特許 7607748 化学気相堆積システム用ウインドウおよび関連方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-19

(45)【発行日】2024-12-27

(54)【発明の名称】化学気相堆積システム用ウインドウおよび関連方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/205 20060101AFI20241220BHJP

   C23C 16/455 20060101ALI20241220BHJP

【ＦＩ】

H01L21/205

C23C16/455

【請求項の数】 20

(21)【出願番号】P 2023512164

(86)(22)【出願日】2021-08-13

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-09-13

(86)【国際出願番号】 US2021045873

(87)【国際公開番号】W WO2022040031

(87)【国際公開日】2022-02-24

【審査請求日】2024-08-13

(31)【優先権主張番号】62/706,452

(32)【優先日】2020-08-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】518112516

【氏名又は名称】グローバルウェーハズ カンパニー リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＧｌｏｂａｌＷａｆｅｒｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．

(74)【代理人】

【識別番号】100145403

【弁理士】

【氏名又は名称】山尾 憲人

(74)【代理人】

【識別番号】100184343

【弁理士】

【氏名又は名称】川崎 茂雄

(74)【代理人】

【識別番号】100112911

【弁理士】

【氏名又は名称】中野 晴夫

(72)【発明者】

【氏名】トゥ，チュン－チン

(72)【発明者】

【氏名】▲浜▼野 学

(72)【発明者】

【氏名】シュー，ルンシン

【審査官】宇多川 勉

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－００２２８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１４７１０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００１－５１２９０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０２２４１７４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５

Ｃ２３Ｃ １６／４５５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板上に層を堆積させるためのシステムであって、
ガスをプロセスチャンバに導入するためのガス導入口と、ガスをプロセスチャンバから排出させるためのガス排出口とを有するプロセスチャンバと、
プロセスチャンバ内に配置され、基板を受け取るように構成された基板支持体と、
放射加熱光が通過できるように透明である上部ウインドウであって、上部ウインドウは、基板支持体から間隔をあけて配置され、その間にエアギャップを規定する第１面を有し、上部ウインドウは、ガス導入口から、エアギャップを通って、ガス排出口までガスを導くようにプロセスチャンバ内に配置され、第１面は、半径方向の外周面および外周面に接する半径方向の内周面を含み、外周面は第１の曲率半径を有し、内周面は第１の曲率半径と異なる第２の曲率半径を有し、外周面と内周面とはそれぞれ凸状であり、上部ウインドウは透明な本体を含み、透明な本体は内周面と外周面とを含む上部ウインドウと、
を含むシステム。

【請求項2】

基板が基板支持体上に受け取られた場合に、内周面は基板と垂直に整列するように配置され、第２の曲率半径は第１の曲率半径より大きい請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

第２の曲率半径と１の曲率半径との比は、１００：１から１．１：１である請求項２に記載のシステム。

【請求項4】

比が、１０：１から５：１である請求項３に記載のシステム。

【請求項5】

基板が基板支持体の上に受け取られた場合に、内周面および外周面は、それぞれ、基板の少なくとも一部と垂直方向に整列するように配置される請求項１に記載のシステム。

【請求項6】

上部ウインドウは、さらに、第１面を囲み、プロセスチャンバに結合されるように構成されたリムを含み、外周面は、第１の曲率半径で、リムから内周面まで延びている請求項１に記載のシステム。

【請求項7】

内周面は、第２の曲率半径で、外周面から上部ウインドウの射線中心まで延びている請求項６に記載のシステム。

【請求項8】

エアギャップは、外周面と内周面との間で減少する請求項７に記載のシステム。

【請求項9】

内周面は、上部ウインドウの射線中心に接する平面内に延びる半径を規定し、半径は、射線中心から外周面まで延び、内周面の半径は、５ミリメートルと２００ミリメートルの間である請求項１に記載のシステム。

【請求項10】

上部ウインドウは、第１面の反対側の第２面と、第１面と第２面との間に延びる本体と、をさらに含み、第２面は凹状の曲率を有する請求項１に記載のシステム。

【請求項11】

上部ウインドウは、第１面を囲み、プロセスチャンバに結合されるように構成されたリムをさらに含み、外周面は、リムと内周面との間で第１の高さで延び、内周面は、外周面と上部ウインドウの射線中心との間で第２の高さで延び、第１の高さは第２の高さより大きい請求項１に記載のシステム。

【請求項12】

化学気相堆積システムであって、
少なくとも部分的にプロセスチャンバを規定するチャンバ壁と、
プロセスチャンバ中に配置された基板支持体であって、その上に基板を受けるように形成された基板支持体と、
ウインドウであって、
チャンバ壁にウインドウを取り付けるためのフレーム；および、
フレームに接続された透明な本体であって、本体は第１面と対向する第２面との間に延び、第１面はフレームがチャンバ壁に取り付けた場合に基板支持体に面するように配置され、第１面は半径方向の外周面および外周面に接する半径方向の内周面を含み、外周面はフレームから内周面まで半径方向に延び、内周面は外周面からウインドウの射線中心まで半径方向内側に延び、外周面は第１の曲率半径を有し、内周面は第１の曲率半径と異なる第２の曲率半径を有し、外周面と内周面とはそれぞれ凸状であり、透明な本体は内周面と外周面とを含む透明な本体、を含むウインドウと、
を含む化学気相堆積システム。

