JP2007043205A - Ｃｖｄチャンバのクリーニング方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】不純物汚染を無くし、生産性を向上させる現場プラズマクリーニングを備えたプラズマCVD装置及び方法を与える。
【解決手段】遠隔プラズマ放電チャンバを通じて与えられるクリーニングガスを使って化学気相成長(CVD)反応チャンバをクリーニングするための方法は、1500Wから3000Wで300kHzから500kHzの高周波エネルギーを印加することによって遠隔プラズマ放電チャンバ内のクリーニングガスを解離する工程と、配管を通じて遠隔プラズマ放電チャンバから反応チャンバへ0.5slmから1.5slmの流量で活性種を供給する工程と、から成る。
【選択図】図１

Description

本発明は、セルフクリーニング装置を具備したCVD（化学気相成長）装置に関する。特に、発明は遠隔的に生成された活性種を使ってデポジションチャンバの内側を清浄にする方法に関する。
従来CVD装置は酸化珪素、窒化珪素、アモルファスカーボン若しくはベンゼン環を含むポリマーのような絶縁膜、タングステンシリサイド、窒化チタン若しくはアルミニウム合金のような導体膜、及びPZT(PbZr1-xTixO3)若しくはBST(BaxSr1-xTiO3)を含む高誘電膜をシリコン基板若しくはガラス基板上に形成するのに使用されてきた。
これらの膜を形成するために、さまざまな成分を有する反応ガス若しくは第２反応ガスがデポジションチャンバ内に供給される。これらのガスはプラズマエネルギーを受け取ることによって化学反応を生じさせ、所望の薄膜が半導体基板上に形成される。反応チャンバ内で、化学反応によって同様に生成された薄膜はその内壁及びウエハ支持体の表面に付着する。これらの付着物質は薄膜形成が繰り返されるごとに徐々に蓄積される。その後、内壁及び支持体表面から剥がれて、これらの付着物質はしばしば反応チャンバ内を浮遊する。これは製造された半導体回路に欠陥をもたらす不純物汚染を引き起こす。
反応チャンバの内壁に付着している汚染物を除去するために、反応チャンバが動作中にその内部を清浄にする現場(in situ)クリーニングが有効である。この方法は、付着物質のタイプに従って選択されるクリーニングガスを半導体チャンバ内に送り、付着物質を気体材料に分解することによって付着物質を除去するものである。例えば、もし酸化珪素若しくは窒化珪素またはタングステン若しくはその窒化物若しくは珪化物が付着していれば、CF4,C2F6,C3F8,またはNF3がクリーニングガスとして使用される。この場合、フッ素原子の活性種（フッ素ラジカル）若しくはフッ素含有活性種は反応チャンバ内壁に付着する物質を分解し、不純物は気相中で除去される。
プラズマCVD装置の場合において、膜形成用に使用されるプラズマ励起装置はまたクリーニングガスの活性にも使用されるため、クリーニングガスに印加される高無線周波数(RF)電力によって大きなイオン衝撃が電極間で生じる。結果として、電極の表面はダメージを受け、表面層ははげて不純物汚染を引き起こしてしまう。破損した部品は周期的に交換する必要があり、そのため運転コストが増加する。
イオン衝撃によって引き起こされるこれらの欠点を解決するために、遠隔プラズマクリーニングが開発された。ここに参考文献として組み込む1998年8月4日に発行された米国特許第5,788,778号及び1998年12月1日に発行された米国特許第5,844,195号において、NF3がクリーニングガスとして使用され、反応チャンバと異なりそれから離れた第２プラズマ放電チャンバ内でNF3を活性化させるプラズマ励起がマイクロ波を使って実行されるところの方法が開示されている。
米国特許第5,788,778号 米国特許第5,844,195号
この方法にしたがって、流量制御されたNF3は第２プラズマ放電チャンバ内に導入され、それは導波管を通じてマイクロ波オシレータからプラズマ放電チャンバに供給される2.45GHzのマイクロ波によって解離されかつ活性化され、フッ素活性種が生成される。このとき、マイクロ波プラズマ放電を有効に達成するために、圧力を調整するよう第２プラズマ反応チャンバと反応チャンバとの間にはバルブが設けられ、また第２プラズマ反応チャンバは指定された圧力に維持される。生成されたフッ素活性種は導管を通じてデポジションチャンバ内に導入され、それは反応チャンバの内壁上に付着した物質を分解しかつ除去する。
ここに参考文献として組込む1998年8月4日に発行された米国特許第5,788,799号において、反応チャンバ内にフッ素活性種を導入する導管として、ステンレススチールよりアルミニウムが好適であり、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)のようなテフロン（登録商標）材料が最も好適であると開示されている。
ここに参考文献として組み込む1998年12月1日発行の米国特許第5,884,195号において、第２プラズマ放電チャンバ内のクリーニングガスの反応に関して、クリーニングガスは反応チャンバ内の無線周波数電力及び真電気放電を使ってさらに補足的に活性化され、不所望な粒子を除去するべく第２反応チャンバと反応チャンバとの間にフィルタが設けられることが開示されている。この技術は米国特許第5,788,799号の教示にも反映されている。
上記遠隔プラズマクリーニング法はイオン衝撃によって引き起こされる問題を緩和したが、これらの方法には改良すべき点が残っている。
本発明のさまざまな実施例の中で、ひとつの実施例はダメージに強い材料から成る遠隔プラズマ放電チャンバを与え、同時にイオン衝撃のない反応チャンバクリーニングを与えるものである。
本発明の他の実施例は、遠隔プラズマ放電チャンバにおいてプラズマ点火が容易かつ信頼できるところのCVD装置を与えるものである。
本発明のさらに他の実施例は、活性化クリーニングガスの供給が停止された後管内に残留したガスを迅速に排気するCVD装置を与えるものである。
さらに本発明の他の実施例は、遠隔プラズマ放電チャンバ内で活性化されたフッ素種の量を維持することによって反応チャンバへクリーニングガスを供給するプラズマCVD装置を与えるものである。
すなわち、本発明に従うプラズマCVD装置は以下の実施例を含む。
好適実施例のCVD装置は、反応チャンバ、該反応チャンバから離れて与えられる遠隔プラズマ放電チャンバ、及び反応チャンバを遠隔プラズマ放電チャンバに連結する配管から成る。遠隔プラズマ放電チャンバはプラズマ放電エネルギーによってクリーニングガスを活性化する。活性化されたクリーニングガスは配管を通じて反応チャンバの内部に導入され、膜形成の結果として反応チャンバの内側に付着した固体物質を気体物質に変化させ、それによって反応チャンバの内側をクリーニングする。装置は以下の少なくともひとつによって特長付けられる。
(a)遠隔プラズマ放電チャンバは予め選択された周波数の無線周波数発振出力エネルギーを使って活性種を生成し、(b)配管は活性種によって侵食されない材料から成り、(c)該配管はスルーフロータイプのバルブを具備する。
ひとつの実施例において、装置はさらに被処理体を支持するための反応チャンバ内に与えられた支持体、及び反応チャンバ内で該支持体に面して配置されたガス放出プレートから成る。該プレートは被処理体上へ膜を形成するべく被処理体へ反応ガスを均一に供給し、活性化されたクリーニングガスはガス放出プレートに与えられた穴から反応チャンバ内に配管を通じて供給される。
上記(a)に関して、実施例では、予め選択された周波数は300kHz〜500kHzである。実施例において、活性種はフッ素活性種である。上記(b)に関して、実施例では、配管の内面はフッ素不動態化されたステンレススチール、アルミニウム若しくはアルミニウム合金から成る。上記(c)に関して、実施例では、全開時にバルブの開口サイズは実質的に配管の内径に等しく、かつ全開時にバルブは配管の内面に関して突起部を有しない。すなわち、バルブは、全開時にバルブを横切る圧力低下が好適には約0.25Torrより小さく（若しくは入口圧力の約5％以下）、より好適には約0.1Torrより小さく（若しくは入口圧力の約1％以下）、最も好適には実質的に圧力の損失が生じないような開口を有する。上記において、好適には配管はバルブの付近で直線である。最も好適には、これら３つのすべての特長が効果的なセルフクリーニングCVDリアクタを製造するために組み合わされる。
