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KR20210048408A - 반도체 증착 반응기 매니폴드 - Google Patents

반도체 증착 반응기 매니폴드 Download PDF

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KR20210048408A
KR20210048408A KR1020200131655A KR20200131655A KR20210048408A KR 20210048408 A KR20210048408 A KR 20210048408A KR 1020200131655 A KR1020200131655 A KR 1020200131655A KR 20200131655 A KR20200131655 A KR 20200131655A KR 20210048408 A KR20210048408 A KR 20210048408A
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KR
South Korea
Prior art keywords
bore
gas
manifold
reactant
semiconductor processing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
KR1020200131655A
Other languages
English (en)
Inventor
딘카르 난드와나
에릭 제임스 셰로
칼 루이스 화이트
토드 로버트 던
윌리엄 조지 페트로
제럴드 리 윈클러
아니켓 치탈리
Original Assignee
에이에스엠 아이피 홀딩 비.브이.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 에이에스엠 아이피 홀딩 비.브이. filed Critical 에이에스엠 아이피 홀딩 비.브이.
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Abstract

본 발명은 반도체 증착 반응기 매니폴드의 실시 예들 및 원자 층 증착(ALD)과 같은 공정들을 사용하여 반도체 층을 증착하는데 사용될 수 있는 반도체 증착 반응기 매니폴드를 사용하는 방법에 관한 것이다. 반도체 증착 반응기 매니폴드는 보어, 제1 공급 채널 및 제2 공급 채널을 갖는다. 유리하게는, 제1 공급 채널 및 제2 공급 채널은 오프셋 방식으로 보어와 합쳐져 공급 채널들 내의 교차-오염을 감소시킨다.

Description

반도체 증착 반응기 매니폴드들{Semiconductor deposition reactor manifolds}
관련 출원의 상호 참조
본 출원과 함께 출원된 출원 자료서에서 외국 또는 국내 우선권 주장이 확인된 모든 출원은 37 C.F.R. § 1.57에 의거 본원에 참조로 통합된다.
기술분야
본 분야는 일반적으로 기상 증착을 위한 매니폴드에 관한 것으로, 특히 원자층 증착(ALD) 반응기에서 증착의 품질을 개선하기 위한 매니폴드에 관한 것이다.
기판의 표면 상에 박막을 증착하기 위한 여러 기상 증착 방법이 있다. 이들 방법은 진공 증발 증착, 분자 빔 에피탁시(MBE), 화학 기상 증착(CVD)의 다양한 변형(저압 및 유기금속 CVD 및 플라즈마 강화 CVD 포함) 및 원자층 증착(ALD)을 포함한다.
ALD 공정에서, 코팅되어야 하는 적어도 하나의 표면을 갖는 하나 이상의 기판이 증착 챔버 내에 도입된다. 기판은 원하는 온도, 통상적으로 선택된 기상 반응물의 응축 온도 이상과 이들의 열분해 온도 이하로 가열된다. 하나의 반응물은 이전 반응물의 흡착된 종과 반응하여 기판 표면 상에 원하는 생성물을 형성할 수 있다. 2개 또는 3개 이상의 반응물은 통상적으로 공간적 및 시간적으로 분리된 펄스로 기판에 제공된다.
일례로 제1 펄스에서, 전구체 물질을 나타내는 제1 반응물은 웨이퍼 상에 자기-제한 공정으로 대체로 손상되지 않고 흡착된다. 기상 전구체가 상기 전구체의 흡착된 부분과 반응하거나 그 위에 흡착할 수 없기 때문에 상기 공정은 자기-제한적이다. 임의의 나머지 제1 반응물이 웨이퍼 또는 챔버로부터 제거된 후, 기판 상의 흡착된 전구체 물질은 후속하는 반응물 펄스와 반응하여 원하는 물질의 단일 분자층 이하를 형성한다. 후속 반응물은, 예를 들어 흡착된 전구체 물질로부터 리간드를 제거하여 표면을 다시 반응성으로 만들고, 리간드를 대체하고, 화합물을 위한 추가 물질을 남길 수도 있다. 순수한 ALD 공정에서, 평균적으로 사이클당 단일층 미만이 형성되는데 이유는 입체 방해에 기인하며 이 입체 방해로써 전구체 분자의 크기가 기판 상의 흡착 부위로의 접근을 방지하여 후속 사이클에서 이용 가능하게 될 수 있다. 목표 두께가 달성될 때까지 더 두꺼운 막을 반복된 성장 사이클을 통해 제조한다. 성장 속도는 사이클당 옹스트롱으로 제공되는데, 그 이유는 이론적으로 성장은 사이클의 수에만 의존하기 때문이고, 각각의 펄스가 포화 상태이고 그러한 반응물에 대한 온도가 이상적인 ALD 온도 범위 내에 있기만 하면(열분해 및 응축이 없음) 공급된 질량 또는 온도에 의존하지 않기 때문이다.
반응물 및 온도는 통상적으로 공정 동안에 반응물의 응축 및 열분해를 피하기 위해 선택되어, 화학 반응이 다중 사이클을 통한 성장에 역할을 하도록 한다. 그러나, ALD 공정의 특정 변형에서 하이브리드 CVD 및 ALD 반응 메카니즘을 활용함으로써 사이클당 성장 속도를 변화시키도록, 가능하면 사이클당 하나의 분자 단일층을 초과할 수 있는 조건이 선택될 수 있다. 다른 변형은 반응물 사이의 공간적인 및/또는 시간적인 중첩을 허용할 수 있다. ALD 및 이들의 다른 후속 기상 증착 변형예에서 2개, 3개, 4개 이상의 반응물이 단일 사이클에서 순차적으로 공급될 수 있고, 상이한 사이클의 함유량은 조성을 맞추기 위해 변할 수 있다.
통상적인 ALD 공정 동안, 반응물 펄스 사이의 제거 단계를 갖는 반응 공간(예, 반응 챔버) 내에 모두 증기 형태인 반응물 펄스가 순차적으로 펄스화되어 기상에서의 반응물 사이의 직접적인 상호 작용을 피한다. 예를 들어, 비활성 가스 펄스 또는 "퍼지" 펄스가 반응물의 펄스 사이에 제공될 수 있다. 비활성 가스는 가스상 혼합을 피하기 위해, 다음 반응물 펄스 이전에 하나의 반응물 펄스의 챔버를 퍼지한다. 자기-제한 성장을 얻기 위해, 충분한 양의 전구체 각각이 기판을 포화시키도록 제공된다. 진정한 ALD 공정의 각 사이클에서의 성장 속도는 자기-제한적이기 때문에, 성장 속도는 반응물의 플럭스보다는 반응 시퀀스의 반복 속도에 비례한다.
일 양태에서, 매니폴드를 포함하는 반도체 처리 장치가 제공되며, 상기 매니폴드는, 기화된 반응물을 반응 챔버에 전달하도록 구성되며 길이 방향 축을 따라 연장된 보어; 상기 매니폴드의 상부 부위에 배치되며 상기 길이 방향 축을 따라 상기 보어의 제1 말단에서 캡핑 표면을 정의하는 상부 벽; 상기 길이 방향 축을 따라 상기 매니폴드의 하부 부위에 있고 반응기에 가스를 공급하도록 구성되는 유출구; 상기 보어에 가스를 공급하도록 구성되는 제1 공급 채널; 및 상기 보어에 가스를 공급하도록 구성되는 제2 공급 채널을 포함하되, 상기 제1 공급 채널 및 상기 제2 공급 채널은 상기 길이 방향 축을 따라 오프셋 위치에서 상기 보어와 합쳐진다.
일부 구현예에서, 캡핑 표면은, 상방으로 유도된 가스를 보어를 통해 유출구로 다시 하방 유도하도록 형상화된다.
일부 구현예에서, 반도체 처리 장치는, 매니폴드에 장착된 제1 블록을 추가로 포함하며, 제1 블록과 매니폴드는 제1 공급 채널을 적어도 부분적으로 정의하기 위해 협력한다. 일부 구현예에서, 반도체 처리 장치는, 매니폴드에 장착된 제2 블록을 추가로 포함하며, 제2 블록과 매니폴드는 제2 공급 채널을 적어도 부분적으로 정의하기 위해 협력한다.
일부 구현예에서, 제1 공급 채널은 제1 반응물 공급원과 유체 연통하며 제1 기화된 반응물을 보어에 전달하도록 구성되고, 제2 공급 채널은 제2 반응물 공급원과 유체 연통하며 제2 기화된 반응물을 보어에 전달하도록 구성된다.
