KR100434749B1 - 반도체처리용기체주입시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기체 물질을 반도체 공정 챔버(12)내로 주입하기 위한 시스템(10)에 관한 것이다. 주입 시스템(10)은 플리넘 본체(52)내에 형성되어 있는 하나 이상의 플리넘(42), 및 기체 물질을 플리넘으로부터 챔버(12)내로 주입하기 위한 각각의 플리넘에 결합된 다수의 노즐(34)을 포함한다. 도관 구조체(48)는 기체 물질을 간접 통로를 따라서 플리넘(42)로부터 노즐(34)로 운반한다. 노즐(34)은 웨이퍼(22) 표면을 횡단하여 기체 물질의 균일한 분포를 제공하도록 위치하고 배치된다.

Description

반도체 처리용 기체 주입 시스템{GAS INJECTION SYSTEM FOR SEMICONDUCTOR PROCESSING}

기술 분야

본 발명은 일반적으로는 기체 상태의 물질을 분배하기 위한 시스템에 관한 것이며, 보다 상세하게는 반도체 처리를 위한 기체 주입 시스템에 관한 것이다.

배경 기술

반도체 웨이퍼의 처리는 웨이퍼를 챔버내에 위치시키고 웨이퍼의 표면을 다양한 화학물질로 처리함으로써 수행되는 것이 전형적이다. 그 물질의 화학적 특성은 반도체 웨이퍼의 표면상에 형성되는 소자(device)의 성질 뿐만 아니라 채용되는 공정의 유형에 따라 달라진다. 화학물질은 일반적으로 기체 형태로 또는 운반체 기체와 함께 챔버에 전달된다. 몇몇의 처리의 경우에, 웨이퍼 표면상에의 박막의 형성은 고밀도 플라즈마를 사용하여 강화된다.

화학물질을 챔버에 공급하는데 사용되는 기체 분배 장치는 전형적으로 기체 공급 장치에 커플링된 플리넘(plenum), 및 플리넘으로부터의 가스를 챔버내로 주입시키기 위한 다수의 노즐을 포함한다. 전형적으로, 플리넘의 배압은 기체 공급 장치의 주입 지점 근처에서 가장 높다. 결과적으로, 주입 지점에 가장 가까운 노즐은 공급 장치 유입구로부터 멀리 떨어져 있는 노즐 보다 높은 유속으로 기체를 공급할 것이다. 최적의 박막 품질을 위해서, 기체 분배 장치가 기체를 웨이퍼의 표면에 걸쳐 실질적으로 균일하게 분배시키는 것이 일반적으로 요망된다. 분배 장치는 플리넘으로의 공급 유입구에 인접하여 챔버로 들어오는 기체의 양을 감소시키기 위해 공급 유입구의 근처에 위치한 몇 개의 보다 작은 크기의 노즐을 가질 수 있다. 플리넘으로부터 챔버내로 기체 유동의 보다 큰 균일성을 달성하기 위해서, 일부 기체 분배 장치는 플리넘을 두 개의 챔버로 분할하여 기체가 노즐에 도달하기 전에 플리넘을 통해 기체를 보다 균일하게 분배시키는 배플(baffle)을 포함한다. 플리넘내에서의 기체의 분배는 개선되지만, 배플의 부가는 장치에 드는 비용 및 복잡성을 증가시키고 추가적인 밀봉부(seals)의 사용을 필요로 한다. 배플 또는 확산 플레이트를 사용하지 않으면서 실질적으로 균일하게 기체를 공급하는 기체 분배 장치가 요망된다.

이용되고 있는 기체 분배 장치의 노즐은 전형적으로 기체 상태의 물질이 전체적으로 웨이퍼의 방향으로 주입되도록 배열된다. 집적 회로의 복잡성 및 패킹 밀도가 증가함에 따라, 웨이퍼 표면상에 형성되는 박막의 균일도가 점차적으로 중요해 진다. 웨이퍼 표면을 방사 방향으로 가로지르는 박막의 성장 속도는 기체 유속 및 웨이퍼 표면의 국부 영역에 대한 노즐의 상대적인 위치 및 배향과 같은 인자에 의존한다. 웨이퍼 표면상에 실질적으로 균일한 박막층을 형성하도록 노즐이 배열되는 기체 분배 장치가 요망된다.

균일한 기체 분배를 제공하고 챔버내로의 기체 상태의 물질의 유동을 조절하는데 있어서 노즐 디자인은 중요한 역할을 한다. 플라즈마 강화(plasma-enhanced) 증착 공정의 경우에, 높은 유속은 공정 완료에 요구되는 시간을 감소시키는데 바람직하다. 기체 상태 물질의 음속 이하, 음속 및 초음속 유동을 제공하는데 사용될 수 있는 노즐이 요망된다.