(a)の結果として、以下の利点が実現される。例えば、無線周波数（例えば400kHz）発振出力の使用により陽極酸化されたアルミニウム合金から遠隔プラズマ放電チャンバを製造することができる。したがって、従来のマイクロ波出力が使用される際に要求される、サファイア若しくは石英を使用する必要がない。処理中のダメージの危険及びフッ素活性種消費の問題はそれによって減少される。加えて、クリーニング時のイオン衝撃による電極のダメージ及び電極表面の劣化はうまく防止される。さらに、複雑なチューニング回路が不要であり、遠隔プラズマ放電チャンバの小型化及び低コスト化が実現される。さらにまた、粉末状のフッ化アルミニウムが電極表面に吸着するところの現象が減少するか若しくは除かれ及び装置メンテナンスのための装置停止時間がかなり短縮される。結果として、生産性は改善される。
(b)の結果として、以下の利点が実現される。PFAのような樹脂材料の替わりに配管及びバルブの内側面に対してフッ素活性種に不活性な材料を使用することで配管若しくはバルブの内側面へのフッ素活性種若しくはフッ素ガスの吸着は除かれる。したがって、クリーニングが完了した後に配管及びバルブの内側面から放出されるフッ素活性種若しくはフッ化ガスの発生及び遠隔プラズマ放電チャンバ内の残留は減少するか若しくは除去される。したがって、プラズマ点火失敗の発生は制御され得る。さらに、フッ素含有ガスの供給が停止されると、フッ素活性種は配管及び遠隔プラズマ放電チャンバからすぐに放出される。フッ素吸着の減少は反応チャンバに導入されるフッ素活性種の量を増加し、それによって活性種の活性を維持しかつクリーニング効果を改善する。
(c)の結果として、以下の利点が実現される。大きな内径を有する直線方向の配管及び遠隔プラズマ放電チャンバと反応チャンバとの間の流れを制限しないバルブの使用によって、配管表面及びバルブ内構造物との衝突が減少したためフッ素活性種の非活性化（再結合）が減少される。したがって、遠隔プラズマ放電チャンバへ3,000W以下の無線周波数電力を印加することによって、２ミクロン/分以上の高速クリーニングが可能となる。さらに、衝突の減少はまたフッ素活性種が非活性化されるときに生成される熱エネルギーを最小化し、したがって配管及びバルブの過熱を減少させる。Oリング及びその他の部品への熱ダメージ及び粒子の結果的生成もまた減少され若しくは除去される。傷ついた部品の交換周期は減少し装置の運転コストは減少され同時に装置の生産性は向上する。
当業者は本発明の開示によって、各々の特長(a)、(b)及び(c)はそれ自身有利であるが、それらの組み合わせが有利な効果を互いに強化しあうということを容易に認識するものである。
従来の遠隔プラズマソース技術の問題
先に議論された従来の遠隔プラズマソース技術は以下の問題を引き起こす。
まず、マイクロ波プラズマを使用するために、サファイア及び石英のようなマイクロ波透過材料を使用して第２のプラズマ放電チャンバを製造する必要がある。そのような材料は特にプラズマ生成の熱応力の下で簡単に壊れやすく、また金属のコンジット若しくは配管との接続が難しい。また、石英はフッ素活性種によって簡単にエッチングされるため定期的にそれを交換する必要がある。サファイアはフッ素活性種によるエッチングに対して耐性があるが、サファイアは高価であり、したがって装置のコストを増加させる。
また、反応チャンバに結合する配管及び遠隔プラズマ放電チャンバに使用される材料に関して、以下の問題が生じる。
フッ素活性種を反応チャンバ内に導入する配管の内面は典型的にテフロン（登録商標）若しくはそれに類似した材料から作られる。しかし、テフロン（登録商標）はフッ化物及びNF3ガスを解離させる生成物を容易に吸着若しくは吸収する。配管の内面に吸収されたNF3ガスからの解離若しくは再結合プラズマ生成物は、クリーニングガスの供給が停止された後に配管の内面から解放される。それは配管の中に残り、その残留ガスは反応チャンバへ拡散する。反応チャンバが第２プラズマ放電チャンバから成るとき、解放されたガスはプラズマ放電の点火不良を引き起こす。さらにまた、薄膜形成用の反応ガスが残留ガスの残る領域内に流れると、化学反応が生じ、不所望の膜、粒子若しくは粉末が配管内に生成される。これらの生成物は配管内に蓄積し、後に反応チャンバ内に流れ、半導体基板表面に不純物汚染を引き起こす。これを防止するために、長時間の間ヘリウム若しくはアルゴンガスを使って配管の内部をパージすることによって残留ガスを除去することが可能である。しかし、この処理は半導体処理装置の生産性をかなり低下させる。
さらにまた、フッ素活性種を反応チャンバ内に導入する配管の内面がステンレススチール、アルミニウム、若しくはアルミニウム合金から作られるなら、配管内面とフッ素活性種との間の反応によってフッ化物が形成され、反応チャンバ内に導入されるフッ素活性種の量が減少する。結果として、反応チャンバのクリーニング時間は増加し装置の生産性は低下する。
反応チャンバに結合する配管及び遠隔プラズマ放電チャンバの構造若しくは機能に関して、以下の問題が生じる。
より速いクリーニング速度を実現するために、高電力マイクロ波エネルギーがプラズマを生成するのに使用される。しかし、そのように付勢されたプラズマによって遠隔プラズマチャンバは劣化し、下流の反応チャンバを汚染する粒子が生成される。これらの不所望な粒子を反応チャンバへ流すのを防止するためにデポジションチャンバと反応チャンバとの間にフィルタを設けることは、後で説明されるフッ素活性種の非活性化若しくは再結合のためにクリーニング速度を低下させる。したがって、クリーニング速度を速める第１の目的は否定される。
さらに、遠隔プラズマ放電チャンバ内で、フッ素活性種を生成するべく高効率でNF3を解離するために、遠隔プラズマ放電チャンバ内で約４〜２０Torrの圧力が要求される。この圧力を達成するために、圧力を調整するためのバルブが遠隔プラズマ放電チャンバと下流の反応チャンバとの間に設けられる。遠隔プラズマチャンバ内の圧力はバルブを部分的に開き流路内にある障害物を残したままにすることによって増加される。しかし、圧力を上げるためにバルブを使って流れを制限することは、フッ素活性種の不動態化及びプラズマバーニングのような別の不都合を作り出す。遠隔プラズマ放電チャンバ内で生成されたフッ素活性種は金属面に触れることで非活性化される。コンジットを通じて薄膜形成が実行される反応チャンバ内に導入されている間に、生成されたフッ素活性種は流路を狭めることで流れを制限するバルブに衝突することによって分子に戻るか、バルブ面と反応して非活性化される。結果として、フッ素活性種の量は減少する。同様に、もし第２プラズマ放電チャンバから反応チャンバへの配管が非常に長いか若しくは鋭角的に曲がっていれば、配管面と接触するより高い確率のために若しくは曲がった配管の角部分と衝突することによってフッ素活性種の量は減少する。減少したフッ素活性種は下流のデポジションチャンバ内でクリーニング速度を低下させ不十分なクリーニング生じさせる。
遠隔プラズマ放電チャンバ内で生成されたフッ素活性種は、金属面と接触して活性を失うとき大量の熱エネルギーを放射する。この熱エネルギーのために、接触面の温度は上昇する。第２プラズマ放電チャンバを反応チャンバへ結合する配管及び配管に設置されたバルブに対して、フッ素含有ゴム及び他の材料から成るOリングが外部環境から内側をシールするのに典型的に使用される。フッ素活性種との接触によって生じる上記過熱はOリングを破壊する。特に、圧力調整用の上記バルブ内でOリングが破壊される危険がある。もしOリングが破損すると、配管の気密性は維持されない。結果として、外部空気が反応チャンバ内に侵入するために不純物汚染が起こり、フッ素活性種のような人間に有害なガスの漏れが生じる。劣化したOリングは配管の中を流れ反応チャンバを含む半導体処理装置に対し内部汚染を引き起こす。また、もしバルブに対する軸シールのような配管内で可動部分に対して使用されるフッ素含有ゴム（例えばVITONまたはKarlez）が過熱されると、それは劣化し、その弾性を失い、部品の移動を妨害する。
破損した部品を周期的に交換する必要があるがこれは運転コストを増加させる。言うまでも無く、部品交換は装置の運転時間を減少させ生産性を低下させる。
