JP5548028B2 - 堆積チャンバのリモートクリーニング方法 - Google Patents
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Si+4F→SiF4↑ … 式(1)
また、本発明によれば、従来より格段に少ない電力で、かつ少ないフッ素化合物ガス供給量でクリーニングを実施することができる。これにより低コストでかつ地球温暖化に対するインパクトの少ないプロセスを提供することができる。
図1に示すリモートクリーニングシステムは、CVD装置1に対してリモートクリーニング方法を適用したものであり、CVD装置1とは別にリモートプラズマ源30を備えており、プラズマCVDプロセスの後に、リモートプラズマクリーニングができる機能を備えている。CVD装置1は、例えばシリコンウェーハ用のプラズマCVD装置であって、シリコン化合物を堆積するプロセスを行う堆積チャンバとしてCVDチャンバ10を備えている。
上部電極11と下部電極12の間にプラズマを発生させるために、CVDチャンバ10の外部においてRF電源18がマッチング回路19を介して高周波出力(RF電力)を上部電極11に供給する。
リモートプラズマ源30は、CVDチャンバ10外に間隔を置いて位置する。この間隔は、リモートプラズマ源30で生成するプラズマがCVDチャンバ10に拡散してCVDチャンバ10内の構成備品や基板に有害な影響を与えない程度の長さである。リモートプラズマ源30は、一連の堆積作業後に、CVDチャンバ10内部をクリーニングするために使用され、クリーニング用ガスをCVDチャンバ10に供給する。リモートプラズマ源30は、プラズマ発生部31と、このプラズマ発生部31内のクリーニング用ガスを活性化するためのプラズマ発生手段32とを備える。
プラズマ発生部31には、導管33を介してクリーニング用ガスとしてフッ素またはフッ素化合物ガスが流入する。プラズマ発生部31の圧力は、DP25等によって、100Pa以下に減圧されている。つまり、クリーニング用ガスは100Pa以下にて供給される。ここで、プラズマ発生部31の圧力を100Pa以下とした理由は、後記する圧力依存エッチレート実験(実施例1,2)に示すとおり、この圧力範囲ならば、比較的低電力においてもクリーニング速度の低下が生じないという測定結果が得られたからである。特に、クリーニング用ガスは75Pa以下(実施例2)にて供給されることが好ましい。なお、特許文献1に記載のRPC法では、実質的に15torr(約2000Pa)もの圧力下でなければクリーニングができない。
リモートプラズマ源30は、導管33を介して、クリーニング用ガス供給システム34に接続されている。
クリーニング用ガス供給システム34は、クリーニング用ガスをリモートプラズマ源30に供給するものであり、図示は省略するが、クリーニング用ガス供給源と、このクリーニング用ガス供給源からリモートプラズマ源30へのガスの流れを制御する制御手段とを備えている。クリーニング用ガス供給システム34は、オペレータが選択した流量でクリーニング用ガスをその供給源からリモートプラズマ源30に供給することができる。
COF2(フッ化カルボニル)のGWP値は1であり、NF3の約1万分の1なので、NF3(三フッ化窒素)の代替ガスとしても好ましい。
F2(フッ素ガス)のGWP値は0なので好ましい。
本実施形態のリモートクリーニング方法を使えば、後記するようにクリーニング効率が上がるので、これらのクリーニング用ガスの消費量を減らすことができ、温暖化防止の観点からも、大きな効果がある。
事前にCVD装置1において、まず、CVDチャンバ10にリモートプラズマ源30を接続する。このとき、導管29によって、リモートプラズマ源30のプラズマ発生部31を、プラズマがCVDチャンバ10に拡散してCVDチャンバ10内の構成備品や基板に有害な影響を与えない程度に離間させて配設する。そして、リモートプラズマ源30とクリーニング用ガス供給システム34とを接続する。なお、クリーニング用ガス供給システム34に接続した後でリモートプラズマ源30をCVDチャンバ10に接続してもよい。