【請求項13】

第２の曲率半径は、第１の曲率半径よりも大きい請求項１２に記載の化学気相堆積システム。

【請求項14】

第２の曲率半径と第１の曲率半径との間の比は、１００：１から１．１：１である請求項１３に記載の化学気相堆積システム。

【請求項15】

外周面は、第１の曲率半径で、フレームから内周面まで延び、内周面は、第２の曲率半径で、外周面からウインドウの射線中心まで延びている請求項１２に記載の化学気相堆積システム。

【請求項16】

内周面は、ウインドウの射線中心に接する平面内で延びる半径を規定し、半径は、射線中心から外周面まで延び、内周面の半径は、５ミリメートルから２００ミリメートルの間である請求項１２に記載の化学気相堆積システム。

【請求項17】

第２面は、凹状の曲率を有する請求項１２に記載の化学気相堆積システム。

【請求項18】

基板上に層を堆積する方法であって、
プロセスチャンバ内の基板支持体の上に基板を提供する工程であって、プロセスチャンバは、ガス導入口とガス排出口とを含む工程と、
プロセスチャンバ内に上部ウインドウを設ける工程であって、上部ウインドウは、放射加熱光が上部ウインドウを通過できるように透明であり、上部ウインドウは、その間にエアギャップを規定するために基板から間隔を置いた第１面を有し、第１面は、半径方向の外周面および外周面に接する半径方向の内周面とを含み、外周面は第１の曲率半径を有し、内周面は第１の曲率半径と異なる第２の曲率半径を有し、外周面と内周面はそれぞれ凸状であり、上部ウインドウは透明な本体を含み、透明な本体は内周面と外周面とを含む工程と、
ガス導入口を通って、第１面と基板との間のエアギャップの中に、そしてガス排出口に、ガス流を導く工程と、
を含む方法。

【請求項19】

ガス流は、毎分２標準リットルを超える流速で提供され、基板上の堆積層の相対的な厚さのばらつきは約２％未満である請求項１８に記載の方法。

【請求項20】

上部ウインドウは透明な本体を含み、透明な本体は内周面と外周面とを含む請求項１に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【関連出願の相互参照】

【0001】

本出願は、２０２０年８月１８日に出願された米国仮特許出願第６２／７０６，４５２号の優先権を主張し、その開示全体は、参照によりここに組み込まれる。

【技術分野】

【0002】

この分野は、一般に、半導体ウエハの処理における化学気相堆積システムの使用に関し、より具体的には、化学気相堆積プロセスチャンバ内のガス流の均一性を制御するためのウインドウおよび方法に関する。

【背景技術】

【0003】

エピタキシャル成長を含む化学気相堆積（ＣＶＤ）プロセスにおいて、基板上の堆積膜の膜厚の均一性は、プロセスチャンバ内のガスの流量分布の均一性などに依存する。膜厚の均一性への要求が厳しくなるにつれ、プロセスチャンバ内のガスの流量分布もより均一であることが望まれるようになった。

【0004】

従来のＣＶＤ装置では、ソースガスはガスマニホールドを介してプロセスチャンバに導入され、プロセスチャンバの上部ウインドウと基板支持体上に配置された基板との間に規定されたギャップ間に導かれる。従来のＣＶＤ装置の上部ウインドウは、プロセスチャンバ内の基板表面に均一なガス流分布を向けることができない。

【0005】

例えば、従来の上部ウインドウの中には、プロセスチャンバにまたがり、基板に面した曲面を含み、これは基板の中心に向かって窪む凸面でもよい。しかしながら、このような従来の上部ウインドウでは、基板に乱れたガス流が発生し、基板上に堆積したエピタキシにディップや窪みが生じることがある。

【0006】

さらに、従来のＣＶＤシステムの中には、成長速度を低下させて（例えば、プロセスチャンバ内の堆積温度を低下させ、および／またはガス流量を低下させて）動作させることにより、エピタキシ厚さプロファイルのディップの深さを最小化しようとするものがある。しかしながら、このような操作システムでは、堆積したエピタキシのディップの深さを適度に変えるだけで、プロセス時間が長くなってしまう。

【0007】

従って、プロセスチャンバ内の基板表面により均一な流れ分布を導くことができる上部ウインドウが必要とされている。

【0008】

この背景のセクションは、以下に説明および／または請求される本開示の様々な態様に関連し得る技術の様々な態様を読者に紹介することを意図している。この議論は、本開示の様々な態様をよりよく理解することを容易にするための背景情報を読者に提供する上で有用であると考えられる。したがって、これらの開示は、このような観点で読まれるべきであり、先行技術を認めるものではないことを理解されたい。