발명의 목적 및 요약

본 발명의 일차적인 목적은 기체 상태의 물질을 처리 챔버에 전달하기 위한 기체 주입 시스템을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 기체 상태의 물질을 일정한 유속으로 처리 챔버내로 주입시키기 위한 주입 시스템을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 플리넘(Plenum) 전체에 걸쳐서 실질적으로 균일한 배압을 갖는 기체 주입 시스템을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 더욱 또 다른 목적은 기체의 실질적으로 균일한 분배를 제공하는 기체 주입 시스템을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 웨이퍼 표면상에 실질적으로 균일한 프로파일을 갖는 박막을 성장시키기 위한 기체 주입 시스템을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 더욱 또 다른 목적은 고밀도 플라즈마 강화 증착 공정에 특히 적합한 노즐을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 보다 일반적인 목적은 효과적이면서 경제적으로 제조되고, 설치되며 유지될 수 있는 기체 주입 시스템을 제공하는 데에 있다.

요약하면, 본 발명은 기체 상태의 물질을 처리 챔버에 전달하는데 특히 적합한 기체 주입 시스템을 제공한다. 이러한 기체 주입 시스템은 하나 이상의 플리넘이 내부에 형성되어 있는 플리넘 본체 및 기체 상태의 물질을 상기 처리 챔버내로주입시키기 위한 다수의 노즐을 포함한다. 노즐은 플리넘으로부터 떨어져 있다. 기체 상태의 물질을 간접 통로를 따라서 플리넘으로부터 노즐로 수송하기 위해 도관 구조물이 플리넘과 노즐 사이에 연장된다. 노즐은 웨이퍼 표면을 가로질러 기체 상태의 물질의 균일한 분포를 제공하도록 정위되고 배열된다.

본 발명의 추가의 목적 및 특징은 첨부 도면과 함께 하기의 상세한 설명 및 청구의 범위로부터 보다 용이하게 자명해질 것이다.

도면의 간단한 설명

도 1은 플라즈마 강화 화학 증착 시스템내에 설치되어 있는 것으로 도시된, 본 발명에 따른 기체 주입 시스템의 부분적으로 파단된 모양을 개략적으로 도시하는 투시도이다.

도 2는 본 발명에 따른 기체 주입 시스템을 개략적으로 도시하는 단면도이다.

도 3은 도 2의 기체 주입 시스템의 주플리넘을 개략적으로 도시하는 상부도이다.

도 4는 도 1의 기체 주입 시스템을 도시하는 횡단면도이다.

도 5는 본 발명에 따른 기체 주입 시스템을 개략적으로 도시하는 단면도이다.

도 6a-c는 박막 성장 동안에 반도체 웨이퍼상에서 박막 프로파일을 개략적으로 도시하는 확대도이다.

도 7a-c는 본 발명에 따른 노즐의 프로파일을 확대하여 도시하는 횡단면도이다.

발명의 상세한 설명

본 발명의 바람직한 구체예는 첨부 도면을 참조로 하여 상세하게 설명된다. 도면과 관련하여, 여기에서 다양한 도면 전체에 걸쳐서 유사한 부분은 유사한 참조 부호에 의해 표시되는데, 먼저 도 1을 살펴보기로 한다.

도 1에는 기체 상태의 물질을 처리 시스템(14)의 챔버(12)에 전달하는데 특히 적합한 기체 주입 어셈블리(10)가 도시되어 있다. 여기서 처리 시스템(14)은 플라즈마 강화 화학 증착 처리에 사용되지만, 주입 어셈블리(10)가 화학 증착, 에칭, 고온 박막 증착 등을 포함한(이들로 국한되는 것은 아니다) 웨이퍼상에서의 다른 처리와 함께 사용될 수도 있는 것으로 이해될 것이다. 처리 시스템(14)은 일반적으로 챔버(12)를 둘러싸는 챔버 벽(16)과 상판(18)을 포함한다. 지지 어셈블리(20)는 처리용 챔버(12)내에서 웨이퍼(22)를 지지한다. 바람직한 구체예에서, 지지 어셈블리(20)는 본원에 참고문헌으로 인용된 공동계류중인 미국특허출원 제 08/500,480호에 기술된 유형의 정전기 클램프 어셈블리이다. 그러나, 기계식 클램핑 척(chuck)과 같은 그 밖의 유형의 지지 시스템이 요망되는 경우에 사용될 수도 있다. 상판(18)에 고정되고 웨이퍼(22)와 함께 실질적으로 축상으로 정렬된 플라즈마 공급원(24)은 웨이퍼(22)의 처리를 강화시키기 위한 플라즈마 공급을 발생시킨다. 플라즈마 공급원(24)은 본원에 참고문헌으로 인용된, 공동계류중인 미국특허출원 제 08/500,493호에 상세하게 기술되어 있다. 진공 시스템(도시되지 않음)은 챔버(22)를 배기시키기 위해 제공된다. 당해 기술분야에 공지되어 있는바와 같이, 진공 시스템은 일반적으로 포트(도시되지 않음)에 의해 챔버에 실시가능하게 커플링되는 진공 펌프(도시되지 않음)를 포함한다. 미국특허출원 제 08/500,493호에 기술된 바와 같이, 진공 펌프는 기체 및 플라즈마의 개선된 유동 조절을 위해 챔버(12)와 실질적으로 공동축상에 배열될 수도 있다. 대안적으로, 진공 펌프는 당해 기술분야에 공지된 바와 같이 챔버(12)의 측면에 정위될 수도 있다.

