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KR20200087267A - 리모트 플라즈마 막 증착을 인에이블하도록 다운스트림 챔버로 라디칼 및 전구체 가스를 전달하기 위해 개선된 홀 패턴을 갖는 통합된 샤워헤드 - Google Patents

리모트 플라즈마 막 증착을 인에이블하도록 다운스트림 챔버로 라디칼 및 전구체 가스를 전달하기 위해 개선된 홀 패턴을 갖는 통합된 샤워헤드 Download PDF

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KR20200087267A
KR20200087267A KR1020207019670A KR20207019670A KR20200087267A KR 20200087267 A KR20200087267 A KR 20200087267A KR 1020207019670 A KR1020207019670 A KR 1020207019670A KR 20207019670 A KR20207019670 A KR 20207019670A KR 20200087267 A KR20200087267 A KR 20200087267A
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레이첼 바처
쩌 구이
갈보카 헤와게 라얀 사비쓰라
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램 리써치 코포레이션
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Abstract

기판 프로세싱 시스템을 위한 샤워헤드가 하부 표면, 플라즈마-대면 상부 표면, 하부 표면과 상부 표면 사이에 규정된 가스 플레넘, 및 하부 표면 상에 분포된 복수의 주입기들로서, 복수의 주입기들은 가스 플레넘과 유체로 연통하는 복수의 주입기들을 포함한다. 복수의 쓰루홀들이 상부 표면으로부터 하부 표면으로 연장한다. 복수의 쓰루홀들 중 선택된 쓰루홀들은 복수의 쓰루홀들 중 나머지 쓰루홀들의 직경과 상이한 직경을 갖는다. 복수의 쓰루홀들 중 선택된 쓰루홀들의 직경은 복수의 쓰루홀들 중 선택된 쓰루홀들 및 복수의 쓰루홀들 중 나머지 쓰루홀들을 통해 제공된 각각의 가스들의 목표된 비율에 따라 미리 결정된다.

Description

리모트 플라즈마 막 증착을 인에이블하도록 다운스트림 챔버로 라디칼 및 전구체 가스를 전달하기 위해 개선된 홀 패턴을 갖는 통합된 샤워헤드
관련된 출원들에 대한 교차 참조
본 출원은 2018년 12월 7일에 출원된 미국 실용신안 출원 번호 제 16/213,386 호의 우선권을 주장하고, 2017년 12월 8일에 출원된 미국 특허 가출원 번호 제 62/596,409 호의 이익을 또한 주장한다. 본 개시는 2016년 12월 14일에 출원된 공동으로 양도된 미국 특허 출원 일련번호 제 15/378,854 호에 관련된다. 상기 참조된 출원들의 전체 개시들은 참조로서 본 명세서에 인용된다.
본 개시는 기판 프로세싱 시스템들, 그리고 보다 구체적으로 라디칼들 및 전구체 가스를 다운스트림 챔버로 전달하는 샤워헤드들을 포함하는 기판 프로세싱 시스템들에 관한 것이다.
본 명세서에 제공된 배경기술 기술 (description) 은 본 개시의 맥락을 일반적으로 제시하기 위한 목적이다. 이 배경기술 섹션에 기술된 정도의 본 명세서에 명명된 발명자들의 업적, 뿐만 아니라 출원 시 종래 기술로서 달리 인증되지 않을 수도 있는 본 기술의 양태들은 본 개시에 대한 종래 기술로서 명시적으로나 암시적으로 인정되지 않는다.
반도체 프로세싱 시스템들은 반도체 웨이퍼와 같은 기판 상에 막을 증착하도록 사용될 수도 있다. 기판 프로세싱 시스템들은 통상적으로 프로세싱 챔버 및 기판 지지부를 포함한다. 막 증착 동안, 라디칼들 (radicals) 및 전구체 가스는 프로세싱 챔버로 공급된다.
예를 들어, 프로세싱 챔버는 상부 챔버, 하부 챔버 및 기판 지지부를 포함할 수도 있다. 샤워헤드가 상부 챔버와 하부 챔버 사이에 배열될 수도 있다. 기판은 하부 챔버 내의 기판 지지부 상에 배열된다. 플라즈마 가스 혼합물이 상부 챔버로 공급되고, 플라즈마는 상부 챔버 내에 스트라이킹된다. 플라즈마에 의해 생성된 라디칼들 중 일부는 샤워헤드를 통해 하부 챔버로 흐른다. 샤워헤드는 이온들을 필터링하고, UV 광이 하부 챔버에 도달하는 것을 차폐한다. 전구체 가스 혼합물이 샤워헤드를 통해 하부 챔버로 공급되고, 기판 상에 막을 증착하기 위해 라디칼들과 반응한다.
기판 프로세싱 시스템을 위한 샤워헤드가 하부 표면, 플라즈마-대면 상부 표면, 하부 표면과 상부 표면 사이에 규정된 가스 플레넘 (plenum), 및 하부 표면 상에 분포된 복수의 주입기들로서, 복수의 주입기들은 가스 플레넘과 유체로 연통하는 복수의 주입기들을 포함한다. 복수의 쓰루홀들 (through holes) 이 상부 표면으로부터 하부 표면으로 연장한다. 복수의 쓰루홀들 중 선택된 쓰루홀들은 복수의 쓰루홀들 중 나머지 쓰루홀들의 직경과 상이한 직경을 갖는다. 복수의 쓰루홀들 중 선택된 쓰루홀들의 직경은 복수의 쓰루홀들 중 선택된 쓰루홀들 및 복수의 쓰루홀들 중 나머지 쓰루홀들을 통해 제공된 각각의 가스들의 목표된 비율에 따라 미리 결정된다.
다른 특징들에서, 복수의 쓰루홀들 중 선택된 쓰루홀들은 복수의 쓰루홀들 중 나머지 쓰루홀들의 평균 직경과 미리 결정된 비의 관계를 만족하는 평균 직경을 갖는 제 1 유형의 쓰루 홀을 포함한다. 복수의 쓰루홀들 중 선택된 쓰루홀들은 적어도 복수의 쓰루홀들 중 나머지 쓰루홀들의 평균 직경과 제 1 미리 결정된 비의 관계를 만족하는 제 1 유형의 쓰루홀 및 복수의 쓰루홀들 중 나머지 쓰루홀들의 평균 직경과 제 2 미리 결정된 비의 관계를 만족하는 제 2 유형의 쓰루홀을 포함한다. 복수의 쓰루홀들 중 선택된 쓰루홀들의 직경은 샤워헤드와 연관된 증착 불균일성들에 따라 미리 결정된다.