【発明の概要】

【0009】

本開示の一態様は、基板上に層を堆積させるためのシステムに関する。本システムは、ガスをプロセスチャンバに導入するためのガス導入口と、ガスがプロセスチャンバから出ることを可能にするガス排出口とを規定するプロセスチャンバを含む。基板支持体は、プロセスチャンバ内に配置され、基板を受けるように構成されている。透明な上部ウインドウは、基板支持体から間隔をあけて配置された凸状の第１面を含み、その間にエアギャップを規定する。上部ウインドウはプロセスチャンバ内に配置され、ガスをガス導入口からエアギャップを経てガス排出口に導く。第１面は、半径方向の外周面と、外周面内に外接する半径方向の内周面とを含む。外周面は第１の曲率半径を有し、内周面は第１の曲率半径とは異なる第２の曲率半径を有する。

【0010】

本開示の別の態様は、基板処理システムのためのウインドウに関する。ウインドウは、ウインドウを基板処理システムのプロセスチャンバに取り付けるためのフレームと、フレームに接続された透明体とを含む。本体は、凸状の第１面と対向する第２面との間に延在している。第１面は、半径方向の外周面と、外周面に外接する半径方向の内周面とを含む。外周面はフレームから内周面まで半径方向に延び、内周面は外周面からウインドウの射線中心（radial center）まで半径方向の内側に延びる。外周面は第１の曲率半径を有し、内周面は第１の曲率半径と異なる第２の曲率半径を有する。

【0011】

本開示のさらに別の態様は、基板上に層を堆積させる方法に関する。本方法は、プロセスチャンバ内の基板支持体上に基板を提供することを含む。プロセスチャンバは、ガス導入口とガス排出口を含む。本方法は、プロセスチャンバに上部ウインドウを設けることをさらに含む。上部ウインドウは輻射熱の光を通すために透明になっている。上部ウインドウは、基板から間隔をあけて配置された凸状の第１面を含み、その間にエアギャップを規定する。第１面は、半径方向の外周面と、外周面内に外接する半径方向の内周面とを含む。外周面は第１の曲率半径を有し、内周面は第１の曲率半径とは異なる第２の曲率半径を有する。この方法は、さらに、ガス流を、ガス導入口を通って、第１面と基板との間のエアギャップに入れて、ガス排出口に導くことを含む。

【0012】

上述の態様に関連して指摘された特徴の様々な改良が存在する。また、上述の態様においても同様に、さらなる特徴を取り入れることができる。これらの改良および追加機能は、個別に存在してもよいし、任意の組み合わせで存在してもよい。例えば、図示された実施形態のいずれかに関連して後述する様々な特徴は、単独で、または任意の組み合わせで、上述の態様のいずれかに組み込まれることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本開示の一実施形態の上部ウインドウを含む化学気相堆積システムの断面図である。

【図2】図示目的で一部を取り除いた、図１の化学気相堆積システムの拡大断面図である。

【図3】図２に示す上部ウインドウの底面図である。

【図4】図２に示す上部ウインドウの一部の拡大断面図である。

【図5】単一の大きな曲率を有する上部ウインドウを用いたＣＶＤシステムにおいて、基板表面に堆積したエピタキシの厚みプロファイルを示すグラフである。

【図6】単一の小さな曲率を有する上部ウインドウを用いたＣＶＤシステムにおいて，基板表面に堆積したエピタキシの厚みプロファイルを示すグラフである。

【図7】第１の二重曲面上部ウインドウを用いたＣＶＤシステムにおいて、基板表面に堆積したエピタキシの厚みプロファイルを示すグラフである。

【図8】第２の２重曲率上部ウインドウを用いたＣＶＤシステムにおいて、基板表面に堆積したエピタキシの厚みプロファイルを示すグラフである。

【0014】

様々な図面で使用されている同様の参照符号は、同様の要素を示す。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本明細書において「基板処理システム」とも呼ばれる化学気相堆積（ＣＶＤ）システムは、図１において全体が１００で示されている。図示のシステムは単一基板システムであるが、より均一なガス流分布を提供するために本明細書に開示されたシステムおよび方法は、例えば複数基板システムを含む他のシステム設計での使用に適している。本開示に従った使用に適したＣＶＤシステムの一例は、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＥＰＩ Ｃｅｎｔｕｒａ ３００である。

【0016】

本明細書において、「曲率」とは、表面および／または面の曲線が平面からずれる量を指し、「曲率半径」とは、表面および／または面の曲率に一致する曲率を外周に持つ円または球の半径を示す。例えば、曲率が比較的大きい表面および／または面は、曲線のどの点においても平面からのずれが大きく、曲率半径が比較的小さくなる。同様に、曲率が比較的小さい表面または面は、曲線のどの点でも平面からのずれが比較的小さく、曲率半径が比較的大きくなる。