一方、もし停止機能を有するバルブが遠隔プラズマ放電チャンバと下流の反応チャンバとの間に与えられなければ、反応チャンバ内で基板上に薄膜を形成する際使用される反応ガスはデポジションチャンバから遠隔プラズマ放電チャンバへ逆流若しくは拡散する。反応ガスは不完全な反応のため粉末状態で遠隔プラズマ放電チャンバ表面上に固体物質を形成する。もしこれらの粉末状の固体物質が膜形成時に反応チャンバ内に流入したら、粒子は基板を汚染する。さらに、遠隔プラズマ放電チャンバの内面に吸着された反応ガスは遠隔プラズマ放電チャンバ内のプラズマ放電に必要な点火電気ポテンシャルを上昇させ。もし、点火電気ポテンシャル値が遠隔プラズマ放電チャンバに対する設計値より高くなると、プラズマ放電が実行されない可能性がある。反応ガスの逆流及び拡散を防止するために、遠隔プラズマ放電チャンバは反応チャンバから好ましくシールすることができる。しかし、これは反応チャンバに到達するフッ素活性種の明白な減少を生じさせ、満足なクリーニング速度及び性能は得られない。
好適実施例のCVD装置の基本的構造
本発明に従うCVD装置は以下の実施例を含みかつ上記問題を解決する。
CVD装置は、反応チャンバ、反応チャンバから離れて与えられた（すなわち、遠隔プラズマソース）プラズマ放電チャンバ、及び反応チャンバと遠隔プラズマ放電チャンバを連結する配管から成る。遠隔プラズマ放電チャンバはプラズマ放電エネルギーによってクリーニングガスを活性化する。活性化されたクリーニングガスは配管を通じて反応チャンバの内部に導入され、膜形成の結果として反応チャンバの内側に付着した固体物質をエッチングし、それによって反応チャンバの内側をクリーニングする。装置は以下の少なくとも一つによって特長付けられる。
(a)遠隔プラズマ放電チャンバは予め選択された周波数の無線周波数発振出力エネルギーを使って活性種を生成し、(b)配管は活性種によって侵食されない材料から成り、(c)配管はスルーフロータイプのバルブを備える。
いくつかの実施例において、装置はさらに被処理体を支持する反応チャンバ内に与えられる支持体、被処理体上に膜を形成するべく被処理体に反応ガスを均一に供給するために反応チャンバ内で支持体に面した位置に与えられるガス放出プレートから成り、活性化されたクリーニングガスはガス放出プレート上に与えられた穴から反応チャンバ内へ配管を通って供給される。
他の実施例において、装置は冷壁リアクタを通過して流れる単一路、水平、層流用に形成される。装置はさらに、被処理体を支持しかつ透明チャンバ壁を通じて与えられる放射熱を吸収する反応チャンバ内に与えられるサセプタから成る。活性化されたクリーニングガスはサセプタの上流のチャンバ壁の入口を通じて供給される。
(a)、(b)及び(c)の各々は互いに独立に採用され得るが、例えば(a)及び(b)の組み合わせは以下の特長のいくつかを含む。
予め選択された周波数は約300kHz〜500kHzである。
活性種はフッ素活性種である。
配管の内側はフッ素不動態化されたステンレススチール、アルミニウム若しくはアルミニウム合金から成る。
CVD装置はクリーニングガスと別に反応チャンバ内に反応ガスを導入するガスコンジットを含む。
CVD装置は現場プラズマ生成用の構造を有するプラズマCVDとして形成される。
ガスコンジットの一端は反応チャンバと連結する。
ガスコンジットの一端は配管と連結する。
CVD装置は遠隔プラズマ放電チャンバと反応チャンバとの間の配管の所定の位置にバルブを有する。
該バルブの内側はフッ素不動態化アルミニウムから成る。
ガスコンジットの一端はバルブと反応チャンバとの間の所定の位置で配管と連結する。
例えば、(a)及び(c)の組み合わせは以下の特長を有する。
予め選択された周波数は300kHz〜500kHzである。
活性種はフッ素活性種である。
配管及びバルブは所定の温度で加熱される。
反応ガスを前記反応チャンバ内に導入するためのガスコンジットが含まれる。
ガスコンジットの一端は反応チャンバと連結する。
ガスコンジットの一端は配管と連結する。
(a)、(b)及び(c)の組み合わせは有利な効果を強化するのに使用される。その特長の利点は上述された。
実施例１
主たる構造
第１の実施例は図１を参照して説明される。
図１はこの実施例に従うプラズマCVD装置の断面略示図である。半導体ウエハ9若しくは他の基板上に薄膜を形成するために使用されるプラズマCVD装置1は反応チャンバ2、半導体ウエハ9を支持するための反応チャンバ内に与えられる支持体3、支持体3に面して配置されかつ半導体ウエハ9上に反応ガスを均一に噴射するのに使用されるシャワーヘッド4、反応チャンバ2から反応ガス及び副生成物を排気するための出口20、及び遠隔プラズマ放電チャンバ13から成る。遠隔プラズマ放電チャンバ13は反応チャンバ2から離れて配置され、配管14及びバルブ15を介してシャワーヘッド4に連結する。遠隔プラズマ放電チャンバ13は、それが指定された周波数の高周波数発振出力エネルギーを使って活性種を生成し、配管14が該活性種によって侵食されない材料から作られるところの特長を有する。
反応チャンバ2の一方で、開口19が形成され、反応チャンバ2はゲートバルブ18を通じて半導体ウエハ若しくは他の基板を搬入し及び搬出するのに転送チャンバ（図示せず）と結合される。
反応チャンバ2内に与えられ、半導体ウエハ9を載置するために使用される支持体3は、陽極酸化アルミニウム若しくはアルミニウム合金から成り、プラズマ放電の電極の一方を構成するべく接地27される。したがって図示された実施例の反応チャンバ2は現場（チャンバ内）プラズマ生成用に形成されたプラズマCVDチャンバである。図示された支持体3の内部に、リング状加熱エレメント26が埋め込まれ、半導体ウエハの温度は温度制御器（図示せず）を使って所定の温度に制御される。支持体3は支持ピストン29を通じて上下に支持体3を移動する駆動機構25に結合される。
反応チャンバ2内でシャワーヘッド4は支持体3に面した位置に与えられる。シャワーヘッド4において、反応ガスを半導体ウエハ9上に噴射するべく数千の細孔が与えられる。シャワーヘッド4はマッチング回路10を介して高周波発振機8に電気的に結合され、もう一つのプラズマ放電の電極を構成する。薄膜形成用に使用される反応ガスをシャワーヘッドから導入するために、反応ガスコンジット11は配管14に結合される。ガスコンジット11の数は１つに限定されない。反応ガスのタイプに従って、必要数のガスコンジットが取り付けられる。ガスコンジット11の一端は反応ガスを流入させるためのガス入口ポート5を構成し、また他端はシャワーヘッドへガスが流出するための反応ガス出口ポート7を構成する。反応ガスコンジット11の中央に、質量流量制御器（図示せず）及びバルブ6が配置される。
反応チャンバ2の側壁には、出口20が与えられる。該出口20は配管17を通じて真空排気ポンプ（図示せず）に結合される。出口20と真空ポンプとの間に、コンダクタンス制御バルブ21が反応チャンバ2内の圧力を調整するために与えられる。コンダクタンス制御バルブ21は外部調整器28に電気的に接続されている。
付加的に、圧力計28aが好適に反応チャンバ2内の圧力を計測するために与えられる。この圧力計28aは調整器28に電気的に接続されている。
遠隔プラズマ放電チャンバ
この実施例に従って遠隔プラズマ放電チャンバ13が反応チャンバ2から離れて与えられる。遠隔プラズマ放電チャンバ13は陽極酸化されたアルミニウム合金から成る。遠隔プラズマ放電チャンバ13は配管14を通じて反応チャンバ内でシャワーヘッド4に連結される。配管14の中央に、バルブ15が与えられる。好適には配管14の内面はフッ素不動態化ステンレススチールから成るが、フッ素不動態化アルミニウム若しくはアルミニウム合金が使用されてもよい。同様に、バルブ15の内面もフッ素不動態化アルミニウム合金から成る。配管14の一端はクリーニングガスを流入させるためのクリーニングガス入口ポート12を構成し、また他端はクリーニングガスをシャワーヘッド4に導入するためのクリーニングガス出口ポート16を構成する。
クリーニングガス入口ポート12から流入するクリーニングガスとして、窒素フッ化物、炭素フッ化物及び塩素フッ化物のようなフッ素含有ガス、窒素若しくは炭素フッ化物の混合ガス、または上記ガスと酸素、窒素若しくは不活性ガスの混合ガスが使用される。特定的に、NF3、ClF3、CF4、C2F6、C3F8と酸素の混合ガス、NF3と窒素の混合ガス、NF3と希ガスとの混合ガスが使用される。希ガスとして、ヘリウム、アルゴン、ネオン、キセノン若しくはクリプトンが使用される。