일부 구현예에서, 제1 공급 채널은 보어를 퍼지하기 위해 비활성 가스와 유체 연통한다.
일부 구현예에서, 반도체 처리 장치는 유출구 아래에 샤워헤드 장치를 추가로 포함하고, 상기 샤워헤드는 유출구로부터 가스의 흐름을 분산시키도록 구성된다. 반도체 처리 장치는 상기 샤워헤드 장치 아래에 반응 챔버 및 상기 반응 챔버 내에 기판을 지지하도록 구성된 기판 지지대를 추가로 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 제1 블록은, 제1 반응물을 제1 공급 채널에 입력하도록 구성된 제1 기상 유입구를 포함한다.
일부 구현예에서, 제1 블록은 제2 기상 유입구 및 제3 기상 유입구를 추가로 포함한다. 일부 구현예에서, 제1 블록은 제4 기상 유입구를 추가로 포함하고, 제4 기상 유입구는 매니폴드에 대향하는 제1 블록의 측방향 측면 상에 위치한다.
일부 구현예에서, 제4 기상 유입구는 매니폴드 안으로 퍼지 가스를 입력하도록 구성된다.
일부 구현예에서, 제1 공급 채널은 캡핑 표면을 향해 각을 이루고 제2 공급 채널은 유출구를 향해 각을 이루고, 제2 공급 채널은 제1 공급 채널의 하류에 있다.
일부 구현예에서, 매니폴드는 단일 모놀리식 블록을 포함한다.
일부 구현예에서, 보어는 길이 방향 축을 따라 연속적으로 연장된다.
다른 양태에서, 매니폴드를 포함하는 반도체 처리 장치가 제공되며, 상기 매니폴드는, 가스를 반응 챔버에 전달하도록 구성되며 길이 방향 축을 따라 배치된 보어; 상기 매니폴드의 상부 부위에 배치되며 상기 길이 방향 축을 따라 상기 보어의 제1 말단에서 캡핑 표면을 정의하는 상부 벽; 상기 캡핑 표면의 하류에 상기 길이 방향 축을 따라 제1 위치에서 상기 보어로 비활성 퍼지 가스를 공급하도록 구성되는 제1 공급 채널; 상기 길이 방향 축을 따라 제2 위치에서 상기 보어로 가스를 공급하도록 구성되는 제2 공급 채널을 포함하되, 상기 제2 위치는 상기 제1 위치와 상이하다.
일부 구현예에서, 상기 공급 라인은 보어를 퍼지하기 위해 비활성 가스 공급원에 연결된다.
일부 구현예에서, 상기 비활성 가스는 아르곤 가스 및 질소 가스 중 적어도 하나를 포함한다.
다른 양태에서, 증착 방법이 제공된다. 상기 방법은, 제1 위치에서 제1 공급 채널을 통해 매니폴드의 보어에 상기 보어의 길이 방향 축을 따라 제1 가스를 공급하는 단계(캡핑 표면은 상기 보어의 상부 말단에 배치됨); 상기 제1 공급 채널로부터 길이 방향으로 오프셋하는 제2 위치에서 제2 공급 채널을 통해 상기 매니폴드의 보어에 상기 보어의 길이 방향 축을 따라 제2 가스를 공급하는 단계; 상기 제1 가스 및 상기 제2 가스 중 적어도 하나를 상기 보어의 유출구를 향해 하류로 유도하는 단계를 포함한다.
일부 구현예에서, 상기 제1 및 제2 가스를 공급하는 단계는, 제1 기화된 반응물을 공급하는 단계 및 제2 기화된 반응물을 공급하는 단계를 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 방법은 상기 제1 기화된 반응물을 공급하는 단계 이후 및 상기 제2 기화된 반응물을 공급하는 단계 이전에 상기 반응 챔버를 비활성 가스로 퍼지하는 단계를 추가로 포함한다. 비활성 가스는 질소 가스 및 아르곤 가스 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제1 기화된 반응물은 H2, NH3, N2, O2, 또는 O 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제2 기화된 반응물은 디클로로실란(DCS), 트리클로로실란(TCS), 트리실란, 유기 실란, 티타늄 클로라이드(TiCl4), ZrCl4 및 HfCl4 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제1 기화된 반응물은 NH3를 포함할 수 있고 제2 기화된 반응물은 TiCl4을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 방법은 액체 TiCl4을 기화하는 단계를 포함하여 상기 제2 기화된 반응물을 생성할 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 특징, 양태 및 장점이 여러 가지 구현예의 도면을 참조하여 이제 설명될 것이며, 구현예는 본 발명을 예시하되 제한하지 않도록 의도된다.
도 1은 반도체 처리 장치의 예시적인 구현예의 개략적인 사시도이다.
도 2는, 매니폴드 몸체의 상부 부위에 비활성 가스 유입구를 갖는, 반도체 처리 장치의 개략적인 측면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 도 2의 반도체 처리 장치의 다양한 구성 요소의 이미지이다.
도 4a는 도 2의 반도체 처리 장치의 추가적인 단면도이다.
도 4b는 도 1의 반도체 처리 장치의 일부 단면도이다.
도 5a는 도 2의 반도체 처리 장치의 상부도이다.
도 5b는 도 1 및 도 4b의 반도체 처리 장치의 상부도이다.
도 6a는 도 4a의 반도체 처리 장치의 단면 상부도이다.
도 6b는 도 4b의 반도체 처리 장치의 단면 상부도이다.
도 7a는 다양한 구현예에 따라 반도체 처리 장치의 보어 및 공급 채널의 사시도이다.
도 7b는 도 4b, 도 5b 및 도 6b의 반도체 처리 장치의 보어 및 공급 채널의 사시도이다.
도 8a 및 도 8b는 도 7a 및 도 7b의 두 개의 상이한 공급 채널 설계에 대해 각각의 보어를 통과하는 증기의 속도 플롯이다.
도 9a 및 9b는, 도 7a 및 도 7b의 두 개의 상이한 공급 채널 설계의 각각의 보어에 대해 암모니아(NH3) 반응물의 몰분율 플롯이다.
도 10a 및 10b는, 도 7a 및 도 7b의 두 개의 상이한 공급 채널 설계의 각 공급 채널 및 보어 내의 위치에서 암모니아(NH3) 반응물의 몰분율 플롯이다.
본원에 개시된 구현예는, 임의의 적합한 가스 또는 기상 증착 공정을 위해 구성되는 반도체 처리 장치와 함께 활용될 수 있고 기판에 교번하는 반응물이 노출하는(예, 펄스하는) 공정을 포함한다. 예를 들어, 예시된 구현예는 원자층 증착(ALD) 기술을 사용하여 기판 상에 물질을 증착하기 위한 다양한 시스템을 나타낸다. 기상 증착 기술 중에서 ALD는 저온에서 높은 등각성 및 공정 중 조성의 정밀한 제어도를 포함하여 많은 장점을 가진다. ALD형 공정은 전구체 화학물질의 제어된 자기-제한 표면 반응을 기반으로 한다. 기상 반응은 반응 챔버 내에 교대 순차적으로 전구체를 제공함으로써 방지된다. 기상 반응물은, 예를 들어 반응물 펄스 사이에 과잉의 반응물 및/또는 반응 부산물을 반응 챔버로부터 제거함으로써 반응 챔버에서 서로 분리된다. 제거는 펄스 사이의 퍼지 및/또는 압력 감소를 포함하는 다양한 기술에 의해 달성될 수 있다. 펄스는 연속 흐름으로 순차적일 수 있거나, 반응기를 격리할 수 있으며 각 펄스마다 다시 채워질 수 있다. 물론, 본원에 개시된 장비는, 다른 기상 증착 공정, 특히 반응물의 교번이 요구되는 공정에서, 장비에 의해 사용되는 공정이 어느 정도의 열 분해 및/또는 전구체가 공간적으로 또는 시간적으로 중첩될 수 있도록 하는 데 유용할 수 있다.
간략하게, 기판은 반응 챔버 내로 로딩되어 일반적으로 낮아진 압력에서 적절한 증착 온도로 가열된다. 증착 온도는 전구체의 열 분해 온도보다 낮지만, 반응물의 응축을 방지하고 원하는 표면 반응을 위한 활성화 에너지를 제공하기에 충분히 높은 수준으로 통상 유지된다. 물론, 임의의 주어진 ALD 반응을 위한 적절한 온도 범위는 관련된 표면 종료 상태 및 반응물 종에 따라 달라질 것이고, 응축 또는 열 분해를 허용하는 공정은 본원에 기술된 장비로 수행될 수 있다.