【0017】

ＣＶＤシステム１００は、基板１０４（例えば、半導体ウエハ）上に薄膜を堆積および／または成長させるための反応室またはプロセスチャンバ１０２と、プロセスチャンバ１０２の一端に配置されたガス導入ポート１０６と、プロセスチャンバ１０２の反対側の端に配置されたガス排出ポート１０８とを含む。ガス導入ポート１０６とプロセスチャンバ１０２との間に配置されたガスマニホールド１４０は、流入するガス１１０を、ガス導入ポート１０６を介して上部ウインドウ１１２および下部ウインドウ１１４によって囲まれたプロセスチャンバ１０２に導くために用いられる。ガスマニホールド１４０は、ガス導入ポート１０６とプロセスチャンバ１０２との間に配置された注入バッフルまたはガス分配プレートと、バッフルプレートに隣接してプロセスチャンバ１０２の上流に配置された注入インサートライナーアセンブリ１７０とを含む。動作時、流入するプロセスガス１１０は、ガスマニホールド１４０を通り、ガス導入口１０３からプロセスチャンバ１０２に流入する。そして、ガス１１０は、基板表面１１６上を流れ、基板表面１１６、またはその上に配置された前駆体と反応し、基板表面１１６上に膜を堆積させる。そして、ガス１１０は、プロセスチャンバ１０２から流出し、ガス排出ポート１０８から流出する。

【0018】

成膜された基板１０４は、プロセスチャンバ１０２内でサセプタ１２０により支持される。サセプタ１２０は、ＣＶＤシステム１００の垂直軸Ｘを中心に、シャフト１２２、サセプタ１２０、および基板１０４を回転させるための回転機構（図示せず）のモータに接続されたシャフト１２２に接続される。サセプタ１２０の外縁１２４と予熱リング１２６（基板１０４と接触する前に流入ガス１１０を加熱するためのもの）の内縁は、サセプタ１２０の回転を可能にするためのギャップによって分離されている。基板１０４を回転させることで、ウエハ最先端部に材料が過剰に堆積することを防ぎ、より均一なエピタキシャル層を提供する。

【0019】

流入ガス１１０は、基板１０４に接触する前に加熱される場合がある。予熱リング１２６とサセプタ１２０の両方は、プロセスチャンバ１０２の上下に配置され得る高強度放射加熱ランプ１２８によって生成される放射加熱光（例えば、赤外光）を吸収するために一般的に不透明である。高輝度ランプ１２８以外の機器、例えば抵抗加熱器や誘導加熱器などを用いて、プロセスチャンバ１０２に熱を供給することも可能である。予熱リング１２６およびサセプタ１２０を周囲温度以上の温度に維持することにより、ガス１１０が予熱リング１２６およびサセプタ１２０の上を通過する際に、予熱リング１２６およびサセプタ１２０は、流入するガス１１０に熱を伝達する。基板１０４の直径は、サセプタ１２０が基板１０４に接触する前に流入ガス１１０を加熱できるように、サセプタ１２０の直径より小さくてもよい。予熱リング１２６およびサセプタ１２０は、炭化ケイ素で被覆された不透明グラファイトで構成されてもよい。

【0020】

上下のチャンバ壁１３０、１３２は、プロセスチャンバ１０２の外周を規定し、ガス導入ポート１０６およびガス排出ポート１０８に接触する。

【0021】

ＣＶＤシステム１００は、ガス１１０とチャンバ壁１３０、１３２（これらは典型的にはステンレス鋼などの金属材料から製造される）との間の反応を防止するために、プロセスチャンバ内に配置された上部ライナ１３４および下部ライナ１３６を含むことがある。ライナ１３４、１３６は、石英などの好適な非反応性材料から作製できる。

【0022】

上部ウインドウ１１２および下部ウインドウ１１４はそれぞれ、石英などの透明材料からなる概ね環状の本体１４２からなり、放射加熱光をプロセスチャンバ１０２内に通過させて予熱リング１２６、サセプタ１２０、および基板１０４に照射することができるようにする。ウインドウ１１２、１１４は、平面であってもよいし、図１に示すように、ウインドウ１１２、１１４は、概ねドーム状の構成および／または内側に凹んだ構成を有してもよい。特に、図１に示す実施形態を参照すると、下部ウインドウ１１４は概ねドーム状の構成を有し、上部ウインドウは内側に凹んだ構成を有する。上部ウインドウ１１２および下部ウインドウ１１４はそれぞれ、プロセスチャンバ１０２の上部チャンバ壁１３０および下部チャンバ壁１３２に結合または接続（本明細書では交換可能に用いられる用語）される。特に、上部ウインドウ１１２は、上部チャンバ壁１３０に取り付けられたリム１３８、またはより広義にはフレームを含む。あるいは、上部ウインドウ１１２は、リム１３８を含まず、上部ウインドウ１１２が本明細書に記載されるように機能することを可能にする任意の方法で上部チャンバ壁１３０に結合され得る。

【0023】

上部ウインドウ１１２は、リム１３８に取り付けられ、または任意に接続され、上部ウインドウ１１２の上部凹面１４４と下部凸面１４６との間に延びる、透明体１４２をさらに含む。上面１４４および下面１４６は、それぞれリム１３８の内部に外接する。上面１４４は、基板１０４から離れる方向を向いている。下面１４６は、基板１０４に面するように配向される。図１に示すように、上面１４４は、下面１４６に対応して実質的に湾曲している。あるいは、上部凹面１４４は、上部ウインドウ１１２が本明細書に記載されるように機能することを可能にする任意の方法で成形される。例えば、限定するものではないが、いくつかの代わりの実施形態では、上面１４４は、概ね平面および／またはドーム形状の構成を有できる。

