는 채널들 (330, 340, 350) 과 유체로 연통할 수 있다.
예시적인 실시예에 따라, 불활성 가스 (182) 는 수직 가스 통로 (370) 를 통해 외측 플레넘 (206) 으로, 그리고 웨이퍼 캐비티 (150) 를 향해 좁은 갭 (240) 을 통해 적어도 부분적으로 방사상 내측으로 피딩된다. 하나 이상의 리세스들 및/또는 채널들 (330, 340, 350) 을 통해 흐르는 불활성 가스 (182) 의 플로우 레이트는 페클릿 수가 1.0보다 크도록 할 수 있고, 따라서 웨이퍼 캐비티 (150) 내에 반응 가스 화학물질들 (192) 을 억제한다. 예시적인 실시예에 따라, 페클릿 수가 1.0보다 크면, 불활성 가스 (182) 및 반응 가스 화학물질들 (192) 은 좁은 갭 (240) 의 내측 부분 (242) 내에 평형을 확립하고, 이는 반응 가스 화학물질들 (192) 이 페데스탈 모듈 (140) 밑으로 흐르는 것 및 웨이퍼 캐비티 (150) 외부의 증착 챔버 (120) 의 일부를 오염시키는 것을 방지한다. 예시적인 실시예에 따라, 웨이퍼 캐비티 (150) 로의 반응 가스 화학물질들 (192) 의 플로우를 억제함으로써, 시스템 (200) 은 프로세스 가스 (192) 의 사용을 감소시킬 수 있다. 이에 더하여, 시스템 (200) 은 또한 프로세싱 동안 프로세스 가스 (192) 를 사용한 웨이퍼 캐비티 (150) 의 충진 시간을 감소시킬 수 있다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 가스 기반 시일링 시스템 (400) 의 개략도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 시스템 (400) 은 웨이퍼 캐비티 (150) 로 불활성 또는 시일링 가스 (182) 및 프로세스 가스 (192) 를 각각 전달하도록 구성된, 불활성 또는 시일링 가스의 소스 (180) 및 프로세스 가스의 소스 (19) 를 포함한다. 시스템 (400) 은 또한 웨이퍼 캐비티 또는 캐비티 압력 (414), 및 하부 챔버 압력 (416) 을 각각 제어하는 웨이퍼 캐비티 또는 캐비티 압력 밸브 (410) 및 하부 챔버 압력 밸브 (412) 를 포함할 수 있다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른 가스 기반 시일링 시스템 (400) 에 대한 압력 및 밸브 각도 대 시간을 도시하는 차트 (500) 이다. 예시적인 실시예에 따라, 도 8에 도시된 바와 같이, 헬륨 형태의 프로세스 가스 (192) 는 0 내지 약 20 SLM (standard liters per minute) 의 플로우 레이트들로 웨이퍼 캐비티 (150) 로 공급된다. 질소 가스 (N2) 형태의 불활성 또는 시일링 가스 (182) 는 약 2 SLM으로 캐비티로 제공된다. 예시적인 실시예에 따라, 캐비티 챔버 (414) 및 하부 챔버 압력 (416) 은 대략 10 Torr였다. 도 8에 도시된 바와 같이, 최대 약 20 SLM의 헬륨 가스 (192) 및 2 SLM의 질소 가스 (182) 의 동작 조건들에서, 헬륨 가스 (192) 는 RGA (Residual Gas Analyzer) 측정값들로 증명된 바와 같이 퍼지 채널을 통해 누설되지 않는다.
또한, 프로세싱 장치 내에서 반도체 기판을 프로세싱하기 위한 방법이 본 명세서에서 기술된다. 이 방법은 프로세스 가스 소스로부터 프로세스 가스를 증착 챔버 내로 공급하는 단계 및 플라즈마 프로세싱 챔버 내에서 반도체 기판을 프로세싱하는 단계를 포함한다. 이 방법은 바람직하게는 기판을 플라즈마 프로세싱하는 단계를 포함하며, 이 단계에서 RF 에너지가 RF 생성기를 사용하여서 프로세스 가스에 인가되며 이로써 증착 챔버 내에서 플라즈마를 생성한다.
