JP7181337B2 - 流れ均一性を改善させるためのフェースプレート穴を有する低容積シャワーヘッド - Google Patents

Description

本開示は、一般的には半導体処理装置においてガスを分配するためのシャワーヘッドに関する。本開示の特定の態様は、原子層堆積プロセスでガスを分配するための多孔バッフル、フェースプレートの小径貫通穴、および／またはフェースプレートの追加のエッジ貫通穴を有する低容積シャワーヘッドに関する。

半導体処理ツールは、半導体基板またはウェハの全体にわたって比較的均一にプロセス・ガスを分配するように設計されている構成要素をしばしば備える。かかる構成要素は、業界では「シャワーヘッド」と一般的に呼ばれる。シャワーヘッドは、典型的には何らかのプレナム区域に対面したフェースプレートを備える。フェースプレートは、複数の貫通穴を備えてもよく、これらの貫通穴により、プレナム区域内のガスは、フェースプレートを通過して基板とフェースプレートとの間（またはウェハを支持するウェハ支持体とフェースプレートとの間）の反応空間内へと流れることが可能となる。貫通穴は、典型的には、ウェハ中にわたるガス分配により実質的に均一な基板処理が結果として得られるように配置される。

本開示は、半導体処理装置で使用するためのシャワーヘッドに関する。このシャワーヘッドは、第１の表面および第１の表面に対向する第２の表面を有するプレナム区域を備え、第１の表面および第２の表面は、シャワーヘッドのプレナム区域を少なくとも部分的に画定する。また、シャワーヘッドは、プレナム区域と流体連通する１つまたは複数のガス入口と、複数のフェースプレート貫通穴を備えるフェースプレートと、１つまたは複数のガス入口の近傍に配置されたバッフルとを備える。複数のフェースプレート貫通穴は、フェースプレートの第１の側から第２の側まで延在し、フェースプレートの第１の側は、プレナム区域の第１の表面を画定し、フェースプレート貫通穴はそれぞれ、約０．０４インチ未満の直径を有する。

いくつかの実装形態では、バッフルは、複数のバッフル貫通穴を備える。バッフルの多孔率は、約５％～約２５％の間であることが可能である。いくつかの実装形態では、バッフルは、プレナム区域と１つまたは複数のガス入口との間の領域に配置され得る。いくつかの実装形態では、フェースプレート貫通穴のそれぞれの直径が、約０．０１インチ～約０．０３インチの間である。いくつかの実装形態では、フェースプレート貫通穴の直径は、フェースプレートから出るガス流の空間的均一性を上昇させるように構成される。いくつかの実装形態では、フェースプレート貫通穴の直径は、フェースプレートの外部からプレナム区域内に進むプラズマの逆流を軽減するように構成される。

また、本開示は、前述のシャワーヘッドを備える半導体処理ステーションに関する。この半導体処理ステーションは、半導体処理ステーション内に基板を供給し、基板の表面上に吸着されるようにシャワーヘッドを介して半導体処理ステーションに反応ガスを導入し、シャワーヘッドを介して半導体処理ステーションにパージガスを導入し、基板の表面上の吸着された反応ガスから薄膜層を形成するためにプラズマを印加する動作を実行するための命令で設定されているコントローラを備える。いくつかの実装形態では、プラズマは、約５００Ｗ超のＲＦ電力にて印加され、薄膜層の膜非均一性が、約０．５％未満である。いくつかの実装形態では、薄膜層の膜非均一性は、約０．３％未満である。

また、本開示は、半導体装置で使用するためのシャワーヘッドに関し、シャワーヘッドは、第１の表面および第１の表面に対向する第２の表面を有するプレナム区域を備え、第１の表面および第２の表面は、シャワーヘッドのプレナム区域を少なくとも部分的に画定する。また、シャワーヘッドは、プレナム区域と流体連通する１つまたは複数のガス入口と、複数のフェースプレート貫通穴を備えるフェースプレートと、１つまたは複数のガス入口の近傍に配置されたバッフルとを備える。複数のフェースプレート貫通穴は、フェースプレートの第１の側から第２の側まで延在し、フェースプレートの第１の側は、プレナム区域の第１の表面を画定し、複数のフェースプレート貫通穴は、中央貫通穴と、中央貫通穴を囲むエッジ貫通穴とを備え、エッジ貫通穴は、構成されたシャワーヘッドの使用対象である基板の直径よりも大きな直径でフェースプレートの第２の側において周方向に配置される。

いくつかの実装形態では、エッジ貫通穴は、フェースプレートの第１の側から第２の側にかけて約９０度未満の角度で傾斜される。いくつかの実装形態では、エッジ貫通穴は、第１のリングおよび第１のリングを囲む第２のリングに沿ってフェースプレートの第２の側に周方向に配置される。いくつかの実装形態では、第１のリングは、約３００ｍｍ超の直径を有し、第２のリングは、約３１０ｍｍ超の直径を有する。いくつかの実装形態では、第２のリングのエッジ貫通穴は、フェースプレートの第１の側から第２の側にかけて約７５度未満の角度で傾斜される。いくつかの実装形態では、バッフルは、プレナム区域と１つまたは複数のガス入口との間の領域に配置され、バッフルは、複数のバッフル貫通穴を備える。いくつかの実装形態では、フェースプレート貫通穴のそれぞれの直径は、約０．０４インチ未満である。

また、本開示は、前述のシャワーヘッドを備える半導体処理ステーションに関する。この半導体処理ステーションは、半導体処理ステーション内に基板を供給し、基板の表面上に吸着されるようにシャワーヘッドを介して半導体処理ステーションに反応ガスを導入し、シャワーヘッドを介して半導体処理ステーションにパージガスを導入し、基板の表面上の吸着された反応ガスから薄膜層を形成するためにプラズマを印加する動作を実行するための命令で設定されているコントローラを備える。

バッフルを有する例示的シャワーヘッドの等角断面図である。

多孔バッフルを有する例示的低容積シャワーヘッドの等角断面図である。

図２の低容積シャワーヘッドの多孔バッフルの拡大等角断面図である。

２つのシャワーヘッド例の側方断面図の対照比較を示す説明図である。

低容積シャワーヘッドのフェースプレート用および多孔バッフル用の貫通穴の配置の例示的レイアウトを示す図である。

低容積シャワーヘッド内における名目上のガス流方向を示す矢印を伴った、多孔バッフルを備える例示的低容積シャワーヘッドの一部分の断面図である。

低容積シャワーヘッド内における名目上のガス流方向を示す矢印を伴った、多孔バッフルを備える例示的低容積シャワーヘッドの一部分の側方断面図である。

シャワーヘッド内における例示的バッフルの等角図である。

シャワーヘッド内における複数の貫通穴を備える例示的バッフルの等角図である。

フェースプレートの径方向寸法に対するシャワーヘッドのフェースプレートからのガスの軸方向流速を示すグラフである。

２つのシャワーヘッドについての原子層堆積の非均一性の割合を示すグラフである。

複数のフェースプレート貫通穴を有する例示的フェースプレートの底面図である。

複数の小径のフェースプレート貫通穴を有する例示的フェースプレートの底面図である。

ラジカルの逆拡散を制限するフェースプレート貫通穴の概略断面図である。

フェースプレート貫通穴の直径の縮小に伴うフェースプレートの径方向距離に対するフェースプレートからのガスの軸方向流速を示すグラフである。

０．０４インチ径のフェースプレート貫通穴を有する低容積シャワーヘッドと、０．０２インチ径フェースプレート貫通穴を有する低容積シャワーヘッドとの膜非均一性を示すグラフである。

複数の中央貫通穴および複数のエッジ貫通穴を有する例示的フェースプレートの底面図である。

複数の中央貫通穴、第１のリングに沿った複数のエッジ貫通穴、および第２のリングに沿った複数のエッジ貫通穴を有する例示的フェースプレートの底面図である。

中央貫通穴とある角度で傾斜されたエッジ貫通穴とを有する例示的フェースプレートの拡大等角断面図である。

中央貫通穴を有する例示的フェースプレートと、中央貫通穴およびエッジ貫通穴を有する例示的フェースプレートとを備える側方断面図である。

図１５Ａの２つの例示的フェースプレートを対比する部分拡大側方断面図である。

図１５Ａの２つの例示的フェースプレートを対比する部分拡大斜視断面図である。

低容積シャワーヘッドを備え得るマルチステーション処理ツールの概略図である。

以下の説明では、本概念の十分な理解を与えるため、多数の具体的詳細が示される。本概念は、これらの具体的詳細のいくつかまたは全てを伴わずに実施されてもよい。他の例では、記載される概念を不必要に曖昧にしないために、周知のプロセス動作は詳細には説明されない。いくつかの概念は、具体的な実施形態と組み合わせて説明されるが、これらの実施形態は、限定的なものとなるようには意図されない点を理解されたい。

本願では、「半導体ウェハ」、「ウェハ」、「基板」、「ウェハ基板」、および「半製品集積回路（ｐａｒｔｉａｌｌｙ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）」という用語は、互換的に使用され得る。「半製品集積回路」という用語は、集積回路製造の多数のステージの中の任意の最中にあるシリコン・ウェハを指し得る点が、当業者には理解されよう。半導体デバイス産業で使用されるウェハまたは基板は、典型的には２００ｍｍ、または３００ｍｍ、または４５０ｍｍの直径を有する。以下の詳細な説明は、本発明がウェハに対して実施されることを前提とする。しかし、本発明はそれに限定されない。加工対象物は、様々な形状、サイズ、および材料からなるものであってもよい。半導体ウェハに加えて、この発明を活用し得る他の加工対象物としては、プリント回路基板、磁気記録媒体、磁気記録センサ、ミラー、光素子、およびマイクロメカニカル・デバイス等の様々な物品が含まれる。

複数の慣例が、本開示の図面および説明の中のいくつかで採用される場合がある。例えば、「プレナム区域」など、「区域（ｖｏｌｕｍｅ）」に対する言及が様々な点でなされる。これらの「区域」は、一般的には様々な図面に示され得るが、これらの図面および添付の数字識別子は、かかる区域のおおよそのものを表すものとして、および実際の区域が例えばその区域を境界画定する様々な固体表面などにまで及ぶものとして理解される。例えばプレナム区域の他の固体境界表面を貫通して続くガス入口または他の穴などの様々なより小さな区域が、プレナム区域に流体連結され得る。

「上方」、「～の上」、「下方」、「下」等の相対語の使用は、シャワーヘッドの通常使用時の構成要素の配向に対するそれらの構成要素の空間関係を指すものとして理解されたい。換言すれば、シャワーヘッドは、基板処理動作中に基板に向かって下方にガスを分配するように配向され得る。

序章
半導体処理で利用される様々な堆積技術の中でも、１つの特定の堆積技術は、原子層堆積（ＡＬＤ）を含み得る。熱的に活性化される気相反応が膜の堆積のために利用される化学気相堆積（ＣＶＤ）プロセスとは対照的に、ＡＬＤプロセスは、表面媒介性堆積反応を利用して膜を一層ずつ堆積する。例示的ＡＬＤプロセスでは、一群の表面活性部位を含む基板表面が、第１の膜前駆体（Ｐ１）の気相分布に暴露される。Ｐ１分子の一部は、Ｐ１の化学吸着された種および物理吸着された分子を含む凝集相を基板表面上に形成し得る。次いで、反応室は、化学吸着された種だけが残るように、気相のおよび物理吸着されたＰ１を除去するために排気される。次いで、第２の膜前駆体（Ｐ２）が反応室に導入されて、Ｐ２分子の一部が基板表面に吸着される。反応室は、ここでは未結合のＰ２を除去するために再び排気され得る。その後、基板に供給されたエネルギーが、吸着されたＰ１およびＰ２の分子の間の表面反応を活性化し、膜層を形成する。最終的に、反応室は、反応副生成物ならびに場合によっては未反応のＰ１およびＰ２を除去するために排気されて、ＡＬＤサイクルが終了する。さらなるＡＬＤサイクルが、膜厚を厚くするために含まれてもよい。

前駆体供給ステップの暴露時間および前駆体の付着係数に応じて、各ＡＬＤサイクルは、一例では１／２～３オングストローム厚の膜層を堆積し得る。各ＡＬＤサイクルは、約５秒以下、約３秒以下、または、約２秒以下だけ継続し得る。

コンフォーマル膜堆積（ＣＦＤ：ｃｏｎｆｏｒｍａｌ ｆｉｌｍ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）は、堆積が複数サイクルにかけて実行され、各サイクルが少量の反応物質または前駆体を用いる点で、ＡＬＤ技術と類似する堆積技術である。典型的には、ＣＦＤ膜を生成するための表面反応は、プラズマ、紫外線放射、または同様の放射源に対して表面吸着された反応物質を暴露することによって活性化される。いくつかの例では、１つの反応物質が、数サイクルのＣＦＤを含み得る堆積プロセス中に連続的に流れる。ＡＬＤプロセスとは異なり、多くのＣＦＤプロセスは、２以上の反応物質がチャンバ内に気相で共存することを可能にし得る。ＣＦＤでは、ＡＬＤプロセスにおいて記載される１つまたは複数のプロセス・ステップが、例示的ＣＦＤプロセスでは短縮または除外されてもよい。ＣＦＤを利用して膜を形成する方法が、２０１１年４月１１日に出願された米国特許出願第１３／０８４，３９９号に記載されており、この出願は、参照によって全ての目的のために本明細書に組み込まれる。文脈の必要上、ＣＦＤについて簡単に説明する。

一般的には、ＣＦＤサイクルは、表面堆積反応のために実施され得る動作の最小セットである。１サイクルの結果として、基板面上に少なくとも部分的な薄膜層が生成される。典型的には、ＣＦＤサイクルは、基板表面に各反応物質を供給して吸着させ、次いでそれらの吸着された反応物質を反応させて部分膜層を形成するのに必要なステップのみを含むこととなる。当然ながら、このサイクルは、反応物質または副生成物の中の１つまたは複数を掃去するステップおよび／または成膜直後の部分膜を処理するステップなど特定の付随ステップを含んでもよい。一般には、サイクルは、例示的な一意的な動作シーケンスのみを含む。一例としては、サイクルは、以下の動作を、すなわち（ｉ）反応物質Ａの供給／吸着と、（ｉｉ）反応物質Ｂの供給／吸着と、（ｉｉｉ）パージガスを使用した反応チャンバからのＢの掃去と、（ｉｖ）プラズマを印加してＡおよびＢの表面反応を促進させることにより表面上に部分膜層を形成することとを含み得る。いくつかの実装形態では、これらのステップは、供給ステップ、パージ・ステップ、およびプラズマ・ステップとして特徴付けることが可能である。いくつかの実装形態では、プラズマ後パージ・ステップが、さらなるパージのためにサイクルに含まれてもよい。

いくつかの実装形態は、異なるプロセス・シーケンスを利用し得る。１つの可能なプロセスは、以下の動作シーケンスを含む。すなわち（１）補助反応物質を連続的に流し、（２）単一供給量のシリコン含有反応物質またはその他の主要反応物質を供給し、（３）パージ１を行い、（４）ＲＦプラズマに基板を暴露し、（５）パージ２を行うことを含む。別の代替的なプロセスは、以下の動作シーケンスを含む。すなわち（１）不活性ガスを連続的に流し、（２）単一供給量のシリコン含有反応物質またはその他の主要反応物質を供給し、（３）パージ１を行い、（４）単一供給量の酸化剤またはその他の補助反応物質を供給しつつＲＦプラズマに基板を暴露させ、（５）パージ２を行うことを含む。

