JP4889640B2 - 処理領域で基板に化学気相堆積を行うためのチャンバ - Google Patents
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Description
発明の分野
[0001]本発明の実施形態は、一般に、マイクロプロセッサ処理チャンバ内で膜の化学気相堆積（ＣＶＤ）を与えると共に、改善されたチャンバ清掃のためのメカニズムを与える方法及び装置に関する。
関連技術の説明
[0002]集積回路及び半導体デバイスの製造に使用される基板に酸化物のような材料を堆積するために、化学気相堆積（ＣＶＤ）チャンバを使用することができる。ＣＶＤチャンバでは、ガスをチャンバへ均一に分配するのにガス分配プレートが通常使用される。このような均一なガス分配は、チャンバ内に置かれた基板の表面に材料の均一な堆積を達成するのに必要とされる。ガス分配プレートは、一般に、ガス分配プレートの上のガスボックスとしても知られている混合領域から堆積ガスを受け取る。ガスボックスへのガス導入通路は、通常、ほぼ１００℃以下の温度に水冷される。ガス分配プレートの下で基板支持部材にヒータが一般に配置される。ヒータは、通常、ほぼ１００から６００℃の温度に加熱される。従って、ガス分配プレートの温度は、ガス導入通路の温度とヒータの温度との間のどこかである。しかしながら、ガス分配プレートは、ガス導入通路に接続されるので、ガス分配プレートの温度は、一般に、ヒータの温度より、ガス導入通路の温度に近いものとなる。
[0002]集積回路及び半導体デバイスの製造に使用される基板に酸化物のような材料を堆積するために、化学気相堆積（ＣＶＤ）チャンバを使用することができる。ＣＶＤチャンバでは、ガスをチャンバへ均一に分配するのにガス分配プレートが通常使用される。このような均一なガス分配は、チャンバ内に置かれた基板の表面に材料の均一な堆積を達成するのに必要とされる。ガス分配プレートは、一般に、ガス分配プレートの上のガスボックスとしても知られている混合領域から堆積ガスを受け取る。ガスボックスへのガス導入通路は、通常、ほぼ１００℃以下の温度に水冷される。ガス分配プレートの下で基板支持部材にヒータが一般に配置される。ヒータは、通常、ほぼ１００から６００℃の温度に加熱される。従って、ガス分配プレートの温度は、ガス導入通路の温度とヒータの温度との間のどこかである。しかしながら、ガス分配プレートは、ガス導入通路に接続されるので、ガス分配プレートの温度は、一般に、ヒータの温度より、ガス導入通路の温度に近いものとなる。
[0003]図１は、２つの遠隔プラズマ源８００に接続された２つの処理領域６１８、６２０を有するチャンバの概略図である。一方の遠隔プラズマ源８００は処理領域６１８に接続され、他方の遠隔プラズマ源８００は処理領域６２０に接続される。ヒータペデスタル６２８は、ステム６２６により各処理領域６１８、６２０に可動に配置され、ステム６２６は、チャンバ本体６１２の底部を貫通して延びて、駆動システム６０３に接続される。処理領域６１８、６２０の各々は、チャンバ蓋６０４を通して配置されたガスボックス６４２を含むガス分配アセンブリを備え、ブロッカープレート６０２を通して処理領域６１８、６２０へガスを配送する。各処理領域のガス分配アセンブリ６０８は、ガスボックス６４２へガスを配送するガス導入通路６４０も備えている。各ガス分配アセンブリ６０８のベースプレート６４８には冷却チャンネル６５２が形成され、動作中にこのプレートを冷却する。入口６５５は、水のような冷却流体を冷却チャンネル６５２に配送し、このチャンネルは、冷却剤管路６５７により互いに接続されている。冷却流体は、冷却剤出口６５９を経てチャンネルから出る。或いは又、冷却流体は、マニホールドを通して循環される。