기체 주입 어셈블리(10)는 상판 아래의 챔버 벽(16)에 고정된다. 이러한 구체예에서, 주입 어셈블리는 환상 형태를 갖는데, 시스템의 외측 원주 표면(30)은 챔버 벽에 장착(mount)되고, 내측 표면(32)은 주입 어셈블리를 통해 연장되는 중앙 개구부를 형성한다. 다수의 노즐(34)은 기체를 처리 챔버내로 주입시키는데, 이때 기체 상태의 물질은 주입 어셈블리로부터 내측으로 챔버의 중심축을 향해 이동한다. 환상 형태의 기체 주입 어셈블리는 플라즈마 공급원(24)과 웨이퍼(22) 사이에 통로를 제공하면서 챔버의 원주 주위로 기체를 균일하게 분포시킨다. 플라즈마의 유동으로부터 주입 어셈블리(10)를 분리시키는 것은 또한 기체 상태의 물질의 유동 및 플라즈마 밀도를 독립적으로 조절하게 한다. 도 1에서 화살표로 나타낸 바와 같이, 플라즈마 공급원(24)에 의해 발생된 플라즈마 및 기체 상태의 물질의 활성종은 주입 어셈블리(10), 챔버 벽(16) 및 지지 시스템(20) 사이에서 생성된 RF 장에서 웨이퍼 표면으로 하향으로 이동하여, 웨이퍼상에 박막층을 증착시킨다.

환상 형태의 기체 주입 어셈블리(10)가 바람직하지만, 다른 형태도 본 발명의 범위내에 있는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 주입 어셈블리는 요망에따라 직사각형 또는 타원형일 수 있다. 챔버의 원주 주위로 연속적으로 연장되는 하나의 기체 주입 어셈블리 대신에, 하나 이상의 아치형 주입 장치가 요망에 따라 사용될 수도 있다.

플라즈마의 고밀도, 처리 챔버의 저압(통상의 플라즈마 강화 시스템의 압력이 100mTorr를 초과하는 것과 비교하여 고밀도 플라즈마 강화 처리에서의 압력은 3-4mTorr 미만), 및 비교적 높은 전자 에너지와 같은 인자가 기체 유동에 미치는 영향 때문에, 기체 주입 어셈블리는 고밀도의 플라즈마 강화 처리에 특히 유리하다. 낮은 챔버 압력 때문에, 기체 상태의 물질은 자유 분자 유동 보다는 대류 유동에 의해 이동된다.

본 발명의 기체 주입 어셈블리(10)는 웨이퍼 표면에 증착된 박막의 방사상 프로파일(웨이퍼를 방사상으로 가로지르는 두께) 및 탄젠트 프로파일(tangential profile; 웨이퍼 원주를 따른 두께)을 최적으로 조절하게 한다. 탄젠트 프로파일에서의 변화는 기체가 상이한 유속으로 노즐(34)에 의해 주입될 때 수득된다. 수평면에 대한 분산 각도 α(도 4) 및 주입 각도 β(도 5)는 방사상 프로파일의 변화를 발생시킨다. 본 발명의 어셈블리(10)는 박막의 탄젠트 및 방사상 프로파일의 균일도를 최대화하는데 사용될 수도 있다.