ここでは、まず、クリーニングレートの圧力依存性を調べるために圧力依存エッチレート実験を行い、次いで、クリーニングレートのクリーニングガス濃度依存性を調べるために濃度依存エッチレート実験を行った。
各実験では、図1に例示するCVD装置1として200mmシリコンウェーハ用のプラズマCVD装置を用いてSi3N4の製膜を行った後に、リモートプラズマ源30として、ランドマークテクノロジー社製プラズマ発生装置LS4000を利用してリモートクリーニングを行った。
<堆積条件>
被クリーニングチャンバ(堆積チャンバ)は、次の条件によりSi3N4を堆積するプロセスを行った。すなわち、CVDチャンバ10に供給した原料ガスの種類および流量は以下の通りである。モノシランガス(SiH4)を流量220sccm、アンモニアガス(NH3)を流量400sccm、窒素ガス(N2)を流量1500sccmでそれぞれCVDチャンバ10に供給した。なお、sccmは、standard cc per minを示し、0℃,1気圧の条件で1分間当たりのccで表した流量単位である。
その他の条件としては、CVDチャンバ10の圧力は400Paに維持した。
また、RF電源18は、13.56MHzのRF電力を1200W印加しプラズマを発生させた。基板13の温度は300Kに設定した。なお、Si3N4膜の製膜条件は、これらの条件に限定されるわけではなく、例えば、原料ガスの種類として、モノシラン+ヘリウム+窒素によっても形成することができる。
前記した堆積条件でSi3N4膜を堆積させた後、原料ガスをCVDチャンバ10内から完全に除去するため真空排気した後、N2ガスを流量2000sccm、圧力100Paの条件で30分間流した。
クリーニング用ガスとして三フッ化窒素ガス(NF3)を流量1800sccmでリモートプラズマ源30のプラズマ発生部31に供給し、リモートプラズマ源30のプラズマ発生手段32にてRF電力2500Wにてプラズマを発生させた。
このとき、他の条件としては、プラズマ発生部31の中心とCVDチャンバ10の中心との距離を900mm、導管29の内径を50mmとした。
CVDチャンバ10内に堆積したSi3N4膜がエッチングされて生成する反応生成物である四フッ化珪素(SiF4)ガスの量を測定した。
プラズマ発生部31の圧力を様々な値に変化させたときに、同様な測定を行った。ここでは、主な測定点として、75Pa(実施例1),100Pa(実施例2),160Pa(参考例1),200Pa(参考例2),300Pa(参考例3)の各圧力にて測定した結果を図3にプロットした。
クリーニング速度(クリーニングレート)は、CVDチャンバ10内に堆積したSi3N4膜がエッチングされて生成する反応生成物である四フッ化珪素(SiF4)ガスの量で相対的に評価した。つまり、反応生成物であるSiF4の濃度からクリーニングレートを計算で求めた。
測定結果を図3のグラフに示す。
図3のグラフにおいて、横軸はプラズマ発生部31の圧力をPaの単位で示し、縦軸は任意単位(a.u.:arbitrary units)でクリーニングレートを示している。
図3に示すように、圧力300Paの場合、クリーニングレートは任意単位で2050であった。この圧力(300Pa)を基準にして100Pa低下させた場合(圧力200Paの場合)、クリーニングレートは約60%上昇して任意単位で3250であった。
この圧力(200Pa)を基準にして40Pa低下させた場合(圧力160Paの場合)、クリーニングレートは約2%上昇して任意単位で3320であった。
この圧力(160Pa)を基準にして60Pa低下させた場合(圧力100Paの場合)、クリーニングレートは約12%上昇して任意単位で3720であった。
この圧力(100Pa)を基準にして25Pa低下させた場合(圧力75Paの場合)、クリーニングレートは約100%上昇して任意単位で約2倍の7500であった。
以上の測定結果から、圧力依存エッチレート実験では、圧力が100Pa以下で急激にエッチレート(クリーニングレート)が上昇することが分かる。
