JP2018032858A - エッチングチャンバにおけるエッチング量を高速回復させるためにアルミニウムオキシフッ化物層を堆積させる方法 - Google Patents

エッチングチャンバにおけるエッチング量を高速回復させるためにアルミニウムオキシフッ化物層を堆積させる方法 Download PDF

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Abstract

【課題】処理チャンバで使用するためのチャンバ部品を提供すること。【解決手段】チャンバ部品は、プラズマ処理チャンバで使用するための本体と、本体の露出表面の少なくとも一部分上に形成された、約２ｇｍ／ｃｍ3以上の密度を有するバリア酸化物層と、バリア酸化物層上に形成された、約２ｎｍ以上の厚さを有するアルミニウムオキシフッ化物層と、を含む。【選択図】図１

Description

本開示の実施形態は、一般に、改善されたチャンバ部品およびチャンバ部品を処理するための方法に関する。
半導体産業におけるプラズマ反応炉は、しばしばアルミニウム含有材料から作られている。特に、ポリシリコン、金属、または酸化物エッチングチャンバでは、ＮＦ3またはＣＦ4などのフッ素含有ガスがエッチング化学物質として使用される場合に、アルミニウムフッ化物層がアルミニウム表面に形成されることがある。アルミニウムチャンバ表面上のアルミニウムフッ化物の形成は、結果としてエッチング速度のドリフトおよびチャンバ不安定性をもたらすことが観測された。また、チャンバ表面上のアルミニウムフッ化物は、プラズマプロセスの結果、剥げ落ちて、チャンバ内で処理される基板表面を微粒子で汚染することがある。
したがって、処理中のエッチング速度ドリフト問題、および基板表面上のアルミニウムフッ化物汚染の可能性を最小限にする、または回避するように、チャンバ部品を処理するための改善されたプロセスを提供することが当技術分野で必要ある。
本開示の実施態様は、処理チャンバで使用するためのチャンバ部品を提供する。チャンバ部品は、プラズマ処理チャンバで使用するための本体と、本体の露出表面の少なくとも一部分上に形成された、約２ｇｍ／ｃｍ3以上の密度を有するバリア酸化物層と、バリア酸化物層上に形成された、約２ｎｍ以上の厚さを有するアルミニウムオキシフッ化物層と、を含む。
別の実施態様では、チャンバ部品を処理する方法が提供される。本方法は、チャンバ部品本体の露出表面の少なくとも一部分を酸素にさらすステップであって、チャンバ部品本体の露出表面がアルミニウムを含む、ステップと、バリア酸化物層の少なくとも一部分をアルミニウムオキシフッ化物層に変換するために、約３０分以上、約５℃〜約５０℃の温度で、チャンバ部品本体をフッ化水素酸（ＨＦ）、フッ化アンモニウム（ＮＨ4Ｆ）、エチレングリコール、および水を含む溶液にさらすステップと、を含む。
さらに別の実施態様では、本方法は、チャンバ部品本体の露出表面の少なくとも一部分上にバリア酸化物層を形成するステップであって、チャンバ部品本体の露出表面がアルミニウムを含む、ステップと、約３０分以上、約５℃〜約５０℃の温度で、チャンバ部品本体を約２９容積％の４９％フッ化水素酸（ＨＦ）、約１１容積％の４０％フッ化アンモニウム（ＮＨ4Ｆ）、および６０容積％の１００％エチレングリコールを含む溶液にさらすことによって、バリア酸化物層上にアルミニウムオキシフッ化物層を形成するステップと、を含む。
上で簡単に要約され、以下でより詳細に論じられる本開示の実施形態は、添付図面に表される本開示の例示的な実施形態を参照することによって理解され得る。しかしながら、添付図面は、本開示の典型的な実施形態のみを示し、したがって、その範囲を限定していると考えられるべきではなく、その理由は本開示が他の等しく効果的な実施形態を受け入れることができるためである。
基板処理チャンバで使用するためのチャンバ部品を処理するための方法の流れ図である。 図１の流れ図による方法のある段階におけるチャンバ部品の一部分の斜視図である。 図１の流れ図による方法のある段階におけるチャンバ部品の一部分の斜視図である 本開示の実施態様によるチャンバ部品の一部分の斜視図である。