탄젠트 프로파일에 대한 조절은 도 2-3과 관련하여 논의될 것이다. 기체 주입 어셈블리(10)는 일반적으로 유입구(44) 및 공급 라인(45)을 경유하여 기체 공급원(46)에 커플링되는 하나 이상의 주플리넘(42)을 포함한다. 주플리넘(42)은 도 2에서 도면부호 '48'로 전체적으로 지정된, 도관 구조체에 의해 노즐(34)에 커플링되며, 상기 도관 구조체는 플리넘의 배압을 균등화시켜 노즐(34)이 가스를 실질적으로 균일한 유속으로 챔버(12)내로 주입시키도록 구성된다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 도관 구조체(48)는 주플리넘(42)과 노즐(34) 사이의 간접 통로를 형성한다. 바람직하게는, 도관 구조체(48)는 주플리넘(42)으로부터 노즐까지 연장되는 다수의 별도의 채널 또는 통로(50)를 포함한다. 이러한 구체예에서, 요망에 따라 동일한 채널을 통해 둘 이상의 노즐이 주플리넘(42)에 연결될 수도 있지만, 별도의 채널(50)이 각 노즐(34)에 대하여 사용된다. 각 채널의 횡단면적은 플리넘의 횡단면적 보다 작으며, 노즐(34)의 전체 횡단면적의 합에 비해 1000배 미만인 것이 바람직하다.

도 2 및 도 3에서 화살표로 나타내어진 바와 같이, 기체 유동의 속도 벡터는 기체 유동이 노즐(34)에 도달하기 전에 주플리넘(42)내에서의 최초 유동 방향으로부터 두 차례 이상 방향이 바뀐다. 바람직하게는, 도관 구조체(48)는 도 2에 도시된 우측 코너에 의해 나타내어진 바와 같이 방향의 갑작스런 변화를 초래하도록 형상화된다. 특정의 용도에서 요구되는 방향 바꿈 각도는 채널간의 각도, 채널의 직경 및 채널의 길이와 같은 인자에 따라 변화될 것이다. 본 발명의 바람직한 구체예에서, 채널의 크기는 기체 분자의 평균 자유 경로와 관련되는데, 채널 직경은 평균 자유 경로 보다 작으며, 채널 길이는 평균 자유 경로의 약 2배 또는 3배이다. 도관 구조체(48)에 의해 형성되는 실제 경로는 상당히 변화되는 것으로 이해되어야 한다.

도관 구조체(48)를 사용하여 노즐(34)을 주플리넘(42)에서의 유동 경로로부터 분리시키는 것은 기체 유동이 노즐에 도달하기 전에 주플리넘(42)의 배압이 균형을 이룰 수 있게 한다. 플리넘(42)과 노즐(34) 사이의 간접 경로 및 주플리넘과 비교하여 채널(50)의 감소된 횡단면적 때문에, 기체는 확산에 의해 주플리넘으로부터 노즐로 이동하게 된다. 결과적으로, 기체가 소정의 주입 지점에 용이하게 도달하는지의 여부는 유입구(44)에 대한 주입 지점의 상대적인 위치와 무관하다. 각각의 노즐(34)은 가스를 실질적으로 균일한 유속으로 챔버내로 주입시켜, 박막 증착의 탄젠트 프로파일의 변화를 상당히 감소시킨다.

기체 주입 어셈블리(10)는 도 4와 관련하여 더욱 상세하게 기술될 것이다. 도 4에 상세하게 도시된 바와 같이, 주입 어셈블리(10)는 일반적으로 주플리넘(42)이 형성되는 플리넘 본체(52)를 포함한다. 어떠한 수의 플리넘(42)도 본 발명에 따라 사용될 수 있는 것으로 이해되어야 하지만, 본 구체예에서는 두 개의 플리넘 (42a) 및 (42b)이 플리넘 본체(52) 내에 형성되어 있는 것으로 도시되어 있다. 고밀도 플라즈마 강화 화학 증착 처리의 경우에, 플리넘(42a)은 실란 및 아르곤 공급원에 부착되는 것이 바람직한 반면에 플리넘(42b)은 산소 공급원에 부착되는 것이 바람직하다. 기체 공급 채널(55)은 공급 라인과 유입구(44) 사이에서 연장되어 플리넘(42)에 기체 상태의 물질을 공급한다. 공급 라인(55)이 플리넘(42)에 대하여 수직 또는 특정 각으로 배향될 수도 있는 것으로 이해되어야 하지만, 구체예에서 공급 라인(55)은 실질적으로 수평인 것으로 도시된다. 하나 이상의 공급 라인(55)이 기체 상태의 물질을 플리넘으로 운반하는데 사용될 수도 있다. 도관 구조체(48)로 인해, 하나의 공급 라인은 플리넘(42)내에 실질적으로 균일한 기체분포를 제공할 것이다.