【0024】

上部ウインドウ１１２の下面１４６とサセプタ１２０は、その間に、全体が１４７で示される長手方向のギャップを規定できる。ギャップ１４７は、基板がサセプタ内に配置されたときに、ガス導入口１０３から入ってくるガス１１０を、基板表面１１６に沿ってガス排出口１０５に導く大きさである。例示的な実施形態では、ギャップ１４７は、その最も狭い点で約２０ミリメートルである。他の実施形態では、ギャップは、ＣＶＤシステムが本明細書に記載のように動作することを可能にする任意のサイズである。以下により詳細に説明するように、下面１４６は、ＣＶＤシステムの動作中にプロセスガス１１０を基板上に導き、基板１０４上に実質的に均一な蒸着を提供するように形成されている。

【0025】

図２は、ＣＶＤシステム１００の一部を拡大した図であり、図３は、上部ウインドウ１１２の底面図である。図４は、図２に示す上部ウインドウ１１２の一部の拡大断面図である。ここで、ＣＶＤシステム１００の一部が図示のために除去されている図２を参照すると、上部ウインドウ１１２の形状がより詳細に示されている。上部ウインドウ１１２の寸法は、図２において縮尺通りに描かれておらず、より詳細には、上部ウインドウ１１２の曲率は、説明の目的のために誇張されていることが理解されるであろう。

【0026】

図２に示すように、下面１４６は、全体が１４８で示される最下点を規定する。特に、本明細書で説明するように、下面１４６の最下点１４８は、下面１４６と基板表面１１６との間に規定されるギャップ１４７が最も狭くなっている点である。例えば、図２に示すように、最下点１４８は、基板１０４からＧ１で示されるギャップ距離だけ離間している。図３に示すように、下面１４６の最下点１４８は、下面１４６の射線中心、より一般的には、上部ウインドウ１１２の射線中心に配置されることもある。あるいは、上部ウインドウ１１２は、上部ウインドウ１１２の最下点が上部ウインドウ１１２の射線中心から間隔をあけて配置されるような形状であってよい。さらに、図２に示すように、最下点１４８は、基板１０４の半径方向の中心と垂直に整列している場合がある。

【0027】

上部ウインドウ１１２の下面１４６は、半径方向の外周面１５０と、外周面１５０内に周設された半径方向の内周面１５２とを含む。より具体的には、図２の実施形態に示すように、外周面１５０は、リム１３８から内周面１５２まで、Ｒ_１で示す第１の半径方向距離を半径方向内側に延びる。外周面１５０は、外周面がまた、リム１３８から内周面１５２まで、全体がＨ_１で示される高さを延びるように、湾曲している。より具体的には、例示的な実施形態では、下面１４６の外周面１５０は、リム１３８と内周面１５２の間で一定の曲率を有する。あるいは、外周面１５０は、互いに変化した曲率を有する複数の面を含むことができる。

【0028】

下面１４６の内周面１５２は、外周面１５０と上面ウインドウ１１２の最下点１４８との間で、Ｒ_２で示される、最下点１４８（例示の実施形態では上面ウインドウの「射線中心（radial center）」でもある）に接する平面内で第２の半径方向距離を延びる。内周面１５２の半径Ｒ_２は、５ミリメートルから２００ミリメートルの間、２５ミリメートルから１２５ミリメートルの間、５０ミリメートルから１００ミリメートルの間、または７０ミリメートルから９０ミリメートルの間でもよい。図２の実施形態では、内周面１５２の半径Ｒ_２は約７５ミリメートルである。内周面１５２は、また、外周面１５０と上部ウインドウ１１２の最下点１４８（すなわち、射線中心）との間のＨ_２で示される高さを延びるように、湾曲していてもよい。図２の実施形態に示すように、内周面１５２は、外周面１５０から最下点１４８まで、および最下点１４８から外周面１５０の直径方向に対向する部分まで一定の曲率を有する。あるいは、内周面１５２は、互いに変化した曲率を有する複数の面を含むことができる。

【0029】

下面１４６は、リム１３８から最下点１４８までＨ_３で示される全体の高さで延びている。より具体的には、図２に示す実施形態では、全体の高さＨ_３は、外周面１５０の高さＨ_１と内周面１５２の高さＨ_２との和に等しい。全体の高さＨ_３は、６ミリメートルから２０ミリメートル、８ミリメートルから１６ミリメートル、または９ミリメートルから１２ミリメートルの間であってもよい。図２の実施形態では、下面１４６の全体の高さＨ_３は、約１０ミリメートルである。