다른 특징들에서, 샤워헤드의 하부 표면 상에, 쓰루홀들은 복수의 그룹들로 배열되고, 그룹 각각은 복수의 주입기들의 각각의 주입기 주위에 분포된 2 개 이상의 쓰루홀들을 포함한다. 샤워헤드의 하부 표면 상에, 쓰루홀들은 복수의 그룹들로 배열되고, 그룹 각각은 복수의 주입기들의 각각의 주입기 주위에 분포된 3 개의 쓰루홀들을 포함한다. 복수의 그룹들 각각의 3 개의 쓰루홀들은 복수의 주입기들의 각각의 주입기 주위에 삼각형 구성으로 분포된다. 복수의 그룹들 각각의 3 개의 쓰루홀들은 복수의 주입기들의 각각의 주입기 주위에 방사상으로 분포된다.
다른 특징들에서, 복수의 쓰루홀들은 쓰루홀들의 적어도 하나의 중심 그룹 및 적어도 하나의 중심 그룹 주위에 제 1 육각형 패턴으로 배열된 쓰루홀들의 제 1 복수의 그룹들을 포함한다. 쓰루홀들의 제 2 복수의 그룹들이 제 1 복수의 그룹들 주위에 제 2 육각형 패턴으로 배열된다. 복수의 쓰루홀들은 적어도 하나의 중심 그룹 및 적어도 하나의 중심 그룹 주위에 제 1 원형 패턴으로 배열된 쓰루홀들의 제 1 복수의 그룹들을 포함한다. 쓰루홀들의 적어도 하나의 제 2 복수의 그룹들이 제 1 복수의 그룹들 주위에 제 2 원형 패턴으로 배열된다.
다른 특징들에서, 복수의 쓰루홀들은 쓰루홀들의 복수의 그룹들을 포함하고, 쓰루홀들의 복수의 그룹들은 적어도 하나의 중심 그룹을 포함하고, 그리고 복수의 그룹들 중 나머지 그룹들은 적어도 하나의 중심 그룹 주위에 증가하는 6 개의 패턴으로 배열된다. 복수의 쓰루홀들은 쓰루홀들의 복수의 그룹들을 포함하고, 쓰루홀들의 복수의 그룹들은 적어도 하나의 중심 그룹을 포함하고, 그리고 복수의 그룹들 중 나머지 그룹들은 적어도 하나의 중심 그룹 주위에 증가하는 8 개의 패턴으로 배열된다. 복수의 가스 주입기 노즐들이 주입기들의 각각의 주입기들로부터 하향으로 연장한다. 복수의 쓰루홀들은 쓰루홀들의 85 개의 그룹들을 포함한다.
본 개시의 적용가능성의 추가 영역들은 상세한 기술, 청구항들 및 도면들로부터 명백해질 것이다. 상세한 기술 및 특정한 예들은 예시의 목적들만을 위해 의도되었고, 본 개시의 범위를 제한하도록 의도되지 않았다.
본 개시는 상세한 기술 및 첨부한 도면들로부터 보다 완전히 이해될 것이다.
도 1은 본 개시에 따른 샤워헤드를 포함하는 기판 프로세싱 챔버의 일 예의 기능적 블록도이다.
도 2는 본 개시에 따른 샤워헤드의 일 예의 상단 사시도이다.
도 3은 본 개시에 따른 샤워헤드의 일 예의 하단 사시도이다.
도 4는 본 개시에 따른 샤워헤드의 일 예의 평면도이다.
도 5는 본 개시에 따른 또 다른 예시적인 샤워헤드의 하면도를 예시한다.
도 6a 내지 도 6c는 본 개시에 따른 다른 예시적인 홀 패턴들을 예시한다.
도면들에서, 참조 번호들은 유사한 그리고/또는 동일한 엘리먼트들을 식별하기 위해 재사용될 수도 있다.
통상적으로, 기판 프로세싱 시스템의 샤워헤드가 열 제어 시스템을 갖지 않는다. 그러나, 일부 프로세싱 시스템들에서, 기본 열 제어 시스템은 접근 가능하고 진공이 아닌 샤워헤드의 외측 에지의 온도를 제어하도록 사용된다. 기본 열 제어 시스템은 플라즈마로부터의 열로 인해 샤워헤드에 걸쳐 온도를 균일하게 제어하지 않는다. 즉, 샤워헤드의 중심에서 온도가 상승한다. 온도 변화들은 또한 플라즈마 온/오프, 압력, 플로우 레이트, 및/또는 페데스탈 온도와 같은 프로세스 변화들과 함께 발생한다. 샤워헤드의 온도의 변동들은 증착 프로세스의 균일성 및 및 결함 성능에 부정적인 영향을 미친다. 샤워헤드의 쓰루홀들 및 가스 주입기들의 위치, 배열 및 사이즈는 또한 증착 균일성에 부정적인 영향을 미칠 수도 있다.
본 개시에 따른 샤워헤드가 전구체 주입기들 및 라디칼들을 위한 쓰루홀들의 미리 결정된 패턴을 포함한다. 쓰루홀들의 패턴 및 사이즈는 웨이퍼 상의 (on-wafer) 증착 레이트들 및 분포에 영향을 미친다. 샤워헤드는 통상적으로 프로세싱될 기판의 형상에 매칭하도록 원형이다. 샤워헤드의 모든 목표된 위치들에 전구체 주입기들 및 쓰루홀들을 균일하게 배열하는 것은 종종 어렵다. 전구체 주입기들 및 라디칼들을 위한 쓰루홀들의 표준 패턴들은 방위각 방향 및/또는 방사상 방향에서 불균일한 증착 패턴들을 생성하는 경향이 있다.
본 개시는 보다 균일한 증착 성능을 제공하기 위해 전구체 주입기들 및 라디칼들을 위한 쓰루홀들의 미리 결정된 패턴 및 사이즈를 포함하는 샤워헤드를 포함하는 기판 프로세싱 시스템에 관한 것이다. 일부 예들에서, 본 명세서에 개시된 배열들 및 사이즈 변화들은 대략 50 ％까지의 샤워헤드-유발된 증착 변동을 감소시킨다.
