JP7468926B2

JP7468926B2 - シャワーヘッド及び基板処理装置

Info

Publication number: JP7468926B2
Application number: JP2022152990A
Authority: JP
Inventors: リュ，ドゥ－ヨル; ドンイ，サン; ソクオ，ワン; ミンチェ，ホ; ギュンソン，ソン; ジンアン，ヒョ
Original assignee: ユ－ジーンテクノロジーカンパニー．リミテッド
Priority date: 2021-09-27
Filing date: 2022-09-26
Publication date: 2024-04-16
Anticipated expiration: 2042-09-26
Also published as: TW202314922A; CN115874149A; JP2023048154A; KR102664983B1; US20230097999A1; KR20230044870A

Description

本発明は，シャワーヘッド及び基板処理装置に関し，より詳しくは，チェンバの内壁や内部部品などに反応ガスが吸着することを防止するシャワーヘッド及び基板処理装置に関する。

半導体装置はシリコン基板の上に多くの層（layers）を有しており，このような層は蒸着工程によって基板の上に蒸着される。このような蒸着工程はいくつかの重要な問題を有しているが，このような問題は蒸着された膜を評価し蒸着方法を選択するのに重要である。

第一に，蒸着された膜の「質（quality）」である。これは組成（composition），汚染度（contamination levels），損失度（defect density），そして機械的・電気的特性（mechanical and electrical properties）を意味する。膜の組成は蒸着条件によって異なり得るが，これは特定な組成（specific composition）を得るために非常に重要である。

第二に，ウェハを横切る均一な厚さ（uniform thickness）である。特に，段差（step）が形成されている非平面（nonplanar）状のパターンの上部に蒸着された膜の厚さが非常に重要である。蒸着された膜の厚さが均一なのか否かは，段差の部分に蒸着された最小厚さをパターンの上部面に蒸着された厚さで割った値に定義されるステップカバレッジ（step coverage）によって判断する。

蒸着に関する他の問題は，空間を埋めること（filling space）である。これは，金属ラインの間を酸化膜を含む絶縁膜で埋めるギャップ充填（gap filling）を含む。ギャップは金属ラインを物理的及び電気的に絶縁するために提供される。

このような問題のうち，均一度は蒸着工程に関する重要な問題のうち一つであり，不均一な膜は金属配線（metal line）の上で高い電気抵抗（electrical resistance）を引き起こし，機械的破損の可能性を増加させる。

一方，蒸着工程は基板が置かれたチェンバ内で行われ，前記基板がサセプタの上に支持された状態で基板の上部に設置されたシャワーヘッドを介してチェンバ内部に反応ガスを供給することで蒸着工程が行われる。この際，反応ガスのうち一部はチェンバの内壁や内部部品に吸着され，持続的に吸着が行われれば一部は離脱して基板に流入される恐れがあるだけでなく，吸着された物質の厚さが増加すればチェンバ内部の熱分布を歪めて不均一な薄膜の原因となる。

本発明の目的は，チェンバの内壁や内部部品などに反応ガスが吸着されることを防止するシャワーヘッド及び基板処理装置を提供することにある。

本発明の他の目的は，均一な薄膜を確保するシャワーヘッド及び基板処理装置を提供することにある。

本発明のまた他の目的は，下記発明の詳細な説明と添付した図面からより明確になるはずである。

本発明の一実施例によると，基板処理装置は，基板に対する工程が行われるチェンバと，前記チェンバの内部に設置されて前記基板を支持するサセプタと，前記サセプタの上部に設置されるシャワーヘッドと，を含み，前記シャワーヘッドは，前記基板の上部に対応する内側領域に形成され，下部に向かって反応ガスを噴射する複数の内側噴射孔と，前記内側領域の外側に対応する外側領域に形成され，前記チェンバの内壁に沿って非活性ガスを噴射する複数の外側噴射孔と，を有し，
前記シャワーヘッドは上部面から窪んで形成されると共に，底部に前記内側噴射孔及び外側噴射孔が形成された収容空間を有し，前記収容空間内に設置されるブロックプレートによって前記収容空間が上部に位置する流入空間と下部に位置する拡散空間に区画され，
前記流入空間は，
前記内側噴射孔に対応し，前記反応ガスが流入される内側流入空間と，
前記外側噴射孔に対応し，前記非活性ガスが流入される外側流入空間と，を有する。