観測窓23は好適には反応チャンバ2の側壁に与えられ、また荷電結合素子(CCD)検出器22が観測窓に取り付けられる。さらにまた、モニター24がCCD検出器22に取り付けられる。観測窓23は好適にはサファイアから成るが、酸化アルミニウムが使用されてもよい。CCD検出器に加え、光電子増倍管も光電変換器が使用されてもよい。
プラズマCVD動作
この実施例に従ってプラズマCVD装置の動作が説明される。動作は大雑把に２つのシーケンスに分割される。(1)半導体ウエハ9上に薄膜を形成する薄膜形成シーケンス、及び(2)反応チャンバの内側面をクリーニングするクリーニングシーケンスである。薄膜形成シーケンスは例として半導体ウエハ9上にシリコン酸化膜を形成するよう示される。
まず、反応チャンバ2の内部が外部真空ポンプ（図示せず）によって出口20を通じて真空排気される。反応チャンバ内の圧力はコンダクタンス制御バルブ21の開度によって１Torrから８Torrの範囲に調整される。
次に、加熱エレメント26によって加熱された支持体3は温度制御器（図示せず）を使って指定された温度、好適には300℃〜420℃（572°F〜788°F）に半導体ウエハ9を制御する。
続いて、質量流量制御器（図示せず）によって流れが制御された反応ガスSiH4、NH3及びN2は反応ガス入口ポート5から流入し、バルブ6を通過した後ガス出口ポートを通ってシャワーヘッド4へ導入される。図２の実施例において、以下に詳細に説明されるように、反応ガスSiH4及びNH3が反応ガス入口ポート5から流入し、N2のみがクリーニングガス入口ポート12から流入する。この場合、たとえバルブ15が与えられなくても、SiH4及びNH3ガスの遠隔プラズマ放電チャンバ13内への流入は入口ポート12から流入するN2ガスによって妨げられる。混合された反応ガスはシャワーヘッド4の下側に形成された細孔から半導体ウエハ9に向かって均一に噴射される。
13.56MHzの高周波電力若しくは13.56MHz及び430kHzの混合電力が高周波発信機8によってシャワーヘッド4へ印加される。結果として、反応チャンバ2内で現場プラズマ生成用の一つの電極として働くシャワーヘッドと、他の電極として働く支持体3との間の空間にプラズマ反応領域が形成される。その領域内の反応ガスの分子はプラズマエネルギーによって活性化されかつイオン化される。イオン化された分子は半導体ウエハ9上で化学反応を生じさせ、窒化珪素が形成される。
薄膜形成処理が終了すると、バルブ6が閉じられ同時にゲートバルブ18が開かれる。処理済みの半導体ウエハ9は開口19を通じて自動転送ロボット（図示せず）によって隣接する転送チャンバ（図示せず）へ搬出される。反応チャンバ2が真空排気された後、未処理の半導体ウエハが転送チャンバから搬入され、ゲートバルブが閉じられ、上記シーケンスが繰り返される。
薄膜形成シーケンスが連続して実行される間に、不所望の生成物が反応チャンバ2の内側壁及び支持体の表面及び側面に付着する。不所望の生成物は徐々に蓄積し、粒子汚染を引き起こすべく反応チャンバ内で剥がれ落ち、浮遊する。結果として、定期的（例えば、ウエハがアンロードされ次のウエハがロードされる間の各薄膜形成処理の後）に反応チャンバ2の内側を清浄にする必要がある。以下に、反応チャンバ2の内壁に付着した窒化珪素を除去するためのクリーニングシーケンスが説明される。
クリーニング動作
クリーニングガスとして使用されるNF3とアルゴンの混合ガスはクリーニングガス入口ポート12へ指定された流量で与えられ、遠隔プラズマ放電チャンバ13内に導入される。フッ素含有ガスに対する好適流量は約0.1slmと5.0slmの間であり、キャリアガスに対する好適流量は約0.5slmと10slmの間である。好ましくは、不活性キャリアガスはフッ素含有ガスの約２から３倍である。遠隔プラズマ放電チャンバ13内で300kHzから500kHzの高周波出力が1000Wから5000Wの電力でクリーニングガスへ印加される。このエネルギーをもって、クリーニングガスは解離されかつ与えられた効率で活性化され、フッ素活性種が生成される。
生成されたフッ素活性種は内側がフッ素不動態化された配管14及びバルブ15を通じてシャワーヘッドに導入される。シャワーヘッド4から反応チャンバ2内へ噴射されたフッ素活性種は、反応チャンバ2の内壁及び他の面に付着した固体窒化珪素と化学反応を引き起こし、固体付着物を気体物質に変化させる。結果として、反応チャンバ内のガス分子の数は増加するが反応チャンバ内の圧力は、圧力計28aによって測定された反応チャンバ内の圧力に応答してリアルタイムでコンダクタンス制御バルブ21の開口サイズ若しくは角度を制御する制御器28によって特定の値に常に維持される。
最初にフッ素活性種が反応チャンバ2に流入すると、フッ素活性種と固体窒化珪素は激しく反応し光を放出する。この光の放出は観測窓23を通じてCCD検出器によって検出されモニター24によって確認される。時間が経過するに従い、フッ素活性種と固体窒化珪素との間の反応は沈下し光の放出を確認することができなくなる。さらに、コンダクタンス制御及びバルブ21の開口角度がある値に近づく。この開口角度が付着物質が存在しない状態として予定された値（メモリ内に記憶された）の開口角度とほぼ一致するとき、制御器28はクリーニングの完了を感知し、NF3の供給を停止し同時にアルゴンガスのみを供給しつづける。アルゴンガスは遠隔プラズマ放電チャンバ13、反応チャンバ及び配管内に残ったフッ素活性種を完全にパージして、クリーニングシーケンスが終了する。
実施例２
構造
図２は本発明に従う他の実施例を示す。図１のプラズマCVD装置1と異なり、図２のプラズマCVD装置30は、遠隔プラズマ放電チャンバ13とガス出口ポート32との間に配置された接合部31において、反応コンジット11と配管14との連結を含む。反応ガス及びクリーニングガスは接合部31で混合されひとつのガス入口ポート32からシャワーヘッド4へ導入される。他は装置30は図１の装置1と同様である。
図示された実施例において、バルブ15は接合部31前のプラズマ放電チャンバ側に設置される。配管14及びバルブ6、15の内側面として、好適にはフッ素不動態化アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレススチール若しくはニッケル材料が使用されるが、アルミニウム若しくはアルミニウム合金が使用されてもよい。バルブ5、15のシール材料として、好適にはPTFE（ポリテトラフルオロエチレン）、PFA（テトラフルオロエチレン・ペルフルオロアルキル・エーテル・コポリマー）若しくはPCTFE（ポリクロロトリフルオロエチレン）のようなフルオロカーボンポリマーまたはペルフルオロエラストマーが使用されるが、樹脂若しくは熱抵抗及び侵食抵抗を有するフッ素含有ゴム（例えば、VITON若しくはKalarez）が使用されてもよい。
図２に示された実施例の変形として、バルブ15が除去される。この場合、反応ガスコンジット11の一端は、遠隔プラズマ放電チャンバ13とガス出口ポート32との間の指定された位置で配管と結合され、接合部を形成する。
プラズマCVD動作及びクリーニング動作は実施例１で説明したように実行される。
実施例３
主たる構造
図３はこの実施例に従うプラズマCVD装置の好適実行例の断面略示図を示す。半導体ウエハ9若しくは他の基板上に薄膜を形成するのに使用されるプラズマCVD装置１は、反応チャンバ2、半導体ウエハ9を載置するための反応チャンバ内に与えられる支持体3、該支持体3に面して配置され半導体ウエハ9上に反応ガスを均一に噴射するのに使用されるシャワーヘッド4、反応チャンバ2の内部を排気するための出口20から成る。遠隔プラズマ放電チャンバ13は反応チャンバ2から離れて配置され、配管14及びバルブ15を介してシャワーヘッド4に連結される。遠隔プラズマ放電チャンバ13は指定された周波数の無線周波数発振出力エネルギーを使用して活性種を生成するという特長を有する。
反応チャンバ2の一方側に、開口19が形成され、反応チャンバ2はゲートバルブ18を介して半導体ウエハ若しくは他の基板を搬入及び搬出するための転送チャンバ（図示せず）へ結合される。