【0030】

図２および図４に示すように、例示的な実施形態では、外周面１５０は、内周面１５２が外周面１５０よりも大きな曲率半径を有するように、内周面１５２よりも大きな曲率を有する。その結果、図３および図４に示すように、下面１４６は、内周面１５２と外周面１５０との交点において、下面１４６の周方向に延びる曲線境界１４９を規定する。外周面１５０は、内周面１５２の曲率半径の少なくとも２倍である曲率半径を有することができる。外周面１５０の曲率半径は、好適には、７００ミリメートルから１，５００ミリメートル、８００ミリメートルから１，４００ミリメートル、または９００ミリメートルから１，３００ミリメートルとする。図２に示す実施形態では、外周面１５０の曲率半径は１，２６０ミリメートルである。内周面１５２の曲率半径は、好適には、３，０００ミリメートルから１３，０００ミリメートル、６，０００ミリメートルから１０，０００ミリメートル、または７，０００ミリメートルから９，０００ミリメートルとする。図２に示す実施形態では、内周面１５２の曲率半径は、８０００ミリメートルである。内周面１５２の曲率半径と外周面１５０の曲率半径との比は、好適には、１００：から１．１：１、２０：から２：１、１３：から４：１、または１０：１から５：１である。図２に示す実施形態では、内周面１５２の曲率半径と外周面１５０の曲率半径の比は約６：１である。

【0031】

上部ウインドウ１１２は、外周面１５０の少なくとも一部と内周面１５２の少なくとも一部が、基板表面１１６を垂直に覆う（すなわち、垂直に整列する）ような大きさが好ましい。特に、基板１０４の半径と内周面１５２の半径Ｒ_２との比は、４：から５：１、３：１から１：１、または２．５：１から１．５：１である。図２に示す実施形態では、基板１０４の半径と内周面１５２の半径Ｒ_２との比は、約２：１である。より具体的には、内周面１５２の半径Ｒ_２は約７５ミリメートルであり、基板１０４の半径は約１５０ミリメートルである。一つの代わりの実施形態では、内周面１５２の半径Ｒ_２は約１００ミリメートルであり、基板１０４の半径は約１５０ミリメートルである。代わりの実施形態では、上部ウインドウ１１２は、外周面１５０が基板１０４から半径方向に間隔をあけられ、内周面１５２のみが基板表面１１６を垂直に覆うような大きさにできる。

【0032】

動作時、ガス１１０は、選択された流量でガス導入ポートからＣＶＤシステム１００に導入される。その後、ガスは、下面１４６とサセプタ１２０および／または基板１０４との間に規定されるエアギャップ１４７に流入し得る。より具体的には、ガスの少なくとも一部は、下面１４６の外周面１５０に沿って、内周面１５２に流れることがある。そして、ガス１１０は、内周面と基板１０４との間のギャップ１４７の狭い部分に流入できる。外周面１５０および内周面１５２の構成に少なくとも部分的に起因して、ギャップ１４７は、基板１０４の中心で狭い場合がある一方、内周面１５２の曲率は、少なくともいくつかの従来の上部ウインドウと比較して比較的小さい場合（すなわち、内周面１５２の曲率半径は比較的大きい場合）がある。基板１０４の中心に近接する上部ウインドウ１１２の比較的小さな曲率との組み合わせで、基板の中心における狭いギャップ１４７は、基板１０４の中心の周りに層状のガス流を提供することを容易にし、基板１０４の中心を取り巻くエピタキシャル堆積における「ディップ」または凹みの形成を防止する。

【0033】

実施例
本開示のＣＶＤシステムのためのウインドウは、以下の実施例によってさらに説明される。これらの例は、限定的な意味で捉えられるべきものではない。

【0034】

例１：厚みプロファイルのばらつき
第１の例では、異なる下面を持つ異なる上部ウインドウについて、基板上のエピタキシ堆積の厚みプロファイルを測定した。特に、大曲率ウインドウ、小曲率ウインドウ、および２重曲率の下面を持つ２つのウインドウについてＣＶＤシステムでテストした。具体的には、各ウインドウをＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＥＰＩ Ｃｅｎｔｕｒａ ３００システムでテストした。ＣＶＤシステムを制御して、直径３００ｍｍの円筒形の基板にエピタキシ膜を成膜した。特に、ＣＶＤシステムは、各テストウインドウにおいて、約１．４μｍ／分（ミクロン／分）の成長速度で基板上に膜を堆積させるように制御した。厚み変化値は、基板の半径方向範囲における最大厚みと最小厚みの差を求めることで測定した。例えば、基板の半径範囲は、－１００ミリメートルから－５０ミリメートル、－５０ミリメートルから０ミリメートル、０ミリメートルから５０ミリメートル、５０ミリメートルから１００ミリメートルがあり、０ミリメートルの位置が基板の半径方向の中心を表していた。各テストの代表的なディップ値は、各基板径範囲での厚み変化値を平均して算出した。

【0035】

以下に示す表１に示すように、大曲率ウインドウは、３，５５６ミリメートルの単一の曲率半径を有する下面を有し、小曲率ウインドウは、８，０７０ミリメートルの単一の曲率半径を有する下面を有し、第１の２重曲率ウインドウは、１，２６０ミリメートルの曲率半径を有する外周面および８０００ミリメートルの曲率半径を有する内周面を有する下面を有した。第２の２重曲面ウインドウは、９１０ミリメートルの曲率半径を有する外周面および８，００００ミリメートルの曲率半径を有する内周面を有する下面を有した。第１の２重曲面ウインドウの内周面は半径７５ミリメートル、第２の２重曲面ウインドウの内周面は半径１００ミリメートルであった。