一般的には、「掃去」段階または「パージ」段階の概念は、反応チャンバから気相反応物質の中の１つを除去またはパージすることであり、典型的にはそれら反応物質の供給の完了後にようやく実施される。換言すれば、それら反応物質はパージ段階の最中には反応チャンバに供給されない。しかし、反応物質は、パージ段階の最中に基板表面上に吸着されて留まる。典型的には、パージは、反応物質が所望のレベルまで基板表面に吸着された後に、チャンバ内の任意の残留気相反応物質を除去する役割を果たす。また、パージ段階は、基板表面に弱く吸着された種（例えば特定の前駆体配位子または反応副生成物）を基板表面から除去し得る。

半導体処理設備では、しばしば、均一に分配されるようになど所望の方法で半導体基板全体にわたってプロセス・ガスを分配するためにシャワーヘッドが使用される。典型的には、シャワーヘッドは、シャワーヘッドの外部に通じる複数のガス分配孔を備えたフェースプレートにより境界画定されたプレナムを備える。典型的には、フェースプレートは、半導体処理チャンバまたは反応チャンバ内の基板反応領域に対面し、基板は、フェースプレートの下方の位置にウェハを支持するウェハ支持体または基台（ペデスタル）の上など、半導体処理チャンバ内部のフェースプレートの下に通常は配置される。

薄膜は、ＡＬＤでは自己制限的および自己飽和的に基板表面上に成長する。換言すれば、前駆体は、表面上の全ての反応部位が消費されると反応が終了するような自己制限方式で、供給され表面と反応する。これは、ＡＬＤプロセスの特定のステップが飽和に達したことを意味する。典型的には、膜均一性は、完全な飽和に達した場合には問題とはならない。しかし、多くのＡＬＤプロセスは、より経済的に動作し、ある特定のスループット閾値を要求する。結果として、ＡＬＤの全てのステップが、所望のスループットを達成するために完全な飽和に達するわけではなく、そのためＡＬＤプロセスにおける完全な飽和は、スループットを抑制し得る。一例として、ＡＬＤプロセスは、所望のスループットを達成するために、約７０％～約９９％の間の飽和度を達成してもよい。本明細書において、ＡＬＤプロセスは、ＣＦＤプロセスを含み得るため、互換的に利用され得る。

したがって、より高いスループットは、膜均一性を犠牲にすることにより達成され得るものであり、より高い膜均一性は、スループットを犠牲にすることにより達成され得る。しかし、本開示のシャワーヘッドは、膜均一性およびスループットを改善するよう設計され得る。いくつかの実装形態では、シャワーヘッドは、ＡＬＤプロセスにおけるプロセス・ガスまたはパージガスの供給を容易にするよう設計され得る。ＡＬＤプロセスにおいて、気相での反応物質の供給における流れ均一性を改善することにより、特に供給ステップおよびプラズマ・ステップ中に堆積膜の均一性を改善することが可能となる。また、パージ時間の改善により、パージ・ステップの効率が改善され、それによりＡＬＤプロセスのスループットを上昇させることが可能となる。

スループットを改善させるシャワーヘッドは、シャワーヘッドの容積を縮小することによって実現され得る。プレナム区域およびステム区域を縮小または最小限に抑えることにより、パージ・ステップの最中に前駆体のパージを完了させるためのパージ時間を短縮することが可能となる。容積の縮小は、背圧を上昇させるため、それによりパージガスは、迅速におよび効率的に反応チャンバに供給され得る。しかし、典型的には、シャワーヘッドの容積の縮小は、堆積膜の膜均一性を損なう恐れがある。シャワーヘッドのフェースプレートにわたり空間的に均一な流れを得ることは、低容積シャワーヘッドでは困難となり得る。フェースプレートにわたる空間的に不均一な流れは、堆積されつつある膜の厚さに非均一性を結果としてもたらし得る。上記のように、いくつかのＡＬＤプロセスでは、ＡＬＤプロセスの堆積サイクルが短い場合があり、完全な飽和に到達させることができない場合がある。したがって、フェースプレートにわたる空間的に不均一な流れは、堆積膜の膜均一性および膜特性に悪影響を与える場合がある。

多孔バッフルを備える低容積シャワーヘッド
シャワーヘッドは、空間的に非均一な流れのペナルティを著しく被ることなく縮小容積を有することが可能である。かかる低容積シャワーヘッドは、ステム区域とプレナム区域の間の領域に配置された多孔バッフルを備えることが可能であり、これは、発明の名称を「ＬＯＷ ＶＯＬＵＭＥ ＳＨＯＷＥＲＨＥＡＤ ＷＩＴＨ ＰＯＲＯＵＳ ＢＡＦＦＬＥ」とする２０１５年３月２５日出願のＣｈａｎｄｒａｓｅｋｈａｒａｎらの米国特許出願第１４／６６８，５１１号に記載されている。この出願の全体が、全体としておよびあらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。

低容積シャワーヘッドは、約５００ミリリットル以下の総容積を有するシャワーヘッドを指し得る。いくつかの実装形態では、低容積シャワーヘッドは、約５０ミリリットル～約５００ミリリットルの間の容積を有し得る。従来のシャワーヘッドは、特にＡＬＤ用途では５００ミリリットル超の容積を有し得る。

一般的には、２つの主要なタイプのシャワーヘッドが、すなわちシャンデリア型および埋込み型が存在する。シャンデリア型シャワーヘッドは、チャンバの頂部に取り付けられたステムを一方の端部に有し、フェースプレートまたはバックプレートを他方の端部に有する。ステムの一部が、ガス・ラインおよびＲＦ電力の接続のためにチャンバ頂部から突出してもよい。埋込み型シャワーヘッドは、チャンバ頂部と一体化されており、典型的にはステムを有さない。図面では、一般にシャンデリア型シャワーヘッドを示すが、本開示は、埋込み型シャワーヘッドにも適用され得ることを理解されたい。

図１は、バッフル１１０を有する例示的シャワーヘッド１００の等角断面図を示す。図１のシャワーヘッド１００は、５００ミリリットル超の容積を有し、非多孔バッフル１１０を備え得る。図１に示すように、シャワーヘッド１００は、バックプレート１０２およびフェースプレート１０４を備え、バックプレート１０２およびフェースプレート１０４は、別個の機械的構成要素であってもまたは単体として一体化されてもよい。バックプレート１０２およびフェースプレート１０４は、相互に対向側に配置され得る。フェースプレート１０４は、基板へのガスの供給を容易にするために複数のガス分配穴すなわち貫通穴１３２を有し得る。プレナム区域１３０が、バックプレート１０２とフェースプレート１０４との間に画定されてもよく、プレナム区域１３０は、第１の表面と、第１の表面に対向する第２の表面とを有することが可能である。いくつかの実装形態では、プレナム区域１３０の第１の表面および第２の表面は、周方向表面を有することが可能である。第１の表面および第２の表面は、シャワーヘッド１００のプレナム区域１３０を少なくとも部分的に画定し得る。フェースプレート１０４の第１の側が、プレナム区域１３０の第１の表面を画定し得る。バックプレート１０２の第２の側が、プレナム区域１３０の第２の表面を画定し得る。一般的には、プレナム区域１３０の第１の表面は、構成されたシャワーヘッドの使用対象となる基板の直径と同様または実質的に同様の直径を有することが可能である。いくつかの実装形態では、図１に示すように、プレナム区域１３０はプレナム区域１３０の第２の表面に沿って実質的に円錐形の形状であり得る。

プレナム区域１３０は、１つまたは複数のガス入口１２０を介して、反応ガスまたはパージガスなどのガスを供給されてもよい。図１のガス入口１２０は、ガスを供給するためのガス供給源に連結されてもよい。ガス入口１２０は、ステム１２２を備えることが可能であり、ステム１２２は、細管１２４に連結された拡張管１２６を備えることが可能である。拡張管１２６は、プレナム区域１３０への到達時により空間的に分配された流れを実現するために、細管１２４の直径よりも大きな直径を有することが可能である。

シャワーヘッド１００は、プレナム区域１３０内に配置されたバッフル１１０をさらに備えることが可能である。バッフル１１０は、プレナム区域１３０中へとおよびフェースプレート１０４のエッジに向かって外方にガスを送るために、プレナム区域１３０内に取り付けられた中実すなわち非多孔性の構造体であってもよい。バッフル１１０は、ガス入口１２０の近傍に位置し得る。バッフル１１０は、プレナム区域１３０内でのガスの分配を可能にするためにガス入口１２０から特定の距離をおいて取り付けられてもよい。さらに、プレナム区域１３０は、ガス入口１２０とバッフル１１０との間により広い空間を与えるために第２の表面において円錐形であってもよい。いくつかの実装形態では、バッフル１１０は、円形であり、拡張管１２４の直径よりも大きい直径を有することが可能である。プレナム区域１３０中にわたって外方へとガスの流れを送ることにより、より高い流れ均一性が実現され得る。さらに、バッフル１１０は、ガス流がフェースプレート１０４の中心を通り噴出すること回避させるまたは軽減するために、ガス入口１２０を実質的に中心として配置され得る。

図２は、多孔バッフル２１０を有する例示的低容積シャワーヘッド２００の等角断面図を示す。多孔バッフル２１０は、多孔バッフルプレートと呼ばれる場合もある。図２の低容積シャワーヘッド２００は、約５０ミリリットル～約５００ミリリットルの間の容積を有し、多孔バッフル２１０を備えることが可能である。いくつかの実装形態では、低容積シャワーヘッド２００は、約１００ミリリットル～約３００ミリリットルの間の容積を有することが可能である。低容積シャワーヘッド２００は、バックプレート２０２およびフェースプレート２０４を備え、バックプレート２０２およびフェースプレート２０４は、別個の機械的構成要素であってもよくまたは単体として一体化されてもよい。バックプレート２０２およびフェースプレート２０４は、相互に対向側に配置され得る。いくつかの実装形態では、バックプレート２０２およびフェースプレート２０４は、それぞれ円筒形の形状であってもよい。フェースプレート２０４は、基板へのガスの供給を容易にするために複数の貫通穴２３２を有してもよい。いくつかの実装形態では、フェースプレート２０４のサイズ（例えば直径）は、処理されることとなる基板のサイズに応じて設定されてもよく、フェースプレート２０４のサイズは、処理されることとなる基板のサイズよりも若干大きいことが可能である。例えば、処理されることとなる基板の直径が約３００ｍｍである場合には、フェースプレート２０４の直径は、約３００ｍｍ～約３５０ｍｍの間であることが可能である。貫通穴２３２は、貫通穴２３２は、フェースプレート２０４の第１の側部から第２の側部までフェースプレート２０４を貫通して延在してもよい。プレナム区域２３０が、バックプレート２０２とフェースプレート２０４との間に画定されてよく、プレナム区域２３０が、第１の表面と第１の表面に対向する第２の表面とを有することが可能である。いくつかの実装形態では、プレナム区域２３０の第１の表面および第２の表面は、周方向表面を有することが可能である。第１の表面および第２の表面は、低容積シャワーヘッド２００のプレナム区域２３０を少なくとも部分的に画定し得る。フェースプレート２０４の第１の側は、プレナム区域２３０の第１の表面を画定し得る。バックプレート２０２の第２の側は、プレナム区域２３０の第２の表面を画定し得る。いくつかの実施例では、図２に示すように、プレナム区域２３０は、円筒状または実質的に円筒状の形状であることが可能である。これにより、図２のプレナム区域２３０は図１のプレナム区域１３０に比べて小さな体積を有するので、シャワーヘッドの総内部容積を縮小することが可能となる。

プレナム区域２３０は、１つまたは複数のガス入口２２０を介して反応ガスまたはパージガスなどのガスを供給されてもよい。図２のガス入口２２０は、ガスを供給するためのガス供給源に連結されてもよい。ガス入口２２０は、ステム２２２を備えることが可能であり、ステム２２２は、細管２２４を備えることが可能である。ステム２２２は、プレナム区域２３０と流体連通するになることが可能である。ステム２２２の体積は、いくつかの実装形態では約１ミリリットル～約５０ミリリットルの間であることが可能である。また、図２の細管２２４は図１の拡張管１２６よりも小さな直径を有するため、ステム２２２全体に細管２２４を設けることにより、シャワーヘッドの総内部容積を縮小することが可能となる。

低容積シャワーヘッド２００は、プレナム区域２３０とガス入口２２０との間の領域２３５になど、ガス入口２２０の近傍に多孔バッフル２１０をさらに備えることが可能である。図３は、図２の低容積シャワーヘッド２００内の多孔バッフル２１０の拡大等角断面図を示す。いくつかの実装形態では、多孔バッフル２１０は、領域２３５内に配置され得ると共に、多孔バッフル２１０は、ガス入口２２０から特定の距離をおいておよびプレナム区域２３０の上方に取り付けられ得る。多孔バッフル２１０は、領域２３５内に配置されてもよいが、いくつかの他の実装形態ではプレナム区域２３０内に配置されてもよいことが理解される。したがって、多孔バッフル２１０は、領域２３５を貫通して延在するガス入口２２０からある距離をおいて取り付けられてもよい。領域２３５は、バックプレート２０２の凹状区域であることが可能である。領域２３５は、ガス入口２２０とプレナム区域２３０との間のガス流のための移行エリアを形成する。いくつかの実装形態では、領域２３５は、バックプレート２０２の第２の側部に凹設され得ると共に、バックプレート２０２の第２の側部は、プレナム区域２３の第２の表面を画定する。いくつかの実装形態では、ステム２２２、領域２３５、およびプレナム区域２３０はそれぞれ、円筒状区域を画定し、プレナム区域２３０の直径は、領域２３５の直径よりも大きく、領域２３５の直径は、ステム２２２の直径よりも大きい。

多孔バッフル２１０は、プレナム区域２３０とガス入口２２０との間の領域２３５に配置されるものとして特徴付けられ得ると理解されるが、領域２３５がガス入口２２０の一部と見なされ得る点と、多孔バッフル２１０がガス入口２２０内に配置され得る点とを当業者には理解されたい。しかし、多孔バッフル２１０は、ガス入口２２０内に配置されている場合にガス流を阻止するのではなく、ガスの通過を可能にする多孔性を有し得る。