反応チャンバ2内に与えられ半導体ウエハ9を載置するために使用される支持体3は陽極酸化アルミニウム若しくはアルミニウム合金から成り現場プラズマ放電用のひとつの電極を構成するべく接地27されている。したがって、図示された実施例の反応チャンバ2は現場（チャンバ内）プラズマ生成用に形成されたプラズマCVDチャンバである。支持体3内には、リング状の加熱エレメント26が埋め込まれ、半導体ウエハの温度は温度制御器（図示せず）を使って指定された温度に制御される。支持体3は支持ピストン29を通じて上下に移動する駆動機構25に結合される。
半導体ウエハ9を支持する支持体3は、必ずしも陽極酸化されたアルミニウム若しくはアルミニウム合金から作られるとは限らず、代わりにセラミックヒータが使用されてもよい。セラミックヒータはセラミックプレートを有し、抵抗熱エレメントが埋め込まれ、金属エレメントが現場プラズマ放電用のひとつの電極を形成する。金属エレメントは可能であればプラズマ放電の電極に接地される。セラミックプレートは窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化アルミニウムなどに比べ優れた耐食性を有し、ヒーターとして働くのに十分な熱伝導率を有する。抵抗加熱エレメントとして、タングステンが使用される。現場プラズマ放電用の電極を構成する金属エレメントとして、タングステン若しくはモリブデンが使用される。
反応チャンバ2内で、シャワーヘッド4は支持体3に面する位置で与えられる。シャワーヘッド4には、半導体ウエハ9上に反応ガスを噴射するために数千個の細孔が設けられている。シャワーヘッド4はマッチング回路10を介して無線周波数発信機8と電気的に接続され、現場プラズマ放電用のもうひとつの電極を形成する。膜形成用に使用されるべき反応ガスをシャワーヘッド4から導入するために、反応ガスコンジット11は配管14に結合される。ガスコンジット11の数はひとつに限定されない。反応ガスのタイプにしたがって、必要な数のガスコンジットが取り付け可能である。ガスコンジット11の一端は反応ガスの流入を生じさせるガス入口ポート5を構成し、他端は接合部31で配管14に結合される。反応ガスはガス出口ポート7から配管14を通じてシャワーヘッド4の内部へ導入される。質量流量制御器（図示せず）及びバルブ6は反応ガスコンジット11の中央に設置される。
反応チャンバ2の側壁には、出口20が与えられる。出口20は配管17を通じて真空排気ポンプ（図示せず）へ結合される。出口20と真空ポンプとの間で、コンダクタンス制御バルブ21が反応チャンバ2内の圧力を調整するべく与えられる。コンダクタンス制御バルブ21は外部調整器28に電気的に接続されている。
好適には圧力計28aは反応チャンバ内の圧力を測定するために与えられる。圧力計は調整器28に電気的に接続される。
遠隔プラズマ放電チャンバ
本実施例の遠隔プラズマ放電チャンバ13は反応チャンバ2から離れて配置されている。遠隔プラズマ放電チャンバ13は300kHz〜500kHzの無線周波数範囲の周波数を使用する高周波電気放電装置である。先に説明したような遠隔プラズマ放電チャンバの周波数として約2.45GHzのマイクロ波を使用することは所望されない。なぜならばそれは容易に劣化する電気放電チャンバを要求するからである。さらに、もし1MHzから27MHzまでの範囲の周波数が使用されると、安定したプラズマ放電を実現するために無線周波数発信機と遠隔プラズマ放電チャンバとの間に自動整合トランスが取り付けられなければならない。この自動整合トランスはコストを増加させる。同時に、それは遠隔プラズマ放電チャンバ及び自動整合トランスを反応チャンバ付近に取り付けることを要求し、半導体処理装置全体のサイズの増大及び機械間スペースの減少によってメンテナンス作業を困難にするため、所望されない。300kHz〜500kHzの周波数範囲は効率的にクリーニングガスの活性化を可能にし、プラズマ放電チャンバを容易に劣化しない材料から作ることを可能にし、よりコンパクトな装置を実現する。より安定なプラズマ放電を実現するために350kHz〜450kHzの範囲が好適であるが、400kHz〜430kHzの範囲がより好適である。
好適には遠隔プラズマ放電チャンバ13は陽極酸化アルミニウム合金から成る。図示された実施例において、遠隔プラズマ放電チャンバ13は配管14を通じて反応チャンバ2内のシャワーヘッド4に連結される。配管14の中央にバルブ15が与えられる。配管14は直線構造である。その内径は少なくとも1/2インチであるが、好適には1インチ以上である。加えて、バルブ15の特長はそれが開かれたとき流路内には流れを制限する構造物は存在しないという点である。開かれた流路の内径は配管14よりそれほど小さくはなく、好適には同じである。結果として、遠隔プラズマ放電チャンバから反応チャンバへのクリーニングガスが流れるとき、配管14及びバルブ15内には明らかな圧力の損失は生じない。好ましくは、バルブ15を横切る圧力の低下は約0.25Torr以下であり（好適実施例で入口圧力の約５％）、より好適には約0.1Torr以下（好適実施例で入口圧力の約１％）である。
配管14はアルミニウム若しくはアルミニウム合金から成るが、耐食性のステンレスススチールが使用されてもよい。配管14の一端は遠隔プラズマ放電チャンバ13に結合され、他端はクリーニングガスをシャワーヘッド4に導入するのに使用されるガス出口ポート7を構成する。また、クリーニングガス入口ポート12は遠隔プラズマ放電チャンバ13内にクリーニングガスを導入するために与えられる。質量流量制御器（図示せず）によって指定された流量に制御された後、クリーニングガスはクリーニングガス入口ポート12に導入される。
好適には配管14及びバルブ15は反応ガス及びクリーニングガスが表面に付着するのを妨げる温度までヒータ（図示せず）によって加熱される。配管14及びバルブ15の温度は反応ガス及びクリーニングガスのタイプに従って選択される。また、必要により、コンジット11、バルブ6及びガス入口ポートの部分も指定された温度でヒータ（図示せず）により加熱されてもよい。
スルーフロータイプバルブ
図４において、本実施例で使用されるバルブ15の断面図が示される。図４(a)はバルブ15の閉止状態を示し、一方図４(b)はバルブ15の開放状態を示す。バルブ15はアルミニウム若しくはアルミニウム合金から成るボディ24から成る。バルブボディ30はボルト33によって軸32に固定される。バルブボディ30上に、ボディ34の内部35をシールすることによって気密性を達成するOリング34が設置される。バルブ15の上流開口22において、遠隔プラズマ放電チャンバへ結合されるよう配管14の部分が設置される。下流開口23において、ガス出口ポート7に結合されるよう配管14の部分が設置される。開口23及び22での設置方向は限定されるものではなく状況に応じて変えられてもよい。バルブ15のボディ24に使用される材料はアルミニウム若しくはアルミニウム合金に限定されない。ステンレススチールのような優れた耐食性を有する他の材料が使用されてもよい。バルブボディ30はアルミニウム若しくはアルミニウム合金から成るが、ニッケル、チタン、ステンレススチールのような優れた耐食性金属またはポリイミド樹脂のような優れた耐食性樹脂が使用されてもよい。付加的に、ボルト33及び軸32はアルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル及びステンレススチールのような優れた耐食性を有する金属から成る。Oリング34は使用されるガス流によって劣化しない弾性材料から成る。好適にはOリング34はフッ素含有ゴムから成り、さらに好適にはペルフルオロエラストマーから成る。
本実施例で使用されるバルブに関して、閉止状態では、バルブボディ30は図４(a)で示される位置にある。バルブボディ30上に設置されたOリング34はボディ24の内側35をシールする。バルブ15が開放されると図４(b)に示されるように、バルブボディ30はバルブ15のボディ24内の空間36内へ引き上げられかつ収容される。バルブボディ30の垂直移動はバルブ15の駆動機構（図示せず）によって軸32を移動することによって実行される。重要なのは、図４(b)に示されるように、バルブ15が開いたとき、バルブボディ30及び軸32は全体が空間36内に収容されかつ開口23と開口22との間に画成された流路から完全に除去されているということである。したがって、バルブボディ30が図４(b)に位置にあるとき、バルブ15を通って流れるクリーニングガスを妨げる構造物は存在しない。
