JP2013175730A - 改良されたチャンバ洗浄方法及び装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】化学気相成長等で薄膜トランジスタ及び他の半導体デバイスを製造するチャンバの洗浄速度を上げる装置を提供する。
【解決手段】本装置は、堆積した物質をチャンバ内から化学的にクリーニングする反応性ガス化学種を生成するリモートプラズマチャンバ５０、及び反応性化学種に晒される表面が鏡面研磨面をもつアルミニウムの処理チャンバを含んでいる。チャンバ洗浄効率を上げるために、鏡面研磨面６４はガス分配プレート１２又はバッキングプレート１３などの表面、及び/又は反応性化学種に晒されるチャンバ壁ライナ２９、ガスコンダクタンスライン４８等の表面である。反応性化学種が接触するアルミニウム表面すべてが鏡面研磨される。
【選択図】図１

Description

本発明は、チャンバ洗浄速度を上げるために改良された方法及び装置に関する。更に詳細には、本発明は、蓄積した物質を処理チャンバ構成要素からエッチングする反応性化学種のエッチング速度を効果的に上げる方法及び装置に関する。
液晶ディスプレイ、フラットパネルディスプレイ、薄膜トランジスタ及び他の半導体デバイスの製造は、複数のチャンバ内で行なわれ、それぞれが基板上で特定のプロセスを行なうように設計されている。これらのプロセスの多くは、その結果、チャンバ表面に物質(例えば、化学気相成長、物理気相成長、熱蒸着等によって基板上に層状に堆積している物質、基板表面からエッチングされた物質等)が蓄積する。そのような蓄積物質は、チャンバ表面から崩れ落ち、チャンバ内部で処理される感受性のあるデバイスに混入しうる。従って、蓄積物質をプロセスチャンバ内からしばしば洗浄しなければならない(例えば、１〜６枚の基板毎に)。
チャンバ表面の洗浄には、インサイチュ乾式洗浄プロセスが好ましい。インサイチュ乾式洗浄プロセスにおいては、１種以上のガスが処理チャンバ内で解離して、１種以上の反応性ガス化学種(例えば、フッ素イオン、ラジカル)になる。反応性化学種は、チャンバ表面上に蓄積した物質と揮発性化合物を形成することによってチャンバ表面を洗浄する。そのようなインサイチュ洗浄プロセスは、粒子数及び、チャンバを開放する必要のある更に多くの中断洗浄プロセスに必要となるシステムダウンの時間の両方を減少させる。
リモートプラズマソースクリーニング（ＲＰＳＣ）は、インサイチュ・プラズマクリーニングを更に改良したものである。ＲＰＳＣにおいては、洗浄ガスが、別のチャンバ内で解離し、その後、チャンバ表面から物質を洗浄/エッチングする処理チャンバ内へと解離した反応性化学種が下流に流れる。ＲＰＳＣは、洗浄ガスを完全に解離するため、経済的にも環境的にも大変に節約が可能である。更に、ＲＰＳＣによって、インサイチュ・プラズマクリーニングプロセスに付随した不利なイオン衝撃をなくすことによってチャンバ消耗品が減る。
国際公開第００／００３０６４号 特開平１１−２８１３０７号公報 国際公開第９６／０１５２８７号 特開平１０−２５６２４４号公報
残念ながら、下記のように、インサイチュ・クリーニングプロセスもリモートプラズマソースクリーニングプロセスも、慣用的にはかなりの時間を要しかつ非常に洗浄ガスを消費するものである。従って、好ましくないことに、処理チャンバ内で処理される基板当たりのコストが増加してしまう。その上、リモートプラズマソースクリーニング（ＲＰＳＣ）において、同じ洗浄プロセスによって洗浄された処理チャンバ間で洗浄速度の差の大きなばらつきがしばしば見られる。従って、チャンバ表面から蓄積物質をエッチングするための改良された方法及び装置が必要である。