バッフル２１０は、選択的に多孔性を有することが可能であり、バッフル２１０の多孔率は、約５％～約２５％の間であることが可能である。いくつかの実装形態では、バッフル２１０は、多孔性材料を含み得るか、または他の方法で多孔質材料から作製され得る。多孔質材料の例としては、多孔質アルミニウム、多孔質アルミナ、および多孔質石英が含まれ得る。バッフル２１０は、アルミニウム、アルミナ、石英、および、ステンレス鋼を含むがそれらに限定されない任意の適切な材料から作製され得る。この材料は、遠隔洗浄に適合性を有するものであってもよく、不動態化したすなわちアンモニア／フッ素ラジカルと容易には反応しない材料であってもよい。いくつかの実装形態では、バッフル２１０は、バッフル２１０を貫通して延在する複数の貫通穴２１２を備えてもよい。貫通穴２１２は、多孔性を効果的にシミュレートおよび模倣するためにバッフル２１０の材料を貫通して設けられてもよい。いくつかの実装形態では、バッフル２１０は、円形であり、ステム２２２の直径よりも大きい直径を有することが可能である。しかし、いくつかの実装形態では、バッフル２１０は、フェースプレート２０４よりも実質的に小さい。例えば、フェースプレート２０４の直径は、バッフルプレート２１０の直径よりも少なくとも４倍大きいか、またはバッフルプレート２１０の直径よりも少なくとも１０倍大きい。また、バッフル２１０は、領域２３５の直径よりも小さい直径を有することが可能である。したがって、ガス流は、貫通穴２１２を通るのみならず、フェースプレート２０４のエッジに向かってプレナム区域２３０中にわたり外方に送られ得る。貫通穴２１２を通しておよびプレナム区域２３０中にわたり外方にガス流れを送ることにより、より空間的に均一なガス流が、図１のシャワーヘッド１００に比べてシャワーヘッド２００の総内部容積が小さいにもかかわらず実現され得る。さらに、バッフル２１０は、バッフル２１０の位置およびバッフル２１０の多孔性がフェースプレート２０４の中央を通過するガス噴出の影響を低下させ得るように、ガス入口２２０を実質的に中心として配置され得る。いくつかの実装形態では、バッフル２１０は、プレナム区域２３０の第１の表面および第２の表面に対して実質的に平行であることが可能である。

図４は、２つのシャワーヘッド４００ａ、４００ｂ例の側方断面図の対照比較を示す。従来のシャワーヘッド４００ａが左側に示され、本開示の低容積シャワーヘッド４００ｂが右側に示される。従来のシャワーヘッド４００ａは、図１のシャワーヘッド１００に対応し得るものであり、低容積シャワーヘッド４００ｂは、図２の低容積シャワーヘッド２００に対応し得るものである。

各シャワーヘッド４００ａ、４００ｂは、バックプレート４０２と、バックプレート４０２に対向するフェースプレート４０４とを備える。従来のシャワーヘッド４００ａのバックプレート４０２ａおよびフェースプレート４０４ａは、プレナム区域４３０ａを少なくとも部分的に画定し、ここで、プレナム区域４３０ａは、円筒状部分および円筒状部分の上の円錐状部分の両方を含む。低容積シャワーヘッド４００ｂのバックプレート４０２ｂおよびフェースプレート４０４ｂは、プレナム区域４３０ｂを少なくとも部分的に画定し、プレナム区域４３０ｂは、円筒状部分を含む。また、各シャワーヘッド４００ａ、４００ｂは、ガスがプレナム区域４３０ａ、４３０ｂに供給されるために通過するステム４２２ａ、４２２ｂを備える。従来のシャワーヘッド４００ａのステム４２２ａは、細管４２４ａおよび拡張管４２６ａを備え、低容積シャワーヘッド４００ｂのステム４２２ｂは、細管４２４ｂを備える。したがって、従来のシャワーヘッド４００ａは、ステム直径がより大きくプレナム高さがより高いことによって低容積シャワーヘッド４００ｂよりも大幅に大きな容積を有し得る。従来のシャワーヘッド４００ａのこのより大きな容積は、プレナム区域４３０ａ内のガス流に対する再循環ゾーンをもたらす場合があり、これが流れ均一性の変動を結果的に引き起こし得る。また、従来のシャワーヘッド４００ａのこのより大きい容積は、パージ時間の延長および移行時間の増大をもたらし、結果としてスループットの低下を引き起こす場合がある。

さらに、シャワーヘッド４００ａ、４００ｂは、バッフル４１０ａ、４１０ｂを備え、従来のシャワーヘッド４００ａは、大型の非多孔バッフル４１０ａを備え、低容積シャワーヘッド４００ｂは、小型の多孔バッフル４１０ｂを備える。いくつかの実装形態では、小型の多孔バッフル４１０ｂは、プレナム区域４３０ｂとステム４２２ｂとの間の領域４３５ｂ内に配置される。いくつかの実装形態では、領域４３５ｂは、ステム４２２ｂの延長部を構成することが可能であり、領域４３５ｂは、細管４２４ｂよりも大きな直径を有する。小型の多孔バッフル４１０ｂは、かかる実装形態ではステム４２２ｂ内部に位置すると見なされ得る。いくつかの実装形態では、領域４３５ｂは、ディフューザとして機能することが可能であり、ディフューザは円錐状または円筒状の形状を有することが可能である。小型の多孔バッフル４１０ｂは、大型の非多孔バッフル４１０ａに比べてフェースプレート４０４の中央を通過する流れを増大させ得る。いくつかの実装形態では、小型の多孔バッフル４１０ｂの穴の個数および穴の配置は、フェースプレート４０４ｂを通過するより空間的に均一なガス流をもたらし得る。いくつかの実装形態では、フェースプレート４０４ｂの穴の個数および配置もまた、フェースプレート４０４ｂを通過するガス流の空間的均一性に影響し得る。例えば、フェースプレート４０４ｂの穴の個数を削減すると、フェースプレート４０４ｂ中にわたる圧力降下が増大することにより、フェースプレート４０４ｂのエッジに向かってより外方へとガス流を押しやることが可能となる。

表１は、従来のシャワーヘッド４００ａと低容積シャワーヘッド４００ｂとの間における特徴および数値の比較を示す。

本開示の低容積シャワーヘッド４００ｂは、約７００ミリリットル未満の、または約５０ミリリットル～約５００ミリリットルの間の、また、約１００ミリリットル～約３００ミリリットルの間の総内部容積を有することが可能である。表１では、本開示の低容積シャワーヘッド４００ｂは、７４２．７ミリリットルから２５６．４ミリリットルまで従来のシャワーヘッド４００ａの総内部容積を縮小しており、これは６５％の容積削減に相当する。従来のシャワーヘッド４００ａのプレナム高さは、低容積シャワーヘッド４００ｂでは０．２５インチ（３．３５ｍｍ）から０．１２５インチ（３．１７５ｍｍ）まで縮小され得る。従来のシャワーヘッド４００ａのプレナム形状は、実質的に円錐状であるか、または実質的に円錐状の部分および実質的に円筒状の部分の組合せを少なくとも含むことが可能である。実質的に円錐状の部分の円錐発散角は、約９０度超または約１２０度超であることが可能である。低容積シャワーヘッド４００ｂのプレナム形状は、円筒状または実質的に円筒状であることが可能である。円筒状プレナム区域の直径は、処理されることとなる基板サイズに対応するまたは実質的に対応することが可能である。例えば、処理されることとなる基板サイズが２００ｍｍ、３００ｍｍ、または４５０ｍｍである場合には、プレナム区域のサイズは、それぞれ約２００ｍｍ、３００ｍｍ、または４５０ｍｍとなり得る。従来のシャワーヘッド４００ａのステム直径は、低容積シャワーヘッド４００ｂにおいては１．２１インチ（３０．７３４ｍｍ）の直径から約０．１２５インチ以上の直径へと縮小され得る。いくつかの実装形態では、これによりパージ時間が短縮され、ＡＬＤ用途などの半導体用途におけるスループットが改善され得る。いくつかの実装形態では、低容積シャワーヘッド４００ｂのステム直径は、移行領域４３５ｂにおいてより小さい直径からより大きな直径に移行することが可能であり、より大きな直径は、約１．２１インチ以下であることが可能である。

いくつかの実装形態では、フェースプレート４０４ａ、４０４ｂの貫通穴の個数は、フェースプレート４０４ａ、４０４ｂ中にわたる流れ均一性に影響し得る。シャワーヘッドの内部容積が縮小されると、フェースプレート中にわたりより均一な流れ分布を実現するためには、プレナム区域と処理チャンバと間における圧力降下を増大させることが必要となり得る。一般的には、ガスは、抵抗の最も低い経路に沿って流れるので、低容積シャワーヘッド４００ｂのフェースプレート４０４ｂの圧力降下が小さい場合には、ガス流は、フェースプレート４０４ｂの中央を通過して噴出することになる。しかし、圧力降下がより大きい場合には、ガス流は、フェースプレート４０４ｂのエッジに向かってより外方へと押しやられる。より大きな圧力降下を助長するために、フェースプレート４０４ｂの貫通穴の個数は、従来のシャワーヘッド４００ａから低容積シャワーヘッド４００ａへの内部容積の縮小に伴って削減されてもよい。そうしない場合には、フェースプレート４０４ｂの貫通穴の個数が過多であると、圧力降下が過度に小さくなり、流れは、中央からエッジにかけてフェースプレート４０４ｂ中にわたって均一ではなくなる。いくつかの実装形態では、低容積シャワーヘッド４００ｂのフェースプレート４０４ｂの貫通穴の個数は、約１０００個の貫通穴～約３０００個の貫通穴の間、または約１５００個の貫通穴～約２５００個の貫通穴の間であることが可能である。例えば、表１では、従来のシャワーヘッド４００ａは、３２９２個の貫通穴から低容積シャワーヘッド４００ｂにおける２２５７個の貫通穴まで削減され得る。

低容積シャワーヘッド４００ｂを通過する所与のガス流量について、フェースプレート４０４ｂの貫通穴の個数は、特定の圧力降下を達成し、それによりフェースプレート４０４にわたり特定の流れ分布を実現することが可能である。ガス流量が低い場合には、貫通穴の個数をより減らすことが、フェースプレート４０４ｂにわたる所望の流れ均一性を達成するために必要となる。

いくつかの実装形態では、フェースプレート４０４ａ、４０４ｂの貫通穴の配置もまた、フェースプレート４０４ａ、４０４ｂにわたる流れ均一性に影響し得る。いくつかの実装形態では、貫通穴の幾何学的配置が、六角形状であることが可能である。例えば、従来のシャワーヘッド４００ａは、六角形状配置の貫通穴を有するフェースプレート４０４ａを有することが可能である。いくつかの実装形態では、貫通穴の幾何学的配置は、三角形状であることが可能である。例えば、低容積シャワーヘッド４００ｂは、三角形状配置の貫通穴を有するフェースプレート４０４ｂを有することが可能である。

従来のシャワーヘッド４００ａは、フェースプレート４０４ａの中央を通過する噴出の影響を回避するまたは他の方法で最小限に抑えるために、ステム４２２ａの下方に中心を置く大型の非多孔バッフル４１０ａを備えることが可能である。例えば、大型の非多孔バッフル４１０ａは、２．１３インチ（３０．７３４ｍｍ）の直径を有することが可能である。非多孔バッフル４１０ａの直径は、従来のシャワーヘッド４００ａの拡張管４２６ａの直径よりも大きいことが可能である。しかし、プレナム区域４３０ａの体積が、十分な流れ均一性を得るためにステム４２２ａの下方に大型の非多孔バッフル４１０ａを収容するように増大されてもよい。この増大された体積は、ガス流が外方に分配され得るように、プレナム区域４３０ａの円錐状部分により形成され得る。バックプレート４０２ａは、プレナム区域４３０ａの円錐状部分を形成するように傾斜状をなしてもよい。

対照的に、本開示の低容積シャワーヘッド４００ｂは、フェースプレート４０４ｂの中央部を通過する噴出の影響を回避するまたは他の方法で最小限に抑えるために、ステム４２２ｂの下方に中心を置く小型の多孔バッフル４１０ｂを備えることが可能である。いくつかの実装形態では、小型の多孔バッフル４１０ｂは、大型の非多孔バッフル４１０ａよりも実質的に小さいことが可能である。いくつかの実装形態では、小型の多孔バッフル４１０ｂは、約０．１インチ（２．５４ｍｍ）～約２．０インチ（５０．８ｍｍ）の間の直径を有することが可能である。例えば、小型の多孔バッフル４１０ｂは、０．７９インチ（２０．０６６ｍｍ）の直径を有することが可能である。フェースプレート４０４ｂの直径は、小型の多孔バッフル４１０ｂの直径よりも実質的に大きいことが可能である。例えば、フェースプレート４０４ｂの直径は、１３インチ（３３０．２ｍｍ）であることが可能である。いくつかの実装形態では、フェースプレート４０４ｂの直径は、小型の多孔バッフル４１０ｂの直径よりも少なくとも４倍大きいか、または小型の多孔バッフル４１０ｂの直径よりも少なくとも１０倍大きいことが可能である。

典型的には、従来のシャワーヘッド４００ａから低容積シャワーヘッド４００ｂへと内部容積を削減することにより、削減された内部容積がフェースプレート４０４ｂにわたる流れ均一性を低下させることによって流れ均一性に悪影響を与える「容積ペナルティ」が生じる。低容積シャワーヘッド４００ｂでこの容積のペナルティを回避するために、本開示は、小型多孔バッフル４１０ｂを提供することが可能であり、この場合に、小型の多孔バッフル４１０ｂは、プレナム区域４３０ｂとステム４２２ｂとの間の領域４３５ｂに配置され得る。小型の多孔バッフル４１０ｂは、ガス流を阻止することなくプレナム区域４３０ｂの上方に配置され得る。むしろ、小型の多孔バッフル４１０ｂは、流れ均一性を改善するために領域４３５ｂに配置可能であって、小型の多孔バッフル４１０ｂの直径ならびに小型の多孔バッフル４１０ｂの貫通穴のサイズ、個数、および配置が、プレナム区域４３０ｂ内にガス流を送り、それによってフェースプレート４０４ｂにわたる流れ均一性に影響を与えることが可能である。さらに、フェースプレート４０４ｂの貫通穴のサイズ、個数、および配置は、フェースプレート４０４ｂにわたってより大きい圧力降下を達成し、所望の流れ均一性を実現するように構成され得る。例えば、小型の多孔バッフル４１０ｂの貫通穴の直径は、約０．０８インチ（２．０３２ｍｍ）など、約０．０１インチ（０．２５４ｍｍ）～約０．１５インチ（３．８１ｍｍ）の間であることが可能である。小型の多孔バッフル４１０ｂは、図５および図７Ｂに示すように六角形状リングに配置された６つの穴を備えることが可能である。６つの穴は、小型の多孔バッフル４１０ｂの中心よりも小型の多孔バッフル４１０ｂのエッジのより付近に配置されてもよい。フェースプレート４０４ｂの貫通穴の直径は、約０．０４インチなど、約０．０１インチ～約０．１０インチ（２．５４ｍｍ）の間であることが可能である。フェースプレート４０４ｂは、図５に示すように複数の三角形状パターンに配置された２０００個超の穴を備えることが可能である。

図５は、低容積シャワーヘッドにおけるフェースプレート用の貫通穴５３２、５５２と多孔バッフル用の貫通穴５１２の配置の例示的レイアウトを示す。従来のシャワーヘッドのフェースプレートにおける貫通穴５３２は、六角形状配置５５０を形成することが可能であり、貫通穴５５２が、低容積シャワーヘッドの貫通穴５３２に追加されることにより三角形状配置５６０を形成し得る。多孔バッフルの貫通穴５１２は、フェースプレートの貫通穴５３２の上に配置されてもよい。多孔バッフルにおける貫通穴５１２の配置およびフェースプレートにおける貫通穴５３２、５５２の配置は、フェースプレートにわたる流れ均一性に影響し得る。