제1 반응물은 기상 펄스의 형태로 챔버 내에 들어가거나 기판 표면과 접촉할 수 있다. 임의의 적절한 반응물 증기가 챔버 내로 펄스화될 수 있다. 다양한 구현예에서, 예를 들어 제1 기화된 반응물은 암모니아(NH3)를 포함할 수 있다. 전구체의 약 하나 이하의 전구체 단층이 자기-제한 방식으로 기판 표면 상에 흡착되도록 조건을 선택할 수 있다. 과잉의 제1 반응물 및 반응 부산물이 있으면, 이들은 종종 질소 또는 아르곤과 같은 비활성 가스의 펄스와 함께 반응 챔버로부터 퍼지된다.
반응 챔버를 퍼지한다는 것은, 예컨대 진공 펌프로 챔버를 배기하고/배기하거나 반응기 내부의 가스를 아르곤이나 질소와 같은 비활성 가스로 대체함에 의해서와 같이 기상 전구체 및/또는 기상 부산물을 반응 챔버로부터 제거하는 것을 의미한다. 단일 웨이퍼 반응기의 경우, 통상적인 퍼지 시간은 약 0.05 내지 20 초, 보다 바람직하게는 약 1 내지 10 초, 및 보다 더 바람직하게는 약 1 내지 2 초이다. 그러나, 매우 높은 종횡비 구조 또는 복잡한 표면 형태를 갖는 다른 구조 위에 층을 증착할 때 또는 큰 체적의 배치식 반응기가 채용될 때와 같이 필요하다면, 다른 퍼지 시간이 활용될 수 있다. 적절한 펄스화 시간은 특정 환경에 기반하여 당업자에 의해 용이하게 결정될 수 있다.
제2 가스 반응물은, 표면에 구속된 제1 반응물과 반응하는 챔버 내로 펄스화될 수 있다. 임의의 적절한 반응물 증기가 챔버 내로 펄스화될 수 있다. 다양한 구현예에서, 예를 들어 제2 기화된 반응물은 티타늄 염화물 또는 TiCl4을 포함할 수 있다. 과잉의 제2 반응물과 표면 반응의 기체 부산물은 바람직하게는 비활성 가스의 도움으로 반응 챔버로부터 퍼지된다. 펄스화 및 퍼지 단계는 원하는 두께의 박막이 기판 상에 형성될 때까지 반복되며, 각각의 사이클은 하나 이하의 분자 단층을 남긴다. 일부 ALD 공정은 3개 이상의 전구체 펄스가 교대로 반복되는 더 복잡한 시퀀스를 가질 수 있으며, 각 전구체는 성장하는 막에 원소를 기여한다. 반응물은, 자신의 펄스에서 또는 전구체 펄스와 함께 기판에 또한 공급될 수 있어서, 막에 원소를 기여하는 대신에 부착된 리간드를 제거하거나 탈기시키고/탈기시키거나 부산물을 유리시킬 수 있다. 또한 모든 사이클이 동일할 필요는 없다. 예를 들어, 이성분막은 막의 화학양론을 제어하기 위해 제3 반응물 펄스의 드문 첨가(예, 매 5회 사이클마다)에 의해 제3 원소로 도핑될 수 있으며, 막 조성을 등급화하기 위해 증착하는 동안 그 빈도수가 변할 수 있다. 또한, 흡착 반응물로 시작하는 것으로 기술되어 있지만, 일부 레시피는 다른 반응물 또는 별도의 표면 처리로 시작될 수 있는데, 예를 들어 최대 반응 부위가 ALD 반응을 개시하도록 보장할 수 있다(예, 특정 레시피에 대해서, 물 펄스는 기판 상에 히드록실기를 제공하여 ALD 전구체에 대한 반응성을 향상시킬 수 있음).
위에서 언급한 바와 같이, 각 사이클의 페이즈 또는 각 펄스는 ALD 반응에 대해 바람직하게 자기-제한적이다. 과잉의 반응물 전구체가 민감한 구조 표면을 포화시키기 위해 각 페이즈에서 공급될 수 있다. 표면 포화는 이용 가능한 모든 반응 부위(예, 물리적 크기 또는 "입체 장애" 제약 조건에 종속됨)의 반응물 점유를 보장하고 따라서 기판 상의 임의의 지형에 걸쳐 우수한 단차 피복도를 보장한다. 일부 배열에서, 자기-제한적 거동도는, 예를 들어 등각성에 대항하여 반응물 펄스의 일부 중첩이 증착 속도를 균형 잡히게 함으로써(일부 CVD형 반응을 허용함으로써) 조절될 수 있다. 시간 및 공간적으로 잘 분리된 반응물을 갖는 이상적인 ALD 조건은, 거의 완벽한 자기-제한 거동 및 그에 따른 최대 등각성을 제공하지만, 입체 장애로 인해 사이클 당 하나의 분자층보다 덜 생기게 된다. 자기 제한적인 ALD 반응과 혼합된 제한된 CVD 반응은 증착 속도를 높일 수 있다. 본원에 설명된 구현예는 ALD 및 혼합-모드 ALD/CVD와 같이 순차적으로 펄스화하는 증착 기술에 특히 유리하지만, 상기 매니폴드는 펄스화 또는 연속적인 CVD 공정 처리에 또한 사용될 수 있다. 전구체를 펄스화하기 위한 수단과 적당한 장비를 갖춘 CVD 반응기를 포함하여, 박막의 ALD 성장이 가능한 많은 종류의 반응기가 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 유동형 ALD 반응기가 사용되며, 역충진 반응기와 비교된다. 일부 구현예에서, 매니폴드는 반응 공간 내로 가스를 분배하도록 설계된 주입기, 특히 단일 웨이퍼 반응 공간 위의 샤워헤드 어셈블리와 같은 분배 장치의 상류에 있다.
ALD 공정은, 클러스터 툴에 연결된 반응 챔버 또는 공간에서 선택적으로 수행될 수 있다. 클러스터 툴에서, 각각의 반응 공간은 하나의 유형의 공정에 전용되기 때문에, 각 모듈 내의 반응 공간의 온도는 일정하게 유지될 수 있으며, 이는 각 공정 실행 전에 기판이 공정 온도로 가열되는 반응기에 비해 처리량을 향상시킨다. 독립형 반응기에는 로드록이 장착될 수 있다. 이러한 경우, 각각의 공정 실행 사이에 반응 챔버 또는 공간을 냉각할 필요가 없다. 이러한 공정은 다수 기판을 동시에 공정 처리하도록 설계된 반응기(예, 미니-배치식 샤워헤드 반응기)에서 또한 수행될 수 있다.
본원에 개시된 다양한 구현예는, 반도체 장치에 관한 것으로, 예컨대 반응물 증기(들)를 반응 챔버에 전달하기 위한 매니폴드를 포함하는 기상 증착 장치(예, ALD 장치, CVD 장치 등)에 관한 것이다. 표준 조건 하에서 화학물질의 자연 상태에 상관없이, 반응물 증기는 본원에서 "가스"로 지칭될 수 있다. 본원에 개시된 구현예는, 매니폴드의 보어를 따라 서로 오프셋되는 제1 공급 채널 및 제2 공급 채널 각각을 통해 제1 반응물 및 제2 반응물을 유익하게 제공할 수 있다. 제1 및 제2 공급 채널은 각각 매니폴드에 제1 및 제2 반응물 증기를 공급할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 공급 채널은 매니폴드 및 반응물의 채널을 퍼지하기 위해 퍼지 가스(들)(예, 불활성 캐리어 가스)를 매니폴드에 공급할 수 있다. 본원에서 설명되는 바와 같이, 제1 공급 채널 및 제2 공급 채널의 오프셋 성질은 제1 반응물이 제2 공급 채널 내로의 침투 및 제2 반응물이 제1 공급 채널 내로의 침투를 감소시킨다. 제2 공급 채널 내로의 제1 반응물 침투 및 제2 공급 채널 내로의 제2 반응물 침투는, 공급 채널에서 반응물의 교차 오염을 야기할 수 있고 불량한 증착 품질을 일으킬 수 있다. 공급 채널 사이의 증가된 오프셋은, 반응물이 대향하는 공급 채널 내로의 침투를 감소시킬 수 있다.
또한, 다양한 구현예에서, 매니폴드는 두 개의 밸브 블록으로 둘러싸인 중간 블록을 포함한다. 퍼지 가스 유입구는, 중간 블록과 두 개의 밸브 블록이 만나는 표면에 대향하는 밸브 블록의 표면 상에 제공된다.