図３を再び参照して、クリーニングガス入口ポート12から流入するクリーニングガスとして、フッ化窒素、フッ化炭素及びフッ化塩素のようなフッ素含有ガス、窒素及びフッ化炭素の混合ガスまたはそれらのガスと酸素若しくは不活性ガスとの混合ガスが使用される。特定的に、NF3,ClF3,CF4,C2F6,C3F8と酸素の混合ガス、NF3と窒素の混合ガス、NF3と希釈ガスとの混合ガスが使用される。希釈ガスとして、ヘリウム、アルゴン、ネオン、キセノン若しくはクリプトンが使用される。
プラズマCVD動作
図３を参照して、本実施例に従うプラズマCVD装置の動作が説明される。上記したように、動作は大雑把に２つのシーケンスに分割される。(1)半導体ウエハ9上への薄膜形成及び(2)反応チャンバの内側のクリーニングである。薄膜形成シーケンスは例として半導体ウエハ9上に酸化珪素を形成するのを参照して説明される。
まず、反応チャンバ2の内部が出口20を通じて外部真空ポンプ（図示せず）によって真空排気される。反応チャンバ内の圧力はコンダクタンスバルブ21の開度によって１Torrから８Torrの範囲に調整される。
次に、加熱エレメント26によって加熱された支持体3は温度制御器（図示せず）を使って好適には300℃〜420℃（572°Fから788°F）の指定温度で半導体ウエハ9を制御する。
続いて、流量が質量流量制御器（図示せず）によって制御された反応ガスSiH4、NH3及びN2が反応ガス入口ポート5から流入し、バルブ6を通過した後ガス出口ポート7を通ってシャワーヘッド4内へ導入される。この場合、SiH4、NH3及びN2ガスの遠隔プラズマ放電チャンバ13への流入はバルブ15によって妨げられる。反応ガスはシャワーヘッド4の下面に形成された細孔から半導体ウエハ9に向かって均一に噴射される。
13.56MHzの高周波電力若しくは13.56MHz及び430kHzの混合電力が無線周波数発信機8によってシャワーヘッド4に印加される。結果として、プラズマ反応領域はひとつの電極を構成するシャワーヘッド4と他の電極を構成する支持体3との間の空間に形成される。その領域内の反応ガスの分子はプラズマエネルギーによって活性化されかつ窒化珪素が半導体ウエハ9上に形成される。
薄膜形成処理が終了すると、バルブ6が閉じられ同時にバルブ18が開かれる。処理済の半導体ウエハ9は開口19を通じて自動転送ロボット（図示せず）によって隣接する転送チャンバ（図示せず）へ搬出される。反応チャンバ2が真空排気された後、未処理の半導体ウエハが転送チャンバから搬入され、ゲートバルブ18が閉じられ、上記シーケンスが繰り返される。
薄膜形成処理が連続して実行されている間、不所望な生成物が反応チャンバ2の内壁及び支持体の表面及び側面に付着する。不所望な生成物は徐々に蓄積し、剥がれ落ち、反応チャンバ内を浮遊してパーティクル汚染を引き起こす。結果として、定期的（例えば、薄膜形成シーケンスが終了しウエハがアンロードされ次のウエハがロードされる間に）に反応チャンバ2の内側を清浄にする必要がある。以下に、反応チャンバ2の内壁に付着した窒化珪素を除去するためのクリーニングシーケンスが説明される。
クリーニング動作
クリーニングガスとして使用されるNF3とアルゴンの混合ガスが指定された流量に制御され、クリーニングガス入口ポート12から流入し、遠隔プラズマ放電チャンバ13に導入される。フッ素含有ガスとしての好適流量は約0.5slmと1.5slmとの間であり、好適なキャリアガスの流量は約0.5slmと4slmとの間である。好ましくは、不活性キャリアガスはフッ素含有ガスの流量の約2〜3倍である。遠隔プラズマ放電チャンバ13の内部で、300kHzから500kHzの無線周波数(RF)出力が1000Wから5000Wの電力をもってクリーニングガスに印加される。無線周波数出力の値は反応チャンバ2の内部に付着した不所望の生成物が許容できる速度で除去されるように設定される。遠隔プラズマ放電チャンバの長期品質メンテナンスを実現するために、及びフッ素活性種を高効率で生成するために、無線周波数出力範囲の好適範囲は1500Wから3000Wであり、より好適な範囲は2000Wから3000Wである。このエネルギーによって、クリーニングガスは解離されかつフッ素活性種を形成するためにある効率で活性化される。
生成されたフッ素活性種は配管14及びバルブ15を通じてシャワーヘッド4に導入される。シャワーヘッド4から反応チャンバ内部に均一に噴射されるフッ素活性種は、反応チャンバの内壁及び他の面に付着した固体窒化珪素と化学反応を起こし、固体の付着物を気体物質に変える。結果として、反応チャンバ内のガス分子数は増加するが、反応チャンバ内の圧力は圧力計28aによって測定された反応チャンバ内の圧力値に応答してリアルタイムでコンダクタンスバルブ21の開度を制御する制御器28によって特定値に維持される。
好適には、配管14及びバルブ15は内部のガス流の早急なパージを容易にするために100℃から200℃（212°Fから392°F）の温度に加熱される。半導体ウエハ９上に窒化珪素を形成するためにNH3が使用されかつフッ素活性種を含むクリーニングガスが反応チャンバ2を清浄にするのに使用されると、NH3及びフッ素活性種が混合されれば固体フッ化アンモニウムが生成され、配管14の内側は汚染される。配管14内部から各々のガスを早急に除去するために、配管14及びバルブ15はより好適には少なくとも120℃（248°F）で加熱されるべきである。反応ガスとしてTEOS[Si(OC2H5)4]が使用されるとき、配管14及びバルブ15を少なくとも120℃（248°F）に加熱することはそれが流れる際TEOSが液化することを妨げる。バルブ15及び配管14の温度は反応チャンバ2内に流れる反応ガスのタイプにしたがって決定されるが、バルブ15の熱抵抗温度によって制限される。図示された実施例において、温度の上限は約200℃（392°F）である。
一つの実施例において、1slmのNF3及び2slmのArがクリーニングガスとして使用されたとき、反応チャンバ内の圧力は1Torrと5Torrの間に設定された。フッ素活性種は遠隔プラズマ放電チャンバ内部に約400kHz で2700Wの無線周波数電力を印加することによって生成され、反応チャンバ内壁に付着した不所望な窒化珪素は2.0ミクロン／分より速く、特に約2.5ミクロン／分で除去された。
他の実施例において、0.75slmのNF3及び1.5slmのArが使用され、反応チャンバの圧力が約1Torrに設定された状態で、遠隔プラズマ放電チャンバ内部に約400kHz で2400Wの無線周波数電力を印加することによって生成されたフッ素活性種は反応チャンバ2の内壁から約2.0ミクロン／分の速度で不所望の窒化珪素を除去した。
他の実施例において、原料としてTEOSから形成された反応チャンバ2内壁に付着した不所望のシリコン酸化膜を除去するために、1slmのNF3及び3slmのアルゴンがクリーニングガスとして使用された。フッ素活性種は遠隔プラズマ放電チャンバ13に400kHz で2400Wの無線周波数電力を印加することによって生成された。フッ素活性種を含むこのプラズマの生成物は遠隔プラズマ放電チャンバ13から反応チャンバ2へ導入された。酸化珪素は約1.5ミクロン／分の速度で除去された。
以上でクリーニングシーケンスの説明を終了する。
実施例４
主たる構造
図５を参照して本発明の第4の実施例に従って化学気相成長(CVD)装置110が示されている。上記された実施例と異なり、図示されたCVDリアクタ110は冷壁反応チャンバ112を含む。図示された実施例において、デポジション若しくは反応チャンバ112はある波長の放射エネルギーを透過する石英から成り、それは以下に説明する加熱システムの説明によって理解できる。
最初は一度に単一の基板上へのシリコンのエピタキシャル成長を最適化するよう設計されたが、温度及び／または多くの異なる材料の遠隔プラズマCVDのユーティリティを有する上位の処理制御が発見された。装置110の基本的構成はアリゾナ州フェニックスのASM America,Incから商品名Epsilonとして商業的に入手可能である。
石英チャンバ112の壁によるかなりの吸収もなくチャンバ112内に熱エネルギーを与えるべく複数の放射熱源がチャンバ112の外側に支持されている。好適実施例は半導体ウエハを処理するための“冷壁”CVDリアクタのコンテキストで説明されるが、ここで説明される処理方法は誘導若しくは抵抗加熱を採用するような他の加熱／冷却システムと関連するユーティリティを有することが理解できる。