일 실시예에 따라, 페클릿 수는 반도체 기판의 외측 주변부를 따라 100보다 클 수 있다. 바람직하게, 전구체 가스들은 최소 유입부 공간 및 축대칭 플로우를 사용하여 반응기 캐비티 내로 중앙으로 주입되는 한편, 시일링 가스는 반응기 캐비티의 외측 주변부 둘레로 원주형으로 주입된다. 전구체 가스들은 반도체 상에 막을 증착하도록 반응하고 부산물 가스들이 반응기 캐비티의 외측 주변부 둘레로 원주형으로 분포된 배기 유출부들을 향해 방사상 외측으로 흐른다. 동시에, 시일링 가스는 반응기 캐비티의 외측 주변부 둘레에 원주형으로 분포된 유입부들을 통해 방사상 내측으로 흐른다. 높은 페클릿 수를 획득하기 위해, 가스 전구체들은 다음의 식에 따라 제어된다:
C2(Pvs-Pwc) = wc >> 0 Pvs >> Pwc.
도 9는 샤워헤드 모듈 (400) 이 가스 유출부들 (404) 을 갖는 대면 플레이트 (402), 중앙 가스 통로 (408) 를 갖는 백킹 플레이트 (406), 및 가스 통로들 (412) 을 통해 공급된 가스를 사용하여 불활성 가스 시일링을 제공하도록 시일링 가스 통로들 (412) 을 갖는 격리 링 (410) 을 포함하는 실시예를 예시한다. 프로세스 가스는 대면 플레이트 (402) 의 외측 부분 둘레에 원주형으로 분포된 주 배기 통로들 (414) 을 통해 인출된다. 도 9 및 이하의 식에서, 2 및 vs는 ㎏/s의 질량 유량 레이트를 나타내고, C2, C3 및 C4는 ℓ/초의 가스 전도율을 나타내고 그리고 Seff는 ℓ/초의 효과적인 펌핑 속도를 나타낸다. 이하에 나타낸 바와 같이, 고 페클릿 수를 획득하기 위해 wc는 효과적인 펌핑 속도를 압도할만큼 크지 않아야 하고, vs는 커야 하고, C2는 C3보다 커야 하고, Seff는 커야 하고 Pch는 클 수 있다 (그러나 희석과의 문제를 생성한다) 는 것이 바람직하다:
C2/C3(C3Pch + vs) - wc/Seff >> 0 여기서 Seff = SC4/S+C4.
웨이퍼 프로세싱 동안, 반응기 캐비티 및 주 챔버 내 압력들이 조절되어 시일링 가스 플로우 레이트가 일정하게 유지된다. 반응기 캐비티 압력이 주 챔버 압력과 관련하여 ± 1 Torr로 유지되면, 전구체 가스들을 반응기 캐비티 내에 담는 것이 가능하다. 가상 가스 시일링 장치를 사용하여, 불활성 가스 시일링을 사용하여 반응기 캐비티 내에 목표된 압력을 유지하는 것이 가능하다.
도 10은 샤워헤드 모듈 (500) 이 가스 유출부들 (504) 을 갖는 대면 플레이트 (502), 중앙 가스 통로 (508) 를 갖는 백킹 플레이트 (506), 및 가스 통로들 (512) 을 통해 공급된 가스를 사용하여 불활성 가스 시일링을 제공하도록 반응 캐비티 둘레에 원주형으로 분포된 시일링 가스 통로들 (512) 을 갖는 격리 링 (510) 을 포함하는 실시예를 예시한다. 프로세스 가스는 대면 플레이트 (502) 의 외측 부분 둘레에 원주형으로 분포된 주 배기 가스 통로들 (514) 및 가스 통로들 (512) 과 주 배기 통로들 (514) 사이의 위치에서 격리 링 (510) 둘레에 원주형으로 분포된 2차 배기 가스 통로들을 통해 인출된다. 2차 배기 통로들 (516) 은 플로우 전도율 C5 및 C6로 나타낸 플로우 경로들을 통해 가스를 제거하고, 2차 배기 가스 통로 C5 는 다음 식에 따른 페클릿 수의 추가 상승을 제공할 수 있다:
C2/C3(C3Pch + vs) + wc(C1C4 + C4C5/C1C5 + C1C4 +C4C5) >> 0 여기서 Seff = SC6/S+C6.