[0004]炭素ドープの酸化シリコン、酸素ドープの炭化シリコン、酸化シリコン、アモルファス炭素、及び窒化シリコンのようなＣＶＤ膜の場合に、堆積率は、温度に逆比例する。基板ヒータの温度に比してガス分配プレートの温度が低い結果として、処理中にガス分配プレートに膜がしばしば堆積され、これは、チャンバ清掃周期を長くすると共に、きれいなガスの消費量を増加することになる。ガス分配プレートの温度が低い別の結果として、基板の表面にわたり化学物質の分布が非均一となり、これは、ウェハにわたり非均一な膜特性を招くことになる。
[0005]また、堆積プロセスは、通常、堆積チャンバの壁及び要素にもある程度の材料の堆積を生じさせる。処理中にガス分配プレートを通して材料が分配されるにつれて、ガス分配プレート上に堆積物がしばしば形成され、これは、プレートの穴を詰まらせるか、又は粒子として剥がれて、基板上に雨のように降ることがある。これは、基板上の堆積物の均一性を低下したり、基板を汚染したりする。その結果、定期的ベースで堆積チャンバの内部を清掃することが必要になる。
[0006]ガス分配プレートを含む堆積チャンバ要素を清掃する多数の方法が開発されている。例えば、遠隔プラズマ清掃手順を使用してもよい。マイクロ波プラズマシステム、トロイダルプラズマ発生装置、又は同様の装置のような高密度プラズマ源を使用して、遠隔プラズマを発生することができる。次いで、遠隔プラズマから解離した種子が堆積チャンバへ搬送され、そこで、種子が望ましからぬ堆積物と反応してそれらをエッチング除去する。また、チャンバ壁の内面の堆積物を、その場のチャンバ清掃操作で除去することも一般的である。一般的なチャンバ清掃技術は、フッ素又は酸素のようなエッチングガスを使用して、チャンバ壁及び他のエリアから堆積材料を除去することを含む。エッチングガスがチャンバに導入されて、プラズマが形成され、エッチングガスが堆積材料と反応してそれをチャンバ壁から除去する。また、基板支持体に埋設された加熱素子又は熱交換流体によりチャンバへ熱を供給し、清掃又は他のチャンバプロセスを促進することもできる。
[0007]しかしながら、従来のチャンバ清掃方法は、依然として、著しい量の時間を必要とする。チャンバの清掃に要する時間が長いほど、所与の時間内に処理できる基板の枚数が少なく、且つチャンバの清掃に消費されるガスが多くなる。
[0008]それ故、ガスを加熱して堆積チャンバの処理領域へ分配し、堆積チャンバを清掃するための改良された方法が要望される。
発明の概要
本発明は、一般に、処理領域で基板に化学気相堆積を行うためのチャンバであって、ガス入口通路を有する加熱ガスボックスと、この加熱ガスボックスから基板処理領域へガスを導通するように位置されたフェースプレートとを備えたチャンバを提供する。また、本発明は、化学気相堆積チャンバへ熱を与えるための方法であって、基板支持体と、ガス入口通路を有するガスボックスとに熱を供給することを含む方法も提供する。フェースプレートではなくガスボックスを加熱することで、ガスボックス内の堆積を減少し、チャンバの清掃時間を短縮する。本発明は、堆積率が温度に逆比例するようなＣＶＤプロセス、例えば、炭素ドープの酸化シリコン、酸素ドープの炭化シリコン、酸化シリコン、ドープされたアモルファス炭素、及び窒化シリコンを堆積するプロセスに対する清掃時間を短縮する。
本発明は、一般に、処理領域で基板に化学気相堆積を行うためのチャンバであって、ガス入口通路を有する加熱ガスボックスと、この加熱ガスボックスから基板処理領域へガスを導通するように位置されたフェースプレートとを備えたチャンバを提供する。また、本発明は、化学気相堆積チャンバへ熱を与えるための方法であって、基板支持体と、ガス入口通路を有するガスボックスとに熱を供給することを含む方法も提供する。フェースプレートではなくガスボックスを加熱することで、ガスボックス内の堆積を減少し、チャンバの清掃時間を短縮する。本発明は、堆積率が温度に逆比例するようなＣＶＤプロセス、例えば、炭素ドープの酸化シリコン、酸素ドープの炭化シリコン、酸化シリコン、ドープされたアモルファス炭素、及び窒化シリコンを堆積するプロセスに対する清掃時間を短縮する。