図６Ａは、シャワーヘッド内における名目上のガス流方向を示す矢印６４０ａを伴った、バッフル６１０ａを備える例示的シャワーヘッドの一部分の断面図を示す。図６Ｂは、低容積シャワーヘッド内における名目上のガス流方向を示す矢印６４０ｂを伴った、多孔バッフル６１０ｂを備える例示的低容積シャワーヘッドの一部分の断面図を示す。ガス入口６２０ａからのガス流の流れベクトル６４０ａは、図６Ａにおいて矢印により示され、ガス入口６２０ｂからのガス流の流れベクトル６４０ｂは、図６Ｂにおいて矢印により示され得る。バッフル６１０ａ、６１０ｂの位置、サイズ、および多孔率は、フェースプレート６０４ａ、６０４ｂの貫通穴６３２ａ、６３２ｂを通過する流れベクトル６４０ａ、６４０ｂに影響を与え得る。バッフル６１０ｂの貫通穴６１２ｂのサイズ、配置、および個数は、フェースプレート６０４ｂの貫通穴６３２ｂを通過する流れベクトル６４０ｂに影響を与え得る。図６Ａでは、バッフル６１０ａは、フェースプレート６０４ａのエッジに向かって外方に流れベクトル６４０ａを配向し得る。しかし、図６Ｂでは、多孔バッフル６１０ｂは、フェースプレート６０４ｂのエッジに向かって外方におよびフェースプレート６０４ｂの中心の方向に流れベクトル６４０ｂを配向し、結果としてフェースプレート６０４ｂの中心に向かう流れを増大させ得る。ＡＬＤ用途では、これは、基板の中心におけるより高い供給密度をもたらすことが可能である。

図７Ａは、従来のシャワーヘッド７００ａにおける例示的バッフル７１０ａの等角図を示す。従来のシャワーヘッド７００ａは、バックプレート７０２ａと、バックプレート７０２ａにより従来のシャワーヘッド７００ａのプレナム区域に流体連結されたガス入口７２０ａとを備える。バッフル７１０ａは、プレナム区域内に配置され得ると共に、１つまたは複数の内側支持ポスト７１４ａによりバックプレート７０２ａの側から取り付けられ得る。

図７Ｂは、低容積シャワーヘッド７００ｂにおいて複数の貫通穴７１２ｂを備える例示的バッフル７１０ｂの等角図を示す。低容積シャワーヘッド７００ｂは、バックプレート７０２ｂと、バックプレート７０２ｂにより低容積シャワーヘッド７００ｂのプレナム区域に流体連結されたガス入口７２０ｂとを備える。バックプレート７０２ｂとガス入口７２０ｂとの間の接合部には、ポケットまたは移行領域７３５ｂが、プレナム区域とガス入口７２０ｂとの間に設けられる。いくつかの実装形態では、バッフル７１０ｂは、移行領域７３５ｂ内に配置されてもまたは移行領域７３５ｂから延在してもよく、バッフル７１０ｂは、１つまたは複数の内側支持ポスト７１４ｂにより移行領域７３５ｂから取り付けられ得る。バッフル７１０ｂは、複数の貫通穴７１２ｂを備えてもよい。いくつかの実装形態では、複数の貫通穴７１２ｂは、バッフル７１０ｂの中心よりもバッフル７１０ｂのエッジのより近くに選択的に配置され得る。いくつかの実装形態では、バッフル７１０ｂの多孔率は、約１０％など、約５％～約２５％の間であることが可能である。いくつかの実装形態では、バッフル７１０ｂは、多孔質材料から作製されてもよく、またはバッフル７１０ｂを貫通して設けられた貫通穴７１２ｂを備えた中実材料から作製されてもよい。いくつかの実装形態では、バッフル７１０ｂの貫通穴７１２ｂは、六角形状パターンで配置されてもよい。

図８は、フェースプレートの径方向寸法に対するシャワーヘッドのフェースプレートからのガスの軸方向流速を示すグラフである。シャワーヘッドのフェースプレートから１ｍｍの位置で測定された場合の軸方向流速は、シャワーヘッドからのガス流の均一性を反映することが可能であり、この軸方向流速は、フェースプレートの中心からエッジにまでがグラフで示される。５標準リットル／分（ｓｌｍ）の酸素および６Ｔｏｒｒの圧力にて、バッフルを有さないシャワーヘッドは、フェースプレートの中心付近において極めて速い軸方向流速を示し、フェースプレートの中心付近の数ミリメートル内においては極めて遅い軸方向流速を示す。バッフルを有さない場合には、フェースプレートの中心からエッジにかけた流れ均一性は非常に低い。５ｓｌｍの酸素および６Ｔｏｒｒの圧力にて、非多孔バッフルを有するシャワーヘッドは、フェースプレートの中心付近において非常に遅い軸方向流速を示し、フェースプレートのエッジにより近づくにつれて高い軸方向流速を示す。非多孔バッフルを有する場合には、フェースプレートの中心からエッジにかけた流れ均一性は低い。シャワーヘッドの表面から２．５ｍｍの位置にあり、それぞれ直径０．０８インチである６つの貫通穴を備える多孔バッフルを有する場合には、フェースプレートの中心からエッジにかけた軸方向流速は、比較的均一となる。多孔バッフルは、直径２ｃｍおよび厚さ１ｍｍを有することが可能であり、６つの貫通穴は、相互に１ｃｍだけ離間された状態で中心を取り得る。

図９は、２つのシャワーヘッドについての原子層堆積の膜非均一性の割合を示したグラフを示す。膜非均一性は、堆積された膜の最厚部分と最薄部分との差を測定し、堆積された膜の厚さの平均値の２倍でその値を除算することによって計算され得る。すなわち、非均一性（％）＝（最大値－最小値）／（２×平均値）となる。図９では、従来のシャワーヘッドは、約０．５％の非均一性をもたらし得るが、本開示の低容積シャワーヘッドは、約０．２％の非均一性をもたらし得る。したがって、本開示の低容積シャワーヘッドを設計することにより、膜均一性が、ＡＬＤプロセスにおいて大幅に改善され得る。

本開示の低容積シャワーヘッドは、様々なプロセス・ステップまたはプロセス・ノブを調節することにより補正する必要を伴うことなく膜均一性を実現することが可能であるハードウェア構成を提供し得る。換言すれば、膜均一性の改善を目標とした低容積シャワーヘッドを提供することにより、膜均一性が、プロセス・パラメータから切り離され得る。結果として、ウェット・エッチング速度およびドライ・エッチング速度などの膜特性が、膜均一性から切り離され得る。さらなる膜特性としては、誘電率、屈折率、ウェット・エッチング速度、ドライ・エッチング速度、光学特性、多孔率、密度、組成、硬度および弾性率、レジスト剥離速度およびアッシング速度、および化学機械平坦化除去速度等が含まれ得る。

典型的には、所望の膜均一性レベルの実現は、様々なプロセス・パラメータを調節することにより達成され得る。いくつかの実装形態では、流量、供給時間、パージ時間、高周波（ＲＦ）電力、ＲＦオンタイム、および他のプロセス・パラメータなどのプロセス・パラメータが、所望の膜均一性を達成するために調整され得る。一例として、膜均一性は、より高い飽和度を実現するために各ＡＬＤサイクルの処理時間を増大させることによって改善され得る。しかし、スループットは低下することになる。別の例では、膜均一性は、より多量の前駆体を流す（例えば単一供給量の増加）により改善され得る。しかし、前駆体供給量を増加させると、化学物質コストの増大、膜の化学量論に対する悪影響、ならびにウェット・エッチング速度およびドライ・エッチング速度などの膜特性への望ましくない変化がもたらされ得る。したがって、所望の膜均一性レベルを実現するための典型的なアプローチは、スループットおよび膜特性に望ましくない影響を与える恐れがある。

表２は、膜均一性（中心厚さ）および膜特性（ウェット・エッチング速度およびドライ・エッチング速度）に関する、単一供給量増加、ＲＦ電力、およびＲＦオンタイムのプロセス・パラメータとの本開示の低容積シャワーヘッドの比較である。

表２に示すように、本開示の低容積シャワーヘッドは、堆積される膜のウェット・エッチング速度およびドライ・エッチング速度に影響を与えることなく堆積される膜の中心厚さを増大させる。しかし、単一供給量レベル、ＲＦ電力、およびＲＦオンタイムなどのプロセス・パラメータを調節することにより膜特性から膜均一性が切り離されない。単一供給量の増加により、堆積される膜のウェット・エッチング速度およびドライ・エッチング速度が上昇する。ＲＦ電力の低下により、堆積膜のドライ・エッチング速度が低下し、ＲＦオンタイムの低下により、堆積される膜のウェット・エッチング速度が低下する。したがって、低容積シャワーヘッドの提供により、半導体処理のためのよりプロセス・ウィンドウがより広がると共に、所望の膜均一性レベルを実現するために流量、供給時間、パージ時間等のプロセス・パラメータを微調整する必要を伴うことなく所望の膜均一性レベルを実現することが可能となる。いくつかの実装形態では、低容積シャワーヘッドは、約０．５％未満または約０．３％未満など、約１．０％未満の膜非均一性を達成することが可能である。いくつかの実装形態では、約１．０％未満の膜非均一性が、１．５秒以下のＡＬＤサイクルで達成され得る。例えば、供給時間を０．４秒以下に、パージ時間を０．４秒以下に、プラズマ・ステップを０．４秒以下に、およびプラズマ後パージ・ステップを０．１５秒以下にすることが可能である。対照的に、従来のシャワーヘッドにおけるＡＬＤサイクルは、供給時間が０．６秒以上、パージ時間が０．４秒以上、プラズマ・ステップが０．４秒以上、およびプラズマ後パージ・ステップが０．１５秒以上であって、約１．５秒／サイクルを上回り得る。所望の膜均一性レベルを実現しつつ低容積シャワーヘッドは、ＡＬＤサイクルの総時間を短縮することによりスループットを改善することが可能である。さらに、低容積シャワーヘッドは、ウェット・エッチング速度およびドライ・エッチング速度などの他の膜特性に影響を与えることなく所望の膜均一性レベルを実現することが可能である。

本開示の低容積シャワーヘッドは、半導体プロセス・チャンバに設置され得る。プロセス・チャンバが、チャンバ・ハウジングの頂部に取り付けられた低容積シャワーヘッドを備えることが可能である。基板支持体が、プロセス・チャンバ内におよび低容積シャワーヘッドの下方に半導体基板を支持してもよい。微小区域が、基板支持体と低容積シャワーヘッドとの間に形成され得る。この微小区域は、基板反応エリアとして機能し、処理中に半導体基板の近傍にプロセス・ガスを集中させ保持するのを補助し得る。基板支持体は、ロード動作およびアンロード動作を容易にするために上下に移動するように構成されてもよい。いくつかの実装形態では、低容積シャワーヘッドは、ステムによりプロセス・チャンバの蓋から懸吊されてもよく、それ自体がプロセス・チャンバの「蓋」の一部を形成しなくてもよい。かかる実装形態では、低容積シャワーヘッドは、基板のロード動作およびアンロード動作を容易にするために上下に移動するように構成されてもよい。

小径穴を有するシャワーヘッド
本開示は、小径貫通穴を有するフェースプレートを有するシャワーヘッドに関する。先に論じたように、多孔バッフルを有する低容積シャワーヘッドは、約０．０４インチ以上の直径を有する貫通穴を有するフェースプレートを備えることが可能である。しかし、低容積シャワーヘッドは、約０．０４インチ以下の直径を有する貫通穴を有するフェースプレートを備えることが可能である。貫通穴の直径が約０．０４インチ未満である場合には、このより小径の貫通穴は、より空間的に均一な流れを達成することが可能であるだけでなく、貫通穴内部における局所的電界集中を軽減させることも可能である。これは、標準ＲＦ電力にて堆積される膜の非均一性を改善させるだけなく、より高いＲＦ電力でも堆積される膜の非均一性および他の膜特性を改善させ得る。

より空間的に均一な流れおよび膜特性の生成において改善をもたらすかかるシャワーヘッドは、シャワーヘッドを通過するガス流が過渡流として発生する場合に有用となり得る。過渡流は、ＡＬＤなどの堆積プロセスで発生し得る。比較的高い流れ均一性の実現が、シャワーヘッド内でのバッフルの適切な設計および配置により達成され得る一方で、比較的高いまたはさらにはより高い流れ均一性は、フェースプレートの適切な設計によって達成され得る。例えば、フェースプレートを貫通して延在する貫通穴の配置、個数、および直径が、フェースプレートから出る流れ均一性を微調整し得る。

図１０は、複数のフェースプレート貫通穴１０３２、１０３４を有する例示的フェースプレート１００４の底面図を示す。フェースプレート１００４は、半導体処理装置で使用するためのシャワーヘッドの一部であることが可能である。シャワーヘッドは、第１の表面および第１の表面に対向する第２の表面を有するプレナム区域を備えることが可能であり、第１の表面および第２の表面は、シャワーヘッドのプレナム区域を少なくとも部分的に画定する。シャワーヘッドは、プレナム区域と流体連通する１つまたは複数のガス入口を備えることが可能である。シャワーヘッドは、１つまたは複数のガス入口の近傍に配置されたバッフルをさらに備えることが可能である。いくつかの実装形態では、バッフルは、プレナム区域と１つまたは複数のガス入口との間の領域に配置され得る。いくつかの実装形態では、バッフルは、複数のバッフル貫通穴を備えることが可能である。いくつかの実装形態では、シャワーヘッドは、上述のような低容積シャワーヘッドなどの低容積シャワーヘッドであることが可能である。

シャワーヘッドは、複数のフェースプレート貫通穴１０３２、１０３４を備えるフェースプレート１００４を備えることが可能であり、複数のフェースプレート貫通穴１０３２、１０３４は、フェースプレート１００４の第１の側部から第２の側部まで延在する。フェースプレート１００４の第１の側部は、プレナム区域の第１の表面を画定し得る。図１０では、フェースプレート貫通穴１０３２、１０３４はそれぞれ、約０．０４インチ以上の直径などの大きな直径を有することが可能である。

さらに、フェースプレート貫通穴は、内方貫通穴１０３２および外方貫通穴１０３４を備えることが可能であり、外方貫通穴１０３４は、フェースプレート１００４の第２の側部において内方貫通穴１０３２の周囲に配置される。図１０に示すように、外方貫通穴１０３４は、境界マーカ１０３６の外部に配置されるが、内方貫通穴１０３２は、フェースプレート１００４の第２の側部において境界マーカ１０３６内に配置される。

図１１は、複数の小径のフェースプレート貫通穴１１３２を有する例示的フェースプレート１１０４の底面図を示す。フェースプレート１１０４は、半導体処理装置で使用するためのシャワーヘッドの一部であることが可能である。シャワーヘッドは、第１の表面および第１の表面に対向する第２の表面を有するプレナム区域を備えることが可能であり、第１の表面および第２の表面は、シャワーヘッドのプレナム区域を少なくとも部分的に画定する。シャワーヘッドは、プレナム区域と流体連通する１つまたは複数のガス入口を備えることが可能である。シャワーヘッドは、１つまたは複数のガス入口の近傍に配置されたバッフルをさらに備えることが可能である。いくつかの実装形態では、バッフルは、プレナム区域と１つまたは複数のガス入口との間の領域に配置され得る。いくつかの実装形態では、バッフルは、複数のバッフル貫通穴を備えることが可能である。いくつかの実装形態では、シャワーヘッドは、上述のような低容積シャワーヘッドなどの低容積シャワーヘッドであることが可能である。