도 10에 도시된 바와 같이, 시일링 가스는 통로들 (512) 로부터 위치 Pvs에서 페데스탈 모듈 (미도시) 과 샤워헤드 모듈 (500) 사이의 작은 갭 내로 주입되고, 시일링 가스는 경로 C2를 따라 방사상 내측으로 그리고 경로 C3를 따라 방사상 외측으로 흐른다. 반응된 전구체 가스들 및 내측으로 흐르는 시일링 가스는 C4에 위치된 1차 배기 경로를 통해 반응기 캐비티 (150) 로부터 펌핑 아웃된다. 이에 더하여, 일부 시일링 가스는 C5에서 2차 배기 통로 (배기 통로들 (516)) 를 통해 펌펑 아웃된다. 시일링 가스의 질량 유량 레이트들은 vs (좁은 갭 내로 흐르는 시일링 가스), 2 (반응기 캐비티 (150) 를 향해 방사상 내측으로 흐르는 시일링 가스), 3 (방사상 외측으로 흐르고 주 챔버에 연결된 진공 소스의 진공 압력 Pch에 의해 제거되는 시일링 가스), 1 (2차 배기 유출부들의 방사상 내측으로 흐르는 시일링 가스), 및 4 (1차 배기 유출부들로부터 펌핑된 시일링 가스 및 프로세스 가스들) 로 나타낸다. C5를 일정하고 높게 유지함으로써, 페클릿 수는 단일 스테이지 가상 가스 시일링보다 높게 이루어질 수 있다. Seff 및 C5를 크게 하는 조건을 제공하도록 2차 배기 가스 통로들 (2차 배기) 이 시일링 가스 주입 지점과 반응기 캐비티 사이에 위치된다. 2차 배기 경로는 일정한 배기를 보장하고 C5가 일정한 조건을 제공하도록 압력 제어 쓰로틀 밸브의 다운스트림에 연결되는 것이 바람직하다. 도 11은 어떻게 프로세스 가스들 PG가 방사상 외측으로 흐르고, 시일링 가스 SG가 방사상 내측으로 흐르고, 시일링 가스 SG의 일부가 2차 배기 가스 통로들로부터 흐르고 불활성 시일링 가스 및 프로세스 가스의 일부가 주 배기 가스 통로들을 통해 흐르는지를 예시한다.
도 12는 가스 유입부들 (604) 을 갖는 대면 플레이트 (602), 중앙 가스 통로 (608) 를 갖는 백킹 플레이트 (606), 내측 링 (612) 및 외측 링 (614) 을 갖는 격리 링 (610) 을 포함하는 샤워헤드 모듈 (600) 의 절단도를 예시한다. 내측 링 (612) 및 외측 링 (614) 은 내측 링 (612) 의 하부 부분 둘레의 시일링 (613) 이 내측 링 및 외측 링의 마주보는 표면들 사이에 환형 플레넘을 제공하도록 함께 피팅된다 (fit). 내측 링 (612) 은 내측 표면 (618) 의 상부 부분 둘레에 원주형으로 분포된 시일링 가스 유입부들 (616), 유입부들 (616) 로부터 방사상 외측으로 연장하는 수평 통로들 (620), 수평 통로들 (620) 로부터 하향 연장하는 수직 통로들 (622) 및 내측 링 (612) 의 하부 표면 (626) 둘레에 원형으로 분포된 시일링 가스 유출부들 (624) 을 포함한다.