샤워헤드는 균일하고 제어된 온도를 유지하기 위해 샤워헤드의 중심 부분을 통해 채널들로 열 전달 유체를 공급함으로써 균일한 온도 제어를 제공한다. 샤워헤드는 또한 기판을 포함하는 챔버로 균일한 전구체 가스 플로우 전달을 공급한다. 일부 예들에서, 기판 프로세싱 시스템은 컨포멀한 (conformal) 카바이드 막들을 증착하도록 사용될 수 있지만, 다른 유형들의 막이 증착될 수 있다.
이제 도 1을 참조하면, 기판 프로세싱 시스템 (10) 이 상부 챔버 (20) 및 하부 챔버 (30) 를 포함한다. 특정한 유형의 기판 프로세싱 시스템들이 본 명세서에 도시되고 기술되지만, 다른 유형들 및/또는 배열들이 사용될 수도 있다. ICP (Inductively coupled Plasma) 가 도시되지만, CCP (Capacitively Coupled Plasma), 리모트 플라즈마 소스들, 또는 다른 적합한 플라즈마 생성기들과 같은 다른 유형들의 플라즈마 생성이 사용될 수도 있다.
일부 예들에서, 상부 챔버 (20) 는 돔 형상 챔버를 포함할 수도 있지만, 다른 챔버 형상들이 사용될 수 있다. 기판 지지부 (34) 가 하부 챔버 (30) 내에 배열된다. 기판 (36) 이 기판 처리 동안 기판 지지부 (34) 상에 배열된다. 샤워헤드 (40) 가 상부 챔버 (20) 와 하부 챔버 (30) 사이에 배열된다. 유도 코일들 (42) 이 상부 챔버 (20) 주위에 배열될 수도 있다. 샤워헤드 (40) 는 샤워헤드를 냉각시키기 위한 열 전달 플레넘 (열 전달 플레넘의 일 예는 도 6에 도시됨) 및 전구체 가스를 하부 챔버 (30) 로 전달하기 위한 가스 플레넘 (가스 플레넘의 일 예는 도 7에 도시됨) 을 규정한다.
가스 전달 시스템 (50-1) 이 플라즈마 가스를 포함하는 프로세스 가스 혼합물을 상부 챔버 (20) 로 공급하도록 사용될 수도 있다. 가스 전달 시스템 (50-1) 은 하나 이상의 가스 소스들 (52-1, 52-2, …, 및 52-N), 밸브들 (54-1, …, 및 54-N), MFC (Mass Flow Controllers) (56-1, …, 및 56-N), 및 매니폴드 (manifold) (58) 를 포함하지만, 다른 유형들의 가스 전달 시스템들이 사용될 수 있다 (N은 정수임). 가스 전달 시스템 (50-2) 이 전구체 가스를 포함하는 프로세스 가스 혼합물을 샤워헤드 (40) 로 전달한다.
RF 플라즈마 생성기 (66) 가 RF 소스 (70) 및 매칭 네트워크 (72) 를 포함한다. RF 플라즈마 생성기 (66) 는 상부 챔버 (20) 내에 플라즈마 (62) 를 생성하기 위해 (플라즈마 가스가 공급되는 동안) 유도 코일 (42) 에 RF 전력을 선택적으로 공급한다.
열 제어 시스템 (86) 이 샤워헤드 (40) 의 온도를 제어하기 위해 샤워헤드 (40) 에 가스 또는 액체 냉각제와 같은 열 전달 유체를 공급하도록 사용될 수도 있다. 밸브 (88) 및 펌프 (90) 가 반응물질들을 배출하기 위해 사용될 수도 있다.
제어기 (94) 가 상부 챔버 (20) 및 샤워헤드 (40) 에 필요에 따라 프로세스 가스들을 선택적으로 공급하기 위해 가스 전달 시스템들 (50-1 및 50-2) 과 통신한다. 제어기 (94) 는 상부 챔버 (20) 내에 플라즈마를 생성하고 소화시키기 위해 RF 플라즈마 생성기 (66) 와 통신한다.
제어기 (94) 는 열 전달 유체의 플로우 레이트 및 온도를 제어하기 위해 열 제어 시스템 (86) 과 통신한다. 열 전달 유체는 샤워헤드 (40) 의 온도를 제어하도록 사용된다. 일부 예들에서, 열 전달 유체는 물, 에틸렌 글리콜과 혼합된 물, 퍼플루오로폴리에테르 플루오르화된 (perfluoropolyether fluorinated) 유체 또는 다른 유체 및/또는 하나 이상의 가스들을 포함할 수도 있다. 일부 예들에서, 열 제어 시스템 (86) 은 폐 루프 제어 시스템을 사용하여 열 전달 유체의 플로우 레이트 또는 온도를 제어한다. 다른 예들에서, 열 제어 시스템 (86) 은 PID (Proportional Integral Derivative) 제어를 사용하여 플로우 레이트 및 온도를 제어한다. 열 전달 유체는 물 순환 시스템으로부터 개 루프 시스템에 제공될 수도 있다. 일부 예들에서, 열 전달 유체는 진공 챔버로부터 기밀하게 시일링된다.
일부 예들에서, 제어기 (94) 는 샤워헤드 (40) 의 하나 이상의 온도들을 센싱하기 위해 샤워헤드 (40) 내에 배열된 하나 이상의 온도 센서들 (미도시) 에 연결될 수도 있다. 일부 예들에서, 제어기 (94) 는 프로세싱 챔버의 하나 이상의 압력들을 센싱하기 위해 샤워헤드 (40) 내에 배열된 하나 이상의 압력 센서들 (미도시) 에 연결될 수도 있다. 제어기 (94) 는 상부 챔버 및 하부 챔버 (20, 30) 내의 압력을 제어하고 이들로부터의 반응물질들을 선택적으로 배출하기 위해 밸브 (88) 및 펌프 (90) 와 통신한다.