実施例1,2および各参考例と比較するために比較例として、NF3流量と、圧力と、RF電力の各条件を、クリーニング条件として通常良く用いられる値にそれぞれ変更して同様の測定を行った。比較例の条件は、NF3流量2000sccm、圧力2000Pa、RF電力5000Wとした。実施例1,2および各参考例と同一測定系を利用して、この比較例の条件において測定したときの反応生成物であるSiF4の濃度から計算で求めたクリーニングレートは、任意単位で2300であった。
実施例1(圧力75Pa)の場合、NF3流量1800sccm、RF電力2500Wの条件としたときのクリーニングレートは、任意単位で7500であった。
したがって、実施例1において75Paにすることで、比較例の50%のRF電力、かつ、比較例の90%のNF3使用量(流量)で、約3.2倍のクリーニングレートが得られた。例えると、比較例で示す従来の方法でクリーニングに10分間要すると仮定すると、3分でクリーニングできることを意味する。すなわち、実施例1の測定結果は、低い消費電力で短時間でクリーニングが終了することを示し、従来と比して十分低コストのクリーニングを実現することができると結論付けられる。
また、実施例2(圧力100Pa)の場合には、比較例の50%のRF電力、かつ、比較例の90%のNF3使用量で、約1.6倍のクリーニングレートが得られた。
なお、参考例1(160Pa)または参考例2(200Pa)の場合には、比較例の50%のRF電力、かつ、比較例の90%のNF3使用量で、約1.4倍のクリーニングレートが得られた。
濃度依存エッチレート実験は、クリーニング用ガスの濃度を変化させた点以外は、圧力依存エッチレート実験と同様なので、詳細な説明は省略し、異なる点について説明する。
クリーニング用ガスにアルゴン(Ar)を添加する場合について、Ar濃度0〜41%の範囲の様々な値でNF3ガスを用いて測定した。
アルゴン(Ar)を添加または無添加のNF3ガスを、流量4000sccmでリモートプラズマ源30のプラズマ発生部31に供給し、リモートプラズマ源30のプラズマ発生手段32にてRF電力2900Wにてプラズマを発生させた。また、他の条件としては、クリーニングガスを100Paの圧力でリモートプラズマ源30のプラズマ発生部31に供給した。
前記した測定方法、評価方法以外に、プラズマの不安定性を調べた。具体的には、リモートプラズマ源30で生成したプラズマ発光状態が時間的に変動したり、プラズマ吹き出し口付近に異常な放電が見られた場合にプラズマが不安定であると判断した。なお、プラズマの発光状態や異常放電の有無は、CVDチャンバ10の壁面に設けられた図示しないビューポート(のぞき窓)から、発光部の状態を目視観察して判断することができる。
図4に示すように、例えばAr濃度0%(濃度100%のNF3)の場合(実施例3)、クリーニングレートは任意単位で3470であった。
Ar濃度15%(濃度85%のNF3)の場合(参考例3)、クリーニングレートは無添加の場合に比べて約9%下降して任意単位で3150であった。
Ar濃度26%(濃度74%のNF3)の場合(参考例4)、クリーニングレートは無添加の場合に比べて約14%下降して任意単位で3000であった。
Ar濃度41%(濃度59%のNF3)の場合(参考例5)、クリーニングレートは無添加の場合に比べて約17%下降して任意単位で2870であった。
10 CVDチャンバ(堆積チャンバ)
11 上部電極
12 下部電極
13 基板
14 基板搬送装置
15 ゲートバルブ
16 基板温度制御器
17 穴
18 RF電源
19 マッチング回路
20 原料ガス吸気口
21 CVD用ガス供給システム
22 排気口
23 APC
24 MBP
25 DP
26 排出管
27 排ガス処理装置
28 ガス分析装置(FT−IR)
29 導管
30 リモートプラズマ源
31 プラズマ発生部(放電室)
32 プラズマ発生手段
321 高周波コイル
322 高周波電源ユニット
323 変換アダプタ
33 導管
34 クリーニング用ガス供給システム
Claims (4)