【0036】

大曲率ウインドウは、大曲率ウインドウと基板との間のギャップ（例えば、図１に関して上述したギャップ１４７と同様）が、最も狭いところで約２３ミリメートルとなるようにＣＶＤシステム内に配置した。言い換えれば、上部ウインドウの最下点（例えば、図２および図３に関して上述した点１４８と同様）と基板との間の距離は、約２３ミリメートルであった。第１の２重曲率ウインドウと第２の２重曲率ウインドウは、実質的に大曲率と同じ位置に配置された。２重曲率ウインドウは外周面の曲率が大きいため、基板と２重曲率ウインドウのギャップは最も狭いところで約２０ミリメートルであった。また、曲率の小さいウインドウは、基板とウインドウのギャップが最も狭いところで約２０ミリになるように配置した。

【0037】

表１：エピタキシプロファイルテストウインドウ１－４

【0038】

上記で提供した表１に示すように、第１の２重曲率ウインドウおよび第２の２重曲率ウインドウのそれぞれは、大曲率ウインドウおよび小曲率ウインドウの両方よりも低い相対的な厚さの変動（すなわち、厚さの均一性の改善）をもたらす。さらに、第１の２重曲率ウインドウと第２の２重曲率ウインドウのそれぞれは、大曲率ウインドウよりも小さな典型的なディップをもたらした。蒸着層の「相対的な層厚のばらつき」は、最大層厚と最小層厚の差を測定し、この差を平均層厚で割ることにより求める。その結果得られた数値に１００を乗じることで、パーセンテージが算出される。この割合が、本明細書で開示する「相対的な層厚のばらつき」である。

【0039】

図５～８は、各テストウインドウの基板表面に堆積したエピタキシの厚みプロファイルの測定値を示すグラフである。グラフのＹ軸は、基板表面に堆積したエピタキシの厚みをナノメートル単位で表し、ゼロは基板上で測定された最も低い厚みに調整されている。グラフのＸ軸は、基板の半径方向中心からの距離を示している。より具体的には、図５は、表１に関して説明した、大曲率ウインドウで行われた上述のテストからの測定された厚さプロファイル４０２を示す。図６は、小曲率ウインドウに対して行われた上述のテストによる測定された厚さプロファイル５０２を示す。図７は、７５ミリメートルの内周面半径を有する、第１の２重曲率ウインドウに対して行われた上述のテストからの測定された厚さプロファイル６０２を示す。図８は、１００ミリメートルの内周面半径を有する第２の２重曲率ウインドウに対して行われた上述のテストからの測定厚さプロファイル７０２を示す。

【0040】

図５に示すように、曲率ウインドウが大きいため、基板中心から半径方向距離の３分の１付近（すなわち、基板中心から±５０ミリメータの位置）でエピタキシ厚みプロファイルに大きなディップ４０４が生じた。さらに、図６に示すように、基板の±５０ミリメートル部分の周囲のディップ５０４は、曲率の大きいウインドウに比べて、曲率の小さいウインドウの方が顕著ではなかった。しかしながら、小曲率ウインドウでは、基板上の－１５０ミリメートルから－１２５ミリメートルの範囲と、１２５ミリメートルから１５０ミリメートルの範囲で、高いエッジ上昇５０６が発生した。

【0041】

図７、８を参照すると、第１の２重曲率ウインドウおよび第２の２重曲率ウインドウの両方を用いて基板上に堆積したエピタキシは、大曲率ウインドウと比較して、±５０ミリメートル半径の範囲のディップ６０４、７０４が減少した。さらに、基板表面に堆積したエピタキシは、曲率の小さいウインドウと比較して、－１５０ミリメートルから－１２５ミリメートルの範囲と、１２５ミリメートルから１５０ミリメートルの範囲との間のエッジ上昇６０６、７０６が減少した。その結果、上述の表１に示すように、２重曲率ウインドウはそれぞれ、大曲率上部ウインドウおよび小曲率上部ウインドウに比べ、相対的な厚み変動が小さいエピタキシャル成膜プロファイルとなった。

【0042】

例２：成長速度の比較
第２の例では、テストウインドウを使用して、ＣＶＤシステムを異なる流量で動作させた場合の影響を測定した。各テストにおいて、プロセスチャンバの温度は１１００℃に保たれた。

【0043】

最初のテストでは、大曲率ウインドウ、小曲率ウインドウ、および第１の２重曲率上部ウインドウをそれぞれＣＶＤシステムでテストし、トリクロロシラン－水素混合物を８．５標準リットル／分の流量でＣＶＤシステム内に導入した。エピタキシ膜の平均膜厚と成膜時間を測定し、１分あたりの成長速度をミクロン単位で求めた。テスト結果は以下の表２に記載されている。

【0044】

表２：流量８．５ｓｌｍでの成長速度比較

【0045】

上記で提供した表２に示すように、第１の２重曲率ウインドウは、大曲率ウインドウに比べて成長速度が増加する結果となった。

【0046】

第２のテストでは、第１の２重曲率ウインドウと第２の２重曲率ウインドウをそれぞれＣＶＤシステムでテストし、トリクロロシラン－水素混合物を７．６標準リットル／分の流速でＣＶＤシステムに導入した。エピタキシ膜の平均膜厚と成膜時間を測定し、１分あたりの成長速度をミクロン単位で求めた。テスト結果は以下の表３に記載されている。