도 1은, 반응 챔버(미도시)에 가스를 전달하기 위해 매니폴드(100)를 포함할 수 있는 반도체 처리 장치(10)의 사시도이다. 도 1의 주요 구성 요소는 도 4b 및 도 5b의 설명과 관련하여 이하에서 상세히 설명된다. 예를 들어, 반도체 처리 장치(10)는, 매니폴드 몸체(120)를 포함한 매니폴드(100)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 밸브 블록(110a, 110b)은 매니폴드 몸체(120)에 장착될 수 있고, 반응물 증기 및/또는 비활성 가스(예, 퍼지 가스)를 매니폴드 몸체(120)에 전달하기 위한 하나 또는 복수의 기상 유입구를 포함할 수 있다. 반도체 처리 장치(10)는, 반응물 증기 및 비활성 가스를 매니폴드 몸체(120)로 전달하는 것을 제어하기 위한 복수의 밸브를 포함할 수 있다. 예를 들어, 본원에 설명된 바와 같이, 장치(10)는, 비활성 가스를 매니폴드(100)로 공급하는 것을 제어하기 위한 비활성 가스 밸브(132a, 132b), 반응물 증기를 매니폴드(100)로 공급하는 것을 제어하기 위한 반응물 가스 밸브(134a, 134b), 및 에천트와 코팅 증기를 매니폴드(100)로 공급하는 것을 제어하기 위한 제1 및 제2 밸브(136a, 136b)를 포함할 수 있다.
다양한 배열에서, 제1 및 제2 밸브(136a, 136b) 중 하나는 원격식 플라즈마 유닛(RPU)로부터 에천트(들)이 흐름을 제어하여 주기적으로 증착의 반응 챔버를 (예를 들어, 모든 웨이퍼 이후, 또는 처리 중인 웨이퍼의 매 세트 수 이후)세정할 수 있다. 에천트는 RPU에서 활성화되고 매니폴드(100) 및 반응 챔버에 공급될 수 있다. 다양한 배열에서, 제1 및 제2 밸브(136a, 136b) 중 다른 하나는, 챔버 벽을 비활성화하고, 챔버 벽 상의 증착을 감소시키고/감소시키거나 에천트와 같은 다른 화학물질로부터 챔버 벽을 보호하기 위해, 산소 공급원(예, 물, 원격식 활성화된 산소, 오존 등)과 함께 챔버를 보호성 코팅(예컨대 알루미늄 산화물)으로 챔버를 주기적으로 코팅하는 데 사용될 수 있는 코팅 전구체(예, 트리메틸알루미늄, 또는 TMA)의 흐름을 제어할 수 있다.
도 2a는, 반응 챔버(미도시)에 가스를 전달하기 위해 매니폴드(200)를 포함할 수 있는 반도체 처리 장치(20)의 개략적인 측단면도이다. 도 2a에 나타낸 반도체 처리 장치(20) 및 매니폴드(200)는, 미국 특허 제9,574,268호와 미국 특허 공개 번호 제2017-0350011호에 나타내고 기술된 반도체 처리 장치 및 매니폴드와 일반적으로 유사할 수 있으며, 이의 개시 내용은 모든 목적상 그 전문이 본원에 참조로 포함된다. 미국 특허 공개 번호 제2017-0350011호에 설명된 매니폴드, 및 도 2의 매니폴드(200) 사이에 다양한 차이가 있을 수 있지만, 전체적인 기능과 설계는, 예를 들어 미국 특허 공개 번호 제2017-0350011호의 도 6a 내지 도 6j 및/또는 도 8a 내지 도 8f와 유사할 수 있다. 또한, 본 개시의 매니폴드는, 미국 특허 공개 번호 제2017-0350011호의 도 2의 밸브와 조합될 수 있고/있거나, 미국 특허 공개 제2017-0350011호의 도 3a의 반응물/비활성 가스 공급원, 가스 분산 장치, 제어기, 반응 챔버 및 진공원과 조합될 수 있다.
매니폴드(200)는, 매니폴드 몸체(202)의 대향 측부에 나타낸 밸브 블록(212a, 212b)과 연결된 매니폴드 몸체(202)를 포함할 수 있다. 반응물 밸브와 비활성 가스 밸브(미도시)는, 블록(212a, 212b) 또는 다른 상류의 블록(미도시) 상에 배치된다. 비활성 가스 유입구(220)는 비활성 가스를, 예를 들어 매니폴드(200)의 상부 부위에서 매니폴드(200)로 공급할 수 있다. 매니폴드 몸체(202)는, 가스(들)가 흐르는 보어(230)를 적어도 부분적으로 한정하기 위해 서로 적층된 다수의 블록을 포함하고, 예를 들어 상부 블록(204), 중간 블록(206), 및 하부 블록(208)을 포함한다. 도 2a의 배열에서, 중간 블록(206)은 서브 블록(206a), 및 서브 블록(206a)에 기계적으로 연결된 서브 블록(206b)을 포함하다. 하부 블록(208)은 제1 서브 블록(208a), 제1 서브 블록(208a)에 기계적으로 연결된 제2 서브 블록(208b), 및 제2 서브 블록(208b)에 기계적으로 연결되된 제3 서브 블록(208c)을 포함한다. 다수의 블록 및 서브 블록을 사용하면, 매니폴드(200)의 모듈형 구성이 가능할 수 있고, 이는 만곡되거나 각을 이룬 형상의 내부 채널 및 다른 내부 루멘의 사용이 가능할 수 있다.
도 2는, 미국 특허 공개 제2017-0350011호의 도 6a 내지 도 6j와 관해 설명된 매니폴드의 변형된 버전이다. 서브 블록(208a 내지 208c)은, 제1 측방향 부위(280a), 오프셋 축방향 부위(280b) 및 제2 측방향 부위(280b)를 갖고 연장된 혼합 길이 경로(280)를 제한할 수 있다. 통로(280)는, 공급 가스가 보어(230)로 도입되는 곳의 하류에 연장된 혼합 길이를 제공할 수 있다. 매니폴드(200)는, 도 2a에 나타낸 가스 분배 채널(236)을 포함하는 복수의 가스 분배 채널을 포함할 수 있다. 공급 채널(238a~c)은 분배 채널(236)에서 보어(230)로 가스를 운반한다. 나타낸 바와 같이, 공급 채널(238a~c)은, 보어(230)를 결합하도록 하방으로 각을 이루는 경사 공급 채널을 포함하고, 여기서 흐름은 또한 유출구(232) 하방으로 향한다. 도 2의 배열에서, 가스는 연장된 혼합 길이 경로(280)를 따라, 보어(230)를 통해 흐르고, 유출구(232)를 통해 매니폴드(200)를 빠져나간다. 유출구(232)는, 반응 챔버(미도시)에서 가스를 기판 위에 분산시킬 수 있는 샤워헤드와 같은 분산 장치 위에 배치될 수 있다.
비록 도 2의 배열이 연장된 혼합 길이를 유익하게 제공할 수 있지만, 매니폴드(200) 내의 연장된 혼합 길이 경로(280) 및 다른 경로는, 예를 들어 반응물 가스를 퍼지하는 중에 데드 볼륨을 도입할 수 있는 곡률부 및 회전부를 포함한다. 데드 볼륨의 형성은 증착 공정의 효율 및 효과를 감소시킬 수 있다. 도 2에 나타낸 배열의 만곡되고 각을 이룬 흐름 경로는, 기판 상에 "스로우"를 또한 생성할 수 있다. 예를 들어, 만곡된 경로(280)의 사용은 가스에 대해 각도 모멘텀을 부여할 수 있으며, 이는 기판 상에 불균일성을 도입할 수 있다.
또한, 도 2에 나타낸 바와 같이, 매니폴드(200)는, 시스템을 퍼지하기 위한 퍼지 가스를 도입하기 위해 보어(230)의 상단에 있는 비활성 가스 유입구(220)로서 깔때기 형상 구조를 이용한다. 그러나, 일부 공정을 위해 제1 반응물 및/또는 제2 반응물을 주입하는 동안에, 비활성 가스 유입구(220)를 통해 주입된 퍼지 가스는 충분하지 않을 수 있고, 데드 볼륨은, 공급된 반응물 증기가 깔때기 형상의 유입구(220) 내로 역류할 수 있도록 보어(230)의 상단에 존재할 수 있다. 블록(204, 206) 사이에 오-링(237)을 사용하면 유입구(220) 내의 데드 볼륨을 더 증가시킬 수 있다. 이들 데드 볼륨은, 비활성 가스 유입구(220)에서 도입된 퍼지 가스로부터 효과적으로 퍼지되지 않을 수 있다. 제1 반응물 및/또는 제2 반응물의 주입 동안에, 유입구(220)의 부분을 따라 반응물의 기생 화학 기상 증착(CVD)은 장치(20)의 성능을 열화시킬 수 있다.