前記反応ガス及び前記非活性ガスは前記拡散空間内で拡散される。

前記ブロックプレートは，前記内側流入空間と前記外側流入空間を区画する環状の隔壁を有する。

前記基板処理装置は，前記シャワーヘッドの上部に設置されて前記収容空間を外部から隔離するチェンバリッドを更に含むが，前記チェンバリッドは，前記内側流入空間に連通する内側ガスポートと，前記外側流入空間に連通される外側ガスポートと，を有する。

前記内側領域は前記基板に対応する大きさを有する。

本発明の一実施例によると，チェンバ内に収容された基板の上部に設置されるシャワーヘッドは，前記基板の上部に対応する内側領域に形成され，下部に向かって反応ガスを噴射する複数の内側噴射孔と，前記内側領域の外側に対応する外側領域に形成され，前記チェンバの内壁に沿って非活性ガスを噴射する複数の外側噴射孔と，を有し，
前記シャワーヘッドは上部面から窪んで形成されると共に，底部に前記内側噴射孔及び外側噴射孔が形成された収容空間を有し，前記収容空間内に設置されるブロックプレートによって前記収容空間が上部に位置する流入空間と下部に位置する拡散空間に区画され，
前記流入空間は，
前記内側噴射孔に対応し，前記反応ガスが流入される内側流入空間と，
前記外側噴射孔に対応し，前記非活性ガスが流入される外側流入空間と，を有する。

本発明の一実施例によると，チェンバの内壁に沿って非活性ガスを噴射することで，反応ガスがチェンバの内壁や内部部品などに吸着することを防止することができる。特に，反応ガスと非活性ガスがシャワーヘッド内で同時に拡散されてから噴射されるため，反応ガスと非活性ガスが均一な圧力で噴射される。

本発明の一実施例による基板処理装置を概略的に示す断面図である。図１に示したシャワーヘッドを示す図である。図１に示したブロックプレートを示す図である。図１に示したチェンバリッドを示す図である。図１に示した基板処理装置内のガスの流れを示す図である。本発明の一実施例による基板処理の結果，非活性ガスの供給量による異物の量を示すグラフである。本発明の一実施例による基板処理の結果，非活性ガスの供給量による薄膜の厚さの偏差を示すグラフである。

以下，本発明の好ましい実施例を添付した図１及び図７を参照してより詳細に説明する。本発明の実施例は様々な形態に変形されてもよく，本発明の範囲が以下で説明する実施例に限ると解釈されてはならない。本実施例は，該当発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に本発明をより詳細に説明するために提供されるものである。よって，図面に示す各要素の形状はより明確な説明を強調するために誇張されている可能性がある。

一方，以下では蒸着装置を例に挙げて説明しているが，本発明の範囲はこれに限らず，反応ガスを利用して基板を処理する多様な工程に応用される。

図１は，本発明の一実施例による基板処理装置を概略的に示す断面図である。図１に示すように，基板処理装置１０はチェンバ１２とチェンバリッド１４とを含む。チェンバ１２は上部が開放された形状であり，一側に基板Ｗが出入可能な通路１３を有する。基板Ｗは通路１３を介してチェンバ１２の内部に出入し，ゲート弁（図示せず）が通路１３の外部に設置されて通路１３を開放するか閉鎖する。

チェンバ１２は基板Ｗに対する工程が行われる工程空間を内部に有し，前記工程空間は大体円形のシリンダ状を成す。しかし，上述したように，通路１３が基板Ｗの出入のために提供されるため，工程空間は中心を基準に非対称をなし，それによって工程の不均一が引き起こされる恐れがあるが，後述する非活性ガスがチェンバ１２の内壁に沿って流れて基板Ｗの周りを外部から遮断することで仮想の工程空間を提供することができ，前記のような非対称的な要素が工程に及ぼす影響を最小化することで，工程空間を対称に近似するように調整することができる。

チェンバリッド１４はチェンバ１２の開放された上部を開閉する。チェンバリッド１４がチェンバ１２の開放された上部を閉鎖したら，チェンバ１２及びチェンバリッド１４は，外部から閉鎖された内部空間を形成する。チェンバリッド１４は後述するシャワーヘッド２０の上部流入空間４３，４７と連通するガスポート１５，１６を有し，反応ガスはガスポート１５を介して内側流入空間４７に供給され，非活性ガスはガスポート１６を介して外側流入空間４３に供給される。

サセプタ３０はチェンバ１２の内部に設置され，基板Ｗがサセプタ３０の上部に置かれる。サセプタ３０はヒータ（図示せず）を備え，ヒータは外部電源から印加される電流によって基板Ｗを工程温度に加熱する。