本発明者らは、洗浄ガスの反応性化学種に曝露されるチャンバ表面が鏡面研磨される場合にチャンバ洗浄速度が上がることを発見した。チャンバ表面は、好ましくは未処理であり、最も好ましくは未処理アルミニウムである。本明細書に用いられる未処理チャンバ表面は、洗浄を高めるために予め処理されていないものである（例えば、陽極酸化又は1999年５月29日出願の米国特許出願第09/322,893号に開示されているようなコーティングを施すことにより）。そのような処理チャンバ表面は、既に洗浄速度が良好である。鏡面研磨は、一部の表面の粗さを少なくし、よって表面積を減少させるプロセスである。本発明者
らは、鏡面研磨によって２つの目標、（ｉ）一部の表面積を減少させて洗浄ラジカル不活性化プロセスが起こる部位の全体数を減らすこと；（ii）洗浄ラジカルと結合してその数を減少させることができる表面不純物を除去することが達成されると考える。従って、鏡面研磨によって洗浄ラジカルが保存され、ＲＰＳＣを効果的にすると思われる。
本発明は、チャンバ内で基板を処理するとともに蓄積した物質をチャンバ構成要素から洗浄する装置を含んでいる。該装置は、処理チャンバ及び蓄積した物質をチャンバ構成要素から化学的にエッチングする反応性ガス化学種を生成するように適合した反応性化学種発生器、及び洗浄プロセス中に反応性化学種に曝露される少なくとも１つの鏡面研磨面又は構成要素を含んでいる。好ましくは、チャンバ洗浄効率に対する効果を最大にするために、少なくとも１つの鏡面研磨は、ガス分配プレート又はバッキングプレートのような大きな構成要素、及び/又は反応性化学種に曝露される表面積の割合の大きい複数の小さな構成要素（例えば、チャンバのシャドーフレーム、壁ライナ、サセプタ、ガスコンダクタンスライン等）である。
反応性化学種に曝露される鏡面研磨面によって、洗浄速度の向上が認められるだけでなく、処理チャンバ間の洗浄速度の差のばらつきも著しく減少しうるし、プロセスチャンバスループットも著しく増大しうるし、洗浄に必要とされる前駆ガスの量も減少しうる。ＮＦ3のような前駆ガスに付随して高コストになることから、経済的にも環境的（例えば、地球温暖化）にも前駆ガスの消費の減少は有益である。更に、鏡面研磨面は、異種物質を処理装置に導入せず、従来のたいていの表面処理が経験する密着性の問題も存在しない。
本発明の他の目的、特徴及び利点は、下記の好適実施例の詳細な説明、前述の特許請求の範囲及び添付図面から十分に明らかになるであろう。
本発明に従って配置された処理装置の側面図である。
図１は、本発明に従って配置された処理装置１０の側面図である。米国特許第5,788,778号に記載され本明細書に全体で援用されているアプライドカマツテクノロジー（Applied Kamatsu Technology)製のAKT-1600型PECVD装置、米国特許第5,812,403号に記載され本明細書に全体で援用されているアプライドマテリアルズ社製のGIGAFILL(登録商標)、熱堆積チャンバ等の適切な処理装置は、本明細書に記載されるように改良することができる。便宜上本発明に従って配置されたAKT-1600 PECVD処理装置１０を図１に示す。AKT-1600 PECVD処理装置１０は、アクティブマトリックス液晶ディスプレイを製造するために設計され、当該技術において既知である無定形シリコン、二酸化シリコン、オキシ窒化シリコン又は窒化シリコンを堆積するために使用することができる。
図１について説明する。処理装置１０は、処理ガスや洗浄ガスを堆積チャンバ１１へ送るように適合したアパーチャ１２ａ−ｕ及びバッキングプレートを含むガス分配プレート１２を有する堆積チャンバ１１、及び堆積チャンバ１１内で処理される基板１６を支持するサセプタ１４を含んでいる。サセプタ１４は、基板１６の温度を処理温度に上昇させるとともに処理中その処理温度に基板１６を維持するヒータ制御部２０に結合した発熱体１８（例えば、抵抗ヒータ）を含んでいる。リフトメカニズム２２は、下記のように、基板１６をサセプタ１４から持ち上げることができるようにサセプタ１４に結合している。特に、複数のリフトピン26（リフトピンホルダ２８によって固定して支持されている）がサセプタ１４を貫通し（複数のリフトピンアパーチャ３０によって）、サセプタ１４がリフトメカニズム２２によって下げられる場合に基板１６と接触し、基板１６をサセプタ１４