図示された放射熱源は伸長したチューブタイプの放射熱エレメント113の上部加熱組立体から成る。上部加熱エレメント113は好適には平行に離隔されて配置され、下の反応チャンバ112を通過する反応ガス流と実質的に平行に配置される。下部加熱組立体は反応チャンバ112の下で同様に伸長したチューブタイプの放射熱エレメント114から成り、好適には上部加熱エレメントと交差するように方向付けられている。好ましくは、放射熱の一部は上部及び下部ランプ113、114のそれぞれの上下の粗い正反射板（図示せず）によって散漫にチャンバ112内に反射される。付加的に、複数のスポットランプ115は集中した熱を基板支持構造体（以下に説明される）の下側へ供給し、反応チャンバ112の底を通じて伸びる冷たい支持構造体によって作られるヒートシンク効果を妨害する。
伸長したチューブタイプの加熱エレメント113、114の各々は、好適にはヨウ素のようなハロゲンガスを含む透明石英エンベロープを有する高輝度タングステンフィラメントランプである。そのようなランプは明らかな吸収の無い反応チャンバ112の壁を通って伝達される完全スペクトルの放射熱エネルギーを生成する。半導体処理機器の技術で知られるように、さまざまなランプ113、114、115の電力は温度センサに応答して個々に若しくは集団区域内で制御される。
好適にはシリコンウエハ116から成る基板は基板支持構造体118上で反応チャンバ112の内部で支持される。図示された実施例の基板は単結晶のシリコンウエハであるが、“基板”の用語はその上に層が蒸着される広い意味での被処理体を言うことに注意すべきである。さらに、クリーニング及び汚染の防止はしばしば制限なくガラス若しくは他の基板上への光学薄膜の蒸着を含む他の基板上へ層を蒸着する際に要求される。
図示された支持構造体118は上にウエハ116が載置される基板ホルダ120及び支持スパイダ122を含む。スパイダ122は軸124へ取り付けられ、該軸はチャンバ下側の壁から垂れ下がるチューブ126を通って下方へ伸長する。好適には、チューブ126は処理ガスがチャンバ112の下部に逃げるのを禁止しながら、処理の間流れるパージ若しくはスイープガスのソースと連結する。
複数の温度センサがウエハ116の近傍に配置される。温度センサは光温度計若しくは熱電対のようなさまざまなかたちを取ることができる。温度センサの数及び位置は、好適な温度制御器の以下の説明によって理解されるように、温度均一性を促進するように選択される。しかし、好適には温度センサは直接的若しくは間接的にウエハ近傍の位置の温度を感知する。
図示された実施例において、温度センサは適当な方法でウエハホルダ120の下にぶら下がった第１及び中央熱電対128を含む熱電対から成る。図示された中央熱電対128はウエハホルダ120近傍のスパイダ122を通過する。装置110はさらにウエハ116の近傍に、前縁若しくはフロント熱電対129、後縁若しくはリア熱電対130及びサイド熱電対（図示せず）を含む複数の第２若しくは周辺熱電対を含む。周辺熱電対の各々はスリップリング132内に収容され、それは基板ホルダ120及びウエハ116を囲む。中央及び周辺熱電対の各々は温度制御器に接続され、それは熱電対の読み取りに応答してさまざまな加熱エレメント113,114,115の電力を設定する。
周辺熱電対の収容に加え、スリップリング132は高温処理中の放射熱を吸収及び放出し、その結果それは表面領域対そのエッジ付近の領域内の体積のより大きな比率のために発生することが知られている現象であるウエハエッジでのより大きな熱損失若しくは吸収の傾向を補償する。エッジ損失を最小化することによって、スリップリング132はウエハ116を横切る径方向温度の非均一性の危険を減少させる。スリップリング132は適当な手段によって吊り下げられる。例えば、図示されたスリップリング132はエルボ134上に載り、それはフロントチャンバ仕切り板及びリアチャンバ仕切り板から垂れ下がる。仕切り板136及び138は好適には石英から形成される。ある構造において、リア仕切り板138は省略される。
図示された反応チャンバ112はCVDによるデポジション用の反応及びキャリアガスの噴射用に入口ポート140を含む。出口ポート142はチャンバ112の反対側にあり、ウエハ支持構造体118は入口140と出口142との間に配置される。入口コンポーネント150は反応チャンバ112へ取り付けられ、入口ポート140を囲むように適応され、ウエハ116が挿入されるところの水平に伸長したスロット152を含む。概して垂直な入口154は離れたソースからガスを受け取り、かつそのガスをスロット152及び入口ポート140に伝達する。入口154はここに参考文献として組み込むHawkinsらによって発行された米国特許第5,221,556号に説明されるような、または1996年4月25日に出願された米国特許出願第08/637,616号の図２１から２６に関連して説明されるようなガスインジェクションを含む。そのようなインジェクタは単一ウエハリアクタに対してガス流の均一性を最大化するように設計される。
出口コンポーネント156は、排気口158が出口ポート142と一列化し排気コンジット159へ導くように処理チャンバ112へ同様に取り付けられる。引き続きコンジット159はチャンバ112を通じて処理ガスを吸引するための適当な排気手段（図示せず）と連結する。好適実施例において、処理ガスは反応チャンバ112及び下流のスクラッバ（図示せず）を通じて引き込まれる。好適にはポンプ若しくはファンが処理ガスをチャンバ112へ引き込むのを助けるために及びチャンバを低圧処理用に排気するために含まれる。
好適には、ウエハは、周囲の環境から隔絶されたハンドリングチャンバ（図示せず）から、ピックアップ装置によってスロット152を通して渡される。好適にはハンドリングチャンバ及び処理チャンバ112は、ここに参考文献として組み込む米国特許第4,828,224号に開示されたタイプのゲートバルブ（図示せず）によって分離される。
遠隔プラズマ放電チャンバ
好適装置110はチャンバ112から上流に配置された活性種のソースを含む。図示された実施例の活性種ソースは遠隔プラズマ放電チャンバ13に接続された発電機から成る。遠隔プラズマ放電チャンバ13はバルブ15を有する配管によってデポジションチャンバ112へ結合される。配管14の一端はクリーニングガスが遠隔プラズマ放電チャンバ13内に流入するようクリーニングガス入口ポート12を構成する。配管の他端は、反応チャンバの入口140と出口142との間に画成された水平流路内にクリーニングガスを導入するためのクリーニングガス出口ポート16を構成する。
配管14の入口端12は複数のガスソースに結合されている。特に、クリーニングガスのソース163は遠隔プラズマ放電チャンバ13内にクリーニングガスを導入するために配管の入口端12に結合されている。キャリアガスのソース164も好適にはガスライン12に結合される。技術的に周知のように、ガスソース163、164は反応種の品種及び揮発性に依存してガスタンク、バブラー等から成る。示されるように各ガスラインは別々の質量流量制御器(MFC)及びバルブを備え、それによって遠隔プラズマ放電チャンバ及びその後反応チャンバ112へ導入されるキャリアガス及び反応種の相対的量の選択が可能になる。
付加的な反応ガス用にひとつ若しくはそれ以上の分岐線165（図示せず）が与えられてもよい。有利なことに、分岐線に結合されたソースガスはチャンバ内でプラズマ蒸着を補助するのに有用なソースに結合される。したがって、遠隔プラズマ放電チャンバ13はクリーニングのためだけに使用されるのではなく、プラズマCVD用の活性反応物質を与えるために使用される。択一的に、分離遠隔プラズマソースが蒸着反応物質用に与えられてもよい。
チャンバ13、配管14及びバルブ15は図１から４の実施例に関して上記されたようなものである。上記したように、バルブ15は付加的に省略されてもよく、処理のデポジション工程中に（解離エネルギーを印加せずに）遠隔プラズマ放電チャンバ13を通じるキャリア若しくは不活性ガスの流れに置き換えられる。
CVD動作
図５の装置110は、エピタキシャルシリコン、ポリシリコン、酸化珪素及び窒化珪素を含むさまざまな組成の膜をCVDによって蒸着するために使用される。有利なことに、遠隔プラズマ放電チャンバ13はCVD内の反応を補助するための活性反応物質を与え、それによってこのデポジションに必要な熱を下げることができる。