シャワーヘッドは、複数のフェースプレート貫通穴１１３２を備えるフェースプレート１１０４を備えることが可能であり、複数のフェースプレート貫通穴１１３２は、フェースプレート１１０４の第１の側部から第２の側部まで延在する。フェースプレート１１０４の第１の側部は、プレナム区域の第１の表面を画定し得る。シャワーヘッドのフェースプレート１１０４は、選択された直径のフェースプレート貫通穴１１３２を有するように工学設計され得る。図１１では、フェースプレート貫通穴１１３２はそれぞれ、約０．０４インチ未満の直径などの小径を有することが可能である。いくつかの実装形態では、フェースプレート貫通穴１１３２の直径は、約０．０１インチ～約０．０３（０．７６２ｍｍ）インチの間であることが可能である。いくつかの実装形態では、フェースプレート貫通穴１１３２の直径は、約０．０２インチであることが可能である。

シャワーヘッド用のフェースプレート１１０４は、選択された配置および直径を有する選択された個数の貫通穴１１３２を有して工学設計され得る。いくつかの実装形態では、貫通穴１１３２の個数は、約３００～約６０００個の間であることが可能である。いくつかの実装形態では、貫通穴１１３２の配置は、六角形状または三角形状であることが可能である。いくつかの実装形態では、貫通穴１１３２の配置は、同心状であることが可能である。

フェースプレート貫通穴１１３２の個数、配置、および直径を最適化することにより、フェースプレート１１０４から出るより空間的に均一な軸方向流速を実現することが可能となる。過渡流の最中には、より小径のフェースプレート貫通穴１１３２は、フェースプレート１１０４にわたりより大きな圧力降下をもたらして、フェースプレート１１０４を通過する噴出効果を軽減することが可能である。フェースプレート１１０４にわたるより大きな圧力降下は、フェースプレート１１０４から出るより均一な流れをもたらすことが可能であり、これが、膜堆積中により高い膜均一性をもたらし得る。例えば、前駆体が、ＡＬＤの供給ステップの最中に基板にわたってより均一に分配され、酸化剤または他の補助反応物質が、ＡＬＤのプラズマ・ステップの最中に基板にわたってより均一に分配され得る。換言すれば、大きな圧力降下は、より優れた流れ均一性をもたらし、より優れた流れ均一性は、基板の中心からエッジにかけてより均一な種の分配をもたらす。

フェースプレート貫通穴１１３２は、少なくとも０．０４インチの直径を有する典型的なフェースプレート貫通穴よりも小さな直径を有し得る。この小径のフェースプレート貫通穴１１３２は、半導体基板を処理するためのプロセス・ウィンドウをさらに拡大することが可能である。プロセス・ウィンドウは、膜の非均一性パーセンテージ、ウェット・エッチング速度、およびドライ・エッチング速度などの特定の膜特性についての所望の目標の達成を含み得る。所望の膜非均一性レベルは、流量、供給時間、パージ時間、ＲＦ電力等のプロセス・パラメータを微調整する必要を伴わずに、小径のフェースプレート貫通穴１１３２により達成され得る。そのため、膜のウェット・エッチング速度およびドライ・エッチング速度などの膜特性は、所望の膜均一性量を達成しつつ改善され得る。実際に、小径のフェースプレート貫通穴１１３２を有するフェースプレート１１０４が、多孔バッフルを備える低容積シャワーヘッドと組み合わされると、膜非均一性は、前述のプロセス・パラメータのいずれの微調整も必要とすることなくさらに低下し得る。いくつかの実装形態では、半導体基板上に堆積される薄膜の膜非均一性は、約０．５％未満または約０．３％未満であることが可能であり、膜非均一性のこの低下は、膜のウェット・エッチング速度およびドライ・エッチング速度に悪影響を与えることなく実現され得る。いくつかの実装形態では、小径のフェースプレート貫通穴１１３２は、膜のウェット・エッチング速度およびドライ・エッチング速度などの膜特性の改善をさらにもたらし得る。

いくつかの実装形態では、小径のフェースプレート貫通穴１１３２は、流れ均一性の改善のためのより大きな圧力降下をもたらすことが可能であるのみならず、プラズマの逆流を防止または制限し得る。フェースプレート貫通穴１１３２を通過するプラズマの逆流を制限することにより、フェースプレート貫通穴１１３２における局所的電界集中が防止または他の方法で軽減され得る。小径のフェースプレート貫通穴１１３２は、フェースプレート貫通穴１１３２内部にプラズマまたは中空陰極放電（ＨＣＤ）を維持する傾向が低い。その結果、より低いＲＦ電力での寄生損失の低下および膜非均一性の改善が得られ得る。

かかる条件下では、前述のシャワーヘッド実装形態の場合よりも広いプロセス・ウィンドウが達成され得る。ある特定の膜非均一性量が、前述の実装形態では達成され得る一方で、ＲＦ電力または酸化剤／補助反応物質密度は、所望の膜のウェット・エッチング速度およびドライ・エッチング速度を達成するには十分でない場合がある。ＲＦ電力、酸化剤／補助反応物質密度等のプロセス・パラメータは、前述の実装形態では所望の膜非均一性を維持するためには許容できない低さとなり得る。しかし、小径のフェースプレート貫通穴１１３２により、かかるプロセス・パラメータは、所望の膜非均一性を損なうまたは影響を及ぼすことなく高められ得る。

図１２は、ラジカルの逆拡散を制限するフェースプレート貫通穴の概略断面図を示す。いかなる理論にも限定されることなく、この概略図は、様々なプラズマ活性種１２９２に対する小径のフェースプレート貫通穴１２３２の効果を示し得る。この概略図は、バックプレート１２０２とフェースプレート１２０４との間に画定されたプレナム１２３０を備えるシャワーヘッドの一部分を示す。フェースプレート貫通穴１２３２は、フェースプレート１２０４の第１の側部から第２の側部まで延在する。ＡＬＤの１つまたは複数の動作などの１つまたは複数の動作の最中に、バルク・プラズマ１２９２が、フェースプレート１２０４の下方にて発生され得る。静電シース１２９１が、フェースプレート１２０４とバルク・プラズマ１２９２との間に形成されてもよい。いくつかの実装形態では、静電シース１２９１は、より高い陽イオン密度を有するプラズマ内の層であることが可能であり、接触状態にある材料の表面上の逆の負電荷と相殺し合うことが可能である。静電シース１２９１は、プラズマから固体表面への移行層である。フェースプレート貫通穴１２３２のサイズが、静電シース１２９１のサイズ未満である場合には、フェースプレート貫通穴１２３２のこのサイズにより、静電シース１２９１は、フェースプレート貫通穴１２３２への進入が防止され、フェースプレート貫通穴１２３２内部でのプラズマまたはＨＣＤの維持を防止することが可能となる。したがって、このサイズのフェースプレート貫通穴１２３２は、フェースプレート貫通穴１２３２内部での局所的電界密度の上昇を防止することによって、シャワーヘッドのプレナム１２３０内へのイオン、電子、およびラジカルの逆拡散を制限することが可能となる。

図１２に示すように、バルク・プラズマ１２９２からのイオンおよび電子１２８１は、フェースプレート貫通穴１２３２を通過してプレナム１２３０内に逆拡散し得る。プラズマがフェースプレート貫通穴１２３２に進入し、フェースプレート貫通穴１２３２内により高い局所的電界密度が存在する場合には、イオンおよび電子１２８１は、誘発された電界の影響下でフェースプレート貫通穴１２３２を通過して拡散する傾向がより高くなる。かかる拡散は、中性種よりも速く発生し、正電荷および負電荷は分離しない。イオンおよび電子１２８１は、フェースプレート貫通穴１２３２内で再結合し、電子損失が発生する傾向がより高くなり得る。

さらに、中性種１２８２は、フェースプレート貫通穴１２３２内で再結合を被る場合があり、高励起種が、より高い脱励起の可能性を有し得る。フェースプレート貫通穴１２３２は、中性ラジカル１２８２の逆拡散または逆流を制限し得る。長寿命中性ラジカル１２８２および準安定状態物質の密度は、バルク・プラズマ１２９２に対して２桁または３桁の規模だけプラズマ密度を超過し得る。

フェースプレート貫通穴１２３２のサイズが十分に小さい場合には、静電シース１２９１はフェースプレート貫通穴１２３２内に維持されることは不可能となり、プラズマの逆流が防止または他の方法で軽減され得る。この追加的な利点により、シャワーヘッドは、膜非均一性を損なうことなくＲＦ電力にて所望の膜特性を達成することが可能となり得る。表３は、０．０４インチ（１．０１６ｍｍ）フェースプレート貫通穴を有する低容積シャワーヘッドの場合と０．０２インチ（０．５０８ｍｍ）フェースプレート貫通穴を有する低容積シャワーヘッドの場合とを比較した、膜非均一性および堆積速度に対するＲＦ電力の上昇の影響を示す。

表３に示すように、０．０４インチフェースプレート貫通穴を有する低容積シャワーヘッドの場合のＲＦ電力の上昇は、より高い膜非均一性レベルをもたらす。特に５５０Ｗおよび６５０Ｗでは、膜非均一性は悪化する。対照的に、０．０２インチフェースプレート貫通穴を有する低容積シャワーヘッドの場合のＲＦ電力の上昇は、より高いＲＦ電力でも比較的良好かつ安定的な膜非均一性をもたらす。ＲＦ電力が５５０Ｗおよび６５０Ｗにまで上昇した場合でも、膜非均一性は、２００Ｗおよび３５０Ｗでの膜非均一性と比較的同様に留まる。一般的には、より高いＲＦ電力へと上昇することにより、膜は、より高いプラズマ密度で衝突されて膜がよりコンパクトおよび高密度になり得る。その結果、ウェット・エッチング速度およびドライ・エッチング速度などの膜特性は、より高いＲＦ電力により改善され得る。小径のフェースプレート貫通穴は、膜非均一性の改善に寄与するだけでなく、膜特性の改善のためにより高いプラズマ密度を可能にすることにも寄与し得る。したがって、小径のフェースプレート貫通穴によるプロセス・ウィンドウは、さらにより大きくなり得る。

図１３Ａは、フェースプレート穴直径の縮小に伴うフェースプレートの径方向寸法に対するシャワーヘッドのフェースプレートからのガスの軸方向流速を示すグラフである。このグラフは、縮小してゆくフェースプレート貫通穴直径の４つのプロファイル１３０２、１３０２、１３０３、および１３０４から構成される。グラフ内のプロファイル１３０１は、０．０４インチのフェースプレート貫通穴直径を有する低容積シャワーヘッドについての軸方向流速を示す。グラフ内のプロファイル１３０２は、０．０３インチのフェースプレート貫通穴直径についての軸方向流速を示し、プロファイル１３０３は、０．０２インチのフェースプレート貫通穴直径についての軸方向流速を示し、プロファイル１３０４は、０．０１５インチのフェースプレート貫通穴直径についての軸方向流速を示す。さらに小さな直径が、より高い空間的流れ均一性には望ましいものとなり得るが、フェースプレートにさらに小さな直径を製造する実現性は、困難または非常にコストがかかり得る。

図１３Ａでは、軸方向流速が、フェースプレート貫通穴直径の縮小につれて低下するが、より均一になる。プロファイル１３０１は、フェースプレートにわたり著しく非均一な軸方向流速を示し、プロファイル１３０２およびプロファイル１３０３は、フェースプレートにわたり適度に均一な軸方向流速を示し、プロファイル１３０４は、フェースプレートにわたり実質的に均一な軸方向流速を示す。

図１３Ｂは、０．０４インチ直径のインチフェースプレート貫通穴を有する低容積シャワーヘッドの場合と０．０２インチ直径フェースプレート貫通穴を有する低容積シャワーヘッドの場合とを比較した膜非均一性を示すグラフである。基板上の複数の点の間の基板の厚さプロファイルを測定するために標準の４９点極偏光解析データを利用して、膜非均一性パーセンテージを測定および計算することが可能である。上のグラフでは、標準的なフェースプレート貫通穴サイズについて４つの基板を試験した。ここで、フェースプレート貫通穴直径は、約０．０４インチであった。下のグラフでは、小径のフェースプレート貫通穴サイズについて２セットの４つの基板を試験した。ここで、フェースプレート貫通穴直径は、約０．０２インチであった。下のグラフは、約０．４９％の平均膜非均一性を示すが、上のグラフは、約０．８５％の平均膜非均一性を示している。

さらに、標準的なフェースプレート貫通穴サイズおよび小径のフェースプレート貫通穴サイズの両方についての堆積速度は、比較的同様であった。図１３Ｂのグラフ内の試験基板からのデータによると、標準的なフェースプレート貫通穴サイズおよび小径のフェースプレート貫通穴サイズについて、ＡＬＤサイクルを完了するための時間はほぼ同一であり、堆積される材料厚さはほぼ同一であった。典型的には、圧力降下が大きくなることにより、前駆体または他のガスの流量は減少し、それにより膜堆積速度に悪影響を及ぼし得る。例えば、フェースプレート貫通穴の個数を減少させるまたはフェースプレートの厚さを増大させることにより圧力降下を増大させることによって、堆積速度に悪影響が及び得る。しかし、小径のフェースプレート貫通穴では、データは、軸方向流速の改善のためにより大きな圧力降下を伴っても、ＡＬＤサイクルを完了させるための時間が悪影響を被らないことを示す。したがって、より大きな圧力降下は、パージ時間および堆積速度を損なわない小径のフェースプレート貫通穴によってもたらすことが可能である。

いくつかの実装形態では、小径のフェースプレート貫通穴を有するシャワーヘッドは、半導体プロセス・チャンバまたは半導体プロセス・ステーションに設けられてもよい。プロセス・チャンバが、チャンバ・ハウジングの頂部に取り付けられたシャワーヘッドを備えることが可能である。基板支持体が、プロセス・チャンバ内におよびシャワーヘッドの下方に半導体基板を支持してもよい。微小区域が、基板支持体と低容積シャワーヘッドとの間に形成され得る。この微小区域は、基板反応エリアとして機能し、処理中に半導体基板の近傍にプロセス・ガスを集中させ保持するのを補助し得る。基板支持体は、ロード動作およびアンロード動作を容易にするために上下に移動するように構成されてもよい。いくつかの実装形態では、シャワーヘッドは、ステムによりプロセス・チャンバの蓋から懸吊されてもよく、それ自体がプロセス・チャンバの「蓋」の一部を形成しなくてもよい。かかる実装形態では、シャワーヘッドは、基板のロード動作およびアンロード動作を容易にするために上下に移動するように構成されてもよい。半導体プロセス・ステーションは、図１６に関連して以下でさらに詳細に説明されるコントローラをさらに備えてもよく、このコントローラは、１つまたは複数の動作を実行するための命令を用いて設定（構成）される。これらの１つまたは複数の動作は、ＡＬＤの実施に関連付けられた動作を含むことが可能である。例えば、コントローラは、（１）半導体処理ステーション内に基板を供給するための命令と、（２）基板の表面上に吸着されるようにシャワーヘッドを介して半導体処理ステーション内に反応ガスを導入するための命令と、（３）シャワーヘッドを介して半導体処理ステーション内にパージガスを導入するための命令と、（４）基板表面上に吸着された反応ガスから薄膜層を形成するためにプラズマを印加するための命令とにより設定され得る。いくつかの実装形態では、薄膜層の形成は、前述のシャワーヘッドによりＡＬＤサイクルにおいて約１．５秒未満で実施され得る。