【0047】

表３：流量７．６ｓｌｍでの成長速度比較

【0048】

上記で提供した表３に示すように、第２の２重曲率ウインドウは、第１の２重曲率ウインドウと比較して、成長速度が向上した。さらに、７．６標準リットル／分の流量で使用した最初の２重曲率ウインドウの成長速度は、最初のテストで測定された８．５標準リットル／分に増加した流量で動作する大曲率ウインドウの結果としての成長速度とほぼ同じであった。

【0049】

本明細書に記載の上部ウインドウを含むＣＶＤシステムでは、従来のＣＶＤシステムと比較して、基板表面にわたるガス流分布の均一性を、異なるガス流速にわたって維持できる。例えば、トリクロロシラン－水素混合物などのプロセスガスを、少なくとも約５標準リットル／分、少なくとも約１０標準リットル／分、さらには少なくとも約１５標準リットル／分の流量でＣＶＤシステムに導入し、基板表面全体で約４％未満、基板表面全体で約２％未満、さらには基板表面全体で約１％未満の相対的な層厚のばらつきを維持できる。水素などのキャリアガスは、基板表面全体で約４％未満、基板表面全体で約２％未満、あるいは基板表面全体で約１％未満の相対的な層厚のばらつきを維持しながら、少なくとも約７０標準リットル／分、少なくとも約８０標準リットル／分、あるいは少なくとも約９０標準リットル／分などの高い流速で導入することもできる。ガス流速を上げても基板表面のガス流分布の均一性を維持できるため、層厚の均一性を維持したまま、基板上に所定の膜や層を堆積させる速度を上げることができる。例えば、エピタキシャル層は、少なくとも約１５０ミリメートル、少なくとも約２００ミリメートル、少なくとも約３００ミリメートルの直径を有するシリコンウエハ上に、ウエハの直径にわたって約４％未満、ウエハの直径にわたって約２％未満、あるいはウエハの直径にわたって約１％未満の相対な層厚のばらつきを維持しながら堆積できる。

【0050】

本明細書において、「標準リットル」という用語は、０℃、１０１．３ｋＰａ（１０１３ミリバール）における参照ガスの１リットルを意味する。

【0051】

説明した実施例は、シリコンウエハなどの半導体ウエハの処理に適しているが、他の用途に使用することもできる。実施例の中には、水素、トリクロロシラン、ジボランを含むガス混合物を用いた大気圧シリコンオンシリコン化学気相堆積法での使用に特に適しているものがある。また、トリクロロシラン以外のシリコン前駆体も使用でき、ジクロロシラン、シラン、トリシラン、テトラクロロシラン、メチルシラン、ペンタシラン、ネオペンタシランなどの高次シラン前駆体が挙げられる。また、シリコン前駆体以外の前駆体も使用でき、ゲルマン、ダイゲルマンなどのゲルマニウム前駆体を使用できる。ジボラン以外のドーパントガス種を用いてもよく、ホスフィン、アルシンが挙げられる。また、説明した実施例は、減圧エピタキシ（例えば、約１０Ｔｏｒｒと約７５０Ｔｏｒｒの間の圧力）、シリコン－ゲルマニウムエピタキシ、炭素ドープシリコンエピタキシ、および非エピタキシャル化学気相堆積などの、大気圧シリコンオンシリコンエピタキシ以外のプロセスで使用できる。また、本実施例は、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、インジウムリン、炭化ケイ素を有するウエハなど、シリコンウエハ以外のウエハの処理にも使用できる。

【0052】

上述のように、本開示の上部ウインドウを含むプロセスチャンバは、既知のプロセスチャンバに対する改良を提供する。本開示の上部ウインドウは、異なる曲率を有する２つの面を含み、動作中にプロセス流を方向付けて、基板を横切るプロセスガスの層流を提供することを容易にする。その結果、基板表面におけるガス流分布の均一性を向上させることができる。より具体的には、本開示の上部ウインドウを含むＣＶＤシステムは、いくつかの従来のＣＶＤシステムに対して、以下の利点：１）基板上のエピタキシャルディップの低減、２）基板外周付近の基板上のエピタキシャル上昇の低減、３）基板へのエピタキシャル成長の処理時間の短縮、４）半導体ウエハの寿命の向上、を提供する。

【0053】

本開示の要素またはその実施形態を紹介する場合、冠詞「１つ（ａ）」、「１つ（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」、および「該（ｓａｉｄ）」は、その要素が１つ以上あることを意味することが意図されている。用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包括的であることを意図しており、記載された要素以外の追加の要素が存在する可能性があることを意味する。

【0054】

本開示の範囲から逸脱することなく、上述の構造および方法において様々な変更がなされ得るので、上記説明に含まれ、添付の図面に示されるすべての事項は、例示的なものとして解釈され、限定的な意味ではないことが意図される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】