내측 링 (612) 은 내측 표면 (618) 의 하부 부분 둘레에 원주형으로 분포된 방사상으로 연장하는 슬롯들을 포함하는 1차 배기 유출부들 (627) 및 하부 표면 (626) 둘레에 원주방향으로 분포된 2차 배기 유출부들 (628) 을 포함한다. 1차 배기 가스 유출부들 (627) 은 1차 배기 가스 유출부들 (627) 로부터 상향 연장하는 수직 통로들 (630) 및 시일링 가스 유입부들 (616) 아래의 위치에서 내측 표면 (618) 둘레에 원주형으로 분포된 1차 배기 가스 유출부들 (632) 을 갖는 내측으로 연장하는 수평 통로들에 연결된다. 2차 배기 가스 유출부들 (628) 은 수직 통로들 (미도시) 및 내측 링 (612) 의 외측 표면 (619) 둘레에 원주형으로 분포된 2차 배기 가스 유출부들 (629) 을 갖는 수평 통로들에 연결된다. 시일링 가스 유출부들 (624) 은 격리 링 (610) 아래에 가스 시일링을 생성하도록 시일링 가스를 전달하고 시일링 가스 중 일부는 웨이퍼 캐비티 (150) 내에서 반도체 기판 프로세싱 동안 2차 배기 가스 유출부들 (628) 을 통해 인출된다.
도 13은 GDP (606) 의 외측 부분의 시일링 가스 공급 플레넘 (650) 으로부터 방사상으로 연장하는 시일링 가스 통로들 (652) 로 공급될 수 있도록 내측 링 (612) 가 대면 플레이트 (602) 및 백킹 플레이트 (gas distribution plate 또는 GDP) (606) 의 외측 주변부에 어떻게 피팅하는지를 예시한다. 시일링 가스 통로들 (652) 은 상부 및 하부 가스 시일링들 (654, 656) 사이에 위치된 환형 플레넘 (658) 내로 개방된다. 환형 플레넘 (658) 은 내측 링 (612) 의 하부 표면 (626) 내 시일링 가스 유출부들 (624) 을 통해 시일링 가스를 전달하도록 내측 링 (612) 의 내측 표면 (618) 내 시일링 가스 유입부들 (616) 과 유체로 연통한다.
GDP (606) 는 GDP (606) 의 외측 주변부의 방사상으로 연장하는 1차 배기 유출부들 (682) 에 연결된 1차 배기 가스 플레넘 (680) 을 포함한다. 유출부들 (682) 은 하부 시일링 (656) 과 환형 시일링 (686) 사이의 환형 배기 플레넘 (684) 내로 개방된다. 환형 배기 플레넘 (684) 은 내측 링 (612) 의 내측 표면 (618) 상의 1차 배기 가스 유출부들 (632) 과 연통한다. 1차 배기 가스 유출부들 (632) 은 1차 가스로 하여금 웨이퍼 캐비티 (150) 로부터 배기되게 하도록 수직 통로들 (630) 및 슬롯들 (627) 과 연결된다.
외측 링 (614) 은 내측 링 (612) 의 외측 표면 (619) 과 외측 링 (614) 의 내측 표면 (615) 사이의 플레넘과 함께 내측 링 (612) 을 둘러싼다. 2차 배기 유출부들 (628) 은 내측 링 (612) 과 외측 링 (614) 사이의 플레넘 내로 2차 배기 가스 유출부들 (629) 을 통해 인출될 2차 배기 가스를 제공한다. GDP는 1차 배기 가스 플레넘 (680) 에 연결된 쓰로틀 밸브 펌핑 장치를 바이패스하는 동안 2차 배기 가스로 하여금 인출되게 하는 상부 표면 내 적어도 하나의 개구부 (670) 를 포함한다. 바람직하게, 2 개의 마주보는 개구부들 (670) 이 가스 플로우의 방위각 균일도를 위해 GDP 내에 제공된다.
도 14는 2차 배기 가스 제거를 위해 2 개의 개구부들 (670) 에 연결된 GDP (606) 의 상부 표면 상에 2 개의 가스 시일링 연결부들 (630, 632) 을 예시한다. 가스 시일링 연결부들 (630, 632) 은 배기 펌프와 유체로 연통하여 1차 배기 유출부들에 연결된 쓰로틀 밸브를 바이패스하는 단일 튜브 (638) 에 연결되는 2 개의 각각의 튜빙 섹션들 (634, 636) 에 부착된다. 따라서, 가스 시일링을 생성하는 시일링 가스의 일부는 1차 배기 가스와 독립적으로 인출될 수 있다.