図２は，図１に示したシャワーヘッドを示す図である。図１及び図２に示すように，シャワーヘッド２０はチェンバリッド１４の下部に連結され，平板状の噴射部２０ｂと，噴射部２０ｂの外側に設置されてチェンバリッド１４に固定されるフランジ部２０ａとを備える。

噴射部２０ｂはチェンバリッド１４から離隔配置され，収容空間がチェンバリッド１４と噴射部２０ｂとの間に形成される。噴射部２０ｂは複数の噴射孔を有し，後述する反応ガス及び非活性ガスは噴射孔を介して噴射される。反応ガスはシラン（ＳｉＨ₄）またはジクロロシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）のような前駆体ガスを含む。また，ジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）またはホスフィン（ＰＨ₃）のようなドーパントソースガスを含む。非活性ガスは窒素（Ｎ₂）または所定の他の不活性ガスを含む。

反応ガスは基板Ｗと反応して工程を行い，後にサセプタ３０の下部に設置される排気ポート（図示せず）を介して外部に排出される。排気ポンプ（図示せず）は反応ガスを強制排出するために提供される。

図３は，図１に示すブロックプレートを示す図である。図１に示すように，一対のブロックプレートは同じ構造と形状を有し，シャワーヘッド２０の収容空間内に設置される。但し，以下で説明する機能を具現することを前提に，互いに異なる構造と形状を有してもよいだけでなく，本実施例とは異なって３つ以上が設置されてもよい。

図１に示すように，ブロックプレート４２，４４はシャワーヘッド２０の収容空間内に設置される。収容空間はブロックプレート４２，４４によって上部流入空間４３，４７と，下部流入空間４１，４５と，拡散空間２１に区画される。一方，本実施例では拡散空間２１内に反応ガス／非活性ガスのための空間が区画されていないが，これとは異なって，反応ガス／非活性ガスが拡散される空間を区画して拡散を制限してもよい。

図３に示すように，ブロックプレート４４は，平板状のプレート４４ｂと，プレート４４ｂの外側に設置されてシャワーヘッド２０のフランジ部２０ａに固定されるフランジ４４ａとを備える。プレート４４ｂはチェンバリッド１４及び噴射部２０ｂから離隔配置され，同じく，ブロックプレート４２のプレートもチェンバリッド１４及び噴射部２０ｂから離隔配置される。よって，拡散空間２１はブロックプレート４２と噴射部２０ｂとの間に形成され，下部流入空間４１，４５はブロックプレート４２の上部に形成され，上部流入空間４３，４７はブロックプレート４４の上部に形成される。

プレート４４ｂは複数の噴射孔を有し，後述するように，上部流入空間４３，４７に流入された反応ガス及び非活性ガスは前記噴射孔を介して下部流入空間４１，４５に移動し，後にブロックプレート４２に形成されている複数の噴射孔を介して拡散空間２１に移動する。

隔壁４８は環状であり，プレート４４ｂの上部面に設置され，チェンバリッド１４に接して上部流入空間４３，４７を外側流入空間４３と内側流入空間４７に区画する。

図４は，図１に示すチェンバリッドを示す図である。チェンバリッド１４は後述する内側ガスポート１５と外側ガスポート１６とを有する。前記内側ガスポート１５はチェンバリッド１４の中央に位置し，外側ガスポート１６は内側ガスポート１５を中心に９０度等角をなして外側に配置される。但し，本実施例とは異なって，外側ガスポート１６は５つ以上または３つ以下であってもよく，等角をなして配置されることが好ましい。内側ガスポート１５は内側流入空間４７と連通されており，反応ガスは内側ガスポート１５を介して内側流入空間４７に流入され，外側ガスポート１６は外側流入空間４３と連通されており，非活性ガスは外側ガスポート１６を介して外側流入空間４３に流入される。

図５は，図１に示す基板処理装置内のガスの流れを示す図である。以下，図１及び図５を参照して，シャワーヘッドによる蒸着工程を説明する。

まず，反応ガスは内側ガスポート１５を介して内側流入空間４７に流入された後，内側流入空間４５を経て拡散空間２１に移動し，非活性ガスは外側ガスポート１６を介して外側流入空間４３に流入された後，外側流入空間４１を経て拡散空間２１に移動する。

一方，シャワーヘッド２０の噴射部２０ｂは内側領域／外側領域に区分され，内側領域は基板Ｗの上部に位置する円形空間を意味し，外側領域は内側領域の周りに位置する環状の空間を意味する。