채널(50)은 플리넘 본체(52)의 하향 연장부(58)에 형성된 제 1 스트레치(56), 및 플리넘 본체의 하향 연장부(58)에 장착된 다수의 분리되고, 원주방향으로 이격된 핑거(62)에서 종결되는 제 2 스트레치(60)를 포함한다. 핑거(62)는 적절한 고정 수단을 사용하여 플리넘 본체(52)에 부착된다. 예를 들어, 핑거(62)는 플리넘 본체(52)내에 형성된 구멍내로 억지 끼워 맞춤(press fit)되거나 나사결합될 수 있다. 플리넘 본체(52)와 핑거(62) 사이의 공조 결합은 플리넘 본체와 핑거(62) 사이의 누출을 최소화하거나 실질적으로 제거하는데 충분할 것이다. 요망에 따라, 본체(52)와 핑거(62) 사이의 접합부가 밀봉될 수도 있다. 이러한 구체예에서, 제 1 및 제 2 스트레치(56 및 60)는 서로 수직을 이루는데, 이때 제 1 스트레치(56)는 실질적으로 수직으로 배향되고 제 2 스트레치(60)는 실질적으로 수평으로 배향된다. 그러나, 스트레치 (56)와 (60)의 상대적인 배향은 본 발명의 범위내에서 상당히 변화되는 수가 있다. 제 2 스트레치(60)는 노즐(34)에서 종결된다.

이러한 실시예의 도관 구조체(48)의 형태는 특히 유리하다. 플리넘 본체(52)의 최소 내부 직경은 내측 표면(32)에 의해 규정된다. 하향 연장부(58)는 내측 표면(32)과 실질적으로 공동축상에서 일렬로 정렬되거나 표면(32)의 외측으로 이격될 수 있다. 하향 연장부는 바람직하게는 내측 표면(32)의 외부로 이격되어 지지 어셈블리(20) 주위의 개방 영역을 증가시킨다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 하향 연장부는 챔버(12)의 원주 주위로 연속적으로 연장된다.연장부(58)는 플리넘 본체(52)의 프로파일 이상으로는 돌출하지 않으므로 기체 유동을 그렇게 많이 방해하지는 않는다. 그러나, 하향 연장부(58)는 다수의 하향 연장 핑거에 의해 대체되어, 요망에 따라, 지지 어셈블리(20) 주위의 개방 영역을 추가로 증가시킬 수 있다.

핑거(62)는 챔버를 통한 가스 또는 플라즈마의 유동을 많이 간섭하지 않으면서 지지 어셈블리(20)에 근접하게 위치하게 하여, 처리 작업의 효율을 개선시킨다. 진공 펌프가 챔버(12)와 공동축상에서 일렬로 배열될 때, 핑거(62)는 원주 방향으로 이격되어 지지 어셈블리(20) 주위에서 기체의 대칭적 유동을 보존하는 것이 바람직하다. 그러나, 핑거(62)의 실제 배치는 상당히 변화될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

본 실시예에서, 플리넘 본체(52)는 챔버 벽(16)의 수평 연장 레지(ledge)(65)상에 지지된 외측 부분(64)과 제거 가능한 내측 부분(66)을 포함한다. 내측 부분(66)은 나사산 파스너(67)와 같은 적합한 체결 수단에 의해 외측 부분에 고정된다. 바람직하게는, 수개의 나사산 파스너는 플리넘 본체(52) 주위에 원주 방향으로 일정한 간격으로 유지된다. 외측 부분(64)과 내측 부분(66)의 짝을 이루는 표면은 플리넘(52)을 규정하도록 협력하여 형상화된다. 다수의 밀봉 부재(68)는 플리넘 본체(52)의 내측 부분과 외측 부분 사이에서 압축되어 플리넘을 분리하고 플리넘들 사이 및 플리넘과 챔버(12) 사이의 기체 누출을 방지한다. 플리넘 본체(52)의 구성은 상당히 변화될 수 있으며 도 4에 도시된 형태로 한정되지 않는 것으로 이해되어야 한다.

요망되는 박막 균일성, 박막 조성, 기체 이용(웨이퍼 표면에 실제로 도달하는 공급된 화학물질의 양) 및 특정 용도를 위한 웨이퍼 표면 프로파일은 노즐의 수, 웨이퍼에 대한 노즐(34)의 상대적인 위치, 실제(virtual) 주입 지점 및 주입 벡터와 같은 인자의 변형을 통해 수득될 수 있다. 이들 4개의 인자 각각은 상당히 변화되기 쉬워, 진공압, 기체종 및 이온 에너지를 고려하여 요망되는 결과를 제공한다.

