JP2008078446A - 薄膜製造装置及び薄膜製造装置のクリーニング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フッ素を含有するクリーニングガスによりシャワーヘッド部のボディとシャワープレートとの接着面にフッ化アルミニウムが生成及び成長することにより生じる密着性不良によって引き起こされる温度伝達不良、ＲＦ伝達不良のない薄膜製造装置を提供する。
【解決手段】反応チャンバ６と、反応チャンバ６内で被処理体を載置するためのサセプタ３と、反応チャンバ６内に前記サセプタ３と対向して略平行に設置されたシャワーヘッド９’とを備え、さらにシャワーヘッド９’は、平板状かつ中空構造のボディ１３と、当該ボディ１３の端部に固定され前記サセプタ方向に複数の細孔を有するガス噴出面を備えたシャワープレート１１とから構成されるとともに、ボディ１３とシャワープレート１１との接着面が、前記ガス噴出面に対して平行である水平面と前記ガス噴出面に対して垂直である垂直面とより構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマＣＶＤ法を使った薄膜製造装置及び薄膜製造装置のクリーニング方法に関し、特に累積処理枚数による膜特性の変化を防止する薄膜製造装置及び薄膜製造装置のクリーニング方法に関する。

半導体基板上に薄膜を形成する方法として低温で膜が形成できるプラズマＣＶＤ（Chemicl Vapor Deposition）法が一般に使用されている。図２（ａ）は従来のプラズマＣＶＤ成膜装置を略示したものである。プラズマＣＶＤ装置１は、反応チャンバ６、該反応チャンバ６内で半導体基板４を載置するためのサセプタ３、反応チャンバ６内でサセプタ３と対向しガス噴出面１５を構成するシャワープレート１１が実質的に当該サセプタ３と平行に設置されたシャワーヘッド９、及び反応チャンバの底部に設けられた排気口１０を備える。サセプタ３は半導体基板４を所定の温度（１５０〜４００℃）に加熱するヒータ２によって支持され、プラズマ放電用の一方の電極を画成するべく電気的に接地１２されている。

シャワーヘッド９は円筒形のボディ１３に多数の細孔を有する円形のシャワープレート１１を取り付けた中空構造を有し、上部に反応ガスを導入するためのガス導入口５が設けられている。シャワーヘッド９及びガス導入口５は反応チャンバ６から絶縁されるとともに高周波電源７、８と接続され、プラズマ放電用のもう一方の電極を構成する。従来のこのようなプラズマＣＶＤ装置は例えば以下の特許文献に記載されるように周知のものである。

また、半導体基板４の表面上に形成される膜の種類及び膜特性は、反応ガスの種類及び流量、基板温度、シャワープレート１１の温度、高周波電源７、８の周波数、シャワープレート１１と半導体基板４間のプラズマの空間分布並びに電位分布により変化する。半導体基板４以外のプラズマＣＶＤ装置内壁などに形成された膜を除去するために、プラズマＣＶＤ装置では、所定枚数の基板を連続成膜処理した後、反応チャンバ内に対しプラズマクリーニング処理を行う。

場合によっては半導体基板４を１枚ＣＶＤ膜堆積処理する度にプラズマクリーニング処理することもある。クリーニングガスとしてはＣＦ₄、Ｃ₂Ｆ₆、Ｃ₄Ｆ₈、ＣＨＦ₃、ＳＦ₆、ＮＦ₃等の多フッ化化合物ガスが使用される。反応チャンバ６内にクリーニングガスを導入した状態で高周波電源７、８が高周波電力を印加することにより、フッ素系ラジカル種を生成させる。当該フッ素系ラジカル種により、シャワープレート１１や反応チャンバ６内壁に付着した反応性生物がエッチング除去される。

従来のシャワーヘッド９は上述したように中空構造を有し、図２（ｂ）に示すシャワーヘッド９の部分拡大図に示すように、底面に取り付けられたシャワープレート１１の複数の細孔１６から反応ガスが均等に噴出される。