도 3a는 깔때기(220) 내에 형성된 황색 부가물 형태로 비활성 가스 유입구(220)의 부분을 따라 반응물의 기생 증착을 도시한다. 또한, 도 3b는, 깔때기(220) 내로 퍼지 가스를 공급한 깔때기(220)의 상단에 연결되는 블록(222)을 도시한다. 증착된 반응물을 나타내는 황색 부가물이, 비활성 가스(예, 질소 가스, 아르곤 가스, 또는 다른 비활성 가스)를 깔때기(220)에 공급하는 제1 유입구 내에 형성되는 것을 알 수 있다. 도 3c는 제2 유입구(예, 트리메틸알루미늄 또는 TMA용 유입구)가 위치한 블록(222)의 다른 측면을 나타낸다. TMA는, 챔버 벽 상의 보호성 코팅, 예를 들어 보호성 알루미늄 산화물 코팅을 보호하도록 반응기에 공급될 수 있다. 일부 배열에서, TMA는 설정된 세정 횟수 이후에 챔버에 적용될 수 있다. TMA를 시스템에 공급하는 제2 유입구에서 황색 부가물을 볼 수 있다. 기판을 오염시키고 소자 품질을 저하시킬 수 있는 예시 부가물을, 유입구(220)를 따라 제거하는 것이 어려울 수 있다. 따라서, 반응기로 가스의 전달을 개선할 필요가 있다.
도 4a는 도 2의 모든 구성 요소를 공유하는 반도체 처리 장치(20)의 다른 개략적인 측면도를 보여주므로, 다시 설명하지 않을 것이다. 도 4b는 도 1에 나타낸 반도체 처리 장치(10)의 개략적인 측단면도이다. 도 4b의 장치(10)는, 매니폴드 몸체(120)를 통해 보어(126)를 한정한 매니폴드(100)를 포함할 수 있다. 도 4a에서와 같이, 일부 구현예에서 매니폴드(100)는, 다수의 블록을 서로 장착함으로써 구성될 수 있다. 그러나, 유리하게는, 도 4b의 도시된 구현예에서, 매니폴드(100)는 매니폴드 몸체(120)를 구성한 단일 모놀리식 블록으로 구성될 수 있다. 단일 블록은, 예를 들어 오링 및/또는 다른 인터페이스의 사용을 제거함으로써, 누설 방지 보어(126)를 제공함으로써 매니폴드 몸체(120)를 개선할 수 있다. 다양한 구현예에서, 오염을 초래할 수 있는 미사용 관 또한 회피될 수 있다. 그러나, 대안적으로, 매니폴드 본체(120)는 그 대신에 도 4a 및 도 2의 구현예에 나타낸 바와 같이 상부 블록, 중간 블록, 및 하부 블록으로 제조될 수 있다. 당업자는, 다수의 블록과 단일 블록을 비용 및 제조 트레이드 오프에 기초하여 상호 교환 가능함을 인지할 것이다. 다수의 블록을 사용하면, 만곡형, 각형, 또는 다른 복잡한 기하 구조형을 포함하는 모듈의 모듈형 구성을 가능하게 할 수 있다. 매니폴드 몸체(120)의 하단은 유출구(130)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 밸브 블록(110a, 110b)은 매니폴드 몸체(120)에 또한 장착될 수 있다.
매니폴드 몸체(120)의 보어(126)는, 반응물 및/또는 비활성 가스를 반응기(21)의 반응 챔버(30)에 매니폴드 몸체(120)의 바닥에서의 유출구(130)를 통해서 전달할 수 있다. 나타낸 바와 같은 샤워헤드 또는 다른 구현예에서 수평 주입 장치를 포함하는 분산 장치(35)는, 복수의 개구(19)와 유체 연통하는 플레넘(32)을 포함할 수 있다. 반응물 증기는 개구(19)를 통과하여 반응 챔버(30) 내로 공급될 수 있다. 기판 지지부(22)는, 반응 챔버(30) 내에서 웨이퍼와 같은 기판(36)을 지지하도록 구성되거나 크기를 가지거나 형상화될 수 있다. 분산된 반응물 증기는 기판과 접촉하고 반응하여 기판 상에 층(예, 단층)을 형성할 수 있다. 분산 장치(35)는, 기판 상에 균일한 층을 형성하기 위한 방식으로 반응물 증기를 분산시킬 수 있다.
배기 라인(23)은 반응 챔버(30)와 유체 연통할 수 있다. 진공 펌프(24)는 흡입력을 배기 라인(23)에 인가하여, 증기와 과잉의 물질을 반응 챔버(30)로부터 배기할 수 있다. 반응기(21)는 원자층 증착(ALD) 장치, 화학 기상 증착(CVD) 장치 등과 같은 임의의 적합한 유형의 반도체 반응기를 포함할 수 있다. 또한, 장치(10)는, 반응기(21)와 전자 및 데이터 통신하는 제어 시스템(34)을 포함할 수 있다. 제어 시스템(34)은, 장치(10)의 작동을 제어하도록 구성된 하나 또는 복수의 프로세서를 포함할 수 있다. 장치(10)의 작동을 다루기 위해, 추가 구성 요소가 제공될 수 있다.
공급 라인(124a 및 124b)은, 대응하는 가스 분배 채널에서 보어(126)로 가스를 공급하도록 제공될 수 있다. 제1 공급 채널(124a)과 제2 공급 채널(124b)은, 제1 밸브 블록(110a)과 제2 밸브 블록(110b)에 위치한 공급 채널(122a 및 122b)과 유체 연결할 수 있다. 제1 및 제2 공급 채널(124a, 124b)은 몸체(120)의 길이 방향 축 L 을 따라 대략 동일한 영역에서 보어(126)와 병합할 수 있으나, 보어(126) 내로의 유입구 개구(127a, 127b)는 상기 길이 방향 축 L 을 따라 약간 오프셋될 수 있다. 도 4b에 나타낸 바와 같이, 보어(126)는 길이 방향 축 L 을 따라 연속적으로 연장될 수 있어서 도 2 및 도 4a에서의 배열과 달리, 보어(126)는 어떠한 회전 경로 또는 만곡형 경로도 포함하지 않는다. 보어(126)의 상부 말단은, 보어(126)의 상부 말단에서 캡핑 표면(128)을 한정하는 상부 벽(123)에 의해 덮일 수 있다. 제1 공급 채널(124a)은 캡핑 표면(128)을 향해 상방으로 각이 질 수 있고, 제2 공급 채널(124b)은 유출구(130)를 향해 하방으로 각이 질 수 있다. 대안적으로, 제1 공급 채널(124a)과 제2 공급 채널(124b)은 상이한 레벨로 제조될 수 있고 보어(126)에서 엇갈린 위치에 도착할 수 있다. 따라서, 제1 공급 채널(124a)과 제2 공급 채널은 상방, 하방, 또는 교차 직선으로 각이 질 수 있고, 길이 방향 축 L 을 따라 오프셋 위치에서 보어(126)와 병합될 수 있다. 도 4b에서, 제1 및 제2 밸브 블록(110a, 110b)은 오링을 사용하지 않고 매니폴드 몸체(120)에 기계적으로 연결될 수 있다. 일부 구현예에서, 예를 들어 금속 밀봉부는 매니폴드 몸체(120)와 제1 및 제2 밸브 블록(110a, 110b) 사이에 사용될 수 있다.
제1 공급 채널(124a)의 유입구 개구(127a)는, 가스를 캡핑 표면(128) 안으로 상방 유도할 수 있고, 이는 공급 가스(들)를 보어(130)를 통해 하방으로 재유도할 수 있다. 대안적으로, 제1 공급 채널(124a)은 캡핑 표면(128) 아래에서 잘 종결될 수 있다. 캡핑 표면(128)은, 캡핑 표면(128)에 충돌하는 가스를 일정 각도로 다시 아래로 보어(126)를 통해 효과적으로 지향시키도록 형상화된 만곡 표면을 포함할 수 있다. 도 4b에서, 캡핑 표면(128) 및 유출구(130)는 보어(126)의 선형 길이 방향 축 L 을 따라 배치될 수 있다. 따라서, 비활성 가스 유입구(220)가 상부 블록(204)에 제공되는 도 4a와 달리, 도 2b의 구현예에서, 매니폴드 몸체(120)의 최상부가 덮여 반응물 및 비활성 가스를 포함하는 공급 가스가 매니폴드(100)의 측부로부터 제공된다.