から持ち上げる。堆積チャンバ１１は、更に、物質がチャンバ壁上に蓄積しないように遮断しかつ除去及び洗浄され得るチャンバ壁ライナ２９、及び基板エッジ部をオーバハングし、よって物質が基板のエッジ部上に堆積又は蓄積しないようにするシャドーフレーム３１を含んでいる。
上記機能のほかに、ガス分配プレート１２とサセプタ１４は、それぞれ、堆積チャンバ１１内でプラズマを生成する平行なプレートの上下電極としての働きをする。例えば、サセプタ１４は、接地することができ、ガス分配プレート１２は、整合ネットワーク３４を介してＲＦ発電機３２に結合することができる。よって、整合ネットワーク３４を介してＲＦ発電機によって供給されるＲＦ電力を印加することによってガス分配プレート１２とサセプタ１４の間にＲＦプラズマを生成することができる。真空ポンプ３６は、必要とされるように処理前、処理中又は処理後に排気する/ポンピングする堆積チャンバ１１に結合している。
処理装置１０は、更に、バッキングプレート１３とガス分配プレート１２によって処理ガスを供給する堆積チャンバ１１の注入口４０に結合した第１ガス供給装置３８を含んでいる。第１ガス供給装置３８は、堆積チャンバ１１の注入口４０に結合したバルブコントローラシステム４２（例えば、コンピュータ制御マスフローコントローラ、フローメータ等）、及びバルブコントローラシステム４２に結合した複数のプロセスガス源４４ａ、４
４ｂを含んでいる。バルブコントローラシステム４２は、処理ガスの堆積チャンバ１１への流量を調節する。用いられる個々の処理ガスは、堆積チャンバ１１内に堆積する物質に依存する。
第１ガス供給装置３８のほかに、処理装置１０は、堆積チャンバ１１の洗浄中に（例えば、蓄積物質をチャンバ１１のいろいろな内面から除去するために）洗浄ガスを供給する堆積チャンバ１１（ガスコンダクタンスライン４８を介して）の注入口に結合した第２ガス供給装置４６を含んでいる。第２ガス供給装置４６は、ガスコンダクタンスライン４８に結合したリモートプラズマチャンバ５０及びリモートプラズマチャンバ５０にバルブコントローラシステム５６とバルブコントローラシステム５８を介して結合したそれぞれ前駆ガス源５２と少量キャリヤガス源５４を含んでいる。典型的な前駆洗浄ガスとしては、当該技術において周知であるＮＦ3、ＣＦ4、ＳＦ6、Ｃ2Ｆ6、ＣＣｌ4、Ｃ2Ｃｌ6等が含まれる。少量キャリヤガスが使われる場合には、用いられる洗浄ガスと適合する非反応性ガスを含んでもよい（例えば、アルゴン、ヘリウム、水素、窒素、酸素等）。前駆キャリヤガス源と少量キャリヤガス源５２、５４は、所望される場合には、前駆キャリヤガスと少量キャリヤガスの適切な混合物を含有する単一ガス源を含んでもよい。
大電力源発電機６０（例えば、マイクロ波又はＲＦ発電機）は、洗浄ガスが活性な洗浄化学種/ラジカルに解離するリモートプラズマチャンバ５０内でプラズマを点火及び維持するために（下記のように）リモートプラズマチャンバ５０に電力を供給する。リモートプラズマチャンバ５０と堆積チャンバ１１間に圧力差を維持することができるようにガスコンダクタンスライン４８に沿ってフロー・レストリクタ６２が配置されることが好ましい。