이제 도 2 및 도 3을 참조하면, 샤워헤드 (40) 의 상부 표면 (190) 및 하부 표면 (194) 의 사시도들이 각각 도시된다. 샤워헤드 (40) 는 복수의 쓰루홀들 (204) 을 포함하는 플라즈마-대면 표면 (202) 을 포함한다. 일부 예들에서, 플라즈마-대면 표면 (202) 은 원형이지만, 다른 형상들이 사용될 수 있다. 일부 예들에서, 플라즈마-대면 표면 (202) 은 대략 400 mm의 직경을 갖지만, 다른 직경들이 사용될 수도 있다.
일부 예들에서, 쓰루홀들 (204) 은 샤워헤드 (40) 의 상부 표면 (190) 으로부터 샤워헤드의 하부 표면 (194) 으로 연장한다. 일부 예들에서, 쓰루홀들 (204) 은 그룹들 (208-1, 208-2, …, 및 208-T) (집합적으로 쓰루홀들 (208) 의 그룹들) 로 배열되고, 그룹들 각각은 R 개의 쓰루홀들을 포함하고, R 및 T는 1보다 큰 정수들이다. 다른 예들에서, R은 1이다. 이 예에서, 쓰루홀들 (208) 의 그룹들 각각은 삼각형 구성으로 배열되는 3 개의 쓰루홀들 (204) 을 포함하지만, 다른 형상들 및 수들의 쓰루홀들이 사용될 수 있다. 일부 예들에서, 쓰루홀들 (208) 의 그룹들은 도 4에 가장 잘 보이는 육각형 패턴으로 배열된다. 삼각형 기반 패턴에서, 쓰루홀들은 반-이격된 삼각형 패턴으로 배열되거나 주입기 각각의 주위에 방사상으로 배열될 수도 있다. 또 다른 예시적인 패턴에서, 쓰루홀들은 주입기 각각의 주위에 방사상으로 (예를 들어, 원형 기반 패턴으로) 배열된다.
전구체 가스가 샤워헤드 (40) 의 내부에 위치된 가스 플레넘 (미도시) 에 공급된다. 전구체 가스는 복수의 주입기들 (244) 을 통해 가스 플레넘을 빠져 나간다. 일부 예들에서, 복수의 주입기들 (244) 각각은 제한된 오리피스 (orifice) 를 포함한다. 일부 예들에서, 쓰루홀들 (208) 의 그룹들 각각은 복수의 주입기들 (244) 중 적어도 하나를 포함한다. 그룹들 (208) 중 미리 결정된 하나의 쓰루홀들 (204) 각각은 임의의 다른 주입기들 (244) 보다 주입기들 (244) 중 연관된 하나 (즉, 그룹 (208) 이 주위에 클러스터링되는 (clustered) 주입기) 에 보다 가깝다. 도 3에 도시된 바와 같이, 가스 주입기 노즐들 (248) 은 주입기들 (244) 의 각각 상에 배열될 수도 있다. 노즐들 (248) 은 주입기들 (244) 로부터 하향으로 연장한다. 예시적인 목적들을 위해 몇 개의 노즐들 (248) 만이 도시되지만, 주입기들 (244) 각각은 노즐들 (248) 각각을 가질 수도 있다.
샤워헤드 (40) 는 함께 연결되는 복수의 층들로 이루어질 수 있다. 보다 많은 층들이 부가적인 플레넘들을 생성하기 위해 추가될 수도 있다. 일부 예들에서, 샤워헤드 (40) 는 합리적인 비용으로 복잡하고 독특한 기하구조들을 가능하게 하기 위해 진공 브레이징 (brazing), TIG (Tungsten Inert Gas) 용접, 또는 전자 빔 용접을 사용하여 제작될 수 있다. 진공 브레이즈 (braze) 접합은 샤워헤드로 하여금 플레이트 각각 사이에 브레이즈의 층을 갖는 플레이트들로 절단된 홈들을 갖는 평평한 플레이트들로 머시닝되게 (machined) 한다. 용접 기법들은 시일링 (sealing) 을 필요로 하는 모든 영역들에 접근하기 위해 용접에 대해 보다 복잡한 하위 컴포넌트들을 필요로 한다. 포스트들 및 대응하는 홀들은 시일링 영역을 용접에 접근 가능한 부분의 표면으로 상승시키도록 머시닝될 수도 있다.
이제 도 4를 참조하면, 쓰루홀들 (204) 중 선택된 쓰루홀들은 라디칼들의 전달을 변경/조정하기 위해 상이하게 사이즈가 정해지는 (sized) 직경들을 갖는다. A, B 또는 C로 라벨링되지 (labeled) 않은 쓰루홀들 (204) 각각은 공칭 유형이고, 이하에 더 기술될 공칭 직경 치수를 갖는다. 유형 A, B, 또는 C로 라벨링되는 쓰루홀들 (204) 은 이하에 더 기술될 바와 같이 공칭 직경 치수와 상이한 직경 치수를 갖는다.
일부 예들에서, 유형들 A, B 및 C에 대해, 평균 사이즈는 미리 결정된 비 (Davg_typeX)4/(Davg_nom)4 = 비 +/- 0.01”를 따르고, Davg_typeX는 유형 X (이 예에서 A 또는 B 또는 C일 수 있음) 의 평균 직경이고, Davg_nom은 공칭 유형의 평균 직경이다. 일부 예들에서, 유형 A에 대한 비는 1.3 내지 1.6의 범위이다. 일부 예들에서, 유형 B에 대한 비는 0.8 내지 1.0의 범위이다. 일부 예들에서, 유형 C에 대한 비는 1.0 내지 1.2의 범위이다. 인식할 수 있는 바와 같이 홀 사이즈들의 다른 조합들이 동일한 전체 샤워헤드 플로우 분포를 달성할 수 있다. 전술한 예는 원형 챔버 내의 삼각형 패턴의 방위각적 불균일성을 보정한다. 홀 사이즈 비들은 또한 기판 상의 증착의 방사상 균일성을 변화시키기 위해 방사상으로 조절될 수 있다. 예를 들어, 샤워헤드 (40) 를 통해 2 개 이상의 상이한 가스들을 제공하도록 구성된 기판 프로세싱 시스템들에 대해, 상기 기술한 바와 같이 상이한 가스들에 대응하는 홀 사이즈 비들을 조절하는 것은 샤워헤드 밖으로 그리고 프로세싱 챔버 내로 흐르는 가스들의 양들 사이의 비를 변화시킨다. 이 방식에서, 홀 사이즈 비들은 특정한 영역들에서 반응물질 비를 조절하고 웨이퍼 불균일성들을 보정하도록 조정될 수 있다. 일부 예들에서, 주입기들 (244) (및/또는 각각의 노즐들 (248)) 의 직경들은 동일한 방식으로 가스 플로우 비들을 조절하도록 변화될 수도 있다. 그러나, 주입기들 (244) 보다 쓰루홀들 (204) 의 수가 상당히 보다 많기 때문에, 쓰루홀들 (204) 의 직경들을 변화시키는 것은 가스 플로우 비의 보다 미세한 튜닝을 용이하게 한다.