理解を容易にするために、各図に共通の同一の要素を指定するために、可能な場合は、同一の参照数字が使用された。図は、縮尺通りには描かれておらず、明瞭にするために簡略化されることがある。一実施形態の要素および特徴は、さらに詳説することなく他の実施形態において有益に組み込まれてもよいが想定されている。
図１は、プラズマ処理チャンバなどの基板処理チャンバで使用するためのチャンバ部品を処理するための方法１００の流れ図を表す。図１は、図１の流れ図による方法の様々な段階におけるチャンバ部品の一部分の斜視図を示す図２Ａ〜図２Ｂに関連して説明的に記載されている。当業者は、図２Ａ〜図２Ｂで示す構造が縮尺通りには描かれていないことを認識されるであろう。加えて、様々なステップが図面で示され、本明細書に記載されているが、そのようなステップの順番または介在するステップの存在もしくは不在に関する限定は、暗示されていないことが想定されている。連続するとして表され、または記載されるステップは、明示的に指定されない限り、それぞれのステップが、全部ではないにしても少なくとも部分的に、同時にもしくはオーバラップして実際に行われる可能性を排除することなく、単に説明を行う目的のためにそのようになされている。
方法１００は、図２Ａに示すように、チャンバ部品２０２を用意するブロック１０２から開始する。チャンバ部品２０２は、アルミニウム、ステンレス鋼、アルミニウム酸化物、アルミニウム窒化物、またはセラミックから製造されてもよい。チャンバ部品２０２は、説明を容易にするために矩形形状として示されている。チャンバ部品２０２は、プラズマ処理チャンバの任意の部分、例えば、チャンバ壁、チャンバリッド、シャワーヘッド、プロセスキットリング、シールド、ライナー、ペデスタル、または処理チャンバ内部のプラズマ環境にさらされる他の置き換え可能なチャンバ部品であってもよいことが想定されている。チャンバ部品２０２は、本体２０３を有する。本体２０３は、一体型の本体、または一体型の本体を形成するために互いに溶接された、さもなければ接合された２つ以上の部品を形成するために、単一の材料の塊から製造されてもよい。様々な実施態様において、チャンバ部品２０２は、アルミニウムから形成された一体型の本体２０３である。一部の実施態様では、チャンバ部品２０２は、アルミニウムで被覆されたステンレス鋼から形成された一体型の本体であってもよく、アルミニウム被覆が本体２０３の露出表面または外側表面２０５を形成する。代替として、図２Ｃに示すように、チャンバ部品２０２は、コア本体２０７の露出表面または外側表面２１１がアルミニウムとなるようにアルミニウム２０９で被覆された、アルミニウムまたは非アルミニウム材料から構成されたいかなるコア本体２０７であってもよい。アルミニウムについて論じているが、露出表面または外側表面２１１は、ステンレス鋼、アルミニウム酸化物、アルミニウム窒化物、もしくはセラミックから作られてもよいことが想定されている。
ブロック１０４では、図２Ａに示すように、任意選択のバリア酸化物層２０４がチャンバ部品２０２の本体２０３の外側表面２０５上に形成される。バリア酸化物層２０４は、薄い、高密度の酸化物層であってもよい。薄い、高密度の酸化物層は、他の酸素含有ガスの中でもとりわけ、例えば、原子酸素（Ｏ）、分子酸素（Ｏ2）、オゾン（Ｏ3）、および／または水蒸気（Ｈ2Ｏ）を含むことができる酸素含有ガスを使用して、高温酸化炉内で堆積させることができる。テトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）などの他の酸素含有化合物も使用されてもよい。バリア酸化物層２０４は、約２ｇｍ／ｃｍ3以上の、例えば、約５ｇｍ／ｃｍ3以上の密度を有することができる。バリア酸化物層２０４は、約２ｎｍ〜約１８ｎｍ、例えば、約４ｎｍ〜約１２ｎｍ、約７ｎｍ〜約１０ｎｍなどの厚さを有することができる。バリア酸化物層２０４の厚さは、処理要求事項、または所望のバリア寿命に応じて変わってもよい。