웨이퍼에 대한 각 노즐의 위치는 노즐과 웨이퍼의 축 사이의 반경(r)(도 5), 웨이퍼 평면위의 웨이퍼의 높이(z)(도 5), 및 웨이퍼 원주 주위에서의 노즐의 각 위치(θ)(도 3)에 의해 규정된다. 실제 작동시, 본원에서 실제 주입 지점으로 언급되는, 주입된 기체가 분산되는 위치는 노즐의 주입 지점과 상이하다. 주입된 기체가 분산되기 전에 노즐(34)로부터 이동한 거리는 작동 압력에서 기체종의 평균 자유 경로에 의해 주로 결정된다. 약 2mTorr의 압력에서, 분자량이 약 30인 분자, 예를 들어 실란 및 산소에 대한 평균 자유 경로는 약 2.5cm이다. 바람직하게는, 노즐(34)의 실제 위치는 웨이퍼에 대한 요망 위치에서 각 노즐과 관련하여 실제 주입 지점을 위치시키도록 선택된다. 도 4 및 도 5에는 이산화규소 박막의 증착에 특히 적합한 주입 어셈블리(10)의 구체예가 도시되어 있다. 주입 어셈블리는 12 내지 36개의 노즐(34)을 포함한다. 노즐은 웨이퍼 평면으로부터 위로 약 2 내지 5cm 및 웨이퍼의 외측 에지로부터 약 2 내지 4cm 이격되어 있으며, 웨이퍼 표면에 대한 요망 위치에서 실제 주입 지점의 위치를 정한다. 2mTorr 대기압에서 평균 자유 경로가 약 2.5cm인 실란 및 산소인 경우에, 실제 주입 지점의 위치선정은 노즐의 배치를 결정할 때 고려되는 중요한 변수이다.

주입 벡터는 노즐(34)의 위치선정(또는, 보다 상세하게는, 실제 주입 지점의 위치선정)에 의해 정해지며, 주입각 β는 수평면에 대하여 주입된다. 각 β는 영(제로)일 수 있는데, 이때 기체는 웨이퍼 표면에 대하여 사실상 동일 평면으로 주입된다. 각 β는 또한 기체 스트림을 웨이퍼의 특정 부분으로 향하도록 선택될 수도 있다. 요망되는 박막 프로파일은 개개의 노즐을 배향시켜 상이한 주입각 β을 제공함으로써 얻을 수도 있다. 예를 들어, 일부 노즐의 주입 벡터는 일반적으로 웨이퍼의 인접한 측면으로 유도되는 반면, 그 밖의 노즐의 주입 벡터는 일반적으로 웨이퍼의 먼 측면으로 유도된다.

도 5에 개략적으로 도시된 바와 같이, 기체 주입 어셈블리(10)는 별도의 기체 공급원(46)에 각각 커플링된 세 개의 플리넘 (42a), (42b) 및 (42c)를 포함한다. 고밀도의 플라즈마 강화 화학 증착을 위해, 제 1 및 제 3 플리넘(42a 및 42c)은 아르곤 및 실란의 공급원에 커플링되며, 제 2 플리넘(42b)은 산소 공급원에 커플링된다. 그러나, 챔버(12)내에서 이용되는 처리에 따라, 그 밖의 다양한 기체 상태의 물질이 사용될 수 있다. 둘 이상의 플리넘(42)의 사용은 박막 성장 속도 뿐만 아니라 증착된 박막의 방사상 프로파일을 보다 더 탄력적으로 조절할 수 있게 한다. 기체는 선택된 노즐에 상이한 유속으로 제공될 수도 있다. 제 1 플리넘(42a)과 결합된 노즐(34a)은 실질적으로 노즐(34a)에 가장 근접한 웨이퍼 영역으로 지향된다. 노즐(34a)로부터 공급된 처리 기체는 일반적으로 도 6a에 도시된 웨이퍼 프로파일을 생성시키는데, 이때 웨이퍼의 에지를 따라서 생성된 박막은웨이퍼 중심부에서의 박막 두께 보다 더 큰 두께를 갖는다. 제 3 플리넘(42c)과 결합된 노즐(34c)은 노즐(34c)의 반대편에 있는 웨이퍼의 에지를 향해 지향되어, 웨이퍼 에지를 따라서 보다는 웨이퍼의 중심부에서 더 두꺼운 도 6b에 도시된 박막 프로파일을 생성시킨다. 바람직하게는, 노즐(34a)에서 보다는 노즐(34c)의 배향에 있어서 보다 높은 유속이 사용될 수 있다. 제 2 플리넘(42b)에 커플링된 일부 노즐(34b)은 웨이퍼의 근위 에지(proximal edge)로 유도되며, 그 밖의 노즐은 웨이퍼의 원위 에지(distal edge)로 유도된다. 처리하는 동안 노즐(34a, 34b 및 34c)을 동시에 작동시킴으로써, 두께가 실질적으로 균일한 박막이 도 6c에 도시된 바와 같이 수득될 수 있다. 이와 같이, 별도의 플리넘(42a 및 42c), 및 노즐(34a 및 34c)의 배향은 박막의 방사상 프로파일의 균일성을 상당히 증가시키는데 사용될 수 있다.