堆積チャンバ１１の洗浄中、前駆ガスが前駆ガス源からリモートプラズマチャンバ５０に送られる。前駆ガスの流量は、バルブコントローラシステム５６によって設定される。大電力発電機６０は、リモートプラズマチャンバ５０に電力を送り、前駆ガスを活性化して、ガスコンダクタンスライン４８によって堆積チャンバ１１に進む１種以上の反応性化学種（例えば、フッ素ラジカル）を形成する。このように、リモートプラズマチャンバ５０は、堆積チャンバ１１に結合し反応性化学種を送る『反応性化学種発生器』としての働きをする。サセプタ１４とガス分配プレート１２も、印加したＲＦ電力が前駆ガスを解離することができるので堆積チャンバ１１に結合した反応性化学種発生器としての働きをすることに留意されたい。
リモートプラズマチャンバ５０によって生成した１種以上の反応性化学種は、注入口４０、バッキングプレート１３、ガス分配プレート１２を通って堆積チャンバ１１へ進む。少量キャリヤガスは、１種以上の反応性化学種をチャンバ１１に輸送することを援助するために及び/又はチャンバ洗浄又はＲＦプラズマがチャンバ洗浄中に使われる場合には堆積チャンバ内のプラズマ開始／安定化を援助するために、少量キャリヤガス源５４からリモートプラズマチャンバ５０に供給することができる。
ＮＦ3前駆洗浄ガスが使われるときの堆積チャンバ１１の具体的な洗浄プロセスパラメーターとしては、毎分約２リットルの前駆ガス流量及び約０.５トルの堆積チャンバ圧が挙げられる。３〜１２kW、好ましくは５kWのマイクロ波電力は、ＮＦ3前駆ガスを活性化するために大電力マイクロ波発電機によってリモートプラズマチャンバ５０に供給される。好ましくは、リモートプラズマチャンバ５０は、少なくとも４.５トル、好ましくは約６トルの圧力に保たれる。他の洗浄プロセスパラメーター範囲／化学的性質は、前に援用
されている米国特許第5,788,778号に記載されている。
前述のように、従来の洗浄プロセスに共通する問題には、低洗浄速度及びプロセスチャンバ間の洗浄速度の差の大きなばらつきが含まれている。本発明者らは、洗浄速度及びチャンバ間の洗浄速度の差のばらつきがチャンバ内面の状態に依存し、かつリモートプラズマソース（例えば、リモートプラズマチャンバ５０）とチャンバ（例えば、堆積チャンバ１１）（『下流表面』）間の内面が洗浄速度に影響することを発見した。特に、表面制御不活性化プロセスによって、洗浄中に使われる反応性化学種（例えば、Ｆラジカルのようなエッチング活性化学種）を結合させてチャンバ洗浄を援助しない不活性化学種（例えば、Ｆラジカルの場合にはＦ2）が形成すると考えられる。この表面制御不活性化プロセスは、はだかのアルミニウム表面も陽極酸化アルミニウム表面も含む未処理物質表面で起こると思われる。
本発明者らは、１つ以上の未処理下流構成要素を鏡面研磨することにより、高速の洗浄速度が達成され、チャンバ間の洗浄速度の差のばらつきが著しく減少することがわかった。洗浄性能に著しく影響すると思われる鏡面研磨構成要素としては、チャンバガス分配プレート及びバッキングプレートが含まれる。チャンバ洗浄速度の改善に影響させるために、ある割合のチャンバ構成要素を鏡面仕上げしなければならない。この割合は変動してもよいが、高速洗浄速度を達成するのに高い割合が好ましく、未処理曝露面の１００％鏡面研磨が最も好ましい。処理チャンバ内でＲＦプラズマをリモートプラズマソースと共に用いることにより、即ち、電極１２に電力を供給してリモートプラズマソースから入るラジカルのガスを形成することにより、又は二次的に洗浄ガスをプラズマに導入することにより、洗浄速度の増加（例えば、１５％まで）が達成し得ることに留意されたい。しかしながら、ＲＦ電力の印加は、イオン衝撃による処理チャンバ構成要素への損傷を避けるために制限されなければならない。
図１の処理装置１１について説明する。洗浄速度の増加及び堆積チャンバ１１と他の堆積チャンバ（図示せず）間の洗浄速度の差のばらつきの減少に影響するように、処理装置１１の１つ以上の下流構成要素の曝露処理面又は未処理面が鏡面研磨される（『鏡面研磨面６４』）。鏡面研磨は、当業者に既知のプロセスであり、光学レンズや半導体基板を研磨するのに一般に用いられている。通常、鏡面研磨は、研磨される表面と接触し、かつ相対運動するパッドに研摩剤スラリーを被覆することを必要とする。