例示的な一実施態様では、バリア酸化物層２０４は、オゾンおよび／またはＴＥＯＳを使用して、減圧非プラズマベース化学気相堆積（ＣＶＤ）処理チャンバ内でチャンバ部品２０２の表面上に形成される。そのような場合、バリア酸化物層２０４を硬化するためにアニーリングプロセスが行われてもよい。一例示的なアニーリングプロセスは、チャンバ部品２０２を窒素ガス雰囲気中で約１０秒間、８５０℃以上の温度（例えば、１０００℃以上）に加熱することを含むことができる。結果として生じるバリア酸化物層２０４は、約１０ｇｍ／ｃｍ3以上の、例えば、約１５ｇｍ／ｃｍ3以上の密度を有することができる。
一部の実施態様では、バリア酸化物層２０４の少なくとも一部分は、典型的には、チャンバ部品２０２の表面が酸素にさらされるときに形成されるネイティブ酸化物であってもよい。チャンバ部品が大気条件で保存される場合、または少量の酸素が真空チャンバ内に残留する場合、酸素露出が起きる。代替として、バリア酸化物層２０４全体がネイティブ酸化物であってもよい。
ブロック１０６では、図２Ｂに示すように、チャンバ部品２０２は、バリア酸化物層２０４の少なくとも一部分またはバリア酸化物層２０４全体が、アルミニウムオキシフッ化物層２０６に変質するように、フッ化プロセスによって処理される。アルミニウムオキシフッ化物層２０６は、約２ｎｍ〜約１８ｎｍ、例えば、約４ｎｍ〜約１２ｎｍ、約７ｎｍ〜約１０ｎｍなどの厚さを有してもよい。フッ化プロセスは、約５℃〜約５０℃、例えば、約２０℃〜約３０℃の温度範囲で、約３０分以上、例えば、約６０分以上、約１２０分以上、約１８０分以上、または約３００分以上、チャンバ部品２０２をフッ化水素酸（ＨＦ）、フッ化アンモニウム（ＮＨ4Ｆ）、エチレングリコール、および水（Ｈ2Ｏ）を含有する溶液にさらす（例えば、浸漬する）ことによって行われてもよい。フッ化水素酸およびフッ化アンモニウムは、互いに、およびチャンバ部品２０２のアルミニウム酸化物表面と反応して、アルミニウムオキシフッ化物層２０６を形成する。特に、フッ化プロセスは、アルミニウム酸化物表面の一部分または全体を少なくともチャンバ部品２０２の露出表面の一部分上で保護アルミニウムオキシフッ化物層２０６に変換する。一旦保護アルミニウムオキシフッ化物層２０６が形成されると、下にあるアルミニウム表面は、溶液中の酸、例えば、フッ化水素酸によって侵されることから保護される。また、エチレングリコールは、アルミニウム表面とフッ化水素酸との間のエッチング反応を遅くするまたはバッファーする役目を果たし、したがって、下にあるアルミニウム表面がフッ化水素酸によってオーバエッチングされるのを保護する。
フッ化水素酸は、４９質量％のフッ化水素（すなわち、４９％ＨＦ）を含む標準のＨＦ溶液であってもよい。フッ化アンモニウムは、固体形態であっても、または水溶液であってもよい。一実施態様では、約４０質量％ＮＨ4Ｆの濃度のフッ化アンモニウム溶液が使用される。
様々な実施態様において、溶液は、約１５容積％〜４５容積％の４９％ＨＦ、５容積％〜２５容積％の４０％ＮＨ4Ｆ、および４５容積％〜７５容積％の１００％エチレングリコールを含有していてもよい。一例示的な実施態様（以降実施形態１）では、溶液は、約２９容積％の４９％ＨＦ、約１１容積％の４０％ＮＨ4Ｆ、および６０容積％の１００％エチレングリコールを含有する。固体形態のフッ化アンモニウムが使用される場合、溶液は、約２０容積％〜４０容積％の４９％ＨＦ、約３０ｇ／Ｌ〜５５ｇ／ＬのＮＨ4Ｆ、約５０容積％〜７５容積％の１００％エチレングリコール、および約２容積％〜１２容積％の水（Ｈ2Ｏ）を含有していてもよい。一例示的な実施態様（以降実施形態２）では、溶液は、約３１．６容積％の４９％ＨＦ、約４４．６ｇ／ＬのＮＨ4Ｆ、６３．１容積％の１００％エチレングリコール、および５．４容積％の水を含有する。
以下の表１は、異なる処理時間および条件の下で、実施形態１で使用された溶液によって処理された、アルミニウムオキシフッ化物層（１０ｎｍの厚さ）の原子濃度を（％で）示す。表１に示す数値は、検出された元素の１００％に対して正規化されている。ＨまたはＨｅは、検出されなかった。加えて、破線「−」は、元素が検出されないことを示す。