いくつかの実装形態では、１つまたは複数のプロセス・チャンバが、マルチステーション半導体処理ツール内のプロセス・ステーションとして用意されてもよい。いくつかの実装形態では、単一のプロセス・チャンバが、複数の処理ステーションを備えてもよく、これらの処理ステーションの一部または全てが、固有のシャワーヘッド・アセンブリを有してもよい。マルチステーション半導体処理ツールのさらに詳細な説明は、図１６に関連して以下に示される。

エッジ穴を有するシャワーヘッド
図１０に戻ると、典型的なフェースプレート１００４は、内方貫通穴１０３２および外方貫通穴１０３４を備える。外方貫通穴１０３４は、境界マーカ１０３６の外部に配置されるが、内方貫通穴１０３２は、フェースプレート１００４の第２の側部において境界マーカ１０３６内に配置され、境界マーカ１０３６は、フェースプレート１００４のエッジの近傍にリングを画定する。境界マーカ１０３６の径方向経路に沿った外方貫通穴１０３４の空間分布は、不均一である。換言すれば、外方貫通穴１０３４同士の間の間隔は、フェースプレート１００４の外周領域に沿って不均一となる。六角形状パターンまたは三角形状パターンにしたがってフェースプレート貫通穴１０３２、１０３４を形成した場合には、六角形状パターンまたは三角形状パターンにより、外方貫通穴１０３４の位置は、フェースプレート１００４の外周領域に沿って相互に不均一に分布し得る。これは、フェースプレート１００４の最外エッジ付近のフェースプレート貫通穴分布に対して方位角的不連続性を生じさせ得る。かかる不連続性は、処理されることとなる基板のエッジにおける流れ均一性の問題を生じさせる恐れがある。いくつかの実装形態では、基板のエッジにおける流れ均一性の問題は、基板のエッジにおける不均一な流量に関する問題と、基板のエッジにおける不均一な流れ方向に関する問題とを含み得る。

外方貫通穴１０３４の不均一分布により生じる方位角的不連続性は、基板のエッジに沿った方位角的膜非均一性に悪影響を及ぼす恐れがある。より具体的には、不均一な流れ均一性および不均一な流れ方向は、基板のエッジにおいて不均一な膜堆積をもたらす恐れがある。いくつかの実装形態では、例えば、基板のエッジに沿って測定した場合に高い堆積スポットおよび低い堆積スポットの波形状パターンが形成され得る。

本開示は、エッジ貫通穴を有するフェースプレートを有するシャワーヘッドに関する。図１０の内方貫通穴１０３２および外方貫通穴１０３４に加えて、エッジ貫通穴が、フェースプレート１００４に形成され得る。エッジ貫通穴は、基板自体の外側に配置され得る、すなわちエッジ貫通穴は、基板のエッジを越えて延在するようにフェースプレート１００４の中心から径方向に配置され得る。エッジ貫通穴は、基板のエッジにおける流量および流れ方向に関してより高い流れ均一性を実現することが可能であり、それにより方位角的膜非均一性が改善され得る。いくつかの実装形態では、方位角的膜非均一性は、約０．５％未満となり得る。

先に論じたように、シャワーヘッドは、約０．０４インチ未満の直径を有する貫通穴を有するフェースプレートを備えることが可能である。いくつかの実装形態では、シャワーヘッドは、多孔バッフルを有する低容積シャワーヘッドを備えることが可能であり、低容積シャワーヘッドは、約０．０４インチ以上または約０．０４インチ未満の直径を有する貫通穴を有するフェースプレートを有することが可能である。フェースプレートがエッジ貫通穴をさらに備える実装形態では、より空間的に均一な流れが、基板のエッジにて実現され、それにより基板のエッジにおける堆積される膜の非均一性が改善され得る。

図１４Ａは、複数の中央貫通穴および複数のエッジ貫通穴を有する例示的フェースプレートの底面図を示す。フェースプレート１４０４は、半導体処理装置で使用するためのシャワーヘッドの一部であることが可能である。シャワーヘッドは、第１の表面および第１の表面に対向する第２の表面を有するプレナム区域を備えることが可能であり、第１の表面および第２の表面は、シャワーヘッドのプレナム区域を少なくとも部分的に画定する。シャワーヘッドは、１つまたは複数のガス入口の近傍に配置されたバッフルをさらに備えることが可能である。いくつかの実装形態では、バッフルは、プレナム区域と１つまたは複数のガス入口との間の領域に配置され得る。いくつかの実装形態では、バッフルは、複数のバッフル貫通穴を備えることが可能である。いくつかの実装形態では、シャワーヘッドは、上述のような低容積シャワーヘッドなどの低容積シャワーヘッドであることが可能である。いくつかの実装形態では、フェースプレート１４０４は、複数のフェースプレート貫通穴１４３２、１４３８を備えることが可能であり、これらの複数のフェースプレート貫通穴１４３２、１４３８は、フェースプレート１４０４の第１の側部から第２の側部まで延在する。フェースプレート１４０４の第１の側部は、プレナム区域の第１の表面を画定することが可能である。いくつかの実装形態では、各フェースプレート貫通穴１４３２、１４３８が、約０．０４インチ未満の直径を有することが可能である。いくつかの実装形態では、各フェースプレート貫通穴１４３２、１４３８が、０．０４インチ以上の直径を有することが可能である。

フェースプレート貫通穴は、中央貫通穴１４３２およびエッジ貫通穴１４３８を備えることが可能である。中央貫通穴１４３２は、処理されることとなる基板のサイズまで延在するフェースプレート貫通穴を備える。例えば、中央貫通穴１４３２は、図１０では内方貫通穴１０３２および外方貫通穴１０３４を備える。エッジ貫通穴１４３８は、中央貫通穴１４３２を囲み、フェースプレート１４０４のエッジの最も近い貫通穴セットに相当するように配置される。いくつかの実装形態では、エッジ貫通穴１４３８は、フェースプレート１４０４の外周領域の周囲にリング１４３７に沿って周方向に配置される。

いくつかの実装形態では、エッジ貫通穴１４３８は、中央貫通穴１４３２の六角形状パターンまたは三角形状パターンの延長部として配置され得る。したがって、リング１４３７に沿ったエッジ貫通穴１４３８の空間分布は、不均一となり得る。いくつかの実装形態では、エッジ貫通穴１４３８は、同心状穴パターンにしたがって配置されてもよい。したがって、リング１４３７に沿ったエッジ貫通穴１４３８の空間分布は、均一となり得る。

半導体処理ステーションおよびシャワーヘッドなどのその付帯的構成要素は、特定サイズの基板を処理するように構成されてもよい。例えば、半導体処理ステーションは、２００ｍｍ、３００ｍｍ、４５０ｍｍ等の直径を有する基板を処理するように構成されてもよい。フェースプレート１４０４の直径は、構成されたシャワーヘッドの使用対象となる基板の直径に対応してもよい。同様に、中央貫通穴１４３２の配置は、構成されたシャワーヘッドの使用対象となる基板の直径まで延在してもよい。例えば、処理されることとなる基板の直径が３００ｍｍである場合には、中央貫通穴１４３２の配置の直径は、２９９ｍｍなど、３００ｍｍ以下であってもよい。しかし、エッジ貫通穴１４３８が配置されるリング１４３７の直径は、構成されたシャワーヘッドの使用対象となる基板の直径よりも大きい。例えば、処理されることとなる基板の直径が３００ｍｍである場合には、リング１４３７の直径は、３０３ｍｍなど、３００ｍｍ超であるが可能である。

エッジ貫通穴１４３８は、基板のエッジにおける流れ均一性を上昇させるように選択された個数、位置、配置、および／または間隔を有して工学設計され得る。いくつかの実装形態では、より多数のエッジ貫通穴１４３８を有することにより、基板のエッジにおける流れ均一性を上昇させることが可能である。例えば、エッジ貫通穴１４３８の個数は、５０個超の貫通穴、７５個超の貫通穴、または１００個超の貫通穴であることが可能である。さらに、構成されたシャワーヘッドの使用対象となる基板の直径を越えて配置されるエッジ貫通穴１４３８を有することにより、基板のエッジにおける流れ均一性を上昇させることが可能である。さらに、基板のエッジにおける流れ均一性は、六角形状配置、三角形状配置、または同心配置にしたがって空間的に分布するエッジ貫通穴１４３８同士の間の間隔をより狭めることにより上昇させることが可能である。

図１４Ｂは、複数の中央貫通穴、第１のリングに沿った複数のエッジ貫通穴、および第２のリングに沿った複数のエッジ貫通穴を有する例示的フェースプレートの底面図を示す。いくつかの実装形態では、基板のエッジにおける流れ均一性は、追加の貫通穴リングにより上昇させることが可能である。図１４Ｂでは、フェースプレート１４５４が、半導体処理装置で使用するためのシャワーヘッドの一部であることが可能である。フェースプレート１４５４は、複数のフェースプレート貫通穴を備えることが可能であり、フェースプレート貫通穴は、中央貫通穴１４８２およびエッジ貫通穴１４８８を備える。エッジ貫通穴１４８８は、第１のリング１４８７ａに沿っておよび第２のリング１４８７ｂに沿って中央貫通穴１４８２を囲む。

複数の第１のエッジ貫通穴１４８８ａは、第１のリング１４８７ａに沿って周方向に配置され、複数の第２のエッジ貫通穴１４８８ｂは、第２のリング１４８７ｂに沿って周方向に配置される。エッジ貫通穴１４８８が配置される第１のリング１４８７ａおよび第２のリング１４８７ｂの両直径は、構成されたシャワーヘッドの使用対象となる基板の直径よりも大きい。第２のリング１４８７ｂの直径は、第１のリング１４８７ａの直径よりも大きい。例えば、処理されることとなる基板の直径が３００ｍｍである場合には、第１のリング１４８７ａの直径は、３０３ｍｍなど、３００ｍｍ超であることが可能であり、第２のリング１４８７ｂの直径は、３１２ｍｍなど、３１０ｍｍ超であることが可能である。エッジ貫通穴１４８８は、基板のエッジにおける流れ均一性を上昇させるように選択された個数、位置、配置、および／または間隔にしたがって第１のリング１４８７ａおよび第２のリング１４８７ｂに沿って工学設計され得る。いくつかの実装形態では、第１のエッジ貫通穴１４８８ａの個数は、５０個超の貫通穴、１００個超の貫通穴、または１００個超の貫通穴であることが可能であり、第２のエッジ貫通穴１４８８ｂの個数は、１００個超の貫通穴、１２５個超の貫通穴、または１５０個超の貫通穴であることが可能である。いくつかの実装形態では、エッジ貫通穴１４８８は、六角形状配置、三角形状配置、または同心状配置にしたがって空間的に分布され得る。

図１４Ｃは、中央貫通穴および角度をつけて傾斜された１つまたは複数のエッジ貫通穴を有する例示的フェースプレートの拡大等角断面図を示す。いくつかの実装形態では、１つまたは複数のエッジ貫通穴が、フェースプレートの第１の側部から第２の側部まで角度をつけて傾斜され得る。図１４Ｃでは、シャワーヘッドが、プレナム区域１４３０およびフェースプレート１４６４を備える。フェースプレート１４６４は、複数の中央貫通穴１４９２と、中央貫通穴１４９２を囲む複数のエッジ貫通穴１４９８とを備える。１つまたは複数のエッジ貫通穴１４９８は、フェースプレート１４６４の第１の側部１４６４ａから第２の側部１４６４ｂまで角度をつけて傾斜されてもよく、第１の側部１４６４ａは、プレナム区域１４３０の表面を画定する。この角度は、プレナム区域の表面を画定する軸から測定され得る。いくつかの実装形態では、この角度は、フェースプレート１４６４の第１の側部１４６４ａから第２の側部１４６４ｂにかけて約９０度未満であるか、またはフェースプレート１４６４の第１の側部１４６４ａから第２の側部１４６４ｂにかけて約７５度未満であることが可能である。

いくつかの実装形態では、１つまたは複数の傾斜エッジ貫通穴１４９８は、図１４Ａに示すものなどの単一の貫通穴リングの一部であってもよい。中央貫通穴１４９２は、傾斜されない。いくつかの実装形態では、１つまたは複数の傾斜エッジ貫通穴１４９８は、図１４Ｂに示されるものなどの複数の貫通穴リングの最終リングの一部であってもよい。したがって、第１のリングに沿って周方向に配置されたエッジ貫通穴などの、中央貫通穴１４９２およびエッジ貫通穴１４９８の一部は、傾斜されなくてもよい。

１つまたは複数の傾斜エッジ貫通穴１４９８は、基板のエッジにおける流れ均一性を上昇させることが可能である。いくつかの実装形態では、プレナム区域１４３０の最外エッジは、構成されたシャワーヘッドの使用対象となる基板のエッジを越えて延在しない。換言すれば、フェースプレート１４６４の第１の側部１４６４ａにより画定されるプレナム区域１４３０の表面の直径は、基板の直径よりも大きくない。１つまたは複数のエッジ貫通穴１４９８が、角度を有してフェースプレート１４６４に形成される場合には、この角度は、基板のエッジを越えて延在するフェースプレート１４６４の第２の側部１４６４ｂに１つまたは複数のエッジ貫通穴１４９８を形成し得る。だいたいてきには、プレナム区域１４３０は、構成されたシャワーヘッドの使用対象となる基板のエッジを越えてもよいが、大きくは越えないかまたは遠方まで十分には越えない。角度をつけて形成された１つまたは複数のエッジ貫通穴１４９８は、基板のエッジをさらに遠くに越えて延在するフェースプレート１４６４の第２の側部１４６４ｂにおいて１つまたは複数のエッジ貫通穴を形成することが可能である。ガス流がフェースプレート１４６４から退出する場合に、これは、基板のエッジにおける流れ均一性の上昇をもたらし得る。

いかなる理論にも限定されることなく、この角度は、フェースプレート１４６４から出るガスの速度に影響を与えることによって基板のエッジにおける流れ均一性を上昇させることが可能である。第１に、この角度は、フェースプレート１４６４から出るガスの速度を低下させることが可能である。第２に、この角度は、水平成分方向においてより多くの流れを増加させることが可能であり、これは、基板のエッジにおける流れ均一性をさらに改善させ得る。

図１５Ａは、中央貫通穴を有する例示的フェースプレートと、中央貫通穴およびエッジ貫通穴を有する例示的フェースプレートとを比較した側方断面図を示す。第１のフェースプレート１５０４が、中央貫通穴１５３２を備え、第２のフェースプレート１５５４が、中央貫通穴１５３２およびエッジ貫通穴１５８４、１５８６を備える。図１５Ｂは、図１５Ａの２つの例示的フェースプレートを対比する拡大部分側断面図を示す。図１５Ｃは、図１５Ａの２つの例示的フェースプレートを対比する等角部分等角断面図を示す。図１５Ａ～図１５Ｃでは、シャワーヘッド１５００が、バックプレート１５０２およびフェースプレート１５０４／１５５４を備えることが可能であり、バックプレート１５０２およびフェースプレート１５０４／１５５４は、相互に対向側に配置され得る。プレナム区域１５３０／１５８０が、バックプレート１５０２とフェースプレート１５０４／１５５４との間に画定されてもよく、プレナム区域１５３０／１５８０は、第１の表面および第１の表面に対向する第２の表面を有することが可能であり、第１の表面および第２の表面は、プレナム区域１５３０／１５８０を少なくとも部分的に画定する。いくつかの実装形態では、プレナム区域１５３０／１５８０の第１の表面および第２の表面は、周方向表面を有することが可能である。