拡散空間２１内の反応ガスは内側領域に形成されている噴射孔を介して基板Ｗの上部に噴射され，基板に蒸着される。拡散空間２１内の非活性ガスは外側領域に形成されている噴射孔を介して噴射されてチェンバ１２の内壁に沿って流れ，反応ガスがチェンバの内壁に移動することを遮断するだけでなく，上述したように，基板Ｗの周りを外部から遮断することで仮想の工程空間を提供することができ，前記のような非対称的な要素が工程に及ぼす影響を最小化することで，工程空間を対称に近似するように調整する。

図６は，本発明の一実施例による基板処理の結果，非活性ガスの供給量による異物の量を示すグラフである。図６に示すように，反応ガスがチェンバの内壁に移動すれば，チェンバの内壁に吸着され，吸着された物質はチェンバの内壁から離脱して基板Ｗを汚染する原因となる。しかし，非活性ガスがチェンバの内壁に沿って流れれば，反応ガスがチェンバの内壁に向かって移動することを遮断することで，異物を根本的に遮断することができる。

図７は，本発明の一実施例による基板処理の結果，非活性ガスの供給量による薄膜の厚さの偏差を示すグラフである。非活性ガスがチェンバの内壁に沿って流れれば，非活性ガスによって基板Ｗの周りを外部から遮断することで対称に近似した仮想の工程空間を提供することができ，図７に示すように蒸着の均一度を確保することができる。

一方，反応ガス及び非活性ガスは拡散空間２１内で拡散され，反応ガス及び非活性ガスはそれぞれの噴射圧力によって拡散空間２１内で若干混合されることはあり得るが，これは完全に混合されることを意味しない。特に，反応ガス及び非活性ガスは圧力差によって拡散空間２１内で占有する領域の大きさが異なり，それによって反応ガスを噴射する噴射孔と非活性ガスを噴射する噴射孔の分布を調整することができる。

本発明を好ましい実施例を介して詳細に説明したが，これとは異なる形態の実施例も可能である。よって，以下に記載の請求項の技術的思想と範囲は好ましい実施例に限らない。

Claims

基板に対する工程が行われるチェンバと，
該チェンバの内部に設置されて前記基板を支持するサセプタと，
該サセプタの上部に設置されるシャワーヘッドと，を含み，
前記シャワーヘッドは，
前記基板の上部に対応する内側領域に形成され，下部に向かって反応ガスを噴射する複数の内側噴射孔と，
前記内側領域の外側に対応する外側領域に形成され，前記チェンバの内壁に沿って非活性ガスを噴射する複数の外側噴射孔と，を有し，
前記シャワーヘッドは上部面から窪んで形成されると共に，底部に前記内側噴射孔及び外側噴射孔が形成された収容空間を有し，前記収容空間内に設置されるブロックプレートによって前記収容空間が上部に位置する流入空間と下部に位置する拡散空間に区画され，
前記流入空間は，
前記内側噴射孔に対応し，前記反応ガスが流入される内側流入空間と，
前記外側噴射孔に対応し，前記非活性ガスが流入される外側流入空間と，を有する基板処理装置。
前記反応ガス及び前記非活性ガスは前記拡散空間内で拡散される請求項１記載の基板処理装置。
前記ブロックプレートは，前記内側流入空間と前記外側流入空間を区画する環状の隔壁を有する請求項１記載の基板処理装置。
前記基板処理装置は，前記シャワーヘッドの上部に設置されて前記収容空間を外部から隔離するチェンバリッドを更に含み，
前記チェンバリッドは，前記内側流入空間に連通する内側ガスポートと，前記外側流入空間に連通される外側ガスポートと，を有する請求項１記載の基板処理装置。
前記内側領域は前記基板に対応する大きさを有する請求項１記載の基板処理装置。
チェンバ内に収容された基板の上部に設置されるシャワーヘッドにおいて，
前記基板の上部に対応する内側領域に形成され，下部に向かって反応ガスを噴射する複数の内側噴射孔と，
前記内側領域の外側に対応する外側領域に形成され，前記チェンバの内壁に沿って非活性ガスを噴射する複数の外側噴射孔と，を有し，
前記シャワーヘッドは上部面から窪んで形成されると共に，底部に前記内側噴射孔及び外側噴射孔が形成された収容空間を有し，前記収容空間内に設置されるブロックプレートによって前記収容空間が上部に位置する流入空間と下部に位置する拡散空間に区画され，
前記流入空間は，
前記内側噴射孔に対応し，前記反応ガスが流入される内側流入空間と，
前記外側噴射孔に対応し，前記非活性ガスが流入される外側流入空間と，を有するシャワーヘッド。