Figure 2018032858
表１に示す試験番号１〜４は、３０分、６０分、９０分、１２０分の間、溶液に浸漬させたチャンバ部品をそれぞれ表す。特に、試験番号１〜４のフッ化プロセスは、前もってバリア酸化物層をチャンバ部品の表面上に形成することなく行われた。したがって、チャンバ部品２０２のアルミニウム表面は、ネイティブ酸化物を有さなくてもよく、または追跡可能な量のネイティブ酸化物しか有さなくてもよい。試験番号Ｒは、本発明のフッ化プロセスの処理をなんらしていない機械加工されたチャンバ部品を表す。試験番号Ａ１およびＡ２は、３０分および６０分の間、溶液に浸漬させたチャンバ部品をそれぞれ表す。試験番号Ａ１およびＡ２のチャンバ部品は、その上に形成されたバリア酸化物層を有する。見て分かるように、フッ化プロセスによって処理されたチャンバ部品は（バリア酸化物層の有無に関わらず）、試験番号Ｒと比較して、著しく高いＦ濃度を示し、チャンバ部品のアルミニウム酸化物表面がフッ素で飽和していることを示唆する。すなわち、フッ化プロセスによってチャンバ部品を処理すると、アルミニウムオキシフッ化物層２０６がチャンバ部品２０２の表面上に形成される。
上述の溶液を使用するフッ化プロセスがチャンバ部品２０２のアルミニウム酸化物表面を実質的にエッチングまたは浸食せず、したがって、チャンバ部品２０２のアルミニウム酸化物表面を維持し、チャンバ部品２０２を洗浄することができる回数を増加させることを認識されたい。本明細書で使用されるように、「実質的に、エッチングまたは浸食することなく」（あるいはその派生語）は、目視検査または顕微鏡測定によって判定されるようなチャンバ部品２０２のアルミニウム酸化物表面に対する検出可能な腐食が１万分の１インチ（０．０００１インチ）までないことを意味することが意図されている。加えて、フッ化水素酸について論じているが、重フッ化ナトリウム、フッ化水素アンモニウム、およびアンモニウムフルオロホウ酸塩などの他の化学物質も使用されてもよいことが想定されている。
一部の実施態様では、チャンバ部品２０２上へのバリア酸化物層２０４および／またはアルミニウムオキシフッ化物層２０６の形成に先立って、チャンバ部品２０２の露出表面（または少なくともバリア酸化物層２０４および／またはアルミニウムオキシフッ化物層２０６が堆積する表面）は、研磨剤ブラストによって任意の所望のテクスチャーを有するように粗面化されてもよく、この研磨剤ブラストには、例えば、ビードブラスト、サンドブラスト、ソーダブラスト、粉末ブラスト、および他の微粒子ブラスト技法が含まれてもよい。また、ブラストは、チャンバ部品２０２のアルミニウム表面へのバリア酸化物層２０４および／またはアルミニウムオキシフッ化物層２０６の接着を強化することができる。機械的技法（例えば、ホイール摩耗）、化学的技法（例えば、酸エッチング）、プラズマエッチング技法、およびレーザエッチング技法を含む他の技法を使用して、チャンバ部品２０２の露出表面を粗面化することができる。チャンバ部品２０２の露出表面（または少なくともバリア酸化物層２０４および／またはアルミニウムオキシフッ化物層２０６が堆積する表面）は、約１６マイクロインチ（μインチ）〜約２２０μインチ、例えば、約３２μインチ〜約１２０μインチ、約４０μインチ〜約８０μインチなどの範囲内にある平均表面粗さを有することができる。
チャンバ部品２０２がフッ化プロセスによって処理された後、チャンバ部品は、プラズマプロセスが行われる処理チャンバに設置されてもよい。
本開示の利点は、チャンバ部品を少なくとも３０分間、室温でフッ化水素酸（ＨＦ）、フッ化アンモニウム（ＮＨ4Ｆ）、エチレングリコール、および水（Ｈ2Ｏ）を含有する溶液にさらすことによって、チャンバ部品のアルミニウム表面またはアルミニウム酸化物表面上に保護アルミニウムオキシフッ化物層を形成することを含む。一旦保護アルミニウムオキシフッ化物層が形成されると、下にあるアルミニウム酸化物表面は、フッ化水素酸によって侵されることから保護される。また、エチレングリコールは、アルミニウム酸化物表面とフッ化水素酸とのエッチング反応をバッファーし、したがって、下にあるアルミニウム表面がフッ化水素酸によってオーバエッチされるのを保護する。アルミニウム酸化物表面上の不安定なアルミニウムフッ化物（ＡｌＦｘ）の量は、アルミニウムオキシフッ化物層の形成の結果として、低減する。加えて、アルミニウムオキシフッ化物層は、チャンバ部品のアルミニウム表面内へのＦラジカルのスカベンジングを低減させ、したがってＡｌＦｘ汚染を有することなく、処理装置におけるエッチング量を改善する。その結果、エッチング速度のドリフトが回避され、チャンバ安定性が改善される。