도 4의 예에서, 총 85 개의 주입기들 (244) 과 대응하는 개수의 그룹들의 쓰루홀들 (204) 이 있다. 플라즈마-대면 표면 (202) 의 방사상으로 내측 부분 (252) 내에 위치된 쓰루홀들 (204) 중 일부는 유형 C이다. 플라즈마-대면 표면 (202) 의 방사상으로 외측 부분 (254) 내에 위치된 쓰루홀들 (204) 중 일부는 유형 A 및 유형 B이다. 일부 예들에서, 쓰루홀들 (204) 중 9 개는 유형 C로 선택된다. 일부 예들에서, 쓰루홀들 (204) 중 36 개는 유형 B로 선택된다. 일부 예들에서, 쓰루홀들 (204) 중 6 개는 유형 A로 선택된다. 일부 예들에서, 6 개의 유형 B 쓰루홀들 및 1 개의 유형 A 쓰루홀들은 6 개의 60 도 파이 형상 슬라이스들 (250) 각각에 배열된다.
가스 주입기들은 중심 주입기와 그 주위에 반복된 패턴을 갖는 원형 보어 (bore) 내에 배열된다. 도 4에서, 단일의, 중심 그룹 (256) 은 총 85 개의 그룹들에 대해 각각의 동심 육각형 영역들에서 6, 12, 18, 24 및 24 개의 그룹으로 둘러싸여 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 그룹 (256) 은 제 1 육각형 영역 (258) 내의 6 개의 삼각형 그룹들에 의해 둘러싸여 있다. 제 2 육각형 영역 (260) 이 12 개의 삼각형 그룹들을 포함한다. 제 3 육각형 영역 (262) 이 18 개의 삼각형 그룹들을 포함한다. 제 4 육각형 영역 (264) 및 제 5 육각형 영역 (266) 각각이 24 개의 삼각형 그룹들을 포함한다. 가스 주입기 주위의 쓰루홀들의 패턴이 85 개의 그룹들의 쓰루홀들을 포함하지만, 패턴은 6 개의 증분들 (즉, 연속적인 주위 영역 각각이 인접한 내측 영역보다 6 개 더 많은 그룹들을 갖는 6 개의 증가하는 패턴) 로 변화될 수 있다. 대안적인 패턴들은 6 개 또는 8 개의 증가하는 패턴을 갖는 방사상 패턴을 포함한다. 6 개의 증가하는 패턴을 갖는 방사상 패턴이 61, 91, 127, 또는 169 개의 주입기들을 포함한다. 8 개의 증가하는 패턴을 갖는 방사상 패턴이 81, 121, 또는 169 개의 주입기들을 포함한다. 일부 예들에서, 공칭 유형은 0.06” 내지 0.40”의 치수를 갖는다. 공칭 홀 직경은 플로우 분포로 하여금 다른 챔버 기하구조에 의해 지배되지 않고 쓰루홀들 (204) 로 제어되게 하도록 플로우, 가스, 및 압력 조건들에 필요한 압력 강하에 종속될 수도 있다. 홀 직경은 또한 상부 챔버 (20) 내로의 전구체 가스들의 역 확산을 방지하기 위해 목표된 플로우 레이트, 압력, 및 가스 종에 종속될 수도 있다.
도 5는 본 개시에 따른 샤워헤드 (500) 의 예시적인 하면도를 도시한다. 이 예에서, 쓰루홀들 (504) 은 각각의 주입기들 (512) 주위에 클러스터링된 그룹들 (508) 의 삼각형 기반 패턴으로 배열된다. 중심 그룹 (516) 은 각각 6 개의 그룹들 (508), 12 개의 그룹들 (508), 18 개의 그룹들 (508), 24 개의 그룹들 (508), 및 24 개의 그룹들 (508) 의 각각의 연속적인 육각형 링들에 의해 둘러싸여 있다. 이 예에서, 그룹들 (508) 의 최외각 육각형 링은 또한 주입기들 (512) 각각의 주위에 클러스터링된 그룹들 (508) 중 특정한 그룹과 연관되지 않은 부가적인 쓰루홀들 (540) 을 포함한다. 대신, 쓰루홀들 (540) 은 최외각 육각형 링의 그룹들 (508) 의 패턴 내의 갭들 내에 배열된다. “링들”로 지칭되지만, 그룹들 (508) 은 도 4에 도시된 방식과 유사한 연속적인 육각형 패턴들로 배열된다.
도 4에 기술된 예와 유사하게, 쓰루홀들 (504 및 540) 중 선택된 쓰루홀들은 도 5에 도시된 바와 같이 라디칼들의 전달을 변경/조정하기 위해 상이하게 사이즈가 정해지는 직경들을 갖는다. 이 예에서, (도 5의 각각의 쓰루홀들과 연결되는 프로파일들 A 내지 F 각각에 의해 나타낸 바와 같이) A, B, C, D, E, F 또는 G로 라벨링되지 않는 쓰루홀들 (504 및 540) 각각은 공칭 유형이고, 이하에 더 기술될 공칭 직경 치수를 갖는다. 유형 A, B 또는 C로 라벨링되는 쓰루홀들 (504 및 540) 은 이하에 더 기술될 바와 같이 공칭 직경 치수와 상이한 직경 치수를 갖는다.