유익하게, 제1 공급 채널(124a)과 제2 공급 채널(124b)은 엇갈린 오프셋 위치에서 보어(126)와 만나는 경우, 제1 반응물의 제2 공급 채널로의 침투를 감소시킨다. 제1 공급 채널(124a)과 제2 공급 채널(124b)이 엇갈린 오프셋 위치에서 보어(126)와 만나는 곳에 대한 예시는 도 7에 나타나 있다. 이와 비교하여, 도 7a는, 제1 공급 채널(124a)과 제2 공급 채널(124b)이 동일한 위치에서 보어(126)와 만나는 배열을 나타낸다. 도 7a와 도 7b는 이하에서 더욱 상세히 설명된다. 또한, 일부 구현예에서, 제1 반응물 증기(예컨대 암모니아)는 제1 공급 채널(124a)을 따라 보어(126)에 공급될 수 있다. 제2 반응물 증기(예컨대 티타늄 클로라이드)는 제2 공급 채널(124b)을 따라 보어(126)에 공급될 수 있다. 도 4b에 나타낸 바와 같이, 제1 및 제2 공급 채널(124a, 124b)은 서로로부터 보어(126)와 대향하여 배치될 수 있다.
제1 및 제2 공급 채널(124a, 124b)이 길이 방향 축 L 을 따라 동일한 위치에서 서로 직접적 교차 배치되는 경우, 제1 반응물 증기(예, 암모니아)는 대향하는 제2 공급 라인(124b) 안으로 구동될 수 있다. 이러한 효과의 예시가 도 10a에 나타나 있으며 이하에서 더욱 상세히 설명된다. 유사하게, 제2 반응물 증기(예, 티타늄 클로라이드)는 대향하는 제1 공급 라인(124a) 안으로 구동될 수 있다. 일부 배열에서, 대향하는 공급 라인으로부터 반응물 증기에 대한 장벽으로 기능할 수 있는, 제1 및 제2 공급 라인(124a, 124b)을 통해 비활성 가스의 낮은 흐름이 제공될 수 있다. 그러나, 반응물 증기는 비활성 가스의 낮은 압력을 극복하기 위해 충분히 높은 압력으로 유도될 수 있다. 따라서, 나타낸 구현예에서, 제1 및 제2 공급 채널(124a, 124b)의 유입구 개구(127a, 127b)는 길이 방향 축 L 을 따라 서로로부터 오프셋될 수 있다. 또한 일부 구현예에서, 유입구 개구(127a, 127b)는 길이 방향 축 L 을 따라 서로 대향하여 각이 질 수 있다. 예를 들어, 도 4b에 나타낸 바와 같이, 상류 제1 유입구 개구(127a)는 상부 벽(123)의 캡핑 표면(128)을 향해 대면하는 방향성 구성 요소를 갖도록 각이 질 수 있다. 하류 제2 유입구 개구(127b)는 유출구(130)를 향해 대면하는 방향성 구성 요소를 갖도록 각이 질 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 공급 채널(124a, 124b)의 배향 및/또는 위치 설정은, 제2 공급 채널(124b) 내로의 제1 반응물의 침투 및 제1 공급 채널(124a) 내로의 제2 반응물의 침투를 감소시키거나 제거시킬 수 있고, 이는 교차 오염의 영향을 감소시킬 수 있고 전체 증착 품질을 개선할 수 있다. 이렇게 감소된 교차 오염의 예시가 도 10b에 나타나 있으며 이하에서 더욱 상세히 설명된다.
또한, 도 4a의 배열과 비교하여, 도 4b의 보어(126)는 개선된 흐름 컨던턴스, 예를 들어 더 높은 유량을 제공할 수 있고, 이는 더 큰 직경의 보어(126)를 사용함으로 기인한다. 더 큰 직경 또는 주요 치수는 반응기(21)로 흐르는 가스의 유량을 증가시킬 수 있다.
또한, 도 4a의 배열과 달리, 퍼지 또는 비활성 가스 유입구(108 및 118)는, 밸브 블록(110a/110b)이 매니폴드 몸체(120)를 만나는 측면에 대향하는 측방향 측면에 위치할 수 있다. 따라서, 비활성 퍼지 가스가 깔때기 형상 구조를 통해 보어(230)로 하방 유도되는 도 4a의 유입구(220)와 달리, 도 4b의 구현예에서, 비활성 퍼지 가스는 공급 채널을 통해 보어(126)로 측방향 유도될 수 있다. 일부 구현예에서, 비활성 퍼지 가스(들)는 제1 및 제2 공급 채널(124a, 124b)을 통해 유도될 수 있고, 이를 통해 제1 및 제2 반응물 증기가 보어(126)에 공급된다. 다른 구현예에서, 비활성 퍼지 가스(들)는, 보어(126)의 상부 부위보다는 보어(126)의 측면 부위로부터 보어(126) 내로 병합되는 추가 공급 채널을 통해 유도될 수 있다. 유익하게도, 도 4b의 구현예는, 반응물 증기에 대한 합병 지점 위의 데드 볼륨 또는 도 4a의 장치(20)에서 발생할 수 있는 기생 증착 결과를 감소시키거나 제거시킬 수 있다. 또한, 퍼지 또는 비활성 가스 유입구(108 및 118)는 공급 채널의 마지막 다리에 위치해서, 전체 채널이 퍼지 가스에 의해 직접 접근될 수 있도록 한다. 따라서, 퍼지 사이클 동안에, 데드 볼륨을 감소시키거나 제거할 수 있는 전체 공급 채널이 퍼지될 수 있다.
도 5a는 도 2 및 도 4a의 구현예의 상부도를 나타낸다. 각각의 밸브 블록(212b 및 212a)은 가스 유입구를 포함한다. 제1 밸브 블록(212b)은, 제1 가스 또는 기상 반응물을 입력하기 위해 사용되는 기상 유입구(220)를 포함한다. 제1 밸브 블록(212b)은, 또한 기화된 반응물을 반응기(21)에 운반하고/하거나 다른 반응물로부터의 교차 오염에 대한 버퍼를 제공하도록 저 유량 비활성 가스를 입력하기 위해 사용되는 기상 유입구(222)를 포함한다. 제2 밸브 블록(212a)은, 제2 가스 또는 기상 반응물을 입력하기 위해 사용되는 기상 유입구(224)를 포함한다. 제2 밸브 블록(212a)은, 또한 기화된 반응물을 반응기(21)에 운반하고/하거나 다른 반응물로부터의 교차 오염에 대한 버퍼를 제공하도록 비활성 가스를 공급하기 위해 사용되는 기상 유입구(222)를 포함한다. 매니폴드 몸체(202)는, 장치(20)를 퍼지하기 위해 고 유량 비활성 가스가 시스템에 들어가는 깔때기 형상의 유입구(220)를 포함한다. 도 2 및 도 4a와 관련하여 전술한 바와 같이, 깔때기 형상의 유입구(220)는 비활성 퍼지 가스를 보어(230) 내로 하방 유도할 수 있다. 또한, (예를 들어, RPU로부터의) 추가 에천트와 코팅제(예컨대, TMA)는 깔때기 형상의 유입구(220)로부터 보어(230)로 들어갈 수 있다. 도 5a는, 각각의 밸브 블록(212a, 212b)에 장착된 반응물 밸브(214a, 214b)를 또한 나타낸다. 반응물 밸브(214a, 214b)는 제1 반응물 증기 및 제2 반응물 증기의 흐름을 각각 조절하는 데 사용될 수 있다.
적절한 비활성 가스를 사용할 수 있지만, 비활성 가스의 예시는 아르곤(Ar) 가스 또는 질소(N2) 가스를 포함한다. 두 개의 상이한 비활성 가스의 혼합을 사용할 수 있다. 제1 기상 반응물의 예시는 H2, NH3, N2, O2, 또는 O와 같은 천연 가스 ALD 반응물이다. 제2 가스 또는 기상 반응물은 실온 및 대기압에서 고체 또는 액체인 반응물을 기화시키기 위한 기화기(미도시)에 의해 생성될 수 있다. 기화기(들)는, 예를 들어 액체 버블러 또는 고체 승화 용기를 포함할 수 있다. 기화기에서 보유되고 기화될 수 있는 고체 또는 액체 반응물의 예시는 제한 없이 액체 유기금속 전구체, 예컨대 트리메틸알루미늄(TMA), TEMAHf, 또는 TEMAZr; 액체 반도체 전구체, 예컨대 디클로로실란(DCS), 트리클로로실란(TCS), 트리실란, 유기 실란, 또는 TiCl4; 분말 전구체, 예컨대 ZrCl4 또는 HfCl4를 포함한다. 당업자라면, 구현예가 천연 가스, 고체 또는 액체 반응물 공급원의 임의의 원하는 조합 및 배열을 포함할 수 있음을 이해할 것이다. 일 구현예에서, 제1 반응물 증기는 NH3를 포함하고 제2 반응물 증기는 TiCl4를 포함한다.