プレナム区域１５３０／１５８０は、プレナム区域１５３０／１５８０と連通する１つまたは複数のガス入口１５２０を介して反応ガスまたはパージガスなどのガスを供給され得る。図１５Ａの１つまたは複数のガス入口１５２０は、ステム１５２２を備えることが可能であり、ステム１５２２は、ステム１５２２を貫通して延在するチューブ１５２４を備えることが可能である。また、シャワーヘッド１５００は、１つまたは複数のガス入口１５２０の近傍に配置されたバッフル１５１０を備えることが可能である。いくつかの実装形態では、バッフル１５１０は、プレナム区域１５３０／１５８０と１つまたは複数のガス入口１５２０との間の領域に配置され得る。バッフル１５１０は、多孔性または非多孔性であることが可能であり、バッフル１５１０は、プレナム区域１５３０中にわたり外方へとおよびフェースプレート１５０４／１５５４に向かってガス流を送るように配置され得る。バッフル１５１０は、フェースプレート１５０４／１５５４の中央を通過して噴出するガス流を軽減させることが可能である。

図１５Ａ～図１５Ｃは、第１のフェースプレート１５０４の設計と第２のフェースプレート１５５４の設計とを、およびフェースプレート１５０４により画定された第１のプレナム区域１５３０と第２のフェースプレート１５５４により画定された第２のプレナム区域１５８０とを比較したものである。第１のフェースプレート１５０４および第２のフェースプレート１５５４はそれぞれ、第１の側から第２の側まで延在する複数の中央貫通穴１５３２を備える。中央貫通穴１５３２は、基板へのガスの供給を容易にするためのガス分配穴または貫通穴としての役割を果たし得る。いくつかの実装形態では、中央貫通穴１５３２は、約０．０４インチ未満の直径をそれぞれ有することが可能である。いくつかの実装形態では、中央貫通穴１５３２は、０．０４インチ以上の直径をそれぞれ有することが可能である。

追加の貫通穴に対応するために、第１のフェースプレート１５０４により画定された第１のプレナム区域１５３０の体積は、第２のフェースプレート１５５４により画定された第２のプレナム区域１５８０により図示され得るより大きな体積を形成するように拡張され得る。第２のプレナム区域１５８０および第１のプレナム区域１５３０は、それぞれ円筒状であることが可能であり、第２のプレナム区域１５８０の直径は、第１のプレナム区域１５３０の直径よりも大きい。いくつかの実装形態では、第２のプレナム区域１５８０の直径は、第１のプレナム区域１５３０の直径に対して距離Ｄだけさらに大きいことが可能である。拡張された体積は、追加の貫通穴１５８４、１５８６が第２のフェースプレート１５５４に形成されるためのより多くの余地を提供し得る。

追加の貫通穴１５８４、１５８６は、第２のフェースプレート１５５４中に形成されて、第２のフェースプレート１５５４の第１の側から第２の側まで延在してもよい。いくつかの実装形態では、追加の貫通穴１５８４、１５８６は、約０．０４インチ以上の直径をそれぞれ有することが可能である。いくつかの実装形態では、追加の貫通穴１５８４、１５８６は、０．０４インチ以上の直径をそれぞれ有することが可能である。追加の貫通穴１５８４、１５８６と共に、貫通穴１５３２のみを有する第１のフェースプレート１５０４に比べてより多数の貫通穴が第２のフェースプレートのエッジの近傍に設けられる。いくつかの実装形態では、追加の貫通穴は、第１のリングに沿って形成された複数の第１の貫通穴１５８４と、第２のリングに沿って形成された複数の第２の貫通穴１５８６とを備えることが可能である。第１の貫通穴１５８４および／または第２の貫通穴１５８６は、処理されることとなる基板のエッジにおいてより高い流れ均一性を実現することが可能である。いくつかの実装形態では、第１のリングおよび第２のリングの各直径は、処理されることとなる基板の直径よりも大きいことが可能である。

いくつかの実装形態では、エッジ貫通穴を有するシャワーヘッドは、半導体プロセス・チャンバまたは半導体プロセス・ステーションに設けられ得る。プロセス・チャンバが、チャンバ・ハウジングの頂部に取り付けられたシャワーヘッドを備えることが可能である。基板支持体が、プロセス・チャンバ内およびシャワーヘッドの下方に半導体基板を支持してもよい。微小区域が、基板支持体とシャワーヘッドとの間に形成され得る。この微小区域は、基板反応エリアとして機能し、処理中に半導体基板の近傍にプロセス・ガスを集中させ保持するのを補助し得る。基板支持体は、ロード動作およびアンロード動作を容易にするために上下に移動するように構成されてもよい。いくつかの実装形態では、シャワーヘッドは、ステムによりプロセス・チャンバの蓋から懸吊されてもよく、それ自体がプロセス・チャンバの「蓋」の一部を形成しなくてもよい。かかる実装形態では、シャワーヘッドは、基板のロード動作およびアンロード動作を容易にするために上下に移動するように構成されてもよい。半導体プロセス・ステーションは、図１６に関連して以下でさらに詳細に説明されるコントローラをさらに備えてもよく、このコントローラは、１つまたは複数の動作を実行するための命令で設定される。これらの１つまたは複数の動作は、ＡＬＤの実施に関連付けられた動作を含むことが可能である。例えば、コントローラは、（１）半導体処理ステーション内に基板を供給するための命令と、（２）基板の表面上に吸着されるようにシャワーヘッドを介して半導体処理ステーション内に反応ガスを導入するための命令と、（３）シャワーヘッドを介して半導体処理ステーション内にパージガスを導入するための命令と、（４）基板表面上に吸着された反応ガスから薄膜層を形成するためにプラズマを印加するための命令を用いて設定され得る。いくつかの実装形態では、薄膜層の形成は、前述のシャワーヘッドによりＡＬＤサイクルにおいて約１．５秒未満で実施され得る。

いくつかの実装形態では、１つまたは複数のプロセス・チャンバが、マルチステーション半導体処理ツール内のプロセス・ステーションとして用意されてもよい。いくつかの実装形態では、単一のプロセス・チャンバが、複数の処理ステーションを備えてもよく、これらの処理ステーションの一部または全てが、固有のシャワーヘッド・アセンブリを有してもよい。マルチステーション半導体処理ツールのさらに詳細な説明は、図１６に関連して以下に示される。

図１６は、多孔バッフル、小径のフェースプレート貫通穴、および／またはエッジ貫通穴を有する低容積シャワーヘッドを備え得るマルチステーション処理ツールの概略図を示す。マルチステーション処理ツール１６００は、入口ロード・ロック１６０２および出口ロード・ロック１６０４を備えてもよい。ロボット１６０６が、大気圧下において、ポッド１６０８を通してロードされたカセットから大気ポート１６１６通り入口ロード・ロック１６０２内に基板を移動させるよう構成され得る。基板は、ロボット１６０６によって入口ロード・ロック１６０２内のペデスタル１６１２上に配置され、大気ポート１６１６は、閉じられ、その後ロード・ロックは、ポンプ排気され得る。入口ロード・ロック１６０２が遠隔プラズマ源を備える場合には、基板は、処理チャンバ１６１４に導入される前にロード・ロック内で遠隔プラズマ処理を受けてもよい。さらに、基板は、例えば水分および吸着ガスを除去するためなどに入口ロード・ロック１６０２内で加熱されてもよい。次に、処理チャンバ１６１４へのチャンバ輸送ポート１６１６が開かれ、別のロボット（図示せず）が、処理のために処理チャンバ１６１４内へと、反応室内に図示される第１のステーションのペデスタル上に配置し得る。図１６に示す実装形態は、ロード・ロックを備えるが、いくつかの実装形態では基板が処理ステーション内に直接進入してもよいことが理解されよう。

図示する処理チャンバ１６１４は、図１６に示す実装形態では１から４までの番号を付した４つのプロセス・ステーションを備える。各ステーションは、加熱ペデスタルまたは非加熱ペデスタル（ステーション１について１６１８で示される）と、ガス・ライン入口とを有してもよい。いくつかの実装形態では、各プロセス・ステーションが、異なるまたは複数の目的を有し得ることが理解されよう。例えば、いくつかの実装形態では、プロセス・ステーションが、ＡＬＤプロセス・モードとプラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）プロセス・モードの間で切替え可能であってもよい。追加的にまたは代替的に、いくつかの実装形態では、プロセス・チャンバ１６１４は、１つまたは複数の対応対のＡＬＤプロセス・ステーションおよびＰＥＣＶＤプロセス・ステーションを備えてもよい。図示するプロセス・チャンバ１６１４は、４つのステーションを備えるが、本開示によるプロセス・チャンバは、任意の適切な数のステーションを有してもよいことがわかる。例えば、いくつかの実装形態では、処理チャンバは、５つ以上のステーションを有してもよく、他の実装形態では、プロセス・チャンバは、３つ以下のステーションを有してもよい。

各ステーションは、対応するステーションにて基板にプロセス・ガスを供給する別個のシャワーヘッド・アセンブリを備えてもよい。いくつかの実装形態では、これらのシャワーヘッドの一部または全てが、本明細書に記載されるような多孔バッフル、小径のフェースプレート貫通穴、および／またはエッジ貫通穴を有する低容積シャワーヘッドを使用してもよい。例えば、ステーションが、ＡＬＤ処理または本明細書に記載の装置の使用により恩恵を被り得る他の処理を基板に対して実施する場合に、そのステーションのシャワーヘッドは、本明細書に記載されるような多孔バッフル、小径のフェースプレート貫通穴、および／またはエッジ貫通穴を有する低容積シャワーヘッドであってもよい。

また、図１６は、プロセス・チャンバ１６１４内で基板を移送するための基板ハンドリング・システム１６９０を示す。いくつかの実装形態では、基板ハンドリング・システム１６９０は、様々なプロセス・ステーションの間および／またはプロセス・ステーションとロード・ロックとの間で基板を移送し得る。任意の適切な基板ハンドリング・システムが使用されてもよいことが理解されよう。非限定的な例としては、基板カルーセルおよび基板ハンドリングロボットが含まれる。また、図１６は、プロセス・ツール１６００のプロセス条件およびハードウェア状態を制御するために使用されるシステム・コントローラ１６５０を示す。システム・コントローラ１６５０は、１つまたは複数のメモリ・デバイス１６５６と、１つまたは複数のマス・ストレージ・デバイス１６５４と、１つまたは複数のプロセッサ１６５２とを備えてもよい。プロセッサ１６５２は、ＣＰＵまたはコンピュータ、アナログ入出力接続部および／またはデジタル入出力接続部、ステップ・モータ・コントローラ基板等を備えてもよい。

いくつかの実装形態では、コントローラ１６５０は、システムの一部であり、このシステムは、上述の例の一部であってもよい。かかるシステムは、処理ツール、チャンバ、処理用のプラットフォーム、および／または特定の処理構成要素（ウェハ・ペデスタル、ガス流システム等）を含む半導体処理装置を備えることが可能である。これらのシステムは、半導体ウェハまたは基板の処理前、処理中、および処理後にシステムの動作を制御するための電子機器と一体化されてもよい。これらの電子機器は、「コントローラ」と呼ばれる場合があり、これはシステムの様々な構成要素またはサブパーツを制御し得る。コントローラ１６５０は、処理要件および／またはシステムのタイプに応じて、処理ガスの供給、温度設定（例えば加熱および／または冷却）、圧力設定、真空設定、電力設定、高周波（ＲＦ）発生器設定、ＲＦ整合回路設定、周波数設定、流量設定、流れ供給設定、位置および動作設定、ツールならびに特定のシステムと接続または結合されたツールおよび他の移送ツールおよび／またはロード・ロックの内外へのウェハ移送を含む、本明細書に開示される任意のプロセスを制御するようプログラミングされてもよい。

概して、コントローラ１６５０は、命令を受領する、命令を発行する、動作を制御する、洗浄動作を可能にする、エンドポイント測定を可能にする等を行う様々な集積回路、論理回路、メモリおよび／またはソフトウェアを有する電子機器として定義されてもよい。集積回路は、プログラム命令を格納するファームウェアの形態のチップ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）として定義されるチップ、および／またはプログラム命令（例えばソフトウェア）を実行する１つまたは複数のマイクロプロセッサもしくはマイクロコントローラを備えてもよい。プログラム命令は、半導体基板に対するもしくは半導体基板のための特定のプロセスを実行するための動作パラメータを定義する様々な個々の設定（またはプログラムファイル）の形態でコントローラに、またはシステムに通信され得る。いくつかの実装形態では、動作パラメータは、１つまたは複数の層、材料、金属、酸化物、シリコン、二酸化シリコン、表面、回路、および／または基板のダイの製造中に１つまたは複数の処理ステップを遂行するためにプロセス・エンジニアにより定義されるレシピの一部であってもよい。

いくつかの実装形態では、コントローラ１６５０は、システムと一体化されるか、システムに結合されるか、他の方法でシステムとネットワーク化されるか、もしくはそれらの組合せを被るコンピュータの一部であってもよく、またはかかるコンピュータに結合されてもよい。例えば、コントローラ１６５０は、「クラウド」内に位置してもよく、または基板処理のリモート・アクセスを可能にし得るファブ・ホスト・コンピュータ・システムの全てもしくは一部であってもよい。コンピュータは、製造動作の現在の進捗をモニタリングするために、過去の製造動作の履歴を診断するために、複数の製造動作からの傾向または性能指標を診断するために、現在の処理のパラメータを変更するために、現在の処理に続く処理ステップを設定するために、または新規プロセスを開始するためにシステムへのリモート・アクセスを可能にし得る。いくつかの例では、リモート・コンピュータ（例えばサーバ）が、ローカル・ネットワークまたはインターネットを含み得るネットワークを介してシステムにプロセス・レシピを提供することが可能である。リモート・コンピュータは、パラメータおよび／または設定の入力またはプログラミングを可能にするユーザ・インターフェースを備えてもよく、これらのパラメータおよび／または設定は、リモート・コンピュータからシステムに通信される。いくつかの例では、コントローラは、データの形式で命令を受領し、これらの命令は、１つまたは複数の動作中に実施されるべき各処理ステップのためのパラメータを指定する。パラメータは、実施されることとなるプロセスのタイプと、構成されたコントローラ１６５０が接続されるまたは制御する対象となるツールのタイプとに特定のものであってもよい点を理解されたい。したがって、上述のように、コントローラ１６５０は、共にネットワーク化され、本明細書に記載される処理および制御などの共通の目的に向けて動作する１つまたは複数の別個のコントローラを備えることなどによって分散されてもよい。かかる目的のための分散コントローラ１６５０の一例は、チャンバでのプロセスを制御するために組み合わされるリモート配置された（プラットフォームレベルに位置するかまたはリモート・コンピュータの一部としてのなど）１つまたは複数の集積回路と通信状態にあるチャンバ上の１つまたは複数の集積回路である。