일부 예들에서, 유형들 A, B, C, D, E, F, 및 G에 대해, 평균 사이즈는 미리 결정된 비 (Davg_typeX)4/(Davg_nom)4 = 비 +/- 0.01”를 따르고, Davg_typeX는 유형 X (이 예에서 A, B, C, D, E, F, 또는 G일 수 있음) 의 평균 직경이고, Davg_nom은 공칭 유형의 평균 직경이다. 일부 예들에서, 유형 A에 대한 비는 1.3 내지 1.6의 범위이다. 일부 예들에서, 유형 B에 대한 비는 1.1 내지 1.4의 범위이다. 일부 예들에서, 유형 C에 대한 비는 1.1 내지 1.4의 범위이다. 일부 예들에서, 유형 D에 대한 비는 1.1 내지 1.4의 범위이다. 일부 예들에서, 유형 E에 대한 비는 1.2 내지 1.5의 범위이다. 일부 예들에서, 유형 F에 대한 비는 0.7 내지 1.0의 범위이다. 일부 예들에서, 유형 G에 대한 비는 0.7 내지 1.0의 범위이다.
인식할 수 있는 바와 같이 홀 사이즈들의 다른 조합들이 동일한 전체 샤워헤드 플로우 분포를 달성할 수 있다. 홀 사이즈 비들은 또한 기판 상의 증착의 방사상 균일성을 변화시키기 위해 방사상으로 조절될 수 있다. 이 방식에서, 홀 사이즈 비들은 특정한 영역들에서 반응물질 비를 조절하고 웨이퍼 불균일성들을 보정하도록 조정될 수 있다.
도 6a, 도 6b, 및 도 6c는 본 개시에 따른 다른 예시적인 홀 패턴들을 예시한다. 도 6a에서, 쓰루홀들 (600) 은 각각의 주입기들 (608) 주위에 클러스터링된 그룹들 (604) 의 삼각형 기반 패턴으로 배열된다. 중심 그룹 (612) 이 각각 6 개, 12 개, 18 개, 24 개, 및 30 개의 그룹들 (604) 을 포함하는 (즉, 6 개의 증가하는 패턴으로) 5 개의 연속적인 원형 영역들에 의해 둘러싸여 있다. 도 6b 및 도 6c 각각에서, 중심 그룹 (616) 은 6 개, 12 개, 18 개, 24 개, 및 24 개의 그룹들 (604) 을 포함하는 각각의 5 개의 연속적인 육각형 영역들에 의해 둘러싸여 있다.
도 6a, 도 6b, 및 도 6c에 도시된 예들에서, 쓰루홀들 (600) 중 선택된 쓰루홀들의 직경들은 도 4 및 도 5d에 기술된 것과 유사한 방식으로 라디칼들의 전달을 변경/조정하기 위해 상이하게 사이즈가 정해질 수도 있다. 즉, 유형 X의 쓰루홀들 (600) 중 선택된 쓰루홀들은 쓰루홀들 (600) 의 공칭 직경 치수와 상이한 직경 치수를 갖는다. 예를 들어, 쓰루홀들 (600) 중 선택된 쓰루홀들은 미리 결정된 비 (Davg_typeX)4/(Davg_nom)4 = 비 +/- 0.01”를 따르는 평균 사이즈를 갖고, Davg_typeX는 유형 X의 평균 직경이고, Davg_nom은 공칭 유형의 평균 직경이다. 이 방식에서, 홀 사이즈 비들은 상기 보다 상세히 기술된 바와 같이 특정한 영역들에서 반응물질 비를 조절하고 웨이퍼 불균일성들을 보정하도록 조정될 수 있다.
전술한 기술은 본질적으로 단지 예시이고, 어떠한 방식으로도 본 개시, 이의 적용예, 또는 사용들을 제한하도록 의도되지 않는다. 본 개시의 광범위한 교시들은 다양한 형태들로 구현될 수 있다. 따라서, 본 개시가 특정한 예들을 포함하지만, 본 개시의 진정한 범위는 다른 수정들이 도면들, 명세서, 및 이하의 청구항들의 연구에 따라 분명해질 것이기 때문에 이렇게 제한되지 않아야 한다. 방법의 하나 이상의 단계들은 본 개시의 원리들을 변경하지 않고 상이한 순서로 (또는 동시에) 실행될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 실시예들 각각이 특정한 피처들을 갖는 것으로 상기 기술되었지만, 본 개시의 임의의 실시예에 대해 기술된 이들 피처들 중 임의의 하나 이상은, 조합이 명시적으로 기술되지 않더라도 임의의 다른 실시예들의 피처들에서 그리고/또는 피처들과 조합하여 구현될 수 있다. 즉, 기술된 실시예들은 상호 배타적이지 않고, 하나 이상의 실시예들의 또 다른 실시예들과의 치환들이 본 개시의 범위 내에 남는다.
엘리먼트들 간 (예를 들어, 모듈들, 회로 엘리먼트들, 반도체 층들, 등 간) 의 공간적 및 기능적 관계들은, “연결된 (connected)”, “인게이지된 (engaged)”, “커플링된 (coupled)”, “인접한 (adjacent)”, “옆에 (next to)”, “상단에 (on top of)”, “위에 (above)”, “아래에 (below)”, 및 “배치된 (disposed)” 을 포함하는, 다양한 용어들을 사용하여 기술된다. “직접적 (direct)” 으로 명시적으로 기술되지 않는 한, 제 1 엘리먼트와 제 2 엘리먼트 간의 관계가 상기 개시에서 기술될 때, 그 관계는 제 1 엘리먼트와 제 2 엘리먼트 사이에 다른 중개하는 엘리먼트들이 존재하지 않는 직접적인 관계일 수 있지만, 또한 제 1 엘리먼트와 제 2 엘리먼트 사이에 (공간적으로 또는 기능적으로) 하나 이상의 중개하는 엘리먼트들이 존재하는 간접적인 관계일 수 있다. 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 구 (phrase) A, B, 및 C 중 적어도 하나는 비배타적인 논리 OR를 사용하여 논리적으로 (A 또는 B 또는 C) 를 의미하는 것으로 해석되어야 하고, “적어도 하나의 A, 적어도 하나의 B, 및 적어도 하나의 C” 를 의미하도록 해석되지 않아야 한다.