또한, 단어들 "일반적으로", "상대적으로" 및 "실질적으로"가 기하학적 형상들과 관련하여서 사용되는 경우에, 해당 기하학적 형상의 정밀성이 요구되기보다는, 해당 형상에 대한 허용범위 (latitude) 가 본 개시의 범위 내에 있음이 의도된다. 단어들 "일반적으로", "상대적으로" 및 "실질적으로"가 기하학적 용어들과 함께 사용되는 경우에, 이 용어들은 그 용어에 대한 엄격한 정의를 만족하는 특징부들뿐만 아니라 이 엄격한 정의와 매우 근사한 특징부들도 포함함을 의도한다.
등온 증착 챔버를 포함하는 플라즈마 프로세싱 장치가 본 발명의 특정 실시예들을 참조하여 상세히 기술되었지만, 다양한 수정 및 변경이 첨부된 청구항들의 범위 내에서 가능하고 그 균등 사항들도 가능함은 본 기술 분야의 당업자에게 자명하다.

Claims (14)

  1. 가스 시일링을 갖는 화학적 증착 챔버에 있어서,
    대면 플레이트, 상기 대면 플레이트 위의 백킹 플레이트 (backing plate), 및 상기 대면 플레이트와 상기 백킹 플레이트를 둘러싸는 격리 링을 포함하는 샤워헤드 모듈;
    상기 샤워헤드 모듈의 상기 대면 플레이트 밑의 웨이퍼 캐비티 내에 반도체 기판을 지지하도록 구성된 페데스탈 모듈;
    상기 웨이퍼 캐비티로 프로세스 가스를 전달하도록 구성된 상기 대면 플레이트 내 가스 유입부들;
    상기 웨이퍼 캐비티로부터 반응 가스 화학물질들 및 불활성 가스들을 제거하도록 구성된 상기 대면 플레이트 내의 1차 배기 가스 유출부들;
    상기 웨이퍼 캐비티의 외측 주변부의 환형 단차부로서, 상기 환형 단차부는 상기 격리 링의 하부 부분으로 이루어지고, 상기 환형 단차부는 상기 웨이퍼 캐비티를 향해 아래로 돌출하게 형성되는, 상기 환형 단차부;
    상기 격리 링 내의 불활성 가스 피드부로서, 상기 불활성 가스 피드부는 상기 환형 단차부와 상기 페데스탈 모듈 사이의 갭에 가스 시일링을 형성하기 위해 불활성 시일링 가스를 전달하도록 구성된, 상기 불활성 가스 피드부;
    상기 1차 배기 가스 유출부들의 방사상 외측에 위치된 상기 격리 링 내의 2차 배기 가스 유출부들로서, 상기 2차 배기 가스 유출부들은 상기 갭을 통해 방사상 내측으로 흐른 상기 불활성 가스 중 적어도 일부를 제거하도록 구성되는, 상기 2차 배기 가스 유출부들; 및
    배기 도관 (evacuation conduit) 과 연통하는 상기 백킹 플레이트 내 환형 플레넘으로서, 상기 환형 플레넘은 상기 1차 배기 가스 유출부들 및 상기 2차 배기 가스 유출부들과 유체로 연통하는, 화학적 증착 챔버.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 유입부들은 상기 대면 플레이트의 내측 부분에 위치되고 그리고 상기 1차 배기 가스 유출부들은 상기 대면 플레이트의 외측 부분에 위치되는, 화학적 증착 챔버.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차 배기 가스 유출부들은 상기 환형 단차부의 하부 표면에 위치되는, 화학적 증착 챔버.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 배기 가스 유출부들은 진공 압력 소스에 연결된 압력 제어 쓰로틀 밸브와 유체 연통하는, 화학적 증착 챔버.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 2차 배기 가스 유출부들은 일정한 진공 압력 소스와 유체로 연통하는, 화학적 증착 챔버.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 갭은 상기 웨이퍼 캐비티의 외측 에지로부터 상기 단차부의 외측 에지까지 5.0 ㎜ 내지 25.0 ㎜의 폭을 갖는, 화학적 증착 챔버.