シャワーヘッド９はメンテナンスの容易性及び部品コストの削減により、シャワープレート１１のみを交換できる構造になっている。シャワープレート１１とボディ１３との接着面１９は前記ガス噴出面１５に並行に設けられた水平面を構成し、かつ接着面１９はシャワープレート１１側及びボディ１３側の両方とも金属（アルミニウムまたはアルミニウム合金）が露出した状態にある。両者は連結ボルト１８によりシャワープレート１１側から密着固定されている。
特開昭６１−２６０６２３号公報 特開平１１−２５１０９４号公報 特開２００１−２４０９７３号公報

しかし、従来のプラズマＣＶＤ装置で連続的に成膜処理すると、成膜枚数が増加するに従って、成膜した膜質が変化するという問題が生じていた。具体的には、膜厚均一性の悪化や膜の光学係数の変動である。このような問題はデバイスの高集積化に伴う高精度な成膜が求められる現在の高密度半導体集積回路の製造にとって極めて深刻であり、デバイスの信頼性を損なうもので許容できない。本発明者らがその原因を調査したところ、水平に固定されたシャワープレート１１とボディ１３との接着面に、荒れて腐食した部分が数箇所見つかり、当該箇所を元素分析した結果、かなりフッ化されていることを発見した。

接着面以外のシャワープレート１１とボディ１３の表面はフッ素系ラジカルに耐食性がある陽極酸化処理やフッ化アルミニウム被覆処理等の絶縁処理がなされているが、接着面は導通をとるため、両方とも金属が露出した状態である。その結果クリーニング処理時に使用するフッ素系クリーニングガスから生じるフッ素系ラジカルによって腐食されたものであると推定された。すなわち、多数の半導体基板の成膜処理と成膜処理との間に連続的にチャンバ内クリーニングを続けた結果、接着面の腐食が進行してボディ１３とシャワープレート１１との間の熱伝導が変化することにより、シャワープレート温度が経時変化を起こす。またはボディ１３とシャワープレート１１への密着性不良からチャンバ内の高周波電流に対するインピーダンスが変化し放電が不安定になり、膜厚面内均一性の悪化、ストレス異常、膜質の変動にもつながったと考えられる。

本発明は上記従来の事情を鑑みて提案されたものであって、累積処理枚数によって膜特性が変化を生じることがなく、かつプロセス的に安定な薄膜製造装置及び薄膜製造装置のクリーニング方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために本発明に係る薄膜製造装置は以下の手段から成る。すなわち、本発明に係る薄膜製造装置は、反応チャンバと、前記反応チャンバ内で被処理体を載置するためのサセプタと、前記反応チャンバ内に前記サセプタと対向して略平行に設置されたシャワーヘッドとを備え、プラズマＣＶＤ法により前記被処理体上に薄膜を形成することを前提としている。ここで、前記シャワーヘッドは、平板状かつ中空構造のボディと、当該ボディの端部に固定され前記サセプタ方向に複数の細孔を有するガス噴出面を備えたシャワープレートとから構成されるとともに、前記ボディと前記シャワープレートとの接着面が、前記ガス噴出面に対して平行である水平面と前記ガス噴出面に対して垂直である垂直面とより構成される。

他の態様として垂直面が前記水平面に対して１：１以上の面積をもつ構成や、ボディとシャワーヘッドが凹凸を有し、互いにはめ込まれることで接合される構成を有してもよい。また、前記水平面に耐食処理がなされていてもよい。

なお、薄膜は、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、酸窒化シリコン膜、低誘電率フッ素ドープ酸化シリコン膜、低誘電率炭素ドープ酸化シリコン膜から成る群から選択される少なくともひとつから成る。

一方、上記薄膜製造装置を使ってプラズマＣＶＤ法により薄膜を形成するための方法は、反応チャンバ内部を真空排気する工程と、平板状かつ中空構造のボディと、当該ボディの端部に固定され、反応チャンバ内で被処理体を載置するサセプタの方向に複数の細孔を有するガス噴出面を備えたシャワープレートとから構成されるとともに、前記ボディと前記シャワープレートとの接着面が、前記ガス噴出面に対して平行である水平面と前記ガス噴出面に対して垂直である垂直面とより構成される前記シャワーヘッドを介して、真空排気された反応チャンバ内に所定の流量に制御されたクリーニングガスを導入する工程と、前記シャワーヘッドに所定の高周波電力を印加する工程とから成る。