前述の事項は、本開示の実施形態を対象としているが、本開示の他のおよびさらなる実施形態が本開示の基本的な範囲から逸脱せずに考案されてもよい。
１００ 方法
２０２ チャンバ部品
２０４ バリア酸化物層
２０６ アルミニウムオキシフッ化物層

Claims (15)

  1. 本体と、
    少なくとも前記本体の露出表面の一部分上に形成された、約２ｇｍ／ｃｍ3以上の密度を有するバリア酸化物層と、
    前記バリア酸化物層上に形成された、約２ｎｍ以上の厚さを有するアルミニウムオキシフッ化物層と、
    を備える、処理チャンバで使用するためのチャンバ部品。
  2. 前記本体がアルミニウム、ステンレス鋼、アルミニウム酸化物、アルミニウム窒化物、またはセラミックを含む、請求項１に記載のチャンバ部品。
  3. 前記本体がステンレス鋼の単一の塊から形成され、続いて、アルミニウム、アルミニウム酸化物、アルミニウム窒化物、またはセラミックで被覆される、請求項１に記載のチャンバ部品。
  4. 前記本体が、
    コアと、
    前記コア上に形成されたアルミニウム被覆と、
    を備える、請求項１に記載のチャンバ部品。
  5. 前記バリア酸化物層が自然酸化物である、請求項１に記載のチャンバ部品。
  6. 前記アルミニウムオキシフッ化物層の厚さが約４ｎｍ〜約１２ｎｍである、請求項１に記載のチャンバ部品。
  7. 前記本体が約１６μインチ〜約２２０μインチの平均表面粗さを有する、請求項１に記載のチャンバ部品。
  8. バリア酸化物層を形成するために、少なくともチャンバ部品本体の露出表面の一部分を酸素にさらすステップであって、前記チャンバ部品本体の前記露出表面がアルミニウムを含む、ステップと、
    前記バリア酸化物層の少なくとも一部分をアルミニウムオキシフッ化物層に変換するために、約３０分以上、約５℃〜約５０℃の温度で、前記チャンバ部品本体をフッ化水素酸（ＨＦ）、フッ化アンモニウム（ＮＨ4Ｆ）、エチレングリコール、および水を含む溶液にさらすステップと、
    を含む、チャンバ部品を処理する方法。
  9. 前記バリア酸化物層が原子酸素（Ｏ）、分子酸素（Ｏ2）、オゾン（Ｏ3）、または水蒸気（Ｈ2Ｏ）を含む酸素含有ガスを使用して、高温酸化炉内で形成される、請求項８に記載の方法。
  10. 前記バリア酸化物層が窒素ガスの雰囲気中でアニーリングプロセスにさらされる、請求項８に記載の方法。
  11. 前記バリア酸化物層がネイティブ酸化物である、請求項８に記載の方法。
  12. 前記チャンバ部品本体が約２０℃〜約３０℃の温度範囲で前記溶液にさらされる、請求項８に記載の方法。
  13. 前記フッ化アンモニウムが固体形態、または水溶液である、請求項８に記載の方法。
  14. チャンバ部品本体の露出表面の少なくとも一部分上にバリア酸化物層を形成するステップであって、前記チャンバ部品本体の前記露出表面がアルミニウムを含む、ステップと、
    約３０分以上、約５℃〜約５０℃の温度で、前記チャンバ部品本体を約２９容積％の４９％フッ化水素酸（ＨＦ）、約１１容積％の４０％フッ化アンモニウム（ＮＨ4Ｆ）、および６０容積％の１００％エチレングリコールを含む溶液にさらすことによって、前記バリア酸化物層上にアルミニウムオキシフッ化物層を形成するステップと、
    を含む、チャンバ部品を処理する方法。
  15. 前記バリア酸化物層が約２ｇｍ／ｃｍ3以上の密度を有する、請求項１４に記載の方法。
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