도 7a-7c에는 주입 시스템(10)에 편입될 수 있는 노즐의 예가 도시되어 있다. 노즐(34)은 일반적으로 유입구(70), 유출구(72), 및 유입구(70)와 유출구(74) 사이에 연장되어 있는 내측 벽(74)을 포함한다. 노즐을 통한 기체의 최대 유속은 노즐의 횡단면적이 최소인 경우에 달성된다. 도 7a에는 노즐(34)의 횡단면적이 일정한 통상의 프로파일이 도시되어 있다. 도해된 구체예에서, 원통형 노즐의 내부 직경은 약 0.2mm 내지 0.3mm이다. 기체는 유입구(70)에서 가속되는데, 이때 노즐의 내벽(74)은 노즐을 통한 유동을 제한한다. 이러한 노즐 프로파일로 달성될 수 있는 최대 속도는 일반적으로 기체 상태의 물질의 음속 보다 작다.

도 7b에는 노즐(34)이 유출구(72)에서 최소 횡단면적을 갖는 갈수록 좁아지는 노즐 프로파일이 도시되어 있다. 이러한 구체예에서, 유입구(70)의 직경은 약 1.4 내지 1.6mm이며, 유출구(72)의 직경은 약 0.2 내지 0.3mm이다. 유속 밀도는 기체가 노즐을 통해 이동함에 따라 계속해서 증가하여, 유출구(74)에서 최대에 이른다. 이러한 노즐을 사용하게 되면 기체 상태의 물질의 속도는 음속까지 도달된다.

바람직한 노즐 프로파일은 도 7c에 도시되어 있다. 노즐(34)의 최소 횡단면적은 유입구(70)와 유출구(72) 사이에 위치한다. 본 발명의 한 구체예에서, 유입구(70) 및 유출구(72)의 직경은 약 0.5mm 내지 0.7mm이며, 노즐의 최소 직경은 약 0.2mm 내지 0.3mm이다. 도 7c에 도시된 노즐은 기체의 분무를 웨이퍼 표면상으로 집중시키는데 사용될 수 있는 분산각 α의 선택을 고려한 것이다.

본 발명의 기체 주입 시스템(10)은 용도 및 원하는 증착 속도에 따라서 음속 이하의 노즐, 음속의 노즐 또는 초음속 노즐과 함께 사용될 수 있다. 플라즈마 강화 화학 증착 공정에 대하여, 도 7c에 도시된 노즐 프로파일은 기체의 음속 이하 및 초음속 유동 둘 모두가 달성될 수 있는 노즐을 통한 기체 상태 물질의 유속을 양호하게 조절한다. 도 7b에 도시된 프로파일에서, 증착 속도는 기체의 음속에 의해 제한된다. 증착 공정의 속도는 기체 유속을 초음속으로 증가시킴으로써 현저하게 증가될 수 있다. 초음속 유동에 도달하는 능력은 시스템의 작동 압력이 3 내지 4mTorr 미만인 고밀도 플라즈마 강화 공정에 특히 유리하다. 요망되는 분산각 α를 수득하는 능력은 또한 플라즈마 강화 공정에 특히 유리하다.

본 발명의 특정 구체예의 앞서의 설명은 도해 및 설명의 목적상 제시되었다.앞서의 설명은 철저하게 설명하려거나 본 발명을 설명된 특정 형태에만 국한시키려는 것이 아니며, 이상의 설명을 통해서 볼 때 분명히 많은 변화가 가능하다. 구체예는 본 발명의 원리 및 이의 실시 적용을 가장 잘 설명하기 위해서 선택 기재되어, 당업자로 하여금 본 발명 및 다양한 변화를 갖는 다양한 구체예를 가장 잘 이용하도록 하였다. 본 발명의 범위는 의도적으로 하기의 청구의 범위 및 이의 균등범위에 의해 제한되도록 의도된다.