[0009]本発明の上述した特徴を詳細に理解できるように、前記で簡単に要約した本発明を、添付図面に幾つか示された実施形態を参照して、より詳細に説明する。しかしながら、添付図面は、本発明の典型的な実施形態を示すに過ぎず、それ故、本発明の範囲を何ら限定するものではなく、本発明は、他の等しく有効な実施形態も受け入れられることに注意されたい。
詳細な説明
[0015]本発明は、基板処理チャンバにおいて膜の化学気相堆積（ＣＶＤ）を行うと共に、チャンバの改良された清掃を行う方法及び装置を提供する。ここに述べる装置及び方法から利益が得られる堆積チャンバは、炭素ドープの酸化シリコンのような酸化物、シリコン含有膜、及び進歩型パターン化膜（ＡＰＦ）を含む他の誘電体材料を堆積するのに使用できるチャンバを含む。堆積チャンバは、例えば、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアルズ社から入手できるＰｒｏｄｕｃｅｒ（登録商標）チャンバである。このＰｒｏｄｕｃｅｒ（登録商標）チャンバは、炭素ドープの酸化シリコン及び他の材料を堆積するのに使用できる２つの分離された処理領域をもつＣＶＤチャンバである。２つの分離された処理領域を有するチャンバは、参考としてここに援用する米国特許第５，８５５，６８１号に説明されている。Ｐｒｏｄｕｃｅｒ（登録商標）チャンバは、遠隔プラズマ源を取り付けることのできるポートを有する。ここに述べる方法の実施形態には、コロラド州フォートコリンズのアドバンスト・エナージー・インダストリーズ社から入手できる遠隔プラズマ源、モデル番号５７０７０２４−Ｆを伴うＰｒｏｄｕｃｅｒ（登録商標）チャンバを使用することができる。
[0015]本発明は、基板処理チャンバにおいて膜の化学気相堆積（ＣＶＤ）を行うと共に、チャンバの改良された清掃を行う方法及び装置を提供する。ここに述べる装置及び方法から利益が得られる堆積チャンバは、炭素ドープの酸化シリコンのような酸化物、シリコン含有膜、及び進歩型パターン化膜（ＡＰＦ）を含む他の誘電体材料を堆積するのに使用できるチャンバを含む。堆積チャンバは、例えば、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアルズ社から入手できるＰｒｏｄｕｃｅｒ（登録商標）チャンバである。このＰｒｏｄｕｃｅｒ（登録商標）チャンバは、炭素ドープの酸化シリコン及び他の材料を堆積するのに使用できる２つの分離された処理領域をもつＣＶＤチャンバである。２つの分離された処理領域を有するチャンバは、参考としてここに援用する米国特許第５，８５５，６８１号に説明されている。Ｐｒｏｄｕｃｅｒ（登録商標）チャンバは、遠隔プラズマ源を取り付けることのできるポートを有する。ここに述べる方法の実施形態には、コロラド州フォートコリンズのアドバンスト・エナージー・インダストリーズ社から入手できる遠隔プラズマ源、モデル番号５７０７０２４−Ｆを伴うＰｒｏｄｕｃｅｒ（登録商標）チャンバを使用することができる。
[0016]ここに述べる実施形態では、Ｐｒｏｄｕｃｅｒ（登録商標）チャンバの両方の分離された処理領域に１つの遠隔プラズマ源を接続するように、Ｐｒｏｄｕｃｅｒ（登録商標）チャンバに遠隔プラズマ源を取り付けることができる。しかしながら、以下に述べるプロセスは、２つの遠隔プラズマ源を例えばティーラインによりＰｒｏｄｕｃｅｒ（登録商標）チャンバの各処理領域に接続して使用し、流量を適宜に調整することにより、実行されてもよい。以下に述べるガス流量は、分離された処理領域の各々により経験される流量を指す。Ｐｒｏｄｕｃｅｒ（登録商標）チャンバにより全体的に経験されるガス流量、即ち、両方の分離された処理領域の流量を合成したものは、分離された処理領域の各々により経験されるガス流量のほぼ２倍である。これら実施形態の幾つかの実施例は、２つの処理領域を有するＰｒｏｄｕｃｅｒチャンバの単一の処理領域を清掃するものとして説明するが、ここに述べる方法は、１つ以上の処理領域を有するチャンバの処理領域を清掃するのに使用できる。