일부 구현예들에서, 제어기는, 상기 기술된 예들의 일부일 수도 있는 시스템의 일부이다. 이러한 시스템들은, 프로세싱 툴 또는 툴들, 챔버 또는 챔버들, 프로세싱용 플랫폼 또는 플랫폼들, 및/또는 특정 프로세싱 컴포넌트들 (웨이퍼 페데스탈, 가스 플로우 시스템, 등) 을 포함하는, 반도체 프로세싱 장비를 포함할 수 있다. 이들 시스템들은 반도체 웨이퍼 또는 기판의 프로세싱 전에, 프로세싱 동안에 그리고 프로세싱 후에 그들의 동작을 제어하기 위해 전자장치들에 통합될 수도 있다. 전자장치들은 시스템 또는 시스템들의 다양한 컴포넌트들 또는 하위부분들을 제어할 수도 있는 “제어기”로서 지칭될 수도 있다. 제어기는, 프로세싱 조건들 및/또는 시스템의 유형에 따라서, 프로세싱 가스들의 전달, 온도 설정사항들 (예를 들어, 가열 및/또는 냉각), 압력 설정사항들, 진공 설정사항들, 전력 설정사항들, 무선 주파수 (RF) 생성기 설정사항들, RF 매칭 회로 설정사항들, 주파수 설정사항들, 플로우 레이트 설정사항들, 유체 전달 설정사항들, 위치 및 동작 설정사항들, 툴 및 다른 이송 툴들 및/또는 특정 시스템과 연결되거나 인터페이싱된 로드록들 내외로의 웨이퍼 이송들을 포함하는, 본 명세서에 개시된 프로세스들 중 임의의 프로세스들을 제어하도록 프로그래밍될 수도 있다.
일반적으로 말하면, 제어기는 인스트럭션들을 수신하고, 인스트럭션들을 발행하고, 동작을 제어하고, 세정 동작들을 인에이블하고, 엔드 포인트 측정들을 인에이블하는 등을 하는 다양한 집적 회로들, 로직, 메모리, 및/또는 소프트웨어를 갖는 전자장치들로서 규정될 수도 있다. 집적 회로들은 프로그램 인스트럭션들을 저장하는 펌웨어의 형태의 칩들, 디지털 신호 프로세서들 (DSPs), ASICs (Application Specific Integrated Circuits) 으로서 규정되는 칩들, 및/또는 프로그램 인스트럭션들 (예를 들어, 소프트웨어) 을 실행하는 하나 이상의 마이크로프로세서들, 또는 마이크로제어기들을 포함할 수도 있다. 프로그램 인스트럭션들은 반도체 웨이퍼 상에서 또는 반도체 웨이퍼에 대한 특정 프로세스를 실행하기 위한 동작 파라미터들을 규정하는, 다양한 개별 설정사항들 (또는 프로그램 파일들) 의 형태로 제어기로 또는 시스템으로 전달되는 인스트럭션들일 수도 있다. 일부 실시예들에서, 동작 파라미터들은 하나 이상의 층들, 재료들, 금속들, 옥사이드들, 실리콘, 실리콘 다이옥사이드, 표면들, 회로들, 및/또는 웨이퍼의 다이들의 제조 동안에 하나 이상의 프로세싱 단계들을 달성하도록 프로세스 엔지니어들에 의해 규정된 레시피의 일부일 수도 있다.
제어기는, 일부 구현예들에서, 시스템에 통합되거나, 시스템에 커플링되거나, 이와 달리 시스템에 네트워킹되거나, 또는 이들의 조합으로 될 수 있는 컴퓨터에 커플링되거나 이의 일부일 수도 있다. 예를 들어, 제어기는 웨이퍼 프로세싱의 원격 액세스를 가능하게 할 수 있는 공장 (fab) 호스트 컴퓨터 시스템의 전부 또는 일부이거나 “클라우드” 내에 있을 수도 있다. 컴퓨터는 제조 동작들의 현 진행을 모니터링하고, 과거 제조 동작들의 이력을 조사하고, 복수의 제조 동작들로부터 경향들 또는 성능 계측치들을 조사하고, 현 프로세싱의 파라미터들을 변경하고, 현 프로세싱을 따르는 프로세싱 단계들을 설정하고, 또는 새로운 프로세스를 시작하기 위해서 시스템으로의 원격 액세스를 인에이블할 수도 있다. 일부 예들에서, 원격 컴퓨터 (예를 들어, 서버) 는 로컬 네트워크 또는 인터넷을 포함할 수도 있는 네트워크를 통해서 프로세스 레시피들을 시스템에 제공할 수 있다. 원격 컴퓨터는 차후에 원격 컴퓨터로부터 시스템으로 전달되는 파라미터들 및/또는 설정사항들의 입력 또는 프로그래밍을 인에이블하는 사용자 인터페이스를 포함할 수도 있다. 일부 예들에서, 제어기는 하나 이상의 동작들 동안에 수행될 프로세싱 단계들 각각에 대한 파라미터들을 특정하는, 데이터의 형태의 인스트럭션들을 수신한다. 파라미터들은 제어기가 제어하거나 인터페이싱하도록 구성된 툴의 유형 및 수행될 프로세스의 유형에 특정적일 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 상기 기술된 바와 같이, 제어기는 예컨대 본 명세서에 기술된 프로세스들 및 제어들과 같은, 공동의 목적을 향해 함께 네트워킹되고 작동하는 하나 이상의 개별 제어기들을 포함함으로써 분산될 수도 있다. 이러한 목적들을 위한 분산된 제어기의 예는 챔버 상의 프로세스를 제어하도록 조합되는, 원격으로 위치한 (예컨대 플랫폼 레벨에서 또는 원격 컴퓨터의 일부로서) 하나 이상의 집적 회로들과 통신하는 챔버 상의 하나 이상의 집적 회로들일 것이다.