限定するものではないが、例のシステムとしては、プラズマ・エッチング・チャンバまたはプラズマ・エッチング・モジュール、堆積チャンバまたは堆積モジュール、スピンリンス・チャンバまたはスピンリンス・モジュール、金属めっきチャンバまたは金属めっきモジュール、洗浄チャンバまたは洗浄モジュール、ベベル・エッジ・エッチング・チャンバまたはベベル・エッジ・エッチング・モジュール、物理気相堆積（ＰＶＤ）チャンバまたは物理気相堆積モジュール、化学気相堆積（ＣＶＤ）チャンバまたは化学気相堆積モジュール、原子層堆積（ＡＬＤ）チャンバまたは原子層堆積モジュール、原子層エッチング（ＡＬＥ）チャンバまたは原子層エッチング・モジュール、イオン注入チャンバまたはイオン注入モジュール、トラック・チャンバまたはトラック・モジュール、ならびに半導体基板の組立および／または製造に関連し得るもしくは利用され得る任意のその他の半導体処理システムが含まれ得る。

上記のように、ツールにより実施されることとなるプロセス・ステップに応じて、コントローラ１６５０は、他のツール回路またはツールモジュール、他のツール構成要素、クラスタ・ツール、他のツール・インターフェース、隣接するツール、付近のツール、工場中にわたり位置するツール、メイン・コンピュータ、別のコントローラ、あるいは半導体製造工場内のツール位置および／またはロード・ポートに向かってもしくはロード・ポートから基板のコンテナを搬送する材料輸送で使用されるツールの中の１つまたは複数と通信してもよい。

いくつかの実装形態では、システム・コントローラ１６５０は、処理ツール１６００のアクティビティの全てを制御する。システム・コントローラ１６５０は、マス・ストレージ・デバイス１６５４に格納され、メモリ・デバイス１６５６にロードされ、プロセッサ１６５２で実行されるシステム制御ソフトウェア１６５８を実行する。システム制御ソフトウェア１６５８は、タイミング、ガスの混合、チャンバおよび／またはステーションの圧力、チャンバおよび／またはステーションの温度、基板温度、目標電力レベル、ＲＦ電力レベル、基板ペデスタル、チャックおよび／またはサセプタの位置、ならびにプロセス・ツール１６００により実行される特定のプロセスの他のパラメータを制御するための命令を備え得る。システム制御ソフトウェア１６５８は、任意の適切な方法で構成されてもよい。例えば、様々なプロセス・ツール構成要素サブルーチンまたは制御オブジェクトが、様々なプロセス・ツールのプロセスを実行するために必要なプロセス・ツール構成要素の動作を制御するために書き込まれてもよい。システム制御ソフトウェア１６５８は、任意の適切なコンピュータ可読プログラム言語で符号化されてもよい。

いくつかの実装形態では、システム制御ソフトウェア１６５８は、上述の様々なパラメータを制御するための入出力制御（ＩＯＣ）シーケンス命令を備えてもよい。例えば、ＡＬＤプロセスの各段階が、システム・コントローラ１６５０による実行のための１つまたは複数の命令を備えてもよい。ＡＬＤプロセス段階のためのプロセス条件を設定するための命令が、対応するＡＬＤレシピ段階に含まれてもよい。いくつかの実装形態では、複数のシャワーヘッドがある場合には、これらのシャワーヘッドは、別個の並行プロセス動作の実施を可能にするために独立的に制御されてもよい。

いくつかの実装形態では、システム・コントローラ１６５０に関連付けられたマス・ストレージ・デバイス１６５４および／またはメモリ・デバイス１６５６に格納された他のコンピュータ・ソフトウェアおよび／またはプログラムが使用されてもよい。これを目的とするプログラムまたはプログラム・セクションの例としては、基板配置プログラム、プロセス・ガス制御プログラム、圧力制御プログラム、ヒータ制御プログラム、および、プラズマ制御プログラムが含まれる。

基板配置プログラムは、ペデスタル１６１８上に基板をロードし、基板と処理ツール１６００の他のパーツとの間の間隔を制御するために使用されるプロセス・ツール構成要素のためのプログラムコードを備えてもよい。

プロセス・ガス制御プログラムは、ガス組成および流量を制御するための、ならびに任意にはプロセス・ステーション内の圧力を安定させるために堆積前に１つまたは複数のプロセス・ステーション内にガスを流すためのコードを備えてもよい。圧力制御プログラムは、例えばプロセス・ステーションの排気システムの絞り弁またはプロセス・ステーションへのガス流などを調節することによってプロセス・ステーション内の圧力を制御するためのコードを備えてもよい。

ヒータ制御プログラムは、基板を加熱するために使用される加熱ユニットへの電流を制御するためのコードを備えてもよい。代替的には、ヒータ制御プログラムは、基板への熱伝導ガス（ヘリウムなど）の供給を制御してもよい。

プラズマ制御プログラムは、１つまたは複数のプロセス・ステーション内の処理電極に印加されるＲＦ電力レベルを設定するためのコードを備えてもよい。プラズマ制御プログラムは、適切な状況では、外部プラズマ発生器を制御するためのおよび／またはプラズマ発生器もしくはラジカル源区域にプロセス・ガスを供給するのに必要な弁調整を行うためのコードを備えてもよい。

いくつかの実装形態では、システム・コントローラ１６５０に関連付けられているユーザ・インターフェースが存在してもよい。ユーザ・インターフェースは、ディスプレイ画面、装置条件および／または処理条件のグラフィカル・ソフトウェア・ディスプレイ、ならびにポインティング・デバイス、キーボード、タッチ・スクリーン、マイクロフォン等のユーザ入力デバイスを備えてもよい。

いくつかの実装形態では、システム・コントローラ１６５０により調節されるパラメータは、プロセス条件に関するものであってもよい。非限定的な例としては、プロセス・ガス成分およびプロセス・ガス流量、温度、圧力、プラズマ条件（ＲＦバイアス電力レベルなど）、圧力、温度等が含まれる。これらのパラメータは、ユーザ・インターフェースを使用して入力され得るレシピの形態でユーザに提供されてもよい。

プロセスをモニタリングするための信号が、様々なプロセス・ツール・センサからシステム・コントローラ１６５０のアナログおよび／またはデジタル入力接続部によって提供されてもよい。プロセスを制御するための信号は、処理ツール１６００のアナログおよびデジタル出力接続部で出力されてもよい。モニタリングされ得るプロセス・ツール・センサの非限定的な例としては、マス・フロー・コントローラ、圧力センサ（圧力計など）、熱電対等が含まれる。適切にプログラムされたフィードバック・アルゴリズムおよび制御アルゴリズムが、プロセス条件を維持するためにこれらのセンサからのデータと共に使用されてもよい。

システム・コントローラ１６５０は、様々な半導体製造プロセスを実行するためのプログラム命令を提供してもよい。プログラム命令は、ＤＣ電力レベル、ＲＦバイアス電力レベル、圧力、温度等の様々なプロセス・パラメータを制御してもよい。これらの命令は、膜スタックのｉｎ－ｓｉｔｕ堆積を操作するためのパラメータを制御し得る。

典型的には、システム・コントローラが、１つまたは複数のメモリ・デバイスと、本発明による方法を装置が実行するように命令を実行するよう構成された１つまたは複数のプロセッサとを備え得る。本発明によるプロセス動作を制御するための命令を含むマシン可読媒体が、システム・コントローラに結合されてもよい。

図１６に示す半導体処理ツールは、単一の４ステーション・プロセス・チャンバまたは４ステーション・プロセス・モジュールを示すが、他の実装形態の半導体処理ツールは、単一のステーションまたは複数のステーションをそれぞれが有する複数のモジュールを備えてもよい。かかるモジュールは、互いに相互接続されてもよく、および／またはモジュール間における基板の移動を容易にし得る１つまたは複数の移送チャンバの周囲に配置されてもよい。かかるマルチモジュール半導体処理ツールにより提供されるステーションの中の１つまたは複数が、必要に応じて、本明細書に記載されるような多孔バッフル、小径のフェースプレート貫通穴、および／またはエッジ貫通穴を備えた低容積シャワーヘッドを備えてもよい。

一般的には、本明細書に記載されるような多孔バッフル、小径のフェースプレート貫通穴、および／またはエッジ貫通穴を備える低容積シャワーヘッドは、反応チャンバ内において１つまたは複数の半導体基板を支持するよう構成された半導体支持体の上方に取り付けられてもよい。また、例えば、低容積シャワーヘッドは、反応チャンバの蓋または蓋の一部として機能してもよい。別の実装形態では、低容積シャワーヘッドは、「シャンデリア」型シャワーヘッドであってよく、ステムまたはその他の支持構造体により反応チャンバの蓋から懸吊されてもよい。

上述の装置／プロセスは、例えば半導体デバイス、ディスプレイ、ＬＥＤ、および光起電力パネル等の組立または製造のためになど、ステッパなどのリソグラフィ・パターニング・ツールまたはリソグラフィ・パターニング・プロセスとの組合せで利用されてもよい。典型的には、必須ではないが、かかるツール／プロセスは、共通の製造施設で共に利用または実行される。典型的には、膜のリソグラフィ・パターニングは、以下のステップ、すなわち（１）スピンオン・ツールまたはスプレーオン・ツールを使用して工作物すなわちウェハ上にフォトレジストを塗布するステップと、（２）ホット・プレートまたは炉またはＵＶ硬化ツールを使用してフォトレジストを硬化させるステップと、（３）ウェハ・ステッパなどのツールで可視光またはＵＶまたはＸ線にフォトレジストを露光するステップと、（４）ウェット・ベンチなどのツールを使用してレジストを選択的に除去しそれによりパターニングするためにレジストを現像するステップと、（５）ドライ・エッチング・ツールまたはプラズマ支援エッチング・ツールを使用して下層膜または工作物にレジスト・パターンを転写するステップと、（６）ＲＦプラズマ・レジスト・ストリッパまたはマイクロ波プラズマ・レジスト・ストリッパなどのツールを使用してレジストを除去するステップとの一部または全てを含み、各ステップは、複数の可能なツールにより可能となる。

以上、明瞭化および理解を促すために幾分か詳細に説明したが、特定の変更および修正が添付の特許請求の範囲内で実施されてもよいことが理解されよう。説明したプロセス、システム、および装置を実施する多数の代替的な方法が存在する点に留意されたい。したがって、記載した実施形態は、例示としておよび非限定的なものとして見なされるべきである。

Claims (20)

1. 半導体処理装置において使用するためのシャワーヘッドであって、
   内側直径と外側直径とを有するステムと、
   複数のフェースプレート貫通穴を備えるフェースプレートと、前記複数のフェースプレート貫通穴は前記フェースプレートの第１の側から第２の側まで延在し、前記複数のフェースプレート貫通穴の少なくともいくつかは０．０４インチ（１．０１６ｍｍ）以下の直径を有し、
   前記フェースプレートに対向するバックプレートであって、前記フェースプレートとの間にプレナム区画と画定するバックプレートと、前記ステムは前記バックプレートの中央領域に接続されており、前記バックプレートの少なくとも一部は径方向外側に向かって前記プレナム区画の厚みが減少するように傾斜しており、
   前記プレナム区画に配置され、前記ステムから流れてきた処理ガスを前記プレナム区画内に分配するバッフルと
   を備える、シャワーヘッド。
2. 請求項１に記載のシャワーヘッドであって、
   前記複数のフェースプレート貫通穴の少なくともいくつかは、前記フェースプレートの主面全体にわたって六角形状配置に空間的に分布されている、シャワーヘッド。
3. 請求項１に記載のシャワーヘッドであって、
   前記複数のフェースプレート貫通穴の少なくともいくつかは、前記フェースプレートの主面全体にわたって三角形状配置に空間的に分布されたている、シャワーヘッド。
4. 請求項１に記載のシャワーヘッドであって、
   前記バッフルは、前記ステムの内側直径よりも大きな直径を有する、シャワーヘッド。
5. 請求項１に記載のシャワーヘッドであって、
   前記バッフルは、複数のバッフル貫通穴を備える、シャワーヘッド。
6. 請求項５に記載のシャワーヘッドであって、
   前記バッフルの多孔率は、５％～２５％である、シャワーヘッド。
7. 請求項１に記載のシャワーヘッドであって、
   前記バッフルは、前記ステムの下方に中心を置く、シャワーヘッド。
8. 請求項１に記載のシャワーヘッドであって、
   前記フェースプレートの直径は、前記バッフルの直径の４倍よりも大きい、シャワーヘッド。
9. 請求項１に記載のシャワーヘッドであって、
   前記複数のフェースプレート貫通穴の前記少なくともいくつかの前記直径は、０．０１インチ（０．２５４ｍｍ）～０．０３インチである、シャワーヘッド。
10. 請求項１に記載のシャワーヘッドであって、
    前記複数のフェースプレート貫通穴の前記少なくともいくつかの前記直径は、０．０４インチに等しい、シャワーヘッド。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載のシャワーヘッドであって、
    フェースプレート貫通穴の個数は、３００個～６０００個である、シャワーヘッド。
12. 請求項１から１０のいずれか一項に記載のシャワーヘッドであって、
    前記複数のフェースプレート貫通穴の前記直径は、前記フェースプレートから出るガス流の空間的均一性を上昇させるように構成されている、シャワーヘッド。
13. 請求項１から１０のいずれか一項に記載のシャワーヘッドであって、
    前記複数のフェースプレート貫通穴の前記直径は、前記フェースプレートの外部から前記プレナム区画内に進むプラズマの逆流を軽減するように構成されている、シャワーヘッド。
14. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の前記シャワーヘッドを備える半導体処理ステーション。
15. 半導体処理装置において使用するためのシャワーヘッドであって、
    内側直径と外側直径とを有するステムと、
    複数のフェースプレート貫通穴を備えるフェースプレートと、前記複数のフェースプレート貫通穴は前記フェースプレートの第１の側から第２の側まで延在し、前記複数のフェースプレート貫通穴は複数の中央貫通穴および前記複数の中央貫通穴の周りの複数のエッジ貫通穴を含み、前記複数のエッジ貫通穴は、前記フェースプレートの前記第１の側から前記第２の側にある角度で傾斜されており、
    前記フェースプレートに対向するバックプレートであって、前記フェースプレートとの間にプレナム区画を画定するバックプレートと、前記ステムは、前記バックプレートの中央領域に接続され、前記プレナム区画と流体連通しており、
    前記プレナム区画に配置され、前記ステムから流れてきた処理ガスを前記プレナム区画内に分配するバッフルと
    を備える、シャワーヘッド。
16. 請求項１５に記載のシャワーヘッドであって、
    前記複数のエッジ貫通穴は、３００ｍｍ超の直径を有する貫通穴リングに沿って前記フェースプレートの前記第２の側において周方向に配置される、シャワーヘッド。
17. 請求項１５に記載のシャワーヘッドであって、
    前記複数のエッジ貫通穴は、前記フェースプレートの前記第１の側から前記第２の側にかけて９０度未満の角度で傾斜される、シャワーヘッド。
18. 請求項１７に記載のシャワーヘッドであって、
    前記複数のエッジ貫通穴は、前記フェースプレートの前記第１の側から第２の側にかけて７５度未満の角度で傾斜される、シャワーヘッド。
19. 請求項１５に記載のシャワーヘッドであって、
    前記複数のエッジ貫通穴は、第１のリングおよび前記第１のリングを囲む第２のリングに沿って前記フェースプレートの前記第２の側において周方向に配置される、シャワーヘッド。
20. 請求項１９に記載のシャワーヘッドであって、
    前記第１のリングは、３００ｍｍ超の直径を有し、前記第２のリングは、３１０ｍｍ超の直径を有する、シャワーヘッド。

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