Claims (15)

1. 기체 상태의 물질을 반도체 처리 챔버로 공급하기 위한 기체 주입 시스템으로서:

   기체 상태의 물질을 플리넘들에 전달하기 위한 하나 이상의 공급 유입구를 갖는 다수의 플리넘이 내부에 형성되어 있고 처리 챔버내에 장착가능한 플리넘 본체,

   상기 플리넘들로부터 이격되어 있으며 상기 기체 상태의 물질을 상기 처리 챔버내로 주입하기 위한 다수의 노즐, 및

   상기 기체 상태의 물질을 간접 통로를 따라서 상기 플리넘으로부터 상기 노즐로 운반하기 위해 상기 플리넘들과 상기 노즐들 사이에서 각각 연장하는 다수의 간접 도관을 포함하며,

   상기 간접 도관들은 상기 기체 상태 물질의 유동을 둘 이상의 상이한 유동 방향으로 향하게 하여 상기 플리넘과 상기 노즐 사이의 기체 상태 물질의 유동을 방해함으로써, 상기 공급 유입구에 대한 상기 노즐의 위치에 관계 없이 상기 기체 상태 물질이 상기 플리넘으로부터 상기 노즐로 균일하게 전달되는, 기체 주입 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 기체 상태 물질이 상기 노즐로 공급되기 전에 상기 기체 상태 물질의 유동 방향을 재배향시키기 위해, 상기 각각의 간접 도관은 하나이상의 만곡부를 포함하는 기체 주입 시스템.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 간접 도관의 내경은 상기 플리넘의 내경 보다 작은 기체 주입 시스템.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 각각의 플리넘은 환형인 기체 주입 시스템.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 플리넘 본체는 그 안에 형성된 다수의 제 2 플리넘을 가지며, 제 2 기체 상태 물질을 상기 챔버로 전달하기 위해 상기 다수의 제 2 플리넘에 커플링된 다수의 제 2 노즐을 추가로 포함하는 기체 주입 시스템.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 다수의 제 1 노즐이 상기 기체 상태의 물질을 제 1 방향으로 주입하도록 배향되고, 상기 다수의 제 2 노즐이 상기 기체상태의 물질을 상기 제 1 방향과는 상이한 제 2 방향으로 주입하도록 배향되는 기체 주입 시스템.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 다수의 제 1 노즐이 제 1 주입 평면을 형성하고, 상기 다수의 제 2 노즐이 상기 제 1 주입 평면으로부터 이격된 제 2 주입 평면을 형성하는 기체 주입 시스템.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 간접 도관은 적어도 제 1 채널 및 제 2 채널을 포함하고, 상기 제 1 채널은 상기 플리넘으로부터 제 1 방향을 따라 연장하고 상기 제 2 채널은 상기 제 1 채널로부터 상기 제 1 방향에 대해 각도를 이루어 배향된 제 2 방향을 따라 연장하는 기체 주입 시스템.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 채널은 상기 제 1 채널에 실질적으로 수직인 기체 주입 시스템.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 간접 도관의 내측 단면적은 상기 플리넘의 내측 단면적 보다 작고 상기 노즐의 내측 단면적 보다 큰 기체 주입 시스템.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 플리넘 본체는 작업 압력이 4mTorr 이하인 처리 챔버내에 장착되는 기체 주입 시스템.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 노즐과 동일한 측면의 처리 챔버상에 위치된 기판의 에지를 향해 상기 플리넘으로 공급된 기체 상태 물질을 주입하도록, 상기 노즐이 수평 평면에 대해 각을 이루어 배향되는 기체 주입 시스템.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 다수의 제 2 플리넘에 커플링되어 제 2 기체 상태 물질을 상기 처리 챔버내로 주입하는 다수의 제 2 노즐을 추가로 포함하며, 상기 다수의 제 2 노즐의 반대 측면의 챔버상에 위치된 기판의 에지를 향해 상기 다수의제 2 플리넘으로 공급된 제 2 기체 상태 물질을 주입하도록 상기 다수의 제 2 노즐이 상기 수평 평면에 대해 제 2 의 각을 이루어 배향되는 기체 주입 시스템.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 플리넘들 및 상기 다수의 제 2 플리넘은 각각 실란 및 아르곤의 공급원에 커플링되며, 상기 플리넘 본체는 산소 공급원에 커플링된 다수의 제 3 플리넘을 포함하는 기체 주입 시스템.
15. 제 13 항에 있어서, 상기 플리넘 중 하나는 제 1 공급원에 커플링되고, 상기 플리넘 중 다른 하나는 제 2 공급원에 커플링되며, 상기 제 1 공급원 및 제 2 공급원은 제 1 기체 상태 물질 및 제 2 기체 상태 물질을 서로 상이한 유동속도로 공급하는 기체 주입 시스템.