비한정적으로, 예시적인 시스템들은 플라즈마 에칭 챔버 또는 모듈, 증착 챔버 또는 모듈, 스핀-린스 챔버 또는 모듈, 금속 도금 챔버 또는 모듈, 세정 챔버 또는 모듈, 베벨 에지 에칭 챔버 또는 모듈, PVD (Physical Vapor Deposition) 챔버 또는 모듈, CVD (Chemical Vapor Deposition) 챔버 또는 모듈, ALD (Atomic Layer Deposition) 챔버 또는 모듈, ALE (Atomic Layer Etch) 챔버 또는 모듈, 이온 주입 챔버 또는 모듈, 트랙 (track) 챔버 또는 모듈, 및 반도체 웨이퍼들의 제조 및/또는 제작 시에 사용되거나 연관될 수도 있는 임의의 다른 반도체 프로세싱 시스템들을 포함할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 툴에 의해서 수행될 프로세스 단계 또는 단계들에 따라서, 제어기는, 반도체 제작 공장 내의 툴 위치들 및/또는 로드 포트들로부터 그리고 툴 위치들 및/또는 로드 포트들로 웨이퍼들의 컨테이너들을 이동시키는 재료 이송 시에 사용되는, 다른 툴 회로들 또는 모듈들, 다른 툴 컴포넌트들, 클러스터 툴들, 다른 툴 인터페이스들, 인접 툴들, 이웃하는 툴들, 공장 도처에 위치한 툴들, 메인 컴퓨터, 또 다른 제어기 또는 툴들 중 하나 이상과 통신할 수도 있다.

Claims (16)

  1. 기판 프로세싱 시스템을 위한 샤워헤드에 있어서,
    하부 표면;
    플라즈마-대면 상부 표면;
    상기 하부 표면과 상기 상부 표면 사이에 규정된 가스 플레넘 (plenum);
    상기 하부 표면 상에 분포된 복수의 주입기들로서, 상기 복수의 주입기들은 상기 가스 플레넘과 유체로 연통하는, 상기 복수의 주입기들; 및
    상기 상부 표면으로부터 상기 하부 표면으로 연장하는 복수의 쓰루홀들 (through holes) 로서, 상기 복수의 쓰루홀들 중 선택된 쓰루홀들은 상기 복수의 쓰루홀들 중 나머지 쓰루홀들의 직경과 상이한 직경을 갖고, 상기 복수의 쓰루홀들 중 상기 선택된 쓰루홀들의 상기 직경은 상기 복수의 쓰루홀들 중 상기 선택된 쓰루홀들 및 상기 복수의 쓰루홀들 중 상기 나머지 쓰루홀들을 통해 제공된 각각의 가스들의 목표된 비율에 따라 미리 결정되는, 상기 복수의 쓰루홀들을 포함하는, 샤워헤드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 쓰루홀들 중 상기 선택된 쓰루홀들은 상기 복수의 쓰루홀들 중 상기 나머지 쓰루홀들의 평균 직경과 미리 결정된 비의 관계를 만족하는 평균 직경을 갖는 제 1 유형의 쓰루홀을 포함하는, 샤워헤드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 쓰루홀들 중 상기 선택된 쓰루홀들은 적어도 상기 복수의 쓰루홀들 중 상기 나머지 쓰루홀들의 평균 직경과 제 1 미리 결정된 비의 관계를 만족하는 제 1 유형의 쓰루홀 및 상기 복수의 쓰루홀들 중 상기 나머지 쓰루홀들의 평균 직경과 제 2 미리 결정된 비의 관계를 만족하는 제 2 유형의 쓰루홀을 포함하는, 샤워헤드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 쓰루홀들 중 상기 선택된 쓰루홀들의 상기 직경은 샤워헤드와 연관된 증착 불균일성들에 따라 미리 결정되는, 샤워헤드.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 샤워헤드의 상기 하부 표면 상에, 상기 쓰루홀들은 복수의 그룹들로 배열되고, 그룹 각각은 상기 복수의 주입기들의 각각의 주입기 주위에 분포된 2 개 이상의 상기 쓰루홀들을 포함하는, 샤워헤드.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 샤워헤드의 상기 하부 표면 상에, 상기 쓰루홀들은 복수의 그룹들로 배열되고, 그룹 각각은 상기 복수의 주입기들의 각각의 주입기 주위에 분포된 3 개의 쓰루홀들을 포함하는, 샤워헤드.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 그룹들 각각의 상기 3 개의 쓰루홀들은 상기 복수의 주입기들의 각각의 주입기 주위에 삼각형 구성으로 분포되는, 샤워헤드.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 그룹들 각각의 상기 3 개의 쓰루홀들은 상기 복수의 주입기들의 상기 각각의 주입기 주위에 방사상으로 분포되는, 샤워헤드.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 쓰루홀들은 쓰루홀들의 적어도 하나의 중심 그룹 및 상기 적어도 하나의 중심 그룹 주위에 제 1 육각형 패턴으로 배열된 상기 쓰루홀들의 제 1 복수의 그룹들을 포함하는, 샤워헤드.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 복수의 그룹들 주위에 제 2 육각형 패턴으로 배열된 상기 쓰루홀들의 제 2 복수의 그룹들을 더 포함하는, 샤워헤드.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 쓰루홀들은 적어도 하나의 중심 그룹 및 상기 적어도 하나의 중심 그룹 주위에 제 1 원형 패턴으로 배열된 상기 쓰루홀들의 제 1 복수의 그룹들을 포함하는, 샤워헤드.
  12. 제 11 항에 있어서,
    적어도 상기 제 1 복수의 그룹들 주위에 제 2 원형 패턴으로 배열된 상기 쓰루홀들의 상기 제 2 복수의 그룹들을 더 포함하는, 샤워헤드.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 쓰루홀들은 상기 쓰루홀들의 복수의 그룹들을 포함하고, 상기 쓰루홀들의 복수의 그룹들은 적어도 하나의 중심 그룹을 포함하고, 그리고 상기 복수의 그룹들 중 나머지 그룹들은 상기 적어도 하나의 중심 그룹 주위에 증가하는 6 개의 패턴으로 배열되는, 샤워헤드.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 쓰루홀들은 상기 쓰루홀들의 복수의 그룹들을 포함하고, 상기 쓰루홀들의 복수의 그룹들은 적어도 하나의 중심 그룹을 포함하고, 그리고 상기 복수의 그룹들 중 나머지 그룹들은 상기 적어도 하나의 중심 그룹 주위에 증가하는 8 개의 패턴으로 배열되는, 샤워헤드.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 주입기들의 각각의 주입기들로부터 하향으로 연장하는 복수의 가스 주입기 노즐들을 더 포함하는, 샤워헤드.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 쓰루홀들은 상기 쓰루홀들의 85 개의 그룹들을 포함하는, 샤워헤드.
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