[0017]図２は、本発明の一実施形態の断面図である。このチャンバ２００は、ガス入口通路６４０及びガスボックス６４２を有し、ガスボックス６４２は、このガスボックスの上部に沿って且つフェースプレート２０３の上面に沿って環状インサート２０１に埋設された加熱素子により加熱される。加熱素子インサート２０１は、クランププレート２０２で位置が安定される。絶縁材２０５がクランププレートの上面を絶縁することができる。加熱素子インサート２０１は、ミズリー州セントルイスのワトロー・コーポレーションから入手できる部品番号１６８１６８５００をもつＷａｔｌｏｗヒータのようなシリコーンゴムヒータでよい。熱電対を表面に沿って挿入し、インサート２０１の中心に埋設することができる。クランププレート２０２は、絶縁体として働いてもよい。クランププレート２０２は、アルミニウム及びステンレススチールの合金又は混合物で形成されてもよい。或いは又、インサート２０１の上面又はクランププレート２０２の上面に沿って絶縁材を供給してもよい。
[0018]図３は、図２のチャンバの別の実施形態の断面図である。チャンバ３００は、フェースプレート２０３の壁３０２を有し、この壁は、ガス入口通路６４０の周囲に係合すると共に、埋設、鋳込み又は挿入される加熱素子（図示せず）のためのチャンネル３０１を含む。ガス分配アセンブリ６０８は、アルミニウムのようなフェースプレート２０３へ熱を導通する材料で構成される。
[0019]図４は、図２のチャンバの別の実施形態の断面図である。このチャンバ４００は、ガス入口通路６４０を有し、このガス入口通路６４０の頂部に沿ってインサート４０１が設けられる。インサート４０１は、埋設された加熱素子を伴う固体金属であるリング状のヒータである。インサート４０１は、ブロッカープレート４０２の頂部にクランプされる。インサート４０１は、アルミニウム合金から形成できる。ブロッカープレート４０２も、フェースプレート２０３への熱伝達を容易にするためにアルミニウムのような導電性材料で形成できる。フェースプレート２０３も、アルミニウムで形成できる。
[0020]図５は、図２のチャンバの別の実施形態の断面図である。このチャンバ５００は、ガス入口通路６４０を有し、フェースプレート２０３の支持体５０２の上縁に、ブロッカープレート６０２の下縁の周囲に沿ってインサート５０１が設けられる。ガス入口通路６４０の直径は、インサート５０１を受け入れるように減少されてもよい。インサート５０１は、アルミニウム合金で形成できる。インサート５０１は、埋設された加熱素子を有してもよいし、又は加熱素子がインサート５０１の中間部の溝内に置かれてもよい。
[0021]動作中、プロセスガス及び担体ガスは、ガス入口通路６４０に入れる前に予熱されてもよい。また、ガスは、それがガスボックスに入るときに、図２−５に示す種々の加熱素子により更に加熱される。次いで、ガスは、フェースプレートを通して流れ、チャンバの処理領域に入る。フェースプレートは、ガスがガス入口通路を去るときにガスにより直接的に加熱されると共に、ガスボックスに供給される熱により間接的に加熱される。
[0022]ガスボックスを加熱すると、フェースプレートが間接的に加熱され、これは、エッチング剤種子の再結合を減少し、ひいては、エッチング率を改善することができる。また、これは、ガスボックス内の堆積を減少し、ひいては、清掃時間を短縮する。堆積率が温度に逆比例するときにＣＶＤプロセスのための清掃時間をこのように短縮することは、炭素ドープの酸化シリコン、酸素ドープの炭化シリコン、酸化シリコン、アモルファス炭素、及び窒化シリコンのような膜にとって望ましいことである。