도 5b는 도 1 및 도 4b의 구현예의 상부도를 나타낸다. 도 5a의 제1 밸브 블록(212b)과 유사하게, 제1 밸브 블록(110b)은, 제1 가스 또는 기상 반응물을 공급하는 데 사용되는 기상 유입구(116), 및 캐리어 또는 버퍼로 작용하는 비활성 가스를 공급하는 데 사용되는 기상 유입구(114)를 포함한다. 제1 밸브 블록(110b)은, 에천트(예, RPU)를 공급하는 데 사용되는 추가적인 기상 유입구(112)를 포함한다. 유입구(112)는, 도 5a에 나타낸 깔때기 형상의 유입구(220)와 연통하는 대신에 매니폴드 몸체(120)의 측방향 측면 상, 예를 들어 밸브 블록(110b) 내에 배치됨을 유의한다. 유리하게는, 매니폴드 몸체의 측방향 측면에 기상 유입구(112)를 위치시키면, 기생 증착의 양을 감소시키는 데드 볼륨의 감소를 초래한다. 또한, 제1 밸브 블록(110b)은, 매니폴드(120)를 퍼지하기 위해 고 유량 비활성 가스가 보어(126)로 들어가는 추가의 비활성 기상 유입구(118)도 포함한다. 기상 유입구(118)는, 도 5a에 나타낸 깔때기 형상의 유입구(220)와 연통하는 대신에 매니폴드 몸체(120)의 측방향 측면 상, 예를 들어 밸브 블록(110b) 내에 배치됨을 유의한다. 예를 들어, 도 5b에 나타낸 바와 같이, 비활성 기상 유입구(118)는, 제1 밸브 블록(110b)이 매니폴드 몸체(120)와 만나는 측면에 대향하는 측면 상에 배치될 수 있다.
또한, 도 5a의 제2 밸브 블록(212a)과 유사하게, 제2 밸브 블록(110a)은, 제2 가스 또는 기상 반응물을 유입하는 데 사용되는 기상 유입구(106), 및 캐리어 또는 버퍼로 작용하는 저 유량 비활성 가스를 공급하는 데 사용되는 기상 유입구(104)를 포함한다. 제 2 밸브 블록(110a)은 코팅 재료(예, TMA)를 입력하기 위해 사용되는 추가적인 기상 유입구(102)를 포함한다. 유입구(102)는, 도 5a에 나타낸 깔때기 형상의 유입구(220)와 연통하는 대신에 매니폴드 몸체(120)의 측방향 측면 상, 예를 들어 밸브 블록(110a) 내에 배치될 수 있음을 유의한다. 또한, 제2 밸브 블록(110a)은, 매니폴드(120)를 퍼지하기 위해 고 유량 비활성 가스가 보어(126)로 들어가는 추가의 기상 유입구(108)도 포함한다. 비활성 증기 유입구(108)는, 도 5a에 나타낸 깔때기 형상의 유입구(220)와 연통하는 대신에 매니폴드 몸체(120)의 측방향 측면 상, 예를 들어 밸브 블록(110a) 내에 배치됨을 유의한다. 예를 들어, 도 5b에 나타낸 바와 같이, 비활성 기상 유입구(108)는, 제2 밸브 블록(110a)이 매니폴드 몸체(120)와 만나는 측면에 대향하는 측면 상에 배치될 수 있다. 도 5a와 유사하게, 도 5b는 각각의 밸브 블록(110a, 110b)에 장착된 반응물 밸브(134a, 134b)를 또한 나타낸다. 도 5b는, 비활성 가스 밸브(132a, 132b), 및 각각의 밸브 블록(110a/110b)에 장착된 추가의 제1 및 제2 밸브(136a, 136b)를 더 나타낸다. 비활성 가스 밸브(132a, 132b)는, 추가 기상 유입구(108, 118)로부터 들어오는 불활성 가스를 제어한다. 또한, 전술한 바와 같이, 제1 및 제2 밸브(136a, 136b)는, 기상 유입구(102)로부터 유입하는 코팅 재료(예, TMA), 및 기상 유입구(112)로부터 유입하는 에천트(예, RPU로부터의 에천트)를 각각 제어할 수 있다. 도 5a의 설명에서 전술한 불활성 가스, 제1 반응물 및 제2 반응물의 예시의 설명은 도 5b에도 적용 가능하고 반복되지 않을 것이다.
도 6a 및 도 6b는, 각각 매니폴드 내의 내부 채널을 보여주는 도 5a 및 도 5b의 배열의 상부 단면도이다. 도 6a에서, 내부 채널(220A, 222A, 224A, 226A)은 기상 유입구(220, 222, 224, 226)로부터 각각의 증기를 운반하는 내부 공급 라인에 대응하고, 유입구용 참조 번호는, 대응하는 내부 공급 채널을 지칭하기 위해 문자 "A"에 의해 첨부된다. 유사하게, 도 6b에서, 내부 채널(102A, 104A, 106A, 108A, 112A, 114A, 116A 118A)은 기상 유입구(102, 104, 106, 108, 112, 114, 116, 118))로부터 각각의 증기를 운반하는 내부 공급 라인에 대응하고, 유입구용 참조 번호는, 대응하는 내부 공급 채널을 지칭하기 위해 문자 "A"에 의해 첨부된다. 도 6a에서, 내부 채널은, 반응 챔버 내로 제1 반응물 및 제2 반응물의 흐름을 조절하는 반응물 밸브(214a, 214b)와 유체 연통한다. 도 6b에서, 내부 채널은, 반응 챔버 내로 제1 반응물 및 제2 반응물의 흐름을 조절하는 반응물 밸브(134a, 134b)와 유체 연통한다. 추가적으로, 도 6b는, 전술한 바와 같이 비활성 가스 밸브(132a, 132b) 그리고 제1 및 제2 밸브(136a, 136b)를 나타낸다. 유익하게도, 비활성 가스 밸브(132a, 132b)로부터의 비활성 가스는 전체 채널을 통해 흐를 수 있고 전체 채널로 하여금 반응물을 퍼지시키고 데드 볼륨을 감소시킬 수 있다.
도 7a 및 도 7b는, 보어로의 제1 및 제2 공급 라인의 두 개의 상이한 배열을 위한 내부 보어 및 공급 채널의 사시도이다. 도 7b는 도 4b에 나타낸 오프셋 설계로, 캡핑 표면(128)이 보어(126)의 상부 부위에 배치되고, 증기를 유출구(130)를 통해 보어(126) 아래로 유도시킨다. 도 7a는 유사한 설계를 또한 나타내고, 캡핑 표면(506)이 증기를 유출구(508)를 통해 보어(502) 아래로 유도시킨다. 도 7b에서, 도 4b에서와 같이, 공급 채널(124a, 124b)은 길이 방향 축 L 에 대해 오프셋되는 위치에서 보어(126)와 병합한다. 도 7a에서, 대조적으로 공급 채널(504a, 504b)은 길이 방향 축 L 을 따라 보어(126)와 동일한 위치에서 만난다. 전술한 바와 같이, 도 7b의 배열은 공급 채널(124a, 124b)에서 반응물의 교차 오염을 유익하게 감소시킬 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 도 7a 및 도 7b의 두 개의 상이한 공급 채널 설계에 대해 각각의 보어의 속도 플롯을 나타낸다. 도 8b에서, "스로우" 현상은 거의 또는 전혀 관찰되며, 이는 증기의 각도 모멘텀으로 인한 불균일성이 감소되는 것을 의미한다. 도 9a 및 9b는, 도 7a 및 도 7b의 두 개의 상이한 공급 채널 설계에 대해 각각의 보어의 암모니아(NH3) 반응물의 몰분율 플롯을 나타낸다. 도 9a에 나타낸 불균일성은 도 9b에 나타낸 불균일성보다 낮다. 또한, 도 2, 도 4a, 도 5a 및 도 6a의 설계시 보어의 불균일성은 도 9a 및 도 9b에 나타낸 불균일성보다 상당히 낮은 점에 주목한다. 두 반응물의 혼합 증착 동안의 비균일성은 도 7b 및 도 7b (및 도 4b)의 설계에서 도 4a의 것과 비교하면 더 높지만, 일부 구현예에서, 높은 유량 또는 컨덕턴스 펄스를 제공하는 것이, 예를 들어 고 종횡비 구조를 달성하기 위해 더욱 중요할 수 있다. 이러한 공정에서, 혼합 불균일성은 높은 흐름 컨덕턴스보다 덜 중요할 수 있고, 도 4b의 설계가 바람직할 수 있다.