- シリコン化合物を堆積するプロセスを行った堆積チャンバをリモートプラズマ源を用いてクリーニングするために、前記リモートプラズマ源のプラズマ発生部と、前記堆積チャンバにおける原料ガス吸気口とは異なる部位と、を所定長さの導管により接続して配設したリモートクリーニングシステムにおける堆積チャンバのリモートクリーニング方法であって、
予め所定の条件で行った予備実験において前記リモートプラズマ源のプラズマ発生部が発生させるプラズマが前記導管を介して前記堆積チャンバに拡散して前記堆積チャンバ内の構成備品及び基板に与えるダメージを測定することで、実際のリモートクリーニングにおいて前記導管を介して前記堆積チャンバに拡散するプラズマが前記堆積チャンバ内の前記構成備品及び前記基板に有害な影響を与えないように前記導管の長さが決定されており、
前記堆積チャンバの排気口側に設けられたポンプによって、当該堆積チャンバ及び前記導管を介して接続された前記リモートプラズマ源のプラズマ発生部を減圧することで、クリーニング用ガスとして90%以上の濃度のフッ素またはフッ素化合物ガスを100Pa以下の圧力で前記リモートプラズマ源のプラズマ発生部に供給するステップと、
前記リモートプラズマ源にて3000ワット未満の高周波電力を供給し前記プラズマ発生部にプラズマを発生させて前記プラズマ発生部にて前記100Pa以下の圧力のもとで前記フッ素またはフッ素化合物ガスからフッ素活性種を生成するステップと、
前記リモートプラズマ源のプラズマ発生部にて生成したフッ素活性種を前記導管を介して前記堆積チャンバ内に導入して前記フッ素活性種によって前記プラズマ発生部よりも低い圧力のもとで前記堆積チャンバの内部をクリーニングするステップと、
を含むことを特徴とする堆積チャンバのリモートクリーニング方法。 - 前記クリーニング用ガスのフッ素またはフッ素化合物ガスは、NF3,C3F8,COF2,F2のいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の堆積チャンバのリモートクリーニング方法。
- 前記クリーニング用ガスは、10%以下の濃度のAr、HeまたはXeを含むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の堆積チャンバのリモートクリーニング方法。
- 絶縁体で囲まれた放電室とその外側に配置されたRF電力供給部品とを備えるリモートプラズマ源を用いて、シリコン化合物を堆積するプロセスを行った堆積チャンバをクリーニングするために、前記リモートプラズマ源の放電室と、前記堆積チャンバにおける原料ガス吸気口とは異なる部位と、を所定長さの導管により接続して配設したリモートクリーニングシステムにおける堆積チャンバのリモートクリーニング方法であって、
予め所定の条件で行った予備実験において前記リモートプラズマ源の放電室が発生させるプラズマが前記導管を介して前記堆積チャンバに拡散して前記堆積チャンバ内の構成備品及び基板に与えるダメージを測定することで、実際のリモートクリーニングにおいて前記導管を介して前記堆積チャンバに拡散するプラズマが前記堆積チャンバ内の前記構成備品及び前記基板に有害な影響を与えないように前記導管の長さが決定されており、
前記堆積チャンバの排気口側に設けられたポンプによって、当該堆積チャンバ及び前記導管を介して接続された前記リモートプラズマ源のプラズマ発生部を減圧することで、クリーニング用ガスとして90%以上の濃度のフッ素またはフッ素化合物ガスを100Pa以下の圧力で前記リモートプラズマ源の放電室に供給するステップと、
前記リモートプラズマ源にて前記RF電力供給部品によって前記放電室に3000ワット未満の高周波電力を供給し前記放電室にプラズマを発生させて前記放電室にて前記100Pa以下の圧力のもとで前記フッ素またはフッ素化合物ガスからフッ素活性種を生成するステップと、
前記リモートプラズマ源の放電室にて生成したフッ素活性種を前記導管を介して前記堆積チャンバ内に導入して前記フッ素活性種によって前記放電室よりも低い圧力のもとで前記堆積チャンバの内部をクリーニングするステップと、
を含むことを特徴とする堆積チャンバのリモートクリーニング方法。
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