図１に示されるように、堆積チャンバ１１、ガス分配プレート１２、バッキングプレート１３、サセプタ１４、注入口４０、ガスコンダクタンスライン４８、チャンバ壁ライナ２９及びシャドーフレーム３１の内面は鏡面研磨面６４である。所望される場合には、鏡面研磨される構成要素がもっと少なくてもよい。しかしながら、はだかのアルミニウム面が洗浄効率を高めるコーティングで巧く処理することができないことから（薄片化／剥離）、鏡面研磨面６４の最も有利な被覆は、はだかのアルミニウム面上であると思われる。陽極酸化アルミニウム（例えば、慣用的にサセプタやシャドーフレームは陽極酸化アルミニウムである）の鏡面研磨は、陽極酸化層を除去し、よって堆積処理を妨害する又はアークを引き起こすなどの可能性があるために勧められないものである。
図１のＰＥＣＶＤ堆積チャンバ１１について説明する。鏡面研磨表面６４は、処理ドリフトも堆積チャンバ１１内に堆積したＰＥＣＶＤ膜の性質の変化も生じることなく、洗浄速度を著しく高め、チャンバ間の洗浄速度の差のばらつきを著しく減少させる。鏡面研磨面６４は、洗浄ラジカルが曝露される全表面積を減少させ、よって表面制御不活性化プロセスが起こると思われる（例えば、高くかつ均一なＦラジカル濃度を維持すること）表面吸着部位の数を減少させる。
約１０,０００オングストロームの窒化シリコン膜を洗浄する場合、１５.６％の洗浄速度の改善が、まず８マイクロインチまで機械加工し、次に２マイクロインチまで鏡面研磨した陽極酸化ディフューザ及びバッキングプレートを用い、洗浄したAKT PECVD 3500チャンバで見出された。約１０,０００オングストローム窒化シリコン膜を洗浄する場合、テフロン（登録商標）被覆した陽極酸化ディフューザをまず８マイクロインチまで機械加工し、次に２マイクロインチまで鏡面研磨したバッキングプレートを用い、洗浄したAKT PECVD 3500チャンバで６.８％の洗浄速度の向上が見出された。テフロンのようなフルオロポリマーコーティングは、米国特許出願第09/322,893号（3622/AKT）に開示され、その開
示内容は本明細書に援用されている。従って、本発明の使用によりプロセスチャンバスループットが高められ、洗浄に必要とされる前駆ガスの量が減少する。
ＮＦ3のような前駆ガスに付随して高コストになることから、経済的（例えば、ＮＦ3は現在＄１００／lbの費用がかかる）にも環境的（例えば、ＮＦ3は『地球温暖化』ガスである）にも前駆ガス消費の減少は非常に有益である。更に、鏡面研磨面は、チャンバ表面の腐食を防止するために又は蓄積した物質が崩れ落ちないように被覆された従来の多くの表面コーティング（例えば、ＡｌＦ3）と異なり、安価であり、製造しやすい。更に、本発明は、処理チャンバ間の洗浄速度の差のばらつきを減少すると考えられる。
上記説明は、本発明の好適実施例のみを開示しており、本発明の範囲内に包含する上記装置及び方法の変更は当業者に容易に明らかになる。例えば、本発明はＰＥＣＶＤチャンバについて記載してきたが、本発明が熱堆積チャンバを含むさまざまなプロセスチャンバに適用されることは理解される。更に、反応性化学種（例えば、プロセスチャンバ内でＲＦプラズマによって生成される反応性化学種、又はリモートプラズマソース生成反応性化学種等）を用いる洗浄プロセスは、本明細書に記載される鏡面研磨面を用いることにより改善することができる。更に、鏡面研磨が下流面上に使われた場合に洗浄を高めると思われるが、２マイクロインチの鏡面研磨が洗浄を著しく高めることがわかったので好ましい
。
従って、本発明を好適実施例と共に開示してきたが、他の実施例も前述の特許請求の範囲によって定義される本発明の精神及び範囲内に包含することができることは理解されるべきである。
符合の説明