도 10a 및 10b는, 도 7a 및 도 7b의 두 개의 상이한 공급 채널 설계에 대해 각각의 공급 채널 및 보어 내의 위치에서 암모니아(NH3) 반응물의 몰분율 플롯을 나타낸다. 수직 연장 황색 강조 영역의 좌측에 있는 영역 C는, NH3 반응물을 입력하는 제1 공급 채널 내의 위치를 도시한다. NH3 레벨은 영역 C 내의 상이한 공급 채널 설계 모두에서 높다. 수직 연장 황색 강조 영역 내의 영역 A는 보어 영역을 도시한다. 도 10a 및 10b에 대한 영역 A의 우측 에지부를 비교하면, NH3 레벨은 도 7a의 직선 T 설계보다 도 7b에 도시된 오프셋 설계에서 훨씬 더 빨리 테이퍼가 진다. 수직 연장 황색 강조 영역의 우측에 있는 영역 B는 제2 공급 라인 내의 영역을 도시한다. 보어가 제2 공급 라인을 만나는 영역을 보여주는 영역 B의 좌측 에지부는, 도 10a에서 높은 농도의 NH3 및 도 10b의 동일한 영역에서 비교적 낮은 농도의 NH3를 나타내고, 도 7b의 오프셋 설계용 제2 공급 라인으로 NH3가 상당히 덜 침투하는 것을 도시한다. 따라서, 원치 않는 NH3가 도 7b의 오프셋 설계의 제2 공급 라인으로 덜 침투한다.
전술한 것이 명확성 및 이해의 목적을 위해 예시 및 구현예로서 상세하게 설명되었지만, 특정 변경 및 수정이 실시될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 설명 및 실시예가 본 발명의 범주를 본원에 기술된 특정 구현예 및 실시예로 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며, 오히려 본 발명의 진정한 범주 및 사상에 따른 모든 변형 및 대안도 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 본원에서 설명된 모든 특징, 양태 및 장점이 본 발명을 실시하기 위해 반드시 요구되는 것은 아니다.

Claims (26)

  1. 반도체 처리 장치로서,
    매니폴드를 포함하고, 상기 매니폴드는,
    기화된 반응물을 반응 챔버에 전달하도록 구성되며 길이 방향 축을 따라 연장되는 보어;
    상기 길이 방향 축을 따라 상기 보어의 제1 말단에 캡핑 표면을 정의하고 상기 매니폴드의 상부 부위에 배치된 상부 벽;
    상기 길이 방향 축을 따라 상기 매니폴드의 하부 부위에 있고 가스를 반응기로 전달하도록 구성된 유출구;
    가스를 상기 보어에 공급하도록 구성된 제1 공급 채널; 및
    가스를 상기 보어에 공급하도록 구성된 제2 공급 채널을 포함하되,
    상기 제1 공급 채널 및 상기 제2 공급 채널은 상기 길이 방향 축을 따라 오프셋 위치에서 상기 보어와 병합되는, 반도체 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 캡핑 표면은 상기 보어를 통해 상기 유출구로 상방으로 유도된 가스를 다시 하방으로 재유도하도록 형상화되는, 반도체 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 매니폴드에 장착된 제1 블록을 추가로 포함하며, 상기 제1 블록과 상기 매니폴드는 상기 제1 공급 채널을 적어도 부분적으로 정의하기 위해 협력하는, 반도체 처리 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 매니폴드에 장착된 제2 블록을 추가로 포함하며, 상기 제2 블록과 상기 매니폴드는 상기 제2 공급 채널을 적어도 부분적으로 정의하기 위해 협력하는, 반도체 처리 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 공급 채널은 제1 반응물 공급원과 유체 연통하고, 상기 보어에 제1 기화된 반응물을 전달하도록 구성되고, 상기 제2 공급 채널은 제2 반응물 공급원과 유체 연통하고, 상기 보어에 제2 기화된 반응물을 전달하도록 구성되는 반도체 처리 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 공급 채널은 상기 보어를 퍼지하기 위해 비활성 가스와 유체 연통하는, 반도체 처리 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 유출구 아래에 샤워헤드 장치를 추가로 포함하고, 상기 샤워헤드 장치는 상기 유출구로부터 상기 가스의 흐름을 분산시키도록 구성되는, 반도체 처리 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 샤워헤드 장치 아래에 반응 챔버 및 상기 반응 챔버 내에 기판을 지지하도록 구성된 기판 지지대를 추가로 포함하는, 반도체 처리 장치.
  9. 제3항에 있어서, 상기 제1 블록은, 제1 반응물을 상기 제1 공급 채널 내에 입력하도록 구성된 제1 기상 유입구를 포함하는, 반도체 처리 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 블록은 제2 기상 유입구 및 제3 기상 유입구를 추가로 포함하는, 반도체 처리 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 블록은 제4 기상 유입구를 추가로 포함하되, 상기 제4 기상 유입구는 상기 매니폴드에 대향하는 상기 제1 블록의 측방향 측면 상에 위치하는, 반도체 처리 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제4 기상 유입구는 퍼지 가스를 상기 매니폴드 안으로 유입시키도록 구성되는, 반도체 처리 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제1 공급 채널은 상기 캡핑 표면을 향해 각을 이루고 상기 제2 공급 채널은 상기 유출구를 향해 각을 이루고, 상기 제2 공급 채널은 상기 제1 공급 채널의 하류에 있는, 반도체 처리 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 매니폴드는 단일 모놀리식 블록을 포함하는, 반도체 처리 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 보어는 상기 길이 방향 축을 따라 연속적으로 연장되는, 반도체 처리 장치.
  16. 반도체 처리 장치로서,
    반응 챔버에 가스를 전달하도록 구성되며 길이 방향 축을 따라 배치된 보어를 포함한 매니폴드;
    상기 길이 방향 축을 따라 상기 보어의 제1 말단에 캡핑 표면을 정의하고 상기 매니폴드의 상부 부위에 배치된 상부 벽;
    상기 캡핑 표면의 하류에서 상기 길이 방향 축을 따라 제1 위치에서 상기 보어로 비활성 퍼지 가스를 공급하도록 구성된 제1 공급 라인;
    상기 길이 방향 축을 따라, 상기 제1 위치와 상이한 제2 위치에서 상기 보어에 가스를 공급하도록 구성된 제2 공급 라인을 포함하는, 반도체 처리 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 공급 라인은 상기 보어를 퍼지하기 위해 비활성 가스 공급원에 연결되는, 반도체 처리 장치.
  18. 제16항에 있어서, 상기 비활성 가스는 아르곤 가스 및 질소 가스 중 적어도 하나를 포함하는, 반도체 처리 장치.
  19. 증착 방법으로서, 상기 방법은,
    상기 보어의 길이 방향 축을 따라 제1 위치에서, 제1 공급 채널을 통해 매니폴드의 보어로 제1 가스를 공급하는 단계(캡핑 표면은 상기 보어의 상부 말단에 배치됨);
    상기 보어의 길이 방향 축을 따라 제2 위치에서, 상기 제1 공급 채널로부터 길이 방향으로 오프셋된 제2 공급 채널을 통해 상기 매니폴드의 보어로 제 2 가스를 공급하는 단계;
    상기 길이 방향 축을 따라 상기 보어의 유출구를 향해 하류로 상기 제1 가스 및 상기 제2 가스 중 적어도 하나를 유도하는 단계를 포함하는, 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제1 및 제2 가스를 공급하는 단계는, 제1 기화된 반응물을 공급하는 단계 및 제2 기화된 반응물을 공급하는 단계를 포함하는, 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제1 기화된 반응물을 공급하는 단계 이후 및 상기 제2 기화된 반응물을 공급하는 단계 이전에 상기 반응 챔버를 비활성 가스로 퍼지하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 비활성 가스는 질소 가스 또는 아르곤 가스 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 제1 기화된 반응물은 H2, NH3, N2, O2, 또는 O 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 제2 기화된 반응물은 디클로로실란(DCS), 트리클로로실란(TCS), 트리실란, 유기 실란, 티타늄 클로라이드(TiCl4), ZrCl4 및 HfCl4 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 제1 기화된 반응물은 NH3를 포함하고 제2 기화된 반응물은 TiCl4을 포함하는, 방법.
  26. 제25항에 있어서, 액체 TiCl4을 기화시켜 상기 제2 기화된 반응물을 생성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
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