なお、反応チャンバ内部を真空排気した後、サセプタをクリーニングガスから保護するために、サセプタ上に被処理体またはダミーを載置する工程を備える場合がある。

本発明に従う薄膜製造装置によれば、窒化シリコン膜、ＵＳＧ（Undoped Silicate Glass）膜、ＢＰＳＧ（Boro Phospho Silicate Glass）膜、ＰＳＧ（Phospho Silicate Glass）、ＢＳＧ（Boro Silicate Glass）等の酸化シリコン膜、酸窒化シリコン膜、低誘電率フッ素ドープ酸化シリコン膜、及び低誘電率炭素ドープ酸化シリコン膜からなる群から選択される少なくともひとつの薄膜を連続成膜処理する際、ボディとシャワープレートの密着性不良による膜特性変動がない、安定な薄膜を半導体基板上に形成することができる。

以下、図面を参照しながら本願発明を詳細に説明する。図１（ａ）は本発明に係る薄膜製造装置の断面略示図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）における破線領域１７の部分拡大図である。本発明に係る薄膜製造装置１’は、シャワーヘッド９’を除き、図２に示した従来の薄膜製造装置１と同じ構造を有する。シャワーヘッド９’は円筒形のボディ１３及び円形のシャワープレート１１から成る。

好適実施例において、ボディ１３とシャワープレート１１は、接着面２０を介して接合されている。当該接着面２０は、薄膜製造装置の断面視にて水平面と垂直面とを備えた凹凸形状を構成する。さらに、当該凹凸形状の接着面において、ガス噴出面１５に平行に設けられた水平面の面積（断面図においては線分２０ａと線分２０ｂとの和）に対して、ガス噴出面１５に垂直に設けられた垂直面の面積（断面図においては線分２０ｃ）が大きく構成されている。そして、シャワープレート１１とボディ１３とを結合する連結ボルト１８’は、ボディ１３外周から内周方向、すなわちガス噴出面１５に対して平行に締め付けることにより、プラズマ領域（ガス噴出面１５）に与える影響を最小にしている。

次に、本発明に係る薄膜製造装置１’を使った薄膜形成方法について説明する。まず、真空ポンプ（図示せず）によって反応チャンバ６内を真空排気する。ゲートバルブ（図示せず）を介して半導体基板４を反応チャンバ６へ搬入し、サセプタ３上に載置する。次に、ヒータ２によりサセプタ３上に載置された半導体基板４を所定の温度（例えば、１５０℃〜４５０℃）に加熱する。続いて、ガス導入口５から反応チャンバ内に所定の流量に制御された反応ガスを導入する。

ここで、反応ガスは、半導体基板４上に形成する膜の種類によって異なる。窒化シリコン膜を形成する場合には、シリコン系ソースガスとしてシラン、窒化ガスとして窒素及び／またはアンモニアを用いる。酸化シリコン膜を形成する場合には、シリコン系ソースガスとしてシランまたはＴＥＯＳ（テトラエチルオルソシリケート）、酸化性ガス（シリコン系ソースガスがシランの場合は亜酸化窒素、ＴＥＯＳの場合は酸素）を用いる。ここで酸化シリコン膜は具体的にはＵＳＧ、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ、ＢＰＳＧ等である。酸化シリコン膜のドーピングガスとして、ボロンの場合はジボラン、リンの場合はホスフィンを用いる。

酸窒化シリコン膜を形成する場合には、シリコン系ソースガスとしてシラン、窒化ガスとして窒素及び／またはアンモニア、及び酸化性ガスとして亜酸化窒素を用いる。低誘電率フッ素ドープ酸化シリコン膜を形成する場合には、ＴＥＯＳ、酸素及びＣＦ₄を用いるかまたはシラン、亜酸化窒素及びＳｉＦ₄を用いる。

低誘電率炭素ドープ酸化シリコン膜を形成する場合には、複数のアルコキシを含有するシリコン系炭化水素、並びにＡｒ及び／またはＨｅを用いるが、さらに酸化性ガス（酸素、亜酸化窒素、二酸化炭素、アルコール等から選択されるひとつまたはそれらの組合せ）を添加してもよい。当該反応ガスはシャワーヘッド９’内部の中空構造を介し、シャワープレート１１の多数の細孔１６を通じて半導体基板４に向かって均等に噴出される。