[0023]ガス入口通路の設定点温度が７５から２００℃へ上昇されると、フェースプレートの縁の温度が約１００から約１７５℃へ上昇する。フェースプレートの縁の温度を設定点温度の関数としてプロットすると、曲線の傾斜が湾曲する。ガス入口の設定点温度が７５から１２５℃へ上昇すると、フェースプレートの縁の温度は、約１００から約１１０℃へ上昇する。ガス入口の設定点温度が１２５から２００℃へ上昇すると、フェースプレートの縁の温度は、約１１０から約１７５℃へ上昇する。
[0024]６トールの予熱したヘリウムを９０００ｓｃｃｍで、加熱したガス入口通路へ、及び基板とフェースプレートとの間を２００ｍｍにしたチャンバの処理領域へ導入したときに、フェースプレートの縁及び中心の温度をガス入口通路の設定点温度の関数としてプロットした。フェースプレートの中心の温度と、フェースプレートの縁の温度の両方に対する曲線のカーブは同様であった。フェースプレートの中心の温度は、フェースプレートの縁より約８０℃高かった。
[0025]加熱されたガスボックスが、炭素ドープ酸化シリコン膜の堆積にいかに影響するか例示するために、酸素中のトリメチルシランをヘリウムと共にチャンバに導入した。ガスボックス及び基板支持体を、１２０、１５０、１７５及び２００℃に加熱した。温度が上昇するにつれて、膜厚み及び膜堆積率が基板の表面にわたって増加すると共に、フェースプレートのような他のチャンバ表面に沿った望ましからぬ堆積物の形成が減少された。
[0026]加熱されたガスボックスが、別の炭素ドープ酸化シリコン膜の堆積にいかに影響するか例示するために、オクタメチルサイクロテトラシロキサン及び酸素をチャンバに導入した。ガス入口通路及び基板支持体を、１２０、１５０、１７５及び２００℃に加熱した。温度が上昇するにつれて、膜厚みは、６０秒のテスト中に約７８００から約９６００Åへ増加した。膜堆積率は、６０秒のテスト中に約７８００から約９６００Å／分へ増加した。
[0027]非ドープのシリコンガラス上のトリエチルオキシシランを異なる温度でエッチングした。基板支持体及びガス入口通路の温度設定点の関数としてエッチング率をプロットすると、基板支持体及びガス入口通路の温度が上昇するにつれて、膜のエッチング率も増加することが明らかになった。ガス入口通路が２００℃の状態でのシステムのエッチング率は、従来のシステムのエッチング率の２倍より大きかった。
[0028]基板の表面にわたるエッチング率を、基板の中心、縁、及び縁と中心との中間において測定した。トリメチルシラン膜をクーポンに堆積した。ガス入口通路を２００℃にし、基板支持体を３５０℃にして、エッチングを１５秒間行った。ＮＦ３を２５００ｓｃｃｍでシステムに供給すると共に、ヘリウムを９０００ｓｃｃｍで供給した。圧力は、６トールであった。膜は、２００ｍｍ層に堆積された。基板の中心に対して１つの測定を行い、基板の中間及び縁に対して４つの測定を行った。縁に沿った平均エッチング率は、約１１５ｋÅ／分であった。基板の中間に沿った平均エッチング率は、約１３４ｋÅ／分であった。中心のエッチング率は、約１２０ｋÅ／分であった。
[0029]ガス入口通路を２００℃に設定し、１５００ｓｃｃｍのＮＦ３及び１０００ｓｃｃｍのＨｅを６トールで流したときに、チャンバマウントの光学的終点トレースを測定した。プラズマを３５０Ｗに設定した。膜厚みは４５０ｍｍであった。電圧を時間の関数として測定した。１ｍｍの炭素ドープ酸化シリコンに対する終点は、約７０秒であった。
[0030]従来のシステムの清掃時間より短い清掃時間での反復性テストで、粒子スパイクをもたない基板が形成された。また、反復性テストの後に検査したときにチャンバはきれいであった。
[0031]以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の基本的な範囲から逸脱せずに他の及び更に別の実施形態を案出することもでき、従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲により限定されるものとする。