窒化珪素のデポジションの例において、約1.5slmのアンモニア(NH3)及び15sccmのシラン(SiH4)が導入される。窒素は同じ流量で流れ続け、温度及び圧力は約780℃及び50Torrに維持される。アンモニア及びシランの流れは約90秒間続き、基板表面において厚さ約3nmの窒化珪素層を蒸着（430）するよう反応する。上記したように、ひとつ若しくはそれ以上の反応物質が遠隔プラズマ放電チャンバ13を通じて活性化され、それによって同じデポジション速度に対して温度を低下できる。この場合、好適には反応チャンバ圧力は遠隔プラズマ放電チャンバ内でのプラズマ点火を容易にするために減少される。
ポリシリコンのデポジションの例において、約350sccmのシランが導入される間キャリアガスN2のガス流が約15slmに維持される。ジシランを採用すると有利に蒸着速度を改善することができる。圧力は約50Torrに維持されたままで、温度は約680℃に固定される。約120秒の間に、約150nmのポリシリコン電極層が蒸着（637）される。この方法によって形成されたポリシリコンは、現場ドーピング（デポジション中）も予想されるが、デポジション（637）の後適当な導電率にドープされることが理解される。現場ドーピング用に、フォスフィン、アルシン若しくはジボランのような共通のドーピングソースがシラン流に付加される。他の処理において、チャンバはH2/SiH4ポリシリコン処理に対して約大気圧まで戻される。上記したように、ひとつ若しくはそれ以上の反応物質が遠隔プラズマ放電チャンバ13を通じて活性化され、それによって同じデポジション速度で温度が低下する。この場合、反応チャンバ圧力は好適には遠隔プラズマ放電チャンバ内でのプラズマ放電を容易にするために減少される。
他の処理において、ポリシリコンはゲート/誘電体インターフェイスにおいて電気的仕事関数を下げるためにゲルマニウムで現場ドープされる。例えば、約100sccmから1000sccmのゲルマニウム（H2内で1.5％）流がシラン流に付加される。この場合、デポジションの温度は好適には550℃と650℃の間に、より好適には約600℃±15℃に維持される。生成されたポリSiGe層内のゲルマニウムの含量は約10％から60％である。上記したように、ひとつ若しくはそれ以上の反応物質が遠隔プラズマ放電チャンバ13を通じて活性化され、それによって同じデポジション速度に対して温度を低下させる。この場合、反応チャンバ圧力は好適には遠隔プラズマ放電チャンバ内のプラズマ点火を容易にするために減少される。
チャンバクリーニング動作
清浄にされるべき材料及びチャンバ内の材料に依存して、上記実施例に関して説明されるように、遠隔プラズマ放電チャンバ13を通じてフッ素活性種が与えられる。あるデポジションに対して、当業者は、塩素活性種及び／または他の活性種が石英チャンバ112壁に過大なダメージを与えることなく蒸着した材料をより効果的に清浄にすることができることを理解する。シリコンデポジションに続く適当なクリーニングガスは、例えば遠隔プラズマ放電チャンバ13を通じて与えられるHCl若しくはNF3/Clを含む。酸化珪素若しくは窒化珪素デポジションに続くクリーニングガスは上記実施例に関して説明されたように、好適にはフッ素含有ガスを含む。
20℃から800℃の範囲の温度で及び好適には500℃から800℃の温度で、遠隔プラズマジェネレータ作動範囲（典型的にこの処理に対して0.5から5Torr）と適合する圧力で、NF3及びCl2の両方を使用する処理が、シリコン、窒化珪素、酸窒化珪素及び／または二酸化珪素の形成された蒸着層を除去するために実行される。NF3及びCl2は、約1000Wと5000Wとの間の無線周波数エネルギー、好適には300kHzから500kHzで約2000Wと3000Wとの間のエネルギーを印加することによって遠隔プラズマ放電チャンバ13を通じて流れるとき解離される。典型的に、NF3、Cl2及びN2が遠隔プラズマ放電チャンバ13を通じて流れる。N2流はエッチング速度が増加するのを助け、全体のガス速度を増加させる。NF3:Cl2流量比及び温度は二酸化珪素がエッチングによって損なわれないように、結局無限に二酸化珪素に対する窒化珪素の選択性を増加させるために調節される。さらなる詳細についてはここに参考文献として組み込むSutoらによる”Highly selective etching of Si3N4 to SiO2 employing fluorine and chlorine atoms generated by microwave discharge”, J. ELECTROCHEMICAL SOCIETY, Vol. 136, No 7, July 1989, p.2032-2034及びStaffaらによる、”Selective remote plasma etching of Si3N4over SiO2 at elevated temperature”, ELECTROCHEMICAL SOCIETY PROCEEDINGS, Vol.95-5, p.283-289に与えられる。シリコン、酸化珪素及びSi3N4の速いエッチング速度が達成される。
本発明の思想から離れることなく多くのさまざまな修正が可能であることは当業者の知るところのである。したがって、図示された本発明の形式は発明の態様を制限するものではない。
発明のこれら及び他の特長は詳細な説明及び添付図面によって明らかにされるが、それは図示するという意味で発明を限定するものではない。同じ参照番号は同じ部品を示すのに使用される。
図１は、本発明の第１の実施例に従って構成された基板処理装置の断面略示図を示す。 図２は、本発明の第２の実施例に従って構成された基板処理装置の断面略示図を示す。 図３は、本発明の第３の実施例に従って構成された基板処理装置の断面略示図を示す。 図４(a)及び(b)は好適実施例に使用されるバルブの断面略示図であり、図４(a)はバルブ閉止状態を示し、図４(b)はバルブ開放状態を示す。 図５は、本発明の第４の実施例に従う基板処理装置の断面略示図を示す。
符号の説明
1 プラズマCVD装置
2 反応チャンバ
3 支持体
4 シャワーヘッド
5 ガス入口ポート
6 バルブ
7 ガス出口ポート
8 高周波発信機
9 半導体ウエハ
10 マッチング回路
11 ガスコンジット
12 クリーニングガス入口ポート
13 遠隔プラズマ放電チャンバ
14 配管
15 バルブ
16 クリーニングガス出口ポート
17 配管
18 ゲートバルブ
19 開口
20 出口
21 コンダクタンス制御バルブ
22 CCD検出器
23 観測窓
24 モニター
25 駆動機構
26 加熱エレメント
27 接地
28 調整器
28a 圧力計
29 支持ピストン

Claims (7)

  1. 遠隔プラズマ放電チャンバを通じて与えられるクリーニングガスを使って化学気相成長(CVD)反応チャンバをクリーニングするための方法であって、
    1500Wから3000Wで300kHzから500kHzの高周波エネルギーを印加することによって遠隔プラズマ放電チャンバ内のクリーニングガスを解離する工程と、
    配管を通じて遠隔プラズマ放電チャンバから反応チャンバへ0.5slmから1.5slmの流量で活性種を供給する工程と、
    から成る方法。
  2. 請求項１に記載の方法であって、反応チャンバ壁上の付着物は窒化珪素から成る、ところ方法。
  3. 請求項１に記載の方法であって、クリーニングガスはフッ素含有ガスから成り、また活性種はフッ素活性種から成る、ところの方法。
  4. 請求項１に記載の方法であって、前記フッ素活性種はNF3である、ところの方法。
  5. 請求項１に記載の方法であって、さらにCVD反応を実行した後及び活性種を供給する前に配管上にあるバルブを開放する工程を含む、方法。
  6. 請求項５に記載の方法であって、バルブを開放する工程は、配管の内面と実質的に同じ幅の開口を形成するべく流路から完全にシールエレメントを引っ込める工程から成る、ところの方法。
  7. 請求項５に記載の方法であって、さらに付着した付着物を除去した後にバルブを閉める工程を含む、方法。
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