次に、シャワーヘッド９’に高周波電源７、８によって所定の高周波電力を印加し、半導体基板４の表面近傍にプラズマ反応場を形成する。好適には、第１の高周波電源７は１３．５６ＭＨｚの周波数を有し、第２の高周波電源８は４００ｋＨｚの周波数を有する。それぞれの高周波電源７、８の周波数は適宜変更可能である。また、高周波電源７、８は組み合わせて使用してもよいが、単独で使用することもできる。さらに、印加する高周波電力は適宜選択可能である。

プラズマ反応場での化学反応により半導体基板４上に所望の薄膜が堆積される。最後に反応チャンバ６内を不活性ガス等によりパージする。反応チャンバ６内は所定の枚数の半導体基板を成膜処理した後、半導体基板４を反応チャンバ６外へ搬出し、反応チャンバ６を排気口１０から排気する。その後、半導体基板上にＳｉＯ₂膜を成膜した場合にはクリーニングガスである、例えばＮＦ₃（三フッ化窒素）ガスをガス導入口５から導入する。当該状態で、成膜時と同じように高周波電力を印加し、ＮＦ₃を励起させ、フッ素系ラジカル種を生成させ、クリーニングを実施する。

フッ素系ラジカル種はシャワープレート１１、サセプタ３、反応チャンバ６の内壁面等に付着堆積したＳｉＯ₂膜の厚膜と化学反応してガス化させるので、ガス状化学反応物はクリーニングガスと共に排気口１０から外部へ排出される。そしてクリーニングが完了すると、高周波電力の印加とクリーニング用ＮＦ₃ガスの導入を停止する。ガス導入口５から不活性ガスを導入して反応チャンバ６内を不活性ガスで十分に置換した後、次の半導体基板４が搬入される。

以上が薄膜成膜方法の例であるが、このようなＣＶＤ装置において、ボディとシャワーヘッドを連結するボルト１８'はニッケル（Ｎｉ）若しくはクロム（Ｃｒ）含有ニッケル（Ｎｉ）基合金、コバルト−ニッケル（Ｃｏ−Ｎｉ）基合金などの耐熱性及び耐食性に優れた素材を使用することが好適である。また、本実施例においては、クリーニングガスとしてＮＦ₃ガスを例示したが、ＳｉＦ₄ガスやＳＦ₆ガス、ないしは特定フロンガス以外のフロンガス、例えばＣＦ₄ガス、ＣＨＦ₃ガス、Ｃ₂Ｆ₆ガスもクリーニングガスとして使用することが可能である。さらに本実施例においては、クリーニング方法として含フッ素ガスに高周波を印加するものを採用したが、含フッ素ガスに紫外線や放射線を照射するものとしてもよい。また、ラジカル発生器によって発生させたラジカルを伴ったＮＦ₃ガスによってクリーニングする場合にも応用することができる。

以上に示したように、水平方向における接着面（線分２０ａ及び線分２０ｂ）は、シャワープレートの自重や熱応力等により隙間が生じやすく、フッ素系クリーニングガスから生じるフッ素ラジカルの到達により接着面がフッ化され、さらに密着性を悪化させる。これに対して、垂直方向における接着面（線分２０ｃ）はフッ素ラジカルの到達が極少であり、接着面がフッ化されにくいため、密着性の悪化が少ない。その結果、高周波電流におけるインピーダンス変動が少なくなる。

面積比として、水平方向の接着面：垂直方向の接着面が、１：１以上（例えば１：２）が好ましい。またシャワープレート１１を交換するにあたって、凹凸構造ではめ込む様態であればアライメントがとりやすく、メンテナンス性が高い。すなわち、ボディ１３が、接合部に、垂直方向の接着面２０ｃと水平方向の接着面２０ａとにより構成された構造体を備える構成とする。また、シャワープレート１１が、接合部にボディ１３の形状に対応する構造体を備える構成とする。そして、両者を互いに嵌合することによりシャワーヘッドが構成される。