２００…チャンバ、２０１…環状インサート、２０２…クランププレート、２０３…フェースプレート、３００…チャンバ、３０１…チャンネル、３０２…壁、４００…チャンバ、４０１…インサート、４０２…ブロッカープレート、５００…チャンバ、５０１…インサート、５０２…支持体、６０２…ブロッカープレート、６０３…駆動システム、６０４…チャンバ蓋、６０８…ガス分配アセンブリ、６１２…チャンバ本体、６１８、６２０…処理領域、６２６…ステム、６４０…ガス入口通路、６４２…ガスボックス、６４８…ベースプレート、６５２…冷却チャンネル、６５７…冷却剤管路、８００…遠隔プラズマ源、
Claims (10)
- 処理領域で基板に化学気相堆積を行うためのチャンバにおいて、
内部に画定された処理領域を有するチャンバ本体と、
チャンバ本体に配置されたチャンバ蓋と、
チャンバ蓋に連結されたガス分配アセンブリであって、当該ガス分配アセンブリはフェースプレート及びベースプレートを備え、当該フェースプレートは、中央ガス通路領域、当該中央ガス通路領域の外側部から上方に延びる円筒壁、及び当該円筒壁から外側に延びる環状フランジを有し、当該ベースプレートはフェースプレートのフランジと同心円状に積み重ねられたフランジを有し、当該フランジはチャンバ蓋の上に支持されている、ガス分配アセンブリと、
ガス分配アセンブリ内でフェースプレートとベースプレートとの間に画定されたガスボックスであって、ここで当該ガスボックスはフェースプレートの中央ガス通路領域を通って処理領域へとガスを導入する、ガスボックスと、
フェースプレートのフランジ上に垂直にガス分配アセンブリのベースプレートのフランジに連結された加熱環状インサートであって、当該インサートはガスボックス及びフェースプレートを加熱するように配され、ここで当該加熱環状インサートはフェースプレートと同心円状であり且つ蓋から垂直方向に離間されている、加熱環状インサートと、
を備えたチャンバ。 - 上記インサートに加熱素子が埋設されている、請求項１に記載のチャンバ。
- 上記ガス分配アセンブリの上面に沿って置かれた上記インサートに加熱素子が埋設されている、請求項１に記載のチャンバ。
- 上記インサートはシリコンゴムインサートである、請求項１に記載のチャンバ。
- 上記シリコンゴムインサートはワイヤ巻きされている、請求項４に記載のチャンバ。
- 上記インサートは金属ヒータリングである、請求項１に記載のチャンバ。
- 上記ベースプレートがさらに上記ガスボックスに流体連結されたガス入口通路を備え、ここで上記インサートはベースプレートと接触する、請求項１に記載のチャンバ。
- 上記インサートがそこに埋設された加熱素子を有する、請求項７に記載のチャンバ。
- 処理領域で基板に化学気相堆積を行うためのチャンバにおいて、
内部に画定された処理領域を有するチャンバ本体と、
チャンバ本体に配置されたチャンバ蓋と、
チャンバ蓋に連結されたガス分配アセンブリと、を備え、
当該ガス分配アセンブリはさらに、
処理領域に晒された中央ガス通路領域の第一側面及びチャンバ蓋の上部に配置されたフランジを有するフェースプレートであって、当該中央ガス通路領域は環状壁により当該フランジに連結されており、ここで当該中央ガス通路領域は当該環状壁の半径方向内側を向き、そして当該フランジは環状壁の半径方向外側を向く、フェースプレートと、
フェースプレートのフランジと同心円状に積み重ねられたフランジを有するベースプレートと、
フェースプレートの第二側面上に画定されたガスボックスであって、当該第二側面は処理領域から離れる方向を向くガスボックスと、
フェースプレートのフランジの上部及びベースプレートのフランジの下部に配置された加熱素子であって、ここで当該フェースプレートのフランジは当該加熱素子とチャンバ蓋の間に配置され、当該加熱素子はフェースプレートを加熱するように配されている、加熱素子と、
を備えたチャンバ。 - 上記加熱素子がフェースプレートと同心円状の環状リングである、請求項９に記載のチャンバ。
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