１０…処理装置、１１…堆積チャンバ、１２…ガス分配プレート、１２ａ−ｕ…アパーチャ、１３…バッキングプレート、１４…サセプタ、１６…基板、１８…発熱体、２０…ヒータ制御部、２２…リフトメカニズム、２８…リフトピンホルダ、２９…チャンバ壁ライナ、３０…リフトピンアパーチャ、３１…シャドーフレーム、３２…ＲＦ発電機、３４…整合ネットワーク、３６…真空ポンプ、３８…第１ガス供給装置、４０…注入口、４２…バルブコントローラシステム、４４ａ、４４ｂ…プロセスガス源、４６…第２ガス供給装置、４８…ガスコンダクタンスライン、５０…リモートプラズマチャンバ、５２…前駆ガス源、５４…少量キャリヤガス源、５６…バルブコントローラシステム、６０…大電力発電機、６２…フローレストリクタ、６４…鏡面研磨面。

Claims (9)

  1. ガスフローとしてガスを処理チャンバへ分配するように適合したガス分配プレートであって、貫通している複数のアパーチャと；陽極酸化アルミニウムではなく未処理アルミニウムの表面を鏡面研磨面と、を有するベースを含む、ガス分配プレート。
  2. 前記請求項１に記載されたガス分配プレートと、
    前記ガス分配プレートの背面側に位置し、ガスが該チャンバに入ったときにガスに曝露される鏡面研磨内面を有するベースを含む、処理チャンバに導入されたガスを分配する装置。
  3. 前記ベースの鏡面研磨面は、陽極酸化アルミニウムではなく未処理アルミニウムに形成されている前記請求項２に記載の装置。
  4. チャンバ内で基板を処理するとともに該チャンバの構成要素から蓄積した物質層を洗浄するシステムであって、
    蓄積した物質を化学的にエッチングする反応性化学種を生成するように適合した反応性化学種発生器と；
    該反応性化学種発生器に結合され、洗浄中に該反応性化学種発生器によって生成される反応性化学種に曝露される鏡面研磨面を陽極酸化アルミニウムではなく未処理アルミニウム上にもつ少なくとも１つの構成要素を有する処理チャンバと、を含む、システム。
  5. 該処理チャンバが洗浄速度を上げるのに十分な鏡面研磨面を有する、請求項４記載のシステム。
  6. さらに請求項１に記載のガス分配プレートを有する請求項５に記載のシステム。
  7. 前記ガス分配プレートの背面側に位置し、ガスが該チャンバに入ったときにガスに曝露される鏡面研磨内面を有するベースを含むバッキングプレートを含んでいる、請求項６記載のシステム。
  8. チャンバ内で基板を処理するとともに該チャンバの構成要素から蓄積した物質層を洗浄するシステムであって、
    蓄積した物質を化学的にエッチングする反応性化学種を生成するように適合した反応性化学種発生器と；
    該反応性化学種発生器に結合され、洗浄中に該反応性化学種発生器によって生成される反応性化学種に曝露される鏡面研磨面を陽極酸化アルミニウムではなく未処理アルミニウム上にもつチャンバ壁を有する処理チャンバとを含むシステム。
  9. チャンバ内で基板を処理するとともに該チャンバの構成要素から蓄積した物質層を洗浄するシステムであって、
    蓄積した物質を化学的にエッチングする反応性化学種を生成するように適合した反応性化学種発生器と；
    該反応性化学種発生器に結合され、洗浄中に該反応性化学種発生器によって生成される反応性化学種に曝露される鏡面研磨面を陽極酸化アルミニウムではなく未処理アルミニウム上にもつ少なくとも１つの構成要素を有する処理チャンバとを含み、
    前記反応性化学種発生器はリモートプラズマチャンバであり、鏡面研磨面を陽極酸化アルミニウムではなく未処理アルミニウム上にもつ少なくとも１つの構成要素はリモートプラズマチャンバから処理チャンバまで反応性化学種を導入するガス導入ラインを有するシステム。
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