また接着する表面積が図２（ｂ）に示した従来技術に比して大きいため、密着性不良に対するマージンが大きいといえる。さらに、垂直面は、水平面に比してクリーニング時にクリーニングガスによる侵食の影響が少ないため、ボディとシャワープレートとの間の熱伝導が変化することなく、また、ボディとシャワープレートとの密着性不良を防止することができる。さらに、上記構成によれば、ボディとシャワープレートとの間の導電性が確保されているため、水平面に陽極酸化処理やフッ化アルミニウム被覆処理等の防食処理を行ってもよい。これにより、水平面における腐食の発生を抑制することができる。

なお、本発明は、以上で説明した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲において、種々の変形及び応用が可能である。例えば、上記では、接着面を一対の凹凸により構成したが、当該凹部の数、あるいは凸部の数は、複数であってもよい。

本発明は、累積処理枚数による膜特性の変化を防止することができるという効果を有し、薄膜製造装置及び薄膜製造装置のクリーニング方法として有用である。

本発明を構成する薄膜製造装置の断面略示図及び部分拡大図である。 従来の薄膜製造装置の断面略示図及び部分拡大図である。

符号の説明

１ 薄膜製造装置（従来）
１' 薄膜製造装置（本発明）
２ ヒータ
３ サセプタ
４ 半導体基板
５ ガス導入口
６ 反応チャンバ
７ 高周波電源
８ 高周波電源
９ シャワーヘッド（従来）
９’ シャワーヘッド（本発明）
１０ 排気口
１１ シャワープレート
１２ 接地
１３ ボディ
１５ ガス噴出面
１６ 細孔
１８ 連結ボルト（従来）
１８'連結ボルト（本発明）
１９ 従来における接着断面
２０ 本発明における接着断面

Claims (7)

1. 反応チャンバと、前記反応チャンバ内で被処理体を載置するためのサセプタと、前記反応チャンバ内に前記サセプタと対向して略平行に設置されたシャワーヘッドとを備え、プラズマＣＶＤ（Chemicl Vapor Deposition）法により前記被処理体上に薄膜を形成する薄膜製造装置において、
   前記シャワーヘッドは、
   平板状かつ中空構造のボディと、当該ボディの端部に固定され前記サセプタ方向に複数の細孔を有するガス噴出面を備えたシャワープレートとから構成されるとともに、前記ボディと前記シャワープレートとの接着面が、前記ガス噴出面に対して平行である水平面と前記ガス噴出面に対して垂直である垂直面とより構成されることを特徴とする薄膜製造装置。
2. 前記シャワーヘッドは少なくともひとつの高周波電源と接続される請求項１に記載の薄膜製造装置。
3. 前記垂直面が前記水平面に対して１：１以上の面積をもつ請求項１または２に記載の薄膜製造装置。
4. 前記ボディが備える、前記垂直面と前記水平面とにより構成された構造体と、前記シャワープレートが備える、前記ボディの形状に対応する構造体とを互いに嵌合することで、前記シャワーヘッドが構成された請求項１〜３のいずれかに記載の薄膜製造装置。
5. 前記水平面に耐食処理がなされた請求項１〜４のいずれかに記載の薄膜製造装置。
6. 前記薄膜は、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、酸窒化シリコン膜、低誘電率フッ素ドープ酸化シリコン膜、低誘電率炭素ドープ酸化シリコン膜から成る群から選択される少なくともひとつから成る請求項１〜５のいずれかに記載の薄膜製造装置。
7. 反応チャンバ内部を真空排気する工程と、
   平板状かつ中空構造のボディと、当該ボディの端部に固定され、反応チャンバ内で被処理体を載置するサセプタの方向に複数の細孔を有するガス噴出面を備えたシャワープレートとから構成されるとともに、前記ボディと前記シャワープレートとの接着面が、前記ガス噴出面に対して平行である水平面と前記ガス噴出面に対して垂直である垂直面とより構成される前記シャワーヘッドを介して、真空排気された反応チャンバ内に所定の流量に制御されたクリーニングガスを導入する工程と、
   前記シャワーヘッドに所定の高周波電力を印加する工程とから成る薄膜製造装置のクリーニング方法。

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