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 배기 가스 유출부들로부터 위로 연장하는 1차 배기 가스 통로들을 포함하고, 상기 1차 배기 가스 통로들은 상기 백킹 플레이트의 상기 환형 플레넘과 연통하는, 화학적 증착 챔버.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 2차 배기 가스 유출부들은 상기 대면 플레이트를 둘러싸는 상기 격리 링 내에 있고, 상기 격리 링은 내측 링 및 외측 링, 및 상기 2차 배기 가스 유출부들로부터 위로 연장하는 2차 배기 가스 통로들을 포함하고, 상기 2차 배기 가스 통로들은 상기 백킹 플레이트의 상기 환형 플레넘과 연통하는, 화학적 증착 챔버.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 백킹 플레이트는 상기 환형 플레넘으로부터 방사상 외측으로 연장하고 상기 백킹 플레이트의 외측 주변부 상의 시일링 가스 유출부들과 유체로 연통하는 시일링 가스 통로들을 포함하는, 화학적 증착 챔버.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 페데스탈 모듈은 상기 웨이퍼 캐비티 내에 상기 반도체 기판을 배치하도록 수직으로 상향으로 이동가능하고 기판 페데스탈 상으로 상기 반도체 기판을 로딩하고 언로딩하기 위한 위치로 하향으로 이동가능한, 화학적 증착 챔버.
  11. 제 10 항에 있어서,
    적어도 하나의 배기 통로가 상기 페데스탈 모듈 내에 위치되고, 상기 적어도 하나의 배기 통로는 상기 웨이퍼 캐비티의 방사상 외측으로 위치되고 상기 갭 내로의 상기 불활성 가스 피드 중 적어도 일부를 제거하도록 구성되는, 화학적 증착 챔버.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 배기 통로는 환형 채널을 포함하는, 화학적 증착 챔버.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차 배기 가스 유출부들은 상기 격리 링의 하부 표면에 위치되고, 2차 배기 가스 통로들은 상기 2차 배기 가스 유출부들로부터 상기 격리 링의 외측 표면의 개구부들로 상향으로 연장하는, 화학적 증착 챔버.
  14. 가스 분배 샤워헤드와 페데스탈 모듈 사이에 위치된 기판 캐비티의 외측 주변부에 있는 환형 단차부로서, 상기 환형 단차부는 상기 기판 캐비티를 향해 아래로 돌출하게 형성되는, 상기 환형 단차부;
    상기 환형 단차부와 상기 페데스탈 모듈 사이의 갭에 가스 시일링을 형성하기 위해 불활성 시일링 가스를 전달하도록 구성된 불활성 가스 피드부로서, 상기 가스 시일링은 프로세스 가스와 상기 불활성 가스 사이의 실질적 평형을 확립하도록 하며, 상기 갭은 상기 페데스탈 모듈이 상기 가스 분배 샤워헤드에 인접하게 이동될 때 형성되는, 상기 불활성 가스 피드부;
    상기 가스 분배 샤워헤드를 둘러싸는 격리 링으로서, 상기 환형 단차부는 상기 격리 링의 하부 부분을 포함하고, 상기 격리 링은 상기 격리 링의 내측 표면과 외측 표면 사이에 위치되는 불활성 가스 피드 유입 통로를 포함하는, 상기 격리 링;
    상기 페데스탈 모듈 내의 1차 배기 통로;
    상기 격리 링 내의 2차 배기 통로; 및
    상기 1차 배기 통로 및 상기 2차 배기 통로와 유체로 연통하는 상기 샤워헤드 모듈의 백킹 플레이트의 환형 플레넘으로서, 상기 환형 플레넘은 배기 도관과 연통하는, 상기 환형 플레넘을 포함하는, 가스 시일 장치.
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